(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中で被コーティング部材の表面にアルミニウムをコーティングするアルミコーティング方法において、前記真空中で、カーボンと接触させた状態でアルミナを１３００℃以上に加熱してアルミナを分解させると共に、発生したアルミガスを前記被コーティング部材の表面にコーティングすることを特徴とするアルミコーティング方法。
【請求項２】
前記カーボンがカーボンヒータであり、
該カーボンヒータ上にアルミナを配置し、前記カーボンヒータでアルミナを加熱する請求項１記載のアルミコーティング方法。
【請求項３】
前記真空の圧力が１０-4Ｐａ以下である請求項１または２記載のアルミコーティング方法。
【請求項４】
真空炉内で被コーティング部材の表面にアルミニウムをコーティングするアルミコーティング装置において、前記真空炉内に、前記被コーティング部材を収容するアルミコーティング部と、カーボンと接触させた状態のアルミナを加熱するアルミガス発生部とを設けたことを特徴とするアルミコーティング装置。
【請求項５】
前記真空炉内に、前記アルミコーティング部を収容する加熱室を形成し、その加熱室内に、前記アルミガス発生部を収容する強加熱部を形成した請求項４記載のアルミコーティング装置。
【請求項６】
前記真空炉内に、前記アルミコーティング部を収容する加熱室を形成すると共に、前記アルミガス発生部を収容する強加熱室を形成し、前記加熱室と前記強加熱室との間に流路を形成した請求項４記載のアルミコーティング装置。
【請求項７】
前記真空炉に、その真空炉内の前記加熱室に前記被コーティング部材を出し入れする予備排気室をゲートバルブを介して接続した請求項６記載のアルミコーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェットエンジンタービン翼、車両用過給機タービン翼などに用いるアルミコーティング方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジェットエンジンや車両用過給機などに用いられるタービンは、高効率化、高出力化によりその入口温度が高くなる傾向にある。このため、タービン翼には過酷な環境に耐えうる高い耐熱性、燃焼ガスへの耐食性、耐酸化性などが要求される。
【０００３】
タービン翼としては、一般的にニッケル基あるいはコバルト基の耐熱超合金が用いられているが、これらの基材のみで過酷な環境に対応するには限界があり、アルミナなどの高温耐食材をコーティングすることが実施されている。
【０００４】
アルミナをコーティングする場合、まず、タービン翼の基材をアルミコーティングした後、アルミコーティングを酸化させてアルミナを得る方法が一般的である。
【０００５】
従来、タービン翼をアルミコーティングする方法としては、例えば、粉末パック（Ｐａｃｋ  Ｃｅｍａｎｔａｔｉｏｎ）や、ＶＰＡ（Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇ）が挙げられる。
【０００６】
粉末パックによるアルミコーティング方法では、図８に示すように、まず、加熱炉８１内にアルミ合金粉末、ハロゲン化合物（例えば、ＡｌＦ３、ＮＨ４Ｃｌなど）、および焼結防止剤を混合した混合粉末８２を収容し、その混合粉末にタービン翼などの被コーティング部材８３を埋め込む。
【０００７】
その後、混合粉末８２のアルミ合金とハロゲン化合物を高温で反応させて、ハロゲン化アルミニウム（例えば、ＡｌＦＸ、ＡｌＣｌＸ）を生成し、そのハロゲン化アルミニウムのガス拡散により被コーティング部材８３の表面にアルミニウムを輸送すると共に、被コーティング部材８３の表面でハロゲン化アルミニウムを還元させてアルミニウムを析出させ、さらに、析出させたアルミニウムと被コーティング部材８３の元素とを相互拡散させることによりＡｌ合金層を形成している。
【０００８】
一方、ＶＰＡによるアルミコーティング方法では、図９に示すように、加熱炉９１内に顆粒（もしくは粉末もしくは塊）の金属アルミ含有合金９２（例えば、ＣｒＡｌやＦｅＡｌ、ＴｉＡｌなど）を収容すると共に、この金属アルミ含有合金９２に活性剤（ハロゲン化合物：ＮＨ４Ｃｌ、ＮＨ４Ｆ、ＮａＣｌなど）および焼結防止剤（アルミナ、カオリンなど）を加え、加熱炉９１内で加熱する。
【０００９】
これにより、金属アルミ含有合金９２を分解してハロゲン化アルミニウムを生成し、粉末パックによる方法と同様に、被コーティング部材９３表面にアルミニウムのコーティング皮膜を作製する。
【００１０】
その他のアルミコーティング方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの化学プロセスにより、アルミ系のキャリーガスをタービン翼表面に流すことにより、アルミコーティングを行う方法がある（例えば、特許文献１）。
【００１１】
【特許文献１】特開平０９−１９５０４９号公報
【特許文献２】特開平０８−２２５９５８号公報
【特許文献３】特開２００２−１５５３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、粉末パックやＶＰＡなどの従来のアルミコーティング方法では、使用後のアルミ合金が産業廃棄物になってしまうという問題があり、さらに活性剤としてフッ化物（ハロゲン化合物）を使用しているために、安全面での問題もある。
【００１３】
また、従来のアルミコーティング方法では、アルミ合金を分解してハロゲン化アルミニウムを生成し、さらにそのハロゲン化アルミニウムを還元してコーティングしているために、コーティングの膜厚や状態が被コーティング部材の表面積や反応ガスの流れにより左右されやすく、コーティングの膜厚や状態をコントロールすることが難しいという問題がある。
【００１４】
さらに、アルミガス供給源となるアルミ合金の表面層からアルミが抜けた後ではコーティング能力が落ちてしまうという問題や、アルミ合金に含まれる金属の残渣がコーティングに残ってしまうという問題、さらにはアルミ合金として粉末を用いた場合、反応時に粒子同士が焼きつきやすい（アルミにより融着する）といった問題もある。
【００１５】
また、ＣＶＤによるアルミコーティング方法では、装置構造が複雑になるため設備コストが高くなり、さらに、アルミのキャリーガスの種類が限定され高価なものを用いなければならないため、製品価格が高くなってしまうという問題がある。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、産業廃棄物が発生せず、コーティングの膜厚や状態の変化が小さく、コーティング能力の経時劣化や粒子同士の融着、金属の残渣など、アルミ発生源である金属に起因する作業性問題を解決することが可能なアルミコーティング方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、真空中で被コーティング部材の表面にアルミニウムをコーティングするアルミコーティング方法において、前記真空中で、カーボンと接触させた状態でアルミナを１３００℃以上に加熱してアルミナを分解させると共に、発生したアルミガスを前記被コーティング部材の表面にコーティングするアルミコーティング方法である。
【００１８】
請求項２の発明は、前記カーボンがカーボンヒータであり、該カーボンヒータ上にアルミナを配置し、前記カーボンヒータでアルミナを加熱する請求項１記載のアルミコーティング方法である。
【００１９】
請求項３の発明は、前記真空の圧力が１０-4Ｐａ以下である請求項１または２記載のアルミコーティング方法である。
【００２０】
請求項４の発明は、真空炉内で被コーティング部材の表面にアルミニウムをコーティングするアルミコーティング装置において、前記真空炉内に、前記被コーティング部材を収容するアルミコーティング部と、カーボンと接触させた状態のアルミナを加熱するアルミガス発生部とを設けたアルミコーティング装置である。
【００２１】
請求項５の発明は、前記真空炉内に、前記アルミコーティング部を収容する加熱室を形成し、その加熱室内に、前記アルミガス発生部を収容する強加熱部を形成した請求項４記載のアルミコーティング装置である。
【００２２】
請求項６の発明は、前記真空炉内に、前記アルミコーティング部を収容する加熱室を形成すると共に、前記アルミガス発生部を収容する強加熱室を形成し、前記コーティング部が真空排気の下流に、前記アルミガス発生部が真空排気の上流となるように加熱室間に流路を形成した請求項４記載のアルミコーティング装置である。
【００２３】
請求項７の発明は、前記真空炉に、その真空炉内の前記加熱室に前記被コーティング部材を出し入れする予備排気室をゲートバルブを介して接続した請求項６記載のアルミコーティング装置である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、アルミナを加熱してアルミガスと酸素に分解し、そのアルミガスを被コーティング部材にコーティングすることで、コーティング時に産業廃棄物が発生せず、コーティングの膜厚や状態の変化を小さくでき、さらに、コーティング能力の経時劣化や粒子同士の融着、金属の残渣など、アルミ発生源である金属に起因する作業性問題を解決することができ、品質安定性、作業性を大きく改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態に係るアルミコーティング装置の概略断面図である。
【００２７】
図１に示すように、アルミコーティング装置１は、真空炉２内で被コーティング部材３の表面にアルミニウムをコーティングするためのものであり、真空炉２内に、被コーティング部材３を収容するアルミコーティング部４からなる加熱室７を設け、その加熱室７の下部に、カーボンと接触させた状態のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）５を加熱するアルミガス発生部６からなる強加熱部８を設けたものである。加熱室７には、加熱室７内を加熱するためのヒータ（図示せず）が設けられる。
【００２８】
被コーティング部材３は、例えば、ジェットエンジンタービン翼や、車両用過給機タービン翼などの基材（ニッケル基超合金、コバルト基超合金など）である。
【００２９】
アルミガス発生部６は、アルミナ５をカーボンヒータ９上に配置して構成される。本実施形態では、カーボンヒータ９に板状のものを用い、そのカーボンヒータ９上に、筒状の焼結体からなるアルミナ５を配置した。アルミナ５としては、例えば、α−アルミナ（コランダム型）を用いるとよい。
【００３０】
真空炉２の上部には排気口１０が設けられ、その排気口１０には、真空炉２内を１０−４Ｐａ以上の真空度に減圧するための真空ポンプなど（図示せず）が接続される。
【００３１】
次に、本実施形態に係るアルミコーティング方法を説明する。
【００３２】
まず、真空炉２の加熱室７内に被コーティング部材３をセットすると共に、カーボンヒータ９上にアルミナ５を配置して、カーボンヒータ９とアルミナ５を接触させる。
【００３３】
その後、真空ポンプなどにより真空炉２内を１０−４Ｐａ以上の真空度に減圧し、図示しないヒータおよびカーボンヒータ９によりアルミナ５を加熱して、強加熱部８（あるいは加熱室７全体）の温度を１３００℃以上、望ましくは１３００〜１４００℃にする。
【００３４】
加熱室７内の真空度を１０−４Ｐａ以上、温度を１３００℃以上とすると、カーボンヒータ９のカーボンによりアルミナ５が還元され、アルミナ５がアルミガスと酸素に分解される。
【００３５】
発生したアルミガスは、加熱室７内に拡散し、加熱室７内にセットされた被コーティング部材３に接触し、被コーティング部材３を構成する元素と相互拡散して、コーティング層が形成される。
【００３６】
アルミナ５の分解により発生した酸素は、カーボンヒータ９のカーボンと反応して一酸化炭素や二酸化炭素となるか、そのまま酸素として排気口１０より排出される。
【００３７】
つまり、本実施形態では、アルミナ５をアルミガスと酸素に分解し、アルミガスをコーティングに利用し、酸素を一酸化炭素、二酸化炭素、あるいは酸素として排出するので、産業廃棄物が発生しない理想プロセスとなる。
【００３８】
アルミコーティングを行う時間は、１〜１０時間、望ましくは４時間程度である。
【００３９】
アルミコーティング終了後、得られた被コーティング部材に焼成処理を施してコーティング層のアルミを酸化させると、アルミナコーティングされた製品が得られる。
【００４０】
ここで、アルミナの分解反応について詳細に説明する。
【００４１】
図２は、アルミナの温度と圧力の状態図（蒸気圧）を示したものである。
【００４２】
図２に示すように、アルミナは真空度１０−４Ｐａでは１６００℃の温度でアルミガスと酸素に分解する。常圧では、アルミナを分解するには２０００℃以上の温度が必要となる。
【００４３】
アルミナは、アルミ合金のようにアルミ以外の金属を含まないため、コーティング能力の経時劣化や粒子同士の融着、金属の残渣など、アルミ発生源である金属に起因する作業性問題を解決することができ、アルミガス発生源として有望である。
【００４４】
しかし、アルミナを分解するために加熱室７内を１６００℃以上の高温とすると、被コーティング部材３が高温による影響を受けてしまうため、アルミナをアルミガス発生源として用いるのは困難であった。真空度をさらに上げることでアルミナの分解温度を下げることはできるが、真空度を高くすると真空ポンプなどで減圧するための時間がかかり、生産性が低下してしまうという問題が生じる。
【００４５】
そこで、本発明者らは、アルミナをアルミガス発生源として用いる可能性について鋭意検討を行い、その結果、アルミナをカーボンと接触させることにより、真空度１０−４Ｐａ以上、１３００℃以上の温度でアルミナをアルミガスと酸素に分解（Ａｌ２Ｏ３→２Ａｌ↑＋３／２Ｏ２↑）できることを見出した。
【００４６】
すなわち、アルミナとカーボンを接触させた状態で、真空度１０−４Ｐａ以上、温度１３００℃以上とすると、アルミナがカーボンにより還元され、アルミガスを発生させることができる。
【００４７】
アルミナとカーボンを接触させた状態で熱処理を行ったとき（アルミコーティング時）の各成分の分圧を簡易分圧測定器（質量分析計）により測定した結果を図３（ａ）に示す。また、比較のため、同条件でアルミナとカーボンとを接触させずに熱処理を行った場合の各成分の分圧を図３（ｂ）に示す。
【００４８】
図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すると、本発明による図３（ａ）では、図３（ｂ）と比較してアルミニウムの分圧が１桁程度高くなっており、さらに一酸化炭素の分圧も高くなっていることが分かる。これは、アルミナがカーボンにより還元されてアルミガスが発生しており、さらにアルミナが分解されて発生した酸素がカーボンと反応して一酸化炭素が発生しているためだと考えられる。
【００４９】
さらに、１３００℃でのＡｌ系蒸気圧の変化を熱力学計算により求めた。計算結果を図４に示す。
【００５０】
図４に示すように、アルミナとカーボンが１３００℃で共存（接触）していると、全圧が１Ｐａ以下では、アルミニウム（Ａｌ）の蒸気圧が大半を占めていることが分かる。
【００５１】
また、アルミコーティング装置１によりアルミコーティングした被コーティング部材３断面の光学顕微鏡写真を図５に示す。
【００５２】
図５に示すように、コーティング層５１の内部側には、被コーティング部材３を構成する元素が拡散した外方拡散層５２が形成されており、被コーティング部材３の元々の表面Ｓの内部側には、コーティング層５１のアルミニウムが拡散して内方拡散層５３が形成されていることが分かる。すなわち、コーティングされたアルミニウムと被コーティング部材３を構成する元素とが相互拡散してアルミ合金が形成されている。図５において、５４は埋込み樹脂である。
【００５３】
形成されたコーティング層５１の膜厚や状態は一定であり、アルミ合金をアルミガス発生源として用いた場合のような金属の残渣などもなかった。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態に係るアルミコーティング方法では、真空炉２内で、カーボンと接触させた状態でアルミナ５を１３００℃以上に加熱してアルミナ５を分解させると共に、発生したアルミガスを被コーティング部材３の表面にコーティングしている。
【００５５】
アルミナ５は分解されてアルミガスと酸素になり、発生したアルミガスはコーティングに使用し、酸素はカーボンと反応して一酸化炭素や二酸化炭素、あるいはそのまま酸素として排出されるので、コーティング時に産業廃棄物が発生しない。
【００５６】
また、本実施形態では、従来方法のようにアルミ合金からハロゲン化アルミニウムを発生させ、さらにそのハロゲン化アルミニウムを還元してコーティング層を形成するといった複雑なプロセスを含まないため、コーティングの膜厚や状態を容易にコントロールでき、コーティングの膜厚や状態の変化を小さくすることができる。
【００５７】
さらに、アルミナ５は、従来アルミガス発生源として用いていたアルミ合金のようにアルミニウム以外の金属を含まないため、コーティング能力の経時劣化や粒子同士の融着、金属の残渣など、アルミ発生源である金属に起因する作業性問題がなく、品質安定性、作業性を大きく改善することができる。
【００５８】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００５９】
図６に示すように、アルミコーティング装置６１は、真空炉６２内のアルミコーティング部４を収容する加熱室６３を形成すると共に、アルミガス発生部６を収容する強加熱室６４を形成し、加熱室６３と強加熱室６４との間に流路６５を形成したものである。
【００６０】
アルミコーティング装置６１では、真空炉６２に設けられた排気口６６に接続された真空ポンプなど（図示せず）で吸引することにより、強加熱室６４のアルミガス発生部６で発生させたアルミガスを流路６５を通して加熱室６３側に移動させて、被コーティング部材３に接触させてアルミコーティングを行う。
【００６１】
アルミコーティング装置６１では、図１のアルミコーティング装置１と比較して装置が複雑になるが、被コーティング部材３を配置する加熱室６３とアルミナ５を加熱する強加熱室６４を分けているため、加熱室６３の温度を強加熱室６４の温度と別に設定することができ、加熱室６３の温度（コーティング温度）をより精密に制御することができる。
【００６２】
図７のアルミコーティング装置７１は、図６のアルミコーティング装置６１において、真空炉６２に、真空炉６２内の加熱室６３に被コーティング部材３を出し入れするための第１予備排気室７２、第２予備排気室７３をゲートバルブ７４，７５を介して接続したものである。加熱室６３と強加熱室６４間の流路６５には、コーティング時間を制御するためにゲートバルブ７６が設けられる。
【００６３】
アルミコーティング装置７１でアルミコーティングを行う際は、まず、真空炉２内を減圧し、カーボンヒータ９でアルミナ５を加熱してアルミガスを発生させる。
【００６４】
その後、第１予備排気室７２に被コーティング部材３をセットし、第１予備排気室７２内を真空炉２と同じ真空度まで減圧する。
【００６５】
第１予備排気室７２内を減圧した後、ゲートバルブ７４を開いて被コーティング部材３を加熱室６３内に移動させ、ゲートバルブ７４を閉じ、被コーティング部材３にアルミコーティングを行う。
【００６６】
アルミコーティングと並行して、第２予備排気室７３に被コーティング部材３をセットし、第２予備排気室７３内を真空炉２と同じ真空度まで減圧する。
【００６７】
所定の膜厚のアルミコーティングを行った後、ゲートバルブ７４を開いてアルミコーティングされた被コーティング部材３を第１予備排気室７２に移動させ、ゲートバルブ７４を閉じて、第１予備排気室７２から被コーティング部材３を取り出す。
【００６８】
これと同時に、ゲートバルブ７５を開いて被コーティング部材３を第２予備排気室７３から加熱室６３内に移動させ、ゲートバルブ７５を閉じ、被コーティング部材３にアルミコーティングを行う。
【００６９】
これを繰り返すことにより、連続的に被コーティング部材３にアルミコーティングを行う。
【００７０】
アルミコーティング装置７１によれば、真空排気（減圧）のための時間を節約でき、被コーティング部材３に連続してアルミコーティングを行うことができるので、処理能力（生産性）を向上させることができる。
【００７１】
ここでは、第１予備排気室７２にセットした被コーティング部材３をコーティング後に第１予備排気室７２から取り出す場合を説明したが、例えば、第１予備排気室７２を被コーティング部材挿入口とし、第２予備排気室７３を被コーティング部材取出口としてもよい。
【００７２】
なお、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、他にも種々の実施形態が想定されることは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明のアルミコーティング装置の概略断面図である。
【図２】アルミナの温度と圧力の状態図である。
【図３】図３（ａ）は本発明のアルミコーティング時の各成分の分圧を示す図であり、図３（ｂ）はアルミナとカーボンを接触させずに熱処理した場合の各成分の分圧を示す図である。
【図４】本発明において、１３００℃でのＡｌ系蒸気圧の変化を示す図である。
【図５】図１のアルミコーティング装置でアルミコーティングした被コーティング部材断面の電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るアルミコーティング装置の概略断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係るアルミコーティング装置の概略断面図である。
【図８】従来のアルミコーティング装置の概略断面図である。
【図９】従来のアルミコーティング装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１  アルミコーティング装置
２  真空炉
３  被コーティング部材
５  アルミナ
９  カーボンヒータ
【図１】
0005104575.tif 000002
【図２】
0005104575.tif 000003
【図３】
0005104575.tif 000004
【図４】
0005104575.tif 000005
【図５】
0005104575.tif 000006
【図６】
0005104575.tif 000007
【図７】
0005104575.tif 000008
【図８】
0005104575.tif 000009
【図９】
0005104575.tif 000010