(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材の表面にロウ材とＭ-Ｃｒ-Ａｌ-Ｙとを含む混合物の溶融によって形成されたコーティング層と、そのコーティング層の表面から一部が露出するように分散、固着された硬質粒子とからなる耐摩耗性コーティングにおいて、
上記硬質粒子が上記金属母材の表面に形成された金属メッキ層に固着されたことを特徴とする耐摩耗性コーティング。
【請求項２】
ロウ材と、Ｍ-Ｃｒ-Ａｌ-Ｙと、加熱時に揮発する液状バインダとを含む可塑性調合物よりなるシートが金属母材の表面に貼り付けられる工程と、
その貼り付けられたシートに、硬質粒子と、上記バインダとからなる液状調合物が塗布される工程と、
上記貼り付けられたシートと、上記塗布された液状調合物とが、高真空下でロウ付け温度まで加熱され、バインダが揮発し、上記ロウ材、上記Ｍ-Ｃｒ-Ａｌ-Ｙが溶融する工程とを含むことを特徴とする耐摩耗性コーティングの施工方法。
【請求項３】
金属母材に金属メッキ層が形成されると共に、そのメッキ層に硬質粒子が仮止めされる工程と、
ロウ材と、Ｍ-Ｃｒ-Ａｌ-Ｙと、加熱時に揮発する液状バインダとを含む液状調合物が上記金属メッキ層上に注加される工程と、
上記注加された液状調合物が、高真空下でロウ付け温度まで加熱され、バインダが揮発し、上記ロウ材、上記Ｍ-Ｃｒ-Ａｌ-Ｙが溶融する工程とを含むことを特徴とする耐摩耗性コーティングの施工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばガスタービン、同エンジン、コンプレッサ等のブレードの先端部の金属母材に施される耐摩耗性コーティング及びその施工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ガスタービンのブレードの先端とブレードの収容部の内周面に固定された分割環との隙間は、下流側の段へのガスの短絡が抑制されることによって、ガスタービンの効率を高めるように、可能な限り小さくすることが求められている。
しかしながら、その隙間が小さすぎると、ガスタービンの運転開始の初期段階において、ブレードの熱膨張、ロータの偏心、ガスタービン全体の振動等や、ガスタービンの長期間の運転により高温のガスに曝された翼環の熱変形等に起因して、ブレードの先端部と翼環とが接触し、両方又はいずれか一方のブレード、特にその先端が過大な損傷を受けることがある。
対策として、ブレードの先端に翼環を構成する材料よりも、高硬度の材料からなる耐摩耗性コーティングを施すという技術が提案されている。この技術は、ガスタービン運転時に、コーティングによってブレード自体は殆ど傷付けずに翼環の表面を研磨し、両者間の隙間を最小限に保持しようとするものであり、その一部は既に実施されている。
【０００３】
例えば、特開平４−２１８６９８号公報、特公平８−５０６８７２号公報には、結合材（ボンドコーティング）としての高温における耐酸化性に優れたM-Cr-Al-Y（以下、MCrAlYとする。但しＭは金属元素）マトリックスが開示されている。そして、このマトリックス中に、研磨粒子として高硬度、且つ耐熱性に優れた立方晶窒化硼素（以下、ＣＢＮとする）粒子が分散された耐摩耗性コーティングが開示され、そのコーティングが電着メッキによってなされることについての記載がある。この技術は、技術的には完成されているといわれるが、コーティングのための装置・工程が複雑であって、施工完了までに長時間を要するため、コスト高であるという問題点がある。
【０００４】
また、特開平１１−２２２６６１号公報、特開平１１−２２９８１０号公報には、高温における耐酸化性に優れた、MCrAlYよりなるボンドコーティングが開示されている。そして、コーティング上には、直接又はアルミナ層を介して、高硬度、且つ耐熱性に優れた、ジルコニアその他を主成分とする耐摩耗層が堆積された耐摩耗性コーティングが施され、そのコーティングの一部がプラズマプレイを含む溶射によってなされることが開示されている。
さらに、特開平１０−０３０４０３号公報には、母材表面に形成されたニッケルメッキ層と、ニッケル系耐熱合金層とによってアルミナ粒子が固着された耐摩耗性コーティングが開示されている。そして、そのコーティングがメッキ、溶射及びＨＩＰ処理その他によってなされた記載がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の施工方法は、溶射の他に、電着メッキ、ＥＢ−ＰＶＤ等他のコーティング手段を含む等、操作が煩雑であってコスト高である。しかも、耐摩耗性の高い硬質粒子がボンドコーティングに埋没する等、その分布のコントロールが困難であって、満足すべき研磨性が発揮されなかったり、耐熱性が不足したりするという問題点がある。
その他、INDUSTRIAL DIAMOND REVIEW(4/99)には、ＴｉコーティングのＣＢＮがロウ付けにされた耐摩耗性コーティングについて記載されている。ロウ付けは、操作が簡単であって、安価であるという長所はあるが、それによって形成されるボンドコーティングの耐酸化性や、その劣化に伴うＣＢＮの剥離等、長期にわたる耐摩耗性（耐久性）に難点がある。
本発明はそのような事情に鑑みてなされ、その目的とするところは、上記従来例の欠点を解消する耐酸化性・耐久性に優れ、簡単で低コストで施工可能な耐摩耗性コーティング及びその方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属母材の表面にロウ材とMCrAlYとを含む混合物の溶融によって形成されたボンドコーティングと、そのボンドコーティング内に一部表面から露出するように分散、固着された硬質粒子とから構成されている耐摩耗性コーティングにおいて、上記硬質粒子が上記金属母材の表面に形成された金属メッキ層に固着されている。
また、本発明は、ロウ材と、MCrAlYと、加熱時に揮発する液状バインダとを含む可塑性調合物よりなるシートが金属母材の表面に貼り付けられる工程、その貼り付けられたシートに、硬質粒子と、上記バインダとからなる液状調合物が塗布される工程、及び上記貼り付けられたシートと、塗布された液状調合物とが高真空下で局部的にロウ付け温度まで加熱され、バインダが揮発し、ロウ材、MCrAlY等が溶融する工程を含んでいる。
本発明は、金属母材に金属メッキ層が形成されると共に、そのメッキ層に硬質粒子が仮止めされる工程、ロウ材と、MCrAlYと、加熱時に揮発する液状バインダとを含む液状調合物が上記金属メッキ層上に注加される工程、及び上記注加された液状調合物が、高真空下で局部的にロウ付け温度まで加熱され、バインダが揮発し、ロウ材、MCrAlY等が溶融する工程を含んでいる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の耐摩耗性コーティングの第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本耐摩耗性コーティングは、例えばガスタービンのブレードを構成する母材１の先端１ａに形成され、図示されていないが、紙面上方（縦方向）には、極めて僅かな隙間を隔てて、例えば翼環等が相対する。その先端１ａの耐摩耗性コーティング２は、厚さが例えば３００ミクロンであって、次のように構成される。
母材１の先端１ａの上には、ロウ材とMCrAlY（ＭはCo,Ni等の金属元素等）との混合物の加熱溶融凝固により形成されたボンドコーティング２ａの中に、ＣＢＮよりなる硬質粒子Ｈが固着されている。ロウ材とMCrAlYとＣＢＮの混合割合は、６０％：１０％：３０％（Vol％）程度に配合している。
なお、硬質粒子Ｈは、ロウ材に対する優れた濡れ性を向上させるために、Ｎｉ及びＣｏコーティングNCされており、一部は、研磨性を発揮させるために、ボンドコーティング２ａの表面から頭を出すように配置されることが好ましい。
【０００８】
各成分についてさらに詳細に説明すると、硬質粒子Ｈとしては、ＣＢＮの他、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＣが使用可能であり、それらを単独で使用しても、それらの成分の２種又は３種が適当な割合で混合されたものを使用してもよい。なお、Ｎｉ及びＣｏコーティングNCされた硬質粒子Ｈは、一部市販されているものもあり、それはそのまま使用可能である。また、MCrAlYのＭは、上述の通り、Ｃｏ，Ｎｉ等である。本実施の形態では、ロウ材としては、ＢＮｉ−２（ＪＩＳ）を代表とするＮｉ基のものを用いたが、Ｎｉロウに限定されない。
【０００９】
上記耐摩耗性コーティグ２は次のようにして形成される。
先ず、ＮｉコーティングNCされた硬質粒子Ｈと、ロウ材と、MCrAlYと加熱時に揮発する液状バインダとが調合された液状物が、母材１の先端１ａに刷毛等で塗布される。
次いで、高真空下で高周波誘導加熱によって、局部的にロウ付け温度まで加熱されると、バインダは揮発し、ロウ材とMCrAlYとが溶融する。比重の小さい硬質粒子Ｈが溶融液表面に浮上するため、その一部が溶融液表面から頭を出す程度に、板状体等で押さえる必要がある。加熱が停止され冷却されると、材料が凝固し、母材１の先端にコーティング２が形成される。最後に、ロウ材とMCrAlYとＮｉコーティングNCとの間の拡散のための加熱処理がなされる。それによってそれぞれの相互拡散による強固な結合が生じ、耐酸化性に優れた耐摩耗性コーティング２が形成される。
【００１０】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
上記耐摩耗性コーティング２は、設備も操作も簡単であって、塗布された原料が無駄なくコーティング２の形成に活用されるため、必要原料量も少なく、拡散処理の加熱を除いて、完了までの時間が短く、安価に施工可能である。
しかも、翼環との激しい摩擦が予想される運転初期は、ボンドコーティング２ａの表面から突出した硬質粒子Ｈの頭が研磨材として機能し、硬度のより低い翼環が研磨される。また、その後の長期運転では、高温ガスに曝されたボンドコーティング２ａが、表面からの酸化によって徐々に劣化するに伴って、表面に近い位置に分散された硬質粒子Ｈが脱落することがある。こうした状態における翼環熱変形等に起因するブレードとの接触には、内部に残存する硬質粒子Ｈが対応するため、長期にわたって、ブレードの損傷が発生することがない。しかも、それと翼環との隙間が最小限に保持されるため、長期間にわたってガスタービンの効率は高いレベルに保持される。
【００１１】
ろう付け法では、めっき法と異なりコーティング施行後において硬質粒子が金属層に埋没する傾向にあり、施工のままでは十分な切削性が確保できないことが確認されている。そのため、埋没した砥粒を突出させるいくつかの手段を検討した結果、コーティング施行後のマイクロブラストによる砥粒目出しが、切削性を得る方法として最も効果的であることが確認された。
具体的には、砥粒密度５０個／ｍｍ２程度の場合、硬質砥粒の種類にもよるが、以下の条件が目出しに適していた。なお、更に密度が高くなる場合、ブラスト材の粒径を更に小さくする必要がある。
放電加工で目出しする場合は、コーティング表面に弱放電加工を施すと、金属層が選択的に除去される。また、粒子（ＣＢＮ等）には放電しないので、粒子は健全に残存する。
【００１２】
［実施例］
以下、砥粒にＣＢＮまたはＡｌ２０３を用いた場合の具体例について説明する。
（１）砥粒がＣＢＮとの場合
金属層の硬さが、常温でＨｖ３００程度、ＣＢＮが常温でＨｖ５０００程度であるため、その中間程度のブラスト材として、Ａｌ２０３砥粒（Ｈｖ２０００：常温）を選定し目出しを行った。
ブラスト材    ：Ａｌ２０３  砥粒（５０μ）
ブラスト圧力  ：４〜５Ｋｇ／ｃｍ２
ブラスト距離  ：２０ｍｍ程度
ブラスト時間  ：１０秒〜２０秒
上記条件で砥粒をコーティング層に埋没させた結果、十分な切削性が得られた。
（２）砥粒がＡｌ２０３の場合
金属層の硬さが、常温でＨｖ３００程度、Ａｌ２０３が常温でＨｖ２０００程度であるため、その中間程度のブラスト材として、ＺｒＯ２砥粒（Ｈｖ１０００）を選定し目出しを行った。
ブラスト材    ：ＺｒＯ２  砥粒（５０μ）
ブラスト圧力  ：５〜６Ｋｇ／ｃｍ２
ブラスト距離  ：２０ｍｍ程度
ブラスト時間  ：６０秒〜１００秒
上記条件で砥粒をコーティング層に埋没させた結果、十分な切削性が得られた
【００１３】
本発明の第２の実施の形態について図２を参照しながら説明する。
上記第１の実施の形態に使用される、Ｎｉロウを代表とするＮｉ基のものに、Ｃｒ，Ａｌ，Ｙ，Ｔａ，Ｗ等が適当割合加えられたものが、ロウ材として使用されている。それによって、MCrAlYの添加割合が低減される。
施工方法について説明すると、先ずロウ材と、MCrAlYと、上記第１の実施の形態に用いられる重量よりは少量のバインダとが調合された、可塑性調合物からシートが作られる。次に、そのシートが母材１の先端１ａに、スポット溶接によって貼り付けられる。３番目にそのシートの上に硬質粒子Ｈとバインダとの液状混合物が、刷毛等によって塗布される。
【００１４】
この後の手順は、第１の実施の形態と略同様に、高真空下、高周波誘導加熱によって、局所的にロウ付け温度まで加熱されると、バインダは揮発し、シート状のロウ材とMCrAlYとが溶融し、これらは一体化する。加熱が停止され、冷却されると凝固し、母材１の先端にボンドコーティング３ａが形成されると共に、そのボンドコーティング３ａに硬質粒子Ｈが、一部頭を出した状態で固定される。最後に、第１の実施の形態と同様に、ロウ材とMCrAlYとＮｉコーティングNCとの間の拡散のために加熱処理がなされれば、相互拡散による強固な結合が生じ、耐酸化性に優れた耐摩耗性コーティング３が形成される。なお、作用効果は第１の実施の形態例と略同様である。
【００１５】
次に、本発明の第３の実施の形態について図３を参照しながら説明する。
上記第１及び第２の実施の形態の構成とは異なり、予め母材１の先端１ａに硬質粒子ＨのＮｉメッキ層NGによる仮止めが行われる。次いで、ボンドコーティング４ａの材料として、ロウ材と、MCrAlYの加熱時に揮発する液状バインダとが調合された液状調合物が、母材１の先端部に刷毛等で塗布されるか又は注加される。
この後の手順は、第１又は第２の実施の形態と略同様に処理され、耐酸化性に優れた耐摩耗性コーティング４が、母材１上に形成される。
作用について説明すると、硬質粒子ＨがＮｉメッキ層NGを介して母材１に強く固着されているため、工程が若干複雑となりコストは増大するが、硬質粒子Ｈの分散を自由にコントロール可能にすると共に、その脱落量が第１の実施の形態に比べて小さくなり、研磨性、耐久性が一層向上する。
【００１６】
本発明の第４の実施の形態について図４を参照しながら説明する。
予め母材１の先端１ａに、耐酸化性に優れた第１の硬質粒子Ｈ１（例えば耐熱性に優れたＡｌ2Ｏ3，ＳｉＣ、焼結ダイア等）が、Ｎｉメッキ層NGによって仮止めされる。次いで、ロウ材と、MCrAlYと加熱時に揮発する液状バインダと、極めて硬度の高い第２の硬質粒子Ｈ２（例えばビッカース硬度１０００以上、好ましくは５０００以上の極めて高硬度のＣＢＮ等）とが調合された液状調合物が、Ｎｉメッキ層NGの上に刷毛等で塗布されるか、又は注加される。
この後の手順は、第１〜第３のいずれかの実施の形態と略同様に処理され、Ｎｉメッキ層NGとボンドコーティング５ａとが、上下略２層に分散され、硬度、耐酸化性が異なる２種の硬質粒子Ｈ１，Ｈ２よりなる耐酸化性、耐久性に優れた耐摩耗性コーティング５が形成される。
【００１７】
作用について説明すれば、運転初期においては、高硬度の第２の硬質粒子Ｈ２が対応し、長期間の運転で第２の硬質粒子Ｈ２が剥離・脱落する。その後の運転においては、耐酸化性に著しく優れた第１の硬質粒子Ｈ１が対応することが可能となり、しかも硬質粒子Ｈ１がＮｉメッキ層NGに固着されているため、比較的比重の低い硬質粒子の浮き上がりが防止でき、長期にわたって研磨性が維持され、耐久性が著しく向上する。
【００１８】
次に、第５の実施の形態について図５を参照しながら説明する。
第４の実施の形態の耐摩耗コーティングが、Ｎｉメッキ層NGを除いて、異なる研磨性、耐酸化性を有する硬質粒子Ｈ１，Ｈ２が混在する１層よりなるものであったのに対して、硬質粒子Ｈ１，Ｈ２を別々のボンドコーティング６ａ，７ａに埋設した２層の耐摩耗性コーティング６，７が組み合わされたものであって、次のように構成される。
先ず第１層の耐摩耗性コーティング６については、予め母材１の先端１ａに、第１の硬質粒子Ｈ１のＮｉ，Ｃｒ等よりなる第１メッキ層Ｇ１による仮止めが行われる。次いで、１０００度以上の温度に耐え得る耐酸化性に優れたボンドコーティング６ａの材料として、ロウ材とMCrAlYと加熱時に揮発する液状バインダとが調合された液状調合物が、母材１の先端部に刷毛等で塗布されるか又は注加される。
この後の手順は、上述の実施の形態と略同様に処理され、特に耐酸化性に優れた第１層の耐摩耗性コーティング６が形成される。
【００１９】
さらに、予め第１層の耐摩耗性コーティング６の上面に、第２の硬質粒子Ｈ２の、Ｎｉ、Ｃｒ等よりなる第２メッキ層Ｇ２による仮止めが行われる。次いで、耐酸化性に優れたボンドコーティング７ａの材料として、加熱時に揮発する液状バインダとが調合された液状調合物が、第２の硬質粒子Ｈ２が仮止めされた第２メッキ層Ｇ２の上に、刷毛等で塗布されるか又は注加される。この手順は、上述の実施の形態と略同様に処理され、耐酸化性に優れた第２層の耐摩耗性コーティング７が形成される。
【００２０】
作用について説明すれば、第４の実施の形態と略同様であるが、硬質粒子Ｈ２が第２メッキ層Ｇ２を介して母材１に強く固着されているため、工程が若干複雑となりコストは増大するが、硬質粒子Ｈ１，Ｈ２の分散を比較的自由にコントロールすると共に、特に硬質粒子Ｈ２の脱落量が第４の実施の形態に比べて小さく、耐久性に優れている。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の耐摩耗性コーティング及びその施行方法によれば、実施するための設備及び操作が簡単であって、母材に塗布された原料が無駄なくコーティング層の形成に活用され、原料の削減を図ることができ、作業時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐摩耗性コーティング及びその施工方法の第１の実施の形態を示す母材とコーティング層の断面図である。
【図２】本発明の耐摩耗性コーティング及びその施工方法の第２の実施の形態を示す母材とコーティング層の断面図である。
【図３】本発明の耐摩耗性コーティング及びその施行方法の第３の実施の形態を示す母材とコーティング層の断面図である。
【図４】本発明の耐摩耗性コーティング及びその施工方法の第４の実施の形態を示す母材とコーティング層の断面図である。
【図５】本発明の耐摩耗性コーティング及びその施工方法の第５の実施の形態を示す母材とコーティング層の断面図である。
【符号の説明】
１  母材
１ａ  先端
２  耐摩耗性コーティング
２ａ〜７ａ  ボンドコーティング
３〜７  耐摩耗性コーティング
Ｇ１  第１メッキ層
Ｇ２  第２メッキ層
Ｈ，Ｈ１，Ｈ２  硬質粒子
NC  Ｎｉコーティング
NG  Ｎｉメッキ層
【図１】
0003801452.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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