JP6039355B2 - チタンアルミナイドの施工方法並びにチタンアルミナイド表面を有する製品 - Google Patents

Description

本発明は、製品、金属の施工方法並びに金属部品に関し、具体的にはチタンアルミナイド製品及び施工方法に関する。

タービンブレード及びタービンバケットのような金属及び金属部品の製造及び補修は、溶接及び／又はろう付けで行うことができる。チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）表面を有する部品は、溶接又はろう付けすることができる。しかし、溶接又はろう付けは、部品のミクロ組織及び／又は機械的性質に悪影響を与えるおそれがある。例えば、溶接又はろう付けは、機械的性質の劣る熱影響部を生じるおそれがある。

ＴｉＡｌは、高い強度／重量比及び良好な温度酸化耐性という利点を与えることができる。しかし、ＴｉＡｌのある種の処理は、望ましくないミクロ組織を形成することがある。例えば、１１５０℃の温度を上回るＴｉＡｌの加熱及び熱間加工は、多結晶ラメラ組織の溶融及び鋳造で形成された製品の多結晶ラメラ組織内に等軸結晶粒及びγ＋α２ラメラを含む二重構造を生じるおそれがある。このような熱間加工に起因するミクロ組織の変化は、概して望ましくなく、微細化γ＋α２（本明細書では「γ／α２」ともいう。）ラメラがないために強度の低下及び／又は疲労寿命及びクリープ寿命の短縮をもたらす。

当技術分野では、上述の短所の１以上を生じないＴｉＡｌ表面を有する製品及びＴｉＡｌ施工方法があれば望ましい。

例示的な実施形態では、チタンアルミナイド施工方法は、製品の処理領域にチタンアルミナイドをコールドスプレーし、チタンアルミナイド表面を形成する段階を含む。チタンアルミナイド表面は微細化γ／α２組織を含む。

別の例示的な実施形態では、チタンアルミナイド施工方法は、製品の処理領域にチタンアルミナイドをコールドスプレーし、チタンアルミナイド表面を形成する段階を含む。コールドスプレーされるチタンアルミナイドは、予め合金化した粉体の固体原料から得られる。

別の例示的な実施形態では、製品はチタンアルミナイド表面を含んでおり、チタンアルミナイド表面は微細化γ／α２組織を含んでいる。

本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。

本発明の例示的な方法によってコールドスプレーしたチタンアルミナイド表面を有する例示的な製品の概略図。 本発明によって、製品上にチタンアルミナイドをコールドスプレーし、チタンアルミナイド表面を形成する例示的な方法のフロー図。

図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。

上述の短所の１以上を生じないＴｉＡｌ表面を有する製品の例及びＴｉＡｌ施工方法の例を示す。本発明の実施形態は、ＴｉＡｌの導入に基づく高い強度／重量比及び良好な高温酸化耐性、結晶粒度の微細化、補修能力の向上、粉体／固体原料の使用による元素の合金化の簡単化、処理時又は堆積時の粉体／固体原料の合金化の簡単化、複雑なプロセスに比べて処理コストの低減、熱影響部の低減又は根絶、ラメラ組織が微細化γ／α２ラメラを有すること、二重層構造を有するものに比べて強度が増大すること、二重層構造を有するものに比べて疲労寿命及びクリープ寿命が延びること、並びにこれらの組合せを含む。

図１は、ＴｉＡｌ表面１０２を有するタービンブレードのような例示的な製品１００を示す。製品１００は任意の好適な金属部品でよい。製品１００は、圧縮機部品、タービン部品、タービンブレード、タービンバケット、その他低サイクル疲労のような疲労型の力に付される金属部品である。本明細書で用いる「金属」という用語は、金属、金属合金、複合材金属、金属間材料その他の疲労型の力の影響を受けやすい金属元素を含む金属を包含する。

ＴｉＡｌ表面１０２は、好適なチタンアルミナイド合金組成物を含む。好適な組成には、化学量論組成（例えば、約４５重量％のＴｉと約５０重量％のＡｌ及び／又は約１モルのＴｉと約１モルのＡｌのモル比）、Ａｌ_２Ｔｉ、Ａｌ_３Ｔｉその他の好適な混合物が包含される。ＴｉＡｌ表面１０２は、摩耗面、回転面、滑動面その他疲労型の力を受けやすい表面或いはこれらの組合せである。ＴｉＡｌ表面１０２は、溶接・ろう付けされたチタンアルミナイド又は溶射表面よりも、高い強度重量比及び高い高温酸化耐性を与える。

一実施形態では、ＴｉＡｌ表面１０２は、微細化γ／α２組織を有する及び／又は等軸結晶粒を全く又はほとんど含まない多結晶合金を含む。一実施形態では、ＴｉＡｌ表面１０２は、溶射方向に垂直な方向で大きな強度をもたらす異方性を有する。一実施形態では、ＴｉＡｌ表面１０２は微細な（例えば所定の結晶粒度範囲内の）結晶粒度を有する。好適な結晶粒度範囲としては、特に限定されないが、約５ｎｍ〜約１００μｍ、約５ｎｍ〜約３００ｎｍ、約３００ｎｍ〜約１００μｍ、約５ｎｍ、約３００ｎｍ、約１００μｍ又はこれらの好適な組合せ若しくはその部分結合が挙げられる。

図２を参照すると、ＴｉＡｌ表面１０２を有する製品１００を形成できる例示的なＴｉＡｌ施工方法２００では、ＴｉＡｌは、施工方法又は補修プロセスにおけるコールドスプレーで施工される。ＴｉＡｌ施工方法２００は、製品１００の処理領域１０３（図１を参照）上にＴｉＡｌをコールドスプレーする段階（ステップ２０２）を含む。ＴｉＡｌをコールドスプレーする段階（ステップ２０２）は、固体／粉体原料１０４（図１を参照）を使用し、このプロセスは、溶接又はろう付けのようなプロセスよりも格段に少ない熱で、或いは固体原料１０４から無視できる程の入熱で大部分は固相で行われる。一実施形態では、固体原料は、予め合金化した粉体及び／又は堆積時に合金化する２種以上の粉体の混合物である。

ＴｉＡｌをコールドスプレーする段階（ステップ２０２）は、固体原料への有意な入熱のない状態で固体原料１０４を衝突させることによってＴｉＡｌ表面１０２を形成する。ＴｉＡｌをコールドスプレーする段階（ステップ２０２）は、固体原料１０４の相及びミクロ組織が実質的に保持される。一実施形態では、ＴｉＡｌをコールドスプレーする段階（ステップ２０２）は、ＴｉＡｌ表面１０２が、例えば、約１ミル〜約２００ミル、約１ミル〜約１０ミル、約１０ミル〜約２０ミル、約２０ミル〜約３０ミル、約３０ミル〜約４０ミル、約４０ミル〜約５０ミル、約２０ミル〜約４０ミル、約５０ミル〜約２００ミル又はこれらの好適な組合せ若しくはその部分結合のような所望の厚さ範囲に収まる或いは（仕上げ加工ができるように）所望の厚さ範囲を若干上回るまで継続される。

一実施形態では、ＴｉＡｌをコールドスプレーする段階（ステップ２０２）は、例えば、図１に示すような収束拡大型ノズル１０６に対する以下の式に基づいて、所定の速度以上又は速度範囲まで固体原料１０４を加速するステップを含む。

式１において、「Ａ」はノズル出口１０５の面積、「Ａ^＊」はノズルスロート部１０７の面積である。「γ」は使用しているプロセスガス１０９の比Ｃ_ｐ／Ｃ_ｙである（Ｃ_ｐは定圧比熱容量、Ｃ_ｙは定積比熱容量である）。ガス流パラメータは、Ａ／Ａ^＊比に依存する。ノズル１０６がチョーク条件で作動する場合、流出ガス速度マッハ数（Ｍ）は、上記の式で決定できる。「γ」値の高いガスは、高いマッハ数を生じる。

固体原料１０４は、処理領域１０３に所定の速度又は速度範囲で衝突して処理領域１０３に結合する。固体原料１０４は、例えば、約１００μｍ未満、約１０μｍ未満、約５μｍ未満、約４μｍ未満、約３μｍ未満、約１０ｎｍ未満、約３μｍ〜約５μｍ、約３μｍ〜約４μｍ、約４μｍ〜約５μｍ、約５ｎｍ〜約１０ｎｍ又はこれらの好適な組合せ若しくはその部分結合の粒度を有する。一実施形態では、固体原料は、延性が増大するよう選択される。ノズル１０６は、例えば、約１０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約７０ｍｍ〜約１００ｍｍ又はこれらの好適な組合せ若しくはその部分結合など、製品１００から所定距離に配置される。

一実施形態では、処理領域１０３は、製品１００の基材１０１上に直接存在する。基材１０１は任意の好適な合金を含む。例えば、一実施形態では、基材１０１は、チタン基合金を含む。一実施形態では、基材１０１はＴｉＡｌであると同時に／或いはプロセスはＴｉＡｌを含む部品の補修及び／又は製造に使用される。

一実施形態では、処理領域１０３は、製品１００の基材１０１上には直接存在しない。例えば、別の実施形態では、処理領域１０３は、ボンドコート（図示せず）上に存在する。ボンドコートは、例えば、コールドスプレー又は溶射法によって基材１０１又は基材１０１上の１以上の追加のボンドコートに施工される。一実施形態では、ボンドコートは、例えば、Ｔｉ_６Ａｌ_４Ｖ、Ｎｉ−Ａｌ、ニッケル基合金、アルミニウム、チタンその他の好適な材料のような延性材料である。ボンドコートは、例えば、約２ミル〜約１５ミル、約３ミル〜約４ミル、約２ミル〜約３ミル、約２ミル〜約２．５ミル、約２．５ミル〜約３．０ミル、約１ミル超、約２ミル超、約１５ミル以下又はこれらの好適な組合せ若しくはその部分結合）の所定の厚さで施工される。一実施形態では、ボンドコートは、基材への拡散を促進するため熱処理される。一実施形態では、ボンドコートは、拡散後にアルミナイド層をもたらす。一実施形態では、ボンドコートは、例えば、アルミニウムとチタンのような粉体混合物の２種以上の材料をスプレーすることによって形成される。

再び図２を参照すると、一実施形態では、ＴｉＡｌ施工方法２００は、ＴｉＡｌのコールドスプレー段階（ステップ２０２）の後にＴｉＡｌ表面１０２のショットピーニング段階（ステップ２０４）が続く。ショットピーニング段階（ステップ２０４）は、残留圧縮応力を与え、疲労抵抗が高まる。一実施形態では、ショットピーニング段階（ステップ２０４）は、製品１００に対して、熱処理でもたらされる迅速な拡散及び結晶粒成長に資するエネルギーを与える。

一実施形態では、ＴｉＡｌ施工方法２００は、例えば、不活性又は還元条件下の炉内に製品１００を配置することによってＴｉＡｌ表面１０２及び／又は製品１００を熱処理する段階（ステップ２０６）を含む。熱処理段階（ステップ２０６）は、拡散ボンドの深さを増大させる。一実施形態では、熱処理段階（ステップ２０６）は、ＴｉＡｌ表面１０２のコールドスプレー段階（ステップ２０２）の際に、スプレー現場でもたらされる熱（例えばレーザビームからもの）を用いることによって実施される。

一実施形態では、ＴｉＡｌ施工方法２００は、例えば、研削、機械加工その他の処理でＴｉＡｌ表面１０２及び／又は製品１００を仕上げ加工する段階（ステップ２０８）を含む。

一実施形態では、ＴｉＡｌ施工方法２００には追加の事前ステップ２０１が含められる。例えば、ＴｉＡｌ施工方法２００を用いてＴｉＡｌ表面１０２及び／又は製品１００を補修するために、一実施形態では、ＴｉＡｌ施工方法２００は、補修領域を特定する段階（ステップ２０３）を含む。補修領域は、目視検査、液体浸透検査、渦電流検査又はこれらの組合せによって特定される。補修領域は、例えば、処理領域１０３の一部又は全てなど、製品１００又はＴｉＡｌ表面１０２の好適な部分である。好適な部分としては、特に限定されないが、疲労型力を受けやすい領域、亀裂を生じかねない力を受けやすい領域、疲労寿命又はクリープ寿命を超過した領域、亀裂を含む領域、損傷（例えば、異物の衝突によるもの）を含む領域、プロセス損傷（例えば、機械加工の障害による）を含む領域、潜在的損傷又は実際に損傷を受けた領域、或いはこれらの組合せが挙げられる。

一実施形態では、ＴｉＡｌ施工は、さらに、補修領域から材料を除去する段階（ステップ２０５）を含む。材料除去段階（ステップ２０５）は、補修領域をさらに特定することができ、例えば、補修領域を広げることによって補修すべき製品１００及び／又はＴｉＡｌ表面１０２を前処理する。一実施形態では、材料を除去する段階（ステップ２０５）は、２つの別個のサブステップ、すなわち、補修領域を特定するための除去の第１のサブステップと、補修領域を広げる第２のサブステップとを含む。

材料を除去する段階（ステップ２０５）の後、一実施形態では、ＴｉＡｌ施工方法２００は、例えば、脱脂などによって、ＴｉＡｌのコールドスプレー段階（ステップ２０２）の前処理のため補修領域に近接した製品１００を清浄化する段階（ステップ２０７）を含む。ＴｉＡｌのコールドスプレー段階（ステップ２０２）は、上述のように補修領域を埋める。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を様々に変化させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

１００ 製品
１０２ ＴｉＡｌ表面
１０３ 処理領域
１０４ 固体原料
１０５ ノズル出口
１０６ 縮小拡大ノズル
１０７ ノズルスロート部

Claims (14)

1. チタンアルミナイドの施工方法であって、当該方法が、
   コールドスプレーの前に処理領域内を清浄化する段階と、
   製品の処理領域にチタンアルミナイドをコールドスプレーしてチタンアルミナイド表面を形成する段階と
   を含んでおり、上記チタンアルミナイド表面が微細化γ／α２組織を含んでおり、上記製品がタービン部品である、方法。
2. 前記チタンアルミナイド表面が等軸結晶粒を全く又はほとんど含まない、請求項１記載の方法。
3. 前記製品上にコールドスプレーされるチタンアルミナイドが、約４５重量％のチタンと約５０重量％のアルミニウムを含む組成を有する、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記製品上にコールドスプレーされるチタンアルミナイドが、Ａｌ₂Ｔｉを含む組成を有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記製品上にコールドスプレーされるチタンアルミナイドが、Ａｌ₃Ｔｉを含む組成を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記チタンアルミナイドをコールドスプレーする段階が、縮小拡大ノズルを用いて固体原料を加速する段階を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記チタンアルミナイド表面が、前記製品の基材上に直接存在する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記チタンアルミナイド表面が、前記製品上のボンドコート上に直接存在する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
9. 前記チタンアルミナイド表面をショットピーニングする段階、前記チタンアルミナイド表面を熱処理する段階、及び／又は前記チタンアルミナイド表面を仕上げ処理する段階の少なくとも１つをさらに含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記チタンアルミナイドをコールドスプレーする段階の前に、前記処理領域内の補修領域を特定する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記チタンアルミナイドをコールドスプレーする段階の前に、前記処理領域から材料を除去する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。
12. 前記材料を除去する段階が、前記補修領域を特定するための除去の第１のサブステップと、前記補修領域を広げる第２のサブステップとを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記固体原料が予め合金化した粉体である、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項記載の方法。
14. 前記チタンアルミナイドをコールドスプレーする段階が補修方法の一部である、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の方法。