JPH0660384B2 - 溶射粉末およびアブレイダブル皮膜の製法 - Google Patents

溶射粉末およびアブレイダブル皮膜の製法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アブレイダビリティ(abradability)および耐
エロージョンの両方に優れたセラミック酸化物皮膜を製
造する溶射粉末およびこのような皮膜を溶射する方法に
関する。
溶射は金属またはセラミツクのような熱で溶融する材料
を熱で軟化し、軟化した粒子状の材料を被覆すべき表面
に吹付ける過程を含む。加熱された粒子は表面に当つて
表面に結合する。常用の溶射ガンは粒子の加熱および噴
射の両方の目的に使用される。溶射ガンの１つの形式に
よれば加熱溶融しうる材料はガンへ粉末の形で供給され
る。このような粉末は一般にたとえば−１００メツシ
（米国標準ふるいサイズ）〜約５ミクロンの小粒子から
なる。
溶射ガンは通常粉末粒子を溶融する熱を得るため燃焼フ
レームまたはプラズマフレームを使用する。しかし他の
加熱手段たとえば電弧、抵抗加熱器または誘導加熱器を
単独にまたは他の形の加熱器と組合せて使用することも
できる。粉末−燃焼フレーム形溶射ガンの場合、粉末の
キヤリヤガスは燃焼ガスの１つであり、または単に圧縮
空気である。プラズマ溶射ガンの場合、１次プラズマガ
スは一般にチツ素またはアルゴンである。通常水素また
はヘリウムが１次ガスに添加される。キヤリヤガスは一
般に１次プラズマガスと同じであるけれど、炭化水素の
ような他のガスを場合により使用することができる。
金属粉末の溶射によつて得られる皮膜の性質は粉末組成
の適当な選択、粉末の物理性質の制御および溶射条件の
選択によつて制御することができる。セラミツク粉末と
金属粉末の簡単な混合物を溶射することは常用公知であ
る。セラミツク粉末を金属とくにニツケルおよびコバル
トでクラツドすることもたとえば米国特許第３２５４９
７０号明細書に教示されるように公知である。このよう
な混合物またはクラツド粉末によつて非常に有用な硬い
皮膜を製造することができる。このような皮膜は通常溶
射する粉末混合物のセラミツクおよび金属の両方を含
む。
ガスタービン製造の場合、アブレイダブル金属組成物は
フアンまたは圧縮ブレードとハウジングの間の隙間を減
少する目的でガスタービン部材上に溶射するため使用し
た。ブレードは被膜を摩耗することによつてハウジング
内で安定な位置を占める。
このようなアブレイダブル目的に使用する金属含有組成
物の例は米国特許第３０８４０６４号、第３６５５４２
５号および第３７２３１６５号に記載される。しかしこ
のような金属含有組成物はタービンエンジンの高温部が
酸化性および腐食性のため、低温部すなわち約８００℃
より低い部分への使用に限定される。
ジルコニアのような溶射酸化物がタービンエンジンの高
温部のアブレイダブル皮膜として試用されたけれど、限
定的効果しか得られなかつた。このようなセラミツク酸
化物を、適当に結合した付着性皮膜を得るため、たとえ
ばプラズマフレーム溶射ガンを使用して十分な熱で溶射
する場合、皮膜のアブレイダビリティは低い。タービン
のブレード先端が著しく摩耗することも明らかになつ
た。酸化物を低い熱の条件で溶射すると、多数の粒子は
十分溶融せずに皮膜内に埋込まれ、それによつて付着効
果が低下する。得られた皮膜は脆く、タービン内の高速
ガスおよび異物によるエロージヨンに対し十分な耐性を
有しないことも明らかになつた。
上記に基き本発明の主目的は耐エロージヨン性でもある
アブレイダブル皮膜を製造するための溶射粉末を得るこ
とである。
本発明のもう１つの目的はガスタービンエンジンの高温
部に使用するために適する溶射によるアブレイダブル皮
膜を得ることである。
本発明の上記および他の目的はアブレイダブルおよび耐
エロージヨン性である皮膜を製造するための溶射粉末に
よつて達成される。本発明による粉末はセラミツク酸化
物材料とくに酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化
マグネシウム、酸化セリウム、酸化イツトリウムまたは
その組合せからなるコアにアルミニウムをクラツドする
ことによつて製造される。
本発明により常用粉末溶射装置によつて素材上に溶射す
る粉末が開発された。新規粉末の溶射によつて製造した
皮膜は耐エロージヨン性およびアブレイダブルである。
粉末自体は酸化ジルコニウム、酸化ハウニウムまたはそ
の安定化された形のようなセラミツク酸化物粒子からな
る。セラミツク酸化物粒子は米国特許第３３２２５１５
号明細書に記載されるような常用クラツド法を使用して
アルミニウムクラツドされる。
耐エロージヨン性およびアブレイダブルの両方が得られ
る理由は完全には解明されていない。しかしアルミニウ
ムクラツドが酸化物コアと発熱的に反応し、または溶射
の間に酸化され、それによつてセラミツク酸化物のコア
の表面に付加的熱が与えられ、または各粒子の表面へ融
着する酸化アルミニウムが発生して粒子間結合がある程
度助長されることは理論的に考えられる。これら２つま
たは他の効果の組合せにより作業することができる。し
かし本発明による粉末を使用して製造する皮膜が耐エロ
ージヨン性およびアブレイダブルなるがゆえにきわめて
望ましいことは明らかである。
ここにコア材料として使用される酸化ジルコニウムおよ
び酸化ハフニウムには公知法により安定化されたまたは
部分安定化された形が含まれる。たとえばこのような酸
化物は高温でクラツクを生ずる結晶変態を防ぐため、酸
化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムを安定化する酸化
カルシウム、酸化イツトリウムまたは酸化マグネシウム
を１部付加的に含むことができる。ジルコニウム酸マグ
ネシウムはコアの酸化物材料としてとくに有利であり、
ほぼ等モル量の酸化ジルコニウムおよび酸化マグネシウ
ムからなる。セラミツク酸化物コアの粉末は１つ以上の
付加的酸化物たとえば２酸化チタンまたは２酸化ケイ素
を少量含むこともできる。
前記コアの酸化物粉末は米国特許第３３２２５１５号明
細書に教示される方法によりアルミニウムクラツドする
ことができる。この明細書の示す方法によればアルミニ
ウムはコア粒子に結合剤たとえばこのような表面に皮膜
を形成するために適する常用公知の結合剤を使用してク
ラツドされる。本発明による結合剤はとくにワニス固体
のような樹脂を含むワニスであり、乾燥または硬化した
膜を形成するため溶剤蒸発によらない樹脂を含むことが
できる。したがつてワニスは触媒添加樹脂を含む。使用
しうる結合剤の例は常用のフエノール、エポキシまたは
アルキドワニスを含み、ワニスはキリ油およびアマニ油
のような乾性油、ゴムおよびラテツクスバインダ等を含
む。バインダは付加的にポリビニルピロリドンまたはポ
リビニルアルコールのような水溶性のタイプであつても
よい。
完成した溶射粉末は−１００メツシ（米国標準ふるいサ
イズ）〜＋５ミクロンとくに−２００メツシ〜＋１５ミ
クロンの粒度を有しなければならない。アルミニウムは
アルミニウムおよびコアの全重量に対し０．５〜１５％
とくに１〜１０％の量で存在しなければならない。
例： 本発明による溶射粉末は約３．５〜５．５ミクロンの平
均粒度を有する微細アルミニウム粉末１５９ｇ（０．３
５ポンド）をポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）バインダ
を含む溶液９５０ccと混合して製造される。溶液はＰＶ
Ｐ２５％溶液１５０cc、酢酸１００ccおよび水７００cc
からなる。アルミニウムおよびバインダはシロツプのコ
ンシステンシーを有する混合物を形成する。次にこの混
合物に−２７０メツシ（米国標準ふるいサイズ）〜＋１
０ミクロンにわたるサイズを有するジルコニウム酸マグ
ネシウム４３８１ｇ（９．６５ポンド）を添加する。す
べての成分が完全に混合した後、混合物を約９０℃に加
熱する。混合をバインダが乾燥するまで続け、自由に流
れる粉末が残り、この中でジルコニウム酸マグネシウム
のすべてのコア粒子はアルミニウム粒子を含む乾燥膜で
クラツドされる。次に乾燥粉末は米国標準ふるいサイズ
−２００メツシのふるいを通す。乾燥粉末の最終粒度分
布は−２００メツシ〜＋３２５メツシ約４３％および＜
−３２５メツシ約５７％である。アルミニウム、バイン
ダおよびジルコニウム酸マグネシウムの全重量に対しア
ルミニウム含量は約３．５重量％、バインダ固体含量約
０．７５重量％である。
この粉末は次にMetco Inc.,Westbury,New YorkからTHER
MOSPRAYの商標で市販される６Ｐ−７ＡＤノズルを有す
る６Ｐ形のような標準粉末−燃焼フレーム形溶射ガンを
使用して溶射することができる。溶射はMetco３ＭＰ形
粉末フイーダを使用して１２６２〜２２７０ｇ／ｈ（３
〜５ポンド／ｈ）の速度、粉末のキヤリヤガスとしてチ
ツ素、燃料として圧力０．８４Kg/cm2（１２psi）のア
セチレン、１．４Kg／cm2（２０psi）の酸素を使用し、
吹付距離７．５〜１７．５cm（３〜７インチ）、平行移
動速度６１０cm／min（２０フイート／min）および予熱
温度約１５０℃で行われる。この方法を使用して厚さ１
２５ミクロン〜４mmの皮膜を米国特許第３３２２５１５
号明細書に記載されるようなアルミニウムクラツドニツ
ケル合金溶射粉末で処理した軟鋼素材に製造した。
上記方法により製造した皮膜の金相学的試験により約４
０容量％の孔を含む著しく多孔性の構造が明らかになつ
た。遊離アルミニウム含量は１容量％より低いけれど、
１１００℃の空気中に約８時間さらした後、遊離アルミ
ニウムはほとんど残らなかつた。走査電子顕微鏡ととも
に被覆のＸ線回折試験によりジルコニウム酸マグネシウ
ムのかさ張り構造へ浸漬した酸化アルミニウムの局部領
域が明らかである。
たとえばガスタービンエンジンに使用する皮膜材料の適
性を決定するため、皮膜試験用のエロージヨン試験法が
開発された。皮膜を備える基材を水冷した試料ホルダに
支持し、研磨材供給ノズルを包囲するプロパン−酸素リ
ングバーナを試料に当るように配置した。−２７０メツ
シ〜＋１５ミクロンの酸化アルミニウム研磨材を直径
４．９mmのノズルから圧縮空気をキヤリヤガスとして３
／secの流量で供給し、一定速度の研磨材供給を達成
した。バーナのフレームにより表面温度を約９８０℃に
した。単位時間当りの皮膜容積損失で示されるこの試験
結果は裸のジルコニウム酸マグネシムウ皮膜の損失１．
３×１０-3cc／secに比して１．４×１０-3cc／secであ
つた。
皮膜のアブレイダビリティも試験した。これは電動モー
タに固定した２つのRene８０(TM)ニツケル合金タービン
ブレードセグメントを使用して実施した。試験皮膜を有
する基材をプロパン−酸素リングバーナによつて加熱
し、モータによつて約２５０００rpmの速度で回転する
ブレードセグメントを押すように配置した。皮膜の性能
は皮膜への切込深さとブレードの長さ損失の比として測
定する。アルミニウムクラツド粉末皮膜の比は２．５で
あり、裸のジルコニウム酸マグネシウムの場合は１．０
であつた。
皮膜は優れた熱ショック耐性も示した。ここに開示した
皮膜はすべての用途において皮膜の高温、エロージヨン
もしくは熱シヨツクに対する安定性または多孔性を利用
することができる。例はベアリングシール、コンプレツ
サシユラウド、炉、ボイラ、排気ダクト、煙突、ピスト
ンドームおよびシリンダヘツド、航空機の前縁、ロケツ
ト推進室およびノズルならびにタービンバーナである。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸
    化ハフニウム、酸化セリウム、酸化イットリウムおよび
    その組合せからなる群から選択した材料の中心コアなら
    びにコアの表面に結合したアルミニウムを有し、アルミ
    ニウムがバインダによりコアの表面に結合した個々の粒
    子の形を有することを特徴とする溶射粉末。
  2. 【請求項２】中心コアが酸化ジルコニウム、酸化マグネ
    シウムおよびその組合せからなる群から選択した材料か
    らなる特許請求の範囲第１項記載の溶射粉末。
  3. 【請求項３】粒子が−１００メッシ（米国標準ふるいサ
    イズ）〜＋５ミクロンのサイズを有し、アルミニウムが
    アルミニウムおよびコアの全体に対し０．５〜１５重量
    ％の量で存在する特許請求の範囲第１項記載の溶射粉
    末。
  4. 【請求項４】粒子が−２００メッシ（米国標準ふるいサ
    イズ）〜＋１５ミクロンのサイズを有する特許請求の範
    囲第３項記載の溶射粉末。
  5. 【請求項５】アルミニウムがアルミニウムおよびコアの
    全体に対し１〜１０重量％の量で存在する特許請求の範
    囲第３項記載の溶射粉末。
  6. 【請求項６】バインダが有機バインダである特許請求の
    範囲第１項記載の溶射粉末。
  7. 【請求項７】アルミニウムの個々の粒子を含むバインダ
    で被覆したジルコニウム酸マグネシウムのコアを有する
    粒子からなり、この粒子が−１００メッシ（米国標準ふ
    るいサイズ）〜＋５ミクロンのサイズを有し、かつアル
    ミニウムがアルミニウムおよびジルコニウム酸マグネシ
    ウムコアの全体に対し１〜１０重量％の量で存在する特
    許請求の範囲第１項記載の溶射粉末。
  8. 【請求項８】アブレイダブル皮膜を製造する方法におい
    て、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ハフニ
    ウム、酸化セリウム、酸化イットリウムおよびその組合
    せからなる群から選択した材料の中心コアからなり、こ
    のコアの表面にアルミニウムの皮膜が結合した溶射粉末
    粒子を溶射することを特徴とするアブレイダブル皮膜の
    製法。
  9. 【請求項９】溶射を燃焼フレームガンで実施する特許請
    求の範囲第８項記載の製法。
JP58021781A 1982-02-16 1983-02-14 溶射粉末およびアブレイダブル皮膜の製法 Expired - Lifetime JPH0660384B2 (ja)

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