JPH0911200A - Surface erosion method for superalloy using liquid jet - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、スーパーアロイに
溶射コーティングを被覆する方法に関するものであり、
特には溶射(thermal spray )コーティングがスーパー
アロイの表面にしっかりと密着することを可能ならしめ
るようにスーパーアロイの表面を調整する方法に関す
る。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for coating a superalloy with a thermal spray coating,
In particular, it relates to a method of conditioning the surface of a superalloy to allow a thermal spray coating to adhere firmly to the surface of the superalloy.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に、溶射コーティングプロセスによ
り被覆されるべき金属基材は最初、良好な機械的結合を
可能ならしめる表面粗さを実現するべくグリットブラス
トにより粗化される。グリットブラストは、その性質
上、基材中にグリット介在物を残す。グリット材料は、
炭化珪素や鉄粒子も含みうるが、大半の用途においては
角ばったアルミニウム粒子からなる。炭化珪素は、応力
/破断寿命に悪影響を与える恐れがある低融点相を形成
することへの配慮により、耐熱スーパーアロイのグリッ
トブラスト処理にはもはや使用されていない。今日、実
質すべてのグリットブラスト処理は、アルミナ粒子を使
用して行われている。用語「スーパーアロイ」とは、高
い強度及び硬度水準両方を示すコバルト、鉄、チタン及
びニッケル基合金を含む。BACKGROUND OF THE INVENTION Generally, metal substrates to be coated by a thermal spray coating process are first roughened by grit blasting to achieve a surface roughness that allows good mechanical bonding. Grit blast, by its very nature, leaves grit inclusions in the substrate. The grit material is
For most applications it will consist of angular aluminum particles, although it may also contain silicon carbide and iron particles. Silicon carbide is no longer used in the grit blasting of heat resistant superalloys due to the consideration of forming a low melting phase that can adversely affect stress / rupture life. Today, virtually all grit blasting is done using alumina particles. The term "superalloy" includes cobalt, iron, titanium and nickel based alloys that exhibit both high strength and hardness levels.
【0003】幾つかの用途に対しては、グリット介在物
は問題を呈する。スーパーアロイ基材とコーティングと
の間の界面仕様は、介在グリットの量を制限する。航空
機エンジンにおいて使用のためのタービンブレードのコ
ーティングは、非常に厳密な界面介在物制限に合わなけ
ればならない。従って、従来技術は、爾後に被覆される
コーティングに対する剛着を保証するための所望水準の
表面粗さを実現しつつグリット介在物制限に合うものと
しなければならなかった。For some applications, grit inclusions present a problem. The interface specification between the superalloy substrate and the coating limits the amount of intervening grit. Turbine blade coatings for use in aircraft engines must meet very tight interface inclusion limits. Therefore, the prior art had to meet grit inclusion limits while still achieving the desired level of surface roughness to ensure adherence to subsequently coated coatings.
【0004】スーパーアロイ表面は良好に結合された溶
射コーティングを実現するに適正な表面粗さを示さなけ
ればならないが、同時に表面は清浄でもなければならな
い。従って、先行する予備処理に由来して存在するかも
しれないような油脂や表面酸化物は回避されるべきであ
る。先行技術は、湿式研磨材清掃プロセスの使用を通し
て清浄な基材を実現してきたが、これはまたスーパーア
ロイ表面に微細なグリット介在物を付加する。湿式研磨
材清掃プロセスに続いて乾式グリットブラストプロセス
が行われるので、両者の組み合わせは、著しい量の、す
なわち界面水準の15%までもの介在物を付加した。他
の点では清浄な界面でのアルミナ介在物の存在は、爾後
の熱処理中反応が起こることを可能ならしめ、所望され
ざる界面変色をもたらすことが見いだされた。Superalloy surfaces must exhibit the proper surface roughness to achieve a well bonded thermal spray coating, but at the same time the surface must be clean. Therefore, fats and surface oxides that may be present from previous pretreatments should be avoided. The prior art has achieved a clean substrate through the use of a wet abrasive cleaning process, which also adds fine grit inclusions to the superalloy surface. Since the wet abrasive cleaning process is followed by the dry grit blasting process, the combination of both added significant amounts of inclusions, ie up to 15% of the interface level. It has been found that the presence of alumina inclusions at the otherwise clean interface allows the reaction to occur during subsequent heat treatment, resulting in undesired interfacial discoloration.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、グリ
ット介在物が回避されるようなある水準のスーパーアロ
イの表面粗さを実現するための改善された方法を提供す
ることである。The object of the present invention is to provide an improved method for achieving a certain level of superalloy surface roughness such that grit inclusions are avoided.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】基材の表面を爾後に被覆
される溶射コーティング材料がその表面に密着すること
を可能ならしめるように粗化するのに液体ジェットが使
用される。基材は好ましくは、ニッケル或いはコバルト
を基とするスーパーアロイである。本方法は、高圧液体
ジェットを準備し、そして少なくとも約0.7kg/c
m2 から約5.5kg/cm2 までの量範囲において表
面に液体を送給するような速度で基材表面を横切って走
査しながら液体ジェットを移動する。高圧液体ジェット
は好ましくは、約192MPa(28ksi)〜357
MPa(52ksi)の範囲の圧力に維持されているリ
ザーバから提供される。好ましい具体例は、液体ジェッ
トの適用に先立って、基材から平滑な仕上げ表面を粗化
するように基材の表面にグリットの初期ブラストを予備
的に使用する。初期グリットブラストは所望範囲の表面
粗化を達成するための適用液体の圧力と量の低減を可能
ならしめる。A liquid jet is used to roughen the surface of a substrate so that the subsequently coated thermal spray coating material can adhere to the surface. The substrate is preferably a nickel or cobalt based superalloy. The method prepares a high pressure liquid jet and at least about 0.7 kg / c.
The liquid jet is moved while scanning across the substrate surface at a rate such that liquid is delivered to the surface in the volume range of m 2 to about 5.5 kg / cm 2 . The high pressure liquid jet is preferably about 192 MPa (28 ksi) to 357.
Provided from a reservoir maintained at a pressure in the range of MPa (52 ksi). A preferred embodiment preliminarily uses an initial blast of grit on the surface of the substrate to roughen a smooth finished surface from the substrate prior to application of the liquid jet. The initial grit blast allows the pressure and amount of applied liquid to be reduced to achieve the desired range of surface roughening.
【0007】[0007]
【発明の実施の形態】本発明に従えば、スーパーアロイ
の表面を爾後の溶射コーティングのための準備として粗
化するのに高圧ウオタージェットが使用される。その目
的は、粗化段階からのスーパーアロイ表面において発生
する界面介在物を最小限量まで減じることである。金属
やセラミックの切断・切削のような多くのウオタージェ
ット用途において、研磨材が高圧ウオタージェットに添
加されそしてその切断速度を著しく増進する。本発明
は、ウオタージェットにおいて研磨材を使用せず、フィ
ルターでろ過されそして逆浸透により浄化された純な液
体のみを使用する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In accordance with the present invention, a high pressure water jet is used to roughen the surface of a superalloy in preparation for subsequent thermal spray coating. The purpose is to reduce the minimal amount of interfacial inclusions generated on the superalloy surface from the roughening stage. In many waterjet applications such as metal and ceramic cutting and cutting, abrasives are added to high pressure waterjets and significantly enhance their cutting speed. The present invention does not use abrasives in the water jet, only pure liquid that has been filtered and clarified by reverse osmosis.
【0008】以下のデータから明らかなように、所定の
圧力を示す純ウオタージェットが後に被覆される溶射コ
ーティングに悪影響を与える表面介在物をほとんど乃至
全然発生することなくスーパーアロイ(或いは他の金
属)の十分なる表面侵食を与えることが確認された。表
面侵食を可能ならしめるに加えて、ウオタージェットの
噴射は更に基材表面に清浄化作用を提供する。As is apparent from the data below, a super alloy (or other metal) with pure water jets exhibiting a given pressure with little to no surface inclusions that would adversely affect the subsequently sprayed coating. ) Was confirmed to give sufficient surface erosion. In addition to allowing surface erosion, the jet of water jets also provides a cleaning action on the substrate surface.
【0009】本発明の主たる知見は次の通りである: 1.スーパーアロイ及び他の種金属を侵食するには臨界
的な最小すなわちしきい値ウオタージェット圧力が必要
とされる。最小すなわちしきい値ウオタージェット圧力
は基材の硬さに応じて変動する。 2.基材に測定可能な侵食を起こさせるには最小限量を
超える水(或いは他の種液体)が送給されねばならな
い。最小限の量の水が送給され終るまでは、認めうる侵
食は起こらない。侵食が始まるまでの期間は「潜伏期
間」と呼ばれる。 3.基材の仕上げ表面を除去するための軽いグリットブ
ラスト予備処理が爾後のウオタージェット侵食作用を実
質上促進することが見いだされた。軽いグリットブラス
ト予備処理は潜伏期間を排除し、一層低い圧力のウオタ
ージェットの使用を可能ならしめそして所望の水準の侵
食を達成するための最小ウオタージェット圧力を低減す
る。The main findings of the present invention are as follows: A critical minimum or threshold water jet pressure is required to attack superalloys and other seed metals. The minimum or threshold water jet pressure varies with substrate hardness. 2. A minimum amount of water (or other seed liquid) must be delivered to cause measurable erosion of the substrate. No appreciable erosion will occur until the minimum amount of water has been delivered. The period until the start of erosion is called the "latency period". 3. It has been found that a light grit blast pretreatment to remove the finished surface of the substrate substantially enhances the subsequent waterjet erosion. A light grit blast pretreatment eliminates the latency period, allows the use of lower pressure waterjets and reduces the minimum waterjet pressure to achieve the desired level of erosion.
【0010】基材のウオタージェット侵食の有用範囲
は、最小限の基材除去でもって十分な水準の粗さが得ら
れた場合である。溶射コーティングに対して必要とされ
る最小粗さは約0.02mm(80μインチ)であり、
そして一つのスーパーアロイ(すなわちIN−718)
においては約5mg/cm2 (基材の約0.006mm
(1/4ミル)の厚さ)の削除量において実現される。
爾後の溶射コーティングのための最大粗さは、溶射コー
ティングの自己遮蔽及び隠蔽作用、従って界面における
不完全な被覆及び結合強度の減少が起こるために、約
0.13mm(500μインチ)である。A useful range for waterjet erosion of a substrate is when a sufficient level of roughness is obtained with minimal substrate removal. The minimum roughness required for a thermal spray coating is about 0.02 mm (80 μin),
And a super alloy (ie IN-718)
About 5 mg / cm 2 (about 0.006 mm of base material)
(1/4 mil) thickness is eliminated.
The maximum roughness for the subsequent thermal spray coating is about 0.13 mm (500 μin) due to the self-shielding and hiding effects of the thermal spray coating, and thus incomplete coverage at the interface and reduced bond strength.
【0011】表面の十分な粗化を実現するためには、平
均最小除去厚さは約0.005mm(0.2ミル)であ
ることが判明した。これは、代表的なスーパーアロイ表
面に対して約4.5mg/cm2 の削除量に相当する。
容認しうる最大除去厚さは約0.05mm(2ミル)で
ある。この制限は、タービンブレード用とに使用される
薄肉のスーパーアロイの断面の減少に対する配慮に基づ
いている。この除去厚さは基板表面の約45mg/cm
2 の侵食に対応する。更に、爾後の溶射コーティングに
対する十分でそして有用な粗さは約0.041mm(1
60μインチ)でありそしてIN−718においては、
10mg/cm2 の侵食量において得られる。In order to achieve sufficient surface roughening, the average minimum strip thickness was found to be about 0.005 mm (0.2 mil). This corresponds to a deletion amount of about 4.5 mg / cm 2 for a typical superalloy surface.
The maximum acceptable removal thickness is about 0.05 mm (2 mils). This limitation is based on consideration of the reduced cross section of thin wall superalloys used for turbine blades. This removal thickness is about 45 mg / cm of the substrate surface.
Corresponds to erosion of 2 . In addition, a sufficient and useful roughness for subsequent thermal spray coatings is about 0.041 mm (1
60 μ inches) and in IN-718,
Obtained at an erosion rate of 10 mg / cm 2 .
【0012】爾後の溶射コーティングに対して適当な粗
化スーパーアロイ表面を達成するためには、粗さ、侵食
量及び厚さ損失の好ましい範囲は次の通りである: 粗さ:0.013〜0.13mm(50〜500μイン
チ)、 侵食量:4.5〜45mg/cm2 、 厚さ損失:0.006〜0.051mm(0.25〜
2.0ミル)。In order to achieve a suitable roughened superalloy surface for subsequent thermal spray coatings, the preferred ranges of roughness, erosion and thickness loss are as follows: Roughness: 0.013- 0.13 mm (50-500 μinch), Erosion amount: 4.5-45 mg / cm 2 , Thickness loss: 0.006-0.051 mm (0.25-0.25)
2.0 mils).
【0013】粗さ、侵食量及び厚さ損失のより好ましい
範囲は次の通りである: 粗さ:0.02〜0.0.051mm(80〜200μ
インチ)、 侵食量:5〜20mg/cm2 、 厚さ損失:0.006〜0.025mm(0.25〜
1.0ミル)。The more preferable ranges of roughness, erosion amount and thickness loss are as follows: Roughness: 0.02 to 0.0501 mm (80 to 200 μ)
Inch), erosion amount: 5-20 mg / cm 2 , thickness loss: 0.006-0.025 mm (0.25-0.25)
1.0 mil).
【0014】上記範囲は、ラスター様式で表面を横切っ
て走査される純ウオタージェットの適用により達成され
うる。ウオタージェットは、粗化されている合金に対す
る所定の最小(しきい)圧力を少なくとも超える圧力を
示さねばならない。更に、ウオタージェットの走査速度
は、単位面積あたり適用される水の量が臨界送給量より
高いように設定される。The above range can be achieved by the application of a pure water jet which is scanned across the surface in a raster fashion. The water jet must exhibit a pressure that is at least above a certain minimum (threshold) pressure for the alloy being roughened. Furthermore, the water jet scanning speed is set so that the amount of water applied per unit area is higher than the critical delivery.
【0015】表面に適用される軽いグリットブラストに
よる予備処理が爾後のウオタージェットの適用による、
一層低いウオタージェット圧力で持って、一層迅速な表
面粗化を可能ならしめることが見いだされた。Pretreatment with a light grit blast applied to the surface is followed by the application of a water jet.
It has been found that having lower water jet pressures allows for more rapid surface roughening.
【0016】以下のデータから明らかなように、本発明
では、以下IN−718、MAR−M509及びREN
E80の商品名で呼ぶ、ニッケル基スーパーアロイ及び
コバルト基スーパーアロイ両方について試験を行った。
これら合金の各々の組成は次の通りである(重量%): (IN−718) 炭素:0.05 クロム:19 アルミニウム:0.5 チタン:1.0 モリブデン:3.0 ニオブ:5.0 ジルコニウム:0.01 硼素:0.005 鉄:18 ニッケル:残部 (MAR−M509) 炭素:0.55〜0.65 クロム:21.0〜24.0 ニッケル:9.0〜11.0 タングステン:6.5〜7.5 タンタル:3.0〜4.0 チタン:0.15〜0.25 ジルコニウム:0.40〜0.60 マンガン:0.10max 珪素:0.40max 硼素:0.01max 鉄:1.50max 硫黄:0.015max コバルト:残部 (RENE80) コバルト:9.5 クロム:14 モリブデン:4 タングステン:4 チタン:5 アルミニウム:3 炭素:0.17 ジルコニウム:0.03 硼素:0.015 ニッケル:残部As is apparent from the following data, in the present invention, the following IN-718, MAR-M509 and REN were used.
Both nickel-based and cobalt-based superalloys, referred to by the E80 trade name, were tested.
The composition of each of these alloys is as follows (wt%): (IN-718) carbon: 0.05 chromium: 19 aluminum: 0.5 titanium: 1.0 molybdenum: 3.0 niobium: 5.0 Zirconium: 0.01 Boron: 0.005 Iron: 18 Nickel: balance (MAR-M509) Carbon: 0.55-0.65 Chromium: 21.0-24.0 Nickel: 9.0-11.0 Tungsten: 6.5-7.5 Tantalum: 3.0-4.0 Titanium: 0.15-0.25 Zirconium: 0.40-0.60 Manganese: 0.10max Silicon: 0.40max Boron: 0.01max Iron : 1.50max Sulfur: 0.015max Cobalt: Balance (RENE80) Cobalt: 9.5 Chromium: 14 Molybdenum: 4 Tungsten: 4 Titanium: 5 Aluminum: 3 charcoal : 0.17 zirconium: 0.03 boron: 0.015 Nickel: the balance
【0017】[0017]
【実施例】358MPa(52ksi)最大水圧を発生
することのできるFlow International Model 9X pressu
re Intensifire(増圧器)を使用して試験を行った。ウ
オタージェットは0.4mm(0.016インチ)直径
のサファイア製オリフィスにより形成されそして流れは
様々の横断速度で試験基材を横切って走査された。ただ
し、すべての場合走査行路間を0.76mm(0.03
インチ)共通してずらした。基材表面からジェット出口
ノズル離間距離は7.6cm(3インチ)とした。これ
は、最大侵食作用を発揮することのできる距離であるこ
とが見いだされたからである。[Example] Flow International Model 9X pressu capable of generating maximum water pressure of 358 MPa (52 ksi)
The test was performed using a re Intensifire (intensifier). The water jet was formed by a 0.46 mm (0.016 inch) diameter sapphire orifice and the stream was scanned across the test substrate at various traverse speeds. However, in all cases, 0.76 mm (0.03 mm) between the scanning paths.
Inch) Commonly shifted. The distance between the jet outlet nozzle and the surface of the substrate was set to 7.6 cm (3 inches). This is because it has been found to be the distance at which the maximum erosive action can be exerted.
【0018】1回の侵食走査行路跡は約1.5mm
(0.06インチ)の幅を有した。合金基材をウオター
ジェット曝露前後で計量しまたそれらの厚さを測定し
た。侵食量は単位表面積(cm2 )当りの除去された材
料質量(mg)として計算した。サンプルの大半は2
5.4mm直径×3.2mm厚さの円形のボタンであっ
たが、一部はタービンブレードの根元或いはシートスト
ックから切り出された半端な切り取り試片寸法のもので
あった。高圧ポンプは0.4mmのオリフィスを通して
次の流量を有した:リザーバ圧力207MPa(30k
si)、276MPa(40ksi)及び345MPa
(50ksi)において、3.49リットル/分、3.
97リットル/分及び4.50リットル/分。これらの
流量及び走査速度から、各サンプルに送給された水の量
をkg/cm2 単位で計算した。The trace of one erosion scanning path is about 1.5 mm
It had a width of (0.06 inches). The alloy substrates were weighed before and after waterjet exposure and their thickness was measured. The amount of erosion was calculated as the mass of material removed (mg) per unit surface area (cm 2 ). Most of the samples are 2
Although the button was a circular button having a diameter of 5.4 mm and a thickness of 3.2 mm, a part of the button was a size of a half-cut piece cut out from the root of the turbine blade or the sheet stock. The high pressure pump had the following flow rate through a 0.4 mm orifice: reservoir pressure 207 MPa (30 k
si), 276 MPa (40 ksi) and 345 MPa
At (50 ksi), 3.49 l / min, 3.
97 l / min and 4.50 l / min. From these flow rates and scan rates, the amount of water delivered to each sample was calculated in kg / cm 2 .
【0019】様々の合金試片についての高圧ジェットの
作用効果の最初の調査を345MPa(50ksi)リ
ザーバ圧力及び30.5cm/分横断速度において行っ
た。これらの結果に基づいて、また別の同種試片におい
て最初の侵食損失が比較的大きいか、小さいかに依存し
て前より速い速度でもしくは遅い横断速度で試験を行っ
た。これらの多数点データを図面に示す。Initial investigations of the effects of high pressure jets on various alloy coupons were conducted at 345 MPa (50 ksi) reservoir pressure and 30.5 cm / min transverse velocity. Based on these results, and in other homogenous specimens, tests were carried out at faster or slower traverse rates than before depending on whether the initial erosion loss was relatively large or small. These multipoint data are shown in the drawing.
【0020】IN−718試片は954℃(1750°
F)で1時間溶体化焼鈍されそして103のロックウエ
ルB硬度を有した。MAR−M509試片は鋳造したま
まであり、31.0の表面ロックウエルC硬度を有し
た。RENE80試片は、真空中で1200℃において
4時間標準溶体化焼鈍した一方向凝固ロッドから横断方
向に切り出され、39.4HRcの最終硬度を有した。
最初のMAR−M509試片表面は研磨しそして後水中
に分散せしめた三角形アルミニウム媒体を使用して振動
仕上した。RENE80試片は0.3μm仕上まで研磨
した。侵食表面は走査型電子顕微鏡で検査しそして粗さ
は0.76mm (0.03インチ)カットオフに設定
した携帯型テイラー−ホブソン粗さ測定器を使用して測
定した。The IN-718 specimen was 954 ° C (1750 °).
Solution annealed in F) for 1 hour and had a Rockwell B hardness of 103. The MAR-M509 coupon was as cast and had a surface Rockwell C hardness of 31.0. RENE 80 coupons were transversely cut from unidirectional solid solution rods that were standard solution annealed at 1200 ° C. for 4 hours in vacuum and had a final hardness of 39.4 HRc.
The initial MAR-M509 coupon surface was polished and post-vibration finished using triangular aluminum media dispersed in water. The RENE80 test piece was polished to a finish of 0.3 μm. The eroded surface was examined with a scanning electron microscope and roughness was measured using a hand-held Taylor-Hobson roughness meter set at a 0.73 mm (0.03 inch) cutoff.
【0021】図1は、IN−718に対して送給水量
(kg/cm2 )対侵食金属量(mg/cm2 )の関係
をプロットしたものである。ウオタージェット侵食プロ
セスの2つの重要な特徴が図1のグラフから明らかであ
る。一つは、測定可能な侵食が存在するようになるまで
にはIN−718基材に衝突するのに必要な最小量の水
が存在する、すなわち潜伏期間が存在することである。
すなわち、276MPa(40ksi)においては、
0.8kg/cm2 の水が基材を横切って送給され終る
までは実質上の侵食は起こらない。その時点で侵食は始
まりそして指数関数的に増大する。345MPa(50
ksi)においては、潜伏期間は約0.5kg/cm2
において終わる。FIG. 1 is a plot of the relationship between the amount of supplied water (kg / cm 2 ) and the amount of corroded metal (mg / cm 2 ) with respect to IN-718. Two important features of the waterjet erosion process are apparent from the graph of Figure 1. One is that there is a minimum amount of water needed to impact the IN-718 substrate before there is measurable erosion, ie there is a latency period.
That is, at 276 MPa (40 ksi),
No substantial erosion occurs until 0.8 kg / cm 2 of water has been delivered across the substrate. At that point erosion begins and grows exponentially. 345 MPa (50
In ksi), the incubation period is about 0.5 kg / cm 2
Ends in.
【0022】第2の特徴は、測定可能な侵食を起こすに
必要とされる最小(しきい)圧力が存在しそして207
MPa(30ksi)は最小圧力のごくわずか上でしか
ないことである。侵食最小ジェット圧力は曲線の最初の
スロープから決定することができる。溶体化焼鈍IN−
718に対する最小圧力は約196MPa(28.5k
si)であることが確認された。ベルヌーイの式から、
最小圧力はウオタージェット速度に換算でき、かくして
IN−718に対する対応する最小速度は650m/秒
である。The second feature is that there is a minimum (threshold) pressure required to cause measurable erosion and 207
MPa (30 ksi) is only slightly above the minimum pressure. The minimum erosion pressure can be determined from the first slope of the curve. Solution annealing IN-
The minimum pressure for 718 is about 196 MPa (28.5 k
si) was confirmed. From Bernoulli's formula,
The minimum pressure can be converted to a water jet velocity, thus the corresponding minimum velocity for IN-718 is 650 m / sec.
【0023】図2において、954℃(1750°F)
で1時間溶体化焼鈍されそして後718℃(1325°
F)で8時間+621℃(1150°F)で10時間時
効処理した時効IN−718試片について同様の侵食試
験を行った。時効IN−718試片は、115のロック
ウエルB硬度を有した。金属侵食量は図1に示したもの
よりかなり低く、基材硬度への明確な依存性を証明する
ものであることを銘記されたい。In FIG. 2, 954 ° C. (1750 ° F.)
Solution annealed for 1 hour at 718 ° C (1325 ° C)
A similar erosion test was performed on the aged IN-718 specimen that had been aged at F) for 8 hours at + 621 ° C (1150 ° F) for 10 hours. The aged IN-718 coupon had a Rockwell B hardness of 115. It should be noted that the amount of metal erosion is much lower than that shown in FIG. 1, demonstrating a clear dependence on substrate hardness.
【0024】図1で示した実験を試片の最初の平滑な仕
上げ表面を粗化するべく軽いグリットブラストの予備処
理を受けたIN−718試片に対して繰り返した(図
3)。240メッシュの角ばったアルミナグリットを9
0度の衝突角度で試片から5.1cm(2インチ)に位
置するブラストヘッドを使用して投射した。投射グリッ
ト圧力は2.5kg/cm2 ゲージ圧(35psig)
であった。グリットブラスト予備処理に続いて、試片を
リザーバ圧力207MPa(30ksi)、276MP
a(40ksi)及び345MPa(50ksi)にお
いてウオタージェット侵食試験下に置いた。各場合、そ
れぞれのウオタージェット圧力において金属侵食量にお
ける相当の増加が見られることを銘記されたい。The experiment shown in FIG. 1 was repeated on an IN-718 coupon that had been pretreated with a light grit blast to roughen the initial smooth finished surface of the coupon (FIG. 3). 9 pieces of 240 mesh square alumina grit
It was projected using a blast head located 5.1 cm (2 inches) from the specimen at a 0 degree impact angle. Projection grit pressure is 2.5 kg / cm 2 gauge pressure (35 psig)
Met. Subsequent to grit blasting pretreatment, the specimen pressure was 207MPa (30ksi), 276MP
Placed under waterjet erosion test at a (40 ksi) and 345 MPa (50 ksi). It should be noted that in each case there is a considerable increase in the amount of metal erosion at each waterjet pressure.
【0025】図4において、グリットブラスト処理され
そして後ウオタージェット粗化過程に置かれたサンプル
と同じサンプルの最初のグリットブラストを受けずにウ
オタージェット粗化過程に置かれた部分とに対する侵食
値を直接比較したプロットが示されている。図4のプロ
ットにおいて、侵食量がウオタージェット圧力に対して
プロットされており、そしてサンプルがグリットブラス
ト処理され手板場合には、されていない場合に比較し
て、侵食がかなり低めの圧力において開始されることを
銘記すべきである。In FIG. 4, erosion of a grit blasted and post waterjet roughened sample and a portion of the same sample that was not subjected to the initial grit blast and was waterjet roughened. Plots showing the direct comparison of the values are shown. In the plot of FIG. 4, the amount of erosion is plotted against the waterjet pressure, and the erosion starts at a much lower pressure when the sample is grit blasted and handplate compared to when not. It should be noted that
【0026】図5において、基材に送給される水の量が
345MPa(50ksi)のウオタージェット粗化過
程に置かれた幾つかの材料に対する侵食重量損失に対し
てプロットされている。上述したIN−718試片デー
タ(954℃(1750°F)で1時間溶体化焼鈍)が
プロットされそして過剰溶体化処理(954℃(175
0°F)で4時間)状態にあるIN−718試片に対す
るデータが追加されると共に、Ti−6重量%Al−4
重量%Vサンプルのデータもまた追加されている。この
チタン合金は、IN−718(954℃(1750°
F)で1時間溶体化焼鈍)と幾分同様の挙動を示した
が、IN−718(954℃(1750°F)で4時
間)は送給される同等量の水に対してはるかに高い侵食
性を示した。図5にプロットしたデータからわかるよう
に、IN−718サンプルにおいて実現される侵食重量
損失において熱処理状態に依存して相当の差異が存在す
る。345MPa(50ksi)におけるウオタージェ
ット侵食の場合に対しては、40mg/cm2 の重量損
失はIN−718(954℃(1750°F)で1時間
溶体化焼鈍)に対しては7.5μmの粗さを実現した
が、IN−718(954℃(1750°F)で4時
間)に対しては11.5μmの粗さを実現した。同じジ
ェット圧力及び送給水量において、過剰溶体化材料は実
質上大きな侵食損失及び大きな粗さを有した。In FIG. 5, the amount of water delivered to the substrate is plotted against erosion weight loss for some materials subjected to a water jet roughening process of 345 MPa (50 ksi). The IN-718 coupon data described above (1 hour solution annealing at 954 ° C (1750 ° F)) was plotted and over solution treated (954 ° C (175 ° C).
Data was added for IN-718 specimens at 0 ° F) for 4 hours) and Ti-6 wt% Al-4.
Data for the wt% V sample is also added. This titanium alloy is IN-718 (954 ° C (1750 °
F) showed somewhat similar behavior to solution annealing for 1 hour), but IN-718 (4 hours at 954 ° C (1750 ° F)) was much higher for the equivalent amount of water delivered. It was erodible. As can be seen from the data plotted in Figure 5, there is a considerable difference in the erosion weight loss achieved in the IN-718 sample depending on the heat treatment condition. For the case of water jet erosion at 345 MPa (50 ksi), a weight loss of 40 mg / cm 2 was 7.5 μm for IN-718 (1 hour solution annealing at 954 ° C. (1750 ° F.)). A roughness of 11.5 μm was achieved for IN-718 (4 hours at 954 ° C. (1750 ° F.)). At the same jet pressure and feed rate, the over-solutionized material had substantially higher erosion loss and greater roughness.
【0027】基材に送給される水の量の関数としてのM
AR−M509の侵食量の変化が図6に示される。35
9MPa(52ksi)侵食データ曲線は、送給水衝突
の増大と共に指数関数的に増加する。276MPa(4
0ksi)においても、同様の、まだ指数関数的な曲線
が見られるが、両方の曲線は侵食作用の初期段階で潜伏
期間が存在することを示唆している。M as a function of the amount of water delivered to the substrate
The change in the amount of erosion of AR-M509 is shown in FIG. 35
The 9 MPa (52 ksi) erosion data curve increases exponentially with increasing feedwater collisions. 276 MPa (4
At 0 ksi), a similar, still exponential curve is seen, but both curves suggest that there is a latency period in the early stages of erosion.
【0028】図7において、RENE80の侵食状態
が、侵食重量損失対送給水量のプロットとして示されて
いる。測定可能な侵食が起こる前に約1kg/cm2 の
最小値が存在することが明らかに見られることを銘記さ
れたい。In FIG. 7, the erosion status of RENE 80 is shown as a plot of erosion weight loss vs. water delivery. Note that it is clearly seen that there is a minimum of about 1 kg / cm 2 before measurable erosion occurs.
【0029】侵食RENE80試片の粗さが、侵食重量
損失の関数として図8に示されている。粗さは侵食と共
に急激に上昇しそして後非常に高い侵食重量損失におけ
る約30μmの限界値に向け移行する。220mg/c
m2 の重量損失が0.27mm(10.6ミル)の表面
除去に相当する。これは、溶射の準備として必要とされ
るほどほど表面除去実質上を超える。しかし、10mg
/cm2 の重量損失においては、約5μmの粗さが生
じ、これは爾後の溶射被覆に非常に適当であることが見
いだされた。The roughness of the eroded RENE 80 coupon is shown in FIG. 8 as a function of erosion weight loss. The roughness rises sharply with erosion and later moves towards a limit of about 30 μm at very high erosion weight loss. 220 mg / c
A weight loss of m 2 corresponds to a surface removal of 0.27 mm (10.6 mils). This is substantially more than surface removal as needed to prepare for thermal spraying. However, 10 mg
At a weight loss of / cm 2 , a roughness of about 5 μm resulted, which was found to be very suitable for subsequent thermal spray coatings.
【0030】図9において、40、50および60のロ
ックウエルC硬度を有する鋼についてのウオタージェッ
ト侵食試験の結果が示されている。ここでもやはり、侵
食重量損失は実質上基材の硬度並びに適用ウオタージェ
ット圧力及び送給水量に依存することを銘記すべきであ
る。In FIG. 9, the results of the water jet erosion test are shown for steels having Rockwell C hardnesses of 40, 50 and 60. Again, it should be noted that the erosion weight loss depends essentially on the hardness of the substrate as well as the applied water jet pressure and feed water.
【0031】ウオタージェット粗化過程を受けた基材が
プラズマ溶射コーティングに対する良好な下地を提供す
ることを明らかにするために、ニッケル基スーパーアロ
イタービンブレードをこれまで見いだされた適切なウオ
タージェットパラメータを使用して、一段階で浄化しか
つ粗化した。ブレードは最初暗色の表面酸化物を有した
が、酸化物はウオタージェット粗化過程により完全に除
去された。ブレードの侵食損失は10.7mg/cm2
であり、これは約0.012mmの厚さの除去に相当し
た。ブレードをその後、アルゴン包囲プラスマ溶射によ
りMCrAlY(ここで、Mはニッケル、コバルトもし
くは鉄)で被覆し、真空中で熱処理しそして仕上処理し
そしてピーニング処理した。優れた結合が得られそして
界面はすべての部分で完全に清浄であった。Suitable waterjets hitherto found in nickel-based superalloy turbine blades have been found to demonstrate that substrates that have undergone a waterjet roughening process provide a good substrate for plasma spray coatings. The parameters were used to clean and roughen in one step. The blade initially had a dark surface oxide, but the oxide was completely removed by the waterjet roughening process. Blade erosion loss is 10.7 mg / cm 2
Which corresponded to a thickness removal of about 0.012 mm. The blades were then coated with MCrAlY (where M is nickel, cobalt or iron) by argon-enclosed plasma spraying, heat treated in vacuum and finished and peened. Excellent bonding was obtained and the interface was completely clean in all areas.
【0032】上述した結果は、試験された基材材料の各
々がそれ以下では表面侵食が始まらない最小圧力を有す
ることを示す。図10において、試験された3種の主た
るスーパーアロイ、IN−718、MAR−M509及
びRENE80に対する最小圧力対硬度(ロックウエル
B)のプロットを示す。硬度が増加するほど、最小圧力
は指数関数的に増加することを銘記されたい。The above results show that each of the substrate materials tested has a minimum pressure below which surface erosion does not begin. In Figure 10, a plot of minimum pressure versus hardness (Rockwell B) is shown for the three main superalloys tested, IN-718, MAR-M509 and RENE80. It should be noted that the minimum pressure increases exponentially with increasing hardness.
【0033】図11においては、コバルト基スーパーア
ロイ及びニッケル基スーパーアロイ両方に対して送給さ
れた水量がウオタージェット水圧に対してプロットされ
ている。各場合に、送給水量は基材の4.5mg/cm
2 を実現するに必要とされるものであった。コバルト基
スーパーアロイに対しては、送給水量は357MPa
(52ksi)における0.7kg/cm2 からおおよ
そ216MPa(31.5ksi)における5.5kg
/cm2 まで変動した。対照的に、ニッケル基スーパー
アロイは、同様の侵食状態を実現するのに必要とされる
水量はもっと少なくてすみ、276MPa(40ks
i)においておおよそ1.5kg/cm2 のもっと低い
ウオタージェット圧力であった。In FIG. 11, the amount of water delivered to both cobalt-based and nickel-based superalloys is plotted against waterjet water pressure. In each case, the water supply was 4.5 mg / cm2 of the base material.
It was what was needed to achieve the two . The amount of water supplied is 357 MPa for cobalt-based superalloy.
0.7 kg / cm 2 at (52 ksi) to about 5.5 kg at 216 MPa (31.5 ksi)
Fluctuated up to / cm 2 . In contrast, nickel-based superalloys require less water to achieve a similar erosion state, requiring less than 276 MPa (40 ks).
In i) there was a lower water jet pressure of approximately 1.5 kg / cm 2 .
【0034】まとめとして、上述した試験は、それ以下
では侵食が起こらない最小ウオタージェット圧力が各基
材材料に対して存在することを示している。それらの圧
力を以下に示す: (最小圧力) MAR−M509:210MPa(30.6ksi) RENE−80:248MPa(36.2ksi) IN−718:196MPa(28.5ksi)In summary, the tests described above show that there is a minimum waterjet pressure for each substrate material below which erosion does not occur. The pressures are shown below: (Minimum pressure) MAR-M509: 210 MPa (30.6 ksi) RENE-80: 248 MPa (36.2 ksi) IN-718: 196 MPa (28.5 ksi)
【0035】次の表1は、試験を受けた様々の基材にお
ける記載された侵食水準を実現するのに必要な臨界水量
を示す。表1に記載の各々は、4.5mg/cm2 の最
小侵食水準に対して、指示された圧力において必要とさ
れる水の量を確立するものである。また、45mg/c
m2 の最大侵食水準を実現するのに必要とされる水量を
も併記する(一つを除く)。*印を有する表5の項目は
実験的に確認された値の内挿値である。The following Table 1 shows the critical water amounts required to achieve the stated erosion levels on the various substrates tested. Each listed in Table 1 establishes the amount of water required at the indicated pressure for a minimum erosion level of 4.5 mg / cm 2 . Also, 45 mg / c
The amount of water required to achieve the maximum erosion level of m 2 is also shown (except one). The items in Table 5 marked with * are the interpolated values of the experimentally confirmed values.
【0036】[0036]
【表1】 [Table 1]
【0037】以上は、ジェット侵食源として水の使用に
基づくものであったが、当業者には他の純な液体の使用
に代替しうることが理解されよう。そうした液体の例と
しては、エチレングリコール、高密度アルコール、ポリ
ウオターなどを挙げることができる。While the above has been based on the use of water as a source of jet erosion, those skilled in the art will appreciate that the use of other pure liquids can be substituted. Examples of such liquids include ethylene glycol, high density alcohols, polywater and the like.
【0038】[0038]
【発明の効果】グリット介在物が回避されるような所定
の水準のスーパーアロイの表面粗さを実現する。EFFECTS OF THE INVENTION A predetermined level of surface roughness of superalloy is realized so that grit inclusions are avoided.
【0039】以上、本発明を例示したが、本発明の精神
内で多くの改変をなしうることを銘記されたい。While the invention has been illustrated above, it should be noted that many modifications can be made within the spirit of the invention.
【図1】リザーバ圧力207MPa(30ksi)、2
76MPa(40ksi)及び345MPa(50ks
i)において、IN718の侵食状況を示す金属侵食量
対送給水量の関係を示すグラフである。1 is a reservoir pressure of 207 MPa (30 ksi), 2
76 MPa (40 ksi) and 345 MPa (50 ks)
In i), it is a graph which shows the relationship of the amount of metal corrosion which shows the erosion situation of IN718, and the amount of water supply.
【図2】リザーバ圧力207MPa(30ksi)、2
76MPa(40ksi)及び345MPa(50ks
i)において、時効処理したIN718の侵食状況を示
す金属侵食量対送給水量の関係を示すグラフである。FIG. 2 Reservoir pressure 207 MPa (30 ksi), 2
76 MPa (40 ksi) and 345 MPa (50 ks)
In i), it is a graph which shows the relationship of the amount of metal corrosion which shows the corrosion condition of IN718 which carried out the aging process, and the amount of water supplies.
【図3】リザーバ圧力207MPa(30ksi)、2
76MPa(40ksi)及び345MPa(50ks
i)において、グリットブラスト処理したIN718の
侵食状況を示す金属侵食量対送給水量の関係を示すグラ
フである。FIG. 3 Reservoir pressure 207 MPa (30 ksi), 2
76 MPa (40 ksi) and 345 MPa (50 ks)
In i), it is a graph which shows the relationship of the metal erosion amount which shows the erosion situation of IN718 which carried out the grit blast process, and the water supply amount.
【図4】IN718に対してグリットブラスト処理した
表面とグリットブラスト処理しなかった表面と間での比
較を示す、金属侵食量対ウオタージェット圧力の関係を
示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between metal erosion rate and water jet pressure showing a comparison between a grit blasted surface and an ungrit blasted surface for IN718.
【図5】345MPa(50ksi)に維持されたリサ
ーバから幾つかのスーパーアロイに対して侵食重量損失
対送給水量の関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between erosion weight loss and feed water volume for some superalloys from a reservoir maintained at 345 MPa (50 ksi).
【図6】221MPa(32ksi)、276MPa
(40ksi)及び359MPa(52ksi)に維持
されたリサーバからMAR−M509に対して侵食重量
損失対送給水量の関係を示すグラフである。FIG. 6 is 221 MPa (32 ksi) and 276 MPa.
It is a graph which shows the relationship of the erosion weight loss with respect to MAR-M509 vs. amount of water supply from a reserver maintained at (40 ksi) and 359 MPa (52 ksi).
【図7】276MPa(40ksi)及び345MPa
(50ksi)に維持されたリサーバからRENE80
に対する侵食重量損失対送給水量の関係を示すグラフで
ある。FIG. 7: 276 MPa (40 ksi) and 345 MPa
Renesas maintained at (50 ksi) to RENE80
5 is a graph showing the relationship between the erosion weight loss and the amount of supplied water.
【図8】図7に示された条件の下でRENE80に対す
る表面粗さ対侵食重量損失の関係を示すグラフである。8 is a graph showing the relationship of surface roughness versus erosion weight loss for RENE 80 under the conditions shown in FIG. 7.
【図9】345MPa(50ksi)に維持されたリサ
ーバからのウオタージェットによる3種類の鋼に対して
侵食重量損失対送給水量の関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the relationship between erosion weight loss and feed water amount for three types of steel by water jet from a reservoir maintained at 345 MPa (50 ksi).
【図10】IN−718、MAR−M509及びREN
E80に対する初期侵食を実現するための最小圧力対硬
度の関係を示すグラフである。FIG. 10: IN-718, MAR-M509 and REN
FIG. 6 is a graph showing the minimum pressure vs. hardness relationship for achieving initial erosion for E80.
【図11】コバルト基スーパーアロイ及びニッケル基ス
ーパーアロイ両方に対し4.5mg/cm2 侵食を実現
するための送給水量対水圧の関係を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between the feed water amount and the water pressure for achieving 4.5 mg / cm 2 erosion for both cobalt-based superalloy and nickel-based superalloy.
Claims (7)
スト処理により予備粗化を行う段階と、b.少なくとも
192MPa(28ksi)の液体ジェットを用意する
段階と、c.0.7kg/cm2 から約5.5kg/c
m2 までの量範囲において表面に液体を送給するような
速度で基材表面を横切って液体ジェットを移動する段階
とを包含する基材の表面の粗化方法。1. A method comprising: a. Pre-roughening by grit blasting across the surface of the substrate; b. Providing a liquid jet of at least 192 MPa (28 ksi), c. 0.7kg / cm 2 to about 5.5kg / c
moving the jet of liquid across the surface of the substrate at a rate such that liquid is delivered to the surface in a volume range up to m 2 .
セラミックもしくはサーメット材料の層を付着する段階
を更に含む請求項1の方法。2. Metal using a thermal spray coating device,
The method of claim 1 further comprising depositing a layer of ceramic or cermet material.
量が表面を0.013〜0.13mm(50〜500μ
インチ)範囲内に表面を粗化するように調整される請求
項1の方法。3. The jet pressure and the amount of liquid fed to the surface are 0.013 to 0.13 mm (50 to 500 μm) on the surface.
The method of claim 1 adjusted to roughen the surface within the inch range.
量が表面を0.05mm(2ミル)を超えない厚さ損失
まで侵食するように調整される請求項1の方法。4. The method of claim 1 wherein the jet pressure and the amount of liquid delivered to the surface are adjusted to erode the surface to a thickness loss of no more than 0.05 mm (2 mils).
びチタン基合金から成る群から選択されるスーパーアロ
イである請求項1の方法。5. The method of claim 1 wherein the substrate is a superalloy selected from the group consisting of nickel based, cobalt based, iron based and titanium based alloys.
ル、アルコール類及びポリウオターから成る群から選択
されるスーパーアロイである請求項1の方法。6. The method of claim 1 wherein the liquid jet is a superalloy selected from the group consisting of water, ethylene glycol, alcohols and polywater.
爆発銃、高速酸素−燃料及び高速衝撃方式から成る群か
ら選択されるスーパーアロイである請求項2の方法。7. The thermal spray coating device comprises plasma spraying,
The method of claim 2 which is a superalloy selected from the group consisting of detonation guns, fast oxygen-fuel and fast bombardment systems.
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|---|---|---|---|
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1996
- 1996-06-18 JP JP17729796A patent/JPH0911200A/en active Pending
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- 1996-06-18 CA CA 2179335 patent/CA2179335C/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| CA2179335C (en) | 1999-09-07 |
| CA2179335A1 (en) | 1996-12-20 |
| MX9602384A (en) | 1998-10-31 |
| EP0750054A1 (en) | 1996-12-27 |
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