JP2007507604A - Nanostructured coating systems, components and related manufacturing methods - Google Patents
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Abstract
【課題】 比較的低温で高い耐エロージョン性、耐食性、固体粒子衝撃損傷耐性及びキャビテーション耐性を呈するコーティング系の提供。
【解決手段】 実質的に延性及び/又は耐食性のバインダーマトリックス(14)と、実質的に延性及び/又は耐食性のバインダーマトリックス(14)中に導入した複数の実質的に硬いナノ粒度のセラミック粒子(12)又は結晶粒とを含むナノ構造化コーティング系(10)、部品及び関連製造方法。複数のナノ粒度セラミック粒子(12)又は結晶粒間の平均自由空間距離はナノスケールである。適宜、コーティング系(10)、部品及び関連製造方法は、実質的に延性及び/又は耐食性のバインダーマトリックス(14)中に導入した複数の実質的に硬いミクロン粒度のセラミック粒子(20)又は結晶粒も含んでいてもよい。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a coating system exhibiting high erosion resistance, corrosion resistance, solid particle impact damage resistance and cavitation resistance at a relatively low temperature.
A substantially ductile and / or corrosion-resistant binder matrix (14) and a plurality of substantially hard nano-sized ceramic particles introduced into the substantially ductile and / or corrosion-resistant binder matrix (14). 12) or nanostructured coating system (10), parts and related manufacturing methods comprising crystal grains. The mean free space distance between the plurality of nano-sized ceramic particles (12) or grains is nanoscale. Optionally, the coating system (10), components, and related manufacturing methods include a plurality of substantially hard micron sized ceramic particles (20) or grains introduced into a substantially ductile and / or corrosion resistant binder matrix (14). May also be included.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は概して高温及び低温での耐摩耗性及び耐エロージョン性の向上したナノ構造化コーティング系、部品及び関連製造方法に関する。さらに具体的には、本発明は、比較的延性のマトリックス中に導入した複数の比較的硬い脆性のナノ粒度粒子を利用したコーティング系、部品及び関連製造方法に関する。 The present invention relates generally to nanostructured coating systems, components and related manufacturing methods with improved wear and erosion resistance at high and low temperatures. More specifically, the present invention relates to coating systems, components and related manufacturing methods that utilize a plurality of relatively hard and brittle nano-sized particles introduced in a relatively ductile matrix.
ガスタービン、航空機エンジンなどの性能を改善し、その作動効率を高めるために作動温度の高温化が絶えず求められている。しかし、かかる作動温度の上昇に伴って、ガスタービン、航空機エンジンなどの部品の高温耐久性をその分高める必要がある。ニッケル基、コバルト基及び鉄基超合金などの組成及び開発によって、高温性能は格段に向上した。かかる超合金は約800℃以上を超える温度に耐えるように設計されている。しかし、ガスタービン、航空機エンジンなどの部品の製造に使用すると、これらの超合金は酸化及び高温腐食作用による損傷を受け易く、適切な機械的性質を保持することができない。そのため、かかる部品は環境又は断熱皮膜(通例「遮熱コーティング」と呼ばれる。)で保護されている。
In order to improve the performance of gas turbines, aircraft engines, etc., and to increase their operating efficiency, there is a continuous demand for higher operating temperatures. However, as the operating temperature increases, it is necessary to increase the high temperature durability of parts such as gas turbines and aircraft engines. With the composition and development of nickel-base, cobalt-base and iron-base superalloys, the high-temperature performance has been greatly improved. Such superalloys are designed to withstand temperatures above about 800 ° C. However, when used in the manufacture of parts such as gas turbines and aircraft engines, these superalloys are susceptible to damage from oxidation and hot corrosive action and cannot retain the proper mechanical properties. For this reason, such parts are protected by the environment or a thermal barrier coating (commonly referred to as “thermal barrier coating”).
高温の耐摩耗性、耐エロージョン性、耐摩損性及び強度は、ガスタービン、航空機エンジンなどの部品及びコーティング系に関する重要な性質である。高温で適切な耐摩耗性、耐エロージョン性、耐摩損性及び強度を確保するには、コーティング系がその硬さを保持し、適度に強靱でしかも耐酸化性でなければならない。炭化物、トリバロイ(triballoy)などの慣用の高温コーティング系の有用な作動範囲は約800〜約850℃に限られている。同様に、純粋な単相セラミックコーティング系は靭性が比較的低く、高温では十分に機能しない。高温(約1000℃超)における耐摩耗性、耐エロージョン性、耐摩損性及び強度が最良の現在利用可能なコーティング系としては、L605バルク材及びイットリア安定化ジルコニア(YSZ)がある。複数の比較的硬い脆性のミクロン粒度のセラミック粒子を含むMCrAlY−アルミナのミクロンスケールのコーティング系は、室温の摩耗及びエロージョン試験ではWC−Coコーティング系に匹敵する性質を示すが、高温ではやはり十分に機能しない。 High temperature wear resistance, erosion resistance, abrasion resistance and strength are important properties for components and coating systems such as gas turbines, aircraft engines. To ensure adequate wear resistance, erosion resistance, abrasion resistance and strength at high temperatures, the coating system must retain its hardness, be reasonably tough and oxidation resistant. The useful operating range of conventional high temperature coating systems such as carbides, triballoys is limited to about 800 to about 850 ° C. Similarly, pure single phase ceramic coating systems have relatively low toughness and do not function well at high temperatures. Currently available coating systems with the best wear resistance, erosion resistance, abrasion resistance and strength at high temperatures (above about 1000 ° C.) include L605 bulk material and yttria stabilized zirconia (YSZ). The MCrAlY-alumina micron-scale coating system containing a plurality of relatively hard and brittle micron-sized ceramic particles shows properties comparable to the WC-Co coating system in room temperature wear and erosion tests, but still performs well at high temperatures. Does not work.
そこで、高温(約1000℃超)において高い耐摩耗性、耐エロージョン性、耐摩損性及び強度を提供するコーティング系に対するニーズが依然として存在する。このコーティング系はその硬さを保持し、適度に強靱でしかも耐酸化性でなければならない。 Thus, there remains a need for coating systems that provide high wear resistance, erosion resistance, wear resistance and strength at high temperatures (above about 1000 ° C.). This coating system must retain its hardness, be reasonably tough and oxidation resistant.
同様に、水力発電用タービン部品などは、例えば、約1000ppmを超える河川中の沈泥(シルト)に曝露されると、比較的低温でかなりのエロージョンを受ける。この問題は、雨季の沈泥含有量が約50000ppmを超えることもある南及び東南アジア並びに南アメリカでは特に深刻な問題となりかねない。その結果起こるエロージョン損傷は作動効率を低下させ、コストのかかる保守関連の操業停止及び数年毎に重い部品の交換を必要としかねない。かかる問題を回避するため、多くの発電所では、沈泥含有量が所定の限界値、例えば約5000ppmに達すると水力発電用タービンの作動を停止する。 Similarly, hydropower turbine components and the like are subject to significant erosion at relatively low temperatures when exposed to, for example, silt in rivers above about 1000 ppm. This problem can be a particularly serious problem in South and Southeast Asia and South America where silt content in the rainy season can exceed about 50,000 ppm. The resulting erosion damage reduces operating efficiency and can require costly maintenance-related shutdowns and heavy parts replacement every few years. In order to avoid such problems, many power plants stop the operation of the hydropower turbine when the silt content reaches a predetermined limit, for example about 5000 ppm.
これらの問題は、腐食を緩和し部品の耐エロージョン性を改良するために、水力発電用タービン部品を13−4マルテンサイトステンレス鋼、16−5−1ステンレス鋼などで製造することによって対処されている。大気プラズママ溶射法で施工されたアルミナ、アルミナ−チタニア及びクロミアのようなセラミックコーティング系も利用されているが、限られた成功しか得られていない。同様に、溶射及び溶融プロセスで施工されたミクロン粒度のWC結晶粒を有するNiCrBSi+WC−CoCrコーティング系並びに混成DJ HVOF法で施行されたミクロン粒度のWC結晶粒を有するWC−CoCrコーティング系も利用されている。しかし、これらのコーティング系はいずれも沈、泥含有量が高く、水の速度が約30〜約70m/sである条件下では適切な耐エロージョン性を示さない。 These problems have been addressed by manufacturing hydropower turbine parts from 13-4 martensitic stainless steel, 16-5-1 stainless steel, etc. to mitigate corrosion and improve erosion resistance of the parts. Yes. Ceramic coating systems such as alumina, alumina-titania and chromia applied by atmospheric plasma spraying have also been used with limited success. Similarly, NiCrBSi + WC-CoCr coating systems having micron-sized WC grains applied by thermal spraying and melting processes and WC-CoCr coating systems having micron-sized WC grains implemented by the hybrid DJ HVOF method are also utilized. Yes. However, none of these coating systems exhibit adequate erosion resistance under conditions where the sedimentation and mud content is high and the water speed is about 30 to about 70 m / s.
そこで、比較的低温で高い耐エロージョン性、耐食性、固体粒子衝撃損傷耐性及びキャビテーション耐性を呈するコーティング系が依然として必要とされている。
様々な実施形態では、本発明は、高温(約1000℃超)で改良された耐摩耗性、耐エロージョン性、耐摩損性及び強度を示すナノ構造化コーティング系、部品及び関連製造方法を提供する。このコーティング系は、比較的延性の耐酸化性マトリックス中に導入した複数の比較的硬い脆性のナノ粒度のセラミック粒子を含む。耐酸化性マトリックスはバインダーとして作用するが、高温性能の実証された金属合金マトリックスが挙げられる。例えば、金属合金マトリックスとして、ニッケル基合金(例えば、Ni基超合金、NiCr、NiCrAlYなど)、コバルト基合金(例えば、L605、HS188、CoCrAlYなど)、金属間化合物系(例えば、NiAl、Ni3Alなど)、又はマルテンサイト変態を介して衝撃エネルギーを吸収する形状記憶合金が挙げられる。ナノ粒度のセラミック粒子としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、イットリウム系ガーネット、ムライト、ハフニア又はこれらの適切な組合せが挙げられる。金属合金マトリックスとナノ粒度のセラミック粒子との有害な相互作用は、暴走反応を起こす可能性の低い金属/酸化物の組合せを選択することによって回避される。好ましくは、セラミック相の体積割合を約10〜約95%とし、ナノ粒度のセラミック粒子の粒度を約5〜約200nmとして、平均自由空間距離を約200nm以下、さらに好ましくは約100nm以下にする。適宜、本発明の二峰性の実施形態では、複数の比較的硬い脆性のミクロン粒度のセラミック粒子を金属合金マトリックス中に導入してもよい。 In various embodiments, the present invention provides nanostructured coating systems, components and related manufacturing methods that exhibit improved wear resistance, erosion resistance, abrasion resistance and strength at elevated temperatures (greater than about 1000 ° C.). . The coating system includes a plurality of relatively hard and brittle nano-sized ceramic particles introduced into a relatively ductile oxidation resistant matrix. Although the oxidation resistant matrix acts as a binder, mention may be made of metal alloy matrices with proven high temperature performance. For example, as a metal alloy matrix, a nickel base alloy (eg, Ni base superalloy, NiCr, NiCrAlY, etc.), a cobalt base alloy (eg, L605, HS188, CoCrAlY, etc.), an intermetallic compound system (eg, NiAl, Ni 3 Al) Or a shape memory alloy that absorbs impact energy through martensitic transformation. Nano-sized ceramic particles include aluminum oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, yttrium-based garnet, mullite, hafnia, or a suitable combination thereof. Detrimental interactions between the metal alloy matrix and the nano-sized ceramic particles are avoided by selecting a metal / oxide combination that is unlikely to cause a runaway reaction. Preferably, the volume fraction of the ceramic phase is about 10 to about 95%, the particle size of the nano-sized ceramic particles is about 5 to about 200 nm, and the mean free space distance is about 200 nm or less, more preferably about 100 nm or less. Optionally, in the bimodal embodiment of the present invention, a plurality of relatively hard brittle micron sized ceramic particles may be introduced into the metal alloy matrix.
本発明のコーティング系は高温での硬さが増大しているだけでなく、亀裂の核生成及び伝播に対する耐性が増大している。具体的には、比較的硬い脆性のナノ粒度のセラミック粒子が、転位運動に対する障害として作用することによって、高温で増大した硬さを与え、金属合金マトリックスの変形を抑制する。亀裂は、比較的硬い脆性のセラミック粒子がナノ粒度である(又はナノ粒度及びミクロン粒度である)ため核生成は起こりにくく、複雑な改質ミクロ組織が伝播経路を蛇行させるので伝播も起こりにくい。 The coating system of the present invention not only has increased hardness at high temperatures, but also has increased resistance to crack nucleation and propagation. Specifically, relatively hard and brittle nano-sized ceramic particles act as an obstacle to dislocation motion, thereby giving increased hardness at high temperatures and suppressing deformation of the metal alloy matrix. Cracks are relatively hard and brittle ceramic particles are nano-sized (or nano- and micron-sized), so nucleation does not occur easily, and complex modified microstructures meander the propagation path and propagation is also unlikely.
様々な実施形態では、本発明は、比較的低温で改良された耐エロージョン性、耐食性、固体粒子衝撃損傷耐性及びキャビテーション耐性を示すナノ構造化コーティング系、部品及び関連製造方法を提供する。コーティング系には、耐食性CoCrバインダー中に複数のナノ粒度及びミクロン粒度のWC結晶粒を導入したものも含まれる。ナノ粒度のWC結晶粒の使用によって、WC結晶粒の微細亀裂発生が確実に回避され、またWC結晶粒間の平均距離が確実に低下して、コーティング系の耐エロージョン性が改良される。ミクロン粒度のWC結晶粒の使用によって、比較的浅い角度におけるコーティング系の耐エロージョン性が改良され、CoCrバインダー中の伝播経路が蛇行させられる。平均自由距離の比較的小さいナノ粒度のWC結晶粒の使用によって、コーティング系全体の靭性が向上し、CoCr含有量を低減できる。 In various embodiments, the present invention provides nanostructured coating systems, components and related manufacturing methods that exhibit improved erosion resistance, corrosion resistance, solid particle impact damage resistance and cavitation resistance at relatively low temperatures. Coating systems also include those in which a plurality of nano- and micron-sized WC crystal grains are introduced in a corrosion-resistant CoCr binder. By using nano-sized WC crystal grains, the occurrence of fine cracks in the WC crystal grains is reliably avoided, and the average distance between the WC crystal grains is surely reduced, thereby improving the erosion resistance of the coating system. The use of micron-sized WC grains improves the erosion resistance of the coating system at relatively shallow angles and makes the propagation path in the CoCr binder meander. By using nano-sized WC crystal grains having a relatively small mean free distance, the toughness of the entire coating system is improved and the CoCr content can be reduced.
本発明のコーティング系は、溶射、複合メッキ(電気又は無電解)、ブラシ複合メッキ、電子ビーム−物理気相成長、溶射成形、機械的合金化とその後の粉末圧縮、ろう付け合金との混合とろう付けプロセスによる施工、溶射及び溶融、レーザー再融解、その他慣用のプロセスで部品に設けられる。 The coating system of the present invention comprises thermal spraying, composite plating (electrical or electroless), brush composite plating, electron beam-physical vapor deposition, thermal spray molding, mechanical alloying and subsequent powder compression, mixing with brazing alloys. It is applied to parts by brazing process, thermal spraying and melting, laser remelting, and other conventional processes.
本発明の一実施形態では、高温コーティング系は、実質的に延性のバインダーマトリックスと、実質的に延性のバインダーマトリックス中に導入した複数の実質的に硬いナノ粒度のセラミック粒子を含んでおり、複数のナノ粒度のセラミック粒子間の平均自由空間距離はナノスケールである。 In one embodiment of the present invention, the high temperature coating system includes a substantially ductile binder matrix and a plurality of substantially hard nano-sized ceramic particles introduced into the substantially ductile binder matrix. The mean free space distance between the nano-sized ceramic particles is nanoscale.
本発明の別の実施形態では、高温部品は、表面を有する基材、基材の表面に隣接して配設された実質的に延性のバインダーマトリックス、及び実質的に延性のバインダーマトリックス中に導入した複数の実質的に硬いナノ粒度のセラミック粒子を含んでおり、複数のナノ粒度のセラミック粒子間の平均自由空間距離はナノスケールである。 In another embodiment of the invention, the high temperature component is introduced into a substrate having a surface, a substantially ductile binder matrix disposed adjacent to the surface of the substrate, and a substantially ductile binder matrix. A plurality of substantially hard nano-sized ceramic particles, and the mean free space distance between the plurality of nano-sized ceramic particles is nanoscale.
本発明のさらに別の実施形態では、高温コーティング系の製造方法は、実質的に延性のバインダーマトリックスを準備し、実質的に延性のバインダーマトリックス中に複数の実質的に硬いナノ粒度のセラミック粒子を導入することを含んでおり、複数のナノ粒度のセラミック粒子間の平均自由空間距離はナノスケールである。 In yet another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a high temperature coating system comprises providing a substantially ductile binder matrix and placing a plurality of substantially hard nano-sized ceramic particles in the substantially ductile binder matrix. The mean free space distance between the plurality of nano-sized ceramic particles is nanoscale.
本発明のさらに別の実施形態では、低温コーティング系は、実質的に耐食性のバインダーマトリックスを含んでおり、実質的に耐食性のバインダーマトリックスは1種以上のコバルト、クロム、ニッケル、ステンレス鋼、ステンレス鋼とコバルトとの合金、鉄基合金、非晶質材料及び形状記憶合金を含む。また、低温コーティング系は、実質的に耐食性のバインダーマトリックス中に複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒を含んでおり、複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒は1種以上の炭化タングステン、炭化チタン、二ホウ化チタン、チタン合金窒化物、炭化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ダイヤモンド及び酸化物を含んでおり、また複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒間の平均自由距離はナノスケールである。 In yet another embodiment of the invention, the low temperature coating system includes a substantially corrosion resistant binder matrix, wherein the substantially corrosion resistant binder matrix is one or more of cobalt, chromium, nickel, stainless steel, stainless steel. And alloys of cobalt, iron-base alloys, amorphous materials and shape memory alloys. The low temperature coating system also includes a plurality of substantially hard nano-sized grains in a substantially corrosion-resistant binder matrix, wherein the plurality of substantially hard nano-sized grains are one or more types of tungsten carbide. , Titanium carbide, titanium diboride, titanium alloy nitride, boron carbide, cubic boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, diamond and oxides, and between multiple substantially hard nano-grain grains The mean free distance is nanoscale.
本発明のさらに別の実施形態では、低温部品は、表面を有する基材と、基材の表面に隣接して配設された実質的に耐食性のバインダーマトリックスとを含んでおり、実質的に耐食性のバインダーマトリックスとしては、1種以上のコバルト、クロム、ニッケル、ステンレス鋼、コバルトと合金化されたステンレス鋼、鉄基合金、非晶質材料及び形状記憶合金がある。また、低温部品は、実質的に耐食性のバインダーマトリックス中に導入した複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒を含んでおり、複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒は1種以上の炭化タングステン、炭化チタン、二ホウ化チタン、チタン合金窒化物、炭化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ダイヤモンド及び酸化物を含んでおり、さらに複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒間の平均自由距離はナノスケールである。 In yet another embodiment of the present invention, the low temperature component includes a substrate having a surface and a substantially corrosion resistant binder matrix disposed adjacent to the surface of the substrate, and is substantially corrosion resistant. Examples of the binder matrix include one or more kinds of cobalt, chromium, nickel, stainless steel, stainless steel alloyed with cobalt, iron-based alloy, amorphous material, and shape memory alloy. The low temperature component also includes a plurality of substantially hard nano-sized grains introduced into a substantially corrosion-resistant binder matrix, wherein the plurality of substantially hard nano-sized grains are one or more carbonized. Tungsten, titanium carbide, titanium diboride, titanium alloy nitride, boron carbide, cubic boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, diamond and oxide, plus a plurality of substantially hard nano-sized grains The mean free distance between is nanoscale.
本発明のさらに別の実施形態では、低温コーティング系の製造方法は、実質的に耐食性のバインダーマトリックスを提供することを含んでおり、実質的に耐食性のバインダーマトリックスは1種以上のコバルト、クロム、ニッケル、ステンレス鋼、コバルトと合金化されたステンレス鋼、鉄基合金、非晶質材料及び形状記憶合金を含む。また、この方法は、複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒を実質的に耐食性のバインダーマトリックス中に導入することを含んでおり、複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒は1種以上の炭化タングステン、炭化チタン、二ホウ化チタン、チタン合金窒化物、炭化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ダイヤモンド及び酸化物を含んでおり、また複数の実質的に硬いナノ粒度の結晶粒間の平均自由距離はナノスケールである。 In yet another embodiment of the present invention, a method for producing a low temperature coating system includes providing a substantially corrosion resistant binder matrix, wherein the substantially corrosion resistant binder matrix is one or more of cobalt, chromium, Includes nickel, stainless steel, stainless steel alloyed with cobalt, iron-based alloys, amorphous materials and shape memory alloys. The method also includes introducing a plurality of substantially hard nano-sized grains into a substantially corrosion-resistant binder matrix, wherein the plurality of substantially hard nano-sized grains are one or more. Tungsten carbide, titanium carbide, titanium diboride, titanium alloy nitride, boron carbide, cubic boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, diamond and oxide, and a plurality of substantially hard nano-sized particles The mean free distance between grains is nanoscale.
上述の通り、様々な実施形態では、本発明は、高温(約1000℃超)で改良された耐摩耗性、耐エロージョン性、耐摩損性及び強度を示すナノ構造化コーティング系、部品及び関連製造方法を提供する。これらのナノ構造化コーティング系、部品及び関連製造方法は、その硬さを保持し、比較的強靱であり、かつ耐酸化性であるので、上記の改良された性質を示す。様々な実施形態では、本発明はまた、比較的低温で改良された耐エロージョン性、耐食性、固体粒子衝撃損傷耐性及びキャビテーション耐性を示すナノ構造化コーティング系、部品及び関連製造方法も提供する。 As described above, in various embodiments, the present invention provides nanostructured coating systems, components and related manufacturing that exhibit improved wear resistance, erosion resistance, abrasion resistance and strength at elevated temperatures (greater than about 1000 ° C.). Provide a method. These nanostructured coating systems, components and related manufacturing methods exhibit the improved properties described above because they retain their hardness, are relatively tough, and are oxidation resistant. In various embodiments, the present invention also provides nanostructured coating systems, components and related manufacturing methods that exhibit improved erosion resistance, corrosion resistance, solid particle impact damage resistance and cavitation resistance at relatively low temperatures.
図1を参照すると、本発明の高温コーティング系10は、比較的延性の耐酸化性マトリックス14中に複数の比較的硬い脆性のナノ粒度のセラミック粒子12を導入したものからなる。本明細書で用いる「比較的」又は「実質的に」硬いとは石英よりも約20%以上硬いこと(約1200Hv超)を意味し、「比較的」又は「実質的に」延性とはWC−Coの延性よりも低い延性をもつことを意味する。耐酸化性マトリックス14はバインダーとして作用するが、高温性能の実証されている金属合金マトリックスが挙げられる。例えば、金属合金マトリックスとして、ニッケル基合金(例えば、Ni基超合金、NiCr、NiCrAlYなど)、コバルト基合金(例えば、L605、HS188、CoCrAlYなど)、金属間化合物系(例えば、NiAl、Ni3Alなど)、又はマルテンサイト変態を介して衝撃エネルギーを吸収する形状記憶合金がある。一般に、バインダー材料としては、例えば、金属、合金、超合金、ろう付け合金、多相合金、低温合金、高温合金(約700℃超の温度で使用するように設計されたもの)、金属間化合物、半導体金属、又はセラミック材料がある。超合金としては、ニッケル基超合金、コバルト基超合金又は鉄基超合金が挙げられる。ろう付け合金としては、ニッケル合金又はコバルト合金及びクロム、タングステン、ホウ素又はケイ素が挙げられる。多相合金としては、式MCrAlYの合金が挙げられ、式中、Mはニッケル、コバルト、鉄又はこれらの適切な組合せである。適切な例としては、特に限定されないが、NiCrAlY、CoNiCrAlY、CoCrAlY及びFeCrAlYがあり、Cr含有量は約20〜約35%、Al含有量は約8〜約12%、Y含有量は約2%未満であり、残部はNi、Co及び/又はFeである。低温合金としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、アルミニウム基合金、コバルト基合金又はチタン基合金がある。金属間化合物としては、例えば、アルミ化ニッケル、アルミ化三ニッケル、アルミ化チタン、アルミ化三チタン、三ケイ化五ニオブ、二ケイ化ニオブ、又はケイ化三ニオブがある。半導体金属としては、例えば、ケイ素がある。セラミック材料としては、例えば、二酸化チタンのような延性セラミック酸化物がある。適宜、バインダー材料は、チタン、マグネシウム、酸素、鉄、ニッケル、クロムなどのような濡れ剤を微量含んでいてもよい。好ましくは、バインダーは約500〜約1150℃の温度範囲で安定に保たれる。 Referring to FIG. 1, the high temperature coating system 10 of the present invention comprises a plurality of relatively hard brittle nano-sized ceramic particles 12 introduced in a relatively ductile oxidation resistant matrix 14. As used herein, “relatively” or “substantially” hard means about 20% or more harder than quartz (greater than about 1200 Hv), and “relatively” or “substantially” ductile means WC It means having a ductility lower than that of Co. Although the oxidation resistant matrix 14 acts as a binder, mention may be made of metal alloy matrices that have proven high temperature performance. For example, as a metal alloy matrix, a nickel base alloy (eg, Ni base superalloy, NiCr, NiCrAlY, etc.), a cobalt base alloy (eg, L605, HS188, CoCrAlY, etc.), an intermetallic compound system (eg, NiAl, Ni 3 Al) Etc.), or shape memory alloys that absorb impact energy through martensitic transformation. In general, binder materials include, for example, metals, alloys, superalloys, brazing alloys, multiphase alloys, low temperature alloys, high temperature alloys (designed for use at temperatures above about 700 ° C.), intermetallic compounds. , Semiconductor metals, or ceramic materials. Examples of the superalloy include a nickel base superalloy, a cobalt base superalloy, and an iron base superalloy. Brazing alloys include nickel or cobalt alloys and chromium, tungsten, boron or silicon. Multiphase alloys include those of the formula MCrAlY, where M is nickel, cobalt, iron or a suitable combination thereof. Suitable examples include, but are not limited to, NiCrAlY, CoNiCrAlY, CoCrAlY, and FeCrAlY, with a Cr content of about 20 to about 35%, an Al content of about 8 to about 12%, and a Y content of about 2%. And the balance is Ni, Co and / or Fe. Examples of the low temperature alloy include austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, aluminum base alloy, cobalt base alloy, and titanium base alloy. Examples of the intermetallic compound include nickel aluminide, trinickel aluminide, titanium aluminide, trititanium aluminide, five niobium trisilicide, niobium disilicide, and triniobium silicide. An example of the semiconductor metal is silicon. An example of the ceramic material is a ductile ceramic oxide such as titanium dioxide. Optionally, the binder material may contain a trace amount of a wetting agent such as titanium, magnesium, oxygen, iron, nickel, chromium and the like. Preferably, the binder remains stable in the temperature range of about 500 to about 1150 ° C.
ナノ粒度のセラミック粒子12は、複数のナノ粒子、ナノ繊維、ナノチューブ、ナノテトラポッドなどの形態をとり得る。ナノ粒度のセラミック粒子12としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、イットリウム系ガーネット、ムライト、ハフニア又はこれらの適切な組合せが挙げられる。一般に、ナノ粒度のセラミック粒子12としては、セラミック酸化物、セラミック炭化物、セラミック窒化物、セラミックホウ化物、金属ケイ化物、セラミックオキシ炭化物、セラミックオキシ窒化物、炭素(例えば、ダイヤモンド)などが挙げられる。セラミック酸化物としては、例えば、金属酸化物、半導体酸化物又は混合酸化物がある。金属酸化物としては、例えば、希土類金属酸化物、耐火性金属酸化物、耐火性酸化物又は反応性金属酸化物がある。半導体酸化物としては、例えば、ケイ素の酸化物がある。混合酸化物としては、例えば、イットリウムアルミニウム酸化物、イットリウム鉄酸化物、ケイ酸ジルコニウム、カルシア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、ムライト、ガーネット、金属チタン酸塩、金属ランタン酸塩、金属ジルコン酸塩又は金属ケイ酸塩がある。金属チタン酸塩、金属ランタン酸塩、金属ジルコン酸塩又は金属ケイ酸塩の金属としては、アルミニウム、マグネシウム又はジルコニウムが挙げられる。希土類金属酸化物としては、例えば、ランタン、セリウム、プラセオジミウム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム又はイットリウムを含有する酸化物がある。耐火性金属酸化物としては、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、モリブデン、ニオブ、レニウム、タンタル、タングステン又はバナジウムを含有する酸化物がある。耐火性酸化物としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム又はカルシウムを含有する酸化物がある。反応性金属酸化物としては、例えば、チタン、ニッケル、コバルト又は鉄を含有する酸化物がある。セラミック炭化物としては、例えば、金属炭化物又は半導体炭化物がある。金属炭化物としては、例えば、クロム、ニオブ、ハフニウム、タンタル、チタン、モリブデン、ホウ素又はタングステンを含有する炭化物がある。半導体炭化物としては、例えば、ケイ素を含有する炭化物がある。セラミック窒化物としては、例えば、アルミニウム、クロム、ニオブ、ケイ素、ホウ素、ジルコニウム又はチタンを含有する窒化物がある。セラミックホウ化物としては、例えば、二ホウ化チタン又は二ホウ化ジルコニウムを含有するホウ化物がある。金属ケイ化物としては、例えば、クロム、モリブデン、タンタル、チタン、タングステン又はジルコニウムを含有するケイ化物がある。また、ナノ粒度のセラミック粒子12として、以下にさらに詳しく説明するように、市販の炭化タングステン材料をクロムの添加によって改質して耐エロージョン性を向上させたものも挙げることができる。 The nano-sized ceramic particles 12 may take the form of a plurality of nanoparticles, nanofibers, nanotubes, nanotetrapods, and the like. Nano-sized ceramic particles 12 include aluminum oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, yttrium-based garnet, mullite, hafnia, or a suitable combination thereof. In general, the nano-sized ceramic particles 12 include ceramic oxide, ceramic carbide, ceramic nitride, ceramic boride, metal silicide, ceramic oxycarbide, ceramic oxynitride, carbon (eg, diamond), and the like. Examples of the ceramic oxide include a metal oxide, a semiconductor oxide, and a mixed oxide. Examples of the metal oxide include rare earth metal oxides, refractory metal oxides, refractory oxides, and reactive metal oxides. Examples of the semiconductor oxide include silicon oxide. Examples of mixed oxides include yttrium aluminum oxide, yttrium iron oxide, zirconium silicate, calcia stabilized zirconia, ceria stabilized zirconia, magnesia stabilized zirconia, yttria stabilized zirconia, mullite, garnet, and metal titanate. , Metal lanthanates, metal zirconates or metal silicates. The metal of the metal titanate, metal lanthanate, metal zirconate or metal silicate includes aluminum, magnesium or zirconium. Examples of rare earth metal oxides include oxides containing lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, scandium or yttrium. Examples of the refractory metal oxide include oxides containing zirconium, hafnium, chromium, molybdenum, niobium, rhenium, tantalum, tungsten, or vanadium. Examples of the refractory oxide include oxides containing aluminum, magnesium, or calcium. Examples of reactive metal oxides include oxides containing titanium, nickel, cobalt, or iron. Examples of the ceramic carbide include metal carbide and semiconductor carbide. Examples of the metal carbide include carbide containing chromium, niobium, hafnium, tantalum, titanium, molybdenum, boron, or tungsten. As the semiconductor carbide, for example, there is a carbide containing silicon. Examples of ceramic nitride include nitride containing aluminum, chromium, niobium, silicon, boron, zirconium, or titanium. Examples of ceramic borides include borides containing titanium diboride or zirconium diboride. Examples of the metal silicide include a silicide containing chromium, molybdenum, tantalum, titanium, tungsten, or zirconium. Further, as the nano-sized ceramic particles 12, as described in more detail below, a commercially available tungsten carbide material can be modified by adding chromium to improve erosion resistance.
比較的硬い脆性のナノ粒度セラミック粒子12は、例えば、機械的合金化装置、高エネルギーボールミル加工装置、反応性ボールミル加工装置又は極低温ミル加工装置のようなミル加工装置を用いて、比較的延性の耐酸化性マトリックス14中に導入される。一般に、バインダー粉末とセラミック粒子を均一にブレンドして、溶射又はろう付けされる粒状材料を形成する。或いは、セラミック粒子をメッキ浴中に懸濁させ、電気分解的にトラップして、タンク又はブラシメッキプロセスによって複合コーティングを形成する。また、セラミック粒子を無電解メッキ浴中に懸濁させ、トラップして複合コーティングを形成してもよい。最後に、上述の通り、バインダー粉末とセラミック粒子を一緒に圧縮して1以上の複合インゴットを形成し、電子ビーム物理気相成長プロセスで蒸着させてバインダーマトリックス中にナノ粒子を形成してもよい。 The relatively hard and brittle nano-sized ceramic particles 12 can be made relatively ductile using a milling device such as, for example, a mechanical alloying device, a high energy ball milling device, a reactive ball milling device or a cryogenic milling device. Is introduced into the oxidation resistant matrix 14. In general, the binder powder and ceramic particles are uniformly blended to form a particulate material that is sprayed or brazed. Alternatively, ceramic particles are suspended in a plating bath and electrolytically trapped to form a composite coating by a tank or brush plating process. Alternatively, the ceramic particles may be suspended in an electroless plating bath and trapped to form a composite coating. Finally, as described above, the binder powder and ceramic particles may be compressed together to form one or more composite ingots and deposited in an electron beam physical vapor deposition process to form nanoparticles in the binder matrix. .
金属合金マトリックスとナノ粒度のセラミック粒子12との間の有害な相互作用は、暴走反応を起こしにくい金属−酸化物の組合せを選択することによって回避する。金属−酸化物の組合せはまた、金属合金マトリックスと不混和性であるように選択される。炭化物や窒化物とは異なり、入念に選択された金属−酸化物の組合せは対応金属合金よりも熱力学的に安定であり、金属合金マトリックス中に溶解せず、金属合金マトリックスの延性を保持する。 Detrimental interactions between the metal alloy matrix and the nano-sized ceramic particles 12 are avoided by selecting metal-oxide combinations that are less prone to runaway reactions. The metal-oxide combination is also selected to be immiscible with the metal alloy matrix. Unlike carbides and nitrides, carefully selected metal-oxide combinations are more thermodynamically stable than the corresponding metal alloys, do not dissolve in the metal alloy matrix, and retain the ductility of the metal alloy matrix. .
高温で改良された耐摩耗性、耐エロージョン性、耐摩損性を強度を得る際の重要なミクロ組織因子には、セラミック相の体積分率、セラミック粒子の結晶粒度及び金属合金マトリックスの平均自由距離がある。具体的には、耐摩耗性は硬さ(H)と破壊靱性(Kc)の関数である。硬さはセラミック粒子間の平均自由空間距離の関数であり(λ−1/2)、破壊靱性はセラミック粒子の結晶粒粒度とセラミック粒子間の平均自由空間距離の関数である(d/λ)。ナノ領域及びミクロン領域の両方に対するd/λと破壊靱性との関係を図2に示す。セラミック粒子の結晶粒粒度(d)の低下に伴って、金属合金マトリックス中に埋め込まれたセラミック粒子に関連する応力集中は低下し、強靱で延性のマトリックスとの適合性が増す。好ましくは、金属合金マトリックスは脆化性溶解相を含まない。 Important microstructure factors in obtaining improved wear resistance, erosion resistance, and abrasion resistance at high temperatures include volume fraction of ceramic phase, grain size of ceramic particles and mean free distance of metal alloy matrix There is. Specifically, wear resistance is a function of hardness (H) and fracture toughness (K c ). Hardness is a function of average free space distance between ceramic particles (λ −1/2 ), and fracture toughness is a function of crystal grain size of ceramic particles and average free space distance between ceramic particles (d / λ). . The relationship between d / λ and fracture toughness for both the nano and micron regions is shown in FIG. As the grain size (d) of the ceramic particles decreases, the stress concentration associated with the ceramic particles embedded in the metal alloy matrix decreases and the compatibility with the tough and ductile matrix increases. Preferably, the metal alloy matrix does not include an embrittled dissolved phase.
再び図1を参照すると、セラミック相の体積割合は好ましくは約10〜約95%であり、ナノ粒度のセラミック粒子12の粒度又は粒径16は約5〜約250nmである。その結果、分散したナノ粒度のセラミック粒子12間の平均自由空間距離18は約200nm以下の程度、好ましくは約100nm以下の程度である。こうして得られるコーティング系10の高温硬さが確保される。比較的硬い脆性のナノ粒度のセラミック粒子12のナノスケールによって適切な靭性が確保され、最初の欠陥の粒度をナノスケールに制限しつつ、金属合金マトリックスの固有の延性が保持される。 Referring again to FIG. 1, the volume fraction of the ceramic phase is preferably about 10 to about 95%, and the particle size or particle size 16 of the nano-sized ceramic particles 12 is about 5 to about 250 nm. As a result, the average free space distance 18 between the dispersed nano-sized ceramic particles 12 is about 200 nm or less, preferably about 100 nm or less. The high temperature hardness of the coating system 10 obtained in this way is ensured. Adequate toughness is ensured by the nanoscale of the relatively hard, brittle, nanosized ceramic particles 12, while maintaining the inherent ductility of the metal alloy matrix while limiting the initial defect size to the nanoscale.
約1000℃を超えて本発明のコーティング系10で改良された耐酸化性を得るため、金属合金マトリックスを、MCrAlY、L605、HS188、アルミナイド(Ni又はTi)などから選択する。(約850℃未満の)中間温度では、金属合金マトリックスを、Triballoy 800、NiCrBSi、Ni20%Cr5%Al、Ni20%Crなどから選択する。ただし、その他の適切な材料も使用できることは当業者には自明であろう。 To obtain improved oxidation resistance above about 1000 ° C. with the coating system 10 of the present invention, the metal alloy matrix is selected from MCrAlY, L605, HS188, aluminide (Ni or Ti), and the like. At intermediate temperatures (less than about 850 ° C.), the metal alloy matrix is selected from Trivalloy 800, NiCrBSi, Ni20% Cr5% Al, Ni20% Cr, and the like. However, it will be apparent to those skilled in the art that other suitable materials can be used.
コーティング系10は高い硬さと高い靭性の両方を示し、改良された耐摩耗性を保証する。分散したナノ粒度のセラミック粒子12は金属対向面に対する化学的親和性が比較的低いので、コーティング系10は改良された耐摩損性も示す。これは、殊に、トリバロイ又はL605のような適切なCo基金属合金マトリックスなどを使用した場合、高圧接触条件下で観察される。ナノ粒度のセラミック粒子12のナノスケールは、対向面材料との高圧接触が起こったとき、比較的硬い脆性のナノ粒度のセラミック粒子12が対向面材料中に浸入して、スコアリング(scoring)を起こさないようにする。このように、ナノ粒度のセラミック粒子12のナノスケールは対向面摩耗を最小にする。 The coating system 10 exhibits both high hardness and high toughness, ensuring improved wear resistance. Since the dispersed nano-sized ceramic particles 12 have a relatively low chemical affinity for the metal facing surface, the coating system 10 also exhibits improved wear resistance. This is observed under high pressure contact conditions, particularly when using a suitable Co-based metal alloy matrix such as Trivalloy or L605. The nanoscale of the nano-sized ceramic particles 12 has a scoring due to the relatively hard brittle nano-sized ceramic particles 12 entering the facing material when high pressure contact with the facing material occurs. Do not wake up. Thus, the nanoscale of the nanosized ceramic particles 12 minimizes counter-surface wear.
エロージョン条件下では、硬い脆性の構成成分のミクロ組織の粒度が関連衝撃窪みよりも実質的に小さければ、主に硬い脆性の構成成分を含むコーティング系であっても、延性として挙動するようにできる。しかし、延性応答は、硬い脆性の構成成分の存在によって大幅に制約される。かかる条件下でのエロージョン速度は硬い脆性の構成成分間の平均自由空間距離の低下と共に遅くなる。本発明のナノ粒度のセラミック粒子12及び平均自由空間距離18のナノスケールのために、改良された耐エロージョン性が得られる。 Under erosion conditions, a coating system containing mainly hard brittle components can behave as ductile if the microstructure grain size of the hard brittle components is substantially smaller than the associated impact depression. . However, the ductile response is greatly limited by the presence of hard brittle components. The erosion rate under such conditions decreases with a decrease in the mean free space distance between the hard brittle components. Improved erosion resistance is obtained due to the nano-sized ceramic particles 12 and the nanoscale of mean free space distance 18 of the present invention.
図3及び図4を参照すると、本発明の二峰性の実施形態では、金属合金マトリックス中に複数の比較的硬い脆性のミクロン粒度のセラミック粒子20も導入して、比較的高温及び比較的低温において改良された耐摩耗性、耐エロージョン性、耐摩損性及び強度を得ることができる。二峰性コーティング系30は高温で中程度の摩耗のみを示す脆性モード32と、高温で低い摩耗のみを示す延性モード34とを含む。好ましくは、ミクロン粒度のセラミック粒子20は約1ミクロンを超えない粒度又は粒径を有する。脆性モード32に関して、比較的硬い脆性のミクロン粒度のセラミック粒子20に存在する亀裂は比較的延性の金属合金マトリックスによって鈍くなる。上述の通り、延性モード34に関しては、比較的硬い脆性のナノ粒度のセラミック粒子12中の亀裂は阻止され、金属合金マトリックスの延性変形が厳しく制約され、その結果耐摩耗性が改良される。具体的には、ナノ粒度のセラミック粒子12は、転位運動に対する障害として作用することによって高温で増大した硬さを与え、金属合金マトリックスの変形を抑制する。亀裂は、脆性のセラミック粒子がナノ粒度であるため核生成が起こりにくく、また複雑な改質ミクロ組織が伝播経路を蛇行させるので伝播も起こりにくい。 Referring to FIGS. 3 and 4, in the bimodal embodiment of the present invention, a plurality of relatively hard brittle micron-sized ceramic particles 20 are also introduced into the metal alloy matrix to provide relatively high and relatively low temperatures. Improved wear resistance, erosion resistance, wear resistance and strength can be obtained. The bimodal coating system 30 includes a brittle mode 32 that exhibits only moderate wear at high temperatures and a ductile mode 34 that exhibits only low wear at high temperatures. Preferably, the micron-sized ceramic particles 20 have a particle size or particle size not exceeding about 1 micron. With respect to the brittle mode 32, cracks present in the relatively hard brittle micron-sized ceramic particles 20 are blunted by the relatively ductile metal alloy matrix. As described above, with respect to the ductile mode 34, cracks in the relatively hard brittle nano-sized ceramic particles 12 are prevented and the ductile deformation of the metal alloy matrix is severely constrained, resulting in improved wear resistance. Specifically, the nano-sized ceramic particles 12 act as an obstacle to dislocation motion, thereby giving increased hardness at high temperatures and suppressing deformation of the metal alloy matrix. Cracks are less prone to nucleation because the brittle ceramic particles are nano-sized, and are less prone to propagation because complex modified microstructures meander the propagation path.
ミクロン粒度のセラミック粒子20としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、イットリウム系ガーネット、ムライト、ハフニア又はこれらの適切な組合せが挙げられる。一般に、ミクロン粒度のセラミック粒子20として、セラミック酸化物、セラミック炭化物、セラミック窒化物、セラミックホウ化物、金属ケイ化物、セラミックオキシ炭化物、セラミックオキシ窒化物、炭素(例えば、ダイヤモンド)などが挙げられる。セラミック酸化物としては、例えば、金属酸化物、半導体酸化物又は混合酸化物がある。金属酸化物としては、例えば、希土類金属酸化物、耐火性金属酸化物、耐火性酸化物又は反応性金属酸化物がある。半導体酸化物としては、例えば、ケイ素の酸化物がある。混合酸化物としては、例えば、イットリウムアルミニウム酸化物、イットリウム鉄酸化物、ケイ酸ジルコニウム、カルシア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、ムライト、ガーネット、金属チタン酸塩、金属ランタン酸塩、金属ジルコン酸塩又は金属ケイ酸塩がある。金属チタン酸塩、金属ランタン酸塩、金属ジルコン酸塩又は金属ケイ酸塩の金属としては、アルミニウム、マグネシウム又はジルコニウムが挙げられる。希土類金属酸化物としては、例えば、ランタン、セリウム、プラセオジミウム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム又はイットリウムを含有する酸化物がある。耐火性金属酸化物としては、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、モリブデン、ニオブ、レニウム、タンタル、タングステン又はバナジウムを含有する酸化物がある。耐火性酸化物としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム又はカルシウムを含有する酸化物がある。反応性金属酸化物としては、例えば、チタン、ニッケル、コバルト又は鉄を含有する酸化物がある。セラミック炭化物としては、例えば、金属炭化物又は半導体炭化物がある。金属炭化物としては、例えば、クロム、ニオブ、ハフニウム、タンタル、チタン、モリブデン、ホウ素又はタングステンを含有する炭化物がある。半導体炭化物としては、例えば、ケイ素を含有する炭化物がある。セラミック窒化物としては、例えば、アルミニウム、クロム、ニオブ、ケイ素、ホウ素、ジルコニウム又はチタンを含有する窒化物がある。セラミックホウ化物としては、例えば、二ホウ化チタン又は二ホウ化ジルコニウムを含有するホウ化物がある。金属ケイ化物としては、例えば、クロム、モリブデン、タンタル、チタン、タングステン又はジルコニウムを含有するケイ化物がある。 Micron-sized ceramic particles 20 include aluminum oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, yttrium-based garnet, mullite, hafnia, or a suitable combination thereof. Generally, the ceramic particles 20 having a micron size include ceramic oxide, ceramic carbide, ceramic nitride, ceramic boride, metal silicide, ceramic oxycarbide, ceramic oxynitride, carbon (for example, diamond), and the like. Examples of the ceramic oxide include a metal oxide, a semiconductor oxide, and a mixed oxide. Examples of the metal oxide include rare earth metal oxides, refractory metal oxides, refractory oxides, and reactive metal oxides. Examples of the semiconductor oxide include silicon oxide. Examples of mixed oxides include yttrium aluminum oxide, yttrium iron oxide, zirconium silicate, calcia stabilized zirconia, ceria stabilized zirconia, magnesia stabilized zirconia, yttria stabilized zirconia, mullite, garnet, and metal titanate. , Metal lanthanates, metal zirconates or metal silicates. The metal of the metal titanate, metal lanthanate, metal zirconate or metal silicate includes aluminum, magnesium or zirconium. Examples of rare earth metal oxides include oxides containing lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, scandium or yttrium. Examples of the refractory metal oxide include oxides containing zirconium, hafnium, chromium, molybdenum, niobium, rhenium, tantalum, tungsten, or vanadium. Examples of the refractory oxide include oxides containing aluminum, magnesium, or calcium. Examples of reactive metal oxides include oxides containing titanium, nickel, cobalt, or iron. Examples of the ceramic carbide include metal carbide and semiconductor carbide. Examples of the metal carbide include carbide containing chromium, niobium, hafnium, tantalum, titanium, molybdenum, boron, or tungsten. As the semiconductor carbide, for example, there is a carbide containing silicon. Examples of ceramic nitride include nitride containing aluminum, chromium, niobium, silicon, boron, zirconium, or titanium. Examples of ceramic borides include borides containing titanium diboride or zirconium diboride. Examples of the metal silicide include a silicide containing chromium, molybdenum, tantalum, titanium, tungsten, or zirconium.
本発明のナノ構造化コーティング系10、30は、溶射、複合メッキ(電気又は無電解)、ブラシ複合メッキ、電子ビーム物理気相成長、溶射成形、機械的合金化とその後の粉末圧縮、ろう付け合金との混合及びろう付けプロセスによる施工、溶射及び溶融、レーザー再融解その他慣用プロセスによって、基材からなる部品に設けられる。非常に厚いコーティングが必要な場合、本発明の金属−酸化物の組合せは、溶射及び溶融プロセス及びその後の金属合金マトリックスの再加熱による溶融によって設けられる。また、本発明のコーティング系は、凝集及び焼結又は機械的合金化とその後の所望の粒度への凝集によって溶射可能なグレードに合成することができる。粉末合成中酸素の分圧を調節して金属−酸化物の密着を高める。適切な溶射装置/法としては、HVOF及びHVAF法、ワイヤアーク法、大気プラズマ法、低圧プラズマ法などがある。 The nanostructured coating system 10, 30 of the present invention can be sprayed, composite plating (electrical or electroless), brush composite plating, electron beam physical vapor deposition, thermal spray molding, mechanical alloying and subsequent powder compression, brazing. It is applied to a component made of a base material by means of mixing with an alloy and a brazing process, spraying and melting, laser remelting and other conventional processes. Where very thick coatings are required, the metal-oxide combination of the present invention is provided by thermal spraying and melting processes and subsequent melting by reheating the metal alloy matrix. The coating system of the present invention can also be synthesized to a grade that can be sprayed by agglomeration and sintering or mechanical alloying followed by agglomeration to the desired particle size. Adjust the partial pressure of oxygen during powder synthesis to increase the metal-oxide adhesion. Suitable thermal spray equipment / methods include HVOF and HVAF methods, wire arc methods, atmospheric plasma methods, low pressure plasma methods, and the like.
本発明のナノ構造化コーティング系10、30を利用する工学部品としては、ガスタービン、水力発電用タービン、航空機エンジン、内燃機関エンジンなどに付属するものがある。例えば、工学部品としては、ガイドベーン、表面材、ニードル弁又は弁座、シャフト、ベアリングシール、圧縮機ブレード、シール、ランナー、遠心ポンプのインペラー羽根、遠心圧縮機のインペラー羽根、中間シール、ピストンロッドのシール、ピストンリング、ファンブレード、圧縮機、蒸気タービンの耐摩耗チップ、ガスタービンの耐摩耗チップ、ラビリンスシール、ディスクのガス流路シール、内燃機関エンジンの排気弁、ブラシシール、内燃機関エンジンのターボチャージインペラー、内燃機関エンジンのコネクティングロッド、中間リップシール、燃焼機アセンブリの可動部品、HPT後段ブレードコーティング、LPTブレードコーティング、z−ノッチインターロック、アフターバーナーサポート、排気フラップ、切削工具などが挙げられる。 Engineering components that utilize the nanostructured coating systems 10, 30 of the present invention include those that come with gas turbines, hydropower turbines, aircraft engines, internal combustion engine engines, and the like. For example, engineering parts include guide vanes, surface materials, needle valves or valve seats, shafts, bearing seals, compressor blades, seals, runners, centrifugal pump impeller blades, centrifugal compressor impeller blades, intermediate seals, piston rods Seals, piston rings, fan blades, compressors, wear resistant tips for steam turbines, wear resistant tips for gas turbines, labyrinth seals, gas flow path seals for discs, exhaust valves for internal combustion engines, brush seals, internal combustion engine engines Turbocharged impeller, internal combustion engine connecting rod, intermediate lip seal, moving parts of combustor assembly, HPT post-stage blade coating, LPT blade coating, z-notch interlock, afterburner support, exhaust flap, cutting tool Etc., and the like.
図5を参照すると、比較的低温の水力発電用タービンに関して、溶射した炭化タングステンコーティング系を使用して部品を摩耗、エロージョン及び摩滅から保護する。ただし、かかる損傷は通例、固体粒子エロージョン、腐食、固体粒子衝撃損傷及びキャビテーションの組合せによって起こる。エロージョンと腐食の全体的作用に抗するため、複数のミクロンスケールのWC結晶粒を含有するコバルトバインダーにクロムを添加することが多い。しかし、本発明の低温ナノ構造化コーティング系40は、これら慣用の低温コーティング系に関連する耐エロージョン性と靭性を改良しつつ、それらの耐食性を維持する。 Referring to FIG. 5, for a relatively low temperature hydropower turbine, a sprayed tungsten carbide coating system is used to protect the parts from wear, erosion and wear. However, such damage is typically caused by a combination of solid particle erosion, corrosion, solid particle impact damage and cavitation. Often, chromium is added to a cobalt binder containing a plurality of micron-scale WC grains to resist the overall effects of erosion and corrosion. However, the low temperature nanostructured coating system 40 of the present invention maintains their corrosion resistance while improving the erosion resistance and toughness associated with these conventional low temperature coating systems.
上述の通り、本発明の低温ナノ構造化コーティング系40は、耐食性のCoCrバインダー又はマトリックス46中に導入した複数のナノ粒度のWC結晶粒42と、適宜ミクロン粒度のWC結晶粒44を含む。ナノ粒度のWC結晶粒42の使用によって、WC結晶粒の微細亀裂発生が確実に回避され、またWC結晶粒間の平均距離48が確実に低減し、コーティング系40の耐エロージョン性が改良される。ミクロン粒度のWC結晶粒44の使用によって、比較的浅い角度でのコーティング系40の耐エロージョン性が改良され、またCoCrバインダー46中の伝播経路が蛇行する。比較的小さい平均自由距離48を有するナノ粒度のWC結晶粒42の使用によって、コーティング系40全体の靭性が改良され、CoCr含有量が低減できる。また、平均自由距離48の比較的小さいナノ粒度のWC結晶粒42の使用によって、CoCrバインダー46がCoCrバインダー46の延性を下げる溶解相を含む状況において、CoCrバインダー46の靭性が改良される。或いは、CoCrバインダー46を、ニッケル、ステンレス鋼、コバルトと合金化したステンレス鋼、鉄基合金、非晶質材料及び/又はマルテンサイト変態を介して衝撃エネルギーを吸収する形状記憶合金のような他の金属成分で置き換えることができる。同様に、ナノ粒度のWC結晶粒42を、炭化チタン、二ホウ化チタン、チタン合金窒化物、炭化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ダイヤモンド、又はAl2O3などのような酸化物で置き換えてもよい。これらの代替粒子はWCよりも硬い及び/又は強靱であればよく、軽くてもよい。その他の可能な組合せとしては、γプライム又は炭化物のようなバルクマトリックス合金材料から析出させたナノ粒子を有するマトリックス合金がある。適宜、これらのナノ粒子は高温コーティングプロセス中に非晶質合金出発材料のような材料から析出する。非晶質材料は、転位及び結晶粒界がないため強いマトリックス材料を提供し、転位崩壊及び改良された強度のための微細なナノ粒度の結晶粒の生成に使用できる。 As described above, the low temperature nanostructured coating system 40 of the present invention includes a plurality of nano-sized WC crystal grains 42 and optionally micron-sized WC crystal grains 44 introduced into a corrosion-resistant CoCr binder or matrix 46. By using nano-sized WC crystal grains 42, the occurrence of fine cracks in the WC crystal grains is reliably avoided, the average distance 48 between the WC crystal grains is reliably reduced, and the erosion resistance of the coating system 40 is improved. . The use of micron-sized WC grains 44 improves the erosion resistance of the coating system 40 at relatively shallow angles and causes the propagation path in the CoCr binder 46 to snake. The use of nano-sized WC grains 42 having a relatively small mean free distance 48 improves the overall toughness of the coating system 40 and can reduce the CoCr content. Also, the use of nano-sized WC grains 42 with a relatively small mean free distance 48 improves the toughness of the CoCr binder 46 in situations where the CoCr binder 46 includes a dissolved phase that reduces the ductility of the CoCr binder 46. Alternatively, the CoCr binder 46 may be nickel, stainless steel, stainless steel alloyed with cobalt, iron-based alloys, amorphous materials and / or other shape memory alloys such as shape memory alloys that absorb impact energy through martensitic transformation. It can be replaced with a metal component. Similarly, nano-sized WC grains 42 may be made of titanium carbide, titanium diboride, titanium alloy nitride, boron carbide, cubic boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, diamond, Al 2 O 3 or the like. An oxide may be substituted. These alternative particles need only be harder and / or tougher than WC and may be light. Other possible combinations include matrix alloys having nanoparticles deposited from bulk matrix alloy materials such as gamma prime or carbide. Optionally, these nanoparticles are precipitated from materials such as amorphous alloy starting materials during the high temperature coating process. Amorphous materials provide a strong matrix material due to the absence of dislocations and grain boundaries, and can be used to produce fine nano-sized grains for dislocation collapse and improved strength.
市販のWC−CoCr溶射粉末の典型的なCoCr含有量は約10wt%Co及び約4wt%Crである。本発明のコーティング系40のCoCr含有量は、約6wt%(約4wt%Co及び約2wt%Cr)〜約14wt%(約5wt%Cr以下、残部は約9wt%Co以下)である。通例、金属バインダー含有量の少ないコーティング系は比較的浅い衝撃角で耐エロージョン性に優れているが、比較的脆性であり、比較的急な衝撃角で劣った耐エロージョン性を示すと共に劣った破壊靭性を示す。ナノ粒度のWC結晶粒42、及び低いCoCr含有量の使用によって、WC結晶粒間の平均自由距離が低下し、コーティング系40の固有の靭性が増大すると共にその耐エロージョン性が改良される。好ましくは、ナノ粒度のWC結晶粒42は約10〜約250nmの粒度又は粒径50を有する。 Typical CoCr content of commercial WC-CoCr spray powder is about 10 wt% Co and about 4 wt% Cr. The CoCr content of the coating system 40 of the present invention is from about 6 wt% (about 4 wt% Co and about 2 wt% Cr) to about 14 wt% (about 5 wt% Cr or less, the balance being about 9 wt% Co or less). Typically, coating systems with a low metal binder content have excellent erosion resistance at relatively shallow impact angles, but are relatively brittle, exhibit poor erosion resistance at relatively steep impact angles, and inferior fracture Showing toughness. The use of nano-sized WC grains 42 and a low CoCr content reduces the mean free distance between WC grains, increases the inherent toughness of the coating system 40 and improves its erosion resistance. Preferably, the nano-sized WC grains 42 have a particle size or particle size 50 of about 10 to about 250 nm.
適宜、好ましくは約0.5〜約2ミクロンの粒度又は粒径を有するミクロン粒度のWC結晶粒44の使用によって、コーティング系40は比較的浅い衝撃角でのエロージョンに耐えることができ、またCoCrバインダー46中に微小亀裂が形成された場合でもその亀裂はミクロン粒度のWC結晶粒44の回りを回って進まなければならないのでその伝播が蛇行する。好ましくは、WC結晶粒間の平均距離48は約50〜約500nm、さらに好ましくは約50〜約250nmである。好ましくは、WC結晶粒の全体積割合は約5〜約95%、さらに好ましくは約50〜約95%である(全体積割合の約70%がナノ粒度のWC結晶粒42を含み、全体積割合の約30%がミクロン粒度のWC結晶粒44を含む)。ニッケル、ステンレス鋼及び/又はコバルトと合金化されたステンレス鋼を使用する場合、それらの全体積割合は好ましくは約20%未満である。 Optionally, the use of micron-sized WC grains 44, preferably having a particle size or particle size of about 0.5 to about 2 microns, allows the coating system 40 to withstand erosion at relatively shallow impact angles, and CoCr Even if a microcrack is formed in the binder 46, the crack must propagate around the WC crystal grain 44 having a micron grain size, and therefore its propagation meanders. Preferably, the average distance 48 between WC grains is about 50 to about 500 nm, more preferably about 50 to about 250 nm. Preferably, the total volume fraction of WC grains is about 5 to about 95%, more preferably about 50 to about 95% (about 70% of the total volume fraction comprises nano-sized WC grains 42, About 30% of the percentage includes WC grains 44 of micron size). When using stainless steel alloyed with nickel, stainless steel and / or cobalt, their total volume percentage is preferably less than about 20%.
CoCrバインダー46中のCrは2つの重要な役割を果たす。第一に、Crはコーティング系40の全体の耐食性を改良する。次に、Crは溶射プロセス中に一次WCの溶解を制限し、一次WC相の高い保持率を確保し、コーティング系40の耐エロージョン性を高める。 Cr in the CoCr binder 46 plays two important roles. First, Cr improves the overall corrosion resistance of the coating system 40. Next, Cr limits the dissolution of the primary WC during the thermal spraying process, ensures a high retention of the primary WC phase, and improves the erosion resistance of the coating system 40.
本発明の低温ナノ構造化コーティング系40は、慣用の溶射プロセス、好ましくはHVOF若しくはHVAFプロセス、又は冷間溶射プロセスのいずれかを用いて基材からなる部品に設けられる。基材としては、例えば、Mg、Al、Cu、Fe、Ni又はCo基合金がある。溶射プロセスに関連する重要な要件は、このプロセス中WCの溶解を制限し、WC相の適切な保持を確保し、かつバインダー中のエータ(η)相の形成を低減するために溶射条件を最適化することである。また、コーティング系40は、WC−CoCr粉末をろう付け合金マトリックスと混合し、そのブレンドをろう付けテーププロセス又はスラリーコーティング及び焼成によって表面にろう付けすることによって部品に設けることもできる。WC−CoCr粉末をNiCrBSiのような組成物とブレンドし、燃焼溶射トーチで付着させ、次いで溶融するか、又は低融点フラックスその他のろう付け合金とブレンドし、レーザーなどを用いて融解させる。ろう付け合金とWC−CoCr粉末の比は、そのブレンドが確実に適切な耐エロージョン性を示すように最適化する。 The low temperature nanostructured coating system 40 of the present invention is applied to a component made of a substrate using either a conventional thermal spray process, preferably an HVOF or HVAF process, or a cold spray process. Examples of the substrate include Mg, Al, Cu, Fe, Ni, or Co-based alloys. The key requirements associated with the thermal spray process are to optimize the thermal spray conditions to limit WC dissolution during this process, ensure proper retention of the WC phase, and reduce the formation of the eta (η) phase in the binder It is to become. The coating system 40 can also be applied to parts by mixing WC-CoCr powder with a brazing alloy matrix and brazing the blend to the surface by a brazing tape process or slurry coating and firing. The WC-CoCr powder is blended with a composition such as NiCrBSi and deposited with a combustion spray torch and then melted or blended with a low melting flux or other brazing alloy and melted using a laser or the like. The ratio of braze alloy to WC-CoCr powder is optimized to ensure that the blend exhibits adequate erosion resistance.
本発明をその好ましい実施形態及び具体例に関して例示し説明してきたが、当業者に明らかなように他の実施形態及び具体例も同様な機能を果たし、及び/又は同様な結果を達成することができる。かかる等価な実施形態及び具体例は全て本発明の技術的思想及び技術的範囲に属し、特許請求の範囲に包含される。 Although the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments and examples thereof, it will be apparent to those skilled in the art that other embodiments and examples may perform similar functions and / or achieve similar results. it can. All such equivalent embodiments and specific examples belong to the technical idea and technical scope of the present invention, and are encompassed by the claims.
10 高温コーティング系
12 比較的硬い脆性のナノ粒度のセラミック粒子
14 比較的延性の耐酸化性マトリックス
18 ナノ粒度のセラミック粒子12間の平均自由空間距離
20 比較的硬い脆性のミクロン粒度のセラミック粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 High temperature coating system 12 Relatively hard brittle nano-sized ceramic particles 14 Relatively ductile oxidation resistant matrix 18 Average free space distance between nano-sized ceramic particles 12 20 Relatively hard brittle micron-sized ceramic particles
Claims (14)
実質的に延性のバインダーマトリックス(14)中に導入した複数の実質的に硬いナノ粒度のセラミック粒子(12)と
を含んでなり、複数の実質的に硬いナノ粒度のセラミック粒子(12)間の平均自由空間距離がナノスケールである、高温コーティング系(10)。 A substantially ductile binder matrix (14);
A plurality of substantially hard nano-sized ceramic particles (12) introduced into a substantially ductile binder matrix (14), and between the plurality of substantially hard nano-sized ceramic particles (12). High temperature coating system (10) with a mean free space distance of nanoscale.
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