JP2824165B2 - Double coating for various substrates - Google Patents
Double coating for various substratesInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】発明は、タングステンカーバイド
−コバルトのアンダーコートを、アルミナのようなセラ
ミック材料と共に含む良好な疲れ特性を示す二重コーテ
ィングに関する。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a dual coating exhibiting good fatigue properties which includes a tungsten carbide-cobalt undercoat with a ceramic material such as alumina.
【0002】[0002]
【従来技術】通常、回転部材が狭いギャップを隔てて相
対的に停止している別の部材と共働するタイプのガスタ
ービンエンジンにおいて、種々の回転シールが用いられ
ている。このようなシールは、シールの各々の側でチャ
ンバー内の差圧を保つために、回転部材と回転シャフト
或はドラムとの間に用いられる場合がいくつかある。例
えば、一タイプのガスタービンエンジンでは、複数の回
転ブレードの列が回転シャフトから外方向に半径方向に
作動媒体ガス用の通路に伸びる。副次的に、複数の静翼
が固定ケース或はシュラウドから内方向に半径方向に通
路に伸びる。静翼を静止ケースから内方向に片持ちばり
風に突き出させたタイプがいくつかある。翼を、作動ガ
スを隣接する回転ブレードの方に或はブレードから離れ
る方に向けるように位置させる。静翼はブレードの各々
の列においてブレードの先端に外接するシール表面を有
し、かつ片持ちばり静翼タイプでは、ロータに、各々の
静翼列において静翼のチップに外接するシール表面を設
置する。各々の列におけるブレード或は翼のチップと対
応するシール表面との間のクリアランスが増大するにつ
れて、相当量の作動媒体ガスがブレード及び/又は固定
子の先端を越えて周辺に漏出し、空気力学効率を低下さ
せる。その上、クリアランスを増大させると、それ以上
の量の作動媒体ガスがブレード或はロータの下流端から
上流端に軸方向に漏出する。よって、クリアランスを最
小に保つことが望ましい。しかし、また、初期始動、熱
工程、高Gターン、等の間に生じる種々の寸法変化に適
応させることも必要である。これらの条件下で、特にエ
ンジン始動の間に、部分のウエアインがいくらかあるの
が普通である。2. Description of the Related Art Various rotary seals are commonly used in gas turbine engines of the type in which a rotating member cooperates with another member that is relatively stationary across a narrow gap. Such seals are sometimes used between a rotating member and a rotating shaft or drum to maintain a differential pressure within the chamber on each side of the seal. For example, in one type of gas turbine engine, a plurality of rows of rotating blades extend radially outward from a rotating shaft into a passageway for working medium gas. Secondly, a plurality of vanes extend radially inward from the stationary case or shroud. There are several types in which the stationary blade protrudes inward from the stationary case in a cantilevered manner. The wings are positioned to direct the working gas toward or away from the adjacent rotating blade. The vane has a sealing surface circumscribing the tip of the blade in each row of blades, and in the cantilever vane type, the rotor is provided with a sealing surface circumscribing the tip of the vane in each vane row. I do. As the clearance between the blade or wing tip in each row and the corresponding seal surface increases, a significant amount of working medium gas leaks over the blade and / or stator tips to the periphery and aerodynamics. Decrease efficiency. Moreover, increasing the clearance causes a greater amount of working medium gas to leak axially from the downstream end of the blade or rotor to the upstream end. Therefore, it is desirable to keep the clearance to a minimum. However, it is also necessary to accommodate the various dimensional changes that occur during initial startup, thermal processes, high G turns, and the like. Under these conditions, especially during engine startup, there is usually some wear-in of the part.
【0003】一層望ましい状態は、チップ或はナイフエ
ッジが摩耗を受けるよりもむしろチップ或はナイフエッ
ジが溝を切削して対応するシール表面にすることである
のは知られている。米国特許4,238,170号及び
同4,239,452号は固定子或はシュラウドのシー
ル表面にブレードのチップに外接する内部周囲溝を設置
するが、この配置は一列にそろえる困難を提示し、同時
にブレードの熱誘起される軸方向変位を固定子或はシュ
ラウドに対して適応させることができない。種々の回転
シール配置が文献に開示されてきており、これらの配置
では、回転部材が充填されたハニカム、多孔質金属、脆
いセラミック、等のような一層軟質、例えば研磨可能な
共働部材において路を生じ、切削し或は磨り減らす。こ
れらの配置のいくつかでは、共働部材の不適当なシーリ
ング或は焼付きが生じ得るのが認められた。かかる他の
配置では、非研削性部材の局所「ホットスポット」及び
焼けが生じ得る。研削性部材を使用したシールの例は下
記の米国特許に開示されている:3,068,016
号;3,481,715号;3,519,282号;
3,817,719号;3,843,278号;3,9
18,925号;3,964,877号;3,975,
165号;4,377,371号;4,540,336
号。研削性シールは、ブレードチップをシールに衝突さ
せる熱的瞬間的或は衝撃荷重がある場合に、剥げ落ちる
或は磨り減るように適応される。米国特許4,377,
371号は、研削性シールとして用いられるいくつかの
材料が、シール表面に亀裂が存在することによって広め
られる大規模剥離を被りやすいことを指摘しかつレーザ
ービームを使用することによってシール表面を艶出しし
てシール表面に微細なミクロクラックの網状構造を生じ
ることを開示している。 I.E.Sumner及びD.RuckleがAIAA
/SAE/ASME 16回Joint Propul
sion Conferenceにおいて発表した論文
「Development of Improved−
Durability Plasma Sprayed
Ceramic Coatings for Gas
Turbine Engines」、AIAA−80
−1193において、セグメンティドレーザー走査コー
ティングは性能が劣ることが報告された。[0003] It is known that a more desirable condition is for the tip or knife edge to cut the groove into a corresponding sealing surface, rather than for the tip or knife edge to undergo wear. U.S. Pat. Nos. 4,238,170 and 4,239,452 provide an internal peripheral groove circumscribing the blade tip in the stator or shroud seal surface, but this arrangement presents alignment difficulties. At the same time, the thermally induced axial displacement of the blade cannot be adapted to the stator or shroud. A variety of rotating seal arrangements have been disclosed in the literature, in which rotating members are provided with softer, e.g., polished cooperating members, such as filled honeycombs, porous metals, brittle ceramics, and the like. And cutting or abrasion is reduced. It has been found that in some of these arrangements, improper sealing or seizure of the cooperating members can occur. In such other arrangements, local "hot spots" and burns of the non-abrasive member may occur. Examples of seals using abrasive members are disclosed in the following U.S. Patents: 3,068,016
No. 3,481,715; 3,519,282;
3,817,719; 3,843,278; 3,9
18,925; 3,964,877; 3,975,
No. 165; 4,377,371; 4,540,336
issue. The abrasive seal is adapted to flake or wear out in the event of a thermal flash or impact load that causes the blade tip to impact the seal. US Patent 4,377,
No. 371 points out that some materials used as abrasive seals are susceptible to massive delamination, which is propagated by the presence of cracks in the seal surface, and polishes the seal surface by using a laser beam. To produce a network of fine microcracks on the seal surface. I. E. FIG. Sumner and D.M. Ruckle is AIAA
/ SAE / ASME 16 times Joint Propul
The paper “Development of Improved-
Durability Plasma Sprayed
Ceramic Coatings for Gas
Turbine Engines ", AIAA-80
At -1193, segmented laser scanning coatings were reported to perform poorly.
【0004】英国特許853,314号及び同1,00
8,526号は、ロータ或は固定シュラウドに関しシー
ルをもたらすためにタービン或はコンプレッサーブレー
ドのチップにリブを形成し、リブ及び共同するシール表
面を、摩耗した際に着脱可能にしたものを開示してい
る。米国特許4,148,494号は、ニッケル或はニ
ッケルを含有する合金の電着されたマトリックスからな
る研削性チップを有し、閉じ込められた研削性粒子、例
えばボラゾン粒子が先端から突き出ているガスタービン
ブレード或は翼を開示している。この特許に開示されて
いるタイプの研削性チップは製造するのが困難でありか
つ極めて費用がかかる。米国特許3,339,933号
は、共働するハニカム部材に伸びてシールを形成する接
着アルミナを被覆したブレード刃を開示している。米国
特許3,537,713号は、内方向に突出する刃に、
固定共働部材上の耐ラブ性材料に代わって代りのうね及
び溝を形成するモリブデン或はニッケルアルミニドのよ
うな硬質保護材料を被覆させた回転スリーブを開示して
いる。米国特許4,884,820号は、セラミック或
は金属カーバイドコーティングを被覆したブレードのチ
ップをレーザー処理して、切削して回転ガスシールにお
ける研削性材料にすることができる耐摩耗性カッティン
グ表面を生じる複数のレーザー形成されたくぼみを形成
することを開示している。[0004] British Patent Nos. 853,314 and 1,00
No. 8,526 discloses a turbine or compressor blade having ribs formed thereon to provide a seal with respect to the rotor or stationary shroud, wherein the ribs and associated sealing surfaces are removable when worn. ing. U.S. Pat. No. 4,148,494 discloses a gas having an abrasive tip consisting of an electrodeposited matrix of nickel or an alloy containing nickel, wherein confined abrasive particles, such as borazon particles, protrude from the tip. A turbine blade or blade is disclosed. Grindable tips of the type disclosed in this patent are difficult and extremely expensive to manufacture. U.S. Pat. No. 3,339,933 discloses a blade blade coated with bonded alumina that extends to a cooperating honeycomb member to form a seal. U.S. Pat. No. 3,537,713 discloses a blade protruding inward,
A rotating sleeve is disclosed which is coated with a hard protective material such as molybdenum or nickel aluminide which forms an alternative ridge and groove in place of the rub resistant material on the stationary cooperating member. U.S. Pat. No. 4,884,820 discloses that a blade of a blade coated with a ceramic or metal carbide coating is laser treated to produce a wear resistant cutting surface that can be cut into an abrasive material in a rotary gas seal. It is disclosed to form a plurality of laser formed depressions.
【0005】上記のコーティングは良好な耐摩耗性カッ
ティング表面をブレードにもたらすが、コーティングは
高温環境において用いた際にブレードに充分に接着して
ブレードに接着されたままにしないことが時にある。例
えば、アルミナベースのコーティングのようなセラミッ
クコーティングは良好な耐摩耗性カッティング表面を多
くの基材についてもたらすが、チタン合金のような基材
への密着強さに劣る。しかし、チタン合金のような基材
をアルミナグリットのような研磨剤を用いてグリットブ
ラスト仕上げによって荒くする場合には、セラミックコ
ーティングについて良好な接着を得ることができる。遺
憾ながら、グリットブラスト作業は大きな疲れデビット
を基材に引き起こすのが普通である。疲れは、材料に、
材料の引張強さより小さい最大値を有する応力で周期的
荷重を施す際に、材料に生じる漸進的破壊現象である。
疲れは、十分な数の周期的荷重の後に、終に破損となり
得るのが普通である。疲れは材料を予想よりも早く及び
/又は小さい荷重で破損させるので、その正味の作用は
同じ荷重において材料の有効寿命を短縮させるか或は同
じ寿命の間で許容荷重を減少させるかのいずれかであっ
た。このように、グリットブラストは基材において疲れ
デビットを引き起こし得るので、その使用は望まれな
い。米国特許4,826,734号は、破断に至る歪み
が4.3×10-3インチ/インチより大きいタングステ
ンカーバイド−コバルトコーティングを被覆した基材を
開示している。しかし、かかるコーティングは適当な耐
摩耗性のカッティング面をもたらすが、セラミックコー
ティングはコンプレッサー用ブレードのチップにおいて
用いるための一層望ましい耐摩耗性カッティング表面を
もたらすのが普通である。[0005] While the above coatings provide a good wear resistant cutting surface to the blade, sometimes the coating adheres well to the blade when used in a high temperature environment and does not remain adhered to the blade. For example, ceramic coatings such as alumina-based coatings provide good wear resistant cutting surfaces for many substrates, but have poor adhesion to substrates such as titanium alloys. However, when a substrate such as a titanium alloy is roughened by grit blasting with an abrasive such as alumina grit, good adhesion for the ceramic coating can be obtained. Unfortunately, grit blasting usually causes large fatigue debits on the substrate. Tired to the material,
A progressive fracture phenomenon that occurs in a material when a cyclic load is applied with a stress having a maximum value smaller than the tensile strength of the material.
Fatigue can usually eventually break after a sufficient number of cyclic loads. Since fatigue causes the material to fail faster and / or at lower loads than expected, its net effect either reduces the useful life of the material at the same load or decreases the allowable load during the same life. Met. Thus, the use of grit blasting is undesirable because it can cause fatigue debits in the substrate. U.S. Pat. No. 4,826,734 discloses a substrate coated with a tungsten carbide-cobalt coating having a strain to break greater than 4.3.times.10.sup.- 3 inches / inch. However, while such coatings provide a suitable wear resistant cutting surface, ceramic coatings typically provide a more desirable wear resistant cutting surface for use in compressor blade tips.
【0006】本発明の目的は、良好な疲れ特性を有し、
同時にまた良好な耐摩耗性カッティング表面をもたらす
基材用二重コーティングを提供するにある。本発明の別
の目的は、タングステンカーバイド−コバルトのアンダ
ーコート及びセラミックコーティングのトップコートを
含むチタンのような基材用二重コーティングを提供する
にある。本発明の別の目的は、破断に至る歪み(str
ain−to−fracture)が4.3×10-3イ
ンチ/インチより大きいタングステンカーバイド−コバ
ルトのアンダーコート及びアルミナベースのコーティン
グのトップコートを含む、チタンベースの基材用二重コ
ーティングを提供するにある。前述の及びそれ以上の目
的は本明細書以降の記述及び開示から明らかになるもの
と思う。It is an object of the present invention to have good fatigue properties,
At the same time it is also to provide a double coating for the substrate, which gives a good wear-resistant cutting surface. It is another object of the present invention to provide a dual coating for a substrate such as titanium including a tungsten carbide-cobalt undercoat and a ceramic coating topcoat. Another object of the present invention is to provide a strain to break (str)
To provide a dual coating for a titanium-based substrate, including a tungsten carbide-cobalt undercoat having an ain-to-fracture greater than 4.3 × 10 −3 inches / inch and a topcoat of an alumina-based coating. is there. The foregoing and further objects will become apparent from the description and disclosure hereinafter.
【0007】[0007]
【発明の構成】発明は、チタン合金のような基材を含
み、タングステンカーバイド−コバルトのアンダーコー
ト層を基材に接着させかつアルミナベースの材料のよう
なセラミック材料のトップコート層をアンダーコートに
固定させてなる被覆品に関する。好ましくは、タングス
テンカーバイド−コバルトアンダーコートは、4.3×
10-3インチ/インチより大きい、好ましくは5.0×
10-3インチ/インチより大きい、一層好ましくは5.
5×10-3インチ/インチより大きい破断に至る歪みを
有すべきである。タングステンカーバイド−コバルトア
ンダーコートの圧縮残留応力は、好ましくは約30〜約
50キロポンド/平方インチ(KSI)(2,100〜
3,500kg/cm2)にすべきである。アンダーコート層
は、トップコートがアンダーコート層に充分に固定され
得る用に、表面荒さ少なくとも100ミクロインチ
(2.5ミクロン)Raを有するのが好ましい。好まし
くは、トップコート厚さ対アンダーコート厚さの比は
6:1〜1:3、一層好ましくは3:1〜1:2にすべ
きである。本発明の新規な二重コーティングは、トップ
コートが優れた耐摩耗性カッティング特性を有する表面
を供しながら、基材への良好な密着強さ及び良好な疲れ
特性を有するアンダーコート層を提供することを見出し
た。アンダーコートの良好な疲れ特性は、被覆基材を作
動、特に周期的荷重を受ける作動状態にする際に、トッ
プコートにおける亀裂が基材にまで広がるのを有効に防
ぐ。こうして、本発明の二重被覆基材は、セラミック材
料の被覆層だけを有する被覆基材に比べて、周期的荷重
条件下で一層長く存続する。SUMMARY OF THE INVENTION The invention includes a substrate such as a titanium alloy, wherein a tungsten carbide-cobalt undercoat layer is adhered to the substrate and a topcoat layer of a ceramic material such as an alumina-based material is undercoated. The present invention relates to a coated article fixed. Preferably, the tungsten carbide-cobalt undercoat is 4.3 ×
Greater than 10-3 inches / inch, preferably 5.0x
4. Greater than 10.sup.-3 inches / inch, more preferably 5.
It should have a strain to break greater than 5 × 10 −3 inches / inch. The compressive residual stress of the tungsten carbide-cobalt undercoat is preferably from about 30 to about 50 kilopounds per square inch (KSI) (2,100 to
3,500 kg / cm 2 ). The undercoat layer preferably has a surface roughness of at least 100 microinches (2.5 microns) Ra so that the topcoat can be sufficiently secured to the undercoat layer. Preferably, the ratio of topcoat thickness to undercoat thickness should be between 6: 1 and 1: 3, more preferably between 3: 1 and 1: 2. The novel dual coating of the present invention provides an undercoat layer that has good adhesion to the substrate and good fatigue properties while the topcoat provides a surface with excellent wear-resistant cutting properties. Was found. The good fatigue properties of the undercoat effectively prevent cracks in the topcoat from spreading down to the substrate when the coated substrate is operated, especially in an operating state under cyclic loading. Thus, the dual coated substrates of the present invention survive longer under cyclic loading conditions than coated substrates having only a coating layer of ceramic material.
【0008】本発明のアンダーコートは良好な疲れ特性
及び密着強さを有しかつデトネーションガンプロセスの
ような手段によって基材に付着させることができる。ア
ンダーコート層の厚さは、トップコート亀裂の伝播を止
めることができ、それで基剤の疲れ特性を有意に低下さ
せないように十分にしなければならない。トップコート
の厚さは、ほとんどの用途について、少なくとも2〜約
20ミル(0.051〜0.51mm)、好ましくは少
なくとも3〜約10ミル(0.076〜0.21mm)
にすることができる。アンダーコートの表面は、トップ
コートをその上に付着させる際に固定させるように、荒
さ少なくとも100ミクロインチ(2.5ミクロン)R
a、好ましくは少なくとも150ミクロインチ(3.8
ミクロン)Raを有すべきである。本発明のトップコー
トは良好な耐摩耗性カッティング表面を有しかつ意図す
る作業において使用する際に剥離しないように、アンダ
ーコート層に密着することができるべきである。このト
ップコートは、慣用のデトネーションガンプロセスを用
いてアンダーコートに塗布することができる。トップコ
ートの厚さは、ほとんどの用途について、その意図する
用途について良好な耐摩耗性カッティング表面をもたら
すように、充分にすべきである。厚さ少なくとも1〜約
20ミル(0.025〜0.51mm)が通常適してお
り、厚さ少なくとも2〜約10〜15ミル(0.051
〜0.25〜0.38mm)が好ましい。タングステン
カーバイド−コバルトアンダーコート層は、コバルト約
7〜約25重量%、炭素約0.5〜約5重量%、タング
ステン約70〜約92.5重量%を含むべきである。コ
バルトは約8〜約18重量%であり、炭素は約2〜約4
重量%であり、タングステンは約78〜約90重量%で
あるのが好ましい。最も好ましいコーティングは、コバ
ルト約9〜約15重量%、炭素約2.5〜約4.0重量
%、タングステン約81〜約88.5重量%を含むべき
である。発明用のタングステンカーバイド−コバルトコ
ーティング材料は、クロムを少量、好ましくは約3〜約
6重量%、最も好ましくは約4重量%含むことができ
る。クロムの添加はコーティングの腐蝕特性を向上させ
ることになる。The undercoat of the present invention has good fatigue properties and cohesive strength and can be applied to a substrate by means such as a detonation gun process. The thickness of the undercoat layer must be sufficient to stop the propagation of the topcoat cracks and thus not significantly reduce the fatigue properties of the base. The thickness of the topcoat will be at least 2 to about 20 mils (0.051 to 0.51 mm) for most applications, preferably at least 3 to about 10 mils (0.076 to 0.21 mm)
Can be The undercoat surface should have a roughness of at least 100 microinches (2.5 microns) R to secure the topcoat as it is deposited thereon.
a, preferably at least 150 microinches (3.8
Micron) should have Ra. The topcoat of the present invention should have a good abrasion resistant cutting surface and should be able to adhere to the undercoat layer so that it does not peel when used in the intended operation. This topcoat can be applied to the undercoat using a conventional detonation gun process. The thickness of the topcoat should be sufficient for most applications to provide a good abrasion resistant cutting surface for the intended application. A thickness of at least 1 to about 20 mils (0.025 to 0.51 mm) is generally suitable, and a thickness of at least 2 to about 10 to 15 mils (0.051 to 0.051 mm).
To 0.25 to 0.38 mm). The tungsten carbide-cobalt undercoat layer should include about 7 to about 25% cobalt, about 0.5 to about 5% carbon, and about 70 to about 92.5% tungsten by weight. Cobalt is about 8% to about 18% by weight and carbon is about 2% to about 4%.
Weight percent and the tungsten is preferably from about 78 to about 90 weight percent. The most preferred coating should include about 9 to about 15% by weight cobalt, about 2.5 to about 4.0% by weight carbon, and about 81 to about 88.5% by weight tungsten. Inventive tungsten carbide-cobalt coating materials can include small amounts of chromium, preferably about 3 to about 6% by weight, and most preferably about 4% by weight. The addition of chromium will improve the corrosion properties of the coating.
【0009】セラミックのトップコート層は下記を含
む:アルミナ;アルミナとチタニア、クロミア及び/又
はジルコニアとの組成物(合金及び混合物を含む);ク
ロミアとアルミナとの組成物;ジルコニアにシリカ、イ
ットリア、カルシア及び/又はマグネシアを混合した組
成物;クロムカーバイド;等。トップコートはアルミナ
並びにアルミナとチタニア、クロミア及び/又はジルコ
ニアとの組成物が好ましく、アルミナが最も好ましい。
基材はチタン、スチール、アルミニウム、コバルト、ニ
ッケル、これらの合金、等を含むことができる。基材は
チタンの合金が好ましい。基材がチタン合金である場
合、好ましいトップコーティングはアルミナベースの材
料、例えばアルミナであり、アンダーコート層はコバル
ト7〜25重量%、炭素0.5〜5重量%及びタングス
テン70〜92.5重量%を含むタングステンカーバイ
ド−コバルトである。アンダーコートの厚さは2〜20
ミル(0.051〜0.51mm)でありかつトップコ
ートの厚さは1〜20ミル(0.025〜0.51m
m)である。トップコート層対アンダーコート層の比は
6:1〜3:1にするのが普通である。チタン合金基材
を用いた場合、タングステンカーバイド−コバルトのア
ンダーコートは、チタン合金の疲れ特性を有効に変更し
ないでチタン合金への優れた密着性をもたらし、同時に
トップコートを固定させることができる荒さを有する表
面をもたらすことを見出した。アルミナベース材料のト
ップコートは、種々の用途において周期的荷重下で破損
しないで使用することができる優れた耐摩耗性カッティ
ング表面をもたらす。トップコートの表面を更に向上さ
せるために、レーザー処理を行なって高いランド領域に
よって定められる複数のくぼみを供することができる。
かかるくぼみはカッティングエッジの集合として作用す
ることができる。更に、ランド領域によって定められる
くぼみは、二重に被覆した基材をコンプレッサーにおけ
るブレードとして使用する場合に、微細な切削破片を受
けるための空間となることによって、切削能力を高める
と考えられる。冷却する際に、ブレードのチップは引っ
込みかつ破片は表面から放出される。The ceramic topcoat layer comprises: alumina; a composition of alumina and titania, chromia and / or zirconia (including alloys and mixtures); a composition of chromia and alumina; zirconia on silica, yttria; A composition in which calcia and / or magnesia are mixed; chromium carbide; The topcoat is preferably alumina and a composition of alumina and titania, chromia and / or zirconia, most preferably alumina.
The substrate can include titanium, steel, aluminum, cobalt, nickel, alloys thereof, and the like. The substrate is preferably a titanium alloy. If the substrate is a titanium alloy, the preferred top coating is an alumina-based material, such as alumina, and the undercoat layer is 7-25 wt% cobalt, 0.5-5 wt% carbon and 70-92.5 wt% tungsten. % Of tungsten carbide-cobalt. Undercoat thickness is 2-20
Mil (0.051-0.51 mm) and the topcoat thickness is 1-20 mil (0.025-0.51 m)
m). The ratio of topcoat layer to undercoat layer is usually 6: 1 to 3: 1. When using a titanium alloy substrate, the tungsten carbide-cobalt undercoat provides excellent adhesion to the titanium alloy without effectively altering the fatigue properties of the titanium alloy, and at the same time allows the top coat to be fixed. Has been found to result in a surface having Topcoats of alumina-based materials provide excellent wear resistant cutting surfaces that can be used in various applications without breaking under cyclic loading. To further enhance the surface of the topcoat, laser treatment can be performed to provide a plurality of depressions defined by high land areas.
Such depressions can act as a set of cutting edges. In addition, the depressions defined by the land areas are believed to enhance cutting performance by providing space for receiving fine cutting debris when the double coated substrate is used as a blade in a compressor. Upon cooling, the blade tip retracts and debris is released from the surface.
【0010】アンダーコートを付着させる好ましい方法
はデトネーションガンを用いてプレートに炎を当てるも
のであり、下記の工程を含む:所望の燃料及びオキシダ
ントガスをデトネーションガンに導入して爆発性混合物
を形成し、粉末にしたコーティング材料をガン内の爆発
性混合物に導入し、燃料−オキシダント混合物を爆発さ
せてコーティング材料を被覆する基材にぶつける。燃料
−オキシダント混合物は、オキシダント及び飽和及び不
飽和炭化水素からなる群より選ぶ少なくとも二種の可燃
性ガスの燃料混合物を含むのが好ましい。使用するオキ
シダントは通常酸素であり、可燃性ガス混合物はアセチ
レンガス及びプロピレンガスであるのが好ましい。アン
ダーコートを得るのに用いるためのコーティング材料の
粉末は、キャストアンドクラッシュトプロセスによって
作る粉末が好ましい。本方法では、粉末の構成成分を融
解及びキャストしてシェル形状のインゴットにする。次
いで、このインゴットを粉砕して所望の粒子寸法分布を
得る。生成した粉末粒子は種々の寸法の角状カーバイド
を含有する。種々の量の金属相が各々の粒子に伴う。こ
の形態は個々の粒子に不均一な融解特性を持たせる。実
際、いくつかのコーティング条件下で、一層大きい角状
カーバイドの内のいくつかを含有する粒子の内のいくつ
かは少しも融解しないかもしれない。好ましい粉末は、
通常1〜25ミクロンの寸法に作られかつW2 C、Co
3 W3 Cのような混合カーバイド及びCo相からなるマ
トリックスに分配された角張ったタングステンカーバイ
ド粒子およそ2〜20%からなる磨かれた金属組織学的
外観を有するコーティングを生じる。トップコートを得
るのに用いるためのコーティング材料の粉末は、金属塩
を焼成して作られる粉末が好ましい。生成した粉末粒子
は、1〜45ミクロンの範囲の寸法に作るのが普通であ
る。被覆サンプルの試験では、種々のデータを観測し、
データの内のいくつかは下記の試験手順を用いて得られ
た。A preferred method of applying the undercoat is to flame the plate using a detonation gun and includes the following steps: introducing the desired fuel and oxidant gas into the detonation gun to form an explosive mixture. The powdered coating material is introduced into the explosive mixture in the gun and the fuel-oxidant mixture is exploded to strike the substrate coated with the coating material. The fuel-oxidant mixture preferably comprises a fuel mixture of at least two combustible gases selected from the group consisting of oxidants and saturated and unsaturated hydrocarbons. Preferably, the oxidant used is oxygen and the combustible gas mixture is acetylene gas and propylene gas. The powder of the coating material used to obtain the undercoat is preferably a powder made by a cast and crash process. In this method, the components of the powder are melted and cast into shell-shaped ingots. The ingot is then ground to obtain the desired particle size distribution. The resulting powder particles contain square carbides of various sizes. Various amounts of metal phase are associated with each particle. This morphology gives the individual particles non-uniform melting characteristics. In fact, under some coating conditions, some of the particles containing some of the larger horned carbides may not melt at all. Preferred powders are
Usually made to a size of 1 to 25 microns and W 2 C, Co
A coating having a polished metallographic appearance consisting of approximately 2-20% of angular tungsten carbide particles distributed in a matrix consisting of a mixed carbide such as 3 W 3 C and a Co phase. The powder of the coating material used to obtain the top coat is preferably a powder made by firing a metal salt. The resulting powder particles are typically sized in the range of 1 to 45 microns. In testing the coated samples, various data were observed,
Some of the data was obtained using the test procedure described below.
【0011】破断に至る歪み試験 例におけるコーティングの破断に至る歪みは、4点曲げ
試験を用いて求めた。詳細に言うと、4140スチール
を焼き入れしてHardness Rockwell
Cスケール(HRC)40〜45にして作った断面が長
方形のビームの一方の側に、試験する材料を被覆する。
代表的な基材寸法は、幅0.50インチ(1.3c
m)、厚さ0.25インチ(0.63cm)及び長さ1
0インチ(25cm)である。コーティング面積は0.
50インチ×約7インチ(1.3×18cm)であり、
基材の長さ10インチに沿って中心に置く。コーティン
グ厚さは0.015インチ(0.38mm)が代表的で
あるが、試験の適用の可能性はコーティング厚さ0.0
10〜0.020インチ(0.25〜0.51mm)の
範囲によって影響されない。アコースチックトランスデ
ューサーを、ダウコーニング高真空グリースのようなカ
ップラント及びマスキングテープを用いて、サンプルに
結合させる。アコースチックトランスデューサーは圧電
性でありかつおよそ90〜120KHz に位する狭い応
答バンドを有する。トランスデューサーを、ゲインを3
0dBに設定したアンプリファイアーに信号を通す固定
ゲイン40dBを有するプリアンプリファイアーに結合
する。これより、全系ゲインは70dBになる。アンプ
リファイアーを、信号が限界値1ミリボルトを越える回
数を数えかつ全カウントに比例した電圧を出力するカウ
ンターに結合する。加えて、事象のピーク振幅に比例す
る信号もまた記録する。The strain leading to the breakage of the coating in the strain test example leading to the break was determined using a four-point bending test. In more detail, Hardness Rockwell is made by quenching 4140 steel.
One side of a cross-section rectangular beam made on a C-scale (HRC) 40-45 is coated with the material to be tested.
Typical substrate dimensions are 0.50 inch (1.3c wide)
m), thickness 0.25 inch (0.63 cm) and length 1
0 inches (25 cm). The coating area is 0.
50 inches x about 7 inches (1.3 x 18 cm)
Center along the 10 inch length of the substrate. The coating thickness is typically 0.015 inch (0.38 mm), but the applicability of the test is that the coating thickness is 0.0
Unaffected by the range of 10 to 0.020 inches (0.25 to 0.51 mm). An acoustic transducer is attached to the sample using a masking tape and a coupler such as Dow Corning high vacuum grease. Acoustic Chick transducer has a narrow response band coordinated to it and approximately 90~120KH z piezoelectric. Transducer, gain 3
Couple to a preamplifier with a fixed gain of 40 dB that passes the signal through an amplifier set to 0 dB. Thus, the overall system gain is 70 dB. The amplifier is coupled to a counter that counts the number of times the signal exceeds the 1 millivolt limit and outputs a voltage proportional to the total count. In addition, a signal proportional to the peak amplitude of the event is also recorded.
【0012】被覆ビームを折曲げ具に入れる。折曲げ具
は、4点曲げ式ビームにコーティングが張力状態になる
ように荷重するように設計する。外荷重点はビームの一
方の側で8インチ(20cm)離し、荷重の中点は基材
の反対側で23/4 インチ(7.0cm)離す。この試験
幾何学的配置は被覆ビームの中央23/4 インチを均一な
応力状態に置く。ユニバーサル試験機を使用して2組の
荷重点を互いに置き換え、試験サンプルの中央における
曲げを生じる。サンプルを、コーティングが凸状にな
る、すなわちコーティングが張力状態に置かれるよう
に、曲げる。曲げの間のサンプルの変形を、ユニバーサ
ル試験機に取り付けたロードセルか或はサンプルに取り
付けた歪みゲージのいずれかによってモニターする。荷
重を測定する場合、エンジニアリングビーム理論を用い
てコーティングにおける歪みを計算する。曲げの間、ア
コースチックカウント及びピーク振幅もまた記録する。
データを、3ペンチャートレコーダー及び計算機を用い
て同時に収集する。コーティングの亀裂が生じる場合、
アコースチックエミッションが伴う。厚み貫通(thr
ough−thickness)亀裂に伴うアコースチ
ックエミッションの特徴は、事象当り約104 カウント
及びトランスデューサーにおける1ミリボルトに対しピ
ーク振幅100dBを含む。亀裂が始まる際に存在する
歪みをコーティングの破断に至る歪として記録する。The coated beam is placed in a folding tool. The folding tool is designed to load the four-point bending beam so that the coating is in tension. The outer load point is 8 inches (20 cm) apart on one side of the beam and the midpoint of the load is 23/4 inches (7.0 cm) on the opposite side of the substrate. This test geometry places the central 23/4 inch of the coated beam into uniform stress. The two sets of load points are replaced with each other using a universal testing machine to produce a bend in the center of the test sample. The sample is bent such that the coating is convex, ie, the coating is placed in tension. The deformation of the sample during bending is monitored either by a load cell attached to a universal tester or by a strain gauge attached to the sample. When measuring loads, the strain in the coating is calculated using engineering beam theory. During bending, the acoustic count and peak amplitude are also recorded.
Data is collected simultaneously using a three pen chart recorder and calculator. If the coating cracks,
Accompanied by acoustic emissions. Thickness penetration (thr
Acoustic emission characteristics associated with an out-thickness crack include about 10 4 counts per event and 100 dB peak amplitude for 1 millivolt at the transducer. The strain present at the onset of cracking is recorded as the strain leading to the breaking of the coating.
【0013】残留応力試験 例におけるコーティングの残留応力は、盲孔(blin
d hole)試験を用いて求めた。具体的な手順はA
STM Standard E−387の改訂版であ
る。詳細に言うと、歪ゲージロゼットを試験するサンプ
ルに接着する。使用するロゼットはテキサス、カレッジ
ステーション在Texas Measurements
により販売されて下り、ゲージFRS−2である。この
装置は3つのゲージを互いに0、90及び225度に向
けかつホイルバッキングに装着させてなる。ゲージの中
心線直径は5.12mm(0.202インチ)、ゲージ
長さは1.5mm(0.0509インチ)であり、ゲー
ジ幅は1.4mm(0.055インチ)である。ロゼッ
トをサンプルに取り付ける手順は、ノースカロライナ、
ローリ在Measurements Group In
c.、が出版したBulletin B−127−9に
推奨されている通りである。金属マスクを歪ゲージに接
着して孔開けの時に孔の位置を定めるのを助けかつ孔開
けする間歪ゲージを保護する。マスクは環状形状を有
し、外直径が0.382インチ(9.70mm)に等し
く、内直径が0.160インチ(4.06mm)に等し
く、厚さが0.0485インチ(1.23mm)に等し
い。このマスクを、6×の顕微鏡を用いて、歪ゲージと
同中心に位置させる。マスクを中央に置いた際に、接着
剤のしずくをエッジに適用し、マスクを適所で乾燥し、
固定させる。3つのゲージをつなげて3つの等しい信号
調整装置とし、歪のユニットにおいて読みを生じさせ
る。試験を開始する前に、3つのユニットをすべて調整
してゼロの読みを示すようにする。[0013] The residual stress of the coating in the residual stress test example, the blind hole (blin
d hole) test. The specific procedure is A
It is a revised version of STM Standard E-387. Specifically, a strain gauge rosette is adhered to the sample to be tested. The rosette used is Texas Measurements, College Station, Texas.
, Sold down by the gauge FRS-2. The device has three gauges oriented at 0, 90 and 225 degrees to each other and mounted on a wheel backing. The gauge has a centerline diameter of 5.12 mm (0.202 inch), a gauge length of 1.5 mm (0.0509 inch), and a gauge width of 1.4 mm (0.055 inch). The procedure for attaching a rosette to a sample is described in North Carolina,
Measurements Group In in Lori
c. , Published in Bulletin B-127-9. A metal mask is adhered to the strain gauge to help locate the hole during drilling and to protect the strain gauge during drilling. The mask has an annular shape with an outer diameter equal to 0.382 inches (9.70 mm), an inner diameter equal to 0.160 inches (4.06 mm), and a thickness of 0.0485 inches (1.23 mm). be equivalent to. This mask is positioned at the same center as the strain gauge using a 6 × microscope. When the mask is centered, apply a drop of glue to the edges, dry the mask in place,
Fix it. The three gauges are connected into three equal signal conditioners, producing a reading in the distortion unit. Before starting the test, all three units are adjusted to show a zero reading.
【0014】試験装置は、垂直にかつ一方向で水平に移
動することができるプレートに回転グリットブラストノ
ズルを装着させて含む。グリットブラストノズルはニュ
ージャージー、ピスカタウエイのS.S.White製
であり、内直径0.026インチ(0.66mm)及び
外直径0.076インチ(1.93mm)を有する。ノ
ズルを回転の中心から偏らせ、それでその結果は直径
0.096〜.1002インチ(2.44〜2.545
mm)を有する切り抜かれた孔になる。孔を開けるサン
プルをキャビネットに入れ、歪ゲージを回転ノズルの下
の中央に置く。部分の位置調整は、ノズルを、研磨媒体
或は空気のいずれかを流さないで回転させ、かつノズル
回転がマスクと同中心になるようにサンプルの位置を手
動で調整することによって、達成する。ノズルと部分と
のスタンドオフを0.020インチ(0.51mm)に
設定する。プレートの位置をストップで示す。穴を開け
るのに用いる研磨剤は27ミクロンのアルミナであり、
これを60psi(4.2kg/cm2)の空気で運ぶ。侵食
性或は研磨性媒体を速度25グラム/分(gpm)で用
いる。研磨剤は慣用の粉末ディスペンサーによって計量
分配する。孔を30秒間開け、この時間研磨剤及び空気
の流れを止める。ノズルをその部分から移動させて離
す。歪ゲージの頂部及び孔の底部における位置をポータ
ブル焦点調整顕微鏡で測定し、差異を記録する。孔の深
さはその差異−歪ゲージの厚さである。孔の回りで放た
れる歪は信号調整器によって示され、これらの値もまた
記録する。データを記録する間、サンプルを移動させ
ず、それでノズルを初めの出発点に戻して試験を続ける
ことができる。試験を孔の深さがコーティングの厚さよ
りも大きくなる迄繰り返し、その時点で試験を停止す
る。増分層において所定の孔の深さで放たれる歪は、経
験的に既知の応力状態に荷重される軟鋼のキャリブレー
ションサンプルからのデータを用いて、その層における
応力と関連される。このデータから残留応力を求める。The test apparatus includes a plate capable of moving vertically and horizontally in one direction and having a rotating grit blast nozzle mounted thereon. Grit blast nozzles are available from Piscataway, New Jersey. S. It is made of White and has an inside diameter of 0.026 inch (0.66 mm) and an outside diameter of 0.076 inch (1.93 mm). The nozzle is offset from the center of rotation, so that the result is 0.096-. 1002 inches (2.44 to 2.545
mm). Place the sample to be pierced into the cabinet and place the strain gauge in the center below the rotating nozzle. Position adjustment of the part is achieved by rotating the nozzle without flowing either the polishing media or air, and manually adjusting the position of the sample so that the nozzle rotation is concentric with the mask. Set the standoff between the nozzle and the part to 0.020 inches (0.51 mm). The position of the plate is indicated by a stop. The abrasive used to make the holes is 27 micron alumina,
It is carried with 60 psi (4.2 kg / cm 2 ) of air. Erosive or abrasive media is used at a rate of 25 grams / minute (gpm). The abrasive is dispensed with a conventional powder dispenser. Drill holes for 30 seconds, during which time the flow of abrasive and air is stopped. Move the nozzle away from it and release it. The positions at the top of the strain gauge and at the bottom of the hole are measured with a portable focusing microscope and the differences are recorded. The hole depth is the difference-the thickness of the strain gauge. The distortion released around the hole is indicated by the signal conditioner, and these values are also recorded. While recording the data, the sample does not move, so the nozzle can be returned to the original starting point and the test can continue. The test is repeated until the hole depth is greater than the thickness of the coating, at which point the test is stopped. The strain released at a given hole depth in the incremental layer is related to the stress in that layer using data from a calibration sample of mild steel loaded to an empirically known stress state. The residual stress is determined from this data.
【0015】コーティングの破断に至る歪と残留応力と
の相関は下記の通りである。材料が結合荷重組下にある
場合、荷重条件の各々からの応力及び歪を計算すること
ができ、各々の荷重から生じる応力を重ねることによっ
て全応力及び歪マップを求めることができる。このこと
をコーティングに適用して、コーティングにおける残留
応力を4点曲げ試験の間に加えられる応力に加えてその
破断が生じる際のコーティングの実際の応力を求めなけ
ればならない。4点曲げ試験は、コーティングを張力状
態に置くように、実施する。すなわち、応力と歪とは定
数によって相関されることを用いて、破損時のコーティ
ングにおける全応力は、実際下記式によって与えられ
る:The correlation between the strain leading to the breaking of the coating and the residual stress is as follows. If the material is under a combined load set, the stress and strain from each of the load conditions can be calculated, and the total stress and strain map can be determined by superimposing the stress resulting from each load. This must be applied to the coating to determine the residual stress in the coating in addition to the stress applied during the four-point bending test, as well as the actual stress of the coating when its fracture occurs. The four-point bending test is performed to place the coating in tension. That is, using the fact that stress and strain are correlated by a constant, the total stress in the coating at break is actually given by:
【数1】σt =Eεf +σr (1式) σt =加えられる応力 E=コーティング弾性率 εf =4点曲げ試験からの破断に至る歪み σr =盲孔試験から測定したコーティング残留応力(慣
用の圧縮応力は負の値である)。Σ t = Eε f + σ r (Equation 1) σ t = Stress applied E = Coating elastic modulus ε f = Strain leading to fracture from 4-point bending test σ r = Coating residue measured from blind hole test Stress (conventional compressive stress is negative).
【0016】コーティングは、応力が残留或は加えられ
た応力或は 2つの組合せの結果として生じたかどうかに
かかわらず、一定の応力値において亀裂が入るのが普通
である。所定の圧縮残留応力を有するコーティングは、
コーティングを張力状態に置く前に、等しい量の加えら
れる引張応力を施さなければならない。1式を再配置し
て破断に至る歪みを残留応力の関数として表わすと(数
1)、コーティングにおける圧縮応力の増大が、コーテ
ィングの破断に至る歪みの増大になることは明らかであ
る。The coating will usually crack at a constant stress value, regardless of whether the stress is the result of residual or applied stress or a combination of the two. A coating having a predetermined compressive residual stress,
Before placing the coating in tension, an equal amount of applied tensile stress must be applied. Rearranging equation (1) and expressing strain to failure as a function of residual stress (Equation 1), it is clear that an increase in compressive stress in the coating results in an increase in strain to failure of the coating.
【数2】 これより、コーティングが破断する前に加えることがで
きる応力或は歪は、コーティングに存在する残留応力或
は歪の量により影響される。残留応力を測定するための
盲孔試験に関するそれ以上の情報は、オハイオ、メタル
スパーク在ASMInternationalが出版し
たResidual Stress InDesig
n,Process and Materials S
electionなる表題の刊行物において見出すこと
ができる。この刊行物に、オハイオ、シンシナチにおけ
る1987年4月27〜29日の同じ表題のASM C
onferenceでL.C.Coxが発表した論文が
載っている。この論文の開示内容を本明細書中に援用す
る。(Equation 2) Thus, the stress or strain that can be applied before the coating breaks is affected by the amount of residual stress or strain present in the coating. More information on blind hole testing to measure residual stress can be found in Residual Stress InDesign, published by ASM International, Metal Sparks, Ohio.
n, Process and Materials S
It can be found in the publication entitled selection. This publication contains the same title of ASM C, April 27-29, 1987 in Cincinnati, Ohio.
L. on reference. C. Contains a paper published by Cox. The disclosure of this article is incorporated herein by reference.
【0017】密着強さ試験 コーティングの基材への密着強さは、ASTM 633
に開示されている方法を用いて求めたが、コーティング
層は一層薄い層にした。詳細に言うと、一連の6つの円
筒形の接着試験片であって、各々は直径が1インチ
(2.5cm)あるものに付着させた。被覆層の表面を
ダイヤモンドホイールで研削してシリンダーに軸に対し
て垂直な円滑表面とした。次いで、円筒形試験片を、各
々、3Mが商標「SCOTCH−WELD EPOXY
ADHESIVES 2214 NON−METAL
LIC」で販売しているエポキシ接着剤を用いて突合せ
(マッチング)未塗布円筒形試験片に固定させた。この
エポキシ接着剤は下記で構成される:成分 パーセント エポキシ樹脂ブレンド 70.0〜80.0 脂肪族グリシジルエーテル 1.0〜10.0 ニトリルラテックス 1.0〜10.0 ジシアンジアミド 1.0〜10.0 3−p−クロロフェニル)− 1、1−ジメチル尿素 1.0〜10.0 アモルファス二酸化ケイ素 1.0〜10.0 水 1.0〜10.0 エポキシを硬化させた後に、円筒形試験片を引き離して
破断させ、破断点荷重を観測した。この試験の後に、各
々の被覆円筒形試験片を検査して、破断が被覆接着領域
或はエポキシ接着領域で起きたかどうかを求めた。 Adhesion Strength Test The adhesion strength of the coating to the substrate was determined according to ASTM 633.
The coating layer was thinner, as determined using the method disclosed in US Pat. Specifically, a series of six cylindrical adhesive specimens, each having a diameter of one inch (2.5 cm), were applied. The surface of the coating layer was ground with a diamond wheel to provide a smooth surface perpendicular to the axis of the cylinder. Next, each of the cylindrical test pieces was subjected to a trade name “SCOTCH-WELD EPOXY” by 3M.
ADHESIVES 2214 NON-METAL
It was fixed to a butt-unmatched (unmatched) uncoated cylindrical test piece using an epoxy adhesive sold by LIC. The epoxy adhesive is composed of: component percent epoxy resin blend 70.0-80.0 aliphatic glycidyl ether 1.0-10.0 nitrile latex 1.0-10.0 dicyandiamide 1.0-10. 0 3-p-chlorophenyl) -1,1-dimethylurea 1.0-10.0 Amorphous silicon dioxide 1.0-10.0 Water 1.0-10.0 After curing epoxy, cylindrical test piece Were separated to break, and the load at break was observed. After this test, each coated cylindrical specimen was inspected to determine if a break had occurred in the coated or epoxy bonded area.
【0018】疲れ試験 疲れ試験片を機械仕上して長さが3.5インチ(8.9
cm)あり(各々の末端におけるセグメント部分は長さ
が0.8インチ(2.0cm)ある)かつ直径0.6イ
ンチ(1.5cm)を有する円筒形試験片にした。各々
の末端セグメント内部部分に内方向にテーパーを付けて
長さが0.75インチ(1.9cm)あり、直径0.2
5インチ(0.64cm)を有する中央セグメントを生
成した。中央セグメントを試験棒のゲージセクションと
呼ぶ。コーティングを、デトネーションガンを使用して
ゲージセクション及び外方向にテーパを付けたセグメン
トに塗布する。コーティングを、コーティングの自然の
表面荒さを保持する「被覆されたままの」状態で試験す
る。疲れ試験は、軸方向張力−張力試験として、最大応
力に対する最小応力比R0.1で行なう。試験は、周囲
温度の空気中、簡単な荷重調節式軸方向疲れ試験機で、
30Hzにおいて行なう。すべての試験片について、最
大応力は、基材材料のゲージ断面にわたる最大荷重とし
て引き出された。各々の試験は、試験片がゲージセクシ
ョンに置いて破断する(ゲージセクション破損=GS
F)まで或は1千万サイクルに達する(ランナウト=R
O)まで行なった。いくつかの例を下記に挙げて本発明
を例示する。これらの例において、コーティングは表1
に示す粉末組成物を用いて作った。 Fatigue Test The fatigue test specimen was machined to a length of 3.5 inches (8.9).
cm) (the segment at each end is 0.8 inches (2.0 cm) in length) and was a cylindrical specimen having a diameter of 0.6 inches (1.5 cm). The interior portion of each end segment is tapered inwardly to a length of 0.75 inches (1.9 cm) and a diameter of 0.2
A center segment having 5 inches (0.64 cm) was produced. The central segment is called the gauge section of the test bar. The coating is applied to the gauge section and outwardly tapered segments using a detonation gun. The coatings are tested "as-coated" which retains the natural surface roughness of the coating. The fatigue test is performed as an axial tension-tension test with a minimum stress ratio R0.1 to a maximum stress. The test is a simple load-adjustable axial fatigue tester in air at ambient temperature.
Perform at 30 Hz. For all specimens, the maximum stress was derived as the maximum load across the gauge cross section of the substrate material. In each test, the test piece was placed in the gauge section and fractured (gauge section failure = GS
F) or up to 10 million cycles (runout = R
O). Some examples are provided below to illustrate the invention. In these examples, the coating was as shown in Table 1.
Using the powder composition shown in Table 1.
【0019】[0019]
【表1】 [Table 1]
【0020】[0020]
【実施例】例1 表2に示す組成のガス状燃料−オキシダント混合物を、
各々デトネーションガンに導入して表2に示す酸素対炭
素原子比を有する爆発性混合物を形成した。 EXAMPLE 1 A gaseous fuel-oxidant mixture of the composition shown in Table 2 was
Each was introduced into a detonation gun to form an explosive mixture having the oxygen to carbon atom ratios shown in Table 2.
【0021】[0021]
【表2】 [Table 2]
【0022】表2に示すサンプルコーティング粉末もま
たデトネーションガンに供給した。各々のガス状燃料−
オキシダント混合物の流量、各々のコーティング粉末の
流量、ガス状燃料−オキシダント混合物の容積パーセン
ト及び各々のコーティングサンプルについての酸素対炭
素の原子比もまた表2に示す。コーティングサンプル粉
末を、ガス状燃料−オキシダント混合物と同時にデトネ
ーションガンに供給した。デトネーションガンを毎秒約
8回の速度で発火させ、デトネーションガンのコーティ
ング粉末を種々のスチール及びチタン基材に衝突させて
互いに絡み合いかつ重なり合う造形微視的リーフの稠密
な接着性コーティングを形成した。サンプルコーティン
グ1及び2の被覆層におけるコバルト及び炭素の重量%
を、コーティングの硬度と共に求めた。表2におけるサ
ンプルコーティング1〜3の硬度はロックウエル表面硬
度試験機を使用して測定し、ロックウエル硬度値をビッ
カース硬度値に変換した。用いたロックウエル表面硬度
法はASTM基準法E−18による。硬度は、焼き入れ
したスチール基材に付着させたコーティングの円滑かつ
平坦な表面上で測定する。ロックウエル硬度値を、下記
の式によってビッカース硬度値に変換した: HV0.3 =−1774+34.433HR45N ここで、HV0.3 は0.3kgf荷重で得られるビッカ
ース硬度値を表わし、HR45Nはダイヤモンド圧子及
び45kgf荷重を用いてNスケールで得られるロック
ウエル表面硬度値を表わす。破断に至る歪み値及び残留
応力値は上記の通りにして得られ、得られたデータを表
2に示す。The sample coating powders shown in Table 2 were also supplied to the detonation gun. Each gaseous fuel
The oxidant mixture flow rate, the flow rate of each coating powder, the volume percent of the gaseous fuel-oxidant mixture and the oxygen to carbon atomic ratio for each coating sample are also shown in Table 2. The coating sample powder was fed to the detonation gun simultaneously with the gaseous fuel-oxidant mixture. The detonation gun was ignited at a rate of about eight times per second and the detonation gun coating powder was bombarded against various steel and titanium substrates to form a dense adhesive coating of shaped microscopic leaves that entangled and overlapped each other. % By weight of cobalt and carbon in the coating layers of sample coatings 1 and 2
Was determined along with the hardness of the coating. The hardness of the sample coatings 1 to 3 in Table 2 was measured using a Rockwell surface hardness tester, and the Rockwell hardness value was converted to a Vickers hardness value. The Rockwell surface hardness method used is according to ASTM standard method E-18. Hardness is measured on a smooth, flat surface of the coating applied to the quenched steel substrate. Rockwell hardness values were converted to Vickers hardness values according to the following formula: HV 0.3 = -1774 + 34.433HR45N where HV 0.3 represents the Vickers hardness value obtained at 0.3 kgf load, HR45N represents the diamond indenter and 45 kgf load. Represents the Rockwell surface hardness value obtained on the N scale. The value of strain and the value of residual stress leading to fracture were obtained as described above, and the obtained data are shown in Table 2.
【0023】例2 直径1インチ(2.5cm)のTi−6Al−4Vの試
験棒の端面に、例1のサンプルコーティング3について
用いたのと同じ方法及び粉末組成物を使用して被覆し
た。次いで、各々の円筒形棒を、SCOTCH−WEL
Dエポキシ接着剤を用いてかみ合い棒に軸線に沿って固
定させた。エポキシを硬化させた後に、2つの円筒形棒
を引き離して破断させ、各々のサンプルについて破断点
荷重を記録した。次いで、試験棒を検査して、破断が被
覆接着領域(コーティングの基材への接着−CSDと呼
ぶ)で生じたか或はエポキシ接着領域(エポキシ)で生
じたかを求めた。コーティングの厚さ、破断に至る密着
強さ及び観察した破断のタイプを表3に示す。 Example 2 The end of a 1 inch (2.5 cm) diameter Ti-6Al-4V test rod was coated using the same method and powder composition used for sample coating 3 of Example 1. Then, each cylindrical rod was SCOTCH-WEL
The mating rod was secured along the axis using D epoxy adhesive. After the epoxy was cured, the two cylindrical rods were pulled apart to break and the load at break was recorded for each sample. The test bars were then inspected to determine if the break occurred at the coated bond area (adhesion of the coating to the substrate-referred to as CSD) or at the epoxy bond area (epoxy). Table 3 shows the thickness of the coating, the adhesion strength to failure and the type of failure observed.
【0024】[0024]
【表3】 [Table 3]
【0025】例3 直径1インチ(2.5cm)のTi−6Al−4Vの試
験棒の端面に、例1のサンプルコーティング2について
用いたのと同じ方法及び粉末組成物を使用して被覆し
た。加えて、トップコートを例1のサンプルコーティン
グ3について用いたのと同じ方法及び粉末組成物を使用
して塗布した。次いで、各々の二重被覆円筒形棒を、S
COTCH−WELDエポキシ接着剤を用いてかみ合い
棒に軸線に沿って固定させた。エポキシを硬化させた後
に、2つの円筒形棒を引き離して破断させ、各々のサン
プルについて破断点荷重を記録した。試験棒を検査し
て、破断が被覆接着領域(CSD)で生じたか或はエポ
キシ接着領域(エポキシ)で生じたかを求めた。各々の
被覆層の厚さ、破断に至る密着強さ及び観察した破断の
タイプを表4に示す。 Example 3 The end face of a 1 inch (2.5 cm) diameter Ti-6Al-4V test bar was coated using the same method and powder composition used for sample coating 2 of Example 1. In addition, a topcoat was applied using the same method and powder composition used for sample coating 3 of Example 1. Each double-coated cylindrical rod was then replaced with S
It was secured to the mating bar along the axis using a COTCH-WELD epoxy adhesive. After the epoxy was cured, the two cylindrical rods were pulled apart to break and the load at break was recorded for each sample. The test bars were inspected to determine if the break occurred at the coated bond area (CSD) or at the epoxy bond area (epoxy). Table 4 shows the thickness of each coating layer, the adhesion strength to breakage, and the type of breakage observed.
【0026】[0026]
【表4】 [Table 4]
【0027】コーティングの最小のエッジチッピングが
いくらかあった。本発明の二重コーティングの平均密着
強さは、例2に示す平均密着強さに比べてはるかに優れ
ていた。There was some minimal edge chipping of the coating. The average adhesion strength of the dual coating of the present invention was much better than the average adhesion strength shown in Example 2.
【0028】例4 直径1インチ(2.5cm)のTi−6Al−4Vの試
験棒の端面に、例1のサンプルコーティング1について
用いたのと同じ方法及び粉末組成物を使用して被覆し
た。加えて、トップコートを例1のサンプルコーティン
グ3について用いたのと同じ方法及び粉末組成物を使用
して供給した。次いで、各々の二重被覆円筒形棒を、S
COTCH−WELDエポキシ接着剤を用いてかみ合い
棒に軸線に沿って固定させた。エポキシを硬化させた後
に、2つの円筒形棒を引き離して破断させ、各々のサン
プルについて破断点荷重を記録した。試験棒を検査し
て、破断が被覆接着領域(CSD)で生じたか或はエポ
キシ接着領域(エポキシ)で生じたかを求めた。各々の
被覆層の厚さ、破断に至る密着強さ及び観察した破断の
タイプを表5に示す。 Example 4 The end face of a 1 inch (2.5 cm) diameter Ti-6Al-4V test bar was coated using the same method and powder composition used for sample coating 1 of Example 1. In addition, a topcoat was provided using the same method and powder composition used for sample coating 3 of Example 1. Each double-coated cylindrical rod was then replaced with S
It was secured to the mating bar along the axis using a COTCH-WELD epoxy adhesive. After the epoxy was cured, the two cylindrical rods were pulled apart to break and the load at break was recorded for each sample. The test bars were inspected to determine if the break occurred at the coated bond area (CSD) or at the epoxy bond area (epoxy). Table 5 shows the thickness of each coating layer, the adhesion strength to breakage, and the type of breakage observed.
【0029】[0029]
【表5】 [Table 5]
【0030】いくつかの場合において、コーティングの
最小のエッジチッピングがいくらかあった。本発明の二
重コーティングの平均密着強さは、例2に示す平均密着
強さに比べてはるかに優れていた。In some cases, there was some minimal edge chipping of the coating. The average adhesion strength of the dual coating of the present invention was much better than the average adhesion strength shown in Example 2.
【0031】例5 上述した通りにして作ったTi−6Al−4V合金で作
られた疲れ試験棒の中央或はゲージ部分に、例1のサン
プルコーティング1、2或は3の被覆組成物を、サンプ
ルコーティング1、2或は3についてそれぞれ示す通り
のプロセス及びガス状燃料混合物を使用して、被覆し
た。それ以上の疲れ試験棒のゲージ部分に、サンプルコ
ーティング1或は2の被覆組成物のアンダーコートを被
覆し、その上に例1のサンプルコーティング3の被覆組
成物を付着させた。これらの試験棒に、例1のサンプル
コーティング1、2或は3の被覆組成物を表6に示す通
りに種々の厚さで被覆した。試験棒は、被覆する前にグ
リットブラストしなかったが、試験棒に例1の表2のサ
ンプルコーティング3を被覆するだけで、これらをアル
ミナの60メッシュの角状粒子でグリットブラストして
サンプルコーティング3と試験棒との間の良好な密着強
さを助成した。被覆された疲れ棒に、いくつかの未被覆
疲れ棒と共に、上述した通りにして疲れ試験を施した。
表6〜8は、個々の棒が各々受ける最大応力及び棒がゲ
ージ部分において疲れで破断する前に耐えたサイクル数
を示し或は棒が107 サイクルの後に破断しない場合、
試験を中断してランナウトと記載した。 Example 5 The center or gauge section of a fatigue test bar made of a Ti-6Al-4V alloy made as described above was coated with the coating composition of Sample Coating 1, 2 or 3 of Example 1. Coating was performed using the process and gaseous fuel mixture as indicated for sample coatings 1, 2, or 3, respectively. The gauge portion of the further fatigue test bar was coated with an undercoat of the sample coating 1 or 2 coating composition, and the coating composition of sample coating 3 of Example 1 was deposited thereon. These test bars were coated with the coating compositions of Sample Coating 1, 2, or 3 of Example 1 at various thicknesses as shown in Table 6. The test rods were not grit blasted prior to coating, but only coated the test rods with sample coating 3 of Table 2 of Example 1, which were grit blasted with 60 mesh horn particles of alumina. A good adhesion strength between No. 3 and the test bar was promoted. The coated fatigue bars were subjected to a fatigue test as described above, together with several uncoated fatigue bars.
Table 6-8, when the maximum stress and bar indicates the number of cycles endured before breaking tired in gauge portion or the rod individual bars are each subjected does not break after 107 cycles,
The test was interrupted and marked as runout.
【0032】[0032]
【表6】 [Table 6]
【表7】 [Table 7]
【表8】 [Table 8]
【0033】例2の表3からのデータはAl2 O3 を被
覆した試験棒がすべて被覆接着領域で破断したことを示
すのに対し、例3の表4からのデータは本発明に従って
二重コーティングを被覆した試験棒がエポキシ接着領域
で破断し、被覆接着領域で破断しなかったことを示す。
これらの試験は、Al2 O3 コーティングが、単一コー
ティングとして使用した場合に、基材に有効に接着しな
かったが、例3に示す通りにタングステンカーバイド−
コバルトアンダーコートに有効に接着したことを立証す
る。これより、Al2 O3 コーティングはブレードにつ
いて良好な耐摩耗性カッティング表面になるが、意図す
る用途において用いる場合、ブレードに接着されたまま
にするのに充分な程にブレードに接着しないことが時に
ある。しかし、ブレードのような基材に、初めにタング
ステンカーバイド−コバルトアンダーコートを被覆し、
次いでAl2 O3 コーティングを被覆するならば、Al
2 O3 コーティングはアンダーコート層に接着しかつ該
層との良好な接着をもたらす。これは、基材に大きな疲
れデビットを引き起こすことになり得る基材をグリット
ブラストすることを必要としないで達成することができ
る。表2のデータは、二種の可燃性ガスを組み合わせて
用いて塗布したコーティングが、単に一種の可燃性ガス
だけを使用した慣用のデトネーションガンプロセスを用
いて塗布したコーティングに比べて、一層良好な破壊に
至る歪及び残留応力をもたらしたことを示す。表6〜8
において、試験棒16は慣用のデトネーションガンプロ
セスを用いて単に一種の可燃性ガスで作られ、応力50
KSI(3,500kg/cm2)において1.86×105
サイクル存続した。また、同じコーティング組成及び厚
さの二重コーティングの層を、二種の可燃性ガスを用い
たデトネーションガンプロセスを用いて塗布し(試験棒
18)、この試験棒18は応力50KSIにおいて1.
4166×107 サイクル存続した。これより、基材に
アンダーコートを付着させるのに用いるプロセスは、タ
ングステンカーバイド−コバルトのアンダーコートが
4.3×10-3インチ/インチより大きい破壊に至る歪
を確実に有するように選ぶべきである。本発明をその特
定の細部に関して説明したが、これらの細部は本発明の
範囲を制限するものと考えるべきでない。The data from Table 3 of Example 2 show that all of the test bars coated with Al 2 O 3 broke at the coated bond area, whereas the data from Table 4 of Example 3 showed double data according to the invention. Test bars coated with the coating failed in the epoxy bonded area and did not break in the coated adhesive area.
These tests, Al 2 O 3 coating, when used as a single coating, did not effectively adhere to the substrate, tungsten carbide as shown in Example 3 -
Demonstrate effective adhesion to the cobalt undercoat. This makes the Al 2 O 3 coating a good wear-resistant cutting surface for the blade, but when used in the intended application, it sometimes fails to adhere to the blade enough to remain adhered to the blade. is there. However, a substrate such as a blade is first coated with a tungsten carbide-cobalt undercoat,
Next, if an Al 2 O 3 coating is to be applied,
The 2 O 3 coating adheres to the undercoat layer and provides good adhesion therewith. This can be achieved without the need for grit blasting the substrate, which can cause significant fatigue debit on the substrate. The data in Table 2 shows that coatings applied using a combination of two flammable gases are better than coatings applied using a conventional detonation gun process using only one flammable gas. This shows that the strain and residual stress that led to the fracture were brought about. Table 6-8
The test rod 16 is simply made of a kind of flammable gas using a conventional detonation gun process and has a
1.86 × 10 5 at KSI (3,500 kg / cm 2 )
Cycle survived. Also, a double coating layer of the same coating composition and thickness was applied using a detonation gun process using two flammable gases (test bar 18), which was tested at 1.50 stress at 50 KSI.
It lasted 4166 × 10 7 cycles. Thus, the process used to apply the undercoat to the substrate should be chosen to ensure that the tungsten carbide-cobalt undercoat has a strain to failure greater than 4.3 × 10 −3 inches / inch. is there. Although the invention has been described with respect to specific details thereof, these details should not be considered as limiting the scope of the invention.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−53055(JP,A) 特開 昭52−124010(JP,A) 特開 昭61−26786(JP,A) 特開 平1−272782(JP,A) 特開 昭56−38403(JP,A) 特開 平2−156060(JP,A) 特開 平4−141570(JP,A) 特開 昭55−54105(JP,A) 特開 平2−30704(JP,A) 特開 平2−70074(JP,A) 溶接技術、36[4](1987),(昭62 −4−1)、産報出版株式会社、p64− 68 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 28/00 - 28/04 B32B 18/00 C23C 4/00 - 6/00 B32B 15/08Continuation of the front page (56) References JP-A-3-53055 (JP, A) JP-A-52-124010 (JP, A) JP-A-61-26786 (JP, A) JP-A-1-272782 (JP, A) JP-A-56-38403 (JP, A) JP-A-2-156060 (JP, A) JP-A-4-141570 (JP, A) JP-A-55-54105 (JP, A) 2-30704 (JP, A) JP-A-2-70074 (JP, A) Welding technology, 36 [4] (1987), (Showa 62-4-1), Sanho Publishing Co., Ltd., p. 6) Surveyed field (Int.Cl. 6 , DB name) C23C 28/00-28/04 B32B 18/00 C23C 4/00-6/00 B32B 15/08
Claims (6)
チ/インチよりも大きいタングステンカーバイド−コバ
ルトのアンダーコート及びセラミック材料のトップコー
トを含み、トップコート対アンダーコートの厚さの比は
6:1〜1:3であり;タングステンカーバイド−コバ
ルトアンダーコートはコバルト含量7〜25重量%、炭
素含量0.5〜5重量%、及びタングステン含量70〜
92.5重量%を有し、荒さ少なくとも2.5ミクロン
(100ミクロインチ)Ra及び厚さ少なくとも0.0
51mm(2ミル)を有し;トップコートは、厚さが少
なくとも0.025mm(1ミル)である、基材に用い
るための二重コーティング。1. A strain 4.3 × 10 -3 inch / inch larger tungsten carbide than to fracture - comprises a topcoat cobalt undercoat and the ceramic material, the ratio of the thickness of the topcoat pair undercoat 6: 1 to 1: 3 der Ri; tungsten carbide - Koba
The rut undercoat has a cobalt content of 7 to 25% by weight,
Elemental content 0.5-5% by weight and tungsten content 70-
92.5% by weight, roughness at least 2.5 microns
(100 micro inches) Ra and thickness at least 0.0
51 mm (2 mil); top coat has low thickness
0.025 mm (1 mil) der Ru even without, duplex coating for use on substrates.
チタニア、クロミア及びジルコニアからなる群より選ぶ
少なくとも一種のメンバーとの組成物;クロミアとアル
ミナとの組成物;ジルコニアとマグネシア、シリカ、イ
ットリア及びカルシアからなる群より選ぶ少なくとも一
種のメンバーとの組成物;及びクロムカーバイドからな
る群より選ばれる請求項1の二重コーティング。2. The ceramic material comprises alumina; a composition of alumina and at least one member selected from the group consisting of titania, chromia and zirconia; a composition of chromia and alumina; zirconia and magnesia, silica, yttria and calcia. 2. The dual coating of claim 1, wherein the composition is selected from the group consisting of: a composition with at least one member selected from the group; and chromium carbide.
まで含有する請求項1の二重コーティング。3. The undercoat contains 6% by weight of chromium.
2. The dual coating of claim 1 containing
76mm(2〜30ミル)でありかつトップコートが厚
さ0.025〜0.51mm(1〜20ミル)である請
求項1の二重コーティング。4. An undercoat having a thickness of 0.051-0.
Duplex coating of Claim 1 which is 76 mm (2 to 30 mils), and and topcoat thickness 0.025~0.51mm (1~20 mils).
ルト、ニッケル及びこれらの合金からなる群より選ばれ
る基材に用いるための請求項1及び4の二重コーティン
グ。5. The dual coating of claim 1 for use on a substrate selected from the group consisting of titanium, steel, aluminum, cobalt, nickel and alloys thereof.
ある請求項5の二重コーティング。6. The dual coating of claim 5 , wherein the substrate is a coated blade of a chip.
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