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JP2004076157A - THERMAL SPRAYING METHOD FOR MCrAlX COATING - Google Patents

THERMAL SPRAYING METHOD FOR MCrAlX COATING Download PDF

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JP2004076157A
JP2004076157A JP2003274415A JP2003274415A JP2004076157A JP 2004076157 A JP2004076157 A JP 2004076157A JP 2003274415 A JP2003274415 A JP 2003274415A JP 2003274415 A JP2003274415 A JP 2003274415A JP 2004076157 A JP2004076157 A JP 2004076157A
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JP
Japan
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particles
coating
substrate
mcralx
sprayed
Prior art date
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Application number
JP2003274415A
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Japanese (ja)
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Bruce M Warnes
ブルース エム ウォーンズ
Russel J Ruprecht Jr
ラッセル ジェイ ラプレクト、ジュニア
Jace E Cockeril
ジャック イー コッカリル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Howmet Corp
Original Assignee
Howmet Research Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming an overlay coating on a substrate by cold-spraying MCrAlX alloy particles. <P>SOLUTION: A gas-dynamical thermal spraying method of the MCrAlX alloy particles is composed of a step of preparing a supersonic gas flow entraining therein solid phase MCrAlX alloy particles in which M is one or more selected among nickel, cobalt and iron and X is an element other than M, chromium and aluminum, and also keeping the particles in a temperature lower than the melting point of the particles, and a step of sticking the MCrAlX overlay coating on the substrate by colliding the solid phase particles in the supersonic gas flow against an unheated nickel- or cobalt-base superalloy substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

 本発明は、MCrAlX合金粒子をコールドスプレーして基板上にオーバーレイコーティングを形成する方法に関する。 The present invention relates to a method for forming an overlay coating on a substrate by cold spraying MCrAlX alloy particles.

 Mが1つ以上のNi、Co、およびFeから選択されるMCrAlYオーバーレイコーティングは、高温耐食性および耐酸化性コーティングとして、ガスタービンエンジンの(動翼および静翼等の)タービンエアフォイルやシュラウドを含むタービン構成部品のような機材に応用される。シュラウドは、よく知られているようにタービンブレードチップが回転する場合、タービンブレードがシールする環状のシール面をいっしょになって形成する。過去において、そのようなMCrAlYオーバーレイコーティングが、様々な技術により応用されてきた。例えば、初期にはMCrAlYオーバーレイコーティングは、電子ビーム物理蒸着(EB−PVD)を用いて応用された。熱溶射技術は、このEB−PVD蒸着プロセスにつきもののいくつかの欠点を克服するために開発された。この熱溶射技術には、今日広く用いられている、減圧プラズマ溶射(LPPS)、高速フレーム溶射(HVOF)、および大気プラズマ溶射が含まれる。 MCrAlY overlay coatings, where M is selected from one or more of Ni, Co, and Fe, include gas turbine engine turbine airfoils and shrouds (such as blades and vanes) as high temperature corrosion and oxidation resistant coatings Applied to equipment such as turbine components. The shroud together forms an annular sealing surface that seals the turbine blade when the turbine blade tip rotates, as is well known. In the past, such MCrAlY overlay coatings have been applied by various techniques. For example, initially MCrAlY overlay coatings were applied using electron beam physical vapor deposition (EB-PVD). Thermal spray techniques have been developed to overcome some of the disadvantages associated with this EB-PVD deposition process. This thermal spraying technique includes low pressure plasma spraying (LPPS), high velocity flame spraying (HVOF), and atmospheric plasma spraying, which are widely used today.

 減圧プラズマ溶射において、MCrAlY合金の粉末粒子は融点より高温の高温プラズマジェットに加熱されて、1気圧より低い、一般に50Torrより低い低圧に溶射環境を保った真空チャンバー内の基板に向けて噴射される。粉末粒子の加熱および速度は、減圧雰囲気下での運転用に設計され改良されたプラズマトーチを用いて達成される。 In low-pressure plasma spraying, MCrAlY alloy powder particles are heated by a high-temperature plasma jet above the melting point and sprayed toward a substrate in a vacuum chamber that maintains a spraying environment at a low pressure lower than 1 atmosphere, typically lower than 50 Torr. . The heating and rate of the powder particles is achieved using a plasma torch designed and modified for operation in a reduced pressure atmosphere.

 高速フレーム溶射コーティング法は、プラズマではなく燃焼トーチを用いて、熱エネルギーおよび運動エネルギーをMCrAlY合金の粉末粒子へ移送する超音速フレーム溶射プロセスである。粒子は、基板に衝突する前に、その融点より高い温度へトーチにより加熱される。通常この方法は局所的な大気圧雰囲気において溶射環境中で行われ、トーチは手動によりあるいは自動システムを用いて操作される。通常コーティングされる構成部品は、テーブルや駆動システムに取付けられる。 The high-speed flame spray coating method is a supersonic flame spraying process in which heat energy and kinetic energy are transferred to powder particles of MCrAlY alloy using a combustion torch instead of plasma. The particles are heated by the torch to a temperature above their melting point before impacting the substrate. This method is usually performed in a thermal spray environment in a local atmospheric atmosphere and the torch is operated manually or using an automated system. Usually the components to be coated are mounted on a table or drive system.

 MCrAlYオーバーレイコーティングに応用されるLPPSプロセス、HVOFプロセス、および大気プラズマ溶射プロセス等の熱溶射プロセスは、いくつかの欠点がある。例えば、中空のエアフォイル基板上に適用された熱溶射コーティングは、エアフォイル基板の外部表面上の表面膜冷却穴を覆い隠す。改良型冷却機構を持つエアフォイルを熱溶射によりコーティング処理すると、例えば、冷却穴の上にあるコーティングを腐食して取去ることにより酸が覆い隠された冷却穴を通して出て行くように、中空エアフォイル基板中に熱い酸を送液するなどして、コーティング処理後の冷却穴を開口しなければならない。別法として、MCrAlYコーティングに穴を開けて下にある冷却穴を露出することができる。酸ポンプおよび穴開け作業は高価で時間がかかる。 Thermal spray processes such as LPPS process, HVOF process, and atmospheric plasma spray process applied to MCrAlY overlay coating have several drawbacks. For example, a thermal spray coating applied on a hollow airfoil substrate obscures surface film cooling holes on the outer surface of the airfoil substrate. When an airfoil with an improved cooling mechanism is coated by thermal spraying, for example, a hollow air so that the acid exits through the concealed cooling holes by eroding away the coating above the cooling holes. It is necessary to open a cooling hole after the coating process, for example, by sending hot acid into the foil substrate. Alternatively, the MCrAlY coating can be drilled to expose the underlying cooling holes. Acid pumps and drilling operations are expensive and time consuming.

 溶射したままのコーティング面に高価で時間のかかるショットピーニングや研磨作業を行いエンジン製造業者が要求するエアフォイル表面仕上げ(例えば、75マイクロインチより細かい表面仕上げ)を達成する必要があるような、溶射したままのMCrAlYオーバーレイコーティングは粗い表面(例えば、300マイクロインチより粗い)を呈するという点において、そのような熱溶射プロセスは不利である。 Thermal spray that requires expensive and time-consuming shot peening and polishing operations on the as-sprayed coating surface to achieve the airfoil surface finish required by engine manufacturers (eg, surface finish finer than 75 microinches) Such a thermal spray process is disadvantageous in that the as-grown MCrAlY overlay coating exhibits a rough surface (eg, rougher than 300 microinches).

 そのような熱溶射プロセスは、付着率(最初に溶射された粒子と基板に付着した粒子の割合)が低いという点から非効率である。例えば、HVOFプロセスの付着率は、一般にわずか30%〜35%である。熱溶射粒子は1ポンドあたり40ドル〜60ドル費用がかかるので、低付着率は高価な原料を非常に浪費することになる。 Such a thermal spraying process is inefficient in that it has a low adhesion rate (the ratio of the initially sprayed particles to the particles attached to the substrate). For example, the deposition rate of HVOF processes is generally only 30% to 35%. Thermally sprayed particles can cost between $ 40 and $ 60 per pound, so a low deposition rate is very wasteful of expensive raw materials.

 HVOFプロセスやプラズマ溶射プロセスによりMCrAlYオーバーレイコーティングを利用する際、エアフォイル基板の表面は、コーティングと基板間に機械的な結合が生成されるように粗くなければならない(例えば、200マイクロインチより大きい表面粗さ)。基板に要求される表面粗さは、アグレッシブグリットブラスト作業(例えば、16グリットアルミナ粒子を用いて55〜65psi)により達成される。グリット粒子は基板表面中に埋め込まれて、例えば米国特許第6,194,026号に記載されるようなグリット粒子除去作業が必要となる。
米国特許第6,194,026号 最後に、熱溶射プロセスでは、コーティング付着に先立って基板をかなりの温度に加熱することが必要である。例えば、LPPSプロセスを用いてMCrAlYオーバーレイコーティングを適用する場合、プロセスは、コーティング付着の前に4分間以上の逆アーク洗浄を行った後に、4分間以上約760〜980℃(1400〜1800°F)に基板を加熱する必要がある。コーティング前の加熱および逆アーク洗浄には、基板にコーティング処理する全時間の50%以上を費やしている。
When utilizing MCrAlY overlay coatings by HVOF or plasma spray processes, the surface of the airfoil substrate must be rough so that a mechanical bond is created between the coating and the substrate (eg, a surface greater than 200 microinches). Roughness). The required surface roughness of the substrate is achieved by an aggressive grit blasting operation (eg, 55-65 psi with 16 grit alumina particles). The grit particles are embedded in the substrate surface and require a grit particle removal operation as described, for example, in US Pat. No. 6,194,026.
Finally, the thermal spray process requires heating the substrate to a significant temperature prior to coating deposition. For example, when applying an MCrAlY overlay coating using an LPPS process, the process may be performed at least about 760-980 ° C. (1400-1800 ° F.) for at least 4 minutes after performing a reverse arc cleaning for at least 4 minutes prior to coating deposition. It is necessary to heat the substrate. Heating and reverse arc cleaning prior to coating spends 50% or more of the total time to coat the substrate.

 本発明の課題は、MCrAlX合金粒子をコールドスプレーして基板上にオーバーレイコーティングを形成する方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for cold spraying MCrAlX alloy particles to form an overlay coating on a substrate.

 本発明は、Mが1つ以上のNi、Co、およびFeから選択され、XはM、Cr、およびAl以外の元素であって好適には1つ以上のY、希土類元素、および反応性元素から選択される、固体相MCrAlX合金粒子をその中に同伴しかつ粒子の融点より低い温度に粒子を保つガス流温度を有する超音速ガス流を用意する工程と、超音速ガス流中の固体相粒子を、ニッケルまたはコバルト基超合金基板に衝突させて、基板上にMCrAlXオーバーレイコーティングを付着させる工程からなる、MCrAlX合金により構成される粒子のガス力学的な溶射方法を提供する。 In the present invention, M is selected from one or more of Ni, Co, and Fe, and X is an element other than M, Cr, and Al, and preferably one or more of Y, rare earth elements, and reactive elements Providing a supersonic gas stream having a gas flow temperature entrained therein and entraining solid phase MCrAlX alloy particles therein and keeping the particles at a temperature below the melting point of the particles; and a solid phase in the supersonic gas stream A method is provided for gastrodynamic spraying of particles composed of MCrAlX alloys comprising the steps of impacting the particles against a nickel or cobalt based superalloy substrate to deposit an MCrAlX overlay coating on the substrate.

発明を実施するための形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

 本発明の例示的な実施例において、MCrAlX合金より構成される粒子は、好適には約20μm以下、さらに好適には10μm以下の平均粒径(直径)を有して、付着率を実質的に増加させかつ溶射したままのコーティング表面粗さを実質的に減少させる。 In an exemplary embodiment of the present invention, the particles composed of MCrAlX alloy preferably have an average particle size (diameter) of about 20 μm or less, more preferably 10 μm or less, to substantially reduce the adhesion rate. Increase and substantially reduce coating surface roughness as sprayed.

 本発明の別の例示的な実施例において、溶射したままのMCrAlXオーバーレイコーティングは、大気雰囲気中にある加熱していない超合金基板上に付着される。 In another exemplary embodiment of the present invention, an as-sprayed MCrAlX overlay coating is deposited on an unheated superalloy substrate in an atmospheric environment.

 本発明の別の例示的な実施例において、超合金基板上に付着した溶射したままのMCrAlYオーバーレイコーティングは、熱処理されてコーティングと基板間の拡散接合を形成する。 In another exemplary embodiment of the present invention, the as-sprayed MCrAlY overlay coating deposited on the superalloy substrate is heat treated to form a diffusion bond between the coating and the substrate.

 本発明の上記優位性は、次の詳細な説明と図面を参照することにより、より容易に明らかになるであろう。 The above advantages of the present invention will become more readily apparent by referring to the following detailed description and drawings.

 本発明の実施例は、ニッケルまたはコバルト基超合金基板上にMCrAlX合金オーバーレイコーティングを付着するためのMCrAlX合金により構成される粒子のガス力学的な溶射に関する。MCrAlX合金は、タービン動翼および静翼を含むエアフォイル、シュラウドブロック、およびその他のタービン構成部品のようなタービン構成部品あるいはタービンエンジンではない構成部品上にオーバーレイコーティングまたは層として施される耐高温腐食性および耐酸化性合金である。オーバーレイコーティングによるということは、溶射したままのコーティングはコーティングと基板間の冶金学的な拡散接合や拡散層により基板に結合しているのではなく、基板への機械的結合により基板と結合しているということを意味する。これらの合金において、M合金元素は、Ni、Co、およびFe、およびそれらの組合せからなるグループから選択される。X合金元素は、M、Cr、およびAl以外の元素から構成される。Xは、Yと、Ceおよび/またはLa等の希土類元素と、およびSi、Hf、Zr、Kおよび/またはCaおよび/またはMg等のアルカリ土類金属、およびその他の反応性元素(ここで、反応性元素とは、コーティングの耐酸化性を損なう、安定な硫化物、フッ化物、リン化物、あるいはS、B、P等の種を持つその他の化合物のことを言う)等の反応性元素、および2つ以上のY、希土類元素、および反応性元素の組合せからなるグループから好適に選択される。 Embodiments of the present invention relate to gas dynamic spraying of particles composed of MCrAlX alloys for depositing MCrAlX alloy overlay coatings on nickel or cobalt base superalloy substrates. MCrAlX alloy is a high temperature corrosion resistant coating that is applied as an overlay coating or layer on turbine components or non-turbine engine components such as airfoils, shroud blocks, and other turbine components including turbine blades and vanes And oxidation resistant alloys. By overlay coating, the as-sprayed coating is not bonded to the substrate by a metallurgical diffusion bond or diffusion layer between the coating and the substrate, but is bonded to the substrate by mechanical bonding to the substrate. It means that In these alloys, the M alloy element is selected from the group consisting of Ni, Co, and Fe, and combinations thereof. The X alloy element is composed of elements other than M, Cr, and Al. X is Y, rare earth elements such as Ce and / or La, and alkaline earth metals such as Si, Hf, Zr, K and / or Ca and / or Mg, and other reactive elements (where A reactive element refers to a stable sulfide, fluoride, phosphide, or other compound having a species such as S, B, and P) that impairs the oxidation resistance of the coating), And a group consisting of a combination of two or more Y, rare earth elements, and reactive elements.

 一般にMCrAlXコーティングは、重量%で、約14%〜約35%Cr、約4%〜約30%Al、約0.1%〜約3%X(Xは1つ以上の上記元素から選択される)、および実質的にMの残分(Mは鉄および/またはニッケルおよび/またはコバルトである)から実質的に構成される。 In general, the MCrAlX coating is about 14% to about 35% Cr, about 4% to about 30% Al, about 0.1% to about 3% X, where X is selected from one or more of the above elements. ) And substantially the remainder of M (M is iron and / or nickel and / or cobalt).

 本発明は、固体相MCrAlX粒子をその中に同伴しかつ粒子の融点より低い温度にMCrAlX粒子を保つガス流温度を有する超音速ガス流を用意する工程と、超音速ガス流中の固体相粒子を、ニッケルまたはコバルト基超合金基板に衝突させて基板上にMCrAlXオーバーレイコーティングを付着させる工程からなる。本発明は空気、窒素、およびそれらの混合物のようなその他のキャリヤーガスを用いて実施することが可能であるが、好適にはヘリウムより成る圧縮キャリヤーガスのソース10を備える、本発明を実施する装置を図1に示す。圧縮キャリヤーガスは、一般に100〜600psigの圧力範囲にある。例示目的であり限定ではないが、400psiのヘリウムの高圧シリンダーが本発明の方法を実施するために用いられる。圧縮キャリヤーガスは、それぞれ導管13と15を経由してガス予備加熱器12および粉末粒子供給器14へ供給される。各バルブ16と18が、ガスを遮断するため導管13と15中に設けられる。 The present invention includes the steps of providing a supersonic gas stream having a gas flow temperature that entrains solid phase MCrAlX particles therein and maintains the MCrAlX particles at a temperature below the melting point of the particles, and solid phase particles in the supersonic gas stream. Struck against a nickel or cobalt base superalloy substrate to deposit a MCrAlX overlay coating on the substrate. The present invention may be practiced with other carrier gases such as air, nitrogen, and mixtures thereof, but preferably comprises a compressed carrier gas source 10 comprised of helium. The apparatus is shown in FIG. The compressed carrier gas is generally in the pressure range of 100 to 600 psig. For purposes of illustration and not limitation, a 400 psi helium high pressure cylinder is used to carry out the method of the present invention. The compressed carrier gas is supplied to gas preheater 12 and powder particle supplier 14 via conduits 13 and 15, respectively. Each valve 16 and 18 is provided in conduits 13 and 15 to shut off the gas.

 ガス予備加熱器12は、MCrAlX粒子が熔解せず超音速流中において固体相のままであるように、キャリヤーガス(例えばHe)を雰囲気よりは高く溶射されるMCrAlX粒子の融点より十分低い温度に予備加熱するように機能する。ガス予備加熱器は、従来の電気抵抗ガスヒーター、または本明細書の一部を構成するものとしてその教えをここに援用する米国特許第5,302,414号に記載されるようなガス予備加熱器等の圧縮ガスを加熱可能なその他のあらゆる型のヒーターにより構成することができる。 The gas preheater 12 is used to bring the carrier gas (eg, He) to a temperature well below the melting point of the MCrAlX particles sprayed above the atmosphere so that the MCrAlX particles do not melt and remain in the solid phase in supersonic flow. Functions to preheat. The gas preheater is a conventional electrical resistance gas heater, or a gas preheat as described in US Pat. No. 5,302,414, the teachings of which are incorporated herein as part of this specification. It can be constituted by any other type of heater capable of heating compressed gas such as a vessel.

 圧縮され予備加熱されたガスが、ガス予備加熱器12から導管24を経由してチャンバー22へ入るのに対して、粉末粒子供給器14は、導管20を経由して、MCrAlX粒子を混合チャンバー22へ選択された粉末吐出量で調節しながら供給するように機能する。粉末粒子供給器14は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する米国特許第5,302,414号に記載されるようなドラム型の供給器により構成することができる。本発明は、限定ではないが、回転送り車、送りねじ、または流動送り床に基礎を置くその他の粉末粒子供給器を用いて実施することができる。 The compressed and preheated gas enters the chamber 22 from the gas preheater 12 via the conduit 24, whereas the powder particle supplier 14 passes the MCrAlX particles via the conduit 20 to the mixing chamber 22. It functions to supply while adjusting the powder discharge amount selected. The powder particle feeder 14 may be constituted by a drum-type feeder as described in US Pat. No. 5,302,414, which is incorporated herein as part of this specification. The present invention can be practiced with, but not limited to, rotating feed wheels, feed screws, or other powder particle feeders based on a fluidized feed bed.

 圧縮キャリヤーガスとMCrAlX粉末粒子の混合物は、ガス分布バッフル30a、収束(音速の)区画30b、および発散(超音速の)区画30cを有する超音速(中細)ノズル30を通して流れ出る。ノズル30を通る流れにより、キャリヤーガスおよびその中に同伴する粉末粒子は、本明細書の一部を構成するものとしてその教えをここに援用する米国特許第5,302,414号に記載されるように、マッハ約1〜5.2に相当する350〜1800m/s(メーター/秒)の範囲内の超音速に加速される。超音速ガスジェット流は、加熱されない基板S上に衝突して、基板上にMCrAlXオーバーレイコーティングを付着させる。基板が大気雰囲気温度、すなわち基板Sの予備加熱が必要のない状態で、ノズル30と基板Sは大気雰囲気中で付着が行われる。 The mixture of compressed carrier gas and MCrAlX powder particles flows through a supersonic (medium) nozzle 30 having a gas distribution baffle 30a, a converging (sonic) compartment 30b, and a diverging (supersonic) compartment 30c. Due to the flow through the nozzle 30, the carrier gas and the powder particles entrained therein are described in US Pat. No. 5,302,414, the teachings of which are hereby incorporated by reference. Thus, it is accelerated to a supersonic speed within a range of 350 to 1800 m / s (meter / second) corresponding to about 1 to 5.2 of Mach. The supersonic gas jet stream impinges on the unheated substrate S and deposits the MCrAlX overlay coating on the substrate. The nozzle 30 and the substrate S are attached in the air atmosphere in a state where the substrate is at the atmospheric temperature, that is, the substrate S does not need to be preheated.

 次の例は、本発明を限定することなく、本発明をさらに例示するために提供される。Rene’41と呼ばれるニッケル基超合金から成る基板試験片に、本発明による溶射を行い、その基板試験片上にCoNiCrAlYオーバーレイコーティングを付着した。基板のRene’41ニッケル基超合金は、重量%で、19%Cr−11%Co−10%Mo−5%Fe−0.09%C−1.5%Al−3%Ti−残部Niの公称組成を有する。幅2インチ(約5cm)、長さ4インチ(約10cm)、厚さ1/8インチ(約3.2mm)の寸法を有する板状の基板試験片であり、溶射に先立って40〜60psiの空気圧で220グリットの酸化アルミニウム粒子を用いてグリットブラストにより予備処理を行った。Praxair Surface Technologies社からCO−210−6とCO−210−23として商業的に入手可能である、異なる粒径のCoNiCrAlY粉末を用いた。重量%で、31.4%Ni−20.5%Cr−9%Al−0.9%Y−残部Coの公称組成を有する粉末を溶射して熱処理した後に、コーティングの分析を行った。2つの異なる粒径の粉末、すなわち6.4μmの平均粒径(CO−210−6)と14.8μmの平均粒径(CO−210−23)を有する粉末は、異なる溶射試験において溶射された。平均粒径は、粒子の半分が所定の寸法より大きな直径を持ちその他半分の粒子が所定の寸法より小さい直径を持ったことを意味する。 The following examples are provided to further illustrate the present invention without limiting it. A substrate specimen made of a nickel-base superalloy called Rene'41 was sprayed according to the present invention and a CoNiCrAlY overlay coating was deposited on the substrate specimen. The Rene'41 nickel-base superalloy of the substrate is 19% Cr-11% Co-10% Mo-5% Fe-0.09% C-1.5% Al-3% Ti-balance Ni in weight%. Has a nominal composition. A plate-like substrate test piece having dimensions of 2 inches (about 5 cm) wide, 4 inches (about 10 cm) long and 1/8 inch (about 3.2 mm) thick, and is 40-60 psi prior to thermal spraying. Pretreatment was performed by grit blasting using 220 grit aluminum oxide particles at air pressure. CoNiCrAlY powders of different particle sizes, commercially available as CO-210-6 and CO-210-23 from Praxair Surface Technologies, were used. The coatings were analyzed after thermal spraying and heat treatment of a powder having a nominal composition of 31.4% Ni-20.5% Cr-9% Al-0.9% Y-balance Co in weight percent. Two different particle size powders were sprayed in different thermal spray tests, a powder having an average particle size of 6.4 μm (CO-210-6) and an average particle size of 14.8 μm (CO-210-23). . The average particle size means that half of the particles have a diameter greater than a predetermined dimension and the other half of the particles have a diameter smaller than a predetermined dimension.

 例示目的であり限定ではないが、試験に用いられた溶射パラメータには、a=2mmでb=10mmの寸法の長方形断面を有する図1の超音速ノズル区画30aが含まれた。ノズル区画30cの長さLは、100mmであった。図1の予備加熱器12で400℃に予備加熱された400psiのヘリウムは、圧縮キャリヤーガスとして用いられた。ノズル区画30aは、大気雰囲気温度である基板試験片から25mmのノズル高さがあった。これらのパラメータにより、ヘリウムの19〜25mm/秒の超音速ジェット中の粒子速度が達成された。米国特許第5,302,414号に記載されるものと構成と動作の点において類似の上記ドラム型供給器が、3〜5Kg/時の粉末の吐出量が可能なように用いられた。CoNiCrAlYオーバーレイコーティングが、加熱しない基板試験片上に0.004(約200μm)〜0.008インチ(約400μm)の厚さに付着した。円形断面やその他の断面形状のノズル30あるいはその他のノズル寸法およびその他の溶射パラメータを本発明の実施において用いることができるので、本発明は上記長方形状のノズルおよび溶射パラメータに限定されるものではない。 For purposes of illustration and not limitation, the spray parameters used in the test included the supersonic nozzle section 30a of FIG. 1 having a rectangular cross section with dimensions of a = 2 mm and b = 10 mm. The length L of the nozzle section 30c was 100 mm. 400 psi helium preheated to 400 ° C. in the preheater 12 of FIG. 1 was used as the compressed carrier gas. The nozzle section 30a had a nozzle height of 25 mm from the substrate test piece that was at atmospheric temperature. With these parameters, a particle velocity in a supersonic jet of 19-25 mm / sec of helium was achieved. The above drum-type feeder, similar in construction and operation to that described in US Pat. No. 5,302,414, was used so that a powder discharge rate of 3-5 Kg / hr was possible. The CoNiCrAlY overlay coating was deposited to a thickness of 0.004 (about 200 μm) to 0.008 inch (about 400 μm) on the unheated substrate specimen. The present invention is not limited to the above-described rectangular nozzles and spray parameters because nozzles 30 having a circular cross-section or other cross-sections or other nozzle dimensions and other spray parameters can be used in the practice of the present invention. .

 前述の2つの異なる粒径寸法を用いる溶射プロセスの付着率は、初期重量がわかった板状試験片に重量のわかった粉末を溶射し、溶射後の板状試験片の最終重量を求めて、その上の付着した粉末による各板状試験片の重量増加を計算し、各試験片の重量増加を粉末が溶射された試験片の初期重量により割りさらに100をかけることによって求めた。付着率を図2に示す。図2からわかるように、粉末粒子の寸法が減少すると、CoNiCrAlY粉末についての付着率が増加した。55%の最大付着率は、6.4μmの平均粒径について達成された。これは、LPPSやHVOFプロセスを用いる溶射において観測されるものと比較してコーティング粉末に対して著しいコスト節約になる付着効率の実質的な向上(例えば、1.7〜1.8倍高い)を意味する。粉末粒子は本発明による溶射プロセスの実施において溶解しないので、過剰に溶射したMCrAlX粉末の再利用が可能であり、それにより粉末の利用率をさらに向上させ、原料コストをさらに減らすことができる。 The adhesion rate of the thermal spraying process using the above two different particle size dimensions is obtained by spraying a powder having a known weight on a plate-shaped specimen having an initial weight and obtaining the final weight of the sheet-shaped specimen after thermal spraying. The increase in the weight of each plate-like test piece due to the adhering powder was calculated, and the increase in the weight of each test piece was determined by dividing by the initial weight of the test piece on which the powder was sprayed and multiplying by 100. The adhesion rate is shown in FIG. As can be seen from FIG. 2, as the size of the powder particles decreased, the adhesion rate for the CoNiCrAlY powder increased. A maximum deposition rate of 55% was achieved for an average particle size of 6.4 μm. This provides a substantial improvement in deposition efficiency (eg, 1.7-1.8 times higher) for coating powders compared to that observed in thermal spraying using LPPS and HVOF processes. means. Since the powder particles do not dissolve in the thermal spraying process according to the present invention, it is possible to reuse the excessively sprayed MCrAlX powder, thereby further improving the utilization factor of the powder and further reducing the raw material cost.

 溶射したままのCoNiCrAlYコーティングの表面仕上げ状態を、溶射方向に平行な方向および直角な方向についてプロフィルメーターを用いて測定した。複数の測定(各方向に6点)を平均化し、図3に示すように、平均表面仕上げを粉末粒径の関数としてプロットした。図3は、平均粒径が減少するとともに表面仕上げが向上するということを明らかにしている。243マイクロインチの表面仕上げが、6.4μmの平均粒径を用いてCoNiCrAlYコーティングに対して達成された。溶射された両方の粒径に関して述べると、コーティングの表面仕上げは、コーティングの表面仕上げが300マイクロインチより大きな、LPPSプロセス、HVOFプロセス、および大気プラズマ溶射プロセスを用いて得られるものと同等かそれ以上であった。ガスタービンエンジン製造業者は100マイクロインチ以下の表面仕上げを要求するので、本発明により達成される向上した表面仕上げ状態は、LPPSプロセス、HVOFプロセス、および大気プラズマ溶射プロセスによって溶射される同様なMCrAlXコーティングよりもコーティングの後処理工程が少なくて済む。 The surface finish state of the CoNiCrAlY coating as sprayed was measured using a profilometer in a direction parallel to and perpendicular to the spraying direction. Multiple measurements (6 points in each direction) were averaged and the average surface finish was plotted as a function of powder particle size as shown in FIG. FIG. 3 reveals that the average particle size decreases and the surface finish improves. A surface finish of 243 microinches was achieved for the CoNiCrAlY coating using an average particle size of 6.4 μm. With respect to both sprayed particle sizes, the surface finish of the coating is equal to or better than that obtained using LPPS, HVOF, and atmospheric plasma spray processes where the surface finish of the coating is greater than 300 microinches. Met. As gas turbine engine manufacturers require a surface finish of 100 microinches or less, the improved surface finish achieved by the present invention is a similar MCrAlX coating sprayed by LPPS, HVOF, and atmospheric plasma spray processes. Fewer post-processing steps than coating.

 例えば、LPPSにより付着される一般のMCrAlXオーバーレイコーティングに対する一般のコーティングの後処理工程は、最初に拡散熱処理(例えば、1080℃で2〜5時間)を行って、コーティングと基板間の拡散接合を形成し、さらにコーティング合金中に平衡相を形成する。次に、400秒間ショットピーニングを行い、約125マイクロインチの表面仕上げを達成する。次に、熱処理されピーニング処理されたコーティングを、3時間バレル研磨し従来のメディアボウル研磨工程を用いて75マイクロインチより細かい表面仕上げにしなければならない。 For example, a typical coating post-processing step for a typical MCrAlX overlay coating deposited by LPPS is first a diffusion heat treatment (eg, 2-5 hours at 1080 ° C.) to form a diffusion bond between the coating and the substrate. In addition, an equilibrium phase is formed in the coating alloy. Next, shot peening is performed for 400 seconds to achieve a surface finish of about 125 microinches. The heat treated and peened coating must then be barrel polished for 3 hours to a surface finish finer than 75 microinches using a conventional media bowl polishing process.

 比較すると、243マイクロインチのコーティング表面仕上げを有する6.4μmの平均粉末粒径を用いて上記試験により付着させたCoNiCrAlYオーバーレイコーティングについては、コーティング処理した基板を拡散熱処理(例えば、1080℃で2〜5時間)して、コーティングと基板間の拡散接合と形成し、さらにコーティング合金中に平衡相を形成した。しかし、コーティングの表面仕上げを79マイクロインチに減少させるためには、わずか210秒間のショットピーニングが必要なだけであった。これは、LPPSにより付着される一般のMCrAlYコーティングに比較して、ピーニング時間が47%減少することを意味する。CoNiCrAlYコーティング上の69マイクロインチの最終表面仕上げは、LPPSにより付着される一般のMCrAlYコーティングの3時間最終表面仕上げに比較して、わずか30分のメディアボウル研磨時間で得られた。これは、LPPSにより付着される一般のMCrAlYコーティングに比較して、研磨時間が84%減少することを意味する。 In comparison, for a CoNiCrAlY overlay coating deposited by the above test using an average powder particle size of 6.4 μm with a coating surface finish of 243 microinches, the coated substrate was subjected to diffusion heat treatment (eg, 2 ° C. at 1080 ° C. 5 hours), a diffusion bond between the coating and the substrate was formed, and an equilibrium phase was formed in the coating alloy. However, only 210 seconds of shot peening was required to reduce the surface finish of the coating to 79 microinches. This means that the peening time is reduced by 47% compared to typical MCrAlY coatings deposited by LPPS. A final surface finish of 69 microinches on the CoNiCrAlY coating was obtained with a media bowl polishing time of only 30 minutes compared to the 3 hour final surface finish of a typical MCrAlY coating deposited by LPPS. This means that the polishing time is reduced by 84% compared to a typical MCrAlY coating deposited by LPPS.

 さらに、上記溶射試験は、基板表面の作製によりアグレッシブでないグリットブラストを用いることができ、さらにMCrAlXオーバーレイコーティングの許容されるグリーン体の接合強度(拡散熱処理に先立つ)を得ることができるということを実証している。また、本発明は、LPPSプロセスにおいて要求される、グリット除去作業、予備加熱作業、および逆アーク洗浄の必要性がないように、溶射付着に先立つ基板の予備加熱なしに実施することが可能である。 Furthermore, the above thermal spray test demonstrates that non-aggressive grit blasting can be used by making the substrate surface, and that an acceptable green body bond strength (prior to diffusion heat treatment) of the MCrAlX overlay coating can be obtained. are doing. The present invention can also be practiced without preheating the substrate prior to spray deposition so that there is no need for grit removal, preheating and reverse arc cleaning required in the LPPS process. .

 試験結果は、その外部表面に表面膜冷却穴を有するエアロフォイル基板上に付着したMCrAlXオーバーレイコーティングは、LPPSプロセスやHVOFプロセスにより付着したMCrAlXコーティングの特徴であるような、冷却穴を跨いだり塞いだりすることがないということも実証している。 Test results show that MCrAlX overlay coating deposited on an airfoil substrate with surface film cooling holes on its outer surface straddles or plugs cooling holes, which is a feature of the MCrAlX coating deposited by LPPS and HVOF processes. It also demonstrates that there is nothing to do.

 本発明は、いくつかの実施例に関して示されかつ説明されたが、発明の構成および詳細におけるその他の様々な変更、変形、および省略は本発明の精神と範囲に反することなく実施できるということを当該分野の技術者は理解すべきである。 Although the invention has been shown and described with respect to several embodiments, it is to be understood that various other changes, modifications, and omissions in the structure and details of the invention may be practiced without departing from the spirit and scope of the invention. Those skilled in the art should understand.

本発明の実施例を実施するための溶射装置の概略図である。It is the schematic of the thermal spraying apparatus for implementing the Example of this invention. ノズルの超音速区画の端面図である。It is an end view of the supersonic section of a nozzle. 本発明の実施例により溶射されたCoNiCrAlY合金粉末について、付着率と平均粒径を示すグラフである。It is a graph which shows an adhesion rate and an average particle diameter about the CoNiCrAlY alloy powder sprayed by the Example of this invention. 本発明の実施例により溶射されたCoNiCrAlY合金コーティングについて、付着したままの表面仕上りと平均粒径を示すグラフである。4 is a graph showing surface finish and average particle size as deposited for a CoNiCrAlY alloy coating sprayed according to an example of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

 10 ソース
 12 ガス予備加熱器
 13,15 導管
 14 粉末粒子供給器
 16,18 バルブ
 20,24 導管
 22 チャンバー
 30 ノズル
 30a ガス分布バッフル
 30b 収束(音速の)区画
 30c 発散(超音速の)区画
 S 基板

10 source 12 gas preheater 13,15 conduit 14 powder particle feeder 16,18 valve 20,24 conduit 22 chamber 30 nozzle 30a gas distribution baffle 30b convergence (sonic) compartment 30c divergence (supersonic) compartment S substrate

Claims (14)

 a)Mが1つ以上のNi、Co、およびFe、およびその組合せから選択され、XがM、Cr、およびAl以外の元素である、固体相MCrAlX合金粒子をその中に含みかつ粒子の融点より低い温度に粒子を保つガス流温度を有する超音速ガス流を用意する工程と、b)前記超音速ガス流中の前記固体相粒子を、ニッケルまたはコバルト基超合金基板に衝突させて、基板上にMCrAlXオーバーレイコーティングを付着させる工程を含むニッケルまたはコバルト基超合金基板のコーティング方法。 a) Solid phase MCrAlX alloy particles in which M is selected from one or more of Ni, Co, and Fe, and combinations thereof, and X is an element other than M, Cr, and Al, and the melting point of the particles Providing a supersonic gas flow having a gas flow temperature that keeps the particles at a lower temperature; and b) impinging the solid phase particles in the supersonic gas flow against a nickel or cobalt base superalloy substrate, A method of coating a nickel or cobalt based superalloy substrate comprising depositing a MCrAlX overlay coating thereon.  前記MCrAlX合金粒子は、Y、希土類元素、および反応性元素、およびそれらの組合せより成るグループから選択されるXにより構成される請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the MCrAlX alloy particles are composed of X selected from the group consisting of Y, rare earth elements, reactive elements, and combinations thereof.  前記粒子は、約20μm以下の平均粒径を有する請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the particles have an average particle size of about 20 μm or less.  前記粒子は、約10μm以下の平均粒径を有する請求項3に記載の方法。 4. The method of claim 3, wherein the particles have an average particle size of about 10 μm or less.  前記ガス流温度は、100〜800℃の範囲である請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the gas flow temperature is in a range of 100 to 800 ° C.  衝突を受けるとき、前記基板は雰囲気空気温度である請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the substrate is at ambient air temperature when subjected to a collision.  前記粒子は、重量%で、14%〜35%Cr、4%〜30%Al、0.1%〜3%X、およびNi、Co、およびFe、およびそれらの組合せより成るグループから選択される残分から実質的に構成される請求項1に記載の方法。 The particles are selected from the group consisting of 14% to 35% Cr, 4% to 30% Al, 0.1% to 3% X, and Ni, Co, and Fe, and combinations thereof by weight percent. The method of claim 1 consisting essentially of the remainder.  超合金基板上に付着した、溶射されたままのMCrAlXオーバーレイコーティングを熱処理し、コーティングと基板間に拡散接合を形成する工程を含む請求項1に記載の方法。 The method of claim 1 including the step of heat treating the as-sprayed MCrAlX overlay coating deposited on the superalloy substrate to form a diffusion bond between the coating and the substrate.  前記固体相粒子がエアフォイル基板に衝突する請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the solid phase particles collide with an airfoil substrate.  請求項1〜7のいずれか1項において、ニッケルまたはコバルト基超合金基板およびその上に溶射されたMCrAlXオーバーレイコーティングから構成されるコーティング処理されたガスタービンエンジン構成部品。 8. A coated gas turbine engine component according to any one of claims 1 to 7, comprising a nickel or cobalt base superalloy substrate and a MCrAlX overlay coating sprayed thereon.  タービンエアフォイルである請求項10に記載の構成部品。 The component according to claim 10, which is a turbine airfoil.  ガスタービンエンジンのタービン動翼のチップ用の密封面の部分を構成するシュラウドブロックである請求項10に記載の構成部品。 The component according to claim 10, which is a shroud block constituting a part of a sealing surface for a tip of a turbine rotor blade of a gas turbine engine.  冷却穴を有する外部表面および前記冷却穴を塞ぐことなく前記表面上に溶射された前記コーティングを有するタービン動翼である請求項10に記載の構成部品。 The component according to claim 10, which is a turbine blade having an outer surface having a cooling hole and the coating sprayed on the surface without blocking the cooling hole.  前記コーティングは、プロフィルメーターによる測定において300マイクロインチより小さい表面粗さを有する請求項10に記載の構成部品。

The component of claim 10, wherein the coating has a surface roughness of less than 300 microinches as measured by a profilometer.

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