本明細書と添付の請求の範囲を通して、� ��くつかの用語を次のように定義して使用す� ��。「放電堆積」なる語は、放電加工機にお� ��て非消耗電極の代わりに消耗性の電極を適� ��し、放電をワークピースの加工の代わりに� ��極の消耗に利用することによって、前記電� ��の素材を、ないし前記電極の素材と加工液� ��いし加工気体との反応生成物を、ワークピ� ��ス上に堆積せしめること、と定義して使用� ��る。また「放電堆積する」なる語は「放電� ��積」の他動詞として定義して使用する。さ� ��に「~より本質的になる」なる句は、半閉鎖 的に成分を規定することを意味し、すなわち 、発明の基礎的および新規な性質に実質的に 影響する規定されていない成分を排除するが 、実質的に影響しない不純物等の成分を含む ことを許容すること、として定義して使用す る。

 チタン-アルミニウム(TiAl)金属間化合物は 、前述のごとく、軽量さや高い高温強度の点 で、優位性を有する。その一方、TiAl金属間� �合物は、常温付近では延性に乏しい脆性材� �であるので、機械加工や表面処理の点では� �めて厄介な材料である。上記コーティング� �溶融を伴う方法によって施そうとすると、� �の熱的ショックにより、容易に割れが生じ� �しまう。割れを軽減すべく溶射を適用しよ� �とすると、対象部位以外をマスクするなど� �煩瑣な作業が必要であり、かつ得られたコ� �トは比較的に剥離しやすい。 本発明者らは 上述のコーティングを施す際の割れが生ずる 原因について検討を行った。その結果、TiAl� �属間化合物の表面は加熱を受けることによ� �膨張し、比較的に低温の表面直下との間で� �膨張差が生じて過大な引張り応力が表面直� �に生ずること、ないし表面を被覆したコー� �ィング層がその後の冷却における収縮を拘� �することにより、過大な引張り応力が表面� �生ずることにより、割れが生ずることが明� �かとなった。かかる割れ及び割れの伸展は� �明らかに疲労等の特性を劣化させる。

 本発明者らは、割れを防止するべく上述� ��ごとき引張り応力を軽減しつつ、表面に割� ��が発生しても特性の劣化、特に疲労特性の� ��化を抑える、剥離し難いコーティングを、T iAl金属間化合物よりなる耐熱部品に施す手段 について鋭意検討し、以って本発明に到った 。

 図1から図7を参照して以下に本発明の実� �形態を説明する。

 本明細書、図面および請求の範囲を通じ� ��、動翼について先端および基端は、ガスタ� ��ビンエンジンの軸に関して径方向の外およ� ��内の端の意味である。また前後は、ガスタ� ��ビンエンジン内の空気の流れにおいて上流� ��よび下流の方向とそれぞれ一致する方向の� ��味である。例えば図3において、前方は左方 であって矢印FFにより表示され、後方は右方� ��あって矢印FRにより表示されている。

 本発明の一実施形態による動翼1は、図3� �示される如く、ガスタービンエンジン3内に� ��軸心Cの周りにディスクと一体的に回転する べく、組み込まれて使用される。動翼1は、� �1に示される如く、他の動翼1’と共に、軸心 Cの周りに周方向に等間隔に並べられて使用� �れる。

 動翼1の本体5は、翼7と、その基端に一体� ��なプラットフォーム9と、さらにその基端に 一体的なダブテール11と、翼7の先端に一体的 なチップシュラウド13と、その先端面に一体� ��な一以上の(図面では一対の)チップシール15 と、を備える。本体5は、TiAl金属間化合物よ� ��本質的になる。

 翼7は、高温ガスから動力を得て回転する べく、軸方向に対して角度を有するエアフォ イル断面を有する翼である。プラットフォー ム9は長方形の平板状であって、隣接する動� �1’のプラットフォームと共に、軸心Cを中心 とした周面をなす。ダブテール11は、図示さ� ��ていないディスクと嵌合するべく構成され� ��いる。

 チップシュラウド13は、隣接する動翼1’� ��チップシュラウドと互いに接するように周� ��向に並び、全体として軸心C周りに周面をな す。チップシュラウド13の側面であって、隣� ��するチップシュラウドの側面と稼動中に擦� ��しあう面である擦動面13sは、第1のコート17� ��より被覆されている。第1のコート17は、耐� ��耗性の金属よりなるものであって、好適に� ��Co-Crよりなるが、これに限定されない。第1� ��コート17の被覆方法については、より詳細� �後述する。

 図1および図2を参照するに、チップシー� �15は、それぞれ、ガスタービンエンジン3の� �ースが備えるハニカム部材19と相互に擦動し あうべく、動翼5の回転方向にほぼ平行に突� �したリブである。(図2では図示の便宜のため にチップシール15とハニカム部材19は離間し� �いるが、実際には擦動しあっている。)チッ� ��シール15の頂上付近であって、ハニカム部� �19と擦動しあう対象となる部分である擦動部 15tは、アブレイシブ性を有する第2のコート21 により被覆されている。

 なおアブレイシブ性とは、互いに擦動す� ��関係にある相手方の部品を削る特性であっ� ��、擦動によって相手方が優先的に削られて� ��身は擦動による損傷から保護される特性で� ��る。本明細書および請求の範囲を通して、� ��ブレイシブ性の語をこの定義に従って使用� ��る。

 アブレイシブ性を有する第2のコート21は、� ��ましくは金属およびセラミックスよりなり� ��より好ましくは、金属およびセラミックス� ��あって、前記金属はコバルト合金およびニ� ��ケル合金の群より選択された一であり、前� ��セラミックスはcBN、TiC、TiN、TiAlN、TiB ₂ 、WC,SiC、Si ₃ N ₄ 、Cr ₃ C ₂ 、Al ₂ O ₃ 、ZrO ₂ -Y、ZrC、VC、B ₄ Cの群より選択された何れか一以上であるが� �これに限られない。第2のコート21の被覆方� �についても後述する。

 第1のコート17および第2のコート21は、図4 に示す放電加工機27を利用して、放電堆積に� ��り形成される。放電堆積に利用される放電� ��工機27は、ベッド29と、水平方向に移動可能 にベッド29上に備えられたテーブル33と、テ� �ブル33と一体的に移動する支持プレート41お� ��び治具43と、加工液(ないし加工気体)Lを貯� �する加工槽39と、を備える。放電堆積の対象 物は、加工槽39内であって治具43上に装着さ� �る。放電加工機27は、さらに、ベッド29に対� ��するように、コラム31と、垂直方向に移動� �能にコラム31の下端に装着された加工ヘッド 47と、加工ヘッド47の下端に電極23(または25)� �脱着可能に装着するべく構成されたホルダ51 と、を備える。放電加工機27は、さらに、外� ��電源45を備えて、テーブル33と加工ヘッド47� ��の間に電圧を印加できるようになっている� ��テーブル33には、X軸サーボモータ35とY軸サ� ��ボモータ37とがこれを駆動するように連結� �れており、テーブル33をX軸とY軸の方向に沿� ��て(すなわち水平方向に)制御可能に駆動す� �ことができるようになっている。また加工� �ッド47には、Z軸サーボモータ49がこれを駆動 するように連結されており、加工ヘッド47をZ 軸方向すなわち垂直方向に制御可能に駆動す ることができるようになっている。

 放電堆積においては、電極23,25は、通常� �放電加工に利用される非消耗電極ではなく� �粉末をプレスによる圧縮によって成形した� �形体よりなり、比較的に粗な構造を有する� �消耗性の電極を利用する。圧縮による成形� �の代わりに、圧縮による成形の後に少なく� �も部分的に焼結されるべく加熱処理した電� �や、泥漿、MIM(Metal Injection Molding)、溶射等� �よって成形した電極を利用してもよい。

 対象物を放電加工機27にセットし、前記� �象物を加工槽39内において、X,Y軸サーボモー タ35,37により駆動して、その対象部位を電極2 3,25に対向せしめ、Z軸サーボモータ49の駆動� �より対象物と電極23,25との間を近接せしめる 。ここで通常の放電加工であれば、外部電源 45からパルス状の電流を供給することにより� ��対象部位と電極との間にパルス状の放電を� ��生させて対象部位を損耗させるが、放電堆� ��においては、対象部位を損耗させる代わり� ��、電極23,25を損耗せしめ、電極23,25の素材、 ないし電極23,25の素材と加工液Lとの反応生成 物を、対象部位上に堆積させる。加工液Lは� �好ましくは油のような絶縁性の液体である� �堆積物は、対象部位上に付着するだけでな� �、放電のエネルギーを一部利用して、堆積� �と対象物との間、及び堆積物の粒子相互に� �拡散や溶着などの現象を同時に起こしうる� �

 本実施形態においては、対象物は動翼1の 本体5であって、対象部位は擦動面13sないし� �動部15tである。上述のごとく、擦動面13sを� �1のコート17が被覆し、擦動部15tを第2のコー� ��21が被覆する。これらの被覆方法について� �下に詳述する。

 まず、図5に模式的に示されるごとく、対 象部位である擦動面13sに、公知の方法によっ て、適宜の微小球S等によりピーニングを施� �。ピーニングに先立って、擦動面13s以外の� �位にマスキングMを施してもよい。ピーニン� ��を施すことにより擦動面13sに圧縮応力が残� ��する。残留した圧縮応力は、放電堆積の過� ��を通じて擦動面13sに生じ得る引張り応力と� ��衡することにより、差し引きにおいて残留� ��る引張り応力を解消ないし軽減する。同様� ��して、擦動部15tにもピーニングを施す。引� ��り応力が比較的に小さいと予想される場合� ��は、ピーニングは省略してもよい。

 放電加工機27を利用して擦動面13sには第1の� ��ート17を被覆し、擦動部15tには第2のコート2 1を被覆する。第1のコート17は、耐磨耗性の� �属、上述の例によればCrを含むCo合金よりな� ��上述のごとき消耗性の第1の電極23を利用す� ��。第2のコート21は、被覆する物質、上述の� ��によれば、金属およびセラミックスであっ� ��、前記金属はコバルト合金およびニッケル� ��金の群より選択された一であり、前記セラ� ��ックスはcBN、TiC、TiN、TiAlN、TiB ₂ 、WC,SiC、Si ₃ N ₄ 、Cr ₃ C ₂ 、Al ₂ O ₃ 、ZrO ₂ -Y、ZrC、VC、B ₄ Cの群より選択された何れか一以上であるも� �、よりなる、上述のごとき消耗性の第2の電� ��25を利用する。第1の電極23および第2の電極2 5は、それぞれ対象部位たる擦動面13sおよび� �動部15tと相補的な形状となるべく成形され� �いる。

 動翼1の本体5を加工槽29内であって治具43� ��に、擦動面13sが加工ヘッド47に対向するよ� �に、装着する。加工ヘッド47のホルダ51には� ��第1の電極23を装着する。加工槽29には絶縁� �を有する油等の加工液Lを注入する。前記加� ��液Lは、導電性を有する微粉末を適宜含んで いてもよい。前記微粉末が介在することによ り、放電は微粉末を経由してより長距離に伝 播することができるので、前記電極23と本体5 との間、すなわち極間距離をより大きくする ことができ、ひいてはより広い範囲に放電を 生ぜしめることができる。このことは、局部 的な発熱を減じ、以って熱応力による割れの 防止ないし抑制する。前記微粉末には、放電 により溶融して凝縮したり、油と化学反応を 生じて炭化物を生じても導電性を維持する物 質が好ましい。そのような物質としては、電 極23と同じ物質ないしシリコンが好ましい。� ��た微粉末の粒径は、大きすぎれば油中への� ��一な懸濁が困難であり、小さすぎれば凝縮� ��生じやすくなるので、0.5~2μmの範囲が好ま� �い。また油に対する量は、多すぎれば油中� �の均一な懸濁が困難であり、少なすぎれば� �間距離を大きくする効果が得られないので� �5~15重量%が好ましい。

 擦動面13sが第1の電極23と対向して近接す� ��べく、サーボモータ35,37,49を適宜に駆動す� �。図6(a)は、擦動面13sが第1の電極23と対向し� ��近接した状態の模式図である。

 外部電源45よりパルス状に電力を供給し� �、加工液L中において、第1の電極23と擦動面1 3sとの間にパルス状に放電を生ぜしめる。放� ��によって第1の電極23が損耗して、第1の電極 23を構成するCrを含むCo合金が擦動面13s上に堆 積する。Crを含むCo合金は、擦動面13s上に付� �するだけでなく、放電のエネルギーを一部� �用して、拡散や溶着を起こし、擦動面13s上� �強固に付着した堆積物たる第1のコート17を� �ぜしめる。第1の電極23が損耗することに応� �て、第1の電極23と擦動面13sとの間隙が徐々� �大きくなるので、Z軸サーボモータ49を微速� �て駆動して、放電を維持するように徐々に� �工ヘッド47を下方に移動せしめつつ、所望の 厚さとなるまで放電を継続する。

 第1のコート17は、放電堆積の過程を反映� ��て、気孔や微粉末を含むが粗ではない特徴� ��な組織を有する。かかる特徴のために、断� ��の組織観察等の手段により、第1のコート17� ��組織は、溶射や電着等による皮膜の組織と� ��明瞭に構造的に区別可能である。

 上述の拡散や溶着により、第1のコート17� ��擦動面13sとの境界には、組成が厚さ方向へ� ��斜的に変化する融合層B1が生成される。融� �層B1の厚さは特に限定されないが、薄すぎれ ば密着強度が低下し、厚すぎれば擦動面13sへ の過大な引張り応力を誘起する。それゆえ放 電条件を適正に制御することにより厚さを制 御すべきであって、好ましくは1μm以上かつ10 μm以下であって、より好ましくは3μm以上か� �10μm以下とする。そのための適正な放電条件 は、ピーク電流が30A以下で、パルス幅が200μs 以下であって、好ましくは、ピーク電流が20A 以下で、パルス幅が8μs以下である。

 図8は、ピーニングを施していない擦動面13s に対して、放電条件を種々に変えて融合層B1� ��厚さを変え、融合層B1の厚さと第1のコート1 7の密着強度との関係を調べたものである。� �軸は対数表示による融合層B1の厚さであり、 縦軸は無次元化した密着強度である。厚さが 1μmを越えると厚さに応じて密着強度が向上� �、20μm以上ではその効果が飽和することが明 らかとなった。図9は、同じく融合層B1の厚さ と母材の割れの数×深さとの関係を調べたも� ��であって、表1は、融合層B1の厚さと割れの� ��生の有無とを調べたものである。母材の変� ��は擦動面13sに生ずる引張り応力によるもの� ��あって、母材の割れの数×深さは引張り応� �の指標たりうる。横軸は対数表示による融� �層B1の厚さであり、縦軸は無次元化した割れ の数×深さである。図9から明らかなように、 融合層B1の厚さが厚くなるに従って母材の変� ��は増大し、特に10μm以上において顕著であ� �。換言すると、融合層B1の厚さは小であるほ ど擦動面13sに生ずる引張り応力は小さく、10� �m以下であればその影響は小さいことが明ら� ��となった。これらの知見に基づき、融合層B 1の厚さは、1μm以上かつ10μm以下が好ましく� �3μm以上かつ10μm以下がより好ましい。

 またピーニングの有無による割れの形態� ��相違についても比較した。図10はピーニン� �していない面に放電堆積を実施した例であ� �。割れは面に対して直角に近く、かつラメ� �層を貫通して深く進展しており、強度を維� �する上で好ましい割れの形態ではない。図11 はピーニングした面に放電堆積を実施した例 である。割れは面に対して斜めであって、か つラメラ層を剥離するような形態で進展して いる。即ち、割れが発生していても強度にあ まり影響を与えない形態である。従って、放 電堆積に先立ってピーニングを実施すること が好ましい。

 次いで、図7(a)に示されるごとく、動翼1� �本体5の向きを変えて、擦動部15tが加工ヘッ� ��47に対向するように、本体5を治具43上に装� �する。さらに第1の電極23に代えて、ホルダ51 に第2の電極25を装着する。図7(b)のごとく、� �動部15tが第2の電極25と近接するべくサーボ� �ータ35,37,49を適宜に駆動し、第2の電極25と擦 動部15tとの間にパルス状に放電を生ぜしめる 。放電によって第2の電極25が損耗して電極25� ��構成する金属およびセラミックスが擦動部1 5t上に堆積し、第2のコート21を生ぜしめる。� ��1のコート17の場合と同様に、第2のコート21� ��気孔や微粉末を巻き込んだ特徴的な組織を� ��し、第2のコート21と擦動部15tとの境界には� ��組成が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合層B 2が生成される。融合層B2の厚さは、第1のコ� �ト17の場合と同様に、適正な放電条件によっ て制御されて、好ましくは1μm以上かつ10μm以 下であって、より好ましくは3μm以上かつ10μm 以下とする。そのための適正な放電条件は、 ピーク電流が30A以下で、パルス幅が200μs以下 であって、好ましくは、ピーク電流が20A以下 で、パルス幅が8μs以下である。

 なお、第1のコート17の形成の際に絶縁性� ��有する油などの加工液L中において放電堆積 を実施したときには、これに継続して、油な どの加工液L中において放電堆積を実施して� �2のコート21を生ぜしめてもよい。また、ア� �ゴン等の不活性ガス中で実施したときにも� �様にできる。さらに、第1のコート17は加工� �Lを利用し、第2のコート21は不活性ガスを利� ��したり、またその逆であってもよい。

 なお、放電堆積に先立ち、対象物全体を� ��ルゴン等の不活性ガス中において、光源ま� ��は高周波加熱を利用した適宜の方法によりT iAl金属間化合物の脆性-延性遷移温度以上に� �熱し、その温度を保持したまま放電堆積を� �い、その後徐冷してもよい。TiAl金属間化合� ��の脆性-延性遷移温度は、The Minerals, Metals  & Materials Societyの学会誌JOM(August, 1991)第43 頁図8および第44頁右カラムないし第45頁左カ� ��ムに記載のごとく、TiAl金属間化合物におい てその組成とミクロ組織とに依存して定まる ものとして公知である。例えば48Ti-48Al-2Cr-2Nb� ��る組成を有するTiAl金属間化合物では、脆性 -延性遷移温度はミクロ組織に依存して550な� �し750℃の範囲である。脆性-延性遷移温度は� ��知の方法により容易に測定しうる。

 対象物の温度は、放電堆積の間、過度に� ��下しないことが望ましいが、必ずしも一定� ��なくともよく、脆性-延性遷移温度以上の温 度が維持されればよい。不活性ガスは別途設 けた通気系により系に導入してもよいが、粗 な構造である電極を利用して噴出せしめても よい。電極より噴出せしめた不活性ガスは、 放電堆積の対象面と電極の間を冷却し、また 対象面付近のスラッジを除去する効果をも奏 する。この場合において、加工槽29には加工� ��Lを注入せず、前記不活性ガス中において放 電を実施する。

 上述の工程により、TiAl金属間化合物より なる本体と、前記本体の特定部位を被覆する 耐磨耗性の物質またはアブレイシブ性を有す る物質を含み、耐磨耗性の物質またはアブレ イシブ性を有する物質を含む加工電極から前 記特定部位を放電堆積することにより堆積さ れた一以上のコートと、を備えた耐熱部品が 得られる。

 上述の説明では、耐熱部品としてガスタ� ��ビンエンジンの動翼を例に挙げて説明した� ��、本発明はこれに限定されるものではない� ��例えば静翼やローターディスク、過給機の� ��ンペラ等、耐熱性が要求されていて、かつ� ��ーティングを施す必要のあるいかなる部品� ��も適用することができる。また、放電堆積� ��液中に限らず、気中で実施してもよい。

 溶接等の肉盛によるコーティング技術に� ��れば、溶融したコートの素材を対象部位に� ��着させるために、対象部位に対する単位面� ��あたりの入熱量が比較的に大きく、かつ同� ��に大きな面積に入熱される。それゆえ加熱� ��過程における膨張の程度が大きく、その分� ��冷却の過程において引張り応力は比較的に� ��きくならざるをえない。溶射等のコーティ� ��グ技術と、コーティングの対象物たるTiAl金 属間化合物との組み合わせは、冷却過程にお いて収縮による大きな割れが発生する蓋然性 が高い。また加熱時においても加熱による表 面の膨張が表面直下の割れを生ぜしめること がある。さらに溶射によるコートは剥離が生 じやすい。これに比べ、本実施形態では、放 電堆積によるコーティング技術と、TiAl金属� �化合物とを組み合わせている。放電堆積に� �いては、対象物に対する入熱は放電が発生� �ているスポットに限られ、かつ放電はパル� �状に間歇的である。そのため、対象部位の� �張の程度が小さく、それゆえ冷却の過程に� �いても過大な引張り応力の発生を避けるこ� �ができる。すなわち、割れの発生を抑制す� �ことができる。放電堆積によるコーティン� �技術と、TiAl金属間化合物との組み合わせは� ��割れの抑制の点で顕著な効果を奏する。

 本実施形態においては、さらに、対象物� ��脆性-延性遷移温度以上に加熱することによ り、コートと対象物との間で温度差が縮小す るので、熱応力による割れの発生が抑制され る。さらに、対象物が延性を有する状態でコ ーティングがなされるので、割れの発生がさ らに抑制される。また、導電性を有する微粉 末を含む油中で放電堆積することにより、放 電の集中による局所的な加熱を抑制し、以っ て割れの発生をさらに抑制することができる 。さらにまた、放電堆積に先立って対象部位 に対して予めピーニングを実施することによ り、引張り応力と均衡しうる圧縮応力を与え ている。このことにより融合部直下の引張り 応力を抑制し、以って割れの発生を抑制する ことができる。あるいは、融合部とその直下 に割れが生じても、残留した圧縮応力により 割れの進展を抑止することができる。このこ とにより、疲労強度を高めることができる。

 また耐熱部品は、コバルト合金およびニッ� ��ル合金の群より選択された一を含む金属と� ��cBN、TiC、TiN、TiAlN、TiB ₂ 、WC,SiC、Si ₃ N ₄ 、Cr ₃ C ₂ 、Al ₂ O ₃ 、ZrO ₂ -Y、ZrC、VC、B ₄ Cの群より選択された何れか一以上のセラミ� �クスとを含むアブレイシブ性を有するコー� �を備えることにより、高いアブレイシブ性� �有する。

 また放電堆積によるコーティング技術に� ��れば、コーティングを施す領域を電極が近� ��する領域に限定することができる。電極を� ��望の形状にしておけば、それのみによって� ��ーティングを施す領域が規定される。溶射� ��の技術によってこれを実現しようとすると� ��予め対象部位以外の領域を耐熱性の素材で� ��スクしておき、コーティングの完了後にマ� ��クを除去するなどの煩雑な工程が必要にな� ��。このことと比べ、本実施形態は、工程が� ��略化されて効率のよい製造方法を提供する� ��

 さらに、放電堆積によれば、気相法やメ� ��キなどによるコーティング技術に比べ、コ� ��ティングの膜厚の成長速度が大きいために� ��必要な膜厚を得るのに短時間で済む。

 コーティングが疲労寿命に及ぼす影響を低� ��イクル寿命(LCF)試験により検証した。試験� �法は、原則、JIS-Z2279の規定に準拠しており� �試験温度等の諸条件は表2に掲げるごとくで� ��る。試験片は規定に従う中実丸棒であって� ��平行部の寸法は3mmφ×6mmであり、肩部はR12mm� ��ある。つかみ部を除く試験片の側面は、そ� ��全体に亘り、表3に掲げる表面処理が加えら れている。番号4ないし6は上述の開示に基づ� ��てコーティングを施したものであって、印� ��したピーク電流は2Aで、パルス幅は2μsであ� ��た。番号7ないし9は表面処理を加えていな� �比較例である。番号10ないし12は溶射により� ��ーティングを施した場合を模擬したブラス� ��処理を施した。

 破断までに要した荷重の繰り返し数は、� ��3の右端カラムに列挙されている。複数の試 験片のうち最小の破断サイクル数により疲労 寿命を評価すると、コーティングした試験片 は、溶射を模擬したブラスト処理を施した試 験片に比べて、明らかに疲労寿命が長い。す なわち、上述の開示の技術は、疲労寿命の短 縮を抑えることのできるコーティングを提供 していることが理解される。

 好適な実施形態により本発明を説明した� ��、本発明は上記実施形態に限定されるもの� ��はない。上記開示内容に基づき、当該技術� ��野の通常の技術を有する者が、実施形態の� ��正ないし変形により本発明を実施すること� ��可能である。