JP6126852B2 - Gas turbine component coating and coating method - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンブレード又は他の部品(component)の保護コーティングであって、部品の比較的高温領域に施されるアルミニウム含有コーティング(aluminum bearing coating)と、必要とされるコーティング機能に応じて、部品の比較的低温領域に施されるクロム含有コーティング(chromium-bearing coating)とを含むコーティングに関する。   The present invention is a protective coating for gas turbine blades or other components, depending on the aluminum bearing coating applied to the relatively hot areas of the component and the coating function required. And a coating comprising a chromium-bearing coating applied to a relatively low temperature region of the part.

現行のガスタービンの設計では、異なる機能的理由により、タービン部品の異なる領域に対して様々なコーティングを施すことが必要とされている。コーティング機能の例として、摩耗、酸化、熱障壁(thermal barrier)、及び高温腐食(hot corrosion)が含まれる。タービン設計者は、ガスタービン環境における具体的機能に応じて適切なコーティングを選択する。   Current gas turbine designs require different coatings on different areas of the turbine component for different functional reasons. Examples of coating functions include wear, oxidation, thermal barrier, and hot corrosion. The turbine designer selects the appropriate coating depending on the specific function in the gas turbine environment.

高温腐食は、液体塩がNi及びCo基超合金部品の表面に存在するときの加速酸化の一形態である。塩は、通常は、硫酸ナトリウムであり、K、Ca、及び/又はMg等の他の天然成分が存在する。合金のCr含有量が増加するにつれて、高温腐食攻撃に対する抵抗性が増すことは広く知られている。表面Cr含有量を増加させるのに現在行われている方法は、パック及び蒸気相クロマイジング(pack and vapor phase chromizing)である。これは、1段階堆積(one-step deposition)であり、Niサブストレート合金との反応により、Cr富化合金帯域を形成するものである。クロマイジングプロセスは、ハロゲン化物(Cl又はF)活性化剤によって促進され、例えば1900°Fを超える比較的高温下でCr−ハロゲン化物ガスが生成される。   Hot corrosion is a form of accelerated oxidation when liquid salts are present on the surface of Ni and Co-based superalloy parts. The salt is usually sodium sulfate, and other natural components such as K, Ca, and / or Mg are present. It is well known that the resistance to hot corrosion attack increases as the Cr content of the alloy increases. A currently practiced method for increasing the surface Cr content is pack and vapor phase chromizing. This is one-step deposition and forms a Cr-enriched alloy zone by reaction with a Ni substrate alloy. The chromizing process is facilitated by a halide (Cl or F) activator, which produces Cr-halide gas at relatively high temperatures, for example, greater than 1900 ° F.

パック及び蒸気相クロマイジングは、1900°Fを超える高温を必要とするので、対象とする部品領域に局部的に適用することが難しく、これらのプロセスを用いる場合、部品製造工程の初期段階で、部品全体に施されなければならない。また、これらのプロセスでは、対象領域にクロムの局所的成膜を制御するための手段として、マスキングは有効ではなく、その結果、このような高温プロセスに適用されていなかった。   Since packs and vapor phase chromizing require high temperatures in excess of 1900 ° F., it is difficult to apply locally to the part area of interest and when using these processes, in the early stages of the part manufacturing process, Must be applied to the entire part. Further, in these processes, masking is not effective as a means for controlling the local deposition of chromium in the target region, and as a result, has not been applied to such a high temperature process.

本発明は、一実施態様において、ガスタービン部品に保護コーティングを形成する方法を提供するもので、二重コーティングとして、比較的高温の使用温度に曝されるガスタービン部品の一領域に施されるアルミニウム含有コーティングと、比較的低温の使用温度及び高温腐食に曝されるガスタービンブレード又は他の部品の別の領域に施されるクロム含有コーティングとを含んでおり、これにより、ガスタービン部品が曝される異なる温度及び酸化/腐食環境に対してコーティング機能をもたらすことができる方法を提供する。   The present invention, in one embodiment, provides a method of forming a protective coating on a gas turbine component that is applied as a double coating to a region of a gas turbine component that is exposed to relatively high service temperatures. An aluminum-containing coating and a chromium-containing coating applied to another area of the gas turbine blade or other component that is exposed to relatively low service temperatures and hot corrosion, thereby exposing the gas turbine component to exposure. A method is provided that can provide a coating function for different temperatures and oxidation / corrosion environments.

本発明の例示的な実施態様において、本発明の方法は、超合金の基材(substrate)に二種類のコーティングを形成することを含んでおり、最初に、基材の比較的高温の第1領域にアルミニウム含有コーティングを施し、次に、基材の隣接する比較的低温の領域に、クロムを含む金属コーティングを施した後、クロムを基材の中に拡散させて、隣接する比較的低温の領域にクロム富化拡散コーティング(chromium-enriched diffused coating)を形成することによって行なうものである。アルミニウム含有コーティングは、第1ステップで高温蒸着によって施され、クロム含有コーティングは、次の第2ステップにおいて例えば500°Fよりも低い比較的低温で施される。本発明の方法は、典型的には、アルミニウム含有コーティングが比較的高温の領域に施される前に、比較的低温の領域にマスキングを施すことを含んでおり、その後、クロムの金属コーティングが比較的低温の領域に施される前に、比較的高温の領域にマスキングを施すことを含んでいる。 In an exemplary embodiment of the present invention, the method of the present invention includes forming two types of coatings on a superalloy substrate, first of all, a relatively high temperature first of the substrate. An area containing an aluminum-containing coating is applied, and then a metal coating containing chromium is applied to an adjacent relatively cold area of the substrate, followed by diffusing the chromium into the substrate to provide an adjacent relatively cold area. This is done by forming a chromium-enriched diffused coating in the region. The aluminum-containing coating is applied by high temperature deposition in the first step, and the chromium-containing coating is applied at a relatively low temperature, for example, below 500 ° F., in the next second step. The method of the present invention typically involves masking the relatively cool area before the aluminum-containing coating is applied to the relatively hot area, after which the chromium metal coating is compared. Masking the relatively hot areas prior to being applied to the hot areas.

基材がガスタービン部品である場合、本発明の方法は、まず部品の基部領域にマスキングを施し、次にエアフォイル領域に、拡散アルミナイドコーティング等のアルミニウム含有コーティングを施し、基部部分のマスキングを除去し、次に、既にコーティングしてあるエアフォイル部分をマスキングすることにより実施される。次いで、本発明の方法は、高温腐食に曝される比較的低温の基部領域の少なくとも一部分に、クロムを含む金属コーティングを堆積し、エアフォイル領域のマスキングを除去した後、基部領域のコーティング部分の合金にクロムを拡散させて、基部領域にクロム富化拡散表面コーティングを形成することを含んでいる。アルミニウム含有コーティングは、所望により、エアフォイル領域、並びに中間プラットフォーム領域及び基部シャンク領域を覆うように施されることができる。なお、基部領域の取付部(attachment portion)(例えば、もみの木状部(fir tree portion)は、コーティングを施さずにそのままにしておくことで、タービンディスクに接続される基部領域の疲労寿命が高められる。   When the substrate is a gas turbine component, the method of the present invention first masks the base region of the component and then applies an aluminum-containing coating such as a diffusion aluminide coating to the airfoil region to remove the masking of the base portion. And then masking the already coated airfoil portion. The method of the present invention then deposits a chromium-containing metal coating on at least a portion of the relatively cold base region that is exposed to hot corrosion, removes the masking of the airfoil region, and then removes the coating portion of the base region. Diffusing chromium into the alloy to form a chromium enriched diffusion surface coating in the base region. An aluminum-containing coating can be applied over the airfoil region, as well as the intermediate platform region and the base shank region, if desired. Note that the attachment portion of the base region (e.g., the fir tree portion) is left uncoated so that the fatigue life of the base region connected to the turbine disk is reduced. Enhanced.

本発明の特定の実施態様において、電気めっき浴、電気泳動浴、液体スラリー等の液体堆積媒体(liquid deposition medium)を使用する比較的低温の成膜プロセスを使用して、前駆部品(precursor component)の比較的低温の領域の少なくとも一部分に、クロムを主体とする金属コーティングを形成する。クロムコーティングは、厚さ0.00005〜0.005インチの非常に薄い層として施される。堆積されたクロムの基材への拡散は、典型的には、エアフォイル領域に既に施されているアルミニウム含有コーティングからマスキングを除去した後、高温熱処理によって行われる。 In certain embodiments of the present invention, the electroplating bath, the electrophoretic bath, relatively to use a low-temperature film forming process using a liquid material deposition medium liquid such as slurry (liquid deposition medium), the precursor component (precursor component ) Is formed on at least a portion of the relatively low temperature region. The chrome coating is applied as a very thin layer with a thickness of 0.0005 to 0.005 inches. The diffusion of deposited chromium into the substrate is typically done by high temperature heat treatment after removing the masking from the aluminum-containing coating already applied to the airfoil region.

本発明は、エアフォイル領域に施されたアルミニウム含有コーティングと、部品の基部領域の少なくとも一部分に施された、実質的に純粋なクロム又はクロム合金を含む金属コーティングとを有するニッケル基又はコバルト基合金タービン部品の前駆部品を提供するものである。クロムコーティングは、次に、合金の中へ拡散させられて、ガスタービンブレードの基部領域の部分にクロム富化拡散コーティングを形成する。拡散クロム富化コーティングは、重量%で、少なくとも約20%、好ましくは約25%、より好ましくは約30%〜約60%のCrを含む最外側領域を有する。   The present invention relates to a nickel-based or cobalt-based alloy having an aluminum-containing coating applied to an airfoil region and a metal coating comprising substantially pure chromium or a chromium alloy applied to at least a portion of a base region of a component. A precursor component of a turbine component is provided. The chromium coating is then diffused into the alloy to form a chromium enriched diffusion coating on the portion of the base region of the gas turbine blade. The diffuse chromium enriched coating has an outermost region that includes at least about 20%, preferably about 25%, more preferably about 30% to about 60% Cr by weight.

本発明の利点、特徴、及び実施態様は、以下の記載から明白になるだろう。   Advantages, features and embodiments of the present invention will become apparent from the following description.

アルミニウム含有コーティングALと拡散クロム富化コーティングCRとを有するガスタービンブレードの概略図であり、アルミニウム含有コーティングALは、使用中にアルミナの保護スケール又は保護層を形成できるように、エアフォイル領域及び高温ガス経路に対向するプラットフォーム領域表面に設けられ、拡散クロム富化コーティングCRは、使用中にクロムの保護スケール又は保護層を形成できるように、基部領域と高温ガス経路から離れる方向に面するプラットフォーム領域とに設けられている。1 is a schematic diagram of a gas turbine blade having an aluminum-containing coating AL and a diffusion chromium-enriched coating CR, where the aluminum-containing coating AL can be used to form a protective scale or layer of alumina during use, and in the airfoil region and high temperature. A platform region facing away from the base region and the hot gas path is provided on the surface of the platform area opposite the gas path, and the diffusion chromium-enriched coating CR can form a protective scale or layer of chromium during use. And is provided.

アルミニウム含有コーティングALと金属クロムコーティングECRとを有する中間ガスタービンブレード前駆部品の概略図であり、アルミニウム含有コーティングALは、使用中にアルミナの保護スケール又は保護層を形成できるように、エアフォイル領域及び高温ガス経路に対向するプラットフォーム領域表面に設けられ、金属クロムコーティングECRは、合金の中に拡散されて、保護拡散クロム富化コーティングを形成できるように、基部領域と高温ガス経路から離れる方向に面するプラットフォーム領域とに設けられている。1 is a schematic view of an intermediate gas turbine blade precursor component having an aluminum-containing coating AL and a metal chromium coating ECR, the aluminum-containing coating AL being capable of forming a protective scale or layer of alumina during use, and an airfoil region and Located on the platform region surface opposite the hot gas path, the metallic chromium coating ECR faces away from the base region and the hot gas path so that it can diffuse into the alloy to form a protective diffusion chromium enriched coating. And is provided in the platform area.

ガスタービンブレードの他の実施態様の概略図であり、アルミニウム含有コーティング及びクロム含有コーティングが、タービンブレードの例示した様々な領域に設けられることを示している。FIG. 5 is a schematic diagram of another embodiment of a gas turbine blade, showing that an aluminum-containing coating and a chromium-containing coating are provided in various illustrated areas of the turbine blade.

ガスタービンブレードの他の実施態様の更なる概略図であり、アルミニウム含有コーティング及びクロム含有コーティングが、タービンブレードの例示した様々な領域に設けられることを示している。FIG. 6 is a further schematic diagram of another embodiment of a gas turbine blade, showing that an aluminum-containing coating and a chromium-containing coating are provided in various illustrated areas of the turbine blade.

パッククロマイジングを行ない、シャンク領域をマスキングし、アルミナイジングを行なってエアフォイルにPt改質拡散アルミナイド(Pt−Al)コーティングを形成した後の、基部領域のシャンク部におけるクロム濃度プロファイル(Cr濃度対CMSX−4(登録商標)ニッケル基超合金基材内の距離)のグラフである。基部領域は、タービンブレードのシャンク部分ともみの木状取付部を含む。After performing pack chromizing, masking the shank region, and performing aluminizing to form a Pt-modified diffusion aluminide (Pt-Al) coating on the airfoil, the chromium concentration profile in the shank portion of the base region (Cr concentration versus It is a graph of the distance in a CMSX-4 (trademark) nickel base superalloy base material. The base region includes the shank portion of the turbine blade and the fir tree attachment.

Cr濃度対CMSX−4ニッケル基超合金基材内の距離のグラフであり、基材中のCr濃度に対するCrめっきの厚さ及び拡散条件の効果を示す。距離「0」は、基材の表面である。FIG. 6 is a graph of Cr concentration versus distance in a CMSX-4 nickel-base superalloy substrate, showing the effect of Cr plating thickness and diffusion conditions on Cr concentration in the substrate. The distance “0” is the surface of the substrate.

8.7μmのCrめっきで電気めっきし、その後1975°Fで4時間加熱による拡散処理を施したCMSX−4試料のミクロ組織の顕微鏡写真である。It is the microscope picture of the microstructure of the CMSX-4 sample which electroplated by 8.7 micrometer Cr plating, and performed the diffusion process by heating at 1975 degreeF for 4 hours after that.

700℃での高温腐食試験の結果を示す図であり、示された様々なCMSX−4試料について、曝露時間に対する重量変化をプロットしたもので、試験は2回行なった。試験は、試料表面に対して1cmあたり1〜2mgのNaSOを施すことによって行ない、25時間毎に試料検査を行なった。It is a figure which shows the result of the hot corrosion test in 700 degreeC, and plotted the weight change with respect to exposure time about the various shown CMSX-4 samples, The test was done twice. The test was performed by applying 1 to 2 mg of Na 2 SO 4 per cm 2 to the sample surface, and sample inspection was performed every 25 hours.

8.7μmのCrめっきで電気めっきし、その後1975°Fで4時間加熱による拡散処理を施し、図8の場合と同様、試料表面にNaSOを施して高温腐食状態に曝したCMSX−4試料の顕微鏡写真である。試料に設けた貫通穴(1つが示されている)はコーティングされておらず、激しい高温腐食攻撃を受けたことを示しているが、コーティングされた表面は保護されている。CMSX- which was electroplated with 8.7 μm Cr plating and then subjected to diffusion treatment by heating at 1975 ° F. for 4 hours, and Na 2 SO 4 was applied to the sample surface and exposed to a high temperature corrosion state as in FIG. It is a microscope picture of four samples. The through hole provided in the sample (one shown) is not coated, indicating that it has been subjected to severe hot corrosion attack, but the coated surface is protected.

8.7μmのCrめっきで電気めっきし、その後1975°Fで4時間加熱による拡散処理を施し、図8の場合と同様、試料表面にNaSOを施し、700℃て高温腐食状態に曝したCMSX−4試料のミクロ組織の顕微鏡写真である。Electroplating was performed with 8.7 μm Cr plating, followed by diffusion treatment by heating at 1975 ° F. for 4 hours, and Na 2 SO 4 was applied to the sample surface as in FIG. 8 and exposed to high temperature corrosion at 700 ° C. It is the microscope picture of the microstructure of the CMSX-4 sample.

8.7μmのCrめっきで電気めっきし、その後1975°Fで4時間加熱による拡散処理を施したCMSX−4試料のミクロ組織の顕微鏡写真である。It is the microscope picture of the microstructure of the CMSX-4 sample which electroplated by 8.7 micrometer Cr plating, and performed the diffusion process by heating at 1975 degreeF for 4 hours after that. 図11Aの試料に対するマイクロプローブ結果を示す表である。It is a table | surface which shows the microprobe result with respect to the sample of FIG. 11A. 基材合金中の距離に対するCr含有量の変化をプロットして示すグラフであり、白抜き三角記号はめっきしたままの試料、白抜き四角記号はめっき/拡散熱処理した試料、白抜き菱形記号は、めっき/拡散熱処理/高温腐食試験した試料(タイプI高温腐食試験)である。距離「0」は、基材の表面である。It is a graph plotting and showing the change of Cr content with respect to the distance in the base alloy, the open triangle symbol is a sample as plated, the open square symbol is a plated / diffusion heat treated sample, and the open diamond symbol is It is a sample subjected to plating / diffusion heat treatment / high temperature corrosion test (type I high temperature corrosion test). The distance “0” is the surface of the substrate.

本発明の一実施態様は、ガスタービン部品に保護コーティングを形成するための方法を提供するもので、形成されるコーティングは、ガスタービンブレード又は使用中に比較的高い温度に曝される他の部品の一領域に施されるアルミニウム含有コーティングと、前記領域に隣接し、使用中に比較的低い温度及び高温腐食に曝される他の領域に施されるクロム含有コーティングとを含んでいる。そのような二重コーティングは、使用中の異なる温度並びに酸化及び腐食環境に対してコーティング機能をもたらす。   One embodiment of the present invention provides a method for forming a protective coating on a gas turbine component wherein the formed coating is a gas turbine blade or other component that is exposed to relatively high temperatures during use. An aluminum-containing coating applied to one area and a chromium-containing coating applied to another area adjacent to the area and exposed to relatively low temperature and hot corrosion during use. Such a double coating provides a coating function for different temperatures during use and for oxidizing and corrosive environments.

本発明は、ガスタービンエンジンの使用中における酸化及び高温腐食からガスタービンブレード部品の異なる領域を保護するのに特に有用であるが、本発明は、ガスタービン部品に限定されるものではなく、他の部品についても、酸化及び高温腐食から保護するのに実施することができる。本発明は、ニッケル基超合金ガスタービン部品、ニッケル−コバルト基超合金ガスタービン部品、又はコバルト基超合金ガスタービン部品を、高温腐食から保護するために実施することができるが、本発明は、これら合金に限定されない。本発明について、CMSX−4ニッケル基超合金から作られたガスタービンエンジンブレードの異なる領域を、ガスタービンエンジンの使用中の酸化及び高温腐食から保護することに関して以下で説明するが、これは例示のためであって、限定するものではない。   While the present invention is particularly useful for protecting different areas of gas turbine blade components from oxidation and hot corrosion during use of a gas turbine engine, the present invention is not limited to gas turbine components, This part can also be implemented to protect against oxidation and hot corrosion. The present invention can be implemented to protect nickel-base superalloy gas turbine parts, nickel-cobalt-base superalloy gas turbine parts, or cobalt-base superalloy gas turbine parts from hot corrosion, It is not limited to these alloys. The present invention is described below with respect to protecting different areas of a gas turbine engine blade made from a CMSX-4 nickel-base superalloy from oxidation and hot corrosion during use of the gas turbine engine. This is not a limitation.

具体的には、図1は、ガスタービンブレード(10)の例示であって、エアフォイル領域(airfoil region)(12)と、基部領域(root region)(14)と、エアフォイル及び基部領域の間の中間プラットフォーム領域(intermediate platform region)(20)とを有している。エアフォイル(12)は、エンジンタービン部分のガス経路に曝される先端(12a)、前縁(12b)及び後縁(12c)を含んでいる。プラットフォーム領域(20)は、典型的には、ガス経路面と非ガス経路面とを分離するもので、ガス経路に対向するプラットフォーム上面と、ガス経路から離れる方向に面するプラットフォーム下面とを含んでいる。基部領域(14)は、プラットフォーム領域(20)の下面の下方に非ガス経路面を含んでおり、基部領域は、取付部(16)(例えば、従来のもみの木状部)を含み、該取付部により、タービンブレードは、通常の方法にて、タービンディスク(図示せず)と、取付部(16)及びプラットフォーム領域(20)の間にある隣接シャンク部(18)とに接続される。もみの木状部は、典型的には、タービンディスクに嵌められるように機械加工されたセレーションを有しており、該セレーションは、顧客仕様に基づき、コーティングの前又は後に機械加工されることができる。シャンク領域(18)は、もみの木状部とプラットフォーム領域(20)下面との間の領域を含み、アズキャスト面と機械加工された面を含み、さらに、ガス経路を非ガス経路領域からシールすることを支援するための特徴を含むことができる。   Specifically, FIG. 1 is an illustration of a gas turbine blade (10) that includes an airfoil region (12), a root region (14), an airfoil and a base region. And an intermediate platform region (20). The airfoil (12) includes a tip (12a), a leading edge (12b) and a trailing edge (12c) that are exposed to the gas path of the engine turbine section. The platform region (20) typically separates the gas path surface and the non-gas path surface, and includes a platform upper surface facing the gas path and a platform lower surface facing away from the gas path. Yes. The base region (14) includes a non-gas path surface below the lower surface of the platform region (20), and the base region includes a mounting portion (16) (e.g., a conventional fir tree), The attachments connect the turbine blades in a conventional manner to a turbine disk (not shown) and an adjacent shank (18) between the attachment (16) and the platform region (20). The fir tree typically has serrations that are machined to fit into the turbine disk, which serrations can be machined before or after coating, based on customer specifications. it can. The shank region (18) includes the region between the fir tree and the lower surface of the platform region (20), includes an as-cast surface and a machined surface, and further seals the gas path from the non-gas path region. Features can be included to assist in doing.

タービンブレード(10)の高温の第1領域は、使用中にガスタービンエンジン内の比較的高い温度に曝されて、酸化劣化を受け易く、エアフォイル領域(12)と該エアフォイル領域に対向するプラットフォームの表面(20a)がガスタービンエンジンのタービン部の高温ガス経路の中又は近傍で作用するように構成される。エアフォイル領域(12)とプラットフォームの表面(20a)は、タービンブレードの最も高温の領域であり、限定ではなく例示のために記載すると、通常は、1900°Fを超える操業温度である。   The hot first region of the turbine blade (10) is exposed to relatively high temperatures in the gas turbine engine during use and is prone to oxidative degradation and faces the airfoil region (12) and the airfoil region. The platform surface (20a) is configured to operate in or near the hot gas path of the turbine section of the gas turbine engine. The airfoil region (12) and the platform surface (20a) are the hottest regions of the turbine blade and, by way of example and not limitation, are typically operating temperatures above 1900 ° F.

操業温度が比較的高い温度の場合、ガスタービンエンジン内での使用中にアルミナの保護スケールが生成されるように、エアフォイル領域(12)とプラットフォーム表面(20a)に、いわゆるアルミナ生成用コーティング(alumina-former coating)を配備することが好ましい。   When the operating temperature is relatively high, the so-called alumina production coating ( Preferably an alumina-former coating is provided.

タービンブレード(10)の比較的低温の第2領域は、ガスタービンエンジン内での使用中、比較的低い温度と、塩(例えば、硫酸ナトリウムやK、Ca、及び/又はMg等の他の成分)による高温腐食とに曝される。第2領域は、エアフォイル領域から離れる方向に面するプラットフォーム領域(20)の下面(20b)と、基部領域(14)とを含んでいる。したがって、第2領域は、旧式のタービンブレードがコーティングされていない状態で操業することができる低温領域を含んでいる。しかしながら、燃焼器の効率が向上するにつれて、第2領域の操業温度は一般的に上昇し、それは第2領域の全体に均一に拡大している。したがって、エアフォイル(12)とプラットフォーム表面(20a)とで構成される第1領域もまたより高い温度になる。硫酸ナトリウムの塩が、1200°F〜1850°Fで操業される表面に堆積されると、高温腐食攻撃が生じる。ブレードの基部領域(14)に高応力状態と高温腐食条件とが重なると、基部領域のタービンブレードが急速な腐食攻撃を受けて破壊が生じ易い。これまで低温操業条件で使用されていたタービンブレードは基部領域がコーティングされていないが、高温腐食抵抗は、タービンブレード合金のクロム含有量を増加させることにより向上させることができる。   The relatively cool second region of the turbine blade (10) includes relatively low temperatures and other components such as sodium sulfate, K, Ca, and / or Mg during use in a gas turbine engine. ) Exposure to high temperature corrosion. The second region includes a lower surface (20b) of the platform region (20) facing away from the airfoil region and a base region (14). Thus, the second region includes a low temperature region that can be operated without the old turbine blades being coated. However, as the efficiency of the combustor increases, the operating temperature of the second region generally increases, and it extends uniformly throughout the second region. Accordingly, the first region composed of the airfoil (12) and the platform surface (20a) is also at a higher temperature. When a salt of sodium sulfate is deposited on a surface operated at 1200 ° F. to 1850 ° F., a hot corrosion attack occurs. When a high stress state and a high temperature corrosion condition overlap the base region (14) of the blade, the turbine blade in the base region is subject to a rapid corrosion attack and is likely to break. Turbine blades previously used at low temperature operating conditions are not coated in the base region, but the hot corrosion resistance can be improved by increasing the chromium content of the turbine blade alloy.

本発明は、最新のエンジン設計に伴うより攻撃的な温度及び高温腐食条件に曝されるタービンブレードについて、異なる高温領域と低温領域を保護するための多重コーティング及びコーティングを施す方法を提供する。本発明は、ブレードのエアフォイル領域に施されたアルミニウム含有コーティングALと、ブレードの基部領域の少なくとも一部分に施されたクロム含有金属コーティングとを有するニッケル又はコバルト基合金タービンブレード(10)を提供するもので、前記金属コーティングは、合金の中に拡散して、基部領域の部分に拡散クロム富化コーティングCRを形成する。図1は、エアフォイルに形成されたアルミニウム含有コーティングALと基部領域に形成されたクロム含有拡散コーティングCRを示している。なお、操業中、コーティング上に薄いアルミナスケールが形成されるので、アルミニウム含有コーティングALは、このいわゆるアルミナ形成コーティングを含む。また、操業中、コーティング上に薄いクロミアスケールが形成されるので、クロム含有拡散コーティングCRは、このいわゆるクロミア形成コーティングを含む。また、クロムコーティング拡散の前後において、エアフォイル領域(12)及びプラットフォーム表面(20a)の全部又は一部分に、熱障壁コーティング(TBC)(例えば、イットリア安定化ジルコニア等)を、最外部コーティングとして施すことにより、TBCの断熱特性がもたらされる。   The present invention provides a method for applying multiple coatings and coatings to protect different hot and cold regions for turbine blades that are exposed to the more aggressive temperature and hot corrosion conditions associated with modern engine designs. The present invention provides a nickel or cobalt based alloy turbine blade (10) having an aluminum containing coating AL applied to the airfoil region of the blade and a chromium containing metal coating applied to at least a portion of the base region of the blade. As such, the metal coating diffuses into the alloy to form a diffused chromium enriched coating CR in the portion of the base region. FIG. 1 shows an aluminum-containing coating AL formed on the airfoil and a chromium-containing diffusion coating CR formed on the base region. It should be noted that during operation, a thin alumina scale is formed on the coating, so the aluminum-containing coating AL includes this so-called alumina forming coating. Also, during operation, a thin chromia scale is formed on the coating, so the chromium-containing diffusion coating CR includes this so-called chromia-forming coating. In addition, a thermal barrier coating (TBC) (for example, yttria-stabilized zirconia) is applied as an outermost coating to all or a part of the airfoil region (12) and the platform surface (20a) before and after chrome coating diffusion. Provides the thermal insulation properties of TBC.

図2は、以下に記載の本発明の他の実施態様に係る方法を使用し、エアフォイルに形成されたアルミニウム含有コーティングALと基部領域に形成された堆積状態(as-deposited)の金属クロム含有コーティングECRとを含むガスタービンブレード前駆部品(中間部品)を示している。本発明の他の実施態様は、以下に掲げる比較例に記載されているように、必要とされるコーティング機能に基づく二重コーティングを設けなかった場合に生ずる問題及び困難性を解消するものである。クロムコーティングは、0.00005〜0.005インチの厚さを有する極薄層として施される。   FIG. 2 illustrates an aluminum-containing coating AL formed on an airfoil and an as-deposited metallic chromium content formed in a base region using a method according to another embodiment of the invention described below. Figure 2 shows a gas turbine blade precursor part (intermediate part) including a coating ECR. Another embodiment of the present invention eliminates the problems and difficulties that arise when a double coating based on the required coating function is not provided, as described in the comparative examples listed below. . The chrome coating is applied as an ultra-thin layer having a thickness of from 0.000005 to 0.005 inches.

アルミニウム含有コーティングは、高温蒸着による最初の1ステップ工程で施される。なお、高温蒸着には、例えば、米国特許第5,264,245号、第4,132,816号及び第3,486,927号に基づく1900°F以上での化学蒸着の他に、従来のアバブザパック(above-the-pack)プロセス又は他の蒸着プロセスによるものが含まれる。   The aluminum-containing coating is applied in an initial one-step process by high temperature deposition. For high temperature vapor deposition, for example, in addition to chemical vapor deposition at 1900 ° F. or more based on US Pat. Nos. 5,264,245, 4,132,816 and 3,486,927, a conventional above-the-pack process or other Includes those from vapor deposition processes.

クロム含有コーティングは、アルミニウム含有コーティングした後、2ステップ工程を用いて施される。2ステップ工程は、液体電解析出浴又は液体キャリア媒質を使用し、212°Fよりも低温にて、クロム含有金属コーティングを基材に沈積させ、次に、高温熱処理によりクロムを基材に拡散させることを含むものである。金属クロムコーティングを沈積させる低温プロセスの例として、限定されるものでないが、液体浴を使用する電気めっき又は電気泳動堆積法、及び液体キャリア中でのクロム含有粒子(例えば、Cr又はCr合金粒子)によるスラリーコーティング法があり、これらは全て、液体浴又は液体スラリーを使用して、212°Fよりも低温で実施されることができ、実施後乾燥される。クロム含有金属コーティングを堆積させるのに用いることができる比較的低温の他の堆積方法として、限定されるものではないが、典型的には500°Fより低温で実施される電気火花放電、典型的には100°Fより低温で実施されるクラッディング、500°Fより低温で実施されるプラズマスプレー、及びCr粒子がNi電気めっき層に封じ込められるエントラップメントプレーティングが挙げられる。   The chromium-containing coating is applied using a two-step process after the aluminum-containing coating. The two-step process uses a liquid electrolytic deposition bath or liquid carrier medium to deposit a chromium-containing metal coating on the substrate at a temperature below 212 ° F. and then diffuses the chromium into the substrate by a high temperature heat treatment. It is included. Examples of low temperature processes for depositing chromium metal coatings include, but are not limited to, electroplating or electrophoretic deposition using a liquid bath, and chromium-containing particles (eg, Cr or Cr alloy particles) in a liquid carrier. All of these can be performed at temperatures below 212 ° F. using a liquid bath or liquid slurry and dried after implementation. Other relatively low temperature deposition methods that can be used to deposit the chromium-containing metal coating include, but are not limited to, electrical spark discharges typically performed below 500 ° F. Include cladding performed at temperatures below 100 ° F., plasma sprays performed at temperatures below 500 ° F., and entrapment plating in which Cr particles are encapsulated in a Ni electroplating layer.

基材が、エアフォイル、プラットフォーム及び基部領域を有するガスタービン部品である場合、方法の一実施例として、まず部品の基部領域にマスキングを施し、次に、エアフォイル領域にアルミニウム含有コーティング(拡散アルミナイドコーティング等)を施し、基部領域のマスキングを除去し、次にコーティング済みのエアフォイル領域をマスキングすることが挙げられる。この方法の実施例では、高温腐食に曝されることになる比較的低温度の基部領域の少なくとも一部に、クロム含有金属コーティングを堆積し、エアフォイル領域のマスキングを除去した後、基部領域のコーティング部分の合金にクロムを拡散させて、基部領域の部分にクロム富化表面コーティングを形成するものである。所望により、エアフォイル領域並びに中間プラットフォーム領域及び基部シャンク領域を被覆するために、アルミニウム含有コーティングを施すこともできる。基部領域の取付部(例えば、もみの木状部)は、タービンディスクに接続される部分であり、基部領域の疲労寿命を向上させるために、コーティングを施さなくてもよい。   If the substrate is a gas turbine component having an airfoil, a platform and a base region, one embodiment of the method is to first mask the base region of the component and then apply an aluminum-containing coating (diffusion aluminide) to the airfoil region. Coating, etc.), removing the masking of the base region and then masking the coated airfoil region. In an embodiment of this method, a chromium-containing metal coating is deposited on at least a portion of the relatively low temperature base region that will be exposed to hot corrosion, and after removing the airfoil region masking, Chromium is diffused into the coating portion alloy to form a chromium-enriched surface coating in the base region portion. If desired, an aluminum-containing coating can be applied to cover the airfoil region and the intermediate platform region and the base shank region. An attachment portion (for example, a fir tree-like portion) in the base region is a portion connected to the turbine disk, and may not be coated in order to improve the fatigue life of the base region.

ニッケル基超合金基材の基部領域の少なくとも一部分に施されたクロム富化拡散コーティングは、典型的には、拡散された状態のCr富化最外拡散ゾーンと、該最外拡散ゾーン及び基材の間に内側拡散ゾーンとを含んでおり、Cr富化最外拡散ゾーンは、固溶体にクロム、ニッケルその他の基材合金元素を含み、このゾーンの主成分はCrであり(図7、11A、11B)、内側拡散ゾーンは、ニッケル、クロムその他の基材合金元素を含み、このゾーンではCrの量は少ない(図7、11A、11B)。内側拡散ゾーンと基材との間に、耐火物(refractory)含有量の多い相である別の拡散又は反応ゾーンが存在していてもよい。この拡散又は反応ゾーンは、非常に薄いため、図7及び11Aでは確認することができない。   A chromium-enriched diffusion coating applied to at least a portion of the base region of a nickel-based superalloy substrate typically comprises a Cr-enriched outermost diffusion zone in a diffused state, and the outermost diffusion zone and the substrate And the Cr-enriched outermost diffusion zone contains chromium, nickel and other base alloy elements in the solid solution, and the main component of this zone is Cr (FIGS. 7, 11A, 11B), the inner diffusion zone contains nickel, chromium and other base alloy elements, in which the amount of Cr is small (FIGS. 7, 11A, 11B). There may be another diffusion or reaction zone between the inner diffusion zone and the substrate, which is a phase with a high refractory content. This diffusion or reaction zone is so thin that it cannot be seen in FIGS. 7 and 11A.

本発明の実施例の実施において、Cr含有量と基材内へのCr深さプロファイルを制御することにより、具体的使用態様に応じて必要とされる耐高温腐食性を調整することができる。典型的には、最外コーティング基材表面でのCr含有量を多くすることで耐高温腐食性は向上する。Cr含有量を多くするには、Cr金属コーティングの厚さ及び拡散熱処理条件を変えることによって達成することができる。   In the implementation of the examples of the present invention, by controlling the Cr content and the Cr depth profile into the substrate, the high temperature corrosion resistance required depending on the specific use mode can be adjusted. Typically, the hot corrosion resistance is improved by increasing the Cr content on the surface of the outermost coating substrate. Increasing the Cr content can be achieved by changing the Cr metal coating thickness and diffusion heat treatment conditions.

<比較例>
この比較例は、本発明以外の方法ではガスタービンブレードに前記二種類のコーティングを形成することが困難であることを示すために説明するものである。
<Comparative example>
This comparative example is described to show that it is difficult to form the two types of coatings on the gas turbine blade by a method other than the present invention.

例えば、1900°Fよりも高温でのパック又は蒸気相クロマイジングプロセスや、1700°Fよりも高温でのパック、蒸気相、又はCVDアルミナイジングプロセスを用いて、2つの環境を保護するためのコーティング(二種類のコーティング)を有するタービンブレードを作製することはできる。しかしながら、表面が高Crとなるように処理し、高Cr表面を保持することに問題があることがわかった。アルミナイジングに使用されるマスキングにより、高温アルミナイジング工程中に、クロムめっきされたシャンクからCrが除去されることがある。即ち、タービンブレードを二種類のコーティングでコーティングするには、タービンブレードは、高温パック又は気相プロセスにより全体がクロムめっきされていなければならず、その結果生成されたCr富化層は、ガス経路表面にアルミナイジング又は保護コーティングを施す前に、ガス経路表面(12)(12a)から取り除かれなければならない。基部領域(14)がアルミナイジングされるのを防止するために、基部領域は、マスキング粉末(例えば、アルミナ粉末、NiO粉末等)を入れた格納容器の中に配置され、マスキングされる。しかしながら、この工程は、基部領域に既に施されているCr富化層のCr含有量が減少し、高温腐食耐性の低下を招くので好ましくない。これについては、次の説明で明らかにする。 Coating to protect two environments using, for example, a pack or vapor phase chromizing process at temperatures above 1900 ° F. or a pack, vapor phase or CVD aluminizing process at temperatures above 1700 ° F. Turbine blades with (two types of coatings) can be made. However, it has been found that there is a problem in maintaining the high Cr surface by treating the surface to be high Cr. Due to the masking used for aluminizing, Cr may be removed from the chromium plated shank during the high temperature aluminizing process. That is, to coat a turbine blade with two types of coatings, the turbine blade must be entirely chromium plated by a hot pack or vapor phase process, and the resulting Cr-enriched layer can be Before applying the aluminizing or protective coating on the surface, it must be removed from the gas path surface (12) (12a). In order to prevent the base region (14) from being aluminized, the base region is placed in a containment vessel containing masking powder (eg, alumina powder, NiO powder, etc.) and masked. However, this step is not preferable because the Cr content of the Cr-enriched layer already applied to the base region is reduced and the high temperature corrosion resistance is lowered. This will be clarified in the following explanation.

図1のエアフォイル、プラットフォーム及び基部の特徴を有し、CMSX−4ニッケル基超合金(公称組成は、重量%で、Co約9.6%、Cr約6.6%、Mo約0.60%、W約6.4%、Re約3.0%、Ta約6.5%、Al約5.6%、Ti約1.0%、Hf約0.1%、残部Ni及び不可避不純物)からなる鋳造タービンブレードについて、その全体をクロムめっきした後、グリットブラストを施すことにより、エアフォイル領域(12)とプラットフォーム表面(20a)が含まれる高温の第1領域から、Cr富化コーティングを除去した。高温の第1領域を電気めっきしてPt金属層を成膜し、その後CVDによりアルミナイジングして、第1領域にPt改質拡散アルミナイドコーティングを形成した。次に、低温の第2領域(プラットフォーム表面(20b)及び基部領域(14)が含まれる)は、市販の粉末maskant M1(Akron Paint&Varnish Co., 1390 Firestone Parkway, Akron Ohio)を用いてマスキングした。   With the airfoil, platform, and base features of FIG. 1, a CMSX-4 nickel-base superalloy (nominal composition is about 9.6% Co, about 6.6% Co, about 0.6% Mo, and about 0.60 Mo) %, W about 6.4%, Re about 3.0%, Ta about 6.5%, Al about 5.6%, Ti about 1.0%, Hf about 0.1%, balance Ni and inevitable impurities) The entire cast turbine blade is made of chrome and then grit blasted to remove the Cr-enriched coating from the hot first region containing the airfoil region (12) and platform surface (20a). did. A high temperature first region was electroplated to form a Pt metal layer and then aluminized by CVD to form a Pt modified diffusion aluminide coating in the first region. Next, the cold second region (including platform surface (20b) and base region (14)) was masked using a commercially available powder maskant M1 (Akron Paint & Varnish Co., 1390 Firestone Parkway, Akron Ohio).

クロマイジングプロセスの実施に使用したパックパラメータは次のとおりである:純クロムの粉末を、酸化アルミニウム及びNHCl活性化剤と共に、1950°Fで5時間の処理した。 The pack parameters used to carry out the chromizing process are as follows: Pure chromium powder was treated with aluminum oxide and NH 4 Cl activator for 5 hours at 1950 ° F.

Pt電気めっきは、米国特許第5,788,823号に記載されたパラメータを用いて行ない、基材に0.3ミルのPtが堆積された。この特許は、引用を以て本明細書に組み込まれるものとする。アルミナイジングプロセスは、米国特許第5,264,245号に記載されたパラメータを使用し、H/AlCl雰囲気中、1975°Fの温度で1440分間の処理を行なった。この特許は、引用を以て本明細書に組み込まれるものとする。 Pt electroplating was performed using the parameters described in US Pat. No. 5,788,823, and 0.3 mil Pt was deposited on the substrate. This patent is hereby incorporated by reference. The aluminizing process used the parameters described in US Pat. No. 5,264,245 and was processed in a H 2 / AlCl 3 atmosphere at a temperature of 1975 ° F. for 1440 minutes. This patent is hereby incorporated by reference.

図5は、タービンブレードのシャンク部分(18)におけるCrの濃度深さプロファイルであり、クロムめっきされたままのもの(パックCr)と、マスキング及びアルミナイジングした後のもの(パックCr+アルミナイジングサイクル)を示しており、エアフォイル及びプラットフォーム表面(20a)が含まれる第1領域にPt改質拡散アルミナイドコーティングが形成されている。   FIG. 5 shows the Cr concentration depth profile in the shank portion (18) of the turbine blade, as it is chromium plated (pack Cr), and after masking and aluminizing (pack Cr + aluminizing cycle). A Pt-modified diffusion aluminide coating is formed in the first region including the airfoil and the platform surface (20a).

図5に示された第2領域にクロムめっきしたままのコーティングの場合、Cr含有量の富化は、高温腐食攻撃に対する抵抗性の点では好ましい望ましい化学的性質である。しかしながら、グラフが示すように、パッククロマイジングプロセスにより富化されたCrは、基部にマスキングを施した場合でさえ(シャンク(18)と取付部(16)とにアルミニウムが堆積するのを防止するために施す)、アルミナイジング工程の後に減少する。シャンク部のCr含有量は減少して、CMSX−4超合金のCr含有量(合金の公称Cr組成:6.4重量%)よりも少なくなる。これは、高温腐食耐性を向上させるために望まれるCr含有量の方向とは全く反対である。この比較例の二重コーティングプロセスでは、高温腐食攻撃抵抗性に好ましいCr富化コーティングを有するタービンブレードを作製することができなかった。   In the case of a chrome-plated coating in the second region shown in FIG. 5, enrichment of Cr content is a desirable and desirable chemistry in terms of resistance to hot corrosion attack. However, as the graph shows, Cr enriched by the pack chromizing process prevents aluminum from depositing on the shank (18) and mounting (16) even when the base is masked. To reduce) after the aluminizing step. The Cr content of the shank portion is reduced to be less than the Cr content of the CMSX-4 superalloy (nominal Cr composition of the alloy: 6.4% by weight). This is completely opposite to the direction of Cr content desired to improve hot corrosion resistance. This comparative double coating process failed to produce turbine blades with Cr-enriched coatings that are favorable for hot corrosion attack resistance.

本発明の方法の実施例によれば、二種類のコーティングを作製するのに用いられる連続処理ステップ(sequence processing steps)は、比較例で実証された上記の問題及び困難を解消するものである。 In accordance with an embodiment of the method of the present invention, continuous processing steps used to produce two types of coatings (sequence processi n g steps) is intended to eliminate the proven above problems and difficulties in Comparative Example is there.

<実施例1>
本発明の例示的な実施態様では、以下の処理ステップを使用する:
<Example 1>
In an exemplary embodiment of the invention, the following processing steps are used:

1.白金改質拡散アルミナイドコーティングをガス経路表面(12)(20a)に形成する場合、これら表面には、所望により、米国特許第5,788,832号に記載されたPtの層で電気めっきする。この特許は、既に引用を以て本明細書に組み込まれている。また、拡散アルミナイドコーティングだけを形成したい場合には、このステップは省略することができる。   1. When platinum modified diffusion aluminide coatings are formed on gas path surfaces (12) (20a), these surfaces are optionally electroplated with a layer of Pt as described in US Pat. No. 5,788,832. This patent has already been incorporated herein by reference. Also, this step can be omitted if only the diffusion aluminide coating is to be formed.

2.タービンブレードの第2領域(つまり、基部領域(14)とプラットフォーム表面(20b)を、格納容器に入れられた上記M1 maskant粉末でマスキングする。即ち、基部領域(14)とプラットフォーム表面(20b)は、格納容器中でmaskant粉末に埋め込まれる。   2. The second region of the turbine blade (ie, the base region (14) and the platform surface (20b) is masked with the M1 maskant powder contained in the containment vessel, ie, the base region (14) and the platform surface (20b) are Embedded in maskant powder in a containment vessel.

3.高温の第1領域(つまり、エアフォイル(12)及びプラットフォーム表面(20a))をアルミナイジングし、第2領域をマスキングした状態で拡散アルミナイドコーティング(例えば、ステップ1を実施した場合は、Pt改質拡散アルミナイドコーティング)を形成する。   3. Diffusion aluminide coating (e.g., if step 1 was performed, Pt modified) with aluminizing the first region (i.e. airfoil 12 and platform surface 20a) at the high temperature and masking the second region A diffusion aluminide coating).

4.第1領域の拡散アルミナイドコーティングをマスキングする。   4). Mask the diffusion aluminide coating in the first region.

5.ステップ3で形成された拡散アルミナイドコーティングをステップ2のマスキングで被覆した状態で、低温の第2領域にCr電気めっきを施す。Cr電気めっきは、液体(例えば、水)電気めっき浴を使用して、例えば212°Fより低温で実施される。第1領域のマスキングは低温めっき浴条件下で有効であるため、Cr電気めっきによる局所的な成膜が可能である。   5. In a state where the diffusion aluminide coating formed in Step 3 is covered with the masking in Step 2, Cr electroplating is performed on the low temperature second region. Cr electroplating is performed using a liquid (eg, water) electroplating bath, for example, below 212 ° F. Since the masking of the first region is effective under low temperature plating bath conditions, local film formation by Cr electroplating is possible.

6.CrめっきをCMSX−4基材合金の中に拡散させて、Crが富化された耐高温腐食性コーティングを形成する。Crめっきの拡散は、超合金基材との結合を向上させ、その結果生じるCr富化層の延性を向上させる。   6). Cr plating is diffused into the CMSX-4 substrate alloy to form a Cr-enriched hot corrosion resistant coating. The diffusion of Cr plating improves the bond with the superalloy substrate and improves the resulting ductility of the Cr-enriched layer.

クロム電気めっきプロセスで用いられるめっき条件は、航空宇宙材料用スチール材料の硬質クロムコーティングに対するAMS(航空宇宙材料仕様書)2438Bに適合し、実質的に純Crである6価の高硬度高密度クロムめっきを成膜できる条件である。このAMS 2338Bは、この目的を達成するために引用を以て本明細書に組み込まれるっものとする。   The plating conditions used in the chrome electroplating process comply with AMS (Aerospace Material Specification) 2438B for hard chrome coating of steel materials for aerospace materials, and is a hexavalent high hardness high density chromium which is substantially pure Cr. This is the condition under which plating can be formed. This AMS 2338B is incorporated herein by reference to achieve this goal.

この実施例では、高硬度高密度で実質的に純クロムの電気めっきは、イリノイ州の電気めっき業者Armoloy(118 Simonds Ave., Dekalb, Illinois)により、商業的に行われた。Cr電気めっきの堆積厚さは、8.7マイクロメートル又は3.5マイクロメートルであった。電気めっき層は、実質的に純粋なCrであり、例えば、99.9重量%Crで残部がめっき不純物である。なお、本発明は、純Crの他にCr合金の電気めっきを含み、また、CrとNiが交互になった層のめっきも含むものである。   In this example, high hardness, high density, and substantially pure chromium electroplating was done commercially by the Illinois electroplater Armoloy (118 Simonds Ave., Dekalb, Illinois). The deposited thickness of the Cr electroplating was 8.7 micrometers or 3.5 micrometers. The electroplating layer is substantially pure Cr, for example, 99.9 wt% Cr, with the balance being plating impurities. The present invention includes electroplating of Cr alloy in addition to pure Cr, and also includes plating of alternating layers of Cr and Ni.

クロム電気めっきの実施は、適当なあらゆるパラメータを用いて実施することができる。以下に使用可能なめっき条件を示すが、例示のためであって、限定するものではない。
1.アルミナスラリーを用いて表面を蒸気ホーニング(vapor hone)処理して、めっきされる表面を清浄する。
2.めっきされる表面を、250〜400g/Lのクロム酸及び2.5〜4g/Lの硫酸塩触媒(硫酸)が入れられた52〜63℃のめっき浴に浸漬して活性化し、電流(3〜12ボルトで30〜54A/dm)を30秒〜2分間流して、部品をアノード(Crめっき層の逆)にする。
3.めっきされる表面を、めっき浴に浸漬してCrめっきし、電流を4分〜30分間流して、部品をカソードにする。電流を流す時間は、所望されるCrめっき厚さを得るのに必要な時間でもよい。
4.120°Fの脱イオン水の中ですすぎを行ない、めっき浴の大部分を除去する。
5.高温の脱イオン水の中ですすぎを行ない、残存しているめっき浴を除去し、乾燥させる。
Chromium electroplating can be performed using any suitable parameter. Although the plating conditions which can be used are shown below, it is for illustration and is not limited.
1. The surface to be plated is cleaned by vapor honing the surface with an alumina slurry.
2. The surface to be plated is activated by immersion in a plating bath at 52 to 63 ° C. containing 250 to 400 g / L chromic acid and 2.5 to 4 g / L sulfate catalyst (sulfuric acid). 30 to 54 A / dm 2 ) at ˜12 volts for 30 seconds to 2 minutes to make the part the anode (the reverse of the Cr plating layer).
3. The surface to be plated is immersed in a plating bath and Cr plated, and a current is applied for 4 to 30 minutes to make the part a cathode. The time for passing the current may be the time necessary to obtain the desired Cr plating thickness.
4. Rinse in 120 ° F. deionized water to remove most of the plating bath.
5. Rinse in hot deionized water to remove remaining plating bath and dry.

CVDアルミナイジングプロセスは、次のパラメータを使用して実施される:
米国特許第5,264,245号に基づき、1975°FのH/AlCl雰囲気中で、1440分間処理した。この特許は、この目的を達成するために引用を以て本明細書に組み込まれるものとする。使用することができる他のアルミナイジングプロセスとして、パック、蒸気相、スパッタリング、物理蒸着、スラリーの後で行われる拡散熱処理、電気泳動の後で行われる拡散熱処理等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
The CVD aluminizing process is performed using the following parameters:
Based on US Pat. No. 5,264,245, treated in a 1975 ° F. H 2 / AlCl 3 atmosphere for 1440 minutes. This patent is hereby incorporated by reference to achieve this goal. Other aluminizing processes that can be used include pack, vapor phase, sputtering, physical vapor deposition, diffusion heat treatment performed after slurry, diffusion heat treatment performed after electrophoresis, etc. It is not limited.

この例の場合、Crの拡散熱処理は、1975°Fで4時間又は2050°Fで2時間行われ、酸化を防止するためにAr分圧雰囲気中にて行われる。   In this example, the Cr diffusion heat treatment is performed at 1975 ° F. for 4 hours or at 2050 ° F. for 2 hours, and in an Ar partial pressure atmosphere to prevent oxidation.

図6は、Cr濃度とCMSX−Aニッケル基超合金基材中への距離との関係を表すグラフであり、基材中のCr濃度に対するCrめっきの厚さ及び拡散条件の効果を示している。図6中、距離「0」は、基材の表面である。図6は、表面Cr含有量を、最小が15原子%、最大が63原子%に制御することができることを示している。また、図6は、Cr富化の深さを同じように制御できることを示している。Cr含有量と富化の深さは、典型的には、タービンエンジン内での使用中に部品が受ける歪みの疲労影響を最小にしつつ、耐高温腐食性が許容され得るように調節される。図6は、2種類のCrめっき厚さと2種類の拡散熱処理条件について、Cr富化結果の範囲を示している。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the Cr concentration and the distance into the CMSX-A nickel-base superalloy substrate, and shows the effect of Cr plating thickness and diffusion conditions on the Cr concentration in the substrate. . In FIG. 6, the distance “0” is the surface of the substrate. FIG. 6 shows that the surface Cr content can be controlled to a minimum of 15 atomic% and a maximum of 63 atomic%. FIG. 6 also shows that the Cr enrichment depth can be controlled similarly. The Cr content and enrichment depth are typically adjusted so that hot corrosion resistance can be tolerated while minimizing the fatigue effects of strain experienced by components during use in a turbine engine. FIG. 6 shows the range of Cr enrichment results for two types of Cr plating thickness and two types of diffusion heat treatment conditions.

図7及び11Aは、8.7μmのCrめっきで電気めっきし、その後1975°Fで4時間加熱する拡散処理を施したCMSX−4試料のミクロ組織の顕微鏡写真を含んでいる。図11Bは、Cr富化拡散コーティングのマイクロプローブデータを表として示したもので、図11Cは、基材合金中の距離に対してCr含有量の変化をプロットしたものである。距離「0」は、基材の表面である。   FIGS. 7 and 11A include micrographs of microstructures of CMSX-4 samples electroplated with 8.7 μm Cr plating and then subjected to a diffusion treatment that was heated at 1975 ° F. for 4 hours. FIG. 11B shows the microprobe data of the Cr-enriched diffusion coating as a table, and FIG. 11C plots the change in Cr content against the distance in the base alloy. The distance “0” is the surface of the substrate.

図7、11A及び11B(マイクロプローブの表)及び11C(プロット)の結果は、クロム富化拡散コーティングが、Cr富化最外(トップ)拡散ゾーンと、最外拡散ゾーン及び基材の間に内側拡散ゾーン(拡散)とを含んでおり、Cr富化最外拡散ゾーンは、固溶体にクロム、ニッケルその他の基材合金元素を含み、このトップゾーンの主成分はCrであり、内側拡散ゾーンは、ニッケル、クロムその他の基材合金元素を含み、この拡散ゾーンではCrの量は少ないことを示している。内側拡散ゾーンと基材との間に、耐火物含有量の多い相である別の拡散又は反応ゾーンが存在していてもよい。この拡散又は反応ゾーンは、非常に薄いため、図7及び11Aでは確認することができない。   The results of FIGS. 7, 11A and 11B (microprobe table) and 11C (plot) show that the chromium-enriched diffusion coating is between the Cr-enriched outermost (top) diffusion zone and the outermost diffusion zone and the substrate. An inner diffusion zone (diffusion), and the Cr-enriched outermost diffusion zone contains chromium, nickel and other base alloy elements in the solid solution, the main component of this top zone is Cr, and the inner diffusion zone is This indicates that the amount of Cr is small in this diffusion zone, including nickel, chromium and other base alloy elements. There may be another diffusion or reaction zone between the inner diffusion zone and the substrate, which is a phase with a high refractory content. This diffusion or reaction zone is so thin that it cannot be seen in FIGS. 7 and 11A.

図8は、700℃での高温腐食試験結果を示す図であり、図示した種々のCMSX−4試料について曝露時間に対する重量変化をプロットしたもので、試験は2回ずつ行なった。試験では、試料表面1cmに対し、1〜2mgのNaSOを施し、20時間毎に試料検査を行なった。次に、塩処理した試料を700°Fに加熱した炉内に装入した。炉内は、加熱されたPt触媒の中を1000ppmのSO/Oガスが流れており、試料を炉内に曝露してSOを生成させた。SOは、試験温度で塩と反応して、腐食攻撃する。 FIG. 8 is a diagram showing the results of the hot corrosion test at 700 ° C., in which the change in weight with respect to the exposure time is plotted for the various CMSX-4 samples shown, and the test was performed twice. In the test, 1 to 2 mg of Na 2 SO 4 was applied to 1 cm 2 of the sample surface, and sample inspection was performed every 20 hours. The salt treated sample was then placed in a furnace heated to 700 ° F. In the furnace, 1000 ppm of SO 2 / O 2 gas was flowing in the heated Pt catalyst, and the sample was exposed to the furnace to generate SO 3 . SO 3 reacts with the salt at the test temperature to attack the corrosion.

図8は、本発明実施例のコーティングした試験試料は、Cr電気めっきの厚さ及びCr拡散パラメータの如何に拘わらず、時間経過後の重量変化は本質的に同じであったことを示している。コーティングされていない(bare)CMSX−4試料は、試験中に実質的な重量損失があった。   FIG. 8 shows that the coated test sample of the inventive example had essentially the same weight change over time, regardless of Cr electroplating thickness and Cr diffusion parameters. . The uncoated CMSX-4 sample had substantial weight loss during the test.

図9はCMSX−4試料の顕微鏡写真であり、試料は、8.7μmのCrめっきで電気めっきした後、1975°Fで4時間加熱の拡散処理が施され、図8に示されるように700°Fを超える温度でNaSOによる高温腐食環境に曝されたものである。試料を貫通する貫通穴(1つだけ示されている)はコーティングされておらず、激しい高温腐食攻撃を受けたが、コーティングされた表面は保護されていることを示している。 FIG. 9 is a micrograph of the CMSX-4 sample. The sample was electroplated with 8.7 μm Cr plating and then subjected to diffusion treatment by heating at 1975 ° C. for 4 hours. As shown in FIG. It has been exposed to a hot corrosive environment with Na 2 SO 4 at a temperature exceeding ° F. The through-holes (only one shown) through the sample are uncoated and have been subjected to severe hot corrosion attack, indicating that the coated surface is protected.

図9は、コーティングされていないCMSX−4合金基材に対してはこれらの試験条件が攻撃的性質を有することを示し、コーティングされた試料表面は高温腐食攻撃に対して抵抗性を有することを示している。   FIG. 9 shows that these test conditions are aggressive for uncoated CMSX-4 alloy substrates, and that the coated sample surface is resistant to hot corrosion attack. Show.

図10はCMSX−4試料のミクロ組織の顕微鏡写真であり、試料は、8.7μmのCrめっきで電気めっきした後、1975°Fで4時間加熱の拡散処理が施され、図8に示されるように700°Fを超える温度でNaSOによる高温腐食環境に曝されたものである。 FIG. 10 is a micrograph of the microstructure of the CMSX-4 sample. The sample was electroplated with 8.7 μm Cr plating and then subjected to diffusion treatment by heating at 1975 ° F. for 4 hours, as shown in FIG. Thus, it has been exposed to a high temperature corrosive environment with Na 2 SO 4 at a temperature exceeding 700 ° F.

図11Cは、基材合金中での距離に対するCr含有量の変化をプロットして示すグラフであり、白抜き三角記号はめっきしたままの試料、白抜き四角記号はめっき/拡散熱処理した試料、白抜き菱形記号は、めっき/拡散熱処理/高温腐食試験した試料(タイプI高温腐食試験)である。距離「0」は、基材の表面である。   FIG. 11C is a graph plotting the change in Cr content with respect to distance in the base alloy, where the open triangle symbol indicates the as-plated sample, the open square symbol indicates the plated / diffusion heat-treated sample, white The open diamond symbol is a sample subjected to plating / diffusion heat treatment / high temperature corrosion test (type I high temperature corrosion test). The distance “0” is the surface of the substrate.

図11Cの後者の2つの試料を比較すると、高温腐食試験後のCr含有量は、事実上変化していない。   Comparing the latter two samples of FIG. 11C, the Cr content after the hot corrosion test is virtually unchanged.

<実施例2>
本発明の例示的な他の実施態様では、以下の処理ステップを使用する:
<Example 2>
In another exemplary embodiment of the invention, the following processing steps are used:

1.白金改質拡散アルミナイドコーティングをガス経路表面(12)(20a)に形成する場合、これら表面には、所望により、米国特許第5,788,832号に記載されたPtの層で電気めっきする。この特許は、既に引用を以て本明細書に組み込まれている。また、単なる拡散アルミナイドコーティングを形成したい場合には、このステップは省略することができる。   1. When platinum modified diffusion aluminide coatings are formed on gas path surfaces (12) (20a), these surfaces are optionally electroplated with a layer of Pt as described in US Pat. No. 5,788,832. This patent has already been incorporated herein by reference. Also, this step can be omitted if it is desired to form a simple diffusion aluminide coating.

2.高温の第1領域と第2領域をアルミナイジングして拡散アルミナイドコーティング(例えば、ステップ1を実施した場合は、Pt改質拡散アルミナイドコーティング)を形成する。第2領域を保護するマスキングはしない。   2. A high temperature first and second regions are aluminized to form a diffusion aluminide coating (eg, Pt modified diffusion aluminide coating if step 1 is performed). Masking for protecting the second region is not performed.

3.拡散アルミナイドコーティングを、第2領域から、グリットブラスティング、機械加工又はその他の技術によって選択的に除去して基材合金を露出させる。なお、第1領域の拡散アルミナイドコーティングは残したままである。   3. The diffusion aluminide coating is selectively removed from the second region by grit blasting, machining or other techniques to expose the base alloy. Note that the diffusion aluminide coating in the first region remains.

4.第1領域の拡散アルミナイドコーティングを、実施例1に記載したようにマスキングする。   4). The diffusion aluminide coating in the first region is masked as described in Example 1.

5.露出した低温の第2領域にCr電気めっきを施す。ステップ2で形成された拡散アルミナイドコーティングは、ステップ4のマスキングで被覆されている。Cr電気めっきは、液体電気めっき浴を使用して、例えば212°Fよりも低温で実施される。第1領域のマスキングが室温での低温めっき浴条件下で有効であるため、Cr電気めっきによる成膜は、局所的に行なうことができる。   5. Cr electroplating is performed on the exposed low-temperature second region. The diffusion aluminide coating formed in step 2 is coated with the masking in step 4. Cr electroplating is performed using a liquid electroplating bath, for example, at temperatures below 212 ° F. Since the masking of the first region is effective under a low temperature plating bath condition at room temperature, film formation by Cr electroplating can be performed locally.

5.CrめっきをCMSX−4基材合金の中に拡散させて、Crが富化された耐高温腐食性コーティングを形成する。Crめっきの拡散により、超合金基材との結合が向上し、得られたCr富化層の延性を向上させる。   5. Cr plating is diffused into the CMSX-4 substrate alloy to form a Cr-enriched hot corrosion resistant coating. Due to the diffusion of the Cr plating, the bonding with the superalloy substrate is improved, and the ductility of the obtained Cr-enriched layer is improved.

クロム電気めっき工程は、実施例1の電気めっき業者が実施する。CVDアルミナイジング工程は、実施例1のパラメータを使用して実施する。Crの拡散熱処理は、実施例1のパラメータを使用して実施する。   The chrome electroplating process is performed by the electroplating company of Example 1. The CVD aluminizing process is performed using the parameters of Example 1. The Cr diffusion heat treatment is performed using the parameters of Example 1.

<他の実施例>
図3及び図4は、本発明の他の実施例を示している。図3において、アルミナイズされた層(Ptによる改質はあっても無くてもよい)AL’が、シャンク部(18)の上部領域に施される。プラットフォーム表面(20b)からプラットフォーム(20)の下の所定距離まで又は平面までは、図示されたように、他のコーティングAL、CRがある。図4において、基部領域には、タービンブレードのタービンディスクに近いさらに低温領域に、コーティングされていない取付部(17)が設けられている。取付部(17)は、アルミナイジング中及びCrめっき中、マスキングされている。取付部(17)は、コーティングされていない基材合金を含んでいる。この取付部(17)は、ブレード設計上、他のコーティングAL、CRを含むどんなコーティングも許容することができない。
<Other embodiments>
3 and 4 show another embodiment of the present invention. In FIG. 3, an aluminized layer (which may or may not be modified by Pt) AL ′ is applied to the upper region of the shank portion (18). From the platform surface (20b) to a predetermined distance or plane below the platform (20), there are other coatings AL, CR, as shown. In FIG. 4, the base region is provided with an uncoated mounting portion (17) in a lower temperature region near the turbine disk of the turbine blade. The attachment portion (17) is masked during aluminizing and Cr plating. The attachment portion (17) includes an uncoated base alloy. This mounting portion (17) cannot accept any coating including other coatings AL and CR due to the blade design.

本発明は、タービンブレードにおけるAl領域、Al/Cr領域、Cr領域、コーティングされていない領域の多くの組合せが可能であり、ガスタービンエンジンの様々な使用条件に適合させるのに必要な所望のコーティング機能を提供する。   The present invention allows for many combinations of Al, Al / Cr, Cr, and uncoated areas in a turbine blade, and the desired coating required to adapt to various usage conditions of a gas turbine engine. Provide functionality.

本発明について、幾つかの詳細な実施例に関して説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された発明の精神及び範囲から逸脱することなく、その態様及び詳細に種々の変更をなすことができることは理解されるだろう。   While the invention has been described in terms of several detailed embodiments, those skilled in the art will recognize that various modifications can be made to the embodiments and details without departing from the spirit and scope of the claimed invention. It will be understood that it can be done.

Claims (10)

第1領域と前記第1領域とは異なる第2領域とを有する基材に異なる種類のコーティングを形成する方法であって、
(a)基材の第1領域に拡散アルミナイドコーティングを形成するステップ
(b)ステップaの後、基材の第2領域に、クロムを含む金属を堆積させてクロム含有金属コーティングを形成するステップ
(c)形成された前記クロム含有金属コーティングのクロムを基材の中に拡散させて、基材の第2領域にクロム富化拡散層を形成するステップ、を含方法。
A method of forming different types of coatings on a substrate having a first region and a second region different from the first region ,
(A) forming a diffusion aluminide coating on the first region of the substrate,
(B) after step a, the second region of the substrate, a step of depositing a metal containing chromium to form a chromium-containing metallic coating,
(C) formed the chromium chromium-containing metal coating is diffused into the substrate, steps and, the including a method for forming a chromium enriched diffusion layer in the second region of the substrate.
ステップaの前に、前記第2領域にマスキングされる、請求項1の方法。 Prior to step a, the masking is facilities in the second region, the method of claim 1. ステップbの前に、第1領域に形成された拡散アルミナイドコーティングにマスキングされる、請求項1の方法。 Prior to step b, the masking is facilities diffusion aluminide coating formed on the first region, the method of claim 1. 第1領域と前記第1領域とは異なる第2領域とを有する基材に異なる種類のコーティングを形成する方法であって、A method of forming different types of coatings on a substrate having a first region and a second region different from the first region,
(a)基材の第1領域及び第2領域に拡散アルミナイドを形成するステップと、(A) forming a diffusion aluminide in the first region and the second region of the substrate;
(b)基材の第2領域に形成された拡散アルミナイドコーティングを除去するステップと、(B) removing the diffusion aluminide coating formed on the second region of the substrate;
(c)ステップbの後、基材の第2領域に、クロムを含む金属を堆積させてクロム含有金属コーティングを形成するステップと、(C) after step b, depositing chromium-containing metal on the second region of the substrate to form a chromium-containing metal coating;
(d)形成された前記クロム含有金属コーティングを拡散熱処理することにより、クロムを基材の中に拡散させて、基材の第2領域にクロム富化拡散層を形成するステップと、を含む方法。(D) performing a diffusion heat treatment on the formed chromium-containing metal coating to diffuse chromium into the substrate to form a chromium-enriched diffusion layer in the second region of the substrate. .
ステップcの前に、第1領域に形成された拡散アルミナイドコーティングにマスキングが施される、請求項の方法。 The method of claim 4 , wherein the diffusion aluminide coating formed in the first region is masked prior to step c . クロム含有金属コーティングは、電気めっき又は電気泳動堆積法によって形成される、請求項1又は4の方法。 The method of claim 1 or 4 , wherein the chromium-containing metal coating is formed by electroplating or electrophoretic deposition . クロム含有金属コーティングは、液体キャリアの中にクロム含有粒子を含むスラリーコーティング法によって形成される、請求項1又は4の方法。 The method of claim 1 or 4 , wherein the chromium-containing metal coating is formed by a slurry coating process comprising chromium-containing particles in a liquid carrier . 前記基材は、ニッケル基又はコバルト基合金からなるタービンブレードであって、前記第1領域が、エアフォイル領域(12)及びプラットフォーム領域(20)のエアフォイル側の面(20a)であり、前記第2領域が、基部領域(14)及びプラットフォーム領域(20)の基部領域側の面(20b)である、請求項1又は4の方法。 The base material is a turbine blade made of a nickel-based or cobalt-based alloy, and the first region is an airfoil side surface (20a) of an airfoil region (12) and a platform region (20), The method according to claim 1 or 4, wherein the second region is a base region side surface (20b) of the base region (14) and the platform region (20) . クロム含有金属コーティングは、212°F(100℃)よりも低い温度電気めっきで形成される請求項1又は4の方法。 Chromium-containing metallic coating method of claim 1 or 4 is formed by electroplating a lower temperature than 212 ° F (100 ℃). ニッケル基又はコバルト基合金からなり、エアフォイル領域(12)、プラットフォーム領域(20)及び基部領域(14)を含むタービン部品であって、A turbine component comprising a nickel-based or cobalt-based alloy and comprising an airfoil region (12), a platform region (20) and a base region (14),
エアフォイル領域(12)とプラットフォーム領域(20)のエアフォイル側の面(20a)とを含む第1領域に拡散アルミナイドコーティングが形成され、  A diffusion aluminide coating is formed in a first region including the airfoil region (12) and the airfoil-side surface (20a) of the platform region (20);
基部領域(14)とプラットフォーム領域(20)の基部領域側の面(20b)とを含む第2領域に、クロム含有金属コーティングが形成され、  A chromium-containing metal coating is formed on the second region including the base region (14) and the base region side surface (20b) of the platform region (20);
前記第2領域は、クロム富化拡散層を含む、タービン部品。  The turbine region, wherein the second region includes a chromium enriched diffusion layer.
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