JP2000192258A - 改良されたコ―ティングおよび高温使用中での基材の消耗を最小にする方法 - Google Patents

改良されたコ―ティングおよび高温使用中での基材の消耗を最小にする方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改良されたコーティング、および中間金属
アルミナイド層を形成することによって、高温使用中の
支持体材料の消耗を最小にするコーティングの適用方法
を提供する。 【解決手段】 電気めっきや無電解めっき等の方法によ
り、NiまたはCoあるいはNiとCoの組合せの層をオーバー
レイとして支持体材料に適用する。その後、めっきされ
た該支持体を高温でアルミニウム源に曝すことによっ
て、その表面に拡散アルミナイドを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンエンジ
ンに関し、さらに詳しくはガスタービンエンジンのター
ビン部分内のエアフォイルに適用される拡散バリヤー層
(diffusion barrier layer)に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、熱バリヤーコーティング(TBC:the
rmal barrier coating)システムにおける環境保護用お
よびボンドコーティング(bond coats)として、ガスター
ビン内の高温燃焼ガスに曝されるエアフォイルに使用さ
れるコーティングは、ニッケルおよび白金のアルミナイ
ド(aluminide)である。これらのコーティングは支持体
材料、典型的にはニッケルベースの超合金に適用され
て、酸化や腐食の侵食に対して保護を行う。これらのコ
ーティングは多くの異なった方法で支持体上に形成され
る。例えば、単に支持体を高温でアルミニウムリッチな
環境に暴露することによって、典型的にはニッケルアル
ミナイドNiAlがニッケルベースの超合金上に外部コーテ
ィングとして成長する。アルミニウムは支持体中に拡散
し、ニッケルと結合してNiAlの外部コーティングを形成
する。
【０００３】白金アルミナイド(PtAl)コーティングは、
ニッケルベースの支持体上に白金を所定の厚さで電気め
っきすることによって形成される。その後、高温でアル
ミニウムリッチな環境にプラチナを曝すことにより、ア
ルミニウムが白金中に拡散し且つ反応するにつれてPtAl
の外層が成長する。同時に、Niが支持体の外方から拡散
する一方、アルミニウムは白金中を内方に拡散する。
【０００４】このようにして、Ptを電気めっきした支持
体を高温でアルミニウムリッチな環境に曝すことによっ
て、(Pt,Ni)Alの複合体構造が形成される。アルミニウ
ムが支持体に向かって内方に拡散し且つNiがPt中を外方
に拡散するにつれて、PtAlx相が固溶体から析出するた
め得られた金属間化合物Pt-NiAlも金属間化合物PtAlx(x
は2または3である)の析出物を含む。
【０００５】アルミナイドも、熱バリヤーシステムにお
けるボンドコーティングとして用いられ、支持体とアル
ミナイド上に適用されるイットリア安定化ジルコニア(Y
SZ)等のさらなる耐熱性セラミックコーティングとの間
に存在する。しかし、これらの拡散アルミナイドの形成
プロセスは本質的に同じであり、すなわち、通常支持体
は充填法(pack process)やCVD法を用いて高温でアルミ
ニウムに曝され、得られるアルミナイドは表面上で成長
する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】熱バリヤーシステムに
おいて環境コーティングまたはボンドコーティングとし
て適用されても、ガスタービンエンジンの高温ガス環境
において一定時間を超えると、１または数種の進行する
プロセス、すなわち、エアフォイル上の高温ガスの衝突
による浸食、燃焼生成物中の汚染物質とエアフォイル表
面との反応による腐食、および酸化の結果、コーティン
グは次第に劣化する。
【０００７】使用後、エアフォイルを修理するため、腐
食生成物および酸化生成物だけでなく、それらがまだ除
去されなくても、以前に適用されたコーティングも除去
する必要がある。コーティングは拡散プロセスによって
支持体中で成長するため、かつて支持体材料であった部
分を除去することも含む。この部分は薄いため、最小許
容厚さは変更できず、修復プロセスによってエアフォイ
ルを再利用できる回数が限定される。
【０００８】本発明の主目的は、支持体中へのコーティ
ングの成長が排除または最小化された、ガスタービン用
のエアフォイル上への保護アルミナイドコーティングの
形成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、ニッケルベー
スの超合金製支持体用の保護コーティングを提供すると
ともにガスタービンに用いられるエアフォイル等の超合
金製部品用の拡散バリヤーとしても機能する保護コーテ
ィングに関する。
【００１０】本発明の利点は、支持体材料中への保護コ
ーティングの成長を抑制することによって、タービンエ
アフォイルの寿命を延ばすことにある。これにより、そ
の後のコーティングの除去時にエアフォイルの初期の肉
厚に加わる衝撃が最小となるため、現在行われているよ
りも多い修理回数でもエアフォイル寿命を延ばすことが
できる。
【００１１】本発明のシステムの他の利点は、拡散バリ
ヤー層によって、高温作業中にCo、Cr、W、Re、Ta、Mo
およびTi等の合金元素の支持体からの外方移行が抑制さ
れるため、支持体の機械的および冶金的特性が維持され
る。
【００１２】本発明のシステムのさらなる利点は、拡散
バリヤー層によって、コーティングからのアルミニウム
の内方移行が抑制されるため、コーティングのアルミニ
ウム含量が他の方法によるように早く減少することはな
い。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は、ニッケルベースの超合
金製支持体を有してなるガスタービンエンジンにおいて
見られるような高温酸化環境下で使用される物品を提供
する。ニッケルベースの超合金製支持体を覆うのは、コ
バルトまたはニッケルあるいはコバルトとニッケルの組
合せから構成される密着性金属コーティングである。
【００１４】金属層を支持体上に適用し、高温で該金属
層を高濃度のアルミニウムに曝すことにより、アルミナ
イドの外層が形成される。このようにしてアルミニウム
は、Co、NiまたはCoとNiの組合せからなる前記金属コー
ティング中を拡散して、超合金製支持体との反応を抑制
または遅延させる。
【００１５】本発明の金属拡散バリヤー層はアルミ化(a
luminiding)の前に新しいエアフォイルに適用してもよ
く、修理サイクルの一部として使用中に取り外されたエ
アフォイルに適用してもよい。本発明の金属拡散バリヤ
ーは使用中に取り外されたエアフォイルに予め存在する
コーティングを除去した後に適用する。
【００１６】
【実施例】以下、好ましい具体例により本発明の他の特
徴および利点を明らかにする。本発明は、保護アルミニ
ウムコーティングを形成する前に、Ni、CoまたはNiとCo
の組合せからなる群より選ばれる金属の薄層をエアフォ
イル等のタービンエンジン部品の表面上に析出させるこ
とを特徴とする。典型的には、エアフォイル等の部品は
超合金、主にRene 80、Rene N5、Rene N6、Rene 142、R
ene 162等の周知のNiベースの超合金から作られてい
る。これらの超合金は多くの合金成分を含む。Rene 80
の公称組成は、例えば、重量%として、0.17%C、0.2%M
n、0.2%Si、14.0%Cr、9.5%Co、3.0%Al、5.0%Ti、4.0%M
o、0.2%Fe、0.015%B、0.03%Zr、4.0%W、残部としてのNi
および不可避不純物である。他の超合金製支持体材料は
同様の元素を重量%で含む。Ni、Coまたはそれらの組合
せをエアフォイルの上に適用すると、それは最初保護ア
ルミニウムコーティングが成長する新しい表面として機
能する。勿論、ガスタービンの技術分野において周知の
ように、アルミナイドコーティングはかかるエアフォイ
ル用の環境コーティングとして機能するが、熱バリヤー
トップコーティングを覆うボンドコーティングとして機
能してもよい。修理やメンテナンス(refurbishment)の
ためにエンジンを使用中に取り外す場合、メンテナンス
を行うため、存在するコーティングや、タービン構成部
品の外表面上に形成されたいずれの酸化または燃焼生成
物をも除去する必要がある。このようにして、本発明に
おいては、アルミナイド保護コーティングを形成してメ
ンテナンス中に除去される支持体材料の量を最小にする
のに用いる点で、適用金属は犠牲的である。勿論、存在
するタービン部品用に、存在するコーティングを除去し
た後、Ni、CoまたはNiとCoの組合せを添加してもよく、
それは現行の方法を用いることにより、支持体中に成長
する。この添加した金属は除去した支持体材料に取って
代わり、それにより、通常のアルミナイジングおよび除
去の結果としてすでに薄くなった支持体中に直接成長す
るのではなく、添加金属中に新しい保護コーティングが
成長する。また、添加した金属は拡散バリヤーとして機
能してAlの内方移行を制限するため、保護アルミナイド
コーティングの形成および使用中に最小量の支持体が消
費される。
【００１７】エンジンのタービン部分におけるガスター
ビンの作動温度は約１０９３℃(2000°F)であり拡散プ
ロセスを無視できない十分高い温度である。この温度で
は、パックパウダー法(pack powder process)や他の同
様の方法によって添加されて、アルミナイド外部保護面
を形成するアルミニウムが、アルミニウム層を介して支
持体中に移行する傾向にある。Co、W、Re、Ta、Y、V、M
o等の支持体元素が、アルミナイド層中に存在すると、
支持体から外表面に拡散し、そこで密着性でない酸化物
を形成する傾向にある。この拡散プロセスは以下の点で
アルミナイド保護層に悪影響を与える。すなわちアルミ
ニウムを減少させてその保護表面として機能する能力を
変化させ且つその下の支持体の組成を変化させ、さら
に、拡散領域が形成されて化学的および機械的性質が変
化する。拡散プロセスは時間および温度に依存するた
め、拡散プロセスの効果を示すためにはNiの相対的に薄
い層が好ましい。他の好ましい実施態様において、コバ
ルト層を介しての内方へのアルミニウムの拡散およびコ
バルト層を介しての外方への合金元素の拡散は非常に遅
いため、Coの薄層を適用して拡散プロセスの効果を遅ら
せる。このようにして、コバルトの薄層は、アルミナイ
ド保護コーティングの形成のための効果的な表面とし
て、また、支持体に向かって内方へのアルミニウムの移
行および支持体から外方への合金元素の移行を抑制する
拡散バリヤーとして機能する。
【００１８】使用中にガスタービンから取り外される超
合金製部品を修理するために本発明を用いると、高温ガ
ス燃焼に曝された結果として外表面上に形成される酸化
および腐食生成物、および他の汚染物質をまず除去する
必要がある。これは通常脱脂およびグリットブラスト仕
上げによって達成される。その後、部品の外面からコー
ティングを除去する必要がある。このコーティングとし
て、グリットブラスト仕上げにより除去されるイットリ
ア安定化ジルコニア等の熱バリヤーコーティング、およ
びアルミナイドボンドまたはアルミナイド環境コーティ
ングが挙げられる。アルミナイドコーティングの除去は
通常酸ストリッピングまたはフッ素イオン洗浄(FIC:flu
oride ion cleaning)によって達成される。勿論、多く
の従来技術のアルミナイドがアルミナイドを支持体中に
成長させることによって適用されるため、除去プロセス
は支持体の厚さを減少させる。
【００１９】コーティングの除去およびFICの後、超合
金製部品のメンテナンスは新しいタービン部品の使用の
ための準備と実質的に同じである。これらの部品は、典
型的には、タービン翼や羽根等のエアフォイルである。
NiまたはCoあるいはNiとCoの組合せの金属の薄層を部品
の表面に析出させて該表面を被覆する。前述のようにAl
および他の元素はNiよりもCo中の方がゆっくりと拡散す
るため、十分効果的に拡散を遅くするのにNiの薄層が必
要となる。析出金属の厚さは約２〜60ミクロンの間で変
化し、すなわち、Coは厚さの範囲の下端で適用し、Niは
厚さの範囲の上端で適用し、中間の範囲で厚さが重複す
る。高品質で均一なコーティング厚さを与えるいずれの
通常技術によって金属を析出させてもよい。これらのプ
ロセスとして、電気めっき、物理蒸着、無電解めっきお
よび化学蒸着が挙げられる。本発明の特徴および作用に
悪影響を与えないある種の微量不純物が析出金属中に存
在することがわかる。
【００２０】析出後、金属コーティングされた部品を高
温でアルミニウム源に曝すため、金属の外表面と反応す
ることによって拡散アルミナイドが形成される。拡散ア
ルミナイドは、部品を充填法やオーバーパック法(over-
the-pack process)に適用する等、これらのコーティン
グを成長させるいずれの周知の、時の試練を経た方法に
よって成長させてもよい。他の好ましい方法として、化
学蒸着および気相アルミナイジングが挙げられる。勿
論、当業者であれば、一定時間を超えるとAlがコーティ
ングから拡散するにつれて支持体からのNiがCo中に拡散
し、コーティング中に(Co,Ni)Alアルミナイド複合体を
形成する。アルミナイドコーティング厚さは合金系によ
って異なうが典型的には、アルミニウム源に曝した後に
約２〜90ミクロンの厚さを有する。
【００２１】Niを十分な厚さで適用すると、Alの外表面
から支持体への拡散を遅らせるのに役立ち、下にある支
持体に及ぼす効果を最小にする。しかし、本発明は、Co
の拡散バリヤー特性の利点を利用するのに用いると最も
効果的である。好ましい実施態様において、典型的には
約２〜10ミクロンの厚さ、最も好ましくは約10ミクロン
の厚さでCoの薄層を支持体上に適用する。その後、拡散
アルミナイドコーティングを前述のように形成する。こ
の実施態様において、Coは超合金製支持体中へのアルミ
ニウムの拡散を遅らせる拡散バリヤーとして機能する。
このように形成されたアルミナイドは、拡散バリヤーの
不在下で支持体を形成する場合に比べて厚さが薄い。こ
の方法によりコーティングされた部品をつぎに修理する
場合、通常の方法によってコーティングされた部品に比
べて除去されるべき材料の量は少ない。
【００２２】その他の好ましい実施態様において、典型
的には約１〜10ミクロンの厚さ、最も好ましくは約10ミ
クロンの厚さでCoの薄層を支持体上に適用する。その
後、NiおよびPtからなる群より選ばれる金属の薄層をCo
上に析出させる。この第２層の厚さは約２〜25ミクロン
の間で変化する。最も好ましくは、Ptを析出させる際、
約５〜10ミクロンの厚さで適用する。前述のように、典
型的な金属適用技術を用いてこれらの金属層を析出させ
る。その後、前述のように、アルミナイドコーティング
を形成する。この実施態様においては、NiまたはPtの金
属外層は保護アルミナイドを形成する。しかし、後に続
く高温暴露の間、Coは拡散バリヤーとして機能する。Al
がアルミナイドから内方に拡散するにつれて、さらなる
CoAlの保護コーティングが表面に形成され、NiまたはPt
がCoの上に析出されるかによって、(Ni,Co)Alまたは(P
t,Co)Alの複合アルミナイドコーティングとなる。この
複合アルミナイドは外側のCo表面から成長する。AlがNi
よりも速く拡散するため、一定時間を超えると、Alの外
側のアルミナイドから内方への拡散とNiの支持体からの
拡散とがCo中で一緒になって、Co/支持体界面近傍でさ
らにNiAlの複合体を形成する。しかし、Coの拡散バリヤ
ーとしての効果は、この反応が相対的に取るに足らない
ものであり、この反応のCo/支持体界面での効果が通常
に比べて最小限であることにある。
【００２３】本発明のコーティングの総合的効果は、効
果的な保護アルミナイドをガスタービンに用いられる超
合金製タービン部品に適用することであるため、部品の
寸法一体性が最小になるとともに、超合金製支持体材料
に及ぼす高温ガスタービン環境の悪影響を最小にするた
め、支持体の化学的および機械的性質が実質的に維持さ
れる。具体例および実施態様に関して本発明を詳しく説
明したが、当業者であれば本発明の範囲において他の変
形や変更が可能であることが理解できよう。これらの具
体例および実施態様は説明のためのものであって、添付
の請求の範囲に示すように、本発明の範囲内のいかなる
方法に限定するものではない。
【００２４】
【発明の効果】支持体材料中への保護コーティングの成
長を抑制することによってタービンエアフォイルの寿命
を延ばすことができるため、その後のコーティングの除
去時にエアフォイルの初期の肉厚に加わる衝撃が最小と
なり、現在行われているよりも多い修理回数でもエアフ
ォイル寿命を延ばすことができる。また、拡散バリヤー
層によって、高温作業中にCo、Cr、W、Re、Ta、Moおよ
びTi等の合金元素の支持体からの外方移行が抑制される
ため、支持体の機械的および冶金的特性が維持される。
さらに、拡散バリヤー層によって、コーティングからの
アルミニウムの内方移行が抑制されるため、コーティン
グのアルミニウム含量の減少が他の方法よりも遅い。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｃ２３Ｃ 16/34 Ｃ２３Ｃ 16/34 (72)発明者 シー トゥング ニアム シンガポール国 359231 ジャラン ジラ ング 62 (72)発明者 ジェンファー フー シンガポール国 520458 ナンバー06− 296 タンピンズ ストリート 42 ブロ ック 458

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンに使用されて取り外された
    超合金製タービン部品の修理方法であって、修理中に該
    部品の露出面から酸化および腐食生成物を除去し、該部
    品の露出面に存在するアルミナイド(aluminide)コーテ
    ィングを除去し、ニッケルNi、コバルトCoおよびNiとCo
    の組合せからなる群より選ばれる元素の薄層を該部品の
    表面上に析出(deposit)させることにより、その表面を
    被覆した後、高温で該被覆面をアルミニウム源に曝すこ
    とにより、拡散アルミナイドコーティング(diffusion a
    luminide coating)を形成することよりなる修理方法。
  2. 【請求項２】 前記Ni、CoおよびNiとCoの組合せからな
    る群より選ばれる元素の薄層を、修理中に電気めっき、
    物理蒸着、無電解めっきおよび化学蒸着からなる群より
    選ばれる方法により、前記部品の表面上に析出させる請
    求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記薄層が、約２ないし50ミクロン（μ
    ｍ）の厚さを有する請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記薄層が、約２ないし10ミクロン（μ
    ｍ）の厚さを有する請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記薄層が、約10ミクロン（μｍ）の厚
    さを有する請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記拡散アルミナイドコーティングを形
    成する工程が、充填法(pack process)で達成される請求
    項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記拡散アルミナイドコーティングを形
    成する工程が、オーバー充填法(over-the-pack proces
    s)で達成される請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記拡散アルミナイドコーティングを形
    成する工程が、化学蒸着法で達成される請求項１記載の
    方法。
  9. 【請求項９】 前記拡散アルミナイドコーティングを形
    成する工程が、気相アルミナイド法(aluminide proces
    s)で達成される請求項１記載の方法。
  10. 【請求項10】 ガスタービンに使用されて取り外された
    超合金製タービン部品の修理方法であって、修理中に前
    記部品の露出面から酸化および腐食生成物を除去し、該
    部品の露出面に存在するアルミナイドコーティングを除
    去し、該部品の露出面上にCoの薄層を析出させ、Niおよ
    びPtからなる群より選ばれる元素の薄層を該部品の表面
    を覆うCo層上に析出させることにより、Coの薄層にオー
    バーコートし、高温で該オーバーコート面をアルミニウ
    ム源に曝すことにより、拡散アルミナイドコーティング
    を形成することよりなる修理方法。
  11. 【請求項11】 前記部品の露出面上にCoの薄層を、約２
    ないし10ミクロン(μｍ）の厚さに析出させる請求項10
    記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記NiおよびPtからなる群より選ばれる
    元素の薄層を、前記部品の表面を覆うCoの層上に約２な
    いし25ミクロン（μｍ）の厚さに析出させる請求項10記
    載の方法。
  13. 【請求項13】 超合金製基材支持体と、該超合金製基材
    を覆う拡散アルミナイドコーティングとを有してなるガ
    スタービンエンジン用超合金製タービン部品であって、
    該拡散アルミナイドコーティングが、まずNiおよびCoか
    らなる群より選ばれる元素の層を析出させることにより
    該部品の表面を被覆した後、高温で該被覆面をアルミニ
    ウム源に曝すことにより超合金製支持体上に形成される
    ため、前記拡散アルミナイドコーティングが実質的に前
    記部品の表面を被覆する層内にアルミニウムを拡散させ
    ることにより形成され、該アルミニウム源と反応して該
    拡散アルミナイドコーティングを形成する該超合金基材
    からの材料の量が、実質的に減少して超合金製基材支持
    体の寸法および化学的一体性(integlity)が実質的に維
    持されてなる超合金製タービン部品。
  14. 【請求項14】 前記超合金製基材を覆う拡散アルミナイ
    ドコーティングが、まずCoの薄層を該超合金製基材上に
    析出させた後、拡散アルミナイドコーティングを形成す
    る前にNiおよびPtからなる群より選ばれる元素の薄層を
    析出させることにより形成されてなる請求項13記載の超
    合金製タービン部品。
  15. 【請求項15】 ガスタービンエンジンのタービン部分用
    の超合金製タービン部品の修理方法であって、該部品の
    露出面を洗浄し、修理中にNi、CoおよびNiとCoの組合せ
    からなる群より選ばれる元素の薄層を該部品の表面上に
    析出させることにより、その表面を被覆した後、高温で
    該被覆面をアルミニウム源に曝すことにより、拡散アル
    ミナイドコーティングを形成する工程を有してなる修理
    方法。
  16. 【請求項16】 前記薄層が、約２ないし50ミクロン(μ
    ｍ）の厚さを有する請求項15記載の方法。
  17. 【請求項17】 前記薄層が、約２ないし10ミクロン(μ
    ｍ）の厚さを有する請求項16記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記拡散アルミナイドコーティングを形
    成する工程が、充填法で達成される請求項15記載の方
    法。
  19. 【請求項19】 前記拡散アルミナイドコーティングを形
    成する工程が、オーバー充填法で達成される請求項15記
    載の方法。
  20. 【請求項20】 前記拡散アルミナイドコーティングを形
    成する工程が、化学蒸着法で達成される請求項15記載の
    方法。
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