JP2005264332A - 中空物品をアルミナイド被覆する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、中空物品をアルミナイド被覆する方法を提供する。
【解決手段】 アルミナイド皮膜（５６、６０）は、中空内部（４２）と該中空内部（４２）へのアクセス開口とを有する物品（３０）を準備し、アクセス開口を通して中空内部（４２）にアルミナイド被覆用テープ（６２）を配置し、かつアルミナイド被覆用テープ（６２）に加えて外部アルミニウム蒸気供給源を用いて中空物品（３０）を気相アルミナイド処理することによって、中空物品（３０）上に形成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、物品へのアルミナイド皮膜の施工に関し、より具体的には、中空物品をアルミナイド被覆することに関する。

航空機用ガスタービン（ジェット）エンジンでは、空気は、エンジンの前面内に取り込まれ、シャフト支持した圧縮機によって圧縮され、燃料と混合される。混合気は燃焼されて、高温燃焼ガスが、同じシャフトに取付けられたタービンを通って流れる。燃焼ガスの流れは、それぞれのタービンブレード及びベーンの翼形部セクションに対して衝突することによってタービンを回転させ、それによってシャフトを回転させ、圧縮機に動力を供給する。高温排気ガスは、エンジンの後部から流れて、エンジン及び航空機を前方に推進する。

燃焼ガス及び排気ガスが高温であればあるほど、ジェットエンジンの運転はより効率的になる。従って、燃焼ガス及び排気ガス温度を高めることに対する誘因がある。燃焼ガスの最高温度は、通常、エンジンの高温セクション構成部品を製作するのに用いる材料によって制限される。これらの構成部品には、それに対して高温燃焼ガスが直接衝突するガスタービンのタービンベーン及びタービンブレードが含まれる。現在のエンジンでは、タービンベーン及びブレードは、ニッケル基超合金で作られ、最大約９８２〜１１５０°Ｃ（１８００〜２１００°Ｆ）までの温度で運転可能である。これらの温度では、構成部品は、酸化及び腐食による損傷を受けやすい。

酸化及び腐食に対して高温セクション構成部品を保護するために用いる１つの方法では、タービンブレードの表面の一部分が保護皮膜で被覆される。保護皮膜の１つのタイプは、保護すべき基体材料上に被着させたアルミニウム含有保護皮膜である。被着したアルミニウム含有皮膜は、基体材料中に内部拡散し、アルミニウム含有保護皮膜の露出表面は、酸化して下にある基体を保護する付着アルミニウム酸化物スケールを形成する。

タービンブレード及びベーンの外部表面を被覆するためには幾つかの方法が利用できる。しかしながら、一部のケースでは、冷却空気の貫流を可能にするために、或いは翼形部セクションの重量を軽減するために、或いはその両方の理由から、翼形部セクションは中空になっている。中空セクションの外部及び内部表面を一様に被覆することは、達成するのが難しく、特に被覆蒸気を端部から端部に貫流させるのが不可能な場合に、またタービンブレード又はベーンが実用使用に供されていて改修のために戻された後の改修作業において特に難しい。

このような構成部品の外部表面及びまた内部表面を厚さが適度に一様であるアルミナイド皮膜で被覆するための方法に対する必要性が存在する。本発明は、この必要性を満たし、さらに関連する利点をもたらす。

本発明は、中空物品の内部及び外部表面上にアルミナイド皮膜を形成する方法を提供する。本方法は、既に実用使用した中空物品の改修に特に有用である。この方法では、内部表面及び外部表面全体にわたる堅牢で十分な厚さの適度に一様な皮膜が得られる。

中空物品上にアルミナイド皮膜を形成する方法は、中空内部と該中空内部へのアクセス開口とを有する物品を準備する段階と、アクセス開口を通して中空内部にアルミナイド被覆用テープを配置する段階と、アルミナイド被覆用テープとは別の外部アルミニウム蒸気供給源を用いて中空物品を気相アルミナイド処理（「ＶＡＰ」）する段階とを含む。一般的に、物品は、既に実用使用したものであり、本方法は、その物品を改修するために用いられる。

最も関心のある用途では、物品は、ニッケル基合金であり、最も好ましくはニッケル基超合金である。この用途では、物品は、少なくともその一部分が中空になった翼形部セクションを有するタービンブレードである。中空内部は、ブレード先端から翼形部セクションの一部分内に延びる。１つの実施形態では、中空内部は、タービンブレードの全長にわたって延びておらず、中空内部の一端からタービンブレードの長さに沿って他端部まで皮覆蒸気を貫流させることが不可能である。物品はまた、コバルト基合金とすることができる。

アルミナイド被覆用テープは、少なくとも８５重量％のアルミニウム含有合金粉末を含み、残部は、有機質結合剤と随意選択的に塩化アンモニウムのような活性剤とであるのが最も好ましい。有機質結合剤は、気相アルミナイド処理と関連したその後の加熱の間に燃え尽きて有機質残留物を残さない状態になる。翼形部セクションの中空内部に配置されたアルミナイド被覆用テープの大きさ及び数量は、中空内部の大きさによって決まる。中空内部空洞が深さ２３．６ｍｍ（０．９３インチ）、長さ（空洞の前縁から空洞の後縁までの）２０．３ｍｍ（０．８インチ）、また最大幅４．０６ｍｍ（０．１６インチ）の大きさである場合には、各々が厚さ０．０１５インチ、幅０．１インチ、また長さ０．９５インチである合計４片のテープが、空洞の壁間で延びる既存のスティフナ間に位置する状態で空洞内に配置されるのが好ましい。

気相アルミナイド処理は、アルミナイド被覆用テープとは別の外部アルミニウム蒸気供給源を用いて行われる。気相アルミナイド処理を行うためには、中空内部にアルミナイド被覆用テープを有する中空物品は、アルミニウム蒸気を含む雰囲気内で少なくとも約１０２４°Ｃ（１８７５°Ｆ）、好ましくは約１０８０°Ｃ＋／−１４°Ｃ（１９７５°Ｆ＋／−２５°Ｆ）のアルミナイド処理温度に加熱される。一般的なアルミナイド処理法では、中空内部にアルミナイド被覆用テープを有する中空物品を加熱式アルミナイド処理コンテナの内部に配置し、またアルミニウム含有合金をアルミナイド処理コンテナの内部と連通した状態で配置して、中空内部にアルミナイド被覆用テープを有する中空物品及びアルミニウム含有合金は、内部表面及び外部表面上にアルミナイド皮膜の所望の厚さを被着させるのに十分な時間の間アルミナイド処理温度に加熱される。

本方法が開発される前には、気相アルミナイド処理法のみを用いてアルミナイド皮膜を改修するための試みがなされていた。結果は、アルミニウム蒸気が中空空洞の内部に侵入して、十分な厚さのかつ一様な皮膜を被着させるものではなかった。別の外部供給源を用いる気相アルミナイド処理を付加した、中空内部に挿入した被覆用テープは、翼形部の外部表面及び翼形部の中空部分の内部表面全体にわたって十分な厚さのかつ一様なアルミナイド皮膜を形成する。被覆用テープは、中空物品の内部にアルミナイド蒸気の信頼できかつ便利な供給源を提供する。粉末の化学的性質を制御しかつ粉末を取扱うことはより困難であり、粉末供給源で形成した皮膜分布はそれほど一様ではなく、粉末供給源では異なる最適被覆温度が用いられ、また粉末供給源法はアルミナイド被覆用テープの使用と比較して環境にそれほど優しくはないので、中空物品の内部には粉末供給源を用いない。

本発明の他の特徴及び利点は、実施例として本発明の原理を示す添付の図面と共になされた、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲は、この好ましい実施形態に限定されるものではない。

図１は、中空物品上にアルミナイド皮膜を形成する好ましい方法を示す。ステップ２０において、中空物品が準備される。図２は、本方法を用いて処理することができる物品３０の好ましい形態を示す。この場合は、物品３０は、ガスタービンブレード３２である。ガスタービンブレード３２は、ブレード先端３６を有する翼形部セクション３４と、ダブテール又はファーツリーセクションの形態の取付け部３８と、翼形部セクション３４と取付け部３８との間の部位から横方向外向きに延びるプラットホーム４０とを含む。

ガスタービンブレード３２は、金属合金、より好ましくはニッケル基合金、最も好ましくはニッケル基超合金の単体部品として作られるのが好ましい。本明細書で用いる場合、「ニッケル基」というのは、組成が他のいかなる元素よりも多く存在するニッケルを有することを意味する。ニッケル基超合金は、一般的にガンマプライム相又は関連する相の析出によって強化された組成になっている。標準的なニッケル基合金は、重量パーセント（％）で、約４〜約２０％のコバルト、約１〜約１０％のクロム、約５〜約７％のアルミニウム、０〜約２％のモリブデン、約３〜約８％のタングステン、約４〜約１２％のタンタル、０〜約２％のチタン、０〜約８％のレニウム、０〜約６％のルテニウム、０〜約１％のニオブ、０〜約０．１％の炭素、０〜約０．００１％のボロン、０〜約０．１％のイットリウム、０〜約１．５％のハフニウム、残部のニッケル及び付随不純物の広い範囲のサブレンジの数値量の構成元素を備えた組成を有するが、ニッケル基超合金はこの範囲を外れた組成を有することができる。これに代えて、ガスタービンブレード３２は、コバルト基合金で作ることができ、コバルト基合金は、他のいかなる元素よりも多く存在するコバルトを有する。このようなコバルト合金は、当技術分野ではタービンブレードに用いるのが知られている。このようなコバルト基合金の実施例はＭａｒ Ｍ５０９合金であり、Ｍａｒ Ｍ５０９は、重量％で、約０．６％の炭素、約０．１％のマンガン、約０．４％のケイ素、約２２．５％のクロム、約１．５％の鉄、約０．２％のチタン、約０．０１％のボロン、約０．５％のジルコニウム、約１０％のニッケル、約７％のタングステン、約３．５％のタンタル、残部のコバルト及び微量元素の公称組成を有する。

ガスタービンブレード３２は、ブレード先端３６から翼形部セクション３４の一部分内に延びる空洞４４の形態の中空内部４２を有する。図示したタービンブレード３２は、無冷却式タービンブレードであり、中空内部４２は、タービンブレードの重量を軽減するために存在する。空洞４４は、ブラインド空洞であり、この好ましい用途ではガスタービンブレード３２の全長にわたっては延びていない。その結果、空洞４４を通して端から端までアルミニウム含有ガスを流すことは不可能である。一連の棒状のスティフナ４６が、中空内部４２を貫通して空洞４４の対向する側面４８間で延びて、タービンブレード３２を補強しかつ剛性を与える。これらのスティフナ４６は、構造上の理由からガスタービンブレード３２内に存在するが、その存在は必ずしも本方法で必要とするものではない。図示したタービンブレード３２では、ブラインド空洞の中空内部４２へのアクセス開口５０は、ブレード先端３６を貫通している。本方法はまた、空洞４４が貫通空洞である場合にも用いることが可能であり、その場合アルミニウム含有ガスが空洞４４を真直ぐに通り抜けて端から端まで流れるようになるが、本方法の最も大きな利点は、空洞４４がブラインド空洞である場合に実現される。従って、本方法はまた、空気の冷却流がタービンブレードの中空内部を通って流れるような冷却式タービンブレードにおいても実施可能である。

図３は、翼形部セクション３４の壁５２を通る断面図である。壁５２の外部表面５４がその上に外部アルミナイド皮膜５６を有し、また壁５２の内部表面５８がその上に内部アルミナイド皮膜６０を有することが望ましい。ガスタービンブレード３２を実用使用した後における改修処理の間にガスタービンブレード３２の翼形部セクション３４に対して従来型の気相アルミナイド処理を実施する場合、外部アルミナイド皮膜５６は容易に施工される。しかしながら、内部アルミナイド皮膜６０は、厚さが一様にならず、空洞４４の底部付近では通常十分に厚くならない。

内部表面５８の被覆を達成するために、コード化テープと呼ばれることもあるアルミナイド被覆用テープ６２が、アクセス開口５０を通してガスタービンブレード３２の翼形部セクション３４の中空内部４２内に配置される。図２のガスタービンブレード３２の構成では、スティフナ４６間に複数のアルミナイド被覆用テープ６２が配置される。アルミナイド被覆用テープ６２は、随意選択的に活性剤を含有することができる。アルミナイド被覆用テープは、少なくとも８５重量％のアルミニウム含有合金粉末を含み、残部が、有機質結合剤と随意選択的に塩化アンモニウムのような活性剤とであるのが最も好ましい。有機質結合剤は、その後の加熱処理の間に燃え尽きて有機質残留物を残さない状態になる。このようなアルミナイド被覆用テープ６２は、当技術分野では公知であり、例えばその開示内容を参考文献として本明細書に組入れている米国特許第５，３３４，４１７号を参照されたく、また例えばコネチカット州ベスル所在のＶｉｔｔａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ又はスイス国のＳｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている。このようなアルミナイド被覆用テープ６２は、以前からアルミナイド被膜作業のために使われてきた。しかしながら、このようなアルミナイド被覆用テープは、発明者が知る限りでは内部表面を被覆するためには用いられてこなかった。翼形部セクション３４の中空内部４２に配置するアルミナイド被覆用テープ６２の大きさ及び数量は、中空内部４２の大きさによって決まる。中空内部空洞が深さ０．９３インチ、長さ（空洞の前縁から空洞の後縁までの）０．８インチ、また最大幅０．１６インチの大きさのブラインド空洞である場合には、各々が厚さ０．０１５インチ、幅０．１インチ、また長さ０．９５インチである合計４片のテープが、空洞４４の壁間で延びる既存のスティフナ４６間に位置する状態で空洞４４内に配置されるのが好ましい。

図１のステップ２２において、翼形部セクション３４の中空内部４２にアルミナイド被覆用テープ６２を配置した後に、ステップ２４において、中空物品３０は、アルミナイド被覆用テープ６２とは別の外部アルミ二ウム蒸気供給源を用いて気相アルミナイド処理される。図４は、実施可能な気相アルミナイド処理装置７０を示す。アルミナイド皮膜で被覆されることになる物品３０、ここではガスタービンブレード３２の翼形部セクション３４は、アルミナイド処理コンテナ７２内に装入される。一般的には、単一の被覆作業でアルミナイド処理するためにアルミナイド処理コンテナ７２内には多くのガスタービンブレード３２が装入されるが、図４には１つだけを示している。図示した方法では、プラットホーム４０の下面及び取付け部３８は、アルミニウムで被覆されないことになっている。従って、取付け部３８は、アルミナイド処理コンテナ７２の外部に配置されるが、プラットホーム４０の下面は、アルミナイド処理コンテナ７２の壁に沿って密封状態で配置されるか或いは他の方法でプラットホーム４０の下面がアルミ二ウム皮膜を受けないように配置される。

アルミナイド処理ガス供給源が、アルミナイド処理コンテナ７２の内部と連通した状態で設けられる。図示した方法では、アルミニウム蒸気の外部供給源は、気相アルミナイド処理されることになるガスタービンブレード３２付近でアルミナイド処理コンテナ７２内に配置されたクロム・アルミニウム合金ペレット７６のバスケット７４である。（このアルミ二ウム蒸気供給源は、ガスタービンブレード３２の内部にあるアルミナイド被覆用テープ６２と区別するためにガスタービンブレード３２の外部にあるものとして説明している。）バスケット７４を含むアルミナイド処理コンテナ７２及び１つ又は複数のガスタービンブレード３２は、アルゴン又は水素雰囲気内で毎分約５０°Ｆの加熱速度で約１８７５°Ｆよりも高い温度、好ましくは約１９７５°Ｆ＋／−２５°Ｆまで加熱される。この温度では、アルミニウムは、ペレット７６から気化する。アルミ二ウム蒸気は、ガスタービンブレード３２の表面に拡散し、ガスタービンブレード３２上に被着してアルミナイド皮膜を形成する。大部分のアルミニウムは外部表面５４上に被着し、中空空洞４４内に拡散して内部表面５８に被着するアルミニウムは殆どない。ガスタービンブレード３２は、所望の厚さのアルミナイド皮膜を被着させるのに十分な時間、一般的には約４時間＋／−１５分の間その温度に保持されて、その時間の間にアルミニウムが被着し、次に約１２１°Ｃ（２５０°Ｆ）まで徐冷され、それからさらに常温まで徐冷される。随意選択的に、アルミナイド処理コンテナ７２内にアルゴン又は水素のようなキャリヤガスの流れ７８を導入して、キャリヤガスが、バスケット７４上をまたバスケット７４の中を通って流れて、ペレット７６の気化によって生成されたアルミニウム蒸気をガスタービンブレード３２に同伴しかつ搬送するようにする。これらの被覆時間及び温度は、被着アルミニウム含有層の厚さを変えるために変化させることができる。

この加熱サイクルの間に、アルミニウム蒸気はまた、内部表面５８に近接するアルミナイド被覆用テープ６２によっても生成される。アルミナイド被覆用テープ６２によって生成されたアルミニウム蒸気は、内部表面５８に拡散して、内部アルミナイド皮膜６０を形成するアルミニウムの主供給源として被着する。ペレット７６により生成されたアルミニウム蒸気の一部はまた、中空内部４２内への流れも認められるが、経験によるとこのアルミニウム蒸気は主として外部表面５４に被着するが内部表面５８には拡散しないことを示した。ペレット７６により生成されたアルミニウム蒸気のみを用いる場合には、内部表面５８に被着した内部皮膜は、それらの内部表面５８を保護するには厚さが不十分である。中空内部内のアルミナイド被覆用テープ供給源によりアルミニウム蒸気を生成する本方法は、外部供給源、ここでは外部バスケット７４内のペレット７６と共に用いると、アルミナイド皮膜厚さは、内部表面５８及び外部表面５６の両方において十分に厚くなりかつ均一になる。

別の方法は、アルミニウム蒸気の供給源として中空内部４２においてアルミナイド供給源粉末を用いることであると思われる。この方法は、環境にそれほど優しくなく、その最適の被覆温度が外部アルミナイド皮膜６０を形成する気相アルミナイド処理プロセスの温度とは異なり、かつアルミニウム供給源粉末は、アルミナイド被覆用テープ６２よりも取扱い及び制御がより困難であるので、新製品の製造には用いられるが、改修には受け入れられない。

アルミニウムの所望の厚さが外部表面５４上にまた内部表面５８上に被着され、かつガスタービンブレード３２が常温に冷却された後に、ステップ２６において、今や部分的に減損したアルミナイド被覆用テープ６２が中空内部４２から除去される。

図１に関連して示した方法によりまた図４に示す装置と同様なＶＰＡ装置７０を用いて、図２に示す構造と同様な構造を有する中空ガスタービンブレードを被覆することによって、本方法を実施した。空洞の寸法及び被覆用テープは上に述べたものと同様である。この目的は、外部アルミナイド皮膜５６及び内部アルミナイド皮膜６０の両方において０．００１５インチの最小の厚さを有するアルミナイド皮膜を形成することであった。比較するために、中空内部４２内には全くアルミニウム蒸気供給源がない状態の第１の比較ケースと、空洞４４内に充填したアルミニウム供給源粉末を用いた第２の比較ケースとで、ガスタービンブレードに同一の気相アルミナイド処理を行った。すべてのケースで、外部アルミナイド皮膜５６の厚さは、０．００１５インチよりも厚かった。しかしながら、内部アルミナイド皮膜６０の厚さは、用いた処理によって異なった。アルミナイド処理供給源を空洞４４内に全く配置しなかった場合には、空洞４４の底部付近の内部アルミナイド皮膜６０の厚さは、０〜０．０００５インチ未満で変化した。粉末アルミナイド処理供給源を空洞４４内に配置した場合には、空洞４４の底部前縁及び後縁付近の内部アルミナイド皮膜６０の厚さは、最小約０．０００８インチであった。先に述べた方法でアルミナイド被覆用テープ６２を空洞４４内に配置した場合には、内部アルミナイド皮膜６０の厚さは、空洞全体を通して堅牢な最小０．００１５インチであり、それによって外部アルミナイド皮膜５６の厚さと緊密に一致した。

例示の目的で本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく様々な変更及び改良を加えることが可能である。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなくそれらを容易に理解するためのものである。

本発明の実施形態を実施するための好ましい方法のブロック流れ図。 その中空内部に挿入したアルミナイド被覆用テープを示すために翼形部の壁の一部分を破断した状態の中空ガスタービンブレードの概略図。 線３−３で取った、図２のガスタービンブレードの壁を通る拡大断面図。 ＶＰＡ被覆アルミナイド処理コンテナ内の中空タービンブレードの概略図。

符号の説明

３０ 物品
３２ ガスタービンブレード
３４ 翼形部セクション
３６ ブレード先端
３８ 取付け部
４０ プラットホーム
４２ 中空内部
４４ 空洞
４６ 棒状スティフナ
４８ 空洞の側面
５０ アクセス開口
５２ 翼形部セクションの壁
５４ 壁の外部表面
５６ 外部アルミナイド皮膜
５８ 壁の内部表面
６０ 内部アルミナイド皮膜
６２ アルミナイド被覆用テープ
７０ 気相アルミナイド処理装置
７２ アルミナイド処理コンテナ
７４ バスケット
７６ クロム・アルミニウム合金ペレット
７８ キャリヤガスの流れ

Claims (10)

1. 中空物品（３０）上にアルミナイド皮膜（５６、６０）を形成する方法であって、
   中空内部（４２）と前記中空内部（４２）へのアクセス開口とを有する物品（３０）を準備する段階と、
   前記アクセス開口を通して前記中空内部（４２）にアルミナイド被覆用テープ（６２）を配置する段階と、
   前記アルミナイド被覆用テープ（６２）とは別の外部アルミニウム蒸気供給源を用いて前記中空物品（３０）を気相アルミナイド処理する段階と、
   を含む方法。
2. 前記準備する段階が、既に実用使用した物品（３０）を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記準備する段階が、ニッケル基超合金を含む物品（３０）を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記準備する段階が、コバルト基超合金を含む物品（３０）を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記準備する段階が、少なくともその一部分が中空になった翼形部セクション（３４）を有する物品（３０）を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記準備する段階が、ブレード先端（３６）から翼形部セクション（３４）の一部分内に延びる中空内部（４２）を有するガスタービンブレードのような物品（３０）を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記配置する段階が、アルミニウム含有合金粉末及び結合剤を含むアルミナイド被覆用テープ（６２）を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
8. 前記気相アルミナイド処理する段階が、前記中空内部（４２）にアルミナイド被覆用テープ（６２）を有する前記中空物品（３０）をアルミニウム蒸気を含む雰囲気内で少なくとも約１０２４°Ｃ（１８７５°Ｆ）の温度に加熱する段階を含む、請求項１記載の方法。
9. 前記気相アルミナイド処理する段階が、前記中空内部（４２）にアルミナイド被覆用テープ（６２）を有する前記中空物品（３０）をアルミニウム蒸気を含む雰囲気内で約１０８０°Ｃ＋／−１４°Ｃ（１９７５°Ｆ＋／−２５°Ｆ）の温度に加熱する段階を含む、請求項１記載の方法。
10. 前記気相アルミナイド処理する段階が、
    前記中空内部（４２）にアルミナイド被覆用テープ（６２）を有する前記中空物品（３０）をアルミナイド処理コンテナ（７２）の内部に配置する段階と、
    前記アルミナイド処理コンテナ（７２）の内部と連通した状態でアルミニウム含有合金を配置する段階と、
    前記中空内部（４２）にアルミナイド被覆用テープ（６２）を有する前記中空物品（３０）と前記アルミニウム含有合金とを少なくとも約１０２４°Ｃ（１８７５°Ｆ）に加熱する段階と、
    を含む、請求項１記載の方法。

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