JP2007138941A - タービンエンジンコンポーネントのコーティング装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内側表面のみをコーティングするタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法を提供する。
【解決手段】この方法は、通路を画定する内側表面をコーティングするように、アルミナイド含有ガスをタービンエンジンコンポーネント１０内の通路に流すステップと、アルミナイド含有ガスを通路に流し、タービンエンジンコンポーネント１０の外側表面２６の開口部から出すステップと、外側表面２６上のアルミナイドコーティングの堆積を最小限にするようにアルゴン、水素、他の不活性ガス、およびこれらの混合物からなる群から選択されたある量のガスを外側表面２６に流すステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンエンジンコンポーネント内の内部通路をコーティングする方法および装置に関する。

今日のガスタービンエンジン内で作動している高圧タービンブレード、ベーン、およびシールは、エアロフォイル上の熱疲労によるクラッキングと、高温の動作温度での酸化によるコーティングの欠陥部とによって、寿命が制限されている。エアフォイルの優れた耐酸化性が求められており、改良された耐酸化性を有するＭＣｒＡｌＹ金属で表面を覆うコーティングや、温度低下のための遮熱コーティング系などの、適宜な耐酸化性コーティングを施すことが必要とされている。高圧タービンブレードやベーンなどのタービンエンジンのコンポーネント内においては、内部の酸化および腐食が生じることがある。したがって、動作環境から保護するためにタービンエンジンのコンポーネント内側表面のコーティングが求められている。現在使用されているアルミニウム蒸着法では、タービンエンジンコンポーネントの外側表面に同時に標準的な厚さのコーティングを施すことなく、内側表面のみをコーティングすることはできない。また、外側のＭＣｒＡｌＹ被膜または遮熱コーティングとともにアルミナイドが外側表面に存在することは好ましくなく、タービンエンジンコンポーネントの熱疲労耐性が減少することがある。

タービンエンジンコンポーネントの内側表面にアルミナイド蒸気をコーティングする現在のコーティングプロセスでは、中空のエアロフォイルの内部通路を通過するハロゲン化アルミニウムガスの流れが必要である。内側表面全体を完全にコーティング被覆することは、タービンエンジンのコンポーネント内部の表面全体にガスがいかに十分に流れ、かつ接触するか、ということに相関する。完全に内部表面を被覆するためには、タービンエンジンコンポーネントの外側表面の全ての開口部、つまり後縁部のスロット、鋳造用の中子押えの孔、エアロフォイルの冷却孔、先端部の冷却孔などを、コーティング処理する間に開口状態に保つ必要が多々ある。内側表面がコーティングされるタービンエンジンコンポーネントの多くは、このような冷却孔の特徴部もコーティング被覆する必要がある。現在では、タービンエンジンコンポーネントの開口部をガスが流れるように開口したままに保たなければならないので、確実に内側表面全体を完全にコーティングする一方で、外側表面にアルミナイドの堆積を防止するようにブレードの外側表面をマスキングする効果的な方法は存在しない。

後続の工程でオーバーコートされる表面の熱疲労特性に影響を与えるアルミナイドコーティングが外側表面に形成されることなく、タービンエンジンコンポーネントの内側表面にコーティングする方法およびシステムを提供することが望ましい。

本発明によれば、タービンエンジンコンポーネントのコーティング方法が提供される。この方法は、通路の内側表面をコーティングするように、アルミナイド含有ガスをタービンエンジンのコンポーネント内の通路に流すステップと、アルミナイド含有ガスを通路に流し、タービンエンジンコンポーネントの外側表面の開口部から出すステップと、外側表面上のアルミナイドコーティングの堆積を最小限にするようにアルゴン、水素、他の不活性ガス、およびこれらの混合物からなる群から選択されたある量のガスを外側表面上に流すステップと、を含む。

さらに、本発明によれば、タービンエンジンコンポーネントをコーティングする装置が提供される。この装置は、通路の内側表面をコーティングするように、タービンエンジンコンポーネント内の通路にアルミナイドガスを流す手段と、アルミナイド含有ガスを通路に流し、タービンエンジンコンポーネントの外側表面の開口部から出す手段と、外側表面のアルミナイドコーティングの堆積を最小限にするように、アルゴン、水素、およびこれらの混合物からなる群から選択されたある量のガスを外側表面を覆うように流す手段と、を備える。

図１に示されるように、本発明は、後続の工程でオーバーコートされるガスタービンエンジンコンポーネントの外側表面の熱疲労特性に影響がないほど薄くしか外側表面にアルミナイドコーティングを施さずに、タービンエンジンコンポーネント１０の内部表面にアルミニウムで内部コーティングを行う方法および装置に関する。

タービンエンジンコンポーネント１０内の通路１８により生じる内部表面をアルミナイドコーティングするために、気相堆積法（ｇａｓ ｐｈａｓｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）が用いられる。当分野において公知の適宜な気相堆積法を用いることができる。例えば、被覆されるタービンエンジンコンポーネント１０は、コーティング材料１４を含むコーティング用容器１２内に配置される。気相堆積法の１つでは、コーティングされるタービンエンジンコンポーネント１０は、コーティング材料１４と接触しないように吊るされる。

このコーティング材料１４は、アルミニウムソース材料と、活性剤（ａｃｔｉｖａｔｏｒ）と、選択的に、不活性な緩衝材つまり希釈材と、を含む粉末混合物である。上記アルミニウムソース材料は、純粋なアルミニウム金属あるいはアルミニウム合金またはアルミニウムを含む金属間化合物である。使用されるアルミニウムソース材料の１つは、ＣｒＡｌである。使用できる他のアルミニウムソース材料は、Ｎｉ₃Ａｌ、Ｃｏ₂Ａｌ₅、Ｆｅ₂Ａｌ₅を含む。使用される活性剤は、アルカリハロゲン、アルカリ土類金属を含む。使用される活性剤の１つは、ＡｌＦ₃である。使用できる他の活性剤は、ＮＨ₄Ｆ、ＨＦ、ＮＨ₄Ｃｌを含む。混合物のアルミニウム活性を制御するように粉末混合物に添加される通常の希釈材は、Ａｌ₂Ｏ₃である。タービンエンジンコンポーネントをコーティングするために使用されるソース材料は、Ｃｒ５６％、Ａｌ４４％を含む。約２０個の部品を含む１つのコーティング用容器について、内部の混合物は、ＣｒＡｌ、７００ｇおよびＡｌＦ₃、１２５ｇからなる。不活性ガスなどのガスが、アルミニウムリッチなハロゲン化物ガス（蒸気）の流れを形成するように、コーティング用容器１２に案内される。

タービンエンジンコンポーネント１０およびコーティング材料１４は、コーティング用容器１２に入れた状態で、炉（ｆｕｒｎａｃｅ）１６内に置かれる。タービンエンジンコンポーネント１０およびコーティング材料１４は、炉１６内において、１９００〜２１００°Ｆ、好適には１９５０〜２０００°Ｆの温度範囲まで加熱される。このようなコーティング温度に保っている時間については、技術基準を満たし、かつコーティングが形成されるのに十分な時間とする。通常、コーティング温度での時間は、２時間またはそれ以上である。

加熱することにより、活性剤が蒸発し、アルミニウムソース材料と反応して、アルミニウムリッチなハロゲン化物ガスなどのアルミナイド含有ガスを形成する。アルミニウムリッチなハロゲン化物ガスは、タービンエンジンコンポーネントと反応し、ガスタービンエンジンコンポーネント１０の内側表面２４および外側表面２６にアルミナイドコーティングを形成する。アルミナイドコーティングの厚さおよび組成は、コーティング工程での時間および温度、ならびに粉末混合物の活性およびコーティングされるタービンエンジンコンポーネント１０の組成に依存する。

ハロゲン化アルミニウムガスが、コーティングされる内側表面２４を画定する内部通路１８へと流されている間、水素、アルゴン、およびこれらの混合物からなる群から選択される大容量のガスが、タービンエンジンコンポーネント１０の外側表面２６の上に流される。好ましくは、この保護用ガスは、３０〜６０立方フィート／時（ｃｆｈ）の範囲の流量で、タービンエンジンコンポーネント１０の外側表面２６を覆うように流される。この範囲内で保護用ガスを流すことによって、タービンエンジンコンポーネント１０の外側表面２６の孔（図示せず）から出るハロゲン化物ガスを一掃（スイープ）することが可能であり、したがって、タービンエンジンのコンポーネント１０の外側表面２６の上にコーティングが比較的厚く成長するような、十分な滞留時間を与えない。このような方法を用いて外側表面２６に堆積されるアルミナイドコーティングの量は、最小限に抑えられ、好ましくは、０．０００５インチ未満である。このような薄さの外側表面のコーティングであれば、タービンエンジンコンポーネント１０の後続の工程でオーバーコートされる表面の熱疲労特性に影響を及ぼさない。加えて、このように「薄く」アルミナイド化された外側表面の一部は、外側表面のコーティング処理用に表面を整える、後続のグリッドブラスト工程の間に除去され得る。

タービンエンジンコンポーネント１０の外側表面を覆う保護用ガスを流すために、当分野で周知の適宜な手段２０が使用される。この流れは、スロットを有するマニホールドを用いて、タービンエンジンコンポーネント１０のエアロフォイル部分を横切るように案内され、エアロフォイルを横切る層流を形成させる。製造環境においては、当業者は、エアロフォイル部分の上にガスを流すように圧力差を有する上段および下段のチャンバを使用することができる。

アルミナイドコーティング処理を始める前に、タービンエンジンコンポーネントの表面全体は、ごみ、オイル、グリース、さび、他の異物がないクリーンな状態にすべきである。表面をクリーンにするために適宜な技術を用いることができる。

なお、上述したコーティング処理は、グラファイトなどの不活性な材料からコーティング用容器１２を製造することによって、改良され得る。コーティング用容器の壁がアルミナイド化されないので、コーティング処理中に、２次的なアルミニウムソース材料にはならない。

アルミナイドコーティングを形成する本発明の装置の概略図。

符号の説明

１０…タービンエンジンコンポーネント
１２…コーティング用容器
１４…コーティング材料
１６…炉
１８…内部通路
２４…内側表面
２６…外側表面

Claims (14)

1. 通路の内側表面をコーティングするようにタービンエンジンコンポーネント内の上記通路にアルミナイド含有ガスを流すステップと、
   上記アルミナイド含有ガスを上記通路に流し、上記タービンエンジンコンポーネントの外側表面の開口部から出すステップと、
   上記外側表面の上にアルミナイドコーティングが堆積されるのを最小限にするように、アルゴン、水素、およびこれらの混合物からなる群から選択されたある量のガスを上記外側表面の上に流すステップと、
   を含むことを特徴とするタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
2. 上記内側表面をコーティングする間に、上記ある量のガスを上記外側表面の上に流すことをさらに含む請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
3. 上記ある量のガスを流すステップが、上記外側表面に堆積されるアルミナイドコーティングの厚さを０．０００５インチ未満に保つのに、十分な量のガスを流すことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
4. 上記ある量のガスを流すステップが、３０〜６０立方フィート／時の範囲内の量で、上記ある量のガスを流すことを含む請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
5. 上記アルミナイド含有ガスを流すステップが、
   上記タービンエンジンコンポーネントをコーティング用容器に配置するステップと、
   アルミニウムソース材料および活性剤を含む混合物を、上記コーティング用容器内に配置するステップと、
   ハロゲン化アルミナイドガスの流れを形成するように、上記混合物を１９００〜２１００°Fの範囲内のコーティング温度に加熱するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
6. 上記タービンエンジンコンポーネントおよび上記混合物を、少なくとも２時間に亘り上記コーティング温度に保つことを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
7. 上記タービンエンジンコンポーネントを配置するステップが、上記タービンエンジンコンポーネントを不活性な材料から形成されたコーティング用容器内に配置することを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
8. 上記タービンエンジンコンポーネントを配置するステップが、上記タービンエンジンコンポーネントをグラファイトから形成されたコーティング用容器内に配置することを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
9. 通路の内部表面をコーティングするように、上記タービンエンジンコンポーネント内の上記通路にアルミナイド含有ガスの流れを形成する手段と、
   上記アルミナイド含有ガスを上記通路に流し、上記タービンエンジンコンポーネントの外側表面の開口部から出す手段と、
   上記外側表面の上のアルミナイドコーティングの堆積を最小限にするように、アルゴン、水素、およびこれらの混合物からなる群から選択されたある量のガスを上記外側表面の上に流す手段と、
   を備えることを特徴とするタービンエンジンコンポーネントのコーティング装置。
10. 上記タービンエンジンコンポーネントを配置するコーティング用容器をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング装置。
11. 上記コーティング用容器が、不活性な材料から形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング装置。
12. 上記コーティング用容器がグラファイトから形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング装置。
13. アルミナイド含有ガスの流れを形成する上記手段が、アルミニウムソース材料および活性剤を含む混合物を備えることを特徴とする請求項９に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング装置。
14. 上記混合物が、選択的に、希釈材料を含むことを特徴とする請求項１３に記載のタービンエンジンコンポーネントのコーティング装置。

Images