JP2008297613A - Method for forming corrosion barrier for protecting heat shield coating of workpiece, and workpiece - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遮熱コーティングに対する腐食バリヤ、およびその腐食バリヤを形成する方法に関する。 The present invention relates to a corrosion barrier for a thermal barrier coating and a method for forming the corrosion barrier.
多くのタービンエンジン部品が、下層にある基材を保護するための遮熱コーティングを備える。エンジンのガス経路内の高速粒子は、遮熱コーティングに大きな腐食損傷を与える原因になる。この遮熱コーティングの腐食が、コーティングが施されたタービンエンジン部分の初期段階の損傷を導く。 Many turbine engine components include a thermal barrier coating to protect the underlying substrate. High speed particles in the gas path of the engine can cause significant corrosion damage to the thermal barrier coating. This corrosion of the thermal barrier coating leads to early damage of the coated turbine engine part.
遮熱コーティングに強く接着された硬質外部シェルを形成することが望まれている。 It would be desirable to form a hard outer shell that is strongly bonded to a thermal barrier coating.
本発明によれば、遮熱コーティングに強く接着された硬質外部シェルが形成される。 According to the present invention, a hard outer shell is formed that is strongly bonded to the thermal barrier coating.
本発明の特徴のひとつは、加工物が、基材と、その基材表面の遮熱コーティングと、この遮熱コーティング表面に付着した硬質腐食バリヤと、から概ね作られていることである。この腐食バリヤは、140〜2750kg/mm2のビッカース硬度をもつことが好ましい。この腐食バリヤは、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、および二ケイ化モリブデンから形成され得る。 One feature of the present invention is that the workpiece is generally made of a substrate, a thermal barrier coating on the surface of the substrate, and a hard corrosion barrier attached to the thermal barrier coating surface. This corrosion barrier preferably has a Vickers hardness of 140-2750 kg / mm 2 . The corrosion barrier can be formed from aluminum oxide, silicon carbide, silicon nitride, and molybdenum disilicide.
本発明の2番目の特徴は、加工物の遮熱コーティングを保護する腐食バリヤを形成する方法が提供されることである。この方法は概ね、溶媒に懸濁されたセラミック粒子の懸濁液をつくるステップと、前記懸濁液中の粒子を前記遮熱コーティング表面に付着させるステップと、1300〜2750kg/mm2のビッカース硬度をもつ腐食バリヤコーティングを形成するために前記遮熱コーティング表面に付着させた前記粒子を乾燥させるステップと、を含む。 A second feature of the present invention is that a method is provided for forming a corrosion barrier that protects a thermal barrier coating of a workpiece. The method generally comprises creating a suspension of ceramic particles suspended in a solvent, attaching the particles in the suspension to the thermal barrier coating surface, and a Vickers hardness of 1300-2750 kg / mm 2 . Drying the particles deposited on the thermal barrier coating surface to form a corrosion barrier coating having:
本発明の遮熱コーティングを保護する腐食バリヤの他の詳細ならびに他の目的および利点については、詳細な説明および添付の図面に記載し、類似した要素は同様の参照数字で表している。 Other details and other objects and advantages of the corrosion barrier protecting the thermal barrier coatings of the present invention are set forth in the detailed description and accompanying drawings, wherein like elements are designated with like reference numerals.
本発明は、タービンエンジン部品などの基材に塗布された遮熱コーティング表面に腐食バリヤとして働く硬質シェル外部コーティングを形成することに関する。この外部コーティング腐食バリヤは、スラリを塗布して溶媒を除去することによるか、および/または電気泳動付着により形成され得る。 The present invention relates to forming a hard shell outer coating that acts as a corrosion barrier on a thermal barrier coating surface applied to a substrate such as a turbine engine component. This outer coating corrosion barrier can be formed by applying a slurry to remove the solvent and / or by electrophoretic deposition.
電気泳動付着に関しては、図1に示されるように、タービンエンジン部品または部分などの基材となる加工物50が、懸濁液10に浸漬され、電圧源12の第1の端子に電気的に接続される。第2の電極14は、当技術分野で周知の好適な導電性材料から作製してよく、電圧源12の第2の端子に電気的に接続される。
For electrophoretic deposition, as shown in FIG. 1, a
懸濁液に浸漬する前に、概してジルコニア系遮熱コーティングなどの遮熱コーティング52が、タービンエンジン部品50に適用される。この遮熱コーティング52は、当技術分野で周知の好適な技術を用いてタービンエンジン部品に適用することができる。
Prior to being immersed in the suspension, a
懸濁液10は、ゾルの形態で、大きさが約0.02ミクロン〜0.2ミクロンの微細セラミック粒子からなる。このセラミック粒子の大きさは、約0.02〜0.05ミクロンの範囲であることが好ましい。このセラミック粒子は、水、アルコール(限定されるものではないが、エタノールまたはメタノールを含む)、および水−アルコール混合物のような溶媒に懸濁することができる。トリクロロエタン(trichloethane)のような有機溶媒を使用することができるが、健康および環境上の問題により、このような有機溶媒の使用は禁止される可能性がある。
The
最も簡単な実施形態では、酸化アルミニウム(アルミナ)ゾルを、水、アルコール、またはこれらの混合物に入れて懸濁液にし、この溶液のpHを4.25未満に維持するために充分な酸を添加して安定させる。この結果、アルミナ粒子が互いに反発し合うほどの正電荷を帯びて、溶液からの粒子の凝集および沈降が避けられる。溶液に添加される酸として、硝酸、塩酸、酢酸、およびステアリン酸があるが、これらに限定されない。溶液のpHは、2.0に下げることができるが、低いpHでは、懸濁液に含まれる酸が、コーティングしようとする部分または部品の露出金属を攻撃する可能性がある。水および/またはアルコールの中でアルミナゾル懸濁液に好ましいpHは3.0〜4.5である。コーティングしようとする部分または部品50に負の直流電圧(negative DC voltage)でバイアスをかけて、懸濁液に含まれる懸濁粒子を、部分または部品50の遮熱コーティングを施した表面に向けて加速させることができる。典型的な負のバイアス電圧の範囲は約50〜2000Vで、好ましくは約900〜1100Vである。電圧を高くするほど付着速度は速まるが、系のポテンシャルエネルギが、作業場の安全をおびやかす程度まで上昇することにより危険な可能性がある。
In the simplest embodiment, the aluminum oxide (alumina) sol is suspended in water, alcohol, or a mixture thereof and sufficient acid is added to maintain the pH of the solution below 4.25. And stabilize. As a result, the alumina particles are positively charged so that they repel each other, and agglomeration and settling of particles from the solution is avoided. Acids added to the solution include but are not limited to nitric acid, hydrochloric acid, acetic acid, and stearic acid. The pH of the solution can be lowered to 2.0, but at low pH, the acid contained in the suspension can attack the exposed metal of the part or part to be coated. The preferred pH for an alumina sol suspension in water and / or alcohol is 3.0-4.5. The part or
アルミナゾル懸濁液の他に好適と思われる硬質セラミック材料は、窒化ケイ素ゾル、炭化ケイ素ゾル、および二ケイ化モリブデンゾルである。安定懸濁液を生成するのに必要な好適なpH範囲は、懸濁液に含まれるセラミック微粒子の組成によって異なる。これは、界面化学の変化によるものであり、界面化学の変化は、粒子の表面に異なった電荷が蓄積されることを導き、懸濁液のpHの関数として作用する。低いpHでは表面が正に帯電し、高いpHでは表面が負に帯電する。従って、粒子の表面電荷がゼロになるpHレベルが存在し、そのpHレベルは等電点つまりpHiepとして知られている。アルミナのpHiepは4.5であり、窒化ケイ素のpHiepは9.0であり、炭化ケイ素のpHiepは5.4であり、二ケイ化モリブデンのpHiepは2.2である。 Hard ceramic materials that may be suitable in addition to the alumina sol suspension are silicon nitride sol, silicon carbide sol, and molybdenum disilicide sol. The suitable pH range necessary to produce a stable suspension depends on the composition of the ceramic particulates contained in the suspension. This is due to changes in the surface chemistry, which leads to the accumulation of different charges on the surface of the particles and acts as a function of the pH of the suspension. At low pH the surface is positively charged and at high pH the surface is negatively charged. Thus, there is a pH level at which the surface charge of the particles is zero, and the pH level is known as the isoelectric point or pHiep. The pHiep of alumina is 4.5, the pHiep of silicon nitride is 9.0, the pHiep of silicon carbide is 5.4, and the pHiep of molybdenum disilicide is 2.2.
本発明は、ジルコニア系遮熱コーティング表面に付着する硬質シェル材料を形成するために使用できるので、ジルコニア系コーティング表面を負に帯電させるpH範囲で操作すると有利にできる。ジルコニアのpHiepである4.0より高いpHに操作することによって、これを行うことができる。懸濁液にアルミナ粒子を用いる場合、ジルコニアコーティングにバイアスをかけることで、ジルコニア表面に多くの負電荷が供給されるので、使用できるpHの下限が3.0まで低く広がると考えられる。 Since the present invention can be used to form a hard shell material that adheres to a zirconia-based thermal barrier coating surface, it can be advantageously operated in a pH range that negatively charges the zirconia-based coating surface. This can be done by operating at a pH higher than 4.0, the pHiep of zirconia. When alumina particles are used in the suspension, it is considered that the lower limit of the usable pH spreads down to 3.0 because a lot of negative charges are supplied to the zirconia surface by biasing the zirconia coating.
上述のように、強酸は、金属被膜だけでなく、部分または部品の基材となる金属をも攻撃する傾向がある。この理由で、窒化ケイ素は、pHiepが9.0と高いことから、他のコーティングを超える利点がある。この系には、健康および安全の面で有利な中性pHで付着させることができるという利点もある。 As mentioned above, strong acids tend to attack not only the metal coating, but also the metal that is the substrate of the part or part. For this reason, silicon nitride has an advantage over other coatings due to its high pHiep of 9.0. This system also has the advantage that it can be deposited at neutral pH, which is advantageous for health and safety.
電気泳動付着を実施するpHレベルは、懸濁液にゾルを入れる前に、そのゾルの界面化学を変更することによって上昇させることができる。例えば、アルミナゾルの窒化(nitriding alumina sols)、または二ケイ化モリブデンゾルのアルミ化(aluminizing molybdenum disilicide)が、部分または部品50へ作用するpHレベルを上げて、損傷を最小限にすることができる。
The pH level at which electrophoretic deposition is performed can be increased by changing the chemistry of the sol before placing it in the suspension. For example, nitriding alumina sols or aluminizing molybdenum disilicide can increase the pH level acting on the part or
pHを調節する酸の添加について考察したが、pHを7.0以上に維持するために、懸濁液に塩基を添加することもある。典型的な添加塩基は、水酸化アンモニウムおよび水酸化アルミニウムである。 Although the addition of an acid that adjusts the pH was discussed, a base may be added to the suspension to maintain the pH above 7.0. Typical added bases are ammonium hydroxide and aluminum hydroxide.
アルミナの熱的安定性および優れた硬度から、アルミナは腐食バリヤコーティングにふさわしい材料である。 Due to the thermal stability and excellent hardness of alumina, alumina is a suitable material for corrosion barrier coatings.
硬質シェル材料の室温でのビカース硬度は、
アルミナ:約2650kg/mm2
窒化ケイ素:約1900kg/mm2
炭化ケイ素:約2750kg/mm2
二ケイ化モリブデン:約1300kg/mm2
である。
The Vickers hardness of the hard shell material at room temperature is
Alumina: about 2650 kg / mm 2
Silicon nitride: about 1900 kg / mm 2
Silicon carbide: about 2750 kg / mm 2
Molybdenum disilicide: about 1300 kg / mm 2
It is.
懸濁液は、ほぼ室温68°F〜120°F(20℃〜49℃)の温度範囲で維持することができるが、コストを最小限に抑えるには室温で維持されることが好ましい。 The suspension can be maintained at a temperature range of approximately room temperature 68 ° F. to 120 ° F. (20 ° C. to 49 ° C.), but is preferably maintained at room temperature to minimize cost.
懸濁液のゾル(固体)の濃度は、約0.001重量%〜5.0重量%がよい。好ましくは、懸濁液のゾル(固体)の濃度は、約0.005〜0.05重量%である。 The concentration of the sol (solid) in the suspension is preferably about 0.001% to 5.0% by weight. Preferably, the concentration of sol (solid) in the suspension is about 0.005 to 0.05% by weight.
腐食バリヤコーティングを付着させた後に、部分または部品50を懸濁液から取り出したら、当技術分野で周知の好適な乾燥技術を用いて、この部分または部品を乾燥させる。ほぼ室温〜650°F(343℃)で乾燥を行ってよい。室温での乾燥時間は、約1.0〜20時間でよく、好ましくは、約3.0〜10時間である。250°F〜650°F(121℃〜343℃)の乾燥温度では、乾燥時間を約0.5〜5.0時間に短縮してよく、好適な乾燥時間は、約1.0〜2.0時間である。
After the corrosion barrier coating is applied, once the part or
乾燥後、付着した腐食バリヤコーティング内部ならびに腐食バリヤコーティングと遮熱コーティングとの間を強く接着させるために、コーティングを施した部分または部品を焼結してもよい。また、焼結することで腐食バリヤコーティングにおける気孔率を下げ、気孔率が下がることで、硬度が上記のバルク硬度になっていく。焼結は、当技術分野で周知の好適な技術で行うことができる。温度が約1950°F〜2000°F(1066℃〜1093℃)での焼結時間は約3.0〜4.0時間でよい。 After drying, the coated part or part may be sintered to provide a strong adhesion within the deposited corrosion barrier coating and between the corrosion barrier coating and the thermal barrier coating. In addition, the porosity in the corrosion barrier coating is reduced by sintering, and the porosity is lowered by decreasing the porosity. Sintering can be performed by any suitable technique known in the art. The sintering time at a temperature of about 1950 ° F. to 2000 ° F. (1066 ° C. to 1093 ° C.) may be about 3.0 to 4.0 hours.
必要であれば、粒子の凝集および沈降を防ぐために、メタクリル酸ポリメチルアルコール(polymethyl methacrylate alcohol)およびステアリン酸アンモニウム(ammonium stearate)などの1つまたは複数の種類の分散剤を懸濁液に添加してもよい。(1つまたは複数の種類の)分散剤は、0.01〜1.0重量%、好ましくは、0.4〜0.8重量%の濃度で存在してよい。 If necessary, one or more types of dispersants such as polymethyl methacrylate alcohol and ammonium stearate can be added to the suspension to prevent particle aggregation and settling. May be. The dispersant (s) may be present at a concentration of 0.01 to 1.0% by weight, preferably 0.4 to 0.8% by weight.
硬質シェルの強度を増強させるために、必要であれば焼結前に、結合剤としてポリビニルアルコールを懸濁液に添加してもよい。ポリビニルアルコールは、0.1〜3.0重量%、好ましくは、1.0〜2.0重量%の量を添加してもよい。ポリビニルアルコール結合剤を添加する目的は、懸濁液のゾルの各粒子を結合剤の単分子膜でコーティングすることである。 In order to increase the strength of the hard shell, polyvinyl alcohol may be added to the suspension as a binder before sintering, if necessary. Polyvinyl alcohol may be added in an amount of 0.1 to 3.0% by weight, preferably 1.0 to 2.0% by weight. The purpose of adding the polyvinyl alcohol binder is to coat each particle of the suspension sol with a monolayer of the binder.
本発明の腐食バリヤコーティングを形成するために用いる他の工程は、浸漬被覆(dipping)、吹きつけ塗り(spraying)、および塗装(painting)などのスラリ化工程を含む。このアプローチでは、上記のとおりに懸濁液を作製する。その後、遮熱コーティングを施した部分または部品に、前述の浸漬被覆、吹き付け塗り、または塗装によって、懸濁液を塗布することができる。遮熱コーティングを施した部分または部品に懸濁液を塗布するために、当技術分野で周知の好適な技術を用いることができる。 Other processes used to form the corrosion barrier coating of the present invention include slurrying processes such as dip coating, spraying, and painting. In this approach, a suspension is made as described above. Thereafter, the suspension can be applied to the part or part to which the thermal barrier coating has been applied, by dip coating, spray coating or painting as described above. Any suitable technique known in the art can be used to apply the suspension to the thermal barrier coated portion or part.
遮熱コーティングを施した部分または部品に懸濁液を塗布した後、その部品または部分を乾燥させて、遮熱コーティング内の過剰な試薬を除去してもよい。部品または部分を、上記の通りに乾燥させてもよい。さらに必要であれば、その部品または部分を上記の通りに焼結させてもよい。 After applying the suspension to the thermal barrier coating part or part, the part or part may be dried to remove excess reagent in the thermal barrier coating. The part or part may be dried as described above. Further, if necessary, the part or part may be sintered as described above.
図2を参照すると、本発明の方法によれば、遮熱コーティング(TBC)52と、その遮熱コーティング52表面に付着した硬質シェル腐食バリヤコーティング54を有する部品または部分50が得られる。コーティング54とコーティング52との間に溶浸領域(infilterated region)56が形成されることがある。溶浸領域は、TBCの表面から内側へ測定したTBCの厚さの5.0〜100%の厚さで構成される。溶浸領域の厚さは、TBCの厚さの10〜20%であることが好ましい。部品または部分50は、当技術分野で周知のニッケル基超合金などの好適な金属材料から作ることができる。
Referring to FIG. 2, the method of the present invention provides a part or
TBCの腐食は、タービンエンジン部品の特定の領域で起こりやすい。例えば、ブレードの先端、特に、負圧面側が腐食を受ける。遠心力によりベーンの外周側バットレスも腐食を受ける。タービンガス流に含まれる微粒子のほとんどにタービンの径方向外向きへ遠心力が作用し、微粒子による損傷のほとんどがそこで起きる。タービンエンジン部品の比較的急勾配の輪郭が腐食を受けるのは、急勾配の輪郭がガス流を圧縮することによって部品表面の局所圧力を高めるという理由からである。局所圧力が高まることにより、ガス流に含まれる分子や種々の微粒子との衝突頻度が高まり、タービンエンジン部品の腐食が進む。硬質シェルコーティングによる付加重量を最小化し、かつ、硬質シェルコーティングが、タービンエンジン部品のTBCに与えうる歪み耐性の低下などの悪影響を最小限に抑えるために、腐食を受けやすいと知られている領域にだけ硬質シェルコーティングを施すことがよいと思われる。 TBC corrosion is likely to occur in certain areas of the turbine engine component. For example, the tip of the blade, particularly the suction side, is subject to corrosion. The buttress on the outer peripheral side of the vane is also corroded by the centrifugal force. Centrifugal force acts on most of the particulates contained in the turbine gas flow outward in the radial direction of the turbine, and most of the damage caused by the particulates occurs there. The relatively steep contours of turbine engine components are subject to corrosion because the steep contours increase the local pressure on the component surface by compressing the gas flow. Increasing local pressure increases the frequency of collisions with molecules and various particulates contained in the gas stream, leading to corrosion of turbine engine components. An area known to be susceptible to corrosion in order to minimize the added weight of hard shell coatings and to minimize adverse effects such as reduced strain resistance that can be imparted to the TBC of turbine engine components. It seems better to apply a hard shell coating only to
塗装プロセス、浸漬被覆プロセス、または電気泳動アプローチを用いて、タービンエンジン部品の一部にだけ硬質シェルコーティングを施すことができる。コーティングを施すつもりのないすべての表面に有機マスキング剤を塗布することができる。 A hard shell coating may be applied to only a portion of the turbine engine component using a painting process, a dip coating process, or an electrophoretic approach. Organic masking agents can be applied to all surfaces that are not intended to be coated.
フォトレジストとして知られる市販の樹脂などのUV硬化性樹脂をタービンエンジン部品に塗布することにより、硬質シェルコーティングを施してもよい。その後、硬質コーティングの付着を望む領域に、板金マスクを塗布する。樹脂でコーティングを施して、マスキングした部品を、その後、UV光に1.0〜10分間、曝露させて、露出した全ての樹脂を硬化させることができる。硬化後、板金マスクを外し、硬化していない樹脂を洗い落とす。その後、硬質コーティングの工程を進めることができる。光露光技術(photolithography)を使う場合は、硬化した樹脂を焼き取るために、600°F〜900°F(316℃〜482℃)の温度で、2.0〜4.0時間、乾燥をしてもよい。 The hard shell coating may be applied by applying a UV curable resin, such as a commercially available resin known as a photoresist, to the turbine engine component. Thereafter, a sheet metal mask is applied to the region where the hard coating is desired to be applied. The resin coated and masked part can then be exposed to UV light for 1.0 to 10 minutes to cure all exposed resin. After curing, the sheet metal mask is removed and the uncured resin is washed away. Thereafter, the hard coating process can proceed. When using photolithography, drying is performed at a temperature of 600 ° F. to 900 ° F. (316 ° C. to 482 ° C.) for 2.0 to 4.0 hours in order to burn off the cured resin. May be.
表面に遮熱コーティングが施された様々な種類の部分および部品の表面に、腐食バリヤコーティングを形成するために、本発明の工程を使用することができる。処理が施される部分または部品は、エアフォイルを有する種々の部分、シールを有する種々の部分、エアフォイル、シールなどがあるが、これらに限定されない。そのような部分または部品の例としては、ブレード、ベーン、ステータ、タービン中間フレーム、燃焼器パネル、燃焼器缶、燃焼器隔壁パネル、ディスクサイドプレート(disk side plates)、および燃料ノズルガイドが挙げられる。 The process of the present invention can be used to form a corrosion barrier coating on the surface of various types of parts and parts that have a thermal barrier coating on the surface. The part or part to be treated includes, but is not limited to, various parts having an airfoil, various parts having a seal, airfoil, seal and the like. Examples of such portions or parts include blades, vanes, stators, turbine intermediate frames, combustor panels, combustor cans, combustor partition panels, disk side plates, and fuel nozzle guides. .
Claims (33)
溶媒に懸濁されたセラミック粒子の懸濁液をつくるステップと、
前記遮熱コーティング表面に前記懸濁液中の粒子を付着させるステップと、
ビッカース硬度が1300〜2750kg/mm2の範囲の腐食バリヤコーティングを形成するために、前記遮熱コーティング表面に付着させた前記粒子を乾燥させるステップと、
を含む方法。 A method of forming a corrosion barrier that protects a thermal barrier coating on a workpiece, comprising:
Creating a suspension of ceramic particles suspended in a solvent;
Attaching particles in the suspension to the thermal barrier coating surface;
Drying the particles adhered to the thermal barrier coating surface to form a corrosion barrier coating having a Vickers hardness in the range of 1300-2750 kg / mm 2 ;
Including methods.
前記基材表面にある遮熱コーティングと、
前記遮熱コーティング表面に付着し、1300〜2750kg/mm2のビッカース硬度をもつ硬質腐食バリヤと、
を備える加工物。 A substrate;
A thermal barrier coating on the substrate surface;
A hard corrosion barrier attached to the thermal barrier coating surface and having a Vickers hardness of 1300-2750 kg / mm 2 ;
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