JP2009150387A - 内部通路に対する耐環境保護を有するタービンエンジン構成部品 - Google Patents

Abstract

【課題】内部通路を高温腐食から保護する延性の耐環境コーティングを備えたタービンブレードを提供する。
【解決手段】ガスタービンブレードは、ベース金属、プラットフォーム１４、プラットフォームから上向きに延びる翼形部１２、及びプラットフォームから下向きに延びるシャンク１８を含む。シャンクは、外壁７１及び内部通路８４を有し、翼形部１２は、その内部に冷却流を流すための冷却流路３４を有する。ブレードは、シャンク１８の内表面の少なくとも一部分のベース金属に接触し且つこれと相互拡散される第１のクロマイドコーティングを有し、この場合、第１のクロマイドコーティングは、その上にアルミナイドコーティングが堆積されない。ブレードは、翼形部１２の内表面の少なくとも一部分のベース金属に接触し且つこれと相互拡散される第２のクロマイドコーティングを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンブレード及びベーンのようなタービンエンジン構成部品に加えられる耐環境保護コーティングに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生する。燃焼器の後に高圧タービン（ＨＰＴ）が続き、燃焼ガスからエネルギーを抽出して圧縮機に動力を供給する。ＨＰＴの後に低圧タービン（ＬＰＴ）が続き、燃焼ガスから更にエネルギーを抽出して、航空機ターボファンエンジン用途では上流ファンに動力を供給し、或いは船舶及び産業用途では外部駆動シャフトに動力を供給する。

タービンは、タービンロータブレードの対応する列に燃焼ガスを向けるベーンの列を有する静止タービンノズルを含む幾つかの段で配列される。各ベーンは、燃焼ガスを境界付ける内側及び外側バンド間で半径方向にスパンで延びる翼形部を有する。

各タービンブレードは、一体化プラットフォームにおいて翼形部根元から半径方向外向きにスパンで延びる翼形部を含む。一体化ブレードシャンクは、支持ロータディスクの周囲の対応するダブテールスロット内にブレードを装着するための一体化ダブテールとプラットフォームとの間に延びる。プラットフォームは、燃焼ガスに対する内側境界を定め、翼形部の半径方向外側先端は、燃焼ガスの外側境界を定める周囲タービンシュラウドに近接し離間して配置される。シャンクは、翼形部及びプラットフォームからの機械的荷重を支持し、この機械的荷重をブレードダブテールに伝達する。シャンクは、翼形部内部の冷却通路と流れ連通した内部通路を有する。シャンクの内部通路は、ブレードダブテール内の通路を介して冷却空気を受け入れ、この冷却流を翼形部冷却回路内に送る。

各タービン段でのベーン及びブレードの対応する翼形部は、相対する前縁及び後縁間で軸方向に翼弦にわたって延びたほぼ凹状の正圧側面とほぼ凸状の負圧側面とを有し、作動中に燃焼ガスを効率的に転向して、これからエネルギーを抽出する。従って、翼形部の異なる形状の相対する側面は、これらの上に異なる速度分布及び圧力分布をもたらし、これに応じて燃焼ガスからの様々な熱負荷を高度に複雑な三次元（３Ｄ）分布で生じさせる。

第１段タービンノズル及びブレードは、燃焼器からの高温燃焼ガスを最初に受け入れ、その結果、種々のタービン段の内で最も大きな熱負荷を有する。これに応じて、ベーン及びブレードは通常、動作中のこれらの有効寿命を最大にするために高温での強度が高められた最先端の超合金金属で鋳造される。従来のエンジンでは、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ており、最高約１，９００−２，１００°Ｆの温度で作動可能である。構成部品のベース基材金属を保護する役割を果たす、保護層又は金属／セラミック断熱コーティング（ＴＢＣ）システムが翼形部に施工されることもある。

ブレード翼形部及びシャンクは中空であり、これらを作動中に冷却するために、圧縮機から抽気された加圧空気の一部を受け入れる対応する内部冷却流路を含む。ブレードシャンクの内部に置かれた内部冷却通路は通常、対応する半径方向隔壁によって定められた複数の半径方向流路を含む。翼形部内の内部冷却回路は、翼形部の正圧側面と負圧側面とをブリッジする壁を有する複数の半径方向流路を有する。翼形部の正圧側面及び負圧側面は通常、翼形部壁を貫通して横方向に延びるフィルム冷却孔の半径方向の横列又は縦列を含む。

ガスタービンブレード又はベーンは、使用中に構成部品の劣化を引き起こし得る極めて過酷な環境で動作する可能性がある。環境による損傷は、高温燃焼ガス環境において、粒子浸食、様々なタイプの腐食及び酸化、並びにこれらの損傷モードの複雑な組合せといった、様々な形態とすることができる。環境による損傷の速度は、適切な保護層を含むコーティングを使用することによって幾らか緩和することができる。

従来のタービンエンジン構成部品では、剥き出しのニッケル超合金ベース金属の内部酸化による故障を回避するために、アルミナイドコーティングがタービンブレード及びベーンの内部通路で使用されてきた。より優れた耐酸化性を有するタービンブレード合金が開発されてきたが、これら新しい合金類は、十分な高温耐食性を有することができない。低温のブレード内部通路における母材の酸化は通常はあまり顕著ではないことが当技術分野において知られている。しかしながら、耐環境保護コーティングが腐食性環境に対して十分な保護を提供しない場合には、一定の条件下では、低温のシャンク内部キャビティにおいて高温腐食が生じる可能性がある。

従来のタービンエンジン構成部品は通常、ニッケル基超合金で作られる。こうした従来のタービンエンジン構成部品では、内部通路を酸化及び高温腐食から保護するためにアルミナイド耐環境コーティングが使用されることがある。アルミナイドコーティングは、該コーティングが施工されるニッケル基超合金ベース金属と比べて比較的脆性が大きい。アルミナイドコーティングの脆性性質に起因して、タービンブレードの内部通路において、特にブレードシャンクのようなアルミナイドコーティングの低温及び厚い区域で亀裂が起こる可能性がある。従って、タービンブレードの内部通路の比較的低温部位では、亀裂を発生しない耐環境コーティングを有することが望ましい。
米国特許第６，２９６，４４７号公報 米国特許第６，２８３，７１５号公報 米国特許第６，９２１，２５１号公報 米国特許第４，３２１，４１１号公報 米国特許第４，４０１，６９７号公報 米国特許第４，４０５，６５９号公報 米国特許第６，１５３，３１３号公報 米国特許第６，２５５，００１号公報 米国特許第６，２９１，０８４号公報

よって、比較的低温の内部通路を高温腐食から保護するために、延性の耐環境コーティングを備えたタービンブレードを有することが望ましいことになる。

上記の１つ又は複数の要求は、ベース金属、プラットフォーム、プラットフォームから上向きに延びる翼形部、及びプラットフォームから下向きに延びるシャンクを含むガスタービンブレードを提供する例示的な実施形態によって満たすことができる。シャンクは、外壁及び内部通路を有し、翼形部は、冷却流を流すため内部に冷却流路を有する。ブレードは、シャンクの内表面の少なくとも一部分のベース金属と接し且つこれと相互拡散される第１のクロマイドコーティングを有し、この場合第１のクロマイドコーティングは、その上にアルミナイドコーティングが堆積されていない。ブレードは、翼形部の内表面の少なくとも一部分のベース金属に接触し且つこれと相互拡散される第２のクロマイドコーティングを有する。ガスタービンブレードを作製するための方法は、クロマイドコーティングを施工するステップと、シャンクの内部領域におけるアルミナイドコーティングを防止し、且つ翼形部の内部領域におけるアルミナイドコーティングを低減するために、シャンク及び翼形部の内部通路を閉鎖するステップと、アルミナイド又はプラチナアルミナイドコーティング及び任意選択的なセラミック層を翼形部の外部領域上に施工するステップとを含む。

一実施形態において、第１のクロマイドコーティングは、平均で約２０−約５０重量％のクロムを含み、約０．０００５−約０．００２インチの厚さを有する。

別の実施形態において、任意選択的な第３及び第４のクロマイドコーティングが使用される。この実施形態の変形形態において、第１、第２、第３、及び第４のクロマイドコーティングは、同じ組成を有し、同時に施工される。

更に別の実施形態において、翼形部は、その外表面の少なくとも一部分上のクロマイドコーティングを覆うアルミナイド又はプラチナアルミナイドコーティングを含む多層コーティングを有する。

ガスタービンブレードを作製するための方法は、第１、第２、任意選択的な第３、及び任意選択的な第４のクロマイドコーティングを施工するステップと、シャンクの内部領域におけるアルミナイドコーティングを防止し、且つ翼形部の内部領域におけるアルミナイドコーティングを低減するために、ブレードシャンク及び翼形部の内部通路を実質的に閉鎖するステップと、次いで、アルミナイドコーティングを翼形部の外部領域の少なくとも一部分に施工するステップとを含む。別の実施形態において、本方法は、セラミック層を翼形部の少なくとも一部分に施工するステップを更に含む

本発明として見なされる対象は、特許請求の範囲において特に指摘され且つ明瞭に特許請求される。しかしながら、本発明は、添付図面と併せて以下の説明を参照することにより最もよく理解できるであろう。

種々の図全体を通して同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジンで使用するための例示的なタービンロータブレード１０を示している。ブレードは、翼形部１２、プラットフォーム１４、シャンク１８、及びケーシングによって単体構造として形成された支持ダブテール１６を含む。プラットフォーム１４は、上流側燃焼器（図示せず）内で発生した高温燃焼ガス１９に対する半径方向内側境界を定め、該高温ガスは、作動中に翼形部１２を越えて軸方向下流側に流れる。タービンロータブレード１０は、いずれかの使用可能な材料、好ましくはニッケル基超合金で形成され、これはタービンブレード１０のベース金属である。タービンブレードのベース金属は、例えば図３及び４に参照符号７１、７３、３６で示したような後述するコーティングの基材として役割を果たす。

翼形部１２及びシャンク１８は中空であり、ダブテール１６の基部内の対応する入口１７を介して冷却空気冷媒２０を受け入れて、作動中にブレードを冷却する。ダブテール１６は、ここからエンジン内で半径方向外向きにブレードが延びる支持ロータディスク（図示せず）の周囲において、対応するダブテールスロットと嵌合する支持ローブ又はタンを備えて構成される。

ディスクは、燃焼ガスからエネルギーを抽出してディスクを回転させ、次いで、エンジンの圧縮機（図示せず）に動力を供給し加圧冷却空気２０を発生するために、１つの完全な列すなわち全数のブレード１０を含む。圧縮機内で加圧された空気の大部分は、燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガス１９を発生し、加圧された空気の小部分は、圧縮機から抽気されてタービンブレードの列を冷却する。

翼形部１２は、ほぼ凹状の正圧側壁２２及びこれと円周方向で相対するほぼ凸状の負圧側壁２４を含み、これらは、翼形部の近位端がプラットフォーム１４と接する半径方向内側根元２６から翼形部の反対側の遠位端にある半径方向外側先端２８まで半径方向又は長手方向スパンで延びる。２つの側壁２２、２４はまた、相対する前縁３０及び後縁３２間で軸方向に翼弦にわたって延びる。

図１に示す中空ブレードは、図２においては断面で分割して示され、作動中に加圧空気冷媒２０を半径方向外向きに送るための内部冷却回路３４を含む。翼形部の２つの側壁は、前縁及び後縁間で円周方向又は横断方向に離間して配置され、更に、複数の翼弦方向に離間して配置された内部隔壁又はブリッジ３６によって互いに接合されており、該ブリッジは、半径方向にスパンで延びて冷却回路３４の対応する流路を定める。正圧側壁２２及び負圧側壁２４は、作動中に冷媒２０を吐出するために内部冷却回路３４と流れ連通して横断方向に貫通して延びる冷却孔３８及び４０を含む。多数の冷却孔３８、４０は、正圧側壁及び負圧側壁のスパン及び翼弦全体にわたって十分に考慮して分散された異なる形状のフィルム冷却孔であり、正圧及び負圧側壁のフィルム冷却を改善し、長年にわたるサービスにおいてこのタイプのタービンブレードを長期に使用した結果として親ブレードで見出される熱損傷に対処する。

ブレードは、ブレードダブテール１６の内部に置かれたダブテール内部通路８２を介して冷却空気２０を受け入れる。冷却空気は、ブレードのシャンク１８内部に置かれたシャンク内部通路８４を通って翼形部の内部冷却回路３４に入る。ブレードシャンク１８は、ブレードプラットフォーム１４とダブテール１６との間に配置される。シャンク１８の内部通路８４は、シャンク外壁７１とシャンク内壁７３とによって形成される。ブレードダブテール内部通路８２は、ダブテール外壁７２とダブテール内壁７４とによって形成される。シャンク壁７１、７３は、ブレード翼形部１２及びプラットフォーム１４によって加えられる機械的荷重を支持し、これらの荷重をダブテール１６に伝え、次いでダブテール１６がこれらの荷重を支持ディスクダブテールに伝える。

図１に示す基本的タービンブレード１０は、合衆国及び他の国々において長年にわたり商業的に利用され、背景技術の段落において上記で開示された例示的な親タービンブレードを示しているが、ブレードの内部通路内の耐環境性を改善することによってその寿命を更に延ばすために、本明細書で開示されたように特に変更されている。これに応じて、図１に示すタービンロータブレードは、その長い有効寿命を享受するため親ブレードの形状は従来通りであってもよいが、そのシャンク及びダブテール領域においては局所的に特別に修正され、内部冷却通路の耐環境性を改善してブレードの有効寿命を更に延長させることができる。

図３は、タービンブレード１０のシャンク１８のベース金属基材７１及び７３に施工された例示的なクロマイドコーティング１０１、１０２を概略的に示している。任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１は、シャンク１８の外壁７１の外表面１１１、１１２上に施工される。第１のクロマイドコーティング１０２は、外壁７１の内表面１１３、１１４上及びシャンク１８の内部通路壁７３の表面１１５、１１６上に施工される。図３を参照すると、任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１は、シャンク１８の少なくとも一部分の基材ベース金属７１に施工されて、これと接触する。任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１は、シャンク１８のベース金属７１と少なくとも部分的に相互拡散される。任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１は、図３に示す好ましい形態において、シャンク１８の外側に全面的なコーティングを形成する。任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１は、あらゆる使用可能なクロマイド組成物であってもよく、好ましくは、約２０−約５０重量％のクロム、残部がベース金属の相互拡散された元素、及び不純物からなる平均組成である。（用語「クロマイド」とは、金属間組成物などの特定の組成物を示唆するものではなく、クロム組成が高いものを表している。）シリコンのような他の改質元素は、クロムと共堆積して、任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１の一部分となることができる。任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１は、好ましくは、約０．０００５−約０．００２インチ厚である。第４のクロマイドコーティング１０１は、任意選択的にプラットフォーム１４の一部分に、更に任意選択的にダブテール１６の一部分に施工することができる。第４のクロマイドコーティング１０１は、任意選択的に翼形部１２の一部分に施工することができる。

第１のクロマイドコーティング１０２は、シャンク１８の内部流路内に配置された基材ベース金属７１、７３を覆い且つ接触するクロマイド層を含む。第１のクロマイドコーティング１０２は、ダブテール１６のベース金属７１、７３と少なくとも部分的に相互拡散される。第１のクロマイドコーティング１０２は、あらゆる使用可能なクロマイド材料又は組成物であってもよく、好ましくは、約２０−約５０重量％のクロム、残部がベース金属の相互拡散された元素、及び不純物からなる平均組成を含む。シリコンのような他の改質元素は、クロムと共堆積して第１のクロマイドコーティング１０２の一部分となることができる。第１のクロマイドコーティング１０２は、好ましくは約０．０００５−約０．００２インチ厚である。

タービンブレードシャンク１８の内部通路内の第１のクロマイドコート１０２のようなクロマイドコーティングは、これらのタービンブレードのシャンク内に延性で耐高温腐食性のコーティングを提供する。シャンクキャビティ内で延性クロマイドを使用して脆弱アルミナイドを実質的に制限することにより、コーティングの亀裂を防止し、ブレードの故障が回避される。クロマイドコーティングはまた、耐高温腐食性を高め、ブレード外表面と比べて翼形部内部通路内部で生じるより低い温度において十分な耐酸化性を提供する。従来のタービン合金であるＲｅｎｅ１４２について、本明細書で開示され説明されたようなクロマイドコーティングは、従来のアルミナイドコーティングと比べて、１０，０００−１００，０００サイクルの典型的な低サイクル疲労（ＬＣＦ）寿命に対して繰り返し応力で約２０，０００ｐｓｉの改善されたＬＣＦ能力を提供することが試験によって判明した。ブレードシャンク１８の低温環境をシミュレートする加速高温腐食試験において、クロマイドコーティングは、１５サイクル後に損傷はなかったが、従来のアルミナイドコーティングでは、１サイクル後に損傷を示した。

図４は、タービンブレード１０の翼形部１２に施工された、任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８、プラチナアルミナイドコーティング５０、及び任意選択的ではあるが好ましいセラミック断熱コーティング５２を含む例示的な多層コーティングシステム４４を概略的に示している。図４を参照すると、例示的な多層コーティングシステム４４は、翼形部１２上の第３のクロマイドコーティング４８の少なくとも一部分に施工され、且つこれと接触している。タービンブレード１０全体は、一般に、単一の金属組成物からなる単体部品として鋳造されるので、翼形部１２の基材ベース金属４６は、通常、シャンク１８の基材ベース金属７１と同じ組成である。任意選択的に、多層コーティングシステム４４は、プラットフォーム１４の上面１３の一部分に施工することもできる。

多層コーティングシステム４４は、翼形部１２の基材ベース金属４６を覆い、且つこれと接触する任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８を含む。任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８は、翼形部１２のベース金属４６と少なくとも部分的に相互拡散される。任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８は、あらゆる使用可能なクロマイド材料又は組成物であってもよく、好ましくは約２０−約５０重量％のクロム、残部がベース金属の相互拡散された元素、及び不純物からなる平均組成を含む。シリコンのような他の改質元素が、クロムと共堆積して、任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８の一部分となることができる。任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８は、好ましくは約０．０００５−約０．００２インチ厚である。任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８は、シャンク１８に施工される任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１と実質的に同じ組成及び厚さであり、任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１と任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８は、以下でより詳細に説明するように、同時に且つ同じ方法を用いて基材２１に施工されるのが好ましい。

図４は、翼形部１２の内表面及び内部冷却回路３４を形成する内部隔壁３６に施工された第２のクロマイドコーティング１４４を概略的に示している。第２のクロマイドコーティング１４４は、翼形部１２の正圧側壁２２の基材ベース金属２１、翼形部１２の負圧側壁２４の基材ベース金属２３、及び翼形部１２の内部冷却通路隔壁基材３６を覆い且つこれらと接触するクロマイド層を含む。第２のクロマイドコーティング１４４は、これが上に施工される翼形部１２の対応する基材ベース金属と少なくとも部分的に相互拡散される。第２のクロマイドコーティング１４４は、あらゆる使用可能なクロマイド材料又は組成物であってもよく、好ましくは、約２０−約５０重量％のクロム、残部がベース金属の相互拡散された元素、及び不純物からなる平均組成を含む。シリコンのような他の改質元素は、クロムと共堆積して第２のクロマイドコーティング１４４の一部分となることができる。第２のクロマイドコーティング１４４は、好ましくは約０．０００５−約０．００２インチ厚である。

第１、第２、任意選択的な第３、及び任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０２、１４４、４８、１０１はそれぞれ、実質的に同じ組成及び厚さであるのが好ましい。第１、第２、任意選択的な第３、及び任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０２、１４４、４８、１０１はそれぞれ、以下でより詳細に説明するように、同時に且つ同じ方法を用いてそれぞれの基材に施工されるのが好ましい。

多層コーティングシステム４４は保護層５０を含む。保護層５０は、任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８を覆い且つこれと接触する。保護層５０は、好ましくは、拡散アルミナイド又は拡散プラチナアルミナイドを含む。好ましい拡散アルミナイド保護層５０は、好ましくは、耐腐食性を改善するために、クロム、ハフニウム、シリコン、ジルコニウム、イットリウム、プラチナ、パラジウム、及びこれらの組合せのような元素を添加することによって改質されたアルミニウムを含む。改質元素は、有効な量だけ存在する。適合性のある組成物中に単独もしくは組合せで存在する改質用元素の典型的な量は、重量比で、約２−約５０％のクロム、約０．１−約２０％のハフニウム、約０．１−約１０％のシリコン、約０．１−約５％のジルコニウム、約０．１−約５％のイットリウム、約０．１−約５０％のパラジウム、及び約０．１−約５０％のプラチナを含む（この場合、保護層５０は、プラチナアルミナイドと呼ばれる）。アルミニウム及び耐腐食性を改善する改質用元素は、オーバーレイコーティングとして存在するのではなく、基材ベース金属４６及び任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８と少なくとも部分的に相互拡散される。保護層５０は、好ましくは、約０．０００５−約０．００５インチ厚である。

代替として、保護層５０は、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ保護層又はＮｉＡｌ金属間オーバーレイ保護層であってもよい。ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ保護層は、当技術分野において公知である（例えば、米国特許第４，３２１，４１１号、第４，４０１，６９７号、及び第４，４０５，６５９号参照）。ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ保護層は、主に高いＣｒ及びβ／γ相構造を有する。ＮｉＡｌＣｒＺｒのようなニッケルアルミナイド保護オーバーレイは大部分がβＮｉＡｌ相構造であって、当技術分野において公知である（例えば、米国特許第６，１５３，３１３号、第６，２５５，００１号、及び第６，２９１，０８４号参照）。用語「ＭＣｒＡｌＸ」は、断熱コーティングシステム中の耐環境コーティング又はボンディングコートとして使用できる種々のオーバーレイ保護層群の技術分野における略語である。この形式及び他の形式において、Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄、及びこれらの組合せを指している。これらの保護層の一部ではクロムは省いてもよい。ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ保護層及びＮｉＡｌ金属間化合物オーバーレイ保護層は、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、タンタル、レニウム、プラチナ、シリコン、チタニウム、ホウ素、炭素、及びこれらの組合せを任意選択的に含むことができる。当技術分野において特定の組成物は公知である。幾つかの例示的な組成物としては、ＮｉＡｌＣｒＺｒ及びＮｉＡｌＣｒＹが含まれるが、ここに掲げた実施例は、限定とみなすべきではない。オーバーレイ保護コーティングは、基材ベース金属４６及び任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８と相互拡散することができるが、こうしたあらゆる相互拡散は、比較的僅かであるので、そのオーバーレイ保護コーティングは離散的なままとなる。

任意選択的に、多層コーティングシステム４４は更に、保護層５０を覆い且つこれと接触するセラミック層５２を含むことができる。セラミック層５２は、下にある層を断熱する断熱コーティングとしての役割を果たすセラミック材料である。セラミック層５２は、通常は、最も高い温度に曝される翼形部１２の領域にのみ施工される。例えば、負圧側壁２４に施工されるような多層コーティングシステム４４は、セラミック層５２の使用を必要としないが、高圧の正圧側壁２２に施工されるような多層コーティングシステム４４は、セラミック層５２を含むことができる。セラミック層５２は、好ましくはイットリア安定化ジルコニアであって、これは、約２−約１２重量％、好ましくは約３−約８重量％のイットリウム酸化物を含むジルコニウム酸化物である。セラミック層５２は通常、約０．００３−約０．０１０インチ厚である。他の使用可能なセラミック材料及び厚さも使用することができる。セラミック層５２が存在しない場合には、多層コーティングシステム４４は、「耐環境コーティング」と呼ばれる。セラミック層５２が存在する場合には、多層コーティングシステム４４は、「断熱コーティングシステム」と呼ばれ、任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８及び保護層５０は、セラミック層５２のための「ボンディングコート」としの役割を果たす。

図５は、タービン構成部品をクロマイドコーティングでコートするための方法の例示的実施形態をブロック図形式で示している。ステップ１７０で、タービン構成部品が準備される。タービン構成部品は、好ましくは図１のタービンブレード１０である。タービン構成部品は通常、タービンブレード１０の場合のように所望の形状に鋳造される。クロマイドコーティングは、いずれかの従来の堆積法を用いて、好ましくは蒸着法を用いて鋳造又は機械加工された段階でタービンブレードに施工される。提供されたタービン構成部品は、清浄な状態であり、又はこのステップ１７０において、標準的手順を用いて表面残留物、鋳造欠陥、及び同様のものを清浄化することができる。タービン構成部品は、あらゆる使用可能な材料で作ることもできるが、ニッケル基超合金を用いるのが好ましい。本明細書で使用される「ニッケル基」とは、その組成物が他のどの元素よりもニッケルがより多く存在することを意味する。ニッケル基超合金は通常、ガンマプライム相の析出によって強化される組成を有する。好ましいニッケル基超合金は、重量比で、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％のチタニウム、０−約８％のレニウム、０−約６％のルテニウム、０−約１％のニオビウム、０−約０．１％の炭素、０−約０．０１％のホウ素、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、及び不可避的不純物からなる組成を有する。

最も好ましい合金組成物は、Ｒｅｎｅ’Ｎ５であり、これは重量比で約７．５％のコバルト、約７％のクロム、約６．２％のアルミニウム、約６．５％のタンタル、約５％のタングステン、約１．５％のモリブデン、約３％のレニウム、約０．０５％の炭素、約０．００４％のホウ素、約０．１５％のハフニウム、最大約０．０１％までのイットリウム、残部のニッケル、及び不可避的不純物からなる公称組成を有する。他の使用可能な超合金としては、例えば、重量比で約１２．５％のコバルト、約４．２％のクロム、約１．４％のモリブデン、約５．７５％のタングステン、約５．４％のレニウム、約７．２％のタンタル、約５．７５％のアルミニウム、約０．１５％のハフニウム、約０．０５％の炭素、約０．００４％のホウ素、約０．０１％のイットリウム、残部のニッケル、及び不可避的不純物からなる公称組成を有するＲｅｎｅ’Ｎ６と、重量比で、約６．８％のクロム、約１２．０％のコバルト、約１．５％のモリブデン、約２．８％のレニウム、約１．５％のハフニウム、約６．１５％のアルミニウム、約４．９％のタングステン、約６．３５％のタンタル、約１５０ｐｐｍ、約０．１２％の炭素、残部のニッケル、及び不可避的不純物からなる公称組成を有するＲｅｎｅ’１４２とが含まれる。本発明の使用は、本明細書に記載された好ましい合金で作られたタービン構成部品に限定されず、より広範な用途を有する。

次の４つのステップ１７１、１７２、１７３、及び１７４において、クロマイドコーティングは、ブレード１０上のそれぞれの位置に施工される。具体的には、第１のクロマイドコーティング１０２は、シャンク１８の内部通路表面１１３、１１４、１１５、及び１１６に施工され（ステップ１７１）、第２のクロマイドコーティング１４４は、前述のように、翼形部正圧側壁２２及び負圧側壁２４の内表面並びに翼形部内部冷却通路壁３６の表面に施工され（ステップ１７２）、任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８は、翼形部１２の正圧側壁２２及び負圧側壁２４の外表面に施工され（ステップ１７３）、更に、任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１は、シャンク１８の外表面１１１、１１２に施工される（ステップ１７４）。上に述べたステップの順序は、単なる例示を意味し、限定ではない。ステップ１７１、１７２、１７３、及び１７４は、あらゆる順序で、同時的に、又は順次的に実施することができ、或いは、一部が同時で一部が順次的に実施することができる。

本発明の１つの例示的実施形態において、第１、第２、第３、及び第４のクロマイドコーティング（図３及び４のコーティング１０２、１４４、４８、及び１０１）は、図５に示すステップ１７１、１７２、１７３、及び１７４を同時に実施することにより同時に施工される。ダブテール１６の一部分のようなクロマイドコーティングで被覆されるべきでないタービンブレード１０のいずれの部分も、従来のマスキング法を用いてマスクし、これらの上のコーティングを防止することができる。従って、ステップ１７１、１７２、１７３、及び１７４は、いずれかの使用可能な方法によって、最も好ましくは蒸着法によって好ましくは同時に達成することができる。この手法においては、塩化アンモニウムのようなハロゲン化物が気化され、金属クロム又はクロム合金と接触されて、対応するクロムハライドガスを形成する。限定ではないが、シリコンのようなクロマイド改質用元素は、同様のソースからガス状ソースに任意選択的にドープすることができる。ソースガスは、クロマイドコーティングされることになるタービンブレードの部分に接触される。この接触中のベース金属の温度は、約１，８００°Ｆ−約２，１００°Ｆである。化学蒸着法のような他の堆積法を使用してもよい。高温度で行われる相互拡散処理中、堆積されたクロムのベース金属内への相互拡散がある。必要であれば、タービンブレード１０が高温に曝されている期間を延長することにより、追加のクロムを堆積することなく更なる拡散を達成することができる。クロムの堆積並びに同時的及び／又は順次的な相互拡散の結果、各々が約０．０００５−約０．００２インチの厚さを有し、且つ平均して約２０−約５０重量％のクロム、場合によってはクロマイド改質用元素、残部がベース金属の元素、及び不純物からなる組成を有する、第１のクロマイドコーティング１０２、第２のクロマイドコーティング１４４、第３のクロマイドコーティング４８、及び第４のクロマイドコーティング１０１が得られる。この方法により、第１のクロマイドコーティング１０２、第２のクロマイドコーティング１４４、任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８、及び任意選択的な第４のクロマイドコーティング１０１が、約１−約１０時間、好ましくは約１−約４時間、最も好ましくは約２時間内にベース金属に堆積され、これと相互拡散される。これにより、当技術分野において公知の機械加工又は洗浄のような何らかの後処理ステップを除いて、クロマイドコーティングの施工が完了する。

次のステップ１８０において、ブレードの内部通路が閉鎖され、翼形部１２の外面上へのプラチナアルミナイドコーティングのような後続のコーティング施工中に、内部通路が引き続きコーティングされるのを実質的に防止する。ブレード内表面の更なるコーティングを制限する例示的な方法は、スタティック蒸着法を使用すること、パックアルミナイディング法を使用すること、又は内部通路をマスキングすることである。好ましい方法は、ブレード翼形部の孔３８、４０は開放したまま、入口１７のようなブレードダブテールの開口は閉鎖することである。アルミナイドコーティングサイクルは、好ましくは、図２に示す内部通路３４、８２、８４のようなブレード内部通路を通る強制的流れがない状態で行われる。ブレードダブテール開口を閉鎖することにより、ブレードシャンク内部通路８４は、アルミナイドでコーティングされず、翼形部内部通路３４は、最小限のアルミナイドコーティングしかないことになる。

次のステップ１８２及び１８４において、多層コーティング４４の保護層５０が施工される。プラチナをめっきするステップ１８２は任意選択的である。保護層５０は、好ましくは、合金元素の存在により任意選択的に改質される拡散アルミナイド又は拡散プラチナアルミナイドである。拡散アルミナイド又は拡散プラチナアルミナイドによるタービンブレード１０のコーティングは、当技術分野において公知の従来的な方法で行うことができる。ステップ１８４において、第２のコーティング４４の保護層５０が施工される。保護層５０は、好ましくは、合金元素の存在によって任意選択的に改質される拡散アルミナイド又は拡散プラチナアルミナイドである。拡散アルミナイドの場合には、アルミニウムのソースは、好ましくは気相アルミナイド処理法におけるようにガス状ソースである。この方法において、ハライドガスが金属アルミニウム又はアルミニウム合金と接触され、対応するアルミニウムハライドガスを形成する。ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、シリコン、チタニウム、タンタル、コバルト、クロム、プラチナ、及びパラジウムのようなアルミナイド改質用元素は、同様のソースからガス状ソースに任意選択的にドープすることができる。ソースガスは、多層コーティング４４の保護層５０によって保護されることになるタービンブレードの一部分に接触される。これは、例えば参照符号４８で示されたような既にクロマイドコーティングを有する表面を含むことができる。いずれかの任意選択的なドーパントを含むアルミニウムが、接触表面上に堆積される。堆積反応は通常、堆積アルミニウム原子が、ベース金属及び任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８内に相互拡散する（シャンク１８のような他の位置に存在することができる他のクロマイドコーティングのクロム原子もまた、この高温処理中にベース金属と継続して相互拡散することができる）ように、約１，８００°Ｆ−約２，１００°Ｆのような高温度で生じる。この方法を用いて、約４−８時間で約０．００２インチ厚のアルミニウムコーティングを堆積させることができる。パックセメンテーション法、上部パックアルミナイド処理法、スラリ堆積法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、及び有機金属化学蒸着法のような他の公知の実施可能なアルミニウム堆積法も使用できる。

多層コーティングシステム４４が拡散プラチナアルミナイドを有する場合には、プラチナのサブレイヤ５４は、アルミニウムのサブレイヤ５６がプラチナのサブレイヤ５４の上に堆積される前に、任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８上に堆積させることができる。任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８とプラチナアルミナイド保護層５０との組合せは、運転の使用温度範囲において特に良好な耐腐食性及び耐酸化性をもたらす。プラチナのサブレイヤ５４の堆積は、溶液から任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８上にプラチナを堆積させることによって達成される。プラチナを含む使用可能な水溶液は、１リットル当り約４−２０ｇのプラチナ濃度を有するＰｔ（ＮＨ_３）４ＨＰＯ_４であり、電圧／電流源は、対面する物品表面の１平方フィート当り約１／２−１０アンペアで作動される。約５μｍ厚のプラチナサブレイヤ５４が、１９０−２００°Ｆの温度で１−４時間で堆積される。その後、アルミニウムサブレイヤ５６が、上述のアルミニウム堆積法を用いてプラチナサブレイヤ５４の上に堆積される。プラチナサブレイヤ５４、アルミニウムサブレイヤ５６、任意選択的な第３のクロマイドコーティング４８、及び基材ベース金属４６のかなりの量の相互拡散が、アルミニウム堆積中に達成される。必要であれば、ハライドガの流れが中断された後、構造体を高温に維持することにより、更なる相互拡散を達成することができる。

図５の次の任意選択的なステップ１８６において、セラミック層５２が、多層コーティング４４の保護層５０の上に任意選択的に堆積される。セラミック層５２は、好ましくは約０．００３−約０．０１０インチの厚さ、最も好ましくは約０．００５インチの厚さである。セラミック層５２は、好ましくはイットリア安定化ジルコニアであって、約２−約１２重量％、最も好ましくは約３−約８重量％のイットリウム酸化物を含むジルコニウム酸化物である。これは、物理蒸着法又は熱溶射法などのいずれかの実施可能な方法により堆積させることができる。他の適用可能なセラミック材料も同様に用いることができる。

ブレード１０の翼形部１２の内部キャビティは、第２のクロマイドコーティング１４４以外は実質的にコーティングされない。しかしながら、プラチナ又はアルミナイド元素の一部は、ステップ１８２及び１８４においてこれらの施工中に参照符号３８及び４０などの冷却孔（図１参照）を介して翼形部１２の内部冷却通路に入ることができる。これら微量のプラチナ又はアルミナイド元素は、冷却孔３８、４０付近の翼形部内部キャビティ内のクロマイドコーティング上にアルミナイド又はプラチナアルミナイドコーティングの小さな層を形成することができる。ブレード１０の翼形部内表面内のクロマイドコーティング以外のこうした少量のコーティングは、本発明の実施形態の範囲内にある。

改善されたブレードは、新しいエンジン内で使用することができ、或いは既存のエンジンにおいて改造部品として使用することができる。

本明細書では、本発明の好ましい例示的な実施形態とみなされるものについて説明してきたが、本明細書の教示から本発明の他の変更形態も当業者には明らかであり、従って、かかる全ての変更形態を本発明の真の精神及び範囲内に含まれるものとして添付の請求項において保護されることが望ましい。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者に想起される他の実施例を含むことができる。かかる他の実施例は、これらが請求項の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はこれらが請求項の文言と僅かな相違しか有さない均等の構造要素を含む場合には、請求項の範囲内にあるものとされる。

例示的なタービンロータブレードの等角図。 図１に示すブレードの断面図。 線３−３に沿った図２のタービンブレードシャンク部分の概略拡大断面図。 線４−４に沿った図１のタービンブレード翼形部の概略拡大断面図。 コーティングされたガスタービン構成部品を作製するための方法の例示的実施形態のブロックフロー図。

符号の説明

１２ ブレード翼形部
１４ ブレードプラットフォーム
１６ ブレードダブテール
１８ ブレードシャンク
２０ 加圧空気冷媒
２２ 正圧側壁
２４ 負圧側壁
３４ 内部冷却回路
３６ 内部隔壁又はブリッジ
３８、４０ 冷却孔
８２ ダブテール内部通路
８４ シャンク１８の内部通路
７１ シャンク外壁
７２ ダブテール外壁
７３ シャンク内壁
７４ ダブテール内壁

Claims (13)

1. ベース金属と、
   プラットフォーム（１４）と、
   前記プラットフォームから上向きに延び、冷却流を流すための冷却流路（３４）が内部に配置された翼形部（１２）と、
   前記プラットフォームから下向きに延び、外壁と、冷却流を流すため内部に配置された内部通路（８４）とを有するシャンク（１８）と、
   前記シャンクの外壁の内表面（１１３）、（１１４）の少なくとも一部分のベース金属に接触し、且つこれと相互拡散され、その上にアルミナイドコーティングが堆積されていない第１のクロマイドコーティング（１０２）と、
   前記翼形部の内表面の少なくとも一部分のベース金属に接触し、且つこれと相互拡散される第２のクロマイドコーティング（１４４）と、
   を含むガスタービンブレード（１０）。
2. 前記第１のクロマイドコーティング（１０２）が、平均で２０−５０重量％のクロムを含む、
   請求項１に記載のガスタービンブレード。
3. 前記第１のクロマイドコーティング（１０２）が、０．０００５−０．００２インチの厚さを有する、
   請求項１又は２に記載のガスタービンブレード。
4. 前記第２のクロマイドコーティング（１４４）が、平均で２０−５０重量％のクロムを含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービンブレード。
5. 前記第２のクロマイドコーティング（１４４）が、０．０００５−０．００２インチの厚さを有する、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービンブレード。
6. 前記翼形部（１２）の外表面の少なくとも一部分のベース金属に接触し、且つこれと相互拡散された第３のクロマイドコーティング（４８）を更に含む、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスタービンブレード。
7. 前記シャンク（１８）の外表面１１１の少なくとも一部分のベース金属と接し、且つこれと相互拡散された第４のクロマイドコーティング（１０１）を更に含む、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスタービンブレード。
8. 拡散コーティング及びオーバーレイコーティングからなる群から選択された保護層（５０）を有する多層コーティングシステム（４４）を更に含む、
   請求項６又は７に記載のガスタービンブレード。
9. 前記ベース金属が、重量比で、４−２０％のコバルト、１−１０％のクロム、５−７％のアルミニウム、０−２％のモリブデン、３−８％のタングステン、４−１２％のタンタル、０−２％のチタニウム、０−８％のレニウム、０−６％のルテニウム、０−１％のニオビウム、０−０．１％の炭素、０−０．０１％のホウ素、０−０．１％のイットリウム、０−１．５％のハフニウム、及び残部のニッケル並びに不可避的不純物からなる組成を有する、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスタービンブレード。
10. 前記保護層（５０）が、拡散アルミナイド及び拡散プラチナアルミナイドからなる群から選択された拡散コーティングを含む、
    請求項８に記載のガスタービンブレード。
11. 前記保護層（５０）が、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイコーティングを含む、
    請求項８に記載のガスタービンブレード。
12. 前記保護層（５０）が、ＮｉＡｌ金属間化合物オーバーレイコーティングを含む、
    請求項８に記載のガスタービンブレード。
13. ベース金属を含むガスタービンブレードを作製するための方法であって、
    プラットフォーム、該プラットフォームから上向きに延びる翼形部、及び前記プラットフォームから下向きに延びるシャンクを備え、前記翼形部がその内部に配置された冷却流路を有し、前記シャンクがその内部に配置された内部通路と外壁とを有するガスタービンブレードを提供するステップ（１７０）と、
    前記シャンクの外壁の内表面の少なくとも一部分のベース金属を覆い且つこれと相互拡散された第１のクロマイドコーティングを施工するステップ（１７１）と、
    前記翼形部内部の冷却流路の少なくとも一部分のベース金属を覆い且つこれと相互拡散された第２のクロマイドコーティングを施工するステップ（１７２）と、
    前記翼形部の外表面の少なくとも一部分のベース金属を覆い且つこれと相互拡散された第３のクロマイドコーティングを任意選択的に施工するステップ（１７３）と、
    前記シャンクの外表面の少なくとも一部分のベース金属に接触し且つこれと相互拡散された第４のクロマイドコーティングを任意選択的に施工するステップ（１７４）と、
    前記内部通路の内部に更なるコーティング堆積を防止し、これによって前記タービンブレード上への後続のコーティング施工中に前記冷却流路の内部への有意なコーティング堆積を防止するために、前記シャンク内部に配置された内部通路を遮蔽するステップ（１８０）と、
    拡散コーティング及びオーバーレイコーティングからなる群から選択された保護層を有する多層コーティングシステムを、前記翼形部上の第３のクロマイドコーティングの少なくとも一部分に接触させて施工するステップ（１８２、１８４）と、
    を含む方法。

Images