JP2012527539A - 気相拡散技術を用いた、反応成分量の低い、反応成分で修飾されたアルミニウム化合物コーティング - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、「Forming Reactive Element Modified Aluminide Coatings with Low Reactive Element Content Using Vapor Phase Techniques」とのタイトルの2009年5月18日に出願された米国仮出願番号61/216,496の恩恵を主張し、この全開示がここに組み込まれる。
本発明は、気相コーティング技術を用いて、少ない反応成分(reactive element)量で、アルミニウム化合物コーティングを行う方法である。反応成分は、例えば、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)やこれらの組み合わせなどである。より詳細には、本発明は、気相コーティング技術を用いてこのようなコーティングを行うものであり、反応成分源材料は、反応成分の非ハロゲン化合物を含んでいる。例えば、反応成分の酸化物(例えばHfの場合にはHfO2)、反応成分の窒化物(例えばHfの場合にはHfN)、および/または反応成分の炭化物(例えばHfの場合にはHfC)である。この処理で生成したコーティングは、高温環境で化合物を腐食から守るのに用いることができる。このコーティングはまた、高温環境で用いられる成分に対する熱バリアシステムにおける結合コートとしても用いることができる。
エンジンの燃焼効率を改善して排出を抑える駆動部により、1940年代以降、ガスタービンエンジン内のタービンエントリー温度(TET)が著しく増加した。近年、商業的な航空エンジンの高温ガスに曝される高圧タービンブレードや翼は、典型的には、およそ1000℃の金属表面温度を経験し、短い期間には、1100℃もの高温のピークを経験している。このような供給環境では、鉄ベース、ニッケルベース、コバルトベースの超合金の発展を通じて、また、超合金を酸化や高温腐食などから保護できる抗酸化環境コーティングの使用によって、高温での能力が著しく向上してきた。
本発明は、源から、コーティングされる物品への、アルミニウムと反応成分との共転送および共堆積の制御を改善できる気相処理コーティング技術への戦略を供給する。特に、本発明は、これに関連して反応成分源を適切に選択して、共転送と共堆積との制御を劇的に改善したことを評価する。気相コーティングの事情において、反応成分源の少なくとも一部が、反応成分源の、酸化物、窒化物、炭化物などの非ハロゲン化合物を含んでいるときに、制御が改善するという結果が得られている。一方、金属性の源やハロゲン化合物の源を用いると、コーティングに、過剰な、または制御されないような、反応成分レベルの結果となる傾向がある。
金属性表面を持つ上記物品を供給する工程と、
反応成分源の少なくとも一部が反応成分の非ハロゲン化合物を含んでいる、反応成分源を供給する工程と、
アルミニウム源を供給する工程と、
ハロゲン化合物活性化剤を供給する工程と、
アルミニウムと上記反応成分とを含んでいる種(species)が、上記金属性表面上に共堆積されてコーティングを形成する効果的な条件で、上記物品と、上記反応成分源と、上記アルミニウム源と、上記ハロゲン化合物活性化剤とを加熱する工程とを含んでいることを特徴とするコーティング方法である。
本発明の上記および他の利点と、それを達成する方法とは、付随の図面と結合して本発明の実施形態の以下の記述を参照することによって、より明らかになるであろう。
以下に示す本発明の実施形態は、本発明を網羅することや、以下に示す記述の正確な形式に本発明を限定することを意図しない。むしろ、実施形態は、他の当業者が本発明の原理と実践とを評価・理解するように選び記述されている。
(1)上述のアルミニウム化合物コーティングのテストされるコーティング体積においてすべての元素の総重量に基づいて、INCONEL738合金タービン翼に、およそ0.14重量パーセントにまで。
(2)上述のアルミニウム化合物コーティングのテストされるコーティング体積においてすべての元素の総重量に基づいて、CMSX−3単結晶タービンブレードの外側成長部位および内側拡散領域に、およそ0.55重量パーセントのHfにまで。
(3)上述のアルミニウム化合物コーティングのテストされるコーティング体積においてすべての元素の総重量に基づいて、MarM247タービン翼セグメントの外側成長部位および内側拡散領域に、およそ2重量パーセントのHfにまで。
(4)上述のアルミニウム化合物コーティングのテストされるコーティング体積においてすべての元素の総重量に基づいて、MarM509Coベースのタービン翼セグメントの外側成長部位および内側拡散領域に、およそ4重量パーセントのHfにまで。
80×55×1.1mmのサイズのWASPALOYのNiベース合金フラットサンプルと、64×27×1.6mmのサイズのINCONEL718のNiベース合金フラットサンプルとを、図3の装置でグリットブラスト処理し、気相コーティングした。コーティングチャンバ31のサイズは、径が0.685メートル(27インチ)で、深さが0.254メートル(10インチ)である。混合物32は、およそ3.5mm×17.5mmのサイズの9.072kg(20lbs)の30Al−70Cr(重量パーセント)と、およそ44ミクロンの粉末サイズの0.454kg(1lb)のHfO2粉末と、およそ200ミクロンの粉末サイズの0.3kgのAlF3粉末とを含んでいた。支持スクリーン33と混合物32との距離はおよそ9cmであった。気相処理温度は、およそ6時間の間、およそ1975°F(1079℃)であった。
以下の実験条件で、(West Deptford, NJの)Johnson Matthey Inc.により供給されたQ塩溶液を用いて、38×26×1.1mmのサイズのWASPALOYのNiベース合金フラットサンプルを蒸気脱脂し、グリットブラスト処理し、超音波洗浄し、白金メッキした。白金濃度は5g/dm3であり、pHは10.2ないし10.6の範囲であり、温度は90ないし95℃であった。メッキ処理中、電流密度は2〜5mA/cm2の範囲内に制御され、白金の厚みは、4〜7ミクロンに制御された。白金メッキ処理の後、サンプルは、1時間、真空下で1925°F(1052℃)で加熱処理された。その後、サンプルは上述の実施例1と同様に同様の条件でグリットブラスト処理され、気相コーティング処理された。
52×11×1.2mmのサイズのCoベース合金(HS−188)フラットサンプルを、上述の実施例1と同様の条件で、グリットブラスト処理し、気相処理でコーティングした。
産業への応用を示すために、スクラップのタービンエンジン成分をHf修飾アルミニウム化合物コーティングでコーティングした。成分は、3つのNiベース超合金タービンエンジン成分(INCONEL738合金タービン翼、CMSX−3単結晶タービンブレード、MarM247タービン翼セグメント)と、1つのCoベース超合金エンジン成分(MarM509タービン翼セグメント)であった。実施例1と同様の条件で、成分をグリットブラスト処理し、気相処理でコーティングした。
Claims (19)
- 物品のコーティング方法であって、
(a)金属性表面を持つ上記物品を供給する工程と、
(b)反応成分源の少なくとも一部が反応成分の非ハロゲン化合物を含んでいる、反応成分源を供給する工程と、
(c)アルミニウム源を供給する工程と、
(d)ハロゲン化合物活性化剤を供給する工程と、
(e)アルミニウムと上記反応成分とを含んでいる種が、上記金属性表面上に共堆積されてコーティングを形成する効果的な条件で、上記物品と、上記反応成分源と、上記アルミニウム源と、上記ハロゲン化合物活性化剤とを加熱する工程とを含んでいることを特徴とするコーティング方法。 - 上記金属性表面が、
金属合金、金属間組成物、純粋金属、またはこれらの組み合わせを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記金属性表面が、
ニッケルベースの合金、コバルトベースの合金、チタンベースの合金、鉄ベースの合金、またはこれらの組み合わせを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記金属性表面が、超合金を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 少なくとも上記物品を加熱する工程が、酸化を起こさない雰囲気中で行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 加熱工程で、上記物品が、源の少なくとも一つと、ハロゲン化合物活性化剤とに、物理的に接触していないことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記ハロゲン化合物活性化剤が、ハロゲン塩を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記ハロゲン化合物活性化剤が、AlF3、AlCl3、NH4F、NH4Cl、NaF、NaCl、KF、KCl、またはこれらの組み合わせを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 加熱が、ある体積のチャンバで起こり、
供給される活性化剤の量が、チャンバ体積1立方フィートあたり、0.4ないし2.4モルのハロゲン化合物活性化剤を供給するのに十分なものであることを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 上記アルミニウム源が、
アルミニウムと、
Cr、Co、Ni、Fe、Mo、W、Mn、Ti、Y、Zr、Pt、Hf、またはこれらの組み合わせから選ばれる他の少なくとも一つの成分とを含んでおり、
上記アルミニウム源が、
上記アルミニウム源の総重量に基づいて、およそ3ないしおよそ99重量パーセントのアルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 加熱が、ある体積のチャンバで起こり、
上記チャンバが、体積1立方フィートあたりおよそ0.3kgないしおよそ7kgのアルミニウム源を含んでいることを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 源とハロゲン化合物活性化剤とが、粒子形状であり、
上記工程(b)ないし(d)が、上記粒子を混合物に取り込むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記反応成分が、Hf、Y、Zr、La、および/またはCeから選ばれることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記反応成分がHfであり、
上記反応成分源がHfの酸化物を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記反応成分源の少なくとも50%がHfの酸化物を含んでいることを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 上記工程(b)が、
上記アルミニウム源の総重量に基づいて、およそ1重量パーセントないしおよそ30重量パーセントの反応成分源を供給する工程を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 加熱工程を、およそ900℃ないしおよそ1150℃の範囲の温度で行うことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 加熱工程を、およそ2分ないしおよそ10時間の期間行うことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 物品の表面が、白金含有層を含んでいることを特徴とする請求項2に記載の方法。
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