JP2013503296A - エーロフォイルおよびエーロフォイルに耐浸食性コーティングを堆積させるための方法 - Google Patents

Abstract

粒子との衝突にさらされる、例えばガスタービンエンジンの圧縮機ブレードなどの表面を保護するために適した、コーティング、とりわけ耐浸食性コーティングを堆積させるための方法である。ブレードはエーロフォイルを有しており、エーロフォイルは、互いに反対側に配置された凸状表面および凹状表面と、互いに反対側に配置された、該エーロフォイルの翼弦長をその間に画定している前縁および後縁と、ブレードチップとを備えている。耐浸食性コーティングは、少なくとも凹状表面に存在するが、前縁から翼弦長の少なくとも２０％以内の凸状表面には耐浸食性コーティングは存在しない。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に被覆および被覆方法に関し、より詳細には浸食損傷しやすいエーロフォイル表面を有するガスタービンエンジンブレードコンポーネントに耐浸食性コーティングを堆積させるための方法に関する。

ガスタービンエンジンを始めとするガスタービンは、通常、圧縮機と、燃料および圧縮機からの空気の混合物が中で燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から放出される燃焼ガスによって駆動されて回転するタービンとを備えている。圧縮機およびタービンには、いずれも、エーロフォイルを備えたブレードが利用されており、ガスタービンエンジンを運転している間、これらのエーロフォイルに空気（圧縮機）または燃焼ガス（タービン）が導かれ、したがってそれらの表面は、エンジンによって吸い込まれる空気に同伴される粒子による衝突損傷および浸食損傷にさらされる。ガスタービンエンジンには、とりわけ、例えば砂の吸込みが発生しやすい砂漠環境などの特定の条件下で運転されると、かなりの量の微粒子を吸い込む傾向がある。

衝突損傷および浸食損傷は、いずれも吸い込まれる粒子によるものであるが、衝突損傷と浸食損傷とは区別することができる。衝突損傷および浸食損傷を特性化するために、図１および２に示されている圧縮機ブレード１０のエーロフォイル部分１２を参照する。工業専門用語と矛盾することなく、エーロフォイル１２は、前縁および後縁１４および１６、互いに反対側に配置された凸状（吸込み）および凹状（圧力）表面１８および２０、ブレードチップ２４、および反対側に配置された根元部分２６を有するものとして記述することができる。前縁１４は、しばしば、エーロフォイル１２の最も前方のポイント（ノーズ）２８によって画定される部分として記述される。衝突損傷は、主として高運動エネルギー粒子の衝突によるものであり、エーロフォイル１２の前縁１４に典型的に生じる。粒子は、比較的速い速度で移動し、真正面、またはほぼ真正面からノーズ２８に衝突するよう、エーロフォイル１２の凹状表面２０に対して浅い角度でエーロフォイル１２の前縁１４またはノーズ２８に当たる。エーロフォイル１２は、通常、少なくともある程度延性のある金属合金で形成されるため、粒子の衝突によって前縁１４が変形することがあり、そのために空気流を撹乱し、かつ、拘束することがあるまくれが形成され、延いては圧縮機効率が低下し、また、エンジンの燃料効率が低下することになる。

浸食損傷は、主としてエーロフォイル１２の凹状表面２０をかすめる粒子衝突、すなわちエーロフォイル１２の凹状表面２０に斜めの角度で衝突する粒子によるものであり、後縁１６の前方の領域に集中し、次に、前縁１４の後方、つまり前縁１４を通り越した後の領域に集中する傾向がある。このようなかすめ衝突には、凹状表面２０のとりわけ後縁１６の近傍から材料を除去する傾向がある。その結果、エーロフォイル１２が徐々に薄くなり、また、翼弦長の損失によってその有効表面積を失うことになり、延いてはエンジンの圧縮機性能が低下することになる。

エンジンの入口の近傍におけるそれらの位置のため、圧縮機ブレードは、それらの流路表面に沿った衝突損傷と浸食損傷の両方の問題を抱えており、とりわけそれらの前縁に沿った衝突損傷、およびそれらの圧力（凹状）表面に対する浸食損傷の問題を抱えている。したがって圧縮機ブレードのエーロフォイル表面は、物理蒸着法（ＰＶＤ）および化学気相成長法（ＣＶＤ）も使用されているが、通常、様々な技法、一般的にはプラズマ溶射および高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）堆積などの熱溶射プロセスを使用して堆積させることができるコーティングで保護されている。当分野で知られているように、熱溶射プロセスには、通常、被覆を施すべき表面に導かれる、高温で、かつ、高速の流れに粒子を同伴させる必要がある。これらの粒子は十分に軟化され、「スプラット」として堆積して、非円柱、不規則平滑粒子、およびある程度の不均質性ならびに多孔性を有する被覆を生成する。スパッタリングなどのＰＶＤプロセスおよび電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）堆積被覆は、不規則平滑粒子の代わりに、より稠密であり、および／または円柱微細構造を有している点で、微細構造的に熱溶射被覆とは異なっている。

重大な浸食損傷または衝突損傷が生じると、ブレードをエンジンから除去しなければならないため、ブレード上の保護コーティングの有効性は重要である。圧縮機ブレードを保護するために広く使用されているコーティング材料は、窒化物および炭化物などの一般に硬くて耐浸食性の材料である。例えば、Ｇｕｐｔａ等に対する米国特許第４９０４５２８号（窒化チタン（ＴｉＮ）コーティング）、Ｓｕｅ等に対する米国特許第４８３９２４５号（窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）コーティング）、およびＮａｉｋ等に対する米国特許第４７４１９７５号（炭化タングステン（ＷＣ）および炭化タングステン／タングステン（ＷＣ／Ｗ）コーティング）を参照されたい。ＴｉＮなどの硬いコーティングは、圧縮機ブレードエーロフォイルの表面の損傷を軽減するために使用されているが、これらのコーティングのセラミックの性質は、それらの表面に対してほぼ直角である軌道上でコーティングに衝突するとりわけ大きい粒子による衝突損傷に耐える能力を低くしている。その一例は、ＴｉＮがそれほど有効ではないエーロフォイルの前縁またはノーズである。より優れた耐衝突性は、ＨＶＯＦ堆積プロセスによって約０．００３インチ（約７５マイクロメートル）の厚さまで加えられた炭化タングステンおよび炭化クロム（ＣｒＣおよび／またはＣｒ₃Ｃ₂）で形成された比較的分厚いコーティングを使用して達成されている。しかしながら、大きい衝突角度および速い衝突速度で衝突する粒子は、エーロフォイルのノーズのコーティングを浸食する原因になることがあり、これらのコーティングが浸食された後、エーロフォイルの凹状および凸状の両側に残されたコーティングには、隣接する金属の浸食を遅延させる傾向がある。分厚いＨＶＯＦコーティングの場合、この問題は極めて深刻になることがあり、いわゆる鳥のくちばし、魚の口あるいは鳥の口なるものをもたらし、延いては圧縮機の効率を低下させる極めて好ましくない空気力学状態をもたらすことになる。最後に、ＨＶＯＦコーティングの場合、必要な厚さにするためには重量が過剰になり、そのためにブレードの疲れ寿命（例えば高サイクル疲労（ＨＣＦ））に負の影響を及ぼすことになることがある。これらの理由により、ＨＶＯＦによって堆積される耐浸食性コーティングは、ブレードチップの近傍のブレードの圧力側にのみ加えられることがしばしばである。

窒化物および炭化物などの硬い耐浸食性材料は、スパッタリングまたはＥＢ−ＰＶＤなどのＰＶＤプロセスによって堆積されると、砂漠の砂に見られる比較的丸い粒子よりも鋭い角およびより不規則な形状を有する傾向がある粉砕アルミナおよび粉砕水晶などの侵略性媒体にさらされた場合に、耐浸食性の点でより良好な性能を発揮する。様々な試験において、約５０マイクロメートルの厚さおよびせいぜい約１６マイクロメートル程度の厚さを有するＰＶＤコーティングは、約７５マイクロメートルの厚さを有するＨＶＯＦコーティングと比較すると、有利な性能を発揮した。ＨＶＯＦによって堆積される比較的重いコーティングとは対照的に、ＰＶＤコーティングは、一様な厚さを有するために圧縮機ブレードのエーロフォイル表面に堆積される。より薄いＰＶＤコーティングは、上で言及した鳥のくちばし状、魚の口あるいは鳥の口状になりにくい。しかしながら、速い速度で、かつ、大きい衝突角度で衝突する大きい粒子による高い衝突浸食に対するＰＶＤコーティングの感度は、同じエーロフォイル上の隣接する位置でこれらのコーティングの劣化速度を著しく変化させることが分かっている。ブレードの前縁に沿った非一様な損傷は、被覆されていないエーロフォイルと同様の速度で浸食されている前縁のいくつかの領域によって特性化される、鋸歯状前縁と呼ばれる状態をもたらし、その一方で前縁の隣接する領域は初期状態を示すことになる。

米国特許第２００６／０１８７６０号

ＨＶＯＦおよびＯＶＤ耐浸食性コーティングの両方に共通の問題は、十分に深刻になると圧縮機の効率を低下させることになる浸食および粒子吸込みによるエーロフォイル表面粗さの劣化である。一般に、比較的小さい表面粗さを維持することが望ましく、例えば約１６マイクロインチ（約０．４マイクロメートル）Ｒａ以下の表面粗さを維持することが望ましい。

本発明によれば、コーティング、とりわけ粒子との衝突にさらされる表面を保護するのに適した耐浸食性コーティングを堆積させるための方法が提供される。この方法は、とりわけガスタービンエンジンの圧縮機ブレードにコーティングを堆積させるのに適している。

本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードはエーロフォイルを有しており、エーロフォイルは、互いに反対側に配置された凹状表面および凸状表面と、互いに反対側に配置された、該エーロフォイルの翼弦長をその間に画定している前縁および後縁と、ブレードチップと、少なくとも凹状表面に存在し、前縁から翼弦長の少なくとも２０％以内の凸状表面には存在しない耐浸食性コーティングとを備えている。

本発明の他の態様によれば、ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードに耐浸食性コーティングを堆積させるための方法が提供される。ブレードはエーロフォイルを有しており、エーロフォイルは、互いに反対側に配置された凹状表面および凸状表面と、互いに反対側に配置された、該エーロフォイルの翼弦長をその間に画定している前縁および後縁と、ブレードチップとを備えており、この方法には、コーティング材料源を蒸発させてコーティング材料蒸気を生成するように構成された装置内に、コーティング材料源に隣接してブレードを配置するステップと、次に、少なくとも凹状表面に耐浸食性コーティングを堆積させ、前縁から翼弦長の少なくとも２０％以内の凸状表面には耐浸食性コーティングを堆積させないステップが含まれている。

この方法の特定の利点は、浸食しやすいブレードの凹状（圧力）エーロフォイル表面に比較的薄いコーティングを選択的に堆積させ、その一方で、凸状表面が硬い耐浸食性コーティングで保護されている場合に、粒子が衝突することによって不利な空気力学表面状態がもたらされることになるブレードの凸状（吸込み）表面への堆積を回避する能力である。本発明は、ＨＶＯＦなどの熱溶射プロセスによって堆積されるコーティングと比較すると、より薄いＰＶＤコーティングを堆積させることができる他の利点を有している。したがってこれらのコーティングは、ブレードの過剰重量に寄与することなく、あるいはブレードの望ましい特性に悪影響を及ぼすことなく、保護コーティングとしてガスタービンエンジンの圧縮機ブレードに使用するのに適している。

本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明からより良好に理解されよう。

圧縮機ブレードの側面図である。 図１の断面線２−２に沿った横断面図である。 衝突損傷および浸食損傷によって鈍くなったブレードの前縁を概略的に示す図である。 衝突損傷および浸食損傷によって鈍くなっているが、図３のブレードと比較すると、空気力学的により有利な輪郭を示すブレードの前縁を概略的に示す図である。 図３の鈍くなった前縁と図４の鈍くなった前縁とを概略的に対比した図である。 、 および それぞれ耐浸食性コーティングを備え、かつ、浸食試験にさらされた圧縮機ブレードの走査イメージである。 図７のブレードの断面を示す走査イメージである。 図８のブレードの断面を示す走査イメージである。 図６のブレードの断面を示す走査イメージである。 図９のイメージとは異なるスパン位置で取った図７のブレードの断面を示す走査イメージである。 図１０のイメージとは異なるスパン位置で取った図８のブレードの断面を示す走査イメージである。 図１１のイメージとは異なるスパン位置で取った図６のブレードの断面を示す走査イメージである。 および それぞれ、被覆された直後の状態における２つの異なる圧縮機ブレードの２つの断面を示す走査イメージである。 および それぞれ、浸食試験後における、図１５および１７と同様の２つの異なる圧縮機ブレードの２つの断面を示す走査イメージである。 本発明の一実施形態に従って加えられた耐浸食性コーティングを備えた圧縮機ブレード、および従来技術に従って加えられた耐浸食性コーティングを備えた同様の圧縮機ブレードの空気力学性能をプロットしたグラフである。 本発明の一実施形態による、耐浸食性コーティングを堆積させるのに適した遊星運動装置ツールを概略的に示す図である。

上で説明したように、図１および２は、ガスタービンエンジン圧縮機ブレード１０のエーロフォイル１２を示したものである。本発明は、航空機ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードにとりわけ適しているが、他の用途に使用されるエーロフォイルコンポーネントに適用することも可能である。

ブレード１０は、所望の形状に形成することができ、かつ、ブレードが取り付けられることになるガスタービン圧縮機の意図された動作温度で必要な動作負荷に耐えることができる材料で形成される。このような材料の例には、それらに限定されないが、チタンベース合金、アルミニウムベース合金、コバルトベース合金、ニッケルベース合金および鋼ベース合金を始めとする金属合金がある。ブレード１０がガスタービンエンジンの圧縮機セクションに取り付けられると、ブレード１０の凸状（吸込み）表面１８および凹状（圧力）表面２０は、本明細書においては、エンジンから引き出される空気に直接露出される点で流路表面と呼ばれることになる表面を画定する。ブレード１０の流路表面は、吸い込まれる空気に同伴される粒子による衝突損傷および浸食損傷にさらされる。詳細には、ブレード１０の前縁１４は、エンジンに吸い込まれる粒子によって衝突損傷しやすく、一方、ブレード１０の凹状（圧力）表面２０は浸食損傷しやすく、とりわけ後縁１６の前方、前縁１４の後方、つまり前縁１４を通り越した後、およびブレードチップ２４の近傍は浸食損傷しやすい。以下で説明するように、本発明の特定の態様によれば、ブレード１０の凹状表面２０およびノーズ２８のみに耐浸食性セラミックコーティングを施し、より好ましくはブレード１０の凹状表面２０のみに耐浸食性セラミックコーティングを施すことにより、衝突損傷および浸食損傷を最小化することができ、また、空気力学的に有利な表面状態をより良好に維持することができる。

コーティングは、その全体を１つまたは複数のセラミック組成物から構成することができ、また、金属ボンディングコートを使用してブレード基板に結合することができる。例えば、本発明の譲受人に譲渡された、Ｂｒｕｃｅらに対する米国特許出願第１２／２０１５６６号の教示によれば、セラミックコーティングは、セラミック層とセラミック層の間に一切の金属中間層を介在させることなく、ＴｉＡｌＮの１つまたは複数の層、ＣｒＮおよびＴｉＡｌＮの複数の層の組合せ（例えば交互層）、およびＴｉＳｉＣＮの１つまたは複数の層を含むことができる。好ましいことには、このようなセラミックコーティングは、１６マイクロメートルより分厚い厚さを有しており、例えば約２５マイクロメートルないし約１００マイクロメートルの厚さを有している。１００マイクロメートルを超えるコーティングの厚さは、保護の点では不必要とされており、また、重量が重くなる点で望ましくない。セラミックコーティングがＴｉＡｌＮで構築される場合、コーティング全体の厚さは、ＴｉＡｌＮの単一の層またはＴｉＡｌＮの複数の層からなっていてもよく、個々の層は、約２５マイクロメートルないし約１００マイクロメートルの厚さを有することができる。セラミックコーティングがＣｒＮおよびＴｉＡｌＮの複数の層で構築される場合、個々の層は、少なくとも約３マイクロメートルの総コーティング厚さを得るために、約０．２マイクロメートルないし約１．０マイクロメートルの厚さを有することができ、例えば約０．３マイクロメートルないし約０．６マイクロメートルの厚さを有することができる。セラミックコーティングがＴｉＳｉＣＮで構築される場合、コーティング全体の厚さは、ＴｉＳｉＣＮの単一の層またはＴｉＳｉＣＮの複数の層からなっていてもよく、個々の層は、約１５マイクロメートルないし約１００マイクロメートルの厚さを有することができる。他のコーティング、コーティング組成およびコーティング厚さも、同じく本発明の範囲内である。

金属ボンディングコートが使用される場合、ボンディングコートは、１つまたは複数の金属層で構築することができ、例えば、チタンアルミナイド金属間化合物を含む、チタンおよび／またはチタンアルミニウム合金の１つまたは複数の層で構築することができる。ボンディングコートは、基板へのセラミックコーティングの粘着を促進するために、セラミックコーティングと該セラミックコーティングが保護する基板の間全体の位置に限定することができる。

本発明のコーティングは、物理蒸着（ＰＶＤ）技法によって堆積されることが好ましく、したがって、コーティングがＨＶＯＦなどの熱溶射プロセスによって堆積される場合に得られる、非円柱で、不規則で、かつ、多孔性の微細構造ではなく、通常、円柱および／または稠密微細構造を有することになる。とりわけ適切なＰＶＤプロセスには、ＥＢ−ＰＶＤ、陰極アークＰＶＤおよびスパッタリングがあり、陰極アークが好ましいとされている。適切なスパッタリング技法には、それらに限定されないが、直流二極式スパッタリング、無線周波数スパッタリング、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、プラズマ増速マグネトロンスパッタリングおよびステアードアークスパッタリングがある。陰極アークＰＶＤおよびプラズマ増速マグネトロンスパッタリングは、それらの被覆速度が速いため、コーティングを製造するためにはとりわけ好ましい。堆積は、堆積させるコーティングの組成に応じて、堆積コーティングの炭化物成分、ケイ素成分および／または窒化物成分を形成するために、炭素源（例えばメタン）、窒素源（例えば窒素ガス）あるいはケイ素および炭素源（例えばトリメチルシラン、（ＣＨ₃）₃ＳｉＨ）を含んだ大気中で実施することができる。金属ボンディングコートおよび任意の他の金属層は、不活性大気、例えばアルゴン中で被覆プロセスを実施することによって堆積されることが好ましい。

コーティングは、空気流方向の表面粗さが約１６マイクロインチ（約０．４マイクロメートル）Ｒａ以下になるように堆積されることが好ましい。ブレードは、この表面仕上げを達成するために研磨することができる。エーロフォイルの研磨は、コーティングの滑らかな堆積を促進するために、コーティングを堆積させる前に実施することができ、また、所望の表面粗さが得られることを保証するためにコーティングを堆積させた後に追加研磨が実施される。研磨は、被覆プロセスの中間ステップとして実施することも可能である。

本発明の好ましい一態様によれば、一部には、損傷がブレード基板に対してではなく、硬い耐浸食性コーティングに対して生じた場合に、空気力学性能に対する影響がより深刻である衝突損傷および／または浸食損傷の問題を抱えている特定のエーロフォイル領域を決定することにより、ガスタービンエンジンを運転している間、長時間にわたって比較的小さい表面粗さ、例えば約２０マイクロインチ（約０．５マイクロメートル）Ｒａ以下の表面粗さを維持する困難性が対処される。言い換えると、本発明は、ブレード１０の空気力学性能、詳細には細かい表面粗さを促進する衝突特性および浸食特性を達成するために、異なるタイプの損傷を受けやすく、かつ、ブレード１０の空気力学性能に異なる影響を及ぼすエーロフォイル領域に基づいて、ブレード１０（図１）の特定のエーロフォイル領域を選択的に被覆し、一方、他の領域は被覆しないことを提案している。

とりわけ重要なタイプの損傷は、ブレードの前縁１４の鈍化ならびに前縁１４およびノーズ２８の鋸歯化である。図３は、ＰＶＤ耐浸食性コーティングによって保護されたエーロフォイル１２の前縁１４に一般的に観察される鈍化を示したもので、エーロフォイル前縁１４の浸食によって翼弦長が著しく失われ、元の前縁１４（仮想で示されている）が丸い輪郭３０になっている。上で言及した鳥のくちばし状態、魚の口あるいは鳥の口状態として特性化される損傷は、ＨＶＯＦ耐浸食性コーティングによって保護されたエーロフォイルをとりわけ参照した損傷に関しているが、鈍化および鋸歯化は、ＰＶＤ耐浸食性コーティングによって保護されたエーロフォイル１２の表面粗さが粗くなり、また、翼弦長が短くなることよりも深刻であるとされている。したがって本発明の一態様によれば、浸食および粒子衝突によって前縁１４が劣化する際に、前縁１４の輪郭が、凸状表面１８および凹状表面２０への変化がより滑らかで、かつ、より緩やかな輪郭に維持される。図４は、このような輪郭３２を示したものであり、また、図５は、図３のより鈍化した輪郭３０との対比を示したものである。より劣ると思われるが、他の好ましい態様は、進行すると局部化された衝突および浸食の不規則性によって表面が劣化することになる前縁鋸歯化の発生を少なくし、あるいはその程度を小さくすることである。

本発明によれば、エーロフォイル１２の凸状表面１８への耐浸食性コーティングの堆積を回避することによって前縁１４の鈍化が対処され、また、エーロフォイル１２のノーズ２８への耐浸食性コーティングの堆積をさらに回避することによって前縁１４の鋸歯化が適宜対処される。したがってエーロフォイル前縁１４、凸状表面１８およびノーズ２８の劣化は、被覆されていないエーロフォイルの劣化と同様であり、その劣化は、これらの表面が耐浸食性コーティングで保護されている場合に生じるであろう劣化速度より速く進行することになるが、劣化がより一様に進行するため、劣化中、比較的滑らかな前縁輪郭が維持される。これらの対処手段は、以下で説明する実験の結果によるものであったが、この結果は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されるＣＦＭ５６−７ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードの浸食抵抗に対する異なるコーティングカバレージの効果を証明した。

図６、７および８は、耐浸食性コーティングシステムを使用して被覆され、かつ、同じ試験台で砂エンジン浸食試験が実施されたＣＦＭ５６−７の３つの段７高圧圧縮機（ＨＰＣ）ブレードの走査イメージである。調査には、セラミック層とセラミック層の間に一切の金属中間層を介在させることなく、ＣｒＮとＴｉＡｌＮの交互層、ＴｉＳｉＣＮおよびＴｉＡｌＮの３つの異なるコーティングシステムが使用された。

図６に示されているブレードは、ブレードの凹状表面に優先的に堆積されたＣｒＮおよびＴｉＡｌＮの交互層で構築された「ＰＶＤコーティングＡ」が被覆されているものとして示されている。コーティングは、最初は約３０マイクロメートル以上のコーティング厚さをブレードの凹状表面に有し、また、最初は凹状表面のコーティング厚さの３５％未満、より典型的には凹状表面のコーティング厚さの２５％未満のコーティング厚さを凸状表面およびノーズ表面に有していた。ノーズのコーティング厚さは凸状表面のコーティング厚さ未満であった。

図７に示されているブレードは、ブレードの凹状表面に優先的に堆積されたＴｉＳｉＣＮで形成された「ＰＶＤコーティングＢ」が被覆されているものとして示されている。コーティングは、最初は約２２マイクロメートル以上のコーティング厚さをブレードの凹状表面およびノーズ表面に有し、また、最初は凹状表面のコーティング厚さの少なくとも２５％ないし約５０％のコーティング厚さを凸状表面に有していた。したがって「Ｂ」ブレードは、通常、その凸状表面およびノーズ表面に「Ａ」ブレードより分厚いコーティングを有し、また、ノーズのコーティング厚さは、凸状表面のコーティング厚さより分厚かった。

図８に示されているブレードは、前縁およびノーズ部分はより薄いが、ブレードのすべての表面に堆積されたＴｉＡｌＮで形成された「ＰＶＤコーティングＣ」が被覆されているものとして示されている。コーティングは、最初は約３０マイクロメートル以上のコーティング厚さをブレードの凹状表面およびノーズ表面に有し、また、最初は凹状表面のコーティング厚さの５０％を超える最大１２０％のコーティング厚さを凸状表面に有していた。したがって「Ｃ」ブレードは、通常、その凸状表面およびノーズ表面に「Ａ」および「Ｂ」ブレードより分厚いコーティングを有していた。さらに、ノーズのコーティング厚さは、通常、凸状表面のコーティング厚さより分厚かった。

図６および７の「Ａ」および「Ｂ」ブレードは鋸歯化した前縁を有しており、一方、図８の「Ｃ」ブレードの前縁は、はるかに滑らかであることが分かる。しかしながら、図７および８のブレードからは、それらのブレードの前縁が図６のブレードよりも鈍化による損傷のより深刻な問題を抱えていたかどうかは容易には明らかではない。

図９は、ブレードのスパン長の約７１％における「Ｂ」ブレードの前縁部分の断面の顕微鏡写真であり、ブレードの前縁およびノーズが鈍化によるかなりの損傷の問題を抱えていたことを明確に示している。注目すべきことには、鈍化した前縁と凸状表面の交点に尖頭が形成されていることが分かる。図１０は、「Ｃ」ブレードの同様の断面を示したものであり、ブレード前縁の鈍化は、「Ｂ」ブレードほどには広範囲にわたっていないが、この場合もブレードの鈍化した前縁と凸状表面の交点に明らかに尖頭が画定されている。最後に、図１１の「Ａ」ブレードの同様の断面は、「Ｃ」ブレードと同様の前縁鈍化を示しているが、ブレードの前縁および凸状表面の交点の尖頭は小さくなっている。空気力学解析によれば、図９および１０に見られる鈍化および尖頭形成は、図６の「Ａ」ブレードの鋸歯化した前縁の存在が、図７および８に見られる鈍化および尖頭がない場合に問題がより小さいとされている程度まで、図６および７に見られる「Ａ」および「Ｂ」ブレードの鋸歯化した前縁よりもエーロフォイルの有効性に重大な負の影響を及ぼすことを示した。図１２および１３は、ブレードのスパン長の約４０％における「Ｂ」および「Ｃ」ブレードの前縁部分の断面図であり、前縁はさらに鈍化しているが、図９および１０に見られる明確な尖頭は存在していないことを明確に示している。対照的に、図１４の「Ａ」ブレードのノーズから凸状表面までの著しくより緩やかな変化は、圧縮機ブレードのためのより空気力学的形状であることを明確に示している。上記に基づいて、図６の「Ａ」ブレードは、図７および８の「Ｂ」および「Ｃ」ブレードより空気力学的に優っていると結論付けられた。

図１５および１７は、図６から１４の段７ブレードの耐浸食性コーティングと同じ耐浸食性コーティングで被覆されたＣＦＭ５６−７の２つの段９高圧圧縮機ブレードの走査イメージであり、また、図１６および１８は、段７ブレードの砂エンジン浸食試験と同じ砂エンジン浸食試験が実施された２つの本質的に全く同じ段９高圧圧縮機ブレードの走査イメージである。図１５および１６は、上で説明した「Ａ」ブレードコーティングカバレージに従って被覆されたブレードであり、一方、図１７および１８は、上で説明した「Ｂ」ブレードコーティングカバレージに従って被覆されたブレードである。図１５から１７の各々は、ブレードの３９％スパンおよび７１％スパンで取った断面を示している。図１６と１８を比較すると、両方のブレードの前縁は、それらの前縁部分に鈍化の問題を抱えていたことが分かる。しかしながら、図１６の「Ａ」ブレードの断面は、図１８の「Ｂ」ブレードほどには鈍化が深刻ではないことを明確に示しており、図１８のブレードの前縁および凸状表面の交点に見られる際だった尖頭がないこと、および図１６の「Ａ」ブレードの前縁から凸状表面への著しくより緩やかな変化は、より空気力学的形状に対応している。これに基づいて、この場合も、「Ａ」ブレードのコーティングカバレージの方が「Ｂ」ブレードのコーティングカバレージよりも空気力学的に優っていることが結論付けられた。

図１９は、ＣＦＭ５６−７ガスタービンエンジンの段７ＨＰＣブレードのための公称設計規格に対する４つの段７ＨＰＣブレードの圧力比対入口修正流をプロットしたグラフである。４つのすべてのブレードは、ＩＮ７１８、すなわち、５０〜５５重量％ニッケル、１７〜２１重量％クロム、２．８〜３．３重量％モリブデン、４．７５〜５．５重量％ニオブ、０〜１重量％コバルト、０．６５〜１．１５重量％チタン、０．２〜０．８重量％アルミニウム、０〜０．３５重量％マンガン、０〜０．３重量％銅、０．０８最大重量％炭素、０．００６最大重量％ホウ素、および残部の鉄の公称組成を有するニッケルベース超合金で形成された。砂エンジン浸食試験の実施に先立ってこれらのブレードのうちの３つが被覆され、４つ目のブレードは被覆されなかった（「裸浸食」）。これらのブレードのうちの「ＰＶＤ ＬＥ」として識別された１つは、ブレードの凹状表面に優先的に堆積された、上で説明した「Ａ」ブレードと無矛盾のコーティングカバレージと一致するＣｒＮおよびＴｉＡｌＮの交互層のコーティングを備えていた。詳細には、ブレードは、その凹状表面に約３１マイクロメートルのコーティング厚さを有し、その凸状表面に約１０マイクロメートルのコーティング厚さを有し、また、そのノーズに約７マイクロメートルのコーティング厚さを有していた。これらのブレードのうちの「炭化物浸食」として識別された２つ目は、約７５マイクロメートルの厚さを有するＣｒ₃Ｃ₂ＮｉＣｏ炭化物コーティングをその凹状表面のみに備えていた。第３のブレードは「鈍ＬＥ」として識別され、約４０マイクロメートルのコーティング厚さを有するＴｉＡｌＮコーティングをその凹状表面に備え、約４０マイクロメートルのコーティング厚さをその凸状表面に備え、また、約４０マイクロメートルのコーティング厚さをそのノーズに備えていた。図１９にプロットされたデータは空気力学コードによって生成され、残りのブレードと比較すると、ＰＶＤ ＬＥブレードの空気力学的卓越性を明確に示している。「裸浸食」ブレードの性能は、ブレードの前縁および後縁部分における鈍化／損失の結果としての翼弦長の著しい損失によるものとされた。「炭化物浸食」ブレードも、同じく、翼弦長が損失することになる著しい後縁浸食に遭遇した。対照的に、「鈍ＬＥ」ブレードに対する損傷は、ブレードの前縁を著しく鈍化させ、それは「鈍ＬＥ」ブレードの空気力学性能を「炭化物浸食」ブレードの空気力学性能未満に減少させるには十分であった。図１９のデータは、この場合も、その凹状表面部分のみが保護された圧縮機ブレードは、その凹状表面、凸状表面およびノーズ表面が同じ耐浸食性コーティングで保護され、かつ、同じ衝突／浸食条件にさらされる全く同じブレードよりも空気力学的に優り得ることを明確に示した。

以上の結果に基づいて、圧縮機エーロフォイルの凹状表面へのＰＶＤ耐浸食性コーティングのための適切な厚さは、少なくとも１６マイクロメートル、例えば２５マイクロメートルないし１００マイクロメートルであることが結論付けられた。エーロフォイル１２のノーズ２８のための好ましいコーティング厚さは、２０マイクロメートル未満またはエーロフォイル１２の凹状表面２０のコーティング厚さの３０％未満のどちらか薄い方であり、エーロフォイル１２の凸状表面１８のための好ましいコーティング厚さは、１０マイクロメートル未満またはエーロフォイル１２の凹状表面２０のコーティング厚さの２０％未満のどちらか薄い方であるとされている。耐浸食性コーティングの選択的堆積は、少なくとも一部には、エーロフォイル１２の凹状表面２０のみをＰＶＤプロセスの間に生成されるコーティングフラックスに露出することによって達成することができる。コーティングフラックスへのエーロフォイル１２の凸状表面１８の露出は回避されることが好ましく、また、コーティングフラックスへのエーロフォイル１２のノーズ２８の露出は、完全には回避されないとしても最小化されることが好ましい。詳細には、ノーズ２８から翼弦長の少なくとも２０％以内の凸状表面１８部分へのコーティングの堆積は防止されることが好ましい。被覆されていないエーロフォイルの浸食速度と同様の速度での浸食を前縁に許容するためには、凸状表面１８のとりわけノーズ２８へのコーティングの堆積を回避／最小化することが期待されるが、より良好な総合空気力学性能は、コーティングがないノーズ２８からコーティングがない凸状表面１８へのより滑らかな変化の結果として維持されるとされている。エーロフォイル１２の適切な翼弦長を維持するためには、エーロフォイル１２の凹状表面２０および後縁１６にＰＶＤ耐浸食性コーティングを存在させるだけで十分であるとされている。

耐浸食性コーティングの選択的堆積は、被覆中の運動構造であって、コーティング堆積プロセス中におけるフラックスへのエーロフォイル１２の凸状表面１８および前縁１４の露出を最小化する運動構造によって達成することができる。例えば図２０は、ブレード１０のエーロフォイル１２の前縁１４および凸状表面１８をコーティング蒸気フラックスから遮蔽するために、これらのブレード１０を遊星運動装置ツーリング３４の上に配置することができる技法を示したものである。図２０は、遊星運動装置ツーリング３４の上に取り付けられた複数のブレード１０を平面図で示したものであり、個々のブレード１０は、その縦（スパン方向）軸をブレード１０とスパッタターゲットなどのコーティング材料源３６との間の直線経路に対して直角にして配向されている。個々のブレードは、その縦軸の周りに回転するように遊星運動装置３８の上に取り付けられており、その一方で同じくコーティング材料源３６に対して回転ラック４０上で回転している。複数の遊星運動装置３８のうちの１つの上に、隣接するエーロフォイル１２の後縁１６の後方に前縁１４および凸状表面１８が配置されており、また、コーティングフラックスが最も近いコーティング材料源３６から遠く離れてエーロフォイル１２を通過するのを防止するために、エーロフォイル１２の個々の回転セットの中心にマスク４２が配置されている。ツーリング３４の残りの遊星運動装置３８にもそれぞれ同じ構成を使用することができる。比較のために１つの遊星運動装置３８Ａが、ブレード１０のすべての表面へのコーティングの堆積を許容するためにブレード１０が従来の方法で取り付けられて示されている。

別法または追加として、物理的な遮蔽すなわちマスクを使用してエーロフォイル１２の凸状表面１８への堆積を防止し、また、エーロフォイル１２の前縁１４への堆積を適宜防止し、あるいは少なくとも最小化することも可能である。また、同じく別法または追加として、遊星運動装置ユニット３４は、被覆するために凹状表面２０が露出されている間は低速回転を提供し、また、エーロフォイル１２の凸状表面およびノーズがコーティング材料源３６に露出されている間は高速回転を提供するために、被覆中、エーロフォイル１２のカム回転を提供することも可能である。さらに他のオプションには、被覆が凸状表面１８およびノーズ２８から速やかに浸食するよう、被覆後にエーロフォイル１２の凸状表面１８およびノーズ２８からコーティングを局部的にはぎ取るステップ、および凸状表面１８およびノーズ２８部分へのコーティングの粘着を最小化するステップが含まれている。

エーロフォイルおよびコーティングは、１６マイクロインチ（約０．４マイクロメートル）Ｒａ以下の表面粗さが得られるように処理されることが好ましい。エーロフォイル１２の凸状表面１８および凹状表面２０は、コーティングを堆積させる前、コーティングを堆積させた後、および／または被覆プロセスの中間ステップとして研磨することができる。コーティングの滑らかさは、蒸発プロセス中のほこりおよび粒子の堆積を回避するためにＰＶＤコーティングチャンバが清潔であることを保証し、かつ、蒸発プロセス中のスピットを最小化することによって促進することができ、それによりターゲットの溶融領域の噴出の結果として、ターゲットからの固体粒子がエーロフォイル表面に堆積する。望ましい表面状態を得るために、ピーニング、脱脂、加熱着色、グリットブラスト、バックスパッタリング、等々を始めとする他の表面および追加表面の準備をブレード１０に対して実施することができる。

耐浸食性コーティングおよび被覆されていないエーロフォイル表面の劣化速度を遅くするため、および／またはコーティングおよびエーロフォイル表面の劣化が比較的滑らかな表面仕上げを維持する方法で進行することを保証するための追加手段を講じることが可能であることを予知することができる。例えば、エーロフォイル基板のための材料を選択する場合と同様、コーティングの密度、強度および弾性係数に影響を及ぼすコーティング化学および堆積パラメータをこの目的のために有効に使用することができる。さらに他の方法を使用して、コーティングのための細かい表面粗さを促進し、かつ、コーティング厚さおよび／またはエーロフォイル１２の凸状表面１８およびノーズ２８への粘着を最小化することも可能である。

以上、本発明について、特定の実施形態に関連して説明したが、他の形態を当業者が採用することができることは明らかである。したがって本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。

１０ 圧縮機ブレード
１２ 圧縮機ブレードのエーロフォイル部分（エーロフォイル）
１４ エーロフォイルの前縁（ブレードの前縁）
１６ エーロフォイルの後縁（ブレードの後縁）
１８ エーロフォイルの凸状（吸込み）表面
２０ エーロフォイルの凹状（圧力）表面（ブレード１０の凹状（圧力）表面）
２４ ブレードチップ
２６ 根元部分
２８ エーロフォイルの最も前方のポイント（ノーズ）
３０、３２ 輪郭
３４ 遊星運動装置ツーリング（遊星運動装置ユニット）
３６ コーティング材料源
３８、３８Ａ 遊星運動装置
４２ マスク

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードであって、エーロフォイルを有し、前記エーロフォイルが、互いに反対側に配置された凸状表面および凹状表面と、互いに反対側に配置された、前記エーロフォイルの翼弦長をその間に画定している前縁および後縁と、前記前縁部分に位置している前記エーロフォイルの最も前方のノーズと、ブレードチップと、少なくとも前記凹状表面に存在し、前記ノーズから前記翼弦長の少なくとも２０％以内の前記凸状表面には存在しない耐浸食性コーティングとを備える圧縮機ブレード。
2. 前記耐浸食性コーティングが、１６マイクロメートルより厚く約１００マイクロメートルまでの厚さを前記凹状表面に有する、請求項１記載の圧縮機ブレード。
3. 前記エーロフォイルの前記凸状表面には前記耐浸食性コーティングが存在しない、請求項１記載の圧縮機ブレード。
4. 前記エーロフォイルの前記ノーズには前記耐浸食性コーティングが存在しない、請求項３記載の圧縮機ブレード。
5. 前記エーロフォイルの前記ノーズには前記耐浸食性コーティングが存在しない、請求項１記載の圧縮機ブレード。
6. 前記エーロフォイルの前記ノーズに前記耐浸食性コーティングが存在する、請求項１記載の圧縮機ブレード。
7. 前記耐浸食性コーティングが、２０マイクロメートル未満または前記エーロフォイルの前記凹状表面のコーティング厚さの３０％未満のどちらか薄い方の厚さを前記エーロフォイルの前記ノーズに有する、請求項６記載の圧縮機ブレード。
8. 前記エーロフォイルの前記凸状表面に前記耐浸食性コーティングが存在する、請求項１記載の圧縮機ブレード。
9. 前記耐浸食性コーティングが、１０マイクロメートル未満または前記エーロフォイルの前記凹状表面のコーティング厚さの２０％未満のどちらか薄い方の厚さを前記エーロフォイルの前記凸状表面に有する、請求項８記載の圧縮機ブレード。
10. 前記耐浸食性コーティングが前記エーロフォイルの前記凹状表面および前記後縁全体を覆う、請求項１記載の圧縮機ブレード。
11. 前記耐浸食性コーティングが、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮおよびＴｉＳｉＣＮからなるグループから選択される組成を有する少なくとも１つの層を含む、請求項１記載の圧縮機ブレード。
12. 請求項１記載の耐浸食性コーティングを堆積させる方法であって、物理蒸着プロセスによってセラミックコーティングを堆積させるステップを含む方法。
13. ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードであって、エーロフォイルを有し、前記エーロフォイルが、互いに反対側に配置された凸状表面および凹状表面と、互いに反対側に配置された、前記エーロフォイルの翼弦長をその間に画定している前縁および後縁と、前記前縁部分に位置している前記エーロフォイルの最も前方のノーズと、ブレードチップと、１６マイクロメートルより厚く約１００マイクロメートルまでの厚さを前記エーロフォイルの前記凹状表面および前記後縁に有する耐浸食性コーティングとを備える圧縮機ブレードであって、前記耐浸食性コーティングが、前記エーロフォイルの前記ノーズに適宜存在し、かつ、２０マイクロメートル未満または前記エーロフォイルの前記凹状表面のコーティング厚さの３０％未満のどちらか薄い方の厚さをその上に有し、また、前記耐浸食性コーティングが、前記エーロフォイルの前記凸状表面に適宜存在し、かつ、１０マイクロメートル未満または前記エーロフォイルの前記凹状表面のコーティング厚さの２０％未満のどちらか薄い方の厚さをその上に有し、前記ノーズから前記翼弦長の少なくとも２０％以内の前記凸状表面には前記耐浸食性コーティングがない圧縮機ブレード。
14. 前記エーロフォイルの前記凸状表面には前記耐浸食性コーティングが存在しない、請求項１３記載の圧縮機ブレード。
15. 前記エーロフォイルの前記ノーズには前記耐浸食性コーティングが存在しない、請求項１３記載の圧縮機ブレード。
16. 請求項１３記載の耐浸食性コーティングを堆積させる方法であって、物理蒸着プロセスによってセラミックコーティングを堆積させるステップを含む方法。
17. ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードに耐浸食性コーティングを堆積させる方法であって、前記ブレードがエーロフォイルを有し、前記エーロフォイルが、互いに反対側に配置された凸状表面および凹状表面と、互いに反対側に配置された、前記エーロフォイルの翼弦長をその間に画定している前縁および後縁と、前記前縁部分に位置している前記エーロフォイルの最も前方のノーズと、ブレードチップとを備え、
    コーティング材料源を蒸発させてコーティング材料蒸気を生成するように構成された装置内に、前記コーティング材料源に隣接して前記ブレードを配置するステップと、
    少なくとも前記凹状表面に前記耐浸食性コーティングを堆積させ、前記ノーズから前記翼弦長の少なくとも２０％以内の前記凸状表面には前記耐浸食性コーティングを堆積させないステップと
    を含む方法。
18. 前記堆積ステップが、前記耐浸食性コーティングを少なくとも２つのブレードに同時に堆積させるステップを含み、前記少なくとも２つのブレードのうちの少なくとも第１のブレードのノーズが少なくとも１つの隣接するブレードの後縁によってマスクされる、請求項１７記載の方法。
19. 前記堆積ステップが、前記凸状表面への前記耐浸食性コーティングの堆積を回避するために、前記ブレードの前記凸状表面をマスクするステップをさらに含む、請求項１８記載の方法。
20. 前記コーティング材料源が物理蒸着プロセスによって蒸発および堆積される、請求項１７記載の方法。

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