JP2017504713A - 拡散アルミニドコーティングを製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

拡散アルミニド材料を種々の部品の内部区域に塗布するための独特な且つ改良された方法及びコーティング装置を開示する。原料物質を、ワイヤ又はロッド等の細長部材上に塗布し、それを次に、特定の位置でコーティングされるべき前記部品の中空キャビティ中に挿入する。コーティング方法と得られるコーティングの改良は、複雑な形状をコーティングでき、且つ酸化物及び／又は残留ビスクを除去するためのポストコーティング段階を必要とせず、均一な厚さで部品をコーティングできることから達成される。

Description

本発明は、制御された量の拡散コーティング材料を、ガスタービン部品の内部区域等の内部キャビティの表面に塗布するための新規で改良された方法及びコーティング装置に関する。

アルミニドコーティングは、ニッケル、コバルト、鉄及び銅合金等の金属基材表面を保護するのに広く使用される拡散コーティングである。アルミニドコーティングは、ニッケル及びコバルトがアルミニウムと基材の表面で反応する際に形成される金属間化合物に基づく。金属間化合物は、二元成分間の特定の元素（原子）比により可能となる特徴的な結晶構造を有する二元金属系の中間相である。

アルミニウム系金属間化合物（即ち、アルミニド）は、高温分解に耐性がある。その結果、それらは、好ましい保護コーティングとして現れてきた。保護アルミニドコーティングは、種々の最終用途に対して耐高温酸化性及び防食性を発揮する。これらのコーティングは、ガスタービンエンジン等の航空宇宙産業の部品の保護に特に効果的である。

ガスタービンエンジンには、ブレード、ベーン及び燃焼器ケース等の種々の部品が含まれる。部品は通常、ニッケルとコバルトの合金から作製される。動作中、これらの部品は典型的に、タービンの高温区域に位置して、酸化及び腐食が発生し得るタービン燃焼工程からの高温ガスに曝される。特に、部品表面での酸化及び腐食の反応は、金属損耗及び壁の厚さの低下の原因となり得る。金属の損耗により、各構成部品における応力は急速に増大して、部品損傷になり得る。このため、アルミニドコーティングをこれらの構成部品に塗布して、酸化及び腐食に耐性を付与することにより、その部品の構造的完全性を保護する。

製造中、部品に課される入念な寸法公差は、アルミニドコーティング工程の間にも維持されなければならない。アルミニドコーティング工程には、金属基材表面を、アルミニウム含有原料物質の存在中で加熱することが含まれる。アルミニウム含有原料物質には、ハロゲン化物活性剤及びアルミニウムの「ドナー」又は原料合金が含まれる。本明細書を通して使用されるように、「ドナー」及び「原料」の用語は、互換的に使用されると理解すべきである。その材料を加熱すると、ドナー合金と活性剤は反応してアルミニウム蒸気を生じる。気化したアルミニウムは、金属基材表面に移動し、そして金属表面の中に拡散して、金属アルミニウム合金の保護外層を作出する。アルミニウムは基材と反応して、金属間化合物を形成する。アルミニウムを含有する追加的な層も形成される。

アルミニドコーティング工程には通常、部品の外部及び内部の区域をコーティングすることが含まれる。アルミニドコーティングのあるタイプは典型的に、外部表面をコーティングするのに使用され、そしてアルミニドの別のタイプは、内部区域をコーティングするのに使用される。部品への拡散コーティング層が不均一又は過剰に厚いと、実際に、壁の厚さを、これにより部品の強度を低下させるように作用し得る。更に、アルミニドコーティングが過剰に厚いと、特に、高い応力が大抵発生するタービンブレードの先端部及び後端部では、疲労亀裂が生じ得る。

更に、部品は典型的に、内部冷却空気を輸送するための中空コア通路を有して構成される。その結果、中空部品の内部表面は、均一な厚さのコーティングを生成するのみならず、内部表面に沿う冷却空気通路を遮ることのない方法でコーティングされなければならない。航空宇宙産業の進歩により、ガスタービン部品は、内部キャビティの表面に沿って益々複雑な形状で設計されるようになったので、このような表面を均一にコーティングできることは、これまでに直面したよりも一層困難なものとなった。

中空部品の内部表面上にアルミニドコーティングを塗布するための技術は、内部表面にドナー及び活性剤を、アルミナイジング粉末のパックを利用して直接塗布することに依拠している。パック技術には、アルミニウム粉末を利用することが含まれ、それは、フッ化アルミニウム又はフッ化アンモニウム等の活性剤と混合される。コーティングすべき部品を、活性剤を有するこの粉末に、部品がアルミニウム系粉末によって完全に確実に囲まれる方法で浸漬する。アルミニウム系粉末は、部品の内部区域へも押込まれ、そしてその後、加熱されて溶融し、そして粉末は表面に拡散する。しかし、望ましくない残留コーティングは、その一部が業界では「ビスク」と称されることもあるが、これを、冷却空気ホール及び内部通路から除去するのに困難な場合がある。本明細書を通して使用される「ビスク」には、スケールを含む酸化物質（例えば、ＡｌｘＯｙ）；ドナー材料成分（例えば、ハロゲン化物活性剤及びドナー原料物質）；及びハロゲン化物含有活性剤を含むドナー材料成分と大気ガスの第２の反応から生じる副生成物（例えば、ＡｌｘＮｙ）が含まれることを意図するが、その全てはコーティング工程の間に形成され、得られるアルミニドコーティングに不都合にも取込まれる。ビスクは、空気流を制限する原因となり得る。その結果、その部品は、廃棄されなければならず、これにより、材料及び生産の損失を引き起こす。

別の既知の技術では、液相スラリーアルミニウム化処理（ａｌｕｍｉｎｉｚａｔｉｏｎ）プロセスが、アルミニドコーティングの塗布に使用されてきた。これには、液相スラリーを表面に直接塗布することが含まれる。拡散アルミニドは、部品を非酸化性雰囲気又は真空中で１６００〜２０００°Ｆ（８７１〜１０９３℃）の間の温度で加熱することにより形成される。加熱によりスラリー中で金属を溶融し、そして反応させ、そしてアルミニウムを基材表面に拡散させる。しかし、液相スラリーアルミニウム化処理プロセスには、パックアルミニウム化処理プロセスと同じ欠点がある。一般的に言えば、直接塗布のパックとスラリーの両方には、部品表面にドナー及び活性剤が溶解又は焼結する危険があるため困難となる。追加的に、両方の技術では、内部キャビティ内に含有され、除去するのが困難な残留コーティング又はビスクが生じる。

他の技術には、化学蒸着（ＣＶＤ）又は気相アルミニドコーティングプロセスが含まれ、これにより気化したアルミニドコーティングを、部品の外部から内部区域に生じさせ、そしてその後、蒸気流を部品の内部区域中に向かわせる。ＣＤＶ又は蒸気相コーティングには、部品形状の影響を受け、且つ複雑な配管及びガス制御を必要とする内部表面へのアルミナイジングガスの一定の補充流が必要なので、問題である。更に、従来のＣＶＤ及び蒸気相コーティングプロセスでは、コーティングサイクルの間、外部区域がコーティングされるのと同じ割合（ｒａｔｅ）で、その部品の内部区域内の必要とされる表面の全てを完全にコーティングできたか分からなかった。これにより、コーティングされていない表面が生じ得る。内部区域に沿ったアルミニド被覆が不完全であるという問題は、益々複雑な形状を有する部品について、航空宇宙及びエネルギーセクター内等の種々の産業技術の進歩に伴って、一層深刻な問題となってきた。

従来のアルミニドコーティングプロセスの欠点を考慮すると、簡略化した方法で複雑な形状の内部表面を効果的にコーティングすることができるアルミニドコーティングプロセスへの必要性が満たされていない。本発明の他の利点及び用途は、当業者には明らかとなるであろう。

本発明は、以下の態様のいずれも種々の組合せで含むことができ、そして更に、明細書中下記の本発明の他の態様のいずれも含むことができる。

第１の態様では、アルミニドコーティングを塗布する方法を提供する。コーティングプロセスには、外部区域及と内部区域とを有する部品を提供することが含まれる。内部区域は、内部キャビティを画定する１つ以上の内部表面を特徴とする。部品の内部区域に対応する大きさと形により少なくとも一部が画定される細長部材も提供される。細長部材は、細長部材上にアルミニウム系スラリーが塗布される。細長部材は、前記部品の開口部を介して導入され、そしてその後、前記キャビティ内に、１つ以上の内部表面の各々から離隔した位置で配置される。部品と部材を加熱する。気化したアルミニウムは、前記内部区域内に生成され、そして１つ以上の内部表面へ向かう。気化したアルミニウムは１つ以上の表面中に拡散する。アルミニウムは１つ以上の表面と反応してアルミニドコーティングを形成する。

第２の態様では、アルミニドコーティングを塗布する方法を提供する。コーティングプロセスには、外部区域と内部区域とを有する部品を提供することが含まれ、内部区域は第１の内部キャビティと第２の内部キャビティとを画定する１つ以上の内部表面を特徴とする。第１の細長部材を提供する。第１の細長部材は、第１の内部キャビティに対応する大きさと形により、少なくとも一部が画定される。第１のアルミニウム系スラリーを、前記第１の細長部材上に塗布する。第２の細長部材は、第２の内部キャビティに対応する大きさと形により少なくとも一部が画定される。第２のアルミニウム系スラリーを第２の細長部材上に塗布する。第１の細長部材は、第１の内部キャビティ中に導入される。第１の細長部材は、第１の内部キャビティを画定する１つ以上の内部表面の各々から離間する第１の位置で第１のキャビティ内に配置される。第２の細長部材は、第２の内部キャビティ中に導入され、その後、第２の内部キャビティを画定する１つ以上の内部表面の各々から離隔する第２の位置で第２のキャビティ内に配置される。部品、第１及び第２の細長部材を加熱する。第１の気化アルミニウム及び第２の気化アルミニウムを、第１及び第２の内部キャビティの各々の内にそれぞれ生成させる。第１及び第２の気化アルミニウムは、１つ以上の内部表面へ向かう。第１及び第２の気化アルミニウムは、１つ以上の表面中に拡散する。第１の気化アルミニウムは、第１の内部キャビティを画定する１つ以上の表面と反応して、第１のアルミニドコーティングを形成する。第２の気化アルミニウムは、第２の内部キャビティを画定する１つ以上の表面と反応して、第２のアルミニドコーティングを形成する。

第３態様では、アルミナイジングコーティングを部品の内部区域上に塗布するコーティング装置を提供する。装置には、第１の端部、第２の端部及び第１の端部と第２の端部の間に延びる１つ以上の表面を特徴とする細長部材が含まれる。細長部材は、部品の内部キャビティ内に、１つ以上の表面がコーティングされるべき内部区域のいずれの内部表面にも接触しないようなそれらの内の位置に配置される。細長部材は、部品の内部区域の形状に対応する大きさと形を特徴とする。細長部材の１つ以上の表面は、アルミニウム系スラリーでコーティングされる。スラリーには、活性剤、結合剤及びアルミニウムドナースラリーが含まれる。１つ以上の表面が、部品の内部キャビティ中に延びる。細長部材の第１の端部は、細長部材を挿入する開口部に近接する。細長部材の第２の端部は、固定具アセンブリを拡張する。固定具アセンブリは、細長部材の第２の端部と部品に機械的に固定される。固定具は、アルミナイジングコーティングを塗布する間、細長部材を固定したまま維持する。

本発明の目的及び利点は、その好ましい実施態様の以下の詳細な説明及び添付の図面からより良く理解されるであろう。図面において、同じ番号は全体を通して同じ特徴を指す。

図１は、本発明の原理に従うアルミニドコーティングプロセスの概略図を示す。

図２Ａは、固定具アセンブリに機械的に係合された細長部材を示す。

図２Ｂは、細長部材を覆って配置されたガスタービン部品と組合せた図２Ａの装置を示す。ここで、部品は内部区域に沿ってコーティングされることになる。

図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、従来のスラリー相アルミニウム化処理プロセスにより調製されたアルミニドコーティングでコーティングされた中空官の断面顕微鏡写真を示す。

図３Ｄ、３Ｅ及び３Ｆは、本発明の原理に従うアルミニドコーティングでコーティングされた中空管の断面顕微鏡写真を示す。

図４Ａは、管の端部で得られたコーティングされた管の断面サンプルの図３Ｃの拡大顕微鏡写真を示す。

図４Ｂは、管の端部で得られたコーティングされた管の断面サンプルの図３Ｆの拡大顕微鏡写真を示す。

図５は、標準蒸気相アルミニウム化処理プロセスと本発明のコーティング方法によりコーティングされたアルミニドコーティングガスタービンベーンに対する厚さ分布の比較を示す。

本発明の目的及び利点は、関連するその好ましい実施態様の以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。本開示は、部品の内部区域へのアルミニド拡散コーティングの形成のための新規な技術に関する。本発明の方法は、従来の技術では必要な全ての内部表面を完全にコーティングすることができないとわかった、複雑な形状の部品に特に適切である。開示は、本明細書に種々の実施態様中に、そして本発明の種々の態様及び特徴を参照して記載されている。

本発明の種々の実施態様の関連性及び機能性は以下の詳細な説明によってより良く理解される。詳細な説明から、本開示の範囲内にある、種々の順列及び組合せでの特徴、態様及び実施態様が考えられる。従って、開示は、これらの特定の特徴、態様、及び実施態様のこのような組合せ及び順列のいずれか又はその中から選択された１つ以上のものを含む、からなる、又はから本質的になるように特定することができる。

次に、本発明を、図１〜５と関連して説明する。図は、アルミニドコーティングを塗布するための改良された且つ新規な方法を示す。説明するように、本方法では、従来のアルミニウム化処理プロセスの欠点を無くして、同時にコーティングを調製できる方法を簡略化する。更に、本発明によると、従来のアルミニウム化処理プロセスにより調製されたアルミニドコーティングと比較して、改良された特性を有するアルミニドコーティングを生成する。

図１は、部品の選択的内部表面上にアルミニドコーティングを塗布する一般的な方法を示す。図１に示す部品は、例えば、外部及び内部表面を有する中空管状構造であり、好ましくは、ニッケル及び／又はコバルト等の金属合金から形成される。中空管は外部区域及び内部区域を有するものとして定義することができる。外部区域には一般的に、例えば、プラチナアルミニド材料等のアルミニドコーティングを塗布する。部品の内部区域には単なるアルミニド、クロムアルミニド、並びにＨｆ、Ｙ、Ｚｒ及びＳｉ等の元素を含有する変性アルミニド等のアルミニドコーティングを塗布する。内部区域には、内部キャビティ又は容積を画定する１つ以上の内部表面が含まれる。内部表面は、特定の形状、大きさ及び／又は表面きめパターンを有する複雑な形状を有することができ、それは、従来のアルミニウム化処理プロセスではその全体を有効にコーティングすることができなかった。

更に、図１を参照すると、中空管の内部キャビティ内に配置されている細長部材を示す。細長部材は、アルミニド材料を中空管の内側表面上にコーティングするための原料を供給する。細長部材は、中空管の内部区域の形状に対応する大きさと形を有する。細長部材は、第１の端部、第２の端部及び第１及び第２の端部の間に延びる曲面を特徴とする。図１に示すように、細長部材は、曲面が、コーティングされるべき中空管の内部区域のいずれの内部表面にも接触しないように、中空管内に配置される。

中空管の内部キャビティを通って延びる細長部材の曲面を示す。曲面は、アルミニウム系スラリーで塗布される。スラリーには、部品の内部表面上にコーティングされるべきアルミニウム原料又はドナー材料が含有される。アルミニウム系スラリーには、アルミニウムドナー材料が含まれ、それには、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金が含まれる。好適なアルミニウム合金の例には、クロムアルミニウム、コバルトアルミニウム及びケイ素アルミニウムが含まれる。好ましくは、細長部材は、部品（例えば、中空管）の内部区域内に細長部材を挿入して配置する前に、アルミニウム系スラリーでプレコーティング、乾燥及び硬化される。スラリーからのアルミニウムの放出及び気化は、当技術分野で知られているように、アルミニウム系スラリーに含まれるハロゲン化物活性剤により促進される。更に、スラリーには、気化性結合剤が含まれて、得られるコーティングを部品の内部表面上に接着して維持する。アルミニウム系スラリーは細長部材上に、浸漬等の既知の手段により塗布することができる。スラリーは、好ましくは、略室温から約５００°Ｆ（約２６０℃）の比較的低い温度で、乾燥及び硬化して、アルミニウム系コーティングを部材上に作出する。

図１は、細長部材には、細長部材が挿入される中空管の開口部に極近接して配置される第１の端部が含まれることを示す。細長部材は第２の端部を有し、それは固定具アセンブリの方に延びていることが示される。固定具アセンブリは、細長部材の第２の端部と中空管に係合することができる。図１の例では、固定具アセンブリは、細長部材と中空管に機械的に固定することができる。コーティングサイクル完了後、固定具アセンブリを細長部材と中空管から外すことができる。

細長部材は、金属、セラミック又はグラファイト等の何れかの好適な耐熱性材料から作製することができる。その部材は、コーティングされるべき中空管の内部表面のいずれにも当接することなく、中空管の内部キャビティ中に挿入できる形状及び大きさを有する。一例では、図１に示すように、細長部材はロッド状構造である。別の例では、細長部材は、ワイヤである。部材の正確な形状、断面の厚さ及び長さは、少なくとも部分的には、得られるアルミニドコーティングの厚さ及びアルミニドコーティングの組成（例えば、アルミニウム含量及び添加剤コーティング及び拡散コーティングに必要な勾配）と共にコーティングされるべき内部表面の形状に応じて選択することができる。

アルミニウム系スラリーを塗布し、そしてその後好ましくは、乾燥及び硬化して、対応するアルミニウム系コーティング（例えば、アルミニウムドナー材料、ハロゲン化物活性剤及び結合剤）を形成した後、部材を、図１に示すような配置の中空管の内部キャビティ中に挿入する。その部材を、コーティングすべき中空管の内部表面に隣接又は接触しないように、内部キャビティ内の位置に配置する。その後、細長部材を、好ましくは耐熱性材料から作製された固定具アセンブリを用いて適所に固定する。固定具アセンブリにより、部材がコーティングサイクルの間に、動かず、且つ内部表面に意図しない接触をすることがないことが確実になる。固定具アセンブリを細長部材と中空管の端部に機械的に固定することができる。固定具は、アルミニドコーティングサイクルの間に、細長部材の方向を維持し、且つ細長部材の動きを防止するのに役立つ。固定具アセンブリは、当技術分野で既知の従来の手段により、中空管と細長部材から外すことができる。細長部材を固定具上に固定するのに他の手段を使用してもよいことが当然にわかるであろう。

図１に示すように、細長部材を配置し且つ固定した後、部品と細長部材を加熱する。加熱は、真空中又は水素若しくはアルゴン等の保護雰囲気中で金属の熱処理に好適な任意の炉により行うことができる。コーティングからアルミニウムの放出及び気化を促進する熱的条件を確立するように十分に加熱する。一例では、部品とロッドは、約１６００から２０００°Ｆ（約８７１〜１０９３℃）の温度に加熱してもよい。ハロゲン化物活性剤と結合剤は気化する。アルミニウムドナー材料、活性剤及び結合剤の気化成分は、内部キャビティ中に放出されるので、非酸化性又は不活性ガスは、好ましくは、内部表面と細長部材の間の空間を占めるハロゲン化物活性剤と結合剤の少なくとも一部を、掃除するか除去するのに使用される。この方法では、活性剤と結合剤の少なくとも一部は、それらが内部表面と接触する前に除去することができる。気化したアルミニウムは、掃除されるか一緒に伴出されるものもあるが、内部表面上のアルミニウムコーティングが不十分であったり、内部表面中に拡散が不十分であったりする程度ではない。ビスクとスケールを形成する前駆体は、コーティングサイクルの間に不活性ガスにより除去されるか又は細長部材上に残るか、或いはその両方である。この方法では、かなりよりクリーンなコーティング蒸気が部品表面の方に向かう。

気化したアルミニウムドナー材料は、中空管の内部表面の方に向かう。内部表面に到達すると、アルミニウムの一部は内部表面中に拡散し、そして別の一部は、内部表面上に堆積することができ、これにより、追加的な層が形成される。アルミニウムは金属合金と反応して、アルミニドコーティングを形成できる。更に、アルミニウムは、基材又は部品の金属合金と相互分散（ｉｎｔｅｒｄｉｓｐｅｒｓｅ）する。コーティングサイクルの完了後、固定具は中空管及び細長部材から外すことができる。

本発明は、種々のタイプの部品をコーティングすることを意図しているが当然理解される。例えば、図２Ａ及び２Ｂに示すような中空管タービンベーンを、図１に一般的に記載したようなコーティング方法と装置を利用してコーティングすることができる。更に、より複雑な形状も、本発明の方法でコーティングすることができる。出願人は、驚くべきことに、本発明のアプローチにより、これまでは従来のアルミニウム化処理技術で可能でなかった内部表面に沿う種々の複雑なパターン、形、及び大きさを均一にコーティングすることができることを発見した。従来の技術には、典型的に、全ての表面を確実にコーティングするには信頼性がなかった。

更に、以下の実施例で説明するように、本発明の原理に従って生成して得られるアルミニドコーティングは、従来の技術により生成されるアルミニドコーティングと比較して、厚さのばらつきが少なく、アルミニド含量のばらつきが少なく、そして表面酸化物（即ち、最初から部品表面にあったスケール及び他の異物の酸化）及びビスクの介在がないかかなり少ない。実施例で議論するように、本発明は、ビスク及びスケールの除去が必要なポストコーティング段階をなくすことができることを見出した。表面酸化物及びビスクの低減により、腐食、酸化及び熱衝撃への耐性が改良された、より高性能のアルミニドコーティングに変えることができる。このような改良をもたらす正確なメカニズムは、確実には不明である。しかし、いずれかの理論に拘泥することなく、この改良が、コーティングサイクルの間に、コーティングされるべき表面と直接接触することがない、アルミニウムドナー材料、活性剤及び結合剤に起因し得る。この方法では、活性剤及び結合剤の一部を続けて除去すると、内部表面にドナー及び活性剤が溶解又は焼結すると共に、得られるコーティング内で表面酸化物が成長するのを抑制すると考えられ、これは普通、当業界では、「ビスク」と称される。有利には、本発明は、アルミニウムを除去することなく、コーティング中でアルミニウム含量を低くする。

本発明の別の実施態様では、本方法には、専用の細長部材を、単一の部品の２つ以上の別々に画定された内部区域をコーティングするのに利用することが含まれてもよい。例として、多くのタービンベーンには、異なる厚さを有するアルミニドコーティングを必要とする２つ以上の内部区域が含まれてもよい。本発明は、それ自体独特なアルミニウム系スラリーでコーティングされる別々の細長部材を用いて内部区域の各々をコーティングするのに利用することができる。この方法では、内部区域を、異なるプロセスを利用して独立的にコーティングして、単一のコーティングサイクルの間に異なるコーティングを形成して得ることができる。

本発明には、種々の他の実施態様が含まれる。例えば、細長部材用のコーティングの化学組成を改変して、異なる厚さ及びアルミニウム−クロムとコバルトアルミニウム等の化学組成のアルミニドコーティングを生成することができる。カチオンとしてリチウム、アンモニウム、及びアルミニウムを、アニオンとして塩素及びフッ素を含有する化合物を活性剤として使用してもよい。

以下の例により、当産業界で現在使用されている従来技術と比較して、本発明に係る方法と得られるアルミニドコーティングの両方において予期しない改良が示される。

比較例１（中空管に対する直接塗布によるスラリーアルミニウム化処理）
中空円筒管の内部表面上にアルミニドコーティングを塗布する試験を行った。管の代表的な概略図を図１に示す。管を３０４等級のステンレス鋼で形成した。管は、長さが４８インチ（１．２１９ｍ）であり、直径が２インチ（０．０５０８ｍ）であった。中空管上に塗布したアルミニウム系スラリーは、ＳｅｒｍＡｌｃｏｔｅ（商標）２５２５スラリーアルミニドであり、それは、Ｐｒａｘａｉｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．から製造及び販売されている。そのスラリーを、中空管の内部表面上に直接塗布した。スラリー及び中空管を、ベルレトルト炉内で１９７５°Ｆ（１０７９℃）にて４時間アルゴン雰囲気中で熱処理した。熱処理により、管の内部表面中にアルミニウムの反応と拡散が生じた。

コーティングした内部表面の断面のサンプルを、管の端部のうちの１方から測定して、６インチ（０．１５２４ｍ）、２４インチ（０．６０９６ｍ）及び４２インチ（１．０６７ｍ）の異なる長さで得た。コーティング手順の一部として、そして当技術分野で周囲のように、ニッケルめっきトップ層を各サンプルに追加して、評価した。結果を図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃに示す。顕微鏡写真には、２４インチ（０．６０９６ｍ）と特に４２インチ（１．０６７ｍ）におけるコーティング内に表面酸化物の介在物が示される。介在物は、最初から部品表面上に存在すると考えられる酸化物、及び得られるコーティング中に取込まれることを意図されていない他の異物であると観察された。追加的に、ビスクは、サンプルの各々に対する外側層にも検出された。これらの結果から、ポストクリーニング段階は、酸化物介在物及びビスク残留物を除去するために必要であることがわかる。図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃのスライドから、６インチ（０．１５２４ｍ）、２４インチ（０．６０９６ｍ）及び４２インチ（１．０６７ｍ）における管の長さに沿ったコーティングの厚さに有意なばらつきがあることがわかる。

図４Ａは、アルミニド系スラリーの直接塗布による従来法で生成される有害なスケールとビスクを示す４２インチ（１．０６７ｍ）における断面サンプルの拡大図を示す。

比較例２（タービンベーンに対する蒸気相によるアルミニウム化処理）
アルミニドコーティングをガスタービンベーンの内部表面上に塗布する２つの試験を行った。ガスタービンベーンの代表的な概略図を図２Ｂに示す。コーティングを、気化したＳｅｒｍＡｌｃｏｔｅ（商標）２５２５アルミニドを使用して、標準蒸気相アルミニウム化処理（ＶＰＡ）手順により塗布した。

気化したアルミニドコーティングを、ベーンの外部から内部区域に生成した。その後、蒸気流をベーンの内部区域に向けた。アルミナイジングガス流の内部表面への継続した補充が必要であった。

コーティングした内部表面の断面のサンプルを、比較例１にて先に記載したような方法で得た。追加的に、コーティングの厚さ（ミル）を評価した。サンプルをベーンの３つの断面で採取した。即ち、あるサンプルは両端からの中央で、そしてあるサンプルは両端の各々で採取した。８回の測定を、サンプルの各々について、そのサンプル内の特定の等間隔の位置で行った。２つの試験の各々に対するコーティングの厚さの測定値を、図５に示すように、標準ＶＰＡ１と標準ＶＰＡ２を示す箱ひげ図により纏めた。Ｍｉｎｉｔａｂ（商標）統計ソフトウェアを使用して箱ひげ図を作成した。箱は、採取した全ての厚さの測定値の中央値５０％を表す。試験の各々について、コーティングの厚さの測定値のかなりの部分が、０．５の下限ライン（ＬＳＬ）より低く、これは、内部コーティングの厚さに対して典型的に業界で許容されることを示す。ポストクリーニング段階は、それぞれの除去のために必要とされるであろう。

実施例１（中空管をコーティングする間接スラリーロッド法）
アルミニドコーティングを、中空円筒管の内部表面に塗布する試験を行った。管は、比較例１でコーティングしたものと同じであった。管の代表的な概略図を図１に示す。管を３０４等級のステンレス鋼により形成した。管は長さが４８インチ（１．２１９ｍ）であり、直径が２インチ（０．０５０８ｍ）であった。

３０４等級のステンレス鋼の円筒形細長部材をＳｅｒｍＡｌｃｏｔｅ（商標）２５２５スラリーアルミニドで被覆した。部材をスラリーに浸漬して、約０．０１インチ（０．０００２５４ｍ）の厚さのフィルムを生成した。部材を２５０°Ｆ（１２１℃）で１時間硬化した。コーティングした部材を中空管の内側に、管の壁に接触しないように配置した。耐熱性金属固定具を管の各端部に配置して、コーティングサイクルの間、管を固定した位置に維持した。

その後、コーティングアセンブリをベルレトルト炉に導入した。コーティングと中空管を、ベルレトルト炉内で４時間、１９７５°Ｆ（１０７９℃）にてアルゴン雰囲気中で熱処理した。熱処理により、アルミニウムが管の内部表面中に、反応し、そして拡散した。冷却後、コーティングアセンブリを、レトルトから取出し、そして分解した。

コーティングした内部表面の断面のサンプルを、管の端部のうちの１方から測定して６インチ（０．１５２４ｍ）、２４インチ（０．６０９６ｍ）及び４２インチ（１．０６７ｍ）の異なる長さで得た。コーティング手順の一部として、そして当技術分野で周知なように、ニッケルめっきトップ層を各サンプルに追加し、評価した。結果を図３Ｄ、３Ｅ及び３Ｆに示す。比較例１の図３Ａから３Ｃと比較して、顕微鏡写真から、表面酸化物介在物が少なく、且つビスクが少ないことがわかる。比較例１とは異なり、図３Ｄから３Ｆのコーティングサンプルは、ビスクとスケールを除去するためにポストクリーニング段階が必要であると思われる。図３Ｄ、３Ｅ及び３Ｆのスライドから、比較例１の顕微鏡写真と比較して、コーティングの厚さのばらつきが少ないことがわかる。

図４Ｂは、有害なスケールとビスクがかなり減少したことを示す４２インチ（１．０６７ｍ）の断面のサンプルの拡大図を示す。

実施例２（タービンベーンをコーティングする間接スラリーロッド法）
アルミニドコーティングを、比較例２のものと同じ形状を有するガスタービンベーンの内部表面上に塗布する２つの試験を行った。コーティング材料は、ＳｅｒｍＡｌｃｏｔｅ（商標）２５２５スラリーアルミニドであった。

ステンレス鋼ワイヤを、ＳｅｒｍＡｌｃｏｔｅ（商標）２５２５スラリーアルミニドでコーティングした。ワイヤは直径が０．１２５インチ（０．００３１７５ｍ）であった。ワイヤを、スラリー中に浸漬して、約０．０１インチ（約０．０００２５４ｍ）の厚さのフィルムを得た。ワイヤを２５０°Ｆ（１２１℃）で１時間、硬化した。次に、タービンベーンを、ロッドを覆って配置した。耐熱性グラファイト固定具を、コーティングサイクルの間、管を固定した位置に維持するように配置した。コーティングしたワイヤを、ベーンの壁に接触しないように配置した。

その後、コーティングアセンブリをベルレトルト炉に導入した。コーティングと中空管を、ベルレトルト炉内で１９７５°Ｆ（１０７９℃）にて６時間、アルゴン雰囲気中で熱処理した。アルミニウムは、スラリーをコーティングしたワイヤから気化し、その後、内部表面に向かって流れ、そこで、拡散し、そして反応してアルミニドコーティングを形成した。冷却後、コーティングアセンブリを、レトルトから除去し、そして分解した。

コーティングした内部表面の断面のサンプルを、実施例１において先に記載した方法で得た。追加的に、コーティングの厚さ（ミル）を評価した。サンプルをベーンの３つの断面で採取した。即ち、あるサンプルは両端からの中央で、そしてあるサンプルは両端の各々で採取した。８回の測定を、サンプルの各々についてそのサンプル内の特定の等間隔の位置にて行った。２つの試験の各々に対するコーティングの厚さの測定値を、図５に示すドナーロッド試験１とドナーロッド試験２を示す箱ひげ図により纏めた。Ｍｉｎｉｔａｂ（商標）統計ソフトウェアを使用して箱ひげを作成した。箱は、採取した全ての厚さの測定値の中央５０％を表す。試験の各々について、コーティングの厚さの測定値の全てが、０．５の下限ライン（ＬＳＬ）及び３．５の上限（ＵＳＬ）内にあり、その両方は、内部コーティングの厚さに対して典型的に業界で許容されることを示す。実施例２のサンプルは、比較例２に示したアルミニドコーティングに対する従来の蒸気相技術を上回る改良であるコーティングの厚さにおける統計的に有意な段階的変化を示す。
比較例２

サンプルには、ビスク及びスケールがないことが観測され、そして冷却ホールのいずれもコーティングで意図しない目詰まりを起こすことはなかった。ポストクリーニング段階は、それぞれの除去のために必要とされないであろう。

示してきた通り、本発明は、複雑な形状を有する部品を含む、種々の部品に拡散アルミニドコーティングを調製する独特なコーティング法と装置を提供する。有利に、本発明は、コーティングサイクル後、細長ワイヤ又はロッド状構造体を除去するとき、ビスクとスケールが、コーティングした部品に残らないように、材料が焼結し又は溶解するリスクをかなり低減又は排除する。ビスクとスケールの形成のための前駆体は、コーティングサイクルの間に不活性ガスにより除去されるか又は細長部材に残るか、或いはその両方である。この方法では、かなりよりクリーナーコーティング蒸気が部品表面の方に向かう。

より高い純度のコーティングを生成できることに加えて、発明のコーティング方法は、塗布が容易であり、且つ方法に融通性があるので、単純化される。従来のコーティングサイクル後に典型的に必要なコーティング材料の物理的フラッシング及び化学的中和の必要がない。更に、本発明はビスク及びスケール形成の排除又は低減による材料の使用及び浪費を低減できる。

本発明は、典型的に、蒸気相又はＣＶＤプロセスでは容易にコーティングされなかった複雑な形状もコーティングすることができる。追加的に、従来のアルミニド技術では必ずしも行えなかった大きい部品をコーティングすることができる。

種々の実施態様及び実施例に記載した本発明は、上記のアルミナイジング技術のいずれかと共に又は独立的に使用することができる。例えば、中空管を、アルミニドをコーティングした細長ワイヤ又はロッドを用いて、外部表面をコーティングするのと同じ蒸気相コーティングサイクルで内部にコーティングできる。単一のコーティングサイクルの間、構成部分又は部品の内部区域及び外部区域を同時にコーティングできることにより、スループットの増加並びに材料消費及び運用コストの低減等の多くの追加的なプロセス上の利益がもたらされる。

本明細書に記載した発明方法を実行するのに使用されるコーティング装置は、業界で標準的な熱処理炉と簡略化したツールから構築することができ、これにより、アセンブリのための材料コストを低減できる。

本発明の特定の実施態様であると考えられるものを示し且つ説明したが、無論、本発明の趣旨及び範囲から乖離することなく、形式又は細部において種々の修飾及び変更が容易に可能であることは理解されるであろう。従って、本発明は、本明細書に示され且つ説明された正確な形式及び細部に、本明細書に記載した及び後で請求する発明全体に満たないいずれのものにも限定されないことを意図する。

Claims (22)

1. アルミニドコーティングを塗布する方法であって、
   外部区域と内部区域とを有する部品を提供し、前記内部区域が内部キャビティを画定する１つ以上の内部表面を特徴とし、
   前記部品の前記内部区域に対応する大きさと形により少なくとも一部が画定される細長部材を提供し、
   アルミニウム系スラリーを前記細長部材に塗布し、
   前記部材を前記部品の開口部を介して導入し、
   前記部材を前記キャビティ内に、前記１つ以上の内部表面の各々から離隔した位置に配置し、
   前記部品と前記部材を加熱し、
   気化したアルミニウムを前記内部区域内に生成させ、
   前記気化したアルミニウムを前記１つ以上の内部表面に向かわせ、
   気化したアルミニウムを前記１つ以上の表面中に拡散させ、そして
   前記アルミニウムを前記１つ以上の表面と反応させて、アルミニドコーティングを形成すること
   を含む、方法。
2. 前記細長部材を固定配置に維持する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記細長部材を、アルミニドコーティングの形成後に除去することを更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記外部区域を、前記部品の前記内部区域の前記１つ以上の内部表面に沿って前記アルミニドコーティングを形成する間にコーティングする、請求項１に記載の方法。
5. 前記アルミニウム系スラリーが、ハロゲン化物活性剤と結合剤とを含み、これらの各々が、前記部品と前記部材を加熱する段階後に気化状態になる、請求項１に記載の方法。
6. 前記アルミニウム系スラリーが、アルミニウムドナー材料を含み、前記アルミニウムドナー材料がアルミニウム及びアルミニウム合金からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
7. 前記細長部材が、前記部材を前記部品中に導入する前に、前記アルミニウム系スラリーでコーティングされる、請求項１に記載の方法。
8. 前記スラリーが硬化されてアルミニウム系コーティングを形成する、請求項７に記載の方法。
9. 前記気化した結合剤と気化したハロゲン化物活性剤の少なくとも一部が、前記結合剤と活性剤が前記１つ以上の内部表面に接触する前に、前記内部キャビティから除去される、請求項５に記載の方法。
10. 前記細長部材が、前記アルミニドコーティングを形成する間、前記１つ以上の内部表面のいずれにも接触しない、請求項１に記載の方法。
11. アルミニドコーティングを塗布する方法であって、
    外部区域と内部区域とを有する部品を提供し、前記内部区域が、第１の内部キャビティと第２の内部キャビティとを画定する１つ以上の内部表面を特徴とし、
    前記第１の内部キャビティに対応する大きさと形により少なくとも一部が画定された第１の細長部材を提供し、
    第１のアルミニウム系スラリーを前記第１の細長部材上に塗布し、
    前記第２の内部キャビティに対応する大きさと形により少なくとも一部が画定された第２の細長部材を提供し、
    第２のアルミニウム形スラリーを前記第２の細長部材に塗布し、
    前記第１の細長部材を前記第１の内部キャビティに導入し、
    前記第１の部材を前記第１のキャビティ内に、前記第１の内部キャビティを画定する前記１つ以上の内部表面の各々から離隔する第１の位置で配置し、
    前記第２の細長部材を前記第２の内部キャビティに導入し、
    前記第２の細長部材を前記キャビティ内に、前記第２の内部キャビティを画定する前記１つ以上の内部表面の各々から離隔する第２の位置で配置し、
    前記部品、前記第１及び前記第２の細長部材を加熱し、
    第１の気化アルミニウムと第２の気化アルミニウムを、前記第１及び第２の内部キャビティの各々内にそれぞれ発生させ、
    前記第１及び前記第２の気化アルミニウムを前記１つ以上の内部表面の方に向かわせ、
    前記第１及び前記第２の気化アルミニウムを前記１つ以上の表面中に拡散させ、そして
    前記第１の気化アルミニウムを、前記第１の内部キャビティを画定する前記１つ以上の表面と反応させて、第１のアルミニドコーティングを形成し、そして
    前記第２の気化アルミニウムを、前記第２の内部キャビティを画定する前記１つ以上の表面と反応させて、第２のアルミニドコーティングを形成すること
    を含む、方法。
12. 前記第１のアルミニドコーティングが、第１の厚さを有する第１の割合で生成され、そして前記第２のアルミニドコーティングが、第２の厚さを有する第２の割合で生成される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１及び第２の細長部材の各々を、前記第１及び前記第２のアルミニドコーティングを生成する間、固定した配置で維持する段階を更に含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記第１及び第２の部材が、前記第１及び前記第２のアルミニドコーティングを生成する間、前記内部表面のいずれにも接触しない、請求項１１に記載の方法。
15. 前記第１の細長部材と前記第２の細長部材を、前記第１及び前記第２のアルミニドコーティングを形成した後に引出すことを更に含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記第１の内部キャビティ上の前記第１のアルミニドコーティングの前記形成及び前記第２の内部キャビティ上の前記第２のアルミニドコーティングの前記形成が、前記外部区域をコーティングする間に起こる、請求項１１に記載の方法。
17. 前記第１のアルミニウム系スラリーが第１のハロゲン化物活性剤と第１の結合剤とを含み、そして前記第２のアルミニウム系スラリーが第２のハロゲン化物活性剤と第２の結合剤を含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記第１の結合剤及び第１のハロゲン化物活性剤の各々と、前記第２の結合剤及び第２のハロゲン化物活性剤の各々とが気化する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の気化結合剤と前記第１の気化ハロゲン化物活性剤のうち少なくとも一部が、前記第１の内部キャビティの前記内部表面と接触する前に、前記第１の内部キャビティから除去され、そして更に、前記第２の気化結合剤と前記第２の気化ハロゲン化物活性剤のうち少なくとも一部が、前記第２の内部キャビティの前記内部表面と接触する前に、前記第２の内部キャビティから除去される、請求項１８に記載の方法。
20. アルミナイジングコーティングを部品の内部区域に塗布するコーティング装置であって、
    第１の端部、第２の端部及び前記第１の端部と前記第２の端部との間に延びる１つ以上の表面を特徴とする細長部材であって、前記部材が、前記部品の内部キャビティ内に、前記１つ以上の表面が、コーティングされるべき前記内部区域のいずれの内部表面にも接触しないようにその中の位置で配置され、前記細長部材が、前記部品の前記内部区域の形状に対応する大きさと形を特徴とする部材と、
    アルミニウム系スラリーでコーティングされた前記細長部材の前記１つ以上の表面であって、前記スラリーが、活性剤、結合剤及びアルミニウムドナースラリーを含み、前記１つ以上の表面が前記部品の前記内部キャビティ中に延びる表面と、
    前記細長部材が挿入される開口部に近接する前記細長部材の前記第１の端部と、
    固定具アセンブリに向かって延びる前記細長部材の前記第２の端部と、
    前記細長部材の前記第２の端部と前記部品に機械的に固定された前記固定具アセンブリであって、前記固定具が、前記アルミナイジングコーティングを塗布する間、前記細長部材を固定したまま維持し、前記固定具アセンブリが前記部材の前記第２の端部から取外される固定具アセンブリと
    を含む、装置。
21. 第１の細長部材が、第１の内部キャビティ内に配置され、そして第２の細長部材が第２の内部キャビティ内に配置される、請求項２０に記載のコーティング装置。
22. 前記アルミニウム合金が、クロムアルミニウム、コバルトアルミニウム及びケイ素アルミニウムからなる群から選択される、請求項６に記載の方法。