JP3210345B2 - 小通路を有する物品のパックコーティング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、パックディフュージョンプロセス即ちパッ
ク拡散コーティングを用いた保護コーティングによる超
合金物品のコーティング方法に関する。特に、本発明に
よれば、小孔や穴を有する超合金物品のコーティングプ
ロセスが向上する。

発明の背景 アルミナイドコーティングは、従来からよく知られて
おり、金属表面を酸化や腐食から保護するために広く用
いられている。アルミナイドコーティングは、経済的で
パーツの重量があまり増加しないことから、ガスタービ
ンエンジンに広く用いられている。アルミナイドコーテ
ィングは、パック拡散（またはパックセメンテーショ
ン）プロセスによりなされる。アルミニウム、シリコ
ン、クロムをベースとする合金だけでなく、シリコン及
びクロム等のその他のコーティングも、パックプロセス
を用いることで可能である。以下、特に断らない限り、
アルミナイドとは、アルミニウム、シリコン、クロム、
その合金、及びこれらの混合物をベースとするディフュ
ージョンコーティングを包含するものとして理解された
い。

アルミナイドコーティングは、アルミニウムに富んで
（すなわちアルミニウムリッチ）耐酸化性を有する表面
層が形成されるようにアルミニウムを超合金物品の表面
上に拡散させることで得られる。

超合金は、ニッケルまたはコバルトをベースとする耐
高温材である。拡散アルミナイドコーティングプロセス
を開示する特許の例としては、米国特許第3,625,750
号、第3,871,901号、第4,004,047号が挙げられる。通
常、アルミナイドコーティングは、パックプロセスによ
ってなされる。パックプロセスにおいては、不活性セラ
ミック材、アルミニウム源、ハロゲン化物活性剤化合
物、の混合物粉体が用いられる。これら粉体の材質をよ
く混合し、また、コーティングされるパートがこの粉体
混合物内に埋められる。コーティングプロセスの間、不
活性または還元性ガスがパック内に流通され、このパッ
クは、高温に加熱される。

パックコーティングプロセスでは、複雑な化学反応が
生じ、この反応では、ハロゲン化物がアルミニウム源と
反応してアルミニウム−ハロゲン化物化合物蒸気を生成
し、上述したコーティングされるパートの表面に接触す
る。この蒸気が超合金の表面に接触すると、蒸気は分解
し、超合金表面にはアルミニウムが残り、ハロゲン化物
は解離してアルミニウム源に戻り、上述のプロセスが繰
り返される。アルミニウムは、超合金表面に被覆された
後に、サブストレート即ち基体内に拡散する。拡散は、
プロセスの温度を上昇することで促進され、通常は1500
゜F（816℃）程度から2000゜F（1093℃）程度に温度が
上昇される。シリコンやクロムをベースとするコーティ
ングにおいても、同様の反応が生じる。

超合金のなかでも非常に広く使用されているタイプで
あるニッケルベース超合金において、アルミナイド層内
にみられる主な材質はNiAlである。NiAlは、表面近辺に
形成される。表面のさらに下方においては、その他のニ
ッケルアルミニウム化合物がよくみられる。これらの化
合物は、超合金を構成する合金要素とアルミニウムとの
化合物であることから生じるものであり、上記合金要素
としては、例えば、コバルト、クロム、チタン、及び無
反応性の材質、例えばタングステン、タンタル、モリブ
デン等が挙げられる。クロムベースのコーティングにお
いても、クロムに富む表面層が形成され、シリコンベー
スのコーティングでは、ケイ化物の化合物が形成され
る。

ガスタービンエンジンにおいては、高温でのエンジン
動作が可能となるように、ハイタービンブレードは一定
に空冷されている。冷却空気として、エンジンのコンプ
レッサセクションにより圧縮された空気が導入される。
現在のエンジンにおいては、エンジンの動作条件が増加
しており、冷却空気の温度は、このような“冷却”空気
が実際に600゜F（316℃）から1100゜F（593℃）に至る
まで高温となっている。このような高温の冷却空気によ
って、望ましからざる酸化がタービンブレードの内部冷
却通路及びその他の空冷されるガスタービンエンジンの
ハードウェアに生じることとなる。超合金よりなるその
他のガスタービンハードウェアもまた、冷却ホールを有
し、本発明によるコーティングが可能である。これらの
ハードウェアとしては、ベーンやエアシールが挙げられ
る。

従って、酸化を抑えるために、ブレードの冷却ホール
及び内部通路をアルミニウムコーティングすることが望
ましい。これらのホールの直径は、通常約0.010インチ
（0.025cm）〜約0.025インチ（0.064cm）であり、その
深さは、通常約0.030インチ（0.076cm）〜約0.300イン
チ（0.762cm）である。上記冷却ホールは、冷却効率を
向上するために、直径が小さくなっている。

上記のようなホールを有するガスタービンエンジンの
ハードウェアをパックコーティングするにあたって、実
用上無視できない問題が生じる。コーティングプロセス
の終了時に、コーティングパックのなかの特定の材質が
小さい流通路内に固定的にパックされてしまうことが見
いだされている。顕微鏡的検査によって、コーティング
プロセの間に、また、コーティングプロセスから冷却サ
イクルの間に、ハロゲン化物活性化材質を含む反応によ
って、小径の特定の材質はともに焼結され、また壁面に
も焼結されることが判明した。

加えて、主にセラミック材である特定のパックコーテ
ィング材と超合金物品との間の熱膨張係数の差も相当大
きい。この熱的な差を小さくすることで、パックコーテ
ィングプロセスに寄与することが可能である。

いずれの場合においても、コーティング後に冷却ホー
ルから材質を除去することが主な問題となり、このた
め、化学的溶解、グリットブラスト、及び機械的手法等
が用いられている。非常によく用いられているのは、手
作業による粉体の材質の除去である。各ブレードは100
〜300程度のホールを有することから、各通路に細いピ
アノ線を通して焼結したパック材質を除去するには、長
時間を要する。さらに、時間的要素を無視するとして
も、焼結した材質は、単に機械的手段によって除去する
ことはできず、従って、各ホールを再度ドリルにより穴
開けする必要がある。勿論、穴開けされたホールの壁面
上には保護コーティング層は存在しない。

発明の開示 本発明は、パックコーティングプロセスの間における
ガスタービンエンジンハードウェアの冷却ホールのパッ
ク冷却材のパッキング及び焼結を大きく抑制する前処理
プロセスを提供する。本発明によれば、冷却ホール及び
その他同様の小さな入り組んだ通路は、有機材によって
満たされる。この有機材は、コーティングプロセスの間
に小径のホール内へのパックコーティング材の浸入を部
分的にまたは完全に阻止する。パックアルミナイジング
温度へのコーティングサイクルの加熱処理工程におい
て、有機材は分解されて無害な蒸気となり、通常のパッ
クコーティングで用いられるものの一部である不活性ま
たは還元性ガスのフローとともに、パックから外へとで
る。これら同じ不活性または還元性ガスは、通路がパッ
ク材を有するがどうかにかかわらず、アルミニウム蒸気
を通路へと運ばせる。従って、通路の内壁は、このプロ
セスの間にアルミナイズされる。プロセスの終了時に
は、パック材は、容易に通路から除去でき、たいていは
単に圧縮空気を用いることで除去される。

有機材は最初は液体の状態で使用され、その後に耐久
性のある状態である固体とされて、パックコーティング
材が完全に通路をふさぐことのないようにされる。有機
材は、通路におけるパックコーティング材のパッキング
密度を減少させるように機能する。有機材は、化学的と
いうよりは物理的に作用する。従って、使用される有機
材として多種多様な有機材が選択可能である。

有機材に主に要求されることは、その分解時にコーテ
ィングプロセスを阻害する蒸気を生成することがないこ
と、超合金の表面を汚染する残渣を残さないこと、その
他、上記表面へのアルミニウムの拡散を阻害することが
ないことである。Pb,Sn,Bi,Hg等の重金属や、Ｓのよう
な反応性元素は避けるべきであり、低炭素残渣であるこ
とが望ましい。

有機溶剤に可溶であるよりは、水溶性であることが、
上記有機材の特性として好適である。この点は、揮発性
の有機蒸気による大気への汚染を抑えるために必要とな
る。有機材は、好ましくは、適用時の粘度が500センチ
ストーク〜100センチストークであることが好ましい。
上述した好適寸法を有する冷却ホール内を適切に流通さ
せるには、上記範囲の粘度であることが好ましい。

好適な有機材としては、水溶性のポリマーが挙げられ
る。このようなポリマーとして、天然ポリマー、半合成
ポリマー、合成ポリマーが挙げられる。天然の水溶性ポ
リマーとしては、例えばアラビアゴム、トラガカントゴ
ム、カラヤゴムが挙げられる。水溶性の半合成ポリマー
としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロ
ース、エーテルや酢酸塩等の加工デンプンが挙げられ
る。水溶性合成ポリマーとしては、ポリビニルアルコー
ル、エチレンオキシドポリマー、ポリビニルピロリド
ン、ポリエチレンイミン等が挙げられる。なお、上記各
ポリマーは、あくまでも例示として挙げたものであり、
これらに限定されるわけではない。完全に溶液ベースの
材質に加えて、懸濁液、例えばエマルション等も使用可
能である。例えば、ラテックス（ゴム乳液）即ち炭化水
素ポリマーのコロイドの水中懸濁液も使用可能である。

その他の有機材のホストを用いることも可能であり、
特に、有機可溶材を含める場合には可能である。このよ
うな材質としては、セラック（shellac）、ワニス、シ
リコーン、ゴム、ゴムセメントその他の材質が挙げられ
る。上述したように、これらの材質は、本発明の説明の
ために挙げたものであり、本発明を直接限定するもので
はない。

上述した材質は、エマルションを除いては、溶媒に可
溶なものであり、エバポレーション即ち蒸発脱水により
固化される。これらの材質は、最初に適用するときには
液体であり、その後化学反応、例えばエポキシ化等によ
って固化される。ワックス等の熱可塑性プラスチックを
用いることも可能である。このような材質は、比較的低
温で溶解し、ブラッシングまたは浸漬によって使用さ
れ、その後に冷却によって固化される。

コーティングプロセス時に分解可能な適切な有機材が
選択され、適切な粘度にされた後に、コーティングされ
るパートに適用される。この際、好ましくはブラッシン
グによって適用するが、浸漬またはスプレイにより行う
ことも可能である。この有機材は、優先的に、その表面
張力によって、上述した細い通路内に保持される。過剰
な有機材は、このパートから除去することができ、例え
ば、スプレイヤクロス（sprayer cloth）による除去、
ウォルナットシェル等によるエアブラスティング、また
は、適切な溶媒に短時間浸漬する、等の方法によって除
去可能である。

上記パートの表面から過剰な有機材を除去すること
は、本願において好ましいことではあるが、本願に本質
的に影響を与えるものではない。何故なら、上記表面に
アルミニウムの上記を流通させるプロセスであるパック
コーティングプロセス自体の性質として、コーティング
される表面とパックコーティング材との間にギャップや
スペースがあったとしても、プロセスは効率的に進行さ
れるからである。

この点に関し、実質的に完全に小径の冷却ホールをブ
ロックする有機材を用いるた場合、及び、粘度がより低
くホールの内表面にのみコーティングを形成する有機材
を用いた場合、のそれぞれの条件で本発明を実施した。
その結果、どちらの条件ににおいても、良好な結果が得
られてるようであり、かつ、どちらかが他方より好適で
あるということもなかった。

有機材がホールの内面にコーティングを形成する条件
では、コーティングの厚みは、少なくとも0.0005インチ
（0.0013cm）であることが好ましく、より好ましくは、
少なくとも0.0010インチ（0.0025cm）とする。

本発明のこれら及び他の目的及び利点は、以下の図面
の説明及び発明の詳細な説明によって、さらに明らかと
される。

発明の最適実施形態 アルミナイドコーティングにおけるパックコーティン
グプロセスはよく知られているが、以下にその概略を記
述する。

本願発明により用いられ得るパックコーティングには
種々のアルミニウム源を用いることができ、例えば、純
粋なアルミニウム粉体を用いてもよい。アルミニウム合
金を用いることも可能であり、例えば、従来のパックア
ルミナイドコーティングではアルミニウム−10％シリコ
ンが用いられており、本発明でも問題なく用いることが
できる。米国特許第5,000,782号では、アルミニウムイ
ットリウムシリコン合金を使用する技術が開示されてお
り。この合金は、イットリウムを２〜20wt％含有し、か
つ、シリコン、クロル、コバルト、ニッケル、チタン、
及びこれらの任意混合物のいずれかを６〜50wt％含有
し、残部はアルミニウムとなっている。この例では、ア
ルミナイドコーティングされた生成物にはアルミニウム
とイットリウムとの混合物が含有される。イットリウム
によって、耐酸化力が向上する。これらの従来特許は、
参照として本願に包含される。また、アルミニウム化合
物を用いることもでき、例えばCoAl₅,CrAl,及びFe₂Al₅
がパックコーティングプロセスのアルミニウム源として
知られており、本願でも問題なく用いられ得る。

ハロゲン化物活性化化合物は、種々のハロゲン化物の
化合物のいずれを用いてもよく、例えば弗化アルミニウ
ム、弗化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウ
ム、ヨウ化ナトリウム、弗化アンモニウム、弗化水素ア
ンモニウム、塩化アンモニウム、弗化カリウム、塩化カ
リウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム物等が用いられ
る。

Na₃AlF₆等の複雑な化合物だけでなく、これらのハロ
ゲン化物の化合物の混合物を用いてもよい。これらの化
合物活性化剤は、米国特許第4,156,042号に開示されて
いる。不活性な材質としては、通常アルミナが用いられ
る。焼結における問題の程度は、用いられる活性化剤に
よってある程度変化し、特に弗化水素アンモニウム活性
化剤を用いた場合には顕著である。

本発明は、以下の例示的実施例を参照すると、容易に
理解可能であろう。複数の直径0.015インチ（0.038cm）
のホールを有するタービンブレードを、パックアルミナ
イドコーティングによって、コーティングした。アルミ
化に先立って、Kelzan^TMとして知られている有機材をホ
ールのコーティングに用いた。Kelzan^TMは、KelCo社（K
elCo Company of San Diego,California,division of M
erck ＆ Company）の製品である。このKelzan^TMは、海
草から得られ、パウダー状で供給される水溶性の高分子
量ポリマーである。Kelzan^TM粉体は、ロータリーミキサ
を用いて水と混合される。この際、約2.0〜5.0wt％がKe
lzan^TMで約95〜98wt％が水であり、得られる生成物の粘
度が蜂蜜よりも高くなるまで、この生成物を混合した。

タービンブレードの外表面において、この外表面によ
って上記ホールが区画されている領域に対して上記生成
物材料を吹き付けるために、小径のブリストルペイント
ブラシが用いられた。このペイントブラシを、冷却ホー
ルに上記Kelzan^TM混合物が可能な限り入り込むように操
作した。最初に、Kelzan^TMを種々の形態で用いるととも
に、水系バインダをとばすための加熱されたオーブン内
での乾燥ステップを用いた。この試験では、上記ホール
は完全にKelzan^TMにより満たされた。

その後、Kelzan^TMコートの使用量を減らして実験を繰
り返し行った。その結果、アルミナイドコーティングプ
ロセスにおいては、冷却ホールの壁面へのパック材質の
焼結を減少させるには、乾燥後のKelzan^TMコートを少な
くとも0.001インチ（0.0025cm）とであれば、焼結減少
効果が得られることがわかった。

冷却通路が部分的に満たされたブレードは、8wt％のA
l、22wt％のCr、1/2wt％〜1/2wt％の弗化水素アンモニ
ウム、残部60メッシュアルミナ粉末のパック混合物に浸
された。

埋め込まれたブレードは、超合金シート金属容器内に
入れられ、この容器は、加熱炉内に入れられてアルゴン
の流通下、2025゜F（1107℃）で26時間加熱される。こ
の高温工程が終了した後に、ブレードが取り出され、パ
ック材質は、穏やかなグリップ−ブラスティングによっ
て除去された。

グリップブラスティングは、2.40メッシュAl₂O₃研摩
材を備えたグリップブラスティングガンを20psi（138kP
a）の空気圧で作動させて行い、これによって、完全に
パック材質を冷却ホールから除去することが可能であ
り、かつ、アルミナイドコーティングには損傷は何ら認
められなかった。有機ホール前コート処理に先立って、
同じ研摩材を同じ研磨ガンで空気圧を80psi（552kPa）
として用いたところ、一般に、コーティングプロセス後
のパック材質の除去には効果はなかった。加えて、空気
圧が約50psi（345kPa）を超えると、コーティングをは
がすように作用することが見いだされた。

従来法により、有機コーティングによる前処理を行う
ことなくコーティングされた通常のブレードでは、プロ
ーブを冷却ホールに差し込んで、冷却ホールからパック
材質を除去するには約２〜10時間のめんどうな手作業が
必要である。たいていの場合、このような手作業は不可
能であり、パック材質は、化学的手段または再度穴開け
作業を行うことによって除去する必要があり、相当の費
用がかかる。したがって、本発明によれば、パックコー
ティングプロセス後の冷却ホールからのパック材質の除
去にかかる労働量及びコストが非常に削減される。カッ
ト−アップタービンエンジンブレードの電子顕微鏡写真
による検査の結果、冷却ホールの内壁は、アルミニウム
によって保護されており、アルミニウムの量は、その効
力が出現するに十分な量であった。

本発明はここに示し説明した実施例に限定されるもの
ではない。本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく
種々の変形や修正が可能であることはいうまでもない。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却ホールを有する金属物品を保護コーテ
   ィングによってコーティングする方法であって、前記保
   護コーティングの成分源とハロゲン化物活性化剤と不活
   性セラミック材とを含有する粉体混合物に前記物品を埋
   め、前記物品と粉体混合物とを加熱する方法において、 少なくとも部分的に前記冷却ホールを有機コーティング
   材の水溶液で満たした後に前記物品を前記粉体混合物内
   に埋め、これによって、前記粉体混合物が前記冷却ホー
   ル内で焼結することを抑制するようにしたことを特徴と
   する方法。
2. 【請求項２】前記有機材は、水溶性の高分子ポリマーで
   あることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】前記有機材は、ケルプをベースとして得ら
   れる水溶性由来物であることを特徴とする請求項２記載
   の方法。
4. 【請求項４】前記ハロゲン化物活性化剤は、弗化水素ア
   ンモニウムであることを特徴とする請求項１記載の方
   法。
5. 【請求項５】冷却ホールを有する金属物品を保護コーテ
   ィングによってコーティングする方法であって、前記保
   護コーティングの成分源とハロゲン化物活性化剤と不活
   性セラミック材とを含有する粉体混合物に前記物品を埋
   め、前記物品と粉体混合物とを加熱する方法において、 少なくとも部分的に前記冷却ホールを有機溶媒に可溶性
   の有機材で満たした後に前記物品を前記粉体混合物内に
   埋めることを特徴とする方法。
6. 【請求項６】前記有機材は、セラック、ワニス、シリコ
   ーン、ゴム、ゴムセメントからなる群より選択されるこ
   とを特徴とする請求項５記載の方法。