JP3414751B2 - 高温保護被覆システムを有する金属構成要素および構成要素の被覆方法 - Google Patents

高温保護被覆システムを有する金属構成要素および構成要素の被覆方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高温保護被覆システムを有する金属構成要素
およびこのような金属構成要素を被覆する方法に関す
る。
ウォーカー（Walker）ほかの米国特許第3,873,347号
明細書およびレアデン（Rairden）の米国特許第3,874,9
01号明細書は、現在MCrAlY合金として知られている合金
から成る合金層をボディの上に施す工程と、合金層への
アルミニウムの相互拡散を達成するべく被覆されたボデ
ィを熱処理することにより続けられる米国特許第3,874,
901号明細書に従って合金層の上にアルミナイド層を施
す工程とを含んでいる工程によりボディに対する被覆シ
ステムを設けることにより、ニッケルまたはコバルト主
体の超合金ボディ、特にガスタービン構成要素の高温酸
化および腐食耐性を改善する方法を開示している。腐食
および酸化耐性の改善は主としてアルミナイド層に帰せ
られる。なぜならば、それは被覆システム中に存在する
アルミニウムの量を増すからである。
ステクラ（Stecura）ほかの米国特許第4,055,705号明
細書およびウリオン（Ulion）ほかの米国特許第4,321,3
10号明細書およびストレングマン（Strangman）の米国
特許第4,321,311号明細書はニッケルまたはコバルト主
体の超合金から成るガスタービン構成要素に対する被覆
システムを開示している。記載されている被覆システム
は結合層の上に施されたセラミックス、詳細には柱状粒
子構造を有するセラミックスから成る熱障壁層を含んで
おり、結合層は基体の上に施されており、また熱障壁層
を基体に結合する。結合層はMCrAlY合金、すなわち鉄、
コバルトおよびニッケルの少なくとも１つを含んでいる
ベース中にクロム、アルミニウムおよびイットリウムの
ような希土類金属を含んでいる合金から成っている。そ
の他の元素もMCrAlY合金中に存在していてよく、その例
は後で示される。結合層の重要な特徴は、MCrAlY合金の
上に生成されまた熱障壁層を係留するために使用される
薄いアルミナ層である。
デューダースタット（Duderstadt）ほかの米国特許第
5,238,752号明細書は、同じくセラミック熱障壁層およ
びそれを基体に結合する結合層を組み入れたガスタービ
ン構成要素に対する被覆システムを開示している。結合
層は金属間化合のアルミナイド化合物、特にニッケルア
ルミナイドまたは白金アルミナイドから成っている。結
合層は熱障壁層を係留する役割をする薄いアルミナ層を
も有する。
ウリオン（Ulion）ほかの米国特許第5,262,245号明細
書は、結合層の使用を避けることによりガスタービン構
成要素に対する熱障壁層を組み入れた被覆システムを簡
単化する努力の結果を説明している。この目的で、ガス
タービン構成要素の基体を形成するのに使用可能であ
り、また適当な処理のもとにその外側表面の上にアルミ
ナ層を生成する超合金の組成が開示されている。アルミ
ナ層はその上に施されたセラミック熱障壁層を係留し
て、基体と熱障壁層との間に挟まれるべき特別な結合層
の必要と不要とするのに使用されている。
ギッギンス（Giggins）ほかの米国特許第5,087,477号
明細書は、電子ビームにより熱障壁層を形成する化合物
を蒸発させる工程と熱障壁層を受け入れるべく構成要素
のところに酸素の制御された含有量を有する雰囲気を確
立する工程とを含んでいる物理的蒸着技術によりガスタ
ービン構成要素の上にセラミック熱障壁層を施すための
方法を教示している。
クツエチ（Czech）ほかの米国特許第5,154,885号、第
5,268,238号、第5,273,712号および第5,401,307号明細
書は、MCrAlY合金の保護被覆を含んでいるガスタービン
構成要素に対する進歩した被覆システムを開示してい
る。開示されているMCrAlY合金は腐食にも酸化にも例外
的に良好な耐性と基体として使用される超合金への例外
的に良好な両立性とを与えるべく注意深くバランスをと
られた組成を有する。MCrAlY合金の主体はニッケルおよ
び／またはコバルトにより形成されている。その他の元
素、特にシリコンおよびレニウムの添加も議論されてい
る。特にレニウムは非常に有利な添加物であることが示
されている。示されているすべてのMCrAlY合金は、特に
以下に開示される本発明の主旨において、熱障壁層を係
留するための結合層としても非常に適している。
ニッケルまたはコバルト主体の超合金のような金属か
ら成るボディを含んでいるブレード、ベーンおよび熱遮
蔽要素のようなガスタービン構成要素は、一般にボディ
の露出部分をカバーする保護被覆を含んでいる被覆シス
テムにより高められた温度における酸化および硫化を含
む腐食作用に対して保護されている。上記の公知の文献
中に説明されているように、ボディの外側表面の上に施
される被覆システムはMCrAlY合金から成る合金層と、こ
の合金層の上に施された熱障壁層として作用するセラミ
ック層とを含んでいる。
作動中に大きな熱負荷に耐えなければならないガスタ
ービン構成要素はしばしば内部流路を有し、それを通じ
て冷却液体が導かれる。通常、流路は構成要素が作動中
に固定保持されている構成要素の取付部分に第１の開口
を有し、また作動中に構成要素に沿って流れるガス流に
露出されている構成要素の能動的部分に配置されている
複数個の第２の開口を有する。冷却液体は、場合によっ
てはガス流との直接的接触に対して能動的部分を被覆し
かつ保護する冷却膜を形成した後に、一般に第２の開口
を通じてガス流に混合されている。
ガスタービン構成要素のボディはその内部に形成され
た流路において腐食性および酸化性の作用を受けやす
い。なぜならば、ボディ内の流路により画定される内面
を支配する温度がまだかなり高く、またこうして流路を
通って流れる流体の組成とボディの材料との間の化学反
応が助長されるからである。たとい流体が通常の実際の
ように空気または空気および蒸気の混合物であるとして
も、海洋環境からの塩または農業環境からのアンモニア
および／または硫黄化合物のような空気の汚染物が腐食
を惹起するおそれがある。このような作用に対する措置
として、ガスタービン構成要素の流路の内面は通常その
上に施されたアルミナイド被覆を有する。
外面の上に合金層およびセラミックス層を、また内面
の上にアルミナイド被覆を施すことによりガスタービン
構成要素を製造する場合には、外面上の被覆システムの
組成と内面上の被覆との間の不利な相互作用を避けるべ
く注意が払われなければならない。特に重要なことは、
気相アルミナイジングにより内面の上に施されておりま
た構成要素の外面にも沈澱することを十分に防止できな
いアルミナイド化合物である。通常、合金層は外面の上
に施されているが、内面をアルミナイジングする前のそ
の最初の粗さを残している。次いで、内面がアルミナナ
イズされ、また合金層が不可避的に同じくアルミナイズ
され、また続いてその上にアルミナイジング層を有する
合金層が所望の残留粗さに、場合によっては研削および
／または研磨により平滑化される。この処置は合金層の
上のアルミナイド層のかなりの部分を除去するが、決し
てすべてを除去するものではない。従ってセラミック層
は不明確な化学的組成を有する表面の上に施されなけれ
ばならず、また得られるセラミック層の堅牢性に疑問が
生ずる。しかし、合金層からのアルミナイドの完全な除
去は一層複雑な措置を必要とし、また製造プロセスを不
経済なものにするであろう。
上記の被覆プロセスの代替として、合金層を外面の上
に施す以前にアルミナイド層をガスタービン構成要素の
内面および外面の双方の上に施すことが意図されてき
た。しかし、その場合には、豊富に存在するアルミニウ
ムの拡散に起因してアルミニウム富化された従ってまた
脆い相が構成要素のボディ中に形成され、このことがボ
ディ自体を脆くし、従ってまたその有用性に疑問を生ず
るおそれがある。
従って、本発明の課題は、高温保護被覆システムを有
する金属構成要素および該構成要素を被覆する方法であ
って、この一般的形式のこれまでに知られている装置お
よび方法の上記の欠点を克服し、また公知の被覆システ
ムを改良してそれらおよびそれらの意図する機能を、ア
ルミナイド層への敏感さを少なくし、またもしアルミナ
イド層と被覆システムとの間の相互作用だけがいつでも
存在するならば、これらのアルミナイド層の使用および
位置に無関係にアルミナイド層と共に使用されるのに一
層適したものとする必要性を満足する金属構成要素およ
びその被覆方法を提供することにある。
上記および他の課題を解決するため、本発明によれ
ば、金属から形成される製品のボディの外面を被覆する
方法において、ボディの外面の上に合金層を施す工程
と、合金層を研磨する工程と、合金層の上に実質的に均
等な厚みを有するアルミナイド層を施す工程と、アルミ
ナイド層の上にセラミック層を施す工程とを含んでいる
方法が提供される。
本発明の追加的な特徴によれば、合金層を施す工程は
外面のみの上に合金層を施す工程を含んでおり、またア
ルミナイド層を施す工程はボディ内に形成された流路に
より画定される内面の上にアルミナイド層を施す工程を
も含んでいる。
本発明の追加的な特徴によれば、アルミナイド層を施
す工程は50μｍまでの厚みを有する内面の上にアルミナ
イド層を設ける工程と、10μｍまでの厚みを有する合金
層の上にアルミナイド層を設ける工程とを含んでいる。
本発明の他の特徴によれば、アルミナイド層はアルミ
ナイド層を施す工程で研磨される。アルミナイド層は気
相アルミナイジングにより施されてもよい。
本発明の他の特徴によれば、本方法はセラミック層を
施す工程に先立って合金層の上に施されたアルミナイド
層を研磨する工程を含んでいる。
本発明の付随的な特徴によれば、合金層を研磨する工
程は２μｍ以下の表面粗さRaを有する合金層を設ける工
程を含んでいる。この場合Raは測定のための標準化され
た方法により決定されている表面粗さを示す。詳細には
Raは下記のように決定される。すなわちその粗さを測定
すべき表面の上に適当な長さの参照線が画定される。参
照線に沿う表面の平滑プロフィルが最小二乗フィットに
より決定される。Raは参照線に沿う表面の平滑プロフィ
ルからの実際の表面の偏差の絶対値の算術平均値として
決定される。参照線はRaの値への統計的変動の影響を消
去するのに十分に長くなければならず、またそれは表面
全体を代表するものとしての意義を保つのに十分に短く
なければならない。
また上記および他の課題を解決するため、本発明によ
れば、外面を有するボディを画定する金属基体と、前記
外面の上に施された被覆システムとを含んでいる製品に
おいて、前記被覆システムが、前記外面の上に施されて
おり、また前記外面から離れる面が研磨された表面を有
する合金層と、前記合金層の上に施されておりまた実質
的に均等な厚みを有するアルミナイド層と、前記アルミ
ナイド層の上に施されたセラミック層とを含んでいるこ
とを特徴とする製品が提供される。
前記アルミナイド層は10μｍ以下の好ましい厚さを有
する。
前記合金層は前記アルミナイド層に隣接する表面にお
いて２μｍ以下の好ましい表面粗さを有する。
本発明のさらに他の特徴によれば、合金層はMCrAlY合
金から形成されており、また金属基体はニッケルまたは
コバルト主体の超合金基体である。
さらに本発明の追加的な特徴によれば、前記アルミナ
イド層は主としてアルミニウム、ニッケルアルミナイド
および白金アルミナイドから成る群から選ばれた化合物
から成っている。
本発明の追加的な特徴によれば、前記ボディは、その
内部に形成されており前記ボディの内面を画定する流路
を有し、この内面はその上に施されたアルミナイド層を
有する。前記内面の上の前記アルミナイド層が50μｍ以
下の好ましい厚みを有し、またそれはアルミニウム、ニ
ッケルアルミナイドおよび白金アルミナイドから形成さ
れていてもよい。
再び本発明の他の特徴によれば、前記ボディおよび前
記被覆システムは一緒になってガスタービン構成要素を
形成する。前記ガスタービン構成要素は作動中に前記ボ
ディに沿って流れるガス流に露出するための翼部分を含
んでいる翼構成要素であり、前記翼部分が前記被覆シス
テムにより覆われている。
本発明の付随的な特徴によれば、前記ボディは、その
内部に形成されており前記翼部分を通って延びておりま
た前記ボディの内面を画定する流路を有し、前記内面が
その上に施されたアルミナイド被覆を有する。
本発明に対して特徴的とみなされる他の特徴は従属請
求項に記載されている。
本発明は高温保護被覆システムを有する金属構成要素
および該構成要素を被覆する方法に関するものとしてこ
こに図示かつ説明されているが、本発明の精神から逸脱
することなく請求の範囲と均等な範囲内で種々の変更が
行われ得るので、図示されているものに本発明の範囲を
制限することは全く意図されていない。
しかし、本発明の構造はその追加的な課題および利点
と一緒に、添付図面に関連して読まれる時に特別な実施
例の下記の説明から最もよく理解されよう。
図１は本発明に従って着装される被覆システムの部分
断面図である。また 図２は図１に示されている基体および保護被覆システ
ムを含んでいるガスタービン翼構成要素の斜視図であ
る。
いま図面を詳細に、先ず特に図１を参照すると、合金
層、アルミナイド層およびその上に施されたセラミック
層ならびに流路中に形成された内面の上に施されたアル
ミナイド層を組み入れた保護被覆システムを有する基体
が示されている。
基体１は作動中に大きな熱負荷に、また同時に腐食性
および侵食性作用に曝される製品、特にガスタービン構
成要素のベースを形成する。基体１は大きな熱負荷およ
び場合によっては遠心力のような厳しい力による追加的
な機械的負荷に曝される時に強度および構造的安定性を
与えるのに適した材料から形成されている。ガスタービ
ンにこのような目的に広く認められかつ用いられている
材料はニッケルまたはコバルト主体の超合金である。
基体１に与えられる熱負荷を制限するため、それはそ
の上に施された被覆システムを有する。この被覆システ
ム酸化性作用を含む腐食性作用に対して基体１を保護す
る。この被覆システムは合金層２と、その上に施された
アルミナイド層３と、アルミナイド層３の上に施された
セラミック層４を含んでいる。合金層２はMCrAlY合金、
好ましくは参照によりここに組み入れるものとするクツ
エチ（Czech）ほかの米国特許第5,154,885号、第5,268,
238号、第5,273,712号および第5,401,307号明細書に記
載されているMCrAlY合金から成っている。セラミック層
４は柱状粒子構造を有するセラミックス、特に主として
安定化または部分的に安定化されたジルコニアから成っ
ている。
基体１の内部には、作動中に基体１を冷却するべく冷
却流体が流れ得る流路５が配置されている。この流路５
は内壁６により境されており、この内壁の上にアルミナ
イド層７が施されている。
種々の層２、３、４および７を施す工程は層２、３、
４および７およびそれらの組成の間の不利な相互作用を
避けるために特別なプログラムに従って実行される。特
に重要なのはアルミナイド層３および７である。内壁６
の上でアルミナイド層７は特別な機能、すなわち腐食作
用に対して内壁６を保護する機能に専ら向けられてい
る。流路５の外側のアルミナイド層３は、被覆システム
が果たすべき機能に関しては不必要であるが、それは内
壁６の上にアルミナイド層７を施すプロセスの回避困難
な副生物である。
アルミナイド層３を良好に機能する被覆システム中に
組み入れるべく、かつその存在の結果として生じ得る不
利を避けるべく、このアルミナイド層３は先に施されか
つ研磨された合金層２と続いて施されるべきセラミック
層４との間に施される。合金層２の研磨は、所望のよう
に研磨またはその他の仕方で表面処理され得るアルミナ
イド層３への平滑な境界を画定する。アルミナイド層３
を施した後に適宜に表面仕上げによりアルミナイド層３
の厚みを10μｍ以下に調節することは好ましい。２μｍ
以下の表面粗さを得るべくアルミナイド層３を施す前に
合金層２を研磨することも好ましい。
内面の上のアルミナイド層７の厚みはこの層に対して
意図されている機能に個々に適合するように定めること
ができる。アルミナイド層７の厚みを50μｍ以下に保つ
ことは好ましい。
アルミナイド層３および７に対する材料の選定は特に
重要なものではない。好ましくは、アルミニウム、ニッ
ケルアルミナイドおよび白金アルミナイドの１つが使用
される。アルミナイド層３および７は、よく知られてお
りまた従来しばしば使用されている気相アルミナイジン
グにより施されると有利である。しかしこの方法は望ま
れないであろう個所の上にアルミナイドが振りまかれる
欠点を有し、ここに開示されるような特別な措置を必要
とする。
合金層を施す工程は、アルミナイズするのに使用され
る気相プロセスよりも被覆されるべき個所に関してより
選択的であるプラズマスプレイプロセスにより通常行わ
れるので、一般に臨界性がより少なく、また一般的に特
別な問題を有していない。場合によっては、合金層２を
施す工程は合金層２を均一化しおよび／または基体１に
結合するための熱処理を必要とする。
合金層２とセラミック層４との間にアルミナイド層３
を施すことは、合金層２中に拡散するアルミニウム源を
用意し、その所望の保護特性を高め、また適当な条件の
もとにセラミック層４を係留するための優れた手段であ
る薄いアルミナ層を生成する中間層を用意するという追
加的な利点を有する。しかしアルミナイド層３の厚み
は、アルミニウム含有量を過度に高くすることによる合
金層２の脆化を避けるため、過度に厚くてはならない。
一般に、アルミナ層の厚みとしては10μｍの制限が有効
であると考えられている。
図２はガスタービン構成要素全体、すなわちガスター
ビン羽根８を示す。構成要素８は、作動中にガスタービ
ンエンジンの“能動的”部分を形成しまたそれに沿って
流れるガス流に曝される翼部分９と、構成要素８を作動
中にその所定の位置に固定保持する取付部分10と、ガス
流が所定の流路から去るのを防止するシーリング部分11
とを有する。
図１の断面は線Ｉ−Ｉに沿ってとられている。
タービン羽根８を冷却するため、図１中に例示されて
いるように冷却流体を導く流路５が設けられる。冷却流
体は通常、矢印12により示されているように、取付部分
10において供給される。冷却流体はオリフィス13を通っ
てタービン羽根８を去り、また翼部分９に沿って流れる
ガス流に合流する。
上記のようにタービン羽根８の上に被覆システムを施
すとき、オリフィス13は場合によっては、それらが層
２、３、４または７を施す間に材料により塞がれないよ
うに特別な注意を必要としよう。合金層２を施すときと
セラミック層４を施すときとが通常最も問題である。従
って、層２、３、４または７を施した後にオリフィス13
を検査することが好ましい。場合によっては、オリフィ
ス13は、層２、３、４および７の少なくともいくつかが
施されるまでは、作られない。好ましくは、オリフィス
13は、合金層２が施された後、ただしそれが研磨される
前に、特にレーザーミリングまたはECMにより作られ
る。
アルミナイド層３および７を施した後に、もし必要で
あれば、絞り板が流路５内に挿入され、また固定され
る。
特にセラミック層４を仕上げる目的での最終的な熱処
理を行うと製造プロセスを完成するのに有利である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 28/00 C23C 4/08 C23C 4/10 F01D 5/28 F02C 7/00

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属から形成される製品のボディの外面を
    被覆する方法において、ボディの外面の上に合金層を施
    す工程と、合金層を研磨する工程と、合金層の上に実質
    的に均等な厚みを有するアルミナイド層を施す工程と、
    アルミナイド層の上にセラミック層を施す工程とを含ん
    でいることを特徴とする被覆方法。
  2. 【請求項２】ボディが、そのなかに形成されておりまた
    ボディの内面を画定する少なくとも１つの流路を有し、
    合金層を施す工程が外面のみの上に合金層を施す工程を
    含んでおり、またアルミナイド層を施す工程が同時に内
    面の上にアルミナイド層を施す工程を含んでいることを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】アルミナイド層を施す工程が、50μｍまで
    の厚みを有する内面の上にアルミナイド層を設ける工程
    と、10μｍまでの厚みを有する合金層の上にアルミナイ
    ド層を設ける工程とを含んでいることを特徴とする請求
    項２記載の方法。
  4. 【請求項４】アルミナイド層を施す工程が、合金層の上
    に施されたアルミナイド層を研磨する工程を含んでいる
    ことを特徴とする請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】複数のアルミナイド層を施す工程が、気相
    アルミナイジングによりアルミナイド層を施す工程を含
    んでいることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記
    載の方法。
  6. 【請求項６】１つのアルミナイド層を施す工程が、気相
    アルミナイジングによりアルミナイド層を施す工程を含
    んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】セラミック層を施す工程に先立って合金層
    の上に施されたアルミナイド層を研磨する工程を含んで
    いることを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の
    方法。
  8. 【請求項８】合金層を研磨する工程が２μｍ以下の表面
    粗さRaを有する合金層を設ける工程を含んでいることを
    特徴とする請求項１ないし７の１つに記載の方法。
  9. 【請求項９】外面を有するボディを画定する金属基体
    と、前記外面の上に施された被覆システムとを含んでい
    る製品において、前記被覆システムが、前記外面の上に
    施されておりまた前記外面から離れる面が研磨された表
    面を有する合金層と、前記合金層の上に施されておりま
    た実質的に均等な厚みを有するアルミナイド層と、前記
    アルミナイド層の上に施されたセラミック層とを含んで
    いることを特徴とする製品。
  10. 【請求項１０】前記アルミナイド層が10μｍ以下の厚み
    を有することを特徴とする請求項９記載の製品。
  11. 【請求項１１】前記合金層は前記アルミナイド層に隣接
    する表面において２μｍ以下の好ましい表面粗さを有す
    ることを特徴とする請求項９または10記載の製品。
  12. 【請求項１２】合金層がMCrAlY合金から形成されている
    ことを特徴とする請求項９ないし11の１つに記載の製
    品。
  13. 【請求項１３】前記金属基体がニッケルまたはコバルト
    主体の超合金基体であることを特徴とする請求項９ない
    し12の１つに記載の製品。
  14. 【請求項１４】前記アルミナイド層が主としてアルミニ
    ウム、ニッケルアルミナイドおよび白金アルミナイドか
    ら成る群から選ばれた化合物から成っていることを特徴
    とする請求項９ないし13の１つに記載の製品。
  15. 【請求項１５】前記ボディが、その内部に形成されてお
    り前記ボディの内面を画定する流路を有し、前記内面が
    その上に施されたアルミナイド層を有することを特徴と
    する請求項９ないし14の１つに記載の製品。
  16. 【請求項１６】前記内面の上の前記アルミナイド層が50
    μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項15記載
    の製品。
  17. 【請求項１７】前記外面の上の前記アルミナイド層およ
    び前記内面の上の前記アルミナイド層が主としてアルミ
    ニウム、ニッケルアルミナイドおよび白金アルミナイド
    から成る群から選ばれた化合物から成っていることを特
    徴とする請求項15または16記載の製品。
  18. 【請求項１８】前記ボディおよび前記被覆システムがガ
    スタービン構成要素を形成することを特徴とする請求項
    ９ないし17の１つに記載の製品。
  19. 【請求項１９】前記ガスタービン構成要素が作動中に前
    記ボディに沿って流れるガス流に露出するための翼部分
    を含んでいる翼構成要素であり、前記翼部分が前記被覆
    システムにより覆われていることを特徴とする請求項18
    記載の製品。
  20. 【請求項２０】前記ボディが、その内部に形成されてお
    り前記翼部分を通って延びておりまた前記ボディの内面
    を画定する流路を有し、前記内面がその上に施されたア
    ルミナイド被覆を有することを特徴とする請求項19記載
    の製品。
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