JP3757418B1 - 拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌ含有率が一定のＡｌ源を用い、不活性セラミックス粒子や酸化物分散剤等の添加物を用いずに、品質が安定したコーティングを高温金属部品の一部に容易に施工でき、これにより耐酸化試験或いは部品使用中の割れ等の発生が少なく高い耐酸化性能の拡散アルミナイドコーティング局部施工方法を提供する。
【解決手段】金属部品１の一部を露出し、所望の表面粗さにするステップ１０と、Ａｌを含む金属間化合物３の粉末、ハロゲン活性剤及び水溶性有機バインダーを含むコーティングスラリーを準備するステップ１２と、コーティングスラリーを金属部品の一部に塗布し乾燥するステップ１４と、金属部品をアルミナ粉末が充填された耐熱容器内にパッキングするステップ１６と、耐熱容器を不活性雰囲気または還元雰囲気中で高温に保持し金属部品の一部にＡｌを拡散させるステップ１８と、耐熱容器から金属部品を取出し表面の滓を除去するステップ２０とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、割れ等の発生が少なく高い耐酸化性能を得るための拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法に関する。

ジェットエンジン用のガスタービンや陸上発電用のガスタービンにおいて、高温腐食性ガスに曝されるブレード、ベーン、シュラウド、燃焼器のような金属部品（以下、高温金属部品）には、その耐酸化性を高めるため表面に耐食性コーティングが通常施工される。
かかる耐食性コーティングは、コーティングすべき部品を特定の元素（主としてアルミニウム）に富む雰囲気中で所定の温度に保つことで形成される。

上述した耐食性コーティングを施した高温金属部品は、ガスタービンにおける運転中や、部品の加工中に、コーティングの一部にチッピング等の損傷を生じることがある。高温金属部品にこのような部分的損傷が生じた場合、従来から「全面再コーティング」または「局部コーティング」が行われていた。
「全面再コーティング」は、損傷を受けていないコーティングも完全に除去し、再度コーティングを実施する補修手段であり、信頼性は高いがコストがかかる問題点がある。そこで、損傷部分が少ない場合には、損傷箇所のみを補修する「局部コーティング」が行われる。

かかる局部コーティング手段の一例として、特許文献１による方法が、既に開示されている。この在来方法は、約５５〜５７重量％のアルミニウムを含有する鉄−アルミニウム合金粘着テープを被覆すべき高温金属部品に貼付け、不活性酸化アルミニウム粉末中に充填し、不活性または還元性雰囲気中で約１８００〜２０００°Ｆに加熱して長時間保持するものである。

また、特に内部通路等に適用する局部コーティング手段として、特許文献２、３が開示されている。

特許文献２の方法は、水溶性スラリーを内部通路等に噴射等により塗布し、乾燥させて水溶性ソルベントを除去し、非酸化雰囲気中において、１３５０°Ｆ〜２２５０°Ｆで４〜２４時間加熱してアルミニウムを拡散させるものである。特に、水溶性スラリーが、アルミニウム源、不活性セラミックス粒子、ハロゲン活性剤、水溶性分散剤を含むことを特徴とする。

特許文献３の方法は、コーティングスラリーを塗布し、乾燥させて水分を除去し、加熱して表面にアルミニウムを拡散させるものであり、コーティングスラリーに、水と非有機性ゲル形成剤からなるキャリア成分、アルミニウム源、及び酸化物分散剤を含むことを特徴としている。

特開２００３−４１３６０号公報、「タービンエンジン部品の選択的領域に拡散アルミナイド皮膜を施工する方法」 米国特許第５，３６６，７６５号公報、”ＡＱＵＥＯＵＳ ＳＬＵＲＲＹ ＣＯＡＴＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＡＬＵＭＩＮＩＤＥ ＣＯＡＴＩＮＧＳ” 米国特許第６，４９７，９２０号公報、”ＰＲＯＣＥＳＳ ＦＯＲ ＡＰＰＬＹＩＮＧ ＡＮ ＡＬＵＭＩＮＩＤＥ ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ ＣＯＡＴＩＮＧ ＵＳＩＮＧ ＡＮ ＩＮＯＲＧＡＮＩＣ ＳＬＵＲＲＹ ＭＩＸ”

局部コーティング手段としては、ガスタービンの高温化に伴い従来より高い耐酸化性能と、拡散時の付着層が母材の外側に形成され、母材の減肉が少なく補修の繰り返しが可能な外部拡散型コーティングが強く望まれている。

しかし、特許文献１による従来の局部コーティング手段では、表面近傍にアルミニウム濃度が高く青く見えるブルーゾーンが形成されやすく、一般的な耐酸化試験（空気中で１１２１℃、２３時間）或いは、部品使用中に、表面近傍に割れ等が発生することが多く品質が安定しない問題点があった。

また、特許文献２、３の手段では、不活性セラミックス粒子、水溶性分散剤、非有機性ゲル形成剤、酸化物分散剤等、本質的には不要な添加物をスラリーに混合する必要があったためコスト高になった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、アルミニウム源としてアルミニウム含有率が正確に一定の素材を用い、不活性セラミックス粒子や酸化物分散剤等の余分な添加物を用いることなく、品質が安定したコーティングを、高温金属部品の一部に容易に施工でき、これにより耐酸化試験或いは、部品使用中の割れ等の発生が少なく高い耐酸化性能が得られる拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法を提供することにある。

本発明によれば、高温腐食性ガスに曝される金属部品の一部に拡散アルミナイドコーティングを局部施工する方法であって、
コーティングする金属部品の一部（既存コーティングの損傷部）の母材を露出させ、その表面を所望の面粗さにする部品準備ステップと、
アルミニウムを含む金属間化合物の粉末、ハロゲン活性剤、及び水溶性有機バインダーを含むコーティングスラリーを準備するスラリー準備ステップと、
前記コーティングスラリーを金属部品の一部に塗布し乾燥する塗布乾燥ステップと、
前記金属部品をアルミナ粉末が充填された耐熱容器内にパッキングするパッキングステップと、
前記耐熱容器を不活性雰囲気または還元雰囲気中で高温に保持し金属部品の一部にアルミニウムを拡散させる拡散処理ステップと、
前記耐熱容器から金属部品を取出し表面の滓を除去する清掃ステップと、を有することを特徴とする拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記金属間化合物として、アルミニウムの理論比率が重量比で６２．８％であり、不純物が０．５％以下のＴｉＡｌ_３またはαＴｉＡｌ_３を用いる。

前記ハロゲン活性剤として、ＡｌＦ_３を用い、コーティング源と活性剤を９３〜９７：３〜７の重量比で混合し、水溶性有機バインダーを用いてスラリーを作製する、ことが好ましい。

前記塗布乾燥ステップにおいて、塗布及び乾燥を交互に、塗布厚さが０．５ｍｍ以上に達するまで繰り返す。

前記金属部品は、ガスタービンのブレード、ベーン、シュラウド、または燃焼器である。

前記拡散処理ステップにおいて、１９００〜２０００°Ｆ（約１０３８〜１０９４℃）で約２〜９時間保持する。

上記本発明の方法によれば、アルミニウムを含む金属間化合物（好ましくはＴｉＡｌ_３またはαＴｉＡｌ_３）の粉末を用いてコーティングスラリーを準備するので、アルミニウム含有率が正確に一定（理論比率が重量比で６２．８％）であり、品質が安定したコーティングを容易に施工できる。
また、本発明の実施例によれば、不活性セラミックス粒子や酸化物分散剤等の本質的には不要な添加物を用いることなく、品質が安定したコーティングを、高温金属部品の一部に容易に施工でき、これにより耐酸化試験による割れ等の発生が少なく高い耐酸化性能が得られることが確認された。
さらに、得られたコーティングは、外部拡散型であり、肉厚の薄いブレードやベーンの母材の減少量を最小限に抑えることができ、補修を繰り返し実施できることが確認された。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明で使用するアルミニウム源の説明図である。この図は、アルミニウム（Ａｌ）とチタニウム（Ｔｉ）の２元素を含む合金と金属間化合物を示している。この図において、横軸はアルミニウムの重量比率、縦軸は温度であり、図中の各記号は合金または金属間化合物を示している。

合金（Ａｌｌｏｙ）とは、純金属が溶け合い金属結合したものであり、原子配列は不規則になっている。一般にＴｉ−Ａｌ合金という場合、チタニウムにある割合のアルミニウムが溶けたものを指し、そのアルミニウムの含有率は重量比で表される。
一方、金属間化合物（Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）は、ある割合で金属原子が共有結合し、その原子配列は規則的になっている。その結合比は一定で、一般にＴｉＡｌ_３のように原子数比で表される。従ってアルミニウムの含有率が一定で、ＴｉＡｌ_３の場合、重量比では６２．８％となる。

図２は、本発明の施工方法のフロー図であり、図３は図２の施工工程の説明図である。
図２に示すように、本発明の方法は、高温腐食性ガスに曝される金属部品１の一部（既存コーティングの損傷部）に拡散アルミナイドコーティングを局部施工する方法であり、部品準備ステップ１０、スラリー準備ステップ１２、塗布乾燥ステップ１４、パッキングステップ１６、拡散処理ステップ１８、及び清掃ステップ２０の各ステップからなる。各ステップは、図２に示す順で、必要に応じて繰り返し施工する。

コーティングする金属部品１は、例えばガスタービンのブレード、ベーン、シュラウド、燃焼器等の高温金属部品であるが、本発明はこれらに限定されず、高温腐食性ガスに曝される高温金属部品に一般的に適用することができる。

部品準備ステップ１０では、コーティングする金属部品１の一部（既存コーティングの損傷部）の母材を露出させ、その表面をコーティングののりやすい所望の面粗さにする。このステップは、例えばブレンド、脱脂洗浄、ブラストの３工程からなる。
ブレンド工程では、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、コーティング損傷部をブレンドする。すなわち、タービンブレード、ベーン等の金属部品１のコーティングに運転中コーティングの欠けなどが生じた場合に、斜線部のような損傷部２のみをブレンドし、コーティングを完全に除去する。
脱脂洗浄工程では、ブレンドした母材表面の油脂を脱脂洗浄する。
ブラスト工程では、スラリーが密着しやすいように表面を粗にする。

スラリー準備ステップ１２では、アルミニウムを含む金属間化合物３の粉末、ハロゲン活性剤、及び水溶性有機バインダーを含むコーティングスラリー４を準備する。金属間化合物３として、好ましくは、アルミニウムの理論比率が６２．８％であり、不純物が０．５％以下のＴｉＡｌ_３またはαＴｉＡｌ_３を用いる。また、ハロゲン活性剤として、ＡｌＦ_３を用い、コーティング源と活性剤を９３〜９７：３〜７（好ましくは９５：５）の重量比で混合し、水溶性有機バインダーを用いてスラリーを作製する。
なお、部品準備ステップ１０とスラリー準備ステップ１２は、順に行う必要はなく並行しても、逆でもよい。

塗布乾燥ステップ１４では、コーティングスラリー４を金属部品１の一部に塗布し乾燥する。このステップにおいて、塗布及び乾燥を交互に、一層ずつ乾燥させながら塗布を繰り返し、塗布厚さが０．５ｍｍ以上に達するまで繰り返す。なお、塗布厚さは必要に応じて変化させてもよい。

パッキングステップ１６では、金属部品１をアルミナ粉末５が充填された耐熱容器６内にパッキングする。すなわち、図３（Ｃ）に示すように、耐熱容器６（ボックス）の半分程度にアルミナ粉末５を入れ（Ｓ１）、金属部品１（製品）を均等に並べ（Ｓ２）、更にアルミナを充填し（Ｓ３）、蓋をした状態にする。耐熱容器６（ボックス）は、拡散処理ステップ１８で大きく変形または変質しない耐熱材料からなる。

拡散処理ステップ１８では、耐熱容器６を不活性雰囲気または還元雰囲気中で高温に保持し金属部品の一部にアルミニウムを拡散させる。この拡散処理ステップ１８において、１９００〜２０００°Ｆ（約１０３８〜１０９４℃）で約２〜９時間（好ましくは４時間）保持する。不活性雰囲気または還元雰囲気は、不活性ガス（Ｈｅ，Ａｒ等）または還元ガス（例えば水素）中に耐熱容器６を収容することで得られる。なお必要に応じて、耐熱容器６内に直接不活性ガスまたは還元ガスを導入してもよい。

清掃ステップ２０では、耐熱容器６から金属部品１を取出し、表面の滓を除去する。このステップは、例えば、アンパックとブラストの２工程からなる。
アンパック工程では、拡散処理が終了した製品（金属部品１）をアルミナ粉末中から取り出す。ブラスト工程では、コーティング表面に生じている滓を除去するため、ブラストを実施する。

外部拡散型で耐酸化性に優れたコーティングの形成のために、コーティング源、活性剤として以下のものを選択した。
コーティング源：ＴｉＡｌ_３粉末
活性剤：ハロゲン化物（ＡｌＦ_３）

金属間化合物として、アルミニウムの理論比率が重量比で６２．８％であり、不純物が０．５％以下のＴｉＡｌ_３を用いた。このコーティング源と活性剤を９５：５の重量比で混合し、水溶性バインダーを用いてスラリーを作製した。
このように作製したスラリーを損傷箇所に塗布、乾燥後、アルミナ粉末中に充填し、不活性ガス或いは水素雰囲気中で１０３８〜１０９４℃、４時間保持した。
その他の工程は、上述した通りである。

図４は、本発明の実施例を示す断面組織写真である。この図において、（Ａ）は上述した本発明の方法で得られたコーティングの断面組織写真、（Ｂ）は耐酸化試験後の同様の断面組織写真である。耐酸化試験は、一般的な試験条件（空気中で１１２１℃、２３時間）で実施した。

図４（Ａ）は、表面にＮｉメッキを施した状態である。この写真から、母材の表面近傍に約３０μｍ厚の拡散層が形成され、その外側に約４０μｍ厚の付着層が形成されていることがわかる。従って、本発明の方法で得られたコーティングは、外部拡散型であり、肉厚の薄いブレードやベーンの母材の減少量を最小限に抑えることができ、補修を繰り返し実施できるといえる。

図４（Ｂ）の耐酸化試験後の断面組織写真から、拡散層及び付着層が試験後に厚くなっているが、いずれの層にも割れ等の欠陥がなく、極めて良好な耐酸化性を有することが確認できた。

図５は、本発明の別の実施例を示す断面組織写真である。この図において、（Ａ）は上述した本発明の方法で得られた別のコーティングの断面組織写真、（Ｂ）はその耐酸化試験後の断面組織写真である。また、（Ｃ）は上述した従来の方法で得られたコーティングの断面組織写真、（Ｄ）はその耐酸化試験後の断面組織写真である。耐酸化試験は、すべて一般的な試験条件（空気中で１１２１℃、２３時間）で実施した。

耐酸化性のみを考慮すると、アルミニウム濃度が高い方が好ましいが、あまりアルミニウム濃度が高すぎると非常に脆いコーティングとなってしまうため、欠けや割れが生じ、かえって酸化しやすいコーティングとなってしまう。従って、バランスのとれたアルミニウム濃度が求められる。一般的に付着層でアルミニウム濃度２７％以上の領域が組織写真で青く見られることから、ブルーゾーンと呼ばれ、アルミニウム濃度を判断する目安とされている。
図５（Ｃ）の従来の試験前の断面組織写真では、上述のブルーゾーンがはっきりと認められ、また、付着層の大部分を占めていることから、アルミニウム濃度が高く、コーティングの欠けが生じやすいことがわかる。
これに対して、本発明による図５（Ａ）では、ブルーゾーンは認められるが少なく、付着層の表層部分のみに、現れている。またその濃度は図５（Ｃ）に比較すると薄く、アルミニウム濃度が低く、より安定なコーティングであることがわかる。

また、図５（Ｄ）の従来の試験後の断面組織写真では、黒く見える割れが付着層に多数認められる。これに対しての本発明による図５（Ｂ）では、黒く見える割れは全く確認できず、十分な耐酸化性を有していることがわかる。

上述したように、本発明の方法により、約５０〜６０μｍ厚のコーティングが形成され、このコーティングは、耐酸化性に優れていることが確認できた。また、外部拡散型であるため、肉厚の薄いブレードやベーンの母材の減少量を最小限に抑えることができ、補修を繰り返し実施しやすいことがわかる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明で使用するアルミニウム源の説明図である。 本発明の施工方法のフロー図である。 図２の施工工程の説明図である。 本発明の実施例を示す断面組織写真である。 本発明の別の実施例を示す断面組織写真である。

符号の説明

１ 金属部品（高温金属部品）、２ 損傷部、
３ 金属間化合物（ＴｉＡｌ_３またはαＴｉＡｌ_３）、
４ コーティングスラリー、５ アルミナ粉末、６ 耐熱容器（ボックス）、
１０ 部品準備ステップ、１２ スラリー準備ステップ、
１４ 塗布乾燥ステップ、１６ パッキングステップ、
１８ 拡散処理ステップ、２０ 清掃ステップ

Claims (6)

1. 高温腐食性ガスに曝される金属部品の一部に拡散アルミナイドコーティングを局部施工する方法であって、
   コーティングする金属部品の一部（既存コーティングの損傷部）の母材を露出させ、その表面を所望の面粗さにする部品準備ステップと、
   アルミニウムを含む金属間化合物の粉末、ハロゲン活性剤、及び水溶性有機バインダーを含むコーティングスラリーを準備するスラリー準備ステップと、
   前記コーティングスラリーを金属部品の一部に塗布し乾燥する塗布乾燥ステップと、
   前記金属部品をアルミナ粉末が充填された耐熱容器内にパッキングするパッキングステップと、
   前記耐熱容器を不活性雰囲気または還元雰囲気中で高温に保持し金属部品の一部にアルミニウムを拡散させる拡散処理ステップと、
   前記耐熱容器から金属部品を取出し表面の滓を除去する清掃ステップと、を有することを特徴とする拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法。
2. 前記金属間化合物として、アルミニウムの理論比率が重量比で６２．８％であり、不純物が０．５％以下のＴｉＡｌ_３またはαＴｉＡｌ_３を用いる、ことを特徴とする請求項１に記載の拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法。
3. 前記ハロゲン活性剤として、ＡｌＦ_３を用い、コーティング源と活性剤を９３〜９７：３〜７の重量比で混合し、水溶性有機バインダーを用いてスラリーを作製する、ことを特徴とする請求項２に記載の拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法。
4. 前記塗布乾燥ステップにおいて、塗布及び乾燥を交互に、塗布厚さが０．５ｍｍ以上に達するまで繰り返す、ことを特徴とする請求項１に記載の拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法。
5. 前記拡散処理ステップにおいて、１９００〜２０００°Ｆ（約１０３８〜１０９４℃）で約２〜９時間保持する、ことを特徴とする請求項１に記載の拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法。
6. 前記金属部品は、ガスタービンのブレード、ベーン、シュラウド、または燃焼器である、ことを特徴とする請求項１に記載の拡散アルミナイドコーティングの局部施工方法。
   

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