JP3973171B2 - 離散した付加的な保護コーティングを施した高温合金物品およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は環境保護のために被覆された高温Ｎｉ基超合金物品に係わり、特に付加的な環境保護コーティングを有する少なくとも１つの離散された選択された区域を物品表面に含むこのような物品に係わる。
発明の背景
ガスタービンエンジンの部品のような高温物品の動作中には、露出された物品の表面は極めて腐食性および酸化性の条件に曝される可能性がある。そのため、ガスタービン技術の開発においてはこのような不利な条件に抵抗性の種々のコーティングを開発することが包含されている。既知のこうしたコーティングには商業的に利用しうる形態のＣｏｄｅｐコーティングアルミニウム化が含まれ、その例が１９７１年８月１０日付けのＬｅｖｉｎｅの米国特許第３，５９８，６３８号明細書および１９７２年６月６日付けのＬｅｖｉｎｅ等の米国特許第３，６６７，９８５号明細書のような米国特許明細書に開示されている。総体的なアルミニウム化に関連して１９７７年１月１８日付けのＧｒｉｓｉｋの米国特許第４，００４，０４７号明細書に記載されている如きパッチタイプのコーティングによる局部的なアルミニウム化がある。
【０００２】
環境保護に使用される他の形態の高温コーティングは、アルミニウム化と共に、白金族金属特にＰｔ、ＲｈおよびＰｄから選んだ金属の組合せを含んでいる。このコーティングを組み合わせる形態は１９７４年６月２５日付けのＢｕｎｇａｒｄｔ等の米国特許第３，８１９，３３８号明細書および１９７６年９月７日付けのＰａｎｚｅｒａ等の米国特許第３，９７９，２７３号明細書に記載されている。
【０００３】
高圧タービン翼（ＨＰＴＢ）のような高温で動作するガスタービンエンジンの部品に対する保護コーティングとして全体の白金アルミニウム化物コーティングを含めた種々のタイプのコーティングが報告されそして使用されている。しかしながら、このような物品の製造および／または使用中にある種の問題が認識されている。例えば、典型的なＨＰＴＢの稼働寿命の間に、当初の製造費用が比較的に高いこのような部品の耐用寿命を延長するために一般的に何回かの部分的な補修および少なくとも一回の完全な補修が必要とされる。このような後の補修を複雑にしているのは、一般にサーマルバリアコーティングと呼ばれそして一般的にはイットリアのような物質によって安定化されたジルコニアのようなセラミックタイプの材料に基づいている環境保護コーティングが物品の当初の製造において塗布されていることによる可能性がある。セラミックをベースとしているこのようなコーティングは、金属をベースとするコーティングよりも、脆くそして当初の被覆の後に例えば補修などでその後に加工される場合に剥落する傾向が大きい。そのために、サーマルバリアコーティングで被覆された物品の表面の離散された区域の補修は更に困難をきわめる。あらゆるケースにおいて、表面の環境保護コーティングが施されている高温動作物品の表面の局部的な離散された選択された箇所を補修するためあるいはその環境抵抗を向上するために信頼性の高いスポットタイプの即ち離散された表面域のコーティングが必要とされている。
【０００４】
発明の要約
一つの形態では、本発明は物品の表面の選択された離散された区域の上に環境抵抗性のコーティングを施す方法に係わる。被覆すべき選択された区域に隣接した表面域の被覆を回避するために、表面の選択された離散された区域に隣接した物品表面のその他の区域は特に物品表面と実質的に非反応性の物質により通常マスクされる。表面のこの選択された離散された区域に、Ｐｔ、ＲｈおよびＰｄから選ばれた少なくとも一種の元素を含む第一のコーティング部分が、約０．０００２″乃至０．０００６″未満の範囲の平均厚さおよび少なくとも約０．０７グラム／平方インチの平均原子分布となるように塗布される。この第一の部分を非酸化性雰囲気において約１８００−２０５０°Ｆの範囲の温度で約１／２−４時間加熱して選択された元素を表面のこの離散された区域中に拡散する。次いでこの第一の部分をアルミニウム化して表面のこの選択された区域の上にニッケルアルミニウム化物と共にこの中に少なくとも約１７ｗｔ％の含有量で拡散された選択された元素好ましくはＰｔを含む外側部分を含んだ環境抵抗性のコーティングが提供される。塗布された外側部分が２相の形態にある場合は、選択された元素は第一の相内に選択された元素のアルミニウム化物として存在し、ニッケルアルミニウム化物の第二の相がこれと分散しており、第一の相における選択された元素の含有量は少なくとも約４０ｗｔ％となっている。コーティングの内側部分はニッケルアルミニウム化物および表面の選択された区域から拡散された元素内に拡散された白金のような選択された元素を含んでなっている。こうして、約０．００１−０．００５″の範囲の平均全厚さのコーティングが提供される。
【０００５】
別の形態では、本発明は基体例えばＮｉ基超合金基体のような高温合金基体あるいは既に前もって塗布されている環境コーティングの基体とこの基体と拡散した少なくとも一つの離散した表面部分とを有し、この離散した表面部分の上に環境抵抗性の付加的なコーティングを含んだ物品を提供する。コーティングはニッケルアルミニウム化物の外側部分を含み、このニッケルアルミニウム化物中には、一形態においては別個の相として、金属Ｐｔ、ＲｈおよびＰｄの少なくとも一種が拡散されている。このような２相の外側部分の形態は少なくとも約４０ｗｔ％の含有量の金属Ｐｔ、ＲｈおよびＰｄの少なくとも一種（好ましくはＰｔ）のアルミニウム化物からなる第一の相と、これと共に散在したニッケルアルミニウム化物からなる第二の相とを含み、そして外側部分のＡｌ含有量は少なくとも約２０ｗｔ％である。コーティングはまた内側部分をも含み、この内側部分は外側部分と基体との間の拡散帯域であり、拡散された選択元素例えばＰｔを、ニッケルアルミニウム化物および基体の外側の部分から拡散された元素と共に、含んでいる。
【０００６】
好ましい実施の態様の記述
高温環境抵抗を要する離散された付加的の追加の表面コーティングが望まれる二つの一般的な場合は、物品の部分の部分的な補修即ち「ミニ」補修を行う間、並びに特に厳しい高温動作条件に曝される物品表面の一箇所以上の選択された箇所の保護を製造又は補修の間に向上するためである。このような選択される物品表面の例にはタービン翼の先端、前縁または後縁あるいはプラットホーム表面のような激しい浸食、酸化、腐蝕あるいは潜在的な摩擦を受ける表面を含みうる。
【０００７】
近代のガスタービンエンジンのタービン翼は運転環境に曝される表面上にしばしば白金アルミニウム化物コーティングを含んでいる。表面の単に一箇所または数箇所の離散された区域のみが補修を必要としているときに、コーティング全体を取り替えたのでは物質および労力の両面において費用がかかる。本発明は物品表面の選択された離散された区域に対してコスト的に有効な離散箇所での付加的な保護コーティングを提供する。
【０００８】
本発明の付加的なコーティングはガスタービンエンジンのタービンセクションで受ける厳しい動作条件に対して所望される環境保護を提供するようバランスをとった元素含有量を有する内側および外側部分を、しかも、空気力学的な表面要件に適合した厚さを有しそして例えばこの複合付加コーティングに隣接するサーマルバリアコーティングの剥落に耐えるような、スポット補修即ち離散区域の補修として、含む。本発明の評価に際して、この保護コーティングの構造を発達させた熱処理と共に、元素含有量の量の注意深いバランスおよび各塗布された層または部分の分布と厚さとを組み合わせることによりこのような望ましいコーティングが提供できることが分かった。
【０００９】
本発明の一つの物品の形態においては、離散された付加的なコーティングはニッケルアルミニウム化物を含んだ外側部分を含んでおり、このニッケルアルミニウム化物中にＰｔ、ＲｈおよびＰｄから選んだ少なくとも一種の元素（好ましくはＰｔ）が拡散されており、そこでの選択元素は少なくとも約１７ｗｔ％である。別の形態においては、塗布された外側部分は二つの散在した相の外側部分からなり、第一の相は白金族元素好ましくはＰｔのアルミニウム化物からなり、この中にはコーティングの他の成分と拡散された時に十分な保護が提供されるようにこのような元素が少なくとも約４０ｗｔ％含有されており、そして第二の相はニッケルアルミニウム化物からなっている。同じ理由からＡｌが少なくとも約２０ｗｔ％含有されている。この外側部分のいずれの形態に対しても、同じく後の加熱処理の間に発達される内側部分が組み合わされ、この内側部分は外側部分と基体との間の拡散帯域であってニッケルアルミニウム化物および基体から拡散された元素と共に拡散された選択元素例えばＰｔを含んでいる。
【００１０】
本発明の方法の形態においては、付加的なコーティングを塗布すべき一箇所或いはそれ以上の表面の離散した区域を選択しそして隣接した区域を洗浄しそれから非反応性のマスキング材料でマスクした後に、Ｐｔ、ＲｈおよびＰｄのような白金族金属から選択された元素の第一のコーティング部分を塗布する。この実施例では、被覆すべき物品はときどきルネ（Ｒｅｎｅ′）８０合金と呼ばれる１９７１年１０月２６日付けのＲｏｓｓの米国特許第３，６１５，３７６号明細書に記載された形態の市販のＮｉ基超合金で形成されたガスタービンエンジンのタービン翼であった。翼の選択された表面域をこの区域に存在するコーティングをグリットブラスティングによって取り除いて清浄にし、ニッケル基超合金を基体として露出する。隣接した区域はメッキテープでマスクした。本発明の評価に際しては元素Ｐｔを使用しそして標準の商業的な電気メッキで付着した。しかし、Ｐｔの塗布には種々の方法が知られており、電気メッキの他に、筆メッキまたはスポットメッキ、放電付着、イオンメッキ、スパッタリングなどがある。Ｐｔ付着の形態については前述のＢｕｎｇａｒｄｔ等およびＰａｎｚｅｒａ等の米国特許明細書に記載されている。しかしながら、本発明の方法によれば、満足のいく環境抵抗性を有する離散されたスポットタイプのコーティングを提供するためには、塗布したＰｔは十分な保護のために少なくとも約０．０００２″しかし約０．０００６″未満の範囲の平均厚さでなければならないことが認められ、０．０００６″或いはそれ以上の水準では得られる白金アルミニウム化物のコーティングが脆くなることが認められている。更に、均一な表面の保護を提供するためには、平均のＰｔの分布は少なくとも約０．０７グラム／平方インチでなければならない。
【００１１】
本発明の方法では、Ｐｔを付着した後、この実施例ではＰｔを含む第一の部分が真空あるいは不活性ガスを含む非酸化性の雰囲気中で約１８００−２０５０°Ｆの範囲の温度において約１／２−４時間加熱されてＰｔを離散された表面域中に拡散した。この実施例では、付着されたＰｔの厚さは約０．０００２−０．０００４″であり、加熱は真空中において約１８００−１９５０°Ｆの範囲の温度で１／２−２時間行ってＰｔを基体と拡散した。
【００１２】
このようにＰｔのような白金族金属で被覆された選択された離散された表面部分は、上記のＬｅｖｉｎｅ等の米国特許第３，６６７，９８５号明細書に記載された充填拡散浸透タイプの方法のような標準の商業的なアルミニウム化法、上記のＬｅｖｉｎｅの米国特許第３，５９８，６３８号明細書に記載されているような蒸気のみを表面と接触させる方法、あるいはアルミニウム化用粉末のスラリーを表面に接触させる方法によるなどして、アルミニウム化される。しかし、本発明の方法によれば、アルミニウム化はスポットタイプのコーティングに十分な保護が得られるように外側部分に少なくとも約１７ｗｔ％のＰｔそして２相の外側部分の形態に対しては少なくとも約４０ｗｔ％のＰｔが与えられるように、そして塗布された離散されたコーティングのひび割れあるいはスポーリングを回避するために約０．００１−０．００５″の平均全コーティング厚さを提供するように、行う必要がある。
【００１３】
この実施例では、アルミニウム化は処理部分を拡散しそして本発明のコーティングの構造を提供するために非酸化性の雰囲気中で約１８５０−２０５０°Ｆの範囲の温度において約１−４時間加熱しながら行われた。しかしながら、或形態の商業的なアルミニウム化ではこのような熱処理を行わずにもっと低い温度で行うことができる。アルミニウム化を物品をアルミニウム化用粉末の充填物中に浸漬する充填タイプの方法によって行うと、一般に上記の２相構造の外側部分がこの方法により生成された。このような外側部分においては、第一の相の外側層の白金アルミニウム化物中のＰｔ含有量は少なくとも約４０ｗｔ％でなければならない。しかし、単にアルミニウム化用の蒸気を基体に接触させるときのように、上述した単一相の外側部分が生成されるときには、約１７−２５ｗｔ％の範囲のＰｔが最終のコーティングに十分な環境抵抗を与えることができることが認められた。同じ理由から、Ａｌ含有量は少なくとも約２０ｗｔ％であるべきである。
【００１４】
上記した本発明の方法を実施することにより、物品の選択された離散された表面部分の上に環境抵抗性の付加的なコーティングが得られた。本発明の上記の実施例では、コーティングは上述したような外側部分と内側部分とを含んでいた。一つの形態では、外側部分は２つの相を含んでおり、第一の相は白金アルミニウム化物からなり、これは顕微鏡写真で比較的明るい相として現れ、そのＰｔ含有量は少なくとも約４０ｗｔ％であった。この第一の相と共に第二の相が分散されており、この第二の相はニッケルアルミニウム化物からなり、これは顕微鏡写真で比較的暗い相として現れ、好ましくは第二の相は第一の相とほぼ等しい容量で存在し、そのＡｌ含有量は少なくとも約２０ｗｔ％であった。内側部分は外側部分とニッケル基超合金基体との間の拡散帯域であって拡散された白金、ニッケルアルミニウム化物および基体から拡散された元素を含んでいた。コーティングの平均の全厚さは約０．００１−０．００５″の範囲であった。別の形態においては、外側部分はニッケルアルミニウム化物を含んだ単一相の構造をしておりその中に少なくとも約１７ｗｔ％のＰｔが拡散されていた。
【００１５】
以上、本発明は種々の実施の態様、実施例および組合せに関連して記載された。しかしながら、本発明は添付の特許請求の範囲に定義されたその範囲から逸脱することなく種々の修正、変更および拡大が可能であることが関連技術に携わる当業者に認識され理解されよう。

Claims (5)

1. 物品のニッケル基超合金基体表面の選択された離散区域の上に環境抵抗性のコーティングを施す方法であって、当該方法が、
   （１）前記表面の離散区域にＰｔ、ＲｈおよびＰｄからなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む第一のコーティング部分を平均厚さが０．０００２″（５．０８μｍ）乃至０．０００６″（１５．３μｍ）未満までの範囲となりそして前記選択された元素の平均分布が少なくとも０．０７グラム／平方インチ（０．０１１ｇ／ｃｍ ² ）となるように塗布する工程、
   （２）前記第一のコーティング部分を非酸化性雰囲気中において１８００−２０５０°Ｆ（９８２−１１２１℃）の範囲の温度で１／２−４時間加熱して前記選択された元素を前記表面の離散区域と拡散させる工程、および
   （３）前記第一のコーティング部分をアルミニウム化して前記表面の選択された区域の上に、前記選択された元素および基体のアルミニウム化物を含みそして前記選択された元素を少なくとも１７ｗｔ％の含有量で含む外側部分と、前記選択された元素、基体のアルミニウム化物および基体から拡散した元素を含む拡散帯域である内側部分とを含んだ環境抵抗性コーティングを与えそしてこのコーティングの全厚さの平均を０．００１−０．００５″（２．５４−１２７μｍ）の範囲とする工程、
   からなり、前記アルミニウム化工程が１８５０−２０５０°Ｆ（１０１０−１１２１℃）の範囲の温度で１−４時間加熱して内側拡散部分と２相の外側部分を与えることを含み、前記２相の外側部分が
   （ａ）Ｐｔ、ＲｈおよびＰｄからなる群から選択された少なくとも一種の元素のアルミニウム化物からなりこの選択された元素を少なくとも４０ｗｔ％の含有量で含む第一の相、およびこれと共に散在した
   （ｂ）アルミニウム化物からなりＡｌを少なくとも２０ｗｔ％の含有量で含む第二の相
   を含み、そして、
   前記内側部分が前記外側部分と基体との間の拡散帯域でそして前記選択された元素、ニッケルアルミニウム化物および基体から拡散した元素を含んでいる、方法。
2. 前記選択された元素がＰｔであり、
   Ｐｔが０．０００２−０．０００４″（５．０８−１０．２μｍ）の範囲の厚さに塗布され、そして
   前記第一のコーティング部分が１８００−１９５０°Ｆ（９８２−１０６６℃）の範囲の温度で１／２−２時間加熱される、
   請求項１に記載の方法。
3. ニッケル基超合金基体および該基体と共に拡散した少なくとも一つの離散表面部分を有し、該離散表面部分が環境抵抗性の付加的なコーティングを含み、該コーティングが
   基体のアルミニウム化物およびこの内部に拡散したＰｔ、ＲｈおよびＰｄからなる群から選択された少なくとも一種の元素を少なくとも１７ｗｔ％を含む外側部分、および
   外側部分と基体との間の拡散帯域であって基体のアルミニウム化物および基体から拡散した元素と共に拡散した前記選択された元素を含む内側部分、
   を含み、そして
   前記コーティングの全厚さの平均が０．００１−０．００５″（２．５４−１２７μｍ）の範囲であり、
   コーティングの外側部分がニッケルアルミニウム化物を含む単一相の外側部分であり、そのアルミニウム含有量が少なくとも２０ｗｔ％でありそしてニッケルアルミニウム化物内に１７−２５ｗｔ％のＰｔが拡散されている、物品。
4. ニッケル基超合金基体および該基体と共に拡散した少なくとも一つの離散表面部分を有し、該離散表面部分が環境抵抗性の付加的なコーティングを含み、該コーティングが
   基体のアルミニウム化物およびこの内部に拡散したＰｔ、ＲｈおよびＰｄからなる群か ら選択された少なくとも一種の元素少なくとも１７ｗｔ％を含む外側部分、および
   外側部分と基体との間の拡散帯域であって基体のアルミニウム化物および基体から拡散した元素と共に拡散した選択元素を含む内側部分、
   を含み、そして
   前記コーティングの全厚さの平均が０．００１−０．００５″（２．５４−１２７μｍ）の範囲であり、
   コーティングの外側部分が２相の外側部分であり、
   前記２相の外側部分が
   （ａ）Ｐｔ、ＲｈおよびＰｄからなる群から選択された少なくとも一種の元素のアルミニウム化物からなりこの選択された元素を少なくとも４０ｗｔ％の含有量で含む第一の相、およびこれと共に散在した
   （ｂ）ニッケルアルミニウム化物からなりＡｌを少なくとも２０ｗｔ％の含有量で含む第二の相
   を含んでいる、物品。
5. 選択された元素がＰｔであり、そして
   アルミニウム化物が白金アルミニウム化物である、
   請求項４記載の物品。