JP4236919B2

JP4236919B2 - アルミニウム化合物拡散コーティングを修復するための方法

Info

Publication number: JP4236919B2
Application number: JP2002367429A
Authority: JP
Inventors: リチャード・ロイ・ワージング，ジュニア; シャノン・リネット・シスモスキー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: BR0205409A; EP1321536A2; EP1321536B1; US20030116237A1; JP2003239061A; CA2413640A1; EP1321536A3; US6875292B2; CA2413640C; SG114593A1; EP1321536B2; DE60231466D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの劣悪な環境のような、酸化及び腐食性の環境に曝される部品のための拡散コーティングに関する。より具体的には、本発明は、基板からコーティングを完全に取り除くことなく、アルミニウム化合物拡散コーティングを修復するための方法に向けられている。
【０００２】
【発明の背景】
効率を増加させるために、ガスタービンエンジンに対してより高い作動温度が求め続けられている。しかしながら、作動温度が高くなるに従い、エンジン部品の高温耐久性も対応して増加させなければならない。タービン、燃焼器、及び推力増強装置のように、ガスタービンエンジンの特定の部分に配置される場合、超合金から形成された部品は、一般に保護被覆なしで長い実用露出に耐えることができないが、ニッケル及びコバルト基超合金で形成されることによって、高温性能における著しい進歩が達成された。このような種類の一つのコーティングが、環境コーティング、すなわち、酸化及び高温腐食に耐性があるコーティングと呼ばれる。広い利用法が見出される環境コーティングは、パック浸透法及び気相法のような拡散法により形成されたアルミニウム化合物拡散コーティングを含む。
【０００３】
拡散法は、一般に、アルミニウムを含む気体組成物を用いて部品の表面を反応させ、２つの区別できる区域を形成することを必要とし、その区域の最も外側は、ＭＡｌで表される環境耐性のある合金を含む付加層であり、ここでＭは、基板材料に応じて決まる、鉄、ニッケル又はコバルトである。ＭＡｌ合金は、付着形成されたアルミニウム、及び基板から外部に拡散した鉄、ニッケル、及び／又はコバルトから生じたものである。空気中において高温に曝されている間に、ＭＡｌ合金は、拡散コーティング及びその下にある基板の酸化を抑制する保護用の酸化アルミニウム（アルミナ）スケールを形成する。白金、クロム、ケイ素、ロジウム、ハフニウム、イットリウム、及びジルコニウムのような、付加的な元素のアルミニウム含有組成物の存在によって、付加層の化学的性質を変更することができる。白金アルミニウム化合物コーティングと呼ばれる、白金を含むアルミニウム化合物拡散コーティングは、ガスタービンエンジンの部品に特に広く用いられている。一般に、白金は、アルミ化する前に、基板上に白金層を電気メッキすることによって、コーティング内に組み込まれ、通常はＰｔＡｌ₂又は溶体中の白金である（Ｐｔ）ＮｉＡｌ型金属間相を含む付加層を生成する。
【０００４】
アルミニウム化合物拡散コーティングの第２の区域は、付加層の下にある部品の表面領域に形成される。この拡散域は、拡散勾配及び基板の局部領域における元素の溶解度の変化の結果として、コーティング反応中に形成される種々の金属間相及び準安定相を含む。拡散域内の金属間相は、基板及び拡散コーティングの全ての合金元素の生成物である。
【０００５】
このようなコーティングを形成するための環境コーティングの材料及び方法に著しい進歩がなされたが、一定の情況のもとでこれらのコーティングを修復するための避けられない必要性がある。例えば、拡散コーティングの浸食又は熱劣化、コーティングが形成された部品の修復、或いは、拡散コーティング又は該拡散コーティングにより部品に付着された熱障壁コーティング（存在する場合は）の製造工程中における修復により、除去が必要とされる場合がある。現在の最新技術の修復方法は、付加層及び拡散層と相互作用し、この両方を取り除くことができる酸性溶液を用いた処理によりアルミニウム化合物拡散コーティングを完全に取り除くものである。このような方法の例が、特許文献１において開示されている。特許文献１の方法は、硝酸及びリン酸の水溶液に非常に長い間曝し、続いてアルカリ性の過マンガン溶液で処理し、コーティングを完全に取り除くものである。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第３，８３３，４１４号
【０００７】
拡散域を含むアルミニウム化合物コーティング全体を取り除くことは、基板表面の一部を取り除くことになる。拡散域を取り除くことは、ガスタービンエンジンのブレード及び羽根翼形部に対しては、基板表面の合金減耗を引き起こすことがあり、空気冷却される部品に対しては、部品を廃棄しなくてはならない程度まで壁を過度に薄くし、気流の特性を激変させることがある。従って、修復方法は、アルミニウム化合物拡散コーティングを全体的に修復しなくてはならないが、部品の寿命への影響のためにコーティングの除去は望ましくないか、又は許されない状況において開発されてきた。一般に、修復方法は部品の表面の洗浄を必要とし、該部品上に付加的なアルミニウムを堆積させる制御された活性アルミ化工程がこれに続く。
【０００８】
時として、修復方法によりコーティングが堆積し過ぎて、例えば、付加層の厚さが、１００マイクロメートルを超えることになる。部品が、アルミニウム化合物コーティングを完全に取り除くことによる修復を以前に受けたことがない場合には、コーティング全体（すなわち、付加層及び拡散域）を完全に剥がし、該部品を再アルミ化することができる。しかしながら、アルミニウム化合物拡散コーティングを完全に取り除くことによって部品が既に修復され、これによりその壁厚が減少している場合には、部品を廃棄することが必要になるであろう。
【０００９】
上記から、特に過度に厚いアルミニウム化合物コーティングを有するように修復された部品について、アルミニウム化合物拡散コーティングを修復する改良された方法が望まれることが理解できるであろう。
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、一般に、ガスタービンエンジンの超合金タービン、燃焼器、及び推力増強装置の部品のような、劣悪な環境において使用するために設計された部品上に施されたアルミニウム化合物拡散コーティングを修復するための方法を提供するものである。
【００１１】
本発明の修復方法は、下にある基板の合金が減耗し、薄くならないように、下にある拡散域への侵食を最小限にするようにアルミニウム化合物拡散コーティングの付加層の一部又は全てを取り除くことを含む。次に、部品は、再アルミ化されて、コーティングの付加層を修復される。場合によっては種々の状況に対して有用であるが、本発明の方法は、部品を実用に供する前に部品上に堆積されたばかりのアルミニウム化合物拡散コーティングに特に適用可能であり、また、修復はされたが、結果として生じた付加層が過度に厚く付着形成されたコーティングに特に適用可能である。この場合には、コーティングは、ガスタービンエンジンの高温においてなどの実用に供されていないので、部品の基板と付加層との間に限定された相互拡散が生じている。
【００１２】
本発明の方法は、付加層の少なくとも一部が取り除かれるが、基板は影響を受けずに残るまで、本質的に硝酸及びリン酸からなる水溶液により、約７０℃から約８０℃までの温度でアルミニウム化合物拡散コーティングを処理することを含む。次に、部品の露出された処理面は、アルミ化されて付加的なアルミニウムを堆積され、所望の厚さまで付加層を形成される。
【００１３】
本発明によると、処理段階において用いられた温度においては、硝酸及びリン酸の溶液は、従来技術の剥離方法におけるようにアルミニウム化合物拡散コーティングを完全に取り除くことはない。代わりに、酸性溶液を限定的に使用することにより、該基板を侵食することなくアルミニウム化合物拡散コーティングの付加層をきれいに取り除くことが可能になり、基板において合金を減耗させ、壁を薄くするようなことはない。従って、本発明の方法により修復された部品の信頼性及び耐用寿命は、従来技術の方法を用いたものと比較して著しく改良されている。何れかの理論に固執しようとするわけではないが、酸性溶液が所定の温度においてアルミニウムに対して選択的であるために基板が侵食されないものと考えられる。更に、アルミニウム化合物拡散が、白金アルミニウム化合物である場合には、アルミニウムを選択的に取り除くために、コーティングの白金含有成分が触媒として働くように見える。本発明の方法は、ガスタービンエンジン上のアルミニウム化合物拡散コーティングが修復されたが、部品がエンジンにおける実用のために戻される前である場合のように、相互拡散が極く限定されており付加層と拡散域がはっきりと定まっているようなアルミニウム化合物拡散コーティングにおいて最も効果的である。上述のように、このような状況の顕著な例は、コーティングが修復されたが、結果として生じた付加層が意図する用途に対して厚すぎる場合である。
【００１４】
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明により一層良く理解されるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、一般に、アルミニウム化合物拡散コーティングによって熱的及び化学的に劣悪な環境から保護される部品に適用可能である。このような部品の顕著な例には、ガスタービンエンジンの高圧タービン及び低圧タービンのノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ、及び推力増強装置のハードウェアが含まれる。本発明の利点は、特にガスタービンエンジンの部品に適用可能であるが、本発明の教示は、一般に、部品をその環境から保護するためにアルミニウム化合物拡散コーティングを用いることができる如何なる部品にも適用可能である。
【００１６】
高圧タービンブレード１０の例が図１に示される。一般に、ブレード１０は、翼形部１２及びプラットフォーム１６を有し、これらには、ガスタービンエンジンの作動中に高温燃焼ガスが向けられ、従って、その表面は、酸化、腐食、及び浸食による厳しい攻撃を受けやすい。翼形部１２は、ブレード１０の根元部分に形成されたダブテール部１４を用いてタービンディスク（図示せず）に固定される。冷却孔１８が翼形部１２内にあり、これを通して抽気が流通させられ、ブレード１０からの熱を移送する。他の材料を用い得ることも予測されるが、ブレード１０に特に適した材料には、ニッケル及びコバルト基超合金が含まれる。
【００１７】
図２に示すのは、翼形部１２の基板領域の上にあるアルミニウム化合物拡散コーティングである。ガスタービンエンジンの部品上に用いられる拡散アルミニウム化合物コーティングの典型的な厚さは、約５０マイクロメートルから約１２５マイクロメートルまでである。他の技術を用い得ることも予測されるが、当該技術分野において周知のように、拡散アルミニウム化合物コーティング２０は、パック浸透法、気相（気体相）アルミ化（ＶＰＡ）、又は化学気相蒸着法（ＣＶＤ）のような、アルミ化方法により形成される。アルミニウム化合物拡散コーティングの組成は、耐酸化性であり、高温に曝される間、その表面上にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）層又はスケール（図示せず）を形成する。アルミナ・スケールは、下にある超合金基板を酸化及び高温腐食から保護する。
【００１８】
コーティング２０は、ブレード１０の表面の上にある付加層２２と、該ブレード１０の表面領域内の拡散域２４とから構成されるものとして図２に概略的に示され、これは、全てのアルミニウム化合物拡散コーティングに見られるものである。拡散域（ＤＺ）２４は、拡散勾配及び基板の局部領域における元素の溶解度の変化の結果として、コーティング反応中に形成される種々の金属間相、及び準安定相を含む。付加層２２は、一般に、約３０マイクロメートルから７５マイクロメートルまでの厚さであり、環境耐性のある金属間相ＭＡｌを含む。ここで、Ｍは、鉄、ニッケル、又はコバルトであり、基板の材料（該基板がニッケルベースの場合には、主にｂ（ＮｉＡｌ））に応じて決まる。白金、クロム、ケイ素、ロジウム、ハフニウム、イットリウム、及びジルコニウムのような他の元素をコーティング工程に取り入れることにより、付加層２２の化学的性質を変更することができる。例えば、アルミ化前に白金が基板上に堆積される場合には、付加層２２は、（Ｐｔ）ＮｉＡｌ型金属間相を含むことになる。
【００１９】
上述した形式のアルミニウム化合物拡散コーティングは、相対的に低いコスト、簡単な装置及びコーティング操作で、空気冷却孔をプラグで塞ぐことなく堆積させることができるという理由から、タービンのハードウェアを保護するために最も広く用いられる環境コーティングである。材料及び製造コストが高いために、損傷し又は欠陥のあるアルミニウム化合物拡散コーティングを有する超合金部品は、通常のこととして修復される。本発明の方法は、アルミニウム化合物拡散コーティング２０の修復に向けられ、より具体的には、コーティング２０の修復工程において、付加層２２が過度な厚さに堆積された場合などに、該付加層２２の少なくとも一部を取り除くことに向けられる。本発明の修復方法では、翼形部１２の基板材料を損傷することなく、付加層２２を取り除くことができる。
【００２０】
本発明の修復方法は、アルミニウム化合物拡散コーティング２０をリン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）及び硝酸（ＨＮＯ₃）を含む酸性の剥離用溶液と接触させることを内容とする。剥離用溶液に適した組成は、約８５重量パーセントのＨ₃ＰＯ₄（残りは水）を含む、体積百分率で約２５％から約７５％までのリン酸、及び約７５重量パーセントのＨＮＯ₃（残りは水）を含む、体積百分率で約２５％から約７５％までの硝酸である。好ましい溶液は、これらの特定濃度のリン酸及び硝酸を等量に含むもの、すなわち、体積割合で、約８５重量パーセントのＨ₃ＰＯ₄を含むリン酸を約５０％と、約７５重量パーセントのＨＮＯ₃を含む硝酸を約５０％を組み合わせたものである。アルミニウム化合物拡散コーティングが、約７０℃から約８０℃まで（約１６０°Ｆから１８０°Ｆまで）、好ましくは約７５℃（約１７０°Ｆ）において、約２０分から約３０分間、好ましくは約２５分間、酸性の剥離用溶液と接触すると、下にある超合金基板をほとんど侵食することなく、付加層２２が高水準の選択性で剥がされる。この範囲より上の処理温度は、超合金基板に腐食をもたらすことがあるが、好ましい温度範囲より下では、付加層２２を取り除くのに、溶液の活性が不十分である。本発明の酸性溶液は、特に拡散アルミニウム化合物が白金アルミニウム化合物であり、従って白金合金を含む場合には、アルミニウムを選択的に侵食するように見える。硝酸及びリン酸は、Ｇｒｉｓｉｋ他に付与された米国特許第３，８３３，４１４号に開示されているが、その使用は、アルミニウム化合物拡散コーティングを完全に剥がす方法のためのものであり、アルミニウム化合物拡散コーティングの付加層を完全に取り除くという限定された目的のためのものではなかった。
【００２１】
付加層２２のアルミニウムに対する剥離用溶液の選択性のために、本発明では、修復方法の結果として生じるような、過度に厚い付加層（例えば、１００マイクロメートルを超える）を取り除くことができるようになる。剥離用溶液の選択性は、コーティング２０が高温での実用を経験しておらず（すなわち、ブレード１０がガスタービンエンジンに取り付け、作動されたことがない）、ブレードの超合金と付加層２２と拡散域２４との間の相互拡散が限定的である場合に、最も有利である。元のコーティング２０の余分な付加層２２が取り除かれると、合金を減耗し、下にある基板を薄くする危険なしに、所望の厚さの新しい付加層を堆積させることができる。白金アルミニウム化合物コーティングが望まれる場合には、白金のフラッシュ（例えば、厚さが約２マイクロメートルの）を堆積させ、剥離操作により露出された翼形部１２の表面に（即ち、拡散域２４及び元の付加層２２のあらゆる残りの部分はそのままにして）拡散させることができる。白金層を拡散させるための適切な方法は、約１０５０℃（約１９２５°Ｆ）における約２時間の熱処理である。適切な再アルミ化方法は、約１０４０℃（約１９０５°Ｆ）の温度で約６時間行われる気相アルミ化（ＶＰＡ）である。他の拡散アルミ化方法を用いることもでき、よって、それらは本発明の範囲内にある。
【００２２】
本発明に至る検討の間、高圧タービン（ＨＰＴ）ブレードは、体積割合で、約８５重量パーセントのＨ₃ＰＯ₄を含むリン酸を約５０％と、約７５重量パーセントのＨＮＯ₃を含む硝酸を約５０％とを含む酸性剥離用溶液で処理された。ブレードは、ルネ１２４として周知のニッケル基超合金から形成され、このニッケル基超合金は、重量で約１２％のコバルト、６．８％のクロム、６．１５％のアルミニウム、１．５％のモリブデン、４．９％のタングステン、６．３５％のタンタル、２．８％のレニウム、１．５％のハフニウム、０．１２％の炭素、及び０．０１５％のホウ素、残りはニッケルと偶発的な不純物からなる名目上の組成を有していた。ブレードは、修復された白金アルミニウム化合物コーティングにより保護され、特定の用途に対しては大きすぎると思われる厚さが１００マイクロメートルを超える付加層を形成した。ブレードは、約１７０°Ｆ（約７５℃）で、約２５分間、剥離用溶液と接触させられ、該付加層は、下にある超合金基板を損傷することなく完全に取り除かれた。付加層を取り除くのに続いて、白金のフラッシュがブレードの露出面上にメッキされ、次に約１９２５°Ｆ（約１０５０℃）で熱処理されて白金のフラッシュを拡散接着させ、次に約１９０５°Ｆ（約１０４０℃）の温度で約６時間、ＶＰＡにより再アルミ化された。
【００２３】
本発明を好ましい実施形態により説明してきたが、当業者には他の形態を採り得ることが明らかである。例えば、本発明は、断熱層のための接着コーティングとして、ガスタービンエンジンの高温部品によく用いられる拡散コーティングにも適用可能である。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの高圧タービンブレードの斜視図。
【図２】図１のブレード上のアルミニウム化合物拡散コーティングの断面図。
【符号の説明】
１０部品
１２翼形部
１４ダブテール部
１６プラットフォーム
１８冷却孔
２０アルミニウム化合物拡散コーティング
２２付加層
２４拡散域

Claims

部品（１０）の表面上にある付加層（２２）と、該付加層（２２）の下で該部品（１０）の表面領域内にある拡散域（２４）とを備えるアルミニウム化合物拡散コーティング（２０）を付着形成した後であって、該部品（１０）を高温での実用に供する前に、該部品（１０）上の前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）を修復するための方法であって、
（ｉ）前記付加層（２２）の少なくとも一部が取り除かれるが前記拡散域（２４）が残されて、前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）の処理面を確立するまで、本質的に硝酸及びリン酸からなる水溶液により、７０℃から８０℃までの温度で前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）を処理する段階と、
（ｉｉ）次いで、前記部品（１０）の処理面をアルミ化する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記水溶液が、硝酸、リン酸、及び水からなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記水溶液が、硝酸及びリン酸を同じ比率で含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）が、２０分から３０分間処理されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記水溶液が７５℃であり、前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）が２５分間処理されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記（ｉ）の処理段階に続いて白金層を前記処理面上に堆積させる段階と、次に、前記（ｉｉ）のアルミ化段階の前に前記部品（１０）を熱処理して、前記白金層を該処理面内に拡散させる段階とを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）が白金を含み、前記方法が、前記（ｉ）の処理段階に続いて白金層を前記処理面上に堆積させる段階と、次に、前記（ｉｉ）のアルミ化段階の前に前記部品（１０）を熱処理して、前記白金層を該処理面内に拡散させる段階とを更に含むこと特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記部品（１０）を高温での実用に供した後に該部品（１０）をアルミ化する結果として、前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）が該部品（１０）上に存在するようになることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）が、前記（ｉ）の処理段階の前に１００マイクロメートルを超える厚さで前記部品上に存在することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
前記部品（１０）が、ガスタービンエンジンの部品（１０）であり、該部品（１０）がガスタービンエンジンに取り付けられ、該ガスタービンエンジンが作動され、該部品（１０）が該ガスタービンエンジンから取り外された後に、該部品（１０）をアルミ化する結果として、前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）が該部品（１０）上に存在するようになることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記部品（１０）をアルミ化する結果として得られた前記アルミニウム化合物拡散コーティング（２０）が、前記（ｉ）の処理段階の前に、１００マイクロメートルを超える厚さで前記部品（１０）上に存在することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
前記（ｉ）の処理段階が、全ての前記付加層（２２）を取り除くが、前記部品（１０）の表面領域を損傷しないことを特徴とする、請求項１に記載の方法。