JP4328776B2 - 蒸気アルミニド被覆ガスマニホールド、被覆システムおよび被覆プロセス - Google Patents

蒸気アルミニド被覆ガスマニホールド、被覆システムおよび被覆プロセス Download PDF

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Description

本発明は、内部通路を有するタービンブレードおよびベーンのようなワークピースの内部表面を被覆するための改良されたプロセスと、このプロセスに使用されるマニホールドとに関する。
アルミニド被覆は、ガスタービンエンジンに使用されるニッケルおよびコバルト基超合金物品に酸化および腐食による劣化に対する保護を提供する。一般に、アルミニド被覆は、被覆する物品の存在下、アルミニウム供給源、活性剤、および不活性緩衝剤または希釈剤を含有する粉末混合物を加熱することにより形成される。物品は、粉末混合物と接触しない関係で配置することができ、そのため、このプロセスは、気相プロセスと呼ばれる。
タービンブレードおよびベーンの内部表面を保護するためこれらの内部表面を被覆するときは、必要な厚みおよび組成のNiAl拡散被覆を作成するために十分な量のアルミニド被覆ガスをこれらの表面と接触させて通過させる必要がある。内部表面を効果的かつ均一に被覆する被覆プロセスの能力は、内部通路を通るハロゲン化アルミニウムキャリヤーガスの分布および流れの直接の関数である。内部被覆適用範囲をより困難にする要因は、(1)複雑な蛇行した通路、(2)長い距離および/または高いアスペクト比(長さ対幅/断面)の通路、(3)非常に狭い通路、および(4)さまざまな大きさの通路開口部の列、などである。
このようなプロセスの一つは、AlF3などのハロゲン化アルミニウムガスを、加圧下、ワークピースの根元にある開口部を通して流し、このガスを全ての内部通路に通すことを含む。ワークピースの設計に応じて、流れをさまざまな内部通路内へ通すための複数の開口部がワークピースの基部に通常は存在する。ガスは、全ての流れを内部キャビティに導きかつ外部への漏れを防止するためにブレードの基部にシールされたマニホールドを通してブレード内へ導入される。長く狭い通路または非常に曲がりくねった長く蛇行した通路を被覆するハロゲン化アルミニウムガスの能力は、通路の全長に十分なガス流をもたらすマニホールド設計の能力に直接関係する。現在、ブレード根元の基部にある開口部のそれぞれに流入する流量を制御するマニホールド設計は与えられていない。
従って、本発明の目的は、所定の位置に対して被覆ガスの流れを選択的に高くするマニホールドを提供することである。
本発明のさらなる目的は、ワークピースの内部通路を被覆するための改良されたプロセスを提要することである。
上述の目的は、本発明のマニホールドおよびプロセスによって達成される。
本発明によれば、ワークピース内のさまざまな大きさの通路を被覆するためのプロセスに使用するためのマニホールドが提供される。このマニホールドは概略、内部チャンバーと、被覆ガスの流れを受け入れるための入口と、内部チャンバー内にあり、第一の断面寸法を有する第一の内部通路の組の表面の全長を被覆するのに十分な第一の流れと、第一の断面寸法より小さな第二の断面寸法を有する第二の内部通路の組の表面の全長を被覆するのに十分な第二の流れとに、被覆ガスの流れを分離する手段とを備える。
さらに本発明によれば、ワークピース内の内部通路を被覆するためのプロセスが提供される。このプロセスは概略、被覆ガスの供給源を用意し、被覆ガスの供給源およびワークピースに接続されたマニホールドを用意し、第一の断面寸法を有する第一の内部通路の組の表面の全長を被覆するのに十分な第一の流れと、第一の断面寸法より小さな第二の断面寸法を有する第二の内部通路の組の表面の全長を被覆するのに十分な第二の流れとに、マニホールド内の被覆ガスの流れを分離する、各ステップを含む。
本発明の蒸気アルミニド被覆ガスマニホールドの他の詳細、およびそれに付随する他の目的および手段は、以下の詳細な説明中に、および同様の参照符号が同様の部材を図示している添付の図面中に述べられる。
ここで図1を参照すると、タービンエンジンに使用されるブレードまたはベーンなどのワークピース14の内部通路12を被覆するためのシステム10が示される。ワークピース14は、根元部16と、プラットホーム18と、エーロフォイル部20とを有することができる。複数の内部通路12は、ワークピースの基部24にある開口部22からエーロフォイル部20の翼端28にある出口冷却孔26へ延在することができる。通路12は、直線通路として示されているとはいえ、通路12が蛇行したものまたはその他の非直線形のものとすることができることは理解されるはずである。通路12の直径などの断面寸法はしばしば、エーロフォイル部20の幅に亘って変化する。例えば、エーロフォイル部20の前縁30に隣接する通路12は、相対的に大きな断面寸法を有することができ、一方、エーロフォイル部20の後縁32に隣接する通路12は、相対的に小さな断面寸法を有することができる。その結果、前縁30に隣接する冷却孔26は、後縁32に隣接する冷却孔26の断面寸法より大きな断面寸法を有することができる。
システム10は、AlF3ガスなどのアルミニド被覆ガスの供給源34を含む。このガスは、被覆プロセス温度におけるアルミニウムに富む供給源金属(すなわち、CrAl、Co2Al5、NiAl、純Al、その他)とのハロゲン化物活性剤(すなわち、AlF3、NH4F、HF、NH3Cl、AlCl3、その他)の反応によって離れた位置で生成され、Arキャリヤーガスによってマニホールドの入口に供給されることができる。通常のアルミニド被覆プロセスは、1700〜2100°F(926.67〜1148.89°C)の範囲の温度において約2から8時間である。内部被覆のためのガス流は、1.0から15.0cfh(7.87〜117.99cm 3 /s)毎部(cfh per part)の範囲であり、より長いかまたはより複雑な通路に対しては、より高い圧力が使用される。
システム10はさらに、供給源34からアルミニド被覆ガスを受け入れるための入口38を有する流れマニホールド36を含む。入口38は、当業技術内で知られる任意の適切な手段を用いて供給源34と連通できる。マニホールド36は、当業技術内で知られる任意の適切な手段によってワークピース12の基部24に取り付けることができる。好ましくは、マニホールド36は、マニホールド36と基部24との間のガス漏れを防止する仕方で基部24に取り付ける。
図1から理解できるように、マニホールド36は、内部チャンバー40を第一のセクション44と、第二のセクション46とに分離する流れダイバータ(flow diverter)または分流器42を備える内部チャンバー40を有する。より小さな断面寸法の通路が所望の厚みおよび所望の均一性で被覆されるのを確実にするために、流れダイバータ42は、流入被覆ガスの制御された部分が、より小さな断面寸法の一つまたは複数の通路の開口部22内へ流入するように、設定される。分流(divert)され得る流れの実際の割合は、通路の大きさおよび構成の関数である。
図1から理解できるように、流れダイバータ42は、好ましくはマニホールド36の入口38内に前縁50を有する第一の部分48を有する。流れダイバータ42はまた、第一の部分48に対して角度の付けられた第二の部分52を有する。第二の部分52は、マニホールド36の出口の非常に近くにあるかまたは隣接した点まで延在する。流れダイバータ42は、セクション44と46との間の被覆ガスのどのような流れも妨げる。
流れダイバータ42は、固定式、または被覆ガスの流れを必要に応じて配分できるように可動式とすることができる。例えば、流れダイバータの部分48は、必要に応じてガス流を配分するように入口38内で横方向に可動とすることができる。代替として、第二の部分52は、セクション44と46の相対的な大きさを変化させて、それによって、最後尾の一つの通路または複数の通路12への被覆ガス流の量を変化させるように、第一の部分48に対して可動とすることができる。
流れダイバータ42を設けることで、より大きな流量の被覆ガスを、被覆の困難な通路へと導くことができ、一方、依然として十分な流量を開口部22の残りに提供して、全ての内部表面54に許容可能な被覆を形成することができる。
表1および表2に示す被覆の試行結果が、本発明のマニホールド設計の利点を示している。この試行では、内部通路を有するタービンブレードが、被覆した内部通路を有した。使用したタービンブレードは、前縁に隣接する第1の通路と、0.132インチ(0.33528cm)の直径を有する冷却孔とを有しており、第2から第11の通路と、0.118インチ(0.29972cm)の直径を有する冷却孔と、そして、後縁に隣接する第12の通路と、0.069インチ(0.17526cm)の直径を有する冷却孔とを有していた。各出口冷却孔は、マニホールドより約10インチ(25.4cm)上に位置していた。表1に示す試行結果は、マニホールドが本発明による流れダイバータを有していなかったシステムに対するものである。表2に示す試行結果は、マニホールドが本発明による流れダイバータを有したシステムに対するものである。このデータから理解できるように、孔12は、ダイバータなしでは外側末端において被覆されなかった。
Figure 0004328776
Figure 0004328776
ここで図2を参照すると、ワークピース14内の内部通路を被覆するためのシステム10’の第二の実施態様が示される。上述したように、タービンエンジンに使用されるブレードまたはベーンなどのワークピース14は、根元部16と、プラットホーム18と、エーロフォイル部20とを有することができる。ワークピース14は、一つまたは複数の前縁通路60と、一つまたは複数の中間本体通路62と、一つまたは複数の後縁通路64とを有することができる。上述したように、アルミニド被覆ガスなどの被覆ガスの供給源66が存在する。
図2から理解できるように、システム10’は、第一の流れマニホールド68と、第二の流れマニホールド70とを有する。第一の流れマニホールド68は、通路60および62のそれぞれの入口へ第一の流入被覆ガス流を提供する。第二の流れマニホールド70は、一つまたは複数の通路64に第二の流入被覆ガス流を提供する。弁などといった適切な手段を、マニホールド68および70のそれぞれを通って流れるガス量を制御するのに提供できる。この方法によって、各マニホールド68および70は異なる流量で流れることができる。
図2においては単一の被覆ガス供給源66を示したが、二つ以上の被覆ガス供給源を使用できる。例えば、マニホールド68および70のそれぞれは、別々の被覆ガス供給源と連通するそれぞれの入口72を有することができる。
所望ならば、マニホールド68および70のうちの一つまたは複数に、上述したような流れダイバータ42を設けることができる。
本発明によるマニホールドを用いるワークピースの内部通路を被覆するためのシステムの第一の実施態様の概略図である。 複数のマニホールドを用いるワークピースの内部通路を被覆するためのシステムの第二の実施態様の概略図である。
符号の説明
10、10’…システム
12…内部通路
14…ワークピース
16…根元部
18…プラットホーム
20…エーロフォイル部
22…開口部
24…基部
26…出口冷却孔
28…翼端
30…前縁
32…後縁
34、66…アルミニド被覆ガス供給源
36…流れマニホールド
38…入口
40…内部チャンバー
42…流れダイバータ
44…第一のセクション
46…第二のセクション
48…第一の部分
50…前縁
52…第二の部分
54…内部表面
60…前縁通路
62…中間本体通路
64…後縁通路
68…第一の流れマニホールド
70…第二の流れマニホールド
72…入口

Claims (12)

  1. ワークピース内のさまざまな大きさの通路を被覆するためのプロセスに使用するためのマニホールドであって、
    内部チャンバーと、
    被覆ガスの流れを受け入れるための入口と、
    内部チャンバー内にあり、第一の断面寸法を有する第一の内部通路の組の表面の全長を被覆するのに十分な第一の流れと、第一の断面寸法より小さな第二の断面寸法を有する第二の内部通路の組の表面の全長を被覆するのに十分な第二の流れとに、被覆ガスの流れを分離する手段と、
    を備えることを特徴とするマニホールド。
  2. 前記流れ分離は、流れダイバータを備えることを特徴とする請求項1記載のマニホールド。
  3. 前記流れダイバータは、前記チャンバー内で固定されていることを特徴とする請求項2記載のマニホールド。
  4. 前記流れダイバータは、前記チャンバー内で可動であることを特徴とする請求項2記載のマニホールド。
  5. 前記流れダイバータは、前記入口内に延在する第一の部分と、この第一の部分に対して角度が付けられている第二の部分とを有し、前記マニホールドは、出口を有しており、前記第二の部分は、前記第一の部分からこの出口のごく近傍の点まで延在することを特徴とする請求項2記載のマニホールド。
  6. ワークピースの内部通路を被覆するためのシステムであって、
    被覆ガスの供給源と、
    この被覆ガスの供給源および前記ワークピースに接続されたマニホールドと、
    を備えており、前記マニホールドは、内部チャンバーと、被覆ガスの流れを受け入れるための入口と、内部チャンバー内にあり、第一の断面寸法を有する第一の内部通路の組の表面の全長を被覆するのに十分な第一の流れと、第一の断面寸法より小さな第二の断面寸法を有する第二の内部通路の組の表面の全長を被覆するのに十分な第二の流れとに、被覆ガスの流れを分離する手段とを備えることを特徴とするシステム。
  7. 前記被覆ガスの供給源は、ハロゲン化アルミニウムガスの供給源を含むことを特徴とする請求項6記載のシステム。
  8. 前記被覆ガスの供給源は、AlF3の供給源を含むことを特徴とする請求項6記載のシステム。
  9. 前記流れ分離は、流れダイバータを備えることを特徴とする請求項6記載のシステム。
  10. 前記流れダイバータは、前記チャンバー内で固定されていることを特徴とする請求項9記載のシステム。
  11. 前記流れダイバータは、前記チャンバー内で可動であることを特徴とする請求項9記載のシステム。
  12. 前記流れダイバータは、前記入口内に延在する第一の部分と、この第一の部分に対して角度が付けられている第二の部分とを有し、前記マニホールドは、出口を有しており、前記第二の部分は、前記第一の部分からこの出口のごく近傍の点まで延在することを特徴とする請求項9記載のシステム。
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