JP4405021B2 - 物品の離散選択表面の皮膜 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は、物品の保護皮膜の修復又は強化に関するものであり、さらに具体的には、皮膜の局所離散部分の処理に関する。
【０００２】
ガスタービンエンジンの高温ガス流路内で作動する部品のようなある種の物品は、極高温、酸化性雰囲気及び燃焼ガス中に存在するイオウ、ナトリウム、カルシウム及び塩素等の不純物に暴露される。かかる環境での実用稼働及び暴露の結果、タービン動翼及び静翼のような部品の表面は酸化／腐食劣化を受けやすい。部品基材を過度の環境侵食作用から保護するため、かかる部品の表面はガスタービンエンジンで広く報告されている耐環境皮膜で保護するのが一般的である。これらの耐環境皮膜は概して拡散皮膜又はオーバーレイ皮膜として分類され、その区別は処理法又は製膜時の基材消費度によってなされる。
【０００３】
報告されている拡散アルミニド皮膜は、付加ＡｌとＮｉ基超合金基材のＮｉとの金属間表面層を生じる相互拡散に基づいて、パック拡散浸透法(pack cementation)、アバブザパック法(above the pack)、気相蒸着法、化学蒸着法及びスラリーコーティング等の各種方法で施工される。最終生成皮膜の厚さ及びアルミニウム顔料は、コーティング原料、コーティング時間、コーティング温度及びアルミニウム活性などのコーティングパラメーター及び材料を変えることで制御できる。例えば、かかる制御はＢｏｏｎｅ他の米国特許第３５４４３４８号（１９７０年１２月１日特許）及びＢａｓｔａ他の同第５６５８６１４号（１９９７年８月１９日特許）等の様々な米国特許で報告されている。拡散アルミニド皮膜の耐酸化及び耐蝕性能は、Ｐｔ、Ｒｈ及び／又はＰｄの導入によって高まることが示されている。これらの元素を導入するには、アルミニドコーティングサイクルに先だって、一般にかかる元素の薄層を電気メッキ又は物理蒸着手段によって製膜する。
【０００４】
Ｎｉ基超合金物品を酸化及び腐食から保護するために施工されるオーバーレイ皮膜の一種は、Ｎｉ及びＡｌをＣｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙ等の１種類以上の他の元素と共に含んでいる。かかる皮膜は従来、プラズマ溶射、スパッタリング、電子ビーム、物理蒸着などの製膜技術によって施工されてきた。これらのプロセスに続いて、物品の耐環境保護性能を向上させるための拡散アルミナイジングプロセスを行うこともある。ガスタービンエンジン内の物品の熱処理及び／又は実用稼働時に、かかるオーバーレイ皮膜は基材内部に拡散する可能性があり、タービン翼翼形部壁のような荷重支承壁の一部を消費しかねない。
【０００５】
エンジン実用稼働時に発生する当初の皮膜組成物の酸化／腐食劣化又は相互拡散損は、タービン翼形部の表面に沿ってその程度の差があり、ある表面では侵食又は組成損はほとんど生じないが、現在の補修作業の慣行は補修前にすべての皮膜面から保護拡散皮膜又はオーバーレイ皮膜を完全に除去するというものである。かかる完全な除去は、相互拡散域が除去されるので壁厚が減少し、部品の荷重支承能力を落とす結果となる。加えて、皮膜を完全に除去することは、皮膜が既に除去され部品を再使用するには代わりの皮膜を施工しなければならない部品の外表面と、内部冷却通路と連通した冷却孔とが交差する箇所における、空気冷却部品について設計された冷却空気の流れパターン及び流量を維持する上で問題を生じる。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、一つの形態において、実用稼働を経た物品の金属基材上で設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚の耐環境皮膜を修復する方法を提供するものであり、該皮膜は外側部分と、最初の皮膜製造時及び／又はその後の実用稼働時に金属基材と相互に拡散した内側部分とを有している。外側部分は実用稼働に付された結果生じた不都合な量の酸化／腐食生成物を含む１以上の離散局所表面領域を有する。この方法は、離散作表面領域に（皮膜内側部分が存在していれば）皮膜内側部分を残しかつ離散表面領域に隣接した表面領域の皮膜内側部分及び外側部分を残したまま、少なくとも離散表面領域の外側部分から酸化／腐食生成物を選択的に除去することを含んでなる。次いで、少なくとも離散表面領域に、アルミニド及び含アルミニウム合金からなる群から選択される耐環境皮膜を、全皮膜厚が実質的に設計皮膜厚範囲内に維持されるように選定されたコーティングパラメーターを用いて施工する。
【０００７】
もう一つの形態では、本発明は、物品上の既存耐環境皮膜を強化する方法を提供するものであり、該皮膜は設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚を有する。この方法は、実用稼働時に不都合な酸化／腐食を受けやすい皮膜の１以上の離散局所表面領域を選択することを含んでなる。次いで、少なくとも離散表面領域に、アルミニド及び含アルミニウム合金からなる群から選択される保護皮膜を、全皮膜厚が実質的に設計皮膜厚範囲内に維持されるようにコーティングパラメーターを用いて施工する。
【０００８】
【好ましい実施の形態】
個々に設計されたガスタービンエンジンタービン動翼は、その動翼用に設計されたエンジンの実用稼働時に生じる保護皮膜の酸化／腐食が殊に激しい特有の環境「侵食作用パターン(attack pattern)」を有している。かかる不都合な酸化／腐食の選択的な離散表面領域の侵食作用パターンの一つを、図１の斜視概略図に示す。図１には、基底部１２と翼形部１４を含んでなる高圧タービン用ガスタービンエンジンタービン動翼（全体として符号１０で示す）をその凹面側から観たものが示してあり、その翼形部１４には耐環境皮膜が施されており、その一形態を図２及び図３の顕微鏡写真に示す。耐環境皮膜の形態としては、アルミニド皮膜並びに含Ａｌ合金のオーバーレイ皮膜がある。例えば、ガスタービンエンジン技術で使用される広く知られたオーバーレイ皮膜はＭＣｒＡｌ又はＭＣｒＡｌＹ型のオーバーレイ皮膜である。ただし、ＭはＦｅ、Ｎｉ及びＣｏから選択される１以上の元素であり、Ｙは任意の酸素活性元素である。動翼で上述の侵食作用が起こるのは大半が動翼の凹面側においてであり、動翼凹面側に図示したのは離散局所皮膜表面領域１６，１８であり、これらの領域はエンジン実用稼働時に劣化して個々の動翼設計に応じた環境侵食作用パターンを画成している。
【０００９】
離散領域内の侵食作用が所定の限度を超えたときは、酸化／腐食部の除去が必要であり、皮膜を再び施工さなければ、物品を実用稼働に戻すことはできない。当技術分野の現在の慣行は、不都合なほど劣化した部分からだけでなく全表面から皮膜を除去するとともに、侵食領域だけでなく全表面に皮膜を再施工することを含んでおり、その際設計限界に関する壁厚の制御はしない。航空機エンジンタービン動翼の典型的な設計全皮膜厚限界は、拡散アルミニドに関しては約１〜５ミルであり、オーバーレイ皮膜に関しては約１〜１０ミルである。上述の通り、皮膜を完全に除去すると、有害な壁厚減少及び／又は物品表面の冷却孔開口に関する問題を生じかねない。全皮膜厚を制御せずに表面全体に皮膜を施工すると、その厚さが著しく増大して設計限界を超えるおそれがある。かかる全皮膜厚の増大は動翼に沿っての空気流パターンを乱すばかりでなく、物品の機械的性質にも悪影響を及ぼすおそれがある。
【００１０】
多数の現存機械特性データベースが、応力破断強度、高サイクル疲労抵抗の重要な機械的性質と皮膜厚との間に強い相関関係があることを示している。皮膜厚、特に先進ニッケル基超合金（かかる合金ではその耐火性元素分によって基材と皮膜の間で急速な相互拡散が起こる）での皮膜厚が増大すると、機械的特性の著しい低下が起こるおそれがある。加えて、厚い皮膜は、エンジン作動時に生じる熱的過渡状態中、薄い皮膜よりも割れを生じやすい。従って、タービン動翼等の物品の個々の設計に関して、空気流要件に関してだけでなく稼働時の物品の望ましい機械的性質を保つためにも、全皮膜厚は設計厚さ範囲内に収まるように選定される。皮膜厚と機械的性質の関係、並びに厚さの増大に伴って性質低下がおこりかねないことを示す典型的なデータが、図４のグラフに含まれるデータである。このデータは、市販のＮｉ基超合金単結晶材料の平均応力破断寿命に対する皮膜厚の影響を示す。皮膜は市販のＰｔ−Ａｌ型皮膜である。
【００１１】
図４において、「内側」と「外側」は皮膜形成中の主な拡散方向を表す。内側拡散は、皮膜が主にアルミニウムが基材表面内部に拡散することで形成され、ニッケルの外側拡散が限られている殊を示す（すなわち、低温と高アルミニウム活性の組合せ）。外側拡散は、皮膜が、アルミニウムの内側拡散とともにニッケルの外側拡散で形成されることを示す（すなわち、高温と比較的低いアルミニウム活性の組合せ）。
【００１２】
本発明は、物品設計限界を保ち、かつ皮膜厚の増大に付随した機械的性質の低下を実質的に避けつつ、物品の皮膜の耐環境性を回復又は向上させる方法を提供する。これは、実用稼働を経た被覆物品については、皮膜の内側部分が存在していればそれを除去することなく、皮膜の外側部分の離散局所表面領域から過剰酸化／腐食生成物を選択的に除去することにより達成される。かかる不都合な生成物の除去に当たり、選択離散領域に隣接した表面領域の皮膜は残しておき、局所離散領域における物品の基材皮膜内側部分を残しておいてもよい。酸化／腐食生成物の除去は、当技術分野でかかる目的に常用される機械的又は化学的手段によって達成できる。除去法が機械的手段の場合は、概して隣接表面のマスキングが必要である。除去法が化学的手段の場合は、概して隣接表面のマスキングは必要ない。酸化／腐食生成物のない領域は、通常使用される化学物質の影響を受けないからである。
【００１３】
図２及び図３の顕微鏡写真は本発明の上述の部分の一例を示す。図２及び図３において、物品基材２０はＲｅｎｅ’１２５と呼ばれることもある市販のＮｉ基超合金であり、その表面に、全体を符号２２で示す市販ＣＯＤＥＰアルミニド皮膜が施工されていた。皮膜２２には、外側部分２４及び当技術分野で周知の方法で基材２０と拡散した内側部分２６が含まれていた。ガスタービンエンジン実用稼働時に、皮膜外側部分２４の離散局所表面領域２８，２９は過度の酸化／腐食を起こし、領域２８は２９のポケット領域よりも深い。本発明の方法の一形態を実施するために、離散領域２８，２９からかかる酸化／腐食部を化学的手段によって選択的に除去し、領域２９の皮膜外側部分２４の残部、及び領域２８の下層の皮膜内側部分２６を残しておくとともに、離散領域２８，２９に隣接した領域では皮膜２２全体を残した。酸化／腐食部を除去すべき選択離散表面領域が冷却空気排出用の開口もしくはくぼみ等の表面加工部を含んでいて、機械的除去手段を用いる場合には、かかる加工部の空気流パターンの変化を防止するため加工部にマスキングを施すこともできる。
【００１４】
領域２８，２９から酸化／腐食部を選択的に除去した後、領域２８，２９に隣接した皮膜表面領域にマスキングを施し、Ｐｔ、Ｒｈ及び／又はＰｄのような修復用金属を領域２８，２９の空所に選択的に堆積させた。修復用金属はこの例ではＰｔであり、該金属が内側皮膜部分２６と相互に拡散したときに元の皮膜の設計皮膜厚範囲内に収まるような厚さに堆積した。上述の通り、一般にガスタービンエンジンの高圧タービン動翼の場合、ＭＣｒＡｌ型のオーバーレイ皮膜の設計皮膜厚は約１〜１０ミルの範囲であり、拡散アルミニドの設計皮膜厚は約１〜５ミルの範囲である。従って、かかるガスタービンエンジン動翼用途では、堆積Ｐｔの厚さは通例約２．５〜１０ミクロンの範囲内にある。当技術分野で周知の通り、簡便にはＰｔ等の元素は電着によって施工できる。ただし、別法として、修復用金属を溶射、スパッタリング等の別の方法で施工することもできる。この例でのＰｔの堆積の結果、図５の断面概略図に示した構造が生じ、Ｐｔ３０が領域２８の離散空所内に選択的に電着された。
【００１５】
修復用金属３０を選択的に離散領域２８，２９に堆積した後、マスキングを外面から外し、修復用金属が内側部分２６に拡散するように修復用金属を加熱した。堆積Ｐｔに関しては、通例、熱処理は約９００〜１１５０℃の範囲で、修復用金属がその下層部分に拡散するのに十分な時間（例えば０．５〜４時間）行った。この方法において後段のアルミナイジング前のこの時点での熱処理によって、幾つかの公知方法でＰｔ拡散及びアルミナイジングを同時に達成するために実施されているようなアルミニドサイクル時の長時間高温暴露が必要なくなる。また、この時点での熱処理によって、本発明に従って、全皮膜厚が設計皮膜厚を超えて増大することなく表面のアルミナイジングを行うためのアルミナイジング法及びそのパラメータの選択の幅が広がる。
【００１６】
修復用金属の拡散熱処理後、この例では、Ｐｔ処理した選択離散領域及び物品の残りの隣接表面を含め外表面全体にアルミナイジングを施した。アルミナイジングには、かかる隣接領域で厚さを実質的に増大させることなく、全皮膜厚を設計皮膜厚範囲内に保ちつつ、選択離散表面領域でＰｔ−Ａｌ皮膜部を生じかつ隣接領域でアルミニウム富化表面を生じるように選定したコーティングパラメータを用いた。本発明で得られた皮膜の一例を図６の断面概略図に示す。この図は、上記で領域２８として同定した選択離散領域でのＰｔ−Ａｌ皮膜３４、並びに新たなアルミニウム富化外側皮膜部分３２を示しており、皮膜厚は実質的に増大しておらず設計皮膜厚範囲内にある。
【００１７】
本発明を評価する際、エンジン実用稼働を経たガスタービンエンジンの空冷高圧タービン動翼を翼形部表面の酸化／腐食劣化に関して検査した。動翼は、Ｒｅｎｅ’１２５と呼ばれることもある市販のＮｉ基超合金で製造され、ＣＯＤＥＰアルミニド皮膜として市販されているアルミニド皮膜を翼形部に有するものであった。この物品の設計皮膜厚範囲は１〜４ミルであり、製造時のタービン動翼の全皮膜厚は約２〜３ミルの範囲内にあった。この検査では、翼形部に、図１に示した侵食作用パターンと同様の侵食作用パターンをなす酸化／腐食の離散局所表面領域がみられ、その酸化／腐蝕の程度は補修をしなければ動翼を実用稼働に戻すことができない程のものであった。
【００１８】
表面の汚染物を除去するとともに離散局所領域における翼形部外側部分の侵食作用パターンで確認された酸化／腐食生成物を除去するための化学的洗浄法を用いて、翼形部の表面を清浄にした。皮膜の残部を図２及び図３に略示した通り残こしておいた。選択離散表面に隣接した翼形部表面の完全な皮膜も残越しておいた。
【００１９】
侵食作用パターンの領域外の皮膜表面領域を標準電気メッキ用ラッカーでマスキングした。次いで、酸化・腐食部を除去した離散局所領域をＰｔで約２．５ミクロン厚に電気メッキした。マスキングを除去し、堆積Ｐｔをその下層の元の皮膜の内側部分に拡散させるため堆積Ｐｔを非酸化性雰囲気中で約１０５０℃の温度で約２時間加熱した。かくして、図５に示す構造と同様の構造が得られた。
【００２０】
堆積Ｐｔの拡散熱処理後、工業用気相（アバブザパック）型アルミニドコーティング法を用いて翼形部の表面全体にアルミナイジングを施した。この例を代表例とするような本発明の実施によって得られた皮膜は、設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚を有しており、動翼の耐酸化性及び耐食性が改善された。
【００２１】
前述の通り、本発明のもう一つの形態は、実質的に未使用の新しい被覆物品（例えば動翼）の耐酸化性及び耐食性を向上させるためその選択離散局所表面領域で上述のＰｔ−Ａｌ皮膜の施工方法を実施することを含んでなる。記離散領域でのＰｔ−Ａｌ皮膜の施工は、その物品用に設計された装置内での実用稼働を経た同種の物品で確認された侵食作用パターンに基づく、
本発明は、ガスタービンエンジンのガス流路環境等での実用稼働を経た皮膜の耐環境性を回復もしくは向上させる方法を提供するものでり、環境耐性の改善に関する現実の必要性に応じて離散局所領域に皮膜を施工する。これは、劣化皮膜の内側部分を除去することも、それに隣接した被覆面から皮膜を除去することもなく、達成される。かかる選択的な離散皮膜は、Ｐｔ等の高価な金属の所要量を低減する。同時に、例えば空力性能に影響を与えかねない空気冷却孔又は表面凹み及び縁部等の動翼表面加工部での空気流特性を始め、物品の表面特性の低下又は変化をなくすことができる。
【００２２】
以上、本発明を特定の具体例及び実施形態について説明してきたが、これらは本発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の典型例にすぎない。特許請求の範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更及び修正が可能であることは当業者には自明であろう。例えば、酸化／腐食侵食作用パターンは個々の物品設計によって変化し、劣化表面の除去は前述の通り皮膜と皮膜部分を残しつつ各種の公知方法でなし得る。また、修復用又は強化用金属の施工並びにアルミナイジング施工は、本発明の方法の厚さに関する要件及び条件を満足する限り、様々な公知方法でなし得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジン動翼をその凹側から見た斜視概略図であり、実用稼働を経た結果生じた比較的重大な酸化／腐食の離散局所皮膜表面領域を示す。
【図２】 酸化／腐食生成物を除去した耐環境皮膜部分の一部分を含む顕微鏡写真断面図である。
【図３】 図２と同様の顕微鏡写真断面図であり、加えて、腐食部を除去した皮膜付加層内のポケットを示す。
【図４】 Ｎｉ基超合金単結晶材料の平均応力破断寿命に対する皮膜厚の影響を示すグラフである。
【図５】 図２と同様の断面概略図であり、生成物除去の位置における修復用金属の堆積を示す。
【図６】 図５と同様の断面概略図であり、外側部分のアルミナイジングを含む。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジンタービン動翼
１４ 翼形部
１６，１８ 離散局所皮膜表面領域（酸化／腐食侵食作用パターン）
２０ 基材
２２ アルミニド皮膜（耐環境皮膜）
２４ 皮膜２２の外側部分
２６ 皮膜２２の内側部分
２８，２９ 離散局所表面領域
３０ 修復用又は強化用金属（Ｐｔ）
３２ アルミニウム富化外側皮膜部分（耐環境皮膜）
３４ Ｐｔ−Ａｌ皮膜

Claims (7)

1. 実用稼働を経た物品（１０）の金属基材（２０）上で設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚の耐環境皮膜（２２）を修復する方法であって、該皮膜が外側部分（２４）及び金属基材（２０）と相互に拡散した内側部分（２６）を有していて、外側部分（２４）は実用稼働に付された結果生じた不都合な量の酸化／腐食生成物が存在する１以上の離散局所表面領域（２８，２９）を有しており、当該方法が、
   離散局所表面領域（２８，２９）に皮膜（２４，２６）が存在していればそれを残しかつ離散局所表面領域（２８，２９）に隣接した表面領域の皮膜内側部分（２６）及び外側部分（２６）を残したまま、少なくとも離散局所表面領域（２８，２９）の外側部分（２４）から酸化／腐食生成物を除去する段階、
   Ｐｔ、Ｒｈ及びＰｄからなる群から選択される１以上の修復用金属（３０）を、皮膜内側部分（２６）と相互に拡散したときに設計皮膜厚範囲内に収まる皮膜厚に、離散局所表面領域（２８，２９）に選択的にコーティングする段階、
   修復用金属（３０）が皮膜内側部分（２６）内に拡散するのに十分な温度及び時間、修復用金属（３０）を加熱する段階、及び、次いで
   少なくとも離散局所表面領域（２８，２９）に、アルミニド及び含アルミニウム合金からなる群から選択される耐環境皮膜（３２）を、全皮膜厚が実質的に設計皮膜厚範囲内に維持されるように選定されたコーティングパラメーターを用いて施工する段階
   を含んでなる方法。
2. 耐環境皮膜（３２）が外側部分（２４）全体を含んでいる、請求項１記載の方法。
3. 物品（１０）が翼形部表面（１４）を含んだガスタービンエンジン動翼であり、
   基材（２０）がＮｉ基超合金であり、
   離散局所表面領域（２８，２９）が翼形部表面（１４）上にあり、
   設計皮膜厚範囲が１〜１０ミル（２５．４〜２５４μｍ）であり、
   全皮膜厚の範囲が１〜１０ミル（２５．４〜２５４μｍ）であり、
   修復用金属（３０）が１〜１０ミクロンの範囲内の皮膜厚に施工されたＰｔであり、
   修復用金属（３０）が９００〜１１５０℃で０．５〜４時間加熱される、
   請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 物品（１０）の金属基材（２０）上の既存耐環境皮膜（２２）を設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚を維持しながら強化する方法であって、当該方法が、
   物品（１０）用に設計された装置内での実用稼働を経た同種の物品（１０）で確認された酸化／腐食侵食作用パターン（１６，１８）に基づいて、実用稼働時に不都合な酸化／腐食を受けやすい皮膜（２２）の１以上の離散局所表面領域（２８，２９）を選択する段階、
   露出した離散局所表面領域（２８，２９）を残して、離散局所表面領域（２８，２９）に隣接した皮膜（２２）の表面領域をマスキングする段階、
   離散局所表面領域（２８，２９）に、Ｐｔ、Ｒｈ及びＰｄからなる群から選択される１以上の強化用金属（３０）をコーティングする段階、
   強化用金属（３０）が既存皮膜（２２）内に拡散するのに十分な温度及び時間、強化用金属（３０）を加熱する段階、及び、次いで
   少なくとも離散局所表面領域（２８，２９）に、アルミニド及び含アルミニウム合金からなる群から選択される耐環境皮膜（３２）を、皮膜厚が実質的に増大しないように選定されたコーティングパラメーターを用いて施工する段階
   を含んでなる方法。
5. 耐環境皮膜（３２）が皮膜全体を含んでいる、請求項４記載の方法。
6. 物品（１０）が翼形部表面（１４）を含んだガスタービンエンジン動翼であり、
   基材（２０）がＮｉ基超合金であり、
   離散局所表面領域（２８，２９）が翼形部表面（１４）上にあり、
   設計皮膜厚範囲が１〜１０ミル（２５．４〜２５４μｍ）であり、
   強化用金属（３０）が１〜１０ミクロンの範囲内の皮膜厚に施工されたＰｔであり、
   強化用金属（３０）が９００〜１１５０℃で０．５〜４時間加熱される、
   請求項４又は請求項５記載の方法。
7. 前記物品（１０）が未使用である、請求項４乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。

Images