JP4643546B2 - アルミナイド表面上にボンディングコート及び断熱皮膜を施工する方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に対する保護皮膜の施工に関し、より具体的には、アルミナイド層、ボンディングコート及び断熱皮膜を有する皮膜の施工に関する。

航空機ガスタービン（ジェット）エンジンでは、空気が、エンジンの前面内に引き込まれ、シャフト支持圧縮機によって加圧され、かつ燃料と混合される。この混合気は燃焼され、高温排出ガスが、同一のシャフト上に支持されたタービンを通って流れる。燃焼ガスの流れは、タービンブレードの翼形部セクションに対して衝突することによってタービンを回転させ、タービンは、シャフトを回転させて圧縮機及びファンに動力を供給する。ガスタービンエンジンのより複雑な型式では、圧縮機及び高圧タービンが１つのシャフト上に支持され、ファン及び低圧タービンが別個のシャフト上に支持されている。高温排出ガスは、エンジンの後部から流出してエンジン及び航空機を前方に推進する。

燃焼ガス及び排出ガスが高温になればなるほど、ジェットエンジンの作動はより効率的になる。従って、燃焼ガス及び排出ガスの温度を上昇させる誘因が存在する。燃焼ガスの最高温度は通常、その上に高温燃焼ガスが衝突するタービンのタービンベーン及びタービンブレードを製作するのに用いられた材料によって制限される。現在のエンジンでは、タービンベーン及びタービンブレードは、ニッケル基超合金で作られ、最高約１０４０〜１１８０℃の温度で作動することができる。

タービンブレード、タービンベーン、固定シュラウド及びその他の高温セクション構成部品の作動温度限界をそれらの現在のレベルまで上昇させるために、多くの方法が用いられてきた。例えば、基材自体の組成及び処理が改善され、また配向粒子構造及び単結晶構造の利点を得るために様々な凝固法が開発されてきた。物理的冷却法もまた、用いることができる。

さらに別の方法では、基体の表面に対して断熱皮膜を施工して、基体の酸化及び腐食を防止しかつ基体を断熱し、それによって基体材料を他の方法で可能となるよりも高い温度で用いることを可能にしている。最も広く用いられている皮膜は、その表面を酸化アルミニウムスケールに酸化させて上にあるセラミック層で更なる酸化及び腐食を防止するアルミニウムリッチ層である。
米国特許第６，８４４，０８６Ｂ２号公報 米国特許第６，６０７，６１１Ｂ１号公報 米国特許第６，３３２，９２６Ｂ１号公報 米国特許第６，３２６，０５７Ｂ１号公報 米国特許第６，３９９，０６６Ｂ２号公報 米国特許第６，０９６，３８１号公報 米国特許第５，９５８，５２１号公報 米国特許第５，８２０，９３９号公報

保護層は基体を保護するために引き続き用いるが、被覆した基体の作動温度を上昇させかつその有効寿命を延ばすような更なる改良の必要性が常に存在している。本発明は、この必要性を満たし、さらにそれに関連する利点をもたらす。

本発明は、酸化及び腐食損傷に対して表面を保護しまた表面を断熱するために表面上に多層皮膜を堆積させる方法を提供する。本方法はまた、表面に対する皮膜の優れた付着性をもたらす。本方法は、タービンブレード、タービンベーン（ノズル）、固定シュラウド並びにその他の航空機及び非航空機部品のような広範な用途で用いることができる。本方法は、ニッケル基超合金のようなモノリシック材料及び複合材料で用いることができる。

本発明によると、表面上に多層皮膜を堆積させる方法を提供し、本方法は、基体を準備するステップと、基体上に拡散アルミナイド皮膜を堆積させるステップと、拡散アルミナイド皮膜の表面を粗面加工して該拡散アルミナイド皮膜の粗面を形成するステップとを含む。本方法はさらに、ワイヤアーク溶射によって、拡散アルミナイド皮膜の粗面を覆いかつ該粗面に密着させてオーバレイボンディングコートを堆積させるステップと、ボンディングコートを覆いかつ該ボンディングコートに密着させてセラミック断熱皮膜を施工するステップとを含む。

基体は、ガスタービンエンジンの構成部品であるニッケル基超合金又はコバルト基合金基体であるのが好ましい。拡散アルミナイド皮膜は、気相アルミナイド法によって堆積させるのが好ましい。粗面加工するステップは、拡散アルミナイド皮膜の表面を軽くグリットブラストすることによって達成されるのが好ましい。ワイヤアーク溶射によって堆積させるステップは、約６０〜約１２０ポンド／平方インチのアルゴン噴霧ガス圧力と、約８０〜約１２０アンペアのアーク電流と、約３〜約１０ポンド／時間のワイヤ供給量と、約３０＋／−５ボルトの定ＤＣ電圧とを用いてワイヤアーク溶射堆積装置を作動させることによって達成されるのが好ましい。オーバレイボンディングコートは、ＮｉＣｒＡｌＹタイプのＭＣｒＡｌＸオーバレイボンディングコートであるのが好ましく、このＭＣｒＡｌＸオーバレイボンディングコートは、重量パーセントで約２０〜２５％のクロム、約９〜１１％のアルミニウム、約０．８〜１．２％のイットリウム及び残部がニッケルの公称組成を有するのが最も好ましい。

セラミック断熱皮膜は、イットリア安定化ジルコニア断熱皮膜であるのが好ましい。

従来の実施法を用いて、基体上の拡散アルミナイド皮膜上にオーバレイボンディングコートを高い信頼性で堆積させることは不可能であった。空気プラズマ溶射又はそれに関連する方法を用いてオーバレイボンディングコートを堆積させる場合に、ＮｉＣｒＡｌＹオーバレイボンディングコートは、アルミナイド皮膜に対して良好に付着しない。その結果、実働使用中にセラミック断熱皮膜が基体に良好に付着せず、早期破損を引き起こす。ワイヤアーク溶射によってＮｉＣｒＡｌＹオーバレイボンディングコートを施工する本方法は、これらの欠点を克服し、拡散アルミナイド層を覆った良好に付着したボンディングコートを生成する。セラミック断熱皮膜は、ボンディングコートに良好に付着して、断熱皮膜は基体に対して良好に付着するようになる。従って、拡散アルミナイド皮膜及び断熱皮膜系とそのオーバレイボンディングコート及びそのセラミック断熱皮膜との組合せは、下にある基体に対する優れた耐酸化性及び耐食性と優れた断熱性とをもたらす。

本発明の他の特徴及び利点は、一例として本発明の原理を示す添付図面と関連させて行った、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の範囲は、この好ましい実施形態に限定されるものではない。

図１は、ガスタービンエンジンの構成部品の表面上に多層構成要素を堆積させる方法を表す。ガスタービン構成部品基体は、ステップ符号２０において供給される。図２は、ガスタービン構成部品基体３０、例えば好ましいケースではタービンブレード３２の１つの実施形態を示す。他の基体がより一般的な場合には、タービンベーン及び固定シュラウドのようなガスタービンエンジンのその他の構成部品を本発明に使用することができる。

ガスタービンブレード３２は、実働作動中にそれに対して高温燃焼ガスの流れが衝突する翼形部３４と、下方に延びるシャンク３６と、ガスタービンブレード２０をガスタービンエンジンのガスタービンディスク（図示せず）に取付けるダブテール３８の形態でシャンク３６から延びる取付け部とを有する。プラットフォーム４０が、翼形部３４とシャンク３６及びダブテール３８との間の位置で横方向外向きに延びる。

ガスタービンブレード３２の形状を定める基体３０は、あらゆる作動可能材料で形成されるが、ニッケル基超合金であるのが好ましい。本明細書で用いる場合、「ニッケル基」というのは、他のあらゆる元素よりも多いニッケルが存在する組成を意味する。ニッケル基超合金は一般的に、ガンマプライム相又はその関連相の析出によって強化された組成物である。現時点で特に関心のあるニッケル基超合金は、重量パーセントで約７．５％のコバルト、約７．０％のクロム、約１．５％のモリブデン、約５％のタングステン、約３％のレニウム、約６．５％のタンタル、約６．２％のアルミニウム、約０．１５％のハフニウム、約０．０５％の炭素、約０．００４％のホウ素、約０．０１％のイットリウム並びに残部がニッケル及び微量元素の公称組成を有するＲｅｎｅ（商標）Ｎ５と、重量パーセントで約４０％のコバルト、約２２％のクロム、約２２％のニッケル、約１４．５％のタングステン、約０．０７％のランタン及び残部が微量元素の公称組成を有するＨＳ１８８と、重量パーセントで２２％のクロム、１８％の鉄、９％のモリブデン、１．５％のコバルト、０．６％のタングステン、０．１０％の炭素、最大１％のマンガン、最大１％のシリコン、最大０．００８％のホウ素並びに残部がニッケル及び微量元素の公称組成を有するＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｘとを含むが、本発明の使用はこれらの合金に限定されない。

拡散アルミナイド皮膜４２は、図１のステップ２２において、基体３０の表面４４上に堆積させる。縮尺どおりには描いていないが、図３は、拡散アルミナイド皮膜４２と、次に基体３０上に堆積させたその他の皮膜層を表す。拡散アルミナイド皮膜４２は、気相アルミナイド法によって堆積させるのが好ましい。気相アルミナイド法は、当技術分野では公知の処理法であり、あらゆる形式の気相アルミナイド法を用いることができる。例えば、米国特許第６，３２６，０５７号、第６，３３２，９２６号及び第６，８４４，０８６号を参照されたく、それら特許の開示内容は、参考文献として本明細書に組み入れる。好ましい形式では、レトルト内において、気相アルミナイドすることになる基体３０に近接してアルミニウム含有ペレットのバスケットが配置される。バスケット及び基体３０を含むレトルトは、アルゴン雰囲気中で約２８℃／分の加熱速度で約１０８０℃＋／−１４℃の温度まで加熱され、その間に基体３０上にアルミニウム含有層が堆積する約３時間＋／−１５分間その温度に保持され、次に約１２０℃まで緩やかに冷却され、その後室温まで冷却される。これらの時間及び温度は、アルミニウム含有皮膜４２の厚さを変えるために変化させることができる。アルミニウムを堆積させるとき、アルミニウムは高い堆積温度で基体３０の材料と相互拡散して、拡散アルミナイド皮膜４２を形成する。拡散アルミナイド皮膜４２は、アルミニウムと、基体３０の材料からの元素と、アルミニウムと共に堆積させる（例えば、クロム）或いはアルミニウムの前に堆積させる（例えば、プラチナなどの貴金属）可能性がある合金元素を含む。拡散アルミナイド皮膜４２は一般的に、約０．０２５ｍｍ〜約０．１０２ｍｍの厚さである。拡散アルミナイド皮膜４２は、堆積後には熱処理されないことが好ましい。

冷却後に、拡散アルミナイド皮膜４２の露出表面は、図１のステップ２４において、軽く粗面加工して拡散アルミナイド皮膜４２の粗面４６を形成する。粗面加工は、拡散アルミナイド皮膜４２の堆積させたままの表面を軽くグリットブラストすることによって行うのが好ましい。粗面４６は、約８０Ｒａ〜約１５０Ｒａの粗さを有するのが好ましい。

オーバレイボンディングコート４８は、図１のステップ２６において、ワイヤアーク溶射によって粗面４６上に堆積させる。オーバレイボンディングコート４８は、拡散アルミナイド皮膜４２の粗面４６を覆いかつ該粗面４６に密着する。オーバレイボンディングコート４８は、ＮｉＣｒＡｌＹ族のＭＣｒＡｌＸオーバレイボンディングコートであるのが好ましい。「ＭＣｒＡｌＸ」及び「ＮｉＣｒＡｌＹ」という専門用語は、環境皮膜又は断熱皮膜系のボンディングコートとして使用することができる様々な族のオーバレイボンディングコートのための簡易化した技術用語である。本出願では、ＮｉＣｒＡｌＹは、重量パーセントで２０〜２５％のクロム、９〜１１％のアルミニウム、０．８〜１．２％のイットリウム及び残部がニッケルの公称組成を有するのが最も好ましい。オーバレイボンディングコート４８の好ましい厚さは、約０．０２５〜約０．２５０ｍｍであり、最も好ましくは約０．２０３ｍｍである。

重要な特徴は、ワイヤアーク溶射によってオーバレイボンディングコート４８を堆積させることである。試行したその他の堆積法は、オーバレイボンディングコート４８と拡散アルミナイド皮膜４２との間の良好な付着を達成することに成功しなかった。図４は、ワイヤアーク溶射堆積（溶着）装置６０を概略的に表している。ワイヤアーク溶射堆積装置６０は、溶着ガン６２を含む。ワイヤ供給装置６４は、オーバレイボンディングコート４８の組成で作られたワイヤ６６の流れを溶着ガン６２内に導入する。ガス供給源６８は、アルゴンのような不活性噴霧ガス７０の流れを溶着ガン６２内に導入する。ＤＣ電圧が、ＤＣ電源７２によって溶着ガン６２内でワイヤ６６に印加される。ワイヤ６６は、ＤＣ電圧及び噴霧ガス７０の複合作用によって気化され、気化したワイヤ材料の流れ７４が、基体３０に向けて導かれてオーバレイボンディングコート４８を形成する。コントローラ７６は、ＤＣ電源７２、ワイヤ供給装置６４及びガス供給源６８の作動を制御し、さらに基体３０に対する溶着ガン６２の位置決め及び移動も制御することができる。

あらゆる操作可能な堆積パラメータを用いることができる。６０〜１２０ポンド／平方インチのアルゴン噴霧ガス７０の圧力、３〜１０ポンド／時間のワイヤ供給量、３０＋／−５ボルトの定ＤＣ電圧、及び８０〜１２０アンペアのアーク電流を用いて、ワイヤアーク溶射堆積装置６０を作動させることによって最良の結果が得られた。

セラミック断熱皮膜５０は、図１のステップ２８において、ボンディングコート４８を覆いかつ該ボンディングコート４８に密着させて施工される。セラミック断熱皮膜５０は、約２〜約１２重量パーセントのイットリア及び残部がジルコニアの組成を有するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）断熱皮膜５０であるのが好ましい。セラミック断熱皮膜５０は、約０．０７６ｍｍ〜約０．２５４ｍｍの厚さであるのが好ましい。セラミック断熱皮膜５０は、空気プラズマ溶射によって堆積させるのが好ましい。参考文献としてその開示内容を本明細書に組み入れた米国特許第６，６０７，６１１号は、そのような断熱皮膜５０の構造及び堆積法について記載している。

本方法は、オーバレイボンディングコートに対してワイヤアーク堆積法の好ましいパラメータを用いた実施に要約された。図５は、テストの結果を表し、また空気プラズマ溶射法のより従来型の方法によってオーバレイボンディングコートを堆積させたこと以外は同様である試料の比較結果も表している。各処理条件について２つ又は３つの試料を調製し、またテストの各々の結果を示している。全てのケースにおける基体は、ＩＮ７１８合金であった。「Ｗ」試料は、オーバレイボンディングコートに対してワイヤアーク堆積法を用いて調製し、「Ｐ」試料は、ボンディングコートに対してプラズマ溶射法を用いて調製した。各群において、「１」試料は、低活性気相アルミナイド法を用いて調製しその後にアルミナイド皮膜を熱処理しており、「２」試料は、標準的気相アルミナイド法を用いて調製しその後にアルミナイド皮膜を熱処理しておらず、「３」試料は、低活性気相アルミナイド法を用いて調製しその後にアルミナイド皮膜を熱処理しておらず、また「４」試料は、標準的気相アルミナイド法を用いて調製しその後にアルミナイド皮膜を熱処理した。オーバレイボンディングコートに対してワイヤアーク堆積法を用いて調製した試料は、一般的に、オーバレイボンディングコートに対してプラズマ溶射法を用いて調製した試料より優れた性能を示した。ワイヤアーク堆積法を用いて調製した試料の最良の性能は、低活性気相アルミナイド法を用いその後にアルミナイド皮膜を熱処理しない状態で達成された。

本発明の特定の実施形態を例示目的で詳細に説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく様々な修正及び強化を行うことができる。従って、本発明は、提出した特許請求の範囲による場合を除き限定されない。

本発明を実施する方法のブロック流れ図。 タービンブレードの斜視図。 線３−３で取った、図２のタービンブレードの概略拡大側面断面図。 ワイヤアーク溶射装置の概略図。 異なる方法を用いて調製した試料の引張強さを比較したグラフ。

符号の説明

３０ 基体
３２ ガスタービンブレード
３４ 翼形部
３６ シャンク
３８ ダブテール
４０ プラットフォーム
４２ 拡散アルミナイド皮膜
４４ 基体の表面
４６ 粗面
４８ オーバレイボンディングコート
５０ セラミック断熱皮膜
６０ ワイヤアーク溶射堆積装置
６２ 溶着ガン
６４ ワイヤ供給装置
６６ ワイヤ
６８ ガス供給源
７０ 噴霧ガス
７２ 電源
７４ 気化したワイヤ材料の流れ
７６ コントローラ

Claims (9)

1. 表面上に多層皮膜を堆積させる方法であって、
   基体（３０）を準備するステップと、
   前記基体（３０）の表面（４４）上に拡散アルミナイド皮膜（４２）を堆積させるステップと、
   前記拡散アルミナイド皮膜（４２）の表面を粗面加工して該拡散アルミナイド皮膜（４２）の粗面（４６）を形成するステップと、
   ワイヤアーク溶射によって、前記拡散アルミナイド皮膜（４２）の粗面（４６）を覆いかつ該粗面（４６）に密着させてオーバレイボンディングコート（４８）を堆積させるステップと、
   前記オーバレイボンディングコート（４８）を覆いかつ該オーバレイボンディングコート（４８）に密着させてセラミック断熱皮膜（５０）を施工するステップと、
   を含む方法。
2. 前記基体（３０）を準備するステップが、ニッケル基超合金基体（３０）を準備するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記基体（３０）を準備するステップが、ガスタービンエンジンの構成部品である該基体（３０）を準備するステップを含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記拡散アルミナイド皮膜（４２）を堆積させるステップが、気相アルミナイド法によって該拡散アルミナイド皮膜（４２）を堆積させるステップを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記粗面加工するステップが、前記拡散アルミナイド皮膜（４２）の表面をグリットブラストするステップを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記ワイヤアーク溶射によって堆積させるステップが、
   ６０〜１２０ポンド／平方インチのアルゴン噴霧ガス圧力と、
   ８０〜１２０アンペアのアーク電流と、
   ３〜１０ポンド／時間のワイヤ供給量と、
   ３０＋／−５ボルトの定ＤＣ電圧と、
   を用いてワイヤアーク溶射堆積装置（６０）を作動させるステップを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記ワイヤアーク溶射によって堆積させるステップが、ＮｉＣｒＡｌＹオーバレイボンディングコート（４８）を堆積させるステップを含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記ワイヤアーク溶射によって堆積させるステップが、重量パーセントで２０〜２５％のクロム、９〜１１％のアルミニウム、０．８〜１．２％のイットリウム及び残部がニッケルの公称組成を有するＮｉＣｒＡｌＹオーバレイボンディングコートを堆積させるステップを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記セラミック断熱皮膜（５０）を施工するステップが、イットリア安定化ジルコニア断熱皮膜（５０）を施工するステップを含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
   

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