JP4748600B2 - ガスタービン用ノズルセグメント及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は広義にはガスタービンエンジンのタービンセクション用部品に関する。具体的には、本発明は、耐久性及び空力性能の向上したガスタービン用ノズルセグメント及びその製造方法に関する。

ガスタービンエンジンの高温セクションに位置する部品は通例超合金からなる。高温性能は格段の進歩を遂げたが、ガスタービンエンジンの幾つかのセクションでは妥当な耐用年数を示すように超合金部品を空気冷却及び／又は皮膜で保護する必要がある。例えば、酸化及び高温腐食作用による損傷を受け易いタービン、燃焼器及びオーグメンターセクションの部品は通例耐環境性皮膜及び適宜遮熱コーティング（ＴＢＣ）で保護される。ＴＢＣを備える場合、耐環境性皮膜はボンドコートと呼ばれ、ＴＢＣと共にＴＢＣ系と呼ばれるものを形成する。

図１にノズルセグメント１０を示すが、これを多数連結するとガスタービンエンジンの環状ノズルアセンブリを形成する。セグメント１０は複数の静翼１２からなり、各静翼は翼形部を画成し、外側プラットフォーム（バンド）１４と内側プラットフォーム（バンド）１６の間に延在する。静翼１２及びプラットフォーム１４，１６を別々に形成し、次いでプラットフォーム１４，１６に画成された開口部に各静翼１２の端部をろう付けすることによって組み立てることができる。別法として、ゼグメント１０全体を一体鋳物として形成することもできる。ノズルセグメント１０を他のノズルセグメントと共に組み立ててノズルアセンブリを形成すると、各セグメントの内側及び外側プラットフォームは連続した内側及び外側バンドを形成し、周方向に離隔した複数の静翼１２がそれらの間に半径方向に延在する。通例用いられる冷却機構の複雑さのため、個々のノズルセグメントからノズルアセンブリを製造するのが都合がよいことが多い。図１に示すノズルセグメント１０は、各セグメント１０が２枚の静翼１２を備えているのでダブレットと呼ばれる。ノズルセグメントは、例えば３枚の静翼（トリプレットと呼ばれる）のように３枚以上の静翼を備えていてもよいし、１枚の静翼（シングレットと呼ばれる）を備えていてもよい。

エンジンの高圧タービンセクションに位置するため、静翼１２及び静翼１２に面したプラットフォーム１４，１６の表面は、エンジンの燃焼器からの高温燃焼ガスに暴露される。上述の通り、強制空気冷却技術に加えて、静翼１２及びプラットフォーム１４，１６の表面は通例耐環境性皮膜によって酸化及び高温腐食から保護され、耐環境性性皮膜は、セグメント１０への熱伝達を低減するため静翼１２及びプラットフォーム１４，１６の表面に堆積されるＴＣＢに対するボンドコートとして働く。耐環境性皮膜及びＴＢＣボンドコートは耐酸化性含アルミニウム合金又は金属間化合物からなることが多く、そのアルミニウム分は高温で強く付着した連続酸化アルミニウム層（アルミナスケール）のゆっくりとした成長をもたらす。この高温酸化物（ＴＧＯ；ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｇｒｏｗｎ ｏｘｉｄｅ）は酸化及び高温腐食から保護し、ボンドコートの場合にはＴＢＣとの化学結合を促進する。広く使われている耐環境性皮膜及びＴＢＣボンドコートとしては、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ皮膜（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケル、Ｘはイットリウム又は希土類元素）のような合金、並びにアルミニウム金属間化合物を含有する拡散皮膜、主にβ相ニッケルアルミナイドと白金改質ニッケルアルミナイド（ＰｔＡｌ）が挙げられる。本願出願人に譲渡された米国特許第５２３６７４５号に教示されているように、ＭＣｒＡｌＸ型オーバーレイ皮膜をアルミナイド拡散皮膜でオーバーコートすると、耐酸化性をさらに向上させることができる。

ＴＢＣの寿命は耐環境性皮膜だけでなく、そのボンドコートの強さによっても左右されるので、強度の向上したボンドコートが開発されている。その代表的な例として、ＢＣ５２という商品名で知られ、本願出願人に譲渡された米国特許第５３１６８６６号に開示されている材料がある。ＢＣ５２はＭＣｒＡｌＸ型オーバーレイ皮膜材料であり、その公称組成は、クロム約１８重量％、コバルト１０重量％、アルミニウム６．５重量％、レニウム２重量％、タンタル６重量％、ハフニウム０．５重量％、イットリウム０．３重量％、ケイ素１重量％、ジルコニウム０．０１５重量％、炭素０．０６重量％及びホウ素０．０１５重量％であり、残部はニッケルである。オーバーレイ耐環境性皮膜及びボンドコートは、通例、物理気相成長（ＰＶＤ）法、特に電子ビーム物理気相成長（ＥＢＰＶＤ）法及び溶射法、特にプラズマ溶射（大気、減圧（真空）又は不活性ガス）及び高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）によって施工される。ＴＢＣの付着性を高めるため、ＢＣ５２のようなボンドコート材料を、溶射時の表面仕上げが非常に粗く、例えばＲａが約４００マイクロインチ（約１０μｍ）以上となるように、堆積させる。そのため、プラズマ溶射ＴＢＣ用のＢＣ５２ボンドコートは、堆積時に所望のボンドコート表面粗さが得られるように粗大なＢＣ５２合金粉体の溶射によって堆積されており、それらの表面を平滑化するための追加処理は行われない。この溶射堆積プロセスの結果、溶融した粉体粒子は「スプラット」として堆積し、不規則に扁平化した粒子とある程度の不均質性及び多孔性をもつボンドコートを生じる。

Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社のＬＭ２５００産業用及び船舶用ターボシャフトガスタービンエンジンに現在使用されている高圧タービン（ＨＰＴ）第２段ノズルアセンブリの空気冷却ノズルセグメントは、Ｒｅｎｅ ８０（Ｒ８０）として知られるニッケル基超合金から鋳造される。ＨＰＴ第２段ノズルアセンブリにはＴＢＣは必要とされないが、ノズルセグメントの表面は、ＢＣ２２という商品名で知られるコバルト基ＭＣｒＡｌＸ型オーバーレイ皮膜で保護される。ノズルアセンブリの空力性を高めるため、ＢＣ２２耐環境性皮膜を堆積し、非常に平滑な表面仕上げ、例えばＲａが約６０マイクロインチ（約１．５μｍ）Ｒａ以下となるように加工される。ノズルセグメントがダブレット（図１に示す）であるかシングレットであるかによって、２通りの加工経路が用いられている。シングレットの場合、鋳造Ｒ８０ノズルセグメントを穿孔して冷却孔を形成した後、孔をマスクし、ＢＣ２２皮膜を大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）で施工する。６０マイクロインチ（１．５μｍ）以下の優れた表面仕上げを達成するため、皮膜を設けた鋳物をショットピーニングに付した後、シングレット鋳物同士をろう付けしてダブレットを形成し、アルミナイジングしてからエンジンに搭載する。ダブレットの場合、プラズマ溶射で均一な皮膜を堆積するのが難しいので、鋳造Ｒ８０ノズルセグメントを最初にメッキしてＢＣ２２皮膜を堆積させる必要がある。しかる後、皮膜を設けた鋳物をショットピーニング及びバレル研磨に付した後、冷却孔を穿孔して鋳物をアルミナイジングに付す。

ＢＣ２２耐環境性皮膜材料はＬＭ２５００用途では十分な性能を発揮しているが、特に作動温度の高温化には、耐酸化性及び耐腐食性を始めとする皮膜の耐久性の向上が望まれる。
米国特許第５２３６７４５号明細書 米国特許第５３１６８６６号明細書

本発明は、ガスタービンエンジン、特にＬＭ２５００産業用及び船舶用ターボシャフトガスタービンエンジンに搭載したときに向上した耐久性及び空力性能を呈するガスタービン用ノズルセグメント及びその製造方法を提供する。

本発明の方法では、一対のプラットフォームの間でそれらを連結する１以上の静翼を備えるノズルセグメントを製造する。Ｒｅｎｅ １２５（Ｒ１２５）という商品名で知られるγ′強化ニッケル基超合金からノズルセグメントを鋳造し、その表面に、ＢＣ５２という商品名で知られるＭＣｒＡｌＸ型ボンドコート材料からなる耐環境性皮膜を堆積する。次に皮膜の表面仕上げがＲａ２．０μｍ未満となるように耐環境性皮膜の表面を加工する。次にノズルアセンブリに冷却孔を穿孔し、しかる後ノズルアセンブリにＲａ２．０μｍ未満の表面仕上げを有する最外表面が維持されるようにノズルアセンブリの平滑化表面の上に耐酸化性皮膜を施工する。こうして得られるノズルセグメントは、耐環境性皮膜とその上の耐酸化性皮膜で画成されるノズルセグメントの最外表面に遮熱コーティングを堆積せずに、ガスタービンエンジンに搭載することができる。

本発明のノズルセグメントは、一対のプラットフォームの間でそれらを連結する１以上の静翼を備えるようにＲ１２５超合金から鋳造され、ノズルセグメント表面にＢＣ５２ボンドコート材料からなる耐環境性皮膜と、耐環境性皮膜上の耐酸化性皮膜とを有するように加工されて、Ｒａ２．０μｍ未満の表面仕上げを有するノズルアセンブリの最外表面を画成する。ノズルアセンブリの最外表面には冷却孔が存在し、セラミック遮熱コーティングは存在しない。

以上から明らかな通り、ＴＢＣ用の祖面ボンドコートとして従前使用されてきたＢＣ５２材料は、本発明では耐環境性皮膜として利用され、耐環境性皮膜の外表面にはＴＢＣが存在せず、平滑な表面仕上げを有し、皮膜を設けたノズルセグメントの空力特性を高める。そのため、溶射時の表面粗さＲａが４００マイクロインチ（約１０μｍ）以上のボンドコートを生成させるために粗大粉体から堆積するという従来の慣例に代えて、本発明では、Ｒａ２．０μｍＲａ未満の表面仕上げが得られるように追加の加工でさらに平滑化できる平滑な溶射表面が得られるように微粉の溶射によってＢＣ５２合金を堆積させる。本発明では、耐環境性皮膜を堆積する前に冷却孔を穿孔して冷却孔をマスクするという従来技術の慣行は不要であり、耐環境性皮膜の堆積後に孔を穿孔するので、マスキング段階は省かれる。最後に、耐環境性皮膜としてのＢＣ５２材料は、ＬＭ２５００産業用及び船舶用ターボシャフトガスタービンエンジンのノズルセグメント用の耐環境性皮膜として現在使用されているＢＣ２２よりも耐酸性及び耐腐食性に優れていることが判明した。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。

本発明は、比較的高温であることを特徴とする環境中で動作し、過酷な酸化性及び腐食性動作環境に付される部品、特に図１に示すタイプのノズルセグメント全般に応用できる。図面は、以下の説明と併せて参照したときに分かり易いように描いたもので、忠実に縮尺を再現したものではない。

図２に、本発明に係る耐環境性皮膜系２０を、図１のノズルセグメント１０の壁領域１８の上の耐環境性皮膜２２とその上の耐酸化性皮膜２４とを含むものとして示す。本発明の好ましい態様では、ノズルセグメント１０はγ′強化ニッケル基Ｒ１２５超合金の鋳物であり、その公称組成は、コバルト約１０重量％、クロム約８．９重量％、モリブデン約２重量％、タングステン約７重量％、タンタル約３．８重量％、アルミニウム約４．８重量％、ハフニウム約１．５５重量％、炭素約０．１１重量％、チタン約２．５重量％、ニオブ約０．１重量％、ジルコニウム約０．０５重量％、ホウ素約０．０１５重量％、残部のニッケル及び任意成分としての微量合金元素である。Ｒ１２５超合金に適した範囲は、コバルト約９．５０〜１０．５０重量％、クロム約８．７０〜９．１０重量％、モリブデン約１．６０〜２．４０重量％、タングステン約６．６０〜７．４０重量％、タンタル約３．６０〜４．００重量％、アルミニウム約４．６０〜５．００重量％、チタン約２．３０〜２．７０重量％、ハフニウム約１．４０〜１．７０重量％、炭素約０．０９〜０．１３重量％、ニオブ０．１０重量％以下、ジルコニウム約０．０３〜０．０７重量％、ホウ素約０．０１０〜０．０２０重量％であり、残部は実質的にニッケルである。鋳物は、好ましくは当技術分野の慣用法で等軸（ＥＡ）組織にされる。

図１ではノズルセグメント１０をダブレット（２枚の静翼１２を有するもの）として示すが、本発明の一実施形態では、ノズルセグメント１０は、以下で詳しく説明する通り（１枚の静翼１２を有する）シングレット鋳物である。当技術分野で周知の通り、設計におけるシングレット鋳物とダブレット鋳物の選択には、それらの構造の差と加工に伴う利点が考慮される。シングレットノズル構造の重要な利点は静翼１２周囲の皮膜厚分布に優れていることであり、耐酸性及び耐腐食性に資するだけでなく、ノズル間のスロート部の制御性及び異なる段の静翼間の均一性も高める。一方、ダブレット鋳物は、皮膜厚の制御性には劣るが、高温ろう付け作業が不要となる。

本発明では、耐環境性皮膜２２はＢＣ５２合金から形成され、その公称組成は、クロム約１８重量％、コバルト１０重量％、アルミニウム６．５重量％、レニウム２重量％、タンタル６重量％、ハフニウム０．５重量％、イットリウム０．３重量％、ケイ素１重量％、ジルコニウム０．０１５重量％、炭素０．０６重量％及びホウ素０．０１５重量％、残部のニッケルである。ＢＣ５２合金の適当な範囲は米国特許第５３１６８６６号に記載されており、ＢＣ５２の組成、加工及び特性に関する開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。ＢＣ５２合金は、高温酸化耐性及び高温腐食耐性に優れているので、ＢＣ２２よりも高い作動温度でのボンドコートとしての性能に優れていると思料される。

ＢＣ５２耐環境性皮膜２２は様々な溶射法で堆積させることができるが、好ましい方法は堆積時にＢＣ５２合金の酸化が回避又は最小限となるものである。かかる理由から、不活性ガスシュラウドＨＶＯＦも適していると思料されるが、好ましい堆積法は不活性ガスシュラウドプラズマ溶射堆積法である。好ましい不活性ガスシュラウドプラズマ溶射法では、ＢＣ５２合金を粉体の形態でプラズマ溶射ガンに供給するが、Ｒａ２００マイクロインチ（約５μｍ）未満の適当な堆積表面粗さを達成するため好ましい粒度は３８μｍ未満である。具体的には、サイズ２７０、３２５及び４００の標準篩を用いて、粒子の最大１％が４５〜５３μｍであり、粒子の最大７％が３８〜４５μｍであり、粒子の最低９３％が３８μｍ未満である。皮膜２２の適当な厚さは約０．００２〜約０．０２０インチ（約５０〜約５００μｍ）であり、約０．００５〜約０．０１８インチ（約１２５〜約４５０μｍ）の厚さが好ましい。耐環境性皮膜２２はノズル１０の外表面全体に堆積してもよいし、或いは酸化損傷を受け易い表面領域、例えば図１を参照すると静翼１２並びにプラットフォーム１４，１６の静翼１２に面した表面などに限定してもよい。

上述の通り、耐環境性皮膜２２は好ましくはＲａ２００マイクロインチ（約５μｍ）未満の堆積表面粗さを有する。しかる後、耐環境性皮膜２２の表面を好ましくは耐環境性皮膜２２の表面仕上げを改善するための加工、好ましくはピーニング及び次いでバレル研磨に付する。ピーニング及びバレル研磨後、耐環境性皮膜２２の表面粗さは好ましくはＲａ１００マイクロインチ（約２．０μｍ）以下であり、典型的な範囲は静翼１２の凹面及び前縁ではＲａ約５０〜約７０マイクロインチ（約１．３〜約１．８μｍ）であり、静翼１２の凸面ではＲａ約２０〜約４０マイクロインチ（約０．５〜約１．０μｍ）である。

耐環境性皮膜２４の堆積後、冷却孔２６（その１つを図２に示す）をノズルセグメント１０の壁に選択的に穿孔する。孔２６の適当な穿孔法としては、レーザ加工、放電加工（ＥＤＭ）及びエレクトロストリーム（ＥＳ）穿孔のような精密穿孔技術が挙げられるが、好ましい方法はＥＤＭである。当業者には明らかな通り、冷却孔２６の大きさと向きは、用いる強制空気冷却技術（例えばインピンジメント冷却、フィルム冷却など）に依存し、図２に示す孔２６は本発明のいかなる特定の実施形態を示したものではない。冷却孔２６は耐環境性皮膜２２の堆積後に穿孔されるので、本発明では、従来必要とされていた耐環境性皮膜２２の堆積前の冷却孔２６のマスキングは不要である。

ダブレットとして鋳造する場合、ノズルセグメント１０は、冷却孔２６の穿孔後直ちに耐酸化性皮膜２４を堆積できる。しかし、シングレットとして鋳造する場合には、ノズルセグメント１０を実質的に同じ別のシングレットノズルセグメント１０にろう付けして、図１に示すダブレットセグメントと同様のダブレットノズルセグメントアセンブリを得るのが好ましい。ろう付けが行われる位置では、合金のろう付け作業を妨害しないように皮膜２２を除去するのが好ましい。

最後に、ノズルセグメント１０の耐酸化性をさらに高めるため耐酸化性皮膜２４を耐環境性皮膜２２に施工する。好ましい耐酸化性皮膜２４は拡散アルミナイド皮膜であり、適当な厚さは約０．０００５〜約０．００４インチ（約２〜約１００μｍ）であり、好ましい厚さは約０．００２インチ（約５０μｍ）である。かかるオーバーコートアルミナイド皮膜は、本願出願人に譲渡されたＧｕｐｔａ他の米国特許第５２３６７４５号に教示されており、その拡散組成及び方法に関する開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。Ｇｕｐｔａ他の上記米国特許には、パックセメンテーションによるアルミナイジング法が記載されているが、気相アルミナイジングを始めとするその他の方法も本発明の技術的範囲に属する。さらに、白金族金属（ＰＧＭ）皮膜、特に電気メッキ（ただし、スパッタリング、筆メッキなども使用できる）で堆積した白金−パラジウム合金の使用も本発明の技術的範囲に属する。メッキしたＰｔ−Ｐｄ合金皮膜２４に好適な厚さは約０．００００５〜約０．０００５インチ（約１．３〜１３μｍ）であり、好ましい厚さは約０．０００１５〜約０．０００３５インチ（約４〜９μｍ）である。耐酸化性皮膜２４の好ましい態様は、耐環境性皮膜２２の表面粗さを上述の範囲を超えて増大させることなく、その代わりに皮膜系２０、ひいてはノズルセグメント１０の空力性及び熱的特性を高める表面粗さを維持することである。耐酸化性皮膜２４は、耐環境性皮膜２２を堆積したあらゆる箇所に堆積させてもよいし、或いは酸化損傷を起こし易い表面領域に限定してもよい。

上述の方法で製造したノズルセグメントを集成して環状ノズルとしたものは、特にＬＭ２５００産業用及び船舶用ターボシャフトガスタービンエンジンでの使用に適している。鋳造用超合金としてのＲ１２５と耐環境性皮膜２２としてのＢＣ５２との組合せは、ＬＭ２５００エンジン用のノズルセグメントに現在使用されているＲ８０とＢＣ２２との従来の組合せよりも耐酸化性及び耐腐食性に格段に優れたノズルセグメント１０をもたらすと思料される。

特定の実施形態によって本発明を説明してきたが、その他の形態も採用できることは当業者には明らかである。本発明の技術的範囲を限定するのは特許請求の範囲だけである。

ガスタービンエンジンのノズルセグメントセクションを示す図。 本発明の好ましい実施形態に係る耐環境性皮膜系の断面図。

符号の説明

１０ ノズルセグメント
１２ 静翼
１４ 外側プラットフォーム
１６ 内側プラットフォーム
２０ 耐環境性皮膜系
２２ 耐環境性皮膜
２４ 耐酸化性皮膜
２６ 冷却孔

Claims (10)

1. 一対のプラットフォーム（１４，１６）の間でそれらを連結する１以上の静翼（１２）を備えるガスタービンエンジンのノズルセグメント（１０）の製造方法であって、当該方法が、
   コバルト１０重量％、クロム８．９重量％、モリブデン２重量％、タングステン７重量％、タンタル３．８重量％、アルミニウム４．８重量％、ハフニウム１．５５重量％、炭素０．１１重量％、チタン２．５重量％、ニオブ０．１重量％、ジルコニウム０．０５重量％、ホウ素０．０１５重量％、残部のニッケル及び任意成分としての微量合成元素からなる公称組成のγ′強化ニッケル基超合金からノズルセグメント（１０）を鋳造する段階、
   クロム１８重量％、コバルト１０重量％、アルミニウム６．５重量％、タンタル６重量％、レニウム２重量％、ケイ素１重量％、ハフニウム０．５重量％、イットリウム０．３重量％、炭素０．０６重量％、ジルコニウム０．０１５重量％、ホウ素０．０１５％、残部のニッケル及び不可避不純物からなる公称組成を有する主要粒度３８μｍ未満の粉体の溶射によってノズルセグメント（１０）の表面に耐環境性皮膜（２２）を堆積する段階、
   耐環境性皮膜（２２）の表面仕上げがＲａ２．０μｍ未満となるように皮膜の表面を加工する段階、
   ノズルセグメント（１０）に冷却孔（２６）を穿孔する段階、次いで
   ノズルセグメント（１０）にＲａ２．０μｍ未満の表面仕上げを有する最外表面が維持されるようにノズルセグメント（１０）の平滑化表面の上に耐酸化性皮膜（２４）を施工する段階と
   を含み、耐環境性皮膜（２２）とその上の耐酸化性皮膜（２４）で画成される最外表面に遮熱コーティングを堆積しない、方法。
2. ノズルセグメント（１０）がシングレットノズルセグメント（１０）であって、１以上の静翼（１２）が一対のプラットフォーム（１４，１６）の間でそれらを連結する単一の静翼（１２）であり、加工段階後及び施工段階前に、シングレットノズルセグメント（１０）を実質的に同じ構造の別のシングレットノズルセグメントにろう付けして、一対のプラットフォーム（１４，１６）の間でそれらを連結する２枚の静翼（１２）を有するダブレットノズルセグメント（１０）を形成する、請求項１記載の方法。
3. ノズルセグメント（１０）がダブレットノズルセグメント（１０）として鋳造され、１以上の静翼（１２）が一対のプラットフォーム（１４，１６）の間でそれらを連結する２枚の静翼（１２）である、請求項１記載の方法。
4. 耐環境性皮膜（２２）が不活性ガスシュラウド中での粉体のプラズマ溶射によって堆積される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 耐環境性皮膜（２２）の堆積時の表面粗さが２００μｍ未満である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 耐酸化性皮膜（２４）が拡散アルミナイド皮膜である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
7. 耐酸化性皮膜（２４）が白金−パラジウム皮膜である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
8. 前記加工段階が耐環境性皮膜（２２）のショットピーニング及びノズルセグメント（１０）のバレル研磨を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. ノズルセグメント（１０）を実質的に同じ構造の複数の他のノズルアセンブリと組み立てて、ガスタービンエンジン内にノズルを形成する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法で製造されたノズルセグメント（１０）。
    
    

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