JP4942926B2 - 耐環境性ボンド皮膜を使用して部品を補修する方法及びその結果得られた補修した部品 - Google Patents

Description

本発明は、例えばガスタービンエンジンの作動中に高温に曝された部品を補修する方法に関する。より具体的には、本発明は、耐環境性ボンド皮膜を使用して部品を補修する方法及びその結果得られた補修した部品に関する。

効率を高めるために、ガスタービンエンジンのより高い作動温度が常に求められている。しかしながら、作動温度が上昇すると、それに応じてエンジン内の部品の高温耐久性も増大させなくてはならない。

高温性能における大きな進歩が、ニッケル基及びコバルト基超合金の調製により達成された。例えば、幾つかのガスタービンエンジン部品は、高強度方向性凝固又は単結晶ニッケル基超合金で作ることができる。これらの部品は、コアエンジン流に対して有効に作用し、かつ翼形部温度を低下させるために内部冷却用の細部構造と外部フィルム冷却を形成する貫通孔とを含む特殊な外部形状を有するように鋳造される。それにも拘らず、ガスタービンエンジン作動の過酷な条件に曝された時、特にタービンセクションにおいて、そのような合金のみでは酸化及び腐食攻撃による損傷を受け易く、十分な機械的特性を保つことができない。従って多くの場合、これらの部品は、耐環境性ボンド皮膜のみによって又はボンディングコートと上層断熱皮膜とによって保護され、これらはしばしば全体をまとめて断熱皮膜（ＴＢＣ）システム（系）と呼ばれる。

化学蒸着法で施工されたアルミナイド及び白金アルミナイドのような拡散皮膜とＭＣｒＡｌＹ（ここでＭは、鉄、コバルト及び／又はニッケル）のようなオーバレイ皮膜とが、ガスタービンエンジン部品のための耐環境性皮膜として使用されてきた。

イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）又はその他の酸化物で部分的に又は完全に安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）のようなセラミック材料は、上層皮膜（トップコート）を使用する場合にＴＢＣシステムのトップコートとして広く使用されている。セラミック層は、典型的には空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法又は物理蒸着（ＰＶＤ）法によって被着される。ガスタービンエンジンの最高温度領域内で使用するＴＢＣは、典型的には電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法によって被着される。

トップコートは、これが有効であるためには、低い熱伝導性を有し、物品に強く付着し、また多くの加熱及び冷却サイクル全体を通して付着を維持しなくてはならない。この最後の要件は、断熱皮膜材料とタービンエンジン部品を形成するために一般的に使用されている超合金との間で熱膨張係数が異なるため、特に必要である。上記要件を満たすことができるＴＢＣトップコート材料は、一般的に、上記した拡散アルミナイド皮膜及びＭＣｒＡｌＹ皮膜の一方又は両方のようなボンディングコートを必要としてきた。これらの材料で形成されたボンディングコートのアルミナイド成分は、高温度において、付着性の強い連続的なアルミナ層（アルミナスケール）の緩やかな成長をもたらす。この熱成長した酸化物が、ボンディングコートを酸化及び高温腐食から保護し、またセラミック層をボンディングコートに対して化学的に結合させる。

耐環境性ボンディングコート及び断熱セラミック層の両方を形成するための皮膜材料及び処理法に関して大きな進歩が達成されたが、或る条件下では耐環境性皮膜及びセラミックトップ層（存在する場合に）を除去し、これを交換する避け難い必要性がある。例えば、エンジン作動中におけるセラミック層の侵食又は衝突損傷によって、ＴＢＣの熱剥離によって、或いはタービンブレードの先端部長さのような一部の形状を補修する要求によって、除去が必要になる場合がある。エンジン作動中に、部品は、スキーラ先端部減損、ＴＢＣ剥離及び酸化／腐食による劣化により臨界寸法を失う場合がある。また、高温作動により、耐環境性皮膜の成長が生じる場合もある。

現在の最先端技術による補修方法では、多くの場合、ＴＢＣシステム全体つまりセラミック層とボンディングコートとの両方を除去することになる。１つのそのような方法は、グリットブラスティング、蒸気ホーニング及びガラスビーズピーニングのような処理方法において研磨材を使用することであるが、それら処理方法の各々は、セラミック層及びボンディングコートを侵食させ、さらに皮膜の下にある基体表面を侵食させる緩速かつ労働集約的な処理方法である。セラミック層及び金属ボンディングコートは、例えば部品を、ＫＯＨを含む溶液中に浸漬してセラミック層を除去し（アルミナを侵食し）かつリン酸／硝酸溶液のような酸性溶液中に浸漬して金属ボンディングコートを除去するようなストリッピング法によっても除去することができる。ストリッピング法は有効であるが、この方法は、ベース基体の一部分をも除去し、それによって部品の外壁を薄くするおそれがある。

高圧タービンブレードのような部品を取外して完全補修する場合、セラミック皮膜及び拡散皮膜をストリッピング法によって外部位置から除去することができる。次に、必要に応じて、先端部を溶接肉盛り及びその後の別の形削り加工によって復元することができる。次に拡散皮膜とセラミック層とが、新品部品に施工されるのと同じ厚さでブレードに対して再施工される。

しかしながら、翼形部及び耐環境性皮膜の寸法／安定性は、効率的なエンジン作動にとって、また部品の多数回の補修能力にとって特に重要である。設計が特定の最小翼形部寸法に限定されている場合には、そのような部品の繰り返し補修は不可能となる。
米国特許６，２９１，０８４号公報

それ故に、超合金の機械的特性の低下を制限するために、拡散被覆した超合金表面の範囲は最少にする必要がある。従って、本出願人の指示の下で働いている科学者及び技術者達は、エンジンの作動効率をさらに高めまた部品の補修性（補修能力）に役立つような新規かつ改良したボンディングコート及び補修方法を探求し続けている。具体的には、被覆材料及び被覆方法は、次の補修時における翼形部壁の減損を最少にし部品の全寿命サイクルを延ばすようにする必要がある。

本発明の実施形態によると、補修した部品を開示する。本補修した部品は、約１〜３ｍｉｌの厚さのその一部分とオーバレイボンディングコートとが除去されて厚さが減少した残余ベース金属基体を形成したベース金属基体を有するエンジン運転使用済み部品を含む。本補修した部品はさらに、残余ベース金属基体に施工された約１０〜６０原子％のアルミニウム含有量を有する合金を含む低成長耐環境性ボンド皮膜を含み、基体内への耐環境性ボンド皮膜の成長が以前のボンディングコートよりも小さいので次の部品補修時に約１〜３ｍｉｌよりも小さい厚さの残余ベース金属基体が除去されるようになる。本補修した部品は、延長した部品寿命と増大した補修性とを有する利点がある。

本発明の別の実施形態によると、エンジン作動に曝されてきた被覆部品を補修する方法を開示する。本方法は、ボンディングコートをその上に有するベース金属基体を含むエンジン運転使用済み部品を準備する段階と、ボンディングコートを除去する段階とを含む。約１〜３ｍｉｌの厚さのベース金属基体の一部分も除去されて、厚さが減少した残余ベース金属基体を形成する。本方法はさらに、基体内へのその皮膜成長が以前のボンディングコートよりも小さいので次の部品補修時に約１〜３ｍｉｌよりも小さい厚さの残余ベース金属基体が除去されるように、約１０〜６０原子％のアルミニウム含有量を有する合金を含む低成長耐環境性ボンド皮膜を残余ベース金属基体に施工する段階を含む。本方法は、部品の寿命を延長しかつ該部品の補修性を増大させる利点がある。

本発明のさらに別の実施形態によると、補修した部品を開示し、本補修した部品は、その上のオーバレイボンディングコートの一部分が除去されたベース金属基体を有するエンジン運転使用済み部品を含む。本部品はさらに、ベース金属基体に施工された約１０〜６０原子％のアルミニウム含有量を有する合金を含む低成長耐環境性ボンド皮膜を含み、基体内への耐環境性ボンド皮膜の成長が以前のボンディングコートよりも小さいので次の部品補修時に約１〜３ｍｉｌよりも小さい厚さのベース金属基体が除去されるようになる。本補修した部品は、延長した部品寿命と増大した補修性とを有する利点がある。

本発明のさらに別の実施形態によると、補修したガスタービンエンジン部品を開示し、本補修したガスタービンエンジン部品は、約１〜３ｍｉｌの厚さのその一部分とオーバレイボンディングコートとが除去されて厚さが減少した残余ベース金属基体を形成したベース金属基体を有するエンジン運転使用済みガスタービンエンジン部品を含む。本部品はさらに、残余ベース金属基体に施工された約１０〜６０原子％のアルミニウム含有量を有する合金を含む低成長耐環境性ボンド皮膜を含み、基体内への耐環境性ボンド皮膜の成長が以前のボンディングコートよりも小さいので次の部品補修時に約１〜３ｍｉｌよりも小さい厚さの残余ベース金属基体が除去されるようになる。また、耐環境性ボンド皮膜の厚さは、約４０００μｍ＊原子％Ａｌよりも小さいか又はそれに等しい積分アルミニウムレベルを生じるように制御され、また耐環境性ボンド皮膜はβ−ＮｉＡｌオーバレイ皮膜を含む。本補修した部品は、延長した部品寿命と増大した補修性とを有する利点がある。

その他の特徴及び利点は、本発明の原理を実例として示した添付図面と関連させた以下の一層詳細な説明から明らかになるであろう。

通常、本発明の補修方法は、比較的高い温度に特徴がある環境内で作動し、従って過酷な熱応力と熱サイクルを受ける部品に対して適用できる。そのような部品の顕著な例には、高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ並びにガスタービンエンジンのオーグメンタハードウエアが含まれる。その他の例としては、一般的に翼形部及びベーンのような固定部品が含まれる。１つの具体的な例は、図１に示す高圧タービンブレード１０である。説明の便宜上、本発明の方法は、このブレード１０の補修に関して説明することにする。しかしながら、以下に述べる方法は、オーバレイセラミック層があるか又は無い状態で耐環境性ボンディングコートで被覆したその他任意のガスタービンエンジン部品を補修するのに容易に適用できることは、当業者には分かるであろう。従って、本明細書で使用する場合、ボンディングコート又は耐環境性ボンディングコートは、セラミックトップコートの施工を必要としない。

図１のブレード１０は、一般的に、ガスタービンエンジンの作動中にそれに対して高温燃焼ガスが向けられる翼形部１２を含み、従って翼形部１２の表面は、酸化、腐食及び侵食により過酷な攻撃を受ける。翼形部１２は、ブレード１０のプラットフォーム１６上に形成したダブテール１４によって、タービンディスク（図示せず）に固定される。翼形部１２内には冷却孔１８があり、それらの冷却孔１８を通してブリード空気を強制的に流してブレード１０から熱を取り去る。

ブレード１０のベース金属は、Ｎｉ又はＣｏ或いはＮｉ及びＣｏの組合せの超合金を含む任意の適当な材料とすることができる。ベース金属は、方向性凝固又は単結晶ニッケル基超合金であるのが好ましい。例えば、ベース金属は、ＲｅｎｅＮ５材料で作ることができる。ブレード１０の翼形部部分１２の鋳造したままの厚さは、設計仕様及び要件に基づいて変えることができる。

翼形部１２及びプラットフォーム１６は、図２に示す断熱皮膜システム１８で被覆することができる。断熱皮膜システムは、ブレード１０の基体上に配置された移行拡散ボンディングコート２０と、ボンディングコート２０上のセラミック断熱皮膜２２とを含む。しかしながら、断熱皮膜２２は、本発明の目的のためには必ずしも設ける必要はない。

本発明の１つの実施形態では、ボンディングコート２０は、拡散皮膜であり、ブレード１０のベース金属は、方向性凝固又は単結晶ニッケル基超合金である。ニッケル基超合金中のＮｉ及びコバルト基超合金中のＣｏは両方とも、基体から外向きに拡散して拡散アルミナイドを形成し、またそれらの超合金は、Ｎｉ及びＣｏの両方を様々なパーセンテージで含むことができる。超合金基体についての説明をニッケル基超合金に関して行うことにするが、コバルト基超合金の基体も使用可能あることを理解されたい。同様に、ボンディングコート２０は、ＭＣｒＡｌＹ皮膜又は拡散皮膜と組合せたＭＣｒＡｌＹ皮膜を含むことができる。

本発明の実施形態によると、拡散皮膜は、Ｐｔ、Ｒｈ又はＰｄのような貴金属及び／又はそれに限定されないがＹ、Ｚｒ及びＨｆを含む反応性元素を含有する単純又は改質アルミナイドを含むことができる。拡散皮膜は、多くの異なる方法で部品上に形成することができる。簡単に言うと、パック法又は化学蒸着（ＣＶＤ）法などによって基体を高温にてアルミニウムに曝露し、拡散によってアルミナイド皮膜を形成することができる。

より具体的には、ニッケルアルミナイド（ＮｉＡｌ）拡散皮膜は、基体を高温にてアルミニウム濃度が高い環境に曝露することによって、ニッケル基超合金上に外側皮膜として成長させることができる。外層からのアルミニウムは、基体内に拡散して、基体から外向きに拡散するニッケルと結合して、ＮｉＡｌの外側皮膜を形成する。皮膜の形成は拡散処理の結果であるので、ＡｌとＮｉ及びその他の元素との化学的勾配が存在することが分かるであろう。しかしながら、Ａｌは、物品の外表面において高い相対濃度を有し、このことが熱力学的に基体内にＡｌを拡散させて、元の基体内に広がる拡散域を形成することになり、またこのＡｌ濃度は、基体内への距離が増すにつれて徐々に低下することになる。逆に、Ｎｉは、基体内でより高い濃度を有し、アルミニウムの薄い層内に拡散してニッケルアルミナイドを形成することになる。拡散域内のＮｉ濃度は、それが外向きに拡散してＮｉＡｌを形成するにつれて変化することになる。元の表面より下方のレベルにおいては、基体の初期のＮｉ組成は維持されるが、拡散域内におけるＮｉ濃度は低くなり、拡散域内への距離の関数として変化することになる。その結果、物品の外表面においてＮｉＡｌが形成されるが、Ｎｉ及びＡｌの変化する組成の勾配が、外表面と元の基体組成との間に形成される。基体から外向きに拡散するＮｉ及びその他の元素の濃度勾配と、被着したアルミニウムＡｌとは、物品の外表面と元の組成を有する基体の部分との間に拡散域を形成する。酸化性大気に対する被覆基体の曝露により、一般的にニッケルアルミナイド皮膜上にアルミナ層が形成されることは言うまでもない。

白金アルミナイド（ＰｔＡｌ）拡散皮膜もまた、ニッケル系の基体上に所定の厚さに白金の薄層を電気メッキすることによって形成することができる。次に白金を高温にてアルミニウム濃度が高い環境に曝露することによって、アルミニウムが白金内に拡散して白金と反応するにつれてＰｔＡｌの外層の成長が生じる。これと同時に、Ｎｉが基体から外向きに拡散して基体の組成を変化させ、他方、アルミニウムが白金内にかつ白金を通り抜けて基体の拡散域内に内向きに移動する。従って、Ｐｔ薄層で電気メッキした基体を高温にてアルミニウム濃度が高い大気に曝露することによって、（Ｐｔ，Ｎｉ）Ａｌの錯体組織が形成される。アルミニウムが基体に向けて内向きに拡散しかつＮｉが反対方向にＰｔ内に拡散して拡散域を形成するにつれて、ＰｔＡｌ_２相が溶体から析出し、得られたＰｔ−ＮｉＡｌ合金マトリックスもまたＰｔＡｌ_２合金の析出物を含有することになる。ニッケルアルミナイド皮膜の場合と同様に、アルミニウムの勾配が、アルミニウム濃度が高い外表面から内向きに基体表面に向けて生じ、またＮｉ及びその他の元素の勾配が、これら元素が基体から外向きにアルミニウム濃度が高い付加層内に拡散するにつれて、生じる。この場合、先の例におけるのと同様に、アルミニウム濃度が高い外層が外表面に形成され、この外層は白金アルミナイド及びニッケルアルミナイドの両方を含み、同時に外層の下の拡散層が形成される。ニッケルアルミナイド皮膜の場合と同様に、酸化性大気に対する被覆基体の曝露により、一般的にアルミナの外層が形成されることになる。また、適当なアルミナイド皮膜には、他の適当な皮膜の中でも特に、商業的に入手可能なＣｏｄｅｐアルミナイド皮膜が含まれ、その１つの形態が米国特許第３６６７９８５号に記載されており、単独で使用されるか又は第１の白金電気メッキ層と組合せて使用される。

拡散皮膜の全体厚さは、変えることができるが、典型的には約０．００４５インチ（４．５ｍｉｌ）より大きくなく、より典型的には約０．００２〜０．００３インチ（２〜３ｍｉｌ）とすることができる。基体内へ成長する拡散層の厚さは、典型的には約０．０００５〜０．００１５インチ（０．５〜１．５ｍｉｌ）、より典型的には約０．００１インチ（１ｍｉｌ）とすることができ、他方、外側の付加層は、通常は約０．００１〜０．００２インチ（１〜２ｍｉｌ）であるその残部厚さを含むことができる。例えば、新しく製作した部品は、厚さが約０．００１２インチ（１．２ｍｉｌ）の付加層と厚さが約０．００１２インチ（約１．２ｍｉｌ）の拡散域とを含む、厚さが約０．００２４インチ（約２．４ｍｉｌ）の拡散ボンディングコート２０を有することができる。

次に、任意選択的に、セラミック断熱皮膜２２をボンディングコート２０上に施工することができる。セラミック断熱皮膜２２は本出願人の補修方法及び補修した部品の実施形態では必ずしも必要でない。しかしながら、存在する場合には、セラミック断熱皮膜２２は、完全に又は部分的に安定化されたイットリア安定化ジルコニア又はこれに類するもの、及び当技術分野において公知のその他の低熱伝導性酸化物被覆材料を含むことができる。適当なセラミックの例としては、他の公知のセラミック断熱皮膜の中でも特に約７〜８重量パーセントのイットリアで安定化された約９２〜９３重量パーセントのジルコニアが含まれる。セラミック断熱皮膜２２は、任意の適当な手段で施工することができる。１つの好ましい被着方法は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法であるが、燃焼器用途にはプラズマ溶射法も使用できる。適当なセラミック断熱皮膜のより具体的な例が、その幾つかを挙げると米国特許第４０５５７０５号、第４０９５００３号、第４３２８２８５号、第５２１６８０８号及び第５２３６７４５号に記載されている。セラミック断熱皮膜２２は、約０．００３インチ（３ｍｉｌ）〜約０．０１０インチ（１０ｍｉｌ）の間の厚さを有し、より典型的には、エンジンでの実使用前に約０．００５インチ（５ｍｉｌ）程度の厚さを有する。設計及び製造において、部品の周りの皮膜厚さは意図的に変えることができるので、上記の皮膜厚さは公称厚さと考えるべきである。

従って、設計で意図した空気力学的寸法に適合する上記の被覆部品は、実使用に供した場合、長期間にわたり高温に曝される。この曝露の間に、ボンディングコート２０は、基体合金との間での相互拡散によって成長することになる。相互拡散の程度は、拡散組合せ（例えば、被膜Ａｌレベル、皮膜厚さ、基体合金の組成（Ｎｉ基又はＣｏ基））と曝露温度及び時間とに応じて決まることになる。

本発明の補修法の態様によると、エンジンでの実使用から取外された上記の被覆ブレード１０は、先ず検査されて部品についての磨耗量、特に外側セラミック断熱皮膜２２のあらゆる環境性侵食又はあらゆる剥離に関して判定される。検査は、とりわけ目視検査及び蛍光探傷検査を含む当技術分野において公知の任意の方法で行うことができる。必要に応じて、先端部を従来の方式で補修して部品寸法を復元させることができる。

次に、必要な場合また存在する場合には、外側セラミック断熱皮膜２２は、化学的ストリッピング法及び／又は機械的方法を含む当技術分野において公知の手段によってブレード１０から除去することができる。例えば、セラミック断熱皮膜２２は、苛性オートクレーブ法及び／又はグリットブラスティング法を用いた公知の方法で除去することができる。セラミック断熱皮膜２２はさらに、特に米国特許第６５４４３４６号に記載された方法によっても除去することができる。本明細書で引用した全ての特許及び出願は、参考文献として組み入れられる。

存在する場合には、セラミック断熱皮膜２２を除去した後に、上述したようにクリーニング処理を使用して残留物を取除くことができる。この段階で、例えばＦＰＩ法又はその他の非破壊検査法によってブレード１０を検査して、その一体性をさらに判定することもできる。

次に、下層のボンディングコート２０の少なくとも一部分をブレード１０から除去することができる。しかしながら、上記のボンディングコート２０の除去に先立って、必要に応じて、従来のマスキング法を使用してブレード１０の内部形状をマスキングし、任意の内部皮膜が除去されないように保護することができる。例えば、ボンディングコート除去段階において使用する化学薬品及び温度に耐えることができる耐熱ワックスを、ブレード１０内部内に注入することができる。

任意の所望のマスキングを行った後に、研磨剤使用のような機械的処理又は典型的には硝酸及び硫酸の混合液のような酸性水溶液などによる化学的処理を使用して、下層のボンディングコート２０を除去又はストリッピングする（剥がす）ことができる。アルミニウムを基材とした金属皮膜の場合、物品を化学的エッチング水溶液に浸漬してエッチング液との反応によって皮膜を溶解する化学的エッチング法を使用することができる。典型的には約１〜２ｍｉｌ（０．００１〜０．００２インチ）のボンディングコート２０の付加層を、除去することができる。従って、除去処理中に、約１〜３ｍｉｌ（０．００１〜０．００３インチ）の下層の相互拡散ベース金属基体が除去され、その結果、翼形部壁厚さが減少することになる。

皮膜除去処理の後に、使用した全てのマスキング材も除去することができる。その他の方法の中でも特に真空炉又は空気炉内での高温曝露を使用することができる。従来の方式で部品を洗浄して残留物を取除くことができる。例えば、その他の洗浄技術の中でも特に水フラッシングを使用することができる。

さらに、必要に応じて、先端部の寸法の補修及び再成形などの下にある基体のあらゆる欠陥を補修するために、溶接／ＥＤＭ（放電加工）及びその他の処理を行うことができる。

次に、同じ拡散ボンディングコートを以前と同じ厚さに再施工していた従来の教示とは対照的に、以前のボンディングコート２０に置き換えて新しいボンディングコート２１をブレード１０に施工することができる利点がある。例えばＮｉＡｌ皮膜又は耐環境性ボンド皮膜２１とも呼ばれるボンディングコート２１は、それに続く上層セラミック層の施工を必要としない。

意外にも、代わりに低成長ボンド皮膜２１を使用することがエンジン作動に曝した後の補修時における例えば翼形部壁の除去を少なくすることを可能にすることによって、いかに部品寿命の延長を達成できるかを本出願人は確認した。具体的には、補修時に従来型の拡散ボンディングコート２０を除去して、以前のボンド皮膜又は新たに製作した皮膜を使用したボンド皮膜ではなくて低成長環境性ボンド皮膜２１で有利に置き換えることができる。ボンディングコート２０を例えばＮｉＡｌ皮膜２１と置き換えた場合には、さらに改善した性能が実現できる利点があることを、本出願人は確認した。

ボンディングコート２１は、β−ＮｉＡｌと、それに限定されないが、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、及び場合によっては任意選択的にＣｒを含む反応性元素とを基材としたＮｉＡｌＣｒＺｒオーバレイ組成を含むことができる。例えば、ボンディングコート２１は、主としてβ−ＮｉＡｌ相となるように約３０〜５０原子パーセントのアルミニウムを含有することができる。ボンディングコート２１のためのその他の適当な皮膜には、本出願と同一出願人の米国特許第６２５５００１号、第６１５３３１３号、第６２９１０８４号、米国特許第６６８２８２７号、米国特許第６６２０５２４号、及び米国特許出願第１０／２４９５６４号に記載されたような皮膜が含まれる。

ボンディングコート２１は、伝統的な拡散アルミナイド又は伝統的なＭＣｒＡｌＹ皮膜ではなく、それに代えて本質的にニッケルとアルミニウムとから成るＮｉＡｌ合金であるのが有利であり、また非常に限られた量のジルコニウムを含有することが、断熱皮膜システムの有効寿命を劇的に増大させるということが期せずして見出された。例えば、少なくとも０．２原子パーセントのジルコニウム（例えば、０．２〜約０．５原子パーセントのジルコニウム）の添加は、断熱皮膜システムの寿命を著しく改善することを示した。従って、ボンディングコート２１は、米国特許第６２５５００１号に記載されているように、ジルコニウムを含有するがそれとは別に主としてβ−ＮｉＡｌ相であるニッケルアルミナイドボンディングコートとすることができる。

同様に、ボンディングコート２１は、限られた量のジルコニウム及びクロムを合金添加物とした主としてβ−ＮｉＡｌ相とすることができる。例えば、ボンディングコート２１はさらに、米国特許第６２９１０８４号に記載されているように、該ボンディングコート上に被着させた断熱皮膜（ＴＢＣ）の耐剥離性を改善するために約２〜１５原子パーセントのクロムと約０．１〜１．２原子パーセントのジルコニウムとを含有することができる。ボンディングコート２１はさらに、クリープ強度を増大させることを意図した合金添加物を含有することができ、また任意選択的に耐破断性を増大させまた耐酸化性を増進させるための合金添加物を含有することもできる。例えば、ボンディングコート２１は、米国特許第６１５３３１３号に記載されているように、クロム、チタン、タンタル、シリコン、ハフニウム及びガリウムなどの添加物を含むことができ、また任意選択的にカルシウム、ジルコニウム、イットリウム及び／又は鉄などの添加物を含有することもできる。

ボンディングコート２１は、例えばマグネトロンスパッタ物理蒸着又は電子ビーム物理蒸着のようなＰＶＤ（物理蒸着）法を使用することによって施工することができる。しかしながら、溶射法又は陰極アーク法のようなその他の被着方法も使用できる。また、ボンディングコート２１は、任意の適当な厚さに施工することができる。例えば、ボンディングコート２１の適切な厚さは、約０．４ｍｉｌ（０．０００４インチ）〜約５ｍｉｌ（０．００５インチ）の間であり、典型的には約１ｍｉｌ（０．００１インチ）〜約２ｍｉｌ（０．００２インチ）の間の厚さに施工することができる。ボンディングコート２１はまた、約１．２ｍｉｌ（０．００１２インチ）の付加層を有する前に除去した拡散ボンディングコート２０よりも厚い、典型的には約１．５〜２ｍｉｌ（０．００１５〜０．００２インチ）のような厚さの付加層を有することもできる。

ボンディングコート２１は、ベース金属基体内へのボンディングコート成分の拡散を最小にするような方法で被着させることができる。例えば、１２μｍよりも厚くない、好ましくは５μｍよりも厚くない拡散域が、ＰＶＤ蒸着法の間に達成できる。この拡散域はエンジン使用時に温度及び時間に応じて増大するが、ボンディングコート２１と基体との間におけるこの初期の低レベルの相互作用により、本質的に純粋な酸化アルミニウムの初期層が形成されるのを増進し、実使用中において保護酸化アルミニウム層が成長するのを遅らせることが増進され、かつ基体成分の大量の非付着性酸化物が形成されるのを減少させる。その後の曝露の間における基体内へのボンディングコート２１の拡散を制限することによって、皮膜システムのボンド層及びセラミック層の両方を除去して基体上に新たなボンディングコート及びセラミック層を被着できるようにする時に、断熱皮膜システムの改修中に除去される基体材料を最少にすることができる。

ボンディングコート２１の実施形態は、より高いＴＢＣ剥離寿命及びより低い皮膜成長に関して幾つかの伝統的なＭＣｒＡｌＹ又はＰｔＡｌ系皮膜よりも優れていることを、本出願人はテストによって確認した。さらに、本出願人のボンディングコート２１は、約７．９ｇ／ｃｍ^３の密度を有する幾つかのＰｔＡｌ拡散皮膜よりも低い約６．１ｇ／ｃｍ^３の密度を有することができる。従って、より高密度のボンディングコート２０を除去してより低密度のＮｉＡｌオーバレイボンディングコート２１と置き換えた場合、本発明の実施形態では、重量を増加させずに、特性をさらに改善することができる。ボンディングコート２１は、施工処理中及びエンジン作動時の曝露中における拡散皮膜の成長が、典型的な拡散皮膜よりも著しく少ないという利点がある。従って、その後の補修では、ベース金属減損がより少なくなることになる。

例えば、約１ｍｉｌ（０．００１インチ）の厚さのより高密度のＰｔＡｌ拡散ボンディングコート２０と、その下にある約３ｍｉｌ（０．００３インチ）の厚さのＮｉ基合金（８．６４ｇ／ｃｍ^３）とを補修作業中に除去することができる。約１〜２ｍｉｌ（０．００１〜０．００２インチ）の厚さを有するＮｉＡｌオーバレイボンディングコート２１と、所望の場合には約２〜３ｍｉｌ（０．００２〜０．００３インチ）の厚さの付加的なセラミック断熱皮膜２２又はその他の適当なセラミック材料とを施工することができる。存在させる場合には皮膜２２又はその他の適当なセラミック断熱皮膜を、従来の方法を用いてボンディングコート２１に対して施工することができる。

本発明の実施形態によると、さらに後述する薄いＭＣｒＡｌＹ皮膜を含むボンディングコート２１は、ベース金属との相互拡散のレベルおいて、単純アルミナイド及びＰｔＡｌ拡散皮膜に優る利点を有することが見出された。従って、代わりの低成長耐環境性ボンド皮膜２１は、ベース金属との相互拡散のレベルに関して単純アルミナイド及び白金拡散皮膜に勝る利点を有しており、従って補修時に従来型の拡散皮膜の代わりに使用して部品の寿命を延ばすことができることを、本出願人は確認した。例えば図３は、様々な温度での約１００時間の曝露において、単相（ＰｔＡｌ_２の析出なし）要件又は２相（ＰｔＡｌ_２の析出あり）要件のいずれかに対して行ったＰｔＡｌ拡散皮膜の推定翼形部壁消耗量をＮｉＡｌ皮膜２１の推定翼形部壁消耗量と皮膜Ａｌレベルの関数として比較している。

皮膜は、電子マイクロプローブ分析（ＥＭＰＡ）法を用いてみると、皮膜中のＡｌの量に特徴があった。このデータは、異なる方法において、すなわち（ａ）一定の厚さにわたる又は一定のＡｌレベルに下がるまでの（例えば、約３０原子％に下がるまでの）ＥＭＰＡ測定値を平均することによって、皮膜中のＡｌの平均レベルを取得する場合に、又は（ｂ）一定の厚さまでの又は一定のＡｌレベルに下がるまでのＡｌの量を積分する場合に使用することができる。積分は、Ａｌ含有量対皮膜内への深さ曲線の下方面積を総計する台形積分法を用いて行うことできる。アルミニウム含有量は、皮膜上面からベース金属内までの約５μｍ間隔での電子マイクロプローブ深部走査を用いかつ約３０原子％Ａｌが皮膜中に観察された点に対する曲線を積分して求めた。積分Ａｌレベルは、皮膜成長潜在力を識別するための好ましい方法であるが、平均Ａｌレベルと皮膜厚さとの組合せも許容できる。

その１方が単相であり、他方が２相であるＰｔＡｌ皮膜は、異なるＡｌ測定値を有していた。

ａ）単相皮膜は、約４０原子％の平均Ａｌレベル及び約５１μｍ（２ｍｉｌ）の厚さ（約３０原子％に下がるまでの）、すなわち約２０５０μｍ＊原子％Ａｌの積分レベルを有していた。

ｂ）２相皮膜は、約４７原子％の平均Ａｌレベル及び約６３μｍ（２．５ｍｉｌ）の厚さ（約３０原子％に下がるまでの）、すなわち約２９８０μｍ＊原子％Ａｌの積分レベルを有していた。

積分レベルはまた、各皮膜における平均アルミニウム厚さと各皮膜における原子％アルミニウムの積によって推定することができる。例えば、３５原子％Ａｌレベルを有する５０μｍ厚さの皮膜は、１７５０μｍ＊原子％Ａｌの推定積分レベルを有することになる。

原料物質中のＡｌレベルと皮膜の全厚さとを調節することによって形成した少なくとも４つのＮｉＡｌ皮膜２１を評価した。ほとんどの皮膜は、約１．７〜３．３ｍｉｌの公称厚さを有しており、すなわち、
１つの皮膜は、約３６原子％の平均Ａｌレベル及び約４３μｍ（１．７ｍｉｌ）厚さ（約３０原子％に下がるまでの）、すなわち約１５５０μｍ＊原子％Ａｌの積分レベルを有し、
第２の皮膜は、約３８原子％の平均Ａｌレベル及び約５５μｍ（２．２ｍｉｌ）厚さ（約３０原子％に下がるまでの）、すなわち約２０８０μｍ＊原子％Ａｌの積分レベルを有し、
第３の皮膜は、約４１原子％の平均Ａｌレベル及び約６０μｍ（２．４ｍｉｌ）厚さ（約３０原子％に下がるまでの）、すなわち約２４６０μｍ＊原子％Ａｌの積分レベルを有し、
第４の皮膜は、約３８原子％の平均Ａｌレベル及び約８４μｍ（３．３ｍｉｌ）厚さ（約３０原子％に下がるまでの）、すなわち約３２００μｍ＊原子％Ａｌの積分レベルを有していた。

同様に積分レベルは、上に述べたように、各皮膜につての厚さと平均原子％アルミニウムとの積によって計算することもできる。

図３に示すように、試験したＮｉＡｌ皮膜２１は、従来型のＰｔＡｌ拡散皮膜と比較して、＜０．５ｘの（０．５倍よりも小さい）ベース金属内への皮膜成長を生じる利点があった。具体的には、グラフは、ＰｔＡｌ拡散皮膜の全てについてのベース金属相互拡散（次の補修においてストリッピングされることになる）の公称レベルが、検討したＮｉＡｌ皮膜２１のいずれについてのベース金属相互拡散をも越えていることを示している。約３８〜４０原子％の所定のＡｌ含有量、すなわち約２０００〜２１００μｍ＊原子％の積分Ａｌレベル（皮膜厚さはほぼ同一とする）の場合、先行技術によるＰｔＡｌ拡散皮膜は、オーバレイ皮膜２１よりも大きなレベルの総壁消耗量を生じた。図３はさらに、一般にＮｉ基オーバレイ皮膜２１は、それらがより高い平均Ａｌレベル及びより高い全体積分Ａｌレベルを有する場合でさえも、より低い壁消耗量を生じる利点があることを示している。

さらに、補修時に、例えば先行技術によるＰｔＡｌ拡散皮膜の典型的な製造レベルよりもＡｌレベルが低い（より低い平均Ａｌレベル及び積分レベルの）拡散皮膜を施工することもまた、皮膜２１として使用することができ、従来型のＰｔＡｌ皮膜と比べて補修性を改善することを可能にする。例えば、約２２５０μｍ＊原子％よりも低い積分アルミニウムレベルを含むように変更した伝統的な拡散皮膜を使用することができる。この積分アルミニウムレベルは、例えば約５０μｍの厚さでの約４５原子％Ａｌ以下に相当することになる。これらの皮膜はさらに、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｐｄなど）及び／又は反応性元素（例えば、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙなど）のような伝統的な付加成分を含むことができる。それに限定されないが一例として、皮膜は、約０〜１０原子％の貴金属及び／又は約０〜２原子％の反応性元素を含むことができる。

従って、例えば約２２５０μｍ＊原子％又はそれ以上に相当する約４５原子％のＡｌ含有量と約５０μｍの厚さとを有する従来型のＰｔＡｌ拡散皮膜を補修のために実使用翼形部から除去しかつより低成長のボンディングコート２１で置き換える場合には、その翼形部は、翼形部最小厚さ要件を満たしながら、より多い数回の補修を行うことができる利点があることを確認した。例えば、これらの壁消耗量のより少ないオーバレイ皮膜すなわちより薄い拡散皮膜を使用する場合には、少なくとも２〜４倍多くの回数の補修を行うことができる。例えば、先行技術による皮膜は、２ｍｉｌ又はそれ以上の壁減損を生じることになるが、本出願人の皮膜２１の実施形態は、約＜０．５〜１ｍｉｌの壁減損をもたらすに過ぎないことになる利点がある。さらに、不必要なものとして廃棄することになる部品が殆ど無いので、大きなコスト節減が得られる。その他の利点としては、相互拡散がより少ないことによりブレードの機械的特性を保つことが含まれる。

同様に、当技術分野において公知ではあるが、以下に述べるように変更したＭＣｒＡｌＹ皮膜もまた、補修時における壁消耗量を低下させるようなボンディングコート２１として使用できることを、本出願人は確認した。具体的には、ＭがＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ又はそれらの組合せであり、Ｃｒ及びＹが任意選択的であって、積分レベルが約４０００μｍ原子％よりも大きくならないように、約１０〜５０原子％Ａｌ又は１５〜３５原子％Ａｌを含みかつ約８ｍｉｌよりも薄い厚さ含むように変更したＭＣｒＡｌＹ皮膜が使用可能であることが確認された。このような条件の下では、例えば約２０００°Ｆ／１００時間において依然として約１ｍｉｌよりも少ない相互拡散を得ることができる。それに限定されないが一例として、Ｃｒは、約４〜４０原子％、より好ましくは約１５〜２５原子％の量だけ存在させることができ、またＹは約０〜２原子％とすることができる。

皮膜は、約３〜８ｍｉｌを越えない厚さ及び／又は約８ｍｉｌの厚さにおける約２０原子％Ａｌに相当する約４０００μｍ原子％のＡｌ積分レベルに施工されるのが好ましい。これらの皮膜はまた、当技術分野において知られているように、反応性元素（例えば、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙなど）、補強用元素（例えば、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａなど）及び貴金属を含むことができる。それに限定されないがさらに別の例として、皮膜中に約０〜２原子％の反応性元素、約０〜５原子％の補強用元素及び／又は約０〜１０原子％の貴金属を含むことができる。これらの皮膜はまた、好ましくは積分Ａｌレベルが約４０００μｍ＊原子％を越えて増大しない限り、過剰のアルミニウムを含有してもよい。

上記のＭＣｒＡｌＹ皮膜は、それに限定されないが、溶射法（ＨＶＯＦ、ＡＰＳ、ＶＰＳ、ＬＰＰＳ、Ｄ−ガン、シュラウドアークなど）及び物理蒸着法／液滴被着法（陰極アーク、電子ビーム、スパッタリングなど）を含む従来の被着方法を用いて施工することができる。

０．５〜４ｍｉｌの厚さに施工した場合ですら、ボンディングコート２１として使用するこれらの皮膜は、ボンディングコート２１として使用する幾つかのＮｉＡｌ皮膜よりも低レベルの壁消耗量となる。このような薄いＭＣｒＡｌＹ皮膜は、ＮｉＡｌ皮膜２１又は伝統的な拡散皮膜と組合せて使用される伝統的に厚いＭＣｒＡｌＹ皮膜の全性能特性とは等しくないことになる。しかしながら、これらの薄いＭＣｒＡｌＹ皮膜は、曝露時間が一般的に拡散皮膜の場合における最初の曝露時間の期間よりも短くなるが、その後の補修期間において特に有用となる。改善した耐酸化寿命が必要な場合には、反応性元素を加えて耐酸化寿命を増大させることができる。

さらに、壁消耗量を低下させるために積分Ａｌレベルを下げて、皮膜厚さを低く保つことが望ましいが、設計に際しては、施工する皮膜による重量増加を最小にすることも考慮すべきである。重量増加は、回転する翼形部の全域及び翼形部が取り付けられるディスクに生じる機械的応力に悪影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、ノズル（ベーン）、シュラウド及び燃焼器部品のような固定被覆部品は、重量増大に対する制約がより少ない。

補修作業における代りの低成長耐環境性ボンド皮膜２１の使用が、エンジン曝露後の翼形部壁の除去をより少なくすることを可能にすることによって、いかに部品寿命の延長を達成できるかという利点を、本出願人は確認した。例えば、従来型の拡散ボンド皮膜とベース超合金との相互作用域は、補修時に除去されて低成長耐環境性ボンド皮膜２１で置き換えられ、それによって他の方法ではこれまで可能でなかった多数回にわたる部品の補修を可能にすることができる利点がある。

本明細書では様々な実施形態を説明しているが、当業者は要素の様々な組合せ、変更又は改良を行うことが可能であり、またそれらが本発明の技術的範囲内に属することは本明細書から明らかであろう。特許請求の範囲において記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなく、その理解を容易にするためのものである。

高圧タービンブレードの斜視図。 ブレード上の断熱皮膜システムを示す、図１の線２−２に沿ったブレードの局所断面図。 様々な温度での約１００時間の曝露における拡散域厚さ／推定壁消耗量を皮膜内の積分Ａｌレベルの関数として比較して示すグラフ。

符号の説明

１０ 高圧タービンブレード
１２ 翼形部
１４ ダブテール
１６ プラットフォーム
１８ 断熱皮膜システム
２０ ボンディングコート
２２ セラミック断熱皮膜

Claims (10)

1. エンジン作動に曝されてきた被覆部品を、重量を増加させずに補修して補修された部品を生じさせる方法であって、当該方法が、
   ａ）拡散アルミナイド皮膜、ＭＣｒＡｌＹ皮膜（式中、Ｍは、鉄、コバルト及び／又はニッケルである。）及びこれらの組合せからなる群から選択されるボンディングコート（２０）をその上に有するＮｉ又はＣｏ或いはＮｉ及びＣｏの組合せの超合金からなるベース金属基体を含むエンジン運転使用済み部品を準備する段階と、
   ｂ）１〜３ｍｉｌ（２５．４〜７６．２μｍ）の厚さの前記ベース金属基体の一部分も除去して厚さが減少した残余ベース金属基体を形成するように、前記ボンディングコート（２０）を除去する段階と、
   ｃ）ｉ）本質的にニッケルとアルミニウムとからなり、ジルコニウムを含有するβ−ＮｉＡｌ合金、及びｉｉ）１０〜５０原子％Ａｌを含有し厚さが８ｍｉｌ（２０３μｍ）よりも薄くなるように変更したＭＣｒＡｌＹ合金（ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ又はそれらの組合せである。）からなる群から選択されるアルミニウム合金を含む低成長耐環境性ボンド皮膜（２１）を前記残余ベース金属基体に直接施工して、部品の外表面と基体との間に拡散域を形成させる段階と
   を含んでおり、前記基体内への皮膜成長が以前のボンディングコート（２０）よりも小さいので次の部品補修時に除去される残余ベース金属基体の厚さが３ｍｉｌ（７６．２μｍ）未満であり、それによって該部品の寿命が延長するとともに該部品の補修性が増大し、かつ前記低成長耐環境性ボンド皮膜（２１）が以前のボンディングコート（２０）よりも低い密度を有していて、補修された部品の重量が補修前の部品よりも重くない、方法。
2. 前記段階ｃ）の残余ベース金属基体の１ｍｉｌ（２５．４μｍ）以下の厚さが除去される、請求項１記載の方法。
3. 前記耐環境性ボンド皮膜（２１）が０．２〜０．５原子％のジルコニウムを含むβ−ＮｉＡｌ皮膜を含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記段階ｃ）の耐環境性ボンド皮膜（２１）が２２５０μｍ＊原子％Ａｌ未満の積分アルミニウムレベルを有する、請求項３記載の方法。
5. 前記段階ｃ）の耐環境性皮膜（２１）の厚さが４０００μｍ＊原子％Ａｌ以下の積分アルミニウムレベルを生じるように制御され、また前記耐環境性皮膜（２１）がβ−ＮｉＡｌオーバレイ皮膜を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記段階ｃ）の耐環境性ボンド皮膜（２１）の厚さが４０００μｍ＊原子％Ａｌ以下の積分アルミニウムレベルを生じるように制御される、請求項２記載の方法。
7. Ｎｉ又はＣｏ或いはＮｉ及びＣｏの組合せの超合金からなるベース金属基体を有するエンジン運転使用済み部品であって、拡散アルミナイド皮膜、ＭＣｒＡｌＹ皮膜（式中、Ｍは、鉄、コバルト及び／又はニッケルである。）及びこれらの組合せからなる群から選択されるオーバレイボンディングコート（２０）と１〜３ｍｉｌ（２５．４〜７６．２μｍ）の厚さのベース金属基体の一部分とが除去されて厚さが減少した残余ベース金属基体を形成したエンジン運転使用済み部品と、
   前記残余ベース金属基体に施工された、ｉ）本質的にニッケルとアルミニウムとからなり、ジルコニウムを含有するβ−ＮｉＡｌ合金、及びｉｉ）１０〜５０原子％Ａｌを含有し厚さが８ｍｉｌ（２０３μｍ）よりも薄くなるように変更したＭＣｒＡｌＹ合金（ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ又はそれらの組合せである。）からなる群から選択されるアルミニウム合金を含む低成長耐環境性ボンド皮膜（２１）と
   含む補修された部品であって、
   前記基体内への前記耐環境性ボンド皮膜の成長が以前のボンディングコート（２０）よりも小さいので次の部品補修時に除去される残余ベース金属基体の厚さが３ｍｉｌ（７６．２μｍ）未満であり、それによって該部品の寿命が延長するとともに該部品の補修性が増大し、かつ前記低成長耐環境性ボンド皮膜（２１）が以前のボンディングコート（２０）よりも低い密度を有していて、補修された部品の重量が補修前の部品よりも重くない、補修された部品。
8. 前記耐環境性ボンド皮膜（２１）が０．２〜０．５原子％のジルコニウムを含むβ−ＮｉＡｌ皮膜を含む、請求項７記載の補修された部品。
9. 前記耐環境性ボンド皮膜（２１）の厚さが４０００μｍ＊原子％Ａｌ以下の積分アルミニウムレベルを生じるように制御されている、請求項７記載の補修された部品。
10. 前記耐環境性ボンド皮膜（２１）が３ｍｉｌ（７６．２μｍ）を越えない厚さ範囲で施工されたＭＣｒＡｌＹ皮膜であり、ここで、ＭはＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びこれらの組合せからなる群から選ばれ、Ｃｒ及びＹは任意選択的である、請求項９記載の補修された部品。
    
    

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