JP5483854B2 - ターボ機械の中空金属部品を気相中でアルミ被覆する方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部品、特に空洞へのアクセスを可能にする開口部を有する空洞を含む中空金属部品へのアルミニウムコーティングの堆積に関する。さらに具体的には、その目的は、冷却流体分配スリーブを組み込むターボ機械の中空ブレード上へそのようなコーティングを付加することである。

航空機分野において推進のために用いられるガスタービンエンジンは、通常、同一軸の回りを回転するファンを含む１つ以上の圧縮機に連絡する大気空気入口を含む。圧縮された後、空気の主な流れはこの軸の回りに環状に配置された燃焼チャンバに供給され、１つ以上のタービンの下流に高温ガスを提供するため燃料と混合され、そこを通って高温ガスが膨張し、タービンロータは圧縮機ロータを駆動する。エンジンはタービンの入口の駆動ガス温度で動作し、性能がそれに関連するので、できるだけ高いことが要求される。この目的のために、材料はこれらの動作条件に耐えるように選択され、上流案内翼または可動タービンフィンなど高温ガスが掃いて流れる部分の壁には冷却手段が設けられる。さらに、その金属構成はニッケル系またはコバルト系超合金から作られるので、これらの温度での駆動ガスの成分による侵食および腐食から超合金を保護することも必要である。

これらの部品を保護することで知られている方法は、ガスによって攻撃されやすい表面にアルミニウム系コーティングを堆積することである。アルミニウムは金属間拡散によって基体に付着し、表面上に酸化物の保護層を形成する。保護層の厚さは数十ミクロン程度である。

本発明は、それ自体知られている気相アルミニウム堆積、あるいは気相堆積によるアルミ被覆と呼ばれる技術に関する。本方法によれば、処理すべき部品は、不活性または還元性ガス、例えばアルゴンまたは水素とハロゲン化アルニミウムを含む活性ガスの混合物からなる雰囲気の容器中に置かれる。９００℃から１１５０℃の反応温度で、ハロゲン化物は部品の表面でガス状ハロゲンとアルミニウムに分解して金属中に拡散する。

ハロゲン化物は、処理すべき部品を収容した容器中に、活性剤を形成するハロゲン、塩素またはフッ素の化合物の粒子の存在下、ドナーを形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の金属ブロックを置くことによって製造される。不活性ガスは所定温度で活性剤の回りに運ばれてハロゲンを昇華させ、ドナーに運ばれてそれと反応し、この温度では気体の形である状態の金属ハロゲン化物を生成する。次いで、ハロゲン化物はコーティングされる金属基体に接触して分解され、アルミニウムを堆積させ、ガス状ハロゲンが再び形成される。

また、可動であるが、ステータ部品が圧縮機から引き抜かれた冷却流体の空気が掃くように流れる内部空洞を備えるとき、これらの空洞の壁も腐食を受けることに留意されたい。ある環境で作動するエンジンで使用されて戻った部品はこれらの表面の攻撃を示した。例えば、上流案内翼の内部腐食、上流案内翼の空洞中の腐食のフレークの剥離、後縁通気孔の閉塞等に留意されたい。したがって、部品のこれらの部分の保護も必要である。

気相中の堆積によるアルミ被覆の方法は、キャリアガスおよび活性成分が冷却流体の循環用の狭い通路に入り易くこれらの通路が開いているので、保護コーティングを付加するには原理的に適している。現実はこれが真実ではないことを示す。保護層の厚さは均一ではなく、空洞へのアクセスを提供するオリフィスから急激に減少する。さらに、空洞の通気孔で蓄積が形成され、通路断面と部品の冷却特性が減少する。

本出願人の名義によるＦＲ２８３０８７４は、外側に連絡する孔と空洞が設けられ、それを経由して得るべき堆積物のアルミニウム化合物を含むガス状前駆体がキャリアガスの助けを受けて容器中に置かれた部品の表面に接触する、金属ターボ機械部品の気相堆積によるアルミ被覆の方法について記述し、キャリアガスはヘリウムまたはアルゴンであり、容器中の圧力はキャリアガスの分子の平均自由行程が雰囲気圧力下でアルゴン分子の２倍の大きさであるように選択される。分子の平均自由行程は、通常１／Ｐ＊Ｄ^２で画定され、式中、Ｐは容器中の圧力であり、Ｄは分子の直径である。

キャリアガスの分子の平均自由行程を長くすることによって、内部チャネル中のハロゲン化物の拡散が増加し、従来の方法ではアクセス可能性の低いゾーンの堆積物の厚さが増加し、したがって、全体的に保護が改善される。自由移動の増加は、キャリアガス、ここではヘリウムの選択、または上式から導くことのできる圧力降下によって得られる。
仏国特許出願公開第２８３０８７４号明細書

本発明の主題は、表面全体にわたる十分な厚さの内部空洞壁のコーティングを得ることを可能にするさまざまな方法である。

本発明は空洞と、少なくとも空洞が開口部を介して連絡し外側からアクセスすることのできる開口部を有する中空部品に関する。さらに具体的には、空洞内部に開口部を通して固定され部品と組み立てられた内部スリーブを備えるそのような部品に関する。

そのような部品は図１に示される。それはバイパスガスタービンエンジン中の低圧段の上流案内翼の断面である。上流案内翼のブレード１はシェル金型中の金属鋳造によって製造された一部分を含む。図において直交平行線模様を付けたこの部分は２つのプラットフォーム３と４との間の中空エアフォイルから形成される。エアフォイル２の空洞はその２つの端部を経由して連絡し、それぞれ、１つの側は冷却流体の供給用開口部５を備え、他の側は流体出口６を備える。エアフォイル２の空洞内部に、実質的に円筒形状のスリーブ９が配置される。スリーブは、空洞の開口部の縁部に沿う周辺に溶接またはロウ付けすることによって、冷却空気供給用の開口部５の側に溶接またはロウ付けされる。スリーブの他の端部は、過渡的運転ステップの間にエアフォイルに対するスリーブの相対的膨張を可能にするため、そこに溶接しないで出口６に連絡する円筒状ハウジングに係合される。スリーブはその長さにわたって穿孔されエアフォイルの壁で空間が構成されるので、空気供給開口部５から来る冷却空気は部分的にスリーブの穿孔を通過し、衝突と対流によってエアフォイルの壁を冷却する複数の空気ジェットを形成する。次いで、この空気はエアフォイルの後縁に近く配置された換気口を通して放出される。スリーブの壁を通過しなかった空気は開口部６に向かって案内され機械の他の部分に向かって送られる。

製造において、エアフォイルとは分離して作られたスリーブ９はオリフィス５を通して滑らせることによってエアフォイル中に固定され、次いで、上述のように口の近くにロウ付けされる。図において、下部は開口部６によって形成されたハウジング中に膨張して滑る自由さが残される。

本発明によれば、アルミ被覆堆積物は、外側からアクセスすることのできる空洞を含む任意の部品に適用可能な以下の方法で空洞の内側が実質的に改善される。

ターボ機械の金属部品の高温での酸化から保護する気相堆積によるアルミ被覆の方法は、
上記部品が外側からアクセスすることのできる空洞および開口部を含み、
この方法に従ってハロゲンとアルミニウムを含む金属ドナーとの間の反応によってハロゲン化物が形成され、次いで、ハロゲン化物はキャリアガスによって運ばれて上記金属部品に接触し、
上記金属ドナーが少なくとも部分的に上記空洞中に置かれ、
金属ドナーが金属粉の混合物の圧力下の高温焼結によって得られるペレットの形であることを特徴とする。

ペレットを構成する金属は、金属Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、またはＦｅの１つと組み合わせたアルミニウムを含むことが好ましい。アルミニウムはペレット中３０から８０原子％の割合で含まれ、さらに具体的には４５から７０原子％の割合で含まれる。

空洞の内部にペレットからなるドナーを提供することによって、効率的な堆積が可能である。外側から部品へのアクセス性の困難さは、例えばペレットの長さによって内部ドナーの量を制御することによって解決されることは注目に値する。

さらに具体的には、ペレットは、酸化に対する抵抗を改善するために次の群（Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ）に含まれる少なくとも１つの元素も含む。

本方法は、内部冷却流体分配空洞を備える上流案内翼ブレードなど、ニッケル系またはコバルト系超合金から作られた部品に適用される。この場合、ペレットは冷却流体入口開口部を経由して挿入される。

タービンの中空可動ブレードなどのターボ機械部品の気相アルミ被覆方法に関するＥＰ１５７７４１５が知られ、これによれば、ストリップは８５重量％のアルミニウム系粉からなり、残りは活性剤と一緒に有機結合剤から形成される部品の内側に置かれる。有機結合剤は処理の間にカーボン化され、消費されなかったストリップの部分は空洞から容易に抜き取ることができる。それらのストリップはそれ自体知られており、ＵＳ５３３４４１７に記載される。本発明の解決策は、純粋に金属材料を用いるので、有機残渣がない利点と共にペレットの容易な操作を可能にする。したがって、汚染がない。さらに、ペレットは所望の形状に機械加工することができるので、使用者は簡単に使用することができる。

最終的に、ペレットはいかなる特定の除去作業も必要とせず、残渣は通常の清浄作業中に除去される。

ここで、図面を参照して本発明の非制限的な実施形態を説明する。

図２は、本発明の方法が適用される気相堆積によるアルミ被覆の従来の設備を非常に概略に示す。

容器１２は、部品を１２００℃の温度に加熱することのできる炉４内に搭載される。この容器中に、箱１６、この場合３つの重なり合った箱が、蓋１６’と一緒に配置される。これらの箱は、粉またはブロックの形の金属ドナーＤ、および活性剤Ａ、例えばＮＨ_４ＦまたはＮＨ_４Ｃｌと一緒に、処理すべき部品Ｐ、例えば、タービン上流案内翼を収容する。この例における容器１２は、パージキャリアガスの供給１８、キャリアガスをフラッシングする供給１９、および弁２１で制御される放出部２０を含む。しかし、このフラッシング機能は本設備では任意選択的である。

部品、ドナー、および活性剤を箱１６中に置いた後、使用者はキャリアガス、例えばアルゴンガスをダクト１８を経由して導入することによって容器１２のフラッシングを開始する。供給は容器の空気がアルゴンで置換されたとき停止される。次いで、ダクト１９を経由して容器中にアルゴンを供給しながら炉の加熱が起動される。過剰ガスはダクト２０を経由して排出される。活性剤Ａの活性化温度で、ハロゲン、塩素またはフッ素が放出される。ドナーに接触すると、ハロゲンは金属と反応してハロゲン化物を形成する。このようにして形成されたハロゲン化物の蒸気は箱１６の内部を循環し、金属部品Ｐに接触する。このとき、ハロゲン化物は分解して金属を放出し、部品に堆積する。

アルゴンはダクト１９を経由して容器１２に常時挿入され、ダクト２０を経由して排出される。処理の期間は２から６時間である。

本発明によれば、ドナーはドナーペレット１０を用いて空洞近くに置かれる。

ドナーペレット１０は処理を開始する前に開口部５を経由して挿入される。

ペレットは粉体冶金技術によって製造されている。

本技術は金属粉の形の成分を混合すること、次いで、このようにして調製した混合物を圧力下で焼結して固化することからなる。知られているように、焼結は対象とする圧力の効果の下で熱処理によって凝集した個々の粒子の混合物を変化させる工程である。この方法はドナーとして働く金属間元素を形成するために、成分を全体または部分的に反応させることができる。このようにして、初期の多孔質性よりも多孔質性に小さい固体ブロックが得られる。また、この工程は、熱処理を通じてクロームのアルミ被覆などの少なくとも１つの固体金属間相を維持すること、および形状と寸法の安定性を確実に保持することを特徴とする。

焼結作業の後、ペレットは、空洞中へそれを挿入することの可能な空間に適する形状に機械加工することができる。図１に示すように、それは空洞中に挿入された棒１０である。

空洞内にドナーのバスケットを配置することからなる他の解決策に比べて、本解決策の利点は既に組み立てられた部品の処理を可能にすることである。中間ステップにおけるバスケットの使用は、部品をスリーブなしに処理し、次いで、壁がアルニウム層でコーティングされた部品上にスリーブを装着することが必要となり、特別のロウ付け手段を用いることが必要である。

さらに、特定の方法に従って空洞内部のドナー残渣を清掃する必要がない。残渣は既に提供された従来の清浄作業によって除去される。

図３はブレードの内部壁の表面上に形成されたアルミニウム層の厚さをグラフで示す。尚、先行技術によれば、この厚さＡは圧力面および吸引面の部分のいずれの側でも前縁の側で実質的にゼロであることに留意されたい。本方法によれば、ブレードの周辺およびブレードの根元と先端との間の両方により均一な厚さＢ、例えば５０から７０μｍが得られる。

部品の外側表面上の処理後に見出される図３のＣで示されるものと内部層の厚さを比較すべきである。

内部空洞およびこの空洞中に固定された冷却空気分配スリーブを備え、ペレットが上記スリーブ中に収容される上流案内翼ブレードを示す図である。 本発明の方法の適用に適したアルミ被覆設備を示す図である。 先行技術および本発明の技術による内部に固定されたフィン空洞の壁に堆積された層の厚さの変化を示すグラフである。

符号の説明

１ ブレード
２ エアフォイル
３、４ プラットフォーム
５ 供給用開口部
６ 流体出口
９ スリーブ
１０ ペレット
１２ 容器
１６ 箱
１６’ 蓋
１８ パージキャリアガス供給、ダクト
１９ キャリアガスフラッシング供給、ダクト
２０ 放出部、ダクト
２１ 弁

Claims (5)

1. ターボ機械の金属部品の高温での酸化から保護する気相堆積によるアルミ被覆の方法であって、
   前記部品が外側からアクセスすることのできる開口部を備える空洞を含み、
   この方法に従って、ハロゲンとアルミニウムを含む金属ドナーの間の反応によってハロゲン化物が形成され、次いで、ハロゲン化物はキャリアガスによって運ばれて前記金属部品に接触し、
   前記金属ドナーが少なくとも部分的に前記空洞中に置かれ、
   金属ドナーが金属粉の混合物の圧力下の高温焼結によって得られるペレットの形であり、
   前記部品が、ニッケル系またはコバルト系超合金から作られ、空洞中に内部冷却流体分配スリーブを備える上流案内翼ブレードであり、ペレットが、冷却流体入口開口部を経由して挿入される、前記方法。
2. ペレットを構成する金属が、金属Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、またはＦｅの１つと組み合わせたアルミニウムを含む、請求項１に記載の方法。
3. アルミニウムがペレット中３０から８０原子％の割合で含まれる、請求項２に記載の方法。
4. アルミニウムがペレット中４５から７０原子％の割合で含まれる、請求項３に記載の方法。
5. ペレットが酸化に対する抵抗を改善するために、次の群（Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ）に含まれる少なくとも１つの元素を含む、請求項１に記載の方法。

Images