JP5612255B2 - ターボ機械の金属部品およびドナーライナーの気相アルミ被覆プロセスならびにそのようなライナーを含むターボ機械翼 - Google Patents

Description

本発明は金属部品、特に内部ライナー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。さらに具体的には冷却剤を分配するライナーを組み込む中空ターボ機械翼へのそのようなコーティングの付加を目的とする。

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つ以上の圧縮機と連通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エンジンガス温度で動作し、性能がそれに連動するので、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、ノズルや回転タービンブレード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、これらの温度でのエンジン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手段は、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。コーティング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におけるアルミニウム堆積、あるいは気相堆積によるアルミ被覆と知られている技術に関する。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チャンバ中に、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金属またはアルミニウム合金の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循環さ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、ステータ部品およびロータ部品が冷却剤および圧縮機から引き抜かれた空気がそこを通って移動す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が観察された。ある環境で作動を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、ノズルの内部腐食、ノズルの空洞中の腐食のフレークの剥離、後縁通気孔の閉塞等が見受けられた。したがって、こうしたタイプの構成要素の保護も必要である。

気相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剤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添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、流路面積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、外側に連通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によって受けてチャンバ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、チャンバ中の圧力はキャリアガスの分子の平均自由行程が大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はチャンバ中の圧力であり、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。自由行程の増加は、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通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導入され部品に組み立てられた内部ライナーなどの部品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。それは二軸ガスタービンエンジン中の低圧段のノズルの断面である。ノズル翼案内１はシェル金型中での金属鋳造によって製造された部品を含む。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との間の中空ブレード２から形成される。ブレード２の空洞はその２つの端部を経由して連通し、それぞれ、１つの側は冷却剤の供給用開口部５を備え、他の側は流体出口６を備える。ブレード２の空洞内部に、実質的に円筒形状のライナー９が配置される。ライナーは、空洞の開口部の縁部に沿った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。ライナーの他の端部は、過渡的運転ステップの間にブレードに対するライナー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に連通する円筒状ハウジングに導入される。ライナーはその長さにわたって穿孔されブレードの内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ライナーの穿孔を通過し、衝突と対流によってブレードの壁を冷却する複数の空気ジェットを形成する。次いで、この空気はブレードの後縁に近く配置された通気孔を通して放出される。ライナー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、ブレードとは分離して作られたライナー９はオリフィス５を通して滑らせることによってブレード中に導入され、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内を膨張して滑る自由さが残される。

従来、後者等の部品のアルミ被覆処理はそれが組み立てられた後に行われる。

本発明によれば、空洞内部のアルミ被覆堆積は以下のプロセスで実質的に改善され、開口部を通して滑らせ部品内部に組み立てることのできる構成要素を含む任意の部品に適用することができる。

中空金属ターボ機械部品の高温酸化保護用の気相堆積によるアルミ被覆プロセスであって、
上記部品は金属構成要素が上記部品の開口部から導入され組み立てられる空洞を含み、
このプロセスに従って、ハロゲンとアルミニウムを含む金属ドナー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、
金属構成要素はプロセスの実施前に、アルミニウムドナーとして働くために最初にアルミニウム富化の表面であった。

表面富化構成要素からなる空洞内部のドナーの提供は効率的な堆積を可能にする。特に、部品の外側からのアクセス性の問題は内部ドナーの量を制御することによって解決される。

特に、構成要素は金属堆積によって形成された層でコーティングされるのが好ましい。この堆積は、気相堆積によるアルミ被覆（ＳＶＰＡまたはＣＶＤ、パックセメンテーションによるアルミ被覆）、真空蒸着（ＰＶＤ）、熱噴霧、電解堆積または浴中浸漬（ディップコーティング）等、当業者であれば利用可能な任意の方法によって実施することができる。

具体的にはドナーの量は層の厚さによって制御され、例えば、１０μｍから１５０μｍ、好ましくは２０から９０μｍである。

層は少なくとも１５重量％のアルミニウムを含むが、酸化抵抗性を向上させるその性質で知られる、（Ｃｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ）の群に含まれる少なくとも１つの元素、特にＣｒ元素を含むことができる。

上で説明したように、プロセスは中空ターボ機械翼のアルミ被覆処理に有利に適している。次いで、上記構成要素は空洞内部の冷却剤を分配するための穿孔されたライナーから構成される。

翼は空洞および空洞中のライナーを設けたブレードを備えるノズル案内翼である。ライナーはドナー金属で富化された後にブレードの一端部に作られた開口部を経由して導入される。次に、ライナーは一端部を経由してライナーを空洞中に導入するための開口部の側のブレードの壁に溶接される。ライナーは、その振動および摩擦抵抗の機械的性質から、例えば、コバルト系合金から作られる。

アルミニウムドナーライナーの使用は、翼の空洞の内部コーティングの品質が従来の気相アルミ被覆プロセスを変更することなく実質的に改善される限り特に有利である。翼およびドナーライナーは、アルミ被覆されないライナーを備える翼とほとんど同じように組み立てられ、唯一の変更はロウ付けされたゾーンが好ましくはコーティングされずに残らなければならないことであり、次いで、それは従来の方法でアルミ被覆される。

ドナーライナーを含む翼は、ガスタービンエンジンのタービンの高圧段用またはそのようなエンジンのタービンの低圧段用のノズル案内翼とすることができる。

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、本発明の方法が実施される気相アルミ被覆の従来の設備を非常に概略に示す。

チャンバ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。このチャンバ中に、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と一緒に、処理すべき部品Ｐ、例えば、タービンノズルを収容する。チャンバ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２０を含む。

部品、ドナー、および活性剤を箱１６中に置いた後、チャンバ１２はキャリアガス、例えばアルゴンを管路１８を経由して導入することによって先ず始めにパージされる。供給はチャンバの空気がアルゴンで置換されたとき停止される。次いで、管路１９を経由してチャンバ中にアルゴンを供給しながら炉の加熱が起動される。過剰ガスは管路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。

アルゴンは緩やかなフラッシングとして管路１９を経由してチャンバ１２中に連続的に導入され、管路２０を経由して排出される。処理時間は２から６時間である。

本発明によれば、ドナーはライナーをドナーとして使用することによって空洞と一緒にされる。

アルミ被覆処理の前に、部品はアルミニウム富化ライナーと鋳造されたばかりの部品を組み立てることによって調製される。ライナーはブレードに冷却空気を供給するための通路５を通して導入される。次に、ライナー９の上端部９’はブレードの開口部の壁にロウ付けされる。

ライナーは、当業者によって入手可能な任意の手段によってアルミニウムで富化されている。このライナーへのコーティングの付加のモードは特許自体に記載されたモード（気相アルミ被覆）とすることができ、ライナーは処理すべき部品ＰをＳＶＰＡ炉４のチャンバ１２中で置き換える。

したがって、ライナーは表面全体に層を形成する目的で気相アルミ被覆のために予め処理されている。層の厚さは、ハロゲンと反応して部品のアルミ被覆作業の間に気相ハロゲン化物を形成する十分なアルミニウムの量を有するように決定される。ドナーが処理すべき表面近くにあるので、得られる堆積は従来方法によって得ることのできる厚さよりも厚い。

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、部品をライナーなしに処理し、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ライナー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、空洞内部のドナー残渣を洗浄する特別の技術を開発する必要がない。

図３において、空洞の壁上に得られるコーティングの厚さのｙ軸上の分布が示される。従来技術に対応する曲線Ａは、下部表面および上部表面の両方に沿う前縁と後縁との間のコーティングの分布が非常に悪いことを示す。曲線Ｂはドナーライナーで得られたコーティングの厚さを表す。それはより均一でありゼロではない。ゾーンＣは外側厚さを示す。

内部空洞を備えるノズル案内翼およびこの空洞中に導入された冷却空気を分配するためのライナーを示す図である。 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による技術の両方で内部に得られたコーティング厚さを示す図である。

符号の説明

４ ＳＶＰＡ炉
９ ライナー
９’ 上端部
１２ チャンバ
１８、１９、２０ 管路

Claims (8)

1. ターボ機械の金属ノズル案内翼の高温酸化保護のための気相堆積によるアルミ被覆プロセスであって、ノズル案内翼は、空洞が設けられるとともに該空洞中に空洞内部に冷却剤を分配するための穿孔された金属ライナー（９）を具備するブレード（２）を備えており、前記ライナー（９）が、前記翼の開口部（５）から導入されて組み込まれるものであり、
   前記プロセスによれば、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、ハロゲン化物がキャリアガスによって運ばれて前記金属部品に接触し、
   金属ライナー（９）が、アルミニウムドナーとして働くために、前記プロセスの実施に先立ってアルミニウムで表面富化にされている、前記プロセス。
2. 金属ライナー（９）が金属堆積によって形成された層でコーティングされる、請求項１に記載のプロセス。
3. 金属ライナー（９）上への金属堆積が、ＳＶＰＡ、ＣＶＤ、ＰＶＤ、パックセメンテーションによるアルミ被覆、熱噴霧、電解堆積または浴中浸漬法の１つによって行われている、請求項２に記載のプロセス。
4. 層が１０μｍから１５０μｍの厚さを有する、請求項２または３に記載のプロセス。
5. 層が２０μｍから９０μｍの厚さを有する、請求項４に記載のプロセス。
6. 層が少なくとも１５重量％のアルミニウムを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 層が、酸化抵抗性を向上させるためにＣｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒの群に含まれる少なくとも１つの元素も含む、請求項６に記載のプロセス。
8. ライナーが、空洞中にライナーを導入するための開口部の側のブレードの壁に、一端部によって溶接またはロウ付けされる、請求項１から７のいずれか一項に記載のプロセス。

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