JP6403250B2 - エアフォイル部品内部の電気めっき - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンエンジンのエアフォイル部品(airfoil component)の内壁の冷却キャビティを画定する表面領域への電気めっき(electroplating)に関するもので、めっきされた領域に改質された拡散アルミナイドコーティングを形成するためのアルミナイジングに備えるものである。
ガスタービンエンジンは、冷却スキームや保護酸化／耐食コーティングを採用し、タービンエンジンの超合金ブレード及びベーンの高温性能が向上することにより、性能向上が達成され、エンジンの高温での運転温度を可能にしている。外部コーティングにおける最大の改良は、内側が冷却されるタービン部品に熱障壁コーティング(ＴＢＣ)が形成されたことであり、このコーティングは、典型的には、ＴＢＣと超合金基材との間の拡散アルミナイドコーティング及び／又はＭＣｒＡｌＹコーティングを含んでいる。
しかしながら、高性能ガスタービンエンジンに使用するために、タービンエンジンのブレード及びベーンの冷却通路又はキャビティを形成する内側表面の耐酸化性／耐食性のさらなる向上が要請されている。
＜発明の要旨＞
本発明は、ガスタービンエンジンのエアフォイル部品の冷却通路又はキャビティを画定する内壁の表面領域を電気めっきする方法及び装置を提供するもので、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属のめっき層が形成される。前記表面領域には、その後に、保護特性を向上させることができる量の拡散アルミナイドコーティングが形成され、めっき層はこのコーティングに一体化される。
本発明の例示的実施態様において、細長いアノードが、電解セル(electrolytic cell)のカソードとなるエアフォイル部品の冷却キャビティの内部に配置される。冷却キャビティには、少なくとも電気めっき中に、貴金属が含まれる電気めっき溶液が流入する。アノードは、反対側の端部領域が、電気絶縁アノード支持体に支持される。アノードとアノード支持体は、冷却キャビティの中に配置されることができる。アノード支持体は、特定の表面領域だけが電気めっきされるようにマスクとして機能できるように構成され、アノード支持体のマスキング効果により、特定の表面領域以外の領域はめっきされない。電気めっき溶液は、貴金属を含んでおり、選択された表面領域に貴金属層が形成されることができる。貴金属として、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒ及び／又はそれらの合金を挙げることができる。
電気めっきの後、めっきされた内側表面に、高温特性を向上させる量の貴金属が含まれる拡散アルミナイドコーティングが形成される。拡散アルミナイドコーティングの形成は、気相アルミナイジング(例えば、ＣＶＤ、アバブザパック等)、パックアルミナイジング、その他の適当なアルミナイジング方法により行われる。
エアフォイル部品は、１又は複数の冷却キャビティを有し、該冷却キャビティは、同時に電気めっきされ、その後、アルミナイジングされる。
本発明のこれらの目的及び利点は、添付の図面及びその詳細な説明からより明らかになるであろう。
図１は、ガスタービンエンジンのベーンセグメントの概略斜視図であり、特定の表面領域に保護コーティングが形成される複数(２つ)の内部冷却キャビティを有している。
図２は、ベーンセグメントの部分側面図であり、横方向に延びる冷却空気出口通路又は孔がベーンセグメントのトレーリングエッジで終端している。
図３は、マスクの斜視図であり、２つの冷却キャビティと、各冷却キャビティ内のアノード支持体上にあるアノードを示している。
図４は、１つの冷却キャビティ内のアノード支持体上にある１つのアノードの平面図である。
図５は、１つの冷却キャビティ内のアノード支持体上にあるアノードの側面図である。
図６は、図５に示すアノード支持体上にあるアノードの端面図である。
図７は、電気めっきタンク内アノードの電流供給部ツーリングに保持されたベーンセグメントの概略側面図であり、電源から送られる電流を受けるバスバーに接続されたアノードを示しており、ベーンセグメントが電解セルのカソードとなる。
図８は、マスクと電流供給部ツーリングの端面図であり、ベーンセグメントのエアフォイル外表面をめっきするための外部アノードを部分的に示している。
図９は、ガスタービンエンジンのベーンセグメントの概略端面図であり、幾つかの表面領域におけるＰｔ電気めっき層を示している。
＜発明の詳細な説明＞
本発明は、ガスタービンエンジンのエアフォイル部品(例えば、タービンブレード又はベーン又はそれらのセグメント)にある冷却キャビティを画定する内壁の表面領域を電気めっきする方法及び装置を提供する。前記表面領域には、貴金属(例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒ及び／又はそれらの合金)の層が形成される。その後に、前記表面領域には、アルミナイドコーティングの保護特性を向上させることができる量の貴金属を含む拡散アルミナイドコーティングが形成され、めっき層はこの貴金属改質アルミナイドコーティングに一体化される。
発明を例示する目的であって限定するものではないが、図１に示される一般型のガスタービンエンジンのベーンセグメント(5)に存在する冷却キャビティを画定する内壁の選択された領域に施される電気めっきに関して以下に詳細に説明する。図１において、ベーンセグメント(5)は、第１の拡大されたシュラウド領域(shroud regions)(10)と、第２の拡大シュラウド領域(12)と、前記拡大シュラウド領域(10)(12)の間のエアフォイル形状領域(14)とを含んでいる。エアフォイル形状領域(14)は、複数(図示では２つ)の内部冷却通路又はキャビティ(16)を含んでおり、各々が、冷却空気が通る開口端部(16a)を有し、シュラウド領域(10)からエアフォイル形状領域内側のシュラウド領域(12)に向けて長手方向に延びている。冷却空気キャビティ(16)の各々は開口端部(16a)から遠隔位置に閉じた内端部を有しており、図２に示されるように冷却キャビティ(16)から、冷却空気が存在するエアフォイルの外表面に横方向に延びる冷却空気出口通路(18)に連通される。ベーンセグメント(5)は、公知のニッケル基超合金、コバルト基超合金、その他特定のガスタービンエンジン用として適当な金属又は合金から作られることができる。
一実施態様において、各冷却キャビティ(16)を画定する内壁Ｗの選択された表面領域(20)は、図４−６に示される貴金属で改質された拡散アルミナイド保護コーティングでコートされる。内壁Ｗのもう一つの略平らな表面領域(21)と閉端部領域(23)は、コーティングが必要ないときは、貴金属費用を節約するためにコートされずに残される。本発明をＰｔ富化拡散アルミナイドについて説明するが、これは例示のためであって限定するものではなく、他の貴金属を拡散アルミナイドコーティングの富化に用いることができる。そのような貴金属として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒ及び／又はこれらの合金を挙げることができる。
図２及び図７を参照すると、図示のベーンセグメント(5)は、シュラウド領域(10)に合わせて作られた水密(water-tight)可撓性のマスク(25)を有しており、該マスクは、キャビティ(16)が開口端部(16a)を有するシュラウド領域(10)をマスキングすることによってめっきを防止するために用いられる。他方のシュラウド領域は、同じ目的のために固定具又はツーリング(27)(図７)に取り付けられたマスク(25')によって覆われる。マスクは、Hypalon(登録商標)材料、ゴム又は他の適合な材料から作られることができる。マスク(25)は、開口(25a)を含み、該開口を通って貴金属含有電気めっき溶液が各冷却キャビティ(16)の中に流れ込む。このために、電気めっき溶液供給用導管(22)がマスクの開口(25a)の中に収容される。導管(22)の出口端部は、キャビティ開口端部(16a)近傍のアノード(30)(30)の間に配置されており、電気めっきが行われている間、電気めっき液は、連続的又は周期的に両方の冷却キャビティ(16)に供給され、キャビティ(16)内のＰｔ含有溶液が補充される。或いはまた、導管(22)は、同じ目的のために、マスク開口(25a)の大部分を占めることができる形状及び大きさに構成されることができ、アノード(30)は、プラスチック導管(22)の中を通り、導管から出て、電源(29)に接続される。プラスチック製の供給用導管(22)は、タンクに取り付けられたポンプＰに接続されており、該ポンプにより、電気めっき溶液は導管(22)に供給される。このようにして、電気めっき溶液は、ポンプＰにより、マスク開口(25a)を通って両方の冷却キャビティ(16)へ供給される。例示目的であって、限定するものではないが、電気めっき溶液の典型的な流量は毎分１５ガロンであるが、他の適当な流量も可能である。導管(22)は、電気めっき中、マスク(25)がシュラウド領域(10)から外れないようにするために、冷却キャビティ(16)内の圧力が上昇するのを防止するための背圧解放孔(22a)を含んでいる。
電気めっきは、電気めっき溶液が入れられたタンクＴの中で行われ、ベーンセグメント(5)は、電流供給部固定具又はツーリング(27)上にて、電気めっき溶液の中に浸漬される(図７)。固定具又はツーリング(27)は、ポリプロピレン又は他の電気絶縁材料から作られることができる。ツーリングは、電力供給部(29)及び電流供給アノードバス(31)に接続された電気アノード接触スタッドＳを含む。アノード(30)は、電力供給部(29)に接続されたアノード接触スタッドに接続された電流供給バス(31)の延長部を通して電流を受ける。ベーンセグメント(5)は、シュラウド領域(12)にて電気的に接触状態にある電気カソードバス(33)により電解セル内でカソードとなり、ポリプロピレンツーリング(27)を通って電源(29)の負端子まで延在する。
夫々の細長いアノード(30)は、図７に示されるように、マスクの開口(25a)を通り、その長さに沿って各冷却キャビティ(16)の中を閉端部(表面領域(23)によって画定される)の手前まで延在する。アノード(30)は、シリンドリカル形状のロッド形状をしたアノードとして示されているが、他の形状のアノードを本発明の実施に用いることもできる。アノード(30)の両端部(30a)(30b)は、機械加工されたポリプロピレン又は他の適当な電気絶縁材料から作られた電気絶縁アノード支持体(40)に支持されている(図４、図５及び図６)。支持体(40)は、側部がテーパ状のベース(40b)を具え、該ベースは、アノード(30)が載置される直立した長手方向リブ(40b)を有する。夫々の冷却キャビティ(16)の略平らな表面領域(21)上で各アノード支持体のベース(40a)が係合すると、冷却キャビティ内のアノードは、めっきされる表面領域(20)に関して適所に保持され、表面領域(21)はめっきされないようにマスクされる。アノードの一端部は、アノード位置決めリブ(41)を直立させることによって位置決めされ、反対側の端部は、支持体(40)の一体型マスキングシールド(45)の開口(43)の中に位置決めされる。
アノード(30)及びアノード支持体(40)は全体として、各冷却キャビティ(16)と略相補的な形状及び寸法を有しており、アノード及びアノード支持体の組立体は、冷却キャビティを画定し表面領域(21)をマスキングする内壁Ｗの表面領域(20)から離間して(接触していない状態)冷却キャビティ(16)内に配置されることができる。アノード支持体(40)は、表面領域(21)のマスクとして機能するベース(40b)で構成されるので、表面領域(20)だけが電気めっきされる。表面領域(21)(23)は、ベース(40b)及びアノード支持体(40)の一体のマスキングシールド(45)によるマスキング効果として、めっきされずに残る。このような領域(21)(23)は、所望される使用用途に応じてコーティングが必要でないときは、貴金属費用を節約するために、コーティングされない。
ニッケル基超合金から作られたベーンセグメントを電気めっきするとき、アノードは、例えば、公知のニッケル２００金属を含むことができる。なお、他の適当なアノード材料として、限定するものではないが、プラチナめっきチタン、プラチナクラッドチタン、グラファイト、酸化イリジウムでコートされたアノード材料等を挙げることができる。
タンクＴの中の電気めっき溶液は、表面領域(20)に貴金属層を積層するための貴金属含有電気めっき溶液を含んでいる。電気めっき溶液は、貴金属を含有した適当な溶液であり、例えば、米国特許第５７８８８２３号に記載されたＰｔ含有ＫＯＨ水溶液で、Ｐｔを１リットル当たり９．５〜１２グラム重量を含むものを挙げることができるがこれに限定されるものではない。この米国特許の開示は、引用を以て本願への記載加入とする。なお、本発明は、他の適当な貴金属含有電気めっき溶液を用いることができ、その例として、リン酸緩衝溶液中のＰｔ源としてのヘキサクロリド白金酸(Ｈ２ＰｔＣｌ６)(米国特許第３６７７７８９号)、酸塩化物溶液、[(ＮＨ３)２Ｐｔ(ＮＯ２)２]又はＨ２Ｐｔ(ＮＯ２)２ＳＯ４等のＰｔ塩前駆体を用いた硫酸塩溶液、及び白金Ｑの塩浴(米国特許第５１０２５０９号に記載された[(ＮＨ３)４Ｐｔ(ＨＰＯ４)])を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
各アノード(30)は、電流供給用アノードバス(31)への延長線により、公知の電源(29)に接続され、電気めっき作業を行なうための電流(アンペア)又は電圧が供給される。電気めっき溶液は、冷却キャビティ(16)の中で、連続的又は周期的に送り込まれ、電気めっきに使用されるＰｔを補充し、領域(21)(23)がめっきされないようにマスキングされた状態で、各冷却キャビティ(16)の内壁Ｗの選択された表面領域(20)上に略一様な厚さのＰｔ層が積層される。電気めっき溶液は、キャビティ(16)を通って流れ、冷却空気出口通路(18)から出て、タンクの中に入る。ベーンセグメント(5)は、電気カソードバス(33)によりカソードとなる。例示のためであって限定するものではないが、図９は、選択された表面領域(20)にＰｔ層が積層されることを示しており、厚さは０．２５ｍｉｌ〜０．３５ｍｉｌである。なお、厚さは、これに限定されるものではなく、具体的なあらゆるコーティング用途に応じて適宜選択されることができる。また、例示目的であって、限定されるものではないが、米国特許第５７８８８２３号に記載されたＰｔ含有ＫＯＨ電気めっき溶液を用いる場合、前記厚さのＰｔを積層するための電気めっき電流は、０．０１０〜０．０２０アンペア／ｃｍ２にすることができる。
各冷却キャビティ(16)の電気めっきが行われる間、ベーンセグメント(5)の外部エアフォイル面(マスキングされたシュラウド領域(10)(12)の間)は、ベーンセグメント(5)の外部のツーリング(27)に配備され、タンクＴにてアノードバス(31)に接続された他のアノード(50)(一部は図８に示される)を使用して、貴金属(例えばＰｔ)で電気めっきされることができる。又はベーンセグメントの外表面の全部又は一部が、電気めっきされるのを申しするためにマスキングされることができる。
電気めっきを行ない、アノード及びアノード支持体をベーンセグメントから除去した後、拡散アルミナイドコーティングが、めっきされた内側表面領域(20)とめっきされていない内側表面領域(21)(23)とに形成される。アルミナイドコーティングは、公知の気相アルミナイジング(例えば、ＣＶＤ、アバブザパック等)、パックアルミナイジング、その他適当なアルミナイジング法により行なうことができる。表面領域(20)に形成される拡散アルミナイドコーティングは、高温性能を向上させるための貴金属(例えばＰｔ)富化部を含んでいる。即ち、拡散アルミナイドコーティングによりＰｔが富化され、先にＰｔ層が存在する表面領域(20)(図９)にＰｔ改質拡散アルミナイドコーティングが形成される。Ｐｔ電気めっき層が存在することにより、拡散アルミナイドの中に入り込み、ベーンセグメント基質上で成長して、Ｐｔ改質ＮｉＡｌコーティングが形成される。めっきされていない他の表面領域(21)(23)に形成された拡散コーティングは、貴金属を含まない。拡散アルミナイドコーティングは、米国特許第５２６１９６３号及び第５２６４２４５号に記載された外部ジェネレータにより生成される塩化アルミニウム含有コーティングガスを用いて、基質温度１９７５°Ｆで9時間、低活性ＣＶＤ(化学蒸着)アルミナイジングを施すことにより形成される。前記２件の米国特許の開示及び教唆は、引用を以て本願に記載加入されるものとする。ＣＶＤアルミナイジングはまた、米国特許第５７８８８２３号及び第６７９３９６６号に記載された方法によって行なうことができ、この２件の米国特許の開示及び教唆は、引用を以て本願への記載加入とする。
本発明について、例示的実施態様に関して説明したが、当該分野の専門家であれば、添付の特許請求の範囲に規定された発明の範囲内で種々の変形及び変更をなし得るであろう。

Claims (18)

  1. ガスタービンエンジンのエアフォイル部品の冷却キャビティを画定する内壁の所定表面領域を電気めっきする方法であって、
    カソードである前記部品の冷却キャビティの中に、アノードと前記アノードを支持する電気絶縁性アノード支持体とを配置することであって、前記電気絶縁性アノード支持体を前記所定表面領域とは異なる他の表面領域に対して配置することを含み、
    電気めっき工程の少なくともその工程の一部の間、貴金属含有電気めっき溶液を冷却キャビティの中に流し込むことにより、前記所定表面領域に貴金属の層を形成すると共に、前記電気絶縁性アノード支持体が前記他の表面領域をマスキングすることによって、前記他の表面領域が電気めっきされないようにすることを含んでいる、方法。
  2. 電気めっき溶液は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ又はＩｒを含む金属を含んでおり、該金属は、前記所定表面領域に積層される、請求項１の方法。
  3. ガスタービンエンジンのエアフォイル部品の冷却キャビティを画定する内壁の表面領域を電気めっきする方法であって、
    カソードである部品の冷却キャビティの中にアノードを配置し、
    電気めっき工程の少なくともその工程の一部の間、貴金属含有電気めっき溶液を冷却キャビティの中に流し込むことにより、前記表面領域に貴金属の層を形成することを含み、
    電気めっき溶液は、１又は複数の背圧解放用開口を有する供給用導管を通して、冷却キャビティに供給される、方法。
  4. 前記部品がＮｉ基超合金から作られるとき、アノードはニッケルを含んでいる、請求項１の方法。
  5. 前記部品は、ガスタービンエンジンのベーン若しくはブレード又はそのセグメントを含んでいる、請求項１の方法。
  6. 電気めっきされた表面領域をアルミナイジングすることにより、貴金属が含まれる拡散アルミナイドコーティングを形成することをさらに含んでいる、請求項１の方法。
  7. 部品のキャビティを画定する内壁の所定表面領域を電気めっきする装置であって、電気絶縁性アノード支持体に支持されたアノードを含んでおり、アノードとアノード支持体は、キャビティの中に配置され、アノード支持体が、前記所定表面領域とは異なる電気めっきされない他の表面領域に対して配置され、前記他の表面領域をマスキングする、装置。
  8. 貴金属を含有する電気めっき溶液をキャビティの中に流し込むポンプを含んでいる、請求項７の装置。
  9. 電気めっき溶液は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ又はＩｒを含む金属を含んでおり、該金属は前記表面領域に積層される、請求項７の装置。
  10. 部品のキャビティを画定する内壁の表面領域を電気めっきする装置であって、電気絶縁性アノード支持体に支持されたアノードを含んでおり、アノードとアノード支持体は、キャビティの中に配置され、アノード支持体により、電気めっきされない他の表面領域がマスキングされ、
    電気めっき溶液は、１又は複数の背圧解放用開口を有する供給用導管を通して、冷却キャビティに供給される、装置。
  11. 前記部品がＮｉ基超合金から作られるとき、アノードはニッケルを含んでいる、請求項７の装置。
  12. 前記部品は、ガスタービンエンジンのベーン若しくはブレード又はそのセグメントを含んでいる、請求項７の装置。
  13. アノード支持体とアノードの組立体は、アノード支持体の表面を、キャビティを画定する壁の表面と当接させてキャビティの中に配置される、請求項７の装置。
  14. 電気めっき溶液が入れられたタンクを含んでおり、該タンクの中に、アノードを有する部品が浸漬される、請求項７の装置。
  15. ガスタービンエンジンのエアフォイル部品であって、内壁の内部に冷却キャビティを画定する表面領域を有し、該表面領域が、冷却空気の出口通路の近位側に電気めっきされた金属層を有する第１の部分と、前記冷却空気の出口通路の遠位側に電気めっきされた金属層を有しない第２の部分とを含む、部品。
  16. 電気めっきされた金属層は貴金属層である、請求項１５の部品。
  17. 前記部品は、ガスタービンエンジンのブレード若しくはベーン又はブレード若しくはベーンのセグメントである、請求項１５の部品。
  18. ガスタービンエンジンのエアフォイル部品であって、内壁に冷却キャビティを画定する表面領域を有し、内壁の前記表面領域が、冷却空気の出口通路の近位側に貴金属含有拡散アルミナイドコーティングを有する第１の部分と、前記冷却空気の出口通路の遠位側に貴金属含有拡散アルミナイドコーティングを有しない第２の部分とを含む、部品。
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