JP6408771B2 - 処理した被覆物品及び被覆物品の処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、物品及び物品の処理方法を対象とする。より具体的には、本発明は、かかる物品及び方法内での中のＭＣｒＡｌＹ皮膜のアルミナイド処理を対象とする。
現代の高効率燃焼タービンは、焼成温度が約２３００°Ｆ（１０９３℃）を超え、より効率的なエンジンに対する要求が続くにつれて焼成温度は上昇し続けている。燃焼器及びタービン（又は「高温セクション」）セクションを形成する多くの構成部品、例えば、燃焼ライナー、燃焼セクションとタービンセクションの間のトランジションダクト、並びにタービン固定ノズル及び回転動翼及び周囲のリングセグメントは、アグレッシブな高温燃焼ガスに直接曝露される。熱応力に加えて、これらの及び他の構成部品は機械的応力及び負荷にも曝露され、それが構成部品をさらに摩耗させる。このような構成部品は、タービンの第１段及び第２段で特に高温に曝露される。
ガスタービンエンジンで使用されているタービン構成部品の大部分を製造するのに従来より使用されている多くのコバルト系及びニッケル系超合金材料は、このアグレッシブな高温燃焼環境で長期運転に耐えるために、ＭＣｒＡｌＹ又は拡散アルミナイドなどの酸化皮膜で構成部品を被覆することによって酸化性高温ガスフローから防護されている。
断熱層皮膜系は多くの場合、３つの層を含み、金属結合コート上に熱成長酸化物が、及び熱成長酸化物上にセラミックトップコートが存在する。通常、セラミックトップコートは、７重量％イットリア安定化ジルコニア（７ＹＳＺ）から形成される。７ＹＳＺは、低熱伝導率を示すが、残りの相はガスタービンを適用するときに見られる通常の運転温度で安定である。７ＹＳＺなどのセラミックトップコートは、適用範囲が限られていることもあり、適用に費用がかかる可能性がある。
このような金属結合コートの１つは、ＭＣｒＡｌＹ皮膜（Ｍは鉄、コバルト、及び／又はニッケルである）である。別の金属結合コートは、ＮｉＡｌ及びＮｉ2Ａｌ3などの拡散アルミナイド皮膜である。ＭＣｒＡｌＹ皮膜は通常、β相材料及びγ相材料を含む二相微細構造を示す。ＮｉＡｌβ相は、熱成長酸化物を成長させるためのアルミニウム供給源をもたらすアルミニウムリッチ相である。γ相材料が存在すると、延性が増大し、それによって熱疲労耐性が改善される。従来より、エンジンが高温ガス流路に沿ってかかるＭＣｒＡｌＹ皮膜を含む場合、皮膜は、例えば、高温の第１段及び第２段の温度に曝露されるブレード又はノズル上に存在すると、酸化される可能性がある。このような高温によって、β相材料はＭＣｒＡｌＹ皮膜から枯渇する。β相材料が所定の枯渇に達したときに、かかるＭＣｒＡｌＹ皮膜を修復する。
公知のＭＣｒＡｌＹ皮膜修復技術は、例えば、酸を用いてＭＣｒＡｌＹ皮膜を剥離し、物品をＭＣｒＡｌＹ皮膜で再被覆することを含む。このような技術は、タービン構成部品の使用期間を不所望に延長する。このような剥離及び再被覆は、不不所望に高いコストを生じ得る。さらに、不適切な剥離及び再被覆は、基材中の合金に不所望必要な影響を与えるおそれがある。
また、アルミナイド皮膜は、拡散厚さ限界に基づく温度で一定の運用年数に制限されており、及び／又は、例えば、内側形成ＭＣｒＡｌＹ皮膜上にアルミニウム処理が施されることにより、脆いか又は供用時にひび割れ亀裂が生じる可能性がある。
上記欠点のないＭＣｒＡｌＹ被覆物品及びＭＣｒＡｌＹ被覆物品の処理方法が、当技術分野において望ましいであろう。
例示的な実施形態では、被覆物品の処理方法は、ＭＣｒＡｌＹ皮膜を有する物品を用意する段階と、ＭＣｒＡｌＹ皮膜上にアルミナイド処理剤を塗工して処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜を形成する段階と、ＭＣｒＡｌＹ皮膜から処理剤へと外側に向かってβ相材料を形成する段階とを含む。塗工は、浸漬、スプレイ塗工、刷毛塗り、ディップ塗工、流延、パックセメンテーション、蒸着及びこれらの組合せからなる群から選択される。
別の例示的な実施形態では、被覆物品の処理方法は、ＭＣｒＡｌＹ皮膜を有する物品を用意する段階と、ＭＣｒＡｌＹ皮膜上にアルミナイド処理剤をスプレイ塗工して処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜を形成する段階と、ＭＣｒＡｌＹ皮膜からアルミナイド処理剤に外側に向けてβ相材料を形成する段階とを含む。
別の例示的な実施形態では、β処理物品は、基材とその少なくとも一部分の上に位置する処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜とを含む。処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜は、スプレイ塗工、刷毛塗り、流延、ディップ塗工、パックセメンテーション、蒸着、又は浸漬塗工された処理剤中にβ相アルミナイドを含む。
本発明の他の特徴及び利点は、一例として、本発明の原理を例示している添付図と併せて、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるはずである。
可能な限り、図面全体にわたって同じ部分を表すのに同じ参照番号を使用する。
例示的な処理ＭＣｒＡｌＹ被覆物品及びＭＣｒＡｌＹ被覆物品の処理方法を提供する。本開示の実施形態は、高温の第１段及び第２段の温度に曝露されるタービン動翼もしくはノズル中で新しい物質を使用できるようにし、ＭＣｒＡｌＹ皮膜から枯渇したβ相材料を補充し、剥離及び／もしくは再被覆せずにＭＣｒＡｌＹ皮膜を修復できるようにし、ＭＣｒＡｌＹ皮膜を有するタービン構成部品のためのサービス時間の継続時間を短縮し、ＭＣｒＡｌＹ皮膜の剥離及び再被覆に関連するコストを軽減し、耐酸化性及び／もしくは耐食性をそれほど犠牲にせずにアルミナイド皮膜を使用できるようにし、又はこれらの組合せである。
図１に示すとおり、処理前において、物品１０１は、基材１０３及びＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５又は基材１０３の少なくとも一部分の上に位置する結合コートを含む。物品１０１は、任意の適当な構成部品、例えば、タービン構成部品又はエンジン構成部品である。例示的な構成部品には、燃焼器ライナー、トランジションダクト（例えば、燃焼セクションとタービンセクションの間）、固定ノズル、回転動翼、囲い板、他の金属もしくは金属性構成部品、又はこれらの組合せがある。
物品１０１は、処理物品１０７を形成するために処理する。処理物品１０７には、外側形成β相材料１０９、例えば、β相アルミナイド、及びいくつかの実施形態では、他の適当なβ相金属間材料が、物品１０１の枯渇領域１１３に対応する処理物品１０７の復活領域１１１の範囲内に含まれている。枯渇領域１１３には、例えば、アルミナイド処理剤１１７を塗工する前に、物品１０１の酸化及び／又は運転による使用に基づいて量が低減したβ相材料が含まれる。外側形成β相材料１０９及び内側形成β相材料（図示せず）を形成し得ることが、当業者には理解されよう。「外側に」という用語の使用は、ＮｉＡｌ及びＮｉ2Ａｌ3β相材料を使用する内側に形成した皮膜よりも、外側に形成するβ相材料の特徴をより大きく持っていることを意味する。例えば、外側形成アルミナイドは、最初にβ−ＮｉＡｌを含むので、Ａｌ供給源と反応するためにニッケルが外側に拡散する。
処理物品１０７は、処理方法１００に基づいて形成する。処理方法１００は、ＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５にアルミナイド処理剤１１７を塗工して（段階１０２）、処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜１１５を形成する（段階１０４）ことを含む。アルミナイド処理剤１１７は、スラリー、ゲル、又はＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５に塗工できる任意の他の適当な物質である。アルミナイド処理剤１１７には、処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜を形成できるアルミナイド（例えば、ＮｉＡｌ及び／又はＮｉ2Ａｌ3）、又はアルミナイド及びクロマイド、シリコン、もしくは任意の他の金属間材料の組合せが含まれている。一実施形態では、アルミナイド処理剤１１７には、アルミニウムが重量による濃度で、約１２％〜約３２％、約１５％〜約２５％、約１５％〜約２０％、約２０％〜約２５％、約２０％〜約３０％、約２５％〜約３０％、約１５％、約２０％、約２５％、約３０％、又はその任意の適当な組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分範囲で含まれている。
一実施形態では、任意の適当な技術（複数可）によってアルミナイド処理剤１１７を塗工する前に物品１０１のＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５及び／又は他の部分を調製する。適当な調製技術には、グリットブラスト、洗浄、研削加工、マスキング、機械加工、又はこれらの組合せがあるが、それだけには限定されない。一実施形態では、調製技術によって、ＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５上の酸化された物質の一部、実質的に全部、又は全部を除去する。
アルミナイド処理剤１１７の塗工（段階１０２）は、ＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５をアルミナイド処理剤１１７に浸漬すること、ＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５をアルミナイド処理剤１１７にディップ塗工すること、アルミナイド処理剤１１７をＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５上に注ぐこと、アルミナイド処理剤１１７をＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５上にスプレイ塗工すること、アルミナイド処理剤１１７をＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５上に刷毛塗りすること、及び／又は処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜１１５を形成できる任意の他の塗工方法によって行なう。一実施形態では、アルミナイド処理剤１１７は、ＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５内に、例えば、深さ１１９で拡散する。適当な深さ１１９は、少なくとも約１ミル、少なくとも約１．５ミル、少なくとも約２ミル、約１ミル、約１．５ミル、約２ミル、約１ミル〜約２ミルの範囲内、約１ミル〜約１．５ミルの範囲内、約１．５ミル〜約２ミルの範囲内、又はその任意の適当な組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分範囲である。
アルミナイド処理剤１１７の塗工（段階１０２）は、処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜１１５を形成できるようにする運転条件下である。例えば、一実施形態では、アルミナイド処理剤１１７は、所定の継続時間、例えば、約１〜約６時間、約１〜約３時間、約３〜約６時間、約１時間、約３時間、約６時間、又はその任意の適当な組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分範囲の間塗工する。その上又はその代わりに、アルミナイド処理剤１１７の塗工（段階１０２）は、それに続いてアルミナイド処理剤１１７及び／又は物品１０１の加熱（段階１０６）を行ない、或いはアルミナイド処理剤１１７及び／又は物品１０１の加熱（段階１０６）をしながら行なう。例えば、一実施形態では、物品１０１は、大気炉内に配置し、例えば、アルゴンガス及び／又は低酸素含量などの不活性雰囲気で加熱（段階１０６）を行なう。熱１２１には、適当な温度、例えば、約１６００°Ｆ〜２２００°Ｆ、約１９００°Ｆ〜２１５０°Ｆ、約１９５０°Ｆ〜２１００°Ｆ、約１９７５°Ｆ、約２０００°Ｆ、約２０５０°Ｆの温度、又はその任意の適当な組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分範囲が含まれる。一実施形態では、加熱（段階１０６）は、例えば、ひずみ範囲が約４％であり、及び／又は処理物品１０７が脆性アルミナイドの塗工によって形成される亀裂を欠く、又は実質的に欠いているようにする、延性アルミナイドなどの延性金属間材料を形成できる温度で行なう。
アルミナイド処理剤１１７の塗工（段階１０２）及び加熱（段階１０６）により、ＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５の枯渇領域１１３が復活して、処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜１１５が形成される（段階１０４）。処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜１１５（段階１０４）の形成には、ＭＣｒＡｌＹ皮膜１０５からアルミナイド処理剤１１７に外側に形成したβ相材料１０９のように外側に形成するβ相材料が含まれる。
好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の修正を行なってもよく、かつ等価物をその要素と置き換えてもよいことが当業者には理解されたい。さらに、その重要な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物質を本発明の教示に適合させるために多くの変更形態を作ってもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図した最良の形態として開示した特定の実施形態に限定することなく、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むものである。
Claims (13)
- ＭＣｒＡｌＹ皮膜を有する物品を用意する段階と、
ＭＣｒＡｌＹ皮膜上に、ＮｉＡｌ及びＮｉ ２ Ａｌ ３ の少なくとも１種を含むアルミナイド処理剤を塗工して処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜を形成する段階と、
ＭＣｒＡｌＹ皮膜から処理剤へと外側に向かってβ相材料を形成する段階と
を含む、被覆物品の処理方法であって、塗工が、浸漬、スプレイ塗工、刷毛塗り、ディップ塗工、流延、パックセメンテーション、蒸着及びこれらの組合せからなる群から選択される、方法。 - アルミナイド処理剤を、約１６００°Ｆ〜２２００°Ｆ（８７１℃〜１２０４℃）の所定の温度域まで加熱する段階を含む、請求項１記載の方法。
- ＭＣｒＡｌＹ皮膜が、β相アルミナイドを含む第１及び第２の領域を含み、
前記第２の領域が、前記第１の領域よりＭＣｒＡｌ皮膜の表面側に位置し、
前記塗工が、スプレイ塗工であり、アルミナイド処理剤のスプレイ塗工前において、前記第２の領域が、前記第１の領域よりβ相アルミナイドが枯渇している、請求項１又は請求項２記載の方法。 - アルミナイド処理剤が、ＭＣｒＡｌＹ皮膜内に拡散する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
- アルミナイド処理剤が、１ミル〜２ミル（２５．４μｍ〜５０．８μｍ）の深さでＭＣｒＡｌＹ皮膜内に拡散する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
- アルミニウム化合物中のアルミニウムを含め、アルミニウムを１５重量％〜３０重量％の濃度で含むアルミナイド処理剤を用意する段階を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
- アルミナイド処理剤がスラリーである、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
- 前記加熱する段階において、不活性雰囲気を供給することを含む、請求項２に記載の方法。
- 前記用意された物品を剥離及び／又は再被覆せずに、処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜を形成する前記段階が行なわれる、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
- ＭＣｒＡｌＹ皮膜を有する物品を用意する段階と、
ＭＣｒＡｌＹ皮膜上に、ＮｉＡｌ及びＮｉ ２ Ａｌ ３ の少なくとも１種を含むアルミナイド処理剤をスプレイ塗工して処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜を形成する段階と、
ＭＣｒＡｌＹ皮膜からアルミナイド処理剤に外側に向けてβ相材料を形成する段階と
を含む、被覆物品の処理方法。 - β相材料が、β相アルミナイドを含む、請求項１０記載の方法。
- ＭＣｒＡｌＹ皮膜が、β相アルミナイドを含む第１及び第２の領域を含み、
前記第２の領域が、前記第１の領域よりＭＣｒＡｌ皮膜の表面側に位置し、
アルミナイド処理剤のスプレイ塗工前において、前記第２の領域が、前記第１の領域よりβ相アルミナイドの枯渇を含む、請求項１０又は請求項１１記載の方法。 - 前記用意された物品を剥離及び／又は再被覆せずに、処理ＭＣｒＡｌＹ皮膜を形成する前記段階が行なわれる、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項記載の方法。
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