JP6653776B2 - タービン部品のアルミナイジングに用いられるマスカント - Google Patents
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Description
＜発明の分野＞
本発明は、タービンブレード等のタービン部品のコーティングに関するもので、比較的高温で使用される領域にアルミナイジングが施され、比較的低温で使用される領域はアルミナイジングを防止するためにマスクされ、Ｃｒの富化が行われるか、及び／又は既に含まれているＣｒ含有量を維持するものである。
本発明は、タービンブレード等のタービン部品のコーティングに関するもので、比較的高温で使用される領域にアルミナイジングが施され、比較的低温で使用される領域はアルミナイジングを防止するためにマスクされ、Ｃｒの富化が行われるか、及び／又は既に含まれているＣｒ含有量を維持するものである。
＜発明の背景＞
ガスタービンエンジンの超合金タービンブレード及び／又はタービンベーンは、エアフォイル部に、場合によってはプラットフォーム部に、さらにはルート部のシャンクに、単純拡散又はＰｔ改質拡散アルミナイドのコーティングが施され、熱遮蔽セラミックコーティングのボンドコートとして供され、使用温度で起こる高温酸化による劣化又は弱塩で促進される腐食に対する保護となり得るものである。拡散アルミナイドコーティングの形成は、タービンブレード／ベーンのこれらの領域で許容され得る寸法成長(dimensional growth)を伴う。
ガスタービンエンジンの超合金タービンブレード及び／又はタービンベーンは、エアフォイル部に、場合によってはプラットフォーム部に、さらにはルート部のシャンクに、単純拡散又はＰｔ改質拡散アルミナイドのコーティングが施され、熱遮蔽セラミックコーティングのボンドコートとして供され、使用温度で起こる高温酸化による劣化又は弱塩で促進される腐食に対する保護となり得るものである。拡散アルミナイドコーティングの形成は、タービンブレード／ベーンのこれらの領域で許容され得る寸法成長(dimensional growth)を伴う。
しかしながら、超合金タービンブレード又はベーンのモミの木(fir tree)状領域又は他の取付領域では、寸法成長の許容範囲が小さく、取付面／嵌合面の寸法許容範囲を超えると、組立時に問題が生じたり、高応力が作用する取付領域、例えばモミの木状ルート部に機械的破損が生じる。モミの木状領域又は他の取付領域を、好ましくない寸法成長を生じさせることなく低温腐食から保護するために、タービンブレード／ベーンの他の領域のアルミナイジングと同時にモミの木状領域又は他の取付領域をクロマイジングすることが試みられている。公知の一方法では、クロマイジング組成物を含む第１のマスクが超合金タービン部品の選択された領域に配置され、アルミナイジングマスクが、クロマイジング組成物の上に配置される。
クロマイジング組成物は、クロム粉末、フェロクロム粉末又は他のクロム含有粉末、不活性耐火物希釈粉末及びハロゲン化物活性剤を含み、バインダーと混合されてスラリーを生成し、コートされる領域に施される。第１のマスクは、アルミナイジングマスクを含む第２のマスクによって被覆され、スラリーコーティングとなり得るし、また或いは粒子充填ボックス(particle-filled making box)となり得る。第２のマスクは、ニッケル粉末、酸化ニッケル粉末又はニッケル合金粉末、耐火物(アルミナ等)粉末及び無機樹脂バインダーを含む。
＜発明の要旨＞
本発明は、タービンブレード等の超合金タービン部品のコーティングに用いられるマスクに関するもので、比較的高温で使用される領域にアルミナイジングが施されて拡散アルミナイドコーティングを形成し、比較的低温で使用される他の領域には、アルミナイジングを防止するためにマスクが施され、同時に、Ｃｒの富化が行われるか、及び／又は、超合金の化学成分として既に含まれているか又は先に行われたクロマイジング処理により含まれるＣｒ含有量を維持するものである。
本発明は、タービンブレード等の超合金タービン部品のコーティングに用いられるマスクに関するもので、比較的高温で使用される領域にアルミナイジングが施されて拡散アルミナイドコーティングを形成し、比較的低温で使用される他の領域には、アルミナイジングを防止するためにマスクが施され、同時に、Ｃｒの富化が行われるか、及び／又は、超合金の化学成分として既に含まれているか又は先に行われたクロマイジング処理により含まれるＣｒ含有量を維持するものである。
本発明の一実施態様は、Ｃｒ改質された(Cr-modified)マスクを提供するもので、意図的に添加されたＣｒ含有粉末、ニッケル含有粉末及び耐火物(例えばアルミナ)粉末を含み、コートされるタービン部品超合金又は既に含まれている富化されたＣｒのＣｒ化学活性よりも大きなＣｒ化学活性をもたらすことができる量のＣｒ含有粉末がマスク中に存在する。Ｃｒ含有粉末のＣｒ含有量は、典型的には、マスクの重量の約２５重量％を超えない量である。例示目的であって限定するものではないが、名目上のＣｒ含有量が６.５重量％であるＣＭＳＸ−４(登録商標)超合金をコーティングする場合、マスクのＣｒ含有量は、１０重量％よりも多く、典型的には、約２５重量％よりも少ない。マスクは、約１０５０℃以下の温度で約８時間以下のＣＶＤ又はアバブザパック(above-the-pack)アルミナイジングに有用である。
本発明の方法の一実施態様において、コートされるタービン部品は、コーティングチャンバーの中で、ルート領域の少なくとも一部がマスクによって被覆されるように配置され、アルミナイジングされる他の領域はチャンバー内のガス状アルミナイジング雰囲気に曝されて、これらの領域に拡散アルミナイドコーティングが形成される。同時に、マスクされた部分は、Ｃｒが富化されるか、又は既に含まれているＣｒ含有量が維持される。例えば、コーティング温度は約１０５０℃で、コーティング時間は約８時間以下である。
本発明の他の実施態様は、インナーマスクと、該インナーマスクの上にアウターマスクを有する複マスクシステムを提供する。インナーマスクは、コートされる表面に直接接触する実質的純Ｃｒ粉末又はＣｒ含有合金粉末を含んでいる。アウターマスクは、前述したＣｒ改質マスクを含んでいる。複マスクシステムは、約１０５０℃より高温で約８時間より長時間のＣＶＤ又はアバブザパックアルミナイジングに有用である。
本発明の他の方法において、コートされるタービン部品は、コーティングチャンバーの中で、ルート領域の少なくとも一部がインナーマスクによって被覆されるように配置され、インナーマスク上のアウターマスク及びアルミナイジングされる他の領域はチャンバー内のアルミナイジング雰囲気に曝されて、これらの領域に拡散アルミナイドコーティングが形成される。同時に、マスクされた部分は、Ｃｒが富化されるか、又は既に含まれているＣｒ含有量が維持される。コーティング温度は、例えば約１０５０℃より高温で、コーティング時間は約８時間より長時間である。
本発明の利点及び他の特徴は、添付の図面と共に以下の詳細な説明からより明らかに
なるであろう。
なるであろう。
＜発明の詳細な説明＞
［単一マスクシステム］
本発明の一実施態様は、タービン部品領域のアルミナイジングにおいて、比較的低温度及び短時間でのアルミナイジングに用いられるＣｒ改質マスクを提供する。例示目的であって限定するものではないが、図１に示されるＣｒ改質マスク(200)は、約１０５０℃以下の温度で約８時間以下のＣＶＤ又はアバブザパックアルミナイジングに有用である。タービン部品は、Ｎｉ基超合金、Ｃｏ基超合金又はＦｅ基超合金から作られることができ、これは当該分野で広く知られている。以下の説明では、ＣＭＳＸ−４について説明する。このＣＭＳＸ−４の名目上の組成は、６.５Ｃｒ−９Ｃｏ−０.６Ｍｏ−６Ｗ−６.５Ｔａ−３Ｒｅ−５.６Ａｌ−１Ｔｉ−０.１Ｈｆで、残部Ｎｉである。
［単一マスクシステム］
本発明の一実施態様は、タービン部品領域のアルミナイジングにおいて、比較的低温度及び短時間でのアルミナイジングに用いられるＣｒ改質マスクを提供する。例示目的であって限定するものではないが、図１に示されるＣｒ改質マスク(200)は、約１０５０℃以下の温度で約８時間以下のＣＶＤ又はアバブザパックアルミナイジングに有用である。タービン部品は、Ｎｉ基超合金、Ｃｏ基超合金又はＦｅ基超合金から作られることができ、これは当該分野で広く知られている。以下の説明では、ＣＭＳＸ−４について説明する。このＣＭＳＸ−４の名目上の組成は、６.５Ｃｒ−９Ｃｏ−０.６Ｍｏ−６Ｗ−６.５Ｔａ−３Ｒｅ−５.６Ａｌ−１Ｔｉ−０.１Ｈｆで、残部Ｎｉである。
Ｃｒ改質マスクは、意図的に添加されたＣｒ含有粉末を、Ｎｉ含有粉末及び耐火物(アルミナ又は他の耐火物材料)粉末と共に含む粉末組成物である。Ｃｒ含有粉末は、粒子サイズが同じ金属Ｃｒ粉末(例えば、−３２５メッシュ粉末)及び／又はＣｒ含有合金粉末(例えば３０重量％Ｃｒ、残部Ｎｉ粉末)であってよい。Ｎｉ含有粉末は、金属Ｎｉ粉末、Ｎｉ合金粉末及び／又は酸化ニッケルであってよい。
本発明の例示的実施態様において、マスクは、Akron Paint and Varnish (Akron, Ohio)から商業的に入手可能なＭ１マスカント(APV Engineered Coatingsとしても知られている)であってよく、これにＣｒ含有粉末が加えられ、混合される。
Ｃｒ含有粉末には、Ｍ１マスカント(maskant)の中に、コートされるタービン部品合金又は先に行われたクロマイジング処理により既に存在する富化ＣｒのＣｒ化学活性よりも大きなＣｒ化学活性をもたらすことができる量のＣｒ含有粉末が配備される。Ｃｒ含有粉末のＣｒ含有量は、この目的を達成するために制御される。具体的には、部品合金の表面にＣｒを進入させることにより超合金にＣｒ富化表面層を形成するか、又は先に行われたクロマイジング処理によって形成されたＣｒ富化表面層にＣｒを供給することにより超合金の表面層に既に存在するＣｒ富化を維持するように制御される。前記した商業的に入手可能なＭ１マスカントが改変されることなく用いられたときに、アルミナイジング工程中に起こるＣｒの損失を補うためである。Ｃｒ含有粉末のＣｒ含有量は、典型的には、マスクの重量の約２５重量％を超えない量である。純Ｃｒが２５重量％よりも多くても、表面に富化されるＣｒ量は２５重量％未満で飽和(α−Ｃｒ相)に達するであろう。Ｃｒ−Ｎｉ又はＣｒ−Ｆｅ合金粉末を用いると、α−Ｃｒ相の生成に達するのに２５重量％超のＣｒが必要となる。例示目的であって限定するものではないが、名目上のＣｒ含有量が６.５重量％であるＣＭＳＸ−４超合金をコーティングする場合、Ｃｒ改質されたマスカントのＣｒ含有量は、１０重量％超で約２５重量％未満である。Ｃｒ改質されたマスクは、約１０５０℃以下の温度で約８時間以下で行われるＣＶＤ(化学気相蒸着)又はアバブザパックアルミナイジング等による気相アルミナイジングにおいて、タービン部品の選択された領域をマスキングする場合にのみ有用である。
本発明の一実施態様において、コートされるタービン部品は、コーティングチャンバーの中に配置され、一の領域に拡散アルミナイドコーティングが形成され、他の領域がＣｒ改質マスクによって被覆される。例示目的であって限定するものではないが、図１を参照すると、エアフォイル領域(10)、プラットフォーム領域(12)、並びに、シャンク領域(14a)及びモミの木状領域(又は他の取付領域)(14b)を有するルート領域(14)を具えるタービンブレードが示されている。エアフォイル領域(10)とプラットフォーム領域(12)の上面は、アルミナイジングされ、それらの上に単純又はＰｔ改質拡散アルミナイドコーティングが形成される。これを達成するために、これら領域は、レトルト式コーティングチャンバー内のアルミナイジングコーティングガス混合物(300)に曝される。ガス混合物は、例えば、Ａｒ、Ｈ２、ハロゲン化アルミニウム(塩化物)ガスであり、チャンバーは、例えば、米国特許第５２６１９６３号、第５２６４２４５号、第５４０７７０４号及び第５４６２０１３号に記載されており、広く知られている。なお、これらの米国特許の開示は、引用を以て本願に記載されるものとする。例示として挙げる比較的低温のアルミナイジング温度は、１０１０℃、７時間である。
この目的を達成するために、図示のタービンブレードは、そのルート端部が、本発明に係るＣｒ改質粉末マスク(200)が入れられたマスキングボックスＢの中に配置されており、一方、エアフォイル領域(10)とプラットフォーム領域(12)の上面はガス状アルミナイジング雰囲気に曝されている。図１において、シャンク領域(14a)及びモミの木状領域(14b)を含むルート領域(14)は、そこでのアルミナイジングを防止するために、プラットフォーム(12)の下面と同じようにマスキングされ、マスキングされた表面は同時にＣｒが富化され、及び／又は、超合金Ｃｒの化学(含有)そのものによるか又は先に行われたクロマイジング処理により既に存在するＣｒ含有量が維持される。この目的を達成するために、本発明に係るＣｒ改質マスクのＣｒ含有量は、マスキングされた表面のＣｒ富化が得られるように、又は超合金Ｃｒの化学成分そのものによるか又は先に行われたクロマイジング処理により既に存在するＣｒ含有量が維持されるように制御される。典型的には、ＣＭＳＸ−４単結晶タービンブレード(サブストレート)部品のアルミナイジングに用いられるマスクのＣｒ含有量は、マスクの重量の約１５重量％〜約２０重量％である。マスク(200)のＣｒ化学活性の制御が行われることにより、超合金表面のＣｒ固溶体富化がもたらされ、所望により、アルファＣｒ相が表面から外向きに成長するのを回避することができる。
アルミナイジング処理の後、タービンブレードは、マスキングボックスＢから取り外され、Ｃｒ富化表面及び／又はマスクのＣｒ含有量の適当な選択の結果として維持される既存のＣｒ富化表面が損なわれないように留意しながら、残留マスク材料が取り除かれる。
図１では、ルート領域(14)の全体とプラットフォーム(12)の下面のマスキングを示しているが、本発明は、これらのマスキングに限定されるものではない。例えば、モミの木状領域(14b)だけをマスキングすることもでき、その場合、モミの木状領域(14b)は、Ｃｒ富化表面を有するか又は既存Ｃｒ含有量を維持し、一方、プラットフォーム(12)及びシャンク領域(14a)はエアフォイル領域(10)と共にアルミナイジングされる。
［複マスクシステム］
本発明の他の実施態様は、タービン部品領域のアルミナイジングにおいて、約１０５０℃超及び約８時間超の比較的高温度でのアルミナイジングに用いられ、インナーマスク(100)と該インナーマスク上にアウターマスク(200)を有する複マスクシステムを提供する。インナー(第１)マスク(100)は、実質的に純Ｃｒ粉末(例えば、−３２５メッシュＣｒ粉末)又は同じ粒子サイズのＣｒ含有合金粉末(例えば、Ｃｒ３０重量％、残部Ｎｉの粉末)を含んでおり、コートされる表面と直接接触する。第１マスクは、意図的に添加される活性剤は含まない。典型的には、Ｃｒ含有粉末は、水とポリビニルアルコールを含むバインダーと混合され、スラリーとして、ディッピング、ブラッシング、スプレー法及び他の塗布技術によりマスキングされる領域に塗布されることができる。
本発明の他の実施態様は、タービン部品領域のアルミナイジングにおいて、約１０５０℃超及び約８時間超の比較的高温度でのアルミナイジングに用いられ、インナーマスク(100)と該インナーマスク上にアウターマスク(200)を有する複マスクシステムを提供する。インナー(第１)マスク(100)は、実質的に純Ｃｒ粉末(例えば、−３２５メッシュＣｒ粉末)又は同じ粒子サイズのＣｒ含有合金粉末(例えば、Ｃｒ３０重量％、残部Ｎｉの粉末)を含んでおり、コートされる表面と直接接触する。第１マスクは、意図的に添加される活性剤は含まない。典型的には、Ｃｒ含有粉末は、水とポリビニルアルコールを含むバインダーと混合され、スラリーとして、ディッピング、ブラッシング、スプレー法及び他の塗布技術によりマスキングされる領域に塗布されることができる。
アウター(第２)マスク(200)は、単一マスクシステムについて上記したＣｒ改質マスク(200)を含んでいる。
本発明の方法の他の実施態様において、コートされるタービン部品は、コーティングチャンバーの中に配置されて、一の領域に拡散アルミナイドコーティングが形成され、他の領域は２パート型マスクシステムによって被覆される。例示目的であって限定するものではないが、図２を参照すると、エアフォイル領域(10)、プラットフォーム領域(12)、並びに、シャンク領域(14a)及びモミの木状(又は他の取付)領域(14b)を有するルート領域(14)を具えるタービンブレードが示されている。エアフォイル領域(10)とプラットフォーム領域(12)の上面は、アルミナイジングされ、それらの上に単純又はＰｔ改質拡散アルミナイドコーティングが形成される。これを達成するために、これら領域は、レトルト式コーティングチャンバー内のアルミナイジングコーティングガス混合物(300)に曝される。ガス混合物は、例えば、Ａｒ、Ｈ２、ハロゲン化アルミニウムガスであり、チャンバーは、例えば、米国特許第５２６１９６３号、第５２６４２４５号、第５４０７７０４号及び第５４６２０１３号に記載されており、広く知られている。なお、これらの米国特許の開示は、引用を以て本願に組み込まれるものとする。比較的高温のアルミナイジング温度として、１０８０℃で２４時間が例示として挙げられる。使用するＣＶＤコーティングガス(300)は、アルゴン、水素及び塩化アルミニウムの混合物であり、エアフォイル(10)の表面及びプラットフォーム(12)の上面等の表面がアルミナイジングされる。一方、Ｃｒ含有相(100)(200)は、ＣＭＳＸ−４超合金の表面にアルファＣｒ層、その下にＣｒ富化部を生成する。図３に組成物の深さプロファイルが示されている。
この目的を達成するために、図示のタービンブレードは、そのマスキングされたルート端部が、Ｃｒ改質粉末マスクが入れられたマスキングボックスＢの中に配置されており、一方、エアフォイル領域(10)とプラットフォーム領域(12)の上面はガス状アルミナイジング雰囲気に曝されている。図２において、シャンク領域(14a)及びモミの木状領域(14b)を含むルート領域(14)は、そこでのアルミナイジングを防止するために、プラットフォーム(12)の下面と同じように２パート型マスクシステムを含んでおり、マスキングされた表面は同時にＣｒが富化され、及び／又は、超合金Ｃｒの化学(含有)そのものによるか又は先に行われたクロマイジング処理により既に存在するＣｒ含有量が維持される。インナーマスク(100)は、プラットフォーム領域(12)の下面及びルート領域をスラリーの中にディッピングすることによって塗布され、マスク層が形成される。スラリーは、実質的に純Ｃｒ粉末又はＣｒ含有合金粉末を、水及びポリビニルアルコール等の液体バインダーの中で混合することによって作られる。マスクシステムの第２の部分は、図２に示されるマスキングボックスＢの中に存在するＣｒ改質マスク粉末によってもたらされる。インナーマスク(100)と本発明の複マスクシステムに係るＣｒ改質マスク(200)の全体Ｃｒ含有量は制御され、所望により、α−Ｃｒ相が生成される。
アルミナイジング処理後、タービンブレードは、マスキングボックスＢから取り外され、Ｃｒ富化表面及び／又はマスクのＣｒ含有量の適当な選択の結果として維持される既存のＣｒ富化表面が損なわれないように留意しながら、残留マスク材料が取り除かれる。
本発明を幾つかの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記載された発明から逸脱することなく改良を加えることができることは、明らかであろう。
Claims (8)
- 少なくともＣｒを含む超合金から作られた部品の選択された領域のアルミナイジングを防止するためのマスクであって、
前記選択された領域を収容するための容器と、
前記容器の中に配備され、前記部品の前記選択された領域を被覆するためのクロマイジングマスクと、を含み、
前記クロマイジングマスクが、Ｃｒ含有粉末、Ｎｉ含有粉末及び耐火物粉末の混合物を含み、前記Ｃｒ含有粉末が、金属Ｃｒ粉末又はＣｒ含有金属合金粉末を含み、混合物中に含まれるＣｒ含有量が、１０重量％よりも多く、３０重量％より少ない量であり、
前記クロマイジングマスクは、アルミナイジング工程中に、前記部品の前記選択された領域にＣｒ富化表面を形成するか、又は前記部品の前記選択された領域に予め存在するＣｒ富化表面を維持することができる、マスク。 - Ｃｒ含有金属合金粉末は、Ｃｒと遷移金属との合金を含む、請求項１のマスク。
- Ｃｒ含有粉末は、超合金又は予めクロマイジングされたＣｒ富化表面のＣｒ化学活性よりも大きなＣｒ化学活性をもたらすことができる量がマスク中に存在する、請求項１のマスク。
- Ｃｒ含有量は、混合物の重量の２５重量％よりも少ない、請求項１のマスク。
- ニッケル基超合金部品をアルミナイジングする方法であって、部品の一領域を請求項１のマスクでマスキングすることと、マスキングされていない領域をガス状アルミナイジング雰囲気に曝すことで、マスキングされていない領域に拡散アルミナイドコーティングを形成すると共に、（ａ）マスキングされていない領域のアルミナイジング中に、マスクの下にＣｒ富化表面を形成すること、又は（ｂ）マスキングされていない領域のアルミナイジング中に、マスクの下に予めクロマイジングされたＣｒ富化表面を維持すること、とを含む、方法。
- マスクは、クロム富化表面が形成され、前記クロム富化表面は、アルファＣｒ相を含む、請求項５の方法。
- Ｃｒ富化表面は、アルファＣｒ相の層と、前記層の下の固溶体クロムの中に富化された下部ゾーンと、を含む、請求項７の方法。
- マスクは、クロム富化表面が形成され、前記クロム富化表面は、前記超合金部品に固溶体クロムが富化されたゾーンを含む、請求項５の方法。
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