JPH10330959A - コーティングを形成するための組成物及びコーティングの形成方法 - Google Patents
コーティングを形成するための組成物及びコーティングの形成方法Info
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Abstract
ォイルの内表面に形成するための組成物を提供する。 【解決手段】 本発明は、エアフォイル、特にベーンや
ブレード等の高圧高温のエアフォイルの内表面のコーテ
ィングのための組成物に関する。この組成物の乾燥組成
は、実質的に、約2.5wt%〜約7.0wt%の弗化
アルミニウムと、約5.0wt%〜約20wt%のクロ
ム−アルミニウムパウダーと、約75wt%〜92.5
のAl2O3が含まれる。この乾燥組成物には、エアフォ
イル内に射出されるスラリーが形成されるように、セル
ロース化合物及び水が添加される。本発明に係るコーテ
ィング組成物は、エアフォイルの外表面に耐酸化性及び
耐腐食性コーティングが形成されると同時に前記内表面
にも耐酸化性及び耐腐食性コーティングが形成すること
が可能であり、この点で有用である。また、エアフォイ
ルの外表面と内表面とに同時に耐酸化性及び耐腐食性コ
ーティングを形成する方法も開示される。
Description
イルに対して、酸化や腐食に対するコーティングを行う
方法に関し、特に、エアフォイルの内表面に耐酸化及び
耐腐食コーティングを形成するために用いられるコーテ
ィング組成物に関する。
に対しては、アルミナイドコーティングが用いられてお
り、エンジンのタービンセクションでの動作中における
酸化及び腐食から、エアフォイルを保護している。これ
らのコーティングは、アルミニウムのエアフォイルの表
面へのデポジション即ち付着を行うことで形成される。
エアフォイルの材質中のニッケルと、付着されたアルミ
ニウムとの間で反応が生じ、ニッケル基アルミナイドが
形成される。空気の存在下、高温では、ニッケルアルミ
ナイドコーティング中のアルミニウムは、薄く被着性の
酸化アルミニウムをコーティングの表面に形成する。こ
の酸化アルミニウムは、タービンエアフォイルの更なる
酸化や腐食を防ぐバリアとなる。多くのエンジンのター
ビンエアフォイルの外表面は、アルミナイドでコーティ
ングされている。エンジンの特性の要求に応じて、アル
ミナイドコーティングがエアフォイルの内表面にも必要
となるかどうかが決定される。
には、二つのプロセスが用いられている。第一のプロセ
スでは、スラリー技術を用いるものであり、この技術
は、エンジンの低圧タービンセクションで動作するエア
フォイルに用いられている。第二のプロセスでは、化学
蒸着を行うことで、エンジンの高圧タービンセクション
におけるエアフォイルの内表面のコーティングを行って
いる。これら二つの異なるタイプのエアフォイルには、
異なるコーティングプロセスが用いられている。何故な
ら、エンジンの高圧タービンセクションは、エンジンの
低圧タービンセクションよりも高温、高圧で作動してい
るからである。
ーティングに比較すると、高圧タービンエアフォイルに
用いられるコーティングは、高温に対する耐性をより高
くする必要があり、かつ、丈夫なものとする必要があ
る。
k)等に付与された米国特許第5,336,765号に
は、低圧タービンエアフォイル内の内部通路のコーティ
ングのためのスラリー技術が開示されている。この特許
で開示されているスラリーは、以下の理由に示す理由か
ら、高圧タービンエアフォイルには用いることができな
い。 (1)スラリーによるコーティングは、脆すぎる。 (2)高圧タービンエアフォイルの通路の内部冷却通路
に用いるには、コーティングが厚すぎる。 (3)エアフォイルの外表面のコーティングに用いられ
るプロセスと互換性がない。
高圧タービンセクションに用いられるエアフォイルのコ
ーティングに用いられている。コーティングプロセスの
間、タービンエアフォイル10は、コンパートメント化
された大きな金属ボックスもしくはコーティング用固定
具としてのコーティングフィクスチャー12内の右上方
に配置される。図1に、典型的なコーティングボックス
配置を示す。エアフォイル10の内部通路のコーティン
グを行うために、ケミカル即ち化学物質14が、エアフ
ォイルの下方のコンパートメント16内に配置される。
エアフォイルは、特別な配管工具18上に設けられてお
り、エアフォイルの内部冷却通路を通じて蒸気が流通可
能とされている。コーティング蒸気を強制的にエアフォ
イルの内部領域に流通させるため、下方コンパートメン
ト16内に、入口20を通じてアルゴンガスが導入され
ている。蒸気は、エアフォイルの内表面と反応して、ア
ルミナイドコーティングが形成される。同時に、上部コ
ンパートメント22内の化学物質14が蒸気を生成し、
この蒸気がエアフォイルの外表面と反応してアルミナイ
ドコーティングを形成する。しかし、このプロセスに
は、幾つかの難点がある。
があり、また、コーティング蒸気をエアフォイルの内部
通路に流通させるために特殊な配管工具が必要となって
しまう。
セスにおける問題点を解決できるコーティングプロセス
が求められている。また、エアフォイルのコーティング
される外表面及び内表面を、単一サイクルによってコー
ティング可能なプロセスが求められている。
ングをエアフォイルの内表面に形成するための組成物を
提供することを目的とする。
グ組成物を、外表面のコーティングプロセスと互換とす
る、即ち外表面のコーティングプロセスでも使用可能と
することで、エアフォイルの内表面をエアフォイルの外
表面と同時にコーティングすることを目的とする。
させる必要や、コーティングボックス内に特殊な配管を
用いる必要のないコーティングプロセスを提供すること
を目的とする。
組成物及びコーティングプロセスによって達成される。
耐腐食及び耐酸化コーティングを行うための、本発明に
係る組成物は、乾燥組成物状態において、実質的に約
2.5wt%〜約7.0wt%のアルミニウムフルオラ
イド即ち弗化アルミニウムと、約5.0wt%〜約20
wt%のクロム−アルミニウムパウダーと、約75wt
%〜約92.5wt%のAl2O3とを含有する。
混合されて、エアフォイルの内表面に直接吹き付けある
いは適用可能なスラリー組成物が形成される。これによ
り、アルゴンの強制フローや、特殊な配管が不要とな
る。
ば、上述のスラリーは、上述の乾燥組成物を用意して、
水とセルロース化合物と混合することで形成される。そ
の後、このスラリー組成物は、エアフォイルの内表面と
直接接触して配置される。スラリー組成物が配置された
エアフォイルをベーキングして水分の蒸発及びスラリー
組成物内の固体の硬化を行った後に、エアフォイルは、
コーティングフィクスチャー内に配置される。コーティ
ングフィクスチャー内には、エアフォイルの外表面のコ
ーティングを行うための化学組成物もまた配置されてい
る。その後、十分な時間にわたって加熱が行われ、エア
フォイルの外表面の保護コーティングと同時に、内表面
の保護コーティングが形成される。
ロセスの詳細、及び本発明の他の利点及び目的を発明の
実施形態及び図面を用いて詳細に説明する。なお、図面
においては、同一部もしくは相当部には同一符号を付し
て説明している。
のコーティングを行うための従来のコーティングフィク
スチャーの説明図である。
組成物を用いて、エアフォイル、例えば高圧タービンブ
レードやベーン等の内表面のコーティングがなされる。
上述したように、本発明に係るスラリーから形成される
コーティングの主な目的は、ニッケル合金タービンエア
フォイルの耐酸化性及び耐腐食性を向上することにあ
る。
うための、本発明に係る組成物では、乾燥状態の組成に
は、約2.5wt%〜約7.0wt%の弗化アルミニウ
ム、約5.0wt%〜約20wt%のクロム−アルミニ
ウムパウダーと、約75wt%〜約92.5wt%のA
l2O3とが含有される。この乾燥組成物中のクロム−ア
ルミニウムパウダーとしては、好ましくは、クロム−4
5アルミニウムパウダーが挙げられる。弗化アルミニウ
ムとクロム−アルミニウムパウダーとにより、本発明に
係るコーティング組成物内に、活性エレメントが生成さ
れる。好適実施形態においては、上記乾燥組成物は、実
質的に、約2.5wt%〜約5.0wt%の弗化アルミ
ニウム、約15wt%〜約20wt%のクロム−45ア
ルミニウムパウダー(即ち、クロム含有量が約55wt
%、アルミニウム含有量が約45wt%であるクロム−
アルミニウムパウダー)、及び約75wt%〜約80w
t%のAl2O3を含有している。より好適な実施形態で
は、Al2O3の比率は、約75wt%〜約77.5wt
%である。
ために、この乾燥組成物は、スラリー組成物の形態にか
える必要があり、これは、乾燥組成物を、非反応性成分
と混合することでなされる。この非反応性成分には、水
と、METHOCEL(登録商標)として知られるセル
ロース化合物と、が含まれる。好適なスラリー組成物
は、約1900〜2700ccの水と約60〜100グ
ラムのセルロース化合物とを、約1400グラム〜約1
600グラムの乾燥組成物に添加することで得られる。
この場合、商用のどのセルロース化合物を用いてもよ
い。好適なセルロース化合物は、「METHOCEL
(登録商標)」ブランドのセルロース化合物であり、こ
の製品は、ダウケミカル社(Dow chemical company, Mi
dland, Michigan)により販売されている。好適なコー
ティングスラリーは、2300ccの水と80グラムの
「METHOCEL(登録商標)」とを、本発明に係る
乾燥組成1505グラムに対して添加することで得られ
る。
ラリー組成物は、エアフォイルの内表面と直接に接触し
てエアフォイル内に配置される。これは、タービンエア
フォイルの内部にスラリーを射出することでなされる。
典型的には、エアフォイルには、内部通路が形成されて
おり、スラリーは、この内部通路内へ射出される。スラ
リーをこの内部通路内へ射出する、あるいは、その他の
手法によってスラリーをエアフォイルの内表面に接触し
て配置するにあたっては、従来知られているどの好適手
段を用いてもよい。例えば、ミラニアック等に付与され
た米国特許第5,366,765号に開示される技術を
用いて、スラリーをエアフォイルの内表面に接触して配
置させてもよい。なお、この米国特許は、参照として本
明細書に包含される。スラリー組成物がエアフォイルの
内部に射出された後に、エアフォイルにベーキングを行
って水を除去し、かつスラリー固形物を硬化させる。通
常、ベーキング操作においては、スラリーが射出された
エアフォイルを、約30分〜約2時間、約1025°F
〜約1075°Fの範囲の温度とする。エアフォイルの
ベーキングは、適切な従来法によりなされる。
フォイルの外表面のコーティングに用いられるCUDプ
ロセスと互換性がある、即ち、このCUDプロセスを用
いることもできる。したがって、本発明に係るコーティ
ング組成物を用いて、エアフォイルの外表面及び内表面
の双方に、同時に耐酸化性及び耐腐食性コーティングを
形成することが可能である。このために、上記ベーキン
グされたスラリー組成物を有するエアフォイルが、図1
に示される金属コーティングフィクスチャーと同よう
に、図中の右上方に配置される。エアフォイルの外表面
のコーティングを行うための化学組成物もまた、フィク
スチャー内に配置される。外表面の適切なコーティング
組成物として使用可能なものとしては、実質的に15.
4wt%の弗化アルミニウム、84.6wt%のクロム
−45アルミニウムが挙げられる。1975°Fより高
温に加熱されると、外表面の化学組成物は蒸発し、エア
フォイルの外表面にアルミニウムが付着される。同時
に、エアフォイルの内面も、硬化したスラリー化合物か
らのアルミニウムの直接拡散によってコーティングがな
される。この同時コーティング操作において通常適用さ
れる温度サイクルでは、初期コーティングサイクルとし
て、4〜10時間、温度が約1950〜2050°Fと
される。その後、熱拡散サイクルにおいて、4〜7時
間、温度が約1950〜2050°Fとされる。本発明
のプロセスの最終ステップとして、エアフォイルは、約
1時間、温度を約1075°Fとして加熱着色処理(hea
t tint treat)がなされて、コート・クオリティ、即ち
コーティング品質が画定され、析出熱処理が、12〜3
2時間、約1300°F〜約1600°Fでなされる。
を行うために、本発明により6つのスラリー組成物が調
製された。これら6つのスラリー組成物は、表1、2に
示される乾燥組成を有する。第7のスラリー組成物は、
表1、2のPWA273乾燥組成物を用いて調製され
た。各乾燥組成物が用意された後に、1505グラムの
乾燥組成物を2300グラムの水、80グラムの「Me
thocel(登録商標)」と混合してスラリーを形成
した。これら種々のスラリーを、その後に多数の高圧タ
ービンエアフォイルの内部通路に射出された。コーティ
ング試験は、コーティング時間4時間で温度を1975
°Fとして行った。この試験の目的は、1.5ミル〜2
ミルの厚みで、かつコーティングされない領域が生じな
いようなコーティングを行うことである。
明に係るコーティング組成物は、十分な特性が得られて
いることが示される。
タービンエアフォイル、例えば高圧タービンブレードや
ベーンの動作条件下でも、耐酸化性及び耐腐食性を有す
るコーティングが得られる。これらのコーティングは、
経済的に有利な方法で得られるとともに、底部がアルゴ
ンフローパイプに接続されたコーティングフィクスチャ
ーや特殊な配管等も不要となる。
発明に係るコーティング組成物によれば、均一で、か
つ、繰り返し使用可能で強固なコーティングを得るため
に必要となるパラメータを満たしたコーティングが得ら
れる。
が、当業者であれば、特許請求の範囲に記載した発明の
趣旨及び範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、
付加等を行うことが可能である。
グを行うための従来のコーティングフィクスチャーの説
明図。
Claims (15)
- 【請求項1】 エアフォイルの内表面に耐酸化性及び耐
腐食性コーティングを形成するための組成物であって、 前記組成物の乾燥組成物には、約2.5wt%〜約7.
0wt%の弗化アルミニウムと、約5.0wt%〜約2
0wt%のクロム−アルミニウムパウダーと、約75w
t%〜92.5wt%のAl2O3が含まれることを特徴
とする組成物。 - 【請求項2】 前記クロム−アルミニウムパウダーは、
クロム−45アルミニウムパウダーを含むことを特徴と
する請求項1記載の組成物。 - 【請求項3】 前記エアフォイル内に射出されるスラリ
ーが形成されるように、セルロース化合物及び水が、前
記乾燥組成物に対して添加されていることを特徴とする
請求項1記載の組成物。 - 【請求項4】 前記乾燥組成物は、実質的に、約75w
t%〜約80wt%のAl2O3、約2.5wt%〜約
5.0wt%の弗化アルミニウム、及び約15wt%〜
約20wt%のクロム−アルミニウムパウダーを含むこ
とを特徴とする請求項1記載の組成物。 - 【請求項5】 前記乾燥組成物には、約75wt%〜約
77.5wt%のAl2O3が含まれることを特徴とする
請求項4記載の組成物。 - 【請求項6】 前記スラリー組成物は、前記エアフォイ
ルの外表面のコーティングに用いられることを特徴とす
る請求項3記載のコーティング組成物。 - 【請求項7】 約60〜約100グラムの前記セルロー
ス化合物、約1900cc〜約2700ccの水、約1
400グラム〜約1600グラムの前記乾燥組成物を含
むことを特徴とする請求項3記載のコーティング組成
物。 - 【請求項8】 耐酸化性及び耐腐食性コーティングをエ
アフォイルの選択された表面に形成する方法であって、 実質的に約2.5wt%〜約7.0wt%の弗化アルミ
ニウムと、約5.0wt%〜約20wt%のクロム−ア
ルミニウムパウダーと、約75wt%〜92.5wt%
のAl2O3と、を含んだ乾燥化学組成物を生成するステ
ップと、 前記乾燥化学組成物をセルロース化合物及び水と混合し
てスラリー組成物を生成するステップと、 前記スラリー組成物を前記エアフォイルの内表面に接触
させて配置するステップと、を有することを特徴とする
方法。 - 【請求項9】 前記配置するステップは、前記スラリー
組成物を前記エアフォイルに射出するステップを含むこ
とを特徴とする請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 前記配置するステップは、前記ステッ
プ組成物を前記エアフォイルの通路に射出するステップ
を含むことを特徴とする請求項8記載の方法。 - 【請求項11】 前記エアフォイルを、前記内表面に接
触して配置されたスラリー組成物とともにベーキングし
て、前記水を除去し、かつ前記スラリー組成物中の固体
を硬化させるステップを更に有することを特徴とする請
求項8記載の方法。 - 【請求項12】 前記ベーキングするステップは、前記
エアフォイルを前記スラリー組成物とともに1075°
Fで2時間までベーキングすることを特徴とする請求項
11記載の方法。 - 【請求項13】 前記スラリー組成物が配置された前記
エアフォイルを、コーティングフィクスチャー内に配置
するステップと、 前記エアフォイルの外表面をコーティングするために、
化学組成物を前記フィクスチャー内に配置するステップ
と、 前記コーティングフィクスチャーを、前記エアフォイル
の外表面に耐酸化性及び耐腐食性コーティングが形成さ
れると同時に前記内表面にも耐酸化性及び耐腐食性コー
ティングが形成されるに十分な時間にわたって加熱する
ステップと、を含むことを特徴とする請求項8記載の方
法。 - 【請求項14】 前記加熱ステップは、約4〜約17時
間の範囲で、温度を約1950°F〜約2050°Fの
範囲とするステップを含むことを特徴とする請求項13
記載の方法。 - 【請求項15】 前記外表面化学のコーティング組成物
は、弗化アルミニウムとクロム−アルミニウムパウダー
とを含むことを特徴とする請求項13記載の方法。
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