JP4559017B2 - タービンエンジン部品の選択的領域に拡散アルミナイド皮膜を施工する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンエンジンのホットセクションの部品に関し、具体的には、タービン部品の選択的領域にアルミナイド皮膜を施工する拡散アルミナイディング法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機エンジンのようなガスタービンエンジンでは、エンジンの前部で空気を吸い込んで、シャフトに装着された回転圧縮機で圧縮し、燃料と混合する。この混合気を燃焼させ、高温排気ガスをシャフトに装着されたタービンに流す。ガスの流れはタービンを回転させ、タービンはシャフトを回転させて圧縮機を駆動する。高温排気ガスはエンジン後部から排出され、航空機を前方に推進させる推力を生み出す。
【０００３】
ガスタービンエンジンの作動中、エンジンの金属部品は高温腐食性ガスに接触する。金属部品は、かかる燃焼ガスから部品を保護するため特別の注意が必要とされる。このような金属部品には、高温ガスの流れを導くために用いられるブレード及びベーン、並びにシュラウドや燃焼器のようなその他の部品がある。
【０００４】
かかる金属部品を燃焼ガスの高温、酸化及び腐食作用から保護するため、金属部品に耐環境皮膜を施工するのが通例である。こうした耐環境皮膜は、被覆すべき部品を特定の元素（大抵はアルミニウム）に富む雰囲気中で所定の温度に保つことによって形成し得る。かかる元素は部品の表面内部に拡散して拡散皮膜を形成するが、この過程は化学蒸着（ＣＶＤ）と呼ばれる。一形態では、耐環境皮膜は拡散ニッケルアルミナイド又は白金アルミナイドからなる。基材中へのＡｌの拡散は、セラミックＴＢＣの密着性の向上に加え、高温酸化の防止にも有効であることが判明している。ＣＶＤボンドコートの表面は、高温下で酸素含有雰囲気に暴露された際に酸化アルミニウムスケールを生成して高温酸化耐性を一段と向上させる。その他周知の方法も拡散アルミナイド皮膜の形成に使用し得る。網羅的なものではないが、かかる他の方法の例を幾つか挙げると、「オーバー・ザ・パック」アルミナイジング、パックアルミナイジング、並びに基材にニッケル及び白金のフラッシュ電気めっきを施した後これら周知の方法のいずれかでアルミニウムを施工する方法がある。大抵は、これらの耐環境層は拡散アルミナイド層の上に遮熱コーティングを利用した遮熱コーティング系においてボンドコートとしても機能し、遮熱層を設けることで高温排気ガスから部品への熱伝達を防いで、それ以外の方法では達成できないほど排気ガスを高温にすることができる。
【０００５】
部品の寿命期間内に保護皮膜のチッピングが起こることがある。かかるチッピング損傷は、アルミナイド被覆部品の機械加工中に起こったり、以後の製造工程中での部品の不適切な取扱いによって起こったり、日常の保守作業中に起こったり、或いはタービン部品の正規の運転環境のために起こったりする。チッピング損傷の補修に際しては、損傷していない皮膜を除去してタービン部品全体を再コーティングすることは原価効率が悪い。その代り、損傷表面のみの局部補修が試みられている。タービン部品の損傷領域又は選択的領域のアルミナイド皮膜の局部補修のための現行の技術の具体例として、スラリー法又はテープ法を使用する米国特許第５３３４４１７及び６０４５８６３号が挙げられる。
【０００６】
例えば、本発明の譲受人によって現在使用されている独自の商用形態では、約５５〜５７重量％のアルミニウムを含有するハロゲン化物活性化又は非活性化鉄−アルミニウム合金粘着テープ或いは約５０〜６０重量％のアルミニウムを含有するコバルト−アルミニウム合金粘着テープを被覆すべき選択的領域に貼り付ける。テープを貼り付けた部品は金属コーティングボックス又は缶の内部に置かれ、コーティング作業時にテープを所定の位置に保持するとともに機械加工領域をマスキングすべく不活性酸化アルミニウム粉末中に充填される。コーティングボックス又は缶は、アルミニウムの拡散によって所望のアルミナイド皮膜厚さを得るのに十分な時間、不活性（又は還元性）雰囲気下で約１８００〜約２０００°Ｆに加熱されるが、上記温度で加熱を行って約１〜約３ミルの皮膜厚さを得るための時間は通例約３〜８時間である。１回のサイクルで１４〜３２時間を要することもある。
【０００７】
しかし、エンジン部品と不活性酸化アルミニウム雰囲気との熱膨張の差による応力のため、選択的に被覆されたエンジン部品に反り又は変形が生じ、そのために部品をエンジンに使い物にならなくなることがある。使い物にならない部品は廃棄しなければならず、多大な損失となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、エンジン部品の選択的領域に拡散アルミナイド皮膜を施工する方法であって、部品の反り又は変形をほとんど或いは全く生じず、無駄の少ない改良方法が必要とされている。本発明はかかるニーズを満たすとともに、関連した諸利点も提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その一つの形態では、石英赤外線ランプを利用して部品全体ではなく部品の被覆すべき局部領域のみを加熱することによってタービンエンジン部品の選択的領域に拡散アルミナイド皮膜を施工するための改良方法及び当該方法で得られる皮膜を提供する。
【００１０】
被覆すべき領域にハロゲン化物活性化又は非活性化アルミニウム源テープを配置した後、高温で寸法の安定なテープホルダを用いて被覆時にテープを所定の位置に保持する。所望のアルミナイド皮膜厚さを得るため、石英赤外線ランプを利用して、選択的領域のみを不活性雰囲気下約３〜約８時間約１８００〜約２０００°Ｆの被覆温度に加熱する。所望の皮膜厚さを得るための加熱時間は同じであるが、全サイクル時間は６〜１２時間に短縮される。皮膜の所望厚さは時間とともに変化し、時間が長いほど皮膜は厚くなる。
【００１１】
局部的な加熱及び施工により、テープから発生するアルミニウム蒸気はテープを貼り付けた領域でのみアルミナイド皮膜を形成する。その結果、部品のコーティング領域に隣接した機械加工表面領域のマスキングは不要となる。
【００１２】
拡散アルミナイドが遮熱コーティング系の一部である場合には、所望に応じ、本発明の補修アルミナイド皮膜上にイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような遮熱コーティング（ＴＢＣ）を施工してもよい。
【００１３】
本発明の利点の一つは、本発明で得られる皮膜は変形のないアルミナイド被覆エンジン部品を生じることである。充填コーティングボックス内で部品全体を加熱する現行の技術で生じる顕著な変形がなくなることで、廃棄部品による無駄はほとんど或いは全くなくなり、顕著なコスト削減となる。
【００１４】
本発明のもう一つの利点は、昇温サイクル時間が６５％短縮し、冷却サイクル時間が７５％短縮し、コスト削減をもたらすことである。現行の技術では、酸化アルミニウム粉末及び部品全体からなる大きな塊を昇温及び冷却させるため、昇温サイクル及び冷却サイクルの各サイクルに概して５〜１２時間という長い時間が必要とされる。
【００１５】
本発明のさらにもう一つの利点は、人件費が大幅に削減されることである。本発明ではコーティング材料の局部的加熱及び施工を利用するため、酸化アルミニウム粉末による機械加工表面のマスキングは不要となる。
【００１６】
部品のマスキングが不要であるので、酸化アルミニウム粉末廃棄物が減り、本発明の方法は現行の技術よりも環境に優しいことが本発明のさらにもう一つの利点である。
【００１７】
本発明の改良のように方法及び材料を種々改良し続けることで、航空機用ガスタービンエンジンのような装置でコスト削減及び顕著な性能向上を達成することができる。
【００１８】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示する添付図面と併せて以下の好ましい実施形態についての詳細な説明を参照することで、明らかとなろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の補修方法及び本発明の方法で得られる皮膜は一般に比較的高温で特徴づけられる環境中で作動し、激しい熱応力及び熱サイクルに暴露される部品に適用し得るが、本発明はガスタービンエンジンの「ホットセクション」部品のみに限定されるわけではない。
【００２０】
かかるホットセクション部品の具体例として、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、ベーン、燃焼器ライナ及びオーグメンタハードウェアが挙げられる。航空機エンジン及び発電設備用のタービン部品又は翼形部に多用される基材材料としては、ニッケル基、コバルト基及び鉄基超合金がある。かかる合金は鋳造又は鍛練超合金とし得る。かかる基材の例としては、ＧＴＤ−１１１、ＧＴＤ−２２２、Ｒｅｎｅ ８０、Ｒｅｎｅ ４１、Ｒｅｎｅ １２５、Ｒｅｎｅ ７７、Ｒｅｎｅ Ｎ４、Ｒｅｎｅ Ｎ５、Ｒｅｎｅ Ｎ６、第四世代単結晶超合金ＭＸ−４ Ｈａｓｔａｌｌｏｙ Ｘ及びコバルト基ＨＳ−１８８が挙げられる。これらの超合金は、高温用途のために開発されたものではあるが、環境劣化及び／又は熱劣化からの保護は依然として必要とされる。
【００２１】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明するが、図面では同じ部分は同じ番号で表す。図１に、耐環境皮膜が欠損した選択的領域（例えば、基材金属が露出した剥離領域６）を有するジェットタービンエンジン部品（例えば、ジェットタービンベーン４）を示す。かかる耐環境皮膜は、例えば耐環境皮膜として施工された拡散アルミナイド皮膜であってもよく、例えば当技術分野で周知の化学蒸着アルミナイド皮膜であってもよい。
【００２２】
本発明は、現行の技術に付随する顕著な反り及び変形の問題を生じることなく、耐環境皮膜の欠損した選択的領域の「スポット」補修を可能にする。選択的領域の前処理は、汚れ、油脂その他除去を要する汚染物を取除く程度であってよい。
【００２３】
図２に示す通り、公知の方法を用いてベーン４上に金属源コーティングテープ２０を配置してチッピング損傷領域６を覆う。金属源コーティングテープ２０は、例えば、本発明の譲受人が生産するＣＯＤＡＬテープのような慣用金属源コーティングテープであればよい。テープ２０は、例えば、約５０〜５７重量％のアルミニウムを含有するハロゲン化物活性化又は非活性化鉄−アルミニウム合金或いは約５０〜６０重量％のアルミニウムを含有するコバルト−アルミニウム合金を含むことができる。しかし、必要とされるのはテープ２０が置換材料の供給源として役立ち得る金属源を含むことだけである。かかる金属源は、例えば、アルミニウム、クロム、アルミニウム−クロム合金、ケイ素−アルミニウム合金、チタン−アルミニウム合金、バナジウム、バナジウム−アルミニウム合金、コバルト−アルミニウム又はこれらの組合せとし得る。金属源コーティングテープ２０は、任意成分として、例えばフッ化アルミニウム、塩化アルミニウム、塩化アンモニウム、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、臭化カリウム又はこれらの混合物のようなハロゲン化物キャリヤ化合物を含んでいてもよい。ハロゲン化物キャリヤ化合物を添加すると、高温下でハロゲンが金属源と反応して金属イオンを部品の表面へと運んで、そこで金属イオンを基材と反応させることができるが、このプロセスは周知である。
【００２４】
任意には、損傷部への金属源コーティングテープ２０の配置及び初期保持を容易にするため、金属源コーティングテープ２０は粘着性である。図３に示す通り、金属源コーティングテープ２０をベーン４に接触状態に保つため、高温で寸法の安定なテープホルダ３０を金属源コーティングテープ２０に接するように配置する。テープホルダ３０は、例えばベーン４とテープホルダ３０双方を束縛する非反応性ワイヤ３２などによってベーン４に機械的に取り付けられる。或いは、高温で寸法の安定なクリップを用いてテープホルダ３０をベーン４の所定の位置に保持してもよい。粘着性の金属源コーティングテープ２０を用いたとしても、テープホルダ３０は必要である。部品及びテープ２０を所定の温度に加熱すると、後で述べる通り、通例は有機物質からなる粘着剤が燃焼してなくなり、テープ２０に含まれる金属源を部品に接触させておくために機械的固定が必要とされるからである。
【００２５】
高温で寸法の安定なワイヤ３２、クリップ及びテープホルダ３０は、変形せずに約２０００°Ｆを超える温度に耐える材料（例えば、黒鉛、セラミック、炭素−炭素複合材、セラミックマトリックス複合材又はこれらの組合せ）で製造される。任意には、高温で寸法の安定なテープホルダ３０はテープホルダ３０と金属源コーティングテープ２０の間に高温で寸法の安定なクッション材料３４（例えば、黒鉛、セラミック、炭素−炭素複合材、セラミックマトリックス複合材又はこれらの組合せからなるフェルト材料）をさらに含む。かかるクッション材料３４は、最初に金属源コーティングテープ２０に接するように配置した時は圧縮されるが、その後は膨張して粘着剤の焼失に伴って生じる空隙を埋める。
【００２６】
高温で寸法の安定なテープホルダ３０は、所定の温度に加熱し保温したときに金属源テープ２０をチッピング損傷領域６に接しまま保つ形状を有していればよい。好ましい実施形態では、テープホルダ３０の内面（図示せず）の形状は補修すべき選択的領域と実質的に鏡像関係にある。
【００２７】
例えば石英赤外線ランプのような熱源（図示せず）を配置して、所望の金属皮膜厚さを得るのに有効な温度及び時間、不活性雰囲気下で実質的に部品の選択的領域のみを加熱する。任意には、コーティング温度をモニターするため、図４に示すように１以上の熱電対４０をチッピング損傷部６に隣接して配置してもよい。かかる熱電対４０を制御装置と併用すれば、コーティング温度を正確に制御できる。
【００２８】
好ましい実施形態では、約１〜約３ミルの皮膜厚さを得るため、選択的領域を不活性雰囲気下約１８００〜約２０００°Ｆの温度に約３〜約８時間加熱する。
不活性雰囲気は、例えばアルゴン又は水素であるが、窒素のような非酸化性雰囲気であってもよい。実質的に部品の選択的領域又は局部領域のみを金属源に接触させて十分な高温に加熱するので、テープから発生したアルミニウム蒸気のような金属蒸気はテープを貼り付けた領域のみにアルミナイド皮膜のような金属皮膜を形成する。隣接領域には皮膜形成性材料は全く存在しないので、現行の技術で必要とされる部品の機械加工表面の粉末マスキングは不要となる。
【００２９】
タービンエンジン部品の選択的領域に拡散皮膜を施工するための本発明の方法は新規ジェットタービンエンジン部品補修システムの一部もなし、本発明の拡散皮膜の施工後に選択的領域に遮熱コーティング（ＴＢＣ）（図示せず）を施工する。本発明の補修ボンドコート上には、当技術分野で周知の技術を利用してイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のようなＴＢＣを施工し得る。
【００３０】
以下の実施例で、タービンエンジン部品の選択的領域に拡散皮膜を施工するための本発明の方法を例証する。
【００３１】
実施例１
Ｒｅｎｅ ７７ニッケル基超合金で製造された航空機エンジン被覆ベーンセグメント廃品にコーティングを施し、コーティングを故意に傷つけた。チッピングをシミュレートするため、翼形部の凸面側後縁の小領域からアルミナイド皮膜を除去して基材金属を露出させた。基材の露出した小領域にハロゲン化物活性化粘着性ＣＯＤＡＬテープを貼り付けた後、黒鉛性テープホルダ及び黒鉛フェルトを用いて所定の位置に保持した。コーティング温度をモニターしかつ制御装置との組合せで精密に制御するため、補修すべき基材の露出領域に隣接して熱電対を２つ配置した。
【００３２】
テープを貼り付けた部品をアルゴン雰囲気のチャンバー内に配置した後、１２０００ワットの石英ランプを用いて基材が露出した小領域を１９２５±２５°Ｆの温度に４時間加熱した。制御装置を用いてランプをサイクル制御して温度を上記温度範囲内に維持した。
【００３３】
補修ベーンセグメントを検査したところ、部品の変形又は反りの兆候はみられなかった。上記領域を金属組織学的に評価したところ、約２ミルの所望アルミナイド厚さが得られたことが判明した（図５参照）。この小領域の隣接部に実質的な影響はなかった。
【００３４】
以下、本発明の各種実施形態を示す。
【００３５】
実施形態１．金属皮膜が欠損したタービンエンジン部品の選択的領域に拡散金属皮膜を施工する方法であって、
選択的領域に接触して金属源コーティングテープ（２０）を配置する工程と、
高温で安定なテープホルダ（３０）を用いてコーティングテープ（２０）を選択的領域に接触状態に保持する工程と、
選択的領域上に所定の厚さの金属皮膜を形成するのに有効な温度及び時間不活性雰囲気下で選択的領域を加熱する工程と
を含んでなる方法。
【００３６】
実施形態２．前記金属源コーティングテープ（２０）を配置する工程が、アルミニウム、クロム、アルミニウム−クロム合金、ケイ素−アルミニウム合金、チタン−アルミニウム合金、バナジウム、バナジウム−アルミニウム合金、コバルト−アルミニウム及びこれらの組合せからなる群から選択される金属源を配置することを含む、実施形態１記載の方法。
【００３７】
実施形態３．前記金属源コーティングテープ（２０）を配置する工程が、活性化剤化合物を含む金属源コーティングテープ（２０）を配置することをさらに含む、実施形態２記載の方法。
【００３８】
実施形態４．前記活性化剤化合物がハロゲン化物を含む、実施形態３記載の方法。
【００３９】
実施形態５．前記ハロゲン化物を含むキャリヤ化合物が、フッ化アルミニウム、塩化アルミニウム、塩化アンモニウム、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、臭化カリウム及びこれらの混合物からからなる群から選択される、実施形態４記載の方法。
【００４０】
実施形態６．前記金属源コーティングテープ（２０）を接触状態に保持する工程が粘着テープを用いて実施される、実施形態１記載の方法。
【００４１】
実施形態７．前記コーティングテープ（２０）を保持する工程で用いられる高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）が、黒鉛、セラミック、炭素−炭素複合材、セラミックマトリックス複合材及びこれらの組合せからなる群から選択される材料で作製される、実施形態１記載の方法。
【００４２】
実施形態８．前記高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）の内面が選択的領域と実質的に鏡像関係にある、実施形態１記載の方法。
【００４３】
実施形態９．前記高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）がテープホルダ（３０）と金属源コーティングテープ（２０）との間にクッション材料（３４）を含む、実施形態１記載の方法。
【００４４】
実施形態１０．前記クッション材料（３４）が黒鉛、セラミック及びこれらの組合せからなる群から選択されるフェルト材料である、実施形態９記載の方法。
【００４５】
実施形態１１．前記高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）を部品に固定する工程をさらに含む、実施形態１記載の方法。
【００４６】
実施形態１２．前記高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）の固定方法が機械的なものである、実施形態１１記載の方法。
【００４７】
実施形態１３．前記高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）の固定方法がワイヤ固定及びクリップ固定からなる群から選択される、実施形態１１記載の方法。
【００４８】
実施形態１４．実質的に選択的領域を石英赤外線ランプで加熱する、実施形態１記載の方法。
【００４９】
実施形態１５．前記有効温度をモニターするとともに正確に制御するため１以上の熱電対（４０）を選択領域に隣接して配置する工程をさらに含む、実施形態１記載の方法。
【００５０】
実施形態１６．前記有効温度が約１８００°Ｆ〜約２０００°Ｆである、実施形態１記載の方法。
【００５１】
実施形態１７．前記有効時間が約３時間〜約８時間である、実施形態１記載の方法。
【００５２】
実施形態１８．前記不活性雰囲気がアルゴン及び窒素からなる群から選択される、実施形態１記載の方法。
【００５３】
実施形態１９．前記金属皮膜の所定の厚さが約１ミル〜約３ミルである、実施形態１記載の方法。
【００５４】
実施形態２０．実施形態１記載の方法で製造された拡散金属皮膜。
【００５５】
実施形態２１．当該皮膜がアルミナイド皮膜である、実施形態２０記載の拡散金属皮膜。
【００５６】
実施形態２２．タービンエンジン部品補修システムであって、
補修すべき選択的領域を有するタービンエンジン部品を選定する工程と、
選択的領域上に金属源コーティングテープ（２０）を配置する工程と、
高温で寸法安定なテープホルダ（３０）を用いてコーティングテープ（２０）を所定位置に保持する工程と、
所定の厚さの金属皮膜を形成するのに有効な温度及び時間不活性雰囲気下で選択的領域のみを加熱する工程と
金属皮膜に所定の厚さの遮熱コーティングを施工する工程と
を含んでなる方法。
【００５７】
実施形態２３．実施形態２２記載の方法で製造されたタービンエンジン部品補修システム。
【００５８】
以上、本発明を特定の実施例及び実施形態について説明してきたが、本発明の技術的範囲内でその他の変更及び修正が可能であることは当業者には自明であろう。これらの実施例及び実施形態は本発明の典型例を例示するものにすぎず、各請求項に記載された本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 チッピング損傷を有するタービンベーンを示す代表図である。
【図２】 ベーンに貼り付けたテープを示す代表図である。
【図３】 ベーン上に配置したテープホルダを示す代表図である。
【図４】 ベーンに取付けた熱電対を示す別の実施形態の代表図である。
【図５】 実施例１の補修した選択的領域の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
４ ベーン
６ チッピング損傷領域
２０ 金属源コーティングテープ
３０ テープホルダ
３４ クッション材料
４０ 熱電対

Claims (9)

1. 金属皮膜が欠損したタービンエンジン部品の選択的領域に拡散金属皮膜を施工する方法であって、
   選択的領域に接触して金属源コーティングテープ（２０）を配置する工程と、
   黒鉛、セラミック、炭素−炭素複合材、セラミックマトリックス複合材及びこれらの組合せからなる群から選択される材料で作製された高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）を用いてコーティングテープ（２０）を選択的領域に接触状態に保持する工程と、
   選択的領域上に所定の厚さの金属皮膜を形成するのに有効な温度及び時間不活性雰囲気下で選択的領域を加熱する工程と
   を含んでなる方法。
2. 前記選択的領域を石英赤外線ランプで加熱する、請求項１記載の方法。
3. 金属源コーティングテープを配置する工程が、アルミニウム、クロム、アルミニウム−クロム合金、ケイ素−アルミニウム合金、チタン−アルミニウム合金、バナジウム、バナジウム−アルミニウム合金、コバルト−アルミニウム及びこれらの組合せからなる群から選択される金属源を配置することを含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 金属源コーティングテープ（２０）を配置する工程が、活性化剤化合物を含む金属源コーティングテープを配置することをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 活性化剤化合物がハロゲン化物を含む、請求項４記載の方法。
6. ハロゲン化物を含むキャリヤ化合物が、フッ化アルミニウム、塩化アルミニウム、塩化アンモニウム、フッ化アンモニウム、フッ化カリウム、臭化カリウム及びこれらの混合物からからなる群から選択される、請求項５記載の方法。
7. 金属源コーティングテープ（２０）を接触状態に保持する工程が粘着テープを用いて実施される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）の内面が選択的領域と実質的に鏡像関係にある、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. 高温で寸法の安定なテープホルダ（３０）が該テープホルダ（３０）と金属源コーティングテープ（２０）との間にクッション材料（３４）を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。

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