(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有するガスタービンエンジン部品であって、
前記表面の少なくとも一部に皮膜系が設けられ、
当該皮膜系が、
マトリックス（６３）とマトリックス（６３）中に均一に分散した粒子（６５）とを含むベース皮膜（６４）と、
ベース皮膜の少なくとも一部に設けられた仮皮膜（７０）であって、ベース皮膜（６４）の表面を封止して汚染物質の浸透を低減する有機材料を含む仮皮膜（７０）と
を含んでおり、５００℃を超える温度に暴露されると前記仮皮膜（７０）が揮発して前記ベース皮膜（６４）が非被覆状態に戻る、皮膜系であり、
Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｚｒ2Ｏ3、Ｔｉ2Ｏ3及びこれらの組合せからなる群から選択された前記粒子（６５）が前記ベース皮膜（６４）に所定の熱膨張率を与えるとともに耐食性を与える
ことを特徴とする、ガスタービンエンジン部品。
【請求項２】
表面を有するガスタービンエンジン部品であって、
前記表面の少なくとも一部に皮膜系が設けられ、
当該皮膜系が、
マトリックス（６３）とマトリックス（６３）中に均一に分散した粒子（６５）とを含むベース皮膜（６４）と、
ベース皮膜の少なくとも一部に設けられた仮皮膜（７０）であって、ベース皮膜（６４）の表面を封止して汚染物質の浸透を低減する有機材料を含む仮皮膜（７０）と
を含んでおり、５００℃を超える温度に暴露されると前記仮皮膜（７０）が揮発して前記ベース皮膜（６４）が非被覆状態に戻る、皮膜系であり、
ＭＡｌ、ＭＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＣｒＸ、ＭＣｒＡｌＸの粒子及びこれらの組合せからなる群（ただし、Ｍはニッケル、鉄、コバルト及びこれらの組合せからなる群から選択される元素であり、ＸはＬａ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ及びこれらの組合せからなる群から選択される元素である。）から選択された前記粒子（６５）が前記ベース皮膜（６４）に所定の熱膨張率を与えるとともに耐食性を与える
ことを特徴とする、ガスタービンエンジン部品。
【請求項３】
前記有機材料が、アクリル系ラテックス樹脂、溶剤アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリスルフィド及びこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項１又は２に記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項４】
前記マトリックス（６３）が、ケイ素系マトリックス、シリコーン系マトリックス、リン酸塩系マトリックス、クロム酸塩系マトリックス又はこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項５】
前記ベース皮膜（６４）の所定の熱膨張率が、１２００°Ｆで４〜５×１０-6／°Ｆよりも大きい、請求項１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項６】
前記有機材料が、充填材、顔料その他の樹脂添加剤を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項７】
前記ベース皮膜（６４）及び仮皮膜（７０）が水性材料として塗工される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のガスタービンエンジン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中程度の温度及び腐食性環境に暴露されるタービンエンジン部品のための、仮有機皮膜を含む耐食性皮膜系、並びにかかる皮膜系をタービンエンジン部品に施工する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機ガスタービンエンジンでは、空気をエンジン前方から吸い込んで、シャフトに装着された圧縮機で加圧し、燃料と混合する。混合気を燃焼させて、高温排気ガスを、同じシャフトに取付けられたタービンに流す。燃焼ガスの流れがタービン動翼の翼形部に当たってタービンを回転させ、タービンがシャフトを回転させて、圧縮機に動力を供給する。高温排気ガスがエンジン後方から排出され、エンジン及び航空機を前方に駆動する。燃焼及び排気ガス温度が高いほど、ジェットエンジンの作動効率が高まる。そのため、燃焼ガス温度を高めることが奨励される。
【０００３】
航空機ガスタービンエンジンの圧縮機部分では、周囲空気を大気圧の１０〜２５倍に圧縮し、その過程で８００〜１２５０°Ｆに断熱的に加熱される。この加熱圧縮空気を燃焼器に導き、そこで燃料と混合する。燃料を点火し、燃焼過程でガスを３０００°Ｆ超の極めて高温に加熱する。この高温ガスがタービンを通過する際に回転タービンホイールでエネルギーが抽出されてエンジンのファン及び圧縮機を駆動し、排気系を通過する際にガスが航空機を推進させるための推力を供給する。航空機エンジンの作動効率を向上させるため、燃焼温度の上昇が図られてきた。燃焼温度の上昇に伴って、作動温度の高温化によるエンジン部品の劣化を直接的及び間接的に防止するための対策を講じる必要があることはいうまでもない。
【０００４】
性能要求には高推力化及び燃料経済性の向上が含まれるので、新エンジン及び実績のある設計の変更のための性能向上の要求は増大し続けている。エンジン性能を向上させるため、燃焼温度は非常に高い温度まで高められてきた。これによって高推力化及び／又は燃料経済性の向上が可能となる。かかる燃焼温度は、燃焼経路内にない超合金部品でさえも劣化されるほどの高温になっている。これらの超合金部品は概して前例のないメカニズムによる劣化を受け、これまで報告されていない解決すべき問題を生じる。高性能航空機エンジンの修復時に最近発見された問題の一つは、タービンディスク、シールその他の冷却空気が供給される部品の腐食ピットである。冷却空気は、吸い込まれた粒状物、例えば塵埃、火山灰、フライアッシュ、コンクリート塵、砂、海塩など、粒子もしくは気体状の金属、硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩、多種多様な酸化物及び／又は様々な塩を含んでいる。これらの物質は基材表面に付着する。これらの物質が金属表面に付着すると、そうした物質同士で又は金属表面と相互作用して表面を腐食するおそれがあり、腐食は高温で加速される。タービンエンジンに用いられる材料は通例、それらの耐食性を含めた高温特性に基づいて選択される。こうした材料であっても、高温での過酷な条件下では劣化する。観察された腐食ピットの問題を検討したところ、腐食ピットは、冷却空気の流れと接するディスク、シールその他の部品に周囲空気中に浮遊する粒状又は気体状異物が付着して生じた腐食生成物の形成に起因することが判明した。こうした付着が、これらのエンジン部品が遭遇する温度レジームの高温化と相俟って、腐食生成物を形成する。なお、腐食生成物は、燃料中の夾雑物による酸化及び腐食生成物が通常不随する高温燃焼ガスにエンジン部品が暴露される結果ではない。本明細書で検討するシール、タービンディスクその他の部品は一般に、漏れが存在する場合には、空気がこれらの部品の方向ではなく、高温燃焼ガスの流れの方向に漏れるように設計される。
【０００５】
腐食生成物は、周囲空気環境から吸い込まれた冷却空気にエンジン部品が暴露されることに起因するが、航空機は大気条件の種々異なる様々な地域を訪れるため、腐食生成物はエンジン毎に均一でない。例えば、ある航空機は塩水環境にさらされ、別の航空機は先進工業地域からの大気汚染にさらされる。腐食の問題を軽減するために様々な皮膜（コーティング）が開発されてきた。
【０００６】
公知の皮膜系は、腐食を軽減するための皮膜（以下、「ベースコート」という。）に加えて、リン酸塩皮膜のような無機トップコートも含んでいる。かかる公知の皮膜系は、作動温度においてトップコートが残存し、ベースコートを妨げるという短所を有する。具体的には、冷却空気に暴露されるエンジン部品でみられるような大きな温度変動が起こると、トップコートが、皮膜内部の損傷を含めたベースコートの劣化を生じて、エンジン部品の腐食の確率を高める。リン酸塩封止剤を始めとする無機トップコートをベースコートに直接塗工すると、封止剤がベースコートの細孔に浸透して、温度サイクリング（５００°Ｆ／分を超える熱サイクル）時に遭遇する歪みのような歪みに耐えるベースコートの能力を低下させると思料される。さらに、公知のトップコートは施工が難しく、皮膜を形成するための材料のマスキングと製造が必要とされる。例えば、公知の皮膜では、無機トップコートの形成に１０〜１２時間以上を要することもあり、こうした遅延のためガスタービンエンジンの製造に要する合計時間及びコストがさらに増す。
【０００７】
トップコートを完全になくすことも望ましくない。ベースコート単独（つまり、トップコートなし）での使用には多くの短所がある。まず、ベースコートは概して多孔質皮膜構造であり、製造時にエンジン部品の表面と接する可能性のあるオイル又はグリースによる変色及び／又は着色を起こしやすい。オイル、グリースなどの汚染物質は、ベースコートの多孔質構造内部に取り込まれ、その結果生じる変色及び／又は着色による望ましくない外観を呈する。さらに、汚染物質が多孔質構造内部に取り込まれると、ベースコートの温度変動耐性及び耐食性が低下しかねない。第２に、エンジン部品の表面外観は一般に鈍く光沢のない肌合いであって、美観上好ましいものではない。したがって、追加のトップコートがなく、ベースコートしか有していない部品を提供するのは望ましくない。
【特許文献１】米国特許第３２４８２４９号明細書
【特許文献２】米国特許第３２４８２５１号明細書
【特許文献３】米国特許第４８８９８５８号明細書
【特許文献４】米国特許第４９７５３３０号明細書
【特許文献５】米国特許第６３６８３９４号明細書
【特許文献６】米国特許第５７２３０７８号明細書
【特許文献７】米国特許第４５６３２３９号明細書
【特許文献８】米国特許第４３５３７８０号明細書
【特許文献９】米国特許第４４１１７３０号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第１１／０１１６９５号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第１１／３１１７２０号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第１１／２９３４４８号明細書
【特許文献１３】米国特許第４６０６９６７号明細書
【特許文献１４】米国特許第４５４４４０８号明細書
【特許文献１５】米国特許第６５４４３５１号明細書
【特許文献１６】米国特許第６２８３７１５号明細書
【特許文献１７】米国特許第６２２４６５７号明細書
【特許文献１８】米国特許第６０７４４６４号明細書
【特許文献１９】米国特許第５９８５４５４号明細書
【特許文献２０】米国特許第５４７２７８３号明細書
【特許文献２１】米国特許第５３６８８８８号明細書
【特許文献２２】米国特許第５０６６５４０号明細書
【特許文献２３】米国特許第４９１７９６０号明細書
【特許文献２４】米国特許第４８６３５１６号明細書
【特許文献２５】米国特許第４８０６１６１号明細書
【特許文献２６】米国特許第４７２４１７２号明細書
【特許文献２７】米国特許第４６５９６１３号明細書
【特許文献２８】米国特許第４６１７０５６号明細書
【特許文献２９】米国特許第４５６４５５５号明細書
【特許文献３０】米国特許第４５３７６３２号明細書
【特許文献３１】米国特許第３２４８２５０号明細書
【特許文献３２】米国特許出願公開第２００４／００１３８０２号明細書
【非特許文献１】Krylon Indoor/Outdoor Polyurethane Clear Wood Finish, Gloss, Material Safety Data Sheet, March 4, 2006, pp. 1-6, The Sherwin Williams Company, Cleveland, OH.
【非特許文献２】Krylon Low Odor Clear Gloss Finish, Material Safety Data Sheet, March 4, 2006, pp. 1-5, The Sherwin Williams Company, Cleveland, OH.
【非特許文献３】Krylon Decorator Spray Paints, Acrylic Crystal Clear, Material Safety Data Sheet, March 4, 2006, pp. 1-6, The Sherwin Williams Company, Cleveland, OH.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
製造プロセスの際の表面損傷から保護された見た目のきれいな表面仕上げを有する製造部品を与える皮膜系で、高い作動温度及び多様な雰囲気中での極端な温度変化にタービンエンジン部品が付されてもその下の皮膜に悪影響を与えない皮膜系が必要とされている。さらに、当技術分野で公知の無機トップコートの短所がなく、迅速かつ安価に施工できる皮膜系も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
最高作動温度で用いられるタービンエンジン部品は一般に鉄基、ニッケル基、コバルト基超合金又はこれらの組合せからなる超合金、或いは良好な高温靭性及び耐疲労性によって選択されるステンレス鋼のような他の耐食性材料で作られる。例示的な超合金は、いずれも周知であるが、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）６００、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）７２２及びＩｎｃｏｎｅｌ（商標）７１８などのＩｎｃｏｎｅｌ（商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（商標）、Ｒｅｎｅ（商標）８８ＤＴ、Ｒｅｎｅ（商標）１０４、Ｒｅｎｅ（商標）９５、Ｒｅｎｅ（商標）１００、Ｒｅｎｅ（商標）８０及びＲｅｎｅ（商標）７７などのＲｅｎｅ（商標）、Ｕｄｉｍｅｔ（商標）５００などのＵｄｉｍｅｔ（商標）、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｘ、ＨＳ１８８などの商品名Ｈａｓｔｅｌｌｏｙなどの商品名で呼ばれるものなどがある。これらの材料は酸化及び腐食損傷耐性を有するが、その耐性は現在のガスタービンエンジンで達する持続的作動温度で部品を保護するのには十分でない。ディスクその他のロータ部品のようなエンジン部品はクロム含量の低い新世代合金で作られており、そのため腐食作用を受けやすい。こうしたエンジン部品としては、タービンディスク、タービンシール要素、タービンシャフト、動翼又は静翼として分類される翼形部、タービン動翼リテーナ、中央本体、エンジンライナ及びフラップが挙げられる。以上は例示にすぎず、すべてを網羅したものではない。
【００１０】
上述の部品はすべて本発明の効果がみられるが、タービンディスク、タービンシール要素及びタービンシャフトのようなエンジン部品は燃焼生成物のガス通路内に直接位置しているわけではないので、一般にはこのような腐食性及び酸化性の高いガスに暴露される結果として腐食を起こす製品とは同一視できない。それでもなお、これらの部品は高い作動温度に遭遇し、そうした高い作動温度の結果として多大な腐食作用を受ける。本発明は、耐食性ベースコートと見た目のきれいな製品を与えるためにこれらの部品に施工される仮有機コートとを含む皮膜系であり、製造又は組立てによる損傷がほとんど又は全くなく、後続の皮膜によるベースコートの劣化を起こさずに腐食問題を軽減又は最小限に抑制する。
【００１１】
本発明では、タービンディスク、タービンシール要素及びタービンシャフトのようなエンジン部品用の耐食性皮膜を与えるのにベースコートを利用する。ベースコートは、その他、例えばタービン動翼、タービン静翼、ライナ及び排気フラップを始めとする、ガス流体流路内又はその境界に位置するタービン部品のような高温及び腐食性環境に暴露されるタービン部品にも有用性を見出すことができる。ガスタービン部品に設けられる本発明の耐食性ベースコートはマトリックスを含むが、マトリックスとしては、特に限定されないが、ケイ素系、シリコーン系、リン酸塩系、クロム酸塩系マトリックス又はこれらの組合せがある。ベースコートマトリックス中には粒子が存在する。これらの粒子は耐火性酸化物、アルミナ、ＭＣｒＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＡｌ、ＭＣｒＸ、ＭＡｌＸの粒子及びこれらの粒子の組合せからなる群から選択でき、マトリックス内に実質的に均一に分散している。本発明の皮膜系はさらに、ベースコートの表面を保護するが皮膜系が作動温度に暴露されたときに除去可能な仮有機皮膜を含む。
【００１２】
本発明の皮膜は、腐食からの保護が必要とされる高温タービンエンジン部品に施工される。耐食性粒子はマトリックス形成組成物と混合される。耐食性粒子は好ましくは耐火性酸化物粒子、アルミナ、ＭＣｒ、ＭＡｌ、ＭＣｒＸ、ＭＡｌＸ及びＭＣｒＡｌＸの粒子からなる群から選択されるが、Ｍは、鉄、ニッケル及びコバルトから選択される元素であり、Ｘはγ′相形成元素、Ｔａ、Ｒｅのような固溶体強化元素、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｌａのような反応性元素、又はＢ及びＣからなる粒界強化元素及びこれらの組合せからなる群から選択される元素である。混合を行って部品の表面の少なくとも一部に塗工できるスラリーを形成する。ただし、スラリーは、マトリックス形成流体と粒子との実質的に均質な皮膜を生じるべきである。いうまでもなく、スラリーの粘度は、部品表面に皮膜を塗工する方法に応じて調整することができる。部品の表面にスラリーを塗工する前に、スラリーの付着性を高めるため通例部品の表面を処理する。表面に応じて、この前処理は単に表面を清浄化するだけでもよいし、或いは化学的エッチング又は機械的な粗面加工をさらに含んでいてもよい。部品の表面の少なくとも一部にスラリーを塗工した後、スラリーを乾燥させる。乾燥は通例２段階で行われる。最初の低温段階では、スラリーから未結合流体を除去し、部品の表面の少なくとも一部に所定の厚さの皮膜が形成されるように乾燥を行う。残留結合流体又は捕捉流体をコーティングスラリーから除去し、皮膜を表面で初期硬化させて表面との化学的及び／又は機械的結合を形成するため、追加の乾燥が必要とされることもある。乾燥後、皮膜を所定の温度まで焼成して、粒子が均一に分散した少なくともガラス状のマトリックスを形成する。理想的には、皮膜は作動時の部品表面の予測温度以上の温度で焼成する。ベースコート形成後、仮有機皮膜を塗工する。仮有機皮膜は、好ましくはベースコートの少なくとも一部にスプレーして乾燥させる。仮有機皮膜は、ベースコートの表面をその表面の細孔も含めて封止し、ベースコートの表面に耐衝撃性及び耐摩耗性を与える。トップコートは一時的なもので、有機皮膜材料はガスタービンエンジンの作動温度に暴露すると除去される。
【００１３】
本発明の皮膜系の利点は、タービンエンジン部品用の合金の多くと適合した熱膨張率を有することである。そのため、皮膜は、航空機エンジン作動時の大きな温度変化による温度サイクリングに起因するスポーリングによって制限されない。
【００１４】
本発明の別の利点は、１１００°Ｆを超える温度サイクリングに付されるエンジン部品に耐食性を付与するのに使用できることである。
【００１５】
本発明のベースコートのさらに別の利点は、耐火性酸化物、アルミナ、ＭＣｒＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＡｌ、ＭＣｒＸ、ＭＡｌＸ及びこれらの組合せの量を変えることによって熱膨張率を変化させることができ、熱膨張率を変更して航空機エンジンに用いられた大半の基材の熱膨張率に一致又は近似するように熱膨張率を修正して基材と皮膜との熱応力を低減できることである。その結果、温度サイクリングによる皮膜の破損が起こらなくなる。
【００１６】
付随する利点は、耐火性酸化物、アルミナ、ＭＣｒＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＡｌ、ＭＣｒＸ、ＭＡｌＸ及びこれらの組合せの配合量の異なる各層からなる多層としてベースコートを塗工して、各層の熱膨張率を変えるとができることである。このような多層として皮膜を塗工することによって、層間応力を層の疲労強度限界未満となるように注意深く制御することができ、温度サイクリングによる損傷メカニズムとしての疲労を解消することができる。
【００１７】
本発明のさらに別の利点は、ベースコート及び仮有機皮膜が環境への影響の少ない水性材料として塗工できることである。
【００１８】
本発明のさらに別の利点は、汚染物質による着色及びベースコート内部への汚染物質の浸透が実質的にない見た目のきれいな表面を製品に与えることができることである。
【００１９】
本発明のさらに別の利点は、ガスタービンエンジンが作動温度に達した時に仮有機皮膜が除去されて、オーバーレイコーティングによるベースコートの劣化が低減又は防止されることである。
【００２０】
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示した以下の好ましい実施形態に関する詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによって明らかになろう。
【００２１】
図面全体を通して、同一又は類似の部品にはできるだけ同じ符号を付した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、タービンエンジン部品に施工された耐食性ベースコートであって、該ベースコート上に設けられた仮有機皮膜を有する耐食性ベースコートに関する。耐食性皮膜は、無機マトリックス形成材料に均一に分散した耐火性酸化物粒子、アルミナ、ＭＡｌ、ＭＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＣｒＸ、ＭＣｒＡｌＸ粒子又はこれらの組合せを含む。粒子は皮膜に耐食性を与え、無機マトリックス形成材料中の無機材料は塗工時のバインダーであって硬化後にマトリックスを形成する。硬化の際に無機材料は耐食性粒子を含むマトリックスを形成し、焼成するとベースコートを形成する。皮膜系は、ベースコートの少なくとも一部に設けられた仮有機皮膜をさらに含む。
【００２３】
本発明での使用に適したベースコートのマトリックス形成用バインダー成分は通例リン酸塩、クロム酸塩、シリコーン又はシリカバインダーを含んでおり、その他のバインダー材料を含んでいても含んでいなくてもよい。これらのバインダーは、酸の形態であってもよいし、或いはさらに典型的には化合物／組成物の形態である。例えば、リン酸塩バインダーは、オルトリン酸塩、ピロリン酸塩などとして存在し得る。化合物／組成物は、一塩基、二塩基、三塩基又はその組合せでよい。バインダー成分は、１種以上の金属化合物を含んでいてもよい。例えば、リン酸金属塩として、リン酸アルミニウム、リン酸マグネシウム、リン酸クロム、リン酸亜鉛、リン酸鉄、リン酸リチウム、リン酸カルシウムなど、又はそれらの組合せが挙げられる。通例、リン酸塩含有バインダー成分は、リン酸アルミニウム、リン酸マグネシウム、リン酸クロム又はこれらの組合せを含む。バインダー成分は、１種以上のクロム酸塩、モリブデン酸塩などの他のバインダー材料を適宜含んでいてもよい。例えば、１９６６年４月２６日発行の米国特許第３２４８２４９号（Ｃｏｌｌｉｎｓ，Ｊｒ）、１９６６年４月２６日発行の米国特許第３２４８２５１号（Ａｌｌｅｎ）、１９８９年１２月２６日発行の米国特許第４８８９８５８号（Ｍｏｓｓｅｒ）、１９９０年１２月４日発行の米国特許第４９７５３３０号（Ｍｏｓｓｅｒ）を参照されたい（それらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）。リン酸塩含有バインダー成分は、その他のバインダー材料を実質的に含んでいなくてもよく、例えばクロム酸塩を実質的に含まないリン酸塩含有バインダー成分であってもよい。例えば、２００２年４月９日発行の米国特許第６３６８３９４号（Ｈｕｇｈｅｓ他）（クロム酸塩を実質的に含まないリン酸塩バインダー成分）を参照されたい（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）。
【００２４】
本明細書中で用いる「ＣＴＥ」という用語は材料の熱膨張率を意味し、本明細書では１０−６／°Ｆ単位で表す。例えば、約１２００°Ｆ（６４９℃）で約４〜５×１０−６／°Ｆの熱膨張率を有するアルミナは、本明細書では約４〜５のＣＴＥを有するという。
【００２５】
図１は、エンジンの中心線に沿ったガスタービンエンジンのタービンセクションの一部分の断面図である。図示したタービンセクション３０は２段タービンであるが、タービン設計に応じてどのような段数を採用してもよい。本発明は、図示したタービンの段数に限定されるものではない。タービンディスク３２は、図示した通り、エンジンの中心線に沿ってディスク３２内のボアを貫通して延在するシャフト（図示せず）に取付けられる。第１段動翼３８は第１段ディスク３６に取付けられ、第２段動翼４２は第２段ディスク４０に取付けられる。静翼４１０はケーシング４２０から延在する。ケーシング４２０の内面は、ガス流路内を流れる高温燃焼ガスのためのライナ４３０を形成する。第１段動翼３８、第２段動翼４２及び静翼４１０は高温ガス流路内に延在する。静翼４１０は静止しており、高温ガス流を方向付ける働きをし、ディスク３６，４０に取付けられた動翼３８，４２は高温ガスがそれらに衝突すると回転して、エンジンを作動させるエネルギーを抽出する。
【００２６】
シール要素３４、前方シール４４、後方シール４６、段間シール４８、第１段後方動翼リテーナ５０及び第２段後方動翼リテーナ５２は、タービン動翼及びノズルへの圧縮機空気冷却回路を封止して完成させる。これらのシールはディスクと接しており、ディスクと共に回転する。段間シール４８は、静翼４１０の内部寄りにかつ第１段ディスク３６と第２段ディスク４０との間に配置される。動翼をディスクに固定する任意要素としての動翼リテーナ５０，５２も図示している。かかるリテーナの設計はエンジン設計に応じて異なり、エンジン設計によってはそれらが必要ないこともある。
【００２７】
これらのシール及び動翼リテーナは、それらによって導かれる冷却回路空気の温度まで加熱される。さらに、燃焼通路に近接した部品も燃焼通路部品からの熱伝導によって加熱される。例えば、タービンディスク３２の周縁部はタービン動翼３８，４２によって伝導加熱される。前述したような冷却空気中の汚染物質は、冷却キャビティを形成するディスク、シール及びリテーナの表面に付着し、このような高温で汚染源となる。そこで、本発明は、このような冷却空気汚染物質の付着又は堆積による腐食に付される表面を保護することができる。
【００２８】
図３は、図１のディスク３６，４０のような典型的ガスタービンエンジンディスク８２の斜視図であり、通例、前述の超合金材料のいずれかのような超合金材料で作られる。ディスク８２は通例エンジン中心線に沿ってハブ７４を有しており、そのボアを通してシャフト（図示せず）が延在する。ディスクは、その外周部に沿ってダブテールスロット８６を備えており、そこにタービン動翼３８，４２が植え込まれる。ディスク８２のウェブセクション７８は、ダブテールスロットが設けられた外周部とハブとの間に延在する。ベースコートと仮有機皮膜とを含む本発明の皮膜系は、ダブテールスロット８６を含めたディスク８２のあらゆる箇所に利用できるが、ハブ７４のボアとは異なり高温冷却空気に直接暴露されるウェブセクション７８及びダブテールスロット８６の表面での使用が特に有効である。
【００２９】
図２は、エンジン部品に堆積させた本発明の最も単純な形態の皮膜の断面を示す。耐食性ベースコート６４は基材６０の表面６２に施工される。基材６０は、第１段ディスク３６又は第２段ディスク４０のようなタービンエンジンディスクとすることができる。基材６０は、タービンディスク８２のウェブセクション７８のような代表的表面とすることができる。所望に応じて、ニッケル基、コバルト基、鉄基超合金又はこれらの組合せからなる超合金を含む基材６０は、基材表面６２にコンプライアント皮膜を含んでいてもよい。コンプライアント皮膜としては、例えばＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹのようなＭＣｒＡｌＸ皮膜、ＮｉＡｌのようなアルミナイド、又は（Ｐｔ，Ｎｉ）Ａｌのような貴金属改質アルミナイドのような材料がある。前述の通り、ベースコート６４は単層の傾斜皮膜として硬化させることができ、表面６６はその表面の環境を形成する冷却空気に暴露される。或いは、ベースコート６４は実質的に均一な組成であってもよい。皮膜の組成を傾斜させる場合には、ベースコート６４上に追加の層を塗工するが、最初の層は外面６６に設けて順次追加の層を外側層に設ける。
【００３０】
金属基材６０の表面６２に本発明の耐食性ベースコート６４を形成する前に、通例、金属表面６２を機械的及び／又は化学的に前処理してベースコート６４の付着性を高める。好適な前処理法には、グリットブラスティング（グリットブラスティングに付される表面をマスキングしてもよいしマスキングしなくてもよい）（１９９８年３月３日発行のＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５７２３０７８号、特に第４欄４４〜６６行参照、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）、マイクロマシニング、レーザエッチング（１９９８年３月３日発行のＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５７２３０７８号、特に第４欄６７行―５欄３行及び第５欄１４〜１７行参照、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）、塩酸、フッ化水素酸、硝酸、フッ化水素アンモニウム及びこの混合物を含有するエッチング剤のような化学エッチング剤による処理（例えば、１９９８年３月３日発行のＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５７２３０７８号、特に第５欄３〜１０行、１９８６年１月７日発行のＡｄｉｎｏｋｆｉ他の米国特許第４５６３２３９号、特に第２欄６７行―３欄７行、１９８２年１０月１２日発行のＦｉｓｈｔｅｒ他の米国特許第４３５３７８０号、特に第１欄５０〜５８行、及び１９８３年１０月２５日発行のＦｉｓｈｔｅｒ他の米国特許第４４１１７３０号、特に第２欄４０〜５１行参照、これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）、ウオータジェット処理とも呼ばれる加圧水処理（研磨材粒子を加えても加えなくてもよい）、並びにこれらの組合せがある。典型的には、金属基材６０の表面６２はグリットブラスティング法で前処理し、表面６２を、炭化ケイ素粒子、鋼粒子、アルミナ粒子その他の研磨材粒子の研磨作用に付す。グリットブラスティングに用いられる粒子は通例アルミナ粒子であり、典型的には約６００〜約３５メッシュ（約２５〜約５００μｍ）の粒径、さらに典型的には約３６０〜約３５メッシュ（約３５〜約５００μｍ）の粒径を有する。
【００３１】
表面の前処理完了後、ベースコートを塗工する。本発明での使用に好適なベースコートは、本願出願人に譲渡された２００４年１２月１５日出願の「ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ  ＲＥＳＩＳＴＡＮＴ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ，  ＣＯＡＴＥＤ  ＴＵＲＢＩＮＥ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＳＡＭＥ」と題する米国特許出願第１１／０１１６９５号に開示されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。別の好適なベースコートとしては、本願出願人に譲渡された２００５年１２月１９日出願の「ＳＴＲＡＩＮ  ＴＯＬＥＲＡＮＴ  ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ  ＰＲＯＴＥＣＴＩＮＧ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＡＮＤ  ＳＰＲＡＹ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」と題する米国特許出願第１１／３１１７２０号に開示されたものがあり、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。別の好適なベースコートとしては、本願出願人に譲渡された２００５年１２月２日出願の「ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ  ＩＮＨＩＢＩＴＩＮＧ  ＣＥＲＡＭＩＣ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」と題する米国特許出願第１１／２９３４４８号に開示されたものがあり、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。その他の好適なベースコートとしては、リン酸塩／クロム酸塩バインダー系及びアルミニウム／アルミナ粒子を含む水性耐食性皮膜組成物が挙げられる。例えば、１９８６年８月１９日発行の米国特許第４６０６９６７号（Ｍｏｓｓｅｒ）（球状アルミニウム粒子）及び１９８５年１０月１日発行の米国特許第４５４４４０８号（Ｍｏｓｓｅｒ他）（分散性水和アルミナ粒子）を参照されたい（それらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）。
【００３２】
傾斜多層皮膜を得るため表面６６に追加の皮膜層を塗工する場合、追加の層の塗工前に皮膜表面を前処理する必要はない。
【００３３】
以上、本発明の皮膜の好ましい使用法の例を示してきたが、本発明は、これらに限定されるものではなく、ベース金属の腐食が顕著なあらゆる用途に使用できる。本発明のベースコートは、好ましくは約０．０００１インチ（０．１ｍｉｌ）〜約０．００５インチ（５ｍｉｌ）の厚さ、さらに好ましくは約０．０００５インチ（０．５ｍｉｌ）〜約２．５インチの厚さの皮膜として塗工される。皮膜は、単層としてかかる厚さに塗工してもよいし、或いは上記範囲内の全厚が達成されるように複数の層として塗工してもよい。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態として、マトリックス全体に耐食性粒子が実質的に均一に分散するように塗工された皮膜がある。耐食性は、耐火性酸化物、アルミナ、ＭＣｒＡｌＸの粒子又はこれらの粒子の組合せによって付与される。マトリックスは、様々な方法のいずれかで処方することができる。ただし、水性系ではマトリックス形成成分を用いる。所望の粘度となるように水を添加又は水を蒸発させることによって、粘度を調整することができる。
【００３５】
マトリックス形成材料は好ましくはリン酸塩バインダーを単独で又は他のバインダー材料と共に含む。リン酸塩バインダーが好ましいが、コロイダルシリカ及びシリコーンのような他のバインダー材料も利用できる。リン酸塩バインダーはリン酸の形態であってもよいし、或いはさらに典型的にはオルトリン酸塩、ピロリン酸塩その他のリン酸塩化合物を始めとするリン酸塩化合物／組成物の形態であってもよい。こうしたリン酸塩化合物／組成物は、一塩基、二塩基、三塩基又はそれらの組合せとすることができる。リン酸塩含有バインダー成分は、クロム酸塩、モリブデン酸塩などのバインダー材料を始めとする他のバインダー材料を適宜含んでいてもよい。
【００３６】
マトリックス形成溶液に耐食性粒子が添加される。具体的には、リン酸塩、コロイダルシリカ又はシリコーンを含有する溶液又は分散液のようなバインダー材料に耐食性粒子を添加する。かかる粒子は、アルミナ、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（Ｚｒ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）及びこれらの組合せなどの、皮膜に耐食性を付与し得る耐火性酸化物粒子を含んでいればよい。その他の好適な材料としては、アルミナのＣＴＥよりも大きいＣＴＥを有する比較的不活性又は非反応性のセラミックスが挙げられる。その他、タングステン、クロム及びレニウムのような金属の酸化物も使用できるが、好ましい耐火性酸化物ほど環境に優しくないのでさほど好ましいとはいえない。或いは、ＭＣｒＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＡｌ、ＭＣｒＸ或いはＭＡｌＸ粒子を単独で又は耐火性酸化物粒子と共に溶液に添加して、所定のＣＴＥを有する層を形成してもよい。
【００３７】
例えば、粒子をコロイダルシリカ分散液に、粒子が溶液全体の５〜６０重量％をなし、界面活性剤１５重量％以下、残部がＬＰコロイダルシリカ分散液となるように添加してもよい。例えばＬＰ３０コロイダル溶液の場合、粒子を約３０重量％まで添加すると、約２１重量％がシリカ固形分、１０重量％以下が界面活性剤、溶液の残部は約３９重量％の水となる。粒子は２５μｍ以下の範囲の粒径で供給される。粒子は実質的に等軸（球状）であっても非等軸（フレーク）であってもよい。好ましくは、粒子の粒径は１０μｍ以下である。粒子密度を高くすることが望ましれる場合、粒子は２以上の粒径で供給すべきである。かかる場合、平均粒径の差が好ましくは約１０倍となるようにすべきである。このような粒子間の粒径の差によって、大きな粒子間の隙間に小さな粒子が入り込む。これは粒子が実質的に等軸のときに特に顕著である。そこで、高い充填密度が必要とされ粒子の粒径が約５μｍのときは、粒子が０．５μｍ以下の第２の粒径範囲の粒子も含むべきである。粒子の充填密度は層のＣＴＥにある影響をもつ。
【００３８】
本発明のベースコート形成用の組成物としては、Ｔｒｉｔｏｎ（商標）−Ｘ界面活性剤約１０重量％、ＬＵＣＡＬＯＸ（商標）アルミナ約２２．５重量％、残部のコロイダルシリカ約６７．５重量％からなるＬＢＫ−５１Ｆと呼ばれる材料が挙げられる。第２の好適な組成物としては、界面活性剤約２重量％、酸洗浄した−３２５メッシュのアルミナ約２４．５重量％、残部のコロイダルシリカＬＢＫ−５１Ｇ約７３．５重量％からなるＬＢＫ−５１Ｇが挙げられる。これら２種類の組成物はスプレー法で塗工できる。ＬＵＣＡＬＯＸ（商標）は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国コネティカット州フェアフィールド）の商標であり、ＬＵＣＡＬＯＸ（商標）アルミナは、同社から市販の多結晶アルミナである。Ｔｒｉｔｏｎ（商標）−Ｘ系の界面活性剤は、それらの濡れ性と洗浄力で著名なＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から市販の非イオン性オクチルフェノールエトキシレート系界面活性剤である。
【００３９】
溶液に耐食性粒子を加えてスラリーを形成した後、この混合物に液体を加えるか或いは追加の粒子を加えてスラリーの粘度を調整する。必要に応じて、スラリーに界面活性剤及び分散剤を加えてもよい。採用する塗工法に合わせて、必要に応じて粘度を調整すべきである。スラリーをスプレーしようとする場合には、粘度が非常に低くなるように調整すべきであり、例えば厚さを調整するためドクタブレードを用いてスラリーをゲルとして塗工する場合には、スラリーが安易に流動しないように液体を除去すべきである。スラリーをテープへと成形しようとする場合には、さらに多量の液体を除去すべきである。後者の２例では、最終的な粘度調整は混合完了後に行えばよい。採用する塗工法とは無関係に、混合物は十分に攪拌する。攪拌はどのような好適な方法で行ってもよい。粒子によっては、粒子の表面を加水分解し、加水分解シリカ系材料と結合できるようにしてもよいと思料される。
【００４０】
好ましい実施形態では、スプレー法でスラリーを塗工できるように粘度を調整する。この場合、スラリーをボールミルに入れて塗工準備が整うまで連続的に攪拌する。スラリーをスプレーしている最中でも、スプレーガンにポットを用いることによって空圧的に攪拌することができる。スラリーは好ましくは調整可能オリフィスを備えるＢｏｓｃｈスプレーガンを用いて塗工される。オリフィスの寸法は、スラリーの最大粒子よりも大きくなくてはならない。スラリーは約２０〜６０ｐｓｉの圧力でスプレーされる。皮膜は所定の厚さに塗工されるが、皮膜厚を厚くしたいときは大きなオリフィスが選択される。
【００４１】
混合物を部品の表面に塗工した後、乾燥させる。乾燥は２段階で行われる。第１段階では、乾燥は非結合水を除去するために行われる。これは、部品の表面にスプレーコーティング、ゲル又はペーストとして混合物を塗工した後で、好ましくは乾燥速度を高めるのに十分ではあるが２１２°Ｆ（１００℃）未満の温度に昇温することによって、或いは湿度を３０％相対湿度未満に下げることによって達成される。これよりも高い湿度及び／又は低い温度でも乾燥されるが、必要な乾燥を達成するのに要する時間が長くなることは当業者には自明であろう。皮膜を０．０００１インチ（１ミル）以上の厚さに塗工する場合、加熱は膨れを防ぐため好ましくは約５〜１５°Ｆ／分以下の速度で行われる。次いで、皮膜を約４００°Ｆ以上の温度まで加熱して、非結合水を駆逐するとともに材料を硬化させてベースコート６４を形成する。しかる後に、表面に仮有機皮膜７０を塗工して、乾燥及び／又は硬化させる。仮有機皮膜７０の塗工は、好ましくは光沢仕上げ面を与えるのに十分な厚さとする。或いは、表面を加熱して乾燥及び／又は硬化に要する時間を短縮してもよい。高温硬化又は焼成は概して不要である。仮有機皮膜７０の塗工は、特に限定されないが、刷毛塗り、ロール塗り、スプレー及び浸漬を始めとするあらゆる公知のコーティング法で達成し得る。
【００４２】
本発明の別の実施形態では、第１の層に追加の層を順次塗工し、各層を乾燥させて非結合水を除去した後で次の層を塗工することによって、傾斜皮膜又は層状皮膜を得ることができる。各層の粒子充填量及び／又は粒子組成が異なるように調節できることはいうまでもなく、粒子の充填量及び種類によって層のＣＴＥが決まる。このようにして傾斜皮膜を塗工する場合、層間の境界で充填粒子の若干の混合が起こることがある。硬化すると層同士は強く結合し、皮膜は粒子の充填量及び／又は種類以外は均質な皮膜として作用する。ＣＴＥは厚さで調整できるので、得られる応力及び歪みは皮膜の厚さの関数として設計することができる。これによって、所望により、アルミナのような耐食性が高くＣＴＥの低い粒子を皮膜層に使用することができ、この層をＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粒子を含む層のような耐食性は劣るがＣＴＥの高い皮膜層の上に塗工すれば、基材に対する皮膜の付着性に悪影響は生じない。仮有機皮膜７０は傾斜又は層状皮膜に塗工され、表面を封止するとともに耐摩耗性及び／又は耐衝撃性を与える。有機皮膜は皮膜系の表層を封止して、良好に結合し大きな温度変動に耐える傾斜又は層状皮膜を与える。有機皮膜はベースコートに浸透してもしなくてもよい。有機皮膜はガスタービンエンジンの作動温度に暴露されると揮発及び／又は燃え尽きてベースコートが残り、作動時のベースコートの耐歪み特性は実質的に影響されない。
【００４３】
本発明の皮膜は、図２に示すマトリックス６３と、マトリックスに実質的に均一に分散したＲ及びＲ１の粒子６５とを含む。Ｒ及びＲ１は耐食性の耐火性酸化物、アルミナ、ＭＣｒ、ＭＣｒＸ、ＭＡｌ、ＭＡｌＸ又はＭＣｒＡｌＸの粒子のいずれかでもよいが、この例ではＲはＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粒子を表し、Ｒ１はジルコニア粒子を表す。ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粒子はマトリックスで囲まれたものとして示されている。分散ジルコニア粒子及びＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粒子は皮膜に耐食性を与える。粒子の組成又は組成の種々異なる粒子の組合せは、ベースコート６４と基材６０とのＣＴＥがスポーリングを防ぐのに十分なほど近づくように選択される。必要なレベルの耐食性及び必要なＣＴＥが達成できない場合には、基材に中間のＣＴＥを有する中間層を設け、その上に所要の耐食性をもつ層を設ければよい。
【００４４】
図２のベースコート６４の上の層は仮有機皮膜７０である。仮有機皮膜７０は有機封止剤組成物である。本発明での使用に適した有機封止剤組成物としては、特に限定されないが、好ましくは、アクリル系ラテックス樹脂、溶剤アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリスルフィドのような樹脂を始めとする有機材料、その他ベースコート６４の細孔を封止することができて、ガスタービンエンジンの作動時の温度のような高温で除去することができる有機材料が挙げられる。有機材料は、当技術分野で公知の充填材、顔料その他の樹脂添加剤を含んでいてもよい。好ましい有機材料としては、無着色アクリル塗料、無着色ポリウレタン塗料及び無着色ラテックス塗料が挙げられる。
【００４５】
仮有機皮膜７０は、特に限定されないが、刷毛塗り、ロール塗り、スプレー及び浸漬を始めとするあらゆる好適な塗工法で塗工できる。好ましい塗工方法は、スプレー法である。有機材料は好ましくは室温で乾燥及び／又は硬化させるが、仮有機皮膜７０の乾燥及び／又は硬化を促進するため加熱してもよい。乾燥及び／又は硬化皮膜の厚さは好ましくは光沢仕上げをもたらすのに十分な厚さである。仮有機皮膜７０の皮膜厚は約０．０００１インチ〜約０．００５０インチである。塗工は好ましくは実質的に１００％の被覆率であり、ベースコート６４に浸透したものではなく表面の水滴が十分な皮膜厚さの指標となる。エンジン部品全体を仮有機皮膜７０で被覆してもよく、その場合マスキングは全く不要であり、加熱段階は任意段階である。仮有機皮膜７０の塗工の際にマスキングが不要となるので、シール歯、接触境界面その他冷却空気に付される同様の部品を始めとする様々な部品を適宜被覆できる。仮有機皮膜７０は作動時に揮発及び／又は燃え尽きるので、シール歯、接触境界面などの部品は、あたかも仮有機皮膜７０で被覆されたことがなかったかのように非被覆状態に戻る。ガスタービンエンジン部品への仮有機皮膜７０の塗工及び乾燥に要する時間は好ましくは約６時間未満、さらに好ましくは約４時間未満である。仮有機皮膜７０は高温に暴露することによって除去できる。好ましくは、仮有機皮膜７０はガスタービンエンジンの作動時に除去される。例えば、仮有機皮膜７０は、約５００℃超の温度に暴露することによって除去し得る。除去は好ましくはガスタービンエンジンの作動温度で起こる。除去には、仮有機皮膜７０の揮発が含まれる。有機材料は揮発し得るが、除去は、約５００℃超の温度への暴露に起因する燃焼又は剥離のような他のメカニズムによって起こることもある。
【００４６】
仮有機皮膜７０の塗工は、ベースコート６４の施工後、好ましくは部品をさらに処理する前に行われる。仮有機皮膜７０は、部品の製造及びガスタービンエンジンの組立時に発生しかねない損傷からベースコート６４及び基材６０を保護する。仮有機皮膜７０は、衝撃損傷及び／又は摩耗に対する耐性を与える。さらに、仮有機皮膜７０は、ベースコート６４の細孔を封止して、ベースコート６４を汚損及び損傷しかねないオイル又はグリースのような汚染物質の浸透から保護する。
【００４７】
以上、好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに様々な変更を加えることができ、本発明の構成要素を均等物で置き換えることができることは当業者には自明であろう。また、本発明の要旨から逸脱せずに、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるための様々な変更をなすこともできる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示してきた実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に記載の技術的範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ガスタービンエンジンのタービンセクションの一部分の断面図。
【図２】本発明の単層皮膜を基材に施工したものの断面図。
【図３】エンジン前方又はファン部からガス流の方向に見たタービンディスクの斜視図であり、本発明の耐食性皮膜を好適に設けることができる場所を示す。
【符号の説明】
【００４９】
３０  タービンセクション
３２  タービンディスク
３４  シール要素
３６  第１段ディスク
３８  第１段動翼
４０  第２段ディスク
４２  第２段動翼
４４  前方シール
４６  後方シール
４８  段間シール
５０  第１段後方動翼リテーナ
５２  第２段後方動翼リテーナ
６０  基材
６２  表面
６３  シリカマトリックス
６４  ベースコート
６５  粒子
６６  表面
７０  有機皮膜
７４  ハブ
７８  ウェブセクション
８２  ガスタービンエンジンディスク
８６  スロット
４１０  静翼
４２０  ケーシング
４３０  ライナ
【図１】
0005459940.tif 000002
【図２】
0005459940.tif 000003
【図３】
0005459940.tif 000004