(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを主体とする金属原料を原料気化器内に収容して加熱するとともに、その原料気化器に塩素系ガスを流入してＡｌＣｌ３ガスを生成させ、この生成したΑｌＣｌ３ガスを、外部電気炉で高温に加熱した反応容器内に配置した溶湯器内のアルミニウム溶湯に減圧雰囲気中で吹き掛けて反応させることによりＡｌＣｌガスを生成させ、ΑｌＣｌ３ガスおよびΑｌＣｌガスを反応容器内に設置した被処理品としてのガスタービン翼の冷却孔に供給して、その冷却孔の内面に不均化反応による化学蒸着を行わせるガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法であって、前記ガスタービン翼の冷却孔へのΑｌＣｌ３ガスおよびΑｌＣｌガスの供給を、その冷却孔の冷却媒体排出側から行うとともに、当該ガスの排出を、ガスタービン翼の冷却媒体流入側から行うことを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項２】
請求項１記載のガスタービン翼の冷却孔内面への化学蒸着アルミナイズド被膜形成と同時に、ガスタービン翼の外表面への化学蒸着アルミナイズド被膜形成を行うことを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、ΑｌＣｌ3ガスおよびΑｌＣｌガスのガスタービン翼への供給は、反応容器内に独立的に設けた反応ガス供給ラインを使用して行うことを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項４】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、化学蒸着が完了したガスタービン翼を反応容器に挿入したままで、後の熱処理を行うことを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項５】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、加熱した原料気化器に充填する金属原料として、アルミニウム金属または合金の溶融粉砕粉、ペレット、切削機切粉のいずれかを用いることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項６】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、外部電気炉によって高温に加熱した反応容器内でアルミニウム溶湯を収容する溶湯器は、さらに内部電気炉で全周を均熱加熱することを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項７】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、高温に加熱した反応容器内にＨＣｌガスまたはＨ２ガスを直接流入することを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項８】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、溶湯器およびこれに収容するアルミニウム溶湯の表面積を変化させることにより、アルミニウム溶湯とＡｌＣｌ３ガスとの反応率を制御することを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項９】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、アルミニウム溶湯を収容する溶湯器として、るつぼまたは蒸発皿のいずれかを用いることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１０】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、アルミニウム溶湯を収容する溶湯器の材料として、セラミックスまたはカーボンのいずれかを用いることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１１】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、ＡｌＣｌガスを被処理品としてのガスタービン翼に供給するために使用する供給管の材質として、金属、セラミックスまたはカーボンのいずれかを用いることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１２】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、アルミニウム溶湯を収容する溶湯器の底部側から反応ガスを吹き付け、反応ガスとアルミニウム溶湯とをガス流速で撹拌することを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１３】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、外部電気炉によって高温に加熱する反応容器内の温度を上部から下部まで８５０℃に均熱化することを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１４】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、外部電気炉によって高温に加熱する反応容器内の温度に、その反応容器の上部から下部までに亘る温度勾配を設定することを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１５】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、外部電気炉によって高温に加熱する反応容器内の温度を、その上部で９５０℃とし、下部で９００℃以下とすることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１６】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、反応容器から排出されるＡｌＣｌ３ガスを再度、同一反応容器に流入して閉ループ状の経路により化学蒸着を行わせることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１７】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、反応容器から排出されるΑｌＣｌガスを再度、他の外部電気炉にて高温に加熱した他の反応容器内に流入させて、閉ループ状の経路により化学蒸着を行わせることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１８】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、被処理品であるガスタービン翼として、空気冷却、液体冷却、ガス冷却または蒸気冷却による冷却孔を有するものを対象とすることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【請求項１９】
請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、被処理品であるガスタービン翼として、コバルトまたはニッケルを含む金属群を基材とする超合金で製作されたものを対象とすることを特徴とするガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン翼の冷却孔または外表面に対する耐食または耐酸化性コーティングの形成技術に係り、特にハロゲン化アルミニウムの不均化反応を利用して化学蒸着法を行うガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電用ガスタービンがエネルギー資源の有効利用の点から注目されており、そのガスタービンの高効率化の研究開発が積極的に行われている。ガスタービンにおいては、燃焼器出口ガス温度が高いほど発電効率が上昇するため、ガスタービン入口温度の高温化が推進されている。
【０００３】
しかしながら、燃料からの腐食成分や流入空気からの海塩腐食粒子等の混入によって著しい高温腐食や高温酸化の可能性があり、ガスタービンを構成する高温機器や部品の材料、特にガスタービン動翼ならびにガスタービン静翼の材料にとっては、極めて過酷な環境となっている。
【０００４】
したがって、ガスタービンの構成部品には耐熱性向上は勿論のこと、燃焼ガスへの耐食性、耐酸化性向上も併せて要求される。このような過酷な環境下では、動翼材料や静翼材料として一般に使用されるＮｉ基、あるいはＣｏ基の耐熱超合金鋼等の基材のみで対応するには限界に達しており、高温耐食コーティングに関する研究が併せて行われている。
【０００５】
図６は、ガスタービン翼１に作用する各種要因、すなわちガスタービン翼１が受ける各種の負荷等について、環境状況を模式的に示した図である。タービン入口温度が１３００℃を越える現在、ガスタービン翼１には冷却孔２が必須条件として形成されており、この冷却孔２には冷却媒体として空気、液体、ガスまたは蒸気等が流通される。
【０００６】
ところが、この冷却孔２への冷却媒体の供給によってガスタービン翼１には燃焼ガス温度との差による大きな熱応力が翼長さ方向ａに生じるとともに、さらに同方向ａには回転による遠心力が重畳される。
【０００７】
また、同時に矢印ｂで示すように、外部から翼外表面に向かって、高温酸化、硫化腐食または燃焼灰によるエロージョンなどの影響が及ぶものであり、これらが大きい問題となっている。一般に、前者の熱応力や遠心力は、高温強度に優れたガスタービン翼１の超合金基材部分３で受け持ち、後者の高温酸化、硫化腐食、エロージョン等は、翼表面の高温耐食コーティング被膜４で分担させることが考えられている。
【０００８】
従来の公知技術としては、例えば特開昭５９−６３３０３号（被覆超合金ガスタービン部品）、または特開昭５３−１１２２３４号（溶射被覆超合金製品と製法）などがある。これらの技術において、ガスタービン部品、特にガスタービン翼１の耐食コーティング技術は、ＭＣｒＡｌＹ（ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、またはそれらの複合材料等）の合金を、減圧プラズマ溶射、高速爆発溶射、真空蒸着、スパッタリングなどの物理的蒸着法（ＰＶＣ；Physical lVapor Deposition）を適用してコーティングされている。特に現在では、多種の合金被膜を形成できる点から減圧プラズマ溶射法が多用されている。減圧プラズマ溶射法では、従来の大気中プラズマ溶射と比べて不活性ガス減圧下での溶射施工が可能であり、溶射材料の酸化や窒化が防止でき、予定通りの清浄な被膜を形成することができる。
【０００９】
また、減圧プラズマ溶射、高速爆発溶射、真空蒸着、スパッタリング等の物理的蒸着法によりコーティングされたＭＣｒＡｌＹ合金被膜表面に、さらにＡｌパック法等によってアルミニウムの耐食および耐酸化コーティングを施し、よりー層の耐食および耐酸化性の向上を図ることも行われている。
【００１０】
Ａｌパック法は例えば図７に示すように、被処理品５をＡｌパック粉末６（被覆剤としてのアルミニウムまたはその合金と、キャリアあるいは活性剤としてのハロゲン化アンモニウムあるいはハロゲン化アルカリ金属等と、Ａｌ２０３のような不活性充填剤とを混合した粉末）中に埋没し、Ａｒガス等をキャリアガス７として、非酸化性雰囲気中にて１０００℃以上に加熱保持することによりアルミニウムを被処理品５に拡散浸透させ、ＮｉＡｌやＣｏＡｌなどの金属間化合物を形成する方法である。この化合物が高温域において酸素と結合し、Ａｌ2 Ｏ3 等の保護被膜を生成し、耐食および耐酸化性を向上させる。このＮｉＡｌやＣｏＡｌ等の金属間化合物の形成層の厚さは、処理時の保持時間および処理温度によって制御できる。また、ハロゲン化物は、アルミニウム源から被処理品５へのＡｌ移行を容易にするキャリアあるいは活性剤として作用している。このようなＡｌパック法を示す公知文献としては、例えば特公昭５９−３４２３０号、特公昭６１−１００３４号等がある。
【００１１】
ところで、タービン入口温度が１３００℃を越えるガスタービンにおいては、ガスタービン翼の使用中の温度を下げるために、ガスタービン翼内部に冷却孔を設け、この冷却孔に冷却媒体を流入させて冷却を行っている。
【００１２】
図８は、このようなガスタービン翼１内部の冷却孔２の形状を示している。この図８に示すように、冷却孔２は翼植込み部１ａ側から翼先端１ｂ側に向かって伸びた後、翼前縁部１ｃおよび翼後縁部１ｄ側で蛇行した複雑な形状の空洞となっており、冷却空気８は翼植込み部１ａ側から冷却孔２内に供給されて、翼先端１ｂおよび翼後縁部１ｄから排出されるようになっている。この冷却孔２の内表面に耐食および耐酸化性コーティングを施すことが望まれるが、コーティングに際しては種々の問題がある。
【００１３】
例えば、前述したＡｌパック法によってガスタービン翼１の冷却孔２の内表面にアルミニウムをコーティングしようとする場合、冷却孔２が単純形状であれば適用も可能であるが、ガスタービン翼１の冷却孔２が細孔で複雑形状の空洞となっているため、Ａｌパック粉末を充填することが困難である。
【００１４】
また、Ａｌパック法では、パック粉末剤中から被覆原料が供給されることから、目的のコーティング膜厚を得ようとした場合には、それに応じた量のパック粉末剤を必要とする。しかし、冷却孔２は細孔で複雑形状であるため、充填できるパック粉末剤の量は制限され、予定したコーティング膜厚を得ることができないばかりでなく、処理後は固化したパック粉末剤を完全に除去することができない等の問題がある。
【００１５】
このようなことから、ガスタービン翼１の冷却孔２のＡｌコーティングには、３価のハロゲン化アルミニウムの不均化反応を利用した化学蒸着法（ＣＶＤ：
Chemical Vapor Deposition) によりコーティングする方法が適用されている。
【００１６】
図９は、この化学蒸着法を実施するための従来技術を模式的に示したものである。すなわち化学蒸着法では、外部電気炉９で高温に加熱した反応容器１０内にガスタービン翼１を配置し、この反応容器１０内を減圧雰囲気にして、Η2 ガス１１、ＡｌＣｌガス１２およびΗＣｌガス１３等の反応ガスを供給し、被処理品であるガスタービン翼１に吹付け、その表面に金属間化合物を析出させるものである。
【００１７】
しかし、−般的にＡｌＣｌガスとＨ2 ガスとの還元作用によりアルミニウムを析出させようとすると、熱力学的な反応の自由エネルギーによって１０００℃以上の高い処理温度と長時間の処理時間を必要とする。したがって、被処理品は熱によるダメージを受けやすく、材料強度低下や製品の性能低下が起こるため、処理後の熱処理を必要とするなど、種々の問題がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ガスタービン翼１の冷却孔２が細孔で複雑形状であるため、従来のいずれの方法においても、急激なガス流速の変化、圧力の変動および反応生成ガスの逆拡散等によって、冷却孔２の内面にＡｌ被膜を均一にコーティングすることが困難である。
【００１９】
また、ガスタービン翼１の冷却空気流入側（翼植込み部１ａ側）からＡｌＣｌガスを流入するために、ＡｌＣｌガスの入口近傍の冷却孔２の内表面ではコーティング膜厚が厚く、中間部や冷却空気排出側（トレーリングエッジ部側）のＡｌＣｌガス出口近傍における膜厚が薄くなる。つまり、冷却空気流入側ではΑｌＣｌガスの濃度が高いためにＮｉＡｌなどの金属間化合物被膜が厚くなり、冷却孔２の内面を通過することにより、Ａｌが奪われて中間部や冷却空気排出側に到達したΑｌＣｌガスの反応ガスは、Ａｌガス濃度が極めて低下した３価のハロゲン化アルミニウムのΑｌＣｌ3 ガスとなる。このような低濃度状態のΑｌＣｌガスを冷却孔２に供給しても、金属間化合物被膜の形成速度は遅く、膜厚が薄くなる。
【００２０】
また、実稼働中のガスタービン翼１の表面温度は、冷却孔２の冷却空気流入側（翼植込み部１ａ側）では低温となり、冷却孔２の翼前縁部１ｃ（リーディングエッジ部）や冷却空気排出側（翼後縁部１ｄ側）では高温となる。したがって、高温になる翼前縁部１ｃ側や翼後縁部１ｄ側では金属間化合物の膜厚が薄いために、高温腐食および高温酸化が生じやすくなっていた。
【００２１】
また、ガスタービン翼１の冷却空気流入側からＡｌＣｌガスを流入した場合には、冷却空気排出側の出口付近では容積が急激に増大するため、急激なガス流速の変化や圧力変動が生じ、ΑｌＣｌガスの反応ガスの逆拡散等によって、冷却孔２の内面にＮｉＡｌの金属間化合物被膜を均一にコーティングすることが困難である。このため、冷却空気排出側の出口付近にガス流速を制御する特別な治具を用いていた。
【００２２】
さらに、図１０に示すように、冷却孔２のリターンフロー部２ａでは反応ガス１１，１２，１３の流速が減速しやすく、金属間化合物１４の膜厚が厚くなって冷却空気の流量低下が生じ、冷却効率が著しく低下する等の大きな問題があった。一方、減圧プラズマ溶射、高速爆発溶射、真空蒸着、スパッタリングなどの物理的蒸着法によりコーティングされたＭＣｒＡｌＹ合金被膜表面に、Ａｌパック法による耐食および耐酸化コーティングを施し、さらに耐食性、耐酸化性等の向上を図った場合においては、１０００℃以上の高温で加熱処理するために処理品が熱ダメージを受けやすく、材料の強度低下が生じやすく、できるだけ低温で処理することが望まれていた。
【００２３】
さらに、ガスタービン翼１の外表面のＡｌパック処理の後に、冷却孔２の化学蒸着によるＡｌコーティングを行う場合には、Ａｌパック法により１０００℃以上の高温にてＡｌナイジングを行っていた。また、ガスタービン翼１の冷却孔２の内表面は、Ａｌパック法による外表面のＡｌナイジング後、外表面をマスキングしたり、外表面に反応ガスが供給されないようにして、化学蒸着により９００℃以下の低温でＡｌナイジングを行っていた。しかしながら、冷却孔２の化学蒸着によるＡｌコーティングに際しては、ガスタービン翼１の外表面のマスキングが難しく、ΑｌＣｌガス２ｂの反応ガスが外表面に漏れ、Ａｌパック後の被膜と反応し、Αｌパックで得られた正常なコーティング膜を阻害する等の問題があった。
【００２４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、低い処理温度にて化学蒸着法によるＡｌコーティングを行うことができ、ガスタービン翼冷却孔内面の耐食性および耐酸化性を向上させるとともに、Αｌパック法の処理工程を廃止し、ガスタービン翼が熱ダメージを受けにくく、材料の強度低下や性能低下が起こり難い最適温度で処理できるガスタービン翼の化学蒸着アルミナイド被膜形成方法を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１の発明は、アルミニウムを主体とする金属原料を原料気化器内に収容して加熱するとともに、その原料気化器に塩素系ガスを流入してＡｌＣｌ3 ガスを生成させ、この生成したΑｌＣｌ3 ガスを、外部電気炉で高温に加熱した反応容器内に配置した溶湯器内のアルミニウム溶湯に減圧雰囲気中で吹き掛けて反応させることによりＡｌＣｌガスを生成させ、ΑｌＣｌ3 ガスおよびΑｌＣｌガスを反応容器内に設置した被処理品としてのガスタービン翼の冷却孔に供給して、その冷却孔の内面に不均化反応による化学蒸着を行わせるガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法であって、前記ガスタービン翼の冷却孔へのΑｌＣｌ3 ガスおよびΑｌＣｌガスの供給を、その冷却孔の冷却媒体排出側から行うとともに、当該ガスの排出を、ガスタービン翼の冷却媒体流入側から行うことを特徴とする。
【００２６】
上記の方法によると、ガスタービン翼の冷却空気排出側からΑＩＣｌ３ガスおよびＡｌＣｌガス等の反応ガスを供給し、ガスタービン翼の冷却空気流入側から反応ガスを排出することで、ガスタービン翼の表面温度が高く、特に高温腐食、高温酸化の環境にある冷却孔の冷却空気排出側（トレーリングエッジ部）のＡｌコーティング膜厚を厚くし、かつ、ガスタービン翼の表面温度が比較的低く、高温腐食、高温酸化の問題が少ない冷却空気流入側（翼植込み部側）のＡｌコーティング膜厚を薄くすることができる。すなわち、アルミニウムの低次塩化物であるＡｌＣｌを作成して化学蒸着を行う方法を用いることにより、アルミニウムの化学蒸着の低温化を可能にし、例えば被処理品表面にアルミニウムを７００℃の低温でコーティングすることができる。
【００２７】
請求項２の発明は、請求項１記載のガスタービン翼の冷却孔内面への化学蒸着アルミナイズド被膜形成と同時に、ガスタービン翼の外表面への化学蒸着アルミナイズド被膜形成を行うことを特徴とする。
【００２８】
本発明によれば、ガスタービン翼の冷却孔内表面と外表面の内外面を同時に化学蒸着処理することで、ガスタービン翼の外表面のＡｌパック処理工程を廃止するとともに、Αｌパックよりも低い処理温度で、ガスタービン翼の外表面のＡｌナイジングが行える。
【００２９】
請求項３の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、ΑｌＣｌ3 ガスおよびΑｌＣｌガスのガスタービン翼への供給は、反応容器内に独立的に設けた反応ガス供給ラインを使用して行うことを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、反応容器内で被処理品に供給する反応ガスの供給ラインを、反応容器と独立したガスラインとすることで、ガスタービン翼の冷却孔内表面と外表面のＡｌ濃度を低下させることなく、Ａｌナイジングが行える。
【００３１】
請求項４の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、化学蒸着が完了したガスタービン翼を反応容器に挿入したままで、後の熱処理を行うことを特徴とする。
【００３２】
本発明によれば、化学蒸着が完了した被処理品を反応容器に挿入したまま熱処理を行うことで、製品の一連の製作時間が短縮するとともに、処理設備への過大な投資が不要となる。
【００３３】
請求項５の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、加熱した原料気化器に充填する金属原料として、アルミニウム金属または合金の溶融粉砕粉、ペレット、切削機切粉のいずれかを用いることを特徴とする。
【００３４】
本発明によれば、加熱した原料気化器に充填するアルミニウムまたはその合金として、溶融粉砕粉、ペレット、旋盤等のバイトにより切出した切粉のいずれかを用いることで、反応ガス生成の反応率を高めることができる。
【００３５】
請求項６の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、外部電気炉によって高温に加熱した反応容器内でアルミニウム溶湯を収容する溶湯器は、さらに内部電気炉で全周を均熱加熱することを特徴とする。
【００３６】
本発明によれば、外部電気炉にて高温に加熱した反応容器内に配置したアルミニウム溶湯を入れた溶湯器を、内部電気炉で全周を均熱加熱したことで、被処理品に供給するＡｌＣｌガス濃度を高めることができる。
【００３７】
請求項７の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、高温に加熱した反応容器内にＨＣｌガスまたはＨ2 ガスを直接流入することを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、高温に加熱した反応容器内にＨＣｌ、Η２ガスを直接流入して化学蒸着を行うことで、ＡｌＣｌ3 ガスを生成する原料気化器を廃止することができる。
【００３９】
請求項８の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、溶湯器およびこれに収容するアルミニウム溶湯の表面積を変化させることにより、アルミニウム溶湯とＡｌＣｌ3 ガスとの反応率を制御することを特徴とする。
【００４０】
本発明によれば、反応ガスを吹き付けるアルミニウム溶湯と溶湯器の表面積を変え、アルミニウム溶湯とＡｌＣｌ3 ガスの反応率を制御することで、ＡｌＣｌガスの生成濃度を制御し、反応ガスと被処理品との反応を加速することができる。
【００４１】
請求項９の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、アルミニウム溶湯を収容する溶湯器として、るつぼまたは蒸発皿のいずれかを用いることを特徴とする。
【００４２】
本発明によれば、反応ガスを吹き付けるアルミニウム溶湯の溶湯器として、るつぼ、蒸発皿のいずれかを用いることで、アルミニウム溶湯および溶湯器の表面積を制御することができる。
【００４３】
請求項１０の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、アルミニウム溶湯を収容する溶湯器の材料として、セラミックスまたはカーボンのいずれかを用いることを特徴とする。
【００４４】
本発明によれば、反応ガスを吹き付けるアルミニウム溶湯の溶湯器材料として、セラミックス、カーボンのいずれかを用いることで、アルミニウム溶湯と溶湯器との反応をなくし、濃度の高いＡｌＣｌガスを生成することができる。
【００４５】
請求項１１の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、ＡｌＣｌガスを被処理品としてのガスタービン翼に供給するために使用する供給管の材質として、金属、セラミックスまたはカーボンのいずれかを用いることを特徴とする。
【００４６】
本発明によれば、ＡｌＣｌガスを被処理品に供給する供給管の材質として、金属、セラミックス、カーボンのいずれかを用いることで、ＡｌＣｌガスを濃度を低下することなく、そのまま反応ガスを被処理品に供給することができる。
【００４７】
請求項１２の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、アルミニウム溶湯を収容する溶湯器の底部側から反応ガスを吹き付け、反応ガスとアルミニウム溶湯とをガス流速で撹拌することを特徴とする。
【００４８】
本発明によれば、アルミニウム溶湯を収容した溶湯器の底から反応ガスを吹き付け、反応ガスとアルミニウム溶湯とをガス流速で撹拌することで、濃度の高いＡｌＣｌガスを生成するとともに、反応率を向上させることができる。
【００４９】
請求項１３の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、外部電気炉によって高温に加熱する反応容器内の温度を上部から下部まで８５０℃に均熱化することを特徴とする。
【００５０】
本発明によれば、外部電気炉にて高温に加熱した反応容器内の温度を、上部から下部まで８５０℃に均熱化することで、最大の膜生成速度が得られ、短時間にコーティングの被膜の厚膜化が図れる。
【００５１】
請求項１４の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、外部電気炉によって高温に加熱する反応容器内の温度に、その反応容器の上部から下部までに亘る温度勾配を設定することを特徴とする。
【００５２】
本発明によれば、外部電気炉にて高温に加熱した反応容器内の温度に、上部から下部までに温度勾配を設定することで、被処理品の処理温度を低温化することができる。
【００５３】
請求項１５の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、外部電気炉によって高温に加熱する反応容器内の温度を、その上部で９５０℃とし、下部で９００℃以下とすることを特徴とする。
【００５４】
本発明によれば、外部電気炉にて高温に加熱した反応容器内の温度を上部では９５０℃とし、下部では９００℃以下とすることで、最大の膜生成速度が得られ、短時間にコーティングの厚膜化が図れる。
【００５５】
請求項１６の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、反応容器から排出されるＡｌＣｌ３ガスを再度、同一反応容器に流入して閉ループ状の経路により化学蒸着を行わせることを特徴とする。
【００５６】
本発明によれば、排出したＡｌＣｌ3 ガスを再度、同一反応容器に流入して閉ループにより化学蒸着を行うことで、何度もＡｌＣｌ3 ガスを排気する必要なく、化学蒸着処理を連続して行うことができる。
【００５７】
請求項１７の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、反応容器から排出されるΑｌＣｌ3 ガスを再度、他の外部電気炉にて高温に加熱した他の反応容器内に流入させて、閉ループ状の経路により化学蒸着を行わせることを特徴とする。
【００５８】
本発明によれば、排出したＡｌＣｌ3 ガスを再度、他の外部電気炉にて高温に加熱した他の反応容器内に流入して閉ループにより化学蒸着を行うことで、生産性を向上することができる。
【００５９】
請求項１８の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、被処理品であるガスタービン翼として、空気冷却、液体冷却、ガス冷却または蒸気冷却による冷却孔を有するものを対象とすることを特徴とする。
【００６０】
本発明によれば、空気冷却あるいは液体冷却あるいはガス冷却あるいは蒸気冷却による冷却孔を有する処理品を対象としたことで、耐食性および耐酸化性を向上させ、冷却効率を高めることができる。
【００６１】
請求項１９の発明は、請求項１または２記載のガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法において、被処理品であるガスタービン翼として、コバルトまたはニッケルを含む金属群を基材とする超合金で製作されたものを対象とすることを特徴とする。
【００６２】
本発明によれば、コバルト（Ｃｏ）あるいはニッケル（Ｎｉ）を含む金属群を基材とする超合金で製作された処理品を対象とすることで、耐食性および耐酸化性が更に向上する。
【００６３】
したがって、本発明の方法によってコーティングされるガスタービン翼は、従来方法によるものに比較して、耐高温腐食性および耐高温酸化性が向上し、長時間のＡｌコーティングの被膜寿命特性を有するものとなる。
【００６４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００６５】
図１は、本発明の第１実施形態によるガスタービン翼の化学蒸着アルミナイズド被膜の形成方法を実施するための装置系統を示す全体図であり、図２は図１の要部を拡大して示す図である。図３は本実施形態の方法による作用を示すための特性図で、温度と膜厚との関係を示すグラフである。
【００６６】
本実施形態では概述して図１に示すように、アルミニウムを主体とする金属原料、例えばアルミニウムまたはその合金（以下、Ａｌ原料という）２１を、原料気化器２２内に収容して加熱するとともに、その原料気化器２２に、塩素系ガスとしてのＨＣｌガスおよびＨ２ガスをボンベ２３，２４から流入させてＡｌＣｌ３ガスを生成させる。生成したΑｌＣｌ３ガスおよびＨ２ガスは、外部電気炉２５で高温に加熱した反応容器２６内に配置した溶湯器２７内のＡｌ溶湯２８に減圧雰囲気中で吹き掛けて反応させ、これによりＡｌＣｌガスを生成させる。これらΑｌＣｌ３、ΑｌＣｌガスおよびＨ２ガスなどの反応ガスを、反応容器２６内に設置した被処理品としてのガスタービン翼２９の冷却孔３０に、その冷却孔３０の冷却媒体排出側（トレーリングエッジ部等の翼先端部および翼後縁部側）３０ａから供給するとともに、当該ガスの排出は冷却孔３０の冷却媒体流入側（翼植込み部側）３０ｂから行う。これにより、冷却孔３０の内表面に不均化反応による化学蒸着を行わせる。排出したガスは、真空ポンプ３１を介して排ガス処理装置３２に送って廃棄処理する。
【００６７】
詳述すると、図２に示すように、反応容器２６内にはΑｌＣｌ3 ガスおよびＨ2 ガスを供給するための独立した供給管３３が設けられている。この供給管３３の先端側に拡張して形成された拡大部分３３ａに前記溶湯器２７が収容されている。また、供給管３３のさらに先端側部分３３ｂがガスタービン翼２９の翼先端部および翼後縁部側の冷却媒体排出側３０ａに連通するとともに、この供給管３３の分離した排気用部分３３ｃがガスタービン翼２９の翼植込み部側に連通している。これにより、反応容器２６に供給される塩素系ガス２は、反応容器２６から真空ポンプ３１によって外部に排出されるまで、独立したガスの供給ライン内を流通し、反応容器２６内の供給管３３外には流出しない。
【００６８】
ここで、反応ガスの流れについて説明する。原料気化器２２は４８０℃に加熱され、この原料気化器２２の容器内にＨＣＩガスおよびＨ2 ガスが流入してＡｌ原料との反応によってΑｌＣｌ3 ガスが生成する。生成したΑｌＣｌ3 ガスを２００℃以上の温度に保持しながら、外部電気炉２５で９００℃以上に加熱された反応容器２６内の溶湯器２７に流入させる。ここで反応容器２６内の温度は、上部で９５０℃、下部で９００℃以下とすることが望ましい。この溶湯器２７としては、るつぼ、蒸発皿等のセラミックス材料や、カーボン材料のいずれかを用いる。
【００６９】
反応容器２６に流入したＡｌＣｌ3 ガスを、Ａｌ溶湯２８に適切に吹き掛け、反応ガスとしてのＡｌＣｌガスを生成する。なお、溶湯器２７を容量可変形とし、その溶湯器２７およびこれに収容するＡｌ溶湯２８の表面積を変化させることによって、反応率を制御することができる。また、溶湯器２７の底部側から反応ガスを吹付け、反応ガスとＡｌ溶湯２８とをガス流速で撹拌すれば、濃度の高いＡｌＣｌガスを生成するとともに、反応率を向上させることができる。
【００７０】
このＡｌＣｌガスをガスタービン翼２９の冷却孔３０の冷却空気排出側３０ａのトレーリングエッシ部から供給して化学蒸着を行う。ＡｌＣｌガスをガスタービン翼２９に供給する供給管３０の材質としては金属、セラミックス、カーボンのいずれかを用いる。化学蒸着が完了したＡｌＣｌガスは元のＡｌＣｌ３ガスとなり、ガスタービン翼２９の冷却空気流入側３０ｂの植込み部から排出される。反応容器２６内の圧力は真空ポンプ３１で制御しており、ＡｌＣｌ３ガスは真空ポンプ３１から排ガス処理装置３２へ排気される。排ガス処理装置３２はＡｌＣｌ３ガス、ＨＣＩガス、その他のガスをＰＨ８〜１３程度の苛性ソーダにて中和処理し、大気へ放出する。
【００７１】
なお、原料気化器２２で生成したＡｌＣｌ３ガスを、外部電気炉２５で加熱された反応容器２６に流入する場合、外部電気炉２５で反応容器２６の全周を８５０℃に均熱に加熱して供給する。反応容器２６内には内部電気炉３４が設けられ、この内部電気炉３４によって溶湯器２７が反応容器２６の温度と同一の８５０℃に加熱されるとともに、ガスタービン翼２９もこれらと同一の８５０℃に加熱されている。そして、反応容器２６に流入したＡｌＣｌ３ガスを、このＡｌ２８に適切に吹き掛けることで、ＡｌＣｌガスが生成され、これがガスタービン翼２１の冷却孔３０の内表面に供給されて化学蒸着が行われる。
【００７２】
化学蒸着が完了した後は、ガスタービン翼２９を反応容器２６に挿入したままの状態で、反応容器２６内にＨ2 ガスを供給し、ガスタービン翼２９が酸化しない雰囲気を作る。この後、ガスタービン翼２９の材料強度の回復や組織の回復およびガスタービン翼２９の表面に析出する金属間化合物の組成を調整するために、外部電気炉２５にて反応容器２６を材料の溶体化処理温度に加熱して熱処理を行う。
【００７３】
ところで、冷却孔３０に冷却空気排出側３０ａから供給したＡｌＣｌガスは、例えばガスタービン翼材料であるＮｉやＣｏ等の超合金基材と反応してＮｉＡｌやＣｏＡｌの金属間化合物を形成する。反応の完了したＡｌＣｌガスは、Ａｌ濃度が低下した３価のハロゲン化アルミニウムであるＡｌＣｌ3 ガスとなって冷却空気流入側から排出される。この時の反応は次の反応式１、２、３で示すことができる。
【００７４】
原料気化器２２でＡｌＣｌ3 ガスを生成する場合。
【化１】
0003651710.tif 000002
【００７５】
ＡｌＣｌ3 ガスからＡｌＣｌガスの反応ガスを生成する場合。
【化２】
0003651710.tif 000003
【００７６】
超合金基材と反応してＮｉＡｌの金属間化合物を形成する場合。
【化３】
0003651710.tif 000004
この時、ＡｌＣｌ2 ガスの生成量は極めて僅かである。
【００７７】
次に図３によって作用を説明する。図３はＡｌＣｌ３ガスを外部電気炉２５で反応容器２６の全周を均熱に加熱して供給することで得られる温度と膜厚との関係を示した図である。
【００７８】
ガスタービン翼２９の冷却孔３０の冷却空気排出側３０ａのトレーリングエッジ部からＡｌＣｌガスを供給し、ガスタービン翼２９の冷却空気流入側の植込み部からＡｌＣｌ3 ガスの排気ガスを排出させることで、図３に示すように、ガスタービン翼２１の表面温度が最も高い冷却空気排出側（トレーリングエッジ部側）３０ａのＮｉＡｌの金属間化合物の膜厚を厚くすることができ、かつガスタービン翼２１の表面温度が比較的低く、高温腐食、高温酸化の問題が少ない冷却空気流入側（植込み部側）３０ｂのＡｌコーティング膜厚を薄くすることができる。また、冷却空気流入側付近では容積が急激に増大することもなく、急激なガス流速の変化や圧力変動が生じない。
【００７９】
さらに、反応容器２６に供給する塩素系ガスは反応容器２６から真空ポンプ３１によって外部に排出されるまで独立したガス供給ラインとし、反応容器２６内の供給管３３外にガスが流出しない構造としたことで、反応容器２６とＡｌＣｌガスとの反応を防止することができるとともに、処理を必要とする被処理品の表面にのみΑｌＣｌガスを１００％供給することができる。
【００８０】
また、化学蒸着が完了したガスタービン翼２９を反応容器２６に挿入したままの状態で、反応容器２６にΗ2 ガスを供給し、ガスタービン翼２９が酸化しない雰囲気を作り、外部電気炉２５にて反応容器２６を材料の溶体化処理温度に加熱して熱処理を行うことで、被処理品の取り出しや予熱の必要がなく、コーティング施工工程が短縮されるとともに、ガスタービン翼２９の材料強度の回復や組織の回復、およびガスタービン翼２１の表面に析出する金属間化合物の組成を調整することができる。
【００８１】
さらにまた、原料気化器２２で生成したＡｌＣｌ3 ガスを、外部電気炉２５で加熱された反応容器２６内に流入する場合、外部電気炉２５で反応容器２６の全周を８５０℃に均熱に加熱して供給することで、図３に示すように、処理温度の低温化および短時間で厚膜の金属間化合物を析出させることができる。
【００８２】
以上の第１実施形態によると、従来技術におけるガスタービン翼の冷却空気流入側からＡｌＣｌガスを供給していた場合の冷却空気入口近傍の冷却孔の金属間化合物の析出膜厚が厚く、中間部や冷却空気排出側の出口近傍における金属間化合物の膜厚が薄くなっていたことを防止でき、ガスタービン翼２９の冷却孔３０の冷却空気排出側３０ａのトレーリングエッジ部からの反応ガスの供給および冷却空気流入側３０ｂの植込み部からの反応ガスの排出により、表面温度が最も高く、高温酸化および高温腐食が最も顕著な部位に被膜の厚い耐食および耐酸化コーティング被膜層を形成することができ、高温酸化および高温腐食を十分に防止することができる。
【００８３】
また、冷却空気流入側付近では容積が急激に増大し、急激なガス流速の変化、圧力変動を生じたとしても、ガスタービン翼２９の表面温度が比較的低いために高温腐食および高温酸化の問題は少なく、均一な膜厚を必要としない。したがって、冷却空気排出側の出口付近にガス流速を制御する特別な治具を用いる必要がない。
【００８４】
しかも、反応容器２６に供給する塩素系ガスは、反応容器２６から真空ポンプ３１によって外部に排出されるまで独立したガス供給ラインとして、反応容器２６内にガスが流出しないようにするため、被処理品の表面のみにＡｌＣｌガス濃度の低下の少ない１００％のＡｌＣｌガスを供給することができ、ガスタービン翼２９の冷却孔３０やガスタービン翼２９の外表面に短時間で耐食および耐酸化コーティング被膜層を形成することができる。
【００８５】
さらに、ＡｌＣｌガスと反応容器２６との反応をも防止できるため、反応容器２６に付着するＡｌの除去掃除が不要であり、メンテナンスを簡単にすることができる。また、外部電気炉２５で反応容器２６の全周を８５０℃に均一に加熱して均熱させることで、ガスタービン翼２９の処理温度を低温化し、ガスタービン翼２９がＡｌナイジング時に受ける熱ダメージを低減することができ、材料強度や性能の低下を防止する効果が奏されるとともに、材料強度を回復させるための熱処理も不要とすることができる。さらにまた、化学蒸着が完了したガスタービン翼２９を反応容器２６に挿人したままの状態で、反応容器２６にΗ2 ガスを供給し、ガスタービン翼２９が酸化しない雰囲気を作り、外部電気炉２５によって反応容器２６を材料の溶体化処理温度に加熱して熱処理を行うことで、ガスタービン翼材料の強度回復や組織の回復、およびガスタービン翼表面に析出する金属間化合物の組成を調整できるため、コーティングしたガスタービン翼２９の信頼性や性能を更に向上できるようになる。
【００８６】
次に、本発明の第２実施形態について、図４を参照して説明する。図４はガスタービン翼２９の冷却孔３０の内表面とガスタービン翼２９の外表面とを同時に化学蒸着処理する場合を示す図である。
【００８７】
本実施形態では、反応ガスであるＡｌＣｌガスの供給管３３の先端側部分を拡大してマスキング槽３５を構成し、ガスタービン翼２９の外表面を覆うようにしている。これにより、冷却孔３０への反応ガスの供給と同時にガスタービン翼２９の外表面にも反応ガスを供給し、両面に同時に化学蒸着処理を施すものである。なお、マスキング槽３５には金属、セラミックス、カーボンのいずれかを用いる。その他の要件は前記の第１実施形態と同様であるから、説明を省略する。
【００８８】
このような第２実施形態によると、ガスタービン翼２９の冷却孔３０の内表面と、ガスタービン翼２９の外表面とを、マスキング槽３５によって同時に化学蒸着処理することで、Ａｌパック法による処理温度（１０００℃以上）に比べて、９００℃以下の低温で処理することができるとともに、ガスタービン翼２９の外表面のＡｌパック処理工程を廃止することができるので、ガスタービン翼２９がΑｌナイジング時に受ける熱ダメージを低減し、材料の強度低下および製品の性能低下を防止することができる。
【００８９】
また、ガスタービン翼２９の外表面のＡｌパック処理工程を廃止することができるため、Ａｌパック後の耐食および耐酸化コーティング被膜を化学蒸着Ａｌナイジングによって阻害することなく、処理時間を短縮するとともに、処理コストを低減することができる。
【００９０】
次に、本発明の第３実施形態について、図５を参照して説明する。図５は供給管３３を閉ループ状に構成して複数または同一の反応容器２６での化学蒸着を連続的に行えるようにした場合を示した図である。
【００９１】
本実施形態で使用する装置では、例えば１対の反応容器２６が閉ループ状の供給管３３によって連結されており、供給管３３の往復路部分にそれぞれポンプ３６，３７が設けられるとともに、流れ規制用の複数の弁３８，３９が設けられている。
【００９２】
そして、一方の反応容器２６から排出されるＡｌＣｌ3 ガスを再度、同一の反応容器２６あるいは他方の反応容器内２６に流入させて、閉ループにより化学蒸着を行うようにしている。
【００９３】
すなわち、一方の反応容器２６内のガスタービン翼２９で冷却空気排出側３０ａから供給される反応ガスは、例えばガスタービン翼材であるＮｉ基超合金と反応してＮｉＡｌの金属間化合物を形成し、反応の完了したガスはＡｌ濃度が低下した３価のハロゲン化アルミニウムのＡｌＣｌ3 ガスとなって冷却空気流入側３０ｂから排出される。この時の反応は下記の反応式４に示す通りである。
【００９４】
【化４】
0003651710.tif 000005
【００９５】
ところが、次の反応式５で示されるように、反応が完了したＡｌＣｌ3 ガスを再度Ａｌに吹き付けることでＡｌ濃度が回復し、ＮｉＡｌの金属間化合物を形成するに十分なＡｌＣｌガスとすることができる。
【００９６】
【化５】
0003651710.tif 000006
【００９７】
そこで、十分なＡｌＣｌ3 ガスを、入側の弁３８を開として一方の反応容器２６（２６ａ）に流入させた後、同弁３８を閉じ、出側の弁３９を開として各ポンプ３６，３７を起動する。これにより、一方の反応容器２６ａ内で反応が完了したＡｌＣｌ3 ガスを再度同一反応容器２６ａ，あるいは他の反応容器内２６（２６ｂ）に流入させることで、ＡｌＣｌ3 ガスを排気することなく、閉ループ作用によって化学蒸着処理を連続的に行うことができる。これらの反応容器２６を小型化し、装置を数多く設けることにより、初期のＡｌＣｌ3 ガスの供給量を必要最小限にすることができる。
【００９８】
このような第３実施形態によれば、反応が完了したＡｌＣｌ3 ガスを再度、同一反応容器あるいは他の反応容器内に流入することにより、生産性の向上が図れるとともに、化学蒸着処理コストを大幅に低減することができる等の利点が得られる。
【００９９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によればガスタービン翼の表面温度が高く、高温腐食および高温酸化環境にある冷却孔の冷却空気排出側のＡｌコーティング膜厚を厚くするとともに、ガスタービン翼の表面温度が比較的低く、高温腐食および高温酸化の問題が少ない冷却空気流入側（植込み部）のＡｌコーティング膜厚を薄くして、温度とＡｌコーティング膜厚およびガス流速とＡｌコーティング膜厚との関係を最適化することができる。また、ガスタービン翼外表面のＡｌパック処理工程を廃止し、ガスタービン翼がＡｌナイジング時に受ける熱ダメージを低減でき、材料強度や性能の低下を防止することができる。したがって、本発明の方法によってコーティングされるガスタービン翼によれば、従来方法によってコーティングされるガスタービン翼と比較して、耐高温腐食性および耐高温酸化性が向上し、長時間のＡｌコーティング被膜寿命特性を有するものとなる等、多大な効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法を説明するための全体的模式図。
【図２】図１の要部を拡大して示す模式図。
【図３】本発明の第１実施形態における作用を説明するための温度と膜厚との関係を示すグラフ。
【図４】本発明の第２実施形態を説明するための模式図。
【図５】本発明の第３実施形態を説明するための模式図。
【図６】ガスタービン動翼が受ける各種の負荷、環境状況を示す模式図。
【図７】従来の物理的被膜形成方法方法を説明するための模式図。
【図８】ガスタービン翼の内部構成を示す翼断面図。
【図９】従来の化学蒸着アルミナイズド被膜形成方法を説明するための模式図。
【図１０】従来例によるガスタービン翼の冷却孔内の金属間化合物膜厚分布を示す翼断面図。
【符号の説明】
２１  Ａｌ原料
２２  原料気化器
２３，２４  ボンベ
２５  外部電気炉
２６  反応容器
２７  溶湯器
２８  溶湯
２９  ガスタービン翼
３０  冷却孔
３１  真空ポンプ
３２  排ガス処理装置
３３  供給管
３４  内部電気炉
３５  マスキング槽
３６，３７  ポンプ
３８，３９  弁
【図１】
0003651710.tif 000007
【図２】
0003651710.tif 000008
【図３】
0003651710.tif 000009
【図４】
0003651710.tif 000010
【図５】
0003651710.tif 000011
【図６】
0003651710.tif 000012
【図７】
0003651710.tif 000013
【図８】
0003651710.tif 000014
【図９】
0003651710.tif 000015
【図１０】
0003651710.tif 000016