(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンのエアフォイル部品の冷却通路又はキャビティを画定する内壁の表面領域を電気めっきする方法及び装置を提供する。【解決手段】電気めっきは、電気めっき溶液が入れられたタンクＴの中で行われ、ベーンセグメントは、電流供給部固定具又はツーリング27上にて、電気めっき溶液の中に浸漬される。細長いアノード30は、マスク25を通って延びて、電流供給バス31を通じて電流を受ける。電流供給バスは、ツーリング上の適当なあらゆる位置に配置されることができ、電力供給部29に接続される。ベーンセグメントは、マスクを通ってシュラウド領域12に接触する電気カソードバス33により電解セルのカソードとなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン部品の冷却キャビティの表面領域を電気めっきする方法であって、
冷却キャビティが外部に開口した端部を有するガスタービン部品の領域に電気めっきマスクを配置し、
アノードを、マスク及び冷却キャビティ開口を通って冷却キャビティの中に延在させ、
カソードを、マスクを通って延在させて、前記部品と接触させ、
電気めっき溶液供給導管を、マスクを通って延在させて、電気めっき溶液をキャビティ開口に供給する、ことを含む、方法。
【請求項２】
第１冷却キャビティの表面領域は、マスクを通る第１アノード及び第１供給通路を用いて電気めっきされ、第２冷却キャビティの表面領域は、マスクを通る第２アノード及び第２供給通路を用いて電気めっきされる、請求項１の方法。
【請求項３】
アノードは、マスクの電気絶縁性支持体外部に配備され、アノード及び支持体は、支持体が他の表面領域がめっきされないようにマスキングする作用を有するように冷却キャビティ内に配置されるように構成される、請求項１の方法。
【請求項４】
電気めっき溶液は、Ｐｔ又はＰｄを含み、Ｐｔ層又はＰｄ層が前記表面領域に堆積される、請求項１の方法。
【請求項５】
前記部品がＮｉ基超合金から作られるとき、アノードはニッケルを含む、請求項１の方法。
【請求項６】
前記部品は、ガスタービンエンジンのベーン若しくはブレード又はそのセグメントを含んでいる、請求項１の方法。
【請求項７】
電気めっきされた表面領域をアルミナイジングすることにより、貴金属が含まれる拡散アルミナイドコーティングを形成することをさらに含んでいる、請求項１の方法。
【請求項８】
ガスタービンエンジン部品のキャビティを画定する内壁の表面領域を電気めっきする装置であって、冷却キャビティが外部にキャビティの開口した端部を有するガスタービン部品の領域に配備された電気めっきマスクと、マスク及び冷却キャビティ開口を通って冷却キャビティの中に延在するアノードと、マスクを通り前記部品と接触するカソードと、マスクを通り電気めっき溶液をキャビティ開口に供給するための電気めっき溶液供給導管と、を具える装置。
【請求項９】
貴金属を含有する電気めっき溶液をキャビティの中に流し込むポンプを含んでいる、請求項８の装置。
【請求項１０】
電気めっき溶液は、電気めっき溶液は、Ｐｔ又はＰｄを含み、Ｐｔ層又はＰｄ層が前記表面領域に堆積される、請求項８の装置。
【請求項１１】
前記部品がＮｉ基超合金から作られるとき、アノードはニッケルを含んでいる、請求項８の装置。
【請求項１２】
前記部品は、ガスタービンエンジンのベーン若しくはブレード又はそのセグメントを含んでいる、請求項８の装置。
【請求項１３】
アノードは、マスクのアノード支持体外部にあり、前記部品がマスクの上に配置されるとき、支持体上のアノードは冷却キャビティの中に位置する、請求項８の装置。
【請求項１４】
電気めっき溶液が入れられたタンクを含んでおり、該タンクの中に、アノードを有する前記部品が浸漬される、請求項８の装置。
【請求項１５】
内壁の表面領域が、内壁内部にトレーリングエッジ冷却キャビティを形成し、前記表面領域に、電気めっきされた金属層が形成されている、ガスタービンエンジンのエアフォイル部品。
【請求項１６】
電気めっきされた金属層は貴金属層である、請求項１５の部品。
【請求項１７】
前記部品は、ガスタービンエンジンのブレード又はベーンである、請求項１５の部品。
【請求項１８】
内壁の表面領域が、内壁内部にトレーリングエッジ冷却キャビティを形成し、前記表面領域に、貴金属含有拡散アルミナイドコーティングが形成されている、ガスタービンエンジンのエアフォイル部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンのエアフォイル部品(airfoil component)の内壁の冷却キャビティを画定する表面領域に、アルミナイジングの準備として電気めっき(electroplating)を施し、めっきされた領域に改質された拡散アルミナイドコーティングを形成するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、冷却スキームや保護酸化／耐食コーティングを採用し、タービンエンジンの超合金ブレード及びベーンの高温性能が向上することにより、性能向上が達成され、エンジンの高温での運転温度を可能にしている。外部コーティングにおける最大の改良は、内側が冷却されるタービン部品に熱障壁コーティング(ＴＢＣ)が形成されたことであり、このコーティングは、典型的には、ＴＢＣと超合金基材との間の拡散アルミナイドコーティング及び／又はＭＣｒＡｌＹコーティングを含んでいる。
【０００３】
しかしながら、高性能ガスタービンエンジンに使用するために、タービンエンジンのブレード及びベーンの冷却通路又はキャビティを形成する内側表面の耐酸化性／耐食性のさらなる向上が要請されている。
【発明の概要】
【０００４】
＜発明の要旨＞
本発明は、ガスタービンエンジンのエアフォイル部品の冷却通路又はキャビティを画定する内壁の表面領域を電気めっきする方法及び装置を提供するもので、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属のめっき層が形成される。前記表面領域には、その後に、保護特性を向上させることができる量の拡散アルミナイドコーティングが形成され、めっき層はこのコーティングに一体化される。
【０００５】
本発明の例示的実施態様において、例えば、ベーンセグメントのシュラウド領域等のように、冷却キャビティの端部が外部に開口している部品の領域に電気めっきマスクを配置し、アノードをマスク及びキャビティを通って冷却キャビティに進入させ、カソードをマスクを通って進入させて部品と接触させ、電気めっき溶液供給管をマスクを通って進入させ、電気めっき溶液をキャビティ開口に供給して、電気めっきの少なくとも工程中に電気めっき溶液が冷却キャビティの中を流れるようにすることを含んでいる。アノードは電気絶縁アノード支持体に支持されることができる。アノードとアノード支持体は、タービン部品が電気めっき器具に配置されたとき、冷却キャビティの中に配置されることができるように構成される。アノード支持体は、特定の壁表面領域だけが電気めっきされるようにマスクとして機能できるように構成され、アノード支持体のマスキング効果により、他の壁表面領域はめっきされずに残る。電気めっき溶液は、貴金属を含んでおり、選択された表面領域に貴金属層を堆積することができる。貴金属として、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。。
【０００６】
電気めっきの後、めっきされた内側表面領域に、気相アルミナイジング(例えば、ＣＶＤ、アバブザパック等)、パックアルミナイジング、その他の適当なアルミナイジング方法により、高温特性を向上させる量の貴金属が含まれるように改質された拡散アルミナイドコーティングが形成される。
【０００７】
エアフォイル部品は、１又は複数の冷却キャビティを有し、該冷却キャビティは、電気めっきされ、その後、アルミナイジングされる。例えば、複数の冷却キャビティを有するガスタービンエンジンのベーンセグメントについては、本発明は、各冷却キャビティに対して、細長いアノードと該アノードに連繋された電気めっき溶液供給管を配備する。
【０００８】
本発明のこれらの目的及び利点は、添付の図面及びその詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、ガスタービンエンジンのベーンセグメントの概略斜視図であり、特定の表面領域に保護コーティングが形成される複数(２つ)の内部冷却キャビティを有している。
【００１０】
【図２】図２は、ベーンセグメントのシュラウド領域に配置された電気めっきマスクを示すツーリングの部分斜視図であり、ツーリングは、第１アノード及び第２アノードが、マスクの内側から外部へ延びる夫々のアノード支持体上にあって、第１冷却キャビティ及び第２冷却キャビティに進入し、カソードがマスクを通って延びてシュラウド領域に接触し、電気めっき溶液を第１冷却キャビティ及び第２冷却キャビティへ供給するための第１電気めっき溶液供給通路及び第２電気めっき溶液供給通路が第１アノード及び第２アノードに連繋され、マスクを通ってキャビティ開口へ延びている。
【００１１】
【図２Ａ】図２Ａは、支持体上にある１つのアノードの側面図であり、該アノードは第１及び第２冷却キャビティのうちの１つの冷却キャビティの中にある。
【００１２】
【図３】図３は、電気めっきタンク内の電流供給ツーリングに保持されたベーンセグメントの側面図であって、電源から送られる電流を受けるバスバーに接続されたアノードと、タンク内のポンプから電気めっき溶液を受けるための電気めっき溶液チュービングとを示している。
【００１３】
【図４】図４は、チュービングによりポンプに接続された電気めっき溶液供給用マニホルドを示す図であり、マニホルドは、電気めっき溶液を第１冷却キャビティ及び第２冷却キャビティに供給するために、第１供給チューブと第２供給チューブが電気めっきマスクを通って延びている。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜発明の詳細な説明＞
本発明は、ガスタービンエンジンのエアフォイル部品(例えば、タービンブレード又はベーン又はそれらのセグメント)にある冷却キャビティを画定する内壁の表面領域を電気めっきする方法及び装置を提供する。前記表面領域には、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属が堆積されている。該貴金属は、次に前記表面領域に形成される拡散アルミナイドコーティングの中に取り込まれることにより、拡散アノードコーティングは貴金属によって改質され、その保護特性が向上する。
【００１５】
発明を例示する目的であって限定するものではないが、図１に示される一般型のガスタービンエンジンのベーンセグメント(5)に存在する冷却キャビティを画定する内壁の選択された領域に施される電気めっきに関して以下に詳細に説明する。図１において、ベーンセグメント(5)は、第１の拡大されたシュラウド領域(shroud regions)(10)と、第２の拡大シュラウド領域(12)と、前記拡大シュラウド領域(10)(12)の間のエアフォイル形状領域(14)とを含んでいる。エアフォイル形状領域(14)は、複数(図示では２つ)の内部冷却通路又はキャビティ(16)を含んでおり、各々が、冷却空気が通る開口端部(16a)を有し、シュラウド領域(10)からエアフォイル形状領域内側のシュラウド領域(12)に向けて長手方向に延びている。冷却空気キャビティ(16)の各々は開口端部(16a)から遠隔の位置に閉じた内端部を有しており、冷却キャビティ(16)から、トレーリングエッジの表面領域等のようなエアフォイル領域の外表面に横方向に延びる冷却空気出口通路(18)に連通しており、冷却空気は通路(18)から出て行く。ベーンセグメント(5)は、公知のニッケル基超合金、コバルト基超合金、その他特定のガスタービンエンジン用として適当な金属又は合金から作られることができる。
【００１６】
一実施態様において、各冷却キャビティ(16)を画定する内壁Ｗの選択された表面領域(20)は、貴金属で改質された拡散アルミナイド保護コーティングでコートされる(図１)。内壁Ｗの他の略平らな表面領域(21)と閉端部領域(23)は、コーティングが必要ないときは、貴金属費用を節約するためにコートされずに残される。本発明をＰｔ富化拡散アルミナイドについて説明するが、これは例示のためであって限定するものではなく、他の貴金属を拡散アルミナイドコーティングの富化に用いることができる。そのような貴金属として、Ｐｄ、Ａｕ及びＡｇを挙げることができる。
【００１７】
図２−図４を参照すると、図示のベーンセグメント(5)は、シュラウド領域(10)がめっきされるのを防止するために、シュラウド領域(10)に合わせて作られた水密(water-tight)で可撓性のマスク(25)を有しており、キャビティ(16)は外部への開口端部(16a)を有する。マスクは、固定具又はツーリング(27)に取り付けられる。他方のシュラウド領域は、同じ目的のために同様なマスク(25')によって覆われる。マスクは、Hypalon(登録商標)材料、ゴム又は他の適合な材料から作られることができる。マスク(25)は、第１及び第２の開口部(25a)を含み、各開口部は第１及び第２の供給導管(50)を受けており、該導管を通って、貴金属含有電気めっき溶液が各冷却キャビティ(16)の中に直接流れ込む。この目的のために、電気めっき溶液供給導管(50)は、開口(25a)で終端する夫々のマスク貫通通路の中に収容され、導管(50)の両端は、冷却キャビティ入口の開口(16)に直接面してほぼ同一線上にある。各供給導管(50)は、夫々の冷却キャビティ(16)に直接連通するので、前記めっき溶液の流れはその冷却キャビティ(16)(図３)の中に直接供給されることができる。各供給導管(50)は、マスクの中を通り、供給マニホルド(51)(図４)に接続され、任意の適当な位置に配置されることができる。マニホルド(51)は、１又は複数の供給導管(53)を含み、該導管は、タンクに取り付けられたポンプＰに連通して接続される。マニホルドなしの供給導管(50)の端部は、図３に便宜上示される。図４には、２本の供給導管(53)が示されているが、これは、図示の電気めっきステーションと同様な別の電気めっきステーションが、第２のベーンセグメント(5)を電気めっきするために図の右側に配備されているからである。
【００１８】
本発明は、他の実施態様として、電気めっき溶液供給導管(50)がマスク(25)の外側を通って図示されたマスク(25)の内側まで延びる代わりに、マスク(25)の外側に対して密封可能に取り付けられることもできる。マスクは、マスクの外側部からマスクを通って内側部まで延びて、電気めっき溶液をキャビティの開口端部(16a)に供給することができる電気めっき溶液供給通路(１又は複数の電気めっき溶液供給導管として)を含むことができる。
【００１９】
電気めっき溶液は、少なくとも電気めっき工程中、各供給導管(50)及び該供給導管に連繋された冷却キャビティ(16)へ、連続的に又は所定間隔にて供給され、キャビティ(16)内にＰｔ含有溶液が補給される。例示目的であって、限定するものではないが、電気めっき溶液の典型的な流量は毎分１５ガロンであるが、他の適当な流量も可能である。図４には、２本の供給導管(53)が示されているが、これは、図示の電気めっきステーションと同様な別の電気めっきステーションが、第２のベーンセグメント(5)を電気めっきするために図の左側に配備されているからである。
【００２０】
電気めっきは、電気めっき溶液が入れられたタンクＴの中で行われ、ベーンセグメント(5)は、電流供給部固定具又はツーリング(27)上にて、電気めっき溶液の中に浸漬される(図３)。固定具又はツーリング(27)及び供給導管(50)(53)は、ポリプロピレン又は他の電気絶縁材料から作られることができる。細長いアノード(30)は、マスク(25)を通って延びて、電流供給バス(31)を通じて電流を受ける。電流供給バスは、ツーリング(27)上の適当なあらゆる位置に配置されることができ、電力供給部(29)に接続される。ベーンセグメント(5)は、マスクを通ってシュラウド領域(12)に接触する電気カソードバス(33)により電解セルのカソードとなる。具体的には、カソードバスは、マスク(25)の内側のカソード接触パッド(60)で終端し(図２)、ベーンセグメント(5)がツーリング(27)上に配置されるとシュラウド領域(10)に接触する。一方、第1及び第２アノード支持体(40)上の第１及び第２アノードは、ベーンセグメント(5)がツーリング上に配置されると、夫々、第１及び第２冷却キャビティ(16)の中に入る。カソードバスは、ポリプロピレンシート等の電気絶縁シートの間に介在する。
【００２１】
上記のツーリング及ツーリング部品の継ぎ部及び接合部は全て、熱可塑性溶接、密封材料その他適当な手段を用いて、水漏れしないようにシールされている。
【００２２】
第１及び第２の細長いアノード(30)は、アノードバス(31)から、マスク(25)を通り、その長さに沿って第１及び第２の各冷却キャビティ(16)の中をその閉端部の手前まで延在する。各アノード(30)は、シリンドリカル形状のロッド形状をしたアノードとして示されているが、他の形状のアノードを本発明の実施に用いることもできる。図示の各アノード(30)は、マスク内側の外部で電気絶縁性アノード支持体(40)に載置されており(図２)、該アノード支持体は、機械加工されたポリプロピレン又は他の適当な電気絶縁材料から作られることができる。支持体(40)は、コーティングされないように、結果として電気めっきされないように、キャビティ壁表面(21)をシールドするマスキング表面(41)を有している。各アノード(30)は、支持体(40)と一体の１又は複数の直立型アノード位置決めリブ(43)により、支持体(40)の上に配置されることができる。
【００２３】
アノード(30)及びアノード支持体(40)は全体として、各冷却キャビティ(16)と略相補的な形状及び寸法を有しており、アノード及びアノード支持体の組立体は、電気めっきされる内壁表面領域(20)から離間して(接触していない状態で)、冷却キャビティ(16)内に配置されることができ、表面領域(21)をシールド又はマスクするので表面領域(20)だけが電気めっきされる。アノード支持体(40)は、表面(41)をマスキングするので、表面領域(21)は電気めっきされない。このような領域(21)は、所望される使用用途に応じてコーティングが必要でないときは、貴金属費用を節約するために、コーティングされない。
【００２４】
ニッケル基超合金から作られたベーンセグメントを電気めっきするとき、アノードは、例えば、公知のニッケル２００金属を含むことができる。なお、他の適当なアノード材料として、限定するものではないが、プラチナめっきチタン、プラチナクラッドチタン、グラファイト、酸化イリジウムでコートされたアノード材料等を挙げることができる。
【００２５】
タンクＴの中の電気めっき溶液は、表面領域(20)に貴金属層を堆積するための貴金属含有電気めっき溶液を含んでいる。電気めっき溶液は、典型的には、例えば、米国特許第５７８８８２３号に記載されたＰｔ含有ＫＯＨ水溶液で、Ｐｔを１リットル当たり９．５〜１２グラム重量を含むものを挙げることができるがこれに限定されるものではない。この米国特許の開示は、引用を以て本願への記載加入とする。なお、本発明は、他の適当な貴金属含有電気めっき溶液を用いることができ、その例として、リン酸緩衝溶液中のＰｔ源としてのヘキサクロリド白金酸(Ｈ２ＰｔＣｌ６)(米国特許第３６７７７８９号)、酸塩化物溶液、[(ＮＨ３)２Ｐｔ(ＮＯ２)２]又はＨ２Ｐｔ(ＮＯ２)２ＳＯ４等のＰｔ塩前駆体を用いた硫酸塩溶液、及び白金Ｑの塩浴(米国特許第５１０２５０９号に記載された[(ＮＨ３)４Ｐｔ(ＨＰＯ４)])を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
各アノード(30)は、電流供給用アノードバス(31)により、公知の電源(29)に接続され、電気めっき作業を行なうための電流(アンペア)又は電圧が供給される。電気めっき溶液は、冷却キャビティ(16)の中で、連続的又は周期的に送り込まれ、電気めっきに使用されるＰｔを補充し、領域(21)(23)がめっきされないようにマスキングされた状態で、各冷却キャビティ(16)の内壁Ｗの選択された表面領域(20)上に略一様な厚さのＰｔ層が積層される。電気めっき溶液は、キャビティ(16)を通って流れ、冷却空気出口通路(18)から出て、タンクの中に入る。ベーンセグメント(5)は、電気カソードバス(33)及び接触パッド(60)によりカソードとなる。例示のためであって限定するものではないが、選択された表面領域(20)に、厚さ０．２５ｍｉｌ〜０．３５ｍｉｌのＰｔ層が積層される。なお、厚さは、これに限定されるものではなく、具体的なあらゆるコーティング用途に応じて適宜選択されることができる。また、例示目的であって、限定されるものではないが、米国特許第５７８８８２３号に記載されたＰｔ含有ＫＯＨ電気めっき溶液を用いる場合、前記厚さのＰｔを積層するために用いられる電気めっき電流は、０．０１０〜０．０２０アンペア／ｃｍ２である。
【００２７】
各冷却キャビティ(16)の電気めっきが行われる間、ベーンセグメント(5)の外面(マスキングされたシュラウド領域(10)(12)の間)は、アノードバス(31)に接続され、ベーンセグメント(5)の外部のツーリング(27)に配備された他のアノード(50)(図示せず)を使用して、貴金属(例えばＰｔ)で電気めっきされることができる。又はベーンセグメントの外表面の全部又は一部は、電気めっきされるのを防止するためにマスキングされることができる。
【００２８】
電気めっきを行ない、アノード及びアノード支持体をベーンセグメントから除去した後、拡散アルミナイドコーティングが、めっきされた内側表面領域(20)とめっきされていない内側表面領域(21)(23)とに形成される。アルミナイドコーティングは、公知の気相アルミナイジング(例えば、ＣＶＤ、アバブザパック等)、パックアルミナイジング、その他適当なアルミナイジング法により行なうことができる。表面領域(20)に形成される拡散アルミナイドコーティングは、高温性能を向上させるための貴金属(例えばＰｔ)富化部を含んでいる。即ち、拡散アルミナイドコーティングによりＰｔが富化され、先にＰｔ層が存在する表面領域(20)にＰｔ改質拡散アルミナイドコーティングが形成される。Ｐｔ電気めっき層が存在することにより、拡散アルミナイドの中に入り込み、ベーンセグメント基質上で成長して、Ｐｔ改質ＮｉＡｌコーティングが形成される。めっきされていない他の表面領域(21)等に形成された拡散コーティングは、貴金属を含まない。拡散アルミナイドコーティングは、米国特許第５２６１９６３号及び第５２６４２４５号に記載された外部ジェネレータにより生成される塩化アルミニウム含有コーティングガスを用いて、基質温度１９７５°Ｆで９時間、低活性ＣＶＤ(化学蒸着)アルミナイジングを施すことにより形成される。前記２件の米国特許の開示及び教唆は、引用を以て本願に記載加入されるものとする。ＣＶＤアルミナイジングはまた、米国特許第５７８８８２３号及び第６７９３９６６号に記載された方法によって行なうことができ、この２件の米国特許の開示及び教唆は、引用を以て本願への記載加入とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】米国特許第５２６１９６３号明細書
【特許文献２】米国特許第５２６４２４５号明細書
【特許文献３】米国特許第５７８８８２３号明細書
【特許文献４】米国特許第６７９３９６６号明細書
【００３０】
本発明について、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規定された発明の範囲内で種々の変形及び変更をなし得るであろう。
【図１】
2015132017.tif 000003
【図２】
2015132017.tif 000004
【図２Ａ】
2015132017.tif 000005
【図３】
2015132017.tif 000006
【図４】
2015132017.tif 000007
【外国語明細書】
2015132017000001.pdf