(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を拡散被覆する方法であって、
ａ)基材を用意し、
ｂ)基材の少なくとも一部に拡散皮膜組成物を施工し、但し前記組成物が１種以上の金属を含む皮膜粉末と、前記組成物の２０重量％〜６０重量％の範囲の含量のバインダーとを含有し、
ｃ）前記組成物の少なくとも一部を気化又は燃焼し、バインダーの少なくとも一部を気化又は燃焼して活性化ガスを発生するとともに金属の少なくとも一部を気化し、これにより基材上に金属の皮膜を形成する工程を含み、
前記バインダーの前記粘度は、前記組成物が（１）前記工程ｂ）の間は流動し（２）前記工程ｂ）後はその場に留まるような粘度であり、
前記工程ｂ）の後に前記組成物を固化する工程を経ずに前記工程ｃ）を実行する、
基材の拡散被覆方法。
【請求項２】
前記基材を用意する工程が、前記基材としてタービン部品を用意する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
タービン部品の一部が、酸化されているか、汚れているか、残留皮膜で覆われている区域を少なくとも１つ含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基材が内部キャビティを有し、
前記組成物を施工する工程が、組成物を前記内部キャビティに注入する工程を含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記皮膜粉末の含量が、組成物の５重量％〜６０重量％である、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記金属が、アルミニウム、白金アルミニウム、クロムアルミニウム、アルミニウムケイ素、ＭＣｒＡｌＹ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から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記バインダーの含量が、前記組成物の２０重量％〜５０重量％である、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記バインダーが、水系バインダー、アルコール系バインダー、エポキシ系バインダー又はこれらの組合せである、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記バインダーがさらに添加剤を含有する、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記添加剤が、ＰＭＭＡマイクロビーズ、酸化アルミニウム、か焼酸化アルミニウム、ＮＨ4Ｆ、ＮＨ4Ｃｌ、ポリテトラフルオロエチレンチップ又はこれらの組合せからなる群から選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記活性化ガスが、水素、塩素、フッ素、及び塩化水素のうちの少なくとも１つ含む、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡散皮膜系、特に内部表面のコーティングを改良する拡散皮膜系に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、タービン部品の内部キャビティは、被覆が困難であったり、被覆コストがかさんだりする。このような内部キャビティは多様で複雑な表面を有することがあり、複雑な表面に均一な厚さの皮膜を形成するのが難しく、またコーティングプロセスで発生した廃棄物を除去するのが困難である。残念ながら、供用タービン部品は、表面が汚れていたり、部分的に酸化されていたり、残留皮膜で覆われていたりするので、ＯＥＭ部品よりも被覆が難しいことがある。
【０００３】
現在、ＯＥＭ及び供用タービン部品の被覆方法としては様々な方法が存在する。例えば、タービン部品の被覆法の一つとして、比較的安価なパックセメンテーション法がある。残念ながら、この方法では小さい内部冷却孔及びキャビティなどの複雑な形状に均一な厚さの皮膜を形成することができない。さらに、これらの複雑な形状ではコーティングプロセス後に再度穿孔するのが難しくなることがある。パックセメンテーション法は除去や処分が困難な残留粉末及び灰などの廃棄物を生じるおそれがある。
【０００４】
タービン部品を被覆する別の方法に化学蒸着（ＣＶＤ）がある。この方法は、均一な厚さの皮膜を形成することができるが、ＣＶＤプロセス及び装置に法外な費用がかかるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６９０５７３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、種々のタービン部品上にさらに均一な厚さの皮膜を形成することができる被覆法が必要とされている。被覆法は、部分的に酸化されているか、汚れているか、残留皮膜で覆われている多様で複雑な幾何形状上に均一な厚さの皮膜を形成することができたり、安価であるのがよい。被覆法はまた、簡単なコーティング注入を実現したり、発生する廃棄物をさらに少なくしたり、残留粉末及び灰などの廃棄物を簡単かつ確実に除去できるのがよい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明は、拡散皮膜（diffusion coating）組成物及びタービン部品の拡散被覆法を提供する。本組成物は、（ａ）１種以上の金属を含む皮膜粉末と、（ｂ）気化又は燃焼時に活性化ガスを放出するバインダーとを含有することができる。本方法は、（ａ）基材を用意し、（ｂ）基材の少なくとも一部に拡散皮膜組成物を施工し、但し本組成物が１種以上の金属を含む皮膜粉末とバインダーとを含有し、（ｃ）皮膜組成物の少なくとも一部を気化又は燃焼し、バインダーの少なくとも一部を気化又は燃焼して活性化ガスを発生するとともに金属の少なくとも一部を気化し、これにより基材上に金属の皮膜を形成する工程を含むことができる。
【０００８】
本発明の上記その他の特徴は、特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を読むことで当業者に明らかになるであろう。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、優れた拡散皮膜組成物及び金属表面の優れた拡散被覆方法を提供する。特定の実施形態によれば、本発明は、ガスタービン部品に拡散皮膜を設けるための組成物及び方法を提供することができる。
【００１０】
一実施形態では、拡散皮膜組成物は流動性を有し、（１）金属を含む皮膜粉末と、（２）バインダーとを含有することができる。別の実施形態では、皮膜組成物はさらに添加剤を含んでもよい。
【００１１】
一実施形態によれば、本方法は、（ａ）基材を用意し、（ｂ）基材の少なくとも一部に拡散皮膜組成物を施工し、但し本組成物が１種以上の金属を含む皮膜粉末とバインダーとを含有し、（ｃ）皮膜組成物の少なくとも一部を気化又は燃焼し、バインダーの少なくとも一部を気化又は燃焼して活性化ガスを発生するとともに金属の少なくとも一部を気化し、これにより基材上に金属の皮膜を形成する工程を含むことができる。本方法はまた、（ｄ）タービン部品から廃棄物を除去する工程を含むこともできる。
【００１２】
拡散皮膜組成物及び拡散被覆法は基材の耐高温性能を向上することができる。特に、本方法は、化学的に結合した皮膜を形成し、基材の耐酸化性、耐硫化性及び／又は耐食性を向上することができる。拡散皮膜は、基材中への異物の拡散に対するバリアを形成することにより基材を保護することができる。
【００１３】
［基材］
本発明の組成物及び方法はほぼあらゆる基材を拡散被覆するのに有効である。本組成物及び方法は、過酷な運転条件で使用される基材を拡散被覆するのに特に有効である。例えば、基材はガスタービン部品、発電部品又はディーゼルエンジン部品とすることができる。特定の実施形態では、本組成物及び方法は非常に高い運転温度にさらされる基材に用いることができる。例えば、本組成物及び方法は、ガスタービン部品、具体的にはタービンブレード、バケット、ベーン、ケース、シール、ノズル及びシュラウドタイルに用いることができる。本発明の組成物及び方法で被覆するのに適した基材は合金から形成することができる。例えば、基材は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）又はモリブデン（Ｍｏ）合金から形成することができる。
【００１４】
基材は、表面部分を有し、１つ以上の内部キャビティを含むこともある。内部キャビティは、小孔などの多様で複雑な表面を含むことがある。基材はＯＥＭ部品でも使用された部品でもよい。基材が使用された部品である実施形態では、基材の一部が、汚れていたり、部分的に酸化されていたり、残留皮膜を有することがある。
【００１５】
［流動性皮膜組成物］
本組成物は皮膜粉末、バインダー、所望に応じて添加剤を含有することができる。
【００１６】
皮膜粉末は基材と化学結合を形成することができる金属を含有することができる。金属は基材に結合して、基材中への異物の拡散に対する保護バリアを形成することができる。バリアは酸素などの元素の拡散を防ぎ、酸化、硫化及び／又は腐食から基材を保護することができる。
【００１７】
特定の実施形態によれば、皮膜粉末は、アルミニウム、白金アルミニウム、クロムアルミニウム、アルミニウムケイ素、ＭＣｒＡｌＹ又はこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の金属を含むことができる。ＭＣｒＡｌＹは、鉄、コバルト又はニッケルの少なくとも１つ（Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ及び／又はＮｉ）とクロムとアルミニウムとイットリウムとからなる。一実施形態によれば、皮膜粉末は、１）約０．００００３インチ〜約０．００７インチの範囲の膜厚を形成し、（２）約１２％〜約５０％のアルミニウム含量の皮膜を形成するのに十分な量で組成物に存在することができる。特定の実施形態によれば、組成物中の皮膜粉末の含量は組成物の約５重量％〜約６０重量％の範囲にすることができる。
【００１８】
バインダーはブレーズゲル（braze gel）バインダーを含むことができる。好ましい実施形態では、バインダーの粘度は、（１）組成物が基材への施工時に流動し（２）基材への施工後に組成物がその場に留まるような粘度である。気化又は燃焼工程時に、バインダーは組成物が活性化ガス（後述）を発生するように作用することが重要である。特定の実施形態によれば、組成物中のバインダーの含量は組成物の約２０重量％〜約５０重量％の範囲である。適当なバインダーの例としては、水系バインダー、アルコール系バインダー、エポキシ系バインダー及びこれらの組合せがあるが、これらに限らない。
【００１９】
バインダーは１種以上の添加剤を含有することもできる。添加剤は気化又は燃焼工程時に活性化ガス（後述）の発生を増加することができる。特定の実施形態によれば、添加剤は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）マイクロビーズ、酸化アルミニウム、か焼酸化アルミニウム、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）及びテフロン（登録商標）チップの少なくとも１種を含有することができる。組成物中の添加剤の含量は、組成物の約１重量％〜約２０重量％の範囲にすることができる。
【００２０】
［被覆方法］
基材に皮膜組成物を施工する工程は、当技術分野で公知の適当な方法のいずれを用いてもよい。皮膜組成物を施工するのに適当な技法には、注入、浸漬、ディップ及び真空がある。好ましい実施形態の施工工程では、基材の少なくとも１つの内部キャビティに組成物を注入する。組成物の粘度は、（１）組成物が基材の内部キャビティ中に流入し、（２）基材に施工後、組成物がその場に留まることができるような粘度であることが重要である。
【００２１】
本発明の被覆方法は、拡散皮膜組成物の少なくとも一部を気化又は燃焼し、（１）バインダーの少なくとも一部を気化又は燃焼して活性化ガスを発生させ、（２）金属の少なくとも一部を気化し、基材上に金属の皮膜を形成する工程を含むことができる。好ましい実施形態では、気化又は燃焼工程で熱処理を行う。熱処理は、箱型大気炉などの炉で行うことができ、約１４００°Ｆ〜約２１００°Ｆの範囲の温度で約１時間〜約１０時間の範囲の時間行うことができる。
【００２２】
気化又は燃焼工程で、バインダーが活性化ガスを発生する。活性化ガスは基材の該当部分への金属の拡散を増加させることによりコーティングプロセスを改善することができる。特定の実施形態によれば、活性化ガスは水素、塩素、フッ素、塩化水素、フッ化水素又はアンモニウムを少なくとも１つ含むことができる。活性化ガスがコーティングプロセスの性能を高める正確なメカニズムは分かっていないが、活性化ガスは、（１）タービン部品を清浄化する、（２）汚れていたり、部分的に酸化されていたり、残留皮膜を有していたりするタービン部品の部分を含めてタービン部品の表面への皮膜の均一な拡散を促進する、（３）残留皮膜及び灰などの廃棄物の量を低減する、（４）タービン部品からの廃棄物の除去を容易にする、（５）タービン部品をバニシ加工する作用の１つ以上をなすと考えられる。
【００２３】
被覆方法はさらに、（ｄ）タービン部品から廃棄物を除去する工程を含むことができる。廃棄物には、組成物の残留部分及び／又はコーティングプロセスの副生成物、例えば残留粉末及び灰がある。
【実施例１】
【００２４】
３０重量％のクロムアルミニウム（１００メッシュ、４４％のクロム、５６％のアルミニウム）、４０重量％のブレーズゲルバインダー、５重量％の塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）、５重量％のフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、１０重量％のＰＭＭＡマイクロビーズ及び１０重量％のか焼酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、１００メッシュ）からなる拡散皮膜組成物をニッケル基超合金タービンブレードの内部通路に注入した。タービンブレードを、炉内で２０００°Ｆに４時間加熱し、炉の遮断後、室温まで炉冷した。
【００２５】
冷却後、タービンブレードの内部通路を標準圧縮空気で清浄化した。次いで、確実に残材を落とすように水を内部通路に流した。拡散皮膜によりタービン通路に２３重量％のアルミナイドを含有する１．８ｍｍの皮膜が形成された。
【００２６】
以上の説明は本発明の好ましい実施形態のみに関するものであり、特許請求の範囲によって規定された本発明の要旨及びその均等物から逸脱することなく、多数の改変及び変更が可能であることは明らかである。