(57)【要約】【課題】遮熱コーティングに強く接着された硬質の外部シェルを形成すること。【解決手段】タービンエンジン部品５０などの基室にコーティングされた遮熱コーティング５２の表面に、電気泳動塗装工程またはスラリ工程のいずれかを用いて硬質シェル腐食バリヤを付着させる。腐食バリヤは、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または二ケイ化モリブデンから形成することができる。腐食バリヤは、１３００〜２７５０ｋｇ／ｍｍ2のビッカース硬度をもつことが好ましい。コーティング５４とコーティング５２との間に溶浸領域５６が形成されることがある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の遮熱コーティングを保護する腐食バリヤを形成する方法であって、
溶媒に懸濁されたセラミック粒子の懸濁液をつくるステップと、
前記遮熱コーティング表面に前記懸濁液中の粒子を付着させるステップと、
ビッカース硬度が１３００〜２７５０ｋｇ／ｍｍ2の範囲の腐食バリヤコーティングを形成するために、前記遮熱コーティング表面に付着させた前記粒子を乾燥させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記懸濁液をつくるステップが、前記懸濁液のｐＨが９．０以下であるように、前記懸濁液に酸または塩基を添加することを含み、かつ、前記付着させるステップが、前記遮熱コーティングを有する前記加工物に充分な直流電圧を用いてバイアスをかけて、前記懸濁液中の懸濁粒子を加工物の表面に向けて加速させることにより、前記懸濁液中の前記粒子を前記遮熱コーティング表面に付着させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記懸濁液を、室温〜１２０°Ｆまでの温度範囲に維持することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記セラミック粒子が、０．００１〜５．０重量％の濃度で存在するように、前記懸濁液を作ることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記セラミック粒子が、約０．００５〜０．０５重量％の濃度で存在するように、前記懸濁液を作ることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記付着させた粒子を含む前記加工物を前記懸濁液から取り出すことをさらに含み、かつ、前記乾燥ステップが、前記加工物を、室温〜６５０°Ｆまでの温度範囲で、０．５〜２０時間、乾燥させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記乾燥ステップが、前記加工物を室温にて１〜２０時間、乾燥させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記乾燥ステップが、前記加工物を室温にて３〜１０時間、乾燥させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記乾燥ステップが、前記加工物を２５０°Ｆ〜６５０°Ｆの温度範囲で、０．５〜５．０時間、乾燥させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記乾燥ステップが、前記加工物を２５０°Ｆ〜６５０°Ｆの温度範囲で、１．０〜２．０時間、乾燥させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記加工物を１９５０°Ｆ〜２０００°Ｆの温度範囲で、３．０〜４．０時間、焼結させることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記粒子を凝集および沈降させないために、メタクリル酸ポリメチルアルコールおよびステアリン酸アンモニウムからなる群から選択される０．０１〜１．０重量％の分散剤を、前記懸濁液に添加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記腐食バリヤによって形成されるシェルの強度を増強させるために、前記懸濁液に０．１〜３．０重量％の結合剤を添加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記結合剤を添加するステップが、１．０〜２．０重量％のポリビニルアルコールを添加することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記セラミック粒子の懸濁液を作るステップが、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、および二ケイ化モリブデンからなる群から選択されるセラミック粒子を用いて、前記懸濁液を作ることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記懸濁液を作るステップが、粒径が０．０２〜０．２ミクロンのセラミック粒子を用いて、懸濁液を作ることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸を添加ステップが、前記懸濁液のｐＨを４．２５未満に維持する酸を添加することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸を添加ステップが、前記懸濁液のｐＨを２．０〜４．２５の範囲に維持する酸を添加することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸を添加ステップが、硝酸、塩酸、酢酸、およびステアリン酸からなる群から選択される酸を添加することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項２０】
前記塩基を添加ステップが、前記懸濁液のｐＨを上昇させるために、水酸化アルミニウムおよび水酸化アンモニウムの群から選択される塩基を添加することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項２１】
前記付着させるステップが、５０〜２０００Ｖの電圧を前記加工物にかけることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項２２】
前記付着させるステップが、９００〜１１００Ｖの電圧を前記加工物にかけることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項２３】
前記懸濁液を作るステップが、水、アルコール、およびこれらの混合物からなる群から選択される溶媒を添加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記粒子を付着させるステップが、スラリ化工程技術を用いて、前記加工物の前記遮熱コーティング表面に前記懸濁液を塗布することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記塗布するステップが、浸漬被覆、吹きつけ塗り、および塗装からなる群から選択される技術を用いて、前記懸濁液を塗布することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
基材と、
前記基材表面にある遮熱コーティングと、
前記遮熱コーティング表面に付着し、１３００〜２７５０ｋｇ／ｍｍ2のビッカース硬度をもつ硬質腐食バリヤと、
を備える加工物。
【請求項２７】
前記硬質腐食バリヤが、２６５０ｋｇ／ｍｍ2のビッカース硬度をもつアルミナの層を含む、請求項２６に記載の加工物。
【請求項２８】
前記硬質腐食バリヤが、１９００ｋｇ／ｍｍ2のビッカース硬度をもつ窒化ケイ素の層を含む、請求項２６に記載の加工物。
【請求項２９】
前記硬質腐食バリヤが、２７５０ｋｇ／ｍｍ2のビッカース硬度をもつ炭化ケイ素の層を含む、請求項２６に記載の加工物。
【請求項３０】
前記硬質腐食バリヤが、１３００ｋｇ／ｍｍ2のビッカース硬度をもつ二ケイ化モリブデンの層を含む、請求項２６に記載の加工物。
【請求項３１】
前記遮熱コーティングが、ジルコニア系遮熱コーティングを含む、請求項２６に記載の加工物。
【請求項３２】
前記遮熱コーティングと前記腐食バリヤとの間に溶浸領域をさらに含んでいる、請求項２６に記載の加工物。
【請求項３３】
前記加工物が、タービンエンジンの構成部品を含む、請求項２６に記載の加工物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遮熱コーティングに対する腐食バリヤ、およびその腐食バリヤを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのタービンエンジン部品が、下層にある基材を保護するための遮熱コーティングを備える。エンジンのガス経路内の高速粒子は、遮熱コーティングに大きな腐食損傷を与える原因になる。この遮熱コーティングの腐食が、コーティングが施されたタービンエンジン部分の初期段階の損傷を導く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
遮熱コーティングに強く接着された硬質外部シェルを形成することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、遮熱コーティングに強く接着された硬質外部シェルが形成される。
【０００５】
本発明の特徴のひとつは、加工物が、基材と、その基材表面の遮熱コーティングと、この遮熱コーティング表面に付着した硬質腐食バリヤと、から概ね作られていることである。この腐食バリヤは、１４０〜２７５０ｋｇ／ｍｍ2のビッカース硬度をもつことが好ましい。この腐食バリヤは、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、および二ケイ化モリブデンから形成され得る。
【０００６】
本発明の２番目の特徴は、加工物の遮熱コーティングを保護する腐食バリヤを形成する方法が提供されることである。この方法は概ね、溶媒に懸濁されたセラミック粒子の懸濁液をつくるステップと、前記懸濁液中の粒子を前記遮熱コーティング表面に付着させるステップと、１３００〜２７５０ｋｇ／ｍｍ2のビッカース硬度をもつ腐食バリヤコーティングを形成するために前記遮熱コーティング表面に付着させた前記粒子を乾燥させるステップと、を含む。
【０００７】
本発明の遮熱コーティングを保護する腐食バリヤの他の詳細ならびに他の目的および利点については、詳細な説明および添付の図面に記載し、類似した要素は同様の参照数字で表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、タービンエンジン部品などの基材に塗布された遮熱コーティング表面に腐食バリヤとして働く硬質シェル外部コーティングを形成することに関する。この外部コーティング腐食バリヤは、スラリを塗布して溶媒を除去することによるか、および／または電気泳動付着により形成され得る。
【０００９】
電気泳動付着に関しては、図１に示されるように、タービンエンジン部品または部分などの基材となる加工物５０が、懸濁液１０に浸漬され、電圧源１２の第１の端子に電気的に接続される。第２の電極１４は、当技術分野で周知の好適な導電性材料から作製してよく、電圧源１２の第２の端子に電気的に接続される。
【００１０】
懸濁液に浸漬する前に、概してジルコニア系遮熱コーティングなどの遮熱コーティング５２が、タービンエンジン部品５０に適用される。この遮熱コーティング５２は、当技術分野で周知の好適な技術を用いてタービンエンジン部品に適用することができる。
【００１１】
懸濁液１０は、ゾルの形態で、大きさが約０．０２ミクロン〜０．２ミクロンの微細セラミック粒子からなる。このセラミック粒子の大きさは、約０．０２〜０．０５ミクロンの範囲であることが好ましい。このセラミック粒子は、水、アルコール（限定されるものではないが、エタノールまたはメタノールを含む）、および水−アルコール混合物のような溶媒に懸濁することができる。トリクロロエタン(trichloethane)のような有機溶媒を使用することができるが、健康および環境上の問題により、このような有機溶媒の使用は禁止される可能性がある。
【００１２】
最も簡単な実施形態では、酸化アルミニウム（アルミナ）ゾルを、水、アルコール、またはこれらの混合物に入れて懸濁液にし、この溶液のｐＨを４．２５未満に維持するために充分な酸を添加して安定させる。この結果、アルミナ粒子が互いに反発し合うほどの正電荷を帯びて、溶液からの粒子の凝集および沈降が避けられる。溶液に添加される酸として、硝酸、塩酸、酢酸、およびステアリン酸があるが、これらに限定されない。溶液のｐＨは、２．０に下げることができるが、低いｐＨでは、懸濁液に含まれる酸が、コーティングしようとする部分または部品の露出金属を攻撃する可能性がある。水および／またはアルコールの中でアルミナゾル懸濁液に好ましいｐＨは３．０〜４．５である。コーティングしようとする部分または部品５０に負の直流電圧(negative DC voltage)でバイアスをかけて、懸濁液に含まれる懸濁粒子を、部分または部品５０の遮熱コーティングを施した表面に向けて加速させることができる。典型的な負のバイアス電圧の範囲は約５０〜２０００Ｖで、好ましくは約９００〜１１００Ｖである。電圧を高くするほど付着速度は速まるが、系のポテンシャルエネルギが、作業場の安全をおびやかす程度まで上昇することにより危険な可能性がある。
【００１３】
アルミナゾル懸濁液の他に好適と思われる硬質セラミック材料は、窒化ケイ素ゾル、炭化ケイ素ゾル、および二ケイ化モリブデンゾルである。安定懸濁液を生成するのに必要な好適なｐＨ範囲は、懸濁液に含まれるセラミック微粒子の組成によって異なる。これは、界面化学の変化によるものであり、界面化学の変化は、粒子の表面に異なった電荷が蓄積されることを導き、懸濁液のｐＨの関数として作用する。低いｐＨでは表面が正に帯電し、高いｐＨでは表面が負に帯電する。従って、粒子の表面電荷がゼロになるｐＨレベルが存在し、そのｐＨレベルは等電点つまりｐＨｉｅｐとして知られている。アルミナのｐＨｉｅｐは４．５であり、窒化ケイ素のｐＨｉｅｐは９．０であり、炭化ケイ素のｐＨｉｅｐは５．４であり、二ケイ化モリブデンのｐＨｉｅｐは２．２である。
【００１４】
本発明は、ジルコニア系遮熱コーティング表面に付着する硬質シェル材料を形成するために使用できるので、ジルコニア系コーティング表面を負に帯電させるｐＨ範囲で操作すると有利にできる。ジルコニアのｐＨｉｅｐである４．０より高いｐＨに操作することによって、これを行うことができる。懸濁液にアルミナ粒子を用いる場合、ジルコニアコーティングにバイアスをかけることで、ジルコニア表面に多くの負電荷が供給されるので、使用できるｐＨの下限が３．０まで低く広がると考えられる。
【００１５】
上述のように、強酸は、金属被膜だけでなく、部分または部品の基材となる金属をも攻撃する傾向がある。この理由で、窒化ケイ素は、ｐＨｉｅｐが９．０と高いことから、他のコーティングを超える利点がある。この系には、健康および安全の面で有利な中性ｐＨで付着させることができるという利点もある。
【００１６】
電気泳動付着を実施するｐＨレベルは、懸濁液にゾルを入れる前に、そのゾルの界面化学を変更することによって上昇させることができる。例えば、アルミナゾルの窒化(nitriding alumina sols)、または二ケイ化モリブデンゾルのアルミ化(aluminizing molybdenum disilicide)が、部分または部品５０へ作用するｐＨレベルを上げて、損傷を最小限にすることができる。
【００１７】
ｐＨを調節する酸の添加について考察したが、ｐＨを７．０以上に維持するために、懸濁液に塩基を添加することもある。典型的な添加塩基は、水酸化アンモニウムおよび水酸化アルミニウムである。
【００１８】
アルミナの熱的安定性および優れた硬度から、アルミナは腐食バリヤコーティングにふさわしい材料である。
【００１９】
硬質シェル材料の室温でのビカース硬度は、
アルミナ：約２６５０ｋｇ／ｍｍ2
窒化ケイ素：約１９００ｋｇ／ｍｍ2
炭化ケイ素：約２７５０ｋｇ／ｍｍ2
二ケイ化モリブデン：約１３００ｋｇ／ｍｍ2
である。
【００２０】
懸濁液は、ほぼ室温６８°Ｆ〜１２０°Ｆ（２０℃〜４９℃）の温度範囲で維持することができるが、コストを最小限に抑えるには室温で維持されることが好ましい。
【００２１】
懸濁液のゾル（固体）の濃度は、約０．００１重量％〜５．０重量％がよい。好ましくは、懸濁液のゾル（固体）の濃度は、約０．００５〜０．０５重量％である。
【００２２】
腐食バリヤコーティングを付着させた後に、部分または部品５０を懸濁液から取り出したら、当技術分野で周知の好適な乾燥技術を用いて、この部分または部品を乾燥させる。ほぼ室温〜６５０°Ｆ（３４３℃）で乾燥を行ってよい。室温での乾燥時間は、約１．０〜２０時間でよく、好ましくは、約３．０〜１０時間である。２５０°Ｆ〜６５０°Ｆ（１２１℃〜３４３℃）の乾燥温度では、乾燥時間を約０．５〜５．０時間に短縮してよく、好適な乾燥時間は、約１．０〜２．０時間である。
【００２３】
乾燥後、付着した腐食バリヤコーティング内部ならびに腐食バリヤコーティングと遮熱コーティングとの間を強く接着させるために、コーティングを施した部分または部品を焼結してもよい。また、焼結することで腐食バリヤコーティングにおける気孔率を下げ、気孔率が下がることで、硬度が上記のバルク硬度になっていく。焼結は、当技術分野で周知の好適な技術で行うことができる。温度が約１９５０°Ｆ〜２０００°Ｆ（１０６６℃〜１０９３℃）での焼結時間は約３．０〜４．０時間でよい。
【００２４】
必要であれば、粒子の凝集および沈降を防ぐために、メタクリル酸ポリメチルアルコール(polymethyl methacrylate alcohol)およびステアリン酸アンモニウム(ammonium stearate)などの１つまたは複数の種類の分散剤を懸濁液に添加してもよい。（1つまたは複数の種類の）分散剤は、０．０１〜１．０重量％、好ましくは、０．４〜０．８重量％の濃度で存在してよい。
【００２５】
硬質シェルの強度を増強させるために、必要であれば焼結前に、結合剤としてポリビニルアルコールを懸濁液に添加してもよい。ポリビニルアルコールは、０．１〜３．０重量％、好ましくは、１．０〜２．０重量％の量を添加してもよい。ポリビニルアルコール結合剤を添加する目的は、懸濁液のゾルの各粒子を結合剤の単分子膜でコーティングすることである。
【００２６】
本発明の腐食バリヤコーティングを形成するために用いる他の工程は、浸漬被覆(dipping)、吹きつけ塗り(spraying)、および塗装(painting)などのスラリ化工程を含む。このアプローチでは、上記のとおりに懸濁液を作製する。その後、遮熱コーティングを施した部分または部品に、前述の浸漬被覆、吹き付け塗り、または塗装によって、懸濁液を塗布することができる。遮熱コーティングを施した部分または部品に懸濁液を塗布するために、当技術分野で周知の好適な技術を用いることができる。
【００２７】
遮熱コーティングを施した部分または部品に懸濁液を塗布した後、その部品または部分を乾燥させて、遮熱コーティング内の過剰な試薬を除去してもよい。部品または部分を、上記の通りに乾燥させてもよい。さらに必要であれば、その部品または部分を上記の通りに焼結させてもよい。
【００２８】
図２を参照すると、本発明の方法によれば、遮熱コーティング（ＴＢＣ）５２と、その遮熱コーティング５２表面に付着した硬質シェル腐食バリヤコーティング５４を有する部品または部分５０が得られる。コーティング５４とコーティング５２との間に溶浸領域(infilterated region)５６が形成されることがある。溶浸領域は、ＴＢＣの表面から内側へ測定したＴＢＣの厚さの５．０〜１００％の厚さで構成される。溶浸領域の厚さは、ＴＢＣの厚さの１０〜２０％であることが好ましい。部品または部分５０は、当技術分野で周知のニッケル基超合金などの好適な金属材料から作ることができる。
【００２９】
ＴＢＣの腐食は、タービンエンジン部品の特定の領域で起こりやすい。例えば、ブレードの先端、特に、負圧面側が腐食を受ける。遠心力によりベーンの外周側バットレスも腐食を受ける。タービンガス流に含まれる微粒子のほとんどにタービンの径方向外向きへ遠心力が作用し、微粒子による損傷のほとんどがそこで起きる。タービンエンジン部品の比較的急勾配の輪郭が腐食を受けるのは、急勾配の輪郭がガス流を圧縮することによって部品表面の局所圧力を高めるという理由からである。局所圧力が高まることにより、ガス流に含まれる分子や種々の微粒子との衝突頻度が高まり、タービンエンジン部品の腐食が進む。硬質シェルコーティングによる付加重量を最小化し、かつ、硬質シェルコーティングが、タービンエンジン部品のＴＢＣに与えうる歪み耐性の低下などの悪影響を最小限に抑えるために、腐食を受けやすいと知られている領域にだけ硬質シェルコーティングを施すことがよいと思われる。
【００３０】
塗装プロセス、浸漬被覆プロセス、または電気泳動アプローチを用いて、タービンエンジン部品の一部にだけ硬質シェルコーティングを施すことができる。コーティングを施すつもりのないすべての表面に有機マスキング剤を塗布することができる。
【００３１】
フォトレジストとして知られる市販の樹脂などのＵＶ硬化性樹脂をタービンエンジン部品に塗布することにより、硬質シェルコーティングを施してもよい。その後、硬質コーティングの付着を望む領域に、板金マスクを塗布する。樹脂でコーティングを施して、マスキングした部品を、その後、ＵＶ光に１．０〜１０分間、曝露させて、露出した全ての樹脂を硬化させることができる。硬化後、板金マスクを外し、硬化していない樹脂を洗い落とす。その後、硬質コーティングの工程を進めることができる。光露光技術(photolithography)を使う場合は、硬化した樹脂を焼き取るために、６００°Ｆ〜９００°Ｆ（３１６℃〜４８２℃）の温度で、２．０〜４．０時間、乾燥をしてもよい。
【００３２】
表面に遮熱コーティングが施された様々な種類の部分および部品の表面に、腐食バリヤコーティングを形成するために、本発明の工程を使用することができる。処理が施される部分または部品は、エアフォイルを有する種々の部分、シールを有する種々の部分、エアフォイル、シールなどがあるが、これらに限定されない。そのような部分または部品の例としては、ブレード、ベーン、ステータ、タービン中間フレーム、燃焼器パネル、燃焼器缶、燃焼器隔壁パネル、ディスクサイドプレート(disk side plates)、および燃料ノズルガイドが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】遮熱コーティングを備えた加工物に腐食バリヤを形成する装置の模式図。
【図２】遮熱コーティングおよび腐食バリヤを備えた加工物の模式図。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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