(57)【要約】【課題】  ディスク、シール要素、ブレードリテイナ、その他のロータ部品をタービンエンジンの高い運転温度での酸化及び腐食から保護する方法の提供。【解決手段】  タービンエンジンロータ部品（３０）の被覆方法は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属をロータ部品上に堆積し、ロータ部品（３０）を５００℃〜８００℃の温度に加熱する工程を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンロータ部品（３０）の被覆方法であって、
白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属をタービンエンジンロータ部品上に堆積し、
ロータ部品（３０）を５００℃〜８００℃、好ましくは５４０℃〜８１５℃の温度に加熱する工程を含み、
前記ロータ部品（３０）をタービンディスク（３２）、タービンシール要素（３４）及びタービンブレードリテイナ（３５）から選択し、前記白金族金属を金属メッキ、物理蒸着及び化学蒸着から選択される方法により堆積することを特徴とする方法。
【請求項２】
堆積した白金族金属が厚さ０．２μｍ〜５０μｍの皮膜（６０）を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ロータ部品（３０）の加熱を非酸化性雰囲気中で行う、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
１種以上の白金族金属の堆積の前に、ロータ部品（３０）をグリットブラスティングする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
タービンエンジンロータ部品（３０）の保護方法であって、
タービンディスク（３２）、タービンシール要素（３４）及びタービンブレードリテイナ（３５）から選択されるロータ部品（３０）を用意し、
電気メッキにより白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属をロータ部品上に堆積して、厚さ０．２μｍ〜５０μｍ、好ましくは０．３μｍ〜１０μｍの皮膜（６０）を形成し、
ロータ部品（３０）を５００℃〜８００℃、好ましくは５４０℃〜８１５℃の温度に加熱することを特徴とする方法。
【請求項６】
ロータ部品（３０）の加熱を非酸化性雰囲気中で行う、請求項５記載の方法。
【請求項７】
タービンエンジンロータ部品（３０）であって、
（ａ）ニッケル基基材、コバルト基基材、鉄基基材及びこれらの組合せからなる群から選択される金属基基材（６４）と、
（ｂ）前記基材の表面（６２）上に設けられた、厚さ０．２μｍ〜５０μｍの白金族金属皮膜（６０）とを備え、
前記白金族金属皮膜（６０）は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属をロータ部品（３０）の表面（６２）上に堆積し、ロータ部品（３０）を５００℃〜８００℃の温度に加熱することにより形成することを特徴とするロータ部品（３０）。
【請求項８】
前記ロータ部品（３０）がタービンディスク（３２）、タービンシール要素（３４）又はタービンブレードリテイナ（３５）である、請求項７記載のロータ部品（３０）。
【請求項９】
前記皮膜（６０）を金属メッキ、物理蒸着及び化学蒸着から選択される方法により堆積する、請求項７又は請求項８記載のロータ部品（３０）。
【請求項１０】
ロータ部品（３０）の加熱を非酸化性雰囲気中で行う、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載のロータ部品（３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にタービンエンジン部品、例えばタービンエンジンロータ部品に保護皮膜を形成する方法に関する。また、本発明は被覆したタービンエンジンロータ部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機エンジンなどのガスタービンエンジンでは、空気をエンジンの前部で取り込み、シャフトに装着した圧縮機で圧縮し、燃焼器で燃料と混合する。つぎに混合気を燃焼し、高熱の排気ガスを同じシャフトに装着したタービンに通す。燃焼ガスの流れがタービン内で膨張し、これによりシャフトを回転させ、圧縮機にパワーを与える。高熱の排気ガスがエンジンの後方のノズルを通してさらに膨張し、航空機を前方に駆動するスラストを発生する。燃焼及び排気ガスの温度が高ければ高いほど、航空機エンジンの運転効率がよくなる。したがって、燃焼及び排気ガスの温度を高くすることは有益である。
【０００３】
タービンエンジンは普通タービンロータを含み、ロータは、様々な部品の中でも特に、ディスク、シール要素及びブレードリテイナを含む。タービンディスクは通常、ディスクから半径方向外向きにガス流路内に延在する多数のブレードをディスクに装着した構成である。シール要素は、回転要素、静止要素両方があり、空気流を案内し、高熱の燃焼ガスがタービンシャフト及び関連部品に接触するのを防止することができる。ブレードリテイナはブレードをディスク内に保持するのに用いられる。タービンエンジンの運転温度が高くなるにつれて、ディスク、シール要素及びブレードリテイナがさらされる温度も高くなる。その結果、これらの部品の酸化及び腐食が重大な関心事となっている。このような高温では酸化や腐食プロセスが加速され、部品の早期取り外しや交換が必要になるからである。
【０００４】
現在、高い運転温度（即ち、約５４０℃以上）で用いるタービンディスク、シール要素及びブレードリテイナは、他の合金より酸化及び腐食損傷に強いので、高い靱性と耐疲労性を与えることのできるニッケル基超合金から作成されている。しかし、これらの特性だけでは、今日の航空機エンジンがしばしば到達する高温で、超合金を完全に保護するのに、常に十分なわけではない。また、これらの超合金及び他のロータ部品は低レベルのアルミニウム及び／又はクロムを含有することがあるので、腐食を受けやすい。したがって、酸化や腐食損傷が依然として発生するおそれがある。
【０００５】
多数の耐酸化性・耐食性皮膜をタービンブレードに用いることが考えられてきたが、現在のところ一般にこのような皮膜をディスク、シール要素、ブレードリテイナなどの他のタービン部品に用いることは行われていない。ブレードに用いる皮膜は脆く、そして他のタービン部品に必要とされる厚さに形成すると、結果的に部品の金属基材にクラックを発生するおそれがある。
【特許文献１】米国特許第６９２１２５１号明細書
【特許文献２】米国特許第６７９７４０８号明細書
【特許文献３】米国特許第６０６６４０５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、ディスク、シール要素、ブレードリテイナ、その他のロータ部品をタービンエンジンの高い運転温度での酸化及び腐食から保護する方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、広義には、１種以上の白金族金属をタービンエンジンロータ部品上に堆積し、ロータ部品を約５００℃〜８００℃の温度に加熱する工程を含む、タービンエンジンロータ部品の被覆方法を提供する。
【０００８】
本発明はまた、金属基基材と、この基材の表面上に設けられた白金族金属皮膜とを備えるタービンエンジンロータ部品を提供し、ここで白金族金属皮膜は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属をロータ部品の表面上に堆積し、ロータ部品を５００℃〜８００℃の温度に加熱することにより形成する。
【０００９】
本発明はまた、タービンエンジンロータ部品の保護方法を提供し、この方法は、タービンディスク、タービンシール要素及びタービンブレードリテイナから選択されるロータ部品を用意し、電気メッキにより白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウムからなる群から選択される１種以上の白金族金属をロータ部品上に堆積して、厚さ０．２μｍ〜５０μｍの皮膜を形成し、ロータ部品を５００℃〜８００℃の温度に加熱する工程を含む。
【００１０】
上記及び他の特徴、観点及び効果は以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１１】
本明細書は本発明を特定し明確に規定する特許請求の範囲を結論とするが、その実施形態は貼付の図面を参照した以下の詳細な説明から理解できるはずである。なお、同一符号は同じ部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態は、高い運転温度（即ち約５４０℃以上）で用いられるタービンエンジンロータ部品に保護皮膜を形成する方法に関する。この方法は、入手できる最良の合金を用いることによりロータ部品の機械的性能を最適化することを可能にし、ロータ部品に保護皮膜を形成することにより前記合金を腐食や酸化から保護することができる。保護皮膜は高度に密着性で、下側のベース金属の特性に悪影響せず、また十分に薄いので皮膜を設けたロータ部品の寸法を有意に変更しない。保護皮膜は必要なら再調整、補修も簡単にできる。ここでの実施形態は航空機エンジンのタービンロータ部品に焦点を当てているが、本発明の説明がこれに限定されないことは勿論である。
【００１３】
タービンエンジンロータ部品はどのようなタイプのものでもよいが、本発明の方法は、使用時に約５４０℃〜約８１５℃の運転温度を受けるロータ部品又はその部分に用いるのが特に有利である。このような部品がさらされる圧縮機抽出空気（又はガス）流路環境は、取り込んだ腐食性物質、例えば金属硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩などを含有し、これらが長期間にわたって部品の表面に付着していき、その結果腐食損傷をもたらすおそれがある。本発明の方法を適用して効果が得られるロータ部品には、タービンディスク、タービンシール要素及びタービンブレードリテイナがあるが、これらに限らない。ロータ部品全体を保護することができるが、多くの場合、ロータ部品の選択部分だけを保護するのが一層有利でまたコスト上も効果的である。例えば、タービンディスクのハブの中間から外側部分を被覆することができ、一方ハブのボア領域、内側部分及びブレードスロットは被覆してもしなくてもよい。
【００１４】
図１に、代表的な実施形態のタービンエンジンロータ部品３０を示す。ロータ部品３０は、どのような作動形式のものでもよく、例えばタービンディスク３２、タービンシール要素３４及び／又はタービンブレードリテイナ３５とすることができる。図１に示す実施形態は、第１段タービンディスク３６、第１段タービンディスク３６に装着された第１段タービンブレード３８、第２段タービンディスク４０、第２段タービンディスク４０に装着された第２段タービンブレード４２、前部シール４４、後部シール４６及び段間シール４８を含む。腐食が予想されるか実見されるかに応じて、このようなタービンディスク、シール要素又はブレードリテイナのいずれか又はすべてを、本発明の方法を用いて被覆することができる。或いはまた、前述したように、ロータ部品３０の一部分だけを被覆するのが望ましいこともある。
【００１５】
図２を参照すると、タービンロータ部品３０の金属基材６４は、ニッケル、コバルト、鉄又はこれらの組合せを主成分とする材料を含む金属、金属合金又は金属超合金のような種々の基材のいずれでもよい。一実施形態では、金属基材６４はニッケル基超合金を含む。ここで用いる「基」（又は主成分）は、金属基材が表示元素を他のどの元素より高い割合で含有することを意味する。（例えば、ここに記載のニッケル基超合金はニッケルを他のどの元素より多量に含有する。）限定するわけではないが、１例を挙げると、ここで用いることのできるニッケル基超合金はＲｅｎｅ８８（登録商標、ゼネラル・エレクトリック社）であり、この合金は普通、重量基準で約１３％のコバルト、約１６％のクロム、約４％のモリブデン、約３．７％のチタン、約２．１％のアルミニウム、約４％のタングステン、約０．７０％のニオブ、約０．０１５％のホウ素、約０．０３％のジルコニウム及び約０．０３％の炭素、及び残量のニッケル及び微量の不純物からなる。
【００１６】
保護皮膜６０を金属基材６４の表面６２に設ける前に、表面６２を前処理して表面６２の皮膜受容性を高めることができる。前処理法としてはグリットブラスティングが適当であり、この際前処理が不要な表面のマスキングを行っても行わなくてもよい。当業者であれば、このような前処理の適切なパラメータを了解しているであろうが、一般に金属基材６４の表面６２を、炭化ケイ素、鋼、アルミナなどの研磨粒子を用いるグリットブラスティングにより前処理することができる。一実施形態では、粒子は粒径約２５μｍ〜約５００μｍのアルミナ粒子とすることができる。別の実施形態では、アルミナ粒子の粒径を約３５μｍ〜約２００μｍとすることができる。
【００１７】
前処理を行うか否かにかかわらず、保護皮膜６０は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の白金族金属を含有することができる。白金族金属をロータ部品３０上に、当業者に公知の方法、例えばスラリー被覆、塗装、物理蒸着、化学蒸着、金属メッキ（即ち、電気メッキ）のいずれかにより堆積することができる。一実施形態では、白金族金属を約０．２μｍ〜約５０μｍの厚さ（この上下限間のあらゆる下位範囲を含む）に堆積することができる。しかし、皮膜は、別の実施形態では厚さ約０．３μｍ〜約１０μｍ、また他の実施形態では約０．５μｍ〜約３μｍとすることができる。
【００１８】
前述したように、一実施形態では約５４０℃〜約８１５℃、別の実施形態では約６４０℃〜約７６０℃の使用時運転温度を受けるロータ部品３０の金属基材６４の表面６２の部分に白金族金属を堆積するのが望ましい。このような区域の元々の耐酸化性及び耐食性は、高い使用時運転温度での所望の保護を得るには不十分であるからである。これに対して、通常約５４０℃より低い使用時運転温度を受けるロータ部品３０の部分は、その製造材料の耐酸化性及び耐食性だけで十分な耐性を与えるので、保護皮膜６０を必要としない。同様に、通常約８１５℃を超える使用時運転温度を受けるロータ部品３０の部分は、適切な保護を確実に得るために、もっと複雑な保護皮膜、例えばもっと厚い拡散皮膜又は肉盛溶射皮膜、また所望に応じて断熱溶射皮膜（ＴＢＣ）を必要とする。
【００１９】
前述したように、一実施形態では、白金族金属を当業者に周知の種々の金属メッキ法のいずれにより堆積してもよい。しかし、図３に、ここで記載する堆積を実施するのに用いることのできる代表的な形態の電気メッキ装置７０を示す。電気メッキ装置７０は、電源７２、堆積タンク７４、メッキ液７６、陽極７８及び陰極８０（被覆・メッキすべき部品とすることができる）を含む。記号Ｍｅ+は正の電荷を有する金属イオン、例えば白金族金属を示す。図示の実施形態で、白金を金属基材６４の表面６２上に堆積するには、白金含有メッキ液７６を堆積タンク７４に入れ、電気メッキ過程により白金をメッキ液から部品３０上に堆積する。白金含有溶液７６は、例えば、Ｐｔ（ＮＨ3）4ＨＰＯ4を約４ｇ／Ｌ〜約２０ｇ／Ｌの白金の濃度で含有する。一般に、白金含有溶液７６を約８０℃〜約９５℃に（この上下限間のあらゆる下位範囲を含む）、一実施形態では約８５℃〜約９０℃に、他の実施形態では約８８℃に加熱し、電圧／電流電源から、被覆すべき部品の面積１ｍ2当たりのアンペア表示で、約３１００Ａ／ｍ2〜約１２，４００Ａ／ｍ2、別の実施形態では約９３００Ａ／ｍ2にて給電することができる。当業者に周知の他の白金供与薬品及びメッキパラメータを使用してもよい。
【００２０】
図２に戻ると、基材６４に白金族金属を堆積した後、ロータ部品３０を約５００℃〜約８００℃の温度（この上下限間のあらゆる下位範囲を含む）に加熱することができる。しかし、ロータ部品３０の表面６２上に保護皮膜６０を形成するのに、一実施形態では温度を約６００℃〜約７６０℃、別の実施形態では約６４０℃〜約７００℃とすることができる。この温度は比較的低いので、加熱中にロータ部品にひずみが生じる可能性が著しく低くなる。加熱はどんな種類の雰囲気で行ってもよいが、一実施形態では加熱を非酸化性雰囲気、例えばヘリウム又はアルゴン中で行うことができる。所望に応じて、加熱を真空中で行うことができる。選択した温度及びロータ部品の組成に応じて、加熱を行う時間は様々となる。しかし、加熱は、一実施形態では約１０分〜約２４時間、別の実施形態では約３０分〜約１０時間、他の実施形態では約２時間〜約８時間行うことができる。或いはまた、ロータ部品の表面への白金族金属の堆積と同時に加熱を行ってもよい。
【００２１】
前述したように、堆積した白金族金属皮膜は、腐食及び酸化に対する保護をなし、厚さ約０．２μｍ〜約５０μｍ（この上下限間のあらゆる下位範囲を含む）とすることができる。しかし、皮膜は、別の実施形態では厚さ約０．３μｍ〜約１０μｍ、他の実施形態では厚さ約０．５μｍ〜約３μｍとすることができる。
【００２２】
上述した実施形態は保護皮膜を金属基材上に直接堆積する形態に関するものであるが、上述した保護皮膜を金属基材上に既に存在する耐食性皮膜の上に同様に堆積することも可能である。
【実施例】
【００２３】
電気メッキタンク（図３に示す）に、Ｐｔ（ＮＨ3）4ＨＰＯ4を約１０ｇ／Ｌ〜約２０ｇ／Ｌの白金の濃度で含有する白金メッキ液を入れた。ニッケル基超合金Ｒｅｎｅ８８（登録商標、ゼネラル・エレクトリック社）から作成した試験ディスクをタンク内に入れ、ＤＣ電源の負リードに接続した。白金メッキ液を約８７℃〜約９４℃の温度に加熱し、電流を流して約６２００Ａ／ｍ2〜約１２，４００Ａ／ｍ2（試験ディスクの表面積１ｍ2当たりのアンペア表示）とした。約１〜約２時間後、白金層が試験ディスクの表面上に厚さ約５．０μｍ〜約１２．０μｍに堆積した。
【００２４】
以上の説明では具体例を用いて、最良の形態を含む本発明を開示し、当業者が本発明を実施、利用できるようにした。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲に記載したとおりであり、当業者が想起しうる他の実施例を包含する。このような他の実施例は、それが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有するか、特許請求の範囲の文言から実質的な相違のない均等な構造要素を有するのであれば、特許請求の範囲に入る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ガスタービンエンジンのタービン区分の一部を示す線図である。
【図２】ロータ部品上に堆積した保護皮膜を示す線図である。
【図３】タービンロータ部品を被覆する電気メッキ装置を示す線図である。
【符号の説明】
【００２６】
３０  タービンエンジンロータ部品
３２  タービンディスク
３４  タービンシール要素
３５  タービンブレードリテイナ
３６  第１段タービンディスク
３８  第１段タービンブレード
４０  第２段タービンディスク
４２  第２段タービンブレード
４４  前部シール
４６  後部シール
４８  段間シール
６０  保護皮膜
６２  金属基材の表面
６４  金属基材
７０  電気メッキ装置
７２  電源
７４  堆積タンク
７６  メッキ液
７８  陽極
８０  陰極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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