(57)【要約】【課題】  本発明は、より簡便に選択的領域に部分的にアルミニウムの拡散コーティングを施工する方法を提供することである。【解決手段】  本発明はアルミニウムの拡散コーティングの施工方法であって、（ａ）耐熱合金基材の施工すべき選択的領域に金属アルミニウム皮膜を形成する工程と、（ｂ）選択的領域に金属アルミニウム皮膜を形成した耐熱合金基材を熱処理し、金属アルミニウム被膜中のアルミニウムを耐熱合金基材に拡散浸透させる工程と、を有する。【選択図】図２
2008138224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱合金基材の表面の選択的領域に、アルミニウムを拡散コーティングするアルミニウムの拡散コーティングの施工方法であって、
（ａ）前記耐熱合金基材の施工すべき選択的領域に金属アルミニウム皮膜を形成する工程と、
（ｂ）前記選択的領域に前記金属アルミニウム皮膜を形成した前記耐熱合金基材を熱処理し、前記金属アルミニウム被膜中のアルミニウムを前記耐熱合金基材に拡散浸透させる工程と、
を有することを特徴とするアルミニウムの拡散コーティングの施工方法。
【請求項２】
前記選択的領域に前記金属アルミニウム皮膜を形成する方法として、コールドスプレー法を用いることを特徴とする請求項１記載のアルミニウムの拡散コーティングの施工方法。
【請求項３】
前記金属アルミニウム皮膜の厚さが、１０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１記載のアルミニウムの拡散コーティングの施工方法。
【請求項４】
前記熱処理が、真空中で９００℃〜１２００℃の温度で、１〜１０時間加熱することを特徴とする請求項１記載のアルミニウムの拡散コーティングの施工方法。
【請求項５】
前記耐熱合金基材が、ガスタービンの高温部材であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウムの拡散コーティングの施工方法。
【請求項６】
前記選択的領域が、ガスタービンの動翼の先端部分であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウムの拡散コーティングの施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの高温部品の選択的領域にアルミニウムの拡散コーティングを施工する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高温の燃焼ガスに曝されるガスタービンの高温部材（動翼，静翼，燃焼器等）には、高温強度に優れたニッケル基やコバルト基の各種の耐熱合金が材料として用いられている。
【０００３】
さらに、これら高温部材の表面には、高温での耐酸化性，耐食性を付与する目的から、アルミニウムの拡散コーティングが用いられる場合がある。
【０００４】
ガスタービンの動翼の場合、比較的熱応力は小さいが高温となり、酸化減肉損傷が生じることがある動翼の先端部分に、アルミニウムの拡散コーティングを選択的領域に部分的に施工することが望まれる。
【０００５】
一方、ガスタービンの静翼の場合は、動翼に比べ、疲労クラックに対する許容範囲が広いため、ＭＣｒＡｌＸ合金のオーバーレイコーティングや熱遮蔽コーティング（サーマルバリアコーティング：ＴＢＣ）よりも、簡便に全面的な施工が可能であり、耐食耐酸化性に優れることからアルミニウムの拡散コーティングが用いられることが多い。
【０００６】
しかしながら、アルミニウムの拡散コーティングが適用された静翼であっても、一定期間使用後にアルミニウムの拡散コーティングの劣化や損傷が生じるため、これら損傷を補修する必要がある。多くの場合、これら補修を必要とする劣化や損傷は、静翼の一部分に限定して生じているため、アルミニウムの拡散コーティングを選択的領域に部分的に施工することが望まれる。
【０００７】
アルミニウムの拡散コーティングの選択的領域に部分的に施工する方法としては、特許文献１〜特許文献４に記載の方法が提案されている。
【０００８】
特許文献１には、いわゆる、スラリー法が開示されている。スラリー法は、アルミニウムを含むスラリーを部材の表面に塗布，乾燥して堆積させた後、熱処理を行って、アルミニウムの拡散コーティングを形成する方法である。
【０００９】
また、同様の方法として、特許文献２や特許文献３には、主に翼の内部冷却通路表面にアルミニウムの拡散コーティングを適用する方法が開示されている。
【００１０】
特許文献４には、部分的にアルミニウムの拡散コーティングを施工する方法として、アルミニウム及び他の添加物を含む金属源コーティングテープを予め用意し、これを施工すべき選択的領域に部分的に配置した後、石英赤外線ランプを利用して選択的領域を不活性雰囲気下で加熱し、部分的にアルミニウムの拡散コーティングを形成する方法が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１１５２５０号公報
【特許文献２】特開２００２−１９４５６１号公報
【特許文献３】特開２００２−２６６０６４号公報
【特許文献４】特開２００３−０４１３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般的に、アルミニウムの拡散コーティングを形成する方法として用いられる、粉末パック法や化学蒸着法では、選択的領域に部分的にアルミニウムの拡散コーティングを施工することが困難であった。
【００１３】
さらに、従来の技術としてのスラリー法では、スラリーの調合，塗布，乾燥が必要となり、工程的に複雑となる。また、スラリーを形成する液体キャリア等の成分の一部は、拡散熱処理の際に分解副生物を生じ、不純物残渣となり、不都合な汚染を残すおそれがある。
【００１４】
また、金属源コーティングテープと石英赤外線ランプとによる部分的な加熱を用いる方法では、金属源コーティングテープと基材との密着性を保つために高温で安定なテープホルダやクッション材を予め用意し、これらの配置や固定を複雑な翼形状の任意の領域に対して確実に行う必要がある。
【００１５】
本発明は、より簡便に選択的領域に部分的にアルミニウムの拡散コーティングを施工する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のアルミニウムの拡散コーティングの施工方法は、耐熱合金基材の表面の選択的領域に、アルミニウムを拡散コーティングするアルミニウムの拡散コーティングの施工方法であって、（ａ）耐熱合金基材の施工すべき選択的領域に金属アルミニウム皮膜を形成する工程と、（ｂ）選択的領域に金属アルミニウム皮膜を形成した耐熱合金基材を熱処理し、金属アルミニウム被膜中のアルミニウムを耐熱合金基材に拡散浸透させる工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
そして、選択的領域に金属アルミニウム皮膜を形成する方法としては、コールドスプレー法を用いることが好ましい。
【００１８】
また、金属アルミニウム皮膜の厚さは、１０〜２００μｍであることが好ましく、熱処理の条件は、真空中で９００℃〜１２００℃の温度で１〜１０時間加熱することが好ましい。
【００１９】
熱処理の条件に関しては、アルミニウムの基材への十分な拡散浸透が施せる条件によって決定される他、基材からの要請によって決定される。
【００２０】
なお、本発明を用いることがより好ましい耐熱合金基材の用途としては、例えば、動翼，静翼，燃焼器等のガスタービンの高温部材であり、特に、ガスタービンの動翼の先端部分である選択的領域に本発明のアルミニウムの拡散コーティングを施工することが好ましい。
【００２１】
なお、耐熱合金基材としては、ニッケル基又はコバルト基であることが好ましい。
【００２２】
ここで被膜を形成するための金属アルミニウムは、純粋な（純度９５〜９９％）アルミニウムであり、コールドスプレー法に用いた際のアルミニウムの純度は９９％程度、コーティング後熱処理前の純度は９５％程度である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、より簡便に選択的領域に部分的にアルミニウムの拡散コーティングを施工する方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態によるガスタービンの動翼（以下「動翼」と称する）を示す斜視図である。
【００２６】
本実施形態で示す動翼は、Ｎｉ基耐熱合金製（Rene′−８０：Ｎｉ−１４％Ｃｒ−４％Ｍｏ−４％Ｗ−３％Ａｌ−５％Ｔｉ−９.５％Ｃｏ；重量％）の基材である。
【００２７】
そして、本実施形態で示す動翼は、例えば、３段の動翼を備えたガスタービンの初段の動翼として用いられる。
【００２８】
この動翼は、翼部１１，プラットフォーム部１２，シャンク部１３，シールフィン１４，チップポケット１５，ダブテイル１６を有し、ダブテイル１６を介して、ディスク（図示せず）に取り付けられる。
【００２９】
また、この動翼は、例えば、翼部１１の長さが１００mm、プラットフォーム部１２からダブテイル１６までの長さが１２０mmである。
【００３０】
そして、この動翼は、内部から冷却できるように冷却媒体、特に、空気又は水蒸気が通るように冷却孔（図示せず）が、ダブテイル１６から翼部１１まで、通して設けられている。
【００３１】
図２に、図１のＡ−Ａ矢視の断面模式図を示す。
【００３２】
動翼のうち、燃焼ガスにさらされる翼部１１及びプラットフォーム部１２に、
ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金（Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−８％Ａｌ−０.５％Ｙ ；重量％）粉末を用いて、減圧雰囲気中でプラズマ溶射法にて、結合層２１を形成した。
【００３３】
この後、動翼の先端に形成されたチップポケット１５の近傍の選択的領域に、コールドスプレー法によって、厚さが１００μｍのアルミニウム皮膜２２を形成した。
【００３４】
コールドスプレーに際しては、粉末粒子の粒径が５〜２０μｍの純アルミニウム粉末を用いた。成膜条件としては、作動ガスに空気を用い、圧力が０.６ＭＰａ 、作動ガス温度が約３００℃の条件で行った。ノズルと施工面との距離は１０mm、ノズル移動速度は２０mm／sec、ピッチは２mmとした。
【００３５】
アルミニウム皮膜２２を成膜後、動翼を真空中で、温度１１２１℃，４時間の熱処理を行い、アルミニウムを基材に拡散浸透させることによって、動翼の先端に形成されたチップポケット１５の近傍の選択的領域に、アルミニウムの拡散コーティングを形成した。
【００３６】
この熱処理は、同時に、減圧雰囲気中でプラズマ溶射法にて形成した結合層２１と基材との拡散、及び、基材の溶体化熱処理を兼ねている。
【００３７】
さらに、基材の時効熱処理として、動翼を真空中で、温度８４３℃，２４時間の熱処理を行った。熱処理後の動翼の翼部１１及びプラットフォーム部１２の表面に、大気中でプラズマ溶射法によって、厚さが約３００μｍの８重量％イットリア部分安定化ジルコニアを施工した。
【００３８】
このようにアルミニウムの拡散コーティングの施工方法を用いて、動翼の先端に形成されたチップポケット１５の近傍にアルミニウムの拡散コーティングを設けた動翼をガスタービンに組込み、運転を行ったところ、動翼の先端部分及びチップポケット１５の周辺では、酸化減肉がほとんど認められず良好な耐酸化性を示した。
【００３９】
一方、アルミニウムの拡散コーティングを施工しなかった動翼では、動翼の先端部分から酸化減肉が生じ、チップポケット１５の周辺でも酸化減肉が認められた。
【００４０】
以上、本実施形態の一例を述べたが、当業者によって、種々の変更等が可能である。従って、本発明は、必ずしも本実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
本実施形態のように耐熱合金からなる基材の表面の選択的領域に、アルミニウムの拡散コーティングを施工する方法では、所望のアルミニウムの拡散コーティングを施工すべき選択的領域に、金属アルミニウム皮膜を形成し、熱処理を施すという簡便な工程で、アルミニウムの拡散コーティングの施工が可能となる。
【００４２】
本実施形態に用いた選択的領域に金属アルミニウム皮膜を形成する方法としては、コールドスプレー法を用いることが好ましい。
【００４３】
コールドスプレー法では、作動ガス温度が３００〜６００℃の範囲が用いられ、溶射法（熱源によって異なるが、作動ガス温度は概ね２０００℃以上）などの他の成膜方法よりも低温であるため、ノズルと施工面との距離を５〜１０mmの範囲まで近くすることができる。このため、成膜パターンがほぼノズルの開口形状と同じ形状に絞られ、拡がることがない。従って、選択的領域以外の部分に、マスキングが不要という利点がある。
【００４４】
さらに、コールドスプレー法では、作動ガス温度が低温であるため、粉末粒子の酸化がほとんど生じないため、皮膜中にも酸化介在物がほとんど含まれず、成膜後の熱処理の工程で酸化介在物が、アルミニウムの基材への拡散を妨げることがないという利点もある。
【００４５】
なお、金属アルミニウム皮膜の厚さは、１０〜２００μｍの範囲が望ましい。
【００４６】
これは、１０μｍより薄い膜厚では、基材へ拡散浸透するアルミニウムの量が不足し、熱処理後に十分なアルミニウム濃度を有するアルミニウムの拡散コーティング層が形成されないため好ましくない。
【００４７】
一方、１００μｍより厚い膜厚では、基材へ拡散浸透するアルミニウムの量が過剰となり、形成されたアルミニウムの拡散コーティング層が脆くなってしまい好ましくない。
【００４８】
また、金属アルミニウム皮膜の形成後の熱処理は、金属アルミニウム皮膜が基材に拡散浸透するために、必要な温度で十分な時間、保持される必要があり、９００〜１２００℃の温度範囲で１〜１０時間の時間範囲、保持されることが好ましい。
【００４９】
なお、所望するアルミニウムの拡散コーティング層の膜厚とアルミニウムの含有率とに応じ、金属アルミニウム皮膜の膜厚，熱処理温度，保持時間の組合せが適宜選択される。
【００５０】
工程を簡略化する上で好ましい選択としては、基材の溶体化熱処理、または、時効熱処理の条件に合わせて、所望するアルミニウムの拡散コーティング層の膜厚とアルミニウムの含有率が得られるように、熱処理前に形成する金属アルミニウム皮膜の厚さを選択することである。
【００５１】
また、熱処理の雰囲気としては、アルミニウムの酸化防止、及び、発生したアルミニウムの蒸気が選択的領域以外に付着することなく排気されることから、真空中で熱処理を施すことが好ましい。
【００５２】
なお、この動翼が形成されるガスタービン段落は、初段が最も優れているが、２段以降の後段にも設けることができる。
【００５３】
また、本実施形態では、ガスタービンの耐熱合金基材の選択的領域にアルミニウムの拡散コーティング層を施工する方法を提供し、選択的領域における基材の耐食耐酸化性を向上させることができる。その結果、寿命の延長や耐久性向上による機器の性能向上が図れる。
【００５４】
ガスタービン以外にも、蒸気タービン，ボイラ，自動車エンジン等の耐熱性部材に利用可能である。
【００５５】
また、本実施形態は、簡便な工程で施工が可能となるため、作業性，信頼性にも優れ、経済的にも有利である。
【００５６】
なお、アルミニウムの拡散コーティングは、アルミナイズ，アルミパック等とも称され、幾つかの形態があるものの、基本的には、ニッケル基やコバルト基の耐熱合金基材の表面、或は、ニッケル基やコバルト基の耐熱合金基材の表面に耐食耐酸化コーティングとして設けられたＭＣｒＡｌＸ（ＭはＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅの何れか及びその組合せ。ＸはＭ，
Ｃｒ，Ａｌ以外の元素）合金層の表面に、アルミニウムを拡散浸透させて、基材の表面にアルミニウムの富化層（アルミニウムの濃度が２０〜４０％の層）を形成するものである。
【００５７】
なお、基材の金属とアルミニウムとが相互拡散することにより、９０％以上の濃度のアルミニウム皮膜から、アルミニウムが基材に拡散浸透し、２０〜４０％の濃度のアルミニウムの富化層を形成する。
【００５８】
この富化されたアルミニウムによって、高温使用環境下において、基材の表面に保護性のアルミナ（酸化アルミニウム）皮膜が、安定的に形成され、そして維持され、基材の酸化腐食（酸化減肉）が抑制される。
【００５９】
また、保護性のアルミナ皮膜を安定的に形成し、そして維持するために、効果的な元素、例えば、貴金属類をアルミニウムに加えて拡散浸透させてもよい。代表的なものとして、白金（Ｐｔ）を添加した、白金・アルミニウムの拡散コーティングが好ましい。なお、このアルミニウムの拡散コーティングは、高温での耐酸化性，耐食性に優れる。
【００６０】
また、本実施形態におけるアルミニウムの拡散コーティング（富化層）は、アルミニウムの含有率が２０〜４０重量％の範囲のものが用いられるため、特に、高温における耐酸化性では、アルミニウムの含有率が６〜１５重量％と低いＭＣｒＡｌＸ合金のオーバーレイコーティングより優れる。
【００６１】
なお、高効率化のために、燃焼温度の高温化が進んでいる最近のガスタービンにおいては、熱応力が高く、特に、回転体であるため疲労クラックをほとんど許容できない動翼に対しては、全面にアルミニウムの拡散コーティングを適用しない傾向にあり、本実施形態において示した選択的領域にアルミニウムの拡散コーティングを適用することが望まれている。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、発電プラントに用いられるガスタービンの動翼に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】ガスタービンの動翼の斜視図である。
【図２】本実施形態で示した方法により、動翼の先端部分の選択的領域へアルミニウムの拡散コーティング層を示した断面模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
１１  翼部
１２  プラットフォーム部
１３  シャンク部
１４  シールフィン
１５  チップポケット
１６  ダブテイル
２１  結合層
２２  アルミニウム皮膜
【図１】
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【図２】
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