(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンに用いられる超合金製部品にアルミナイドコーティングを付与する改良された方法であって、
該超合金製部品を洗浄し、
アルミニウム含有源（３０）をレトルト（２０）内に置き、
該超合金製部品を、該アルミニウム含有源（３０）を有する該レトルト（２０）内に置き、
該レトルト（２０）を密封し、
ガス圧を大気圧未満に下げることによって該レトルト（２０）から空気を抜いた後、第１の予め選択された流量で第１の予め選択された時間、不活性ガス（５０）で該レトルト（２０）をパージし、
該不活性ガス（５０）を第２の予め選択された流量で供給しながら、該レトルト（２０）を第１の予め選択された温度に加熱し、
第１の予め選択された温度に達したら、該不活性ガス（５０）の流れを止め、
第３の予め選択された流量で第２の予め選択された時間、水素ガス（６０）を導入して該レトルト（２０）から該不活性ガス（５０）をパージし、
予め選択された温度を維持しながら、レトルト圧力を大気圧未満の第１の予め選択された圧力に下げて該圧力を第３の予め選択された時間保持した後、第４の予め選択された流量で第４の予め選択された時間ハロゲン化物含有ガス（４２）を該レトルト（２０）に導入して該ハロゲン化物含有ガス（４２）と該アルミニウム含有源（３０）とを反応させて該部品上を均一に流れて該部品の表面上にコーティングを蒸着させるアルミニウム含有蒸気を形成した後、該ハロゲン化物含有ガス（４２）の流れを止めて、第５の予め選択された流量で第５の予め選択された時間該水素ガス（６０）を該レトルト（２０）に導入することによってパルスを与え、
レトルト圧を下げ、該ハロゲン化物含有ガス（４２）を流した後、該ハロゲン化物含有ガス（４２）の流れを止めることによってパルスを与える工程を、予め選択されたコーティング厚さが得られるまで繰り返し、
該レトルト圧を大気圧未満の第２の予め選択された圧力に下げて、第６の予め選択された時間保持し、
第６の予め選択された流量で第７の予め選択された時間、該水素ガス（６０）を導入し、
該レトルト（２０）を第２の予め選択された温度に冷却し、
該不活性ガス（５０）流を該レトルト（２０）に導入した後、該レトルト（２０）を冷却する工程を有してなる方法。
【請求項２】
該第１の予め選択された時間が３０分であり、該不活性ガス（５０）がアルゴンであり、該第１の予め選択された流量が２００ないし３００ＳＣＦＨである請求項１記載の方法。
【請求項３】
該第１の予め選択された温度が９２７℃ないし１２０４℃の範囲であり、該第２の予め選択された流量が１００ないし３００ＳＣＦＨである請求項１記載の方法。
【請求項４】
該水素ガス（６０）の該第３の予め選択された流量が２００ないし３００ＳＣＦＨであり、該第２の予め選択された時間が３０分である請求項１記載の方法。
【請求項５】
パルスを与える工程がガス圧を９０ＫＰａ未満に下げることを含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
さらにパルスを与える工程がハロゲン化物活性剤ガス（４２）を４００ＳＣＦＨの流量で導入することを含み、該ハロゲン化物活性剤ガス（４２）が５０ＳＣＦＨの流量で流れるＨＦおよび３５０ＳＣＦＨの流量で流れるキャリヤーガスから構成される請求項１記載の方法。
【請求項７】
パルスを与える工程が３０分の第４の予め選択された時間を含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
パルスを与える工程が、３０ないし６０分の第５の予め選択された時間、４０ないし６０ＳＣＦＨの水素（６０）の第５の予め選択された流量を含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
パルスを与える工程を１ないし１．５時間行う請求項１記載の方法。
【請求項１０】
該第２の予め選択された圧力が９０ＫＰａ未満であり、該第６の予め選択された時間が少なくとも１分である請求項１記載の方法。
【請求項１１】
水素の該第６の予め選択された流量が４００ＳＣＦＨであり、該第７の予め選択された時間が３０分である請求項１記載の方法。
【請求項１２】
該第２の予め選択された温度が７６０℃である請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンに用いられる超合金製部品へのアルミナイドコーティングの付与方法、さらに詳しくはガスタービンエンジンのタービン部分に用いられるニッケルベースおよびコバルトベースの超合金製部品をコーティングするための改良された気相アルミナイジング法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミナイドコーティングは、超合金製タービン部品をガスタービンエンジンから保護して、多くの異なった方法によって支持体材料を保護するのに付与される。かかる方法の1つが、引用することにより本明細書の一部とされかつ本発明の譲受人によって譲渡された、現在は失効したSeyboltに対する米国特許第3,837,901号に記載されている。該特許においては、供給源としてアルミニウムを有する粉末床にタービン部品を埋封することによってアルミナイドコーティングを付与している。一般に、この特許で明らかにされた活性粉末は不活性アルミナと混合された鉄-アルミニウム化合物であり、その粉末は、床を約900℃ないし1090℃（1650ないし2000°Ｆ）の範囲の温度に加熱しながらハロゲン化ガスをキャリヤー中に通すことによって活性化された。この方法のその後の改良として、アルミニウム粉末源の変更、粉末サイズの変更およびガス送出システムの改善が挙げられる。一般に、これらの方法は「充填(pack)法」または気相アルミナイジング法として知られるようになった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法は幾つかの欠点を有する。第１に、該方法は特定の組成を必要とするコーティングの形成を含むため、コーティング組成を得るために注意深く混合しなければならない。しかし、一旦消耗すると、混合した金属粉末は容易に再循環できず、補充もできず、廃棄物処理の問題が存在する。これらの充填法に付随する第２の問題は、粉末の計量、移動および廃棄に非常に労力がいることである。第３に、良好な保護コーティングを形成するが、容易に制御できない変動する厚さのコーティングを生じることである。最後に、ガスタービンの温度要求が増大するにつれて、タービン部品に冷却流路が加えられた。充填法の粉末は、しばしば、これらの流路を塞ぎ、これらの冷却流路から粉末を除去するのはさらにやっかいな問題である。
【０００４】
本発明の主目的は、従来技術の充填法に付随する問題を回避しつつ、良品質のアルミナイドコーティングを形成するコーティング方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガスタービンに用いられる超合金製部品にアルミナイドコーティングを付与する改良された方法を提供する。これらのアルミナイドコーティングを付与するための従来の気相アルミナイジング技術に比べて、本発明の方法は、典型的に気相アルミナイジング法に付随する相対的に薄いコーティング厚さ等の利点を維持しつつ、さらに均一なコーティング厚さを有するアルミナイドコーティングを提供する。
【０００６】
本発明のさらなる利点は、重い粉末を用いないので、これらの粉末を移動させたり廃棄する必要がないので、該方法は労力の集約は小さく、環境にも優しい。本発明に用いるペレットは、必要であれば、容易に分離再生できる。
【０００７】
本発明によれば、ガスタービンに用いられる超合金製部品にアルミナイドコーティングを付与する改良された方法は一連の工程を有してなり、その第１の工程では、超合金製部品をアルミニウム含有部品を有するレトルト内に置く。その後、不活性ガスをレトルトに導入することによって空気をレトルトから抜く。典型的には、レトルトを炉内に置くことによって、レトルトを予め選択された温度に加熱する。予め選択された温度を維持しながら、水素ガスを導入することによって不活性ガスをレトルトからパージする。その後、温度を一定に維持しながら、部分的真空に付すことによってレトルト内の水素ガスを大気圧未満の予め選択された圧力に減圧する。ついで、ハロゲン化物含有ガスをレトルトに導入する。予め選択された温度で、このガスとレトルト内のアルミニウム源を反応させて、アルミニウムリッチガスの蒸気を形成する。アルミニウムリッチガスの蒸気が超合金製支持体の表面上を通過して該支持体と反応し、薄いコーティングが得られるまで薄い実質的に均一なコーティングを蒸着する。所望により、ハロゲン化物含有ガスのレトルトへの導入およびパージするプロセスを繰り返して、コーティングの厚さを均一に増大させることができる。所望の厚さを得た後、再びレトルト内のガス圧を大気圧未満に下げ、不活性ガスをレトルトに導入し、レトルトを冷却する。
【０００８】
このようにして、本発明の利点は、所望により、均一で厚いアルミナイドコーティングを本発明の方法によって得ることができることであることがわかった。
【０００９】
本発明の他の利点は、アルミニウム源または充填剤材料として粉末を用いる必要がないため、エアフォイル等の典型的なタービン部品において冷却口が粉末で塞がれる傾向が排除される。最後に、粉末が必要でないため、正確な秤量および粉末の混合を含む労力集約的な粉末準備プロセスが排除できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して好ましい具体例により本発明の他の特徴および利点を明らかにする。図１は本発明の方法を実施するのに用いる装置の１実施態様を示す模式図である。本発明の方法は、この図面および本発明のコーティングを形成するのに用いる方法のフローチャートである図２を参照することによって完全に理解できる。可能な限り、全図面において同じ部品には同じ符号を付した。
【００１１】
【実施例】
本発明によれば、洗浄後にタービン部品、典型的にはエアフォイル10をレトルト内に置く。これらの部品は、典型的には、ニッケルベースおよびコバルトベースの超合金組成でできている。エアフォイル10が新しく製作されたものであると、典型的には脱脂によって洗浄する。しかし、本発明は使用中に取り外されたタービン部品を再びコーティングするのに用いてもよい。まず、このような部品は、周知のストリッピング法、典型的にはアルミナ微細粉末を用いたグリットブラストによって以前に施されたいずれのコーティングをも剥がさなければならないが、酸ストリッピングおよびその後のフッ素イオン洗浄を利用してもよい。
【００１２】
アルミニウム含有源をレトルト20に充填し、該アルミニウム含有源は媒質として機能する。好ましい実施態様における媒質を粗大ペレット30として示し、エアフォイル10が媒質内に充填される場合に好ましい。粗大ペレットは細い空気流路の閉塞を防ぐように機能し、該閉塞は微細粉末を媒質として用いる際の通常の問題である。本発明の実施の最良の形態において、エアフォイル10を複数のコーティングボックス15内に置く。コーティングボックス15をレトルト20内に置いた後、レトルトを炉（図示せず）内に置く。最良の形態において、ペレット30をエアフォイル10近傍に置くが、エアフォイル10と物理的に接触させない。本発明の実施の最良の形態を図１に示す。ペレットおよびエアフォイルの配置は多くの方法のいずれか１つによって達成され、例えば、コーティングボックス15内に図１に示す縦型チャンバー等のチャンバーを組み込むことによってペレット30を保持する。しかし、エアフォイル10を各ボックス15内のペレット30の床の上に吊るしてもよく、ペレット30の上にエアフォイル10を上げる各ボックス15内のプラットホームの上に支えてもよい。好ましい実施態様において、ペレットのサイズは約４mm（0.15インチ）ないし約16mm（0.63インチ）の間で変化する。あるいは、レトルト20内でエアフォイル10を媒質の上に吊るしてもよく、媒質は粗大ペレットである必要はない。典型的には、充填されおよび吊るされたエアフォイル10に対するコーティングの厚さを制御することは困難であるため、冷却プロセスを受ける部品は同時に吊るし、および媒質中に充填することはしない。好ましい実施態様において、媒質と接触しないコーティングボックス内にエアフォイル10を置き、このエアフォイル10を参照すると、ペレットで充填されたエアフォイルまたはレトルト20内で媒質の上に吊るされたエアフォイル10を用いて本発明のすべての他の態様を達成することができる。
【００１３】
好ましくはコバルト-アルミニウム媒質であるアルミニウムコーティング媒質を有するレトルト20内にエアフォイル10を置いた後、レトルト20を密封し、炉（図１に示さず）内に置く。この系には内部ガス分配システム22が含まれる。当業者であれば、接触または誘導加熱源等のいずれのレトルト20を加熱する源を用いてもよく、レトルト20内の温度は熱電対によって制御されることが理解できよう。ガス分配システム22はガス注入システム40およびガス排出システム70に連結され、レトルトが密封される。
【００１４】
ガス注入システム40はフッ化水素活性剤42の供給、不活性キャリヤー50の供給および水素ガス20の供給を含む。ガスの各容積に関連して、それぞれ、圧力調整器または質量流量調整器44、52、62がある。圧力が知られている場合、一定の系内では質量流量が計算でき、逆も同じであるため、圧力調整器または質量流量調整器を互換的に用いてもよい。供給ライン46、54、64は、供給された各ガスをバルブ48、56、65に連結し、該バルブは順にガス注入ライン66に連結され、該ガス注入ラインは注入バルブ68に連結される。バルブの各々はバルブの開閉を行う制御器（図示せず）によって作動され、ガス調整器44、52、62によって設定された必要なガスは、ガス供給源から注入ライン66へ流れて、レトルト内のガス分配システムに入る。
【００１５】
ガス排出システム70は、排出ライン72と、排出バルブ74と、真空排気ポンプ76とから構成される。排出バルブ74と真空排気ポンプ76は、両方とも、制御器（図示せず）によって作動され、本発明の方法が達成されるようにガス注入システム40およびガス排出システム70に関する制御を維持する。
【００１６】
密封された20レトルトを炉内に配置した後、バルブ74を開けて真空ポンプ76を作動させることによってガス排出システム70を作動し、レトルトから部分的真空を引くことによって空気を抜く。空気を抜いた後、ポンプ76を止め、バルブ48、65を閉じたままでバルブ56、68を介して供給源50からガス、好ましくはアルゴンをレトルトに流入させる。第１の予め選択された流量で第１の予め選択された時間、最良の形態では200ないし300SCFH（1SCFHは標準状態で0.028m3 /h）で少なくとも約30分間、系内をアルゴンでパージする。時間および流量は臨界的ではなく、空気をうまくパージできれば異なった時間および流量を用いてもよい。
【００１７】
空気をパージした後、不活性ガス雰囲気を維持しながら、炉内でレトルトを第１の予め選択された温度に加熱する。最良の形態では、約927ないし1204℃（約927ないし1204℃（約1700ないし2200°Ｆ）、好ましくは1052±14℃（1925±25°Ｆ）の温度範囲に加熱しながらガス流量を100ないし200SCFHに下げる。
【００１８】
第１の予め選択された温度に達したら、不活性ガスの流れを止め、不活性ガスを系内からパージするため、第３の予め選択された流量で第２の予め選択された時間、水素供給源60からのガスを系に導入する。これはバルブ56を閉じ、バルブ65を開くことによって達成される。最良の態様では、第１の予め選択された温度を維持しながら、200ないし300SCFHで少なくとも30分間、水素を流入させる。時間および流量は臨界的ではなく、空気をうまくパージできれば異なった時間および流量を用いてもよい。
【００１９】
つぎに、系にパルスを与える。第１の予め選択された温度、好ましい実施態様では約1052℃（約1925°Ｆ）を維持しながら、水素ガスを抜くことによってレトルト20内の圧力を第１の予め選択された圧力まで下げる。この圧力は少なくとも約90KPa（680トル）であり、好ましくは80KPa（600トル）未満である。最良の形態では、この圧力は少なくとも約73KPa（550トル）である。しかし、低い圧力でもよく、達成できればさらに好ましい。ガスバルブ65、56をもし開いていたら閉じ、ポンプ76を作動することによって排気を達成できる。好ましくは、バルブ68も閉じる。第３の予め選択された時間、好ましくは約１分間、この減圧を保持する。
【００２０】
第１の予め選択された温度を維持しながら、ハロゲン化物含有活性剤ガスをレトルトに導入し、圧力は大気圧未満である。最良の態様では、ハロゲン化物含有活性剤ガスはフッ化水素HFである。さらに、第４の予め選択された流量で第４の予め選択された時間、キャリヤーガスを用いて、HFをレトルトに導入する。キャリヤーガスは不活性ガスであるが、最良の態様では水素であり、水素と活性剤ガスの比率は（３ないし10）：１の範囲であり、最も好ましくは７：１の範囲である。これは約50SCFHの活性剤ガス流および350SCFHの水素ガス流を供給することによって達成される。バルブ48、65を開けてキャリヤーガスと活性剤ガスを混合する。最良の態様では、ガス圧を約50ないし60psiにし、ガスはガス分配システム22中を流れ、ペレット30の周囲を上昇する。ガスがアルミニウム含有ペレットの上およびアルミニウム含有ペレット中を流れるにつれて、HFがペレットと反応してアルミニウム含有ガスが形成された後、ガスがエアフォイルの上およびエアフォイル中を通過するにつれてエアフォイルの上に均一なコーティングを蒸着させる。最良の形態ではこの流れは約30分間続くが、時間が長くても短くてもよい。約0.025ないし0.125mm（約0.001ないし0.005インチ）の範囲のコーティング厚さが好ましいが、最良の態様では、３ないし４サイクルまたはパルスを与えた後、約0.05ないし0.1mm（約0.002ないし0.004インチ）の範囲のコーティング厚さが典型的に得られる。つぎに、バルブ48を閉じてハロゲン化物含有ガスの流れを止める。第５の予め選択された流量、好ましくは約40ないし60SCFHで第６の予め選択された時間、水素ガスを供給することによって系をパージする。これはバルブ65、68の一方または両方を閉じることによって達成され、それにより、水素の流れを止め、調整器62を再調整し、バルブ65、68を再開放し、あるいは単に調整器62を用いて水素の流れを抑える。系からハロゲン化物含有ガスをパージするのに十分ないずれの時間および圧力でもよいが、最良の形態では、流れを約30ないし60分間維持した。
【００２１】
より厚いコーティングを望む場合、ハロゲン化物含有ガスの流れを止め、レトルト圧を大気圧未満に下げ、ハロゲン化物含有ガスを再導入させた後、系を水素でパージすることによってパルスを与えるプロセスを繰り返す。所望のコーティング厚さが得られると、パルスを与えるプロセスを停止する。前述のように、本発明の実施の最良の態様では、３ないし４サイクル後またはパルスを与えた後、約0.05ないし0.1mm（約0.002ないし0.004インチ）の範囲のコーティング厚さが得られる。
【００２２】
パルスを与えた後、第６の予め選択された時間、再びレトルト圧を大気圧未満の第２の予め選択された圧力まで下げる。これは吸入68を閉じてポンプ76を作動することにより達成される。圧力を少なくとも90PKa（680トル）、好ましくは約80KPa（600トル）に下げるべきであるが、さらに低い圧力は好ましくない。本発明の実施の最良の態様において、約73KPa（550トル）の圧力が得られる。この圧力を約１分保持する。
【００２３】
その後、第６の予め選択された流量で第７の予め選択された時間、水素ガスを系に導入する。前述のように、いずれの残留するハロゲン化ガスが十分にパージできれば、流量および時間は臨界的ではない。最良の態様では、調整器62を調整し、約30分間バルブ65、68を開けることによって約400SCFHの流量が得られる。
【００２４】
その後、レトルトを第２の予め選択された温度、好ましい実施態様では約760℃（約1400°Ｆ）に冷却する。この時点で、バルブ65を閉じてバルブ56を開けることによって、第７の予め選択された流量で不活性ガスであるアルゴンをレトルトに再導入する。アルゴンで系をパージしながら、レトルトを第３の予め選択された温度である121℃（約250°Ｆ）に冷却する。最良の形態では、120℃（250°Ｆ）に達すると、系を90KPa（680トル）未満に約20ないし30分間、最も好ましくは約80KPa（600トル）未満に約20分間減圧していずれの残留ガスをも除去する。その後、レトルトを再びアルゴンで充填した。コーティングされた部品をレトルト20から取り外した。最良の形態における121℃（250°Ｆ）で残留ガスを除去する工程は所望により行う。
【００２５】
レトルトへのガスのパルス効果によって部品の周囲のガスのより均一な分布のため、本発明の方法によってコーティングされたエアフォイルはより均一なコーティング厚さを有する。パルスの各サイクルは１ないし1.5時間を要する。さらに、コバルト/アルミニウムペレットを再使用してさらなる部品をコーティングしてもよい。充填法を用いる場合、冷却口の閉塞を防止するため、メッシュスクリーンにペレット媒質を通すことによって細かいものを篩分けしてもよい。細かいものは再処理してもよい。
【００２６】
特定の実施例および実施態様に関して本発明を詳しく説明したが、当業者であれば本発明の範囲において他の変形や変更が可能であることが理解できよう。これらの実施例および実施態様は説明のためのものであって、請求の範囲に示す、本発明の要旨をどのようにも限定するものではない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の利点は、均一で所望の厚さのアルミナイドコーティングを本発明の方法によって得ることができることである。
【００２８】
本発明の他の利点は、アルミニウム源または充填剤材料として粉末を用いる必要がないため、エアフォイル等の典型的なタービン部品において冷却口が粉末で塞がれる傾向が排除される。最後に、粉末が必要でないため、正確な秤量および粉末の混合を含む面倒な粉末準備プロセスが排除できることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の方法を実施するのに用いる装置の模式図である。
【図２】本発明のコーティングを形成するのに用いる方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１０    エアフォイル
１５    コーティングボックス
２０    レトルト
２２    ガス分配システム
３０    ペレット
４０    ガス注入システム
４２    ハロゲン化物含有ガス
４４    質量流量調整器（圧力調整器）
４６    供給ライン
４８    バルブ
５０    不活性キャリヤー
５２    質量流量調整器（圧力調整器）
５４    供給ライン
５６    バルブ
６０    水素ガス
６２    質量流量調整器（圧力調整器）
６４    供給ライン
６５    バルブ
６６    ガス注入ライン
６８    注入バルブ
７０    ガス排出システム
７２    排出ライン
７４    排出バルブ
７６    真空排気ポンプ
【図１】
0004448950.tif 000002
【図２】
0004448950.tif 000003