(57)【要約】【課題】  効率が良く、要求される滞留温度に到達するまでの熱ランプ時間を短縮できる金属被覆膜を形成する方法（４００）及び装置を提供する。【解決手段】  工作物の表面に金属被覆膜を形成する方法（４００）及び装置が提供される。方法は、マイクロ波処理可能チャンバ（５０２）の中に工作物を位置決めするステップ（４０２）と、マイクロ波処理可能チャンバの中に被覆材料を位置決めするステップ（４０４）と、工作物の表面に被覆材料の拡散被覆膜が形成されるように、マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、少なくとも工作物及び被覆材料を加熱するステップ（４０６）と、を含む。【選択図】      図４
2007191790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物の表面に金属被覆膜を形成する方法（４００）において、
前記工作物をマイクロ波処理可能チャンバ（５０２）の中に位置決めすること（４０２）と；
前記マイクロ波処理可能チャンバの中に被覆材料を位置決めすること（４０４）と；
前記被覆材料の拡散被覆膜が前記工作物の表面に形成されるように、マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、少なくとも前記工作物及び前記被覆材料を加熱すること（４０６）とから成る方法。
【請求項２】
前記工作物はガスタービン部品であり、前記工作物をマイクロ波処理可能チャンバ（５０２）の中に位置決めすること（４０２）は、前記ガスタービン部品を前記マイクロ波処理可能チャンバの中に位置決めすることから成る請求項１記載の方法（４００）。
【請求項３】
前記マイクロ波処理可能チャンバの中に被覆材料を位置決めすること（４０４）は、自由形態、パック、テープ及びスラリのうち少なくとも１つの形態をとる金属粉末を含む被覆材料を前記マイクロ波処理可能チャンバの中に位置決めすることから成る請求項１記載の方法（４００）。
【請求項４】
前記工作物及び前記被覆材料を加熱すること（４０６）は、０．９１５ＧＨｚ〜２．４５ＧＨｚの周波数範囲の電磁エネルギーを使用する請求項１記載の方法（４００）。
【請求項５】
粉末状ハロゲン化物活性剤を前記マイクロ波処理可能チャンバ（５０２）の中に位置決めすることを更に含む請求項１記載の方法（４００）。
【請求項６】
マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、前記工作物及び前記被覆材料を加熱すること（４０６）は、前記被覆材料の拡散被覆膜が形成されるように、マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、前記工作物、前記被覆材料及び前記粉末状ハロゲン化物活性剤を１１４９℃（２１００°Ｆ）未満の温度まで加熱することから成る請求項１記載の方法（４００）。
【請求項７】
マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、前記工作物及び前記被覆材料を加熱すること（４０６）は、前記被覆材料の拡散被覆膜が形成されるように、マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、前記工作物及び前記被覆材料を１１４９℃（２１００°Ｆ）の温度まで加熱することから成る請求項１記載の方法（４００）。
【請求項８】
外面と少なくとも１つの内部流路とを有するガスタービン部品の表面に金属被覆膜を形成するように構成された拡散蒸着チャンバ（５００）において、
絶縁チャンバであって、前記チャンバから前記チャンバを取り囲む周囲空間へのマイクロ波エネルギー（５０６）の漏れをほぼ阻止するように構成された絶縁チャンバと；
前記チャンバ内部の前記ガスタービン部品をほぼ均一に１１４９℃（２１００°Ｆ）の温度まで加熱するように構成されたマイクロ波エネルギー源とを具備する拡散蒸着チャンバ（５００）。
【請求項９】
前記チャンバ内部に、不活性及び還元のうち少なくとも一方である雰囲気を形成するガスの供給源（５０８）を更に具備する請求項８記載の拡散蒸着チャンバ（５００）。
【請求項１０】
前記マイクロ波エネルギー源は、０．９１５ＧＨｚ〜２．４５ＧＨｚの周波数範囲の電磁エネルギーを発生するように構成される請求項８記載の拡散蒸着チャンバ（５００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの部品に保護被覆膜を蒸着する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、通常、高圧圧縮機、低圧圧縮機、燃焼器及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は空気を圧縮し、圧縮された空気は、燃料と混合されて燃焼器へ搬送される。その後、混合物は点火され、高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンへ搬送され、タービンは、圧縮機に動力を与えるためのエネルギー、並びに飛行中の航空機を推進するため又は発電機などの負荷に動力を与えるために有効な仕事を提供するためのエネルギーを燃焼ガスから取り出す。
【０００３】
ガスタービンエンジン内部の動作環境は、温度の面でも化学的にも有害である。鉄系超合金、ニッケル系超合金及びコバルト系超合金の考案によって、高温合金の著しい進歩が実現されたが、そのような合金から製造された部品は、タービン、燃焼器及びオーグメンタなどのガスタービンエンジンのいくつかの部分に配置された場合、使用条件に長期間さらされることに耐えられないことが多い。一般的な解決方法は、タービン、燃焼器及びオーグメンタの部品を、酸化及び高温腐食を抑止する環境被覆膜によって被覆することである。
【０００４】
環境被覆膜として広く使用されている被覆材料は、拡散アルミナイド被覆膜を含む。この被覆膜は、一般に、パック凝結などの拡散工程により形成される単層耐酸化層である。拡散工程は、一般に、２つの明確に異なるゾーンを形成するために、部品の表面を、アルミニウムを含有するガス組成と反応させることを含む。２つのゾーンのうち最も外側のゾーンは、基板材料に応じて、鉄、ニッケル又はコバルトを含む耐環境金属間相を含む付加層である。付加層の下にある拡散ゾーンは、拡散勾配及び基板の局所領域における元素溶解度の変化の結果として被覆反応中に形成される種々の金属間相及び準安定相を含む。空気中で高温にさらされている間に、金属間相は、拡散被覆膜及びその下方に位置する基板の酸化を抑止する保護酸化アルミニウム（アルミナ）スケール又は層を形成する。
【０００５】
少なくともいくつかの周知の拡散被覆膜は、還元及び／又は不活性雰囲気の中で所定の温度で起こる熱／化学反応プロセスにより生成される。部品は、通常、１１４９℃（２，１００°Ｆ）以上の反応炉の中で、電気（抵抗加熱要素）加熱、プラズマアークランプ加熱又はガス加熱によって処理される。それらの加熱源は効率が悪く、要求される滞留温度に到達するまでに長い熱ランプ時間を必要とする。
【特許文献１】米国特許第６，００４，５０５号公報
【特許文献２】米国特許第６，０６３，３３３号公報
【特許文献３】米国特許第６，１８３，６８９Ｂ１号公報
【特許文献４】米国特許第６，５１２，２１６Ｂ２号公報
【発明の開示】
【０００６】
一実施形態においては、工作物の表面に金属被覆膜を形成する方法は、マイクロ波処理可能チャンバの中に工作物を位置決めすることと、マイクロ波処理可能チャンバの中に被覆材料を位置決めすることと、工作物の表面に被覆材料の拡散被覆膜が形成されるように、マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、少なくとも工作物及び被覆材料を加熱することとを含む。
【０００７】
別の実施形態においては、タービン羽根又は他のガスタービン部品の表面に金属被覆膜を形成する方法が提供される。タービン羽根は、外面及び少なくとも１つの内部流路を含む。方法は、マイクロ波処理可能チャンバの中にタービン羽根を位置決めすることと、マイクロ波処理可能チャンバの中に被覆材料を位置決めすることと、不活性及び還元のうち少なくとも一方である雰囲気をチャンバに導入することと、外面及び少なくとも１つの内部流路のうち少なくとも１つに被覆材料の拡散被覆膜が形成されるように、マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、少なくともタービン羽根及び被覆材料を加熱することとを含む。
【０００８】
更に別の実施形態においては、タービン羽根の表面に金属被覆膜を形成するように構成された拡散蒸着チャンバが提供される。タービン羽根は、外面及び少なくとも１つの流路を含む。拡散蒸着チャンバは、チャンバからチャンバを取り囲む周囲空間へのマイクロ波エネルギーの漏れをほぼ防止するように構成される絶縁チャンバと、チャンバ内部の金属物体をほぼ均一に約１１４９℃（２，１００°Ｆ）の温度まで加熱するように構成されるマイクロ波エネルギー源とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、ガスタービンエンジン１０を示した概略図である。エンジン１０は、ファン構体１２及びコアエンジン１３を含む。コアエンジン１３は、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含む。エンジン１０は、高圧タービン１８、低圧タービン２０及びブースタ２２を更に含む。ファン構体１２は、回転子円板２６から半径方向外側へ延出するファンブレード２４のアレイを含む。エンジン１０は、吸込み側２８及び排気側３０を有する。一実施形態においては、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティのGeneral Electric Companyより市販されているGE90である。ファン構体１２及び低圧タービン２０は、第１の回転子軸３１により結合され、圧縮機１４及び高圧タービン１８は、第２の回転子軸３２により結合される。
【００１０】
動作中、空気は、中心軸３４に沿ってファン構体１２を通過し、圧縮された空気は、高圧圧縮機１４に供給される。高圧に圧縮された空気は、燃焼器１６へ送り出される。燃焼器１６からの気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、第１の回転子軸３１を介してファン構体１２を駆動する。
【００１１】
図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示される）と共に使用できるタービン動翼４０を示した概略斜視図である。図３は、タービン動翼４０を示した内部概略図である。図２及び図３を参照すると、一実施形態においては、複数のタービン動翼４０が、ガスタービンエンジン１０の１つのタービン動翼段（図示せず）を形成する。各動翼４０は、中空のエーロフォイル４２と、エーロフォイル４２を回転子円板（図示せず）に装着するために使用される一体のダブテール４３とを含む。
【００１２】
エーロフォイル４２は、第１の側壁４４及び第２の側壁４６を含む。第１の側壁４４は凸形であり、エーロフォイル４２の吸込み側を規定する。第２の側壁４６は凹形であり、エーロフォイル４２の圧力側を規定する。側壁４４及び４６は、エーロフォイル４２の前縁部４８と、前縁部４８の下流側にあり、軸方向に離間して配置された後縁部５０とにおいて結合される。
【００１３】
第１の側壁４４及び第２の側壁４６は、それぞれ、ダブテール４３に隣接して位置する動翼根元部５２から、内部冷却室５６の半径方向外側の境界を規定する先端部板５４に至るまで、長手方向又は半径方向外側へ延在する。冷却室５６は、エーロフォイル４２の内部の側壁４４及び４６の間に規定される。本実施形態においては、冷却室５６は、圧縮機抽気によって冷却される蛇行流路５８を含む。
【００１４】
冷却空洞５６は、後縁部５０に沿って長手方向（軸方向）に延出する複数の後縁部溝穴７０と流体連通している。特に、後縁部溝穴７０は、圧力側側壁４６から後縁部５０まで延出する。各後縁部溝穴７０は、第１の側壁７４及び第２の側壁７６により圧力側側壁４６から離間された凹形壁７２を含む。冷却空洞出口開口部７８は、冷却空洞５６から、凹形壁７２に隣接する各後縁部溝穴７０まで延出する。各凹形壁７２は、後縁部５０から冷却空洞出口開口部７８まで延出する。複数のランド８０は、各後縁部溝穴７０を隣接する後縁部溝穴７０から分離する。側壁７４及び７６は、ランド８０から延出する。
【００１５】
図４は、ガスタービンエンジンのタービン動翼などの工作物（タービン動翼に限定されない）の表面に金属被覆膜を形成する方法４００の一例を示したフローチャートである。方法は、マイクロ波処理可能チャンバの中にタービン動翼を位置決めすること４０２と、マイクロ波処理可能チャンバの中に被覆材料を位置決めすること４０４と、タービン動翼の表面に被覆材料の拡散被覆膜が蒸気転写されるように、マイクロ波範囲電磁エネルギーを使用して、少なくともタービン動翼及び被覆材料を加熱すること４０６とを含む。
【００１６】
本実施形態においては、被覆材料は自由形態の金属粉末を含む。種々の他の実施形態においては、被覆材料は、パック、テープ又はスラリの形態であってもよい。更に、一実施形態においては、被覆工程を促進するために、マイクロ波処理可能チャンバの中に粉末状ハロゲン化物活性剤が位置決めされる。
【００１７】
タービン動翼、被覆材料及び活性剤は、約０．９１５ＧＨｚ〜約２．４５ＧＨｚの周波数範囲の電磁エネルギーを使用して加熱される。被覆材料中の金属粉末及び活性剤は、マイクロ波エネルギーにより直接加熱される。タービン動翼は、高温に達するまで、被覆材料からの伝導及び／又は対流により加熱され、高温に達した時点で、タービン動翼もマイクロ波エネルギーを吸収し始める。マイクロ波エネルギーは、タービン動翼、被覆材料及び活性剤の温度勾配が所定の一定速度又は所定の温度プロファイルに維持されるように制御される。マイクロ波発生源は、所定の滞留時間にわたり、タービン動翼、被覆材料及び活性剤の温度を約１１４９℃（２，１００°Ｆ）に維持するためにエネルギーを供給するように構成される。本実施形態においては、マイクロ波発生源は、１〜６時間の所定の滞留時間にわたり、タービン動翼、被覆材料及び活性剤の温度を約９２７〜１０９３℃（１，７００°Ｆ〜約２，０００°Ｆ）に維持するためにエネルギーを供給する。
【００１８】
被覆工程の間、タービン動翼の外面及び／又は動翼の内部流路に被覆膜が形成されてもよい。更に、動翼の前縁部、後縁部又はその他の部分などの動翼の所定の領域が被覆膜により被覆されるのをほぼ防止する非活性化テープを使用して、それらの領域が被覆されてもよい。被覆工程を促進するために、アルゴン及び水素のうち少なくとも一方を含む不活性雰囲気又は還元雰囲気などの雰囲気がチャンバ内部に導入されてもよい。所定の滞留時間が終了すると、タービン動翼、被覆材料及び活性剤に対して、材料を取り扱うのに相対的に安全である温度まで強制冷却又は従来の冷却が行なわれる。
【００１９】
図５は、図４に示される方法を実行するために使用できる拡散蒸着チャンバ５００を示した斜視図である。拡散蒸着チャンバ５００は、絶縁マイクロ波処理可能チャンバ５０２を含む。マイクロ波処理可能チャンバ５０２は、マイクロ波処理可能チャンバ５０２からマイクロ波処理可能チャンバ５０２を取り囲む周囲空間５０４へのマイクロ波エネルギーの漏れをほぼ防止するように構成される。マイクロ波処理可能チャンバ５０２は、マイクロ波エネルギー源５０６を更に含む。マイクロ波エネルギー源５０６は、チャンバ内部の金属物体をほぼ均一に約１１４９℃（２，１００°Ｆ）の温度まで加熱するように構成される。本実施形態においては、マイクロ波エネルギー源５０６は、約０．９１５ＧＨｚ〜約２．４５ＧＨｚの周波数範囲の電磁エネルギーを発生するように構成される。マイクロ波処理可能チャンバ５０２は、不活性及び還元のうち少なくとも一方であり且つアルゴン及び／又は水素を含んでもよい雰囲気をチャンバ内部に形成するガスの供給源５０８を更に含む。
【００２０】
上述の拡散蒸着チャンバは、効率のよいマイクロ波吸収によって、ガスタービン部品を要求される被覆温度まで加熱するための費用効率に優れ且つ信頼性の高い方法及び装置である。チャンバは、予測可能なほぼ均一のアルミナイド被覆膜又は他の金属被覆膜が容易に得られるように、制御された方法により、ガスタービン部品を所定の制御自在の雰囲気の中で加熱できる。従って、拡散蒸着チャンバは、費用効率に優れ且つ信頼性の高い方法によりガスタービンエンジン部品を被覆することを可能にする。
【００２１】
以上、拡散蒸着チャンバ構成要素の実施形態を詳細に説明した。構成要素は、本明細書中で説明された特定の実施形態に限定されず、各チャンバの構成要素は、本明細書中で説明された他の構成要素とは独立して別個に利用されてもよい。各拡散蒸着チャンバ構成要素は、他の拡散蒸着チャンバ構成要素と組み合わせて使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガスタービンエンジンを示した概略図である。
【図２】図１に示されるガスタービンエンジン１０と共に使用できるタービン動翼を示した概略斜視図である。
【図３】図２に示されるタービン動翼を示した内部概略図である。
【図４】工作物の表面に金属被覆膜を形成する方法の一例を示したフローチャートである。
【図５】図４に示される方法を実行するために使用できる拡散蒸着チャンバを示した斜視図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０…ガスタービンエンジン、４０…タービン動翼、５００…拡散蒸着チャンバ、５０２…マイクロ波処理可能チャンバ、５０６…マイクロ波エネルギー源、５０８…ガス供給源
【図１】
2007191790.tif 000003
【図２】
2007191790.tif 000004
【図３】
2007191790.tif 000005
【図４】
2007191790.tif 000006
【図５】
2007191790.tif 000007
【外国語明細書】
2007191790000001.pdf