(57)【要約】【課題】  物品上にアルミニウム含有層を堆積する方法を提供する。【解決手段】  保護された物品（４０）を製造する方法は、ガスタービンエンジンの一構成部材である保護される物品（４０）を装備する工程と、その後、貴金属含有層（６０）を物品（４０）上に堆積する工程と、その後、フッ化物を含むアルミニウム蒸気源から気相アルミナイド処理により、前記物品（４０）上に貴金属含有層（６０）を覆ってアルミニウム含有層（６２）を堆積させる工程とを含む。さらに、本方法は、その後、アルミニウム含有層（６２）が表面に堆積された物品（４０）を、水素ガスを少なくとも５体積％含む雰囲気中で加熱する工程と、その後、アルミニウム含有層（６２）を覆うセラミック層（６４）を堆積する工程とを含む。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
保護された物品（４０）を製造する方法であって、
保護される物品（４０）を装備する工程と、その後、
フッ化物を含むアルミニウム蒸気源から前記物品（４０）上にアルミニウム含有層（６２）を堆積する工程と、その後、
前記アルミニウム含有層（６２）が表面に堆積された物品（４０）を、水素ガスを少なくとも５体積％含む雰囲気中で加熱する工程とを含む保護された物品（４０）を製造する方法。
【請求項２】
前記物品（４０）を装備する工程は、ガスタービンエンジンの構成部品を装備する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記物品（４０）を装備する工程は、
板翼（４４）を有するガスタービンエンジンの構成部品を装備する工程を含み、前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程は、板翼（４４）上にアルミニウム含有層（６２）を堆積する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程は、
気相アルミナイド処理により前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程は、
アルミニウム含有蒸気から前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程は、
アルミニウム含有ドナーペレットとフッ化物含有固形物とを含むアルミニウム源により発生されたアルミニウム含有蒸気から前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記堆積工程は、アルゴンキャリアガスを含むアルミニウム蒸気源から前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記装備の工程後で前記アルミニウム含有層（６２）の堆積工程前に、貴金属含有層（６０）を物品（４０）上に堆積する追加工程を含み、前記アルミニウム含有層（６２）の堆積工程が、
前記貴金属含有層（６０）を覆う前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記装備の工程後で前記アルミニウム含有層（６２）の堆積工程前に、プラチナ含有層（６０）を物品（４０）上に堆積する追加工程を含み、前記アルミニウム含有層（６２）の堆積工程が、前記プラチナ含有層（６０）を覆う前記アルミニウム含有層（６２）を堆積する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
加熱処理後に、アルミニウム含有層（６２）を覆うセラミック層（６４）を堆積する追加工程を含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム含有層により金属物品を保護することに関し、特に、有害な構成物質の除去によりアルミニウム含有層の品質を向上することに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機のガスタービン（ジェット）エンジンでは、空気がエンジンの前方に吸引され、軸上圧縮機により圧縮され、燃料と混合される。この混合物は燃焼され、高温の燃焼ガスは、同軸上に搭載されたタービンを通過される。燃焼ガス流は、タービン動翼及び静翼の板翼部分に衝突することによりタービンを回転させ、これが軸を回転し、圧縮機及びファンに動力を提供する。ガスタービンエンジンの中でもより複雑な種類のものでは、圧縮機と高圧タービンとが１つの軸上に搭載され、ファンと低圧タービンとが別の軸上に搭載される。高温の排気ガスが、エンジンの背後から流れ、エンジン及び航空機を前方へ駆動する。
【０００３】
燃焼及び排気ガスが高温であるほど、ジェットエンジンの動作は、より効率的になる。このため、燃焼及び排気ガスの温度を上昇させる動機があるといえる。燃焼ガスの最大温度は、通常、高温の燃焼ガスが衝突するタービンのタービン動翼及びタービン静翼を製造するのに用いられた材料により限定される。現在のエンジンでは、タービン静翼及び動翼は、ニッケル基超合金から形成され、約１０４０〜１１８０℃（１９００〜２１５０°Ｆ）までの温度で動作することができる。
【０００４】
タービン動翼、タービン静翼、及び他の高温構成部品の動作限界温度を現在のレベルまで上昇させるには、多くの方法が用いられている。例えば、基部材料自身の組成及び処理が改善され、多様な凝固技術が、配向性粒子構造及び単結晶構造を利用して開発されている。また、物理的冷却技術も用いられ得る。
【０００５】
さらに他の方法においては、基板の酸化及び腐食を抑制するため、基板の表面に被膜が施され、これにより、基板材料が、別の方法で可能な場合よりも、より長い間及び高温で用いられ得る。最も幅広く用いられた被膜は、更なる酸化及び腐食を抑制するため、表面を酸化アルミニウムスケールとなるまで酸化したアルミニウムリッチ層である。アルミニウムリッチ層は、環境被膜、又はセラミック断熱被膜下のボンディングコートのいずれかとして機能し得る。セラミック断熱被膜は、存在する場合、高温の燃焼ガスに対して基板表面を隔離する。
【特許文献１】米国特許第６，８３８，１９１Ｂ１号公報
【特許文献２】米国特許第６，８３３，６２３Ｂ２号公報
【特許文献３】米国特許第６，６７３，１６４Ｂ２号公報
【特許文献４】米国特許第６，６０７，６１１Ｂ１号公報
【特許文献５】米国特許第６，５６８，８４６Ｂ１号公報
【特許文献６】米国特許第５，５３８，７９６号公報
【特許文献７】米国特許第５，０２８，３８５号公報
【特許文献８】米国特許第４，９６５，０９５号公報
【特許文献９】米国特許第３，８０１，３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
保護層は、基板を保護するために用いられ続ける。しかしながら、場合によっては、保護層が時期尚早に基板から分離し剥がれ落ち、基板を保護しないままに放置してしまう傾向があった。この剥離の原因を理解し、それを補正する必要がある。本発明は、この必要性を満足し、さらに関連する利点を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本方法は、商業化が可能な最も重要な堆積技術の１つによって堆積された保護層が分離及び剥離する傾向を低減するものである。新たな処理工程が追加されるが、この処理工程は、断熱被膜の剥離を大幅に低減するように保護膜の化学的性質を改質するものである。
【０００８】
本発明によれば、保護された物品を製造する方法は、保護される物品を装備する工程と、その後、フッ化物を含むアルミニウム蒸気源から物品上にアルミニウム含有層を堆積する工程と、その後、アルミニウム含有層が表面に堆積された物品を、水素ガスを少なくとも５体積％、好ましくは少なくとも約５０体積％、より好ましくは１００体積％含む雰囲気中で加熱する工程とを含む。この加熱工程は、好ましくは、約１／４時間〜約８時間、約９８０℃（１８００°Ｆ）〜約１１２０℃（２０５０°Ｆ）の温度で行われる。好ましくは、加熱工程後に、セラミック層がアルミニウム含有層を覆って堆積される。
【０００９】
物品は、好ましくは、ガスタービンエンジンの構成部材である。より好ましくは、物品は、板翼を有するガスタービンエンジンの構成部材であり、アルミニウム含有層が板翼上に堆積される。
【００１０】
アルミニウム含有層は、好ましくは、気相アルミナイド処理により、アルミニウム含有蒸気から堆積される。アルミニウム含有蒸気は、アルミニウムやアルミニウムクロム合金ペレットなどのアルミニウム含有ドナーペレットと、フッ化物含有固形物とを含むアルミニウム源により発生され得る。
【００１１】
他の実施形態においては、装備工程後でアルミニウム含有層の堆積工程前に、貴金属含有層が物品上に堆積される。その後、アルミニウム含有層は、貴金属含有層を覆って堆積される。貴金属含有層は、電着により堆積され、その後、アルミニウム含有層の堆積工程前に基板に相互拡散され得る。貴金属は、好ましくは、プラチナである。
【００１２】
より好ましい形態では、保護された物品を製造する方法は、ガスタービンエンジンの構成部材である保護される物品を装備する工程と、その後、物品上に貴金属含有層を堆積する工程と、フッ化物を含むアルミニウム蒸気源から貴金属含有層を覆うように物品上に気相アルミナイド処理によりアルミニウム含有層を堆積する工程とを含む。さらに、本方法は、その後、アルミニウム含有層が表面に堆積された物品を、水素ガスを少なくとも５体積％、好ましくは少なくとも５０体積％、より好ましくは１００体積％含む雰囲気中で加熱する工程と、さらにその後、アルミニウム含有層を覆うセラミック層を堆積する工程とを含む。本文で議論した他の互換性のある特徴は、本実施形態で用い得る。
【００１３】
従来の処理で見られた断熱被膜の剥離は、アルミニウム含有層の堆積に続き、被膜構造中に残るフッ化物の存在に関連する。これらのフッ化物は、気相アルミナイド処理で用いられる、三フッ化アルミニウムなどのフッ化物活性剤を由来とする。堆積後の水素加熱処理は、被膜構造中のフッ化物を水素と反応させ、フッ化水素ガスを生じ、これが取り除かれることとなる。比較試験によれば、堆積後の水素加熱処理が与えられた板翼は、この堆積後の水素加熱処理を受けていない比較例の板翼よりも、はるかに剥離の発生率が低いことが分かった。また、水素加熱処理は、望ましくは、基板及び存在するならば下地貴金属含有層に、堆積アルミニウム含有層を相互拡散させる。
【００１４】
本発明の他の特徴及び利点は、一例として、本発明の趣旨を示す添付図面と組み合わせて、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかとなるであろう。ただし、本発明の範囲は、この好ましい実施形態に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、保護された物品を製造する方法を示しており、図２は、物品４０の一例を示している。図１を参照すると、物品４０は、工程２０で装備される。図２は、かかる物品４０、この場合には、ガスタービン動翼４２の一例を示している。ガスタービン動翼４２は、高温の燃焼ガス流が使用動作中に衝突する板翼４４と、下方に延設されたシャンク４６と、ガスタービン動翼４２をガスタービンエンジンのガスタービンディスク（図示せず）に取り付けるダブテール４８の形態の取付部とを備える。プラットホーム５０は、板翼４４とシャンク４６との間の位置に横方向外側に延びている。任意には、ガスタービン動翼４２は、冷却ガス流がガスタービン動翼４２の内部を動作中に通過してその内部を冷却するように、部分的に中空となされ得る。冷却ガス流は、ガスタービン動翼４２の板翼４４内の開口部５２を通して、ガスタービン動翼４２内部から放出される。
【００１６】
全ガスタービン動翼４２は、好ましくは、ニッケル基超合金から形成される。ニッケル基合金は、任意の他の元素よりもニッケルを多く含んでおり、ニッケル基超合金は、ガンマプライム相又はこれに関連する相の析出により増強されたニッケル基合金である。本発明で用い得るニッケル基超合金の一例としては、ＲｅｎｅＴＭＮ５があり、これは、コバルトが約７．５重量％、クロムが約７．０重量％、モリブデンが約１．５重量％、タングステンが約５重量％、レニウムが約３重量％、タンタルが約６．５重量％、アルミニウムが約６．２重量％、ハフニウムが約０．１５重量％、炭素が約０．０５重量％、ボロンが約０．００４重量％、イットリウムが約０．０１重量％、残余がニッケル元素と微量元素からなる組成式を有する。
【００１７】
図３の断面図に示すように、貴金属含有層６０は、その後、図１の工程２２にて、物品４０上に堆積される。図示した実施形態では、貴金属は、好ましくは、ガスタービン動翼４２の板翼４４上に直接堆積される。貴金属は、好ましくは、プラチナである。プラチナ堆積工程２２は、好ましくは、堆積タンク内にプラチナ含有液を入れ、この溶液からプラチナを物品４０の板翼４４上に電着させることにより実現される。実施可能なプラチナ含有水溶液は、プラチナをリットル当たり約４〜２０グラムの濃度で有するＰｔ（ＮＨ３）４ＨＰＯ４であり、電圧／電流源は、物品の接面の平方フィート（９３０平方センチメートル）当たり約１／２〜１０アンペアで動作される。プラチナ含有層６０は、好ましくは、約１〜約６ミクロンの厚さであり、より好ましくは、約５ミクロンの厚さであり、８９〜９３℃（１９０〜２００°Ｆ）の温度で１〜４時間で堆積される。
【００１８】
任意だが好ましくは、その後、貴金属含有層６０は、図１の工程２４にて、物品と貴金属含有層６０を十分な高温で十分長時間に亘って真空中で加熱することにより、物品４０の下地基板と相互拡散する。実施可能な相互拡散の熱処理２４は、９２７℃（１７００°Ｆ）の温度で２時間である。
【００１９】
アルミニウム含有層６２は、貴金属含有層６０（存在する場合）を含む物品４０の表面を覆って接触しながら、図１の工程２６にて堆積される。好ましい堆積技術は、気相アルミナイド処理（ＶＰＡ）である。気相アルミナイド処理の一実施形態では、アルミニウム含有材料（好ましくは、アルミニウム金属、アルミニウムクロムなどのアルミニウム合金、又はアルミニウム含有化合物）と、フッ化物活性化剤、好ましくは、フッ化アルミニウムとの固形混合物が、供給源室内に置かれる。また、供給源室内には、改質元素源が提供され得る。加熱時には、アルミニウム含有蒸気が形成される。アルゴンガスが供給源室を通って流れ、アルミニウムのガス源用のキャリアを提供する。ガス混合物が、物品４０の表面上を流され、その上にアルミニウムを堆積する。供給源と物品４０は、通常、約９８０℃（１８００°Ｆ）〜約１１５０℃（２１００°Ｆ）までの堆積反応温度に加熱され、これにより、堆積されたアルミニウム原子が、物品４０の母材と、若干存在するならば、貴金属含有層６０とに相互拡散する。アルミニウム含有層は、好ましくは、約０．０１３ｍｍ（０．０００５インチ）〜約０．１３ｍｍ（０．００５）インチの厚さである。一例としては、アルミニウムと改質元素とからなる厚み約０．０５１ｍｍ（０．００２）インチの被膜は、この方法を用いて、約４〜８時間で堆積され得る。
【００２０】
その後、アルミニウム含有層６２が堆積された物品４０は、図１の工程２８にて、少なくとも５体積％、好ましくは少なくとも５０体積％、さらにより好ましくは１００体積％の水素ガスを含む雰囲気中で加熱される。加熱工程２８における雰囲気は、純粋な水素であることが好ましいが、ここでいう水素は、示したような他のガスで希釈されていても良い。好ましくは、加熱工程２８において、物品４０は、約１／４時間〜約８時間の間、約９８０℃（１８００°Ｆ）〜約１１２０℃（２０５０°Ｆ）までの温度に加熱される。
【００２１】
堆積工程２６では、フッ化物がアルミニウム含有層６２中に共に堆積される結果となる。これらのフッ化物は、最終的な被膜の時期尚早な剥離の原因となっているものと認識されている。加熱工程２８は、堆積されたフッ化物と化学的に反応し、これらフッ化物を、アルミニウム含有層６２及びこれにより保護された物品からガスの形態で取り除く。
【００２２】
任意だが好ましくは、その後、セラミック層６４は、図１の工程３０にて、アルミニウム含有層６２を覆って接触しながら堆積される。（このアルミニウム含有層６２は、相互拡散されたアルミニウム含有層６２の自由面の酸化により生じた酸化アルミニウムスケールを表面に有することがあり、このアルミニウム含有層６２を「覆って接触する」セラミック層６４の堆積は、かかるアルミニウム酸化物スケール上の堆積を含む。）セラミック層６４は、好ましくは、約０．０７６〜約０．３８ｍｍ（０．００３〜０．０１５インチ）の厚さ、より好ましくは、約０．１３ｍｍ（０．００５インチ）の厚みである。（図３は、一律の縮尺に従わずに描かれている。）セラミック層６４は、好ましくは、イットリア安定化ジルコニウムであり、これは、酸化イットリウムを約２〜約１２重量％、好ましくは約４〜約８重量％含有する酸化ジルコニウムである。他の実施可能なセラミック材料は、同様に用いられ得る。セラミック層６４は、物理的気相成長法、又はプラズマ溶射などの任意の実施可能な技術により堆積され得る。その上の基板及びボンディングコートは、通常、堆積工程３０にて約９８０℃（１８００°Ｆ）〜約１０４０℃（１９００°Ｆ）の温度まで加熱される。
【００２３】
本発明は、実施化されており、アルミニウム含有層が表面に形成された物品を堆積後に水素中で加熱されていない従来の方法と比較して試験されている。これらの研究では、加熱工程２８を、１０５２℃（１９２５°Ｆ）で３時間、１００％水素ガス中にて行った。タービン動翼の２００個の板翼は、本発明の方法により処理されたものである。次に続く処理において、これらの部品には、保護被膜の剥離が見られなかった。特に指定していないが同様に処理された２００個を超える板翼は、制御群として保持され、工程２８の水素加熱処理を与えなかった。すると、制御群の板翼の約５〜５０％が、次の処理において剥離破壊が生じていた。
【００２４】
本発明の特定の実施形態については、例示として詳細を説明してきたが、本発明の要旨及び範囲を逸脱せずに、種々の変形及び高度化が可能である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲による以外では限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を実施するための方法を示すブロック流れ図である。
【図２】図１の方法により処理され得る物品の斜視図である。
【図３】図２中の線３−３に沿って切断された物品の概略拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
２０  工程
２２  工程
２４  工程
２６  工程
２８  工程
３０  工程
４０  物品
４２  ガスタービン動翼
４４  板翼
４６  シャンク
４８  ダブテール
５０  プラットホーム
５２  開口部
６０  貴金属含有層
６２  アルミニウム含有層
６４  セラミック層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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