(57)【要約】【課題】被覆方法、皮膜及び被覆部品を提供すること。【解決手段】被覆方法は、ＭＣｒＡｌＹ基板を準備するステップと、ＭＣｒＡｌＹ基板に遮熱コーティングを施工するステップと、遮熱コーティングに不活性セラミックを含むフラッシュ層を施工するステップと、酸化マグネシウム化合物、オルトバナジン酸マグネシウム化合物、バナジン酸マグネシウム化合物、ピロバナジン酸マグネシウム化合物、硫酸マグネシウム化合物及びこれらの組合せからなる群から選択される反応生成物を含む反応生成物堆積物を、遮熱コーティング上に施工するステップとを含む。反応生成物はドープ燃料の副生成物である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＣｒＡｌＹ基板を準備するステップと、
前記ＭＣｒＡｌＹ基板に遮熱コーティングを施工するステップと、
前記遮熱コーティングに不活性セラミックを含むフラッシュ層を施工するステップと、
酸化マグネシウム化合物、オルトバナジン酸マグネシウム化合物、バナジン酸マグネシウム化合物、ピロバナジン酸マグネシウム化合物、硫酸マグネシウム化合物及びこれらの組合せからなる群から選択される反応生成物を含む反応生成物堆積物を、前記遮熱コーティング上に施工するステップと
を含む被覆方法であって、前記反応生成物がドープ燃料の副生成物である、被覆方法。
【請求項２】
前記ＭＣｒＡｌＹ基板が燃焼器の一部分である、請求項１記載の被覆方法。
【請求項３】
前記反応生成物堆積物を施工する前記ステップが、約１６５０°Ｆ（８９９℃）よりも高温で前記ドープ燃料を燃焼させることによって行われる、請求項１記載の被覆方法。
【請求項４】
前記反応生成物堆積物を施工する前記ステップが、約２０００°Ｆ（１０９３℃）の温度で前記ドープ燃料を燃焼させることによって行われる、請求項１記載の被覆方法。
【請求項５】
前記反応生成物堆積物が、１時間当たり約１４００ｐｐｍ以上のマグネシウムを含む、請求項１記載の被覆方法。
【請求項６】
低ドープ燃料を燃焼させるステップをさらに含む、請求項１記載の被覆方法。
【請求項７】
前記低ドープ燃料が、前記フラッシュ層、前記反応生成物堆積物又はそれらの組合せの上に前記反応生成物を堆積させる、請求項６記載の被覆方法。
【請求項８】
前記ドープ燃料が約７５重量％超の濃度で酸化マグネシウムを含む、請求項１記載の被覆方法。
【請求項９】
前記ドープ燃料が約９０重量％の濃度で酸化マグネシウムを含む、請求項１記載の被覆方法。
【請求項１０】
前記不活性セラミックが、アルミナ、チタニア、ジルコン酸マグネシウム及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１記載の被覆方法。
【請求項１１】
前記反応生成物堆積物の少なくとも一部分を除去するステップをさらに含む、請求項１記載の被覆方法。
【請求項１２】
前記除去するステップが乾式洗浄プロセスによる、請求項１１記載の被覆方法。
【請求項１３】
前記除去するステップが湿式洗浄プロセスによる、請求項１１記載の被覆方法。
【請求項１４】
遮熱コーティングと、
不活性セラミックを含むフラッシュ層と、
前記遮熱コーティング上に位置する反応生成物堆積物であって、酸化マグネシウム化合物、オルトバナジン酸マグネシウム化合物、バナジン酸マグネシウム化合物、ピロバナジン酸マグネシウム化合物、硫酸マグネシウム化合物及びこれらの組合せからなる群から選択される反応生成物を含む反応生成物堆積物と
を含む皮膜であって、前記反応生成物がドープ燃料の副生成物である、皮膜。
【請求項１５】
前記ドープ燃料が約７５重量％超の濃度で酸化マグネシウムを含む、請求項１４記載の皮膜。
【請求項１６】
ＭＣｒＡｌＹ基板と、
遮熱コーティングと、
不活性セラミックを含むフラッシュ層と、
前記遮熱コーティング上に位置する反応生成物堆積物であって、酸化マグネシウム化合物、オルトバナジン酸マグネシウム化合物、バナジン酸マグネシウム化合物、ピロバナジン酸マグネシウム化合物、硫酸マグネシウム化合物及びこれらの組合せからなる群から選択される反応生成物を含む反応生成物堆積物と
を備える被覆部品であって、前記反応生成物がドープ燃料の副生成物である、被覆部品。
【請求項１７】
前記ドープ燃料が約７５重量％超の濃度で酸化マグネシウムを含む、請求項１６記載の被覆部品。
【請求項１８】
前記ドープ燃料が約９０重量％の濃度で酸化マグネシウムを含む、請求項１６記載の被覆部品。
【請求項１９】
前記ＭＣｒＡｌＹ基板が燃焼器の一部分である、請求項１６記載の被覆部品。
【請求項２０】
前記ＭＣｒＡｌＹ基板がガスタービンの燃焼器のライナである、請求項１６記載の被覆部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造部品及び部品の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、被覆方法、皮膜及び被覆部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の高性能燃焼タービンは、約２０００°Ｆ（１０９３℃）を上回る燃焼温度を有し、より効率的なエンジンに対する需要が続いているため、燃焼温度は上昇し続けている。「高温ガス経路」燃焼器セクション及びタービンセクションを形成する多くの部品、例えば、燃焼器ライナ、燃焼セクションとタービンセクションの間のトランジションダクト、並びにタービン静翼及び動翼及び周囲のリングセグメントは、強度の高温燃焼ガスに直接晒される。これら及び他の部品は、熱応力に加えて、部品をさらに摩耗させる機械的応力及び負荷にも晒される。
【０００３】
燃焼タービンエンジンの高温ガス経路セクションに使用される燃焼タービン部品の大多数を作製するのに従来使用される、コバルト系及びニッケル系の超合金材料の多くは、この強度の高温燃焼環境における長期運転に耐えられるように、部品を遮熱コーティングで被覆することによって高温ガス流から隔離される。
【０００４】
遮熱コーティング系は、多くの場合、金属基板、金属ボンドコート、熱成長酸化物及びセラミックトップコートの４層で構成される。セラミックトップコートは、一般的に、イットリア安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）で構成されるが、これは、非常に低い熱伝導度を有するとともに、施工時に一般に採用される公称使用温度で安定な状態を保つので、望ましい。かかるセラミックトップコートは、施工に費用がかかり、及び／又は施工方法が限られてしまう場合がある。
【０００５】
ＹＳＺは、高温金属に使用される金属の性能の改善に利用される周知の材料である。ＹＳＺは、一般的に、高温溶射被覆方法によって施工される。ＹＳＺは高温基板金属の使用温度を上昇させる。それに加えて、ＹＳＺと高温金属との間に施工されるボンドコートは、ＹＳＺと高温金属との間の熱的不整合を低減させ、それによって剥離耐性が改善される。
【０００６】
ガスタービンエンジンは、多数の異なる燃料を使用して運転することができる。これらの燃料は、２０００°Ｆ（１０９３℃）以上の温度でエンジンの燃焼器セクションで燃焼され、燃焼ガスは、エンジンの燃焼器セクションの後方に位置するエンジンのタービンセクションを回転させるのに使用される。エネルギーが高温燃焼ガスから抽出される際に、回転するタービンセクションによって動力が発生する。一般に、入手可能な最も安価な燃料を使用して、ガスタービンエンジンを運転することができれば経済的に有益である。より豊富でより安価な石油燃料の１つは重油（ＨＦＯ）である。ＨＦＯが経済的な燃料である理由の１つは、高度に精製されていない点又は精製プロセスの残留部分である点である。高度に精製されていないので、多数の不純物を含有している。これら不純物の１つはバナジウムであり、これは燃焼の高温で酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を形成する。ＭｇＯを燃料添加剤として添加して、遮熱コーティングの外表面上又はその付近で不活性バナジン酸マグネシウム化合物を形成するバナジウム種の反応に対する阻害剤として作用させた場合であっても、バナジン酸化物は遮熱コーティングのミクロクラック及びポロシティに浸透することができ、そのためＹＳＺ遮熱コーティングだけでなくその下のボンドコートにも接近するので、ＭｇＯはＹＳＺ遮熱コーティングの侵蝕を完全に防ぐことはできない。Ｖ２Ｏ５は、かかる遮熱コーティングで生じるクラック及びポロシティ内のＹＳＺからイットリアを浸出させることができる酸性酸化物である。侵蝕のメカニズムは次の反応によってもたらされる。
【０００７】
ＺｒＯ２（Ｙ２Ｏ３）＋Ｖ２Ｏ５→ＺｒＯ２（単斜晶系）＋２ＹＶＯ４
このようにして、Ｖ２Ｏ５はＹＳＺを急速に侵蝕する能力を維持し、それによってＹＳＺを劣化させ、高温ガス流によって除去させる。遮熱コーティング（ＴＢＣ）が失われることで、基板金属及び残留ボンドコートが高温での高温燃焼ガスに暴露される。これらの高温では、基板金属及びボンドコートは、高温燃焼ガスによる腐食を受け易く、寿命が短縮される。その結果、燃焼器及びタービンブレードなどの部品をより短い間隔で交換しなければならず、そのことは、タービンが動力を生成しない保守時間が追加されることをも意味する。
【０００８】
上述の欠点を有さない被覆方法、皮膜及び被覆部品が、当該分野において望ましいことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２２０１７７号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
例示的な一実施形態では、被覆方法は、ＭＣｒＡｌＹ基板を準備するステップと、ＭＣｒＡｌＹ基板に遮熱コーティングを施工するステップと、遮熱コーティングにフラッシュ層（flash layer）を施工するステップと、遮熱コーティング上に反応生成物堆積物（reaction product deposition）を施工するステップとを含む。フラッシュ層は不活性セラミックを含む。反応生成物堆積物は、酸化マグネシウム化合物、オルトバナジン酸マグネシウム化合物、バナジン酸マグネシウム化合物、ピロバナジン酸マグネシウム化合物、硫酸マグネシウム化合物及びこれらの組合せからなる群から選択される反応生成物を含む。反応生成物はドープ燃料の副生成物である。
【００１１】
別の例示的な実施形態では、皮膜は、遮熱コーティングと、不活性セラミックを含むフラッシュ層と、遮熱コーティング上に配置された反応生成物堆積物とを含み、反応生成物堆積物は、酸化マグネシウム化合物、オルトバナジン酸マグネシウム化合物、バナジン酸マグネシウム化合物、ピロバナジン酸マグネシウム化合物、硫酸マグネシウム化合物及びこれらの組合せからなる群から選択される反応生成物を含む。反応生成物はドープ燃料の副生成物である。
【００１２】
別の例示的な実施形態では、被覆部品は、ＭＣｒＡｌＹ基板と、遮熱コーティングと、不活性セラミックを含むフラッシュ層と、遮熱コーティング上に配置された反応生成物堆積物とを含み、反応生成物堆積物は、酸化マグネシウム化合物、オルトバナジン酸マグネシウム化合物、バナジン酸マグネシウム化合物、ピロバナジン酸マグネシウム化合物、硫酸マグネシウム化合物及びこれらの組合せからなる群から選択される反応生成物を含む。反応生成物はドープ燃料の副生成物である。
【００１３】
本発明の他の特徴及び利点は、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明を、本発明の原理を一例として例証する添付図面と併せ読むことによって明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示による例示的な被覆方法によって被覆された例示的な部品の斜視図である。
【図２】本開示による例示的な皮膜の概略図である。
【図３】本開示による例示的な被覆方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
可能な限り、図面全体を通して同じ部分を表すのに同じ参照番号を使用する。
【００１６】
例示的な被覆方法、皮膜及び被覆部品が提供される。本開示の実施形態は、より安価な材料を高温ガス経路に沿って使用することができ、より容易に入手可能な材料の使用が可能であり、基板を高温から保護することができ、皮膜の様々な層を現場で施工することができ、皮膜の除去及び／又は再施工が可能であり、皮膜厚さの付加的な制御が可能であり、燃焼器及び／又は他の部品をより頻繁に運転し続けることができ、並びにそれらの組合せを可能にする。
【００１７】
図１は、皮膜２００を有する被覆部品１００を示し、図２にさらに示されるように、皮膜２００は図３に示される被覆方法３００にしたがって施工される。被覆部品１００は任意の適切な部品である。例えば、一実施形態では、被覆部品１００は燃焼器である。さらなる実施形態では、被覆部品１００はガスタービンの燃焼器のライナである。他の実施形態では、被覆部品１００は、トランジションダクト、タービン静翼、動翼、リングセグメント又はそれらの組合せであるか、或いはその一部分である。
【００１８】
図２を参照すると、一実施形態では、皮膜２００は、ＭＣｒＡｌＹ基板２０１と、遮熱コーティング２０３と、フラッシュ層２０５と、反応生成物堆積物２０７とを含む。皮膜２００は、被覆部品１００の任意の適切な部分上に配置される。図１に示されるように、一実施形態では、皮膜２００は、高温ガス経路に沿った部分など、部品１００の内側部分１０１上にある。他の実施形態では、皮膜２００は、内側部分ではない或いは高温ガス経路内にはない部品１００の部分上にある。
【００１９】
ＭＣｒＡｌＹ基板２０１は、部品１００を形成する材料の一部分又は全体である。本明細書で使用するとき、「ＭＣｒＡｌＹ」という用語は、クロム、アルミニウム、イットリウム及びＭを有する組成物をいい、Ｍは、ニッケル、鉄、コバルト及びこれらの組合せからなる群から選択される元素である。ＭＣｒＡｌＹ基板としては、ＭＣｒＡｌＹを含有するもの又はＭＣｒＡｌＹからなるものが挙げられる。一実施形態では、ＭＣｒＡｌＹ基板２０１は、約３２重量％のコバルト、約２２重量％のニッケル、約１０重量％のクロム、約０．３重量％のアルミニウム及びイットリウムを含む。さらなる実施形態では、ＭＣｒＡｌＹ基板２０１は、約２２重量％のニッケル、約６重量％のクロム、約０．３重量％のアルミニウム及びイットリウムを含む。
【００２０】
遮熱コーティング２０３は、部品１００の高温ガス経路内など、ＭＣｒＡｌＹ基板２０１を高温から保護する。本明細書で使用するとき、「遮熱コーティング」という用語は、白金族金属、イリジウム族金属、イリジウム−ハフニウム族金属、イリジウム−白金族金属、白金−レニウム族金属、白金系合金、イリジウム系合金、イリジウム−ハフニウム系合金、イリジウム−白金系合金、白金−レニウム系合金及びこれらの組合せからなる群から選択される金属又は合金を含む。一実施形態では、遮熱コーティング２０３は、酸化マグネシウム及び／又はイットリア安定化ジルコニアを含む。一実施形態では、遮熱コーティング２０３は、約２ミル、約４ミル、約６ミル、約１０ミル、約１５ミル、約２ミル〜約４ミル、約４ミル〜約６ミル、約６ミル〜約１０ミル、約１０ミル〜約１５ミル或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の厚さを有する。
【００２１】
フラッシュ層２０５は、部品１００の皮膜２００に耐食性を提供する。フラッシュ層２０５は不活性セラミックを含む。一実施形態では、フラッシュ層２０５は、バナジウム、硫黄酸化物及び／又は腐食を引き起こし得る重油の他の成分に対して耐性である。一実施形態では、不活性セラミックは、アルミナ（例えば、１３重量％で）、チタニア、ジルコン酸マグネシウム及びこれらの組合せからなる群から選択される。一実施形態では、フラッシュ層２０５は、約１ミル、約２ミル、約３ミル、約４ミル、約５ミル、約１ミル〜約２ミル、約１ミル〜約３ミル、約１ミル〜約５ミル、約２ミル〜約３ミル、約３ミル〜約４ミル或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の厚さを有する。フラッシュ層２０５は、バナジウム、硫黄酸化物及び／又は腐食を引き起こし得る重油の他の成分に対して耐性である。
【００２２】
反応生成物堆積物２０７は、ドープ燃料の副生成物である反応生成物を含む。ドープ燃料は、バナジウム及び硫黄酸化物を有する重油と、重油の反応によって形成される酸化マグネシウムとを含む。一実施形態では、ドープ燃料は、約７５重量％超、約８０重量%超、約８５重量％超、約７５重量％、約８０重量％、約８５重量％、約９０重量％、約７５重量％〜約９０重量％、約８０重量％〜約９０重量％、約８５重量％〜約９０重量％或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度で酸化マグネシウムを含む。一実施形態では、燃料は、０．５ｐｐｍ超の濃度でバナジウムを含有する。
【００２３】
反応生成物堆積物２０７は、酸化マグネシウム化合物、オルトバナジン酸マグネシウム化合物、バナジン酸マグネシウム化合物、ピロバナジン酸マグネシウム化合物、硫酸マグネシウム化合物及びこれらの組合せからなる群から選択される反応生成物を含む。例えば、一実施形態では、反応生成物の一部分又は全体は、以下の反応の１以上で形成される。
【００２４】
Ｖ２Ｏ５＋３ＭｇＯ＋重油→Ｍｇ２Ｖ２Ｏ７＋ＭｇＳＯ４          （式１）
Ｍｇ３（ＶＯ４）２＋ＳＯ３＋重油→Ｍｇ２Ｖ２Ｏ７＋ＭｇＳＯ４    （式２）
ＭｇＳＯ４＋重油→ＭｇＯ＋ＳＯ３                           （式３）
図３を参照すると、一実施形態では、被覆方法３００は、ＭＣｒＡｌＹ基板２０１を準備するステップ（ステップ３０１）と、ＭＣｒＡｌＹ基板２０１の少なくとも一部分に遮熱コーティング２０３を施工するステップ（ステップ３０３）と、遮熱コーティング２０３の少なくとも一部分にフラッシュ層２０５を施工するステップ（ステップ３０５）と、遮熱コーティング２０３の少なくとも一部分上に反応生成物堆積物２０７を施工するステップ（ステップ３０７）とを含む。さらなる実施形態では、被覆方法３００は、ＭＣｒＡｌＹ基板２０１の全体に遮熱コーティング２０３を施工するステップ（ステップ３０３）、遮熱コーティング２０３の全体にフラッシュ層２０５を施工するステップ（ステップ３０５）、遮熱コーティング２０３の全体の上に反応生成物堆積物２０７を施工するステップ（ステップ３０７）又はそれらの組合せを含む。
【００２５】
反応生成物は、一次燃焼領域において約２０００°Ｆ（１０９３℃）よりも高温でドープ燃料を燃焼させることによって堆積される。一実施形態では、反応生成物堆積物２０７は、約２００ｐｐｍ以上のマグネシウム、約８００ｐｐｍ以上のマグネシウム、２００ｐｐｍ、８００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍのマグネシウム、１２００ｐｐｍのマグネシウム、１４００ｐｐｍのマグネシウム、１５００ｐｐｍのマグネシウム、１６００ｐｐｍのマグネシウム或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の量のマグネシウムを含む。一実施形態では、約３０分間、約４５分間、約１時間、約７５分間、約９０分間、約４５分間〜約９０分間、約４５分間〜約７５分間或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の期間の間、多量のマグネシウムが施工される（ステップ３０７）。
【００２６】
被覆方法３００は任意の適切な追加ステップを含む。例えば、一実施形態では、プロセス３００は、反応生成物堆積物２０７を施工するのに使用されるドープ燃料に比べてドープ量の少ない燃料を燃焼させ、それによって反応生成物堆積物、フラッシュ層２０５又はそれらの組合せに反応生成物を施工及び／もしくは補充するステップをさらに含む。
【００２７】
一実施形態では、低ドープ燃料は、約２００ｐｐｍのマグネシウム、約４００ｐｐｍのマグネシウム、約６００ｐｐｍのマグネシウム、約６５０ｐｐｍのマグネシウム、約５５０ｐｐｍのマグネシウム、約７００ｐｐｍ未満のマグネシウム、約５００ｐｐｍ〜約７００ｐｍ或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の量のマグネシウムを含む。一実施形態では、低ドープ燃料中のマグネシウムの量は、例えばマグネシウム約３対バナジウム約１の割合で、バナジウムの量に対応する。一実施形態では、低ドープ燃料は、約３０分間、約４５分間、約１時間、約７５分間、約９０分間、約４５分間〜約９０分間、約４５分間〜約７５分間或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の期間に適用される。
【００２８】
一実施形態では、被覆方法３００は、乾式洗浄プロセスによって、湿式洗浄プロセスによって又はそれらの組合せによって、反応生成物堆積物２０７の少なくとも一部分を除去するステップを含む。乾式洗浄プロセスは、遮熱コーティング２０３、フラッシュ層２０５及び／又は反応生成物堆積物２０７をわずかに擦過する。乾式洗浄プロセスはＭＣｒＡｌＹ基板２０１に影響を与えない。一実施形態では、乾式洗浄プロセスは、皮膜２００に対して粒子を投射することによって行われる。例えば、一実施形態では、ナッツ殻破片（nut shell fragments）などの粒子が皮膜２００に対して投射される。さらなる実施形態では、皮膜２００が燃焼器内にある状態で、燃焼器の運転中に粒子が適用される。湿式洗浄プロセスは、水及び／もしくは洗浄溶液を注入並びに／又は適用し、それによって、ＭＣｒＡｌＹ基板２０１に影響を与えることなく、フラッシュ層２０５及び／又は反応生成物堆積物２０７の部分を除去するステップを含む。
【００２９】
本発明について好ましい実施形態を参照して記載してきたが、様々な変更がなされてもよく、本発明の範囲から逸脱することなくそれらの要素を等価物と置き換えてもよいことが、当業者には理解されるであろう。それに加えて、本発明の本質的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させるように多くの修正がなされてもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するために想到される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【符号の説明】
【００３０】
１００  被覆部品
１０１  内側部分
２００  皮膜
２０１  ＭＣｒＡｌＹ基板
２０３  遮熱コーティング
２０５  フラッシュ層
２０７  反応生成物堆積物
【図１】
2013253321.tif 000003
【図２】
2013253321.tif 000004
【図３】
2013253321.tif 000005