(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンブレード又は他の部品の比較的高温での使用と比較的低温での使用との異なる温度での使用を可能にする保護コーティングを提供する。【解決手段】二重コーティングとして、ブレード／部品の比較的高温の第１領域１２に形成された拡散アルミナイド等のアルミニウム含有コーティングと、アルミニウム含有コーティングが形成された後に、ブレード／部品の高温腐食に曝される比較的低温の隣接領域１４に形成されるクロム拡散コーティングとを含んでいる。クロム含有コーティングは、アルミニウム含有コーティングをマスキングし、金属クロムコーティングを前記隣接領域に堆積することによって形成され、その後で、クロムをブレード／部品合金の中に拡散させて、クロム富化拡散コーティングを形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材にコーティングを形成する方法であって、
基材の第１領域に第１のアルミニウム含有コーティングを施すステップ、
基材に、クロムを含む金属コーティングを堆積するステップ、
クロムを基材の中に拡散させて、基材にクロム富化拡散層を形成するステップ、
を含んでいる、方法。
【請求項２】
アルミニウム含有コーティングを施す前に、前記第２領域に、マスキングを施すステップを含んでいる請求項１の方法。
【請求項３】
金属コーティングを堆積する前に、アルミニウム含有コーティングにマスキングを施すステップを含んでいる請求項１の方法。
【請求項４】
金属コーティングを堆積する前に、第１領域及び第２領域の両領域に、アルミニウム含有コーティングを施し、前記隣接領域からアルミニウム含有コーティングを除去することを含んでいる請求項１の方法。
【請求項５】
金属コーティングは、液相成長手段を用いて施される請求項１の方法。
【請求項６】
液相成長手段は、電気めっき浴又は電気泳動浴である請求項５の方法。
【請求項７】
液相成長手段は、クロム含有粒子のスラリーである請求項５の方法。
【請求項８】
アルミニウム含有コーティングは、拡散アルミナイドとして施される請求項１の方法。
【請求項９】
ニッケル基又はコバルト基合金のタービンブレードに二重コーティングを形成する方法であって、
ブレードのエアフォイル領域にアルミニウム含有コーティングを施すステップ、
ブレードの基部領域の少なくとも一部分に、液相成長手段を用いて、クロムを含む金属コーティングを堆積するステップ、
クロムを前記合金の中に拡散させて、基部領域の前記少なくとも一部分にクロムが富化されたクロム富化層を形成するステップ、
を含んでいる、方法。
【請求項１０】
エアフォイル領域にアルミニウム含有コーティングを施す前に、基部領域にマスキングを施すステップを含んでいる請求項９の方法。
【請求項１１】
金属コーティングを堆積する前に、アルミニウム含有コーティングにマスキングを施すステップを含んでいる請求項１の方法。
【請求項１２】
金属コーティングを堆積する前に、エアフォイル領域及び基部領域に、アルミニウム含有コーティングを施し、基部領域からアルミニウム含有コーティングを除去することを含んでいる請求項９の方法。
【請求項１３】
金属コーティングは、２１２°Ｆよりも低い温度で電気めっきされる請求項９の方法。
【請求項１４】
アルミニウム含有コーティングは、基部領域のシャンク部をも被覆するように施され、基部領域は、アルミニウム含有コーティングによって被覆されたシャンク部と、クロム富化コーティングによって被覆された隣接部とを含んでいる請求項９の方法。
【請求項１５】
基部領域の取付部はコーティングされない状態で残される請求項９の方法。
【請求項１６】
アルミニウム含有コーティングは、拡散アルミナイドとして施される請求項９の方法。
【請求項１７】
液相成長手段は、電気めっき浴又は電気泳動浴である請求項９の方法。
【請求項１８】
液相成長手段は、クロム含有粒子のスラリーである請求項９の方法。
【請求項１９】
ニッケル基又はコバルト基合金のタービン部品の前駆部品であって、
前駆部品のエアフォイル領域に施されたアルミニウム含有コーティングと、
前駆部品の基部領域の少なくとも一部分に、電気めっき又は電気泳動によって施されたクロム含有金属コーティングと、
を有している、タービン部品の前駆部品。
【請求項２０】
金属コーティングはクロムを主体として含んでいる請求項１９の前駆部品。
【請求項２１】
アルミニウム含有コーティングは、基部領域のシャンク部をも被覆するように施され、基部領域は、アルミニウム含有コーティングによって被覆されたシャンク部と、金属コーティングによって被覆された隣接部とを含んでいる請求項１９の前駆部品。
【請求項２２】
基部領域の取付部はコーティングされない状態で残されている請求項１９の前駆部品。
【請求項２３】
アルミニウム含有コーティングは、拡散アルミナイドを含んでいる請求項１９の前駆部品。
【請求項２４】
エアフォイル領域と基部領域との間にプラットフォーム領域を含んでおり、プラットフォームのエアフォイル領域に面する表面は、アルミニウム含有コーティングを含んでいる請求項１９の前駆部品。
【請求項２５】
プラットフォーム領域のエアフォイル領域から離れる方向に面する表面は、金属コーティングを含んでいる請求項２４の前駆部品。
【請求項２６】
プラットフォーム領域のエアフォイル領域から離れる方向に面する表面は、アルミニウム含有コーティングを含んでいる請求項２４の前駆部品。
【請求項２７】
ニッケル基又はコバルト基合金からなるタービン部品の前駆部品であって、
前駆部品のエアフォイル領域に施されたアルミニウム含有コーティングと、
前駆部品の基部領域の少なくとも一部分に施されたクロム含有スラリー粒子を含む金属コーティングと、
を有している、タービン部品の前駆部品。
【請求項２８】
ニッケル基又はコバルト基合金からなるタービン部品であって、
ブレードのエアフォイル領域に施されたアルミニウム含有コーティングと、
基部領域の少なくとも一部分に形成されたクロム富化コーティングであって、電気めっき又は電気泳動によってクロム含有金属コーティングを堆積し、基部領域の前記少なくとも一部分で合金の中にクロムを拡散させることにより形成されたクロム富化コーティングと、
を有している、タービン部品。
【請求項２９】
エアフォイル領域と基部領域との間にプラットフォーム領域を含んでおり、プラットフォームのエアフォイル領域に面する表面は、アルミニウム含有コーティングを含んでいる請求項２８の部品。
【請求項３０】
プラットフォーム領域のエアフォイル領域から離れる方向に面する表面は、クロム含有金属コーティングを含んでいる請求項２９の部品。
【請求項３１】
プラットフォーム領域のエアフォイル領域から離れる方向に面する表面は、アルミニウム含有コーティングを含んでいる請求項２９の部品。
【請求項３２】
アルミニウム含有コーティングは、拡散アルミナイドを含んでいる請求項３１の部品。
【請求項３３】
アルミニウム含有コーティングは、基部領域のシャンク部をも被覆するように施され、基部領域は、アルミニウム含有コーティングによって被覆されたシャンク部と、クロム富化コーティングによって被覆された隣接部とを含んでいる請求項３１の部品。
【請求項３４】
基部領域の取付部はコーティングされていない請求項２８の部品。
【請求項３５】
ニッケル基又はコバルト基合金からなるタービン部品であって、
ブレードのエアフォイル領域に施されたアルミニウム含有コーティングと、
基部領域の少なくとも一部分に形成されたクロム富化コーティングであって、クロム含有スラリー粒子を含む金属コーティングを堆積し、基部領域の前記少なくとも一部分で合金の中にクロムを拡散させることにより形成されたクロム富化コーティングと、
を有している、タービン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンブレード又は他の部品(component)の保護コーティングであって、部品の比較的高温領域に施されるアルミニウム含有コーティング(aluminum  bearing  coating)と、必要とされるコーティング機能に応じて、部品の比較的低温領域に施されるクロム含有コーティング(chromium-bearing  coating)とを含むコーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
現行のガスタービンの設計では、異なる機能的理由により、タービン部品の異なる領域に対して様々なコーティングを施すことが必要とされている。コーティング機能の例として、摩耗、酸化、熱障壁(thermal  barrier)、及び高温腐食(hot  corrosion)が含まれる。タービン設計者は、ガスタービン環境における具体的機能に応じて適切なコーティングを選択する。
【０００３】
高温腐食は、液体塩がＮｉ及びＣｏ基超合金部品の表面に存在するときの加速酸化の一形態である。塩は、通常は、硫酸ナトリウムであり、Ｋ、Ｃａ、及び／又はＭｇ等の他の天然成分が存在する。合金のＣｒ含有量が増加するにつれて、高温腐食攻撃に対する抵抗性が増すことは広く知られている。表面Ｃｒ含有量を増加させるのに現在行われている方法は、パック及び蒸気相クロマイジング(pack  and  vapor  phase  chromizing)である。これは、１段階堆積(one-step  deposition)であり、Ｎｉサブストレート合金との反応により、Ｃｒ富化合金帯域を形成するものである。クロマイジングプロセスは、ハロゲン化物（Ｃｌ又はＦ）活性化剤によって促進され、例えば１９００°Ｆを超える比較的高温下でＣｒ−ハロゲン化物ガスが生成される。
【０００４】
パック及び蒸気相クロマイジングは、１９００°Ｆを超える高温を必要とするので、対象とする部品領域に局部的に適用することが難しく、これらのプロセスを用いる場合、部品製造工程の初期段階で、部品全体に施されなければならない。また、これらのプロセスでは、対象領域にクロムの局所的成膜を制御するための手段として、マスキングは有効ではなく、その結果、このような高温プロセスに適用されていなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、一実施態様において、ガスタービン部品に保護コーティングを形成する方法を提供するもので、二重コーティングとして、比較的高温の使用温度に曝されるガスタービン部品の一領域に施されるアルミニウム含有コーティングと、比較的低温の使用温度及び高温腐食に曝されるガスタービンブレード又は他の部品の別の領域に施されるクロム含有コーティングとを含んでおり、これにより、ガスタービン部品が曝される異なる温度及び酸化／腐食環境に対してコーティング機能をもたらすことができる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の例示的な実施態様において、本発明の方法は、超合金の基材(substrate)に二重コーティングを形成することを含んでおり、最初に、基材の比較的高温の第１領域にアルミニウム含有コーティングを施し、次に、基材の隣接する比較的低温の領域に、クロムを含む金属コーティングを施した後、クロムを基材の中に拡散させて、隣接する比較的低温の領域にクロム富化拡散コーティング(chromium-enriched  diffused  coating)を形成することによって行なうものである。アルミニウム含有コーティングは、第１ステップで高温蒸着によって施され、クロム含有コーティングは、次の第２ステップにおいて例えば５００°Ｆよりも低い比較的低温で施される。本発明の方法は、典型的には、アルミニウム含有コーティングが比較的高温の領域に施される前に、比較的低温の領域にマスキングを施すことを含んでおり、その後、クロムの金属コーティングが比較的低温の領域に施される前に、比較的高温の領域にマスキングを施すことを含んでいる。
【０００７】
基材がガスタービン部品である場合、本発明の方法は、まず部品の基部領域にマスキングを施し、次にエアフォイル領域に、拡散アルミナイドコーティング等のアルミニウム含有コーティングを施し、基部部分のマスキングを除去し、次に、既にコーティングしてあるエアフォイル部分をマスキングすることにより実施される。次いで、本発明の方法は、高温腐食に曝される比較的低温の基部領域の少なくとも一部分に、クロムを含む金属コーティングを堆積し、エアフォイル領域のマスキングを除去した後、基部領域のコーティング部分の合金にクロムを拡散させて、基部領域にクロム富化拡散表面コーティングを形成することを含んでいる。アルミニウム含有コーティングは、所望により、エアフォイル領域、並びに中間プラットフォーム領域及び基部シャンク領域を覆うように施されることができる。なお、基部領域の取付部(attachment  portion)(例えば、もみの木状部(fir  tree  portion)は、コーティングを施さずにそのままにしておくことで、タービンディスクに接続される基部領域の疲労寿命が高められる。
【０００８】
本発明の特定の実施態様において、電気めっき浴、電気泳動浴、液体スラリー等の液相成長手段(liquid  deposition  medium)を使用する比較的低温の成膜プロセスを使用して、前駆部品(precursor  component)の比較的低温の領域の少なくとも一部分に、クロムを主体とする金属コーティングを形成する。クロムコーティングは、厚さ０.００００５〜０.００５インチの非常に薄い層として施される。堆積されたクロムの基材への拡散は、典型的には、エアフォイル領域に既に施されているアルミニウム含有コーティングからマスキングを除去した後、高温熱処理によって行われる。
【０００９】
本発明は、エアフォイル領域に施されたアルミニウム含有コーティングと、部品の基部領域の少なくとも一部分に施された、実質的に純粋なクロム又はクロム合金を含む金属コーティングとを有するニッケル基又はコバルト基合金タービン部品の前駆部品を提供するものである。クロムコーティングは、次に、合金の中へ拡散させられて、ガスタービンブレードの基部領域の部分にクロム富化拡散コーティングを形成する。拡散クロム富化コーティングは、重量％で、少なくとも約２０％、好ましくは約２５％、より好ましくは約３０％〜約６０％のＣｒを含む最外側領域を有する。
【００１０】
本発明の利点、特徴、及び実施態様は、以下の記載から明白になるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】アルミニウム含有コーティングＡＬと拡散クロム富化コーティングＣＲとを有するガスタービンブレードの概略図であり、アルミニウム含有コーティングＡＬは、使用中にアルミナの保護スケール又は保護層を形成できるように、エアフォイル領域及び高温ガス経路に対向するプラットフォーム領域表面に設けられ、拡散クロム富化コーティングＣＲは、使用中にクロムの保護スケール又は保護層を形成できるように、基部領域と高温ガス経路から離れる方向に面するプラットフォーム領域とに設けられている。
【００１２】
【図２】アルミニウム含有コーティングＡＬと金属クロムコーティングＥＣＲとを有する中間ガスタービンブレード前駆部品の概略図であり、アルミニウム含有コーティングＡＬは、使用中にアルミナの保護スケール又は保護層を形成できるように、エアフォイル領域及び高温ガス経路に対向するプラットフォーム領域表面に設けられ、金属クロムコーティングＥＣＲは、合金の中に拡散されて、保護拡散クロム富化コーティングを形成できるように、基部領域と高温ガス経路から離れる方向に面するプラットフォーム領域とに設けられている。
【００１３】
【図３】ガスタービンブレードの他の実施態様の概略図であり、アルミニウム含有コーティング及びクロム含有コーティングが、タービンブレードの例示した様々な領域に設けられることを示している。
【００１４】
【図４】ガスタービンブレードの他の実施態様の更なる概略図であり、アルミニウム含有コーティング及びクロム含有コーティングが、タービンブレードの例示した様々な領域に設けられることを示している。
【００１５】
【図５】パッククロマイジングを行ない、シャンク領域をマスキングし、アルミナイジングを行なってエアフォイルにＰｔ改質拡散アルミナイド(Ｐｔ−Ａｌ)コーティングを形成した後の、基部領域のシャンク部におけるクロム濃度プロファイル(Ｃｒ濃度対ＣＭＳＸ−４(登録商標)ニッケル基超合金基材内の距離)のグラフである。基部領域は、タービンブレードのシャンク部分ともみの木状取付部を含む。
【００１６】
【図６】Ｃｒ濃度対ＣＭＳＸ−４ニッケル基超合金基材内の距離のグラフであり、基材中のＣｒ濃度に対するＣｒめっきの厚さ及び拡散条件の効果を示す。距離「０」は、基材の表面である。
【００１７】
【図７】８.７μｍのＣｒめっきで電気めっきし、その後１９７５°Ｆで４時間加熱による拡散処理を施したＣＭＳＸ−４試料のミクロ組織の顕微鏡写真である。
【００１８】
【図８】７００℃での高温腐食試験の結果を示す図であり、示された様々なＣＭＳＸ−４試料について、曝露時間に対する重量変化をプロットしたもので、試験は２回行なった。試験は、試料表面に対して１ｃｍ２あたり１〜２ｍｇのＮａ２ＳＯ４を施すことによって行ない、２５時間毎に試料検査を行なった。
【００１９】
【図９】８.７μｍのＣｒめっきで電気めっきし、その後１９７５°Ｆで４時間加熱による拡散処理を施し、図８の場合と同様、試料表面にＮａ２ＳＯ４を施して高温腐食状態に曝したＣＭＳＸ−４試料の顕微鏡写真である。試料に設けた貫通穴(１つが示されている)はコーティングされておらず、激しい高温腐食攻撃を受けたことを示しているが、コーティングされた表面は保護されている。
【００２０】
【図１０】８.７μｍのＣｒめっきで電気めっきし、その後１９７５°Ｆで４時間加熱による拡散処理を施し、図８の場合と同様、試料表面にＮａ２ＳＯ４を施し、７００℃て高温腐食状態に曝したＣＭＳＸ−４試料のミクロ組織の顕微鏡写真である。
【００２１】
【図１１Ａ】８.７μｍのＣｒめっきで電気めっきし、その後１９７５°Ｆで４時間加熱による拡散処理を施したＣＭＳＸ−４試料のミクロ組織の顕微鏡写真である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの試料に対するマイクロプローブ結果を示す表である。
【図１１Ｃ】基材合金中の距離に対するＣｒ含有量の変化をプロットして示すグラフであり、白抜き三角記号はめっきしたままの試料、白抜き四角記号はめっき／拡散熱処理した試料、白抜き菱形記号は、めっき／拡散熱処理／高温腐食試験した試料(タイプＩ高温腐食試験)である。距離「０」は、基材の表面である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の一実施態様は、ガスタービン部品に保護コーティングを形成するための方法を提供するもので、形成されるコーティングは、ガスタービンブレード又は使用中に比較的高い温度に曝される他の部品の一領域に施されるアルミニウム含有コーティングと、前記領域に隣接し、使用中に比較的低い温度及び高温腐食に曝される他の領域に施されるクロム含有コーティングとを含んでいる。そのような二重コーティングは、使用中の異なる温度並びに酸化及び腐食環境に対してコーティング機能をもたらす。
【００２３】
本発明は、ガスタービンエンジンの使用中における酸化及び高温腐食からガスタービンブレード部品の異なる領域を保護するのに特に有用であるが、本発明は、ガスタービン部品に限定されるものではなく、他の部品についても、酸化及び高温腐食から保護するのに実施することができる。本発明は、ニッケル基超合金ガスタービン部品、ニッケル−コバルト基超合金ガスタービン部品、又はコバルト基超合金ガスタービン部品を、高温腐食から保護するために実施することができるが、本発明は、これら合金に限定されない。本発明について、ＣＭＳＸ−４ニッケル基超合金から作られたガスタービンエンジンブレードの異なる領域を、ガスタービンエンジンの使用中の酸化及び高温腐食から保護することに関して以下で説明するが、これは例示のためであって、限定するものではない。
【００２４】
具体的には、図１は、ガスタービンブレード(10)の例示であって、エアフォイル領域(airfoil  region)(12)と、基部領域(root  region)(14)と、エアフォイル及び基部領域の間の中間プラットフォーム領域(intermediate  platform  region)(20)とを有している。エアフォイル(12)は、エンジンタービン部分のガス経路に曝される先端(12a)、前縁(12b)及び後縁(12c)を含んでいる。プラットフォーム領域(20)は、典型的には、ガス経路面と非ガス経路面とを分離するもので、ガス経路に対向するプラットフォーム上面と、ガス経路から離れる方向に面するプラットフォーム下面とを含んでいる。基部領域(14)は、プラットフォーム領域(20)の下面の下方に非ガス経路面を含んでおり、基部領域は、取付部(16)(例えば、従来のもみの木状部)を含み、該取付部により、タービンブレードは、通常の方法にて、タービンディスク(図示せず)と、取付部(16)及びプラットフォーム領域(20)の間にある隣接シャンク部(18)とに接続される。もみの木状部は、典型的には、タービンディスクに嵌められるように機械加工されたセレーションを有しており、該セレーションは、顧客仕様に基づき、コーティングの前又は後に機械加工されることができる。シャンク領域(18)は、もみの木状部とプラットフォーム領域(20)下面との間の領域を含み、アズキャスト面と機械加工された面を含み、さらに、ガス経路を非ガス経路領域からシールすることを支援するための特徴を含むことができる。
【００２５】
タービンブレード(10)の高温の第１領域は、使用中にガスタービンエンジン内の比較的高い温度に曝されて、酸化劣化を受け易く、エアフォイル領域(12)と該エアフォイル領域に対向するプラットフォームの表面(20a)がガスタービンエンジンのタービン部の高温ガス経路の中又は近傍で作用するように構成される。エアフォイル領域(12)とプラットフォームの表面(20a)は、タービンブレードの最も高温の領域であり、限定ではなく例示のために記載すると、通常は、１９００°Ｆを超える操業温度である。
【００２６】
操業温度が比較的高い温度の場合、ガスタービンエンジン内での使用中にアルミナの保護スケールが生成されるように、エアフォイル領域(12)とプラットフォーム表面(20a)に、いわゆるアルミナ生成用コーティング(alumina-former  coating)を配備することが好ましい。
【００２７】
タービンブレード(10)の比較的低温の第２領域は、ガスタービンエンジン内での使用中、比較的低い温度と、塩(例えば、硫酸ナトリウムやＫ、Ｃａ、及び／又はＭｇ等の他の成分)による高温腐食とに曝される。第２領域は、エアフォイル領域から離れる方向に面するプラットフォーム領域(20)の下面(20b)と、基部領域(14)とを含んでいる。したがって、第２領域は、旧式のタービンブレードがコーティングされていない状態で操業することができる低温領域を含んでいる。しかしながら、燃焼器の効率が向上するにつれて、第２領域の操業温度は一般的に上昇し、それは第２領域の全体に均一に拡大している。したがって、エアフォイル(12)とプラットフォーム表面(20a)とで構成される第１領域もまたより高い温度になる。硫酸ナトリウムの塩が、１２００°Ｆ〜１８５０°Ｆで操業される表面に堆積されると、高温腐食攻撃が生じる。ブレードの基部領域(14)に高応力状態と高温腐食条件とが重なると、基部領域のタービンブレードが急速な腐食攻撃を受けて破壊が生じ易い。これまで低温操業条件で使用されていたタービンブレードは基部領域がコーティングされていないが、高温腐食抵抗は、タービンブレード合金のクロム含有量を増加させることにより向上させることができる。
【００２８】
本発明は、最新のエンジン設計に伴うより攻撃的な温度及び高温腐食条件に曝されるタービンブレードについて、異なる高温領域と低温領域を保護するための多重コーティング及びコーティングを施す方法を提供する。本発明は、ブレードのエアフォイル領域に施されたアルミニウム含有コーティングＡＬと、ブレードの基部領域の少なくとも一部分に施されたクロム含有金属コーティングとを有するニッケル又はコバルト基合金タービンブレード(10)を提供するもので、前記金属コーティングは、合金の中に拡散して、基部領域の部分に拡散クロム富化コーティングＣＲを形成する。図１は、エアフォイルに形成されたアルミニウム含有コーティングＡＬと基部領域に形成されたクロム含有拡散コーティングＣＲを示している。なお、操業中、コーティング上に薄いアルミナスケールが形成されるので、アルミニウム含有コーティングＡＬは、このいわゆるアルミナ形成コーティングを含む。また、操業中、コーティング上に薄いクロミアスケールが形成されるので、クロム含有拡散コーティングＣＲは、このいわゆるクロミア形成コーティングを含む。また、クロムコーティング拡散の前後において、エアフォイル領域(12)及びプラットフォーム表面(20a)の全部又は一部分に、熱障壁コーティング(ＴＢＣ)(例えば、イットリア安定化ジルコニア等)を、最外部コーティングとして施すことにより、ＴＢＣの断熱特性がもたらされる。
【００２９】
図２は、以下に記載の本発明の他の実施態様に係る方法を使用し、エアフォイルに形成されたアルミニウム含有コーティングＡＬと基部領域に形成された堆積状態(as-deposited)の金属クロム含有コーティングＥＣＲとを含むガスタービンブレード前駆部品(中間部品)を示している。本発明の他の実施態様は、以下に掲げる比較例に記載されているように、必要とされるコーティング機能に基づく二重コーティングを設けなかった場合に生ずる問題及び困難性を解消するものである。クロムコーティングは、０.００００５〜０.００５インチの厚さを有する極薄層として施される。
【００３０】
アルミニウム含有コーティングは、高温蒸着による最初の１ステップ工程で施される。なお、高温蒸着には、例えば、米国特許第5,264,245号、第4,132,816号及び第3,486,927号に基づく１９００°Ｆ以上での化学蒸着の他に、従来のアバブザパック(above-the-pack)プロセス又は他の蒸着プロセスによるものが含まれる。
【００３１】
クロム含有コーティングは、アルミニウム含有コーティングした後、２ステップ工程を用いて施される。２ステップ工程は、液体電解析出浴又は液体キャリア媒質を使用し、２１２°Ｆよりも低温にて、クロム含有金属コーティングを基材に沈積させ、次に、高温熱処理によりクロムを基材に拡散させることを含むものである。金属クロムコーティングを沈積させる低温プロセスの例として、限定されるものでないが、液体浴を使用する電気めっき又は電気泳動堆積法、及び液体キャリア中でのクロム含有粒子(例えば、Ｃｒ又はＣｒ合金粒子)によるスラリーコーティング法があり、これらは全て、液体浴又は液体スラリーを使用して、２１２°Ｆよりも低温で実施されることができ、実施後乾燥される。クロム含有金属コーティングを堆積させるのに用いることができる比較的低温の他の堆積方法として、限定されるものではないが、典型的には５００°Ｆより低温で実施される電気火花放電、典型的には１００°Ｆより低温で実施されるクラッディング、５００°Ｆより低温で実施されるプラズマスプレー、及びＣｒ粒子がＮｉ電気めっき層に封じ込められるエントラップメントプレーティングが挙げられる。
【００３２】
基材が、エアフォイル、プラットフォーム及び基部領域を有するガスタービン部品である場合、方法の一実施例として、まず部品の基部領域にマスキングを施し、次に、エアフォイル領域にアルミニウム含有コーティング(拡散アルミナイドコーティング等)を施し、基部領域のマスキングを除去し、次にコーティング済みのエアフォイル領域をマスキングすることが挙げられる。この方法の実施例では、高温腐食に曝されることになる比較的低温度の基部領域の少なくとも一部に、クロム含有金属コーティングを堆積し、エアフォイル領域のマスキングを除去した後、基部領域のコーティング部分の合金にクロムを拡散させて、基部領域の部分にクロム富化表面コーティングを形成するものである。所望により、エアフォイル領域並びに中間プラットフォーム領域及び基部シャンク領域を被覆するために、アルミニウム含有コーティングを施すこともできる。基部領域の取付部(例えば、もみの木状部)は、タービンディスクに接続される部分であり、基部領域の疲労寿命を向上させるために、コーティングを施さなくてもよい。
【００３３】
ニッケル基超合金基材の基部領域の少なくとも一部分に施されたクロム富化拡散コーティングは、典型的には、拡散された状態のＣｒ富化最外拡散ゾーンと、該最外拡散ゾーン及び基材の間に内側拡散ゾーンとを含んでおり、Ｃｒ富化最外拡散ゾーンは、固溶体にクロム、ニッケルその他の基材合金元素を含み、このゾーンの主成分はＣｒであり(図７、１１Ａ、１１Ｂ)、内側拡散ゾーンは、ニッケル、クロムその他の基材合金元素を含み、このゾーンではＣｒの量は少ない(図７、１１Ａ、１１Ｂ)。内側拡散ゾーンと基材との間に、耐火物(refractory)含有量の多い相である別の拡散又は反応ゾーンが存在していてもよい。この拡散又は反応ゾーンは、非常に薄いため、図７及び１１Ａでは確認することができない。
【００３４】
本発明の実施例の実施において、Ｃｒ含有量と基材内へのＣｒ深さプロファイルを制御することにより、具体的使用態様に応じて必要とされる耐高温腐食性を調整することができる。典型的には、最外コーティング基材表面でのＣｒ含有量を多くすることで耐高温腐食性は向上する。Ｃｒ含有量を多くするには、Ｃｒ金属コーティングの厚さ及び拡散熱処理条件を変えることによって達成することができる。
【００３５】
＜比較例＞
この比較例は、本発明以外の方法ではガスタービンブレードに前記二重コーティングを形成することが困難であることを示すために説明するものである。
【００３６】
例えば、１９００°Ｆよりも高温でのパック又は蒸気相クロマイジングプロセスや、１７００°Ｆよりも高温でのパック、蒸気相、又はＣＶＤアルミナイジングプロセスを用いて、２つの環境を保護するためのコーティング(二重コーティング)を有するタービンブレードを作製することはできる。しかしながら、表面が高Ｃｒとなるように処理し、高Ｃｒ表面を保持することに問題があることがわかった。アルミナイジングに使用されるマスキングにより、高温アルミナイジング工程中に、クロムめっきされたシャンクからＣｒが除去されることがある。即ち、タービンブレードを二重コーティングでコーティングするには、タービンブレードは、高温パック又は気相プロセスにより全体がクロムめっきされていなければならず、その結果生成されたＣｒ富化層は、ガス経路表面にアルミナイジング又は保護コーティングを施す前に、ガス経路表面(12)(12a)から取り除かれなければならない。基部領域(14)がアルミナイジングされるのを防止するために、基部領域は、マスキング粉末(例えば、アルミナ粉末、ＮｉＯ粉末等)を入れた格納容器の中に配置され、マスキングされる。しかしながら、この工程は、基部領域に既に施されているＣｒ富化層のＣｒ含有量が減少し、高温腐食耐性の低下を招くので好ましくない。これについては、次の説明で明らかにする。
【００３７】
図１のエアフォイル、プラットフォーム及び基部の特徴を有し、ＣＭＳＸ−４ニッケル基超合金(公称組成は、重量％で、Ｃｏ約９.６％、Ｃｒ約６.６％、Ｍｏ約０.６０％、Ｗ約６.４％、Ｒｅ約３.０％、Ｔａ約６.５％、Ａｌ約５.６％、Ｔｉ約１.０％、Ｈｆ約０.１％、残部Ｎｉ及び不可避不純物)からなる鋳造タービンブレードについて、その全体をクロムめっきした後、グリットブラストを施すことにより、エアフォイル領域(12)とプラットフォーム表面(20a)が含まれる高温の第１領域から、Ｃｒ富化コーティングを除去した。高温の第１領域を電気めっきしてＰｔ金属層を成膜し、その後ＣＶＤによりアルミナイジングして、第１領域にＰｔ改質拡散アルミナイドコーティングを形成した。次に、低温の第２領域(プラットフォーム表面(20b)及び基部領域(14)が含まれる)は、市販の粉末maskant  M1(Akron  Paint&Varnish  Co.,  1390  Firestone  Parkway,  Akron  Ohio)を用いてマスキングした。
【００３８】
クロマイジングプロセスの実施に使用したパックパラメータは次のとおりである：純クロムの粉末を、酸化アルミニウム及びＮＨ４Ｃｌ活性化剤と共に、１９５０°Ｆで５時間の処理した。
【００３９】
Ｐｔ電気めっきは、米国特許第5,788,823号に記載されたパラメータを用いて行ない、基材に０.３ミルのＰｔが堆積された。この特許は、引用を以て本明細書に組み込まれるものとする。アルミナイジングプロセスは、米国特許第5,264,245号に記載されたパラメータを使用し、Ｈ２／ＡｌＣｌ３雰囲気中、１９７５°Ｆの温度で１４４０分間の処理を行なった。この特許は、引用を以て本明細書に組み込まれるものとする。
【００４０】
図５は、タービンブレードのシャンク部分(18)におけるＣｒの濃度深さプロファイルであり、クロムめっきされたままのもの(パックＣｒ)と、マスキング及びアルミナイジングした後のもの(パックＣｒ＋アルミナイジングサイクル)を示しており、エアフォイル及びプラットフォーム表面(20a)が含まれる第１領域にＰｔ改質拡散アルミナイドコーティングが形成されている。
【００４１】
図５に示された第２領域にクロムめっきしたままのコーティングの場合、Ｃｒ含有量の富化は、高温腐食攻撃に対する抵抗性の点では好ましい望ましい化学的性質である。しかしながら、グラフが示すように、パッククロマイジングプロセスにより富化されたＣｒは、基部にマスキングを施した場合でさえ(シャンク(18)と取付部(16)とにアルミニウムが堆積するのを防止するために施す)、アルミナイジング工程の後に減少する。シャンク部のＣｒ含有量は減少して、ＣＭＳＸ−４超合金のＣｒ含有量(合金の公称Ｃｒ組成：６.４重量％)よりも少なくなる。これは、高温腐食耐性を向上させるために望まれるＣｒ含有量の方向とは全く反対である。この比較例の二重コーティングプロセスでは、高温腐食攻撃抵抗性に好ましいＣｒ富化コーティングを有するタービンブレードを作製することができなかった。
【００４２】
本発明の方法の実施例によれば、二重コーティングを作製するのに用いられる連続処理ステップ(sequence  processig  steps)は、比較例で実証された上記の問題及び困難を解消するものである。
【００４３】
＜実施例１＞
本発明の例示的な実施態様では、以下の処理ステップを使用する：
【００４４】
１．白金改質拡散アルミナイドコーティングをガス経路表面(12)(20a)に形成する場合、これら表面には、所望により、米国特許第5,788,832号に記載されたＰｔの層で電気めっきする。この特許は、既に引用を以て本明細書に組み込まれている。また、拡散アルミナイドコーティングだけを形成したい場合には、このステップは省略することができる。
【００４５】
２．タービンブレードの第２領域(つまり、基部領域(14)とプラットフォーム表面(20b)を、格納容器に入れられた上記M1  maskant粉末でマスキングする。即ち、基部領域(14)とプラットフォーム表面(20b)は、格納容器中でmaskant粉末に埋め込まれる。
【００４６】
３．高温の第１領域(つまり、エアフォイル(12)及びプラットフォーム表面(20a))をアルミナイジングし、第２領域をマスキングした状態で拡散アルミナイドコーティング(例えば、ステップ１を実施した場合は、Ｐｔ改質拡散アルミナイドコーティング)を形成する。
【００４７】
４．第１領域の拡散アルミナイドコーティングをマスキングする。
【００４８】
５．ステップ３で形成された拡散アルミナイドコーティングをステップ２のマスキングで被覆した状態で、低温の第２領域にＣｒ電気めっきを施す。Ｃｒ電気めっきは、液体(例えば、水)電気めっき浴を使用して、例えば２１２°Ｆより低温で実施される。第１領域のマスキングは低温めっき浴条件下で有効であるため、Ｃｒ電気めっきによる局所的な成膜が可能である。
【００４９】
６．ＣｒめっきをＣＭＳＸ−４基材合金の中に拡散させて、Ｃｒが富化された耐高温腐食性コーティングを形成する。Ｃｒめっきの拡散は、超合金基材との結合を向上させ、その結果生じるＣｒ富化層の延性を向上させる。
【００５０】
クロム電気めっきプロセスで用いられるめっき条件は、航空宇宙材料用スチール材料の硬質クロムコーティングに対するＡＭＳ(航空宇宙材料仕様書)２４３８Ｂに適合し、実質的に純Ｃｒである６価の高硬度高密度クロムめっきを成膜できる条件である。このＡＭＳ  ２３３８Ｂは、この目的を達成するために引用を以て本明細書に組み込まれるっものとする。
【００５１】
この実施例では、高硬度高密度で実質的に純クロムの電気めっきは、イリノイ州の電気めっき業者Armoloy(118  Simonds  Ave.,  Dekalb,  Illinois)により、商業的に行われた。Ｃｒ電気めっきの堆積厚さは、８.７マイクロメートル又は３.５マイクロメートルであった。電気めっき層は、実質的に純粋なＣｒであり、例えば、９９.９重量％Ｃｒで残部がめっき不純物である。なお、本発明は、純Ｃｒの他にＣｒ合金の電気めっきを含み、また、ＣｒとＮｉが交互になった層のめっきも含むものである。
【００５２】
クロム電気めっきの実施は、適当なあらゆるパラメータを用いて実施することができる。以下に使用可能なめっき条件を示すが、例示のためであって、限定するものではない。
１．アルミナスラリーを用いて表面を蒸気ホーニング(vapor  hone)処理して、めっきされる表面を清浄する。
２．めっきされる表面を、２５０〜４００ｇ／Ｌのクロム酸及び２.５〜４ｇ／Ｌの硫酸塩触媒(硫酸)が入れられた５２〜６３℃のめっき浴に浸漬して活性化し、電流(３〜１２ボルトで３０〜５４Ａ／ｄｍ２)を３０秒〜２分間流して、部品をアノード(Ｃｒめっき層の逆)にする。
３．めっきされる表面を、めっき浴に浸漬してＣｒめっきし、電流を４分〜３０分間流して、部品をカソードにする。電流を流す時間は、所望されるＣｒめっき厚さを得るのに必要な時間でもよい。
４．１２０°Ｆの脱イオン水の中ですすぎを行ない、めっき浴の大部分を除去する。
５．高温の脱イオン水の中ですすぎを行ない、残存しているめっき浴を除去し、乾燥させる。
【００５３】
ＣＶＤアルミナイジングプロセスは、次のパラメータを使用して実施される：
米国特許第5,264,245号に基づき、１９７５°ＦのＨ２／ＡｌＣｌ３雰囲気中で、１４４０分間処理した。この特許は、この目的を達成するために引用を以て本明細書に組み込まれるものとする。使用することができる他のアルミナイジングプロセスとして、パック、蒸気相、スパッタリング、物理蒸着、スラリーの後で行われる拡散熱処理、電気泳動の後で行われる拡散熱処理等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００５４】
この例の場合、Ｃｒの拡散熱処理は、１９７５°Ｆで４時間又は２０５０°Ｆで２時間行われ、酸化を防止するためにＡｒ分圧雰囲気中にて行われる。
【００５５】
図６は、Ｃｒ濃度とＣＭＳＸ−Ａニッケル基超合金基材中への距離との関係を表すグラフであり、基材中のＣｒ濃度に対するＣｒめっきの厚さ及び拡散条件の効果を示している。図６中、距離「０」は、基材の表面である。図６は、表面Ｃｒ含有量を、最小が１５原子％、最大が６３原子％に制御することができることを示している。また、図６は、Ｃｒ富化の深さを同じように制御できることを示している。Ｃｒ含有量と富化の深さは、典型的には、タービンエンジン内での使用中に部品が受ける歪みの疲労影響を最小にしつつ、耐高温腐食性が許容され得るように調節される。図６は、２種類のＣｒめっき厚さと２種類の拡散熱処理条件について、Ｃｒ富化結果の範囲を示している。
【００５６】
図７及び１１Ａは、８.７μｍのＣｒめっきで電気めっきし、その後１９７５°Ｆで４時間加熱する拡散処理を施したＣＭＳＸ−４試料のミクロ組織の顕微鏡写真を含んでいる。図１１Ｂは、Ｃｒ富化拡散コーティングのマイクロプローブデータを表として示したもので、図１１Ｃは、基材合金中の距離に対してＣｒ含有量の変化をプロットしたものである。距離「０」は、基材の表面である。
【００５７】
図７、１１Ａ及び１１Ｂ(マイクロプローブの表)及び１１Ｃ(プロット)の結果は、クロム富化拡散コーティングが、Ｃｒ富化最外(トップ)拡散ゾーンと、最外拡散ゾーン及び基材の間に内側拡散ゾーン(拡散)とを含んでおり、Ｃｒ富化最外拡散ゾーンは、固溶体にクロム、ニッケルその他の基材合金元素を含み、このトップゾーンの主成分はＣｒであり、内側拡散ゾーンは、ニッケル、クロムその他の基材合金元素を含み、この拡散ゾーンではＣｒの量は少ないことを示している。内側拡散ゾーンと基材との間に、耐火物含有量の多い相である別の拡散又は反応ゾーンが存在していてもよい。この拡散又は反応ゾーンは、非常に薄いため、図７及び１１Ａでは確認することができない。
【００５８】
図８は、７００℃での高温腐食試験結果を示す図であり、図示した種々のＣＭＳＸ−４試料について曝露時間に対する重量変化をプロットしたもので、試験は２回ずつ行なった。試験では、試料表面１ｃｍ２に対し、１〜２ｍｇのＮａ２ＳＯ４を施し、２０時間毎に試料検査を行なった。次に、塩処理した試料を７００°Ｆに加熱した炉内に装入した。炉内は、加熱されたＰｔ触媒の中を１０００ｐｐｍのＳＯ２／Ｏ２ガスが流れており、試料を炉内に曝露してＳＯ３を生成させた。ＳＯ３は、試験温度で塩と反応して、腐食攻撃する。
【００５９】
図８は、本発明実施例のコーティングした試験試料は、Ｃｒ電気めっきの厚さ及びＣｒ拡散パラメータの如何に拘わらず、時間経過後の重量変化は本質的に同じであったことを示している。コーティングされていない(bare)ＣＭＳＸ−４試料は、試験中に実質的な重量損失があった。
【００６０】
図９はＣＭＳＸ−４試料の顕微鏡写真であり、試料は、８.７μｍのＣｒめっきで電気めっきした後、１９７５°Ｆで４時間加熱の拡散処理が施され、図８に示されるように７００°Ｆを超える温度でＮａ２ＳＯ４による高温腐食環境に曝されたものである。試料を貫通する貫通穴(１つだけ示されている)はコーティングされておらず、激しい高温腐食攻撃を受けたが、コーティングされた表面は保護されていることを示している。
【００６１】
図９は、コーティングされていないＣＭＳＸ−４合金基材に対してはこれらの試験条件が攻撃的性質を有することを示し、コーティングされた試料表面は高温腐食攻撃に対して抵抗性を有することを示している。
【００６２】
図１０はＣＭＳＸ−４試料のミクロ組織の顕微鏡写真であり、試料は、８.７μｍのＣｒめっきで電気めっきした後、１９７５°Ｆで４時間加熱の拡散処理が施され、図８に示されるように７００°Ｆを超える温度でＮａ２ＳＯ４による高温腐食環境に曝されたものである。
【００６３】
図１１Ｃは、基材合金中での距離に対するＣｒ含有量の変化をプロットして示すグラフであり、白抜き三角記号はめっきしたままの試料、白抜き四角記号はめっき／拡散熱処理した試料、白抜き菱形記号は、めっき／拡散熱処理／高温腐食試験した試料(タイプＩ高温腐食試験)である。距離「０」は、基材の表面である。
【００６４】
図１１Ｃの後者の２つの試料を比較すると、高温腐食試験後のＣｒ含有量は、事実上変化していない。
【００６５】
＜実施例２＞
本発明の例示的な他の実施態様では、以下の処理ステップを使用する：
【００６６】
１．白金改質拡散アルミナイドコーティングをガス経路表面(12)(20a)に形成する場合、これら表面には、所望により、米国特許第5,788,832号に記載されたＰｔの層で電気めっきする。この特許は、既に引用を以て本明細書に組み込まれている。また、単なる拡散アルミナイドコーティングを形成したい場合には、このステップは省略することができる。
【００６７】
２．高温の第１領域と第２領域をアルミナイジングして拡散アルミナイドコーティング(例えば、ステップ１を実施した場合は、Ｐｔ改質拡散アルミナイドコーティング)を形成する。第２領域を保護するマスキングはしない。
【００６８】
３．拡散アルミナイドコーティングを、第２領域から、グリットブラスティング、機械加工又はその他の技術によって選択的に除去して基材合金を露出させる。なお、第１領域の拡散アルミナイドコーティングは残したままである。
【００６９】
４．第１領域の拡散アルミナイドコーティングを、実施例１に記載したようにマスキングする。
【００７０】
５．露出した低温の第２領域にＣｒ電気めっきを施す。ステップ２で形成された拡散アルミナイドコーティングは、ステップ４のマスキングで被覆されている。Ｃｒ電気めっきは、液体電気めっき浴を使用して、例えば２１２°Ｆよりも低温で実施される。第１領域のマスキングが室温での低温めっき浴条件下で有効であるため、Ｃｒ電気めっきによる成膜は、局所的に行なうことができる。
【００７１】
５．ＣｒめっきをＣＭＳＸ−４基材合金の中に拡散させて、Ｃｒが富化された耐高温腐食性コーティングを形成する。Ｃｒめっきの拡散により、超合金基材との結合が向上し、得られたＣｒ富化層の延性を向上させる。
【００７２】
クロム電気めっき工程は、実施例１の電気めっき業者が実施する。ＣＶＤアルミナイジング工程は、実施例１のパラメータを使用して実施する。Ｃｒの拡散熱処理は、実施例１のパラメータを使用して実施する。
【００７３】
＜他の実施例＞
図３及び図４は、本発明の他の実施例を示している。図３において、アルミナイズされた層(Ｐｔによる改質はあっても無くてもよい)ＡＬ’が、シャンク部(18)の上部領域に施される。プラットフォーム表面(20b)からプラットフォーム(20)の下の所定距離まで又は平面までは、図示されたように、他のコーティングＡＬ、ＣＲがある。図４において、基部領域には、タービンブレードのタービンディスクに近いさらに低温領域に、コーティングされていない取付部(17)が設けられている。取付部(17)は、アルミナイジング中及びＣｒめっき中、マスキングされている。取付部(17)は、コーティングされていない基材合金を含んでいる。この取付部(17)は、ブレード設計上、他のコーティングＡＬ、ＣＲを含むどんなコーティングも許容することができない。
【００７４】
本発明は、タービンブレードにおけるＡｌ領域、Ａｌ／Ｃｒ領域、Ｃｒ領域、コーティングされていない領域の多くの組合せが可能であり、ガスタービンエンジンの様々な使用条件に適合させるのに必要な所望のコーティング機能を提供する。
【００７５】
本発明について、幾つかの詳細な実施例に関して説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された発明の精神及び範囲から逸脱することなく、その態様及び詳細に種々の変更をなすことができることは理解されるだろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【外国語明細書】
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