(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンから取り外された超合金製タービン部品の修理方法であって：
超合金製タービン部品がＮｉを含んでおり、修理中の部品の露出面から酸化および腐食生成物を除去すること；
修理中の部品の露出面に存在するアルミナイド（alminide）コーティングを除去すること；
次いで、修理中の部品の表面上にＣｏの薄層を析出（deposite）させること；
次いで、修理中の部品の表面を被覆するＣｏ層の上に、該Ｃｏ層を被覆するまでＮｉおよびＰｔからなる群より選ばれた元素の薄い被覆層を析出させること；
その後、高温で該被覆層をアルミニウム源に曝すことにより、拡散アルミナイドコーティング（diffusion aluminide coating）を形成すること
を含む超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項２】
Ｃｏの薄層が、電気めっき、物理蒸着、無電解めっきおよび化学蒸着からなる群より選ばれる方法により、修理中の部品の表面上に析出させられる請求項１記載の超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項３】
被覆層が、２〜２５μｍの厚さを有する請求項１記載の超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項４】
Ｃｏの薄層が、２〜１０μｍの厚さを有する請求項３に記載の超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項５】
Ｃｏの薄層が、１０μｍの厚さを有する請求項４記載の超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項６】
拡散アルミナイドコーティングを形成する工程が、充填法（pack process）で達成される請求項１記載の超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項７】
拡散アルミナイドコーティングを形成する工程が、オーバー充填法（over-the-pack process）で達成される請求項１記載の超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項８】
拡散アルミナイドコーティングを形成する工程が、化学蒸着法で達成される請求項１記載の超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項９】
拡散アルミナイドコーティングを形成する工程が、気相アルミナイド法（vapor phase aluminide process）で達成される請求項１記載の超合金製タービン部品の修理方法。
【請求項１０】
ガスタービンエンジン用超合金製タービン部品であって：
超合金製支持体がＮｉを含むこと；
拡散バリヤーが、支持体の表面を覆うためのＣｏの第1析出層、および第１析出層上に析出され、Ｎｉ及びＰｔからなる群から選ばれた元素を含む第２の析出層を含むこと；および、
拡散アルミナイドコーティングが拡散バリヤーの上にあること
を含み、
アルミニウム源と反応する超合金製支持体からの物質量が拡散バリヤーの存在により実質的に減少され、超合金製支持体の寸法および化学的保全が実質的に保たれている
ガスタービンエンジン用超合金製タービン部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンに使用される超合金製部品の修理方法に関し、さらに詳しくは、ガスタービンエンジンのタービン部分内のエアフォイルに適用される拡散バリヤー層（diffusion barrier layer）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、熱バリヤーコーティング(TBC:thermal barrier coating)システムにおける環境保護用およびボンドコーティング(bond coats)として、ガスタービン内の高温燃焼ガスに曝されるエアフォイルに使用されるコーティングは、ニッケルおよび白金のアルミナイド(aluminide)である。これらのコーティングは支持体材料、典型的にはニッケルベースの超合金に適用されて、酸化や腐食の侵食に対して保護を行う。
これらのコーティングは多くの異なった方法で支持体上に形成される。例えば、単に支持体を高温でアルミニウムリッチな環境に暴露することによって、典型的にはニッケルアルミナイドNiAlがニッケルベースの超合金上に外部コーティングとして成長する。アルミニウムは支持体中に拡散し、ニッケルと結合してNiAlの外部コーティングを形成する。
【０００３】
白金アルミナイド(PtAl)コーティングは、ニッケルベースの支持体上に白金を所定の厚さで電気めっきすることによって形成される。その後、高温でアルミニウムリッチな環境にプラチナを曝すことにより、アルミニウムが白金中に拡散し且つ反応するにつれてPtAlの外層が成長する。同時に、Niが支持体の外方から拡散する一方、アルミニウムは白金中を内方に拡散する。
【０００４】
このようにして、Ptを電気めっきした支持体を高温でアルミニウムリッチな環境に曝すことによって、(Pt,Ni)Alの複合体構造が形成される。アルミニウムが支持体に向かって内方に拡散し且つNiがPt中を外方に拡散するにつれて、PtAlx相が固溶体から析出するため得られた金属間化合物Pt-NiAlも金属間化合物PtAlx(xは2または3である)の析出物を含む。
【０００５】
アルミナイドも、熱バリヤーシステムにおけるボンドコーティングとして用いられ、支持体とアルミナイド上に適用されるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のさらなる耐熱性セラミックコーティングとの間に存在する。しかし、これらの拡散アルミナイドの形成プロセスは本質的に同じであり、すなわち、通常支持体は充填法(pack process)やCVD法を用いて高温でアルミニウムに曝され、得られるアルミナイドは表面上で成長する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
熱バリヤーシステムにおいて環境コーティングまたはボンドコーティングとして適用されても、ガスタービンエンジンの高温ガス環境において一定時間を超えると、１または数種の進行するプロセス、すなわち、エアフォイル上の高温ガスの衝突による浸食、燃焼生成物中の汚染物質とエアフォイル表面との反応による腐食、および酸化の結果、コーティングは次第に劣化する。
【０００７】
使用後、エアフォイルを修理するため、腐食生成物および酸化生成物だけでなく、それらがまだ除去されなくても、以前に適用されたコーティングも除去する必要がある。コーティングは拡散プロセスによって支持体中で成長するため、かつて支持体材料であった部分を除去することも含む。この部分は薄いため、最小許容厚さは変更できず、修復プロセスによってエアフォイルを再利用できる回数が限定される。
【０００８】
本発明の主目的は、支持体中へのコーティングの成長が排除または最小化された、ガスタービン用のエアフォイル上への保護アルミナイドコーティングの形成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ニッケルベースの超合金製支持体用の保護コーティングを提供するとともにガスタービンに用いられるエアフォイル等の超合金製部品用の拡散バリヤーとしても機能する保護コーティングに関する。
【００１０】
本発明の利点は、支持体材料中への保護コーティングの成長を抑制することによって、タービンエアフォイルの寿命を延ばすことにある。これにより、その後のコーティングの除去時にエアフォイルの初期の肉厚に加わる衝撃が最小となるため、現在行われているよりも多い修理回数でもエアフォイル寿命を延ばすことができる。
【００１１】
本発明のシステムの他の利点は、拡散バリヤー層によって、高温作業中にCo、Cr、W、Re、Ta、MoおよびTi等の合金元素の支持体からの外方移行が抑制されるため、支持体の機械的および冶金的特性が維持される。
【００１２】
本発明のシステムのさらなる利点は、拡散バリヤー層によって、コーティングからのアルミニウムの内方移行が抑制されるため、コーティングのアルミニウム含量が他の方法によるように早く減少することはない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、ニッケルベースの超合金製支持体を有してなるガスタービンエンジンにおいて見られるような高温酸化環境下で使用される物品を提供する。ニッケルベースの超合金製支持体を覆うのは、コバルトまたはニッケルあるいはコバルトとニッケルの組合せから構成される密着性金属コーティングである。
【００１４】
金属層を支持体上に適用し、高温で該金属層を高濃度のアルミニウムに曝すことにより、アルミナイドの外層が形成される。このようにしてアルミニウムは、Co、NiまたはCoとNiの組合せからなる前記金属コーティング中を拡散して、超合金製支持体との反応を抑制または遅延させる。
【００１５】
本発明の金属拡散バリヤー層はアルミ化(aluminiding)の前に新しいエアフォイルに適用してもよく、修理サイクルの一部として使用中に取り外されたエアフォイルに適用してもよい。本発明の金属拡散バリヤーは使用中に取り外されたエアフォイルに予め存在するコーティングを除去した後に適用する。
【００１６】
【実施例】
以下、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。
本発明は、保護アルミニウムコーティングを形成する前に、Ni、CoまたはNiとCoの組合せからなる群より選ばれる金属の薄層をエアフォイル等のタービンエンジン部品の表面上に析出させることを特徴とする。典型的には、エアフォイル等の部品は超合金、主にRene 80、Rene N5、Rene N6、Rene 142、Rene 162等の周知のNiベースの超合金から作られている。
これらの超合金は多くの合金成分を含む。Rene 80の公称組成は、例えば、重量%として、0.17%C、0.2%Mn、0.2%Si、14.0%Cr、9.5%Co、3.0%Al、5.0%Ti、4.0%Mo、0.2%Fe、0.015%B、0.03%Zr、4.0%W、残部としてのNiおよび不可避不純物である。他の超合金製支持体材料は同様の元素を重量%で含む。Ni、Coまたはそれらの組合せをエアフォイルの上に適用すると、それは最初保護アルミニウムコーティングが成長する新しい表面として機能する。
勿論、ガスタービンの技術分野において周知のように、アルミナイドコーティングはかかるエアフォイル用の環境コーティングとして機能するが、熱バリヤートップコーティングを覆うボンドコーティングとして機能してもよい。修理やメンテナンス(refurbishment)のためにエンジンを使用中に取り外す場合、メンテナンスを行うため、存在するコーティングや、タービン構成部品の外表面上に形成されたいずれの酸化または燃焼生成物をも除去する必要がある。
このようにして、本発明においては、アルミナイド保護コーティングを形成してメンテナンス中に除去される支持体材料の量を最小にするのに用いる点で、適用金属は犠牲的である。勿論、存在するタービン部品用に、存在するコーティングを除去した後、Ni、CoまたはNiとCoの組合せを添加してもよく、それは現行の方法を用いることにより、支持体中に成長する。
この添加した金属は除去した支持体材料に取って代わり、それにより、通常のアルミナイジングおよび除去の結果としてすでに薄くなった支持体中に直接成長するのではなく、添加金属中に新しい保護コーティングが成長する。また、添加した金属は拡散バリヤーとして機能してAlの内方移行を制限するため、保護アルミナイドコーティングの形成および使用中に最小量の支持体が消費される。
【００１７】
エンジンのタービン部分におけるガスタービンの作動温度は約１０９３℃（２０００°Ｆ）であり、拡散プロセスを無視できない十分高い温度である。この温度では、パックパウダー法（pack powder process）や他の同様の方法によって添加されて、アルミナイド外部保護面を形成するアルミニウムが、アルミナイド層を介して支持体中に移行する傾向にある。Ｃｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｙ、Ｖ、Ｍｏ等の支持体元素が、アルミナイド層中に存在すると、支持体から外表面に拡散し、そこで密着性でない酸化物を形成する傾向にある。この拡散プロセスは以下の点でアルミナイド保護層に悪影響を与える。すなわちアルミニウムを減少させてその保護表面として機能する能力を変化させ且つその下の支持体の組成を変化させ、さらに、拡散領域が形成されて化学的および機械的性質が変化する。拡散プロセスは時間および温度に依存するため、拡散プロセスの効果を示すためにはＮｉの相対的に薄い層が好ましい。他の好ましい実施態様において、コバルト層を介しての内方へのアルミニウムの拡散およびコバルト層を介しての外方への合金元素の拡散は非常に遅いため、Ｃｏの薄層を適用して拡散プロセスの効果を遅らせる。このようにして、コバルトの薄層は、アルミナイド保護コーティングの形成のための効果的な表面として、また、支持体に向かって内方へのアルミニウムの移行および支持体から外方への合金元素の移行を抑制する拡散バリヤーとして機能する。
【００１８】
使用中にガスタービンから取り外される超合金製部品を修理するために本発明を用いると、高温ガス燃焼に曝された結果として外表面上に形成される酸化および腐食生成物、および他の汚染物質をまず除去する必要がある。これは通常脱脂およびグリットブラスト仕上げによって達成される。その後、部品の外面からコーティングを除去する必要がある。
このコーティングとして、グリットブラスト仕上げにより除去されるイットリア安定化ジルコニア等の熱バリヤーコーティング、およびアルミナイドボンドまたはアルミナイド環境コーティングが挙げられる。アルミナイドコーティングの除去は通常酸ストリッピングまたはフッ素イオン洗浄(FIC:fluoride ion cleaning)によって達成される。勿論、多くの従来技術のアルミナイドがアルミナイドを支持体中に成長させることによって適用されるため、除去プロセスは支持体の厚さを減少させる。
【００１９】
コーティングの除去およびFICの後、超合金製部品のメンテナンスは新しいタービン部品の使用のための準備と実質的に同じである。これらの部品は、典型的には、タービン翼や羽根等のエアフォイルである。NiまたはCoあるいはNiとCoの組合せの金属の薄層を部品の表面に析出させて該表面を被覆する。前述のようにAlおよび他の元素はNiよりもCo中の方がゆっくりと拡散するため、十分効果的に拡散を遅くするのにNiの薄層が必要となる。
析出金属の厚さは約２〜60ミクロンの間で変化し、すなわち、Coは厚さの範囲の下端で適用し、Niは厚さの範囲の上端で適用し、中間の範囲で厚さが重複する。高品質で均一なコーティング厚さを与えるいずれの通常技術によって金属を析出させてもよい。これらのプロセスとして、電気めっき、物理蒸着、無電解めっきおよび化学蒸着が挙げられる。本発明の特徴および作用に悪影響を与えないある種の微量不純物が析出金属中に存在することがわかる。
【００２０】
析出後、金属コーティングされた部品を高温でアルミニウム源に曝すため、金属の外表面と反応することによって拡散アルミナイドが形成される。拡散アルミナイドは、部品を充填法やオーバーパック法(over-the-pack process)に適用する等、これらのコーティングを成長させるいずれの周知の、時の試練を経た方法によって成長させてもよい。他の好ましい方法として、化学蒸着および気相アルミナイジングが挙げられる。
勿論、当業者であれば、一定時間を超えるとAlがコーティングから拡散するにつれて支持体からのNiがCo中に拡散し、コーティング中に(Co,Ni)Alアルミナイド複合体を形成する。アルミナイドコーティング厚さは合金系によって異なうが典型的には、アルミニウム源に曝した後に約２〜90ミクロンの厚さを有する。
【００２１】
Ｎｉを十分な厚さで適用すると、Ａｌの外表面から支持体への拡散を遅らせるのに役立ち、下にある支持体に及ぼす効果を最小にする。しかし、本発明は、Ｃｏの拡散バリヤー特性の利点を利用するのに用いると最も効果的である。好ましい実施態様において、典型的には約２〜１０μmの厚さ、最も好ましくは約１０μmの厚さでＣｏの薄層を支持体上に適用する。その後、拡散アルミナイドコーティングを前述のように形成する。この実施態様において、Ｃｏは超合金製支持体中へのアルミニウムの拡散を遅らせる拡散バリヤーとして機能する。このように形成されたアルミナイドは、拡散バリヤーの不在下で支持体を形成する場合に比べて厚さが薄い。この方法によりコーティングされた部品をつぎに修理する場合、通常の方法によってコーティングされた部品に比べて除去されるべき材料の量は少ない。
【００２２】
その他の好ましい実施態様において、典型的には約１〜１０μmの厚さ、最も好ましくは約１０μmの厚さでＣｏの薄層を支持体上に適用する。その後、ＮｉおよびＰｔからなる群より選ばれる金属の薄層をＣｏ上に析出させる。この第２層の厚さは約２〜２５μmの間で変化する。最も好ましくは、Ｐｔを析出させる際、約５〜１０μmの厚さで適用する。前述のように、典型的な金属適用技術を用いてこれらの金属層を析出させる。その後、前述のように、アルミナイドコーティングを形成する。この実施態様においては、ＮｉまたはＰｔの金属外層は保護アルミナイドを形成する。しかし、後に続く高温暴露の間、Ｃｏは拡散バリヤーとして機能する。Ａｌがアルミナイドから内方に拡散するにつれて、さらなるＣｏＡｌの保護コーティングが表面に形成され、ＮｉまたはＰｔがＣｏの上に析出されるかによって、（Ｎｉ，Ｃｏ）Ａｌまたは（Ｐｔ，Ｃｏ）Ａｌの複合アルミナイドコーティングとなる。この複合アルミナイドは外側のＣｏ表面から成長する。ＡｌがＮｉよりも速く拡散するため、一定時間を超えると、Ａｌの外側のアルミナイドから内方への拡散とＮｉの支持体からの拡散とがＣｏ中で一緒になって、Ｃｏ／支持体界面近傍でさらにＮｉＡｌの複合体を形成する。しかし、Ｃｏの拡散バリヤーとしての効果は、この反応が相対的に取るに足らないものであり、この反応のＣｏ／支持体界面での効果が通常に比べて最小限であることにある。
【００２３】
本発明のコーティングの総合的効果は、効果的な保護アルミナイドをガスタービンに用いられる超合金製タービン部品に適用することであるため、部品の寸法一体性が最小になるとともに、超合金製支持体材料に及ぼす高温ガスタービン環境の悪影響を最小にするため、支持体の化学的および機械的性質が実質的に維持される。具体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。
これらの具体例および実施態様は説明のためのものであって、添付の請求の範囲に示すように、本発明の範囲内のいかなる方法に限定するものではない。
【００２４】
【発明の効果】
支持体材料中への保護コーティングの成長を抑制することによってタービンエアフォイルの寿命を延ばすことができるため、その後のコーティングの除去時にエアフォイルの初期の肉厚に加わる衝撃が最小となり、現在行われているよりも多い修理回数でもエアフォイル寿命を延ばすことができる。
また、拡散バリヤー層によって、高温作業中にCo、Cr、W、Re、Ta、MoおよびTi等の合金元素の支持体からの外方移行が抑制されるため、支持体の機械的および冶金的特性が維持される。
さらに、拡散バリヤー層によって、コーティングからのアルミニウムの内方移行が抑制されるため、コーティングのアルミニウム含量の減少が他の方法よりも遅い。