(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム化合物を含む、形成される堆積物の少なくとも１つのガス状前駆物質を、キャリアガスによって、封入体内に配置された金属部品の表面と接触させる、外側と連通する孔および／またはキャビティを有するターボ機関の金属部品を高温酸化から保護するために蒸着によるアルミニウム処理を行なう方法であって、キャリアガスはアルゴンであり、アルゴン分子の平均自由行程の長さが、大気圧下におけるアルゴン分子のそれの少なくとも２倍となるように、封入体内の圧力が選択されており、前記方法が、
アルミニウム処理される部品を、封入体内に配置することと、
封入体内側の大気をアルゴンによってパージし、封入体内の圧力が５ＫＰａより低い値になるように、排気によって圧力を減少させることと、
圧力を２５ＫＰａより低い値に維持するように、封入体内にアルゴンを連続的に流すことと、
封入体内を９５０℃から１２００℃の間の温度に、３時間維持することと、からなることを特徴とする、方法。
【請求項２】
封入体内に金属ドナーおよび活性体が配置され、前記金属ドナーは、アルミニウム含有量が３０％から３５％であるクロム−アルミニウム合金であり、活性体は、ＡｌＦ３である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
封入体内の温度は、約１１５０℃であり、アルゴンの圧力は約１３ＫＰａである、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記金属部品が孔を有して形成され、少なくとも孔の外側開口部の近傍では、直径が外側に向かって増大することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、孔やキャビティを有する金属部品を高温酸化から保護する方法に関する。
【０００２】
本発明の適用分野は、タービン部品等のターボ機関部品、特に、冷却エアを流す内側キャビティを有するブレードを保護する分野である。前記エアは、一般にブレードの基部を貫通する供給孔または供給通路を介して供給され、一般に、ブレードの外面へ開口する通気口を介して排気される。
【０００３】
【従来の技術】
そのような部品は、一般にニッケル系またはコバルト系の金属超合金によって形成されているにもかかわらず、これらの部品を酸化から保護するためのコーティングを施す必要がある。このコーティングは、ターボ機関の効率を高めることができる所望の高温度でターボ機関を動作させる際に生じる酸化から部品を保護することができる。
【０００４】
広く使用されている１つの保護方法は、蒸着によるアルミニウム処理である。この方法は、良く知られており、特に、仏国特許出願公開第１４３３４９７号明細書を参照することによって知ることができる。この方法では、希釈ガスまたはキャリアガスと共にハロゲン化合物等のアルミニウム化合物を含む混合ガスが流される封入体内に、保護される１または複数の部品が配置される。ハロゲン化合物は、塩素やフッ素等のハロゲンと、アルミニウムを含む、例えば保護される部品を形成する材料から成る１または複数の金属部品とアルミニウムとの金属合金のような金属ドナーとを反応させることによって生成される。希釈ガスは、ハロゲン化合物を部品と接触させて、部品の表面に所望の堆積物を形成するべく、混合ガスを希釈して混入させる。一般に使用される希釈ガスはアルゴンである。先に引用した仏国特許出願公開第１４３３４９７号明細書には水素も言及されているが、危険であるため、実際に使用することは非常に難しい。
【０００５】
蒸着による従来のアルミニウム処理方法によれば、確かに十分な保護コーティングを部品の外面上に形成することができるが、そのような保護コーティングを孔およびキャビティの内壁上に形成することはできない。残念ながら、冷却エアを流しているにもかかわらず、これらの内壁の温度は、少なくとも局所的に粒界酸化を生じさせ得る値にまで達する可能性がある。出願人は、この酸化によって部品を形成する材料が剥離し、その後、エアの流れによって内壁から削られた削り片が通気口を部分的に塞いでしまう可能性があることに気付いた。その結果、通気口から流出するエアによって、外壁上に形成された保護膜に凹凸が生じ、局所的に部品を損傷させるホットポイントが現われる。
【０００６】
また、アルミニウム処理による堆積物は、孔の外側開口部の周囲に堆積する傾向がある。その結果、ヘッドロスが生じ、また、エアに停滞領域が生じることにより、冷却エアの流れに相当な影響を及ぼし得る狭窄部分が生じる。孔を再び穿孔することも考えられるが、非常に正確に穿孔する必要があり、また、開口部の近傍の保護コーティングを損傷させないようにしなければならないため、再穿孔することは難しい。いずれにしても、コストがかかる別個の作業を行なう必要がある。
【０００７】
また、出願人は、非常に厚い余分な堆積物が特にブレードの基部のエア流入口の周囲で形成されることを認め、これにより、コーティングがひび割れるだけでなく、その下に位置するブレードを構成する金属材料もひび割れるという無視できない危険を伴うことに気付いた。
【０００８】
ブレード材料とは異なり、コーティングには、ブレードが受ける熱サイクルによってひび割れが生じる。コーティングが厚いと、コーティングを横切って生じるひび割れは、その下に位置する材料へと波及する傾向にある（コーティングが薄いと、このようなことが起こらない）。
【０００９】
残念ながら、ブレードの基部近傍におけるブレード材料のクラックにより、ブレードが破壊される虞があり、したがって、非常に危険な結果を招く可能性がある。
【００１０】
【特許文献１】
仏国特許出願公開第１４３３４９７号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、外側と連通する孔および／またはキャビティを有するターボ機関の金属部品の内壁および外壁の両方をアルミニウム処理することによって保護体を生成する方法を提案することである。この方法は、前述した問題を回避するのに役立つ。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的は、アルミニウム化合物を含む堆積物を形成する少なくとも１つのガス状前駆物質を、キャリアガスによって、封入体内に配置された前記部品の表面と接触させる方法であって、本発明によればキャリアガスがヘリウムおよびアルミニウムから選択され、大気圧下で、キャリアガス分子の平均自由行程の長さがアルゴン分子のそれの少なくとも２倍となるように、封入体内の圧力が選択される方法によって達成される。
【００１３】
キャリアガス分子の平均自由行程を長くすると、部品の孔および／またはキャビティ内への侵入が容易になり、前駆ガス分子を部品の内面と深くまで接触させることができる。従って、内面に保護コーティングを形成することができ、しかも、開口部の周囲に余分な厚さの堆積物が形成されることを抑制する。
【００１４】
本発明の実施形態においては、キャリアガスとしてヘリウムが使用され、方法を大気圧下または大気圧よりも低い圧力下で実施することができる。
【００１５】
本発明の他の実施形態においては、キャリアガスとしてアルゴンが使用され、５０キロパスカル（ＫＰａ）以下の圧力、好ましくは２５ＫＰａ以下の圧力で方法が有利に実施される。
【００１６】
部品は、少なくとも外側開口部の近傍の部位において外側に向かって直径が増大する孔を有するように形成することが有利である。フレアー（ラッパ型に広がる）形状の孔は、外側開口部から離れるにしたがって先細るコーティングの厚さを補正し、アルミニウム処理後に実質的に一定の望ましい直径を有する孔を得るのに役立つ。
【００１７】
添付図面を参照しながら、非制限的な表示をもって与えられた以下の説明を読むことにより、本発明をより良く理解できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、冷却エアを流すことができる内孔およびキャビティを有するガスタービンブレードの保護コーティングを形成する方法に適用される本発明の実施形態を説明する。以下の説明から直ちに分かるように、前記方法は、外部と連通する孔および／またはキャビティを有するあらゆる金属ターボ機関部品での使用に適している。
【００１９】
図１および図２には、ガスタービンブレード１０が概略的に示されている。
【００２０】
従来の方法で、ブレード１０は、ニッケル系またはコバルト系の超合金によって形成されており、ブレードの全高にわたって延び且つ冷却エアを流すことができる内側キャビティ１２、１４、１５、１６を有している。
【００２１】
前縁近傍に位置するキャビティ１２は、ブレードの基部１１を貫通して形成される通路から供給される。キャビティ１２内に充満するエアは、ブレードの前縁を貫通する孔１３を介して流出し、エアの保護膜を前縁の外側に形成する。
【００２２】
ブレードの基部に形成された通路からキャビティ１４内に入ったエアは、キャビティ１４、１５、１６に沿って連続的に流れる。このエアは、後縁の近傍にあるブレードの凹状の面すなわち「下側」面で開口し且つキャブティ１６内にも開口する通気口１７から流出する。また、キャビティ１５および／またはキャビティ１４にも開口して下側面を貫通する別個の通気口を形成しても良い。
【００２３】
図１に参照符号１８で示された孔は、ブレードの先端１９を内側キャビティに連通させる。孔１８は、ブレードの成形中に内側キャビティを塞ぐために使用されるコアの支持場所に対応している。
【００２４】
図１および図２には、冷却エアが辿る通路が破線および矢印で示されている。
【００２５】
例えば図３に示される蒸気アルミニウム処理装置を使用する本発明の方法により、高温酸化から保護するコーティングが、ブレード１０の外面上および内面上に形成される。
【００２６】
この装置は、カバー２２によって非気密状態で閉じられ且つポット２４の内側で支持された容器２０を備えている。ポット２４は、カバー２６によって気密状態で閉じられており、オーブン２８の内側に配置されている。
【００２７】
パイプ３０は、容器２０によって画定された封入体２１にキャリアガス（希釈ガス）を供給する。同一のガスがパイプ３２を介して容器２０の外側のポット２４内に注入される。この一掃ガスは、カバー２６を貫通するパイプ３６を介して回収される。
【００２８】
容器２０の内側には、例えば顆粒状もしくは粉末状の形態を成すドナー３４が配置されている。ドナーは、一般に、アルミニウムと、アルミニウム処理されるブレードを構成する１または複数の金属との合金によって構成される。また、ドナーを用いてハロゲン化合物を形成することができる粉末状の活性体が封入体内に置かれている。一般に使用される活性体は、フッ化アンモニウムＮＨ４Ｆとフッ化アルミニウムＡｌＦ３である。
【００２９】
アルミニウム処理されるブレードは、従来の方法で器具（図示せず）により支持され或は器具（図示せず）から吊り下げられて、封入体２１の内側に配置される。
【００３０】
オーブンの内側の温度が、ドナーと活性体との反応によってガス状のハロゲン化合物を形成するのに適したほぼ９５０℃から１２００℃の範囲になるように、オーブンの温度が調整される。分解したハロゲン化合物がブレードの表面と接触することにより、アルミニウムが堆積される。キャリアガスの機能は、ハロゲン化合物の分子を運びやすくすることである。
【００３１】
本発明の第１の実施形態において、使用されるキャリアガスはヘリウムである。
【００３２】
一般に使用されるガスであるアルゴンと比べると、ヘリウム分子は、所定の圧力で、その平均自由行程が相当に長い。平均自由行程の長さＬは、一般に、１／Ｐ．Ｄ２に比例するものとして規定される。ここで、Ｐは圧力であり、Ｄは分子の直径である。ヘリウム分子の平均自由行程とアルゴン分子の平均自由行程との比率ＬＨｅ／ＬＡｒは、大気圧で、約３となる。
【００３３】
キャリアガス分子の平均自由行程を長くすると、ブレードの孔およびキャビティ内でハロゲン化合物が容易に拡散し、孔およびキャビティの開口部の外側から少なくとも特定の距離にわたって、ブレードの内面にアルミニウム処理を施すことができる。これにより、内側を高温酸化から保護することができる。
【００３４】
これについては、図４および図５に非常に概略的に示されている。
【００３５】
図４は、ブレードの通気口４０の開口部近傍の従来のアルゴン・アルミニウム処理の結果を示している。アルミニウム処理によって形成された堆積物４２が、外面に制限され、孔４０の内壁に沿って延びておらず、したがって、ブレードの内側キャビティにわたって殆ど延びていないことが分かる。また、堆積物４２が孔４０の外側開口部４０ａを少し塞ぎ、それによって、エアの流れを乱す。
【００３６】
図５は、平均自由行程が長い分子を有するキャリアガスを使用した結果を示している。図から分かるように、アルミニウム処理によって形成された堆積物５２は、ブレードの外面にわたって延びるだけでなく、通気口４０の内面にわたっても延び、そこから更に、ブレードの内側のキャビティ表面にわたって延びることができる。
【００３７】
図５に誇張して示されるように、内側の堆積物５２ａの厚さは、孔４０の外側開口部４０ａから離れるにしたがって減少する。すなわち、図４に示されるような狭窄部分が生じなくても、その排気口の断面積は減少する。
【００３８】
変形例として、アルミニウム処理後の孔におけるこの断面積減少を回避するために、図６の孔４０’のように、外側に向かって次第に通気口の断面積が増大するようにブレードを形成しても良い。このように断面積を変化させる手法は、外側の開口部４０’ａから離れるにしたがって減少する内側の堆積物５２’ａの厚さを補正し、アルミニウム処理後に、所望寸法の実質的に一定の直径を有する通気口が得られるように成される。その後、孔に機械加工を施して仕上げる必要は全くない。
【００３９】
本発明の第２の実施形態において、使用されるキャリアガスはアルゴンである。アルミニウム処理は、低圧下で行なわれる。これにより、同様に、キャリアガスの分子の平均自由行程長さが長くなる。
【００４０】
すなわち、図３に示される装置の封入体２１内にブレードをロードするとともに、ポット２４を気密に閉じた後、ポット２４および容器２０の内側の大気をアルゴンによってパージし、その圧力をパイプ２８を介して排気により減少させ、ポット２４内および容器２０内の圧力を比較的低い値、例えば５ＫＰａよりも低い圧力まで低下させる。
【００４１】
その後、パイプ３０からアルゴンを連続的に流すことにより、ポット２４内および容器２０内の圧力を大気圧よりも低い値に維持する。この圧力の値は、最大５０ＫＰａであるように、好ましくは最大２５ＫＰａであるように選択しなければならず、またこの時、低圧でのアルゴン分子の平均自由行程と、大気圧でのアルゴン分子の平均自由行程との比率ＬＡｒ  ｌｏｗ／ＬＡｒ  ａｔｍは、２以上、好ましくは４以上となるように選択しなければならない。
【００４２】
（試験）
図３に示されるタイプの装置を使用して、図１および図２に示されるタービンブレードと同様のタービンブレードをアルミニウム処理した。ドナーは、アルミニウムの含有率が３０％から３５％であるクロム−アルミニウム合金であり、活性体はＡｌＦ３である。
【００４３】
封入体内の温度を約１１５０℃にした状態で、約３時間、プロセスを実行した。
【００４４】
３つの試験Ａ、Ｂ、Ｃを行なった。試験Ａでは大気圧下でアルゴンが使用され（蒸着による従来のアルミニウム処理）、試験Ｂでは大気圧下でヘリウムが使用され、試験Ｃでは約１３ＫＰａの低圧でアルゴンが使用された。
【００４５】
以下の表には、ブレードの外面およびキャビティの内面それぞれの基部の近傍、中間、先端の近傍で測定されたコーティングの厚さ（マイクロメートル（μｍ））が示されている。
【表１】
0004066418.tif 000002
【００４６】
３つの全てのケースで、実質的に均一な外側コーティングが得られるが、本発明にしたがって行なわれた方法だけが、内面をコーティングすることができた。
【００４７】
低圧でアルゴンを使用する方法においては、孔の内面およびキャビティを完全にアルミニウム処理することができる。その詳細な試験によれば、３０μｍの最小厚さで内側が完全にコーティングされた。
【００４８】
これに対し、ヘリウムを使用する方法では、ブレードのコアに至るまで内面をコーティングすることができなかった。
【００４９】
試験Ｃ（低圧でアルゴンを使用）においては、比率ＬＡｒ  ｌｏｗ／ＬＡｒ  ａｔｍが約７．８であったが、試験Ｂ（大気圧でヘリウムを使用）においては、比率ＬＨｅ／ＬＡｒ  ａｔｍが約３であったことが分かる。
【００５０】
また、低圧下で、ヘリウムから成るキャリアガスを用いたアルミニウム処理のプロセスを行なって、３よりも大きい比率ＬＡｒ  ｌｏｗ／ＬＡｒ  ａｔｍを得ることにより、ブレードの内面の完全なアルミニウム処理を達成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】内側冷却回路を有するターボンブレードの概略正面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線の概略断面図である。
【図３】本発明に係る方法を実行可能とする装置の非常に概略的な図である。
【図４】従来の方法を使用して、図１および図２に示されるブレード等のブレードにおける通気口の開口部の近傍でアルミニウム処理を行なうことによって形成されるコーティングを示す非常に概略的な図である。
【図５】本発明の第１の方法を使用して、図１および図２に示されるブレード等のブレードにおける通気口の開口部の近傍でアルミニウム処理を行なうことによって形成されるコーティングを示す非常に概略的な図である。
【図６】本発明の変形例に係る方法を使用して、図１および図２に示されるブレード等のブレードにおける通気口の開口部の近傍でアルミニウム処理を行なうことによって形成されるコーティングを示す非常に概略的な図である。
【符号の説明】
１０  ガスタービンブレード
１１  基部
１２、１４、１５、１６  内側キャビティ
１３、１８、４０’  孔
１７、４０  通気口
１９  先端
２０  容器
２１  封入体
２２、２６  カバー
２４  ポット
２８  オーブン
３０、３２、３６  パイプ
３４  ドナー
４０ａ、４０’ａ  外側開口部
４２、５２、５２ａ、５２’ａ  堆積物
【図１】
0004066418.tif 000003
【図２】
0004066418.tif 000004
【図３】
0004066418.tif 000005
【図４】
0004066418.tif 000006
【図５】
0004066418.tif 000007
【図６】
0004066418.tif 000008