(57)【要約】  特有な改善されたクロマイジング・プロセスが開示される。プロセスは、基材の選択された領域に局所的なクロマイジング・コーティングを形成することを含む。クロム拡散コーティングは、従来型のクロマイジング・プロセスと比べて制御された形で、さらに材料の無駄を減らし、マスキングを必要としない形で、基材の選択された領域に局所的に適用される。基材の他の領域に、第２のコーティングを選択的に適用することができる。
2017504727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の選択された領域にクロム拡散コーティングを生成するための方法であって、
クロム含有スラリーを提供するステップと、
前記クロム含有スラリーを前記基材の局所的な表面に適用するステップと、
前記スラリーを硬化させるステップと、
前記スラリーを保護雰囲気中で所定の継続時間にわたって所定の温度まで加熱するステップと、
クロム含有蒸気を発生させるステップと、
前記コーティングを形成するように前記クロムを前記局所的な表面中に拡散させるステップであって、前記コーティングが、従来型のクロマイジング・プロセスと比べて、窒化物及び酸化物介在物の著しい低減と、α−Ｃｒ相のレベルの低下とによって特徴付けられる微細構造を有している、ステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記基材に第２のコーティングを局所的に適用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２のコーティングがアルミナイド・コーティングを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のコーティングがＭＣｒＡｌＹコーティングを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記スラリーを適用するステップが、ブラッシング、スプレイ、浸漬、浸漬スピニング、インジェクション又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記局所的な表面が腐食作用に曝されるようになっている、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
基材の選択された領域に、局所的なクロム拡散コーティング及び局所的なアルミナイド拡散コーティングを同時に生成するためのワンステップ方法であって、
クロム含有スラリーを提供するステップと、
前記クロム含有スラリーを前記基材の第１の領域に適用するステップであって、マスキングがないことによって特徴付けられるステップと、
アルミナイド含有材料を提供するステップと、
前記クロム含有スラリー及び前記アルミナイド含有材料を保護雰囲気中で所定の継続時間にわたって所定の温度まで加熱するステップと、
前記第１の領域中にクロムを拡散させるステップと、
マスキングがない第２の領域中にアルミニウムを拡散させるステップと、
前記局所的なクロム拡散コーティングを前記第１の領域に沿って形成するステップであって、前記クロム拡散コーティングが、従来型のクロマイジング・プロセスと比べて、窒化物及び酸化物介在物の著しい低減と、α−Ｃｒ相のレベルの低下とによって特徴付けられる微細構造を有している、ステップと、
局所的なアルミナイド拡散コーティングを前記第２の領域に沿って形成するステップと
を含むワンステップ方法。
【請求項８】
前記第１の領域が腐食作用に曝されるようになっている、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の領域が酸化作用に曝されるようになっている、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記クロムのスラリーを適用するステップが、ブラッシング、スプレイ、浸漬、浸漬スピニング若しくはインジェクション、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記クロム拡散コーティング及び前記アルミナイド拡散コーティングが、拡散処理の間に同時に形成される、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記基材がガス・タービン・ブレードであり、前記第１の領域がシャンクを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の領域がエーロフォイルを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ブレードの選択された領域に、局所的なクロム拡散コーティング及び局所的なアルミナイド拡散コーティングを同時に生成するためのワンステップ方法であって、
クロム含有スラリーを提供するステップと、
前記クロム含有スラリーを前記ブレードのシャンクに適用するステップであって、マスキングがないことによって特徴付けられるステップと、
レトルト内にアルミナイド含有材料を提供するステップと、
前記部分的に被覆されたブレードを前記レトルトに入れるステップと、
前記部分的に被覆されたブレードを加熱するステップと、
アルミニウム含有蒸気及びクロム含有蒸気を発生させるステップと、
前記クロム含有蒸気からクロムを前記ブレードの前記シャンクの外部領域中に拡散させるステップと、
前記アルミニウム含有蒸気からアルミニウムを前記ブレードのエーロフォイル中に拡散させるステップと、
前記局所的なクロム拡散コーティングを前記シャンクに沿って形成するステップであって、前記クロム拡散コーティングが、従来型のクロマイジング・プロセスと比べて、窒化物及び酸化物の介在物の著しい低減と、α−Ｃｒ相のレベルの低下とによって特徴付けられる微細構造を有している、ステップと、
前記局所的なアルミナイド拡散コーティングを前記エーロフォイルに沿って形成するステップと
を含むワンステップ方法。
【請求項１５】
前記クロム含有スラリーが、前記シャンクに局所的に適用される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記局所的な拡散コーティングが、マスキングなしに形成される、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に構成要素の選択領域にクロム拡散コーティングを適用（ａｐｐｌｙ）するための新規な改善された方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・タービン・エンジンは、複数の構成要素からなる。動作中、ガス・タービン・エンジンの構成要素は通常、タービンの構成要素を損傷する可能性がある過酷な環境に曝される。環境による損傷は様々なモードで起こる可能性があり、熱、酸化、腐食、高温腐食、侵食、摩損、疲労又は複数の劣化モードの組み合わせの結果としての損傷を含む。
【０００３】
今日のタービン・エンジンは、環境条件、及びその結果としてタービンの様々な構成要素の異なる領域での環境による損傷のタイプが、相互に著しく異なる可能性がある形で設計され作動される。結果として、個々のタービン・エンジンの構成要素が、構成要素の基礎をなす母材を保護する複数のコーティング系を必要とすることがしばしばである。
【０００４】
実例として、図１は、典型的なタービン・ブレードの様々な部分を示している。タービン・ブレードは、プラットフォーム、プラットフォームから上方へ延びるエーロフォイル、プラットフォームから下方へ延びるシャンク、シャンクから下方へ延びる翼根部、並びに翼根部、シャンク及びエーロフォイルの内側に配置された内部冷却通路を含む複数の部分を有する。プラットフォームは、エーロフォイルに隣接する上面及びシャンクに隣接する下面を有する。
【０００５】
稼働中、エーロフォイル及びプラットフォームは、タービン・ブレードの最も高温の領域で動作し、したがって酸化劣化を受ける。その結果、エーロフォイル領域及び上部のプラットフォームの表面の母材の保護には、一般的に拡散アルミナイド・コーティング及び／又はＭＣｒＡｌＹオーバーレイ・コーティングなどの耐酸化性コーティングが必要である。こうした耐酸化性コーティングは、成長の遅い（ｓｌｏｗｉｎｇ−ｇｒｏｗｉｎｇ）付着性のアルミナのスケールを形成することができる。スケールは、金属性基材と環境の間にバリアを提供する。金属の温度をさらに低下させ、構成要素の耐用年数を増やすために、耐酸化性コーティングの上にトップ・コートとして、サーマル・バリア・コーティングを任意選択で適用することができる。
【０００６】
エーロフォイル及びプラットフォームと異なり、プラットフォームより下の領域、シャンク、翼根部及び内部冷却通路を含むタービン・ブレードの他の領域は、稼働中、比較的低い温度に曝され、腐食性粒子が蓄積する。これらの領域はこれまで、環境による損傷が生じにくい温度及び条件に曝されてきたため、一般的に保護コーティングは不要であった。しかしながら、今日のタービン・ブレードは、ますます高まる動作温度に曝され続けるため、表面に蓄積した粒子が融解を開始し、タイプＩＩの高温腐食作用を引き起こし、それがタービン・ブレードの早期故障をまねく恐れがある。タイプＩＩの高温腐食条件には、一般的に保護のために、拡散アルミナイド・コーティングではなくクロム拡散コーティングが必要である。
【０００７】
ベーンは、一般的にブレードと同様の材料から製造されるため、ブレードと同様の作用を受け、また冷却チャネルを有することもある。
【０００８】
理解されるように、タービン・ブレードの異なる領域は、異なるタイプの損傷を受けやすい。したがって、適切な保護には、タービン・ブレードの様々な構成要素に異なる保護コーティング系を選択的に適用することが必要である。特にタービン・ブレードの高温腐食作用を受けやすい領域のみに、クロマイジング・コーティングを局所的に適用することが必要とされる。
【０００９】
しかしながら、従来型のコーティング・プロセスは、クロマイジング・コーティングを構成要素の選択された領域のみに上手く適用するには制約がある。例えば、パック式クロマイジング及び気相式クロマイジングなどの従来型のクロマイジング・プロセスは、カスタマイズされたマスキング装置又は被覆後の処理を利用しなければ、タービンの構成要素の選択領域にクロム拡散コーティングを形成することができない。
【００１０】
パック式クロマイジング・プロセスは、（ａ）金属クロム源、（ｂ）気化可能なハライド系活性剤、及び（ｃ）酸化アルミニウムなどの不活性な充填剤材料を含む、粉末混合物を必要とする。被覆される部分は、まずパック材料で完全に包まれ、次いで、密閉されたチャンバ又はレトルトに封入される。次いでレトルトは、保護雰囲気中で、約２〜１０時間にわたって約７６０〜１１４９℃（１４００〜２１００°Ｆ）の間の温度まで加熱され、Ｃｒを表面中に拡散させる。しかしながら、所望される場所でクロマイド・コーティングの堆積を妨げるためには、複雑でカスタマイズされたマスキング装置が必要とされる。さらに、パック式クロマイジング・プロセスは、クロム源と金属性基材との間の接触関係を必要とする。パック式クロマイジングは、一般的にタービン・ブレードの内部冷却通路の表面など、接近できない領域又は到達が難しい領域を被覆するのに効果的ではない。さらに、望ましくない残留コーティングが形成される可能性がある。こうした残留コーティングは、冷却用の空気孔及び内部通路から除去することが難しく、空気流の制限が生じる可能性がある。したがって、パック式クロマイジングは、内部冷却通路の表面を選択的に被覆するのに効果的ではない。
【００１１】
気相式クロマイジング・プロセスにも問題がある。気相式クロマイジング・プロセスでは、被覆される部分を、クロム源及びハライド系活性剤と非接触の関係でレトルトに入れる必要がある。気相式プロセスは、内部冷却通路の表面を効果的に被覆することができるが、好ましくないことに全表面が被覆される。結果として、タービン・ブレードを、クロマイジング・コーティングが不要である領域に沿ってマスクする必要がある。しかしながら、マスキングは難しく、ブレードのマスクすることが意図された領域が完全に隠れないことがしばしばである。その結果、クロマイジング・コーティングが不要である所で過剰なクロマイジング・コーティングを除去するために、切削、グリット・ブラスチング又は化学処理などの特殊な被覆後の処理が必要になる。そうした被覆後の処理は、一般的に非選択的であり、望ましくない基材材料の欠損をまねく。材料の欠損は、タービンの構成要素の限界寸法を変え、尚早に構造寸法に至る可能性がある。さらに、基材又は除去されないクロマイジング・コーティングの損傷を防止するために、被覆後の処理の間、通常は特別な配慮が必要である。
【００１２】
プラットフォームより下の領域、シャンク、翼根部及び内部冷却通路など、タービンの構成要素のうちのある特定の構成要素の幾何学的形状がより複雑になると、パック式又は気相式のクロマイジング・プロセスの利用に関する問題が悪化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／９２７，１８０号
【特許文献２】米国特許第６１１０２６２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
既存のクロマイジング・プロセスの欠点に鑑み、制御され正確な形で構成要素の選択領域にクロマイジング・コーティングを生成し、それによってコーティングが不要な領域に対するマスキングの要件を最小限に抑え、材料の無駄及び原材料の消費を減らし、作業場における有害物質への暴露を最小限に抑えることができる、最新式のクロマイジング・プロセスが求められている。本発明の他の利点及び用途が、当業者には明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の観点では、基材の選択された領域にクロム拡散コーティングを生成するための方法が提供される。クロムを含有するスラリーが提供される。スラリーは、基材の局所的な表面に適用される。スラリーは硬化される。スラリーは、保護雰囲気中で、所定の継続時間にわたり所定の温度まで加熱される。クロムを含有する蒸気が発生される。クロムは、前記局所的な表面中に拡散され、コーティングを形成する。このコーティングは、従来型のクロマイジング・プロセスと比べて、窒化物及び酸化物の介在物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）の著しい低減、並びにα−Ｃｒ相レベルの低下によって特徴付けられる微細構造を有している。
【００１６】
本発明の第２の観点では、基材の選択された領域に、局所的なクロム拡散コーティング及び局所的なアルミナイド拡散コーティングを生成するための１段階の（ワンステップ）方法が提供される。クロムを含有するスラリーが提供される。クロムを含有するスラリーは、基材の第１の領域に適用され、これはマスキングがないことによって特徴付けられる。アルミナイドを含有する材料が提供される。クロムを含有するスラリー及びアルミナイドを含有する材料は、保護雰囲気中で、所定の継続時間にわたり所定の温度まで加熱される。クロムは、第１の領域中に拡散される。マスキングがなしに、アルミニウムは、第２の領域中に拡散される。局所的なクロム拡散コーティングが、第１の領域に沿って形成される。クロム拡散コーティングは、従来型のクロマイジング・プロセスと比べて、窒化物及び酸化物の介在物の著しい低減、並びにα−Ｃｒ相レベルの低下によって特徴付けられる微細構造を有している。局所的なアルミナイド拡散コーティングが、第２の領域に沿って形成される。
【００１７】
第３の観点では、ブレードの選択された領域に、局所的なクロム拡散コーティング及び局所的なアルミナイド拡散コーティングを生成するための１段階の方法が提供される。クロムを含有するスラリーが提供される。クロムを含有するスラリーは、ブレードのシャンクに適用され、これはマスキングがないことによって特徴付けられる。アルミナイドを含有する材料が、レトルト内に提供される。部分的に被覆されたブレードが、レトルトに入れられる。部分的に被覆されたブレードが加熱される。アルミニウムを含有する蒸気及びクロムを含有する蒸気が発生される。クロムを含有する蒸気からブレードのシャンクの外面中にクロムが拡散される。アルミニウムを含有する蒸気からブレードのエーロフォイル中にアルミニウムが拡散される。局所的なクロム拡散コーティングが、シャンクに沿って形成される。クロム拡散コーティングは、従来型のクロマイジング・プロセスと比べて、窒化物及び酸化物の介在物の著しい低減、並びにα−Ｃｒ相レベルの低下によって特徴付けられる微細構造を有している。局所的なアルミナイド拡散コーティングが、エーロフォイルに沿って形成される。
【００１８】
本発明は、以下の観点の任意のものを様々な組み合わせで含むこと、また本明細書において以下に記載される本発明の任意の他の観点を含むことも可能である。
【００１９】
本発明の目的及び利点は、添付図面とともに、その好ましい実施例に関する以下の詳細な説明からより適切に理解されるであろう。図中、全体を通して同様の数字は同じ構成（ｆｅａｔｕｒｅ）を指す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来型のタービン・ブレードを示す図である。
【図２】基材の選択領域に局所的なアルミナイド・コーティング及び局所的なクロマイジング・コーティングを選択的に適用することに関する概略図である。
【図３】タービン・ブレードの選択された領域の表面にクロム拡散コーティングを形成すると同時に、タービン・ブレードの他の領域の表面にアルミナイド・コーティングを形成する手法に関する、本発明の原理に基づくブロック流れ図である。
【図４】最初にタービンの構成要素の選択された領域の表面にクロム拡散コーティングを形成し、その後、構成要素の他の領域の表面にアルミナイド・コーティングを形成する２段階の手法に関する、本発明の原理に基づくブロック流れ図である。
【図５】タービンの構成要素の選択された領域の表面にクロム拡散コーティングを適用し、次いで構成要素の他の選択された領域の表面にＭＣｒＡｌＹオーバーレイ・コーティングを適用する２段階の手法に関するブロック流れ図である。
【図６ａ】エーロフォイルに局所的に適用されたアルミナイド・コーティングの断面の微細構造を示す図であって、このコーティングは、図３に示す本発明の手法を利用する実例１に記載する方法によって生成されている図である。
【図６ｂ】シャンクに局所的に適用されたクロム拡散コーティングの断面の微細構造を示す図であって、このコーティングは、図３に示す本発明の手法を利用する実例１に記載する方法によって生成されている図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の目的及び利点は、関連するその好ましい実施例に関する以下の詳細な説明からより適切に理解されるであろう。本開示は、構成要素の選択領域にクロム拡散コーティングを適用するための新規な改善された方法に関する。本開示は本明細書において、様々な実施例として、また本発明の様々な観点及び構成を参照しながら記述される。
【００２２】
本発明の様々な要素の関係及び機能性は、以下の詳細な説明によってより適切に理解される。詳細な説明は、特徴、構成及び実施例を、本開示の範囲内である様々な変更及び組み合わせとして企図している。したがって、本開示は、こうした特定の構成、観点及び実施例のそうした組み合わせ及び変更の任意のもの、又はそれらのうちの選択された１つ若しくは複数を有する、それからなる、或いはそれから本質的になるものとして明記することができる。
【００２３】
本発明の実施例のすべてにおいて、用語「クロマイジング用のスラリー」及び「クロマイジング・コーティング」は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１４年１月１４日に同時に出願された米国仮特許出願第６１／９２７，１８０号（１３６０３−ＵＳ−Ｐ１）にさらに詳しく記載されるクロムを含有する組成物を指す。その中でさらに詳しく記載されるように、そうしたクロマイジング用のスラリー組成物から生成されたクロマイジング・コーティングは特有であり、従来型のクロマイジング・プロセスによって生成されたクロマイジング・コーティングと比べて、より少ないα−Ｃｒ相とともに、著しく低減された窒化物及び酸化物の介在物のレベルによって特徴付けられる。結果として、コーティングは、従来型のパック式、蒸気式又はスラリー式のプロセスによって生成されたクロマイジング・コーティングと比べて、腐食、侵食及び疲労に対して優れた耐性を有する。
【００２４】
改善された配合物は、少なくとも部分的に、スラリー配合物内における特定のハライド系活性剤と緩衝剤材料の選択された組み合わせに基づく。スラリー組成物は、クロム源、特定の種類のハライド系活性剤、特定の緩衝剤材料、結合剤材料及び溶媒を有する。スラリー組成物は、スラリーの約１０％〜約９０％の範囲内のクロム源；クロム源の約０．５％〜約５０％の範囲内のハライド系活性剤、クロム源の約０．５％〜約１００％の範囲の緩衝剤材料；スラリーの約５％〜約５０％の範囲内の結合剤溶液（結合剤溶液は、結合剤及び溶媒を含む）を有する。スラリーの重量の約０％〜約５０％の範囲である、任意選択の不活性な充填剤材料を提供することができる。好ましい実施例では、クロム源は約３０％〜約７０％の範囲内であり；ハライド系活性剤は、クロム源の約２％〜約３０％の範囲内であり、緩衝剤材料は、クロム源の約３％〜約５０％の範囲内であり；結合剤溶液は、スラリーの重量の約１５％〜約４０％の範囲内であり；任意選択の不活性な充填剤材料は、スラリーの約５％〜約３０％の範囲内である。
【００２５】
一般的に言えば、クロムのスラリーは、クロム源、特定のハライド系活性剤及び結合剤溶液を有する。クロムのスラリーは、スラリー中のクロムの化学的活性を低下させ、コーティング・プロセス中に残存する窒素及び酸素を除くことができる特定の金属粉末又は粉末混合物をさらに有する。クロマイジング用のスラリー及びクロマイジング・コーティング組成物のさらなる詳細は、２０１４年１月１４日に同時に出願された米国仮特許出願第６１／９２７，１８０号（１３６０３−ＵＳ−Ｐ１）に記載されている。
【００２６】
本発明の原理に従って、本発明のクロム拡散コーティングは、従来型のクロマイジング・プロセスと比べて制御された形で、さらに材料の無駄を減らし、マスキングを必要としない形で、金属性基材の選択された領域に局所的に適用される。特に指示のない限り、すべての組成は重量パーセント（ｗｔ％）として表されていることを理解されたい。
【００２７】
スラリーのクロマイジング・プロセスは、化学気相成長プロセスであると考えられる。高温まで加熱すると、スラリー混合物中のクロム源とハライド系活性剤が反応して、揮発性のクロム・ハロゲン化物の蒸気を形成する。スラリーから、被覆される合金の表面へのクロム・ハロゲン化物の蒸気の移送は、主にスラリーと合金の表面との間の化学ポテンシャルの勾配の影響を受けた気体拡散によって行われる。合金の表面に達すると、これらのクロム・ハロゲン化物の蒸気は表面で反応し、クロムを堆積させ、そのクロムが合金中に拡散してコーティングを形成する。
【００２８】
本発明の一実施例は、クロムのスラリー組成物の（図１に示す）ガス・タービン・ブレードへの局所的な適用を利用する。適切な方法は、ブラッシング（ｂｒｕｓｈｉｎｇ）、スプレイ、浸漬、浸漬スピニング（ｄｉｐ−ｓｐｉｎｎｉｎｇ）又はインジェクションを含む。適用の具体的な方法は、少なくとも部分的に、スラリー組成物の粘性及び構成要素の幾何学的形状に依存する。クロマイジング用のスラリー組成物は、シャンク、翼根部、下方のプラットフォーム及び内部冷却通路の表面など、ブレードのタイプＩＩの腐食作用を受けやすい領域の任意の１つ又は複数に適用される。多くのパック式プロセスに典型的であり且つ利用されることが知られている複雑でカスタマイズされたツーリング（ｔｏｏｌｉｎｇ）及びマスキングは不要であり、それによって、クロマイジング・プロセス全体が簡易化される。一般的には、約０．０５〜０．２５ｃｍ（０．０２〜０．１インチ）のクロマイジング用のスラリーを適用することによって、過剰量のスラリー組成物を使用せずに適切なカバー（ｃｏｖｅｒａｇｅ）が保証され、それによって、原材料の使用が最小限に抑えられる。クロマイジング用のスラリーが適用されると、スラリーは、クロムが構成要素の局所的な領域中に拡散することを可能にするように、保護雰囲気中で所定の温度及び継続時間にわたって熱サイクルを受ける。拡散処理の後、局所的な領域に沿って残存するスラリーの残留物は、ワイヤ・ブラシ、酸化物グリット・バニシング（ｏｘｉｄｅ  ｇｒｉｔ  ｂｕｒｎｉｓｈｉｎｇ）、ガラス・ビーズ、高圧水の噴射又は他の従来型の方法を含む様々な方法によって除去することができる。スラリー残留物は、通常は未反応のスラリー成分材料を有する。スラリー残留物の除去は、下にあるクロマイジング表面層の損傷を防止するような方法で実施される。結果として得られるクロマイジング・コーティングは、従来形のパック式クロマイジング・プロセスと比べて、α−クロム相のレベルが低下するとともに、酸化物及び窒化物の介在物をほとんど含まないようになる。クロム拡散コーティング中の平均のクロム含有量は、約１５〜５０ｗｔ％、より好ましくは２５〜４０ｗｔ％である。
【００２９】
パック式クロマイジングと比べると、本発明によるスラリー法は、クロマイジング・コーティングを必要とする領域のみにスラリーを局所的に適用することを可能にする。さらに、パック式クロマイジングと異なり、複雑でカスタマイズされたツーリング及びマスキングは不要である。
【００３０】
本発明の別の実施例は、構成要素の選択領域に異なるコーティングを適用することを可能にする。具体的には、アルミナイド・コーティングを、クロマイジング・コーティングとともに局所的に適用することができる。図２は、本発明の方法によって生成された結果のコーティング系を示している。クロマイジング・コーティングが、耐腐食性が必要とされる基材の下部領域に配置され、アルミナイド・コーティングが、耐酸化性が求められる上部領域に配置されている。アルミナイド拡散コーティングを生成するために、気相式、スラリー式又は化学気相成長式のアルミニウム被覆プロセスなど、任意の従来型のアルミナイド・コーティング・プロセスを使用することができる。実例として、Ｐｒａｘａｉｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ．（インディアナ州インディアナポリス）が商業的に製造販売するＳｅｒｍＡｌｃｏｔｅ（商標）２５２５などの従来型のアルミナイドのスラリーを用いて、アルミナイドのスラリーのコーティング・プロセスを利用することができる。アルミナイドのスラリーは、当技術分野において知られ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第６１１０２６２号に記載される形で適用することができる。
【００３１】
本発明の好ましい実施例において、図３は、ただ１つの段階（ステップ）で、タービン・ブレードの選択された領域の表面に局所的なクロム拡散コーティングを形成すると同時に、タービン・ブレードの他の領域の表面に局所的なアルミナイド・コーティングを形成することに関するブロック流れ図を示している。シャンク、翼根部、下方のプラットフォーム及び内部冷却通路の表面など、ブレードのタイプＩＩの腐食作用を受けやすい選択された領域に、１つ又は複数のクロムのスラリー層が適用される。ブラッシング、スプレイ、浸漬、浸漬スピニング又はインジェクションを用いて、表面の適切なカバーを保証するのに十分な厚さでクロマイジング用のスラリーを適用することができる。ブレードの所望の表面のみにクロマイジング用のスラリーを選択的に適用できることによって、マスキングが不要になる。
【００３２】
クロマイジング用のスラリーの適用後、従来型の気相式、スラリー式又は化学気相成長式のアルミナイジング・プロセスを、当技術分野で知られている適切なアルミナイド源の材料を用いて利用することができる。拡散処理は、保護雰囲気中、約１０００〜１１５０℃の範囲の高温の下で、最大２４時間、より好ましくは約２〜１６時間にわたって行うことができる。高温まで加熱した後、アルミナイド源の材料からアルミニウム・ハロゲン化物の蒸気が発生し、合金の表面へ移動し、クロマイジング用のスラリーが適用されていない所にアルミナイド・コーティングを形成する。こうしたアルミニウム・ハロゲン化物の蒸気は、クロマイジング用のスラリーの外面の領域にも到達する可能性がある。しかしながら、こうしたアルミニウム・ハロゲン化物の蒸気は、スラリー混合物中のクロム源と反応し、クロム・ハロゲン化物の蒸気が形成され、それにより、スラリーの厚みを通して合金の表面に向かいアルミニウム・ハロゲン化物の蒸気の分圧がかなり低下する。一方、クロマイジング用のスラリーの中では、スラリー混合物中のクロム源とハライド系活性剤の化学反応によって、クロム・ハロゲン化物の蒸気が部分的に発生した。結果として、アルミニウム・ハロゲン化物の蒸気とは対照的に、クロム・ハロゲン化物の蒸気は支配的になり、クロマイジング用のスラリーが適用された局所的な領域を優先的に占める傾向になる。そうした領域におけるクロム・ハロゲン化物の蒸気の存在によって、アルミナイド・コーティングより熱力学的に好ましいクロマイド・コーティングの形成が可能になる。その結果、局所的なアルミナイド拡散コーティングが、クロマイジング用のスラリーの適用されていなかった表面に沿って制御された形で局所的に生成されると同時に、局所的なクロム拡散コーティングが、他の領域に沿って生成される。
【００３３】
好ましい実施例では、クロムのスラリーが提供され、タービン・ブレードのタイプＩＩの腐食を受けやすい領域（すなわち、シャンク）に適用される。マスキングのための特別なツーリングは不要である。次いで、部分的にスラリーで被覆されたブレードが、気相式アルミナイジング用のレトルトに入れられ、保護雰囲気中で加熱されて、気相式のアルミニウム被覆プロセスが行われる。熱サイクルの間に、クロム・コーティングとアルミナイジング・コーティングが同時に形成される。アルミナイジング・コーティングは、酸化を受けやすい領域（すなわち、エーロフォイル）に沿って形成され、クロマイジング・コーティングは、マスキングを伴わない、腐食を受けやすい比較的低温の領域（すなわち、シャンク）に沿って形成される。過剰な残留物は、被覆された領域から除去することができる。
【００３４】
他の変形例が企図される。例えば、クロマイジング・コーティングの形成後に、アルミナイド・コーティングを別に適用することができる。アルミナイジング・プロセスの前に、本発明の局所的なスラリーのクロマイジング・プロセスによってあらかじめ生成されたクロマイジング領域に、アルミナイジング用のマスクが適用される。クロマイジング・コーティングの上にアルミナイド・コーティングが誤って堆積すると、クロマイジング・コーティングの耐腐食性を弱める可能性があるため、このマスクは、アルミナイジング・プロセスの間、クロマイジング・コーティングの上にアルミナイド・コーティングが堆積することを防ぐ。これに関して、図４は、本発明の原理に基づく２段階（ツーステップ）の手法のブロック流れ図を示している。或いは、クロマイジング・コーティングの形成前に、アルミナイド・コーティングを適用することもできる。
【００３５】
さらに、本発明に他のタイプのコーティングを利用することができる。実例として、タービン・ブレードの腐食作用を受けやすい選択された領域に対するクロムのスラリーで被覆された部分の拡散処理、及び残存するコーティングの除去の後、空気プラズマ・スプレイ、ＬＰＰＳ又はＨＶＯＦなどの任意の従来型のプロセスによって、エーロフォイルに第２のＭＣｒＡｌＹオーバーレイ・コーティングを適用することができる。ＭＣｒＡｌＹコーティングを適用する前に、本発明の局所的なスラリーのクロマイジング・プロセスによってあらかじめ生成されたクロマイジング領域に、マスクが適用される。図５は、そのコーティング・プロセスのためのそうした２段階の手法のブロック流れ図を示している。
【００３６】
「実例１」
図３に示す１段階の手法を利用して、図１に示すタービン・ブレードを、クロマイジング用のスラリー組成物とアルミナイド・コーティングで選択的に被覆した。フッ化アルミニウムの活性剤、クロム粉末、ニッケル粉末及び有機性の結合剤溶液を有するクロマイジング用のスラリー組成物を調製した。スラリーは、クロム粉末７５ｇ、−３２５メッシュ；フッ化アルミニウム２０ｇ；ｋｌｕｃｅｌ（商標）ヒドロキシプロピルセルロース４ｇ；脱イオン水５１ｇ；ニッケル粉末２５ｇ及びアルミナ粉末２５ｇを混合することによって調製した。
【００３７】
ブレードをスラリーに浸すことによって、クロマイジング用のスラリー組成物を図１に示すシャンクの選択された表面に適用した。タービン・ブレードは、重量で約７．５％Ｃｏ、７．０％Ｃｒ、６．５％Ｔａ、６．２％Ａｌ、５．０％Ｗ、３．０％Ｒｅ、１．５％Ｍｏ、００１５％Ｈｆ、０．０５％Ｃ、０．００４％Ｂ、０．０１％Ｙ、残部がニッケルの公称組成を有する単結晶ニッケル系の超合金で製造した。次いで、スラリーのコーティングを８０℃のオーブンの中で３０分間乾燥させ、その後、１３５℃で３０分間硬化させた。
【００３８】
スラリーで被覆された部分を、Ｃｒ−Ａｌの塊及びフッ化アルミニウム粉末源を含む典型的な気相式アルミナイジング用のレトルトに入れた。Ｃｒ−Ａｌの塊及びフッ化アルミニウム粉末は、コーティング用レトルトの底部に配置した。スラリーで被覆された部分を、Ｃｒ−Ａｌの塊とフッ化アルミニウムのどちらとも接触しないように配置した。レトルトを流動するアルゴンで１時間パージした後、レトルトをアルゴン雰囲気中で１０９９℃（２０１０°Ｆ）まで加熱して４時間保持し、クロム及びアルミニウムをそれぞれ、試験片のエーロフォイル中に選択的に拡散させた。完了した拡散処理の後、試験片をアルゴン雰囲気下で周囲温度まで冷却し、軽いグリット・ブラスチングの操作によって試験片の表面からスラリーの残留物を除去した。
【００３９】
コーティングの結果を図６ａ及び６ｂに示す。試験片は、図６ａに示すその上半分、すなわち高温酸化に耐えるアルミナイド・コーティングで被覆されたエーロフォイル領域、及び図６ｂに示すその下半分、すなわち低温熱腐食（ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｈｏｔ  ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）に耐えるクロムに富む層で被覆されたシャンク領域を有していた。クロム拡散コーティングは、従来型のパック式又は気相式のクロマイジング・プロセスと比べて、微量の酸化物及び窒化物の介在物を有していた。コーティングは、α−Ｃｒ相が実質的にないことが観察され、クロム拡散コーティング中の平均のクロム濃度は、２５ｗｔ％超であった。
【００４０】
本発明のクロマイジング法は、パック式、蒸気式又はスラリー式のプロセスから生成された従来型のＣｒ拡散コーティングに比べて大幅な改善を示す。示してきたように、本発明は、クロマイジング用のスラリー配合物を、他の選択された領域に沿った任意選択の第２のコーティングとともに局所的に適用するための特有の方法を提供する。本発明のスラリーは、ブラッシング、スプレイ、浸漬又はインジェクションを含む簡単な適用方法によって、基材の局所的な領域に、制御及び精度を伴って選択的に適用することが可能である点において有利である。さらに、クロマイジング及び他のコーティングの適用に関する制御及び精度は、マスキングを用いずに、ただ１つの段階で実現することができる。対照的に、従来型のパック式及び気相式のプロセスは、基材の選択された領域に沿ってクロム・コーティングを局所的に生成することができない。結果として、こうした従来型のコーティングでは、難しいマスキング技術が必要になるが、マスキング技術は通常、金属性基材に沿った被覆することが望ましくない領域を隠すのに効果的ではない。
【００４１】
スラリー配合物を局所的に適用してコーティングを形成する本発明の能力は、材料の無駄を著しく減らすというさらなる利益を有する。したがって、本発明は、スラリー材料全体を保護し、廃棄物処理を減らし、それによって、スラリーの構成成分のより高い利用度をもたらすことができる。コーティングに必要な原材料の削減によって、作業場における有害物質の暴露が最小限に抑えられる。
【００４２】
さらに、パック式及び気相式のプロセスと異なり、本発明の変更されたスラリー配合物を用いて、複雑な幾何学的形状及び入り組んだ内部を有する様々な部分に改善されたクロム・コーティングを形成することができる。パック式プロセスは、ある特定のサイズ及び簡易化された幾何学的形状を有する部分にしか適用できないため、多様性が限られる。
【００４３】
ガス・ブレードに加えて、クロマイジング・コーティングの制御された適用を必要とする任意の適切な基材を被覆するために、本発明の原理を利用することが可能であることを理解されたい。この点に関して、本発明の方法は、他の用途に利用される様々な異なる基材を保護することができる。例えば、本明細書において使用されるクロマイジング・コーティングは、本発明の原理に従って、耐酸化性に十分なクロムを含まないステンレス鋼の基材に局所的に適用することができる。クロマイジング・コーティングは、ステンレス鋼の基材に沿って保護用の酸化物スケールを形成する。さらに本発明は、従来型のプロセスと異なり、複雑な幾何学的形状を伴う内部断面を有する基材の選択された領域を局所的に被覆するのに効果的である。
【００４４】
本発明のある特定の実施例と考えられるものについて図示し記載してきたが、もちろん、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び細部の様々な修正並びに変更を容易に行うことが可能であることが理解されるであろう。したがって、本発明は、本明細書に図示され記載されるそのままの形態及び細部に限定されず、また本明細書に開示され、以下に請求される本発明の全体に満たないものにも限定されないことが意図される。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【国際調査報告】
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