(57)【要約】  燃料接触部品の少なくとも１つの表面上のコークス形成を減少させることを容易にする燃料接触部品を製造するための方法が本明細書に開示される。本方法は、部品表面にアルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程を含み、燃料接触部品は積層造形プロセスで形成される。スラリー組成物は、アルミニウムを部品表面に拡散させるために熱処理される。熱処理は、部品表面上に拡散アルミナイドコーティングを形成することを含み、拡散コーティングは、部品表面上に形成された拡散部分層および拡散部分層上に形成された付加部分層を含む。本方法は、拡散部分層および部品表面が実質的に影響を受けないように、少なくとも１つの水溶液により拡散アルミナイドコーティングの付加部分層を除去する工程を含み、拡散部分層は、部品表面上のコークス形成を防止することを容易にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料に曝される燃料接触部品（１００）の少なくとも１つの表面（１１０）上のコークス形成を減少させることを容易にする前記燃料接触部品（１００）を製造する方法であって、前記方法は、
前記少なくとも１つの表面（１１０）にアルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程であって、前記燃料接触部品（１００）は積層造形プロセスで形成される、工程と、
前記アルミニウムを前記少なくとも１つの表面（１１０）に拡散させるために、前記スラリー組成物を熱処理する工程であって、前記熱処理は、前記少なくとも１つの表面（１１０）上に、拡散部分層（３０２）および前記拡散部分層（３０２）上の付加部分層（３０４）を含む拡散アルミナイドコーティング（３００）を形成することを含む、工程と、
前記拡散部分層（３０２）および前記少なくとも１つの表面（１１０）が実質的に影響を受けないように、少なくとも１つの水溶液により前記拡散アルミナイドコーティング（３００）の前記付加部分層（３０４）を除去する工程であって、前記拡散部分層（３０２）が前記少なくとも１つの表面（１１０）上のコークス形成を防止することを容易にする、工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記適用する工程、前記拡散熱処理する工程、および前記除去する工程のうちの少なくとも１つを少なくとも１回繰り返す工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水溶液中での処理後に、前記少なくとも１つの表面（１１０）上にコーティング残渣を形成する工程と、
研磨、タンブリング、レーザアブレーション、および超音波攪拌のうちの少なくとも１つを含む技術を用いて、前記コーティング残渣を除去する工程と、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記スラリー組成物を適用する前に、摩耗または損傷した拡散アルミナイドコーティング（３００）を除去する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの表面（１１０）に前記スラリー組成物を適用する工程は、ガスタービンエンジンで使用するための燃料ノズルの表面に前記スラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの表面（１１０）に前記スラリー組成物を適用する工程は、ニッケル基またはコバルト基超合金のうちの１つから形成された少なくとも１つの表面（１１０）に前記スラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記拡散部分層（３０２）および前記少なくとも１つの表面（１１０）が影響を受けないように前記付加部分層（３０４）を除去する工程は、前記少なくとも１つの表面（１１０）の表面粗さを減少させることを容易にする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
拡散アルミナイドコーティング（３００）を形成する工程は、約１０マイクロメートル〜約１２５マイクロメートルの範囲内の厚さを有する拡散アルミナイドコーティング（３００）を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記付加部分層（３０４）を除去する工程は、フッ化ジルコン水素酸、ケイフッ化水素酸、塩酸、またはこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むグループから選択される水溶液を用いる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記拡散アルミナイドコーティング（３００）を有する前記燃料接触部品（１００）を前記水溶液の浴槽に約１０分〜約４時間の範囲の時間で浸漬する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記水溶液を約３０℃〜約８５℃の範囲の温度に維持する工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記加熱処理を約１時間〜約４時間の範囲の時間で施す工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記加熱処理を約１２００°Ｆ〜約１６００°Ｆの範囲の温度で施す工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記スラリー組成物を適用する工程は、前記少なくとも１つの表面（１１０）上に前記スラリー組成物をスプレーする工程、前記スラリー組成物の浴槽に前記燃料接触部品（１００）を浸漬する工程、および気相アルミナイジングする工程のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
アルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、約４０重量％〜約７０重量％のアルミニウムの範囲である粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、コロイダルシリカ、有機樹脂、およびこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むグループから選択される少なくとも１つの結合剤を含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、アルカンジオール、グリセロール、ペンタエリスリトール、脂肪、炭水化物、および前述の有機化合物のうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含むグループから選択された有機安定剤を含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
アルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、約２０重量％〜約４０重量％のコロイダルシリカ、および約５重量％〜約１５重量％の有機安定剤である粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
アルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、約０．５マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲の平均粒子サイズを有するアルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
部品（１００）を製造する方法であって、前記方法は、
積層造形により形成された燃料接触部品（１００）の表面（１１０）に拡散アルミナイドコーティング（３００）を形成する工程と、
前記拡散アルミナイドコーティング（３００）の残りの部分が前記燃料接触部品（１００）の表面（１１０）上のコークス形成を防止することを容易にするように、前記表面（１１０）から前記拡散アルミナイドコーティング（３００）を部分的に除去する工程と、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、炭化水素燃料に接触する部品の表面上の堆積物の形成および付着を抑制するコーティングに関する。より具体的には、燃料接触部品の表面上の炭素質堆積物の堆積を低減する積層造形された炭化水素燃料接触部品を製造するための方法に関し、燃料接触部品は、たとえば、これらに限定されないが、燃料ノズル、スワーラ、および積層造形により製造されたガスタービンエンジンの他の燃料システム部品などである。
【背景技術】
【０００２】
積層造形は、金属およびプラスチックを含む様々な材料の部品の「３Ｄ印刷」を可能にする公知の技術である。積層造形では、金属粉末を平らにして、高出力レーザを用いて粉末を選択的に溶融することによって、部品を層ごとに構築する。各層の後、さらに粉末が付加され、レーザが次の層を形成し、同時にそれを前の層に溶融して、粉末床に埋め込まれた完全な部品を製造する。粉末床から取り出された時には、部品は、通常、粗い表面仕上げを有しており、それは、工業標準に適合するように、グリットブラスト、研削、研磨、またはポリシングなどの後形成処理により改善されなければならない。さらに、液体炭化水素燃料に接触する部品の表面内部通路は、ガスタービンエンジンの過酷な動作環境から部品表面を保護するためにさらなる処理を必要とする。
【０００３】
ガスタービンエンジンの効率を高めるために、より高い動作温度が求められる。そのため、エンジン部品の高温耐久性もそれに応じて向上しなければならない。ニッケル基およびコバルト基などの超合金の定式化により、高温性能の顕著な進歩が達成されている。したがって、保護コーティングが存在しない場合には、超合金部品、たとえば、タービンおよび燃焼器は、通常、加速された摩耗なしに長期運用の暴露に耐え得るものではない。このようなコーティングの１つは、燃料および潤滑油などの炭化水素流体が高温である場合に生じる、燃料接触部品上の望ましくない炭素質堆積物の形成を防止するためのコークスバリアコーティングと呼ばれる。
【０００４】
燃料の場合には、２つの重なり合う温度範囲内で生じる２つの別個の機構があることが一般に認められている。コーキング過程と呼ばれる第１の機構では、炭素質コークス堆積物の形成速度の概ね一貫した増加が、華氏約６５０度（°Ｆ）（摂氏３４５度（℃））の温度より上で発生する。コークス形成は、高レベルの炭化水素の熱分解の結果であり、最終的に燃料接触部品の有用性を制限する。第２の機構は、主として、一般的に約２２０°Ｆから約６５０°Ｆ（約１０５℃から約３４５℃）の範囲のより低い温度で発生し、重合および炭素質ガム堆積物を生じる酸化反応を含む。コークスおよびガムの形成ならびに堆積物の両方は、上記範囲が重なり合う温度で同時に発生し得る。さらに、積層造形された部品の粗い表面仕上げは、一般に、いくつかのトラフまたはピットを含んでおり、それは、燃料がその中に溜まることを可能にし、エンジンを通る燃料の効率的な流れをその後に妨げるコークスおよびガムの形成をもたらす。
【０００５】
より高い動作温度および粗い内面仕上げは、炭素質堆積物が燃料ノズルおよびスワーラを通る燃料および空気の流れを著しく妨げることができる可能性を増大させ、動作条件（たとえば、燃料および空気の混合、燃焼器内への燃料および酸素の適切な流れ）に影響を及ぼし、燃料効率を低下させて、排出物を増加させるおそれがある。結果として、粗い内部仕上げを低減し、コークスおよびガム堆積物の両方の形成および付着を防止するコーティングによりこれらの部品の接触表面を保護することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２５７０５９５号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一態様では、燃料接触部品を製造する方法が提供される。本方法は、液体燃料に曝される燃料接触部品の少なくとも１つの表面上のコークス形成を減少させることを容易にする。本方法は、少なくとも１つの表面にアルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程を含む。燃料接触部品は、積層造形プロセスで形成される。スラリーは、アルミニウムを少なくとも１つの表面に拡散させるために熱処理される。熱処理は、少なくとも１つの表面上に拡散アルミナイドコーティングを形成することを含む。拡散部分層は、少なくとも１つの表面上に形成された拡散部分層および拡散部分層上に形成された付加部分層を含む。本方法は、拡散部分層および少なくとも１つの表面が実質的に影響を受けないように、少なくとも１つの水溶液により拡散アルミナイドコーティングの付加部分層を除去する工程を含む。拡散部分層は、少なくとも１つの表面上のコークス形成を防止することを容易にする。
【０００８】
別の様態では、部品を製造する方法が提供される。本方法は、積層造形により形成された燃料接触部品の表面に拡散アルミナイドコーティングを形成する工程と、拡散アルミナイドコーティングの残りの部分が燃料接触部品の表面上のコークス形成を防止することを容易にするように、表面から拡散アルミナイドコーティングを部分的に除去する工程と、を含む。
【０００９】
本開示のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】積層造形装置により製造された例示的な燃料接触部品の斜視図である。
【図２】図１に示す部品を製造するために使用される例示的な積層造形装置の模式図である。
【図３】図２に示す製造プロセスの終了後の、図１に示す燃料構成部品の断面顕微鏡写真を示す図である。
【図４】本明細書に記載された例示的な実施形態による、内面に拡散アルミナイドコーティングが施された図１に示す燃料接触部品の断面顕微鏡写真を示す図である。
【図５】本明細書に記載された例示的部分剥離プロセスにより処理された後の、図１に示した燃料接触部品の断面顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
特に明記しない限り、本明細書において提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を図示するものである。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を含む多種多様なシステムで適用できると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示される実施形態の実施のために必要とされる当業者に知られているすべての従来の特徴を含むわけではない。
【００１２】
以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語に言及するが、それらは以下の意味を有すると規定する。
【００１３】
単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。
【００１４】
近似する文言は、本明細書および特許請求の範囲の全体にわたってここで用いられるように、それが関連する基本的機能の変更をもたらすことなく許容範囲で変化することができる定量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「約」および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似する文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限定は組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。
【００１５】
本明細書で説明する積層造形および拡散アルミナイドコーティング方法は、ガスタービンエンジンの燃料ノズルなどの、積層造形により製造された燃料接触部品の内面上のコークス形成量を低減し、表面仕上げを改善するための費用効果の高い方法を提供する。本明細書で説明する実施形態は、部品を保護し、その有用な寿命を延ばすために、部品上のコークスバリアコーティングの形成を容易にする。具体的には、本明細書で説明する方法は、積層造形された部品の少なくとも１つの表面にスラリー組成物を適用する工程を含む。スラリーは、部品表面上の拡散部分層および拡散部分層上の付加部分層を含む拡散アルミナイドコーティングを形成するために、部品の表面に拡散される。そのうえ、本明細書で説明する方法は、部品表面の粗さを低減し、部品表面上にコークスバリアコーティングを生成するために、水溶液を用いて付加部分層の除去をさらに容易にする。拡散プロセスは、トラフ内を充填し、積層造形プロセス中に形成された尖端部を除去することによって、部品表面の粗さを低減する。拡散アルミナイドコーティングの残りの拡散部分層は、コークス堆積物が部品表面上に膜を形成することを防止するためのコークスバリアコーティングとして作用する。装置、システム、および方法は、積層造形により製造された任意の燃料接触部品に一般的に適用されるものとして、本明細書に説明される。より具体的には、本明細書で説明する装置、システム、および方法は、限定するものではないが、航空機エンジンに用いられる燃料ノズル、ガスタービンエンジンに用いられる燃料噴射器、ならびにタービンブレード、タービンノズル、および軸受などの高温ガス経路内に配置された任意の部品に適用することができる。一般に、本明細書で説明する装置、システム、および方法は、内部通路の表面仕上げが重要である任意の部品に適用することができる。
【００１６】
図１は、積層造形システム（図１には示さず）を用いて製造され、部品の底面１０２でビルドプレート１０４に結合された部品１００の例示的な実施形態の等角投影図である。例示的な実施形態では、部品１００は、ガスタービンエンジン用の燃料ノズルである。あるいは、部品１００は、積層造形を用いて製造され、かつ液体炭化水素燃料と接触する少なくとも１つの表面を有する任意の部品であってもよい。例示的な実施形態では、部品１００は、外面１０８を有する本体部１０６と、部品１００内の少なくとも１つの内部通路１１２を画定する少なくとも１つの内面１１０と、を含む。内部通路１１２は、本体部１０６を通って下流側の燃焼室（図示せず）に液体炭化水素燃料を導くように構成される。部品１００はまた、内径Ｄ１、外径Ｄ２、底部１１４、および頂部１１６を含む。底部は底面１０２を含み、頂部１１６は頂面１１８を含む。例示的な実施形態では、部品１００は、以下でさらに詳細に説明するように、超合金基板１２０から形成される。
【００１７】
図２は、部品１００を製造するために使用される例示的な積層造形システム２００の模式図である。例示的な実施形態では、部品１００のモデルは、モデルが本体部１０６、内径Ｄ１、および外径Ｄ２（図１に示す）を含む部品１００の完全な形成の３次元座標を含むことができるように、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアを使用して設計される。あるいは、モデルは、任意の適切な方法で定義することができる。ＣＡＤモデルはまた、共に３次元モデルを構成するいくつかの連続した２次元断面スライスを含んでもよい。一般に、積層造形は、公知の製造技術よりも、より速い材料処理時間、革新的な接合技術、および幾何学的制約に対するより少ない関心を提供する。１つの例示的な実施形態では、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）が、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）としても知られており、積層造形された物品、すなわち部品１００を生成するために使用される。ＤＭＬＭは、より大きな構造体の連続する堆積層に金属粉末を正確に溶融および固化させることにより複雑な部品を直接生成することができる、市販のレーザベースの高速プロトタイピングおよびツールプロセスであり、各堆積層は３次元部品の断面堆積層に対応する。
【００１８】
例示的な実施形態では、システム２００はＤＭＬＭシステムである。あるいは、システム２００は、本明細書で説明するような、部品１００を製造することを容易にする任意の積層造形システムであってもよい。積層造形システム２００は、積層造形装置２０２、粉末供給装置２０４、コンピュータ２０６、およびレーザ２０８を有し、金属粉末２１０から部品１００を生成するように機能する。
【００１９】
例示的な実施形態では、装置２０２はＤＭＬＭ装置である。あるいは、装置２０２は、本明細書で説明するような、部品１００を製造することを容易にする任意の積層造形装置であってもよい。積層造形装置２０２は、第１の側壁２１４および対向する第２の側壁２１６を有する粉末床２１２を含む。積層造形装置２０２は、さらに、第１の側壁２１４と第２の側壁２１６との間に少なくとも部分的に延在し、かつ製造中に部品１００を支持することを容易にするビルドプレート１０４をさらに含む。ピストン２２０は、ビルドプレート１０４に結合され、第１および第２の側壁２１４および２１６に沿って垂直方向に粉末床２１２内で移動可能である。ピストン２２０は、ビルドプレート１０４の上面が作業面２２２を規定するように調整される。粉末供給装置２０４は、粉末２１０を供給装置２０４から装置２０２に移送する粉末アプリケータ２２６に結合された粉末供給源２２４を含む。例示的な実施形態では、粉末アプリケータ２２６は、粉末２１０の均一な層を粉末床２１２に分配するように構成されたワイパーである。あるいは、粉末アプリケータ２２６は、粉末２１０を粉末供給源２２４から粉末床２１２に移送するスプレーノズルであってもよい。一般的に、粉末アプリケータ２２６は、システム２００が本明細書で説明するように動作するように、粉末２１０を粉末供給源２２４から粉末床２１２に移送する任意の装置であってもよい。
【００２０】
動作中に、粉末アプリケータ２２６は、粉末２１０の均一な層を粉末供給源２２４からビルドプレート１０４の作業面２２２上に分配する。レーザ２０８は、コンピュータ２０６により導かれて、ビルドプレート１０４の作業面２２２上にレーザビーム２２８を導いて、粉末２１０を部品１００の断面層に選択的に溶融させる。より具体的には、レーザビーム２２８は、急速に粉末２１０の粒子を溶融することにより、粉末２１０を部品１００の底面１０２（図１に示す）に選択的に融着させて、固体を形成する。レーザビーム２２８が各層の部分を形成し続けると、熱が前に溶融した領域から伝導除去され、それによって急冷および固化が生じる。例示的な実施形態では、粉末２１０の各層が部品１００の断面層の少なくとも一部を形成する未焼結粉末および焼結粉末を含むように、コンピュータ２０６はレーザビーム２２８を制御する。
【００２１】
例示的な実施形態では、部品１００の各層が完了すると、ビルドプレート１０４はピストン２２０により下降し、粉末アプリケータ２２６は粉末２１０のさらなる層を積層造形装置２０２の粉末床２１２に分配する。レーザビーム２２８は、再びコンピュータ２０６により制御されて、部品１００の別の断面層を選択的に形成する。このプロセスは、連続する断面層が部品１００に形成されるように継続される。部品１００の各連続する堆積層は、たとえば１０マイクロメートル（μｍ）〜２００μｍとすることができるが、厚さは任意の数のパラメータに基づいて選択することができる。
【００２２】
したがって、部品１００の各断面層が本体部１０６、内径Ｄ１、および外径Ｄ２の少なくとも一部分を含むことができるように、部品１００は底面１０２で開始するように製造される。より具体的には、積層造形装置２０２は、部品の本体部１０６、外面１０８、および内面１１０を同時に形成することを容易にする。積層造形プロセスが完了すると、未焼結粉末２１０が外面１０８および通路１１２（図１に示す）から除去され、部品１００は、さらなる処理を見越して、粉末床２１２から取り出される。
【００２３】
例示的な実施形態では、部品１００は、超合金、たとえばコバルトクロムなどのコバルト基超合金またはニッケル基超合金、ならびに高温ステンレス鋼、チタン、クロム、または他の合金、あるいはこれらの組み合わせを含む粉末２１０から形成することができる。コバルト基およびニッケル基超合金は、タービン動作に特徴的な高温での長期の運用に必要な高い強度のために、ガスタービン部品を製造するために用いられることが最も多い。粉末２１０は、特に高温における強化された強度、耐久性、および有効寿命のために選択することができる。高温に曝されない他の部品については、部品が製造される最初の中間製品を形成するために、当該技術分野で知られているように他の構成材料を積層造形プロセスで使用できることを理解されたい。
【００２４】
製作後に、部品１００のさらなる処理が必要とされ得る。このような後加工処理は、たとえば、熱処理、ピーニング、研磨、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）、またはＥＣＭを含むことができる。いくつかの実施形態では、上に列挙した後加工処理工程のうちの１つまたは複数は必要ではなく、省略してもよい。例示的な実施形態では、積層造形プロセスの結果として、部品１００はかなりの表面粗さを有することがあり得る。具体的には、少なくとも外面１０８および内面１１０（両方とも図１に示す）は、比較的粗い表面仕上げを有する場合があり、少なくとも外面１０８および内面１１０の平滑化を容易にするためのさらなる処理を行わずに使用するのに適さないことがあり得る。さらに、内面１１０は、コークス残留物の堆積から超合金基板を保護するためにさらなる処理を必要とすることがあり得る。
【００２５】
図３〜図５は、図１に示す区画３−５における燃料接触部品１００の断面顕微鏡写真である。図３〜図５は、平滑化および少なくとも内面１１０へのコークスバリアコーティングを提供することを容易にするアルミナイドおよび部分剥離プロセスの様々な段階における部品１００を示す。アルミニウム化および剥離処理の同様の方法は、一例にすぎないが、米国特許第６，７５８，９１４号に記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。図３は、図２に示した製造プロセスの完了後であってさらなる何らかの処理の前の、部品１００の頂部１１６を示す。内面１１０は、内面１１０に粗い表面仕上げを提供し、かつ内部通路１１２を通る燃料の滑らかな流れを妨げる複数のトラフ１２２および複数の尾根部１２４を含む。さらに、内部通路１１２を通って流れる燃料は、トラフ１２２内に捕捉され、基板１２０の内面１１０上のコークス堆積物を形成し、コークス堆積物は、上述したように、ガスタービンエンジンの効率を低下させることを助長する。
【００２６】
図４は、アルミナイジングプロセスが完了した後の部品１００の頂部１１６を示す。部品１００は、本明細書に記載された例示的な実施形態による、内面１１０に施された拡散アルミナイドコーティング３００を含む。拡散アルミナイドコーティング３００は、基板１２０と内面１１０との間の拡散部分層３０２、および内面１１０と通路１１２との間の付加部分層３０４を含む。例示的な実施形態では、拡散部分層３０２は、付加部分層３０４が拡散部分層３０２の半径方向内側にあるように基板１２０と付加部分層３０４との間に形成される。図５は、本明細書に記載された例示的な部分剥離プロセスにより処理された後の部品１００の頂部１１６を示し、ここでは、付加部分層３０４（図４に示す）、トラフ１２２、および尖端部１２４が除去されている。
【００２７】
本明細書に記載した方法は、下地の拡散部分層３０２および基板１２０が影響を受けないように、金属基板１２０から拡散アルミナイドコーティング３００の付加部分層３０４のみを選択的に除去することを提供する。本明細書に記載した方法は、一般に、高温環境内で動作し、したがって燃料接触表面上のコークスおよび／またはガム堆積物の形成を受ける、積層造形された燃料に接触する金属部品に適用可能である。このような部品の非限定的な例としては、ガスタービンエンジンで使用するための燃料ノズルおよび燃料スワーラが挙げられる。本明細書に記載した利点は、特にガスタービンエンジンのニッケル基およびコバルト基超合金部品に適用可能であるが、本明細書に記載した方法は、一般に、拡散アルミナイドコーティングを使用し得るいかなる部品にも適用可能である。
【００２８】
上述したように、本明細書に記載した方法は、下地の拡散部分層３０２または基板１２０を除去または損傷することなく、部品１００の内面１１０に拡散アルミナイドコーティング３００の付加部分層３０４を除去することを目的とする。当該技術分野で知られているように、アルミナイジング処理は、付加部分層３０４および拡散部分層３０２を生成する。拡散部分層３０２は、付加部分層と基板との間にあり、内面１１０の半径方向内側にある。耐酸化性を高めるために、通常、アルミナイド処理の前に少なくとも１種の貴金属が基板１２０上に堆積され、そのようにして、付加部分層３０４がこれらの有益な貴金属アルミナイド金属間相を含むようになる。例示的な実施形態では、貴金属は、白金、パラジウム、またはこれらの混合物である。あるいは、貴金属は、金、銀、イリジウム、ロジウム、およびルテニウムであってもよい。付加部分層３０４の下に、拡散部分層３０２は、基板１２０および拡散アルミナイドコーティング３００の合金元素のいくつかの生成物である種々の金属間相および準安定相を含む。
【００２９】
この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン部品１００上の拡散アルミナイドコーティング３００は、約１０〜約１２５μｍの範囲の厚さＴ１を含む。あるいは、拡散アルミナイドコーティング３００は、本明細書で説明するように、部品１００の動作を容易にする任意の厚さを有してもよい。より具体的には、拡散部分層３０２は０．５μｍ〜５０μｍの範囲の厚さＴ２を含み、付加部分層３０４は２５μｍ〜１５０μｍの範囲の厚さＴ３を含む。拡散アルミナイドコーティング３００は、内面１１０にアルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用することにより形成される。実質的に均一な厚さのスラリーコーティングは、スラリーの粘度および処理条件を制御することにより提供される。
【００３０】
スラリー組成物は、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム−ケイ素合金粉末などのアルミニウム、結合剤、および任意選択の安定剤を含む粉末を含む。一実施形態では、スラリー組成物は、スラリー組成物の粘度を改変する不活性有機熱分解性増粘剤粒子をさらに含む。例示的な実施形態では、スラリー組成物は、部品１００をスラリー組成物の浴槽に浸漬することにより内面１１０に適用される。あるいは、スラリー組成物は、スプレー法または気相アルミナイジングなどの、本明細書で説明したような拡散アルミナイドコーティング３００の形成を容易にする任意の方法で適用してもよい。
【００３１】
一実施形態では、スラリー組成物は、アルミニウム粉末もしくはアルミニウム−ケイ素合金粉末、およびコロイダルシリカ、有機樹脂、もしくはこれらの組み合わせなどの結合剤を含む。別の実施形態では、スラリー組成物は、アルミニウム粉末またはアルミニウム−ケイ素合金粉末と、コロイダルシリカなどの結合剤と、アルカンジオール、グリセロール、ペンタエリスリトール、脂肪、炭水化物、または前述の有機化合物のうちの少なくとも１つを含む組み合わせからなるグループから選択される有機安定剤と、を含む。アルミニウム粉末またはアルミニウム−ケイ素合金粉末は、スラリー組成物全体の約４０重量％〜約７０重量％を構成する。コロイダルシリカ結合剤は、スラリー組成物全体の約２０重量％〜約４０重量％を構成する。有機安定剤は、スラリー組成物全体の約５重量％〜約１５重量％を構成する。アルミニウムを含む粉末は、約０．５μｍ〜約１００μｍの範囲の平均粒径を有する。
【００３２】
適用されたスラリーは、基板１２０の内面１１０の表面領域に、すなわち表面領域全体に、またはそのいくらかの部分にアルミニウムを拡散させるのに十分な温度に加熱される。本明細書で用いる「表面領域」は、内面１１０を越えて基板１２０の中に約７５μｍ〜２００μｍの範囲内の深さまで延在する。このアルミナイジング工程の拡散時間および温度は、たとえば、基板１２０の組成、スラリーの具体的な組成および厚さ、拡散部分層３０２の所望の深さを含む様々な要因に依存する。例示的な実施形態では、拡散温度は約１２００°Ｆ（約６５０℃）〜約１６００°Ｆ（約８７０℃）である。より具体的には、熱処理は、拡散アルミナイドコーティング３００を有する部品１００の温度を、約４５°Ｆ／分の増分で約１２００°Ｆまで上昇させ、約１０分間、約１２００°Ｆの温度を維持し、それから約４５°Ｆ／分の増分で約１６００°Ｆまで温度を上昇させ、最終的に約１〜約４時間の範囲で約１６００°Ｆの温度を維持することを含む。これらの温度は、これに限らないがグリセロールのような安定剤などの、存在する任意の有機化合物を蒸発または熱分解により除去するために十分に高い温度である。拡散熱処理は、真空中の、部分的な真空中の、またはアルゴンガス下の炉内で加熱することなどの任意の都合の良い方法で行うことができる。本明細書に記載した熱処理は、部品１００の内面１１０に拡散アルミナイドコーティング３００を形成することを容易にし、拡散アルミナイドコーティング３００は拡散部分層３０２を含む。
【００３３】
例示的な実施形態では、拡散部分層３０２および付加部分層３０４が形成された後に、水溶液が部品１００に適用される。水溶液は、拡散部分層３０２および基板１２０が実質的に影響を受けないように、付加部分層３０４の除去を容易にするために、拡散アルミナイドコーティング３００を部分的に除去することを容易にする。例示的な実施形態では、付加部分層３０４の除去は、内面１１０上のコークス形成を防止するために、拡散部分層３０２にコークスバリアコーティングを形成することを容易にし、また内面１１０の表面粗さを低減するために、トラフ１２２および尖端部１２４（図３に示す）を除去または実質的に低減することを容易にする。例示的な実施形態のための水性組成物は、化学式ＨｘＺｒＦ６を有するフッ化ジルコン水素酸を含む。添字ｘは１〜６であり、より典型的には１〜３である。あるいは、水溶液は、ケイフッ化水素酸、塩酸、またはこれらの任意の組み合わせであってもよい。この種の材料は市販されており、あるいは過度の労力なしに調製することができる。好適な水溶液はＨｘＺｒＦ６であり、それは「フッ化ジルコン水素酸」、「フッ化ジルコン酸」、および「ヘキサフッ化ジルコン酸」などのいくつかの名称で呼ばれる。
【００３４】
単一水溶液として使用される場合には、ＨｘＺｒＦ６酸は、拡散部分層３０２または基板１２０を損なうことなく、付加部分層３０４を除去するのに有効である。使用される酸の好適なレベルは、除去される拡散アルミナイドコーティング３００の種類および量、基板１２０上の拡散アルミナイドコーティング３００の位置、基板１２０の材料、基板１２０が水溶液に曝される技術（以下で説明する）、処理に用いられる時間および温度、ならびに溶液中の水溶液の安定性などの様々な要因に依存する。
【００３５】
一般に、水溶液は、約０．０５Ｍ〜約５Ｍの範囲のモル濃度レベルで処理組成物中に存在する。より具体的には、そのレベルは約０．５Ｍ〜約３．５Ｍの範囲である。例示的な実施形態では、水溶液はまた、触媒調整剤などの様々な機能を果たす様々な添加剤を含むことができる。これらの添加剤の非限定的な例は、抑制剤、分散剤、界面活性剤、キレート化剤、湿潤剤、解膠剤、安定剤、沈降防止剤、および消泡剤である。組成物に対する抑制剤の例は、限定しないが酢酸などの比較的弱い酸である。このような材料は、組成物中の主要な酸の活性を低下させる傾向がある。これは、いくつかの場合には、たとえば、望ましい基板１２０の内面１１０の点食の可能性を低減させるためには望ましい。
【００３６】
水性組成物により部品１００を処理するために、様々な技術を用いることができる。たとえば、部品１００は、種々のスプレーガンを用いて連続的に水性組成物を噴霧することができ、あるいは単一のスプレーガンを用いてもよい。さらに、水性組成物を単純に部品１００の上に注いで、連続的に再循環してもよい。例示的な溶液では、部品１００は水性組成物の浴槽に浸漬される。このような浸漬は、どのようなタイプの容器でも、水性組成物と除去される付加部分層３０４との間の最大限の接触を容易にする。浸漬時間および浴槽温度は、除去されるコーティングの種類および浴槽内の使用される酸の量などの上述した要因の多くに依存する。一般に、浴槽は、部品１００がその中に浸漬されている間、約６０°Ｆ（約２０℃）〜約２１２°Ｆ（約１００℃）の範囲の温度に維持される。好適な実施形態では、温度は約８５°Ｆ（約３０℃）〜約１８５°Ｆ（約８５℃）の範囲に維持される。いくつかの特に好適な実施形態では、温度範囲は約９５°Ｆ（約３５℃）〜約１３０°Ｆ（約５５℃）である。浸漬時間は大幅に変化してもよいが、通常、約１分〜約１０時間の範囲であり、好ましくは約１０分〜約４時間の範囲である。通常、浴槽は、処理中にかき混ぜられ、または攪拌される。水溶液を使用して付加部分層３０４を除去することによる拡散アルミナイドコーティング３００の部分的な除去は、内面１１０上のコークスバリアコーティングの形成を容易にし、またトラフ１２２および尖端部１２４（図３に示す）を除去または実質的に減少させることを容易にする。コークスバリアコーティングは、拡散部分層３０２として形成されるが、基板１２０と共に、水溶液によって実質的に影響を受けることはない。
【００３７】
水溶液処理の結果、剥離槽中の部品１００は、通常、「スマット」または「コーティング残渣」と呼ばれる残留物を形成する。これは、劣化した付加部分層３０４の材料が下地の拡散部分層３０２に弱く付着し続けるために生じる。したがって、通常、しばしば「スマット除去」作業と呼ばれる除去後工程が水溶液処理の後に続く。例示的な実施形態では、スマット除去は研磨工程、たとえばグリットブラストであって、それが拡散部分層３０２および基板１２０に対する損傷を最小限にするので用いられる。たとえば酸化アルミニウム粒子を含有する加圧空気流（通常は１平方インチ当たり約１００ポンド未満）が、内面１１０を横切って導かれる。グリットブラストの時間は、コーティング残渣の厚みおよび具体的な組成ならびにグリット媒体のサイズおよびタイプなどの様々な要因に依存する。通常、処理は約３０秒〜約３分間行われる。
【００３８】
あるいは、内面１１０を研磨するための他のいかなる公知の技術も、グリットブラストの代わりに使用することができる。たとえば、内面１１０を、ファイバパッド、たとえばポリマーファイバ、金属ファイバ、またはセラミックファイバを有するパッドを用いて手動でスクラブしてもよい。あるいは、内面１１０を、アルミニウムまたは炭化ケイ素粒子が埋め込まれている可撓性のホイールまたはベルトを用いて研磨してもよい。代わりに、液体研磨材料をホイールまたはベルト上に使用してもよい。これらの代替技術は、上述したグリットブラスト技術に用いられる力より大きくない内面１１０に対する接触力を維持するように制御される。
【００３９】
コーティング残渣を除去するために、他の技術、または技術の組み合わせを研磨の代わりに用いることができる。例として、部品１００のタンブリング、または内面１１０のレーザアブレーションが挙げられる。あるいは、音波（たとえば、超音波）を内面１１０に導くことができ、コーティング残渣を振動させて弛めることができる振動を引き起こすことができる。たとえば、部品１００を、石鹸および水の超音波浴槽に３０分間浸漬し、その後純水の超音波浴槽に３０分間浸漬することができる。これらの代替技術の各々では、基板１２０または保存されている拡散部分層３０２の損傷を最小限にするために、部品１００の内面１１０に対して加わる関連する力を制御するように調整が行われる。スマット除去が完了した後、部品１００は、水または水と湿潤剤との組み合わせを用いてすすぎ洗いされる。
【００４０】
さらに、基板上に適用された摩耗または損傷した保護コーティングは、スラリー組成物を適用する前に摩耗または損傷したコーティングを除去することにより交換することができる。本明細書中で使用される「摩耗した」は、コークスに対する保護の所望のレベルをもはや提供しないコーティングを記述することを意味する。この実施形態の第１の工程は、上述したプロセスによるコーティングの部分的な化学的剥離である。言い換えると、基板は上述した水溶液のうちの１つを含む水性組成物に接触する。前述したスマット除去およびすすぎ洗い工程は、通常、処理の後に続く。
【００４１】
本明細書で説明した部分剥離プロセスが行われる場合には、このようなコーティングの付加部分層を繰り返し除去し交換することができる。このように、スラリー組成物を適用する工程、拡散アルミナイドコーティング３００を形成するためにコーティングを熱処理する工程、および水溶液により拡散アルミナイドコーティングの付加部分層３０４を除去する工程の上記工程のうちの少なくとも１つを繰り返すことができる。このように、部品１００の指定された壁の厚さを、より長い運用期間にわたって維持することができる。この利点は、部品の交換および修理が時間と費用がかかる作業である商業用設備において、重要な特徴である。
【００４２】
上述した積層造形および拡散アルミナイドコーティング方法は、ガスタービンエンジンの燃料ノズルなどの燃料接触部品の内面上のコークス形成量を低減し、表面仕上げを改善するための費用効果の高い方法を提供する。本明細書で説明する実施形態は、部品を保護し、その有用な寿命を延ばすために、部品上のコークスバリアコーティングの形成を容易にする。具体的には、本明細書で説明する方法は、積層造形された部品の少なくとも１つの表面にスラリー組成物を適用する工程を含む。スラリーは、部品表面上の拡散部分層および拡散部分層上の付加部分層を含む拡散アルミナイドコーティングを形成するために、部品の表面に拡散される。そのうえ、本明細書で説明する方法は、部品表面の粗さを低減し、部品表面上にコークスバリアコーティングを生成するために、水溶液を用いて付加部分層の除去をさらに容易にする。拡散プロセスは、トラフ内を充填し、積層造形プロセス中に形成された尖端部を除去することによって、部品表面を平滑化する。拡散アルミナイドコーティングの残りの拡散部分層は、コークス堆積物が部品表面上に膜を形成することを防止するためのコークスバリアコーティングとして作用する。装置、システム、および方法は、積層造形により製造された任意の燃料接触部品に一般的に適用されるものとして、本明細書に説明される。より具体的には、本明細書で説明する装置、システム、および方法は、限定するものではないが、航空機エンジンに用いられる燃料ノズル、ガスタービンエンジンに用いられる燃料噴射器、ならびにタービンブレード、タービンノズル、および軸受などの高温ガス経路内に配置された任意の部品に適用することができる。一般に、本明細書で説明する装置、システム、および方法は、内部通路の表面仕上げが重要である任意の部品に適用することができる。
【００４３】
本明細書に記載したシステム、方法、および装置の例示的な技術的効果は、（ａ）積層造形によって製造された燃料接触部品上のコークスおよびガム堆積物の形成の防止を容易にすること、（ｂ）積層造形工程により生じる燃料接触部品の表面粗さの低減を容易にすること、ならびに（ｃ）燃料接触部品を通る液体燃料の円滑な流れを容易にすることによって、ガスタービンエンジンの効率を向上させること、のうちの少なくとも１つを含む。
【００４４】
液体燃料に曝される燃料接触部品の少なくとも１つの表面上のコークス形成を減少させることを容易にする燃料接触部品を製造するための方法の例示的な実施形態が上で詳細に記載されている。積層造形および拡散アルミナイドコーティング方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素および／または方法の工程は、本明細書に記載した他の構成要素および／または工程から独立してかつ別個に利用することができる。たとえば、本方法は、他のコーティング方法と組み合わせて用いてもよく、本明細書で説明した拡散アルミナイドコーティング方法のみにより実施することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くのコーティング用途と関連して実現および利用することができる。
【００４５】
本発明の様々な実施形態の具体的な特徴がいくつかの図面には示されており、他の図面には示されていないが、これは単に便宜上のものである。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または請求することができる。
【００４６】
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００４７】
１００  部品
１０２  底面
１０４  ビルドプレート
１０６  本体部
１０８  外面
１１０  内面
１１２  内部通路
１１４  底部
１１６  頂部
１１８  頂面
１２０  超合金基板
１２２  トラフ
１２４  尾根部、尖端部
２００  積層造形システム
２０２  積層造形装置
２０４  粉末供給装置
２０６  コンピュータ
２０８  レーザ
２１０  粉末
２１２  粉末床
２１４  第１の側壁
２１６  第２の側壁
２２０  ピストン
２２２  作業面
２２４  粉末供給源
２２６  粉末アプリケータ
２２８  レーザビーム
３００  拡散アルミナイドコーティング
３０２  拡散部分層
３０４  付加部分層
【図１】
2016533433.tif 000003
【図２】
2016533433.tif 000004
【図３】
2016533433.tif 000005
【図４】
2016533433.tif 000006
【図５】
2016533433.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月20日(2016.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料に曝される燃料接触部品（１００）の少なくとも１つの表面（１１０）上のコークス形成を減少させることを容易にする前記燃料接触部品（１００）を製造する方法であって、前記方法は、
前記少なくとも１つの表面（１１０）にアルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程であって、前記燃料接触部品（１００）は積層造形プロセスで形成される、工程と、
前記アルミニウムを前記少なくとも１つの表面（１１０）に拡散させるために、前記スラリー組成物を熱処理する工程であって、前記熱処理は、前記少なくとも１つの表面（１１０）上に、拡散部分層（３０２）および前記拡散部分層（３０２）上の付加部分層（３０４）を含む拡散アルミナイドコーティング（３００）を形成することを含む、工程と、
前記拡散部分層（３０２）および前記少なくとも１つの表面（１１０）が実質的に影響を受けないように、少なくとも１つの水溶液により前記拡散アルミナイドコーティング（３００）の前記付加部分層（３０４）を除去する工程であって、前記拡散部分層（３０２）が前記少なくとも１つの表面（１１０）上のコークス形成を防止することを容易にする、工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記適用する工程、前記拡散熱処理する工程、および前記除去する工程のうちの少なくとも１つを少なくとも１回繰り返す工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水溶液中での処理後に、前記少なくとも１つの表面（１１０）上にコーティング残渣を形成する工程と、
研磨、タンブリング、レーザアブレーション、および超音波攪拌のうちの少なくとも１つを含む技術を用いて、前記コーティング残渣を除去する工程と、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記スラリー組成物を適用する前に、摩耗または損傷した拡散アルミナイドコーティング（３００）を除去する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
拡散アルミナイドコーティング（３００）を形成する工程は、約１０マイクロメートル〜約１２５マイクロメートルの範囲内の厚さを有する拡散アルミナイドコーティング（３００）を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記付加部分層（３０４）を除去する工程は、フッ化ジルコン水素酸、ケイフッ化水素酸、塩酸、またはこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むグループから選択される水溶液を用いる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記拡散アルミナイドコーティング（３００）を有する前記燃料接触部品（１００）を前記水溶液の浴槽に約１０分〜約４時間の範囲の時間で浸漬する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記水溶液を約３０℃〜約８５℃の範囲の温度に維持する工程をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記スラリー組成物を適用する工程は、前記少なくとも１つの表面（１１０）上に前記スラリー組成物をスプレーする工程、前記スラリー組成物の浴槽に前記燃料接触部品（１００）を浸漬する工程、および気相アルミナイジングする工程のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
アルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、約４０重量％〜約７０重量％のアルミニウムの範囲である粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、コロイダルシリカ、有機樹脂、およびこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むグループから選択される少なくとも１つの結合剤を含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、アルカンジオール、グリセロール、ペンタエリスリトール、脂肪、炭水化物、および前述の有機化合物のうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含むグループから選択された有機安定剤を含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
アルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、約２０重量％〜約４０重量％のコロイダルシリカ、および約５重量％〜約１５重量％の有機安定剤である粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
アルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程は、約０．５マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲の平均粒子サイズを有するアルミニウムを含む粉末を含むスラリー組成物を適用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
部品（１００）を製造する方法であって、前記方法は、
積層造形により形成された燃料接触部品（１００）の表面（１１０）に拡散アルミナイドコーティング（３００）を形成する工程と、
前記拡散アルミナイドコーティング（３００）の残りの部分が前記燃料接触部品（１００）の表面（１１０）上のコークス形成を防止することを容易にするように、前記表面（１１０）から前記拡散アルミナイドコーティング（３００）を部分的に除去する工程と、を含む方法。
【国際調査報告】
2016533433.tif 000008
2016533433.tif 000009
2016533433.tif 000010