JP2004190140A - 局部的なＭＣｒＡｌＹコーティングを付着させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な耐酸化性および耐疲労性を有するMCrAlYボンディングコーティングまたはMCrAlYオーバーレイコーティングを提供する。
代替的消音装置を提供する。
【解決手段】本発明は単結晶ＳＸまたは指向性凝固ＤＳの品物１の表面５にMCrAlYコーティング６を付着させる方法に関する。局部的な領域でのみ電気メッキ法によってMCrAlYコーティング６が品物１に施される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１に従って、局部的なMCrAlYコーティングを付着させる方法に関する。

高温での使用のために設計されたタービン翼および羽根は通常は、環境に耐えるコーティングによって被覆されている。例えば、タービン翼や羽根を保護するためにMCrAlYオーバーレイコーティングが使用される。MCrAlY保護オーバーレイコーティングは技術水準で幅広く知られている。このコーティングは高温コーティングのグループである。ここでＭは鉄、ニッケルおよびコバルトの１つまたは組合せから選択される。例えば特許文献１または特許文献２にはこのような種類の耐酸化性コーティングが開示されている。特許文献３には、このようなコーティング方法とコーティング自体が開示されている。γ／β−MCrAlYコーティングのほかに、γ／γ′−ガンマ／ガンマ−主要構造をベースとした他のクラスのオーバーレイMCrAlYコーティングがある。これは例えば特許文献４，５に開示されている。γ／γ′−コーティングの利点は、下側に位置するタービンの品物の合金との熱膨張率の違いが無視できるほど小さく、良好な熱的機械的性質を有することにある。

γ／γ′コーティングとγ／βコーティングのうち、γ／βコーティングの分野は研究の活発な領域であり、一連の特許が発行されている。例えばNiCrAlY コーティングが特許文献６に、CoCrAlY コーティングが特許文献７に開示され、特許文献８は改良された耐高温疲労NiCoCrAlY コーティングを開示している。特許文献９と特許文献２と特許文献１０と特許文献１１はSiとHfを含むMCrAlYを開示している。特許文献１２は良好な耐酸化性、耐食性および耐疲労性を有する超合金コーティング組成を開示している。MCrAlYコーティングの付加的な例は特許文献１３，１４，１５，１６，１７または１８によって知られている。これらはすべて主として、MCrAlYコーティングの耐酸化性を改善する。

いろいろなタイプのエンジン、例えばタービンエンジンにおいて構成要素を断熱するために、断熱コーティングが使用される。更に、技術水準において、断熱コーティング（ＴＢＣ）がいろいろな特許によって知られている。特許文献１９，２０，２１または２２は、タービン翼および羽根で使用するためのＴＢＣコーティングを開示している。使用されるセラミックスはイットリア安定化ジルコニアであり、プラズマ溶射によって（特許文献１９，２０）または電子ビームプロセスによって（特許文献２１，２２）、MCrAlYボンディングコートの上部に被覆される。

タービン翼または羽根のコーティングが、次の劣化モードの１つ以上によって故障することが一般的に知られている。これは酸化、腐食、ＴＭＦ（熱的機械的疲労）およびＴＭＦと酸化の組合せである。酸化だけによるタービンエンジンのコーティング故障は代表的なものではない。更に、最新のタービンエンジンでは、エンジン動作温度が高く、一層クリーンな燃料が使用されるので、腐食の発生が普通ではない。MCrAlYコーティングがＴＭＦによってクラックを生じることは普通に観察される。そして、クラックは基材内に酸素を拡散させる。基材が耐酸化性でないので、クラックを経て酸素が侵入すると、下側にある基材が酸化し、部品の故障を生じる。従って、コーティングが疲労や酸化に耐えることが重要である。というのは、疲労によるクラック発生が、コーティングの故障の主たる発生メカニズムの一つであるからである。

コーティングの耐疲労性は、コーティングの組成の変更によっておよび薄いコーティングの使用によってあるいはこの両方の組合せによって改善される。

特許文献８，２３は、組成の変更によってオーバーレイコーティングの耐疲労性を改善する方法を開示している。特許文献８では、MCrAlYコーティングにプラチナが加えられた。これはコーティングと基材の間の熱膨張率の差を小さくし、コーティングがクラックを生じる傾向を減らす。これはコーティングのＴＭＦ寿命の大幅な改善をもたらす。他方では、特許文献２３は超合金のための保護コーティングのクラスを開示している。この場合、コーティング組成は下側に位置する基材の組成を基礎としている。コーティングを基材組成に合わせて調整することにより、拡散安定性と、熱膨張係数やモジュールのようなコーティングの機械的な性質が、基材に近づく。従って、耐酸化性と耐ＴＭＦ性の両方が増大したコーティングが得られる。

コーティングの厚さの増大はコーティングのＴＭＦ寿命を短くする。複雑なタービン翼形に薄い保護コーティングを付着させることができる方法を見つけることが重要である。文献検索の結果、MCrAlYオーバーレイコーティングが一般的にプラズマ溶射プロセス（すなわち、ＡＰＳ，ＶＰＳ，ＬＰＰＳまたはＨＶＯＦ）によってあるいは電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）およびスパッタリングによって付着されることが判った。しかしながら、これらの方法には制約がある。ａ）薄いコーティングを付着させることは困難であるかまたは不可能である。ｂ）厚さの制御が不調。ｃ）境界線がある。翼形が複雑な輪郭の面、すなわち翼から台への遷移領域、前縁等を含んでいるので、境界線は、厚さを均一にしたコーティングの均一なカバーレージを得ることを困難にする。

一連の特許文献２４，２５，２６には、電気メッキ法によるMCrAlY付着が開示されている。この方法は、コーティング前駆物質であるCrAlM2の、M1浴での付着を含んでいる。この浴では、M2はSi,Ti,Hf,Ga,Nb,Mn,Ptおよび希土類元素の１つまたはそれ以上であり、M1はNi,Co,Fe単独または組合せからなっている。付着したコーティングは、最終的なコーティング構造を得るために熱処理される。このプロセスはコーティング分布を一層均一にし、台から翼形への遷移面のコーティングが一層均一な厚さとコンシステンシーで行われる。

所定の翼形の場合、応力ひずみ分布と熱的−機械的負荷が領域によって異なる。例えば或る局部領域、すなわち翼形領域は、酸化または腐食または熱的機械的疲労あるいは劣化モードの一つ以上の組合せを受けやすい。従って、適切な性質を有する局部的なコーティングは、翼形の寿命の延長に有益である。不幸にも、一般的にコーティングを製作するために使用されるプラズマ溶射法は、局部的なコーティングにとって理想的ではない。境界線があり、台から翼形への移行領域のようなコーティングしにくい多数の領域を効率的にコーティングすることができない。

このプラズマ溶射法の境界線の固有の困難性は、電気メッキ法では示されない。

タービン部品または燃焼部品を局部的にコーティングすることは文献に記載されている。例えば特許文献２７は、MCrAlYコーティングのプラズマ溶射によってタービン翼を局部的にコーティングする方法を開示している。特許文献２８，２９では、台の下側が耐食性コーティングによって局部的に被覆される。更に、他の例では、酸化または腐食によって劣化した部品を修理または再仕上げするために局部的にコーティングされる。例えば特許文献３０では、変質領域をＰｔまたは貴金属でメッキし、そして表面をアルミニウムで被覆するすることによって修理する方法を開示している。特許文献３１の場合には同様に、交換アルミニウム化合物コーティングで局部的な領域の保護コーティングを修理することが開示されている。
米国特許第３，５２８，８６１号明細書 米国特許第４，５８５，４８１号明細書 米国特許第４，１５２，２２３号明細書 米国特許第４，５４６，０５２号明細書 米国特許第４，９７３，４４５号明細書 米国特許第３，７５４，９０３号明細書 米国特許第３，６７６，０８５号明細書 米国特許第４，３４６，１３７号明細書 米国特許第４，４１９，４１６号明細書 ＲＥ−３２，１２１ 米国特許出願公開第４，７４３，５１４号明細書 米国特許第４，３１３，７６０号明細書 米国特許第６，２８０，８５７号明細書 米国特許第６，２２１，１８１号明細書 米国特許第５，４５５，１１９号明細書 米国特許第５，１５４，８８５号明細書 米国特許第５，０３５，９５８号明細書 米国特許第６，２０７，２９７号明細書 米国特許第４，０５５，７０５号明細書 米国特許第４，２４８，９４０号明細書 米国特許第４，３２１，３１１号明細書 米国特許第４，６７６，９９４号明細書 米国特許第４，７５８，４８０号明細書 米国特許第５，５５８，７５８号明細書 米国特許第５，８２４，２０５号明細書 米国特許第５，８３３，８２９号明細書 欧州特許第０１３９３９６号明細書 米国特許第６，４３５，８３０号明細書 米国特許第６，２７０，３１８号明細書 米国特許第６，２０３，８４７号明細書 米国特許第６，２７４，１９３号明細書

本発明の目的は、ガスタービン部品の局部領域の要求に従った良好な耐酸化性および耐疲労性を有するMCrAlYボンディングコーティングまたはMCrAlYオーバーレイコーティングを提供することである。他の目的は、タービン部品上にMCrAlYコーティングを均一に付着させる方法を提供することである。本発明の他の目的は、付着層の厚さを良好に制御して、大型工業ガスタービン翼または羽根に薄いMCrAlYコーティングを付着させることである。

MCrAlYコーティングを付着させる本発明による方法が、請求項１に記載されている。

本発明では、電気メッキ法を使用して、局部的または領域的なコーティングが個別的に施される。電気メッキ法によるコーティングのコストは慣用のプラズマ溶射コーティングの３分の１である。更に、本発明の方法が付着層の厚さを±２０μｍにコントロールするのに対し、慣用のプラズマ溶射コーティング法は±７５μｍまたはそれ以上の厚さのばらつきを有する。従って、２５〜４００μｍの範囲の層厚のコーティングを施すことができる。薄いコーティングはコーティングのＴＭＦ寿命を延長する。使用される電気メッキプロセスは境界線がなく、困難なく複雑な輪郭の面にコーティングを施すことができる。

コーティング／マスキングステップは、品物の表面の異なる局部領域で繰り返すことができる。異なる領域を、異なるMCrAlYコーティングで被覆することができる。MCrAlYコーティングは酸化、腐食、熱的機械的疲労（ＴＭＦ）の一つまたは組合せに関連して、前記領域の要求性質に従って選定される。マスキング材料としてワックスや有機ポリマーが適している。

電気メッキγ／γ′の例と、γ／β−MCrAlY局部コーティングの例は、Ni-24Cr-5Al-1Ta-1.2Si-0.3YとNi-23Co-18Cr-10Al.0.5Yであり、それぞれ本出願人のみ公開特許出願である欧州特許出願第０２４０５８８１．０号（内部照合番号Ｂ０２／０４６−０）に記載されている。

本発明の好ましい実施の形態が添付の図に示してある。図は一例としてガスタービン翼を示している。図には、本発明にとって重要な部分だけが示してある。

本発明は一般的に、比較的に高い温度の環境下で作動し、それによって厳しい熱応力や熱サイクルにさらされる部品に適用可能である。このような部品の注目すべき例は、ガスタービンエンジンの高圧および低圧のノズルと翼、シュラウド、燃焼器ライナおよびオーグメンターハードウェアを含んでいる。図１は翼または羽根のような品物１を一例として示している。この品物は、ガスタービンエンジンの運転中高温燃焼ガスが指向される翼２と、図１で見えない空洞と、冷却穴４を備えている。この冷却穴は部品１の外面５と、部品の台３に設けられている。エンジンの運転中、外面５を冷却するために、冷却空気が冷却穴４から搬送される。外面５は高温燃焼ガスによる酸化、腐食およびエロージョンの強い作用と、熱的機械的負荷による一層重要なＴＭＦクラッキングの強い作用を受ける。多くの場合、品物１は一例として米国特許第５，７５９，３０１号明細書に開示されているようなニッケルまたはコバルトをベースした超合金からなっている。実際には、品物１は単結晶（ＳＸ）でもよいし、指向性凝固（ＤＳ）でもよい。図１に示すようなタービン翼または羽根に関連して本発明の効果を説明するがしかし、本発明は一般的に、環境から部品を保護するために塗装系を使用する部品にも適用可能である。

本発明では、電気メッキ法を使用することによって、個別化された局部的または領域的コーティング６が施される。電気メッキ６のＴＭＦ寿命はプラズマ溶射コーティングの寿命の少なくとも２倍である。電気メッキ法によるコーティング６の形成費用は慣用のプラズマ溶射コーティングの３分の１である。本発明の方法の場合更に、付着層の厚さコントロールは±２０μｍである。これに対して、慣用のプラズマ溶射コーティング法は±７５μｍまたはそれ以上の厚さのばらつきがある。従って、２５〜４００μｍの範囲の層厚のコーティングを行うことができる。薄いコーティング６はコーティング６のＴＭＦ寿命を増大する。使用される電気メッキ法は境界線がなく、かつ困難なく複雑な輪郭の面を被覆することができる。ターゲットコーティング６は、局部的な領域の要求に従って酸化／腐食あるいは疲労強さに合わせてコーティングのMCrAlXファミリから選択すべきである。コーティング６は次第に被覆すべである。最初に、コーティングすべきでない領域がマスクされ、ターゲット領域が電気メッキ法でコーティングされる。

前回マスクされた他の領域がコーティングされ、その他の領域が前もってマスクされる。コーティングできるようにするために、ターゲット領域からマスクが除去され、同時に前もって前回コーティングされた領域がマスクされる。ターゲット領域のマスキングとコーティングのプロセスは、必要な回数繰り返される。完成時には、表面は、互いにはっきりした一連の“パッチコーティング”で装飾されているように見える。

異なる領域を異なるMCrAlYコーティング６で被覆可能である。MCrAlYコーティングは酸化、腐食、熱的機械的疲労（ＴＭＦ）の一つまたは組合せに関して上記領域で要求される性質に従って選択される。局部的なコーティングの１つの例は、ガスタービン翼や羽根の台／翼形遷移部における耐ＴＭＦ性コーティグであり、上側翼形−先端区間に設けられた高耐酸化性コーティグである。

使用されるマスクはワックスや有機ポリマーである。これらのマスクは容易に塗布または除去可能であり、残留物や化学的不純物を表面に残さない。

この方法は、使用されたMCrAlYコーティング６のための修理プロセスとして使用することができる。

電気メッキγ／γ′の例と、γ／β−MCrAlY局部コーティングの例は、本願と同じ出願人の未公開の欧州特許出願第０２４０５８８１．０号（内部照合番号Ｂ０２／０４６−０）に記載されたNi-24Cr-5Al-1Ta-1.2Si-0.3YとNi-23Co-18Cr-10Al.0.5Yである。

本発明を例に基づいて説明したが、当業者が他の実施の形態を採用できることは明らかである。従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

本発明の実施の形態としてガスタービン翼を示す図である。

符号の説明

１ 品物
２ 翼
３ 台
４ 冷却穴
５ 品物１の外面
６ MCrAlYの層

Claims (8)

1. 単結晶（ＳＸ）または指向性凝固（ＤＳ）の品物（１）の表面（５）にMCrAlYコーティング（６）を付着させる方法において、局部的な領域でのみ電気メッキ法によってMCrAlYコーティング（６）を品物（１）に施すステップを有することを特徴とする方法。
2. 請求項１のステップ（ａ）の間、品物（１）がγ／γ′コーティングまたはγ／βコーティングによって局部的に被覆されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 局部的な領域でのみ電気メッキ法によってMCrAlYコーティング（６）を品物（１）に施すステップが、品物（１）の表面（５）の異なる局部領域で繰り返されることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 局部的な領域でのみ電気メッキ法によってMCrAlYコーティング（６）を品物（１）に施すステップの間、コーティングすべきでない領域がマスク材料によってマスクキングされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. コーティングすべきでない領域がワックスまたは有機ポリマーによってマスキングされることを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 異なる領域に異なるMCrAlYコーティングが施され、MCrAlYコーティングが酸化、腐食、熱的機械的疲労（ＴＭＦ）の一つまたは組合せに関して前記領域で要求される性質に従って選択されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 方法が使用済みMCrAlYコーティング（６）のための修理プロセスとして使用されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. 翼または羽根のようなガスタービンの品物（１）がコーティングされることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。

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