JPH09508440A - 小通路を有する物品のパックコーティング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 パック冷却中に小さいホールが特定の材質によってパックされる傾向を抑える方法である。有機基質によって上記小さいホールをを完全または部分的に満たした後に、パックされた冷却材内にパートを配置する。上記有機材質は、パック冷却プロセスの間に分解する。

Description

【発明の詳細な説明】 小通路を有する物品のパックコーティング方法 技術分野 本発明は、パックディフュージョンプロセス即ちパック拡散コーティングを用 いた保護コーティングによる超合金物品のコーティング方法に関する。特に、本 発明によれば、小孔や穴を有する超合金物品のコーティングプロセスが向上する 。 発明の背景 アルミナイドコーティングは、従来からよく知られており、金属表面を酸化や 腐食から保護するために広く用いられている。アルミナイドコーティングは、経 済的でパーツの重量があまり増加しないことから、ガスタービンエンジンに広く 用いられている。アルミナイドコーティングは、パック拡散（またはパックセメ ンテーション）プロセスによりなされる。アルミニウム、シリコン、クロムをベ ースとする合金だけでなく、シリコン及びクロム等のその他のコーティングも、 パックプロセスを用いることで可能である。以下、特に断らない限り、アルミナ イドとは、アルミニウム、シリコン、クロム、その合金、及びこれらの混合物を ベースとするディフュージョンコーティングを包含するものとして理解されたい 。 アルミナイドコーティングは、アルミニウムに富んで（すなわち アルミニウムリッチ）耐酸化性を有する表面層が形成されるようにアルミニウム を超合金物品の表面上に拡散させることで得られる。 超合金は、ニッケルまたはコバルトをベースとする耐高温材である。拡散アル ミナイドコーティングプロセスを開示する特許の例としては、米国特許第3,625, 750号、第3,871,901号、第4,004,047号が挙げられる。通常、アルミナイドコー ティングは、パックプロセスによってなされる。パックプロセスにおいては、不 活性セラミック材、アルミニウム源、ハロゲン化物活性剤化合物、の混合物粉体 が用いられる。これら粉体の材質をよく混合し、また、コーティングされるパー トがこの粉体混合物内に埋められる。コーティングプロセスの間、不活性または 還元性ガスがパック内に流通され、このパックは、高温に加熱される。 パックコーティングプロセスでは、複雑な化学反応が生じ、この反応では、ハ ロゲン化物がアルミニウム源と反応してアルミニウム−ハロゲン化物化合物蒸気 を生成し、上述したコーティングされるパートの表面に接触する。この蒸気が超 合金の表面に接触すると、蒸気は分解し、超合金表面にはアルミニウムが残り、 ハロゲン化物は解離してアルミニウム源に戻り、上述のプロセスが繰り返される 。アルミニウムは、超合金表面に被覆された後に、サブストレート即ち基体内に 拡散する。拡散は、プロセスの温度を上昇することで促進され、通常は１５００ °Ｆ（８１６℃）程度から２０００°Ｆ（１０９３℃）程度に温度が上昇される 。シリコンやクロムをベースとするコーティングにおいても、同様の反応が生じ る。 超合金のなかでも非常に広く使用されているタイプであるニッケ ルベース超合金において、アルミナイド層内にみられる主な材質はＮｉＡｌであ る。ＮｉＡｌは、表面近辺に形成される。表面のさらに下方においては、その他 のニッケルアルミニウム化合物がよくみられる。これらの化合物は、超合金を構 成する合金要素とアルミニウムとの化合物であることから生じるものであり、上 記合金要素としては、例えば、コバルト、クロム、チタン、及び無反応性の材質 、例えばタングステン、タンタル、モリブデン等が挙げられる。クロムベースの コーティングにおいても、クロムに富む表面層が形成され、シリコンベースのコ ーティングでは、ケイ化物の化合物が形成される。 ガスタービンエンジンにおいては、高温でのエンジン動作が可能となるように 、ハイタービンブレードは一定に空冷されている。冷却空気として、エンジンの コンプレッサセクションにより圧縮された空気が導入される。現在のエンジンに おいては、エンジンの動作条件が増加しており、冷却空気の温度は、このような “冷却”空気が実際に６００°Ｆ（３１６℃）から１１００°Ｆ（５９３℃）に 至るまで高温となっている。このような高温の冷却空気によって、望ましからざ る酸化がタービンブレードの内部冷却通路及びその他の空冷されるガスタービン エンジンのハードウェアに生じることとなる。超合金よりなるその他のガスター ビンハードウェアもまた、冷却ホールを有し、本発明によるコーティングが可能 である。これらのハードウェアとしては、ベーンやエアシールが挙げられる。 従って、酸化を抑えるために、ブレードの冷却ホール及び内部通路をアルミニ ウムコーティングすることが望ましい。これらのホー ルの直径は、通常約０．０１０インチ（０．０２５ｃｍ）〜約０．０２５インチ （０．０６４ｃｍ）であり、その深さは、通常約０．０３０インチ（０．０７６ ｃｍ）〜約０．３００インチ（０．７６２ｃｍ）である。上記冷却ホールは、冷 却効率を向上するために、直径が小さくなっている。 上記のようなホールを有するガスタービンエンジンのハードウェアをパックコ ーティングするにあたって、実用上無視できない問題が生じる。コーティングプ ロセスの終了時に、コーティングパックのなかの特定の材質が小さい流通路内に 固定的にパックされてしまうことが見いだされている。顕微鏡的検査によって、 コーティングプロセの間に、また、コーティングプロセスから冷却サイクルの間 に、ハロゲン化物活性化材質を含む反応によって、小径の特定の材質はともに焼 結され、また壁面にも焼結されることが判明した。 加えて、主にセラミック材である特定のパックコーティング材と超合金物品と の間の熱膨張係数の差も相当大きい。この熱的な差を小さくすることで、パック コーティングプロセスに寄与することが可能である。 いずれの場合においても、コーティング後に冷却ホールから材質を除去するこ とが主な問題となり、このため、化学的溶解、グリットブラスト、及び機械的手 法等が用いられている。非常によく用いられているのは、手作業による粉体の材 質の除去である。各ブレードは１００〜３００程度のホールを有することから、 各通路に細いピアノ線を通して焼結したパック材質を除去するには、長時間を要 する。さらに、時間的要素を無視するとしても、焼結した材質は、 単に機械的手段によって除去することはできず、従って、各ホールを再度ドリル により穴開けする必要がある。勿論、穴開けされたホールの壁面上には保護コー ティング層は存在しない。 発明の開示 本発明は、パックコーティングプロセスの間におけるガスタービンエンジンハ ードウェアの冷却ホールのパック冷却材のパッキング及び焼結を大きく抑制する 前処理プロセスを提供する。本発明によれば、冷却ホール及びその他同様の小さ な入り組んだ通路は、有機材によって満たされる。この有機材は、コーティング プロセスの間に小径のホール内へのパックコーティング材の侵入を部分的にまた は完全に阻止する。パックアルミナイジング温度へのコーティングサイクルの加 熱処理工程において、有機材は分解されて無害な蒸気となり、通常のパックコー ティングで用いられるものの一部である不活性または還元性ガスのフローととも に、パックから外へとでる。これら同じ不活性または還元性ガスは、通路がパッ ク材を有するがどうかにかかわらず、アルミニウム蒸気を通路へと運ばせる。従 って、通路の内壁は、このプロセスの間にアルミナイズされる。プロセスの終了 時には、パック材は、容易に通路から除去でき、たいていは単に圧縮空気を用い ることで除去される。 有機材は最初は液体の状態で使用され、その後に耐久性のある状態である固体 とされて、パックコーティング材が完全に通路をふさぐことのないようにされる 。有機材は、通路におけるパックコーティング材のパッキング密度を減少させる ように機能する。有機材は、 化学的というよりは物理的に作用する。従って、使用される有機材として多種多 様な有機材が選択可能である。 有機材に主に要求されることは、その分解時にコーティングプロセスを阻害す る蒸気を生成することがないこと、超合金の表面を汚染する残渣を残さないこと 、その他、上記表面へのアルミニウムの拡散を阻害することがないことである。 Ｐｂ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｈｇ等の重金属や、Ｓのような反応性元素は避けるべきであ り、低炭素残渣であることが望ましい。 有機溶剤に可溶であるよりは、水溶性であることが、上記有機材の特性として 好適である。この点は、揮発性の有機蒸気による大気への汚染を抑えるために必 要となる。有機材は、好ましくは、適用時の粘度が５００センチストーク〜１０ ０センチストークであることが好ましい。上述した好適寸法を有する冷却ホール 内を適切に流通させるには、上記範囲の粘度であることが好ましい。 好適な有機材としては、水溶性のポリマーが挙げられる。このようなポリマー として、天然ポリマー、半合成ポリマー、合成ポリマーが挙げられる。天然の水 溶性ポリマーとしては、例えばアラビアゴム、トラガカントゴム、カラヤゴムが 挙げられる。水溶性の半合成ポリマーとしては、カルボキシメチルセルロース、 メチルセルロース、エーテルや酢酸塩等の加工デンプンが挙げられる。水溶性合 成ポリマーとしては、ポリビニルアルコール、エチレンオキシドポリマー、ポリ ビニルピロリドン、ポリエチレンイミン等が挙げられる。なお、上記各ポリマー は、あくまでも例示として挙げたものであり、これらに限定されるわけではない 。完全に溶液ベースの材質 に加えて、懸濁液、例えばエマルション等も使用可能である。例えば、ラテック ス（ゴム乳液）即ち炭化水素ポリマーのコロイドの水中懸濁液も使用可能である 。 その他の有機材のホストを用いることも可能であり、特に、有機可溶材を含め る場合には可能である。このような材質としては、セラック（shellac）、ワニ ス、シリコン、ゴム、ゴムセメントその他の材質が挙げられる。上述したように 、これらの材質は、本発明の説明のために挙げたものであり、本発明を直接限定 するものではない。 上述した材質は、エマルションを除いては、溶媒に可溶なものであり、エバポ レーション即ち蒸発脱水により固化される。これらの材質は、最初に適用すると きには液体であり、その後化学反応、例えばエポキシ化等によって固化される。 ワックス等の熱可塑性プラスチックを用いることも可能である。このような材質 は、比較的低温で溶解し、ブラッシングまたは浸漬によって使用され、その後に 冷却によって固化される。 コーティングプロセス時に分解可能な適切な有機材が選択され、適切な粘度に された後に、コーティングされるパートに適用される。この際、好ましくはブラ ッシングによって適用するが、浸漬またはスプレイにより行うことも可能である 。この有機材は、優先的に、その表面張力によって、上述した細い通路内に保持 される。過剰な有機材は、このパートから除去することができ、例えば、スプレ イヤクロス(sprayer cloth)による除去、ウォルナットシェル等によるエアブラ スティング、または、適切な溶媒に短時間浸漬する、等 の方法によって除去可能である。 上記パートの表面から過剰な有機材を除去することは、本願において好ましい ことではあるが、本願に本質的に影響を与えるものではない。何故なら、上記表 面にアルミニウムの上記を流通させるプロセスであるパックコーティングプロセ ス自体の性質として、コーティングされる表面とパックコーティング材との間に ギャップやスペースがあったとしても、プロセスは効率的に進行されるからであ る。 この点に関し、実質的に完全に小径の冷却ホールをブロックする有機材を用い るた場合、及び、粘度がより低くホールの内表面にのみコーティングを形成する 有機材を用いた場合、のそれぞれの条件で本発明を実施した。その結果、どちら の条件ににおいても、良好な結果が得られてるようであり、かつ、どちらかが他 方より好適であるということもなかった。 有機材がホールの内面にコーティングを形成する条件では、コーティングの厚 みは、少なくとも0.0005インチ（0.0013cm）であることが好ましく、より好まし くは、少なくとも0.0010インチ（0.0025cm）とする。 本発明のこれら及び他の目的及び利点は、以下の図面の説明及び発明の詳細な 説明によって、さらに明らかとされる。 発明の最適実施形態 アルミナイドコーティングにおけるパックコーティングプロセスはよく知られ ているが、以下にその概略を記述する。 本願発明により用いられ得るパックコーティングには種々のアルミニウム源を 用いることができ、例えば、純粋なアルミニウム粉体を用いてもよい。アルミニ ウム合金を用いることも可能であり、例えば、従来のパックアルミナイドコーテ ィングではアルミニウム−１０％シリコンが用いられており、本発明でも問題な く用いることができる。米国特許第５，０００，７８２号では、アルミニウムイ ットリウムシリコン合金を使用する技術が開示されており。この合金は、イット リウムを２〜２０ｗｔ％含有し、かつ、シリコン、クロム、コバルト、ニッケル 、チタン、及びこれらの任意混合物のいずれかを６〜５０ｗｔ％含有し、残部は アルミニウムとなっている。この例では、アルミナイドコーティングされた生成 物にはアルミニウムとイットリウムとの混合物が含有される。イットリウムによ って、耐酸化力が工場する。これらの従来特許は、参照として本願に包含される 。また、アルミニウム化合物を用いることもでき、例えばＣＯ₂ＡＬ₅，ＣｒＡｌ ，及びＦｅ₂Ａｌ₅がパックコーティングプロセスのアルミニウム源として知られ ており、本願でも問題なく用いられ得る。 ハロゲン化物活性化化合物は、種々のハロゲン化物の化合物のいずれを用いて もよく、例えば弗化アルミニウム、弗化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナト リウム、ヨウ化ナトリウム、弗化アンモニウム、弗化水素アンモニウム、塩化ア ンモニウム、弗化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム物等 が用いられる。 Ｎａ₃Ａｌｆ₆等の複雑な化合物だけでなく、これらのハロゲン化物の化合物の 混合物を用いてもよい。これらの化合物活性化剤は、 米国特許第４，１５６，０４２号に開示されている。不活性な材質としては、通 常アルミナが用いられる。焼結における問題の程度は、用いられる活性化剤によ ってある程度変化し、特に弗化水素アンモニウム活性化剤を用いた場合には顕著 である。 本発明は、以下の例示的実施例を参照すると、容易に理解可能であろう。複数 の直径0.015インチ（0.038ｃｍ）のホールを有するタービンブレードを、パック アルミナイドコーティングによって、コーティングした。アルミ化に先立って、 Kelzan^TMとして知られている有機材をホールのコーティングに用いた。Kelzan^TM は、ＫｅｌＣｏ社（KelCo Company of San Diego，California，division of Me rck ＆ Company）の製品である。このKelzan^TMは、海草から得られ、パウダー状 で供給される水溶性の高分子量ポリマーである。Kelzan^TM粉体は、ロータリーミ キサを用いて水と混合される。この際、約２．０〜５．０ｗｔ％がKelzan^TMで約 ９５〜９８ｗｔ％が水であり、得られる生成物の粘度が蜂蜜よりも高くなるまで 、この生成物を混合した。 タービンブレードの外表面において、この外表面によって上記ホールが区画さ れている領域に対して上記生成物材料を吹き付けるために、小径のブリストルペ イントブラシが用いられた。このペイントブラシを、冷却ホールに上記Kelzan^TM 混合物が可能な限り入り込むように操作した。最初に、Kelzan^TMを種々の形態で 用いるとともに、水系バインダをとばすための加熱されたオーブン内での乾燥ス テップを用いた。この試験では、上記ホールは完全にKelzan^TMにより満たされた 。 その後、Kelzan^TMコートの使用量を減らして実験を繰り返し行った。その結果 、アルミナイドコーティングプロセスにおいては、冷却ホールの壁面へのパック 材質の焼結を減少させるには、乾燥後のKelzan^TMコートを少なくとも0.001イン チ（0.0025cm）とであれば、焼結減少効果が得られることがわかった。 冷却通路が部分的に満たされたブレードは、８ｗｔ％のＡｌ、２２ｗｔ％のＣ ｒ、１／２ｗｔ％〜１／２ｗｔ％の弗化水素アンモニウム、残部６０メッシュア ルミナ粉末のパック混合物に浸された。 埋め込まれたブレードは、超合金シート金属容器内に入れられ、この容器は、 加熱炉内に入れられてアルゴンの流通下、２０２５°Ｆ（１１０７℃）で２６時 間加熱される。この高温工程が終了した後に、ブレードが取り出され、パック材 質は、穏やかなグリップ−ブラスティングによって除去された。 グリップブラスティングは、２．４０メッシュＡｌ₂Ｏ₃研摩材を備えたグリッ プブラスティングガンを２０psi（１３８ｋＰａ）の空気圧で作動させて行い、 これによって、完全にパック材質を冷却ホールから除去することが可能であり、 かつ、アルミナイドコーティングには損傷は何ら認められなかった。有機ホール 前コート処理に先立って、同じ研摩材を同じ研磨ガンで空気圧を８０psi(５５２ ｋＰａ)として用いたところ、一般に、コーティングプロセス後のパック材質の 除去には効果はなかった。加えて、空気圧が約５０ｐｓｉ（３４５ｋＰａ）を超 えると、コーティングをはがすように作用することが見いだされた。 従来法により、有機コーティングによる前処理を行うことなくコ ーティングされた通常のブレードでは、プローブを冷却ホールに差し込んで、冷 却ホールからパック材質を除去するには約２〜１０時間のめんどうな手作業が必 要である。たいていの場合、このような手作業は不可能であり、パック材質は、 化学的手段または再度穴開け作業を行うことによって除去する必要があり、相当 の費用がかかる。したがって、本発明によれば、パックコーティングプロセス後 の冷却ホールからのパック材質の除去にかかる労働量及びコストが非常に削減さ れる。カット−アップタービンエンジンブレードの電子顕微鏡写真による検査の 結果、冷却ホールの内壁は、アルミニウムによって保護されており、アルミニウ ムの量は、その効力が出現するに十分な量であった。 本発明はここに示し説明した実施例に限定されるものではない。本発明の趣旨 および範囲を逸脱することなく種々の変形や修正が可能であることはいうまでも ない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 冷却ホールを有する金属物品を保護コーティングによってコーティング 方法であって、前記保護コーティングの成分源とハロゲン化物活性化剤と不活性 セラミック材とを含有する粉体混合物に前記物品を埋め、前記物品と粉体混合物 とを加熱する方法において、 部分的に前記冷却ホールを水系の有機コーティング剤で満たした後に前記物品 を前記粉体混合物内に埋め、これによって、前記粉体混合物が前記冷却ホール内 で焼結することを抑制するようにしたことを特徴とする方法。 ２． 前記有機材質は、水溶性の高分子ポリマーであることを特徴とする請求 項１記載の方法。 ３． 前記有機材質は、ケルプをベースとして得られる水溶性由来物であるこ とを特徴とする請求項２記載の方法。 ４． 前記ハロゲン化物活性化剤は、弗化水素アンモニウムであることを特徴 とする請求項１記載の方法。