JP2000212770A - 物品の離散選択表面の皮膜 - Google Patents
物品の離散選択表面の皮膜Info
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 物品１０の金属基材２０の耐環境皮膜２２を
設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚で修復又は強化する方法。 【解決手段】修復又は強化用金属３０を１以上の離散局
所表面領域２８，２９に施工する。次いで少なくとも離
散表面領域２８，２９に耐環境皮膜３２を施工する。実
用稼働を経て不都合な量の酸化／腐食生成物が離散表面
領域２８，２９に存在している耐環境皮膜２２を修復す
るには、まず、離散表面領域２８，２９に皮膜２２が存
在していればそれを残しかつ離散表面領域２８，２９に
隣接した表面領域の皮膜全体を残したまま、少なくとも
皮膜２２の外側部分２４から酸化／腐食生成物を除去す
る。その後修復用金属３０を付加する。既存皮膜２２を
強化するには、物品１０用に設計された装置内での実用
稼働を経た同種の物品１０で確認された酸化／腐食侵食
作用パターン１６，１８に基づいて１以上の離散表面領
域２８，２９を選択し、その後強化用金属３０を選択領
域２８，２９に付加する。
設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚で修復又は強化する方法。 【解決手段】修復又は強化用金属３０を１以上の離散局
所表面領域２８，２９に施工する。次いで少なくとも離
散表面領域２８，２９に耐環境皮膜３２を施工する。実
用稼働を経て不都合な量の酸化／腐食生成物が離散表面
領域２８，２９に存在している耐環境皮膜２２を修復す
るには、まず、離散表面領域２８，２９に皮膜２２が存
在していればそれを残しかつ離散表面領域２８，２９に
隣接した表面領域の皮膜全体を残したまま、少なくとも
皮膜２２の外側部分２４から酸化／腐食生成物を除去す
る。その後修復用金属３０を付加する。既存皮膜２２を
強化するには、物品１０用に設計された装置内での実用
稼働を経た同種の物品１０で確認された酸化／腐食侵食
作用パターン１６，１８に基づいて１以上の離散表面領
域２８，２９を選択し、その後強化用金属３０を選択領
域２８，２９に付加する。
Description
【０００１】
【発明の技術的背景】本発明は、物品の保護皮膜の修復
又は強化に関するものであり、さらに具体的には、皮膜
の局所離散部分の処理に関する。
又は強化に関するものであり、さらに具体的には、皮膜
の局所離散部分の処理に関する。
【０００２】ガスタービンエンジンの高温ガス流路内で
作動する部品のようなある種の物品は、極高温、酸化性
雰囲気及び燃焼ガス中に存在するイオウ、ナトリウム、
カルシウム及び塩素等の不純物に暴露される。かかる環
境での実用稼働及び暴露の結果、タービン動翼及び静翼
のような部品の表面は酸化／腐食劣化を受けやすい。部
品基材を過度の環境侵食作用から保護するため、かかる
部品の表面はガスタービンエンジンで広く報告されてい
る耐環境皮膜で保護するのが一般的である。これらの耐
環境皮膜は概して拡散皮膜又はオーバーレイ皮膜として
分類され、その区別は処理法又は製膜時の基材消費度に
よってなされる。
作動する部品のようなある種の物品は、極高温、酸化性
雰囲気及び燃焼ガス中に存在するイオウ、ナトリウム、
カルシウム及び塩素等の不純物に暴露される。かかる環
境での実用稼働及び暴露の結果、タービン動翼及び静翼
のような部品の表面は酸化／腐食劣化を受けやすい。部
品基材を過度の環境侵食作用から保護するため、かかる
部品の表面はガスタービンエンジンで広く報告されてい
る耐環境皮膜で保護するのが一般的である。これらの耐
環境皮膜は概して拡散皮膜又はオーバーレイ皮膜として
分類され、その区別は処理法又は製膜時の基材消費度に
よってなされる。
【０００３】報告されている拡散アルミニド皮膜は、付
加ＡｌとＮｉ基超合金基材のＮｉとの金属間表面層を生
じる相互拡散に基づいて、パック拡散浸透法(pack ceme
ntation)、アバブザパック法(above the pack)、気相蒸
着法、化学蒸着法及びスラリーコーティング等の各種方
法で施工される。最終生成皮膜の厚さ及びアルミニウム
顔料は、コーティング原料、コーティング時間、コーテ
ィング温度及びアルミニウム活性などのコーティングパ
ラメーター及び材料を変えることで制御できる。例え
ば、かかる制御はＢｏｏｎｅ他の米国特許第３５４４３
４８号（１９７０年１２月１日特許）及びＢａｓｔａ他
の同第５６５８６１４号（１９９７年８月１９日特許）
等の様々な米国特許で報告されている。拡散アルミニド
皮膜の耐酸化及び耐蝕性能は、Ｐｔ、Ｒｈ及び／又はＰ
ｄの導入によって高まることが示されている。これらの
元素を導入するには、アルミニドコーティングサイクル
に先だって、一般にかかる元素の薄層を電気メッキ又は
物理蒸着手段によって製膜する。
加ＡｌとＮｉ基超合金基材のＮｉとの金属間表面層を生
じる相互拡散に基づいて、パック拡散浸透法(pack ceme
ntation)、アバブザパック法(above the pack)、気相蒸
着法、化学蒸着法及びスラリーコーティング等の各種方
法で施工される。最終生成皮膜の厚さ及びアルミニウム
顔料は、コーティング原料、コーティング時間、コーテ
ィング温度及びアルミニウム活性などのコーティングパ
ラメーター及び材料を変えることで制御できる。例え
ば、かかる制御はＢｏｏｎｅ他の米国特許第３５４４３
４８号（１９７０年１２月１日特許）及びＢａｓｔａ他
の同第５６５８６１４号（１９９７年８月１９日特許）
等の様々な米国特許で報告されている。拡散アルミニド
皮膜の耐酸化及び耐蝕性能は、Ｐｔ、Ｒｈ及び／又はＰ
ｄの導入によって高まることが示されている。これらの
元素を導入するには、アルミニドコーティングサイクル
に先だって、一般にかかる元素の薄層を電気メッキ又は
物理蒸着手段によって製膜する。
【０００４】Ｎｉ基超合金物品を酸化及び腐食から保護
するために施工されるオーバーレイ皮膜の一種は、Ｎｉ
及びＡｌをＣｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙ等の１種類以上の他の
元素と共に含んでいる。かかる皮膜は従来、プラズマ溶
射、スパッタリング、電子ビーム、物理蒸着などの製膜
技術によって施工されてきた。これらのプロセスに続い
て、物品の耐環境保護性能を向上させるための拡散アル
ミナイジングプロセスを行うこともある。ガスタービン
エンジン内の物品の熱処理及び／又は実用稼働時に、か
かるオーバーレイ皮膜は基材内部に拡散する可能性があ
り、タービン翼翼形部壁のような荷重支承壁の一部を消
費しかねない。
するために施工されるオーバーレイ皮膜の一種は、Ｎｉ
及びＡｌをＣｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙ等の１種類以上の他の
元素と共に含んでいる。かかる皮膜は従来、プラズマ溶
射、スパッタリング、電子ビーム、物理蒸着などの製膜
技術によって施工されてきた。これらのプロセスに続い
て、物品の耐環境保護性能を向上させるための拡散アル
ミナイジングプロセスを行うこともある。ガスタービン
エンジン内の物品の熱処理及び／又は実用稼働時に、か
かるオーバーレイ皮膜は基材内部に拡散する可能性があ
り、タービン翼翼形部壁のような荷重支承壁の一部を消
費しかねない。
【０００５】エンジン実用稼働時に発生する当初の皮膜
組成物の酸化／腐食劣化又は相互拡散損は、タービン翼
形部の表面に沿ってその程度の差があり、ある表面では
侵食又は組成損はほとんど生じないが、現在の補修作業
の慣行は補修前にすべての皮膜面から保護拡散皮膜又は
オーバーレイ皮膜を完全に除去するというものである。
かかる完全な除去は、相互拡散域が除去されるので壁厚
が減少し、部品の荷重支承能力を落とす結果となる。加
えて、皮膜を完全に除去することは、皮膜が既に除去さ
れ部品を再使用するには代わりの皮膜を施工しなければ
ならない部品の外表面と、内部冷却通路と連通した冷却
孔とが交差する箇所における、空気冷却部品について設
計された冷却空気の流れパターン及び流量を維持する上
で問題を生じる。
組成物の酸化／腐食劣化又は相互拡散損は、タービン翼
形部の表面に沿ってその程度の差があり、ある表面では
侵食又は組成損はほとんど生じないが、現在の補修作業
の慣行は補修前にすべての皮膜面から保護拡散皮膜又は
オーバーレイ皮膜を完全に除去するというものである。
かかる完全な除去は、相互拡散域が除去されるので壁厚
が減少し、部品の荷重支承能力を落とす結果となる。加
えて、皮膜を完全に除去することは、皮膜が既に除去さ
れ部品を再使用するには代わりの皮膜を施工しなければ
ならない部品の外表面と、内部冷却通路と連通した冷却
孔とが交差する箇所における、空気冷却部品について設
計された冷却空気の流れパターン及び流量を維持する上
で問題を生じる。
【０００６】
【発明の概要】本発明は、一つの形態において、実用稼
働を経た物品の金属基材上で設計皮膜厚範囲内の全皮膜
厚の耐環境皮膜を修復する方法を提供するものであり、
該皮膜は外側部分と、最初の皮膜製造時及び／又はその
後の実用稼働時に金属基材と相互に拡散した内側部分と
を有している。外側部分は実用稼働に付された結果生じ
た不都合な量の酸化／腐食生成物を含む１以上の離散局
所表面領域を有する。この方法は、離散作表面領域に
（皮膜内側部分が存在していれば）皮膜内側部分を残し
かつ離散表面領域に隣接した表面領域の皮膜内側部分及
び外側部分を残したまま、少なくとも離散表面領域の外
側部分から酸化／腐食生成物を選択的に除去することを
含んでなる。次いで、少なくとも離散表面領域に、アル
ミニド及び含アルミニウム合金からなる群から選択され
る耐環境皮膜を、全皮膜厚が実質的に設計皮膜厚範囲内
に維持されるように選定されたコーティングパラメータ
ーを用いて施工する。
働を経た物品の金属基材上で設計皮膜厚範囲内の全皮膜
厚の耐環境皮膜を修復する方法を提供するものであり、
該皮膜は外側部分と、最初の皮膜製造時及び／又はその
後の実用稼働時に金属基材と相互に拡散した内側部分と
を有している。外側部分は実用稼働に付された結果生じ
た不都合な量の酸化／腐食生成物を含む１以上の離散局
所表面領域を有する。この方法は、離散作表面領域に
（皮膜内側部分が存在していれば）皮膜内側部分を残し
かつ離散表面領域に隣接した表面領域の皮膜内側部分及
び外側部分を残したまま、少なくとも離散表面領域の外
側部分から酸化／腐食生成物を選択的に除去することを
含んでなる。次いで、少なくとも離散表面領域に、アル
ミニド及び含アルミニウム合金からなる群から選択され
る耐環境皮膜を、全皮膜厚が実質的に設計皮膜厚範囲内
に維持されるように選定されたコーティングパラメータ
ーを用いて施工する。
【０００７】もう一つの形態では、本発明は、物品上の
既存耐環境皮膜を強化する方法を提供するものであり、
該皮膜は設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚を有する。この方
法は、実用稼働時に不都合な酸化／腐食を受けやすい皮
膜の１以上の離散局所表面領域を選択することを含んで
なる。次いで、少なくとも離散表面領域に、アルミニド
及び含アルミニウム合金からなる群から選択される保護
皮膜を、全皮膜厚が実質的に設計皮膜厚範囲内に維持さ
れるようにコーティングパラメーターを用いて施工す
る。
既存耐環境皮膜を強化する方法を提供するものであり、
該皮膜は設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚を有する。この方
法は、実用稼働時に不都合な酸化／腐食を受けやすい皮
膜の１以上の離散局所表面領域を選択することを含んで
なる。次いで、少なくとも離散表面領域に、アルミニド
及び含アルミニウム合金からなる群から選択される保護
皮膜を、全皮膜厚が実質的に設計皮膜厚範囲内に維持さ
れるようにコーティングパラメーターを用いて施工す
る。
【０００８】
【好ましい実施の形態】個々に設計されたガスタービン
エンジンタービン動翼は、その動翼用に設計されたエン
ジンの実用稼働時に生じる保護皮膜の酸化／腐食が殊に
激しい特有の環境「侵食作用パターン(attack patter
n)」を有している。かかる不都合な酸化／腐食の選択的
な離散表面領域の侵食作用パターンの一つを、図１の斜
視概略図に示す。図１には、基底部１２と翼形部１４を
含んでなる高圧タービン用ガスタービンエンジンタービ
ン動翼（全体として符号１０で示す）をその凹面側から
観たものが示してあり、その翼形部１４には耐環境皮膜
が施されており、その一形態を図２及び図３の顕微鏡写
真に示す。耐環境皮膜の形態としては、アルミニド皮膜
並びに含Ａｌ合金のオーバーレイ皮膜がある。例えば、
ガスタービンエンジン技術で使用される広く知られたオ
ーバーレイ皮膜はＭＣｒＡｌ又はＭＣｒＡｌＹ型のオー
バーレイ皮膜である。ただし、ＭはＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ
から選択される１以上の元素であり、Ｙは任意の酸素活
性元素である。動翼で上述の侵食作用が起こるのは大半
が動翼の凹面側においてであり、動翼凹面側に図示した
のは離散局所皮膜表面領域１６，１８であり、これらの
領域はエンジン実用稼働時に劣化して個々の動翼設計に
応じた環境侵食作用パターンを画成している。
エンジンタービン動翼は、その動翼用に設計されたエン
ジンの実用稼働時に生じる保護皮膜の酸化／腐食が殊に
激しい特有の環境「侵食作用パターン(attack patter
n)」を有している。かかる不都合な酸化／腐食の選択的
な離散表面領域の侵食作用パターンの一つを、図１の斜
視概略図に示す。図１には、基底部１２と翼形部１４を
含んでなる高圧タービン用ガスタービンエンジンタービ
ン動翼（全体として符号１０で示す）をその凹面側から
観たものが示してあり、その翼形部１４には耐環境皮膜
が施されており、その一形態を図２及び図３の顕微鏡写
真に示す。耐環境皮膜の形態としては、アルミニド皮膜
並びに含Ａｌ合金のオーバーレイ皮膜がある。例えば、
ガスタービンエンジン技術で使用される広く知られたオ
ーバーレイ皮膜はＭＣｒＡｌ又はＭＣｒＡｌＹ型のオー
バーレイ皮膜である。ただし、ＭはＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ
から選択される１以上の元素であり、Ｙは任意の酸素活
性元素である。動翼で上述の侵食作用が起こるのは大半
が動翼の凹面側においてであり、動翼凹面側に図示した
のは離散局所皮膜表面領域１６，１８であり、これらの
領域はエンジン実用稼働時に劣化して個々の動翼設計に
応じた環境侵食作用パターンを画成している。
【０００９】離散領域内の侵食作用が所定の限度を超え
たときは、酸化／腐食部の除去が必要であり、皮膜を再
び施工さなければ、物品を実用稼働に戻すことはできな
い。当技術分野の現在の慣行は、不都合なほど劣化した
部分からだけでなく全表面から皮膜を除去するととも
に、侵食領域だけでなく全表面に皮膜を再施工すること
を含んでおり、その際設計限界に関する壁厚の制御はし
ない。航空機エンジンタービン動翼の典型的な設計全皮
膜厚限界は、拡散アルミニドに関しては約１〜５ミルで
あり、オーバーレイ皮膜に関しては約１〜１０ミルであ
る。上述の通り、皮膜を完全に除去すると、有害な壁厚
減少及び／又は物品表面の冷却孔開口に関する問題を生
じかねない。全皮膜厚を制御せずに表面全体に皮膜を施
工すると、その厚さが著しく増大して設計限界を超える
おそれがある。かかる全皮膜厚の増大は動翼に沿っての
空気流パターンを乱すばかりでなく、物品の機械的性質
にも悪影響を及ぼすおそれがある。
たときは、酸化／腐食部の除去が必要であり、皮膜を再
び施工さなければ、物品を実用稼働に戻すことはできな
い。当技術分野の現在の慣行は、不都合なほど劣化した
部分からだけでなく全表面から皮膜を除去するととも
に、侵食領域だけでなく全表面に皮膜を再施工すること
を含んでおり、その際設計限界に関する壁厚の制御はし
ない。航空機エンジンタービン動翼の典型的な設計全皮
膜厚限界は、拡散アルミニドに関しては約１〜５ミルで
あり、オーバーレイ皮膜に関しては約１〜１０ミルであ
る。上述の通り、皮膜を完全に除去すると、有害な壁厚
減少及び／又は物品表面の冷却孔開口に関する問題を生
じかねない。全皮膜厚を制御せずに表面全体に皮膜を施
工すると、その厚さが著しく増大して設計限界を超える
おそれがある。かかる全皮膜厚の増大は動翼に沿っての
空気流パターンを乱すばかりでなく、物品の機械的性質
にも悪影響を及ぼすおそれがある。
【００１０】多数の現存機械特性データベースが、応力
破断強度、高サイクル疲労抵抗の重要な機械的性質と皮
膜厚との間に強い相関関係があることを示している。皮
膜厚、特に先進ニッケル基超合金（かかる合金ではその
耐火性元素分によって基材と皮膜の間で急速な相互拡散
が起こる）での皮膜厚が増大すると、機械的特性の著し
い低下が起こるおそれがある。加えて、厚い皮膜は、エ
ンジン作動時に生じる熱的過渡状態中、薄い皮膜よりも
割れを生じやすい。従って、タービン動翼等の物品の個
々の設計に関して、空気流要件に関してだけでなく稼働
時の物品の望ましい機械的性質を保つためにも、全皮膜
厚は設計厚さ範囲内に収まるように選定される。皮膜厚
と機械的性質の関係、並びに厚さの増大に伴って性質低
下がおこりかねないことを示す典型的なデータが、図４
のグラフに含まれるデータである。このデータは、市販
のＮｉ基超合金単結晶材料の平均応力破断寿命に対する
皮膜厚の影響を示す。皮膜は市販のＰｔ−Ａｌ型皮膜で
ある。
破断強度、高サイクル疲労抵抗の重要な機械的性質と皮
膜厚との間に強い相関関係があることを示している。皮
膜厚、特に先進ニッケル基超合金（かかる合金ではその
耐火性元素分によって基材と皮膜の間で急速な相互拡散
が起こる）での皮膜厚が増大すると、機械的特性の著し
い低下が起こるおそれがある。加えて、厚い皮膜は、エ
ンジン作動時に生じる熱的過渡状態中、薄い皮膜よりも
割れを生じやすい。従って、タービン動翼等の物品の個
々の設計に関して、空気流要件に関してだけでなく稼働
時の物品の望ましい機械的性質を保つためにも、全皮膜
厚は設計厚さ範囲内に収まるように選定される。皮膜厚
と機械的性質の関係、並びに厚さの増大に伴って性質低
下がおこりかねないことを示す典型的なデータが、図４
のグラフに含まれるデータである。このデータは、市販
のＮｉ基超合金単結晶材料の平均応力破断寿命に対する
皮膜厚の影響を示す。皮膜は市販のＰｔ−Ａｌ型皮膜で
ある。
【００１１】図４において、「内側」と「外側」は皮膜
形成中の主な拡散方向を表す。内側拡散は、皮膜が主に
アルミニウムが基材表面内部に拡散することで形成さ
れ、ニッケルの外側拡散が限られている殊を示す（すな
わち、低温と高アルミニウム活性の組合せ）。外側拡散
は、皮膜が、アルミニウムの内側拡散とともにニッケル
の外側拡散で形成されることを示す（すなわち、高温と
比較的低いアルミニウム活性の組合せ）。
形成中の主な拡散方向を表す。内側拡散は、皮膜が主に
アルミニウムが基材表面内部に拡散することで形成さ
れ、ニッケルの外側拡散が限られている殊を示す（すな
わち、低温と高アルミニウム活性の組合せ）。外側拡散
は、皮膜が、アルミニウムの内側拡散とともにニッケル
の外側拡散で形成されることを示す（すなわち、高温と
比較的低いアルミニウム活性の組合せ）。
【００１２】本発明は、物品設計限界を保ち、かつ皮膜
厚の増大に付随した機械的性質の低下を実質的に避けつ
つ、物品の皮膜の耐環境性を回復又は向上させる方法を
提供する。これは、実用稼働を経た被覆物品について
は、皮膜の内側部分が存在していればそれを除去するこ
となく、皮膜の外側部分の離散局所表面領域から過剰酸
化／腐食生成物を選択的に除去することにより達成され
る。かかる不都合な生成物の除去に当たり、選択離散領
域に隣接した表面領域の皮膜は残しておき、局所離散領
域における物品の基材皮膜内側部分を残しておいてもよ
い。酸化／腐食生成物の除去は、当技術分野でかかる目
的に常用される機械的又は化学的手段によって達成でき
る。除去法が機械的手段の場合は、概して隣接表面のマ
スキングが必要である。除去法が化学的手段の場合は、
概して隣接表面のマスキングは必要ない。酸化／腐食生
成物のない領域は、通常使用される化学物質の影響を受
けないからである。
厚の増大に付随した機械的性質の低下を実質的に避けつ
つ、物品の皮膜の耐環境性を回復又は向上させる方法を
提供する。これは、実用稼働を経た被覆物品について
は、皮膜の内側部分が存在していればそれを除去するこ
となく、皮膜の外側部分の離散局所表面領域から過剰酸
化／腐食生成物を選択的に除去することにより達成され
る。かかる不都合な生成物の除去に当たり、選択離散領
域に隣接した表面領域の皮膜は残しておき、局所離散領
域における物品の基材皮膜内側部分を残しておいてもよ
い。酸化／腐食生成物の除去は、当技術分野でかかる目
的に常用される機械的又は化学的手段によって達成でき
る。除去法が機械的手段の場合は、概して隣接表面のマ
スキングが必要である。除去法が化学的手段の場合は、
概して隣接表面のマスキングは必要ない。酸化／腐食生
成物のない領域は、通常使用される化学物質の影響を受
けないからである。
【００１３】図２及び図３の顕微鏡写真は本発明の上述
の部分の一例を示す。図２及び図３において、物品基材
２０はＲｅｎｅ’１２５と呼ばれることもある市販のＮ
ｉ基超合金であり、その表面に、全体を符号２２で示す
市販ＣＯＤＥＰアルミニド皮膜が施工されていた。皮膜
２２には、外側部分２４及び当技術分野で周知の方法で
基材２０と拡散した内側部分２６が含まれていた。ガス
タービンエンジン実用稼働時に、皮膜外側部分２４の離
散局所表面領域２８，２９は過度の酸化／腐食を起こ
し、領域２８は２９のポケット領域よりも深い。本発明
の方法の一形態を実施するために、離散領域２８，２９
からかかる酸化／腐食部を化学的手段によって選択的に
除去し、領域２９の皮膜外側部分２４の残部、及び領域
２８の下層の皮膜内側部分２６を残しておくとともに、
離散領域２８，２９に隣接した領域では皮膜２２全体を
残した。酸化／腐食部を除去すべき選択離散表面領域が
冷却空気排出用の開口もしくはくぼみ等の表面加工部を
含んでいて、機械的除去手段を用いる場合には、かかる
加工部の空気流パターンの変化を防止するため加工部に
マスキングを施すこともできる。
の部分の一例を示す。図２及び図３において、物品基材
２０はＲｅｎｅ’１２５と呼ばれることもある市販のＮ
ｉ基超合金であり、その表面に、全体を符号２２で示す
市販ＣＯＤＥＰアルミニド皮膜が施工されていた。皮膜
２２には、外側部分２４及び当技術分野で周知の方法で
基材２０と拡散した内側部分２６が含まれていた。ガス
タービンエンジン実用稼働時に、皮膜外側部分２４の離
散局所表面領域２８，２９は過度の酸化／腐食を起こ
し、領域２８は２９のポケット領域よりも深い。本発明
の方法の一形態を実施するために、離散領域２８，２９
からかかる酸化／腐食部を化学的手段によって選択的に
除去し、領域２９の皮膜外側部分２４の残部、及び領域
２８の下層の皮膜内側部分２６を残しておくとともに、
離散領域２８，２９に隣接した領域では皮膜２２全体を
残した。酸化／腐食部を除去すべき選択離散表面領域が
冷却空気排出用の開口もしくはくぼみ等の表面加工部を
含んでいて、機械的除去手段を用いる場合には、かかる
加工部の空気流パターンの変化を防止するため加工部に
マスキングを施すこともできる。
【００１４】領域２８，２９から酸化／腐食部を選択的
に除去した後、領域２８，２９に隣接した皮膜表面領域
にマスキングを施し、Ｐｔ、Ｒｈ及び／又はＰｄのよう
な修復用金属を領域２８，２９の空所に選択的に堆積さ
せた。修復用金属はこの例ではＰｔであり、該金属が内
側皮膜部分２６と相互に拡散したときに元の皮膜の設計
皮膜厚範囲内に収まるような厚さに堆積した。上述の通
り、一般にガスタービンエンジンの高圧タービン動翼の
場合、ＭＣｒＡｌ型のオーバーレイ皮膜の設計皮膜厚は
約１〜１０ミルの範囲であり、拡散アルミニドの設計皮
膜厚は約１〜５ミルの範囲である。従って、かかるガス
タービンエンジン動翼用途では、堆積Ｐｔの厚さは通例
約２．５〜１０ミクロンの範囲内にある。当技術分野で
周知の通り、簡便にはＰｔ等の元素は電着によって施工
できる。ただし、別法として、修復用金属を溶射、スパ
ッタリング等の別の方法で施工することもできる。この
例でのＰｔの堆積の結果、図５の断面概略図に示した構
造が生じ、Ｐｔ３０が領域２８の離散空所内に選択的に
電着された。
に除去した後、領域２８，２９に隣接した皮膜表面領域
にマスキングを施し、Ｐｔ、Ｒｈ及び／又はＰｄのよう
な修復用金属を領域２８，２９の空所に選択的に堆積さ
せた。修復用金属はこの例ではＰｔであり、該金属が内
側皮膜部分２６と相互に拡散したときに元の皮膜の設計
皮膜厚範囲内に収まるような厚さに堆積した。上述の通
り、一般にガスタービンエンジンの高圧タービン動翼の
場合、ＭＣｒＡｌ型のオーバーレイ皮膜の設計皮膜厚は
約１〜１０ミルの範囲であり、拡散アルミニドの設計皮
膜厚は約１〜５ミルの範囲である。従って、かかるガス
タービンエンジン動翼用途では、堆積Ｐｔの厚さは通例
約２．５〜１０ミクロンの範囲内にある。当技術分野で
周知の通り、簡便にはＰｔ等の元素は電着によって施工
できる。ただし、別法として、修復用金属を溶射、スパ
ッタリング等の別の方法で施工することもできる。この
例でのＰｔの堆積の結果、図５の断面概略図に示した構
造が生じ、Ｐｔ３０が領域２８の離散空所内に選択的に
電着された。
【００１５】修復用金属３０を選択的に離散領域２８，
２９に堆積した後、マスキングを外面から外し、修復用
金属が内側部分２６に拡散するように修復用金属を加熱
した。堆積Ｐｔに関しては、通例、熱処理は約９００〜
１１５０℃の範囲で、修復用金属がその下層部分に拡散
するのに十分な時間（例えば０．５〜４時間）行った。
この方法において後段のアルミナイジング前のこの時点
での熱処理によって、幾つかの公知方法でＰｔ拡散及び
アルミナイジングを同時に達成するために実施されてい
るようなアルミニドサイクル時の長時間高温暴露が必要
なくなる。また、この時点での熱処理によって、本発明
に従って、全皮膜厚が設計皮膜厚を超えて増大すること
なく表面のアルミナイジングを行うためのアルミナイジ
ング法及びそのパラメータの選択の幅が広がる。
２９に堆積した後、マスキングを外面から外し、修復用
金属が内側部分２６に拡散するように修復用金属を加熱
した。堆積Ｐｔに関しては、通例、熱処理は約９００〜
１１５０℃の範囲で、修復用金属がその下層部分に拡散
するのに十分な時間（例えば０．５〜４時間）行った。
この方法において後段のアルミナイジング前のこの時点
での熱処理によって、幾つかの公知方法でＰｔ拡散及び
アルミナイジングを同時に達成するために実施されてい
るようなアルミニドサイクル時の長時間高温暴露が必要
なくなる。また、この時点での熱処理によって、本発明
に従って、全皮膜厚が設計皮膜厚を超えて増大すること
なく表面のアルミナイジングを行うためのアルミナイジ
ング法及びそのパラメータの選択の幅が広がる。
【００１６】修復用金属の拡散熱処理後、この例では、
Ｐｔ処理した選択離散領域及び物品の残りの隣接表面を
含め外表面全体にアルミナイジングを施した。アルミナ
イジングには、かかる隣接領域で厚さを実質的に増大さ
せることなく、全皮膜厚を設計皮膜厚範囲内に保ちつ
つ、選択離散表面領域でＰｔ−Ａｌ皮膜部を生じかつ隣
接領域でアルミニウム富化表面を生じるように選定した
コーティングパラメータを用いた。本発明で得られた皮
膜の一例を図６の断面概略図に示す。この図は、上記で
領域２８として同定した選択離散領域でのＰｔ−Ａｌ皮
膜３４、並びに新たなアルミニウム富化外側皮膜部分３
２を示しており、皮膜厚は実質的に増大しておらず設計
皮膜厚範囲内にある。
Ｐｔ処理した選択離散領域及び物品の残りの隣接表面を
含め外表面全体にアルミナイジングを施した。アルミナ
イジングには、かかる隣接領域で厚さを実質的に増大さ
せることなく、全皮膜厚を設計皮膜厚範囲内に保ちつ
つ、選択離散表面領域でＰｔ−Ａｌ皮膜部を生じかつ隣
接領域でアルミニウム富化表面を生じるように選定した
コーティングパラメータを用いた。本発明で得られた皮
膜の一例を図６の断面概略図に示す。この図は、上記で
領域２８として同定した選択離散領域でのＰｔ−Ａｌ皮
膜３４、並びに新たなアルミニウム富化外側皮膜部分３
２を示しており、皮膜厚は実質的に増大しておらず設計
皮膜厚範囲内にある。
【００１７】本発明を評価する際、エンジン実用稼働を
経たガスタービンエンジンの空冷高圧タービン動翼を翼
形部表面の酸化／腐食劣化に関して検査した。動翼は、
Ｒｅｎｅ’１２５と呼ばれることもある市販のＮｉ基超
合金で製造され、ＣＯＤＥＰアルミニド皮膜として市販
されているアルミニド皮膜を翼形部に有するものであっ
た。この物品の設計皮膜厚範囲は１〜４ミルであり、製
造時のタービン動翼の全皮膜厚は約２〜３ミルの範囲内
にあった。この検査では、翼形部に、図１に示した侵食
作用パターンと同様の侵食作用パターンをなす酸化／腐
食の離散局所表面領域がみられ、その酸化／腐蝕の程度
は補修をしなければ動翼を実用稼働に戻すことができな
い程のものであった。
経たガスタービンエンジンの空冷高圧タービン動翼を翼
形部表面の酸化／腐食劣化に関して検査した。動翼は、
Ｒｅｎｅ’１２５と呼ばれることもある市販のＮｉ基超
合金で製造され、ＣＯＤＥＰアルミニド皮膜として市販
されているアルミニド皮膜を翼形部に有するものであっ
た。この物品の設計皮膜厚範囲は１〜４ミルであり、製
造時のタービン動翼の全皮膜厚は約２〜３ミルの範囲内
にあった。この検査では、翼形部に、図１に示した侵食
作用パターンと同様の侵食作用パターンをなす酸化／腐
食の離散局所表面領域がみられ、その酸化／腐蝕の程度
は補修をしなければ動翼を実用稼働に戻すことができな
い程のものであった。
【００１８】表面の汚染物を除去するとともに離散局所
領域における翼形部外側部分の侵食作用パターンで確認
された酸化／腐食生成物を除去するための化学的洗浄法
を用いて、翼形部の表面を清浄にした。皮膜の残部を図
２及び図３に略示した通り残こしておいた。選択離散表
面に隣接した翼形部表面の完全な皮膜も残越しておい
た。
領域における翼形部外側部分の侵食作用パターンで確認
された酸化／腐食生成物を除去するための化学的洗浄法
を用いて、翼形部の表面を清浄にした。皮膜の残部を図
２及び図３に略示した通り残こしておいた。選択離散表
面に隣接した翼形部表面の完全な皮膜も残越しておい
た。
【００１９】侵食作用パターンの領域外の皮膜表面領域
を標準電気メッキ用ラッカーでマスキングした。次い
で、酸化・腐食部を除去した離散局所領域をＰｔで約
２．５ミクロン厚に電気メッキした。マスキングを除去
し、堆積Ｐｔをその下層の元の皮膜の内側部分に拡散さ
せるため堆積Ｐｔを非酸化性雰囲気中で約１０５０℃の
温度で約２時間加熱した。かくして、図５に示す構造と
同様の構造が得られた。
を標準電気メッキ用ラッカーでマスキングした。次い
で、酸化・腐食部を除去した離散局所領域をＰｔで約
２．５ミクロン厚に電気メッキした。マスキングを除去
し、堆積Ｐｔをその下層の元の皮膜の内側部分に拡散さ
せるため堆積Ｐｔを非酸化性雰囲気中で約１０５０℃の
温度で約２時間加熱した。かくして、図５に示す構造と
同様の構造が得られた。
【００２０】堆積Ｐｔの拡散熱処理後、工業用気相（ア
バブザパック）型アルミニドコーティング法を用いて翼
形部の表面全体にアルミナイジングを施した。この例を
代表例とするような本発明の実施によって得られた皮膜
は、設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚を有しており、動翼の
耐酸化性及び耐食性が改善された。
バブザパック）型アルミニドコーティング法を用いて翼
形部の表面全体にアルミナイジングを施した。この例を
代表例とするような本発明の実施によって得られた皮膜
は、設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚を有しており、動翼の
耐酸化性及び耐食性が改善された。
【００２１】前述の通り、本発明のもう一つの形態は、
実質的に未使用の新しい被覆物品（例えば動翼）の耐酸
化性及び耐食性を向上させるためその選択離散局所表面
領域で上述のＰｔ−Ａｌ皮膜の施工方法を実施すること
を含んでなる。記離散領域でのＰｔ−Ａｌ皮膜の施工
は、その物品用に設計された装置内での実用稼働を経た
同種の物品で確認された侵食作用パターンに基づく、本
発明は、ガスタービンエンジンのガス流路環境等での実
用稼働を経た皮膜の耐環境性を回復もしくは向上させる
方法を提供するものでり、環境耐性の改善に関する現実
の必要性に応じて離散局所領域に皮膜を施工する。これ
は、劣化皮膜の内側部分を除去することも、それに隣接
した被覆面から皮膜を除去することもなく、達成され
る。かかる選択的な離散皮膜は、Ｐｔ等の高価な金属の
所要量を低減する。同時に、例えば空力性能に影響を与
えかねない空気冷却孔又は表面凹み及び縁部等の動翼表
面加工部での空気流特性を始め、物品の表面特性の低下
又は変化をなくすことができる。
実質的に未使用の新しい被覆物品（例えば動翼）の耐酸
化性及び耐食性を向上させるためその選択離散局所表面
領域で上述のＰｔ−Ａｌ皮膜の施工方法を実施すること
を含んでなる。記離散領域でのＰｔ−Ａｌ皮膜の施工
は、その物品用に設計された装置内での実用稼働を経た
同種の物品で確認された侵食作用パターンに基づく、本
発明は、ガスタービンエンジンのガス流路環境等での実
用稼働を経た皮膜の耐環境性を回復もしくは向上させる
方法を提供するものでり、環境耐性の改善に関する現実
の必要性に応じて離散局所領域に皮膜を施工する。これ
は、劣化皮膜の内側部分を除去することも、それに隣接
した被覆面から皮膜を除去することもなく、達成され
る。かかる選択的な離散皮膜は、Ｐｔ等の高価な金属の
所要量を低減する。同時に、例えば空力性能に影響を与
えかねない空気冷却孔又は表面凹み及び縁部等の動翼表
面加工部での空気流特性を始め、物品の表面特性の低下
又は変化をなくすことができる。
【００２２】以上、本発明を特定の具体例及び実施形態
について説明してきたが、これらは本発明の技術的範囲
を限定するものではなく、本発明の典型例にすぎない。
特許請求の範囲から逸脱することなく、本発明に様々な
変更及び修正が可能であることは当業者には自明であろ
う。例えば、酸化／腐食侵食作用パターンは個々の物品
設計によって変化し、劣化表面の除去は前述の通り皮膜
と皮膜部分を残しつつ各種の公知方法でなし得る。ま
た、修復用又は強化用金属の施工並びにアルミナイジン
グ施工は、本発明の方法の厚さに関する要件及び条件を
満足する限り、様々な公知方法でなし得る。
について説明してきたが、これらは本発明の技術的範囲
を限定するものではなく、本発明の典型例にすぎない。
特許請求の範囲から逸脱することなく、本発明に様々な
変更及び修正が可能であることは当業者には自明であろ
う。例えば、酸化／腐食侵食作用パターンは個々の物品
設計によって変化し、劣化表面の除去は前述の通り皮膜
と皮膜部分を残しつつ各種の公知方法でなし得る。ま
た、修復用又は強化用金属の施工並びにアルミナイジン
グ施工は、本発明の方法の厚さに関する要件及び条件を
満足する限り、様々な公知方法でなし得る。
【図１】 ガスタービンエンジン動翼をその凹側から見
た斜視概略図であり、実用稼働を経た結果生じた比較的
重大な酸化／腐食の離散局所皮膜表面領域を示す。
た斜視概略図であり、実用稼働を経た結果生じた比較的
重大な酸化／腐食の離散局所皮膜表面領域を示す。
【図２】 酸化／腐食生成物を除去した耐環境皮膜部分
の一部分を含む顕微鏡写真断面図である。
の一部分を含む顕微鏡写真断面図である。
【図３】 図２と同様の顕微鏡写真断面図であり、加え
て、腐食部を除去した皮膜付加層内のポケットを示す。
て、腐食部を除去した皮膜付加層内のポケットを示す。
【図４】 Ｎｉ基超合金単結晶材料の平均応力破断寿命
に対する皮膜厚の影響を示すグラフである。
に対する皮膜厚の影響を示すグラフである。
【図５】 図２と同様の断面概略図であり、生成物除去
の位置における修復用金属の堆積を示す。
の位置における修復用金属の堆積を示す。
【図６】 図５と同様の断面概略図であり、外側部分の
アルミナイジングを含む。
アルミナイジングを含む。
１０ ガスタービンエンジンタービン動翼 １４ 翼形部 １６，１８ 離散局所皮膜表面領域（酸化／腐食侵食作
用パターン） ２０ 基材 ２２ アルミニド皮膜（耐環境皮膜） ２４ 皮膜２２の外側部分 ２６ 皮膜２２の内側部分 ２８，２９ 離散局所表面領域 ３０ 修復用又は強化用金属（Ｐｔ） ３２ アルミニウム富化外側皮膜部分（耐環境皮膜） ３４ Ｐｔ−Ａｌ皮膜
用パターン） ２０ 基材 ２２ アルミニド皮膜（耐環境皮膜） ２４ 皮膜２２の外側部分 ２６ 皮膜２２の内側部分 ２８，２９ 離散局所表面領域 ３０ 修復用又は強化用金属（Ｐｔ） ３２ アルミニウム富化外側皮膜部分（耐環境皮膜） ３４ Ｐｔ−Ａｌ皮膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・デイヴィッド・リグニー アメリカ合衆国、オハイオ州、ミルフォー ド、ディアーヘイブン・コート、1097番 (72)発明者 デイヴィッド・ジョン・ワートマン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、モヘガン・ロード、1015番 (72)発明者 ジャネット・エリザベス・ゲーウスキー アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、リ ーデイング、ビーヴァー・ロード、41番
Claims (10)
- 【請求項１】 実用稼働を経た物品１０の金属基材２０
上で設計皮膜厚範囲内の全皮膜厚の耐環境皮膜２２を修
復する方法であって、該皮膜が外側部分２４及び金属基
材２０と相互に拡散した内側部分２６を有していて、外
側部分２４は実用稼働に付された結果生じた不都合な量
の酸化／腐食生成物が存在する１以上の離散局所表面領
域２８，２９を有しており、当該方法が、 離散表面領域２８，２９に皮膜２４，２６が存在してい
ればそれを残しかつ離散表面領域２８，２９に隣接した
表面領域の皮膜内側部分２６及び外側部分２６を残した
まま、少なくとも離散表面領域２８，２９の外側部分２
４から酸化／腐食生成物を除去する段階、及び、次いで
少なくとも離散表面領域２８，２９に、アルミニド及び
含アルミニウム合金からなる群から選択される耐環境皮
膜３２を、全皮膜厚が実質的に設計皮膜厚範囲内に維持
されるように選定されたコーティングパラメーターを用
いて施工する段階を含んでなる方法。 - 【請求項２】 少なくとも離散表面領域２８，２９に、
Ｐｔ、Ｒｈ及びＰｄからなる群から選択される１以上の
修復用金属３０を、皮膜内側部分２６と相互に拡散した
ときに設計皮膜厚範囲内に収まる皮膜厚にコーティング
する、請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 修復用金属３０が皮膜内側部分２６内に
拡散するのに十分な温度及び時間、修復用金属３０を加
熱する、請求項２記載の方法。 - 【請求項４】 保護皮膜３２が外側部分２４全体を含ん
でいる、請求項１記載の方法。 - 【請求項５】 物品１０が翼形部表面１４を含んだガス
タービンエンジン動翼であり、 基材２０がＮｉ基超合金であり、 離散局所表面領域２８，２９が翼形部表面１４上にあ
り、 設計皮膜厚範囲が約１〜１０ミルであり、 全皮膜厚の範囲が約１〜１０ミルであり、 修復用金属３０が約１〜１０ミクロンの範囲内の皮膜厚
に施工されたＰｔであり、 修復用金属３０が約９００〜１１５０℃で約０．５〜４
時間加熱される、請求項３記載の方法。 - 【請求項６】 物品１０の金属基材２０上の既存耐環境
皮膜２２を強化する方法であって、当該方法が、 物品１０用に設計された装置内での実用稼働を経た同種
の物品１０で確認された酸化／腐食侵食作用パターン１
６，１８に基づいて、実用稼働時に不都合な酸化／腐食
を受けやすい皮膜２２の１以上の離散局所表面領域２
８，２９を選択する段階、 露出した離散表面領域２８，２９を残して、離散表面領
域２８，２９に隣接した皮膜２２の表面領域をマスキン
グする段階、及び、次いで少なくとも離散表面領域２
８，２９に、アルミニド及び含アルミニウム合金からな
る群から選択される耐環境皮膜３２を、皮膜厚が実質的
に増大しないように選定されたコーティングパラメータ
ーを用いて施工する段階を含んでなる方法。 - 【請求項７】 少なくとも離散表面領域２８，２９に、
Ｐｔ、Ｒｈ及びＰｄからなる群から選択される１以上の
強化用金属３０をコーティングする、請求項６記載の方
法。 - 【請求項８】 強化用金属３０が既存皮膜２２内に拡散
するのに十分な温度及び時間、強化用金属３０を加熱す
る、請求項７記載の方法。 - 【請求項９】 保護皮膜３２が皮膜全体を含んでいる、
請求項６記載の方法。 - 【請求項１０】 物品１０が翼形部表面１４を含んだガ
スタービンエンジン動翼であり、 基材２０がＮｉ基超合金であり、 離散局所表面領域２８，２９が翼形部表面１４上にあ
り、 設計皮膜厚範囲が約１〜１０ミルであり、 強化用金属３０が約１〜１０ミクロンの範囲内の皮膜厚
に施工されたＰｔであり、 強化用金属３０が約９００〜１１５０℃で約０．５〜４
時間加熱される、請求項８記載の方法。
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