JP2018532040A - 反応性元素をドープしたアルミナイドコーティングの形成のためのスラリー配合物及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンのホットセクション構成要素において使用される、改善された保護コーティングを形成するための、新規なスラリー配合物及びプロセスが提供される。本プロセスは、改善された反応性元素をドープしたアルミナイドコーティング内で、反応性元素の必要な濃度が、再現可能な様式で絶えず生成され得る、独自の２段階堆積手順を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのホットセクション構成要素において使用される、改善された保護コーティングを形成するための、新規なスラリー配合物及びプロセスに関する。より詳細には、本発明は、強化された環境保護のための、改善された反応性元素をドープしたアルミナイドコーティングを形成するための、新規なプロセス及び新規なスラリー配合物に関する。

ガスタービンエンジンのホットセクション内の構成要素部品は、ますます苛酷な動作環境にさらされる。動作中のこれらの構成要素は、耐久性及び信頼性を向上させることができる保護コーティングに依存する。

ガスタービンエンジンにおける構成要素は、典型的には、超合金材料から作製される。このような超合金材料は、適切な高温機械的特性を付与するが、不十分な耐環境性を有する。その結果として、超合金構成要素、例えば燃焼器、高圧羽根、囲い板、及び静翼などは、高温下での酸化及び腐食作用に対する保護のための拡散アルミナイドコーティングが適用されている。これらのアルミナイドコーティングは、単独で、又は遮熱コーティング（ＴＢＣ）システム用のボンドコートとして使用される。アルミナイドコーティングは、アルミニウム（Ａｌ）が十分に豊富であり、保護及び熱成長の、αアルミナとして知られる、酸化物スケールを形成する。それらは、一般に、例えば拡散浸透処理、気相法、又は化学蒸着などの各種の方法によって、アルミニウムを有する超合金表面を豊富にすることによって生成される。

ガスタービンエンジン性能における更なる進行中の改善は、更に高い動作効率及び排出削減を必要とし、これは、より高い動作温度耐性が可能な改善されたアルミナイドコーティングの開発を必要とした。アルミナイドコーティングの性能を改善するため、業界において認識され、受け入れられた１つの手段は、少量のいわゆる反応性元素（ＲＥ）、例えばハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、又はセリウムなどを組み込んで、金属合金及びコーティングの耐高温酸化性を高めることができる、反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングを生成することである。本明細書で使用される場合、炉サイクル試験（「ＦＣＴ」）は、アルミナイドコーティング又はアルミナイドボンドコートを用いた遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）システムの耐酸化性を定量化するために使用される。典型的な反応性元素としては、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、及び周期律表中のランタニド系列の元素が挙げられるが、これらに限定されない。このような反応性元素の少量添加は、熱サイクル中のアルミナイドコーティングの耐高温酸化性を有意に高めることが知られている。

ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングのＦＣＴ耐酸化性は、コーティング中のＲＥ濃度に敏感であることが認識されている。その際、いわゆるＦＣＴ性能は、どのようなＲＥも組み込まれていない、従来の拡散アルミナイドコーティングよりも、改善なしから約４倍の改善の範囲であり得る。

現在まで、様々なプロセスが、反応性元素をドープしたアルミナイドコーティングを形成するために検討されている。本明細書で使用される場合及び本明細書を通して「反応性元素をドープしたアルミナイドコーティング」という句は、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、及び／又はセリウムの群から選択される反応性元素のうちの少なくとも１つを含む、拡散アルミナイドコーティングを指し、この存在は、腐食性環境下での、従来の拡散アルミナイドコーティングの性能を高めることができる。このようなプロセスとしては、拡散浸透処理、気相法、又は化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスが挙げられ、アルミナイジングコーティングレトルト内へのＲＥドナー材料の添加が用いられる。しかしながら、これらのプロセスは、一貫した、許容できるＦＣＴ性能をもたらすような、ＲＥ濃度の再現性は達成できない、非常に多くの欠点を有する。

したがって、ガスタービンエンジンにおける、例えば高圧タービン羽根、静翼、及び囲い板などの複雑な形状を有する部品表面を含む、表面上にＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを生成する、より簡単で、より経済的で、制御可能な方法の必要性が存在する。本発明の他の利点及び用途は、当業者に明らかになるであろう。

本発明の第１の態様において、スラリー配合物由来の反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングであって、スラリー配合物が、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるＲＥ成分を含むＲＥドナー粉体と、フッ化アルミニウム、フッ化アンモニウム、フッ化クロム、塩化アンモニウム、塩化クロム、塩化ハフニウム、フッ化ハフニウム、オキシ塩化ハフニウム、塩化ジルコニウム、フッ化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、塩化ランタン、塩化イットリウム、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるハライド含有活性化剤粉体と、不活性充填剤粉体と、バインダー溶液であって、溶媒に溶解したバインダー材料を含むバインダー溶液と、含む、反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。

本発明の第２の態様において、反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングの前駆体である、ＲＥが豊富な層であって、ＲＥが豊富な層が、基材に沿って堆積し、
ＲＥが豊富な層の総重量の、約２０〜５０パーセントの範囲の濃度で、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ及びＣｅからなる群から選択される少なくとも１つのＲＥを含み、ＲＥが豊富な層が、基材の表面に化学的に結合し、ＲＥが豊富な層が、約０．２〜約１０マイクロメートルの厚さを有する、ＲＥが豊富な層。

本発明の第３の態様において、部品上にＲＥが豊富な層を生成するための方法であって、ＲＥドナ−及びハライド活性化を含む、ＲＥドナースラリーを用意する工程と、ＲＥドナースラリーを、部品上に塗布する工程と、ＲＥドナースラリーを、加熱して、ハライド蒸気を発生させる工程と、ハライド蒸気とドナースラリー中に含まれるＲＥ成分を反応させ、ＲＥハライドガスを生成する工程と、キャリヤーガスの非存在下で、ＲＥハライドガスを、部品表面で移送する工程と、キャリヤーガスの非存在下で、ＲＥを、部品表面上に堆積させる工程と、続いて、ＲＥを、部品表面内部に拡散させる工程と、次いで、ＲＥが豊富な層を、部品上に化学的に結合する工程と、ＲＥ堆積の後、ＲＥが豊富な層から未反応スラリー残留物を、除去する工程と、を含む、方法。

本発明の第４の態様において、プロセスにおいて調製される反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングであって、方法が、ＲＥドナ−及びハライド活性化を含む、ＲＥドナースラリーを用意する工程と、ＲＥドナースラリーを、部品上に塗布する工程と、ハライド活性化剤を加熱して、ハライド蒸気を発生させる工程と、ハライド蒸気とドナースラリー中に含有されるＲＥ成分を反応させ、ＲＥハライドガスを生成する工程と、キャリヤーガスの非存在下で、ＲＥハライドガスを、部品表面に移送する工程と、ＲＥを、部品表面上に堆積させる工程と、続いて、ＲＥを、部品表面内部に拡散させる工程と、次いで、ＲＥが豊富な層を、部品上に形成する工程と、ＲＥ堆積の後、ＲＥが豊富な層から未反応スラリー残留物を除去する工程と、ＲＥハライドガスの堆積を妨害しないように、アルミニウム系材料を部品表面上に堆積させる工程と、アルミニウム系材料を、ＲＥが豊富な層内部に拡散させる工程と、ＲＥが豊富なコーティング層をアルミナイジングする工程と、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを形成する工程と、含む、反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。

本発明の第５の態様において、セラミックス遮熱コーティング用の改善されたボンドコートとしての使用に適合した反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングであって、ボンドコートが、プロセスにおいて調製され、プロセスが、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される白金族金属を堆積させる工程と、ＲＥドナ−及びハライド活性化を含む、ＲＥドナースラリーを用意する工程と、ＲＥドナースラリーを、部品表面上に塗布する工程と、ハライド活性化剤を加熱して、ハライド蒸気を発生させる工程と、ハライド蒸気とドナースラリー中に含有されるＲＥ成分を反応させ、ＲＥハライドガスを生成する工程と、キャリヤーガスの非存在下で、ＲＥハライドガスを、部品表面で移送する工程と、ＲＥを、部品表面上に堆積させる工程と、続いて、ＲＥを、部品表面内部に拡散させる工程と、次いで、ＲＥが豊富な層を、部品上に形成する工程と、ＲＥが豊富な層からスラリー残留物を除去する工程と、ＲＥハライドガスの堆積を妨害しないように、アルミニウム系材料を部品表面上に堆積させる工程と、アルミニウム系材料を、ＲＥが豊富な層内部に拡散させる工程と、ＲＥが豊富なコーティング層をアルミナイジングする工程と、ＲＥをドープした白金アルミナイドコーティングを形成する工程と、セラミックス遮熱コーティングを、ＲＥをドープした白金アルミナイドコーティング上に塗布する工程を、含む、反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。

本発明は、様々な組み合わせの任意の態様及び本明細書で開示される実施形態を含むことができる。

本発明の目的及び利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から、添付の図を参照してより理解され、図を通して同様の数は同じ特徴を示す。
本発明の原理による、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを作成すること関する、ブロックフロー図である。 本発明の新規で改善されたスラリー配合物からのＲＥ堆積の実施後の、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングの生成のための前駆体である、ＲＥが豊富な層のＳＥＭ顕微鏡写真である。 本発明の原理による、アルミナイジング後の、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングのＳＥＭ顕微鏡写真である。

本発明の目的及び利点は、以下の関連する実施形態の詳細な説明から、より理解されるであろう。本開示は、改善されたアルミナイドコーティングを生成するための新規なスラリー配合物、及びこのような改善したアルミナイドコーティングを形成するための新規な方法に関する。本開示は、様々な実施形態において、様々な態様、及び本発明の特徴に関して、本明細書に記載されている。

本発明の様々な要素の関連性と機能性は、以下の詳細な説明によって、より理解される。詳細な説明は、本開示の範囲内である、様々な置換と組み合わせにおける、特徴、態様、及び実施形態を熟考する。本開示は、これらの特定の特徴、態様、及び実施形態、又はそれらの選択された１つ以上の、任意のこのような組み合わせと置換を、含む、からなる、から本質的になるとして、更に特定することができる。

本明細書で使用される場合、及び本明細書を通して、「ＲＥが豊富な層」という用語は、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングの形成のための中間体又は前駆体である特定のＲＥコーティングを意味することが意図されている。本明細書で使用される場合、及び本明細書を通して、「部品」及び「基材」は、互換的に使用され、タービン羽根構成要素の任意の領域又は表面などの任意の構成要素を指す。すべてのパーセントは、本明細書では、特に記載がない限り、重量パーセントとして表される。

アルミナイドコーティングの高温酸化性能は、アルミナイドコーティング内のＲＥ濃度及び分布に敏感であると認識されているが、本発明は、このようなＲＥ組成物制御、及びコーティング間の再現性を作り出す能力が、従来のプロセスでは欠けている、と認識する。更に、これらの設計課題は、ガスタービンエンジンにおける、例えば高圧タービン羽根、静翼、及び囲い板などの複雑な形状で悪化する可能性がある。

その上、ＲＥ濃度は、相対的に狭い範囲で維持される必要がある。詳細には、アルミナイドコーティング内でＲＥ濃度が、所定の下限未満（すなわち、約０．５重量％未満）である場合、コーティング性能において、有意な改善は検出されない。ＲＥ濃度が、所定の上限より高い（すなわち、約１０重量％より高い）場合、ＲＥの添加は、高温暴露中、非保護及び急成長有害ＲＥ酸化物の形成に起因して、効果がなくなる可能性がある。上記のものを含む従来のプロセスは、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを、確実に一貫して、繰り返し、ＲＥが、所定の濃度範囲で、アルミナイドコーティング内に含まれるように、生成することはできない。

これらの欠点から、本発明が出現した。本発明は、従来のプロセスと比較して高い再現性を有する適用可能な性能基準を一貫して満たす、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを生成するように、コーティング間のＲＥ濃度を制御することができる、コーティングプロセスの必要性を認識する。本発明は、複雑な形状を有するものを含む、様々な部品表面に、適用可能な性能基準を満たす、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを用いて、確実に一貫して、コーティングするための、新規な解決策を提供する。

一実施形態において、本発明は、部品上にＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを形成する独自のプロセスを提供する。本プロセスは、従来のプロセスよりも有利である。ブロック図（図１）に関して、本発明は、新規な２段階堆積プロセスを実施して、部品上に得られたＲＥをドープしたアルミナイドコーティングの形成を作り出す。本発明は、工程の順序が、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングの形成の成功には不可欠であることを見出した。好ましい実施形態において、図２に示されるように、ＲＥはハフニウム（Ｈｆ）である。詳細には、ＲＥは、図２に詳述されるように、最初に全体として堆積して、部品上にＲＥが豊富な層を形成する。詳細に言えば、ＲＥドナー粉体及びハライド活性化剤粉体を含有するスラリーは、用意され、コーティングされることが要望されている基材の領域に、任意の従来の手段（例えば、はけ塗り、浸漬、吹き付け、噴射など）によって、塗布することができる。ＲＥドナースラリーは加熱され、ハライド蒸気を発生させる。ハライド蒸気は、ドナースラリー中に含まれるＲＥ成分と反応し、ＲＥハライドガスを生成する。次に、ＲＥハライドガスは、部品表面に移送される。移送は、拡散によって起こる可能性がある。相対的により短い拡散経路、又はＲＥハライドガスが部品表面へ移動するために必要な距離は、ＲＥ堆積を確実にするのに役立ち、複雑な形状部品をコーティングする能力を更に可能にする。更に、キャリヤーガスの非存在下で、このような拡散移送が起こる。ＲＥは、部品上に堆積され、続いてＲＥを部品内に拡散させる。形成されるＲＥが豊富な層は、部品表面上に化学的に結合され、それにより、部品の続いて起こる取り扱い中の密着を確実にする。

プロセス後、スラリー残留物は、ワイヤブラシ仕上げ、酸化物グリット研磨、ガラスビーズ、高圧ウォータージェット、又は他の従来の方法を含む、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、典型的には、未反応スラリー構成材料を含む。任意のスラリー残留物の除去は、基礎をなすＲＥが豊富な層の損傷を防ぐようなやり方で行われる。

ＲＥが豊富な層の形成後、アルミニウム堆積を実施することができる。アルミニウム堆積は、先に部品表面上に、所望の量で堆積された、ＲＥを妨害しないような様式で起こる。従来のアルミナイジングプロセスが用いられて、本発明の第２の堆積部分として、アルミニウムを堆積させることができる。このような従来のアルミナイジングプロセスとしては、例として、パックアルミナイジング、気相アルミナイジング、又はスラリーアルミナイジングが挙げられる。好ましい実施形態としては、アルミナイジングプロセスは、図３に示され、図１のブロック図において示されるように、気相アルミナイジングを使用して実施される。気相アルミナイジングを利用することは、好ましくは、ＲＥの堆積及び続いて起こるＡｌの堆積のために使用される、同じコーティングレトルトを可能にする。気相アルミナイジングプロセス中、Ａｌは部品表面上にアルミナイドとして堆積される。一方で、ＲＥが豊富な層中のＲＥは、基材からの元素と共に、外側に拡散して、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを形成することができる。ＲＥをドープしたアルミナイドコーティング内のＲＥの分布及び位置は、少なくとも部分的には、アルミナイドコーティングの形成の機構によって決まる。

得られたＲＥをドープしたアルミナイドコーティングは、ガスタービンエンジンのホットセクション内の耐酸化性コーティングとして、単独で使用することができる。得られたＲＥをドープしたアルミナイドコーティングはまた、遮熱コーティングシステム用のボンドコートとして、作用することができる。例えば、セラミック遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、図１のブロック図において示される、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティング上に塗布することができる。ＴＢＣは、任意の既知のプロセス、例えば電子ビーム物理蒸着によって塗布することができる。

本出願者らは、本発明前のプロセスの欠点の多くは、少なくとも部分的に、単一工程で起こる、Ａｌ及びＲＥの同時堆積、又は断続的堆積、又は共堆積の結果であることを見出した。例えば、同時／断続的堆積又は共堆積は、Ａｌ及びＲＥが、それらの対応する揮発性ハライドガスの熱力学的安定性における有意差を有することの結果として、ＲＥ組成物制御及びプロセス再現性が不十分となる傾向がある。詳細にはＡｌ及びＲＥハライドガスは、潜在的にコーティング間での一致しないＲＥ濃度となるように、様々な速度で、基材表面に移送する傾向があり、それにより、必要なＲＥレベルを再現可能に作り出すことはできない。対照的に、本発明は、Ａｌ堆積からＲＥ堆積を分離することによって、再現可能な様式で、アルミナイドコーティング中の必要なＲＥ濃度を制御する能力を有する。

ＲＥが堆積される第１の堆積工程の一部として、本出願者らは、ＲＥが豊富な層を生成するための独自のプロセスにおいて使用するための、新規な改善されたスラリー配合物を開発した。堆積されたＲＥは、本発明の原理による、Ａｌ堆積上で得られたコーティング内へ、その後で拡散されるために、ＲＥ用のいわゆる供給リザーバーとして作用する。スラリー配合物は、ＲＥ源、ハライド活性化剤、充填剤材料、及びバインダー溶液を含む。スラリー配合物は、スラリー重量の約１％〜約５０％の範囲のＲＥ源、スラリー重量の約０．１％〜約１０％の範囲のハライド活性化剤、スラリー重量の１０％〜８０％の範囲の充填剤材料、スラリー重量の１５％〜約５０％の範囲のバインダー溶液を含み、バインダー溶液が、バイダー及び溶媒を含む。より好ましい実施形態において、ＲＥ源は、スラリー重量の約１０％〜約３０％の範囲、ハライド活性化剤は、スラリー重量の約１％〜約５％の範囲、充填剤材料は、スラリー重量の３０％〜７０％の範囲、バインダー溶液は、スラリー重量の２０％〜約３５％の範囲であり、バインダー溶液が、バイダー及び溶媒を含む。

元素ＲＥ粉体、又はＲＥを含有する合金化粉体、又はＲＥを含有する適切な化合物、又はこれらの混合物を含む、様々なＲＥ源を利用することができる。ＲＥ源は、他の金属、例えばＣｒ−Ｈｆ、Ｃｒ−Ａｌ−Ｈｆ、及びＭＣｒＡｌＹ合金粉体などと合金化されてもよい。ＲＥ源はまた、ＲＥ含有化合物、例えばＨｆＣ及びＨｆＯ_２などから選択することができる。

スラリー配合物の改善された特質は、少なくとも部分的には、ハライド系である、特定の活性化剤の選択された組み合わせに基づく。スラリー中のハライド活性化剤の役割は、ＲＥハライドガスであることを特徴とするコーティングガスを発生させることである。高温に加熱することで、ハライド活性化剤は、蒸発し、スラリー中のＲＥ源と反応して、ＲＥハライドガスを発生させ、ＲＥハライドガスが、基材表面に到達することで基材と反応して、ＲＥが豊富な層を形成する。本発明によって用いられる手順は、スラリー中のハライド活性化剤の使用を認識することはもちろん、明示的に示唆もしない、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティング用の、従来のスラリー配合物と対比している。例として、Ｊａｓｌｉｅｒらによる米国特許第６，６７３，７０９号、及びＷａｌｋｅｒによる米国特許出願公開第２０１２／０１１４９７０号は、本発明と区別できる従来のスラリー配合物の典型である。詳細には、このような従来のスラリー系プロセスを利用した手順は、どのような種類の活性化剤も含有しないスラリー配合物を利用し、それにより、粗悪なＲＥが豊富な層を作り出す。層は、本発明のＲＥが豊富な層のような、化学的な結合はされていないが、対照的に、密着のために機械的固着を利用する。本出願者らは、このような粗悪な、局所的に部品表面に結合したスラリー系コーティングは、取り扱い中に、部品表面から容易に外れる又は剥離する可能性があることを見出した。

本発明のスラリー配合物は、溶媒に溶解したバインダー材料を含むバインダー溶液を更に含む。バインダー溶液は、スラリー構成材料又はコーティングされた基材を不利益に妨害することなく、スラリー構成材料をまとめて保持するために機能する。バインダーは、クロマイジング反応を妨害することなく、有害物質を放出せずに、完全に燃焼できることが必要である。好ましいバインダーは、ヒドロキシプロピルセルロースであり、Ａｓｈｌａｎｄ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商標名Ｋｌｕｃｅｌ（商標）で市販されている。例として、ＡＰＶ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ（Ａｋｒｏｎ，Ｏｈｉｏ）によって商業的に製造販売されているＢ−２００バインダーを含む、他のバインダーもまた、本発明にとって適切であり得る。

スラリー配合物は、約１０％〜約８０％の範囲であり得る充填剤材料を含む。充填剤材料は、化学的に不活性である。不活性充填剤は、スラリー中の化学反応に関与しない。その代わりに、充填剤材料は、スラリー混合物への希釈効果を付与するために設計される。不活性充填剤材料はまた、スラリー混合物の粘度を調節することができる。好ましい実施形態において、アルミナ粉体が、不活性充填剤材料として利用される。充填剤材料の他の種類、例えばシリカ及びカオリンなども利用することができる。

本発明のプロセスは、スラリー配合物及び拡散処理条件を制御し、それにより、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングの再現性を可能にする。一般的に言えば、拡散の好ましい条件は、１２００〜１８００°Ｆで、１２時間までの持続時間である。対照的に、反応性元素及びアルミニウムの同時堆積を用いる従来のプロセスにおいて、反応性元素の堆積は、アルミニウムの堆積によって、否定的な影響を受け、したがって、不十分なＲＥ組成物制御及びプロセス再現性をもたらす。更に、本発明によれば、スラリーから生成されたＲＥハライドガスの分圧は、約２５０マイクロメートルの最小厚さに到達した後はスラリーの厚さに関係なく、スラリー配合物及びプロセス温度のみによって決まる。このような制御は、Ｊａｓｌｉｅｒ及びＷａｌｋｅｒのものを含む、従来のスラリープロセスでは不可能であり、得られたＲＥ濃度は、スラリー厚さに敏感であり、それにより、不十分な組成物制御及びプロセス再現性をもたらす。

また更に、本発明のプロセスは、コーティング源材料から、基材表面へＲＥハライドガスを移送するためのキャリヤーガスを必要とせず、それにより、従来技術の気相法、又は化学蒸着プロセスにおいて記載されるプロセス変動を回避する。本発明におけるＲＥが豊富な層を形成するために、薄いスラリーの使用は、高価なＲＥ源材料のより有効な利用において追加の利点を有する。したがって、本発明は、スラリー材料全体を節約し、廃棄物処理を低減することができ、それにより、スラリー構成材料のより高い利用率を生み出し、職場において有害材料の露出を最小化する。

ＲＥ含有スラリーを塗布する前、又はＲＥが豊富な層を堆積させた後のいずれかで、白金、パラジウム、イリジウム、及びロジウムから選択される白金族金属の堆積が、当該技術分野において既知の適切な電気メッキプロセスによって実施され、ＲＥをドープした白金アルミナイドコーティングを形成することができることを理解されたい。

従来のアルミナイジングプロセスに対する本発明の１つの利点は、アルミナイドコーティングにおけるＲＥ濃度が、第１のスラリープロセスにおいて、スラリー配合物及び拡散処理条件を制御することによって、一貫して生成することができることである。対照的に、いわゆる単一工程の従来のアルミナイジングプロセスにおいて、反応性元素の堆積は、アルミニウムの堆積によって、否定的な影響を受け、したがって、不十分なＲＥ組成物制御及びプロセス再現性をもたらす。

本発明の方法は、それぞれ非常に多くの欠点を含有する、従来のパック、蒸気、スラリープロセスから生成される反応性元素をドープしたアルミナイドコーティングよりも、実質的な改善を示す。例えば、パックプロセスの主要な欠点は、コーティング中のＲＥ含量の、粉体混合物の構成材料に対する感度である。パック混合物中のＲＥ粉体の量における小さな変動は、コーティング中のＲＥ含量の大きな変動をもたらし、それにより、不十分なコーティング組成物制御及びプロセス再現性をもたらす。他の欠点としては、相対的に高価なＲＥ源の、得られたコーティング内への不十分な利用、実質的な廃棄物処理の発生、及びコーティング粉体による冷却空洞及び通路の潜在的詰まり、が挙げられる。制御された、再現性のある様式において、必要なＲＥ濃度を生成する能力によって、本発明は、パックプロセスのこれらの欠点を回避する。

反応性元素及びアルミニウムの同時堆積を用いる、従来技術の気相プロセスは、例えば、実質的な廃棄物処理の発生、及び粉体による小さな空洞の潜在的詰まりなどの、パックプロセスの重大な不利益の多くを回避するが、制御された、再現性のある様式において、必要なＲＥ濃度の生成ができなかったことを含む、気相プロセスの重大な欠点は、存続する。

ＣＶＤプロセスに関して、多くのＣＶＤプロセスに利用される、典型的で既知である、複雑でカスタマイズされた、工具管理及び進行中のメンテナンスは、本発明においては必要ではなく、それにより、プロセス全体を簡素化する。更に、ＣＶＤと異なって、コーティングされる部品表面がスラリーと直接接触しているので、ＲＥハライドガスを、部品表面に移送するためのキャリヤーガスが必要ではなく、それにより、コーティングガス移送からのプロセス変動を回避する。

本発明はまた、物理蒸着、溶射、又は電気メッキ技法によって、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングが、金属表面上に堆積される、オーバーレイコーティングプロセスの問題も回避する。オーバーレイコーティングプロセスは、例えばアンダープラットフォーム領域、冷却空洞、及びタービン羽根の先端孔などの複雑な形状を有する、コーティング部品において、著しい困難を呈する、一連の視界プロセスである。更に、物理蒸着及び溶射の装置は、本発明の装置と異なって、相対的に高価である。

また更に、本発明の新規なスラリープロセスは、従来のスラリープロセスと比較して、再現可能な様式で、ＲＥ濃度を制御する能力において、優れている。更に、本発明のＲＥが豊富な層は、従来のスラリープロセスによって作り出されたＲＥ含有層の弱い機械的密着と比較すると、部品表面への化学的な結合を有することを特徴とする。

本発明による反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングプロセスは、ＦＣＴ寿命によって測定することができる、耐酸化性に関して有意に改善された性能を提供する。理由が完全に理解されていないため、ＲＥが豊富な層を形成する工程内でのＲＥ濃度を制御する能力は、ＲＥの有無にかかわらず、従来のアルミナイドコーティングよりも優れたＦＣＴ性能を有する、最終のＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを生成している。特定の理論に縛られることなく、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングの前駆体であるＲＥが豊富な層中のＲＥ濃度を制御する能力は、従来のアルミナイドコーティングよりも改善されたＦＣＴ性能に寄与している可能性がある。ＲＥが豊富な層は、所定の厚さ、ＲＥ重量％含量を有し、表面に化学的に結合しており、それにより、これらの特質の組み合わせは、予想外に相乗的に作用することができ、ＲＥの有無にかかわらず、従来のアルミナイドコーティングに対して改善された耐酸化性を有する特性をもった新規な構造を作り出す。

更に、ＲＥが豊富な層及びＲＥをドープしたアルミナイドコーティングは、ガスタービンエンジンのホットセクションにおける耐酸化性コーティング又は遮熱コーティングシステム用のボンドコートとしての使用に加えて他の用途を有することができることを理解されたい。例えば、ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングは、以下の化学的プロセス、精製及び石油化学製品、化石火力発電、石炭ガス化及びその他を含む産業において、高温用途用の耐酸化性及び耐腐食性コーティングとして利用することができる。

本発明の特定の実施形態と考えられるものが示され、記載されている一方で、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態又は詳細においての様々な改質及び変化を、容易に作ることができることは、もちろん理解されるであろう。したがって、本発明は、本明細書に示され、記載される正確な形態及び詳細に限定されず、本明細書に開示され、以下に請求される本発明の全体より少ないものでもないことが意図される。

Claims (20)

1. スラリー配合物由来の反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングであって、前記スラリー配合物が、
   ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるＲＥ成分を含むＲＥドナー粉体と、
   フッ化アルミニウム、フッ化アンモニウム、フッ化クロム、塩化アンモニウム、塩化クロム、塩化ハフニウム、フッ化ハフニウム、オキシ塩化ハフニウム、塩化ジルコニウム、フッ化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、塩化ランタン、塩化イットリウム、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるハライド含有活性化剤粉体と、
   不活性充填剤粉体と、
   バインダー溶液であって、溶媒に溶解したバインダー材料を含む、バインダー溶液と、を含む、反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。
2. 前記ドナー粉体が、前記スラリーの重量の約１％〜約５０％の範囲内であり、前記ハライド含有活性化剤粉体が、前記スラリーの重量の約０．１〜約１０％の範囲内であり、前記バインダー溶液が、前記スラリーの重量の１５％〜約５０％の範囲内であり、不活性充填剤材料が、前記スラリーの重量の１０〜８０％の範囲内であり、前記ドナー粉体、前記ハライド含有活性化剤粉体、前記不活性充填剤粉体、及び前記バインダー溶液の総量が、前記スラリーの重量の１００％に等しい、請求項１に記載のスラリー配合物。
3. 前記ドナー粉体が、前記スラリーの重量の約１０％〜約３０％の範囲内であり、前記ハライド含有活性化剤粉体が、前記スラリーの重量の約１〜約５％の範囲内であり、前記バインダー溶液が、前記スラリーの重量の２０％〜約３５％の範囲内であり、不活性充填剤材料が、前記スラリーの重量の３０〜７０％の範囲内であり、前記ドナー粉体、前記ハライド含有活性化剤粉体、前記不活性充填剤粉体、及び前記バインダー溶液の総量が、前記スラリーの重量の１００％に等しい、請求項１に記載のスラリー配合物。
4. 反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングの前駆体である、ＲＥが豊富な層であって、前記ＲＥが豊富な層が、基材に沿って堆積し、かつ
   前記ＲＥが豊富な層の総重量の約２０〜５０重量％の範囲の濃度で、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ及びＣｅからなる群から選択される少なくとも１つのＲＥを含み、
   前記ＲＥが豊富な層が、前記基材の表面に化学的に結合し、
   前記ＲＥが豊富な層が、約０．２〜約１０マイクロメートルの厚さを有する、ＲＥが豊富な層。
5. 前記ＲＥがＨｆを含む、請求項４に記載のＲＥが豊富な層。
6. 前記ＲＥが豊富な層の前記厚さが、光学顕微鏡検査法又は走査電子顕微鏡検査法によって視覚的に観察可能な、前記基材の表面全域にわたって実質的に均一な厚さであることを特徴とする、請求項４に記載のＲＥが豊富な層。
7. 反応性元素（ＲＥ）が豊富な層を、部品上に生成する方法であって、
   ＲＥドナ−及びハライド活性化剤を含む、ＲＥドナースラリーを用意する工程と、
   前記ＲＥドナースラリーを、前記部品上に塗布する工程と、
   前記ＲＥドナースラリーを、加熱して、ハライド蒸気を発生させる工程と、
   前記ハライド蒸気と前記ドナースラリー中に含まれる前記ＲＥ成分を反応させ、ＲＥハライドガスを生成する工程と、
   キャリヤーガスの非存在下で、前記ＲＥハライドガスを、前記部品表面上に移送する工程と、
   前記ＲＥを、前記部品上に堆積させる工程と、続いて、
   前記ＲＥを、前記部品内部に拡散させる工程と、次いで、
   前記ＲＥが豊富な層を、前記部品上に化学的に結合する工程と、
   前記ＲＥが豊富な層から、前記スラリー残留物を除去する工程と、を含む方法。
8. 先行する前記ＲＥハライドガスの堆積を妨害しないように、アルミニウム系材料を前記部品上に堆積させる追加の工程と、
   アルミニウム系材料を、前記ＲＥが豊富な層内部に拡散させる追加の工程と、
   前記ＲＥが豊富な層をアルミナイジングする追加の工程と、それにより、
   ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを形成する追加の工程と、を更に含む、請求項７に記載の方法。
9. セラミックス遮熱コーティングを、前記ＲＥをドープしたアルミナイドコーティング上に塗布する工程を更に含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記ＲＥ成分が、Ｈｆを含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記ＲＥが豊富な層が、約０．２マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの厚さを有する、請求項７に記載の方法。
12. 前記ＲＥが豊富な層が、約０．５〜５マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項７に記載の方法。
13. 前記アルミナイジングが、気相アルミナイジングプロセスである、請求項８に記載の方法。
14. 前記ＲＥが豊富な層を、部品上に形成することを更に含み、前記部品が、タービン羽根の領域であり、前記領域が、アンダープラットフォーム、冷却空洞、及び／又は前記タービン羽根の先端孔である、請求項７に記載の方法。
15. 電気メッキプロセスを実施して、白金、パラジウム、イリジウム、及びロジウム、並びにこれらの任意の組み合わせから選択される白金族金属を堆積させる工程を更に含み、前記白金族金属の前記堆積が、前記ＲＥドナースラリーを前記部品上に塗布する前、又は前記ＲＥが豊富な層を堆積させた後のいずれかに実施される、請求項７に記載の方法。
16. プロセスによって調製される反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングであって、前記プロセスが、
    ＲＥドナ−及びハライド活性化剤を含む、ＲＥドナースラリーを用意する工程と、
    前記ＲＥドナースラリーを、部品表面上に塗布する工程と、
    前記ハライド活性化剤を加熱して、ハライド蒸気を発生させる工程と、
    前記ハライド蒸気と前記ドナースラリー中に含まれる前記ＲＥ成分を反応させ、ＲＥハライドガスを生成する工程と、
    キャリヤーガスの非存在下で、前記ＲＥハライドガスを、前記部品表面で移送する工程と、
    前記ＲＥを、前記部品表面上に堆積させる工程と、続いて、
    前記ＲＥを、前記部品表面内部に拡散させる工程と、次いで、
    前記ＲＥが豊富な層を、前記部品上に形成する工程と、
    前記ＲＥが豊富な層から前記スラリー残留物を除去する工程と、
    前記ＲＥハライドガスの前記堆積を妨害しないように、アルミニウム系材料を前記部品表面上に堆積させる工程と、
    アルミニウム系材料を、前記ＲＥが豊富な層内部に拡散させる工程と、
    前記ＲＥが豊富なコーティング層をアルミナイジングする工程と、
    ＲＥをドープしたアルミナイドコーティングを形成する工程と、を含む、反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。
17. 光学顕微鏡検査法又は走査電子顕微鏡検査法によって検出される、前記部品表面全域にわたって実質的に均一である厚さを更に含む、前記ＲＥが豊富な層を形成することを更に含む、前記プロセスによって調製される、請求項１６に記載の反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。
18. 電気メッキプロセスを実施して、白金、パラジウム、イリジウム、及びロジウム、並びにこれらの任意の組み合わせから選択される白金族金属を堆積させることを更に含む、前記プロセスによって調製され、前記白金族金属の前記堆積が、前記ＲＥドナースラリーを前記部品上に塗布する前、又は前記ＲＥが豊富な層を堆積させた後のいずれかに実施される、請求項１６に記載の反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。
19. セラミックス遮熱コーティングを、前記ＲＥをドープしたアルミナイドコーティング上に塗布することを更に含む、前記プロセスによって調製される、請求項１６に記載の反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。
20. セラミックス遮熱コーティング用の改善されたボンドコートとしての使用に適合された反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティングであって、前記ボンドコートが、プロセスによって調製され、前記プロセスが、
    白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される白金族金属を堆積させる工程と、
    ＲＥドナ−及びハライド活性化剤を含む、ＲＥドナースラリーを用意する工程と、
    前記ＲＥドナースラリーを、前記部品表面上に塗布する工程と、
    前記ハライド活性化剤を加熱して、ハライド蒸気を発生させる工程と、
    前記ハライド蒸気と前記ドナースラリー中に含まれる前記ＲＥ成分を反応させ、ＲＥハライドガスを生成する工程と、
    キャリヤーガスの非存在下で、前記ＲＥハライドガスを、前記部品表面で移送する工程と、
    前記ＲＥを、前記部品表面上に堆積させる工程と、続いて、
    前記ＲＥを、前記部品表面内部に拡散させる工程と、次いで、
    前記ＲＥが豊富な層を、前記部品上に形成する工程と、
    前記ＲＥが豊富な層から前記スラリー残留物を除去する工程と、
    前記ＲＥハライドガスの前記堆積を妨害しないように、アルミニウム系材料を前記部品表面上に堆積させる工程と、
    アルミニウム系材料を、前記ＲＥが豊富な層内部に拡散させる工程と、
    前記ＲＥが豊富なコーティング層をアルミナイジングする工程と、
    ＲＥをドープした白金アルミナイドコーティングを形成する工程と、
    セラミックス遮熱コーティングを、前記ＲＥをドープした白金アルミナイドコーティング上に塗布する工程と、を含む、反応性元素（ＲＥ）をドープしたアルミナイドコーティング。

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