タービン構成部品及びその製造方法
【課題】金属基体と該金属基体を覆うセラミック耐食皮膜とを有する、翼形部以外のタービン構成部品を含む物品を提供する。
【解決手段】本皮膜６４は、最大１２７ミクロンまでの厚さを有し、かつジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含む。また、この皮膜６４は、金属基体６０を含み、タービン翼形部３８、４２以外のタービン構成部品３０とセラミック金属酸化物前駆体を含むゲル形成溶液とを準備し、ゲル形成溶液を第１の予め選択した時間にわたって第１の予め選択した温度に加熱してゲルを形成し、ゲルを金属基体６０上に被着させ、ゲルを第１の予め選択した温度よりも高い第２の予め選択した温度で焼成することにより製造される。
【解決手段】本皮膜６４は、最大１２７ミクロンまでの厚さを有し、かつジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含む。また、この皮膜６４は、金属基体６０を含み、タービン翼形部３８、４２以外のタービン構成部品３０とセラミック金属酸化物前駆体を含むゲル形成溶液とを準備し、ゲル形成溶液を第１の予め選択した時間にわたって第１の予め選択した温度に加熱してゲルを形成し、ゲルを金属基体６０上に被着させ、ゲルを第１の予め選択した温度よりも高い第２の予め選択した温度で焼成することにより製造される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、その上にセラミック耐食皮膜を有する、タービンディスク、タービンシール及び他の固定構成部品のような、翼形部以外のタービン構成部品に関する。本発明はさらに、広くは、タービン構成部品上にそのような皮膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機ガスタービンエンジンにおいて、空気は、エンジン前部に引き込まれ、シャフト支持圧縮機によって加圧され、燃料と混合される。混合物は燃焼され、高温排気ガスが、同一シャフト上に取付けられたタービンを通って流れる。燃焼ガスの流れは、タービンブレードの翼形部セクションに対して衝突することによってタービンを回転させ、それによって、シャフトを回転させて圧縮機に動力を供給する。高温排気ガスはエンジン後部から流出して、エンジン及び航空機を前方に推し進める。燃焼ガス及び排気ガスが高温になればなるほど、ジェットエンジンの作動効率がより高くなる。従って、燃焼ガス温度を上昇させることに対する動機付けがある。
【０００３】
タービンエンジンの圧縮機及びタービンは、タービンディスク（「タービンロータ」と呼ばれることもある）又はタービンシャフトとタービンディスク／シャフトに取付けられかつそこから半径方向外向きにガス流路内に延びる多数のブレードとを含むことができる。タービンエンジン内にはまた回転及び固定シール要素が含まれ、シール要素は、タービンブレード及びベーンのような一部の構成部品を冷却するのに用いる空気流を導く。タービンエンジンの最高作動温度が上昇するにつれて、タービンディスク／シャフト及びシール要素は、より高い温度に曝される。その結果、ディスク／シャフト及びシール要素の酸化及び腐食が、より大きな関心事となってきた。
【０００４】
吸い込んだ埃、フライアッシュ、コンクリートダスト、砂、海塩などから生じたアルカリ硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩、酸化物及びその他の腐食性塩付着物のような金属塩が、腐食の主要な原因であるが、侵食性の抽気環境（例えば、エンジンの高温構成部品を冷却するために圧縮機から抽出した空気）内の他の要素もまた、腐食を加速させる。関心のある温度範囲及び大気領域内のアルカリ硫酸塩腐食は、一般的にほぼ１２００°Ｆ（６４９℃）あたりから始まる温度においてタービンディスク／シャフト及びシール要素の基体に孔食を引き起こす。この孔食は、臨界タービンディスク／シャフト及びシール要素で発生することが判っている。酸化及び腐食損傷は、損傷を軽減又は補修しなければ、ディスク／シャフト及びシール要素の早期廃棄及び交換を招くことになる。
【０００５】
最高作動温度で使用するタービンディスク／シャフト及びシール要素は一般的に、優れた高温強靭性及び耐疲労性で選択したニッケル基超合金で作られる。これらの超合金は、酸化及び腐食損傷への耐性はあるが、その耐性は、今やガスタービンエンジンが達するますます高くなる作動温度において超合金を保護するには不十分である。最新世代の合金で作られたディスク及び他のロータ構成部品はまた、低レベルのアルミニウム及び／又はクロムを含み、従って腐食侵食をますます受けやすくなるおそれがある。
【０００６】
耐食拡散皮膜はまた、アルミニウム又はクロム、或いはそれぞれの酸化物（すなわち、アルミナ又はクロミア）で形成することができる。例えば、１９９４年１１月２９日に登録された同一出願人による米国特許第５，３６８，８８８号（Ｒｉｇｎｅｙ）（アルミナイド拡散皮膜）及び２００１年９月４日に登録された同一出願人による米国特許第６，２８３，７１５号（Ｎａｇａｒａｊ他）（クロム拡散皮膜）を参照されたい。また、タービンディスク／シャフト及びシール要素に使用するものとして、多くの耐食皮膜が考えられてきた。例えば、２００４年１月２２日に公開された米国特許出願第２００４／００１３８０２号（Ａｃｋｅｒｍａｎ他）を参照されたく、この米国特許出願は、保護皮膜を形成するためのタービンディスク及びシール要素へのアルミニウム、シリコン、タンタル、チタン又はクロム酸化物の有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）を開示している。これら従来の耐食皮膜は幾つかの欠点を有する可能性があり、それら欠点には、（１）それら従来の皮膜は下にある金属基体中に拡散するので、タービンディスク／シャフト及びシール要素の疲労寿命に悪影響を及ぼす可能性があること、（２）皮膜と下にある金属基体との間の熱膨張率（ＣＴＥ）不一致により、皮膜が剥離する傾向がより強くなるおそれがあること、及び（３）金属基体上に耐食皮膜を被着させる処理（例えば、化学気相蒸着）がより複雑かつ高価であることが含まれる。
【特許文献１】米国特許第５，３６８，８８８号公報
【特許文献２】米国特許第６，２８３，７１５号公報
【特許文献３】公開米国特許出願第２００４／００１３８０２号公報
【特許文献４】米国特許第４，９５７，５６７号公報
【特許文献５】米国特許第６，５２１，１７５号公報
【特許文献６】米国特許第５，７２３，０７８号公報
【特許文献７】米国特許第４，５６３，２３９号公報
【特許文献８】米国特許第４，３５３，７８０号公報
【特許文献９】米国特許第４，４１１，７３０号公報
【特許文献１０】公開米国特許出願第２００４／００８１７６７号公報
【特許文献１１】米国特許第５，３３２，５９８号公報
【特許文献１２】米国特許第５，０４７，６１２号公報
【特許文献１３】米国特許第４，７４１，２８６号公報
【特許文献１４】米国特許第３，５４０，８７８号公報
【特許文献１５】米国特許第３，５９８，６３８号公報
【特許文献１６】米国特許第３，６６７，９８５号公報
【非特許文献１】Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology,3rd Ed., Vol. 24, pp. 882-883 (1984) ; 3rd Ed., Vol. 12, pp. 417-479 (1980) ; 3rd Ed., Vol. 15, pp. 787-800 (1981) ; 3rd Ed., Vol. 15, page 255
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、（１）特により高い又は上昇した温度での耐食性をもたらし、（２）下にある金属基体の他の機械特性に影響するか或いは剥離のような他の望ましくない作用を引き起こす可能性がなく、かつ（３）比較的複雑でなくかつ安価な方法によって形成することができる、タービンディスク、タービンシャフト、タービンシール要素及び他の非翼形部タービン構成部品の皮膜に対する必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、広くは、金属基体と該金属基体を覆うセラミック耐食皮膜とを有する、タービン翼形部以外のタービン構成部品を含む物品に関し、このセラミック耐食皮膜は、最大約５ミル（１２７ミクロン）までの厚さを有し、かつジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含む。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、広くは、タービン構成部品の下にある金属基体上にこのセラミック耐食皮膜を形成する方法に関する。本方法の１つの実施形態は、
金属基体を含む、タービン翼形部以外のタービン構成部品を準備するステップと、
セラミック金属酸化物前駆体を含むゲル形成溶液を準備するステップと、
ゲル形成溶液を第１の予め選択した時間にわたって第１の予め選択した温度に加熱してゲルを形成するステップと、
ゲルを金属基体上に被着させるステップと、
被着したゲルを第１の予め選択した温度よりも高い第２の予め選択した温度で焼成して、ジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含むセラミック耐食皮膜を形成するステップと、
を含む。
【００１０】
この皮膜を形成する本方法の別の実施形態は、
（ａ）金属基体を含む、翼形部以外のタービン構成部品を準備するステップと、
（ｂ）セラミック金属酸化物を含むセラミック組成物を物理気相蒸着によって金属基体上に被着させて、ジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含みかつ歪み耐性円柱状組織を有するセラミック耐食皮膜を形成するステップと、
を含む。
【００１１】
この皮膜を形成する本方法のさらに別の実施形態は、
（ａ）金属基体を含む、翼形部以外のタービン構成部品を準備するステップと、
（ｂ）セラミック金属酸化物を含むセラミック組成物を金属基体上に溶射して、ジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含むセラミック耐食皮膜を形成するステップと、
を含む。
【００１２】
本発明のセラミック耐食皮膜は、幾つかの大きな利益及び利点をもたらす。セラミック耐食皮膜は、セラミック金属酸化物としてジルコニア及び／又はハフニアを含むので、下にある金属基体中に拡散しない。その結果、セラミック耐食皮膜は、被覆したタービンディスク／シャフト、シール要素及び他のタービン構成部品の疲労特性に悪影響を及ぼさない。
【００１３】
セラミック金属酸化物と下にある金属基体との間の熱膨張率のより大きな一致が得られるので、本発明のセラミック耐食皮膜は、基体へのより大きな密着性、従って剥離に対するより大きな耐性をもたらす。また、この増大した密着性はさらに、皮膜の厚さを通して金属基体中に割れが伝播するのに抗することによって、被覆タービンディスク／シャフト、シール要素及び他のタービン構成部品の疲労特性を改善する。
【００１４】
これらセラミック耐食皮膜は、比較的複雑でなくかつ安価な本発明の方法の実施形態によって形成することができる。加えて、セラミック耐食皮膜は、本発明の方法の実施形態によって金属基体上に比較的薄い層として形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書で用いる場合、「セラミック金属酸化物」という用語は、ジルコニア、ハフニア、又はジルコニアとハフニアとの組合せ（すなわち、それらの混合物）を意味する。これらのセラミック金属酸化物は、物品の下にある金属基体への熱流量を減少させる、すなわち断熱層を形成することができ、典型的には少なくとも約２６００°Ｆ（１４２６℃）、より典型的には約３４５０°〜約４９８０°Ｆ（約１９００°〜約２７５０℃）の範囲にある融点を有する断熱皮膜においてこれ迄は用いられていた。セラミック金属酸化物は、１００モル％のジルコニア、１００モル％のハフニア、又は所望のジルコニアとハフニアとのあらゆるパーセンテージの混合物を含むことができる。一般的に、セラミック金属酸化物は、約８５〜１００モル％のジルコニアと０〜約１５モル％のハフニアと、より典型的には約９５〜１００モル％のジルコニアと０〜約５モル％のハフニアとを含む。
【００１６】
本明細書で用いる場合、「セラミック金属酸化物前駆体」という用語は、例えばセラミック耐食皮膜の形成までの及び形成を含むあらゆる時点でそれぞれのセラミック金属水酸化物からセラミック金属酸化物に転換されるか又はセラミック金属酸化物を形成するあらゆる組成物、化合物、分子などを意味する。
【００１７】
本明細書で用いる場合、「セラミック耐食皮膜」という用語は、吸い込んだ埃、フライアッシュ、コンクリートダスト、砂、海塩などから生じた金属（アルカリ）硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩、酸化物及びその他の腐食性塩付着物を含む様々な腐食性物質によって引き起こされる腐食に対して、典型的には少なくとも約１０００°Ｆ（５３８℃）、より典型的には少なくとも約１２００°Ｆ（６４９℃）の温度で耐性をもたらし、かつセラミック金属酸化物を含む本発明の皮膜を意味する。本発明のセラミック耐食皮膜は通常、少なくとも約６０モル％のセラミック金属酸化物を、典型的には約６０〜約９８モル％のセラミック金属酸化物を、より典型的には約９４〜約９７モル％のセラミック金属酸化物を含む。本発明のセラミック耐食皮膜はさらに、一般的にセラミック金属酸化物のための安定量の安定化金属酸化物を含む。これら安定化金属酸化物は、イットリア、カルシア、スカンジア、マグネシア、インジア、ガドリニア、ネオジミア、サマリア、ジスプロシア、エルビア、イッテルビア、ユウロピア、プラセオジミア、ランタナ、タンタラなど及びそれらの混合物からなる群から選択することができる。「安定化」させるこの安定化金属酸化物の特定の量は、用いる安定化金属酸化物、用いるセラミック金属酸化物などを含む様々な要因に応じて決まることになる。一般的に、安定化金属酸化物は、約２〜約４０モル％、より典型的には約３〜約６モル％のセラミック耐食皮膜を含む。本明細書で用いるセラミック耐食皮膜は一般的に、安定化金属酸化物としてイットリアを含む。本発明のセラミック耐食皮膜に用いることができる適当なイットリア安定化ジルコニア含有セラミック組成物の説明については、例えばＫｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第３版２４巻８８２−８８３ページ（１９８４年）を参照されたい。
【００１８】
本明細書で用いる場合、「セラミック組成物」という用語は、本発明のセラミック耐食皮膜を形成するのに用いられ、かつセラミック金属酸化物、任意選択的であるが一般的には安定化金属酸化物などを含む組成物を意味する。
【００１９】
本明細書で用いる場合、「翼形部以外のタービン構成部品」という用語は、金属又は金属合金で形成された翼形部（例えば、ブレード、ベーンなど）ではないタービン構成部品であって、タービンディスク（「タービンロータ」と呼ばれることもある）、タービンシャフト、回転又は固定のいずれかである前部、段間及び後部タービンシールを含むタービンシール要素、タービンブレードリテーナ、他の固定タービン構成部品などを含むタービン構成部品を意味する。本発明のセラミック耐食皮膜が特に有利になるタービン構成部品は、少なくとも約１０００°Ｆ（５３８℃）、より典型的には少なくとも約１２００°Ｆ（６４９℃）、典型的には約１０００°〜約１６００°Ｆ（約５３８°〜約８７１℃）の範囲の実使用作動温度を受けることになる構成部品である。これら構成部品は通常、該構成部品の表面上に付着する可能性がある吸い込んだ腐食性成分、典型的には金属硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩などを有するタービン抽気（例えば、エンジン内の高温構成部品を冷却するために圧縮機から抽出された空気）に曝される。本発明のセラミック耐食皮膜は、タービンディスク／シャフト及びタービンシール要素の表面のような構成部品の表面の全て又は選択部分上に形成される場合に特に有用である。例えば、タービンディスクのハブの中間から外側までの部分は、本発明のセラミック耐食皮膜を有することができるが、ボア領域、ハブの内側部分及びブレードスロットはこの皮膜を有することができる場合と有することができない場合とがある。加えて、ディスクポスト圧力面（すなわち、ディスクポストとタービンブレードダブテールとの間の合わせ面）及びディスクとシールとの間の接触点のようなこれら構成部品間の接触点又は合わせ面は、製造寸法として所望又は指定した状態に保つためにセラミック耐食皮膜を欠いた状態又はセラミック耐食皮膜が全くない状態にする場合がある。
【００２０】
本明細書で用いる場合、「含む」という用語は、様々な皮膜、組成物、金属酸化物、構成部品、層、ステップなどが、本発明で一緒に使用することができることを意味する。従って、「含む」という用語は、より限定的な用語「本質的に〜からなる」及び「〜からなる」を含む。
【００２１】
本明細書で用いる全ての量、部、比率及びパーセンテージは、他に特定しない場合はモル％によるものである。
【００２２】
本発明のセラミック耐食皮膜を有するタービン構成部品の様々な実施形態を、以下に記載するように図面を参照してさらに説明する。図１を参照すると、タービンエンジンロータ構成部品３０を示しており、このタービンエンジンロータ構成部品３０は、例えばタービンディスク３２又はタービンシール要素３４のようなあらゆる実施可能なタイプのものとすることができる。図１は、第１段タービンディスク３６、タービンディスク３６に取付けられた第１段タービンブレード３８、第２段タービンディスク４０、タービンディスク４０に取付けられた第２段タービンブレード４２、ブレード３８の前部ブレードリテーナとしても機能する前部タービンシール４４、後部タービンシール４６、ブレード４２の前部ブレードリテーナとしても機能する段間タービンシール４８、シール４８によって所定位置に保持されたブレード３８の後部ブレードリテーナ５０、及びブレード４２の後部ブレードリテーナ５２を概略的に示す。これらタービンディスク３２（例えば、第１段タービンディスク３６及び第２段タービンディスク４０）、タービンシール要素３４（例えば、前部タービンシール４４、後部タービンシール４６及び段間タービンシール４８）及び／又はブレードリテーナ５０／５２のいずれか又は全て、或いはそれらの何らかの選択部分には、腐食が予想されるか又は観察されるかどうかに応じて、本発明のセラミック耐食皮膜を設けることができる。
【００２３】
図２を参照すると、タービンエンジンロータ構成部品３０の金属基体６０は、様々な金属、或いはより典型的にはニッケル、コバルト及び／又は鉄合金をベースにしたものを含む金属合金のいずれかを含むことができる。基体６０は一般的に、ニッケル、コバルト及び／又は鉄をベースにした超合金を含む。そのような超合金は、例えば、１９９０年９月１８日に登録された同一出願人による米国特許第４，９５７，５６７号（Ｋｒｕｅｇｅｒ他）、及び２００３年２月１８に登録された米国特許第６，５２１，１７５号（Ｍｏｕｒｅｒ他）などの様々な参考文献に開示されており、これら特許の関連部分は参考文献として本明細書に組み入れている。超合金はまた、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第３版１２巻４１７−４７９ページ（１９８０年）及び１５巻７８７−８００ページ（１９８１年）に全体的に記載されている。実例的なニッケル基超合金は、商品名Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）（例えば、Ｒｅｎｅ（登録商標）８８、Ｒｅｎｅ（登録商標）１０４、ＲｅｎｅＮ５合金）及びＵｄｉｍｅｔ（登録商標）によって指定される。
【００２４】
基体６０は、より典型的にはニッケル基合金、より具体的にはあらゆる他の元素よりも多いニッケルを有するニッケル基超合金を含む。ニッケル基超合金は、ガンマプライム又は関連相の析出によって強化することができる。本発明のセラミック耐食皮膜が特に有用であるニッケル基超合金は、商品名Ｒｅｎｅ８８によって入手可能であり、それは、重量で１３％のコバルト、１６％のクロム、４％のモリブデン、３．７％のチタン、２．１％のアルミニウム、４％のタングステン、０．７０％のニオブ、０．０１５％のホウ素、０．０３％のジルコニウム及び０．０３％の炭素と、残部のニッケル及び微量の不純物を含む公称組成を有する。
【００２５】
本発明のセラミック耐食皮膜６４を金属基体６０の表面６２上に形成する際に、表面６２は一般的に、機械的、化学的又はその両方で前処理してその表面が皮膜６４をより受けやすくなるようにする。適当な前処理方法には、グリットブラストを受けない表面をマスキングした状態又はマスキングしない状態でのグリットブラスト（１９９８年３月３日に登録されたＮｉａｇａｒａ他の米国特許第５，７２３，０７８号の特に第４欄４６−６６行を参照されたく、この特許は、参考文献として本明細書に組み入れている）、ミクロ機械加工、レーザエッチング（１９９８年３月３日に登録されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５，７２３，０７８号の特に第４欄６７行から第５欄３行まで及び第５欄１４−１７行を参照されたく、この特許は、参考文献として本明細書に組み入れている）、塩酸、フッ酸、硝酸、重フッ化アンモニウム及びそれらの混合物を含む化学エッチング液のような化学エッチング液を用いる処理（例えば、１９９８年３月３日に登録されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５，７２３，０７８号の特に第５欄３−１０行、１９８６年１月７日に登録されたＡｄｉｎｏｌｆｉ他の米国特許第４，５６３，２３９号の特に第２欄６７行から第３欄７行まで、１９８２年１０月１２日に登録されたＦｉｓｈｔｅｒ他の米国特許第４，３５３，７８０号の特に第１欄５０−５８行、及び１９８３年１０月２５日に登録されたＦｉｓｈｔｅｒ他の米国特許第４，４１１，７３０号の特に第２欄４０−５１行を参照されたく、これら特許は全て参考文献として本明細書に組み入れている）、研磨粒子を加えた状態又は加えない状態での圧力下の水を用いる処理（すなわち、水噴射処理）、並びにそれら方法の様々な組合せが含まれる。一般的に、金属基体６０の表面６２は、該表面６２が炭化ケイ素粒子、スチール粒子、アルミナ粒子又は他のタイプの研磨粒子の研磨作用を受けるようにグリッドブラストによって前処理される。グリッドブラストに用いるこれら粒子は一般的に、アルミナ粒子であり、典型的には約６００〜約３５メッシュ（約２５〜約５００マイクロメートル）、より典型的には約４００〜約３００メッシュ（約３８〜約５０マイクロメートル）の粒子サイズを有する。
【００２６】
金属基体６０上にセラミック耐食皮膜６４を形成する本発明の方法の実施形態は、ソル・ゲル法の使用によるものである。２００４年４月２９日に公開された同一出願人による米国特許出願第２００４／００８１７６７号（Ｐｆａｅｎｄｔｎｅｒ他）を参照されたく、この特許出願は参考文献として本明細書に組み入れている。ソル・ゲル法は、セラミック酸化物（例えば、ジルコニア）を生成する化学溶液法である。一般的にはアルコキシド前駆体又は金属塩を含む化学ゲル形成溶液は、セラミック金属酸化物前駆体材料及び何らかの安定化金属酸化物前駆体材料などと混合される。ゲル形成溶液を僅かにそれを乾燥させるように第１の予め選択した時間にわたって第１の予め選択した温度で加熱すると、ゲルが形成される。ゲルは次に、金属基体６０の表面６２を覆って塗布される。セラミック金属酸化物前駆体材料を適当に加えかつ適当に乾燥させることにより、表面６２を覆って連続フィルムが形成される。ソル・ゲルは、あらゆる都合のよい方法によって基体６０の表面６２に塗布することができる。例えばソル・ゲルは、少なくとも１つの薄層、例えば単一の薄層、又はより典型的には薄膜を皮膜６４の所望の厚さまで堆積させるような複数の薄層をスプレイすることによって塗布することができる。ゲルは次に、第２の予め選択した時間にわたって第１の上昇温度以上の第２の予め選択した上昇温度で焼成されて皮膜６４を形成する。セラミック耐食皮膜６４は、最大約５ミル（１２７ミクロン）まで、典型的には約０．０１〜約１ミル（約０．２〜約２５ミクロン）、より典型的には約０．０４〜約０．５ミル（約１〜約１３ミクロン）の厚さを有する緻密マトリックスを含む。任意選択的に、不活性酸化物充填粒子をソル・ゲル溶液に加えて、基体に施工される層ごとの厚さをより大きくことが可能になるようにすることができる。
【００２７】
セラミック耐食皮膜６４を形成する別の方法は、電子ビームＰＶＤ（ＥＢ−ＰＶＤ）、フィルタアーク蒸着などの物理気相蒸着（ＰＶＤ）によるか、又はスパッタリングによるものである。本明細書で用いる適当なスパッタリング法には、それに限定されないが、直流ダイオードスパッタリング、高周波スパッタリング、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリング、マグネトロンスパッタリング及びステアードアークスパッタリングが含まれる。ＰＶＤ法は、垂直マイクロクラック組織のような耐歪み性又は耐性ミクロ組織を有するセラミック耐食皮膜６４を形成することができる。ＥＢ−ＰＶＤ法は、高い耐歪み性があって皮膜密着性をさらに高める円柱状組織を形成することができる。これらの耐歪み性又は耐性組織は、皮膜表面６６と基体６０との間に直接経路を有するが、この経路は、部分溶融又は高粘性腐食性塩が、垂直マイクロクラック組織の割れ又は円柱状組織の円柱ギャップに全く侵入しない又は最小限度の侵入しかしないほど十分に狭い。
【００２８】
これらセラミック耐食皮膜を形成する別の適当な方法には、溶射、エアゾールスプレイ、化学気相蒸着（ＣＶＤ）及びパックセメンテーションが含まれる。本明細書で用いる場合、「溶射」という用語は、被覆皮膜材料を加熱しかつ一般的にその被覆皮膜材料を少なくとも部分的に又は完全に熱溶融させるステップと一般的に加熱ガス流内の同伴によって加熱／溶融材料を被覆対象の金属基体上に被着させるステップとを含む、セラミック組成物を溶射し、施工し又は他の方法で被着させるあらゆる方法を意味する。適当な溶射被着法には、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）及び真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などのプラズマ溶射、高速ガス式（ＨＶＯＦ）溶射、爆発溶射、線爆溶射など並びにそれらの方法の組合せが含まれる。本明細書で用いる場合の特に適当な溶射被着法は、プラズマ溶射である。適当なプラズマ溶射法は、当業者にはよく知られている。例えばＫｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第３版１５巻２５５ページ及びその中に記載された参考文献、並びに１９９４年７月２６日に登録された米国特許第５，３３２，５９８号（Ｋａｗａｓａｋｉ他）、１９９１年９月１０に登録された米国特許第５，０４７，６１２号（Ｓａｖｋａｒ他）及び１９９８年５月３日に登録された米国特許第４，７４１，２８６号（Ｉｔｏｈ他）（これらは参考文献として本明細書に組み入れている）を参照されたく、これらは本明細書で用いるのに適したプラズマ溶射の様々な態様に関して非常に役立つ。
【００２９】
化学気相蒸着及び／又はパックセメンテーションを実施する適当な方法は、例えば、１９７０年１１月１７日に登録された同一出願による米国特許第３，５４０，８７８号（Ｌｅｖｉｎｅ他）、１９７１年８月１０日に登録された同一出願人による米国特許第３，５９８，６３８号（Ｌｅｖｉｎｅ）、及び１９７２年６月６日に登録された同一出願人による米国特許第３，６６７，９８５号（Ｌｅｖｉｎｅ他）に開示されており、これら特許の関連する開示内容は参考文献として本明細書に組み入れている。有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）法もまた本明細書で用いることができる。２００４年１月２２日に公開された同一出願による米国特許出願第２００４／００１３８０２号（Ａｃｋｅｒｍａｎ他）を参照されたく、この特許出願の関連する開示内容は参考文献として本明細書に組み入れている。
【００３０】
図３に示すように、一般的に、これらタービンディスク／シャフト、シール及び／又はブレードリテーナの表面の一部分のみに、本発明のセラミック耐食皮膜６４が設けられる。図３は、符号７４で示したほぼ円形の内側ハブ部分及び符号７８で示したほぼ円形の外周又は外径と、符号３８、４２などのタービンブレードの根元部分を受けるための符号８６で示した複数の円周方向に間隙を置いて配置されたスロットを備えた符号８２で示した周辺部とを有するタービンディスク３２を示す。セラミック耐食皮膜６４は、ディスク７０の表面全体に施工することができるが、一般的には外径７８の表面上にのみ必要とされる。
【００３１】
上記の実施形態は、タービンエンジンディスクを被覆することに関して説明してきたが、上述のように、本発明を用いて、圧縮機ディスク、シール及びシャフトを含む様々なタービンエンジンロータ構成部品の表面上にセラミック耐食皮膜６４を形成することができ、構成部品は次に、高温で腐食性要素に露出させることができる。本発明のセラミック耐食皮膜はまた、構成部品の最初の製造（すなわち、ＯＥＭ構成部品）の時に、構成部品をある期間作動させた後に、構成部品から他の皮膜を除去した後に（例えば、補修状況時）、構成部品を組み立てている間に、又は構成部品を分解した後などに施工することができる。
【００３２】
以下の実施例は、本発明のセラミック耐食皮膜をソル・ゲル法によって金属基体上に形成する実施形態及びそれによって得られる利点を示す。
【００３３】
ＲｅｎｅＮ５合金の１インチ円形試料は、ソル・ゲルにより被着させた７重量％のイットリア安定化ジルコニアの約５ミクロンの層で被覆されている。硫酸含有腐食性物質（腐食剤）を皮膜の表面に塗布し、１３００°Ｆ（７０４℃）において２時間サイクルでテストを行う。２時間サイクルの最初の１時間は、還元性雰囲気を用いて腐食剤と被覆試料の表面との間に反応を引き起こさせることを試みる一方、次の１時間は、空気を用いて腐食スケール成長を引き起こさせる。水洗浄によって腐食剤を除去し、次に被覆試料は損傷を検査される。この腐食剤塗布、熱露出、洗浄及び検査のサイクルは、被覆試料が損傷の兆候を示すまで反復される。８サイクル後に、被覆試料上には明らかな損傷は全く見られない。１０サイクル後に、皮膜は依然として合金に密着しているが、変色が見られ、被覆試料は評価のため切断される。切断後に、皮膜の下には約１０ミクロン厚さの腐食生成層が見られる。ちなみに、これは、裸の合金試料（すなわち、皮膜してない）のこのようなテストの約２サイクル後の典型的な状態である。
【００３４】
本発明の特定の実施形態を説明してきたが、特許請求の範囲に記載した本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、実施形態に対する様々な変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ガスタービンエンジンのタービンセクションの一部分の概略断面図。
【図２】タービンロータ構成部品の金属基体上に被着させた、本発明のセラミック耐食皮膜の実施形態の断面図。
【図３】本発明のセラミック耐食皮膜を設置するのが望ましい場所を示す、タービンディスクの正面図。
【符号の説明】
【００３６】
３０ タービンエンジンロータ構成部品
３２ タービンディスク
３４ タービンシール要素
３６ 第１段タービンディスク
３８ 第１段タービンブレード
４０ 第２段タービンディスク
４２ 第２段タービンブレード
４４ 前部タービンシール
４６ 後部タービンシール
４８ 段間タービンシール
５２ ブレードリテーナ
６０ 基体
６２ 基体６０の表面
６４ セラミック耐食皮膜
６６ 皮膜６４の表面
７４ ディスク３２の内側ハブ
７８ ディスク３２の外周又は外径
８２ ディスク３２の周辺部
８６ ブレード３８、４２の根元を受けるための複数のスロット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、その上にセラミック耐食皮膜を有する、タービンディスク、タービンシール及び他の固定構成部品のような、翼形部以外のタービン構成部品に関する。本発明はさらに、広くは、タービン構成部品上にそのような皮膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機ガスタービンエンジンにおいて、空気は、エンジン前部に引き込まれ、シャフト支持圧縮機によって加圧され、燃料と混合される。混合物は燃焼され、高温排気ガスが、同一シャフト上に取付けられたタービンを通って流れる。燃焼ガスの流れは、タービンブレードの翼形部セクションに対して衝突することによってタービンを回転させ、それによって、シャフトを回転させて圧縮機に動力を供給する。高温排気ガスはエンジン後部から流出して、エンジン及び航空機を前方に推し進める。燃焼ガス及び排気ガスが高温になればなるほど、ジェットエンジンの作動効率がより高くなる。従って、燃焼ガス温度を上昇させることに対する動機付けがある。
【０００３】
タービンエンジンの圧縮機及びタービンは、タービンディスク（「タービンロータ」と呼ばれることもある）又はタービンシャフトとタービンディスク／シャフトに取付けられかつそこから半径方向外向きにガス流路内に延びる多数のブレードとを含むことができる。タービンエンジン内にはまた回転及び固定シール要素が含まれ、シール要素は、タービンブレード及びベーンのような一部の構成部品を冷却するのに用いる空気流を導く。タービンエンジンの最高作動温度が上昇するにつれて、タービンディスク／シャフト及びシール要素は、より高い温度に曝される。その結果、ディスク／シャフト及びシール要素の酸化及び腐食が、より大きな関心事となってきた。
【０００４】
吸い込んだ埃、フライアッシュ、コンクリートダスト、砂、海塩などから生じたアルカリ硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩、酸化物及びその他の腐食性塩付着物のような金属塩が、腐食の主要な原因であるが、侵食性の抽気環境（例えば、エンジンの高温構成部品を冷却するために圧縮機から抽出した空気）内の他の要素もまた、腐食を加速させる。関心のある温度範囲及び大気領域内のアルカリ硫酸塩腐食は、一般的にほぼ１２００°Ｆ（６４９℃）あたりから始まる温度においてタービンディスク／シャフト及びシール要素の基体に孔食を引き起こす。この孔食は、臨界タービンディスク／シャフト及びシール要素で発生することが判っている。酸化及び腐食損傷は、損傷を軽減又は補修しなければ、ディスク／シャフト及びシール要素の早期廃棄及び交換を招くことになる。
【０００５】
最高作動温度で使用するタービンディスク／シャフト及びシール要素は一般的に、優れた高温強靭性及び耐疲労性で選択したニッケル基超合金で作られる。これらの超合金は、酸化及び腐食損傷への耐性はあるが、その耐性は、今やガスタービンエンジンが達するますます高くなる作動温度において超合金を保護するには不十分である。最新世代の合金で作られたディスク及び他のロータ構成部品はまた、低レベルのアルミニウム及び／又はクロムを含み、従って腐食侵食をますます受けやすくなるおそれがある。
【０００６】
耐食拡散皮膜はまた、アルミニウム又はクロム、或いはそれぞれの酸化物（すなわち、アルミナ又はクロミア）で形成することができる。例えば、１９９４年１１月２９日に登録された同一出願人による米国特許第５，３６８，８８８号（Ｒｉｇｎｅｙ）（アルミナイド拡散皮膜）及び２００１年９月４日に登録された同一出願人による米国特許第６，２８３，７１５号（Ｎａｇａｒａｊ他）（クロム拡散皮膜）を参照されたい。また、タービンディスク／シャフト及びシール要素に使用するものとして、多くの耐食皮膜が考えられてきた。例えば、２００４年１月２２日に公開された米国特許出願第２００４／００１３８０２号（Ａｃｋｅｒｍａｎ他）を参照されたく、この米国特許出願は、保護皮膜を形成するためのタービンディスク及びシール要素へのアルミニウム、シリコン、タンタル、チタン又はクロム酸化物の有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）を開示している。これら従来の耐食皮膜は幾つかの欠点を有する可能性があり、それら欠点には、（１）それら従来の皮膜は下にある金属基体中に拡散するので、タービンディスク／シャフト及びシール要素の疲労寿命に悪影響を及ぼす可能性があること、（２）皮膜と下にある金属基体との間の熱膨張率（ＣＴＥ）不一致により、皮膜が剥離する傾向がより強くなるおそれがあること、及び（３）金属基体上に耐食皮膜を被着させる処理（例えば、化学気相蒸着）がより複雑かつ高価であることが含まれる。
【特許文献１】米国特許第５，３６８，８８８号公報
【特許文献２】米国特許第６，２８３，７１５号公報
【特許文献３】公開米国特許出願第２００４／００１３８０２号公報
【特許文献４】米国特許第４，９５７，５６７号公報
【特許文献５】米国特許第６，５２１，１７５号公報
【特許文献６】米国特許第５，７２３，０７８号公報
【特許文献７】米国特許第４，５６３，２３９号公報
【特許文献８】米国特許第４，３５３，７８０号公報
【特許文献９】米国特許第４，４１１，７３０号公報
【特許文献１０】公開米国特許出願第２００４／００８１７６７号公報
【特許文献１１】米国特許第５，３３２，５９８号公報
【特許文献１２】米国特許第５，０４７，６１２号公報
【特許文献１３】米国特許第４，７４１，２８６号公報
【特許文献１４】米国特許第３，５４０，８７８号公報
【特許文献１５】米国特許第３，５９８，６３８号公報
【特許文献１６】米国特許第３，６６７，９８５号公報
【非特許文献１】Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology,3rd Ed., Vol. 24, pp. 882-883 (1984) ; 3rd Ed., Vol. 12, pp. 417-479 (1980) ; 3rd Ed., Vol. 15, pp. 787-800 (1981) ; 3rd Ed., Vol. 15, page 255
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、（１）特により高い又は上昇した温度での耐食性をもたらし、（２）下にある金属基体の他の機械特性に影響するか或いは剥離のような他の望ましくない作用を引き起こす可能性がなく、かつ（３）比較的複雑でなくかつ安価な方法によって形成することができる、タービンディスク、タービンシャフト、タービンシール要素及び他の非翼形部タービン構成部品の皮膜に対する必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、広くは、金属基体と該金属基体を覆うセラミック耐食皮膜とを有する、タービン翼形部以外のタービン構成部品を含む物品に関し、このセラミック耐食皮膜は、最大約５ミル（１２７ミクロン）までの厚さを有し、かつジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含む。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、広くは、タービン構成部品の下にある金属基体上にこのセラミック耐食皮膜を形成する方法に関する。本方法の１つの実施形態は、
金属基体を含む、タービン翼形部以外のタービン構成部品を準備するステップと、
セラミック金属酸化物前駆体を含むゲル形成溶液を準備するステップと、
ゲル形成溶液を第１の予め選択した時間にわたって第１の予め選択した温度に加熱してゲルを形成するステップと、
ゲルを金属基体上に被着させるステップと、
被着したゲルを第１の予め選択した温度よりも高い第２の予め選択した温度で焼成して、ジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含むセラミック耐食皮膜を形成するステップと、
を含む。
【００１０】
この皮膜を形成する本方法の別の実施形態は、
（ａ）金属基体を含む、翼形部以外のタービン構成部品を準備するステップと、
（ｂ）セラミック金属酸化物を含むセラミック組成物を物理気相蒸着によって金属基体上に被着させて、ジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含みかつ歪み耐性円柱状組織を有するセラミック耐食皮膜を形成するステップと、
を含む。
【００１１】
この皮膜を形成する本方法のさらに別の実施形態は、
（ａ）金属基体を含む、翼形部以外のタービン構成部品を準備するステップと、
（ｂ）セラミック金属酸化物を含むセラミック組成物を金属基体上に溶射して、ジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含むセラミック耐食皮膜を形成するステップと、
を含む。
【００１２】
本発明のセラミック耐食皮膜は、幾つかの大きな利益及び利点をもたらす。セラミック耐食皮膜は、セラミック金属酸化物としてジルコニア及び／又はハフニアを含むので、下にある金属基体中に拡散しない。その結果、セラミック耐食皮膜は、被覆したタービンディスク／シャフト、シール要素及び他のタービン構成部品の疲労特性に悪影響を及ぼさない。
【００１３】
セラミック金属酸化物と下にある金属基体との間の熱膨張率のより大きな一致が得られるので、本発明のセラミック耐食皮膜は、基体へのより大きな密着性、従って剥離に対するより大きな耐性をもたらす。また、この増大した密着性はさらに、皮膜の厚さを通して金属基体中に割れが伝播するのに抗することによって、被覆タービンディスク／シャフト、シール要素及び他のタービン構成部品の疲労特性を改善する。
【００１４】
これらセラミック耐食皮膜は、比較的複雑でなくかつ安価な本発明の方法の実施形態によって形成することができる。加えて、セラミック耐食皮膜は、本発明の方法の実施形態によって金属基体上に比較的薄い層として形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書で用いる場合、「セラミック金属酸化物」という用語は、ジルコニア、ハフニア、又はジルコニアとハフニアとの組合せ（すなわち、それらの混合物）を意味する。これらのセラミック金属酸化物は、物品の下にある金属基体への熱流量を減少させる、すなわち断熱層を形成することができ、典型的には少なくとも約２６００°Ｆ（１４２６℃）、より典型的には約３４５０°〜約４９８０°Ｆ（約１９００°〜約２７５０℃）の範囲にある融点を有する断熱皮膜においてこれ迄は用いられていた。セラミック金属酸化物は、１００モル％のジルコニア、１００モル％のハフニア、又は所望のジルコニアとハフニアとのあらゆるパーセンテージの混合物を含むことができる。一般的に、セラミック金属酸化物は、約８５〜１００モル％のジルコニアと０〜約１５モル％のハフニアと、より典型的には約９５〜１００モル％のジルコニアと０〜約５モル％のハフニアとを含む。
【００１６】
本明細書で用いる場合、「セラミック金属酸化物前駆体」という用語は、例えばセラミック耐食皮膜の形成までの及び形成を含むあらゆる時点でそれぞれのセラミック金属水酸化物からセラミック金属酸化物に転換されるか又はセラミック金属酸化物を形成するあらゆる組成物、化合物、分子などを意味する。
【００１７】
本明細書で用いる場合、「セラミック耐食皮膜」という用語は、吸い込んだ埃、フライアッシュ、コンクリートダスト、砂、海塩などから生じた金属（アルカリ）硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩、酸化物及びその他の腐食性塩付着物を含む様々な腐食性物質によって引き起こされる腐食に対して、典型的には少なくとも約１０００°Ｆ（５３８℃）、より典型的には少なくとも約１２００°Ｆ（６４９℃）の温度で耐性をもたらし、かつセラミック金属酸化物を含む本発明の皮膜を意味する。本発明のセラミック耐食皮膜は通常、少なくとも約６０モル％のセラミック金属酸化物を、典型的には約６０〜約９８モル％のセラミック金属酸化物を、より典型的には約９４〜約９７モル％のセラミック金属酸化物を含む。本発明のセラミック耐食皮膜はさらに、一般的にセラミック金属酸化物のための安定量の安定化金属酸化物を含む。これら安定化金属酸化物は、イットリア、カルシア、スカンジア、マグネシア、インジア、ガドリニア、ネオジミア、サマリア、ジスプロシア、エルビア、イッテルビア、ユウロピア、プラセオジミア、ランタナ、タンタラなど及びそれらの混合物からなる群から選択することができる。「安定化」させるこの安定化金属酸化物の特定の量は、用いる安定化金属酸化物、用いるセラミック金属酸化物などを含む様々な要因に応じて決まることになる。一般的に、安定化金属酸化物は、約２〜約４０モル％、より典型的には約３〜約６モル％のセラミック耐食皮膜を含む。本明細書で用いるセラミック耐食皮膜は一般的に、安定化金属酸化物としてイットリアを含む。本発明のセラミック耐食皮膜に用いることができる適当なイットリア安定化ジルコニア含有セラミック組成物の説明については、例えばＫｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第３版２４巻８８２−８８３ページ（１９８４年）を参照されたい。
【００１８】
本明細書で用いる場合、「セラミック組成物」という用語は、本発明のセラミック耐食皮膜を形成するのに用いられ、かつセラミック金属酸化物、任意選択的であるが一般的には安定化金属酸化物などを含む組成物を意味する。
【００１９】
本明細書で用いる場合、「翼形部以外のタービン構成部品」という用語は、金属又は金属合金で形成された翼形部（例えば、ブレード、ベーンなど）ではないタービン構成部品であって、タービンディスク（「タービンロータ」と呼ばれることもある）、タービンシャフト、回転又は固定のいずれかである前部、段間及び後部タービンシールを含むタービンシール要素、タービンブレードリテーナ、他の固定タービン構成部品などを含むタービン構成部品を意味する。本発明のセラミック耐食皮膜が特に有利になるタービン構成部品は、少なくとも約１０００°Ｆ（５３８℃）、より典型的には少なくとも約１２００°Ｆ（６４９℃）、典型的には約１０００°〜約１６００°Ｆ（約５３８°〜約８７１℃）の範囲の実使用作動温度を受けることになる構成部品である。これら構成部品は通常、該構成部品の表面上に付着する可能性がある吸い込んだ腐食性成分、典型的には金属硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩などを有するタービン抽気（例えば、エンジン内の高温構成部品を冷却するために圧縮機から抽出された空気）に曝される。本発明のセラミック耐食皮膜は、タービンディスク／シャフト及びタービンシール要素の表面のような構成部品の表面の全て又は選択部分上に形成される場合に特に有用である。例えば、タービンディスクのハブの中間から外側までの部分は、本発明のセラミック耐食皮膜を有することができるが、ボア領域、ハブの内側部分及びブレードスロットはこの皮膜を有することができる場合と有することができない場合とがある。加えて、ディスクポスト圧力面（すなわち、ディスクポストとタービンブレードダブテールとの間の合わせ面）及びディスクとシールとの間の接触点のようなこれら構成部品間の接触点又は合わせ面は、製造寸法として所望又は指定した状態に保つためにセラミック耐食皮膜を欠いた状態又はセラミック耐食皮膜が全くない状態にする場合がある。
【００２０】
本明細書で用いる場合、「含む」という用語は、様々な皮膜、組成物、金属酸化物、構成部品、層、ステップなどが、本発明で一緒に使用することができることを意味する。従って、「含む」という用語は、より限定的な用語「本質的に〜からなる」及び「〜からなる」を含む。
【００２１】
本明細書で用いる全ての量、部、比率及びパーセンテージは、他に特定しない場合はモル％によるものである。
【００２２】
本発明のセラミック耐食皮膜を有するタービン構成部品の様々な実施形態を、以下に記載するように図面を参照してさらに説明する。図１を参照すると、タービンエンジンロータ構成部品３０を示しており、このタービンエンジンロータ構成部品３０は、例えばタービンディスク３２又はタービンシール要素３４のようなあらゆる実施可能なタイプのものとすることができる。図１は、第１段タービンディスク３６、タービンディスク３６に取付けられた第１段タービンブレード３８、第２段タービンディスク４０、タービンディスク４０に取付けられた第２段タービンブレード４２、ブレード３８の前部ブレードリテーナとしても機能する前部タービンシール４４、後部タービンシール４６、ブレード４２の前部ブレードリテーナとしても機能する段間タービンシール４８、シール４８によって所定位置に保持されたブレード３８の後部ブレードリテーナ５０、及びブレード４２の後部ブレードリテーナ５２を概略的に示す。これらタービンディスク３２（例えば、第１段タービンディスク３６及び第２段タービンディスク４０）、タービンシール要素３４（例えば、前部タービンシール４４、後部タービンシール４６及び段間タービンシール４８）及び／又はブレードリテーナ５０／５２のいずれか又は全て、或いはそれらの何らかの選択部分には、腐食が予想されるか又は観察されるかどうかに応じて、本発明のセラミック耐食皮膜を設けることができる。
【００２３】
図２を参照すると、タービンエンジンロータ構成部品３０の金属基体６０は、様々な金属、或いはより典型的にはニッケル、コバルト及び／又は鉄合金をベースにしたものを含む金属合金のいずれかを含むことができる。基体６０は一般的に、ニッケル、コバルト及び／又は鉄をベースにした超合金を含む。そのような超合金は、例えば、１９９０年９月１８日に登録された同一出願人による米国特許第４，９５７，５６７号（Ｋｒｕｅｇｅｒ他）、及び２００３年２月１８に登録された米国特許第６，５２１，１７５号（Ｍｏｕｒｅｒ他）などの様々な参考文献に開示されており、これら特許の関連部分は参考文献として本明細書に組み入れている。超合金はまた、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第３版１２巻４１７−４７９ページ（１９８０年）及び１５巻７８７−８００ページ（１９８１年）に全体的に記載されている。実例的なニッケル基超合金は、商品名Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）（例えば、Ｒｅｎｅ（登録商標）８８、Ｒｅｎｅ（登録商標）１０４、ＲｅｎｅＮ５合金）及びＵｄｉｍｅｔ（登録商標）によって指定される。
【００２４】
基体６０は、より典型的にはニッケル基合金、より具体的にはあらゆる他の元素よりも多いニッケルを有するニッケル基超合金を含む。ニッケル基超合金は、ガンマプライム又は関連相の析出によって強化することができる。本発明のセラミック耐食皮膜が特に有用であるニッケル基超合金は、商品名Ｒｅｎｅ８８によって入手可能であり、それは、重量で１３％のコバルト、１６％のクロム、４％のモリブデン、３．７％のチタン、２．１％のアルミニウム、４％のタングステン、０．７０％のニオブ、０．０１５％のホウ素、０．０３％のジルコニウム及び０．０３％の炭素と、残部のニッケル及び微量の不純物を含む公称組成を有する。
【００２５】
本発明のセラミック耐食皮膜６４を金属基体６０の表面６２上に形成する際に、表面６２は一般的に、機械的、化学的又はその両方で前処理してその表面が皮膜６４をより受けやすくなるようにする。適当な前処理方法には、グリットブラストを受けない表面をマスキングした状態又はマスキングしない状態でのグリットブラスト（１９９８年３月３日に登録されたＮｉａｇａｒａ他の米国特許第５，７２３，０７８号の特に第４欄４６−６６行を参照されたく、この特許は、参考文献として本明細書に組み入れている）、ミクロ機械加工、レーザエッチング（１９９８年３月３日に登録されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５，７２３，０７８号の特に第４欄６７行から第５欄３行まで及び第５欄１４−１７行を参照されたく、この特許は、参考文献として本明細書に組み入れている）、塩酸、フッ酸、硝酸、重フッ化アンモニウム及びそれらの混合物を含む化学エッチング液のような化学エッチング液を用いる処理（例えば、１９９８年３月３日に登録されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５，７２３，０７８号の特に第５欄３−１０行、１９８６年１月７日に登録されたＡｄｉｎｏｌｆｉ他の米国特許第４，５６３，２３９号の特に第２欄６７行から第３欄７行まで、１９８２年１０月１２日に登録されたＦｉｓｈｔｅｒ他の米国特許第４，３５３，７８０号の特に第１欄５０−５８行、及び１９８３年１０月２５日に登録されたＦｉｓｈｔｅｒ他の米国特許第４，４１１，７３０号の特に第２欄４０−５１行を参照されたく、これら特許は全て参考文献として本明細書に組み入れている）、研磨粒子を加えた状態又は加えない状態での圧力下の水を用いる処理（すなわち、水噴射処理）、並びにそれら方法の様々な組合せが含まれる。一般的に、金属基体６０の表面６２は、該表面６２が炭化ケイ素粒子、スチール粒子、アルミナ粒子又は他のタイプの研磨粒子の研磨作用を受けるようにグリッドブラストによって前処理される。グリッドブラストに用いるこれら粒子は一般的に、アルミナ粒子であり、典型的には約６００〜約３５メッシュ（約２５〜約５００マイクロメートル）、より典型的には約４００〜約３００メッシュ（約３８〜約５０マイクロメートル）の粒子サイズを有する。
【００２６】
金属基体６０上にセラミック耐食皮膜６４を形成する本発明の方法の実施形態は、ソル・ゲル法の使用によるものである。２００４年４月２９日に公開された同一出願人による米国特許出願第２００４／００８１７６７号（Ｐｆａｅｎｄｔｎｅｒ他）を参照されたく、この特許出願は参考文献として本明細書に組み入れている。ソル・ゲル法は、セラミック酸化物（例えば、ジルコニア）を生成する化学溶液法である。一般的にはアルコキシド前駆体又は金属塩を含む化学ゲル形成溶液は、セラミック金属酸化物前駆体材料及び何らかの安定化金属酸化物前駆体材料などと混合される。ゲル形成溶液を僅かにそれを乾燥させるように第１の予め選択した時間にわたって第１の予め選択した温度で加熱すると、ゲルが形成される。ゲルは次に、金属基体６０の表面６２を覆って塗布される。セラミック金属酸化物前駆体材料を適当に加えかつ適当に乾燥させることにより、表面６２を覆って連続フィルムが形成される。ソル・ゲルは、あらゆる都合のよい方法によって基体６０の表面６２に塗布することができる。例えばソル・ゲルは、少なくとも１つの薄層、例えば単一の薄層、又はより典型的には薄膜を皮膜６４の所望の厚さまで堆積させるような複数の薄層をスプレイすることによって塗布することができる。ゲルは次に、第２の予め選択した時間にわたって第１の上昇温度以上の第２の予め選択した上昇温度で焼成されて皮膜６４を形成する。セラミック耐食皮膜６４は、最大約５ミル（１２７ミクロン）まで、典型的には約０．０１〜約１ミル（約０．２〜約２５ミクロン）、より典型的には約０．０４〜約０．５ミル（約１〜約１３ミクロン）の厚さを有する緻密マトリックスを含む。任意選択的に、不活性酸化物充填粒子をソル・ゲル溶液に加えて、基体に施工される層ごとの厚さをより大きくことが可能になるようにすることができる。
【００２７】
セラミック耐食皮膜６４を形成する別の方法は、電子ビームＰＶＤ（ＥＢ−ＰＶＤ）、フィルタアーク蒸着などの物理気相蒸着（ＰＶＤ）によるか、又はスパッタリングによるものである。本明細書で用いる適当なスパッタリング法には、それに限定されないが、直流ダイオードスパッタリング、高周波スパッタリング、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリング、マグネトロンスパッタリング及びステアードアークスパッタリングが含まれる。ＰＶＤ法は、垂直マイクロクラック組織のような耐歪み性又は耐性ミクロ組織を有するセラミック耐食皮膜６４を形成することができる。ＥＢ−ＰＶＤ法は、高い耐歪み性があって皮膜密着性をさらに高める円柱状組織を形成することができる。これらの耐歪み性又は耐性組織は、皮膜表面６６と基体６０との間に直接経路を有するが、この経路は、部分溶融又は高粘性腐食性塩が、垂直マイクロクラック組織の割れ又は円柱状組織の円柱ギャップに全く侵入しない又は最小限度の侵入しかしないほど十分に狭い。
【００２８】
これらセラミック耐食皮膜を形成する別の適当な方法には、溶射、エアゾールスプレイ、化学気相蒸着（ＣＶＤ）及びパックセメンテーションが含まれる。本明細書で用いる場合、「溶射」という用語は、被覆皮膜材料を加熱しかつ一般的にその被覆皮膜材料を少なくとも部分的に又は完全に熱溶融させるステップと一般的に加熱ガス流内の同伴によって加熱／溶融材料を被覆対象の金属基体上に被着させるステップとを含む、セラミック組成物を溶射し、施工し又は他の方法で被着させるあらゆる方法を意味する。適当な溶射被着法には、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）及び真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などのプラズマ溶射、高速ガス式（ＨＶＯＦ）溶射、爆発溶射、線爆溶射など並びにそれらの方法の組合せが含まれる。本明細書で用いる場合の特に適当な溶射被着法は、プラズマ溶射である。適当なプラズマ溶射法は、当業者にはよく知られている。例えばＫｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第３版１５巻２５５ページ及びその中に記載された参考文献、並びに１９９４年７月２６日に登録された米国特許第５，３３２，５９８号（Ｋａｗａｓａｋｉ他）、１９９１年９月１０に登録された米国特許第５，０４７，６１２号（Ｓａｖｋａｒ他）及び１９９８年５月３日に登録された米国特許第４，７４１，２８６号（Ｉｔｏｈ他）（これらは参考文献として本明細書に組み入れている）を参照されたく、これらは本明細書で用いるのに適したプラズマ溶射の様々な態様に関して非常に役立つ。
【００２９】
化学気相蒸着及び／又はパックセメンテーションを実施する適当な方法は、例えば、１９７０年１１月１７日に登録された同一出願による米国特許第３，５４０，８７８号（Ｌｅｖｉｎｅ他）、１９７１年８月１０日に登録された同一出願人による米国特許第３，５９８，６３８号（Ｌｅｖｉｎｅ）、及び１９７２年６月６日に登録された同一出願人による米国特許第３，６６７，９８５号（Ｌｅｖｉｎｅ他）に開示されており、これら特許の関連する開示内容は参考文献として本明細書に組み入れている。有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）法もまた本明細書で用いることができる。２００４年１月２２日に公開された同一出願による米国特許出願第２００４／００１３８０２号（Ａｃｋｅｒｍａｎ他）を参照されたく、この特許出願の関連する開示内容は参考文献として本明細書に組み入れている。
【００３０】
図３に示すように、一般的に、これらタービンディスク／シャフト、シール及び／又はブレードリテーナの表面の一部分のみに、本発明のセラミック耐食皮膜６４が設けられる。図３は、符号７４で示したほぼ円形の内側ハブ部分及び符号７８で示したほぼ円形の外周又は外径と、符号３８、４２などのタービンブレードの根元部分を受けるための符号８６で示した複数の円周方向に間隙を置いて配置されたスロットを備えた符号８２で示した周辺部とを有するタービンディスク３２を示す。セラミック耐食皮膜６４は、ディスク７０の表面全体に施工することができるが、一般的には外径７８の表面上にのみ必要とされる。
【００３１】
上記の実施形態は、タービンエンジンディスクを被覆することに関して説明してきたが、上述のように、本発明を用いて、圧縮機ディスク、シール及びシャフトを含む様々なタービンエンジンロータ構成部品の表面上にセラミック耐食皮膜６４を形成することができ、構成部品は次に、高温で腐食性要素に露出させることができる。本発明のセラミック耐食皮膜はまた、構成部品の最初の製造（すなわち、ＯＥＭ構成部品）の時に、構成部品をある期間作動させた後に、構成部品から他の皮膜を除去した後に（例えば、補修状況時）、構成部品を組み立てている間に、又は構成部品を分解した後などに施工することができる。
【００３２】
以下の実施例は、本発明のセラミック耐食皮膜をソル・ゲル法によって金属基体上に形成する実施形態及びそれによって得られる利点を示す。
【００３３】
ＲｅｎｅＮ５合金の１インチ円形試料は、ソル・ゲルにより被着させた７重量％のイットリア安定化ジルコニアの約５ミクロンの層で被覆されている。硫酸含有腐食性物質（腐食剤）を皮膜の表面に塗布し、１３００°Ｆ（７０４℃）において２時間サイクルでテストを行う。２時間サイクルの最初の１時間は、還元性雰囲気を用いて腐食剤と被覆試料の表面との間に反応を引き起こさせることを試みる一方、次の１時間は、空気を用いて腐食スケール成長を引き起こさせる。水洗浄によって腐食剤を除去し、次に被覆試料は損傷を検査される。この腐食剤塗布、熱露出、洗浄及び検査のサイクルは、被覆試料が損傷の兆候を示すまで反復される。８サイクル後に、被覆試料上には明らかな損傷は全く見られない。１０サイクル後に、皮膜は依然として合金に密着しているが、変色が見られ、被覆試料は評価のため切断される。切断後に、皮膜の下には約１０ミクロン厚さの腐食生成層が見られる。ちなみに、これは、裸の合金試料（すなわち、皮膜してない）のこのようなテストの約２サイクル後の典型的な状態である。
【００３４】
本発明の特定の実施形態を説明してきたが、特許請求の範囲に記載した本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、実施形態に対する様々な変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ガスタービンエンジンのタービンセクションの一部分の概略断面図。
【図２】タービンロータ構成部品の金属基体上に被着させた、本発明のセラミック耐食皮膜の実施形態の断面図。
【図３】本発明のセラミック耐食皮膜を設置するのが望ましい場所を示す、タービンディスクの正面図。
【符号の説明】
【００３６】
３０ タービンエンジンロータ構成部品
３２ タービンディスク
３４ タービンシール要素
３６ 第１段タービンディスク
３８ 第１段タービンブレード
４０ 第２段タービンディスク
４２ 第２段タービンブレード
４４ 前部タービンシール
４６ 後部タービンシール
４８ 段間タービンシール
５２ ブレードリテーナ
６０ 基体
６２ 基体６０の表面
６４ セラミック耐食皮膜
６６ 皮膜６４の表面
７４ ディスク３２の内側ハブ
７８ ディスク３２の外周又は外径
８２ ディスク３２の周辺部
８６ ブレード３８、４２の根元を受けるための複数のスロット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン翼形部（３８、４２）以外のタービン構成部品（３０）であって、金属基体（６０）と前記金属基体（６０）を覆うセラミック耐食皮膜（６４）とを有するタービン構成部品（３０）を備える物品であって、
前記セラミック耐食皮膜（６４）が、最大１２７ミクロンまでの厚さを有し、かつジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含むことを特徴とする物品。
【請求項２】
前記タービン構成部品（３０）が、圧縮機又はタービンディスク（３２）或いは圧縮機又はタービンシール要素（４４、４６、４８）であることを特徴とする請求項１記載の物品（３０）。
【請求項３】
前記セラミック耐食皮膜（６４）が、６０〜９８モル％のセラミック金属酸化物と２〜４０モル％の安定化金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項４】
前記セラミック金属酸化物が、８５〜１００モル％のジルコニアと０〜１５モル％のハフニアとを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項５】
前記安定化金属酸化物が、イットリア、カルシア、スカンジア、マグネシア、インジア、ガドリニア、ネオジミア、サマリア、ジスプロシア、エルビア、イッテルビア、ユウロピア、プラセオジミア、ランタナ、タンタラ及びそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項６】
前記耐食皮膜（６４）が、９４〜９７モル％のセラミック金属酸化物と３〜６モル％のイットリアとを含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項７】
前記セラミック耐食皮膜（６４）が、前記構成部品（３０）の選択部分上に形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項８】
（ａ）金属基体（６０）を含み、タービン翼形部（３８、４２）以外のものであるタービン構成部品（３０）を準備するステップと、
（ｂ）セラミック金属酸化物前駆体を含むゲル形成溶液を準備するステップと、
（ｃ）前記ゲル形成溶液を第１の予め選択した時間にわたって第１の予め選択した温度に加熱してゲルを形成するステップと、
（ｄ）前記ゲルを前記金属基体（６０）上に被着させるステップと、
（ｅ）前記被着したゲルを前記第１の予め選択した温度よりも高い第２の予め選択した温度で焼成して、ジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含むセラミック耐食皮膜（６４）を形成するステップと、
を具備するタービン構成部品の製造方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｄ）が、前記ゲルの複数の層を前記金属基体（６０）上に施工することによって行われることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｅ）の後に、前記セラミック耐食皮膜（６４）が、０．２〜２５ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項８及び請求項９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１】
タービン翼形部（３８、４２）以外のタービン構成部品（３０）であって、金属基体（６０）と前記金属基体（６０）を覆うセラミック耐食皮膜（６４）とを有するタービン構成部品（３０）を備える物品であって、
前記セラミック耐食皮膜（６４）が、最大１２７ミクロンまでの厚さを有し、かつジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含むことを特徴とする物品。
【請求項２】
前記タービン構成部品（３０）が、圧縮機又はタービンディスク（３２）或いは圧縮機又はタービンシール要素（４４、４６、４８）であることを特徴とする請求項１記載の物品（３０）。
【請求項３】
前記セラミック耐食皮膜（６４）が、６０〜９８モル％のセラミック金属酸化物と２〜４０モル％の安定化金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項４】
前記セラミック金属酸化物が、８５〜１００モル％のジルコニアと０〜１５モル％のハフニアとを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項５】
前記安定化金属酸化物が、イットリア、カルシア、スカンジア、マグネシア、インジア、ガドリニア、ネオジミア、サマリア、ジスプロシア、エルビア、イッテルビア、ユウロピア、プラセオジミア、ランタナ、タンタラ及びそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項６】
前記耐食皮膜（６４）が、９４〜９７モル％のセラミック金属酸化物と３〜６モル％のイットリアとを含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項７】
前記セラミック耐食皮膜（６４）が、前記構成部品（３０）の選択部分上に形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項記載の物品（３０）。
【請求項８】
（ａ）金属基体（６０）を含み、タービン翼形部（３８、４２）以外のものであるタービン構成部品（３０）を準備するステップと、
（ｂ）セラミック金属酸化物前駆体を含むゲル形成溶液を準備するステップと、
（ｃ）前記ゲル形成溶液を第１の予め選択した時間にわたって第１の予め選択した温度に加熱してゲルを形成するステップと、
（ｄ）前記ゲルを前記金属基体（６０）上に被着させるステップと、
（ｅ）前記被着したゲルを前記第１の予め選択した温度よりも高い第２の予め選択した温度で焼成して、ジルコニア、ハフニア及びそれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属酸化物を含むセラミック耐食皮膜（６４）を形成するステップと、
を具備するタービン構成部品の製造方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｄ）が、前記ゲルの複数の層を前記金属基体（６０）上に施工することによって行われることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｅ）の後に、前記セラミック耐食皮膜（６４）が、０．２〜２５ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項８及び請求項９のいずれか１項記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−２８３７５９（Ｐ２００６−２８３７５９Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９３４３５（Ｐ２００６−９３４３５）
【出願日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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