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【発明の名称】 被覆タービン構成部材のための清浄雰囲気熱処理方法および熱処理装置
【発明者】 【氏名】スティーヴン エム．バーンズ
【氏名】スティーヴン ピー．ハン
【課題】被覆タービンエンジン構成部材などの少なくとも１つの被覆ワークピースを熱処理する方法および装置が提供される。

【解決手段】方法は、ワークピース中心位置２０においてガスを注入しかつ熱を加えることを含む清浄化方法で、熱処理方法の間に使用される炉を清浄化し、ワークピース中心位置２０において注入されるガスのガス雰囲気内で少なくとも１つのワークピースを拡散熱処理することを含む。拡散熱処理工程の後で、１つまたは複数の被覆ワークピースは、ピーニング操作などの表面仕上げ操作に掛けることができる。被覆ワークピースを熱処理するための装置１０は、炉１３と、この炉の内部へワークピース中心位置２０においてガスを注入する手段とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのワークピースを熱処理する方法であって、
ワークピース中心位置においてガスを注入しかつ熱を加えることを含む清浄化方法で、熱処理方法の間に使用される炉を清浄化し、
ワークピース中心位置において注入されるガスのガス雰囲気内で少なくとも１つのワークピースを拡散熱処理する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記清浄化方法は、ワークピース中心位置から出口の方へと汚染物質を運び去る圧力差を生成するのに十分な流量でワークピース中心位置において炉内へガスを注入することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ガスを注入することは、少なくとも０．８トルの分圧でガスを注入することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ガスを注入することは、３０リットル毎分から７０リットル毎分の流量で炉内へガスを注入することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記ガスを注入することは、不活性ガスを注入することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記ガスを注入することは、アルゴンを注入することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記ガスを注入することは、還元性ガスを注入することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項８】
前記拡散熱処理することは、１から２４時間の範囲の長さの時間、華氏１９００度から華氏２５００度の範囲の温度で実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記拡散熱処理することは、ワークピース内の汚染物質を運び去るのに十分であるが、炉の扉を開かせる流量よりは少ない流量でワークピース中心位置内へガスを注入することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記拡散熱処理することは、少なくとも０．８トルの分圧でワークピース中心位置内へガスを注入することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ガスは、３０リットル毎分から７０リットル毎分の流量で炉内へ注入されることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記拡散熱処理することは、不活性ガスを注入することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１３】
前記拡散熱処理することは、アルゴンを注入することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１４】
前記拡散熱処理することは、還元性ガスを注入することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１５】
被覆を有する少なくとも１つのワークピースを提供する方法であって、
ワークピース中心位置において注入されるガスの炉内におけるガス雰囲気内で少なくとも１つのワークピースを拡散熱処理し、
炉からワークピースを取り出し、
被覆ワークピースを表面仕上げ操作に掛ける、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記拡散熱処理することは、１から２４時間の範囲の長さの時間、華氏１９００度から華氏２５００度の範囲の温度で実行されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記拡散熱処理することは、ワークピース内の汚染物質を運び去るのに十分であるが、炉の扉を開かせる流量よりは少ない流量でワークピース中心位置内へガスを注入することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記拡散熱処理することは、少なくとも０．８トルの分圧でワークピース中心位置内へガスを注入することを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記ガスは、３０リットル毎分から７０リットル毎分の流量で炉内へ注入されることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記表面仕上げすることは、被覆ワークピースをピーニング操作に掛けることを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項２１】
前記拡散熱処理することは、ワークピース中心位置内へ不活性ガスを注入することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項２２】
前記拡散熱処理することは、ワークピース中心位置内へアルゴンを注入することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項２３】
前記拡散熱処理することは、ワークピース中心位置内へ還元性ガスを注入することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項２４】
室を有する炉と、
この炉の室の内部へワークピース中心位置においてガスを注入する手段と、
を備えることを特徴とする、被覆ワークピースを熱処理するための装置。
【請求項２５】
前記ガス注入手段は、ワークピース中心位置から出口の方へとどのような汚染物質も運び去るのに十分な流量でガスを注入する手段を含むことを特徴とする請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
前記注入手段は、不活性ガスまたは還元性ガスの少なくとも一方を注入する手段を含むことを特徴とする請求項２４記載の装置。
【請求項２７】
前記注入手段は、アルゴンガスを注入する手段を含むことを特徴とする請求項２４記載の装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、被覆タービン構成部材などのワークピースを熱処理する方法に関し、また、本発明の熱処理方法を実施するための改良された装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーバーレイ型の金属製被覆（すなわち、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ、ＣｏＣｒＡｌＹなど）は、主として、その耐酸化性の下部合金（ｓｕｂ−ａｌｌｏｙ）保護特性と、タービンエンジン環境内での向上した寿命の長さとによって特徴付けられる。これらのオーバーレイ金属製被覆は、低圧プラズマ溶射および大気圧プラズマ溶射などの溶射処理によって、あるいは、電子ビーム蒸着またはカソードアークなどの蒸着処理によって、基体表面に施すことができる。被覆の密度は、耐酸化特性においてばかりでなく、基体の使用される腐食性環境から被覆によって基体が保護されることになる寿命においても、重要な役割を果たす。開いたポケット部、空隙、割れ目、亀裂、または導通孔（ｌｅａｄｅｒ）のない被覆が、このような今述べた特徴部を有する被覆より、かなり長い酸化寿命の保護を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そのような被覆ができる限り１００％の高密度に近くなるのを確実にするのに現在使用されている現時点での到達水準の技術は、被覆をできる限り高密度で施し、次に、被覆を拡散熱処理し、その後、このオーバーレイ被覆にピーニングなどの処理を用いてエネルギーを加えることである。ピーニング処理は、衝突において被覆表面内へピーニング媒体速度から十分な運動エネルギーを移動して、圧密により被覆密度を増加させるとともに、被覆表面仕上げを向上させる。ピーニング処理によって被覆密度と表面仕上げが向上し得る程度は、被覆の延性と共に、ピーニング媒体の衝突過程により被覆表面上および内へ移動され得る運動エネルギーの量（通常、アルメンストリップ強度（ａｌｍｅｎ ｓｔｒｉｐ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を用いて測定される）に関係する。過度に延性のある被覆を施すことは、それらが使用される高温腐食性環境内での適切な保護を与えることにならないことに、注目する必要がある。また、過度に硬い被覆を施す場合、被覆は、ピーニング処理に都合よく反応することがなく、また被覆構造内に過度の多孔性を残し、最終的には、結果として不十分な寿命の耐酸化性被覆となる。
【０００４】
従って、本発明の目的は、被覆タービンエンジン構成部材などの被覆ワークピースを熱処理する改善された方法を提供することである。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、少なくとも１つの被覆ワークピースを熱処理するための改良された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的は、本発明により達成される。
【０００７】
本発明に従うと、ワークピースを熱処理する方法が提供される。方法は、一般に、ワークピース中心位置においてアルゴンなどの不活性ガスまたは水素などの還元性ガスを注入しかつ熱を加えることを含む清浄化方法で、熱処理方法の間に使用される炉を清浄化し、その後、ワークピース中心位置において再度注入される不活性ガスまたは還元性ガス雰囲気などのガス雰囲気内で少なくとも１つの被覆ワークピースを拡散熱処理することを含む。熱処理の後、被覆ワークピースは、表面仕上げ操作に掛けることができる。
【０００８】
さらに、本発明に従うと、一般に、炉と、この炉の内部へワークピース中心位置においてガスを注入する手段とを備える、被覆ワークピースを熱処理するための装置が提供される。
【０００９】
被覆タービン構成部材のための清浄雰囲気熱処理の他の詳細、および、それに付随する他の利点および目的は、以下の詳細な説明および同様の参照番号が同様の部材を示している添付の図面内に述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
オーバーレイ被覆は、拡散熱処理過程に掛けられ、その後、被覆密度を向上させるピーニングなどの処理による高いエネルギーの衝突過程が続く。被覆が１００％の密度に成り得る程度は、被覆の延性、および獲得できる表面仕上げエネルギーに関係する。
【００１１】
本発明者により、拡散熱処理環境の清浄さが、被覆延性および被覆の最終的な特性許容可能性に重要な役割を果たすことが見出された。多数の開いたポケット部、空隙、割れ目、亀裂、または竪樋状部を有し、通常の熱処理炉雰囲気（真空または不活性ガス）に曝された被覆は、許容可能な密度および許容可能な特性条件を備えさせることができない被覆となり得る。被覆特性に影響を及ぼす汚染が、真空漏れと、炉自体内のさまざまな部材からの汚染との少なくとも一方によって、炉内で生じる。
【００１２】
汚染された炉を修正する被覆工業内の以前の実施方法は、炉が、適切に真空漏れがない（１時間に２０ミクロンまたはそれより小さな漏れ速度）のを確実にするとともに、炉内で先に使用された最も高い温度の製造熱処理サイクルより数百度高い真空焼き出し（ｂｕｒｎ−ｏｕｔ）熱処理サイクルを行うことであった。
【００１３】
最適堆積角度より小さな角度で施された被覆の場合、あるいは、多数の開いたポケット部、空隙、割れ目、亀裂、または竪樋状部を豊富に有し、標準的で一般に許容可能な高温の熱サイクル炉内での拡散熱処理サイクルを引き続き受けた通常の堆積被覆の場合、被覆は、一般に表面仕上げ処理によっては、許容可能な密度／特性レベルに変換できないことが見出された。
【００１４】
表面仕上げ処理によって所望の密度／特性レベル／表面仕上げに被覆をよりよく変換できるように被覆を改良することの解答は、所定の分圧、好ましくは０．８トルまたはそれを超える分圧でワークピース位置領域の中心において不活性ガス、好ましくはアルゴン、および水素などの還元性ガスの少なくとも一方が注入される高温燃き出し熱処理サイクルを用いて拡散熱処理に使用される炉を清浄化することから開始される。これによって、工業全体に亘って使用される標準的な燃き出し熱処理サイクルよりかなり清浄化された炉が得られることが見出された。
【００１５】
図１は、本発明に従って修正された熱処理装置１０を例示する。装置１０は、ガス供給源１２と、処理される被覆タービンエンジン構成部材などのワークピース（図示せず）が内部に配置される室１４を有する炉１３と、ワークピース位置領域の中心２０へガスを供給するためのマニホールド１８と、マニホールド１８とガス供給源１２の間の供給配管２２と、ガスの流量を制御するための弁２４とを含む。本発明の炉１３は、室１４の外面付近に配置されたノズルを通して炉内へガスを注入する従来技術の炉とは異なる。そのような位置に配置されたノズルは、ワークピースおよび被覆内に発生する汚染を実際には増加させることが見出された。これは、そのような炉内でワークピースおよび被覆を熱処理すると、炉壁面上およびその内部に存在するどのような汚染物質も、一旦、炉が適切な温度に到達すると、大部分は蒸気状態となるからである。これらの汚染物質は、ワークピースおよび被覆上に堆積し、被覆内の粒界を拘束することにより被覆の延性を変化させる。一旦、被覆の延性が低下すると、被覆およびワークピースは、ワークピースに損傷を与えずに許容可能なレベルに被覆密度を適切に向上させるのに十分なエネルギーでは表面仕上げできない。炉内で被覆を熱処理するときは、炉内に存在するどのような真空漏れも、酸素を含有する空気内で漏れることを理解する必要がある。酸素は、通常、ワークピースを汚染するばかりでなく、それらを酸化し、被覆内の粒界を固定することにより被覆の延性を変化させる。一旦、被覆の延性が低減されると、被覆およびワークピースは、ワークピースに損傷を与えずに許容可能なレベルに被覆密度を適切に向上させるのに十分なエネルギーでは表面仕上げできない。
【００１６】
改良された炉の設計を有する本発明の装置１０は、ワークピースおよび被覆のそのような汚染を防止する。
【００１７】
本発明に従うと、炉室１４は、最初に、３０分間またはそれを超える長さの時間、通常は２０００°Ｆより高い拡散熱処理温度より２００−３００°Ｆ高い温度に炉を加熱することにより清浄化される。加熱サイクルの間、ガスが、ワークピース位置の中心２０から、１つまたは複数の真空ポンプ３０により生成された炉室１４付近の低圧領域２６および出口領域２８への汚染物質の移動を生じさせる流量で導入される。適切なガス流量は、中心２０から汚染物質を運び去るのに十分な流量から炉室１４の扉を開かせることになるかも知れない流量までの範囲である。ガスの好ましい流量は、３０リットル毎分から７０リットル毎分の範囲である。ガスは、中心２０から汚染物質を運び去る圧力差を生成するのに十分な分圧で導入される。特に有用なガス分圧は、０．８トルまたはそれを超える。
【００１８】
上述した仕方で炉を清浄化した後に、被覆ワークピースの拡散熱処理が、同じガス流量および分圧条件で同じガス環境内で実行される。前のように、不活性ガス、アルゴンが好ましいガスであるが、それと、水素などの還元性ガスとの少なくとも一方が、上述した流量および分圧でワークピース位置の中心２０において室１４内へ導入される。３０リットル毎分から７０リットル毎分の流量でガスを流すことにより、拡散熱処理の間の真空レベルは、８００ミクロンから２０００ミクロンの範囲になることが見出された。０．８トルまたはそれを超える分圧が有用であるとはいえ、有利な分圧の範囲は、熱処理炉の構成ばかりでなく、熱処理される被覆ワークピースの量および状態に依存する。拡散熱処理は、１から２４時間の範囲の長さの時間、華氏１９００度から華氏２５００度の範囲の温度で実行できる。ここで説明される拡散熱処理に掛けられるワークピースは、許容可能な密度および特性の部品を作成するように表面仕上げできることが見出された。
【００１９】
拡散熱処理工程の後で、被覆を有するワークピースは、許容可能な被覆密度および特性レベルを有する被覆を形成するように、ピーニング操作などの当業技術内で知られる任意の表面仕上げ操作に掛けることできる。
【００２０】
本発明の方法を用いる熱処理および表面仕上げを通して許容可能な被覆密度および特性レベルを生成する物理は、以下のようになる。炉内でワークピースおよび被覆を熱処理するとき、熱処理過程の間に存在するどのような真空漏れまたは元素汚染も、効果的に部品に到達することになり、その結果、許容可能な密度レベルの被覆を生成するようには適切にさらに表面仕上げできない被覆延性の低下となる。ワークピース中心位置（通常は炉中心）においてガス、好ましくはアルゴンが注入される分圧熱処理を実施することによる炉を最初に清浄化する方法によって、ガスは、炉の中心から外側へと飛び去り、炉中心から全ての汚染物質が、（ランダム分子衝突によって）運び去られ、１つまたは複数の真空ポンプ３０により除去される。ガス、好ましくはアルゴンが、ワークピースの中心位置において注入される分圧ガス雰囲気内で被覆およびワークピースの拡散熱処理を実際に実施する第二の工程によって、部品が配置されている真空炉内に高い圧力の清浄領域が生じる。炉の内部からのものであろうと、真空漏れの結果であろうと、全ての汚染物質は、高圧領域が常に低圧領域を求める際のランダム分子衝突によって、高圧保護領域（部品が配置されている）から押し出される。この方法は、被覆延性を変化させずに基部合金内へと被覆を適切に拡散させる清浄拡散熱処理となる。
【００２１】
本発明の方法は、施されたオーバーレイ被覆を有するタービンエンジン構成部材の拡散熱処理において特に有用性があることが見出された。本発明の方法は、当業技術内で知られる任意のオーバーレイ被覆で被覆された任意のワークピースと共に使用できる。
【００２２】
図２は、堆積されかつ拡散されたままの被覆を有するワークピースを例示する。図３は、ここに記載された方法を用いて形成され、ショットピーニングにより表面仕上げされた被覆を例示する。図３から理解できるように、被覆は、細孔、空隙、および他の不良な特徴部がない。実際、被覆は、均質であり、非常に良好な延性を有する。図４は、本発明の熱拡散処理を用いては形成されなかった被覆を例示する。表面仕上げ後に、不十分な特性の被覆が生成された。図４から理解できるように、被覆は、空隙および割れ目を有しており、それによって、非常に脆くなる。
【００２３】
炉清浄化および拡散熱処理工程には単一のガスを使用するのが好ましいとはいえ、不活性ガスの混合物、または還元性ガスと不活性ガスの混合物などのガスの混合物を使用することができる。
【００２４】
本発明に従って、上述した目的、手段、および利点を十分に満足する、被覆タービン構成部材のための清浄熱処理が提供されたことは明らかである。本発明は、その特定の実施態様の文脈で説明したが、他の代替物、変更物、および変形物が、上述した説明を読んだ当業者には明らかになるであろう。従って、これらの代替物、変更物、および変形物は、添付の請求項の広い範囲に含まれるように包含されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従う熱処理装置の概略図である。
【図２】ワークピース上に堆積されかつ拡散されたままの被覆を示す顕微鏡写真である。
【図３】表面仕上げ後の本発明の清浄雰囲気拡散熱処理に掛けられた被覆を示す顕微鏡写真である。
【図４】表面仕上げ後の本発明の清浄雰囲気拡散熱処理に掛けられていない被覆を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００２６】
１０…熱処理装置
１２…ガス供給源
１３…炉
１４…室
１８…マニホールド
２０…ワークピース中心位置
２２…供給配管
２４…弁
２６…低圧領域
２８…出口領域
３０…真空ポンプ
【出願人】 【識別番号】５９０００５４４９
【氏名又は名称】ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【出願日】 平成１６年６月２５日（２００４．６．２５）
【代理人】 【識別番号】１０００９６４５９
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 剛

【識別番号】１０００９２６１３
【弁理士】
【氏名又は名称】富岡 潔
【公開番号】 特開２００５−１５９２０（Ｐ２００５−１５９２０Ａ）
【公開日】 平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願番号】 特願２００４−１８７２０８（Ｐ２００４−１８７２０８）