CZ293386B6

CZ293386B6 - Způsob leptání vodným roztokem

Info

Publication number: CZ293386B6
Application number: CZ19994541A
Authority: CZ
Inventors: D. Sangeeta; Howard John Farr; Roger Dale Wustman
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2004-04-14
Also published as: KR100652993B1; US6146692A; CZ454199A3; EP1010776A1; DE69924590T2; JP4954357B2; KR20000048100A; TW548345B; JP2000248391A; EP1010776B1; DE69924590D1

Abstract

Způsob leptání vodným roztokem se může použít pro nahrazování tepelně bariérového povlaku na povrchu kovu. Povrch kovu se uvádí do styku s žíravým roztokem pro odstranění tepelně bariérového povlaku. Provozní podmínky pro styk s žíravým roztokem jsou vybrány tak, aby se zabránilo tvorbě odlupující se vrstvy během následného nahrazení tepelně bariérového povlaku a tepelného zpracování. Poté se opětovně obnoví tepelně bariérový povlak na povrchu kovu.ŕ

Description

Způsob leptání vodným roztokem

Oblast techniky

Tento vynález se týká odstraňování tepelně bariérových povlaků z povrchů. Zejména se týká odstraňování tepelně bariérových povlaků bez napadení základních povlaků, jako aluminidu niklu nebo směsného aluminidu platiny a niklu.

Dosavadní stav techniky

Vyšší provozní teploty zvyšují účinnost plynových turbín. Pokročilá technologie pohonu nyní provozuje turbíny při teplotách 1000 °C a vyšších. Tak vysoké provozní teploty kladou nároky na trvanlivost součástek stroje. Použití superslitin na bázi niklu a kobaltu poskytuje některé výhody v trvanlivosti při vysokých teplotách. Avšak v určitých částech plynové turbíny, jako v turbíně, ve spalovací komoře a v dospalováku (augmentoru) musí být kovové součástky povlečeny tepelným izolátorem pro poskytnutí další provozní trvanlivosti při vysoké teplotě.

Tepelně bariérové povlaky (TBC) se obvykle používají na kovových součástkách pro poskytnutí další provozní trvanlivosti při vyšších teplotách, vyžadované v mnoha částech moderních turbín. Tepelně bariérové povlaky obvykle mají keramický povlak nanesený na kovové vazné vrstvě umístěné na povrchu kovové součástky. Vaznou vrstvou je obvykle směsný aluminid platiny a niklu, aluminid niklu, aluminidovaná sloučenina obecného vzorce

MCrAlY, kde M je nikl, kobalt, nikl-kobalt a železo,

Cr je chrom,

AI je hliník a

Y je yttrium, nebo jejich směsi. Keramický povlak může být některou formou stabilizovaného oxidu zirkonia, jako oxid zirkonia stabilizovaný oxidem vápenatým, oxidem haínia, oxidem hořečnatým, oxidem yttria nebo kterýmkoli oxidem prvku vzácných zemin, který tvoří tepelně bariérový povlak na bázi ohnivzdorného oxidu. Tepelně bariérový povlak má velmi nízkou tepelnou vodivost, nízkou hustotu a vysokou teplotu tání.

V průběhu životnosti se povlečené kovové součástky strojů pro civilní letadla, některá vojenská letadla a pro výrobu energie lámou, drolí nebo podléhají chemickému a fyzikálnímu působení. Proto se u těchto strojů musí pravidelně provádět generální opravy. Během generální opravy se mohou lopatky turbín a křídla, které nepřekročily mez tečení a nejsou jinak vážně erodovány nebo poškozeny, upravit pro opětovné použití. Povlaky, jako tepelně bariérový povlak a vazný povlak se strhnou z kovové součástky a součástka se opraví a vyčistí, znovu povleče povlakem a navrátí se k dalšímu používání. Tepelně bariérový povlak se před opětovným povlečením povrchu kovu čerstvou vaznou vrstvou a tepelně bariérovým povlakem musí zcela odstranit.

Ault v US patentu č. 4 439 241 popisuje čištění součásti turbíny, opravu této součásti např. svářením nebo vyrovnáváním a obnovení vnějšího povlaku. Při tomto způsobu se součástka, jako lopatka turbíny, upevní v pouzdru v autoklávu a podrobí se toku alkalického roztoku hydroxidu draselného (KOH) nebo hydroxidu sodného (NaOH) a vody při teplotě v rozmezí od 150 °C do

-1 CZ 293386 B6

235 °C při tlaku v rozmezí od 1,034 MPa do 2,413 MPa. Koncentrace roztoku hydroxidu draselného je od 10 do 45 % hmotnostních.

Podle zkušenosti se v prvním stupni turbíny tvoří během provozu nečistoty a místa bohatá na křemík a vápník (Si-Ca), které zamezují proudění chladicího vzduchu a vytváří horká místa, což vede k urychlení vnitřní koroze která může způsobit poškození materiálu v celé stěně. Výše uvedené způsoby jsou neúčinné při odstraňování velkých množství těchto vnitřních míst. Irvine a kol. ve svém příspěvku New Method for Turbině Blade Intemal Cleaning publikovaném na Intemal Gas Turbině and Aeroengine Congress and Exposition. Houston, Texas, 5 až 8. června

1995, navrhl čerpání zahřáté žíraviny při tlacích blížících se 2,758 MPa skrz vnitřní dutiny lopatek turbíny. Ve srovnání s předchozím způsobem prováděným v autoklávu zvýšený průtok žíraviny zvyšuje účinnost čištění. Způsob snižuje náklady na opravy zvýšením návratnosti součástí během opravy.

Způsob leptání se může použít pro čištění součástí strojů, jako nosných ploch letadel a může se také použít pro odstraňování keramických jader z odlitků těchto nosných ploch, žíravina reaguje s oxidy a hydroxidy za vzniku solí alkalických kovů, které jsou rozpustné ve vodě. Tato chemická reakce umožňuje čistit nosné plochy letadla a odstraňovat keramická jádra. Kromě toho chemická reakce při způsobu leptání je navržena pro odstraňování tepelně bariérových povlaků 20 rozpouštěním styčné plochy na bázi oxidu hlinitého mezi tepelně bariérovým povlakem a základní kovovou součástkou. Naneštěstí za podmínek běžných v oboru působí způsob leptání také na aluminid niklu nebo směsný aluminid niklu a platiny základní kovové součástky. Pokud se kovová součástka dodatečně čistí a znovu povléká tepelně bariérovým povlakem a tepelně zpracuje, odlupuje se černá vrstva, o které se předpokládá, že je převážně z oxidu nikelnatého, z vnitřního 25 a vnějšího povrchu nosných ploch letadla. Existuje tedy potřeba poskytnout způsob leptání pro odstranění tepelně bariérových povrchů ze základní kovové součástky bez tvorby nežádoucí černé kůry (šupin). Tento vynález se zakládá na zjištění, že je možné se vyhnout odlupující se kůře (šupinám) vedením způsobu leptání při vybraných podmínkách způsobu.

Podstata vynálezu

Vynálezem je způsob leptání vodným roztokem pro nahrazení tepelně bariérových povlaků na povrchu kovu. Zejména se tento vynález týká chemického odstraňování tepelně bariérových 35 povlaků na bázi oxidu zirkonia stabilizovaných oxidem yttria nanesených fyzikálním parním nanášením nebo rozstřikováním vzdušné plazmy na podklad na bázi superslitiny s vazným povlakem. V tomto vynálezu se povrch povlečené součástky uvede do styku s žíravým roztokem pro odstranění tepelně bariérového povlaku. Podmínky způsobu pro styk s žíravým roztokem jsou vybrány tak, aby se zamezilo vzniku odlupující se vrstvy během následného nahrazení nebo opra40 vy tepelně bariérového povlaku a tepelného zpracování. Poté se znovu nahradí nebo opraví tepelně bariérový povlak na povrchu kovu. Odlupující se vrstva je oxidační produkt aluminidu niklu nebo směsného alumunidu platiny a niklu.

V jiném znaku je vynálezem způsob vodného zpracování povlaku na bázi aluminidu niklu, povla45 ku na bázi směsného aluminidu platiny a niklu nebo kovového povrchu povlečeného aluminidem obecného vzorce

MCrAlY, pro odstranění tepelně bariérových povlaků nebo jiných, v žíravině rozpustných, keramických povlaků. Povrch kovu se uvede do styku s žíravým roztokem za podmínek způsobu vybraných tak, že se zamezí reakci žíraviny s aluminidem niklu nebo směsným aluminidem niklu a platiny, takže se během následného nanášení tepelně bariérového povlaku a tepelného zpracování netvoří odlupující se vrstva. Poté se na povrchu kovu znovu aplikuje tepelně bariérový povlak.

-2CZ 293386 B6

Detailní popis vynálezu

Tento vynález poskytuje způsob odstraňování tepelně bariérových povlaků z plochých a tvarovaných povrchů zpracováním povrchu povlečeného tepelně bariérovým povlakem v autoklávu s žíravým roztokem za koncentrace, teploty, tlaku a doby dostatečné pro celkové odstranění tepelně bariérového povlaku bez poškození základní vazné vrstvy nebo povrchu podkladu a bez tvorby odlupující se vrstvy (šupin) po nové aplikaci tepelně bariérového povlaku a tepelném zpracování. Atmosféra v komoře autoklávu je v podstatě bezkyslíková. To znamená, že se komora autoklávu propláchne inertním plynem, jako argonem, heliem a dusíkem, takže koncentrace kyslíku je menší než 50 ppm a případně je koncentrace kyslíku menší než 10 ppm.

Tepelně bariérový povlak (TBC) je obvykle chemicky stabilizovaný oxid zirkonia, jako oxid zirkonia stabilizovaný oxidem yttria, oxid zirkonia stabilizovaný oxidem vápenatým nebo oxid zirkonia stabilizovaný oxidem hořečnatým. Jako tepelně bariérové povlaky se pro účely tohoto vynálezu mohou zmínit také ostatní oxidy nebo keramické povlaky, které působí jako tepelná bariéra. Tento vynález také zahrnuje odstranění jiných keramických povlaků na bázi oxidů rozpustných v žíravině, které se nemohou použít jako tepelně bariérové povlaky. Zde se vaznými povlaky obvykle míní slitiny kovů včetně slitiny platiny, niklu a hliníku; hliníku; niklu a hliníku; niklu, chrómu, hliníku a yttria; železa, chrómu, hliníku ayttrria; kobaltu, chrómu, hliníku a yttria; a niklu, kobaltu, chrómu, hliníku a yttria.

Podkladovým materiálem používaným v turbínách pro letecké stroje a v zařízeních pro výrobu energie může být superslitina na bázi niklu, kobaltu nebo železa. Příkladem takových podkladů jsou GTD-111, GTD-222, Rene 80, Rene 41, Rene 142, N-5, Rene 125, Rene 77, Rene 95, Inconel 706, Inconel 718, Inconel 625, HS188 na bázi kobaltu. L-605 na bázi kobaltu a nerezavějící oceli. Způsob je zvláště vhodný pro součásti povlečené tepelně bariérovými povlaky a technického vybavení používaného v turbínách nebo na nosných plochách letadla. Příkladem součásti u turbíny může být lopatka turbíny nebo jde o křídlo. Termín nosná plocha letadla se obecně také týká turbíny, součástí, jako jsou lopatky, křídla, písty, trysky a podobně.

V tomto vynálezu se také mohou použít přídatné podkladové hmoty, které mohou přizpůsobit tepelně bariérový povlak pro jiné použití, než na součásti turbíny. Například se zamýšlí, že se tento vynález může používat pro odstraňování tepelně bariérových povlaků používaných v elektronice a při výrobě energie, jako ve výrobě energie pomocí plynu, páry a jádra, aby se zmínilo alespoň několik použití.

Žíravý roztok obvykle obsahuje hydroxid alkalického kovu, jako hydroxid draselný (KOH), hydroxid sodný (NaOH) a hydroxid lithný nebo jiný hydroxid, než je hydroxid alkalického kovu, jako hydroxid amonný (NH4OH), triethylamin (TEA), hydroxid tetramethylamonný (TMAH) a jejich směsi, žíravým roztokem může být vodný roztok, v němž se sloučenina hydroxidu alkalického kovu nebo sloučenina jiného hydroxidu, než hydroxidu alkalického kovu, smíchá s vodou. Užitečné může být přidání přídatných látek, jako surfaktantů a chelátů pro další snížení povrchového napětí, žíravá sloučenina a voda mohou být přítomny v poměru asi 2:3. Koncentrace bází se může pohybovat v rozmezí od asi od 40 do 45 % hmotnostních pro hydroxid draselný a od 40 do 50 % hmotnostních pro hydroxid sodný.

Způsob podle tohoto vynálezu se provádí v autoklávu. Autokláv je tlaková nádoba a je vyroben tak, aby odolal vysokým tlakům a vysokým teplotám. Tlak v systému se zvyšuje zahříváním obsahu autoklávu (reakční směsi) nebo pomocí vnějšího zdroje stlačených plynů pro natlakování nádoby. Autokláv může pracovat jako lázeň, t.j. složky žíravého organického roztoku se vloží, jednotka se uzavře a vsázka se uvede do požadovaných podmínek tlaku a teploty. Může se použít nepřetržitý nebo semikontinuální provoz, pokud se dodává jeden nebo více reaktantů a odstraňují se produkty.

-3 CZ 293386 B6

Teplota a tlak použité během zpracování se mohou lišit v závislosti na množství a druhu odstraňovaného tepelně bariérového povlaku a schopnostech autoklávu. Zpracování žíravinou se může provádět při různých teplotách, tlacích a reakčních časech. Například může zpracování zahrnovat kombinace ultrazvukového třepání, mechanického míchání a varu se zpracováním v autoklávu. Zpracování v autoklávu se může provádět za různých podmínek. Například tlak se může pohybovat v rozmezí od asi 2,758 MPa do asi 5,516 MPa nebo vyšším a teplota se může pohybovat v rozmezí od asi 230 °C do asi 250 °C. Pro dosažení kratších provozních časů se mohou použít vyšší tlaky a teploty. Také natlakování se může provádět za teploty místnosti použitím stlačených plynů. Způsob se může dále začít při nulovém tlaku a zvyšováním teploty reakční směsi tlak v autoklávu samovolně stoupá jako důsledek zvyšování tlaku par reakční směsi. Čas pro odstranění tepelně bariérového povlaku závisí na množství odstraňovaného povlaku a na použitých teplotních a tlakových podmínkách. Obvykle je čas v rozmezí od asi 5 minut do asi 4,0 hodin. Mělo by se také poznamenat, že použití míchadla, jako mechanického míchadla, magnetického míchadla nebo ultrazvukové třepačky při vysokých tlacích může zvyšovat schopnost žíravého roztoku odstraňovat tepelně bariérový povlak na místech svarů a v kratším čase.

Příklady provedení vynálezu

Zkoušelo se množství žíravých roztoků obsahujících hydroxid draselný (KOH) a hydroxid sodný (NaOH) za různých provozních podmínek. Seznam vybraných podmínek se uvádí v tabulce 1.

Tabulka 1

% hmotnostní žíraviny ve vodě	Teplota [°C]	Tlak dusíku [MPa] (w/N)	Provozní čas [hodin]	Odstranění tepelně bariérového povlaku	Působení na Ni/Al povlak
40 KOH	230	5,516	4	ano	ne
45 KOH	250	5,516	4	ano	ne
40 KOH	250	4,136	1	ano	ne
45 KOH	230	4,136	1	ano	ne
40 NaOH	230	5,516	1	ano	ne
50 NaOH	250	5,516	1	ano	ne
40 NaOH	250	4,136	1	ano	ne
50 NaOH	230	4,136	1	ano	ne
30 KOH	200	1,103	5 min	částečně	ne
45 KOH	200	1,379	5 min	ano	ne
30 KOH	230	2,930	4	ano	ano
45 KOH	230	2,758	4	ano	ne

Výsledky ukazují, že nižší koncentrace (30 % hmotnostních) žíraviny napadají vrstvu aluminidu niklu a způsobují tak tvorbu odlupující se vrstvy (šupin) během následného obnovení tepelně bariérového povlaku. Kromě toho teploty převyšující 250 °C způsobují napadení základního kovu nebo napadení povlaku na bázi aluminidu niklu, pokud se komora autoklávu neproplácíme inertním plynem pro snížení koncentrace kyslíku pod 50 ppm.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob leptání vodným roztokem pro odstranění tepelně bariérových povlaků na povrchu kovu, vyznačující se t í m , že zahrnuje kroky:

(A) styk povrchu kovu s vodným roztokem žíraviny pro odstranění tepelně bariérového povlaku z tohoto povrchu za provozních podmínek vybraných k zabránění tvorbě odlupující se vrstvy během následné aplikace náhradního tepelně bariérového povlaku a tepelného zpracování, a (B) aplikaci uvedeného náhradního tepelně bariérového povlaku.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vybrané provozní podmínky zahrnují tlak alespoň asi 2,758 MPa.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vybrané provozní podmínky zahrnují teplotu v rozmezí od asi 230 °C do asi 250 °C.
4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vybrané podmínky zahrnují provozní čas od asi 5 minut do asi 4 hodin.
5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch kovu se uvádí do styku s žíravým roztokem KOH o koncentraci od asi 40 do asi 45 % hmotnostních za vybraných podmínek.
6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedený povrch kovu se uvede do styku s žíravým roztokem NaOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 50 % hmotnostních za vybraných podmínek.
7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch kovu se uvede do styku s žíravým roztokem pod atmosférou dusíku.
8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch kovu se uvede do styku s žíravým roztokem pod atmosférou argonu.
9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vybrané podmínky zahrnují tlak alespoň asi 2,758 MPa a teplotu v rozmezí od asi 230 °C do asi 250 °C.
10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch kovu se uvede do styku s žíravým roztokem KOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 45 % hmotnostních nebo žíravým roztokem NaOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 50 % hmotnostních za vybraných podmínek, zahrnujících tlak alespoň asi 2,758 MPa.
11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch kovu je ve styku s žíravým roztokem KOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 45 % hmotnostních nebo s žíravým roztokem NaOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 50 % hmotnostních za vybraných podmínek, zahrnujících teplotu od asi 230 °C do asi 250 °C.
12. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch kovu je ve styku s žíravým roztokem KOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 45 % hmotnostních nebo s žíravým roztokem NaOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 50 % hmotnostních za vybraných podmínek, zahrnujících tlak alespoň asi 2,758 MPa a teplotu od asi 230 °C do asi 250 °C.

-5CZ 293386 B6
13. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch kovu zahrnuje povlak na bázi aluminidu niklu nebo povlak na bázi směsného aluminidu platiny a niklu.
14. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že povrch kovu je ve formě nosné plochy letadla.
15. Způsob leptání vodným roztokem pro zpracování kovového povrchu obsahujícího aluminid niklu, kovového povrchu obsahujícího směsný aluminid platiny a niklu, kovového povrchu obsahujícího aluminid obecného vzorce

MCrAlY, a jejich směsi, vyznačující se t í m, že zahrnuje (A) styk povrchu kovu s vodným roztokem žíraviny za provozních podmínek vybraných k zabránění reakci zmiňované žíraviny se zmiňovaným aluminidem niklu, směsným aluminidem platiny a niklu nebo s jejich směsí za vzniku odlupující se vrstvy během následného nanesení tepelně bariérového povlaku a tepelného zpracování, a (B) nanesení tepelně bariérového povlaku.
16. Způsob podle nároku 15, vyznačující se t í m , že vybrané provozní podmínky zahrnují tlak alespoň asi 2,758 MPa.
17. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že vybrané provozní podmínky zahrnují teplotu v rozmezí od asi 230 °C do asi 250 °C.
18. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že vybrané podmínky zahrnují provozní čas od asi 30 minut do asi 4 hodin.
19. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že povrch kovu se uvádí do styku s žíravým roztokem KOH o koncentraci od asi 40 do asi 45 % hmotnostních za vybraných podmínek.
20. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že povrch kovu se uvádí do styku s žíravým roztokem NaOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 50 % hmotnostních za vybraných podmínek.
21. Způsob podle nároku 16, vyznačující se t í m , že povrch kovu se uvádí do styku s žíravým roztokem pod atmosférou dusíku.
22. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že povrch kovu se uvádí do styku s žíravým roztokem pod atmosférou argonu.
23. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že vybrané podmínky zahrnují tlak alespoň asi 2,758 MPa a teplotu v rozmezí od asi 230 °C do asi 250 °C.
24. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že vybrané podmínky zahrnují tlak alespoň asi 2,758 MPa a teplotu v rozmezí od asi 230 °C do asi 250 °C.

-6CZ 293386 B6
25. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že povrch kovu se uvádí do styku s žíravým roztokem KOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 45 % hmotnostních nebo s žíravým roztokem NaOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 50 % hmotnostních za vybraných podmínek, zahrnujících tlak alespoň asi 2,758 MPa.
26. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že povrch kovu je ve styku s žíravým roztokem KOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 45 % hmotnostních nebo s žíravým roztokem NaOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 50 % hmotnostních za vybraných podmínek, zahrnujících teplotu od asi 230 °C do asi 250 °C.
27. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že povrch kovu je ve styku s žíravým roztokem KOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 45 % hmotnostních nebo s žíravým roztokem NaOH o koncentraci v rozmezí od asi 40 do asi 50 % hmotnostních za vybraných podmínek, zahrnujících tlak alespoň asi 2,758 MPa a teplotu od asi 230 °C do asi 250 °C.
28. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že povrch kovu je ve formě nosné plochy letadla.
29. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se provádí v komoře autoklávu.
30. Způsob podle nároku 29, vyznačující se tím, že atmosféra v autoklávu obsahuje méně než 50 dílů kyslíku na milión dílů.
31. Způsob podle nároku 15, vyznačující se tím, že se provádí v komoře autoklávu.
32. Způsob podle nároku 31, vyznačující se tím, že atmosféra v autoklávu obsahuje méně než 50 dílů kyslíku na milión dílů.