JP2000212783A - 拡散アルミニドコ―ティングからの高温腐蝕生成物の除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器又
はオグメンタ等の、高温で腐蝕条件に曝露される部品の
表面から高温腐蝕生成物を除去する方法。 【解決手段】 本発明の方法は、環境コーティングとし
て又は遮熱コーティング（ＴＢＣ）のボンドコートとし
ての拡散アルミニドコーティングで保護された部品から
高温腐蝕生成物を除去するのに特に適している。この方
法の処理段階には、酢酸を含む加熱液体溶液中に部品を
浸漬し、次いで部品を溶液中に浸漬したまま部品の表面
を攪拌することが含まれる。こうすることで、拡散アル
ミニドコーティングを損傷も除去することもなく、部品
表面の高温腐蝕生成物が除去される。その結果、部品の
高温腐蝕生成物が除去された領域は、適当なアルミナイ
ジングプロセスで補修することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、拡散アルミニドコ
ーティングで保護されたガスタービンエンジン部品を補
修する方法に関する。さらに具体的には、本発明は、拡
散アルミニドコーティングを傷つけずに該コーティング
から高温腐蝕生成物を除去する方法に関するもので、コ
ーティングを完全に除去・交換しなくてもコーティング
を蘇生させることのできる方法に関する。

【０００２】

【発明の技術的背景】ガスタービンエンジン内部の作動
環境は熱的にも化学的にも過酷である。鉄基、ニッケル
基及びコバルト基超合金の開発を通じて高温合金は著し
く進歩したが、かかる合金で作られた部品はタービン、
燃焼器及びオグメンタ等のセクションに位置していると
長期の使用に耐えれないことが多い。通常の解決策はか
かる部品の表面を環境コーティング、すなわち酸化及び
高温腐蝕に耐性のコーティングで保護することである。
この目的で広く使われているコーティングには、拡散ア
ルミニドコーティング並びにＭＣｒＡｌＹ（ただし、Ｍ
は鉄、ニッケル及び／又はコバルトである）等のオーバ
ーレイコーティングがあり、ＭＣｒＡｌＹは拡散アルミ
ニドコーティングでオーバーコートし得る。空気中での
高温曝露時に、これらのコーティングは保護アルミニウ
ム酸化物（アルミナ）スケールを形成して、コーティン
グとその下の基材の酸化を防止する。拡散アルミニドコ
ーティングは、高圧タービン動翼等の内部冷却通路を備
えた部品を環境から保護するのに特に有用である。アル
ミニドは冷却通路の断面積をさほど減少させずに環境か
ら保護することができるからである。当技術分野で公知
の通り、拡散アルミニドコーティングは、部品表面での
含アルミニウム組成物との反応の所産である。この反応
で２つの別個の層域が形成され、その最外層は付加層と
呼ばれ、耐環境金属間層ＭＡｌ（ただし、Ｍは基材に応
じて鉄、ニッケル又はコバルトである）を含んでいる。
付加層の下は、コーティング反応時に拡散勾配及び基材
の局所領域での元素溶解性の変化の結果生じた各種の金
属間相と準安定相を含む拡散域である。

【０００３】ガスタービンエンジン部品の高温腐蝕は一
般に燃焼時にイオウとナトリウムが反応して硫酸ナトリ
ウム（Ｎａ₂ＳＯ₄）を生成する際に起こり、硫酸ナトリ
ウムが部品の表面に凝縮し、後で部品表面を侵食する。
高温腐蝕反応のイオウ源及びナトリウム源には、燃焼さ
せる燃料中の不純物並びにナトリウムを含む塵埃の吸込
及び／又は海水中の塩分の吸込がある。後者の状況下で
は、高温腐蝕は、通例、塩が部品表面に固体又は液体と
して堆積する条件下でのホットセクションタービン動翼
や静翼で起こる。塩堆積物はアルミニドコーティングの
保護アルミナスケールを破壊することが可能で、その結
果コーティングを急速に侵食しかねない。高温腐蝕は付
着性の低い外部スケールを生じ、外部スケールの下には
各種内部酸化物及び硫化物が浸透している。これらの生
成物は概してイオウ及びナトリウと合金中に存在する元
素及び場合によってはその他カルシウム、マグネシウ
ム、塩素等の環境に由来する元素との化合物である。高
温腐蝕生成物自体は、ガスタービンエンジン部品が曝露
される酸化性雰囲気の所産としてそれらの部品上で通常
形成もしくは堆積する酸化物とは区別できる。

【０００４】旧来は、溶接又はろう付による部品の補修
又は損傷コーティングの交換ができるようにアルミニド
コーティングを完全に除去しておき、しかる後に適当な
アルミナイジングプロセスで新たなアルミニドコーティ
ングを施工していた。コーティングに存在する高温腐蝕
生成物はすべてコーティングと共に除去される。ガスタ
ービンエンジン部品からアルミニドコーティングを完全
に除去することの短所は、コーティングと共に基材金属
の一部が除去されてしまい、そのため部品の運用寿命が
著しく短くなることである。その結果、拡散アルミニド
コーティングを除去せずに、アルミニドコーティング及
び該コーティングの与える環境保護を復活するために拡
散アルミニドコーティングを回復させる新補修技術が提
案されている。しかし、タービン動翼及び静翼の補修の
ためのコーティング回復技術は高温腐蝕生成物の存在下
では実施することができない。高温腐蝕生成物が少しで
も残留していると、回復コーティングがエンジン温度に
曝露された際にコーティングが侵食される結果を招くか
らである。従前、高温腐蝕生成物は研磨グリットブラス
トによる除去を必要としていたため、回復技術は高温腐
蝕で侵食されていない部品に限定されていた。

【０００５】以上の説明から、海水中の塩分及びその他
のイオウ及びナトリウム源に曝露される拡散アルミニド
コーティングを有するタービンエンジン部品の回復プロ
グラムを成功裡に実施するためには、アルミニドコーテ
ィングを傷つけずに高温腐蝕生成物を除去しなければな
らないことが理解されよう。オートクレーブ中での苛性
アルカリ溶液での処理は、部品からアルミニウム及びニ
ッケルの酸化物を除去するのにはうまくいったが、もっ
と複雑な高温腐蝕生成物は苛性アルカリ溶液中に溶解し
ないという明らかな理由のため高温腐蝕生成物を除去す
るのにはかかる処理ではうまくいかない。このように、
従来技術には、拡散アルミニドコーティングを損傷も除
去することもなく高温腐蝕生成物を完全に除去できる方
法は存在していなかった。

【０００６】

【発明の概要】本発明は、ガスタービンエンジンのター
ビン、燃焼器又はオグメンタ等の、塩溶液その他のナト
リウム及びイオウ源に極高温で曝露される部品の表面か
ら高温腐蝕生成物を除去する方法を提供する。本発明の
方法は、環境コーティングとして又は遮熱コーティング
（ＴＢＣ）のボンドコートとしての拡散アルミニドコー
ティングで保護された部品から高温腐蝕生成物を除去す
るのに特に適している。

【０００７】本発明の処理段階には、概して、清浄化す
べき表面を苛性アルカリオートクレーブ処理及び／又は
グリットブラスト処理により加工処理することでコンデ
ィショニング又は活性化し、酢酸を含む加熱液体溶液中
に部品を浸漬し、次いで部品を溶液中に浸漬したまま部
品の表面を攪拌することが含まれる。こうすることで、
拡散アルミニドコーティングを損傷も除去することもな
く、部品表面の高温腐蝕生成物が除去されることが判明
した。その結果、部品の高温腐蝕生成物が除去された領
域は、適当な回復プロセスで補修することができる。所
望に応じて、部品表面から酸化物を除去するため、苛性
アルカリ溶液でのオートクレーブ処理により部品を予備
処理してもよい。かかるオートクレーブ処理に続いて、
アルミニドコーティングと共に部品に密着したＴＢＣ
（もしあれば）を除去するためのウォータージェットス
トリッピングを行ってもよい。

【０００８】本発明によれば、意外なことに、ホワイト
ビネガーのような弱酢酸溶液を一定の温度で使用してか
つ表面コンディショニング又は活性化段階後に十分な攪
拌を行いさえすれば、そうした弱酢酸溶液で高温腐蝕生
成物が除去されることが判明した。好都合なことに、か
かる弱酢酸溶液はアルミニドコーティングを侵食せず、
アルミニドコーティングを完全に除去しておいてから新
たなコーティングを施工しなくても、アルミニドコーテ
ィングを回復できることが判明した。本発明のもう一つ
の利点は、酢酸は廃水処理施設を汚さず、廃水中の金属
イオン濃度が許容レベルを超えてしまうことを心配せず
に廃棄できることである。このように、本発明の処理は
環境に優しい。

【０００９】本発明のその他の目的及び利点は以下の詳
細な説明から明らかとなろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、燃料・塵埃・海水を始
めとするナトリウム及びイオウ源に高温で曝露されたガ
スタービンエンジン部品表面のアルミニドコーティング
に含まれる高温腐蝕生成物を除去するための簡単で環境
に害のない方法を提供する。かかる部品の具体例として
は、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービン静翼
及び動翼、シュラウド、燃焼器内筒及びオグメンタが挙
げられる。本発明に特に関係があるのは、拡散アルミニ
ドコーティング又は拡散アルミニドコーティングでオー
バーコートしたＭＣｒＡｌＹコーティングによって保護
されたガスタービンエンジン部品であり、該コーティン
グはＴＢＣとしてのセラミックトップコートを伴ってい
てもいなくてもよい。ガスタービンエンジン部品を参照
して本発明の利点を説明するが、本発明は、一般に、既
存のアルミニドコーティングを除去しないで回復させる
ことが有益なアルミニド表面を有する部品であればどん
な部品にも適用し得る。

【００１１】本発明の方法では、高温腐蝕による作用を
受けたアルミニド表面を弱酢酸溶液で処理する。弱酢酸
溶液の具体例は通例約４〜８重量％の酢酸を含むホワイ
トビネガーである。本願出願人に譲渡された係属中のＢ
ｏｗｄｅｎの米国特許出願第０９／００９２３６号に
は、ビネガーがガスタービンエンジン部品からゴミ及び
シリカ及びカルシウム系化合物を除去したことが開示さ
れているが、ビネガーその他の弱酢酸溶液がアルミニド
コーティングと化学結合した複雑な高温腐蝕生成物を除
去する能力については知られていないし、予期できな
い。本発明によれば、意外なことに、弱酢酸溶液を適当
な表面予備処理と組合せると、高温腐蝕による作用を受
けていないコーティング部分を損傷も除去することもな
く、高温腐蝕生成物が完全に除去されることが判明し
た。本発明の処理溶液としては概して入手容易性及びコ
ストの点でビネガーが好ましいが、他の方法で誘導され
る酸性度の強い又は弱い酢酸溶液も使用できると予想さ
れる。

【００１２】本発明の方法では、好ましくは、適当な予
備処理によって部品を処理し、部品を酢酸溶液中に約１
５０〜約１７５°Ｆ（約６６〜約７９℃）で浸漬する
が、約１２０〜２００°Ｆ（約４９〜約９３℃）の温度
も好適であると思料する。他の酸性度の溶液も可能であ
るが、溶液の好ましい酢酸濃度は約４〜約５％である。
部品を完全に浸漬して、冷却通路で構成されるような内
表面を含めすべての表面が確実に溶液と接するようにす
る。次いで部品表面を超音波エネルギー等で攪拌して部
品の表面から高温腐蝕生成物を取り除く。超音波洗浄作
業に好適なパラメーターは当業者が容易に確認できる事
項であり、部品を高い超音波エネルギーレベルで処理す
ると作業時間を短縮できる。概して、市販の超音波洗浄
機を用いて２時間処理すれば、アルミニドコーティング
と化学結合した高温腐蝕生成物の大半を除去するのに十
分であった。確実に高温腐蝕生成物を完全に除去するの
に好ましい処理は約２〜約４時間である。超音波洗浄の
後、部品を水その他の適当な濯ぎ剤で濯いで部品の内表
面及び外表面から酢酸溶液を除去する。この段階で、部
品は、適当なアルミナイジングプロセスによるアルミニ
ドコーティングの回復の準備が整っている。回復に際し
て、高温腐蝕生成物の除去された領域に拡散アルミニド
を再施工する。回復前のかかる領域は、拡散域は残って
いるが元のアルミニドコーティングの付加層が存在しな
いことを特徴とする。

【００１３】本発明を完成するに至った研究では、高温
腐蝕による作用を受けた拡散アルミニド環境コーティン
グで保護された高圧タービン動翼を処理した。この拡散
アルミニドコーティングは、動翼の表面で青灰色に着色
して見えた。最初に、各動翼を、水酸化ナトリウムを含
む苛性アルカリ溶液での１５０〜２５０℃、圧力１００
〜３０００ｐｓｉ（約０．７〜約２１ＭＰａ）でオート
クレーブ処理することにより予備処理した。オートクレ
ーブ処理でエンジン酸化物は動翼からうまく溶解した
が、高温腐蝕生成物はアルミニドコーティング、特に動
翼の凹面に強く付着したままであった。タービン動翼
を、次に、温度約６５℃（約１５０°Ｆ）の非希釈ホワ
イトビネガーの入った容器に翼先端を下にして浸漬し
た。次いで、容器及び動翼を計２時間超音波攪拌に付
し、しかる後に動翼を水道水で濯いだ。

【００１４】以上の処理後、何の追加処理（例えばグリ
ットブラスト又はタンブリング）も施さずに、３つの動
翼のうち２つから青灰色に着色していた高温腐蝕生成物
が完全に除去されたことが観察された。高温腐蝕生成物
は、動翼表面のアルミニドコーティングを傷つけない軽
いグリットブラストによって３番目の動翼から完全に除
去された。動翼の金属検査で、加熱ビネガー溶液がコー
ティングの付加層に存在していた腐蝕生成物と反応しこ
れを完全に除去したことが示された。重要な点として、
ビネガー溶液は、コーティングの高温腐蝕生成物が除去
された領域のすぐ隣りの腐蝕されてない領域には攻撃し
なかった。その結果、動翼はそのアルミニドコーティン
グを回復できる状態にあった。

【００１５】以上の上首尾の結果を得た後、高温腐蝕に
よって同様に拡散アルミニド環境コーティングが侵食さ
れた第二グループの高圧タービン動翼について追加試験
を行った。オートクレーブ予備処理に代えて、各動翼を
最初にグリットブラストで予備処理して動翼の表面を洗
浄した。これらの動翼も、温度約６５℃（約１５０°
Ｆ）の非希釈ホワイトビネガーの入った容器に翼先端を
下にして浸漬し、合計２時間超音波攪拌に付し、しかる
後に水道水で濯いだ。濯ぎ後の動翼を検査したところ、
高温腐蝕生成物はすべての動翼から完全に除去されてい
た。

【００１６】以上の結果から、アルミニドコーティング
を傷つけずに、アルミニド表面から高温腐蝕生成物及び
酸化物を洗浄し除去するのに、ビネガーその他の弱酢酸
溶液を用いることができるとの結論を得た。さらに、弱
酢酸溶液での処理は、ガスタービンエンジン内の酸化性
作動環境の結果生じるタイプの酸化物の除去を促すため
の表面コンディショニング又は活性化予備処理としての
苛性アルカリオートクレーブ処理又はグリットブラスト
と共に実施するのがベストであるとの結論も得た。好適
なオートクレーブ処理条件には、慣用のオートクレーブ
圧力及び温度を用いて苛性アルカリ溶液として水酸化ナ
トリウムを使用することが包含されると思料する。加え
て、本発明の酢酸処理は苛性アルカリオートクレーブス
トリッピングと共に用いることができ、最初に拡散アル
ミニドコーティング上のセラミックＴＢＣ（この場合、
アルミニドコーティングはＴＢＣのボンドコートとして
機能する）を除去しておき、次いで露出したアルミニド
コーティングから高温腐蝕生成物を除去できるとの結論
も得た。かかるストリッピング法としては、米国特許出
願第（米国代理人整理番号１３ＤＶ１２５５０）号（文
献の援用によって本明細書に取り込まれる）によるＴＢ
Ｃのウォータージェットストリッピングも可能である。

【００１７】以上、本発明を好ましい実施形態に関して
説明してきたが、その他の形態を当業者が取り得ること
は自明である。例えば、好適な酢酸溶液は他の不活性又
は活性な成分を含有し得る。従って、本発明の技術的範
囲は特許請求の範囲によって規定される。

フロントページの続き (72)発明者 ジェフリー・アレン・コナー アメリカ合衆国、オハイオ州、ハミルト ン、ジューンベリー・コート、6206番 (72)発明者 ジョセフ・ハウェル・ボウデン，ジュニア アメリカ合衆国、オハイオ州、メイソン、 ヒラリー・レーン、1428番

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 拡散アルミニドコーティングで保護され
   たガスタービンエンジン部品の表面から高温腐蝕生成物
   を除去する方法であって、当該方法が、 酢酸を含有する液体溶液中に部品を浸漬する段階、及
   び、次いで拡散アルミニドコーティングを損傷も除去す
   ることもなく、部品の表面の高温腐蝕生成物が除去され
   るように溶液中に浸漬したまま部品の表面を攪拌する段
   階を含んでなる方法。
2. 【請求項２】 高温腐蝕生成物の除去された表面の領域
   を補修するため部品の表面をアルミナイズする段階をさ
   らに含んでなる、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 アルミナイズ段階に先だって、部品の表
   面から溶液を濯ぐ段階をさらに含んでなる、請求項２記
   載の方法。
4. 【請求項４】 部品を２時間以上溶液中に浸漬する、請
   求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 攪拌段階時に溶液を約１５０〜約１７５
   °Ｆに維持する、請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】 部品を超音波エネルギーに付すことで攪
   拌段階を実施する、請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】 浸漬段階に先だって、部品の表面から酸
   化物を除去するため部品を約１００〜約３０００ｐｓｉ
   の圧力及び約１５０〜約２５０℃の温度で苛性溶液処理
   に付す段階をさらに含んでなる、請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】 部品の表面の拡散アルミニドコーティン
   グがセラミックコーティングで被覆されており、当該方
   法が、部品を苛性溶液処理に付す段階の後、浸漬段階に
   先だって、部品からセラミックコーティングを除去する
   ため部品をウォータージェットストリッピングに付す段
   階をさらに含んでなる、請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】 浸漬段階の前に、部品の表面をグリット
   ブラストする段階をさらに含んでなる、請求項１記載の
   方法。
10. 【請求項１０】 攪拌段階中に部品の表面の高温腐蝕生
    成物がすべて除去される、請求項１記載の方法。
11. 【請求項１１】 部品がタービン動翼である、請求項１
    記載の方法。