JP2001303903A - ガスタービン翼の補修方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン翼の再コーティング作業と基材
のクラック補修作業を効率良く実施するとともに、補修
時におこり得る基材への損傷を少なくし、かつ、信頼性
の高いガスタービン翼の補修方法を提供することにあ
る。 【解決手段】 基材にコーティング層を施したガスター
ビン翼の基材に発生したクラックまたは劣化相を除去す
るガスタービン翼の補修方法において、コーティング層
を溶融薬品を用いずに除去する第一の工程と、基材に発
生したクラックまたは劣化相の部位を切削する第二の工
程と、を連続的に行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、コーティング層
を有する発電用ガスタービン翼における基材にクラック
または劣化相が発生した場合の補修方法に係り、特にコ
ーティング層の除去、基材に発生したクラックの除去お
よび再コーティングの一連の工程を連続して行うガスタ
ービン翼の補修方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電用ガスタービンはエネルギー資源の
有効利用の点から、ガスタービンの高効率化に関する研
究開発が積極的に行われている。ガスタービンにおいて
は燃焼器出口ガス温度が高いほど発電効率が向上するこ
とから、ガスタービン入口温度の高温化が推進されてい
る。しかし、ガスタービンを構成する高温部品用材料に
とっては極めて過酷な環境となっており、高温における
強度低下や、著しい高温腐食及び高温酸化が問題となっ
ている。

【０００３】これまでのガスタービン翼、特に動翼材料
としては、高温強度に優れた析出強化型合金であるIN73
8またはGTD111（Ni基）が適用されており、製造プロセ
スにおいては一方向凝固（DS）合金や単結晶（SC）合金
が主流となりつつある。同時に、コーティングについて
の研究も進められており、最近では耐食性および耐酸化
性の向上を目的としたMCrAlYコーティングやAlコーティ
ングが施されている。また、より高温化が進む将来的な
ガスタービン翼においては、ボンドコートとして耐食性
に優れたMCrAlY合金層、トップコートとして遮熱性能に
優れたセラミック層を有する遮熱コーティング（TBC）
の適用が検討されている。そこで、動翼の損傷解析や補
修に関する研究開発も進められ、動翼の補修に関する特
許も提案され始めてきた（特願平9-269537、特願平9-17
6772）。

【０００４】これまでのガスタービン翼では、コーティ
ング層にクラックが発生したり、コーティング層の材料
劣化に伴う耐食性および耐酸化性の低下が認められたこ
とから、規定時間運転後のガスタービン翼については、
クラック補修を行い、再度実機に適用していた。図９に
従来法によるガスタービン翼１の補修方法を示す。ガス
タービン翼１は、コーティング層２が基材３に施された
ものであり、このコーティング層２（１層もしくは２層
以上）により、図示しない燃焼器から放出された高温・
高圧ガスから基材３を保護する構成となっている。ガス
タービン翼１を溶融薬品４に浸すことにより、コーティ
ング層２を化学的に除去した後、基材３の表面上にプラ
ズマ溶射法を用いて再コーティング層５を形成すること
によって、ガスタービン翼の補修作業を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近の
過酷な条件により運転されるガスタービンで用いられる
動翼に発生するクラックは、コーティング層だけにとど
まらず、コーティング層により被覆されている基材の内
部にまで進展しているケースが多い。従って、図９に示
した従来法を用いてガスタービン翼１の補修を行った場
合には、コーティング層２を除去した後、ブレンドもし
くは溶接等による補修作業が必要となることから、工程
が長くなるともにコスト高が生じていた。また、溶融薬
品４を使用することから基材３の表面へのダメージが大
きく、腐食による局所的な基材３の減肉や孔の生成によ
って基材３の強度低下を招く恐れがある。さらに溶融薬
品４を使用した場合では、基材３の腐食量を制御するこ
とが難しく、必要以上に基材３の減肉を引き起す恐れが
あった。

【０００６】また、高温化が進む将来的なガスタービン
翼においては、拡散層近傍での基材劣化が激しくなるこ
とが予想され、短時間の使用においても脆化相が析出す
ることが予測される。この脆化相は破壊の起点となり易
いことから、基材の著しい強度低下を招くことが予想さ
れるが、従来の補修作業では脆化相への対処は不適当で
ある。

【０００７】本発明の目的は、ガスタービン翼の再コー
ティング作業と基材のクラック補修作業を効率良く実施
するとともに、補修時におこり得る基材への損傷を少な
くし、かつ、信頼性の高いガスタービン翼の補修方法を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のガスタービン翼
の補修方法は、基材にコーティング層を施したガスター
ビン翼の基材に発生したクラックまたは劣化相を除去す
るガスタービン翼の補修方法において、コーティング層
を溶融薬品を用いずに除去する第一の工程と、基材に発
生したクラックまたは劣化相の部位を切削する第二の工
程と、を連続的に行うことを特徴とする。

【０００９】これにより、基材に施されたコーティング
を溶融薬品を用いずに除去する第一の工程と、基材にま
で達したクラック補修またはガスタービン翼の使用に伴
って基材に発生した劣化相補修のための第二の工程とを
分けずに、これらの工程を連続的に行うことによって、
補修工程を簡略化することができ、低コスト化を図るこ
とができる。また、第一の工程においてコーティング層
を化学的に溶融させる溶融薬品を使用しないことから、
腐食による局所的な基材の減肉や孔の形成を防ぐことが
できる。

【００１０】さらにクラックの深さや、基材の拡散層近
傍にクラック発生因子となる劣化相の深さに合わせて切
削深さを調節することができるので、基材の減肉量を最
小限に抑えることができる。

【００１１】本発明の請求項２に係るガスタービン翼の
補修方法は、少なくとも第二の工程は、補修対象となる
クラックまたは劣化相の発生した部位のみ行う事を特徴
とする。

【００１２】この発明において、切削位置をクラックま
たは劣化相が発生した箇所に限定することによって、基
材の必要以上の減肉を防ぐことができる。また、基材の
機械加工量を少なくすることができることから、切削を
主とする補修の工程を短縮化することができ、低コスト
化を図ることができる。

【００１３】本発明の請求項３に係るガスタービン翼の
補修方法は、第一の工程または第二の工程は、ブラスト
装置を用いたことを特徴とする。

【００１４】これにより、コーティング層や基材に発生
したクラックまたは劣化相を連続的に除去する際に、木
片や氷片を吹付けて吹付け面の切削研磨を行うブラスト
装置を用いることによって、他の切削装置を用いるより
も、作業後の表面を均一かつ平坦に仕上げることができ
る。基材表面の凹凸および減肉は、強度低下の要因とな
ることから、ブラスト装置を用いることで、基材の強度
を十分に維持することが可能となる。また、ブラスト装
置を使用することによって、他の研削装置を用いて切削
作業を行った場合に比べて短時間での作業が可能とな
る。

【００１５】本発明の請求項４に係るガスタービン翼の
補修方法は、第一の工程および第二の工程の後、基材に
MCrAlY層（MはNi、Co、Feの少なくとも１種）をコーテ
ィングすることを特徴とする。

【００１６】これにより、基材に生じたクラックや劣化
相を除去した後、翼基材表面に耐酸化性および耐食性に
優れたMCrAlY合金層（MはNi、Co、Feの少なくとも１
種）をコーティングすることによって、耐酸化性および
耐食性に優れたガスタービン翼を提供することができ
る。

【００１７】本発明の請求項５に係るガスタービン翼の
補修方法は、基材にコーティング層を施したガスタービ
ン翼の基材に発生したクラックまたは劣化相を除去する
ガスタービン翼の補修方法において、基材を冷却しなが
ら、コーティング層または基材に発生したクラックもし
くは劣化相の部位を切削することを特徴とする。

【００１８】これにより、例えば空気や不活性なガス等
の冷却媒体を用いて、基材を冷却しながらコーティング
層と基材に発生したクラックや劣化相を連続的に除去す
ることによって、基材の温度上昇を防ぐことができる。
最近のガスタービン翼では、一方向凝固（DS）合金が適
用されているが、機械加工によって翼すなわち基材の表
面温度が著しく上昇した場合には、翼表面部が再結晶を
起こし、基材強度の著しい低下を引き起こすことが予測
される。そこで、冷却媒体を用いて基材を冷却すること
によって、翼表面の温度上昇を防ぐことができ、基材強
度の著しい低下を抑制することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明によるガスタービン用翼の
補修方法の第１の実施の形態を説明する。ガスタービン
の運転に伴って図１に示すようなクラックが生じ、これ
を補修する場合について考える。図１に示すように、コ
ーティング層２を施した翼基材３で構成されたガスター
ビン翼１を機械加工を用いることにより、コーティング
層２および翼基材３に発生したクラックを連続的に削り
込んでいく。クラックについては、目視検査またはザイ
グロ検査により、クラックが認められなくなるまで削り
込みを行い、クラックを除去後に、再コーティング作業
を実施し、翼基材３上に再コーティング層５を形成させ
る。

【００２０】本実施の形態によれば、コーティング除去
工程とクラック補修工程を分けずに、機械加工を用いる
ことによってコーティング層と翼基材に発生したクラッ
クおよび劣化相を連続的に除去することによって、補修
工程を簡略化することができ、低コスト化を図ることが
できる。また、コーティング除去作業において溶融薬品
を使用しないことから、腐食による局所的な基材の減肉
や孔の形成を防ぐことができる。さらにクラック深さに
併せて切削深さを制御することができるので、基材の減
肉量を最小限に抑えることができるのである。

【００２１】このような本実施の形態において、図２に
示す以下の実施例について組織評価を実施した。実施例
１では、Ni基合金にプラズマ溶射法を用いてCoCrAlY層
をコーティングした試験材について、加熱試験を実施す
ることによってクラックを発生させた後、コーティング
層および基材に発生したクラックをグラインダー等の加
工装置を用いることによって連続的に切削除去した。さ
らに、実施例２は、Ni基合金にプラズマ溶射法を用いて
CoCrAlY層をコーティングした試験材について、加熱試
験を実施することによってクラックを発生させた後、溶
融薬品に浸すことによってコーティング層を除去した
後、基材３に発生したクラックをグラインダーによって
切削除去した。

【００２２】こうして得られた実施例１および実施例２
の翼について、光学顕微鏡を用いて組織観察を実施し
た。従来法である実施例２については、基材３表面上に
溶融薬品の使用が原因と考えられる孔が形成され、これ
らの部位で孔食が認められた。これらの孔等を補修する
ためには、さらなる基材の減肉が必要と考えられる。

【００２３】一方、本発明である実施例１については、
基材表面は非常に平坦であり、基材切削量をクラックの
最大深さと規定することによって、必要以上の基材減肉
を防ぐことができた。

【００２４】本発明の第２の実施の形態は、第１の実施
の形態と類似しているが、コーティング層２の除去、ク
ラックや劣化相の除去はクラックが発生した部位のみに
行う点で異なる。

【００２５】図３に示すように、クラックが生じたガス
タービン翼１を目視検査またはザイグロ検査によりクラ
ックが発生した部位を確認し、その発生した部位のコー
ティング層２や基材３を連続的に削り込んでいく。クラ
ックについては、上述で確認したように目視検査または
ザイグロ検査の方法により、クラックが認められなくな
るまで削り込みを行い、クラックを除去後に、再コーテ
ィング作業を実施し、翼基材３上に再コーティング層５
を作製する。劣化相の除去についても同様とする。

【００２６】本実施の形態によれば、切削箇所をクラッ
クや劣化相が発生した箇所に限定することによって、基
材の必要以上の減肉を防ぐことが可能となり、また、基
材の機械加工量を少なくすることができることから、補
修工程を短縮することができ、低コスト化を図ることが
できる。

【００２７】また、この実施の形態の変形例として次の
方法も考えられる。すなわち、コーティング層に発生し
たクラックをコーティング層の厚さに相当する規定量を
切削し、基材に残存するクラックを溶接等によって修復
させる。これにより、クラック除去に必要な切削する量
を最小限にすることで、基材の著しい減肉を抑えること
ができる。基材に進展したクラックが深い場合には、ク
ラックを全て除去すると基材の減肉量が大きくなり、著
しい強度低下を引き起こす要因となり得る。そこで、ク
ラックが深い場合には、クラックを規定量まで除去した
後、クラックを溶接補修することによって、強度低下を
抑制することができる。このとき、残存するクラックに
ついては、図４のように、肉盛溶接（肉盛溶接部６）を
行い、さらに、肉盛溶接後、翼基材３上に再コーティン
グ層５を施し補修する。

【００２８】本発明の第３の実施の形態は、第２の実施
の形態と類似しているが、コーティング層２の除去、ク
ラックや劣化相の除去はブラスト装置を用いて行う点で
異なる。

【００２９】図１に示すように、ガスタービン翼１の運
転に伴ってコーティング層２や基材３に発生したクラッ
クを、ブラスト装置を用いることによって、コーティン
グ層２および翼基材３に発生したクラックを連続的に削
り込んでいく。クラックについては、目視検査またはザ
イグロ検査により、クラックが認められなくなるまで削
り込みを行い、クラックを除去後に、再コーティング作
業を実施し、翼基材３上に再コーティング層５を形成す
る。劣化相の除去についても同様とする。

【００３０】本実施の形態によれば、ブラスト装置を使
用することによって、他の研削装置よりも短時間での作
業が可能となる。また、ブラスト装置を用いることによ
って、翼基材表面を均一かつ平坦に仕上げることができ
る。

【００３１】本発明の第４の実施の形態は、これまでの
実施の形態で述べた方法により補修した際の再コーティ
ング層を特徴づけるその組成、被覆方法について述べて
いる。なお、図１において、前述のように、コーティン
グ層２および基材３から成るガスタービン翼１におい
て、ブラスト装置等を用いることによって、コーティン
グ層２および基材３に発生したクラックを連続的に削り
込んでいく。クラックや劣化相を除去した後の再コーテ
ィング層５の組成として、基材３上にMCrAlY合金層（M
はNi、Co、Feの少なくとも１種）をコーティングする。

【００３２】本実施の形態によれば、基材３の表面に、
優れた耐酸化性および耐食性を有するMCrAlY合金層（M
はNi、Co、Feの少なくとも１種）をコーティングするこ
とによって、耐酸化性および耐食性に優れたガスタービ
ン翼を提供することができる。

【００３３】ここでの実施の形態においては、以下の実
施例について酸化試験を実施した。図５で云うところの
実施例３は、Ni基合金にプラズマ溶射法を用いてCoCrAl
Y層をコーティングした試験材について、加熱試験を実
施することによってクラックを発生させた後、コーティ
ング層および基材に発生したクラックをブラストによっ
て連続的に切削除去する。クラック除去後の試験材につ
いて、プラズマ溶射法を用いてCoCrAlY層をコーティン
グしたものである。

【００３４】また、実施例４は、Ni基合金にプラズマ溶
射法を用いてCoCrAlY層をコーティングした試験材につ
いて、加熱試験を実施することによってクラックを発生
させた後、コーティング層および基材に発生したクラッ
クをブラストによって連続的に切削除去したものを試験
材としたものである。

【００３５】そして、これらの実施例３および実施例４
の試験材について、高温酸化試験（試験温度：900℃）
を実施し、酸化試験後の試験片の重量変化を測定し、こ
れを図５に高温酸化試験結果として示している。高温酸
化試験の結果、本発明における実施例３の試験材は耐酸
化性に優れており、本発明を用いることによって耐酸化
性に優れたガスタービン翼を提供されることが確認でき
る。

【００３６】また、この実施の形態の第一の変形例とし
て次の方法も考えられる。すなわち、ガスタービン翼に
生じたクラックや劣化相を除去した後、図６に示す如
く、基材３上にMCrAlY合金層（MはNi、Co、Feの少なく
とも１種）７をコーティングし、さらにMCrAlY合金層７
の表面にアルミナイズド層８をコーティングする。

【００３７】これにより、耐酸化性に優れたアルミナイ
ズド層８を外表面にコーティング、つまり、MCrAlY合金
層７との２層コーティングとすることによって、耐酸化
性および耐食性に優れたガスタービン翼を提供すること
ができる。

【００３８】この変形例では、以下の手順で試験片を作
成している。Ni基合金にプラズマ溶射法を用いてCoCrAl
Y層をコーティングした試験材について、加熱試験を実
施することによってクラックを発生させた後、コーティ
ング層および基材に発生したクラックをブラスト装置等
によって連続的に切削除去する。クラック除去後の試験
材について、プラズマ溶射法を用いてCoCrAlY層をコー
ティングした後、再表面にパック法によりアルミナイズ
ド層をコーティングした。

【００３９】こうして作成した実施例５の試験材と、比
較材としての先の実施例３および実施例４の試験材につ
いて、高温酸化試験（試験温度：900℃）を実施し、酸
化試験後の試験片の重量変化を測定し、高温酸化試験結
果を図５に示す。その結果、この変形例における実施例
５の試験材は耐酸化性に優れており、この方法を用いる
ことによって耐酸化性に優れたガスタービン翼を提供さ
れることが確認できた。

【００４０】次に、以下の方法として考えられるこの実
施の形態の第二の変形例を説明する。すなわち、図６を
参照すれば、コーティング層２および基材３から成るガ
スタービン翼１において、ブラスト装置等を用いること
によって、コーティング層２および翼基材３に発生した
クラックを連続的に削り込んでいく。クラックを除去し
た後、翼基材３上にボンドコートとしてMCrAlY合金層
（MはNi、Co、Feの少なくとも１種）７をコーティング
し、さらにトップコートとしてジルコニアを主成分とす
るセラミック層を、アルミナイズド層８に替えてコーテ
ィングする。

【００４１】この第二の変形例によれば、ガスタービン
翼基材表面にボンドコートとしてMCrAlY合金層（MはN
i、Co、Feの少なくとも１種）をコーティングした後、
熱伝導率の低いジルコニアを主成分とするトップコート
を施すことによって、コーティング層が遮熱効果を発揮
し、基材表面への熱伝達を抑制するという作用から、ガ
スタービン運転時のガスタービン翼基材の表面温度を低
下させることができるので、より耐熱性に優れたガスタ
ービン翼を提供することができる。

【００４２】本実施の形態においては、以下について機
械的試験を実施した。すなわち、図７で云う実施例６の
試験材は、Ni基一方向凝固合金にプラズマ溶射法によっ
てCoCrAlY層をコーティングした試験材について、加熱
試験を実施することによってクラックを発生させた後、
冷却水を噴射することによって試験材を冷却しながら、
コーティング層および基材に発生したクラックをブラス
トによって連続的に切削除去した。

【００４３】一方、実施例７の試験材は、Ni基一方向凝
固合金にプラズマ溶射法によってCoCrAlY層をコーティ
ングした試験材について、加熱試験を実施することによ
ってクラックを発生させた後、試験材を冷却すること無
く、コーティング層および基材に発生したクラックをブ
ラスト装置等によって連続的に切削除去した。

【００４４】こうして得られた実施例６および実施例７
の試験材についてのクリープ試験を行い、その結果を図
５に示す。実施例６に比較して、実施例７のクリープ強
度が全般的に低いことが確認された。ここでの強度低下
は、切削作業時に試験材が加熱された際の再結晶が原因
であると考えられる。このことから、本実施の形態で述
べたように、試験材すなわち基材を冷却することによっ
て再結晶を防止し、最終的には強度低下を抑制可能なガ
スタービン翼が得られる補修方法が提供できる。

【００４５】第６の実施の形態では、クラックや劣化相
を除去し、翼基材上にコーティングを施した後、拡散熱
処理を実施することを特徴としている。これにより、基
材とコーティング層の密着性に優れたガスタービン翼を
提供することができる。耐酸化性および耐食性に優れた
コーティング層が剥離することは、ガスタービン翼その
ものの耐酸化性および耐食性の低下を意味しており、基
材とコーティング層の密着性を向上させることによっ
て、コーティング層の剥離を抑制することができる。

【００４６】ここでは、以下の実施例について熱サイク
ル試験を実施した。すなわち、図８で云う実施例８の試
験材は、Ni基合金にプラズマ溶射法を用いてCoCrAlY層
をコーティングした試験材について、加熱試験を実施す
ることによってクラックを発生させた後、コーティング
層および基材に発生したクラックをブラストによって連
続的に切削除去する。さらにクラック除去後の試験材に
ついて、プラズマ溶射法を用いてCoCrAlY層をコーティ
ングした後に、拡散熱処理を実施した。一方、実施例９
の試験材は、実施例８によるものと同様だが、最後の拡
散処理を省略したものとした。

【００４７】こうして作成した実施例８および９の試験
材について、熱サイクル試験（試験温度：900℃）を実
施した結果を図８に示している。その結果、本実施の形
態による実施例８の試験材は、拡散熱処理を施すことに
よって、CoCrAlY層と基材間での合金元素の拡散（移
動）を利用して、非常に優れた密着性を得ることができ
るという作用から、熱サイクル特性に優れており、本発
明を用いることによって熱サイクル特性に優れたガスタ
ービン翼を提供することができる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明におけるガ
スタービン翼の補修方法を用いることによって、ガスタ
ービン翼の再コーティング作業と基材のクラック補修作
業を効率良く実施するとともに、補修時におこり得る基
材への損傷を少なくし、かつ、信頼性の高いガスタービ
ン翼の補修方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン翼の補修方法を示す概念
図。

【図２】本発明により得られた基材の断面図(実施例１)
および従来法による基材の断面図(実施例２)。

【図３】本発明のガスタービン翼の補修方法を示す概念
図。

【図４】本発明のガスタービン翼の補修方法を示す概念
図。

【図５】本発明により得られた試験材の高温酸化試験結
果を示す特性図。

【図６】本発明のガスタービン翼の補修方法を示す概念
図。

【図７】本発明により得られた試験材のクリープ試験結
果を示す特性図。

【図８】本発明により得られた試験材の熱サイクル試験
結果を示す特性図。

【図９】従来法によるガスタービン用翼の補修方法を示
す概念図。

【符号の説明】

１…ガスタービン翼 ２…コーティング層 ３…翼基材 ４…溶融薬品 ５…再コーティング層 ６…肉盛溶接部 ７…MCrAlY合金層（MはNi、Co、Feの少なくとも１種） ８…アルミナイズド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G002 BA02 BA06 BA10 BB04 BB05 4K031 AA02 AA08 AB02 AB08 AB09 BA08 CB08 CB22 CB26 CB27 DA04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基材にコーティング層を施したガスター
   ビン翼の前記基材に発生したクラックまたは劣化相を除
   去するガスタービン翼の補修方法において、前記コーテ
   ィング層を溶融薬品を用いずに除去する第一の工程と、
   前記基材に発生したクラックまたは劣化相の部位を切削
   する第二の工程と、を連続的に行うことを特徴とするガ
   スタービン翼の補修方法。
2. 【請求項２】 少なくとも前記第二の工程は、補修対象
   となるクラックまたは劣化相の発生した部位のみ行う事
   を特徴とする請求項１に記載のガスタービン翼の補修方
   法。
3. 【請求項３】 前記第一の工程または前記第二の工程
   は、ブラスト装置を用いたことを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２に記載のガスタービン翼の補修方法。
4. 【請求項４】 前記第一の工程および前記第二の工程の
   後、前記基材にMCrAlY層（MはNi、Co、Feの少なくとも
   １種）をコーティングすることを特徴とした請求項１か
   ら請求項３に記載のガスタービン翼の補修方法。
5. 【請求項５】 基材にコーティング層を施したガスター
   ビン翼の前記基材に発生したクラックまたは劣化相を除
   去するガスタービン翼の補修方法において、前記基材を
   冷却しながら、前記コーティング層または前記基材に発
   生したクラックもしくは劣化相の部位を切削することを
   特徴とする請求項１から請求項３に記載のガスタービン
   翼の補修方法。