JP2005061409A - 使用済みタービンエンジン部品のアルミナイド皮膜のアップグレード - Google Patents

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Abstract

【課題】 使用済みタービンエンジン部品のアルミナイド皮膜を白金アルミナイド皮膜にアップグレードする方法。
【解決手段】 部品の１以上の表面を清浄処理して、アルミナイド皮膜を傷つけずに表面から高温腐食生成物を除去する。一実施形態では、清浄処理段階は、酢酸を含む加熱溶液に部品を浸漬し、超音波エネルギーを用いて溶液を攪拌する。次に、部品の清浄処理表面に白金層を堆積する。次に、部品の表面に第二のアルミナイド皮膜を形成して部品をアップグレードする。本発明は、金属系基材及びその１以上の表面に位置する白金アルミナイド皮膜を有するタービンエンジン部品であって、上記皮膜が上記の方法を用いて部品に元来存在していたアルミナイド皮膜からアップグレードされたものであるタービンエンジン部品（例えば、タービン動翼）にも関する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、使用済みタービンエンジン部品のアルミナイド皮膜を白金アルミナイド皮膜にアップグレードする方法に関する。さらに具体的には、本発明は、部品の１以上の表面に清浄処理を施して、アルミナイド皮膜を傷つけることなく表面から高温腐食生成物を除去し、清浄処理表面に白金層を堆積し、次いで部品の表面に第二のアルミナイド皮膜を形成することを含んでなる上記方法に関する。本発明は、こうしてアップグレードされた使用済みタービンエンジン部品にも関する。
ガスタービンエンジン内部の動作環境は、熱的にも化学的にも苛酷である。鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合金の処方を通して高温合金は格段の進歩を遂げてきたが、かかる合金で作られた部品はタービン、燃焼器及びオーグメンターのようなガスタービンエンジンの特定のセクションに配置すると長期稼働暴露に耐えられないことが多い。通常の解決策は、酸化及び高温腐食に対して抵抗性をもつ環境皮膜でかかる部品の表面を保護することである。このような目的に広く使用されてきた皮膜には、拡散アルミナイド皮膜及びＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、ニッケル及び／又はコバルトである）のようなオーバーレイ皮膜があり、後者はさらに拡散アルミナイド皮膜で被覆することができる。空気中での高温暴露に際し、これらの皮膜は皮膜及び下方の基材の酸化を抑制する保護酸化アルミニウム（アルミナ）スケールを形成する。拡散アルミナイド皮膜は、高圧タービン動翼のように内部冷却通路を備えた部品に環境保護をもたらすのに特に有用である。これは、薄いアルミナイド皮膜が冷却通路の横断面をさほど減少させずに環境保護をもたらすことができるからである。腐食及び酸化損傷に対する抵抗性をさらに向上させるため、白金アルミナイド皮膜が開発されている。
ガスタービンエンジン部品の高温腐食は、一般に、燃焼中に硫黄とナトリウムが反応して硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）を生成し、これが部品の表面に凝縮して攻撃する場合に起こる。かかる反応を起こす硫黄及びナトリウムの供給源には、燃焼させる燃料中の不純物、並びにナトリウム含有粉塵の取込み及び／又は海塩の吸入がある。後者の場合、高温腐は通例、食塩が固体又は液体として表面に付着するホットセクションのタービン動翼及び静翼で起こる。かかる塩はアルミナイド皮膜の保護アルミナスケールを破壊し、皮膜の急速な侵食をもたらすおそれがある。
使用済みタービンエンジン部品の再生、更新又はアップグレードに際しては、溶接又はろう付けによる部品の補修を可能にし、或いは傷ついた皮膜を交換するため、アルミナイド皮膜を完全に除去するのが通例である。次いで、適当な方法で新しいアルミナイド皮膜を施工すればよい。皮膜に高温腐食生成物が存在すれば、それは皮膜と共に除去される。タービンエンジン部品からアルミナイド皮膜を完全に除去することの欠点は、皮膜と共に基材金属の一部が除去され、部品の有効寿命を著しく短縮しかねないことである。そのため、拡散アルミナイド皮膜を除去せずに、再生してアルミナイド皮膜及びかかる皮膜のもたらす環境保護を回復させる新しい補修技術が提唱された。しかし、タービン動翼及び静翼の補修のための皮膜再生技術は、エンジン温度への暴露時に再生皮膜を攻撃する高温腐食生成物の存在下では使用できない。
アルミナイド皮膜で被覆された使用済みタービンエンジン部品を白金アルミナイド皮膜で再被覆すれば、耐食性及び耐酸化性を向上させることができる。しかし、再被覆のための現行の方法は、化学的剥離、グリットブラスト又は他の機械的手段でアルミナイド皮膜を除去することを含むのが通例である。上述の通り、これらの方法は基材金属の一部を除去してしまうことが多く、そのため部品の強度及び有効寿命を低下させるおそれがある。
米国特許第３８３３４１４号 米国特許第５８１３１１８号 米国特許第５９７６２６５号 米国特許第６１４６６９２号 米国特許第６１７４３８０号 米国特許第６２２４９４１号 米国特許第６２２８５１０号 米国特許第６２５４７５６号 米国特許第６２８３７１４号 米国特許第６３２８８１０号 米国特許第６３５５１１６号 米国特許第６４１３５８４号 米国特許第６４４４０６０号 米国特許出願公開第２００２−０１００４９３号
そこで、皮膜を傷つけたり、或いは多量の基材金属を除去したりすることなく、使用済みタービンエンジン部品のアルミナイド皮膜を白金アルミナイド皮膜にアップグレードする方法に対するニーズが今なお存在している。
一態様では、本発明は、使用済みタービンエンジン部品のアルミナイド皮膜を白金アルミナイド皮膜にアップグレードする方法であって、
ａ）部品の１以上の表面に清浄処理を施して、アルミナイド皮膜を傷つけることなく表面から高温腐食生成物を除去し、
ｂ）部品の清浄処理表面に白金層を堆積し、次いで
ｃ）部品の表面に第二のアルミナイド皮膜を形成する
ことを含んでなる方法に関する。
別の態様では、本発明は、使用済みタービンエンジン部品のアルミナイド皮膜を白金アルミナイド皮膜にアップグレードする方法であって、
ａ）酢酸を含む溶液中に部品を浸漬することにより、部品の１以上の表面に清浄処理を施して、アルミナイド皮膜を傷つけることなく表面から高温腐食生成物を除去し、
ｂ）約２〜約２０ミクロンの厚さを有する白金層を部品の清浄処理表面に堆積し、次いで
ｃ）約１０〜約１００ミクロンの厚さを有する第二のアルミナイド皮膜を部品の表面に形成する
ことを含んでなる方法に関する。
さらに別の態様では、本発明は、金属系基材及びその１以上の表面に位置する白金アルミナイド皮膜を有するタービンエンジン部品であって、該皮膜が上記の方法を用いて部品に元来存在していたアルミナイド皮膜からアップグレードされたものであるタービンエンジン部品に関する。
本明細書で用いる「アルミナイド皮膜」という用語には、合金（特に超合金）を被覆する際に用いられる材料、或いはかかるコーティングプロセスの際又はその後に形成される各種の材料が包含される。非限定的な例には、単純アルミナイド、ニッケルアルミナイド、コバルトアルミナイド、耐火物ドープアルミナイド、又はこれらの化合物の１種以上を含む合金がある。「白金アルミナイド皮膜」には、かかるアルミナイド皮膜でさらに白金を含有するものが包含される。
本発明の基材は、アルミナイド皮膜で通例保護される任意の金属材料又は合金であればよい。本明細書で使用される「金属材料」とは、主として金属又は合金から形成されるが、若干の非金属成分も含み得る基材をいう。金属材料の非限定的な例には、鉄、コバルト、ニッケル、アルミニウム、クロム、チタンからなる群から選択される１種以上の元素及びこれらの混合物を含むものがある（例えば、ステンレス鋼）。
大抵、基材は耐熱性合金、例えばニッケル基材料又はコバルト基材料である。かかる材料は、米国特許第５３９９３１３号及び同第４１１６７２３号を始めとする様々な参考文献に記載されている。基材のタイプには多種多様なものがあるが、大抵は翼形部のようなジェットエンジン部品の形態である。別の例としては、基材はディーゼル機関のピストンヘッドであってもよいし、或いは耐熱性又は耐酸化性皮膜を必要とするその他の基材であってもよい。また、基材は家庭用品（例えば、調理用具）或いは他の工業用機材又は設備の形態であってもよい。
金属材料は大抵は超合金（通例はニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金）であるが、高性能用途にはニッケル基及びコバルト基合金が好ましい。主元素（通例はニッケル又はコバルト）は、超合金における最大重量の単一元素である。ニッケル基超合金は、通常、約４０％以上のＮｉと、コバルト、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン及び鉄からなる群から選択される１種以上の成分とを含んでいる。ニッケル基超合金の例は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）及びＲｅｎｅ’（登録商標）という商品名で呼ばれており、方向性凝固超合金及び単結晶超合金が包含される。コバルト基超合金は、通常、約３０％以上のＣｏと、ニッケル、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン及び鉄からなる群から選択される１種以上の成分とを含んでいる。コバルト基超合金の例は、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、Ｎｏｚｚａｌｏｙ（登録商標）、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）及びＵｌｔｉｍｅｔ（登録商標）という商品名で呼ばれている。
基材のアルミナイド皮膜は、部品の様々な位置に施工し得る。タービンエンジンの場合、皮膜は燃焼器ライナー、燃焼器ドーム、シュラウド、翼形部（バケット又は動翼、ノズル及び静翼など）に設けられることが多い。皮膜は、基材の平坦部に設けられることもあれば、湾曲面又は不規則な表面に設けられることもある。また、皮膜は基材の内部キャビティ（例えば、くぼみ、中空領域及び穴）の表面に形成されることもある。例えば、キャビティは半径方向の冷却穴又はサーペンタイン通路からなり、これらはタービンエンジン翼形部で約３０インチ（約７６．２ｃｍ）もの全長を有し得る。
アルミナイド皮膜の厚さは様々な因子に依存する。これらの因子には、部品の実用時間の長さ、その熱履歴、並びに皮膜及び基材の具体的な組成がある。通例、皮膜は数ミクロンから約１５０ミクロンまでの範囲内の厚さ、典型的には約１０〜約１００ミクロンの厚さ、大抵は約２５〜約７５ミクロンの厚さを有する。
本発明は、使用済みガスタービンエンジン部品の表面のアルミナイド皮膜を白金アルミナイド皮膜にアップグレードする方法を提供する。かかるタービンエンジン部品には、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及び動翼、シュラウド、燃焼器ライナー並びにオーグメンター機材がある。以下、本発明の利点をガスタービンエンジン部品に関連して説明するが、本発明は、最初にアルミナイド皮膜を除去せずに白金アルミナイド皮膜にアップグレードすることで利益が得られるような、アルミナイド皮膜を有するあらゆる部品に広く適用できる。
本発明の方法は、部品の表面に清浄処理を施して、アルミナイド皮膜を傷つけることなく部品の表面から高温腐食生成物を除去する段階を含んでなる。清浄処理段階は、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操作を施し、弱酸を含む加熱溶液中に部品を浸漬し、及び／又は溶液中に浸漬しながら部品の表面を振り動かすことで、清浄にすべき表面のコンディショニング又は活性化を行えばよい。このようにすれば、拡散アルミナイド皮膜を傷つけたり除去したりすることなく、部品の表面に存在する高温腐食生成物を除去できる。
部品表面の清浄処理は、偶に軽微な点食又は基材の少量の腐食をもたらすことがあるが、後者は通例実質的に一様である。本明細書で使用する「一様な腐食」とは、通常は厚さ約２ミクロン未満の非常に薄い連続層が基材から除去されることをいう。一様な腐食及び僅かの点食は、基材のある種の最終用途にとって大きな欠点ではない。これは、大抵は約２５ミクロン以上の深さまで、通常は約２５〜約５００ミクロンの範囲内の深さまで基材に穴を生じる激しい「点食」の発生とは対照的である。
本発明で使用する清浄処理組成物は、様々なやり方で部品に適用することができる。若干の実施形態では、組成物の浴中に部品を部分的又は完全に浸漬する。（任意のタイプの容器内における）このような浸漬は、多くの場合、組成物と除去すべき高温腐食生成物との接触を最大限にする。適当なラック（例えば、ポリプロピレン表面又は他の非導電性表面を有するもの）を用いて部品を浴中に降下させ、所望の浸漬時間に達した後にラックを引き上げて部品を取り出せばよい。浸漬時間及び浴温は、除去すべき腐食生成物の種類及び浴に使用する酸（又は酸の組合せ）のような、上述の因子の多くに依存する。
清浄処理組成物と除去すべき腐食生成物との接触を最大限にするため、本プロセスを実施しながら清浄処理組成物を含む浴を攪拌その他の方法で攪拌することが多い。かかる目的には、インペラー、超音波攪拌、磁気攪拌、ガスバブリング又は循環ポンプの使用のような各種の公知技術を使用できる。浴への浸漬時間は、上述の因子の多くに基づいて変化する。商業的規模では、浸漬時間は通常約１〜約１０時間の範囲内にあり、これを２以上の段階に分割してもよい。若干の実施形態では、全浸漬時間は約１．５〜約５時間であり、通例は約２〜約４時間である。上記の範囲内で時間を長くすれば、腐食生成物の一層完全な除去が推進されるが、皮膜及び／又は基材に損傷が生じることもある。したがって、時間、組成物中の酸の濃度、及び組成物の温度は、腐食生成物の除去を最大限にすることと、皮膜及び金属基材の損傷を最小限にすることとの間に望ましいバランスが達成されるように選択される。
一実施形態では、典型的には約２〜約１０重量％の酢酸を含み、さらに典型的には約４〜約８重量％の酢酸を含む酢酸溶液（例えば、白酢）のような弱酸溶液を用いて、表面のコンディショニング又は活性化段階の後に十分な攪拌を補いながら特定の温度で高温腐食生成物を除去する。有利なことには、かかる弱酸溶液はアルミナイド皮膜を攻撃せず、皮膜を完全に除去してから新しい皮膜を施工する代わりにアルミナイド皮膜の再生を可能にする。本発明の別の利点は、酢酸が廃水処理施設を汚損せず、廃水中の金属イオン濃度に関する許容レベルを超えることを懸念せずに処分し得ることである。したがって、本発明の処理は環境にやさしい。酢は入手可能性及びコストの点で本発明の処理溶液として一般に好ましいが、他の方法で得られるさらに強い酢酸溶液及びさらに弱い酢酸溶液も使用できると予測される。
本発明の方法は、通例、部品を適当な表面前処理に付し、約１５０〜１７５°Ｆ（約６６〜約７９℃）の温度の酢酸溶液中に部品を浸漬することを含むが、約１２０〜２００°Ｆ（約４９〜約９３℃）の温度であれば適している。様々な溶液強度が可能であるが、溶液の酢酸濃度は通例約４〜約６重量％である。部品を完全に浸漬すると、冷却通路で画成される内面などの内面を始め、すべての表面が確実に溶液に接触する。次に、例えば超音波エネルギーで部品の表面を動揺させて、部品表面から高温腐食生成物を取り除く。超音波洗浄操作に適したパラメーターは当業者が容易に確認でき、部品を高い超音波エネルギーレベルに付すほど処理時間は短くなる。一般に、市販の超音波洗浄器を用いて２時間の処理時間で、アルミナイド皮膜に化学的に結合した高温腐食生成物の大部分を除去するのに十分である。大抵は、約２〜約４時間の処理時間を使用すれば、高温腐食生成物は完全に除去される。超音波洗浄の後、通例は水その他の適当な濯ぎ液で部品を濯いで、部品の内面及び外面から酢酸溶液を除去する。
一実施形態では、清浄処理組成物はさらに湿潤剤を含む。湿潤剤は部品の表面張力を低下させ、基材と（特に金属部品の内面の）アルミナイド皮膜との接触を高め、アルミナイド皮膜の清浄処理を向上させる。好適な湿潤剤には、ポリアルキレングリコール、グリセロール、脂肪酸、石けん、乳化剤及び界面活性剤がある。湿潤剤は、通常、組成物の全重量を基準にして約０．１〜約５重量％の範囲内のレベルで存在する。
当技術分野で公知のその他様々な方法でアルミナイド皮膜を傷つけずに高温腐食生成物を除去することもできる。例えば、腐食生成物は、皮膜の損傷を最小限に抑える穏やかな研磨段階を用いるなどして表面を研磨することでも除去できる。例としては、酸化アルミニウム粒子を含む加圧空気流を表面に約４０ｐｓｉ（約２．８ｋｇｆ／ｃｍ2）未満、通例約２０ｐｓｉ（約１．４ｋｇｆ／ｃｍ2）未満の圧力で吹き付けることによって、軽いグリットブラストを実施することができる。グリットブラストには各種の研磨粒子が使用でき、例えば、アルミナのような金属酸化物粒子並びに炭化ケイ素、ガラスビーズ、粉砕ガラス、炭酸ナトリウム及び粉砕とうもろこし穂軸がある。平均粒度は通常約５００ミクロン未満であり、典型的には約１００ミクロン未満である。
グリットブラストは、腐食生成物を除去するのに十分な時間実施される。この実施形態でのグリットブラスト処理時間は様々な因子に依存する。約５０〜約１００ミクロンの厚さを有するアルミナイド皮膜に関しては、約２０〜約３０ｐｓｉ（約１．４〜約２．１ｋｇｆ／ｃｍ2）の空気圧及び平均粒度約１００ミクロン未満のグリット粒子を使用する場合、グリットブラストは通常約６０〜約１２０秒間実施される。
別法として、ある種のプロセスでは、表面の前処理及び活性化のための酸処理の前、並びに残留劣化材料を除去するための清浄処理組成物への暴露後に、グリットブラストが用いられる。グリットブラストによるアルミナイド保護皮膜の損傷を防止するため、格段の注意が必要とされることもある。さらに、金属部品の内部通路又はキャビティからの腐食生成物の除去には、グリットブラストは概して使用できない。例えば、グリット粒子が内部通路を閉塞するおそれがあるので、グリットブラストは高圧タービン動翼の内部冷却通路での使用には適さない。
グリットブラストの代わりに、表面を軽く研磨するための他の公知技術も使用できる。例えば、繊維パッド（例えば、ポリマー繊維、金属繊維又はセラミック繊維を含むパッド）を用いて表面を手で磨いてもよい。別法として、アルミナ又は炭化ケイ素粒子が埋め込まれた柔軟なホイール又はベルトで表面を研磨することもできる。ホイール又はベルトに液体研磨材を使用してもよい。例えば、蒸気ホーニング操作中に液体研磨材をホイールに吹き付ければよい。これらの代替技術は、上述の穏やかなグリットブラストで使用する力を超えない接触力が基材に対して維持されるように制御することができる。
その他の技術を用いて腐食生成物を除去してもよい。一例は表面のレーザーアブレーションである。別法として、劣化した材料を表面からこすり落としてもよい。別の実施形態では、超音波ホーンなどから発生させた音波（例えば、超音波）を表面に当て、劣化材料を振動させて緩めることもできる。
幾つかの事例では、さらに激しい攪拌（例えば、超音波技術自体で得られる力よりも大きな力での攪拌）で腐食生成物を除去してもよい。例えば、基材を浴に浸漬して、浴を機械的攪拌機で急速に攪拌（「全体攪拌」のため）するとともに、超音波攪拌（「局部的攪拌」のため）してもよい。攪拌は、劣化材料が振動して緩むまで実施できる。これらの代替技術の各々に関し、当業者は、アルミナイド皮膜の損傷を最小限にすべく基材に加える力を調節することのできる作業上の調整に精通しているはずである。
幾つかの実施形態では、皮膜を傷つけずに腐食生成物を除去するため延長濯ぎ段階を用いてもよい。これは、湿潤剤（例えば、ポリエチレングリコールのようなポリアルキレングリコール）を含む水溶液に劣化材料を接触させればよい。湿潤剤は、通常、濯ぎ溶液の全重量を基準として約０．１〜約５重量％のレベルで存在する。濯ぎは様々な技術で実施できるが、通常は濯ぎ溶液の攪拌浴に基材を約１〜約３０分間浸漬することで行う。延長濯ぎ段階は、劣化材料の厚い破片を皮膜から除去することができる。さらに強く密着した劣化材料の薄層が残留していれば、別の攪拌段階で除去してもよいし、或いは基材を清浄処理組成物に再度接触させて除去してもよい。
他の実施形態では、劣化した皮膜を苛性アルカリ物質に接触させる段階を加えることで劣化皮膜を除去し得る。苛性アルカリは、表面を清浄にし、追加の処理段階（例えば、第二の清浄処理段階）のために表面を活性化し得る。苛性アルカリの具体例には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、トリエチルアミン（(Ｃ2Ｈ5)3Ｎ、ＴＥＡ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（(ＣＨ3)4ＮＯＨ、ＴＭＡＨ）及びこれらの混合物がある。接触時間は約２０分〜約４時間であるが、個々の苛性アルカリ、皮膜及び基材金属の性質に応じてさらに長い時間又はさらに短い時間を選択することもできる。
苛性アルカリは溶融塩の形態であってもよいが、通常組成物の約１０〜約５０重量％、典型的には約１５〜約３０重量％、さらに典型的には約１７〜約２５重量％の苛性アルカリを含む水溶液として存在する。苛性アルカリ溶液は、通常約６０〜約１００℃、典型的には約６５〜約９０℃、さらに典型的には約７０〜約８５℃の温度を有する。
苛性アルカリ溶液は様々なやり方で基材に適用できるが、上述の通り、典型的には苛性アルカリ溶液の浴に基材を浸漬する。一実施形態では、適当なラック（例えば、ポリプロピレン表面その他の非導電性表面を有するもの）を用いて基材を浴中に降下させ、所望の浸漬時間に達した後にラックを引き上げて部品を取り出す。苛性アルカリ溶液は、通例、基材との接触期間中攪拌する。一実施形態では、これは超音波攪拌である。別法として、上述のようなさらに激しい攪拌も使用できる。
皮膜から腐食生成物を除去した後、基材に圧縮空気を吹き付けて残留する清浄処理溶液、粒子、酸化物又は研磨粒子を除去してもよい。
タービンエンジン部品の表面を清浄処理した後、部品に摩耗部分があれば、溶接、ろう付けその他の適当な手段で補修してもよい。
次に、タービンエンジン部品の清浄処理表面に白金層を堆積する。白金層は、電気めっき、無電解めっき又はスパッタコーティングのような当技術分野で公知の様々な方法で堆積し得る。白金層の厚さは通例約２〜約２０ミクロン（例えば、約５〜約１０ミクロン）であり、これは本来未被覆の基材に十分な白金アルミナイド皮膜を形成するのに必要とされる白金の厚さよりも小さい場合が多い。白金層の堆積は、通例、めっき槽に白金含有溶液を入れ、電気めっき法で溶液から部品に白金を析出させることによって行われる。有用な白金含有水溶液は、約４〜２０グラム／リットルの白金濃度を有するＰｔ(ＮＨ3)4ＨＰＯ4である。電圧／電流源は、面する物品表面１平方フィート当たり約０．５〜１０アンペアで動作させればよい。典型的には厚さ約５〜約１０ミクロン、さらに典型的には厚さ約５ミクロンである白金層は、約１９０〜２００°Ｆ（約８８〜９３℃）の温度で約１〜約４時間で析出する。白金めっき部品は、第二のアルミナイド皮膜を形成する前に、適宜、約１７００〜約１９５０°Ｆ（約９２７〜約１０６６℃）の温度に約０．５〜約２時間加熱することによって拡散真空熱処理サイクルに付してもよい。
この段階で、部品は、適当なアルミナイド化法によるアルミナイド皮膜の再生の準備が整っている。再生中、部品の表面（例えば、高温腐食生成物を除去した領域）には第二のアルミナイド皮膜が形成される。新しいアルミナイド皮膜の施工技術は当技術分野で公知である。拡散アルミナイド皮膜は、パックセメンテーション法、アバブ・ザ・パック法、気相法、化学蒸着法及びスラリーコーティング法を始めとする様々な方法で施工できる。例えば、部品はパック析出法（例えば、ＣＯＤＥＰ）又はオーバー・ザ・パック法（例えば、ＶＰＡ）でアルミナイド化することができる。ＣＯＤＥＰアルミナイド皮膜の様々な形態は、米国特許第３５４０８７８号、同第３５９８６３８号及び同第３６６７９８５号（Ｌｅｖｉｎｅら）に詳細な説明が記載されている。アルミナイド皮膜は、１種以上の二次元素（例えば、Ｐｔ、Ｒｈ及びＰｄ）とアルミニウムとの組合せを含んでいてもよい。かかる複合皮膜は、米国特許第３８１９３３８号に記載されている。拡散皮膜（例えば、白金アルミナイド又はパラジウムアルミナイドのような貴金属アルミナイド皮膜）を施工するための様々な技術も公知である。白金アルミナイド皮膜は、電気めっき又はスパッタ法で表面に白金を堆積し、次いで白金とアルミニウムを共に拡散させて表面をアルミナイド化することによって施工できる。白金アルミナイドに関する例としては、最初にＰ塩、Ｑ塩その他の適当な白金電気めっき溶液を用いて基材に白金を電気めっきすればよい。第二段階で、白金層をアルミニウム蒸気で拡散処理して白金アルミニウム皮膜を形成する。
かかるガスタービンエンジン部品の設計では、皮膜の組成及び厚さを始めとする皮膜特性は、部品が遭遇すると想定される温度及び環境条件に応じて所定の範囲内に規定される。例えば、アルミナイド皮膜の厚さ及びアルミニウム含有量は、コーティングプロセスで用いられるコーティング時間、コーティング温度及び／又は材料のアルミニウム活性を変化させることによって調節できる。同様に、皮膜中の二次元素（例えば、Ｐｔ）の量は、拡散アルミナイド処理に先立って表面に堆積させる元素の厚さを変化させることで調節できる。
所望に応じて、オーバーレイ皮膜を堆積するために様々な溶射技術を使用することもできる。具体例には、真空プラズマ溶射法（ＶＰＳ）、大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）及び高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ）がある。さらに、スパッタ法及び物理蒸着法（ＰＶＤ）（例えば、電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ））のような他の堆積技術も使用できる。
別の態様では、本発明は、金属系基材とその１以上の表面の白金アルミナイド皮膜を有するタービンエンジン部品であって、上記皮膜が、
ａ）部品の１以上の表面に清浄処理を施して、アルミナイド皮膜を傷つけることなく表面から高温腐食生成物を除去し、
ｂ）部品の清浄処理表面に白金層を堆積し、次いで
ｃ）部品の表面に第二のアルミナイド皮膜を形成する
ことを含んでなる方法によって部品に元来存在していたアルミナイド皮膜からアップグレードされたものであるタービンエンジン部品に関する。
一実施形態では、高温腐食による攻撃を受けた拡散アルミナイド皮膜（動翼の表面に青灰色の着色となって現われる）を有する高圧ガスタービンエンジン動翼を入手する。まず、水酸化ナトリウムを含む苛性アルカリ溶液と共に温度１５０〜２５０℃及び圧力１００〜３０００ｐｓｉ（約０．７〜約２１ＭＰａ）でオートクレーブ処理して各動翼を前処理する。オートクレーブ処理で動翼からエンジン酸化物はうまく溶解されるが、高温腐食生成物は特に動翼の凹面のアルミナイド皮膜に付着したまま残る。次に、温度約６５℃（約１５０°Ｆ）の未希釈の白酢が入った容器に、先端を下向きにしてタービン動翼を浸漬する。次いで、容器及び動翼を合計２時間超音波攪拌に付した後、動翼を水道水で濯ぐ。
上記の処理後、追加の処理（例えば、グリットブラスト又はタンブリング）を施さなくても、青灰色に着色した高温腐食生成物は動翼から除去される。残留する高温腐食生成物を動翼から除去するため、軽度のグリットブラストを使用してもよい。重要な点として、酢溶液は高温腐食生成物が除去される領域に隣接した皮膜の未腐食領域を攻撃しないことである。
オートクレーブによる前処理の代わりに、各動翼をグリットブラストで前処理して動翼表面を清浄にしてもよい。次に、温度約６５℃（約１５０°Ｆ）の未希釈の白酢が入った容器に、先端を下向きにしてタービン動翼を浸漬し、合計２時間の超音波攪拌に付し、動翼を水道水で濯げば、動翼から高温腐食生成物が除去される。
次に、上述の通り、タービン動翼が白金アルミナイド皮膜をもつようにアップグレードすればよい。本発明の方法は元のアルミナイド皮膜を除去したり傷つけたりしないので、基材金属はほとんど若しくは全く除去されない。したがって、タービンエンジン動翼その他の部品を、肉厚を減少させずに複数の補修サイクルに付すことができる。さらに、本発明の方法を用いて形成した白金アルミナイド皮膜の耐酸化性は、概して、元のアルミナイド皮膜を剥離した部品又は元来被覆されていない部品に形成した白金アルミナイド皮膜の耐酸化性と同等である。
以下の実施例で本発明の実施形態を幾つか例示するが、本発明の技術的範囲を限定するものではない。実施例では、各試験試料は工業用ガスタービンエンジンである期間使用した高圧タービン動翼である。これらのタービン動翼は、Ｒｅｎｅ’（登録商標）１２５という商品名で呼ばれるニッケル基超合金から作られたものである。
実施例１
元来ＣＯＤＥＰアルミナイド皮膜で被覆され、実用稼働から戻された２枚の高圧タービン動翼を、４〜８％酢酸を含む水溶液に約２時間浸漬して清浄処理して高温腐食生成物を除去する。溶液は約１５０〜１７５°Ｆ（約６６〜７７℃）の温度を有し、超音波エネルギーを用いて攪拌する。次に、上述のように、電気めっき法を用いて動翼に白金層を堆積する。既存のＣＯＤＥＰ皮膜に堆積した新しい白金層の厚さは、約０．０００２〜０．０００４インチ（約５〜１０ミクロン）である。
次に、白金が基礎材料と相互拡散するように、白金めっきした動翼を真空炉内で１９００〜１９５０°Ｆ（約１０３８〜１０６６℃）で３５分間熱処理する。次に、チタンアルミナイドドナーをアルミニウム源として用いた１９００°Ｆ（約１０３８℃）で２時間のパックセメンテーション法で動翼に第二のアルミナイド皮膜を形成する。第二のアルミナイド皮膜の厚さは約３０ミクロンである。
この方法で被覆した試料動翼を、２０５０°Ｆ（約１１２１℃）の静止空気中で４７時間酸化試験に付した。試料の金属組織学的検査は、これらが元のアルミナイド皮膜を完全に剥離してから通常の方法で白金アルミナイド皮膜を堆積することによって補修した動翼の耐酸化性と同等の耐酸化性を有することを示した。
実施例２
アルミナイド化法がクロム−アルミニウムドナーを用いた１９７５°Ｆ（約１０７９℃）で６時間のオーバー・ザ・パック法（ＶＰＡ法）である点を除き、実施例１に記載の通り２枚の動翼を処理した。この方法で被覆した動翼も、元のアルミナイド皮膜を剥離してから通常の白金アルミナイド法で被覆した動翼の耐酸化性と同等の耐酸化性を有する。
実施例３
拡散真空熱処理段階を実施しない点を除き、実施例１に記載の通り２枚の動翼を清浄処理し、白金めっきし、アルミナイド化する。拡散真空熱処理段階を実施しない点を除き、実施例２に記載の通り２枚の追加動翼を清浄処理を施し、白金めっきし、アルミナイド化する。
これらの方法で被覆した試料動翼を、２０５０°Ｆ（約１１２１℃）の静止空気中で４７時間酸化する。これらの動翼は、アルミナイド皮膜を剥離してから通常の白金アルミナイド法で再被覆した動翼の耐酸化性と同等の耐酸化性を有する。
以上、本発明の様々な実施形態を説明してきた。しかし、上記の説明は本発明の技術的範囲を限定するものではない。したがって、当業者には、本発明の技術的思想及び技術的範囲内において、様々な修正、適応及び代替が明らかであろう。

Claims (10)

  1. 使用済みタービンエンジン部品のアルミナイド皮膜を白金アルミナイド皮膜にアップグレードする方法であって、
    ａ）部品の１以上の表面に清浄処理を施して、アルミナイド皮膜を傷つけることなく表面から高温腐食生成物を除去し、
    ｂ）部品の清浄処理表面に白金層を堆積し、次いで
    ｃ）部品の表面に第二のアルミナイド皮膜を形成する
    ことを含んでなる方法。
  2. 段階ａ）が、酢酸、好ましくは４〜８％の酢酸を含む溶液中に部品を浸漬することを含む、請求項１記載の方法。
  3. 部品を溶液中に２時間以上浸漬し、溶液を超音波エネルギーを用いて攪拌し、好ましくは溶液が６６〜７７℃の温度を有する、請求項２記載の方法。
  4. 第二のアルミナイド皮膜を形成する前に、白金層を９２７〜１０６６℃の温度に０．５〜２時間加熱する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
  5. 部品の表面に堆積した白金層が５〜１０ミクロンの厚さを有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
  6. 第二のアルミナイド皮膜が２５〜７５ミクロンの厚さを有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
  7. 金属系基材とその１以上の表面の白金アルミナイド皮膜を有するタービンエンジン部品であって、上記皮膜が、
    ａ）部品の１以上の表面に清浄処理を施して、アルミナイド皮膜を傷つけることなく表面から高温腐食生成物を除去し、
    ｂ）部品の清浄処理表面に白金層を堆積し、次いで
    ｃ）部品の表面に第二のアルミナイド皮膜を形成する
    ことを含んでなる方法によって部品に元来存在していたアルミナイド皮膜からアップグレードされたものであるタービンエンジン部品。
  8. 段階ａ）が、酢酸、好ましくは４〜８％の酢酸を含む溶液中に部品を２時間以上浸漬することを含む、請求項７記載のタービンエンジン部品。
  9. 部品の表面に堆積した白金層が５〜１０ミクロンの厚さを有する、請求項７又は８に記載のタービンエンジン部品。
  10. 第二のアルミナイド皮膜が２５〜７５ミクロンの厚さを有する、請求項７乃至９のいずれか１項記載のタービンエンジン部品。
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