JP2005194623A - ＮｉＡｌボンディングコートを使用して被覆部品を補修する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、エンジン作動に曝されてきた被覆高圧タービンブレードを、ブレードの被覆翼形部外形寸法を復元するように補修する方法を開示する。
【解決手段】 本方法は、ベース金属基体の一部分も除去するように断熱皮膜システムを除去し、かつ除去したベース金属基体の厚さを測定する段階を含む。除去したベース金属基体の一部分は、厚さΔｔを有する。さらに、基体にβ相ＮｉＡｌオーバレイコートを施工し、かつβ相ＮｉＡｌオーバレイコートと前に除去したボンディングコートとの間の厚さの差Δｘを求める段階を含む。さらに、Δｔが除去したベース金属基体の部分を補償するように上層セラミック断熱皮膜を公称厚さｔ＋Δｔ−Δｘまで再施工する段階を含む。高圧タービンブレードの被覆翼形部外形寸法が、ほぼエンジン運転使用前の被覆外形寸法に復元される利点がある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には、例えばガスタービンエンジンの作動中に高温に曝された被覆部品を補修する方法に関する。より具体的には、本発明は、内側の金属ボンディングコートと外側の断熱セラミック層とを含む断熱皮膜システムを除去して改修する方法に関する。

効率を高めるために、ガスタービンエンジンのより高い作動温度が常に求められている。しかしながら、作動温度が上昇すると、それに応じてエンジン内の部品の高温耐久性も増大させなくてはならない。

高温性能における大きな進歩が、ニッケル基及びコバルト基超合金の調製により達成された。例えば、幾つかのガスタービンエンジン部品は、高強度方向性凝固又は単結晶ニッケル基超合金で作ることができる。これらの部品は、コアエンジン流に対して有効に作用し、かつ翼形部温度を低下させるために内部冷却用の細部構造と外部フィルム冷却を形成する貫通孔とを含む特殊な外部形状を有するように鋳造される。それにも拘らず、ガスタービンエンジン作動の過酷な条件に曝された時、特にタービンセクションにおいて、そのような合金のみでは酸化及び腐食攻撃による損傷を受け易く、十分な機械的特性を保つことができない。従って多くの場合、これらの部品は、耐環境性皮膜又はボンディングコートと上層断熱皮膜とによって保護され、これらはしばしば全体をまとめて断熱皮膜（ＴＢＣ）システムと呼ばれる。

化学蒸着法で施工されたアルミナイド及び白金アルミナイドのような拡散皮膜とＭＣｒＡｌＹ（ここでＭは、鉄、コバルト及び／又はニッケル）のようなオーバレイコートとが、ガスタービンエンジン部品のための耐環境性皮膜として使用されてきた。

イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）又はその他の酸化物で部分的又は完全に安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）のようなセラミック材料は、ＴＢＣシステムの上層皮膜（トップコート）として広く使用されている。セラミック層は、典型的には空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法又は物理蒸着（ＰＶＤ）法によって蒸着される。ガスタービンエンジンの最高温度領域内で使用するＴＢＣは、典型的には電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）法によって蒸着される。

トップコートは、これが有効であるためには、低い熱伝導性を有し、物品に強く付着し、また多くの加熱及び冷却サイクル全体を通して付着を維持しなくてはならない。この最後の要件は、断熱皮膜材料とタービンエンジン部品を形成するために一般的に使用されている超合金との間で熱膨張係数が異なることによって特に必要である。上記要件を満たすことができるＴＢＣトップコート材料は、一般的に、上記した拡散アルミナイド皮膜及びＭＣｒＡｌＹ皮膜の一方又は両方のようなボンディングコートを必要としてきた。これらの材料で形成されたボンディングコートのアルミナイド成分は、高温度において、付着性の強い連続的なアルミナ層（アルミナスケール）の緩やかな成長をもたらす。この熱成長した酸化物が、ボンディングコートを酸化及び高温腐食から保護し、またセラミック層をボンディングコートに対して化学的に結合させる。

耐環境性ボンディングコート及び断熱セラミック層の両方を形成するための皮膜材料及び処理法に関して大きな進歩が達成されたが、或る条件下では耐環境性皮膜及びセラミックトップ層を除去し、これを交換する避け難い必要性が生じる。例えば、エンジン作動中におけるセラミック層の侵食又は衝突損傷によって、或いはタービンブレードの先端部長さのような或る種の形状を補修する要求によって、除去が必要になる場合がある。エンジン作動中に、部品は、スキーラ先端部喪失、ＴＢＣ剥離及び酸化／腐食による劣化により臨界寸法を失う場合がある。また、高温作動により、耐環境性皮膜の成長が生じる場合もある。

現在の最先端技術による補修方法では、多くの場合、ＴＢＣシステム全体つまりセラミック層とボンディングコートとの両方を除去することになる。１つのそのような方法は、グリットブラスティング、蒸気ホーニング及びガラスビーズピーニングのような処理方法において研磨材を使用することであるが、それら処理方法の各々は、セラミック層及びボンディングコートを侵食させ、さらに皮膜の下にある基体表面を侵食させる緩速かつ労働集約的な処理方法である。セラミック層及び金属ボンディングコートは、例えば部品を、ＫＯＨを含む溶液中に浸漬してセラミック層を除去しかつリン酸／硝酸溶液のような酸性溶液中に浸漬して金属ボンディングコートを除去するようなストリッピング法によっても除去することができる。ストリッピング法は有効であるが、この方法は、ベース基体の一部分をも除去し、それによって部品の外壁を薄くするおそれがある。

高圧タービンブレードのような部品を取外して完全補修する場合、セラミック皮膜及び拡散皮膜をストリッピング法によって外部位置から除去することができる。次に、必要に応じて、先端部を溶接肉盛り及びその後の別の形削り加工によって復元することができる。次に拡散皮膜とセラミック層とが、新品部品に施工されるのと同じ厚さでブレードに対して再施工される。

しかしながら、翼形部及び耐環境性皮膜の寸法／安定性は、効率的なエンジン作動にとって、また部品の繰り返し補修能力にとって特に重要である。設計が特定の最小翼形部寸法に限定されている場合には、そのような部品の繰り返し補修は不可能となる。

さらに、ＭＣｒＡｌＹ及び拡散ボンディングコートは有用ではあるが、本出願人の指示の下で働いている科学者及び技術者達は、エンジンの作動効率をさらに高めまた部品の補修性に役立つように、新規かつ改良したボンディングコート及び補修方法を探求し続けている。
米国特許第４０５５７０５号 特公昭５６−０３９３８９号 特公昭５９−０５０７５２号 米国特許第５２１６８０８号 特開平０５−１９５１８８号 米国特許第６５４４３４６号 米国特許第６２５５００１号 米国特許第６１５３３１３号 米国特許第６２９１０８４号 米国特許第６６８２８２７号 米国特許第６６２０５２４号

本出願人は、前述の補修において従来の方法を使用する場合には、元の又は補修前の被覆翼形部部分の寸法が復元されず、従ってブレード間のスロート距離（エンジン内における隣接する翼形部部分間の距離）が増大することを確認した。本出願人はまた、翼形部寸法におけるそのような変化は、タービン効率に大きく影響を及ぼすことも確認した。さらに本出願人は、補修処理においてＮｉＡｌ系（安定しており相互拡散性が低い）オーバレイボンディングコートも使用する場合には、特性の更なる利点と改善が実現できることも確認した。

従って、皮膜除去処理の結果生じたベース金属の喪失を補償し、かつ使用されている以前のボンディングコートを改善する、被覆ガスタービンエンジン部品を補修する方法に対する必要性が存在する。また、皮膜除去処理の結果生じたベース金属の喪失を補償し、かつ翼形部部分の外形をその補修前又は元の被覆翼形部外形寸法に復元し、同時に以前の使用されているボンディングコートを改善する、翼形部部分を有する被覆ガスタービンエンジン部品を補修する方法に対する必要性も存在する。本発明は、これらの必要性に応えるものである。

本発明の１つの実施形態では、エンジン作動に曝されてきた被覆部品を、該部品の被覆外形寸法を復元しかつその後のエンジン作動効率を増大させるように補修する方法を開示する。本方法は、ベース金属基体を含むエンジン運転使用済み部品を準備する段階を含む。ベース金属基体は、該ベース金属基体上のボンディングコートと上層セラミック断熱皮膜とを含む断熱皮膜システムをその上に有する。上層セラミック断熱皮膜は、公称厚さｔを有する。本方法はさらに、ベース金属基体の一部分も除去するように断熱皮膜システムを除去し、かつ除去したベース金属基体の厚さを測定する段階を含む。除去したベース金属基体の一部分は、厚さΔｔを有する。β相ＮｉＡｌオーバレイボンディングコートを基体に施工し、かつβ相ＮｉＡｌオーバレイコート（ｘ_ＮｉＡｌ）と前に除去したボンディングコート（ｘ_Ａｄｄ）との間の厚さの差Δｘを求める（例えばΔｘ＝ｘ_ＮｉＡｌ−ｘ_Ａｄｄ）。本方法はさらに、Δｔが除去したベース金属基体の部分を補償するように上層セラミック断熱皮膜を公称厚さｔ＋Δｔ−Δｘまで再施工する段階を含む。被覆部品の寸法が、ほぼエンジン運転使用前の被覆外形寸法に復元されてその後のエンジン作動効率を増大させる利点がある。

本発明の別の実施形態では、エンジン作動に曝されてきた被覆高圧タービンブレードを、該ブレードの被覆翼形部外形寸法を復元するように補修する方法を開示する。本方法は、ニッケル基合金で作られたベース金属基体を含み、該ベース金属基体上に断熱皮膜システムを有するエンジン運転使用済み高圧タービンブレードを準備する段階を含む。断熱皮膜システムは、ベース金属基体上の拡散ボンディングコートとイットリア安定化ジルコニア材料を含む上層セラミック断熱皮膜とを含む。上層セラミック断熱皮膜は、公称厚さｔを有する。本方法はさらに、ベース金属基体の一部分も除去するように断熱皮膜システムを除去し、かつ除去したベース金属の厚さを測定する段階を含む。除去したベース金属基体の一部分は、厚さΔｔを有する。β相ＮｉＡｌオーバレイボンディングコートを基体に施工し、かつβ相ＮｉＡｌオーバレイコートと前に除去したボンディングコートとの間の付加層厚さの差Δｘを求める（例えばΔｘ＝ｘ_ＮｉＡｌ−ｘ_Ａｄｄ）。本方法はさらに、Δｔが除去したベース金属基体の部分を補償するように上層セラミック断熱皮膜を公称厚さｔ＋Δｔ−Δｘまで再施工する段階を含む。被覆高圧タービンブレードの寸法が、ほぼエンジン運転使用前の被覆外形寸法に復元されてその後のエンジン作動効率を増大させる利点がある。

本出願人は、翼形部の温度をさらに低下させる方法を確定し、この温度低下によって、セラミック剥離寿命が増大し、次の補修サイクルおいて受けるその後の皮膜成長が低下し、かつ合金の機械的特性の利点がさらに得られた。これは、ＴＢＣ（Δｔ−Δｘ）を付加することによって達成することができる。

さらに本出願人は、本発明の実施形態において使用しているＮｉＡｌ系オーバレイボンディングコートが、例えばＰｔＡｌ拡散皮膜に勝る多くの利点を達成することを確認した。これらの改善には、約２〜４倍大きいＴＢＣの耐剥離性、ＰｔＡｌ拡散ボンディングコートの試験サンプルのそれよりも約０．２５倍小さいＴＢＣ剥離サイズ、再補修の可能性を高めることになるベース金属内への約０．５倍以下の皮膜成長、及びＰｔＡｌ拡散皮膜と同等か又はそれよりも良好な耐酸化性が含まれる。さらに、耐腐食性が幾つかのＰｔＡｌ拡散皮膜と同等になり、またベース金属の機械的特性に対する皮膜の影響が、これらのＰｔＡｌ拡散皮膜とほぼ同じか又はそれよりも良好であることが、試験によって示された。上記の特性に関する改善は、本発明において使用したＮｉＡｌ系オーバレイコートの補修への適用を魅力あるものにしている。

本出願人はさらに、重量を増加させずに、皮膜除去処理の結果生じたベース金属喪失を補償し、また翼形部部分の外形をその補修前の又は元の被覆翼形部外形寸法に復元する方法を確定した。従って、本発明の実施形態の重要な利点は、得られた翼形部スロート面積の復元により、タービンがさらに一層効率的に作動することが可能になることである。例えば、エンジン運転使用済み部品の従来の補修中には、約３ｍｉｌのベース金属厚さが処理工程において除去されることになる。従って、ベース金属は、翼形部の正圧及び負圧側面の両方において約３ｍｉｌの喪失を受けることになり、このことはスロート寸法（エンジン内における隣接する翼形部部分間の距離）に直すと約６ｍｉｌの増加となる。部品間のギャップにおけるこの増加は、エンジンの機械的作動に悪影響を及ぼすことはないが、作動効率が大きく悪影響を受けることを本出願人は確認した。本出願人の発明の実施形態は、上記の問題に対する新規かつ大いに必要とされる解決策を提供し、この解決策は、実行するのに費用がかからず、また付加的な高価な装置を必要としない。さらに、以前のボンディングコートを上述したＮｉＡｌ系オーバレイボンディングコートと置き換えることは、本発明の実施形態において更なる特性改善をもたらす。

その他の特徴及び利点は、本発明の原理を実例として示した添付図面と関連させた以下の一層詳細な説明から明らかになるであろう。

通常、本発明の補修方法は、比較的高い温度に特徴がある環境内で作動し、従って過酷な熱応力と熱サイクルを受ける部品に対して適用できる。そのような部品の顕著な例としては、高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ並びにガスタービンエンジンのオーグメンタハードウエアが含まれる。その他の例としては、一般的に翼形部及びベーンのような静止部品が含まれる。１つの具体的な例は、図１に示す高圧タービンブレード１０である。説明の便宜上、本発明の方法は、このブレード１０の補修に関して説明することにする。しかしながら、以下に述べる方法は、断熱皮膜システムで被覆したガスタービンエンジンのその他任意の部品を補修するのに容易に適用できることは、当業者には分かるであろう。

図１のブレード１０は、一般的に、ガスタービンエンジンの作動中にそれに対して高温燃焼ガスが向けられる翼形部１２を含み、従って翼形部１２の表面は、酸化、腐食及び侵食により過酷な攻撃を受ける。翼形部１２は、ブレード１０のプラットフォーム１６上に形成したダブテール１４によって、タービンディスク（図示せず）に固定される。翼形部１２内には冷却孔１７があり、それらの冷却孔１７を通してブリード空気を流してブレード１０から熱を取り去る。

ブレード１０のベース金属は、Ｎｉ又はＣｏ或いはＮｉ及びＣｏの組合せの超合金を含む任意の適当な材料とすることができる。ベース金属は、方向性凝固又は単結晶ニッケル基超合金であるのが好ましい。例えば、ベース金属は、約８．６４ｇ／ｃｍ^３の密度を有するＲｅｎｅＮ５材料で作ることができる。ブレード１０の翼形部部分１２の鋳造したままの厚さは、設計仕様及び要件に基づいて変えることができる。

翼形部１２及びプラットフォーム１６は、図２に示す断熱皮膜システム１８で被覆することができる。断熱皮膜システムは、ブレード１０の基体上に配置されたボンディングコート２０と、ボンディングコート２０上のセラミック断熱皮膜２２とを含む。

本発明の１つの実施形態では、ボンディングコート２０は、拡散皮膜であり、ブレード１０のベース金属は、方向性凝固又は単結晶ニッケル基超合金である。ニッケル基超合金中のＮｉ及びコバルト基超合金中のＣｏは両方とも、基体から外向きに拡散して拡散アルミナイドを形成し、またそれらの超合金は、Ｎｉ及びＣｏの両方を様々なパーセンテージで含むことができる。超合金基体についての説明をニッケル基超合金に関して行うことにするが、コバルト基超合金の基体も使用可能あることを理解されたい。同様に、ボンディングコート２０は、ＭＣｒＡｌＹ皮膜を単独で含むか又は拡散皮膜及びその他の適当な公知の皮膜との組合せとして含むことができる。

本発明の実施形態によると、拡散皮膜は、Ｐｔ、Ｒｈ又はＰｄのような貴金属及び／又はそれに限定されないがＹ、Ｚｒ及びＨｆを含む反応性元素を含有する単純又は改質アルミナイドを含むことができる。拡散皮膜は、多くの異なる方法で部品上に形成することができる。簡略に言うと、パック法又は化学蒸着（ＣＶＤ）法などによって基体を高温にてアルミニウムに曝露し、拡散によってアルミナイド皮膜を形成することができる。

より具体的には、ニッケルアルミナイド（ＮｉＡｌ）拡散皮膜は、基体を高温にてアルミニウム濃度が高い環境に曝露することによって、ニッケル基超合金上に外側皮膜として成長させることができる。外層からのアルミニウムは、基体内に拡散して、基体から外向きに拡散するニッケルと結合して、ＮｉＡｌの外側皮膜を形成する。皮膜の形成は拡散処理の結果であるので、ＡｌとＮｉ及びその他の元素との化学的勾配が存在することが分かるであろう。しかしながら、Ａｌは、物品の外表面において高い相対濃度を有し、このことが熱力学的に基体内にＡｌを拡散させて、元の基体内に広がる拡散域を形成することになり、またこのＡｌ濃度は、基体内への距離が増すにつれて徐々に低下することになる。

逆に、Ｎｉは、基体内でより高い濃度を有し、アルミニウムの薄い層内に拡散してニッケルアルミナイドを形成することになる。拡散域内のＮｉ濃度は、それが外向きに拡散してＮｉＡｌを形成するにつれて変化することになる。元の表面より下方のレベルにおいては、基体の初期のＮｉ組成は維持されるが、拡散域内におけるＮｉ濃度は低くなり、拡散域内への距離の関数として変化することになる。その結果、物品の外表面においてＮｉＡｌが形成されるが、Ｎｉ及びＡｌの変化する組成の勾配が、外表面と元の基体組成との間に形成される。基体から外向きに拡散するＮｉ及びその他の元素の濃度勾配と、付着したアルミニウムＡｌとは、物品の外表面と元の組成を有する基体の部分との間に拡散域を形成する。酸化性大気に対する被覆基体の曝露により、一般的にニッケルアルミナイド皮膜上にアルミナ層が形成されることは言うまでもない。

白金アルミナイド（ＰｔＡｌ）拡散皮膜もまた、ニッケル系の基体上に所定の厚さに白金の薄層を電気メッキすることによって形成することができる。次に白金を高温にてアルミニウム濃度が高い環境に曝露することによって、アルミニウムが白金内に拡散して白金と反応するにつれてＰｔＡｌの外層の成長が生じる。これと同時に、Ｎｉが基体から外向きに拡散して基体の組成を変化させ、他方、アルミニウムが白金内にかつ白金を通り抜けて基体の拡散域内に内向きに移動する。従って、Ｐｔ薄層で電気メッキした基体を高温にてアルミニウム濃度が高い大気に曝露することによって、（Ｐｔ，Ｎｉ）Ａｌの複合構造が形成される。アルミニウムが基体に向けて内向きに拡散しかつＮｉが反対方向にＰｔ内に拡散して拡散域を形成するにつれて、ＰｔＡｌ_２相が溶体から析出し、得られたＰｔ−ＮｉＡｌ合金マトリックスもまたＰｔＡｌ_２合金の析出物を含有することになる。ＰｔＡｌ_２の析出は、Ａｌレベルが一定レベルよりも高くなった場合に起こり、このレベルよりも低い場合には、皮膜は単相の（Ｐｔ，Ｎｉ）Ａｌであると思われる。ニッケルアルミナイド皮膜の場合と同様に、アルミニウムの勾配が、アルミニウム濃度が高い外表面から内向きに基体表面に向けて生じ、またＮｉ及びその他の元素の勾配が、これら元素が基体から外向きにアルミニウム濃度が高い付加層内に拡散するにつれて、生じる。この場合、先の例におけるのと同様に、アルミニウム濃度が高い外層が外表面に形成され、この外層は白金アルミナイド及びニッケルアルミナイドの両方を含み、同時に外層の下の拡散層が形成される。ニッケルアルミナイド皮膜の場合と同様に、酸化性大気に対する被覆基体の曝露により、一般的にアルミナの外層が形成されることになる。また、適当なアルミナイド皮膜にはまた、他の適当な皮膜の中でも特に、商業的に入手可能なＣｉｄｅｐアルミナイド皮膜が含まれ、その１つの形態が米国特許第３６６７９８５号に記載されており、単独で使用されるか又は第１の白金電気メッキ層と組合せて使用される。

拡散皮膜の全体厚さは、変えることができるが、典型的には約０．００４５インチ（４．５ｍｉｌ）より大きくなく、より典型的には約０．００２〜０．００３インチ（２〜３ｍｉｌ）とすることができる。基体内へ成長する拡散層の厚さは、典型的には約０．０００５〜０．００１５インチ（０．５〜１．５ｍｉｌ）、より典型的には約０．００１インチ（１ｍｉｌ）とすることができ、他方、外側の付加層は、その残部厚さを含み、通常は約０．００１〜０．００２インチ（１〜２ｍｉｌ）とすることができる。例えば、新しく製作した部品は、厚さが約０．００１２インチ（１．２ｍｉｌ）の付加層と厚さが約０．００１２インチ（１．２ｍｉｌ）の拡散域とを含む厚さが約０．００２４インチ（約２．４ｍｉｌ）の拡散ボンディングコート２０を有することができる。

ボンディングコート２０を備えたブレード１０の重量は、ｗ_０として表すことができる。次に、セラミック断熱皮膜２２を、ボンディングコート２０上に施工することができる。セラミック断熱皮膜２２は、完全に又は部分的に安定化されたイットリア安定化ジルコニア又はこれに類するもの、及び当技術分野において公知のその他の低熱伝導性酸化物被覆材料を含むことができる。適当なセラミックの例としては、他の公知のセラミック断熱皮膜の中でも特に約７〜８重量パーセントのイットリアで安定化された約９２〜９３重量パーセントのジルコニアが含まれる。セラミック断熱皮膜２２は、任意の適当な手段で施工することができる。１つの好ましい付着方法は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法であるが、燃焼器用途にはプラズマ溶射法も使用できる。適当なＥＢ−ＰＶＤ法で施工されたセラミック断熱皮膜の密度は、４．７ｇ／ｃｍ^３とすることができ、適当なセラミック断熱皮膜のより具体的な例が、その幾つかを挙げると米国特許第４０５５７０５号、特公昭５６−０３９３８９号、特公昭５９−０５０７５２号、米国特許第５２１６８０８号及び特開平０５−１９５１８８号に記載されている。セラミック断熱皮膜２２は、約０．００３インチ（３ｍｉｌ）〜約０．０１０インチ（１０ｍｉｌ）の間の厚さ（ｔ）を有し、より典型的には、エンジンでの実使用前に約０．００５インチ（５ｍｉｌ）程度の厚さを有する。設計及び製造において、部品の周りの皮膜厚さは意図的に変えることができるので、上記の皮膜厚さは公称厚さと考えるべきである。ボンディングコート２０及びセラミック断熱皮膜２２を含むブレード１０の重量は、ｗ_１として表すことができる。

従って、設計で意図した空気力学的寸法に適合する上記の被覆部品は、実使用に供した場合、長期間にわたり高温に曝される。この曝露の間に、ボンディングコート２０は、基体合金との間での相互拡散によって成長することになる。相互拡散の程度は、拡散組合せ（例えば、被膜Ａｌレベル、皮膜厚さ、基体合金の組成（Ｎｉ基又はＣｏ基））と曝露温度及び時間とに応じて決まることになる。

本発明の補修法の態様によると、エンジンでの実使用から取外された上記の被覆ブレード１０は、先ず検査されて部品のついての磨耗量、特に外側セラミック断熱皮膜２２のあらゆる剥離に関して判定される。検査は、とりわけ目視検査及び蛍光探傷検査を含む当技術分野において公知の任意の方法で行うことができる。必要に応じて、先端部を従来の方式で補修して部品寸法を復元させることができる。

次に、必要な場合には、外側セラミック断熱皮膜２２は、化学的ストリッピング法及び／又は機械的方法を含む当技術分野において公知の手段によってブレード１０から除去することができる。例えば、セラミック断熱皮膜２２は、苛性オートクレーブ法及び／又はグリットブラスティング法を用いた公知の方法で除去することができる。セラミック断熱皮膜２２はさらに、特に米国特許第６５４４３４６号に記載された方法によっても除去することができる。本明細書で引用した全ての特許及び出願は、参考文献として組み入れられる。

セラミック断熱皮膜２２を除去した後に、上述したようにクリーニング処理を使用して残留物を取除くことができる。次に、ブレード１０は、目盛又は天秤はかりのような従来の装置を使用して重量測定することができ、その重量をｗ_２として表す。この段階で、例えばＦＰＩ法又はその他の非破壊検査法によってブレード１０を検査して、その一体性をさらに判定することもできる。

次に、当技術分野において公知の方法を使用して、下層のボンディングコート２０をブレード１０から除去することができる。しかしながら、上記のボンディングコート２０の除去に先立って、必要に応じて、従来のマスキング法を使用してブレード１０の内部形状をマスキングし、任意の内部皮膜が除去されないように保護することができる。例えば、ボンディングコート除去段階において使用する化学薬品及び温度に耐えることのできる耐熱ワックスを、ブレード１０の内部内に注入することができる。

所望のマスキングを全て行った後に、研磨剤使用のような機械的処理又は典型的には硝酸及び硫酸の混合液のような酸性水溶液などによる化学的処理を使用して、下層のボンディングコート２０を除去又はストリッピングする（剥がす）ことができる。アルミニウムを基材とした金属皮膜の場合、物品を化学的エッチング水溶液に浸漬してエッチング液との反応によって皮膜を溶解する化学的エッチング法を使用することができる。これによって除去処理中に、約１〜３ｍｉｌの下層の相互拡散ベース金属基体を除去することができ、その結果、翼形部壁厚さが減少することになる。典型的には約１〜２ｍｉｌ（０．００１〜０．００２インチ）のボンディングコート２０の付加層をさらに、除去することができる。

セラミック断熱皮膜２２及び下層のボンディングコート２０を完全に皮膜除去した後に、使用した全てのマスキング材も除去することができる。その他の方法の中でも特に真空炉又は空気炉内での高温曝露を使用することができる。従来の方式で部品を洗浄して残留物を取除くことができる。例えば、その他の洗浄技術の中でも特に水フラッシングを使用することができる。次に、以前に施工された断熱皮膜システム１８を今は除去したブレード１０を、再び重量測定することができる。この新たな重量を、ｗ_３として表す。従って、ｗ_３はｗ_２よりも小さいことになる。従って、差ｗ_２−ｗ_３は、除去したボンディングコート２０の重量にボンディングコート２０のストリッピグ中に除去された下にある基体の重量を加算したものを表す。

さらに、必要に応じて、先端部の寸法の補修及び再成形などの下にある基体のあらゆる欠陥を補修するために、溶接／ＥＤＭ（放電加工）及びその他の処理を行うことができる。

次に、新しいボンディングコート２１を、ブレード１０に施工することができる。ボンディングコート２０をＮｉＡｌオーバレイコート２１と置き換えた場合には、断熱皮膜システムのさらに改善した性能が実現できる利点があることを、本出願人は確認した。ボンディングコート２１は、β−ＮｉＡｌと、それに限定されないが、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、及び場合によっては任意選択的にＣｒを含む反応性元素とを基材としたＮｉＡｌＣｒＺｒオーバレイ組成を含むことができる。例えば、ボンディングコート２１は、主としてβ−ＮｉＡｌ相となるように約３０〜５０原子パーセントのアルミニウムを含有することができる。ボンディングコート２１のためのその他の適当な皮膜には、本出願と同一出願人の米国特許第６２５５００１号、第６１５３３１３号、第６２９１０８４号、第６６８２８２７号、第６６２０５２４号及び米国特許出願第１０／２４９５６４号に記載されたような皮膜が含まれる。

ボンディングコート２１は、伝統的な拡散アルミナイド又はＭＣｒＡｌＹ皮膜ではなく、それに代えて本質的にニッケルとアルミニウムとから成るＮｉＡｌ合金であるのが有利であり、また非常に限られた量のジルコニウムを含有することが、断熱皮膜システムの有効寿命を劇的に増大させるということが期せずして見出された。例えば、少なくとも０．２原子パーセントのジルコニウム（例えば、０．２〜約０．５原子パーセントのジルコニウム）の添加は、断熱皮膜システムの寿命を著しく改善することを示した。従って、ボンディングコート２１は、米国特許第６２５５００１号に記載されているように、ジルコニウムを含有するがそれとは別に主としてβ−ＮｉＡｌ相であるニッケルアルミナイドボンディングコートとすることができる。

同様に、ボンディングコート２１は、限られた量のジルコニウム及びクロムを合金添加物とした主としてβ−ＮｉＡｌ相とすることができる。例えば、ボンディングコート２１はさらに、米国特許第６２９１０８４号に記載されているように、該ボンディングコート上に付着した断熱皮膜（ＴＢＣ）の耐剥離性を改善するために約２〜１５原子パーセントのクロムと約０．１〜１．２原子パーセントのジルコニウムとを含有することができる。ボンディングコート２１はさらに、クリープ強度を増大させることを意図した合金添加物を含有することができ、また任意選択的に耐破断性を増大させまた耐酸化性を増進させるための合金添加物を含有することもできる。例えば、ボンディングコート２１は、米国特許第６１５３３１３号に記載されているように、クロム、チタン、タンタル、シリコン、ハフニウム及びガリウムなどの添加物を含むことができ、また任意選択的にカルシウム、ジルコニウム、イットリウム及び／又は鉄などの添加物を含有することもできる。

ボンディングコート２１は、例えばマグネトロンスパッタ物理蒸着又は電子ビーム物理蒸着のようなＰＶＤ（物理蒸着）法を使用することによって施工することができる。しかしながら、その他の蒸着法も使用できる。また、ボンディングコート２１は、任意の適当な厚さに施工することができる。例えば、ボンディングコート２１の適切な厚さは、約０．４ｍｉｌ（０．０００４インチ）〜約５ｍｉｌ（０．００５インチ）の間であり、典型的には約１ｍｉｌ（０．００１インチ）〜約２ｍｉｌ（０．００２インチ）の間の厚さに施工することができる。ボンディングコート２１はまた、約１．２ｍｉｌ（０．００１２インチ）の付加層を有する前に除去した拡散ボンディングコート２０よりも厚い、典型的には約１．５〜２ｍｉｌ（０．００１５〜０．００２インチ）のような厚さの付加層を有することができる。

ボンディングコート２１は、ベース金属基体内へのボンディングコート成分の拡散を最小化するような方法で蒸着することができる。例えば、５μｍよりも厚くない拡散域が、ＰＶＤ法によって達成できる。ボンディングコート２１と基体との間のこの低レベルの相互作用により、本質的に純粋な酸化アルミニウムの初期層が形成されるのを増進し、実使用中において保護酸化アルミニウム層が成長するのを遅らせることが増進され、かつ基体成分の大量の非付着性酸化物が形成されるのを減少させる。基体内へのボンディングコート２１の拡散を制限することにより、皮膜システムのボンド層及びセラミック層の両方を除去して基体上に新たなボンディングコート及びセラミック層を蒸着できるようにする時に、断熱皮膜システムの改修中に除去される基体材料を最少にすることができる。

ＮｉＡｌオーバレイボンディングコート２１は、より高いＴＢＣ剥離寿命及びより低い皮膜成長を有する幾つかのＭＣｒＡｌＹ又はＰｔＡｌ系皮膜よりも優れていることを、本出願人はテストによって確認した。さらに、本出願人のＮｉＡｌオーバレイボンディングコート２１は、約７．９ｇ／ｃｍ^３の密度を有する幾つかのＰｔＡｌ拡散皮膜よりも低い約６．１ｇ／ｃｍ^３の密度を有することができる。従って、より高密度のボンディングコート２０を除去してより低密度のＮｉＡｌオーバレイボンディングコート２１と置き換えた場合、本発明の実施形態では、重量を増加させずに、特性をさらに改善することができる。

ＮｉＡｌオーバレイボンディングコート２１を施工した後に、ブレード１０を再び重量測定して、残部の重量マージンを求めることができる。新たに施工したボンディングコート２１を有する部品の重量は、ｗ_４として表すことができる。ボンディングコート２１は、施工処理中及びエンジン作動時の曝露中における拡散皮膜の成長が、典型的な拡散皮膜よりも著しく少ないという利点がある。従って、その後の補修では、ベース金属喪失がより少なくなることになる。

残部の重量／厚さマージンを使用して、セラミック断熱皮膜２２を施工して重量を増加させずに翼形部寸法を復元するのに必要な厚さを求めることができる。１つの実施形態では、元のベース金属厚さの測定値を使用することができる。この厚さは、あらゆる皮膜の施工に先立って、当技術分野において公知の技術を使用して物理的に測定することができる。例えば、特に超音波、Ｘ線分析及びＣＡＴ装置のような非破壊検査手段を使用することができる。元のベース金属厚さはまた、その部品の設計仕様からも知ることができる。同様にして、ボンディングコートを除去した後のベース金属の厚さを測定することができる。ボンディングコート除去の結果生じたベース金属喪失厚さΔｔは、その部品の元のベース金属厚さをボンディングコートを除去した後のベース金属の測定厚さと比較することによって求めることができる。測定厚さの差は、Δｔを表している。

同様に、ボンディングコートを剥がした後に、その部品の外部寸法を、座標測定器（ＣＭＭ）又は光ゲージを使用して測定することができる。エンジン内で曝された部品からの３次元情報は、元の設計意図と比較することができる。寸法における平均差は、Δｔとして使用できる。

別の実施形態では、重量測定値ｗ_０、ｗ_１、ｗ_２、ｗ_３、ｗ_４の組合せを使用して、除去したベース金属の量を求めることができる。例えば、ｗ_２−ｗ_３を使用して、除去したベース金属の重量を求めることができる。重量差ｗ_２−ｗ_３は、例えば厚さｘ_ａｄｄを有する以前の施工した拡散皮膜付加層の予想重量を差し引くことによって補正することができる。厚さｘ_ａｄｄが既知でない場合には、この値は、約１．２ｍｉｌであると近似させることができる。この層の密度（ρ）は、単純アルミナイドの場合は約６．１ｇ／ｃｍ^３、或いはＰｔＡｌ付加層の場合は約７．９ｇ／ｃｍ^３とすることができる。除去した付加層の重量は、ｗ_ａｄｄ＝（ｘ_ａｄｄ）（ａｒｅａ）（ρ）によって計算することができ、ここで、ａｒｅａは、付加層を剥がした部品の表面積である。次に、ｗ_ａｄｄをｗ_２−ｗ_３（又はｗ_２−ｗ_３−ｗ_ａｄｄ）から差し引いて、除去したニッケル基超合金の重量を得ることができる。除去した超合金の厚さは、様々な既知の値を使用して Δｔ＝（ｗ_２−ｗ_３−ｗ_ａｄｄ）／（ａｒｅａ ｘ ρ_{ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ}）によって求めることができる。

除去したベース金属材料の密度（ρ_{ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ}）は、使用されている特定の合金に応じて変わる。しかしながら、超合金の密度は、典型的にはセラミック層の密度よりも大きいことになる。従って、質量変化は、剥がしたボンディングコートの面積及びベース金属の密度と相関させることができる。従って、ベース金属喪失厚さΔｔは、既知の値であるベース金属密度及び剥がした面積に関連している。厚さΔｔは、Δｔ＝（除去した重量）／（面積×密度）によって求めることができる。

厚さΔｔが求められると、このベース金属喪失厚さΔｔは元のセラミック断熱皮膜厚さｔに加算され、ここで、Δｔはさらに、上に述べたボンディングコート除去／ストリッピング処理の結果生じた基体のベース金属喪失を補償するために加えられるセラミックの付加厚さを表す。例えば、Δｔの値は、約１ｍｉｌ（０．００１インチ）〜約３ｍｉｌ（０．００３インチ）の間とすることができ、より典型的には少なくとも約２ｍｉｌ（０．００２インチ）とすることができる。

以前のボンディングコート２０の厚さと新たなボンディングコート２１との厚さの差Δｘもまた、求めることができる。この差Δｘは、例えばｘ_ＮｉＡｌの実際の値とｘ_ａｄｄの既知の値とを知り、それらの間の差（例えば、Δｘ＝ｘ_ＮｉＡｌ―ｘ_ａｄｄ）を求めることによって求めることができる。ｘ_ａｄｄが既知でない場合には、ｘ_ａｄｄは、約１．２ｍｉｌであると近似させることができる。次に、セラミック断熱皮膜２２は、新たに定めた公称厚さｔ−Δｔ−Δｘで施工することができる。例えば、ｘ_ＮｉＡｌ＞ｘ_ａｄｄである場合には、好ましいＴＢＣ厚さは、ｔ＋Δｔよりも小さくなり、ｘ_ＮｉＡｌ＜ｘ_ａｄｄである場合には、意図する最終ＴＢＣ厚さは、ｔ＋Δｔよりも大きくなることになる。

本発明の１つの実施形態によると、例えば、より高密度のＰｔＡｌ拡散ボンディングコート２０の約１ｍｉｌ（０．００１インチ）の厚さと下にあるニッケル基合金（８．６４ｇ／ｃｍ^３）の約３ｍｉｌ（０．０３インチ）の厚さとを、補修処理中に除去することができる。約１〜２ｍｉｌ（０．００１〜０．００２インチ）の厚さを有するＮｉＡｌオーバレイボンディングコート２１は、重量を増加させずにしかも被覆した空気力学的寸法を復元するように、約２〜３ｍｉｌ（０．００２〜０．００３インチ）の付加的なセラミック断熱皮膜２２又はその他の適当なセラミック材料に加えて施工することができる。

皮膜２２又はその他の適当なセラミック断熱皮膜は、従来の方法を用いて新たに定めた厚さに施工することができ、その新たな厚さを達成するための被覆処理／時間を調整する方法は当業者には分かるであろう。例えば、新たに目標とする部品の重量利得は、回帰曲線を使用した新たな厚さに基づいて確定することができる。ＴＢＣ施工作業員は、指定された方式で被覆処理作業時間を延ばすことによって、新たな重量利得を達成することができる。回帰曲線を確定するためには、例えば多数の部品をセラミック断熱皮膜で被覆しかつ様々な皮膜厚さにおいて重量測定を行って、特定の最終重量利得に対しては、特定のセラミック断熱皮膜厚さを施工する必要があることになるということを定めることができる。このようにして、或る特定の所定断熱皮膜厚さが望ましい場合には、目標とする重量利得まで皮膜を施工することができる。被覆処理時間は、所望の重量利得を達成するように調整することができる。

再被覆したブレードを重量測定することができ、この重量は、ｗ_５として表すことができる。付加したセラミックは除去したベース金属の密度よりも低い密度を有するので、このｗ_５は、ｗ_１よりも小さいことになる。オーバレイボンディングコート２１を使用して新たに被覆したこの部品は、図３に記載した処理例に概略的に示すように、その部品の元の空気力学的意図を満たすような復元寸法を有し、かつ重量は増加していない利点がある。

本出願人は、先行技術による補修法の教示と比べてエンジン性能を高める利点がある方法を確定した。具体的には、本出願人は、例えば上記の重量測定値を外側セラミック断熱皮膜２２の重量測定値と相関させて外側セラミック材料の施工における新たな有効厚さを決定することによって、エンジン性能を高める方法を確定した。この方法は、驚異的であり、また先行技術と好対照を成している。

上に述べた方法はまた、部品を１回以上補修しかつ改修するために適用することができる。この場合には、注意して測定を行い、残部のベース金属の厚さがあらゆる最小厚さの設計要件を満たすことを保証するように配慮すべきである。

本明細書では様々な実施形態を説明しているが、当業者はその実施形態における要素の様々な組合せ、変更又は改良を行うことができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

高圧タービンブレードの斜視図。 ブレード上の断熱皮膜システムを示す、図１の線２−２に沿ったブレードの局所断面図。 本発明の方法の実施形態を示すフロー図。

符号の説明

１０ 高圧タービンブレード
１２ 翼形部
１４ ダブテール
１６ プラットフォーム
１８ 断熱皮膜システム
２０ ボンディングコート
２２ セラミック断熱皮膜

Claims (9)

1. エンジン作動に曝されてきた被覆部品を、該部品の被覆外形寸法を復元しかつその後のエンジン作動効率を増大させるように補修する方法であって、
   （ａ）その上に断熱皮膜システムを有するベース金属基体を含み、前記断熱皮膜システムが、前記ベース金属基体上のボンディングコート（２０）と公称厚さｔを有する上層セラミック断熱皮膜（２２）とを含む、エンジン運転使用済み部品を準備する段階と、
   （ｂ）前記ベース金属基体の一部分も除去するように前記断熱皮膜システムを除去し、かつ前記除去したベース金属基体の厚さを測定して、該除去したベース金属基体の一部分の厚さΔｔを求める段階と、
   （ｃ）前記基体にβ相ＮｉＡｌオーバレイコート（２１）を施工し、かつ前記β相ＮｉＡｌオーバレイコート（２１）と前に除去したボンディングコート（２０）との間の厚さの差Δｘを求める段階と、
   （ｄ）Δｔが前記段階（ｂ）において除去したベース金属基体の部分を補償しかつ被覆部品の寸法がほぼエンジン運転使用前の被覆外形寸法に復元されてその後のエンジン作動効率を増大させるように、上層セラミック断熱皮膜（２２）を公称厚さｔ＋Δｔ−Δｘまで再施工する段階と、
   を含む方法。
2. エンジン作動に曝されてきた被覆高圧タービンブレード（１０）を、該ブレード（１０）の翼形部（１２）外形寸法を復元するように補修する方法であって、
   （ａ）その上に断熱皮膜システムを有するニッケル基合金で作られたベース金属基体を含み、前記断熱皮膜システムが、前記ベース金属基体上の拡散ボンディングコート（２０）と公称厚さｔを有するイットリア安定化ジルコニア材料を含む上層セラミック断熱皮膜（２２）とを含む、エンジン運転使用済み高圧タービンブレード（１０）を準備する段階と、
   （ｂ）前記ベース金属基体の一部分も除去するように前記断熱皮膜システムを除去し、かつ前記除去したベース金属基体の厚さを測定して、該除去したベース金属基体の一部分の厚さΔｔを求める段階と、
   （ｃ）前記基体にβ相ＮｉＡｌオーバレイコート（２１）を施工し、かつ前記β相ＮｉＡｌオーバレイコート（２１）と前に除去したボンディングコートとの間の厚さの差Δｘを求める段階と、
   （ｄ）Δｔが前記段階（ｂ）において除去したベース金属基体の部分を補償しかつ前記被覆ブレード（１０）の被覆翼形部（１２）外形寸法がほぼエンジン運転使用前の被覆外形寸法に復元されるように、上層セラミック断熱皮膜（２２）を公称厚さｔ＋Δｔ−Δｘまで再施工する段階と、
   を含む方法。
3. エンジン作動に曝されてきた被覆部品を、該部品の被服翼形部（１２）外形寸法を復元するように補修する方法であって、
   （ａ）その上に断熱皮膜システムを有するニッケル基合金で作られたベース金属基体を含み、前記断熱皮膜システムが、前記ベース金属基体上の拡散ボンディングコート（２０）と公称厚さｔを有するイットリア安定化ジルコニア材料を含む上層セラミック断熱皮膜（２２）とを含む、エンジン運転使用済み部品を準備する段階と、
   （ｂ）前記部品を検査する段階と、
   （ｃ）前記ベース金属基体の一部分も除去するようにストリッピング法により前記断熱皮膜システムを除去し、前記除去したベース金属基体の部分が厚さΔｔを有するようにする段階と、
   （ｄ）前記基体にβ相ＮｉＡｌオーバレイコート（２１）を施工し、かつ前記β相ＮｉＡｌオーバレイコート（２１）と前に除去したボンディングコート（２０）との間の厚さの差Δｘを求める段階と、前記部品を重量測定してΔｔを計算する段階と、
   （ｅ）Δｔが前記段階（ｃ）において除去したベース金属基体の部分を補償しかつ前記被覆部品の翼形部（１２）外形寸法がほぼエンジン運転使用前の被覆外形寸法に復元されるように、上層セラミック断熱皮膜（２２）を公称厚さｔ＋Δｔ−Δｘまで再施工する段階と、
   を含む方法。
4. 前記エンジン運転使用済み部品が高圧タービンブレードであり、前記被覆部品の被覆翼形部（１２）外形寸法が復元される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
5. 前記段階（ｃ）の後に部品の重量を測定しかつ前記段階（ｄ）において施工すべきΔｔを計算する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
6. ｔが約０．０７６２ｍｍ〜約０．２５４ｍｍ（３ｍｉｌ〜１０ｍｉｌ）の間であり、Δｔが少なくとも約０．０１２７ｍｍ（０．５ｍｉｌ）である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記段階（ａ）のボンディングコート（２０）が、拡散アルミナイド皮膜又はＭＣｒＡｌＹ皮膜を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ボンディングコート（２０）が、少なくとも約０．２原子パーセントのジルコニウムを有するＮｉＡｌコート（２１）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記βＮｉＡｌオーバレイコート（２１）が、約２〜１５原子パーセントのクロムと約０．１〜１．２原子パーセントのジルコニウムとを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。

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