JP2007138934A - コーティング基体形成方法およびストリッピング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＣｒＡｌＹコーティングなどのコーティングをもつニッケル基耐熱合金基体の形成方法と、この基体からコーティングを除去する方法を提供する。
【解決手段】 ニッケル基耐熱合金基体からなるタービンエンジン部品のＭＣｒＡｌＹコーティングを除去するストリッピング方法を提供する。基体を所定量の硫酸と塩酸の混合物を含む酸性水溶液中に浸漬することにより、基体からＭＣｒＡｌＹコーティングが除去される。本発明の方法により、ストリッピング時に高体積率のアルミニウム濃縮共晶相を含む合金部品が孔食などの化学的作用を受けることなくコーティングが効果的に除去される。
【選択図】なし

Description

本発明はニッケル基耐熱合金より形成された基体からコーティングを取り除く工程に関し、ニッケル基耐熱合金の処理工程に関する。

タービンエンジンコンポーネントに用いられる鋳造ニッケル基耐熱合金は通常約８〜１２％のアルミニウムを含むＭＣｒＡｌＹタイプのオーバーレイコーティングでコーティングされる。これらのコーティングは適用されるコンポーネントの耐用期間を延長させる。ある種のニッケル基耐熱合金は高い体積率のγ／γ´共晶相を含み、この共晶相はアルミニウムが高度に濃縮され、周囲の微小構造と比較して相対的に大きい（直径で約５〜１０ｍｉｌに達する）。このような合金の溶体化熱処理ではこれらの相を十分に排除できない。

製造中の手直しやアフターマーケットの修理時には、コーティングは鉱酸を用いて除去される。ＭＣｒＡｌＹタイプのコーティングの除去には通常７０〜１００％（体積％）の塩酸が用いられ、これは比較的高濃度のアルミニウムを含むコーティング内のアルミニウムを優先的に浸出させるが、はるかに低い濃度のアルミニウムを含むベース合金には化学作用を及ぼさない。多くのコーティングやベース合金系においては、用いられる鉱酸はベース合金に重大な化学的侵食すなわち腐食を及ぼすことなく優先的にコーティングに作用する。結果として部品に損傷を及ぼすことなくコーティングが除去される。しかしながら、高体積率のγ／γ´共晶相をもつ合金では、低体積率のγ／γ´共晶相をもつ同様の合金に比べ、より多くのベース合金孔食型の化学作用を示した。これは一つには表面結合した大きなアルミニウム濃縮共晶相を塩酸が選択的に攻撃するためである。したがって、ベース合金への化学作用を最小限に抑えつつ高体積率のγ／γ´共晶相をもつこれらの合金からＭＣｒＡｌＹタイプのコーティングを除去するコーティング除去処理の必要性が存在する。

本発明により、高体積率のγ／γ´共晶相を含む合金に、本発明の改良された化学的ストリッピング処理を行うことにより、孔食作用を低減させながらこれらの合金からＭＣｒＡｌＹコーティングを除去することが可能であることが確認された。

本発明により、幅広い種類のタービンエンジンコンポーネントからＭＣｒＡｌＹコーティングを除去するように用いることができる化学的ストリッピング処理が提供される。

本発明により、コーティングされた基体を形成する方法が、概ね、ニッケル合金基体の提供と、このニッケル合金基体へのクロムコーティングの堆積と、このクロムコーティングから前記基体の外側領域へのクロムの拡散と、前記被覆されたクロムコーティングをもつニッケル合金エーロフォイルやルート部下のプラットフォーム基体へのＭＣｒＡｌＹコーティングの適用と、を備えてなる。

本発明により、基体からコーティングを除去するストリッピング方法が、概ね、外側領域内に拡散したクロムと、このクロムが拡散した基体上に被覆されたＭＣｒＡｌＹコーティングと、を有するニッケル合金基体を提供するステップと、前記ニッケル合金基体を硫酸と塩酸の水溶混合物を含む酸性溶液中に浸漬することにより前記ＭＣｒＡｌＹコーティングを除去するステップと、を備えてなる。

本発明はニッケル基耐熱合金より形成された基体からコーティングを取り除くストリッピング処理に関し、ＭＣｒＡｌＹコーティングなどのコーティングの除去を改善するニッケル基耐熱合金の処理工程に関する。

本発明では、アルミニウムが高度に濃縮された、相対的に大きく（直径で約５〜１０ｍｉｌに達する）、高い体積率のγ／γ´共晶相をもつニッケル基耐熱合金から形成されたタービンエンジンコンポーネントが、コーティング面に被覆されたクロマイジングコーティングをもつ。クロマイジングコーティングは被覆される各々の表面上に堆積されたクロムの層を備える。クロム層の堆積には、例えば、約０．５ｍｉｌ未満の蒸着厚をもつ化学蒸着法（限定しない）などの、周知のあらゆる適切な処理が用いられうる。クロマイジングコーティング処理はタービンエンジンコンポーネントの製造中に適用される。さらに、クロマイジングコーティングはコンポーネントの補修や修理中に再適用される。

クロマイジングコーティングの適用に用いられる化学蒸着処理はガス法（非接触）によるもしくは粉末法による拡散浸透処理のいずれでもよい。クロマイジングコーティングは、基体を形成するニッケル基耐熱合金の耐食性を向上させるように適用される。本発明のクロマイジングコーティング処理を用いることにより、表面から０．２〜１．５ｍｉｌの深さ、好ましくは０．２〜０．８ｍｉｌの範囲で５〜１０％（重量％）のベース合金のクロム量が、１５〜３０％に増加する。クロマイジングコーティングは広い範囲の温度で被覆され、好ましくはおよそ１７００〜２１５０°Ｆである。

本発明では、クロマイジングコーティングは主にγニッケルとともに溶解したクロムからなる。γ´相は、基体を形成する合金からコーティングの原料物質へとアルミニウムを部分的に移動させることにより除去されるか、もしくは元々の境界面のすぐ下における内部酸化により固定されるが、この内部酸化はクロム‐酸化クロム系によって維持される酸素電位による。クロマイジングコーティングは高レベルアルミナイド処理（ｈｉｇｈ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｌｕｍｉｎｉｄｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）とほぼ同じ方法により形成される。クロマイジング反応における主な組成は、ＣｒＸ₂、ＣｒＸ₃、ＨＸおよびＨ₂で、Ｘはアクチベータとして用いられるハロゲン化物を表す。アクチベータとして用いられるハロゲン化物は塩化物、フッ化物、ヨウ化物および臭化物よりなるグループから選択される。クロマイジング処理には塩化アンモニウムの形をとった塩化物の活性化が用いられうる。

ガス法を用いることにより、クロムは合金面へと運ばれて堆積し、加えられた熱によりその後内側へ拡散される。化学反応の主反応に加え、水素還元反応による副次的な貢献もある。元々の境界面の上には付加的なコーティングはほとんどない。特に低温で被覆されるときには、少量のアルファクロムが表面に蓄積される。この層は通常厚さがわずか５ミクロンである。これは合金内へのクロム拡散が気体の蒸着に対応できないときに起こり、コーティングサイクルの完了時にコーティング系が冷却されるに従い堆積されうる。

クロマイジングコーティングを被覆する好ましい実施例では、純クロム源が使用される。この供給源はクロム顆粒もしくはクロム粉末である。粉末は、例えば酸化アルミニウムのような不活性物質と混合するか、もしくは圧力を加え固めて団鉱にするかのいずれでもよい。供給源は、例えば塩化アンモニウムなどの、通常２０ｇ未満の、少量のアクチベータと組み合わせられるが、ある程度はコーティング容器のサイズによる。コーティングされるタービンエンジンコンポーネントは、洗浄（脱脂もしくはバーンアウト）と、２２０メッシュの酸化アルミニウムのグリットブラストと、により準備される。通常、原料物質やアクチベータはコーティング容器の底部に置かれ、タービンエンジンコンポーネントは原料の上部に固定される。コーティング容器は蓋が閉められるが、密閉する必要はない。その後コーティング容器が密閉レトルト内に置かれ、アルゴン、もしくは場合によっては水素のガスカバーガス条件下に置かれる。水素はコーティング処理自体の水素還元反応に貢献するためこの処理に有益な効果を及ぼすことができる。窒素は原料物質のみならずコーティングに窒化作用を及ぼすため多くの場合回避される。レトルトは前記の範囲の温度に加熱される。温度は５〜２０時間の間、維持される。必要であれば、被覆されにくい合金が所望の被覆厚さやクロム含有量を得るように２回以上のコーティングサイクルが用いられうる。クロマイジング処理の完了後、タービンエンジンコンポーネントがコーティング容器から取り出されて、冷却時に部品に凝結されうるあらゆる微粒子や塩酸のような残留コーティング副生成物を除去するように水洗浄される。

望ましくは、クロマイジングコーティングのクロム量はできるだけ高い割合に維持され、特に、２０％（重量％）を上回る割合に維持される。最も好ましくは、基体の外側領域のクロム量は２０〜３０％の範囲に維持される。高いクロム含有量の維持は、運転時のルート部における高温腐食作用をコーティングが防ぐことを確実にし、コーティングの除去時にベース合金の孔食に対する効果的なバリアとしての役割を果たすために重要である。

クロマイジングコーティングが被覆された後、約８〜１５％（重量％）のアルミニウムを含有するＭＣｒＡｌＹコーティングなどのコーティングが、クロマイジングコーティング層の上に被覆される。例えばタービンエンジンコンポーネントにおけるエーロフォイル部品を被覆する低圧プラズマ溶射法もしくは陰極アーク法や、タービンエンジンコンポーネントにおけるルート部下のプラットフォーム部品を被覆する陰極アークコーティング法といった、あらゆる適切な公知技術を用いることによりコーティングが適用される。クロマイジングコーティング上にコーティングが施された後、第２の拡散加熱処理が行われる。第２の拡散加熱処理は約１９５０〜２０００°Ｆの温度で約１〜５時間行われる。熱処理は、クロム量を減少させないように望ましくは不活性ガス雰囲気中で行われ、例えば少なくとも約１０００μの分圧、望ましくは約１０００〜５０００μの分圧のアルゴン雰囲気中で行われる。

クロマイジングコーティングを適用し、基体の外側領域にクロムを拡散させて、この領域のクロム量を２０％（重量％）を上回る割合に維持することにより、ＭＣｒＡｌＹコーティングなどのコーティングを基体に損傷を及ぼすことなく除去することが可能であることが判明した。

クロムコーティングが被覆されているニッケル合金の基体からＭＣｒＡｌＹコーティングを除去するため、硫酸と塩酸の水溶混合物から構成される酸性水溶液中にＭＣｒＡｌＹコーティングの基体を浸漬してもよい。浸漬ステップは、ストリッピング溶液の硫酸‐塩酸水溶混合物を約１２０〜１８０°Ｆの温度に維持し、基体をストリッピング溶液に約１時間未満の時間、浸漬するステップを備える。望ましくは、クロマイジングコーティングのクロム量はできるだけ高い割合に維持され、特に、２０％（重量％）を上回る割合に維持される。最も望ましくは、基体の外側領域のクロム量は２０〜３０％の範囲に維持される。高いクロム含有量の維持は、運転時におけるルート部の高温腐食酸化作用をコーティングが防ぐことを確実にし、コーティングのストリッピング時にベース合金の孔食に対する効果的なバリアとしての役割を果たすために重要である。好ましい実施例では、ストリッピング溶液は約２０〜３０％（体積％）の硫酸と、約３．０〜８．０％（体積％）の塩酸を含む。最も好ましい実施例では、ストリッピング溶液は約２３〜２７％（体積％）の硫酸と、約４．０〜６．０％（体積％）の塩酸を含む。

本発明のストリッピング溶液を用いることにより孔食といったベース合金への破壊作用の割合の減少が見られる。基体を形成するベース合金の製造時のクロム富化により化学的ストリッピング中の腐食から基体合金が保護される。これはベース合金におけるクロム富化やコーティングの低アルミニウム含有量により塩酸もしくは硫酸／塩酸混合物に対する抵抗性が著しく向上されるためである。さらに、クロマイジングコーティングは表面結合したアルミニウム共晶相とストリッピング溶液との間に効果的なバリアを提供する。

図を参照すると、従来技術の塩酸水溶液でコーティングを除去したエーロフォイル部品の後縁（図の左側）と、本発明の硫酸‐塩酸水溶液でコーティングを除去したエーロフォイル部品の前縁（図の右側）とを横に並べた比較を示す。明らかなように、従来技術の水溶液によってストリッピングされた後縁にははるかに多くの孔が存在する。図２は同様の結果を示し、左側は従来技術の水溶液により除去されたルート部セレーション部の後縁部であり、右側は本発明の水溶液により除去されたルート部セレーション部の前縁部である。

図３Ａは従来技術のストリッピング溶液に１時間浸漬することによりコーティングを除去したニッケル基耐熱合金から形成されたタービンブレードを示す。図３Ｂはクロマイジングコーティングが適用され、引き続きＭＣｒＡｌＹコーティングが適用されて、１９７５°Ｆで４時間、減圧内で拡散熱処理された同じタービンブレードを示す。その後、本発明のストリッピング溶液を用いてコーティングが除去された。ＭＣｒＡｌＹコーティングのブレードはストリッピング溶液に１時間浸漬された。図に見られるように本発明により処理されたブレードには孔食がはるかに少なくなっている。

従来技術のストリッピング溶液でコーティングを除去したタービンエンジンコンポーネントのエーロフォイル部品の後縁と、本発明のストリッピング溶液を用いてコーティングを除去したタービンエンジンコンポーネントの前縁部分とを横に並べた比較の図面代用写真。 従来技術のストリッピング溶液で除去されたルート部セレーション部の後縁部分と、本発明のストリッピング溶液で除去されたルート部セレーション部の前縁部分とを横に並べた別の比較の図面代用写真。 従来技術のストリッピング溶液によりコーティングが除去されたタービンブレードの図面代用写真。 本発明のストリッピング溶液によりコーティングが除去されたタービンブレードの図面代用写真。

Claims (29)

1. コーティング基体の形成方法であって、
   ニッケル合金基体を提供するステップと、
   前記ニッケル合金基体にクロムコーティングを堆積させるステップと、
   前記ニッケル合金基体の外側領域内に前記コーティングのクロムを拡散させるステップと、
   前記クロムコーティングが被覆された前記ニッケル合金にＭＣｒＡｌＹコーティングを適用するステップと、
   を備えてなるコーティング基体形成方法。
2. 前記ＭＣｒＡｌＹコーティングの適用ステップ後に、前記基体を約１９５０〜約２０００°Ｆの温度で約１〜５時間加熱する熱処理ステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のコーティング基体形成方法。
3. 前記熱処理ステップが、少なくとも約１０００μの分圧の不活性ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とする請求項２に記載のコーティング基体形成方法。
4. 前記熱処理ステップが、約１０００〜５０００μの分圧のアルゴン雰囲気中で熱処理することを特徴とする請求項２に記載のコーティング基体形成方法。
5. 前記ニッケル合金が外表面をもち、前記拡散ステップが、前記クロムを前記基体内に前記外表面から０．２〜１．５ｍｉｌの深さに拡散させることを特徴とする請求項１に記載のコーティング基体形成方法。
6. 前記ニッケル合金が外表面をもち、前記拡散ステップが、前記クロムを前記基体内に前記外表面から０．２〜０．８ｍｉｌの深さに拡散させることを特徴とする請求項１に記載のコーティング基体形成方法。
7. 前記堆積ステップおよび拡散ステップが、前記クロムを気相成長処理を用いて堆積させることを備えるとともに、このクロム被覆ステップが、クロム源およびアクチベータを提供し、前記基体を前記クロム源および前記アクチベータの上に固定し、この部品と、前記クロム源と、前記アクチベータと、を約１７００〜２１５０°Ｆの温度で約５〜２０時間加熱することを備えてなることを特徴とする請求項１に記載のコーティング基体形成方法。
8. 前記アクチベータ提供ステップが、塩化物、フッ化物、ヨウ化物、もしくは臭化物よりなるグループから選択されたハロゲン化物を含むアクチベータを提供することを特徴とする請求項７に記載のコーティング基体形成方法。
9. 前記アクチベータ提供ステップが、２０ｇ未満の塩化アンモニウムアクチベータを提供することを特徴とする請求項７に記載のコーティング基体形成方法。
10. 前記ＭＣｒＡｌＹコーティング適用ステップ後に前記基体を熱処理することをさらに備えるとともに、前記外側領域の前記クロム量を２０％（重量％）を上回る量に維持することを特徴とする請求項１に記載のコーティング基体形成方法。
11. 前記クロム量維持ステップが、前記クロム量を約２０〜３０％（重量％）の範囲に維持することを特徴とする請求項１０に記載のコーティング基体形成方法。
12. 前記ニッケル合金基体提供ステップが、高体積率のγ／γ´共晶相をもつニッケル合金から形成された基体を提供することを特徴とする請求項１に記載のコーティング基体形成方法。
13. 基体からコーティングを除去するストリッピング方法であって、
    外側領域内に拡散したクロムと、このクロムが拡散した基体上に被覆されたＭＣｒＡｌＹコーティングと、をもつニッケル合金基体を提供するステップと、
    前記ニッケル合金基体を硫酸と塩酸の水溶混合物を含む酸性溶液中に浸漬することにより前記ＭＣｒＡｌＹコーティングを除去するステップと、
    を備えてなるストリッピング方法。
14. 前記浸漬ステップが、浸漬液槽を約１２０〜１８０°Ｆの温度に維持し、前記ストリッピングされるコーティングをもつ基体を前記溶液中に約１時間未満の間浸漬することを特徴とする請求項１３に記載のストリッピング方法。
15. 前記浸漬ステップが、前記基体を、約２０〜３０％（体積％）の硫酸と、約３．０〜８．０％（体積％）の塩酸を含む溶液中に浸漬することを特徴とする請求項１４に記載のストリッピング方法。
16. 前記浸漬ステップが、前記基体を、約２３〜２７％（体積％）の硫酸と、約４．０〜６．０％（体積％）の塩酸を含む溶液中に浸漬することを特徴とする請求項１４に記載のストリッピング方法。
17. タービンエンジンコンポーネントであって、
    クロムが拡散された外側領域をもつニッケル合金基体と、
    前記基体部分を覆うクロマイジングコーティングと、
    前記クロマイジングコーティング上のＭＣｒＡｌＹコーティングと、
    を備えてなるタービンエンジンコンポーネント。
18. 前記基体が、高体積率のγ／γ´共晶相をもつニッケル合金から形成され、前記外側領域の前記クロムが、約２０％（重量％）を上回る割合となることを特徴とする請求項１７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
19. 前記外側領域の前記クロムが、約２０〜３０％（重量％）の割合となることを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジンコンポーネント。
20. 前記クロムが、前記基体内にその外表面から０．２〜１．５ｍｉｌの深さに拡散されることを特徴とする請求項１７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
21. 前記クロムが、前記基体内にその外表面から０．２〜０．８ｍｉｌの深さに拡散されることを特徴とする請求項１７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
22. 前記ＭＣｒＡｌＹコーティングが、約８〜１５％（重量％）のアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
23. 塩酸と硫酸の水溶混合物を備えてなるとともに、ニッケル合金基体からコーティングをストリッピングする溶液。
24. 前記溶液が、約２０〜３０％（体積％）の硫酸と、約３．０〜８．０％（体積％）の塩酸を含むことを特徴とする請求項２３に記載の溶液。
25. 前記溶液が、約２３〜２７％（体積％）の硫酸と、約４．０〜６．０％（体積％）の塩酸を含むことを特徴とする請求項２３に記載の溶液。
26. 基体からコーティングを除去するストリッピング方法であって、
    ＭＣｒＡｌＹコーティングが被覆されたニッケル合金基体を提供するステップと、
    前記ニッケル合金基体を硫酸と塩酸の水溶混合物を含む酸性溶液中に浸漬することにより前記ＭＣｒＡｌＹコーティングを除去するステップと、
    を備えてなるストリッピング方法。
27. 前記浸漬ステップが、浸漬液槽を約１２０〜１８０°Ｆの温度に維持し、前記ストリッピングされるコーティングをもつ基体を前記溶液中に約１時間未満の間浸漬することを特徴とする請求項２６に記載のストリッピング方法。
28. 前記浸漬ステップが、前記基体を約２０〜３０％（体積％）の硫酸と、約３．０〜８．０％（体積％）の塩酸を含む溶液中に浸漬することを特徴とする請求項２６に記載のストリッピング方法。
29. 前記浸漬ステップが、前記基体を約２３〜２７％（体積％）の硫酸と、約４．０〜６．０％（体積％）の塩酸を含む溶液中に浸漬することを特徴とする請求項２６に記載のストリッピング方法。