JP2007224920A - タービンエンジン部品の熱遮蔽被覆の局所修理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】局所剥離を受けた熱遮蔽被服の局所修理に適切な方法を提供すること。
【解決手段】局所剥離を受けたタービン部品（１４）の熱遮蔽被覆システム（１０）を局所的に修理する方法は、剥離領域（２０）を水で局所的に清浄して、剥離領域（２０）から剥離部を除去し、かつ既存の熱遮蔽被覆（１０）に傾斜した外形を形成し、清浄した局所剥離領域（２０）に粉末混合物を局所的に溶射（２４）して、修理した熱遮蔽被覆（２６）を形成することを含む。タービン部品（１４）は、ニッケルベースの超合金、コバルトベースの超合金、および鉄ベースの超合金からなるグループから選択された材料を有する。
【選択図】図１

Description

本開示は、概略的にはタービンエンジン部品に関する。より詳細には、本開示は、局所剥離を受けた熱遮蔽被覆の局所修理に関する。

熱遮蔽被覆システム（ＴＢＣ）は、高温環境にさらされたガスタービンエンジン内の金属部品を保護し、断熱するのに多く使用される。一例として、タービンブレードやタービンエンジンの他の部分は、それらが少なくとも約１０００℃から１１５０℃の動作温度で完全性を維持する必要があることから、ニッケルベースの超合金で形成されることが多い。熱遮蔽被覆システムは、合金そのものと比較して、高温環境での腐食および酸化に対する耐性がより大きくなる。ＴＢＣシステムは、一般的に接着皮膜と通常セラミック材料で形成される上部皮膜層とを有する。

下にある基材が過度の温度に直接さらされると、最終的には部品が機能しなくなり、エンジンの様々な部分に悪影響を及ぼすので、そのような保護被覆が摩耗したり、損傷を受けた場合、注意深く修理しなければならない。ＴＢＣは、部品の寿命までの間、何度か修理を必要とする場合が多い。保護被覆の「オーバホール」には、通常、被覆を完全に取り除き、次に新たな保護ＴＢＣシステムを塗布することが含まれる。

大抵の場合、保護被覆の特定の部分（すなわち、局所的な領域）が修理を必要とし、一方、被覆の残りの部分は無傷のままである。一例として、剥離は高温ガス通路（ＨＧＰ）表面にわたって局所的に発生することが知られている。剥離は通常、局所領域にすなわち断片的に発生するが、従来の修理方法では、熱遮蔽被覆を完全に取り除き、必要に応じて接着層面を復元するかもしくは修理し、次いでＴＢＣシステムのセラミック部分を再度塗布してきた。ＴＢＣを取り除く先行技術には、グリットブラストや高温高圧状態でアルカリ溶液を用いる化学的除去がある。しかし、グリットブラストは時間がかかる労働集約的な方法であり、被覆の下の面を削る。グリットブラスト法は、繰り返して使用した場合に、最終的に部品を破壊する。アルカリ性溶液を使用して熱遮蔽被覆を除去することも、その方法が高温高圧状態で作動するオートクレーブを使用する必要があるので、決して理想的ではない。熱遮蔽被覆が完全に取り除かれると、次いで表面が再被覆される。部品の再被覆には、多数の電気めっき工程、多数の結合強化工程、スラリーの使用などを含めることができ、その後に、ガスタービンエンジンの部品の作動に一般的に必要とされる精度を与えるために機械加工が行われる。

他の修理技術には損傷面の局所修理がある。これらの修理方法では、最初に損傷した領域を洗浄し、次いでパッチ法またはスラリー法で修理する。しかし、タービン部品に必要とされる被覆の完全性および高信頼性要件についての懸念から、パッチ法またはスラリー法は局所修理に適切とは言えない。

さらに、修理サイクルの時間および費用は比較的長く、高い。その結果、従来の修理方法は、労働集約的で費用がかかるものとなり、翼、バケット、および導風板などの複雑な形状の部品でうまくいくのは難しい。

上記に鑑みて、局所剥離を受けた熱遮蔽被覆の修理方法を改良する技術的必要性がある。
米国特許第６４８５７８０号明細書 米国特許第６５６５６８０号明細書 米国特許第６６１３４４５号明細書 米国特開第２００３−００５４１９６号 米国特開第２００５−０１１８３３１号 米国特開第２００５−０２０７８９６号 米国特開第２００５−０２２０９９５号

本明細書では、局所剥離を受けた熱遮蔽被覆を局所的に修理する方法を開示する。１つの実施形態では、局所剥離を受けたタービン部品の熱遮蔽被覆システムの局所修理方法は、局所剥離領域を水で局所的に清浄して局所剥離領域から剥離部分を取り除くことを含み、水は局所剥離領域に向けて発射されて既存の熱遮蔽被覆に傾斜した外形を形成し、さらに清浄した局所剥離領域に粉末混合物を局所的に溶射することを含む。

タービンバケットの台部を修理する方法は、水で台部領域から熱遮蔽被覆システムを選択的に取り除き、バケットの他の部分に配置された熱遮蔽被覆システムで傾斜した外形を形成し、台部に粉体混合物を溶射し、新たな熱遮蔽被覆システムを固着させることを含み、新規の熱遮蔽被覆システムは、傾斜した外形部と一体化してギャップのない継ぎ目を形成する。

本開示およびそれに含まれる実施例の様々な特徴についての以下の詳細な説明を参照することで本開示をより容易に理解できるであろう。

以下に各図を参照する場合に、同じ要素は同じ番号となっている。

本明細書では、水噴射法などのプログラム可能な機械的方法で剥離領域を局所的に清浄して除去し、それに続いて、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法や高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）法などのプログラム可能な熱溶射法で面を再被覆して、局所的に剥離を受けた熱遮蔽被覆システムを局所的に修理する方法を開示する。有利にも、この方法は、タービン部品に被覆の完全性と高い信頼性をもたらしながら、修理サイクル時間およびコストを大幅に低減する。除去された領域は既存の熱遮蔽被覆で傾斜するようになされて、既存の被覆と新たに加えた被覆の間にもろい継ぎ目が形成されるのを防止する。さらにこの方法は、部品の他の部分の熱暴露を最小限にする。例えば、この方法は、翼の先端部にはこの方法を受けさせないで、バケット台部を修理するのに使用することができる。

ここで図１を参照すると、全体として参照番号１０で示され、局所剥離領域２０を有する典型的な熱遮蔽被覆システムを示している。そのシステムは通常、タービンエンジン部品１４の表面に固着された接着皮膜１２とその上に配置されたセラミック層１６とを有する。タービンエンジン部品の形体は、燃焼器ライナ、燃焼器ドーム、導風板、バケットまたはブレード、ノズルまたはベーンなど様々である。部品で最も典型的なものは、ノズルやベーンなどの静翼を含む翼と、ブレードおよびバケットを含む回転翼である。ブレードおよびバケットは、本明細書では同じ意味で使用され、一般的には、ブレードは航空機タービンエンジンの回転翼であり、バケットは地上にある発電タービンエンジンの回転翼である。ブレードやバケットの場合、通常、修理を受ける領域は、周囲の導風板とのこすれ接触と高温環境での酸化によって摩耗される先端領域である。ノズルやベーンの場合、通常、修理を受ける領域は、温度が上がったエンジンで最高速度のガスにさらされるために摩耗を受ける先端部である。この部品は、ニッケル、コバルト、または鉄ベースの超合金などで形成される。合金は鋳造してもよいし、超合金を加工してもよい。そうした基材の例には、ＧＴＤ−１１１、ＧＴＤ−２２２、Ｒｅｎ８０、Ｒｅｎ４１、Ｒｅｎ１２５、Ｒｅｎ７７、Ｒｅｎ Ｎ４、Ｒｅｎ Ｎ５、Ｒｅｎ Ｎ６、第４世代単結晶超合金ＭＸ−４、ハステロイＸ、コバルトベースのＨＳ−１８８およびＭＡＲ−Ｍ５０９がある。

トップコートとも呼ばれることがあるセラミック層（最上部の皮膜）１６は、接着皮膜１２の表面に固着されている。接着皮膜１２は、通常、ＭＣｒＡｌＸ（Ｍは鉄、コバルトおよび／またはニッケルであり、Ｘはイットリウムまたは他の希土類元素である）などのオーバーレイコーティングかまたは拡散アルミナイドコーティングの形態をとる。接着皮膜１２は下にある部品１４の酸化を防止し、セラミック層１６が部品１４にいっそう効果的に付着できるようにする。これら接着皮膜は、セラミック上部皮膜層を付着させる間と、それに続くエンジン作動時などの高温暴露時に、酸化物スケール１８、例えば、上部皮膜を接着皮膜に固着させる強力な接着力のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層などを形成する。

セラミック層１６の好ましい材料は、イットリア安定化ジルコニア（酸化ジルコニウム）（ＹＳＺ）であり、好ましい組成はイットリアを約４重量％から約８重量％としたものである。ただし、他のセラミック材料、例えば、イットリア、非安定化ジルコニア、または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）および／または他の酸化物によって安定化されたジルコニアなどを使用することもできる。セラミック層１６は、必要とされるだけ部品１４を熱的に保護するのに十分な厚さに堆積され、通常、ほとんどのタービンに対して約５０μｍから１５００μｍの厚さに堆積される。セラミック層はＤＶＣ−ＴＢＣであるのがより好ましく、ＤＶＣ−ＴＢＣは、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）された被覆に類似した準円柱状のマイクロ構造を呈する高密度垂直圧縮熱遮蔽被覆として以下に定義される。

作動しているタービンでは、部品１４の表面は高温の燃焼ガスにさらされ、その結果、酸化、腐食、および浸食による攻撃を受ける。したがって、部品１４は、ＴＢＣシステム１０によってこの厳しい動作環境から保護され続けなければならない。熱疲労によってもたらされる剥離に起因するセラミック層１６の喪失およびことによると接着皮膜１２の喪失は、部品１４の早過ぎる、そして多くの場合急激な劣化という結果につながる恐れがある。セラミック層１６の局所剥離領域２０は図１に示されている。

修理方法では、最初に部品１４をタービンから取り外し、局所剥離領域２０を含む表面を清浄、除去して、グリース、オイル、すすなどの遊離した酸化物および汚染物を取り除く。種々の技術が使用できるが、１つの実施形態には、剥離領域２０から遊離した材料を取り除き、ジェット水流を用いて水で表面を清浄することが含まれる。ジェット水流は、剥離領域２０を限定的にねらい、図２に示すように、各層に傾斜した外形を形成して特別なＴＢＣシステム１０を画定するようにプログラムされる。この工程は、周囲にある損傷していないＴＢＣがこの処理を確実に受けないように選択的に行われる。剥離領域２０は、清浄の後で溶射法を使用して局所的に再被覆される。

溶射法群には、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶着と、それの変形形態である、例えば、高速空気燃料式、プラズマ溶射、フレーム溶射、電気ワイヤアーク溶射などがある。ほとんどの熱被覆法では、粉末形態、ワイヤ形態、またはロッド形態の材料（例えば金属）が融点付近まで、あるいは幾分それを上まわるまで加熱されて、金属滴がガス流で加速される。その滴は、被覆する基材の表面に向けられ、スプラットと呼ばれる薄膜をなす粒子群となる。

高速酸素燃料法および関連する被覆法では、酸素、空気または他の酸素源が、燃焼室にある水素、プロパン、プロピレン、アセチレン、または灯油などの燃料を燃焼させるために使用され、ガス状燃焼生成物がノズルを通って膨張するのを可能にする。ガスの速度は超音速とすることができる。粉末状被覆材料はノズルに注入され、その融点付近までまたはそれを超えて加熱されて比較的高速に、例えば、ある被覆システムに対して最大約６００ｍ／秒まで加速される。ノズルを通るガス流の温度および速度、つまり粉末粒子の温度および速度は、ガンに入れるガスまたは液体の組成および流量を変えることで調整することができる。溶融粒子は被覆する面に衝突し、基材にうまく結合し、互いにうまく結合する、かなり高密に圧縮されたスプラットになる。

プラズマ溶射被覆法では、ガスは、それがタングステンカソードの周りを流れ、比較的短い収束および拡散ノズルを通るときに、電気アークによって部分的にイオン化される。その中心部でのプラズマの温度は、３００００°Ｋを超えることもあり、ガスの速度は超音波となることもある。通常粉末の形態である被覆材料はガスプラズマに注入され、その融点付近までまたはそれを超えて加熱され、約６００ｍ／秒に達することもあり得るある速度に加速される。被覆材料への伝熱速度と被覆材料の最終温度は、トーチ設計および粉末注入技術だけでなく、ガスプラズマの流量および組成に応じて決まる。溶融粒子は、被覆する面に向かって発射されて固着スプラットを形成する。

フレーム溶射被覆法では、酸素とアセチレンなどの燃料がトーチ内で燃焼される。粉末、ワイヤ、またはロッドは火炎に入れられ、溶融、加速される。粒子速度は約３００ｍ／秒に達することができる。ガスのそして最終的には被覆材料の最大温度は、使用するガスの流量および組成とトーチ設計に応じて決まる。この場合にも、溶融粒子は被覆する面に向かって発射されて固着スプラットを形成する。

溶射法には通常、粉末化された混合物（すなわち粒子）を燃焼室、溶射流、および／または（特定の溶射法に依存する）その他のものに導入し、その混合物を十分に加熱して粒子が部品にぶつかり、固着するのを可能にすることが含まれる。例えば、ＨＶＯＦ法が使用できる場合、酸素と燃料が燃焼し、粉末混合物を部品の清浄した局所剥離領域２０に送る。混合物が部品に送られるときに、溶射内の酸化物および／または炭化物の生成を調整するために、溶射条件を制御することができる。溶射は、粒子（例えば、部品に送られる被覆材料）の温度が粒子を軟化させて、粒子が部品に付着するのに十分な温度となり、かつ被覆材料の酸化を引き起こす温度より低い温度となるように制御することができ、具体的な温度は被覆材料および構造強化材のタイプに依存する。例えば、被覆温度は約１５００℃以下とすることができ、あるいはより明確には約１２００℃以下とすることができ、さらに明確には約７５０℃から約１１００℃とすることができる。

熱遮蔽被覆システムを形成する被覆材料には、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、前記のうちの少なくとも１つを含む合金、および前記のうちの少なくとも１つを含む化合物があり、例えば、被覆は、ＭＣｒＡｌＹ（ここでＭはニッケル、コバルト、鉄、および前記のうちの少なくとも１つを有する化合物）を含むことができる。ＭＣｒＡｌＹ被覆はさらに、シリコン（Ｓｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）、プラチナ（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）などの元素、前記のうちの少なくとも１つを含む合金、および前記のうちの少なくとも１つを含む化合物を含むことができる。

図３は、典型的な局所修理されたＴＢＣシステムを示している。局所剥離領域２０を清浄して傾斜した外形を付与した後で、マスク２２が溶射法と組み合わせて使用されている。マスク２２を使用することによって、溶射２４は、損傷領域に明確に向けられ、これを再被覆する。溶射法で使用する粉末を慎重に選択することで、修理したＴＢＣ領域２６は、剥離領域２０を囲む既存のＴＢＣの被覆組成と一致するように実質的に再生することができる。このようにして、再被覆したＴＢＣは、接着皮膜１２がトップコート１６に重ならないように溶着することができる。さらに、傾斜した外形を使用することでギャップをなくし、かつ／または実質的に最小限にし、それによって、修理領域に既存のＴＢＣと同じ被覆特性をもたらす。

図４は、参照番号５０で全体として示したバケットタービンエンジン部品を示している。バケット５０は翼部分５２および蟻継ぎ部分５４を有する。翼部分５２は台部５６に置かれている。すべての面は熱遮蔽被覆システムで被覆されており、その例は図１を参照して示された。前述したように、台部５６は、繰り返して稼働する間に剥離されることがある。有利にも、上記の修理方法は台部を修理するのに使用することができる。その修理方法は局所的に適用されるので、その修理方法のために、修理を行う溶射時に用いる熱的状態に翼がさらされることはない。当技術分野で公知のように、稼働中に翼にストレスがかかるために、稼働中に翼を囲む熱遮蔽被覆システムに亀裂が入ることがある。亀裂が発生することがあるとはいえ、通常、亀裂のあることが至急の修理を保証するものではない。先行技術の溶射方法では、熱暴露により、亀裂の入った翼の被覆にさらなる損傷、例えば、腐食、酸化などが発生するので、すべての面からすべての熱遮蔽被覆システムを取り除くことが必要となる。

本明細書は、本発明を開示するために最良の方法を含む実施例を使用し、またすべての当業者が本発明を作り、使用できるようにするためにも実施例を使用している。本発明の特許性の範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者ならば思いつく他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字用語と異なることのない構造要素を有する場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字用語とほとんど異なることのない等価の構造要素を含む場合に、請求項の範囲内であることを意図するものとする。

タービン部品に固着した典型的な熱遮蔽被覆システムを示す断面図であり、図示した熱遮蔽被覆システムは局所剥離領域を含んでいる。 局所的に清浄し、局所剥離領域を取り除いた後の熱遮蔽被覆システムを示す断面図であり、清浄処理により既存の熱遮蔽被覆が傾斜した外形とされている。 熱溶射法を使用した熱遮蔽被覆の局所的再被覆を示す断面図である。 バケットタービンエンジン部品の斜視図を示している。

符号の説明

10 熱遮蔽被覆システム
12 接着皮膜
14 タービンエンジン部品
16 セラミック層
18 酸化物スケール
20 局所剥離領域
22 マスク
24 溶射
26 修理したＴＢＣ領域
50 バケットタービンエンジン部品
52 翼部分
54 ダブテール部分
56 台部

Claims (9)

1. 局所剥離を受けたタービン部品（１４）の熱遮蔽被覆システム（１０）を局所的に修理する方法であって、
   剥離領域（２０）を水で局所的に清浄して、剥離領域（２０）から剥離部を除去し、かつ既存の熱遮蔽被覆（１０）に傾斜した外形を形成し、
   清浄した局所剥離領域（２０）に粉末混合物を局所的に溶射（２４）して、修理した熱遮蔽被覆（２６）を形成する方法。
2. タービン部品（１４）は、ニッケルベースの超合金、コバルトベースの超合金、および鉄ベースの超合金からなるグループから選択された材料を有する請求項１に記載の方法。
3. タービン部品（１４）はガスタービンエンジン内に配置された請求項１又は２に記載の方法。
4. 修理した熱遮蔽被覆（２６）および熱遮蔽被覆システム（１０）は、部品（１４）と接触した接着皮膜（１２）、接着皮膜（１２）上に形成された酸化物スケール（１８）、および酸化物スケール（１８）上に配置された上部被覆層（１６）を有する請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 上部被覆層（１６）はセラミックである請求項４に記載の方法。
6. 修理した熱遮蔽被覆（２６）は既存の熱遮蔽被覆（１０）と重ならない請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 粉末混合物の局所溶射には、高速酸素燃料溶射法が含まれる請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 粉末混合物の局所溶射には、大気プラズマ溶射法が含まれる請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 水を使用した剥離領域（２０）の局所清浄には、ジェット水流を剥離領域（２０）に向けることが含まれる請求項１から８のいずれかに記載の方法。

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