JP2009541582A - 部材から金属被覆を電気化学的に取り除くための方法 - Google Patents

部材から金属被覆を電気化学的に取り除くための方法 Download PDF

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Abstract

部材から金属被覆を電気化学的に取り除くための方法。本発明は、部材（４、１２０、１３０）から金属被覆を電気化学的に取り除くための方法であって、部材（４、１２０、１３０）が電解質溶液（２）に浸漬され、電解質（２）に接触した補助電極（３）と部材（４、１２０、１３０）とに電流が通されるものに関する。＞１０〜＜９０％のデューティサイクルと５ｍＡ／ｃｍ2〜１０００ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流密度と５Ｈｚ〜１０００Ｈｚの周波数とを有するルーチンで電流はパルス化されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、部材から金属被覆を電気化学的に取り除くための方法であって、部材が電解質溶液に浸漬され、電解質溶液に接触した補助電極と部材とに電流が通されるものに関する。本発明はさらに、タービン翼から金属被覆を取り除くための方法に関する。
高い温度と腐食性条件に曝される多くの部材は今日一部では多層保護被覆を備えている。これはなかんずくタービン翼等のガスタービン部材にあてはまり、これらの部材は１０００℃超の温度で腐食性環境において利用される。しかし被覆は極端な負荷のゆえに損耗し、規則的間隔を置いて更新されねばならない（補修）。このため、部材自体を損傷することなく、まず損傷した古い保護層を部材から完全に取り除く必要がある。この過程はタービン翼補修プロセスの一部である。
タービン翼用保護被覆系はしばしば少なくとも２層で形成されており、第１層として直接に部材に付着層が被着されており、この付着層は多くの場合ＭＣｒＡｌＸ型の組成を有する。付着層の表面に第２層として例えばセラミック基の断熱層がある。補修の枠内で相応するタービン翼の新規被覆を行うことができるようにするために、まず第１ステップにおいて上側セラミック断熱層が機械的に、例えばサンドブラストによって取り除かれる。次のステップにおいて金属付着層が部材の表面から除去される。これは電気化学的方法を利用することによって行うことができ、タービン翼が電解質溶液に浸漬され、タービン翼とやはり電解質溶液内に配置される補助電極とに適切な電圧が印加される。
例えば、パルス電流を利用して電気化学的プロセスによって部材表面から金属被覆を取り除くための装置および方法が独国特許出願公開第１０２５９３６５号明細書に述べられている。
しかしながら先行技術で公知の方法ではさまざまな問題が現れる。一方で、過度に強い電流を使用するとタービン翼の母材の損傷を容易に生じることがあり、他方で、タービン翼の動作時間の過程で発生した例えば複雑な結晶質化合物の態様の不純物を完全には取り除くことができないことがやはり有り得、そのことから新規被覆が困難となり、またはまったく不可能となる。
そこで本発明の課題は、一方で結晶質不純物を含めて円滑で完全な層除去が行われ、しかし他方で部材の母材の損傷を生じない、金属被覆を電気化学的に取り除くための方法を提供することである。
この課題は、＞０％〜＜１００％、特に２０％〜８０％のデューティサイクルと５ｍＡ／ｃｍ2〜１０００ｍＡ／ｃｍ2、特に１０ｍＡ／ｃｍ2〜３００ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流密度と５Ｈｚ〜１０００Ｈｚ、特に２５Ｈｚ〜３００Ｈｚの周波数とを有するルーチンで電流がパルス化されていることによって解決される。
つまりこのパルス電流は上側電流密度と下側電流密度とを交互に有し、従ってゼロに落ち込むことはない。１パルス列の内部で電流が上側電流密度を有する時間は符号ｔでパルス幅と称され、１パルス列の内部で電流が両方の電流密度を通過する時間は符合Ｔでサイクル時間と称される。デューティサイクルはパルス幅とサイクル時間との比ｔ／Ｔである。
一方で、上記パラメータで規定されたパルス電流を使用することによって金属被覆のすみやかで完全な層除去が達成され、他方で部材の損傷が避けられることが判明した。
本発明の１実施形態によれば、デューティサイクルは２５％〜７５％、特に５０％〜７５％とすることができる。電流密度は５０ｍＡ／ｃｍ2〜２５０ｍＡ／ｃｍ2、特に１００ｍＡ／ｃｍ2〜２００ｍＡ／ｃｍ2、ここでは特に１５０ｍＡ／ｃｍ2〜２００ｍＡ／ｃｍ2の範囲内とすることができる。さらに、周波数は５０Ｈｚ〜２７５Ｈｚ、特に１５０Ｈｚ〜２７５Ｈｚの範囲内とすべきであることが判明した。
特にタービン翼から金属被覆を取り除くとき下記電流ルーチンが有利であると実証された：デューティサイクル５０％、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ2と１５０ｍＡ／ｃｍ2、周波数１５０Ｈｚ；デューティサイクル７５％、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ2と１５０ｍＡ／ｃｍ2、周波数２５０Ｈｚ；デューティサイクル７５％、電流密度１５０ｍＡ／ｃｍ2と２００ｍＡ／ｃｍ2、周波数５０Ｈｚ；デューティサイクル５０％、電流密度１５０ｍＡ／ｃｍ2と２００ｍＡ／ｃｍ2、周波数２５０Ｈｚ。
第２の実施形態によれば、電解質溶液は無機酸または有機酸または無機塩基または有機塩基、または無機酸と無機塩基および有機酸と有機塩基とから成る混合物を含有し、もしくはそれらから構成することができる。
酸としては例えばＨＣｌが適しており、電解質溶液内に２０重量％未満、特に１０重量％未満、特別には６重量％未満のＨＣｌ濃度が有利である。
さらに、電解質溶液がアルカノールアミン化合物、またはこの化合物を含有した塩を抑制剤として含有すると、部材の母材に対する意図せざる腐食作用からの効果的保護を達成できることが判明した。その際、特別適した抑制剤としてトリエタノールアミンまたはその塩の１つが実証された。さらに、カルボン酸および／またはアルデヒド化合物および／または不飽和アルコール等の第２の抑制剤が電解質溶液に付加的に含有されているとき、保護を高めることができる。
本方法では、サンドブラストによる少なくと第２の機械的清浄ステップを設けておくことができ、このステップは、場合によってなお付着している残留被覆を取り除くために例えば電気化学的除層ステップの直後に行うことができる。サンドブラストのとき部材の面積当り３０ｍｇ／ｃｍ2〜１６０ｍｇ／ｃｍ2の範囲内の不溶ＭＣｒＡｌＸ材料が除去されると有利であると実証された。その場合、部材の損傷を生じることなくすみやかな層除去が行なわれる。
１実施形態によれば、直流を使った第２の電気化学的除層ステップを清浄法に設けておくことができる。
これに替わって、第２の電気化学的除層ステップを第２のパルス電流を使って行うこともできる。
有利には、前記の第２のパルス電流のデューティサイクルは第１除層ステップ用の第１パルス電流のデューティサイクルよりも高くすることができ、特に少なくとも２０％高くしておくことができる。
前記第２のパルス電流は、５０〜９９％のデューティサイクルと０．１ｍＡ／ｃｍ2〜３０ｍＡ／ｃｍ2間の２つの電流密度と１０-2Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数とを有することができる。前記第２のパルス電流のデューティサイクルは、７５〜９９％、特に好ましくは９５〜９９％とすることができる。前記第２のパルス電流の２つの電流密度は、０．５ｍＡ／ｃｍ2〜２０ｍＡ／ｃｍ2、好ましくは１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2とすることができる。前記第２のパルス電流の周波数は、１０-2〜１Ｈｚ、好ましくは１０-2〜１０-1Ｈｚとすることができる。
さらに、前記第２の電気化学的除層ステップは１〜６０分間、好ましくは５〜２０分間行うことができる。特別好ましい実施形態によれば、前記付加的なパルス電流は９９％のデューティサイクルと１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2間の２つの電流密度と１０-2Ｈｚの周波数とを有することができ、前記第２の電気化学的除層ステップはこの電流で特に８分間行うことができる。
前記第２の電気化学的除層ステップが上記サンドブラストの直後に行われると、いまなお部材上に存在する微量の残留金属被覆はこうして取り除くことができる。有利なことに、第２の電気化学的除層ステップの腐食作用が少ないので、意図しない部材損傷が排除される。このステップ後、サンドブラストを再度行うことができる。
実験が示したように、本発明に係る方法は特にタービン翼等のガスタービンの部材に適している。これらの部材はしばしば金属被覆としてＭＣｒＡｌＸ層を有し、ＭはＦｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉの群から選択され、ＸはＹ、Ｌａまたは希土類元素の群から選択されている。これらの層は本発明に係る方法によって迅速且つ完全に取り除けることが判明した。
本発明の第２の観点によれば、タービン翼から金属被覆を取り除くための請求項３４の特徴を有する方法が提供される。
本発明のこの観点の１実施形態では、タービン翼の内部にある諸領域が覆われる。特に内部アルミナ化された諸領域を損傷から保護することができる。覆うのに特にワックスを使用することができる。というのもワックスは燃焼によって残留物なしに容易に取り除くことができるからである。
同様に、タービン翼の翼付根をブラスト前にキャップで覆うことが可能である。こうして翼付根はブラスト材の衝突から保護される。ブラスト後にキャップが再び取り除かれ、継続加工時にキャップが邪魔になることはない。
ブラスト材としてコランダムを使用することができる。これは４６メッシュ以下の粒度を有することができる。
第１ブラストステップは５バールの最高ブラスト圧力で、第２のすべてのブラストステップは最高３バールの最高ブラスト圧力で行うことができる。こうして、タービン翼自体が損傷することなく金属被覆の十分に大きな割合を除去することが確保される。
損傷を防止するためにタービン翼の外側領域は覆うことができる。ここでは特にワックスが適している。というのもワックスは燃焼によって残留物なしに容易に取り除くことができるからである。
本発明のこの観点の第２の実施形態によれば、主除層ステップおよび再除層ステップのときタービン翼は被覆領域が電解質溶液に浸漬される。次に、陽極として接続されるタービン翼と電解質溶液に接触した補助電極とに電流が通される。
電解質溶液としてＨＣｌを使用することができる。ＨＣｌの濃度は２０重量％未満、特に１０重量％未満、特別には６重量％未満とすることができる。
主除層ステップと再除層ステップは１５〜２５℃、特に１８〜２２℃の範囲内の電解質溶液温度において行うことができる。
同様に、過度に高い濃度のとき電解質溶液を交換するために、電解質溶液内の金属イオン濃度を監視することが可能である。このことは特に＞１００ｐｐｍの鉄イオン濃度の場合に当てはまる。
電気化学的主除層ステップは請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法で行うことができる。その際、金属被覆部分が迅速に、タービン翼の損傷なしに除去されると有利である。
これに替わって、電気化学的主除層ステップのときタービン翼と補助電極とに直流を通すことができる。
電気化学的除層ステップの持続時間は最高６０分とすることができる。
本発明のこの観点の第２の実施形態では、電気化学的再除層ステップのときパルス電流がタービン翼と補助電極とに通される。これに替わって、直流を使用することもできる。
電気化学的再除層ステップは最高３０分間行うことができる。
被覆が完全に取り除かれたか否かを点検するために、タービン翼は５００〜７００℃、特に５５０〜６５０℃の範囲内の温度において加熱着色することができる。タービン翼は２０〜４０分間、特に３０分間、加熱着色することもできる。
場合によって存在する残留金属被覆は研磨によって取り除くことができる。さらに、タービン翼は被覆を取り除いた後にマーキングすることができる。
以下、添付図面を参考に１実施例に基づいて本発明が詳しく説明される。
まず本発明に係る方法を実施するための装置が図１に示してある。この装置は電解質容器１から成り、この容器に電解質溶液２が充填されている。この溶液はここでは好ましくは４重量％〜６重量％の塩酸水溶液であり、付加的に例えばトリエタノールアミンを抑制剤として含有している。電解質溶液２に補助電極３とタービン翼４が浸漬されており、タービン翼はその表面にＭＣｒＡｌＸ被覆を有する。補助電極３と部材４は発電機５と導電結合されている。
例えば被覆（被覆材料）の再処理の枠内でタービン翼４を清浄にするために、第１ステップでは、場合によってＭＣｒＡｌＸ層上に被着されている断熱層が機械的に取り除かれる。この除去は好ましくはサンドブラストまたはウォータジェットまたはドライアイスブラストによって行うことができる。
引き続きタービン翼４はさらにアクティビティブラスト（追加ブラスト）、すなわち特にサンドブラストによる機械的表面処理を施すことができる。
いまやＭＣｒＡｌＸ層を備えただけのタービン翼４がＭＣｒＡｌＸ層が完全に電解質溶液２と接触するまで電解質溶液２に浸漬され、発電機５と導電結合される。
引き続き発電機５はＭＣｒＡｌＸ層を電気化学的に取り除く間にパルス電流を補助電極３とタービン翼４とに通す。
パルス電流は、＞１０％〜＜９０％のデューティサイクルと５ｍＡ／ｃｍ2〜１０００ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流密度と５Ｈｚ〜１０００Ｈｚの周波数とを特徴としている。
図２はこのようなパルス電流のダイアグラムである。このダイアグラムにおいてｔはパルス幅、すなわち電流が上側電流密度を有する時間であり、Ｔは電流が上側電流密度を１回、下側電流密度を１回通過するサイクル時間である。こうして生成されたパルスの幅は周波数１／Ｔ＝ｆによって決定される。パルス幅とサイクル時間との比がデューティサイクルである。
図２に示すパルス電流は１５０ｍＡ／ｃｍ2の上側電流密度と５０ｍＡ／ｃｍ2の下側電流密度とを有し、そのデューティサイクルは５０％である。
ＭＣｒＡｌＸ層が電気化学的除層ステップによってほぼ完全にタービン翼４から剥ぎ取られた後、電流が切られ、タービン翼４が電解質溶液２から取り出される。
場合によってなおタービン翼４上に存在する残留被覆を取り除くために、好ましくはまずサンドブラストによって機械的清浄ステップが行われる。ここで不溶のＭＣｒＡｌＸはタービン翼４の面積当り３０ｍｇ／ｃｍ2〜１６０ｍｇ／ｃｍ2の範囲内で取り除かれるが、この量が３０ｍｇ／ｃｍ2〜７０ｍｇ／ｃｍ2、特に３４ｍｇ／ｃｍ2〜５１ｍｇ／ｃｍ2であると有利であることが分かった。
同様に、タービン翼４をサンドブラストするためにパルス電気化学的除層法は中断することができる。
パルス電気化学的除層法を中断しないことが好ましい。電解質溶液２から取出し後、特に液体内、特に水のなかで洗浄を行うこともできる。
表１と表２が示す特徴組合せがその適性について調べられ、それぞれ良好な結果を示している。
Figure 2009541582
Figure 2009541582
特に特徴組合せ２、３、５、７、８、９でもって高い被覆除去率を達成できることが判明した。
第１サンドブラストに続いて、および／または電気化学的除層ステップ後、直流を使ってさらに第２の電気化学的除層ステップを行うことができる。
図１に示す配置をこのために使用できるのは、基本的に、発電機５が相応する直流を補助電極３およびタービン翼４に印加するようにも設計されているときである。特に約１６ｍＡ／ｃｍ2の直流が良好な結果をもたらすことが判明した。というのは、これによって、タービン翼４の表面に残存する残留被覆を、タービン翼４自体の母材が攻撃を受けることなく、母材を傷つけないように取り除くことができるからである。プロセス時間としては特に８分が適している。
これに替わって、パルス電流を使って第２の電気化学的除層ステップを行うこともできる。このパルス電流は、例えば、９９％のデューティサイクルと１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流密度と１０-2Ｈｚの周波数とを有することができる。
図３に、下側電流密度が５ｍＡ／ｃｍ3、上側電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ3、デューティサイクルが８０％であるこのようなパルス電流が示されている。
さらに、パルス電流を使った前記第２の電気化学的除層ステップのプロセス時間として特に８分が適していることが判明した。
パルス電流を使った前記第２の電気化学的除層ステップによって、タービン翼４の表面にいまなお存在する残留被覆は、タービン翼４自体の母材が攻撃を受けることなく、母材を傷つけないように取り除かれる。
最後になお２つの最終的ステップ、つまり第２のサンドブラストと加熱着色（ヒートティント）を行うことができる。
従って、本発明に係る方法は好ましくは下記ステップを含むことができる：
１．ＴＢＣ（遮熱被覆）層の取り除き
２．アクティビティブラスト、特にサンドブラスト
３．パルス電流を使った第１電気化学的除層
４．第１サンドブラスト
５．直流（例えば、約１６ｍＡ／ｃｍ2で約８分間）を使った第２電気化学的除層
６．第２サンドブラスト
７．加熱着色
または
１．ＴＢＣ層の取り除き
２．アクティビティブラスト、特にサンドブラスト
３．パルス電流を使った第１電気化学的除層
４．第１サンドブラスト
５．他のパルス電流（例えば、９９％のデューティサイクル、１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流強度、１０-2Ｈｚの周波数で約８分間）を使った第２電気化学的除層
６．第２サンドブラスト
７．加熱着色
または
１．パルス電流を使った電気化学的除層
または
１．アクティビティブラスト、特にサンドブラスト
２．パルス電流を使った電気化学的除層
または
１．パルス電流を使った第１電気化学的除層
２．直流（例えば、約１６ｍＡ／ｃｍ2で約８分間）を使った第２電気化学的除層
または
１．パルス電流を使った第１電気化学的除層
２．他のパルス電流（例えば、９９％のデューティサイクル、１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流強度、１０-2Ｈｚの周波数で約８分間）を使った第２電気化学的除層
または
１．アクティビティブラスト、特にサンドブラスト
２．パルス電流を使った第１電気化学的除層
３．直流（例えば、約１６ｍＡ／ｃｍ2で約８分間）を使った第２電気化学的除層
または
１．アクティビティブラスト、特にサンドブラスト
２．パルス電流を使った第１電気化学的除層
３．他のパルス電流（例えば、９９％のデューティサイクル、１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流密度、１０-2Ｈｚの周波数で約８分間）を使った第２電気化学的除層
または
１．パルス電流を使った第１電気化学的除層
２．サンドブラスト
３．直流（例えば、約１６ｍＡ／ｃｍ2で約８分間）を使った第２電気化学的除層
または
１．パルス電流を使った第１電気化学的除層
２．サンドブラスト
３．他のパルス電流（例えば、９９％のデューティサイクル、１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流強度、１０-2Ｈｚの周波数で約８分間）を使った第２電気化学的除層
または
１．アクティビティブラスト、特にサンドブラスト
２．パルス電流を使った第１電気化学的除層
３．サンドブラスト
４．直流（例えば、約１６ｍＡ／ｃｍ2で約８分間）を使った第２電気化学的除層
または
１．アクティビティブラスト、特にサンドブラスト
２．パルス電流を使った第１電気化学的除層
３．サンドブラスト
４．他のパルス電流（例えば、９９％のデューティサイクル、１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流密度、１０-2Ｈｚの周波数で約８分間）を使った第２電気化学的除層
または
１．パルス電流を使った第１電気化学的除層
２．第１サンドブラスト
３．直流（例えば、約１６ｍＡ／ｃｍ2で約８分間）を使った第２電気化学的除層
４．第２サンドブラスト
または
１．パルス電流を使った第１電気化学的除層
２．第１サンドブラスト
３．他のパルス電流（例えば、９９％のデューティサイクル、１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流密度、１０-2Ｈｚの周波数で約８分間）を使った第２電気化学的除層。
図４は、タービン翼から金属被覆を取り除くための本発明に係る方法をフローチャートの態様で示す。
この方法ではまずタービン翼の内部にあるアルミナ化領域がワックスでマスキングされる。引き続き、タービン翼の翼付根にキャップが装着される。次にタービン翼の被覆領域がブラスト材でブラストされる。ブラスト材は粒度４６メッシュ以下のコランダムとすることができる。この第１ブラストステップのときブラスト圧力は最高５バールである。ブラストのときキャップはブラスト材の衝突から翼付根を保護する。第１ブラストステップの終了後、キャップは再び取り外される。
後続の電気化学的除層ステップ前に、場合によって外側にあるタービン翼部分を付加的にワックスでマスキングし、望ましくない電気化学的腐食作用から保護することができる。
電気化学的主除層ステップを行うために、タービン翼の被覆領域は６重量％ＨＣｌを含有した電解質水溶液に浸漬される。その際、翼付根が電解質溶液と接触しないことが特別重要である。
引き続き、電解質溶液に接触した補助電極とタービン翼とに最高６０分間電流が通される。この過程の間、電解質溶液温度が１５〜２５℃の範囲内であるように配慮される。特に、２５℃超の上昇は防止される。さらに、電解質溶液内の金属イオン濃度、特に鉄イオン濃度が監視され、過度に高い値、例えば１００ｐｐｍ超のＦｅイオン濃度のとき電解質溶液は交換される。
タービン翼と補助電極とに通される電流はこの場合ルーチンでパルス化され、例えば５〜１０００ｍＡ／ｃｍ2の範囲内の２つの電流密度と≧１０％〜≦９０％のデューティサイクルと５〜１０００Ｈｚの周波数とを有することができる。しかしこれに替えてタービン翼と補助電極に直流を通すこともできる。
電気化学的主除層ステップが終了した後にタービン翼は電解質溶液から取り出され、翼付根は上記の如くにキャップで再度覆われる。次に、粒度４６メッシュ以下のコランダムで第２ブラストステップが行われ、ここでは、そして他のすべてのブラストステップにおいてブラスト圧力は最高３バールである。キャップが再び取り外され、タービン翼の外側に付けられたマスキングが点検され、場合によっては更新される。
引き続き、電気化学的再除層ステップが行われる。その際、電気化学的主除層ステップにおけると同様に処理され、ここではタービン翼と補助電極とに最高３０分間パルス電流が通され、この電流は５ｍＡ／ｃｍ2と１０ｍＡ／ｃｍ2の２つの電流密度と８０％のデューティサイクルとを有する。ＨＣｌ含有電解質水溶液の温度は２５℃を上まわってはならない。プロセス時間は３０分以下とすべきである。パルス電流の代わりに直流を使用することもできる。
いまや電気化学的主除層ステップ後と同様にやはり第３ブラストステップが行われる。その際やはり翼付根が覆われ、上記と同じブラストパラメータが使用される。
次に、内マスキングと外マスキングがワックスの燃焼によって取り除かれる。引き続き、第３ブラストステップと同様に次のブラストステップが行われる。
金属被覆が完全に取り除かれたか否かを点検するために、タービン翼は２０〜４０分間５００〜７００℃において加熱着色される。除層面が均一に青色に呈色すると、被覆が完全に取り除かれたことを意味する。
加熱着色時に残留被覆がなお発見されたなら、それらは場合によっては研磨によって取り除くことができる。
最後にタービン翼はマーキングすることができ、特に、行われる各除層のために相応するマーキングを行うことができる。これにより、最大許容数の除層を上まわらないことが確保されている。
図５は例示的にガスタービン１００を縦部分断面図で示す。ガスタービン１００が内部に、軸１０１を備えて回転軸線１０２の周りで回転可能に支承されるロータ１０３を有し、このロータはタービンロータとも称される。
ロータ１０３に沿って順次続くのは吸込ケーシング１０４、圧縮機１０５、同軸状に配置される複数のバーナ１０７を備えた例えばトーラス状の燃焼室１１０、特に環状燃焼室、タービン１０８、そして排気ケーシング１０９である。
環状燃焼室１１０は、例えば環状の高温ガス通路１１１と連通している。そこでは例えば相前後して接続される４つのタービン段１１２がタービン１０８を形成する。
各タービン翼１１２は例えば２つの翼輪で形成されている。作動媒体１１３の流れ方向に見て高温ガス通路１１１内で静翼列１１５に続くのは、動翼１２０で形成される列１２５である。
静翼１３０がステータ１４３の内部ケーシング１３８に固定されているのに対して、列１２５の動翼１２０は例えばタービンディスク１３３によってロータ１０３に取付けられている。ロータ１０３に発電機または作業機械（図示せず）が連結されている。
ガスタービン１００の運転中、圧縮機１０５によって吸込ケーシング１０４を通して空気１３５が吸い込まれて圧縮される。圧縮機のタービン側末端で供給される圧縮空気はバーナ１０７へと送られ、そこで燃料と混合される。次にこの混合物は燃焼室１１０内で燃焼されて作動媒体１１３を形成する。そこから作動媒体１１３は高温ガス通路１１１に沿って静翼１３０および動翼１２０を通流する。動翼１２０で作動媒体１１３が膨張して衝撃を伝達し、動翼１２０がロータ１０３を駆動し、ロータはロータに連結された作業機械を駆動する。
高温作動媒体１１３に曝された部材は、ガスタービン１００の運転中熱負荷を受ける。作動媒体１１３の流れ方向に見て第１タービン段１１２の静翼１３０と動翼１２０は、環状燃焼室１１０に内張りされる遮熱要素と並んで、最も強く熱負荷を受ける。
そこに存在する温度に耐えるために翼は冷却材によって冷却することができる。同様に、部材の基材は配向構造を有することができる。すなわち、基材は単結晶（ＳＸ構造）であるか、または縦配向粒子（ＤＳ構造）のみを有する。
部材用、特にタービン翼１２０、１３０および燃焼室１１０の部材用の材料として使用されるのは例えば鉄基、ニッケル基またはコバルト基超合金である。そのような超合金が例えばＥＰ１２０４７７６Ｂ１、ＥＰ１３０６４５４、ＥＰ１３１９７２９Ａ１、ＷＯ９９／６７４３５またはＷＯ００／４４９４９により公知である。これらの明細書は合金の化学組成に関して本開示の一部である。
同様に、翼１２０、１３０は腐食に備えた被覆を有することができる（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の群のうち少なくとも１つの元素、Ｘは活性元素、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素、スカンジウム（Ｓｃ）および／または少なくとも１つの希土類元素、もしくはハフニウムである）。このような合金はＥＰ０４８６４８９Ｂ１、ＥＰ０７８６０１７Ｂ１、ＥＰ０４１２３９７Ｂ１またはＥＰ３０６４５４Ａ１により公知であり、これらは化学組成に関して本開示の一部となるものである。
ＭＣｒＡｌＸ上にさらに１つの断熱層を設けておくことができ、この断熱層は例えばＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3‐ＺｒＯ2から成る。すなわちこの断熱層は部分的にも全体的にも、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムによって安定化されていない。
例えば電子ビーム蒸着（ＥＢ‐ＰＶＤ）等の好適な被覆法によって断熱層内に柱状粒子が生成される。
静翼１３０はタービン１０８の内部ケーシング１３８に向き合う静翼付根（ここには図示せず）と静翼付根とは反対側の静翼端とを有する。静翼端はロータ１０３に向き合い、ステータ１４３の固定リング１４０に固定されている。
図６は、縦軸線１２１に沿って延びた流体機械の動翼１２０または静翼１３０を斜視図で示す。
この流体機械は飛行機のガスタービン、発電のための発電所のガスタービン、蒸気タービンまたは圧縮機とすることができる。
翼１２０、１３０は長手軸線１２１に沿って順次、固定部４００、これに隣接する翼プラットホーム４０３、翼板４０６、そして翼端４１５を有する。
静翼１３０として翼１３０はその翼端４１５に他のプラットホーム（図示せず）を有することができる。
固定部４００に形成された翼付根１８３は動翼１２０、１３０を軸またはディスクに固定するのに役立つ（図示せず）。翼付根１８３は例えばＴ字形に形成されている。他に、クリスマスツリー形またはダブテール形付根としての形成が可能である。
翼１２０、１３０は翼板４０６を通流する媒体に対して前縁４０９と後縁４１２とを有する。
従来の翼１２０、１３０では、翼１２０、１３０のすべての部分４００、４０３、４０６において例えば中実金属素材、特に超合金が使用される。
そのような超合金が例えばＥＰ１２０４７７６Ｂ１、ＥＰ１３０６４５４、ＥＰ１３１９７２９Ａ１、ＷＯ９９／６７４３５またはＷＯ００／４４９４９により公知である。これらの明細書は合金の化学組成に関して本開示の一部である。その際、翼１２０、１３０は鋳造法によって、また方向性凝固によって、鍛造法によって、フライス加工法によって、またはそれらの組合せによって作製しておくことができる。
単数または複数の単結晶構造を有する工作物は、運転時に高い機械的、熱的および／または化学的負荷に曝される機械用の部材として利用される。
このような単結晶工作物の作製は例えば溶融体から方向性凝固によって行われる。問題となる鋳造法では、液状金属合金が単結晶構造へと、すなわち単結晶工作物へと凝固され、または方向性凝固される。
樹枝状結晶が熱流に沿って整列し、柱状結晶質粒状構造（柱状。すなわち、工作物の全長にわたって延びる粒子。ここでは、一般的用語法に従って方向性凝固と称する。）または単結晶構造のいずれかを形成する。すなわち、工作物全体が単一の結晶から成る。この方法では、球状（多結晶）凝固への移行を避けねばならない。というのも、非方向性成長によって不可避的に横方向および縦方向粒界が生じ、これが、方向性凝固部材または単結晶部材の良好な特性を無にするからである。
一般に方向性凝固組織とは、粒界を有しないかまたはせいぜい小角粒界を有する単結晶を意味し、また縦方向に延びる粒界を有するが横方向粒界を持たない柱状結晶構造も意味している。第二に指摘したこの結晶構造は方向性凝固組織（directionally solidified structures）とも称される。
このような方法が米国特許第６０２４７９２号明細書、ＥＰ０８９２０９０Ａ１により公知である。これらの明細書は凝固法に関して本開示の一部である。
同様に、翼１２０、１３０は腐食または酸化に備えた被覆を有することができる（例えば、ＭＣｒＡｌＸ；Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の群のうち少なくと第２の元素、Ｘは活性元素、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または少なくと第２の希土類元素、もしくはハフニウム（Ｈｆ）である）。このような合金はＥＰ０４８６４８９Ｂ１、ＥＰ０７８６０１７Ｂ１、ＥＰ０４１２３９７Ｂ１またはＥＰ１３０６４５４Ａ１により公知であり、これらは合金の化学組成に関して本開示の一部となるものである。
その密度は有利には理論密度の９５％である。
保護する酸化アルミニウム層（ＴＧＯ＝熱成長酸化物層）がＭＣｒＡｌＸ層上に（中間層としてまたは最外層として）生成する。
ＭＣｒＡｌＸ上にさらに１つの断熱層を設けておくことができ、この断熱層は有利には最外層であり、例えばＺｒＯ2から成る。すなわちこの断熱層は酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムによって部分的にも全体的にも安定化されていない。
この断熱層がＭＣｒＡｌＸ層全体を覆う。例えば電子ビーム蒸着（ＥＢ‐ＰＶＤ）等の好適な被覆法によって断熱層内に柱状粒子が生成される。
別の被覆法、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳまたはＣＶＤが考えられる。断熱層は耐熱衝撃性を改善するために多孔質、マイクロクラックまたはマクロクラックのある粒子を有することができる。つまり断熱層は有利にはＭＣｒＡｌＸ層よりも多孔質である。
再加工（補修）とは、部材１２０、１３０がそれらの利用後に場合によっては保護層を（例えばサンドブラストによって）取り除かれねばならないことを意味する。その後、腐食層および／または酸化層もしくは腐食生成物および／または酸化生成物の除去が上記の方法によって行われる。場合によってはなお部材１２０、１３０のクラックも修理される。その後、部材１２０、１３０の再被覆と、部材１２０、１３０の再利用が行われる。
翼１２０、１３０は中空または中実に実施しておくことができる。
翼１２０、１３０が冷却されねばならない場合、翼は中空であり、場合によってはなお膜冷却孔４１８（小さい丸で示す）を有する。
図７はガスタービンの燃焼室１１０を示す。燃焼室１１０は例えばいわゆる環状燃焼室として形成されており、周方向で回転軸線１０２の周りに配置される多数のバーナ１０７が共通の燃焼室空間１５４に通じて火炎１５６を生成する。このため燃焼室１１０はその全体が環状構造体として形成され、回転軸線１０２の周りに配置されている。
比較的高い効率を達成するために燃焼室１１０は作動媒体Ｍの比較的高い約１０００℃〜１６００℃の温度用に設計されている。材料にとって不都合なこれらの動作パラメータの場合でも比較的長い運転時間を可能とするために、燃焼室壁１５３は作動媒体Ｍに向き合うその側に、遮熱要素１５５で形成される内張りを備えている。
合金製の各遮熱要素１５５は作動媒体側に特に耐熱性の高い保護層（ＭＣｒＡｌＸ層および／またはセラミック被覆）を備えており、または耐熱材料（中実セラミック煉瓦）から作製されている。これらの保護層はタービン翼と類似させることができ、つまり例えばＭＣｒＡｌＸを意味する：Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の群のうち少なくと第２の元素、Ｘは活性元素、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または少なくと第２の希土類元素、もしくはハフニウム（Ｈｆ）である。このような合金はＥＰ０４８６４８９Ｂ１、ＥＰ０７８６０１７Ｂ１、ＥＰ０４１２３９７Ｂ１またはＥＰ１３０６４５４Ａ１により公知であり、これらは合金の化学組成に関して本開示の一部となるものである。
ＭＣｒＡｌＸ上に例えばセラミック断熱層をなお設けておくことができる。このセラミック断熱層は例えばＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3‐ＺｒＯ2から成る。すなわちこの断熱層は酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムによって部分的にも全体的にも安定化されていない。
例えば電子ビーム蒸着（ＥＢ‐ＰＶＤ）等の好適な被覆法によって断熱層内に柱状粒子が生成される。別の被覆法、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳまたはＣＶＤが考えられる。断熱層は耐熱衝撃性を改善するために多孔質、マイクロクラックまたはマクロクラックのある粒子を有することができる。
再加工（補修）とは、遮熱要素１５５がその利用後に場合によっては保護層を（例えばサンドブラストによって）取り除かれねばならないことを意味する。その後、腐食層および／または酸化層もしくは腐食生成物および／または酸化生成物の除去が行われる。場合によってはなお遮熱要素１５５のクラックも修理される。その後、遮熱要素１５５の再被覆と、遮熱要素１５５の再利用が行われる。
それに加えて、燃焼室１１０の内部の高い温度のゆえに、遮断要素１５５用もしくはその保持要素用に冷却システムを設けておくことができる。その場合、遮断要素１５５は例えば中空であり、場合によっては、燃焼室空間１５４に開口する冷却孔（図示せず）をさらに有する。
本発明に係る方法を実施するための装置を示す略図である。 ルーチンでパルス化された第１電流を示す線図である。 ルーチンでパルス化された第２電流を示す線図である。 タービン翼から金属被覆を取り除くための本発明に係る方法のフローチャートである。 ガスタービンを示す図である。 タービン翼を示す図である。 燃焼室を示す図である。
１ 電解質容器
２ 電解質溶液
３ 補助電極
４、１２０、１３０ 部材

Claims (53)

  1. 部材（４、１２０、１３０）から金属被覆を電気化学的に取り除くための方法であって、部材（４、１２０、１３０）が電解質溶液（２）に浸漬され、電解質溶液（２）に接触した補助電極（３）と部材（４、１２０、１３０）とに電流が通されるものにおいて、この電流がパルス化されており、そのルーチンが≧１０％〜≦９０％、好ましくは≧２０％〜≦８０％のデューティサイクルと５ｍＡ／ｃｍ2〜１０００ｍＡ／ｃｍ2、好ましくは１０ｍＡ／ｃｍ2〜３００ｍＡ／ｃｍ2の範囲の２つの電流密度と５Ｈｚ〜１０００Ｈｚ、好ましくは２５Ｈｚ〜３００Ｈｚの周波数とを有する方法。
  2. デューティサイクルが２５％〜７５％、好ましくは５０％〜７５％、特に５０％である請求項１記載の方法。
  3. 電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ2〜２５０ｍＡ／ｃｍ2、好ましくは１００ｍＡ／ｃｍ2〜２００ｍＡ／ｃｍ2、特別好ましくは１５０ｍＡ／ｃｍ2〜２００ｍＡ／ｃｍ2である請求項１または２記載の方法。
  4. 周波数が５０Ｈｚ〜２７５Ｈｚ、好ましくは１５０Ｈｚ〜２７５Ｈｚの範囲内、特に２６０Ｈｚである請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
  5. デューティサイクルが５０％、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ2と１５０ｍＡ／ｃｍ2、周波数が１５０Ｈｚである請求項２、３または４記載の方法。
  6. デューティサイクルが７５％、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ2と１５０ｍＡ／ｃｍ2、周波数が２５０Ｈｚである請求項２、３または４記載の方法。
  7. デューティサイクルが７５％、電流密度が１５０ｍＡ／ｃｍ2と２００ｍＡ／ｃｍ2、周波数が５０Ｈｚである請求項２、３または４記載の方法。
  8. デューティサイクルが５０％、電流密度が１５０ｍＡ／ｃｍ2と２００ｍＡ／ｃｍ2、周波数が２５０Ｈｚである請求項２、３または４記載の方法。
  9. 電解質溶液（２）が無機酸または有機酸または有機塩基または無機塩基、あるいは無機および有機の酸および／または塩基とから成る混合物を含み、あるいはそれらから成る請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
  10. 酸がＨＣｌである請求項９記載の方法。
  11. ２０重量％未満、特に１０重量％未満、特別には６重量％未満の酸、特にＨＣｌが電解質溶液（２）に含有されている請求項９または１０記載の方法。
  12. 電解質溶液（２）がアルカノールアミン化合物、またはこの化合物を含有した塩を抑制剤として含有する請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の方法。
  13. 抑制剤がトリエタノールアミンまたはその塩の１つであり、または別の有機抑制剤または無機抑制剤との混合物に含有されており、特にトリエタノールアミンのみが使用される請求項１２記載の方法。
  14. 他の抑制剤としてカルボン酸および／またはアルデヒド化合物および／または不飽和アルコールが電解質溶液（２）に含有されている請求項１３記載の方法。
  15. 少なくと１つの機械的清浄ステップが、好ましくはサンドブラストによって行われる請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の方法。
  16. 前記機械的清浄ステップが電気化学的除層ステップの前に行われる請求項１５記載の方法。
  17. 部材表面から被覆材料が部材（４）の面積当り２０ｍｇ／ｃｍ2〜１００ｍｇ／ｃｍ2、好ましくは３４ｍｇ／ｃｍ2〜６８ｍｇ／ｃｍ2、特別好ましくは３４ｍｇ／ｃｍ2〜５１ｍｇ／ｃｍ2の範囲内で機械的に除去される請求項１５または１６記載の方法。
  18. 電気化学的除層ステップ後、不溶の被覆材料が部材（４、１２０、１３０）の面積当り３０ｍｇ／ｃｍ2〜１６０ｍｇ／ｃｍ2、好ましくは３４ｍｇ／ｃｍ2〜６８ｍｇ／ｃｍ2、特別好ましくは３４ｍｇ／ｃｍ2〜５１ｍｇ／ｃｍ2の範囲内で機械的に除去される請求項１５記載の方法。
  19. 付加的に第２の電気化学的除層ステップが直流を使って行われ、こうしてなお付着している残留被覆が取り除かれ、直流の電流密度が特に１６ｍＡ／ｃｍ2、プロセス時間が特に８分である請求項１ないし１８のいずれか１つに記載の方法。
  20. 付加的に第２の電気化学的除層ステップが他のパルス電流を使って行われる請求項１ないし１８のいずれか１つに記載の方法。
  21. 前記他のパルス電流が、第１電気化学的除層ステップ用の第１パルス電流のデューティサイクルよりも高いデューティサイクルを有する請求項２０記載の方法。
  22. 前記他のパルス電流のデューティサイクルが、第１電気化学的除層ステップ用の第１パルス電流のデューティサイクルよりも少なくとも２０％高い請求項２０記載の方法。
  23. 前記他のパルス電流が５０〜９９％のデューティサイクルと０．１ｍＡ／ｃｍ2〜３０ｍＡ／ｃｍ2間の２つの電流密度と１０-2〜１００Ｈｚの周波数とを有する請求項２０記載の方法。
  24. 前記他のパルス電流のデューティサイクルが７５〜９９％、好ましくは９５〜９９％である請求項２３記載の方法。
  25. 前記他のパルス電流の２つの電流密度が０．５ｍＡ／ｃｍ2〜２０ｍＡ／ｃｍ2、好ましくは１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2である請求項２３または２４記載の方法。
  26. 前記第２のパルス電流の周波数が１０-2〜１Ｈｚ、好ましくは１０-2〜１０-1Ｈｚである請求項２３ないし２５のいずれか１つに記載の方法。
  27. 前記第２の電気化学的除層ステップが１〜６０分間、好ましくは５〜２０分間行われる請求項２２ないし２６のいずれか１つに記載の方法。
  28. 前記他のパルス電流が９９％のデューティサイクルと１ｍＡ／ｃｍ2〜１６ｍＡ／ｃｍ2間の２つの電流密度と１０-2Ｈｚの周波数とを有し、前記第２の電気化学的除層ステップが特に８分間行われる請求項２０記載の方法。
  29. 前記第２の電気化学的除層ステップ後に視認可能な残留被覆材料が部材（４）の面積当り５ｍｇ／ｃｍ2〜７０ｍｇ／ｃｍ2、好ましくは５ｍｇ／ｃｍ2〜３４ｍｇ／ｃｍ2の範囲内で機械的に、特にサンドブラストによって除去される請求項１ないし２８のいずれか１つに記載の方法。
  30. 部材（４、１２０、１３０）がタービン翼または原動機翼である請求項１ないし２９のいずれか１つに記載の方法。
  31. 金属被覆がＭＣｒＡｌＸ層であり、ＭがＦｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉの群から選択され、Ｘがイットリウム、ランタンまたは希土類元素の群から選択されている請求項１ないし３０のいずれか１つに記載の方法。
  32. タービン翼（４、１２０、１３０）から金属被覆を取り除くための方法であって、タービン翼（４、１２０、１３０）の部品がマスキングされ、タービン翼（４、１２０、１３０）が被覆領域をブラスト材でブラストされ、タービン翼（４、１２０、１３０）が電気化学的主除層ステップを施され、タービン翼（４、１２０、１３０）が被覆領域をブラスト材でブラストされ、タービン翼（４、１２０、１３０）が電気化学的再除層ステップを施され、タービン翼（４、１２０、１３０）が被覆領域をブラスト材でブラストされ、タービン翼（４、１２０、１３０）がデマスキングされ（マスクを外され）、タービン翼（４、１２０、１３０）が被覆領域をブラスト材でブラストされ、被覆が取り除かれたか否かを点検するためにタービン翼（４、１２０、１３０）が加熱着色される方法。
  33. タービン翼（４、１２０、１３０）の内部にある諸領域が特にワックスで覆われる請求項３２記載の方法。
  34. タービン翼（４、１２０、１３０）の翼付根（１８３）をブラスト材の衝突から保護するために翼付根がブラスト前にキャップで覆われ、ブラスト後にキャップが再び取り除かれる請求項３２または３３のいずれか記載の方法。
  35. ブラスト材としてコランダムが使用される請求項３２ないし３４のいずれか１つに記載の方法。
  36. 粒度４６メッシュ以下のブラスト材が使用される請求項３５記載の方法。
  37. 第１ブラストステップが最高５バールのブラスト圧力で行われ、他のすべてのブラストステップが最高３バールのブラスト圧力で行われる請求項３２ないし３６のいずれか１つに記載の方法。
  38. 第１ブラストステップ後、タービン翼（４、１２０、１３０）の外側領域が特にワックスで覆われる請求項３２ないし３７のいずれか１つに記載の方法。
  39. 電気化学的主除層ステップおよび電気化学的再除層ステップのときタービン翼（４、１２０、１３０）が被覆領域を電解質溶液（２）に浸漬され、陽極として接続されるタービン翼（４、１２０、１３０）と電解質溶液（２）に接触した補助電極（３）とに電流が通される請求項３２ないし３８のいずれか１つに記載の方法。
  40. 電解質溶液（２）としてＨＣｌが使用される請求項３９記載の方法。
  41. 濃度２０重量％未満、特に１０重量％未満、特別には６重量％未満のＨＣｌが使用される請求項４０記載の方法。
  42. 主除層ステップおよび再除層ステップが１５〜２５℃、特に１８〜２２℃の範囲内の電解質溶液（２）温度において行われる請求項４１記載の方法。
  43. 電解質溶液（２）内の金属イオン濃度が監視され、＞１００ｐｐｍの金属イオン濃度、特に鉄イオン濃度のとき電解質溶液（２）が交換される請求項３９ないし４２のいずれか１つに記載の方法。
  44. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法で電気化学的主除層ステップが行われる請求項３９ないし４３のいずれか１つに記載の方法。
  45. 電気化学的主除層ステップのときタービン翼（４、１２０、１３０）と補助電極（３）とに直流が通される請求項３９ないし４３のいずれか１つに記載の方法。
  46. 電気化学的主除層ステップが最高６０分間行われる請求項４４または４５記載の方法。
  47. 電気化学的再除層ステップのときパルス電流がタービン翼（４、１２０、１３０）と補助電極（３）とに通される請求項３９ないし４６のいずれか１つに記載の方法。
  48. 電気化学的再除層ステップのとき直流がタービン翼（４、１２０、１３０）と補助電極（３）とに通される請求項３９ないし４６のいずれか１つに記載の方法。
  49. 電気化学的再除層ステップが最高３０分間行われる請求項４７または４８記載の方法。
  50. タービン翼（４、１２０、１３０）が５００〜７００℃、特に５５０〜６５０℃の範囲内の温度において加熱着色される請求項３２ないし４９のいずれか１つに記載の方法。
  51. タービン翼（４、１２０、１３０）が２０〜４０分間、特に３０分間、加熱着色される請求項５０記載の方法。
  52. 残留金属被覆が研磨によって取り除かれる請求項３２ないし５１のいずれか１つに記載の方法。
  53. タービン翼（４、１２０、１３０）が被覆を取り除いた後にマーキングされる請求項３２ないし５２のいずれか１つに記載の方法。
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