JP4651983B2 - チタン系部品の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、ガスタービンエンジンの部品のようなチタン系部品をエンジン運転後に検査する方法に関する。さらに具体的には、本発明はチタン系ガスタービンエンジン部品に付着したアルミニウム系材料の存在を検出するための検査方法に関する。

チタン系材料は、比較的軽量でしかも広い運転温度域で高い強度を有するので有用である。チタン又はチタン合金は、ファンローター、ファンブレード、圧縮機ディスク及び圧縮機ブレードのような高性能ガスタービンエンジン部品に格好の材料であることが多い。広範なチタン合金が利用可能であり、各々部品に特定の組合せの特性を付与する。例えば、一部のガスタービン圧縮機ブレードは市販のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で製造されている。

ガスタービンエンジンの効率は、上記チタン系部品とその他のエンジン部品が空気と燃焼生成物を混合して所定の経路に導く能力によってある程度左右される。かかる設計流路からの漏れはエンジンの性能及び効率を低下させるおそれがあり、そのためガスタービンエンジン設計者は他の部品と協働して漏れを低減又は抑制するための摩耗性シールのような各種封止機構を開発している。例えば、圧縮機セクション及びタービンセクションでのガスの漏れを最小限に抑えることによってエンジンの効率的な運転を確保すべく、圧縮機のシュラウドで摩耗性シールが使用されている。エンジンは通例厳密な寸法公差で設計・製造されるが、回転部材や固定部材の遠心膨張及び熱膨張のためゼロクリアランスの達成は困難となる。そこで、回転ブレードがシール内に入り込めるように、固定部材の表面で摩耗性シールが多用されている。

一部の最新式ガスタービンエンジンでは、チタン合金ローターブレード及びＡｌＳｉ被覆シールが用いられている。運転中、チタン合金ブレードはＡｌＳｉで被覆されたケーシング又は隣接ハードウェアと接触して擦れ合うことがある。運転後のブレードの状態は、摩擦の激しさに応じて変わる。激しい摩擦はブレード先端の過熱を生じかねず、その状態は、先端部の変色から、ブレード先端のミクロ組織の変態、さらにはブレード先端の変形まで多岐にわたる。しかし、ＡｌＳｉコーティングと軽度の接触を起こしてアルミニウムが付着したブレードに関しては、視認し得る指標が存在しない。ブレードへの付着物は空力的に望ましくなく、エンジンの性能及び効率の低下を生じかねない。そのため、ブレードの摩擦が疑われる場合には、すべてのブレードがエンジンから取り外され、交換される。
米国特許第４０６３６４４号 米国特許第４３１８７９２号 米国特許第５２０９８２９号 米国特許第５２２７０３５号 米国特許第５４８４６６５号 米国特許第５８５３５６１号 米国特許第５９７６６９５号 米国特許第６４０１５３７号

そこで、エンジン運転中にチタン系部品に付着したアルミニウム系材料の存在を確認する非破壊検査技術に対するニーズが存在する。本発明はこのニーズを満足する。

本発明の一実施形態では、エンジン運転中にチタン系ガスタービンエンジン部品に付着したアルミニウム系材料を検出する方法を提供する。この方法は、エンジン運転に供したチタン系部品の少なくとも一部を、フッ化ナトリウム、硫酸及び水を含む酸性溶液に浸漬してエッチング処理部品を形成することを含む。この方法はさらに、エッチング処理部品を溶液から取り出し、付着アルミニウム系材料の指標となる暗色領域の有無について淡色領域と対比してエッチング処理部品を目視検査することを含む。

本発明の別の実施形態では、エンジン運転中にチタン系ガスタービンエンジン部品に付着したアルミニウム系材料を検出する方法は、エンジン運転に供したチタン系部品の少なくとも一部を酸性溶液に約４５秒〜約３分間浸漬してエッチング処理部品を形成することを含む。酸性溶液は、１リットル当たり、ｉ）フッ化ナトリウム約１５ｇ／リットル、ii）約１．８４の密度を有する硫酸約７５ｇ／リットル及びiii）残部の水からなる。この方法はさらに、エッチング処理部品を溶液から取り出し、エッチング処理部品を水で洗浄した後に乾燥し、付着アルミニウム系材料の指標となる暗色領域の有無について淡色領域と対比してエッチング処理部品を拡大条件下で目視検査することを含む。

さらに別の実施形態では、エンジン運転中にチタン系ガスタービンエンジン部品に付着したアルミニウム系材料を検出する方法は、エンジン運転に供したチタン系部品の少なくとも一部を、ｉ）フッ化ナトリウム、ii）硫酸及びiii）水を含む酸性溶液でスワッブ・エッチング処理してエッチング処理部品を形成することを含む。この方法はさらに、付着アルミニウム系材料の指標となる暗色領域の有無について淡色領域と対比してエッチング処理部品を目視検査することを含む。

本発明のさらに別の実施形態では、フッ化ナトリウム成分の代わりにフッ化カルシウム、フッ化カリウム又はフッ化水素酸を使用してもよい。

本発明は、エンジン運転に供したチタン系ガスタービンエンジン部品の検査に際して有用である。本明細書で用いる「チタン系」という用語には、チタン合金及び実質的に純粋なチタンが包含される。以下の説明では、ガスタービンエンジン部品、特にブレードを参照するが、本発明がアルミニウム系材料と接触した可能性のあるあらゆるチタン系基材にも適用し得ることはいうまでもない。同じく本明細書で用いる「アルミニウム系」という用語には、実質的に純粋なアルミニウム及び他の物質と結合したアルミニウムが包含される。

本発明の一実施形態では、エンジンに供用したチタン系ブレードを検査して、部品にアルミニウム系材料が付着したか否かを判定する。かかるアルミニウム付着物は、ブレード先端が摩耗性シールのアルミニウム系コーティング（例えばＡｌＳｉコーティング）と摩擦して接触した結果生じることがある。アルミニウム付着物は、シュラウドのようなアルミニウム系ハードウェアとの接触で生じることもある。

検査のため、ブレードをエンジンから取り外し、検査前に水洗する。本発明の一態様では、検査を要するブレードの少なくとも一部（例えば、ブレード先端）を酸性溶液に浸漬する。別法として、所望に応じて、部品全体を浸漬してもよい。

酸性溶液としては、フッ化ナトリウムと硫酸と水を含むものがある。一実施形態では、溶液は１リットル当たり約５〜約５０ｇのフッ化ナトリウム、約５０〜約１００ｇの硫酸及び残部の水からなる。浸漬時間は溶液の濃度に依存する。例えば、上述の範囲に関しては、ブレードの少なくとも一部を溶液に約１〜約５分間（フッ化ナトリウム約５ｇの場合）又は約２５秒〜約１分間（フッ化ナトリウム約５０ｇの場合）浸漬すればよい。好ましくは、溶液は１リットル当たりフッ化ナトリウム約１５ｇ、密度約１．８４の硫酸約７５ｇ及び残部の水からなり、部品は溶液に約４５秒〜約３分間浸漬する。これらの中間範囲も、すべて本発明に包含される。

別法として、フッ化ナトリウム成分の代わりに、フッ化ナトリウムに関して上述の量のフッ化カリウム、フッ化カルシウム又はフッ化水素酸を使用することもできる。ただし、フッ化カリウム又はフッ化カルシウムを使用する場合には、上述の時間の約４倍以上もの長い浸漬時間が必要となることがある。フッ化ナトリウム成分の代わりにフッ化水素酸を使用する場合には、フッ化ナトリウムに関して述べた浸漬時間の約１／２以下という短い浸漬時間が使用できる。しかし、フッ化水素酸を使用すると、処理した部品に二次的な作用を及ぼすことがある。

酸性溶液組成物は、約１５〜約２５℃の常温で特に有効である。また、溶液は浸漬前又は浸漬時に撹拌してもよい。所望に応じて、望ましいエッチング時間を維持するのに適した量の溶液成分（特にフッ化ナトリウム）を追加することによって使用時に溶液に再充填又は補充を行うことができる。

浸漬後、ブレードを溶液から取り出し、水洗し、風乾すればよい。次いで、暗色領域の外観についてブレードを目視検査すればよく、かかる暗色領域はアルミニウム系材料（例えば、ＡｌＳｉコーティング）に暴露されたブレード表面又は摩擦面の指標となる。これらの暗色領域は、非摩擦領域又はアルミニウム系材料に接触しなかったブレード領域を表すブレード上の淡色外観の領域とは対照的である。暗色の接触領域は、ブレードで黒色の線として見えることがある。約４倍〜約２５倍、好ましくは約１０倍の倍率での目視検査が検査のため特に有用である。図１及び図２を参照すると、エンジン運転中にＡｌＳｉシールコーティングに接触した２枚のチタン合金ブレードの先端が示されている。本発明の好ましい方法を適用すれば、各ブレードには黒色の線（倍率約５×の図１及び図２の矢印で示す）が見られた。好都合なことに、かかる対照的な暗色領域がブレードに見られなければ、ブレードを再び運転に供すことができ、不必要に廃棄しなくて済む。

別法として、溶液の塗布に先立ってブレードをエンジンから必ずしも取り外す必要はない。例えば、溶液を浸した布、脱脂綿材料その他の適当な塗布具を用いて上述の溶液をブレードに繰返し塗布し、適当な時間（例えば、浸漬方法の時間と同等な時間）ブレードを溶液に暴露することによる「スワッブ・エッチング」方法を使用できる。次いで、布又はスプレー装置のような適当な供給手段を用いてブレードを水で洗浄し、乾燥すればよい。

本発明の利点は、最小限の工程しか含まず、実施のためのコスト効率が良い非破壊検査技術を提供することにある。検査設備は、特殊で複雑な装置を必要とせず、容易かつ安価に構成することができる。その上、作業員が検査方法を学ぶのも容易である。

本発明の別の利点は、本方法では部品の表面から０．０００１インチ（２．５６４μｍ）未満の材料しか除去されないことである。したがって、部品は検査後も寸法要件を満たし、摩擦を受けていない部品は容易に再び使用に供することができる。

本発明のさらに別の利点は、簡単な浸漬エッチング又はスワッブ・エッチング技術を用いることで、検査のために部品をさらに加工することなく部品の摩擦又はアルミニウム系材料への暴露を容易で迅速に明らかにできることである。

以上、様々な実施形態を本明細書に記載したが、本明細書の記載から、様々な要素の組合せ、変更又は改良を当業者が行うことができ、これらも本発明の技術的範囲に属することが理解されよう。

エンジン運転中にＡｌＳｉコーティングとの先端摩擦を経験したブレードの状態を約５×の倍率で示す。 エンジン運転中にＡｌＳｉコーティングとの先端摩擦を経験した別のブレードの状態を約５×の倍率で示す。

Claims (10)

1. エンジン運転中にチタン系ガスタービンエンジン部品に付着したアルミニウム系材料を検出する方法であって、
   エンジン運転に供したチタン系部品の少なくとも一部を、フッ化ナトリウム、硫酸及び水を含む酸性溶液に浸漬してエッチング処理部品を形成し、
   上記エッチング処理部品を溶液から取り出し、
   付着アルミニウム系材料の指標となる暗色領域の有無について淡色領域と対比して、上記エッチング処理部品を目視検査する
   段階を含んでなる方法。
2. チタン系部品がチタン合金ブレードである、請求項１記載の方法。
3. 部品の少なくとも一部を、１リットル当たり、ｉ）フッ化ナトリウム１５ｇ／リットル、ii）１．８４の密度を有する硫酸７５ｇ／リットル及びiii）残部の水からなる酸性溶液に４５秒〜３分間浸漬する、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. エッチング処理部品が４×〜２５×の倍率で目視検査される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 部品の少なくとも一部を、１リットル当たり、ｉ）フッ化ナトリウム５〜５０ｇ／リットル、ii）１．８４の密度を有する硫酸５０〜１００ｇ／リットル及びiii）残部の水からなる酸性溶液に浸漬する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. エッチング処理部品を溶液から取り出した後、
   エッチング処理部品を水で洗浄した後に乾燥し、
   付着アルミニウム系材料の指標となる暗色領域の有無について淡色領域と対比してエッチング処理部品を拡大条件下で目視検査する
   段階をさらに含む、請求項５記載の方法。
7. アルミニウム系材料がＡｌＳｉである、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. エンジン運転中にチタン系ガスタービンエンジン部品に付着したアルミニウム系材料を検出する方法であって、
   エンジン運転に供したチタン系部品の少なくとも一部を、フッ化ナトリウム、硫酸及び水を含む酸性溶液でスワッブ・エッチング処理してエッチング処理部品を形成し、
   付着アルミニウム系材料の指標となる暗色領域の有無について淡色領域と対比して上記エッチング処理部品を目視検査する
   段階を含んでなる方法。
9. スワッブ・エッチング段階が、塗布具に酸性溶液を浸して、チタン系部品の少なくとも一部に酸性溶液を繰返し塗布することを含む、請求項８記載の方法。
10. エンジン運転中にチタン系ガスタービンエンジン部品に付着したアルミニウム系材料を検出する方法であって、
    エンジン運転に供したチタン系部品の少なくとも一部を、ｉ）フッ化カルシウム、フッ化カリウム又はフッ化水素酸、ii）硫酸及びiii）水を含む酸性溶液に浸漬してエッチング処理部品を形成し、
    上記エッチング処理部品を溶液から取り出し、
    付着アルミニウム系材料の指標となる暗色領域の有無について淡色領域と対比して上記エッチング処理部品を目視検査する
    段階を含んでなる方法。