JP4729178B2 - 断熱皮膜の除去方法 - Google Patents
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Description
【技術分野】
この発明は、セラミック皮膜を除去する方法に関する。本発明は特に、ガスタービンエンジンの部品のような高温で使用する部品の表面からイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような断熱セラミック材料の層を除去する方法に関する。
【0002】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンの種々のセクション、たとえばタービン、燃焼器、オーグメンターに配置される部品は、多くの場合、使用温度を下げるためにセラミック層で断熱され、これによりエンジンのより高温での一層効率よい作動を可能にしている。これらの皮膜は、通常断熱皮膜(TBC=thermal barrier coating)と称され、熱伝導率が低く、物品に強固に被着し、多数回の加熱−冷却サイクルを経ても密着を維持する必要がある。
【0003】
これらの要求を満たすことのできる皮膜システムとしては、代表的には金属ボンドコートで断熱セラミック層を部品に密着するシステムが挙げられる。断熱セラミック層用の材料としては金属酸化物、たとえばイットリア(Y2O3)、マグネシア(MgO)その他の酸化物で部分または完全安定化されたジルコニア(ZrO2)が広範に用いられている。セラミック層は代表的には、大気圧プラズマ溶射(APS)、低圧プラズマ溶射(LPPS)または物理蒸着(PVD)法、たとえば歪み耐性のよい柱状結晶粒構造を生成する電子ビーム物理蒸着(EBPVD)により設層する。ボンドコートは代表的には、耐酸化性拡散皮膜、たとえば拡散アルミナイドまたは白金アルミナイド、または耐酸化性合金、たとえばMCrAlY(式中のMは鉄、コバルトおよび/またはニッケルを示す)から形成される。アルミナイド皮膜とMCrAlYとは、前者が主としてアルミナイド金属間化合物であるのに対して、後者がβ−NiAlを含む複数相の混合物を含有する金属固溶体である点で、区別される。
【0004】
耐環境性ボンドコートおよび断熱セラミック層を生成する被覆材料および被覆方法は格段に進歩しているが、状況によってはセラミック層を除去し、交換する必要も必ず存在する。たとえば、エンジン運転中のセラミック層へのエロージョンや衝撃ダメージによりセラミック層の除去が必要になったり、タービンブレードの先端長さなどの特殊な形状を修理する必要からセラミック層の除去が必要になったりする。また、皮膜中の欠陥や取り扱い時のダメージなどの問題、セラミックの除去を必要とする被覆に関係のない製造操作、たとえば放電加工(EDM)操作を繰り返す必要などに対処するために、部品製造時にセラミック層の除去が必要になることもある。
【0005】
現在の技術水準の修理方法では、たいていの場合TBCシステム全体、すなわちセラミック層およびボンドコート両方を除去することになり、その後ボンドコートとセラミック層を再設層しなければならない。このような修理方法では、グリットブラスティング、液体ホーニングおよびガラスビーズピーニングなどの過程で砥粒を使用し、これらの方法はいずれも時間と労力のかかるプロセスで、セラミック層およびボンドコートならびにこの皮膜の下側の基体表面が侵食される。繰り返し使用すると、これらの過程は部品の肉厚を減らすことにより最終的に部品を破損する。この欠点は、部品の基体表面に侵入する拡散領域を有する拡散アルミナイドボンドコートの場合に特に深刻である。拡散アルミナイドボンドコートへの損傷は通常、拡散領域中の脆い相、たとえば白金アルミナイドボンドコートのPtAl2相の破壊によって起こるか、耐環境性金属間相MAl(式中のMは、基体材料に応じて鉄、ニッケルまたはコバルトを示す)を含有する最外側ボンドコート層である添加剤層中の脆い相の破壊によって起こる。空冷部品、たとえばエアーホイル表面に冷却孔が設けられ、冷却孔から冷却空気を吐き出してブレードの外面を冷却する構造のタービンブレードを処理する場合に、損傷が特に起こりやすい。
【0006】
その結果、セラミック皮膜を除去する非研磨法の開発に多大な努力が払われてきた。たとえばオートクレーブ法では、セラミック皮膜を苛性アルカリ化合物の存在下で高温高圧にさらす。この方法は、セラミック層とボンドコート酸化物層との化学結合を十分に弱め、ボンドコート層をそのままにしてセラミック層を除去できることが確認されている。しかし、適当なオートクレーブ装置は高価であり、またオートクレーブ法は空冷タービンブレードの冷却孔からセラミックを除去することができない。
【0007】
したがって、セラミック層を密着させるためのボンドコートを含めて下側の基体に損傷を与えることなく、部品からセラミック層を除去することのできる方法が必要とされている。
【0008】
【発明の概要】
本発明は、部品の表面からセラミック皮膜、たとえばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)の断熱皮膜(TBC)を除去する方法を提供する。特に注目に値する部品の例としては、ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器およびオーグメンタ部分の過酷な熱環境にさらされるガスタービンエンジン部品が挙げられる。本発明の方法は、セラミック皮膜を部品の表面に密着する金属ボンドコート、たとえば拡散アルミナイドまたはMCrAlY皮膜を除去することなく、断熱皮膜系の断熱セラミック層を完全に除去するのに特に適当である。
【0009】
本発明の方法は、広義には、セラミック皮膜をフッ化水素アンモニウムの水溶液にさらす工程を含む。セラミック皮膜を除去する好適な方法はさらに、高温に維持しながら部品を水溶液に浸漬する工程と、皮膜を超音波エネルギーにさらす工程とを含む。本発明の方法を用いることにより、ボンドコートをほぼ劣化させることなく、セラミック皮膜を部品およびあらゆる冷却孔から完全に除去することができる。したがって、本発明は、ボンドコートの再処理や交換の必要なく、また余分なセラミックを冷却孔に付着する(部品の性能に有害である)ことなく、製造中の部品に新しいセラミック皮膜を付着することができる。部品が使用されてボンドコートが酸化の結果として部分的に欠損されている場合には、セラミック皮膜を交換する前に、ボンドコートを改修することができる。
【0010】
本発明の顕著な利点として、断熱皮膜系のセラミック皮膜を除去するのに必要な労力、装置および加工コストの減少が挙げられる。簡単なプロセスと装置を使用できる上に、ボンドコートの損傷や除去を回避することにより労力および加工コストがさらに減少する。さらに、ボンドコートの除去は肉厚の減少を招き、特にボンドコートが本来的に部品基体と有意な拡散領域を共有している拡散アルミナイドであると、顕著な肉厚の減少を招くので、断熱皮膜系全体の交換を避けることで、部品の使用寿命も長くなる。重要なことに、TBCのセラミック層を除去する従来の方法は、冷却孔からセラミックを除去することができなかったり、セラミックを除去する過程でボンドコートに大きな損傷を与えることになった。
空冷部品の冷却孔からセラミックを完全に除去することにより、部品の性能はその表面の復旧された均一なフィルム冷却により向上する。
【0011】
本発明の他の目的や効果は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【0012】
【好適な実施態様】
図1は、ガスタービンエンジンのタービンブレード10のエーロフォイル部分の部分的断面図である。図示のブレード10の基体12は、ボンドコート16によりセラミック層18を基体12に密着してなる断熱皮膜系14で保護されている。本発明の方法は、ボンドコート16を除去あるいは損傷することなく、ブレード10の基体12からセラミック層18を除去するものである。
【0013】
ガスタービンエンジンの高温部品でよくあるように、ブレード10は鉄、ニッケルまたはコバルト基超合金から形成することができる。ボンドコート16は耐酸化性組成物、たとえば拡散アルミナイドおよび/またはMCrAlYであり、これらはいずれも高温にさらされると表面にアルミナ(Al2O3)層またはスケール(図示せず)を形成する。アルミナスケールは下側の超合金基体12を酸化から保護し、セラミック層18がより強固に密着する表面を提供する。セラミック層18は、大気圧プラズマ溶射(APS)、低圧プラズマ溶射(LPPS)または物理蒸着(PVD)法、たとえば歪み耐性のよい柱状結晶粒構造(図示せず)を生成する電子ビーム物理蒸着(EBPVD)により設層することができる。
セラミック層18の材料としては、イットリアで部分安定化されたジルコニア(イットリア安定化ジルコニア、すなわちYSZ)が好適であるが、イットリアで完全に安定化されたジルコニアならびにマグネシア(MgO)、カルシア(CaO)、セリア(CeO2)またはスカンジア(Sc2O3)など他の酸化物で安定化されたジルコニアも使用できる。
【0014】
本発明の方法によれば、ボンドコート16を除去、損傷することなく、セラミック層18を除去することができるので、新しいセラミック層を元のボンドコート16上に堆積することができる。本発明によれば、フッ化水素アンモニウム(NH4HF2)の剥離水溶液で高温で処理することにより、セラミック層18を優先的に除去する。水溶液の組成としては、溶液1リットルあたり約20〜約70gのフッ化水素アンモニウムが適当である。水溶液の効果を高めるために、約0.05〜0.2容量%の湿潤剤を水溶液に添加することができる。必須ではないが、蒸留水または脱イオン水が好適である。湿潤剤は、約1〜3重量%のポリエチレングリコールおよび残量のオクチルフェノキシポリエトキシエタノールからなるのが適当であり、好適な湿潤剤がユニオン・カーバイド社から商品名TRITON X-100にて入手できる。TRITON X-100湿潤剤を使用した剥離液の好適な組成は、溶液1リットルあたり約30〜約40gのフッ化水素アンモニウム、約0.1〜0.2容量%のTRITON X-100および残量の蒸留水または脱イオン水からなる。
【0015】
水溶液の任意成分として酢酸(CH3COOH)を使用できる。酢酸を含有する剥離液の組成は、溶液1リットルあたり約10〜20gの酢酸、溶液1リットルあたり約20〜70gのフッ化水素アンモニウム、約0.05〜0.2容量%の湿潤剤および残量の蒸留水または脱イオン水からなるのが適当である。好適な実施例では、溶液1リットルあたり約16gの酢酸、約35gのフッ化水素アンモニウム、約0.1容量%のTRITON X-100湿潤剤および残量の水を含有する剥離液を調製し、使用した。
【0016】
本発明の剥離工程に適当な温度範囲は約140°F〜約170°F(約60℃〜約77℃)、より好ましくは約140°F〜約155°F(約60℃〜約68℃)である。本発明の剥離処理では、さらに、超音波エネルギーを水溶液を通してセラミック層18に伝達するのが好ましい。水溶液1ガロン(約4L)あたり約50〜200Wの超音波エネルギーレベルに周波数約20〜40kHzが適当であることを確かめた。超音波処理は、セラミック層が完全に除去されるまで、あるいは少なくともブラッシングまたは加圧スプレー洗浄により除去できる程度にセラミック層の結合がゆるまるまで、代表的には約2〜5時間続けることができる。超音波処理なしの場合、セラミック層18とボンドコート16上のアルミナスケールとの化学結合を弱めるのに、合計処理時間約4〜5時間が通常十分である。特定の皮膜系の特性に応じて、好適な処理時間がこれより長くなったり、短くなったりすると思われる。
【0017】
1実施例で、本発明の剥離液を使用して、下側の白金アルミナイドボンドコートに損傷を与えることなく、ニッケル基超合金エーロフォイルからYSZ断熱皮膜(TBC)を除去した。特に、エーロフォイルの冷却孔内のTBCも除去されたが、このとき冷却孔内に存在し、TBCで被覆されたボンドコートの部分ならびにエーロフォイルの内部冷却通路内の未被覆ボンドコートは攻撃を受けなかった。処理後、エーロフォイルはTBCで適切に再被覆でき、ボンドコートの再処理は不要であった。本発明の剥離方法は冷却孔からTBCを完全に除去したので、冷却孔への過剰なTBCの累積でエーロフォイルの熱的性能が損なわれることはなかった。さらに、本発明の剥離方法はボンドコートのいかなる部分にも損傷を与えなかったので、ボンドコートを修理したり交換する追加の加工工程は不要であった。動翼が使われていてボンドコートが酸化の結果部分的に欠損されている場合には、ボンドコートが拡散アルミナイドであれMCrAlY型であれ、パックセメンテーション、気相アルミナイジングなどの拡散アルミナイジング法を用いて、TBC付着前にボンドコートを改修することができる。
【0018】
以上本発明を好適な実施態様について説明したが、当業者には他の形態も採用できることが明らかである。したがって、本発明の要旨は特許請求の範囲のみで限定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】ボンドコートでセラミック層をブレード表面に密着させた断熱皮膜系により保護されたガスタービンエンジンブレードの表面部分の断面図である。
Claims (6)
- 断熱YSZ層(18)をガスタービンエンジン部品に密着する同部品表面上の金属ボンドコート(16)を除去せずに、ガスタービンエンジン部品から断熱YSZ層(18)を除去する方法であって、
フッ化水素アンモニウムを含有する水溶液であって溶液1リットル当たり10〜20gの酢酸を含有する水溶液に部品を浸漬する工程を含む、除去方法。 - 前記浸漬工程で、部品を水溶液に浸漬しながら、超音波エネルギーをYSZ層(18)に当てる、請求項1記載の方法。
- 前記水溶液のフッ化水素アンモニウムが、溶液1リットル当たり30〜40gである、請求項1又は請求項2記載の方法。
- 前記浸漬工程でさらに部品及び水溶液を60〜77℃に加熱する、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の方法。
- 前記ボンドコート(16)が拡散アルミナイドである、請求項1に記載の方法。
- さらに、YSZ層(18)を除去して露出されたボンドコート(16)の表面にYSZ材料(18)を付着する工程を含む、請求項1に記載の方法。
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