JP4762393B2 - 拡散アルミニドコーティングからの高温腐蝕生成物の除去方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、拡散アルミニドコーティングで保護されたガスタービンエンジン部品を補修する方法に関する。さらに具体的には、本発明は、拡散アルミニドコーティングを傷つけずに該コーティングから高温腐蝕生成物を除去する方法に関するもので、コーティングを完全に除去・交換しなくてもコーティングを蘇生させることのできる方法に関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
ガスタービンエンジン内部の作動環境は熱的にも化学的にも過酷である。鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合金の開発を通じて高温合金は著しく進歩したが、かかる合金で作られた部品はタービン、燃焼器及びオグメンタ等のセクションに位置していると長期の使用に耐えれないことが多い。通常の解決策はかかる部品の表面を環境コーティング、すなわち酸化及び高温腐蝕に耐性のコーティングで保護することである。この目的で広く使われているコーティングには、拡散アルミニドコーティング並びにＭＣｒＡｌＹ（ただし、Ｍは鉄、ニッケル及び／又はコバルトである）等のオーバーレイコーティングがあり、ＭＣｒＡｌＹは拡散アルミニドコーティングでオーバーコートし得る。空気中での高温曝露時に、これらのコーティングは保護アルミニウム酸化物（アルミナ）スケールを形成して、コーティングとその下の基材の酸化を防止する。拡散アルミニドコーティングは、高圧タービン動翼等の内部冷却通路を備えた部品を環境から保護するのに特に有用である。アルミニドは冷却通路の断面積をさほど減少させずに環境から保護することができるからである。当技術分野で公知の通り、拡散アルミニドコーティングは、部品表面での含アルミニウム組成物との反応の所産である。この反応で２つの別個の層域が形成され、その最外層は付加層と呼ばれ、耐環境金属間層ＭＡｌ（ただし、Ｍは基材に応じて鉄、ニッケル又はコバルトである）を含んでいる。付加層の下は、コーティング反応時に拡散勾配及び基材の局所領域での元素溶解性の変化の結果生じた各種の金属間相と準安定相を含む拡散域である。
【０００３】
ガスタービンエンジン部品の高温腐蝕は一般に燃焼時にイオウとナトリウムが反応して硫酸ナトリウム（Ｎａ₂ＳＯ₄）を生成する際に起こり、硫酸ナトリウムが部品の表面に凝縮し、後で部品表面を侵食する。高温腐蝕反応のイオウ源及びナトリウム源には、燃焼させる燃料中の不純物並びにナトリウムを含む塵埃の吸込及び／又は海水中の塩分の吸込がある。後者の状況下では、高温腐蝕は、通例、塩が部品表面に固体又は液体として堆積する条件下でのホットセクションタービン動翼や静翼で起こる。塩堆積物はアルミニドコーティングの保護アルミナスケールを破壊することが可能で、その結果コーティングを急速に侵食しかねない。高温腐蝕は付着性の低い外部スケールを生じ、外部スケールの下には各種内部酸化物及び硫化物が浸透している。これらの生成物は概してイオウ及びナトリウと合金中に存在する元素及び場合によってはその他カルシウム、マグネシウム、塩素等の環境に由来する元素との化合物である。高温腐蝕生成物自体は、ガスタービンエンジン部品が曝露される酸化性雰囲気の所産としてそれらの部品上で通常形成もしくは堆積する酸化物とは区別できる。
【０００４】
旧来は、溶接又はろう付による部品の補修又は損傷コーティングの交換ができるようにアルミニドコーティングを完全に除去しておき、しかる後に適当なアルミナイジングプロセスで新たなアルミニドコーティングを施工していた。コーティングに存在する高温腐蝕生成物はすべてコーティングと共に除去される。ガスタービンエンジン部品からアルミニドコーティングを完全に除去することの短所は、コーティングと共に基材金属の一部が除去されてしまい、そのため部品の運用寿命が著しく短くなることである。その結果、拡散アルミニドコーティングを除去せずに、アルミニドコーティング及び該コーティングの与える環境保護を復活するために拡散アルミニドコーティングを回復させる新補修技術が提案されている。しかし、タービン動翼及び静翼の補修のためのコーティング回復技術は高温腐蝕生成物の存在下では実施することができない。高温腐蝕生成物が少しでも残留していると、回復コーティングがエンジン温度に曝露された際にコーティングが侵食される結果を招くからである。従前、高温腐蝕生成物は研磨グリットブラストによる除去を必要としていたため、回復技術は高温腐蝕で侵食されていない部品に限定されていた。
【０００５】
以上の説明から、海水中の塩分及びその他のイオウ及びナトリウム源に曝露される拡散アルミニドコーティングを有するタービンエンジン部品の回復プログラムを成功裡に実施するためには、アルミニドコーティングを傷つけずに高温腐蝕生成物を除去しなければならないことが理解されよう。オートクレーブ中での苛性アルカリ溶液での処理は、部品からアルミニウム及びニッケルの酸化物を除去するのにはうまくいったが、もっと複雑な高温腐蝕生成物は苛性アルカリ溶液中に溶解しないという明らかな理由のため高温腐蝕生成物を除去するのにはかかる処理ではうまくいかない。このように、従来技術には、拡散アルミニドコーティングを損傷も除去することもなく高温腐蝕生成物を完全に除去できる方法は存在していなかった。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器又はオグメンタ等の、塩溶液その他のナトリウム及びイオウ源に極高温で曝露される部品の表面から高温腐蝕生成物を除去する方法を提供する。本発明の方法は、環境コーティングとして又は遮熱コーティング（ＴＢＣ）のボンドコートとしての拡散アルミニドコーティングで保護された部品から高温腐蝕生成物を除去するのに特に適している。
【０００７】
本発明の処理段階には、概して、清浄化すべき表面を苛性アルカリオートクレーブ処理及び／又はグリットブラスト処理により加工処理することでコンディショニング又は活性化し、酢酸を含む加熱液体溶液中に部品を浸漬し、次いで部品を溶液中に浸漬したまま部品の表面を攪拌することが含まれる。こうすることで、拡散アルミニドコーティングを損傷も除去することもなく、部品表面の高温腐蝕生成物が除去されることが判明した。その結果、部品の高温腐蝕生成物が除去された領域は、適当な回復プロセスで補修することができる。所望に応じて、部品表面から酸化物を除去するため、苛性アルカリ溶液でのオートクレーブ処理により部品を予備処理してもよい。かかるオートクレーブ処理に続いて、アルミニドコーティングと共に部品に密着したＴＢＣ（もしあれば）を除去するためのウォータージェットストリッピングを行ってもよい。
【０００８】
本発明によれば、意外なことに、ホワイトビネガーのような弱酢酸溶液を一定の温度で使用してかつ表面コンディショニング又は活性化段階後に十分な攪拌を行いさえすれば、そうした弱酢酸溶液で高温腐蝕生成物が除去されることが判明した。好都合なことに、かかる弱酢酸溶液はアルミニドコーティングを侵食せず、アルミニドコーティングを完全に除去しておいてから新たなコーティングを施工しなくても、アルミニドコーティングを回復できることが判明した。本発明のもう一つの利点は、酢酸は廃水処理施設を汚さず、廃水中の金属イオン濃度が許容レベルを超えてしまうことを心配せずに廃棄できることである。このように、本発明の処理は環境に優しい。
【０００９】
本発明のその他の目的及び利点は以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料・塵埃・海水を始めとするナトリウム及びイオウ源に高温で曝露されたガスタービンエンジン部品表面のアルミニドコーティングに含まれる高温腐蝕生成物を除去するための簡単で環境に害のない方法を提供する。かかる部品の具体例としては、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービン静翼及び動翼、シュラウド、燃焼器内筒及びオグメンタが挙げられる。本発明に特に関係があるのは、拡散アルミニドコーティング又は拡散アルミニドコーティングでオーバーコートしたＭＣｒＡｌＹコーティングによって保護されたガスタービンエンジン部品であり、該コーティングはＴＢＣとしてのセラミックトップコートを伴っていてもいなくてもよい。ガスタービンエンジン部品を参照して本発明の利点を説明するが、本発明は、一般に、既存のアルミニドコーティングを除去しないで回復させることが有益なアルミニド表面を有する部品であればどんな部品にも適用し得る。
【００１１】
本発明の方法では、高温腐蝕による作用を受けたアルミニド表面を弱酢酸溶液で処理する。弱酢酸溶液の具体例は通例約４〜８重量％の酢酸を含むホワイトビネガーである。本願出願人に譲渡された係属中のＢｏｗｄｅｎの米国特許出願第０９／００９２３６号には、ビネガーがガスタービンエンジン部品からゴミ及びシリカ及びカルシウム系化合物を除去したことが開示されているが、ビネガーその他の弱酢酸溶液がアルミニドコーティングと化学結合した複雑な高温腐蝕生成物を除去する能力については知られていないし、予期できない。本発明によれば、意外なことに、弱酢酸溶液を適当な表面予備処理と組合せると、高温腐蝕による作用を受けていないコーティング部分を損傷も除去することもなく、高温腐蝕生成物が完全に除去されることが判明した。本発明の処理溶液としては概して入手容易性及びコストの点でビネガーが好ましいが、他の方法で誘導される酸性度の強い又は弱い酢酸溶液も使用できると予想される。
【００１２】
本発明の方法では、好ましくは、適当な予備処理によって部品を処理し、部品を酢酸溶液中に約１５０〜約１７５°Ｆ（約６６〜約７９℃）で浸漬するが、約１２０〜２００°Ｆ（約４９〜約９３℃）の温度も好適であると思料する。他の酸性度の溶液も可能であるが、溶液の好ましい酢酸濃度は約４〜約５％である。部品を完全に浸漬して、冷却通路で構成されるような内表面を含めすべての表面が確実に溶液と接するようにする。次いで部品表面を超音波エネルギー等で攪拌して部品の表面から高温腐蝕生成物を取り除く。超音波洗浄作業に好適なパラメーターは当業者が容易に確認できる事項であり、部品を高い超音波エネルギーレベルで処理すると作業時間を短縮できる。概して、市販の超音波洗浄機を用いて２時間処理すれば、アルミニドコーティングと化学結合した高温腐蝕生成物の大半を除去するのに十分であった。確実に高温腐蝕生成物を完全に除去するのに好ましい処理は約２〜約４時間である。超音波洗浄の後、部品を水その他の適当な濯ぎ剤で濯いで部品の内表面及び外表面から酢酸溶液を除去する。この段階で、部品は、適当なアルミナイジングプロセスによるアルミニドコーティングの回復の準備が整っている。回復に際して、高温腐蝕生成物の除去された領域に拡散アルミニドを再施工する。回復前のかかる領域は、拡散域は残っているが元のアルミニドコーティングの付加層が存在しないことを特徴とする。
【００１３】
本発明を完成するに至った研究では、高温腐蝕による作用を受けた拡散アルミニド環境コーティングで保護された高圧タービン動翼を処理した。この拡散アルミニドコーティングは、動翼の表面で青灰色に着色して見えた。最初に、各動翼を、水酸化ナトリウムを含む苛性アルカリ溶液での１５０〜２５０℃、圧力１００〜３０００ｐｓｉ（約０．７〜約２１ＭＰａ）でオートクレーブ処理することにより予備処理した。オートクレーブ処理でエンジン酸化物は動翼からうまく溶解したが、高温腐蝕生成物はアルミニドコーティング、特に動翼の凹面に強く付着したままであった。タービン動翼を、次に、温度約６５℃（約１５０°Ｆ）の非希釈ホワイトビネガーの入った容器に翼先端を下にして浸漬した。次いで、容器及び動翼を計２時間超音波攪拌に付し、しかる後に動翼を水道水で濯いだ。
【００１４】
以上の処理後、何の追加処理（例えばグリットブラスト又はタンブリング）も施さずに、３つの動翼のうち２つから青灰色に着色していた高温腐蝕生成物が完全に除去されたことが観察された。高温腐蝕生成物は、動翼表面のアルミニドコーティングを傷つけない軽いグリットブラストによって３番目の動翼から完全に除去された。動翼の金属検査で、加熱ビネガー溶液がコーティングの付加層に存在していた腐蝕生成物と反応しこれを完全に除去したことが示された。重要な点として、ビネガー溶液は、コーティングの高温腐蝕生成物が除去された領域のすぐ隣りの腐蝕されてない領域には攻撃しなかった。その結果、動翼はそのアルミニドコーティングを回復できる状態にあった。
【００１５】
以上の上首尾の結果を得た後、高温腐蝕によって同様に拡散アルミニド環境コーティングが侵食された第二グループの高圧タービン動翼について追加試験を行った。オートクレーブ予備処理に代えて、各動翼を最初にグリットブラストで予備処理して動翼の表面を洗浄した。これらの動翼も、温度約６５℃（約１５０°Ｆ）の非希釈ホワイトビネガーの入った容器に翼先端を下にして浸漬し、合計２時間超音波攪拌に付し、しかる後に水道水で濯いだ。濯ぎ後の動翼を検査したところ、高温腐蝕生成物はすべての動翼から完全に除去されていた。
【００１６】
以上の結果から、アルミニドコーティングを傷つけずに、アルミニド表面から高温腐蝕生成物及び酸化物を洗浄し除去するのに、ビネガーその他の弱酢酸溶液を用いることができるとの結論を得た。さらに、弱酢酸溶液での処理は、ガスタービンエンジン内の酸化性作動環境の結果生じるタイプの酸化物の除去を促すための表面コンディショニング又は活性化予備処理としての苛性アルカリオートクレーブ処理又はグリットブラストと共に実施するのがベストであるとの結論も得た。好適なオートクレーブ処理条件には、慣用のオートクレーブ圧力及び温度を用いて苛性アルカリ溶液として水酸化ナトリウムを使用することが包含されると思料する。加えて、本発明の酢酸処理は苛性アルカリオートクレーブストリッピングと共に用いることができ、最初に拡散アルミニドコーティング上のセラミックＴＢＣ（この場合、アルミニドコーティングはＴＢＣのボンドコートとして機能する）を除去しておき、次いで露出したアルミニドコーティングから高温腐蝕生成物を除去できるとの結論も得た。かかるストリッピング法としては、米国特許出願第（米国代理人整理番号１３ＤＶ１２５５０）号（文献の援用によって本明細書に取り込まれる）によるＴＢＣのウォータージェットストリッピングも可能である。
【００１７】
以上、本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、その他の形態を当業者が取り得ることは自明である。例えば、好適な酢酸溶液は他の不活性又は活性な成分を含有し得る。従って、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって規定される。

Claims (8)

1. 表面にある付加層とその下にある拡散域とを含む拡散アルミニドコーティングで保護されたガスタービンエンジン部品の表面から高温腐蝕生成物を除去する方法であって、当該方法が、
   苛性溶液処理及び／又はグリットブラスト処理により前記部品の表面をコンディショニングする段階、
   ４〜８重量％の酢酸を含む弱酢酸溶液中に６６℃〜７９℃で２時間以上前記部品を浸漬する段階、及び、
   次いで拡散アルミニドコーティングを損傷も除去することもなく、前記部品の表面の高温腐蝕生成物が除去されるように溶液中に浸漬したまま前記部品の表面を攪拌する段階
   を含んでなる方法。
2. 高温腐蝕生成物の除去された表面の領域を補修するため前記部品の表面をアルミナイズする段階をさらに含んでなる、請求項１記載の方法。
3. アルミナイズ段階に先だって、前記部品の表面から溶液を濯ぐ段階をさらに含んでなる、請求項２記載の方法。
4. 前記部品を超音波エネルギーに付すことで攪拌段階を実施する、請求項１記載の方法。
5. 前記苛性溶液処理が、前記部品を０．７〜２１ＭＰａの圧力及び１５０〜２５０℃の温度で苛性溶液処理に付す段階を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記部品の表面の拡散アルミニドコーティングがセラミックコーティングで被覆されており、当該方法が、部品を苛性溶液処理に付す段階の後、浸漬段階に先だって、部品からセラミックコーティングを除去するため前記部品をウォータージェットストリッピングに付す段階をさらに含んでなる、請求項５記載の方法。
7. 攪拌段階中に前記部品の表面の高温腐蝕生成物がすべて除去される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記部品がタービン動翼である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。