JP5791296B2 - 合金のリサイクル方法及びタービンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、使用済み合金部材から合金をリサイクルする方法及びタービンの製造方法に関する。

ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器等は、高温ガスに晒されるために、遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating：TBC）されていることが多い。この遮熱コーティングのＴＢＣ層は、例えば、Ｎｉ基合金等の母材上にＭＣｒＡｌＹ（ＭはＣｏ，Ｎｉ，Ｆeなど）金属溶射粉を溶射してなるボンドコート層（ＭＣｒＡｌＹ層）と、ボンドコート層上にＺｒＯ_２系のセラミックス溶射粉を溶射してなるセラミックス層（ＺｒＯ_２層）とによって形成される（例えば、特許文献１参照）。なお、セラミックス層は、母材に加わる熱を遮熱する役目を主として担い、ボンドコート層は、セラミックス層の熱膨張量と母材の熱膨張量との差を緩和する役目を主として担っている。

一方、このようなガスタービンの動翼等に使用される合金（ＩＮ７３８ＬＣ，ＭａｒＭ２４７ＬＣ，ＭＧＡ１４００など）は、近年、Ｎｉ、Ｔａ、Ｃｏ等の原材料価格が高騰し、さらに原材料の供給状態が不安定化して、その製造コストが上昇（変動）している。また、環境負荷低減の観点から省資源化を図ることも求められている。このため、設計寿命に到達したガスタービンの動翼等（廃却翼）から合金をリサイクルして製造することが求められている。

特開２００７−２７０２４５号公報

使用済み合金部材の廃却翼は、上記のように耐熱コーティング（ＺｒＯ_２層／ＭＣｒＡｌＹ層）の他、インサート、遮蔽板、インサート蓋材、その他、溶接材、ろう材といった付属材から構成されている。

そして、廃却翼から合金をリサイクルする場合には、これらの付属材を除去することが必要である。例えば、耐熱コーティングのＺｒＯ_２層はブラスト除去処理、ＭＣｒＡｌＹ層は化学洗浄処理（酸洗処理）、インサートや遮蔽板、インサート蓋材、溶接材、ろう材はそれぞれグラインダ処理にて除去することが必要になる。すなわち、付属材毎に適正な処理を施すことが必要であり、複数の異なる作業が混在することでリサイクルコストの増大を招くという問題があった。

特に、イットリウム（Ｙ）が合金中に含まれると合金特性（耐酸化性）の劣化が生じるため、廃却翼から合金をリサイクルする場合、ＭＣｒＡｌＹ層を十分に除去することが求められる。しかし、ＭＣｒＡｌＹ層を除去する化学洗浄処理が最もコスト増加を引き起こす工程となる。また、付属材のグラインダ除去処理工程では、異材とともに合金が削ぎ落とされてしまうこともあるため、リサイクル効率の低下を招くこととなる。

このため、廃却翼等、合金からなる母材の表面にイットリウム含有層を有する使用済み合金部材から合金をリサイクルするにあたり、合金中に不要元素であるイットリウムの混入防止を図り、且つ付属材除去工程を不要にしてリサイクル効率の向上を図ることを可能にする手法が強く望まれていた。

本発明の合金のリサイクル方法は、合金からなる母材の表面上にイットリウム含有層を有する使用済み合金部材から、前記合金をリサイクルする方法であって、前記使用済み合金部材を、前記イットリウム含有層を有したまま溶融する合金部材溶融工程と、前記使用済み合金部材を含む溶湯上に分離浮遊する酸化イットリウムを除去するイットリウム除去工程とを備えていることを特徴とする。

本発明の合金のリサイクル方法においては、合金からなる母材の表面にイットリウム含有層を有する使用済み合金部材から合金をリサイクルするにあたり、合金中に不要元素であるイットリウムの混入防止を図ることが可能になる。また、付属材除去工程を不要にしてリサイクル効率の向上を図ることも可能になる。

本発明の第１実施形態に係る合金のリサイクル方法を示すフロー図である。 本発明の第２実施形態に係る合金のリサイクル方法を示すフロー図である。 本発明の第３実施形態に係る合金のリサイクル方法を示すフロー図である。 本発明の第４実施形態に係る合金のリサイクル方法を示すフロー図である。 本発明の第５実施形態に係る合金のリサイクル方法を示すフロー図である。

以下、図１を参照し、本発明の第１実施形態に係る合金のリサイクル方法について説明する。ここで、本実施形態では、Ｎｉ基合金等の合金の母材の表面にＴＢＣ層を有するガスタービンの廃却翼（使用済み合金部材）から合金をリサイクルするものとして説明を行う。

本実施形態において、使用済み合金部材であるガスタービンの動翼等の廃却翼は、Ｎｉ基合金等の合金の母材の表面にＭＣｒＡｌＹ金属溶射粉を溶射してなるボンドコート層と、このボンドコート層上にＺｒＯ_２系のセラミックス溶射粉を溶射してなるセラミックス層とが形成されている。すなわち、この廃却翼は、合金からなる母材の表面にＹ含有層（イットリウム含有層）を有する。

また、この廃却翼には、インサートや遮蔽板、インサート蓋材、その他、溶接材、ろう材が付属している。ここで、このような付属材は、母材の合金に比べ、酸素含有量が高く、更に表面に酸化層が形成されている。

そして、本実施形態の合金のリサイクル方法によって、上記の廃却翼から母材の合金をリサイクルする際には、図１に示すように、はじめに、廃却翼の前処理を行う。この前処理では、廃却翼を切断して所定の大きさに調整する。また、このとき、廃却翼に対してブラスト処理を施し、耐熱コーティングのＺｒＯ_２層（セラミックス層）を除去する。

次に、本実施形態では、前処理後の廃却翼に対し、別途用意した母材の合金（ヴァージン材）を規定不純物量や強度特性を元に決定した所定の配合となるように加え、これら廃却翼とヴァージン材の混合材を溶融する（合金部材溶融工程）。すなわち、本実施形態では、廃却翼に付属するＺｒＯ_２（ＴＢＣ層のセラミックス層）以外の付属材を敢えて除去せず、即ち、イットリウム含有層を有したまま廃却翼を溶融する。

このとき、付属材は母材の合金に比べ酸素含有量が高く、その表面に酸化層が形成されているため、廃却翼を溶融すると、付属材由来の酸素と、ボンドコート層のイットリウムとが結合して酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）が生成し、溶湯の表面にスラグとして析出する。

このように表面に酸化イットリウム等を含むスラグが析出した溶湯を鋳型に注湯する際、多孔質セラミックフィルターを通過させ、スラグを多孔質セラミックフィルターで濾し取る。これにより、溶湯のリサイクル合金中から、不要元素であるイットリウムが除去される（イットリウム除去工程）。

鋳型に注湯した溶湯が冷却固化することによって、廃却翼から合金をリサイクルしてなるリサイクルインゴットが鋳造（製造、形成）される（インゴット形成工程）。そして、このように製造したリサイクルインゴット（本発明に係る合金）を、新たにガスタービン（本発明に係るタービン）の動翼、静翼、燃焼器等を製造する際に母材の合金として使用する。

ここで、本実施形態の合金のリサイクル方法で製造した合金（リサイクル材）の成分分析を行った結果を表１に示す。また、表１に、ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器等を製造する際に母材の合金に要求される仕様を示す。この結果から、本実施形態の合金のリサイクル方法によって、イットリウムが検出限界を下回るまで除去され、ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器等を製造する際に母材の合金に要求される仕様を満たす合金がリサイクルして製造されることが確認された。

また、本実施形態の合金のリサイクル方法で製造したインゴットを用いて鋳造した丸棒試験片は、その組織のポロシティ面積率、γ’析出物面積率、デンドライトアーム間隔ともに、ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器等を製造する際に使用する従来の母材の合金と同等であることが確認された。

したがって、本実施形態の合金のリサイクル方法においては、近年、Ｎｉ、Ｔａ、Ｃｏ等の原材料価格が高騰し、さらに原材料の供給状態が不安定化し、製造コストが変動（上昇）している合金を、設計寿命に到達したガスタービンの動翼等の廃却翼（使用済み合金部材）からリサイクルして製造することができる。そして、このように製造したリサイクルインゴットを、新たにガスタービンの動翼、静翼、燃焼器等を製造する際に母材の合金として使用することができる。

また、本実施形態の合金のリサイクル方法においては、廃却翼に付属するＺｒＯ_２（ＴＢＣ層のセラミックス層）をブラスト処理して除去し、このＺｒＯ_２以外の付属材を敢えて除去せずに溶融し、インゴット鋳造の際に溶湯の表面のスラグを除去することで、鋳造合金中から不要元素であるイットリウムを除去することができる。さらに、グラインダ除去処理等も不要である。

よって、本実施形態の合金のリサイクル方法によれば、廃却翼等、合金からなる母材の表面にイットリウム含有層を有する使用済み合金部材から合金をリサイクルするにあたり、合金にとって不要元素であるイットリウムを効率よく除去し、且つグラインダ除去工程等を不要にしてリサイクル効率の向上を図ることが可能になる。

次に、図２を参照し、本発明の第２実施形態に係る合金のリサイクル方法について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成に対してはその詳細な説明を省略する。

図２に示すように、本実施形態の合金のリサイクル方法によって廃却翼から母材の合金をリサイクルする際には、第１実施形態と同様、はじめに、廃却翼を切断して所定の大きさに調整し、また、ブラスト処理によって廃却翼の耐熱コーティングのＺｒＯ_２層を除去する前処理を行う。

次に、前処理後の廃却翼をそのまま溶融する。すなわち、本実施形態では、ヴァージン材を加えることなく、且つ廃却翼に付属するＺｒＯ_２層以外の付属材を敢えて除去せずに溶融する（合金部材溶融工程）。

第１実施形態と同様、このとき、付属材は母材の合金に比べ酸素含有量が高く、その表面に酸化層が形成されているため、廃却翼を溶融すると、付属材由来の酸素と、ボンドコート層のイットリウムとが結合して酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）が生成し、溶湯の表面にスラグとして析出する。

そして、このように表面に酸化イットリウムのスラグが析出した溶湯を鋳型に注湯する際、多孔質セラミックフィルターを通過させ、スラグを多孔質セラミックフィルターで濾し取る。これにより、第１実施形態と同様に溶湯のリサイクル合金中から、不要元素であるイットリウムが除去される（イットリウム除去工程）。そして、鋳型に注湯した溶湯が冷却固化することによって、廃却翼から合金をリサイクルしてなる中間材インゴットが鋳造（形成）される（中間材インゴット形成工程）。

上記のように中間材インゴットを形成した後に、この中間材インゴットに対し、別途用意した母材の合金（ヴァージン材）を所定の配合となるように加え、これら中間材インゴットとヴァージン材の混合材を溶融する。次に、中間材インゴットとヴァージン材の混合材を溶融した溶湯を鋳型に注湯して、リサイクルインゴットを鋳造する（インゴット形成工程）。

そして、本実施形態の合金のリサイクル方法においては、第１実施形態の作用効果に加え、上記のように廃却翼から合金をリサイクルして中間材インゴットを鋳造し、さらに中間材インゴットとヴァージン材を溶融してリサイクルインゴットを鋳造する。すなわち、ダブルメルト（複数回溶融）よってインゴット（本発明に係る合金）を製造することで、不純物が少ないインゴット（合金）を製造することが可能になる。

次に、図３を参照し、本発明の第３実施形態に係る合金のリサイクル方法について説明する。なお、第１、第２実施形態と同様の構成に対してはその詳細な説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態の合金のリサイクル方法によって廃却翼から母材の合金をリサイクルする際には、第１実施形態と同様、はじめに、廃却翼を切断して所定の大きさに調整し、また、ブラスト処理によって廃却翼の耐熱コーティングのＺｒＯ_２層を除去する前処理を行う。

次に、第１実施形態と同様、前処理後の廃却翼に対し、別途用意した母材の合金（ヴァージン材）を所定の配合となるように加え、これら廃却翼とヴァージン材の混合材を溶融する（合金部材溶融工程）。そして、表面に酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）のスラグが析出した溶湯を多孔質セラミックフィルターに通過させ、スラグを多孔質セラミックフィルターで濾し取る（イットリウム除去工程）。

ここで、廃却翼（使用済み合金部材）とヴァージン材の混合材を溶融した際、一部の元素が揮発して溶湯組成が変化する場合がある。

これに対し、本実施形態では、多孔質セラミックフィルターでスラグを除去した段階で、例えばＩＣＰ発光分光分析等を用いて溶湯の成分分析を行う。そして、成分分析結果に基づき、必要に応じて不足の成分を含む原料を溶湯に加えて溶融し、溶湯の成分調整を行う（成分調整工程）。このように成分調整した溶湯を鋳型に注湯し、廃却翼から合金をリサイクルしてなるリサイクルインゴットを鋳造する。

したがって、本実施形態の合金のリサイクル方法においては、第１実施形態の作用効果に加え、上記のようにスラグを除去した段階で溶湯の成分分析を行い、調整材を加えて成分調整を行うことによって、溶解時に構成元素が揮発したとしても、適正な組成を維持してリサイクル合金を製造することが可能になる。

次に、図４を参照し、本発明の第４実施形態に係る合金のリサイクル方法について説明する。なお、第１から第３実施形態と同様の構成に対してはその詳細な説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態の合金のリサイクル方法によって廃却翼から母材の合金をリサイクルする際には、第１実施形態と同様、はじめに、廃却翼を切断して所定の大きさに調整し、また、ブラスト処理によって廃却翼の耐熱コーティングのＺｒＯ_２層を除去する前処理を行う。

次に、前処理後の廃却翼に対し、ヴァージン材の代わりに、鋳造製品の鋳造の際、押湯部及び湯道等に残される残材であるリバート材（合金廃材）を所定の配合となるように加え、これら廃却翼とリバート材の混合材を溶融する（合金部材溶融工程）。

そして、表面に酸化イットリウムのスラグが析出した溶湯を多孔質セラミックフィルターに通過させ、スラグを多孔質セラミックフィルターで濾し取って鋳型に注湯する。これにより、溶湯のリサイクル合金中から、不要元素であるイットリウムが除去される（イットリウム除去工程）。そして、鋳型に注湯した溶湯が冷却固化することによって、廃却翼から合金をリサイクルしてなるインゴットが鋳造される。

したがって、本実施形態の合金のリサイクル方法においては、第１実施形態の作用効果に加え、上記のようにヴァージン材の代わりにリバート材を用いることで、さらなるリサイクルコストの低減を図ることが可能になる。

次に、図５を参照し、本発明の第５実施形態に係る合金のリサイクル方法について説明する。なお、第１から第４実施形態と同様の構成に対してはその詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態の合金のリサイクル方法によって廃却翼から母材の合金をリサイクルする際には、第１実施形態と同様、はじめに、廃却翼を切断して所定の大きさに調整し、また、ブラスト処理によって廃却翼の耐熱コーティングのＺｒＯ_２層を除去する前処理を行う。

次に、前処理後の廃却翼に対し、別途用意したヴァージン材と、リバート材とを所定の配合となるように加え、これら廃却翼とヴァージン材とリバート材の混合材を溶融する（合金部材溶融工程）。

そして、表面に酸化イットリウムのスラグが析出した溶湯を多孔質セラミックフィルターに通過させ、スラグを多孔質セラミックフィルターで濾し取って鋳型に注湯する。これにより、溶湯のリサイクル合金中から、不要元素であるイットリウムが除去される（イットリウム除去工程）。そして、鋳型に注湯した溶湯が冷却固化することによって、廃却翼から合金をリサイクルしてなるインゴットが鋳造される。

したがって、本実施形態の合金のリサイクル方法においては、第１実施形態の作用効果に加え、上記のようにヴァージン材とリバート材を用いることで、材料供給の安定化を図ることが可能になる。

以上、本発明に係る合金のリサイクル方法の第１から第５実施形態について説明したが、本発明は上記の第１から第５実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、第１から第５実施形態では、使用済み合金部材が廃却翼であるものとして説明を行ったが、本発明に係る使用済み合金部材は、合金からなる母材の表面にイットリウム含有層を有する使用済み合金部材であればよく、廃却翼に限定を必要とするものではない。すなわち、本発明は、合金からなる母材の表面にイットリウム含有層を有しているあらゆる使用済み合金部材から合金をリサイクルすることに適用可能である。

また、例えば第１実施形態において、使用済み合金部材の廃却翼にヴァージン材を加え、この混合材を溶融して合金をリサイクルするものとしたが、勿論、使用済み合金部材のみを溶融して合金をリサイクルしてもよく、この場合においても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。

Claims (5)

1. 合金からなる母材の表面上にイットリウム含有層を有する使用済み合金部材から、前記合金をリサイクルする方法であって、
   前記使用済み合金部材を、前記イットリウム含有層を有したまま溶融する合金部材溶融工程と、
   前記使用済み合金部材を含む溶湯上に分離浮遊する酸化イットリウムを除去するイットリウム除去工程とを備えていることを特徴とする合金のリサイクル方法。
2. 請求項１記載の合金のリサイクル方法において、
   前記合金部材溶融工程で、前記使用済み合金部材と、前記母材の合金及び／又は合金廃材とを配合した混合材を溶融するようにしたことを特徴とする合金のリサイクル方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の合金のリサイクル方法において、
   前記イットリウム除去工程後の溶湯により中間材インゴットを形成する中間材インゴット形成工程と、
   前記中間材インゴット形成工程で形成した前記中間材インゴットと前記母材の合金とを溶融して溶湯を生成し、該溶湯によりリサイクルインゴットを形成するインゴット形成工程とを備えていることを特徴とする合金のリサイクル方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の合金のリサイクル方法において、
   前記イットリウム除去工程後の溶湯の成分分析を行い、成分不足が生じている場合に、不足の成分を含む調整材を前記溶湯に加えて成分調整を行う成分調整工程を備えていることを特徴とする合金のリサイクル方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の合金のリサイクル方法によって製造された合金を母材としてタービンを形成するタービンの製造方法。

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