JP6378553B2 - 皮膜の剥脱時のスマット除去の方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属結合皮膜除去時に物品からスマット除去することに関する。
運用から外された物品についての修繕の取り組みの一環としての金属性皮膜の除去は、時間消費的な作業である。金属性皮膜の除去のための現状の方法は、タービン運用から外された物品についての最初のグリット・ブラストの後にスマット除去を必要とする。スマットは、最初の酸浴への浸漬時に酸浴が金属性皮膜と相互作用することにより形成される。形成されたスマットは堅く接着している。次いで、堅く接着したスマットは、該スマットが除去されるまで、グリット・ブラスト処理、続く漬込時に酸が冷却孔に入り込まないようにする冷却孔のマスク処理、及び再漬込の少なくとも２回の付加的なサイクルによって除去される。
現状の方法は、剥脱サイクル毎に少なくとも３回のグリット・ブラスト処理作業を必要とし、また少なくとも２回の酸剥脱サイクルを必要とし、この酸剥脱は、２０重量％から４０重量％の硝酸のような極めて強い酸によって達成される。薬品又はグリット・ブラスト処理作業への過剰曝露による損傷を防ぐために、基材の敏感な部分のマスク処理が必要とされ得る。酸漬込によって形成されるスマットを除去するための付加的なグリット・ブラスト処理は、基材物質を望ましくなく除去し得る過剰ブラスト処理のリスクを高め、また後の酸漬込時に付加的な基材物質を除去する可能性がある。幾つかの方法は、１４０°Ｆ（６０℃）又はさらに高温での昇温苛性薬処理を用いる場合がある。基材物質に損傷を与える可能性に加えて、高濃度の酸、多数回にわたるグリット・ブラスト処理作業、及び用いられるときには苛性薬処理の高温が、薬品及び多数回のグリット・ブラスト処理作業の結果として環境、健康、及び安全（ＥＨＳ）の問題を生ずる。
運用から外された皮膜付きタービン構成要素のような皮膜付き物品の修繕時に酸浴への曝露によって形成されるスマットを除去し得る方法であって、ＥＨＳの問題を生じ得る物品及び人員の薬品への曝露を最小化しつつ基材への損傷の可能性を小さくする方法が必要とされている。
湿式化学法を用いて物品から金属性結合皮膜を剥脱することが本書に記載される。最も広い実施形態では、運用から外されたタービン構成要素のような物品であって金属性基材の表面に施工された金属性結合皮膜を有する物品が提供される。金属性結合皮膜を用いて構成要素への熱遮蔽皮膜の接着性を高めているので、物品は、結合皮膜を覆って施工されている場合があり物品に依然留まっているあらゆる熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）を先ず除去するためにグリット・ブラスト処理を必要とし得る。次いで、結合皮膜付き物品は、予め決められた量の時間にわたり予め決められた温度においてＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の溶液に浸漬されることができ、ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4溶液は金属性基材を覆って施工された結合皮膜と反応して表面にスマットを形成する。次いで、物品をＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4溶液から取り出して、予め決められた量の時間にわたりＮａＯＨの溶液に素早く浸漬して、少なくとも部分的に表面からスマット除去する。
物品は再び、予め決められた量の時間にわたり予め決められた温度においてＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の溶液に浸漬され、ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4溶液は、スマット、及び金属性基材に表面で依然接着しているあらゆる残余の結合皮膜と反応する。次いで、溶液をＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の溶液から取り出して、ＮａＯＨの溶液に浸漬する。次いで、物品をＮａＯＨ溶液から取り出して、拭き取り、水と接触させる。水は、タービン構成要素の表面の残留遊離物質を除去し、また塩基性溶液を中和するのに役立ち、拭き取りは、僅かに接着性の高いあらゆる残留スマットを除去するのに役立つ。
次いで、結合皮膜が金属性基材の表面から実効的に除去されたことを確認するためにタービン構成要素の表面を検査する。次いで、タービン・エンジンでの再利用の必要に応じて、結合皮膜を除去したタービン構成要素を修繕することができる。
以上に述べた方法は、従来用いられている方法よりも短時間でのスマット除去を可能にする。これにより、費用が減少し、皮膜除去の処理の回転（turn-around）が速まる。この作業はまた、皮膜材料を除去するために従来用いられている付加的なグリット・ブラスト処理ステップを不要にする。
本発明の方法は、結合皮膜と反応するＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の比較的穏やかな酸の浴を用いており、比較的穏やかなＮａＯＨの溶液への後の浸漬によって除去され得るスマットを生成し、驚くべきことに、基材物質の除去及びバケットの廃棄処分を帰結するのに十分に攻撃的であった従来技術のグリット・ブラスト処理方法よりも迅速にスマットを除去する。
本発明の他の特徴及び利点は、発明の原理を例として示す添付図面と共に参照される好適実施形態の以下のさらに詳細な説明からさらに明らかとなろう。
発明の記載において、物品はタービン構成要素として参照される場合があり、またタービン構成要素の上に位置する皮膜層は金属性結合皮膜として参照される。上に位置する皮膜のための基材を形成するタービン構成要素は、最も多くの場合にはニッケル基超合金及びコバルト基超合金であり、これらの材料は、高温での機械的特性に優れており抗腐蝕性及び抗酸化性を有するため選択されている。皮膜層又は金属性結合皮膜は、基材の上に位置して、基材と熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）との間に位置する中間皮膜であって、熱遮蔽皮膜は金属性結合皮膜とは別個であり区別される。これらの記載は限定のためのものではない。金属性結合皮膜を有する他の物品も、本書に記載される方法に従って剥脱され得る。金属性結合皮膜との用語は、金属合金を含む基材物質に高温での抗酸化性を付与しつつ最上層皮膜材料の接着性を高めるために基材物質に施工される多様な金属材料を含む。かかる金属性結合皮膜材料の非限定的な実例としては、ニッケルアルミナイド（ＮｉＡｌ）、白金アルミナイド（ＰｔＡｌ）、ＮｉＰｔＡｌ、及びＭＣｒＡｌＸのような拡散アルミナイドの皮膜及び上掛けアルミナイドが含まれ、上の式ＭＣｒＡｌＸにおいて、Ｍはニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される元素であり、Ｘは、Ｙ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｍｏ及びＷから成る固溶体強化材及びガンマ・プライム形成体、Ｂ、Ｃ、Ｈｆ及びＺｒから成る粒界強化材、並びにこれらの組み合わせの群から選択される元素である。アルミナイド結合皮膜との用語は、超合金、及び高温タービン・バケット又は動翼に一般に施工される金属性皮膜の任意のものを指すように一般的に用いられている。本書で用いられるアルミナイド皮膜の「選択的除去」との用語は、ベース（基材）材料の極く小部分のみを除去する又は全く除去しない状態での相対的に大きい百分率のアルミナイド材料及びスマットの除去を指し、アルミナイド結合皮膜の上に位置し得る熱遮蔽皮膜の除去とは別個であり区別される。
図１に示す現状の方法１００は、タービン構成要素３００の剥脱を必要とし、タービン構成要素３００の断面が熱遮蔽皮膜系について図３に示されている。剥脱は先ず、あらゆるＴＢＣ３１６の除去を必要とし、ＴＢＣ３１６はアルミナイド結合皮膜３１４の上に位置することができ、アルミナイド結合皮膜３１４は次に基材３１０の上に位置する。新しいタービン構成要素では、アルミナイド結合皮膜３１４及び上に位置するＴＢＣが共に、熱遮蔽皮膜系３１２を形成している。ＴＢＣは、完全に下層に位置する中間アルミナイド結合皮膜を含んでいるが、アルミナイド結合皮膜３１４の全てがＴＢＣ３１６によって覆われている訳ではない。ＴＢＣの除去は、タービンにおいて運用から外された物品を修繕する際の第一段階である。ＴＢＣは、グリット・ブラスト処理（ステップ１１０）によって除去される。典型的には、タービンにおいて運用から外される物品であってＴＢＣによって被覆されている物品としては、限定しないがタービン・バケット、タービン静翼、シュラウド、ライナ、及び燃焼器が含まれる。
グリット・ブラスト処理（ステップ１１０）によるＴＢＣの除去の後に、基材から最小量の物質を除去することにより又は基材から物質を全く除去せずに、アルミナイド結合皮膜３１４を基材３１０から除去しなければならない。高温作業には結合皮膜元素と基材元素との相互拡散が伴うので、結合皮膜の除去も元の基材厚みの幾分かの減少を伴い得るが、基材厚みの減少は望ましくは、最小に保たれるか、又は全く減少しないようにする。
次いで、物品はステップ１２０において、１５分間にわたり２０重量％から４０重量％の硝酸溶液のような酸溶液に漬込されて、酸がアルミナイド皮膜と反応する。特に記載のない限り、本書で指定される全ての組成及び溶液の強さは重量％である。タービンのバケット及び他の高温区画の構成要素に典型的に含まれているように物品が冷却孔を含んでいる場合には、構成要素の内面への損傷を阻止するために、酸溶液への浸漬に先立って冷却孔をマスク処理する必要がある場合がある。
次いで、物品はステップ１３０において、グリット・ブラスト処理等のようにグリットによって機械的に、ステップ１２０において酸溶液への浸漬時に形成された反応生成物を基材の表面から除去される。物品は酸溶液への漬込の前に１時間から４時間にわたり苛性溶液に浸漬されることができ、またステップ１２０の後にも２時間までにわたり苛性溶液に漬込されることができ、苛性溶液は、１４０°Ｆから２１２°Ｆ（６０℃から１００℃）の範囲の高められた温度に保たれる。
グリット・ブラスト処理の後に、物品を検査して、必要に応じて再びマスク処理する（ステップ１４０（ａ）及び１４０（ｂ））。攻撃的なグリット・ブラスト処理であっても単一のサイクルの後に堅く接着した反応生成物を除去しないので、酸漬込（ステップ１２０）、グリット・ブラスト処理（ステップ１３０）及びマスク処理（ステップ１４０（ａ）及び１４０（ｂ））、並びに選択随意要素の苛性薬漬込を繰り返す。アルミナイド結合皮膜を完全に除去するためには３回のサイクルが必要とされる。最後のグリット・ブラストの後に、物品は酸溶液での最後の浸漬１５０を施され、続いて漬込又は水噴射を行なって酸を中和することができる。現状の方法は時間消費的であって、タービン・バケットのセット当たり完了に２３時間までを必要とする（三つのタービン・セットでは約７０時間）。加えて、攻撃的なグリット・ブラスト処理には基材物質を除去するリスクがあり、すると痩せの結果として物品の不必要な廃棄を招く。
本発明の方法は、剥脱作業を単純化してサイクル時間を短縮し、また労働費用及び材料費用について金銭を節約する。ここで図２を参照すると、本発明の方法２００が記載されている。
図３に示すもののような断面を有するタービン構成要素のような物品、好ましくはタービン・バケットは、タービンにおける運用から外された後に、従来のグリット・ブラスト処理作業２００によってＴＢＣ３１６を剥脱される。タービン構成要素、好ましくはタービン・バケットは、ＴＢＣ３１６を剥脱されて、予め決められた時間にわたり予め決められた温度においてＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の溶液に浸漬される（ステップ２１０）。溶液は、約２５％から３５％のＨＣｌ、約３０％から４０％のＨ3ＰＯ4、及び残部の水を含んでいる。好ましくは、溶液は、約３０％のＨＣｌ、約３５％のＨ3ＰＯ4、及び残部の水を含んでいる。溶液は、１５０°Ｆ±５°Ｆ（約６６℃±２．８℃）の範囲の予め決められた温度に保たれる。タービン構成要素を熱ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4溶液に浸漬する時間量は、皮膜の厚みに依存する。皮膜が厚いほど長い時間が必要になる。しかしながら、浸漬時間は１時間から６時間の範囲に含まれる。ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4はアルミナイド結合皮膜と反応して、本書でスマットと特徴付けられるものを構成要素の表面に形成する。一つの分析では、スマットは、約４％のアルミニウム（Ａｌ）、２３％のクロム（Ｃｒ）、２６．７１％のコバルト（Ｃｏ）、１５％のニッケル（Ｎｉ）、２８％の酸素（Ｏ）、１％未満のケイ素、１％未満の塩素（Ｃｌ）、１％未満のカルシウム（Ｃａ）、及び１％未満のチタン（Ｔｉ）を含んでいる。
次いで、タービン構成要素３００、好ましくはタービン・バケットのセットは、ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4溶液から取り出した後に実質的に直ちに、予め決められた時間にわたり予め選択された濃度で予め選択された時間にわたり室温においてＮａＯＨの溶液に移される（ステップ２２０）。ＮａＯＨ温度を監視してもよいが、室温は一般的には約６０°Ｆから約９０°Ｆ（約１５℃から３２℃）の温度を含んでおり、好ましくは約７５°Ｆから７７°Ｆ（約２５℃）の温度を含んでいるので監視は必要ではない。ＮａＯＨは、基材３１０の表面からスマットを除去するスマット除去剤として役立つ。ＮａＯＨは、約１５％から３０％の範囲の予め選択された濃度に保たれる。ＮａＯＨ溶液の温度は監視を必要としなくてよいが、濃度は実効的な範囲内に留まっていることを確実化するように監視されて、この範囲を下回った場合には補給される。タービン構成要素を酸浴から受け入れているので、通常、濃度はこの範囲を上回って上昇することはない。濃度は、ｐＨを測定して、ｐＨを少なくとも１０よりも高くに保つことにより監視され得る。ＮａＯＨ溶液は、溶液が弱過ぎてスマット除去剤としての作用を果たすことができなくなったら補充される。予め決められた時間は約１時間±１５分間である。
次いで、タービン構成要素をＮａＯＨ溶液から取り出して、９０°Ｆ（３２℃）又はさらに高い温度に保たれた水浴に漬込する（ステップ２３０）。水はｐＨが中性であり、好ましくは連続的に監視されて逆浸透過程によって保たれる。好ましくは、浴の水を勢いよく循環させて、構成要素に依然付着している可能性のあるあらゆる残留スマットを除去するのを助ける。
水漬込（ステップ２３０）の後に、動翼を検査する。表面に少しでもスマットが残っていたら、動翼をScotchgard（登録商標。商標の所有者でもある米国ミネソタ州ミネアポリスの３Ｍから入手される製品系列）のような軽質研磨剤、又は他の穏やかな研磨布若しくは極細の紙ヤスリ（４００グリット又はさらに細かいもの）で表面を軽く機械的に擦ることにより処理する。
アルミナイド結合皮膜３１４の完全な除去を確実化する最終段階として、タービン構成要素をＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の浴に浸漬して（ステップ２４０）、あらゆる残留アルミナイド結合皮膜と反応させる。ステップ２４０の浸漬は、ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4と、アルミナイド結合皮膜で被覆されていない基材とのあらゆる反応を最小にするためにステップ２１０での浸漬よりも短くする。ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の浸漬は好ましくは、１時間から３時間の範囲にある。ステップ２４０での浸漬の時間の長さは、最初のスマット除去作業及び以降のあらゆる機械的な残留スマット除去作業の後に行なわれる目視検査の結果に依存する。目視検査が有意の量の残留アルミナイド結合皮膜を明らかにしたら、ステップ２４０の浸漬を３時間よりも長くしてよい。反対に、最初のスマット除去の目視検査がアルミナイド結合皮膜の実質的な非在を明らかにしたら、ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4への浸漬を３０分間に短縮してよい。ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の浴は、ステップ２１０で用いられたＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の浴の温度要件及び濃度要件に従って保たれる。両作業とも同じ浴を用いてよいとも考えられるが、方法２００はバッチ法であるので、全体の処理時間を長引かせ得る処理の輻輳を回避するためにステップ２４０のＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4の浴は別個の浴にすることが好ましい。
次いで、タービン構成要素３００をＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4浴から取り出して、ＮａＯＨのもう一つの浴に浸漬する（ステップ２５０）。ステップ２５０のＮａＯＨ溶液は、ステップ２２０で用いられたＮａＯＨの温度要件及び濃度要件に従って保たれる。両作業とも同じ浴を用いてよいとも考えられるが、方法２００はバッチ法であるので、全体の処理時間を長引かせ得る処理の輻輳を回避するためにステップ２５０のＮａＯＨの浴は別個の浴にすることが好ましい。
次いで、タービン構成要素３００をＮａＯＨから取り出して水と接触させる（ステップ２６０）。タービン構成要素３００は水浴に浸漬されてもよいし、水洗／水噴射されてもよい。この作業には水道水を用いてよい。水洗／水噴射に必要とされる時間量は作業の他のステップに比較して短いので、ステップ２３０で用いられた同じ水浴を作業に用いてよい。しかしながら、水噴射からの付加的な圧力が基材に付着している可能性のあるあらゆる頑固な残留スマットを除去するのを助ける水の原動力を提供するので、ステップ２６０では別個の水噴射を用いることが好ましい。
本発明の方法は、限定しないがＧＴ３３／ＧＴ３９についてＧＴバケット及びノズル修理を含めた修繕のために運用から外されたタービン構成要素に有用であることが実証された。この方法は、修繕のための剥脱の時間を運用から外されたタービン・バケット・セット（三つ）について約１／３短縮し、三つのバケット・セットについて約６９時間から約４６時間に短縮することが実証された。他のタービン構成要素についても同様の時間節減が期待される。修繕のための剥脱の費用節減は、バケット・セット当たり約＄１３３５、又は三つのバケット・セットを有するタービン・エンジンについて約＄４０００である。他のタービン構成要素についても同様の費用節減が期待される。この材料費用及び労働費用の節減は、現状の処理手法の過剰なグリット・ブラスト処理から生ずる基材部品の過剰な痩せによる廃棄率の減少による費用節減は含んでいない。本発明の方法２００は、最初のマスク処理段階を用いているが、本発明は、攻撃的なグリット・ブラスト処理による損傷から冷却孔を保護する冷却孔のマスク処理を必要としない。最後に、本発明は、環境にさらに優しく作業者にとってさらに安全であることが判明した。ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4浴は、高められた温度に保たれていても、現状の方法に用いられている酸ほど強くも攻撃的でもない。現状の方法に用いられている塩基はＮａＯＨに限られており、現状の方法又は他の従来技術の方法に用いられているさらに強い塩基の幾つかを用いない。発明はＮａＯＨを用いており、濃度は現状の方法及び他の従来技術の方法に用いられているものと重なっているが、本発明に用いられている最高濃度のＮａＯＨは現状の方法又は他の従来技術の方法に用いられている最高濃度よりも低い。また、従来技術の方法が高められた温度のＮａＯＨ浴を用いているのと異なり、本発明に用いられているＮａＯＨは室温に保たれている。最後に、重金属を含むスマットは、以上に述べた化学分析によって実証されているように、ＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4浴及びＮａＯＨ浴によって実質的に捕獲されるので、現状の方法及び従来技術の方法が空気媒介の汚染に寄与し得る攻撃的なグリット・ブラスト処理を用いているのとは異なり、重金属汚染を容易にフィルタで取り除くことができる。
好適実施形態を参照して発明を記載したが、当業者には、発明の範囲から逸脱せずに様々な変形を施し、また発明の諸要素に代えて均等構成を置換し得ることが理解されよう。加えて、発明の本質的な範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料を発明の教示に合わせて適応構成する多くの改変を施すことができる。従って、発明は、本発明を実施するのに想到される最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に属する全ての実施形態を包含するものとする。
１１０ グリット・ブラスト処理
１２０ 漬込
１３０ グリット・ブラスト処理
１４０（ａ） 必要ならば再マスク処理
１４０（ｂ） マスク処理
１５０ 漬込
２００ グリット・ブラスト処理
２１０ 酸漬込
２２０ ＮａＯＨ処理
２３０ 水洗
２４０ 酸漬込
２５０ ＮａＯＨ処理
２６０ 水洗
３００ タービン構成要素
３１０ 基材
３１２ 熱遮蔽皮膜系
３１４ アルミナイド結合皮膜
３１６ 熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）
１２０ 漬込
１３０ グリット・ブラスト処理
１４０（ａ） 必要ならば再マスク処理
１４０（ｂ） マスク処理
１５０ 漬込
２００ グリット・ブラスト処理
２１０ 酸漬込
２２０ ＮａＯＨ処理
２３０ 水洗
２４０ 酸漬込
２５０ ＮａＯＨ処理
２６０ 水洗
３００ タービン構成要素
３１０ 基材
３１２ 熱遮蔽皮膜系
３１４ アルミナイド結合皮膜
３１６ 熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）
Claims (4)
- 構成要素から金属性皮膜を剥脱する方法であって、
金属性基材の表面に施工された金属性皮膜を有する構成要素を提供するステップと、
前記金属性皮膜付き構成要素を予め決められた温度において予め決められた量の時間にわたり予め決められた濃度の塩酸とリン酸との混合溶液に浸漬するステップであって、該溶液は前記結合皮膜と反応してスマットを形成する、浸漬するステップと、次いで、
前記構成要素を塩酸とリン酸との前記混合溶液から取り出して、前記スマットを除去するために、前記タービン構成要素を予め決められた量の時間にわたり予め決められた濃度のＮａＯＨの溶液に浸漬するステップと、次いで、
前記塩基性溶液から前記構成要素を取り出して、あらゆる残留スマットを除去するために、前記構成要素を水洗するステップと、次いで、
前記金属性皮膜付き構成要素を予め決められた温度において予め決められた量の時間にわたり２回目の浸漬のために予め決められた濃度の塩酸とリン酸との混合溶液に浸漬するステップであって、該溶液は、あらゆる残余の金属性皮膜と反応してスマットを形成する、浸漬するステップと、次いで、
塩酸とリン酸との前記混合溶液から前記構成要素を取り出して、あらゆる付加的なスマットを除去するために、前記タービン構成要素を予め決められた量の時間にわたり予め決められた濃度のＮａＯＨの溶液に２回目の浸漬として浸漬するステップと、次いで、
前記塩基性溶液から前記構成要素を取り出すステップと
を備えた方法。 - 前記構成要素を前記塩基性溶液から取り出した後に、あらゆる残留スマットを除去するために、前記構成要素を水洗して前記ＮａＯＨを中和する付加的なステップをさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
- 前記構成要素を提供した後に、該構成要素のあらゆる冷却孔を先ずマスク処理する付加的なステップと、次いで、
前記アルミナイド結合皮膜の上に位置するあらゆる熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）を除去するために、前記構成要素をグリット・ブラスト処理する付加的なステップと
をさらに含んでいる請求項１または２に記載の方法。 - 前記１回目の水除去ステップの後に、あらゆる残留スマットを機械的に除去するステップをさらに含んでいる請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
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