JP6877948B2 - 酸化物を金属基材から除去する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、酸化物を金属基材から除去する方法および装置に関する。

多くの産業において、酸化物を金属基材から除去する必要がある。例えば、ガスタービン内のエーロフォイル部品の亀裂は、まず、修理されるその表面から酸化物を除去するように処理しなければならない。

現在利用可能な方法および装置は、酸化物を金属基材から除去するのにいろいろな点で満足の行くものでない。

したがって、酸化物を金属基材から除去する新しい方法および装置が必要とされている。

一態様では、本発明の実施形態は、酸化物を金属基材から除去する方法であって、三フッ化ホウ素流を供給するステップと、金属基材を第１の温度で加熱するステップと、金属基材を第１の温度とは異なる第２の温度で加熱するステップとを含む方法に関する。

別の態様では、本発明の実施形態は、酸化物を金属基材から除去する装置であって、三フッ化ホウ素流を供給するガス源と、金属基材を第１の温度とは異なる第２の温度で加熱する前に金属基材を第１の温度で加熱する加熱装置とを備える装置に関する。

本開示の上記および他の態様、特徴、および利点は、以下の添付図面と併せて読めば後述の詳細な説明の観点からより明らかになろう。

本発明のいくつかの実施形態による酸化物を金属基材から除去する方法の概略流れ図である。 比較実施例１の洗浄済み基材の写真である。 実施例１の加熱温度および時間を示すグラフである。 加熱前および洗浄後それぞれの実施例１のＧＴＤ−２２２基材の断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真である。

別段の定めがない限り、本明細書中に使用される科学技術用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。「含む、備える、含有する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える、含む、構成される（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および本明細書におけるそれらの組み合わせの使用は、それ以降に挙げられた項目およびその均等物ならびにさらなる項目を含むことが意図される。

明細書および特許請求の範囲全体にわたって本明細書に使用される近似の文言は、それが関連している基本的な機能を変更することなしに許容可能に変動し得る任意の量的表現を修正するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」などの１つまたは複数の用語によって修正された値は、特定の正確な値に限定されるものではない。いくつかの例では、近似の文言は、値を測定する装置の精度に対応し得る。明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限界は、組み合わされおよび／または相互交換されてもよく、そのような範囲は特定され、別段文脈または文言によって示されない限り本明細書に含まれる全ての小範囲を含む。

以下の明細書および特許請求の範囲において、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって別段明確に示さない限り、複数の指示物を含む。また、本明細書中に使用されるとき末尾に添えた「（ｓ）」は、用語の単数形と複数形の両方を含むことが通常意図され、それはこの用語の１つまたは複数を修正し、それによってこの用語の１つまたは複数を含む。用語「第１の」、「第２の」などは、本明細書において何ら順序、量、または重要性を示さず、むしろあるパラメータを別のパラメータと区別する、またはある実施形態を別の実施形態と区別するように使用される。

本明細書に使用されるとき、用語「または」は、排他的であることは意図されず、文脈上他のものを明確に示さない限り、参照した構成要素（例えば、材料）の少なくとも１つが存在することを指し、参照した構成要素の組み合わせが存在し得る例を含む。

明細書全体を通じて「いくつかの実施形態」などの言及は、本発明に関連して記載された特定の要素（例えば、特徴、構造、および／または特性）が、本明細書に記載された少なくとも１つ実施形態に含まれ、他の実施形態に含まれても含まれなくてもよいことを意味する。さらに、記載した発明の特徴は、様々な実施形態において任意の適切なやり方で組み合わされてもよいことを理解されたい。

本開示の好ましい実施形態は、添付図面を参照して以下に説明される。以下の説明において、よく知られたステップ、機能、または構成は、不要な細部において本開示をあいまいにするのを避けるために詳細に説明されていない。

図１は、本発明のいくつかの実施形態による酸化物を金属基材から除去する方法１の概略流れ図を示す。方法１は、２．三フッ化ホウ素流を供給するステップ、３．金属基材を第１の温度で加熱するステップ、および４．金属基材を第１の温度とは異なる第２の温度で加熱するステップを含む。

金属基材は、任意の１種または複数種の金属材料で構成することができる。この金属基材は、１種または複数種の金属合金から形成することができるが、非金属構成要素を含むこともできる。金属基材は、鉄、コバルト、ニッケル、アルミニウム、クロム、チタン、またはそれらの任意の組み合わせで構成することができる。いくつかの実施形態では、金属基材は、ステンレス鋼で構成することができる。

いくつかの実施形態では、金属基材は、基本元素を単一の最大元素として有する超合金で構成することができる。基本元素のいくつかの例には、ニッケル、コバルト、または鉄が含まれる。言い換えれば、超合金には、ニッケル基の超合金、コバルト基の超合金、または鉄基の超合金が含まれ得る。

いくつかの実施形態では、ニッケル基の超合金は、少なくとも約４０重量パーセント（ｗｔ％）のニッケルと、コバルト、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、および鉄のうちの少なくとも１つとで構成される。ニッケル基の超合金のいくつかの例は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）、およびＧＴＤなどの商品名によって呼ばれ得る。ニッケル基の超合金は、等軸結晶、一方向凝固結晶、および単結晶を含み得る。いくつかの実施形態では、超合金は、ＧＴＤ−１１１、ＧＴＤ−２２２、ＧＴＤ−４４４、Ｒｅｎｅ（登録商標）−１０８、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８、またはＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｃ−２７６を含む。いくつかの実施形態では、超合金は、１０ｗｔ％を超えるクロムで構成される。

いくつかの実施形態では、コバルト基の超合金は、少なくとも約３０ｗｔ％のコバルトと、ニッケル、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、および鉄のうちの少なくとも１つとで構成される。コバルト基の超合金のいくつかの例は、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、ｏｚｚａｌｏｙ（登録商標）、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）、およびＵｄｉｍｅｔ（登録商標）などの商品名によって呼ばれ得る。

いくつかの実施形態では、金属基材は、ガスタービン内のエーロフォイル部品を含む。

酸化物は、金属基材上の任意の酸化物を含み得る。いくつかの実施形態では、酸化物は、金属酸化物の混合物、例えば、アルミニウム酸化物、およびクロム酸化物を含む。いくつかの実施形態では、酸化物は、従来の方法／装置を用いて除去するのが困難である。いくつかの実施形態では、酸化物は、金属基材の表面上にある。いくつかの実施形態では、酸化物は、例えば、ガスタービン内のエーロフォイル部品を含む金属基材の亀裂である。いくつかの実施形態では、酸化物は、金属基材の様々な穴の中にある。

三フッ化ホウ素は、任意の１つまたは複数のガス源から任意のやり方で供給することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のガス源は、酸化物とは別に位置する。

いくつかの実施形態では、三フッ化ホウ素流は、三フッ化ホウ素の前駆体から元の位置で生成される。三フッ化ホウ素の前駆体は、酸化物とは別に位置することができる。ガス源は、三フッ化ホウ素の前駆体を含み得る。ガス源は、三フッ化ホウ素の前駆体から三フッ化ホウ素流を供給する任意の装置を含み得る。いくつかの実施形態では、ガス源は、三フッ化ホウ素の前駆体を保持するホルダを含み得る。いくつかの実施形態では、三フッ化ホウ素の前駆体は、金属基材に適用されるが、酸化物と接触しない。前駆体は、三フッ化ホウ素を供給することができる任意の材料、組成物、または組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、前駆体は、テトラフルオロほう酸カリウム、テトラフルオロほう酸ナトリウム、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。

いくつかの実施形態では、三フッ化ホウ素流は、三フッ化ホウ素が貯蔵および／または輸送される三フッ化ホウ素流および／またはガスの輸送導管などのガス貯蔵／輸送装置から供給される。同様に、ガス源は、ガス貯蔵装置および／またはガス輸送装置を備えることができる。

三フッ化ホウ素流は、アルゴン、窒素、および水素などの不活性ガスおよび／または還元ガスと共に供給することができる。三フッ化ホウ素流は、金属基材が内部に設置される真空空間の中に供給することができる。

三フッ化ホウ素が存在する状態で、金属基材は、いくらかの時間の間、第１の温度および第２の温度それぞれで加熱装置によって加熱される。加熱装置は、金属基材の温度を増加させる任意の装置とすることができる。いくつかの実施形態では、加熱装置は、炉、ストーブ、オーブン、トーチ、またはそれらの任意の組み合わせを備える。第２の温度は、第１の温度よりも高いまたは低いものとすることができる。いくつかの実施形態では、第１の温度は、３００℃から７００℃の範囲内である。いくつかの実施形態では、第２の温度は、７５０℃から１１５０℃の範囲内である。

いくつかの実施形態では、第１の温度は、その混合物内の一部の金属酸化物が三フッ化ホウ素と反応する温度または温度範囲である。いくつかの実施形態では、第２の温度は、金属酸化物の残りが三フッ化ホウ素と反応する温度または温度範囲である。いくつかの実施形態では、第２の温度での処理に残っている金属酸化物があり、金属基材は、三フッ化ホウ素の存在と共に他の温度範囲で加熱されてもよく、または残りの金属酸化物を除去するために他のやり方で処理されてもよい。

加熱処理後、金属基材は、処理表面を露出させるために、酸および／または超音波で洗浄されてもよい。この酸は、塩化水素、ヘキサフルオロケイ酸、リン酸、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。
［例］
以下の実施例は、クレームした本発明を実施する際に当業者にさらなるガイダンスを与えるために含まれる。これらの実施例は、添付の特許請求の範囲内で定められるような本発明の範囲を限定しない。
比較実施例１
約５０ミクロンの厚さの酸化物層が表面上にある酸化されたＮＩ基のＧＴＤ−２２２超合金基材は、管状炉内に置かれた。三フッ化ホウ素流は、アルゴン流と共に管状炉中に供給された。

管状炉は、９５０℃まで加熱され、基材加熱のために８時間の間、９５０℃で維持された。ついで、この基材は、炉から取り出され、１５分間、１０％ＨＣｌによって超音波で洗浄された。

図２は、洗浄済み基材の写真であり、すでに酸化物層があることがわかる。
実施例１
約５０ミクロンの厚さの酸化物層が表面上にそれぞれある酸化されたＮＩ基のＧＴＤ−１１１、ＧＴＤ−２２２、ＧＴＤ−４４４、またはＲｅｎｅ−１０８超合金基材は、管状炉内に置かれた。三フッ化ホウ素流が、アルゴン流と共に管状炉中に供給された。

管状炉は、５００℃および９５０℃でそれぞれ基材を加熱するように図３に示された温度プログラムにかけられた。加熱後、基材は、炉から取り出され、１５分間、１０％ＨＣｌによって超音波で洗浄された。

酸化物除去の有効性は、基材の断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像によって確認された。この結果は、母材消耗または粒界腐食（ＩＧＡ：ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ ａｔｔａｃｋ）なしで酸化物層が完全に除去されたことを示す。例えば、図４は、加熱前に存在していた酸化物が完全に除去されたことを示す加熱前および洗浄後のＧＴＤ−２２２基材の断面ＳＥＭ画像を例示する。

本開示について典型的な実施形態において図示し説明したが、様々な修正および置換が本開示の要旨から何らかで逸脱せずになされ得るので、図示の細部に限定されることは意図されていない。したがって、本明細書中に開示された本開示のさらなる修正形態および均等物は、日常的な実験程度で当業者が思い浮かべることができ、そのような全ての修正形態および均等物は、添付の特許請求の範囲によって定められるような本開示の要旨および範囲内にあると考えられる。

１ 方法
２ 三フッ化ホウ素流を供給するステップ
３ 金属基材を第１の温度で加熱するステップ
４ 金属基材を第１の温度とは異なる第２の温度で加熱するステップ

Claims (9)

1. 酸化物を金属基材から除去する方法であって、
   三フッ化ホウ素流を供給するステップと、
   三フッ化ホウ素の存在下で、前記金属基材を第１の温度で加熱するステップと、
   三フッ化ホウ素の存在下で、前記金属基材を前記第１の温度とは異なる第２の温度で加熱するステップであって、前記第１の温度が３００℃〜７００℃の範囲内であり、前記第２の温度が７５０℃〜１１５０℃の範囲内である、ステップと、
   処理表面を露出させるため、前記金属基材を酸及び／又は超音波で洗浄するステップと
   を含む方法。
2. 三フッ化ホウ素流を供給するステップが、前記酸化物とは別に位置する三フッ化ホウ素の前駆体から三フッ化ホウ素流を供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 三フッ化ホウ素流を供給するステップが、ガス貯蔵装置及び／又はガス輸送装置から三フッ化ホウ素流を供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記酸化物が、金属酸化物の混合物を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記金属基材が、１０ｗｔ％を超えるクロムを含有する合金を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記酸化物が、金属基材の表面上にあるか、或いは金属基材の亀裂又は金属基材の穴の中にある、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記金属基材が超合金からなる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記金属基材が、ガスタービン内のエーロフォイル部品を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記酸が、塩化水素、ヘキサフルオロケイ酸、リン酸又はこれらの組合せを含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。

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