JPH0141710B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は部品の表面からスケールを除去する
こと、より詳細に云えば、部品の内部通路から酸
化物などを除去することに関する。

［従来の技術と問題点］ 近代のガス・タービンの性能向上が、タービン
部分における温度の上昇により達成されることに
伴い、設計者達はタービンブレードなど固体部品
を空冷型にすることが望ましいことを知つた。

このような空冷、または中空の部品中に一般的
に存在するのは、部品内部の冷却流体の流通用の
曲りくねつた流体通路と、部品内部の冷却流体の
内方からの流出用の内壁面上と外壁面上の複数個
の開孔である。

高温状態において使用される典型的な流体冷却
型式の翼が、サンデンステイツク氏らの米国特許
3628885に記載されている。

その設計の複雑性から明らかである通り、この
ような部品は製造コストが高い。

タービン翼のような部品は高温の過激な環境に
あつて稼動させられるために、酸化物、珪酸塩、
および硫化物のスケールが、翼の外表面とともに
内部の冷却流体の通路面上に集積され得る。

このようなスケールは、冷却流体の流通を阻害
し得るのであり、内部表面上で殊に重大であり、
内壁と外壁の開孔、あるいは通路が比較的に狭隘
であるときに重大であつて、これは部品の熱移動
特性に悪い影響を及ぼす。

タービンブレードとベーンのような高コストの
流体冷却型式の部品の修復法として、グリツトブ
ラスト、回転研磨機、あるいは超音波振動のよう
な機械的手段を使用して外部表面のスケールを除
去しようとする試みがあつた。

しかし、このような機械的手段は、冷却通路の
ような内部表面に対して事実上効果がない。

酸溶出剤が評価された結果によれば、部品の金
属面を過剰に侵食する結果として、冷却通路を拡
大し、特に細に開孔では許容限度を超え、部品の
冷却特性を阻害した。

加えて、酸化物除去のための弗化物蒸気処理は
被処理面から若干量のアルミニウムを除去する結
果になる。

［発明の構成］ 部品の表面、詳しく云えば、高温の稼動状態に
曝露される部品の内部通路または開孔の表面から
酸化物、珪酸塩、硫化物、あるいはこれらの結合
生成物であるスケールを除去するこの発明の方法
は、水酸化アルカリ、好ましくはNaOH、KOH
とこれらの混合物から選ぶ水酸化物の水溶液を準
備する工程を含む。水酸化物の濃度は、20wt.％
から約340℃にて飽和水溶液となる量である。

表面上のスケールはオートクレーブ中において
非酸化性雰囲気存在下に水酸化物の水溶液と接触
させられ、約200〜340℃の範囲にて、水溶液がス
ケールと反応して水溶液に可溶性のスケール反応
生成物となるのに充分な時間加熱される。

水溶液とスケールとの間に相対的運動を与えて
反応が継続させられる。次いで、反応生成物は内
部通路などの表面から洗い流される。

内部通路上にアルカリが残存すれば、その後の
高温稼動時に部品の高温腐食が促進され得るため
中和用の希釈された酸により通路を洗い流すこと
により水酸化アルカリを中和することが好ましい
が、水洗の繰り返しによつてもよい。

このオートクレーブ苛性アルカリ法は、Fe、
CoおよびNiの中から選ばれた一元素を基材とし、
ガスタービンエンジンに使用される型式の合金を
以て製作された部品中の内部通路、あるいは開孔
の壁面を修復する方法として特に有用である。

もし内部コーテイングを所望するならば、この
スケール除去の後に適用されればよい。

稼動後のガスタービンエンジン部品の内部通路
からスケールを除去して、洗浄する方法として、
酸による溶出法は、内部浄化の効果がない上に、
冷却用の開孔または通路が拡大されてしまうため
に冷却流体の流通が過大となる。

このことは、他の方法によれば、まだ使用可能
な部品を廃棄しなければならない結果を招く。

この発明の方法は、被覆または無被覆の部品の
内部通路と開孔から基材合金、または基材合金上
に沈着させられている被覆物に、実質的な影響を
与えないスケール除去の方法を提供する。

ボロム氏の米国特許4073662にはセラミツク芯
材の周囲に形成された鋳造物から芯材を除去する
方法が記載されている。

その記載によれば、芯材溶出のため加熱される
オートクレーブ中にてNaOHとKOHから選ばれ
た水酸化物の水溶液が使用されている。

この発明でも、オートクレーブ中で加熱される
同様の水酸化物の水性溶液が使用される。

しかしながら、スケールの効果的除去と同時に
オートクレーブ内部の比較的に不安定な圧力状態
の回避のために、部品内部通路壁面から酸化物、
硫化物、珪酸塩、またはこれらの混合物からなる
スケールの除去に関し、特定の臨界的条件が存在
することが意外にも判明した。

例えば、この発明ではスケールの実用的な除去
のために、約20〜75wt.％、好ましくは30〜40wt.
％の水酸化物が必要であると認められた。

約20wt.％以下であつては反応が遅きに過ぎる
のであることに対して、約75wt.％は意図されて
いる約340℃の最高処理温度における実際上は飽
和水溶液であることを意味している。

この最高処理温度は水溶液が臨界状態、即ち蒸
気と液体間にある状態に接近する温度である。

約340℃よりも高くなれば、温度の上昇に伴い
急激な圧力上昇が生じて、オートクレーブ内は不
安定になり異常に高圧となる。

従つて、圧力の破滅的な上昇を回避するために
この発明では、約200〜340℃の範囲内とされるこ
とが確立された。

この発明における試験によれば、温度を少なく
とも約230℃に維持するときに、スケール除去の
顕著な増加が起こることが判明した。

これにより、この発明において使用される温度
範囲は230〜330℃である。

更に、水酸化物の濃度が20wt.％から40wt.％へ
増大するに伴い、スケール除去速度が倍増するの
であり、30wt.％〜40wt.％の水酸化物濃度の範囲
が好ましい。

曝露時間は一般に約２〜10時間であり、これは
除去すべきスケールの種類、厚さとともに水酸化
物の浴の温度と濃度によつて左右される。

この発明は、一般に遷移三価元素のFe、Co、
Niの一以上を基材とするガスタービンエンジン
に使用される耐熱超合金製の部品の内部表面から
酸化物、硫化物、珪酸塩、またはこれらの結合生
成物のスケール除去に関して殊に有用である。

特に、NiとCoを基材とする超合金は、ガスタ
ービンエンジンのタービンブレードとベーンの構
造材料として使用されている。

そのために、この発明は、Rene′80合金とも呼
称される材料で製造された商業的使用の航空機の
ガスタービンエンジン用のタービンブレードに関
連して特別の評価がなされた。

この合金は、より詳細には、ロス氏の米国特許
3615376に記載されている。

ガスタービンエンジンが稼動した後の観測によ
れば、前記サイデンステイツク氏らの米国特許
3615376のものと同一構造を有するブレードの内
部表面上には0.05mm厚さの腐食スケールが沈積し
ていた。

実施例 １ エンジンを稼動させた後の前記のブレードをオ
ートクレーブ中に入れ、40wt.％の苛性ソーダと
残部が実質的に水である溶液中に浸漬した。

密閉後にオートクレーブ内の空気がアルゴンガ
スを以て置換され、次いで約315.5℃の温度にお
いて２時間加熱された。

水溶液は撹拌されるが、ブレードと水溶液との
相対的な運動が完全になるように考慮されるべき
である。

オートクレーブ中で水溶液の作用を受けた後に
タービンブレードは取り出され、スケールと水溶
液が反応して生じた溶解生成物を含有する水溶液
は、有機酸、または鉱酸いずれかの希釈水溶液、
例えば、約2vol.％塩酸水溶液を使用しブレード
の内部表面から洗い流され、次いで水を使用して
洗い流された。

希釈配洗浄は、内部通路に残存するアルカリ水
溶液を中和して、これを除去し、その後の稼動時
の部品の高温腐食を回避するために好ましい。

引続く検査により、スケールはブレードの内方
部分の表面から綺麗に除去されており、基体合金
または内部通路、あるいは開孔の寸法には何ら実
質的影響が与えられていないことが判明した。

この発明によつて、部品の内部の表面から除去
された酸化物スケールの一部の分析によれば、主
成分はAl₂O₃とCr₂O₃であることが確認された。

より弱反応性か無反応性の他の酸化物か硫化物
があつたとしても、それらは溶解物とともに運び
去られた。このことは、このような酸化物が
Al₂O₃とCr₂O₃のスケール中に閉じ込められてい
るために可能なことである。

従つて、高温の稼動状態に超合金が曝露されて
生成するスケール除去用のこの発明の方法の実施
は、水酸化物の水性溶液、好ましくはNaOH、
KOHまたはこれらの混合物の水溶液を、水酸化
物20〜40wt.％、残部を水とし、約200〜340℃の
範囲にて、非酸化性雰囲気下にオートクレーブ中
で使用することの慎重な均衡の上に立脚する。

非酸化性の雰囲気、例えば、アルゴンが必要と
されるが、これはエンジンの回転後の応力腐食分
解を回避するために、この発明の重要な特徴であ
る。

このような分解には、部品中の残留応力の存在
とスケール除去中に酸化性雰囲気があつて、オー
トクレーブ温度における酸素との接触によつて発
生し得るものである。

実施例 ２ 他の評価例として、前述のニツケル系の超合金
Rene′80製のタービンブレードが上記の実施例１
に記載のこの発明の方法に従つて処理された。

これらのタービンブレードは、破漠の環境下に
あつて稼動したものであり、厚い珪酸塩沈着物が
あつた。

この実施例では、実施例１と同様の良好な結果
のために浸漬は５時間であつた。

浄化後、これらタービンブレードは、レヴイン
らの米国特許3540878記載の方式のパツク法によ
りアルミニド処理された。

アルミニド処理、即ち、アルミニド拡散被覆は
超合金の保護のための対環境用のコーテイングの
中で一般的なものであり、このコーテイングは、
増大された酸化抵抗性のアルミニド（NiAl、ま
たはCoAl）の外層を発達させるのであつて、こ
の外層は基体金属中のニツケルか、コバルトとア
ルミニウムとの反応によつて発達する。

この被覆の酸化低抗性は保護のためのアルミナ
スケールの生成による。アルミニド拡散被覆は通
常、薄いのであり、約50〜75μｍの範囲内であ
る。

アルミニド拡散被覆はその形成に当り若干量の
基体金属を消費して低温において沈着させられる
が、被覆された部品の実地稼動に先立ち、沈着層
は常に約1040〜1120℃において拡散させられる。

アルミニド拡散被覆は一般的にパツク法
（pack process）により行われる。通常、沈着は
中間的温度で行われ、続いて、約1040〜1120℃の
制御雰囲気の炉中において拡散が行われる。

パツク法においてはアルミニド被覆を施される
べき洗浄済の超合金製の部品はパツク、即ち箱に
装入され、箱に装入された部品の周囲の箱内の空
間には、分散したTiAlC複合カーバイドを含有す
る約50〜70wt％のチタン、約20〜48wt％のアル
ミニウム、および約0.5〜9wt％の結合炭素からな
る三成分系合金の粉末が、少量の弗化アンモニウ
ムおよび相当量のアルミナ粉末に混合された粉体
が充填され、次いで箱内の空気がアルゴンか水素
に置換された後、箱は1065℃に保持されている炉
中に約４時間放置される。

この処理によつて部品の表面にアルミニウムが
沈着し、超合金の表層内に拡散して、表層部分に
薄いニツケルアルミニウム合金層が形成される。

炉中から取出された箱が150℃に冷却された後
に、アルミニド拡散コーテイングをされた部品が
箱から取出されるのである。

この発明の方法、Ｘ−40合金とも呼ばれる市販
のコバルト系超合金の表面からのスケール除去と
同様に、上述のRene′80超合金製のような部品の
アルミニド処理の被覆表面から主としてAl₂O₃で
ある酸化物のスケールの除去にも有用であること
が判明した。

酸による溶出法、または弗化物蒸気による処理
と異なり、この発明の方法は表面に残存する酸化
されていないアルミニド被覆に影響を与えない。

酸による溶出法はスケール除去か、または浄化
法として評価されたが、残存保護被覆を除去する
傾向がある。

加えて、酸は基体の金属を侵し、開孔を拡大さ
せ、部品を損傷させることがある。

反応による生成物が深いことと粒間を侵食する
ことにより、酸による溶出法はスケールの除去の
手段として、その制御が非常に困難である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ CoとNiよりなる群から選ばれた少なくとも
   一元素を基材とする耐熱性超合金製の部品の内部
   通路の表面から高温の過激な環境条件下にあつて
   生成した酸化物、珪酸塩、硫化物とこれら混合物
   の一種以上からなるスケールを、除去する方法に
   おいて、苛性ソーダ、苛性カリとこれらの混合物
   から選ばれた水酸化物を20〜75重量％含有するア
   ルカリ水酸化物の水溶液を使用すること、非酸化
   性雰囲気存在下に密閉されたオートクレーブ中に
   おいて耐熱性超合金製部品の内部通路の表面をア
   ルカリ水酸化物の水溶液に浸漬すること、内部通
   路のスケールと水溶液の間に相対的運動を与えつ
   つ水溶液がスケールと反応して反応生成物を形成
   するために充分な時間オートクレーブ中の水酸化
   物の水溶液を加熱すること、および、その後に内
   部通路からスケールの反応生成物とアルカリ水溶
   液を洗浄除去することを特徴とする表面スケール
   の除去方法。 ２ 水溶液中の水酸化物は30〜40重量％であり、
   オートクレーブ中の温度は230〜330℃である請求
   項１記載の方法。 ３ スケールの反応生成物を表面から希薄な酸の
   水性溶液を以て洗浄除去する請求項１および２記
   載の方法。 ４ CoとNiよりなる群から選ばれた少なくとも
   一元素を基材とする耐熱超合金製の部品の内部通
   路のアルミニウム含有保護被覆が沈着している表
   面から、高温の過激な環境条件下にあつて生成し
   た酸化物、珪酸塩、硫化物とこれらの混合物の一
   種以上からなり主成分が酸化アルミニウムである
   スケールを、除去する方法において、 苛性ソーダ、苛性カリとこれらの混合物からな
   る群から選ばれた水酸化物を20〜75重量％含有す
   るアルカリ水酸化物の水溶液を使用すること、 非酸化性雰囲気の存在下に、密閉されたオート
   クレーブ中において耐熱超合金製の部品の内部通
   路の表面をアルカリ水酸化物の水溶液に浸漬する
   こと、内部通路のスケールと水溶液との間に相対
   的運動を与えつつ水溶液がスケールと反応して反
   応生成物を形成するために充分な時間、オートク
   レーブ中の水酸化物の水溶液を230〜330℃の範囲
   内に加熱すること、その後に内部通路からスケー
   ルの反応生成物とアルカリ水溶液を希薄な酸の水
   性溶液を以て中和して洗浄除去すること、およ
   び、次いでアルミニドを内部通路の表面に適用す
   ることを特徴とする表面スケールの除去方法。