KR20000048100A - 부식 방법 - Google Patents

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Abstract

수성 부식 방법은 금속 표면상이 열차단 피복물의 교체시 사용될 수 있다. 상기 방법에서, 금속 표면이 부식 용액과 접촉하여 열차단 피복물이 제거된다. 부식 용액을 접촉시키기 위한 처리 조건은 열차단 피복물의 교체 및 열처리의 후속 적용동안에 박리층의 형성이 방지되도록 선택된다. 이어서 열차단 피복물의 교체가 금속 표면에 재적용된다.

Description

부식 방법{CAUSTIC PROCESS}
본 발명은 표면으로부터 열차단 피복물을 제거하는 것에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 하도 피복물(예, 니켈 알루미나이드 또는 백금 니켈 알루미나이드)을 손상시킴없이 열차단 피복물을 제거하는 것에 관한 것이다.
작동 온도가 높을 수록 가스 터빈 엔진의 효율은 향상된다. 발전된 추진 기술은 1000℃ 이상의 온도에서 엔진을 작동시키는 것을 포함한다. 이러한 높은 작동 온도는 엔진 구성요소의 내구성을 요구한다. 니켈 및 코발트계 초합금을 사용하는 경우 고온 내구성이 어느정도 향상된다. 터빈, 연소기 및 추가 장치와 같은 가스 터빈 엔진의 특정 부위에서, 금속 성분은 열 절연재로 피복되어 추가로 고온 작동 내구성을 제공하여야 한다.
전형적으로 현대의 터빈 엔진의 부재의 다수 부위에 요구되는 고온 작동 내구성을 추가로 제공하기 위해 금속 성분상에 열차단 피복물(TBC)을 사용한다. 열차단 피복물은 전형적으로 금속 성분 표면에 침착되는 금속 결합층상에 침착된 세라믹 피복물을 포함한다. 전형적으로 결합층은 백금 니켈 알루미나이드, 니켈 알루미나이드, 알루미나이드화 MCrAlY(여기서, M은 니켈, 코발트, 니켈-코발트 및 철이고; Cr은 크롬이고; Al은 알루미늄이고; Y는 이트륨이다) 또는 이들의 혼합물이다. 세라믹 피복물은 예를 들어, 칼시아, 하프니아, 마그네시아, 이트리아 또는 임의의 희토류 산화물로 안정화된 지르코니아와 같은 몇몇 형태의 내화성 산화물인 열차단 피복물을 형성하는 안정화된 지르코니아일 수 있다. 열차단 피복물은 매우 낮은 열 전도성, 낮은 밀도 및 높은 융점을 갖는다.
유효 수명동안에, 상업용 항공기, 일부 군용 항공기의 엔진 및 발전용 엔진의 피복 금속 성분은 균열 또는 박리되거나 화학적 및 물리적 공격을 받는다. 따라서, 이들 엔진은 주기적인 정밀검사가 요구된다. 정밀검사도중, 크리프 한계를 벗어나지 않고, 한편으로 심하게 침식되거나 손상되지 않은 터빈 블레이드 및 날개는 닦아서 재활용할 수 있다. 열차단 피복물 및 결합 피복물과 같은 피복물을 금속 성분으로부터 용출시키고, 상기 성분을 재가공 및 세정한 다음, 재피복하여 재활용한다. 열차단 피복물은 금속표면에 새로운 결합층과 열차단 피복물을 재피복하기전에 완전히 제거하여야 한다.
올트(Ault)의 미국 특허 제 4,439,241 호는 터빈의 부재를 세정한다음, 예를 들어 세정하고, 용접 또는 교정에 의해 터빈의 부재를 수리하고, 외부 피복물을 재피복하는 방법을 개시하고 있다. 상기 방법에서, 터빈 블레이드와 같은 부재는 오토클레이브의 홀더에 배치되고, 150 내지 235℃의 온도, 150 내지 350psi의 압력에서 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)의 알칼리 용액 및 물의 유동에 적용시킨다. 수산화칼륨 용액은 10 내지 45중량%이다.
제 1단계 터빈 블레이드에 엔진 작동동안에 냉각공기의 유동을 억제하고 고온 반점을 생성하는, 규소-칼슘(Si-Ca)이 풍부한 부유물 및 부스러기가 축적된다. 이는 벽을 통한 물질의 파손을 초래할 수 있는 내부 부식을 촉진시킨다. 이전의 오토클레이브 방법은 다량의 내부 부스러기를 제거하는데 있어서 효과적이지 않았다. 어빈(Irvine)등의 "New Method for Turbine Blade Internal Cleaning, a paper presented at the Internal Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, Houston, Texas, June 5-8, 1995"는 400psi에 근접한 압력에서 가열 부식제를 터빈 블레이드의 내부 중공을 통해 펌핑하는 것을 제시한다. 이전의 오토클레이브 방법에 비해, 어빈 등의 방법에 의한 증가된 부식제 유동은 세정 효율성을 개선시킨다. 상기 방법은 수리도중 부재의 수거율을 개선시킴으로써 수리 비용을 감소시킨다.
부식 방법은 에어호일(airfoil)과 같은 엔진의 부재를 세정하는데 사용될 수 있고, 또한 에어호일 캐스팅으로부터 세라믹 코어를 제거하는데 사용될 수 있다. 부식제는 산화물 및 수산화물과 반응하여 수용성 알칼리 금속염을 형성한다. 이러한 화학반응은 에어호일을 세정하고 세라믹 코어를 제거하는 것을 가능하게 한다. 또한, 부식 공정의 화학반응은 열차단 피복물과 그 아래에 위치된 금속 성분사이의 알루미나 접촉면을 용해시킴으로써 열차단 피복물을 제거하기 위해 제시되고 있다. 불행하게도, 당해 분야에 교시된 조건하에서, 부식 공정은 아래에 위치된 금속 성분의 니켈 알루미나이드 또는 백금 니켈 알루미나이드도 침식시킨다. 금속 성분이 계속 세정되고 열차단 피복물로 재피복되고 열처리될때, 대부분 산화니켈로 알려진 흑색층은 에어호일 내면 및 외면으로부터 용출된다. 따라서, 목적하지 않는 흑색 박리물(플레이크)을 형성함이 없이 아래에 위치된 금속 성분으로부터 열차단 피복물을 제거하기 위해 부식 방법을 제공할 필요가 있다. 본 발명은 선택된 처리 조건하에서 부식 공정을 수행함으로써 박리층(플레이크)를 막을 수 있음을 발견한 것에 의거한다.
본 발명은 금속표면상의 열차단 피복물을 교체하기 위한 수성 부식 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 물리적 증착 또는 공기 플라즈마 분사에 의해 결합 피복물을 갖는 초합금 기재상에 침착된 이트리아-안정화된 지르코니아 열차단 피복물의 화학적 제거방법에 관한 것이다. 상기 방법에서, 피복된 부재의 표면을 부식 용액과 접촉시켜 열차단 피복물을 제거한다. 부식 용액을 접촉하기 위한 처리조건은 열차단 피복물의 교체 또는 수거 및 열처리의 후속 공정중에 박리층이 형성되지 않도록 선택된다. 이어서 열차단 피복물의 교체 또는 수거를 금속 표면에 재적용한다. 박리층은 니켈 알루미나이드 또는 백금 니켈 알루미나이드의 산화 생성물이다.
다른 양태에서, 본 발명은 열차단 피복물 또는 다른 부식 가용성 세라믹 피복물을 제거하기 위해 니켈 알루미나이드 함유, 백금 니켈 알루미나이드 함유 또는 MCrAlY 알루미나이드 함유 금속 표면을 처리하는 수성 부식 방법에 관한 것이다. 금속 표면은, 니켈 알루미나이드 또는 백금 니켈 알루미나이드와의 부식 반응을 방지하도록 선택된 처리 조건하에 부식 용액과 접촉시키므로써 후속적인 열차단 피복물의 피복 및 열처리도중 박리층이 형성되지 않게 한다. 이어서 교체 열차단 피복물을 금속 표면에 재피복시킨다.
본 발명은 아래에 위치된 결합층 또는 기재 표면을 손상시키지 않고, 열차단 피복물이 재피복되고 열처리된후 박리층(플레이크)을 형성함이 없이 열차단 피복물을 완전히 제거하기에 충분한 농도, 온도, 압력 및 시간에서 오토클레이브에서 부식 용액으로 열차단 피복면을 처리함으로써 평면 및 곡면으로부터 열차단 피복물을 제거하는 방법을 제공한다. 오토클레이브 챔버의 분위기는 산소가 거의 존재하지 않는다. 이것은 오토클레이브 챔버가 아르곤, 헬륨 및 질소와 같은 불활성 가스로 퍼징됨으로써 산소량이 50ppm 미만이고, 한편으로 산소량이 10ppm 미만인 것을 의미한다.
열차단 피복물(TBC)은 일반적으로 이트리아 안정화된 지르코니아, 칼시아 안정화된 지르코니아 또는 마그네시아 안정화된 지르코니아와 같은 화학적으로 안정화된 지르코니아이다. 또한 본 발명의 목적에서 열차단으로 작용하는 다른 산화물 또는 세라믹 피복물은 열차단 피복물로 지칭될 수 있다. 또한, 본 발명은 열차단 피복물로 사용될 수 없는 다른 부식 가용성 세라믹 옥시드 피복물의 제거를 포함한다. 본원에서, 결합 피복물은 보통 백금-니켈 알루미늄, 알루미늄, 니켈 알루미늄, 니켈-크롬-알루미늄-이트륨, 철-크롬-알루미늄-이트리아, 코발트-크롬-알루미늄-이트륨 및 니켈-코발트-크롬-알루미늄-이트륨을 포함하는 금속 조성물을 의미한다.
항공기 엔진용 터빈 및 발전용 설비에 가끔 사용되는 기재 물질은 니켈, 코발트 또는 철계 초합금일 수 있다. 이러한 기재의 실례는 GTD-111, GTD-222, Rene-80, Rene 41, Rene 142, N-5, Rene 125, Rene 77, Rene 95, Inconel 706, Inconel 718, Inconel 625, 코발트계 HS 188, 코발트계 L-605 및 스테인레스 스틸이다. 상기 방법은 터빈 또는 에어호일중에 사용된 열차단 피복된 부재 및 하드웨어에 대해 특히 적합하다. 터빈의 부재의 실례는 터빈 블레이드 또는 날개이다. 에어호일이란 용어는 또한 터빈; 블레이드, 날개, 버킷, 노즐 등과 같은 부분을 지칭한다.
터빈의 부재이외에 열차단 피복물을 피복할 수 있는 추가의 기재 물질이 본 발명에 사용될 수 있다. 예컨대, 본 발명은 또한 가스, 스팀 및 핵과 같은 발전용 설비 및 전자 적용물중의 열차단 피복물의 제거에 활용될 수 있는 것으로 고려된다.
부식 용액은 일반적으로 알칼리 하이드록시드(예, 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화리튬) 또는 비알칼리 하이드록시드(예, 수산화암모늄(NH4OH),), 트리에틸아민(TEA), 테트라메틸암모늄 하이드록시드(TMAH) 및 이들의 혼합물을 포함한다. 부식 용액은 수용액일 수 있고, 이때 알칼리 하이드록시드 화합물 또는 비알칼리 하이드록시드 화합물은 물과 혼합된다. 부식 용액의 표면 장력을 추가로 감소시키기 위해 계면활성제 및 킬레이트제와 같은 첨가제를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 부식 화합물 및 물은 약 2 대 3의 비율로 존재할 수 있다. 염기의 농도는 수산화칼륨에 대해 약 40 내지 45중량%이고, 수산화나트륨에 대해 약 40 내지 50중량%일 수 있다.
본 발명의 방법은 오토클레이브 반응기중에서 수행한다. 오토클레이브 반응기는 가압 용기이고, 고온, 고압을 견디도록 건조된다. 시스템은 오토클레이브중에 내용물(반응 혼합물)을 가열하거나 용기를 외부 압축 가스 공급원을 사용하여 가압하여 압력을 상승시킨다. 오토클레이브는 배치 형태로 작동될 수 있고, 즉 부식 유기 용액의 성분이 충전되고, 유니트가 밀폐되고, 충전물은 목적하는 온도 및 압력 조건으로 생성된다. 하나이상의 반응물이 연속적으로 공급되고 생성물이 회수되면 연속식 또는 반(半)연속식 작동이 수행될 수 있다.
처리동안에 사용된 온도 및 압력은 제거되는 열차단 피복물의 양 및 형태, 및 오토클레이브 반응기의 성능에 따라 변할 수 있다. 부식 처리는 온도, 압력 및 반응 시간의 범위에서 수행될 수 있다. 예컨대, 처리는 고주파 교반, 기계적 혼합 및 오토클레이브 처리로 비등시키는 것의 조합을 포함할 수 있다. 오토클레이브 처리는 몇가지 조건하에서 수행될 수 있다. 예컨대, 압력은 약 400 내지 약 800lbs/in2이상의 범위일 수 있고, 온도는 약 230 내지 약 250℃의 범위일 수 있다. 고압 및 고온을 적용시켜 짧은 처리시간을 단축시킬 수 있다. 또한 압축 가스를 사용하여 실온에서 가압을 수행할 수 있다. 또한, 상기 방법은 제로 압력으로 시작할 수 있고, 반응 혼합물의 온도를 상승시킴으로써 반응 혼합물의 증기압을 상승시키는 경우 오토클레이브 압력은 자동적으로 상승한다. 열차단 피복물을 제거하기 위한 시간은 제거되는 피복물의 양 및 처리 온도 및 압력 조건에 의존한다. 보통, 시간은 약 5분 내지 약 4시간이다. 또한, 짧은 지속시간내에서 고압에서 혼합기(예, 기계적 교반기, 자기 교반기 또는 고주파기)를 사용하여 토오치 위치중에 열차단 피복물을 제거하기 위한 부식 용액의 능력을 향상시킬 수 있는 것을 인식하여야 한다.
실시예
수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NaOH)를 함유하는 다수의 부식 용액을 다른 처리 조건에서 시험하였다. 선택된 조건을 표 1에 제공한다.
물속에 부식용액의 중량% 온도(℃) 질소압력w/N(psi) 처리 시간(hr) 제거된 TBC NiAl 피복물상에 침식
40KOH 230 800 4 있음 없음
45KOH 250 800 4 있음 없음
40KOH 250 600 1 있음 없음
45KOH 230 600 1 있음 없음
40NaOH 230 800 1 있음 없음
50NaOH 250 800 1 있음 없음
40NaOH 250 600 1 있음 없음
50NaOH 230 600 1 있음 없음
30KOH 200 160 5분 일부분 없음
45KOH 200 200 5분 있음 없음
30KOH 230 425 4 있음 있음
45KOH 230 400 4 있음 없음
상기 결과는 저농도(30중량%)의 부식을 니켈 알루미나이드 층에 공격하고, 열차단 피복물의 연속적인 재피복동안에 박리층(플레이크)의 형성을 초래하는 것을 나타낸다. 또한, 오토클레이브 챔버가 50ppm 미만의 산소량으로 불활성 가스로 퍼징되지 않으면 250℃이상의 온도는 염기 금속 침식 또는 니켈 알루미나이드 피복물 침식을 초래한다.
본 발명은 아래에 위치된 결합층 또는 기재 표면을 손상시키지 않고, 열차단 피복물이 재피복되고 열처리된후 박리층(플레이크)을 형성함이 없이 열차단 피복물을 완전히 제거하기에 충분한 농도, 온도, 압력 및 시간에서 오토클레이브에서 부식 용액으로 열차단 피복면을 처리함으로써 평면 및 곡면으로부터 열차단 피복물을 제거할 수 있다.

Claims (32)

  1. (A) 후속적인 교체 열차단 피복물의 피복 및 열처리도중 박리층의 형성이 방지되도록 선택된 처리조건하에서 수성 부식 용액과 금속 표면을 접촉시켜 금속 표면으로부터 열차단 피복물을 제거하고,
    (B) 상기 교체 열차단 피복물을 피복하는 것을 포함하는
    금속 표면상의 열차단 피복물을 교체하기 위한 수성 부식 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 400psi 이상의 압력을 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 5분 내지 약 4시간의 처리시간을 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 45중량%의 KOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 50중량%의 NaOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    질소 분위기하에서 금속 표면을 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    아르곤 분위기하에서 금속 표면을 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 400psi 이상의 압력 및 약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    약 400psi 이상의 압력을 포함하는 상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 45중량%의 KOH 부식 용액 또는 약 40 내지 약 50중량%의 NaOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 45중량%의 KOH 부식 용액 또는 약 40 내지 약 50중량%의 NaOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    약 400psi 이상의 압력 및 약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 45중량%의 KOH 부식 용액 또는 약 40 내지 약 50중량%의 NaOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    금속 표면이 니켈 알루미나이드 피복물 또는 백금 니켈 알루미나이드 피복물을 포함하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    금속 표면이 에어호일(airfoil)의 형태인 방법.
  15. (A) 니켈 알루미나이드, 백금 니켈 알루미나이드 또는 이들의 혼합물과 부식제가 반응하여 후속적인 열차단 피복물의 피복 및 열처리도중 박리층의 형성이 방지되도록 선택된 처리 조건하에서 금속 표면을 수성 부식 용액과 접촉시키고,
    (B) 상기 열차단 피복물을 피복하는 것을 포함하는
    니켈 알루미나이드 함유 금속 표면, 백금 니켈 알루미나이드 함유 금속 표면, MCrAlY 알루미나이드 함유 금속 표면 및 이들의 혼합물을 처리하기 위한 수성 부식 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 400psi 이상의 압력을 포함하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 30분 내지 약 4시간의 처리시간을 포함하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 45중량%의 KOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 50중량%의 NaOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    질소 분위기하에서 금속 표면을 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    아르곤 분위기하에서 금속 표면을 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 400psi 이상의 압력 및 약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 방법.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 선택된 조건이 약 400psi 이상의 압력 및 약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 방법.
  25. 제 16 항에 있어서,
    약 400psi 이상의 압력을 포함하는 상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 45중량%의 KOH 부식 용액 또는 약 40 내지 약 50중량%의 NaOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  26. 제 16 항에 있어서,
    약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 45중량%의 KOH 부식 용액 또는 약 40 내지 약 50중량%의 NaOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  27. 제 16 항에 있어서,
    약 400psi 이상의 압력 및 약 230 내지 약 250℃의 온도를 포함하는 상기 선택된 조건하에서 금속 표면을 약 40 내지 약 45중량%의 KOH 부식 용액 또는 약 40 내지 약 50중량%의 NaOH 부식 용액과 접촉시키는 방법.
  28. 제 16 항에 있어서,
    금속 표면이 에어호일의 형태인 방법.
  29. 제 1 항에 있어서,
    오토클레이브 챔버내에서 수행하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    오토클레이브 분위기가 산소 50ppm 미만을 함유하는 방법.
  31. 제 15 항에 있어서,
    오토클레이브 챔버내에서 수행하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    오토클레이브 분위기가 산소 50ppm 미만을 함유하는 방법.
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