TWI259218B - Method for removing a dense ceramic thermal barrier coating from a surface - Google Patents

Description

1259218 九、發明說明： 發明背景 本發明係關於自物件表面移 有从丁以^及其氧化物中至少 ^“^自含 緻密陶瓷塗層。 之物件表面上移除 汽渦輪機組件中，尤1 η ,^ 其疋渦輪機段葉片，輪葉，啥利， 反盍片等，均設計為在相 八、 田阿/皿下知作。在操作時，這此 、、且件承受惡劣環境條件，一船 一 伊、#泣& a 瓜係口 5亥組件於高溫下外露於 、速丨L動工氣之氣態大氣環啬 Η + 衣兄以及渦輪機燃料燃燒產物。 口此在渦輪機技藝之實務中 卜沪丄 係猎者在此種組件外露表面 :加不同種類表面防護抗環境塗層或塗層組合物以改善 ^使用哥命。一般廣泛報導中，在含L及/或G合金上塗 層包括金屬性塗層，其通常包括含_究塗層，其中某些 型式者稱為熱阻障塗佈，及其組合。 〃此類汽渦輪機物件在操作時，對料熱循環反應或是大 乳中所含顆粒’或其組合據觀察會對組件造成損傷。損傷 修復經常需將表面防護塗層更換，其在塗層間或塗層盘其 材間介面上可存在金屬氧化物。常用於抗環境塗佈之—種 為含A!元素之金屬性塗層，該塗層包括擴散基材或物件表 面之内層部份。此種塗層型式及自表面部份移除之方法之 敘述包含於美國專利字號第5,728,227號，頒予“…啦邮 者（1998年3月17曰授予專利）。 上述高溫陶塗層之—種型式經常被稱作熱阻障塗 層（TBC)或TBC系統。此類範例具諸Stecura等人之美國專 65566-941125.doc 1259218 利字號第4,055,705號（1977年10月25日授予專利）； Weatherly等人之第4,095,003號（1978年6月13日授予專 利）；Siemers等人之第4,328,285號（1982年5月4曰授予專 利）；％如1^等人之第5,216,8〇8號（1993年6月8日授予專 利）；及Gupta等人之第5,236,745號（1993年8月17日授予專 利）。TBC經常施加於金屬性環境塗層上成為TBC系統。移 除陶瓷性TBC相較於移除金屬性塗層係為不同的問題，尤 其TBC甚為緻密，且實質無孔隙供化學品滲穿入塗層表 面。舉例而3，貫務上利用商品級化學蒸氣沉積製程沉積 出貝枭元全緻岔TBC。應用酸性溶液於TBc塗層表面，以 化學反應移除陶瓷相當費時，且更重要的，會擴大空氣冷 却開口尺寸且改變通過之冷却空氣流，如上述專 利所討論内容。 自物件表面移除TBC包括令TBC外部表面外露於欲渗入 該外部表面1後攻擊取與基材間介面之^。此種據 報導方法的範例包括在MeCGmas美國專利第4,889,589號 (1989年I2月26日授予專利）及Reeves等人之第5,614，_號 (1997年3月25曰授予專利）。鈇 )…、而以已知方法處理緻密 TBC ’尤其是實質完全緻密tb 么為非常費時，故而成本 亦高。 發明間述 本發明之一型式為提供—種自覆有丁BC之物件表面移除 緻密陶㈣阻障塗層（TBC)之方法。該物件表面包括一邊 緣，在此至少部份物件表面與咖間之介面外露。該介面 65566-941125.doc 1259218 匕έ至少一種選自Al，Ti，Cr，Zr及其氧化物之物質。該方 法包含令至少該外露介面接觸溫度至少1 600T之一種還原 氣體’接觸時間足使該氣體藉著將介面上該群組中至少一 物貝轉化為氣態化合物而滲入該介面，並使TBC藉與物件 表面分離而移除。 發明詳細說明 本發明已應用於汽渦輪機之組件型式中，包括了氣冷式 渦輪機輪葉段，其型式敘述於Rasch等人美國專利字號第 5|，813,832號（1998年9月Μ日授予專利）。此種物件包括至 ^ 一位於内部與外部群間之輪葉。具體實例之一中，該輪 葉係以Ni基起合金製作，有時亦稱Rene, 合金，其通常 之重 ϊ 組成為 9.8% Cr，0.02% Zr ’ 7.5% Co，4.2% A1， 3.5/。Τι ’ 1.5% Mo ’ 6% W ’ 4.8% Ta ’ 0.15% Hf，其餘為 \另種型式的輪葉則以c。為主之合金製成，有時亦稱^ 0 σ 孟’一般重量組成為 1〇% Ni，25% Cr，2.5% W， 〇·2% Fe ’ 2.5% Y，〇 〇5% c，其餘為c〇。為使某些這類型 式物件在其所5又5十下承受惡劣高溫操作條件下獲得保護， 此種物件在氣體流流中表面已另包括-外部陶瓷TBC塗 層’通常亦為與一内部金屬性塗層形成組合物。 施用並擴散物件表面之金屬性塗層之一種型式含有八卜 ，種塗層之—範例’有時亦稱作Codep銘化塗層，其已商 並於Levine等人之美國專利第3,667,985號（丨972年6 月6日授予專利）中翁乃甘 ;敘及其型式之一。另一種廣受報導且商 品化之金屬性防護塗層為M-Cr-A1_Y型式塗層，其中”M” 65566-941125.doc 1259218 為^ ’ Co，妬或1组合。 塗声H 另—種金屬性防護塗層為Pt-A1 土層，其係以電鍍pt於一表 仅嗜主工 冉鋁化該表面而得。為了 保護表面’塗層中素， ^ ^ 兀其疋A卜以例如施加塗層時 之熱處理或加熱方式擴散人該 Θ夺 之泠 初仵表面。當含有此種擴散 一an專利之方法。…，可…用上述 ^ 塗層作為組合物外部塗層部份時，係施加 ，屬性銘化型式之塗層，其再作為塗層組合物之内部部 刀。沉積出該陶請C之—較佳方法，係商用化學 Τ法’因其可提供緻密，且有時型式為實質完全緻實之陶 光外部阻障。但此種TBC之緻密性質在氣冷式物件上，不 易以已知方法進行修後前的移除工作。當使用會攻擊沒有 =塗層存在之物件表面區域之化學品時，例如連接冷却 空氣開口表面，會導致開口擴大，改變了原設計 氣流。 本發明利用介於TBC及物件表面間之外露介面，該介面 匕括至ν —種選自入卜Ti，Cr，Zr，及其氧化物之物質。 通吊在介面具有含A1之金屬性塗層。該TBC係藉將其與其 下表面分離，而不損及物件結構下移除。舉例而言，當如 氣渦輪機空氣葉片，群體、支柱，蓋片等之物件具有tbc 外部層時，該TBC通常在物件邊緣處終止，如端點處。由 於外露介於TBC與其下表面間之介面，通常為内部金屬性 塗層。否則亦可以在邊緣以機械力移除得到外露之介面。 物件在高溫氧化條件下操作，而元素AI，Ti，心及々若存 65566-941125.doc 1259218 在％，其中至少一種之金屬氧化物至少會在介面生成。此 類兀素及/或氧化物在介面的存在，即為本發明所利用， 以自物件表面移除外部TBC。 銘化内部塗層轉化。舉例而言，t不存在内部塗層時，該 ㈣可自TBC下方物件表面轉化物f。自介面將此種物質 轉化為氣態化合物如i化物者，可分離該外部tbc。通常 根據本發明之一型式，至少令該外露介面接觸含一㈣ 素且至少為1 _ F溫度之還原氣體，接觸時間足使該函素 擴散入介面’轉化至少—制，Ti，Cr，Zr，及其氧化物 物質為氣態化合物。在前述組合塗層，八】及/或氧化鋁由 该TBC係自其所施加之表面分離並落下 “如前述ReVerman專利所論及，如I離子型式之鹵化物可 藉轉化為氣態鹵化物而移除表面污染物，其内容見於 Keller等人之美國專利案號第4,〇98,45〇號（1978年7月4曰授 予專利）；及Chasteen專利第4，188,237號及第4,4〇5,379號 (各於1980年2月12日及1983年9月20日授予專利）。

Reverman己認知到，經擴散之μ外露於還原性氟化氣體， 特別是氟化氫氣體時，可將八丨自擴散部份抽取或轉化，不 致產生尺寸上的變化，其係藉著A1與該氣體在不低於16〇〇 °F溫度下反應，且其時間足以消耗該部份之八丨。由於本發 明之一型式係取用Reverman專利之主題部份，為方便故， 將Reverman專利5,728,227揭示之第三段28行到第四段第22 行併為本文參考。 評估本發明過程中，取類似上述Rasch等人專利所示之 65566-941125.doc 10 1259218 —般型式之氣渦輪檣 用後者作^ W㈣輪小孔，且於氣渦輪機使 :-+孔之空氣葉係以上述Rene，N4Ni基超合 其具有組合防護塗層於其作為氣機流路徑之表 面。該組合塗声白k + …括内部擴散之銘化C〇dep塗層，其含有 擴散之Ni合金矣& ^ ”表面，以及緻密陶瓷TBC，其含有約92 董置％以約8曹景。/“7 6 & 釔女疋化之鍅，以化學蒸氣沉積於内部 ^之上。吾人發現如裂傷之損傷已產生於小孔翼片，故 需修復。修復之前，必須先將組合塗層自翼片表面移除， 以及去除裂傷内之任何氧化物。 由於流物件在氣機流動途徑使用，至少在翼片表面會有 因外露於氣機燃燒產物所產生之氧化物及其它表面污染 2 ’包括裂傷内之氧化物。此外，TBC與内部塗層間介面 含有至少A1之氧化物。外部表面先以利用12()網目氧化銘 噴石y作一般喷砂之機械力清理，以去除外部表面污染物。 根據本發明之一型式，該翼片外露於還原鹵素爐中，内 邛充有約6-14重量％氟化氫氣體（範圍在約6-2〇重量％)及其 餘主要為氫氣之混合物，在約1800Τ，約為16〇〇T-2〇〇〇 F範圍下4小時，以移除該陶瓷外部TBC。如此可使鹵素 由翼片外露邊緣滲入内部紹化塗層及外部丁B C間之外露介 面轉化至少A1及/或氧化鋁由内部表面成為氣態氟化鋁 化合物，並自内部塗層分離出TBC。觀察經此種處理後的 爐内部，顯示TBC薄片及片狀物自翼片分離，橫臥在經處 理後物件下方。 在丁B C自物件表面分離時，可觀察到該進入介面之還原 65566-941125.doc 11 1259218 二：：消耗掉部份來自内部塗層之鉬。a。移除之後， 丄4外消耗A卜在使用或不使用對内部塗層外部部份 4機械移除之下，可另外具 > J另外再進仃外露於還原氣體。 述特定範例中，TBC移除之後，以^㈣扣專利實務 :’以採用較細24〇網目氧化銘先喷砂内部減塗層外 、卩私除利餘之内部鋁化塗層。然後與裂傷内氧 自剩表面4耗移除，以提供配合共後修復條件之物件 表面°此-後步驟係於移除TBC之相同條件下爐内進行。 觀察透過物件表面之空氣冷却孔洞，顯示並無明顯尺寸變 化。 雖然上述特定範例是㈣為主之超合金評估，然咸應認 知它種基材合金’例如以C〇為主合金，亦可依本發明處 理。為方便故，本發明係以特定範例，具體實例，及其組 合作為說明，亦包含涵括Reverman專利部份者。熟諳此類 技藝者當能認知，在不脫離本發明申請專利範圍所定義範 疇内，本發明可有各種的衍生擴大，調整，以及變化。巳 65566-941125.doc 12-

Claims (1)

1. 聰細] 十、申請專利範圍： 1 · 種自TB C所在物件表面移除緻密陶瓷熱阻障塗層之方 法，該物件表面包括一邊緣處，此處至少部份介於物件 表面與TBC之介面曝露，該介面包括至少一種選自A1， 丁1，Cr，Zr ’及其氧化物之物質所組成之群組，該方法包 括下列步驟： 令至少外露介面接觸至少16〇〇τ溫度之還原氣體，接 觸時間^以令該氣體藉轉化至少在該介面之該群組之一 物負為氣態化合物而滲入該介面，並使TBc藉由物件表 面分離而移除。 2. 3. 4. 如申請專利範圍第丨項之方法，其中： 該溫度在160〇Τ_20〇〇τ範圍； 令该外露介面接觸該還原氣體時間為2-10小時；及 4遇原氣體為含6_2G重量％ _化氫氣體混合物，其餘 部份主要為氫氣。 ' 如申請專利範圍第彳g 现国弟1項之方法，其中該混合物為6_145 %氟化氫氣體’其餘主要為氫氣。 如申請專利範圍第 弟1員之方法，用以移除物件表面之 合塗層’其包含（a)合古__ 有兀素A1之内部塗層，該内部璧 包括經擴散之内部塗層部份，其中至少A1擴散入㈣ 面’以及覆於經擴散之内部部份上之内部塗層之外旬 份’及（b)覆於内部塗 土層外部部份之緻密TBC，包含Ί 移除後額外之步驟為： 令該外露之經攄斗 . 、/、放内4部份接觸含6-20重量。/〇鹵 65566-941125.doc 12592i8 -而其餘主要為氫氣之還原氣體，㈤ 時間至少2小日丰，皿度為至少1600卞， 份消耗ΑΛ/ ώ氣體自經擴散之内部塗層部 • “ί貫質上不造成物件表面的尺寸變化。 明專利範圍第4項之方法，其二 散之内1、在々该外露之經擴 内#⑷份接觸到該還原氣體前，其步 以機械方式移除内部塗層之外部呷严:: 6 9. 内部塗層部份外露。 σ 77 ’使该經擴散之 如申請專利範圍第4項之方法，其中·· 該還原氣體為6-20重量％齒化氣 為氫氣之混合物； ^體而其餘部份主要 *度係在16〇〇卞-200〇卞範圍；及 曝露時間在2-10小時範圍。 如申請專利範圍第6項之方法，其 %氟化f ¢1栌&甘 亥此合物為6-14重量 齓化虱軋體，而其餘主要為氫氣。 如申請專利範圍第丨項之方法，直令嗲 輪機組件，其曾於渦[機㈣矣 件表面為一渦 二 曰於，尚輪械使用，表面污染在T^C，而入 该介面接觸到該還原氣體前命 ^ 步驟為以機械方式至少 將表面汚染自TBC移除。 如申請專利範圍第8項之方法，苴 呈列“八斤 貝之方法其係供修復渦輪機組件 穷3乳化物|’該物件表面包括組合塗層，其人 有⑷含有元素A1之内部塗層，該内部塗層包含經擴散= 内部塗層部份’其中至少有A1擴散入物件表面， 經擴散之内部部份上之内部塗層之外部部份^ 内部塗層之外部部份之緻密TBC，包含： ； 65566-941125.doc 1259218 以機械方式至少自TB C移除表面污染； 自内部塗層之外部部份移除TBC，其係藉令至少該外 露介面接觸含重量％鹵化氫氣體，其餘主要為氫氣 之混合物之還原氣體2-1 0小時，温度在1 600卞-2000範 圍’以使1^亥鹵化氫藉轉化至少在該介面之群組之一物質 為氣態化合物後滲入該介面，並使TBC藉自物件表面分 離而移除及使該内部塗層外露；及 令該外露之内部塗層及裂傷接觸含6_2〇重量％鹵化氫 氣體’其餘主要為氫氣之還原氣體2 -1 〇小時，溫度在 l6〇〇°F_2〇〇〇°F範圍，以消耗内部塗層之A1及裂傷之氧化 物0 10. 如申請專利範圍第9項之方法，I中該還原氣體含6_14重 量％氟化氫氣體，而其餘主要為氫氣。 11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中在令該外露之内部 塗層及裂傷接觸還原氣體前，其步驟為： 以機械方式移除内部塗層之外部部份，以使 内部塗層部份外露。 5 其中該渦輪機組件包括 1 2·如申請專利範圍第9項之方法 含有組合塗層之空氣荦。 65566-941125.doc