(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン用部品の使用後に前記タービン用部品を受入れて、前記タービン用部品の損傷検査を行う受入検査工程と、
損傷部を有する前記タービン用部品の基材の外表面上に形成された酸化層を除去する酸化層除去工程と、
前記タービン用部品の基材の内表面上に形成されたコーティング層を除去するコーティング層除去工程と、
前記基材の外表面に形成された前記損傷部を覆うように、前記基材の外表面上にろう付け補修材を配置する補修材配置工程と、
前記ろう付け補修材を拡散熱処理し、前記ろう付け補修材を溶融してろう付け補修材の融液を前記損傷部に充填し、前記ろう付け補修材の融液を固化してろう付け補修材の溶融固化物を前記損傷部にろう付けする拡散ろう付け工程と、
前記ろう付け補修材の溶融固化物をろう付けした前記基材の外表面を仕上げ加工する表面仕上げ工程と、
前記表面仕上げ工程でろう付け補修したタービン部用品を熱処理し、前記ろう付け補修材の溶融固化物の表面上に酸化保護皮膜を形成する予酸化工程と、
前記予酸化工程で形成された前記基材の内表面上の酸化保護皮膜を除去する酸化保護皮膜除去工程と、
前記基材の内表面上にリコーティング層を形成するリコーティング工程と、
を備えることを特徴とするタービン用部品の補修方法。
【請求項２】
前記予酸化工程において、前記ろう付け補修材の溶融固化物は大気中で熱処理することを特徴とする請求項１記載のタービン用部品の補修方法。
【請求項３】
前記予酸化工程において、前記熱処理の温度は７００℃以上９００℃以下であることを特徴とする請求項１または２記載のタービン用部品の補修方法。
【請求項４】
前記受入検査工程において、前記タービン用部品は、管理寿命に到達する前または管理寿命を超過していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のタービン用部品の補修方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載のタービン用部品の補修方法によって、損傷部が補修したことを特徴とするタービン用部品。
【請求項６】
前記タービン用部品は、燃焼器ライナ、トランジションピース、静翼、動翼からなる群より選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項５記載のタービン用部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、タービン用部品の補修方法およびタービン用部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電プラントでは、ガスタービンと同軸に設けられた圧縮機の駆動によって圧縮された圧縮空気および燃料が燃焼器に導入され、燃焼器内に導入された圧縮空気および燃料が燃焼器ライナの燃焼室内で燃焼される。燃焼器ライナ内の燃焼により発生した高温の燃焼ガスは、トランジションピースを経て、静翼および動翼からなるタービン部へ導入される。タービン部へ導入された燃焼ガスは、タービン部内で膨張して、動翼を回転駆動させる。ガスタービン発電プラントでは、この回転駆動による運動エネルギを利用して、発電機などが発電を行っている。
【０００３】
また、近年では、大気中への二酸化炭素の排出量削減の観点から、天然ガスと酸素との燃焼により生成されたＣＯ２を作動流体に用いてタービンを駆動するＣＯ２タービン発電プラントが注目されている。ＣＯ２タービンでは、生成されたＣＯ２の大部分を燃焼器に循環させる方式が採用され、ＣＯ２の排出量を削減することができる。
【０００４】
ガスタ−ビンやＣＯ２タービンの高温部分に用いられる部品（以下、高温部品ともいう）である燃焼器ライナ、トランジションピ−ス、静翼および動翼は、Ｎｉ基、Ｃｏ基、Ｎｉ−Ｆｅ基などの超合金で形成されている。しかしながら、これらのタ−ビンの運転に伴い、これらの高温部品には種々の損傷が生じる。例えば、これらの高温部品は高温の燃焼ガス雰囲気に曝されているため、高温部品の材質劣化が生じることがある。また、これらのタ−ビンの起動時には、高温部品は低温環境域から高温環境域に推移し、タービンの停止時には、高温部品は高温環境域から低温環境域に推移する。高温部品の温度が推移する段階で、高温部品には、熱疲労が生じ、疲労損傷が蓄積する。その結果、高温部品にはき裂や減肉などの損傷部が生じることがある。高温部品の保守管理について、例えば、高温部品の定検毎の補修では、高温部品の基材の組成に近い組成の補修材を高温部品に発生した損傷部に施すことにより、損傷部を補修している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−５５５４３号公報
【特許文献２】特開２０１４−６６１４５号公報
【特許文献３】特開２０１３−７３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
補修材で補修した高温部品について、損傷部に施した補修材は、高温部品の基材に比べて酸化されやすいことがある。そのため、補修した高温部品をガスタ−ビンやＣＯ２タービンに再度使用した場合、補修部の材料劣化が生じやすくなるというおそれがある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、ガスタービンやＣＯ２タービンの高温部品などのタービン用部品に生じているき裂や高温酸化による減肉などの損傷部を補修材で補修し、かつ、補修部の耐酸化性を向上させたタービン用部品の補修方法およびタービン用部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のタービン用部品の補修方法は、タービン用部品の使用後に前記タービン用部品を受入れて、前記タービン用部品の損傷検査を行う受入検査工程と、損傷部を有する前記タービン用部品の基材の外表面上に形成された酸化層を除去する酸化層除去工程と、前記タービン用部品の基材の内表面上に形成されたコーティング層を除去するコーティング層除去工程と、前記基材の外表面に形成された前記損傷部を覆うように、前記基材の外表面上にろう付け補修材を配置する補修材配置工程と、前記ろう付け補修材を拡散熱処理し、前記ろう付け補修材を溶融してろう付け補修材の融液を前記損傷部に充填し、前記ろう付け補修材の融液を固化してろう付け補修材の溶融固化物を前記損傷部にろう付けする拡散ろう付け工程と、前記ろう付け補修材の溶融固化物をろう付けした前記基材の外表面を仕上げ加工する表面仕上げ工程と、前記表面仕上げ工程でろう付け補修したタービン部用品を熱処理し、前記ろう付け補修材の溶融固化物の表面上に酸化保護皮膜を形成する予酸化工程と、前記予酸化工程で形成された前記基材の内表面上の酸化保護皮膜を除去する酸化保護皮膜除去工程と、前記基材の内表面上にリコーティング層を形成するリコーティング工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
ガスタービンやＣＯ２タービンの高温部品などのタービン用部品に生じているき裂や高温酸化による減肉などの損傷部を補修材で補修し、かつ、補修部の耐酸化性を向上したタービン用部品の補修方法およびタービン用部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】損傷していないタービン用部品の断面の模式図。
【図２】実施の形態のタービン用部品の補修方法を示す工程図。
【図３】実施の形態のタービン用部品の補修方法における受入検査工程で受入れる損傷しているタービン用部品の断面の模式図。
【図４】実施の形態のタービン用部品の補修方法における酸化層除去工程の基材の断面の模式図。
【図５】実施の形態のタービン用部品の補修方法におけるコーティング層除去工程の基材の断面の模式図。
【図６】実施の形態のタービン用部品の補修方法における補修材配置工程の基材の断面の模式図。
【図７】実施の形態のタービン用部品の補修方法における拡散ろう付け工程の基材の断面の模式図。
【図８】実施の形態のタービン用部品の補修方法における表面仕上げ工程の基材の断面の模式図。
【図９】実施の形態のタービン用部品の補修方法における予酸化工程の基材の断面の模式図。
【図１０】実施の形態のタービン用部品の補修方法における酸化保護皮膜除去工程の基材の断面の模式図。
【図１１】実施の形態のタービン用部品の補修方法におけるリコーティング工程の基材の断面の模式図。
【図１２】実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用されるトランジションピースを有するガスタービンの一部断面の模式図。
【図１３】実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用されるトランジションピースを有するトランジションピース部の、燃焼ガスの流れ方向に沿う断面の模式図。
【図１４】実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用されるトランジションピースの斜視図。
【図１５】実施例１および比較例１における、補修したトランジションピースの耐酸化性の評価試験の結果を示すグラフ。
【図１６】実施例１および比較例１における、補修したトランジションピースの機械的強度の評価試験の結果を示すグラフ。
【図１７】実施例３および比較例３における、補修したトランジションピースの耐酸化性の評価試験の結果を示すグラフ。
【図１８】実施例３および比較例３における、補修したトランジションピースの機械的強度の評価試験の結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、損傷していない新品のタービン用部品の断面の模式図である。損傷していないタービン用部品１の基材１０の内表面１０２（以下、内表面ともいう）上には、ボンドコート１１が形成されている。ボンドコート１１の表面上には、トップコート１２が形成されている。なお、本明細書において、ボンドコート１１およびトップコート１２を含む層をコーティング層１４という。
【００１３】
図２は、実施の形態のタービン用部品の補修方法を概略的に示す工程図である。材質劣化とともに疲労損傷等を受けたタービン用部品を補修して再使用するために、タービン用部品の使用後に、タービン用部品を受入れて、タービン用部品の損傷検査を行う（受入検査工程Ｓ１）。図３は、受入検査工程Ｓ１で受入れる、損傷しているタービン用部品２の損傷部を拡大した断面の模式図である。熱疲労によって損傷しているタービン用部品２の基材１０の外表面１０１（以下、外表面ともいう）には、損傷部１０ａが形成されている。さらに、損傷部１０ａを含む基材１０の外表面１０１上には、自然に形成された酸化層１３が形成されている。
【００１４】
なお、本明細書において、特に説明のない限りにおいて、基材の内表面とは、タービンの作動流体と接する表面であり、基材の外表面とは、タービンの冷却流体と接する表面である。
【００１５】
基材１０は、例えば、Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３（ヘインズアロイ社製）やハステロイＸ（ヘインズアロイ社製）などのニッケル基耐熱合金で構成されている。
【００１６】
ボンドコート１１は、例えば、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹなどの合金で構成されている。ボンドコート１１は、例えば、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などによって形成される。また、ボンドコート１１の表面に積層して形成されたトップコート１２は、例えば、微小量のＹ２Ｏ３を含有して安定化したＺｒＯ２などのセラミックスで構成されている。トップコート１２は、例えば、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）などによって形成される。
【００１７】
受入検査工程Ｓ１では、損傷しているタービン用部品２を目視によって観察し、基材１０の外表面１０１に形成されたき裂や高温酸化により生じた減肉などの損傷部１０ａの有無、損傷部１０ａの発生箇所などを確認する。さらに、例えば、浸透探傷検査によって、損傷部１０ａの有無、損傷部１０ａの発生箇所などを検査する。なお、損傷部１０ａを確認および検査する前に、損傷しているタービン用部品２に対して、後述する第１の洗浄工程Ｓ４で実施する洗浄と同様の洗浄を施してもよい。以下では、損傷部１０ａがき裂である態様について説明するが、実施の形態においては、このような形態に限定されない。
【００１８】
図４は、酸化層除去工程Ｓ２において、酸化層１３を除去した基材１０の断面の模式図である。受入検査工程Ｓ１の後、損傷部１０ａを有する基材１０の外表面１０１上に形成された酸化層１３を除去する（酸化層除去工程Ｓ２）。
【００１９】
基材１０の外表面１０１上に形成された酸化層１３は、例えば、アルミナなどからなる研磨剤の粒子を高速で吹き付けるブラスト処理などによって除去される。また、ブラスト処理では酸化層１３を完全に除去できない場合、酸化層１３は、例えば、フッ化水素雰囲気中で熱処理（例えば、温度が１０００℃）して還元されることで除去される。
【００２０】
図５は、コーティング層除去工程Ｓ３において、コーティング層１４を除去した基材１０の断面の模式図である。酸化層除去工程Ｓ２の後、損傷部１０ａを有する基材１０の内表面１０２上に形成された、劣化したコーティング層１４を除去する（コーティング層除去工程Ｓ３）。
【００２１】
タービン用部品の使用で劣化したコーティング層１４の除去については、まず、基材１０の内表面１０２上の最も外側に形成されたトップコート１２を除去する。トップコート１２は、例えば、アルミナなどからなる粒子を高速で吹き付けるブラスト処理などによって機械的に除去される。そして、トップコート１２を除去した後、ボンドコート１１を除去する。ボンドコート１１は、トップコート１２と同様に、アルミナなどからなる粒子を高速で吹き付けるブラスト処理などによって機械的に除去される。また、ボンドコート１１は、例えば、ボンドコートを除去することの可能な塩酸やリン酸などの溶液を使用する化学処理などで除去されてもよい。
【００２２】
なお、上記では酸化層除去工程Ｓ２の後にコーティング層除去工程Ｓ３を実施しているが、酸化層除去工程Ｓ２とコーティング層除去工程Ｓ３とを同時に実施してもよいし、コーティング層除去工程Ｓ３の後に酸化層除去工程Ｓ２を実施してもよい。例えば、酸化層除去工程Ｓ２における酸化層１３を除去するためのブラスト処理によって、コーティング層除去工程Ｓ３におけるトップコート１２またはトップコート１２とボンドコート１１の除去を行ってもよい。
【００２３】
酸化層およびコーティング層を除去した後、基材１０を洗浄する（第１の洗浄工程Ｓ４）。第１の洗浄工程Ｓ４では、例えば、炭化水素などの有機溶剤を浸み込ませたウエスなどを用いて、基材１０の内表面１０２や外表面１０１に付着した油分などの汚れを拭き取る。また、基材１０を有機溶媒に浸漬させた後、有機溶媒中の基材１０を超音波処理して基材１０を洗浄してもよい。なお、第１の洗浄工程Ｓ４は、実施の形態のタービン用部品の補修方法における必須の工程ではないものの、後述の補修材配置工程Ｓ５において、シート状のろう付け補修材１５を基材１０の表面上に配置するときに、基材１０が第１の洗浄工程Ｓ４の実施によって洗浄されていることが好ましい。
【００２４】
図６は、補修材配置工程Ｓ５において、シート状のろう付け補修材１５を外表面１０１上に配置した基材１０の断面の模式図である。第１の洗浄工程Ｓ４の後、基材１０の外表面１０１に形成された損傷部１０ａを覆うように、基材１０の外表面１０１上にシート状のろう付け補修材１５を配置する（補修材配置工程Ｓ５）。補修材配置工程Ｓ５では、例えば、基材１０の外表面１０１に有機溶剤を塗布した後、有機溶剤の塗布面にシート状のろう付け補修材１５を貼り付けることにより、シート状のろう付け補修材１５を配置する。また、損傷部１０ａの深さや減肉の程度に応じて、シート状のろう付け補修材１５を複数枚積層してもよい。このとき、後述する拡散ろう付け工程Ｓ６においてシート状のろう付け補修材１５を溶融したときに、少なくとも損傷部１０ａ内をシート状のろう付け補修材１５の溶融物で充填できる程度に、シート状のろう付け補修材１５が配置される。
【００２５】
図７は、拡散ろう付け工程Ｓ６において、ろう付け補修材の溶融固化物１７をろう付けした基材１０の断面の模式図である。補修材配置工程Ｓ５の後、基材１０に配置されたシート状のろう付け補修材１５を拡散熱処理し、シート状のろう付け補修材１５を溶融してシート状のろう付け補修材１５の融液を損傷部１０ａに充填し、ろう付け補修材の融液を固化してろう付け補修材の溶融固化物１７を損傷部１０ａにろう付けする（拡散ろう付け工程Ｓ６）。拡散熱処理は、シート状のろう付け補修材１５を配置した基材１０を真空熱処理炉内に装入して実施される。
【００２６】
シート状のろう付け補修材１５は、拡散熱処理によって溶融する低融点のニッケル基溶融合金粉末と、ニッケル基溶融合金粉末よりも融点が高く、かつ、拡散熱処理によって溶融しない高融点のニッケル基非溶融合金粉末とを配合して構成された配合粉末とを含む。シート状のろう付け補修材１５の厚さは、例えば、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度である。
【００２７】
シート状のろう付け補修材１５は、例えば、次のようにして製造される。まず、有機物系などのバインダーに上記した配合粉末を添加して混合し、混合物を調製する。そして、得られた混合物を、例えばスプレーなどによって、剥離紙に塗布する。続いて、塗布した混合物を、例えばローラなどによって、所定の厚さに圧延し、所定のサイズに切断することで、シート状のろう付け補修材１５が製造される。
【００２８】
ニッケル基非溶融合金粉末の融点よりも低融点のニッケル基溶融合金粉末は、例えば、ＪＩＳ  Ｚ３２６５で規定されているＢＮｉ−１、ＢＮｉ−１Ａ、ＢＮｉ−２、ＢＮｉ−３、ＢＮｉ−４、ＢＮｉ−５、ＢＮｉ−６、ＢＮｉ−７などのニッケル基合金や、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｗ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ系、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系などのニッケル基合金などで構成される。
【００２９】
ニッケル基溶融合金粉末の融点よりも高融点のニッケル基非溶融合金粉末は、例えば、Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３（Praxair社製）、ハステロイＸ（Praxair社製）、ＩＮ６１７（Praxair社製）、ＩＮ７４０（Praxair社製）、ＩＮ７３８ＬＣ（Praxair社製）などのニッケル基耐熱合金などで構成される。
【００３０】
シート状のろう付け補修材１５について、ニッケル基溶融合金粉末とニッケル基非溶融合金粉末とを合計した質量に対するニッケル基溶融合金粉末の質量は、１０以上３５％以下であることが好ましい。当該質量比が１０％未満の場合には、シート状のろう付け補修材１５の溶融時における基材１０の外表面１０１に対するシート状のろう付け補修材１５の融液のぬれ性が低下し、シート状のろう付け補修材１５の融液が損傷部１０ａへ十分に充填できないことがある。一方、当該質量比が３５％を超えると、シート状のろう付け補修材１５の融液のぬれ性が過剰に増加し、シート状のろう付け補修材１５の融液が基材１０の外表面１０１から流れ落ちてしまい、損傷部１０ａに充填されるシート状のろう付け補修材１５の融液の量が十分でないことがある。
【００３１】
拡散熱処理において、シート状のろう付け補修材１５に含まれるニッケル基溶融合金粉末が溶融し、溶融したニッケル基溶融合金の融液とともにニッケル基非溶融合金粉末が損傷部１０ａの内部を充填する。融液を冷却した後、ニッケル基溶融合金の融液は固化し、ニッケル基溶融合金の溶融固化物およびニッケル基非溶融合金粉末からなるろう付け補修材の溶融固化物１７が損傷部１０ａを含む基材１０の外表面１０１にろう付けされる。このとき、補修材の溶融固化物１７は、損傷部１０ａの内部を充填している。
【００３２】
シート状のろう付け補修材１５の拡散熱処理を真空雰囲気中で施すことで、後述する予酸化工程Ｓ８における酸化保護皮膜１８の形成の制御を容易かつ精度よく行うことができる。拡散熱処理の条件については、温度が１０００℃以上１２００℃以下、時間が２０分以上１時間以下であることが好ましい。拡散熱処理の温度を１０００℃以上１２００℃以下とすることで、ニッケル基溶融合金粉末を十分に溶融することができ、溶融したニッケル基溶融合金粉末やニッケル基非溶融合金粉末を構成する原子を基材１０内へ拡散させることができる。また、拡散熱処理の時間を２０分以上１時間以下とすることで、補修するタービン用部品の温度がほぼ均一になり、各部位で生じている損傷の補修が同時に達成することができる。
【００３３】
なお、上記では、シート状のろう付け補修材１５を用いる態様について説明したが、シート状のろう付け補修材の代わりにスラリー状のろう付け補修材を用いてもよい。スラリー状のろう付け補修材は、ニッケル基溶融合金粉末、ニッケル基非溶融合金粉末、有機物系などのバインダーなどを含む。スラリー状のろう付け補修材は、バインダーに、シート状のろう付け補修材１５と同様のニッケル基溶融合金粉末およびニッケル基非溶融合金粉末を添加して、例えば、混合機などによって混合することで製造される。
【００３４】
図８は、表面仕上げ工程Ｓ７において、外表面１０１を仕上げ加工した基材１０の断面の模式図である。拡散ろう付け工程Ｓ６の後、ろう付け補修材の溶融固化物１７をろう付けした基材１０の外表面１０１を仕上げ加工する（表面仕上げ工程Ｓ７）。仕上げ加工は、基材１０の外表面１０１側に突出したろう付け補修材の溶融固化物１７を除去し、基材１０の厚さを均一にする。仕上げ加工は、例えば、砥石などを用いたグラインダなどを用いて行う。
【００３５】
図９は、予酸化工程Ｓ８において、基材１０の外表面１０１上およびろう付け補修材の溶融固化物１７の表面上ならびに内表面１０２上に、酸化保護皮膜１８，１９を形成した基材１０の断面の模式図である。表面仕上げ工程Ｓ７の後、ろう付け補修材の溶融固化物１７を熱処理し、ろう付け補修材の溶融固化物１７の表面上に酸化保護皮膜１８を形成する（予酸化工程Ｓ８）。予酸化工程Ｓ８では、ろう付け補修材の溶融固化物１７の耐酸化性を向上させるために、ろう付け補修材全体を熱処理することにより予酸化させる。ろう付け補修材の溶融固化物１７が予酸化されると、酸化保護皮膜１８がろう付け補修材の溶融固化物１７の表面上に形成される。酸化保護皮膜１８は、高温時であっても構造的に安定である。予酸化工程Ｓ８におけるろう付け補修材の溶融固化物１７の熱処理は、大気中で実施される。例えば、予酸化は、損傷部１０ａにろう付け補修材の溶融固化物１７を充填した基材１０を大気炉内に装入して実施される。熱処理の条件については、温度が７００℃以上９００℃以下、時間が１時間以上２時間以下であることが好ましい。熱処理の条件が上記範囲内であると、表面に強固な酸化保護皮膜が形成され、かつ不要な熱処理の工数が削減できる。なお、予酸化工程Ｓ８では、予酸化工程Ｓ８の熱処理によって、ろう付け補修材の溶融固化物１７の表面上に加えて、基材１０の外表面１０１上および内表面１０２上にも酸化保護皮膜が形成される。
【００３６】
図１０は、酸化保護皮膜除去工程Ｓ９において、内表面１０２上に形成された酸化保護皮膜１９を除去した基材１０の断面の模式図である。予酸化工程Ｓ８の後、予酸化工程Ｓ８で形成された基材１０の内表面１０２上の酸化保護皮膜１９を除去する（酸化保護皮膜除去工程Ｓ９）。酸化保護皮膜除去工程Ｓ９は、上述の酸化層除去工程Ｓ２における酸化層１３の除去の方法と同様に、アルミナなどからなる研磨剤の粒子を高速で吹き付けるブラスト処理や、フッ化水素雰囲気中で熱処理（例えば、温度が１０００℃）して還元されることで、酸化保護皮膜１９を除去する。
【００３７】
基材１０の内表面１０２上に形成された酸化保護皮膜１９を除去した後、基材１０を洗浄する（第２の洗浄工程Ｓ１０）。第２の洗浄工程Ｓ１０は、上述の第１の洗浄工程Ｓ４の洗浄の方法と同様に、炭化水素などの有機溶剤を浸み込ませたウエスなどを用いて、基材１０の内表面１０２や外表面１０１、酸化保護皮膜１８の表面に付着した汚れを拭き取る。また、基材１０を有機溶媒に浸漬させた後、有機溶媒中の基材１０を超音波処理して基材１０を洗浄してもよい。なお、第２の洗浄工程Ｓ１０は、実施の形態のタービン用部品の補修方法における必須の工程ではないものの、後述のリコーティング工程Ｓ１１において、リコーティング層２２を基材１０の表面上に形成するときに、基材１０が第２の洗浄工程Ｓ１０の実施によって洗浄されていることが好ましい。
【００３８】
図１１は、リコーティング工程Ｓ１１において、内表面１０２上にリコーティング層２１を形成した基材１０の断面の模式図、すなわち、損傷部１０ａを補修したタービン用部品３の断面の模式図である。第２の洗浄工程Ｓ１０の後、酸化保護皮膜１９を除去した基材１０の内表面１０２上に、リコーティング層２２を形成する（リコーティング工程Ｓ１１）。リコーティング層２２は、ボンドコート２０およびトップコート２１を含む層である。リコーティング工程Ｓ１１は、基材１０の内表面１０２上にボンドコート２０を形成した後、ボンドコート２０の表面上にトップコート２１を形成する。リコーティング工程Ｓ１１で形成されるボンドコート２０は、上述のボンドコート１１と同様に、例えば、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などにより金属粉末を溶射することによって形成され、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹなどの合金で構成される。また、リコーティング工程Ｓ１１で形成されるトップコート２１は、上述のトップコート１２と同様に、例えば、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）などによって形成され、微小量のＹ２Ｏ３を含有して安定化されたＺｒＯ２などのセラミックスで構成される。なお、ボンドコート２０の組成は、ボンドコート１１の組成と同じであってもよいし、異なってもよい。また、トップコート２１の組成は、トップコート１２の組成と同じであってもよいし、異なってもよい。
【００３９】
以上の工程を経て、タービン用部品の損傷部の補修が完了する。ただし、本発明の効果を損なわない限りにおいて、既知の工程を適宜追加してもよい。
【００４０】
なお、上記において、基材１０の外表面１０１に形成された損傷部１０ａが基材１０の内表面１０２に至っていない一例について説明したが、損傷部１０ａが基材１０の内表面１０２に至っている場合においても、上記した方法と同様の方法で損傷部を補修することができる。
【００４１】
実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用されるタービン用部品としては、例えば、ガスタービンの構成部材であるトランジションピースが挙げられる。図１２は、実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用されるトランジションピース３０を有するガスタービン９０の一部断面の模式図である。
【００４２】
図１２に示すように、ガスタービン９０は、外気を圧縮する圧縮機６０と、圧縮機６０で加圧された空気と燃料とを混合して燃焼させる燃焼器ライナ７０と、燃焼器ライナ７０で生成した燃焼ガスをタービン部８０に導くトランジションピース部５０と、トランジションピース部５０を通過した燃焼ガスにより回転駆動するタービン部８０とを備えている。
【００４３】
圧縮機６０は、圧縮機ケーシング６１内に、動翼６２を植設した圧縮機ロータ６３を備えている。動翼６２は、周方向に複数植設され、軸方向に複数段の動翼翼列を構成している。また、圧縮機ケーシング６１の内周には、静翼６４が複数配置され、静翼翼列を構成している。そして、静翼翼列と動翼翼列とが軸方向に交互に構成されている。動翼６２が回転することで、外部の空気が圧縮されつつガスタービン９０内に導かれる。
【００４４】
燃焼器ライナ７０は、例えば、カン型の燃焼器からなり、圧縮機６０の外周側に均等に複数備えられている。燃焼器ライナ７０では、圧縮機６０で加圧された空気と燃料とを混合して燃焼させて、燃焼ガスが生成する。
【００４５】
トランジションピース部５０は、詳細に後述するが、燃焼器ライナ７０の出口側端部に接続され、燃焼器ライナ７０からの燃焼ガスを整流しつつタービン部８０に導く。
【００４６】
タービン部８０は、タービンケーシング８１内に、動翼８２を植設したタービンロータ８３を備えている。動翼８２は、周方向に複数植設され、軸方向に複数段の動翼翼列を構成している。また、タービンケーシング８１の内周には、静翼８４が複数配置され、静翼翼列を構成している。そして、静翼翼列と動翼翼列とが軸方向に交互に構成されている。タービン部８０に導入された燃焼ガスは、静翼８４を経て動翼８２に噴射され、これにより動翼８２およびタービンロータ８３が回転する。そして、タービンロータ８３に連結された発電機（図示しない）において、回転エネルギが電気エネルギに変換される。
【００４７】
次に、トランジションピース部５０について説明する。図１３は、実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用されるトランジションピース３０を有するトランジションピース部５０の、燃焼ガスの流れ方向に沿う断面の模式図である。
【００４８】
図１３に示すように、トランジションピース部５０は、燃焼器ライナ７０からの燃焼ガスを内部に流通してタービン部８０に導くトランジションピース３０と、トランジションピース３０の外周を間隙空間を介して覆うように設けられた外筒４０とを備える、二重管構造によって構成されている。
【００４９】
外筒４０には、圧縮機６０からの空気の一部をトランジションピース３０の基材１０の外表面１０１に向けて噴出するための複数の噴出孔４１が形成されている。圧縮機６０からの空気の一部は、冷却空気ＣＡとして機能する。
【００５０】
トランジションピース３０の上流側端部（図１３ではトランジションピース３０の左側端部）は、円形に開口している。この開口端部には、円筒状の燃焼器ライナ７０の出口側端部（図１３では燃焼器ライナ７０の右側端部）が嵌合している。一方、トランジションピース３０の下流側端部（図１３ではトランジションピース３０の右側端部）は、矩形または扇形に開口している。このように、トランジションピース３０における、燃焼ガスが流れる方向に垂直な断面の形状は、上流の円形から矩形または扇形に変形している。また、燃焼ガスに曝されるトランジションピース３０の基材１０の内表面１０２上には、コーティング層１４が形成されている。
【００５１】
外筒４０は、トランジションピース３０の形状に対応した形状を有し、燃焼器外筒７１側の端部（図１３では外筒４０の左側端部）は、円形に開口し、静翼８４側の端部（図１３では外筒４０の右側端部）は、矩形または扇形に開口している。また、外筒４０の燃焼器外筒７１側の端部（図１３では外筒４０の左側端部）には、燃焼器ライナ７０の外周を間隙空間を介して覆うように設けられた、円筒状の燃焼器外筒７１の出口側端部（図１３では燃焼器外筒７１の右側端部）が嵌合している。
【００５２】
図１４は、実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用されるトランジションピース３０の斜視図である。図１４に示すトランジションピース３０は、発電プラントにおいて長期間に亘って使用されたものである。このトランジションピース３０の基材１０の外表面１０１には、き裂や減肉などの損傷部１０ａが発生している。トランジションピース３０の基材１０の内表面１０２上には、コーティング層１４が形成されている。コーティング層１４は、基材１０の内表面１０２上に形成されたボンドコート、およびボンドコートの表面に積層して形成されたトップコートを備える。
【００５３】
なお、上記説明では、実施の形態の補修方法が適用されるタービン用部品の一例として、トランジションピースを示したが、必ずしもこのようなものに限定されない。実施の形態の補修方法が適用されるタービン用部品としては、ガスタービンの構成部品の中でも、高温の作動流体に曝される高温部品である、燃焼器ライナ、静翼、動翼などが挙げられる。上述したトランジションピース、燃焼器ライナ、静翼、動翼などの基材は、例えばＮｉ基、Ｃｏ基またはＮｉ−Ｆｅ基などの耐熱超合金で形成されている。
【００５４】
なお、実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用される例が静翼および動翼である場合、トランジションピースや燃焼器ライナの構成とは異なり、静翼および動翼の内表面および外表面は、それぞれトランジションピースや燃焼器ライナの外表面および内表面に相当する。つまり、トランジションピースや燃焼器ライナの外表面は、タービンの作動流体と接する表面であり、トランジションピースや燃焼器ライナの内表面は、タービンの冷却流体と接する表面である。それに応じて、トランジションピースや燃焼器ライナを補修する場合には、上記のトランジションピースの外表面に施す各処理を、トランジションピースや燃焼器ライナの内表面に施し、上記のトランジションピースの内表面に施す各処理を、トランジションピースや燃焼器ライナの外表面に施す。
【００５５】
また、実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用される例として、ガスタービン用部品を挙げたが、必ずしもこのようなものに限定されない。実施の形態のタービン用部品の補修方法が適用される例としては、ＣＯ２タービン用部品であってもよい。ＣＯ２タービン用部品としては、ガスタービン用部品と同様の構成部品が挙げられる。実施の形態のタービン用部品の補修方法は、ＣＯ２タービン用部品に適用した場合であっても、ガスタービン用部品に適用した場合と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
上記したように、実施の形態のタービン用部品の補修方法によれば、タービン用部品に生じたき裂や減肉などの損傷部にろう付けしたろう付け補修材の溶融固化物を予酸化し、ろう付け補修材の溶融固化物の表面上に積極的に酸化保護皮膜を形成することによって、タービン用部品の損傷部をろう付け補修材によって補修し、損傷部に充填したろう付け補修材の溶融固化物の耐酸化性を向上することができる。さらに、ろう付け補修材に、タービン用部品の基材を構成する材料、またはその材料の組成に近い材料を含ませることで、拡散ろう付け工程後において、ろう付け補修材の溶融固化物で充填された損傷部は基材と同等レベルの機械的強度を有することができる。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されない。
【００５８】
（実施例１）
タービン用部品として、ガスタービンを備える発電プラントに使用された、管理寿命に到達する前のトランジションピースを用いた。トランジションピースの基材は、ニッケル基耐熱合金から形成されている。トランジションピースの基材について、使用前の組成比（質量比）を表１に示す。なお、基材の内表面上には、基材の表面に形成されたＮｉＣｏＣｒＡｌＹ系のボンドコートと、ボンドコートの表面に積層して形成されたジルコニア系のトップコートとを有するコーティング層が形成されている。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
はじめに、ガスタービンに使用された管理寿命に到達する前のトランジションピースを受入れて、トランジションピースの損傷検査を行った。基材の外表面にはき裂や高温酸化による減肉などの損傷部が生じていた。続いて、アルミナ粒子を用いたブラスト装置で、基材の外表面上に自然に形成された酸化層を機械的に除去した。このとき、劣化したコーティング層を新しくするため、コーティング層も同時にブラスト装置で除去した。酸化層およびコーティング層を除去した後、基材の内表面および外表面全体を洗浄した。基材の洗浄方法は、有機溶剤を浸み込ませたウエスを用いて、基材表面に付着した油分などの汚れを拭き取った。
【００６１】
次に、損傷部を含む基材の外表面に有機溶剤を塗布した後、損傷部を覆うように、有機溶剤の塗布面にシート状のろう付け補修材を貼り付けた。シート状のろう付け補修材は、以下のように製造した。すなわち、拡散熱処理によって溶融する低融点のニッケル基溶融合金粉末（ＢＮｉ−５）と拡散熱処理によって溶融しない高融点のニッケル基非溶融合金粉末（Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３）とを配合して得られた配合粉末に、既知のバインダーをさらに配合して、混合物を調製した。そして、調製した混合物を剥離紙に塗布した。剥離紙に塗布した混合物を所定のサイズに圧延し、シート状のろう付け補修材を得た。
【００６２】
そして、ろう付け補修材を貼り付けた基材を真空熱処理炉内に装入し、真空雰囲気中でろう付け補修材の拡散熱処理を施した。拡散熱処理の温度は１０００〜１２００℃、時間は２０分〜１時間とした。拡散熱処理を施すことにより、ろう付け補修材に含まれる高融点のニッケル基非溶融合金粉末は溶融せずに低融点のニッケル基溶融合金粉末は溶融され、ニッケル基溶融合金粉末の融液が冷却されて、ニッケル基溶融合金の溶融固化物およびニッケル基非溶融合金粉末からなるろう付け補修材の溶融固化物が損傷部の内部にろう付けされた。ろう付け補修材の溶融固化物が損傷部にろう付けされた後、砥石を用いたグラインダで基材の外表面を仕上げ加工した。
【００６３】
次に、基材を大気炉内に装入し、ろう付け補修材の溶融固化物に対して大気中で予酸化を施した。予酸化の温度は７００℃〜９００℃、時間は２０分〜１時間とした。予酸化を施すことにより、ろう付け補修材の溶融固化物の表面上および基材の外表面上に高温で安定な酸化保護皮膜を形成させた。その後、予酸化によって基材の内表面上に形成された酸化保護皮膜について、アルミナ粒子を用いたブラスト装置で機械的に除去した。基材の内表面上に形成された酸化保護皮膜を除去した後、有機溶剤を浸み込ませたウエスを用いて、基材の内表面および外表面を洗浄した。その後、酸化保護皮膜を除去した基材の内表面上に、リコーティング層を形成した。こうして、トランジションピースの損傷部を補修した。
【００６４】
損傷部を補修したトランジションピースについて、耐酸化性および機械的強度の評価試験を行った。耐酸化性の評価試験では、評価試験前後の試験片の質量変化量を測定した。すなわち、トランジションピースの各部位を補修した中から３個の試験片を採取し、評価試験前の試験片の質量（ｍ１）を測定した。次に、各試験片に対して電気炉を用いて、８００℃で最大１０００時間までの大気中で酸化試験を行い、その後、評価試験後の試験片の質量（ｍ２）を測定した。そして、評価試験後の試験片の質量（ｍ２）から評価試験前の試験片の質量（ｍ１）を引いて、試験片の質量変化量（ｍ２−ｍ１）を求めた。また、機械的強度の評価試験では、トランジションピースの各部位を補修した中から３個の試験片を採取し、各試験片の引張強さを測定した。引張強さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に基づいて、同じ試験環境下で実施した。なお、実施例１の試験片は、基材、ろう付け補修材の溶融固化物および酸化保護皮膜を含む。
【００６５】
（比較例１）
実施例１において、予酸化を施さない以外は、実施例１と同じ方法でトランジションピースの損傷部を補修し、実施例１と同じ方法で耐酸化性および機械的強度の評価試験を行った。なお、比較例１の試験片は、基材およびろう付け補修材の溶融固化物を含み、酸化保護皮膜を含まない。
【００６６】
図１５は、実施例１および比較例１における、補修したトランジションピースの耐酸化性の評価試験の結果を示すグラフである。比較例１に比べて、実施例１で補修したトランジションピースについては、いずれも質量変化量がほぼ半分に減少した。また、図１６は、実施例１および比較例１における、補修したトランジションピースの機械的強度の評価試験の結果を示すグラフである。実施例１で補修したトランジションピースは、比較例１とほぼ同等の引張強さであった。
【００６７】
（実施例２）
実施例１において、管理寿命に到達する前のトランジションピースを用いる代わりに、管理寿命を超過した約４０，０００時間使用後のトランジションピースを用いた以外は、実施例１と同じ方法でトランジションピースの損傷部を補修し、実施例１と同じ方法で耐酸化性および機械的強度の評価試験を行った。なお、実施例２で用いたトランジションピースのき裂および減肉の深度は、実施例１で用いたトランジションピースに比べて、使用時間が長いため、より深くなっていた。この場合でもトランジションピースの損傷部を補修することができた。さらには、トランジションピースの補修部は、実施例１と同様に、耐酸化性に優れていた。
【００６８】
（実施例３）
実施例１において、管理寿命に到達する前のトランジションピースを用いる代わりに、管理寿命を超過した約５０，０００時間使用後のトランジションピースを用いた以外は、実施例１と同じ方法でトランジションピースの損傷部を補修し、実施例１と同じ方法で耐酸化性および機械的強度の評価試験を行った。なお、実施例３で用いたトランジションピースのき裂および減肉の深度は、実施例１および実施例２で用いたトランジションピースに比べて、使用時間が長いため、より深くなっていた。
【００６９】
（比較例２）
実施例３において、予酸化を施さない以外は、実施例３と同じ方法でトランジションピースの損傷部を補修し、実施例１と同じ方法で耐酸化性および機械的強度の評価試験を行った。
【００７０】
図１７は、実施例３および比較例３における、補修したトランジションピースの耐酸化性の評価試験の結果を示すグラフである。比較例３に比べて、実施例３で補修したトランジションピースについては、いずれも質量変化量がほぼ半分に減少した。また、図１８は、実施例３および比較例３における、補修したトランジションピースの機械的強度の評価試験の結果を示すグラフである。実施例３で補修したトランジションピースは、比較例３とほぼ同等の引張強さであった。つまり、実施例３では、実施例１および実施例２と同様に、トランジションピースの損傷部を補修することができ、トランジションピースの補修部は耐酸化性に優れていた。
【００７１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７２】
１…損傷していないタービン用部品、２…損傷しているタービン用部品、３…補修したタービン用部品、１０…基材、１０ａ…損傷部、１１…ボンドコート、１２…トップコート、１３…酸化層、１４…コーティング層、１５…シート状のろう付け補修材、１７…ろう付け補修材の溶融固化物、１８，１９…酸化保護皮膜、２０…ボンドコート、２１…トップコート、２２…リコーティング層、３０…トランジションピース、４０…外筒、４１…噴出孔、５０…トランジションピース部、６０…圧縮機、６１…圧縮機ケーシング、６２…動翼、６３…圧縮機ロータ、６４…静翼、７０…燃焼器ライナ、７１…燃焼器外筒、８０…タービン部、８１…タービンケーシング、８２…動翼、８３…タービンロータ、８４…静翼、９０…ガスタービン、１０１…基材の外表面、１０２…基材の内表面、Ｓ１…受入検査工程、Ｓ２…酸化層除去工程、Ｓ３…コーティング層除去工程、Ｓ４…第１の洗浄工程、Ｓ５…補修材配置工程、Ｓ６…拡散ろう付け工程、Ｓ７…表面仕上げ工程、Ｓ８…予酸化工程、Ｓ９…酸化保護皮膜除去工程、Ｓ１０…第２の洗浄工程、Ｓ１１…リコーティング工程。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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