(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱ＹＳＺ層（１８）をガスタービンエンジン部品に密着する同部品表面上の金属ボンドコート（１６）を除去せずに、ガスタービンエンジン部品から断熱ＹＳＺ層（１８）を除去する方法であって、
フッ化水素アンモニウムを含有する水溶液であって溶液１リットル当たり１０〜２０ｇの酢酸を含有する水溶液に部品を浸漬する工程を含む、除去方法。
【請求項２】
前記浸漬工程で、部品を水溶液に浸漬しながら、超音波エネルギーをＹＳＺ層（１８）に当てる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記水溶液のフッ化水素アンモニウムが、溶液１リットル当たり３０〜４０ｇである、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記浸漬工程でさらに部品及び水溶液を６０〜７７℃に加熱する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記ボンドコート（１６）が拡散アルミナイドである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
さらに、ＹＳＺ層（１８）を除去して露出されたボンドコート（１６）の表面にＹＳＺ材料（１８）を付着する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、セラミック皮膜を除去する方法に関する。本発明は特に、ガスタービンエンジンの部品のような高温で使用する部品の表面からイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような断熱セラミック材料の層を除去する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンの種々のセクション、たとえばタービン、燃焼器、オーグメンターに配置される部品は、多くの場合、使用温度を下げるためにセラミック層で断熱され、これによりエンジンのより高温での一層効率よい作動を可能にしている。これらの皮膜は、通常断熱皮膜（ＴＢＣ＝thermal barrier coating）と称され、熱伝導率が低く、物品に強固に被着し、多数回の加熱−冷却サイクルを経ても密着を維持する必要がある。
【０００３】
これらの要求を満たすことのできる皮膜システムとしては、代表的には金属ボンドコートで断熱セラミック層を部品に密着するシステムが挙げられる。断熱セラミック層用の材料としては金属酸化物、たとえばイットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）その他の酸化物で部分または完全安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）が広範に用いられている。セラミック層は代表的には、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）または物理蒸着（ＰＶＤ）法、たとえば歪み耐性のよい柱状結晶粒構造を生成する電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）により設層する。ボンドコートは代表的には、耐酸化性拡散皮膜、たとえば拡散アルミナイドまたは白金アルミナイド、または耐酸化性合金、たとえばＭＣｒＡｌＹ（式中のＭは鉄、コバルトおよび／またはニッケルを示す）から形成される。アルミナイド皮膜とＭＣｒＡｌＹとは、前者が主としてアルミナイド金属間化合物であるのに対して、後者がβ−ＮｉＡｌを含む複数相の混合物を含有する金属固溶体である点で、区別される。
【０００４】
耐環境性ボンドコートおよび断熱セラミック層を生成する被覆材料および被覆方法は格段に進歩しているが、状況によってはセラミック層を除去し、交換する必要も必ず存在する。たとえば、エンジン運転中のセラミック層へのエロージョンや衝撃ダメージによりセラミック層の除去が必要になったり、タービンブレードの先端長さなどの特殊な形状を修理する必要からセラミック層の除去が必要になったりする。また、皮膜中の欠陥や取り扱い時のダメージなどの問題、セラミックの除去を必要とする被覆に関係のない製造操作、たとえば放電加工（ＥＤＭ）操作を繰り返す必要などに対処するために、部品製造時にセラミック層の除去が必要になることもある。
【０００５】
現在の技術水準の修理方法では、たいていの場合ＴＢＣシステム全体、すなわちセラミック層およびボンドコート両方を除去することになり、その後ボンドコートとセラミック層を再設層しなければならない。このような修理方法では、グリットブラスティング、液体ホーニングおよびガラスビーズピーニングなどの過程で砥粒を使用し、これらの方法はいずれも時間と労力のかかるプロセスで、セラミック層およびボンドコートならびにこの皮膜の下側の基体表面が侵食される。繰り返し使用すると、これらの過程は部品の肉厚を減らすことにより最終的に部品を破損する。この欠点は、部品の基体表面に侵入する拡散領域を有する拡散アルミナイドボンドコートの場合に特に深刻である。拡散アルミナイドボンドコートへの損傷は通常、拡散領域中の脆い相、たとえば白金アルミナイドボンドコートのＰｔＡｌ2相の破壊によって起こるか、耐環境性金属間相ＭＡｌ（式中のＭは、基体材料に応じて鉄、ニッケルまたはコバルトを示す）を含有する最外側ボンドコート層である添加剤層中の脆い相の破壊によって起こる。空冷部品、たとえばエアーホイル表面に冷却孔が設けられ、冷却孔から冷却空気を吐き出してブレードの外面を冷却する構造のタービンブレードを処理する場合に、損傷が特に起こりやすい。
【０００６】
その結果、セラミック皮膜を除去する非研磨法の開発に多大な努力が払われてきた。たとえばオートクレーブ法では、セラミック皮膜を苛性アルカリ化合物の存在下で高温高圧にさらす。この方法は、セラミック層とボンドコート酸化物層との化学結合を十分に弱め、ボンドコート層をそのままにしてセラミック層を除去できることが確認されている。しかし、適当なオートクレーブ装置は高価であり、またオートクレーブ法は空冷タービンブレードの冷却孔からセラミックを除去することができない。
【０００７】
したがって、セラミック層を密着させるためのボンドコートを含めて下側の基体に損傷を与えることなく、部品からセラミック層を除去することのできる方法が必要とされている。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、部品の表面からセラミック皮膜、たとえばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の断熱皮膜（ＴＢＣ）を除去する方法を提供する。特に注目に値する部品の例としては、ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器およびオーグメンタ部分の過酷な熱環境にさらされるガスタービンエンジン部品が挙げられる。本発明の方法は、セラミック皮膜を部品の表面に密着する金属ボンドコート、たとえば拡散アルミナイドまたはＭＣｒＡｌＹ皮膜を除去することなく、断熱皮膜系の断熱セラミック層を完全に除去するのに特に適当である。
【０００９】
本発明の方法は、広義には、セラミック皮膜をフッ化水素アンモニウムの水溶液にさらす工程を含む。セラミック皮膜を除去する好適な方法はさらに、高温に維持しながら部品を水溶液に浸漬する工程と、皮膜を超音波エネルギーにさらす工程とを含む。本発明の方法を用いることにより、ボンドコートをほぼ劣化させることなく、セラミック皮膜を部品およびあらゆる冷却孔から完全に除去することができる。したがって、本発明は、ボンドコートの再処理や交換の必要なく、また余分なセラミックを冷却孔に付着する（部品の性能に有害である）ことなく、製造中の部品に新しいセラミック皮膜を付着することができる。部品が使用されてボンドコートが酸化の結果として部分的に欠損されている場合には、セラミック皮膜を交換する前に、ボンドコートを改修することができる。
【００１０】
本発明の顕著な利点として、断熱皮膜系のセラミック皮膜を除去するのに必要な労力、装置および加工コストの減少が挙げられる。簡単なプロセスと装置を使用できる上に、ボンドコートの損傷や除去を回避することにより労力および加工コストがさらに減少する。さらに、ボンドコートの除去は肉厚の減少を招き、特にボンドコートが本来的に部品基体と有意な拡散領域を共有している拡散アルミナイドであると、顕著な肉厚の減少を招くので、断熱皮膜系全体の交換を避けることで、部品の使用寿命も長くなる。重要なことに、ＴＢＣのセラミック層を除去する従来の方法は、冷却孔からセラミックを除去することができなかったり、セラミックを除去する過程でボンドコートに大きな損傷を与えることになった。
空冷部品の冷却孔からセラミックを完全に除去することにより、部品の性能はその表面の復旧された均一なフィルム冷却により向上する。
【００１１】
本発明の他の目的や効果は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】
【好適な実施態様】
図１は、ガスタービンエンジンのタービンブレード１０のエーロフォイル部分の部分的断面図である。図示のブレード１０の基体１２は、ボンドコート１６によりセラミック層１８を基体１２に密着してなる断熱皮膜系１４で保護されている。本発明の方法は、ボンドコート１６を除去あるいは損傷することなく、ブレード１０の基体１２からセラミック層１８を除去するものである。
【００１３】
ガスタービンエンジンの高温部品でよくあるように、ブレード１０は鉄、ニッケルまたはコバルト基超合金から形成することができる。ボンドコート１６は耐酸化性組成物、たとえば拡散アルミナイドおよび／またはＭＣｒＡｌＹであり、これらはいずれも高温にさらされると表面にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層またはスケール（図示せず）を形成する。アルミナスケールは下側の超合金基体１２を酸化から保護し、セラミック層１８がより強固に密着する表面を提供する。セラミック層１８は、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）または物理蒸着（ＰＶＤ）法、たとえば歪み耐性のよい柱状結晶粒構造（図示せず）を生成する電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）により設層することができる。
セラミック層１８の材料としては、イットリアで部分安定化されたジルコニア（イットリア安定化ジルコニア、すなわちＹＳＺ）が好適であるが、イットリアで完全に安定化されたジルコニアならびにマグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）、セリア（ＣｅＯ2）またはスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）など他の酸化物で安定化されたジルコニアも使用できる。
【００１４】
本発明の方法によれば、ボンドコート１６を除去、損傷することなく、セラミック層１８を除去することができるので、新しいセラミック層を元のボンドコート１６上に堆積することができる。本発明によれば、フッ化水素アンモニウム（ＮＨ4ＨＦ2）の剥離水溶液で高温で処理することにより、セラミック層１８を優先的に除去する。水溶液の組成としては、溶液１リットルあたり約２０〜約７０ｇのフッ化水素アンモニウムが適当である。水溶液の効果を高めるために、約０．０５〜０．２容量％の湿潤剤を水溶液に添加することができる。必須ではないが、蒸留水または脱イオン水が好適である。湿潤剤は、約１〜３重量％のポリエチレングリコールおよび残量のオクチルフェノキシポリエトキシエタノールからなるのが適当であり、好適な湿潤剤がユニオン・カーバイド社から商品名TRITON X-100にて入手できる。TRITON X-100湿潤剤を使用した剥離液の好適な組成は、溶液１リットルあたり約３０〜約４０ｇのフッ化水素アンモニウム、約０．１〜０．２容量％のTRITON X-100および残量の蒸留水または脱イオン水からなる。
【００１５】
水溶液の任意成分として酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）を使用できる。酢酸を含有する剥離液の組成は、溶液１リットルあたり約１０〜２０ｇの酢酸、溶液１リットルあたり約２０〜７０ｇのフッ化水素アンモニウム、約０．０５〜０．２容量％の湿潤剤および残量の蒸留水または脱イオン水からなるのが適当である。好適な実施例では、溶液１リットルあたり約１６ｇの酢酸、約３５ｇのフッ化水素アンモニウム、約０．１容量％のTRITON X-100湿潤剤および残量の水を含有する剥離液を調製し、使用した。
【００１６】
本発明の剥離工程に適当な温度範囲は約１４０°Ｆ〜約１７０°Ｆ（約６０℃〜約７７℃）、より好ましくは約１４０°Ｆ〜約１５５°Ｆ（約６０℃〜約６８℃）である。本発明の剥離処理では、さらに、超音波エネルギーを水溶液を通してセラミック層１８に伝達するのが好ましい。水溶液１ガロン（約４Ｌ）あたり約５０〜２００Ｗの超音波エネルギーレベルに周波数約２０〜４０ｋＨｚが適当であることを確かめた。超音波処理は、セラミック層が完全に除去されるまで、あるいは少なくともブラッシングまたは加圧スプレー洗浄により除去できる程度にセラミック層の結合がゆるまるまで、代表的には約２〜５時間続けることができる。超音波処理なしの場合、セラミック層１８とボンドコート１６上のアルミナスケールとの化学結合を弱めるのに、合計処理時間約４〜５時間が通常十分である。特定の皮膜系の特性に応じて、好適な処理時間がこれより長くなったり、短くなったりすると思われる。
【００１７】
１実施例で、本発明の剥離液を使用して、下側の白金アルミナイドボンドコートに損傷を与えることなく、ニッケル基超合金エーロフォイルからＹＳＺ断熱皮膜（ＴＢＣ）を除去した。特に、エーロフォイルの冷却孔内のＴＢＣも除去されたが、このとき冷却孔内に存在し、ＴＢＣで被覆されたボンドコートの部分ならびにエーロフォイルの内部冷却通路内の未被覆ボンドコートは攻撃を受けなかった。処理後、エーロフォイルはＴＢＣで適切に再被覆でき、ボンドコートの再処理は不要であった。本発明の剥離方法は冷却孔からＴＢＣを完全に除去したので、冷却孔への過剰なＴＢＣの累積でエーロフォイルの熱的性能が損なわれることはなかった。さらに、本発明の剥離方法はボンドコートのいかなる部分にも損傷を与えなかったので、ボンドコートを修理したり交換する追加の加工工程は不要であった。動翼が使われていてボンドコートが酸化の結果部分的に欠損されている場合には、ボンドコートが拡散アルミナイドであれＭＣｒＡｌＹ型であれ、パックセメンテーション、気相アルミナイジングなどの拡散アルミナイジング法を用いて、ＴＢＣ付着前にボンドコートを改修することができる。
【００１８】
以上本発明を好適な実施態様について説明したが、当業者には他の形態も採用できることが明らかである。したがって、本発明の要旨は特許請求の範囲のみで限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボンドコートでセラミック層をブレード表面に密着させた断熱皮膜系により保護されたガスタービンエンジンブレードの表面部分の断面図である。
【図１】
0004729178.tif 000002