(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部的に遮熱コーティング（１６）が剥離（２０）したガスタービンエンジン部品（１０）の遮熱コーティングを補修する方法であって、当該方法が、
熱分解して耐火性材料を形成するセラミック前駆体バインダーからなる群から選択されるバインダー中にアルミナとジルコニアとを含むセラミック粉末を含有するセラミックペースト（２４）を、局部的な剥離（２０）により露出した部品（１０）の表面領域（２２）に塗工する段階、及び
上記バインダーがタービンエンジンの作動中に加熱され、バインダーの反応により形成される耐火性材料からなるマトリックス中に上記セラミック粉末を含有する補修コーティング（２６）で部品（１０）の表面領域（２２）を被覆する段階
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記塗工段階の前に、部品（１０）の表面領域（２２）を洗浄して、遮熱コーティング（１６）の付着した残留断片は除去せずに汚染物質を除去する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記セラミック粉末がアルミナ５〜８５重量％、シリカ０〜４０重量％、ジルコニア０重量％超６０重量％以下、ハフニア０〜５５重量％、マグネシア０〜５５重量％及びチタン酸亜鉛０〜２５重量％からなる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記表面領域（２２）が部品（１０）上の酸化物スケール（１８）によって少なくとも部分的に画成される、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの苛酷な熱環境のような高温に暴露される部品の遮熱コーティングに関する。さらに具体的には、本発明は局部的に剥離した遮熱コーティングの補修方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの効率を向上させるため、作動温度を高めることが絶えず求められている。しかし、作動温度の上昇に伴い、エンジン部品の高温耐久性も向上させる必要がある。ニッケル基及びコバルト基超合金の開発によって、高温性能は格段に向上した。しかし、ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器及びオーグメンタセクションの部品の形成に使用する際、かかる合金だけでは酸化や高温腐食による損傷を受けやすく、妥当な機械的性質を保持できない。そのため、これらの部品は耐環境性及び／又は断熱コーティングで保護することが多く、後者は遮熱コーティング（ＴＢＣ）系と呼ばれる。セラミック材料、特にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、ガスタービンエンジン部品用のＴＢＣ系の遮熱コーティング（ＴＢＣ）、つまりトップコートとして広く使用されている。これらの材料が汎用されているのは、プラズマ溶射、フレーム溶射及び蒸着法で容易に堆積できるからである。
【０００３】
有効であるには、ＴＢＣ系は低い熱伝導性を有し、部品に強く密着し、数多くの加熱・冷却サイクルの間終始密着性を保つ必要がある。最後の要件は、セラミックトップコート材料とそれによって保護される超合金基板との熱膨張率が異なるので特に重要性が高い。ＴＢＣ系の密着力を高めて有効寿命を延ばすため、耐酸化性ボンドコートが多用される。ボンドコートは典型的にはＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであり、Ｘはイットリウム又は他の希土類元素である）のようなオーバーレイコーティング又は拡散アルミナイドコーティングの形態である。セラミックＴＢＣの堆積時及びその後のエンジン作動時のような高温に暴露時に、これらのボンドコートは強く密着したアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層つまりスケールを形成して、ＴＢＣをボンドコートに密着させる。
【０００４】
ＴＢＣ系の有効寿命は典型的には熱疲労による剥離現象によって制限される。したがって、ＴＢＣ系の重要な課題は、熱サイクルに付されても剥離し難い密着性の向上したセラミック層を得ることである。これまでに格段の進展がみられてはいるが、遮熱コーティングの剥離した部品を補修する必要性は免れない。剥離は典型的には局部領域つまりパッチ状に起こるが、従来の補修方法は遮熱コーティングを完全に除去し、必要に応じてボンド層表面を復元又は補修し、次いで部品全体を再被覆するものであった。ＴＢＣを除去するための従来技術には、グリットブラスト法又は高温高圧下でアルカリ性溶液を用いる化学的ストリッピング法がある。しかし、グリットブラストは時間と手間のかかる方法であり、コーティング下の表面を浸食する。グリットブラスト法を繰返し使用すると、最後には部品が壊れてしまう。アルカリ性溶液を用いて遮熱コーティングを除去する方法も、高温高圧でのオートクレーブの使用が必要とされるので、理想的とはいえない。その結果、従来の補修方法は手間と費用がかかり、翼形部やシュラウドのような形状の複雑な部品では実施するのが難しい。別の方法として、ボンドコートの露出面に凹凸をつけ、次にこの凹凸のついた表面にプラズマ溶射でセラミック材料を堆積することによって、ＴＢＣの剥離部を選択的に補修する方法が米国特許第５７２３０７８号（Ｎａｇａｒａｊ他）に教示されている。Ｎａｇａｒａｊ他の補修方法は、部品からすべてのＴＢＣを剥離する必要はないが、セラミック材料を堆積するため部品を取り外す必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
大型発電用タービンの場合、ＴＢＣが局部的に剥離したにすぎない部品を取り外すため、長期間発電を完全に停止することは経済的に望ましくない。そのため、多くの場合、ＴＢＣの剥離が判明した部品を分析して剥離が高応力領域で起こっているか否かを調べ、次に部品の熱保護効果の低下によるタービンの損傷の危険性について判断する。この危険性が大きいと部品の致命的な破損を招きかねない。運転継続という結論の場合、ＴＢＣ被覆が不完全なまま部品の作動を続けると熱損傷が加わるので、運転終了時にはこの剥離部品を通例スクラップとして廃棄しなければならない。
【０００６】
したがって、タービンから部品を取り外さずにタービンハードウェア上の局部的にＴＢＣが剥離した領域で実施でき、休止時間及び部品の廃棄率が最小限となるような補修方法があれば望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、局部的に遮熱コーティングが剥離した部品の遮熱コーティングの補修方法を提供する。局部的な剥離により露出した部品の表面領域を洗浄した後、バインダー中にセラミック粉末を含有するセラミックペーストを上記表面領域に塗工する。次に前記バインダーを反応させて、部品の表面領域を被覆するとともにバインダー反応時に形成される材料のマトリックス中にセラミック粉末を含有するセラミック含有補修コーティングを得る。バインダーは、好ましくは、直ちにセラミックに転化するか又は経時的に熱分解してセラミックを形成するセラミック前駆材料であり、その結果補修コーティングはセラミックマトリックスを有する。本発明では、上記補修方法の各段階は、部品を例えばガスタービンエンジンに装着したまま実施できる。反応段階の直後にガスタービンエンジンの運転を再開することができ、バインダーはさらに反応、転化して補修コーティングの強度を増す。
【０００８】
以上の点から、本発明は遮熱コーティングの補修に用いられてきた従来法の幾つかの短所を解消することが分かるであろう。具体的には、本発明の方法は遮熱コーティングを完全に除去する必要がなく、遮熱コーティングの補修のため部品を取り外す必要もない。その他の利点として、本発明の補修方法では高温処理を要しない。補修コーティングがエンジン運転に十分耐える強度を呈し、運転中に前駆体バインダーが徐々に転化してセラミックマトリックスを形成するからである。その結果、補修を完了しタービンエンジンの運転を再開するのに要する休止時間が最小限ですむ。大型発電用タービンの場合、局部的に剥離しただけの部品を取り外し、補修し、再装着するため長期間発電を完全に停止するときの費用が不要となる。タービンに損傷を与える危険を冒して、剥離部品が利用できなくなるまでタービンの作動を続けるか否かを決定する必要もない。
【０００９】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明をから自明であろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、比較的高温であることを特徴とする環境下で使用され、苛酷な熱応力及び熱サイクルを付される遮熱コーティングで保護された部品に関する。かかる部品の例には、航空機や工業用途に用いられるガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ並びにオーグメンタ・ハードウェアがある。本発明の優れた効果は、特にガスタービンエンジンの部品に適用した場合に顕著であるが、本発明は環境から部品を断熱するため遮熱コーティングを用いる部品全般に適用できる。
【００１１】
図１に示す部品１０の表面領域は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）系１２で保護されている。図示したＴＢＣ系１２は、部品１０の表面に形成されたボンドコート１４と、ボンドコート１４上に遮熱コーティングとして成膜したセラミック層１６とからなる。ガスタービンエンジンの高温部品の場合のように、部品１０はニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金から形成し得る。ボンドコート１４は、好ましくは耐酸化性金属材料で形成され、その下の部品１０を酸化から保護し、セラミック層１６が部品１０に一段と堅固に密着できるようにする。ボンドコート１４に好適な材料としては、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイコーティング及び拡散アルミナイドコーティングがある。ボンドコート１４の堆積に続いて、酸化物スケール１８がボンドコート１４の表面に高温で生成する。酸化物スケール１８は、セラミック層１６が一段と堅固に密着する表面を与え、セラミック層１６の耐剥離性を向上させる。
【００１２】
セラミック層１６の代表例は、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）のようなプラズマ溶射法で堆積したものである。セラミック層１６に好ましい材料はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、好ましい組成はイットリア約４〜８重量％であるが、その他のセラミック材料、例えばイットリア、非安定化ジルコニア、或いはマグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ2）、スカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）及び／又は他の酸化物で安定化したジルコニアなども使用し得る。セラミック層１６は、部品１０に必要な熱保護を与えるに十分な厚さに成膜され、大半のガスタービンエンジン部品では通例約５０〜３００μｍ程度である。
【００１３】
ガスタービンエンジン部品として、部品１０の表面はエンジン作動時に高温燃焼ガスに暴露され、酸化、腐蝕、浸食による苛酷な攻撃を受ける。したがって、部品１０はＴＢＣ系１２によって攻撃的な作動環境から絶えず保護しておかなければならない。剥離によるセラミック層１６を損失は、部品１０の早期（往々にして急激な）劣化を招く。セラミック層１６が局部的に剥離した領域２０を図１に示し、本発明のＴＢＣ補修方法を図２及び図３に示す。本発明では、部品１０の補修時に行う以下の各段階は、部品１０をタービンエンジンに装着したままで実施するため、部品を前もって取り外す必要も後で再装着する必要も全くない。
【００１４】
補修プロセスは、局部的な剥離領域２０による露出表面２２を洗浄して緩く結合した酸化物及びグリース、オイル、すすなどの汚染物質を除去することから始めるが、好ましくは、酸化物スケール１８を損傷せず、酸化物スケール１８に付着したセラミック層１６の残留断片を除去せずに洗浄を行う。種々の技術を使用できるが、好ましい方法は剥離領域２０の緩く結合した材料を除去し、次に表面２２をアルコール及び／又はアセトンで洗浄することである。周囲の未損傷セラミック層１６がこの処理に付されないように、この段階を選択的に実施することができる。
【００１５】
汚染物が無くなったら、図２に示すように剥離領域２０にセラミックペースト２４を充填する。本発明では、セラミックペースト２４は、十分加熱すると図３に示す表面２２（ボンドコート１４、酸化物スケール１８の一部及び／又は残留セラミック層１６によって画成される）に密着したセラミック補修コーティング２６を形成するセラミック粉末とバインダーとの混合物である。セラミック粉末は好ましくは１種以上の耐火性酸化物の混合物であり、好ましい酸化物にはアルミナ、ジルコニア、ハフニア、マグネシア及びシリカがある。バインダーはセラミック前駆体、好ましくはシリコーン又はリン酸塩系組成物であるが、熱分解して耐火性酸化物を形成するゾル−ゲル化学種及びおそらくはカルシウムアルミネート系セメントを始めとする他のセラミック前駆体バインダーも使用できると思料される。本発明の好ましい実施形態では、セラミック粉末はアルミナ約５〜８５重量％、ジルコニア０〜約６０重量％、シリカ０〜４０重量％、ハフニア０〜５５重量％、マグネシア０〜約５５重量％及びチタン酸亜鉛０〜約２５重量％を含有する。アルミナ約４２重量％とジルコニア約５８重量％を含むセラミック粉末が特に好適であることが判明した。セラミック粉末は、得られるセラミックペースト２４の約５０〜９５重量％となる量でバインダー及び溶剤と組み合わせる。上述のアルミナ約４２重量％とジルコニア約５８重量％を含むセラミック粉末を使用するような場合、概して約３：１の粉末／バインダー比が好ましい。
【００１６】
好ましいシリコーンバインダーとしては、ＧＥ  Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ社からＳＲ３５０及びＳＲ３５５という商品名で製造されている樹脂で、ポリシロキサン類のメチルセスキシロキサン混合物として分類される樹脂がある。これらのバインダーは好ましくはセラミックペースト２４の約４５重量％以下の量で使用される。好ましいリン酸塩系バインダーは、Ｃｈｅｍｉｓｃｈｅ  Ｆａｂｒｉk  Ｂｕｄｅｎｈｅｉｍなどの様々な供給元から市販されているリン酸アルミニウムや複合リン酸塩材料があり、その量はセラミックペースト２４の約２０重量％以下である。ペースト２４の溶剤含量は使用する具体的なバインダーに応じて異なり、バインダーを溶解するのに十分な量である。好ましいシリコーンバインダー及びリン酸塩系バインダーに適した溶剤は、変性アルコール（例えば、イソプロピルアルコール５％を混合したエチルアルコール）のようなアルコールであり、その量はペースト２４の約５〜６５重量％である。
【００１７】
セラミックペースト２４はその他の添加剤を含んでいてもよく、特に、ペースト２４が表面２２（上述の通り、金属ボンドコート１４、酸化物スケール１８の一部及び／又は残留セラミック層１６によって画成される）の組成物に密着できるように適度に粘着性のコンシステンシーを与える１種以上の界面活性剤を含んでいてもよい。例えば、約１０重量％以下の非イオン性界面活性剤が望ましい。適当な市販界面活性剤の具体例には、Ｐ５２１Ａ（Ｗｉｔｃｏ社製）やＭｅｒｐｏｌ（Ｓｔｅｐｈａｎ社製）がある。
【００１８】
ペースト２４は、こてを用いるなど適当な方法で塗工できる。組成に応じて、ペースト２４のバインダーは室温で反応するか、或いは得られる補修コーティング２６の強度がタービンエンジン中で使用するのに必要なレベルに達するまで、ヒートランプ、トーチその他の熱源を用いて加熱することによりその反応を促進する。適当な熱処理は、シリコーンバインダーを硬化させるには室温で約１６時間、リン酸塩系バインダーを反応させるには約１５０℃で約２時間である。タービンエンジンの作動中、補修コーティング２６は反応し続け、その強度その他の機械的性質の向上を伴う。シリコーンバインダーを用いる場合、バインダーは最初に重合により硬化してシリコーンマトリックスを形成し、その強度はエンジン運転に十分である。高温でさらに長期間使用すると、シリコーンはシリカへと熱分解して、セラミック粉末粒子が分散したシリカマトリックスを形成する。リン酸塩系バインダーを使用する場合、バインダーは熱処理時にセラミック粉末粒子の表面を化学的に変性して、複合リン酸塩ガラス及びリン酸結合を形成する。この複合ガラスは粉末を互いに結合して、高融点リン酸塩ガラスのマトリックスを形成する。エンジン作動時のような高温にさらに暴露されると、リン酸塩系バインダーは最終的に粉末粒子中へと移行してセラミック−セラミック結合を形成する。シリコーンをバインダーとして用いた補修コーティング２６の試験から、未焼成硬化ポリマーマトリックス組成物から十分に焼成されたセラミック組成物への転化プロセスを通して、本発明の補修コーティング２６が、セラミック層１６の剥離領域２０内の表面２２にしっかりと密着し続けるのに十分な残留強度を有することを特徴とすることが判明した。
【００１９】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者がその他の形態を採用できることは自明である。したがって、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  遮熱コーティングで保護された部品表面の断面図であり、コーティングが局部的に剥離した状態を示す。
【図２】  本発明により遮熱コーティングを補修中の図１の部品表面の断面図である。
【図３】  本発明により遮熱コーティングを補修中の図１の部品表面の断面図である。
【符号の説明】
１０  部品
１２  遮熱コーティング系
１４  ボンドコート
１６  遮熱コーティング（セラミック層）
１８  酸化物スケール
２０  剥離領域
２２  表面領域
２４  セラミックペースト
２６  補修コーティング
【図１】
0004416363.tif 000002
【図２】
0004416363.tif 000003
【図３】
0004416363.tif 000004