(57)【要約】タービン、好ましくはガスタービンのブレード上に存在する金属表面材を化学的に除去するための水性組成物は、少なくともヘキサフルオロケイ酸及びリン酸を含む。水性組成物の最終組成物が、量が４６％から８６容量％まで変動する約３４％のヘキサフルオロケイ酸の水溶液と、量が１９％から４９容量％まで変動する約７５％のリン酸の水溶液とを混合して得ることができる組成物であり、その得られた浴の０％から１５容量％までほぼ変動する量で加えられた約３７％の塩化水素酸の水溶液を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともヘキサフルオロケイ酸及びリン酸を含む、タービンのブレード上に存在する金属表面材を化学的に除去するための水性組成物であって、
その最終組成物が、量が４６％から８６容量％まで変動する約３４％のヘキサフルオロケイ酸の水溶液と、量が１９％から４９容量％まで変動する約７５％のリン酸の水溶液とを混合して得ることができる組成物に相当する水性組成物。
【請求項２】
前記水性組成物がまた、得られた浴の０％から１５容量％までほぼ変動する量で加えられた約３７％の塩化水素酸の水溶液を含む請求項１に記載の水性組成物。
【請求項３】
少なくともヘキサフルオロケイ酸とリン酸とを含み、ヘキサフルオロケイ酸の濃度が１５６．４ｇ／ｌ〜２９２．４ｇ／ｌ及びリン酸の濃度が１４２．５ｇ／ｌ〜３６７．５ｇ／ｌである、タービンのブレード上に存在する金属表面材を化学的に除去する水性組成物。
【請求項４】
前記水性組成物がまた、０から４８．３ｇ／ｌまでほぼ変動する濃度の塩化水素酸を含む請求項３に記載の水性組成物。
【請求項５】
ガスタービンブレード上にある金属表面材を除去するために、前記請求項のいずれかに記載の水性組成物の利用。
【請求項６】
ガスタービンブレード上のニッケル及び／又は酸化金属表面材を含む金属表面材を除去するための請求項２又は４に記載の前記水性組成物の利用。
【請求項７】
前記組成物が６０℃〜９０℃の範囲の温度で使用される、請求項５又は６に記載の前記水性組成物の利用。
【請求項８】
前記組成物が４時間〜１５時間の範囲の時間で使用される、請求項５又は６に記載の前記水性組成物の利用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンブレード上に存在する金属表面材を化学的に除去する水性組成物、及びその利用に関する。特に、本発明は、ガスタービンブレード上に存在する金属表面材を化学的に除去する水性組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンとは、燃焼から直接発生するガスを利用してガスのエンタルピーを有効な仕事に変換し、動力を回転シャフトに供給する回転熱機関ユニットを意味する。  従って、タービンは通常、外部からの空気が加圧下で導入される１つ又はそれ以上の圧縮機あるいはターボ圧縮機を含む。  種々のインジェクタが燃料を供給し、該燃料が空気と混合して空気と燃料の一次混合気を形成する。軸流圧縮機は、実際のタービン又はターボ−エキスパンダーにより駆動され、燃焼室で燃焼されたガスのエンタルピーが変換された機械的エネルギをユーザーに供給する。ターボ−エキスパンダー、ターボ圧縮機、燃焼室（又は加熱器）、機械的エネルギ出口シャフト、調節システム及び作動システムが、ガスタービン・プラントの基本的な要素を形成する。
【０００３】
ガスタービンの機能に関しては、一連の入口ダクトを通じて流体が圧縮機に入ることが知られている。これらのチャネルにおいて、ガスは低圧及び低温の特性を有するが、ガスが圧縮機を通過すると圧縮されて温度が上昇する。次いで、ガスは燃焼（加熱）室に入り、そこでガスの温度が更に有意に上昇する。ガスの温度を上昇させるのに必要な熱は、インジェクタにより加熱室に導入された液体燃料の燃焼により供給される。燃焼室の出口では、高温高圧のガスが特定のダクトを通ってタービンに到達し、そこで、ガスは、圧縮機及び加熱室（燃焼器）において蓄積されたエネルギの一部をタービンブレード、従ってシャフトに対して放出し、その後、吐出チャネルを通って流出する。
【０００４】
ガスによりタービンに移動する仕事量は、圧縮機においてタービンにより吸収される仕事量よりも大きいので、補機及び可動機械要素の静止抵抗により吸収された仕事量から奪われたエネルギのある程度の量が機械シャフト上に利用可能なまま残されており、このエネルギがプラントの有効な仕事を発生させる。
【０００５】
高出力発生用のタービンは、一般的に、ガスにより提供される有効な仕事へのエネルギの変換効率を最適にするために多段にされる。ターボ圧縮機及びターボ−エキスパンダーの各段は、圧力、温度及びガス流量の特定条件下で作動するように設計されている。
【０００６】
また、特定のガスタービンから最大効率を得るために、ガスの温度を可能な限り高くする必要があることは熱力学から公知である。圧力及び温度条件並びに回転要素の速度の結果として、ブレードが特定の応力を受け、従って摩耗により急激な劣化を受けやすいことは明らかである。ブレードが曝される摩耗の種々のタイプの中で、特に高温における侵食による摩耗について言及することができ、これは、ガスタービンにおいて燃焼フュームに含まれる固体粒子がブレード表面に衝突することが主な原因である。
【０００７】
この現象は、材料の機械的抵抗が材料の耐摩耗性を保証せず、この影響を最小限にするためには材料の特性を明確に調べる必要があるため、複雑なものとなる。更にまた、侵食粒子の特性は重要であり、このタイプの摩耗を制御する上で基礎的なパラメータである。これらのガスの攻撃的性質の結果として、ブレードの表面層の化学的作用は容易に予測することができ、特に加熱条件下ではいわゆる腐食摩耗を生じる。ガスタービンの作動条件下では、燃焼中に消費されない酸素の存在により生じる酸化摩耗が存在することも避けられない。
【０００８】
しかしながら、タービンブレードなどの作動状態における摩耗メカニズムは、非常に複雑であり、他の形態又は摩耗メカニズムも含まれる可能性がある。典型的な例は、接触力及び接触速度が固体の第１表面層を溶融するほど十分高いときに生じる摩耗溶融、及び界面の温度が高いときに得られる摩耗拡散である。
【０００９】
上述の過酷な摩耗形態を受ける機械ブレードの急激な劣化を回避し、その結果ブレードの耐用年数を延ばすために、例えばニッケル−クロム及びニッケル−コバルトをベースとする超合金などの耐久性の高い材料が最初に提案された。
【００１０】
しかしながら、機械の出力及び性能を上げるためには作動温度を高くする必要があり、これは、タービン及び圧縮機のブレードに使用される超合金の過度の酸化を生じさせることが証明された。この欠点により、これらの超合金について具体的に研究された保護コーティングを提供し、作動条件に耐える必要が生じた。
【００１１】
超合金の種々のコーティング・プロセスに関しては詳述せずに、これらのプロセスが２つの主要な部類に分類することができる点だけを言及したい。すなわち、これら２つの部類には、選択された化学種との接触及び相互作用による基板の最外層の変更を含むプロセス（拡散コーティング・プロセス）、及び少量の元素の相互拡散により与えられた接着を伴う基板表面への保護金属種の堆積を含むプロセス（オーバレイコーティング・プロセス）がある。
【００１２】
ガスタービンブレードの翼形金属表面を内部的及び外部的に被覆する、金属タイプのこれらの表面材は、一般に、白金−アルミニウム−ニッケル−コバルト−クロム−イットリウム、又はコバルト−クロム−アルミニウム−イットリウム、又はニッケル−コバルト−クロム−アルミニウム−イットリウムからなる。
【００１３】
ＭｅＣｒＡｌＹ（ここでＭｅは、Ｎｉ基超合金に施工された、Ｐｔ、Ｃｏなど、上述の金属の１つを指す）の変性について全体的に考えてみると、主な損傷メカニズムの１つは、コーティングのマトリックス中に分布するＮｉ、Ｃｏ、Ａｌ相に含まれるＡｌの欠乏化によるものである。
【００１４】
作動中に侵食又は酸溶解により除去されるアルミナ酸化物の保護スケールの改質プロセスを提供するために、コーティング内に存在する前記相（Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ）が分解されて必要なＡｌを放出する。放出されたＡｌの拡散プロセスは、結果として外表面に対し、及びベースメタルに対して生じる。その結果、この作用が進行すると、上記相（Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ）を含むコーティング相が次第に薄くなり、コーティング自体の中央部分に限定されてとどまるようになる。
【００１５】
この相（Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ）の欠乏化作用に加えて、腐食−侵食現象によりコーティングの厚さの有意な減少を生じる場合がある。従って、相及び残留厚さの欠乏化の２つのパラメータは、ＭｅＣｒＡｌＹコーティングの残留寿命の主要な指標と考えるべきである。その結果、機械の出力及び性能の向上を得るために作動温度を上昇させるに伴って、ガスタービンの高温部品に対する腐食及び酸化現象の攻撃がより顕著になる仕組みを理解することができる。
【００１６】
このような理由で、これらの現象に関する第１ステップのブレードの保護を保証する高温コーティングは、ますます必須の要素になっている。ブレードの作動中、過酷な動作条件の結果として、これらの表面材もまた、一般に亀裂の形成及び損傷を受けやすく、従って、頻繁にチェックして管理する必要がある。このブレードの管理は、超合金ベースからなる表面処理層の下にある表面に拡大する必要があり、従って、基材をチェックする目的で厚さを変えるため表面層を除去し、これに続いて、基材上に表面材の新しい層により元の厚さを復元する必要がある。
【００１７】
「剥離」とも呼ばれる金属表面材の除去は、どのような場合においてもガスタービンで動作するブレードの全ての試験及び修復作業に必要とされる。このプロセスは、化学的に行うことができ、更に少なくとも理論的には機械的に行うこともできる。
【００１８】
しかしながら、機械的除去は、その処置が正確な方法及び手段を用いて行われる場合でも、明らかに特に信頼性のある技術ではなく、また基材に損傷を与え、ブレード自体の耐久性を損ない、その上、ブレードの冷却キャビティ及び孔の内側に施工される表面材には採用できない。化学的除去は、ブレードの内側及び外側の表面材の除去に好適である。
【００１９】
公知技術によりこれらの用途に使用される化学物質の主な欠点は、これらがブレード自体を形成する基材に対しても過度に攻撃的なことである。表面の厚さは数ミクロンから最大で約０．２ｍｍの小さな単位のものであるので、ブレードを形成するベース合金が化学的に攻撃される場合がしばしばあり、化学的除去プロセスの間に用いた酸性溶液によりブレード自体に再生不能な損傷を与える結果となる。
【特許文献１】特開２００２−０５３９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従って、本発明の主な目的は、下にある材料に対する損傷を生じることなく、タービン、特にガスタービンブレードの翼形表面に存在する金属表面材を化学的に除去可能な水性組成物を提供することによって、上述の公知技術の欠点を解決することである。
【００２１】
また本発明の目的には、ガスタービンブレード上に存在する金属表面材を除去するために上記水性組成物の利用が含まれる。
【００２２】
本発明によるこれら及び他の目的は、タービン、特にガスタービンブレード上に存在する金属表面材を化学的に除去するための水性組成物、並びにタービン、特にガスタービンブレード上に存在する金属表面材を化学的に除去するための該水性組成物の利用によって達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、ブレードの内外の表面材を除去するために、少なくともヘキサフルオロケイ酸及びリン酸を含む選択的水性組成物の利用を提案しており、適度に長期間にわたって化学溶液との接触を受けた場合でも、ブレード自体を形成するベース合金を損傷することはない。
【００２４】
本発明による組成物は、量が１９％から４９容量％まで変わる約７５％のリン酸の水溶液と量が４６％から８６容量％まで変わる約３４％のヘキサフルオロケイ酸の水溶液とを混合して得ることができる組成物に相当する最終組成物を得るような用量％において、少なくともリン酸（化学式Ｈ３ＰＯ４）とヘキサフルオロケイ酸又はフルオロケイ酸（化学式Ｈ２ＳｉＦ６）を混合することにより得られる。
【００２５】
有効で選択的な化学的除去を行うために、ブレードが、ニッケル及び／又は特定の酸化された表面を含む表面材を有するときには、本発明による水性組成物はまた、０％から１５容量％まで変わる量が加えられた約３７％の発煙塩化水素酸の水溶液を含む。
【００２６】
従って、塩化水素酸溶液のパーセンテージは、浴の全容積に追加されたものとして考慮する必要がある。
【００２７】
ヘキサフルオロケイ酸に関する「約３４％」、リン酸に関する「約７５％」及び塩化水素酸に関する「約３７％」という用語は、出発試薬の組成物におけるある程度の変動を示しており、これは試薬の水溶液の約３〜５重量％と推定することができ、その結果、例えば、ヘキサフルオロケイ酸の有効重量％は、公表された３４％の滴定濃度から、商業的入手の関係で３４％と３５％との間、及びそれ以上となる可能性がある。
【００２８】
他の試薬及び他の出発滴定濃度についても同じことが言え、塩化水素酸に関する限り３７％は実際に得られる上限濃度を表している点を指摘しておくべきである。
【００２９】
その上、これらの試薬は種々のプロセスを用いて生成することができ、更に滴定濃度が異なっており、その結果、本発明は上記の濃度の試薬を用いて具現化されたが、本発明による組成において、上述の濃度の試薬を有する水性組成物を得るためにより希釈された試薬を高いパーセンテージで使用し、逆に、より高濃度の試薬を低いパーセンテージで使用することが可能であり、これは依然として本発明の範囲に包含される。
【００３０】
言い換えると、出発試薬の滴定濃度は、前記試薬の生産プロセスに関連して変わる可能性があり、更に、例えばヘキサフルオロケイ酸（幾つかの候補を挙げると、水溶液で滴定濃度が２２％〜２５％、同様に３４％〜３５％、更に同様に３７％〜４２％の変動が見られる）などのような極めて様々な濃度を有する場合がある。
【００３１】
従って、本発明による組成物は、処理対象のブレードが浸漬されるいわゆる「浴」には、限定ではない例証として、１０００リットル程度の容積を有することができる点を考慮して、この組成物が使用される作業量に関しても適切に表わされる。
【００３２】
仕様により、本発明による水性組成物は、少なくともヘキサフルオロケイ酸及びリン酸を、以下の濃度：ヘキサフルオロケイ酸１５６．４ｇ／ｌ〜２９２．４ｇ／ｌ、及びリン酸１４２．５ｇ／ｌ〜３６７．５ｇ／ｌで含む。
【００３３】
必要であれば、前述のように、塩化水素酸のさらなる添加は、最初に得られた組成物に０から１５０リットルまでの３７％の発煙塩化水素酸をそれぞれ加えることにより、１０００リットル浴の上述の特定の場合において０から４８．３ｇ／ｌまで実質的に変動する濃度で行われ、従って、浴の全容積に基づいて表された上記濃度を有するほぼ１０００から１１５０リットルまでの範囲にわたる容積の最終浴が得られる。
【００３４】
得られた組成物は、４時間から１５時間まで変動する作動時間の間、６０℃から９０℃までの範囲の温度にまで加熱されるガスタービンブレード上の金属表面材の除去に使用される。
【００３５】
本発明による水性組成物の製造プロセスは、少なくともリン酸（化学式Ｈ３ＰＯ４）とヘキサフルオロケイ酸又はフルオロケイ酸（化学式Ｈ２ＳｉＦ６）の第１混合相を想定している。
【００３６】
本発明による水性組成物のこの製造プロセスは、量が０％から１５％まで変動する３７％発煙塩化水素酸の水溶液の別の混合相と統合することができる。
【００３７】
本発明の組成物は、ガスタービンブレード上の金属表面層の除去に使用されるのが好ましく、前記利用は、ガスタービンブレードの表面層の除去試験の結果を示す添付図面を参照しながら、以下の実施例で説明する。
【００３８】
特に、添付の図は、本発明による水性組成物を用いた、ガスタービンブレード上のニッケル−コバルト−クロム−アルミニウム−イットリウム表面材の除去される厚さと時間の関係を示している。
【実施例】
【００３９】
ガスタービンブレード上のニッケル−コバルト−クロム−アルミニウム−イットリウム表面材を、上述の用量パーセンテージにおいて、７５％リン酸の水溶液と３４％ヘキサフルオロケイ酸の水溶液を混合して得られた水性組成物で処理した。
【００４０】
このようにして得られた最終水性組成物を６０℃まで加熱し、ガスタービンブレードを１５時間浸漬して表面層と接触させて保持し、このようにして表面層の除去が行われ、これを浸漬時間と関連付けて傾向曲線で図に示した。
【００４１】
前記除去は、ブレードをこの組成物に浸漬して４時間後の値が４２ミクロン（μｍ）から、１５時間処理後の値が１５３ミクロン（μｍ）にまで変動する。
【００４２】
処理後に行われた顕微鏡試験からは、ブレードを形成するベース合金層の目視可能な損傷は認められなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による水性組成物を用いた、ガスタービンブレード上のニッケル−コバルト−クロム−アルミニウム−イットリウム表面材の除去される厚さと時間の関係を示す図。
【図１】
2006501369.tif 000002
【国際調査報告】
2006501369.tif 000003
2006501369.tif 000004
2006501369.tif 000005