(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ基合金で作られた保護すべき表面部分を備えると共に、前記表面部分に被覆されたＡｌ元素を含む被膜外側部分と前記保護すべき表面部分にＡｌ元素が拡散した皮膜内側部分とからなる拡散被膜を備える製品から前記拡散被膜を除去するための方法において、
前記保護すべき表面部分の寸法より外側に位置した上記被膜外側部分を機械的に除去して上記被膜内側部分を露出させる段階、及びそれに次いで
露出された被膜内側部分を６重量％超のハロゲンガスを含んでなる還元性ガスに８７１℃（１６００°Ｆ）以上の温度で該ハロゲンガスが被膜内側部分からＡｌを減少させるために十分である２時間以上曝露する段階
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記還元性ガスが６重量％超で２０重量％以下のハロゲン化水素ガスと残部の主に水素ガスからなる混合物であり、
前記温度が８７１〜１０９３℃（１６００°Ｆ〜２０００°Ｆ）の範囲内であり、しかも前記曝露時間が２〜１０時間である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記合金がＮｉ基超合金であり、
前記製品は、該製品の外表面をフィルム冷却するための空気冷却通路を該製品の内部に含み、
上記保護すべき表面部分が、前記空気通路と通じ且つ該表面部分を貫通した空気冷却開口部を含んでおり、しかも前記還元性ガスが１０〜１５重量％以下のフッ化化水素ガスと残部の主に水素ガスからなる混合物である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記曝露時間が２〜６時間である、請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、合金の表面部分からの拡散被膜の除去に関するものであり、より詳細には、Ｎｉ基超合金からのアルミニウム含有拡散被膜の除去に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンにおいて比較的高温で作動する幾つかのエンジン部品は過酷な環境作動条件を経験する。作動寿命を高めるため、このような部品には表面保護被膜が施されるのが一般的である。こうした被膜でよく使われるのはアルミニウム元素を単独で或いは他の元素と組合せて含むタイプのものである。商業化されている拡散アルミニド型の被膜がその一例であり、保護すべき表面にＡｌ又は含Ａｌ合金を被覆し、加熱して被覆の少なくとも一部を製品基材中に拡散浸透させたものである。米国特許第３６６７９８５号（Ｌｅｖｉｎｅ他、１９７２年６月６日発行）には、Ｃｏｄｅｐアルミニド被膜として商業的に入手し得るアルミニド被膜について記載されている。それとは別のタイプで多数の報告例のある保護被膜としてはガスタービンエンジン製品で商業的に使用されているＭＣｒＡｌＹ型の被膜がある（ただし、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの組合せである）。被膜中のＡｌの少なくとも一部は製品基材中に拡散している。
【０００３】
高圧タービンブレード、ベーン、ノズル及びシュラウドのような高温作動ガスタービンエンジン部品は、表面保護被膜を含んでいるだけでなく、例えば外表面をフィルム冷却するための、製品外表面の開口部へと通じる内部空気冷却通路又はキャビティを含んでいることが多い。このような部品の内部及び周囲の空気の流れ並びに部品全体の形状は、エンジン作動効率の発現及び維持のため比較的狭い寸法限度内に設計される。こうした製品は、形状が複雑かつ一般に比較的複雑なＮｉ基超合金であり、単結晶又は一方向に凝固した多数の長大な柱状晶ミクロ組織の形態である場合もあることあるので、製造コストが比較的高いことが分かるであろう。したがって、このような製品に何らかの損傷が例えば製造当初或いはその後のエンジン作動中に生じた場合、その製品を取り替えるよりは補修するほうが経済的には好ましい。
【０００４】
かかる製品の補修は、例えばき裂、割れ目、摩耗部、表面欠損部などの溶接又はろう付補修ができるようにしたり、或いは酸化物や硫化物などの燃焼生成物から表面部分を清浄にするには、少なくとも補修すべき部分の表面保護被膜の除去を最初に行うのが一般的である。アルミニド被膜除去に商業的に利用されているある種の被膜除去液は本質的に酸性であり、例えば塩酸、又は硝酸とリン酸の混液、或いはその他製品表面に塗布した部分のエッチング及び除去ができるような侵食性の高い酸又は酸混合物を含んでいる。このような被膜除去材料を表面連絡空気冷却開口部において使用すると、空気の流れ特性がひどく変化して製品を取り替えなければならなくなる程開口部が広がってしまうことがある。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、その一つの形態において、例えば表面連絡開口部内のようなＮｉ基合金表面部分から、元の表面又は開口部の寸法を実質的に変化させることなく、Ａｌを含んだ拡散被膜を除去するための方法を提供する。被膜は、合金表面部分すなわち基材中に拡散した被膜内側部分と、該被膜内側部分と接合していて基材上の付加層を構成するような被膜外側部分とを含む。本発明の方法では、最初に、グリットブラストや研削その他の研磨法によって、機械的に被膜外側部分を実質的に除去して被膜内側部分を露出させる。そうして露出された内側部分を次いで約６重量％超のフッ化物ガスのようなハロゲンガスを含んでなる還元性ガス（例えば約６重量％超で約２０重量％以下のハロゲン化水素ガスと残部の主に水素ガスからなる混合物）に約１６００°Ｆ以上の温度（好ましくは約１６００°Ｆ〜２０００°Ｆの範囲内の温度）で該還元性ガスが拡散被膜内側部分からＡｌを減少させるに十分な時間（好ましくは約２〜１０時間）曝露する。こうしたＡｌの減少は表面部分内部へのＡｌの拡散の逆過程であると考えることができ、そうした拡散部分の酸性又はアルカリ性薬品による除去処理でみられるような表面部分の寸法の有害な変化は実質的に起こらない。
【０００６】
【発明の実施の形態】
ガスタービンエンジン技術の進歩に伴って特に空気冷却部品については一段と複雑な設計が開発されており、効率的な補修方法の開発が益々重要になってきている。上述の通り、合金製品基材中に拡散した被膜を始めとする環境保護被膜は、一般に、その他の補修プロセスを始める前に、少なくとも補修すべき製品表面から除去しておく必要がある。かかる被膜の多くはＡｌ元素を含んでおり、Ａｌの少なくとも一部は製品の表面部分に拡散していて、そうした拡散部分に接合もしくは一体となった状態で外側の付加層が存在する。この付加層域は元々の部材表面に付加したＡｌリッチ層であることを特徴とする。拡散部分はＡｌ濃度勾配を有していて、その勾配は拡散プロセスの関数であり、Ａｌ量は元の表面からの深さが増すにつれて減少する。したがって、拡散部分は元の部品寸法を実質的に変化させないが、かかる寸法に外側被膜部分の施工による増分が加わるのでこの点を部品の設計の際に考慮しなくてはならない。
【０００７】
幾つかの比較的単純な部品の補修においては、典型的な化学的又は機械的手段によって外側の付加部分及び内側の拡散部分を共に除去して表面寸法が減少することになっても、補修方法において以前よりも多量の被膜を施すことによって埋め合わせることができる。しかし、そうした典型的な被膜除去法を空冷部品の空気冷却出口の領域の補修に先立って行うと、開口部の寸法が広がることがあり、補修は一段と複雑かつ経費のかかるものになる。例えば、冷却開口部を再度サイジングするには開口部の再被覆及び例えば放電加工やレーザー加工を用いての材料除去法などによる開口部の再成形が必要となることがある。本発明では、拡散Ａｌ被膜を除去するための２つの別個の異なる段階を用いることで、このような後段での余分な補修操作は不必要となる。本発明では、最初に外側の付加部分を機械的に除去して内側の拡散部分を露出させる。次に、Ａｌ拡散処理の逆過程を、例えばフッ化水素ガスと水素ガスの混合物のようなフッ化水素ガスなどの還元性ハロゲンガスにＡｌを曝露することでＡｌを引き抜くことにより行う。かかる還元性ハロゲンガスは基材の寸法を実質的に変化させずに基材からＡｌを引抜くもしくは減少させる。かかるガスへの曝露は、約１６００°Ｆ以上の温度、好ましくは約１６００°Ｆ〜２０００°Ｆの範囲内の温度にて、後段での補修操作が実施できるようになるように該還元性ハロゲンガスが拡散被膜内側部分からＡｌを減少させるに十分な時間、一般には約２時間以上、好ましくは約２〜１０時間行われる。
【０００８】
フッ化物イオンを後段での補修のための表面不純物の除去に使用することが報告されている。Ｋｅｌｌｅｒ他の米国特許第４０９８４５０号（１９７８年７月４日発行）では、損傷表面をフッ化物イオンに曝露することによってＡｌの酸化物又はＴｉの酸化物又はその両方を除去している。次に、補修ろう付合金が清浄化部分に使用される。このようなフッ化物イオンの使用方法はＣｈａｓｔｅｅｎの米国特許第４１８８２３７号及び同第４４０５３７９号（それぞれ１９８０年２月１２日及び１９８３年９月２０日発行）で修正されている。フッ化物を含むガスは表面を脱炭するためだけでなく、ある種の熱処理における酸化を防止するための酸素に対する「ゲッタ(getter)」雰囲気として作用させるために用いられている。しかしながら、本発明は、還元性フッ化物ガス（通例フッ化水素ガス）への拡散Ａｌの曝露が、該ガスとＡｌを約１６００°Ｆ以上の温度で拡散部分からＡｌを減少させるに十分な時間反応させることによって、拡散部分からＡｌを排除できることを明らかにしたものである。このような曝露は、被膜の外層すなわち付加層を機械的に除去することによって可能になる。
【０００９】
【実施例】
本発明の評価実験において、Ｎｉ基合金基材中に拡散したＡｌと反応させるには、単独又は還元性ガス混合物としての還元性フッ化物ガスが好ましいことが認められた。さらに、上記のようなＡｌの減少が起こるようにするには、少なくとも１６００°Ｆ以上の温度においてフッ化水素のようなフッ化物ガスが少なくとも６重量％必要とされることが判明した。幾つかのＮｉ基超合金では、水素ガスとの混合物としてフッ化水素ガスが約２０重量％を上回ると、約１６００°Ｆ〜２０００°Ｆの温度範囲で約１０時間を超える曝露時間で、粒界侵食又は望ましくない合金の減損が起こり得ることが認められた。したがって、本発明の好ましい形態は、Ｎｉ基超合金に対して使用する場合は、約１６００°Ｆ〜２０００°Ｆの温度で約２〜１０時間実施される。
【００１０】
一つの実施例において、Ｃｏｄｅｐアルミニド被覆空冷高圧タービンノズルは空気冷却出口を含む領域で損傷していた。溶接などで補修を行うには、そうした補修の前にアルミニド被膜を除去しておく必要があることが判明した。ノズルは、Ｒｅｎｅ′Ｎ４という商品名の７．５重量％Ｃｏ、４．２重量％Ａｌ、９．８重量％Ｃｒ、３．５重量％Ｔｉ、４．８重量％Ｔａ、６重量％Ｗ、１．５重量％Ｍｏ、０．５重量％Ｎｂ、０．１５重量％Ｈｆ、０．０６重量％Ｃ、０．００４重量％Ｂ及び残部のＮｉと随伴不純物からなるＮｉ基超合金で作られていた。
【００１１】
アルミニド被膜を除去するために設計された約５０重量％の硝酸と約５０％のリン酸を含んだ標準的な市販酸性除去溶液を使用した予備評価実験では、冷却開口部が広がりすぎて製品の補修ができなくなり、廃棄処分にした。本発明の実施例では、かかる製品の表面部分から上記Ｃｏｄｅｐアルミニド被膜を２つの別個の独立した段階で除去した。外側の被膜付加部分を通常の工業的グリットブラスト法で機械的に除去して拡散被覆内側部分を露出させた。この機械的な外被膜除去では冷却開口部のサイズもしくは寸法は実質的に何の影響も受けなかった。しかる後に、露出拡散内側部分を還元性ハロゲンガスに曝露した。この還元性ハロゲンガスは、この例では約６重量％超で約２０重量％以下のフッ化水素と残部の主に水素ガスからなる混合物、より具体的には公称１３重量％のフッ化水素であった。曝露は約１９００°Ｆで約４時間行ったが、かかる条件はこの例では溶接補修がうまくできるように補修すべき表面からＡｌを適度に減少させるのに十分であった。後で冷却開口部を検査したところ、本発明の方法を実施した場合の空気冷却開口部の寸法は実質的に元の寸法のまま維持されていた。
【００１２】
本発明の別の評価実験では、Ｎｉ基超合金に使用する場合に、上記の還元性ガス混合物の実用的かつ好ましい範囲は約１０〜１５重量％のフッ化水素及び残部の主に水素ガスである。還元性ガス混合物中には約６重量％を上回るハロゲン化水素ガスが必要とされるが、これは、この量を下回ると後段での補修に必要とされる量のＡｌを減少させるには不十分であったからである。また、かかるガスが約２０重量％を上回ると、粒界侵食或いは望ましくない合金の減損或いはそれらが同時に起こり得ることが認められた。
【００１３】
本発明を様々な具体例、実施形態及び組み合わせについて説明してきたが、本発明について、特許請求の範囲によって規定されるその技術的範囲を逸脱することなく、多種多様な修正、変形及び拡充が可能であることは当業者には明らかであろう。