(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属表面上の遮熱コーティングを交換するための水性苛性アルカリ法であって、
（Ａ）後段での交換遮熱コーティングの施工及び熱処理時に剥離層が形成されるのを防ぐべく選択された、２３０℃〜２５０℃の温度、４００ｐｓｉ（２７５８ｋＰａ）〜８００ｐｓｉ（５５１６ｋＰａ）の圧力、５０ｐｐｍ未満の酸素レベルを含む処理条件下で、上記金属表面を、４０〜４５重量％ＫＯＨアルカリ水溶液又は４０〜５０重量％ＮａＯＨ苛性アルカリ水溶液からなる苛性アルカリ水溶液と接触させて該表面から遮熱コーティングを除去し、かつ
（Ｂ）交換遮熱コーティングを施工する
ことを含んでなる方法。
【請求項２】
ニッケルアルミニド含有金属表面、白金ニッケルアルミニド含有金属表面、ＭＣｒＡｌＹアルミニド含有金属表面及びこれらの混合物を処理して遮熱コーティングを除去するための水性苛性アルカリ法であって、
（Ａ）苛性アルカリ水溶液が上記ニッケルアルミニド、白金ニッケルアルミニド又はそれらの混合物と反応して後段での遮熱コーティングの施工及び熱処理時に剥離層が形成されるのを防ぐべく選択された、２３０℃〜２５０℃の温度、４００ｐｓｉ（２７５８ｋＰａ）〜８００ｐｓｉ（５５１６ｋＰａ）の圧力、５０ｐｐｍ未満の酸素レベルを含む処理条件下で、上記金属表面を、４０〜４５重量％ＫＯＨアルカリ水溶液又は４０〜５０重量％ＮａＯＨ苛性アルカリ水溶液からなる苛性アルカリ水溶液と接触させ、かつ
（Ｂ）遮熱コーティングを施工する
ことを含んでなる方法。
【請求項３】
前記処理条件が５分間〜４時間の処理時間を含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記金属表面を苛性アルカリ溶液と窒素雰囲気中又はアルゴン雰囲気中で接触させる、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】
前記金属表面がニッケルアルミニドコーティング又は白金ニッケルアルミニドコーティングを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記金属表面がエーロフォイルの形態をしている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
当該方法をオートクレーブチャンバー内で行う、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記オートクレーブ雰囲気の酸素含有量が１０ｐｐｍ未満である、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は表面からの遮熱コーティングの除去に関する。さらに具体的には、本発明は、ニッケルアルミニドや白金アルミニドのような下層コーティングを破壊することなく遮熱コーティングを除去する方法に関する。
【０００２】
作動温度が高いほどガスタービンエンジンの効率は向上する。先端推進技術では１０００℃以上の温度でエンジンを作動させる。かかる高い作動温度はエンジン部品の耐久性に挑むものである。ニッケル基及びコバルト基超合金を用いることで高温耐久性に幾分かの進歩がもたらされている。しかし、タービンや燃焼器やオグメンタのようなガスタービンエンジンの幾つかのセクションでは、金属部品は高温作動耐久性を高めるため遮熱材でコートする必要がある。
【０００３】
最新タービンエンジンの多くのセクションで必要とされる向上した高温作動耐久性を与えるべく、金属部品には通例遮熱コーティング（ＴＢＣ）が用いられる。遮熱コーティングは、金属部品表面上に堆積した金属結合層とさらにその上に堆積したセラミック皮膜を含むのが通例である。通例、結合層は白金ニッケルアルミニド、ニッケルアルミニド、アルミニド化ＭＣｒＡｌＹ（ただし、Ｍはニッケル、コバルト、ニッケル−コバルト及び鉄であり、Ｃｒはクロムであり、Ａｌはアルミニウムであり、Ｙはイットリウムである）又はこれらの混合物である。セラミック皮膜はある形態の安定化ジルコニアとすることができ、例えばジルコニアをカルシア、ハフニア、マグネシア、イットリア又はその他いずれかの希土類酸化物で安定化したものがあるが、これらは耐火酸化物遮熱コーティングを形成する。遮熱コーティングは非常に低い熱伝導率と低い密度と高い融点を有する。
【０００４】
運用寿命中、商用航空機やある種の軍用航空機用のエンジン及び発電用エンジンの表面被覆金属部品は割れたり、剥落したり、化学的及び物理的攻撃を受ける。従って、これらのエンジンは定期的にオーバーホールする必要がある。オーバーホール時には、クリープ限界を超えておらずその他重大な浸食や損傷を受けていないタービンブレード及びベーンは手入れし直して再使用することができる。遮熱コーティング及びボンディングコートのようなコーティングは金属部品から剥ぎ落とされ、部品を再生し洗浄し、再コーティングして再度実用に供する。金属表面を新たなボンディングコート及び遮熱コーティングで再コーティングする前に遮熱コーティングは完全に取り除いておかなければならない。
【０００５】
Ａｕｌｔの米国特許第４４３９２４１号には、タービン部品を洗浄し、部品を例えば溶接や矯正により補修し、表面コーティングを再塗装することが開示されている。この方法では、タービンブレード等の部品をオートクレーブ中のホルダーに配置し、約１５０℃〜２３５℃の温度、１５０ｐｓｉ〜３５０ｐｓｉの圧力で水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と水のアルカリ溶液の流れに付す。水酸化カリウム溶液は１０〜４５重量％である。
【０００６】
第一段タービンブレードにはエンジン運用中にケイ素−カルシウム（Ｓｉ−Ｃａ）に富んだ汚れや残渣の堆積するが、かかる汚れや屑は冷却空気の流れを阻害するとともにホットスポットを生じ、そのため内部腐蝕の促進を招いて壁面貫通材料破壊を起こしかねない。従来のオートクレーブ法はこのような大量の内部残渣の除去には効果がなかった。米国テキサス州ヒューストンで１９９５年６月５〜８日に開催されたｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｇａｓ  Ｔｒｕｂｉｎｅ  ａｎｄ  Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ  ａｎｄ  ＥｘｐｏｓｉｔｉｏｎでのＩｒｖｉｎｅ他の講演論文Ｎｅｗ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｃｌｅａｎｉｎｇでは、タービンブレードの内部キャビティに４００ｐｓｉ近い圧力で加熱苛性アルカリを送液することが提案されている。この方法では苛性アルカリの流れが従来のオートクレーブ法に比べて増大しており、それにより洗浄効率が向上する。この方法は、補修時の部材歩留を改善して補修コストを下げる。
【０００７】
苛性アルカリ法はエーロフォイルのようなエンジン部材の洗浄に使用できるし、エーロフォイル鋳造時のセラミックコアの除去にも使用できる。苛性アルカリは酸化物及び水酸化物と反応してアルカリ金属塩を形成するが、これらは水に可溶性である。この化学反応はエーロフォイルの洗浄及びセラミックコアの除去を可能にする。さらに、苛性アルカリ法の化学反応は、遮熱コーティングと下層金属部品の間のアルミナ中間面の溶解によって遮熱コーティングを除去すると提唱されてきた。残念なことに、従来技術で教示された条件の下では、苛性アルカリ法は下層金属部品のニッケルアルミニド又は白金ニッケルアルミニドも攻撃する。該金属部品を洗浄し、遮熱コーティングで再コートし、熱処理すると、大半が酸化ニッケルと考えられる黒色層がエーロフォイルの内部表面及び外部表面から剥がれ落ちてしまう。そこで、かかる不都合な黒色剥離物（フレーク）を形成することなく、下層金属部品から遮熱コーティングを除去するための苛性アルカリ法を提供する必要がある。本発明は、苛性アルカリ法を所定の処理条件下で実施すると剥離層（フレーク）を防ぐことができるという知見に基づくものである。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、金属表面上の遮熱コーティングを交換するための苛性アルカリ法に関する。さらに具体的には、本発明は、ボンディングコートを有する超合金基板上に物理蒸着法又は大気プラズマ溶射法で製膜したイットリア安定化ジルコニア遮熱コーティングの化学除去法に関する。この方法では、被覆部分の表面を苛性アルカリ溶液と接触させて遮熱コーティングを除去する。苛性アルカリ溶液接触時の処理条件は、後段での交換もしくは補修遮熱コーティングの施工及び熱処理時に剥離層が形成されるのを防ぐべく選択される。次いで、交換もしくは補修遮熱コーティングを金属表面に再施工する。剥離層はニッケルアルミニド又は白金ニッケルアルミニドの酸化生成物である。
【０００９】
別の態様では、本発明は、ニッケルアルミニド含有金属表面、白金ニッケルアルミニド含有金属表面又はＭＣｒＡｌＹアルミニド含有金属表面を処理するための水性苛性アルカリ法に関する。上記金属表面を、苛性アルカリ水溶液がニッケルアルミニド又は白金ニッケルアルミニドと反応して後段での遮熱コーティングの施工及び熱処理時に剥離層が形成されるるのを防ぐべく選択された処理条件下で苛性アルカリ水溶液と接触させる。次いで交換遮熱コーティングを金属表面に再施工する。
【００１０】
【発明の詳しい説明】
本発明は、下層結合層と基板表面を損なうことも、遮熱コーティングを再施工し熱処理した後に剥離層（フレーク）を生ずることもなく、遮熱コーティングを完全に除去するのに十分な濃度、温度、圧力及び時間で、オートクレーブ中遮熱コーティング面を苛性アルカリ溶液で処理することにより、平坦な表面や高低のある表面から遮熱コーティングを除去する方法を提供する。オートクレーブ内の雰囲気は実質的に無酸素である。これは、酸素濃度が５０ｐｐｍ未満となるように、或いは酸素濃度が１０ｐｐｍ未満となるように、オートクレーブ室がアルゴン、ヘリウム及び窒素のような不活性ガスでパージされていることを意味する。
【００１１】
遮熱コーティングは、概して、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア又はマグネシア安定化ジルコニアのような、化学安定化ジルコニアである。遮熱材として働くその他の酸化物コーティング又はセラミックコーティングも、本発明の目的に関しては遮熱コーティングと呼ぶことができる。また、本発明は、遮熱コーティングとしては必ずしも使用されない他の苛性アルカリ可溶性のセラミック酸化物コーティングの除去も包含する。本明細書において、ボンディングコートとは通常は、白金−ニッケルアルミニウム、アルミニウム、ニッケルアルミニウム、ニッケル−クロム−アルミニウム−イットリウム、鉄−クロム−アルミニウム−イットリア、コバルト−クロム−アルミニウム−イットリウム及びニッケル−コバルト−クロム−アルミニウム−イットリウムを始めとする金属組成物を意味する。
【００１２】
航空機エンジン及び発電施設用のタービンに多用される基板材料はニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金である。かかる基板の具体例は、ＧＴＤ−１１１、ＧＴＤ−２２２、Ｒｅｎｅ−８０、Ｒｅｎｅ  ４１、Ｒｅｎｅ  １４２、Ｎ−５、Ｒｅｎｅ  １２５、Ｒｅｎｅ  ７７、Ｒｅｎｅ  ９５、Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７０６、Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７１８、Ｉｎｃｏｎｅｌ  ６２５、コバルト基ＨＳ１８８、コバルト基Ｌ−６０５及びステンレス鋼である。本発明の方法は、タービン又はエーロフォイルに使用される遮熱コーティング被覆部品及び機材に特に適している。タービン部品の一例はタービンブレード又はベーンである。エーロフォイルという用語は、ブレード、ベーン、バケット、ノズル等のタービン部品についてもいう。
【００１３】
タービン部品以外の用途で遮熱コーティングに適合できる基板材料も本発明で使用し得る。例えば、本発明は少し挙げただけでも電子用途並びにガス、蒸気及び原子力発電のような発電における遮熱コーティングの除去に利用し得ると思料される。
【００１４】
苛性アルカリ溶液は概して、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）及び水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）のような水酸化アルカリ、或いは水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）、トリエチルアミン（ＴＥＡ）、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）のような非水酸化アルカリ、並びにこれらの混合物を含んでなる。苛性アルカリ溶液は、水酸化アルカリ化合物又は非水酸化アルカリ化合物を水と混合した水溶液でよい。苛性アルカリ溶液の表面張力をさらに低下させるための界面活性剤やキレートのような添加剤の使用が有益となることもある。苛性アルカリ化合物と水は約２：３の比で存在し得る。塩基の濃度は水酸化カリウムでは約４０〜４５重量％、水酸化ナトリウムでは約４０〜５０重量％とし得る。
【００１５】
本発明の方法はオートクレーブ反応器で実施される。オートクレーブ反応器は圧力容器であり、高温で高圧に耐えるように作られている。系内の圧力は、オートクレーブの内容物（反応混合物）を加熱するか或いは容器を過圧するための外部圧縮ガス源を使用することによって上昇する。オートクレーブは回分式に作業してもよい。すなわち、苛性有機溶液の構成成分を仕込んで装置を密閉し、仕込物を所望の温度・圧力条件に導く。反応体の１種類以上を連続供給し生成物を連続的に取り出せば、連続式又は半連続式作業が行える。
【００１６】
処理時に使う温度及び圧力は、除去すべき遮熱コーティングの量と種類並びにオートクレーブの能力に応じて変えることができる。苛性アルカリ処理はある範囲の温度、圧力及び反応時間で実施できる。例えば、処理には超音波振動、機械式混合及び沸騰をオートクレーブ処理と組み合わせてもよい。オートクレーブ処理は幾つかの条件下で実施できる。例えば、圧力は約４００ポンド毎平方インチ〜約８００ポンド毎平方インチの範囲もしくはそれ以上とすることができ、温度は約２３０℃〜約２５０℃の範囲にすることができる。処理時間を短縮するためさらに高い圧力及び温度を加えることもできる。また、圧縮ガスを用いて室温で加圧を達成することもできる。さらに、プロセスを無圧で始めることもでき、反応混合物の温度を上げることによって、反応混合物の蒸気圧が上昇する結果オートクレーブ圧は自然と上昇する。遮熱コーティングの除去時間は、除去すべきコーティングの量及び加えた温度と圧力に依存する。通常、時間は約約５分間〜約４時間である。また、高圧で、機械式攪拌機、磁気攪拌子又は超音波振動機のような混合機を用いることで、曲がりくねった箇所の遮熱コーティングを短縮された時間で除去する苛性アルカリ溶液の能力を高めることができる。
【００１７】
【実施例】
水酸化カリウム（ＫＯＨ）及び水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を含んだ多数の苛性アルカリ溶液を様々な処理条件で試験した。選択した条件の一覧を表１に示す。
【００１８】
【表１】
0004954357.tif 000002
上記の結果は、低濃度（３０重量％）の苛性アルカリ溶液がニッケルアルミニド層を攻撃し、後段での遮熱コーティングの再施工時に剥離層（フレーク）を形成することを示している。さらに、オートクレーブ室を不活性ガスでパージして酸素濃度を５０ｐｐｍ未満にしておかないと、約２５０℃を上回る温度で基材金属が攻撃されたり、ニッケルアルミニドコーティングが攻撃される。