JP2002526276A

JP2002526276A - 中空構造部品の内面処理方法

Info

Publication number: JP2002526276A
Application number: JP2000574312A
Authority: JP
Inventors: クツェッヒ、ノルベルト
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2002-08-20
Also published as: WO2000017417A1; DE59904234D1; EP1115906B1; EP1115906A1; US6575817B2; US20010018319A1

Abstract

(57)【要約】基本材料からなる基体（４）を備えた高温適用の中空構造部品（２）の内面被膜方法において、構造部品（２）は空洞（６、８）、特に冷却空気を通流するための、内面被膜（１２）を備えている冷却路を備え、この空洞に剥離作用を持つ固体粒子を添加した処理流体（Ｆ）を通流させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】この発明は、基本材料からなる基体を備え、内面被膜を有する空洞を備えた高
温適用の空洞構造部品の内面処理方法に関する。

【０００２】国際特許出願公開ＷＯ９７／０５２９９明細書には、製品、特に金属製の基体
を備え、その中に冷却路が形成されている、タービンの羽根のようなガスタービ
ン部品が記載されている。この金属製の基体は、この場合、高耐熱材料から中空
かつ薄壁状に鋳造されている。これにより、冷却媒体、特に冷却空気で羽根の内
側から効果的な冷却が可能である。基体は少なくとも１つの縦方向の冷却路と、
これから分岐した多数の横方向に走る冷却路を備えている。羽根の高温ガス側に
は被膜が設けられ、これにより金属の基体を、酸化及びガスタービンを貫流する
高温ガスによる高温腐食から防いでいる。この腐食保護被膜の上には、さらに、
セラミックからなる高温ガス側の被膜が羽根に侵入する熱流を減少させるために
設けられている。横方向の冷却路は、羽根板或いは平坦部に孔として形成するこ
とができる。この方法により、横方向の流路の被膜が、その断面積を無制御に狭
めることなく達成される。内部においてこの羽根には、拡散層として形成された
補強膜が設けられ、即ち別に被着された金属が基体に拡散することによって形成
されている。このような金属としてアルミニウム、クロム並びにクロム・アルミ
ニウム合金が好んで使用される。

【０００３】ヨーロッパ特許第０５２５５４５号明細書には、腐食した超合金或いは腐食し
た耐熱鋼からなる加工物の修復方法が記載されている。この場合、加工物の表面
には腐食生成物が生成されているので、その表面を腐食した表面の主たる部分を
取り除くために清浄化する。次いで、表面に、主として清浄化した後になお残っ
ている全ての腐食生成物を閉じ込める深さに達するアルミニウム被膜が被着され
る。アルミニウム被膜は腐食生成物と共に再び除去される。この方法は、主とし
て、加工物、特にガスタービンの羽根の外表面の修理に関する。表面腐食生成物
の除去は、この場合、化学的及び／又は機械的方法で行われる。機械的除去は、
特に、サンドブラストによって、そして化学的除去は混酸を使用することによっ
て行われ、この場合フッ酸（フッ化水素の水溶液）も使用される。

【０００４】米国特許第４３３９２８２号明細書は、タービンの羽根を形成するニッケル超
合金のアルミニウム被膜を除去する方法を開示している。アルミニウム被膜は、
殆どニッケル超合金を侵さない混酸により化学的に除去される。使用される混酸
は、塩化鉄（ＦｅＣｌ₃）及び硫化銅（ＣｕＳＯ₄）を含む硝酸（ＨＮＯ₃）と塩
酸（ＨＣｌ）の混合物である。この方法は、Ｕ−７００、ＩＮ−１００、ＭＡＲ
Ｍ−２００及びＢ１９００と称するニッケル超合金に好んで適用される。

【０００５】この発明の課題は、基本材料からなる基体を備えた高温適用の中空構造部品の
内面処理方法において、空洞に形成された内面被膜の処理が可能なものを提示す
ることにある。

【０００６】この発明による方法においては、空洞に剥離作用を持つ固体粒子が添加された
処理流体を通流させ、この処理流体によって空洞の内面被膜を削り取る。

【０００７】これにより、内面被膜の除去（いわゆる「被膜剥離」）を、基本材料に許容で
きない侵食を発生させることなく行える。この被膜は剥離作用を持つ固体粒子に
よって機械的に除去され、処理流体は、従って、場合によっては基本材料に対し
て弱い化学作用を持つことができる。これにより処理流体の僅かな侵食性及び作
用時間においてすら、短時間で内面被膜の除去を、基本材料の著しい侵食を起こ
すことなく実施できる。この方法は、特に比較的長時間にわたって高温、例えば
１０００℃以上の温度にさらされる構造部品において適している。このような部
品においては、元々は主として１つの物質からなっていた内面被膜が、熱に起因
する変化によって種々異なる化学組成の領域、特に安定した酸化物を形成するこ
とがある。このような酸化物（内面被膜の酸化した領域）は剥離作用を持つ固体
粒子により同時に内面被膜の酸化していない他の領域と共に完全に除去される。
これにより、酸化物の残っている範囲における欠陥のある被膜形成を伴うことの
ない、異常のない新たな被膜形成が可能になり、その結果望ましくない断面積の
変化を伴わない、空洞への均一で新たな被膜形成が行われ、特に空洞の詰まりが
発生しない。このことは、高温に曝され、そのため冷却路に導かれる冷却流体に
より冷却されるコンポーネントにおいて特に有利である。この発明による方法に
より、冷却媒体の通流性が内面被膜の剥離及び冷却路の新たな被膜形成の後にも
保証されているからである。

【０００８】混酸を使用する純粋に化学的な処理方法に対し、この発明による方法では、化
学試薬に異なった反応を示す領域、特に化学的に耐性のある酸化物領域及び化学
的に容易に剥離する領域、例えば高純度の金属性成分を備えた内面被膜の処理も
可能になる。この発明による方法では、この場合、フッ化水素の水溶液（フッ酸
）を使用しないで済むので、これにより基本材料に対する化学的に制御不能な粒
界侵食の危険が回避される。

【０００９】特に剥離作用を持つ固体粒子を含む処理流体は循環して流すのがよく、これに
より剥離作用を持つ固体粒子を必要な場合にのみ更新すればすむ。これにより、
この方法全体の経済性が明らかに向上する。

【００１０】処理流体は、特にフッ酸を含まない酸性水溶液からなるのがよい。この水溶液
は、この場合、例えば米国特許第４３３９２８２号明細書に記載されているよう
に、種々の酸からなる混酸を含むことができる。

【００１１】処理流体としてアルカリ性の水溶液も使用できる。処理流体として、剥離作用
を持つ固体粒子のキャリアーガスとなるガスを使用することも同様に考えられる
。しかし処理流体は、内面被膜の材料並びに基本材料に応じて選ばれる液体或い
はこれらの液体の混合物であるのがよい。

【００１２】剥離作用を持つ固体粒子としては、内面被膜の機械的及び／又は化学的に安定
した領域の充分に早い剥離を保証するようなものが使用される。特に剥離作用を
持つ固体粒子はコランダム及び／又は炭化ケイ素からなるのがよい。これにより
化学的に活性の処理流体の必要な作用時間が低減できる。特にこれにより化学的
に耐性の酸化物、なかんずく、アルミニウム酸化物を備えた範囲を短い時間で除
去できる。特に、アルミ化物を備えた内面被膜の場合、高温使用の結果形成され
る、アルミ化物の領域よりも厚いアルミニウム酸化物はより早く剥離される。純
粋のアルミニウムで被覆された形の内面被膜に較べて体積の大きいアルミニウム
酸化物の領域は優先的に削り落とされる。固体粒子の直径（粒径）は空洞の最小
直径よりも明らかに小さいのがよく、これにより空洞の閉塞（詰まり）の危険が
除かれる。特に粒子サイズは空洞の最小直径よりも１桁小さく、即ち最小直径の
１０分の１以下であるのがよい。空洞、例えばガスタービンの冷却孔の最小直径
は大きさ単位としては０．５ｍｍ或いはそれ以上である。

【００１３】特に、処理流体は空洞を所定の速度で流される。この速度は実験的に或いはシ
ミュレーション計算により予め決定することができる。この速度は、個々の空洞
、例えばタービン羽根の冷却路、孔において、局所的に見て、構造部品の種類に
応じそれぞれに対して適した値を持っている。この方法を実施する際に既に行わ
れた内面被膜の剥離に応じて適当に速度を合わせることも同様に可能である。こ
の速度はまた剥離作用を持つ固体粒子の種類並びに処理流体の化学組成にも合わ
せることができることは明らかである。処理流体は、この場合、特に構造部品の
中にポンプにより送り込まれ、速度の調整はこのポンプの出力により行うことが
できる。これにより所望の清浄効果（内面被膜の剥離）が調整され、かつ基本材
料の望ましくない剥離を大幅に低減することができる。

【００１４】特にこの方法は、流体機械、特にガスタービンの構造部品、例えばタービンの
羽根或いは熱遮蔽要素に実施される。このような構造部品は、この場合縦及び／
又は横方向の流路として形成される多数の空洞を備えている。この空洞（流路）
は、この場合、異なる直径を持ち、流路として互いに分離されていることがある
。これらの構造部品がその用途に応じて使用される間、これらの流路は、例えば
冷却流体、特に空気が通流される。構造部品の内面処理方法において、この場合
、処理流体の流れ方向は冷却流体の流れ方向と同一或いはこれと反対にすること
ができる。流れ的に互いに分離している流路（空洞）において、この方法は、流
路に互いに別々に処理流体が通流するように行われる。特に、冷却流体の流れ方
向に抗して先ず１つの流路をそれに応じた流速でかつそれに応じて選ばれた、剥
離作用を持つ固体粒子を含む処理流体で処理し、ついでそれに応じて合わせたパ
ラメータで１つ或いは複数のその他の流路に通流することが可能である。

【００１５】特にこの方法は、ニッケル及び／又はコバルトを基材とする合金（高温適用超
合金）からなる基本材料を持つ構造部品に実施される。このような基合金は例え
ば米国特許第４３３９２８２号及びヨーロッパ特許第０４８６４８９号明細書に
挙げられている。これらの基合金は、特に例えばガスタービンにおける高温適用
構造部品の製造に適している。

【００１６】特に内面被膜は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）及び／又はアルミ化物を備えて
いる。内面被膜は、それ故、異なる化学的及び機械的性質を備えた少なくとも２
つの領域を持っている。このような内面被膜は、例えば高温に曝される構造部品
において存在する。この場合、元々の内面被膜はアルミニウムの被膜によって作
られ、そして高温部における局部的な構造部品温度に関係してアルミ化物の一部
が酸化アルミニウムに変化しているが、空洞の比較的低温の部分にはなお殆どア
ルミ化物が残っている。アルミ化物の一部が酸化アルミニウムに変化することに
よって、この構造部品を使用する間に空洞を流れる（冷却）流体に対する耐酸及
び／又は耐食保護膜が生ずる。このことは、特に、アルミニウムがニッケル或い
はコバルトを含む基本材料に被着され、そしてこれらの中に拡散することによっ
て、内面被膜がニッケル或いはコバルトのアルミ化物から作られているガスター
ビンの羽根において発生する。

【００１７】これに代って或いは付加して、好適な内面被膜は酸化クロム及び／又はクロム
化物を持つことができる。内面被膜をガリウムの被膜化で作り、それにより構造
部品を高温で使用した後に内面被膜が酸化ガリウム及び／又はガリウム化物を備
えるようにすることも同様に可能である。

【００１８】特に空洞（冷却路）の内面被膜の剥離後に、新たに内面被膜が設けられる。こ
れにより構造部品を高温において新たに使用するための修復（再生産、いわゆる
「更新」）が有効に達成される。

【００１９】図面に示した実施例を参照し、この発明による方法を詳細に説明する。

【００２０】図１は構造部品２、ここでは図示しないガスタービンの回転羽根２を示す。ガ
スタービンの運転中、回転羽根２はタービン軸１８の回りを回転する。この回転
羽根２は流路的には互いに分離された２つの縦方向の流路を形成する空洞６を備
えている。空洞は、タービン軸１８に向かって冷却空気Ａの入口開口１６と、回
転羽根２の軸と反対側の端部２４に配置された出口開口１４とを備える。回転羽
根２の通常の使用中、冷却空気Ａは入口開口１６を通して空洞６に入り、そこで
２つの部分流に分割される。その際、大きい方の部分流はサーペンタイン状に空
洞６を通流して出口開口１４に導かれる。小さい方の部分流は、一部は出口開口
１４に達し、他方は複数の横方向の流路８（図では分かりやすくするために、そ
の中の１つのみ示す）に空洞６から分流する。内面処理、即ち空洞６の、詳しく
は示さない内面被膜の剥離のために、この空洞には、冷却空気Ａと同一の流れ方
向に、剥離作用を持つ固体粒子を含んだ処理流体Ｆが通流される。

【００２１】図２は、基本材料からなる金属製の基体４を備えた、図示しないガスタービン
の羽根２、即ち回転羽根或いは案内羽根の一部を示す。基体４の基本材料は、特
にニッケル或いはコバルトを基材とする超合金である。この基体４の内部のほぼ
真ん中に縦方向の流路６があり、この流路６から多数の横方向の流路８が分岐し
ている。縦方向の流路６と横方向の流路８はガスタービンに羽根２が装着されて
いる間冷却媒体Ａ、特に冷却空気を通流させる。基体４の各側の外側にはそれぞ
れ被覆膜１０が直接形成されている。この被覆膜１０は、特にＭＣｒＡｌＹ或い
はＭＣｒＡｌＲｅ型の合金からなる。このような合金は、直接腐食或いは酸化保
護膜として並びに熱絶縁膜２０の接着仲介膜として作用する。通称「ＭＣｒＡｌ
Ｙ合金」で知られる保護膜用合金において、Ｍは鉄、コバルト及びニッケルを含
む群の少なくとも１つの元素を、Ｃｒはクロムを、Ａｌはアルミニウムをそして
Ｙはイットリウムを表す。このような合金は例えばヨーロッパ特許出願公開第０
４１２３９７号、ヨーロッパ特許第０４８６４８９号及び第０３９７７３１号明
細書に記載されている。ＭＣｒＡｌＲｅ合金において、Ｒｅはレニウムを表し、
Ｍ、Ｃｒ及びＡｌはＭＣｒＡｌＹ合金と同様に各元素を表す。被覆膜１０は特に
１８０〜３００μｍの厚さを持っている。横方向の流路８は外に向かって冷却媒
体Ａに対するそれぞれ１つの出口開口１４を備え、被覆膜１０を備えていない。
この被覆膜１０は、特に低圧プラズマ或いは真空プラズマ溶射によって形成され
るのがよい。この膜は外部保護膜の機能を満たしている。

【００２２】縦方向の流路６及び横方向の流路８には、内面被膜１２が設けられている。こ
の被膜は横方向の流路８においても重なり範囲２２の側面で被覆膜１０の一部を
覆っている。この内面被膜１２は３０〜１００μｍの厚さを持つ補強膜として羽
根２をガスタービンに装着する前に設けられる。この膜は、好ましくは、クロム
、ガリウム及び／又はアルミニウムを蒸着し、拡散する拡散法で形成される。

【００２３】被覆膜１０の外側には、出口開口１４を除いて、セラミックの熱絶縁膜２０が
設けられている。この熱絶縁膜２０は１００〜５００μｍ、好ましくは２００〜
３００μｍの厚さを持っている。この膜は従来公知の材料の１つ、例えばイット
リウムで安定化した酸化ジルコニウムから作ることができる。熱絶縁膜２０は出
口開口１４を除いて、被覆膜１０並びにまた重なり範囲２２として示された僅か
な部分で内面被膜１２を覆っている。熱絶縁膜２０は大気圧プラズマ溶射法（Ａ
ＰＳ）或いは物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成される。

【００２４】それ故羽根２は、冷却媒体Ａの通流のための、内面被膜された縦方向の冷却路
６及びこれから分岐した多数の横方向の冷却路８を持っている。ガスタービンに
おいて、羽根２が例えば１０００℃以上の高温で動作している間に、アルミ化物
の一部は酸化アルミニウムに変化する。このことは保護膜の有効な原理に一致す
る。冷却路６、８の低温範囲では、これに対して、長い動作時間後も内面被膜は
なお殆どアルミ化物として残存する。１つの運転周期を終了した後に構造部品、
羽根２を再び処理する際には、従って、内面被膜を除去する（いわゆる「被膜剥
離」）ことが必要である。

【００２５】このために、縦方向の流路６及びこれから分岐した横方向の流路８に冷却媒体
Ａの流れ方向に剥離作用を持つ固体粒子を備えた処理流体Ｆが循環法により、好
ましくは、閉鎖循環路を経て通流される。剥離作用を持つ固体粒子、特にコラン
ダム及び／又は炭化ケイ素からなる固体粒子により、なお残存するアルミ化物よ
りも体積の大きい酸化アルミニウム範囲が良好に削り取られる。処理流体Ｆは、
それ自体、化学的に反応性であるので、なお残存しているアルミニウム化物の除
去に役立つが、その場合でも基本材料に実質的な侵食を行うことはない。縦方向
の流路６及び横方向の流路８の通流は、基本材料を著しく擦り取ることなく所望
の清浄効果が得られるような速度で行われる。固体粒子のサイズは、この場合、
全ての流路（空洞）６、８の最小直径を規定する横方向の流路８の閉塞（詰まり
）が発生しない程度に選ばれている。特に、この場合、固体粒子の直径は横方向
の流路８の直径Ｄの１０分の１より小さいのがよい。内面被膜１２がこの方法に
より削り取られた後、場合によっては、被覆膜１０並びに熱絶縁膜２０もサンド
ブラスト或いはウエットエッチングのような適当な方法により同様に除去された
後、新たに内面被膜をアルミニウム、クロム及び／又はガリウムの被覆によって
作り、これによりガスタービンにおいて新たに使用するための羽根が再生産され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービンの羽根の縦断面を示す。

【図２】外側に熱絶縁膜を備えたガスタービンの羽根の縦断面の一部を示す。

【符号の説明】２構造部品（ガスタービンの羽根）４基体６空洞（縦方向の流路）８横方向の流路１０保護膜１２内面被膜１４出口開口１６入口開口２０熱絶縁膜２２重なり範囲Ａ冷却媒体（冷却空気）Ｆ処理流体Ｄ横方向の流路の直径

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基本材料からなる基体（４）を備え、内面被膜（１２）を備え
た空洞（６、８）を有する高温適用の中空構造部品（２）の内面処理方法におい
て、この空洞（６、８）に剥離作用を持つ固体粒子が添加された処理流体（Ｆ）
を通流させ、この処理流体（Ｆ）により内面被膜（１２）を削り取る中空構造部
品の内面処理方法。
【請求項２】処理流体（Ｆ）を循環して流す請求項１記載の方法。
【請求項３】処理流体（Ｆ）として酸性水溶液、特にフッ酸を含まない混酸
を使用する請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】処理流体（Ｆ）としてアルカリ水溶液を使用する請求項１又は
２記載の方法。
【請求項５】剥離作用を持つ固体粒子としてコランダム及び／又は炭化ケイ
素からなる固体粒子を使用する請求項１から４の１つに記載の方法。
【請求項６】剥離作用を持つ固体粒子として、空洞（６、８）の最小直径（
Ｄ）の１０分の１以下の直径を持つ固体粒子を使用する請求項１から５の１つに
記載の方法。
【請求項７】処理流体（Ｆ）を、空洞（６、８）内を所定の速度で通流させ
る請求項１から６の１つに記載の方法。
【請求項８】流体機械、特にガスタービンの構造部品（２）、例えばタービ
ンの羽根或いは熱絶縁要素に実施する請求項１から７の１つに記載の方法。
【請求項９】ニッケル及び／又はコバルト基合金からなる基本材料を持つ構
造部品に実施される請求項１から８の１つに記載の方法。
【請求項１０】内面被膜（１２）として酸化アルミニウム及び／又はアルミ
ニウム化物を備える構造部品（２）に施す請求項１から９の１つに記載の方法。
【請求項１１】内面被膜（１２）として酸化クロム及び／又はクロム化物を
備える構造部品（２）に施す請求項１から１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】内面被膜（１２）として酸化ガリウム及び／又はガリウム化
物を備える構造部品（２）に施す請求項１から１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】内面被膜（１２）を取り除いた後、空洞（６、８）に新たな
被膜を施す請求項１から１２の１つに記載の方法。