JP6609017B2 - タービン動翼の補修方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービン動翼の補修方法に関する。

発電用ガスタービンのような高温機器において、燃焼器、動翼、静翼等のタービン高温部品（以下、タービン部品、または部品と称することがある）の外面について、例えばセラミックからなる遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating：ＴＢＣ）を施すことで遮熱性または耐酸化性を確保している。一方、タービン高温部品の内面、例えば動翼や静翼の内部に設けられる冷却口の内面には、物理的にコーティングを施すことが容易でない。このため、この内面にコーティングを施さないで使用するか、気相を用いて化学的にアルミコーティング等の耐酸化コーティングを施して耐酸化性の向上を図っている。

タービン高温部品の外面に施された遮熱コーティング（以下、コーティングと称することがある）は、タービンの長時間にわたる使用後に劣化または密着力が低下する。このため、タービン高温部品については、３〜４年毎に実施している定期検査に合わせてコーティングを除去し、新たなコーティングを施して再使用している。

また、場合によっては、タービンの使用中において、局所的にコーティングが剥離するなどの現象も生じている。従って、コーティングの本来の機能が低下または剥離したことによる、定期検査後の再使用するための補修にあたり、（１）タービンの使用後の受入検査、（２）劣化や損傷したコーティングの除去、（３）き裂の検査、（４）新しいコーティングの施工（リコーティング）、（５）出荷前検査を行っている。

特開２０１７−０２０４２１号公報

近年、メンテナンス費用の削減の観点から、タービン高温部品の当初の交換時間を延長してタービンを使用する運用が増え、使用後の検査が非常に重要になっている。従来の検査は、部品の表面に発生したき裂を確認するため目視および蛍光浸透探傷検査を中心として実施されてきた。しかし、これらの検査では部品の巨視的なき裂を検出するに留まり、目視では確認できない、部品の微細なき裂や、き裂が発生する直前の損傷を検出することはできない。

本発明が解決しようとする課題は、タービン動翼の微細なき裂や、き裂が発生する直前の損傷を検出することが可能なタービン動翼の補修方法を提供することである。

実施形態におけるタービン動翼の補修方法は、結晶粒界を有し、かつ、普通凝固材であるタービン動翼を補修する、タービン動翼の補修方法であって、前記タービン動翼の使用後に前記タービン動翼を受入れて、前記タービン動翼の損傷検査を行う受入検査工程と、前記損傷検査を終えた前記タービン動翼の基材の表面上に形成された酸化層を除去する除去工程と、前記タービン動翼の使用により前記基材の結晶粒界に生じた炭化物又はガンマプライム相の少なくともいずれか一方を固溶させるための溶体化熱処理を施す工程と、前記酸化層が除去されて前記溶体化熱処理が施された前記基材の表面のき裂を目視で検査する工程と、前記溶体化熱処理が施された前記基材のうち翼前縁部および翼後縁部をエッチング処理する工程と、前記エッチング処理を施した部分に対し、拡大鏡を用いてき裂又はき裂が発生する前の損傷の有無の確認のための組織観察を行なう工程と、前記組織観察で前記き裂又は損傷が確認された場合には前記タービン動翼の廃却を選択し、前記組織観察で前記き裂又は損傷が確認されない場合には前記タービン動翼の再利用を選択する工程と、を有する。

本発明によれば、タービン部品の微細なき裂や、き裂が発生する直前の損傷を検出することができる。

第１の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の一例を示すフローチャート。 第１の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図。 第２の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図。 第３の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の一例を示すフローチャート。 第３の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図。 第４の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図。 第５の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の一例を示すフローチャート。 第５の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
ここでは第１の実施形態に係るガスタービン動翼の補修方法および補修したタービン高温部品の一例について述べる。図１は、第１の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の一例を示すフローチャートである。図２は、第１の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図である。

この補修方法では、受入検査（Ｓ１）と、コーティング除去（Ｓ２）と、表面のき裂検査（Ｓ３）と、表面の組織観察（Ｓ４）と、コーティング施工（Ｓ５）と、出荷前検査（Ｓ６）の流れとなっている。

ここでは、補修対象のタービン部品は、Ｎｉ基超合金のガスタービン第１段動翼であって、用いられている材料が図２に示すように一方向凝固材(柱状晶)を対象とした例を以下に示す。
ガスタービン第１段動翼の外面には、高温の燃焼ガスから第１段動翼の基材１０を保護するために、この基材１０の表面に遮熱コーティング（以下、コーティングと称することがある）が施工されている。この遮熱コーティングは二層構造であり、まず、基材１０に中間層となるボンドコート（ボンド層と称することもある）９が遮熱コーティングの一層目として施されており、この上に、ジルコニア（例えばイットリア安定化ジルコニア：ＹＳＺ）を主成分とする、熱伝導性の小さいセラミックス製のトップコート７が遮熱コーティングの二層目として施されている。上記のボンドコート９は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙなどの金属コーティングであり、基材１０との間の熱膨張差を緩和して密着性を向上させるものである。

ここで、タービンを長時間にわたり実使用することにより遮熱コーティングが劣化し、特にボンドコート９が酸化して、当該ボンドコート９とトップコート７の界面に酸化スケール（酸化層と称することもある）８が形成されることにより、ボンドコート９とトップコート７との間の密着力が低下し、コーティングの剥離が促進されてしまう。

タービン部品について定期的に実施する一般的な補修においては、新しいコーティングを施工するために、劣化したトップコート７およびボンドコート９をあらかじめ全て除去する必要がある。

次に、補修工程について説明する。
第１の実施形態では、まず、Ｓ１の受入検査を行なう。この受入検査では、使用後のタービン部品を受け入れて、このタービン部品の損傷状態の検査を実施する。

そして、Ｓ２のコーティング除去として、タービンの長時間使用により劣化したトップコート７を、機械的な手法であるアルミナを用いたブラスト（アルミナブラスト）により除去する。なお、上記のように、ボンドコート９が酸化し、このボンドコート９とトップコート７との界面に酸化スケール８が生成されているときは、続いて、この酸化スケール８も同じ手法で除去する。上記の機械的な手法としては、回転または往復運動する砥石を用いてトップコート７を除去してもよいし、酸化物の粒子を吹き付けてトップコート７を除去してもよい。

この後、ボンドコート９を除去する。ただし、上記のように、このボンドコート９は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙなどの金属コーティングであるため、上記のアルミナブラストでは完全に除去できない。このため、ボンドコート９に対しては、酸性の液体による浸漬等の、化学的に溶融させる手法により除去する。この処理により、基材１０の組織、特に結晶粒界（結晶と結晶の境界）１２を観察することができる。

次に、Ｓ３の表面のき裂検査として、基材１０の表面の目視を行なう。ここで、基材１０に巨視的にき裂１１が生じている場合は、目視で十分に検出できるが、基材１０の結晶粒界１２に発生した、目視では検出できないき裂については、Ｓ３では検査できない。

そこで、Ｓ４の表面の組織観察として、拡大鏡などを用いて、基材１０のき裂の有無を確認する。
例えば、Ｓ３の目視ではき裂１１が十分に確認できなかったが、Ｓ４の表面の組織観察において、基材１０の表面を拡大鏡で観察した結果、結晶粒界１２に微細なき裂１１、または、き裂が発生する直前の損傷が生じていたとする。
この場合、当該第１段動翼は再使用することなく、そのまま廃却することになる。

また、Ｓ４の表面の組織観察において、拡大鏡でもき裂が確認できなかった第１段動翼の基材１０に対しては、Ｓ５のコーティング施工を行なう。この施工では、新しいコーティングとして、基材１０の外面に新たなボンドコート９および新たなトップコート７を順番に施す。そして、Ｓ６の出荷前検査にて検査を受け、合格すれば再使用に供される。

以上のように、第１の実施形態におけるタービン補修方法では、表面の組織観察を行なうことで、タービン高温部品の基材の微細なき裂や、き裂が発生する直前の損傷を検出することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図である。以下の各実施形態において、第１の実施形態と同様の構成や手順の説明は省略することがある。
第２の実施形態では、補修対象のタービン部品は、Ｎｉ基超合金のガスタービン第２段動翼で、この動翼の材料は図３に示すように普通凝固材（等軸晶）である。この第２段動翼の外面には、高温の燃焼ガスから基材１０を保護するためにＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙなどの、つまりボンドコート９と同様の材質の金属コーティング１３が施工される。この金属コーティング１３は、Ｎｉ−Ｃｏ−ＣｒマトリックスにＣｏＡｌ相を析出させることで耐酸化性を向上させており、動翼の長時間の使用により、外表面側よりＣｏＡｌ相が消失し、耐酸化性が低下する。

タービン部品について定期的に実施する一般的な補修においては、新しいコーティングを施工するために、劣化した金属コーティング１３をあらかじめ除去する必要がある。

次に補修工程について説明する。
第２の実施形態では、まず、Ｓ１の受入検査の後、Ｓ２として、動翼の長時間使用により劣化した金属コーティング１３（金属コーティング１３上に形成された酸化スケール８を含む）をアルミナブラストにより可能な限り除去する。
その後、基材１０の表面の組織を観察するために、第２の実施形態では、応力的に最も厳しい翼前縁部および後縁部を、酸性の液体である１０％過酸化水素塩酸溶液を用いてエッチングする。ここで用いる溶液は、これに限らず、例えば、塩酸とリン酸との混合酸溶液であってもよい。この処理により、後のＳ４にて基材１０の組織、特に結晶粒界１２を観察することができる。このエッチング後に、Ｓ３の表面のき裂検査として、基材１０の表面の目視を行なう。ここで、基材１０に巨視的にき裂１１が生じている場合は目視で十分に検出できるが、基材１０の結晶粒界１２に発生した、目視では検出できないき裂については、Ｓ３では検査できない。

そこで、Ｓ４の表面の組織観察として、拡大鏡などを用いて、基材１０のき裂の有無を確認する。
例えば、Ｓ３の目視ではき裂１１が十分に確認できなかったが、拡大鏡で観察した結果、結晶粒界１２に微細なき裂や、き裂が発生する直前の損傷が生じていたとする。この場合、当該第２段動翼は再使用することなく、そのまま廃却することになる。

また、Ｓ４において、拡大鏡でもき裂が確認できなかった第２段動翼の基材１０に対しては、Ｓ５のコーティング施工を行なう。このＳ５では、基材１０の外面に新しいコーティングとして、新たな金属コーティング１３を施す。そして、Ｓ６の出荷前検査にて検査を受け、合格すれば再使用に供される。

以上のように、第２の実施形態におけるタービン補修方法では、第１の実施形態と同様に、表面の組織観察を行なうことで、タービン高温部品の基材の微細なき裂や、き裂が発生する直前の損傷を検出することができる。

なお、ここではコーティングの除去を、アルミナブラストにて行なったが、これに限らず、化学的な手法のみでコーティングを除去し、同時にき裂および組織観察を行って再使用することもできる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図４は、第３の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の一例を示すフローチャートである。図５は、第３の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図である。
第３の実施形態では、補修対象のタービン部品は、Ｎｉ基超合金のガスタービン第２段動翼で、この動翼の材料は第２の実施形態と同じく図５に示すように普通凝固材である。第２の実施形態と同様に、第２段動翼の外面には、高温の燃焼ガスから基材１０を保護するためにＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙなどの金属コーティング１３が施工される。

タービン部品について定期的に実施する一般的な補修においては、新しいコーティングを施工するため、劣化した金属コーティング１３をあらかじめ除去する必要がある。

また、基材１０にも材料劣化が生じる。この材料劣化は基材１０の結晶粒界１２に生じやすく、動翼を長時間使用することにより、結晶粒界１２から炭化物１５やガンマプライム相１４の析出が認められる。これらの析出は、特に靱性の低下をきたす。

次に、補修工程について説明する。
第３の実施形態では、Ｓ１の受入検査の後、Ｓ２として、動翼の長時間使用により劣化した金属コーティング１３（金属コーティング１３上に形成された酸化スケール８を含む）をアルミナブラストにより可能な限り除去する。

その後、Ｓ１１として、基材１０に生じた材料劣化、特に結晶粒界１２に生じた炭化物１５やガンマプライム相１４を固溶させるため溶体化熱処理を施す。その結果、靱性の低下に寄与してしまう炭化物１５やガンマプライム相１４が固溶して結晶粒界１２の組織が回復する。この熱処理は、Ｓ４における表面の組織観察の前に行われれば、そのタイミングは特に限られない。

さらに、基材１０の表面の組織を観察するため、ここでは、応力的に最も厳しい翼前縁部および後縁部を１０％過酸化水素塩酸溶液を用いてエッチングする。ここで用いる溶液は、これに限らず、例えば、塩酸とリン酸との混合酸溶液であってもよい。この処理により、後のＳ４にて基材１０の組織、特に結晶粒界１２を観察することができる。この後の手順は、第２の実施形態で説明したＳ３以降と同様である。

以上のように、第３の実施形態では、基材の結晶粒界に生じた炭化物やガンマプライム相を固溶させるための熱処理を施すことで、基材の表面の組織観察では、その後の使用に支障をきたす、製造時やこれまでの補修により不可避的に生じた再結晶、湯境やフレッケルなどの欠陥も検出できるため、信頼性が向上する。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図６は、第４の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図である。
第４の実施形態では、補修対象のタービン部品は、Ｎｉ基超合金のガスタービン第２段動翼で、この動翼の材料は、第１の実施形態と同じく図６に示すように一方向凝固材である。第２および第３の実施形態と同様に、第２段動翼の外面には高温の燃焼ガスから基材１０を保護するためにＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙなどの金属コーティング１３が施工される。
第４の実施形態における補修方法の手順は、補修対象のタービン部品である第２段動翼の材料が一方向凝固材である他は、第３の実施形態と同様である。

以上のように、第４の実施形態では、第３の実施形態と同様に、基材の結晶粒界に生じた炭化物やガンマプライム相を固溶させるための熱処理を施すことで、基材の表面の組織観察では、その後の使用に支障をきたす、製造時やこれまでの補修により不可避的に生じた再結晶、湯境やフレッケルなどの欠陥も検出できるため、信頼性が向上する。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。図７は第５の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の一例を示すフローチャートである。図８は、第５の実施形態におけるタービン高温部品の補修方法の補修工程毎の断面模式図である。
第５の実施形態では、補修対象のタービン部品は、Ｎｉ基超合金のガスタービン第３段動翼で、この動翼材料は、第２および第３の実施形態と同じく図８に示すように普通凝固材である。

第５の実施形態では、第３段動翼の外面にはコーティングが施されていないため、補修における除去は、基材１０上に形成される酸化スケール８のみをアルミナブラストで除去することに留まる。また、第３および第４の実施形態で説明したように、基材１０の材料劣化は結晶粒界１２に生じやすく、長時間使用により、炭化物１５やガンマプライム相１４の析出が認められる。これらの結晶粒界の析出は特に靱性の低下をきたす。

次に、補修工程について説明する。
第５の実施形態では、Ｓ１の受入検査の後、Ｓ２１として、動翼の長時間使用により生成した、基材１０上の酸化スケール８をアルミナブラストにより除去する。

その後、上記のＳ１１と同様に、基材１０に生じた材料劣化、特に結晶粒界に生じた炭化物１５やガンマプライム相１４を固溶させるため溶体化熱処理を施す。その結果、靱性の低下に寄与してしまう、炭化物１５やガンマプライム相１４が固溶する。
さらに、基材１０の表面の組織を観察するため、ここでは、応力的に最も厳しい翼前縁部および後縁部を１０％過酸化水素塩酸溶液を用いてエッチングする。ここで用いる溶液は、これに限らず、例えば、塩酸とリン酸との混合酸溶液であってもよい。この処理により、後のＳ４で基材１０の組織、特に結晶粒界１２を観察することができる。この後は、動翼は、第２の実施形態などで説明した、表面のき裂検査（Ｓ３）、表面の組織観察（Ｓ４）、出荷前検査（Ｓ６）を経て、廃却または再利用に供される。

以上のように、第５の実施形態では、第３および第４の実施形態と同様に、基材の結晶粒界に生じた炭化物やガンマプライム相を固溶させるための熱処理を施すことで、基材の表面の組織観察では、その後の使用に支障をきたす、製造時やこれまでの補修により不可避的に生じた再結晶、湯境やフレッケルなどの欠陥も検出できるため、信頼性が向上する。

以上の通り、各実施形態では、ガスタービンの運転および製造時に生じたき裂などの欠陥が広い範囲で検出することが可能となり、再使用が可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

７…トップコート、８…酸化スケール（酸化層）、９…ボンドコート、１０…基材、１１…き裂、１２…結晶粒界、１３…金属コーティング、１４…結晶粒界に析出したガンマプライム相、１５…結晶粒界に析出した炭化物。

Claims (1)

1. 結晶粒界を有し、かつ、普通凝固材であるタービン動翼を補修する、タービン動翼の補修方法であって、
   前記タービン動翼の使用後に前記タービン動翼を受入れて、前記タービン動翼の損傷検査を行う受入検査工程と、
   前記損傷検査を終えた前記タービン動翼の基材の表面上に形成された酸化層を除去する除去工程と、
   前記タービン動翼の使用により前記基材の結晶粒界に生じた炭化物又はガンマプライム相の少なくともいずれか一方を固溶させるための溶体化熱処理を施す工程と、
   前記酸化層が除去されて前記溶体化熱処理が施された前記基材の表面のき裂を目視で検査する工程と、
   前記溶体化熱処理が施された前記基材のうち翼前縁部および翼後縁部をエッチング処理する工程と、
   前記エッチング処理が施された部分に対し、拡大鏡を用いてき裂又はき裂が発生する前の損傷の有無の確認のための組織観察を行なう工程と、
   前記組織観察で前記き裂又は損傷が確認された場合には前記タービン動翼の廃却を選択し、前記組織観察で前記き裂又は損傷が確認されない場合には前記タービン動翼の再利用を選択する工程と、
   を有するタービン動翼の補修方法。