JP2000210789A

JP2000210789A - 溶接ワイヤ及び補修施工方法

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Publication number: JP2000210789A
Application number: JP11018243A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Okamoto; 和孝岡本; Akira Yoshinari; 明吉成; Yasuo Kondo; 保夫近藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン部品、特に一方向凝固材や単結
晶材の動翼や静翼を補修するために用いる小径の溶接ワ
イヤを提供する。【解決手段】本発明の溶接ワイヤは、Co基またはNi基
耐熱超合金からなり、長手方向に形成された一方向性凝
固組織または単結晶組織を有する鋳造ワイヤであり、ま
た本発明の別の溶接ワイヤは上記鋳造ワイヤを冷間又は
熱間で細径に加工したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接ワイヤ及び該
溶接ワイヤによる補修施工方法にかかり、特に一方向凝
固または単結晶の合金からなるガスタービン動翼及び静
翼の補修に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在の発電用ガスタービンや航空用ガス
タービンは、性能及び効率を向上するべく、高温におい
て高速回転するため、ガスタービンに使用されている高
温部品材料は、より苛酷な動作環境に耐えうるものであ
ることが要求される。このため、これらの部品材料に
は、使用環境を考慮して特別に開発された、クリープ強
度、疲労強度、耐高温腐食性、耐高温酸化性、鋳造性、
溶接性などの諸特性に優れた、コバルト基超合金やニッ
ケル基超合金が用いられている。また、ガスタービンの
高温部品の多くは複雑形状を有し、高い寸法精度が要求
されるため、NearNet Shapeの精密鋳造法により製造さ
れている。さらに、近年、高温・高効率化のために、そ
の鋳造プロセスを改良して結晶性を制御することによ
り、従来の多結晶材の他に、一方向凝固材や単結晶材か
らなる部品なども開発が進められ、一部使用されてい
る。一方向凝固材では、凝固時に溶湯にかかる温度勾配
を一方向に制御することにより、凝固が一方向に進行
し、結晶粒界は凝固方向とほぼ平行となる。従って、部
品中の結晶粒界の方向が、部品に加わる応力方向と平行
になるため、結晶粒界での破損が最小化される。また、
単結晶材は、一方向凝固材の技術を発展させたものであ
り、部品が一つの結晶粒で構成されているため、高温で
の強度に影響する結晶粒界がなく、強度等に優れる。単
結晶材の開発は、当初、多結晶用合金の単結晶化から始
まり、その後結晶粒界がないことによる優れた特性を十
分利用して、やがて単結晶専用合金へと発展し、現在で
は、数種の単結晶合金がメインとなっている。

【０００３】このように、一方向凝固材または単結晶材
をガスタービン部品へ適用することは、性能向上の観点
からは非常に有意義なもので望ましいが、その製造に多
大なコストを必要とする。また、ガスタービン部品の鋳
造時における欠陥の発生や、運転動作後の欠陥発生が問
題となっている。精密鋳造においては、鋳物表面に発生
する砂くいと呼ばれる欠陥や、凝固過程で発生する引け
等の問題がある。また、運転動作中、摩耗や酸化による
部品先端部での減肉や、部品胴部での亀裂発生が問題と
なっている。現状では、このような欠陥を有する一方向
凝固材または単結晶材は、メインテナンスされるのでは
なく、新しいものと交換されている。従って、メインテ
ナンス技術の確立による、部品コストに見合った長寿命
化が望まれている。

【０００４】メインテナンス技術の１つとして、補修技
術の開発が進められている。例えば、TIG溶接、レーザ
ー肉盛り溶接、プラズマ溶射等による、部品のメインテ
ナンス技術の開発が精力的に行われている。これらの開
発は、溶接手法などの補修技術に関するものであり、溶
接に用いる溶加材そのものに関するものはない。

【０００５】元来、ガスタービンの部品として使用され
る材料は、高温、常温での強度が高い反面、延性があま
りない難加工性材料である。例えば、加工性に優れたオ
ーステナイト系ステンレス鋼の場合には、鋳造後、鍛
造、圧延、線引きなどの塑性加工プロセスにより、容易
に線径の小さい溶接ワイヤーを、作製することが可能で
ある。しかしながら、コバルト基やニッケル基超合金の
場合には、難加工性材料のため、線径の小さい溶接ワイ
ヤーは、容易に作製できなかった。また、前記のよう
に、これらの合金は、ガスタービン専用合金として開発
されてきた経緯から、非常に特殊な合金系である。これ
らの理由から、これまで一方向凝固材や単結晶材からな
る部品を補修溶接する場合、その溶加材として用いる細
線がなかったため、次の３種の方法が試みられてきた
が、それぞれの方法に問題があった。なお、圧延板によ
り製造されている部品は、難加工性材料ではないため、
ここでは除外する。

【０００６】1つは、部品材料に使用されている合金と
は異なる、加工性のよい合金をワイヤー線材として溶加
材に用いる方法である。この方法では、母材と溶加材の
化学組成をはじめとする化学的性質や物理的性質が異な
り、部品としての不均一性が生じてしまい、問題とな
る。２つ目は、難加工性材料を鋳造し、その鋳塊より機
械加工により棒材を切り出し、これを溶加材として用い
る方法である。この方法では、母材と溶加材の化学組成
は同じとなるが、溶加材の製造コストが顕著に高くな
る。また、より健全な溶接やアークの安定性のため、内
部欠陥や介在物がなく、表面はより清浄であることが望
まれるため、その製造プロセスが複雑になってしまう。
３つ目は、部品材料と同じ合金の、アトマイズによる粉
体を溶加材として用いる方法である。例えば、プラズマ
アーク溶接が用いられるが、粉体の表面酸化、不純物、
介在物の溶着層への混入、微少ポロシティーの発生等が
危惧されるため、クリープ強度や疲労強度等の機械的特
性等に悪影響を及ぼし、健全な溶接を施工できない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる状況
に鑑みなされたものてあって、その目的はガスタービン
部品、特に一方向凝固材や単結晶材の動翼及び静翼の欠
陥部分を、健全に補修するために用いる小径の溶接ワイ
ヤを提供することにある。

【０００８】

【問題を解決するための手段】本発明は、Co基耐熱超合
金からなるワイヤであって、ワイヤ長手方向に形成され
た一方向凝固組織、または単結晶組織を有する溶接ワイ
ヤにある。

【０００９】本発明は、Ni基耐熱超合金からなるワイヤ
であって、ワイヤ長手方向に形成された一方向凝固組
織、または単結晶組織を有する溶接ワイヤにある。

【００１０】上記２つの発明の溶接ワイヤは、凝固方向
に平行な冷間または熱間加工を施すことが可能であり、
またその線径は、０．３〜５mmである。

【００１１】本発明は、例えばガスタービン動翼及び静
翼を補修溶接するための溶接ワイヤで、鋳造によりワイ
ヤ長手方向に形成された一方向凝固組織または単結晶組
織を有し、Co基またはNi基耐熱超合金からなる線材を溶
接ワイヤとして使用する、あるいはこれら線材を冷間ま
たは熱間で細径に加工してなる溶接ワイヤを使用するこ
とを特徴とする補修施工方法である。

【００１２】本発明の線材を製造するにおいて、Co基ま
たはNi基耐熱超合金を、一方向凝固または単結晶凝固さ
せる方法としては、一般的な一方向凝固法により作製さ
れる。例えば、ブリッジマン法、回転引上げ法(チョク
ラルスキー法)や鋳型引出し式一方向凝固法により、長
手方向に温度勾配を付与することにより、結晶粒がそれ
に沿って長く伸びた一方向凝固組織または単結晶組織が
得られる。より好ましくは、例えば、特許第1049146号
に記載の、加熱鋳型を用いた連続鋳造法を用いることに
より、一方向凝固組織または単結晶組織が連続的に得ら
れ、より清浄な鋳肌を有する鋳塊を作製することが可能
となる。

【００１３】一般に、ワイヤー素材の組織が、鋳造時に
おいてワイヤ長手方向に形成された一方向凝固組織であ
る場合や、鋳造時において形成された単結晶組織である
場合、鋳造方向に沿った塑性加工は比較的容易となる。
一方向凝固させた鋳塊は、鋳塊内部より凝固が開始し、
凝固が進行する長手方向に結晶粒成長するため、収縮巣
や芯割れ等の内部欠陥を生じることがない。また、ワイ
ヤー表面に、塑性加工によるクラックが導入された場
合、それを伝播するワイヤ長手方向に直角な結晶粒界が
ないため、クラックの伝播が阻止されるためである。上
記の一方向凝固組織または単結晶組織を有する線材を、
冷間または熱間加工する方法としては、圧延、スエージ
ング、線引き、引抜き等のいずれの加工方法も適用可能
である。ただし、加工硬化を緩和するための中間焼鈍
は、再結晶を引き起こすため、かえって加工性を低下さ
せてしまう可能性があるため、これを避けるためには、
中間焼鈍を再結晶温度以下の温度範囲で行うことが好ま
しい。

【００１４】また、加工後のワイヤー線径は、溶接の施
工性を考慮して、０.３〜５mmがよい。特に線径が１.２
mm以下の場合、施工能率が悪く、また、線径が２mm以上
の場合には、入熱を大きくする必要があり、基材の熱影
響が大きくなり、変形や割れ防止に注意を払う必要があ
るため、線径は、１.２〜２mmがより好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】先ず、図１により、本発明の溶接
ワイヤを作製するための鋳型加熱式連続鋳造装置を説明
する。連続鋳造装置は溶接ワイヤとなる線材に対応する
径で上下方向に延びる穴を設けた加熱鋳型４と、加熱鋳
型４上方に設置された冷却装置３を備えている。溶湯５
は、加熱鋳型４の穴に下方より連続的に供給され、加熱
鋳型４上面の穴出口を出たところで、鋳塊２方向に抜熱
され、凝固する。鋳塊２は、鋳造方向１の方向に移動
し、連続鋳造が可能となっている。凝固の際、加熱鋳型
４内の溶湯５は、周囲から加熱されているため、加熱鋳
型４内では凝固核の生成が起こらず、鋳型出口に設置さ
れた冷却装置３により、鋳塊２を通じて冷却されるた
め、一方向凝固組織または単結晶組織となる。また加熱
鋳型４に設ける穴の形状を変えることにより、得られる
鋳塊の直径や、断面形状の制御が可能となる。

【００１６】図２は、本発明の溶接ワイヤを作製するた
めに用いたもう１つの鋳造装置で、鋳型引出し式一方向
凝固装置の説明図である。この一方向凝固装置は、種結
晶１３を底に配する鋳型１０と、鋳型１０を載置する水
冷チルプレート１４と、鋳型１０の周囲を囲い上面に鋳
込み口８を設けた鋳型加熱炉９と、高周波コイル６を外
周に巻き付けた溶解るつぼ７とを備えている。この一方
向凝固装置においては、高周波コイル６により溶解るつ
ぼ７で溶解した材料を、鋳込み口８より、鋳型加熱炉９
内に設置された鋳型１０に鋳込む。溶湯１１は、水冷チ
ルプレート１４から冷却され、縦方向に温度勾配が形成
される。この状態で、鋳型１０を鋳型加熱炉９から引出
し方向１５に引出すことにより、溶湯１１は下方より順
に凝固し、鋳塊１２が得られる。凝固の際、溶湯１１は
鋳型加熱炉９により、周囲から加熱されており、さらに
水冷チルプレート１４と鋳塊１２を通じて冷却されるた
め、一方向凝固組織となる。さらに、種結晶１３を用い
ることにより、鋳塊１２は単結晶組織とすることも可能
である。

【００１７】本発明に係る溶接ワイヤは重量で、Ｃ：
０.２〜０.５％、Ｓｉ：１.５％以下、好ましくは０.３
〜１.０％、Ｍｎ：０.１〜１.５％、好ましくは０.２〜
１.０％、Ｃｒ：２０〜３５％、好ましくは２４〜３１
％、Ｎｉ：５〜１５％、好ましくは７〜１３％、Ｗ：５
〜１０％、好ましくは６〜８％、又は更にこれにＢ：
０.０００５〜０.０２０％、好ましくは０.００５〜０.
０１５％、Ｆｅ：３％以下、好ましくは０.５〜１.５％
を含有するＣｏ基合金、又はＣ：０.０５〜０.２０％、
Ｃｒ：６〜２５％、Ｃｏ：２０％以下、Ｍｏ：０.５〜
５％、Ｗ：１〜１０％、Ｔｉ：０.４〜６％、Ａｌ：１
〜７％、又は更にこれにＢ：０.００５〜０.０３０％、
Ｔａ：６％以下、Ｈｆ：１.５％以下、Ｒｅ：３％以下
及びＣｂ：０.５〜１.５％の１種以上を含むＮｉ基合金
からなるものである。

【００１８】次に、本発明の溶接ワイヤを具体的に説明
する。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１に、前記鋳造方法により作製したCo基
耐熱超合金の線材及びNi基耐熱超合金の線材の化学組成
を示す。これらの合金はガスタービンの動翼及び静翼に
用いられる材料で、合金Ｎｏ.１及び２はCo基耐熱超合
金であり、合金Ｎｏ.３〜１０はCo基耐熱超合金であ
る。前述の鋳型加熱式連続鋳造法または鋳型引出し式一
方向凝固法を用いて、上記各種合金からなり一方向凝固
組織または単結晶組織を有する直径５mm以下の棒状鋳塊
を得た。棒状鋳塊の径は５mm、３mm、１．５mmの３種類
である。これらの棒状鋳塊は、すべて、内部欠陥や介在
物がなく、表面は清浄であった。

【００２１】

【表２】

【００２２】表２に、試作した各種合金鋳塊の直径をま
とめて示す。直径５mmの鋳塊は、鋳型引出し式一方向凝
固法により作製したものであり、直径３mm及び１.５mm
の鋳塊は、鋳型加熱式連続鋳造法により作製したもので
ある。各種径の鋳塊は、そのまま、あるいはさらに細径
に加工して、溶接ワイヤとして使用する。

【００２３】図３は、合金No.１で直径１.５mmの鋳塊の
横断面及び縦断面における金属組織を示す顕微鏡写真で
ある。この鋳塊では鋳造方向１６に平行に、非常に微細
なデンドライトが成長している。他の合金に関しても、
同様に微細なデンドライトが成長方向に平行に形成され
た一方向凝固材または一部単結晶であった。また、鋳塊
表面は、金属光沢を呈し、また表面欠陥は発生しなかっ
た。

【００２４】また、図４は、合金１で直径１.５mmの鋳
塊を、中間焼鈍することなく、冷間にて直径０.９７mm
まで線引きした溶接ワイヤの横断面及び縦断面における
金属組織を示す顕微鏡写真である。この溶接ワイヤでは
線引き方向１７に平行にデンドライトが伸びている。

【００２５】以下、各種溶接ワイヤを用いて実施した溶
接例を説明する。図５に、Ni基合金 Rene80（General E
lectric社開発）相当の一方向凝固材の端部に、この一
方向凝固材と同種の合金No.７で直径１．５mmの鋳造ワ
イヤを溶接ワイヤとして用い、TIGアーク溶接により肉
盛り溶接した溶接部の顕微鏡写真を示す。この溶接部の
断面は、アーク進行方向に交差する断面である。

【００２６】TIG溶接条件は、溶接電流：４０A、溶接電
圧：８．３V、溶接速度：５０mm/minとした。本発明の
ワイヤを溶加材として用いることにより、安定したアー
クが得られた。また肉盛り部２０の組織は、Rene80基材
の直上では、Rene80の凝固方向１８に平行にデンドライ
トが成長した。また表層ではデンドライトがアーク進行
方向に平行に成長した。このように見かけ上は肉盛り部
２０のデンドライト組織は、Rene80基材１９の直上部と
表層部で角度が９０°ずれているが、肉盛り部２０全体
の結晶方位は同方向で、かつRene80基材１９の結晶方位
と同方位である。

【００２７】図６には、Ni基合金YH-61（日立製作所開
発）相当の単結晶材の端部に、単結晶材と同種の合金N
o.８で直径１.５ｍｍの鋳造ワイヤを溶加ワイヤとして
用い、TIGアーク溶接により４パス多層盛りした溶接部
の顕微鏡写真を示す。この溶接部の断面は、アーク進行
方向に平行な断面である。TIG溶接条件は、溶接電流：
４０Ａ、溶接電圧：８．３Ｖ、溶接速度：５０mm/minと
した。本発明のワイヤを溶加材に用いることにより、安
定したアークが得られた。溶接部の組織は、１層目から
４層目まではYH-61基材２１の＜100＞方向に平行にデン
ドライトが成長した。また４層目の表層ではデンドライ
トがアークの進行方向に平行に成長した。このように見
かけ上は肉盛り部２２のデンドライト組織は、YH-61基
材２１の直上部と表層部で角度が９０°ずれているが、
肉盛り部２２全体の結晶方位は同方向で、かつYH-61基
材２１の結晶方位と同方位である。

【００２８】図７に、Ni基合金YH-61相当の単結晶材の
端部に、単結晶材と同種の合金No.７で直径１．５mmの
一方向性凝固の鋳造ワイヤを０．８mmまで線引きしたワ
イヤを溶加ワイヤとして、TIGアーク溶接により４パス
多層盛りした溶接部の顕微鏡写真を示す。この溶接部の
断面は、アーク進行方向に交差する断面である。

【００２９】溶接条件は、溶接電流：４０Ａ、溶接電
圧：８.３Ｖ、溶接速度：５０mm/minとした。本発明の
ワイヤを溶加材に用いることにより、安定したアークが
得られた。肉盛り部２４の組織は、１層目から４層目ま
ではYH-61基材２３の＜100＞方向に平行にデンドライト
が成長した。また４層目のデンドライトがアークの進行
方向に平行に成長した。このように見かけ上は肉盛り分
２４のデンドライト組織は、YH-61基材２３の直上部と
表層部で角度が９０°ずれているが、肉盛り部２４全体
の結晶方位は同方向で、かつYH-61基材２３の結晶方位
と同方位である。

【００３０】図８は、Ni基合金YH-61相当の単結晶動翼
の精密鋳造時にできる中子支持孔を、表１に示す合金N
o.８で直径１.５mmの鋳造ワイヤを溶加ワイヤとして、
封止溶接した溶接部の顕微鏡写真を示す。この溶接部の
断面は、アーク進行方向に交差する断面である。基材２
５、封止部２６ともに割れや変形は観察されず、優れた
溶接性を示した。

【００３１】以上説明したように、本発明の溶接ワイヤ
により、Co基やNi基耐熱超合金のごとき、これまで作製
が比較的困難であった難加工性材料に関し、良質の細線
を単純プロセスで安価に提供することが可能となり、従
来よりも製造コストが多大な一方向凝固材や単結晶材な
どで構成されるガスタービン動翼または静翼の、補修用
溶接ワイヤとして用いることにより、これらの部品の長
寿命化やトータルコストの低減を図り、工業上顕著な効
果を奏するものである。

【００３２】なお、上記の各溶接例では、本発明の溶接
ワイヤを一方向凝固または単結晶の基材に適用した例を
示したが、本発明の溶接ワイヤは従来の多結晶材からな
るガスタービン動翼及び静翼の補修にも勿論有用であ
る。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、溶接ワイヤを、Co基や
Ni基耐熱超合金からなり、ワイヤ長手方向に一方向性凝
固組織、または単結晶組織を有するものとしたので、内
部欠陥がない良質のものが得られ、また難加工性のCo基
やNi基耐熱超合金を容易に細線加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接ワイヤを作製する鋳型加熱式連続
鋳造装置を説明する図。

【図２】本発明の溶接ワイヤを作製する鋳型引出し式一
方向凝固装置の説明図。

【図３】本発明の溶接ワイヤとなる合金Ｎｏ．１の鋳塊
の金属組織を示す顕微鏡写真。

【図４】本発明の溶接ワイヤとして、合金Ｎｏ．１の鋳
塊を冷間線引きした線材の金属組織を示す顕微鏡写真。

【図５】本発明の溶接ワイヤ、合金Ｎｏ.７の鋳造ワイ
ヤによる肉盛り溶接部の金属組織を示す顕微鏡写真。

【図６】本発明の溶接ワイヤ、合金Ｎｏ.８の鋳造ワイ
ヤによる４パス多層盛り溶接部の金属組織を示す顕微鏡
写真。

【図７】本発明の溶接ワイヤ、合金Ｎｏ.７の冷間加工
ワイヤによる４パス多層盛り溶接部の金属組織を示す顕
微鏡写真。

【図８】本発明の溶接ワイヤ、合金Ｎｏ.８の鋳造ワイ
ヤによる封止溶接部の金属組織を示す顕微鏡写真。

【符号の説明】

２…鋳塊３…冷却装置４…加熱鋳型５…溶湯６…高周波コイル７…溶解るつぼ９…鋳型加熱炉１０…鋳型１１…溶湯１２…鋳塊１３…種結晶１４…水冷チルプレート１８…母材のRene80の凝固方向１９…Rene80母材２０…合金No.７を肉盛りした部分２１…YH-61母材２２…合金No.８を4層肉盛りした部分２３…YH-61母材２４…合金No.７を４層肉盛りした部分２５…YH-61母材２６…合金No.８を用いて封止溶接した部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｃ２２Ｃ 19/07 Ｃ２２Ｃ 19/07 Ｇ (72)発明者近藤保夫茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 3G002 BA06 BB00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 Co基耐熱超合金からなるワイヤであっ
て、ワイヤ長手方向に形成された一方向性凝固組織、ま
たは単結晶組織を有することを特徴とする溶接ワイヤ。
【請求項２】 Ni基耐熱超合金からなるワイヤであっ
て、ワイヤ長手方向に形成された一方向性凝固組織、ま
たは単結晶組織を有することを特徴とする溶接ワイヤ。
【請求項３】 Co基耐熱超合金からなるワイヤであっ
て、ワイヤ長手方向に形成された一方向性凝固組織また
は単結晶組織を有する線材を、冷間又は熱間加工して細
径にしてなることを特徴とする溶接ワイヤ。
【請求項４】 Ni基耐熱超合金からなるワイヤであっ
て、ワイヤ長手方向に形成された一方向性凝固組織また
は単結晶組織を有する線材を、冷間又は熱間加工して細
径にしてなることを特徴とする溶接ワイヤ。
【請求項５】ワイヤ径が０．３mm以上、５mm以下であ
ることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の
溶接ワイヤ。
【請求項６】ワイヤ径が１．２mm以上、２．０mm以下
であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記
載の溶接ワイヤ。
【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載の溶接
ワイヤを溶加材として用い、ガスタービン動翼または静
翼の損傷部を補修溶接する補修施工方法。