JP2000501657A - 金属構造部品特にタービン翼のクラック除去方法並びにタービン翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、金属構造部品（１）特にガスタービンの静翼（１０）に入っているクラック（２）を除去する方法に関する。この構造部品（１）にクラック（２）を取り除く溝（３）が加工され、この溝（３）の中にその形に合わされた少なくとも一つの充填体（４）が挿入され、構造部品（１）に固く結合される。溝（３）が好適には一つあるいは複数の真っ直ぐな溝部分（５）から形成され、その中に構造部品（１）に冶金学的に相応した棒状の充填体（４）が挿入される。本発明は更に、充填体（４）で充填された溝（３）を有するタービン翼（１０）特にガスタービンの静翼に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 金属構造部品特にタービン翼のクラック除去方法 並びにタービン翼 本発明は、金属構造部品特にタービン翼のクラック除去方法、並びに構造部品 特にガスまたは蒸気タービンのタービン翼または圧縮機翼に関する。 長期間にわたって熱機械的並びに力学的荷重（熱応力）を受けた金属構造部品 はその荷重のために特に表面に亀裂が生ずることがある。そのような亀裂によっ て生ずるクラック（割れ）はその成長を止めない場合に構造部品を損傷してしま う危険をはらんでいる。 ドイツ特許第２８１０５９８Ｂ２号明細書には、ニッケル基の超合金から成る 物品の表面における細長いクラックを修理する方法が記載されている。そのクラ ックは開口表面において約０．００２５ｍｍ〜約２．５ｍｍの大きさを有してい る。この方法の場合、アルミニウムあるいはチタンから成る錯体酸化物をその表 面に有する物品は、１０９５°Ｃ以下の温度でガス状の活性フッ化物イオンにさ らされる。そして物品のクラックを取り囲む表面上に並びにクラックの中に、真 空状態で融解されている粉末状の修理用合金が入れられる。ニッケル基の超合金 としては例えば米国特許第３６１５３７６号明細書に記載されているレーネ８０ が、修理用合金としては米国特許第３７５９６９２号明細書に記載されている合 金Ｄ−１５（組成：１６重量％Ｃｒ、１０重量％Ｃｏ、３重量％Ａｌ、３重量％ Ｔａ、２．５重量％Ｂ、残りニッケル）が使用される。タービン翼におけるクラ ックの複雑な幾何学形状により、この方法では、クラックを完全に塞ぐことがで きず、更に特に大きな応力集中を生じ新たなクラックの発生開始点となるクラッ ク先端が残ってしまうという恐れがある。 ドイツ特許第４４１０６８０Ｃ１号明細書には、高温ガス防食層を備えたガス タービン翼のような高温ガスに曝された原動機部品の部品表面にある欠陥個所を 修理する方法が記載されている。この場合、高温ガス防食層および 場合によってはその直ぐ下にある母材に、浅くて大きな円弧半径をした球状の窪 みが加工される。この窪みの中に、それにぴったり合わされた高温ガス防食層の 材料から成る球状体が挿入され、原動機部品に接合される。この方法は、高温ガ ス防食層における欠陥を取り除けるとともに、高温ガス防食層の直ぐ周りにおけ る母材にある巣を除去することもできる。 ヨーロッパ特許出願公開第０４９１１８９Ａ１号明細書に、ニッケル基・超合 金のような鋳造し難い耐熱合金から成る大形鋳造構造部品の製造方法が記載され ている。そのような合金は、鋳造する際に表面にあるいは表面の直ぐ下に非常に 頻繁に重大な欠陥が生じてしまうので、難鋳造合金と呼ばれている。ヨーロッパ 特許出願公開第０４９１１８９Ａ１号明細書によれば、大形の鋳造物にそのよう な欠陥が確認され、除去されることが記載されている。その場合に生ずる窪みの 中に、特に耐熱合金とほぼ同じ組成をした融解材料が入れられる。これによって 得られた融接によって窪みは完全に塞がれる。窪みの中に入れられた材料におけ る欠陥も同様に除去される。 本発明の課題は、金属構造部品におけるクラックを除去する方法を提供するこ とにある。 クラックが入っている金属構造部品においてクラックを取り除く方法に向けら れたこの課題は、構造部品にクラックを取り除く少なくとも一つの細長い溝部分 を有する溝が加工され、この溝の中にその形に合わされた少なくとも一つの充填 体が挿入され、構造部品に固く結合されることによって解決される。 本発明によれば、金属構造部品におけるクラックは表面至近範囲だけが僅かな 充填度で塞がれるのではなく、クラックの完全な取除およびクラックを取り除く 溝の完全な再充填が保証される。従ってクラックが成長する危険は避けられる。 これによって金属構造部品特にタービンあるいは圧縮機翼を熱機械的並びに力学 的荷重のもとでも再び使用することができる。更に充填体が溝に合わされた形状 をしていることにより、例えば溝および充填体の表面が互いに平滑に隣接してい ることによって、高い充填度が得られる。この方法を実施する際に、公知の方法 においてアルミニウムあるいはチタンを有す る錯体酸化物を除去するために必要であったフッ化物によるクラックの経費のか かる洗浄作業も不要となる。溝は望ましくない応力集中を生じてしまうような縁 および角が生じないように特に連続して単調に湾曲される。この本発明の方法は 更に、構造部品特にタービン翼の薄肉の出口縁を貫通するクラックを取り除くた めにも適用している。 クラックの終端いわゆるクラック先端は好適には、クラック先端における応力 集中の解消を完全に保証する半径で完全に取り除かれる。そのために溝はクラッ ク先端を包含する終端範囲で広げられ、特に殻状に形成される。更に溝を複数の 溝部分から形成する際、各溝部分は広げられた終端範囲を有する。これによって 溝形状に合わされた充填体は確実に抜け止めされる。荷重がかかることにより新 たにクラックが発生した場合、終端範囲が広がっている充填体が存在しているこ とによって、クラックの成長は補助的に難しくされる。新たなクラックは荷重方 向に対して垂直に位置する平面から強制的に外されるので、クラックの成長は遅 らされる。 好適には溝を完全に充填することができるように、充填体は構造部品にろうに よって結合される。このろうは構造部品に冶金学的に類似し、特に構造部品と殆 ど同じにすると有利である。これによって充填体と構造部品との熱機械的に特に 安定した結合が保証され、またそのように修理された構造部品の熱機械的特性が ほとんど変わらないままにされる。 この特性は、構造部品に冶金学的に類似し特に冶金学的に同じである充填体を 使用することによってもほとんど影響されない。従ってこの構造部品は新しい構 造部品にほぼ匹敵する。修理された構造部品には熱的な再処理および再加工、特 に被覆が施される。本発明に基づく方法で修理された構造部品は所定の熱機械的 特性を有するので、準新品の構造部品として使用することができる。 好適には溝は一つの真っ直ぐな溝部分から形成されるか、特に曲がったクラッ クを取り除くために少なくとも二つの真っ直ぐな溝部分から多角形に形成される 。一つの真っ直ぐな溝部分あるいは多角形に互いに接続されている複数の溝部分 から成る溝は特に簡単に加工でき、クラックの形に容易に合わ せることができる。そのような真っ直ぐなあるいは多角形の溝を加工するために 、例えばフライス盤および浸食加工装置が適している。 充填体は好適には棒状に形成され、これによって特に真っ直ぐに延びる溝ある いは真っ直ぐに延びる溝部分を充填するために適している。このような充填体は 例えば鋳造によって簡単に製造できる。棒状の充填体は更に構造部品の材料から も簡単に製造できる。 溝は好適には構造部品に電極で浸食加工される。電極材料として特に銅が適し ている。この電極は２ｍｍ〜１０ｍｍ、特に５ｍｍの太さをした細長い棒として 形成されている。溝の中において充填体と構造部品との間にほんの僅かな間隙幅 しか残らないように、棒状充填体は好適には電極と同じ太さを有する。その間隙 幅は相応したろうによって完全に塞がれる。従って構造部品にはその機械的特性 を阻害するような望ましくない中空空間は残存しない。 充填体は好適には構造部品の表面に合わせて特に平滑に研磨される。これによ って構造部品への保護層の被覆が容易に実施され、その場合構造部品、ろうおよ び充填体が冶金学的に類似していることによって、被覆層の良好ば一様な接着が 可能となる。 本発明の方法は特に例えばガスタービンまたは蒸気タービンの圧縮機またはタ ービン翼に適している。タービン翼、特に高温ガスの入口縁並びに出口縁を有す るガスタービンの静翼において、クラックは主に高温ガスの入口縁に比べて薄い 肉厚を有し大きな熱機械的および力学的荷重を受ける出口縁の範囲に生ずる。本 発明の方法によれば、そのようなしばしば入口縁から出口縁に延びるクラックが 完全に取り除かれ、ガスタービン翼は腐食および熱的荷重に対して保護する一様 な保護層で被覆させられる。クラックは特に出口縁の範囲においてタービン翼を 貫通して延びることがあるので、本発明によって局部的に出口縁が新しくされる 。 この場合ガスタービンの静翼はニッケル基の耐熱合金から成る母材を有する。 適当なニッケル基の耐熱合金は例えば合金Ｉｎ７３８ＬＣ、Ｕｄｉｍｅｄ５００ 、Ｉｎ９３９並びに同種の合金である。合金Ｉｎ７３８ＬＣの組成は０．１重量 ％Ｃ、１６．０重量％Ｃｒ、８．５重量％Ｃｏ、１．７５重量 ％Ｍｏ、２．６重量％Ｗ、０．９重量％Ｎｂ、３．４重量％Ｔｉ、３．４重量％ Ａｌ、１．７５重量％Ｔａ、残りニッケルである。合金Ｕｄｉｍｅｄ５００の組 成は０．０８重量％Ｃ、１９．０重量％Ｃｒ、１８．０重量％Ｃｏ、４．０重量 ％Ｍｏ、２．９重量％Ｔｉ、２．９重量％Ａｌ、最大４．０重量％Ｆｅ、０．０ ６重量％Ｂ、０．０５重量％Ｚｒ、残りニッケルである。合金Ｉｎ９３９の組成 は２２．５重量％Ｃｒ、１９．０重量％Ｃｏ、２．０重量％Ｗ、１．０重量％Ｎ ｉ、３．７重量％Ｔｉ、１．９重量％Ａｌ、１．４重量％Ｔａ、残りニッケルで ある。 保護層としては好適には総称ＭＣｒＡｌＹと呼ばれている合金が適している。 この合金の組成は１５〜３５重量％クロム、７〜１８重量％アルミニウム、１〜 ２０重量％レニウム、０．３〜２重量％イットリウムおよび／又はスカンジウム を含む群の等価金属、および希土類元素並びに残りがコバルトおよび／又はニッ ケルである。補助的にケイ素、ハフニウム、タンタル、ジルコニウム、タングス テン、マンガン、ニオブのような元素を数重量％含むことができる。そのような 保護層は構造部品並びに充填体上に高い接着度を有し、特に熱噴射あるいは「物 理蒸着法（ＰＶＤ）」によって設けられる。 本体に固く結合されこれと冶金学的に類似してる充填体で塞がれている溝を有 するタービン翼は、一体的に本体から製造されたタービン翼とほとんど同じ熱機 械的特性を有する。充填体は好適には本体と冶金学的に類似したろうで本体にろ う付けされる。本体は充填体と好適には滑らかな表面を形成し、この表面上に保 護層が大きな荷重のもとでも確実に接着する。 以下図面に示した実施例を参照してガスタービン設備の静翼とそのクラック除 去方法を詳細に説明する。 図１はタービン翼および溝を浸食加工するための装置の概略斜視図、 図２は二つの溝が加工されたタービン翼の部分平面図、 図３および図４はそれぞれタービン翼の異なった部分の断面図である。 図１、図２、図３、図４において同一部分には同一符号が付されている。 図１には主軸１３に沿って延びるガスタービン（図示せず）の静翼１０が斜視 図で示されている。この静翼１０は転向すべき高温ガスに対する丸みを 付けられた入口縁１４と、主軸１３に関して入口縁１４と反対側に位置する厚み の薄い出口縁１５とを有している。出口縁１５の範囲に例えば二つのクラック２ が概略的に実寸とは異なって示されている。これらのクラックは静翼１０の表面 ９において主軸１３に対して垂直な平面内を延び、約１０ｍｍ〜５０ｍｍ、特に ２０ｍｍの長さを有することがある。クラック２は場合によっては出口縁１５の 範囲において静翼１０を完全に貫通していることもある（図４参照）。図１には 更に静翼１０に所定の深さおよび幅をした溝３を浸食加工する装置１２が概略的 に実寸とは異なって示されている。この装置１２は電圧源１７のほかに約５ｍｍ の太さｄの電極６を有している。この電極６によって静翼１０にクラック２を取 り除く溝３が浸食加工される。この溝３は少なくとも一つの細長い特に真っ直ぐ な溝部分５を有している。 図２にはより具体的に説明するために、構造部品１、特にガスタービンの静翼 １０における異なった形状をした例えば二つの溝３ａ、３ｂが示されている。明 瞭にするためにそれぞれの溝３ａ、３ｂによって取り除かれる構造部品１のクラ ック２ａ、２ｂがそれぞれ概略的に示されている。溝３ｂはその構造部品１内を 真っ直ぐに延び、その終端範囲８は平面的に見て円形の輪郭をしている。終端範 囲８が円形の輪郭をしていることによって、クラック２ｂの終端１８は溝３ｂの ほぼ半円形の範囲によって完全に取り除かれる。これは特に、クラック２ｂの終 端１８には弾性範囲内でクラック２ｂの終端１８からの距離Ｒの３乗に逆比例し て増大して静翼１０を更に損傷するおそれのある特異なクラック応力が存在する ので、有利である。概略的に示されたクラック２ａはそれぞれ異なった方向に延 び終端範囲８が広げられた二つの真っ直ぐな溝部分５によって取り除かれている 。真っ直ぐな溝部分５を使用することによって、多角形の溝３ａが生じ、その溝 部分５がそれぞれ棒状の充填体４で簡単に閉鎖できるという利点が得られる。真 っ直ぐな溝部分５並びに挿入すべき充填体４はそれぞれ約１０ｍｍ〜２０ｍｍの 長さを有する。各溝部分５の中に入れられた充填体４はその広げられた終端範囲 ８によって抜け止めされる。更に多角形の溝３ａは溝３を加工する適当な装置に よって、例えば数値制御式フライス盤あるいは浸食加工装置１２によって簡単に 加工 できる。このことは同様に、溝５を充填する単純な即ち真っ直ぐな形状を有し鋳 物でよい充填体４にも当てはまる。 図３にはガスタービンの静翼１０の溝３が断面図で示されている。この溝３は 静翼１０の本体１１に加工されている。これは充填体４で充填され、この充填体 ４は溝３とほぼ同じ断面形状を有し、本体１１と同じ材料から成っている。充填 体４および本体１１はろう７によって固く結合されている。充填体４と本体１１ とを熱機械的に大きな荷重可能に永続的に結合できるように、ろう７は本体１１ の材料と冶金学的に類似している。充填体４および本体１１は静翼１０の一様な 表面９を形成する。この表面９上に特に静翼１０を熱および腐食から保護するた めの作用をする保護層１６が設けられている。図３と同様に図４には、静翼１０ をその薄肉の出口縁１５の範囲において貫通し、充填体４で再び完全に塞がれて いる溝３が示されている。充填体４の両側でそれぞれの表面９、９ａにそれぞれ 保護層１６が被覆されている。 本発明は、クラックが表面近くの範囲だけ塞がれるのではなく、クラックが溝 によって完全に取り除かれるような金属構造部品、特にガスタービンの静翼のよ うなタービン翼におけるクラックの除去方法によって特徴づけられる。この方法 は構造部品を、特にタービン翼の薄肉の出口縁の範囲において完全に貫通してい るクラックにおいても適用できる。溝は好適には一つの溝部分から成っているか 、あるいはそれぞれ終端範囲が広げられ互いに接合されている複数の真っ直ぐな 多角形の溝部分から成っており、一つあるいは複数の棒状充填体によって塞がれ ている。各充填体は好適には構造部品と冶金学的に同じであり、構造部品と冶金 学的に類似したろうでこれに固く永続的に熱機械的に荷重可能に結合される。ク ラックが完全に取り除かれることおよびそのために加工された溝が冶金学的に同 じか類似した材料で再び塞がれることによって、クラックが成長する危険並びに クラック応力が増大する恐れが確実に防止される。構造部品特にガスタービンの 静翼は好適には腐食および／又は酸化および高温作用に対する保護層で被覆され る。構造部品、充填体およびろうが冶金学的に類似していることによって、保護 層の接着および耐久性に関する問題も生じない。従って本発明の方法によれば、 ガスター ビンあるいは蒸気タービンのクラックが入った静翼あるいは動翼を熱機械的特性 を維持した状態で容易に修理することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．クラック（２）が入っている金属構造部品（１）におけるクラックの除去方 法において、構造部品（１）にクラック（２）を取り除く少なくとも一つの細長 い溝部分（５）を有する溝（３）が加工され、この溝（３）の中にその形に合わ された少なくとも一つの充填体（４）が挿入され、構造部品（１）に固く結合さ れる金属構造部品におけるクラック除去方法。 ２．細長い溝部分（５）の終端範囲（８）が広げられ特に殻状に形成される請求 項１記載の方法。 ３．充填体（４）が構造部品（１）にろう（７）によって結合されることを特徴 とする請求項１又は２記載の方法。 ４．ろう（７）が構造部品（１）に冶金学的に類似している請求項３記載の方法 。 ５．充填体（４）が構造部品（１）に冶金学的に類似し特に同じである請求項１ ないし４のいずれか１つに記載の方法。 ６．溝（３）が特に曲がったクラック（２）を取り除くために少なくとも二つの 細長い溝部分（５）から多角形に加工される請求項１ないし５のいずれか１つに 記載の方法。 ７．特に広げられた終端範囲（８）を備えた棒状の充填体（４）が使用される請 求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。 ８．溝（３）が構造部品（１）に電極（６）で浸食加工される請求項１ないし７ のいずれか１つに記載の方法。 ９．棒状に形成された電極（６）が２ｍｍ〜１０ｍｍ、特に５ｍｍの太さ（ｄ） を有している請求項７記載の方法。 １０．充填体（４）が構造部品（１）の表面（９）に合わせて特に平滑に研磨さ れる請求項１ないし９のいずれか１つに記載の方法。 １１．タービン翼（１０）、特にガスタービンの静翼（１０）に適用される請求 項１ないし１０のいずれか１つに記載の方法。 １２．本体（１１）に細長い溝（３）が加工され、この溝（３）が充填体（４） で充填され、この充填体が本体（１１）に固く結合され、本体に冶金学的に類似 している構造部品（１）、特にガスタービンのタービン翼（１０）。 １３．充填体（４）が本体（１１）にろう（７）によって結合され、このろうが 本体（１１）に冶金学的に類似している請求項１２記載の構造部品（１）。 １４．本体（１１）が充填体（４）と共に表面（９）を形成し、この表面が保護 層（１６）で被覆されている請求項１２又は１３記載の構造部品（１）。 １５．細長い充填体（４）が終端範囲（８）を広げられている請求項１２ないし １４のいずれか１つに記載の構造部品（１）。 １６．出口縁（１５）を有し、この出口縁（１５）の周辺に充填体（４）が配置 されているタービン翼あるいは圧縮機翼（１０）である請求項１２ないし１５の いずれか１つに記載の構造部品（１）。