JP2001115857A - 物品表面の凹みの修復 - Google Patents

物品表面の凹みの修復

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Abstract

(57)【要約】 【課題】物品表面（１２）の凹み（１０）の修復方法。 【解決手段】本発明の方法では、第一と第二の金属粉末
（１８、２２）を準備する。第一の粉末（１８）は第一
の融解温度をもっており、第二の粉末（２２）は第一の
融解温度より低い第二の融解温度をもっている。第一の
粉末（１８）を凹み（１０）中に配置して実質的にその
凹み（１０）を少なくとも物品表面（１２）まで充填す
る。第一の粉末（１８）を覆って、第二の粉末（２２）
を、この第二の粉末（２２）が融解し凹み中に流入した
後に少なくとも物品表面（１２）までその凹み（１０）
を充填する量で配置する。これら粉末（１８、２２）
を、第二の粉末（２２）が融解し、第二の粉末（２２）
が第一の粉末（１８）の回りを凹み（１０）中に流入
し、かつ第二の粉末（２２）が凹み表面（１６）に接合
するのに充分な時間、第二の融解温度以上で第一の融解
温度より低い処理温度に加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物品表面の凹みの
修復に係る。特に本発明は、動力発生装置、例えばガス
タービンエンジンの運転中に生成した凹みの修復に係
る。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンのような動力発生
装置の運転中、ガス流内の部品、特に高温作動部分の部
品は苛酷な作動条件を受ける。そのような条件には、酸
化及び腐食材料及びガスの組合せ、侵食性浮遊粒子並び
にエンジンの回転の結果生ずる機械的作用が含まれる。
その結果として部品の表面に１つ以上の凹みが観察され
ている。本明細書で凹みというときには、一般にガスタ
ービンエンジン部品の修復に従事する者によって観察さ
れる基体中又は基体を貫通する亀裂、割れ目、表面侵
食、へこみ、くぼみ、剥離、穴などを包含する。
【０００３】凹みを修復する現在の方法では凹みを覆っ
て修復材料を適用してその凹みを充填し修復する。例え
ば、溶接ワイヤ、結合材と混合した金属粉末、及び金属
のテープとシムを適用・加熱することによって、凹みか
ら失われた物質を提供する。このような目的に使われる
金属粉末には金属の合金及び金属又は合金粉末の混合物
が包含され、これらのうちのいくつかはホッピン(Hoppi
n)らの米国特許第３，７００，４２７号（１９７２年１
０月２４日発行）、ゼラーイ(Zelahy)の米国特許第３，
７５９，６９２号（１９７３年９月１８日発行）、グリ
シック(Grisik)の米国特許第４，００４，０４７号（１
９７７年１月１８日発行）、フェリグノ(Ferrigno)らの
米国特許第４，８３０，０４７号（１９８９年５月１６
日発行）及びツーガン(Dzugan)らの米国特許第５，０７
１，０５４号（１９９１年１２月１０日発行）などの米
国特許に記載されている。
【０００４】このような材料を用いての修復の成功の鍵
はその修復材料が凹みをどの程度充填するかに係ってい
る。現在用いられている形態の結合材を含む粉末スラリ
ーは分離して最終構造物中にボイドが残るのが観察され
ている。不適切な充填の結果機械的性質や完全性の低下
した多孔質の物品部分が生成し得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はひとつの態様に
おいて物品表面の凹みを修復する方法を提供する。本発
明の方法では、異なる融解温度をもつ第一と第二の金属
粉末を準備する。第二の粉末は第一の粉末より低い融解
温度をもっている。第一の粉末を凹み中に配置してその
凹みを実質的に充填する。第一の粉末を覆って、第二の
粉末を、この第二の粉末が融解し凹み中に流入した後に
少なくとも物品表面までその凹みを充填する量で配置す
る。次に、これら粉末を、第二の粉末が融解し、その融
解した第二の粉末が第一の粉末の回りを流動し、かつ第
二の粉末が凹みの表面に接合するのに充分な時間、第二
の粉末の融解温度以上で第一の粉末の融解温度より低い
処理温度に加熱する。その後凹み中の材料を冷却すると
その凹み中に修復材料が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明は、特に、高温作動ガスタ
ービンエンジン部品の典型であるガスタービンベーン
の、主として亀裂及び／又は侵食からなる凹みの修復に
関して評価した。本発明を用いることができるそのよう
な部品には、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又はこれらの組合せを主
材とする高温超合金製のタービンブレード及びベーン、
シュラウド、並びにタービン部品支持構造体が包含され
る。また、そのような部品の壁を貫通する冷却用開口の
修復、交換及び／又は再配置に関しても評価した。本発
明は、このようなエンジンのタービン部品の翼部分では
苛酷な作動条件に暴露されることが多いので、そのよう
な部分の修復に特に重要である。
【０００８】本発明の方法では、定義した金属粉末の組
合せと順番によって、凹み内で、処理温度より高い融解
温度を有する高温融解性金属粉末の中及びその回りに低
温融解性金属粉末の流れ又はウィッキングが生じる。そ
の結果、修復される物品を完全にするように凹みが充填
されて実質的に非多孔質の修復が行われる。
【０００９】図面の具体例を参照すると本発明がよりよ
く理解できる。ひとつの具体例が図１〜６の一連の概略
的断片断面図に示されている。この具体例では凹みは金
属物品１４の物品表面１２、例えばガスタービンエンジ
ン翼の壁にある亀裂の形態で１０として示されている。
凹み１０は、この凹み又は亀裂の内壁を定める凹み表面
１６を含んでいる。
【００１０】この具体例における凹み１０の修復では、
第一の融解温度を有する第一の金属粉末１８を準備し、
図２に示されているように凹み中に第一の粉末を配置し
た。第一の粉末による凹みの実質的に完全な充填を確実
にするために、この評価では図３に矢印２０で示されて
いるように外圧又は力を使用した。この例では、通常の
綿製スワブを用いて第一の粉末に圧力をかけて粉末を凹
み中に押し込んだ。凹みを第一の粉末で充填するのに必
要であれば適当な量の圧力をかけることができる。
【００１１】第二の金属粉末２２を、金属ろう付けに通
常用いるタイプで加熱の際に実質的に残渣を生ずること
なく分解する液体結合材２４と混合した。これにより第
二の粉末混合物が得られる。図４に示されているよう
に、第二の金属粉末２２と結合材２４の第二の粉末混合
物で第一の粉末１８を覆った。便宜上、その後の第二の
粉末の加熱と融解の間に第二の粉末２２が物品表面１２
上に過剰に流れ出さないように凹み１０の回りに通常の
市販ろう付け防止材２６を配置した。
【００１２】図４に示した材料の全体を、少なくとも第
二の粉末２２の融解温度以上であって第一の粉末１８の
融解温度及び物品１４の融解温度より低い処理温度に加
熱した。加熱は、第二の粉末２２を融解させ、凹み中
に、また第一の粉末１８の回りに流れさせるのに充分な
時間実施した。これにより、ひとつの態様では、図５に
示す修復材料２８が、第一の粉末１８の回りに融解した
第二の粉末２２のマトリックスとして得られ、このマト
リックスは凹み１０の凹み表面１６に結合していた。処
理温度は第一の粉末１８の融解温度より低かったが、第
一と第二の粉末間である程度の拡散が起こり得、特に第
二の粉末の大きさが小さい場合には拡散が起こり得る。
そのような拡散が起こったとき、修復材料２８は少なく
とも第一と第二の粉末の拡散生成物を含む別の形態にな
る。
【００１３】凹み１０の回りの物品表面１２上にある過
剰の材料２８は、図６に示されているように、例えば機
械的摩耗により、除去した。本発明のこの態様の実施に
より、実質的に内部のボイドを生ずることなく、かつ修
復された物品の機械的・構造的完全性を保ったまま、凹
みが修復された。
【００１４】本発明の別の評価を、添付図面の一連の図
７〜１２に示す具体例で表す。この例では、空気冷却さ
れたタービン翼の外壁３０が壁３０を貫通する空気冷却
用開口すなわち穴３２を含んでいた。タービンブレード
翼のようなガスタービンエンジン部材の空気冷却された
壁のひとつの例がリー(Lee)らの米国特許第５，４５
８，４６１号（１９９５年１０月１７日発行）に示され
ている。例えば、開口の損傷のため、開口の位置を変え
る冷却パターンの設計変更のため、又はこれら双方のた
め、このような開口の修復が必要になることがある。
【００１５】本発明のこの具体例の実施は一連の図２〜
６に示したものと同様であるが、処理する物品に応じて
適宜修正又は強化する。例えば、図示したように開口３
２は壁３０を貫通して延びているので、第一の金属粉末
１８を結合材２４に関連して前記したような液体結合材
と混合して図８に示したような第一の粉末混合物３４と
して第一の粉末１８を開口３２内部に保持した。しか
し、図３に２０で示したような圧力をかけると、図８で
壁３０の内面３８上に３６として一般的に示したように
第一の粉末混合物３４が開口３２から押し出された。こ
のような過剰の第一混合物は、例えば綿スワブで拭き取
るなどして除去して図９に示した状態にした。
【００１６】すでに図４に関連して記載したように、第
一の混合物３４を覆って、第二の金属粉末２２と結合材
２４の第二の粉末混合物４０を載せた（図１０）。図５
と６に関連して記載したようにして全体を処理温度に加
熱し、冷却し、過剰の材料を除いて図１１に示されてい
るように開口３２内部に修復材料２８を結合させた。代
わりの空気冷却用開口を作るために、ひとつの例では、
修復された開口３２の領域を、ガスタービンエンジン製
造分野で通常用いられている放電加工による材料除去又
はレーザー掘削などで穴を開けることによって再生し
た。別の例では、修復された開口３２に隣接して代わり
の開口４２を前記のごとく掘削して空気冷却用開口の位
置を変更した。
【００１７】特定の一連の例において、ガスタービンエ
ンジンのタービンベーン翼の表面に亀裂があることが観
察された。このベーンは、融解温度が約２３００°Ｆよ
り高いＸ−４０合金として市販されている高温Ｃｏ基超
合金製であった。これらの例で用いた第一の金属粉末
は、やはり融解温度が約２３００°Ｆより高いルネ(Ren
e)Ｎ４合金といわれることがある高温Ｎｉ基超合金の粉
末であった。これらの例で用いた第二の金属粉末は、前
記米国特許第４，８３０，０４７号に記載されておりＳ
Ａ６５０合金といわれることもある一般的なタイプの複
数の異なる低融解合金の混合物であった。用いた結合材
は、一般にろう付けで用いられているニクロブレーズ(N
icrobraze)セメントという市販の液体材料であった。金
属粉末との粉末混合物又はスラリーとして混合したとき
には約１０から１５重量％の結合材を使用し、残りは金
属粉末とした。
【００１８】最初に、表面の異物を亀裂回りの翼表面か
ら除いた。一連の例において、図２と３に示されている
ように、乾燥した第一の粉末を配置し、綿スワブを用い
て第一の粉末を亀裂内に押し込み、その亀裂を実質的に
翼表面まで充填した。別の一連の例では、第一の粉末と
結合材の混合物を用いて第一の粉末混合物とした。次
に、図４に示されているように、第二の粉末と結合材か
らなる第二の粉末混合物を第一の粉末を覆って配置し
た。第二の粉末混合物の外側で各亀裂の回りの翼表面
に、市販のろう付け防止材をブラシで付けた。
【００１９】図４に示したように材料を配置して、翼
を、アルゴンの非酸化性雰囲気下で真空炉に入れた。次
いで、第二の粉末が融解し第二の粉末が実質的に固体の
第一の粉末の回りを流れるのに充分な時間翼を約２２０
０〜２２５０°Ｆの範囲の温度に加熱した。この例では
翼を約１／２時間その温度に保持した。炉から取り出し
た後、亀裂内に修復材料を含む冷却された構造体は図５
に示されているように見え、ろう付け防止材が翼表面に
沿った修復材料の過剰な流れを遮断していた。過剰の修
復材料を機械的研磨によって翼表面から除いた。
【００２０】上記第一と第二の粉末の両方を結合材との
混合物として用いて翼を貫通する空気冷却用の穴又は開
口を修復した別のシリーズで上記の例の工程を繰り返し
た。このシリーズを一連の図８〜１１に示す。
【００２１】穴を充填するために綿スワブを用いて第一
の粉末混合物に圧力をかけると過剰の第一の粉末混合物
が穴から翼の内面上に流れた。したがって、アセトンを
含ませた綿スワブを用いて内面から過剰の第一の粉末混
合物を拭き取った。
【００２２】前記シリーズで記載したようにこのシリー
ズが完了すると修復材料が図１１に示したように穴を充
填した。市販の放電加工材料除去装置を用いて翼の壁中
に代わりの空気冷却用の穴を開けた。
【００２３】他の評価においては、第一の粉末がルネ(R
ene)８０合金といわれることがある高温Ｎｉ基超合金で
あったが、その形態はロス(Ross)の米国特許第３，６１
５，３７６号（１９７１年１０月２６日発行）に記載さ
れている。また、第二の粉末は、ホッピン(Hoppin)らの
米国特許第３，７００，４２７号（１９７２年１０月２
４日発行）に記載されているタイプのろう付け粉末の形
態で用いた。
【００２４】特定の例、態様、材料、混合物などに関連
して本発明を説明した。しかし、これらは本発明の範囲
を限定するものではなく、単なる例示であるものと理解
されたい。当業者には、本発明に特許請求の範囲から逸
脱することなく変更及び修正が可能であることが理解で
きよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】物品表面にある亀裂の形態の凹みの概略的断片
断面図である。
【図２】図１と同様な図であるが、第一の金属粉末が亀
裂中に配置されている。
【図３】図２と同様な図であるが、亀裂の充填を確実に
するために第一の粉末に圧力がかかっている。
【図４】図３と同様な図であるが、第一の粉末を覆って
第二の金属粉末が配置されている。
【図５】図４と同様な図であるが、処理温度に加熱して
第二の粉末を融解させ第一の粉末中に流れされた後の図
である。
【図６】図５と同様な図であるが、過剰の材料を物品表
面から除去した後の図である。
【図７】空気冷却されている物品の外壁の概略的断片断
面図であり、壁を貫通する空気冷却用の開口が示されて
いる。
【図８】図７と同様な図であるが、第一の金属粉末と結
合材を含む混合物で空気冷却用開口が充填されており、
過剰の混合物が内壁表面から飛び出ている。
【図９】図８と同様な図であるが、過剰の混合物が内壁
表面から除去されている。
【図１０】図９と同様な図であるが、第一の粉末を覆っ
て第二の金属粉末が配置されている。
【図１１】図１０と同様な図であり、図６の図に匹敵す
るが、処理温度に加熱して第二の粉末を融解させ第一の
粉末中に流れされてから修復され充填された開口のとこ
ろで物品表面から過剰の材料を除去した後の図である。
【図１２】図１１と同様な図であるが、修復され充填さ
れた開口に隣接して物品壁を貫通して設けられた代わり
の空気冷却用開口が示されている。
【符号の説明】
１０ 亀裂／凹み １２ 物品の表面 １４ 金属物品／基体 １６ 凹み表面 １８ 第一の金属粉末 ２０ 力の向き ２２ 第二の金属粉末 ２４ 第二の粉末の回りの結合材 ２６ ろう付け防止材 ２８ 修復材料 ３０ 外壁 ３２ 空気冷却用開口 ３４ 第一の混合物：第一の粉末−結合材 ３６ 開口３２から押し出された過剰の材料 ３８ 壁３０の内面 ４０ 第二の混合物：第二の粉末−結合材 ４２ 代わりの開口

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物品（１４）の物品表面（１２）にある
    凹み表面（１６）を有する凹み（１０）の修復方法であ
    って、 第一の融解温度を有する第一の金属粉末（１８）を準備
    し、 第一の融解温度より低い第二の融解温度を有する第二の
    金属粉末（２２）を準備し、 第一の粉末（１８）を凹み（１０）中に配置してその凹
    み（１０）を少なくとも物品表面（１２）まで実質的に
    充填し、 第一の粉末（１８）を覆って、第二の粉末（２２）を、
    この第二の粉末（２２）が融解し凹み（１０）中に流入
    した後にその凹み（１０）を少なくとも物品表面（１
    ２）まで充填する量で配置し、 第一及び第二の粉末（１８、２２）を、第二の粉末（２
    ２）が融解し、第二の粉末（２２）が第一の粉末（１
    ８）の回りを凹み（１０）中に流入し、かつ第二の粉末
    （２２）が凹み表面（１６）に接合するのに充分な時
    間、第二の融解温度以上で第一の融解温度より低い処理
    温度に加熱し、 冷却して修復材料（２８）を凹み（１０）内に提供する
    工程を含んでなる方法。。
  2. 【請求項２】 第一の粉末（１８）に圧力をかけて第一
    の粉末（１８）を凹み（１０）中に押し込む、請求項１
    記載の方法。
  3. 【請求項３】 物品（１４）が、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏか
    らなる群から選択される少なくとも１種の元素を主材と
    する高温超合金製である、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 物品（１４）が、タービンブレード、タ
    ービンベーン、タービンシュラウド及びタービン支持構
    造体からなる群から選択されるガスタービンエンジン部
    品である、請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 第一の金属粉末（１８）が高温Ｎｉ基超
    合金の粉末であり、第二の金属粉末（２２）が複数の異
    なる金属粉末の混合物である、請求項３記載の方法。
  6. 【請求項６】 第二の粉末（２２）を、処理温度に加熱
    したときに実質的に残渣を生ずることなく分解する結合
    材（２４）と混合して第一の粉末混合物（３４）を提供
    する、請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 第一の粉末（１８）を、処理温度に加熱
    したときに実質的に残渣を生ずることなく分解する結合
    材（２４）と混合する、請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 凹み（１０）が物品（１４）の壁（３
    ０）を貫通する開口（３２）であり、修復材料（２８）
    がその開口（３２）を実質的に充填する、請求項７記載
    の方法。
  9. 【請求項９】 凹み（１０）が翼の外壁（３０）を貫通
    する空気冷却用開口（３２）であり、開口（３２）が壁
    外面（１２）から壁内面（３８）まで延びており、壁
    （３０）がＦｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択され
    る少なくとも１種の元素を主材とする高温超合金製であ
    り、 第一の粉末（１８）を実質的に残渣を生ずることなく分
    解する結合材（２４）と混合して第一の粉末混合物（３
    ４）を提供し、 第二の粉末（２２）を実質的に残渣を生ずることなく分
    解する結合材（２４）と混合して第二の粉末混合物（４
    ０）を提供し、 第一の粉末混合物（３４）を開口（３２）中に配置して
    壁外面（１２）と壁内面（３８）との間でその開口（３
    ２）を実質的に充填し、 第一の粉末混合物（３４）を覆って第二の粉末混合物
    （４０）を配置し、 冷却後開口（３２）が修復材料（２８）で充填される、
    請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 第一の粉末混合物（３４）に圧力をか
    けて第一の粉末混合物（３４）を開口（３２）中に押し
    込む、請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 冷却後壁（３０）を貫通して代わりの
    開口（４２）を形成する、請求項９記載の方法。
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