JP2001179432A - 先端キャップ孔ろう付けとそのための耐酸化性合金 - Google Patents
先端キャップ孔ろう付けとそのための耐酸化性合金Info
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Abstract
耐酸化性を改良し、そして信頼性を高める、高圧タービ
ン動翼先端キャップ孔を閉ざすためのろう付け方法と合
金。 【解決手段】 先端キャップ孔に、ろう付け温度より高
い固相線温度を有する第1合金の粒子からなる第1組成
物を充填する。第1組成物を、ろう付け温度より低い液
相線温度を有する第2合金の粒子からなる第2組成物で
覆う。第2組成物をろう付け温度に加熱して第2合金の
粒子を溶融し、毛管現象により第1合金の粒子間の空間
内に移送される第2合金の液体を形成する。第2合金の
液体を冷却して、第1合金の粒子を強固に結合する固体
を形成する。第2合金は1重量%以下のBと、3重量%
ないし11重量%のSiとを含有する。第1合金はCr
と、少なくとも約5重量%のAlと、少なくとも約0.
5重量%のHfと、0.5重量%以下のTiとを含有す
る。
Description
に関し、特に、孔の充填度を最大にし、多孔率を最小に
し、耐酸化性を改良し、そして信頼性を高めるように高
圧タービン動翼先端キャップ孔を閉ざすためのろう付け
方法と合金に関する。
るような型の高圧タービン動翼の製造中、鋳造コアの位
置決めのために先端キャップ孔が形成される。このよう
な孔を確実に閉ざすことが重要である。なぜなら、さも
なければ、冷却空気が先端から漏れて、翼形部表面上に
導かれなくなるからである。先端キャップ孔は0.04
〜0.05インチ(約0.1〜0.13cm)程度の直
径を有する。従来、このような孔には、比較的高い融点
(「高融点」)の成分(H1)(約45重量%)と、そ
れと混合した比較的低い融点(「低融点」)の成分(L
1)(約55重量%)とからなる充填合金の50%濃密
スラリーが注入により充填された。従来実用された高融
点成分と低融点成分の組成は次の通りである。 高融点成分(H1) 低融点成分(L1) C 0.15 ー 0.19 重量% C 0.05以下 重量% Cr 13.7 ー 14.3 Cr 14.8 ー 15.8 Co 9.0 ー 10.0 Co 9.5 ー 11.0 Ti 4.8 ー 5.2 Ta 3.0 ー 3.8 Al 2.8 ー 3.2 Al 3.2 ー 3.7 W 3.7 ー 4.3 B 2.1 ー 2.5 Mo 3.7 ー 4.3 Ni 残余 W+Mo 7.7 以上 プラス付随不純物 Ni 残余 プラス付随不純物 ろう付け中、低融点成分粒子が溶融して液体になり、そ
して凝固中に緻密化して先端キャップ孔内の高融点成分
粒子を結合する。この方式の欠点は、冷却した充填物が
高い内部多孔率を有するので使用中酸化しやすいこと
と、冷却時に発生したメニスカス形ボイドにより充填状
態の欠如が存在することであった。
キャップ孔に、ろう付け温度より高い固相線温度を有す
る第1合金の粒子からなる第1組成物が充填される。第
1組成物は、ろう付け温度より低い液相線温度を有する
第2合金の粒子からなる第2組成物で覆われる。第2組
成物はろう付け温度に加熱され、これにより、第2合金
の粒子が溶融し、毛管現象により第1合金の粒子間の空
間内に移送される第2合金の液体を形成する。第2合金
の液体は冷却されて、第1合金の粒子を強固に結合する
固体を形成する。
そして他の部分は以下の説明から明らかとなろう。
が、特定ろう付け温度でのろう付けにより2成分ろう付
け材料で閉ざされ、このろう付け温度で材料の両成分の
一方だけが溶融する。先端キャップ孔に、少なくとも約
80%、好ましくは完全に充満するように、第1組成物
が注入され、この組成物は、後のろう付けに使用される
ろう付け温度より高い固相線温度を有する高融点材料か
らなる。注入は、背後に空気圧をかけた中空針を用い
て、あるいは他の適当な手段により達成される。次い
で、低融点材料からなるほぼ等しい量の第2組成物が高
融点成分の頂部に施される。低融点材料はろう付け温度
より低い液相線温度を有する。従って、ろう付け温度
で、低融点材料は溶融するが、高融点材料は溶融しな
い。
ャップ孔の断面図であり、高融点成分と、この高融点成
分の頂部に施した低融点成分とで満たされた孔を示し、
両成分は2つの個別層を形成している。これに対して、
図1に示した従来の方法では、高融点成分と低融点成分
とが最初に混合されている。両図において、高融点成分
と低融点成分は相異なる斜線で示されている。再び図3
を参照すればわかるように、本発明によるろう付け中に
低融点成分粒子が溶融しそして低融点成分が毛管現象と
重力の結果として全ての高融点成分粒子間を下方に移動
する。凝固の結果、従来の方法によって満たされた孔
(図2)と比べて、実質的に100%満たされた孔(図
4)が得られる。図2は従来の方法によって満たされた
孔の底で発生する有害なメニスカス効果を示す。この効
果は図4に示すように本発明では発生しない。本発明に
よる充填完了孔は、新しいろう付け方法の結果として充
填度がより高く、そして新しいろう付け方法と新しい合
金との組合せの結果として耐酸化性がより高い。
適実施例では、充填完了孔の頂部に施された低融点成分
は高融点成分の一部分と混合されている。高融点成分は
低融点成分より耐酸化性が高いので、この態様は充填済
み先端キャップ孔の頂部における耐酸化性を高める。さ
らに、低融点成分粒子と混合した高融点成分粒子は溶融
せずそして下方の高融点材料内にウイッキング流下しな
い。従って、混合した高融点粒子は肉盛効果を有し、こ
の効果はろう付け中の充填完了孔の頂部におけるメニス
カス形成を最少にする。従って、孔に高融点成分が完全
に注入された後、その高融点成分上に高融点成分と低融
点成分との混合物が施される。この混合物は好ましくは
約50重量%以下程度の高融点成分、さらに好ましくは
約10重量%〜約50重量%の高融点成分を含有し、さ
らに好ましくは約10重量%〜約25重量%の高融点成
分を含有する。特に好適な一実施例では、この混合物は
約15%の高融点成分と、約85%の低融点成分とから
なる。この混合物における低融点成分対高融点成分の重
量比は約1:1〜約9:1であり、好ましくは約3:1
〜約9:1である。特に好適な一実施例では、この重量
比は約5:1〜約6:1である。
り低く、好ましくは約2200゜F(約1200℃)以
下、さらに好ましくは約2175゜F(約1190℃)
以下である。一好適実施例では、低融点材料の液相線温
度は約2000゜F(約1090℃)〜約2200゜F
(約1200℃)である。特に好適な実施例は、それぞ
れ約2065゜F(約1130℃)と、約2165゜F
(約1185℃)の液相線温度を有する。高融点材料の
固相線温度はろう付け温度より高く、好ましくは約23
00゜F(約1260℃)以上、さらに好ましくは約2
375゜F(約1300℃)以上である。一好適実施例
では、高融点材料の固相線温度は約2350゜F(約1
285℃)〜約2450゜F(約1345℃)である。
(Vitta Corp.)からVitta Gelと
いう商品名で入手できるような水基結合剤が、好ましく
は高融点材料と低融点材料それぞれと混合されて、ろう
付け前に両材料を適所に保持することを助ける。結合剤
対金属の重量比は約1:7程度であり、従って、材料
は、幾らかの蒸発発生後、約50%濃密なスラリー内に
含有される。結合剤はろう付け時に揮発する。
は、Ni基またはCo基マトリックス内に融点降下剤と
してかなりの含量のSiを有する低融点材料を選ぶこと
によって高められるということを発見した。ケイ素は耐
酸化性を高めるのでこのような用途において特に有利で
あることがわかった。従って、本発明の低融点合金は少
なくとも約3%のSi、好ましくは約4%〜約11%の
Siを含有する。一好適実施例は約3%〜約5%のS
i、さらに好ましくは約4.2%〜約4.8%のSiを
含有する。他の好適実施例は約9%〜11%のSi、さ
らに好ましくは約9.8%〜約10.3%のSiを含有
する。
添加されるBの欠如と、付随B含量を約1%以下、好ま
しくは約0.5%以下、さらに好ましくは約0.1%以
下に保つことを特徴とする。Bは耐酸化性に悪影響を及
ぼすので、Bを最少にすると耐酸化性が高まるというこ
とがわかった。これに対し、先端キャップ孔充填用の従
来の低融点ろう付け合金はかなりの量(例えば少なくと
も約2%)のBを融点降下剤として含有していた。
高めるために約10%〜約25%の範囲内のCrを含有
する。
rとAlを含有する。好適な高融点合金は少なくとも約
5%、好ましくは約5%〜約7%、さらに好ましくは約
5.5%〜約6.5%のAlを含有し、これによりAl
酸化物スケールが生じて耐酸化性を高める。
くとも約0.5%、さらに好ましくは約1%〜約3%、
最も好ましくは約1%〜約2%のHfをさらに含有する
高融点合金を用いて耐酸化性のAlおよびCr酸化物ス
ケールの密着性を高めることにより、さらに高められる
ということがわかった。
がまたRe、少なくとも約1%、さらに好ましくは約2
%〜約4%のReを、固溶体強化剤としてのその効果の
故に含有すれば、高められるということがわかった。こ
れは特に、ReがMo、Ta、Wのような他の固溶体強
化剤ほど耐酸化性に悪影響を及ぼさないからである。
加を除くことにより、また、Ti含量を好ましくは約
0.5%以下に保つことにより、保護に役立つCrおよ
びAl酸化物スケールがより良く密着するということで
ある。なぜならTiはこのような密着を妨害する傾向を
もつからである。
次の通りである。 高融点成分(HA) 低融点成分(LA) 低融点成分(LB) C 0.10 ー 0.14 重量% C 0.13 ー 0.19 重量% C 0.01以下 Hf 1.3 ー 1.7 Si 4.2 ー 4.8 Si 9.8 ー 10.3 Re 2.6 ー 3.0 Cr 13.7 ー 14.3 Cr 18.5 ー 19.5 Cr 6.6 ー 7.0 Co 9.0 ー 10.0 B 0.03以下 Ta 6.2 ー 6.5 Ti 4.6 ー 5.2 Ni 残余 Al 5.94 ー 6.3 Al 2.8 ー 3.2 プラス付随不純物 W 4.7 ー 5.0 Mo 3.7 ー 4.3 Mo 1.3 ー 1.7 W 3.7 ー 4.3 Co 11.45 ー 12.05 B 0.5 ー 0.8 Ti 0.2 以下 Ni 残余 Ni 残余 プラス付随不純物 プラス付随不純物 以下の例はさらに本発明を例示するものである。
融点混合物(HA/LAおよびHA/LB)を充填した
試料を、、従来の高融点/低融点混合物(H1/L1)
を充填した試料と比較した。周期的酸化試験は、240
0サイクルまで5分間の保持時間で2000゜F以下で
行われた。図5〜図10の顕微鏡写真を比較するとわか
るように、充填材HA/LA(図5と図6)およびHA
/LB(図7と図8)は充填材H1/L1(図9と図1
0)より酸化侵食が実質的に少なかった。1800サイ
クル後、HA/LA(図5)混合物とHA/LB(図
7)混合物は事実上酸化侵食を示さなかったが、H1/
L1(図9)混合物はほとんど完全に酸化侵食されてい
た。2400サイクル後、HA/LA(図6)混合物と
HA/LB(図8)混合物は極めてわずかな酸化侵食を
示したが、H1/L1(図10)混合物はほとんど完全
に酸化侵食されていた。試験された混合物のおのおのが
許容可能な侵食レベルを示した実際の最高温度が記録さ
れそして表1に示されている。
度試験を行い、本発明によって準備された試料を従来の
方法によって準備された試料と比較した。その結果を表
2に示す。
の性能が最善であり、そして本発明のろう付け方法(頂
部ろう付け)によって準備された試料に対して実施した
試験が、配合混合物を用いて準備した試料に対して実施
した試験より良い性能を示した。
TMのE139の手順に従って実施した。その結果を表
3に示す。
当であったことと、2ksiの荷重で、本発明のろう付
け方法を用いて準備したHA/LA試料の性能が最善で
あったことを示す。
安として行われた。その結果を表4に示す。これらの試
験は300psiの静荷重を平板試料からつり下げるこ
とを包含するものであった。試料をクラムシェル炉内に
つり下げ、その温度を監視しそして上昇させて、バーが
破断する温度を記録した。
いて準備した試料の平均ゼロ強度温度は2107.4゜
Fであり、これに対し、従来の合金と方法を用いて準備
した試料のそれは2039.5゜Fであった。
ろう付け方法によれば、試験した新材料の組合せ(HA
/LAとHA/LB)のどちらを用いても、従来の方法
と比べて、容認し得る機械的性質を有する耐酸化性のよ
り高い製品が得られる。幾つかの例では、新しい方法と
材料を用いると機械的強度が比較的低いように思われる
が、全ての例において、機械的強度は先端キャップ孔充
填用途に関して容認し得る。材料は、使用中遠心力と熱
負荷に抗してそれ自体を保持するのに十分な強度をもた
なければならないが、それ以上の有意荷重を支えること
はない。この用途に関して、より重要な特性は耐酸化性
である。機械的強度と耐酸化性は、図11と図12に示
すように、大部分が充填材内の比較的低量のボイド空間
に起因する。
を充填し次いでLA/HAの85/15混合物を充填し
た孔を示す。図12は、同じ方法を用いて材料HAを充
填し次いでLBを充填した孔を示す。
を施し得るので、以上の説明に包含されているあるいは
添付図面に示されている全てのものは例示的なものに過
ぎず、本発明を制限するものではない。
先端キャップ孔の概略断面図である。
略断面図である。
断面図である。
概略断面図である。
真である。
真である。
真である。
真である。
真である。
写真である。
Claims (10)
- 【請求項1】 ろう付け温度でのろう付けにより高圧タ
ービン動翼先端キャップ孔を閉ざす方法であって、前記
先端キャップ孔に、前記ろう付け温度より高い固相線温
度を有する第1合金の粒子からなる第1組成物を充填す
ることと、前記第1組成物を、前記ろう付け温度より低
い液相線温度を有する第2合金の粒子からなる第2組成
物で覆うことと、前記第2組成物を前記ろう付け温度に
加熱して前記第2合金の前記粒子を溶融し、毛管現象に
より前記第1合金の前記粒子間の空間内に移送される前
記第2合金の液体を形成することと、前記第2合金の前
記液体を冷却して、前記第1合金の前記粒子を強固に結
合する固体を形成することとからなる方法。 - 【請求項2】 前記第1組成物は、本質的に前記第1合
金の前記粒子と水基結合剤とからなる第1スラリーであ
り、そして前記第2組成物は、本質的に前記第2合金の
前記粒子と水基結合剤とからなる第2スラリーである、
請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 前記第2合金は、約3重量%ないし約1
1重量%の範囲内のSi含量を有するNi基合金であ
る、請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 前記第2合金は、約1重量%未満のB含
量を有するNi基合金である、請求項1記載の方法。 - 【請求項5】 前記第2組成物は、前記ろう付け温度よ
り高い固相線温度を有する第3合金の粒子をさらに含有
する、請求項1記載の方法。 - 【請求項6】 ろう付け温度でのろう付けにより高圧タ
ービン動翼先端キャップ孔を閉ざす方法であって、前記
先端キャップ孔に、第1合金の粒子と第2合金の粒子と
からなる少なくとも2つの相異なる合金組成物の粒子か
らなる充填組成物を充填し、ただし前記第1合金は前記
ろう付け温度より高い固相線温度を有しそして前記第2
合金は前記ろう付け温度より低い液相線温度を有するも
のとし、前記第1合金の前記粒子と前記第2合金の前記
粒子は前記先端キャップ孔内に2つの個別層を画成する
ようにすることと、前記充填組成物を前記ろう付け温度
に加熱して前記第2合金の前記粒子を溶融し、毛管現象
により前記第1合金の前記粒子間の空間内に移送される
前記第2合金の液体を形成することと、前記充填組成物
を冷却して前記第2合金を凝固させ、前記第1合金の前
記粒子を強固に結合する固体を形成することとからなる
方法。 - 【請求項7】 前記充填組成物はさらに水基結合剤を含
有する、請求項6記載の方法。 - 【請求項8】 前記第2合金は、約3重量%ないし約1
1重量%の範囲内のSi含量と、約1重量%以下のBを
有するNi基合金である、請求項7記載の方法。 - 【請求項9】 高圧タービン動翼における先端キャップ
孔に充填するNi基金属充填材であって、第1Ni基合
金成分と第2Ni基合金成分とからなり、前記第1Ni
基合金成分はCrを含有しそして前記第2Ni基合金成
分の液相線温度より比較的高い固相線温度を有し、前記
第2Ni基合金成分はCrと約3重量%ないし約11重
量%のSiとを含有するNi基金属充填材。 - 【請求項10】 高圧タービン動翼における先端キャッ
プ孔に充填するNi基金属充填材であって、第1Ni基
合金成分と第2Ni基合金成分とからなり、前記第1N
i基合金成分は前記第2Ni基合金成分の液相線温度よ
り比較的高い固相線温度を有し、前記第1Ni基合金成
分は約5重量%ないし約7重量%のAlと、約1重量%
ないし約3重量%のHfと、約2重量%ないし約4重量
%のReと、約0.5重量%以下のTiと、Crとを含
有し、そして前記第2Ni基合金成分は約3重量%ない
し約11重量%のSiと、約1重量%以下のBと、Cr
とを含有するNi基金属充填材。
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