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

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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、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

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明は孔を閉ざすためのろう付け方法
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。
【0002】米国特許第5232343号に示されてい
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。
【0003】
【発明の概要】簡単に述べると、本発明によれば、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。
【0004】本発明の他の特徴のある部分は自明であり
そして他の部分は以下の説明から明らかとなろう。
【0005】
【好適実施例の詳述】本発明によれば、先端キャップ孔
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。
【0006】図3は粉末充填後かつろう付け前の先端キ
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。
【0007】上述の技術の一改変例である本発明の一好
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。
【0008】低融点材料の液相線温度はろう付け温度よ
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。
【0009】コネチカット州Bethelのヴィッタ社
(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。
【0010】本発明によって達成される高い耐酸化性
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。
【0011】本発明の低融点合金は、さらに、意図的に
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。
【0012】本発明の低融点成分はさらに、耐酸化性を
高めるために約10%〜約25%の範囲内のCrを含有
する。
【0013】本発明の高融点合金は耐酸化性のためにC
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。
【0014】充填材料の性能は、Hf、好ましくは少な
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。
【0015】また、このような性能は、もし高融点合金
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。
【0016】さらにわかったことは、Tiの意図的な添
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。
【0017】本発明による高融点および低融点組成例は
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。
【0018】
【例1】周期的な酸化試験を行い、本発明の高融点/低
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。
【0019】
【表1】 混合物 サイクル 許容酸化侵食の最高温度(#F) H1/L1(50/50) 1800 1500 - 1600 2400 1600 HA/LA(50/50) 1800 2000 2400 1900 HA/LB 1800 2000 2400 1700 - 1800
【0020】
【例2】ASTMのE8とE21の手順に従って引張強
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。
【0021】
【表2】 1900°F引張試験番号 材料 極限引張強度 伸び率(%) T36 H1/L1 19900 1.70 T37 H1/L1 19700 1.40 T3 HA/LB** 18300 1.20 T4 HA/LB** 16600 1.50 T15 HA/LA** 36500 0.70 T16 HA/LA** 36200 0.90 T25 HA/LA* 13600 0.70 T26 HA/LA* 16700 0.60 2000°F引張試験番号 材料 極限引張強度 伸び率(%) T38 H1/L1 11200 1.00 T39 H1/L1 7600 1.00 T5 HA/LB** 5500 1.90 T6 HA/LB** 4500 2.50 T17 HA/LA** 19400 1.00 T18 HA/LA** 19300 0.70 T27 HA/LA* 7400 1.00 T28 HA/LA* 7300 0.80* 配合混合物 ** HA充填継目、頂部ろう付け これらのデータからわかるように、HA/LAの組合せ
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。
【0022】
【例3】比較のための2000゜F応力破断試験をAS
TMのE139の手順に従って実施した。その結果を表
3に示す。
【0023】
【表3】 試験番号 材料 KSI 寿命 伸び率(%) T40 H1/L1 1 1141.3 7.2 T41 H1/L1 1 1106.4 T7 HA/LB** 1 685.3 T8 HA/LB** 1 211 T19 HA/LA** 1 414.5 T20 HA/LA** 1 371.8 T29 HA/LA* 1 54.2 2.10 T30 HA/LA* 1 35 1.80 T42 H1/L1 2 15.3 2.50 T43 H1/L1 2 14.9 1.90 T9 HA/LB** 2 5.3 8.70 T10 HA/LB** 2 1.1 5.40 T21 HA/LA** 2 27.9 2.20 T22 HA/LA** 2 19.7 1.80 T31 HA/LA* 2 29.3 2.70 T32 HA/LA* 2 6.7 1.50* 配合混合物 ** HA充填継目、頂部ろう付け これらのデータは、1ksiの荷重で全試料の性能が適
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。
【0024】
【例4】比較のためのゼロ強度試験が最高使用温度の目
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。
【0025】
【表4】 試験番号 材料 荷重(psi) 温度(#F) T−1 HA/LB** 300 2103.8 T−2 HA/LB** 300 2096.3 T−12 HA/LA** 300 2122 T−23 HA/LA* 300 2104.7 T−24 HA/LA* 300 2086.9 T−34 H1/L1 300 2033.4 T−35 H1/L1 300 2045.6* 配合混合物 ** HA充填継目、頂部ろう付け これらのデータが示すように、本発明の合金と方法を用
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。
【0026】以上の諸例から明らかなように、本発明の
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。
【0027】図11は、本発明の方法を用いて材料HA
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。
【0028】本発明の範囲内で上述の構造に様々な改変
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】先端キャップ孔の充填を行う従来の方法を示す
先端キャップ孔の概略断面図である。
【図2】従来の方法による充填後の先端キャップ孔の概
略断面図である。
【図3】本発明の充填方法を示す先端キャップ孔の概略
断面図である。
【図4】本発明の方法による充填後の先端キャップ孔の
概略断面図である。
【図5】酸化試験後の試料の断面の50倍拡大顕微鏡写
真である。
【図6】酸化試験後の試料の断面の50倍拡大顕微鏡写
真である。
【図7】酸化試験後の試料の断面の50倍拡大顕微鏡写
真である。
【図8】酸化試験後の試料の断面の50倍拡大顕微鏡写
真である。
【図9】酸化試験後の試料の断面の50倍拡大顕微鏡写
真である。
【図10】酸化試験後の試料の断面の50倍拡大顕微鏡
写真である。
【図11】本発明の充填材の顕微鏡写真である。
【図12】本発明の充填材の顕微鏡写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロナルド・エル・ガレイ アメリカ合衆国、オハイオ州、メイソン、 アンジェリン・ランド、4806番 (72)発明者 ロジャー・デール・ウストマン アメリカ合衆国、オハイオ州、ラブラン ド、ブライダル・レーン、101番 (72)発明者 ジョナサン・フィリップ・クラーク アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、キーナー・ドライブ、8915番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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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