JP2002235557A - 超合金物品の蒸着修理 - Google Patents
超合金物品の蒸着修理Info
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Abstract
修理する方法を提供する。 【解決手段】 超合金構成要素の表面の摩耗、亀裂、そ
の他の欠陥領域が、この欠陥に修理充填材料を適合させ
る蒸着を用いて、修理される。損傷領域は、清浄化さ
れ、さらに、超合金修理材料が、欠陥または損傷領域を
充填するように実行される物理蒸着により沈積される。
損傷を受けていない領域には、通常、マスクが施され、
蒸着材料は、損傷または欠陥領域のみに形成される。蒸
着された超合金修理材料が、適切な厚みに形成された
後、蒸着材料は、超合金物品の最初の輪郭にぴったりと
適合するように、輪郭が形成される。
Description
るガスタービンエンジン構成要素などの超合金物品の修
理に関する。
他の高温で強度および延性が要求される用途に広く使用
されている。ここで使用されるように、超合金という用
語は、Ni、Co、Fe、Tiなどを主成分とする高温
合金を含むものである。Ni基超合金が、最も一般に使
用されており、γ’相(Ni3AL,Ti)粒子の分散
強化相を含むNi固溶体(γ相)マトリックスからなる
微細構造(microstructure)を有する。
超合金は、高温での強度によって機能的に定義され得
る。各Ni、Co、Fe基合金は、それぞれ、90、6
0、90KSI(それぞれ、63.3、42.2、6
3.3Kg/mm)を上まわる1,000°F(538
℃)での極限引張り強さを有するものである。Ti基超
合金は、90KSI(63.3Kg/mm)を上まわる
600°F(316℃)での極限引張り強さを有するも
のである。
れる。鋳造超合金物品は、等軸粒、柱状粒、単結晶など
の微細構造を有することができる。超合金構成要素は、
0.1mmを超え、最も一般には1mmを超える粒径
(grain size)を有するものである。
り、従って、使用中に摩耗あるいは損傷した場合、その
ような物品を修理するのが望ましい。さらに、超合金物
品は、使用する前に、損傷しあるいは製造に失敗した場
合、修理を必要とすることもある。例えば、米国特許第
5,320,690号を参照のこと。同様の種類の修理
が、溶接技術を用いて行われてきた。例えば、米国特許
第5,897,801号、欧州特許第0,492,74
0号を参照のこと。米国特許第4,008,844号、
第5,806,751号に記載されているように、過渡
液相修理(transient liquid pha
se repair)として知られるいくぶん異なる方
法も利用されてきた。過渡液相法とプラズマ溶射との組
み合わせが、米国特許第4,705,203号に開示さ
れている。これらの従来技術は、全て、超合金の溶融お
よび制御されていない凝固を伴うので、完全に満足でき
るものではなかった。大部分の超合金は、凝固中に亀裂
が生じる傾向がある。さらに、いくつかの従来技術は、
B、Siなどの融点降下剤(melting poin
t depressants)を必要とするが、これら
は、修理領域の強度を低下させることがあり得る。
要素に保護被覆を形成するのに実施されている技術であ
り、例えば、米国特許第4,153,005号に記載さ
れている。
あるいは損傷した超合金物品を修理する方法に関し、さ
らに、本発明は、欠陥を有する新たに製造された物品に
適用することもできる。本発明の処理は、ガスタービン
構成要素の修理のために開発されたものであるが、これ
に限られるものではない。
修理材料が、欠陥または損傷領域を充填するように実行
される物理蒸着により沈積される。損傷を受けていない
領域には、通常、マスクが施され、蒸着材料は、損傷ま
たは欠陥領域のみに形成される。
に形成された後、蒸着材料は、超合金物品の最初の輪郭
にぴったりと適合するように、輪郭が形成される。
る。図1は、ガスタービンブレードの概略図である。タ
ービンブレード1は、エーロフォイル部2、翼端部3、
プラットホーム部4、取り付け部すなわちルート部5を
備える。
ットホーム部すなわちシュラウド部13、プラットホー
ム部14、プラットホーム取り付け手段15、シュラウ
ド取り付け手段16を含む一般的なガスタービンベーン
10を示す。
に、エーロフォイル部、さらにエーロフォイル部に隣接
(するとともに基体通路を形成)するシュラウドおよび
プラットホームの表面は、高温気体に曝され、長期の使
用後、これらの表面は、摩耗あるいは損傷し得る。摩耗
や損傷は、徐々に腐食により発生し得るか、あるいは、
異物による損傷によりまたは亀裂により、生じ得る。損
傷は、局所的またはより広範囲になり得るものであり、
例えば、エーロフォイル前縁の全体が腐食することもあ
る。ときとして、新たに製造されたブレードが、表面欠
陥を有し、または誤って加工されて規定より小さな領域
を有することがある。これらのブレードも、本発明の処
理を用いて修理することができる。以下の説明では、使
用中に生じた損傷について言及するが、使用前の損傷を
含むことは、理解されるであろう。
くつかの有害な結果を有することに、留意する必要があ
ろう。構成要素部品は、安全率を用いて設計されている
が、この損傷によって、具体的には、部品の強度が低下
する。より微妙な問題は、エーロフォイルの空気力学的
輪郭が変形し、エンジン効率の低下につながることであ
る。
を修理する方法に関し、さらに、エーロフォイル表面を
参照して例示されるが、プラットホームおよびシュラウ
ドの表面の損傷も、同じ方法で修理可能であることは、
理解されるであろう。
ドまたはベーンエーロフォイルの断面図であり、エーロ
フォイル20は、前縁21、後縁22、凹面すなわち圧
力面23、凸面すなわち吸気面24を含む。前縁、後縁
は、特に損傷を受けやすい。
縁は、損傷31により中断された輪郭32を有するよう
に示されており、仮想線33によって、最初の表面輪郭
が示される。腐食による損傷31は、汚染34を含むよ
うに示される。図4は、局所的、または大規模な腐食に
よる損傷などの全体的、な損傷を含む、どのような超合
金表面の損傷も例示するものである。
ることである。
生成物、その他を含み得る汚染された表面を有する。本
発明に従って、超合金修理材料を損傷領域に蒸着する前
に、特に、エンジンで使用されていたブレードの場合、
損傷表面は、清浄化する必要がある。さらに、表面にす
ぐに隣接する損傷表面の冶金学的な構造と組成の少なく
とも一方に何らかの変化が生じる可能性もある。そのよ
うな変化は、例えば、表面付近のアルミニウム含有量を
低下させ得る酸化から生じている可能性もある。清浄化
は、全ての表面汚染が除去され、それによって、表面に
隣接する冶金学的に損傷を受けた領域が取り除かれ、損
傷を受けていない清浄な基体材料が露出するように、行
われる。
理、電気化学的処理、放電加工処理などが含まれる。機
械的清浄化方法には、機械加工、グリットブラスト(g
ritblasting)などが含まれる。化学的処理
には、酸または腐食性化学薬品を用いた処理が含まれ
る。腐食性化学薬品には、酸化物を除去するのに効果的
な水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの物質が含ま
れる(例えば、米国特許第5,685,971号を参照
のこと)。化学的方法には、フッ化水素、PTFE(テ
フロン(Teflon)(登録商標))などのハロゲン
化された化合物の分解により生成される複合気体、など
のハロゲン含有気体を使用することも含まれる。ECM
として知られる電気化学的処理、EDMとして知られる
アーク放電処理なども、当業者には知られており、適切
に使用することができる。
る。図5では、エーロフォイル部30は、欠陥部31a
を有する。欠陥部31aは、汚れと腐食生成物を除去し
て剥き出しの清浄な基体金属を露出させるように、清浄
化されている。周囲表面65により規定される開口部6
1を有するマスク60が、欠陥31aの上に置かれてお
り、この開口部61は、好ましくは欠陥の大きさに概略
適合しているので、マスク開口部61から欠陥を露出さ
せながら、マスク60が、損傷を受けていないエーロフ
ォイルの表面をマスクすることになる。
て設計された、剛性があり再利用可能なアッセンブリで
あるが、マスクは、使い捨てにすることもできる。
金などの耐熱性金属シートから形成することができる。
剛性のあるマスクは、損傷位置が予想されるとともに複
数の構成要素を修理する必要のある場合に、最も有用で
ある。
アガラフォールズ市のユニフラックス社(Unifra
x Corporation)の製品Fiberfra
xなどの可撓性のあるセラミック材料から形成すること
ができ、この製品は、紙、フェルト、織物などに形成し
たアルミノケイ酸塩繊維からなる。このような紙、フェ
ルト、織物などは、裁断して開口部を有するマスクを形
成し、ワイヤ、その他の機械的保持手段、あるいはセラ
ミックセメント(例えば、ろう付けマスク材料(bra
ze mask off material))などに
より、所定の位置に保持することができる。
材料(braze stop−off materia
l)などの流体材料を用いて形成することもでき、この
ろう付け防止材料としては、それぞれ、ミシガン州マデ
ィソンハイツ市のウォールコルモノイ社(Wall C
olmonoy Corporation)、カリフォ
ルニア州サンカルロス市のウェスゴ社(Wesgo C
orporation)、コネティカット州ベセルのヴ
ィタ社(Vitta Corporation)の製品
である、NicroBraz、Stopyt、Vitt
a 1ALまたは1YTなどが挙げられる。
超合金修理材料で充填または修復される。電子ビーム物
理蒸着が、処理方法の一例として挙げられる。
蒸着処理では、高出力の電子銃50が、集束電子ビーム
51を生成し、この集束電子ビーム51は、るつぼ40
に位置する(修理合金である)メルトストック(mel
t stock)43に向けられる。るつぼ40は、水
冷通路42を含むるつぼ41から構成される。レーザ蒸
発、陰極アーク沈積、スパッタリングなどその他の物理
蒸着処理も使用することができるが、電子ビーム物理蒸
着が、一般に、最も高速かつ最も経済的な方法である。
成要素の最初の組成に類似する組成になるように、選択
されるものである。しかしながら、Hf、Ta、W、M
oなどの蒸気圧の低い元素を含む合金を沈積するのは困
難である。この理由から、最小量の耐火元素を含む修理
合金が好ましい。
(通常、10-5〜10-2Torr)で行われる。電子銃
は、約5KWを超える出力、好ましくは約10KWを超
える出力を有する高出力ビームを生成する。この高出力
ビームは、メルトストック43を溶融させ、溶融したメ
ルトストックを蒸発させて蒸気雲45を生成するのに、
十分である。蒸気雲45は、欠陥31aおよびマスク6
0上に凝縮する。構成要素は、欠陥領域が蒸発源を向く
ように、蒸気雲の中に配置されるのが好ましい。超合金
修理材料であるメルトストックの蒸発と蒸発したメルト
ストックの凝縮は、修理される表面の少なくとも最初の
輪郭まで欠陥が充填または修復されるまで、継続する。
沈積された超合金修理合金は、0.05mm未満の粒径
を有するものである。修理処理は、気相から直接固相へ
の凝縮を伴う。液相が存在せず、従って、従来の修理方
法では問題となっていた収縮、応力、亀裂を伴う凝固
も、存在しない。
31a、沈積された超合金修理材料70を示す修理され
た欠陥が例示されており、この沈積された超合金修理材
料70は、マスク開口部61を通って延びるとともに、
欠陥31aを充填している。図7には、欠陥領域31a
内の超合金修理材料70の修復部分が、マスク60を捕
捉しないように、または、マスク60を修理される物品
に結合しないように、マスク60が欠陥領域31aから
離されている実施態様が示される。
ードに金属またはセラミック被覆を形成するのに使用さ
れる。このような被覆は、一般に厚みが均一であり、エ
ーロフォイル全体と、通常、シュラウドおよびプラット
ホーム表面とを被覆する。保護被覆の電子ビーム物理蒸
着は、電子ビームによるカソード材料の蒸発により生成
された蒸気雲の中に、被覆する構成要素を保持すること
によって、行われる。ブレードは、通常、エーロフォイ
ルの長さ方向の軸が、ほぼ水平になるように保持され
る。均一な厚みの保護被覆を形成する際、ブレードは、
1分間に約5〜50回転の速度、好ましくは1分間に約
10〜30回転の速度で、エーロフォイルの長さ方向の
軸回りに回転される。ブレードの回転によって、確実に
均一な厚みの被覆となり、さらに、リーダー(lead
ers)として知られる被覆欠陥の形成が最小限に抑え
られる。ブレードの小さな部分だけが修理される本発明
の処理では、ブレードを、その水平軸まわりに連続的に
回転するのは非効率である。しかしながら、欠陥の形成
を最小限に抑えるためには、1つまたは複数の軸回り
に、好ましくは、前述のエーロフォイルの長さ方向の軸
に実質的に一致する軸回りに、ブレードを振動させるの
が、好ましい。構成要素は、欠陥領域によって占有され
る角度(すなわち、回転軸に対して測定された欠陥領域
の占める角度)を超える角度に亘り、少なくとも1つの
軸回りに振動させるのが、好ましい。振動は、1分間に
約1,800〜18,000度(degrees)行う
必要がある。
は、図8に概略示されるような輪郭を有するものであ
り、清浄化された損傷領域31aは、最初の表面輪郭3
2を越えるまで超合金修理材料70で充填され、修復さ
れた超合金修理材料70は、最初の表面から突き出てい
る。
輪郭は、図9に示されるように、修復領域の損傷前の最
初の輪郭に戻される。この処理は、一般に融合(ble
nding)と呼ばれており、適切な機械的、化学的、
電気化学的、アーク放電などの技術、これらの組み合わ
せ、を用いて行うことができる。機械的技術には、機械
加工、研磨ベルトなどの技術が含まれる。ECM、ED
M技術も、使用することができる。
上させるために、融合の前後で修理領域に適用可能であ
る。ショットピーニング、レーザ衝撃ピーニングなどの
処理を、残留圧縮応力を付与するために使用することが
できる。
傷を受けていない表面に、保護被覆を有するものであ
る。そのような被覆は、MがFe、Ni、Co、Niと
Coの混合物、からなる群より選択される、MCrAl
Y被覆を代表とする金属オーバレイ被覆(metall
ic overlay coating)、さらに、ア
ルミナイド被覆またはPtアルミナイド被覆などの拡散
被覆、あるいは、上に説明したオーバレイ被覆または拡
散被覆の1つとすることができる結合被覆の上に一般に
形成される断熱セラミック層からなる断熱被覆、などか
ら構成される。
する場合、修理処理の最初の段階として、それらを除去
することができる。被覆の除去は、化学的手段(腐食薬
処理など)、機械的手段(機械加工、グリットブラスト
など)、あるいはこれらの処理の組み合わせ、などによ
る。
の完全な除去でもよいし、損傷領域に隣接する局所的な
領域に限られていてもよい。
が除去された領域に、保護被覆が形成されるものであ
る。
から直接固相への凝縮を伴うので、液相が存在せず、従
って、従来の修理方法では問題となっていた収縮、応
力、亀裂を伴う凝固が、存在しない。
ある。
る。
ル部の概略図である。
である。
示す図である。
図である。
品の輪郭を示す図である。
Claims (15)
- 【請求項1】 基体を有する超合金物品の表面損傷の修
理方法であって、 a)損傷を受けていない超合金基体金属を露出させるよ
うに損傷表面を清浄化し、 b)超合金構成要素の損傷を受けていない領域の大部分
を被覆するとともに清浄化された損傷領域を露出させる
開口部を有するマスクを、前記超合金構成要素に施し、 c)物理蒸着処理を用いて、沈積される層の厚みが前記
清浄化された欠陥の深さと同じか上まわるように超合金
修理材料の層を前記マスクされた構成要素に形成し、 d)前記マスクを除去し、 e)過剰の蒸着された超合金修理材料を除去し、蒸着さ
れた超合金修理材料がタービン構成要素の最初の輪郭を
実質的に複製するように、蒸着された超合金修理材料の
輪郭を形成する、 ことを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の方法により製造された製
品。 - 【請求項3】 前記物理蒸着処理は、電子ビーム物理蒸
着、陰極アーク沈積からなる群より選択されることを特
徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 前記蒸着された超合金修理材料は、残留
圧縮応力を生成するように機械的に処理されることを特
徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項5】 損傷を受けていない基体材料は、平均粒
径が約0.1mmを超え、前記蒸着された超合金修理材
料は、平均粒径が約0.05mm未満であることを特徴
とする請求項1記載の方法。 - 【請求項6】 前記超合金物品は、保護被覆を有し、こ
の保護被覆は、修理の前に、前記損傷に少なくとも隣接
する部分が除去され、輪郭が形成された後に、置換保護
被覆が、最初の保護被覆が除去されている領域に形成さ
れることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項7】 a)表面損傷を含む超合金基体と、 b)凹部を充填する、微細粒状の蒸着された超合金修理
材料と、 から構成されることを特徴とする修理された超合金物
品。 - 【請求項8】 前記超合金基体は、粒径が0.1mmを
超え、前記蒸着された超合金修理材料は、粒径が0.0
5mm未満であることを特徴とする請求項7記載の超合
金物品。 - 【請求項9】 a)表面損傷を含む超合金基体と、 b)表面凹部を充填する、微細粒状の蒸着された超合金
修理材料と、 から構成され、 c)前記微細粒状の蒸着された超合金修理材料は、隣接
する超合金基体の表面輪郭に適合する表面輪郭を有す
る、 ことを特徴とする修理されたタービン構成要素。 - 【請求項10】 前記超合金基体は、平均粒径が0.1
mmを超え、前記蒸着された超合金修理材料は、平均粒
径が0.05mm未満であることを特徴とする請求項9
記載の修理された構成要素。 - 【請求項11】 前記蒸着された超合金修理材料は、オ
ーバラップ被覆、拡散被覆、断熱被覆、これらの組み合
わせ、からなる群より選択される保護被覆により被覆さ
れることを特徴とする請求項9記載の修理された構成要
素。 - 【請求項12】 a)表面欠陥を有する超合金物品と、 b)前記欠陥を露出させる開口部を有し、超合金物品表
面の大部分を被覆するマスクと、 から構成され、修理されるように適合されることを特徴
とする超合金物品。 - 【請求項13】 前記表面欠陥は、清浄化されているこ
とを特徴とする請求項12記載の超合金物品。 - 【請求項14】 ガスタービンエーロフォイル構成要素
を含むことを特徴とする請求項12記載の超合金物品。 - 【請求項15】 前記マスクは、金属シート、ろう付け
防止材料、これらの組み合わせ、からなる群より選択さ
れる材料から形成されることを特徴とする請求項12記
載の超合金物品。
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SG (1) | SG101519A1 (ja) |
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