JP2005271192A - 高押圧接触に曝された表面を修復する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ターボ機械のシュラウド支持体構成部品（１０）の損耗面（１４、１６）を修復する方法及びこの方法で修復したシュラウド支持体構成部品を提供する。
【解決手段】 本方法は、一般的に損耗面（１４、１６）の表面領域を除去して、構成部品（１０）上に補修面（１８、２０）を形成する段階を伴う。ロウ付け材料及び耐摩耗性合金を含むようにスラリーから形成されたロウ付けテープは、次に補修面（１８、２０）に施工され、続いて熱処理されて、ロウ付けテープ（２２、２４）が肉盛面（２６、２８）を形成するように補修面（１８、２０）に拡散接合される。肉盛面（２６、２８）は、次に機械加工されて、構成部品（１０）上に耐摩耗性皮膜（３０、３２）を形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には航空機用ガスタービンエンジン及び他のターボ機械に設置されたシュラウド支持組立体のような高押圧接触による過度の摩耗を受けた構造体に関する。より具体的には、本発明は、ガスタービンエンジンの高圧タービンセクションにおけるシュラウド支持組立体を修復する方法の改良に関する。

高バイパス型ターボファン式エンジンは、流入空気を加圧する大型のファンを有し、流入空気は燃焼器にまたエンジン後部のタービンセクションに送給されて、付加的なエンジン推力を発生する。タービンはシュラウドを備えたケース内に内蔵され、シュラウドは、タービンを囲みかつタービンブレードの先端に隣接して位置するようになっている。ブレード、シュラウド及び周囲のシュラウド支持体構造をシュラウドとタービンブレード先端との間の損失を最小にするような精密許容差で製造することができる限度は、製作公差、異なる熱膨張率及び動的作用によって複雑になる。従って、特にシュラウドとシュラウド支持体との間では、摩耗（損耗）もまた避けられない。後者の実例は、図１及び図２に示す第１段高圧タービン（ＨＰＴ）シュラウド支持体セクション１０である。この実例では、シュラウド支持体セクション１０の前方フランジ１２に配置されたリップ１４及び面１６は、第１段ＨＰＴノズル外側バンド後方面（図示せず）との高押圧接触による過度の摩耗を特に受けやすい。過度に摩耗した面（損耗面）により、シュラウド支持体セクション１０の整備不能な状態が生じるおそれがある。

シュラウド支持体の損耗面を修復するための様々な解決法が開発されてきており、それら解決法には、炭化クロム、ニッケル基合金又はＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金の溶射により、或いはコバルト基Ｌ６０５超合金などの溶接肉盛によりこれらの面を肉盛することが含まれる。これらの修復法は、成功しているが、シュラウド支持体の摩耗及び寸法低下に対する長期的解決策にはならず、従って、取付け、形状及び機能に悪影響を及ぼしている。さらに、溶射、溶接及び機械加工作業に起因する高い製作コスト及び長いサイクル時間により、補修／分解整備エンジンの出荷における遅れが生じ、最終的には顧客の不満を招く結果となっている。別の解決法として、同一出願人による特許文献１には、それによって耐摩耗性フォイルを構成部品の損耗面にロウ付けする方法が開示されている。フォイルは、支持シート上に耐摩耗性材料を溶射することによって形成される。好適な耐摩耗性材料には、市場で購入可能なＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ４００及びＴ８００合金のような炭化クロム材料及びＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金が含まれる。
特開２００１−１６２３６７号公報

上記の進歩にもかかわらず、複雑でなく、労働集約型でなくかつ低コストであり、さらに前述の摩耗及び寸法低下の問題に対する長期的解決策をもたらす、シュラウド支持体の修復に使用可能な方法があれば、望ましいと言える。

本発明は、ターボ機械のシュラウド支持体構成部品の損耗面を修復する方法及びこの方法で修復したシュラウド支持体構成部品を提供する。本方法は、一般的に損耗面の表面領域を除去して、シュラウド支持体構成部品上に補修面を形成する段階を伴う。ロウ付け材料及び耐摩耗性合金を含むようにスラリーから形成されたロウ付けテープは、次に補修面に施工され、続いて熱処理されて、ロウ付けテープが肉盛面を形成するように補修面に拡散接合される。肉盛面は、次に機械加工されて、シュラウド支持体構成部品上に耐摩耗性皮膜を形成する。

本発明の好ましい態様によると、ロウ付けテープ内で、ロウ付け材料は、耐摩耗性合金、好ましくはコバルト合金（その主成分がコバルトである合金）のマトリックス材料内に分散される。本修復方法の結果として、シュラウド支持体構成部品は、シュラウド支持体構成部品の表面に拡散接合された耐摩耗性皮膜を含み、耐摩耗性皮膜は、シュラウド支持体構成部品の被摩耗面を形成した機械加工面を有し、被摩耗面は、ターボ機械のシュラウド構成部品を支持しかつ該シュラウド構成部品と高押圧接触するのに適している。耐摩耗性皮膜は、熱溶射、プラズマ溶射及び溶接によって形成された従来技術の皮膜に比較して、より良好な耐摩耗性特性を有するように容易に調製することができる。

上記の観点から、本発明の大きな利点は、製品寿命及び耐久性をより長くすることを含み、同時に処理コスト及びサイクル時間を最小にすることを含むことが理解できる。具体的には、本修復方法により、従来技術の熱溶射、プラズマ溶射及び溶接補修法と比較して比較的少ない設備投資で行うことができかつ実質的に製作コストを低減することができる耐摩耗性表面が得られる。

本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明から、一層良く理解されるであロウ。

上述のように、図１及び図２は、ガスタービンエンジンの回転構成部品を囲む複数のノズルで構成されたシュラウド（図示せず）を支持する、航空機用ガスタービンエンジンで用いるタイプの第１段高圧タービン（ＨＰＴ）シュラウド支持体セクション１０を示す。様々な耐熱材料を使用して支持体セクション１０を形成することができ、その注目に値する実施例にはＲｅｎｅ（登録商標）４１、Ｒｅｎｅ（登録商標）７７、Ｒ８０及びＭａｒＭ５０９が含まれるが、本発明は本質的に任意の金属基合金の補修に広く適用可能である。支持体セクション１０は、前方リップ１４及び前方面１６を形成した前方フランジ１２を有し、前方リップ１４及び前方面１６は、セクション１０によって支持された個々のノズルの外側バンドに接触するようになっている。リップ１４及び面１６のノズルとの接触は、製作公差、異なる熱膨張率及びエンジン動作中の動的作用の結果としての接触面間の高押圧力と相対運動とに特徴がある。従って、リップ１４及び面１６の表面は、損耗面を修復する必要があるほど過度に摩耗する傾向がある。

図２は、シュラウド支持体セクション１０を修復する方法の第１の段階を示し、この第１の段階は、リップ１４及び面１６のあらゆる損耗又は損傷した表面領域を除去することを含む。この段階は、例えばグリットブラスト、好適な酸化物除去溶液の適用などのような従来通りのプロセスを用いて、リップ１４及び面１６の表面からあらゆる酸化物又は他の汚染物質を最初に清浄化することによって実行されるのが好ましい。リップ１４及び面１６の表面は、次に機械加工されて、あらゆる以前の耐摩耗性皮膜の残留物を含む、その損傷した部分全てを除去されて、シュラウド支持体１０の下にある基体材料が露出した機械加工補修面１８及び２０を形成するのが好ましい。機械加工段階は、ＣＮＣフライス加工などの従来通りの機械加工法によって実行することができる。

図３は、補修面１８及び２０に対してロウ付けテープ２２及び２４を施工する段階の結果を示す。本発明の好ましい態様によると、ロウ付けテープ２２及び２４は、耐摩耗性合金のマトリックス内に分散されたロウ付け材料を含むように形成される。好適なロウ付け材料は、一般的にその基本成分が耐摩耗性合金と同一であるが、耐摩耗性合金よりも低い融解温度を有するその組成に特徴がある。特に好適なロウ付け材料はコバルト基合金であり、コバルト基合金は、重量％で、約２２．５〜２４．２５％のクロム、約９．０〜１１．０％のニッケル、約６．５〜７．５％のタングステン、約３．０〜４．０％のタンタル、約２．６〜３．０％のホウ素と、残部のコバルト並びに炭素、ジルコニウム、鉄、シリコン、マンガン、銅、酸素、窒素、セレン、リン及び／又は硫黄などの微量又は付随元素を含む。ロウ付け材料の好ましい公称組成は、重量％で、約２３％のクロム、約１０％のニッケル、約７％のタングステン、約３．５％のタンタル及び約２．８％のホウ素と、残部のコバルト及び付随不純物である。本発明の出願人は、このような合金を等軸晶超合金構成部品の補修のために活性拡散癒着（ＡＤＨ）接合合金として使用してきた。

好適な耐摩耗性合金は、Ｄｅｌｏｒｏ Ｓｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．からＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ８００の商品名で購入可能なタイプのコバルト基合金である。Ｔ８００合金は、重量％で、約２７〜約２９％のモリブデン、約１６．５〜約１７．５％のクロム、約３．０〜約３．５％のシリコン、最大約３％までの鉄、最大約３％までのニッケル、最大約０．０３％までの硫黄、最大約０．０３％までのリン及び最大約０．１％までの炭素と、残部のコバルト及び付随不純物を含む。耐摩耗性合金の好ましい組成は、重量％で、約２７〜約３０％のモリブデン、約１６．５〜約１８．５％のクロム、約３．０〜約３．８％のシリコン、最大約１．５％までの鉄、最大約１．５％までのニッケルと、残部のコバルト並びに酸素、炭素、硫黄及びリンなどの付随不純物である。

ロウ付けテープ２２及び２４の製造において、ロウ付け材料及び耐摩耗性合金は粉末状であり、混合されて、重量％で、約１０％〜約３０％のロウ付け材料、好ましくは約１９％〜約２１％のロウ付け材料と、残部の本質的に耐摩耗性合金からなる粉末混合物を形成するのが好ましい。ロウ付け材料粉末は、約〜２７０メッシュ（最大で５３マイクロメートル）、好ましくは〜３２５メッシュ（最大で４４マイクロメートル）の好ましい粒径範囲を有する。耐摩耗性合金粉末は、約〜２００メッシュ（最大で７５マイクロメートル）、好ましくは約〜３２５メッシュ（最大で４４マイクロメートル）の好ましい粒径範囲を有する。この粉末混合物は、次にバインダと混合されてスラリーを形成する。バインダの好適な組成は、望ましくない残留物を残さないように約１２００°Ｆ（約６５０℃）よりも低い温度で燃焼除去することができるポリマー又は有機バインダである。好ましいバインダは、様々な供給元から購入可能なポリエチレンである。バインダは、十分な量で粉末混合物と混合されてスラリーを形成し、次にスラリーを乾燥させて柔軟なシートを形成することができる。例えば、スラリーを支持シートに塗布し、次にスラリーを乾燥させて形成した柔軟なシートから支持シートを取り除くことができる。得られたシートは、次に粉末粒子を融解し（凝集させ）かつバインダを燃焼除去するのに十分な温度（例えば約２００℃〜約４２５℃）で焼結され、その後、焼結したシートは、ウォータジェット、レーザ又は他の好適な方法を用いて任意の所望形状のテープ２２及び２４に切断することができる。

耐摩耗性合金マトリックス内でのロウ付け材料の均一な分散が好ましいが、ロウ付け材料及び耐摩耗性合金はテープ２２及び２４内に別個の層として存在することになると予測できる。例えば、テープ２２及び２４は、ロウ付け材料と耐摩耗性合金の交互層で形成される場合があり、その場合には、ロウ付け材料の個々の層が耐摩耗性合金の個々の層よりも薄くなることが望ましい。

ロウ付けテープ２２及び２４は、その後のエージングを伴う真空熱処理を使用して支持体セクション１０の補修面１８及び２０に拡散接合される。テープ２２及び２４は、例えば選択位置における一時的な接合を保証するタック溶接のような抵抗溶接法によって補修面１８及び２０に接合することができる。それに代えて、この目的に無機接着剤を使用することができる。好適な熱処理は、１×１０^−３トル以下（１．３×１０^−３ミリバール以下）の真空内で、約２１００°Ｆ〜約２３００°Ｆ（約１１５０℃〜約１２６０℃）の温度で約１０〜約６０分間、より好ましくは約２１８０°Ｆ〜約２２００°Ｆ（約１１９３℃〜約１２０４℃）の温度で約１０〜約３０分間実行される。熱処理の終了時において、ロウ付けテープ２２及び２４は、補修面１８及び２０上を５％未満の線収縮及び２０％未満の厚さ収縮で滑らかにかつ均一に流動し、図４に示す肉盛皮膜２６及び２８を形成しているのが好ましい。皮膜２６及び２８と補修面１８及び２０との間の接合は、最低限でも９０％であるのが好ましい。さらに、皮膜２６及び２８は、体積％で４％以下の気孔率を有し、１００倍の金相評価で測定したとき任意の気孔の長軸は０．００８インチ（約０．２ｍｍ）を超えず、また５０倍の倍率で検査した任意の観察領域内に最大で１つの気孔が存在するのが好ましい。

熱処理に続き、皮膜２６及び２８は、補修面１８及び２０に対して皮膜２６及び２８をさらに接合させるために一次エージングを行われるが、この一次エージングは、約２０００°Ｆ〜約２１００°Ｆ（約１０９０℃〜約１１５０℃）の温度で約１時間〜約４時間実行されるのが好ましい。二次エージング段階は、補修する材料がＲｅｎｅ（登録商標）７７、Ｒｅｎｅ（登録商標）４１又はその強度がロウ付け温度で減少する別の合金である場合、約１４００°Ｆ（約７６０℃）の温度で約４時間実行されるのが好ましい。

エージングに続き、肉盛皮膜２６及び２８は機械加工されて、リップ１４及び面１６の被摩耗面に必要な寸法及び表面状態が再び得られる。粗い表面は摩耗速度を早める結果になるという点で、表面仕上げは特に重要である。従って、最終機械加工皮膜３０及び３２（図５）の表面は、約３０〜約４０マイクロインチ（約１〜約３マイクロメートル）Ｒａのオーダの表面仕上げを有するのが好ましい。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者が他の形態を採用することができることは明らかである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

航空機用ガスタービンエンジンのシュラウド支持体セクションの斜視図。 支持体セクションの前方フランジの損耗面を機械加工した後の、図１のシュラウド支持体セクションの側面図。 本発明の方法によりロウ付けテープを施工した後の、図２のシュラウド支持体の側面図。 本発明の方法によりロウ付けテープを拡散接合した後の、図２及び図３のシュラウド支持体の部分側面図。 本発明の方法により得られた皮膜を機械加工した後の、図２及び図３のシュラウド支持体の部分側面図。

符号の説明

１０ シュラウド支持体セクション
１２ 前方フランジ
１４ 前方リップ
１６ 前方面
１８、２０ 補修面
２２、２４ ロウ付けテープ
２６、２８ 肉盛面
３０、３２ 耐摩耗性皮膜

Claims (10)

1. 構成部品（１０）の損耗面（１４、１６）を修復する方法であって、
   前記損耗面（１４、１６）の表面領域を除去して、前記構成部品（１０）上に補修面（１８、２０）を形成する段階と、
   ロウ付け材料及び耐摩耗性合金を含むロウ付けテープ（２２、２４）をスラリーから形成する段階と、
   前記ロウ付けテープ（２２、２４）を前記補修面（１８、２０）に施工する段階と、
   前記ロウ付けテープ（２２、２４）及び補修面（１８、２０）を熱処理して、肉盛面（２６、２８）を形成するように前記ロウ付けテープ（２２、２４）を該補修面（１８、２０）に拡散接合する段階と、
   前記肉盛面（２６、２８）を機械加工して、前記構成部品（１０）上に耐摩耗性皮膜（３０、３２）を形成する段階と、
   を含む方法。
2. 前記ロウ付け材料の粉末が、前記ロウ付けテープ（２２、２４）において本質的に耐摩耗性合金の粉末からなるマトリックス内に分散されていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記ロウ付けテープ（２２、２４）が、
   ロウ付け材料の粉末、耐摩耗性合金の粉末及びバインダを混合して、その中に粉末が分散したスラリーを形成する段階と、
   ロウ付けテープ（２２、２４）を成形しかつ焼結してバインダを除去する段階と、
   を含む方法によって形成される、
   ことを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 前記ロウ付け材料が、重量％で、約２２．５〜２４．２５％のクロム、約９．０〜１１．０％のニッケル、約６．５〜７．５％のタングステン、約３．０〜４．０％のタンタル、約２．６〜３．０％のホウ素と、残部のコバルト、微量合金化元素及び付随不純物からなることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記耐摩耗性合金が、重量％で、約２７〜約２９％のモリブデン、約１６．５〜約１７．５％のクロム、約３．０〜約３．５％のシリコン、最大約３％までの鉄、最大約３％までのニッケルと、残部のコバルト、微量合金化元素及び付随不純物からなることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記ロウ付けテープ（２２、２４）が、重量％で約１０〜約３０％のロウ付け材料と、残部の本質的に耐摩耗性コバルト合金を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の方法。
7. ターボ機械の修復済みシュラウド支持体構成部品（１０）であって、
   面（１８、２０）と前記面（１８、２０）に拡散接合された耐摩耗性皮膜（３０、３２）とを含み、
   前記耐摩耗性皮膜（３０、３２）が、該シュラウド支持体構成部品（１０）の被摩耗面を形成した機械加工面を有し、
   前記耐摩耗性皮膜（３０、３２）が、耐摩耗性合金のマトリックス材料内に分散されたロウ付け材料を含む、
   修復済みシュラウド支持体構成部品（１０）。
8. 前記被摩耗面が、該シュラウド支持体構成部品（１０）の支持フランジ（１２）上に位置し、前記支持フランジ（１２）が、ターボ機械のシュラウド構成部品（１０）を支持するようになっていることを特徴とする、請求項７記載の修復済みシュラウド支持体構成部品（１０）。
9. 前記ロウ付け材料が、重量％で、約２２．５〜２４．２５％のクロム、約９．０〜１１．０％のニッケル、約６．５〜７．５％のタングステン、約３．０〜４．０％のタンタル、約２．６〜３．０％のホウ素と、残部のコバルト、微量合金化元素及び付随不純物からなることを特徴とする、請求項７又は請求項８記載の修復済みシュラウド支持体構成部品（１０）。
10. 前記耐摩耗性合金が、重量％で、約２７〜約２９％のモリブデン、約１６．５〜約１７．５％のクロム、約３．０〜約３．５％のシリコン、最大約３％までの鉄、最大約３％までのニッケルと、残部のコバルト、微量合金化元素及び付随不純物からなることを特徴とする、請求項７〜請求項９のいずれか１項記載の修復済みシュラウド支持体構成部品（１０）。

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