JP2006161160A - コールドスプレーを用いた超合金修理 - Google Patents

Abstract

【課題】超合金材料から形成された部材を修理する方法が提供される。
【解決手段】超合金材料から形成された部材（１０）を修理する方法は、修理される欠陥を有する超合金材料から形成された部材（１０）を用意し、修理材料が、部材（１０）の表面（２４）との衝突の際に塑性変形しかつ部材（１０）の表面（２４）に結合し、それによって欠陥を覆うように、非酸化性キャリヤーガスを用いて部材（１０）の表面（２４）上に修理材料を堆積させる、ステップを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、超合金材料から形成された、タービンエンジン部品などといった部材を修理する方法に関する。

超合金構造は、ガスタングステンアークなどの融接（ｆｕｓｉｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ）を用いて修理されてきた。しかしながら、この種の修理技術によってしばしば、望ましくないひずみなどの問題が生じていた。修理される部材は通常、その最終寸法に機械加工されている。その結果、どのようなひずみも許容できない。たとえひずみが許容可能であるとしても、Ｗａｓｐａｌｏｙをはじめとして多数の超合金、またＩＮ１００などの粉末金属は、溶接プロセスで生じる高残留引張り応力の存在に起因して応力除去の際にひずみ時効割れを受けやすい。実際、ＩＮ１００は、融接方法によって溶接できないと考えられる。この合金に対しては、有効な修理方法は存在しない。

従って、本発明の目的は、超合金材料から形成された部材を修理する方法を提供することである。

上述した目的は、本発明の方法によって達成される。

本発明に従うと、超合金材料から形成された部材を修理する方法は概略、修理される欠陥を有する超合金材料から形成された部材を用意し、修理材料が、部材の表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ部材の表面に結合し、それによって欠陥を覆うように、非酸化性キャリヤーガスを用いて部材の表面上に修理材料を堆積させる、ステップを含む。

コールドスプレーを用いた超合金修理の他の詳細、およびそれに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明中に、および同様の参照符号が同様の部材を図示している添付の図面中に述べられる。

本発明は、超合金材料から形成された部材また部品の修理に関する。ここで使用するように、「超合金材料」という用語は、限定される訳ではないが、ニッケル基合金およびコバルト基合金を含め、広範囲な材料のことをいう。修理される部材または部品は、限定される訳ではないが、タービンエンジン部材を含み得る。

この数年間、コールドガスダイナミックスプレー（「コールドスプレー」）として知られる技術が開発されてきた。この技術は、有利なものであるが、その理由は、衝突の際に、粒子が塑性変形し、かつ、粒子が上に堆積しつつある部材の表面に結合して、相対的に高密度の被覆または構造堆積物を構築するように、この技術が、粒子を充分な高速に加速するのに十分なエネルギーを与えるからである。コールドスプレーは、粒子をその固体状態から冶金学的には変化させない。コールドスプレープロセスは、超合金材料から形成された部材の修理を行うのに最も有用であることが見出されている。例えば、コールドスプレーは、高温ガス、はめ合わせ部材とのこすれ、または小さな粒子状物質との衝突に起因する腐食、侵食、および一般的な摩耗に起因して材料を失った部品を構築するのに有効である。さらに、ある種の割れは、コールドスプレーを用いて修理可能である。

任意の修理材料を堆積させる前に、損傷が、もしあれば、限定される訳ではないが、グリットブラスト、研削、および切削を含む当業技術内で知られた任意の適切な方法によって除去され得る。損傷領域は、コールドスプレーの堆積修理材料を受けるなだらかに傾斜した表面が達成されるような仕方で除去される。表面は、グリットブラストまたは他の既知の方法によって、コールドスプレーのために整えることができるとはいえ、これは、全ての修理に対して必要ではない。表面は次いで、残留するグリットおよび他の汚染物質が、空気ブラストまたは溶媒（例えばアセトン）洗浄などの当業技術で知られる任意の適切な技術を用いて取り除かれて清浄化され得る。部品は次いで、適切な固定具（必要ならば）内に配置されることができ、材料が堆積され得る。いくつかの場合は、部品を静止させて保持し、スプレーノズルを操作するのが望ましいものとなり得る。別の場合には、スプレーノズルを静止させることができ、部品を手でまたはロボットで操作できる。いくつかの場合には、部品とノズルの両方を操作することができる。

ここで図面を参照すると、超合金部材または部品に対して修理を行うシステムが示される。このシステムは、中細（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ／ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）ノズル２０を有するスプレーガン２２を含み、ノズル２０を通して修理材料が、修理される部品または部材１０の表面２４上にスプレーされる。部品または部材は、静止して保持されることができ、または、当業技術内で知られる任意の適切な手段（図示せず）により回転されることができる。

本発明の方法において、修理材料の供給原料は、粉末状金属材料である。粉末状金属材料は、部品または部材を構成する組成と同じ組成とすることができ、または、適合できる組成とすることができる。例えば、粉末金属材料は、ＩＮ ７１８、ＩＮ ６２５、 ＩＮ １００、ＷＡＳＰＡＬＯＹ、ＩＮ ９３９、またはＧＡＴＯＲＩＺＥＤ ＷＡＳＰＡＬＯＹなどの粉末状ニッケル基超合金とすることができる。表面２４上に修理材料の堆積物を形成するのに使用される粉末状金属材料粒子は好ましくは、約５μｍから５０μｍ（０．２〜２．０ミル）の範囲の直径を有する。より小さな粒径によって、より高速の粒子速度の達成が可能となる。５μｍより小さな直径では、粒子は、表面２４より上の弧状衝撃波（ｂｏｗ ｓｈｏｃｋ）層に起因して表面２４から一掃されるおそれ、すなわち、弧状衝撃波を通って粒子を推進させるには質量が不十分なおそれがある。粒径分布がより狭くなるほど、粒子速度はより均一なものになる。これは、スプレー／噴流（ｐｌｕｍｅ）中の小さな粒子がより遅くかつより大きな粒子に衝突し、効果的に両方の速度を低下させるからである。

修理材料の粒子は、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物などの圧縮ガスを用いて超音速の速度に加速できる。ヘリウムは、その低分子量に起因して最も高速を生成するので、好ましい気体である。

粉末状修理材料を堆積物に変化させるための、本発明の方法により利用される結合機構は、厳密に固体状態であり、これは、粒子が塑性変形するけれども溶融はしないことを意味する。粒子上に形成されまたは部材表面上に存在するどのような酸化物層も粉砕され、新鮮な金属対金属の接触が非常な高圧でなされる。

堆積物を形成するのに使用される粉末状金属修理材料は、改造された溶射供給装置などといった従来技術で知られる任意の適切な手段を用いてスプレーガン２２に供給できる。使用できる特注の供給装置の一つは、オハイオ州クリーヴランドのパウダー・フィード・ダイナミックス社（Ｐｏｗｄｅｒ Ｆｅｅｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により製造される。この供給装置は、オーガー（ａｕｇｅｒ）型供給機構を有する。角のあるスリットを有するバレルロール（ｂａｒｒｅｌ ｒｏｌｌ）供給装置および流動層供給装置も使用できる。

本発明のプロセスにおいて、供給装置を、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるガスで加圧できる。供給装置圧力は、主ガスまたはヘッド圧力より一般に１５ｐｓｉ高く、この圧力は通常、粉末状修理材料組成に依存して、２００ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲にある。主ガスは好ましくは、ガス温度が６００°Ｆから１２００°Ｆの範囲にあるように、加熱される。所望ならば主ガスは、堆積される材料に依存して、ほぼ１２５０°Ｆと同じほど高くに加熱できる。ガスは、ノズル２０の喉部を過ぎて膨張した後に急速に冷却しかつ凝固しないように、加熱できる。正味の効果は、堆積の際の修理されつつある部品上の約１１５°Ｆの表面温度になる。当業技術内で知られる任意の適切な手段を、ガスを加熱するのに使用できる。

修理材料を堆積させるために、ノズル２０は、修理されつつある部品１０の表面２４を一度ならず通過することができる。必要とされる通過の回数は、施される修理材料の厚みの関数である。本発明の方法は、任意の所望の厚みを有する堆積物を形成できる。修理材料の堆積層を構築する場合、残留応力の急速な蓄積と堆積層間の望ましくない剥離とを回避するために一回の通過当たりの厚みを制限するのが望ましい。

表面２４上に修理材料の粒子を堆積させるのに使用される主ガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量で、好ましくは１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量で、入口３０および／または入口３２を介してノズル２０を通過できる。上述の流量は、主ガスとしてヘリウムを使用する場合に好ましい。主ガスとして窒素を単独でまたはヘリウムと組み合わせて使用する場合、窒素ガスは、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４から３０ＳＣＦＭの流量で、ノズル２０を通過できる。代替として、ノズル２０は、二つのガスの間で切り換える弁に接続された単一の入口を有することができる。

主ガスの温度は、６００°Ｆから１２００°Ｆ、好ましくは７００°Ｆから１０００°Ｆ、最も好ましくは７２５°Ｆから９００°Ｆの範囲とすることができる。

スプレーガン２２の圧力は、２００ｐｓｉから５００ｐｓｉ、好ましくは２００ｐｓｉから４００ｐｓｉ、最も好ましくは２７５ｐｓｉから３７５ｐｓｉの範囲とすることができる。粉末状修理材料は好ましくは、特定の主ガス圧力より１０から５０ｐｓｉ高い、好ましくは１５ｐｓｉ高い圧力下にあるホッパーから、１０グラム／分（ｇｒａｍ／ｍｉｎ）から１００グラム／分、好ましくは１５グラム／分から５０グラム／分の範囲の速度で、ライン３４を介してスプレーガン２２に供給される。

粉末状修理材料は、非酸化性キャリヤーガスを用いてスプレーガン２２に供給される。キャリヤーガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭ、好ましくは８ＳＣＦＭから１５ＳＣＦＭの流量で、入口３０および／または入口３２を介して導入できる。上述の流量は、キャリヤーガスとしてヘリウムを使用する場合に有用である。キャリヤーガスとして窒素を単独でまたはヘリウムと混合して使用する場合、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４から１０ＳＣＦＭの流量を使用できる。

スプレーノズル２０は好ましくは、表面２４から所定の距離に保持される。この距離は、スプレー距離として知られる。好ましくはスプレー距離は、１０ｍｍから５０ｍｍの範囲にある。

スプレーノズル２０から放出される粉末状修理材料粒子の速度は、８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓ、好ましくは８５０ｍ／ｓから１２００ｍ／ｓの範囲とすることができる。

一回の通過当たりの堆積厚みは、０．００１インチから０．０３０インチの範囲とすることができる。

堆積後に、修理物を必要な寸法に戻すのにその後の仕上げ操作が必要となり得る。大抵の場合、熱処理も必要となり得る。このような場合、堆積された材料の標準的な熱処理を実行できる。

コールドスプレーは、他の金属被覆（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）プロセスに対する多数の利点を提供する。修理材料として使用される金属粉末は、高温に加熱されないので、供給原料材料の酸化、分解、およびその他の劣化が生じない。粒子が非酸化性の加速気体の流れの中に収容されるので、堆積の際の粉末酸化も制御される。コールドスプレーはまた、供給原料の微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を保持する。なおさらに、供給原料が溶融されないので、コールドスプレーは、脆い金属間化合物の生成または冷却時や次の熱処理時に割れる傾向に起因して従来はスプレーできない材料を堆積させる能力を提供する。

コールドスプレーは、固体状態のプロセスなので、部品をそれほど加熱しない。キャリヤーガスが加熱されるとはいえ、粒子がガス中に留まるのは比較的短い時間であり、そのため、キャリヤーガスの温度には到達しない。また、ガスはノズルの末広セクションを通って膨張する間に冷却する。その結果、部品はそれほど加熱されず、結果として生じるどのような熱ひずみも最小限に抑えられる。コールドスプレーは、圧縮表面残留応力を引き起こし、そのため、ひずみ時効割れのための駆動力が除去される。ひずみ時効割れの可能性を除去することは、より強固な修理に繋がる。

本発明は、コールドスプレープロセスを用いる文脈において説明したとはいえ、修理を行うのに他のプロセスを使用することができる。これらのプロセスは、衝突の際に、粒子が塑性変形しかつ部材の表面に結合し、相対的に高密度の被覆または構造堆積物を構築するように、粒子を充分な高速に加速するのに十分なエネルギーを与える。これらのプロセスはまた、粒子をその固体状態から冶金学的には変化させない。これらのプロセスは、限定される訳ではないが、運動学的金属被覆、電磁粒子加速、改造された高速空気燃料スプレー、および高速衝突融合を含む。

本発明の修理プロセスは、ニッケル基超合金から製造された任意の超合金タービン部材および耐食性ポンプなどといった広範ないろいろの部材および部品を修理するのに使用できる。

部材上の欠陥を修理するためのシステムを例示する概略図である。

符号の説明

１０…部材
２０…ノズル
２２…スプレーガン
２４…表面
３０、３２…入口
３４…ライン

Claims (17)

1. 超合金材料から形成された部材を修理する方法であって、
   修理される欠陥を有する超合金材料から形成された部材を用意し、
   修理材料が、部材の表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ部材の表面に結合し、それによって欠陥を覆うように、非酸化性キャリヤーガスを用いて部材の表面上に修理材料を堆積させる、
   ステップを含むことを特徴とする方法。
2. 前記の堆積ステップは、部材の表面上に超合金材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記の部材用意ステップは、ニッケル基超合金から形成された部材を用意することを含み、前記の堆積ステップは、ニッケル基超合金修理材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記の堆積ステップは、５μｍから５０μｍの範囲の粒径を有する粒子形態で修理材料を用意し、この粒子を８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓの範囲の速度に加速し、この金属粉末を、ヘリウム、窒素、および不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるキャリヤーガスを用いて２００ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲の圧力で１０グラム／分から１００グラム／分の供給速度でスプレーノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記の供給ステップは、前記金属粉末を、１５グラム／分から５０グラム／分の供給速度でスプレーノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記キャリヤーガスは、ヘリウムを含み、前記の供給ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
7. 前記の供給ステップは、ヘリウムを８から１５ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記キャリヤーガスは、窒素を含み、前記の供給ステップは、窒素を０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
9. 前記の供給ステップは、窒素を４から１０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記の堆積ステップはさらに、６００°Ｆから１２００°Ｆの範囲の主ガス温度においておよび２００ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、ヘリウム、窒素、およびこれらの混合物から成る群より選択される主ガスを用いてノズルを通して前記金属粉末粒子を通過させることを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
11. 前記の通過ステップは、７００°Ｆから１０００°Ｆの範囲の主ガス温度において２００ｐｓｉから４００ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、ノズルを通して前記金属粉末粒子を通過させることを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記主ガス温度は、２７５ｐｓｉから３７５ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において７２５°Ｆから９００°Ｆの範囲にあることを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. 前記主ガスは、ヘリウムを含み、前記の通過ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
14. 前記のヘリウム供給ステップは、ヘリウムを１５から３５ＳＣＦＭの流量で供給することを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記主ガスは、窒素を含み、前記の通過ステップは、窒素を０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
16. 前記の窒素供給ステップは、窒素を４から８ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記ノズルを、部材の表面から１０ｍｍから５０ｍｍの距離に維持することをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の方法。

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