JP2006176881A - コールドスプレーアルミニウム材料を用いる部材修理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法を修復する仕方で部材を修理する方法が提供される。
【解決手段】部材（１０）を修理する方法は、修理される欠陥を有する部材（１０）を用意し、修理材料が、影響領域（２４）との衝突の際に塑性変形しかつ影響領域（２４）に結合し、それによって影響領域（２４）を覆うように、部材（１０）の表面（２５）上の影響領域（２４）上にアルミニウム含有修理材料を堆積させる、各ステップを含む。堆積ステップは、影響領域（２４）上に、純アルミニウムおよびアルミニウム含有合金から成る群より選択される材料を堆積させることを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末状コールドスプレーアルミニウム含有材料を用いて、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。

現在の修理方法では、プラズマ溶射、ＨＶＯＦ、およびエポキシ結合などといったさまざまな技術によってアルミニウムおよびマグネシウム構造の寸法修復が可能である。しかしながら、これらの修理は、影響を受けた領域（ａｆｆｅｃｔｅｄ ａｒｅａ）に施す場合、構造上の利点を与えない。従って、部品を寸法的に修復できるとはいえ、これら既存の修理方法は、修理される部品が必要とされる強度を有することがないため下に位置する構造が最小限の寸法条件を満たさなくなる場合、役に立たない。融接プロセスは、構造的な修理部分を生成できるとはいえ、しばしば、許容できないひずみを生じる。さらに、融接および類似のプロセスは、基体材料の材料特性に否定的な影響を及ぼし得る高温を生成する。

従って、本発明の目的は、寸法を修復する仕方で部材を修理する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、許容できないひずみを生じずまた下に位置する材料の性質に否定的な影響を及ぼさずに、修理に対して要求されるいくつかの構造上の評価（ｃｒｅｄｉｔ）を可能とする、上述したような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、部材を修理する方法は概略、修理される欠陥を有する部材を用意し、修理材料が、影響領域との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ影響領域に結合し、それによって固体状態で影響領域を覆うように、部材の表面上の影響領域上にアルミニウム含有修理材料を堆積させる、各ステップを含む。

本発明に従うコールドスプレーアルミニウム材料を用いる構造修理方法の他の詳細、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、粉末状アルミニウム含有修理材料を用いる、タービンエンジンに使用される部材および部品などの部材または部品の修理に関する。

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、最初の通過時の衝突の際に、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。その後の通過の際に、粒子は、先に堆積した層に結合する。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、延性の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、コールドスプレープロセスは、アルミニウムまたはマグネシウム基材料から形成されたファン出口インナーケースまたはギヤボックスなどといったタービンエンジン部材の修理の際に使用できる。

タービンエンジン部材を修理する場合、腐食ピットおよび／または損傷領域は、研削、機械加工、またはその他の適用可能な技術によって機械的に除去し、結果として得られた表面は、コールドスプレー方法を用いてアルミニウム含有材料などの修理材料を堆積させる前に、グリットブラストしてもよく、あるいはしなくてもよい。本発明に従って修理を行うのに使用できる適切なアルミニウム含有材料としては、限定される訳ではないが、純アルミニウム、アルミニウム合金６０６１、アルミニウム合金２２１９、Ａｌ−１２Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｓｃ合金、およびアルミニウム合金６０６１／Ｂ４Ｃが挙げられる。本発明の好ましい実施態様において、アルミニウム含有材料は、重量で５０％を超えるアルミニウムを含む組成を有する材料を含む。

ここで図面を参照すると、部材または部品の影響領域２４に対して修理を行うための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２５の影響領域上にスプレーされる。修理材料の堆積の際に、部品または部材１０は、静止して保持されることができ、あるいは、当業技術内で知られる任意の適切な手段（図示せず）により関着（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）または直動されることができる。代替として、スプレーノズル２０が、静止して保持されることができ、あるいは、関着または直動されることができる。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。

本発明の方法において、修理材料の供給原料は、粉末状アルミニウム含有材料である。粉末状アルミニウム含有材料は、５μｍから５０μｍの範囲の粒径を有する−３２５メッシュの粉末状アルミニウム含有材料とすることができる。先に述べた粒径などといった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２５および／または影響領域２４より上の弧状衝撃波（ｂｏｗ ｓｈｏｃｋ）層に起因して表面２５および／または影響領域２４から一掃されるおそれがある。これは、弧状衝撃波を通って粒子を推進させるには不十分な質量に起因する。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、大きな粒子と小さな粒子（二つのモード（ｂｉ−ｍｏｄａｌ））があるとすれば、小さな粒子がより遅くかつより大きな粒子に衝突し、事実上、両方の速度を低下させるからである。

アルミニウム含有修理材料の微細粒子は、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。

粉末状アルミニウム含有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ことを意味する。粒子上および／または部材表面上に形成され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アルミニウム含有修理材料は、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。例えば、１〜５ｒｐｍのホイール速度においてプラクスエア（Ｐｒａｘａｉｒ）粉末供給装置を使用できる。

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。例えば、供給装置は、ヘリウムを用いて２００ｐｓｉから４００ｐｓｉ、好ましくは３００から３５０ｐｓｉの範囲の圧力に加圧できる。主ガスは好ましくは、ガス温度が２５０℃から５５０℃、好ましくは３５０℃から４５０℃の範囲にあるように、加熱される。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。

アルミニウム含有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の影響領域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。厚い層を形成するのを望む場合、スプレーガン２２を静止して保持して、影響領域２４上に厚い堆積物を形成することができる。アルミニウム含有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。

影響領域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。

スプレーガン２２の圧力は、２００ｐｓｉから４００ｐｓｉ、好ましくは３００ｐｓｉから３５０ｐｓｉの範囲とすることができる。粉末状アルミニウム含有修理材料は好ましくは、特定の主ガス圧力より１０から５０ｐｓｉの範囲で高い、好ましくは１５ｐｓｉ高い圧力下にあるホッパーから、１０グラム／ｍｉｎから１００グラム／ｍｉｎ、好ましくは１５グラム／ｍｉｎから５０グラム／ｍｉｎの範囲の供給速度で、ライン３４を介してスプレーガン２２に供給される。

粉末状アルミニウム含有修理材料は好ましくは、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。

スプレーノズル２０は、影響領域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。

本発明の方法を用いると、アルミニウム合金６０６１などのアルミニウム含有修理材料は、部品または部材１０上の影響領域上に、元の壁厚を超える厚みにスプレーできる。アルミニウム含有材料が堆積された後、部品または部材１０は、コールドスプレーアルミニウム含有修理材料の延性を回復させるように熱処理できる。熱処理は、部品または部材１０に所望の延性を達成する温度において実行できる。例えば、熱処理は、コールドスプレーアルミニウム含有材料堆積物を有する部品または部材を、空気炉内で１時間から２時間の間、５００°Ｆの温度に加熱する熱処理とすることができる。いくつかのアルミニウム含有修理材料を使用する場合、熱処理は不要になり得る。他のアルミニウム含有修理材料を用いる場合、熱処理は、１時間から２４時間の範囲の時間、１００°Ｆから、５００°Ｆより高い温度まで変わる温度とすることができる。熱処理が必要な場合、それは、部材全体に広域に、または修理領域に局所的に施すことができる。

どのような熱処理も完了した後に、堆積修理材料を有する部品または部材１０は、影響領域２４の範囲において、機械的に平滑化することができ、構造上の評価を、修理領域に対して要求することができる。ここで使用する構造上の評価とは、コールドスプレーアルミニウム合金修理材料が基部材料の強度の所定の割合を有しかつ修理厚みが測定壁厚の一部と見なされる、という事実をいう。有効壁厚が必要な最小値を超えるように構造上の評価が十分であるのを除けば、コールドスプレーアルミニウム含有修理材料の堆積物が、親金属の強度を有する必要はない。有効壁厚が必要な最小値を超える場合、部品または部材１０は、回収（ｓａｌｖａｇｅ）できる。ここで使用するように、有効壁厚という用語は、スプレー堆積物が、部品または部材１０を形成する基部材料の強度の７５％を有すると考えられるならば、修理厚みが７５％と評価される、ということを意味する。従って、部品または部材１０の現在の壁厚が、０．１００インチであり、０．０５０インチの堆積物が施されて、全体で０．１５０インチの厚みとなり、修理の有効壁厚は、修理材料が部品または部材の基部材料の強度の７５％を有するので、０．１３７５インチとなる。

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アルミニウム含有粉末は、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。粒子が無酸素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。その結果、結果として生じるどのようなひずみも最小限に抑えられる。部品温度を調節することによっても、先の熱処理で得られた特定の基部材料の性質を保持できる。コールドスプレーは、圧縮表面残留応力を引き起こし、これは、疲労および脆性破壊に対する抵抗性を増加でき、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。

６０６１アルミニウム合金基体上に６０６１アルミニウム合金をスプレーする場合、堆積したままの１０ｋｓｉを超える結合強度が達成された。試験片は、４００℃に加熱された３００ｐｓｉのヘリウムキャリヤーガスを用いて調製した。ノズルは、１２５ｍｍ毎秒で試験片上を横断し、粉末供給速度は、約０．０１０インチの材料層が通過ごとに堆積されるようなものであった。合計で６回の通過を試験片上に行い、結果として、０．０６０〜０．０７０インチの最終堆積厚みとなった。

本発明の方法を用いて部材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…部品または部材
２０…ノズル
２２…スプレーガン
２４…影響領域
２５…表面
３０…入口
３４…ライン

Claims (17)

1. 部材を修理する方法であって、
   修理される欠陥を有する部材を用意し、
   修理材料が、影響領域との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ影響領域に結合し、それによって影響領域を覆うように、部材の表面上の影響領域上にアルミニウム含有修理材料を堆積させる、
   各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、影響領域上に、純アルミニウムおよびアルミニウム含有合金から成る群より選択される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. 前記の堆積ステップは、アルミニウム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粉末形態でアルミニウム含有修理材料を用意し、この粉末粒子を８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓの範囲の速度に加速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. 前記の加速ステップは、前記粉末粒子を８５０ｍ／ｓから１２００ｍ／ｓの範囲の速度に加速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. 前記アルミニウム含有粉末を、キャリヤーガスを用いて２００ｐｓｉから４００ｐｓｉの範囲の圧力で１０グラム／ｍｉｎから１００グラム／ｍｉｎの供給速度でスプレーノズルに供給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。
7. 前記の供給ステップは、前記アルミニウム含有粉末を、１５グラム／ｍｉｎから５０グラム／ｍｉｎ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６記載の方法。
8. 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６記載の方法。
9. 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８記載の方法。
10. 前記の堆積ステップはさらに、２５０℃から５５０℃の範囲の温度の主ガスを用いてノズルを通して前記アルミニウム含有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６記載の方法。
11. 前記の通過ステップは、３５０℃から４５０℃の範囲の主ガス温度においてノズルを通して前記アルミニウム含有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。
13. 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１２記載の方法。
14. 前記ノズルを、影響領域から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６記載の方法。
15. 前記の堆積ステップの前に部材上の影響領域から腐食ピットおよび損傷領域の少なくとも一つを機械的に除去し、前記の堆積ステップの前に部材の影響領域をグリットブラストすることをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
16. 堆積アルミニウム含有修理材料の延性を回復させるのに十分な時間および温度で、堆積アルミニウム含有修理材料を有する部材を熱処理することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
17. 前記部材は、元の厚みを有しており、アルミニウム含有修理材料は、影響領域上の修理された部材の厚みがこの元の厚みを超えるように、影響領域上に堆積されることを特徴とする請求項１記載の方法。

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