JP2007119921A - クラック修理用組成およびクラック修理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】材料特性に悪影響を与えないタービンエンジン部品のクラック修理方法を提供する。
【解決手段】タービンエンジン部品のクラック修理方法は、好ましくは単結晶のニッケル基材料から構成され、かつ少なくとも１つのクラックを有する部品を提供し、単結晶のニッケル基合金と、第１のニッケル基ろう接合金と、第２のニッケル基ろう接合金と、を含む修理用合金組成をクラックに施してから、修理用合金組成が施された部品を熱サイクルにさらして修理用合金組成をクラックに拡散させるステップをそれぞれ含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶材料で構成されたタービンエンジン部品の修理方法およびこのような修理に使用される修理用合金組成に関する。
高圧タービンおよび低圧タービンのブレードなどのタービンエンジン部品は、単結晶のニッケル基超合金などの単結晶材料で構成されていることが多い。これらの部品には、使用時に修理を要するクラックが発生しうる。現在、修理を要する部品を２２００°Ｆ（約１２０４℃）の温度にさらす修理技術がある。このような温度にさらされると、１６００°Ｆ（約８７１℃）クリープ強度において容認できない難点が生じうる。
よって、材料特性に悪影響を与えない修理技術が求められている。
本発明は、材料特性に悪影響を与えない修理技術を提供する。
本発明によると、タービンエンジン部品の修理方法は、少なくとも１つのクラックを有する部品を提供し、単結晶のニッケル基合金と、第１のニッケル基ろう接合金と、第２のニッケル基ろう接合金と、を含む修理用合金組成をクラックに施し、施された修理用合金組成を含む部品を熱処理にさらして修理用合金組成をクラックに拡散させるステップをそれぞれ含む。
さらに、本発明によると、クラックの修理に使用される修理用合金組成が提供される。修理用合金組成は、単結晶のニッケル基材料、第１のニッケル基ろう接合金、第２のニッケル基ろう接合金を含む。
本発明の単結晶部品の低温拡散ろう接修理に関する他の詳細、およびこれに付随する他の目的および利点は、以下の実施形態および添付図面に記載されている。
本発明によって、材料特性に悪影響を与えずに少なくとも１つのクラックを有するタービンエンジン部品を修理する方法が提供される。この方法は、ニッケル基超合金、特に単結晶に形成されたタービンエンジン部品の修理に使用可能である。部品に使用可能な典型的なニッケル基超合金は、５〜１０重量％のクロム、５〜１０重量％のコバルト、５〜６．２重量％のアルミニウム、１．９重量％までのモリブデン、４〜６重量％のタングステン、８〜１２重量％のタンタル、０．３５重量％までのハフニウム、３．０重量％のレニウム、残部ニッケルを有するニッケル基合金を含むが、これに限定されない。
本発明の方法は、３つの構成材料を含む修理用合金を利用する。これらの３つの構成材料は、単結晶のニッケル基材料、第１のニッケル基ろう接合金、および第２のニッケル基ろう接合金である。単結晶のニッケル基材料は、５〜５０重量％の量で存在しうる。第１のニッケル基ろう接合金は、４０〜６０重量％の量で存在しうる。第２のニッケル基ろう接合金は、１０〜３５重量％の量で存在しうる。単結晶ニッケル基材料および第１のニッケル基ろう接合金の追加によって、タービンエンジン部品を構成する材料に有利な合金が追加される。第２のニッケル基ろう接合金は、好ましくは合金混合物が２０２５°Ｆ（約１３８０℃）の範囲内で溶融することを可能にする。当該技術で周知の適切な手段で３つの構成材料を混合して、修理用合金を形成することができる。
単結晶のニッケル基材料は、好ましくは、５〜１０重量％のクロム、５〜１０重量％のコバルト、１．５〜３．５重量％のチタン、４．２〜６．２重量％のアルミニウム、１．９重量％までのモリブデン、４〜６重量％のタングステン、４．８〜１２重量％のタンタル、０．５重量％までのコロンビウム、０．３５重量％までのハフニウム、０．００４重量％までのホウ素、３．０重量％までのレニウム、０．０１３重量％までのイットリウム、残部ニッケルからなる組成を有する単結晶のニッケル基合金を含む。
第１のニッケル基ろう接合金は、商品名ＤＦ−４Ｂで販売されているろう接合金とすることができる。このろう接合金は、１４重量％のクロム、１０重量％のコバルト、３．５重量％のアルミニウム、２．５重量％のタンタル、２．７５重量％のホウ素、０．１重量％のイットリウム、残部ニッケルからなる組成を有する。ニッケルの含有量が５０重量％よりも大きければ、他のニッケル基ろう接合金も使用可能である。
第２のニッケル基ろう接合金は、商品名ニコブラズ１５０（Ｎｉｃｏｂｒａｚ １５０）として販売されているろう接合金とすることができる。このろう接合金は、１４．７５重量％のクロム、０．０６重量％未満の炭素、３．６３重量％のホウ素、１．５重量％未満の鉄、残部ニッケルからなる組成を有する。ニッケルの含有量が５０重量％よりも大きければ、他のニッケル基ろう接合金も使用可能である。
修理用合金の用意が完了した後、修理する部品の各々のクラックに３つの構成材料から形成された修理用合金を施すことができる。修理用合金は、当該技術で周知の適切な技術でクラックに施すことができる。
修理用合金をクラックに施した後、部品を構成する材料の特性に悪影響を与えない熱サイクルに部品をさらす。この熱サイクルは、１５分間などの時間にわたって、１９５０〜２０６５°Ｆ（約１０６６〜１１２９℃）、好ましくは２０００〜２０５０°Ｆ（約１０９３〜１１２１℃）の範囲の溶融サイクル温度までクラックに修理用合金が施された部品を加熱し、修理用合金が施された部品を１９５０〜２０２５°Ｆ（約１０６６〜１１０７℃）、好ましくは１９７５〜２０２５°Ｆ（約１０７９〜１１０７℃）の範囲の拡散サイクル温度まで冷却し、この温度を５〜２０時間、好ましくは８〜１２時間の範囲の総時間数にわたって維持してクラックを修理することを含む。熱サイクルは、５×１０-4トル以下の真空の炉内で実施可能である。熱サイクルの完了後、修理部品は３５°（約１９℃）／分以上の速度で冷却可能である。
本発明のろう接合金混合物でクラックを修理して熱サイクルにさらすと、良好に充填された等温凝固構造体が得られることがわかった。
続いて図１，図２を参照すると、本発明によってなされた修理が示されている。この図から分かるように、良好に充填された等温凝固構造体が形成される。これらの図に示された修理は、以下の方法によって実施される。まず、修理する部品から全てのコーティングを除去する。次に、部品のクラックを洗浄する。その後、６０重量％のＤＦ−４Ｂと、３５重量％のニコブラズ１５０と、５重量％のクロム、１０重量％のコバルト、５．６５重量％のアルミニウム、１．０９重量％のモリブデン、５．９重量％のタングステン、８．４重量％のタンタル、０．１０重量％のハフニウム、３．０重量％のレニウム、０．０１３重量％のイットリウム、残部ニッケルからなる組成を有する５重量％のニッケル基単結晶合金と、からなる修理用合金をクラックに施す。修理用合金を含む部品を炉内に配置し、５×１０-4トルの真空において２０１０〜２０４０°Ｆ（約１０９９〜１１１６℃）の温度で１５分間にわたって熱処理を行う。次に、修理用合金を含む部品を２０００°Ｆ（約１０９３℃）まで冷却して９時間４５分間にわたってこの温度に保持する。続いて、修理部品を３５°Ｆ／分以上の速度で冷却する。
また、単結晶のニッケル基合金部品の修理は、以下の方法でも実施可能である。まず、修理する部品から全てのコーティングを除去して修理するクラックを洗浄する。その後、５０重量％のＤＦ−４Ｂと、２５重量％のニコブラズ１５０と、５重量％のクロム、１０重量％のコバルト、５．６５重量％のアルミニウム、１．０９重量％のモリブデン、５．９重量％のタングステン、８．４重量％のタンタル、０．１０重量％のハフニウム、３．０重量％のレニウム、０．０１３重量％のイットリウム、残部ニッケルからなる組成を有する２５重量％のニッケル基単結晶合金と、からなる修理用合金を用意してクラックに施す。修理用合金を含む部品を炉内に配置して５×１０-4トルの真空において２０３５〜２０６５°Ｆ（約１１１３〜１１２９℃）の温度で１５分間にわたって熱処理する。次に、部品と修理用合金は、１９７５°Ｆ（約１０７９℃）に冷却されて、９時間４５分間にわたってこの温度に保持される。続いて、修理部品を３５°Ｆ／分以上の速度で冷却することができる。
本発明の方法によって実施される修理を示す顕微鏡写真である。 図１の修理箇所を拡大して示した顕微鏡写真である。

Claims (15)

  1. クラックの修理に使用されるクラック修理用組成であって、この組成は、単結晶ニッケル基材料と、第１のニッケル基ろう接合金と、第２のニッケル基ろう接合金と、を含むことを特徴とするクラック修理用組成。
  2. 前記単結晶ニッケル基材料は、５〜１０重量％のクロム、５〜１０重量％のコバルト、１．５〜３．５重量％のチタン、４．２〜６．２重量％のアルミニウム、１．９重量％までのモリブデン、４〜６重量％のタングステン、４．８〜１２重量％のタンタル、０．５重量％までのコロンビウム、０．３５重量％までのハフニウム、０．００４重量％までのホウ素、３．０重量％までのレニウム、０．０１３重量％までのイットリウム、残部ニッケルからなることを特徴とする請求項１記載のクラック修理用組成。
  3. 第１のニッケル基ろう接合金は、１４重量％のクロム、１０重量％のコバルト、３．５重量％のアルミニウム、２．５重量％のタンタル、２．７５重量％のホウ素、０．１重量％のイットリウム、残部ニッケルからなることを特徴とする請求項２記載のクラック修理用組成。
  4. 第２のニッケル基ろう接合金は、１４．７５重量％のクロム、０．０６重量％未満の炭素、３．６３重量％のホウ素、１．５重量％未満の鉄、残部ニッケルからなることを特徴とする請求項２記載のクラック修理用組成。
  5. 前記単結晶ニッケル基材料は、５〜５０重量％の量で含まれ、第１のニッケル基ろう接合金は、４０〜６０重量％の量で含まれ、第２のニッケル基ろう接合金は１０〜３５重量％の量で含まれていることを特徴とする請求項１記載のクラック修理用組成。
  6. 部品のクラック修理方法であって、このクラック修理方法は、
    少なくとも１つのクラックを有する部品を提供し、
    単結晶ニッケル基材料と、第１のニッケル基ろう接合金と、第２のニッケル基ろう接合金と、を含む修理用合金組成を前記少なくとも１つのクラックに施し、
    前記修理用合金組成を含む部品を熱サイクルにさらして、前記ろう接合金組成を前記少なくとも１つのクラックに拡散させることにより前記部品を修理するステップをそれぞれ含むことを特徴とするクラック修理方法。
  7. 部品を提供するステップは、単結晶ニッケル基合金から構成される部品を提供することを含むことを特徴とする請求項６記載のクラック修理方法。
  8. 部品を提供するステップは、５〜１０重量％のクロム、５〜１０重量％のコバルト、５〜６．２重量％のアルミニウム、１．９重量％までのモリブデン、４〜６重量％のタングステン、８〜１２重量％のタンタル、０．３５重量％までのハフニウム、３．０重量％までのレニウム、残部ニッケルを含む組成を有する単結晶ニッケル基合金から構成される部品を提供することを含むことを特徴とする請求項６記載のクラック修理方法。
  9. 修理用合金組成を施すステップは、５〜５０重量％の単結晶ニッケル基材料と、４０〜６０重量％の第１のニッケル基ろう接合金と、１０〜３５重量％の第２のニッケル基ろう接合金と、を含む修理用合金組成を施すことを含むことを特徴とする請求項６記載のクラック修理方法。
  10. 修理用合金組成を施すステップは、５〜１０重量％のクロム、５〜１０重量％のコバルト、１．５〜３．５重量％のチタン、４．２〜６．２重量％のアルミニウム、１．９重量％までのモリブデン、４〜６重量％のタングステン、４．８〜１２重量％のタンタル、０．５重量％までのコロンビウム、０．３５重量％までのハフニウム、０．００４重量％までのホウ素、３．０重量％までのレニウム、０．０１３重量％までのイットリウム、残部ニッケルからなる単結晶ニッケル基材料と、１４重量％のクロム、１０重量％のコバルト、３．５重量％のアルミニウム、２．５重量％のタンタル、２．７５重量％のホウ素、０．１重量％のイットリウム、残部ニッケルからなる第１のニッケル基ろう接合金と、１４．７５重量％のクロム、０．０６重量％未満の炭素、３．６３重量％のホウ素、１．５重量％未満の鉄、残部ニッケルからなる第２のニッケル基ろう接合金と、を含む修理用合金を施すことを特徴とする請求項６記載のクラック修理方法。
  11. 熱サイクルにさらすステップは、前記修理用合金組成を含む部品を炉内に配置し、該修理用合金組成を含む部品を所望の時間にわたって１９５０〜２０６５°Ｆの範囲の温度に加熱し、該修理用合金組成を含む部品を５〜２０時間にわたって１９５０〜２０２５°Ｆの範囲の温度に冷却することを特徴とする請求項６記載のクラック修理方法。
  12. 熱サイクルにさらすステップにおいて、５×１０-4トル以下の真空にすることを特徴とする請求項１１記載のクラック修理方法。
  13. 前記修理部品をさらに冷却することを含むことを特徴とする請求項１１記載のクラック修理方法。
  14. 冷却ステップは、前記修理部品を３５°Ｆ／分の速度で冷却することを含むことを特徴とする請求項１３記載のクラック修理方法。
  15. 冷却ステップは、３５°Ｆ／分以上の速度で前記修理部品を冷却することを含むことを特徴とする請求項１３記載のクラック修理方法。
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