JP2007120310A - ガスタービン部品の補修方法およびガスタービン部品 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン部品である被補修物の基材の特性を低下させることなく、被補修物に変形が生じることもなく、補修部を元の基材と同等の組織として修復させ、基材と同等の特性を得ることができるようにする。
【解決手段】ガスタービン部品である被補修物１をその基材の溶融温度よりも低い温度に加熱するとともに、被補修物１の補修部１ａに、溶融温度が基材の溶融温度以上である補修材６を溶融状態として供給し、被補修物１の加熱条件下で補修材を補修部で凝固させる。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスタービンの静翼、動翼等の部品に発生した亀裂等を補修するガスタービン部品の補修方法および同方法によって修復部が形成されたガスタービン部品に関するものである。

ガスタービン部品など過酷な条件で運転される部品は、運転時間の経過とともに、部品に亀裂が発生する。亀裂が発生した部品については新部品に交換すれば問題ないが、ガスタービンなどの耐熱部品は一般に高価であり、製造にも一定以上の期間を要するため、亀裂の生じた部分を補修して再利用する場合が多い。

従来このようなガスタービン部品では、再利用の方法として、被補修物の補修部分を基材の特性に近づけるため、基材と同等の粉末と、これらを固めるための低融点粉末とを混合する補修方法が実施されている。

また、混合粉末による具体的な補修方法として、例えば亀裂部内に基材と同等の材料粉末のみを加圧充填し、表面部分から低融点粉末を流し込むことで、補修部をより基材の特性に近づけようとする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合の加圧は、最初に室温で粉末を亀裂部に充填する際に、亀裂の内部まで粉末を十分に詰め込むための方法である。

また、補修部に基材と同質の補助板をろう付したものを、さらにレーザ溶接した後、ＨＩＰ処理する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この技術では、溶接された補助板がＨＩＰ処理時の気密封止の機能を果たし、補修部を加圧するというものである。
特開２００１−１１５８５７号公報 特開平９−１６８９２７号公報

上記の公知文献１の技術においては、亀裂内に充填する粉末は基材と同等の特性を有するものであるが、これらの粉末間を埋めるために溶融・浸透させる粉末は、基材よりも低融点のろう材である。このため、補修部にはろう材部分が存在し、補修部の特性は基材よりも劣る結果となり易い。

また、上記の公知文献２の技術では、ＨＩＰ処理を行っているので、補修部は高温下で加圧され、補修部内部に欠陥は残留しにくくなる。しかしながら、補修部に基材と同質の補助板をろう付したまま、表層部にのみレーザ溶接を加える補修であるため、補修部にはろう材部分が存在し、補修部の特性は前記同様に、基材よりも劣る結果となり易い。また、レーザ溶接による補修工程が追加されるため、工程が増加する。1つの部品の複数部分に補修部がある場合には、各々の補修部をレーザ溶接するため、部品の段取り変えなど、さらに工程が増加する。また、ろう付部の一部を含めた状態でレーザ溶接を行うので、溶接部に欠陥が残留し易くなる。また、溶接が困難な材料に対しては、この方法は適用が困難である。

また、上記の各技術の場合、被補修物が部分的に高温化するため、温度差によって変形が生じる可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、非補修物の基材の特性を低下させることがなく、しかも被補修物に変形が生じることもなく、補修部を元の基材と同等の組織として修復させ、基材と同等の特性を得ることができるガスタービン部品の補修方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明では、ガスタービン部品である被補修物をその基材の溶融温度よりも低い温度に加熱するとともに、前記被補修物の補修部に、溶融温度が前記基材の溶融温度以上である補修材を溶融状態として供給し、前記被補修物の前記加熱条件下で前記補修材を前記補修部で凝固させることを特徴とするガスタービン部品の補修方法を提供する。

本発明によれば、溶融溶接のような変形が殆ど生じることなく、かつ補修部の特性が元の基材より低下することもなく、補修部を元の基材と同等の組織として修復させ、基材と同等の特性を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１〜図４）］
本実施形態では、ガスタービン部品である被補修物１をその基材の溶融温度よりも低い温度に加熱するとともに、被補修物１の補修部に、溶融温度が被補修物１の基材の溶融温度以上である補修材６を溶融状態として供給し、被補修物１の加熱条件下で補修材６を補修部１ａで凝固させる方法について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態によるガスタービン部品の補修方法を実施する補修装置を示す構成図である。この図１に示すように、この補修装置Ａは、被補修物１として、ガスタービン部品である静翼等を収容する真空炉２を備えている。なお、窒素等や不活性ガスにより充たされる雰囲気炉を適用してもよい。以下の各実施形態では、代表的に真空炉２を適用する。

真空炉２内には、被補修物１を設置する設置台３が設けられている。この設置台３は、被補修物１を三次元で姿勢調整するための動作機構３ａを備え、被補修物１の向きを種々変化させることができるようになっている。設置台３の周囲には、被補修物１の全体を被補修物１の基材溶融温度よりも低い温度に加熱するための主ヒータ４が設けられている。

また、設置台３の上方には補修材容器５が設けられ、この補修材容器５には、溶融温度が被補修物１の溶融温度よりも高い粉末状の補修材６が収容されている。補修材容器５の下端側には、弁５ａおよび補修材供給口５ｂが設けられている。図１においては、この補修材容器５から、溶融後の補修材６を被補修物１の補修部１ａに供給し、補修材６が被補修物１の温度よりも低温となっている被補修物１の補修部１ａに供給されて凝固した補修材凝固部８が示されている。

図２は、本発明の第１実施形態によるガスタービン部品の補修方法の手順を示すフロー図である。この図２に示すように、本実施形態では、まず被補修物１の補修部１ａを予め真空炉２の外部で整形する（Ｓ１）。次に、この工程（Ｓ１）で整形された被補修物１を炉内に挿入し、設置台３上に設置する（Ｓ２）。そして、主ヒータ４に通電が行われ、被補修物１の全体が、被補修物１の基材の溶融温度よりも低い温度に加熱される（Ｓ３）。一方、補助ヒータ７への通電が行われ、補修材６が溶融温度まで加熱される（Ｓ４）。

そして、溶融状態の補修材６が被補修物１の補修部１ａに供給され（Ｓ５）、炉内温度まで冷却されて凝固する（Ｓ６）。補修材６が凝固した後、被補修物１を炉外に取出し（Ｓ７）、グラインダ加工等による仕上げを行う（Ｓ８）。

以上の工程を、さらに詳細に説明する。本実施形態では被補修物の材質として、一般にガスタービン静翼材として用いられているＣｏ基合金およびＮｉ基合金を対象としている。また、補修材６としては、基本的には、被補修物１の材質と同様のものを対象としている。

図３（表１）には、試料１〜４として本実施形態で適用するＣｏ基合金の組成を示し、また、試料５〜７として、Ｎｉ基合金を示している。本実施形態では、補修材５として基本的に、被補修物１の材質と同様のものを適用する。

被補修物１の保持温度としては、各材質の溶体化熱処理温度（Ｔ_０：例えば１２００℃）が標準的な温度となり、補修材の保持温度としては、各材料の溶融温度＋５０℃程度が目安となる。なお、これは、一般のろう付で採用されるろう付温度に準じており、各材料の溶融温度＋α（α＝５０〜２００℃）の範囲で適宜選択することができる。また、補修部１ａと補修材とを融合させるための保持時間も、一般のろう付に準じて、数分間から数十分程度である。

具体的には、図４に示すように、補修作業開始後、真空炉２内を主ヒータ４により、被補修物１の基材が溶融温度以下（Ｔ_０）まで次第に加熱し、補助ヒータ７により補修材６を１２５０〜１４００℃の範囲に加熱する。Ｃｏ基合金の被補修物１の補修部１ａをグラインダなどで整形し、真空炉２内の設置台３上に設置し、主ヒータ４で被補修物１の基材の溶融温度（１４００〜１４５０℃）よりも低い温度、すなわち基材が溶融せず、かつ組織が極端に劣化しない温度（局部溶融がない温度：１２００〜１３００℃）まで加熱し、保持する。

また、真空炉２内の補修材容器５には補修材６を挿入しておく。この補修材６には、被補修物１と同材料の粉末を使用する。本実施形態では、補修材６として、被補修物１と同様のＣｏ基合金で、粒径５０μｍ程度の粉末を用いた。但し、この粉末は補修容器に収容するので、特に粒径を特定する必要はない。

補修材６は、真空炉２内に設けられた補助ヒータ７で被補修物１の基材の溶融温度以上（例えば被補修物１の鋳造温度よりも１００℃高い温度（例えば１５００〜１７００℃））に加熱し、溶融状態とする。この状態で、溶融した補修材６を補修材容器５の供給口６ａから、被補修物１の補修部１ａに供給する。補修材６が供給された部分は、被補修物１の溶融温度よりも低い温度に保持されているので、供給された補修材６は被補修物の補修部１ａ内で凝固し、補修材凝固部８を形成する。この補修材凝固部８の形成時間は、図４に示した時間（ｔ１）の如く、例えば数十秒〜１分である。

このような本実施形態によれば、被補修物１を殆ど溶融させることなく、補修部１ａに被補修物１と同様の材質の補修部１ａを形成することができる。溶融溶接は溶接部近傍のみを加熱し、溶融凝固させるので、被補修物１には変形が発生し易い。これに対して、本実施形態では、被補修物１全体を加熱・冷却するので、溶融溶接のような変形を殆ど生じない。その変形の少なさは、ろう付補修と同等である。ろう付補修では、補修部１ａが基材とは異なる組織となるため、補修部１ａの特性が元の基材より低下することが多いが、本実施形態では、補修部１ａが補修物１の基材と同等の組織となるので、補修部１ａも基材と同等の特性を得ることができる。この点は、引張試験、疲労試験等により実証することができた。

［第２実施形態（図５、図１）］
本発明の第２実施形態では、補修材を、被補修物１の基材の溶融温度以上の溶融温度を有する２種類以上の補修材９，１０の混合物とし、これらの混合物のうち少なくとも１種類の補修材を溶融状態とし、他の補修材を固相状態とし、これらを混合した補修材を被補修物の補修部に供給する方法について説明する。

図５は、本発明の第２実施形態によるガスタービン部品の補修方法を示す説明図である。なお、本実施形態においても、図１に示した補修装置を適用する。そして、第１実施形態と同様に、Ｃｏ基合金またはＮｉ基合金の被補修物１の補修部１ａを整形し、真空炉２内で被補修物１の溶融温度よりも低い温度まで加熱し、保持する。

真空炉２の補修材容器５内には、第１の補修材９と第２の補修材１０の混合物を挿入しておく。第１の補修材９は、被補修物１の溶融温度よりも溶融温度が高い高融点金属材料である。例えば、被補修物１がＣｏ基合金である場合には、Ｎｉ基合金、または純金属の高融点金属、例えばタングステン等の金属を適用する。

また、第２の補修材１０は、被補修物１と同様の材質のＣｏ基合金である。これらの混合物を真空炉２内の補助ヒータで加熱し、第１の補修材９が固相状態、第２の補修材１０が液相状態となるようにする。この状態で、補修材容器５の供給口から、これらの混合物を補修部１ａに供給する。被補修物１は溶融温度よりも低い温度に保持されているので、供給された補修材のうち、液相状態であった第２の補修材１０は凝固し、補修部１ａを形成する。

本実施形態によれば、補修部１ａのマトリックスを被補修物１と同等の材質とし、さらにこのマトリックス中に補修材と異なる特性を有する粒子を分散できるので、補修部１ａの特性（例えば耐酸化性、耐摩耗性、機械的強度等）を改質することができる。

なお、補修材供給時に固相状態である補修材を２種類以上混合し、全体で３種類以上の混合物としても良い。

［第３実施形態（図６、図１）］
本発明の第３実施形態では、被補修物１の補修部に亀裂２４が含まれている場合、亀裂２４の内部に、被補修物１の基材の溶融温度よりも溶融温度が低いろう材１１を供給し、補修部の表層部には被補修物１の基材溶融温度以上の溶融温度を有する補修材９，１０を溶融させて供給するガスタービン部品の補修方法について説明する。

図６は、本発明の第３実施形態によるガスタービン部品の補修方法を示す説明図である。図６に示すように、本実施形態では、第２実施形態に加えて、補修部１ａのうち、亀裂２４の内部に、被補修物１の溶融温度よりも低い溶融温度のろう材１１を供給する。

ろう材１１には、ホウ素（Ｂ）を多く含有（例えば３％以下程度）する金属、例えば表１（図３）に示した試料１のＣｏ合金等を適用する。

そして、この補修部１ａの表層部には第２実施形態と同様に、被補修物１よりも溶融温度が高い第１、第２の補修材９，１０の混合物を供給する。

本実施形態によれば、亀裂２４の内部に流動性に優れたろう材１１を供給しているので、亀裂２４の先端までろう材１１を埋めることが容易である。また、このろう材１１の供給は被補修物１の溶融温度よりも低い温度で行われるので、ろう材１１を十分に浸透させるために保持しても、補修部１ａを溶融させることが殆どなく、被補修物１の形状を崩すことが殆どない。

［第４実施形態（図７、図１）］
本発明の第４実施形態では、亀裂２４の内部に供給するろう材１３を、被補修物１の基材を溶融するろう材とするガスタービン部品の補修方法について説明する。

図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４実施形態によるガスタービン部品の補修工程を示す説明図である。

運転されたガスタービン翼である被補修物１は、全体が酸化された状態となっている。ある程度の酸化物１２は、真空中や水素中の高温加熱によって除去することが可能であるが、特に亀裂２４の内部に残留している酸化物１２は除去しにくい。ただし、この酸化物１２は強固な皮膜ではなく、分断されて亀裂２４の内部の所々に被補修物１の基材が現れた状態である場合が多い。

そこで本実施形態では、補修の際、まず図７（ａ）に示すように、亀裂２４の内部に、例えばＨＩＰなどの等方加圧を用いて、ろう材１３の液相を密着・保持させる。

これにより、ろう材１３は、所々に現れている被補修物１の基材部分に拡散し、この基材部分を溶融し、酸化物１２の裏側の基材部分まで回り込んで行く。そして、図７（ｂ）に示すように、酸化物１２を被補修物１の基材から分離し、ろう材１３中に分離した酸化物１４が浮遊した状態となる。

その後、図７（ｃ）に示すように、補修部１ａの表層部に、被補修物１と同等の材質の補修材を溶融状態で供給・凝固させて、補修材凝固部８を得る。

本実施形態によれば、亀裂２４の内部に酸化物１２が残留していても、ろう材１１により、これらの酸化物１２を分離できるので、ろう材１１と亀裂２４内部の表面とを強固に融合することができる。このため、従来適用されている設備が高価で、かつ環境負荷が大きいフッ化物を用いる酸化物除去の工程を省略することができる。

［第５実施形態（図８、図１）］
本実施形態では、補修材６の加熱源としてレーザ光１７を用いるガスタービン部品の補修方法について説明する。

図８は、本発明の第５実施形態によるガスタービン部品の補修装置の構成図である。本実施形態の補修装置は第１実施形態の補修装置と略同様の構成であるが、補修材容器５内の補修材６の加熱方法が異なっている。本実施形態では補助ヒータは設けられていない。

本実施形態では、真空炉２の外部に設置したレーザ発振器１５からレーザ伝送路１６を用いて真空炉２内に導入されたレーザ光１７を補修材６に照射し、補修材タンク２５ａから弁２５ｂおよび補修材供給路２５ｃを介して炉内の補修材貯留部２６に供給・貯留された補修材６を溶融させる。

本実施形態によれば、補修材６の加熱にヒータではなく、レーザ光１７を用いるので、供給エネルギの制御が容易であり、応答性も良い。このため、短時間で目標温度に正確に加熱することができる。そして、補修材６を必要以上に加熱して被補修物１の補修部１ａを溶融し過ぎたり、あるいは補修材６の加熱不足により、補修材６が補修部１ａで短時間で凝固してしたり、補修材６と補修部１ａとの融合不足が発生することを防止できるようになる。

なお、本実施形態の方法を、第１実施形態の方法と組合わせ、補助ヒータ加熱とレーザ加熱とを併用し、補修材を溶融させることも可能である。

［第６実施形態（図９、図１、図８）］
本発明の第６実施形態では、被補修物１の補修部が２箇所以上ある場合、補修材の供給および凝固作用と、被補修物１と補修材供給源との位置ならびに姿勢の調整作用を繰り返すガスタービン部品の補修方法について説明する。

図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第６実施形態によるガスタービン部品の拡散ろう付補修方法の工程を示す説明図である。

図９（ａ）はサイドウォール１８とブレード１９とからなる被補修物１としてのガスタービン静翼を、簡略化して表したものである。また、第１の補修部２０、第２の補修部２１、第３の補修部２２、第４の補修部２３は、通常ガスタービン静翼に発生する亀裂や減肉部をグラインダで整形した補修部である。

まず、図９（ａ）の傾斜姿勢で、矢印ａに示すように、垂直下方に向けて溶融した補修材を落下させ、第１の補修部２０に補修材を供給し、凝固させる。

次に、図９（ｂ）に示すように、炉内で被補修物１の姿勢を変化させ、矢印の方向から、第２の補修部２１に補修材を供給し凝固させる。

さらに、図９（ｃ）のように被補修物１の姿勢を変化させ、第３の補修部２２と第４の補修部２３とに補修材を供給し、凝固させる。図９（ｄ）は、図９（ｃ）を真上から見た補修状況である。

図４には、本実施形態による全加熱工程を示している。この工程中、上記の被補修物１の姿勢変化を含めた補修時間Ｔは、約０．５〜１時間であった。

本実施形態によれば、静翼の各姿勢変化時には、その前に供給された補修材は既に凝固しているので、補修材が補修部からたれ落ちることはない。また、炉から出して姿勢変化させる工程を省略できるので、補修時間を短縮することができる。

なお、被補修物１の姿勢と位置変化に加えて、補修材容器を移動させても良い。

［第７実施形態（図１０、図１）］
本発明の第７実施形態では、補修部への補修材供給時乃至供給後に、補修部の表層部乃至供給される補修材に加熱エネルギを供給することにより、補修材の冷却過程を制御するガスタービン部品の補修方法について説明する。

図１０は、本発明の第７実施形態によるガスタービン部品の拡散ろう付補修方法を説明するための作用説明図である。本実施形態の方法は、上述した第２実施形態の方法と略同様であるが、補修材容器５から被補修物１の補修部１ａに補修材第１の補修材９と第２の補修材１０との混合物を供給する際に、その供給された補修材混合物および補修部１ａ近傍を、レーザ光１７で補助加熱する処理が追加されている。

被補修物１の熱容量と比較して、溶融している補修材９，１０の熱容量が小さい場合（例えば、大きい被補修物１の基材に少量の補修材粉末を落下するような場合）には、補修材９，１０が補修部１ａに供給されると、短時間でその熱が被補修物１に奪われ、温度低下する。このような場合には、補修材９，１０が補修部１ａに十分に融合する前に凝固してしまい、補修部１ａの強度が低下する。

本実施形態によれば、補修部１ａに補修材９，１０の混合物を供給する際に、その供給された補修材混合物および補修部１ａ近傍をレーザ光１７で補助加熱することにより、上述のような融合不良を防止することができる。また、レーザ光１７を用いて補助加熱するので、補修部１ａに供給された補修材９，１０に与えるエネルギを精密に制御し、その温度を制御することができる。

したがって、必要以上の加熱や加熱不足を防止することができる。また、供給する補修材９，１０の短時間の温度低下を防止するために、必要以上に補修材９，１０を加熱する必要がなくなり、処理時間の短縮と、被補修物１の不要な溶解を避けることができる。

なお、本実施形態の方法を第５実施形態の方法と組み合わせ、同時に１台のレーザ発振器で、第３実施形態の方法および第５実施形態の方法を実施することも可能である。

本発明の第１実施形態で使用する真空炉を示す構成図。 本発明の第１実施形態によるガスタービン部品の補修方法の手順を示すフロー図。 本発明の第１実施形態で適用する材料組成を示す表１。 本発明の第１実施形態による熱処理を説明するためのグラフ。 本発明の第２実施形態によるガスタービン部品の補修方法を示す説明図。 本発明の第３実施形態によるガスタービン部品の補修方法を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４実施形態によるガスタービン部品の補修方法を示す説明図。 本発明の第５実施形態で使用する真空炉を示す構成図。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第６実施形態によるガスタービン部品の補修方法を示す説明図。 本発明の第７実施形態によるガスタービン部品の補修方法を示す説明図。

符号の説明

１ 被補修物
１ａ 補修部
２ 真空炉
３ 設置台
４ 主ヒータ
５ 補修材容器
６ 補修材
７ 補助ヒータ
８ 補修材凝固部
９ 第１の補修材
１０ 第２の補修材
１１ ろう材
１２ 酸化物
１３ ろう材
１４ 分離した酸化物
１５ レーザ発振器
１６ レーザ伝送路
１７ レーザ光
１８ サイドウォール
１９ ブレード
２０ 第１の補修部
２１ 第２の補修部
２２ 第３の補修部
２３ 第４の補修部

Claims (10)

1. ガスタービン部品である被補修物をその基材の溶融温度よりも低い温度に加熱するとともに、前記被補修物の補修部に、溶融温度が前記基材の溶融温度以上である補修材を溶融状態として供給し、前記被補修物の前記加熱条件下で前記補修材を前記補修部で凝固させることを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
2. 前記補修材を、前記被補修物の基材の溶融温度以上の溶融温度を有する２種類以上の補修材の混合物とし、これらの混合物のうち少なくとも１種類の補修材を溶融状態とし、他の補修材を固相状態とし、これらを混合した補修材を前記被補修物の補修部に供給する請求項１のガスタービン部品の補修方法。
3. 前記被補修物の補修部に亀裂が含まれている場合、前記亀裂の内部に、前記被補修物の基材の溶融温度よりも溶融温度が低いろう材を供給し、前記補修部の表層部には前記被補修物の基材の溶融温度以上の溶融温度を有する補修材を溶融させて供給する請求項１記載のガスタービン部品の補修方法。
4. 前記亀裂の内部に供給するろう材を、前記被補修物の基材と同一成分を溶融するろう材とする請求項３記載のガスタービン部品の補修方法。
5. 前記被補修物を真空炉あるいは雰囲気炉内に収容して、前記被補修物の全体をその基材の溶融温度よりも低い温度に加熱するとともに、前記炉内で前記補修材を前記被補修物の基材の溶融温度以上に加熱して、前記被補修物の補修部に前記補修材を供給する請求項１記載のガスタービン部品の補修方法。
6. 前記炉内において、前記被補修物全体と前記補修材とを互いに異なる加熱源により加熱する請求項５記載のガスタービン部品の補修方法。
7. 前記補修材の加熱源としてレーザ光を用いる請求項６記載のガスタービン部品の補修方法。
8. 前記被補修物の補修部が２箇所以上ある場合、前記補修材の供給および凝固作用と、前記被補修物と補修材供給源との位置ならびに姿勢の調整作用を繰り返す請求項１記載のガスタービン部品の補修方法。
9. 前記補修部への補修材供給時乃至供給後に、前記補修部の表層部乃至供給される補修材に加熱エネルギを供給することにより、前記補修材の冷却過程を制御する請求項１記載のガスタービン部品の補修方法。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のガスタービン部品の補修方法により形成された補修部を有するガスタービン部品。

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