JP2007160403A - エピタキシャル結晶構造を伝播させるための修復方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル結晶構造を伝播させる修復方法を提供する。
【解決手段】この修復方法は、概して、修復する基体を供給するステップと、予成形された形状で、該修復する基体の領域上に添加材料を配置するステップと、添加材料の全体積とその添加材料に隣接する領域とを溶融温度まで加熱するために熱源を使用するステップと、結晶粒の成長と配向が生じるのに十分な時間、溶融温度を維持するステップと、熱源を凝固が完了するまで所定の制御された速度でランピングするステップとを含む。
【選択図】なし

Description

本発明は、タービンエンジン構成部品などのワークピースを修復するための方法に関し、より詳細には、所望の結晶構造を母材から添加層全体に晶出開始させる修復方法に関する。

高角の結晶粒界を生み出すことなく、一方向凝固（ＤＳ）または単結晶（ＳＣ）基体上に修復材料を堆積し、この材料を溶融させる、すなわち溶接することは困難である。これは、（１）加熱速度を制御することができないこと、（２）ある温度での時間を制御することができないこと、（３）全表面にわたる冷却速度を制御できないことを含めたいくつかの要因による。たとえば、材料に直接影響を及ぼす熱源（点放射源）が、修復される基体表面を横切って移動する場合、発生した熱が熱源に隣接する領域へと移動、即ち、流れるという作用が生じる。熱源が移動すると、その結果、熱源が通過した後の領域が冷却し始める。動的な加熱、冷却、温度サイクルでの時間の制御と調整が、過去の開発努力の焦点であった。

熱源の移動に伴う問題点に加え、移動の開始と停止、ならびに熱源の動力が、熱サイクルを悪化させている。さらに熱流の問題点は、材料基体の多様な幾何学形状や厚さに伴う問題点によって、さらに複雑になっている。

すなわち、こうした問題点を効果的に解決するか、それらに対処する修復技術が必要とされている。

本発明の目的は、修復または添加材料／基体の境界付近において一方向凝固並びに単結晶構造を形成するのに好ましい熱プロファイルを形成し、これらの構造を修復材料全体に連続させる、即ち、内部へ成長させることを可能にする、修復方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、その他の技術と比べて比較的低コストである、上記のような修復方法を提供することである。

上記の目的は、本発明の修復方法によって達成される。

本発明によれば、エピタキシャル結晶構造を伝播させる修復方法が提供される。本発明の修復方法は、概して、修復する基体を提供するステップと、予成形された形状として、修復する基体の領域上に添加材料を配置するステップと、添加材料の全体積と、添加材料に隣接する領域とを溶融温度まで加熱するために熱源を利用するステップと、結晶粒の成長と配向を生じさせるのに十分な時間、溶融温度を維持するステップと、凝固が完了するまで所定の制御速度で熱源をランピングするステップとを含む。

本発明のエピタキシャル結晶構造を伝播させる修復方法の他の細部、ならびに他の目的、それらに付随する利点は、以下の詳細な説明で述べる。

本発明は、ワークピース、具体的にはタービンエンジン構成部品の修復に関する。たとえば、本発明の方法は、タービンブレードのプラットホームを修復あるいはビルドアップするのに使用することができる。本発明の修復方法は、一方向凝固または単一結晶構造を有する、ニッケル基合金などベースメタル材料製の基体を有する、多種多様なタービンエンジン構成部品を修復するのに使用することができる。そのような合金の例は、ＤＳＲ１４２およびＭａｒ−Ｍ−２４７ＤＳを含む。基体は、ニッケルベースのガンマプライム強化合金から形成することができる。

修復を開始する前に、修復領域内の結晶方位が判定される。これは、これらに限定されないがＸ線回折法、ラウエの背面反射法、光学配向法を含み、当業界で既知の適当な技術を用いて行うことができる。修復する表面に対して垂直に配向された結晶を有することが好ましいが、垂直から±１５°までの角度であれば適応可能である。

さらに、修復を開始する前に、基体材料を、基体材料の種類とその酸化物、不純物、その他除去すべき物質によって決定された清浄化技術で、酸化物、不純物、その他の有害物質を除去するために清浄化する。すなわち、最初に基体を、特に、修復する領域とそれに隣接する領域とを清浄化するために、当分野で周知の適当な清浄化技術を使用することができる。

清浄化作業が完了した後に、添加、または修復材料を、修復あるいはビルドアップすべき領域上に配置することができる。本明細書で使用する「修復」という用語は、ワークピースのある領域をビルドアップすることも含む。添加または修復材料は、ワークピースと同じ、またはそれと同様の組成を有する材料を含むことができる。添加または修復材料は、予成形された形状として予め配置することができる。ワークピースは、重力の影響を最小限に抑えるよう、添加または修復材料の層がワークピースの最上層に設けられ、かつ、添加または修復材料層が容易に流出しないよう、配置されるべきである。たとえば、形状は、適当な一方向凝固または単一結晶型の材料からなる、焼結された形状、ワイヤ、シート、または鋳造物とすることができる。

添加または修復材料が配置された後に、添加または修復材料の全体積と、添加材料に隣接する領域（溶融および希釈区域）を加熱することができる熱源を用いて、定位置にある添加または修復材料を備える基体を加熱する。基体と、修復または添加材料は、固相温度プラス１００°Ｆ（３８．７８℃）から０°Ｆ（−１７．７８℃））内の溶融温度まで加熱される。通常、本明細書で論じる種類のニッケル基合金の場合、温度は、ニッケル基超合金の場合で約２４００°Ｆ〜２６００°Ｆ（１３１５．５６℃〜１４２６．６７℃）の範囲内となる。これにより、添加材料を基体材料に接合する。基体と添加材料は、添加層と基体とが合体して固結を生じると同時に、添加層内で結晶粒の成長と配向が生じるのに十分な時間、溶融温度に保たれる。次いで熱源が取り外され、本質的に一定の速度で冷却が生じる。通常、より大きい質量の基体、およびその基体によって与えられる大きい熱シンクは、伝導のために方向性のある冷却をもたらし、添加層内の結晶粒構造が基体の結晶粒構造に対して好ましく配向させる。接合後、基体と添加層の組立品は、その材料に適した従来の応力除去サイクルに供される。

加熱作業用の熱源は、好ましくは、修復またはビルドアップする領域全体を加熱する、一定に制御された熱源である。熱源は、ベースメタル材料や修復／添加材料の最初の鋳造工程で融解または結晶配向に使用された熱源と同様であってよい。たとえば熱源は、これらに限定されないが、誘導加熱源、プラズマまたはその他のアーク法の源、あるいは、ある形態のビーム走査のラスタリングによって添加層と基体を本質的に均一に加熱するよう作動する、電子ビーム源やレーザ源であってよい。

加熱作業時に、基体と修復／添加材料は、不活性ガス雰囲気または真空など適当な非反応性の雰囲気中で保持することが好ましい。

加熱作業後、熱源を、凝固が完了するまで、所定の制御された速度で弱める。添加材料の所望の幾何学形状、流動性、表面張力、ベース材料の組成、添加材料の組成、添加層の厚さに応じて、溶接区域の溶融温度から固相温度への温度低下は、添加層の結晶粒界の配向が、基体の結晶粒界の配向に対して優先的にシード添加され、配向するような速度で行われる。この冷却プロファイルによって、高角結晶粒界の総数と分布を、基体の総数と分布に同様な量と分布となるように低減される。添加層の体積全体にわたって均一な冷却により、添加材料の周辺部または端部における結晶粒界の配向を、添加層の中心部付近領域の配向と本質的に同じように発達させることが可能となる。さらに、米国特許第５，８９７，８０１号に記載される無延性温度範囲に相当する温度でこれらの合金を維持する時間は、残存する高角結晶粒界に沿って亀裂が生じる傾向があるため、可能な限り短くするべきである。なお、上記米国特許は、参照として本明細書に組み入れられる。このように熱源を減衰させる、即ち、弱めることによって、修復材料／基体のベースメタル境界付近における、一方向凝固または単一結晶構造の形成にとって好ましい熱プロファイルを作り出すことができる。さらに、こうして作り出された熱プロファイルは、それにより晶出が開始した一方向凝固または単結晶構造が、添加材料全体にわたって連続させる、即ち、その中へと成長させることができるようなものとすることができる。

本発明の修復方法によって、多数の利点が得られる。まず、一方向凝固または単結晶構造のタービンエンジン構成部品の修復または幾何学形状の回復が可能になる。次に、一方向凝固または単一結晶構造表面上に構造体をビルドアップすることが可能となる。さらには、溶射被膜の高密度化／溶融、および母材または別の材料を用いた部品の再構築が可能となる。本発明の修復方法は、レーザ、プラズマ、またはその他の粉体堆積法に比べた場合に比較的低コストであるという点で有利である。

本発明の修復方法を、基体の表面領域と比較して質量が大きい添加／修復材料に関し、添加または修復材料を単一工程で設けるものとして広く説明してきたが、修復／添加材料を、一連のステップにおいて添加することも可能である。必要に応じて、こうした１つまたは複数の工程では、修復／添加材料が溶融状態にあるときに支持する容器や鋳型を使用できる。

本発明を、タービンエンジン構成部品の修復に関連して説明してきたが、本発明の修復方法は、一方向凝固または単一結晶構造のいずれか一方を有する金属基材で形成される基体を有する、多種多様な非エンジン構成要素を修復するのに使用することは可能である。

Claims (20)

1. 修復する基体を供給するステップと、
   予成形された形状として、その修復する基体の領域上に添加材料を配置するステップと、
   上記添加材料の全体積と上記添加材料に隣接する領域とを溶融温度まで加熱するために熱源を使用するステップと、
   上記添加材料中に結晶粒の成長と配向を生じさせるのに十分な時間、上記溶融温度を維持するステップと、
   上記熱源を、上記添加材料と上記領域の凝固が完了するまで所定の制御された速度でランピングするステップと、
   を含むことを特徴とする、ワークピースの修復方法。
2. 前記ランピングするステップが、前記熱源を、結晶粒界内の亀裂又は断裂の形成を制限する速度で、前記凝固温度から無延性温度までランピングすることを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
3. 前記添加材料を配置するステップが、前記添加材料を焼結された形態で配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
4. 前記添加材料を配置するステップが、ワイヤ形態の前記添加材料を、前記修理する領域上に配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
5. 前記添加材料を配置するステップが、シート形態の前記添加材料を、前記修理する領域上に配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
6. 前記添加材料を配置するステップが、鋳造物形態の前記添加材料を、前記修理する領域上に配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
7. 前記添加材料を配置するステップが、一方向凝固構造を有することができる材料から形成された添加材料を配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
8. 前記添加材料を配置するステップが、単結晶構造を有することができる材料から形成された添加材料を配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
9. 前記基体を供給するステップが、一方向凝固構造を備えるベースメタル材料を有するタービンエンジン構成部品を供給することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
10. 前記基体を供給するステップが、単結晶構造を備えるベースメタル材料を有するタービンエンジン構成部品を供給することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
11. 前記熱源を使用するステップが、一定に制御された熱源を使用することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
12. 前記溶融温度を維持するステップが、前記添加材料／基体境界面付近で一方向凝固構造を形成させるのに十分な期間前記溶融温度を維持することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
13. 前記溶融温度を維持するステップが、前記添加材料／基体界面付近で単結晶構造を形成させるのに十分な期間前記溶融温度を維持するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
14. 前記熱源からの熱を適用する間、前記領域を非反応性雰囲気内で加熱した状態で維持するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
15. 前記添加材料を配置するステップが、前記添加材料を前記領域上に複数のステップで配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
16. 前記添加材料を配置するステップが、前記添加材料を前記領域上に配置することと、鋳型または容器を用いて前記添加材料が流れるのを制限することとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の修復方法。
17. 特定の結晶構造を有する基体を供給するステップと、
    上記基体の一部にわたって添加材料を配置するステップと、
    熱源を使用して、上記添加材料とその添加材料に隣接する領域とを溶融温度まで加熱するステップと、
    上記添加材料と上記基体との界面領域に上記特定の結晶構造が形成し、かつ、その添加材料内へと連続させるのに十分な時間、前記溶融温度を維持するステップと、
    を含むことを特徴とする、タービンエンジン構成部品の修復方法。
18. 前記基体が一方向凝固結晶構造を有し、前記溶融温度を維持するステップが、前記界面領域と前記添加材料内へ一方向凝固結晶構造が形成するのに十分な時間、前記溶融温度を維持することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の修復方法。
19. 前記基体が単結晶構造を有し、前記溶融温度を維持するステップが、前記界面領域および前記添加材料内への単結晶構造が形成するのに十分な時間、前記溶融温度を維持することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の修復方法。
20. 前記熱源を、前記添加材料と前記領域の凝固が完了するまで、制御された速度でランピングするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の修復方法。