JP2007204849A - タービンエンジンコンポーネント、および単結晶コンポーネントの強度、耐クリープ性および耐破損性の向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 単結晶ガスタービンコンポーネントの強度および耐破損性を向上させる方法を提供する。
【解決手段】 単結晶コンポーネントの強度および耐破損性を向上させる方法が、概ね、複数のγ´プラテンをもつ単結晶微細構造を備えたコンポーネントを形成するステップと、印加された荷重に関連するプラテンの合体を遅らせるように、コンポーネントが運用される前に、限られた量の特定方向に配向されたプラテンを形成させるステップと、を備える。特定量のプラテンを運転中に予想される引張荷重に対して平行に予配向させる、もしくは運転中に予想される圧縮荷重に対して垂直に予配向させることにより、運転時の荷重によって生じるラフト化を遅らせ、耐クリープ性などの材料特性を向上させる。
【選択図】なし

Description

本発明は単結晶ガスタービンコンポーネントの強度および耐破損性を向上させる方法および、これにより形成されるタービンエンジンコンポーネントに関する。

図１に示すように単結晶ニッケル超合金は、γ‐マトリックスのチャネルによって分割された立方形の析出物（γ´粒子として知られる）よりなる。効果的にγ´粒子とγ‐マトリックスとが複合材料として機能し、γ´粒子が強度を与えるとともにγ‐マトリックスが延性を与える。負荷状況下では、γ´粒子は合体して層になりやすい（プラテンとして知られる）。この性質を図２に示す。負の格子不整合（格子ミスフィット）においては、引張荷重は印加された応力σに対して垂直なγ´層（Ｎ型ラフト）を形成するとともに、圧縮荷重は印加された応力σに対して平行なγ´層（Ｐ型ラフト）を形成する。

これらの層状構造は元の構造に比べて弱く、γ´プラテンとγ‐マトリックスとの界面で亀裂が発生しやすく、亀裂はプラテンに沿って伝播する。この性質を図３に概略的に示す。継続した負荷状況下では、これらの亀裂は伝播して他の亀裂と結合し、最終的に材料の破損を招く。

本発明では、単結晶コンポーネントの強度および耐破損性を向上させる方法が提供される。この方法は、概ね、複数のγ´プラテンをもつ単結晶微細構造を備えたコンポーネントを形成するステップと、印加された荷重に関連するプラテンの合体を遅らせるようにコンポーネントが運用される前に、限られた量の特定方向に配向されたプラテンを形成させるステップと、を備える。

さらに本発明では、タービンエンジンコンポーネントが提供される。タービンエンジンコンポーネントは、概ね、複数のプラテンをもつ単結晶ニッケル超合金から形成された基体を備える。プラテンは、コンポーネントが運用される前に、予想される引張荷重に対して平行な方向に予配向（ｐｒｅ−ｏｒｉｅｎｔ）される。

さらに本発明では、タービンエンジンコンポーネントが提供される。タービンエンジンコンポーネントは、概ね、複数のプラテンをもつ単結晶ニッケル超合金から形成された基体を備える。プラテンは、コンポーネントが運用される前に、予想される圧縮荷重に対して垂直方向に予配向される。

多くの場合、単結晶部品は特定方向（例えばブレードの半径方向もしくは穴の周りの周方向）に強度を必要とする。単結晶合金は、最初の運転負荷の前に部品に圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）が加えられると、特定方向の引張強度や亀裂耐性が向上する性質を示す。本発明はガスタービンコンポーネントの強度を向上させるようにこの性質を利用する方法に関する。コンポーネントの強度を高めることができれば、コンポーネントの寿命、耐久性もまた向上する。また強化された強度により、コンポーネントをさらに軽量化させることができる。

本発明では、例えばタービンブレード、ベーン、燃焼器パネル、もしくはＢＯＡＳなどのタービンエンジンコンポーネントが、複数のγ´立方体をもつ微細構造を備えたニッケル超合金から形成される。タービンエンジンコンポーネントは、任意の適切な単結晶ニッケル合金から任意の公知技術を用いて形成されるとともに、単結晶ニッケル合金は、例えば、約２．２〜約１０％（重量％）のクロムと、約１．５％までのチタンと、約２．０％までのモリブデンと、約４．０〜５．６％のタングステンと、約６．４％までのレニウムと、約８．４〜約１２％のタンタルと、約５．０〜約５．７％のアルミニウムと、約３．３〜約１０％のニオブと、約０．１％までのハフニウムと、残部がニッケルと、より構成される組成をもつ。

本発明では、タービンエンジンコンポーネントを形成する材料への潜在的な損傷は、タービンエンジンコンポーネントの使用期間の開始前に限られた量のプラテンを予配向させることにより軽減されうる。プラテンは運転中に予想される引張荷重に対して平行に予配向され、もしくは予想される圧縮荷重に対して垂直に予配向される。図４（Ａ）は、予想される引張荷重に対してプラテンが平行に予配向されている単結晶ニッケル合金を示す。図４（Ｂ）は、運転中に予想される圧縮荷重に対してプラテンが垂直に予配向されている単結晶ニッケル合金を示す。プラテンを予配向させることにより印加される荷重に対して垂直なプラテンの合体を遅らせ、これにより材料特性を向上させる。

タービンエンジンコンポーネントを形成する超合金の変形量は、γ固溶体内の転位挙動およびγ´析出物との転位の相互作用によって調節される。クリープ挙動は、材料内のγ‐γ´界面の配向や断片化（ｆｒａｃｔｉｏｎ）によって強く支配される。析出物は「ラフト化」と呼ばれる指向的な粗大化により立方体から層状に進展する。ラフトは、高温すなわち約１８００°Ｆより高い温度、および低応力すなわち約１５ｐｓｉ（１００Ｍｐａ）の応力でのクリープの初期段階において進展する。負荷された応力の痕跡（ｓｉｇｎ）や状態によって析出物形状の進展が定まる。「逆方向にラフト化」され予負荷されたコンポーネントもしくは部品は、運転状態中に印加される応力変形に対して反対の痕跡をもつ残留応力および歪みを有する。予負荷されたラフト化微細構造は１次クリープ後の単結晶ブレードの最終ラフト化微細構造に対して「逆方向」である。

予想される引張荷重に対してプラテンを予配向するためには、使用前に所定時間、タービンエンジンコンポーネントに圧縮負荷を印加する必要がある。圧縮負荷は、当業者に周知のあらゆる適切な方法を用いることにより印加することが可能である。予負荷状態は、機械的手段もしくは温度手段、もしくはこれらのうち幾つかの組み合わせのいずれかを用いて形成される。例えば、コンポーネントは約１７５０〜１９５０°Ｆまで加熱される（他の微細構造のパラメータを変化させないようにこれを上回らない）。機械的手段が、結晶の〈００１〉方位に沿って均一な組成をつくり出し、あるいは冷却口の周りに一様な周応力をつくり出すように１５〜２０Ｋｓｉの範囲で不可逆的変形が０．１〜０．２％に達するまで用いられうる。温度、合金、印加される応力に依存して、要求される非弾性ひずみに達する時間は異なりうる。予負荷の継続時間や量は、実質的にコンポーネントの構造特性を変化させない限りにおいて、限られた量の指向性をもつ層の形成を誘導するように設定されるべきである。

予負荷技術は、タービンエンジンコンポーネント全体、もしくは対象となる特徴部の周りに局所的に適用されうる。例えばタービンブレードは、運転中の周方向負荷のもとでの強度を向上させるように翼幅方向に圧縮負荷が予負荷されうる。もう一つの例は、フィルム冷却口の内側への周方向圧縮負荷の印加であり、冷却口の周りの周方向強度が強化される。

望ましくは、印加される圧縮ひずみは約０．１〜約０．２％の範囲である。温度、合金、印加される応力に依存して、要求される非弾性ひずみに達する時間は異なりうる。

タービンエンジンコンポーネント材料は製造時に熱処理にかけられる。熱処理される場合、都合よく配向されたプラテンの生成を促進させるように熱処理が予負荷の印加の前に行われうる。

運転による荷重の間、予負荷されたＰ型ラフトにより、予配向されたプラテンから印加された引張荷重に対して垂直となる（つまりＮ型ラフトを形成する）ようにプラテンが再配向するにはさらに時間を要し、結果として破断に対する耐クリープ性や耐用年数が向上する。引張方向に対して平行なＰ型ラフト化された緩和構造は、引張に伴って起こるラフト化に対して最も安定となり、破損に対する耐クリープ性や耐用年数を向上させる。

高温、低応力における主なクリープメカニズムは、γマトリックスの転位挙動やγ´粒子の迂回運動を含む。予負荷されたプラテンのγ´ラフト構造はマトリックスの転位挙動に対する付加的な防御壁をもたらすとともに耐クリープ性を向上させる。またγチャネルの幅がより狭くなることにより転位の流動性が抑制される。

γ´粒子およびγ‐マトリックスを示す従来技術の単結晶ニッケル超合金の微細構造の顕微鏡写真。 印加された荷重によりγ´粒子が合体してプラテンをなすことを示す従来技術の単結晶ニッケル超合金の微細構造の顕微鏡写真。 γ´プラテンに沿った一般的な亀裂発生を示す、負荷を受けた従来技術の単結晶ニッケル超合金微細構造の概略図。 （Ａ）は、運転時の引張荷重の前に、圧縮荷重により意図的に予配向されたプラテンをもつ単結晶ニッケル超合金微細構造の顕微鏡写真、（Ｂ）は、プラテンの予配向後に運転時の引張荷重を受けた単結晶ニッケル超合金微細構造の顕微鏡写真。

Claims (19)

1. 単結晶コンポーネントの強度、耐クリープ性および耐破損性を向上させる方法であって、
   複数のγ´プラテンをもつ単結晶微細構造を備えたコンポーネントを形成するステップと、
   印加された荷重に関連する前記プラテンの合体を遅らせるように、前記コンポーネントが運用される前に限られた量の特定方向に配向されたプラテンを形成させるステップと、
   を備えてなる向上方法。
2. 前記コンポーネント形成ステップが、単結晶ニッケル超合金からの前記コンポーネントの形成を備えることを特徴とする請求項１に記載の向上方法。
3. 前記プラテン形成ステップが、予想される運転時の引張荷重に対して平行となるように前記プラテンを予配向させることを備えた請求項１に記載の向上方法。
4. 前記予配向ステップが、前記コンポーネントの構造特性を変化させない限りにおいて、限られた量の指向性をもつ層の形成を誘導するように十分な時間および割合でもって前記コンポーネントに圧縮負荷を印加することを備えた請求項３に記載の向上方法。
5. 前記圧縮負荷印加ステップが、前記圧縮負荷を前記コンポーネント全体に印加することを備えた請求項４に記載の向上方法。
6. 前記圧縮負荷印加ステップが、前記圧縮負荷を対象となる特徴部の周りに局所的に印加することを備えた請求項４に記載の向上方法。
7. 前記圧縮負荷印加ステップが、前記応力を機械装置により印加することを備えた請求項４に記載の向上方法。
8. 前記プラテン形成ステップが、前記コンポーネントを約１７５０〜１９５０°Ｆの範囲の温度で加熱し、不可逆的変形が０．１％〜０．２％に達するまで予負荷を印加することを備えた請求項１に記載の向上方法。
9. 前記プラテン形成ステップが、予想される運転時の圧縮荷重に対して垂直となるように前記プラテンを予配向させることを備えた請求項１に記載の向上方法。
10. 前記予配向ステップが、前記コンポーネントの構造特性を変化させない限りにおいて、限られた量の指向性をもつ層の形成を誘導するように十分な時間および割合でもって前記コンポーネントに圧縮負荷を印加することを備えた請求項９に記載の向上方法。
11. 前記圧縮負荷印加ステップが、前記圧縮負荷を前記コンポーネント全体に印加することを備えた請求項１０に記載の向上方法。
12. 前記圧縮負荷印加ステップが、前記圧縮負荷を対象となる特徴部の周りに局所的に印加することを備えた請求項１０に記載の向上方法。
13. 前記圧縮負荷印加ステップが、前記応力を機械装置により印加することを備えた請求項１０に記載の向上方法。
14. 複数のプラテンをもつ単結晶ニッケル超合金から形成された基体を備えたタービンエンジンコンポーネントであって、このコンポーネントの運用前に前記プラテンが、予想される引張荷重に対して平行に予配向されるタービンエンジンコンポーネント。
15. 前記プラテンが、方向性をもつ層に指向されることを特徴とする請求項１４に記載のタービンエンジンコンポーネント。
16. 前記コンポーネントが、タービンブレードであることを特徴とする請求項１４に記載のタービンエンジンコンポーネント。
17. 複数のプラテンをもつ単結晶ニッケル超合金から形成された基体を備えたタービンエンジンコンポーネントであって、このコンポーネントの運用前に前記プラテンが、予想される圧縮荷重に対して垂直に予配向されるタービンエンジンコンポーネント。
18. 前記コンポーネントが、タービンブレードであることを特徴とする請求項１７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
19. 前記プラテンが、方向性をもつ層に指向されることを特徴とする請求項１７に記載のタービンエンジンコンポーネント。