JP2008069448A - チタン合金部品の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン合金ガスタービンエンジン部品の安価な補修方法を提供する。
【解決手段】補修部位に応じた前処理２１０の後に、窒素をキャリアガスとするコールドスプレー法によって、部品のチタン合金表面にチタン基被膜の堆積２２０を行なう。その後、真空熱処理２３０により残留窒素を除去し、封止２４０の後に熱間静圧プレス２５０により好適な圧密化を促進する。窒素を排気するのに十分なほど高く、且つ圧密化を促進するのに十分なほど低い気孔率を有するように材料は堆積される。
【選択図】図３

Description

本発明は、チタン合金部品の処理に関する。特にチタン合金ガスタービンエンジン部品の補修に関する。

特許文献１には金属合金をコールドガスダイナミックスプレー（コールドスプレー）により堆積させる初期の装置が開示されている。特許文献２及び特許文献３には、ガスタービンエンジン部品の修復に対するこの種の装置の使用が開示されている。これらの文献を参考文献としてここに開示する。特許文献２及び特許文献３のいずれにも、コールドスプレーの後に、真空焼結、熱間静圧プレス（ＨＩＰ）及び熱処理を行うプロセスが開示されている。
米国特許第５３０２４１４号明細書 米国特許第６９０５７２８号明細書 米国特許出願公開第２００６／００４５７８５号明細書

コールドスプレープロセスの典型的な従来技術に於いては、キャリアガスとしてヘリウムが使用されている。しかしながらヘリウムは高コストである。従って、窒素を含むより安価なガスが提案されてきている。チタン合金に適用する場合に窒素は堆積材料を汚染するという不具合がある（例えば５４０℃以上では窒素はチタンに吸収されて高窒素含有相を形成し、その結果延性の低下による構造特性劣化を招く）。

本発明の一態様は、チタン合金表面を有する部品の処理方法を含む。チタンをベースとする堆積物をその表面にスプレーで形成する。その部品を真空熱処理する。真空熱処理後にその部品を密封する。密封の後、その部品に熱間静圧プレス（ＨＩＰ）を行なう。真空熱処理により気孔中の残留窒素を排除し、ＨＩＰ工程中での良好な圧密化を促進する。材料は、窒素を排気するのに十分なほど高く、且つ圧密化するのに十分なほど低い気孔率を有する状態で堆積される。

本発明の１つまたは複数の実施態様を以下の図面と説明により詳細に示す。本発明のその他の特徴、目的並びに利点は、それらの説明と図面、及び特許請求範囲の記載から明らかになるであろう。

図１は、プラットフォーム２６における内周端２４から外周端／先端２８へと延在するエアフォイル２２を有するガスタービンエンジンブレード２０を示す。取付根部３０はプラットフォーム下部から下方へ延びている。エアフォイルには、前縁４４と後縁４６との間に延在する負圧面４０及び正圧面４２がある。これまでに述べたように、エアフォイルは多くの既知、或いは開発中の構造のうち、どのようなものでもよい。例示のブレードにおいては更に中間シュラウド５０が備わっている。

使用時にはブレード、特にエアフォイルは、異物による損傷（ＦＯＤ）及び腐食を受けることがある。それ以外の一般的な摩耗部位としては、シュラウド接触面、根部の加圧面、ブレード先端、及びプラットフォームがある。図２には基準外形線８２の下に、腐食したエアフォイル面／外形線８０を破線で示している。例示的な修復プロセス２００（図３）には前処理２１０がある。典型的な前処理には、洗浄、機械加工、或いは表面処理(例えばブラスティング)の１つ或いは複数のステップが含まれ、それにより受容面１００（図４）を出現させる。

前処理２１０の次工程がコールドスプレー工程２２０である。コールドスプレー工程では、修復材料（被膜／堆積材料）１０２（図４）の被覆に窒素ベースのキャリアガスを使用する。例示的なキャリアガスは実質的に純粋な窒素である。希ガスに対し、窒素ガスの使用は材料コストにおいて有利である。従って、キャリアガス中に希ガス成分が含まれる場合には（例えば、窒素−ヘリウム混合ガス）性能に悪影響を及ぼすとは考えられない。コストだけの問題である。よりよい堆積物を得るには一般的には高温とするが、堆積したチタン中への窒素の吸収を防ぐために、例示的な堆積温度は約５４０℃未満である。典型的には、約４００〜５４０℃であり、より狭くは約４８０〜５２０℃である。典型的な修復材料は、ブレード基材と同様の組成の粉末合金源から供給される。ブレード基材と粉末合金材料の典型例はチタン合金である（例、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖや、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖや、Ｔｉ−５．５Ａｌ−３．５Ｓｎ−３Ｚｒ−１Ｎｂ−０．２５Ｍｏ−０．３Ｓｉなど（重量組成））。

堆積工程２２０の次にブレードは真空熱処理２３０が施される。真空熱処理にはいくつかの目的がある。真空熱処理により、堆積材料の中から窒素を追い出すことができる。窒素の排気を促進するためには、堆積したままの状態の材料が十分な気孔を持っていることが有利である。このためには、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合、有効な気孔率は少なくとも８％である。その次の熱間静圧プレス工程で堆積材料の圧密化を促進するためには、堆積したままの状態での気孔率はある最大値を超えないことが望ましい。例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合には、適正な最大気孔率は約２０％である。真空熱処理は、堆積粒子間、或いは堆積粒子と基材間の拡散及び焼結も促進する。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合、これらの目的を充たす代表的な真空処理条件は、真空中、８００〜１０００℃で約２〜４時間である。

更に最終的な圧密化を促進するために、真空焼結工程２３０の後に気孔を封止することが有利である。代表的な封止工程２４０はキャニング（被覆）工程である。例示的なキャニング工程では、ステンレススチールジャケット１１０（図５）でブレード全体、或いは少なくともコールドスプレーを施した部分を被覆する。代替封止手法として、堆積材料の少なくとも表面層をレーザで選択的焼結してもよい。或いは、米国特許出願公開第２００６／０１３３９４７Ａ１号明細書に開示されているようなレーザ処理により表面層を溶融させてもよい。

封止／被覆されたブレードのエアフォイル（或いはその一部分）に、次に熱間静圧プレス（ＨＩＰ）２５０を行なう。ＨＩＰにより当初の気孔が大幅に低減し（例えば、約０．５％未満にまで）、ブレードの通常使用を可能とする。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの例では、ＨＩＰの代表的条件は、温度が約８００〜１０００℃、圧力が少なくとも約１００ＭＰａ（例えば、約１００〜１０３ＭＰａ）で時間が約２〜４時間である。

ＨＩＰ工程の次にデキャニング（被覆除去）工程２５５（例えば、予備成形した被覆の切削除去或いは機械加工除去、或いは溶融形成された被覆の機械加工除去）、及び１段或いは複数段の熱処理を行なう。多種の熱処理が知られているし、これからも開発されうる。典型的な２段熱処理では、溶体化熱処理２６０とその後の時効熱処理２７０とを行なう。代表的な溶体化熱処理２６０は比較的高温（例えば、約９６０℃で約２〜４時間）で行い、時効熱処理２７０は比較的低温（例えば、約６００℃で約２〜８時間）で行なう。最後に、機械加工、研削、及び／或いは両者の混合などの通常の方法によって、ブレードは実使用寸法（例えば設計寸法）に修復２８０される。

例示したプロセスはヘリウムをキャリアガスとして使用する既存の修復プロセスの一変形として適用することができる。既存のプロセスに封止／被覆のステップを追加して変更することも可能である。

本発明を１つ或いは複数の実施態様によって説明してきた。しかしながら、本発明の趣旨と範囲を逸脱することなしに種々の変更をなし得ることは理解されるであろう。例えば、特定部品の細部や修復に使用される既存装置のいかなる細部によっても、特定の実施内容の詳細は影響される。従って、その他の実施態様も特許請求の範囲の記載に包含される。

ガスタービンエンジンブレードの概略図。 図１に示したブレードのエアフォイルの模式的断面図。 ブレードの処理方法の工程図。 本発明の処理工程におけるエアフォイルの模式的断面図。 本発明の処理工程におけるエアフォイルの模式的断面図。

Claims (20)

1. チタン合金表面を有する部品の処理方法であって、
   チタン合金表面にチタン基被膜をコールドガスダイナミックスプレーで堆積するステップと、
   部品を真空熱処理するステップと、
   真空熱処理後に被膜を封止するステップと、
   封止後に部品を熱間静圧プレスするステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記熱間静圧プレスの後に、更に溶体化熱処理及び時効熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記コールドガスダイナミックスプレー堆積は窒素を含むキャリアガスを用い、
   キャリアガス中の窒素が、堆積したままの状態の被膜に取り込まれており、
   前記真空熱処理により堆積したままの状態の被膜から大部分の窒素を有効に除去する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記コールドガスダイナミックスプレー堆積は約４００〜５４０℃で行なわれることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記コールドガスダイナミックスプレー堆積は約４００〜５４０℃で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記コールドガスダイナミックスプレー堆積は約４８０〜５２０℃で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記堆積には少なくとも１種のチタン合金を含む粉末材料を用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記堆積は約８〜２０％の気孔率の被膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記封止はキャニングであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. チタン合金部品の処理方法であって、
    チタン基被膜を形成するステップと、
    被膜から窒素を除去するステップと、
    被膜を封止するステップと、
    前記除去工程の後に部品をプレスするステップと、
    前記プレス工程の後に部品の熱処理を行なうステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
11. 前記被膜形成は窒素を含むキャリアガスによるコールドスプレーであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記被膜形成は分圧で少なくとも５０％の窒素を含むキャリアガスによるコールドスプレーであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記除去工程は、被膜から堆積したままの状態の窒素の大部分を除去することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 前記熱処理は、溶体化熱処理と時効熱処理からなることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
15. 前記プレス工程は、熱間静圧プレスからなることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
16. 前記プレス工程は、約１００〜１０３ＭＰaで、約８００〜１０００℃で、約２〜４時間の熱間静圧プレスからなることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
17. 前記封止工程は前記除去工程の後で且つ前記プレス工程の前に前記部品をキャニングすることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
18. 前記封止工程は、別体の予備成形された金属ジャケットの適用、及びレーザ封止、の少なくとも一方からなることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
19. 前記被膜形成工程は約８〜２０％の気孔率の被膜を堆積させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
20. 前記プレス工程は前記気孔率を約０．５％未満に減少させることを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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