JP2008229719A - タービンエンジン構成部品などのワーク内のクラックを補修する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】タービンエンジン構成部品などのワーク内にできる幅が約０．６４ｍｍ以上のクラックを補修する方法が求められている。
【解決手段】タービンエンジン構成部品などのワーク内のクラックを補修する方法であって、補修すべきクラックを有するワークを準備するステップと、クラックの一部分を充填するのに十分な量のニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料をクラックのルート部に施すステップと、ニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を伴うワークを、約１０６６〜１２６０℃の温度で、約５．０〜３０分間、第１の熱処理にかけるステップと、クラックに溶接材料を施すステップと、溶接材料を伴うワークを第２の熱処理にかけるステップと、を含む方法を提示する。
【選択図】図３
【解決手段】タービンエンジン構成部品などのワーク内のクラックを補修する方法であって、補修すべきクラックを有するワークを準備するステップと、クラックの一部分を充填するのに十分な量のニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料をクラックのルート部に施すステップと、ニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を伴うワークを、約１０６６〜１２６０℃の温度で、約５．０〜３０分間、第１の熱処理にかけるステップと、クラックに溶接材料を施すステップと、溶接材料を伴うワークを第２の熱処理にかけるステップと、を含む方法を提示する。
【選択図】図３
Description
本発明は、タービンエンジン構成部品などのワーク内における幅の広いクラックを補修する方法に関する。
タービンエンジンに使用されるニッケル基合金で形成されたワークまたは構成部品の補修に使用される現行の材料は、典型的には、最大で０．０１０インチ（約０．２５ｍｍ）の幅のクラックを修復することを可能にする。
ギャップの広いクラックは、標準溶接などによる様々な方法で補修することができる。しかし、タービンエンジン構成部品のハードウェア上で、常に溶接作業ができるとは限らない。ニッケル基補修合金を使用する補修技法があるが、これらの補修技法で使用される熱プロセスは、母合金を所望の温度よりも高温に晒すことで、特性にマイナスの影響を与えてしまうことがある。
幅が約０．０２５インチ（約０．６４ｍｍ）以上の広いギャップをもつクラックの補修に用いることのできる補修技法が必要とされている。
本発明によれば、タービンエンジン構成部品などのワーク内の広いギャップをもつクラックを補修する工程が提供される。
本発明によれば、ワーク内のクラックを補修する方法であって、補修すべきクラックを有するワークを準備するステップと、そのクラックの一部分を充填するのに十分な量で、クラックのルート部にニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を施すステップと、ニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を伴うワークを、約１９５０〜２３００°Ｆ（約１０６６〜１２６０℃）の範囲の温度で、約５〜３０分間、第１の熱処理にかけるステップと、クラックに溶接材料を施すステップと、溶接材料を伴うワークを第２の熱処理にかけるステップと、を含む方法が提示される。
本発明の二段工程によるニッケル合金クラックの補修のその他の詳細、ならびに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面に記載され、図面において、同様の参照番号は同様の要素が示される。
上述のように、本発明は、０．０２５インチ（０．６４ｍｍ）よりも大きな幅を有するタービンエンジン構成部品などのワーク内のクラックを補修する方法に関する。図１を参照すると、クラック１２を有するタービンエンジン構成部品などのワーク１０が示されている。ワーク１０は、単結晶ニッケル基超合金、コバルト基超合金、または鉄基合金などの金属材料から形成され得る。クラック１２は、基底部１４および壁部１６、１８を有する。クラック１２の基底部１４は、ルート部として知られている。
本発明によれば、クラック１２は、補修作業の前に、洗浄され、離脱しやすい材料または汚染物質があればそれが除去される。クラック１２の洗浄は、フッ化物イオン洗浄や水素洗浄などの当技術分野で周知の洗浄方法を使用して行うことができる。
洗浄を完了した後、ある量のニッケル基合金補修材料２０またはコバルト基合金補修材料２０をクラック１２の基底部つまりルート部１４に施す。補修材料は、クラックの（０．０１０インチ（約０．２５ｍｍ）未満の）狭い部分を充填するのに十分な量で存在する。このニッケル基合金補修材料２０またはコバルト基合金補修材料２０を、補修に適合する形態で施すとよい。例えば、補修材料は、好ましくは非常に粘性のあるペイントの形態で施されてもよい。配合剤は、ＴＵＲＢＯＦＩＸペイント配合剤としてもよい。ニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料は、当技術分野で周知の好適な補修材料を含んでいてもよい。例えば、ニッケル基合金補修材料が、ニッケル基合金のブレンドであってもよい。例えば、ニッケル基合金補修材料が、第１の低溶融温度ニッケル基ろう付け合金と、第２の高溶融温度ニッケル基合金とのブレンドであってもよい。一実施例の構成において、第１の低溶融温度ニッケル基合金が約４９〜５１重量％の量で存在し、第２の高溶融温度ニッケル基合金が約４９〜５１重量％の量で存在してもよい。他の実施例の構成において、第１の低溶融温度ニッケル基ろう付け合金が約３９〜４１重量％の範囲で存在し、残部が第２の高溶融温度ニッケル基合金であってもよい。さらに他の実施例の構成において、第１の低溶融温度ニッケル基ろう付け合金が約２９〜３１重量％の範囲の量で存在し、残部が第２の高溶融温度ニッケル基合金であってもよい。さらに他の実施例の構成において、第１の低溶融温度ニッケル基ろう付け合金が約１９〜２１重量％の範囲で存在し、残部が第２の高溶融温度ニッケル基合金であってもよい。
前述のブレンドされたニッケル基合金補修材料２０を形成するのに使用される第１および第２のニッケル基合金のそれぞれの組成は、米国特許第６，５０３，３４９号（第３欄の５０行目から第４欄の４４行目まで）に記載されており、この特許は本願の参照となる。
代替例において、補修材料２０は、好ましくは結合剤中で混合された４種類の金属粉末で形成されたニッケル基合金としてもよい。これら４種類の粉末は、互いに混合されて、一般的な、工業フラックスを含まない有機ベースろう付け結合剤の中で懸濁されてもよい。この結合剤は、ペーストが１０００°Ｆ（約５３８℃）以下の温度に加熱されたとき有害な残留物を残すことなく燃え尽きることができる。好適な結合剤としては、ＮｉｃｒｏＢｒａｚ Ｓ結合剤またはＶｉｔｔａ Ｂｒａｚ Ｂｉｎｄｅｒ Ｇｅｌがある。使用される結合剤の量は、製造業者によって異なる。ペーストの形態にするためには、約８〜１５重量％を結合剤とするべきである。４種類の金属粉末は、第１のホウ素含有ニッケル基ろう付け合金、第１のニッケル基充填材料、第２のニッケル基充填材料、および低融点共晶ろう（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｂｒａｚｅ）ニッケル基合金からなる金属粉末としてもよい。好適なブレンドの一つが、約４０〜６０重量％の第１のホウ素含有ニッケル基ろう付け合金と、約１５〜３５重量％の第１のニッケル基充填材料と、第２のニッケル基充填材料と低融点共晶ろうニッケル基合金とのブレンドからなる残部と、を含んでいてもよい。
好適な一実施例において、第１のニッケル基ろう付け合金は、約６．０〜６．８重量％のクロム、約１．１７５〜１．２２５重量％のホウ素、約０．０８０〜０．１２重量％の炭素、約５．７〜６．１重量％のアルミニウム、約０．０４〜０．１２重量％のジルコニウム、約１２．１〜１３．０重量％のコバルト、約１．５〜１．９重量％のモリブデン、約６．０〜６．８重量％のタングステン、約２．７５〜３．２５重量％のレニウム、約３．７５〜４．２４重量％のタンタル、約１．０〜２．０重量％のハフニウム、および残部のニッケルを含んでいてもよい。
さらに、第１のニッケル基充填材料は、約０．１３〜０．１７重量％の炭素、約８．０〜８．８重量％のクロム、約９．０〜１１．０重量％のコバルト、約０．５〜０．８重量％のモリブデン、約２．８〜３．３重量％のタンタル、約０．９〜１．２重量％のチタン、約９．５〜１０．５重量％のタングステン、約５．３〜５．７重量％のアルミニウム、約０．０１０〜０．０２０重量％のホウ素、約１．２〜１．６重量％のハフニウム、約０．０３〜０．０８重量％のジルコニウム、および残部のニッケルを含んでいてもよい。
さらに、第２のニッケル基充填材料は、約１４重量％のクロム、約１０重量％のコバルト、約３．５重量％のアルミニウム、約２．７５重量％のホウ素、約２．５重量％のタンタル、約０．１重量％のイットリウム、および残部のニッケルを含んでいてもよい。好適な材料の一つに、ＤＦ−４Ｂとして知られる商業製品がある。
さらに、低融点共晶ろうニッケル基合金は、約１３．５〜１６．０重量％のクロム、約３．２５〜４．０重量％のホウ素、および残部のニッケルを含んでいてもよい。好適な材料の一つに、ＮＩＣＲＯＢＲＡＺ１５０として知られる商業製品がある。
４種類の粉末は、当技術分野で周知の好適な技法を使用して結合剤とともにブレンドすることができるが、ブレンドされたニッケル基補修合金は粉末の形態であることが好ましく、望ましければ、ペーストまたはペイントの形態にブレンドしてもよい。代替的に、当技術分野で周知の好適な技法を使用して、粉末の形態のブレンドを板金の形態に変更してもよい。
ニッケル基合金補修材料の組成は、本質的に、約７．０〜１０．０重量％のクロム、約４．０〜７．０重量％のタングステン、約３．０〜６．０重量％のアルミニウム、約１．０〜５．０重量％のタンタル、約０．５〜３．０重量％のホウ素、約９．０〜１１．０重量％のコバルト、約０．５〜２．０重量％のモリブデン、約２．５重量％までのレニウム、約０．５〜２．５重量のハフニウム、約１．０重量％までのチタン、約０．０３重量％までのイットリウム、および残部のニッケルからなる組成であってもよい。このニッケル基合金補修材料の好適な一実施例において、補修材料は、約８．５〜９．５重量％の範囲のクロム含有率、約５．０〜６．２重量％の範囲のタングステン含有率、約４．０〜５．０重量％の範囲のアルミニウム含有率、約０．１５〜０．４重量％の範囲のチタン含有率、約３．０〜４．０重量％の範囲のタンタル含有率、約１．０〜１．５重量％の範囲のホウ素含有率、約１０〜１１重量％の範囲のコバルト含有率、約０．９〜１．３重量％の範囲のモリブデン含有率、約１．０〜２．０重量％の範囲のレニウム含有率、約１．０〜１．３重量％の範囲のハフニウム含有率、および約０．０１〜０．０２重量％の範囲のイットリウム含有率を有していてもよい。レニウムは高温におけるクリープ性を改善し、イットリウムは粒界強化剤として機能する。
ニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を施すステップに続いて、ワークおよび補修合金を、約１９５０〜２３００°Ｆ（約１０６６〜１２６０℃）、好ましくは約２１７５〜２２４０°Ｆ（約１１９１〜１２２７℃）で、約５．０〜３０分間、熱処理にかけることが好ましい。
この熱処理に続き、このワーク１０を冷却することができる。冷却が行われると、ニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料は、クラック１２の壁部１６、１８とともに、ボウル（鉢）状の表面を形成することがある。その後で、溶接材料２２が、図２に示すように、ニッケル基合金補修材料２０またはコバルト基合金補修材料２０の層の上に堆積される。溶接材料２２の組成は、ワーク１０を形成する材料と適合性があるのであれば、当技術分野で周知の組成としてもよい。この溶接材料２２を、当技術分野で周知の好適な溶接技法を用いて堆積させてもよい。この溶接材料を、電気スパーク堆積、レーザ、マイクロＧＴＡＷ、マイクロＰＡＷ、電子ビーム（ＥＢＷ）を使用して施してもよい。こうして形成した溶着部を、ニッケル基合金補修材料２０またはコバルト基合金補修材料２０に、またはクラックの壁部１６、１８を形成する材料に、冶金学的に結合させる必要はない。実際には、溶着部が低温になるほど、クラックの補修が良好に行われる。溶着部の主な機能は、クラック１２の幅の広い領域２４を補修する上で充填材として補助をすることである。溶接材料は、低温または短期間の拡散サイクルを行うときに重要な拡散媒体を供給する上で補助的な働きをする。好適な溶接材料として、ＰＷＡ７９５またはＰＷＡ３６９４６がある。溶接材料は、構成部品のクラックの上部と同一面になるまで施される。
溶接材料２２を施した後、ニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料の第２の層２６を、図３に示すように、溶接材料２２の上に堆積させる。層２６に使用するニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料は、第１の層２０と同一のものを使用してもよいし、異なるニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を使用してもよい。層２６を形成するニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料は、表面を覆うために、または残留する欠陥があればそれを覆うために十分な量で施される。この補修材料が、クラック１２の広い領域２４を充填することが好ましい。層２６を形成するニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を、任意の好適な形態で施すことができる。例えば、補修材料をペイントおよび／またはペーストの形態で施すことができる。
層２６を形成するニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を施した後、ワーク１０を、約１９５０〜２３００°Ｆ（約１０６６〜１２６０℃）で、約１．０〜２０時間、さらに熱処理にかける。達成しようとする材料特性に応じて、熱プロセスステップを変更してもよい。
以上の考察に記されている通り、約０．０２５インチ（約０．６４ｍｍ）より大きな幅を有するような幅の広いクラックを補修する方法を提示した。
本発明の方法は、熱プロセスがクリープ特性を損なう可能性のある、単結晶ニッケル基超合金で形成されたタービンエンジン構成部品内のクラックの補修に有益である。本発明の方法を、約０．０２５〜０．０４０インチ（約０．６４〜１．０２ｍｍ）の幅を有するクラックを補修するために使用することができる。
Claims (20)
- 補修すべきクラックを有するワークを準備するステップと、
前記クラックの一部分を充填するのに十分な量で、前記クラックのルート部にニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を施すステップと、
前記ニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を伴うワークを、約１９５０〜２３００°Ｆ（約１０６６〜１２６０℃）の範囲の温度で、約５．０〜３０分間、第１の熱処理にかけるステップと、
前記クラックに溶接材料を施すステップと、
前記溶接材料を伴う前記ワークを第２の熱処理にかけるステップと、
を含む、ワーク内のクラックを補修する方法。 - 前記ワークを第１の熱処理にかける前記ステップが、前記ニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を伴う前記ワークを、約２１７５〜２２４０°Ｆ（約１１９１〜１２２７℃）の範囲の温度まで加熱することを含む請求項１に記載の方法。
- ワークを準備する前記ステップが、補修すべきクラックを有するタービンエンジン構成部品を準備することを含む請求項１に記載の方法。
- ワークを準備する前記ステップが、単結晶ニッケル基超合金で形成されたタービンエンジン構成部品を準備することを含む請求項１に記載の方法。
- 前記ニッケル基合金またはコバルト基合金を施すステップが、前記ニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を、ペイントの形態でクラックのルート部に施すことを含む請求項１に記載の方法。
- 前記ニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を施すステップが、ニッケル基合金のブレンドを含むニッケル基合金補修材料を施すことを含む請求項１に記載の方法。
- 前記ニッケル基合金材料を施すステップが、低溶融温度ニッケル基ろう付け合金と高溶融温度ニッケル基ろう付け合金とのブレンドを含むニッケル基合金補修材料を施すことを含む請求項１に記載の方法。
- 前記溶接材料を施すステップが、前記ワークを形成する材料と適合性のある材料を施すことを含む請求項１に記載の方法。
- 前記溶接材料を施すステップが、前記クラックの壁部に溶接材料を施すこと、および前記クラックの壁部に前記溶接材料を溶接する溶接ステップを含む請求項１に記載の方法。
- 前記溶接ステップが、レーザを使用して前記クラックの壁部に前記溶接材料を溶接することを含む請求項９に記載の方法。
- 前記溶接ステップが、電気スパーク堆積技法を使用して前記クラックの壁部に前記溶接材料を溶接することを含む請求項９に記載の方法。
- 前記溶接ステップが、マイクロＰＡＷ技法を使用して前記クラックの壁部に前記溶接材料を溶接することを含む請求項９に記載の方法。
- 前記溶接ステップが、マイクロＧＴＡＷ技法を使用して前記クラックの壁部に前記溶接材料を溶接することを含む請求項９に記載の方法。
- 前記溶接ステップが、ＥＢＷを使用して前記クラックの壁部に前記溶接材料を溶接することを含む請求項９に記載の方法。
- 前記ワークを第２の熱処理にかける前記ステップが、前記ワークを、約１９５０〜２３００°Ｆ（約１０６６〜１２６０℃）の範囲の温度で、約１〜２０時間、加熱することを含む請求項１に記載の方法。
- 前記第２の熱処理にかける前に、ある量のニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料を追加して、前記クラックを充填する充填ステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
- 前記充填ステップが、追加する前記ある量のニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料をペイントの形態で前記溶接材料の上に施すことを含む請求項１６に記載の方法。
- 前記充填ステップが、前記追加の量のニッケル基合金材料またはコバルト基合金材料をペーストの形態で前記溶接材料の上に施すことを含む請求項１６に記載の方法。
- 金属材料で形成され、補修すべき約０．０２５〜０．０４０インチ（約０．６４〜１．０２ｍｍ）のクラックを有するタービンエンジン構成部品を準備するステップと、
前記クラックのルート部に第１のニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を施すステップと、
前記ニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を前記クラックの壁部に固着させ、前記クラックを部分的に充填して基層を形成するために、前記第１のニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を伴う前記タービンエンジン構成部品を第１の熱処理にかけるステップと、
前記第１のニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料の前記基層の上に溶接補修材料の層を形成し、かつ前記クラックの前記壁部に前記溶接補修材料を溶接するステップと、
前記溶接補修材料の層の上に、第２のニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料の層を施すステップと、
前記第２のニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を前記クラックの前記壁部に接合させるために、前記第２のニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を伴う前記ワークを第２の熱処理にかけるステップと、
を含む、タービンエンジン構成部品内のクラックを補修する方法。 - 第２のニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料の層を施す前記ステップが、前記第１のニッケル基合金補修材料と同一のニッケル基合金補修材料またはコバルト基合金補修材料を施すことを含む請求項１９に記載の方法。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110719 |