JP2009039784A - 耐酸化性の向上したろう合金組成物及びそれの使用方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】予備焼結プリフォーム(PSP)を形成するために超合金金属粉末と混合できるろう合金組成物を提供する。
【解決手段】22〜24.75重量%のクロム、9〜11重量%のニッケル、6.5〜7.6重量%のタングステン、3〜4重量%のタンタル、0.55〜0.65重量%の炭素、0.3〜0.6重量%のジルコニウム、0.15〜0.3重量%のチタン、1.5〜2.6重量%のホウ素、1〜10重量%のケイ素、及びコバルトを含んでなるコバルト基ろう合金組成物を適用する。
【選択図】図1
【解決手段】22〜24.75重量%のクロム、9〜11重量%のニッケル、6.5〜7.6重量%のタングステン、3〜4重量%のタンタル、0.55〜0.65重量%の炭素、0.3〜0.6重量%のジルコニウム、0.15〜0.3重量%のチタン、1.5〜2.6重量%のホウ素、1〜10重量%のケイ素、及びコバルトを含んでなるコバルト基ろう合金組成物を適用する。
【選択図】図1
Description
本発明は、一般的には向上した耐高温酸化性を有し得るろう合金組成物に関する。
ガスタービンにおける高温ガス通路翼形部のような高温環境又は過激な環境中の部品は、劣化を受けたり、或いは耐久性に関係する問題を生じることがある。かかる超合金を補修するための一方法では、ろう合金及び/又は超合金金属粉末に基づく予備焼結プリフォームが使用されることがある。
本発明は、予備焼結プリフォーム(PSP)を形成するために超合金金属粉末と混合できるろう合金に関する。PSPは、高温用途に組み込まれた部品の補修及び/又は復元を伴うもののような各種のサルベージ及び/又は補修用途で使用されることがある。
ろう材粉末は一般に当技術分野で知られている。ろう材粉末の1種にMar M 509Bがある。Mar M 509Bは、ホウ素添加剤を含むコバルト基ろう合金である。
Mar M 509Bろう合金を用いるPSPプレートの形成を図1に示す。図示のように、表面硬化合金粉末(ブロック150)及びMar M 905B(ブロック152)を混合し(ブロック154)、次いで焼結し(ブロック156)、水ジェットを用いて成形する(ブロック158)。成形後、プリフォームを例えばバケットに仮付け溶接し(ブロック160)、熱処理サイクルを施す(ブロック162)。Mar M 509Bろう材粉末を含むPSPは、重量%で、約50%のCo、10%のNi、24%のCr、0.25%のTi、8%のW、0.5%のC及び2.7%のBを含むことがある。ある実施形態では、本発明はさらに多い重量%のケイ素及びホウ素を含むろう材粉末に関する。本発明のある実施形態におけるケイ素分は、有利な耐酸化性を与えることができる。高い濃度のケイ素分及びホウ素分は、組成物の融点を容易に低下させることができる。本発明のある実施形態におけるホウ素分は、ろう付け作業に際してPSPと超合金ハードウェアとの結合を容易にすることができる。
本発明のある実施形態では、特定のろう合金組成物を用いるプロセスは容易に適用できると共に、ろう付け前に必要な表面前処理及び表面硬化作業後に必要な機械加工を最小限に抑えることができる。
ある実施形態では、このろう合金を用いたPSPはニアネット形状に製造してバケットにろう付けすることができる。これは、恐らくは表面硬化後の機械加工の程度を減少させながら頑強性、反復性及び再現性を与えることができる。
米国特許第6506016号明細書
米国特許第6890150号明細書
一実施形態では、22〜24.75重量%のクロム、9〜11重量%のニッケル、6.5〜7.6重量%のタングステン、3〜4重量%のタンタル、0.55〜0.65重量%の炭素、0.3〜0.6重量%のジルコニウム、0.15〜0.3重量%のチタン、1.5〜2.6重量%のホウ素、1〜10重量%のケイ素、及びコバルトを含んでなるコバルト基ろう合金組成物が提供される。
別の実施形態では、超合金部品の補修又は復元方法であって、表面硬化合金粉末を、22〜24.75重量%のクロム、9〜11重量%のニッケル、6.5〜7.6重量%のタングステン、3〜4重量%のタンタル、0.55〜0.65重量%の炭素、0.3〜0.6重量%のジルコニウム、0.15〜0.3重量%のチタン、1.5〜2.6重量%のホウ素、1〜10重量%のケイ素、及びコバルトを含むコバルト基ろう合金組成物と混合することで予備焼結プリフォームを形成する段階と、予備焼結プリフォームを焼結して焼結部品を製造する段階と、焼結部品を成形する段階と、焼結部品を超合金部品に溶接して複合体を形成する段階と、複合体に熱処理サイクルを施す段階とを含んでなる方法が提供される。予備焼結プリフォームは、60〜90重量%の表面硬化合金粉末及び10〜40重量%のコバルト基ろう合金組成物を含んでいる。
本発明は、一般的には向上した耐高温酸化性を有し得るろう合金組成物に関する。
ある実施形態では、向上した耐高温酸化性を有するろう合金組成物が提供される。例示的な出発点としては、商業的に入手可能なMar M 509Bろう材粉末が、本発明の一実施形態に係るろう合金の開発のための基線組成物として使用できる。Mar M 509Bと比べると、追加の(例えば、5%の)ケイ素分及び追加の(例えば、2%の)ホウ素分が存在し得る。本発明のある実施形態におけるケイ素分は、有利な耐酸化性を与えることができる。高い濃度のケイ素分及びホウ素分は、組成物の融点を容易に低下させることができる。本発明のある実施形態におけるホウ素分は、ろう付け作業に際して予備焼結プリフォーム(PSP)と超合金ハードウェアとの結合を容易にすることができる。
一実施形態では、ろう合金を超合金金属粉末と混合してPSPを形成することができる。PSPは、例えば、ガスタービンにおいて見出されるような高温ガス通路部品のサルベージ及び/又は補修に際して使用できる。本発明の一実施形態に従ってろう合金を使用する場合、PSPと超合金ハードウェアとの良好な結合は熱処理サイクルによって達成することができる。
一実施形態では、PSPは粉末状のTribaloy T800を含むこともできる。T800は、Deloro Stellite Inc.(ベルヴィル、オンタリオ州、カナダ)によって製造されるコバルト基表面硬化合金である。好適なPSPは、Morgan Advanced Ceramics社(Wesgo Metals Division)(米国カリフォルニア州94644ヘイワードホイップル・ロード2425)から入手できる。T800は、概略重量%で表して下記の成分を有している。
ある実施形態では、この超合金中のケイ素は耐酸化性を向上させることができる。ケイ素及びホウ素が共に存在することは、融点を低下させてPSPと超合金ハードウェアとの良好な結合を達成するのに有効であり得る。一実施形態では、ろう合金は、下記の概略重量%(いずれの記載範囲もその範囲内のすべての部分範囲を含む)の範囲内で少ないホウ素添加剤及び多いケイ素添加剤を含むコバルト基ろう合金であり得る。
一実施形態では、ろう合金を含むPSPを使用する高温ガス通路部品に関して以下の熱処理サイクルが使用できる。熱処理は加熱サイクルサブステップ及び冷却サイクルサブステップを含み得る。加熱サイクルサブステップは、プリフォームを有する超合金部品を室温(例えば、約21℃(70°F))のろう付け炉内に配置することを含み得る。結合プロセスを容易にするため、当業者にとって公知の方法に従い、炉内の非酸化雰囲気及び表面硬化プリフォームに圧力を加える方法を設けることができる。使用する炉は真空炉であってよく、要求最小真空度は0.5×10-3トルであり得る。
炉は、約14℃/分(25°F/分)の速度で約650℃(1200°F)に加熱すればよい。約650℃(1200°F)に達したら、この温度を約30分間維持すればよい。次いで、炉の温度を約14℃/分(25°F/分)の速度で約980℃(1800°F)に昇温すればよい。約980℃(1800°F)に達したら、この温度を約30分間維持すればよい。次いで、炉の温度を約19℃/分(35°F/分)の速度で約1204〜1218℃(2200〜2225°F)に昇温する。約1204〜1218℃(2200〜2225°F)に達したら、この温度を約20分間維持すればよい。次いで、炉を約60分間で1120℃(2050°F)の温度まで冷却し、さらに815℃(1500°F)まで冷却すればよい。続いて、炉を任意の温度でほぼ室温まで冷却すればよい。
下記の表には、T800と、Mar M 509B又は本発明の一実施形態に従って調製したろう合金とを用いて製造したPSPに関して2000°Fで500時間にわたり実施した酸化試験の試験結果をまとめて示す。酸化試験は空気炉内で実施した。まず、試料を2000°Fの空気炉内に500時間(約21日間)配置した。500時間後、試料を炉から取り出し、空気中で冷却した。金属組織学的分析を行って耐酸化性を調べると共に、試料の切片化、研磨及びエッチングを行って酸化層の厚さを調べた。これらの試験結果は向上した耐酸化性を示している。
例示的な実施形態では、本発明は、例えば、米国特許第6506016号及び同第6890150号(これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす)に例示されているもののようなガスタービン中の部品を補修及び/又は復元するために有用であり得る。
例えば、図2は本発明の一実施形態に従ってPSPを用いて補修した高温ガス通路側部バケットエンジェルウィングの例を示している。図2には、軸方向に突出したエンジェルウィングシール210及び212を備えた(バケット(図示せず)の基部又はその付近に位置する)シャンク202が示されている。これらのエンジェルウィングシールは、本発明の一実施形態に従って補修されている。同様に、図3は本発明の一実施形態に従ってPSPを用いて補修した高温ガス通路バケットチップを示している。図3では、バケットチップ304は補修したカッタ歯330を含んでいる。この新たに開発されたろう合金はPSPを製造するために使用でき、或いはバケットの製造及び/又は補修/保全のために使用できる。したがって、それの用途は広範囲であり、多くの製品ラインにわたっている。
以上、現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示された実施形態のみに限定されず、それどころか特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な修正及び同等な構成も包含するものであることを理解すべきである。
さらに、本明細書中に記載されかつ権利請求されるすべての数値及び数値範囲は概略のものであって、明記されているか否かにかかわらずある程度の変動を含んでいる。
202 シャンク
210 エンジェルウィングシール
212 エンジェルウィングシール
304 バケットチップ
330 カッタ歯
210 エンジェルウィングシール
212 エンジェルウィングシール
304 バケットチップ
330 カッタ歯
Claims (10)
- 22〜24.75重量%のクロム、9〜11重量%のニッケル、6.5〜7.6重量%のタングステン、3〜4重量%のタンタル、0.55〜0.65重量%の炭素、0.3〜0.6重量%のジルコニウム、0.15〜0.3重量%のチタン、1.5〜2.6重量%のホウ素、1〜10重量%のケイ素、及びコバルトを含んでなるコバルト基ろう合金組成物。
- さらに、1.3重量%以下の鉄、0.10重量%以下のマンガン、及び0.02重量%以下の硫黄を含む、請求項1記載のコバルト基ろう合金組成物。
- さらに、2〜2.6重量%のホウ素、及び2.5〜7.5重量%のケイ素を含む、請求項1記載のコバルト基ろう合金組成物。
- さらに、2.45〜2.55重量%のホウ素、及び4〜6重量%のケイ素を含む、請求項1記載のコバルト基ろう合金組成物。
- 22〜24.75重量%のクロム、9〜11重量%のニッケル、6.5〜7.6重量%のタングステン、3〜4重量%のタンタル、0.55〜0.65重量%の炭素、0.3〜0.6重量%のジルコニウム、0.15〜0.3重量%のチタン、1.5〜2.6重量%のホウ素、1〜10重量%のケイ素、1.3重量%以下の鉄、0.10重量%以下のマンガン、0.02重量%以下の硫黄、及びコバルトからなる、請求項1記載のコバルト基ろう合金組成物。
- 超合金部品の補修又は復元方法であって、
表面硬化合金粉末を、22〜24.75重量%のクロム、9〜11重量%のニッケル、6.5〜7.6重量%のタングステン、3〜4重量%のタンタル、0.55〜0.65重量%の炭素、0.3〜0.6重量%のジルコニウム、0.15〜0.3重量%のチタン、1.5〜2.6重量%のホウ素、1〜10重量%のケイ素、及びコバルトを含むコバルト基ろう合金組成物と混合することで予備焼結プリフォームを形成する段階であって、予備焼結プリフォームは60〜90重量%の表面硬化合金粉末及び10〜40重量%のコバルト基ろう合金組成物を含む段階と、
予備焼結プリフォームを焼結して焼結部品を製造する段階と、
焼結部品を成形する段階と、
焼結部品を超合金部品に溶接して複合体を形成する段階と、
複合体に熱処理サイクルを施す段階と
を含んでなる方法。 - 熱処理サイクルが加熱サイクルサブステップ及び冷却サイクルサブステップを含む、請求項6記載の方法。
- 超合金部品がガスタービンの部品からなる、請求項6記載の方法。
- 超合金部品がバケットエンジェルウィング又はバケットチップである、請求項6記載の方法。
- 熱処理サイクルが、炉を14℃/分の速度で650℃に加熱する段階、650℃の温度を30分間維持する段階、炉を14℃/分の速度で980℃に加熱する段階、980℃の温度を30分間維持する段階、炉を19℃/分の速度で1204〜1218℃に加熱する段階、1204〜1218℃の温度を20分間維持する段階、炉を1120℃の温度まで冷却する段階、1120℃の温度を30分間維持する段階、及び炉を815℃の温度まで冷却する段階を含む、請求項6記載の方法。
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