JP2010042448A - 溶接性を高めるため超合金鋳造品に戦略的に配置される大結晶粒 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶接性に乏しい超合金の溶接物での割れを最小限に抑制又は防止する。
【解決手段】融接が必要とされる領域で鋳造作業時に選択的に粗大単結晶を成長させることによって超合金部品の割れを減少させる。鋳造品において下流の製造段階で融接が実施される位置に選択的に粗大単結晶を配置することによって、超合金の母材熱影響部での割れが低減又は解消し、粒界がなくなる。これは、鋳造品の設計要件の満足、品質の向上、修繕作業の減少、スクラップ解消に役立つ。
【選択図】図２

Description

本発明は、ニッケル及びコバルト基超合金鋳造品製のガスタービン高温ガス流路部品に関する。
ガスタービンに用いられる鋳造品は本質的に等軸結晶、方向性凝固（ＤＳ）結晶又は単結晶のいずれかである。これらの鋳造部品の多くは、最終製品とされるまで追加の製造段階が必要とされる。ＯＥＭ（相手先商標製品）製造時又は保守修理時の作業の一つが融接である。
超合金は概して溶接性に乏しいことが知られている。これらは、溶接物の熱影響部（ＨＡＺ）で液化及び歪み時効割れに弱い。特にこれらの割れは概して（等軸及びＤＳ結晶粒合金の）粒界で起こる。
作業時に局所的に加わる応力及び温度に応じた厳しい欠陥サイズ要件のため、溶接物の熱影響部（ＨＡＺ）での割れを最小限に抑制又は防止する必要がある。本発明は、かかるニーズを満足することを目的とする。
本発明は、下流の製造工程で溶接が必要とされる位置で粗大単結晶を成長させることによって、かかる位置で粒界を実質的になくすことができ、割れが低減又は解消するという知見に基づく。
そこで、本発明は、融接が必要とされる領域で鋳造作業時に選択的に粗大単結晶を成長させることによって金属部品の割れを減少させる方法を提供する。鋳造品において下流の製造段階で融接が実施される位置に選択的に粗大単結晶を配置することによって、超合金の母材熱影響部での割れが低減又は解消し、粒界がなくなる。これは、鋳造品の設計要件の満足、品質の向上、修繕作業の減少、スクラップ解消に役立つ。
動翼における粗大単結晶の位置を示す図。 粗大単結晶を有する鋳造品でできた溶接部（いかなる割れも存在せず）の断面図。 複数の結晶粒（複数の粒界）を有する鋳造品でできた溶接部の断面図。
図１に、粗大単結晶を意図的に成長させたタービン動翼の領域を示す。この位置は、下流の製造段階で融接される部分である。従来、この位置は多数の結晶粒を有しており、そのため割れを起こし易い多くの結晶粒界が存在していた。
図２に、融接位置に粗大単結晶を有する部材で実施した溶接部の金属組織断面を示す。溶接部又は母材の熱影響には割れがない。
図３に、通常の鋳造技術を用いて形成した部材であって、複数の結晶粒が生じて複数の結晶粒界が存在する部材の溶接部の金属組織断面図を示す。図３に示すように、融接後、結晶粒界で割れが生じている。
好ましい態様では、本発明の方法は、融接が必要とされる領域で鋳造作業時に選択的に粗大単結晶を成長させることによって超合金部品の溶接部及び母材熱影響部の割れを低減させる。選択的成長は、単結晶セレクタ（例えば「ピッグテール」）を用いて達成される。単結晶セレクタは、鋳造及び凝固作業の際に単結晶粒しか成長させない。単結晶粒の選択的成長には、結晶粒セレクタ部材を用いて関心領域で一つの支配的な結晶粒を成長させる任意の単結晶鋳造技術を用いることができる。
融接は、周囲温度の部品もしくは部材又は適切な温度に予熱した部品もしくは部材で実施し得る。典型的な予熱温度は３００°Ｆ〜２２００°Ｆである。
融接は、ティグ溶接（ＧＴＡＷ）、プラズマ溶接（ＰＡＷ）、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）及びレーザビーム溶接／肉盛プロセスを用いて実施し得る。該プロセスは予熱しても或いは予熱なしでも実施し得る。融接プロセスは手作業でも実施し得るし、或いは半自動もしくは自動法でも実施し得る。
通例、従来の溶加材が融接プロセスで用いられる。溶加材は通常、ワイヤ、シム又は粉体である。溶加材は通常、固溶強化超合金、γ′強化超合金、又は特定の性質を与えるための表面改質に用いられる合金から選択される。
金属部品は通例ガスタービンの高温ガス流路部品又は部材である。具体例は産業用タービン及び航空用タービンである。
本発明の方法は、方向性凝固法と単結晶鋳造法との組合せである。これらの各方法に関して、部材全体は、方向性凝固又は単結晶となるように製造される。本発明の部材は、主に方向性凝固部品として鋳造されるが、溶接が必要とされる部分は単結晶として鋳造される。
この構成の単結晶部分は、当技術分野で一般的な結晶粒スタータ技術を用いて鋳造される。同じことは、特定の位置で粗大結晶粒が望まれる等軸（多結晶質）結晶粒組織を有する鋳造品にも当てはまる。
以上、現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の実施形態は本明細書に開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含する。

Claims (12)

  1. 金属部品の溶接部及び母材熱影響部の割れを減少させる方法であって、融接が必要とされる領域で鋳造作業時に選択的に粗大単結晶を成長させる段階を含む方法。
  2. 前記単結晶粒の選択的成長が、結晶粒セレクタ部材を用いて関心領域で支配的に結晶粒を成長させる単結晶鋳造技術を用いて達成される、請求項１記載の方法。
  3. 前記融接が周囲温度の部品で実施される、請求項１記載の方法。
  4. 前記融接が、所要の温度に予熱された部品で実施される、請求項１記載の方法。
  5. 前記部品が３００°Ｆ〜２２００°Ｆの範囲内の温度に予熱される、請求項４記載の方法。
  6. 前記融接が、ティグ溶接（ＧＴＡＷ）、プラズマ溶接（ＰＡＷ）、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）及びレーザビーム溶接／肉盛法を用いて、予熱して又は予熱なしで実施される、請求項１記載の方法。
  7. ワイヤ、シム又は粉体の形態の溶加材を用いる、請求項１記載の方法。
  8. 前記融接プロセスが、手動、半自動又は自動的に実施される、請求項１記載の方法。
  9. 固溶強化超合金、γ′強化超合金又は特定の性質を与えるための表面改質に用いられる合金から選択される溶加材を用いる、請求項７記載の方法。
  10. 前記金属部品が、産業用タービン又は航空タービンから選択されるガスタービン高温ガス流路部品である、請求項１記載の方法。
  11. 前記金属部品が超合金（ニッケル基及びコバルト基）材料からなる、請求項１記載の方法。
  12. 前記粗大単結晶が、前記部品の融接が必要とされる領域に位置する、請求項１記載の方法。
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