JP2011064077A - ガスタービン部品およびその補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＨＴ割れを抑制したガスタービン部品およびその補修方法を提供する。
【解決手段】ガスタービン部品の補修方法が，５０体積％以上のγ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相を含むＮｉ基超合金を有するガスタービン部品を溶接するステップと，前記溶接されたガスタービン部品の溶接箇所に，高エネルギービームを照射することで，前記ガスタービン部品を局部的に熱処理し，前記溶接箇所においてγ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相をγ相中に固溶させるステップと，前記局所的に熱処理されたガスタービン部品を全体的に熱処理するステップと，を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は，ガスタービン部品およびその補修方法に関する。

ガスタービンは，差動流体として高温燃焼ガスを用いているため，その高温部品（動静翼，燃焼器，トランジションピース等の高温ガス通路部部品）が劣化することがある。例えば，起動停止時の熱サイクルにより，動静翼の表面等に疲労亀裂が発生することがある。また高温ガスにさらされることで，静翼表面，動翼プラットホーム部に酸化やエロージョンが発生することがある。これらガスタービン高温部品は高価であるため，一定間隔にて点検を行い，補修され，繰り返し使用されるのが一般的である。

ガスタービン高温部品は，主にＮｉ基超合金，Ｃｏ基超合金からなる。Ｃｏ基超合金は容易に溶接できる。一方，Ｎｉ基超合金は難溶接材であり，特にγ’相と呼ばれるＮｉ_３Ａｌ相を析出し強化した合金はγ’相が析出した状態では溶接が困難である。このため，一般的に，このような合金は，溶体化熱処理によって，γ’相をγ相に固溶させた後に，溶接される。

また，溶接時に導入される溶接歪みの開放あるいは溶接時に析出したγ’相のγ相中への固溶を目的として，溶接後に溶体化熱処理がなされる。しかしながら，溶体化熱処理時の加熱速度が遅いとγ’相が析出し， Post Weld Heat Treatment（ＰＷＨＴ）割れ（溶接後熱処理割れ）が生じることがある。
なお，ガスタービン翼の補修後に溶体化処理および時効熱処理を行う技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００１−２６９７８４号公報

本発明は，ＰＷＨＴ割れを抑制したガスタービン部品およびその補修方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係るガスタービン部品の補修方法は，５０体積％以上のγ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相を含むＮｉ基超合金を有するガスタービン部品を溶接するステップと，前記溶接されたガスタービン部品の溶接箇所に，高エネルギービームを照射することで，前記ガスタービン部品を局部的に熱処理し，前記溶接箇所においてγ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相をγ相中に固溶させるステップと，前記局所的に熱処理されたガスタービン部品を全体的に熱処理するステップと，を具備する。

本発明によれば，ＰＷＨＴ割れを抑制したガスタービン部品およびその補修方法を提供できる。

本発明の実施例に係るガスタービン部品の補修手順を表すフロー図である。 本発明の比較例に係るガスタービン部品の補修手順を表すフロー図である。 補修時でのガスタービン部品の断面を表す摸式図である。 補修時でのガスタービン部品の断面を表す摸式図である。 補修時でのガスタービン部品の断面を表す摸式図である。 溶接後でのガスタービン部品の拡大された断面を表す摸式図である。 ＰＷＨＴ割れが生じた部材の断面を表す写真である。 熱処理時でのガスタービン部品の温度変化を表すグラフである。

以下，本発明の実施形態を説明する。
図１，図２はそれぞれ，本発明の実施例および比較例に係るガスタービン高熱部品（動静翼，燃焼器，トランジションピース等の高温ガス通路部部品）の補修手順を表すフロー図である。実施例では比較例と異なり，亀裂等の補修（ステップＳ１４）と全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）の間に局所的溶体化熱処理（ステップＳ１５）が行われる。この結果，その後の全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）でのＰＷＨＴ割れの発生が抑制される。

ガスタービン高熱部品は，γ’相（Ｎｉ_３Ａｌ相）を析出することで強度の向上を図った合金（析出硬化型合金），特に，一方向および単結晶の析出硬化型Ｎｉ基超合金（例えば，ＩＮ７３８ＬＣ，ＩＮ９３９，ＧＴＤ−２２２，ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸ）が良く用いられる。ＩＮ７３８ＬＣはガスタービン動翼材に，ＩＮ９３９，ＧＴＤ−２２２はガスタービン静翼材に，ＨａｓｔｅｌｌｏｙＸは燃焼器およびトランジションピースに，それぞれ一般的に使用される。

ここで，ガスタービン高熱部品を構成するＮｉ基超合金が体積率で５０％（５０体積％）以上のγ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相を有する場合に本実施例に係る補修方法が有効である。γ’相の体積％が大きいと，全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）でのＰＷＨＴ割れの発生可能性が高くなる。γ’相が５０体積％より小さければ，ＰＷＨＴ割れの発生可能性が低く，局所的溶体化熱処理の必要性が低い。ガスタービン高熱部品を構成するＮｉ基超合金は，一般に，６０〜７０体積％程度のγ’相を含む。

（１）受け入れ検査，コーティングの除去（ステップＳ１１，Ｓ１２）
使用された動翼などのガスタービン高熱部品が受け入れ検査（目視，蛍光浸透探傷試験など）され，亀裂，減肉の有無およびその位置が確認される。
その後，ガスタービン高熱部品のコーティングが除去される。ガスタービン高熱部品は，耐食性向上のため，例えば，ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ：Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅおよびこれらの合金）皮膜により被覆されている。この皮膜は亀裂等の補修の障害となるので，一旦除去される。

（２）全体的溶体化熱処理（ステップＳ１３）
ガスタービン高熱部品全体が溶体化熱処理（再生熱処理）される（全体的溶体化熱処理）。
Ｎｉ基超合金は難溶接材であり，特にγ’相が析出した状態では溶接が困難である。このため，ガスタービン高熱部品を溶体化熱処理して，γ’相をγ相に固溶させる。例えば，電気炉を用いて，ガスタービン高熱部品を１１２１〜１３２０℃程度に加熱して所定時間保つことで，γ’相をγ相に固溶させ，その後冷却する。

（３）亀裂等の補修（ステップＳ１４）
亀裂（クラック），減肉部が補修される。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃはそれぞれ，補修工程中でのガスタービン高熱部品の断面を示す部分断面図である。

ガスタービン高熱部品ＣＭＰ中亀裂ＣＬを含む部位がグラインダ等により切削除去される（図３Ａ，図３Ｂ参照）。

切削除去された部位（切除部）ＣＴに，レーザ（例えば，ＹＡＧ(Yttrium Aluminium Garnet)レーザ）等の高エネルギービームが照射され，溶加材（例えば，インコネル６２５の粉末）を供給し，切除部ＣＴが肉盛り溶接される（図３Ｃ参照）。この結果，切除部ＣＴに溶加材が肉盛りされ，この肉盛部ＨＦと元のガスタービン高熱部品ＣＭＰとの間に熱処理層ＬＹが生じる。

レーザ溶接は，キーホール型溶接と熱伝導型溶接に区分できる。キーホール型から熱伝導型へはスポット径，エネルギー密度によって遷移する。スポット径が狭く，エネルギー密度が大きい場合，キーホール型溶接となり，レーザビームのスポットに対応する狭くて深い孔（キーホール）が溶接対象物に形成される。一方，スポット径が広く，エネルギー密度が小さい場合，熱伝導型の溶接となり，溶接対象物の比較的広い表面範囲が溶解される。即ち，キーホール型溶接と熱伝導型溶接は，溶解される部位の広狭および深浅が異なる。

ガスタービン高熱部品を肉盛り溶接する場合，熱伝導型溶接を用いるのが好ましい。例えば，補修部の面積が０．１ｍ^２の場合，レーザスポット径７ｍｍφ，出力７００Ｗ〜８００Ｗとし，ヘッド（溶接トーチ）の移動速度（レーザビームの移動速度）２ｍ／ｍｉｎとして，補修部全体を加熱，溶接する。

既述のように，レーザ溶接の結果，補修部内に熱処理層ＬＹが生じる。図４は，熱処理層ＬＹの断面を拡大して表す拡大断面図である。この熱処理層ＬＹには，不純物領域Ｐ０およびγ相領域Ｐ１，γ’相領域Ｐ２を含む。レーザ溶接によって溶解されたＮｉ基超合金（金属融液）が凝固する過程で，デンドライト（樹枝状結晶）が形成され，その間に融点の比較的高い不純物（例えば，ＮｂＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ等の炭化物）が濃縮されることで，不純物領域Ｐ０が形成される。デンドライトは，母材からなり，γ相に加えて，γ’相が析出している（γ相領域Ｐ１，γ’相領域Ｐ２が混在）。後述のように，γ’相が存在することで，不純物領域Ｐ０の境界で，ＰＷＨＴ割れが生じる可能性がある。

（４）局所的溶体化熱処理（ステップＳ１５）
既述のように，本実施形態では，亀裂等の補修（ステップＳ１４）の後に，全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）でのＰＷＨＴ割れを抑制するために，局所的溶体化熱処理（ステップＳ１５）を行う。

全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）は，溶接による歪みの開放（応力除去焼鈍）等を目的として行われる。硬いγ’相が存在することで，全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）での歪みの開放中に，不純物領域Ｐ０の境界に歪みが集中することで，ＰＷＨＴ割れが生じる可能性がある（図５参照）。特に，全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）での加熱，冷却の速度が遅いと，全体的溶体化熱処理中にγ’相が析出し，ＰＷＨＴ割れが生じる可能性が大きくなる。

全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）は，通常，電気炉が用いられる。しかし，ガスタービン高熱部品の寸法が大きいと，電気炉での急速な加熱が困難となる。例えば，産業用ガスタービンの動／静翼はジェットエンジン用ガスタービン翼と比較し，寸法が大きく，急速な加熱，冷却が困難である。

局所的溶体化熱処理（ステップＳ１５）では，ガスタービン高熱部品の補修部，特にその熱処理層ＬＹ付近を局所的に加熱することで，加熱，冷却の速度を大きくしてγ’相の析出温度域を急速に通過させ，γ’相の析出を防止する。

局所的溶体化熱処理には，レーザ（例えば，ＹＡＧ(Yttrium Aluminium Garnet)レーザ）等の高エネルギービームを用いる。高エネルギービームを照射することで，熱処理層ＬＹ近傍を熱処理し，γ’相がγ相中に固溶され，かつ溶接時に導入される溶接歪みを開放することができる。

ステップＳ１４での補修において，熱伝導型のレーザ溶接を選択した場合，溶接時よりもレーザ出力を下げることで，同一のヘッドを用いて局所的な溶体化熱処理を行うことができる。例えば，補修時を熱伝導型のレーザ溶接とし，同一ヘッドを用いて補修時よりも低い出力で，補修時の肉盛範囲よりも広い領域をγ’相の固溶温度以上に急速に加熱する。この結果，熱処理層において，γ’相がγ相中に固溶される（局所的な溶体化熱処理）。また，溶接時に導入された溶接歪みが開放される。

補修面積０．１ｍ^２で，レーザスポット径５ｍｍφ，出力３００Ｗとし，ヘッド（溶接トーチ）の移動速度２ｍ／ｍｉｎの場合，熱処理時の基材の温度上昇は図６のようになる。図６には，レーザ加熱，電気炉での加熱双方での温度変化Ｇ１，Ｇ０が示される。レーザ加熱が電気炉での加熱に比べて，温度を急速に上昇，下降できることが判る。このように，局所的溶体化熱処理を用いることで，母材温度を急速に上昇，下降させることができ，ＰＷＨＴ割れを抑制した状態で，溶接歪みの開放等を行える。

局所的溶体化熱処理時では，溶接時と比べて，レーザビームに次のような相違がある。即ち，局所的溶体化熱処理時では，スポット径がより大きく，レーザの出力がより小さい。溶接時でのレーザの出力は５００Ｗ程度以上（６００〜８００Ｗ程度）が好ましい。局所的溶体化熱処理時でのレーザの出力は５００Ｗ程度以下（２００〜３００Ｗ程度）が好ましい。

このように，溶接部を溶接時よりデフォーカスされたレーザビームで加熱することによってγ’相の析出を抑制できる。
溶接時，局所的溶体化熱処理時において，異なるヘッドを用いることも可能である。最初のレーザビームによって溶接が行われた後に，よりデフォーカスされたレーザビームによって溶接部を加熱する。

この熱処理層ＬＹの深さＤが１〜２，３ｍｍ程度以下であれば，レーザ等の高エネルギービームを用いて，この熱処理層ＬＹを局所的溶体化熱処理（ステップＳ１５）できる。

肉厚な部品の場合，冷却速度が遅くなり，γ’相の析出が生ずることもある。その場合，溶接ヘッドにガスを流すノズルを取り付け，冷却しても良い。冷却ガスとして，Ａｒ等の不活性ガルを用いることができる。窒素ガスは，窒化物の形成より，ガスタービン高熱部品の強度が低下する可能性がある。

（５）全体的溶体化熱処理（ステップＳ１６）
ガスタービン高熱部品全体としての，溶接時に導入される溶接歪みの開放あるいは溶接時に析出したγ’相のγ相中への固溶を目的として，溶接後に溶体化熱処理がなされる。既述のように，局所的溶体化熱処理によって，局所的には溶接歪みの開放等がなされている。しかし，局所的溶体化熱処理は，深さＤが１〜２，３ｍｍ程度以下の範囲に限定されることから，ガスタービン高熱部品全体としては溶体化熱処理が不十分な可能性がある。

（６）再コーティング，時効熱処理，出荷前検査（ステップＳ１７〜Ｓ１９）
再コーティング，時効熱処理を行い，最終段階の検査を行う。
ガスタービン高熱部品に，耐食性向上のため，例えば，ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ：Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅおよびこれらの合金）皮膜を再度被覆する。例えば，溶射により，ＭＣｒＡｌＹ皮膜が形成される。

再コーティングされたガスタービン高熱部品が時効熱処理される。ガスタービン高熱部品が数百℃に加熱され，γ’相を析出することで，強化される。
補修されたガスタービン高熱部品が出荷前検査（目視，蛍光浸透探傷試験など）され，補修の状況が確認される。

以上のように，デフォーカスされたレーザにより，溶接補修時に熱が加わった部分（熱処理層ＬＹ）を加熱することにより，局所的に急激な加熱，冷却をする。応力除去焼鈍を兼ねた溶体化熱処理時に発生するＰＷＨＴ割れの発生を抑制することができる。ＰＷＨＴ割れを起こさず，Ｎｉ基超合金の肉盛補修をすることが可能となる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記の実施例では，レーザを用いて溶接，加熱している。これに対して，マイクロプラズマを用いて，溶接，加熱してもよい。

ＣＭＰ…ガスタービン高熱部品，ＣＬ…亀裂，ＣＴ…切除部，ＨＦ…肉盛部，ＬＹ…熱処理層

Claims (3)

1. ５０体積％以上のγ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相を含むＮｉ基超合金を有するガスタービン部品を溶接するステップと，
   前記溶接されたガスタービン部品の溶接箇所に，高エネルギービームを照射することで，前記ガスタービン部品を局部的に熱処理し，前記溶接箇所においてγ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相をγ相中に固溶させるステップと，
   前記局所的に熱処理されたガスタービン部品を全体的に熱処理するステップと，
   を具備することを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
2. 前記局部的熱処理するステップが，前記溶接箇所への高エネルギービームの照射後に，前記ガスタービン部品を不活性ガスで冷却するステップを有する
   ことを特徴とする請求項１記載のガスタービン部品の補修方法。
3. 請求項１または２に記載の補修方法により補修されたガスタービン部品。

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