JP2013202691A - ２以上の部品を接合する方法、部品に耐エロージョン性を提供する方法、及びタービンブレード - Google Patents

Abstract

【課題】２以上の部品を接合する方法（５００）、ベース部品のエロージョンを防ぐ方法、及びタービンブレード（１０）を提供する。
【解決手段】２以上の部品を接合する方法（５００）は、レーザクラッディング装置（３０）を準備するステップ（５０２）と、第１の部品（４０）及び第２の部品（５０）を整列させるステップ（５０４）と、第１及び第２の部品（４０、５０）をレーザクラッディングによって接合するステップ（５１０）とを含む。第１の部品（４０）は、第２の部品（５０）の第２の接合表面（５２）に隣接した第１の接合表面（４２）を含む。第１の接合表面（４２）及び第２の接合表面（５２）が、レーザクラッディングによって接合平面（３４）に沿って接合される。レーザクラッディング装置（３０）からの接合材料（３２）が、第１の接合表面（４２）と第２の接合表面（５２）との間に１以上の接合層（３６）を提供する。第１及び第２の接合表面（４２、５２）がベベル角（８２、８４）を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は全体的に、発電システムに関し、より具体的には、２以上の部品を接合する方法、部品に耐エロージョン性を提供する方法、及びタービンブレードに関する。

タービン設備で使用されるタービンロータブレード及びタービンステータブレードなどの発電システムにおける部品はエロージョン環境に曝され、これらの部品は、蒸気中の水滴及び酸化物スケールからの細塵によって引き起こされるエロージョンの影響を受けやすい。詳細には、水滴は、後段のタービンブレードのかなりのエロージョンを引き起こす可能性があり、この場合、水滴は、タービン駆動用の蒸気と混合される。タービンブレードのエロージョンは、エロージョンによってもたらされるブレードの薄肉化及びブレードの疲労破壊を生じるので問題がある。

エロージョンに対するタービン部品の耐久性を高めようとして、様々なエロージョン防止措置が実施されてきた。これらの防止措置の１つが、レーザビームなどの高エネルギー密度の熱源を用いてタービン部品の複数の単一層を肉盛りする、低入熱肉盛り溶接を使用する方法である。

肉盛り溶接は、所望のエロージョン保護層を得るまでに相当な時間を必要とする。肉盛り法を用いる別の問題は、所望のブレード幾何形状に形成した後にエロージョン層も機械加工しなければならず、処理ステップ及び製造時間が増加することである。レーザビームを用いた肉盛り法のさらに別の問題は、従来のエロージョンシールド材料であるＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）が約１．０ｗｔ％の相当な炭素量を有することである。その結果、低入熱の場合でも、溶接中にＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）層と下にある部品のマトリクスとの混合により複合炭素添加層が形成される。この炭素添加層は、肉盛り溶接部分に高温亀裂形成を生じる可能性があるので、溶接工程では望ましいものではない。炭素添加層の形成により示される問題に加えて、ＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）肉盛り量が増えるにつれて、肉盛り溶接時の収縮により生じる残留応力（引張残留応力）が増大する。これらの残留応力は、肉盛り溶接後の熱処理により大幅な是正が難しいので、タービン動作環境において、肉盛り部分の端部の剥離の形態の破断又は溶接金属部分での亀裂を生じる可能性がある。

レーザによりＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）が肉盛り溶接される場合、ＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）溶接金属部分の硬度は、元の鍛造部材の硬度に比べ極めて大きくなる。例えば、ＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標） Ｎｏ．６を用いる場合、鍛造部材のＲｏｃｋｗｅｌｌ Ｃスケール硬度は約３５〜４０であるのに対し、レーザ溶接を用いて形成された肉盛り溶接部分の硬度は、５０以上の高い値を示す。すなわち、レーザを用いて形成される肉盛り溶接部分は、極めて硬質であり、従って、溶接部分に亀裂形成を生じやすい。肉盛り溶接部分の硬度の増大は、強度の向上を伴うが、延性及び靱性の低下も伴う。すなわち、肉盛り溶接部分の硬度は、溶接金属部分の亀裂並びに肉盛り部分の端部の剥離の形態の破断の発生を促進する。

従って、上述の欠点を生じない発電システム用のベース部品のエロージョンを防ぐ方法及び耐エロージョン性タービンブレードが当該技術分野において望まれる。

米国特許第７，５７５，４１８号明細書

本開示の例示的な実施形態によれば、２以上の部品を接合する方法が提供される。本方法は、レーザクラッディング装置を準備するステップと、第１の部品及び第２の部品を整列させるステップとを含む。第１の部品は、第２の部品の第２の接合表面に隣接した第１の接合表面を含む。接合ステップにおいて、第１の接合表面及び第２の接合表面は、レーザクラッディング装置により恵都合平面に沿って接合される。レーザクラッディング装置からの接合材料は、第１の接合表面と第２の接合表面との間に１以上の接合層を提供する。第１及び第２の接合表面はベベル角を含む。

本開示の別の例示的な実施形態によれば、部品に耐エロージョン性を提供する方法が提供される。本方法は、第１の部品及びエロージョン防止部品を準備するステップを含み、該エロージョン防止部品は単体構造を含む。本方法は、接合平面に沿ってエロージョン防止部品と第１の部品を整列させるステップを含む。本方法は、高密度エネルギー放射を用いて第１の部品をエロージョン防止部品と接合するステップを含む。接合ステップは、高密度エネルギー放射によって励起される接合材料を含み、接合材料がエロージョン防止部品を第１の部品に融合させる。第１の部品及びエロージョン防止部品はベベル角を含む。

本開示の別の例示的な実施形態によれば、タービンブレードが提供される。タービンブレードは、前縁を有する翼形部と、接合材料を用いて翼形部の前縁に接合されるエロージョンシールドとを含む。翼形部及びエロージョンシールドは、レーザクラッディングプロセスによる接合材料により形成される１以上の接合層によって接合される。

本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。

蒸気タービンの１つの実施形態の部分斜視図。 本開示の図１の蒸気タービンの翼形部の１つの実施形態の部分断面図。 第１の部品及び第２の部品５を接合する装置の斜視図。 図２の翼形部上の２つのエロージョン防止部品の構成の詳細概略図。 本開示の翼形部の前縁を形成する方法のフローチャート。

可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。

従来技術の欠点を生じない発電システム用における２以上の部品を接合する方法、ベース部品のエロージョンを防ぐ方法、及び耐エロージョン性タービンブレードが提供される。

本開示の１つの実施形態の１つの利点は、最終段バケット（ＬＳＢ）上の水滴に対する保護を強化する肉厚の局所的エロージョンシールドを含む。本開示の１つの実施形態の別の利点は、ベース部品金属の表面破断が少なく、エロージョンシールド金属の表面破断が少ないエロージョンシールドを提供する方法を含む。本開示の１つの実施形態の別の利点は、本方法が２つの異なる材料、すなわち、ベース部品金属とエロージョンシールド金属をクラッディング及び接合するためのカスタマイズされた合金溶射を可能にすることである。本開示の１つの実施形態のさらに別の利点は、本方法が、２つの異なる金属のより強固で低応力の接合を可能にすることである。本開示の１つの実施形態のさらに別の利点は、本接合方法が、エロージョンシールドを施すためにシムを有する電子ビーム（ＥＢ）／ＴＩＧ溶接で複数のクラッディングパスを用いるよりも、ベース部品にエロージョンシールドを施すコスト効果のあるプロセスを提供することである。本開示の１つの実施形態のさらに別の利点は、シムを有する従来の電子ビーム（ＥＢ）／ＴＩＧ溶接を用いるよりもエロージョンシールドを施すサイクル時間が短縮されることである。本開示の１つの実施形態の別の利点は、本方法が、ベース金属部品及びエロージョンシールド部品の接合表面にわたって炭化物の拡散を阻止することである。

本開示の方法を用いて構成される部品は、本接合方法がベース金属部品と取り付けられた部品の接合表面にわたって炭化物の拡散を阻止するので、構造的一体性が向上する。本開示の１つの実施形態が図２に示されているが、本開示は、図示の構造に限定されるものではない。

発電システムは、限定ではないが、ガスタービン、蒸気タービン、及び他のタービン組立体を含む。本明細書で使用される場合、タービンブレードとタービンバケットは同義的に使用される。

図１は、前縁１８を有する複数の翼形部１２を含む蒸気タービンバケット１０の１つの実施形態を示す。図２に示すように、各翼形部１２は、該各翼形部１２の前方端部１６にて前方面１４を含む。前縁１８は、開示の接合方法を用いて前方面１４に形成され、エロージョンシールド５４を前方面１４に結合する。図５に示すように、２以上の部品４０、５０を接合する方法は、レーザクラッディング装置３０を準備するステップと、第１の部品４０及び第２の部品５０を整列するステップと、第１の部品４０及び第２の部品５０を接合するステップとを含む。図２〜４に示すように、第１の部品４０は、第２の部品５０の第２の接合表面５２に隣接する第１の接合表面４２を含む。接合ステップは、レーザクラッディング装置３０（図３を参照）により接合平面３４に沿って第１及び第２の部品４０、５０の第１の接合表面４２及び第２の接合表面５２を接合するステップを含む。レーザクラッディング装置３０からの接合材料３２は、第１の接合表面４２と第２の接合表面５２との間に１以上の接合層３６提供する（図３を参照）。

図３に示すように、レーザクラッディング装置３０は、レーザビーム６４と、粉末材料６０を堆積して１以上の接合層３６を形成するためのノズル６２とを含む。好適なレーザクラッディング装置３０の１つの実施例は、限定ではないが、ＣＯ₂レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＬＥＤレーザ、ダイオードレーザ、又は固体レーザを含む。レーザは、１００ワットから数キロワットの出力でパルス又は連続モードで動作する。レーザクラッディング装置３０は、限定ではないが、アルゴン及び窒素などのシールドガスを用いて動作する。図２に戻ると、タービンブレード翼形部は、第１の部品４０を含む。一般に、第１の部品４０は、例えば、限定ではないが、鋼鉄、ステンレス鋼、析出硬化鋼鉄、これらの合金、及びこれらの組み合わせなど、好適な公知のタービンブレード又はバケット材料を含む材料から構成される。第１の部品４０の材料の好適な実施例は、限定ではないが、ペンシルベニア州レディング所在のＣａｒｐｅｎｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＧＴＤ４５０又はＣｕｓｔｏｍ４５０（頭力商標）が挙げられる。第１の部品４０は、第１の接合表面４２を含む。第１の接合表面４２は、翼形部１２の前方面１４に機械加工又は形成される。第１の接合表面は、接合平面３４（図４を参照）に対して約０度〜約４５度、又は約５度〜約４０度、或いは１０度〜３５度のベベル角８２を含む。

図２に示すように、第２の部品５０は、単体構造の予形成エロージョンシールド５４である。代替の実施形態において、第２の部品５０は、形作られていないエロージョンシールドであり、接合後に所望の幾何形状にさらに機械加工する必要がある。エロージョン防止部品５４は、例えば、翼形部１２の前縁１８などの部品の所望寸法に予形成される。予形成された第２の部品５０は、コバルト、クロム、タングステン、炭素、ニッケル、鉄、ケイ素、モリブデン、マンガン、これらの合金及びこれらの組み合わせを含む、耐エロージョン材料から構成される。第２の部品５０の材料の好適な実施例は、限定ではないが、インディアナ州Ｇｏｓｈｅｎ所在のＤｅｌｏｒｏ Ｓｔｅｌｌｉｔｅ Ｇｒｏｕｐから入手可能なＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）６及び６ＢのようなＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）材料などのコバルト−クロムベース合金を含む。

第２の接合表面は、接合平面３４（図４を参照）に対して約０度〜約−４５度、又は約−５度〜約−４０度、或いは−１０度〜−３５度のベベル角８８を含む。理論には制約されないが、ベベル角８２及び８８は、下にある第１の部品４０から第２の部品５０への炭素の移動を阻止しながら、機能的接合表面を可能にする。

レーザクラッディング装置３０を用いた中間層７０の施工の斜視図である図３に示すように、第１の部品４０の第１の表面４２は、第２の部品５０の第２の表面５２に隣接して整列される。１つの実施形態において、レーザクラッディングの前に第１の部品４０及び第２の部品５０を所定位置に一時的に保持するために、仮付溶接９０を用いる。代替の実施形態において、第１の部品４０及び第２の部品５０を所定位置に保持するために、固定具を用いる。固定具の実施例は、レーザクラッディングの前に第１の部品４０及び第２の部品５０を所定位置に整列させるクランプ及び他の保持手段の使用を含む。

図３及び４に示すように、第１の部品４０の第１の表面４２及び第２の部品５０の第２の表面５２は、レーザクラッディングにより長さ８６に沿った左右溶接方向６８で接合平面３４に沿って接合される。接合材料３２は、１以上の接合層３６を含み、第１の表面４２及び第２の表面５２を取り付けるのに必要なあらゆる数の接合層３６を含むことができる。１つの実施形態において、接合材料３２は、第１の部品４０と第２の部品５０の中間の材料特性を有する材料である。接合材料３２は、ニッケル、クロム、鉄、ケイ素、モリブデン、ニオブ、コバルト、マンガン、銅、アルミニウム、チタン、これらの合金及びこれらの組み合わせを含む材料から選択される。接合材料３２の好適な実施例は、例えば、ウェストバージニア州Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ所在のＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６００及び６２５を含むＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）材料などのオーステナイトニッケル−クロムベース超合金、及び、例えば、インディアナ州Ｇｏｓｈｅｎ所在のＤｅｌｏｒｏ Ｓｔｅｌｌｉｔｅ Ｇｒｏｕｐから入手可能なＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）６及び６ＢのようなＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）材料などのコバルト−クロムベース合金を含む。

図４に示すように、１つの実施形態において、任意選択の中間層７０が、レーザクラッディングにより接合される前に第１及び第２の部品４０、５０の第１の表面４２及び第２の表面５２に施工される。代替の実施形態において、中間層７０は、第１の表面４２又は第２の表面５２の一方にのみ施工される。さらに別の実施形態において、レーザクラッディングにより第１の部品４０及び第２の部品５０を接合する前に第１の表面４２又は第２の表面５２に施工される。中間層７０は、ニッケル、クロム、鉄、ケイ素、モリブデン、ニオブ、コバルト、マンガン、銅、アルミニウム、チタン、これらの合金及びこれらの組み合わせを含む材料から選択される。中間層７０の好適な実施例は、例えば、ウェストバージニア州Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ所在のＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６００及び６２５を含むＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）材料などのオーステナイトニッケル−クロムベース超合金を含む。１つの実施形態において、中間層７０は、約０ミリメートル〜約２ミリメートル、又は約０．３ミリメートル〜約１．５ミリメートル、或いは約０．４ミリメートル〜約１．０ミリメートルの厚みに施工される。理論には制約されないが、中間層７０は保護層として機能し、下にある第１の部品４０から第２の部品５０への炭素の移動を阻止する。

図３に示すように、第１の部品４０の第１の表面４２を第２の部品５０の第２の表面５２と接合するレーザクラッディングは、仮付溶接９０又は接合平面３４に沿った第１の部品４０と第２の部品５０との間の中央最近接点から、溶接方向６８に沿った部品の末端長さ８６まで進む。加えて、レーザクラッディング装置３０は、当初は粉体６０である接合材料３２を堆積させ、レーザビーム６４により溶融して第１の表面４２と第２の表面５２との間に１以上の接合層３６を形成する。このプロセスは、隣接する側部上で繰り返される。

エロージョン環境で使用されるベース部品１２のエロージョンを防ぐ方法５００が、図５に示される。本方法５００は、エロージョン防止部品５４を準備するステップ（ステップ５０２）を含む。エロージョン防止部品５４は、単一仕上げ構造から構成され、一般的には、ＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）６などの材料から構成される。次に、エロージョン防止部品５４を接合平面３４（図３を参照）に沿ってベース部品１２又は翼形部と整列させる（ステップ５０４）。任意選択的に、エロージョン防止部品５４及びベース部品１２は、クランプ（図３を参照）など、一時的仮付け又はスポット溶接９０或いは他の固定手段を用いて、一時的に接合又は固定される（ステップ７０６）。任意選択的に、ベース部品１２又はエロージョン防止部品５４の接合表面４２及び／又は５２の一方又は両方に中間層７０（図４を参照）を施工する（ステップ５０８）。次いで、エロージョン防止部品５４及びベース部品１２を、レーザクラッディング（図３）などの高密度エネルギー放射を溶接方向６８で用いて接合する（ステップ５１０）。ステップ５１０は、高密度エネルギー放射又はレーザビーム６４によって励起された接合材料３２を含み、該接合材料３２がエロージョン防止部品５４をベース部品１２に融合させる。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含する。

１０ タービン
１２ 翼形部
１４ 前方面
１６ 前方端部
１８ 前縁
３０ レーザクラッディング装置
３２ 接合材料
３４ 接合平面
３６ 接合層（接合材料）
４０ 第１の部品
４２ 第１の接合表面
５０ 第２の部品（エロージョン）
５２ 第２の接合表面
５４ エロージョンシールド（エロージョン防止部品）
６０ 粉体材料
６２ ノズル
６４ レーザビーム
６８ 溶接方向
７０ 中間層（耐炭素性を付加するためレーザクラッディングの前）、（中間にあり、炭素の移動を助け、遷移層及び保護層として機能する）
８２ 第１の接合表面のベベル角
８４ 第２の接合表面のベベル角
８６ 長さ
９０ 仮付溶接
５００ 方法
５０２ エロージョン防止部品を準備する
５０４ 接合平面に沿ってベース部品とエロージョン防止部品を整列させる
５０６ エロージョン防止部品をベース部品に一時的に固定する
５０８ 保護層を施工する
５１０ 高密度エネルギー放射及び接合材料を用いてエロージョン防止部品をベース部品に接合する

Claims (13)

1. ２以上の部品を接合する方法（５００）であって、
   レーザクラッディング装置（３０）を準備するステップ（５０２）と、
   第１の接合表面（４２）を有する第１の部品（４０）を第２の部品（５０）の第２の接合表面（５２）に隣接して整列させるステップ（５０４）と、
   前記第１及び第２の部品（４０、５０）の第１の接合表面（４２）及び第２の接合表面（５２）をレーザクラッディングによって接合平面（３４）に沿って接合するステップ（５１０）と
   を含み、前記レーザクラッディング装置（３０）からの接合材料（３２）が、前記第１の接合表面（４２）と前記第２の接合表面（５２）との間に１以上の接合層（３６）を提供し、前記第１及び第２の接合表面（４２、５２）がベベル角（８２、８４）を含む、方法。
2. 前記接合ステップの前に前記第１の部品（４０）を前記第２の部品（５０）に仮付溶接（９０）又は固定するステップをさらに含む、請求項１記載の方法（５００）。
3. 前記第１の接合表面（４２）のベベル角（８２）が、前記接合平面（３４）に対して約０度から約４５度である、請求項１記載の方法（５００）。
4. 前記第２の接合表面（５２）のベベル角（８４）が、前記接合平面（３４）に対して約０度から約−４５度である、請求項１記載の方法（５００）。
5. 前記第２の部品（５０）がエロージョンシールド（５４）である、請求項１記載の方法（５００）。
6. 前記第１の部品（４０）が、前記接合ステップ（５１０）の前に１以上の中間層（７０）でクラッディングされる、請求項１記載の方法（５００）。
7. 前記第２の部品（５０）が、前記接合ステップ（５１０）の前に１以上の中間層（７０）でクラッディングされる、請求項１記載の方法（５００）。
8. 前記接合材料（３２）が、前記第１の部品（４０）と前記第２の部品（５０）との間の機械的特性を有する材料から選択される、請求項１記載の方法（５００）。
9. 部品（４０）に耐エロージョン性を提供する方法（５００）であって、
   第１の部品（４０）と、単体構造体を含むエロージョン防止部品（５４）とを準備するステップ（５０２）と、
   接合平面（３４）に沿って前記第１の部品（４０）を前記エロージョン防止部品（５４）と整列させるステップ（５０４）と、
   高密度エネルギー放射を用いて前記第１の部品（４０）を前記エロージョン防止部品（５４）と接合するステップ（５１０）と
   を含み、前記接合ステップ（５１０）が、前記高密度エネルギー放射によって励起される接合材料（３２）を含み、前記接合材料（３２）が前記エロージョン防止部品（５４）を前記第１の部品（４０）に融合させ、前記第１の部品（４０）及び前記エロージョン防止部品（５４）がベベル角（８２、８４）を含む、方法（５００）。
10. 前記接合材料（３２）が、前記第１の部品（４０）と前記エロージョン防止部品（５４）との間の特性を有する材料から選択される、請求項９記載の方法（５００）。
11. タービンブレード（１０）であって、
    前縁（１８）を有する翼形部（１２）と、
    接合材料（３２）により前記翼形部（１２）の前縁（１８）に接合されるエロージョンシールド（５４）と
    を備え、前記翼形部（１２）及び前記エロージョンシールド（５４）が、レーザクラッディングプロセスによる前記接合材料（３２）により形成される１以上の接合層（３６）によって接合され、第１及び第２の接合表面（４２、５２）がベベル角（８２、８４）を含む、タービンブレード（１０）。
12. 前記エロージョンシールド（５４）が、コバルト、クロム、タングステン、炭素、ニッケル、鉄、ケイ素、モリブデン、マンガン、これらの合金及びこれらの組み合わせから選択される、請求項１１記載のタービンブレード（１０）。
13. 前記接合材料（３２）が、前記翼形部（１２）と前記エロージョンシールド（５４）との間の特性を有する材料から選択される、請求項１１記載のタービンブレード（１０）。