JP2013510000A - 方向性凝固された材料の単結晶溶接 - Google Patents

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Abstract

本発明は、レーザー溶接、供給、レーザー出力、ビーム直径、および粉末質量流量についてのプロセスパラメーターの、的を絞った選択であって、レーザー応用溶接中の単結晶成長の実質的な決め手となる温度勾配を、意図的に設定することができる選択に関する。

Description

本発明は、方向性凝固された金属材料を溶接するための方法に関する。
γ’で強化されたＳＸ（単結晶）ニッケル基超合金は、重なった溶接トラックにおいて、同じ種類の溶加材を用いて、従来の溶接方法、または高エネルギー方法（レーザー、電子ビーム）によって、１つまたは複数の層に肉盛溶接することができない。問題は、個々の溶接トラックの場合、ミスオリエンテーション（misorientation）を有する微細構造が既に、表面に近い境界領域で形成されていることである。後に続く重なったトラックについて、これは、この領域の凝固先端に利用可能なＳＸ核がなく、ミスオリエンテーションを有する領域（ＳＸ微細構造のない）が、重なった領域においてさらに広がることを意味する。この領域において、亀裂が形成される。
γ’で強化されたＳＸニッケル基超合金について、これまで使用されている溶接方法は、同一のＳＸ微細構造を有する１つまたは複数の層に重ねることでは、溶接金属を均一に肉盛りすることができない。ＳＸ基材上の単一のトラックの場合、局所的な凝固の条件は、位置に応じて、デンドライトの成長が、一次ルート（primary root）または二次アームから開始されて進むように変化する。この場合、デンドライトの様々な可能な成長方向のうち、支配的な方向は、最も有利な成長条件を有する方向、すなわち、温度勾配に対して、最小傾斜角を有する方向である。γ’で強化されたＳＸニッケル基超合金の粉末肉盛溶接の間の、ＳＸ微細構造におけるミスオリエンテーション形成の原因は、まだ完全には明らかになっていない。デンドライトが様々な成長方向から互いに出会うと、二次アームが切断され、ミスオリエンテーションをもつ微細構造の形成の核として働く可能性があるのではないかと疑われている。加えて、溶融物中に完全に溶融していない粉末粒子も、表面に近い境界領域における、ミスオリエンテーションをもつ微細構造の形成の核として働く可能性がある。したがって、この問題を解決するために、デンドライトのただ１つの成長方向に有利である成長条件を実現することを含む手法が、γ’で強化されたＳＸニッケル基超合金の粉末肉盛溶接のために提案される。加えて、この手法は、粉末粒子が溶融物中に完全に溶融することも確実にする。
欧州特許出願公開１２０４７７６Ｂ１号明細書 欧州特許出願公開１３０６４５４Ａ１号明細書 欧州特許出願公開１３１９７２９Ａ１号明細書 国際公開第９９／６７４３５号パンフレット 国際公開第００／４４９４９号パンフレット 欧州特許出願公開０４８６４８９Ｂ１号明細書 欧州特許出願公開０７８６０１７Ｂ１号明細書 欧州特許出願公開０４１２３９７Ｂ１号明細書 米国特許第６，０２４，７９２号明細書 欧州特許出願公開０８９２０９０Ａ１号明細書
したがって、上で述べた問題を解決することが、本発明の一目的である。
この目的は、請求項１で請求した通りの方法によって達成される。
表面に近い単一トラックの境界領域における、非単結晶微細構造の形成に関する、この技術的問題を解決するために、レーザー放射を用いて肉盛溶接する手法を提案する。この手法では、こうした問題は生じないか、または生じても、１つまたは複数の層の重なりが、室温で亀裂を形成することなく可能になる程度に僅かである。
従属クレームは、さらなる利点を得るために、所望により互いに組み合わせることができる、さらなる有利な方策を挙げる。
該方法の概略的経過を示す図である。 超合金の一覧を示す図である。 タービンのブレードまたはベーンを示す図である。 ガスタービンを示す図である。
説明および図面は、単に、本発明の例示的実施形態を表すに過ぎない。
図１は、装置１を用いた、該方法の経過を概略的に示す。
修理しようとする構成要素１２０、１３０は、超合金、特に、図４に示す通りのニッケル基超合金でできている基材４を有する。
非常に特定すれば、基材４は、ニッケル基超合金からなる。
基材４は、肉盛溶接により、新規材料７（特に粉末を用いた）を、基材４の表面５に適用することによって修理される。
これは、材料７と、少なくともその供給材料７、および好ましくは基材４の一部も溶融する溶接ビーム、好ましくは、レーザーのレーザービーム１０とを供給することによってもたらされる。
ここで使用するものは、粉末でできていることが好ましい。粉末粒子７の直径は、それらが、レーザービームによって、完全に溶融でき、また、粒子７が十分に高温になるくらい小さいことが好ましい。
この点において、溶融領域１６、および隣接している凝固先端１９、およびその上流の既に再凝固した領域１３は、溶接の間、基材４上に存在する。
本発明の装置は、粉末供給ユニットおよび移動システム（図示せず）と共に、レーザー（図示せず）を好ましくは備え、この移動システムを用いて、基材表面５上の粉末７のために、レーザービーム相互作用域、および衝突領域を移動させることができる。この場合、構成要素（基材４）が、予熱されることもなく、熱処理によって過時効されることもないことがより好ましい。
再構築しようとする、基材４上のその領域に、好ましくは、数層の肉盛溶接を施す。
層は、好ましくは、一方向または二方向に蛇行するように適用し、二方向の場合、層間の接合エラーを回避するために、層から層への蛇行移動の走査ベクトルを、各場合において、好ましくは９０°回転させる。
基材４中のデンドライト３１、および適用された領域１３中のデンドライト３４を、図１に示す。
座標系２５もさらに示す。
基材４は、走査速度ＶＶで、ｘ方向２２に相対的に移動する。
ｚ温度勾配２８（次式）は、凝固先端１９上に存在する。
Figure 2013510000
該溶接方法は、基材４中のデンドライト３１の方向に対して、凝固先端上の温度勾配に４５°未満である局所的な配向を起こす、供給速度ＶＶ、レーザー出力、ビーム直径、および粉末質量流量に関するプロセスパラメーターで実施される。これにより、基材４中のデンドライトの方向３２を継続させるその成長方向のみが、デンドライト３４に有利であることが確実になる。これには、凝固先端１９の境界を定める三相線の一部が、レーザービームによって完全に覆われることを確実にするビーム半径が必要となる。
基材４中のデンドライト３１のデンドライトの方向３２に対する、凝固先端１９の適切な傾斜度についての近似条件は、以下の式になる。
Figure 2013510000
 Ａ：基材の吸収度
ＩＬ：レーザー強度
ＶＶ：走査速度
λ：基材の熱伝導度
Ｔ：温度
この条件によって、材料に応じて、レーザー放射（ほぼシルクハット状）の強度、粉末噴射焦点に対するビーム半径、供給速度ＶＶ、および粉末質量流量に関する、プロセスウィンドウが生じる。
レーザー放射を用いた溶融物の完全な覆いは、同軸法の場合、溶融物との接触時に、粉末粒子とレーザー放射との間のより長い時間の相互作用、および結果的により高い粒子温度を確実とする。
粒径、および所定の相互作用時間は、完全に溶融するのに十分高い温度レベルをもたらすはずである。溶融物において適切な粒子温度および滞留時間であれば、溶融物の十分に高い温度レベルは、粒子が完全に溶融する効果を与えるはずである。
上に記述したプロセスパラメーターおよび機構のおかげで、基材中にデンドライトの同一の配向を有する溶接金属における、エピタキシャル単結晶成長の必要条件が確実になる。表面に垂直な、デンドライトのただ１つの成長方向が、該溶接方法の間に促進されるので、続いて起こる、デンドライト間スペースへの溶融物の流入が、凝固中に容易になり、高温亀裂の形成が回避される。これによって、（例えば、高レベルの負荷を受ける構成要素の領域において、修理または接合することを目的とした）構造物溶接に許容される溶接の質がもたらされる。
図４は、例として、ガスタービン１００の部分的縦断面図を示す。
内部において、ガスタービン１００は、回転軸１０２の周りを回転できるように取り付けられ、タービンローターとも呼ばれる、シャフト１０１を備えたローター１０３を有する。
ローター１０３に沿って、吸入ハウジング１０４と、圧縮機１０５と、複数の同軸配置バーナー１０７を有する、例えば、トロイダル燃焼室１１０、特に環状燃焼室と、タービン１０８と、排ガスハウジング１０９とが、互いに続いている。
環状燃焼室１１０は、例えば、環状の高温ガス流路１１１と連通し、ここでは、例として、４つの連続するタービン段１１２が、タービン１０８を形成する。
各タービン段１１２は、例えば、２つのブレードリングまたはベーンリングから形成される。作動媒体１１３の流動方向で分かる通り、高温ガス流路１１１において、ガイドベーンの列１１５に、ローターブレード１２０から形成される列１２５が続く。
列１２５のローターブレード１２０は、例えば、タービンディスク１３３によって、ローター１０３に取り付けられるが、ガイドベーン１３０は、ステーター１４３の内部ハウジング１３８に固定される。
発電機（図示せず）は、ローター１０３に連結される。
ガスタービン１００が動作している間に、圧縮機１０５は、吸入ハウジング１０４を通して、空気１３５を吸い込み、それを圧縮する。圧縮機１０５のタービン側端部で供給される圧縮空気は、バーナー１０７に通され、そこで、燃料と混合される。混合物は、次いで、燃焼室１１０の中で燃焼され、作動媒体１１３が形成される。そこから、作動媒体１１３は、高温ガス流路１１１に沿って流れ、ガイドベーン１３０およびローターブレード１２０を通過する。作動媒体１１３は、ローターブレード１２０で膨張し、その勢いを伝達し、その結果、ローターブレード１２０は、ローター１０３を動かし、ローター１０３は、それに連結された発電機を動かす。
ガスタービン１００が動作している間に、高温の作動媒体１１３に暴露された構成要素は、熱的ストレスを受ける。第一のタービン段１１２のガイドベーン１３０およびローターブレード１２０は、作動媒体１１３の流動方向から分かる通り、環状燃焼室１１０に沿って並ぶ熱遮蔽要素と共に、最も高い熱的ストレスを受ける。
それらは、そこに広がった温度に耐えられるように、冷却剤によって冷却することができる。
構成要素の基材は、さらに、方向性構造を有することができる。すなわち、それらは、単結晶形であるか（ＳＸ構造）、縦方向結晶粒のみを有する（ＤＳ構造）。
例として、鉄基、ニッケル基、またはコバルト基超合金を、構成要素、特に、タービンのブレードまたはベーン１２０、１３０、および、燃焼室１１０の構成要素のための材料として使用する。
この種類の超合金は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、または特許文献５から公知である。
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、さらに、腐食に対して保護するコーティングを有することができる（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素、スカンジウム（Ｓｃ）および／または少なくとも１つの希土類元素、またはハフニウムを表す）。この種類の合金は、特許文献６、特許文献７、特許文献８、または特許文献２から公知である。
例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２からなる、すなわち、酸化イットリウム、および／または酸化カルシウム、および／または酸化マグネシウムによって不安定化、部分的安定化、または完全に安定化される遮熱コーティングが、ＭＣｒＡｌＸ上に存在することも可能である。
例えば、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティング方法によって、遮熱コーティングにおいて、柱状結晶粒が生成される。
ガイドベーン１３０は、タービン１０８の内部ハウジング１３８に面するガイドベーン基部（ここには図示せず）と、ガイドベーン基部の反対側の端にあるガイドベーン頭部とを有する。ガイドベーン頭部は、ローター１０３に面し、ステーター１４３の固定リング１４０に取り付けられる。
図３は、縦軸１２１に沿って伸びる、ターボ機械のローターブレード１２０またはガイドベーン１３０の斜視図を示す。
ターボ機械は、航空機の、もしくは発電する発電所のガスタービン、蒸気タービン、または圧縮機でもよい。
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、縦軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、隣接のブレードまたはベーンプラットフォーム４０３、主要なブレードまたはベーン部分４０６、およびブレードまたはベーン先端部４１５を有する。
ガイドベーン１３０としてのベーン１３０は、ベーン先端部４１５に、さらなるプラットフォーム（図示せず）を有することができる。
ブレードまたはベーン基部１８３は、ローターブレード１２０、１３０を、シャフトまたはディスク（図示せず）に固定するために使用され、固定領域４００に形成される。
ブレードまたはベーン基部１８３は、例えば、ハンマーの頭の形に設計される。モミの木形または鳩尾形の基部などの、他の外形が可能である。
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、主要なブレードまたはベーン部分４０６を流れ去る媒体のための、前縁４０９および後縁４１２を有する。
従来のブレードまたはベーン１２０、１３０の場合、例として、固体金属材料、特に、超合金を、ブレードまたはベーン１２０、１３０の領域４００、４０３、４０６のすべてに使用する。
この種類の超合金は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、または特許文献５から公知である。
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、この場合、方向性凝固による鋳造方法、鍛造方法、フライス加工方法、またはそれらの組み合わせによって製造することができる。
単結晶構造を有する工作物は、動作中、高い機械的、熱的、および／または化学的ストレスに暴露される機械の構成要素として使用される。この種類の単結晶工作物は、例えば、溶融物からの方向性凝固によって製造される。これは、液体の金属合金を凝固させて、単結晶構造物、すなわち単結晶工作物を形成させる、または方向性凝固する鋳造方法を含む。
この場合、デンドライト結晶は、熱流の方向に沿って配向され、柱状結晶粒構造（すなわち、工作物の全長におよび、ここでは、通例使用される言葉に従って、方向性凝固されたと呼ばれる結晶粒）、または単結晶構造を形成する、すなわち工作物全体が、１つの単結晶からなる。これらの方法においては、球状の（多結晶の）凝固への遷移を回避する必要がある。なぜなら、非方向性成長は、横方向および縦方向の粒界を必然的に形成し、それによって、方向性凝固された、または単結晶の構成要素の有利な特性が無になるからである。
本文が、一般用語で、方向性凝固された微細構造に言及する場合、これは、いかなる粒界も有しない、またはせいぜい小角粒界を有する単結晶と、縦方向に伸びる粒界を有するが、いかなる横方向の粒界も有しない柱状結晶構造との両方を意味するものとして理解されるべきである。結晶構造のこの後者の形も、方向性凝固された微細構造（方向性凝固された構造）と呼ばれる。この種類の方法は、特許文献９および特許文献１０から公知である。
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、さらに、例えば、腐食または酸化に対して、保護するコーティングを有することができる（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素、および／または少なくとも１つの希土類元素、またはハフニウム（Ｈｆ）を表す）。この種類の合金は、特許文献６、特許文献７、特許文献８、または特許文献２から公知である。
密度は、好ましくは、理論密度の９５％である。
酸化アルミニウム保護層（ＴＧＯ＝熱成長酸化層）が、ＭＣｒＡｌＸ層上に（中間層または最外層として）形成される。
層は、組成Ｃｏ−３０Ｎｉ−２８Ｃｒ−８Ａｌ−０．６Ｙ−０．７ＳｉまたはＣｏ−２８Ｎｉ−２４Ｃｒ−１０Ａｌ−０．６Ｙを好ましくは有する。これらのコバルト系保護コーティングに加えて、Ｎｉ−１０Ｃｒ−１２Ａｌ−０．６Ｙ−３Ｒｅ、またはＮｉ−１２Ｃｏ−２１Ｃｒ−１１Ａｌ−０．４Ｙ−２Ｒｅ、またはＮｉ−２５Ｃｏ−１７Ｃｒ−１０Ａｌ−０．４Ｙ−１．５Ｒｅなどの、ニッケル系保護層を使用することも好ましい。
例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２からなる、すなわち、酸化イットリウム、および／または酸化カルシウム、および／または酸化マグネシウムによって不安定化、部分的安定化、または完全に安定化される、好ましくは最外層である遮熱コーティングが、ＭＣｒＡｌＸ上に存在することも可能である。
遮熱コーティングは、ＭＣｒＡｌＸ層全体を覆う。
例えば、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティング方法によって、遮熱コーティングにおいて、柱状結晶粒が生成される。
他のコーティング方法、例えば、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳまたはＣＶＤが可能である。遮熱コーティングは、熱衝撃に対する耐性を高めるために、多孔性である、またはミクロ亀裂もしくはマクロ亀裂を有する結晶粒を含むことができる。したがって、遮熱コーティングは、好ましくは、ＭＣｒＡｌＸ層よりも多孔性である。
改修とは、保護層は、使用した後に、構成要素１２０、１３０から、（例えば、サンドブラストによって）除去しなければならない場合があることを意味する。次いで、腐食および／または酸化した層および生成物を除去する。適宜、構成要素１２０、１３０中の亀裂も直す。この後に、構成要素１２０、１３０の再コーティングが続き、その後、構成要素１２０、１３０を再使用することができる。
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、形状が中空または中実でもよい。ブレードまたはベーン１２０、１３０が冷却されるべき場合、それは、中空であり、また、フィルム冷却孔４１８（破線によって示されている）を有することもできる。
１ 構成要素
４ 基材
７ 粉末粒子
１０ 溶接レーザービーム
１３ 溶接継ぎ目
１６ 溶融物
１９ 凝固先端
３１ デンドライト

Claims (8)

  1. 特に、構成要素（１、１２０、１３０）の基材（４）を肉盛溶接するために、肉盛溶接中に溶接継ぎ目（１３）の方向性凝固をさせる方法であって、前記基材（４）は、方向性凝固されており、デンドライト（３１）を含み、前記デンドライト（３１）は、基材デンドライトの方向（３２）に伸び、該方法において、基材（４）中のデンドライト（３１）の基材デンドライトの方向（３２）に対して、凝固先端（１９）上の温度勾配（２８）に４５°未満である局所的な配向を起こすように、供給速度、レーザー出力、溶接ビーム直径、粉末噴射焦点、および／または粉末質量流量に関するプロセスパラメーターが構成されることを特徴とする方法。
  2. 粉末粒子（７）および／または前記基材（４）の材料の供給によって生じる溶融物（１６）が、前記基材（４）上およびその中に形成され、前記溶融物（１６）が、溶接ビーム（１０）、特にレーザービームによって、完全に覆われ、特に、前記溶融物（１６）が重なっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 供給される粉末粒子（７）が数層に適用されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記基材（４）が、ニッケル基超合金を含み、この超合金が、特に柱状結晶粒を含み、さらに特定すれば、単結晶微細構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 粉末粒子（７）の直径が、溶接レーザービーム（１０）の中で特に完全に溶融し、十分に高い温度を有する程に小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 溶融された粉末粒子（７）の温度が、前記粉末粒子（７）の溶融温度を２０℃超えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. レーザーが溶接に使用されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 以下の式が成立することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法：
    Figure 2013510000
     Ａ：基材の吸収度、
    ＩＬ：レーザー強度、
    ＶＶ：走査速度、
    λ：基材の熱伝導度。
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