JP2014211158A

JP2014211158A - 補修プロセス及び補修された部品

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Publication number: JP2014211158A
Application number: JP2014078291A
Authority: JP
Inventors: ハーバート・チッドセイ・ロバーツ; Chidsay Roberts Hervert; スタンリー・エフ・シンプソン; Stanley F Simpson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2014-11-13
Also published as: US9895716B2; CN104110276A; US20140315029A1; EP2792472A1; EP2792472B1; CN104110276B

Abstract

【課題】マトリックス複合材部品補修プロセスを提供する。【解決手段】マトリックス複合材補修プロセスは、補修材１２０をマトリックス複合材部品１００に塗布するステップと、外部固定機構１２１を用いて補修材をマトリックス複合材部品に固定するステップと、外部固定機構による固定中に補修材を硬化させて補修材をマトリックス複合材部品に結合するステップとを含む。マトリックス複合材部品は、セラミックマトリックス複合材、ポリマーマトリックス複合材、及び金属マトリックス複合材からなる群から選択される。別の実施形態では、補修プロセスは、部分的に硬化した補修材をマトリックス複合材部品に塗布するステップと、硬化期間を通して補修材を固定する外部固定機構によって、補修材を硬化させて補修材をマトリックス複合材部品に結合するステップとを含む。別の実施形態では、外部固定機構は補修プロセス中に破壊又は分解される。【選択図】図１

Description

本発明は、補修プロセス及び補修された部品に関する。より詳細には、本発明は、マトリックス複合材補修プロセス及び補修されたマトリックス複合材部品に関する。

ガスタービンは、効率を高めるために、高い温度や圧力などの厳しい条件に絶えずさらされている。高い温度や圧力はガスタービン部品に、クリープ損傷、クリープ疲労及びクリープ亀裂等の悪影響を及ぼすことがある。この損傷には部品の補修又は交換が必要になり、そのいずれも費用と時間がかかる。

部品の補修及び交換は、著しい動作遅延、作業時間の損失、及び全体作業効率の低下を招くことが多い。タービン翼等の部品が損傷した場合、タービンを停止することになり、翼が補修のために取り外される。損傷した翼を取り外して補修された翼を設置し直すのに時間を要するだけでなく、タービン全体が補修の間は運転不可能になることがある。

１つの補修方法としては、損傷した部品を取り外し、損傷部位を局部融合させ、熱処理に基づいた補修プロセスを受ける方法がある。これは時間がかかり、著しい生産性の損失をもたらす。熱処理をせずタービンを使用可能状態に戻す試みとしては、損傷した部品を取り外し、損傷部位を切り取り、露出領域がある部品を装置に戻す試みがある。露出領域がある部品を有する装置は、能力が低下して動作する。

米国特許第８，０２５，４９９号明細書

上記の欠点に悩まされない補修プロセスが当該技術において望ましいであろう。

一例示的実施形態において、補修プロセスは、補修材をマトリックス複合材部品に塗布するステップと、外部固定機構を用いて補修材をマトリックス複合材部品に固定するステップと、外部固定機構による固定中に補修材を硬化させて補修材をマトリックス複合材部品に結合するステップとを含む。マトリックス複合材部品は、セラミックマトリックス複合材、ポリマーマトリックス複合材、及び金属マトリックス複合材からなる群から選択される。

別の例示的実施形態において、補修プロセスは、部分的に硬化した補修材をマトリックス複合材部品に塗布するステップと、硬化期間を通して補修材を固定する外部固定機構を用いて補修材をマトリックス複合材部品に固定するステップと、補修材を硬化させて補修材をマトリックス複合材部品に結合するステップとを含む。マトリックス複合材部品は、セラミックマトリックス複合材、ポリマーマトリックス複合材、及び金属マトリックス複合材からなる群から選択される。

別の例示的実施形態において、補修プロセスは、未硬化の補修材をマトリックス複合材部品に塗布するステップと、外部固定機構を用いて補修材をマトリックス複合材部品に一時的に固定するステップと、外部固定機構を破壊又は分解するステップとを含む。マトリックス複合材部品は、セラミックマトリックス複合材、ポリマーマトリックス複合材、及び金属マトリックス複合材からなる群から選択される。

本発明のその他の特徴及び利点は、例として本発明の原理を示す添付図面と共に、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の一実施形態による補修プロセスを示す。図１の補修プロセスに対応した断面図を示す。本発明の一実施形態による補修プロセスの断面図を示す。本発明の一実施形態による補修プロセスを示す。図４の補修プロセスに対応した断面図を示す。本発明に係る補修プロセスの一実施形態を実行することが可能な硬化システムの側面図である。

可能な限り、同一の部品を示すために、図面を通して同一の参照番号が用いられる。

マトリックス複合材部品の例示的な補修プロセスが提供される。本発明の実施形態は、本明細書において開示した１つ以上の特徴を利用しないプロセスと比較して、補修時間の短縮、補修費の削減、装置ダウンタイムの削減、部品損傷後の装置容量の増大、補修効率の向上、又はそれらの組み合わせが可能である。

マトリックス複合材は、これらに限定されないが、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）、ポリマーマトリックス複合材（ＰＭＣ）、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される。図１及び図２を参照すると、一実施形態では、マトリックス複合材部品１００、例えばタービン翼（又はバケット）１０８は、図２のステップＡに断面で示されているように、損傷していない。図２及び図３において、ステップＡは図１をＡ−Ａ方向から示し、ステップＢは図１をＢ−Ｂ方向から示し、ステップＣは図１をＣ−Ｃ方向から示し、ステップＤは図１をＤ−Ｄ方向から示す。その他の実施形態では、マトリックス複合材部品１００は、薄板、ノズル、燃焼器ライナ、羽根、シュラウド、流路フレーム、フラップ、シール、ターボ機械部品、又はそれらの組み合わせであるか、或いはそれらを含む。損傷していないタービン翼１０８は、連続的で全く無傷のコーティング層２１２を有する。コーティング層２１２は、これらに限定されないが、遮熱コーティング、耐環境コーティング（ＥＢＣ）、マトリックス複合材料、炭化ケイ素、又はそれらの組み合わせを含む。タービン翼１０８の本体部分２１３は、マトリックス複合材料を含むか、又はそれによって規定される。本体部分２１３は、１つ又は複数の層によって本体エッジ２１４において被覆又は規定される。本体エッジ２１４からの最外層が外面１０６を形成する。

一実施形態では、マトリックス複合材部品１００は、例えば、使用中の摩損、異物接触、外面接触、経年劣化、製造加工、又はそれらの組み合わせによって損傷している（ステップ１０１）。マトリックス複合材部品１００の損傷部分１１２は、図２のステップＢに示されているように、マトリックス複合材部品１００の外面１０６上で見ることができる。一実施形態では、損傷部分１１２は、コーティング層２１２を通じて部分的に本体部分２１３に及んでいる。

マトリックス複合材部品１００が損傷した後（ステップ１０１）、損傷部分１１２には補修材１２０が充填される（ステップ１０２）。適切な補修材としては、これらに限定されないが、熱膨張係数が適合したＥＢＣ、ＣＭＣ、ＰＭＣ、及びＭＭＣ材料、又はそれらの組み合わせが挙げられる。補修材１２０は、未硬化状態、部分硬化状態、硬化状態、又はそれらの組み合わせで塗布される。補修材１２０は、媒体搬送装置、シリンジ、スプレー、又はそれらの組み合わせを用いてマトリックス複合材部品１００に塗布される。一実施形態では、補修材１２０は、マトリックス複合材部品１００の外面１０６から突出している。

外部固定機構１２１は、補修材１２０上に適用される（ステップ１０３）。一実施形態では、外部固定機構１２１は、熱及び／又はその他の放射線源に対して透過性があり、補修材１２０に対して不透過性又は実質的に不透過性であり、補修材１２０を損傷部分１１２内に保持する。適切な外部固定機構１２１としては、これらに限定されないが、シリコン、エポキシ、ポリマー、有機結合パッチ、及びそれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態において、外部固定機構１２１は、補修材１２０を覆い、マトリックス複合材部品１００に一時的又は永久的に付着する。ここで使用しているように、「一時的」という用語は所定の期間を指す。例えば、一実施形態では、外部固定機構１２１は、操作によって破壊又は分解されるか、或いは除去されるまでマトリックス複合材部品１００に付着する。一実施形態では、外部固定機構１２１が決して破壊又は除去されない場合、外部固定機構１２１は、マトリックス複合材部品１００の運転寿命を通じてマトリックス複合材部品１００に付着する。

一実施形態では、外部固定機構１２１は、マトリックス複合材部品１００に接着結合し、補修材１２０をマトリックス複合材部品１００に固定する。外部固定機構１２１は、マトリックス複合材部品１００又は補修材１２０の一部ではない。別の実施形態では、外部固定機構１２１は、マトリックス複合材部品１００の回転に対して耐性を有する。例えば、一実施形態では、マトリックス複合材部品１００はタービン翼１０８であり、ガスタービンがタービン翼１０８を回転させるにつれて、外部固定機構１２１が付着する。

図２のステップＣに示す補修材１２０及び外部固定機構１２１を含むマトリックス複合材部品１００が加熱される（ステップ１０４）。一実施形態では、熱が外部固定機構１２１を破壊し、且つ／又は補修材１２０を損傷部分１１２に硬化させる。一実施形態では、補修材１２０は、紫外線（ＵＶ）放射又は電子ビーム（ＥＢ）放射によって硬化される。一実施形態では、熱はガスタービンの運転によって生じる。一実施形態では、外部固定機構１２１の破壊によって、外面１０６から突出した補修材１２０の硬化突出部１２２が露出される。補修材１２０の硬化突出部１２２が機械加工されて（ステップ１０５）、図２のステップＤに示されているように、補修材１２０と外面１０６の間に平坦面１１３を形成する。

一実施形態では、図３のステップＡに示されているように、マトリックス複合材部品１００は損傷していない。損傷部分１１２は、図３のステップＢに示されているように、本体部分２１３及びコーティング層２１２中に広がっている。損傷部分１１２には補修材１２０が充填され（ステップ１０２）、この補修材が第１側部３３１と、例えば第１側部３３１に対向する第２側部３３２において外面１０６から突出する。外部固定機構１２１は、第１側部３３１及び第２側部３３２において補修材１２０上に適用され（ステップ１０３）、図３のステップＣに示されているように、タービン翼１０８の外面１０６に付着する。タービン翼１０８は加熱され（ステップ１０４）、一実施形態では、熱が第１側部３３１及び第２側部３３２において外部固定機構１２１を破壊又は分解すると同時に、補修材１２０をタービン翼１０８に硬化させる。更なる実施形態では、図３のステップＤに示されているように、第１側部３３１及び第２側部３３２が機械加工されて（ステップ１０５）、補修材１２０と外面１０６の間に平坦面１１３を形成する。

図４及び５を参照すると、一実施形態では、複数の損傷部分１１２がマトリックス複合材部品１００の本体部分２１３に形成される（ステップ１０１）。例えば、一実施形態では、損傷部分１１２は、図５のステップＢに示されているように、完全貫通孔４０１と、部分貫通孔４０２である。図５において、ステップＡは図４をＡ−Ａ方向から示し、ステップＢは図４をＢ−Ｂ方向から示し、ステップＣは図４をＣ−Ｃ方向から示し、ステップＤは図４をＤ−Ｄ方向から示す。損傷部分１１２としては、これらに限定されないが、完全貫通孔４０１、部分貫通孔４０２、ピット損傷６０１（図６参照）、完全貫通亀裂、部分貫通亀裂、破裂部分、又はそれらの組み合わせが挙げられる。損傷部分１１２には、補修材１２０が充填される（ステップ１０２）。補修材１２０は、図５のステップＣに示されているように、タービン翼１０８等のマトリックス複合材部品１００の外面１０６に付着した外部固定機構１２１によって覆われる（ステップ１０３）。

一実施形態では、第１領域はマトリックス複合材部品１００の未補修材に対応し、第２領域は補修材１２０に対応する。マトリックス複合材部品１００の未補修材は第１微細構造を有し、補修材１２０は第２微細構造を有する。補修材１２０の第２微細構造は、マトリックス複合材部品１００の未補修材の第１微細構造と異なっている。一実施形態では、第２微細構造は、適合するマトリックス複合材部品１００の平坦面１１３上の第１微細構造に対して変色しているように見える。例えば、ＥＢＣ、ＴＢＣ、又はそれらの組み合わせだがこれに限らないコーティングを再塗付することによって、外面１０６を単一の媒体として規定する。マトリックス複合材部品１００上に再塗付したコーティングは、損傷していないように見える。

図６を参照すると、一実施形態では、マトリックス複合材部品１００は外面１０６上にピット損傷６０１がある。ピット損傷６０１には、補修材１２０が充填される。一実施形態では、結合材が補修材１２０と混合される。一実施形態では、結合材が補修材１２０上に塗布される。一実施形態では、外部固定機構１２１の高速硬化が触媒６０４を利用して達成される。触媒６０４は、例えば、ＵＶ放射、ＥＢ放射、高周波（ＲＦ）、Ｘ線、又はそれらの組み合わせだがこれに限らない、任意の適切な結合剤活性化アイテムである。

一実施形態では、触媒６０４を外部固定機構１２１に送給すると共に、マトリックス複合材部品１００をガスタービン等のシステムに固定されたままにするために、柔軟な作業工具６０５が提供される。一実施形態では、外部固定機構１２１は、補修材１２０上で急速に硬化される。硬化した外部固定機構１２１は、硬化していない外部固定機構１２１よりもより堅固な保持部分を形成する。

本発明は、好適な実施形態に関して説明されたが、当業者には、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、そして、本発明の構成要素に対して同等物の置き換えが可能であることが理解されるであろう。更に、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に照らして、多くの修正を行うことが可能である。従って、本発明は、本発明を実施するにあたって想定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ず、本発明には、特許請求の範囲の技術的範囲内にある全ての実施形態が含まれることが意図されている。

Claims

補修材をマトリックス複合材部品に塗布するステップと、
外部固定機構を用いて前記補修材を前記マトリックス複合材部品に固定するステップと、
前記外部固定機構による固定中に前記補修材を硬化させて前記補修材を前記マトリックス複合材部品に結合するステップとを含んでおり、
前記マトリックス複合材部品は、セラミックマトリックス複合材、ポリマーマトリックス複合材、及び金属マトリックス複合材からなる群から選択される、
補修プロセス。
前記外部固定機構は前記補修材に対して不透過性である、請求項１に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構はシリコンを含む、請求項１に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構はエポキシを含む、請求項１に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構はポリマーを含む、請求項１に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構は有機結合パッチを含む、請求項１に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構は、前記マトリックス複合材部品の損傷部分の中に前記補修材を保持する、請求項１に記載の補修プロセス。
前記補修材の塗布は媒体搬送装置によるものである、請求項１に記載の補修プロセス。
前記補修材の塗布はスプレーによるものである、請求項１に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構を用いた前記補修材の固定は、接着結合の適用によるものである、請求項１に記載の補修プロセス。
前記補修材の硬化は、熱を加えることによるものである、請求項１に記載の補修プロセス。
前記補修材の硬化は、紫外線放射の適用によるものである、請求項１に記載の補修プロセス。
前記補修材の硬化は、電子ビーム放射の適用によるものである、請求項１に記載の補修プロセス。
前記マトリックス複合材部品は回転部品である、請求項１に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構は回転に対して耐性を有する、請求項１４に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構は取り外し可能である、請求項１に記載の補修プロセス。
前記外部固定機構は、前記硬化プロセス中に破壊又は分解される、請求項１に記載の補修プロセス。
請求項１に記載の補修プロセスから形成される補修された製品。
部分的に硬化した補修材をマトリックス複合材部品に塗布するステップと、
硬化期間を通して前記補修材を固定する外部固定機構を用いて前記補修材を前記マトリックス複合材部品に固定するステップと、
前記補修材を硬化させて前記補修材を前記マトリックス複合材部品に結合するステップとを含んでおり、
前記マトリックス複合材部品は、セラミックマトリックス複合材、ポリマーマトリックス複合材、及び金属マトリックス複合材からなる群から選択される、
補修プロセス。
未硬化の補修材をマトリックス複合材部品に塗布するステップと、
外部固定機構を用いて前記補修材を前記マトリックス複合材部品に一時的に固定するステップと、
前記外部固定機構を破壊又は分解するステップとを含んでおり、
前記マトリックス複合材部品は、セラミックマトリックス複合材、ポリマーマトリックス複合材、及び金属マトリックス複合材からなる群から選択される、
補修プロセス。