JP2014217892A

JP2014217892A - 接合方法、接合製品並びに接合製品の製造方法

Info

Publication number: JP2014217892A
Application number: JP2014096422A
Authority: JP
Inventors: ヤン・キュイ; Yan Cui; スリカンス・チャンドルドゥ・コッティリンガム; Srikanth Chandrudu Kottilingam; デチャオ・リン; Dechao Lin; ジャン・ツェン; Jian Zheng; ジョン・アール・ウッド; R Wood John
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2014-11-20
Also published as: CN104139232A; EP2826873A1; US20140335373A1

Abstract

【課題】接合方法、接合製品、及び接合製品の製造方法を提供すること。【解決手段】接合方法は、第１の材料及び第２の材料を含む消耗電極を用意することと、通電式溶解又は再溶解によって消耗電極を溶融させる段階と、第１の材料及び第２の材料を再凝固させて、第１の材料が再凝固した第１の領域と第２の材料が再凝固した第２の領域とを有する異種インゴットを形成する段階とを含む。接合製品は、第１の領域及び第２の領域を含み、異種インゴットは、少なくとも部分的に接合製品を画成する。製造方法は、異種インゴットを用意することと、ダイ内に異種インゴットを配置することと、ダイから力を加えて異種インゴットを圧縮することによって接合製品を形成することとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、接合方法及び接合製品に関する。より詳細には、本発明は、通電式溶解又は再溶解による接合方法及び接合製品に関する。

部品の様々な部分に対して２種以上の材料に依拠するシステムは各種存在する。一般に、かかる部品は、第１の材料を第２の材料に固定することによって形成される。固定技術としては、ろう付け、はんだ付け、融接、溶接、付着、機械的固定又はこれらの組合せがある。かかる技術には様々な短所がある。かかる技術は、材料の適合性に制約があり、疲労及び／又は層間剥離を起こすおそれがある。

発電システム、エンジン、橋、建物、風車、他の大型構造物、その他２種以上の材料を含む部品を備える物体は、効率増大及び／又は新たな環境条件のための強い力にさらされている。かかる用途では、疲労耐性の増大、温度耐性（例えば温度差耐性）の増大、運転能力の増大、及びこれらの組合せが要求される。２種類の材料を有する公知の部品は、これら所望のパラメータのすべてを十分には満たしていない。

当技術分野では、上述の短所の１以上が解消された接合方法、接合製品並びに接合製品の製造方法が望まれている。

米国特許第７３８４５９６号

ある例示的な実施形態では、接合方法は、第１の材料及び第２の材料を含む消耗電極を用意する段階と、通電式溶解又は再溶解によって消耗電極を溶融させる段階と、第１の材料及び第２の材料を再凝固させて、第１の材料が再凝固した第１の領域と第２の材料が再凝固した第２の領域とを有する異種インゴットを形成する段階とを含む。

別の例示的な実施形態では、接合製品は、第１の材料が再凝固した第１の領域と、第２の材料が再凝固した第２の領域とを含む。第１の材料は、通電式溶解から第２の材料と共に異種インゴットとして再凝固され、異種インゴットは、少なくとも部分的に接合製品を画成する。

別の例示的な実施形態では、接合製品の製造方法は、異種インゴットを用意する段階とと、ダイ内に異種インゴットを配置する段階と、ダイから力を加えて異種インゴットを圧縮する段階によって接合製品を形成する段階とを含む。異種インゴットは、第１の材料が再凝固した第１の領域と第２の材料が再凝固した第２の領域とを有しており、第１の材料は、通電式溶解又は再溶解から第２の材料と共に異種インゴットとして再凝固される。

本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。

本開示の一実施形態に係る例示的な接合方法の概略図である。本開示の一実施形態に係る例示的な消耗電極の概略図である。本開示の一実施形態に係る例示的な消耗電極の斜視図である。本開示の一実施形態に係る異種インゴットから接合製品を製造する例示的な方法の概略図である。本開示の一実施形態に係る例示的な方法で製造した例示的な接合製品の斜視図である。本開示の一実施形態に係る異種インゴットから接合製品を製造する例示的な方法の概略図である。本開示の一実施形態に係る例示的な方法で製造した例示的な接合製品の斜視図である。本開示の一実施形態に係る異種インゴットから接合製品を製造する例示的な方法の概略図である。本開示の一実施形態に係る例示的な方法で製造した例示的な接合製品の斜視図である。本開示の一実施形態に係る例示的な接合製品を製造する例示的な方法の概略図である。本開示の一実施形態に係る例示的な方法で外側シュラウドとして製造した例示的な接合製品の斜視図である。本開示の一実施形態に係る例示的な方法でフランジとして製造した例示的な接合製品の斜視図である。本開示の一実施形態に係る、例示的な方法で保持リングとして製造した例示的な接合製品の斜視図である。本開示の一実施形態に係る、例示的な方法でベアリングとして製造した例示的な接合製品の斜視図である。

図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。

例示的な接合方法、接合製品、及び接合製品の製造方法を説明する。本開示の実施形態では、互いに固定された２種類の材料を含む公知の接合製品に比べて、材料の適合性の向上、疲労耐性の向上、層間剥離のリスクの低減及び／又は付着性の向上、システム（発電システム又はエンジン等）の効率の増大、温度変化及び／又は温度勾配に対する耐性の増大、稀少な合金の使用の削減又は解消に起因するコスト低減、重要でない位置に安価な合金を使用できる可能性が増大することによるコスト低減、鍛造によって所定の位置に所定の特性を付与できること、或いはこれらの組合せが達成される。

図１を参照すると、一実施形態では、接合方法１００は、消耗電極１０１を用意する段階を含む。消耗電極１０１は、第１の材料１０３と、第２の材料１０５（例えば第１の材料１０３の内部に）を含んでいる。本方法１００は、通電式溶解又は再溶解によって消耗電極１０１を溶解又は再溶解させる段階（１０２）と、第１の材料１０３及び第２の材料１０５を再凝固させて、第１の材料１０３が再凝固した第１の領域１１９及び第２の材料１０５が再凝固した第２の領域１２１を有する異種インゴット１０９を形成する段階（１０４）とを含む。

溶解又は再溶解（１０２）では、消耗電極１０１の材料に対応する液体が形成される。液体は沈降して再凝固して、異種インゴット１０９を形成する（１０４）。一実施形態では、スラグは、例えばスラグの研削によって除去される。

消耗電極１０１は、適切な材料を適切な構成に配置してなる。例えば図２を参照すると、一実施形態では、消耗電極１０１の挿入方向（概ね重力の方向に相当）を「下」として、消耗電極１０１に含まれる第１の材料１０３は、第２の材料１０５の上又は下に位置する。図３を参照すると、一実施形態では、第１の材料１０３は、第２の材料１０５の周囲に位置する（層状配置又は囲繞配置のいずれか）。第１の材料１０３は、第２の材料１０５（及び／又はその他の材料）とは、組成、密度、融点又はそれらの組合せが異なる。第１の材料１０３及び／又は第２の材料１０５に適した材料としては、限定されるものではないが、合金鋼とステンレス鋼、ステンレス鋼とニッケル基又はコバルト基合金もしくは超合金、或いは他の任意の適切な金属又は金属材料が挙げられる。

一実施形態では、図１に示すように、通電式溶解又は再溶解（１０２）は、例えば水冷機構１１１（１以上の水入口、１以上の水出口、水冷式底板又はそれらの組合せ等）で冷却された鋳型１０７内でが行われる。通電式溶解又は再溶解（１０２）は、電流、例えば交流電流又は直流電流を消耗電極１０１に印加し、消耗電極１０１を溶解又は再溶解させることを含む。好適な通電式溶解又は再溶解（１０２）プロセスとしては、限定されるものではないが、エレクトロスラグ再溶解又は真空アーク再溶解が挙げられる。消耗電極１０１は、例えば消耗電極１０１を鋳型１０７に挿入することによって溶解又は再溶解する。

接合方法１００で形成される異種インゴット１０９は、所望の用途に適した特性を備える。例えば一実施形態では、異種インゴット１０９は、消耗電極１０１よりも、疲労耐性、クリープ耐性、強度、耐熱性、酸化耐性又はこれらの組合せが向上している。付加的又は選択的に、図４に示すように、異種インゴット１０９を製造して（４００）接合製品５０１を形成する。例えば、第１の面４０１及び第２の面４０３を有するダイ内に異種インゴット１０９を配置し（４０２）、ダイから力を加えて異種インゴット１０９を圧縮する（４０４）ことによって、図５に示す接合製品５０１を形成する。別の実施形態では、図６を参照すると、図７の接合製品５０１に示すように、ダイは、窪み６０３を形成するための突起６０１を含む。別の実施形態では、図８に示すように、ダイは、図９の接合製品５０１に示すような貫通孔８０３を形成するための穿孔装置８０２及び／又は図８に示すような穿孔製品８０５を含む。

図１０を参照すると、一実施形態では、接合方法１００は、例えば内部領域１００３（例えば内径）を拡大及び／又は変更するように構成及び配置されたマンドレル」機構１００１を用いるか、熱変形、内径／外径の拡張、成形又は他の処理によって外部領域１００７を変更するように構成及び配置された圧力ロール機構１００５を用いるか、その両方を組み合わせることによって異種インゴット１０９を研削すること（１０００）をさらに含む。この圧延（１０００）は、接合製品５０１に関する一実施形態をなす。接合製品５０１に適した実施形態には、限定されるものではないが、外側シュラウド（図１１参照）、フランジ（図１２参照）、保持リング（図１３参照）、ベアリング（図１４参照）、他の適切な部品（例えばダイアフラム、ブレード、ベーン、ノズル、電気接点、バルブ、及び／又は他の任意の適切なタービン部品）又はこれらの組合せが含まれる。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

Claims

第１の材料及び第２の材料を含む消耗電極を用意する段階とと、
通電式溶解又は再溶解によって消耗電極を溶融させる段階と、
第１の材料及び第２の材料を再凝固させて、第１の材料が再凝固した第１の領域と第２の材料が再凝固した第２の領域とを有する異種インゴットを形成する段階と
を含む、接合方法。
通電式溶解又は再溶解がエレクトロスラグ再溶解である、請求項１記載の接合方法。
通電式溶解又は再溶解が真空アーク再溶解である、請求項１記載の接合方法。
第１の材料が第１の融点を有しており、第２の材料が、第１の融点とは異なる第２の融点を有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の接合方法。
第１の材料が第１の密度を有し、第２の材料が、第１の密度とは異なる第２の密度を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の接合方法。
消耗電極の溶融前に、消耗電極を鋳型に挿入する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の接合方法。
異種インゴットが、消耗電極の疲労耐性よりも高い疲労耐性を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の接合方法。
異種インゴットが、消耗電極のクリープ耐性よりも高いクリープ耐性を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の接合方法。
異種インゴットが、消耗電極の強度よりも高い強度を有する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の接合方法。
異種インゴットが、消耗電極の耐熱性よりも高い耐熱性を有する、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の接合方法。
異種インゴットが、消耗電極の酸化耐性よりも高い酸化耐性を有する、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の接合方法。
ダイ内に異種インゴットを配置し、ダイから力を加えて異種インゴットを圧縮することによって接合製品を形成する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項記載の接合方法。
異種インゴット又は異種インゴットから形成された製品の領域を穿孔する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項記載の接合方法。
異種インゴット又は異種インゴットから形成された製品を研削する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の接合方法。
異種インゴットを、外側シュラウド、フランジ、保持リング、ベアリング、ダイアフラム、ブレード、ベーン、ノズル、電気接点、バルブ又はこれらの組合せの少なくとも一部分へと形成することをさらに含む、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項記載の接合方法。
消耗電極の溶融前に、消耗電極の第２の材料を完全に第１の材料の内部に形成する段階をさらに含む、請求項１記載の接合方法。
第１の材料が再凝固した第１の領域と、
第２の材料が再凝固した第２の領域と
を含む接合製品であって、第１の材料が、通電式溶解から第２の材料と共に異種インゴットとして再凝固され、異種インゴットが少なくとも部分的に接合製品を画成する、接合製品。
接合製品の製造方法であって、
第１の材料が再凝固した第１の領域と第２の材料が再凝固した第２の領域とを有する異種インゴットであって、第１の材料が、通電式溶解又は再溶解から第２の材料と共に異種インゴットとして再凝固される異種インゴットを用意する段階と、
ダイ内に異種インゴットを配置する段階と、
ダイから力を加えて異種インゴットを圧縮することによって接合製品を形成する段階と
を含む、方法。
接合製品を形成する段階が、異種インゴットの領域を穿孔する段階を含む、請求項１８記載の方法。
接合製品を形成する段階が、異種インゴットを研削する段階を含む、請求項１８又は請求項１９記載の方法。