JP2015078686A

JP2015078686A - 耐エロージョンシールド、シールドの製造方法、及びシールドを有する物品の製造方法

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Publication number: JP2015078686A
Application number: JP2014192075A
Authority: JP
Inventors: シオドア・ウィリアム・ファンドレイ，ザ・セカンド; William Fandrei Ii Theodore
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2015-04-23
Also published as: EP2853483A2; US20150086376A1; CN104451674A; US9695697B2; EP2853483A3

Abstract

【課題】ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドの製造方法、シールド物品を形成する方法、及びニアネットシェイプ耐エロージョンシールドが提供される。【解決手段】ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドの製造方法は、基板を用意するステップと、エネルギー源を基板に対して配置するステップと、エネルギー源からのエネルギービームによって基板上に１種以上の耐摩耗性材料を堆積させるステップとを含む。基板上に堆積させた１種以上の耐摩耗性材料が、タービン部品に配置されるように構成されたニアネットシェイプ耐エロージョンシールドを形成する。シールド物品を形成する方法は、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドから基板を取り除くステップと、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドをタービン部品に固定するステップとを含む。ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドは、タービン部品に配置されるように構成されたニアネットシェイプ耐エロージョン性部分を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、耐エロージョンシールド、シールドの製造方法、及びシールドを有する物品の製造方法に関する。さらに具体的には、本発明は、シールド及びシールドを有する物品のレーザによって支援された製造に関する。

タービンのロータの羽根及びタービンのステータの羽根など、出力生成システムの構成部品は、タービン設備において使用され、腐食環境に曝されることが多い。腐食環境が、例えば蒸気タービンにおける水滴及び／又は酸化物の薄片からの細塵によって引き起こされる構成部品の腐食につながる可能性がある。特には、水滴は、そのような水滴がタービンを駆動するための蒸気と混ざり合う後段のタービンの羽根の腐食を引き起こす可能性がある。タービンの羽根の腐食は、腐食によって引き起こされる羽根の薄化及び羽根の疲労破壊につながるがゆえに、問題である。

水滴からのタービンの羽根の腐食を軽減する１つの方法として、タービンの構成部品の表面に複数の単一の層を作り上げる低熱入力（low heat-input）の肉盛り溶接（build-up welding）が挙げられる。公知の肉盛り溶接技術は、所望の防食部分を生み出すためにかなりの時間を要する。そのような肉盛り技術の使用に関する別の問題は、防食部分を形成後に所望の羽根の形状に機械加工しなければならず、処理工程及び製造時間が増え、したがってコストが増すことにある。

他の予防措置は、耐摩耗性を目指して調製されたコバルトクロム合金（例えば、ＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標））を含む耐エロージョンシールドを使用することである。耐エロージョンシールドは、タービンの構成部品に固定され、その部品を腐食から保護する。そのような耐エロージョンシールドのための材料は、鍛造状態（wrought condition）でもたらされ、所望のサイズ及び／又は形状を実現するための処理及び／又は機械加工を必要とする。そのような処理及び／又は機械加工は、タービンの羽根又は翼などの複雑な形状において特に高価である。

上述の欠点のうちの１つ以上を抱えることがないシールドを生成又は製造するプロセス、シールドを有する物品を製造するプロセス、及び耐エロージョンシールドが、技術的に望ましいと考えられる。

典型的な実施形態においては、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドの製造方法が、基板を用意するステップと、エネルギー源を基板に対して配置するステップと、エネルギー源からのエネルギービームによって基板上に１種以上の耐摩耗性材料を堆積させるステップとを含む。基板上に堆積させた１種以上の耐摩耗性材料が、タービン部品に配置されるように構成されたニアネットシェイプ耐エロージョンシールドを形成する。

別の典型的な実施形態においては、シールド物品を形成する方法が、基板を用意するステップと、エネルギー源を基板に対して配置するステップと、エネルギー源からのエネルギービームによって基板上に１種以上の耐摩耗性材料を堆積させ、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドを形成するステップと、基板を取り除くステップと、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドをタービン部品に固定するステップとを含む。

別の典型的な実施形態においては、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドが、ニアネットシェイプ耐エロージョン性部分を備える。ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドは、タービン部品に配置されるように構成されている。

本発明の他の特徴及び利点が、好ましい実施形態についての以下のさらに詳細な説明を、本発明の原理をあくまでも例として示している添付の図面と併せて検討することによって、明らかになるであろう。

本発明によるニアネットシェイプ耐エロージョンシールドを生み出すための製造方法の概略の斜視図である。本発明によるシールド物品の形成方法の工程図である。本発明によるシールド物品の形成方法の概略の斜視図である。本発明によるシールド物品の形成方法の概略の斜視図である。

可能な限り、同じ参照番号が、図面の全体を通して、同じ部品を表すために使用される。

ニアネットシェイプ耐エロージョンシールドの製造方法、シールド物品を形成する方法、及びニアネットシェイプ耐エロージョンシールドが提供される。本明細書の実施形態は、本明細書に開示の特徴のうちの１つ以上を用いないプロセス及び物品と比べ、効率を向上させ、コストを下げ、製造をより容易にし、製造の柔軟性を高め、段取り時間を短縮し、単一のプロセスにおいて合金の混合を可能にし、或いはこれらの組み合わせをもたらす。

図１が、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールド１０１を製造するための製造プロセス１００の実施形態を示している。製造プロセス１００は、基板１０９を用意すること（ステップ１１０）と、エネルギー源１０７を基板１０９に対して配置すること（ステップ１２０）と、少なくとも１つの材料１０３をエネルギー源１０７からのエネルギービーム１０５によって基板１０９上に堆積させること（ステップ１３０）とを含む。少なくとも１つの材料１０３の堆積（ステップ１３０）により、タービン部品２０１（図２）に配置されるように構成された最終的又はニアネットシェイプを有する耐エロージョンシールド１０１が形成される。本明細書において使用されるとき、「ほぼ最終的」という表現は、機械加工及び処理をほとんど又はまったく必要としない形状及びサイズであることを指す。本明細書において使用されるとき、「最終的」という表現は、機械加工及び処理を必要としない形状及びサイズであることを指す。

別の実施形態においては、製造プロセス１００が、基板１０９から耐エロージョンシールド１０１を取り外すことを含む。基板は、これらに限られるわけではないが、犠牲基板、タービン部品２０１と同様の組成物、又はこれらの組み合わせを含む任意の適切な基板である。さらなる実施形態は、耐エロージョンシールド１０１の熱処理、並びに／或いは例えば機械加工、研磨、グリットブラスト、切削、処理、コーティング、又はこれらの組み合わせによる耐エロージョンシールド１０１の仕上げを含む。別の実施形態は、仕上げ、並びに／或いは機械加工、研磨、グリットブラスト、切削、処理、コーティング、又はこれらの組み合わせを含まない。

一実施形態においては、材料１０３が、コンピュータラスタライゼーション、並びに／或いはこれらに限られるわけではないが真空チャンバ、遮へいガス、又はこれらの組み合わせなどの非酸化環境において実行されるレーザ支援製造（ＬＡＭ）を使用して、堆積させられる（ステップ１３０）。ＬＡＭは、エネルギー源１０７からの任意の適切なエネルギービーム１０５によって実行される。適切なエネルギービームとして、これらに限られるわけではないがレーザビーム、電子ビーム、プラズマビーム、電気アーク、又はこれらの組み合わせが挙げられる。ＬＡＭは、平坦又は実質的に平坦な構成を有する基板１０９上への最終的又はニアネットシェイプを有する耐エロージョンシールド１０１の形成を可能にする材料１０３の層ごとの堆積（ステップ１３０）を含む。

さらに、ＬＡＭは、耐エロージョンシールド１０１内に異なる組成の層を生成するために、層ごとの堆積（ステップ１３０）の最中の材料１０３の任意の適切な変化を可能にする。材料１０３の適切な変化として、これらに限られるわけではないが層の間での組成の変化、層内での組成の変化、又はこれらの組み合わせが挙げられる。例えば、一実施形態においては、材料１０３が、耐エロージョン性部分１１１と一体のシム部分１１３を有する耐エロージョンシールド１０１であって、シム部分１１３と耐エロージョン性部分１１１とが異なる組成及び異なる材料特性を有している耐エロージョンシールド１０１を形成するように変化させられる。別の実施形態においては、材料１０３が、シム部分１１３及び／又は耐エロージョン性部分１１１の中に異なる部位を有している耐エロージョンシールド１０１を形成するように変化させられる。

図２及び３を参照すると、一実施形態において、耐エロージョンシールド物品２００を形成する方法は、耐エロージョンシールド１０１を、耐エロージョンシールド１０１による保護が可能な任意の適切なタービン部品２０１の基材２０３に固定すること（ステップ２１０）を含む。耐エロージョンシールド１０１による保護が可能な適切なタービン部品として、これらに限られるわけではないが、羽根又は翼、ノズル、バルブ、ダイアフラム、バケット、又はロータのうちの１つ以上が挙げられる。別の実施形態においては、耐エロージョンシールド１０１が、バケットの前縁部分の圧力側に固定（ステップ２１０）される。さらに別の実施形態においては、既存のシールドが、タービン部品２０１から取り除かれ、製造プロセス１００によって形成された新たなシールドと交換される。

耐エロージョンシールド１０１は、これらに限られるわけではないがろう付け、レーザ溶接、電子ビーム溶接、プラズマ溶接、タングステン不活性ガス溶接、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接、又はこれらの組み合わせなどの任意の適切な技術によって固定（ステップ２１０）される。一実施形態においては、耐エロージョンシールド１０１が、耐エロージョン性部分１１１を含み、基材２０３に直接固定（ステップ２１０）される。別の実施形態においては、シム部分１１３が、耐エロージョンシールド１０１の基材２０３への固定（ステップ２１０）を容易にする。シム部分１１３は、耐エロージョン性部分１１１と一体であってよく、或いは鍛造されたシム材料から形成され、耐エロージョン性部分１１１に機械的に取り付けられてよい。さらに、鍛造されたシム材料から形成されたシム部分１１３を、耐エロージョン性部分１１１と基材２０３との間に配置することができ、或いは耐エロージョンシールド１０１の固定（ステップ２１０）に先立って耐エロージョン性部分１１１に取り付けることができる。

シム部分１１３は、耐エロージョンシールド１０１をタービン部品２０１の基材２０３に固定（ステップ２１０）することができ、かつタービンの環境に耐えることができる任意の適切な組成を備える。一実施形態においては、基材２０３が、これらに限られるわけではないが、鉄系又はニッケル系の合金、１２−クロム材料、４１０ステンレス鋼（ＵＮＳＳ４１０００）、４０３ステンレス鋼（ＵＮＳＳ４０３００）、ＧＴＤ−４５０（商標）（Ｃｒが１５．５％であり、Ｎｉが６．３％であり、Ｃｕが１．５％であり、Ｎｂが０．３７％であり、Ｃが０．０５％であり、残りが基本的にＦｅである組成式を有する析出硬化鋼）、又はこれらの任意の組み合わせを含むグループから選択される材料で構成される。耐エロージョンシールド１０１は任意の基材２０３に固定することができるため、材料の列挙は、あくまでも例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定しようとするものではない。１つの適切な合金は、炭素が約０．１５重量％であり、マンガンが約１．００重量％であり、ケイ素が約０．５０重量％であり、クロムが約１１．５重量％〜約１３．０重量％であり、リンが約０．０４重量％であり、硫黄が約０．０３重量％であり、残りが鉄である組成を有する。別の適切な合金は、炭素が約０．１４重量％であり、マンガンが約０．８０重量％であり、リンが約０．０１５重量％であり、硫黄が約０．０１０重量％であり、ケイ素が約０．２重量％であり、クロムが約１１．５重量％であり、ニッケルが約２．５重量％であり、モリブデンが約１．６重量％であり、バナジウムが約０．３重量％であり、チッ素が約０．０３重量％であり、残りが鉄である組成を有する。別の適切な合金は、炭素が約０．０５０重量％であり、クロムが約１４．０重量％〜約１６．０重量％であり、銅が約１．２５重量％〜約１．７５重量％であり、マンガンが約１．０重量％であり、モリブデンが約０．５０重量％〜約１．０重量％であり、ニッケルが約５．０重量％〜約７．０重量％であり、リンが約０．３０重量％であり、ケイ素が約１．０重量％であり、硫黄が約０．０３０重量％であり、残りが鉄である組成を有する。シム部分１１３の適切な組成として、これらに限られるわけではないが、Ｉｎｃｏｎｅｌ、Ｉｎｃｏｎｅｌ合金６００などのニッケル基合金、又はこれらの組み合わせが挙げられる。

シム部分１１３は、所望の特性をもたらすことができる任意の適切な厚さであってよい。一実施形態においては、シム部分１１３の厚さが、タービン部品２０１の基材２０３と耐エロージョン性部分１１１との間に充分な移行部をもたらすことによって、剥離、疲労、溶接の困難、割れの伝播、及び／又は他の望ましくない影響を軽減又は排除するように選択される。例えば、一実施形態においては、シム部分１１３が、基材２０３と耐エロージョン性部分１１１のより炭素を多く含む材料との間に炭素の移動を制限する物理的な障壁をもたらすことで、溶接部又は熱に影響された領域の弱体化を軽減又は回避する。シム部分１１３の適切な厚さとして、これらに限られるわけではないが、約１０ミル〜約２００ミル、約５０ミル〜約２００ミル、約１００ミル〜約２００ミル、約１５０ミル〜約２００ミル、約５０ミル〜約１５０ミル、約１００ミル〜約１５０ミル、約１０ミル〜約１００ミル、約５０ミル〜約１００ミル、約１０ミル〜約５０ミル、約１０ミル〜約２０ミル、或いはこれらの任意の適切な組み合わせ、部分的組み合わせ、範囲、又は部分的範囲が挙げられる（ここで、１ミルは０．００１インチに等しい）。

耐エロージョン性部分１１１は、タービン部品２０１の腐食を軽減又は回避するための任意の適切な組成を備える。耐エロージョン性部分１１１の適切な組成として、これらに限られるわけではないが、コバルト基合金、クロム基合金、タングステン基合金、炭化クロム材料、又はこれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態においては、耐エロージョン性部分１１１の組成が、ＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）という合金群の一員である。例えば、一実施形態においては、耐エロージョン性部分１１１が、クロムが約２７重量パーセント〜約３２重量パーセントであり、タングステンが約４重量パーセント〜約６重量パーセントであり、炭素が約０．９重量パーセント〜約１．４重量パーセントであり、残りがコバルト及び意図せぬ不純物である組成式を有する。別の例では、耐エロージョン性部分１１１が、炭素が約１．４重量パーセント〜約１．８５重量パーセントであり、クロムが約２９．５重量パーセントであり、ケイ素が約１．５重量パーセントであり、タングステンが約８．５重量パーセントであり、残りがコバルト及び意図せぬ不純物である組成式を有する。

耐エロージョン性部分１１１は、蒸気又はガスタービンの環境における耐エロージョン性、耐摩耗性、及び耐久性について所望の特性をもたらす任意の適切な厚さである。一実施形態においては、耐エロージョン性部分１１１の厚さが、例えば特定の構成部品／用途の所定の寿命にわたって充分な耐摩耗性及び／又は耐エロージョン性をもたらすように選択される。耐エロージョン性部分１１１の適切な厚さとして、これらに限られるわけではないが、約２００ミル〜約５００ミル、約３００ミル〜約５００ミル、約４００ミル〜約５００ミル、約２００ミル〜約４００ミル、約３００ミル〜約４００ミル、約２００ミル〜約３００ミル、或いはこれらの任意の適切な組み合わせ、部分的組み合わせ、範囲、又は部分的範囲が挙げられる。

全体として、シム部分１１３及び／又は耐エロージョン性部分１１１が、タービン部品２０１を保護するための任意の適切な厚さ及び／又は幅を有する耐エロージョンシールド１０１を形成する。適切な厚さ及び／又は幅として、これらに限られるわけではないが、約５００ミル〜約７５０ミル、最大約７５０ミル、最大約５００ミル、或いはこれらの任意の組み合わせ、部分的組み合わせ、範囲、又は部分的範囲が挙げられる。

耐エロージョンシールド１０１は、タービン部品２０１の基材２０３を腐食から保護することができる任意の適切な長さであってよい。適切な長さとして、これらに限られるわけではないが、バケットの全長、バケットの長さの約２／３、又はバケットの長さの約１／３が挙げられ、ここでバケットの長さは、約４インチ〜約７０インチ、約６インチ〜約２０インチ、或いはこれらの任意の組み合わせ、部分的組み合わせ、範囲、又は部分的範囲が挙げられる。

さらに、耐エロージョンシールド１０１は、エネルギービーム１０５の使用によって形成することができる任意の適切な幾何学的造作を備える。適切な幾何学的造作として、これらに限られるわけではないが、空洞、非平行な表面、丸みを帯びた／湾曲した表面、斜めの表面、突起、すき間、又は他の形成困難な形状／配置が挙げられる。一実施形態においては、耐エロージョンシールド１０１の幾何学的造作が、耐エロージョンシールド１０１によって保護されるべきタービン部品２０１の全体又は一部分に実質的に一致し、或いは相補的に一致する。

図４を参照すると、一実施形態において、耐エロージョンシールド１０１は、非耐エロージョン性部分３０１と、耐エロージョン性部分１１１とを備える。非耐エロージョン性部分３０１と耐エロージョン性部分１１１とが、タービン部品２０１又はタービン部品２０１に重なるシム部分１１３を覆う連続的な表面を形成している。図４を参照すると、別の実施形態においては、耐エロージョン性部分１１１が、バケットの前縁部分に重なるシム部分１１３の約１／３を覆い、非耐エロージョン性部分３０１が、バケットの前縁部分に重なるシム部分１１３の残りの２／３を覆う。例えば、蒸気タービンにおいて、耐エロージョン性部分１１１が、水滴がバケットの腐食を深刻化させる可能性があるバケットの前縁部分の先端１／３を覆って保護するように配置される。別の実施形態においては、耐エロージョン性部分１１１が、バケットの前縁部分に重なるシム部分１１３の約２／３を覆い、非耐エロージョン性部分３０１が、バケットの前縁部分に重なるシム部分１１３の残りの１／３を覆う。例えば、ガスタービンにおいて、耐エロージョン性部分１１１が、水洗からの水がバケットの腐食を深刻化させる可能性があるバケットの前縁部分の基部側２／３を覆って保護するように配置される。

本発明を、好ましい実施形態を参照して説明したが、それらの構成要素について、本発明の技術的範囲から外れることなく、種々の変更及び均等物による置き換えが可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、多数の変更を、本発明の教示の本質的な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合わせるために行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実行するために考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限られず、むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に包含されるすべての実施形態を含む。

１００製造プロセス
１０１耐エロージョンシールド
１０３材料
１０５エネルギビーム
１０７エネルギー源
１０９基板
１１０ステップ
１１１耐エロージョン性部分
１１３シム部分
１２０ステップ
１３０ステップ
２００物品
２０１タービン部品
２０３基材
２１０ステップ
３０１非耐エロージョン性部分
５００最大約
６００合金
７５０最大約

Claims

ニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）の製造方法であって、
基板（１０９）を用意するステップ（１１０）と、
エネルギー源（１０７）を基板（１０９）に対して配置するステップ（１２０）と、
エネルギー源からのエネルギービーム（１０５）によって基板（１０９）上に１種以上の耐摩耗性材料を堆積させるステップ（１３０）と
を含み、
基板（１０９）上に堆積させた１種以上の耐摩耗性材料が、タービン部品（２０１）に配置されるように構成されたニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）を形成する、方法。
１種以上の耐摩耗性材料に一体化されたシム（１１３）を有するニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）を形成するために、１種以上の耐摩耗性材料を堆積させるステップ（１３０）に先立って、エネルギービームによって基板上にシムを堆積させるステップを含む、請求項１記載の方法。
ニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）を基板（１０９）から取り外すステップを含む、請求項１記載の方法。
基板（１０９）が犠牲層である、請求項３記載の方法。
レーザ、電子ビーム、プラズマビーム及び電気アークからなる群からエネルギービームを選択するステップを含む、請求項１記載の方法。
基板（１０９）上に１種以上の耐摩耗性材料の複数の層を堆積させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
シールド物品（２００）を形成する方法であって、
基板（１０９）を用意するステップと、
エネルギー源（１０７）を基板に対して配置するステップと、
エネルギー源からのエネルギービーム（１０５）によって基板（１０９）上に１種以上の耐摩耗性材料を堆積させ、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）を形成するステップと、
基板（１０９）を取り除くステップと、
ニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）をタービン部品（２０１）に固定するステップと
を含む方法。
基板（１０９）上に１種以上の耐摩耗性材料を堆積させるステップに先立って、基板（１０９）上にシム（１１３）を堆積させるステップを含む、請求項７記載の方法。
ニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）をタービン部品（２０１）に固定するステップに先立って、ニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）とタービン部品（２０１）との間にシム（１１３）を配置させるステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
シム（１１３）がニッケル基合金材料を含む、請求項９記載の方法。
ニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）をタービン部品（２０１）に、ろう付け及び電子ビーム溶接からなる群から選択される方法によって固定するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
ニアネットシェイプ耐エロージョン性部分（１１１）を備え、タービン部品（２０１）に配置されるように構成されているニアネットシェイプ耐エロージョンシールド（１０１）。
ニアネットシェイプ耐エロージョン性部分（１１１）の組成が耐エロージョン性合金を含む、請求項１２記載のシールド。
耐エロージョン性合金が、コバルト基合金、クロム基合金、タングステン基合金及び炭化クロム材料からなる群から選択される、請求項１３記載のシールド。
ニアネットシェイプ耐エロージョン性部分（１１１）に固定されたシム（１１３）を備え、シム（１１３）が、ニアネットシェイプ耐エロージョン性部分（１１１）とタービン部品（２０１）との間に位置するように構成されている、請求項１２記載のシールド。
タービン部品（２０１）が、タービンバケットである、請求項１２記載のシールド。
タービンバケットの前縁に配置されるように構成されている、請求項１６記載のシールド。
タービンバケットの前縁の少なくとも約１／３を覆う、請求項１７記載のシールド。
耐エロージョン性部分（１１１）と連続的な表面を形成する非耐エロージョン性部分（３０１）を備える、請求項１２記載のシールド。
非耐エロージョン性部分（３０１）が、タービン部品（２０１）の前縁の約２／３を覆う、請求項１９記載のシールド。