JP2016519733A - 超合金部品の修復 - Google Patents

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Abstract

超合金部品（２２）を修復する方法であって、使用に起因する複数の亀裂（１８、２０）を含んでいる、当該部品の部分（２４）を除去し、その後、超合金から成る取り替え部分（２６）を、ホウ素も珪素も含んでいない構造的なろう付け結合（２８）によって設置する。この取り替え部分は、重なっている熱バリアコーティング（４２）との接着を改善するためにテクスチャー加工された表面（３８）を有している。この取り替え部分は、典型的な、使用に起因する亀裂のパターンと、これに応じて掘り出される除去される部分とを予測して、規格化された寸法に事前形成可能である。取り替え部分と部品との間の界面は、それらの間に機械的な噛み合いが提供されるように形成される。

Description

本願は一般的に、材料結合の分野に関し、より詳細には、幾つかの実施形態において、ろう付けプロセスによる超合金ガスタービン部品の修復に関する。
発明の背景
ガスタービンエンジン高温ガス路部分は、しばしば、超合金材料から製造される。用語「超合金」はここで、当該分野で一般的に知られている意味で使用されている。すなわち、優れた機械的な強度と高温での耐クリープ性とを示す、高耐腐食性と耐酸化性とを有している。超合金は典型的に、高いニッケル含有量または高いコバルト含有量を有している。超合金の例として、商標および商標名ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（Ｒ）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（Ｒ）合金（例えばＩＮ７３８、ＩＮ７９２、ＩＮ９３９）、ＲＥＮＥ（Ｒ）合金（例えばＲｅｎｅＮ５、Ｒｅｎｅ８０、Ｒｅｎｅ１４２）、ＨＡＹＮＥＳ（Ｒ）合金、Ｍａｒ−Ｍ、ＣＭ２４７、ＣＭ２４７ＬＣ、Ｃ２６３、７１８、Ｘ−７５０、ＥＣＹ７６８、２８２、Ｘ４５、ＰＷＡ１４８３で売られている合金およびＣＭＳＸ（例えばＣＭＳＸ−４）単結晶合金が挙げられる。
図１は、既知のガスタービンエンジンブレード１０を示している。これは、板翼１２と、プラットフォーム１４と、根部１６とを含んでいる。ブレード１０は超合金材料から製造されていてよく、かつ、幾つかの既知の熱バリアコーティングシステムのいずれかによって被覆され得る。このようなブレードが、使用によって生じる、熱機械疲労亀裂を発達させる、ということが既知である。これは例えば、プラットフォーム１４上にある亀裂１８、２０である。超合金材料の、使用によって生じる劣化の他の形態が可能であり、このような欠陥は、ブレード１０の他の領域においてまたはエンジンの他の高温ガス路部分において生じ得る。
超合金材料は、極めて修復困難な材料であることで知られている。これは、超合金が、溶接凝固割れおよび歪み時効割れしやすいためである。
自身の超合金基礎材料において、使用によって生じた故障が発達する、ブレード１０のような、先行技術のガスタービン超合金部品はしばしば修復可能ではなく、部品を交換するのに高い経費がかかってしまっていた。超合金材料内の割れは、ろう付けプロセスによって修復可能であるが、このような修復の利用は制限されている。なぜなら、ろう付け材料の強さには限界があるからである。さらに、ろう付けプロセスが典型的に、ホウ素または珪素等の、有害の融点降下材料の使用を必要とすることも一因である。従って、超合金材料を修復するためのプロセスの改善が望まれている。
本発明を、以下の図面を参照して説明する。複数の図面に示された同様の特徴には同じ番号が付けられている。
使用に起因する亀裂を有している従来技術のガスタービンブレードを示す図 プラットフォームの一部が、使用に起因する亀裂を除去するために取り除かれているガスタービンブレードを示す図 取り除かれたプラットフォーム部分の代わりに、取り替え部分が結合されている、図２のブレードを示す図 取り替え部分と図３のプラットフォームとの間の界面の部分側面図 表面のテクスチャー加工を示している、取り替え部分の表面の部分断面図
図２は、プラットフォーム１４の部分２４が除去された後の、ガスタービンブレード２２を示している。この除去は例えば、切削加工、研削、切断または他の既知のプロセスによって行われた。有利には、除去された部分２４には、使用に起因する亀裂１８、２０が、存在していた位置が含まれている。
図３は、除去された部分２４の代わりに、取り替え部分２６がプラットフォーム１４に結合された後の、図２のガスタービンブレード２２を示している。従って、個々の亀裂１８、２０をクリーニングし、修復する必要はない。取り替え部分２６は、ろう付けプロセスによって結合される。超合金材料と共に使用するのに適している改善されたろう付けプロセスは、本発明の譲受人によって開発されてきた。これは例えば、同時係属中の米国特許出願第１３／４９５２２３号および１３／４６７４０２号に記載されているニッケル−クロミウム−チタニウムベースの合金である。これら２つの出願は、本願に参照として組み込まれている。これらの材料は有利には、強度において、従前のろう付け材料に匹敵し、構造的な修復と見なされるのに十分な強さを有している（すなわち、ベース金属の耐力強度の少なくとも７０％）。本発明は、取り替え部分２６が、ブレード２２の残りの部分と同じ超合金材料から形成される、または、除去された部分２４の特定の場所に対して望まれる特別な特性を有する他の超合金材料から形成されることを可能にすることによって、このような改善されたろう付け特性の利点を利用する。所定の位置にろう付けする前に、取り替え部分２６に熱バリアコーティグが被覆されなくても、または、熱バリアコーティグが少なくとも部分的に被覆されてもよい。しかし、どちらのケースにおいても、プラットフォーム１４上の全ての熱バリアコーティングは、取り替え部分が設置された後に一新される。取り替え部分２６は、鋳造合金によって形成される、または、択一的に、粉体材料によって形成される。これは例えば、選択的レーザ溶解（ＳＬＭ）材料または選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）材料から形成される。
除去部分２４の大きさおよび形状は、ブレード１０の検査後に決められる。これは、全ての亀裂１８、２０を確実に除去するためである。修復される割れ目のパターンに依存して、特定のブレードにおいて１つよりも多くの部分が除去および交換されてもよい。特定の部品設計の場合には、使用に起因した割れ目のパターンは一連の機械装置にわたって出現し得るので、この一連の機械装置に対する全てのまたは大部分の、使用に起因する割れ目を含んでいる、規格化された寸法を有している１つまたは複数の取り替え部分２６が出現し得る。規格化されたこの取り替え部分２６は、機械装置の保守停止に先立って製造されてよく、材料除去ステップは、規格化されたこの寸法に応じてコントロールされ、これによって、使用可能な取り替え部分２６の１つに一致する除去部分２４が得られる。選択的に、材料除去は、ブレード２２の検査の際の要求に従って決定および実行され、取り替え部分２６は、除去される部分２４と一致するように作成される。当該分野で既知のコンピュータおよび視覚化システムは、除去される部分２４のサイズを決めるため、および／または、除去される部分２４を作成するために使用され、さらに、一致する取り替え部分２６の製造をガイドするために使用される。
図４は、１つの実施形態に対する取り替え部分２６とプラットフォーム１４との間のろう付け結合界面２８の部分側面図である。界面２８は、機械的な噛み合い結合形状（すなわち、少なくとも２つの軸の周りで動きを制限する）を有している。これはこの実施形態では、一般的なＳ字状を有している。界面の他の形状も構想可能である。これは、例えばＺ字状、Ｃ字状、Ｗ字状、Ｕ字状等である。機械的な相互噛み合いは、結合部におけるストレスを軽減し、この結合部に沿った亀裂の伝播を低減するだけでなく、引出しの形式で、水平方向において除去部分２４の場所へのスライドを可能にすることによって、結合前に取り替え部分２６をサポートする。また、垂直方向においては、取り替え部分２６の重さを支える。上面３０だけが、高温ガス路に晒され、通常は熱バリアコーティングによって被覆されており、底面３２は、典型的にアクティブに、圧縮された冷却空気によって冷却される、ということに留意されたい。従って、界面２８は、一般的に、高温およびストレスから保護される。
ガスタービンエンジン部品の修理プロセスは、以下のステップを含んでいる。
・エンジンを付帯設備から外す
・選択的に、部品をエンジンから外すステップ
・後のステップに必要とされる程度までこの部品を洗浄するステップ（これは、適切な表面コーティングの除去を含む）
・必要に応じて、欠陥の位置を突き止めるために検査を実施するステップ
・欠陥を含んでいる部品の部分を除去するステップ
・取り替え部分を準備するステップ
・必要に応じて、部品および取り替え部分上の界面表面を洗浄するステップ
・除去部分の代わりに、ろう付けによって、取り替え部分を部品に結合するステップ
・適切に、表面コーティングを入れ替えるステップ
・必要に応じて、エンジンに部品を戻すステップ
・エンジンを付帯設備に戻すステップ
１つの実施形態では、ガスタービンブレードは、合金２４７から形成される。これは、８.３Ｃｒ、１０Ｃｏ、０.７Ｍｏ、１０Ｗ、５.５Ａｌ、１Ｔｉ、３Ｔａ、０.１４Ｃ、０.０１５Ｂ、０.０５Ｚｒおよび１.５Ｈｆの名目上の重量パーセント組成を有している。このブレードは、付帯設備から取り外され、自身のプラットフォームに、使用に起因する亀裂があることが発見された。亀裂を含んでいるプラットフォーム部分は、切削加工によって取り外され、その代わりに、合金２４７から成る取り替え部分が、構造ろう付け材料を用いたろう付けによって結合される。これは例えばろう付け粉末、または、約０.００３インチを超えない厚さを有するろう付けフィルムである。ろう付け材料は、狭い溶解温度幅（例えば１０℃を下回る）を有している準共晶合金から成り、合金２４７材料の溶液温度を下回る液相温度を有する（１２２０℃−１２６０℃）。組み立て品は、結合部の均質化に効果的な時間／温度で、溶解熱処理される。これは、例えば、２〜１２時間にわたって１２２５℃〜１２６０℃で行われる。この実施形態のための、ホウ素も珪素も含んでいない構造ろう付け合金材料は、以下の重量パーセントの組成を有し得る。
ニッケル ５５−６５（例えば６０）
チタニウム １５−２５（例えば２０）
クロミウム １５−２５（例えば２０）
この実施形態のための、ホウ素も珪素も含んでいない選択的なろう付け合金材料は、以下の重量パーセントの組成を有し得る。
クロミウム １５−１８
チタニウム １０−１５
アルミニウム ０−２
コバルト ２−４
タングステン ３−５
マンガン ０−２
タンタル ０−２
ニッケル 残り
他の選択的なろう付け材料は、以下の重量パーセントの組成を有し得る。
クロミウム １２−１６
チタニウム １３−１６
アルミニウム ０−２
コバルト ２−４
タングステン ３−５
マンガン ０−２
タンタル ０−２
ニッケル 残り
図５は、テクスチャー加工された表面３６を有する、取り替え部分３４の部分的な断面図である。テクスチャー加工されたこの表面３６は、平坦ではなく、重なっている熱バリアコーティングシステム４２の接着性を高めるのに望ましい、あらゆる形態の山部３８と谷部４０を含む。テクスチャー加工された表面は、エッチング、キャスティング、レーザアブレーション、ウォータージェット切断、材料添加または他のあらゆる既知のプロセスによって形成される。テクスチャー加工された表面３６は、これに代わる、除去部分のテクスチャー加工されていない表面と比べて、熱バリアコーティングシステム４２の性能を高めるのに効果的であり、従って、テクスチャー加工された表面の領域における、修復された部品の劣化出現率または劣化速度を低減させるのに有効である。従って、取り替え部分２６は、（存在する欠陥を修復するために）リアクティブに、または、部品の性能を改善する目的で、（欠陥の進行を阻止するため、または、緩慢にするために）プロアクティブに設置される。使用されている部品も新たな部品も、開示されたプロセスから利益を得る。ここでは、部品の特定部分のみが、改善された材料を挿入するため、または、改善された表面を挿入するため、交換される。これは、使用に起因する劣化に対する部品の脆弱性を低減するためである。
本発明の種々の実施形態を示し、説明したが、このような実施形態が、単なる例として提示されていることは明らかである。種々の変形、変更および代用が、本発明から逸脱することなく行われる。従って、本発明は、添付した特許請求範囲の意図および範囲によってのみ制限されるものである。

Claims (20)

  1. 超合金材料を含むガスタービンエンジン部品の一部分を除去すること、および
    当該除去された部分の代わりに、ホウ素も珪素も含んでいないろう付けを用いて、超合金材料を含む取り替え部分を設置すること、
    を含んでいる、
    ことを特徴とする方法。
  2. 欠陥を含んでいる前記部品の、テクスチャー加工されていない表面部分を除去すること、および
    前記部品の除去された、テクスチャー加工されていない表面部分の代わりに、テクスチャー加工された表面取り替え部分を設置することをさらに含んでいる、請求項１記載の方法。
  3. 前記部品の除去された部分の超合金材料とは異なる組成を有する超合金材料から製造された取り替え部分を設置することをさらに含んでいる、請求項１記載の方法。
  4. 規格化された寸法を有する前記取り替え部分を準備すること、および
    前記取り替え部分を受容する前記部品を準備するために、前記規格化された寸法に応じて、前記部品の部分を除去することをさらに含んでいる、請求項１記載の方法。
  5. 前記部品は合金２４７から形成されており、
    前記取り替え部分を、
    ニッケル ５５−６５
    チタニウム １５−２５および
    クロミウム １５−２５
    の重量パーセントの組成を有するろう付け材料を用いて設置することをさらに含んでいる、請求項１記載の方法。
  6. ニッケル ６０
    チタニウム ２０および
    クロミウム ２０
    の重量パーセントの組成を有するろう付け材料を用いることをさらに含んでいる、請求項５記載の方法。
  7. 前記部品は合金２４７から形成されており、
    前記取り替え部分を、
    クロミウム １２−１６
    チタニウム １３−１６
    アルミニウム ０−２
    コバルト ２−４
    タングステン ３−５
    マンガン ０−２
    タンタル ０−２および
    ニッケル 残り
    の重量パーセントの組成を有するろう付け材料を用いて設置することをさらに含んでいる、請求項１記載の方法。
  8. 欠陥を含んでいる前記部品のブレードプラットフォーム部分を除去すること、および
    機械的な噛み合い形状を有するように、前記取り替え部分と前記プラットフォーム部分との間にろう付け界面を形成すること、をさらに含んでいる、請求項１記載の方法。
  9. ・超合金材料から成るガスタービンエンジンブレードを付帯設備から外すこと、
    ・使用に起因する欠陥を含んでいる、ブレードのプラットフォームの部分を除去すること、
    ・前記プラットフォームの除去された部分を、ろう付け結合によって前記プラットフォームと結合される、超合金材料から成る取り替え部分によって取り替えること、
    ・前記プラットフォーム部分上の熱バリアコーティングを新しくすること、および
    ・前記ブレードを付帯設備に戻すこと、
    を含んでいる、
    ことを特徴とする方法。
  10. 前記欠陥を含んでいる前記プラットフォームのテクスチャー加工されていない表面部分を除去すること、
    テクスチャー加工された表面取り替え部分を、前記プラットフォームの除去された、テクスチャー加工されていない表面部分の代わりに設置すること、および
    前記テクスチャー加工された表面にわたって、熱バリアコーティングを設けること、
    をさらに含んでいる、請求項９記載の方法。
  11. 前記プラットフォームの前記除去された部分の超合金材料とは異なる組成を有する超合金材料から成る取り替え部分を設置することをさらに含んでいる、請求項９記載の方法。
  12. 所定の寸法を有する前記取り替え部分を事前形成すること、および、
    当該事前形成された取り替え部分を受容する前記プラットフォームが準備されるように、前記所定の寸法に応じて前記プラットフォームの部分を除去すること、をさらに含んでいる、請求項９記載の方法。
  13. 前記ブレードは合金２４７から形成されており、
    前記取り替え部分を、
    ニッケル ５５−６５
    チタニウム １５−２５および
    クロミウム １５−２５
    の重量パーセントの組成を有するろう付け材料を用いて設置することをさらに含んでいる、請求項９記載の方法。
  14. ニッケル ６０
    チタニウム ２０および
    クロミウム ２０
    の重量パーセントの組成を有するろう付け材料を用いることをさらに含んでいる、請求項１３記載の方法。
  15. 前記ブレードは合金２４７から形成されており、
    前記取り替え部分を、
    クロミウム １５−１８
    チタニウム １０−１５
    アルミニウム ０−２
    コバルト ２−４
    タングステン ３−５
    マンガン ０−２
    タンタル ０−２および
    ニッケル 残り
    の重量パーセントの組成を有するろう付けフィルムを用いて設置することをさらに含んでいる、請求項９記載の方法。
  16. 前記取り替え部分と前記プラットフォームとの間に、機械的な噛み合い形状を有するようにろう付け界面を形成することをさらに含んでいる、請求項９記載の方法。
  17. 使用に起因した欠陥が生じた前記部品の領域を識別するために、超合金材料を含む部品を診断すること、
    前記部品の前記領域から材料を除去すること、
    前記除去された材料を取り替えるために、前記除去された材料とは異なる超合金材料および前記除去された材料とは異なる幾何学的形状のうちの少なくとも１つを含む取り替え部分を準備すること、および
    ホウ素も珪素も含んでいないろう付け材料を用いて、前記取り替え部分を、前記除去された材料の代わりに前記部品内に設置すること、
    を含んでいる、
    ことを特徴とする方法。
  18. 少なくとも２つの軸の周りに、機械的な噛み合いを提供するろう付け界面幾何学的形状を形成するために、前記材料を除去すること、および、前記取り替え部分を準備することをさらに含んでいる、請求項１７記載の方法。
  19. 山部と谷部とを含んでいる、テクスチャー加工された表面を有するように、前記取り替え部分を形成すること、および
    前記テクスチャー加工された表面にわたって熱バリアコーティングを堆積させること、
    をさらに含んでいる、請求項１７記載の方法。
  20. 所定の寸法を有する前記取り替え部分を事前形成すること、および
    当該事前形成された取り替え部分を受容する前記部品を準備するために前記所定の寸法に応じて前記材料を除去すること、
    をさらに含んでいる、請求項１７記載の方法。
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