JP2016534272A - 耐酸化ろう付けを用いた燃焼器ライナーパネルの修理または再生 - Google Patents

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Abstract

本発明の１つの開示された非限定的な実施例に従うライナーパネルの間隙を充填する方法は、ライナーパネルの間隙上にニッケルろう付け合金組成物を塗布するステップと、ニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすステップと、溶融サイクル後に、ニッケルろう付け合金組成物を拡散サイクルにさらすステップと、を含む。

Description

本発明は、一般に、耐酸化ろう付けによる修理または再生に用いる方法及び装置に関する。
なお、本願は、２０１３年７月１２日に米国で出願された仮特許出願第６１／８４５６８１号に対する優先権を有し、この出願は、その全体を参照することにより、本願に組み込まれる。
ガスタービンエンジン、例えば、現代の商用及び軍事用航空機に動力を供給するガスタービンエンジンは、一般に、空気流を圧縮する圧縮機セクションと、圧縮空気の存在下で炭化水素燃料を燃焼する燃焼器セクションと、結果として得られた燃焼ガスからエネルギを引き出すタービンセクションと、を有している。
燃焼器セクションは、一般に、半径方向に離間した内側ライナーパネル及び外側ライナーパネルを有しており、これらのライナーパネルは、該ライナーパネル間に環状の燃焼室を画定している。周方向に配置された燃焼空気孔の配列が、圧縮空気を燃焼室内に半径方向に流入させるように、各ライナーに沿って複数の軸方向位置で貫通している。周方向に配置された複数の燃料ノズルが、圧縮空気と混合すべき燃料を供給するように、各燃料ノズルスワラを介して燃焼室の前方セクションへと突出している。
航空宇宙用構成要素、例えば燃焼器ライナーパネルは、ガスタービンエンジンの作動中の過酷な燃焼環境に直接にさらされる結果として、熱機械的疲労（ＴＭＦ）による亀裂及び／または酸化により損傷を受ける。剥ぎ取り及び再塗装の修理が存在するが、現在では、深刻度に関わらずライナー壁パネルの亀裂及び腐食に対処する利用可能な修理は存在しない。
ガスタービンエンジンの燃焼器のライナーパネルの間隙を充填する方法が、本発明の１つの開示された非限定的な実施例に従って提供される。この方法は、ライナーパネルの間隙上にニッケルろう付け合金組成物を塗布するステップと、前記ニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすステップと、前記溶融サイクル後に、前記ニッケルろう付け合金組成物を拡散サイクルにさらすステップと、を含む。
本発明の他の実施例では、方法は、真空炉内でニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、ニッケルろう付け合金組成物の融点よりも高い温度で、ニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、約１０〜約２０分間、ニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、０．０００５トルまたはこれよりも低いトルで、かつ約２２４０°Ｆ（１２２７°Ｃ）で、１０〜２０分間、ニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、真空炉内でニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、アルゴンの１５００〜２５００ミクロン（１．５〜２．５トル）の動的分圧で、かつ２２００°Ｆ（１２０４°Ｃ）で、１０時間、ニッケルろう付け合金組成物を拡散サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、０．０００５トルまたはこれよりも低いトルで、かつ約２２４０°Ｆ（１２２７°Ｃ）で、１０〜２０分間、ニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらし、アルゴンの１５００〜２５００ミクロン（１．５〜２．５トル）の動的分圧で、かつ２２００°Ｆ（１２０４°Ｃ）で、１０時間、ニッケルろう付け合金組成物を拡散サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、１６００°Ｆ（８７１°Ｃ）まで、毎分３５°Ｆ（２°Ｃ）の最小平均速度で、ニッケルろう付け合金組成物を溶体化熱処理及び冷却サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、ニッケルろう付け合金組成物として耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を使用することを含む。
ガスタービンエンジンの燃焼器のライナーパネルの間隙を充填する方法が、本発明の開示された他の非限定的な実施例に従って提供される。この方法は、ライナーパネルの間隙の上に耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を塗布するステップと、前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を溶融サイクルにさらすステップと、前記溶融サイクル後に、前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を拡散サイクルにさらすステップと、を含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、０．０００５トルまたはこれよりも低いトルで、かつ約２２４０°Ｆ（１２２７°Ｃ）で、１０〜２０分間、ニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、１５００〜２５００ミクロン（１．５〜２．５トル）の動的分圧で、かつ２２００°Ｆ（１２０４°Ｃ）で、１０時間、ニッケルろう付け合金組成物を拡散サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、１６００°Ｆ（８７１°Ｃ）まで、毎分３５°Ｆ（２°Ｃ）の最小平均速度で、ニッケルろう付け合金組成物を溶体化熱処理及び冷却サイクルにさらすことを含む。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、方法は、耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を塗布する前に、酸化副生成物を除去することにより、間隙の付近に領域を準備することを含む。
ガスタービンエンジンが、本発明の開示された別の非限定的な実施例に従って提供される。このガスタービンエンジンは、耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物で充填された間隙を有してなるライナーパネルを備えている。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、間隙は、幅が０．０１０”（０．２５ｍｍ、１０ｍｉｌ）を超えず、表面腐食が約０．０４”（１ｍｍ、４０ｍｉｌ）よりも少ない。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、間隙内の耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）よりも高い溶融温度を有した合金を形成するように、耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を溶融及び溶体化熱処理する手段が設けられている。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物は、ＰＷＡ１４５５よりも優れた酸化寿命を有している。
本発明の上記任意の実施例の他の実施例では、耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物は、ＰＷＡ１４８４よりも優れた酸化寿命特性を有している。
上述の特徴及び構成要素は、他に明示的に表示される場合を除き、排他的でない種々の組合せで組み合わせることができる。これらの特徴及び構成要素および本発明の作用は、以下の説明及び添付図面に照らしてより明らかとなるであろう。しかし、以下の説明および図面は例示的なものであり、限定的なものではないことを企図していることを理解されたい。
開示した非限定的な実施例の以下の詳細な説明から、当業者にとって種々の特徴が明らかとなるであろう。
ガスタービンエンジンの概略的な断面図である。 図１に示すガスタービンエンジンに使用され得るライナーパネルを備えた環状燃焼器の部分的な断面図である。 航空宇宙用構成要素の修理方法の概略的なブロック図である。 混合作業前の図３に開示された方法による間隙修理の拡大した断面図である。
図１は、ガスタービンエンジン２０を概略的に示している。ガスタービンエンジン２０は、本明細書では、一般に、ファンセクション２２、圧縮機セクション２４、燃焼器セクション２６及びタービンセクション２８を有した２スプールターボファンとして開示されている。代替的なエンジンは、他のシステムまたは特徴部の間にオーグメンタセクション(図示せず）を有し得る。ファンセクション２２は、バイパス流路に沿って空気を送り、一方、圧縮機セクション２４は、空気をコア流路に沿って送って圧縮し、燃焼器セクション２６へと通流させ、そして、タービンセクション２８を通して膨張させる。開示した非限定的な実施例では、ターボファンガスタービンエンジンとして記載されているが、本明細書で説明される概念はターボファンに使用することに限定されるものではなく、この教示は、低圧圧縮機（ＬＰＣ）と高圧圧縮機（ＨＰＣ）との間の中間圧圧縮機（ＩＰＣ）と、高圧タービン（ＨＰＴ）と低圧タービン（ＬＰＴ）との間の中間圧タービン（ＩＰＴ）と、を中間スプールが有してなる（ファンを付加した）３スプールエンジン、または、圧縮機、燃焼器及びタービンのみを有し、単一のスプールでタービンと圧縮機とを直接駆動または減速式構造で接続してなる単一のスプールタービンに適用され得ることを理解されたい。
図２を参照すると、燃焼器セクション２６は、一般に、燃焼器外壁３２及び燃焼器内壁３４を有した燃焼器３０を備えており、燃焼器外壁３２及び燃焼器内壁３４は、これらの壁３２，３４の間に燃焼室３６を画定している。燃焼室３６は、概ね環状の形状をなしている。各壁３２，３４は、一般に、１つまたは複数のそれぞれのライナーパネル４０を支持するそれぞれの支持シェル３８を有する。ライナーパネル４０は、概ね環状の形状とされ得る、燃焼室３６を覆うライナー配列を画定している。ライナーパネル４０の各々は、概ね直線状であり、例えばニッケル基超合金で製造され得る。
ライナーパネル４０は、ガスタービンエンジン２０の作動中の過酷な燃焼環境に直接にさらされる結果として、熱機械的疲労（ＴＭＦ）による亀裂及び／または酸化により損傷を受けることがある。このようなＴＭＦ損傷は、概略的に間隙５０として示されており、限定するものではないが、亀裂、空隙、摩耗面、または他の欠陥を含む。しかし、本修理方法１００の間隙５０は、幅が０．０１０”（０．２５ｍｍ、１０ｍｉｌ）を超えず、表面腐食が約０．０４”（１ｍｍ、４０ｍｉｌ）よりも少なくなければならない。
図３および図４を参照すると、修理方法１００の１つの開示された非制限的な実施例は、例えば、脱脂、フッ化物イオン洗浄、グリットブラスト、水素炉洗浄、真空洗浄、及び／または、燃焼ガスで形成された酸化物を間隙５０から除去する他の方法により、ライナーパネル４０を準備すること（ステップ１０２）を最初に包む。この方法を容易にする代替的または追加の洗浄及び準備ステップが代替的に実行され得ることを理解されたい。
そして、ニッケルろう付け合金組成物５２、例えば耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物が、間隙５０の上でライナーパネル４０に塗布される（ステップ１０４、図４）。ニッケルろう付け合金組成物５２は、ライナーパネル４０を形成するニッケル基超合金と適合性がある。１つの態様では、ライナーパネル４０は、産業の仕様でＰＷＡ１４５５基合金として知られるニッケル基超合金で形成される。耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物の例は、商標「ＴＵＲＢＯＦＩＸ」の下で入手可能である。
１つの開示された非限定的な実施例では、ニッケルろう付け合金組成物５２は、ベースパワー合金つまり融点降下剤例えばボロンを有した合金粉末と、ろう付け結合剤例えばセルロースのような有機媒介物と、の組み合わせを有している。例えば、ニッケルろう付け合金組成物５２は、５０〜８０％のベースパワー合金及び１０％のろう付け結合剤を有することができ、残部は、融点降下剤を有した合金粉末を有することができる。種々の他の組み合わせ及び成分が、代替的に用いられ得る。
より具体的には、例示的なニッケルろう付け合金組成物は、第１のニッケル合金及び第２のニッケル合金の混合物を備えている。第１のニッケル合金は、約４．７５重量％〜１０．５重量％のクロム、約５．５重量％〜６．７重量％のアルミニウム、約１３重量％までのコバルト、約３．７５重量％〜９．０重量％のタンタル、約１．３重量％〜２．２５重量％のモリブデン、約３．０重量％〜６．８重量％のタングステン、約２．６重量％〜３．２５重量％のレニウム、約０．０２重量％までのボロン、約０．０５重量％〜２．０重量％のハフニウム、約０．１４重量％までの炭素、約０．３５重量％までのジルコニウム、及び、残部のニッケルを備えている。第２のニッケル合金は、約２１．２５重量％〜２２．７５重量％のクロム、約５．７重量％〜６．３重量％のアルミニウム、約１１．５重量％〜１２．５重量％のコバルト、約５．７重量％〜６．３重量％のシリコン、１．０重量％を超えない量のボロン、及び、残部のニッケルを備えている。
別の態様では、ニッケルろう付け合金組成物は、約２０重量％〜８０重量％の第１のニッケル合金と、約２０重量％〜８０重量％の第２のニッケル合金と、を備えている。第２のニッケル合金は、第１のニッケル合金よりも低い融解温度を有し得る。第１のニッケル合金は、約０．０２重量％までのボロンを有しており、第２のニッケル合金は、１．０重量％を超えない量のボロンを有している。
別の態様では、ニッケルろう付け合金組成物は、第１のニッケル合金と、異なる第２のニッケル合金との混合物を有している。この混合物は、約８重量％〜２０．３重量％のクロム１、約５．５重量％〜６．７重量％のアルミニウム、約２．３重量％〜１２．９重量％のコバルト、約０．７重量％〜７．２重量％のタンタル、約０．２５重量％〜１．８重量％のモリブデン、約０．６重量％〜５．５重量％のタングステン、２．６重量％までのレニウム、約１．１重量％〜５．１重量％のシリコン、０．８重量％を超えない量のボロン、１．６重量％を超えない量のハフニウム、約０．１２重量％までの炭素、約０．３重量％までのジルコニウム、及び、残部のニッケルを有する組み合わされた組成物を備えている。
ニッケルろう付け合金組成物５２は、比較的薄いビードとして、例えば外科用注射器または他の精密塗布器で、間隙５０の上に塗布され得る。すなわち、ニッケルろう付け合金組成物５２は、基本的に、直径が約０．０３〜０．０６インチ（０．８〜１．５ｍｍ）の細長いビードとして塗布され得るスラリーである。代替的に、ニッケルろう付け合金組成物５２は、ペイント、ペーストまたはプリフォーム、未焼結または予焼結の状態で塗布され得る。
めっき防止境界部５４（図４参照）が、間隙５０の境界を区切るように任意選択的に塗布され得る（ステップ１０６）。めっき防止境界部は、酸化物基組成物または他の材料とすることができる。
そして、ライナーパネル４０は、溶融サイクル（ステップ１０８）のために真空炉内に配置される。１つの開示された非限定的な実施例では、溶融サイクルは、０．０００５トルまたはこれよりも低いトルで、かつ２２４０°Ｆ（１２２７°Ｃ）で、１０〜２０分間、行われる。
次に、ライナーパネル４０は、拡散熱処理サイクル（ステップ１１０）のために真空炉内に配置される。１つの開示された非限定的な実施例では、拡散サイクルは、修理用構成要素のベース合金からのクロムの蒸発及び後続の空乏を抑制するように、アルゴンの１５００〜２５００ミクロン（１．５〜２．５トル）の動的分圧で、かつ２２００°Ｆ（１２０４°Ｃ）で、１０時間、行われる。
そして、ライナーパネル４０は、溶体化熱処理及び冷却される（ステップ１１２）。１つの開示された非制限的な実施例では、溶体化熱処理及び冷却サイクルは、１６００°Ｆ（８７１°Ｃ）まで、毎分３５°Ｆ（２°Ｃ）の最小平均速度で行われる。この後、ニッケルろう付け合金組成物５２は、最初のろう付け形態における融点よりも高い熱処理後の融点を有することができる。
最後に、ニッケルろう付け合金組成物５２は、ライナーパネル４０の面へと混合され得る（ステップ１１４）。混合は、手動または機械操作で行うことができる。
本明細書に記載されたニッケルろう付け合金組成物５２及びプロセスを用いたライナーパネルの酸化テストにおいて、ニッケルろう付け合金組成物５２は、ＰＷＡ１４８４よりも約３２％優れた酸化寿命特性を有しており、また、ＰＷＡ１４８４がＰＷＡ１４５５よりも酸化寿命が優れているため、ニッケルろう付き合金組成物５２は、ＰＷＡ１４５５に対しても優れた酸化寿命を有することが明らかとなった。従って、本明細書で開示した実施例を用いた修理により、修理時間及びコストが低減し、同時に修理品質が向上する。
「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」という用語及び同様な表現は、本明細書の文脈において（特に、以下の特許請求の範囲の文脈において）、本明細書において別段指示されない限りまたは文脈により特に矛盾しない限り、単数及び複数の双方を含むように解釈すべきである。量に関して用いられる「約」の修飾は、記載の値を含み、文脈（例えば、特定の量の測定に関する誤差の程度を含んでいる）で記載された意味を有する。本明細書で開示される全ての範囲は端部のポイントを含み、端部のポイントは、独立して互いに組合せが可能である。「前方」、「後方」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」及び同様な相対位置は、乗り物の通常の作動姿勢を基準としており、その他に限定することを考慮すべきではないことを理解すべきである。
別個の非限定的な実施例は、特定の図示した構成要素を有するが、本発明の実施例は、これらの特定の組み合わせに限定されるものではない。任意の非限定的な実施例の構成要素または特徴部のいくつかは、他の任意の非限定的な実施例の特徴部または構成要素と組み合わせて使用することができる。
同様の符号は、複数の図面全体を通して、対応するまたは同様の構成要素を示すものであることを理解すべきである。更に、特定の構成要素の配置が図示の実施例に開示されているが、他の配置も本発明から利益を得ることになることを理解すべきである。
特定のステップの順序が図示され、説明され、特許請求されているが、ステップは、他に示されていない限り、任意の順序で、分離してまたは組み合わせて実行することができ、本発明から利益を得ることになることを理解すべきである。
上述の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。様々な非限定的な実施例が本明細書に開示されているが、当業者であれば、上記の教示に照らして様々な修正および変更が添付の特許請求の範囲に包含されることを理解するであろう。従って、添付の特許請求の範囲内で、本開示は、具体的に説明した以外にも実行され得ることを理解されたい。そのため、添付の特許請求が真の範囲及び内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (20)

  1. ガスタービンエンジンの燃焼器のライナーパネルの間隙を充填する方法であって、
    ライナーパネルの間隙上にニッケルろう付け合金組成物を塗布するステップと、
    前記ニッケルろう付け合金組成物を溶融サイクルにさらすステップと、
    前記溶融サイクル後に、前記ニッケルろう付け合金組成物を拡散サイクルにさらすステップと、を含む方法。
  2. 真空炉内で前記ニッケルろう付け合金組成物を前記溶融サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記ニッケルろう付け合金組成物の融点よりも高い温度で、前記ニッケルろう付け合金組成物を前記溶融サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 約１０〜約２０分間、前記ニッケルろう付け合金組成物を前記溶融サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  5. ０．０００５トルまたはこれよりも低いトルで、かつ約２２４０°Ｆ（１２２７°Ｃ）で、１０〜２０分間、前記ニッケルろう付け合金組成物を前記溶融サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  6. 真空炉内で前記ニッケルろう付け合金組成物を前記溶融サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. アルゴンの１５００〜２５００ミクロン（１．５〜２．５トル）の動的分圧で、かつ２２００°Ｆ（１２０４°Ｃ）で、１０時間、前記ニッケルろう付け合金組成物を前記拡散サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. ０．０００５トルまたはこれよりも低いトルで、かつ約２２４０°Ｆ（１２２７°Ｃ）で、１０〜２０分間、前記ニッケルろう付け合金組成物を前記溶融サイクルにさらし、
    アルゴンの１５００〜２５００ミクロン（１．５〜２．５トル）の動的分圧で、かつ２２００°Ｆ（１２０４°Ｃ）で、１０時間、前記ニッケルろう付け合金組成物を前記拡散サイクルにさらすことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  9. １６００°Ｆ（８７１°Ｃ）まで、毎分３５°Ｆ（２°Ｃ）の最小平均速度で、前記ニッケルろう付け合金組成物を溶体化熱処理及び冷却サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記ニッケルろう付け合金組成物として耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を使用することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. ガスタービンエンジンの燃焼器のライナーパネルの間隙を充填する方法であって、
    ライナーパネルの間隙の上に耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を塗布するステップと、
    前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を溶融サイクルにさらすステップと、
    前記溶融サイクル後に、前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を拡散サイクルにさらすステップと、を含む方法。
  12. ０．０００５トルまたはこれよりも低いトルで、かつ約２２４０°Ｆ（１２２７°Ｃ）で、１０〜２０分間、前記ニッケルろう付け合金組成物を前記溶融サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. アルゴンの１５００〜２５００ミクロン（１．５〜２．５トル）の動的分圧で、かつ２２００°Ｆ（１２０４°Ｃ）で、１０時間、前記ニッケルろう付け合金組成物を前記溶融サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  14. １６００°Ｆ（８７１°Ｃ）まで、毎分３５°Ｆ（２°Ｃ）の最小平均速度で、前記ニッケルろう付け合金組成物を溶体化熱処理及び冷却サイクルにさらすことをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  15. 前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を塗布する前に、酸化副生成物を除去することにより、前記間隙の付近に領域を準備することをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  16. 耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物で充填された間隙を有してなるライナーパネルを備えたガスタービンエンジン構成要素。
  17. 前記間隙は、幅が０．０１０”（０．２５ｍｍ、１０ｍｉｌ）を超えず、表面腐食が約０．０４”（１ｍｍ、４０ｍｉｌ）よりも少ないことを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン構成要素。
  18. 前記間隙内に最初からある前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）よりも高い溶融温度を有した合金を少なくとも前記間隙内に形成するように、前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物を溶融及び溶体化熱処理する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン構成要素。
  19. 前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物は、ＰＷＡ１４５５よりも優れた酸化寿命を有することを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン構成要素。
  20. 前記耐酸化ろう付け（ＯＲＢ）組成物は、ＰＷＡ１４８４よりも優れた酸化寿命特性を有することを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン構成要素。
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