JP2018086680A - ろう付けゲル、ろう付け方法およびろう付け物品 - Google Patents

ろう付けゲル、ろう付け方法およびろう付け物品 Download PDF

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Abstract

【課題】ろう付け粉末、ろう付け結合剤び粘度低下剤を含むろう付けゲルの提供。【解決手段】部品100にろう付けゲル110を浸漬被覆して、部品100にろう付けゲル110のろう付け被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有するろう付けゲル110。ろう付けゲル110を部品100の一部に塗布することを含み、ろう付けゲル110を乾燥させて部品100上にろう付け被覆を形成して、ろう付け被覆部品を形成することを含むろう付け方法。ろう付け物品は、部品100と、部品100の一部を覆うろう付け被覆とを含み、は、約0.8〜5mmの間隔及び約1mm以上の深さを有しハニカムセルの構造的特徴106を有する部品100。部品100が、タービン部品の少なくとも一部を形成するろう付け部品。【選択図】図1

Description

本実施形態は、ろう付け組成物、ろう付け方法およびろう付け物品に関する。さらに具体的には、本実施形態は、粘度低下剤を含むろう付け組成物、ろう付け物品、およびろう付け組成物を用いてろう付けされた物品を形成する方法に関する。
例えばシャフト型ラビリンスシールや回転ブレードシュラウドシールなどのある種のガスタービン部品は、高温金属合金の薄い箔のハニカム構造から構成されていることが多い。ハニカム構造は、低い重量と併せて高い構造強度をもたらす。また、ハニカム構造は、優れた犠牲摩耗面と優れたガス流シールとを同時にもたらす。ハニカムセルの間隔は、典型的には、端から端までで約0.8mm〜約3mm(約0.031インチ〜約0.125インチ)の範囲である。ハニカムセルの深さは、典型的には、約1.5mm〜約21.6mm(約0.062インチ〜約0.85インチ)の範囲であるが、用途に応じてこの範囲よりも小さくても大きくてもよい。
タービンシールのハニカム構造は、温度および遠心力を増大させてタービン運転中のタービン材料の膨張を可能にする。ハニカム構造はバッキング構造にろう付けされることが多い。ろう付けにより、ハニカムの金属箔がバッキング構造の金属に接合される。比較的柔軟な材料のハニカム構造の犠牲層が、ブレード経路に沿ってタービン壁に組み込まれた広いスロットにろう付けされ、ブレードを伸展させる。比較的硬質なブレード先端が、比較的柔軟なハニカムシュラウドシールへの経路を切断し、これによりブレードとタービン壁の完全性を保持する。
所望の摩耗面を得るためには、ハニカム材料はブレード材料よりも柔軟でなければならない。ろう付け材料は、ろう付け後にハニカム材料よりも硬くなる傾向があることから、ハニカムの摩耗面におけるろう付け材料の量を最小にしてブレードの摩耗を避けることが重要である。しかしながら、ハニカムの構造のために、ろう付け材料をハニカムの基部に塗布してバッキング構造にろう付けすることは困難である。
ろう付けテープ、ろう付け粉末およびろう付けペーストは、ハニカム構造をバッキング構造にろう付けするためにそれぞれ使用することができるが、それぞれ欠点がある。ろう付けテープは、ハニカムの基部の金属箔に均等かつ最小限の量を加えるが、ろう付けテープは、ろう付け組成物が必要でないかまたは望ましくない金属箔の間の空きスペースを覆うため、ろう付け材料の浪費となる。また、ろう付けテープは高価であり、ろう付け前の剥離を防ぐために注意深く取り扱わなければならない。ろう付け粉末は、手でふりかけるか自動シュートによってハニカムセルに添加することができるが、各ハニカムセルの空きスペース全体を覆う粉末層を塗布しなければならず、ろう付け粉末の上にセメントを噴霧してろう付けする前に所定の位置にろう付け粉末を保持しなければならない。最後に、ろう付けペーストの粘度はハニカムの基部に少量の一定量のろう付けペーストを供給することを困難にし、ろう付けペーストがタック溶接の品質に悪影響を及ぼす可能性がある。
米国特許出願公開第20150027679号
例示的な実施形態では、ろう付けゲルは、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含む。ろう付けゲルは、部品にろう付けゲルを浸漬被覆して、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。
別の例示的な実施形態では、ろう付け方法は、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含むろう付けゲルを部品の一部に塗布することを含む。ろう付け方法はまた、ろう付けゲルを乾燥させて部品上にろう付け被覆を形成して、ろう付け被覆部品を形成することを含む。ろう付けゲルは、部品にろう付けゲルを浸漬被覆して、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。
別の例示的な実施形態では、ろう付け物品は、部品と、部品の一部を覆うろう付け被覆とを含む。ろう付け被覆は、ろう付けゲルを乾燥させることによって形成される。ろう付けゲルは、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含む。ろう付けゲルは、部品にろう付けゲルを浸漬被覆して、部品にろう付けゲルを塗布するのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。
本発明の他の特徴および利点は、例えば、本発明の原理を例として図示する添付の図面と合わせて、好適な実施形態に関する以下のさらに詳細な説明から明らかになるであろう。
本開示の実施形態におけるろう付けゲルに接触する部品の一部の斜視図である。 乾燥したろう付け被覆で部分的に被覆された図1の部品を含むろう付け物品の斜視図である。 図2のろう付け物品と、ともにろう付けされる準備が整ったバッキング部材の概略断面図である。 図3のろう付け物品およびバッキング部材を含むろう付けされた物品の斜視図である。
可能な限り、同一の参照符号が同一の部品を表すために図面の全体にわたって使用される。
例示的なろう付けゲル、ろう付け方法およびろう付け物品が提供される。本開示の実施形態は、本明細書に記載の特徴のうち1つ以上を使用しない組成物、方法および物品と比較して、従来のろう付けペーストよりも低い粘度を有するろう付けゲルを提供するか、ろう付けテープをハニカムろう付けに置き換えるか、ろう付けテープを使用しないハニカムろう付けを提供するか、安価なろう付け被覆を提供するか、小さな構造的特徴を有する部品にろう付け被覆を提供するか、従来のろう付けペーストよりも良好に部品表面に付着するろう付けゲルを提供するか、またはそれらの組合せを提供する。
図1を参照すると、ろう付け方法は、部品100の第1の端部102(図2参照)をろう付けゲル110に接触させて、第1の端部102を含む部品100の一部をろう付けゲル110で被覆することを含む。図1は、ろう付けゲル110が容器120に保持されている浸漬被覆法を示しているが、スプレーコーティングまたは刷毛塗りを含むが、これらに限定されない他の接触法を用いてもよい。部品100は、ハニカムセルの形態の構造的特徴106を含む。ろう付けゲル110は、部品100の第1の端部102を被覆するが、ろう付けゲル110は、部品100の第2の端部104と接触しない。ろう付けゲル110を部品100の第1の端部102に塗布した後、部品100を容器120から取り出し、ろう付けゲル110を部品100の被覆表面上で乾燥させる。いくつかの実施形態では、乾燥中にろう付けゲル110が部品100の上部にくるように、部品100を上下逆さまにする。いくつかの実施形態では、部品100は、乾燥中に部品100の下側部分である被覆表面によって保持される。乾燥は周囲温度および大気条件下で行うことができるか、加熱、空気流および/または真空を用いて乾燥時間を短縮することができる。
図2は、部品100と、部品100の第1の端部102を含む被覆部108上で乾燥されたろう付け被覆130とを含むろう付け物品125を示す。図2に示す上端部である部品100の第1の端部102は、バッキング部材140(図3参照)にろう付けできる状態にある。ろう付け物品125は第1の端部102がバッキング部材140に面するように裏返され、次いで部品100がバッキング部材140にろう付けされる。
図3では、ろう付け前の構造的特徴106とバッキング部材140との間の直接的な接触を可能にするために、部品100の構造的特徴106の第1の端部102上のすべてのろう付け被覆130が、大部分または実質的に除去されている。図3に示すように、ろう付け被覆130は、構造的特徴106の上に薄い層のみを形成する。ろう付け被覆130の厚さは、好ましくは、部品100とバッキング部材140との間に良好なろう付けを形成するのに十分な材料を提供しながら、廃棄物を少なくするために予め定められた過剰量を超えるろう付け材料を供給しないように選択される。ろう付け被覆130は、構造的特徴106の間の空間を覆わない。タック溶接を用いて、ろう付け前にバッキング部材140に部品100を一時的に取り付けることができる。
ろう付け被覆130をろう付け温度に加熱してろう付け被覆130を溶融させることにより、ろう付けが行われる。いくつかの実施形態では、ろう付け物品125とバッキング部材140とのアセンブリを炉内に配置して、ろう付け被覆130をろう付け温度まで加熱する。ろう付け被覆130から溶融したろう付け材料の少なくとも一部が、構造的特徴106の第1の端部102とバッキング部材140との間を流れて、バッキング部材140に部品100をろう付けする。
図4は、バッキング部材140にろう付けされた部品100を含むろう付けされた物品150を示す。部品100は、均一なろう付けによってバッキング部材140に良好にろう付けされ、部品100の被覆部108の反対側の第2の端部104にまたはその近くにろう付け材料112を有しない。ろう付け後、部品100の構造的特徴106の側壁の下部にろう付け材料112の薄い層が残っていてもよい。
ろう付けゲル110は、少なくとも1つのろう付け粉末と、少なくとも1つのろう付け結合剤と、少なくとも1つの粘度低下剤とを含む。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル110は、ろう付け粉末と、ろう付け結合剤とを含み、粘度低下剤を含まないろう付けペーストのペースト粘度未満のゲル粘度を有する。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル110は、部品100に浸漬被覆して、部品100にろう付けゲル110の被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル110は、部品100にスプレーコーティングして、部品100にろう付けゲル110の被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル110は、部品100に刷毛塗りして、部品100にろう付けゲル110の被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル110は、ゲル様の粘稠性を有する。粘度低下剤は、好ましくは、ろう付けゲル110の約0.1重量%〜約5重量%の範囲で存在する。いくつかの実施形態では、粘度低下剤は、ろう付け粉末およびろう付け結合剤のろう付けペーストと混合されて、ろう付けゲル110を形成する。他の実施形態では、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤は、ろう付けゲル110を得るために任意の順序および任意の数の工程または段階で組み合わされ、混合されてもよい。
本明細書で使用する場合、「ろう付け粉末」は、ろう付けが施される基材の溶融温度よりも低いろう付け温度で溶融する任意の金属粉末組成物を指す。
本明細書で使用する場合、「ろう付け結合剤」は、ろう付け粉末と混合してろう付けペーストを作製するための担体として機能する任意の組成物を指す。
本明細書で使用する場合、「粘度低下剤」は、少なくとも1つのろう付け粉末および少なくとも1つのろう付け結合剤を含むろう付けペーストと混合された場合に、ろう付けペーストの粘度を低下させる任意の組成物を指す。
本明細書で使用する場合、「ろう付けゲル」は、少なくとも1つのろう付け粉末と、少なくとも1つのろう付け結合剤と、少なくとも1つの粘度低下剤とを含む任意の組成物を指す。いくつかの実施形態では、粘度低下剤は、部品にろう付けゲルを浸漬被覆して、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度をろう付けゲルに与えるのに十分な量で存在する。いくつかの実施形態では、粘度低下剤は、部品にろう付けゲルをスプレーコーティングして、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度をろう付けゲルに与えるのに十分な量で存在する。いくつかの実施形態では、粘度低下剤は、部品にろう付けゲルを刷毛塗りして、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度をろう付けゲルに与えるのに十分な量で存在する。
いくつかの実施形態では、部品100はタービン部品である。いくつかの実施形態では、タービン部品は、ラビリンスシール、シュラウドシールまたはダイアフラムシールの一部である。
ろう付けゲル110は、約40重量%〜約95重量%のろう付け粉末、最大約59.9重量%のろう付け結合剤、および約0.1重量%〜約5重量%の粘度低下剤を含み得るか、約60重量%超〜約80重量%のろう付け粉末、約15重量%〜約39.9重量%のろう付け結合剤、および約0.1重量%〜約5重量%の粘度低下剤を含み得るか、約70重量%〜約75重量%のろう付け粉末、約20重量%〜約29.9重量%のろう付け結合剤、および約0.1重量%〜約5重量%の粘度低下剤を含み得るか、ろう付け粉末とろう付け結合剤とを3:1の重量比で含み得るか、約75重量%のろう付け粉末、約20.9重量%〜約25重量%のろう付け結合剤、および約0.1重量%〜約5重量%の粘度低下剤を含み得るか、それらの間の任意の範囲または部分範囲でそれらを含み得る。
ろう付けゲル110は、約0.1重量%〜約5重量%の粘度低下剤を含むか、約1重量%〜約4重量%の粘度低下剤を含むか、約2重量%〜約3重量%の粘度低下剤を含むか、約0.1重量%〜約1重量%の粘度低下剤を含むか、約4重量%〜約5重量%の粘度低下剤を含むか、それらの間の任意の範囲または部分範囲でそれを含む。
ろう付け粉末の組成は、アルミニウム、コバルト、銀系ろう付け合金、金系ろう付け合金、銅系ろう付け合金、ニッケル系ろう付け合金、アルミニウム系ろう付け合金、コバルト基合金、ニッケル基合金、またはそれらの組合せを含んでもよいが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態では、結合剤は、有機ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、結合剤は、水性アクリル樹脂系結合剤を含む。いくつかの実施形態では、結合剤は、水、ポリビニルアルコール、イソプロパノール、4−メチル−2−ペンタノン、またはそれらの組合せを含む。
粘度低下剤は、塩化アンモニウム(NH4Cl)、フッ化アンモニウム(NH4F)、臭化アンモニウム(NH4Br)、塩化クロム(II)(CrCl2)、塩化クロム(III)(CrCl3)、塩化アルミニウム(AlCl3)、またはこれらの組合せを含んでもよいが、これらに限定されない。
部品100は、限定するものではないが、ニッケル基合金、コバルト基合金、またはそれらの組合せを含み得る任意の高温金属から作製され得る。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル110は、部品100の卑金属材料に直接塗布される。他の実施形態では、ろう付けゲル110を部品100に塗布する前に、卑金属材料にアルミナイド被覆を施す。
いくつかの実施形態では、構造的特徴106は金属箔である。構造的特徴106は、約5mm未満、あるいは約4mm未満、あるいは約3mm未満、あるいは約2mm未満、あるいは約1mm未満の間隔寸法を有することができる。構造的特徴106は、少なくとも約1mm、あるいは少なくとも約1.5mm、あるいは少なくとも約2mm、あるいは少なくとも約3mm、あるいは少なくとも約5mmの深さを有することができる。いくつかの実施形態では、構造的特徴106は、部品100の断面積の約10%未満、あるいは約8%未満、あるいは約5%未満、あるいは約3%未満、あるいは約1%未満、またはそれらの間の任意の範囲もしくは部分範囲を構成し、その残りの領域は空間または空隙である。いくつかの実施形態では、金属箔はハニカム形状を有する。
いくつかの実施形態では、ろう付けゲル110は、従来のろう付けペーストと実質的にほぼ同じろう付け粉末含有量を有するが、周囲温度では従来のろう付けペーストよりも粘度がはるかに低く、容器120内のろう付けゲル110に、構造的特徴106を有する部品100を容易に浸漬して、部品100の浸漬面にろう付けゲル110を塗布することができる。いくつかの実施形態では、部品100は、ハニカム部品である。浸漬後、部品100は容器120から取り外される。部品100の浸漬部分は、きわめて薄く、きわめて均一なろう付けゲル110の層で覆われている。ろう付けゲル110を、部品100上のろう付け被覆130のきわめて薄く、きわめて均一な層まで乾燥させる。次に、部品はバッキング部材140にろう付けされる。いくつかの実施形態では、ろう付けは炉内ろう付けである。いくつかの実施形態では、ろう付けは真空ろう付けである。
ろう付けゲル110は、塗布中に部品100に良好に付着し、好ましくは従来のろう付けペーストよりも良好に付着する。部品100上で乾燥させたろう付け被覆130も、部品100の表面に強く付着する。
ろう付け方法は、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含むろう付けゲル110を部品100に塗布することを含む。ろう付け方法は、ろう付けゲル110を部品の表面上のろう付け被覆130まで乾燥させることをさらに含む。いくつかの実施形態では、ろう付け方法は、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を混合して、ろう付けゲル110を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態では、ろう付け方法は、部品100をバッキング部材140にタック溶接し、部品100をバッキング部材140にろう付けすることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、好適なろう付け温度は、少なくとも約815℃(約1500°F)、あるいは少なくとも約1090℃(約2000°F)、あるいは少なくとも約1150℃(約2100°F)、あるいは少なくとも約1175℃(約2150°F)、あるいは少なくとも約1190℃(約2175°F)、あるいは約815℃〜約1230℃(約1500°F〜約2250°F)の範囲、あるいは約815℃〜約1090℃(約1500°F〜約2000°F)の範囲、あるいは約1090°C〜約1370°C(約2000°F〜約2500°F)の範囲、あるいは約1150℃〜約1290℃(約2100°F〜約2350°F)の範囲、あるいは約1175°C〜約1230°C(約2150°F〜約2250°F)の範囲、あるいは約1190℃〜約1230℃(約2175°F〜約2250°F)の範囲、またはそれらの任意の組合せ、部分的な組合せ、範囲もしくは部分範囲である。
本発明について好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を施してもよく、その要素を等価物に置換してもよいことが当業者によって理解されるであろう。さらに、特定の状況また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に考えられる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、本発明が添付の特許請求の範囲内に属するすべての実施形態を含むことになることを意図している。
100 構成要素
102 第1の端部
104 第2の端部
106 構造的特徴
108 被覆部
110 ろう付けゲル
112 ろう付け材料
120 容器
125 ろう付け物品
125 ろう付け被覆構成要素
130 ろう付け被覆
140 バッキング部材
150 ろう付けされた物品

Claims (10)

  1. ろう付け粉末と、
    ろう付け結合剤と、
    粘度低下剤とを含む
    ろう付けゲル(110)であって、
    前記ろう付けゲル(110)は、部品(100)に前記ろう付けゲル(110)を浸漬被覆して、前記部品(100)に前記ろう付けゲル(110)のろう付け被覆(130)を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有するろう付けゲル(110)。
  2. 前記粘度低下剤が、塩化アンモニウム、フッ化アンモニウム、臭化アンモニウム、塩化クロム(II)、塩化クロム(III)、塩化アルミニウム、およびこれらの組合せからなる群から選択される請求項1に記載のろう付けゲル(110)。
  3. 前記粘度低下剤が、前記ろう付けゲル(110)の約0.1重量%〜約5重量%である請求項1に記載のろう付けゲル(110)。
  4. 前記ろう付け粉末が、前記ろう付けゲル(110)の約40重量%〜約95重量%であり、前記ろう付け結合剤が前記ろう付けゲル(110)の最大約59.5重量%である請求項3に記載のろう付けゲル(110)。
  5. ろう付け方法であって、
    ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含むろう付けゲル(110)を部品(100)の一部に塗布することと、
    前記ろう付けゲル(110)を乾燥させて前記部品(100)上にろう付け被覆(130)を形成して、ろう付け被覆部品(125)を形成することとを含み、
    前記ろう付けゲル(110)は、部品(100)に前記ろう付けゲル(110)を浸漬被覆して、前記部品(100)に前記ろう付けゲル(110)の前記ろう付け被覆(130)を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有するろう付け方法。
  6. 前記ろう付け被覆部品(125)をバッキング部材(140)にろう付けすることをさらに含む請求項5に記載のろう付け方法。
  7. 前記ろう付けが約815℃〜約1230℃(約1500°F〜約2250°F)の範囲のろう付け温度で行われる請求項6に記載のろう付け方法。
  8. ろう付け物品(125)であって、
    部品(100)と、
    前記部品(100)の一部を覆うろう付け被覆(130)とを含み、ろう付けゲル(110)から乾燥させた前記ろう付け被覆(130)は、
    ろう付け粉末と、
    ろう付け結合剤と、
    粘度低下剤とを含み、
    前記ろう付けゲル(110)は、前記部品(100)に前記ろう付けゲル(110)を浸漬被覆して、前記部品(100)に前記ろう付けゲル(110)を塗布するのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有するろう付け物品(125)。
  9. 前記部品(100)が複数のハニカムセルを含む請求項8に記載のろう付け物品(125)。
  10. 前記部品(100)が、ラビリンスシール、シュラウドシールおよびダイアフラムシールからなる群から選択されるタービン部品の少なくとも一部を形成する請求項8に記載のろう付け物品(125)。
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