JP2505949B2 - 多重特性タ―ビンロ―タ内での個別タ―ビンブレ―ドの接合方法 - Google Patents

多重特性タ―ビンロ―タ内での個別タ―ビンブレ―ドの接合方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一般にガスタービンエン
ジン製造方法に関する。特に、本発明は、個別タービン
ブレードが請求項1の前文に規定された方法によりター
ビンロータに冶金学的に接合される多重特性タービンロ
ータの製造を容易にする方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンエンジンは今日航空機にし
ばしば用いられている。これらのジェット推進方式では
エンジンの上流端部で空気が吸引され、この空気の圧力
や密度、温度がコンプレッサにより上昇される。コンプ
レッサのすぐ下流では燃料が上記空気中に噴射され、燃
焼されてガス状流体にエネルギーを付与する。次に、ガ
ス状混合物は膨張し、出口ノズルに向う途中でガスター
ビン(これはコンプレッサを駆動する。)を通過する。
さらに、このガス状混合物は超高速で、またノズル周囲
の大気圧またはそれ以上の圧力で大気中に噴射される。
その結果、航空機は揚力と推進力を付与される。
【0003】最近のガスタービンエンジンは非常に、広
範な温度変化にわたる性能規格を要求することを特徴と
している。エンジン規格がサブゼロから約1093℃
(2000°F)にわたる温度での性能を要求するとい
うことは異常なことではない。したがって、これらのタ
ービンエンジンの形成に用いられる製造方法が、特定の
用途に最も適した種々の物理的性質を最適化するように
多くの材料を巧みに組み合わせることが必要になる。特
に、タービンロータは内部ハブと外向きに延在するター
ビンブレードを有したロータを備えており、これらの要
素の各々は異なる性能要件を有している。したがって、
タービンブレード要件を最大にするように構成され第1
の形の合金と内部ハブの特性を最適にするように構成さ
れた他の形の合金を用いた多重特性タービンロータが作
製される。
【0004】一般に、これらの多重特性タービンロータ
は、キャストロータリングを所望の材料からなる中実ハ
ブに拡散結合か拡散ろう付けのいずれかの方法により形
成される。このキャストロータリングはその設計に一体
にキャストされた複数のタービンブレードを有してい
る。他の方法としては、上記キャストロータリングの内
周内に適切な超合金粉末を堆積させる熱スプレイ法があ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多重特
性タービンロータを作製するこれらの公知の方法は一般
にロータリング設計中に一体的にキャストされたときに
のみ満足に用いられるものである。都合が悪いことに、
このことは通常は成りたたない。すなわち、通常は、こ
れらの多重特性タービンロータが設計される高性能用途
の場合は、タービンブレードは単結晶材料から個別に形
成され、次にタービンロータリング内の個別嵌込み部ま
たはキャビティ中に挿入されなければならない。これら
の単結晶キャストタービンブレードは要求している温度
端において、高強度であることを特徴とし、さらに薄肉
のリーディングエッジと丸み部、広幅のトレーリングエ
ッジ、さらに冷却を目的とする少なくとも1つの内部キ
ャビティを備えた比較的複雑な形状を有している。
【0006】すでに説明したように、複数の個別に挿入
された単結晶タービンブレードを有するロータリングか
ら多重特性ロータリングを作製する従来の方法にはいく
つかの問題点がある。各々のタービンブレードとロータ
リング内のその対応する嵌込み部の間には種々の幅のギ
ャップがたえず生じる。これらのギャップは、ハブをロ
ータリングに結合する前に充填あるいはマスクされない
ときは、ハブとロータリングを結合するために用いられ
る材料の望ましくない流れを許容する。特に、結合材料
は充填されてないギャップを介してタービンブレード内
の冷却用キャビティに流入する。しかし、タービンブレ
ード内の内部冷却用キャビティは高温において十分な冷
却性能を与えるように開放したままでなければならな
い。したがって、これらのギャップがハブとロータリン
グの結合以前に充填されることが必要である。しかしな
がら、上記の所望で必要結果を実現するようにギャップ
を安定に充填またはマスク満足な方法は提案されてない
のが現状である。
【0007】さらに、ロータリング内にハブを形成する
熱スプレイ法を用いるとき生じる関連する問題もある。
この方法によると、蒸気他金属スプレイを用いてロータ
リングの内側開口をビルドアップし、全体的にほぼ完全
に稠密な金属堆積物で充填するようにしている。ロータ
リングアセンブリのホットアイソスタティックは押圧の
後、堆積された金属内の残留する非接続多孔部がヒール
され、さらに高品質の冶金学的結合がロータリングとハ
ブの間に形成される。しかしながら、この方法は内部冷
却キャビティを有する個別に挿入され高性能を単結晶キ
ャストタービンブレードを備えるロータリングに対して
常時用いることはできない。その理由は、上記と同様
に、個別タービンブレードとのロータリングの対応する
キャビティの間で一定不変に形成されるギャップの存在
による。これらのギャップはマスクされてタービンブレ
ード内のコアをぬかれた冷却用キャビティ内の噴霧され
た超合金粉末のオーバスプレイを防止しなければならな
い。また、ロータリングの内周上に適切に滑らかで連続
する面を与えて熱的にスプレーされた金属粉末によるハ
ブの満足な付着に供するように上記ギャップはマスクさ
れることが望まれる。しかしながら、実際には調和した
マスキング方法を実現することは極度に困難である。
【0008】したがって、必要なものは、内部ハブにロ
ータリングを接合する工程の前に別のタービンブレード
とそのロータリングの対応する嵌込み部の間のギャップ
を充填する方法であり、この方法により現在使用してい
る接合方法に係る問題点が解消されることになる。特
に、このような方法がギャップ内に固定的に結合された
冶金学的に相溶性の材料を与えることが望まれる。さら
に、このような方法が、ギャップのサイズや性質とは関
わりなしに各々のギャップを一様に充填するように可変
量の充填金属の容易な堆積を許容することが望まれる。
【0009】本発明によるロータリング内での個別ター
ビンブレードの組付け方法は請求項1の特徴部分に規定
された特徴を特徴とする。したがって、本発明の主要な
目的は、特にロータリングに対する内部ハブの冶金学的
または形成の前に、個別タービンブレードとそのタービ
ンロータリング内の対応する保持用キャビティの間のギ
ャップを充填する方法を提供することにある。本発明の
他の目的は、上記のような方法が各々のタービンブレー
ドと保持用キャビティの間の上記ギャップ内に固定的に
結合された冶金学的に相溶性の材料を与えることにあ
る。さらに本発明の他の目的は、このような方法が各種
サイズのギャップの完全で一様な充填を許容するよう
に、電着法や特に電気スパーク堆積法を利用することに
ある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の好適な実施例に
よれば、上記およびその他の目的、ならびに利点は次に
示すように実現される。本出願者らは、ロータリングに
対する内部ハブの冶金学的接合または形成以前に、個別
タービンブレードとその対応するタービンロータリング
内の対応する保持用キャビティの間のギャップを一様か
つ確実に充填する方法を最初に提供するものであり、こ
の方法は多くの異なるサイズのギャップに対して使用が
容易である。
【0011】この方法は、電気スパーク堆積法を利用
し、1つの材料の内部ハブと他の材料の高性能タービン
ブレードを有する多重特性タービンロータの作製時の使
用に適している。タービンブレードは、適切なニッケル
ベース合金から形成されるが、タービンロータアセンブ
リを形成するようにロータリング内の対応する保持用キ
ャビティ内に挿入される。これらの要素のキャスト特性
に起因して、各々のブレードとその保持用キャビティと
の嵌合はわずかに弛く、したがってタービンブレードと
それぞれの保持用キャビティの間にはサイズが変動する
ギャップが存在することになる。タービンロータアセン
ブリは整流された交流電源の負のリードに操作的に接続
される。ニッケルベース合金と冶金学的に相溶性である
ように選択された適切な材料からなる電極が設けられ
る。この電極はコンデンサ充電回路に並列に電気的に接
続されると共に交流電源に陽に接続される。
【0012】
【作用】本発明の特徴は、各々のタービンブレードとロ
ータリングの保持用キャビティの間のギャップが冶金学
的に電極材料とブリッジされることにある。これは、電
極とタービンロータアセンブリが当接したとき電極を通
してコンデンサ充電回路を放電させることにより実現さ
れる。電極材料は、放電時には、電極からギャップに隣
接するタービンロータアセンブリのベース金属に移送さ
れ、ギャップを漸進的により小さくする。この放電ステ
ップはギャップ内で必要なものとして反復されてギャッ
プを相溶性材料と冶金学的にブリッジし、そしてそれに
よりロータリングの対応する保持用キャビティ内でター
ビンブレードの各々を剛性に結合する。次に、適切な材
料のハブが設けられ、さらにその内周においてタービン
ロータアセンブリに冶金学的に接合される。
【0013】放電電極材料は、短時間電気インパルスを
用いた電極からの材料の移送によりギャップに隣接する
タービンロータアセンブリの所望領域上に堆積され、同
時に冶金学的にその領域に合金化される。コンデンサの
放電により発生されるスパークは短時間幅であるが、こ
のスパークは電極の要部を溶融し、したがって、それが
負に帯電されたタービンロータアセンブリと正に帯電さ
れた電極の間に形成されたアークを閉じて加速され、そ
れによりベース金属上に堆積されることをもたらす。堆
積された金属は、ベース金属と接触すると、基体と合金
化し十分に稠密な冶金学的結合を形成する。含まれる時
間とエネルギーは、ベース金属に入力された全熱量が最
小で、したがってベース金属の歪および冶金学的構造変
化が省略できる程十分小さい。これは、タービンブレー
ドおよびロータリングの結晶学的構造が広い温度範囲に
わたってタービンロータの良好な性能を保証するために
は接合工程により大きく劣化されてはならないことから
本発明の特に都合のよい特徴である。
【0014】この方法によれば、各々のタービンブレー
ドとその対応するロータリング内の保持キャビティの間
のギャップ内に堆積され得る種類の充填材料に関して大
きな柔軟性が与えられる。本方法の望ましい特徴は、所
望の領域に特に適用される冶金学的に相溶性の充填金属
を利用することによりギャップが充填され、これにより
マスク手法を用いる必要性が排除されることにある。さ
らに、堆積された充填合金とベース金属の間の接触に際
して、金属の間に固定的な冶金学的結合が形成され、熱
に影響されるゾーンはほぼ形成されず、あるいはベース
金属に対する歪みも形成されない。最後に、充填合金か
ら形成された電極は手動または機械的に処理可能であ
り、各々のタービンブレードはその保持キャビティの間
のギャップ内での充填金属の堆積にわたって完全な制御
を可能とし、これにより各種サイズのギャップに対して
の使用に適したものになされる。本発明のその他の目的
および利点は以下に示す詳細な説明からさらに明らかに
なされる。
【0015】
【実施例】本願発明の出願者は、ロータリングの内周に
対するハブの冶金学的接合の前に、各々のタービンブレ
ードとその対応する保持キャビティの間のギャップを冶
金学的にブリッジすることにより、ある材料の内部ハブ
と他の材料の高性能単結晶タービンブレードを有する多
重特性タービンロータの作製を最初に容易にしている。
本発明の方法は望ましくないギャップをブリッジする電
気スパーク堆積法を利用するものである。
【0016】図1には本方法が使用するロータリング1
0が例示してある。ロータリング10はその周囲に多数
の均等に隔置された保持キャビティ16を有するように
適切な材料からキャスまたは加工される。各々のキャビ
ティ16の間には逐次挿入されたタービンブレードを適
切に保持するロータリング10の保持部分14である。
ロータリング10は、一般に、図示したように、タービ
ンエンジン内のロータリング10の組付け時の当接動作
のための平坦面リム12を有する。ロータリング10は
高温使用に適した高強度材料から形成され、好適にはい
くつかの鉄および、チタンベース合金を除くニッケルベ
ース合金も適切に用いられる。図2には本発明と共に用
いられるタービンブレード18が例示してある。このタ
ービンブレード18も高温使用に適した高強度材料か
ら、好適には単結晶ニッケルベース合金から形成され
る。ロータリング10およびタービンブレード18は使
用時に異なる物理的応力を受け、したがってこれらの2
つの要素に対しては異なる材料を用いるとよいが、好適
には、異なる材料を接合することから生じる応力を最小
にするように同じまたは類似の材料から形成されるとよ
い。
【0017】図示のように、タービンブレード18は一
般に、鋭いリーディングエッジと幅広い丸められたトレ
ーリングエッジを有するブレード部(図にはタービンブ
レード18に対するリードラインが示してある)。ベー
ス20、基部22、および少なくとも1つの内部冷却用
キャビティ24を備えている。基部22はロータリング
10の対応する保持用キャビティ16に挿入される。ベ
ース20はリング10上にブレード18を配置すると共
に適切に確保するように作用する。図3は、ロータリン
グ10のリム12および多数の保持されたタービンブレ
ード18を示すタービンロータアセンブリの側面図であ
る。個々の単結晶タービンブレード18は一般に注型さ
れ、ロータリング10は注型または機械加工されるの
で、各々のブレード18とその保持用キャビティ16の
間には一般には締り嵌めは存在しない。したがって、各
々のタービンブレード18とその保持用キャビティ16
の間にはギャップが存在する。このギャップはタービン
ブレード18と保持用キャビティ16の間の寸法差に依
存して変動する。図4にさらに明瞭に示したように、タ
ービンブレード18はロータリング内の別の保持装置2
8により保持される。すでに説明したように、タービン
ブレード18のそれぞれ基部およびベース部分22およ
び20はこれらの基部およびベース部分22、20をロ
ータリングの保持部分14に滑り込ませることによりロ
ータリングの対応する保持装置28に挿入される。各々
のブレード18のベース20はブレード18をリング1
0上に適切に配置すると共に適切に確保する。各々のタ
ービンブレード18の冷却用キャビティ24も図4に示
してある。タービンブレード18は各々の保持装置28
の上部で摩擦嵌め(32として示してある)により個々
の保持装置28内に保持される。ただし、底部保持部分
14においては、これらの部分の注型および/または機
械加工の間に生じる寸法変化に起因してタービンブレー
ド18と保持装置28の間にギャップ(充填された領域
30として示してある)が存在する。
【0018】このギャップ領域30は本発明の方法を用
いて充填され、タービンブレード18のベース領域20
およびロータリングの保持部分14を通して図4のライ
ン5−5に沿って取られた断面図である。図5にさらに
明瞭に示してある。それぞれタービンブレードの冷却用
キャビティ24の要部もこの断面図に沿って明瞭に図示
してある。ロータリングの保持部分14は一般にタービ
ンブレードのベース20を囲繞し、それらの間のいたる
所にギャップ30が存在する(充填されて示してあ
る)。ベース20と保持部分14の間のギャップが比較
的大きい領域には冶金学的に相溶性の材料、好適にはタ
ービンブレードと同じ材料から形成されたプラグ38が
この比較的大きなギャップ領域に挿入され、次に本発明
の方法により適切に溶融溶接される。
【0019】ギャップ領域30は次に示すステップによ
り冶金学的に相溶性の材料で充填される。図6に示した
ように、電極40が設けられ、この電極40は、タービ
ンブレード形成に用いられるニッケルベース合金と冶金
学的に相溶性であるように選択された適切な材料から形
成され、さらにこの電極40はロータリングの形成に用
いられる材料とも相溶性である。このようにして、単結
晶タービンブレードとロータリングは、類似でない材料
の接合に起因して生じる応力を最小にするように同じ、
または非常に類似した材料から形成されることが望まれ
る。所望の充填合金から形成された電極40とはホルダ
42内に保持されると共にタービンロータアセンブリと
も呼ばれる多数のタービンブレードを内部に挿入させた
組付けロータリングのベース金属46に電気的に接続さ
れる。すでに説明したように、極高温における性能を最
大にし、これらの要素の接合に起因する応力を最小にす
るように電極はタービンブレードの形成に用いられたも
のと同じニッケルベース超合金から形成されると最も好
適である。電極40は正に帯電され、タービンロータア
センブリ46は負に帯電され、これらの上の材料の堆積
に供される。
【0020】電極40は好適には、コンデンサ充填回路
に並列に接続されると共に図示しない交流電源に陽に接
続される。所望の電気回路を実現する他の手段を用いて
もよい。さらに、電極40は材料が堆積される領域に近
接して、特に図5に示したようにタービンブレードのベ
ース20とタービンロータの保持部分14の間のギャッ
プ30に近接して配置される。次に、充填合金(図6で
層44として示したもの、または図4および図5の充填
されたギャップ30内の材料)は、短時間電気インパル
スを用いて電極40(図6の)からのろう付け合金の移
送によりギャップ30に隣接するそれぞれ保持部分およ
びタービンブレード14および20の隣接表面上に堆積
されると共にそれらに合金化される。(ギャップ領域3
0の大きさは本発明の利点をより明らかにするために誇
張して示してある。)コンデンサは従来のように、整流
された交流電源を用いて充電され、次に図示しない独立
にトリガされるサイリスタの点火により電極40を通し
て放電される。すでに説明したように、コンデンサの放
電を実現する他の手段が技術的に知られており、代りに
使用してもよい。
【0021】放電された電極材料は、短かい時間幅の電
気インパルスを用いた電極40からの材料の移送により
ギャップ30に隣接するタービンロータアセンブリの所
望溶接領域上に堆積されると共にこの領域に同時に冶金
学的に合金化される。コンデンサの放電により発生され
るスパークは短時間幅であるが、このスパークは電極4
0の要部を溶融させ、その要部が負に帯電されたタービ
ンロータアセンブリ(ロータリングのベース金属保持部
分14およびタービンブレード18のベース20に対応
する)と正に帯電された電極40の間に形成されたアー
クを通して加速させるのに十分なエネルギーを有してい
る。全タービンロータアセンブリは好適には負に帯電さ
れて適切なスパーク作用および金属の一様な堆積を与え
る。一方、タービンロータアセンブリの要素の1つの
み、ロータリングかタービンブレードのいずれかが負に
帯電され、この要素上およびギャップ30のその側部1
4または20上にのみ材料が堆積される。この代替法に
よれば、ギャップ30は、好適な方法で両側から同時に
ブリッジされる代りに、一方から他方の側にブリッジさ
れることになる。しかしながら、すでに説明したよう
に、電極40がタービンロータアセンブリのいずれかの
要素(14または20)に当接するとき充填合金電極4
0の堆積が生じ、そして容量性回路が同時に放電され
る。なお、ギャップ30は本発明の説明のため大きく拡
大して示してあるが、実際には2つの要素14および2
0の間の距離は極度に小さい。したがって、電極40は
両要素14および20に当接する可能性が最もあり、要
素のいかなる組合せが負に帯電されたかに関わらず、1
4および20により表わされる両側からギャップ30を
同時にブリッジすることになる。タービンホイールロー
タの従来の構成法によれば、このギャップは十分には充
填されず、したがって内部ハブの引き続く接合または形
成の間に1つ以上のブレードにプラグされた空冷キャビ
ティを間接的にもたらすことになる。このため、タービ
ンブレードアセンブリの空気力学的性能が低下されるこ
とになる。
【0022】タービンロータアセンブリにより接触され
たとき電極40を通してのコンデンサの放電により発生
される電気スパークの放電が、上記の問題により、電極
材料の溶融部分がギャップ30内のベース金属上に堆積
されることをもたらす。ベース金属と当接すると、堆積
された金属は基体と合金化し、十分稠密な冶金学的結合
を形成する。そのときの時間とエネルギーは、ベース金
属に入力される全熱量が最小となる程十分小さい。した
がって、ベース金属の歪および冶金学的構造変化は省略
できる程小さくなる。このことは、単結晶タービンブレ
ードおよびロータリングの結晶学的構造が、広い温度範
囲にわたってタービンロータの満足な性能を保証するた
めには、接合工程により大きく劣化されてはならないこ
とから本発明の特に都合のよい特徴である。
【0023】充填合金電極40のスパークおよび対応す
る融解を発生させるため交流に対する約200Hzと約1
200Hzの間の周波数範囲が用いられる。この周波数範
囲は材料を溶融させるように電極40内に十分なエネル
ギーを与え、また材料の堆積速度にわたって十分な制御
を許容するものであることが決定されている。図6に示
したように、電極40は適切なホルダ42内に設けら
れ、このホルダ42はコンデンサの同時かつ連続する放
電が生じたときギャップ領域30に沿って手動または機
械的に移動される。この方法によると、電極充填合金
(図6で44として示した)が電極40と保持部分14
のベース金属とタービンロータアセンブリのブレードの
ベース20の間で接触がなされる所望の領域で堆積され
るのみである。したがって、この方法は、任意の形状の
ギャップ30の充填を容易にし、さらに電極40のギャ
ップ領域30への接近可能性のみにより制限され、した
がってこれらのタービンロータ要素のアセンブリの間で
大きな柔軟性が許容される。電極40がベース金属14
および20に当接しながら同時に振動または回転される
と電極材料40の堆積がさらに滑らかになされることが
決定されている。このような電極の運動により、電極4
0の溶融部分が堆積されるときのベース金属に対する電
極40の粘着が防止される。
【0024】この方法により、充填合金44はギャップ
30の溶接領域内でベース金属に冶金学的に結合され
る。充填されるギャップ30の表面は、ギャップ領域の
長さ方向に沿って電極40が移動されるこの堆積工程の
性質に起因して図示のように通常は滑らかではない。個
々のすみ肉が、電極40を通して電気回路が放電され、
さらに少量の電極材料が溶融されるごとに形成される。
滑らかな充填ギャップ30が要求されるときは、充填材
料30は堆積適切に機械加工または研磨され得る。
【0025】タービンブレード18は適切な高温材料か
ら形成されてもよい。適切な材料の例は、ニッケルベー
ス超合金だけでなく、ステンレススチール、鉄合金、マ
ンガン合金材料、およびチタン合金などもあげられる。
ロータリング10もこれらの適切な高温材料のいずれか
から好適に形成される。上記リストの材料のいずれかを
用いて満足な結果が得られると予想されるか、高温用途
に適した各種超合金の使用により有効な結果が得られて
いる。一般に知られる材料の呼称と本発明の方法を用い
てテストされる材料に対する元素組成(公称重量パーセ
ント)は次のようになる。 AF56:11.7%Cr、8.7%Co、2.0%Mo、
4.5%W、4.3%Ti、4.5%Ta、3.3%Al、お
よび残りNiで、これは市販の単結晶キャストニッケルベ
ース材料である。 CMSX−3:7.8%Cr、4.6%Co、0.5%Mo、
9.0%W、1%Ti、6%Ta、5.6%Al、0.1Hf、
および残りNiで、これは市販の単結晶キャストニッケル
ベース材料である。 MarM247:0.16%C、8.2%Cr、10%C
o、0.6%Mo、10%W、1%Ti、5.5%Al、0.
02%B、0.09%Zr、3%Ta、および残りNiで、こ
れは市販の等角切削(equi-axed)キャストニッケルベー
ス材料である。 PA101:0.15%C、12.6%Cr、9%Co、
2.0%Mo、4%W、4%%Ti、3.5%Al、0.01
5%B、0.1%Zr、1%Hf、および残りNiで、これは
所望の要素に形成可能な実験的なニッケルベース粉末合
金である。 MarM509:0.6%C、23.5%Cr、55%C
o、7%W、0.2%Ti、3.5%Ta、0.2%Zr、お
よび10%Niで、これは市販の等角切削(equi-axed)キ
ャストコバルスベース材料である。さらに、 HA188:0.1%C、22%Cr、39%Co、1.2
5%Mn、14%W、0.4%Si、3%Fe(最大)、およ
び22%Niで、これは市販の錬コバルトベース材料であ
る。
【0026】ニッケルベース合金は、一般に高温で例外
的に高強度を特徴とし、したがって特にタービンブレー
ドの使用に適している。コバルトベース合金はより良好
な酸化抵抗を特徴とし、したがって静置構造に対して適
している。ギャップ充填合金は、電極中に形成可能であ
ると共にブリッジされるべきニッケルまたはコバルトベ
ース金属と冶金学的に相溶性の導電性材料が用いられ
る。電極合金は容量性充電回路の電荷を導通させると共
に放電できなければならない。この容量性充電回路はタ
ービンブレードのベースとロータリングの保持部分の間
のギャップ内で適切に電極合金を堆積するように電極を
溶融させるために用いれる。好適には、電極合金は、タ
ービンロータアセンブリ要素の形成に用いられるニッケ
ルベース合金と同じ材料である。この好適な組合せは高
温において材料の性能(そしてしたがってタービンロー
タ自体)を最大にする。しかしながら、その他の冶金学
的に相溶性の材料、例えばその他のニッケルベース合金
から形成された溶接充填合金を用いることができ、同様
にニッケルまたは鉄ベース材料を用いることができる。
しかしながら、ギャップ内で高品質の溶接部を保証し、
さらに類似しない材料の接合により生じる応力を最小に
するためギャップ充填合金に対して同じ材料を用いると
最も好適である。
【0027】電極充填合金は、本発明の電気スパーク堆
積法を用いて上記超合金の各々から形成された嵌め合せ
要素の間の所定の大きさのギャップを充填するように、
上記要素上に堆積され、良好な結果が得られた。各々の
場合に、電極充填合金は使用するベース金属と同等であ
った。しかしながら、上記リストした材料の総てはほぼ
互いに相溶性であることから異なる材料の組合せにより
予測される満足な結果が得られることが予測できる。ギ
ャップをブリッジすることにより数対の要素が接合さ
れ、良好な冶金学的溶接接合が得られた。この方法より
最高約1.65mm(0.065″)幅のギャップを充填
することができ、あるいはこれに代って、この方法によ
り同様の材料の金属プラグをギャップに挿入し、次にこ
の金属プラグをタービンロータアセンブリに溶接可能で
あると信じられる。最高約0.635mm(0.02
5″)のギャップを、金属プラグを必要とせずにこの方
法を用いて常に充填できる。
【0028】本発明にしたがって電極充填合金と共に形
成された充填ギャップは稠密な冶金学的結合を示し、ベ
ース金属には熱の影響を受けたゾーンは存在しなかっ
た。充填されたギャップは適切に加熱処理されて所望の
結晶学的微細構造を与えることができる。上記に示した
材料に対して用いられた好適な電気スパーク工程のパラ
メータは次のように与えられる。先ず、個々のタービン
ブレードがロータリングの保持用キャビティ内に挿入さ
れるべきである。必要な場合は、タービンブレードは従
来通りに数箇所で仮付け溶接され、組付けおよび処理の
間にこれらのタービンブレードの対応するロータリング
キャビティ内でのブレードの満足できる保持を保証する
ことができる。ブレードとキャビティの間の嵌合は比較
的緩やかなので、これらの要素間ギャップが本発明の方
法を用いて充填されることが要求される。
【0029】次に、この方法により接合されるべき表面
が例えば研磨または機械加工などにより徹底的に清浄さ
れ大きなデブリを除去し、さらにグリッドブラスト仕上
げによりその他の異物が除去される。次に、表面がアセ
トンまたは他の従来の清浄法によりふき取られるべきで
ある。各々のタービンブレードとその保持用キャビティ
の間のギャップを冶金学的に充填するために用いられる
電極は、タービンロータアセンブリのベース金属に依存
して、上記リストの材料から形成された。これらの電極
は、振動形の電極ホルダに対して直径が2.18mm
(0.086″)、長さが508mmであり、回転形の電
極ホルダに対して直径が3.18mm(0.125″)、
長さ50.8mm(2.0″)であった。電極の先端が電
極ホルダ42のチャックから31.75mm(1.2
5″)以上には延在するべきでないことが溶接工程の最
良の制御のために好ましいものである。
【0030】次に、各々の単結晶タービンブレードとそ
の対応する保持用キャビティの間のギャップがこの方法
を用いて充填された。電極材料の溶融溶接により充填さ
れるべき領域にわたって隣接するベース金属面にアルゴ
ンガスが大気への露出を通して望ましくない酸化からこ
の領域をしゃへいするのに十分な速度で流された。実際
には、アルゴンは約283,168dm3 /hour(時間あ
たり10立方フィート)で流され、さらに冶金学的に接
合されるべき領域が電極との当接の前に約30秒アルゴ
ンでパージされ、良好な溶接結果を保証した。その他の
市販不活性ガスも用いてろう付け合金堆積工程の間に上
記領域のしゃへいのために用いることができる。次に、
電極運動が、使用ホルダの種類に依存して振動または回
転のいずれかが開始され、コンデンサを充電された。加
工物がワックスクレヨンによる着色の使用される圧力に
等価な圧力で電極に接触された。次に、この電極は電極
アークから発生された堆積電極充填合金の均一層を形成
しながら、充填されるべき所望の溶接領域に沿って移動
された。重畳パスが好適には、全表面が充填合金で一様
に被覆されるまで電極により形成される。電極の角度は
堆積工程の間加工物と約45°の角度を保つべきであ
る。
【0031】使用キャパシタンス値は約200マイクロ
ファラッドであり、周波数は約200Hzであった。約1
00ボルトの短絡電圧および約1アンペアの短絡電流が
用いられた。これらのパラメータは納得できる制限内で
変化されたが、これらの値により高品質の冶金学的溶接
がなされた。使用した電気スパーク堆積法の詳細は、
「電気放電による金属材料の移送装置(Apparatusfor T
ransfer of Metallic Materials by ELectric Diccharg
e) 」と題するSheldonに対する米国特許第4,405,
851号に示された方法に類似のものである。
【0032】さらに、タービンロータアセンブリの全内
周が、各々のタービンブレードとロータリングの間の丁
度未充填のギャップ領域の代りに、その内周近傍にこの
方法を用いて冶金学的に相溶性の材料により堆積可能な
ことが予測できる。このことは、もしそれが高い生産堆
積の設定においてより可能であり、あるいは実際的なと
き、またロータリングの内周に沿うギャップは空孔の完
全な充填を保証するように可能あるいは実際的なときは
好適である。各々のタービンブレードとその保持用キャ
ビティの間のギャップが十分に充填された後、タービン
ロータアセンブリの内周内に内部ハブが冶金学的に形成
または接合される。第1の方法は、従来の方法を用い
て、適切な材料の中実ハブ、恐らくまたニッケルベース
金属合金を提供することにあり、次にタービンロータア
センブリの内周にハブを拡散結合あるいは拡散ろう付け
することにある。本発明は、ロータリングの内周の未充
填領域近傍に冶金学的に相溶性の材料を選択的に堆積す
ることによりタービンロータアセンブリの内周を封止す
るので、ハブをタービンロータアセンブリに接合するた
めに用いられるろう付け合金がタービンブレードの冷却
用キャビティなどの望ましくない領域に流入することが
防止される。タービンロータアセンブリの全内周がこの
方法を用いて堆積される冶金学的に相溶性の材料で封止
されるとき、堆積された層も、これが拡散結合工程の間
に各種材料の間の膨張不整合を調節するコンプライアン
ト層として作用するので、拡散結合時に有利である。
【0033】タービンロータアセンブリの内周内に冶金
学的にハブを形成するために他の方法を用いることがで
きる。この方法は、ロータリングの内周内に適切な合金
粉末からハブを形成するステップを有する。合金粉末は
従来の熱スプレイ法によりロータリングの内周に堆積さ
れる。この合金粉末は、本発明の方法を用いて形成され
た充填ギャップまたは内周封止の存在のため、タービン
ブレード冷却用キャビティのいずれかに侵入することが
防止される。ハブとタービンロータアセンブリの内周の
間の冶金学的結合ならびに全ハブ密度は熱的にスプレイ
されたアセンブリの高温アイソスタティック押圧により
実現される。タービンロータアセンブリの内周内でハブ
を冶金学的に接合または形成する他の公知の方法も使用
可能である。
【0034】この方法を用いると、各々のタービンブレ
ードとそのロータリング内の対応する保持用キャビティ
の間のギャップ内に堆積可能であるか、一方ギャップ領
域の完全な充填を保証するようにタービンロータアセン
ブリの全内周近傍に堆積可能な種類の充填金属に関して
大きな柔軟性が与えられる。この方法の有利な特徴は、
特に所望領域に適用される冶金学的に相溶性の充填金属
を利用することによりギャップが充填されることにあ
り、これにより内部ハブの引き続く接合または形成時の
マスキング法の必要性が排除される。さらに、堆積され
た充填合金とベース金属とが当接した際に、金属間には
固定的な冶金学的結合が形成され、また熱の作用を受け
たゾーンはほとんど形成されず、あるいはベース金属に
対する歪みは形成されない。したがって、タービンブレ
ードの結晶学的微細構造が保持される。最後に、充填合
金から形成された電極は手作業または機械により操作可
能であり、各々のタービンブレードとその保持用キャビ
ティの間ギャップ内で充填金属の堆積にわたる完全な制
御が可能になり、これにより各種サイズのギャップに対
する使用に適したものにすることができる。
【0035】本発明は好適な実施例により説明したが、
この方法の他の形態を、例えばその他のベース金属また
は溶接充填合金を置き代えるなどにより当業者はとるこ
とができる。したがって、本発明の範囲は添付した請求
項の範囲によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】複数の保持用キャビティを有するロータリング
の例を示す正面図
【図2】図1のロータリングにより保持される内部冷却
形のタービンブレードを例示する正面図
【図3】ロータリングとこのリング内に保持された多く
の外向きに延在する内部空冷式タービンブレードを備え
たタービンロータリングを示す説明図
【図4】ロータリング内に保持される内部空冷式タービ
ンブレードと本発明の好適な方法にしたがって充填され
る上記要素間のギャップを示す図3のタービンロータア
センブリの一部を通した詳細断面図
【図5】図4のライン5−5に沿ってとられた断面図で
ある。
【図6】本発明の好適な方法による、充填合金から形成
された電極と、ベース金属、それらの内の電気結線を示
す概略説明図
【符号の説明】
10 ロータリング 12 平坦面リム 14 保持部分 16 保持用キャビティ 18 タービンブレード 20 ベース 22 基部 24 内部冷却用キャビティ 25 保持装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 F01D 5/30 F01D 5/30 (72)発明者 ジョン オリヴァー ジャコックス アメリカ合衆国,46220 インディアナ, インディアナポリス,ノース ペンシル ヴァニア 5434 (56)参考文献 特開 昭62−264831(JP,A)

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 各々が適切な金属合金から形成される一
    連のタービンブレード(18)が設けられ、これらのタ
    ービンブレード(18)がロータリング(10)内に形
    成された対応する保持用キャビティ内にそれぞれ挿入さ
    れ、次に各々のタービンブレードがタービンロータアセ
    ンブリを形成するように前記対応するキャビティ(1
    6)内に確保される前記ロータリング(10)内での個
    別タービンブレード(18)の組付け方法において、前
    記タービンブレード(18)の各々と前記対応する保持
    用キャビティ(16)の間に溶接領域が存在し、さらに
    前記対応するキャビティ(16)内に各々のタービンブ
    レード(18)を確保する方法が、タービンブレード
    (18)の前記金属合金と冶金学的に相溶性の適当な金
    属から形成された電極(40)を設けるステップと、正
    および負の放電リードをコンデンサ充電回路に操作的に
    接続するステップであって、前記正のリードが前記電極
    (40)に直接接続され、前記負のリードが前記タービ
    ンロータアセンブリに操作的に接続されるステップと、
    前記電極(40)と前記タービンロータアセンブリの間
    で接触がなされた際に前記電極(40)を通して前記コ
    ンデンサ充電回路内のコンデンサを放電させることによ
    り前記ロータリング(10)の前記保持用キャビティ
    (16)内に前記タービンブレード(18)を冶金手法
    により封止し、これにより前記電極(40)の材料が前
    記電極(40)から前記溶接領域(30)に移送される
    ステップと、前記ロータリング(10)の対応する保持
    用キャビティ(16)内に前記タービンブレード(1
    8)の各々を冶金学的に封止するように前記溶接領域
    (30)内で必要に応じて前記放電ステップを反復する
    ステップとで構成される個別タービンブレード組付け方
    法。
  2. 【請求項2】 前記金属合金は高温における使用に適し
    たニッケルベース合金である請求項1記載のロータリン
    グ(10)内への個別タービンブレード(18)の組付
    け方法。
  3. 【請求項3】 前記電極(40)が前記タービンロータ
    アセンブリに接触するとき前記電極(40)を振動また
    は回転させる手段が設けられる請求項1または2記載の
    ロータリング(10)内への個別タービンブレード(1
    8)の組付け方法。
  4. 【請求項4】 当該方法は、前記溶接領域(30)を前
    記電極(40)と接触させ、同時に前記コンデンサ充電
    回路内の前記コンデンサを放電させながら前記溶接領域
    (30)を不活性ガスで清浄にするステップをさらに備
    える請求項1から3のいずれか1項に記載のロータリン
    グ(10)内への個別タービンブレード(18)の組付
    け方法。
  5. 【請求項5】 前記電極(40)は前記タービンブレー
    ド(18)に用いられる金属合金から形成される先行す
    る請求項のいずれか1項に記載のロータリング(10)
    内への個別タービンブレード(18)の組付け方法。
  6. 【請求項6】 タービンブレード(18)がニッケルベ
    ース合金から形成される請求項1記載の方法によりター
    ビンロータアセンブリを形成するステップと、前記ロー
    タリング(10)の内周囲において冶金学的に相溶性の
    超合金ハブを前記タービンロータアセンブリに冶金学的
    に接合するステップとを備える多重特性タービンロータ
    の作製方法。
  7. 【請求項7】 前記ハブを前記タービンロータアセンブ
    リに冶金学的に接合するステップは前記ハブを前記ロー
    タリング(10)の前記内周囲に拡散ろう付けするステ
    ップからなる請求項6記載の多重特性タービンロータの
    作製方法。
  8. 【請求項8】 前記ハブを前記タービンロータアセンブ
    リに冶金学的に接合するステップは前記ロータリング
    (10)の前記内周囲に前記ハブを拡散結合させるステ
    ップを備える請求項6記載の多重特性タービンロータの
    作製方法。
  9. 【請求項9】 前記ハブを前記タービンロータアセンブ
    リに冶金学的に接合するステップは前記ロータリング
    (10)の前記内周に連続する金属の同心層を熱スプレ
    イ堆積させるステップを備える請求項6記載の多重特性
    タービンロータの作製方法。
  10. 【請求項10】 一連の保持用キャビティ(16)を内
    部に形成したロータリング(10)からなる多重特性タ
    ービンロータに使用するタービンロータアセンブリであ
    って、前記キャビティの各々は適切な単結晶超合金から
    形成されたタービンブレード(18)を収容し、このタ
    ービンブレード(18)は、実質的に前記タービンブレ
    ード(18)における前記単結晶構造の崩壊なしに冶金
    学的結合により前記適切な単結晶超合金からなる前記ロ
    ータリング(10)に冶金学的に接合されるタービンロ
    ータアセンブリ。
  11. 【請求項11】 前記適切な超合金材料は等しく切断さ
    れた(equi-axed)ニッケルベース合金である請求項10
    記載の多重特性タービンロータに使用するタービンロー
    タアセンブリ。
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