JP3825016B2 - 部品の補修方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンにおいて使用されるタービンブレードやベーンなどの構成部品を修理ないし補修するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ガスタービンブレードの先端部および後縁部の各領域は、ガス・タングステン・アーク溶接などの溶接加工を用いて、基材ないし裏打材なしで補修されている。溶接ビードは、キズや亀裂が入った面および破損した面を補強するために使用される。ここで、ブレード先端部のキズや亀裂によってブレードの内部キャビティが曝される際に問題が生じる。この場合、溶接部が空間の中へ流れ込む結果、不合格な状態になってしまう。ブレードの後縁部などの他の領域においては、溶接補修は内部の冷却機能部の閉塞という結果を招くことになり、次いで、大きな労働力を必要とするブレンディング（手直し）あるいは放電加工によって、回復ないし再構築することが必要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、タービンエンジンの構成部品を修理ないし補修するための改良された方法を提供することにある。
【０００４】
本発明の他の目的は、露出ないし解放されたキャビティ上に溶接を行うことが可能であり、溶接後の広範囲に及ぶ手直し加工や機械加工を必要としない、上述の方法を提供することにある。
【０００５】
本発明の別の目的は、内部の冷却構造（形状）の回復ないし再構築が可能である、上述の方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した各目的は、本発明の方法により達成される。
【０００７】
本発明によれば、タービンエンジン内で使用される部品を補修するための方法は、概略的には、耐熱金属材料片を部品の補修すべき領域上に配置するステップ、補修充填金属材料つまり補修充填用の金属材料を、部品を補修するのに十分な量だけ耐熱金属材料片上に蒸着（deposit）するステップ、および補修充填金属材料を溶接するステップ、を有してなるものである。耐熱金属材料は、１４５５℃（２６５１°Ｆ）以上の融点を有するものであればどのような耐熱材料であってもよく、またコーティングが施されていても施されていなくてもよい。
【０００８】
本発明の補修方法の他の詳細、および他の目的および特長は、以下の詳細な説明および添付図面に説明されている。添付図面におい同様な構成要素には同様な参照番号が付されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、ニッケルベースあるいはコバルトベース合金などの超合金材料から形成されると共に、ガスタービンエンジン内で使用される、タービンブレードやベーンなどのタービンエンジン部品を補修するための方法が提供されている。この方法は、概略的には、耐熱金属材料片を補修すべき部品の領域上に配置するステップ、補修される空間ないしスペース内を充填するのに十分な量だけ補修充填金属材料を耐熱金属材料上に蒸着すること、およびこの耐熱金属材料を溶接すること、を有してなる。耐熱金属材料は基材ないし裏当て材として、補修充填金属材料が内部冷却キャビティのような内部キャビティに入る（流れ込む）のを防止する役割を果たす。
【００１０】
図１を参照して、補修されるタービンブレードの先端部１０が例示されている。ブレードの先端部１０は補修されるべき領域１２を有している。ブレードの先端部１０は、補修される領域内に露出ないし開口した内部冷却キャビティ（内部冷却用孔）１４を有している。この状況下では、内部冷却キャビティ１４は補修材料が移入しないようにする必要がある。この目的のために、耐熱金属材料から形成された基材（裏当て材）片１６が、キャビティ１４内に補修材料が流れ込むのを防ぐために、補修すべき領域上に位置決めされる。耐熱金属材料は好ましくは１４５５℃（２６５１°Ｆ）以上の融点を有し、また最も好ましいくは１６５０℃（３０００°Ｆ）以上の融点を有している。基材１６に対して適切な耐熱金属は、ニオブ（ニオビウム）、タンタル、モリブデン、タングステン、プラチナやイリジウムなどのニッケルの融点よりも高い融点を有する金属、およびこれら合金を含んでいる。
【００１１】
耐熱金属基材１６はコーティングが施されていなくても、コーティングが施されていてもよい。補修の入熱が高い場合は、拡散バリアコーティング（diffusion barrier coating）の処理が耐熱材料へ施されてよい。限定されるものではないが、その他の処理として、アルミナやムライトなどの酸化物セラミックスが含まれる。酸化物セラミックコーティングが用いられる場合には、ケイ化物などの中間コーティング層が、コーティングの粘着を促進するために用いられてよい。セラミックでコーティングが施される場合、補修充填金属の濡れを促進するために、アルミナやムライト上にニッケルメッキが施される。このコーティングシステムにはまた、コーティングの耐酸化性を高めるために、補修の後に残されるニッケルアルミナイド層を含まれてもよい。その他、入熱が低い場合には、電解ニッケルを用いて耐熱金属基材の少なくとも１つの側上にニッケルメッキされてもよい。上述の通り、コーティングの存在によって、後続する溶接加工の間における基材の濡れが高められる。
【００１２】
耐熱金属基材１６が領域１２に位置決めされた後、補修充填金属材料２０が基材１６上に蒸着されると共に溶接工程を受ける。補修充填金属材料は、好ましくは補修すべき領域１２を充填ないし満たすのに十分な量だけ蒸着される。補修充填金属材料は、ＭＥＲＬ７２のようなコバルトベースの材料、あるいはＩＮＣＯ６２５のようなニッケルベースの材料を有して構成される。あるいは、補修充填金属は、基材合金組成の充填金属であってよい。補修充填金属材料はＴＩＧ補修溶接技術などの、従来公知のいずれかの適切な溶接技術を用いて付けられる。溶接ステップの間、合金化を防ぐために入熱は低く保たれる。
【００１３】
補修充填材料２０が固化したならば、耐熱金属基材１６は硝酸−硫酸溶液を用いた酸化学処理（酸性薬品処理）、つまり酸による化学処理により取り除かれる。溶液は、水２部に対して硝酸２部および硫酸１部を加えたものある。この混合物は溶解速度（溶出速度）を増大するために、好ましくは１５０°Ｆの温度まで加熱される。
【００１４】
あるいは、耐熱金属基材１６は、酸化熱処理（oxidizing heat treatment）を用いて取り除かれてよく、その場合、空気がブレード内を貫通する。気流は、例えば、１４００°Ｆ（７６０℃）から１６５０°Ｆ（約８９８．９℃）までの範囲における温度で、１時間から４時間までの範囲における時間だけブレード内を貫通する。酸化熱処理は炉中あるいは直接的な抵抗加熱のいずれか一方で実行されてよい。
【００１５】
耐熱金属基材の取外しは、充填材と耐熱金属との合金化が制御される場合は省略することができる。
【００１６】
図２を参照して、タービンブレードの後縁部３０を補修するための方法が例示されている。この方法において、最初に耐熱金属基材片３２がブレードの後縁部の形状およびその内部のいずれかの内部冷却キャビティの形状に適合するように切断される。レーザー切断、フォトエッチング、スタンピングあるいはウオータージェット切断（水ジェット切断）などの従来公知のいずれかの適切な切断技術が耐熱金属基材を切断するために使用できる。耐熱金属材料は上記材料のうちの１つであってよいし、また、上述の通りコーティングが施されていても施されていなくてもよい。耐熱金属基材片３２は、好ましくは、金属薄片つまり金属フォイルないし金属薄箔の形状であり、補修される領域３４上に配置される。次いで補修充填金属材料が耐熱材料片３２の上に蒸着されると共に溶接処理に充てられ、その冷却機能部３６を含むブレードの後縁部を回復ないし修復する。
【００１７】
補修充填金属材料が固まった後、耐熱金属基材は、上述したような酸化学処理、あるいは上述したような酸化熱処理のいずれかを用いて取除かれる。
【００１８】
本発明においては、耐熱金属材料が溶接基材としての役割を果たし、露出ないし開口したキャビティ上への溶接を行い、あるいは内部冷却形状（構造）を回復できる点において有用である。耐熱金属材料は必要に応じて溶接後に取除くことができ、広範囲の手直し加工、あるいはＥＤＭ機械加工などの機械加工の必要がない。この方法はインベストメント鋳造（インベストメント鋳造による成形体）の補修においては特別の有用性を有している。
【００１９】
以上の説明から明らかな通り、本発明によれば、上述した各目的、手段および特長を十分に満たす、タービンブレードの補修方法が提供される。また、以上では本発明をその特定の実施形態の内容に基づいて説明したが、上記内容から他の置き換え、変形、および変更は当業者には自明である。よって、本発明は特許請求の範囲内のこれら置き換え、変形、および変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って補修されたタービンエンジンブレードの先端部を例示した説明図である。
【図２】 タービンエンジンブレードの後縁部を補修するための技術を例示した説明図である。
【符号の説明】
１０ 先端部
１２ 領域
１４ 内部冷却キャビティ
１６ 基材（片）
２０ 補修充填金属材料
３０ 後縁部
３２ 耐熱材料

Claims (29)

  1. 部品を補修するための方法であって、
    耐熱金属材料片を補修すべき前記部品の領域上に配置するステップ、
    補修充填用の金属材料を前記耐熱金属材料片上へ、前記部品を補修するのに十分な量だけ付着すると共に前記補修充填金属材料により溶接処理を行うステップ、および
    前記溶接するステップの後に前記耐熱金属基材を取り除くステップを有してなる、ことを特徴とする方法。
  2. 前記配置するステップが、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、ニッケルの融点よりも高い融点を有する金属、およびこれらの合金からなるグループから選択された材料から形成された材料片を前記領域上に配置することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 前記配置するステップが、少なくとも１つの面にニッケルメッキを有する耐熱金属材料片を前記領域上に配置することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 前記配置するステップが、少なくとも一つの面にクロムコーティングを有する耐熱金属材料片を前記領域上に配置することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  5. 前記配置するステップが、拡散バリアコーティングを有する、耐熱金属材料片を配置することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  6. 前記配置するステップが、アルミナコーティングまたはムライトコーティングからなるコーティングを有する耐熱金属材料片を配置することを有してなる、ことを特徴とする請求項５記載の方法。
  7. 前記配置するステップが、アルミナコーティング層またはムライトコーティング層および中間ケイ化物層を有する耐熱金属材料片を配置することを有してなる、ことを特徴とする請求項５記載の方法。
  8. 前記耐熱金属材料が前記外層上にニッケルメッキを更に有する、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 前記配置するステップが１４５５℃以上の融点を有する耐熱金属材料片を前記領域上に配置することを有してなる、ことを特徴とする請求 項１記載の方法。
  10. 前記耐熱金属材料が１６５０℃以上の融点を有する、ことを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 前記部品が内部冷却キャビティを有するタービンエンジン用の部品を有してなり、および、前記配置するステップが、前記補修充填用の金属材料が前記内部冷却キャビティに入るのを防止するように前記耐熱金属材料を位置決めするステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  12. 前記耐熱金属材料が、前記部品における内部冷却キャビティの形状に適合する、切断された薄片である、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  13. 前記溶接ステップが完了した後、酸化学処理を用いて前記耐熱金属材料を取除く、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  14. 前記溶接ステップが完了した後、酸化熱処理を用いて前記耐熱金属材料を取除く、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  15. 前記配置するステップが、前記耐熱金属材料片を補修すべきインベストメント鋳造成形体の領域上に配置することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  16. タービンブレードの先端部を補修するための方法であって、
    耐熱金属基材を補修すべき領域上に位置決めするステップ、
    補修充填用の金属材料を前記耐熱金属基材上に付着すると共に前記補修充填用の金属材料を溶接するステップ、および
    前記溶接するステップの後に前記耐熱金属基材を取り除くステップを有してなる方法。
  17. 前記位置決めするステップが、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、ニッケルの融点よりも高い融点を有する金属、およびこれらの合金からなるグループより選択された耐熱金属材料片を前記補修される領域上に位置決めすることを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
  18. 前記位置決めするステップが、ニッケル含有材料がメッキされた耐熱金属材料片を前記補修される領域上に位置決めすることを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
  19. 前記位置決めするステップが、クロム含有材料でコーティングがなされた耐熱金属材料片を前記補修される領域上に位置決めすることを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
  20. 前記位置決めするステップが、酸化セラミックコーティング層、ケイ化物よりなる中間層、およびニッケルメッキされた外層を有する耐熱金属材料片を前記補修すべき領域上に位置決めすることを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
  21. 前記溶接ステップが完了した後に酸化学処理を用いて前記耐熱金属材料を取除く、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
  22. 前記溶接ステップが完了した後に酸化熱処理を用いて前記耐熱金属材料を取除く、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
  23. タービンブレードの後縁部を補修するための方法であって、
    耐熱金属材料の薄片を前記ブレードの後縁部の形状に適合するように切断するステップ、
    前記切断した耐熱金属材料の薄片を補修すべき前記後縁部の一部上に位置決めするステップ、
    補修充填用の金属材料を前記耐熱金属材料の薄片上に付着すると共に前記補修充填用の金属材料を溶接して前記補修を行うステップ、および
    前記溶接するステップの後に前記耐熱金属基材を取り除くステップを有してなることを特徴とする方法。
  24. 前記切断するステップが、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、ニッケルの融点よりも高い融点を有する金属、およびこれらの合金よりなるグループから選択された耐熱金属より形成される薄片材料を切断することを有してなる、ことを特徴とする請求項２３記載の方法。
  25. 前記薄片材料がその上にニッケルメッキを有している、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
  26. 前記薄片材料がその上にクロムコーティングを有している、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
  27. 前記薄片材料がその上にニッケルメッキされたセラミックコーティングを有している、ことを特徴とする請求項２４記載の方法。
  28. 前記溶接ステップが完了した後に酸化学処理を用いて前記耐熱金属の薄片材料を取除く、ことを特徴とする請求項２３記載の方法。
  29. 前記溶接ステップが完了した後に酸化熱処理を用いて前記耐熱金属の薄片材料を取除く、ことを特徴とする請求項２３記載の方法。
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