JP4021883B2 - タービン部材の修理方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン部材の修復に関する。より詳細には、本発明は、摩耗または損傷したガスタービンエンジンのファンブレード、および圧縮機ブレードおよびベーンの修復に関する。

ガスタービンエンジンの構成部材は、摩耗および損傷を受ける。特定の構成部材の穏やかな摩耗および損傷でさえ、エンジンの適切な運転を妨げ得る。問題となる特定の領域は、さまざまなブレードおよびベーンのエーロフォイルを含む。摩耗および損傷は、これらの空力学的効率を妨げ、動的な力の不均衡を生じ、より極端な場合には摩耗／損傷部品を構造的に危険に曝しさえし得る。限定的な再調整が、わずかに摩耗または損傷したエーロフォイルのために一般に行われており、そこでは、付加的な材料が、摩耗／損傷部のさらに下まで除去されて、エーロフォイルに、元のまたは以前の輪郭よりは小さいけれども、相対的に効率的で清浄な部分的輪郭を与える。このような再調整を行うことができる限界を確立する例示的な検査基準は、プラット アンド ホイットニー ＪＴ８Ｄエンジンマニュアル（Ｐ／Ｎ７７３１２８）、ＡＴＡ７２−３３−２１、検査−０１、ユナイテッド テクノロジーズ コーポレーション、イースト ハートフォード コネチカット、に示されている。このような限界は、位置および特定の用途に応じてエーロフォイル間で相違し得る。限界は、除去できる材料の量を制限する構造および特性の配慮に基づく。

さまざまな技術が、ガスタービンエンジンの摩耗または損傷した構成部材のより広範囲に亘る修復のために提案されて来た。米国特許第４，８２２，２３８号は、ニッケル基またはコバルト基超合金材料を堆積させるためのプラズマトーチの使用を開示する。米国特許第５，７３２，４６７号は、そのようなタービン部材内の亀裂を修理するための高速オキシ燃料（ＨＶＯＦ）および低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）技術の使用を特定している。さらに、米国特許第５，７８３，３１８号は、レーザ溶接およびプラズマ移動アーク溶接に加えてＬＰＰＳ技術を特定している。米国特許第６，０４９，９７８号は、ＨＶＯＦ技術の使用をさらに特定している。このような技術は、元のまたは元に近い断面を修復するのに置き換え材料を堆積させる限定的能力を提供して来た。しかしながら、置き換え材料の構造的特性は、基体材料の構造的特性に比較して実質的に制限され得る。
米国特許第４，８２２，２４８号明細書 米国特許第５，７３２，４６７号明細書 米国特許第５，７８３，３１８号明細書 米国特許第６，０４９，９７８号明細書

特に、より大きな損傷では、損傷を修理するのに所定の位置に溶接できる予め形成された差し込み材を使用することが知られている。このような差し込み材では、損傷した領域は、予め決められた差し込み材の形状に切り取られ、次に、差し込み材が、所定の位置に溶接される。溶接に関連する構造的な限界は、そのような修理技術の能力を、他の技術のようにエーロフォイルの相対的に応力の低い領域に制限する。エンジン修理マニュアルは、溶接修理が許容される低応力領域を指定するのが一般的である。従って、摩耗／損傷の程度と、摩耗／損傷した領域が受ける応力との実質的な組み合わせが、そのような技術の使用を制限し得る。高応力領域は、通常、ファンブレードの中間スパンシュラウドの近く（特に、胴体中心寄り）の領域を含む。

従って、本発明の一態様は、損傷部位から第１の材料を失ったＴｉ合金構成部材を修復する方法を含む。付加的な材料が、基体表面を生成するように少なくとも損傷部位から部分的に除去できる。Ｔｉ基材料は、少なくとも第１の材料および付加的な材料の代わりに部分的に基体表面の頂上に物理的に堆積される。

さまざまな実施において、Ｔｉ基材料は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、またはＴｉ−８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏとすることができ、構成部材の基体のＴｉ合金と実質的に同一とすることができる。付加的な材料の除去は、大部分が、構成部材の損傷を受けていない部分からのものとなり得る。堆積される材料は、本質的に大部分が、あるいは全面的に、最初の付加的な材料に置き換わり得る。構成部材は、基部およびエーロフォイルを有するブレードとすることができ、損傷部位は、エーロフォイルの中間スパンシュラウドの胴体中心寄りのエーロフォイルの前縁に沿うものとすることができる。損傷部位は、一例として、エーロフォイルのスパンの１５％を超えないまで、中間スパンシュラウドの胴体中心寄りになり得る。損傷部位は、中間スパンシュラウドの胴体中心寄りのそのようなスパンの３０％と、中間スパンシュラウドの胴体中心から離れた方のそのようなスパンの２０％との間に位置し得る。そのような胴体中心寄りおよび胴体中心から離れた方の限界は、より狭く、２０％および１０％になり得る。第１の材料は、少なくとも２．０ｍｍの深さまで失われることができる。方法は、堆積される金属材料が基体表面および裏当て部材上に堆積するように、除去の後に、損傷部位に隣接して突出する裏当て部材を構成部材に施すことをさらに含むことができる。方法は、第２の基体表面を生成するように、少なくとも部分的に裏当て部材を除去し、隣接する堆積された材料および構成部材の予め存在する材料を機械加工することをさらに含むことができる。次に、より多くの金属が、第２の基体表面の頂上に物理的に堆積され得る。堆積させることは、蒸着、電子ビーム物理蒸着、および電子ビームフラッシュ蒸着を含み得る。

本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明内に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、および請求項から明らかになるであろう。

さまざまな図面内の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示している。

図１は、ガスタービンエンジンのファンブレード２０を示す。ブレードは、ブレードをディスク（図示せず）に取り付けるように構成された、胴体中心寄りのブレード基部２２を有する。プラットホーム２４が、プラットホームから先端２８に延びるエーロフォイル２６からブレード基部を隔てている。エーロフォイルは、前縁３０および後縁３２を有し、吸気面３４および圧力面３６が、前縁３０および後縁３２の間に延びている。例示的なブレードでは、プラットホームと先端の間のスパンに沿う中間位置に、中間スパンダンパーシュラウド凸部４０が、圧力面および吸気面のそれぞれの表面から延びている。

圧力面および吸気面の凸部４０それぞれは、ブレード振動を減衰させるように隣接するブレードの吸気面および圧力面の凸部と相互作用し得る。隣接する凸部との中間スパンシュラウド凸部の相互作用からの力に沿う中間スパンシュラウド凸部の回転質量は、これらの凸部の最も近くおよびその胴体中心寄りの領域において、ブレードに高い応力をかける。これらの応力は、より低い応力を受ける他の領域に比較してこれらの領域の修理の可能性を制限し得る。電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）は、低い残留応力を有し、かつ、下に位置する基体材料と実質的に同じ特性を有する、修理材料を堆積させるのに使用できることが発見された。堆積された材料は、溶接修理技術に比較して、向上した強度と、基体材料への向上した付着性とを有し得る。堆積は、過渡的な液相が存在せずに蒸気雲からの直接の凝固により生じるのが有利である。

図３は、前縁に最も近いエーロフォイルを欠けさせあるいはそれに切り欠きを生じさせて損傷した前縁部分３０’を生成する異物損傷（ＦＯＤ）などに関連する局所的な損傷を示す。図４は、位置３０’’まで腐食した前縁などのより一般的な損傷を示す。損傷部位は、汚染物質が浄化されているのが有利である。基体材料のさらなる除去は、堆積を受けるのに有利な基体表面を提供し得る。例示的な修復処置では、損傷／摩耗の後に、ブレードの残りの基体材料は、傾斜した前縁の小面または基体表面５０（図５）を与えるなどといった予め設定された形状構成に研削される。小面は、凹状圧力面３６に対する内角θ₁で示される。例示的なθ₁は、１２０°を超え、より狭くは、１２０°−１３０°である。小面５０の位置／配置は、多数の要因に依存し得るものであり、与えられた修理設備において、エーロフォイル上の与えられた位置におけるどのような損傷も同様の機械加工になるように、損傷の位置に基づいて固定され得る。

随意に例示された変形物においては、裏当て足場／覆い部材５２（図６）が、失われた／除去された材料の位置に隣接して小面５０を越えて突出するように、エーロフォイルに取り付けられる。例示的な実施態様では、裏当て部材５２は、第１の表面５３と第２の表面５４とを有する金属製（例えば、アルミニウム）テープとすることができ、第１の表面５３の後縁部分は、吸気面３４の残りの損傷を受けていない前縁部分に取り付けられる。表面５３の前方部分は、失われた前縁３０を越えて突出しており、中間部分は、エーロフォイルの元の輪郭に沿う表面３４の失われた部分に位置合わせされて延びる。随意の変形物では、表面５３は、失われた元の表面輪郭との位置合わせのいずれの側へも、完全にあるいは部分的に延びることができる。

次に、ブレードは、照準経路５０２の線に沿って蒸気を放出する蒸気供給源５８（図７）に対して配置され得る。供給源／経路は、経路が、表面５０および３６に対する垂直から外れたわずかな角度θ₂およびθ₃内にあるのが有利である。例示的なθ₂およびθ₃は、３０°より小さい。供給源５８からの堆積は、第１の修理材料６０を堆積させる。これは、エーロフォイルの失われた元の輪郭の圧力面部分を越える表面輪郭６２まで堆積させるのが有利である。表面３６の曲率は、基体表面５０に隣接するそのような表面の堆積を受ける部分に沿うθ₃に、関連する変化を与える。

この堆積段階の後に、ブレードは、裏当て部材５２を除去し、かつ、堆積された材料６０および元の基体材料に沿って延びる第２の小面または基体表面６４（図８）を生成するように、さらに機械加工され得る。例示的な実施態様では、この機械加工処理は、吸気面３４の以前に損傷を受けていない前縁部分をさらに除去する。表面６４および３４が、経路５０２に対する垂直からほんのわずか外れるとともに、第２の付加的な材料６６が、失われた元の輪郭の吸気面部分を越える輪郭６８に到達するよう表面６４および３４の頂上に堆積するように、ブレードは、供給源５８に対して再配置され得る。堆積された材料６０および６６は、次に、失われた元の輪郭に有利なことには同一の特定の最終輪郭まで機械加工され得る（図９）。その後、付加的な表面処理と保護被覆の少なくとも一方を施すことができる。

例示的な修復材料は、ＥＢＰＶＤまたはイオン強化ＥＢＰＶＤ法により堆積されるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖである。ＥＢＰＶＤ法は、過渡的な液相が存在しない堆積を介して有利な物理的特性を与えると考えられる。ＥＢＰＶＤは、プラズマ溶射堆積などの他の方法に比較して、より低い残留応力およびより良好な付着性を有すると考えられる。例示的な堆積は、１０^-3から１０^-6トルの間の圧力、より狭くは約１０^-4トルの圧力における真空室内で実施される。例示的な堆積速度は、１０から５０マイクロメートル毎分の間、より狭くは約２０マイクロメートル毎分である。局所的な堆積は、１つまたは複数の段階で実質的に任意の深さまで堆積させることができ、別々の段階は、機械加工またはイオン供給源に対する構成部材の再配置を介在させるいくつかの組み合わせにより特徴づけられる。個別の段階は、２ｍｍを超えるか、５ｍｍを超えるか、あるいはそれをもっと超える深さまで材料を適切に堆積できる。特に高価な構成部材では、方法は、失われた特徴部を完全に置き換えるのに使用できる。例えば、ブレードが、一体のディスクおよびブレードリングから破断した場合、置き換えブレードが、ディスクから堆積できる。

同じ処理は、失われた材料が従来の修理の限界を超えている場合でさえ、エーロフォイルの後縁に、中間スパンシュラウドの前縁または後縁に、あるいは先端領域に材料を修復するのに使用できる。同様の堆積によって、縁部からより離れた吸気面または圧力面上に修理を行うことができる。そのような修理では、単一の堆積段階が、通常は十分となるであろう。凸面上（例えば吸気面の）では、相対的に平坦な小面の機械加工が、特に都合がよいものとなり得る。凹面上（例えば、圧力面の）では、凹面機械加工（例えば、二重凸面研削クイル（ｑｕｉｌｌ）を用いる）が、適切なものとなり得る。そのような凹面機械加工では、機械加工面は、その領域全体に沿って蒸気経路に垂直な所望の角度内に留まるのが有利である。

平坦な小面の研削以外の機械加工も利用できる。効果的な機械加工における最も重要な要素は、後続の堆積のために清浄な基体表面を提供することである。滑らかなのが有利であるとはいえ、所望または許容可能なレベルの粗さが提供できる。ブレードは、堆積される材料内で柱状の不連続性が存在するのを制限するように、各堆積段階において静止した状態にあるのが有利である。

本発明の１つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行い得ることが理解されるであろう。例えば、中間スパンシュラウドを有するブレードで特に有用となるとはいえ、方法は、他のブレード、他のタービン構成部材およびタービンのものでない構成部材に適用できる。特定のタービンエンジンの構成部材または他の部品あるいは被った特定の摩耗または損傷の詳細は、任意の与えられた修復の詳細に影響を及ぼし得る。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲に含まれる。

ガスタービンエンジンのファンのエーロフォイルの図である。 図１のエーロフォイルの先端内側図である。 損傷を受けた図１のエーロフォイルの部分断面図である。 摩耗を受けた図１のエーロフォイルの部分断面図である。 損傷／摩耗した表面を除去するように機械加工した後の図１のエーロフォイルの部分断面図である。 裏当て部材を施した後の図５のエーロフォイルの部分断面図である。 エーロフォイルを再生するように初期の材料を堆積させた後の図６のエーロフォイルの部分断面図である。 エーロフォイルを再生するようにさらに機械加工しかつ付加的な材料を堆積させた後の図７のエーロフォイルの部分断面図である。 さらに機械加工した後の図８のエーロフォイルの図である。

符号の説明

２０…ファンブレード
３０…前縁
３２…後縁
５０…基体表面
５２…裏当て部材
５８…蒸気供給源
６０…第１の修理材料
６６…第２の付加的な材料
５０２…照準経路

Claims (17)

1. 損傷部位から第１の材料を失ったＴｉ合金タービン構成部材を修復する方法であって、
   裏当て部材の第１の表面の第１の部分を該構成部材に沿うようにかつ該第１の表面の第２の部分を損傷部位に隣接して突出するように配置して、該第１の表面を有する裏当て部材を該構成部材に施し、
   Ｔｉ基材料が前記構成部材および前記第１の表面の第２の部分に堆積するように、少なくとも部分的に第１の材料の代わりにＴｉ基材料を物理的に堆積させる、
   ことを含むことを特徴とする方法。
2. 前記方法は、前記の施す前に、基体表面を生成するように少なくとも部分的に損傷部位から付加的な材料を除去することをさらに含み、
   前記物理的に堆積させることは、少なくとも部分的に第１の材料および付加的な材料の代わりに基体表面の頂上にＴｉ基材料を堆積させる、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記堆積されたＴｉ基材料は、大部分が第１の材料に置き換わることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記Ｔｉ基材料は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、およびＴｉ−８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏから成る群より選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記付加的な材料の除去は、大部分が、構成部材の損傷を受けていない部分からであることを特徴とする請求項２記載の方法。
6. 前記構成部材は、基部およびエーロフォイルを有するブレードであり、損傷部位は、エーロフォイルの中間スパンシュラウドの胴体中心寄りのエーロフォイルの前縁に沿うことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 損傷部位は、エーロフォイルのスパンの１５％を超えないまで、中間スパンシュラウドの胴体中心寄りにあることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記構成部材は、基部およびエーロフォイルを有するブレードであり、損傷部位は、エーロフォイルの中間スパンシュラウドの胴体中心寄りのエーロフォイルのスパンの２０％と、中間スパンシュラウドの胴体中心から離れた方のスパンの１０％との間のエーロフォイルの前縁に沿うことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記構成部材は、基部およびエーロフォイルを有するブレードであり、損傷部位は、エーロフォイルの中間スパンシュラウドの胴体中心寄りのスパンの３０％と、中間スパンシュラウドの胴体中心から離れた方のスパンの２０％との間のエーロフォイルの前縁に沿うことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 前記第１の材料は、少なくとも２．０ｍｍの深さまで失われることを特徴とする請求項６記載の方法。
11. 前記物理的に堆積させることは、電子ビーム物理蒸着を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 第２の基体表面を生成するように、少なくとも部分的に裏当て部材を除去し、隣接する堆積された材料および構成部材の予め存在する材料を機械加工し、
    より多くのＴｉ基材料を、第２の基体表面の頂上に物理的に堆積させる、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 前記Ｔｉ基材料を物理的に堆積させることは、蒸着、電子ビーム物理蒸着、および電子ビームフラッシュ蒸着から成る群より選択される方法で物理的な堆積を実施すること含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 前記物理的に堆積させることは、１０^-3から１０^-6トルの間の圧力で実施されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記物理的な堆積を実施することは、約１０^-4トルの圧力で実施されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
16. 前記金属を物理的に堆積させることは、１０から５０マイクロメートル毎分の間の速度で実施されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
17. 前記Ｔｉ基材料を物理的に堆積させることは、約２０マイクロメートル毎分の速度で実施されることを特徴とする請求項１３記載の方法。

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