JP4264490B2

JP4264490B2 - ニッケル基ろう付材

Info

Publication number: JP4264490B2
Application number: JP07870597A
Authority: JP
Inventors: サミュエル・クリスティ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2017-03-31
Also published as: KR100474467B1; ID16597A; EP0800889A1; DE69702416T2; JPH1029088A; EP0800889B1; KR970069231A; US5902421A; DE69702416D1

Description

【０００１】
本発明は高温で動作しなければならない部品を修理するためのろう付材に関する。特に、本発明はガスタービンエンジンのノズルを形成するのに使用されるタイプのニッケル基超合金を修理するのに特に良く適した組成を有するニッケル基合金を含んだろう付材に関する。
発明の背景
高温コバルト基およびニッケル基超合金はノズル、燃焼器およびタービン静翼および動翼を含んだ高温で動作するガスタービンエンジン部品の製造に使用されている。厳しい高温条件下でのこのような部品の動作中には、種々なるタイプの損傷あるいは退化が生ずる。例えば、頻繁な熱サイクルにより悪化される応力のために稼働中ノズルの後縁に腐蝕およびひびが発達する傾向がある。時間と共に、このノズルの過酷な動作条件により幅１ミリメートルおよび長さ５０ミルメートルに及ぶひび割れを発現する可能性がある。高温コバルト基およびニッケル基超合金から形成される部品の費用は比較的に高いために、これらの部品を取り替えるよりは修理する方が典型的にはより望ましい。
【０００２】
特にその動作環境に適した超合金から形成されたノズルに対する修理方法はティグ溶接技術を含んでいる。しかし、超合金部品の修理に採用されたより最近のそしてコスト効果的な方策は活性拡散治癒法（activated diffusion healing ：ＡＤＨ）と呼ばれるもので、これは真空ろう付作業を要する。ＡＤＨ法は修理される超合金物品よりも低い温度で融解する合金粉末または粉末混合物を使用する。２つの粉末を組み合わせる場合は、一方の粉末は他方の粉末よりもずっと低い温度で融解するように調合され、その結果融解すると２−相混合物が形成される。真空ろう付サイクルによりろう付粉末混合物は融解され、互いにそして更に修理されている部品の超合金と合金を形成する。次いでろう付後の拡散加熱処理サイクルが行われて相互拡散が更に促進されて、ろう付混合物の再融解温度が上昇される。
【０００３】
より高い強度のそしてより高度に合金化された超合金の出現により、修理される特定の超合金に対して特殊な改善された修理材が要求されている。高い強度および修理される物品のミクロ組織に緊密に適合したミクロ組織で特徴とされる修理をもたらすろう付合金を提供することがしばしば意図されている。その結果、ＡＤＨ法およびその他のろう付修理技術に使用するためにかなりの種々のろう付合金材が開発されている。種々なる高強度のコバルト基およびニッケル基超合金に対して良く働くように多くの大いに適した修理材が調合されているが、従来技術ではある種の超合金から形成されたノズルを修理するために特別に調合されたろう付修理材を欠いている。ここにおける第一の関心事は、その特性要件がエンジンのタイプおよびその航空宇宙あるいは工業用と言った用途に依存するところの修理すべき特定のノズルに要求される機械的および環境的特性に対して、ノズル用のろう付修理材を特異的に適合させる必要があることである。
【０００４】
発明の要約
本発明の目的は、ニッケル基超合金から形成されたガスタービンエンジンノズルの修理に使用するための改善されたろう付材を提供することである。
本発明の別の目的は、このようなろう付材が、斯様なノズルの酸化された表面および大きなひびを充填しそして修理することができることである。
【０００５】
本発明の更に別の目的は、このようなろう付材が、工業用途に使用されるタイプのガスタービンエンジンノズルの過酷な動作条件に合うように特に調合された超合金から形成されたノズルの修理に特に適していることである。
本発明の好ましい実施の態様に従えば、こうしたおよびその他の目的並びに利点は以下のようにして達成される。
【０００６】
本発明によれば、物品特にニッケル基超合金から形成された工業用ガスタービンエンジンノズルを修理するためのろう付材が提供される。このろう付材は好ましくは、粉末形態をしておりそしてこの粉末とスラリーを形成する結合材のような適当な分散媒中に分散された、ニッケル基ろう付合金を含んでなっている。この結合材はろう付合金粒子を一緒に固着すると共にこれらの粒子を修理する物品に付着する働きをする。別の方法として、ろう付合金はろう付材が特にノズル上の酸化されたあるいは腐蝕された表面域に肉盛りされるのに良く適するような他の形態で提供することもできる。
【０００７】
本発明によれば、ろう付合金は工業用ガスタービンノズルの高温動作環境に耐えることができそして修理される超合金の再結晶温度より低い融解温度を有するように調合される。このろう付合金の組成は概略重量％表示で、クロム１４−２４、コバルト６−１５、ホウ素０．７−２．５、チタン１．０−２．０、アルミニウム０．６−１．０、タングステン１．０−１．４、コロンビウム０．４−０．６、タンタル０．５−０．７、鉄０．７まで、残部ニッケルおよび付随的不純物である。ここに、付随的不純物とは処理上の制限のためにろう付合金から完全に除去することは難しいが合金の所望な特性を有意義に変更あるいは劣化するに十分な量では存在しないような元素である。
【０００８】
本発明によれば、超合金ノズルを修理する方法は上記したところに従ってろう付材を調製することを含む。次いでろう付材を使用して超合金ノズル中の空隙あるいはひび割れを充填した後、ろう付材が流動してこの空隙を充填しそしてろう付合金のノズル超合金とのぬれおよび合金化を促進して、冶金学的結合が得られるのに十分な温度まで真空環境中でノズルを加熱する。本発明のろう付合金に対しては、約１２００℃（約２２００°Ｆ）までの温度がノズル超合金の再結晶を回避するのに十分に低い。その後、好ましくは超合金を熱処理にかけてろう付合金とノズル超合金との間の相互拡散をさらに促進する。
【０００９】
本発明によれば、ろう付合金はガスタービンノズルそして特に工業用ガスタービンに使用されるノズルに対して特に開発されたある種の超合金と相容性のあるように理想的に調合される。修理材としては、このろう付合金は意図される超合金ノズル中のひびおよび空隙への優れたぬれ性を示し、そして得られた修理部は慣用的に鋳造された超合金ノズルの応力−クリープ破断特性を満たすか或いはこれを上回る応力−クリープ破断特性を示す。
【００１０】
以下の詳細な記載から本発明のその他の目的および利点が更に良く理解されよう。
本発明の上述した利点およびその他の利点は添付図面に関連してなされた以下の記載から更に明らかとなろう。
発明の詳細な記述
本発明は高温で動作する必要のある部材特に第１図に示されるノズルのような工業用ガスタービンエンジンのニッケル基超合金ノズルを修理するのに適したろう付材を提供するものである。図示されたタイプのノズルは工業用ガスタービンノズルの熱的および腐蝕的逆境に耐えるように特に調合された組成を持ちそしてノズルの高温特性を促進する特定のミクロ組織を発達するように処理された超合金から形成されている。ろう付材は、相容性の組成を持ち、このような超合金の表面を容易にぬらすことができ、そして超合金の所望のミクロ組織が維持されるような修理法が可能であることにより、このような超合金ノズル内の空隙およびひび割れを修理するのに特に適している。
【００１１】
第１図には概略的にノズル１０が例示されており、そのノズル翼１４の後縁にあるひびが本発明のろう付材１２によって充填されている。ノズル翼１４は熱サイクルおよびノズル表面の酸化を促進する高温排気ガスへの露出を含めたノズル１０の過酷な動作環境のために例示されたタイプのひび割れを発展させる傾向がある。本発明のろう付材１２はこのひび割れを充填するために使用されて、ノズル１０の超合金に冶金学的に結合する修理部を形成する。
【００１２】
このろう付材の組成は、高いとはいえ、修理工程の間にノズルの所望のミクロ組織を保持するようにノズル超合金の再結晶温度より低い、融解温度を有するニッケル基ろう付合金粒子を含んでいる。更に、ニッケル基ろう付合金は修理する超合金の組成に密に適合するように調合される。図に示したタイプの第二段および第三段工業用ガスタービンノズルに対して大いに成功を収めている超合金はＧＴＤ２２２として知られているニッケル基超合金である。このＧＴＤ２２２超合金は次なる概略重量％表示の公称組成を持っている。クロム２２．５、コバルト１９．０、チタン２．３、アルミニウム１．２、タングステン２．０、コロンビウム０．８、タンタル１．０、残部ニッケルおよび付随的不純物。他のニッケル基超合金も本発明のろう付材で修理できることが予知しうるとはいうものの、その高温応力−クリープ破断特性故にＧＴＤ２２２超合金が望ましい。
【００１３】
本発明によれば、ＧＴＤ２２２超合金と冶金学的に大いに相容性であることが測定されているろう付合金は概略重量％で以下の基礎組成を持っている。クロム１４−２４、コバルト６−１５、ホウ素０．７−２．５、チタン１．０−２．０、アルミニウム０．６−１．０、タングステン１．０−１．４、コロンビウム０．４−０．６、タンタル０．５−０．７、鉄０．７まで、残部ニッケルおよび付随的不純物。ろう付合金に対して好ましい組成は概略重量％で、クロム１９．０、コバルト１１．０、ホウ素１．６、チタン１．５、アルミニウム０．９、タングステン１．２、コロンビウム０．６、タンタル０．７、鉄０．５、残部ニッケルである。上述したとおり、このろう付合金はＧＴＤ２２２超合金と冶金学的に相容性である。更に、このろう付合金は約１１８５℃乃至約１２００℃の融解温度を持っており、この温度はＧＴＤ２２２超合金が再結晶したりあるいはその他の態様でろう付サイクルにより悪影響を受ける温度より低い。特に、ろう付合金中の鉄の存在は任意ではあるが、融解ろう付合金のぬれ能力に鉄が与える有利な効果からして望ましい。
【００１４】
ろう付合金は本発明のろう付材内に粉末の形態で存在するのが好ましい。粉末粒子の好ましい大きさは約−１２５乃至約＋３２５メッシュの範囲であるが、行われる修理のタイプによっては、これより大きいあるいはこれより小さい粒子が使用できることが予知しうる。ろう付材は好ましくはスラリーの形態で準備されそして使用されるが、一般に粉末にしたろう付合金と結合材との混合物をそれぞれ含んでいる固体、予め焼結したプリホームあるは可塑化テープの形態でろう付材を使用することができることが予知しうる。ろう付合金粉末が有機結合材と組み合わされる好ましい形態では、ろう付材はスラリーとして適用することができ、このスラリーはひびまたは空隙を充填するよう容易にそして正確に堆積させることができそしてろう付作業を通じて物品に付着させておくことができる。このような結合材は当工業界で周知でありそして一般には任意の市販されている環境的に安全なろう付結合材が包含される。
【００１５】
本発明によれば、超合金部品を修理する方法は上記に言及した任意適当な方法に従ってろう付材を調製することを含む。ろう付材の塗布に当たっては、融解したろう付材がひびまたは空隙を充填し、そしてろう付合金と超合金との間に冶金学的結合が発達して超合金の鋳造時の特性を満たすかあるいはそれを越える機械的特性の組合せで特徴づけられる修理部分を生成するように超合金の表面をぬらすことを確保するような方法で行われる。次いで、ろう付材および超合金を真空または不活性雰囲気内で、結合材を気化しそしてろう付合金を融解して流動するには十分であるがＧＴＤ２２２超合金のミクロ組織を維持するのに十分に低い、ろう付合金融解温度即ち約１１８５乃至約１２００℃に加熱する。その後、こうして修理された超合金は好ましくはろう付合金と超合金を更に相互拡散するために約２時間にわたり約１１２０℃の温度で熱処理サイクルを施される。熱処理後は、慣用の研摩法により残留する過剰のろう付合金を除去することができる。
【００１６】
本発明のろう付材を評価するために好ましいＧＴＤ２２２超合金から形成された試験片に対してフィージビリティトライアルを実施した。ひび割れをシミュレートするために試験片の縁部に沿って長さ約１ミリメートルの鋸切傷を付けた。次いでこれらのひび割れを上記の手順に従って本発明のろう付材を使用して修理した。修理したこれらの試験片を冶金学的に検査したところ、ろう付合金がひびに優れたぬれ性を示し、ろう付合金のぬれ角（融解されたろう付合金の外周表面とろう付合金が上に付着された表面との間に形成された角度）は１０゜未満程度であることが明らかにされた。ろう付に関連した欠陥は認められなかった。修理された試験片は次いで応力−クリープ破断試験技術を使用して更に機械的に分析した。これらの試験片をＧＴＤ２２２超合金の鋳造試験片と共に、約１６００°Ｆ（約８７０℃）の試験温度で約１０ｋｓｉおよび２５ｋｓｉ（それぞれ約７０Ｍｐａおよび約１７０Ｍｐａ）の応力水準にかけた。修理された試験片は鋳造試験片の応力−クリープ破断特性を満たすかあるいはこれを越える応力−クリープ破断特性を示した。
【００１７】
フィージビリティトライアルに続いて、工業用ガスタービンエンジンでの稼働中に損傷を受けたＧＴＤ２２２ノズルを本発明のろう付材を使用して改修した。ノズルはろう付材を施す前に先ずひび割れの中に存在する酸化物を除去するために標準の洗浄法にかけた。上述した方法に従ってひびを修理する間に、ろう付材が容易に流動してひびをぬらしそして充填するのが目視的に観察された。このフィージビリティスタディの結果に基づき、修理部が超合金の機械的特性と同様な機械的特性を示すことが確定された。更に、修理されたノズルはその所要の機械的および環境的性質の劣化を受けることなく本発明のろう付材により一回より多く修理することができると結論づけられた。
【００１８】
上記したところから、本発明の顕著な利点はろう付合金がガスタービンエンジンノズルに対して特に開発されたある種の超合金そしてとりわけ工業用ガスタービンの第二段および第三段ノズルを形成するのに使用されるＧＴＤ２２２超合金に対して高い相容性を有する点であることが理解されよう。修理材としては、このろう付合金は意図された超合金ノズルのひびおよび空隙に対して優れたぬれ性を示しそして得られた修理部は鋳造超合金ノズルの応力−クリープ破断特性を満たすかあるいはこれを越える応力−クリープ破断特性を示す。別の意義ある利点は本発明のろう付材が慣用のろう付法と適合性がありその結果ノズルを修理するのに慣用の処理法が実質的に使用できることである。
【００１９】
本発明は好ましい具体例に関して記載されたが、当業者により他の形態が採用できることは明らかである。例えば、ろう付材の形状をかなり変動することができ、種々の結合材を使用することができ、そしてろう付材は上記に言及したとは異なるろう付作業に使用できる。それ故、本発明の範囲は特許請求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】本発明のろう付材によって修理された工業用ガスタービンエンジンノズルの斜視図である。
【符号の説明】
１０：ノズル
１２：ろう付材
１４：ノズル翼

Claims

重量％表示で以下の組成を有するニッケル基合金：クロム１４−２４、コバルト６−１５、ホウ素０．７−２．５、チタン１．０−２．０、アルミニウム０．６−１．０、タングステン１．０−１．４、コロンビウム０．４−０．６、タンタル０．５−０．７、鉄０．７まで、残部がニッケルおよび付随的不純物
からなる、ニッケル基超合金部品を修理するためのニッケル基ろう付材。
前記ニッケル基合金の組成が、重量％表示で、
クロム約１９．０、コバルト約１１．０、ホウ素約１．６、チタン約１．５、アルミニウム約０．９、タングステン約１．２、コロンビウム約０．６、タンタル約０．７、鉄約０．５、残部のニッケルおよび付随的不純物
である、請求項１記載のろう付材。
重量％表示で以下の組成を有するニッケル基合金：クロム１４−２４、コバルト６−１５、ホウ素０．７−２．５、チタン１．０−２．０、アルミニウム０．６−１．０、タングステン１．０−１．４、コロンビウム０．４−０．６、タンタル０．５−０．７、鉄０．７まで、残部がニッケルおよび付随的不純物
からなるろう付材で修理された物品であって、
概略重量％表示で以下の組成を有するニッケル基合金：クロム２２．５、コバルト１９．０、チタン２．３、アルミニウム１．２、タングステン２．０、コロンビウム０．８、タンタル１．０、残部がニッケルおよび付随的不純物
から形成された物品。
重量％表示で以下の組成を有するニッケル基合金：クロム１４−２４、コバルト６−１５、ホウ素０．７−２．５、チタン１．０−２．０、アルミニウム０．６−１．０、タングステン１．０−１．４、コロンビウム０．４−０．６、タンタル０．５−０．７、鉄０．７まで、残部がニッケルおよび付随的不純物
からなるろう付材を調製し、
このろう付材を超合金物品の表面に塗布し、そして
この超合金物品を加熱してろう付材を流動させて空隙を充填しニッケル基合金を冶金学的に超合金物品に結合させる工程
からなる、超合金物品の修理方法。