JP4792389B2 - ガスタービンの構成部品を修理するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の種概念の定義による、ガスタービンの構成部品を修理するための方法に関する。
例えば、航空機動力装置（パワープラント）のようなガスタービンは、大きな応力を受け、このために、動力装置に欠陥部位が、動作中に発生することがある。これに関連して、動力装置の欠陥部位が素早く、かつコスト効率よく修理されることが出来ることが重要である。本発明は、例えば、航空機動力装置の固定ステータブレードのような、ガスタービンの構成部品、特に、固定構成部品を修理するための方法に関する。しかしながら、本発明は、ガスタービンの構造的修正及び／又は局所材料の修正のためにも使用可能である。

ガスタービンにおける、割れ（亀裂）、壁厚を減ずる磨耗及び腐食現象のような欠陥部位の修理のために、従来技術によれば、溶接方法や高温での半田付け方法が使用されている。

従来から知られているこれらの二つの方法は、高温割れの影響を受け易い材料の場合には応力を生じさせるのと同様に、それらの修理可能な亀裂に関して、幅及び壁厚の限界がある。材料の変形や亀裂に到る衝撃損傷による欠陥部位は、従来からの公知の修理方法によって修理出来ない。従って、溶接方法や高温半田付け方法を使用することによっては、動力装置構成部品の損傷の限られた外観しか修理されることができない。大きな欠陥部位の修理、及び構造的修正や局所材料修正に対しては、ロストワックス法によるインベストメント鋳造法によって、修理部品を製造出来ることが従来から公知である。しかしながら、これには、高価で時間のかかる雛形作りや型作りを必要とする。
これを考慮して、本発明は、ガスタービンの構成の修理の新規な方法を提供することを課題とするものである。

この課題は、冒頭で示された方法が請求項１の特徴部分によって詳細に記述されることによって達成される。
ガスタービンの構成部品の修理のための本発明に従う方法の要旨の範囲内において、まず、少なくとも修理又は修正されるべき構成部品の部分が構成部品から切り出される、特に、切り離される。引き続いて、少なくとも構成部品のこの部分の最初の修理や修正において、製造されるべき交換部品のデータ記録が生成される。
引き続いて、交換部品は、交換部品を製造する製造プロセスである迅速な製造プロセスを用いて製造される。その後、製造された交換部品は、修理又は修正されるべき構成部品に一体化される。

本発明に従う方法を使用すると、修理又は修正が雛形や型を作ることなく行われ得る。これには、特に、限られた数の個数の場合には、大きなコスト的利点がある。更に、迅速な修理が可能となる。これはまた、構成部品の修理の処理時間の短縮による利点がある。本発明に従う方法の更なる利点は、修理部品と構成部品の相互に接続する領域を変えることができ、それによって、その領域を低ストレスゾーンに位置させることができることである。交換部品は、修理或いは修正される構成部品と同じ或いはそれ以外の材料で造られることが出来る。次に、今日まで修理出来なかった損傷も修理出来る。

本発明の一つの有利な細部に従うと、損傷に伴い同一形状へ再生される構成部品である修理されるべき構成部品の損傷した部分、及びそれに加えて損傷した部分に隣接する許容部分が構成部品から切り離される。こうすることによって、ことによると以前に損傷した構成部品の部位も、（現在の部位と共に）修理可能である。

本発明の好適な実施の形態は、従属請求項及び以下の記述から明らかとなる。
本発明の例示の実施の形態は、図面に照らして詳細に説明されるが、本発明は、この実施の形態に制限されるのもではない。

ガスタービンの構成部品、特に、固定構成部品の修理のための本発明に従う方法が図１乃至３を参照して、以下に詳細に説明される。
図１は、本発明に従う方法を一層明瞭にするための概略ブロック図又は流れ図を示す。ガスタービンの構成部品の修理又は修正のために、修理又は修正されるべきガスタービンの構成部品の特に損傷を受けた部分の識別の後に、少なくともこの部分が、切り出され、特に、切り離される。その前に又はそれに引き続いて、製造されるべき交換部品のデータ記録が生成される。引き続いて、交換部品が、迅速な製造プロセスを用いて製造される。その後、製造された交換部品は、修理又は修正されるべき構成部品に一体化される。従って、構成部品の損傷した部位を切り出す、特にそれを切り離し、迅速な製造プロセスを用いて対応する交換部品を製造することは本発明の要旨の範囲内である。

以下、非常に概略的に上記された個々の方法ステップを詳細に見ていく。
損傷した部分、特に修理又は修正されるべき構成部品の損傷した部分は、電食的又は機械的分離又は除去方法を用いて構成部品から切り出される。これに関して、構成部品の修理過程で、損傷した部分を切り出すことのみならず、この損傷部分に加えてその損傷部分に隣接する許容部分も切り出すことは本発明の要旨の範囲内である。これは、損傷部分に加えて、修理されるべき構成部品における、もしかすると以前に損傷した、或いは疲労した部位が、損傷した部分と共に構成部品から切り離され得る利点がある。こうすることによって、修理された構成部品は、修理後に、修理された部分の領域（部位）で損傷が再び起こる影響の受けやすさが少なくなる。

構成部品から損傷した（構成部品の修理の場合）或いは更に損傷のない部分（構成部品の修正の場合）の切り出しに関連して、構成部品に対して系統的な損傷かある或いは適切な修正に着手している場合、損傷した部分の切り出しは、これに特に適合するデバイスを使用して行われることが特筆されるべきである。しかしながら、このための条件は、異なるプレストレスの後に、修理又は修正されるべき構成部品の再生可能な幾何学形状である。この場合、製造公差及びガスタービンの動作中に生じる更なる変形、磨耗又は他の応力は、製造されるべき交換部品の同一の幾何学形状を可能としなければならない。次に、構成部品の同じ部分の修理や修正において、この場合は、図１に示されるステップ、すなわち、交換部品の３次元データ記録を生成すること、このデータを機械データ記録に変換すること、を省略出来る。

反対に、構成部品に対する非系統的な損傷がある場合、損傷部分は、修理されるべき構成部品から個々に、即ち、適切な適合デバイスを使用することなく、切り出される。また、これは、製造公差及びガスタービンの動作中に生じる同じ部分の変形によって、製造されるべき交換部品の同一の幾何学形状が得られない場合に適する。

その後、又は切り出し前、特に修理されるべき構成部品から特に損傷した部分及び損傷した部分に隣接する許容部分を切り離し前でも、製造されるべき交換部品のためのデータ記録が生成される。これに関して、最初に、製造されるべき交換部品の３次元ＣＡＤデータ記録が生成される。製造されるべき交換部品のこの３次元ＣＡＤデータ記録は、引き続いて機械データ記録（セット）に変換される。このことについては、後で詳細に記述する。

製造されるべき交換部品の３次元ＣＡＤデータ記録の生成は、図２に従って、ブロック図又は流れ図で明確にされる。最初に、修理又は修正されるべき構成部品で、損傷のない構成部品の３次元ＣＡＤデータ記録があるか、或いは対応する新規の部品があるか否かがチェックされる。損傷のない構成部品に対する３次元ＣＡＤデータ記録がある場合、引き続いて、最初に、構成部品の系統的な損傷があるか否か、２番目に、損傷された構成部品の幾何学的形状が再生可能であるか否かがチェックされる。構成部品の系統的な損傷があり、かつ同時に損傷した構成部品の幾何学的形状が再生可能である場合には、次に、修理されるべき構成部品の損傷した部分のサイズの統計上の評価に照らし、並びに損傷した部分に隣接する許容領域を考慮すると共に、事前に損傷した材料部位と修理中に構成部品における大きな応力がかかる部位を考慮して、製造されるべき交換部品の要求される幾何学形状が導き出され、この形状から３次元ＣＡＤデータ記録が生成される。３次元ＣＡＤデータ記録は、同じ部分の全ての一連の修理及び／又は修正のために使用され得る。他方、修理されるべき構成部品の非系統的な損傷である場合及び／又は修理或いは修正されるべき構成部品の幾何学形状が再生不能である場合、構成部品或いは少なくとも関連する構成部品の部位のリバースエンジニアリングが実行される。構成部品又は構成部品の部位のリバースエンジニアリングを実行するためには、初めに、特に損傷した部分並びにおそらくこの損傷部分に隣接する許容部分が、修理されるべき損傷された構成部品から切り出される。それに、例えば機械的又は光学的感知デバイスによって、或いはコンピュータ断層撮影法及び引き続く表面フィードバックによって、構成部品或いは構成部品の部分領域の測定が続く。その結果、損傷した部分及びおそらく許容部分が先に切り出された、損傷した或いは修正されるべき構成部品又は構成部品の領域の３次元ＣＡＤデータ記録を得る。処理された構成部品又は構成部品の領域のこの３次元ＣＡＤデータ記録から、損傷のない構成部品の３次元ＣＡＤデータ記録を使用し、構造の差異（difference formation）によって、製造されるべき交換部品の３次元ＣＡＤデータ記録が確定される。これに関連して、例えば、製造公差及びガスタービンの動作中の構成部品の変形や磨耗を考慮するために、構造差異を手作業で或いは適切な数学的方法によって訂正することが有利である。このようにして確定された、製造されるべき交換部品の３次元ＣＡＤデータ記録のこの訂正は、ここで処理される技術に熟達した当業者の責務である。

製造されるべき交換部品の３次元ＣＡＤデータ記録の上記確定に関連して、損傷のない構成部品の或いは適切な新たな部品の３次元データ記録が存在することが前提となる。このような３次元ＣＡＤデータ記録が存在しない場合、次に、図２に従う事前ステージにおいて、損傷のない構成部品或いは対応する新たな部品のリバースエンジニアリングが実行される。これもまた、機械的又は光学的センサ或いはコンピュータ断層撮影法及び引き続く表面フィードバックによって行われることが可能となる。損傷のない構成部品の３次元ＣＡＤデータ記録の確定や生成の後に、上記のように続けられる。

ガスタービンの構成部品の修理に関連して、構成部品の構造的修正がとられるべき場合や、例えば、構成部品の壁の厚みの強化や減少や、或いは移行半径の増加の場合の、修理されるべき構成部品のいわゆる結合測定が決定される。この場合、製造されるべき交換部品の３次元データ記録が、リバースエンジニアリング及びフォワードエンジニアリングの組合せによって造られる。

前述のように、製造されるべき交換部品の３次元ＣＡＤデータ記録は、機械データ記録に変換される。製造されるべき交換部品の３次元ＣＡＤデータは、機械から独立している。製造されるべき交換部品の製作は、使用される迅速な製造方法に依存している。従って、機械から独立した３次元ＣＡＤデータ記録は、機械読取可能なデータ記録に変換されなければならない。このため、製造されるべき交換部品の３次元ＣＡＤデータ記録の機械データ記録への変換が行なわれる。

特に、損傷した部分と隣接した許容の可能性のある部分が、修理又は修正されるべき構成部品から切り出された後、及び製造されるべき交換部品の機械データ記録が生成された後、交換部品の製造が迅速な製造プロセスを用いて行なわれる。迅速な製造プロセスとして、本発明に従って、選択的レーザ焼結、略してＳＬＳ、選択的レーザ溶融、略してＳＬＭ、又はレーザビーム生成、略して、ＬＧが使用される。

上記の迅速な製造プロセスに関して、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）は、微粒子金属パウダーの一定の層が基板（サブストレート）に付着され、交換部品の輪郭がレーザビームによって走査される、周期的な二つのステッププロセスであることに留意するべきである。これに関連して、粒子は、基板と同様に一定の層に焼結される。引き続いて、基板が降ろされ、特定のパウダー層が再び付着され、そして、順々に、次の層の輪郭が下部層と現在の層の粒子で結合がおこるように走査される。焼結プロセスにおいて製造されるべき交換部品上に表れる孔は、パラメータの最適化及びできる限り適切な後処理によって最小にされる。製造されるべき交換部品の機械的特性は、主として、残存する孔によって決定される。

選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）は、選択的レーザ焼結と同等である。一つの本質的な違いは、選択的レーザ溶融では、粒子が完全に溶融され、それによって、孔のない略１００％の材料の厚みが達成されることである。従って、選択的レーザ溶融を用いてこのように製造された交換部品の機械的剛性特性値は、最大範囲で使用される材料の仕様に相当するように達成される。選択的レーザ焼結と選択的レーザ溶融の両方においては、製造されるべき交換部品の幾何学形状においてほとんど無制限の自由度がある。

レーザビーム発生（ＬＧ）は、幾何学的複雑度の低い交換部品の製造を可能にするに過ぎない。選択的レーザ焼結と選択的レーザ溶融に比較して、レーザビーム発生には、パウダーやワイヤが集光レーザに直接曝され、溶融され、かつ溶融冶金によって接続される連続的方法が含まれる。レーザビーム発生を用いて、主に単結晶であるのと同様、多結晶の及び方向性のある固化された交換部品が、略あらゆる種類の材料から製造され得る。

本発明の要旨の範囲内で、迅速な製造プロセスを用いて、修理及び修正されるべきガスタービンの構成部品の内蔵の交換部品は製造されることが出来る。レーザビーム発生、選択的レーザ焼結、選択的レーザ溶融、或いはそれらに匹敵する方法は、交換部品の製造のために、本発明の要旨の範囲内で迅速な製造プロセスとして使用されることが出来る。

製造されるべき交換部品の製造の後、及び交換部品を修理又は修正されるべき構成部品へ一体化する前に、製造された交換部品の再加工が行われても良い。製造された交換部品の再加工は、絶対に必要ではないが、ある種の状況下では好適である。このように、例えば、製造された交換部品の後処理や表面処理は、製造された交換部品の清掃、表面品質の改良，又は交換部品の機械的−技術的特性の最適化のために実行されることが出来る。再加工のための特質改良の手段の中には、例えば、溶解処理及び時効硬化のような熱処理がある。熱間等静圧圧縮成形法（ＨＩＰ）もまた交換部品の再加工として実行され得る。この熱間等静圧圧縮成形法は、特に、選択的レーザ焼結において表れる孔のような孔が閉鎖されるべき場合には好適である。

次に、製造されかつ再加工された交換部品は、必要に応じて、修理又は修正されるべき構成部品に一体化又は取り付けられる。このように、接合方法を用いて、製造された交換部品は、ガスタービンの構成部品に一体化される。接合方法として、レーザ溶接、ＷＩＧ溶接、ＥＢ溶接、或いは半田付けが使用に加えられる。接合プロセスの後に、修理された又は修正された構成部品の再加工が行われても良い。再加工の場合、例えば、順々に、熱処理や表面処理が、修理された構成部品に対して行われ得る。修理又は修正された構成部品にコーティング方法を適用してもよい。

本発明の方法を使用して、ガスタービンの構成部品、特に航空機動力装置のガスタービンの構成部品の迅速な修理が可能となる。交換部品は、高い精度と幾何学的形状の高度な複雑さを持って製造されることが出来る。本発明の方法を使用して、従来技術で必要とされる雛形の製造や型の製造を必要とすることなく実行できる。交換部品の製造は、機械読取可能データ記録へ変換される３次元ＣＡＤデータから直接に行われ得る。サイズや幾何学形状の複雑さのために、今日まで修理出来なかった損傷の場合も修理されることが出来る。交換部品と修理された構成部品の接合領域は、負荷される応力が低い構成部品の領域に位置させることが出来る。更に、修理されるべき構成部品と同じ材料又は異なる材料の交換部品を製造することが可能である。本発明のおかげで、ガスタービンの構成部品を修理するための完全に新たな可能性が生まれる。

図３は、例示の実施の形態を考慮して、本発明の方法を明瞭にしている。例えば、図３に示される例示の実施の形態において、固定構成部品１０、即ち、航空機動力装置の固定ステータブレードが修理される。図３は、損傷部分１１を有する構成部品１０を示し、この損傷部分１１には、明らかに１ｍｍよりも大きな亀裂幅を有する幅の広い裂け目の亀裂がある。高温割れの影響を受け易い材料のこのような幅の広い裂け目の亀裂は、従来から公知の修理方法では修理できない。図３の例示の実施の形態においては、構成部品１０の衝撃損傷が、損傷部分１１に対する損傷に関与していたと考えられ、それはあまりしばしば発生するものではない。従って、構成部品に対する非系統的な損傷（a non-systematic damage）に対応する。

損傷部分１１とその損傷部分１１に隣接する許容部分が、例えば、放電加工機によって、個別に構成部品１０から切り出される。従って、構成部品１０の特別な損傷に適合するデバイスは使用されない。図３は、本発明に従う構成部品１０を示しており、この部品１０は、構成部品１０から切り離された修理部分１２を有し、修理部分１２は、損傷部分１１と損傷部分１１に隣接する許容部分よりなる。

図３に従う例示の実施の形態において、損傷のない構成部品に対するデータ記録がある。図３は、損傷のない構成部品１０のＣＡＤデータ記録１３としてこのデータ記録を視覚化している。上で示されたように、損傷構成部品１０の損傷の非系統的なケースであるとの事実に基づき、リバースエンジニアリングが実行される。リバースエンジニアリングは、修理部分１２が切り離された損傷構成１０に対して実行される。コンピュータ断層撮影法及び引き続く表面フィードバックを使用して、ＣＡＤデータ記録１４が損傷構成部品に対して決定される。引き続いて、損傷のない構成部品のＣＡＤデータ記録１３と損傷構成部品のＣＡＤデータ記録１４との間の差が計算される（切り出される）。その結果、製造されるべき交換部品のＣＡＤデータ記録１５が得られる。

製造されるべき交換部品のＣＡＤデータ記録１５が、手作業での後処理を受けてもよい。更に、例示の実施の形態において、製造されるべき構成部品に対するＣＡＤデータ記録の再加工によって、構成部品と交換部品との間に、オフセットを生じさせることなく、外側の輪郭で転移を製造するために、製造されるべき交換部品１６に対して追加の処理が行われる。製造されるべき交換部品のために隣接するＣＡＤデータ記録１５が、機械読取可能データ記録へ変換され、次に、迅速な製造プロセスを使用することによって交換部品１６が製造される。

例示の実施の形態において、製造されるべき構成部品１０の場合、ニッケル合金に基づくステータブレードが含まれる。迅速な製造プロセスとして、選択的レーザ焼結が使用される。１０乃至８０μｍの粒子サイズと２００ｐｐｍ未満の酸素含有量を有する微細な粒子状のニッケル系のパウダーが、レーザ焼結装置の焼結室内に配され、この空間が、アルゴン又は他の不活性又は還元ガスで充填される。これに続いて、好ましくは２００Ｗのビーム出力パワーと好ましくは０．３６ｍｍの焦点径を有するＣＯ₂レーザを使用して照射が行われる。第１の層の照射後、プラットフォームが２０乃至８０μｍだけ降下され、スイーピングストリップ（ワイパー）を使用して、ニッケル系パウダーがもう一度付着し、次に、第２の層の輪郭に対して適切に照射が繰り返される。この手順は、製造されるべき交換部品１６が仕上げられるまで繰り返される。これに関して、基板及び／又はパウダーの事前加熱又は事後加熱は、焼結手順にとっては好ましい。事前加熱や事後加熱は、誘導的に基板を介して、或いは直接的にレーザによって、非焦点ビームを使用する事前照射によって、又は二焦点光学系の使用によって適用されることが出来る。

このように製造された交換部品１６は、例えば、非カプセル化熱間等静圧圧縮成形における再加工を受ける。
次に、再加工された交換部品１６は、図３に従って、修理されるべき構成部品１０、即ち、構成部品１０の修理部分１２に一体化される。ここで示される例示の実施の形態においては、これは、スポット溶接を使用して交換部品１６をステータブレードに結合することによって行われ、半田付けのための適切な半田の混合で取付けられ、真空オーブンで半田付けされる。次に、拡散焼きなましが適用される。
交換部品１６が修理されるべき構成部品１０に一体化された後、修理されるべき構成部品に再加工が行われる。図３の例示の実施の形態において、再加工中に、構成部品１０に一体化された交換部品１６の外側輪郭が再加工される。例示の実施の形態において、これは、機械的研磨によって行われる。最後に、修理された構成部品１０はコーティングされる。

ガスタービンの構成部品を修理するための、本発明に従う方法を明瞭にするための概略ブロック図である。 図１に関して、本発明に従う方法の処理ステップの概略ブロック図である。 本発明の方法の例を示す。

１０…構成部品、１１…部分、１２…修理部分、１３…ＣＡＤデータ記録、１４…ＣＡＤデータ記録、１５…ＣＡＤデータ記録、１６…交換部品。

Claims (8)

1. 少なくとも一つの損傷に伴い同一形状へ再生される構成部品（１０）の損傷部分（１１）が構成部品（１０）から切り出され、かつ製造された交換部品（１６）が損傷に伴い同一形状へ再生される構成部品（１０）に溶接或いは半田付けによって一体化されるガスタービンの構成部品を修理するための方法であって、
   交換部品（１６）を製造する製造プロセスに必要な交換部品のＣＡＤデータ記録の決定のために、損傷のない構成部品、あるいは新たな部品のＣＡＤデータ記録（１３）と切り出された部分を有する構成部品のＣＡＤデータ記録（１４）とを求め、両ＣＡＤデータ記録の差異によって製造されるべき交換部品のＣＡＤデータ記録を確定し、
   この後、製造された交換部品（１６）が、接合プロセスを用いて構成部品（１０）へ一体化され、
   引き続いて、損傷に伴い同一形状へ再生される構成部品（１０）の再加工が行われることを特徴とする方法。
2. 損傷部分（１１）の切り出しに関して、損傷に伴い同一形状へ再生される構成部品のその部分（１１）自体、及びそれに加えて、その部分（１１）に隣接する許容される部分が構成部品（１０）から切り離される請求項１に記載の方法。
3. 製造されるべき交換部品のＣＡＤデータ記録（１５）が一旦生成され、引き続いて、このＣＡＤデータ記録（１５）が、機械データ記録へ変換される請求項１又は２に記載の方法。
4. 損傷に伴い同一形状へ再生される構成部品で、損傷のない構成部品のデータ記録（１３）があるか否かをチェックし、もしそのようなデータ記録（１３）が存在しないならば、損傷のない構成部品の構造を分析し、ＣＡＤに用いられる設計図を作成するリバースエンジニアリングが行われて損傷のない構成部品のＣＡＤデータ記録を決定する、請求項１乃至３のうち一項に記載の方法。
5. 交換部品（１６）を製造する製造プロセスとして、選択的レーザ焼結が用いられる、請求項１乃至４のうちの一項に記載の方法。
6. 交換部品（１６）を製造する製造プロセスとして、選択的レーザ溶融が用いられる、請求項１乃至４のうちの一項に記載の方法。
7. 交換部品（１６）を製造する製造プロセスとして、レーザビーム発生が用いられる、請求項１乃至４のうちの一項に記載の方法。
8. 製造された交換部品（１６）を損傷に伴い同一形状へ再生される構成部品（１０）へ一体化させる前に、交換部品（１６）の再加工が行われる、請求項１乃至７のうちの一項に記載の方法。

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