JP4818297B2

JP4818297B2 - ガスタービン部品の補修方法及びガスタービン部品

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Publication number: JP4818297B2
Application number: JP2008072071A
Authority: JP
Inventors: 洋明吉岡; 渉河野; 歴高久; 俊明布施; 大蔵斎藤; 正弘齋藤; 勝康伊藤; 岩太郎佐藤; 義明酒井; 和利石橋; 吉延牧野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP2009228480A

Description

本発明は、一方向凝固により鋳造された単結晶あるいは柱状晶からなるガスタービン部品の欠陥を補修するガスタービン部品の補修方法及びガスタービン部品に関する。

ガスタービンは近年、高効率化・大型化が図られる中で、燃焼ガス温度は１５００℃を超えるまでになっており、航空エンジンと同様、一方向技術を用いた単結晶あるいは柱状晶の鋳造品が用いられるようになっている。

これらの鋳造品は、結晶方位をそろえ、精鋳品の凝固方向に垂直な結晶粒界をなくすことによって優れた特性を得ている材料であることから、補修時に基材との結晶学的な方位関係を損なうことは機器の特性低下を招くことから、応力的に尤度のある極限られた部位に限られていた。このため、大型になるほど製造時の歩留まりは悪くなり製造コストは高くなっているにもかかわらず、損傷を受けた場合はそのほとんどが廃棄となっていた。

これらの部品に対する補修技術としては、レーザ技術を用い、その溶融速度とビームの送り速度をコントロールし、できるだけ平坦な溶融池を形成し基材から結晶学的に連続性のある凝固がなされるようにする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、レーザビームの照射により、間隔を設けて複数の溶融積層部を形成した後、これらの溶融積層部の間に溶融積層部を形成して、溶融積層部の間を埋める方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平９−１１０５９６号公報特開２００５−１５２９１８号公報

しかし、本発明者等の詳査したところ、シングルパスによる補修を行う限りにおいてはプロセス条件を最適化することにより多層盛しても基材に連続性を持った補修部の組織を呈することが可能であるが、広範な領域に対してマルチパスによる補修を行った場合、隣接するパスからの入熱に起因する結晶化が生じ、異結晶の発生により特性の低下が避けられず、その補修が困難であることが判明した。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたもので、一方向凝固により鋳造された単結晶あるいは柱状晶からなるガスタービン部品の広範な領域の欠陥を補修することのできるガスタービン部品の補修方法及びガスタービン部品を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、一方向凝固により鋳造された単結晶あるいは柱状晶からなるガスタービン部品の欠陥を補修するガスタービン部品の補修方法において、前記ガスタービン部品の欠陥を有する部位を凹状の被補修領域とした後、当該被補修領域の一方の端部から対向する他方の端部に至る溶接肉盛り部を、溶加材を加えた溶接により所定間隔設けて複数形成する溶接肉盛り工程と、前記溶接肉盛り部の間に粉末状のロウ付け補修材を充填して加熱し、拡散ロウ付けにより前記溶接肉盛り部の間を埋める拡散ロウ付け工程とを具備したことを特徴とする。

また、本発明の他の一態様は、一方向凝固により鋳造された単結晶あるいは柱状晶からなるガスタービン部品であって、上記のガスタービン部品の補修方法によって補修されたことを特徴とする。

本発明によれば、一方向凝固により鋳造された単結晶あるいは柱状晶からなるガスタービン部品の広範な領域の欠陥を補修することのできるガスタービン部品の補修方法及びガスタービン部品を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービン部品の補修方法を説明するための図であり、図１（ａ）は、補修部分の上面図、図１（ｂ）は、補修部分の断面図、図１（ｃ）は、溶接肉盛り部の拡大断面図である。

本実施形態のガスタービン部品の補修方法では、図１に示すように、一方向凝固により鋳造された単結晶あるいは柱状晶からなるガスタービン部品の基材１の欠陥を有する部位を除去し凹陥して、凹状の被補修領域２とし、この被補修領域２の一方の端部から対向する他方の端部に至る溶接肉盛り部（単結晶のブリッジ）３を、シングルパスの多層盛、かつ、基材１と同等組成の溶加材を用いて所定間隔で複数形成する。

この溶接肉盛り工程における溶接肉盛り部３の間隔（溶接パスの間隔）は、溶接に用いた熱源の影響により、隣接する溶接肉盛り部３に、入熱に起因する結晶化が生じて異結晶の発生がない範囲でできるだけ狭くすることが好ましい。また、後述するロウ付け補修材の充填が可能な幅以上とする。この溶接肉盛り部３の間隔は、例えば１ｍｍ程度とすることが好ましい。また、この溶接肉盛り部３を形成するための溶接では、溶融池の断面における深さの幅に対する比（縦横比）が1以下で、被溶接面に扁平となる溶接条件で行うことが好ましい。なお、被補修領域２の面は、その結晶方位が（００１）面あるいはこれより±１０度以内の傾斜を有する面とし、この面上に、凝固方向が［００１］方向となるように肉盛りして溶接肉盛り部３を形成する。これによって、溶接肉盛り部３は、被補修領域２の面に結晶の連続性があり、かつ基材１と±１０度以内の結晶方位関係にあって積層された構成となる。

次に、溶接肉盛り部３の間隙部を、拡散ロウ付け補修にて補修する。この拡散ロウ付け補修では、基材１と類似組成の溶融粉末と、それにボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）を添加し融点降下させた溶融粉末を混合してロウ付け補修材として用い、これを被補修領域２の溶接肉盛り部３の間に充填する。そして、拡散熱処理することによりロウ付け補修部４を形成するとともに、ロウ付け補修部４の融点上昇を図り、通常の熱処理温度で溶融することのないように処理し、実機に使用できるようにする。

なお、溶加材は、小傾角粒界の形成による強度低下の影響を避けるため、基材１と同様にボロン、カーボン（Ｃ）を添加することが望ましく、その量は多すぎると融点の低下を来たし耐熱強度が低下することから、ボロンの添加量は０．００１質量％以上、０．０２質量％以下、カーボンの添加量は０．０１質量％以上、０．１％質量以下とすることが好ましい。

また、拡散ロウ付けに使用する溶融粉末へのボロン、シリコンの添加量は、各々の元素のニッケル（Ｎｉ）の融点降下量として、以下に示す表１の８合金の結果から、重回帰分析によりボロンの効果は、固相線温度で１１５．７℃と液相線温度で６３．８℃とし、これより、各々の添加量は、熱処理温度及び拡散処理温度から、液相線温度を５０℃〜２５０℃低下させることとし1〜４％添加することが望ましい。
ＴｅｍｐLiquids＝1455＋7.8（％Ｃｒ）−63.8（％Ｂ）−45.8（％Ｓｉ）

以下の表２に、実施例で使用した基材１の化学組成を示す。

表２に示すように、基材１の化学組成中には、ボロンとカーボンが含まれていることから、基材１と同一組成で溶接棒を作成し、実施例に使用した。溶接に用いたレーザ溶接機の構成を図２に示す。光ファイバー２１で伝送したＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を溶接ヘッド２２を介して基材（被溶接材）１に照射する。レーザ照射部に形成された溶融池２３に、溶加材供給装置２４から送り出される溶加材２５を供給しながら、走査することで溶接肉盛り部（溶接ビート）３を形成する。

上記のとおり、実施例では、溶加材２５には、基材１と同一材料を用い、粉末でなくワイヤ状の形態の溶接棒を使用した。照射するレーザのパワー密度は、３．０×１０³〜４．０×１０³Ｗ／ｃｍ²の間とし、照射されたレーザのビーム径はΦ３〜５ｍｍ、レーザを走査する速度は１〜３ｍｍ／秒の間であって、基材１が溶融する条件を選定して行った。なお、溶接位置は一定ピッチで平行移動させることで溶接肉盛り部３の間隔が1ｍｍとなるように溶接を実施し、溶接肉盛り部３を5ｍｍの高さと設定し、その高さまで肉盛りするために、同一箇所に複数回の溶接を繰り返し実施した。

なお、本実施例では、実際の部品の損傷が、結晶構造的に（００１）面上で主として生じていることから、（００１）面上で、積層方向が＜００１＞方向となるように、レーザを走査して溶接を行った。

この後、以下の表３に示した溶融粉末と、基材組成の合金粉末を５：７の混合比で撹拌機にて混合し、溶接肉盛り部２間に充填し、０．０１３Ｐａ（１０^-4torr）以下の真空中１３０５℃で拡散熱処理を行った。

次に、表面の仕上げ加工後、溶体化の熱処理及び時効の熱処理を行い、断面観察による組織観察により溶接肉盛り部３の再結晶の有無とロウ付け補修部４の結晶化の有無の確認を行った。その結果、溶接盛り部３は基材１に連続的な組織をなしており、ＥＢＳＰ（Electron Back Scattering Pattern）を用いた方位計測により、積層方向が＜００１＞方位の単結晶であることが確認できた。またロウ付け補修部４は、底面を中心にボロンの拡散と共に融点上昇し凝固する等温凝固が狙い通り生じており、図３に示すような組織を呈し、この部位においても結晶粒界はほとんど認められず、狙い通りの組織とすることができた。

本発明の一実施形態に係る補修箇所の構成を模式的に示す説明図。実施例に使用したレーザ溶接装置の構成を模式的に示す説明図。実施例における補修箇所の状態を模式的に示す説明図。

符号の説明

１……基材、２……被補修部、３……溶接肉盛り部、４……ロウ付け補修部。

Claims

一方向凝固により鋳造された単結晶あるいは柱状晶からなるガスタービン部品の欠陥を補修するガスタービン部品の補修方法において、
前記ガスタービン部品の欠陥を有する部位を凹状の被補修領域とした後、当該被補修領域の一方の端部から対向する他方の端部に至る溶接肉盛り部を、溶加材を加えた溶接により所定間隔設けて複数形成する溶接肉盛り工程と、
前記溶接肉盛り部の間に粉末状のロウ付け補修材を充填して加熱し、拡散ロウ付けにより前記溶接肉盛り部の間を埋める拡散ロウ付け工程と
を具備したことを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項1記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記溶接肉盛り部は、前記被補修領域の面に結晶の連続性があり、かつ前記ガスタービン部品の母材と±１０度以内の結晶方位関係にあって積層されていることを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項1又は２記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記被補修領域の面の結晶方位が（００１）面あるいはこれより±１０度以内の傾斜を有し、当該面上に、凝固方向が［００１］方向となるように肉盛りして前記溶接肉盛り部を形成することを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項1〜３いずれか１項記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記溶接肉盛り工程は、溶融池の断面における深さの幅に対する比が1以下となる溶接条件で行うことを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項1〜４いずれか１項記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記溶接肉盛り工程における前記所定間隔は、溶接に用いた熱源の影響によって隣接する溶接肉盛り部に結晶化が生じない範囲で狭くすることを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項1〜５いずれか１項記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記溶加材は、前記被補修領域の材料と同一合金組成とすることを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項1〜５いずれか１項記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記溶加材は、前記被補修領域の材料と同一合金組成に、Ｂ、Ｃの少なくともいずれか一方の元素を添加した材料を用いることを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項７記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記溶加材のＢの含有量は、０．００１質量％以上、０．０２質量％以下であり、Ｃの含有量は、０．０１質量％以上、０．１質量％以下であることを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項1〜８いずれか１項記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記拡散ロウ付け工程は、前記被補修領域の材料と同一合金組成の合金粉末と、当該合金粉末にＢを1〜４質量％添加することにより融点を低下させた溶融粉末との混合粉末からなる前記ロウ付け補修材を使用して、等温凝固させることを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
請求項1〜９いずれか１項記載のガスタービン部品の補修方法において、
前記拡散ロウ付け工程の後、溶体化の熱処理及び時効の熱処理を行うことを特徴とするガスタービン部品の補修方法。
一方向凝固により鋳造された単結晶あるいは柱状晶からなるガスタービン部品であって、請求項１〜１０いずれか１項記載のガスタービン部品の補修方法によって補修されたことを特徴とするガスタービン部品。