JP5391616B2

JP5391616B2 - プリフォームろう材、焼結されたプリフォームろう材による低圧タービン部品の修復方法および修復された低圧タービン部品

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Publication number: JP5391616B2
Application number: JP2008239549A
Authority: JP
Inventors: 成人大井; 茂和宗田; 健生形; 裕介荒牧
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2028-09-18
Also published as: JP2010069568A

Description

本発明は、焼結されたプリフォームろう材による低圧タービン部品の修復方法、修復された低圧タービン部品、およびこれらに好適なプリフォームろう材に関する。

ガスタービンエンジンは、一例として、前段より順に、ファンアセンブリ、高圧コンプレッサ、燃焼器、高圧タービン（ＨＰＴ）、低圧タービン（ＬＰＴ）およびその他のアセンブリを備えた構造を有する。ファンアセンブリにより導入された外気は高圧コンプレッサにより圧縮されて燃焼器に導入され、燃料と混合されて燃焼に利用される。燃焼器により発生された高圧の高温ガス流は、高圧タービンにおいて高圧コンプレッサの駆動に利用されるエネルギを抜き出された後、後方へ噴出する。やや低圧となったガス流からは、さらに低圧タービンにおいてファンアセンブリを駆動するためのエネルギが抜き出される。

高圧タービンおよび低圧タービンは、通常、それぞれシュラウドを備えたケーシング内に交互に並んだローターやタービンノズルなどの部品を有する。ガス流から効率よくエネルギを抜き出すため、ローターはシュラウドと接した状態で回転し、シュラウドとタービンノズルも、その間の摩擦を生ぜしめる振動を起こす。かかる回転や振動のためにタービン部品は損傷を受けるため、定期的ないし非定期的に修復を要する。修復は、例えば、溶射や肉盛溶接などにより損傷部に肉盛りを施すなどの方法により為される。肉盛としては、耐久性を重視して、しばしば高耐熱性と高耐摩耗性を有する材料が選択される。

ガスタービンエンジンは、その寿命の間、複数回、このような修復に供される。適切な修復は、次回に修復を要するまでの期間を延長し、ひいてはガスタービンエンジンの寿命を延長する。

特許文献１および２は、高圧タービン部品の修復方法を開示する。
特開２００５−２７１１９２号公報特開２００７−２５５４１５号公報

低圧タービンが曝される環境は、高圧タービンに比べるとより緩やかであって、耐熱性および耐摩耗性に対する要求水準は、より低い。寧ろ、修復した部位の耐摩耗性が高すぎれば、相手方部品を損耗する原因となり、結果として次回に修復を要するまでの期間が短縮されてしまう。あるいは、相手方部品の修復が困難な場合には、相手方部品の全体を交換する必要を生ぜしめる。

本発明は、上述の課題に鑑みて為されたものであって、自身と相手方部品との双方の損傷を抑制しうる修復方法、修復された低圧タービン部品、およびこれらに好適なプリフォームろう材を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面によれば、損傷部を有する低圧タービン部品を修復する方法は、１６．５重量％ないし１８．５重量％のクロムと２７重量％ないし３０重量％のモリブデンとを含むコバルト合金よりなる、ろう材粉末と、１８重量％ないし２０重量％のクロムと３．５重量％ないし４．５重量％のタングステンと７．５重量％ないし８．５重量％のシリコンとを含むコバルト合金よりなる、耐摩耗性粉末とを混合し、成形し、混合および成形された前記粉末を予備焼結して、プリフォームろう材を形成し、前記プリフォームろう材を前記損傷部へ取り付け、前記プリフォームろう材を焼結するべく前記損傷部を有する前記低圧タービン部品を前記プリフォームろう材とともに非酸化性雰囲気中において加熱し、前記焼結された前記プリフォームろう材を機械加工して前記低圧タービン部品の原形状を回復する、ことよりなる。

本発明の第２の局面によれば、損傷部を有する低圧タービン部品より修復されたタービン部品は、１６．５重量％ないし１８．５重量％のクロムと２７重量％ないし３０重量％のモリブデンとを含むコバルト合金よりなる、ろう材粉末と、１８重量％ないし２０重量％のクロムと３．５重量％ないし４．５重量％のタングステンと７．５重量％ないし８．５重量％のシリコンとを含むコバルト合金よりなる、耐摩耗性粉末とを混合し、成形し、予備焼結することにより得られたプリフォームろう材を前記損傷部へ取り付け、前記プリフォームろう材を焼結するべく非酸化性雰囲気中において焼結および拡散接合に十分な温度と時間を以って加熱し、機械加工して前記低圧タービン部品の原形状を回復することにより得られる。

本発明の第３の局面によれば、前記方法または前記修復されたタービン部品に好適なプリフォームろう材は、互いに混合され、予備焼結された、１６．５重量％ないし１８．５重量％のクロムと２７重量％ないし３０重量％のモリブデンとを含むコバルト合金よりなる、ろう材粉末と、１８重量％ないし２０重量％のクロムと３．５重量％ないし４．５重量％のタングステンと７．５重量％ないし８．５重量％のシリコンとを含むコバルト合金よりなる、耐摩耗性粉末とを含む。

修復された低圧タービン部品は、自身と相手方部品との双方の損傷を抑制し、以って次回に修復を要するまでの期間を延長し、ひいてはガスタービンエンジンの寿命の延長に寄与する。

本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

本実施形態による修復の方法は、例えば図１に例示的に示すガスタービンエンジン１の修復に利用できる。ガスタービンエンジン１は、前段より順に、ファンアセンブリ３、高圧コンプレッサ５、燃焼器、高圧タービン（ＨＰＴ）７、低圧タービン（ＬＰＴ）９およびその他のアセンブリを備える。低圧タービン９は、更に、交互に並んだ複数のタービンノズル１１と複数のローター１３とを備え、その周囲は高温ガス流の流路を規定するべくケーシング１５が囲んでいる。ファンアセンブリ３、高圧コンプレッサ５、高圧タービン７、低圧タービン９は、軸１９の周囲に回転可能である。

本明細書および添付の請求項を通じて、特段の説明の無い限り、前方および後方はガスタービン１において外気および高温ガスの流れの方向により定義し、内方および外方は軸１９に対するものとして定義する。

図２を参照するに、低圧タービン９のタービンノズル１１は、周方向に並ぶステータベーン２２の列と、前記列の外方の端を支持するアウターバンド２０と、前記列の内方の端を支持するインナーバンド２４と、を備える。タービンノズル１１において、例えば、アウターバンド２０は、ケーシング１５のフックと係合しており、振動により誘起されるフックとの摩擦により、図３（ａ）のごとく損傷を受け易い。摩擦に関して相手方部品であるケーシング１５は、フックの裏側が摩擦を受けるが、この部位は肉盛りやハードコーティング等の実施がしにくく、摩擦からの保護が困難である。従って、アウターバンド２０を、過度に高い耐摩耗性を有する肉盛りによって修復すると、次にはフックが修復困難な損耗を受けることとなる。これは、ケーシング１５の全体の交換を必要にしかねない。本実施形態による修復の方法は、特にこのような場合について、損傷部を有する低圧タービン部品の修復に好適である。他に、ケーシング１５やそのフックの内方に露出した面や、ローター１３を囲むように配置されたシュラウドなどの修復にも好適である。もちろん、本実施形態による方法は、他の部品の損傷部の修復にも適用できる。

損傷部を有する低圧タービン部品として、アウターバンド２０を例にとり、図３および図４を参照して、本実施形態を以下に説明する。アウターバンド２０は、好適には耐熱性ニッケル基超合金、例えばＲｅｎｅ８０やインコロイ８００等の登録商標名で商業的に入手しうるもの、よりなるが、これに限られない。

図３（ａ）を参照するに、好ましくはアウターバンド２０の損傷部に軽度の研削を施して、その表面領域を除去する。かかる処理後の損傷部２０ｄは、図中に二点鎖線で表す原形状よりも後退している。損傷がクラックの場合には、損傷部の周囲を大きく研削してもよい。

図４のステップ１０２を参照するに、まずプリフォームろう材の母材とするべく、ろう材粉末と耐摩耗性粉末とを混合する。ろう材粉末は、好ましくは、１６．５重量％ないし１８．５重量％のクロムと、２７重量％ないし３０重量％のモリブデンと、を含み、残部がコバルトおよび不可避的不純物よりなる、コバルト合金の粉末である。あるいは、他の元素が適宜の少量添加されていてもよい。ろう材粉末は、プリフォームろう材に、焼結する性質および焼結によって低圧タービン部品へ固着する性質を与えることに主に寄与する。耐摩耗性粉末は、好ましくは、１８重量％ないし２０重量％のクロムと、３．５重量％ないし４．５重量％のタングステンと、７．５重量％ないし８．５重量％のシリコンと、を含み、残部がコバルトおよび不可避的不純物よりなる、コバルト合金の粉末である。あるいは、他の元素が適宜の少量添加されていてもよい。耐摩耗性粉末は、焼結後のプリフォームろう材に、耐摩耗性を与えることに主に寄与する。

これらの粉末の混合比は、焼結後のプリフォームろう材の耐摩耗性ならびに相手方部品を損耗する性質を支配する。ろう材粉末が多すぎれば耐摩耗性が不足し、ろう材粉末が少なすぎれば相手方部品を損耗してしまう。両者の調和を図ることを考慮すれば、ろう材粉末の比率は、混合物中において５０重量％を越えて１００重量％未満であることが好ましい。

混合には、適宜の揮発性のバインダを利用してもよい。あるいは、後の焼結により化学的に分解して消失する性質の適宜の不揮発性の有機物質をバインダとして利用してもよい。

図４のステップ１０４を参照するに、混合された粉末を、損傷部２０ｄに押し付けることによって、損傷部２０ｄの形状に適合するように成形せしめる。成形は、公知のプレスによることができる。かかる成形は、成形された粉末の内部のいかなるボイドをも十分に減ずるべく、十分な圧力とともに実施される。混合され成形された粉末は、次いで加熱による予備焼結の段階に付されることにより、プリフォームろう材３０が得られる。予備焼結は、成形された粉末が一定の形状保存性を有する程度に実施すればよい。プレスと予備焼結は同時に実施してもよく、あるいは冷間等方加工プレス（ＣＩＰ）や熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）をこの工程に適用してもよい。さらに、予備焼結の後、損傷部２０ｄの形状に適合せしめるべく軽度の研削を施してもよい。

図４のステップ１０６を参照するに、プリフォームろう材３０は、図３（ｂ）に示されるごとく、損傷部２０ｄに取り付けられる。取り付けは、仮付け溶接、仮ろう付け、またはペーストによる接着によることができる。

図４のステップ１０８を参照するに、アウターバンド２０はプリフォームろう材３０とともに、非酸化性雰囲気中において加熱される。非酸化性雰囲気は公知の方法により実現することができ、例えば真空炉ないしアルゴン等の不活性ガスによりパージした炉を利用することにより実現される。加熱温度および時間は、プリフォームろう材３０自身の焼結とアウターバンド２０に対する拡散接合とが十分に完了するべく適切に選択される。加熱温度は、ろう材粉末の焼結温度によるが、低すぎれば焼結に長時間を要し、および／または加熱後のプリフォームろう材中にボイド等の欠陥を残しかねない。また高すぎればアウターバンド２０の形状や材質的特性に影響を及ぼす。即ち、加熱温度は例えば１１５０℃ないし１２３０℃であり、より好ましくは、１１７５℃ないし１２０５℃である。加熱の時間は、加熱温度に依存するが、焼結および拡散接合が十分に進行することを考慮して適宜に選択するべきである。一例として数分から数時間の間の適宜の時間が選択される。加熱後は、通常炉冷される。あるいは、加熱による影響を減ずる目的で、プログラムされた段階的な昇温と冷却とを組み合わせてもよい。その後、アウターバンド２０は焼結されたプリフォームろう材３０とともに、炉から取り出される。

図４のステップ１１０を参照するに、焼結されたプリフォームろう材３０は、機械加工に付される。機械加工は、図３（ｃ）に示されるごとく、機械加工されたプリフォームろう材４０がアウターバンド２０の原形状を回復するべく実施される。

本実施形態は、修復の対象となる領域を自在に限定することができる一方、加熱を部品全体に均一に施すことを可能にする。このことは、肉盛される領域を限定するためにマスキングやその除去といった、特別な処置が必要な溶射や肉盛溶接による修復方法に比較して、生産性の点で顕著な優位性を提供する。さらに、局所的な加熱を要しないので、局所的な加熱による部品への悪影響の懸念がない。また加熱の温度と時間とを自在に選択しうるので、修復された部位中の欠陥を極小化しうる。さらに本実施形態による修復されたタービン部品は、適度な耐摩耗性を有し、さらに相手方部品の損耗をも抑制しうる。以ってガスタービンエンジンが次回に修復を要するまでの期間を延長し、ひいてはガスタービンエンジンの寿命の延長に寄与する。

好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

図１は、部分的に断面を表した例示的なガスタービンエンジンの立面図である。図２は、例示的なタービンノズルの斜視図である。図３は、前記タービンノズルに生じた損傷および本発明の一実施形態によるその修復の過程を表す斜視図である。図４は、前記実施形態による修復の方法を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ガスタービンエンジン
３ファンアセンブリ
５高圧コンプレッサ
７高圧タービン
９低圧タービン
１１タービンノズル
１３ローター
１５ケーシング
１９軸
２０アウターバンド
２０ｄ損傷部
２２ステータベーン
２４インナーバンド
３０プリフォームろう材
４０機械加工されたプリフォームろう材
１００フローチャート

Claims

損傷部を有する低圧タービン部品を修復する方法であって、
１６．５重量％ないし１８．５重量％のクロムと２７重量％ないし３０重量％のモリブデンとを含むコバルト合金よりなる、ろう材粉末と、１８重量％ないし２０重量％のクロムと３．５重量％ないし４．５重量％のタングステンと７．５重量％ないし８．５重量％のシリコンとを含むコバルト合金よりなる、耐摩耗性粉末とを混合し、成形し、
混合および成形された前記粉末を予備焼結して、プリフォームろう材を形成し、
前記プリフォームろう材を前記損傷部へ取り付け、
前記プリフォームろう材を焼結するべく前記損傷部を有する前記低圧タービン部品を前記プリフォームろう材とともに非酸化性雰囲気中において加熱し、
前記焼結された前記プリフォームろう材を機械加工して前記低圧タービン部品の原形状を回復する、
ことよりなる方法。
請求項１に記載の方法において、
前記ろう材粉末においてクロム、モリブデンおよびコバルトを除く残部は、不可避的不純物よりなり、前記耐摩耗性粉末においてクロム、タングステン、シリコンおよびコバルトを除く残部は、不可避的不純物よりなることを特徴とする方法。
請求項１および２の何れかに記載の方法において、
前記ろう材粉末は、混合された前記粉末中において、５０重量％を越えて１００重量％未満の比率を有することを特徴とする方法。
請求項１ないし３の何れかに記載の方法において、
加熱温度は１１５０℃ないし１２３０℃であることを特徴とする方法。
損傷部を有する低圧タービン部品より修復されたタービン部品であって、
１６．５重量％ないし１８．５重量％のクロムと２７重量％ないし３０重量％のモリブデンとを含むコバルト合金よりなる、ろう材粉末と、１８重量％ないし２０重量％のクロムと３．５重量％ないし４．５重量％のタングステンと７．５重量％ないし８．５重量％のシリコンとを含むコバルト合金よりなる、耐摩耗性粉末とを混合し、成形し、予備焼結することにより得られたプリフォームろう材を前記損傷部へ取り付け、前記プリフォームろう材を焼結するべく非酸化性雰囲気中において加熱し、機械加工して前記低圧タービン部品の原形状を回復することにより得られた、タービン部品。
請求項５に記載のタービン部品において、
前記ろう材粉末においてクロム、モリブデンおよびコバルトを除く残部は、不可避的不純物よりなり、前記耐摩耗性粉末においてクロム、タングステン、シリコンおよびコバルトを除く残部は、不可避的不純物よりなることを特徴とするタービン部品。
請求項５および６の何れかに記載のタービン部品において、
前記ろう材粉末は、混合された前記粉末中において、５０重量％を越えて１００重量％未満の比率を有することを特徴とするタービン部品。
請求項５ないし７の何れかに記載のタービン部品において、
加熱温度は１１５０℃ないし１２３０℃であることを特徴とするタービン部品。
損傷部を有する低圧タービン部品を修復するためのプリフォームろう材であって、
互いに混合され、予備焼結された、１６．５重量％ないし１８．５重量％のクロムと２７重量％ないし３０重量％のモリブデンとを含むコバルト合金よりなる、ろう材粉末と、１８重量％ないし２０重量％のクロムと３．５重量％ないし４．５重量％のタングステンと７．５重量％ないし８．５重量％のシリコンとを含むコバルト合金よりなる、耐摩耗性粉末とを含む、プリフォームろう材。
請求項９に記載のプリフォームろう材において、
前記ろう材粉末においてクロム、モリブデンおよびコバルトを除く残部は、不可避的不純物よりなり、前記耐摩耗性粉末においてクロム、タングステン、シリコンおよびコバルトを除く残部は、不可避的不純物よりなることを特徴とするプリフォームろう材。
請求項９および１０の何れかに記載のプリフォームろう材において、
前記ろう材粉末の比率は５０重量％を越えて１００重量％未満であることを特徴とするプリフォームろう材。