JP5535799B2

JP5535799B2 - 金属部品の補修方法及び補修された金属部品

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Publication number: JP5535799B2
Application number: JP2010159339A
Authority: JP
Inventors: 裕二郎渡部; 晃司月元; 雅彦妻鹿; 雅彦恩田; 洋介河内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: JP2012020308A

Description

本発明は、ガスタービン、ジェットエンジン等において、高温に曝される金属部品の補修方法及び補修された金属部品に関する。

ガスタービン、ジェットエンジン等には、１０００℃以上の高温に曝される金属部品（高温部品）が存在する。例えば、図１に示すガスタービンの動翼１１は、そのような金属部品の１つであり、長期の運転後には、翼本体１２の翼頂部１２ａ、翼面１２ｂやプラットホーム部１３に亀裂Ｃが発生していることがある。このような亀裂Ｃは、グラインダ、放電加工等で亀裂部周辺を除去した後、拡散ろう付、肉盛溶接等で補修されている。

特開２００５−３０５４９２号公報特開２００３−２０６７４８号公報

翼頂部１２ａ、翼面１２ｂやプラットホーム部１３には、冷却用の空気を流すため、複数の冷却孔１５、１６が設けられている。翼頂部１２ａ、翼面１２ｂやプラットホーム部１３に亀裂Ｃが発生し、冷却孔１５、１６の近傍が補修部位となるとき、ろう材で補修を行った場合には、ろう材が冷却孔１５、１６から流出してしまったり、冷却孔１５、１６を塞いでしまったりするおそれがある。このため、特許文献１、２においては、補修開先内に埋め込み材（パイプ、ダミーピン等）を入れて、ろう材の流出防止、孔形成を行っている。

ろう付で補修を行う場合、補修部位の高強度化が図れない等の問題がある。そこで、補修部位の高強度化のために、肉盛溶接補修（ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）肉盛溶接、プラズマ肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接等）を行うことがある。しかしながら、肉盛溶接補修の場合、肉盛が厚くなると、溶接割れを起こす可能性が高い。特に、冷却孔１５、１６が補修部位にある場合には、冷却孔１５、１６を基点に溶接割れ（高温割れ）が発生しやすい。そのため、従来は、冷却孔１５、１６を避けて、補修を行っており、又、プラットホーム部１３では、冷却孔１６まで到達する亀裂Ｃがある場合には、補修そのものを断念していた。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、冷却孔近傍の肉盛溶接補修を行う場合でも、溶接割れを低減可能な金属部品の補修方法及び補修された金属部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る金属部品の補修方法は、
高温に曝されると共に冷却のための冷却孔を有する金属部品において、前記冷却孔の周りに発生した亀裂を補修する金属部品の補修方法であって、
前記亀裂と共に前記冷却孔の一部を当該金属部品の表面側から開先加工し、
開先加工後、共金系材料を用いて、前記冷却孔を孔埋め加工し、
孔埋め加工した部分をスムージング加工し、
開先加工した部分及びスムージング加工した部分に肉盛溶接を行い、
孔埋め加工した部分及び肉盛溶接した部分に、当初の冷却孔を再加工して、当該金属部品を肉盛溶接により補修することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る金属部品の補修方法は、
上記第１の発明に記載の金属部品の補修方法において、
前記孔埋め加工は、
前記冷却孔に共金系材料からなるワイヤを挿入すると共に、共金系材料を用いて、前記冷却孔の周囲と前記ワイヤとを溶接するか、
又は、
前記冷却孔自身を当該金属部品の表面側から開先加工し、当該開先加工部分を、共金系材料を用いて、肉盛溶接するか、
いずれか一方であることを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る金属部品の補修方法は、
高温に曝されると共に冷却のための冷却孔を有する金属部品において、前記冷却孔の周りに発生した亀裂を補修する金属部品の補修方法であって、
前記冷却孔に共金系材料からなるワイヤを挿入し、
前記亀裂と共に前記冷却孔の一部及び前記ワイヤの一部を当該金属部品の表面側から開先加工し、
開先加工後、共金系材料を用いて、前記冷却孔の周囲と前記ワイヤとを溶接し、
溶接した部分をスムージング加工し、
開先加工した部分及びスムージング加工した部分に肉盛溶接を行い、
前記ワイヤを挿入した部分及び肉盛溶接した部分に、当初の冷却孔を再加工して、当該金属部品を肉盛溶接により補修することを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る補修された金属部品は、
高温に曝されると共に冷却のための冷却孔を有する金属部品であって、
前記冷却孔の周りに発生した亀裂と共に前記冷却孔の一部を当該金属部品の表面側から開先加工し、
開先加工後、共金系材料を用いて、前記冷却孔を孔埋め加工し、
孔埋め加工した部分をスムージング加工し、
開先加工した部分及びスムージング加工した部分に肉盛溶接を行い、
孔埋め加工した部分及び肉盛溶接した部分に、当初の冷却孔を再加工することによって、
肉盛溶接により補修された補修部位を具備することを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る補修された金属部品は、
上記第４の発明に記載の補修された金属部品において、
前記孔埋め加工は、
前記冷却孔に共金系材料からなるワイヤを挿入すると共に、共金系材料を用いて、前記冷却孔の周囲と前記ワイヤとを溶接するか、
又は、
前記冷却孔自身を当該金属部品の表面側から開先加工し、当該開先加工部分を、共金系材料を用いて、肉盛溶接するか、
いずれか一方であることを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る補修された金属部品は、
高温に曝されると共に冷却のための冷却孔を有する金属部品であって、
前記冷却孔に共金系材料からなるワイヤを挿入し、
前記冷却孔の周りに発生した亀裂と共に前記冷却孔の一部及び前記ワイヤの一部を当該金属部品の表面側から開先加工し、
開先加工後、共金系材料を用いて、前記冷却孔の周囲と前記ワイヤとを溶接し、
溶接した部分をスムージング加工し、
開先加工した部分及びスムージング加工した部分に肉盛溶接を行い、
前記ワイヤを挿入した部分及び肉盛溶接した部分に、当初の冷却孔を再加工することによって、
肉盛溶接により補修された補修部位を具備することを特徴とする。

本発明によれば、高温に曝される金属部品の冷却孔近傍の肉盛溶接補修を行う場合でも、溶接割れを低減して、肉盛溶接補修を行うことができ、補修部位の高強度化を図ることが可能となる。つまり、金属部品に対して、許容欠陥を超える亀裂が無く、品質の高い肉盛溶接補修方法を提供することになり、又、許容欠陥を超える亀裂が無く、品質の高い肉盛溶接補修した金属部品を提供することが可能となる。

ガスタービンの動翼に発生する亀裂を説明する図である。図１に示した動翼のＡ１−Ａ１線矢視断面図である。図１に示した動翼の翼頂部を拡大した図である。図３に示した動翼の翼頂部のＡ２−Ａ２線矢視断面図である。図４に示した動翼の翼頂部に対する開先加工を説明する図である。図５に示した動翼の翼頂部に対する孔埋め加工を説明する図である。図６に示した動翼の翼頂部に対するスムージング加工を説明する図である。図７に示した動翼の翼頂部に対する本肉盛溶接加工を説明する図である。図８に示した動翼の翼頂部に対する冷却孔再加工を説明する図である。図１に示した動翼のプラットホーム部を抜き出した図である。図１０に示した動翼のプラットホーム部のＢ−Ｂ線矢視断面図である。図１１に示した動翼のプラットホーム部に対する開先加工を説明する図である。図１２に示した動翼のプラットホーム部に対する孔埋め加工を説明する図である。図１３に示した動翼のプラットホーム部に対するスムージング加工を説明する図である。図１４に示した動翼のプラットホーム部に対する本肉盛溶接加工を説明する図である。図１５に示した動翼のプラットホーム部に対する冷却孔再加工を説明する図である。

以下、本発明に係る金属部品の補修方法及び補修された金属部品の実施形態について、そのいくつかを図１〜図１６を参照して説明する。なお、以下の実施例においては、ガスタービンの動翼を例にとって説明を行うが、本発明は、他の金属部品、例えば、ガスタービンの静翼、ジェットエンジンの部品等にも適用可能である。

（実施例１）
まず、図１、図２を参照して、ガスタービンの動翼を簡単に説明する。動翼１１は、図１に示すように、タービンロータ（図示省略）の外周方向に延設される翼本体１２と、翼本体１２の内周側の基部に設けられたプラットホーム部１３と、プラットホーム部１３の内周側に設けられた固定部１４とを一体化したものである。このような動翼１１は、１０００℃以上の高温に曝されるため、ニッケル基超合金、コバルト基超合金等の金属が用いられている。又、翼本体１２は、図２に示すように、中空部１７を有する中空構造となっており、翼本体１２を空冷するために、中空部１７から翼本体１２の表面側へ貫通する複数の冷却孔１５が設けられている。又、プラットホーム部１３にも空冷のための冷却孔１６が複数設けられている。

そして、本実施例では、図１及び図３に示すように、翼頂部１２ａに発生した亀裂Ｃを対象としている。本実施例の場合、亀裂Ｃを含む領域が補修部位２１となるが、亀裂Ｃの周りに冷却孔１５がある場合、つまり、補修部位２１に冷却孔１５が含まれるとき、補修部位２１の肉盛溶接を行った場合には、前述したように、冷却孔１５を基点に、溶接割れが発生しやすかった。

そのため、本実施例では、溶接割れを低減するため、まず、冷却孔１５の孔埋めを行った後に肉盛溶接層を形成し、その後、孔埋め部分及び肉盛部分に冷却孔１５を再加工することにより、補修を行っている。この補修方法の具体的な手順を、図４〜図９を参照して説明する。

（１）補修部位の開先加工
最初に、亀裂Ｃ及び近傍の冷却孔１５の一部を含む補修部位２１の開先加工を行う。この開先加工は、例えば、グラインダ、放電加工、機械加工が望ましく、これにより、動翼１１の表面側から整形加工している（図４、図５参照）。なお、後述するように、冷却孔１５にワイヤ２２を挿入する場合には、先にワイヤ２２を挿入し、その後、補修部位２１の開先加工を行うことにより、挿入したワイヤ２２も同時に開先加工してよい。

（２）冷却孔の孔埋め施工
次に、冷却孔１５に対して孔埋め施工を行う。具体的には、以下の（２ａ）〜（２ｄ）の方法が適用可能である。

（２ａ）ワイヤ挿入＋溶接
冷却孔１５にワイヤ２２を挿入し、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接、ろう付等を用いて、挿入したワイヤ２２と冷却孔１５の周囲とを溶接材２３により溶接することにより、孔埋め施工を行う（図６参照）。このとき、挿入したワイヤ２２と冷却孔１５の周囲とは、少なくとも、開先加工側（図６中では外側）において溶接を行うが、ワイヤ２２を支持するため、開先加工側の反対側（図６中では中空部１７側）で溶接してもよい。

（２ｂ）肉盛溶接
冷却孔１５に対して、ＴＩＧ肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接、ろう付等を行うことにより、孔埋め施工を行う。

（２ｃ）冷却孔自体の開先加工＋肉盛溶接
冷却孔１５が細い場合には、冷却孔１５自体の開先加工を先に行い、その後、ＴＩＧ肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接、ろう付等を行うことにより、孔埋め施工を行う。

（２ｄ）その他
冷却孔１５に対して、粉末挿入、溶射、機械的なかしめ等を行うことにより、孔埋め施工を行う。

孔埋め施工方法しては、上記（２ａ）〜（２ｄ）の方法が適用可能であるが、動翼１１のような金属部品は、狭隘部位（冷却孔１５）での溶接割れ及び融合不良が懸念されるため、低入熱手法であったり、冷却孔１５の開先加工を行ったりする（２ａ）又は（２ｃ）の方法が望ましい。特に、［ワイヤ挿入＋ＴＩＧ溶接］又は［冷却孔自体の開先加工＋ＴＩＧ肉盛溶接］の場合は、予め、冷却孔１５の長手方向に沿って奥の方まで孔埋めしているため、本肉盛溶接時における冷却孔１５の影響を最小限にでき、より効果的に、肉盛補修溶接の安定化、溶接割れを防止することができる。

又、いずれの孔埋め施工の場合であっても、溶接割れの発生を抑制するために、ワイヤ２２、溶接材２３等の孔埋め材料の材質は、動翼１１を構成する母材より柔らかい材料がよく、共金系材料（Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金）で、Ｔｉ、Ａｌの少ない溶接割れの発生しにくい材料（例えば、インコネル６２５）が望ましい。

（３）孔埋め部のスムージング
次の手順で行う本肉盛溶接を安定させるため、グラインダ等を用いて、孔埋め部２４の余肉のスムージングを行う（図７参照）。

（４）開先部の本肉盛溶接
補修部位２１を、ＴＩＧ肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接等を用いて、本肉盛溶接を行い、肉盛部２５を形成する（図８参照）。このとき、補修部位２１を高温で予熱して、ＴＩＧ肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接等を行ってもよい。従来、冷却孔１５を埋めていない場合には、冷却孔１５の存在により、肉盛が不安定となり、肉盛り部分が割れるおそれがあるが、冷却孔１５を孔埋めした本実施例の場合、肉盛が安定化し、肉盛部の割れ防止が可能となる。なお、肉盛部分の材料としては、インコネル７３８ＬＣをベースとした材料を用いている。

（５）冷却孔の再加工
放電加工、機械加工等を用いて、補修部位２１に冷却孔１５を再加工する（図９参照）。これにより、冷却孔１５を埋めた材料（ワイヤ２２、一部の肉盛部２５）は、再加工によって取り除かれることになる。

上述した手順により、動翼１１の翼頂部１２ａの冷却孔１５近傍の肉盛溶接補修を行う場合でも、溶接割れを低減して、肉盛溶接補修を行うことができ、補修部位の高強度化を図ることが可能となる。つまり、金属部品に対して、許容欠陥を超える亀裂が無く、品質の高い肉盛溶接補修方法を提供することになり、又、許容欠陥を超える亀裂が無く、品質の高い肉盛溶接補修した金属部品を提供することが可能となる。

（実施例２）
本実施例では、図１及び図１０に示すように、プラットホーム部１３に発生した亀裂Ｃを対象としている。本実施例の場合、亀裂Ｃを含む領域が補修部位３１となるが、冷却孔１６まで到達する亀裂Ｃが発生したとき、つまり、補修部位３１に冷却孔１６が含まれるとき、従来は補修自体を断念していた。又、補修部位３１の肉盛溶接を行った場合には、前述したように、冷却孔１６を基点に、溶接割れが発生しやすかった。

そのため、本実施例でも、溶接割れを低減するため、まず、冷却孔１６の孔埋めを行った後に肉盛溶接層を形成し、その後、孔埋め部分及び肉盛部分に冷却孔１６を再加工することにより、補修を行っている。この補修方法の具体的な手順を、図１１〜図１６を参照して説明する。

（１）補修部位の開先加工
最初に、亀裂Ｃ及び近傍の冷却孔１６の一部を含む補修部位３１の開先加工を行うが、本実施例の場合、先にワイヤ３２を冷却孔１６に挿入し、その後、補修部位３１の開先加工を行うことにより、挿入したワイヤ３２の一部も同時に開先加工している（図１１、図１２参照）。この開先加工は、例えば、グラインダ、放電加工、機械加工が望ましく、これにより、動翼１１の表面側から整形加工している。放電加工の場合、補修部位３１と併せて、挿入したワイヤ３２も精度良く、加工可能となる。

（２）冷却孔の孔埋め施工
次に、開先加工面の孔埋めを行う。具体的には、開先加工面において、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接、ろう付等を用いて、挿入したワイヤ３２と冷却孔１６の周囲とを溶接材３３により溶接することにより、孔埋め施工を行う（図１３参照）。

動翼１１のような金属部品は、狭隘部位（冷却孔１６）での溶接割れ及び融合不良が懸念されるため、孔埋め施工方法しては、低入熱手法である［ワイヤ挿入＋ＴＩＧ溶接］が望ましい。この場合、予め、冷却孔１６の長手方向に沿って奥の方まで孔埋めしているため、本肉盛溶接時における冷却孔１６の影響を最小限にでき、より効果的に、肉盛補修溶接の安定化、溶接割れを防止することができる。

又、溶接割れの発生を抑制するために、ワイヤ３２、溶接材３３等の孔埋め材料の材質は、動翼１１を構成する母材より柔らかい材料がよく、共金系材料（Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金）で、Ｔｉ、Ａｌの少ない溶接割れの発生しにくい材料（例えば、インコネル６２５）が望ましい。

（３）孔埋め部のスムージング
次の手順で行う本肉盛溶接を安定させるため、グラインダ等を用いて、孔埋め部３４の余肉のスムージングを行う（図１４参照）。

（４）開先部の本肉盛溶接
補修部位３１を、ＴＩＧ肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接等を用いて、本肉盛溶接を行い、肉盛部３５を形成する（図１５参照）。このとき、補修部位３１を高温で予熱して、ＴＩＧ肉盛溶接、レーザ粉体肉盛溶接等を行ってもよい。従来、冷却孔１６を埋めていない場合、冷却孔１６の存在により、肉盛が不安定となり、肉盛り部分が割れるおそれがあるが、冷却孔１６を孔埋めした本実施例の場合、肉盛が安定化し、肉盛部の割れ防止が可能となる。なお、肉盛部分の材料としては、インコネル７３８ＬＣをベースとした材料を用いている。

（５）冷却孔の再加工
放電加工、機械加工等を用いて、補修部位３１に冷却孔１６を再加工する（図１６参照）。これにより、冷却孔１６を埋めた材料（ワイヤ３２、一部の肉盛部３５）は、再加工によって取り除かれることになる。

上述した手順により、動翼１１のプラットホーム部１３の冷却孔１６近傍の肉盛溶接補修を行う場合でも、溶接割れを低減して、肉盛溶接補修を行うことができ、補修部位の高強度化を図ることが可能となる。つまり、金属部品に対して、許容欠陥を超える亀裂が無く、品質の高い肉盛溶接補修方法を提供することになり、又、許容欠陥を超える亀裂が無く、品質の高い肉盛溶接補修した金属部品を提供することが可能となる。

本発明は、高温に曝されると共に冷却孔を有する金属部品、例えば、ガスタービンの動翼、静翼を溶接補修する際に好適なものである。

１１動翼
１２翼本体
１２ａ翼頂部
１２ｂ翼面
１３プラットホーム部
１５、１６冷却孔
２１、３１補修部位
２２、３２ワイヤ
２５、３５肉盛部

Claims

高温に曝されると共に冷却のための冷却孔を有する金属部品において、前記冷却孔の周りに発生した亀裂を補修する金属部品の補修方法であって、
前記亀裂と共に前記冷却孔の一部を当該金属部品の表面側から開先加工し、
開先加工後、共金系材料を用いて、前記冷却孔を孔埋め加工し、
孔埋め加工した部分をスムージング加工し、
開先加工した部分及びスムージング加工した部分に肉盛溶接を行い、
孔埋め加工した部分及び肉盛溶接した部分に、当初の冷却孔を再加工して、当該金属部品を肉盛溶接により補修することを特徴とする金属部品の補修方法。
請求項１に記載の金属部品の補修方法において、
前記孔埋め加工は、
前記冷却孔に共金系材料からなるワイヤを挿入すると共に、共金系材料を用いて、前記冷却孔の周囲と前記ワイヤとを溶接するか、
又は、
前記冷却孔自身を当該金属部品の表面側から開先加工し、当該開先加工部分を、共金系材料を用いて、肉盛溶接するか、
いずれか一方であることを特徴とする金属部品の補修方法。
高温に曝されると共に冷却のための冷却孔を有する金属部品において、前記冷却孔の周りに発生した亀裂を補修する金属部品の補修方法であって、
前記冷却孔に共金系材料からなるワイヤを挿入し、
前記亀裂と共に前記冷却孔の一部及び前記ワイヤの一部を当該金属部品の表面側から開先加工し、
開先加工後、共金系材料を用いて、前記冷却孔の周囲と前記ワイヤとを溶接し、
溶接した部分をスムージング加工し、
開先加工した部分及びスムージング加工した部分に肉盛溶接を行い、
前記ワイヤを挿入した部分及び肉盛溶接した部分に、当初の冷却孔を再加工して、当該金属部品を肉盛溶接により補修することを特徴とする金属部品の補修方法。
高温に曝されると共に冷却のための冷却孔を有する金属部品であって、
前記冷却孔の周りに発生した亀裂と共に前記冷却孔の一部を当該金属部品の表面側から開先加工し、
開先加工後、共金系材料を用いて、前記冷却孔を孔埋め加工し、
孔埋め加工した部分をスムージング加工し、
開先加工した部分及びスムージング加工した部分に肉盛溶接を行い、
孔埋め加工した部分及び肉盛溶接した部分に、当初の冷却孔を再加工することによって、
肉盛溶接により補修された補修部位を具備することを特徴とする補修された金属部品。
請求項４に記載の補修された金属部品において、
前記孔埋め加工は、
前記冷却孔に共金系材料からなるワイヤを挿入すると共に、共金系材料を用いて、前記冷却孔の周囲と前記ワイヤとを溶接するか、
又は、
前記冷却孔自身を当該金属部品の表面側から開先加工し、当該開先加工部分を、共金系材料を用いて、肉盛溶接するか、
いずれか一方であることを特徴とする補修された金属部品。
高温に曝されると共に冷却のための冷却孔を有する金属部品であって、
前記冷却孔に共金系材料からなるワイヤを挿入し、
前記冷却孔の周りに発生した亀裂と共に前記冷却孔の一部及び前記ワイヤの一部を当該金属部品の表面側から開先加工し、
開先加工後、共金系材料を用いて、前記冷却孔の周囲と前記ワイヤとを溶接し、
溶接した部分をスムージング加工し、
開先加工した部分及びスムージング加工した部分に肉盛溶接を行い、
前記ワイヤを挿入した部分及び肉盛溶接した部分に、当初の冷却孔を再加工することによって、
肉盛溶接により補修された補修部位を具備することを特徴とする補修された金属部品。