JP6022679B2 - 指向性凝固合金の補修 - Google Patents

Description

この出願は米国仮出願６１／６４５，８００の出願日２０１２年５月１１日の利益を主張する。

本発明は概して材料の分野に関し、より詳細には指向性凝固合金の補修に関する。

ガスタービンエンジンなどの高温、高応力の機械の用途は、ニッケル系およびコバルト系の超合金の開発を必要としてきた。そのような合金で形成された部品は、等軸（ランダム多結晶構造）、または柱状粒子（主応力軸に平行に形成された結晶粒）、または単結晶（粒界を持たない）であるように成形され得る。柱状粒子構造および単結晶構造は、成形工程の間、溶融された合金材料を指向性凝固することによって形成され、そのような構造は、特定の用途に関して性能上の利益を提供することができる。

指向性凝固された超合金部品は、コストを低減するために、それを置き換えるよりもむしろ補修することが望ましい。しかしながら、補修工程により下部の結晶構造の方向性が破壊され、その結果部品が弱くなる可能性があるため、そのような材料の補修は難しい。

米国特許第８，１４１，７６９号明細書は、指向性凝固材料の補修方法を開示し、その方法において、はんだが下部の基板材料の結晶構造を変えない程度に十分低い温度で補修領域に付けられ、はんだ材料中に指向性凝固粒子構造を作り出すように温度勾配を生じさせる。この方法は下部の粒子構造を保持するが、１−１，０００μｍの幅を有する局所的な補修に限られる。さらに、はんだ中の低溶融温度成分の必要性が、補修に使用され得る材料の選択を制限する。

米国特許第７，７８４，６６８号明細書は、指向性凝固された基板上部に、溶融され、固化されることができ、その結果優先的に種晶添加しかつ基板材料粒子に配向する、予備成形された形状を有する補修材料の使用を開示する。しかしながら、予備成形体の厚みは、溶融された添加剤材料の流動性および限られた表面張力に起因して、制限されなくてはならない。厚みを有する補修は、一連の繰り返しの重複した段階において、複数の予備成形体を連続的に付けることによって実現されなくてはならないか、または他の方法では、その溶融状態の補修材料を支持するために容器または型が準備されなくてはならない。

米国特許第８，１４１，７６９号明細書 米国特許第７，７８４，６６８号明細書

ガスタービンエンジンの超合金の翼は、最も一般的には、溶接またはクラッディング工程で翼の基板表面上部に補修材の層を徐々に堆積することによって補修される。補修材は、基板材料と調和するように選択されるか、または同様の高温特性を有するように選択される。そのようなクラッディングによる補修は、溶加材としてワイヤを使用してガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）により実施するか、または低加熱用途に関して、溶加材として通常粉末材料を使用してマイクロプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）またはレーザビーム溶接（ＬＢＷ）により実施することができる。この方法の様々な変形例が開発されており、それには基板の予備溶接熱処理調整、基板の高温予備加熱、および熱間静水圧プレス（ＨＩＰｉｎｇ）などの溶接後熱処理が含まれる。しかしながら、そのような溶接工程では下部基板のミクロ構造を複製することができず、その結果元々の部品において実現されるものと同じ材料特性を生み出すことができない。

本発明は、図面を参照して、以下の記述において説明される。

従来技術の層形成法で補修された指向性凝固部品表面の顕微鏡写真である。 従来技術の層形成補修工程の間の表面の溶融プール領域の概略的な説明である。 本発明の実施形態による補修工程を受けたガスタービンブレードの概略的説明である。 図３のブレードの上面図である。 移動速度および出力密度に応じた基板溶融を示すデータのプロットである。

図１は、典型的な従来技術である溶接クラッディング補修の結果を説明する顕微鏡写真であり、指向性凝固された基板材料１４の表面１２上に堆積された積層クラッド領域１０を示す。クラッド領域１０の最下部１６において、基板グレインの指向性凝固された拡張部は、図中において黒線で強調される。しかしながら、それらのグレインは、クラッディング数層の後終了し、クラッド領域１０の最上部１８によって覆われ、そこでは再結晶化が起こり、グレインはもはや指向性凝固しない。本発明の発明者は、これがクラッド層形成工程の間にもたらされた加工固化の局所的方向性の結果であると認識している。図２は、これが如何にして起こるかを説明する概略図である。

図２は、指向性凝固基板２４の表面２２に沿って進むクラッド材料の溶融プール２０の輪郭図を示す。基板２４のグレインは、基板グレイン軸２６に沿って、一般的に表面２２と垂直な方向に延びる。しかしながら、溶融プール２０の動き（図２の図の左から右）に起因して、プール材料の固化は、固化軸２８に沿って基板グレインの方向から傾いた角度Ａを有した方向に実際には起こる。もしも固化軸方向２８が基板グレイン軸２６に対して過剰に傾いていなければ、基板グレインはクラッド材料内部に（同じ結晶学的方向性を有して）エピタキシャルに延びるだろう。そのような層の第１層および多くの場合第２層は、図１に示されるように、基板グレインを短い距離進め得る。しかしながら、固化は下部のミクロ構造に対してある角度をなして継続し、かつ他のグレイン方向が固化２８の方向に、より選択的に配向されるので、連続する層の繰り返しの加工により、不可避的に、より好ましいグレイン成長方向が生じるだろう。その結果、指向性凝固された、または単結晶ミクロ構造がもはや成長せず、図１のクラッド領域１０の最上部１８に示されるように、その位置で再結晶化が続いて起こる。商品名ＭＡＲ−Ｍ−２４７またはＣＭ２４７で販売されるニッケル合金などの非常にクラック感受性が高い合金に関して、デポジットクラッキングがミクロ構造におけるそのような変化とともに開始する。そのような複雑なミクロ構造における析出は新たに配向した粒界を歪ませ、その結果ミクロクラックを開始させるので、クラック形成が起こる可能性は高い。

指向性凝固された基板材料の上に堆積された積層クラッディングにおける再結晶化の原因を認識して、本発明者らは、指向性凝固された成形材料の補修のための改良された方法を革新的に開発した。この改良された方法で、下部の基板の指向性凝固されたミクロ構造を保持し、その指向性ミクロ構造を補修材料内部に延ばし、追加される指向性凝固された補修材料の厚みを実質的に制限しないことを可能にすることにより、従来技術の方法の制限が克服される。

図３は、本発明の一実施例の概略的な説明であり、ここで、正面図に示される指向性凝固された（単結晶または柱状粒子）ガスタービンブレード３０は、そのスキーラ先端３２を補修するために材料の追加工程を受ける。用語「スキーラ先端」は、ブレード３０の周辺端に沿ったブレード材料の延長部を記述するために従来技術で使用され、図３の他の構造が図示されない、スキーラ先端３２の位置および幾何学的形状を示すブレード３０の上面図である、図４から理解される。スキーラ先端は、ガスタービンエンジンが作動する間、ブレードを囲むシュラウドと断続的に接触させる際摩耗するように設計される。スキーラ先端の補修は、摩耗した材料の除去、その後の材料追加工程での新たな先端の肉盛を一般的に含む。図３に説明される本発明の実施形態において、ブレード３０は補修材料粉末の流動床３４に沈められる。流動床３４はスキーラ先端３２の全上面加工領域上に粉末を結集し、一方で全加工領域にわたって粉末を溶融しそれを下部のブレード表面３８に融合するために、連続的なレーザキャスティング工程においてレーザエネルギー３６が適用される。この実施形態において、粉末は、その工程において消費されるのと同じ速度で流動床３４内部に供給され、粉末の高さが実質的に一定のままであるようにする。スキーラ先端３２が上方に成長すると、活性な加工表面がおおよそ垂直方向に固定されたままであり、加工面の上を流れる粉末が一定であるように、ブレード３０は下方に動き、レーザエネルギー３６のソースから離れる（矢印３９によって示されるように）。結果的に、スキーラ先端３２が付けられるとき、粉末は溶融され、連続的なやり方で融合される。レーザエネルギー３６は、必要に応じて２次元で、全加工表面（すなわち、図４に示されるような、スキーラ先端３２の全上面領域）を加熱するために、レーザビームを迅速にスキャンまたは走査することによって適用されてよい。そうすることによって、そして元々の成形固化の軸４０（ブレード基板グレイン方向）に平行な方向３９にブレード３０を動かすことによって、熱伝導および固化は、基板のミクロ構造を再結晶化なしに単軸かつエピタキシャルに延長するのに有効である。流動床３４内の流体を動かす際アルゴンなどの不活性ガスを使用することによって、ブレード３０および溶融表面３８はまた酸化および窒化などの望ましくない大気反応から保護される。全加工界面は同時に正確に元々の成形方向における溶融および固化の連続的な条件下にあり、基板グレイン方向に対して角度をなす個々に固化された進行パスで、その表面にわたって徐々に再建されるわけではなく、したがって任意の所望の厚みを有する基板ミクロ構造の複製および延長を可能にする。

図３に説明される連続的なレーザキャスティングを実現するために、レーザ出力についてはかなりの出力が必要とされる。図４は、移動速度およびレーザ出力密度の関数としての、むき出しのスチール鋼基板の上に得られる表面溶融の図である。低い移動速度への外挿は、約１ｋＷ／ｃｍ^２のレーザ出力密度により本質的に移動速度がゼロ（これは上述の単軸レーザキャスティング工程を示す）で溶融を生じるであろうことを示すだろう。粉末はレーザ光に関して有効なトラップとして振る舞うことが知られるので、図５の結果から、粉末の追加で表面反射からのエネルギー損失は低減されるだろう。レーザビームのカップリングがより有効であるため、粉末の溶融および基板への融合が、恐らく０．６ｋＷ／ｃｍ^２程度に低い出力密度において予測され得る。もしも基板が予備加熱される場合、溶融を維持するためにさらに低い出力密度、恐らく０．４ｋＷ／ｃｍ^２程度に低いものが予測され得る。その出力密度において、商業的に入手可能な８ｋＷレーザ出力源が、２０ｃｍ^２の補修面積を加工するために使用することができた。その寸法は、典型的なガスタービンブレードプラットホーム補修のサイズと比較して大きく、典型的なガスタービンブレードスキーラ先端３２の上表面の面積とほぼ同じである。さらに高出力性能を有するレーザが既に知られている。例えば、Ｅｄｉｓｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅは、塗膜剥離用途で、最大１０ｋＷの出力レベルでファイバーレーザを備えたポリゴンオプティカルスキャナの使用を示した。ラスタ化されたファイバーレーザビームの代わりに、一体化されたまたはスキャンされた光学機器と共に、全加工領域をレーザエネルギーに同時に曝すために、光学機器および／またはマスクによって制御されるレーザエネルギーに露出された形状の加工領域で、高出力ダイオードまたはＣＯ_２レーザが使用され得る。

有利には、本発明は、制限されない深さまで任意の補修領域形状に関して超合金材料中の指向性凝固したミクロ構造のエピタキシャルな延長を提供し、一方で再結晶化およびクラック形成を回避する。本発明はまた、複数パス工程と比較して要する時間が短く、一方でパス間温度の制限およびパス間クリーニングの懸念を回避する。レーザビームラスタ化により加工表面上に出力が分配され、必要とされる他の動きがレーザビームに対する垂直方向の部品の変位のみであるため、補修される部品の複雑な操作は必要とされない。

本発明を実施するための装置は、基板３０の加工表面上に材料３４の粒子を動かす手段、同時に全加工表面上に材料をエピタキシャルに溶融および融合するのに有効なやり方で全加工表面にわたってエネルギー３６を適用するための手段、および、材料の所定の厚みが追加されるまで、基板への材料の連続的なエピタキシャルな追加のための状態を保持するのに有効に基板と材料粒子を動かす手段との間で相対的な動き３９を提供する手段、を含んでよい。相対的な動きを提供する手段は、モータ駆動プラットフォームまたは固定具の分野の当業者に知られるであろう他の機械装置であってよい。

本発明の様々な実施形態がここに示され説明されるが、そのような実施形態が例示のためだけに与えられることは明らかであろう。様々な変更、変化、および置換が、本発明から逸脱することなく行われ得る。例えば、粉末は、加工表面上に移動するために、流動床以外の手段、例えば基板または粒子を保持している容器を振動させるシェイカーシステムによって、粒子を動かすための音響、電気、または磁気エネルギーによって、散布噴霧システムなどの使用によって、動かされてよい。部品は、従来技術で知られる任意の様々な方法によって、材料追加の工程の前または後に、調整または加熱されてよい。部品は、部品の元々の成形の間元々受けた熱条件をより厳密に想定するために、その側部が絶縁されてよい。様々な用途において、粒子の動きおよび方法の結果を最適化するために、様々な粉末メッシュの範囲が使用されてよい。粉末材料および／またはメッシュ範囲は一定に保たれるか、または補修の進行に従って変更されてよい。固定されたレーザエネルギー源を備えた固定流動床内で部品を下方向に動かすよりはむしろ、粒子供給、部品、およびエネルギー源の任意の組み合わせが、グレイン配向の方向に垂直であり、グレイン配向の方向に平行に動く固化表面との連続的溶融／融合条件を維持するために、互いに対して移動されてよい。最終的に、エネルギー源が全加工領域にわたって連続的に粉末を加熱および溶融することができる限り、電磁気または音響エネルギーなどのレーザエネルギー以外のエネルギーが使用されてよい。

したがって、本発明は添付される特許請求の精神および範囲によってのみ制限される。

１０ クラッド領域
１２ 表面
１４ 基板材料
１６ 最下部
１８ 最上部
２０ 溶融プール
２２ 表面
２４ 指向性凝固基板
２６ 基板グレイン軸
２８ 固化軸
３０ 基板、ブレード
３２ スキーラ先端
３４ 材料、流動床
３６ エネルギー
３８ 溶融表面
３９ 平行な方向
４０ 成形固化の軸

Claims (19)

1. 指向性凝固された基板材料の表面への補修材料のエピタキシャルな追加の方法であって、
   補修材料粒子の連続的供給物を基板材料の全加工表面上に動かす段階、
   融合した粒子の凝固加工界面が、基板材料のグレイン配向方向に平行な方向に進むように、同時に全加工表面上にエピタキシャルに補修材料を溶融および融合するのに有効なやり方で全加工表面にわたってエネルギーを適用する段階、および
   補修材料の所定の厚みが追加されるまで、補修材料粒子の連続的供給物と、エネルギー源と、基板材料との間に、凝固加工界面における補修材料の連続的エピタキシャル追加のための条件を保持するのに有効な相対的な動きを提供する段階、
   を含む方法。
2. 補修材料粒子の連続的供給物を動かす段階が、補修材料粒子の流動床中に基板材料を配置する段階を含む、請求項１に記載の方法。
3. 流動床中の可動流体として不活性ガスを用いることをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 補修材料粒子の連続的供給物を動かす段階が、散布噴霧により補修材料粒子を適用する段階を含む、請求項１に記載の方法。
5. 補修材料粒子の連続的供給物を動かす段階が、基板材料を振動する段階を含む、請求項１に記載の方法。
6. 補修材料粒子の連続的供給物を動かす段階が、補修材料粒子のベッド中に基板材料を配置する段階およびベッドを振動する段階を含む、請求項１に記載の方法。
7. エネルギーを適用する段階が、全加工表面にわたってレーザビームをラスタ化する段階を含む、請求項１に記載の方法。
8. エネルギーを適用する段階が、同時に全加工表面に光学機器を通じてレーザエネルギーを向ける段階を含む、請求項１に記載の方法。
9. 相対的動きを提供する段階が、補修材料粒子の流動床中で粒子表面に対して基板材料を下げる段階を含む、請求項１に記載の方法。
10. 流動床中の可動流体として不活性ガスを使用する段階をさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 指向性凝固された超合金材料で形成されたガスタービンブレードのスキーラ先端に材料を追加するために使用される、請求項１に記載の方法。
12. 指向性凝固されたガスタービンエンジン部品を補修する方法であって、
    補修材料粒子の流動床中に部品を配置する段階、
    部品の補修表面上に粒子の流れの動きを結集するために流動床を活性化する段階、
    融合された粒子の凝固加工界面が部品のグレイン配向方向に平行な軸に沿って進むように、同時に全補修表面上にエピタキシャルに粒子を溶融および融合するために補修表面にわたってレーザエネルギーをラスタ化する段階、および
    部品上でのグレインミクロ構造の連続的なエピタキシャル延長を保持するために凝固加工界面が進む際、軸に沿って流動床中で下方に部品を移動する段階、
    を含む方法。
13. ガスタービンブレードのスキーラ先端の補修に適用される請求項１２に記載の方法。
14. 流動床中の可動流体として不活性ガスを使用する段階をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 指向性凝固された基板の表面への材料のエピタキシャルな追加の方法であって、
    基板の加工表面上の材料粒子を動かす段階、
    同時に全加工表面上にエピタキシャルに材料を溶融および融合するのに有効なやり方で全加工表面にわたってエネルギーを適用する段階、および
    材料の所定の厚みが追加されるまで、基板を材料粒子との相対的な位置に保持し、適用されたエネルギーを、基板への材料の連続的エピタキシャル追加のための条件を保持するのに有効に保持する段階、
    を含む方法。
16. 加工表面上に粒子を流すために流動床中で材料粒子を動かす段階をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 材料が基板に追加される際、流動床中の粒子の表面に対する加工表面の位置を保持するために、流動床中で基板を下げる段階をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 連続的な方法で加工表面にわたってレーザビームをラスタ化することによってエネルギーを適用する段階をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 流動床中の可動流体として不活性ガスを使用する段階をさらに含む、請求項１８に記載の方法。

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