JP6104840B2 - タービン部品及びタービン部品の肉盛方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービン部品及びタービン部品の肉盛方法に関する。

ガスタービンの燃焼効率向上のためには燃焼温度の高温化が有効であり、近年では静翼入口ガス温度が１５００℃にも至るような機種が開発されている。ガスタービン翼の翼先端には、燃焼ガスが翼先端から漏れることによる効率低下を抑制するために、チップスキーラと呼ばれる部分がある。この部分は、近年一層高温化が進んでいる燃焼ガスにさらされることに加えて、反対側の面にあるシュラウドセグメントと摺れることによって、高温酸化やエロージョンなどによって損耗を受けやすい。当該部分は、実使用において損耗が生じると、肉盛溶接によって補修される。

ガスタービン翼の材料として、Ｎｉマトリックス中にγ’相と呼ばれるＮｉ３Ａｌ相を析出させた析出強化型Ｎｉ基超合金がよく用いられている。このような合金の例として、現在、ガスタービン１段動翼として使用されているＧＴＤ−１１１やＲｅｎｅＮ５（いずれも材料の商品名）等の単結晶超合金がある。これらの合金は、溶接時に凝固割れ、液化割れ、延性低下割れなどの溶接割れを引き起しやすく、溶接は非常に困難である。

このような溶接割れは溶接時に導入される溶接残留ひずみと関連があり、溶接残留ひずみを少なくすることで溶接割れを抑制することができる。溶接残留ひずみを低下させるためには溶接入熱を小さくすることが有効である。レーザ肉盛溶接は溶接入熱を比較的低くすることができるため、航空機用ガスタービンの補修を中心に採用されてきている。しかし、レーザ肉盛溶接を採用するだけでは、溶接割れ対策としては十分ではない。

溶接残留ひずみを低下させるためにはワークを予熱することも有効であり、このため、誘導加熱コイルを用いてワークを加熱した状態でレーザ肉盛溶接を行うことが知られている。しかし、誘導加熱コイルによるワーク温度の厳密な制御は困難であり、また、ＡｌおよびＴｉの含有量が高い材料では表面酸化が生じる。従って、溶接割れ及び溶接肉盛層の品質低下等の問題がなおも生じる可能性がある。

また、蒸気タービンのタービン翼等のエロ−ジョンが問題となる部品、あるいは蒸気タービンの蒸気弁等の摩耗が問題をなる部品において、特に耐久性が求められる部位に対して、ステライト等の硬質合金をＰＴＡ（プラズマトランスファーアーク）溶接またはレーザ溶接を用いて肉盛溶接することも知られている。この場合にも、溶接割れが生じやすいという問題がある。

特表２００３−５３３３５４号公報 特開２００８−０９３７２５号公報

本発明が解決しようとする課題は、溶接割れを発生させずに効率良く肉盛りを行う技術を提供することである。

実施形態のタービン部品の肉盛方法は、下記の工程を含む。
（工程ａ）完成品形状から一部の領域が除かれた形状を有するとともに、被肉盛表面を有するタービン部品を用意する工程。
（工程ｂ）被肉盛表面上に溶加材の粉末を供給するとともに当該粉末をエネルギービームにより溶解する工程。この工程により、タービン部品の対応する部位における断面形状に相当する形状を有する所定厚さの肉盛層が被肉盛表面上に形成される。
（工程ｃ）肉盛層の表面を新たな被肉盛表面として工程（ｂ）を実行することを複数回繰り返す工程。この工程により、タービン部品の上記の除かれた領域に、当該領域における完成品形状に相当する３次元形状が、複数の肉盛層の積層体によって形成される。

溶接肉盛りを実施するための装置の構成を概略的に示す斜視図。 実施形態に係る補修手順を説明する工程図。 ビーム走査を説明するための模式図。 溶接ビードを説明するための模式図。 溶接肉盛りを実施するための装置の他の構成を概略的に示す斜視図。 溶接肉盛りを実施するための装置のさらに他の構成を概略的に示す斜視図。 他の実施形態に係る硬質合金を用いた補修手順を説明する工程図。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

［肉盛溶接装置］
まず、タービン動翼の補修に用いることができる肉盛溶接装置を図１に示す。肉盛溶接装置は、高エネルギービームここではレーザビームを発生させるビーム発生装置１と、補修対象物であるタービン動翼（タービン部品）１００を固定する固定機構２と、ビーム照射ヘッド３と、ビーム照射ヘッド３を水平方向に移動させるＸ−Ｙポジショナー４と、Ｘ−Ｙポジショナー４の動作を数値制御する制御装置５と、ビーム発生装置１からビーム照射ヘッド３にビームを伝送する光ファイバー６と、固定機構２が取り付けられた粉末貯留部９（後述）の底板を昇降させることによりタービン動翼１００を昇降させるＺポジショナー７と、タービン動翼１００の周囲に溶加材としての粉末を供給する粉末供給機構８とを備えている。

また、図２に示すように、肉盛溶接装置は、粉末供給機構８から供給された粉末２０を貯留する粉末貯留部９と、粉末貯留部９の上端縁に沿って水平方向に移動して粉末貯留部９に貯留された粉末２０の上面２２を平らに均す均し部材１０とを備えている。均し部材１０は、例えばブレードまたはローラーからなる。粉末貯留部９内には、タービン動翼１００の後述する被肉盛表面１０３の近傍を少なくとも収容することができる。

ビーム照射ヘッド３、Ｘ−Ｙポジショナー４及び粉末貯留部９等の部材は、溶接に適した所定の雰囲気、例えば不活性ガス若しくは真空雰囲気に調整可能なチャンバ１１内に収容される。

次に、肉盛溶接装置を用いて実行される補修方法の一例について、図２を参照して説明する。以下に説明する例において、補修対象物は、ＧＴＤ−１１１（商品名）を用いて製作されたガスタービン用のタービン動翼１００であり、所定時間実機で使用された結果、図２（ａ）に示すようにチップ部に高温酸化やエロージョンなどによって損耗が生じ、補修対象部分１０１が存在しているものである。また、溶加材すなわち粉末２０として、粒径４５〜９０μｍのＩＮ６２５（ＵＮＳ Ｎｏ．０６６２５）（商品名）のガスアトマイズ粉を用いる。

まず最初に、補修対象のタービン動翼１００に対して、溶体化熱処理（その設備は図示せず）が施される。

次に、図２（ｂ）に示すように、タービン動翼１００の損耗箇所すなわち補修対象部位１０１を含む領域を、所定の切断平面１０２に沿って切削して除去することにより、平面である被肉盛表面１０３を形成する。タービン動翼１００のチップ部（最先端）から被肉盛表面１０３までの距離は、例えば５ｍｍ程度である。タービン動翼１００が翼長手方向に沿って指向性凝固させることにより鋳造された一方向凝固翼である場合、この被肉盛表面１０３は、翼長手方向すなわち凝固方向と直交する平面であることが好ましい。

次に、図２（ｃ）に示すように、タービン動翼１００を粉末貯留部９に配置して、タービン動翼１００のルート部を肉盛溶接装置の固定機構２に取り付ける。このとき、タービン動翼１００の被肉盛表面１０３が水平面と平行であって、かつ、Ｘ−Ｙポジショナー４の移動平面（Ｘ−Ｙ平面）と平行となるようにする。また、被肉盛表面１０３は粉末貯留部９の上端縁より僅かに低い高さ位置に位置するようにする。

次に、図２（ｄ）に示すように、肉盛溶接装置の粉末貯留部９内に、溶加材の粉末２０を充填する。
図２（ｅ）に示すように、粉末２０を被肉盛表面１０３よりも高い適当な高さまで充填した後、均し部材１０が水平方向に移動し、粉末２０の表面を平らに均す。これにより、粉末の上面２２を被肉盛表面１０３と平行にし、かつ、粉末の上面２２が被肉盛表面１０３よりも所定量（例えば０．２ｍｍ）だけ高い位置に位置するようにする。従って、このとき、被肉盛表面１０３と同一平面上にあり被肉盛表面１０３を包含する有限平面の上に、均一な所定厚さ（例えば厚さ０．２ｍｍ）の粉末２０の層が設けられることになる。

次に、図２（ｆ）に示すように、Ｘ−Ｙポジショナー４によりビーム照射ヘッド３を水平方向に移動させながらレーザビームを前記有限平面上にある粉末２０に照射することにより、すなわちレーザビームによるスキャン（走査）を行うことにより、粉末２０が溶解され、被肉盛表面１０３上に肉盛層１０４が形成される。なお、ここでは、ビーム照射装置として能力５ｋＷの半導体励起のファイバーレーザを使用して、５００Ｗの出力で肉盛り溶接を行った。ビームスポット径は６０μｍとした。

ビーム照射ヘッド３の移動はタービン動翼１００の３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて行う。すなわち、被肉盛表面１０３に対応する高さ位置のタービン動翼１００の断面形状は３Ｄ−ＣＡＤデータにより既知であり、この断面形状をビームスポットで塗りつぶしてゆくようにビームスポットを移動させる。

具体的には、例えば図３に示すように、ビームスポットをＸ正方向に断面の一端から他端まで往復させながら、方向転換の際にＹ正方向に例えばビームスポット径の約半分に相当する距離だけビームスポットを移動させてゆく。これにより、図２（ｇ）に示すように所定厚さ（例えば０．２ｍｍとほぼ同じかやや薄い）の肉盛層１０４が、被肉盛表面１０３の上にほぼ均一に形成される。

３Ｄ−ＣＡＤデータは、タービン動翼１００の設計図面にアクセス可能であるならばそこから取得できる。設計図面にアクセスすることが不可能ならば、損耗したタービン動翼１００の実物の形状を三次元スキャンまたはＸ線ＣＴ等により測定し、当該測定データに基づいて新品状態のタービン動翼１００の形状データを推定することにより、３Ｄ−ＣＡＤデータを得ることも可能である。

図４には肉盛層１０４の断面が概略的に示されている。肉盛層１０４は部分的に重なり合った溶接ビードの集合体からなる。肉盛層１０４の表面（上面）は、若干の凹凸はあるが、マクロ的には被肉盛表面１０３と概ね平行な平面とみなすことができる。

次に、図２（ｈ）に示すように、Ｚポジショナー７により固定機構２を移動させ、肉盛層１０４の厚さ分だけタービン動翼１００及び粉末貯留部９の底板を下降させる。次いで、肉盛層１０４の表面を新たな被肉盛表面１０３と見なして、図２（ｅ）から図２（ｇ）の手順を実行する。図２（ｅ）の手順を行う前に、粉末貯留部９に粉末２０が補充される。図２（ｅ）から図２（ｇ）の手順は、複数の肉盛層１０４の積層体によりタービン動翼１００の切除部分が元の新品の形状に戻るまで繰り返し実行される。

その後、グラインダー加工などの研削、研磨加工により形状を整えた後、溶体化熱処理、必要に応じた表面コーティング処理、及び時効熱処理を行うことにより、タービン動翼１００の補修が完了する。

レーザビームのスキャンを、Ｘ−Ｙポジショナー４を動作させることに代えて、図５に示すようにミラー１２等を含む走査光学系を動作させることにより行ってもよい。図５の例では、制御装置５’が、ミラー１２等を含む走査光学系の動作の制御を行っている。

上記の実施形態によれば、被肉盛表面１０３上に微小厚さの実質的に２次元形状の肉盛層１０４を多数積層させて３次元形状を形成する３Ｄ積層造形技術を用いることにより、高い形状精度で肉盛りを行うことができる。このため、肉盛り後の加工（研削、研磨等）の工数を削減することができる。また、肉盛層１０４の形成に先立ち、タービン動翼１００の補修対象部分１０１を含む領域を除去して平面からなる被肉盛表面１０３を形成しているため、より高い形状精度で肉盛りを行うことができる。

しかも、上記の実施形態によれば、平面である被肉盛表面１０３上に微小厚さの実質的に２次元形状の肉盛層１０４の肉盛りを繰り返すことにより造形を行うため、１回の肉盛り当たりの入熱を比較的少なく抑えることができる。このため、溶接ビード及び溶接熱影響部において溶接により誘起される内部応力を低く抑えることができ、溶接割れ及びその後の熱処理時の割れを防止若しくは最小限に抑制することができる。

また、上記の実施形態によれば、被肉盛表面１０３を包含する平面上に予め粉末２０を敷き詰めて、その粉末２０に対してビームを照射することにより肉盛りを行うので、ビームエネルギ及びビームスポット径を比較的小さくしても肉盛り溶接を差し障りなく実行することができる。このため、溶接による入熱を一層小さくすることができ、溶接割れ及びその後の熱処理時の割れの防止効果をより高めることができる。また、肉盛層１０４の金属組織を均一にすることができる。

溶接による入熱が大きい場合には、例えば図４の隣接する肉盛層１０４の境界部近傍の部分１０５、特に母材の部分に割れが生じ易くなる。これに対して、実際に図１及び図５の肉盛補修装置を用いて、試験片により補修実験を行ったところ、いずれも肉盛り後に０．５ｍｍ以上の割れは認められなかった。

また、上記実施形態によれば、特にタービン動翼１００一方向凝固翼であり、かつ、被肉盛表面１０３が凝固方向に直交する平面であった場合、上記のように肉盛りをしてゆくことにより、溶接ビードの金属組織における結晶方向がタービン動翼１００の鋳造時の凝固方向を受け継ぎ、溶接ビードの金属組織における結晶の長手方向がタービン動翼１００の鋳造時の凝固方向と概ね揃う。このため、被肉盛表面１０３が他の方向と向いている場合と比較して、元の鋳造部分と肉盛り部分との機械的特性の差が小さくなり、また、元の鋳造部分と肉盛り部分の境界部における機械的特性の変化も小さくなるという利点が生じる。

上記の実施形態では、高エネルギービームとしてレーザビームを用いたが、これに限定されるものではなく、電子ビームを用いてもよい。

図６に、電子ビームを用いて肉盛りを行うための構成を示す。ビーム照射ヘッド３に代えて電子銃（電子ビーム発生装置）１３が発生した電子ビームを、電磁コイル１４により偏向させることにより、ビームのスキャンを行う例を示す。電子ビームの偏向は、制御装置５”が図示しない電子銃／コイル制御部を介して行う。

補修対象材料は上述したＧＴＤ−１１１に限らず、他の析出強化型Ｎｉ基超合金例えばＩＮ７３８であってもよい。さらに、析出強化型Ｎｉ基超合金に限らず、他のタービン部品材料であってもよい。補修対象部品も、ガスタービン動翼に限らずガスタービン静翼であってもよく、また、ガスタービン部品に限らず蒸気タービン部品であってもかまわない。

以上述べた実施形態によれば、溶接割れを発生させずに効率良く補修できる。

上記の肉盛りは、補修に限らず、母材よりも耐久性（例えば耐エロ−ジョン性、耐摩耗性）の高い硬質肉盛層を形成するために用いることができる。

図７を参照して、使用によりエロ−ジョンによって損傷した蒸気タービンの動翼（タービン動翼１００’）の前縁（リーディングエッジ）付近に、ステライト（商品名）からなる硬質肉盛層を形成する例について説明する。

図７（ａ）には、タービン動翼１００’の使用前の形状が概略的に示されている。このタービン動翼１００’を所定時間使用することにより、前縁付近にエロ−ジョン（浸食）が生じた状態が、図７（ｂ）に示されている。

補修にあたっては、まず、図７（ｃ）に示すように、エロ−ジョンが生じている補修対象部位１０１’を含む領域を所定の切断平面１０２’ に沿って切削して除去することにより、平面である被肉盛表面１０３’を形成する。この場合、切断平面１０２’は、例えば、補修対象部位１０１’を包含しつつ除去部分の体積が最小となるように設定することができる。

図７（ｃ）に示すように加工したタービン動翼１００’を、図７（ｄ）に示すように肉盛溶接装置の固定機構２’（翼を斜めに保持することができるように構成されている点においてのみ前述の固定機構２と異なる）に固定して、粉末貯留部９内に収容する。このとき、被肉盛表面１０３’が水平面と平行となるようにする。その後は、先に説明した図２（ｄ）〜図２（ｆ）と同様の手順を繰り返すことにより、図７（ｄ）に破線で示す領域に硬質肉盛層を形成すればよい。

この場合、硬質肉盛層を形成するために粉末貯留部９に供給される肉盛用硬質合金粉末はステライト粉末に限定されるものではなく、例えば、コバルト基合金、ニッケル基合金、クロム炭化物を含むニッケル基合金、クロム炭化物を含むコバルト基合金、タングステン化合物を含むニッケル基合金、タングステン合金及びコバルト基合金の混合物からなる粉末を用いることもできる。

このように硬質合金の肉盛を行うことにより、蒸気タービンのタービン動翼１００’の前縁付近の耐エロ−ジョン性を向上させることができる。

また、硬質合金の肉盛を３Ｄ積層造形技術を用いて行うことにより、以下の利点が得られる。まず、高い形状精度で肉盛りを行うことができので、肉盛り後の加工（研削、研磨等）の工数を削減することができる。また、結晶粒のサイズを小さくすることができるので、耐エロ−ジョン性をさらに向上させることができる。さらに、溶接に起因して生じる残留応力を小さくすることができるので、溶接肉盛時に溶接割れの発生を抑制することができる。

上記の図７の実施形態においては、使用により損傷を受けた蒸気タービンの動翼の補修時に硬質合金の肉盛を行ったが、これに限定されるものではなく、新品の動翼の作成時に、完成品形状から肉盛部の領域が除かれた形状の動翼（例えば図７（ｃ）に示した形状を有するもの）を用意し、これに硬質合金の肉盛を行うことにより、新品の動翼の完成品形状に相当する（但し、仕上げ加工のための研削、研磨代を含む）３次元形状を作成してもよい。

硬質合金の肉盛対象は、蒸気タービンの動翼に限定されるものではなく、静翼であってもよい。また、肉盛対象は、蒸気タービンの弁（例えば蒸気加減弁）、ガスタービンの燃焼器の摺動部等の摺動部品であってもよい。この場合には、当該摺動部品の耐摩耗性を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ビーム発生装置
３ ビーム照射ヘッド
５、５’、５” 制御装置
８ 粉末供給機構
１１ チャンバ
１２ ミラー
１３ 電子銃（電子ビーム発生装置）
１４ 励磁コイル
２０ 粉末
２２ 粉末の上面
１００、１００’ タービン動翼（タービン部品）
１０１、１０１’ 補修対象部分
１０３、１０３’ 被肉盛表面
１０４ 肉盛層

Claims (7)

1. （ａ）完成品形状から一部の領域が除かれた形状を有するとともに、被肉盛表面を有するタービン部品を用意する工程と、
   （ｂ）前記被肉盛表面上に溶加材の粉末を供給するとともに当該粉末をエネルギービームにより溶解し、前記タービン部品の対応する部位における断面形状に相当する形状を有する所定厚さの肉盛層を前記被肉盛表面上に形成する工程と、
   （ｃ）前記肉盛層の表面を新たな被肉盛表面として前記工程（ｂ）を実行することを複数回繰り返すことにより、前記タービン部品の前記除かれた領域に、当該領域における完成品形状に相当する３次元形状を、複数の前記肉盛層の積層体によって形成する工程と、を備え、
   前記工程（ｂ）は、
   前記被肉盛表面を包含する平面上に、この平面と平行な上面を有する所定厚さの粉末の層を設けて、前記平面を前記粉末の層で覆うことと、
   前記上面のうちの前記タービン部品の対応する部位における断面形状に相当する領域にある粉末を前記エネルギービームにより溶解して、前記断面形状に対応する形状の肉盛層を前記被肉盛表面上に形成することと、
   を含むことを特徴とするタービン部品の肉盛方法。
2. 前記タービン部品の成形方法は、損傷が生じたタービン部品を補修するために行われるものであり、
   前記工程（ａ）は、タービン部品の補修対象部分を含む領域を除去して、被肉盛表面を形成する工程であり、
   前記工程（ｃ）は、前記工程（ａ）において除去された領域に、当該領域の元の３次元形状に相当する形状を、複数の前記肉盛層の積層体によって形成する工程である、請求項１記載の肉盛方法。
3. 前記タービン部品が一方向凝固翼であり、前記被肉盛表面は凝固方向と直交しており、前記肉盛層の金属組織における結晶方向が前記一方向凝固翼の凝固方向と揃っている、請求項２記載の肉盛方法。
4. 前記タービン部品の成形方法は、前記肉盛層として、前記タービン部品の母材よりも耐久性の高い硬質肉盛層を設けるために行われる、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の肉盛方法。
5. 前記工程（ｂ）において、前記エネルギービームはレーザビームであり、前記レーザビームを走査光学系で走査する、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の肉盛方法。
6. 前記工程（ｂ）において、前記エネルギービームは電子ビームであり、電磁コイルを偏向させて前記電子ビームを走査する、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の肉盛方法。
7. 請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の肉盛方法を用いて形成されたタービン部品。

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