JP6200955B2 - タービン部品の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、製品、並びに部品の製造及び補修方法に関する。具体的には、本発明は、タービン部品及びタービン部品の製造方法に関する。
効率の向上のため、ガスタービンは、さらに高い温度及び／又はさらに大きな温度勾配に付される傾向にある。かかる温度条件は、熱疲労を生じるおそれがある。ある種のガスタービン部品は、このような温度条件の作用を高めるエッジのような幾何学的特徴を有していることがある。
熱疲労は、クラックその他の疲労特徴部の開始／形成、クラックその他の疲労特徴部の拡大、及び／又はクラックその他の疲労特徴部の伝播／延長を起こすおそれがある。かかるクラックその他の疲労特徴部は、作動面及び／又は美観面で望ましくない。多くの場合、かかるクラックその他の疲労特徴部は、部品及び／又は材料を高温及び／又は大きな温度勾配の下で使用することのできる能力を制限する。
公知の方法には、高温及び大きな温度勾配に付される部品の領域を処理することを含むものがある。幾つかの方法では、かかる部品の表面を改質して熱疲労に対する耐性を向上させるため大量のエネルギーを使用する。かかる方法は、費用がかかり、かかる方法を実施できる場所の制約のため利用可能性が制限されるという短所を有する。
その他の公知の方法としては、熱疲労に耐性の単一材料を使用することが挙げられる。かかる材料は、高価であることがあり、不都合な他の特性を有していることもある。従前の方法では、追加のステップ及びコスト、さらには複数の材料の使用に付随する適合性の問題のため、複数の材料は使用されていなかった。
上述の短所の１以上が解消されたタービン部品及び部品の製造方法があれば、当技術分野で望ましいであろう。
例示的な実施形態では、部品の製造方法は、部品の母材金属を掘削して充填領域を形成するステップと、充填領域を金属充填材で充填するステップとを含む。金属充填材は、母材金属の母材金属伸び率よりも２５％以上大きい金属充填材伸び率を有する。金属充填材は、重量で、約４〜約７％の鉄、約１４〜約１７％のクロム、約１５〜約１７％のモリブデン、約３〜約５％のタングステン、約０．０２％以下の炭素、約１％以下のマンガン、約２．５％以下のコバルト、及び残部のニッケルを含む。
別の例示的な実施形態では、部品の製造方法は、部品の母材金属を掘削して充填領域を形成するステップと、充填領域を金属充填材で充填するステップとを含む。金属充填材は、母材金属の母材金属伸び率よりも２５％以上大きい金属充填材伸び率を有する。金属充填材伸び率は、２インチ当たり約３５％インチ／インチ超である。
別の例示的な実施形態では、タービン部品は、母材金属と、金属充填材を含む充填領域とを備える。金属充填材は、母材金属の母材金属伸び率よりも２５％以上大きい金属充填材伸び率を有する。
本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。
図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。
例示的なタービン部品及びタービン部品の製造方法について説明する。本開示の実施形態は、作動効率の向上、部品の製造及び／又は補修コストの低減、さらに高い温度及び／又はさらに大きい温度勾配での作動、熱疲労を受けやすい形状を有する部品の保護、クラックその他の疲労特徴部の形成の低減又は解消、クラックその他の疲労特徴部の拡大の低減又は解消、クラックその他の疲労特徴部の延長／伝播の低減又は解消、部品での２種以上の材料の使用或いはこれらの組合せをもたらす。
図１に、タービン部品１０１のような部品の製造方法１００を示す。タービン部品１０１は、母材金属１０３を含む。方法１００では、母材金属１０３を掘削して１以上の充填領域１０５を形成する（ステップ１０２）。１以上の充填領域１０５を、次いで、例えば金属充填材１０７で充填する（ステップ１０４）。掘削（ステップ１０２）は、所定の領域から材料を除去することができる任意の適切な方法で実施される。好適な材料除去方法としては、機械加工、研削、アブレーション、やすり仕上げ、鋸引き、放電加工又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。
タービン部品１０１は、充填（ステップ１０４）に伴う性質の恩恵を受ける任意の適切な部品である。一実施形態では、タービン部品１０１は燃料ノズルチップである。一実施形態では、タービン部品１０１はガスタービン部品である。一実施形態では、タービン部品１０１はタービンエンジン部品である。他の適当なタービン部品としては、燃焼キャップ組立体及び／又はその付属部品、燃焼器ライナ組立体及び／又はその付属部品、トランジションピース及びその付属部品又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。
タービン部品１０１から掘削される（ステップ１０２）母材金属１０３は、任意の適当な金属、金属材料又は複合材料である。一実施形態では、母材金属１０３は鋳造金属である。一実施形態では、母材金属１０３は熱間圧延金属である。一実施形態では、母材金属１０３は棒状金属である。一実施形態では、母材金属１０３は、重量で、約１７〜約２４％のクロム、約１６〜約２０％の鉄、約８〜約１０％のモリブデン、約１〜約２％のコバルト、約０．５〜約０．７％のタングステン、約１％以下のマンガン、約１％のケイ素、残部のニッケル及び不可避不純物という組成を有する。別の実施形態では、母材金属１０３は、重量で、約０．０４〜約０．０８％の炭素、約０．４％以下のケイ素、約０．６％以下のマンガン、約０．００７％以下の硫黄、約０．０００５％以下の銀、約０．６％以下のアルミニウム、約０．００５％以下のホウ素、約０．０００１％以下のビスマス、約１９〜約２１％のコバルト、約１９〜約２１％のクロム、約０．２％以下の銅、約０．７％以下の鉄、約５．６〜約６．１％のモリブデン、約０．００２％以下の鉛、約１．９〜約２．４％のチタン、約２．４〜約２．８％のアルミニウム／チタン、残部のニッケルという組成を有する。別の実施形態では、母材金属１０３は、重量で、約０．０５〜約０．１５％の炭素、約１．３％以下のマンガン、約０．２〜約０．５％のケイ素、約０．０２％以下のリン、約０．０１５％以下の硫黄、約２１〜約２３％のニッケル、約１３〜約１５％のタングステン、約０．０３〜約０．１２％のランタン、約０．０１５％以下のホウ素、約３％以下の鉄、残部のコバルトという組成を有する。
タービン部品１０１の母材金属１０３に形成された充填領域１０５は、充填時（ステップ１０４）に温度差に対する耐性を増大させることのできる形状を有する。充填領域１０５は、母材金属１０３から掘削された（ステップ１０２）除去領域（図示せず）によって画成される。一実施形態では、除去領域は、健全な材料（sound material）であり、例えば、長期の供用に起因する疲労特徴部、ざらつき及び／又は他の不都合な結果が実質的に及び／又は完全にない材料である。別の実施形態では、除去領域は、例えば、１以上の疲労特徴部１１３を有する補修領域である。別の実施形態では、除去領域は、健全な材料と１以上の疲労特徴部１１３を有する材料とを含む。図２はタービン部品１０１の一実施形態を示し、金属充填材１０７で母材金属１０３全体（ディフューザ１０９及び燃焼ゾーン１１１を除く）が覆われている。
図１に示すように、一実施形態では、充填領域１０５は、（例えば、燃料ノズルチップに形成された）１以上のディフューザ１０９を囲む領域のような第１のゾーンと、（例えば、燃料ノズルチップに形成された）燃焼ゾーン１１１を囲む領域のような第２のゾーンとの間にある。別の実施形態では、充填領域１０５は、第２のゾーンから第１のゾーンに向かって複数の方向（例えば５方向）に延在する。一実施形態では、第１のゾーンは、第１の温度に耐性を有する及び／又は第１の温度で作動し、第２のゾーンは、第２の温度に耐性を有する及び／又は第２の温度で作動する。第２の温度は、第１の温度よりもある温度差だけ高い。第１の温度、第２の温度及び温度差は、１以上のディフューザ１０９近傍の空気温度及び燃焼ゾーン１１１近傍の火炎温度とは対照的に、母材金属１０３及び／又は金属充填材１０７の温度に関連する。一実施形態では、作動時の空気温度及び燃焼温度は、第１の温度、第２の温度及び冷空気流に対応する。一実施形態では、空気温度は約１７００°Ｆ（９２７℃）であり、燃焼温度は約３０００°Ｆ（１６４９℃）であり、冷空気流は約２００°Ｆ（９３℃）である。
一実施形態では、第１の温度は、約７００°Ｆ（３７１℃）、約８００°Ｆ（４２７℃）、約９００°Ｆ（４８２℃）、約７００〜約９００°Ｆ（３７１〜４８２℃）、７５０〜約８５０°Ｆ（３９９〜４５４℃）、７５０〜約８００°Ｆ（３９９〜４２７℃）、約８００〜約８５０°Ｆ（４２７〜４５４℃）、約７５０°Ｆ（３９９℃）超の温度、約８００°Ｆ（４２７℃）超の温度、約９００°Ｆ（４８２℃）未満、約８５０°Ｆ（４５４℃）未満、或いはこれらの任意の範囲又は部分範囲又は組合せ又は二次的組合せである。これに加えて又はこれとは別に、一実施形態では、第２の温度は、約１３００°Ｆ（７０４℃）、約１４００°Ｆ（７６０℃）、約１５００°Ｆ（８１６℃）、約１３００〜約１５００°Ｆ（７０４〜８１６℃）、約１３５０〜約１４５０°Ｆ（７３２〜７８８℃）、１３５０〜約１４００°Ｆ（７３２〜７６０℃）、約１４００〜約１４５０°Ｆ（７６０〜７８８℃）、約１３５０°Ｆ（７３２℃）超の温度、約１４００°Ｆ（７６０℃）超の温度、約１５００°Ｆ（８１６℃）未満、約１４５０°Ｆ（７８８℃）未満、或いはこれらの任意の範囲又は部分範囲又は組合せ又は二次的組合せである。一実施形態では、第１の温度及び第２の温度の間の温度差が、約５００°Ｆ（２６０℃）、約６００°Ｆ（３１６℃）、約７００°Ｆ（３７１℃）、約５００〜約７００°Ｆ（２６０〜３７１℃）、約５５０〜約６５０°Ｆ（２８８〜３４３℃）、約５５０〜約６００°Ｆ（２８８〜３１６℃）、約６００〜約６５０°Ｆ（３１６〜３４３℃）、約５５０°Ｆ（２８８℃）超の温度、約６００°Ｆ（３１６℃）超の温度、約７００°Ｆ（３７１℃）未満、約７５０°Ｆ（３９９℃）未満、或いはこれらの任意の範囲又は部分範囲又は組合せ又は二次的組合せである。
図３に示すように、一実施形態では、タービン部品１０１は、１以上のディフューザ１０９を囲む領域のような第１の温度に耐性の領域３０１と、燃焼ゾーン１１１を囲む領域のような第２の温度に耐性の領域３０３とを有している。タービン部品１０１の作動時は、第１の温度に耐性の領域３０１は、上述の第１の温度及び第２の温度のような、第２の温度に耐性の領域３０３よりも低い温度に付される。別の実施形態では、１以上の中間温度耐性領域３０５が、第１の温度に耐性の領域３０１と第２の温度に耐性の領域３０３との間に延在する。一実施形態では、充填領域１０５は、第１の温度に耐性の領域３０１、第２の温度に耐性の領域３０３、１以上の中間温度耐性領域３０５、又はそれらの組合せの一部又は全てに対応する。
充填領域１０５を、洗浄その他の方法で準備された後、充填領域１０５に金属充填材１０７が充填される（ステップ１０４）。一実施形態では、充填領域１０５は、溶接によって充填される（ステップ１０４）。適切な溶接技術としては、ガスタングステンアーク溶接、ＭＩＧ溶接、摩擦溶接、ろう付け又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。
金属充填材１０７は、母材金属１０３の母材金属伸び率よりも２５％以上大きい及び／又は５０％以上大きい金属充填材伸び率を有する。別の実施形態では、金属充填材伸び率は、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約４０％インチ／インチ超、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約５０％インチ／インチ超、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約３５〜約６０％インチ／インチ、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約４０〜約６０％インチ／インチ、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約５０〜約６０％インチ／インチ、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約４０％インチ／インチ、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約５０％インチ／インチ、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約５９％インチ／インチ、或いはこれらの任意の範囲又は部分範囲又は組合せ又は二次的組合せである。一実施形態では、金属充填材伸び率は、２インチ（５．１ｃｍ）当たり約９〜約４７％インチ／インチである。
一実施形態では、金属充填材１０７は、溶体化焼鈍ミクロ組織を有する。一実施形態では、金属充填材１０７は、重量で、約４〜約７％の鉄、約１４〜約１７％のクロム、約１５〜約１７％のモリブデン、約３〜約５％のタングステン、約０．０２％以下の炭素、約１％以下のマンガン、約２．５％以下のコバルト、残部のニッケルを含む。一実施形態では、金属充填材１０７は、重量で、約０．００５％のＣ、０．１５０％のＭｎ、約０．００５％のＰ、約０．００２％のＳ、約０．０３％のＳｉ、約１５．５０％のＣｒ、約１６．０％のＭｏ、約３．５０％のＷ、約０．１５％のＶ、約０．１０％のＣｏ、約６．００％のＦｅ、残部のＮｉ及び不可避不純物という組成を有する。
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
３ 全体
１０ 母材金属
１０１ タービン部品
１０３ 母材金属
１０４ ステップ
１０５ 充填領域
１０７ 金属充填材
１０９ ディフューザ
１１１ 燃焼ゾーン
１１３ 疲労特徴部
３０１ 第１の温度に耐性の領域
３０３ 第２の温度に耐性の領域
３０５ 中間温度耐性領域
１０ 母材金属
１０１ タービン部品
１０３ 母材金属
１０４ ステップ
１０５ 充填領域
１０７ 金属充填材
１０９ ディフューザ
１１１ 燃焼ゾーン
１１３ 疲労特徴部
３０１ 第１の温度に耐性の領域
３０３ 第２の温度に耐性の領域
３０５ 中間温度耐性領域
Claims (14)
- 燃料ノズルチップ、燃焼キャップ組立体及びトランジションピースからなる群から選択される部品の製造方法であって、
部品の母材金属を掘削して充填領域を形成するステップであって、充填領域が燃焼ゾーンと１以上のディフューザとを囲むステップと、
充填領域を金属充填材で充填するステップと
を含んでおり、
金属充填材が、母材金属の母材金属伸び率よりも２５％以上大きい金属充填材伸び率を有しており、
金属充填材が、質量で、０．００５％のＣ、０．１５０％のＭｎ、０．００５％のＰ、０．００２％のＳ、０．０３％のＳｉ、１５．５０％のＣｒ、１６．０％のＭｏ、３．５０％のＷ、０．１５％のＶ、０．１０％のＣｏ、６．００％のＦｅ、残部のＮｉ及び不可避不純物という組成を有する、方法。 - 充填が溶接による、請求項１記載の方法。
- 溶接がガスタングステンアーク溶接である、請求項２記載の方法。
- 溶接がＭＩＧ溶接である、請求項２記載の方法。
- 溶接が摩擦溶接である、請求項２記載の方法。
- 金属充填材が、溶体化焼鈍ミクロ組織を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
- 金属充填材伸び率が、２インチ（５．１ｃｍ）当たり３５％超である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
- 充填領域が、１以上のディフューザを囲む第１のゾーンと燃焼ゾーンを囲む第２のゾーンとの間にあり、第１のゾーンが７００〜９００°Ｆ（３７１〜４８２℃）の温度に耐性であり、第２のゾーンが１３００〜１５００°Ｆ（７０４〜８１６℃）の温度に耐性である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
- 母材金属の掘削によって除去される領域が健全な材料である、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
- 補修領域が母材金属の掘削によって除去され、補修領域が１以上の疲労特徴部を有する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
- 母材金属が鋳造金属又は熱間圧延金属である、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。
- 部品が燃料ノズルチップであり、充填領域が、燃焼ゾーンを囲むとともに、１以上のディフューザを囲むように部品の表面に沿って複数の方向に延在する、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項記載の方法。
- 燃料ノズルチップ、燃焼キャップ組立体及びトランジションピースからなる群から選択される部品の製造方法であって、
部品の母材金属を掘削して充填領域を形成するステップであって、充填領域が燃焼ゾーンと１以上のディフューザとを囲むステップと、
充填領域を金属充填材で充填するステップと
を含んでおり、金属充填材が、母材金属の母材金属伸び率よりも２５％以上大きい金属充填材伸び率を有しており、金属充填材伸び率が、２インチ（５．１ｃｍ）当たり３５％超である、方法。 - 部品が燃料ノズルチップであり、充填領域が、燃焼ゾーンを囲むとともに、１以上のディフューザを囲むように部品の表面に沿って複数の方向に延在する、請求項１３記載の方法。
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