JP6537968B2 - ターボ機械部品を補修する方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザクラッド法によってターボ機械部品を補修する方法及び装置に関するものである。特に、本発明は、レーザクラッド法によってターボ機械のステータケースを補修することに用いられ得るが、これに限定されない。

ターボ機械を動作限界まで使用することが増えているので、新しい部品の状態に近い状態を再生するために設計された、特定の補修技術を開発する必要がある。回転部分及び非回転部分の両方が、侵食及び／又は摩耗による損傷を受ける。

例えば、蒸気タービンシャフトは、シャフト端部における結合領域、及びジャーナル軸受領域において損傷することが多い。遠心圧縮機シャフトにおいても、ジャーナル軸受及びシャフト端部に、同様の状況がおきる。ただし、圧縮機オーバーホール中や、インペラの封止領域が摩耗している場合に、非常にしばしば発生する。蒸気タービンブレード、遠心圧縮機、又はガスタービンロータ等の、他の回転部品又は静止部品も損傷し得る。ステータケースでは、例えば蒸気タービンの、静翼を有するステータケースの場合、ブレードに近接した領域が特にアクセスしにくい。伝統的な補修技術が使用される場合、通常、補修前に静翼を除去しなければならない。

上記の分野においては、電気アーク又はマイクロプラズマ肉盛溶接のような、従来の補修技法は、複数の欠点、すなわち、具体的には高い加熱速度及び冷却速度、並びに低融点ボリュームを示している。代替方法として、レーザ表面処理による補修方法が知られている。別の表面処理に対する、レーザ表面処理の利点を以下に示す。

燃焼や、イオンボンバードは関与しないため、化学的に清潔である。

加熱は局所的であり、基板に伝達される熱が最小限であるため、部品への熱損傷が最小となる。

後加工のステップ数が低減される。

非常に硬質な材料、非常に脆い材料、又は非常に軟質な材料を処理することができる。

熱浸透を制御することができる。

より厚い層を堆積させることができる。

レーザ表面加工方法のうち、レーザクラッド法が一般に知られている。レーザクラッド法は、レーザ光を用いて、所望の特性を有するクラッド材料を、補修対象表面を有する部品の基材に融着させる。レーザクラッド法は、純度、均質性、硬度、接着、及び微細構造の点で、優れた特性を有する表面層を生成する可能性を提供する。

レーザクラッド補修方法は、米国特許公開第２０１０／０２８７７５４号明細書に記載されているように、静止部品を補修するために、又は、米国特許公開第２００９／００５７２７５号明細書に記載されているように、少ないボリュームのクラッド材を堆積させるために、すでに用いられている。

国際公開第２０１２／１５２４６１号パンフレット

ステータケースを補修するとき、特に静翼に近い領域を補修するとき、このような狭い凹部に到達するために、適切な長さを有するレーザ光を提供する必要があるため、レーザクラッド法は特に困難である。また、部品の基材に融着しない、余分なクラッド粉末がある場合は、補修プロセス後に、好適に除去する必要がある。以上のような理由から、このような場合には、レーザクラッド法は使用されないか、又は損傷領域を補修する前に、静翼が除去される。

したがって、補修すべき各ターボ機械部品、特に狭い凹部を有するターボ機械部品、例えば静翼を備えたステータのための、迅速かつ再現可能に、公知の先行技術のこのような不便を回避することを可能にする、改良されたレーザクラッド方法及びレーザクラッド装置を提供することが望ましい。

第１の実施形態によれば、本発明は、以下に示す、ターボ機械部品を補修するための方法を提供することにより、このような目的を達成する。ターボ機械部品を補修するための方法は、
レーザ光源と、粉末供給機と、空気源とを含む、レーザクラッド装置を設定するステップであって、レーザクラッド装置が、レーザ光源、粉末供給機、及び空気源のそれぞれによって発生したレーザ光、粉末ジェット、及び空気ジェットが、ターボ機械部品の狭い凹部内の、補修すべき領域に集中するように構成されている、ステップと、
狭い凹部内の、レーザクラッド法によって補修すべき領域を含み、第１の端点と第２の端点との間に延びる経路を規定するステップと、
経路を、第１の端点から第２の端点まで、補修すべき領域を補修するためのレーザ光及び粉末ジェットによって覆うために、レーザクラッド装置及びターボ機械部品の一方を、他方に対して相対的に前方に移動させるステップと、
経路を、第２の端点から第１の端点まで、凹部から余分な粉末を吹き飛ばすための空気ジェットによって覆うために、レーザクラッド装置及びターボ機械部品の一方を、他方に対して相対的に後方に移動させるステップとを含む。

他の公知の補修方法に対して、本発明の解決手段によれば、損傷及び／又は摩耗及び／又は侵食を受ける狭い凹部を有し、したがって、表面積層方法によって補修される必要があるターボ機械部品をより迅速かつ効率的に補修することができる。特に、静翼を有するステータケースを補修する場合は、静翼を除去する必要がない。レーザクラッド加工を使用することにより、より厚い層を堆積させることによって、補修される部材の機械的性質を低下させることなく、より大きな損傷ボリュームを効率的に再構築することができる。

第１の実施形態のもう１つの有利な特徴によれば、クラッド経路は、角度移動する経路であり、その端点が、互いから１８０°離れている。これにより、ステータケースの半分ずつを迅速かつ効率的に補修するために、本発明の方法を適用することができる。

第２の実施形態では、本発明は、レーザ光源、粉末供給機、及び空気供給源を含むレーザクラッド装置であって、レーザクラッド装置が、レーザ光源、粉末供給機、及び空気源のそれぞれによって発生したレーザ光、粉末ジェット、及び空気ジェットが、同一領域に集中するように構成されている、レーザクラッド装置を提供する。

本発明の第１の実施形態に関して前述した同じ利点が、この第２の実施形態によって達成される。

本発明の他の特徴と利点は、添付の図面と関連させてなされた、本発明の実施形態に関する以下の説明から明らかになるであろう。

本発明による、ターボ機械を補修する方法の概略的なブロック図である。 本発明に係るレーザクラッド装置の展望図である。 図２のレーザクラッド装置の詳細な展望図である。 図２のレーザクラッド装置の要部の概略図である。

添付の図１を参照すると、ターボ機械部品Ｃを補修する方法１００の全体が示されている。

添付の図２〜図４を参照すると、ターボ機械部品Ｃを補修するためのレーザクラッド装置１の全体が示されている。

方法１００は、レーザ光源２と、粉末供給機３と、空気源４とを含むレーザクラッド装置１を設定する第１ステップ１１０を備えている。レーザ光源２及び粉末供給機３は、レーザクラッド装置１のロボットアーム１ａに取り付けられている。

レーザクラッド装置１は、レーザ光２ａ、粉末ジェット３ａ、及び空気ジェット４ａのそれぞれが、レーザ光源２、粉末供給機３、及び空気源４によって生成され、ターボ機械部品Ｃの狭い凹部内の、補修すべき領域に集中するように構成されている。レーザ光源２は、補修すべき領域に向かうよう、レーザ光２ａを方向付ける光学素子２０を含む。本発明の各実施形態において、レーザ光源２が発生させたレーザ光２ａが、ターボ機械部品Ｃの、幅の狭い凹部のそれぞれに到達することを可能にする好適な長さを有するように、光学素子２０の焦点距離が好適に選択される。

粉末供給機３は、軸外ノズル３０、すなわち、レーザ光２ａと同軸でない粉末ジェット３ａを発生させるノズルを含む。ターボ機械部品Ｃの狭い凹部内の、補修すべき領域の方向に、好適に粉末ジェット３ａを向けることができるように、軸外ノズル３０が、細長いフランジ３１の端部に設けられている。空気源４は、入口部４１から出口部４２に延びる可撓管４０を含む。可撓管４０は、空気ジェット４ａを、補修すべき領域に向けるために、出口部４２が軸外ノズル３０に近接して位置するように、ロボットアーム１ａに取り付けられている。光学素子２０と、細長いフランジ３１と、出口部４２を有する可撓管４０の端子部との幾何学的配置によって、レーザ光２ａ、粉末ジェット３ａ、及び空気ジェット４ａを補修すべき領域に集中させることが可能となる。出口部４２を介して空気ジェット４ａを生成するために、可撓管４０の入口部４１は、可撓管４０を介して、空気流を発生させるための容積形圧縮機４３に接続されている。空気源４は、さらに、容積形圧縮機４３に空気を提供するための第２の管４４と、出口部４２に到達する空気を加熱するための熱交換器（不図示）とを備えている。空気ジェット４ａの温度は十分に高くなければならないが、いずれの場合も、補修領域の機械的特性及び構造を変更しないようにするために、ターボ機械部品Ｃの材料の焼き戻し温度よりも大幅に低くなければならない。例えば、ターボ機械部品Ｃが、低合金鋼材で作られている場合、空気ジェットの温度は２００℃から２５０℃の間で構成されていることが好ましい。

添付の図２〜図４の実施形態では、ターボ機械部品Ｃは２つのシェル１０を備えた蒸気タービンのステータケースである（一方のシェル１０のみが添付図に示されており、他方は同一である）。各シェル１０は、ステータケースＣの半分の部分のそれぞれに対応している。方法１は、シェル１０の内面に沿った、浸食及び／又は摩耗によって損傷した領域を補修するのに適している。特に、静翼１１に近い領域、例えば、蒸気タービンの対応するインペラが収容されている、隣り合った２列の静翼同士の間の狭い凹部１２内の領域である。

なお、複数の別個の分離された静翼１１が、図を簡略化するためにのみ、単一の部品として図３に示されている。

第１ステップ１１０の後、方法１００は、狭い凹部内の、レーザクラッド法によって補修すべき領域を含む直線状、又は角度移動する経路Ｐを規定する第２ステップ１２０を含む。経路は、第１の端点Ａと第２の端点Ｂとの間に延びている。図２〜図４の実施形態では、経路Ｐは、角度移動するものであり、半周分に対応するものであり、第１の端点Ａと第２の端点Ｂとの角度移動距離は１８０°である。

損傷領域を補修する前に、レーザクラッド装置１の複数の処理パラメータを規定しなければならない。プロセスパラメータは、
粉末速度と、
レーザ光パワーと、
走査速度と、
離隔距離（すなわち、粉末供給機３のノズルと、補修すべき領域との間の距離）と、
カバーガス流量と、
粉末メッシュと、
エネルギー密度と、
レーザ光源２の光学素子２０の焦点距離と、
レーザ光２ａと経路Ｐとの間の角度とを含む。

上記のパラメータのいくつかは、ターボ機械部品Ｃの幾何学的形状に依存する。特に、狭い凹部の領域を補修する場合、レーザ光２ａが、経路Ｐに沿って、補修される領域に到達するために、焦点距離は、好適に高くなければならない。以上の幾何学的制約が与えられると、すべての他のパラメータを、ターボ機械部品Ｃの損傷領域を補修するために好適に規定しなければならない。しかし、上記のパラメータの調整は、本発明の具体的な課題ではない。

本方法は、平坦な表面を生成するために、経路Ｐに沿って、補修すべき領域を加工する予備的ステップをさらに含みむ。次に、この平坦な表面に、上述したようにレーザクラッディングが行われる。添付の図２〜図４の実施形態では、加工する予備的ステップは、通常、従来の、当該技術分野ででよく知られた調整手順に従って、シェル１０が装着されたマンドレルを含む立旋盤を用いて、補修すべき領域を調整することを含む。

上記パラメータが規定された後、加工する予備ステップの後、かつ第２ステップ１２０を実行した後、方法１００は、レーザクラッド装置１又はターボ機械部品Ｃを互いに対して相対的に前方に移動させる第３のクラッドステップ１３０を含む。これは、経路Ｐに沿って、補修すべき損傷領域を補修するために、第１の端点Ａと第２の端点Ｂとの間で、経路Ｐが、レーザ光２ａ及び粉末ジェット３ａによって覆われるようにするためである。添付の図２〜図４の実施形態では、経路Ｐを、レーザ光２ａ及び粉末ジェット３ａで覆うために、ロボットアーム１ａを、第１の端点Ａから第２の端点Ｂまで、円形の経路Ｐに沿って移動させる。

クラッド加工中に、クラッド材料の一部、すなわち粉末ジェット３ａから粉末の一部のみが、ターボ機械部品Ｃに融着することとなる。したがって、第３ステップ１３０が実行された後、クラッド加工によってターボ機械部品Ｃに融着しなかった余分な粉末は、経路Ｐに沿って残る。このよう余分な粉末を除去するために、第３ステップ１３０の後、方法１００は、レーザクラッド装置１又はターボ機械部品Ｃを、互いに対して後方に移動させる第４の洗浄ステップ１４０を含む。これは、凹部内の補修領域から余分な粉末を吹き飛ばすための空気ジェット４ａによって、経路Ｐを第２の端点Ｂから第１の端点Ａまで、覆うためである。添付の図２〜図４の一実施形態では、ロボットアーム１ａを第２の端点Ｂから第１の端点Ａまで、円形の経路Ｐに沿って移動させる。これは、経路Ｐを、空気ジェット４ａで覆うためである。

本発明の、異なる複数の実施形態によれば、経路Ｐに沿って損傷領域の補修を完了させるためには、第３ステップ１３０と、第４ステップ１４０を、１回、又は複数回繰り返さなければならず、すなわち合計回数ｎは２以上となる。これは、少なくとも２層のクラッド材を適用するためである。繰り返し回数ｎは、第３のクラッドステップ１３０を実行する毎に堆積するクラッド材料の層の厚さ、及び経路Ｐに沿って完全な補修を達成するために堆積するクラッド材料の総量に依存する。

本発明のいくつかの実施形態によれば、第３ステップ１３０を繰り返す際に、レーザ光２ａと、救済すべき領域に沿った経路Ｐとの間の角度が変化する。通常、すべての場合において、そのような角度は９０°以下である。

一般的には、多くの他のターボ機械部品は、上述したようなレーザクラッド方法やレーザクラッド装置を用いることによって、本発明の方法を用いて補修することができる。

いずれの場合にも、第３ステップ１３０と、第４ステップ１４０とを、それぞれ交互に繰り返すことが重要である。これは、第３のクラッドステップ１３０を実行する毎に、その後、融着していないクラッド材料から補修領域を洗浄するためである。

１ レーザクラッド装置
１ａ ロボットアーム
２ レーザ光源
２ａ レーザ光
３ 粉末供給機
３ａ 粉末ジェット
４ 空気源
４ａ 空気ジェット
１０ シェル
１１ 静翼
１２ 凹部
２０ 光学素子
３０ 軸外ノズル
３１ フランジ
４０ 可撓管
４１ 入口部
４２ 出口部
４３ 容積形圧縮機
４４ 第２の管
１１０ 第１ステップ
１２０ 第２ステップ
１３０ 第３ステップ
１４０ 第４ステップ
Ａ 第１の端点
Ｂ 第２の端点
Ｃ ターボ機械部品
Ｐ 経路

Claims (4)

1. ターボ機械部品（Ｃ）を補修する方法（１００）であって、
   レーザ光源（２）と、粉末供給機（３）と、空気源（４）とを含む、レーザクラッド装置（１）を設定するステップ（１１０）であって、前記レーザクラッド装置（１）が、前記レーザ光源（２）、前記粉末供給機（３）、及び前記空気源（４）のそれぞれによって発生したレーザ光（２ａ）、粉末ジェット（３ａ）、及び空気ジェット（４ａ）が、前記ターボ機械部品（Ｃ）の狭い凹部内の、補修すべき領域に集中するように構成されている、ステップ（１１０）と、
   狭い凹部内の、レーザクラッド法によって補修すべき領域を含み、第１の端点（Ａ）と第２の端点（Ｂ）との間に延びる経路（Ｐ）を規定するステップ（１２０）と、
   前記経路（Ｐ）を、前記第１の端点（Ａ）から前記第２の端点（Ｂ）まで、前記補修すべき領域を補修するための前記レーザ光（２ａ）及び前記粉末ジェット（３ａ）によって覆うために、前記レーザクラッド装置（１）及び前記ターボ機械部品（Ｃ）の一方を、他方に対して相対的に第１の方向に移動させるステップ（１３０）と、
   前記経路（Ｐ）を、前記第２の端点（Ｂ）から前記第１の端点（Ａ）まで、前記凹部から余分な粉末を加熱した空気で吹き飛ばすための空気ジェット（４ａ）によって覆うために、前記レーザクラッド装置（１）及び前記ターボ機械部品（Ｃ）の一方を、他方に対して相対的に、前記第１の方向とは逆の第２の方向に移動させるステップ（１４０）と、
   を含み、
   前記ターボ機械部品（Ｃ）が、静翼を備えるステータケースであり、
   前記狭い凹部が、隣り合う静翼間の凹部領域であり、
   前記レーザ光源（２）、前記粉末供給機（３）、および空気源（４）を備えるロボットアーム（１ａ）を、円形の前記経路（Ｐ）に沿って移動させることによって、前記レーザクラッド装置（１）及び前記ターボ機械部品（Ｃ）の一方を、他方に対して相対的に移動させる、
   方法。
2. 前記第１の方向に移動させるステップ（１３０）と、前記第２の方向に移動させるステップ（１４０）とが、１回、又は複数回繰り返される、請求項１に記載の方法（１００）。
3. 前記経路（Ｐ）が、角度移動する経路である、請求項１又は２に記載の方法（１００）。
4. 前記角度移動する経路の前記第１の端点（Ａ）から前記第２の端点（Ｂ）までの角度が１８０°である、請求項３に記載の方法（１００）。