JP6838832B2 - 超合金用溶接フィラー - Google Patents

Description

本開示は、一般に、超合金用溶接フィラー金属に関する。

超合金、特に、高いγ’体積％、例えば、３０％超のγ’体積％を有するニッケル基超合金は、通常、溶接性が悪い。結果として、そのような超合金の融接は、しばしば超合金の熔出及びひずみ経年亀裂が生じる。

超合金製のガスタービン部品は、通常、インベストメント鋳造工程を用いて鋳造される。気孔率や異物の混入などの欠陥は、通常、鋳造物に見られる。鋳造物は、廃棄することもできるし、あるいは接合方法を用いて欠陥を修復することができる。部品の廃棄は、鋳造物の価格の全体的な上昇をもたらす。したがって、これらの鋳造品を救出することが肝要である。通常、このような欠陥は、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）工程を用いて、融接によって修復される。より低い強度の金属フィラーは、通常、溶接部及びベース金属の熱影響部（ＨＡＺ）における亀裂を最小にするために使用される。

米国特許第８２９８４８０号明細書

本明細書に開示する本発明の実施形態は、溶接用超合金のための溶接フィラー金属を含むことができ、溶接フィラー金属は予備成形品を含み、予備成形品は、約２３００〜２５００°Ｆの融点を有する第１の材料と、約１８００〜２２００°Ｆの融点を有する第２の材料とを含み、第１の材料及び第２の材料の比は可変である。

本発明の実施形態はまた、超合金を溶接する方法を含むことができ、本方法は、予備成形品であって、約２３００〜２５００°Ｆの融点を有する第１の材料と、約１８００〜２２００°Ｆの融点を有する第２の材料とを含み、第１の材料及び第２の材料の比が可変である予備成形品を、超合金の領域に適用するステップと、予備成形品及び超合金を溶接するステップとを含む。

本開示のこれらの及び他の特徴は、本発明の様々な態様を示す添付の図面と併せて、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されよう。

本明細書で開示する本発明の実施形態を含むことができる溶接用超合金のための溶接フィラー金属の一例の概略図である。 本明細書で開示する本発明の実施形態を含むことができる溶接工程のブロック図である。

図面は一定の比率でない場合があることに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様だけを示すことを目的としており、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面においては、図面間で類似する符号は類似する要素を示す。詳細な説明では、例として図面を参照しながら、本発明の実施形態を利点及び特徴と共に説明する。

本明細書で説明するように、超合金、特にニッケル基合金は溶接性が非常に悪い。これらの超合金の欠陥を融接しようとすると、しばしば、亀裂及び他の欠陥が生じる。いくつかの実施形態では、超合金は、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、ＧＴＤ１１１、ＧＴＤ４４４、及びＲ１０８などの合金を含むことができる。これらの超合金から製造された物品は、鋳造の際に気孔率及び異物があることを示している。本開示の実施形態による溶接フィラー金属は、鋳造された超合金物品の欠陥の溶接を可能にし、スクラップを低減させることができる。

図１は、溶接用の超合金１００の概略図である。超合金は、物品を含んでもよいし、あるいはどのような形状であってもよい。例えば、本開示に関連する物品は、いくつかの実施形態ではタービン用部品のために鋳造された超合金を含むことができる。本開示に記載する溶接フィラー金属及び方法は、タービンの固定部品及び回転部品の両方に適用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、溶接フィラー金属は、タービンのノズル、シュラウド、及びバケットを含む超合金部品１００に適用することができる。これらの部品は、当該技術分野において周知であり、超合金１００は、任意の形状又はサイズの物品を含むことができ、タービンのこれらの及び他の部品を含むことができることを理解されたい。

開示される溶接フィラー材料の予備成形品１１０は、超合金１００の領域１２０内に溶接するのに使用することができる。予備成形品１１０は、第１の材料を含むことができ、第１の材料は高い融点を有する。高い融点は、いくつかの実施形態では、約２３００°Ｆ〜２５００°Ｆ±５０°Ｆの範囲の融点を含むことができる。第１の材料は、例えば、ＭＭ２４７、ＩＮ７３８、Ｒ８０、ＩＮ９３９、Ｒ１４２、及びＲ１９５を含む群から選択することができる。超合金がコバルト基である実施形態では、第１の材料は、Ｈ１８８、Ｈ２５、及びＦＳＸ４１４から選択することができる。これらの材料は、以下の表１にさらに概説されている。値は重量％で与えられ、公称値は重量％の範囲を含むものと理解するべきである。

予備成形品１１０はまた、第２の材料を含むことができ、第２の材料は低い融点を有する。低い融点は、いくつかの実施形態では、約１８００°Ｆ〜２２００°Ｆ±５０°Ｆの範囲の融点を含むことができる。第２の材料は、例えば、ＤＦ４Ｂ、ＢＲＢ、ＤＦ６Ａ、Ｄ１５、ＡＭＳ４７７７、及びＢＮｉ−９を含む群から選択することができる。超合金がコバルト基である実施形態では、第２の材料は、ＢＣｏ−１、ＭａｒＭ５０９Ｂから選択することができる。これらの材料は、以下の表２にさらに概説されている。値は重量％で与えられ、公称値は重量％の範囲を含むものと理解するべきである。

予備成形品の特性は、複数の方法で制御することができる。例えば、第１の材料の材料化学的性質及び第２の材料の材料化学的性質を選択することにより、予備成形品１１０の正確な材料化学的性質及び融点を制御することができる。第１の材料と第２の材料とを組合せることにより、２つの材料の比を可変にしておくことができる。例えば、２つの材料の比は、予備成形品１１０が適用され溶接される超合金１００の材料含有率、超合金１００の融点、又はこれら両方に基づいて決定することができる。すなわち、予備成形品１１０のフィラー溶接金属の材料特性は、融点を変更するために第１の材料と第２の材料との比を選択することによって、超合金１００に対して最適化することができる。高融点材料と低融点材料とを組合せることで、予備成形品１１０の特性の幅広い範囲が可能になる。

いくつかの実施形態では、予備成形品１１０は、コバルト基システム、ニッケル基システム、又はこれらのいくつかの組合せを含むことができる。すなわち、予備成形品１１０の溶接フィラー金属の材料化学的性質は、実質的にニッケル、実質的にコバルト、又はこれらの組合せを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、予備成形品１１０は、Ｈ１８８、Ｈ２５、ＦＳＸ４１４、又はＭａｒＭ５０９Ｂを含むことができる。いくつかの実施形態では、予備成形品１１０は、ワイヤ形状の物品を含むことができる。しかし、他の実施形態では、図１に示すように、予備成形品１１０は、修復を必要とする超合金１００の領域１２０に合致した形状を含むことができる。これらの実施形態では、予備成形品１１０を領域１２０に合致させることができるが、これについては以下に説明する方法に関連してさらに詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態による超合金１００を溶接する方法を示す。ステップＳ１では、予備成形品１１０の第１の材料と第２の材料との比が、超合金１００の特性に基づいて選択される。ステップＳ２では、予備成形品１１０を超合金１００に適用することができる。以前の試みでは、本開示の実施形態による材料を用いない溶接は、適切な溶接ではなく、多くの場合、従来の溶接材料に多量の熱を印加することによって超合金に損傷を与え、熱影響部（ＨＡＺ）で超合金に亀裂が生じた。溶接を必要とする領域に適合する形状の金属フィラーを用いる、さらなる試みが行われた。しかし、これらの以前の試みは、ろう付け技術を利用しており、物品の全体をオーブン内に挿入する必要がある。これはより大きな物品には有効でないだけではなく、時には長期間にわたって、物品全体に熱を加える。これは、物品全体の部分溶融及び他の損傷を招くおそれがある。

対照的に、本開示の実施形態は、溶接技術を利用している。すなわち、予備成形品１１０（図１）は、領域１２０の形状に適合し、超合金１００に適用することができる（ステップＳ２）。ステップＳ３（図２）では、予備成形品１１０は、超合金１００に溶接することができる。ステップＳ１（図２）で選択された比により、予備成形品１１０を溶融させるのに必要な熱の量は、超合金１００のＨＡＺ、すなわち領域１２０に損傷を与えないように十分に低くすることができる。いくつかの実施形態では、溶接は、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、プラズマアーク溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接を含むことができる。レーザ溶接は、レーザが予備成形品１１０の領域１２０の表面を横切ってラスタ処理する、溶接技術を含むことができる。予備成形品１１０を適用する前に、超合金１００の表面を清浄にするために、アルゴンガスなどのガスを用いることができ、陽イオンが表面を清浄にして、より良好な溶接が可能になる。本開示の実施形態はまた、ＤＣ負溶接技術を利用することができ、ＤＣにより溶接を行いながら、ＡＣが表面清浄化を提供することができる。ＧＴＡＷなどのいくつかの実施形態では、ビーム技術と同様に、電流のパルスを用いることができる。

このように、本開示の実施形態は、ステップＳ３（図２）において、予備成形品１１０を超合金１００（図１）に溶接するステップを含む。実施形態による方法は、機械加工における欠陥から材料を堆積させるために、これらの溶接技術を利用することができる。例えば、物品が鋳造される場合に、加工不良及び他の工程によって、十分な材料が存在しない領域１２０が生じる。領域１２０を充填するために、予備成形品１１０を付加することができる。いくつかの実施形態では、本方法は、機械加工における欠陥の修復材料に適用することができ、超合金１００を予備成形品１１０を用いて修復し、欠陥領域１２０を整形することができる。実施形態はまた、空孔又は開口、典型的には超合金１００の欠陥の閉鎖を含むことができる。さらなる実施形態は、新たな部品の追加を含むことができる。例えば、超合金１００を形成することができるが、さらなる特徴が望ましい場合もある。これらの実施形態では、ある形状の予備成形品１１０を溶接することにより、あるいは溶接後にさらに成形することによって、さらなる特徴を超合金１００に追加して、タービン用の物品にスキーラ先端、エンジェルウィング、先端レール、ノズル、又はシュラウドなどの特徴を追加又は変更することができる。

本開示の実施形態の方法を用いることによって、以前の溶接技術と異なり、溶接により亀裂が入ることがなく、また、ろう付けと異なり、超合金１００は部品全体を高温に加熱することを回避できる。さらに、本開示の実施形態による予備成形品１１０の適用によって、以前の試みによるろう付けよりも材料の緻密な堆積が得られる。

いくつかの実施形態によれば、本開示の方法のさらなる利点は、予備成形品１１０が適用され、超合金１００に溶接されると、追加の材料を組合せたものに溶接できることである。予備成形品１１０の化学的性質により、従来の金属フィラーを含むことができる第２の材料を第２層に付加して、ステップＳ４（図２）で溶接することができ、ステップＳ５で第２のフィラー材料を溶接することができる。第２のフィラー金属は、予備成形品１１０を参照して上述した実施形態のいずれにおいても用いることができるが、予備成形品１１０の上に適用することができる。

本発明について限られた数の実施形態にのみ関連して詳述しているが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことが直ちに理解されるべきである。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を組み込むために、本発明を修正することができ、それらは本発明の趣旨と範囲に相応している。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。

Claims (7)

1. 溶接用超合金のための溶接フィラー金属であって、当該溶接フィラー金属が、
   ２３００〜２５００°Ｆ（１２６０〜１３７１℃）の融点を有する第１の金属材料と、
   １８００〜２２００°Ｆ（９８２〜１２０４℃）の融点を有する第２の金属材料と
   を含む予備成形品を含んでおり、該予備成形品が、超合金の材料含有率及び溶接される超合金の融点の少なくとも一方に基づいて選択される第１の金属材料と第２の金属材料との比を有し、第１の金属材料が、ＭａｒＭ２４７、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、Ｒｅｎｅ１４２、Ｒｅｎｅ１９５、ＨＩ１８８、Ｈ２５及びＦＳＸ４１４からなる群から選択される材料を含み、第２の金属材料が、ＤＦ４Ｂ、ＢＲＢ、ＤＦ６Ａ、Ｄ１５、ＡＭＳ４７７７、ＢＮｉ−９、ＢＣｏ−１及びＭａｒＭ５０９Ｂからなる群から選択される材料を含む、溶接フィラー金属。
2. 予備成形品の形状が、ワイヤ形状を含む、請求項１に記載の溶接フィラー金属。
3. 予備成形品の形状が、超合金の溶接すべき領域と合致する形状を含む、請求項１又は請求項２に記載の溶接フィラー金属。
4. 超合金を溶接する方法であって、当該方法が、
   ２３００〜２５００°Ｆ（１２６０〜１３７１℃）の融点を有する第１の金属材料と、１８００〜２２００°Ｆ（９８２〜１２０４℃）の融点を有する第２の金属材料とを含む予備成形品であって、超合金の材料含有率及び溶接される超合金の融点の少なくとも一方に基づいて選択される第１の金属材料及び第２の金属材料の比を有する予備成形品を、超合金の溶接すべき領域に適用するステップと、
   予備成形品及び超合金を溶接するステップと
   を含み、第１の金属材料が、ＭａｒＭ２４７、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ８０、ＩＮ９３９、Ｒｅｎｅ１４２、Ｒｅｎｅ１９５、ＨＩ１８８、Ｈ２５及びＦＳＸ４１４からなる群から選択される材料を含み、第２の金属材料が、ＤＦ４Ｂ、ＢＲＢ、ＤＦ６Ａ、Ｄ１５、ＡＭＳ４７７７、ＢＮｉ−９、ＢＣｏ−１及びＭａｒＭ５０９Ｂからなる群から選択される材料を含む、方法。
5. 予備成形品の形状が、ワイヤ形状を含む、請求項４に記載の方法。
6. 予備成形品の形状が、超合金の溶接すべき領域と合致する形状を含む、請求項４又は請求項５に記載の方法。
7. 溶接するステップが、ガスタングステンアーク溶接、プラズマアーク溶接、レーザ溶接、及び電子ビーム溶接を含む群のうちの少なくとも１つを含む、請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。