JP6948807B2 - 超合金の強制的な溶接割れおよびろう付け修復 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、高温性能合金、例えば、超合金の修復に関する。

金属および合金の部品は、適用疲労の結果として様々な消耗の事象を受け得る。例えば、割れ、摩滅、腐食、または様々な他の作用が、元の基板材料の分離または消耗を引き起こし得る。消耗した部品を修復するために、充填材を加えて（例えば、溶接またはろう付けして）割れに充填し、摩滅にパッチを与え、または他の方法で失われて腐食したもしくは動作中に欠陥となった材料を交換する。修復した部品にわたってしっかりと均一な機械的特性を与えるために、基板材料と同じまたはほぼ同じである充填材を使用することができる。

しかしながら、高温性能合金（ガスタービン部の高温ガス経路構成部品に使用されるニッケル系超合金およびコバルト系超合金など）は、高い融点温度を有し、これはそれらが元の基板材料に施され得る前にかなりのエネルギー印加を必要とする。結果として、そのような充填材を溶融するために使用される溶接装置が生じる大量の熱によって近くの基板材料に影響を及ぼす可能性もある。例えば、熱は、元の基板材料の微細構造へのスランピング、溶融、または他の変化を引き起こし得る。これらの基板材料の変化は、元の構成部品の強度、靱性、および／または他の物理的特性を低下させ得る。代替として、低い融点温度を有する他の充填材が使用されてもよいが、それらは、高温で性能を低下させ、および／または元の基板材料の機械的特性とは次第に異なる機械的特性を有し得る。さらに、充填材は、割れたり、修復の有効性を低下させたりする可能性がある。

米国特許第７７８００５９号明細書

一例によれば、超合金物品内の酸化欠陥を修復する方法は、超合金物品の除去部分を形成するように酸化欠陥のほぼ全部を取り除くステップと、融接による溶接部（本明細書では単に「溶接」ともいう。）で除去部分の一部を充填するステップと、溶接部を割るステップと、割れた溶接部および除去部分の残りの部分をろう付け材料で充填するステップとを含む。

別の例によれば、ＡｌおよびＴｉを含有するＮｉ系超合金物品内の酸化欠陥を修復する方法は、超合金物品の除去部分を形成するように酸化欠陥のほぼ全部を取り除くステップであって、真空炉除去、機械除去、および／または化学除去を含む酸化欠陥のほぼ全部を取り除くステップと、融接によって溶接で除去部分の一部を充填するステップと、溶接を形成しつつ熱を入力することによって、または溶接の温度を低下させることによって、または溶接を拘束することによって溶接を割るステップと、ろう付け材料で割れた溶接および除去部分の残りの部分を充填するステップと、溶接をろう付け材料で覆うステップと、ろう付け充填されおよび覆われた溶接を熱処理するステップとを含む。

本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読んだときにより良く理解されよう。ここで、同じ符号は、図面全体を通じて同じ部分を示す。

欠陥を含む超合金物品の概略図である。 本開示による修復の中間ステージにおける図１の物品の概略図である。 最終修復ステージにおける図１の物品の概略図である。 本開示による修復方法の概略図である。 本開示による修復可能である様々な超合金を示す図である。

特段指示がない限り、本明細書中に与えられた図面は、本開示の特徴を例示することが意図されている。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の例を含む多種多様な方法において適用可能であると考えらえる。したがって、図面は、本明細書中に開示された実施形態を実施するために必要とされる当業者によって知られている全ての従来の特徴を含むことは意図されていない。

図１を参照すると、超合金で形成された物品１００は、取り除かれるべき欠陥１１０、例えば、割れまたは他の欠陥のあるもしくは望ましくない材料を有し得る。物品１００は、ガスタービン構成部品であり得る。超合金は、ニッケル系超合金、または鉄系超合金、またはコバルト系超合金であり得る。欠陥１１０は、ガスタービン中で物品または構成部品を運転することによって酸化され得る。破線で示された酸化欠陥１１０を囲む物品１００の一部は、物品１００を修復するための準備において除去のために特定される。

図２を参照すると、欠陥ならびに欠陥を囲む部分は、物品１００の除去部分１１２を与えるために除去プロセスによって取り除かれる。溶接１１６は、除去部分１１２内および除去部分１１２の外側に与えられる。除去部分１１２の一部１１４は、溶接で充填されていない。次いで、割れ１１８が、溶接１１６に形成される。図３を参照すると、ろう付け材料１２０が、溶接１１６の上に、溶接１１６内の割れ１１８を通じて、および物品１００の除去部分１１２の未充填部分１１４の中に与えられる。

図４を参照すると、超合金で形成された物品中の欠陥を修復する方法２００は、物品から酸化欠陥を取り除き（すなわち、欠陥を含む物品の一部および欠陥を囲む物品の酸化部分を取り除き）、充填材を取り除かれた部分の中に溶接することによって物品を修復することを含む（２１０）。次いで、溶接分は割られ（２２０）、ろう付けを施し、熱処理サイクルを実行して溶接割れを閉鎖する（２３０）。

図１〜図３を再び参照すると、酸化欠陥１１０は、機械プロセス、化学プロセス、または機械プロセスと化学プロセスの組み合わせによって除去することができる。酸化欠陥１１０は、真空炉除去によって除去することもできる。ＴｉおよびＡｌを含有する超合金で形成されている物品１００については、フッ化物イオン除去を使用することができる。例えば、鉄系超合金、ニッケル系超合金、およびコバルト系超合金に対して、水素除去が使用されてもよい。機械除去は、物品１００を研磨して酸化欠陥を取り除くことを含むことができる。化学除去は、エッチングを含むことができる。

溶接１１６は、物品１００の材料と同じである材料、または物品１００の材料と類似する材料で構成することができる。溶接１１６は、形成中または形成後に割れる場合がある。溶接は、融接によって形成することができる。本明細書中に使用されるとき、用語「融接」は、同様の成分および融点の材料を接合するように溶融することに頼る溶接プロセスを指すが、拡散接着プロセスを含まない。使用できる融接プロセスは、アーク溶接、酸素燃焼溶接、電気抵抗溶接、レーザビーム溶接、電子ビーム溶接、テルミット溶接、およびプラズマ溶接、ならびに定電流、定電圧、および高エネルギービーム溶接プロセスを含む。ミグ（ＭＩＧ）溶接、例えば、Ｐｏｒｔａｇｅ、ＩＮのＦｒｏｎｉｕｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌのコールド金属転写またはコールド金属転写印刷技術、またはガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、例えば、Ｒｕｎｎｅｍｅｄｅ、ＮＪのＴＩＰ ＴＩＧ ＵＳＡのタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接技術が、使用され得る。図２に示されるように、物品１００の除去部分１１２は溶接されるが、例えば毛管現象によりろう付け材料１２０によって溶接割れ１１８を充填することを可能にする未充填部分１１４を含む。未充填部分１１４は、溶接１１６を割るのを容易にもする。ろう付け材料１２０は、任意の拡散ろう付け合金とすることができる。ろう付け材料１２０は、高融点材料と低融点材料の組み合わせであってもよい。

溶接割れ１１８は、溶接中の熱入力によって（例えば、誘導を通じて）、または極端な温度の低下（例えば、急冷）によって、または溶接の拘束によって形成することができる。溶接割れ１１８は、任意の溶接環境、例えば、例えばアルゴン（Ａｒ）豊富環境で形成することができる。溶接割れ１１８は、従来技術に使用されるようなクロムハロゲン化合物環境内で形成されることを必要としない。除去部分１１２を形成するために使用されるプロセスが物品１００内の欠陥１１０の酸化のほぼ全部を取り除くので、もたらされる溶接割れ１１８は、エンジンの動作によって引き起こされる酸化腐食とは本質的に無関係である。したがって、溶接割れ１１８の表面は、表面張力が低く、ろう付け材料１２０が液化するときに毛細現象によってろう付け材料１２０の浸透を促進する。

ろう付け溶接は、溶接割れ１１８の中へのろう付け材料１２０の充填を促進し溶接１１６からの残留応力を取り除くために熱処理することができる。熱処理は、溶接割れ１１８をろう付け材料１２０で充填し溶接１１６から残留応力を取り除くのに十分な滞留温度および時間で１つまたは複数のサイクルの間の物品１１０の加熱およびろう付け溶接を含むことができる。

図５を参照すると、ガンマプライム（γ’）超合金を含むＮｉ系超合金は、図示のようにＴｉおよびＡｌの量を変化させることを含むことができる。破線は、一般により溶接可能であるＮｉ系超合金（破線の下）と、溶接および／または物品内で発生し得るゆがみ時効割れ性により溶接がより困難であるＮｉ系超合金との間の一般的な境界を表す。本明細書中に開示された方法は、図５に示したＮｉ系超合金およびＦｅまたはＣｏに基づく他の超合金のいずかに使用することができるが、図５に示したＮｉ系超合金を溶接するのがより困難であるもの、すなわち、約３％を超えるＡｌ含有量および約６％未満のＴｉ含有量を有するものに特によく適し得る。

本明細書中に開示された超合金で形成される物品内の欠陥を修復する方法は、フッ化物イオン除去などの高価な除去プロセスを使用することを減らすまたは無くす。この方法は、修復構造（例えば、ろう付けおよび溶接）の構造、ならびに修復した超合金物品または構成部品を改善もする。従来技術の方法は、溶接修復の割れを防ぐことに注目していたが、本明細書中に開示した方法は、反対の手法をとり、従来技術の方法で可能でなかった改善された修復を形成するために溶接の割れを可能にするまたはもたらす。

本明細書および特許請求の範囲を通じて本明細書中に使用される近似の言い回しは、それが関連している基本的な機能が変化するという結果となることなく許容可能に変化し得る任意の量的表現を修正するために適用することができる。したがって、「約」および「ほぼ」などの１つまたは複数の用語によって修正される値は、特定された正確な値に限定されない。少なくともいくつかの例では、近似の言い回しは、値を測定する計器の精度に対応し得る。本明細書および特許請求の範囲全体を通じて、範囲の限定は、組み合わされおよび／または交換されてもよく、そのような範囲は特定され、文脈上または用語上特段の指示がない限り、この中に含まれる全ての小範囲を含む。

本開示の方法により修復可能であるタービン構成部品には、シュラウド、バケット、ブレード、ノズル、ベーン、封止構成部品、バルブステム、ノズルボックス、およびノズル板が挙げられる。

本明細書は、最良の形態を含む本開示の実施形態を開示するために例を用いており、任意の装置またはシステムを作製および使用し、任意の組み込まれた方法を実行するなど当業者が本開示の実施形態を実施することを可能にもする。本明細書中に記載された実施形態の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を含む場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言からわずかに異なる同等な構成要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
超合金物品（１００）内の酸化欠陥（１１０）を修復する方法（２００）であって、
前記超合金物品（１００）の除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップと、
融接によって溶接（１１６）で前記除去部分（１１２）の一部を充填するステップと、
前記溶接（１１６）を割るステップと、
割れた溶接（１１８）および前記除去部分（１１２）の残りの部分（１１４）をろう付け材料（１２０）で充填するステップと
を含む方法。
［実施態様２］
前記除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップは、真空炉除去を含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様３］
前記真空炉除去は、フッ化物イオン除去を含む、実施態様２記載の方法。
［実施態様４］
前記除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップは、機械除去を含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様５］
前記機械除去は、研摩を含む、実施態様４記載の方法。
［実施態様６］
前記除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップは、化学除去を含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様７］
前記化学除去は、エッチングを含む、実施態様６記載の方法。
［実施態様８］
前記溶接（１１６）で前記除去部分（１１２）の前記一部を充填するステップは、前記超合金物品（１００）と同じである溶接材料で前記一部（１１２）を充填するステップを含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様９］
前記溶接（１１６）を割るステップは、前記溶接が形成された後に前記溶接（１１６）を割るステップを含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様１０］
前記溶接（１１６）を割るステップは、前記溶接（１１６）を形成しつつ熱を入力するステップを含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様１１］
前記溶接（１１６）を割るステップは、誘導加熱を含む、実施態様１０記載の方法。
［実施態様１２］
前記溶接（１１６）を割るステップは、前記溶接中に割れを引き起こすのに十分な速度で前記溶接（１１６）の温度を低下させるステップを含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様１３］
前記溶接（１１６）を割るステップは、前記溶接（１１６）を急冷するステップを含む、実施態様１２記載の方法。
［実施態様１４］
前記溶接（１１６）を前記ろう付け材料（１２０）で覆うステップ
をさらに含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様１５］
前記ろう付け充填溶接（１１６、１２０）を加熱処理するステップ
をさらに含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様１６］
融接は、ミグ（ＭＩＧ）溶接、またはガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）を含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様１７］
融接は、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接を含む、実施態様１６記載の方法。
［実施態様１８］
前記ろう付け材料（１２０）は、高融点材料と低融点材料の組み合わせを含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様１９］
ＡｌおよびＴｉを含有するＮｉ系超合金物品（１００）内の酸化欠陥（１１０）を修復する方法（２００）であって、
前記超合金物品（１００）の除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップであって、真空除去、機械除去、および／または化学除去を含む酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップと、
融接によって溶接（１１６）で前記除去部分（１１２）の一部を充填するステップと、
前記溶接（１１６）を形成しつつ熱を入力することによって、またはもしくは前記溶接（１１６）の温度を低下させることによって、または前記溶接（１１６）を拘束することによって前記溶接（１１６）を割るステップと、
ろう付け材料（１２０）で前記割れた溶接（１１８）および前記除去部分（１１２）の残りの部分（１１４）を充填するステップと、
前記溶接（１１６）を前記ろう付け材料（１２０）で覆うステップと、
前記ろう付け充填されおよび覆われた溶接（１１６）を熱処理するステップと
を含む方法。
［実施態様２０］
前記Ｎｉ系超合金は、約３％より多くのＡｌと約６％未満のＴｉとを含有する、実施態様１９記載の方法。
［実施態様２１］
融接によって前記溶接（１１６）で充填するステップは、ミグ（ＭＩＧ）溶接、またはガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）を含む、実施態様１９記載の方法。

１００ 物品
１１０ 欠陥、酸化欠陥
１１２ 除去部分
１１４ 一部、未充填部分
１１６ 溶接
１１８ 割れ、溶接割れ
１２０ ろう付け材料

Claims (12)

1. 超合金物品（１００）内の酸化欠陥（１１０）を修復する方法（２００）であって、当該方法が、
   前記超合金物品（１００）の除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップと、
   融接による溶接部（１１６）で前記除去部分（１１２）の一部を充填するステップと、
   前記溶接部（１１６）を割るステップと、
   割れた溶接部（１１８）及び前記除去部分（１１２）の残りの部分（１１４）をろう付け材料（１２０）で充填するステップと
   を含み、前記溶接部（１１６）を割るステップが、前記溶接部に割れを引き起こすのに十分な速度で前記溶接部（１１６）の温度を低下させることを含んでおり、前記溶接部（１１６）を割るステップが、前記溶接部（１１６）を急冷することを含む、方法。
2. 前記除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップが、真空炉除去を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記真空炉除去が、フッ化物イオン除去を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップが、機械除去を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップが、化学除去を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記溶接部（１１６）で前記除去部分（１１２）の一部を充填するステップが、前記超合金物品（１００）と同一の溶接材料で前記一部を充填するステップを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 超合金物品（１００）内の酸化欠陥（１１０）を修復する方法（２００）であって、当該方法が、
   前記超合金物品（１００）の除去部分（１１２）を形成するように前記酸化欠陥（１１０）のほぼ全部を取り除くステップと、
   融接による溶接部（１１６）で前記除去部分（１１２）の一部を充填するステップと、
   前記溶接部（１１６）を割るステップと、
   割れた溶接部（１１８）及び前記除去部分（１１２）の残りの部分（１１４）をろう付け材料（１２０）で充填するステップと
   を含み、前記溶接部（１１６）を割るステップが、誘導加熱によって前記溶接部（１１６）を形成しつつ熱を入力するステップを含む、方法。
8. 前記溶接部（１１６）を前記ろう付け材料（１２０）で覆うステップをさらに含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ろう付け充填溶接（１１６、１２０）を加熱処理するステップをさらに含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 融接が、ミグ（ＭＩＧ）溶接又はガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）又はタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接を含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記超合金物品（１００）が、Ａｌ及びＴｉを含有するＮｉ系超合金である、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記Ｎｉ系超合金が、約３％超のＡｌと約６％未満のＴｉとを含有する、請求項１１に記載の方法。

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