JP7053197B2 - ろう付け方法 - Google Patents
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Description
本実施形態は、ろう付け組成物、ろう付け方法およびろう付け物品に関する。さらに具体的には、本実施形態は、粘度低下剤を含むろう付け組成物、ろう付け物品、およびろう付け組成物を用いてろう付けされた物品を形成する方法に関する。
例えばシャフト型ラビリンスシールや回転ブレードシュラウドシールなどのある種のガスタービン部品は、高温金属合金の薄い箔のハニカム構造から構成されていることが多い。ハニカム構造は、低い重量と併せて高い構造強度をもたらす。また、ハニカム構造は、優れた犠牲摩耗面と優れたガス流シールとを同時にもたらす。ハニカムセルの間隔は、典型的には、端から端までで約０．８ｍｍ～約３ｍｍ（約０．０３１インチ～約０．１２５インチ）の範囲である。ハニカムセルの深さは、典型的には、約１．５ｍｍ～約２１．６ｍｍ（約０．０６２インチ～約０．８５インチ）の範囲であるが、用途に応じてこの範囲よりも小さくても大きくてもよい。
タービンシールのハニカム構造は、温度および遠心力を増大させてタービン運転中のタービン材料の膨張を可能にする。ハニカム構造はバッキング構造にろう付けされることが多い。ろう付けにより、ハニカムの金属箔がバッキング構造の金属に接合される。比較的柔軟な材料のハニカム構造の犠牲層が、ブレード経路に沿ってタービン壁に組み込まれた広いスロットにろう付けされ、ブレードを伸展させる。比較的硬質なブレード先端が、比較的柔軟なハニカムシュラウドシールへの経路を切断し、これによりブレードとタービン壁の完全性を保持する。
所望の摩耗面を得るためには、ハニカム材料はブレード材料よりも柔軟でなければならない。ろう付け材料は、ろう付け後にハニカム材料よりも硬くなる傾向があることから、ハニカムの摩耗面におけるろう付け材料の量を最小にしてブレードの摩耗を避けることが重要である。しかしながら、ハニカムの構造のために、ろう付け材料をハニカムの基部に塗布してバッキング構造にろう付けすることは困難である。
ろう付けテープ、ろう付け粉末およびろう付けペーストは、ハニカム構造をバッキング構造にろう付けするためにそれぞれ使用することができるが、それぞれ欠点がある。ろう付けテープは、ハニカムの基部の金属箔に均等かつ最小限の量を加えるが、ろう付けテープは、ろう付け組成物が必要でないかまたは望ましくない金属箔の間の空きスペースを覆うため、ろう付け材料の浪費となる。また、ろう付けテープは高価であり、ろう付け前の剥離を防ぐために注意深く取り扱わなければならない。ろう付け粉末は、手でふりかけるか自動シュートによってハニカムセルに添加することができるが、各ハニカムセルの空きスペース全体を覆う粉末層を塗布しなければならず、ろう付け粉末の上にセメントを噴霧してろう付けする前に所定の位置にろう付け粉末を保持しなければならない。最後に、ろう付けペーストの粘度はハニカムの基部に少量の一定量のろう付けペーストを供給することを困難にし、ろう付けペーストがタック溶接の品質に悪影響を及ぼす可能性がある。
例示的な実施形態では、ろう付けゲルは、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含む。ろう付けゲルは、部品にろう付けゲルを浸漬被覆して、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。
別の例示的な実施形態では、ろう付け方法は、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含むろう付けゲルを部品の一部に塗布することを含む。ろう付け方法はまた、ろう付けゲルを乾燥させて部品上にろう付け被覆を形成して、ろう付け被覆部品を形成することを含む。ろう付けゲルは、部品にろう付けゲルを浸漬被覆して、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。
別の例示的な実施形態では、ろう付け物品は、部品と、部品の一部を覆うろう付け被覆とを含む。ろう付け被覆は、ろう付けゲルを乾燥させることによって形成される。ろう付けゲルは、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含む。ろう付けゲルは、部品にろう付けゲルを浸漬被覆して、部品にろう付けゲルを塗布するのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。
本発明の他の特徴および利点は、例えば、本発明の原理を例として図示する添付の図面と合わせて、好適な実施形態に関する以下のさらに詳細な説明から明らかになるであろう。
可能な限り、同一の参照符号が同一の部品を表すために図面の全体にわたって使用される。
例示的なろう付けゲル、ろう付け方法およびろう付け物品が提供される。本開示の実施形態は、本明細書に記載の特徴のうち１つ以上を使用しない組成物、方法および物品と比較して、従来のろう付けペーストよりも低い粘度を有するろう付けゲルを提供するか、ろう付けテープをハニカムろう付けに置き換えるか、ろう付けテープを使用しないハニカムろう付けを提供するか、安価なろう付け被覆を提供するか、小さな構造的特徴を有する部品にろう付け被覆を提供するか、従来のろう付けペーストよりも良好に部品表面に付着するろう付けゲルを提供するか、またはそれらの組合せを提供する。
図１を参照すると、ろう付け方法は、部品１００の第１の端部１０２（図２参照）をろう付けゲル１１０に接触させて、第１の端部１０２を含む部品１００の一部をろう付けゲル１１０で被覆することを含む。図１は、ろう付けゲル１１０が容器１２０に保持されている浸漬被覆法を示しているが、スプレーコーティングまたは刷毛塗りを含むが、これらに限定されない他の接触法を用いてもよい。部品１００は、ハニカムセルの形態の構造的特徴１０６を含む。ろう付けゲル１１０は、部品１００の第１の端部１０２を被覆するが、ろう付けゲル１１０は、部品１００の第２の端部１０４と接触しない。ろう付けゲル１１０を部品１００の第１の端部１０２に塗布した後、部品１００を容器１２０から取り出し、ろう付けゲル１１０を部品１００の被覆表面上で乾燥させる。いくつかの実施形態では、乾燥中にろう付けゲル１１０が部品１００の上部にくるように、部品１００を上下逆さまにする。いくつかの実施形態では、部品１００は、乾燥中に部品１００の下側部分である被覆表面によって保持される。乾燥は周囲温度および大気条件下で行うことができるか、加熱、空気流および／または真空を用いて乾燥時間を短縮することができる。
図２は、部品１００と、部品１００の第１の端部１０２を含む被覆部１０８上で乾燥されたろう付け被覆１３０とを含むろう付け物品１２５を示す。図２に示す上端部である部品１００の第１の端部１０２は、バッキング部材１４０（図３参照）にろう付けできる状態にある。ろう付け物品１２５は第１の端部１０２がバッキング部材１４０に面するように裏返され、次いで部品１００がバッキング部材１４０にろう付けされる。
図３では、ろう付け前の構造的特徴１０６とバッキング部材１４０との間の直接的な接触を可能にするために、部品１００の構造的特徴１０６の第１の端部１０２上のすべてのろう付け被覆１３０が、大部分または実質的に除去されている。図３に示すように、ろう付け被覆１３０は、構造的特徴１０６の上に薄い層のみを形成する。ろう付け被覆１３０の厚さは、好ましくは、部品１００とバッキング部材１４０との間に良好なろう付けを形成するのに十分な材料を提供しながら、廃棄物を少なくするために予め定められた過剰量を超えるろう付け材料を供給しないように選択される。ろう付け被覆１３０は、構造的特徴１０６の間の空間を覆わない。タック溶接を用いて、ろう付け前にバッキング部材１４０に部品１００を一時的に取り付けることができる。
ろう付け被覆１３０をろう付け温度に加熱してろう付け被覆１３０を溶融させることにより、ろう付けが行われる。いくつかの実施形態では、ろう付け物品１２５とバッキング部材１４０とのアセンブリを炉内に配置して、ろう付け被覆１３０をろう付け温度まで加熱する。ろう付け被覆１３０から溶融したろう付け材料の少なくとも一部が、構造的特徴１０６の第１の端部１０２とバッキング部材１４０との間を流れて、バッキング部材１４０に部品１００をろう付けする。
図４は、バッキング部材１４０にろう付けされた部品１００を含むろう付けされた物品１５０を示す。部品１００は、均一なろう付けによってバッキング部材１４０に良好にろう付けされ、部品１００の被覆部１０８の反対側の第２の端部１０４にまたはその近くにろう付け材料１１２を有しない。ろう付け後、部品１００の構造的特徴１０６の側壁の下部にろう付け材料１１２の薄い層が残っていてもよい。
ろう付けゲル１１０は、少なくとも１つのろう付け粉末と、少なくとも１つのろう付け結合剤と、少なくとも１つの粘度低下剤とを含む。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル１１０は、ろう付け粉末と、ろう付け結合剤とを含み、粘度低下剤を含まないろう付けペーストのペースト粘度未満のゲル粘度を有する。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル１１０は、部品１００に浸漬被覆して、部品１００にろう付けゲル１１０の被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル１１０は、部品１００にスプレーコーティングして、部品１００にろう付けゲル１１０の被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル１１０は、部品１００に刷毛塗りして、部品１００にろう付けゲル１１０の被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度を有する。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル１１０は、ゲル様の粘稠性を有する。粘度低下剤は、好ましくは、ろう付けゲル１１０の約０．１重量％～約５重量％の範囲で存在する。いくつかの実施形態では、粘度低下剤は、ろう付け粉末およびろう付け結合剤のろう付けペーストと混合されて、ろう付けゲル１１０を形成する。他の実施形態では、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤は、ろう付けゲル１１０を得るために任意の順序および任意の数の工程または段階で組み合わされ、混合されてもよい。
本明細書で使用する場合、「ろう付け粉末」は、ろう付けが施される基材の溶融温度よりも低いろう付け温度で溶融する任意の金属粉末組成物を指す。
本明細書で使用する場合、「ろう付け結合剤」は、ろう付け粉末と混合してろう付けペーストを作製するための担体として機能する任意の組成物を指す。
本明細書で使用する場合、「粘度低下剤」は、少なくとも１つのろう付け粉末および少なくとも１つのろう付け結合剤を含むろう付けペーストと混合された場合に、ろう付けペーストの粘度を低下させる任意の組成物を指す。
本明細書で使用する場合、「ろう付けゲル」は、少なくとも１つのろう付け粉末と、少なくとも１つのろう付け結合剤と、少なくとも１つの粘度低下剤とを含む任意の組成物を指す。いくつかの実施形態では、粘度低下剤は、部品にろう付けゲルを浸漬被覆して、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度をろう付けゲルに与えるのに十分な量で存在する。いくつかの実施形態では、粘度低下剤は、部品にろう付けゲルをスプレーコーティングして、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度をろう付けゲルに与えるのに十分な量で存在する。いくつかの実施形態では、粘度低下剤は、部品にろう付けゲルを刷毛塗りして、部品にろう付けゲルの被覆を施すのを可能にするのに十分に低いゲル粘度をろう付けゲルに与えるのに十分な量で存在する。
いくつかの実施形態では、部品１００はタービン部品である。いくつかの実施形態では、タービン部品は、ラビリンスシール、シュラウドシールまたはダイアフラムシールの一部である。
ろう付けゲル１１０は、約４０重量％～約９５重量％のろう付け粉末、最大約５９．９重量％のろう付け結合剤、および約０．１重量％～約５重量％の粘度低下剤を含み得るか、約６０重量％超～約８０重量％のろう付け粉末、約１５重量％～約３９．９重量％のろう付け結合剤、および約０．１重量％～約５重量％の粘度低下剤を含み得るか、約７０重量％～約７５重量％のろう付け粉末、約２０重量％～約２９．９重量％のろう付け結合剤、および約０．１重量％～約５重量％の粘度低下剤を含み得るか、ろう付け粉末とろう付け結合剤とを３：１の重量比で含み得るか、約７５重量％のろう付け粉末、約２０．９重量％～約２５重量％のろう付け結合剤、および約０．１重量％～約５重量％の粘度低下剤を含み得るか、それらの間の任意の範囲または部分範囲でそれらを含み得る。
ろう付けゲル１１０は、約０．１重量％～約５重量％の粘度低下剤を含むか、約１重量％～約４重量％の粘度低下剤を含むか、約２重量％～約３重量％の粘度低下剤を含むか、約０．１重量％～約１重量％の粘度低下剤を含むか、約４重量％～約５重量％の粘度低下剤を含むか、それらの間の任意の範囲または部分範囲でそれを含む。
ろう付け粉末の組成は、アルミニウム、コバルト、銀系ろう付け合金、金系ろう付け合金、銅系ろう付け合金、ニッケル系ろう付け合金、アルミニウム系ろう付け合金、コバルト基合金、ニッケル基合金、またはそれらの組合せを含んでもよいが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態では、結合剤は、有機ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、結合剤は、水性アクリル樹脂系結合剤を含む。いくつかの実施形態では、結合剤は、水、ポリビニルアルコール、イソプロパノール、４－メチル－２－ペンタノン、またはそれらの組合せを含む。
粘度低下剤は、塩化アンモニウム（ＮＨ4Ｃｌ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、臭化アンモニウム（ＮＨ4Ｂｒ）、塩化クロム（ＩＩ）（ＣｒＣｌ2）、塩化クロム（ＩＩＩ）（ＣｒＣｌ3）、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）、またはこれらの組合せを含んでもよいが、これらに限定されない。
部品１００は、限定するものではないが、ニッケル基合金、コバルト基合金、またはそれらの組合せを含み得る任意の高温金属から作製され得る。いくつかの実施形態では、ろう付けゲル１１０は、部品１００の卑金属材料に直接塗布される。他の実施形態では、ろう付けゲル１１０を部品１００に塗布する前に、卑金属材料にアルミナイド被覆を施す。
いくつかの実施形態では、構造的特徴１０６は金属箔である。構造的特徴１０６は、約５ｍｍ未満、あるいは約４ｍｍ未満、あるいは約３ｍｍ未満、あるいは約２ｍｍ未満、あるいは約１ｍｍ未満の間隔寸法を有することができる。構造的特徴１０６は、少なくとも約１ｍｍ、あるいは少なくとも約１．５ｍｍ、あるいは少なくとも約２ｍｍ、あるいは少なくとも約３ｍｍ、あるいは少なくとも約５ｍｍの深さを有することができる。いくつかの実施形態では、構造的特徴１０６は、部品１００の断面積の約１０％未満、あるいは約８％未満、あるいは約５％未満、あるいは約３％未満、あるいは約１％未満、またはそれらの間の任意の範囲もしくは部分範囲を構成し、その残りの領域は空間または空隙である。いくつかの実施形態では、金属箔はハニカム形状を有する。
いくつかの実施形態では、ろう付けゲル１１０は、従来のろう付けペーストと実質的にほぼ同じろう付け粉末含有量を有するが、周囲温度では従来のろう付けペーストよりも粘度がはるかに低く、容器１２０内のろう付けゲル１１０に、構造的特徴１０６を有する部品１００を容易に浸漬して、部品１００の浸漬面にろう付けゲル１１０を塗布することができる。いくつかの実施形態では、部品１００は、ハニカム部品である。浸漬後、部品１００は容器１２０から取り外される。部品１００の浸漬部分は、きわめて薄く、きわめて均一なろう付けゲル１１０の層で覆われている。ろう付けゲル１１０を、部品１００上のろう付け被覆１３０のきわめて薄く、きわめて均一な層まで乾燥させる。次に、部品はバッキング部材１４０にろう付けされる。いくつかの実施形態では、ろう付けは炉内ろう付けである。いくつかの実施形態では、ろう付けは真空ろう付けである。
ろう付けゲル１１０は、塗布中に部品１００に良好に付着し、好ましくは従来のろう付けペーストよりも良好に付着する。部品１００上で乾燥させたろう付け被覆１３０も、部品１００の表面に強く付着する。
ろう付け方法は、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含むろう付けゲル１１０を部品１００に塗布することを含む。ろう付け方法は、ろう付けゲル１１０を部品の表面上のろう付け被覆１３０まで乾燥させることをさらに含む。いくつかの実施形態では、ろう付け方法は、ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を混合して、ろう付けゲル１１０を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態では、ろう付け方法は、部品１００をバッキング部材１４０にタック溶接し、部品１００をバッキング部材１４０にろう付けすることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、好適なろう付け温度は、少なくとも約８１５℃（約１５００°Ｆ）、あるいは少なくとも約１０９０℃（約２０００°Ｆ）、あるいは少なくとも約１１５０℃（約２１００°Ｆ）、あるいは少なくとも約１１７５℃（約２１５０°Ｆ）、あるいは少なくとも約１１９０℃（約２１７５°Ｆ）、あるいは約８１５℃～約１２３０℃（約１５００°Ｆ～約２２５０°Ｆ）の範囲、あるいは約８１５℃～約１０９０℃（約１５００°Ｆ～約２０００°Ｆ）の範囲、あるいは約１０９０°Ｃ～約１３７０°Ｃ（約２０００°Ｆ～約２５００°Ｆ）の範囲、あるいは約１１５０℃～約１２９０℃（約２１００°Ｆ～約２３５０°Ｆ）の範囲、あるいは約１１７５°Ｃ～約１２３０°Ｃ（約２１５０°Ｆ～約２２５０°Ｆ）の範囲、あるいは約１１９０℃～約１２３０℃（約２１７５°Ｆ～約２２５０°Ｆ）の範囲、またはそれらの任意の組合せ、部分的な組合せ、範囲もしくは部分範囲である。
本発明について好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を施してもよく、その要素を等価物に置換してもよいことが当業者によって理解されるであろう。さらに、特定の状況また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に考えられる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、本発明が添付の特許請求の範囲内に属するすべての実施形態を含むことになることを意図している。
１００ 構成要素
１０２ 第１の端部
１０４ 第２の端部
１０６ 構造的特徴
１０８ 被覆部
１１０ ろう付けゲル
１１２ ろう付け材料
１２０ 容器
１２５ ろう付け物品
１２５ ろう付け被覆構成要素
１３０ ろう付け被覆
１４０ バッキング部材
１５０ ろう付けされた物品
１０２ 第１の端部
１０４ 第２の端部
１０６ 構造的特徴
１０８ 被覆部
１１０ ろう付けゲル
１１２ ろう付け材料
１２０ 容器
１２５ ろう付け物品
１２５ ろう付け被覆構成要素
１３０ ろう付け被覆
１４０ バッキング部材
１５０ ろう付けされた物品
Claims (7)
- ろう付け方法であって、
ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含み、ゲル粘度を有するろう付けゲル（１１０）をハニカムセルの形態の構造的特徴（１０６）を含む部品（１００）の端部を含む前記部品（１００）の一部に塗布することと、
次いで、前記部品（１００）の前記一部において前記ろう付けゲル（１１０）を乾燥させて前記部品（１００）上にろう付け被覆（１３０）を形成して、前記部品（１００）と前記ろう付け被覆（１３０）とを含むろう付け被覆部品（１２５）を形成することと、
前記ろう付け被覆部品（１２５）をバッキング部材（１４０）と接触させることと、
前記ろう付け被覆（１３０）をろう付け温度に加熱して、前記ろう付け被覆（１３０）された前記部品（１００）の前記端部を前記バッキング部材（１４０）にろう付けすることと
を含み、
前記ゲル粘度は、前記ろう付け粉末と前記ろう付け結合剤を含むが前記粘度低下剤を含まないろう付けペーストのペースト粘度よりも低く、
前記ゲル粘度により、前記部品（１００）を前記ろう付けゲル（１１０）で浸漬被覆することができる、ろう付け方法。 - ろう付け方法であって、
ろう付け粉末、ろう付け結合剤および粘度低下剤を含み、ゲル粘度を有するろう付けゲル（１１０）をハニカムセルの形態の構造的特徴（１０６）を含む部品（１００）の端部を含む前記部品（１００）の一部に塗布することと、
次いで、前記部品（１００）の前記一部において前記ろう付けゲル（１１０）を乾燥させて前記部品（１００）上にろう付け被覆（１３０）を形成して、前記部品（１００）と前記ろう付け被覆（１３０）とを含むろう付け被覆部品（１２５）を形成することと、
前記ろう付け被覆部品（１２５）をバッキング部材（１４０）と接触させることと、
前記ろう付け被覆（１３０）をろう付け温度に加熱して、前記ろう付け被覆（１３０）された前記部品（１００）の前記端部を前記バッキング部材（１４０）にろう付けすることと
を含み、
前記部品（１００）の前記端部は、約５ｍｍ未満の間隔および少なくとも約１ｍｍの深さを有する構造的特徴（１０６）を含み、
前記ゲル粘度は、前記ろう付け粉末と前記ろう付け結合剤を含むが前記粘度低下剤を含まないろう付けペーストのペースト粘度よりも低く、
前記粘度低下剤は、前記ろう付け被覆（１３０）が前記構造的特徴（１０６）間の間隔にまたがらないように、ろう付けゲルのゲル粘度を低下させる、ろう付け方法。 - 前記ろう付けが約８１５℃～約１２３０℃（約１５００°Ｆ～約２２５０°Ｆ）の範囲のろう付け温度で行われる請求項１または２に記載のろう付け方法。
- 前記ろう付けゲル（１１０）を浸漬被覆法、スプレーコーティングまたは刷毛塗りにより前記部品（１００）の一部に塗布する、請求項１乃至３のいずれかに記載のろう付け方法。
- 前記バッキング部材（１４０）にろう付けされた前記ろう付け被覆部品（１２５）をシャフト型ラビリンスシールまたは回転ブレードシュラウドシールとしてガスタービン内に配置することを含み、
前記部品（１００）の他の端部（１０４）は、犠牲摩耗面を形成する、請求項１乃至４のいずれかに記載のろう付け方法。 - 前記粘度低下剤は、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、臭化アンモニウム（ＮＨ４Ｂｒ）、塩化クロム（ＩＩ）（ＣｒＣｌ２）、塩化クロム（ＩＩＩ）（ＣｒＣｌ３）、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、またはこれらの組合せを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載のろう付け方法。
- 前記加熱は、炉内ろう付けまたは真空ろう付けにより行われる、請求項１乃至６のいずれかに記載のろう付け方法。
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