JP7150443B2 - 空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法およびインサート材料 - Google Patents

空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法およびインサート材料 Download PDF

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Description

本発明は、空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法およびインサート材料に関する。
本開示は、一般に、はんだ付けプロセスに関し、より具体的には、はんだ付けプロセス中に構成要素の空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法およびインサート材料に関する。
一定期間の使用後、亀裂がガスタービンの構成要素に生じる。亀裂は、ろう付け作業によって修復することができる。しかし、構成要素に存在する冷却孔のため、ろう付け作業中のろう付け流れは、亀裂にのみ流入するべきであり、元々ある冷却孔をブロックするので冷却孔に流入してはならない。亀裂は、２つの場合において生じることがある。１つの場合には、冷却孔の横に亀裂が生じる。他の場合には、亀裂は冷却孔と接するか、または冷却孔の間に広がることがある。
従来、大きな粒子のインサート材料が使用されているが、このインサート材料は欠陥を有するため、ろう付け合金が冷却孔に流入するのをブロックするために使用するには理想的ではない。第１に、このインサート材料は多孔質であり、溶融したろう付け合金が冷却孔に容易に流入し、ボールに融着して冷却孔内に滞留する。第２に、このインサート材料は、冷却孔全体を充填するように拡張することができない。溝がインサート材料内に容易に現れ、空間がインサート材料と冷却孔の内面との間に生じるので、溶融したろう付け合金がその中を流れることを可能にしてしまう。
したがって、問題を解決するためには、新しい技術を開発する必要がある。
一実施形態では、本開示は、はんだ付け作業中に構成要素の空隙へのはんだ材料の流入をブロックするためのインサート材料であって、ミクロサイズの金属酸化物粒子と、ナノサイズの金属酸化物粒子と、結合剤とを含むインサート材料を提供する。
別の実施形態では、本開示は、はんだ付け作業中に構成要素の空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法であって、ミクロサイズの金属酸化物粒子、ナノサイズの金属酸化物粒子、および結合剤を含むスラリーの形態のインサート材料を準備することと、前記インサート材料を前記空隙内に充填することと、前記空隙を封止するために前記空隙の前記インサート材料を乾燥させることと、はんだ付け作業を行うことと、はんだ付け作業後に前記インサート材料を除去することとを含む方法を提供する。
別の実施形態では、本開示は、はんだ付け作業中に構成要素の空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法であって、ミクロサイズの金属酸化物粒子、ナノサイズの金属酸化物粒子、および結合剤を含むスラリーの形態のインサート材料を準備することと、ピンを準備することと、前記ピンを前記インサート材料で被覆することと、前記ピンの前記インサート材料を乾燥させることと、前記インサート材料で被覆された前記ピンを前記空隙内に挿入することと、はんだ付け作業を行うことと、はんだ付け作業後にインサート材料で被覆された前記ピンを除去することとを含む方法を提供する。
本開示のこれらの、ならびに他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
本開示の実施形態の適用を説明するための、空隙および亀裂を有するガスタービンの構成要素の概略図である。 本開示の一実施形態によるインサート材料の概略図である。 本開示の別の実施形態によるインサート材料の概略図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。以下の説明では、不必要な詳細で本開示を不明瞭にすることを避けるために、周知の機能または構成については詳細に説明しない。
他に定義されない限り、本明細書において使用する技術用語および科学用語は、本発明が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。単数形での記述は、量の限定を意味するものではなく、むしろ参照される項目が少なくとも１つ存在することを意味する。「または」という用語は、包括的であって、列挙された項目のうちのいずれかまたはすべてを意味する。本明細書における「含む」、「備える」または「有する」ならびにこれらの変形の使用は、その後に列挙される項目およびその均等物ならびに追加の項目を含むことを意味する。
図面の図１を参照すると、空隙１２および亀裂２０を有するガスタービンの構成要素１０が示されている。ガスタービンの構成要素は、通常、正常の動作機能を行うために、冷却孔、元々ある溝などの空隙を有する。一定期間の使用後、ガスタービンの構成要素１０は、敵対的環境を経験することで、望ましくない亀裂を生じる。これらの亀裂は、ろう付け作業のようなはんだ付け作業を用いて修復する必要があり、ろう付け合金のようなはんだ材料を溶融させて亀裂に流入させる。したがって、ガスタービンの構成要素は、修復される。しかし、通常のようにガスタービンの構成要素の機能を維持するためには、溶融したろう付け合金は冷却孔、元々ある溝、空洞などの空隙に流入してはならず、修復する必要のある亀裂に流入するだけでよい。
本開示は、はんだ付け作業中に構成要素１０の空隙１２へのはんだ材料の流入をブロックするためのインサート材料であって、ミクロサイズの金属酸化物粒子と、ナノサイズの金属酸化物粒子と、結合剤とを含むインサート材料を提供する。金属酸化物は、耐熱性である。金属酸化物は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）およびランタン（Ｌａ）酸化物、セリウム（Ｃｅ）酸化物などの希土類酸化物の少なくとも１つから選択される。好ましくは前に列挙したナノサイズの金属酸化物の存在により、インサート材料の密度が増加し、インサート材料の多孔度が低減されることで、インサート材料にはんだ材料が流入するのを回避する。
一実施形態では、酸化アルミニウムまたはアルミナが使用される。インサート材料は、ミクロサイズの酸化アルミニウム粒子と、ナノサイズの酸化アルミニウム粒子と、結合剤とを含む。ナノサイズの酸化アルミニウム粒子は、好ましくは、直径が０．０５マイクロメートルである。結合剤は、メチルセルロース、セルロースとテルピノールの混合物、セルロースとグリセロールの混合物などの有機結合剤を含む。インサート材料は、水を含む。
一実施形態では、はんだ付け作業中に構成要素の空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法は、ミクロサイズの金属酸化物粒子、ナノサイズの金属酸化物粒子、および結合剤を含むスラリーの形態のインサート材料を準備するステップと、前記インサート材料を前記空隙内に充填するステップと、前記空隙を封止するために前記空隙の前記インサート材料を乾燥させるステップと、はんだ付け作業を行うステップと、はんだ付け作業後に前記インサート材料を除去するステップとを含む。
スラリーの形態のインサート材料は、水を含む。ナノサイズの酸化アルミニウム粒子とミクロサイズの酸化アルミニウムとの比は、３分の１未満であり、重量比で０より大きく、およびその間のすべての部分範囲である。ナノサイズの酸化アルミニウム粒子が多すぎると、インサート材料の組成が高密度になるため、ろう付け作業後に容易に除去されない。
インサート材料は、界面活性剤を含む。界面活性剤は、湿潤剤などの水溶性非イオン性界面活性剤のいずれか１つとすることができる。一例では、インサート材料は、１５０ｇのミクロサイズの酸化アルミニウム粒子と、２０％のナノサイズの酸化アルミニウム粒子を含む１０～１００ｇのナノサイズの酸化アルミニウムゾルと、ゾルの総重量の５～１０％の結合剤、０．１～０．５％の湿潤剤、および水を含む他の成分とを含む。好ましくは、２５ｇのナノサイズの酸化アルミニウムゾルは、１５０ｇのミクロサイズの酸化アルミニウム粒子と組み合わされて使用され、ナノサイズの酸化アルミニウムとミクロサイズの酸化アルミニウムとの比は、重量比で３０分の１である。この比では、インサート材料は、高密度のためにはんだ付け作業後に除去することが困難ということはなく、除去することは容易である。
スラリーの形態とは、スラリー、ペーストなどの状態を含む半固体状態の形態を意味する。インサート材料は、空隙内に充填または注入される。インサート材料が空隙内で乾くまで、待つことになる。界面活性剤の存在により、インサート材料は空隙内で空隙の内面まで拡張することができるので、空隙はインサート材料でより理想的に充填され、溶融したろう付け合金が空隙に流入するのを回避する。
ろう付け作業のようなはんだ付け作業の間、溶融したろう付け合金は亀裂に流入して亀裂を充填し、亀裂を修復するが、インサート材料のブロックにより空隙には流入しない。
はんだ付け作業の後、インサート材料は、圧縮空気もしくは希酸、またはスティックを用いた手動力によって除去される。希酸は、はんだ付け作業の後にインサート材料を溶解することができるが、構成要素の他の部分を溶解したり影響を及ぼしたりすることはなく、インサート材料のみが除去される。作業員はまた、爪楊枝を使用して手動でインサート材料に力を加えて、インサート材料を空隙から除去することもできる。ミクロサイズの金属酸化物粒子とナノサイズの金属酸化物粒子との組み合わせにより、インサート材料はより容易に除去することができ、または言い換えれば、インサート材料を従来の方法より速く除去することができる。
この方法は、空隙の横に亀裂が生じる場合に適している。しかし、亀裂が空隙と接したり空隙の間に広がる場合、ならびにインサート材料を充填する際に、インサート材料が亀裂を通って空隙に流入することがあり、望ましくない。
図面の図２を参照すると、別の実施形態では、はんだ付け作業中に構成要素の空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法は、ミクロサイズの金属酸化物粒子、ナノサイズの金属酸化物粒子、および結合剤を含むスラリーの形態のインサート材料を準備するステップと、ピン１４を準備するステップと、前記ピンを前記インサート材料１８で被覆するステップと、前記ピン１４の前記インサート材料１８を乾燥させるステップと、前記インサート材料１８で被覆された前記ピン１４を前記空隙１２内に挿入するステップと、はんだ付け作業を行うステップと、はんだ付け作業後にインサート材料１８で被覆された前記ピン１４を除去するステップとを含む。
インサート材料はスラリーの形態であるか、またはペーストが上述のインサート材料と同様である。ピンは、ろう付け温度（１０６５°Ｃ）よりも高い融点であり、インサート材料に対して化学的に不活性な鋼、金属、合金またはセラミック材料とすることができる。この実施形態では、ピンは、ステンレス鋼で作られている。
ピンの断面は、空隙のサイズより小さい。次に、ピンを上述のインサート材料で被覆して、挿入される空隙に対応する形状およびサイズにする。インサート材料で被覆されたピンを空隙に挿入することで、空隙が完全に充填される。はんだ付け作業の間、溶融したろう付け合金が構成要素の亀裂に流入して亀裂を修復するが、空隙はインサート材料で被覆されたピンによってブロックされている。
はんだ付け作業は、他の実施形態と同様に行われる。はんだ付け作業後、インサート材料で被覆されたピンは、上述の圧縮空気またはスティックを用いた手動力によって除去される。亀裂が空隙と接したり空隙の間に広がる場合、この実施形態を使用することによって、溶融したろう付け合金は空隙に流入せず、亀裂のみを修復する。実施形態はまた、空隙の横に亀裂が生じる場合にも適している。
別の実施形態では、図面の図３を参照すると、はんだ付け作業中に構成要素の空隙へのはんだ材料の流入をブロックするための方法は、ミクロサイズの金属酸化物粒子、ナノサイズの金属酸化物粒子、および結合剤を含むインサート材料を、構成要素の空隙１２に対応する形状およびサイズの固体物品１６に成形するステップと、前記固体物品１６を前記空隙１２内に挿入するステップと、はんだ付け作業を行うステップと、はんだ付け作業後に前記インサート材料を除去するステップとを含む。
インサート材料を成形するステップは、スラリーの形態のインサート材料を１２０°Ｃの空気中で乾燥させて、ろう付けされるべき構成要素の空隙に対応する形状およびサイズの固体物品を形成して構成要素の空隙内に挿入するステップを含み、これは空隙が溝のない固体物品で完全に充填されることを意味する。一例では、固体物品は、円形の断面を有するスティックとして形成される。断面の直径は、空隙の直径よりわずかに大きく、インサート材料が空隙を完全に充填することができる。
本実施形態では、スラリーの形態のインサート材料は、上記実施形態と同様である。インサート材料は、ミクロサイズの金属酸化物粒子と、ナノサイズの金属酸化物粒子と、結合剤とを含み、さらに界面活性剤と、水とを含む。結合剤および界面活性剤もまた、上記材料と同様である。
ろう付け作業のようなはんだ付け作業の後、インサート材料で作られた固体物品はまた、圧縮空気もしくは希酸、またはスティックを用いた手動力など、上述の方法によって除去することができる。亀裂が空隙と接したり空隙の間に広がる場合、この実施形態を使用することによって、溶融したろう付け合金は空隙に流入せず、亀裂のみを修復する。実施形態はまた、空隙の横に亀裂が生じる場合にも適している。
このインサート材料は、高温で合金に対して化学的に不活性であり、合金とは異なるＣＴＥ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ：熱膨張係数）を有する。緻密な構造と化学的性質により、この材料は、融着したろう付け合金が冷却孔または空洞に流入するのを防止するのに役立つ。
本開示は典型的な実施形態で図示され説明されているが、本開示の精神から何ら逸脱することなく様々な修正および置換を行うことができるので、示されている詳細に限定されることは意図していない。したがって、本明細書に開示された本開示のさらなる修正および均等物は、当業者には日常的な実験を使用するだけで思いつくことができ、このようなすべての修正および均等物は、以下の特許請求の範囲で定義されている本開示の精神および範囲内であると見なされる。
１０ ガスタービンの構成要素
１２ 空隙
１４ ピン
１６ 固体物品
１８ インサート材料
２０ 亀裂

Claims (10)

  1. はんだ付け作業中に構成要素（１０）の空隙（１２）へのはんだ材料の流入をブロックするためのインサート材料（１８）であって、
    ミクロサイズの金属酸化物粒子と、
    ナノサイズの金属酸化物粒子と、
    結合剤と
    を含む、インサート材料（１８）。
  2. 前記金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウムおよび希土類酸化物の少なくとも１つから選択される。請求項１に記載のインサート材料（１８）。
  3. 前記金属酸化物が、酸化アルミニウムである、請求項２に記載のインサート材料（１８）。
  4. 前記インサート材料（１８）が、スラリーの形態である、請求項１に記載のインサート材料（１８）。
  5. 界面活性剤を含む、請求項４に記載のインサート材料（１８）。
  6. 前記インサート材料（１８）が、固体スティックの形態である、請求項１に記載のインサート材料（１８）。
  7. はんだ付け作業中に構成要素（１０）の空隙（１２）へのはんだ材料の流入をブロックするための方法であって、
    ミクロサイズの金属酸化物粒子、ナノサイズの金属酸化物粒子、および結合剤を含むスラリーの形態のインサート材料（１８）を準備することと、
    前記インサート材料（１８）を前記空隙（１２）内に充填することと、
    前記空隙（１２）を封止するために前記空隙（１２）の前記インサート材料（１８）を乾燥させることと、
    はんだ付け作業を行うことと、
    はんだ付け作業後に前記インサート材料（１８）を除去することと
    を含む、方法。
  8. 前記インサート材料（１８）が、界面活性剤を含む、請求項７に記載の方法。
  9. はんだ付け作業中に構成要素（１０）の空隙（１２）へのはんだ材料の流入をブロックするための方法であって、
    ミクロサイズの金属酸化物粒子、ナノサイズの金属酸化物粒子、および結合剤を含むスラリーの形態のインサート材料（１８）を準備することと、
    ピン（１４）を準備することと、
    前記ピン（１４）を前記インサート材料（１８）で被覆することと、
    前記ピン（１４）の前記インサート材料（１８）を乾燥させることと、
    前記インサート材料（１８）で被覆された前記ピン（１４）を前記空隙（１２）内に挿入することと、
    はんだ付け作業を行うことと、
    はんだ付け作業後にインサート材料（１８）で被覆された前記ピン（１４）を除去することと
    を含む、方法。
  10. 前記インサート材料（１８）が、界面活性剤を含む、請求項９に記載の方法。
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