JP7451388B2 - ろう付け補修方法 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、ろう付け補修方法に関する。

動翼等のタービン構成部品は、高温高圧下に晒されるため、亀裂や剥離等の損傷が生じる場合がある。このような損傷は、一般に、ろう付けによって補修される。

ろう付けによる補修では、例えば亀裂に溶解したろう材を充填し、その後、凝固させる。この際、ろう材が亀裂等の損傷から流れ出すことがあるが、このような流れ出しが生じた場合には、補修対象箇所以外で凝固したろう材の除去作業に手間がかかり、また除去不能な箇所にろう材が入ることもあるため、望ましくない。なお、このような流れ出しは、重力に逆らう状態でのろう材の充填の際に特に生じ易くなる。

そこで、ろう付け補修では、ろう材の流れ出しを抑制するために、ろう材の充填箇所の周囲に流れ止めを設けることがある。このような流れ止めは、例えば耐熱アルミナ粒子を水溶性バインダに熔かすことで形成されたペースト状材料からなり、このようなペースト状材料をろう付け箇所の周囲に例えば堰をなすように塗布することで形成される。

しかしながら、上述のようなペースト状材料からなる流れ止めは、強度が低く、崩れ易い傾向がある。また、傾斜した箇所に塗布された場合に、すなわち重力に逆らう状態で塗布された場合に流動し易くなることで、形状自由度及び設置自由度に制約があった。そのため、一般的な流れ止めは、ろう材の流れ出しを十分に抑制できるとは必ずしも言えないものであった。

特開２０１２－５５９４９号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ろう付け箇所によらず、ろう材の流れ出しを安定的に抑制できる、ろう付け補修方法を提供することにある。

一実施の形態において、ろう付け補修方法は、セラミックス粒子と熱可塑性バインダとを含むろう付け補修補助用材料を準備する工程と、溶解した前記ろう付け補修補助用材料を金属加工物の被補修箇所の周囲に塗布する工程と、前記ろう付け補修補助用材料が塗布された前記金属加工物を加熱し、加熱温度を上昇させることで、まず前記熱可塑性バインダを熱分解し、その後、前記セラミックス粒子を焼結させることにより、前記セラミックス粒子からなる流れ止めを形成する工程と、を備える。

本発明によれば、ろう付け箇所によらず、ろう材の流れ出しを安定的に抑制できる。

一実施の形態にかかるろう付け補修方法により補修するタービン動翼を示す図である。 一実施の形態にかかるろう付け補修方法で使用する３Ｄプリンタを示す図である。 一実施の形態にかかるろう付け補修方法の手順を説明する図である。 一実施の形態において形成された流れ止め、流路及び溜まり部の一例を示す図である。

以下、添付の図面を参照して一実施の形態を詳細に説明する。

図１（Ａ）は、一実施の形態にかかるろう付け補修方法により補修する金属加工物の一例であるタービン動翼１の全体を示す図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のａ－ａ線に沿う断面図である。

タービン動翼１は高温高圧下に晒されるため、図１に示す亀裂Ａや剥離Ｂのような損傷が生じ易い。本実施の形態では、このような亀裂Ａや剥離Ｂをろう材１０を用いてろう付けすることにより補修し、この際、ろう材１０の流れ止め１１をタービン動翼１上に形成する。

図１（Ｂ）では、亀裂Ａ及び剥離Ｂに充填されるろう材１０と、各ろう材１０の周囲に形成される流れ止め１１とが、説明の便宜上、二点鎖線で示されている。流れ止め１１は、ろう材１０の流動による拡散を抑制する。ろう材１０としては、例えばニッケルろう（ＢＮｉ５）等が用いられるが、特に限定されるものではない。なお、流れ止め１１は、本実施の形態では被補修箇所に充填されたろう材１０を囲む構造を有するものを意味する。流れ止め１１はループ状でもよいし、一部が開放するものでもよい。

本実施の形態では、亀裂Ａ及び剥離Ｂそれぞれの周囲に流れ止め中間成形体１１Ａ（図３（Ｂ）参照）を形成し、この流れ止め中間成形体１１Ａを加熱することで、上記流れ止め１１を形成する。流れ止め１１の形状は、流れ止め中間成形体１１Ａの形状によって定められることになる。

図２は、上述した流れ止め中間成形体１１Ａを形成するために本実施の形態で使用される３Ｄプリンタ２０を示す。３Ｄプリンタ２０は、熱溶解積層法（ＦＤＭ：Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）を利用する３Ｄプリンタとして構成されている。

３Ｄプリンタ２０は、流れ止め１１及び流れ止め中間成形体１１Ａを形成する加工対象物であるタービン動翼１を設置するステージ２１と、ステージ２１上でＸＹＺ軸方向に移動可能なノズル２２とを有する。

ノズル２２は、溶解した成形材料を所望の位置に射出して硬化させ、硬化した又は半硬化した成形材料上に新たな溶解した成形材料を射出して積層する動作を繰り返すことで、成形材料から所望の形状を形成可能であり、これにより、所望の形状の流れ止め中間成形体１１Ａを形成できる。３Ｄプリンタ２０は、図示しないヒータを有し、ヒータにより成形材料を溶解した後、ノズル２２から射出するようになっている。なお、図２には、ノズル２２で多層状に積層させた成形体Ｍの一例が二点鎖線で示されている。

ここで本実施の形態では、流れ止め中間成形体１１Ａを形成すべくノズル２２から射出する成形材料として、セラミックス粒子と熱可塑性バインダとを含む成形材料が用いられる。以下、この成形材料のことを、「ろう付け補修補助用材料」と呼ぶ。ろう付け補修補助用材料は、セラミックス粒子と熱可塑性バインダとが混練されてなるものであり、セラミックス粒子が熱可塑性バインダ内に均一的に分散されている。

ろう付け補修補助用材料におけるセラミックス粒子は、アルミナ粒子、ジルコニア粒子、ムライト粒子、シリカ粒子、及びこれらの２種以上の組合わせのうちのいずれかでもよい。セラミックス粒子の平均粒径は、５μｍ以上１５μｍ以下でもよい。熱可塑性バインダは、例えばＰＶＡなどの熱可塑性樹脂でもよい。また、ろう付け補修補助用材料におけるセラミックス粒子と熱可塑性バインダとの体積比は、５５：４５～６５：３５であることが好ましい。

３Ｄプリンタ２０では、タービン動翼１における亀裂Ａ又は剥離Ｂの近傍にノズル２２を移動させ、例えば亀裂Ａ又は剥離Ｂの周囲を囲むようにろう付け補修補助用材料の層を複数積層することで、流れ止め中間成形体１１Ａを形成できる。

ここで、溶解したろう付け補修補助用材料は、タービン動翼１への塗布後に熱可塑性バインダが硬化し又は半硬化でも粘性が高いことで、形状を保持でき且つ設置位置からの流動を抑制できるため、当初の塗布位置からの流れ出しが抑制される。これにより、本実施の形態では、流れ止め中間成形体１１Ａを高い形状自由度及び設置自由度で形成可能となるため、結果的に、流れ止め１１を高い形状自由度及び設置自由度で形成することが可能となる。具体的には、このようなろう付け補修補助用材料を用いることで、例えば堰形状の流れ止めだけでなく、堰に蓋を付けたような形状の流れ止めも容易に形成できる。

また、３Ｄプリンタ２０ではノズル２２の動作を図示しないコントローラで制御する。この際、コントローラにタービン動翼１の３ＤＣＡＤデータ等の図面データを入力し、図面データ上で亀裂Ａ又は剥離Ｂの位置を特定することで、流れ止め中間成形体１１Ａを所望の位置及び所望の形状に正確に形成することが可能となる。ただし、流れ止め中間成形体１１Ａは３Ｄプリンタ２０で形成しなくてもよく、例えばグルーガンを用いて手動で形成されてもよい。

図３は、本実施の形態にかかるろう付け補修方法の手順の一例を説明する図である。以下、補修方法の一例を図３を参照しつつ説明する。

この例では、まず、３Ｄプリンタ２０で使用するセラミックス粒子と熱可塑性バインダとを含むろう付け補修補助用材料が準備される。そして、ろう付け補修補助用材料は、３Ｄプリンタ２０に充填される。

次いで、図３（Ａ）に示すように、タービン動翼１の亀裂Ａ及び剥離Ｂのそれぞれにろう材１０が充填される。ここで、ろう材１０は溶解された状態で亀裂Ａ及び剥離Ｂに充填されてもよいし、固形の状態で亀裂Ａ及び剥離Ｂに充填されてもよい。また、ろう材１０を充填する前にタービン動翼１の表面をクリーニングして酸化物等を除去してもよい。

次いで、図３（Ｂ）に示すように、３Ｄプリンタ２０におけるステージ２１上にろう材１０が充填されたタービン動翼１が設置される。そして、３Ｄプリンタ２０のノズル２２から射出される溶解状態のろう付け補修補助用材料が、亀裂Ａ及び剥離Ｂそれぞれの周囲に塗布される。ここで、ノズル２２は、ろう付け補修補助用材料を多層状に塗布することで、ろう付け補修補助用材料が多層状に積層されてなる流れ止め中間成形体１１Ａを形成する。流れ止め中間成形体１１Ａは、タービン動翼１における斜面に設置されるが、完全に又はある程度硬化しているため、その形状を保持でき且つ設置位置からの流動を抑制できる。なお、流れ止め中間成形体１１Ａは、タービン動翼１から垂れ下がる状態で設置された場合も、その形状を保持でき且つ設置位置からの流動を抑制できる。

その後、図３（Ｃ）に示すように、タービン動翼１は熱処理炉ｆに移動されて加熱される。加熱時においては、加熱温度を段階的に上昇させ、まず、第１の加熱温度が維持されることで、ろう付け補修補助用材料における熱可塑性バインダが熱分解される。第１の加熱温度での加熱は、熱可塑性バインダが確実に熱分解されるように所定の時間にわたり行われる。なお、ここでの加熱において熱可塑性バインダが熱分解はほとんどが分解されるが、セラミックス粒子間には熱可塑性バインダが残存する。これにより、流れ止め中間成形体１１Ａは形状を保持する。

次いで、熱処理炉ｆの加熱温度を、第１の加熱温度から第２の加熱温度までさらに上昇させ、図３（Ｄ）に示すように、流れ止め中間成形体１１Ａ（ろう付け補修補助用材料）におけるセラミックス粒子を焼結させる。これにより、セラミックス粒子からなる流れ止め１１が形成される。第２の加熱温度での加熱も、セラミックス粒子が確実に焼結されるように所定の時間にわたり行われる。本実施の形態では、セラミックス粒子の焼結温度が、ろう材１０の融点よりも低く設定されている。すなわち、第２の加熱温度は、セラミックス粒子の焼結開始温度以上ろう材１０の融点未満に設定されるようになっている。

次いで、この例では、熱処理炉ｆの加熱温度を、第２の加熱温度から第３の加熱温度までさらに上昇させ、ろう材１０を溶解させて、亀裂Ａ及び剥離Ｂの全体に充填させる。第３の加熱温度での加熱も、ろう材１０が確実に溶解されるように所定の時間にわたり行われる。ここで本実施の形態では、ろう材１０の融点がセラミックス粒子の融点よりも低くされ、第３の加熱温度は、ろう材１０の融点以上セラミックス粒子の融点未満に設定される。これにより、ろう材１０を溶解させた際においても、流れ止め１１は凝固状態を維持するため、ろう材１０の流れ出しを適正に制限できる。

その後、図３（Ｅ）に示すように、タービン動翼１は熱処理炉ｆから取り出されて冷却され、タービン動翼１上の流れ止め１１が除去される。流れ止め１１は主にセラミックスからなり、衝撃を与えることで容易に破壊され得るため、容易に除去され得る。また、タービン動翼１、ろう材１０及び流れ止め１１は冷却される際、それぞれ収縮するが、流れ止め１１それぞれの温度履歴は、タービン動翼１及びろう材１０の温度履歴と異なるため、流れ止め１１に応力が生じる。これにより、流れ止め１１は自然と破壊するか又は破壊しやすい状態になるため、容易に除去され得る。

以上に説明したように本実施の形態では、セラミックス粒子と熱可塑性バインダとを含むろう付け補修補助用材料を溶解し、被補修箇所であるタービン動翼１の亀裂Ａや剥離Ｂの周囲に塗布する。そして、ろう付け補修補助用材料（流れ止め中間成形体１１Ａ）が塗布されたタービン動翼１を加熱し、加熱温度を上昇させることで、まず、熱可塑性バインダを熱分解し、その後、セラミックス粒子を焼結させることにより、セラミックス粒子からなる流れ止め１１を形成する。

上述のようにタービン動翼１の亀裂Ａや剥離Ｂの周囲にろう付け補修補助用材料（流れ止め中間成形体１１Ａ）を塗布する際、塗布されたろう付け補修補助用材料（流れ止め中間成形体１１Ａ）は、溶解状態で塗布され、塗布後は時間の経過に伴い完全に又はある程度硬化する。そのため、例えばタービン動翼１における斜面に設置された場合であっても、その形状を保持でき且つ設置位置からの流動を抑制できる。

そして、その後の熱処理により、熱可塑性バインダが熱分解されるとともに、セラミックス粒子が焼結された場合においても、ろう付け補修補助用材料（流れ止め中間成形体１１Ａ）は、その形状を保持でき、且つ設置位置からの流動を抑制できる。その結果、熱処理を経て形成される流れ止め１１は、その設置箇所が例えばタービン動翼１における斜面であっても、ろう材１０の流れ出しを適正に抑制できる所望の形状及び所望の位置に安定的に形成され得る。また、このように形成された流れ止め１１はセラミックスであることから高い耐熱性が確保される。これにより、流れ止め１１が形成された後、更なる加熱によりろう材１０が溶解された場合においても、流れ止め１１は、その設置箇所によらず、その形状を保持でき且つ崩れ及び流動を抑制できる。

以上のようにして本実施の形態によれば、ろう付け箇所によらず、ろう材１０の流れ出しを安定的に抑制できる。

また、本実施の形態では、溶解したろう付け補修補助用材料の塗布をノズル２２から溶解したろう付け補修補助用材料を射出する３Ｄプリンタ２０により行う。３Ｄプリンタ２０を用いた場合には、例えばろう付け補修補助用材料を所望の位置に所望の分量で塗布できるため、その後に形成される流れ止め１１の位置及び形状を所望の状態に安定的に形成できる。

また、本実施の形態では、ろう付け補修補助用材料を被補修箇所である亀裂Ａや剥離Ｂの周囲に塗布する際、ろう材１０が亀裂Ａや剥離Ｂに充填されている。そして、ろう付け補修補助用材料（流れ止め中間成形体１１Ａ）が塗布されたタービン動翼１を加熱する際、セラミックス粒子を焼結させて流れ止め１１を形成した後、さらに加熱温度を上昇させてろう材１０を溶解させる。このように１回の熱処理で流れ止め１１の形成及びろう付けの仕上げを行うことで、補修作業の作業効率を向上できる。

また、本実施の形態で用いるろう付け補修補助用材料におけるセラミックス粒子と熱可塑性バインダとの体積比は、上述したように５５：４５～６５：３５であることが好ましい。全体に対するセラミックス粒子の体積比率が７０％以上になると、流れ止め１１が崩れ易くなる傾向がある。一方、全体に対する熱可塑性バインダの体積比率が５０％以上になると、熱分解時にセラミックス粒子崩れ易くなる傾向がある。このような知見から上記好ましい体積比が導かれているが、本発明はこのような体積比のものに限定されるものではない。

また、本実施の形態ではろう付け補修補助用材料により流れ止め１１を形成したが、ろう付け補修補助用材料から、流れ止め１１と、ろう材１０をガイドする流路及び／又は流動したろう材１０の溜まり部とを形成してもよい。図４は、ろう付け補修補助用材料から形成された流れ止め１１と、流路１２と、溜まり部１３との例が示されている。図４で示す流路１２は、亀裂Ａ’の深さが小さい箇所からあふれ出たろう材１０を、亀裂Ａ’深さが大きい箇所にガイドするようになっており、溜まり部１３は、亀裂Ａ’の深さが大きい箇所にろう材１０を多く充填させるべく、ろう材１０を溜めるようになっている。本実施の形態にかかるろう付け補修補助用材料を用いた場合、流路１２や溜まり部１３も容易に形成でき、高品質なろう付けを行うことができる。

以下、実施例を説明する。

本実施例では、平均粒径１０μｍのアルミナ粒子と熱可塑性樹脂であるＰＶＡとの体積比が６０：４０となるように、アルミナ粒子とＰＶＡとを混練機に投入し、加圧加熱しながら混練することで、ろう付け補修補助用材料を生成した。そして、混錬物からろう付け補修補助用材料を加圧押出してワイヤー状に成形し、３Ｄプリンタに装填した。

次いで、ろう材を装填した金属加工物の３ＤＣＡＤ図面を３Ｄプリンタに入力した。そして、３ＤＣＡＤ図面を基に、ろう材の周辺を囲むように金属加工物表面に沿ってろう付け補修補助用材料を塗布するプログラムを３Ｄプリンタ上で作成した。そして、プログラムにしたがって、ろう付け補修補助用材料を塗布し、ろう材に対する流れ止め中間成形体を形成した。

次いで、ろう付け補修補助用材料（流れ止め中間成形体）が十分に硬化したことが確認された後、金属加工物を熱処理炉に装填した。そして、熱処理炉を真空引きした後に、３２０℃まで昇温保持し、まず、ろう付け補修補助用材料におけるＰＶＡを熱分解し、除去した。この状態ではＰＶＡはほとんど除去されているが、アルミナ粒子間に微量に残留しており、アルミナ粒子の粒子間の結合力は残っており崩れ去ることはない。

次いで、熱処理炉を１０００℃まで昇温保持し、アルミナ粒子を焼結させて強度の高い焼結体、すなわち流れ止めを形成した。その後、熱処理炉をろう付け温度である１２００℃まで昇温保持し、ろう付けを完了させた。

そして、金属加工物を冷却後に熱処理炉から取り出して、施工結果を確認し、流れ止めを除去した。ろう材の流れ出しは流れ止めによって適正に抑制されており、施工結果は、良好であった。また、流れ止めは、木槌で叩くことで容易に除去できた。

以上、実施の形態及び実施例を説明したが、上記実施の形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態及び実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば上述の実施の形態では、流れ止め１１の形成前に被補修箇所にろう材１０を充填するが、流れ止め１１が形成された後に被補修箇所へのろう材１０の充填が行われてもよい。また、ろう付け補修を行う対象は、タービン部品以外の金属加工物でもよい。

１…タービン動翼、１０…ろう材、１１…流れ止め、１１Ａ…流れ止め中間成形体、１２…流路、１３…溜まり部、２０…３Ｄプリンタ、２１…ステージ、２２…ノズル、Ａ, Ａ’…亀裂、Ｂ…剥離

Claims (10)

1. セラミックス粒子と熱可塑性バインダとを含むろう付け補修補助用材料を準備する工程と、
   ろう材が充填された又は充填される金属加工物の被補修箇所の周囲に、溶解した前記ろう付け補修補助用材料を塗布する工程と、
   前記ろう付け補修補助用材料が塗布された前記金属加工物を加熱し、加熱温度を上昇させることで、まず前記熱可塑性バインダを熱分解し、その後、前記セラミックス粒子を焼結させることにより、前記セラミックス粒子からなる流れ止めを形成する工程と、を備える、ろう付け補修方法。
2. 溶解した前記ろう付け補修補助用材料を塗布する際、前記ろう付け補修補助用材料を、熱溶解積層法により多層状に塗布することにより、前記ろう付け補修補助用材料が多層状に積層された、前記流れ止めの中間成形体を形成する、請求項１に記載のろう付け補修方法。
3. 溶解した前記ろう付け補修補助用材料の塗布を、ノズルから溶解した前記ろう付け補修補助用材料を射出する３Ｄプリンタにより行う、請求項２に記載のろう付け補修方法。
4. 前記セラミックス粒子は、アルミナ粒子、ジルコニア粒子、ムライト粒子、シリカ粒子、及びこれらの２種以上の組合わせのうちのいずれかである、請求項１乃至３のいずれかに記載のろう付け補修方法。
5. 前記セラミックス粒子の平均粒径が、５μｍ以上１５μｍ以下である、請求項４に記載のろう付け補修方法。
6. 前記熱可塑性バインダは、ＰＶＡである、請求項１乃至５のいずれかに記載のろう付け補修方法。
7. 前記ろう付け補修補助用材料における前記セラミックス粒子と前記熱可塑性バインダとの体積比が、５５：４５～６５：３５である、請求項１乃至６のいずれかに記載のろう付け補修方法。
8. 前記ろう付け補修補助用材料が塗布された前記金属加工物を加熱する際、前記金属加工物の斜面に設置された前記ろう付け補修用材料及び／又は前記金属加工物から垂れ下がるように設置された前記ろう付け補修用材料を加熱する、請求項１乃至７のいずれかに記載のろう付け補修方法。
9. 前記ろう付け補修補助用材料を前記被補修箇所の周囲に塗布する際、前記ろう材が前記被補修箇所に充填されており、
   前記ろう付け補修補助用材料が塗布された前記金属加工物を加熱する際、前記セラミックス粒子を焼結させて前記流れ止めを形成した後、さらに加熱温度を上昇させて前記ろう材を溶解させる、請求項１乃至８のいずれかに記載のろう付け補修方法。
10. 前記ろう付け補修補助用材料が塗布された前記金属加工物を加熱する際、前記ろう付け補修補助用材料から、前記流れ止めと、前記ろう材をガイドする流路及び／又は流動した前記ろう材の溜まり部と、を形成する、請求項１乃至９のいずれかに記載のろう付け補修方法。

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