JP7524200B2 - 溶接ろう付け技法 - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題は、溶接ろう付け技法に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの欠陥のあるガスタービン部品を修理するための溶接ろう付け技法に関する。

ガスタービン部品は、動作中に高温及び応力にさらされる。ガスタービン部品は、難溶接性材料から形成される場合がある。誤って機械加工されたガスタービン部品は、欠陥（例えば、凹部、溝又は材料欠損）を有する可能性がある。ガスタービン部品の難溶接性材料の欠陥の修理は、費用がかかり、かつ／又は時間がかかる可能性がある。難溶接性材料の欠陥に直接溶接するプロセスは、費用がかかり、かつ／又は困難な可能性がある。さらに、溶接プロセス中の不均一な加熱及び冷却が熱応力及び残留応力を発生させるので、難溶接性材料の欠陥に直接溶接するプロセスは、ガスタービン部品の隣接部分に悪影響を及ぼす可能性がある。これらの応力は、溶接中、溶接後又は溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）中に、高温亀裂又はひずみ経時亀裂をもたらす可能性がある。ろう付けは、修理に使用されるろう材料を加熱するために真空炉と共に使用されてよい。しかしながら、真空炉は、ガスタービン部品に利用可能なスペースが限られている可能性があり、ろう付けプロセスが完了するための長い加熱時間を有する可能性がある。さらに、真空炉の後の修理されたガスタービン部品の熱処理は、ガスタービン部品を修理するためにコスト及び時間をさらに増大させる可能性がある。

特開２０１７／３１２８６７号公報

一実施形態では、システムは、難溶接性（ＨＴＷ）材料の凹面を有する凹部を有するガスタービン部品を含む。システムは、凹部の上に配置されたプレートを含む。プレートは、易溶接性（ＥＴＷ）材料を有する。プレートは外面及び内面を有し、内面は凹部に面する。システムは、凹面とプレートの内面との間の凹部内に配置されたろう材料を含む。ろう材料は、ろう材料がろう付け温度まで加熱されると、凹部の凹面をプレートの内面と接合するように構成される。システムは、凹部の上に配置されたプレートの外面に配置された溶加材を含む。プレートの外面への溶加材の施工は、ろう付け温度までろう材料を加熱するように構成される。

別の実施形態では、方法は、ガスタービン部品の凹面にろう材料を配置するステップを含む。さらに、方法は、ろう材料の上にプレートを配置するステップを含む。プレートの内面はろう材料に近接し、プレートは内面と反対側の外面を有する。さらに、方法は、溶加材をプレートの外面に施工するために溶加材を加熱するステップを含む。溶加材を施工する際の熱は、プレートを加熱するように構成される。その上、方法は、溶加材を施工する際の熱によって、ガスタービン部品の凹面をろう材料でプレートの内面に接合するステップを含む。

さらなる実施形態では、システムは、難溶接性材料を含むガスタービン用のガスタービン部品を含む。難溶接性材料は、ニッケル基合金である。システムはまた、ガスタービン部品の表面に接触するように構成された接合面と、接合面の反対側のろう材料の側面に配置されたろう材料界面とを備える、ろう材料を含む。さらに、システムは、ろう材料界面に接触するように構成されたプレート界面を備えるプレートを含む。プレート界面は、ろう材料界面よりも大きい表面積を有する。さらに、システムは、ろう材料と反対側のプレートの表面に配置された溶加材を含む。その上、溶接装置は、ろう材料と反対側のプレートの表面に溶加材を施工するように構成される。ろう材料は、プレートを通ってろう材料に伝導される熱に応じて溶融し、硬化後にガスタービン部品にプレートを接合するように構成される。

本開示のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、添付図面を参照して以下の発明を実施するための形態を読むとより良く理解され、添付図面では、図面全体にわたって、同様の文字は同様の部分を表す。

タービンシステムの一実施形態の断面図である。 表面欠陥を有するガスタービン部品の一実施形態の断面図である。 ガスタービン部品に配置されたプレートの一実施形態の上面図である。 ろう材料によってプレートをガスタービン部品と接合するためにプレートに溶加材が施工されたガスタービン部品の一実施形態の断面図である。 溶接ろう付けを実行するための方法の一実施形態のフロー図である。

１つ又は複数の具体的な実施形態が以下に記載される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力して、実際の実装形態のすべての特徴が本明細書に記載されているわけではない。任意のエンジニアリング又は設計プロジェクトにおけるように、任意のそのような実際の実装形態の開発では、実装形態ごとに異なる可能性があるシステム関連及びビジネス関連の制約条件の順守などの、開発者の具体的な目標を達成するために、実装形態に特有の決定を数多く行わなければならないことを理解されたい。その上、そのような開発努力は複雑で時間がかかるかもしれないが、それにもかかわらず、本開示の利益を得る当業者にとって、設計、製作及び製造の日常的な仕事であることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を紹介するときに、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」及び「前記」は、１つ又は複数の要素が存在することを意味するものである。「備える」、「含む」及び「有する」という用語は包括的なものであり、列挙された要素以外の追加要素が存在してよいことを意味するものである。

特定の用途では、ターボ機械（例えば、タービン、圧縮機及びポンプ）並びに他の機械は、高熱環境で動作する部品を含む場合がある。例えば、特定のタービンシステム部品には、ブレード、ライナ、ロータホイール、シャフト、ノズルなどが含まれる。いくつかのタービン部品は、製造上の欠陥（例えば、凹部、溝、ノッチなど）を有する場合がある。

一般に、ろう付けは、部品を動作状態に戻すために使用されてよい。しかしながら、ろう付けプロセスは、費用がかかり、かつ／又は時間がかかる可能性がある。例えば、ろう付けは、ろう付けプロセス中に炉（例えば、真空炉）を使用することを含む場合がある。炉は、炉のサイズ及び部品のサイズのために、ガスタービン部品をろう付けする能力が制限される場合がある。さらに、ガスタービン部品をろう付けするために炉を使用すると、ろう付けプロセスのための長い加熱時間を必要とし、かつ／又は専門のオペレータを必要とする可能性がある。さらに、炉は、ろう材料に加えてガスタービン部品の一部を加熱し、したがって、ガスタービン部品に所望の材料特性を回復させるために、修理されたガスタービン部品全体がろう付け後に熱処理される可能性がある。その上、ガスタービン部品の欠陥を直接溶接することは、難溶接性材料から作製されたガスタービン部品の欠陥の修理に有効でない可能性がある。

本明細書に開示される溶接ろう付け技法は、ガスタービン部品のろう付け又は溶接に伴う現在の問題を克服する。例えば、溶接ろう付け技法は、特殊な機器（例えば、炉）なしで使用されてよく、それにより、ガスタービン部品のコスト、複雑さ及び／又は修理時間が低減される。さらに、本明細書に記載される溶接ろう付け技法によってガスタービン部品自体に加えられる熱は、ガスタービン部品のその後の熱処理を低減又は排除することができ、それにより、ガスタービン部品のコスト及び修理時間が低減される。さらに、溶接ろう付け技法は、難溶接性材料を有するガスタービン部品を効果的に修理することができる。したがって、本明細書に開示される溶接ろう付け技法は、ガスタービン部品のろう付け及び溶接に伴う現在の問題を克服する。

溶接ろう付け技法はまた、従来のろう付けと比較してさらなる利点を提供することができる。ろう付けは、耐荷重部品の修理に適していない場合がある。ろう材料は、耐荷重用途のための所望の機械的特性（例えば、引張強度など）をもたない場合がある。溶接は耐荷重部品の修理に適している場合があるが、上述されたように、溶接のみでは、いくつかのガスタービン部品で使用されるものなどの難溶接性材料の修理に有効でない可能性がある。本明細書に開示される溶接ろう付け技法は、ろう材料に加えて、所望の耐荷重機械的特性を有する材料を効果的に施工することができる。したがって、本明細書に開示される溶接ろう付け技法は、ろう付けよりも効果的な耐荷重ガスタービン部品の修理を実現することができる。

図１は、タービンシステム１０の一実施形態の断面図である。タービンシステム１０の動作中、天然ガス又は合成ガスなどの燃料は、燃焼器１６への１つ又は複数の燃料ノズル１２を介してタービンシステム１０に送られてよい。空気は、吸気部１８を介してタービンシステム１０に流入することができ、圧縮機１４によって圧縮されてよい。圧縮機１４は、空気を圧縮する一連の段２０、２２及び２４を含んでよい。各段は、静翼２６及び回転して圧力を徐々に増大させて圧縮空気を供給するブレード２８の１つ又は複数のセットを含んでよい。ブレード２８は、シャフト３２に接続された回転ホイール３０に取り付けられてよい。圧縮機１４からの圧縮排出空気は、ディフューザ部３６を通って圧縮機１４を出ることができ、燃料と混合するように燃焼器１６に導かれてよい。例えば、燃料ノズル１２は、最適な燃焼、排出、燃料消費及び動力出力のために適切な比で燃焼器１６に燃料空気混合物を噴射することができる。特定の実施形態では、タービンシステム１０は、環状配列に配置された複数の燃焼器１６を含んでよい。各燃焼器１６は、高温燃焼ガスをタービン３４に導くことができる。

タービン３４は、ライナ５６によって囲まれた３つの別個の段４０、４２及び４４を含むマルチプルを含んでよい。各段４０、４２及び４４は、シャフト５４に取り付けられたそれぞれのロータホイール４８、５０及び５２に結合されたタービンブレード又はバケット４６のセットを含む。さらに、各段は、ノズル３８のセットを含んでよい。燃焼器１６からの高温ガスは、タービン３４を通って流れ方向４８に導かれてよい。タービン３４を通って流れる高温燃焼ガスがタービンブレード４６を回転させると、シャフト５４が回転して圧縮機１４及び発電機などの任意の他の適切な負荷を駆動する。最終的に、タービンシステム１０は、排気部６０を介して流れ方向４８に燃焼ガスを拡散及び排気する。燃料ノズル１２、吸気口１８、圧縮機１４、静止ノズル２６、ブレード２８、ホイール３０、シャフト３２、ディフューザ３６、段４０、段４２及び段４４、タービンブレード４６、ノズル３８、シャフト５４、ライナ５６、並びに排気部６０などのタービン部品は、以下の図２に関してより詳細に記載されるように、開示された実施形態を使用して欠陥、亀裂又はギャップを修理することができる。

図２は、外部欠陥６４を有するガスタービン部品６２の一実施形態の断面図である。ガスタービン部品６２は、図１のガスタービンのノズル３８であってよい。しかしながら、ガスタービン部品６２は、ガスタービンシステム１０の別の高温ガス部品（例えば、ブレード４６、ディフューザ３６、ライナ５６など）であってよい。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される技法は、ガスタービンシステム１０の他の部品又は一般に他の部品（例えば、蒸気タービン部品、自動車部品など）に適用されてよい。ガスタービン部品６２の外部欠陥６４は、凹部６６（例えば、ノッチ、溝、亀裂、ギャップなど）であってよい。外部欠陥６４は、タービンノズル３８又はタービンブレード４６の基部の溝又はノッチなどの、表面的な欠陥（例えば、高温ガス部品の非耐荷重部分の欠陥）であってよい。別の実施形態では、外部欠陥６４は、ガスタービン部品６２が外部欠陥６４において最小許容機械的特性（例えば、引張強度など）を有する場合があるような構造的欠陥であってよい。外部欠陥６４は、ガスタービンシステム１０の動作中に高温ガスと接触する可能性があるガスタービン部品６２の表面６８に配置されてよい。

ガスタービン部品６２は、鉄系マルテンサイトステンレス鋼、析出硬化ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼、高合金鋼、工具鋼、非鉄合金（例えば、アルミニウム、銅、真鍮、亜鉛及びジルコニウム）又はそれらの組合せなどの難溶接性（ＨＴＷ）材料を含んでよい。さらに、ＨＴＷ材料は、「ガンマプライム」強化相の割合が高い超合金（例えば、ニッケル基超合金）であってよい。具体的には、ＨＴＷ材料は、０．４～１．０のガンマプライム（γ’）を有してよい。いくつかの実施形態では、ＨＴＷ材料は、０．６～０．９のガンマプライム（γ’）を有してよい。別の実施形態では、ＨＴＷ材料は、０．７～０．８のガンマプライム（γ’）を有してよい。より高いガンマプライム（γ’）の割合は、ＨＴＷ材料の耐酸化性及び耐クリープ性を増加させることができ、その結果、ＨＴＷ材料のガスタービン部品６２は、ガスタービンシステム１０の高熱環境で動作することができる。いくつかの実施形態では、ＨＴＷ材料は、ハステロイ、インコネル、ワスパロイ、ＧＴＤ又はレネ合金などの超合金であってよい。具体的なＨＴＷ材料の例には、レネ１０８、レネＮ５、ＧＴＤ４４４及びＧＴＤ１１１が含まれる。いくつかの実施形態では、ＨＴＷ材料は、超合金を強化するために、コバルト、鉄、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、バナジウム及びチタンを含んでよい。

別の実施形態では、ＨＴＷ材料はニッケル基超合金であってよい。ニッケル基超合金は、固溶強化、析出強化及び特殊合金の３つのカテゴリに分類されてよい。Ｎｉ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｍｏ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ－Ｗ、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｃｒ－Ｍｏ、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｃｏ－Ｍｏなどの固溶強化ニッケル基超合金（すなわち、インコネル６２５、インコネル６１７、ハイネス２３０など）は、一般にＨＴＷ材料とは見なされないが、析出強化及び特殊ニッケル基超合金は、一般にＨＴＷ材料と見なされる。析出強化ニッケル基超合金は、適切な熱処理後にニッケルと強化析出物を形成するチタン、アルミニウム及び／又はニオブを含む。析出強化ニッケル基超合金のガンマプライム体積率は、１０％未満（例えば、ニモニック２６３）から８５％超（例えば、レネ１９５）までの範囲であってよい。析出強化ニッケル基超合金の場合、ガンマプライムが３０％未満（例えば、ＧＴＤ２２２及びレネ４１）である場合、それは、通常、優れた溶接性を示し、その結果、析出強化ニッケル基超合金はＥＴＷ材料である。しかしながら、析出強化ニッケル基超合金のガンマプライムの体積が３０％を超える（例えば、レネ１０８、インコネル７３８、ＧＴＤ１１１）場合、それは、通常、不十分な溶接性を示すので、析出強化ニッケル基超合金はＨＴＷ超合金である。したがって、高温ガス経路内のガスタービン部品６２は、レネ１０８、インコネル７３８、ＧＴＤ１１１などのＨＴＷ材料で作製されてよい。特殊合金は、一般に、ニッケルアルミニウム金属間化合物及び酸化物分散強化合金を含む。特殊合金の例には、酸化物分散強化合金（例えば、ＭＳ６０００、ＭＡ７５４）及びニッケルアルミナイド（例えば、ＮｉＡｌ又はＮｉ３Ａｌの化合物）が含まれる。特殊合金は、一般に高い強度及び耐食性を有し、高温でのそれらの低い延性（例えば、高温クリープ強度）のためにＨＴＷ材料と見なされる。したがって、ガスタービン部品６２は、特殊合金から作製されてよい。

上述されたように、外部欠陥６４は、ガスタービンシステム１０の動作中に高温ガスと接触する可能性があるガスタービン部品６２の表面６８に配置されてよい。ろう材料７０は、ガスタービン部品６２の外部欠陥６４に施工されてよい。図示された実施形態では、ろう材料７０は、凹部６６に（例えば、凹部６６の凹面７２の上に）挿入されてよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、ろう材料は、突起物又は他の欠落した特徴を生成して、材料の欠如によって引き起こされるガスタービン部品の欠陥を修理するために、ガスタービン部品６２に配置されてよい。ろう材料７０は、０．００２５４ｍｍ～１．５２４ｍｍ（例えば、０．１ミル～６０ミル）の範囲内の厚さ７４を有するテープであってよい。ろう材料７０のテープは、凹面７２の５０～１００％、６０～９５％及び／又は７５～９０％に配置されてよい。いくつかの実施形態では、ろう材料７０は、凹部６６内に少なくとも部分的に配置され得る、粉末、箔又はプリフォームであってよい。ろう材料７０は、ガスタービン部品６２の表面６８まで又はそれを越えて凹部６６を充填するように構成されてよい。いくつかの実施形態では、ろう材料７０は、凹部６６を部分的にのみ充填するように構成されてよい。

さらに、プレート７６は、ろう材料７０が凹面７２とプレートの内面７８との間に配置されるように、凹部６６及びろう材料７０の上に配置されてよい。以下に説明されるように、ろう材料７０を加熱し、外部欠陥６４を有するガスタービン部品６２とプレート７６を接合するために、プレート７６の外面９６を加熱してもよい。いくつかの実施形態では、プレートの外面９６に溶加材を施工することにより、プレート７６の外面９６を加熱することができる。

いくつかの実施形態では、プレート７６は凹部６６を完全に覆うように構成される。したがって、プレートの内面７８は、凹部６６に広がる領域よりも大きい表面積を有してよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、外部欠陥６４は不均一な形状を有する場合がある。したがって、プレート７６の寸法は、プレートの内面７８が凹部６６を完全に覆うように構成されてよい。例えば、プレート７６は長方形の形状を有してよい。プレート７６の長さ８０は、凹部をわたる端から端までの最長距離８２よりも長くてよく、プレートの幅は、凹部をわたる端から端までの最長距離に直交する方向における凹部をわたる最長距離よりも長くてよい。したがって、プレート７６は、不均一な形状を有する凹部６６を完全に覆うことができる。プレート７６は、凹部６６を覆うのに適した任意の形状を有してよい。いくつかの実施形態では、プレート７６は、凹部６６の形状に基づく形状を有するように形成されてよい。すなわち、プレート７６は凹部６６と相補的な形状で形成されてよい。さらに、プレート７６は、ろう材料７０を完全に覆うことができる。

いくつかの実施形態では、プレート７６は、プレート７６が余剰部分８４（例えば、凹部６６を越えて延在するプレートの一部）を有するように、凹部６６よりも所定量だけ大きくなるように構成されてよい。いくつかの実施形態では、プレート７６は、凹部６６の周囲に沿って少なくとも最小量の余剰部分８４を有するように構成されてよい。例えば、プレート７６は、凹部６６を越えて少なくとも１～１０ｍｍ、１～５ｍｍ又は１～３ｍｍ延在してよい。いくつかの実施形態では、余剰部分８４は、凹部６６及びろう材料７０の両方を越えて延在する。プレート７６の余剰部分８４は、それぞれ溶接を開始又は停止するための溶接ランオンタブ又は溶接ランオフタブとして使用されてよい。

いくつかの実施形態では、プレートの内面７８の一部は、ガスタービン部品６２の外面８６に接触することができる。別の実施形態では、（すなわち、ろう材料を溶融するために溶加材の施工の前又は後に）ろう材料７０の厚さ７４は凹部６６の深さ８８よりも大きくてよく、その結果、プレート７６を凹部６６の上方に配置する際に、プレート７６の一部はろう材料７０の上に載り、ガスタービン部品６２の外面８６に接触しなくてよい。ろう材料７０の表面９０が不均一である場合、プレート７６は、凹部６６及び／又はろう材料７０に対してシフトする可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、シフトを防止するために、プレート７６は、溶加材を外面９６に施工する前にガスタービン部品に固定されてよい。

プレート７６は、易溶接性（ＥＴＷ）材料を含んでよい。ＥＴＷ材料は、鋼、ステンレス鋼、ニッケル基超合金、コバルト基超合金又は別の適切な金属材料を含んでよいが、それらに限定されない。具体的なＥＴＷ材料の例には、インコネル６２５、インコネル６１７、ハイネス２３０などの固溶強化合金及びＧＴＤ２２２、ＧＴＤ２６２、ＧＴＤ２９２、レネ４１などの析出強化合金が含まれる。いくつかの実施形態では、析出強化合金カテゴリ内のＥＴＷ合金は、４０％未満のガンマプライム（γ’）を有する。別の実施形態では、ＥＴＷは２０％未満のガンマプライム（γ’）を有する。

図３は、ガスタービン部品６２及びプレート７６の一実施形態の上面図である。溶加材は、ろう材料を加熱し、外部欠陥を有するガスタービン部品６２とプレート７６を接合するために、溶接経路１１０に沿ってプレート７６の外面９６に施工されてよい。溶接経路１１０は、平行な溶接ビーズとして施工されるように溶加材を導くことができる。いくつかの実施形態では、溶接経路１１０は、溶接ビーズがプレート７６の外面９６上で重なり合うか分離するように施工されるように溶加材を導くことができる。溶接経路１１０は、様々なパターンで施工されるように溶加材を導くことができる。溶加材は、凹部６６の上方に配置されたプレート７６の一部に施工されてよい。いくつかの実施形態では、溶加材は、凹部６６の上方に配置されたプレート７６の一部とプレート７６の余剰部分８４の両方に施工される。別の実施形態では、溶加材は、ろう材料の上方に配置されたプレート７６の一部にのみ施工される。

いくつかの実施形態では、プレート７６及びガスタービン部品６２は、溶加材を外面９６に施工する前に互いに固定される。プレート７６及びガスタービン部品６２は、プレート７６及びろう材料をガスタービン部品６２に固定するための少なくとも１つの溶接、接着剤、クランプ装置又は他の適切な機構を介して、位置９２で互いに固定されてよい。いくつかの実施形態では、プレート７６及びタービン部品６２は、融合プロセス及び／又は抵抗溶接プロセスを使用して互いに固定されてよい。溶接プロセスは、位置９２で部品を一緒に溶接することができる。しかしながら、別の実施形態では、溶接プロセスは、位置９２において、プレート７６とガスタービン部品６２との間に配置されたろう材料を溶融して、プレート７６をガスタービン部品６２に固定するように構成される。プレート７６は、溶接９２が凹部６６の上方に施工されないように、ガスタービン部品６２の外面８６に固定されてよい。プレート７６及びガスタービン部品６２を一緒に固定することにより、シフト及び回転を減少させることができ、並びに少なくともプレート７６とろう材料７０との間の熱伝導を増加させることができる。

図４は、ろう材料７０を加熱し、外部欠陥を有するガスタービン部品６２とプレート７６を接合するために、プレート７６の外面９６に施工される溶加材９４の一実施形態の断面図である。プレート７６は、ろう材料７０が凹面７２とプレート７６の内面７８との間に配置されるように、凹部６６及びろう材料７０の上に配置される。プレート７６の内面７８の少なくとも第１の部分はろう材料７０と接触しており、ろう材料７０は凹部６６の凹面７２と接触している。

溶加材９４は、プレート７６の外面９６に施工されてよい。溶加材９４をプレート７６に施工すると、プレート７６が加熱され、プレート７６はろう材料７０を加熱する。溶加材９４の配置は、外部欠陥６４のサイズ（例えば、凹部６６の深さ８８及び幅）に依存してよい。例えば、凹部６６は、浅い端部と深い端部とを有する長く狭い溝であってよい。そのため、より多くのろう材料７０が深い端部に施工されてよい。したがって、深い端部の上方のプレート７６には、浅い端部の上方のプレート７６よりも多くの溶加材９４が施工されて、深い端部と浅い端部の両方でろう材料７０を溶融することができる。

溶加材９４は、溶接プロセスによってプレート７６の外面９６に施工されてよい。溶接プロセスは、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）、金属不活性ガス（ＭＩＧ）、スティック、レーザ、電子ビーム（ＥＢ）、プラズマ、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）、レーザビーム（ＬＢ）融合溶接、別のタイプの適切な溶接プロセス又はそれらの組合せであってよい。酸化を防止するために、溶加材９４の施工中にシールドガスが使用されてよい。溶加材９４をプレート７６の外面９６に施工すると、プレート７６が加熱される。溶加材９４の施工及びプレート７６の厚さ１１２は、ろう付け温度までろう材料７０を加熱するように構成される。プレート７６はろう材料７０と溶加材９４との間に配置されるが、溶加材９４は、プレート７６への施工の前又は間に加熱されてよい。溶加材９４からの熱は、溶加材９４から、プレート７６を通って、ろう材料７０に伝導されてよい。プレート７６の厚さ１１２は、ろう材料の加熱に影響を及ぼす可能性がある（例えば、プレート７６の厚さ１１２が厚すぎる場合、ろう材料７０は溶融しない可能性がある）。プレート７６の厚さ１１２は、０．１ｍｍ～１０ｍｍの範囲内であってよい。さらに、溶加材９４からの熱は、ろう材料７０に放射されてよい。

伝導及び／又は放射によって溶加材９４からろう材料７０に伝達される熱は、ろう材料７０を液化（例えば、溶融）するのに十分であり得る。プレートの外面に施工される溶加材は、１６４８℃（３０００°Ｆ）の温度を有してよい。プレート７６は、プレート７６とろう材料７０との間の界面９８の温度がろう材料の液相温度を超える温度を有するように加熱されてよい。いくつかの実施形態では、ろう材料７０は、９８２℃～１２８７℃（１８００°Ｆ～２３５０°Ｆ）の範囲内の液相温度を有する。したがって、プレート７６を通して溶加材９４からろう材料７０に伝達された熱は、ろう材料７０が溶融するように、界面９８で１２８７℃を超える温度にプレート７６を加熱することができる。溶加材９４が冷却し、ろう材料７０の温度がろう材料７０の液相温度を下回った後、ろう材料７０は凝固する。ろう材料７０を液相温度よりも高く加熱し、次いでろう材料７０を液相温度よりも低く冷却することは、ろう材料７０のための接合プロセスをトリガするように構成される。接合プロセスは、ろう材料７０の液化及び再凝固中にガスタービン部品６２及びプレート７６とろう材料７０が接合することを含む。

ろう材料７０は、溶加材９４をプレート７６に施工することによって間接的に加熱され、それにより、ガスタービン部品６２を炉（例えば、真空炉）に入れることなく、プレート７６がガスタービン部品６２とろう付けされることが可能になる。ろう付けは、通常、真空炉を使用して酸化を形成することなくろう付けプロセスを実行するが、本明細書に開示された接合プロセスは真空炉を使用しない。プレート７６は、凹部６６及びろう材料７０を覆うように構成され、接合プロセス中、ろう材料７０は、酸化が起こらないようにプレート７６と凹部６６との間で液化するように構成される。したがって、接合プロセスは、炉又はガスフレームトーチなどの特殊なろう付け機器なしに遂行されてよい。

いくつかの実施形態では、プレート７６の外面９６への溶加材９４の施工は、熱しきい値を超えてガスタービン部品６２を加熱することなく、ろう付け温度までろう材料７０を加熱するように構成される。熱しきい値は、ガスタービン部品６２の材料特性に依存する場合がある。熱しきい値は、ガスタービン部品６２が熱処理されずにその意図された用途に適さない程度まで材料のミクロ組織を変更する前に、ガスタービン部品６２の材料が加熱され得る最大温度であってよい。ガスタービン部品６２の温度が熱しきい値を超えた場合、ガスタービン部品６２の熱処理は、ガスタービン部品６２の材料をその意図された用途のために所望のミクロ組織に回復させることができるが、熱処理は時間と費用がかかる可能性がある。

いくつかの実施形態では、溶加材９４の一部は、接合プロセスが完了した後に除去される。例えば、溶加材９４は、ライン１００の上方で除去されてよい。除去される溶加材９４の一部は、プレート７６の外面９６に施工された溶加材９４の５０％以上であってよい。溶加材９４の表面１０２は、凸凹であっても不均一であってもよい。溶加材をライン１００に機械加工することにより、溶加材９４の表面を平滑化することができる。溶加材をライン１００に機械加工することにより、亀裂又は他の欠陥を除去することもでき、これにより亀裂伝播を防止することができる。いくつかの実施形態では、溶加材９４が除去され、プレート７６の一部が、ライン１０４へのプレートの機械加工によって除去される。いくつかの実施形態では、溶加材９４、プレート７６及び／又はろう材料７０は、ガスタービン部品６２の外面８６と同じ高さになるように、かつガスタービン部品６２を製造寸法に戻すように機械加工されてよい。すなわち、ライン１００又はライン１０４は、外面８６と同じ高さ（例えば、同一平面上）であってよい。いくつかの実施形態では、溶加材９４及び／又はプレート７６の一部は、ガスタービン部品の縁部１０８を越えて延在してよい。ガスタービン部品６２の縁部１０８を越えて延在する溶加材９４及び／又はプレート７６の一部は、ライン１０６への機械加工によって除去されてよい。

溶加材９４は、ＥＴＷ材料、ＨＴＷ材料又はそれらの組合せのいずれかを含んでよい。いくつかの実施形態では、溶加材９４が機械加工プロセスによって施工後に除去されるように構成されているとき、溶加材９４はＥＴＷ材料である。ＨＴＷ材料は好ましい機械的特性を有する場合があるが、ＥＴＷ溶加材は、ＨＴＷ溶加材よりもプレート７６に施工することが容易及び／又は安価であり得る。さらに、ＥＴＷ溶加材は、ＨＴＷ溶加材よりも欠陥のない溶接を得ることが容易であり得る。したがって、ＨＴＷ材料の好ましい機械的特性は、溶加材９４を除去する際の困難さを増大させるだけであり得るので、溶加材９４が完全に除去されるように構成されているときにＥＴＷ材料が使用されてよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、溶加材９４の一部が機械加工後にガスタービン部品６２上に残るように構成されているときに、溶加材９４はＥＴＷ材料を含んでよい。他の実施形態では、溶加材９４の耐酸化性、温度腐食性、耐クリープ性及び／又は機械的強度を高めるために、溶加材９４の少なくとも一部が機械加工後にガスタービン部品６２上に残るように構成されているとき、溶加材９４はＨＴＷ材料を含んでよい。

図５は、図２～図４に関して上述された溶接ろう付けを実行するのに適した方法１１０の一実施形態を示す。方法は、ガスタービン部品の凹部の凹面にろう材料を配置すること（ブロック１１２）を含む。ろう材料は、粉末、箔、テープ又はプリフォームであってよい。例えば、オペレータは、粉末ろう材料で凹部を充填することができる。オペレータは、凹部を部分的に充填することができる。しかしながら、オペレータは、ろう材料で凹部を完全に充填又は過剰充填することができる。いくつかの実施形態では、オペレータは、凹面に加えてガスタービン部品の外面にろう材料を配置することができる。

方法はまた、プレートの内面がろう材料に近接するように、ろう材料にプレートを配置すること（ブロック１１４）を含む。プレートは、凹部の上方に配置されてよい。いくつかの実施形態では、プレートは、ろう材料が凹面とプレートとの間に配置されるように、部分的に凹部内に、かつろう材料の上方に配置される。別の実施形態では、プレートは完全に凹部内に配置される。プレートは、プレートが凹部に広がるように、凹部の開口部と実質的に同じサイズであってよい。いくつかの実施形態では、方法は、溶加材を加熱して溶加材を施工する前に、プレートに仮付け溶接を施すステップ（ブロック１１６）を含む。仮付け溶接は、後述されるように溶加材を施工しながらプレートを所定の位置に保持するように構成されてよい。

上述されたように、プレートは内面の反対側の外面を有する。方法は、溶加材をプレートの外面に施工するために溶加材を加熱すること（ブロック１１８）をさらに含む。施工された溶加材からの熱は、プレート及びろう材料を加熱するように構成される。その上、方法は、溶加材を施工する際の熱によって、ガスタービン部品の凹面をろう材料でプレートの内面に接合すること（ブロック１２０）を含む。溶加材からの熱は、ろう材料が溶融するようにろう材料の液相温度を超える温度までろう材料を加熱するために、プレートを通って伝達されてよい。溶加材から加えられた熱が放散すると、ろう材料は冷えて凝固する。ろう材料が凹面とプレートの両方と接触している間に、ろう材料を溶融し、次いで凝固させることにより、ろう材料を凹面とプレートの両方に接合（ブロック１２０）させることができる。

いくつかの実施形態では、方法は、溶加材、プレート、ろう材料又はそれらの組合せの一部を除去するために、ガスタービン部品を機械加工すること（ブロック１２２）をさらに含む。しかしながら、方法は、炉、真空炉などでガスタービン部品及び／又はろう材料を熱処理するステップを含まない。

本明細書に開示された溶接ろう付け技法の技術的効果は、従来のろう付けプロセスのステップを排除することによって低コストでより迅速な修理を可能にすること、並びに難溶接性材料を有する耐荷重部品の改善された修理を提供することを含む。

本明細書は、例を使用して、最良の形態を含む本開示の実施形態を開示し、また、いかなる当業者も、任意の装置又はシステムを作製及び使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含む、本開示の実施形態を実践することを可能にする。本開示の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者が思い付く他の例を含んでよい。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合又は特許請求の範囲の文言との実質的な違いがない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。

１０ ガスタービンシステム
１２ 燃料ノズル
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 吸気部、吸気口
２０ 段
２２ 段
２４ 段
２６ 静翼、静止ノズル
２８ ブレード
３０ 回転ホイール
３２ シャフト
３４ タービン
３６ ディフューザ、ディフューザ部
３８ タービンノズル
４０ 段
４２ 段
４４ 段
４６ タービンブレード、バケット
４８ ロータホイール、流れ方向
５０ ロータホイール
５２ ロータホイール
５４ シャフト
５６ ライナ
６０ 排気部
６２ ガスタービン部品
６４ 外部欠陥
６６ 凹部
６８ 表面
７０ ろう材料
７２ 凹面
７４ 厚さ
７６ プレート
７８ 内面
８０ 長さ
８２ 凹部をわたる端から端までの最長距離
８４ 余剰部分
８６ 外面
８８ 深さ
９０ 表面
９２ 溶接、位置
９４ 溶加材
９６ 外面
９８ 界面
１００ ライン
１０２ 表面
１０４ ライン
１０６ ライン
１０８ 縁部
１１０ 溶接経路、方法
１１２ 厚さ

Claims (15)

1. 難溶接性（ＨＴＷ）材料の凹面（７２）を有する凹部（６６）を備えるガスタービン部品（６２）と、
   前記凹部（６６）の上に配置されたプレート（７６）であって、前記プレート（７６）が外面（９６）及び内面（７８）を備え、前記プレート（７６）が易溶接性（ＥＴＷ）材料を備え、前記内面（７８）が前記凹部（６６）に面する、プレート（７６）と、
   前記凹面（７２）と前記プレート（７６）の内面（７８）との間の前記凹部（６６）内に配置されたろう材料（７０）であって、前記ろう材料（７０）がろう付け温度まで加熱されると、前記ろう材料（７０）が前記凹部（６６）の凹面（７２）を前記プレート（７６）の内面（７８）と接合するように構成される、ろう材料（７０）と、
   前記凹部（６６）の上に配置された前記プレート（７６）の外面（９６）に配置された溶加材（９４）であって、前記プレート（７６）が、前記ろう材料（７０）及び前記ガスタービン部品（６２）から前記溶加材（９４）を分離しており、前記プレート（７６）の外面（９６）への前記溶加材（９４）の施工及び前記プレート（７６）の厚さが、前記ろう付け温度まで前記ろう材料（７０）を加熱するように構成される、溶加材（９４）と
   を備える、システム（１０）。
2. 前記外面（９６）への前記溶加材（９４）の施工が、前記ろう材料（７０）を間接的に加熱しかつ前記プレート（７６）を前記ガスタービン部品（６２）に接合するために、溶接経路（１１０）に沿って前記溶加材（９４）を前記外面（９６）に溶接することを含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記ガスタービン部品（６２）が、ガスタービン（３４）用の高温ガス経路部品を備える、請求項１に記載のシステム（１０）。
4. 前記プレート（７６）の面積が、前記ガスタービン部品（６２）の凹部（６６）の凹部面積よりも大きく、前記プレート（７６）の内面（７８）の少なくとも一部が、前記ガスタービン部品（６２）の外面（８６）と接触する、請求項１に記載のシステム（１０）。
5. 前記溶加材（９４）が、インコネル９３９、ＭａｒＭ２４７、ＧＴＤ１１１、インコネル７３８又は別の適切な難溶接性材料などの難溶接性材料を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
6. 前記溶加材（９４）が、インコネル６１７、ニモニック２６３、ＧＴＤ２２２、ＧＴＤ２９２又は別の適切な易溶接性材料などの易溶接性材料を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
7. 前記溶加材（９４）が、前記溶加材（９４）の表面を平滑化するために機械加工された機械加工表面（１０２）を備える、請求項１に記載のシステム（１０）。
8. 前記プレート（７６）の外面（９６）への前記溶加材（９４）の施工が、前記ガスタービン部品（６２）の凹部（６６）のミクロ組織を変更することなく前記ろう付け温度まで前記ろう材料（７０）を加熱するように構成され、前記プレート（７６）を通って伝導される熱が、前記プレート（７６）と前記ろう材料（７０）との間の界面（９８）の温度を９８２℃～１２８７℃の範囲内に上昇させるように構成される、請求項１に記載のシステム（１０）。
9. 前記ろう材料（７０）が、粉末、箔、テープ又はプリフォームを含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
10. 前記ろう材料（７０）が、９８２℃～１２８７℃の範囲内の液相温度を有する、請求項１に記載のシステム（１０）。
11. 前記ろう材料（７０）が、０．００２５４ｍｍ～１．５２４ｍｍの範囲内の厚さを備える、請求項１に記載のシステム（１０）。
12. ガスタービン部品（６２）の凹面（７２）にろう材料（７０）を配置するステップと、
    前記ろう材料（７０）にプレート（７６）を配置するステップであって、前記プレート（７６）の内面（７８）が前記ろう材料（７０）に近接し、前記プレート（７６）が前記内面（７８）の反対側の外面（９６）を備える、ステップと、
    前記プレート（７６）の外面（９６）に溶加材（９４）を施工するために前記溶加材（９４）を加熱するステップであって、前記プレート（７６）が、前記ろう材料（７０）及び前記ガスタービン部品（６２）から前記溶加材（９４）を分離しており、前記溶加材（９４）を施工する際の熱が前記プレート（７６）を加熱するように構成される、ステップと、
    前記プレート（７６）を通して伝達される熱によって、前記ガスタービン部品（６２）の凹面（７２）を前記ろう材料（７０）で前記プレート（７６）の内面（７８）と接合するステップと
    を含む、方法（１１０）。
13. 前記溶加材（９４）を加熱するステップが、前記ろう材料（７０）を間接的に加熱しかつ前記プレート（７６）を前記ガスタービン部品（６２）に接合するために、溶接経路（１１０）に沿って前記プレート（７６）の外面（９６）に前記溶加材（９４）を溶接するステップを含む、請求項１２に記載の方法（１１０）。
14. 前記溶加材（９４）を加熱し、前記ガスタービン部品（６２）の凹面（７２）を前記ろう材料（７０）で前記プレート（７６）の内面（７８）に接合しながら、前記ガスタービン部品（６２）の凹面（７２）の温度が熱しきい値未満に維持される、請求項１２に記載の方法（１１０）。
15. 当該方法（１１０）が、炉内で前記ガスタービン部品（６２）及び前記ろう材料（７０）を加熱するステップを含まない、請求項１２に記載の方法（１１０）。

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