JPH1029088A - ニッケル基ろう付材 - Google Patents
ニッケル基ろう付材Info
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Abstract
業用ガスタービンエンジンノズルを修理するためのろう
付材。 【解決手段】 ろう付材はニッケル基ろう付合金を含ん
でなり、この合金は好ましくは粉末の形態をしておりそ
して粉末とスラリーを形成する結合材のような適当な分
散媒中に分散されている。ろう付合金は工業用ガスター
ビンノズルの高温動作環境に耐えることができそして修
理される超合金の再結晶温度より低い融解温度を有する
ように調合される。ろう付合金の好ましい組成は概略重
量%表示で、クロム14−24、コバルト6−15、ホ
ウ素0.7−2.5、チタン1.0−2.0、アルミニ
ウム0.6−1.0、タングステン1.0−1.4、コ
ロンビウム0.4−0.6、タンタル0.5−0.7、
鉄0.7まで、残部ニッケルおよび付随的不純物であ
る。
Description
品を修理するためのろう付材に関する。特に、本発明は
ガスタービンエンジンのノズルを形成するのに使用され
るタイプのニッケル基超合金を修理するのに特に良く適
した組成を有するニッケル基合金を含んだろう付材に関
する。発明の背景 高温コバルト基およびニッケル基超合金はノズル、燃焼
器およびタービン静翼および動翼を含んだ高温で動作す
るガスタービンエンジン部品の製造に使用されている。
厳しい高温条件下でのこのような部品の動作中には、種
々なるタイプの損傷あるいは退化が生ずる。例えば、頻
繁な熱サイクルにより悪化される応力のために稼働中ノ
ズルの後縁に腐蝕およびひびが発達する傾向がある。時
間と共に、このノズルの過酷な動作条件により幅1ミリ
メートルおよび長さ50ミルメートルに及ぶひび割れを
発現する可能性がある。高温コバルト基およびニッケル
基超合金から形成される部品の費用は比較的に高いため
に、これらの部品を取り替えるよりは修理する方が典型
的にはより望ましい。
されたノズルに対する修理方法はティグ溶接技術を含ん
でいる。しかし、超合金部品の修理に採用されたより最
近のそしてコスト効果的な方策は活性拡散治癒法(acti
vated diffusion healing :ADH)と呼ばれるもの
で、これは真空ろう付作業を要する。ADH法は修理さ
れる超合金物品よりも低い温度で融解する合金粉末また
は粉末混合物を使用する。2つの粉末を組み合わせる場
合は、一方の粉末は他方の粉末よりもずっと低い温度で
融解するように調合され、その結果融解すると2−相混
合物が形成される。真空ろう付サイクルによりろう付粉
末混合物は融解され、互いにそして更に修理されている
部品の超合金と合金を形成する。次いでろう付後の拡散
加熱処理サイクルが行われて相互拡散が更に促進され
て、ろう付混合物の再融解温度が上昇される。
れた超合金の出現により、修理される特定の超合金に対
して特殊な改善された修理材が要求されている。高い強
度および修理される物品のミクロ組織に緊密に適合した
ミクロ組織で特徴とされる修理をもたらすろう付合金を
提供することがしばしば意図されている。その結果、A
DH法およびその他のろう付修理技術に使用するために
かなりの種々のろう付合金材が開発されている。種々な
る高強度のコバルト基およびニッケル基超合金に対して
良く働くように多くの大いに適した修理材が調合されて
いるが、従来技術ではある種の超合金から形成されたノ
ズルを修理するために特別に調合されたろう付修理材を
欠いている。ここにおける第一の関心事は、その特性要
件がエンジンのタイプおよびその航空宇宙あるいは工業
用と言った用途に依存するところの修理すべき特定のノ
ズルに要求される機械的および環境的特性に対して、ノ
ズル用のろう付修理材を特異的に適合させる必要がある
ことである。
タービンエンジンノズルの修理に使用するための改善さ
れたろう付材を提供することである。本発明の別の目的
は、このようなろう付材が、斯様なノズルの酸化された
表面および大きなひびを充填しそして修理することがで
きることである。
付材が、工業用途に使用されるタイプのガスタービンエ
ンジンノズルの過酷な動作条件に合うように特に調合さ
れた超合金から形成されたノズルの修理に特に適してい
ることである。本発明の好ましい実施の態様に従えば、
こうしたおよびその他の目的並びに利点は以下のように
して達成される。
金から形成された工業用ガスタービンエンジンノズルを
修理するためのろう付材が提供される。このろう付材は
好ましくは、粉末形態をしておりそしてこの粉末とスラ
リーを形成する結合材のような適当な分散媒中に分散さ
れた、ニッケル基ろう付合金を含んでなっている。この
結合材はろう付合金粒子を一緒に固着すると共にこれら
の粒子を修理する物品に付着する働きをする。別の方法
として、ろう付合金はろう付材が特にノズル上の酸化さ
れたあるいは腐蝕された表面域に肉盛りされるのに良く
適するような他の形態で提供することもできる。
タービンノズルの高温動作環境に耐えることができそし
て修理される超合金の再結晶温度より低い融解温度を有
するように調合される。このろう付合金の組成は概略重
量%表示で、クロム14−24、コバルト6−15、ホ
ウ素0.7−2.5、チタン1.0−2.0、アルミニ
ウム0.6−1.0、タングステン1.0−1.4、コ
ロンビウム0.4−0.6、タンタル0.5−0.7、
鉄0.7まで、残部ニッケルおよび付随的不純物であ
る。ここに、付随的不純物とは処理上の制限のためにろ
う付合金から完全に除去することは難しいが合金の所望
な特性を有意義に変更あるいは劣化するに十分な量では
存在しないような元素である。
方法は上記したところに従ってろう付材を調製すること
を含む。次いでろう付材を使用して超合金ノズル中の空
隙あるいはひび割れを充填した後、ろう付材が流動して
この空隙を充填しそしてろう付合金のノズル超合金との
ぬれおよび合金化を促進して、冶金学的結合が得られる
のに十分な温度まで真空環境中でノズルを加熱する。本
発明のろう付合金に対しては、約1200℃(約220
0°F)までの温度がノズル超合金の再結晶を回避する
のに十分に低い。その後、好ましくは超合金を熱処理に
かけてろう付合金とノズル超合金との間の相互拡散をさ
らに促進する。
ンノズルそして特に工業用ガスタービンに使用されるノ
ズルに対して特に開発されたある種の超合金と相容性の
あるように理想的に調合される。修理材としては、この
ろう付合金は意図される超合金ノズル中のひびおよび空
隙への優れたぬれ性を示し、そして得られた修理部は慣
用的に鋳造された超合金ノズルの応力−クリープ破断特
性を満たすか或いはこれを上回る応力−クリープ破断特
性を示す。
的および利点が更に良く理解されよう。本発明の上述し
た利点およびその他の利点は添付図面に関連してなされ
た以下の記載から更に明らかとなろう。発明の詳細な記述 本発明は高温で動作する必要のある部材特に第1図に示
されるノズルのような工業用ガスタービンエンジンのニ
ッケル基超合金ノズルを修理するのに適したろう付材を
提供するものである。図示されたタイプのノズルは工業
用ガスタービンノズルの熱的および腐蝕的逆境に耐える
ように特に調合された組成を持ちそしてノズルの高温特
性を促進する特定のミクロ組織を発達するように処理さ
れた超合金から形成されている。ろう付材は、相容性の
組成を持ち、このような超合金の表面を容易にぬらすこ
とができ、そして超合金の所望のミクロ組織が維持され
るような修理法が可能であることにより、このような超
合金ノズル内の空隙およびひび割れを修理するのに特に
適している。
ており、そのノズル翼14の後縁にあるひびが本発明の
ろう付材12によって充填されている。ノズル翼14は
熱サイクルおよびノズル表面の酸化を促進する高温排気
ガスへの露出を含めたノズル10の過酷な動作環境のた
めに例示されたタイプのひび割れを発展させる傾向があ
る。本発明のろう付材12はこのひび割れを充填するた
めに使用されて、ノズル10の超合金に冶金学的に結合
する修理部を形成する。
理工程の間にノズルの所望のミクロ組織を保持するよう
にノズル超合金の再結晶温度より低い、融解温度を有す
るニッケル基ろう付合金粒子を含んでいる。更に、ニッ
ケル基ろう付合金は修理する超合金の組成に密に適合す
るように調合される。図に示したタイプの第二段および
第三段工業用ガスタービンノズルに対して大いに成功を
収めている超合金はGTD222として知られているニ
ッケル基超合金である。このGTD222超合金は次な
る概略重量%表示の公称組成を持っている。クロム2
2.5、コバルト14.0、チタン2.3、アルミニウ
ム1.2、タングステン2.0、コロンビウム0.8、
タンタル1.0、残部ニッケルおよび付随的不純物。他
のニッケル基超合金も本発明のろう付材で修理できるこ
とが予知しうるとはいうものの、その高温応力−クリー
プ破断特性故にGTD222超合金が望ましい。
金学的に大いに相容性であることが測定されているろう
付合金は概略重量%で以下の基礎組成を持っている。ク
ロム14−24、コバルト6−15、ホウ素0.7−
2.5、チタン1.0−2.0、アルミニウム0.6−
1.0、タングステン1.0−1.4、コロンビウム
0.4−0.6、タンタル0.5−0.7、鉄0.7ま
で、残部ニッケルおよび付随的不純物。ろう付合金に対
して好ましい組成は概略重量%で、クロム19.0、コ
バルト11.0、ホウ素1.6、チタン1.5、アルミ
ニウム0.9、タングステン1.2、コロンビウム0.
6、タンタル0.7、鉄0.5、残部ニッケルである。
上述したとおり、このろう付合金はGTD222超合金
と冶金学的に相容性である。更に、このろう付合金は約
1185℃乃至約1200℃の融解温度を持っており、
この温度はGTD222超合金が再結晶したりあるいは
その他の態様でろう付サイクルにより悪影響を受ける温
度より低い。特に、ろう付合金中の鉄の存在は任意では
あるが、融解ろう付合金のぬれ能力に鉄が与える有利な
効果からして望ましい。
形態で存在するのが好ましい。粉末粒子の好ましい大き
さは約−125乃至約+325メッシュの範囲である
が、行われる修理のタイプによっては、これより大きい
あるいはこれより小さい粒子が使用できることが予知し
うる。ろう付材は好ましくはスラリーの形態で準備され
そして使用されるが、一般に粉末にしたろう付合金と結
合材との混合物をそれぞれ含んでいる固体、予め焼結し
たプリホームあるは可塑化テープの形態でろう付材を使
用することができることが予知しうる。ろう付合金粉末
が有機結合材と組み合わされる好ましい形態では、ろう
付材はスラリーとして適用することができ、このスラリ
ーはひびまたは空隙を充填するよう容易にそして正確に
堆積させることができそしてろう付作業を通じて物品に
付着させておくことができる。このような結合材は当工
業界で周知でありそして一般には任意の市販されている
環境的に安全なろう付結合材が包含される。
法は上記に言及した任意適当な方法に従ってろう付材を
調製することを含む。ろう付材の塗布に当たっては、融
解したろう付材がひびまたは空隙を充填し、そしてろう
付合金と超合金との間に冶金学的結合が発達して超合金
の鋳造時の特性を満たすかあるいはそれを越える機械的
特性の組合せで特徴づけられる修理部分を生成するよう
に超合金の表面をぬらすことを確保するような方法で行
われる。次いで、ろう付材および超合金を真空または不
活性雰囲気内で、結合材を気化しそしてろう付合金を融
解して流動するには十分であるがGTD222超合金の
ミクロ組織を維持するのに十分に低い、ろう付合金融解
温度即ち約1185乃至約1200℃に加熱する。その
後、こうして修理された超合金は好ましくはろう付合金
と超合金を更に相互拡散するために約2時間にわたり約
1120℃の温度で熱処理サイクルを施される。熱処理
後は、慣用の研摩法により残留する過剰のろう付合金を
除去することができる。
いGTD222超合金から形成された試験片に対してフ
ィージビリティトライアルを実施した。ひび割れをシミ
ュレートするために試験片の縁部に沿って長さ約1ミリ
メートルの鋸切傷を付けた。次いでこれらのひび割れを
上記の手順に従って本発明のろう付材を使用して修理し
た。修理したこれらの試験片を冶金学的に検査したとこ
ろ、ろう付合金がひびに優れたぬれ性を示し、ろう付合
金のぬれ角(融解されたろう付合金の外周表面とろう付
合金が上に付着された表面との間に形成された角度)は
10゜未満程度であることが明らかにされた。ろう付に
関連した欠陥は認められなかった。修理された試験片は
次いで応力−クリープ破断試験技術を使用して更に機械
的に分析した。これらの試験片をGTD222超合金の
鋳造試験片と共に、約1600°F(約870℃)の試
験温度で約10ksiおよび25ksi(それぞれ約7
0Mpaおよび約170Mpa)の応力水準にかけた。
修理された試験片は鋳造試験片の応力−クリープ破断特
性を満たすかあるいはこれを越える応力−クリープ破断
特性を示した。
業用ガスタービンエンジンでの稼働中に損傷を受けたG
TD222ノズルを本発明のろう付材を使用して改修し
た。ノズルはろう付材を施す前に先ずひび割れの中に存
在する酸化物を除去するために標準の洗浄法にかけた。
上述した方法に従ってひびを修理する間に、ろう付材が
容易に流動してひびをぬらしそして充填するのが目視的
に観察された。このフィージビリティスタディの結果に
基づき、修理部が超合金の機械的特性と同様な機械的特
性を示すことが確定された。更に、修理されたノズルは
その所要の機械的および環境的性質の劣化を受けること
なく本発明のろう付材により一回より多く修理すること
ができると結論づけられた。
はろう付合金がガスタービンエンジンノズルに対して特
に開発されたある種の超合金そしてとりわけ工業用ガス
タービンの第二段および第三段ノズルを形成するのに使
用されるGTD222超合金に対して高い相容性を有す
る点であることが理解されよう。修理材としては、この
ろう付合金は意図された超合金ノズルのひびおよび空隙
に対して優れたぬれ性を示しそして得られた修理部は鋳
造超合金ノズルの応力−クリープ破断特性を満たすかあ
るいはこれを越える応力−クリープ破断特性を示す。別
の意義ある利点は本発明のろう付材が慣用のろう付法と
適合性がありその結果ノズルを修理するのに慣用の処理
法が実質的に使用できることである。
たが、当業者により他の形態が採用できることは明らか
である。例えば、ろう付材の形状をかなり変動すること
ができ、種々の結合材を使用することができ、そしてろ
う付材は上記に言及したとは異なるろう付作業に使用で
きる。それ故、本発明の範囲は特許請求の範囲によって
のみ制限されるべきである。
スタービンエンジンノズルの斜視図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 重量%表示で、クロム14−24、コバ
ルト6−15、ホウ素0.7−2.5、チタン1.0−
2.0、アルミニウム0.6−1.0、タングステン
1.0−1.4、コロンビウム0.4−0.6、タンタ
ル0.5−0.7、鉄0.7まで、残部ニッケルおよび
付随的不純物から本質的になるニッケル基合金を含む、
ニッケル基超合金部品を修理するためのニッケル基ろう
付材。 - 【請求項2】 ろう付合金が、重量%表示で、クロム約
19.0、コバルト約11.0、ホウ素約1.6、チタ
ン約1.5、アルミニウム約0.9、タングステン約
1.2、コロンビウム約0.6、タンタル約0.7、鉄
約0.5、残部ニッケルから本質的になる請求項1記載
のろう付材。 - 【請求項3】 重量%表示で、クロム14−24、コバ
ルト6−15、ホウ素0.7−2.5、チタン1.0−
2.0、アルミニウム0.6−1.0、タングステン
1.0−1.4、コロンビウム0.4−0.6、タンタ
ル0.5−0.7、鉄0.7まで、残部ニッケルおよび
付随的不純物から本質的になるニッケル基合金を含むろ
う付材で修理された、概略重量%表示で、クロム22.
5、コバルト19.0、チタン2.3、アルミニウム
1.2、タングステン2.0、コロンビウム0.8、タ
ンタル1.0、残部ニッケルおよび付随的不純物から本
質的になるニッケル基超合金から形成された物品。 - 【請求項4】 重量%表示で、クロム14−24、コバ
ルト6−15、ホウ素0.7−2.5、チタン1.0−
2.0、アルミニウム0.6−1.0、タングステン
1.0−1.4、コロンビウム0.4−0.6、タンタ
ル0.5−0.7、鉄0.7まで、残部ニッケルおよび
付随的不純物から本質的になるニッケル基合金を含むろ
う付材を調製し、このろう付材を超合金物品の表面に塗
布し、そしてこの超合金物品を加熱してろう付材を流動
させて空隙を充填しニッケル基合金を冶金学的に超合金
物品に結合させる工程からなる、超合金物品の修理方
法。
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