JPS6326343A - 単結晶ニッケル基超合金物品の割れ防止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ガスタービンエンジンの構成要素を新しくす
る方法に係り、更に詳細には単結晶超合金エーロフオイ
ルブレード及びベーン中の残留引張り歪を低減する方法
に係る。

従来の技術 軸流ガスタービンエンジンは圧縮機セクションと燃焼セ
クションとこれらの下流側に位置するタービンセクショ
ンとを含んでいる。タービンセクション内には回転可能
なエーロフオイルブレード列及び静１１ニベーン列が交
互に配置されている。高温の燃焼ガスがタービンセクシ
ョンを通過することにより、エーロフオイルブレードが
回転駆動され、これによりシャフトが回転され、これに
より圧縮機セクション及び他の補助装置を駆動するシャ
フトの仕事が発生される。ガスの温度が高ければ高い程
、タービンセクションに於て抽出される仕事量が多くな
る。タービンセクションの運転温度を上昇させるべく、
ニッケル基超合金材料を用いてタービンエーロフオイル
ブレード及びベーンが製造されている。かかる材料は高
温度に於ても機械的強度を維持する。

特に高温度に於ても優れた機械的強度を呈し、しかも合
金組織中の脆弱な結晶粒界をｔＪＩ除することによって
構造的破損の虞れを制限するｉｌｌ結晶のニッケル基超
合金よりなるエーロフオイルブレード及びベーンか使用
されている。かかる物品は通常優れた耐食性若しくは優
れた熱的保護特性を与える被覆を含んでおり、一般には
被覆としてオーバーレイ又は拡散接合アルミナイド被覆
が好ましい。米国特許第３．　５４４，３４８号及び同
第４゜１３２，８１６号には、アルミナイド被覆を超合
金物品に適用するための種々の方法が記載されており、
米国特許第３，９２８，０２６号には、典型的なオーバ
ーレイ被覆が記載されており、米国特許第４，００５，
９８９号には、組合されたオーバーレイ／アルミナイド
被覆が記載されている。

これらの米国特許は全て本願出願人と同一の譲受人に論
渡されている。

ガスタービンエンジンのオーバホールには、エンジンの
分解、検査、摩耗した部品の修理や交換、及びエンジン
の再組立てが含まれている。繰返し高温の運転条件に曝
されるタービンセクションのブレード及びベーンの状態
が特に重要である。米国特許第４，１７６．４３３号に
は、タービンベーン群を再製造する一つの方法が記載さ
れている。

この方法には、群内の再使用可能なベーンを選択すべく
視覚的に検査すること、その後被覆を除去すること及び
他の処理工程が含まれている。かかる方法はベーン群を
再製造するためのものとじて記載されているが、エーロ
フオイルブレード及びベーンの一般的なオーバホール法
を説明するものである。

修理を必要とするエーロフオイルブレードやベーンはク
リーニングされ、全ての表面より被覆が除去されなけれ
ばならない。さもなくば有害な合金の溶融がその後の工
程中に生じ、その結果表面下に空孔や欠陥が生じる。被
覆の除去は通常被覆された物品を例えば沸騰状態の塩酸
（ＨＣＩ　）よりなる高温の酸浴中に浸漬することによ
り達成される。

この一般的な方法に従って、内面及び外面にアルミナイ
ド被覆を有し外面に追加のオーバーレイ被覆を有する一
群の使用された単結晶エーロフオイルブレードが沸騰状
態の塩酸中に浸漬され、これにより被覆が除去された。

被覆か除去された後ブレードは検査され、酸浴の腐食環
境中に於て発生した割れのために修理できない程損傷が
生じたブレードの数が求められた。酸に曝された５３個
のブレードのうち、２６個のブレードに於て翼弦ノｊ向
の割れが発生しており、損傷率は４９％であった。かか
る損傷率が高い値であることにより、＋１１結晶物品を
使用するガスタービンエンジンをオーバホールするコス
トが増大される。従って割れの問題の発生原因を特定し
、単結晶超合金エーロフオイル物品を新しくする場合に
それに損傷が生じることを防止する適正な方法を確立す
る必要がある。

発明の開示 本発明の一つの目的は、使用された単結晶超合金物品よ
り被覆を除去する過程に於て発生する割れの問題の発生
原因を特定することである。

本発明の他の一つの目的は、エンジンのオーバホール中
に使用された単結晶超合金物品に割れが発生することを
防止する方法を提供することである。

本発明のこれらの目的及び他の目的は、使用された単結
晶物品をそれが腐食環境に曝される前に予備的な熱処理
に付すことにより達成される。かかる熱処理により、エ
ンジンが繰返し運転される間に蓄積し、解放されなけれ
ばクリーニングや被覆の除去に必要な腐食環境に曝され
た場合に使用された単結晶物品中に応力割れを発生させ
る残留歪か解放される。一般に非酸化雰囲気中又は真空
雰囲気に於て１７５０〜２０５０下（９５４〜１１２１
’Ｃ）にて１〜４時間に亙り物品を熱処理することによ
り、単結晶物品中に割れが生じることを防止するに十分
な程残留歪が低減される。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 添付の図に使用された単結晶エーロフオイルブレード１
が図示されている。ブレード１はルート２とエーロフオ
イル３とを含んでおり、エーロフオイル３は凹状面４と
凸状面５とリーディングエツジ６とトレーリングエツジ
７とプラットフォーム８と先端９とを有している。また
ブレード１はブレード内に比較的低温の空気を導き、こ
れによりブレードが高温度に於ても作動し得るようにす
る内部冷却通路］Ｏを含んでいる。またブレード１は内
面及び外面に表面被覆（図示せず）を含んでいたが、図
示の状態に於ては除去されている。

被覆は米国特許第３，９２８，０２６号、同第３゜５４
４．３４８号、同第４，１３２，８１６号に記載されて
いる如き拡散被覆又はオーバーレイ被覆であってよく、
又は米国特許第４，００５，９８９号に記載されている
如きそれらの組合せであってもよい。本発明が適用され
るブレード１及び他のブレード及びベーンは、ガスター
ビンエンジンのタービンセクションに使用される型式の
ものであり、米国特許第４，２０９．３４８号に記載さ
れている如く単結晶のニッケル基超合金よりなっている
。

一般に、ガスタービンエンジンのオーバホールには分解
、検査、修理や交換、再組立てが含まれており、高温の
タービンセクション内に於て苛酷な運転条件に曝される
ので特にタービンセクションのブレード及びベーンの状
態に注意が払われる。

典型的には、冷却通路を有するエーロフオイルブレード
は、その冷却通路に於ては１０００〜１２００下（５３
８〜６４９℃）の空気に曝され、外面に於ては２０００
〜２２００°Ｆ（１０９３〜１２０４℃）のガスに曝さ
れる。ガスタービンエンジンの典型的な繰返し作動中に
発生する急激な加速や減速によりエーロフオイルブレー
ドが急激に加熱され冷却され、その結果不均一な高い応
力が発生することが解っている。かかる局部的な集中応
力は、照合金製のブレードがタービンの高い運転温度、
大きい温度勾配、冷熱サイクルの速さ等に耐えるために
必要な複雑な構造的ジオメトリ−に起因して非常に高い
値になることがある。かかる応力は周囲温度に於てエー
ロフオイルの幾つかの位置に高い残留歪を生じ、その結
果使用された単結晶ブレードがそのクリーニング中又は
被覆の除去中に曝される腐蝕性環境の存在下に於てブレ
ード中に材料の割れの問題が発生することがある。

特に、２０００〜１００００時間に亙るガスタービンエ
ンジンの運転に曝される被覆されたニッケル基超合金製
単結晶タービンエーロフオイルブレードは、成る腐食媒
体に曝された場合に応力腐食のメカニズムにより割れを
生じることがある。

１．０００〜１．５００μｉｎ／Ｉｎ（μｍ／ＩＩＩ）
のスパン方向の残留引張り歪は沸騰状態の塩酸に曝され
た５３個の部品のうち２６個の部品に於てエーロフオイ
ルの位置に翼弦方向の割れを発生させるに十分であった
。スパン方向の歪はエーロフオイルがエンジンの運転中
に遠心力に曝されることにより発生される。超合金内の
かかる歪は、物品の周りに多数の歪ゲージを配置し、物
品の一部を薄く切断し、歪解放量を測定することにより
、ルートのプラットフォーム８よりブレードの先端９ま
で測定される。第１図に於て、典型的な翼弦方向の割れ
１２がニッケル基超合金製単結晶エーロフオイルブレー
ドに図示されており、特に割れはスパン方向の歪に垂直
である。

かかる割れのメカニズムは単結晶物品に於てしか現われ
ていない。エンジンの運転中に同様の応力及び歪を受け
た単結晶以外の他の超合金物品は同様の処理条件下に於
ても割れを生じなかった。

完全に解っている訳ではないが、かかる割れの発生メカ
ニズムには酸と被覆との反応中に放出された自由水素と
単結晶超合金の微細組織中の傷との間の相互作用が含ま
れているものと考えられる。

単結晶物品中には水素を受入れる結晶粒界が存在しない
ことにより水素原子が合金の微細組織中の傷内へ拡散し
、これにより傷が悪化され、割れが発生されるものと考
えられる。かかる傷は合金中の残留歪により木・、＊、
、；　りされ、割れが発生ずる部位を与えるものと考え
−られる。かかる応力割れを防止するためには、）ｊ残
、−留止又は腐食性環境を除去する必要がある。室温に
於ける残留歪を応力腐食割れが生じないしきい値レベル
以下に低減する応力解放熱処理を組込むことが最も経済
的で最も悪影響の少ない解決策である。」二連のしきい
値レベルは物品の材料、ジオメトリ−５物品が受ける冷
熱サイクルの数及び範囲、実際に発生する残留歪に応じ
て物品によって異なることは当業者に理解されよう。一
般に、非酸化雰囲気中又は真空雰囲気中に於て１７５０
〜２０５０下（９５４〜１１２１℃）にて１〜４時間に
亙る熱処理を物品に施すことにより、単結晶物品中に割
れが生じることを防止するに十分な程残留止が低減され
る。

試験された大部分の物品について、５０％の残留歪低減
が物品が腐食性環境に曝された場合に於ける割れを防止
するのに十分であることが解った。

幾つかの物品に於ては２０〜３０％の残留歪低減によっ
ても割れが防止され、５０％の残留歪低減によれば追加
の安全マージンが得られる。

例 一群の使用された単結晶ニッケル基超合金二一ロフォイ
ルブレードが被覆除去前に検査前の熱処理に付された。

これらのブレードは４９％の損傷率を生じた前述の群と
エンジン内での運転時間、材料、構造的ジオメトリ−の
点で同一であった。

制御群が歪測定され、熱処理前に１０００〜１５００μ
ｉｎ／Ｉｎ（μｍ１Ｉ１１）の残留引張り歪を蓄積して
いることが解った。次いで検査されるブレードが１９７
５下（１０７９℃）に加熱され、非酸化雰囲気中にて４
時間その温度に維持された。この例に於ては水素が使用
されたが、アルゴンや窒素の如き他の非酸化性ガスが使
用されてもよい。冷却後にエーロフオイルブレードが評
価され、１０００〜１５００μｉｎ／ｉｎ（μＩＩｌ／
ｆｆ１）より４００〜７００μＩｎ／Ｉｎ（μａ＋／ｍ
）に残留引張り歪が低減されていることが解った。次い
でエーロフオイルブレードは被覆を除去すべく沸騰状態
の塩酸浴中に浸漬された。塩酸に曝された４１個のブレ
ードのうち何れも被覆の除去後に割れを呈さなかった。

残留歪を低減するために物品を熱処理することはよく知
られているが、ｌ１１結品物品が残留歪を蓄積した後に
割れを生じる傾向を有していることは知られておらず、
またかかる残留歪を成るしきい値レベル以下に低減する
ことにより物品を新しくする過程に於ける割れが防止さ
れることも知られていない。被覆の除去又はクリーニン
グ前に予備的な応力解放熱処理を採用することにより、
エーロフオイル物品に重大な損傷が生じることが防止さ
れ、部品の拒絶率が低減され、エンジンのオーバホール
コストが低減された。

以−Ｌに於ては本発明をガスタービンエンジンに使用さ
れるエーロフオイルブレードとの関連で説明したが、熱
的作動条件に曝される如何なる単結晶超合金物品につい
ても本発明の利益が得られることは当業者に理解されよ
う。

また本発明の好ましい実施例を１９７５下（１０７９℃
）にて４時間に亙る熱処理との関連で説明したが、本発
明は上述の特定の実施例に限定さされるものではなく、
例えば□温度、雰囲気、及び時間の点で本発明の範囲内
に・て・稙・々の修正が行われてよいことは当業者にと
っゼ早明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

添付の図はエーロフオイルブレードを腐食性環境に曝す
過程に於て生じた典型的な翼弦方向の割れを示す使用さ
れた結晶エーロフオイルブレードの斜視図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 残留歪が蓄積した単結晶ニッケル基超合金物品の腐食媒
   体に曝された場合に於ける割れを防止する方法にして、
   残留歪が割れを生じるレベル未満のレベルに低減される
   よう前記物品に応力解放熱処理を施すことを特徴とする
   方法。