JP2005342857A - 加圧ろう付補修方法およびガスタービン部品 - Google Patents

Abstract

【課題】補修部の欠陥発生を減少させるとともに、ＨＩＰ加熱加圧時の真空気密封止のための溶接工程が不要な加圧ろう付補修方法を提供する。
【解決手段】金属部品の表面欠陥等の補修部に、ろう材からなる補修材を充填して補修するろう付補修方法において、補修部で少なくとも補修材の一部を溶融凝固させる補修材溶融凝固工程と、圧縮ガス中で少なくとも前記補修材の一部を溶融凝固させる補修材圧縮溶融凝固工程とを有する。
【選択図】 図１

Description

補修部の欠陥発生を減少させるとともに、ＨＩＰ加熱加圧時の真空気密封止のための溶接工程が不要な加圧ろう付補修方法に関する。

ガスタービン部品など過酷な条件で運転される部品は、運転時間の経過とともに、部品に亀裂が発生する。新部品に交換すれば問題ないが、ガスタービンなどの耐熱部品は一般に高価であり、製造にも期間を要するため、亀裂の生じた部分を補修して再利用されている。補修部分を基材の特性に近づけるために、母材と同等の粉末とこれらを固めるための低融点粉末を混合して補修が実施される。

このような混合粉末による補修方法の改良に関する技術として、亀裂部内に母材同等粉末のみを加圧充填し、表面部分から低融点粉末を流し込むことで、補修部をより母材の特性に近づけようとするものが提案されている（特許文献１）。この技術における加圧充填は、最初に室温で粉末をき裂部に充填する際にき裂の内部まで粉末を十分に詰め込むことを目的としている。

また、補修部に基材と同質の補助板をろう付したものを、さらにレーザ溶接した後、ＨＩＰ処理する技術も提案されている（特許文献２）。この技術は、溶接された補助板がＨＩＰ処理時の真空気密封止の機能を果たし、補修部を加圧するものである。
特開２００１−１１５８５７号公報 特開平０９−１６８９２７号公報

上述の特許文献１記載の技術においては、粉末をき裂内に充填する際に加圧しているが、その後、溶融した低融点補修材をこの粉末間に流入される際には、重力と毛管現象のみを利用している。き裂内に充填した粉末間隔にはばらつきが生じるので、重力と毛管現象のみでは、融液が流入しにくい部分ができて、欠陥が発生しやすい。

また、特許文献２記載の技術においては、ＨＩＰ処理を行っているので、補修部は高温下で加圧され、補修部内部に欠陥は残留しにくくなる。しかし、補修部に基材と同質の補助板をろう付した後、さらにレーザ溶接を行っているので、この分補修工程が増加する。１つの部品の複数部分に補修部がある場合には、その各々の補修部をレーザ溶接するため、部品の段取り変えなどさらに工程が増加する。また、ろう付部を含めてレーザ溶接を行うので、欠陥が残留しやすくなる。また、溶接が困難な材料に対しては、この方法は適用が困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、補修部の欠陥発生を減少させるとともに、ＨＩＰ加熱加圧時の真空気密封止のための溶接工程が不要な加圧ろう付補修方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、金属部品の表面欠陥等の補修部に、ろう材からなる補修材を充填して補修するろう付補修方法において、前記補修部で少なくとも前記補修材の一部を溶融凝固させる補修材溶融凝固工程と、圧縮ガス中で少なくとも前記補修材の一部を溶融凝固させる補修材圧縮溶融凝固工程とを有することを特徴とする加圧ろう付補修方法を提供する。

請求項２に係る発明では、金属部品の表面欠陥等の補修部に、ろう材からなる補修材を充填して補修するろう付補修方法において、前記補修部で少なくとも前記補修材の一部を溶融させる補修材溶融凝固工程と、少なくとも補修材の一部を溶融させたまま圧縮ガス雰囲気にした後、冷却凝固させる補修材冷却凝固工程とを有することを特徴とする加圧ろう付補修方法を提供する。

請求項３に係る発明では、前記補修部の狭隘部に低融点補修材を配置するとともに、表層部にこれより高融点の補修材を配置する請求項１または２記載の加圧ろう付補修方法を提供する。

請求項４に係る発明では、前記金属部品の表層部に配置した高融点補修材のさらに上層部の少なくとも一部に、これより低融点の補修材を配置する請求項１または２記載の加圧ろう付補修方法を提供する。

請求項５に係る発明では、前記金属部品の少なくとも表層部に、その内部よりも耐酸化特性に優れる補修材を配置する請求項１または２記載の加圧ろう付補修方法を提供する。

請求項６に係る発明では、前記金属部品の少なくとも基材と接する部分の一部にアルミニウムを含有しない補修材を配置する請求項１または２記載の加圧ろう付補修方法を提供する。

請求項７に係る発明では、前記補修材溶融凝固工程の後に、溶融凝固させた部分の気密検査工程を有する請求項１記載の加圧ろう付補修方法を提供する。

請求項８に係る発明では、前記補修材溶融凝固工程で溶融凝固させた部分の一部を真空にして気密検査する請求項７記載の加圧ろう付補修方法を提供する。

請求項９に係る発明では、前記補修材溶融凝固工程で溶融凝固させた部分の一部を加圧して気密検査する請求項７記載のろう付補修方法を提供する。

請求項１０に係る発明では、請求項１〜９記載の加圧ろう付補修方法を用いて補修されたガスタービン部品を提供する。

本発明によれば、補修部の欠陥発生を減少させるとともに、ＨＩＰ加熱加圧時の真空気密封止のための溶接工程が不要な加圧ろう付補修方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１、図２、図３）］
図１は、本発明の第１実施形態のろう付補修方法の説明図（補修部の縦断面図）である。また、図２および図３は、本発明の第１実施形態のろう付補修方法の流れを示すフロー図である。

図１および図２に示すように、本実施形態では、Ｎｉ基合金の基材１の補修部をグラインダーなどで整形し（Ｓ１０１））、開先２を設ける。この開先２の内部には酸化物３が残留していてもよい。ただし、開先２の表面近傍はグラインダーなどによる整形時に酸化物を削って除去しておく。

この開先内に混合補修材４を配置する（Ｓ１０２）。混合補修材は、基材と同材質の粉末とこれにホウ素（Ｂ）、およびケイ素（Ｓｉ）を数％添加して溶融温度を低下させた粉末との混合物で、有機物を用いてペースト状にしたものである。

この混合補修材を図示省略の真空炉内に設置し（Ｓ１０３）加熱する（Ｓ１０４）。加熱温度は、溶融温度を低下させた粉末が溶融し、かつ基材と同材質の粉末が溶融しない温度にする。

このようにして基材補修部に混合補修材をろう付した後、一旦凝固させる（Ｓ１０５）。これを次にＨＩＰ炉に挿入し（Ｓ１０６）、加熱加圧する（Ｓ１０７）。ＨＩＰ加熱温度は、先の真空炉での加熱温度と同様の溶融温度を低下させた粉末が溶融し、かつ基材と同材質の粉末が溶融しない温度とする。加圧は通常のＨＩＰ炉で容易に得られる１０００気圧程度とする。

このような条件で３０分〜数時間程度保持した後、室温まで冷却して補修材を溶融凝固させ（Ｓ１０８）ＨＩＰ炉から取り出す。補修部の凹凸をグラインダーなどで平滑に仕上げて補修を終了する（Ｓ１０９）。

なお、図３に（Ｓ２０１）〜（Ｓ２０９）として示すように、補修材配置後、真空炉ではなくＨＩＰ炉に挿入し、加熱のみを行い混合補修材の一部を溶融させ、その後ＨＩＰ炉にアルゴンガスを導入し加熱加圧工程を行ってもよい。この際、十分な加圧力が得られない場合には、一旦温度を低下させるが、補修物を炉から取り出すことなく、そのまま再加熱加圧する。その後の工程は、図２で示したものと同様である。

本実施の形態によれば、まず混合補修材の少なくとも一部を溶融、あるいは溶融・凝固させた段階で、この混合補修材自体が、ＨＩＰの加熱加圧に耐える真空気密封止機能を果たすようになる。

また、この一旦溶融凝固した混合補修材はその後のＨＩＰ加熱加圧時に、板材などのキャニングと比較して容易に流動し、かつ真空気密を保つことができる。このため、別にキャニングなどの真空封止を行わなくても、補修部に残留しようとしているボイドなどの内部欠陥をＨＩＰの等方圧でつぶして除去することができ、補修部の機械特性などが向上する。また、真空炉とＨＩＰ炉を併用しない方式では、冷却と炉の入れ替え時間を省略することができる。

［第２実施形態（図４）］
図４は本発明の第２実施形態のろう付補修方法の説明図（補修部の縦断面図）である。本実施形態は、基材１の発生したき裂の開口が比較的小さいものに対する適用例であり、き裂の表層部をグラインダーで整形し、酸化物を除去し開先２を設ける。

き裂の開口が小さいので開先の内部には酸化物３が残留している。この開口の小さいき裂の内部には基材と同質の成分にホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）を数％添加して融点を低下させたペースト状のろう材５を注入する。さらに開先の表層部には混合補修材４を配置する。

このような状態で、第１実施形態と同様の、混合補修材の真空中での溶融凝固を行う。この際、開先のき裂の開口は小さく、また内部には酸化物が残留しているため、開先内部にはろう材が十分になじまない。しかし、開先表層部はグラインダーで酸化物を除去しているので、ろう材５と混合補修材４が十分に基材に濡れ、良好に真空封止される。この状態でＨＩＰ炉中で加熱加圧すると、一旦溶融凝固している混合補修材４から開先２の内部にＨＩＰの加圧力が伝達される。

このため、開先内で基材側になじみが不良であった溶融ろう材は、基材に密着する。この段階では、ろう材は基材に密着しているだけで、金属的な結合はしていない。しかし、この密着状態を保っている間に、ろう材中のホウ素（Ｂ）が基材側に拡散し、基材の溶融温度を低下させ、基材の表層部も一部溶融する。基材の表層が溶融することで、基材表面に残留していた酸化物が分離する。

また、酸化物の不連続部からも溶融したろう材が侵入し、その内部の基材を一部溶融させるため酸化物が分離する。このような現象により、き裂内部においても、ろう材と基材との金属的な結合状態が得られる。き裂内部のろう材のホウ素（Ｂ）は基材中に拡散し、均質化する。また、開先表層部には、混合補修材を配置しているので、基材に近い材質となる。

本実施の形態によれば、事前の酸化物除去工程なしに、狭隘なき裂内部の酸化物を除去し補修することができる。

［第３実施形態（図５）］
図５（ａ），（ｂ）は、本発明の第３実施形態のろう付補修方法の説明図（補修部の縦断面図）である。本実施形態では、図示のように、第２実施形態に加えて、混合補修材４のさらに上層にろう材５を配置する。このようにして同様の加熱を行う。上層部にろう材を配置しているので、開先表面の封止が十分に行われるようになる。

なお、混合補修材４のみでも封止は可能であるが、ろう材と比較して流動性が劣るので、基材との金属的な結合が不十分なる部分が発生する可能性もある。このような場合には、次工程でＨＩＰ処理をしても、この結合が不十分な部分からＨＩＰ炉内のアルゴンガスが開先内部に侵入してしまい、ろう材５や混合補修材４を開先内に密着させることができなくなる。

本実施の形態によれば、上層に流動性のよいろう材を配置したので、このような不十分な結合を防止でき、確実に開先内補修部の欠陥発生を防止できる。

［第４実施形態（図６）］
図６は本発明の第４実施形態のろう付補修方法の説明図（補修部の縦断面図）である。本実施形態では、基材１の開先２内に混合補修材４を配置し、その表層部にこの混合補修材４より高温での耐酸化特性に優れる耐酸化補修材６を配置する。このような状態で第１実施形態と同様に加熱、および加熱加圧を行う。

本実施の形態によれば、補修後に、補修部の表面が耐酸化特性に優れたものになり、補修部品の高温での耐酸化特性が向上する。

［第５実施形態（図７）］
図７は本発明の第５実施形態のろう付補修方法の説明図（補修部の縦断面図）である。

本実施形態では、基材１の補修部に設けた開先２の表面部分にアルミニウム成分を含有しないアルミニウムレス補修材７を配置する。このアルミニウムレス補修材は、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）を数％含有し、ろう材として作用するようにしてある。

さらに開先内を埋めるように混合補修材４を充填する。この混合補修材４は、基材と同材質の粉末と、これにホウ素（Ｂ）、およびケイ素（Ｓｉ）を数％添加して溶融温度を低下させた粉末との混合物で、有機物を用いてペースト状にしたものである。

このような補修物を第１実施形態と同様に、真空炉中で加熱すると、アルミニウムレス補修材７および混合補修材４中の低溶融温度の粉末が溶融し、開先内とその表面を埋める。次にＨＩＰ炉中で加圧溶融すると、先の真空炉中と同様に低溶融温度部分が溶融する。高圧のアルゴンガスで等方加圧されているので、補修部に微小な空隙が存在していても、これがつぶされる。

このまま冷却するとボイド欠陥のほとんどない良好な補修物が得られる。アルミニウムレス補修材を使用する目的は、基材や炉壁から発生する酸素や窒素などのガス成分と補修材中のアルミニウムとの反応を防止するためである。このような反応が起きると、補修部内に、アルミナや窒化アルミニウムなどが生成し、補修部の機械的特性を低下させるため、これを防止している。基材からのガス発生が懸念される場合には、特に開先内の表面部分に設置する補修材をアルミニウムレスにすればよい。また、炉壁などからのガス発生が懸念される場合には、図７の混合補修材４の粉末にもアルミニウムを含有しないようにすればよい。

本実施の形態によれば、基材、あるいは炉壁などからのガス発生があっても、補修部にアルミナ、あるいは窒化アルミニウムが生成することを防止でき、補修部の機械特性の劣化を防止できる。

［第６実施形態（図８、図９、図１０）］
図８は本実施形態の拡散ろう付補修方法の説明図（補修部の縦断面図）であり、図９は本実施形態のろう付補修方法の流れを示すフロー図である。

本実施形態では、基材１に発生したき裂が板厚を貫通し、表面から裏面まで貫通した補修部となっている場合についてのものである。本実施形態でも、図９にステップ（Ｓ３０１〜３１１）として示すように、前記実施形態と略同様であるが、本実施形態の場合には、貫通している補修開先内を、上述実施形態と同様にして仮溶融後の補修材８で埋める。この仮溶融後の補修材８の内部に表面から裏面に貫通した欠陥があると、次のＨＩＰによる加熱加圧時（Ｓ３０８，Ｓ３０９）に、この欠陥内にＨＩＰのアルゴンガスが侵入し、補修部に適切な加圧が掛らない部分が発生する。

これを防止するため、本実施形態では、真空炉での仮溶融後、真空検査容器９を片側に設置し、この内部を真空にする。

真空を引いた段階で明らかにリークがあると認められる場合には、仮溶融後の補修材８の表面に低溶融の補修材を塗布し、再度、真空炉中で溶融処理を行い、真空検査容器９を用いて、リークチェックを行う（Ｓ３０６）。また、最初の真空引きの段階で明らかにリークが認められない場合には、真空検査容器９を設置した側と反対側にヘリウム（Ｈｅ）ガスを流出させ、真空検査容器９側でこのヘリウムを検知する。もし、ヘリウムが検出される場合には、微細なリークがあるので、上記と同様に再仮溶融を行う。

なお、図１０に示すように、加圧検査容器１０を設置して、補修部にガス圧を加え、一定時間保持後のガス圧の低下により、補修部の貫通欠陥の有無を検査してもよい。

本実施の形態によれば、補修部を仮溶融した段階で補修部の貫通欠陥を検知し、再溶融処理によりこれを埋めることができるので、最終的なＨＩＰ補修後に貫通欠陥が残留するのを防止できる。このため、補修部の機械強度の低下を防止できる。

本発明の第１実施形態を示す説明図。 本発明の第１実施形態の流れを示すフロー図。 本発明の第１実施形態の流れを示すフロー図。 本発明の第２実施形態を示す説明図。 （ａ），（ｂ）は、本発明の第３実施形態を示す説明図。 本発明の第４実施形態を示す説明図。 本発明の第５実施形態を示す説明図。 本発明の第６実施形態を示す説明図。 本発明の第６実施形態の流れを示すフロー図。 本発明の第６実施形態を示す説明図。

符号の説明

１ 基材
２ 開先
３ 酸化物
４ 混合補修材
５ ろう材
６ 耐酸化補修材
７ アルミニウムレス補修材
８ 仮溶融後の補修材
９ 真空検査容器
１０ 加圧検査容器

Claims (10)

1. 金属部品の表面欠陥等の補修部に、ろう材からなる補修材を充填して補修するろう付補修方法において、前記補修部で少なくとも前記補修材の一部を溶融凝固させる補修材溶融凝固工程と、圧縮ガス中で少なくとも前記補修材の一部を溶融凝固させる補修材圧縮溶融凝固工程とを有することを特徴とする加圧ろう付補修方法。
2. 金属部品の表面欠陥等の補修部に、ろう材からなる補修材を充填して補修するろう付補修方法において、前記補修部で少なくとも前記補修材の一部を溶融させる補修材溶融凝固工程と、少なくとも補修材の一部を溶融させたまま圧縮ガス雰囲気にした後、冷却凝固させる補修材冷却凝固工程とを有することを特徴とする加圧ろう付補修方法。
3. 前記補修部の狭隘部に低融点補修材を配置するとともに、表層部にこれより高融点の補修材を配置する請求項１または２記載の加圧ろう付補修方法。
4. 前記金属部品の表層部に配置した高融点補修材のさらに上層部の少なくとも一部に、これより低融点の補修材を配置する請求項１または２記載の加圧ろう付補修方法。
5. 前記金属部品の少なくとも表層部に、その内部よりも耐酸化特性に優れる補修材を配置する請求項１または２記載の加圧ろう付補修方法。
6. 前記金属部品の少なくとも基材と接する部分の一部にアルミニウムを含有しない補修材を配置する請求項１または２記載の加圧ろう付補修方法。
7. 前記補修材溶融凝固工程の後に、溶融凝固させた部分の気密検査工程を有する請求項１記載の加圧ろう付補修方法。
8. 前記補修材溶融凝固工程で溶融凝固させた部分の一部を真空にして気密検査する請求項７記載の加圧ろう付補修方法。
9. 前記補修材溶融凝固工程で溶融凝固させた部分の一部を加圧して気密検査する請求項７記載のろう付補修方法。
10. 請求項１〜９記載の加圧ろう付補修方法を用いて補修されたガスタービン部品。

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