JP2008031999A - 金属構成要素の補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】以前は修復不可能であった工業用タービンブレード等の金属構成要素を補修する方法を提供すること。
【解決手段】金属構成要素の補修方法が記載されている。かかる方法における実施形態は、構成要素から被膜を取り除くステップと、構成要素から損傷を取り除くステップと、構成要素を溶接するステップと、構成要素を当初の寸法に修復するステップと、構成要素を熱処理するステップと、構成要素を検査するステップと、構成要素を再コーティングするステップと、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、金属構成要素の補修方法に関する。更に詳細には、本発明は、以前は修理不可能であった工業用ガスタービンブレードを溶接補修する方法に関する。

ガスタービンエンジンは、航空機の推進、電力の生成、流体のポンプ輸送などに以前から用いられてきた。かかるエンジンのタービンセクションは、固定ベーンと回転ブレードの交互の列を備えている。運転中、高温ガス流中の剥離物及び腐食物が、これらのブレード及びベーンに衝突することで、ブレード及びベーンを劣化させ、腐食させ、又はその他の方法で損傷を与える。従って、定期的なエンジンのオーバホール中に、これらの構成要素について物理的な損傷を検査して、エンジンを運転に戻す前に、構成要素を補修するか、又は交換する必要があるかどうかを決定する評価をする。

かかるタービンブレードにおける種々の部分を補修する多くの異なる方法があるものの、現在の補修方法によって、全ての損傷を補修することが可能であるとは限らない。従って、以前は修理不可能であったタービンブレードを修復し、エンジンの運転に戻すことが可能な方法を有することが望ましいであろう。

従って、現在の補修方法における上述の欠点は、以前は修理不可能であったタービンブレードを補修可能な本発明の実施形態によって克服される。

本発明の実施形態は、損傷を受けた金属構成要素の補修方法を含む。かかる方法の実施形態は、構成要素から被膜を取り除くステップと、構成要素から損傷を取り除くステップと、構成要素を溶接するステップと、構成要素を当初の寸法に修復するステップと、構成要素を熱処理するステップと、構成要素を検査するステップと、構成要素を再コーティングするステップと、を含む。

本発明の理解を促進するために、図１〜図３に示される本発明の好ましい実施形態を参照し、また、特定の用語は、かかる実施形態を説明するために用いられる。本願明細書で用いられる専門用語は、説明目的であって、限定するためではない。本願明細書に詳細に開示される特定の構造及び機能は、限定すると解釈されるべきでなく、単に、本発明を様々に用いる当業者等に教示する代表的な基準として、特許請求の範囲の根拠として解釈されるべきである。当業者等であれば通常考えるであろう示された構造，方法の変化及び変更、並びに本願明細書で説明される本発明の原理の更に別の用途は、本発明の真意及び範囲内にあると考えられる。

本発明は、損傷を受けた金属構成要素（すなわち、以前は修理不可能であった工業用ガスタービンブレードのプラットフォーム領域における損傷）の補修方法を含む。本発明の実施形態により、正確な寸法及び冶金学の要件を満たすために、これらの構成要素が磨耗し、侵食され又はその他の方法で損傷を受けた領域に制御された補修を提供する。かかる方法により、エンジンの運転に戻すことが可能である丈夫な補修部品を作製する。

図１に示されているように、かかる方法の実施形態では、以下のステップ：少なくとも損傷に隣接した領域において、構成要素から被膜を取り除くステップ（ステップ１０）と、構成要素から損傷を取り除くステップ（ステップ１２）と、少なくとも当初の寸法に修復するために構成要素に溶接を行うステップ（ステップ１４）と、構成要素の寸法を、当初の寸法に戻すステップ（ステップ１６）と、構成要素を熱処理するステップ（ステップ１８）と、構成要素を検査するステップ（ステップ２０）と、構成要素の必要な領域に再コーティングするステップ（ステップ２２）と、を含んでも良い。

実施形態において、タービンブレードは、種々の市販の合金、例えばニッケル基超合金のＰＷＡ１４８３、ＧＴＤ−１１１（登録商標）やＩＮ−７３８から作製されても良い。補修され得る損傷としては、ひび割れ、腐食、侵食、燃焼領域、異物損傷（ＦＯＤ）、又はかかるブレードのプラットフォーム領域に生じる任意の種類の損傷を含んでも良い。

ステップ１０において、被膜を所望の位置から任意の好適な方法、例えばグリットブラスト、機械加工、研磨剤を備えたベルトによる研磨、化学的ストリッピング、ウォータジェットブラスチングやオートクレーブ処理を、単独で、又はこれらを組み合わせることによって除去してもよい。例えば、非限定の実施形態において、セラミック膜及びＭｃｒＡｌＹボンディングコートは両方共に、損傷に隣接する領域から除去する必要がある場合がある。いくつかの実施形態においては、タービンブレード全体の（１つまたは複数の）被膜を除去してもよく、他の実施形態においては、損傷に隣接する領域の（１つまたは複数の）被膜のみを除去してもよい。所望であれば、被膜除去後に構成要素における残留酸化物、破片、有機不純物等を、任意の好適な方法、例えば真空熱処理や水素熱処理、研磨、水性若しくは有機溶剤での濯ぎによって洗浄してもよい。

次に、ステップ１２において、損傷を、任意の好適な方法、例えばブレンディング、研磨や機械加工によって、損傷を含むプラットフォームの部分から離して構成要素から除去する。プラットフォームにおける０．３００インチの深さＤ程度の損傷を取り除き、補修するために、本発明の実施形態を用い得ることが判明した。

次に、ステップ１４において、構成要素は、寸法をその構成要素の少なくとも当初の寸法に修復するために溶接補修できる。構成要素の寸法を構築するために、好適な種類の溶接、例えばガス・タングステン・アーク溶接（ＴＩＧ溶接）、レーザ溶接などを用いてもよい。かかる溶接構築では、好適な種類の溶接充填材料、例えば市販のＰＷＡ７９５（コバルトを基礎とするＭＥＲＬ７２材料）、Ｉｎｃｏｎｅｌ６１７、ＩＮ−９３９やＩｎｃｏｎｅｌ６２５を、粉末又は溶接ワイヤの形で利用してもよい。非限定である一実施形態においては、約０．０４５インチの直径を有するＰＷＡ７９５溶接ワイヤを、ＴＩＧ溶接で利用して、構成要素の寸法を戻してもよい。

次に、ステップ１６において、補修される構成要素の寸法を、任意の好適な方法、例えば機械加工、研磨、ブレンディングによって当初の構成要素の寸法に戻すことが可能である。

次に、ステップ１８において、構成要素にかかる応力を軽減するために、補修された構成要素を、任意の好適な方法で熱処理することが可能である。実施形態において、構成要素は、約２０５０〜２１７５°Ｆで約２〜４時間に亘って、好ましくは約２０５０°Ｆで約４時間に亘って熱処理可能である。かかる熱処理は、真空で、好ましくは最小約５×１０^-4トルで行われる。熱処理が所望の時間に亘って所望の温度条件下で行われた後、構成要素を任意の好適な方法で冷却可能である。いくつかの実施形態において、構成要素を約１０００°Ｆ未満に急冷してもよい。他の実施形態において、構成要素は、約３〜４０°Ｆ／分の制御速度条件下で約１０００°Ｆ未満に冷却されてもよい。

次に、ステップ２０において、損傷／キズが十分に補修されたことを保証するために、構成要素を、任意の好適な方法、例えば蛍光探傷検査（ＦＰＩ）で検査することが可能である。

次に、ステップ２２において、構成要素について、任意の好適な方法で必要な領域に再コーティングすることが可能である。実施形態において、かかるステップでは、セラミック膜を構成要素に塗布しても良いが、構成要素とセラミック膜との間にボンディングコートを設けてもよい。任意の好適なボンディングコートやセラミック膜を使用してもよい。実施形態において、ボンディングコートは、ニッケル基合金、例えばＰＷＡ１３８６を含んでもよいが、これは、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）又は高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）を用いて構成要素に塗布可能である。実施形態において、セラミック膜は、酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウム材料、例えばＰＷＡ１３７５を含んでも良いが、かかる材料は、エアプラズマスプレー（ＡＰＳ）を介して構成要素に塗布可能である。

ここで図２を参照すると、補修を必要としている損傷を受けた例示的なタービンブレード５０を示している。かかるブレードは、補修する必要がある損傷５２をそのプラットフォーム５４に有しているが、損傷を修復した後に、ブレードをエンジンの運転に戻すことが可能である。

ここで図３を参照すると、上述したように本発明の実施形態によって補修された、損傷を受けた例示的なタービンブレード５０’を示している。かかるブレードは、プラットフォーム５４’に有していた損傷５２’が補修されているので、かかるブレードをエンジンの運転に戻すことが可能である。

上述したように、本発明は、金属構成要素、特に損傷を受けたタービンブレードを補修するシステム及び方法を提供する。有利には、かかるシステム及び方法により、以前は修理不可能であった構成要素を補修可能である。多くの他の実施形態及び利点は、当業者等に明白となるであろう。

本発明の種々の実施形態では、本発明が満足する種々の要件を充足することが記載された。かかる実施形態は、単に、本発明の種々の実施形態の原理を説明しているに過ぎないことを認識すべきである。多くの変更及びその適用は、本発明の真意及び範囲から逸脱することなく当業者等に明白となるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内にあるため、全ての好適な変更及び修正を保護する意図である。

タービンブレードのプラットフォームの損傷を補修する方法のブロック図である。 損傷を受けたタービンブレードの斜視図である。 本発明における実施形態により補修されたタービンブレードの斜視図である。

Claims (20)

1. 少なくとも損傷に隣接した領域において、構成要素から被膜を取り除くステップと、
   前記構成要素から前記損傷を取り除くステップと、
   前記構成要素を少なくとも当初の寸法に修復するために該構成要素に溶接を行うステップと、
   前記構成要素の寸法を前記当初の寸法に戻すステップと、
   前記構成要素を熱処理するステップと、
   前記構成要素を検査するステップと、
   前記構成要素の必要な領域に再コーティングするステップと、
   を含む損傷を受けた金属構成要素の補修方法。
2. 前記金属構成要素が、タービンブレードを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記金属構成要素が、ＰＷＡ１４８３、ＧＴＤ−１１１及びＩＮ−７３８の少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記損傷が、ひび割れ、腐食、侵食、燃焼領域、及び異物損傷の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記損傷が、ブレンディング、研磨及び機械加工の少なくとも１つを用いて構成要素から取り除かれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記溶接ステップが、ガス・タングステン・アーク溶接とレーザ溶接の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記溶接ステップでは、ＰＷＡ７９５、Ｉｎｃｏｎｅｌ６１７、ＩＮ−９３９及びＩｎｃｏｎｅｌ６２５の少なくとも１つを利用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記溶接ステップでは、ワイヤ材料と粉末材料の少なくとも一方を利用することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記構成要素の寸法を、ブレンディング、研磨及び機械加工の少なくとも１つを用いて前記当初の寸法に戻すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記熱処理ステップでは、前記構成要素を約２〜４時間で約２０５０〜２１７５°Ｆに加熱することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記熱処理ステップが、
    前記構成要素を約１０００°Ｆ未満に急冷するステップと、
    前記構成要素を約３〜４０°Ｆ／分に制御して約１０００°Ｆ未満に冷却するステップと、
    の少なくとも一方をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記熱処理ステップでは、前記構成要素を約２０５０°Ｆに加熱し、その温度を約４時間に亘って保持することを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記熱処理ステップが、最小約５×１０^-4トル（約０．０６７Ｐａ）の真空下において行われることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記検査ステップでは、蛍光探傷検査を利用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記再コーティングステップが、
    （ａ）前記構成要素にセラミック膜を塗布するステップと、
    （ｂ）（１）前記構成要素にボンディングコートを塗布し、
    （２）前記ボンディングコートの上にセラミック膜を塗布するステップと、
    の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 前記ボンディングコートが、ＬＰＰＳとＨＶＯＦの少なくとも一方を用いて塗布されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記ボンディングコートが、ＰＷＡ１３８６を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記セラミック膜が、ＡＰＳを用いて塗布されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 前記セラミック膜が、ＰＷＡ１３７５を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 少なくとも損傷に隣接した領域において、構成要素から被膜を取り除くステップと、
    前記構成要素を洗浄するステップと、
    前記構成要素から前記損傷を取り除くステップと、
    前記構成要素を少なくとも当初の寸法に修復するステップと、
    前記構成要素の寸法を前記当初の寸法に戻すステップと、
    前記構成要素を熱処理するステップと、
    前記構成要素を検査するステップと、
    前記構成要素の必要な領域に再コーティングするステップと、
    を含む損傷を受けた金属構成要素の補修方法。