JP2009056511A - ニッケル基合金物品の修復方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細結晶粒ミクロ組織を有する修復部分を与えるニッケル基合金製品の修復方法を提供する。
【解決手段】 ガスタービンローター（１２）のようなニッケル基合金物品の修復法は、一般に、物品の損傷部分（２８）を除去し、そこに高温ニッケル基合金粉末をレーザークラッディングして固体層（３０）を形成する。本方法は、所望の厚さが得られるまで繰り返すことができる。適宜、レーザークラッディングの後にピーニング法を実施して、レーザークラッディングで形成した固体層（３０）に圧縮応力を導入してもよい。
【選択図】 図５

Description

本発明は、広義にはニッケル基合金製品の修復、具体的にはガス及び／又は蒸気タービン系の作動に用いたニッケル基合金ローターディスクの修復に関する。

ガスタービンでは、タービンの前方に空気を吸い込んで圧縮機で圧縮し、燃料と混合する。混合気を燃焼して、高温燃焼ガスをタービンに流す。タービンは、その外周にタービン動翼を支持するローター、及び主にガス流を方向付けるノズルとガス流を半径方向に閉じ込めるシュラウドとからなる静止部分（つまり非回転部分）を備える。燃焼ガスはローターとシュラウドの間の環帯を通って流れ、タービン動翼の回転を駆動する。高温燃焼ガスの拘束された流れはタービン動翼の翼形部を駆動してタービンローターを回転させ、発電機への出力を与える。タービンローター及び静止部品は作動時に高温及び負荷に付される。良好な高温性能を達成するため、タービンローターディスクはニッケル基合金（７０６及び７０８系）から造られることが多い。これらの合金は微細な結晶粒ミクロ組織が必要とされ、一般に熱機械加工（例えば一連の鍛造及び熱処理作業）によって達成される。

タービンローターディスクは、始動／停止サイクル中に高い熱応力を受けるだけでなく、作動時に遠心及び振動応力を受ける。高い熱応力と周期的作動負荷は、タービンローターディスクに低サイクル及び高サイクル疲労損傷を起こしかねない。長期供用後、形状的にＫｔ（応力集中係数）の高い領域、すなわちローターディスクリムの動翼取付領域の小半径領域で、亀裂が発生する可能性がある。ニッケル基合金７０６及び７１８は保持時間による低サイクル疲労として知られる種類の破壊モードを特に起こし易い。保持時間条件での低サイクル疲労で発生した亀裂は、振動作動応力（高サイクル疲労を生じる）のため部品が破壊するまで次第に速度を高めながら成長し続ける。ニッケル基合金製タービンローターディスクは、従来の融接法では修復できないと考えられる。従来の融接法によるニッケル基合金の融接部は粗大な鋳造結晶粒ミクロ組織を有しており、疲労及び保持時間疲労性能が大幅に低下してしまうからである。ニッケル基合金の従来の溶接肉盛部はタービンローターの作動条件に耐えることができない。
米国特許第６１２８８２０号明細書 米国特許第６９８２１２３号明細書

そこで、供用期間を延ばすためにニッケル基合金製ローターを修復する必要性がある。

本明細書では、ニッケル基合金物品の修復法について開示する。一実施形態では、ニッケル基合金からなる物品の修復方法は、物品の損傷部分を除去して非損傷表面を露出させ、損傷部分と置き換えるため非損傷表面にニッケル基合金粉末を堆積し、ニッケル基合金粉末をレーザークラッディングして固体層とし、適宜、所望の厚さに達するまでニッケル基合金粉末の堆積とレーザークラッディング法を繰り返すことを含む。

別の実施形態では、ニッケル基合金物品の修復法は、ニッケル基合金物品の亀裂の周辺部分を除去して亀裂のない表面を露出させ、ＹＡＧ発振レーザービームを除去部分上に移動させ、亀裂のない表面に合金粉末を供給し、固体層を形成するとともに合金粉末と亀裂のない表面との溶着を生じさせるのに充分な出力をＹＡＧ発振レーザービームに発生させることを含む。

本明細書では、上記の方法で修復したローターホイールについても開示する。

上記その他の特徴を、以下の詳細な説明及び添付の図面によって例示する。

以下、図面を参照するが、これらの図は代表的な実施形態のものであり、図面における同様の要素には同様の番号を付す。

本明細書では、タービンローター部品のようなニッケル基合金物品の損傷領域（亀裂、酸化領域など）の修復法について開示する。本方法は、一般に、損傷領域（亀裂及び酸化領域）を機械加工で除去し、機械加工してできたトラフ（除去領域）を、メッシュサイズが−１５０又はそれよりも微細な超微細金属粉末のニッケル合金（例えばＡＲＡ ７２５、７１８又は７０６）でレーザークラッディングすることによって再充填する。クラッド層は空隙も亀裂もなく、均一な微細結晶粒ミクロ組織（母材結晶粒度と同じかそれよりも微細）を呈する。微細結晶粒ミクロ組織を有する均質な急速凝固・冷却ビルドアップ層を生成させるべく、均衡した熱入力（粉末の溶融及び結合に利用できるが、結晶粒成長及び希釈／合金化を起こすほど過剰ではない）のマルチパスレーザークラッディング法を開発したが、本方法は元の部品の最小限の歪みしか生じない。

この方法では、トラフ表面に粉末金属を予め注入しておき、レーザービームで溶融させる。この際、加熱される金属は内部ガスで覆われる。レーザーエネルギーによって粉末が溶融して母材と溶着するように、レーザービーム出力密度、部品供給速度及びガス流量を正確に制御する。熱入力のバランスを達成するため、粉末の注入量を若干多めにしてもよい。溶融しなかった粉末はノズルで吸引して除去され、リサイクル後に使用することができる。この方法による肉盛層は、ローターディスク母材と同等以上の疲労及び保持時間疲労特性をもたらす微細結晶粒ミクロ組織を有している。肉盛体積は、除去部分の厚さと同じ厚さで損傷部分を置き換えるのに充分なものとするべきである。適宜、圧縮応力の均一な層を達成するため、超音波ピーニング、レーザーショックピーニング又はフラップピーニングを行ってもよい。圧縮応力は、疲労破壊、腐食疲労、応力腐食割れ、水素助長割れ、フレッティング、かじり（galling）、キャビテーションエロージョンなどに対する耐性を高めるのに望ましいことがある。

図１に、ガスタービン１０の関連部分の簡略図を示すが、問題とする部品しか示していない。ガスタービン１０は幾つかのボルト留めされたタービンディスク１２（ローター）を含んでいるが、その１つを図に示す。複数のタービン動翼１６（明確にするためにその１つを図示する）が、タービンディスク１２の外周１８から半径方向外側に向かって延在している。各動翼１６はダブテール２０、プラットホーム２２及び翼形部２４を含む。ダブテール２０は、ローターディスク１２の外周に設けられた相補的形状のダブテール溝２６（図２参照）に摺動可能に挿入して配設される。ガスタービン静止流路シュラウド（図示せず）はトンネル様の構造を形成し、その内部でタービンディスク１２とタービン動翼１６が回転する。ガスタービン静止流路シュラウドは「静止」と呼ばれ、タービンディスク１２とタービン動翼１６が回転しても回転しない。

図２に示すように、タービンディスク１２の外縁（動翼取付部、ダブテール）付近に亀裂Ｃが生じることが多いが、これは例えば上述の保持時間低サイクル疲労又は高サイクル疲労のような１以上の破壊メカニズムの発生に起因すると考えられる。亀裂は通常、高い作動及び熱応力の集中したディスクダブテールの小半径領域及び縁部で最初に発生する。そこで、本発明では、ダブテール溝２６の亀裂Ｃの周辺損傷部分２８（図３に点線で示す）を除去し、レーザークラッディング肉盛によってその部分を置換する。

タービンディスク１２は、その製造時の設計仕様に従う特定の公差内の原寸を有する。或いは、原寸は修復法を適用する前の被加工材の形状であってもよい。こうした原寸は、穴、溝又はフィンガのような表面特徴部、並びに様々な用途で所望される表面テクスチャーを含んでいてもよい。タービンディスクつまりローターはニッケル基合金からなる。

例として、ローターは「Ｉｎｃｏｎｅｌ合金７０６」（以下、「合金７０６」という。）という商標で市販されているニッケル基超合金組成物からなるものでもよい。Ｉｎｃｏｎｅｌ合金７０６は、１２００°Ｆに至るまで高い強度を有し、高い脆化耐性を有しているので、ローターの製造に使用できる。しかし、作動応力、熱疲労応力、化学的作用その他の理由によって、合金に亀裂を生じることがあり、タービンディスク１２のリム又は縁部付近に位置していることがある。Ｉｎｃｏｎｅｌ合金７０６は、以下の表１に示す組成を有する。

ニッケル基合金に亀裂が発生したら、亀裂Ｃの周囲の損傷部分２６を除去して、損傷のないローター表面を露出させる。損傷部分は亀裂周囲のバルク材であり、機械的又は化学的に除去できる。除去法としては、特に限定されないが、フライス加工、切削又はレーザー切削が挙げられる。

損傷部分２６を除去したら、図４に示すようにニッケル基合金の粉末金属をレーザークラッディング法で表面に堆積させる。一実施形態では、ニッケル基合金粉末は約１２６０℃を超える融点をもつように選択される。適当なニッケル基合金の具体例はＡＲＡ７２５である。ＡＲＡ７２５は市販のＩｎｃｏｎｅｌ合金７２５に基づくγ′析出強化型ニッケル基超合金である。ＡＲＡ７２５は、約１９〜約２３重量％のクロム、約７〜約８重量％のモリブデン、約３〜約４重量％のニオブ、約４〜約６重量％の鉄、約０．３〜約０．６重量％のアルミニウム、約１〜約１．８重量％のチタン、約０．００２〜約０．００４重量％のホウ素、約０．３５重量％以下のマンガン、約０．２重量％以下のケイ素、約０．０３重量％以下の炭素、残部のニッケル及び不可避不純物という組成を有する。

粉末の具体的製造法及び粉末パラメーターは通例真空誘導溶解法で達成されるが、後段で噴霧化するための溶融物を得るためのエレクトロスラグ再溶解法又は真空アーク再溶解法その他の粉体製造法で実施することもできる。好ましいγ′及びγ″析出強化型合金に含まれる元素（例えば、アルミニウム及びチタン）の反応性を考慮して、溶融物は真空又は不活性雰囲気（以下、制御雰囲気という。）中で形成される。溶融状態にあり、かつ化学的仕様の範囲内で、合金を噴霧化その他略球状粉体粒子の形成に適した方法で粉末に変換する。粒子は主に直径０．００４インチ（約０．１００ｍｍ）以下となるように噴霧化によって形成される。次いで、後段でのビレット／鍛造における欠陥のおそれを低減するため、粉末を制御雰囲気中で分級して、０．００４インチ（約０．１００ｍｍ）超の粒子を実質的にすべて除去する。篩い分け以外の方法で０．００４インチ（約０．１００ｍｍ）超の欠陥粒子（セラミックなど）を除去することができれば、大きな粉末粒度も許容できることがある。かかる粉末を保存する必要がある場合には制御雰囲気の容器で保存するのが好ましい。

粉末金属の表面への注入時又は注入後、遮蔽ガスと共にレーザーで粉末金属を加熱して粉末と表面を溶着させて固体層を形成する（レーザークラッディング法）。所定量のレーザーエネルギーが溶融粉末だけに利用され、部品表面と良好な溶着部を形成するように、プロセス設定（主に供給速度、レーザー熱入力及びガス流量）を制御する。過剰のエネルギーを与えずに、堆積層は急速に凝固、冷却して微細結晶粒組織を生ずる。急速に凝固した肉盛層の微細結晶粒組織は、向上した疲労及び保持時間疲労性能をもたらす。適当なレーザーの具体例はＮｄ：ＹＡＧ（ネオジムドープ・イットリウムアルミニウムガーネット；Ｎｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）レーザーのようなＹＡＧ系レーザーである。このレーザーは１０６４ｎｍの波長の光を放出し、各位置で粉末を溶着させて固体層を形成するのに有効な出力に保持される。レーザークラッディング法は、従来の溶接に比べ、堆積合金の希釈が最小限にとどまり、熱影響部（ＨＡＺ）も最小限である。ＨＡＺは通常溶接部の弱い連接部であり、機械的特性に劣る。多層で除去部分２６のかさ容積全体を充填する。このプロセスを、多層の厚さが少なくとも設計仕様の原寸の公差範囲内の肉盛部を形成するまで繰り返す。

除去部分２６に固体層３０を形成した後、原寸を復元し、ピーニングし、ローターを供用に戻せばよい。図５は、ニッケル基合金ローターホイール１２の修復法の代表的な実施形態のフローチャートである。このプロセスでは、一般に、段階１００でローターの損傷部分を除去し、次いで上述のレーザークラッディング法を行う。レーザークラッディング法では、一般に、段階２００で除去部分の非損傷表面に合金粉末を供給し、ＹＡＧ発振レーザービームを除去部分に移動させ、合金粉末と除去部分の非損傷表面との溶着が生じるのに充分な出力をレーザーに発生させる（段階３００）。このプロセスは、段階４００で所望の厚さが得られるまで繰り返すことができる。適宜、段階５００において、復元した表面をピーニングして層内部の圧縮応力を増大させてもよい。

有利な効果として、本修復法によって、エンドユーザーは、タービンディスクを修復して供用期間を延ばすことができ、部品の交換が必要となるまでの期間を遅らせ、タービンの運転及び維持コストを低減することができる。

本明細書で引用した特許、特許出願その他の文献の開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。ただし、本願で用いた用語が引用した文献の用語と矛盾又は抵触する場合には、本出願で用いた用語が優先される。

別途定義しない限り、本明細書で用いた技術用語及び科学用語は、本発明の属する技術分野の当業者が通常理解する通りの意味を有する。単数形で記載したものであっても、数量を限定するものではなく、そのものが存在することを意味する。数値に関して用いる「約」という用語は、標記の値を含み、文脈に応じた意味を有する（例えば、特定の量の測定に付随する誤差を含む）。

本明細書を通して、「一実施形態」、「別の実施形態」、「実施形態」などというときは、実施形態に関して記載した特定の要素（特徴、構造及び／又は特性など）が、本明細書に記載した少なくとも一つの実施形態に含まれており、他の実施形態では存在することも存在しないこともあることを意味する。また、記載した複数の要素は様々な実施形態で適宜組合せることができる。

代表的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者には明らかな通り、本発明の技術的範囲から逸脱せずに、様々な変更をなし、ある要素を均等物を置換することができる。また、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるため、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、数多くの修正をなすことができる。従って、本発明は、発明を実施するための最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

代表的なガスタービンの一部の部分断面図であり、タービンローターディスクを示す図。 保持時間低サイクル疲労などに起因するタービンローターディスクの短半径領域での亀裂形成を示す。 図２のタービンローターディスクの損傷部分の除去を示す図。 図３のタービンローターディスクの除去された損傷部分の粉末金属レーザークラッディング法による復元を示す図。 ニッケル基合金ローターディスクの亀裂の修復法の代表的な実施形態のフローチャート。

符号の説明

１０ ガスタービン
１２ タービンディスク
１６ 動翼
１８ 周辺部
２０ ダブテール
２２ プラットホーム
２４ 翼形部
２６ ダブテール溝
２８ 損傷部分
３０ 固体層
Ｃ 亀裂

Claims (9)

1. ニッケル基合金からなる物品の修復方法であって、
   物品の損傷部分（２８）を除去して、非損傷表面を露出させ、
   損傷部分（２８）を置き換えるため非損傷表面にニッケル基合金粉末を堆積し、
   ニッケル基合金粉末をレーザークラッディングして固体層（３０）とし、適宜、所望の厚さに達するまでニッケル基合金粉末の堆積とレーザークラッディング法を繰り返すことを含んでなる方法。
2. 前記物品が、３９〜４４重量％のニッケル、１４．５〜１７．５重量％のクロム、２．５〜３．３重量％のニオブ及び１．５〜２重量％のチタンを含むニッケル基合金からなる、請求項１記載の方法。
3. 前記ニッケル基合金がさらに０．０６重量％以下の炭素を含む、請求項２記載の方法。
4. 固体層（３０）をピーニングすることをさらに含む、請求項１記載の方法。
5. 前記ニッケル基合金粉末がγ′析出強化型ニッケル基超合金である、請求項１記載の方法。
6. 前記ニッケル基合金粉末が、約１９〜約２３重量％のクロム、約７〜約８重量％のモリブデン、約３〜約４重量％のニオブ、約４〜約６重量％の鉄、約０．３〜約０．６重量％のアルミニウム、約１〜約１．８重量％のチタン、約０．００２〜約０．００４重量％のホウ素、約０．３５重量％以下のマンガン、約０．２重量％以下のケイ素、約０．０３重量％以下の炭素、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる、請求項１記載の方法。
7. 損傷部分（２８）の除去が、物品に形成された亀裂（Ｃ）の周辺部分を除去することを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記物品がタービンローターディスク（１２）である、請求項１記載の方法。
9. 前記損傷部分（２８）が、タービンローターディスク（１２）のダブテール部分（２６）の亀裂（Ｃ）又は酸化領域の周辺領域である、請求項１記載の方法。

Images