JP2520672B2 - 金属物品の溶接による修理方法 - Google Patents

金属物品の溶接による修理方法

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Description

【発明の詳細な説明】 従来の技術 本発明は、金属構成要素を溶接する方法に係り、特に
ガスタービンエンジンに使用される超合金製構成要素を
溶接により修理する方法に係る。
従来の技術 中空の空冷式のブレードやベーンは現代のガスタービ
ンエンジンに於て広く使用されている。かかる構成要素
は内部キャビティを有し、該キャビティを経てエンジン
の運転中に空気が流れるようになっている。この空気は
冷却孔と呼ばれる孔を経て放出され、冷却孔はエーロフ
ォイルセクションに設けられ、また場合によってはプラ
ットフォームや先端にも設けられている。例えば本願出
願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許第4,474,532
号を参照されたい。ブレードやベーン内及びその表面に
空気が流れることによりブレード等の表面より熱が除去
され、これによりガス流の温度がブレード等を構成する
合金の融点よりも高い場合にもその構成要素を使用する
ことができる。ガスタービンエンジンのなかには、エン
ジンの運転中に回転するブレードの先端部が静止シール
と摩擦摺動し、これにより作動媒体ガスが軸流方向に漏
洩することを制限するよう設計されたものがある。シー
ルはブレードの先端よりも一般に研摩性が高いが（従っ
て上述の如き摩擦摺動中にはシールに溝が形成され
る）、ブレードの先端も摩耗し、従ってブレードは次第
に短くなる。ブレードの使用時間が長くなると、その先
端の摩耗はブレード及びシール系の効率が低下し、シー
ル及びブレードが修理又は交換されなければならない程
度にまで増大する。
当技術分野に於て公知の任意の溶接法（典型的にはア
ーク溶接法）を用いてブレードの先端に溶接溶加材を付
加することにより、摩耗したブレードの先端を修理し、
ブレードの長さを増大させることができる。かかる溶接
による修理工程中には、ブレードの先端近傍の冷却孔が
溶接により栓塞されやすい。冷却孔が栓塞されると、例
えば従来のレーザ加工又は放電加工（EDM）を用いて冷
却孔を再度穿孔しなければならず、そうしなければブレ
ードを再使用することができない。
しかし進歩したガスタービンエンジンに使用されてい
るブレードのなかには、ブレードの先端を溶接により修
理した後に冷却孔を再度穿孔することができないものが
ある。このことは拡散孔や成形された孔と呼ばれること
がある冷却孔の複雑な形状に起因する。例えば米国特許
第3,527,543号及び同第4,197,443号を参照されたい。か
かる冷却孔より放出される空気はエンジンの運転中にブ
レードの表面に断熱膜を形成し、かかる膜はブレードを
それが非常に高い温度にて作動されることによる影響よ
り更に保護する。成形された孔は一様ではない断面形状
を有し、例えば孔の入口部分、即ち計量部分は一般に非
常に小さい直径（約0.010〜0.050cm（0.005〜0.020inc
h）程度）を有しているのに対し、孔の出口部分、即ち
ディフューザ部分は比較的大きい直径（約0.090〜0.115
cm（0.035〜0.045inch）程度）を有している。更に成形
された孔は計量部分に於ては正方形の断面形状を有し、
ディフューザ部分に於ては長方形の断面形状を有してい
る。
従って成形された孔を形成することは困難であり技術
的に複雑な工程である。従って成形された孔を有するブ
レードが溶接により修理される場合には、その修理工程
は孔が溶接によっては栓塞されず、再度穿孔される必要
がないよう行われることが好ましい。従って当技術分野
に於て必要とされているものは、成形された冷却孔を有
する構成要素を溶接により修理する方法であって、冷却
孔が溶融状態の溶加材よりシールドされ、溶接工程後に
再度穿孔することを要しない方法である。
米国特許第3,576,065号には、直径が約0.125cm（0.05
0inch）の一定値である冷却孔を有する中空のガスター
ビンエンジン用ベーンを溶接により修理するための一つ
の方法が記載されている。溶接に先立ち、各冷却孔に円
柱状のセラミックインサートが挿入され、これにより栓
塞される。インサートは溶接溶加材が冷却孔に侵入する
ことを阻止すると言われている。円柱状のインサートは
成形された孔が円柱状ではなく、また一様な断面形状を
有していないので、溶融状態の溶加材より成形された孔
を保護することができない。更に成形された孔の直径が
小さいことにより、同様に小径のセラミックインサート
が必要とされる。かかるインサートは製造可能なもので
はあるが、非常に脆弱であり、取扱が困難なものであ
り、従ってその実用性は乏しい。
発明の概要 本発明は溶接される構成要素の特定の領域に溶接溶加
材が溶着し凝固することを防止する方法に係る。換言す
れば、本発明は溶接作業に於て有用なシールド、即ちマ
スクに係る。本発明はガスタービンエンジンに使用され
る中空の空冷式ブレードやベーンがそれらに設けられた
小径の冷却孔の近傍の領域に於て溶接される場合に於
て、アーク溶接により溶着された溶加材が冷却孔内に於
て凝固することを防止するのに特に有用である。また本
発明はブレードやベーンのエーロフォイル面に於て溶加
材が凝固することを防止するのに特に有用である。本発
明によれば、マスキングされるべき領域は液体キャリア
中にセラミック粒子を含む複合物にて覆われる（即ち被
覆される）。次いで構成要素は加熱され、これにより液
体キャリアが蒸発されると共にセラミック粒子が互いに
焼結され、これにより構造的に安定なセラミックマスク
が形成される。複合物中の成分は焼結中又は溶接中に生
じる体積変化（収縮や膨張）の量が小さく、加熱された
マスクが耐熱衝撃性を有し、溶融状態の溶加材及び溶接
されるべき構成要素を構成する合金と反応せず、溶接工
程後に容易に除去し得るよう選定される。またマスクは
導電性を有しないことが好ましい。
マスクを形成するためのセラミック粒子の好ましい混
合物は、シリカと、ジルコンと、アルミナ繊維との混合
物であり、この混合物に対しペースト状のコンシステン
シーを有する複合物を形成するに充分な量にてコロイダ
ルシリカが添加される。かかるコンシステンシーによれ
ば複合物をエーロフォイル面上及び冷却孔内に容易に適
用することができる。複合物は拡散孔の一様ではない形
状に従う。またこの複合物は一旦加熱されるとその形状
を維持し、溶接工程の非常に高い温度に耐え、また溶接
工程後に孔より容易に除去される。
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 これより本発明を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中空の空冷式ブレードを溶接によ
り修理することについて説明する。尚本発明は静止ター
ビンベーンの如き他の構成要素の溶接による修理や他の
金属構成要素の修理にも同様に適用可能なものである。
第１図に於て、タービンブレードが符号10にて全体的
に示されている。ブレード10は米国特許第4,209,348号
に記載された合金の如きニッケル基超合金にて形成され
ている。ブレード10はエーロフォイル部12とプラットフ
ォーム14とルート部16とを有している。ブレードの先端
20の表面18にはスクイーラポケット22が設けられてい
る。第２図にも示されている如く、ブレード10は中空で
あり、ブレードのルート部16のベース26Aよりブレード
の先端20の近傍まで延在するキャビティ24を有してい
る。冷却孔がキャビティ24よりブレード10の外面まで延
在している。エンジンの運転中には、空気がキャビティ
24内へ流され、冷却孔を経てブレード10より流出する。
幾つかの冷却孔26はキャビティ24よりエーロフォイル部
12の表面まで延在しており、他の幾つかの冷却孔28はキ
ャビティ24よりブレードの先端20の表面18まで延在して
おり、更に他の幾つかの冷却孔30はキャビティ24よりス
クイーラポケット22まで延在している。図示のブレード
10に於ては、冷却孔26及び30は拡散孔、即ち成形された
孔の形状を有しており、冷却孔28は従来の（即ち一定の
ジオメトリーの）形態を有している。また第１図に示さ
れたブレード10はキャビティ24よりトレーリングエッジ
33まで延在する冷却孔31を有している。本発明は図示の
ブレード10と同一の分布にて冷却孔が設けられた構成要
素の溶接による修理に限定されるものではないことに留
意されたい。上述の如く、本発明は広い範囲の構成要素
に使用されてよいものである。
従来技術の欄に於て説明した如く、成形された冷却孔
のジオメトリーは複雑であるので、かかる冷却孔を形成
することは技術的に複雑であり、時間を要し、またブレ
ード製造プロセスの高価な部分である。従って成形され
た孔を有するタービンブレードが溶接により修理される
必要がある場合には、冷却孔は溶接によって栓塞され
ず、それらの寸法及び形状が変更されないことが好まし
い。
本発明によれば、溶融状態の溶接溶加材は焼結された
セラミック粒子のマスクによって溶加材が存在しない状
態に維持されることが好ましいブレードの冷却孔内や他
の表面上にて凝固することを阻止される。マスク中のセ
ラミックはブレードの基体と反応せず（不活性であ
り）、熱的に安定、即ち溶接温度に於ける劣化に対する
耐性を有し、また溶融状態の溶加材の凝固時に生じる熱
衝撃に対する耐性を有している。更にセラミックは寸法
的に安定であり、即ち焼結工程中にもまた溶接工程中に
も過剰に膨張したり収縮しない。後に説明する如く、ア
ーク溶接法が採用される場合には、マスクは導電性を有
しないことが好ましく、溶接電極と溶接によって修理さ
れるべき構成要素との間にアークが維持されることを阻
止する。更にマスクは溶接後に修理された構成要素より
容易に除去される。
現代のガスタービンエンジンの構成要素を製造するた
めに使用される超合金の組成は厳密に制御されるので、
マスク中のセラミックが超合金と反応してはならない理
由は明らかであろう。同様の理由から、セラミックは溶
融状態の溶加材と反応してはならない。マスクは溶融溶
接ビードがシールドされる面に於て凝固することを阻止
するための物理的障壁として作用するに十分な構造的完
全性を有していなければならないので、マスクには高温
劣化に対する耐性や耐熱衝撃性が要求される。マスクは
寸法的に安定なものでなければならず、換言すれば焼結
工程や溶接工程中にマスクに大きな体積変化が生じては
ならない。かかる体積変化が生じると、溶融溶接ビード
はそれがないことが必要とされる領域に於て凝固する。
焼結中及び溶接中の合計の体積変化は約１〜２％以下で
なければならない。
本発明に従って構成要素を溶接により修理する場合に
は、タングステンイナートガス（TIG）溶接の如きアー
ク溶接法が使用されることが好ましいので、焼結された
マスクはアークが基体と溶接電極との間に形成されるこ
とを阻止するに充分な非導電性を有していなければなら
ない。アークが維持されることを阻止するマスクの能力
により、溶加材が溶融されマスキングされた表面に溶着
することが阻止される。非導電性が必要であることは、
マスクがエーロフォイル、先端、プラットフォーム等の
表面の如きブレードの主要な面をシールドするために使
用される場合に最も重要である。非導電性が必要である
ことの重要性は、マスクが冷却孔のみをシールドするた
めに使用される場合には上述の場合に比して低い。
更にマスクは溶接工程後にブレードより容易に除去さ
れ得るものでなければならない。このことにはマスクを
容易に除去することだけでなく、マスクを完全に除去し
得ることが含まれる。当業者には理解され得る如く、溶
接工程後に全てのマスクが除去された状態にない場合に
は、ブレードはその使用中に著しく損傷されることがあ
る。
上述のマスクの特性は第IIA族、第IIIA族、第IVA族、
第IIIB族又は第IVB族の元素の一種又はそれ以上の単純
酸化物又は複合酸化物を使用することにより達成されて
よい。また希土類元素の単純酸化物や複合酸化物が使用
されてもよい。好ましい単純酸化物としてはシリカ、ア
ルミナ、イットリア、ハフニアがある。また好ましい複
合酸化物としてはオルトケイ酸ジルコニウム、ケイ酸ア
ルミニウム、及びこれらと同様の他のスピネル群があ
る。セラミック混合物は重量を基準に約10〜50％のオル
トケイ酸ジルコニウム（ジルコン）と、１〜20％のアル
ミナと、残部としてのシリカとを含んでいることが最も
好ましい。シリカは好ましい成分である。何故ならば、
シリカは一般にブレードや溶加材合金と反応せず、良好
な熱的特性（高い耐熱衝撃性や低い熱膨張係数）を有
し、アルカリ浸出溶液中に容易に溶解する。ジルコン
は、それが非常に高い耐衝撃性を有し、また高い熱伝導
性を有しているので好ましい。またアルミナ、好ましく
はアルミナ繊維は焼結されたマスクに強度を与えるため
にセラミック混合物に添加される成分である。
シリカ−ジルコン−アルミナ混合物との関連で使用さ
れる好ましい液体キャリアはコロイダルシリカ水溶液で
ある。コロイダルシリカがシリカ、ジルコン、及びアル
ミナと混合されると、懸濁液中のシリカは比較的大きい
シリカやジルコンの粒子とアルミナ繊維との間の空隙に
浸透し、それらの混合物が焼結された後にはその混合物
の浸出性を向上させる。これより本発明を具体例につい
て説明する。
例１ 重量で溶製された約64％のシリカ粉末と、気相法によ
り製造された約３％のシリカ粉末と、約28％のジルコン
粉末と、約３％の高アスペクト比のアルミナ繊維とを含
むセラミック成分の混合物がコロイダルシリカと混合さ
れ、これによりペースト状の複合物が形成された。コロ
イダルシリカに対するセラミックの比は重量で約50％
（即ち約30:70と70:30との間）であったが、成分の実際
の比、即ちコロイダルシリカに対するセラミックの比は
複合物のコンシステンシー（約20000〜50000cP）ほど重
要ではない。かかる粘性を有する複合物は容易に金属面
に付着し、良好な流動性を有する。
このセラミックを含有するペースト状の複合物が第１
図に示されたブレード10と同様の形態を有する実際の使
用に供されたタービンブレードの溶接による修理に使用
された。この場合成形された冷却孔26及び30がそれぞれ
エーロフォイル面12及びスクイーラポケット22に設けら
れ、通常の冷却孔28がブレードの先端20に設けられてい
た。第３図はエンジンが運転された後に於けるタービン
ブレード10の断面を示している。第３図を第２図と比較
することより解る如く、エンジン内にて使用されたブレ
ードの先端部20は摩耗しており、エンジンが運転される
前に於けるブレードの先端部20（第２図参照）よりも半
径方向外方への延在長さが短い。溶接による修理工程の
目的は、ブレードの先端面18に溶接溶加材を付加するこ
とにより、ブレード10の長手方向の寸法を増大させるこ
とである。溶接に先立ち、ブレード上の被覆（例えば本
願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許第4,585,
481号参照）が先端20より局部的に除去され、しかる後
スクイーラポケット22及び該ポケット内の成形された冷
却孔30が完全に複合物34にて充填される。また複合物34
はブレードの先端20に隣接するエーロフォイル面12上及
び更には面18にも適用された。エーロフォイル面12上の
複合物34の厚さは約0.050〜0.200inch（1.3〜5.08マス
ク）の範囲であったが、最大厚さは重要ではないものと
考えられる。複合物34は、成形された冷却孔26及び30が
複合物にて充填されるよう、即ち複合物34が各冷却孔の
全長に亙り存在するようになるよう注意を払いつつ、冷
却孔26、30及びスクイーラポケット22内に強制的に押込
まれた（冷却孔の長さは冷却孔が貫通する壁の厚さに等
しい）。複合物34はブレード10の先端面18には適用され
なかった。何故ならば先端面は溶接により修理されるべ
き領域であるからである。エーロフォイル面12上の複合
物34が先端部の溶接部を汚染したり溶接の邪魔になる虞
れを低減すべく、複合物34は第３図に示されている如く
先端18より斜に面取りされた。
約95℃（200゜F）にて低温乾燥し、これにより複合物
より液体キャリアを蒸発させることが行われた後、ブレ
ードは２時間に亙り約540℃（1000゜F）に加熱され、こ
れによりセラミック粒子が互いに焼結され、マスクが形
成された。約480℃（900゜F）程度の低い温度も540℃以
上の温度と同様有用なものと考えられる。複合物の最高
の焼結温度はブレードを構成する合金の熱処理限度によ
り決定される。焼結工程後にブレードを金属組織学的及
び視覚的に検査したところ、マスク34は冷却孔を完全に
充填しており、或る程度の小さな割れ（微小割れ）が存
在してはいるものの構造的に健全なものであることが認
められた。次いで従来のTIG溶接法を用いてブレードの
先端面18に対し溶接溶加材36が溶着された（第４図参
照）。
溶接後にブレード10を検査したところ、ブレードのエ
ーロフォイル面12及び冷却孔26、30内のセラミックマス
ク34は完全な状態を維持していることが認められた。更
にマスク34は冷却孔26、30に溶接溶加材が充填されてい
ない状態を維持していた。第４図より解る如く、溶加材
の溶接ビード36はブレードの先端20の元の面18の下方ま
で溶け込んでいたが、マスク34が存在する領域に於ては
マスク34の間に留まっていた。
溶接後ブレード10はアルミナの研摩媒体にて軽くブラ
スティングされ、これによりほぼ全てのマスク34が除去
された。次いでブレード10は例えば本願出願人と同一の
譲受人に譲渡された米国特許第4,439,241号に記載され
ている如くアルカリ（例えば水酸化ナトリウムや水酸化
カリウム）を使用するオートクレーブクリーニング法に
付され、これにより残存するセラミックが完全に除去さ
れ、しかる後高圧のウォータジェットにて洗浄され、こ
れによりアルカリや他の小片が除去された。
次いでブレードの先端20上の溶着金属36が機械加工さ
れ、これにより所望の長さを有し、先端に放電加工によ
り従来の要領にて形成された冷却孔を有するブレードが
形成された（元の孔28は修理工程中に溶接によって栓塞
された）。他の全ての所要の機械加工、ブレードの表面
に所要の被覆を適用すること、溶接後の熱処理、ブレー
ドのルート部16に対するショットピーニング、及び検査
が行なわれた後には、ブレードは第１図及び第２図に示
された状態にあり、実際の使用に供され得る状態にあっ
た。
例２ ガスタービンエンジンに使用された中空ベーンのエー
ロフォイルセクションの割れが本発明の方法を使用して
溶接により修理される。ベーンを修理する方法が第５図
乃至第８図に示されており、ベーン40は内部割れ42及び
エーロフォイルの壁46を貫通してキャビティ40内へ延在
する割れ44を有している。この方法の第一の工程は、エ
ーロフォイルの内面及び外面の被覆（もし存在すれば）
を除去することである。被覆はベーン全体より除去され
てもよく、また割れ44に隣接する領域のみより局部的に
除去されてもよい（第５図乃至第８図に於ては、ベーン
40には被覆が施されていない）。次いで例１の場合と同
様のセラミック複合物48がそれが少なくとも割れ44に隣
接する領域を充填するようベーンの内部キャビティ42内
に注入される。場合によっては第６図に示されている如
くキャビティ42を完全充填する方が容易である。次いで
例１の場合と同様の要領にて複合物48が乾燥され焼成さ
れる。次いでベーンの割れ44の部分が、割れ44内に存在
する不純物や酸化物が除去されるよう、例えば研摩加工
工具（第７図参照）を用いて研摩により除去される。ま
たこの工程により割れ44を経てキャビティ42より流出し
た複合物（第６図に於て符号48′にて示されている）が
除去される。次いでベーン40は割れ44が完全になくなる
まで研摩される。割れ44が完全に除去されたか否かは螢
光浸透検査法により容易に決定される。割れ44が図に示
されている如くエーロフォイルの壁46を完全に貫通して
延在している場合には、研摩工程はベーンの内部キャビ
ティに露呈するまで行われるが、キャビティ42内の焼成
されたセラミックマスク48が殆ど除去されないよう行わ
れる。換言すれば、エーロフォイルの壁46が貫通される
と研摩が停止される。次いでベーン40の研摩された領域
52（この段階に於ては割れがなくなっている）が、TIG
の如きアーク溶接法により与えられる溶接溶加材54によ
り修理される（充填される）。キャビティ42内のセラミ
ックマスク48は溶融状態の溶加材がキャビティ42内に侵
入し凝固することを防止する障壁として作用する。溶加
材がベーンの内部キャビティ42内に於て凝固してしまう
と、内部キャビティのバッフルの検査が困難になり、構
造上の問題が生じ、エンジンの運転中にキャビティ内を
流れる空気流が乱されるようになる。溶接工程後には、
マスク48が上述の例の場合と同様アルカリオートクレー
ブクリーニング及び高圧ウォータジェットのブラスティ
ングにより除去される。次いで溶接ビード54がエーロフ
ォイルの壁の外面46の形状に一致するよう成形され、し
かる後必要に応じてベーン40が再度被覆され、熱処理さ
れる。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図はガスタービンエンジンのタービンブレードを示
す斜視図である。 第２図は第１図の線２−２に沿う断面図である。 第３図はエンジンに使用され摩耗した先端部を有するブ
レードに適用されたセラミックマスクを示す第２図と同
様の断面図である。 第４図は溶接後のブレードを示す第３図と同様の断面図
である。 第５図乃至第８図は中空のタービンベーンの溶接による
修理を示す解図的工程図である。 10…タービンブレード,12…エーロフォイル部,14…プラ
ットフォーム,16…ルート部,18…面,20…先端,22…スク
イーラポケット,24…キャビティ,26、28、30、31…冷却
孔,33…トレーリングエッジ,34…複合物,36…溶接ビー
ド,40…ベーン,42…キャビティ,44…割れ,46…エーロフ
ォイルの壁,48…セラミック複合物,52…研摩された領
域,54…溶接溶加材

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】溶接中金属物品の一部を溶融状態の溶接溶
    加材が実質的に存在しない状態に維持する方法にして、
    液体キャリア中にセラミック粒子を含む複合物を前記溶
    加材が存在しない状態に維持されるべき前記物品の前記
    一部に適用する工程と、前記物品を加熱して前記複合物
    より前記液体キャリアを除去すると共に前記セラミック
    粒子を互いに焼結させ、これにより前記金属物品及び前
    記溶融状態の溶加材と反応せず溶接された前記物品より
    容易に除去し得る熱的に安定なセラミックマスクを形成
    する工程とを含む方法。
  2. 【請求項２】複数個の小径の冷却孔を有する中空の空冷
    金属物品をアーク溶接より修理する方法にして、液体キ
    ャリア中にセラミック粒子を含みペースト状のコンシス
    テンシーを有する複合物にて前記冷却孔を充填する工程
    と、前記物品を加熱して前記複合物より前記液体キャリ
    アを除去すると共に前記セラミック粒子を互いに焼結さ
    せ、これにより焼結後に前記冷却孔を充填する熱的に安
    定で電気的に不導通の反応性のないセラミックマスクを
    形成する工程と、前記セラミックマスクにより溶融状態
    の溶接金属が前記冷却孔内に侵入して凝固することを阻
    止される状態にて前記金属物品を溶接する工程と、前記
    セラミックマスクを前記冷却孔より除去する工程とを含
    む方法。
  3. 【請求項３】内部キャビティを有する金属物品の欠陥を
    アーク溶接により修理する方法にして、液体キャリア中
    にセラミック粒子を含むペースト状の複合物を前記キャ
    ビティ内に挿入する工程と、前記物品を加熱して前記複
    合物より前記液体キャリアを除去すると共に前記セラミ
    ック粒子を互いに焼結させ、これにより前記内部キャビ
    ティ内に熱的に安定で反応性を有しないセラミックマス
    クを形成する工程と、実質的な量の前記セラミックマス
    クを除去することなく前記欠陥を機械加工によって除去
    する工程と、前記欠陥を溶接により修理する工程と、前
    記セラミックマスクを除去する工程とを含む方法。
  4. 【請求項４】金属物品の溶接による修理中に使用される
    マスクを焼結により形成する複合物にして、実質的にシ
    リカと、ジルコンと、アルミナとの混合物と、ペースト
    状のコンシステンシーを達成する量のコロイダルシリカ
    とよりなる複合物。
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