JP4201954B2 - Method and apparatus for repairing gas turbine blade made of Ni-based single crystal superalloy - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ni基超合金からなるガスタービン単結晶翼の補修再生技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
長時間運転に供したガスタービン動静翼には、熱応力やクリープ等により翼部に開口亀裂が発生することがある。また、ガスタービン翼は高温ガスの流れの中に曝されるため、コーティング無しのガスタービン翼ではエロージョンやコロージョンによりガス入口側が減肉している事例が多く見うけられる。
【0003】
図1はこのような長時間運転した後のガスタービン動翼1を示しており、翼全面に酸化皮膜が生成するとともに翼前縁部を中心に翼材料の減肉2、翼プラットホーム上から翼先端部に向けて亀裂3が発生する。これらの減肉および亀裂が生成するとガスタービンの運転時にかかる応力を残った部材部分では受け持てなくなるため、何らかの補修を行う必要がある。
【0004】
近年では、ガスタービンの高温化に伴い、従来から使用されてきた普通鋳造翼および一方向凝固翼に代わり、単結晶翼が使用されるようになってきている。単結晶翼の材料としてはNi基超合金が使用されている。
【0005】
このようなNi基超合金からなる単結晶翼は、従来型の翼に比べて耐久性は優れてはいるものの、長時間使用すれば開口亀裂等の損傷発生は避けられない。単結晶翼は、材料費および加工費が非常に高価であるため、運用コスト低減の観点からは補修を行いながら使用することが前提となる。
【0006】
ところで、Ni基単結晶超合金翼を補修する上では、二つの大きな解決すべき問題がある。Ni基超合金自体の溶接性の悪さに起因した溶接割れの問題、もう一つは、肉盛りを行う際に、補修部に単結晶材料のメリットを大幅に損なう結晶粒界が形成されてしまうという問題である。
【0007】
この問題を解決するための手法の一例が特開平9−110596号に開示されている。ここに開示された手法は、切除面が基材の優先結晶成長方向を向くように損傷部位を削除し、その後、溶加材を添加するとともに比較的低い出力密度で照射面でのビーム直径が比較的大きくなるように、かつ比較的長時間にわたってレーザービームを照射して深さの幅に対する比が小さい溶融池を生成して補修を行うというものである。
【0008】
しかし、この方法は、補修部位を広範囲にわたって削除する必要があり、また、溶解に時間がかかるため、非効率的である。また、溶融池の幅方向端部における結晶成長方向は他の部位に比べて大幅に異なることになる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、効率的で、かつ結晶粒界が生成される可能性を最小限にすることができ、かつ溶接割れを防止することができるガスタービンNi基単結晶翼の補修方法を提供することを目的としている。
【0010】
【解決を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、Ni基単結晶超合金からなるガスタービン翼の補修方法であって、損傷部位の近傍を除去する工程であって、除去した結果として現れる表面が結晶の優先成長方位である[001]方位を向くように除去する工程と、除去部分に基材と同一あるいは類似組成の材料粉末を供給するとともに前記材料粉末を、加熱ビームを発生する材料粉末溶解用トーチを用いて溶解して、前記除去部分に積層させる工程と、を含むガスタービン翼の補修方法において、前記材料粉末溶解用トーチに加えて前記材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチを用い、前記除去部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を前記[001]方位に近づけるように前記基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解することを特徴とするものである。
【0011】
本発明によれば、材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチを専用に設け、除去部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を[001]方位に近づけるように基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、材料粉末溶解用トーチにより材料粉末を溶解することにより、補修部位の単結晶化が容易となり、また溶接割れも生じにくくなる。さらに、補修効率を向上させることができる。
【0012】
また、本発明は、Ni基単結晶超合金からなるガスタービン翼を補修するための装置であって、除去した結果として現れる表面が結晶の優先成長方位である[001]方位を向くように損傷部位の近傍を除去したガスタービン翼を姿勢変化可能に保持する姿勢制御装置と、溶加材としての材料粉末を供給する粉末供給装置と、加熱ビームを発生する材料粉末溶解用トーチと、前記材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチと、前記ガスタービン翼の除去した部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を前記[001]方位に近づけるように前記基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解する制御を行なうコントローラと、を備えたガスタービン翼の補修装置を提供する。この装置によれば、本発明方法を容易に実施することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下においては、図1に示したように翼長手方向に入った亀裂3の補修方法について説明することとする。
【0014】
なお、亀裂の進展状況はコーティング施工翼、コーティング未施工翼ともほぼ同様であり、動翼表面にMCrAlY(ここでMはNi,Co,Feあるいはそれらの合金を示す),アルミナイジング、クロマイジング、シリコナイジングあるいはそれらの複合処理を施した耐食コーティング施工翼および耐食コーティング上層にY2O3−ZrO2,MgO−ZrO2等の遮熱コーティングを施した翼についても、コーティングを剥がした後はコーティング未施工翼と同様に下記の手法により補修が可能である。
【0015】
補修を行うに際しては、まず、予め調べておいたガスタービン単結晶翼1(以下、単に「翼」という)の結晶成長方位データに基づいて、溶加材を積層させる方向が、図2(a)に示すようにNi基合金の優先結晶成長方向である[001]方位となるように亀裂を含む部位をグラインダーを用いて切削除去して(図2の鎖線参照)溝状の除去部4を形成する。すなわち、除去部4の底壁4aの向き(底壁表面の法線方向)が[001]方位と平行になるようにする。なお、本例では除去部4の側壁4bの向き(側壁表面の法線方向)を[001]方位と垂直としているが(図2(b)参照)、必ずしもこのようにする必要はなく、側壁4bの法線が[001]方位となす角度が90度以外の角度であってもよい。
【0016】
なお、切削除去作業を行う場合の基礎となる翼1の結晶成長方位データは、運転後に計測したデータ、新品製造時に計測されて保管しているデータのいずれを用いてもよい。また、損傷部近傍の除去を行う加工手段としては、上記のような結晶の優先成長方位との関係を確立できるのであれば、グラインダーの他、放電加工、ブラスト等の手段を用いてもよい。
【0017】
次に、翼1表面の油分を有機溶剤を用いて除去し、続いて有機溶剤が残らないように純水で洗浄した後、エアブロー等の方法により乾燥する。
【0018】
続いて、除去部4に合金粉末の積層を行うが、この積層工程について説明する前に、積層工程に用いられる補修装置について簡単に説明しておく。
【0019】
図3は補修装置を示す図であり、符号11は翼1が載置されるテーブルである。テーブル11には、翼1の例えばプラットホーム部をクランプして翼1をテーブル11に固定するクランプ12が付設されている。テーブル11は、姿勢制御装置13により任意の方向を向くことができる。この姿勢制御装置13を設けた目的は、積層工程を行っている間、除去部4の底壁4aを鉛直方向上方を向くように、すなわち[001]方位が鉛直方向を向くようにすることにある。
【0020】
また、補修装置は、一対の基材加熱用トーチ14と、1つの材料粉末溶解用トーチ15とを有している。なおトーチ14、15の数は、この数に限定されない。基材加熱用トーチ14および材料粉末溶解用トーチ15は、いずれもレーザービームを発生するトーチであり、両者の違いは出力密度にある。すなわち基材加熱用トーチ14は、基材の温度コントロールを行うためのトーチであるため、相対的に低い出力密度のビームを翼に照射するためのものである。一方、材料粉末溶解用トーチ15は、相対的に高い出力密度のビームを翼に照射するためのものである。また、符号16は材料粉末を除去部4に供給するための粉末供給ノズルである。
【0021】
両トーチ14,15および粉末供給ノズル16は、図3に概略的に示したロボットアーム17により任意の方向に移動することができる。符号18は、この補修装置を制御するコントローラであり、このコントローラ18は、姿勢制御装置13、トーチ14,15および粉末供給ノズル16の動作の全てを制御することができる。
【0022】
なおコントローラ18は、記憶装置も内蔵しており、除去部4の形状をティーチングしておくくことにより姿勢制御装置13、トーチ14,15およびノズル16を自動的に動作させることができる。
【0023】
なお、本例では、基材加熱用トーチ14および材料粉末溶解用トーチ15はいずれもレーザービームを照射するトーチとしているが、トーチは電子ビームを照射するものであってもよい。この場合、この補修装置全体を覆う真空チャンバ(図示せず)が更に設けられる。
【0024】
次に、積層工程について説明する。
【0025】
まず、翼1の補修対象部位における[001]方位が鉛直方向を向き、かつ底壁4aが上方を向くように、翼1をテーブル11に固定する。
【0026】
次に、図2(c)に示すように、基材加熱用トーチ14を用いて、翼1の除去部4近傍を予熱する。次いで、溶加材すなわち補修用合金粉末としてNi基合金粉末を粉末供給ノズル16から除去部4に吹き込みつつ、Ni基合金粉末を材料粉末溶解用トーチ15を用いて溶解し、翼表面1aに達するまで積層させる。なお、供給するNi基合金粉末は、母材単結晶合金組成あるいは補修部に要求される特性に応じて適宜変更が可能である。
【0027】
この過程において、基材加熱用トーチ14により引き続き除去部4の両側の近傍部分(翼1の基材部分)を加熱する。これにより、除去部4内に形成される溶融池内の温度勾配およびその近傍の基材部分の温度勾配が、図2(c)に示すような状態となる。すなわち、図2(c)に模式的に示す溶融池内の等温線20の法線方向が[001]方位と一致するか若しくはそれに近い状態となる。凝固時の結晶の成長方向は等温線20の法線方向と一致するため、図2(c)に示すような温度分布が得られれば、積層部分の結晶方位を[001]方位と一致またはほぼ一致させることが可能となる。
【0028】
なお、図4は、比較例として、基材加熱用トーチ14を用いない場合の温度勾配を模式的に示す図である。この図4に示すように、基材加熱用トーチ14を用いない場合には、溶融池内の等温線20の法線方向が[001]方位から大きく外れることになる。このことは、高傾角粒界が形成される確率が高くなることを意味している。
【0029】
積層は、積層部分が翼表面1aより盛り上がるまで継続される(図2(c)一点鎖線参照)。
【0030】
次に、レーザーによる補修箇所と基材との接合性の強化および補修箇所の合金組織の調整のため熱間静水圧プレス処理を行い、動翼作製時に生成したポロシティおよびシュリンケージあるいはガスタービン運転時に発生したクリープボイドを高温高圧をかけることにより潰す。
【0031】
次いで、翼1の表面をブラストおよびバレル研磨により所望の形状となるように加工する(盛り上がり部の除去)。
【0032】
次に、溶体化熱処理および時効熱処理を行い、γ相中に矩形のγ’相が析出する合金組織とする。以上により補修作業は終了する。
【0033】
以上説明したように、本実施形態によれば、専用の基材加熱用トーチ14により基材の温度コントロールを行うため、凝固の進行方向を適正に制御することが可能となる。また、溶接割れを防止することもできる。
【0034】
なお上記実施形態においては、ガスタービン動翼の亀裂部を補修する場合を例にとって説明したが、本発明方法の適用はこれに限定されるものではなく、ガスタービン静翼の亀裂部の補修、動静翼の酸化および腐食による減肉部の補修に適用することも可能である。
【0035】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、結晶粒界が生成される可能性を最小限にするとともに溶接割れを防止しつつ、効率的にガスタービンNi基単結晶翼の補修を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】補修対象であるガスタービン動翼に発生した損傷を模式的に示す図。
【図2】補修の手順を示す図。
【図3】補修装置を概略的に示す図。
【図4】本発明方法を適用しない場合を比較して示す模式図。
【符号の説明】
1 ガスタービン翼
2,3 損傷部位
4 除去部分
14 基材加熱用トーチ
15 材料粉末溶解用トーチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a repair and regeneration technique for a gas turbine single crystal blade made of a Ni-base superalloy.
[0002]
[Prior art]
In gas turbine rotor blades subjected to long-term operation, opening cracks may occur in the blade portions due to thermal stress or creep. In addition, since the gas turbine blade is exposed to a high-temperature gas flow, there are many cases where the gas inlet side of the gas turbine blade without coating is thinned due to erosion or corrosion.
[0003]
FIG. 1 shows a gas
[0004]
In recent years, as the temperature of gas turbines has increased, single crystal blades have been used in place of conventional cast blades and unidirectionally solidified blades that have been conventionally used. A Ni-based superalloy is used as a material for the single crystal blade.
[0005]
A single crystal blade made of such a Ni-based superalloy is superior in durability to conventional blades, but damage such as opening cracks is inevitable if used for a long time. Since the single crystal blade is very expensive in terms of material cost and processing cost, it is assumed that the single crystal blade is used while being repaired from the viewpoint of reducing operational costs.
[0006]
By the way, in repairing a Ni-based single crystal superalloy wing, there are two major problems to be solved. The problem of weld cracking due to the poor weldability of the Ni-base superalloy itself, and the other is that during graining, grain boundaries that significantly impair the merit of the single crystal material are formed in the repaired part. It is a problem.
[0007]
An example of a technique for solving this problem is disclosed in JP-A-9-110596. The technique disclosed here removes the damaged part so that the cut surface faces the preferred crystal growth direction of the base material, and then adds a filler material and reduces the beam diameter on the irradiated surface at a relatively low power density. The repair is performed by generating a molten pool having a small ratio to the depth width by irradiating a laser beam for a relatively long time so as to be relatively large.
[0008]
However, this method is inefficient because the repair site needs to be removed over a wide area and it takes time to dissolve. In addition, the crystal growth direction at the end of the molten pool in the width direction is significantly different from that of other portions.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a gas turbine Ni-based unit that is efficient, can minimize the possibility of generation of crystal grain boundaries, and can prevent weld cracking. It aims to provide a repair method for crystal wings.
[0010]
[Means for solving the problem]
In order to achieve the above object, the present invention is a method for repairing a gas turbine blade made of a Ni-based single crystal superalloy, which is a step of removing the vicinity of a damaged portion, and the surface that appears as a result of the removal is a crystal. A step of removing so as to face the [001] direction which is the preferential growth direction, a material powder having the same or similar composition as that of the base material is supplied to the removed portion, and the material powder is heated to generate a heating beam. A gas turbine blade repairing method comprising: a heating beam having a power density lower than that of the material powder melting torch in addition to the material powder melting torch. using a substrate heating torch, by the substrate heating torch so as to approach the normal direction of the isotherms of the molten pool formed in the removed portion to said [001] orientation While heat, is characterized in dissolving the material powder by the material powder melting torches.
[0011]
According to the present invention, a base material heating torch that generates a heating beam having a power density lower than that of the material powder melting torch is provided exclusively, and the normal direction of the isotherm of the molten pool formed in the removed portion is set to [001]. while heating by the substrate heating torches so as to approach the orientation, by dissolving the material powder of a material powder melting torch, it is easy to single crystal of the complement Osamu site, also is less likely to occur weld cracking. Furthermore, repair efficiency can be improved.
[0012]
Further, the present invention is an apparatus for repairing a gas turbine blade made of a Ni-based single crystal superalloy, and the surface that appears as a result of the removal is damaged so as to face the [001] orientation, which is the preferential growth orientation of the crystal. A posture control device that holds the gas turbine blade from which the vicinity of the part has been removed so that the posture can be changed, a powder supply device that supplies material powder as a filler material, a material powder melting torch that generates a heating beam, and the material The normal direction of the substrate heating torch that generates a heating beam having a lower power density than the powder melting torch and the isotherm of the molten pool formed in the removed portion of the gas turbine blade is brought closer to the [001] direction. wherein while heated by the substrate heating torch, said material by powder melting torch performs control to dissolve the material powder controller and a gas turbine equipped with such To provide a repair device. According to this apparatus, the method of the present invention can be easily carried out.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, a method for repairing the
[0014]
The progress of cracks is almost the same for coated and uncoated blades, and MCrAlY (where M is Ni, Co, Fe or their alloys), aluminizing, chromizing, For anti-corrosion coating blades that have been siliconized or their combined treatment, and for blades that have been coated with a thermal barrier coating such as Y 2 O 3 —ZrO 2 or MgO—ZrO 2 on the anticorrosion coating, As with uncoated wings, repair is possible using the following method.
[0015]
When performing repair, first, based on the crystal growth orientation data of the gas turbine single crystal blade 1 (hereinafter, simply referred to as “wing”) that has been examined in advance, the direction in which the filler metal is laminated is shown in FIG. As shown in FIG. 2, a portion including a crack is cut and removed using a grinder so as to be in the [001] orientation which is the preferential crystal growth direction of the Ni-based alloy (see the chain line in FIG. 2). Form. That is, the direction of the
[0016]
Note that the crystal growth orientation data of the
[0017]
Next, the oil component on the surface of the
[0018]
Then, although the alloy powder is laminated on the
[0019]
FIG. 3 is a view showing the repair device, and
[0020]
Further, the repair device has a pair of base material heating torches 14 and one material
[0021]
Both torches 14 and 15 and the
[0022]
The
[0023]
In this example, the
[0024]
Next, the lamination process will be described.
[0025]
First, the
[0026]
Next, as shown in FIG. 2C, the vicinity of the
[0027]
In this process, the base
[0028]
In addition, FIG. 4 is a figure which shows typically the temperature gradient when not using the
[0029]
The stacking is continued until the stacked portion rises from the
[0030]
Next, hot isostatic pressing is performed to strengthen the bondability between the repaired part and the base material by laser and to adjust the alloy structure of the repaired part. The generated creep voids are crushed by applying high temperature and pressure.
[0031]
Next, the surface of the
[0032]
Next, solution heat treatment and aging heat treatment are performed to obtain an alloy structure in which a rectangular γ ′ phase is precipitated in the γ phase. This completes the repair work.
[0033]
As described above, according to this embodiment, since the temperature of the base material is controlled by the dedicated base
[0034]
In the above embodiment, the case where the crack portion of the gas turbine rotor blade is repaired has been described as an example, but the application of the method of the present invention is not limited to this, and repair of the crack portion of the gas turbine stationary blade, It is also possible to apply to repair of thinned parts due to oxidation and corrosion of moving blades.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to efficiently repair a gas turbine Ni-based single crystal blade while minimizing the possibility of generating grain boundaries and preventing weld cracking. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing damage that has occurred in a gas turbine rotor blade to be repaired.
FIG. 2 is a diagram showing a repair procedure.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a repair device.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a comparison of cases where the method of the present invention is not applied.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
損傷部位の近傍を除去する工程であって、除去した結果として現れる表面が結晶の優先成長方位である[001]方位を向くように除去する工程と、
除去部分に基材と同一あるいは類似組成の材料粉末を供給するとともに前記材料粉末を、加熱ビームを発生する材料粉末溶解用トーチを用いて溶解して、前記除去部分に積層させる工程と、を含むガスタービン翼の補修方法において、
前記材料粉末溶解用トーチに加えて前記材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチを用い、前記除去部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を前記[001]方位に近づけるように前記基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解することを特徴とする、ガスタービン翼の補修方法。A method for repairing a gas turbine blade made of a Ni-based single crystal superalloy,
A step of removing the vicinity of the damaged portion, the step of removing the surface appearing as a result of the removal so as to face the [001] orientation which is the preferential growth orientation of the crystal;
Supplying a material powder having the same or similar composition to the base material to the removal portion and melting the material powder using a material powder melting torch that generates a heating beam , and laminating the material powder on the removal portion. In the gas turbine blade repair method,
In addition to the material powder melting torch, a base material heating torch that generates a heating beam with a power density lower than that of the material powder melting torch is used, and the normal direction of the isotherm of the molten pool formed in the removed portion is determined. A method for repairing a gas turbine blade, wherein the material powder is melted by the material powder melting torch while being heated by the base material heating torch so as to approach the [001] direction .
除去した結果として現れる表面が結晶の優先成長方位である[001]方位を向くように損傷部位の近傍を除去したガスタービン翼を姿勢変化可能に保持する姿勢制御装置と、
溶加材としての材料粉末を供給する粉末供給装置と、
加熱ビームを発生する材料粉末溶解用トーチと、
前記材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチと、
前記ガスタービン翼の除去した部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を前記[001]方位に近づけるように前記基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解する制御を行なうコントローラと、を備えたことを特徴とするガスタービン翼の補修装置。An apparatus for repairing a gas turbine blade made of a Ni-based single crystal superalloy,
A posture control device for holding the gas turbine blade from which the vicinity of the damaged portion has been removed in such a manner that the posture can be changed so that the surface appearing as a result of the removal faces the [001] direction which is the preferential growth direction of the crystal ;
A powder supply device for supplying material powder as a filler material;
A material powder melting torch that generates a heating beam;
A substrate heating torch that generates a heating beam having a lower power density than the material powder melting torch;
While heating with the substrate heating torch so that the normal direction of the isotherm of the molten pool formed in the removed portion of the gas turbine blade is close to the [001] orientation, the material powder melting torch A gas turbine blade repairing apparatus, comprising: a controller for controlling the melting of the material powder .
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