(57)【要約】      （修正有）【課題】補修された動翼をガスタービン等の回転機械に適用しても問題なく使用することができる動翼の補修方法を提供する。【解決手段】チップシュラウドの外側表面に立設されたフィン８ａを補修する動翼の補修方法であって、フィンの表面に、Ａｌを３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、Ｔｉを２ｗｔ％以上３．５ｗｔ％以下含む耐熱超合金の粉体を供給しながら、レーザー装置９を用いて粉体肉盛を実施して、損傷したフィンを補修するようにした。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップシュラウドの外側表面に立設されたフィンを補修する動翼の補修方法であって、
前記フィンの表面に、Ａｌを３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、Ｔｉを２ｗｔ％以上３．５ｗｔ％以下含む耐熱超合金の粉体を吹き付けながら、レーザー装置を用いて粉体肉盛を実施して、損傷した前記フィンを補修することを特徴とする動翼の補修方法。
【請求項２】
前記レーザー装置のレーザーヘッドから前記フィンの補修部に向けて、同一面上または同一線上に均一な熱源を形成するレーザー光が出射されることを特徴とする請求項１に記載の動翼の補修方法。
【請求項３】
前記フィンの補修部およびその周辺を、９００℃以上１１００℃以下の高温で予熱しながら実施することを特徴とする請求項１または２に記載の動翼の補修方法。
【請求項４】
前記レーザー装置のレーザーヘッドを、マニピュレータを用いて自動的に移動させるようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の動翼の補修方法。
【請求項５】
前記粉体肉盛による多層溶接の途中で、溶体化熱処理を実施することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の動翼の補修方法。
【請求項６】
前記溶体化熱処理を実施する前に、溶接部熱影響部を含めた前記フィンの補修部にピーニング処理を実施することを特徴とする請求項５に記載の動翼の補修方法。
【請求項７】
前記チップシュラウドの外側表面に、予めセラミックコーティングを施しておくことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の動翼の補修方法。
【請求項８】
前記粉体肉盛終了後、前記フィンの補修部およびその周辺を１１００℃に再度加熱し、その状態で１５分間保持した後、毎分１０℃以下の速度で、８００℃まで徐冷することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の動翼の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン等に適用される動翼の補修方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンに適用される動翼には、その外側に位置する静止部品との隙間を極力小さくして、燃焼ガスのガス漏れを極力抑えるためのフィンを先端部に備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３０６７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このフィンと、このフィンの外側に位置する静止部品との隙間は、ガスタービン運転時における静止部品側（ケーシング側）の変形や、遠心力による動翼の伸び等によってさらに小さくなることがあり、この場合には、フィンと静止部品とが接触し、フィンおよび静止部品が接触摩耗による損傷を受けることがある。そして、動翼側の損傷は、その大半がフィンのみに生じるものであり、フィンのみの損傷で動翼を新しい物と交換し、フィンのみが損傷した動翼を廃棄してしまうのは、経済的観点および環境保護の観点から好ましくない。
また、従来の補修方法では、施工中に補修部に割れ（亀裂）が生じて上手く補修できなかったり、あるいは見かけ上は上手く補修できても補修部の強度が足りないため、高速で回転するガスタービン等の回転機械には使用できないといった問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、補修された動翼をガスタービン等の回転機械に適用しても問題なく使用することができる動翼の補修方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る動翼の補修方法は、チップシュラウドの外側表面に立設されたフィンを補修する動翼の補修方法であって、前記フィンの表面に、Ａｌを３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、Ｔｉを２ｗｔ％以上３．５ｗｔ％以下含む耐熱超合金の粉体を供給しながら、レーザー装置を用いて粉体肉盛を実施して、損傷した前記フィンを補修するようにした。
【０００７】
本発明に係る動翼の補修方法によれば、補修された補修部が、ガスタービン等の回転機械の回転に耐え得る十分な強度を有することとなるので、補修された動翼をガスタービン等の回転機械に問題なく使用することができる。
また、フィンのみが損傷した動翼は、補修後、ガスタービン等の回転機械に再利用されて、新しい動翼への交換頻度が大幅に減少することとなるので、ランニングコストを大幅に低減させることができる。
【０００８】
上記動翼の補修方法において、前記レーザー装置のレーザーヘッドから前記フィンの補修部に向けて、同一面上または同一線上に均一な熱源を形成するレーザー光が出射されるようにするとさらに好適である。
【０００９】
このような動翼の補修方法によれば、レーザー光が補修部の一点に集中することが回避され、補修部が面状または線状に加熱されることになるので、レーザー光が当たっている（照射されている）領域と、その他の領域との温度勾配（温度差）を極力小さくすることができ、熱応力の発生を極小化させることができて、補修部の強度をさらに向上させることができる。
【００１０】
上記動翼の補修方法において、前記フィンの補修部およびその周辺を、９００℃以上１１００℃以下の高温で予熱しながら実施するとさらに好適である。
【００１１】
このような動翼の補修方法によれば、レーザー光が当たっている（照射されている）領域と、その他の領域との温度勾配（温度差）をさらに小さくすることができ、熱応力の発生をさらに低減させることができて、補修部の強度をさらに向上させることができる。
【００１２】
上記動翼の補修方法において、前記レーザー装置のレーザーヘッドを、マニピュレータを用いて自動的に移動させるようにするとさらに好適である。
【００１３】
このような動翼の補修方法によれば、溶接作業が機械的、かつ、自動的に行われることとなるので、施工のバラツキおよび強度のバラツキをなくすことができる。
【００１４】
上記動翼の補修方法において、前記粉体肉盛による多層溶接の途中で、溶体化熱処理を実施するとさらに好適である。
【００１５】
このような動翼の補修方法によれば、補修部の下層の残留応力を除去することができて、補修部の割れを防止することができ、補修部の健全化を図ることができる。
【００１６】
上記動翼の補修方法において、前記溶体化熱処理を実施する前に、溶接部熱影響部を含めた前記フィンの補修部にピーニング処理を実施するとさらに好適である。
【００１７】
このような動翼の補修方法によれば、溶接部熱影響部を含めた補修部の表面に圧縮応力を残すことができて、熱処理時の再熱割れを防止することができ、補修部の健全化を図ることができる。
【００１８】
上記動翼の補修方法において、前記チップシュラウドの外側表面に、予めセラミックコーティングを施しておくとさらに好適である。ここでのセラミックコーティングは、溶射法によるものでも良いし、単純なスプレー法（離型剤（ＢＮ  ボロンナイトライド）のスプレー塗布等）によるものでも良い。
【００１９】
このような動翼の補修方法によれば、チップシュラウドの外側表面が熱から保護されることとなるので、補修部の周縁からチップシュラウドの外側表面に漏れたレーザー光により、チップシュラウドの外側表面に割れが生じるのを防止することができる。
【００２０】
上記動翼の補修方法において、前記粉体肉盛終了後、前記フィンの補修部およびその周辺を１１００℃に再度加熱し、その状態で１５分間保持した後、毎分１０℃以下の速度で、８００℃まで徐冷するようにするとさらに好適である。
【００２１】
このような動翼の補修方法によれば、補修部全体の残留応力が除去されることとなるので、補修部の割れを防止することができ、補修部の健全化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る動翼の補修方法によれば、補修された動翼をガスタービン等の回転機械に適用しても問題なく使用することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ガスタービンの構造例を示す断面図である。
【図２】ガスタービンに適用される動翼の構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は先端部の側面図である。
【図３】本発明に係る動翼の補修方法の概要を説明するための図である。
【図４】室温での引張強度を比較した図表である。
【図５】６２５℃での引張強度を比較した図表である。
【図６】８５０℃での引張強度を比較した図表である。
【図７】バレストレイン試験の結果を示す図表である。
【図８】本発明に係る動翼の補修方法に適用して好適なレーザー光の形状を示す図である。
【図９】本発明に係る動翼の補修方法に適用して好適なレーザー光の移動経路（軌跡）を示す図であって、（ａ）は上方から見た図、（ｂ）は側方から見た図である。
【図１０】本発明に係る動翼の補修方法に適用して好適なレーザー光の移動経路（軌跡）を示す図であって、（ａ）は上方から見た図、（ｂ）は側方から見た図である。
【図１１】本発明に係る動翼の補修方法に適用して好適な肉盛部の積層過程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態に係る動翼の補修方法について、図１から図１１を参照しながら説明する。
図１に示すように、動翼１は、例えば、燃焼用空気を圧縮する圧縮部（図示せず）と、この圧縮部から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼部２と、この燃焼部２の下流側に位置し、燃焼部２を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部３とを備えたガスタービン４に適用されるものである。また、図１中の符号５はケーシングであり、符号６はディスクである。そして、燃焼部２から送られてくる燃焼ガスによって、ディスク６に取り付けられた動翼１が高速回転するようになっている。
なお、図１中の白抜き矢印は、燃焼ガスを示している。
【００２５】
図２に示すように、動翼（「ガスタービン動翼」ともいう。）１は、ディスク６に埋め込まれる根元部と反対側の先端部（チップ部）に、チップシュラウド７を備えたチップシュラウド付き動翼である。チップシュラウド７の外側（チップ側）表面には、ケーシング５との隙間を流れる燃焼ガスを極力抑制する（少なくする）ためのフィン８が外側に向かって設けられており、このフィン８が、本発明に係る動翼の補修方法によって補修されることになる。
【００２６】
ガスタービン４のタービン部３に適用される動翼１は、高温の燃焼ガスに曝されることになる。そのため、ガスタービン４のタービン部３に適用される動翼１は、インコネル（登録商標）７３８ＬＣ（以下、「ＩＮ７３８ＬＣ」という。）等で代表される、Ｎｉ基超合金で作られている（できている）。
【００２７】
つぎに、図３を用いて本発明に係る動翼の補修方法の概要を説明する。
図３に示すように、本発明に係る動翼の補修方法は、まず、肉盛材となる材料（溶材）を選定し、つぎに、予熱を含めた施工法および施工条件を選定する。
つづいて、安定性および再現性等の施工性を確認し、その他の背反事象を排除できるか否かを検討する。
そして、フィン８の損傷部分が、選択された材料、施工法および施工条件によって許容欠陥以内の欠陥発生状態で補修可能か否かを検討し、フィン８の損傷部分が、選択された材料、施工法および施工条件では許容欠陥内では補修できないと判断された場合には、上記材料の選択から補修方法を再検討し、フィン８の損傷部分が、上記材料、施工法および施工条件により補修できると判断された場合には、その補修方法により補修された部分が、要求される強度を有しているか否かを検討する。その結果、要求される強度を有していないと判断された場合には、上記材料の選択から補修方法を再検討し、要求される強度を有していると判断された場合には、その補修方法によりフィン８の損傷部分が補修されることになる（その補修方法が採用されることになる）。
【００２８】
肉盛材となる材料として、ＡｌおよびＴｉの含有量が少ない材料（Ａｌを０．１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｔｉを０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下含む耐熱超合金（例えば、インコネル（登録商標）６２５（以下、「ＩＮ６２５」という。））を選択すると、溶接し易いというメリットがある。
一方、このような材料（例えば、ＩＮ６２５）は、図４に示すように、室温（常温）では、Ａｌを３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、Ｔｉを２ｗｔ％以上３．５ｗｔ％以下含む耐熱超合金（例えば、特許第３９５７２６１号材、ＩＮ７３８ＬＣ）とさほど変わりのない引張強度を有しているが、図５および図６に示すように、高温における引張強度が、Ａｌを３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、Ｔｉを２ｗｔ％以上３．５ｗｔ％以下含む耐熱超合金（例えば、特許第３９５７２６１号材、ＩＮ７３８ＬＣ）に比べてかなり低い（劣る）というデメリットがある。そのため、ＡｌおよびＴｉの含有量が少ない材料（Ａｌを０．１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｔｉを０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下含む耐熱超合金（例えば、ＩＮ６２５））を肉盛材として選択するのは、強度の観点ではベストの選択とは言えない。
【００２９】
そこで、溶接し難いが高温における引張強度が高い（に優れた）、Ａｌを３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、Ｔｉを２ｗｔ％以上３．５ｗｔ％以下含む耐熱超合金（例えば、特許第３９５７２６１号材、ＩＮ７３８ＬＣ）を肉盛材として選択することになる。
ここで、Ａｌを３ｗｔ％程度、Ｔｉを２ｗｔ％程度含む特許第３９５７２６１号材と、Ａｌを３．５ｗｔ％程度、Ｔｉを３．３ｗｔ％程度含むＩＮ７３８ＬＣとでは、特許第３９５７２６１号材の方が、ＡｌおよびＴｉの含有量が少ないため、ＩＮ７３８ＬＣに比べて溶接し易く、かつ、図７に示すように、バレストレイン試験の結果もＩＮ７３８ＬＣに比べて非常に良好であるため、肉盛材としてより適している（好ましい）といえる。
【００３０】
つぎに、施工法としては、フィン８の損傷部分およびその周辺を、９００℃以上１１００℃以下の高温（動翼１を形成する母材の融点に近い温度で、かつ、動翼１を形成する母材の融点よりも低い温度）で予熱しながら、図８に示すような矩形状（本実施形態では正方形状）に均一なレーザー光（ビーム：熱源）を形成するレーザー装置を用いて粉体肉盛を実施し、粉体肉盛終了後、肉盛部（補修部）およびその周辺を１１００℃に再度加熱して、その状態で１５分間保持した後、毎分１０℃以下の速度で、８００℃まで徐冷する方法が適している（好ましい）。
一方、レーザーを用いた粉体肉盛の施工条件としては、レーザーの入力パワーを５００Ｗ以下、レーザーの移動速度を毎分０．１５ｍ以下、レーザー光の一辺の長さを２ｍｍ（図８参照）とし、粉末状にした材料の供給量を毎分５ｇ以下とすることが好ましい。
【００３１】
ここで、レーザー光は、再現性の観点からマニピュレータを用いて自動的に移動させるのが好ましく、手動で移動させるのは再現性がなく好ましくない。
また、レーザー光は、例えば、図９または図１０に示す軌跡を描くように移動させる（すなわち、損傷したフィン８ａの一側縁から他側縁までオシレートさせながら長手方向に移動させる）のが好ましい。
なお、図９および図１０中の符号９はレーザーヘッド、符号１０はレーザー光である。
【００３２】
さらに、肉盛部は、図１１に示すように、一層目の上に二層目を、二層目の上に三層目を積み上げていく多層溶接が好ましく、積層の途中で（例えば、三層目の上に四層目を積み上げる前に）残留応力を除去するための溶体化熱処理（例えば、１１２０℃で４．５時間加熱する熱処理）を実施するとさらに好ましい。
なお、溶体化熱処理を実施する前に、熱処理時の再熱割れを防止するため、溶接部熱影響部（ＨＡＺ部）を含めた肉盛部にピーニング処理（表面に圧縮応力を残すための処理）を実施しておくとさらに好適である。
【００３３】
さらにまた、肉盛部の周縁からチップシュラウド７の外側表面に漏れたレーザー光により、チップシュラウド７の外側表面に割れが生じるのを防止するため、チップシュラウド７の外側表面にセラミックコーティング（例えば、サーマルバリアコーティング（thermal barrier coating）：遮熱コーティングのトップコートだけ）を施しておくのが好ましい。ここでのセラミックコーティングは、溶射法によるものでも良いし、単純なスプレー法によるものでも良い。
【００３４】
そして、肉盛部が所望（所定）の高さまで積層されたら、図１１中の右側の図に破線で示す部分が残るように肉盛部を放電加工等により削り、補修作業を終了する。
【００３５】
本実施形態に係る動翼の補修方法によれば、損傷したフィン８ａの表面に、Ａｌを３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、Ｔｉを２ｗｔ％以上３．５ｗｔ％以下含む耐熱超合金の粉体を供給しながら、レーザー装置を用いて粉体肉盛を実施して、損傷したフィン８ａを補修するようにしている。
これにより、補修された補修部が、ガスタービンの回転に耐え得る十分な強度を有することとなるので、補修された動翼をガスタービンに問題なく使用することができる。
また、フィン８のみが損傷した動翼は、補修後、ガスタービンに再利用されて、新しい動翼への交換頻度が大幅に減少することとなるので、ランニングコストを大幅に低減させることができる。
【００３６】
さらに、レーザー装置のレーザーヘッド９から損傷したフィン８ａの表面に向けて、矩形状（同一面上）に均一な熱源を形成するレーザー光が出射されるようにしている。
これにより、レーザー光が補修部の一点に集中することが回避され、補修部が面状に加熱されることになるので、レーザー光が当たっている（照射されている）領域と、その他の領域との温度勾配（温度差）を極力小さくすることができ、熱応力の発生を極小化させることができて、補修部の強度をさらに向上させることができる。
【００３７】
さらにまた、フィンの補修部およびその周辺を、９００℃以上１１００℃以下の高温で予熱しながら実施するようにしている。
これにより、レーザー光が当たっている（照射されている）領域と、その他の領域との温度勾配（温度差）をさらに小さくすることができ、熱応力の発生をさらに低減させることができて、補修部の強度をさらに向上させることができる。
【００３８】
さらにまた、レーザー装置のレーザーヘッド９を、マニピュレータを用いて自動的に移動させるようにしている。
これにより、溶接作業が機械的、かつ、自動的に行われることとなるので、施工のバラツキおよび強度のバラツキをなくすことができる。
【００３９】
さらにまた、粉体肉盛による多層溶接の途中で、溶体化熱処理を実施するようにしている。
これにより、補修部の下層の残留応力を除去することができて、補修部の割れを防止することができ、補修部の健全化を図ることができる。
【００４０】
さらにまた、溶体化熱処理を実施する前に、溶接部熱影響部を含めたフィンの補修部にピーニング処理を実施するようにしている。
これにより、溶接部熱影響部を含めた補修部の表面に圧縮応力を残すことができて、熱処理時の再熱割れを防止することができ、補修部の健全化を図ることができる。
【００４１】
さらにまた、チップシュラウド７の外側表面に、予めセラミックコーティングを施しておくようにしている。ここでのセラミックコーティングは、溶射法によるものでも良いし、単純なスプレー法によるものでも良い。
これにより、チップシュラウド７の外側表面が熱から保護されることとなるので、補修部の周縁からチップシュラウド７の外側表面に漏れたレーザー光により、チップシュラウド７の外側表面に割れが生じるのを防止することができる。
【００４２】
さらにまた、粉体肉盛終了後、フィンの補修部およびその周辺を１１００℃に再度加熱し、その状態で１５分間保持した後、毎分１０℃以下の速度で、８００℃まで徐冷するようにしている。
これにより、補修部全体の残留応力が除去されることとなるので、補修部の割れを防止することができ、補修部の健全化を図ることができる。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
また、本発明に係る動翼の補修方法は、ガスタービンに搭載されるガスタービン動翼のみに適用され得るものではなく、その他の回転機械（蒸気タービン、排気タービン過給機等）に搭載される動翼にも適用され得る。
【符号の説明】
【００４４】
１  動翼
７  チップシュラウド
８  フィン
９  レーザーヘッド
１０  レーザー光
【図１】
2010203258.tif 000003
【図２】
2010203258.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010203258.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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