(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予備焼結プリフォーム又は可撓性テープを部品にビームろう付けしてビームろう付け部分を形成するステップを含む、部品の製作方法であって、前記ろう付けがデフォーカス電子ビームにより実施される、方法。
【請求項２】
前記部品が、
約１４重量％のクロム、約９．５重量％のコバルト、約３．８重量％のタングステン、約１．５重量％のモリブデン、約４．９重量％のチタン、約３．０重量％のアルミニウム、約０．１重量％の炭素、約０．０１重量％のホウ素、約２．８重量％のタンタル及び残部のニッケル、
約９．７５重量％のクロム、約７．５重量％のコバルト、約３．５重量％のチタン、約４．２重量％のアルミニウム、約６．０重量％のタングステン、約１．５重量％のモリブデン、約４．８重量％のタンタル、約０．０８重量％の炭素、約０．００９重量％のジルコニウム、約０．００９重量％のホウ素及び残部のニッケル、
約７．５重量％のコバルト、約７．０重量％のクロム、約６．５重量％のタンタル、約６．２重量％のアルミニウム、約５．０重量％のタングステン、約３．０重量％のレニウム、約１．５重量％のモリブデン、約０．１５重量％のハフニウム、約０．０５重量％の炭素、約０．００４重量％のホウ素、約０．０１重量％のイットリウム及び残部のニッケル、
約９．７５重量％のクロム、約７．５重量％のコバルト、約４．２重量％のアルミニウム、約３．５重量％のチタン、約１．５重量％のモリブデン、約６．０重量％のタングステン、約４．８重量％のタンタル、約０．５重量％のニオブ、約０．１５重量％のハフニウム、約０．０５重量％の炭素、約０．００４重量％のホウ素及び残部のニッケル、
約８．３５重量％のクロム、約９．５重量％のコバルト、約５．５０重量％のアルミニウム、約０．７５重量％のチタン、約９．５０重量％のタングステン、約０．５０重量％のモリブデン、約３．０５重量％のタンタル、約０．０９重量％の炭素、約０．１５重量％のハフニウム及び残部のニッケル、並びに
約０．０６重量％の炭素、約９．８０重量％のクロム、約７．５重量％のコバルト、約１．５０重量％のモリブデン、約４．２０重量％のアルミニウム、約３．５０重量％のチタン、約４．８０重量％のタンタル、約６．００重量％のタングステン、約０．５０重量％のニオブ、約０．１５重量％のハフニウム、及び残部６２重量％のニッケル
からなる群から選択される組成物からなる基材を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ろう付けが予備焼結プリフォームのものであり、当該方法が、前記ビームろう付け部分を形成する前に前記部品の一部を準備するステップをさらに含んでいて、該準備ステップは、表面汚染物、施工されたコーティング材料、金属不純物、表面のむら、表面下材料変形及びこれらの組合せの１以上を除去するステップを含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ビームろう付けが予備焼結プリフォームのものであり、当該方法が、前記予備焼結プリフォームを予備焼結プリフォーム混合物から形成するステップをさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記予備焼結プリフォーム混合物が、
約２７．００〜約３０．００重量％のモリブデン、約１６．５０〜約１８．５０重量％のクロム、約１．５０重量％以下の鉄、約１．５０重量％以下のニッケル、約０．１５重量％以下の酸素、約０．０８重量％以下の炭素、約０．０３重量％以下のリン、約０．０３重量％以下の硫黄及び残部のコバルトの第１の組成、
約０．７０〜約１．００重量％の炭素、約２６．００〜約３０．００重量％のクロム、約１．００重量％のケイ素、約４．００〜約６．００重量％のニッケル、約３．００重量％の鉄、約１．２５重量％のバナジウム、約０．１０重量％のホウ素、約１８．００〜約２１．００重量％のタングステン及び残部のコバルトの第２の組成、
約２２．００〜約２４．７４重量％クロム、約９．００〜約１１．００重量％のニッケル、約６．５０〜約７．６０重量％のタングステン、約３．００〜約４．００重量％タンタル、約２．６０〜約３．１６重量％のホウ素、約０．５５〜約０．６５重量％の炭素、約０．３０〜約０．６０重量％ジルコニウム、約０．１５〜約０．３０重量％チタン、１．３０重量％以下の鉄、０．４０重量％以下のケイ素、０．１０重量％以下マンガン、０．２０重量％以下硫黄及び残部のコバルトの第３の組成、
約１７．００重量％のニッケル、約１９．００重量％クロム、約４．００重量％のタングステン、約０．４０重量％の炭素、約０．８０重量％のホウ素、約８．００重量％のケイ素及び残部のコバルトの第４の組成、及び
これらの組合せ
からなる群から選択される混合物を含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記ビームろう付けが予備焼結プリフォームのものであり、前記予備焼結プリフォーム混合物が表面硬化材料及びろう付け材料を含む、請求項４又は請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記ビームろう付けが予備焼結プリフォームのものであり、当該方法が、前記予備焼結プリフォームをビームろう付けする前に前記予備焼結プリフォームを配置するステップをさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記配置が、仮付け溶接を用いて前記予備焼結プリフォームを前記部品に付着させるステップを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記ビームろう付けが予備焼結プリフォームのものであり、前記予備焼結プリフォームが実質的に平面の幾何形状を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記ビームろう付けが予備焼結プリフォームのものであり、前記予備焼結プリフォームがテープ様幾何形状を含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記ビームろう付けが予備焼結プリフォームのものであり、前記ビームろう付けが、真空排気された電子ビーム溶接チャンバで実施される、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造部品並びに製造部品の製造方法に関する。より具体的には、本発明は、ビームろう付け部品及びビームろう付け部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、タービンブレードは、駆動シャフトに取り付けられた中央ハブに結合することができ、ブレードは、ハブ及びシャフトの軸線に対して半径方向に配置される。該ブレードは、回転エネルギーを与えてシャフトを回転させる翼形部を含むことができる。一部のガスタービンブレードは、翼形部の外側端にシュラウドを有する。ブレードシュラウドは、互いに近接して入れ子にされる。多くのタービンブレードシュラウドは、ノッチの形態で機械的インターロック機構部を有し、各ブレードを隣接するブレードとシュラウドにおいて物理的にインターロック可能にする。
【０００３】
機械的インターロック機構部において損耗を生じる可能性がある様々な機構がある。例えば、タービンの作動中、互いに及びハブに対して隣接するブレードの振動が存在する場合がある。前述のインターロック機構部は、作動中にブレード内に誘起される応力が軽減されるように、翼形部振動の軽減を可能にすることができる。インターロック機構部の厳密な寸法公差により、隣接するノッチが互いに摩擦すると、インターロック機構部の近傍で損耗が増加する可能性がある。
【０００４】
さらに、始動運転中、シュラウド、翼形部、及びハブ（並びに高温ガスと接する他の全ての部品）の温度は、各個々の部品内で及び他の隣接する部品に対して変化し、タービンが運転速度まで加速されると、ブレード及びシュラウドは、ノッチが互いに接触することがあり、インターロックされた状態を達成するように捻れる可能性がある。また、停止中、部品の温度変化は、始動及びタービン減速に伴う変化とは実質的に反対になり、その結果、ノッチが互いに接触せず且つ非インターロック状態を達成するようにブレード及びシュラウドが捻れる可能性がある。
【０００５】
多くのシュラウド材料は、接触及び摩擦の長期にわたる累積的な作用に耐性を持つ表面耐損耗特性を有する。上記の欠点の１以上を生じない部品及びその部品の製造方法が当該技術分野で望ましいものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７７７５４１４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
例示的な実施形態では、部品の製造方法は、予備焼結プリフォーム又は可撓性テープをビームろう付けしてビームろう付け部分を形成するステップを含む。
【０００８】
別の例示的な実施形態では、部品の製造方法は、焼結プリフォームを受けるために部品の少なくとも一部を準備するステップと、予備焼結プリフォームを形成するステップと、部品上に焼結プリフォームを配置するステップと、焼結プリフォームを部品の少なくとも一部にビームろう付けするステップと、を含む。
【０００９】
別の例示的な実施形態では、部品は、非ろう付け部分と、予備焼結プリフォームにより形成されたビームろう付け部分とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な燃焼タービンの一部の斜視図。
【図２】図１に示す領域２の平面図。
【図３】本開示による電子ビームろう付け部品を製作する例示的な方法のフローチャート。
【図４】本開示による電子ビームろう付け部品の拡大平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
例示的なビームろう付け部品及びビームろう付け部品を製作する例示的な方法が提供される。本開示の実施形態は、接触及び摩耗の長期にわたる累積作用を軽減し、部品の捻れ及び振動から生じる保守管理の運転停止及び補修を防ぎ、耐損耗性及び／又は硬度の向上、損耗に対する脆弱性の低減、及びこれらの組合せを含む。
【００１２】
ビームろう付け部品は、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）により形成される好適な部品である。好適な部品は、ガスタービン部品（例えば、シュラウド上の表面、ブレード又はバケット表面、インターロック機構部、又は硬化表面）その他の好適な金属又は金属複合材部品を含む。
【００１３】
図１は、電子ビームろう付け及び／又はレーザビームろう付けを行うのに好適な部品又は部品の一部を含む、燃焼タービン１００のセクションの斜視図である。例えば、タービン１００は、ハブ１０４に結合された複数のタービンブレード１０２を有する。ハブ１０４は、タービンシャフト（図示せず）に結合される。ブレード１０２は、対応する翼形部１０６と、該翼形部１０６に固定結合された対応するタービンブレードシュラウド１０８とを含む。シュラウド１０８は、対応した２つの対向するインターロック機構部１１０を有する。突起１１２は、ブレード１０２の結合を可能にし、円周方向の移動及び振動を低減又は排除する。符号２で示す図１の破線で囲まれた部分を図２に示す。図２は、燃焼タービン１００で用いることができる表面硬化をしていないシュラウド１０８の平面図である。シュラウド１０８は、各端部上にインターロック機構部１１０を備えて示される。インターロック機構部１１０は、嵌合面１１４を有する。
【００１４】
部品は、例えば、超合金材料から形成される基材を含む。一実施形態では、基材は、約１４重量％のクロム、約９．５重量％のコバルト、約３．８重量％のタングステン、約１．５重量％のモリブデン、約４．９重量％のチタン、約３．０重量％のアルミニウム、約０．１重量％の炭素、約０．０１重量％のホウ素、約２．８重量％のタンタル及び残部のニッケルの組成を有する。一実施形態では、基材は、約９．７５重量％のクロム、約７．５重量％のコバルト、約３．５重量％のチタン、約４．２重量％のアルミニウム、約６．０重量％のタングステン、約１．５重量％のモリブデン、約４．８重量％のタンタル、約０．０８重量％の炭素、約０．００９重量％のジルコニウム、約０．００９重量％のホウ素及び残部のニッケルの組成を有する。一実施形態では、基材は、約７．５重量％のコバルト、約７．０重量％のクロム、約６．５重量％のタンタル、約６．２重量％のアルミニウム、約５．０重量％のタングステン、約３．０重量％のレニウム、約１．５重量％のモリブデン、約０．１５重量％のハフニウム、約０．０５重量％の炭素、約０．００４重量％のホウ素、約０．０１重量％のイットリウム及び残部のニッケルの組成を有する。一実施形態では、基材は、約９．７５重量％のクロム、約７．５重量％のコバルト、約４．２重量％のアルミニウム、約３．５重量％のチタン、約１．５重量％のモリブデン、約６．０重量％のタングステン、約４．８重量％のタンタル、約０．５重量％のニオブ、約０．１５重量％のハフニウム、約０．０５重量％の炭素、約０．００４重量％のホウ素及び残部のニッケルの組成を有する。一実施形態では、基材は、約８．３５重量％のクロム、約９．５重量％のコバルト、約５．５０重量％のアルミニウム、約０．７５重量％のチタン、約９．５０重量％のタングステン、約０．５０重量％のモリブデン、約３．０５重量％のタンタル、約０．０９重量％の炭素、約０．１５重量％のハフニウム及び残部のニッケルの組成を有する。一実施形態では、基材は、約０．０６重量％の炭素、約９．８０重量％のクロム、約７．５重量％のコバルト、約１．５０重量％のモリブデン、約４．２０重量％のアルミニウム、約３．５０重量％のチタン、約４．８０重量％のタンタル、約６．００重量％のタングステン、約０．５０重量％のニオブ、約０．１５重量％のハフニウム、及び残部６２重量％のニッケルの組成を有する。
【００１５】
一実施形態では、基材は、例えば、ガスタービンにおける高温ガス経路の温度のような高温でクリープ耐性を有する超合金を含む。例えば、一実施形態では、基材の第１の部分は、第１の／高い温度（例えば、約１０００°Ｆ、約１２５０°Ｆ、約１５００°Ｆ、約２０００°Ｆ、又は約３０００°Ｆ）を上回るクリープ強度を維持し、基材の第２の部分は、第２の／低い温度（例えば、８００〜１２５０°Ｆ、約８００°Ｆ、約１０００°Ｆ、約１２５０°Ｆ、約１５００°Ｆ、又は約２０００°Ｆ）を上回る耐熱性がある。一実施形態では、例えば、誘導加熱器（図示せず）により追加の加熱が提供される。
【００１６】
図３は、ビームろう付け部品を作製するための例示的な方法２００の概略図である。本方法のステップ２０２は、部品の一部（例えば、インターロック機構部１１０の図２に示す表面１１４）を準備するステップを含む。ステップ２０２の準備ステップは、特に限定されないが、遊離性表面汚染物の除去、施工されたコーティング材料の除去、金属不純物（例えば、酸化した表面層）の除去、表面のむらの除去、又はこれらの組合せを含む、好適なサブステップを含む。一実施形態では、ステップ２０２の準備ステップは、中性洗剤、軽い研磨材、及び軽度の機械加工を用いることを含む。別の実施形態では、ステップ２０２は、特に限定されないが、表面下材料変形の除去、機械加工による表面むらの軽減、これらの組合せを含む、追加の準備サブステップを含む。
【００１７】
本方法のステップ２０８は、ビームろう付けすべき部品又は部品の一部（例えば、インターロック機構部１１０）上にプリフォーム４０２（例えば、焼結プリフォーム、又は第１及び第２の予備焼結プリフォーム）を位置付けるステップを含む。一実施形態では、ビームろう付けすべき部品の一部は、所定温度（例えば、約２１００〜約２２２５°Ｆ）まで加熱される。図４に示すように、一実施形態では、部品は、結合表面硬化プリフォーム４０２を備えたシュラウド１０８である。プリフォーム４０２は、少なくとも１つの離散的仮付け溶接４０４によりインターロック機構部１１０の嵌合面１１４上の所定位置に保持される。一実施形態では、２つの仮付け溶接４０４は、プリフォーム４０２の表面１１４への付着を可能にするのに使用される。
【００１８】
一実施形態では、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）は、約２７．００〜約３０．００重量％のモリブデン、約１６．５０〜約１８．５０重量％のクロム、約１．５０重量％以下の鉄、約１．５０重量％以下のニッケル、約０．１５重量％以下の酸素、約０．０８重量％以下の炭素、約０．０３重量％以下のリン、約０．０３重量％以下の硫黄及び残部のコバルトの組成を有する。一実施形態では、ＰＳＰは、約０．７０〜約１．００重量％の炭素、約２６．００〜約３０．００重量％のクロム、約１．００重量％のケイ素、約４．００〜約６．００重量％のニッケル、約３．００重量％の鉄、約１．２５重量％のバナジウム、約０．１０重量％のホウ素、約１８．００〜約２１．００重量％のタングステン及び残部のコバルトの組成を有する。一実施形態では、ＰＳＰは、約２２．００〜約２４．７４重量％クロム、約９．００〜約１１．００重量％のニッケル、約６．５０〜約７．６０重量％のタングステン、約３．００〜約４．００重量％タンタル、約２．６０〜約３．１６重量％のホウ素、約０．５５〜約０．６５重量％の炭素、約０．３０〜約０．６０重量％ジルコニウム、約０．１５〜約０．３０重量％チタン、１．３０重量％以下の鉄、０．４０重量％以下のケイ素、０．１０重量％以下マンガン、０．２０重量％以下硫黄及び残部のコバルトの組成を有する。一実施形態では、ＰＳＰは、約１７．００重量％のニッケル、約１９．００重量％クロム、約４．００重量％のタングステン、約０．４０重量％の炭素、約０．８０重量％のホウ素、約８．００重量％のケイ素及び残部のコバルトの組成を有する。
【００１９】
別の実施形態では、組成は、例えば、約８０％の第１の組成と約２０％の第２の組成、約６０％の第１の組成と約４０％の第２の組成、約５０％の第１の組成と約５０％の第２の組成、又は所望の特性を与えるように選択された他の好適な組成など、１以上の組成の組合せを含む。
【００２０】
ＰＳＰは、好適な所定の幾何形状又は対応する複数の幾何形状である。好適な幾何形状には、実質的に平面の幾何形状（例えば、平坦プレート）、テープ様幾何形状（例えば、ロール可能な可撓性テープ、機械的力なしで直角に曲げることができる可撓性テープ、又は所定の長さを有する可撓性テープ）、実質的に一定の厚さの幾何形状（例えば、約０．０３０インチ、約０．１６０インチ、又は約０．０２０〜約０．０８０インチ）、剛直テープ、変化する厚さの幾何形状（例えば、第１の領域が約０．０１０インチの厚さを有し、第２の領域が約０．０２０インチの厚さを有し、或いは、第１の領域が約０．０２０インチの厚さを有し、第２の領域が約０．０３０インチの厚さを有する）、又はこれらの組合せが挙げられる。第１のＰＳＰ及び第２のＰＳＰを有する一実施形態では、第１のＰＳＰ及び第２のＰＳＰは、実質的に同一の幾何形状を含む。別の実施形態では、第１のＰＳＰ及び第２のＰＳＰは、異なる幾何形状（例えば、第２のＰＳＰの薄い領域に対して、第１のＰＳＰが厚い領域を有する）を有する。
【００２１】
一実施形態では、ＰＳＰに加えて、又はこれの代替として、可撓性テープが使用される。可撓性テープは、バインダーと共に第１の組成物を第２の組成物と組合せ、次いで、混合物を圧延しテープ様又はロープ様構造物を形成することにより形成される。可撓性テープは、複数の幾何形状に曲げることができ、例えば、約０．０２０〜約０．１２５インチの所定の厚さを含み、所定の長さに切断することができる。
【００２２】
本方法のステップ２１０は、部品又は部品の一部をビームろう付けする（例えば、プリフォーム４０２を嵌合面１１４にビームろう付けする）ステップを含む。一実施形態では、ステップ２１０のビームろう付けステップは、加熱サイクルサブステップと、冷却サイクルサブステップとを含む。加熱サイクルサブステップは、インターロック機構部１１０に仮付け溶接されたプリフォーム４０２を用いて、シュラウド１０８を所定温度（例えば、室温又は約７０℃）で電子ビーム溶接チャンバ（図示せず）内に載置するステップを含む。ろう付けプロセスを促進するために、電子ビーム溶接チャンバ内の非酸化雰囲気が提供される（例えば、電子ビーム溶接チャンバを真空排気することにより）。一実施形態では、真空排気電子ビーム溶接チャンバは、所定の圧力（例えば、０．０６７Ｐａ以下）にまで真空排気される。
【００２３】
部品の一部は、例えば、ビームが燃焼タービン部品１００の所定領域にわたって熱を拡散するように選択的に位置付けられ又は発振される、デフォーカス電子ビームによって所定速度（例えば、約２５０°Ｆ／分）で電子ビームにより局所的に加熱される。所定領域は、部品の一部上の所定経路によって定めることができる。一実施形態では、デフォーカス電子ビームは、所定領域の実質的に均一な加熱を提供する。加えて、或いは代替として、一実施形態では、デフォーカス電子ビームは、電子ビーム溶接に使用できる集束電子ビームと比べて偏向を増大させることにより形成される。所定温度に達すると、所定温度は、所定の時間期間（例えば、約２分と約５分の間）の間維持され、所定領域は、デフォーカス電子ビームによりろう付け温度まで順次的に加熱される。一実施形態では、所定領域は、所定速度（例えば、２５０°Ｆ／分）で高温（例えば、約１８００°Ｆ）まで上昇し、所定期間（例えば、５分）の間維持される。この実施形態では、所定領域は、次にろう付け温度（例えば、約２２００〜２２２５°Ｆ）まで所定速度（例えば、３５０°Ｆ／分）で上昇され、所定時間期間（例えば、５分）の間維持される。
【００２４】
本方法のステップ２１２は、ビームろう付け部品又は部品のビームろう付け部分を含む。例えば、軽度の機械加工（例えば、図４に示す表面硬化プリフォーム４０２の）は、表面むらを軽減し、所定寸法（例えば、図４に示す嵌合面１１４の寸法と実質的に同様の表面硬化寸法）を得るために実施することができる。
【００２５】
例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は、当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実行するために企図される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、本発明は請求項の範囲に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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