(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温環境への曝露により熱脆化した合金鋼部品の一部分をアニールするための合金鋼部品の熱処理システム（１０）であって、
ａ）第一エンクロージャ（１４）と、
ｂ）第一エンクロージャ（１４）に対向しており、第一エンクロージャと共に合金鋼部品の前記部分だけの周囲にチャンバ（２２）を画成する第二エンクロージャ（１６）と、
ｃ）チャンバ（２２）内に配置された合金鋼部品の前記部分を加熱する発熱体（４２）と、
ｄ）第一エンクロージャ（１４）及び第二エンクロージャ（１６）の少なくとも一方を貫通する１以上の排出部（３８）と、
ｅ）第一エンクロージャ（１４）及び第二エンクロージャ（１６）の少なくとも一方に連結した真空ポンプ（３４）と
を備える、合金鋼部品の熱処理システム（１０）。
【請求項２】
さらに、第一エンクロージャ（１４）及び第二エンクロージャ（１６）の少なくとも一方に連結した不活性ガスの供給部（２８）を備える、請求項１記載の合金鋼部品の熱処理システム（１０）。
【請求項３】
さらに、第一エンクロージャ（１４）及び第二エンクロージャ（１６）の少なくとも一方を貫通する１以上のポート（２６）を備える、請求項１又は請求項２記載の合金鋼部品の熱処理システム（１０）。
【請求項４】
前記発熱体（４２）が誘導コイルである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の合金鋼部品の熱処理システム（１０）。
【請求項５】
高温環境への曝露により熱脆化した合金鋼部品の一部分をアニールするために請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の合金鋼部品の熱処理システム（１０）を用いて合金鋼部品を熱処理する方法であって、
ａ）合金鋼部品の第一側面（５０）に対して前記第一エンクロージャ（１４）を配置する工程と、
ｂ）合金鋼部品の第二側面（５０）に対して前記第二エンクロージャ（１６）を配置する工程と、
ｃ）第一エンクロージャ（１４）と第二エンクロージャ（１６）の間かつ合金鋼部品の前記部分だけの周囲に気密チャンバ（２２）を形成する工程と、
ｄ）気密チャンバ（２２）内にある合金鋼部品の前記部分を加熱する工程と、
ｅ）前記排出部（３８）を介して気密チャンバ（２２）から周囲空気又はガスを排出又はパージする工程と、
ｇ）気密チャンバ（２２）内を真空にする工程と
を含む方法。
【請求項６】
さらに、気密チャンバ（２２）内に誘導コイル（４２）を挿入する工程を含む、請求項５記載の合金鋼部品の熱処理方法。
【請求項７】
さらに、気密チャンバ（２２）を５００°Ｆ／ｈ（２８０℃／ｈ）以上の加熱速度で１０００°Ｆ（５４０℃）以上に加熱する工程を含む、請求項５又は請求項６記載の合金鋼部品の熱処理方法。
【請求項８】
さらに、気密チャンバ（２２）内に不活性ガス（２８）を流す工程を含む、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載の合金鋼部品の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、合金鋼部品をアニールするシステム及び方法に関する。特に、本発明は合金鋼部品の一部分を熱処理するシステム及び方法を説明し、実現する。
【背景技術】
【０００２】
合金鋼は、鉄と５０重量％以下の合金元素、例えば、ニッケル、クロム、モリブデン、マンガン、バナジウム、ケイ素及びホウ素との組合せである。合金鋼は、炭素鋼に比べ、強度、硬さ、高温硬さ、耐摩耗性、焼入性及び／又は靭性に優れる。合金鋼はさらに、合金元素の添加量によって特徴づけられ、通例、合金元素が２重量％未満〜４重量％である低合金鋼と、合金元素が４重量％超である高合金鋼とがある。
【０００３】
商業用途に用いられる合金鋼の例には、ＮｉＣｒＭｏＶ及びＣｒＭｏＶ合金鋼がある。例えば、ＮｉＣｒＭｏＶ及びＣｒＭｏＶ合金鋼はしばしば、ガスタービンのシャフト、フランジ、ホイール及びディスクに含有される。上記その他の合金鋼の熱処理は通常、合金鋼の強度、硬さ、耐摩耗性及び／又は靭性を炭素鋼より向上するのに必要である。
【０００４】
ガスタービン部品は通常、６００oＦ超の環境で長時間稼働する。高い運転温度に合金鋼を長時間曝露すると、合金鋼の熱脆化が、特に合金鋼の表面又は表面近傍で起こる。例えば、熱脆化は通常、高温長時間の運転後のボア及び／又はボルト孔の周りに生じる。熱脆化は合金鋼に僅かな微細組織変化を起こし、微細組織変化は合金鋼の破壊靱性を低減したり、合金鋼部品の有効寿命を制限する。合金鋼部品の有効寿命は種々の評価基準、例えば、合金鋼部品を高温に曝露する時間、又は合金鋼部品の破壊靱性及び／又は破面遷移温度（ＦＡＴＴ）の低下によって求めることができる。これらのパラメータのいずれか又はその他のパラメータを用いて過度の亀裂形成及び／又は亀裂伝播を招く熱脆化の発生を予測することができる。
【０００５】
高温環境への長時間曝露により熱脆化した合金鋼部品は、当業界で既知の熱処理方法を用いてアニール（焼きなまし）することができる。例えば、合金鋼部品を分解又は取り外し、適当なチャンバに入れて合金鋼部品を加熱することができる。しかし、合金鋼部品の寸法によっては、対応する大型チャンバが必要なことが多い。さらに、合金鋼部品の取り外し及び分解は、時間と費用がかかり、また商用装置を稼働できないメンテナンス時間が長くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／００９４８３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、合金鋼部品をアニールする改良システム及び方法が必要とされている。改良システム及び方法により合金鋼部品の局所部分をアニールしてアニールプロセスにともなう時間及びコストを低減し、結果として商用装置の稼働できない時間を減らすのが理想的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の観点及び利点を以下に説明するが、以下の説明から明らかになったり、本発明を実施することから分かることもある。
【０００９】
本発明の１実施形態は合金鋼部品を熱処理するシステムである。システムは第一エンクロージャと第一エンクロージャに対向する第二エンクロージャとを備える。第一及び第二エンクロージャは合金鋼部品の一部分だけの周囲にチャンバを画成する。システムはさらに、チャンバ内に合金鋼部品の一部分を加熱する発熱体を備える。
【００１０】
本発明の別の実施形態は合金鋼部品を熱処理する方法である。本方法では、合金鋼部品の第一側面に対して第一エンクロージャを配置し、合金鋼部品の第二側面に対して第二エンクロージャを配置する。本方法ではさらに、第一エンクロージャと第二エンクロージャの間かつ合金鋼部品の一部分だけの周囲に実質的に気密なチャンバを形成し、実質的に気密なチャンバ内にある合金鋼部品の部分を加熱する。
【００１１】
上記その他の実施形態の特徴及び観点は、本明細書を読むことで当業者に一層明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
以下に添付の図面を参照しながら、当業者を対象とした、最良の形態を含む本発明の完全かつ実施可能な開示を詳細に説明する。
【図１】本発明の１実施形態による、合金鋼部品のアニールシステムの断面図である。
【図２】合金鋼部品の周囲に設置した図１に示す実施形態の断面図である。
【図３】アニールプロセス中の予測温度プロファイルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の現在の実施形態を詳細に説明し、その例を添付図面に示す。詳細な説明では、数の符号を用いて図面中の部位を示す。図面及び説明での同じ又は同様な符号は本発明の同じ又は同様な部品を示すために使用している。
【００１４】
例示は本発明の説明のためのものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の要旨から逸脱することなく、本発明を改変及び変更し得ることが当業者に明らかである。例えば、１実施形態の一部分として例示又は説明された構成要素を別の実施形態に用いてさらに他の実施形態とすることができる。したがって、本発明はこのような変更及び改変も特許請求の範囲及びその均等物に入るものとして包含する。
【００１５】
図１は本発明の１実施形態による、合金鋼部品の熱処理システム１０の断面図を示す。図示するように、システム１０は第一エンクロージャ１４及び相補的な第二エンクロージャ１６を備える。第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６は、約１３００°Ｆまでの連続的かつ周期的温度に耐えることができる任意適当な材料で製造することができる。例えば、第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６は、鋼、合金鋼、ガラス繊維又は当業者に既知の類似材料で製造することができる。第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６は、アニールする合金鋼部品を収容するのに適当な円形、四角形、楕円形、その他の形状にすることができる。第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６の長さ及び幅は、合金鋼部品のアニールする部分を収容するように選択することができる。
【００１６】
各エンクロージャ１４、１６は、外表面１８及び内表面２０を有する。エンクロージャを合金鋼部品のアニールする部分の周囲に設置すると、内表面２０はエンクロージャ１４と１６間かつ合金鋼部品のアニールする部分の周囲に空洞又はチャンバ２２を画成する。第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６にはさらに、気密シールを形成し、チャンバ２２を実質的に気密にするガスケット２４、グロメット、Ｏ−リング又は類似手段を設けることができる。
【００１７】
第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６にはさらに、周辺機器に適合する１つ又は２つ以上のポートを設けることができる。例えば、図１に示すように、第一エンクロージャ１４には、ガスの供給部２８と第一エンクロージャ１４とを流体連通するガスポート２６を設けることができる。ガス供給部２８を遮断弁３０を介してガスポート２６に連結してガスを第一エンクロージャ１４に流したり、止めたりすることができる。ガス供給部２８は、合金鋼部品の周囲に望ましい環境を実現する任意適当なガスを供給することができる。例えば、ガス供給部２８はアニールプロセス中に合金鋼部品を取り囲むようにアルゴン又は窒素などの不活性ガスを供給することができる。不活性ガス環境は、アニールプロセス中のチャンバ２２内の周囲空気による酸化や脱炭を低減することができる。
【００１８】
第一エンクロージャ１４にはさらに、真空ポンプ３４を第一エンクロージャ１４に連結する真空ポート３２を設けることができる。真空ポンプ３４を用いて第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６が画成するチャンバ２２を真空に引くことができる。真空ポート３２と真空ポンプ３４の間に遮断弁３６を設け、真空ポンプ３４を使用しないときに第一エンクロージャ１４を遮断することができる。
【００１９】
図１に示すように、第二エンクロージャ１６には、遮断弁４０に連結した排出ポート３８を設けることができる。アニールプロセスの様々な段階で排出ポート３８を用いてチャンバ２２から周囲空気又はガスを排出又はパージすることができる。図１に示す実施形態ではポートの位置が記載されているが、別の実施形態では、ポートは第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６のどちらか一方又は両方にあってもよいことは明らかである。
【００２０】
システム１０は、第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６を貫通して両者間に画成されたチャンバ２２内に延在する誘導コイル４２又は類似の発熱体も備える。誘導コイル４２又は他の適当な発熱体は、第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６が画成するチャンバ２２を加熱する熱源となり、合金鋼部品のアニールする部分を加熱する。誘導コイル４２又は適当な発熱体の寸法は、アニールする合金鋼部品の寸法及び達成すべき所望の加熱速度に依存する。第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６の開口部４４には、種々の寸法の誘導コイル４２又は他の適当な発熱体を収容し、誘導コイル４２と第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６との間に適当なシールを形成するガスケット材４６、断熱材、ゴム又は類似材料を設けることができる。
【００２１】
図２はアニールする合金鋼部品を設置した図１に示すシステム１０の断面図を示す。この図では、合金鋼部品はガスタービンロータのディスクであり、システム１０はディスクのボア４８を取り囲み、アニールするように設置されている。図２に示すように、第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６は、合金鋼部品の対向側面５０上に設置する。結果として、合金鋼部品のアニールする部分を取り囲むエンクロージャ１４と１６間のチャンバ２２は実質的に気密である。誘導コイル４２又は他の適当な発熱体は、第一エンクロージャ１４及び第二エンクロージャ１６を貫通し、チャンバ２２、したがって合金鋼部品のアニールする部分を局所加熱する。
【００２２】
図１及び図２に示すシステム１０を用いて次のように合金鋼部品を熱処理することができる。アニールする合金鋼部品の第一側面５０に対して第一エンクロージャ１４を配置し、アニールする合金鋼部品の第二側面５０に対して第二エンクロージャ１６を配置する。アニールする合金鋼部品の第一及び第二側面５０は合金鋼部品のアニールする特定の部分を含む対向側面でも隣接側面でもよい。合金鋼部品のアニールする部分を取り囲むように第一エンクロージャ１４と第二エンクロージャ１６が画成するチャンバ２２は実質的に気密である。
【００２３】
排出ポート３８の遮断弁４０を単独に或いは不活性ガスポート２６の遮断弁３０と共に開いてチャンバ２２から空気をパージすることができる。所望により、ガス供給部２８は不活性ガス又は他の媒体をチャンバ２２に供給することができる。別の用例では、真空ポート３２の遮断弁３６を開き、真空ポンプ３４を作動してチャンバ２２を真空に引くことができる。
【００２４】
その後、誘導コイル４２又は他の適当な発熱体を付勢して、実質的に気密なチャンバ２２を１０００°Ｆ以上に加熱し、合金鋼部品の局所部分をアニールすることができる。誘導コイル４２又は他の適当な発熱体は５００°Ｆ／ｈ超、ある実施形態では１０００°Ｆ／ｈ超の加熱速度で実質的に気密なチャンバを加熱することができる。その後、温度を、好ましくは１０００〜１２００°Ｆに、合金鋼部品の所望のアニールを行うのに適した時間維持することができる。例えば、実質的に気密なチャンバ２２の温度を１０００°Ｆ超に合金鋼部品の厚さ１インチ当たり少なくとも１〜２時間維持することにより、適当なアニールを達成することができる。
【００２５】
実質的に気密なチャンバ２２内でアニール温度を所望の時間維持した後、誘導コイル４２又は他の適当な発熱体を滅勢して合金鋼部品を室温まで冷却することができる。ガスポート２６の遮断弁３０、４０及び／又は排出ポート３８を開いて冷却空気及び／又は不活性ガスをチャンバ２２に流し、合金鋼部品が冷却する際の温度脆化をできるだけ少なくするのに望ましい合金鋼部品の冷却速度を達成する。１０００°Ｆ〜７００°Ｆの間は合金鋼部品の温度を速い冷却速度で下げ、かくして合金鋼部品がこのような温度で温度脆化し、それによってアニールプロセスのいくつかの効果を打ち消す可能性を減らすのが好ましい。例えば、合金鋼部品の温度が約７００°Ｆ未満になるまで、冷却空気を調節して１００〜１５０°Ｆ／ｈの冷却速度を達成することができる。合金鋼部品の温度が約７００°Ｆ未満になったら、より遅い冷却速度を用いることができ、合金鋼部品が室温になるまでそうである。
【００２６】
アニールプロセス中、チャンバ２２及び／又はアニールする合金鋼部品の温度を慎重にモニターすることができる。例えば、熱電対、高温計、測温抵抗体、赤外レーザなどの計器をチャンバ２２内に又は合金鋼部品のアニールする局所部分に取り付けてシステム１０の温度、加熱速度及び冷却速度をモニターすることができる。
【００２７】
図３はアニールプロセス中のシステム１０の予測温度プロファイルを示す。図３に示すように、誘導コイル４２又は他の適当な発熱体は、合金鋼部品の局所部分をアニールするのに望ましい温度に実質的に気密なチャンバ２２内の温度を維持する。誘導コイル４２又は他の適当な発熱体によって実現される加熱は局所加熱であるので、図３の温度曲線の下降で示すように温度はチャンバ２２の外側で急激に下がる。その結果、本発明のシステム１０及び方法は、チャンバ２２の外側にある合金鋼部品の残部にゆがみや残留応力を生じない。
【００２８】
本発明のシステム１０及び方法は、合金鋼部品の局所部分をアニールし、これにより合金鋼の破壊靱性を設計部品の元の破壊靱性に近いか等しい値まで回復することを可能にする。システム１０及び方法は、合金鋼部品をそのまま或いは簡単な分解をしてアニールすることができるので、大型チャンバを必要とせずかつ商用装置を稼働できない時間を減らす。さらに、合金鋼部品の局所熱処理は、合金鋼部品全体の熱処理により生じることがあるゆがみ又は残留応力を低減する。
【００２９】
アニールする合金鋼部品を個別又はバッチプロセスで処理することができる。例えば、図２に示すローターディスクを個別に処理しても別のローターディスクと部分的に積み重ねて処理してもよい。図２はローターディスクのボア４８を処理するシステム１０を示すが、システム１０はローターディスクの別の部分、例えばボルト孔又は他の表面を取り囲むように簡単に改造することができる。
【００３０】
本明細書では、具体例を挙げて、最良の形態を含む本発明を開示するとともに、装置又はシステムの製造及び使用、必要な方法の実行を含めて当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の要旨は、特許請求の範囲に規定された通りで、当業者が想起できる他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有するか、特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造要素を含むならば、特許請求の範囲に含まれる。 
【符号の説明】
【００３１】
１０  システム
１４      第一エンクロージャ
１６      第二エンクロージャ
１８      外表面
２０      内表面
２２      チャンバ
２４      ガスケット
２６      ガスポート
２８      ガスの供給部
３０      ガス遮断弁
３２      真空ポート
３４      真空ポンプ
３６      真空遮断弁
３８      排出ポート
４０      排出遮断弁
４２      誘導コイル
４４      開口部
４６      ガスケット
４８      ボア孔
５０      ディスクの対向側面
【図１】
0005844047.tif 000002
【図２】
0005844047.tif 000003
【図３】
0005844047.tif 000004