(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはこれらの組合せをベースとし、かつ溶接の母材であるガンマプライム（γ’）強化超合金から形成された、フィラー材料なしに溶接された高力構成部材の溶接後熱処理の方法であって、該方法は、以下のステップ、すなわち、
ａ）電子ビーム溶接又はレーザ溶接により溶接された構成部材を提供するステップと、
ｂ）次いで、室温から少なくとも１０００℃の温度Ｔ1までの全ての温度範囲の間、２０〜４０℃／分の範囲の急速加熱速度を適用することによって、前記溶接された構成部材を加熱するステップと、
ｃ）次いで、前記溶接された構成部材をＴ1に保ち、次いで、５℃／分の低速加熱速度を適用することによって前記構成部材を、使用された超合金の固溶化熱処理温度よりも低い最終温度Ｔfに加熱するステップと、
ｄ）溶接された構成部材を時間ｔfにわたって最終温度Ｔfに保つステップであって、等温滞留時間ｔfは、溶接部および該溶接部を包囲する母材においてもガンマプライム相を部分的に溶解させるために十分な時間である、ステップと、
ｅ）次いで、２０℃／分以上の冷却速度で前記構成部材を冷却するステップと、
ｆ）最後に析出硬化処理を適用するステップと、
から成ることを特徴とする、フィラー材料なしに溶接された高力構成部材の溶接後熱処理の方法。
【請求項２】
ステップｂ）における前記急速加熱速度は、前記溶接部におけるガンマプライム析出を少なくとも最小限に減じるか又は防止するために十分に高い、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記急速加熱速度は、２５〜４０℃／分である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記急速加熱速度は、２５〜３５℃／分である、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記急速加熱速度は、２０〜３０℃／分である、請求項２記載の方法。
【請求項６】
ステップｅ）における前記冷却速度が、ステップｂ）における前記急速加熱速度と同じ範囲である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記方法は、前記構成部材を修理するために使用される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記方法は、接合される新たな構成部材のために使用される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は、超合金の技術に関する。本発明は、請求項１のプリアンブルに係る、ガンマプライム（γ’）強化された超合金から形成された溶接された構成部材、例えば、運転中にタービンにおいてかつて使用されかつ損傷された、修理されたタービン部材、または接合された新たなタービン部材の、溶接後熱処理のための方法に関する。開示された方法によれば、溶接された部材の溶接領域における割れを回避することができる。
【背景技術】
【０００２】
従来技術
高強度ニッケル、コバルト、または鉄ベースの超合金、例えば、アルミニウムおよびチタンなどのその他の元素を含んだニッケルベースの超合金は、材料における高い程度のガンマプライム相の析出硬化効果のために、高力特性を有することが公知である。このような超合金をうまく溶接することは極めて困難であることも公知である。
【０００３】
米国特許出願公開第２００５／０１９４３６３号明細書では、高力合金のマルチレーザビーム溶接が説明されている。この方法は、加熱、溶接（超合金粉末がフィラー材料として付加される）、および溶接後熱処理をほぼ同時作業で行うために、２つ以上のレーザの配列を使用する。二次レーザスポットは、溶接されたばかりの領域を加熱し、これにより、溶接スポットにおいて生じる冷却速度を遅らせ、これは、高温割れを低減、またはさらには排除することを助けるが、溶接中のフィラー材料の使用により、溶接の強度特性が十分ではないことが予測される。
【０００４】
したがって、高力溶接は、しばしば、フィラー材料を用いずにガンマプライム強化された超合金を溶接することができるレーザ溶接、電子ビーム溶接、または同様のプロセスによって行われる。フィラー材料を用いない溶接は、溶接部が、接合される基材と同様の強度を有するという利点がある。しかしながら、この溶接は、溶接プロセスに固有の急速な冷却により、溶接部にガンマプライム析出部がほとんどまたは全く存在しないという欠点を有する。
【０００５】
このことが、なぜ、部材の微細構造を調節するために溶接後熱処理がしばしば必要であるかの理由である。溶接後熱処理の間に、ガンマプライム相も溶接領域において析出する。このような析出は、合金に結晶学的変化を生ぜしめ、熱処理後により小さな格子定数を生じる。この析出に関連した体積変化は、溶接領域における割れにつながる恐れがあり、これは、ひずみ時効割れまたは溶接後熱処理割れと称される。
【０００６】
米国特許第７８５４０６４号明細書は、タービンエンジン構成部材を修理する方法を開示している。この方法は、例えばWaspaloy、IN-738、IN-792、IN-939を含む鋳造されたまたは鍛錬用のニッケルベース超合金から形成された構成部材を提供するステップと、構成部材からあらゆる欠陥を除去するステップと、を含み、除去するステップは、構成部材が１１００〜１６００°Ｆ（５９３〜８７１℃）の範囲の温度を通過するとき、２９〜４０°Ｆ／分（１６〜２３℃／分）の急速加熱速度での固溶化熱処理ステップを含み、構成部材および交換部材はもはや１７分以後は前記温度範囲にない。構成部材が所望の固溶化熱処理温度に達した後、構成部材は、約３〜５時間にわたりその温度に保持され、次いで冷却され、次いで電子ビーム溶接、プラズマアーク溶接またはガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）によって溶接され、これにより、修理を行う。０．５〜１０°Ｆ／分（０．３〜５．６℃／分）、好適には０．５〜１．０°Ｆ／分（０．３〜０．６℃／分）の冷却速度での低速固溶化熱処理後冷却速度は、溶接割れを実質的に防止しかつ濡れ性を高めるために、固溶化熱処理温度から１２５０°Ｆ（６７７℃）未満まで使用される。低速冷却速度は、γ’析出が冷却中に生じかつ著しく成長するための十分な時間を許容する。これは、γ’析出の硬化能力を減じ、高温延性を高める。
【０００７】
加えて、溶接されたタービン構成部材が溶接後熱処理を受けることができることが米国特許第７８５４０６４号明細書に開示されている。溶接後熱処理のための同じ加熱および冷却速度が、上述の溶接前固溶化熱処理のためにも使用され、これは、前記溶接されたタービンエンジン構成部材が１１００〜１６００°Ｆ（５９３〜８７１℃）の温度の範囲にあるときに２９°Ｆ／分〜４０°Ｆ／分（１６〜２３℃／分）の範囲の急速加熱速度が使用されることを意味し、最大固溶化熱処理温度から１２５０°Ｆ（６７７℃）未満の温度への前記溶接されたタービンエンジン構成部材の冷却は、０．５〜１０°Ｆ／分、好適には０．５〜１°Ｆ／分（０．３〜５．６、好適には０．３〜０．６℃／分）の冷却速度で極めて低速に行われる。この変更された溶接後熱処理は、溶接前固溶化熱処理の低速の冷却速度によって生ぜしめられた微細構造特徴を排除し、規格上の機械的特性を回復するために適用される。
【０００８】
米国特許第７８５４０６４号明細書に開示された方法は、ニッケルベース超合金から形成されたタービン構成部材を、事実上微小割れの存在なしに修理、例えば溶接することができるという利点を有するが、溶接前および溶接後の熱処理の前記複数のステップに関連して時間およびコストがかかるという欠点を有する。
【０００９】
米国特許第２０１２／０２０５０１４号明細書には、溶接後熱処理が高められた、超合金の慣性摩擦溶接が記載されている。摩擦溶接は、凝固割れを回避するが、摩擦溶接中の低温加工（堆積材料および超合金基板のうちの少なくとも一方の塑性的な変形）により、残留応力が誘発される。
【００１０】
したがって、溶接後中間応力緩和（ＩＳＲ）処理の後、固溶化熱処理を行い、その後析出硬化熱処理を行う熱処理が提案される。８７０℃までのランプ時間は、ＩＳＲの場合は約１０２分であり、これは、約８〜９℃／分の加熱速度を意味し、これは比較的遅い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１９４３６３号明細書
【特許文献２】米国特許第７８５４０６４号明細書
【特許文献３】米国特許第２０１２／０２０５０１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
発明の概要
本発明の課題は、フィラー材料なしに溶接された構成部材、例えば電子ビーム溶接またはレーザ溶接によって溶接された構成部材の熱処理のための効率的な方法を提供することであり、前記構成部材は、ガンマプライム（γ’）強化超合金から形成されている。この方法は、溶接部および溶接領域における割れを回避することができることを保証する。このような構成部材は、好適にはタービン部品であり、この方法は、運転（使用）中に損傷されたタービン部品を修理し、かつタービン構成部材の新たな部材を接合することに適用可能であるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
独立請求項１のプリアンブルに記載の方法は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはこれらの組合せをベースとするガンマプライム（γ’）強化超合金から形成された、フィラー材料なしに電子ビーム溶接された高力構成部材の溶接後熱処理の方法である。
【００１４】
前記方法は、以下のステップ、すなわち、
ａ）溶接された構成部材を提供するステップと、
ｂ）次いで、ＲＴから少なくとも１０００℃の温度Ｔ1までの全ての温度範囲の間、約２０〜４０℃／分の範囲の急速加熱速度を適用することによって、溶接された構成部材を加熱するステップと、
ｃ）次いで、溶接された構成部材をＴ1に保ち、次いで、約５℃／分の低速加熱速度を適用することによって前記構成部材を最終温度Ｔfに加熱するステップと、
ｄ）次いで、溶接された構成部材を時間ｔfにわたってＴfに保つステップであって、等温滞留時間ｔfは、溶接部および溶接部を包囲するベース材料においてもガンマプライム相を少なくとも部分的に溶解させるために十分である、ステップと、
ｅ）次いで、約≧２０℃／分の冷却速度で構成部材を冷却するステップと、
ｆ）最後に公知の従来技術に従って析出硬化処理を選択的に適用するステップと、から成る。
【００１５】
ステップｂ）による加熱速度は、溶接部におけるガンマプライム析出を少なくとも最小限に減じ、好適には防止するために十分に高い。
【００１６】
ステップｅ）による約≧２０℃／分の急速冷却速度は、利点として、微細なガンマプライム析出につながる。
【００１７】
方法の好適な実施の形態は従属請求項に記載されている。
【００１８】
溶接後処理の間の急速加熱速度の適用により、溶接部におけるガンマプライム析出を最小限に減じるまたは防止することができることが達成される。次いで、部材の最終的な熱処理は、溶接部を包囲するベース材料においてもガンマプライム相が少なくとも部分的に溶解させられるように十分な温度および長い時間で行われる。冷却時、ガンマプライム析出は、溶接部およびベース材料にも形成される。しかしながら、保持時間ｔfの間のベース材料におけるガンマプライム相の部分的溶解により、冷却中の溶接部およびベース材料におけるガンマプライム相の形成速度および量は同じであり、つまり、利点として、割れを回避することができる。
【００１９】
本発明は、例えば米国特許第７８５４０６４号明細書に開示されているような特定の溶接前熱処理に依存しない。つまり、本発明は、前記米国特許に記載された溶接前方法ステップはこの本発明においては廃れているので、より一層効率的である。
【００２０】
加えて、本発明の方法は、溶接または挿入クーポンによって構成部材を修理するために利用することができるのみならず、新たな構成部材の製造、例えば、新たな構成部材を形成するために溶接されるモジュール部材の製造のために利用することもできる。
【００２１】
この方法は、全てのガンマプライム強化超合金（例えば、例えばIN738、Mar-M247、CM247LC、CMSX-4、MK4HC、MD2のブランド名で知られるものに限定されない）に適用可能であり、割れ回避の他の手段、すなわち溶接フィラーを用いない溶接プロセス、が存在しないところに関連してのみ適用可能である。延性の溶接フィラーを使用することも割れ形成の回避を助けるが、このような溶接フィラーの使用は溶接ジョイントを弱める。
【００２２】
本発明の１つの実施の形態によれば、ステップｂ）による加熱速度は、約２５〜４０℃／分、好適には約２５〜３５℃／分である。１つの好適な範囲は、約２０〜３０℃／分である。これは、使用される特定の超合金材料に依存する。
【００２３】
ステップｅ）による冷却速度が、溶接後熱処理におけるステップｂ）による加熱速度とほぼ同じ範囲である場合には有利である。
【００２４】
図面の簡単な説明
ここで様々な実施の形態によって、添付の図面を参照しながら発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】溶接後処理の冷却ステップ後の、開示された方法に従って処理されたIN738LC試験片のメタログラフィックカットを示している。
【図２】付加的な後続の析出硬化後の、図１によるIN738LC試験片のメタログラフィックカットを示している。
【図３】公知の“標準的な”熱処理に従って適用される溶接後処理のための時間−温度のグラフを示している。
【図４】本発明の１つの実施の形態に従って適用される溶接後処理のための時間−温度のグラフを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
発明の様々な実施の形態の詳細な説明
固溶化熱処理された条件における２つのIN738LC試験プレートが、いかなる溶接フィラーも使用することなく、電子ビーム溶接によって接合された。２つのプレートは、互いに接合されるべき、新たなタービン構成部材、例えばタービンブレードの２つのモジュール部品として概略的に説明することができる。特別の溶接条件は適用されなかった。いかなる溶接後熱処理もなしには、溶接領域において割れが生じる（いわゆるひずみ時効割れ）。
【００２７】
図３および図４は、“標準的な”熱処理（図３）と、本発明の１つの実施の形態によるその構成部材に適用された溶接後熱処理（図４）との時間−温度グラフを示している。
【００２８】
異なる温度および加熱速度を用いた以下の熱処理トライアルがIN738LCに対して行われた：
１．標準的な熱処理：
１１４０℃／０．５ｈ（〜５℃／分）＋１１８０℃／２ｈ（〜５℃／分）
２．本発明による変更された／最適化された熱処理：
１１００℃／０．５ｈ（〜２０〜３０℃／分）＋１１４０℃／２ｈ（〜５℃／分）＋選択的に８５０℃／１７ｈ
最後のステップ（８５０℃／１７ｈ）は、図４に示されていない。１１４０℃と８５０℃の間の平均冷却速度は、〜２０℃／分であった。
【００２９】
溶接された構成部材は、ＲＴ（room temperature、室温）から１１００℃までの範囲において約２０〜３０℃／分の急速加熱速度で本発明による溶接後熱処理を受け（図４）、加熱速度の正確な測定は、約４００〜１１００℃の温度範囲において行われた。次いで、１１００℃における０．５の保持時間の後、構成部材は、〜５℃／分のより遅い加熱速度で、使用された超合金の固溶化熱処理温度よりも僅かに低い１１４０℃に加熱され、２時間にわたり１１４０℃で等温滞留に曝され、その後、約２０℃／分（１１４０℃と８５０℃との間の平均冷却速度）で冷却された。
【００３０】
説明した溶接後処理の後の溶接部および周囲のベース材料のメタログラフィックカットが示されている図１から見て取れるように、割れは観察されなかった。
【００３１】
溶接後処理の間の急速加熱速度の適用により、溶接部におけるガンマプライム析出を最小限に減じるまたは防止することができることが達成される。次いで、部材の最終的な熱処理は、溶接部を包囲するベース材料においてもガンマプライム相が少なくとも部分的に溶解させられるように十分な温度および長い時間で行われる。冷却時、ガンマプライム析出は、溶接部およびベース材料にも形成される。しかしながら、保持時間の間のベース材料におけるガンマプライム相の部分的溶解により、冷却中の溶接部およびベース材料におけるガンマプライム相の形成速度および量は同じであり、つまり、利点として、割れを回避することができる。
【００３２】
加えて、１７時間にわたる約８５０℃でのその後の析出硬化も、割れの形成につながらなかった（図２参照）。
【００３３】
対照的に、同じように処理された溶接ジョイントは、溶接されたままの状態において割れを生じなかったが、加熱速度がわずか約５℃／分である場合に溶接後処理の後に溶接ジョイントに割れを示した（図３、標準的熱処理参照）。割れはすでにけい光検査（ＦＰＩ）によって見えていたので、メタログラフィックカットを準備する必要はなかった。
【００３４】
さらに高い加熱速度（＞３０℃／分）は、CM247LCまたはCMSX-4などの、IN738LCよりも大きい量のガンマプライムを備えた合金の場合に有利である。加えて、合金の固溶化熱処理温度に応じて、等温滞留温度を高めることができる。
【００３５】
本発明は、記載された実施の形態に限定されない。本発明は、割れ回避の他の手段（すなわち溶接フィラーを用いない溶接プロセス）が存在しない全てのガンマ強化超合金のための利点とともに用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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