(57)【要約】      （修正有）【課題】  カソードアークおよび／または低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）コーティング処理を用いてタービンエンジン構成要素を寸法的に修復する方法を提供する。【解決手段】  金属部品の修復方法であって、この修復方法は、摩耗部分を有する金属部品を提供し、摩耗部分を洗浄して酸化層を除去し、カソードアーク溶着および低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）からなる群から選択された処理によって修復合金を施して摩耗部分を覆う。その後熱間静水圧圧縮成型と、拡散熱処理を含んでもよい。【選択図】  図１
2006075903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩耗部分（１５）を有する金属部品（１３）を提供し、
摩耗部分（１５）を洗浄して酸化物層を除去し、
カソードアーク蒸着および低圧プラズマ溶射からなる群から選択された処理によって修復合金（１７）を施して摩耗部分（１５）を覆うことを含むことを特徴とする金属部品の修復方法。
【請求項２】
部品（１３）に熱間静水圧圧縮成形を実施することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の金属部品の修復方法。
【請求項３】
金属部品の提供は、ブレード外側エアシール、タービンブレード、タービンベーン、燃焼器、ファンブレード、圧縮機ブレード、および圧縮機ベーンからなる群から選択された金属部品（１３）を提供することを含むことを特徴とする請求項１記載の金属部品の修復方法。
【請求項４】
金属部品の提供は、ニッケル基合金、ニッケル基超合金、およびチタン基合金からなる群から選択された金属を含む金属部品（１３）を提供することを含むことを特徴とする請求項１記載の金属部品の修復方法。
【請求項５】
摩耗部分の洗浄は、少なくとも摩耗部分（１５）と接触するようにフッ化水素ガスを投入することを含むことを特徴とする請求項１記載の金属部品の修復方法。
【請求項６】
修復合金を施すことは、
少なくとも摩耗部分（１５）の周囲に真空を形成し、
ニッケル基合金、ニッケル基超合金、およびチタン基合金からなる群から選択された修復合金（１７）を施すことを含むことを特徴とする請求項１記載の金属部品の修復方法。
【請求項７】
修復合金を施すことは、１体積％よりも少ない酸化物を含み、かつ１体積％よりも低い気孔率を有する修復合金（１７）を施すことを含むことを特徴とする請求項１記載の金属部品の修復方法。
【請求項８】
熱間静水圧圧縮成形の実施は、修復合金（１７）がニッケル基合金およびニッケル基超合金からなる群から選択された金属を含む場合に、１５〜３０ｋｓｉの圧力でかつ２０００〜２３００°Ｆの温度において少なくとも２時間にわたって熱間静水圧圧縮成形を実施することを含むことを特徴とする請求項２記載の金属部品の修復方法。
【請求項９】
熱間静水圧圧縮成形の実施は、修復合金（１７）がチタンおよびチタン基合金からなる群から選択された金属を含む場合に、１５〜３０ｋｓｉの圧力でかつ１８００°Ｆよりも低い温度において少なくとも２時間にわたって熱間静水圧圧縮成形を実施することを含むことを特徴とする請求項２記載の金属部品の修復方法。
【請求項１０】
部品（１３）に拡散熱処理サイクルを実施することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の金属部品の修復方法。
【請求項１１】
拡散熱処理の実施は、約１８００〜２３００°Ｆの温度でかつ約１Ｔｏｒｒ以下の真空で拡散熱処理を実施することを含むことを特徴とする請求項１０記載の金属部品の修復方法。
【請求項１２】
摩耗部分（１５）を有するガスタービンエンジン構成要素（１３）を提供し、
摩耗部分（１５）を洗浄して酸化物層を除去し、
カソードアーク蒸着および低圧プラズマ溶射からなる群から選択された処理によって修復合金を施して摩耗部分（１５）を覆うことを含むことを特徴とするガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項１３】
ガスタービンエンジン構成要素（１３）に熱間静水圧圧縮成形を実施することをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項１４】
ガスタービンエンジン構成要素の提供は、ブレード外側シール、タービンブレード、タービンベーン、燃焼器、ファンブレード、および圧縮機部品からなる群から選択されたガスタービンエンジン構成要素（１３）を提供することを含むことを特徴とする請求項１２記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項１５】
ガスタービンエンジン構成要素の提供は、ニッケル基合金、ニッケル基超合金、およびチタン基合金からなる群から選択された金属を含むガスタービンエンジン構成要素（１３）を提供することを含むことを特徴とする請求項１２記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項１６】
摩耗部分の洗浄は、摩耗部分（１５）と接触するようにフッ化水素ガスを投入することを含むことを特徴とする請求項１２記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項１７】
修復合金を施すことは、
少なくとも摩耗部分（１５）の周囲に真空を形成し、
ニッケル基合金、ニッケル基超合金、およびチタン基合金からなる群から選択された修復合金を施すことを含むことを特徴とする請求項１２記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項１８】
修復合金を施すことは、１体積％よりも少ない酸化物を含み、かつ１体積％よりも低い気孔率を有する修復合金（１７）を施すことを含むことを特徴とする請求項１２記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項１９】
熱間静水圧圧縮成形の実施は、修復合金（１７）がニッケル基合金およびニッケル基超合金からなる群から選択された金属を含む場合に、１５〜３０ｋｓｉの圧力でかつ２０００〜２３００°Ｆの温度において少なくとも２時間にわたって熱間静水圧圧縮成形を実施することを含むことを特徴とする請求項１３記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項２０】
熱間静水圧圧縮成形の実施は、修復合金（１７）がチタンおよびチタン基合金からなる群から選択された金属を含む場合に、１５〜３０ｋｓｉの圧力でかつ１８００°Ｆよりも低い温度において少なくとも２時間にわたって熱間静水圧圧縮成形を実施することを含むことを特徴とする請求項１３記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項２１】
ガスタービンエンジン構成要素（１３）に拡散熱処理を実施することをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【請求項２２】
拡散熱処理の実施は、約１８００〜２３００°Ｆの温度でかつ約１Ｔｏｒｒ以下の真空で拡散熱処理を実施することを含むことを特徴とする請求項２１記載のガスタービンエンジン構成要素の修復方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソードアークおよび／または低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）コーティング処理を用いてタービンエンジン構成要素を寸法的に修復する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブレード外側シール、タービンブレード、タービンベーン、燃焼器、ファンブレード、および圧縮機部品などのガスタービンエンジン構成要素の表面が、運転の間に劣化してしまうことは一般的であり、これは、例えば、空気に含まれたり燃料と空気の燃焼によって発生する粒状物質がガス流路内に存在することによる。このような劣化は、これらの構成部品の前縁表面を摩耗させ、場合によっては構成要素の空力的特性の変更に十分な材料の物理的な損失を引き起こすおそれがある。問題なのは、ニッケル基超合金などの超合金材料で構成されるタービン構成要素で発生する摩耗である。このような材料は、等軸、方向性凝固、および単結晶の合金構造を有するように製造される。同様の摩耗は、方向性凝固および単結晶の合金構造を有していないチタンおよびチタン基合金で構成される部品にも発生する。
【０００３】
残念ながら、タービンエンジン部品を寸法的に修復するために現在使用されている方法は、重大な難点を有する。現在使用されている方法の例は、活性拡散修復（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｈｅａｌｉｎｇ  ＡＤＨ）すなわちターボフィックス（Ｔｕｒｂｏｆｉｘ）（ユナイテッド  テクノロジーズ  コーポレイションの登録商標）拡散ろう付け、溶接、および高速ガス式（Ｈｉｇｈ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  Ｏｘｙ−Ｆｕｅｌ  ＨＶＯＦ）溶射材料の使用を含む。ＡＤＨすなわちターボフィックス拡散ろう付けは、失われた金属を修復するためにろう付け用合金と基本合金の混合物を一般に使用する。施された状態のろう付け用合金と基本合金の特性は典型的にかなり低下し、例えば、等軸合金では母材の５０％より低い強度を示す。方向性凝固および単結晶の合金に用いた場合には、ろう付け用合金および基本合金の修復材料は、母材の５０％よりもかなり低い強度特性を示す。母材をタービン構成要素の表面に溶接する試みは、異なる難点を有する。具体的には、溶接によって超合金構成要素に材料を加えると、一般に割れが発生してしまう。加えて、溶接が成功した場合でも、方向性凝固および単結晶の合金は、許容可能な溶接部を得るのに使用できる材料の部分集合のために強度がかなり低くなる。最後に、ＨＶＯＦ溶射材料の溶射も同様に難点を有する。具体的には、この処理では酸素を含む雰囲気内で材料を溶射するので、修復材料を構成要素に接合する能力が妨げられる。すなわち、内部酸化および溶射される修復合金の酸素含有量は、結果的に得られる修復部の強度を減少させてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、エンジン部品、特にガスタービンエンジン構成要素を寸法的に修復する方法であって、部品を構成する母材に匹敵する材料特性を示す合金を用いることができ、かつ等軸、方向性凝固、および単結晶の合金に使用可能な修復方法が求められている。
【０００５】
よって、本発明の目的は、カソードアークおよび／または低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）コーティング処理を用いてタービンエンジン構成要素を寸法的に修復する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の金属部品の修復方法は、摩耗部分を有する金属部品を提供し、摩耗部分を洗浄して酸化物層を除去し、カソードアーク蒸着および低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）からなる群から選択された処理によって修復合金を施して摩耗部分を覆うことを含む。
【０００７】
本発明のガスタービンエンジン構成要素の修復方法は、摩耗部分を有するガスタービンエンジン構成要素を提供し、摩耗部分を洗浄して酸化物層を除去し、カソードアーク蒸着および低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）からなる群から選択された処理によって修復合金を施して摩耗部分を覆うことを含む。
【０００８】
本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、添付図面および以下の実施形態によって明らかになる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、詳細な説明、図面および請求項によって明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
従って、本発明の教示は、カソードアークおよび／またはＬＰＰＳコーティング処理を用いて、高サイクルおよび低サイクルの両方の疲労強度および酸化性の改善に関して、母材の材料に類似するか、母材よりも優れた材料の合金および超合金を施すことにより、金属部品、特にタービンエンジン構成要素を寸法的に修復する方法を提供することである。
【００１０】
図１を参照すると、本発明の方法のステップを示すフローチャートが提供されている。ステップ１では、エンジンの動作時に生じるコンタミや酸化物などの所望でない物質を除去するために部品が洗浄される。動作時には、ガスタービンエンジン構成要素、特にファンや圧縮機ブレードは高温にさらされる。酸素を含む環境におけるこのような高温での動作により、摩耗する部品の表面に酸化層が形成される。このようなエンジン動作時に生じる酸化層が修復前に除去されなければ、この酸化層は、修復すべき構成要素の表面に修復材料が接合するのを妨げる障壁となるおそれがある。本発明は、エンジンの動作時に生じる酸化物を除去するために水素を含むガスによって構成要素の表面を取り囲む。好ましくは、フッ化水素ガスが部品表面と接触するように導かれるフッ化物洗浄処理が使用される。酸化層の厚さは部品によって異なるので、酸化物を除去するためのパラメータは、エンジンの動作時に生じる酸化物層を減少または除去するための十分な時間にわたって部品と接触する量のフッ化水素ガスとして表される。
【００１１】
続いて、ステップ２では、高密度の低酸化物材料がカソードアークおよび／またはＬＰＰＳコーティング処理によって構成要素の摩耗または損傷領域に施される。図２を参照すると、例示的なタービンエンジン構成要素、具体的にはタービンファンブレードの前縁に沿った構成要素の摩耗の典型例が示されている。この例では、摩耗部分１５は金属部品１３の前縁に沿って延びている。以下でより詳細に説明する理由により、修復合金１７を金属部品１３の表面に施すために使用されるカソードアークおよび／またはＬＰＰＳコーティング処理は、真空または（約１０-2Ｔｏｒｒより低い）ほぼ真空の環境で行われることが好ましい。
【００１２】
好適実施例では、修復合金１７は、所望の強度特性を有するか、または部品１３を構成する基本合金とほぼ一致する金属を含む。“ほぼ一致”とは、修復合金が部品１３を製造する親材料と類似あるいは同じ組成であることを意味する。修復合金１７の形成に使用される金属の例には、ニッケル基合金、ニッケル基超合金、チタン、チタン基合金が含まれるが、これらに限定されない。ニッケル基超合金で製造された部品には、ニッケル基超合金を使用することが最も好ましい。上述のように、修復合金１７は、高密度の低酸化物合金材料で構成されることが好ましい。これは、施された状態の修復合金に含まれる酸化物が１体積％より少なく（低酸化物）、かつ多孔性が１体積％よりも低い（高密度）ことが好ましいことを意味する。
【００１３】
真空またはほぼ真空の環境において、金属部品１３に修復合金１７をカソードアークおよび／またはＬＰＰＳコーティング処理によって施した後、金属部品１３は比較的高温かつ高圧の処理、好ましくは熱間静水圧圧縮成形処理を受ける（図１、ステップ３）。熱間静水圧圧縮成形は、典型的にアルゴン雰囲気で実施される。金属部品１３がニッケル基合金またはニッケル基超合金を含む場合には、熱間静水圧圧縮成形は、約１５〜３０ｋｓｉ（約１〜２Ｐａ）の圧力でかつ約２０００〜２３００°Ｆ（約１０９３〜１２６０℃）の温度で実施されることが好ましい。金属部品がチタンまたはチタン基合金で構成される場合には、熱間静水圧圧縮成形は、約１５〜３０ｋｓｉの圧力でかつ約１８００°Ｆ（約９８２℃）より低い温度で実施されることが好ましい。好ましくは、熱間静水圧圧縮成形は、部品や修復合金組成に関係なく最低２時間行われる。
【００１４】
熱間静水圧圧縮成形は、修復合金１７が施された部品を加熱して中空空間を圧縮するように機能する。このような中空空間は、修復合金１７が不均一に施されたことにより生じうる。処理しなければ、これらの中空空間は金属部品１３への修復合金１７の接合を弱めるおそれがある。上述したように、修復合金１７は真空またはほぼ真空の環境で施されるので、修復合金１７によって充たされない上記の中空空間は実質的に真空となる。図３は、そうでなければ滑らかな金属部品１３の外側面３１にくぼみを形成する摩耗部分１５を示す、部品１３の断面図である。図４は、摩耗部分１５に修復合金１７を施した状態を示す、金属部品１３の断面図である。修復合金１７は、カソードアークおよび／またはＬＰＰＳ処理によって、摩耗部分１５が生じる前の外側面１３と実質的に同様の形状に金属部品１３の外側面を修復するのに十分な量だけ施される。一実施例では、修復合金１７は、外側面３１の摩耗前の境界を超える量で施されてから機械加工あるいは他の方法で摩耗前の形状に仕上げられる。
【００１５】
他の実施例では、摩耗部分１５にカソードアークおよび／またはＬＰＰＳコーティングおよび熱間静水圧圧縮成形を実施した後、ステップ４に示す高温拡散サイクルを部品１３に実施することができる。拡散サイクルは、熱間静水圧圧縮成形とこれに続く比較的遅い冷却プロセスによって生じる部品の物理的特性の変化を補正するように機能する。部品１３は、熱間静水圧圧縮成形処理を通して加熱された後に、例えば１０°Ｆ／分（約５．６℃／分）の速度で典型的にゆっくりと冷却される。このような遅い冷却速度によってガンマプライム結晶粒粗大化が生じ、熱間静水圧圧縮成形の前における特性に比べて構造的強度などの部品特性が低下してしまう。高温拡散は、（約１Ｔｏｒｒ以下の）真空炉内で部品を１８００〜２３００°Ｆ（約９８２〜１２６０℃）に熱してから、例えば、少なくとも３５°Ｆ／分（約１９℃／分）、好ましくは１００〜１５０°Ｆ／分（約５６〜８３℃／分）の比較的速い速度で部品を冷却することを含む。高温拡散サイクルは、部品１３の強度特性の回復に加えて、金属部品１３の外側面を形成する材料に修復合金１７を拡散させるように機能する。図５を参照すると、このような高温拡散サイクルによって形成される拡散領域１９が示されている。修復合金１７が、摩耗部分１５が初めにあった空間に位置していることが分かる。しかし、摩耗部分１５の壁と接触する修復合金１７の端部は、拡散領域１９を形成するように拡散されている。拡散領域１９は、修復合金１７と部品１３を構成する基本合金との混合物である材料からなる。
【００１６】
上述のように、本発明の方法は、等軸、方向性凝固、および単結晶の合金から形成される構成要素に同様に適用可能である。本発明の方法は、摩耗部分１５を含む合金の粒子配向を乱すことがない。摩耗部分１５に修復合金１７を施して熱間静水圧圧縮成形を実施することにより、摩耗部分１５の表面と修復合金１７が互いに接合され、方向性凝固または単結晶の粒子が残る。これにより、本発明は、上述した従来の方法に比べて金属部品１３を形成する母材の強度に近接する、また場合によりその強度を超える修復合金材料を施すことができる。さらに、本発明の方法では、修復合金１７を施すときに金属部品１３にクラック（割れ）が生じない。最後に、本発明の方法によって施された修復合金１７は、密度が９９％より大きく、かつごく僅かな酸化物含有量を有する。
【００１７】
本発明の１つまたは複数の実施例を説明したが、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、種々の改良が可能である。従って、請求の範囲には他の実施例も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の方法のフローチャートである。
【図２】本発明の方法によって修復されるタービン構成要素の摩耗部分を示す斜視図である。
【図３】本発明の方法によって修復されるタービン構成要素の摩耗部分を示す断面図である。
【図４】本発明の修復合金を示すタービン構成要素の断面図である。
【図５】本発明の拡散領域を示すタービン構成要素の断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１３…金属部品
１５…摩耗部分
１７…修復合金
３１…外側面
【図１】
2006075903.tif 000003
【図２】
2006075903.tif 000004
【図３】
2006075903.tif 000005
【図４】
2006075903.tif 000006
【図５】
2006075903.tif 000007