(57)【要約】【課題】溶接補修が困難なニッケルベース超合金から製造されたエアフォイル５２を効果的に溶接補修する。【解決手段】本発明によると、ニッケルベース超合金から製造されたエアフォイル５２を溶接補修する方法が提供される。本発明の方法には、エアフォイル５２を比較的平滑な表面に機械加工して、エアフォイル５２の破損部分を除去することが含まれる。次いで、ＩＮ―１００などの粉末状の合金材料が、パラズマアーク溶接装置に供給される。溶接部の端部における突然の熱の過渡を排除するように、溶接装置の連続的な二方向の移動７０，７２により、複数の溶接ビード６０，６２，６４，６６をエアフォイル５２の破損部分に沿って堆積させ、それにより、ＩＮ−１００などの敏感な合金に亀裂を生じさせる熱応力を減少させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル合金材料から製造されたエアフォイルを溶接補修する方法であって、
前記エアフォイルの破損部分を除去するステップと、
プラズマアーク溶接装置に粉末状のニッケル合金材料を供給するステップと、
前記溶接装置により前記エアフォイルの前記破損部分に沿って複数のニッケル合金溶接ビードを連続的な二方向のパターンで堆積させるステップと、
を含むエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２】
連続的な二方向の溶接パスの間に遅れがないことを特徴とする請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項３】
前記エアフォイルが、回転部品上に位置することを特徴とする請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項４】
前記回転部品が、圧縮機のロータであることを特徴とする請求項３に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項５】
前記エアフォイルが、静止部品上に位置することを特徴とする請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項６】
前記静止部品が、圧縮機のステータであることを特徴とする請求項５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項７】
多軸位置決めシステムで前記溶接装置を電気的に制御するステップをさらに含む請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項８】
前記溶接装置を手動で制御するステップをさらに含む請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項９】
ヒートシンクとしてチルブロックを提供するステップをさらに含む請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１０】
溶接面から約０．２００インチの位置に前記チルブロックを配置するステップをさらに含む請求項９に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１１】
前記溶接材料を冷却するステップをさらに含む請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１２】
前記溶接面を熱処理するステップをさらに含む請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１３】
所望の形状に前記溶接材料を機械加工するステップをさらに含む請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１４】
前記ニッケル合金が、ＩＮ−１００であることを特徴とする請求項１に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１５】
ニッケルベース超合金材料から製造されたエアフォイルを溶接補修する方法であって、
前記エアフォイルの破損部分を除去するステップと、
プラズマアーク溶接装置に粉末状のニッケル合金材料を供給するステップと、
前記溶接装置により前記エアフォイルの前記破損部分に沿って複数の溶接ビードを二方向のパターンで堆積させるステップと、
を含むエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１６】
連続的な溶接パスの間に遅れがないことを特徴とする請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１７】
前記ニッケルベース材料が、少なくとも６重量％のチタンを含むことを特徴とする請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１８】
前記ニッケルベース材料が、少なくとも３重量％のアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項１９】
前記ニッケルベース材料が、約５０重量％のニッケルを含むことを特徴とする請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２０】
前記エアフォイルが、回転部品上に位置することを特徴とする請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２１】
前記回転部品が、圧縮機のロータであることを特徴とする請求項２０に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２２】
前記エアフォイルが、静止部品上に位置することを特徴とする請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２３】
前記静止部品が、圧縮機のステータであることを特徴とする請求項２２に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２４】
多軸位置決めシステムで前記溶接装置を電気的に制御するステップをさらに含む請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２５】
前記溶接装置を手動で制御するステップをさらに含む請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２６】
ヒートシンクとしてチルブロックを提供するステップをさらに含む請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２７】
溶接面から約０．２００インチの位置に前記チルブロックを配置するステップをさらに含む請求項２６に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２８】
前記溶接材料を冷却するステップをさらに含む請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項２９】
前記溶接面を熱処理するステップをさらに含む請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項３０】
所望の形状に前記溶接材料を機械加工するステップをさらに含む請求項１５に記載のエアフォイル溶接補修方法。
【請求項３１】
ガスタービンエンジンにおけるＩＮ―１００材料から製造された一体型ブレード付ロータを溶接補修する方法であって、
前記ロータの破損部分を除去するステップと、
プラズマアーク溶接装置に粉末状のＩＮ−１００材料を供給するステップと、
前記ロータの前記破損部分に第１の溶接ビードを堆積させつつ、第１の方向に前記溶接装置を移動させるステップと、
前記第１の溶接ビードに隣接して第２の溶接ビードを堆積させつつ、第２の方向に前記溶接装置を移動させるステップと、
を含み、
前記第１の方向および前記第２の方向が、互いに対向する二方向であることを特徴とする一体型ブレード付ロータ溶接補修方法。
【請求項３２】
連続的な溶接パスの間に遅れがないことを特徴とする請求項３１に記載の一体型ブレード付ロータ溶接補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高ニッケル合金のプラズマアーク溶接補修に関し、特に、ＩＮ―１００の材料から製造された薄い断面を有する部品を溶接補修することに関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムおよびチタンの含有量が少ないニッケルベース超合金を溶接補修することは、比較的容易である。しかし、アルミニウムおよびチタンの含有量が増すにつれて、溶接が極めて困難になる。アルミニウムおよびチタンの含有量が増加すると、比例して材料の延性が減少する。延性が低いため、通常の溶接技術を用いた場合には材料に亀裂が生じてしまう。
【０００３】
一体型ブレード付ロータは、高性能ガスタービンエンジンにおいて使用されることが多くなっている。性能および効率を向上させるために、一体型ブレード付ロータが用いられている。従来のロータは、ディスクのリムに形成されたダブテール形スロットなど機械的な接続部により保持されるエアフォイルを有する。一体型ブレード付ロータの場合は、エアフォイルおよびディスクは、通常、１つの連続的な金属ブロックから形成され、このブロックが機械加工されて最終形状となる。一体型ブレード付ロータにより、従来のロータに要求されるよりも質量の小さなディスクでエアフォイルが保持され、かつブレードとディスクとの間のギャップを通る圧縮空気の漏出が減少するため、性能が向上する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、一体型ブレード付ロータの使用により性能が向上するにもかかわらず、運転中に許容限界を超えて破損するエアフォイルの信頼性が高い補修方法が存在しないことは、１つの重大な不利益である。エアフォイルが許容限界を超えて破損した場合、全てのロータを取り外して、新しい一体型ブレード付ロータと交換しなければならない。これは、原材料費および人件費の面においてコストが非常に高くなってしまう。
【０００５】
ＩＮ―１００の材料、またはアルミニウムおよびチタンの含有量が高い他のニッケルベース超合金から製造された一体型ブレード付ロータを溶接補修することは、溶接作業中または溶接後の加熱処理中に材料に亀裂を生じさせる本質的に低い延性のため、不可能ではないにしても、困難であった。
【０００６】
ニッケルベース超合金から製造された一体型ブレード付ロータの困難な溶接補修を克服する方法を以下に記載する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によると、ＩＮ−１００材料から製造されたエアフォイルの溶接補修方法が提供される。この方法には、エアフォイルを比較的平滑な表面に機械加工して、エアフォイルの破損部分を除去することが含まれる。粉末状のＩＮ−１００材料は、プラズマアーク溶接装置に供給される。溶接部の端部においてプラズマアークを始動および停止することに伴う熱の過渡を排除するように、溶接装置の二方向の移動（パターン）により複数のＩＮ−１００溶接ビードがエアフォイルの破損部分に沿って堆積する。
【０００８】
本発明の他の態様によると、ニッケルベース超合金から製造されたエアフォイルの溶接補修方法が提供される。この方法には、エアフォイルの破損部分を除去することが含まれる。粉末状のニッケル合金材料が、プラズマアーク溶接装置に供給される。溶接部の端部においてプラズマアークを始動および停止することに伴う熱の過渡を排除するように、溶接装置の二方向のパターンにより複数の溶接ビードがエアフォイルの破損部分に沿って堆積する。
【０００９】
本発明の別の態様によると、ガスタービンエンジンにおけるＩＮ−１００から製造された一体型ブレード付ロータを溶接補修する方法が提供される。この方法には、ロータの破損部分を除去することが含まれる。粉末状のＩＮ−１００材料が、プラズマアーク溶接装置に供給される。溶接装置は第１の方向に移動して、ロータの破損部分に沿って第１の溶接ビードを堆積させる。次いで、溶接装置が第２の方向に移動して、第１の溶接ビードに隣接して第２の溶接ビードを堆積させる。第１および第２の方向は、互いに二方向に対向している。
【００１０】
本発明の他の用途は、添付の図面とともに本発明の実施を意図した以下の最良の実施形態の説明を読むことにより当業者に明らかにあるであろう。
【００１１】
以下の開示は、種々の変更形態および別の構成を受けるが、本発明の特定の例示的な実施例を図示し、さらに以下に詳説する。しかし、本発明は、開示した特定の形態に限定されることを意図するものではなく、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の精神および範囲内の全ての変更形態および別の構成に及ぶことを意図することを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、ＩＮ−１００などの低延性で、かつ硬化元素含有量の高いニッケル超合金から製造された部品を溶接補修する方法を提供する。ＩＮ−１００は、約１８５０°Ｆ〜１９００°Ｆ（約１０１０°Ｃ〜約１０３７．７８°Ｃ）の高温の用途に推奨される真空溶解されたインベストメント鋳造のニッケルベース合金である。ＩＮ−１００は、インターナショナル  ニッケル社（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｎｉｃｋｅｌ  Ｃｏ．，Ｉｎｃ．）により開発された。材料の組成は、クロム８．０〜１１．０％、コバルト１３．０〜１７．０％、モリブデン２．０〜４．０％、バナジウム０．７０〜１．２０％、チタン４．５０〜５．００％、アルミニウム５．０〜６．０％、炭素０．１５〜０．２０％、ホウ素０．０１〜０．０２％、ジルコニウム０．０３〜０．０９％、鉄  最大１．０％、マンガン  最大０．２０％、ケイ素  最大０．２０％、硫黄  最大０．０１５％を含み、残部はニッケルである。本発明の一実施例においては、図示された部品は、一体型ブレード付ロータに形成されたエアフォイルであるが、圧縮機のステータベーン、ディフューザベーンなど比較的高温の用途に用いられるＩＮ−１００や同様の材料により製造される同様の幾何学形状を有する他の部品も意図している。
【００１３】
本明細書に記載された方法により、アルミニウムおよびチタンなどの硬化元素を含む高ニッケル超合金に伴う溶接補修の問題が有利に克服される。これらの硬化元素により、ニッケルベースの材料が低延性となり、したがって、特定の溶接補修作業中、または続く溶接後の熱処理中に亀裂が生じやすくなる。本発明に用いられる溶接装置は、業界で一般的に用いられている装置の１つであってもよいが、ＩＮ−１００などの材料の場合には、通常の周囲条件における材料の脆性の特性により、ワイヤ、スティックやロッドの形状に材料を引き抜くのが非常に困難である。そのため、補修方法には、通常、以下に説明する粉末のフィードストック（供給原料）を用いるプラズマアーク溶接装置またはマイクロプラズマアーク溶接装置の使用が含まれる。
【００１４】
一体型ブレード付ロータは、高性能ガスタービンエンジンにおける温度条件を満たすようにＩＮ−１００の材料から製造され得る。ＩＮ−１００は、ガスタービンエンジンの圧縮機部分に用いられる部品などの相対的に高温の部品に対して優れた特性を有するが、溶接補修作業中や溶接後の熱処理中にエアフォイルに亀裂が生じる傾向がある。ＩＮ−１００は、アルミニウムおよびチタンなどの硬化材料を比較的高い割合で有するクラスの高ニッケル超合金から発展してきたものである。ＩＮ−１００におけるアルミニウム含有量は、５重量％以上であり、チタンの含有量は、約５．５重量％である。硬化元素のこれらの割合により、ＩＮ−１００が溶接補修の容認される組成の限界を十分に超えたものとなる。通常、アルミニウム３％またはチタン６％より多く硬化元素を含有するニッケルベース合金は、そのような材料の組成により生じる低延性材料の脆性の特性により溶接が非常に困難となる。
【００１５】
図１を参照すると、プラズマアーク溶接装置１０が図示されている。溶接電源１２が、電力を供給するようにプラズマアーク溶接装置１０に接続されている。粉末供給器１４により、ＩＮ−１００などの粉末状金属が搬送ガス導管１６を通ってノズルトーチ１８に供給される。ノズルトーチ１８は、シールドガスキャップ２０と、ノズルトーチ１８の外周を囲むシールドガスノズル２２と、を備える。溶接電源１２は、電線管２４を介して電極２６に電気的に接続されている。搬送ガス導管１６により、ノズルトーチ１８を通ってノズル先端部３０に向かって延びる粉末用チャネル２８に粉末状材料が送られる。粉末状材料がノズル先端部３０において粉末用チャネル２８から流出する際に、電極２６により、粉末材料を通ってプラズマアーク３２が生じる。プラズマアーク３２により粉末状材料が加熱されるとともに、衝突部分において部品３６の一部分が溶解する。プラズマアーク３２により、粉末材料が液化するとともに、部品３６上に溶着物つまりビード３４が形成される。
シールドガス３８は、ブラズマアーク３２周囲に不活性環境をもたらすようにシールドガスノズル２２を通って送られる。シールドガスにより、当業者に周知のように酸化および溶着物中の不純物が防止される。別の実施例においては、溶接作業は、溶接装置１０および部品３６が完全にアルゴンなどの不活性シールドガスに覆われる不活性ガスパージボックス（図示せず）内で行うことができる。
【００１６】
部品３６に亘る均一な伝熱を促進するように制御された環境をもたらすために、溶接される部品３６の縁部の下にヒートシンク４０を設けてもよい。銅、鋼や黒鉛などの種々の材料からヒートシンク４０を製造してもよい。溶接中にヒートシンク４０が、溶接される部品３６の縁部から所定の距離（約０．２００インチ（約５．０８ｍｍ））を隔てて配置される場合に、十分な伝熱をもたらすことが明らかになっている。ヒートシンク４０は、溶接工程のいくつかの事例において有利であることが分かっているが、ヒートシンク４０を用いずに溶接補修を行うことも可能であるし、部品３６と接触させてヒートシンク４０を用いることが最も有利な場合もある。
【００１７】
図２〜図６では、薄い断面の部品を溶接補修する一実施例が図示されている。本明細書で用いられているように、「薄い」とは、他の寸法も確かに可能ではあるが、約０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）までとして定義される。図２では、エアフォイル５２がディスク５４と一体的に形成されている一体型ブレード付ロータ５０の一部分が図示されている。図を簡略化するために、ディスク５４を部分的に切断して示している。一体型ブレード付ロータ５０は、通常、単一の金属ブロックから形成される。従来の圧縮機ロータの構造では、エアフォイルが破損した場合、エアフォイルはディスクから取り外され、新しいエアフォイルと交換される。しかし、一体型ブレード付ロータ５０のエアフォイルが、所定の限界を超えて破損した場合には、そのエアフォイルを補修するか、あるいは高い材料費および人件費をかけて、一体型ブレード付ロータ５０全体を取替えなければならない。
【００１８】
図２に示されたエアフォイルの破損部分５６は、図３のような実質的にまっすぐな機械加工縁部５８を形成するように、グラインダや工作機械などの適切な装置で機械加工され得る。図４では、破損したエアフォイル５２を補修するように溶接線つまりビード６０を形成しているプラズマアーク溶接装置１０が図示されている。図を簡略化するために、溶接装置１０は、実際の作業で用いられる場合よりもエアフォイル５２から離れて図示されている。実際は、溶接装置１０のトーチは、エアフォイル５２にかなり近接している（例えば、他の距離であってもよいが、約０．２インチ（約５．０８ｍｍ））ことを理解されたい。各溶接ビード６０は、プラズマアーク溶接装置１０の１回のパス（溶接操作）により形成される。第１の溶接ビード６２は、溶接装置１０が矢印７０で示された第１の方向に移動する際に、エアフォイル５２に堆積する。溶着装置がエアフォイルの端部に達した後、即座に溶接装置を反転させて、第１の溶接ビード６２の形成と反対の矢印７２の方向に溶接装置を移動させることにより、第２の溶接ビード６４が第１の溶接ビード６２の上に堆積する。プラズマアーク装置のこの連続的な二方向性の移動により、ＩＮ−１００から製造されたエアフォイル５２に亀裂のない溶接部が形成されることが分かっている。溶接を形成する連続的な二方向のパターンにより、溶接部の端部における熱の過渡が排除される。さらに、連続的な溶接ビードは、パスとパスとの間において遅れなく速やかに、連続させて付与されるべきである。プラズマアーク溶接トーチ１０は、当業者に周知の多軸型の位置合わせシステムにより、電気的に制御され得る。特定の用途において手動作業が有用である場合には、任意選択で、プラズマアーク溶接装置を手動にすることができる。
【００１９】
次に図５を参照すると、エアフォイル５２が概ね元の高さ７４まで溶接材料６０で完全に積み上げられ、適切な溶接後の熱処理が完了した後、溶接材料６０は、グラインダ工具７６などの適切な装置で機械加工され得る。エアフォイル５２は、図６に示されたような完成形の幾何学形状に機械加工され、特定用途に適切な機械加工後の応力除去、コーティングの付与およびショットピーニングなどの他の工程を経た後、運転使用可能な状態となる。
【００２０】
次に図７を参照すると、本発明に用いられた方法は、材料に亀裂を生じさせることなくあらゆる高硬化元素含有ニッケル超合金を溶接補修するために使用され得る。本発明の方法は、一体型ブレード付ロータのエアフォイルなどの複雑な幾何学形状の補修に特に有益である。作業においては、破損した部品を機械加工して、部品の破損部分を除去し、溶接ビードを付与するために比較的平滑な表面を形成する（ブロック８０）。溶接装置は、部品に溶接ビードを形成しつつ、連続的に二方向に移動する（ブロック８２）。溶接材料は、冷却され（ブロック８４）、適切に熱処理される（ブロック８６）。部品は、次いで、仕上げ加工され（ブロック８８）、他の適切な作業の後、通常の運用に戻すことができる状態となる。
【００２１】
本発明の特定の実施例について詳細な説明がなされたが、本発明の法的な範囲が添付の特許請求の範囲により定義されることを理解されたい。詳細な説明は、例示的なものとして説明するものであり、可能な全ての実施例を説明することは、不可能でないにしても、実用的ではないため、可能である全ての実施例を説明していない。現在の技術または本発明の出願日以降に開発される技術を用いることにより、本発明を定義する特許請求の範囲の範囲内にある多くの別の実施例が実施され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】プラズマアーク溶接装置の概略的な配置図。
【図２】破損したエアフォイルを有する一体型ブレード付ロータの一部の斜視図。
【図３】破損部分を機械加工した後の図２のエアフォイルの斜視図。
【図４】破損部分に複数のビードを適用した図２のエアフォイルの斜視図。
【図５】溶接部を機械加工している図２のエアフォイルの斜視図。
【図６】完成品のエアフォイルの斜視図。
【図７】高硬化元素含有のニッケルベース物質から製造された部品の補修方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００２３】
１０…プラズマアーク溶接装置
１６…搬送ガス導管
１８…ノズルトーチ
２０…シールドガスキャップ
２２…シールドガスノズル
２４…電線管
２６…電極
２８…粉末用チャネル
３０…ノズル先端部
３２…プラズマアーク
３４…溶接ビード
３６…部品
３８…シールドガス
４０…ヒートシンク
５０…一体型ブレード付ロータ
５２…エアフォイル
５４…ディスク
５６…破損部分
５８…機械加工縁部
６０…溶接ビード
６２…第１の溶接ビード
６４…第２の溶接ビード
７０，７２…矢印
７４…元の高さ
【図１】
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【図２】
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【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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【外国語明細書】
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2006239775.tif 000012
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2006239775.tif 000017
2006239775.tif 000018
2006239775.tif 000019
2006239775.tif 000020
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2006239775.tif 000022
2006239775.tif 000023
2006239775.tif 000024
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