(57)【要約】【課題】エンジンに使用される部材上のエーロフォイルプラットホーム縁部を修復するためのプロセスが提供される。【解決手段】エンジンに使用される部材（１００）の摩耗縁部（１０６）を修復するためのプロセスが提供される。このプロセスは、摩耗縁部（１０６）を有する部材（１００）を用意し、粉末金属材料が、摩耗縁部（１０６）との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ摩耗縁部（１０６）に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて摩耗縁部（１０６）上に少なくとも一層の粉末金属材料を堆積させる、ことを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材の縁部を修復するためのプロセスであって、
摩耗縁部を有する部材を用意し、
粉末金属材料が、摩耗縁部との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ摩耗縁部に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて摩耗縁部上に少なくとも一層の粉末金属材料を堆積させる、
各ステップを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項２】
前記の部材用意ステップは、摩耗縁部を有するプラットホームとエーロフォイル部分とを有するエンジンに使用される部材を用意することを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項３】
前記の堆積ステップは、プラットホームを構成する材料の組成と同一の組成を有する、少なくとも一層の粉末金属材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項２記載のプロセス。
【請求項４】
前記の堆積ステップは、プラットホームを構成する材料と適合できる改善された摩耗および／または延性を与える組成を有する、少なくとも一層の粉末金属材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項２記載のプロセス。
【請求項５】
前記部材は、フィレットを有しており、前記の堆積ステップは、このフィレットの完全性に影響せずに実施されることを特徴とする請求項２記載のプロセス。
【請求項６】
前記の堆積ステップは、摩耗縁部上に複数の層の粉末金属材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項７】
前記の堆積ステップの前に摩耗縁部の欠陥を除去することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項８】
前記縁部上に堆積した前記材料を、延性を改善する熱処理にかけることをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項９】
前記の堆積ステップは、５μｍから５０μｍの範囲の粒径を有する粒子形態で粉末金属材料を用意し、この粒子を８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓの範囲の速度に加速することを含み、前記の堆積ステップはさらに、粉末金属を、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるキャリヤーガスを用いて１０グラム／ｍｉｎから１００グラム／ｍｉｎの供給速度でスプレーノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項１０】
前記の加速ステップは、前記粒子を８５０ｍ／ｓから１２００ｍ／ｓの範囲の速度に加速することを含むことを特徴とする請求項９記載のプロセス。
【請求項１１】
前記の供給ステップは、前記金属粉末を、１５グラム／ｍｉｎから５０グラム／ｍｉｎの供給速度でスプレーノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項９記載のプロセス。
【請求項１２】
前記のキャリヤーガスは、ヘリウムであり、前記の供給ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項９記載のプロセス。
【請求項１３】
前記の供給ステップは、ヘリウムを８．０ＳＣＦＭから１５ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１２記載のプロセス。
【請求項１４】
前記キャリヤーガスは、窒素を含み、前記の供給ステップは、窒素を０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項９記載のプロセス。
【請求項１５】
前記の供給ステップは、窒素を４．０ＳＣＦＭから１０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１４記載のプロセス。
【請求項１６】
前記の堆積ステップは、６００°Ｆから１２００°Ｆの範囲の主ガス温度においておよび２００ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択される主ガスを用いてノズルを通して前記金属粉末粒子を通過させることを含むことを特徴とする請求項９記載のプロセス。
【請求項１７】
前記の通過ステップは、７００°Ｆから１０００°Ｆの範囲の主ガス温度において２００ｐｓｉから４００ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、ノズルを通して前記金属粉末粒子を通過させることを含むことを特徴とする請求項１６記載のプロセス。
【請求項１８】
前記主ガス温度は、２７５ｐｓｉから３７５ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において７２５°Ｆから９００°Ｆの範囲にあることを特徴とする請求項１６記載のプロセス。
【請求項１９】
前記主ガスは、ヘリウムを含み、前記の通過ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１６記載のプロセス。
【請求項２０】
前記のヘリウム供給ステップは、ヘリウムを１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１９記載のプロセス。
【請求項２１】
前記主ガスは、窒素を含み、前記の通過ステップは、窒素を０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの範囲の供給流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１６記載のプロセス。
【請求項２２】
前記の窒素供給ステップは、窒素を４．０から８．０ＳＣＦＭの範囲の供給流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項２１記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンなどのエンジンに使用されるタービンブレードなどの部材のプラットホーム部分を修復するためのプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
作動の際に、ガスタービンエンジンに使用されるブレード上のエーロフォイルプラットホーム縁部は、腐食またはその他の手段によって摩耗され得る。これは、ガス経路漏れに起因するエンジン効率の低下につながり得る。これらの部品をそれらの元の寸法に修復することがしばしば必要となる。ブレードフィレットのプラットホームエッジへの近接に起因して、従来の融接は、熱の影響するゾーンが高応力フィレット領域内へ延びることになるので、縁部修復に使用できない。
【０００３】
最近、基体上に包含物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）ありまたはなしで粉末金属を堆積させる新しい金属被覆（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）スプレー技術としてコールドガスダイナミックスプレーまたは「コールドスプレー」が導入されてきた。中細（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ／ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）ノズルによってヘリウムおよび／または窒素の超音速ジェットが形成され、これは、粉末粒子を基体の方へ加速してコールドスプレー堆積物または被覆を生成するのに使用される。堆積物は、塑性変形および結合によって基体および先に堆積された層に付着する。米国特許第５，３０２，４１４号および第６，５０２，７６７号は、コールドガスダイナミックスプレー技術を例示している。
【特許文献１】米国特許第５，３０２，４１４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５０２，７６７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の目的は、エンジンに使用される部材上のエーロフォイルプラットホーム縁部を修復するためのプロセスを提供することである。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、部材上のフィレットの完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）に影響しない、上述したような修復プロセスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的は、本発明のプロセスを用いて達成できる。
【０００７】
本発明に従うと、エンジンに使用される部材を修復するためのプロセスが提供される。このプロセスは概略、修復される摩耗縁部を有する部材を用意し、粉末金属材料が、摩耗縁部との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ摩耗縁部に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて摩耗縁部上に少なくとも一層の粉末金属材料を堆積させる、ことを含む。
【０００８】
本発明のコールドスプレーを用いるブレードプラットホーム修復の他の詳細、およびそれに付随する他の目的および手段は、以下の詳細な説明中に、および同様の参照符号が同様の部材を図示している添付の図面中に述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ここで図１を参照すると、ガスタービンエンジンなどのエンジンに使用されるタービンブレードなどの部材１００は、エーロフォイル部分１０２とプラットホーム１０４部分とを有する。上述したように、作動の際に、プラットホームの縁部１０６は一般に、摩耗し、修復を必要とする。本発明は、コールドスプレー技術を用いるブレードプラットホームを修復するためのプロセスに関する。
【００１０】
修復する必要のある部材の部分上に粉末金属材料を堆積させるためのコールドスプレープロセスは、有利なものであるが、その理由は、衝突の際に、粒子が弾性変形し、かつ、修復されつつある部材の表面にまたは先に堆積された層上に結合するように、この技術が、粒子を充分な高速に加速するのに十分なエネルギーを与えるからである。コールドスプレープロセスによって、相対的に高密度の被覆または構造堆積物を構築することができる。コールドスプレーは、スプレー粒子をその固体状態から冶金学的には変化させない。
【００１１】
エンジンに使用される部材を修理または修復する場合、修復される部材の部分からどのような腐食ピットおよび／または損傷領域も最初に除去するのが望ましい。腐食ピットおよび／または損傷領域の除去は、研削、機械加工、またはその他の適用可能な技術によって機械的に行うことができる。所望ならば、修理される表面は、グリットブラストすることができ、次いで、コールドスプレー方法を用いて堆積物が作成される。
【００１２】
ここで図２を参照すると、修復される部材１００のプラットホーム縁部１０６上に粉末金属材料を堆積させるためのシステム８が示される。システム８は、中細ノズル２０を有するスプレーガン２２を含み、ノズル２０を通して粉末金属材料が、縁部１０６上にスプレーされる。部材１００は、当業技術内で知られる任意の適切な金属材料から形成できる。コールドスプレー堆積プロセスの際に、スプレーシステム８の部材１００および／または複数の部材は、静止して保持されることができ、または、当業技術内で知られる任意の適切な手段（図示せず）により関着（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）、回転、または直動されることができる。
【００１３】
本発明のプロセスにおいて、堆積される材料は、粉末状金属材料である。粉末状金属材料は、部材１００を構成する組成と同じ組成とすることができ、または、摩耗および／または延性を改善する部材１００を形成する材料と適合できる組成とすることができる。例えば、粉末金属材料は、ＩＮ  ７１８、ＩＮ  ６２５、  ＩＮ  １００、ＷＡＳＰＡＬＯＹ、ＩＮ  ９３９、またはＧＡＴＯＲＩＺＥＤ  ＷＡＳＰＡＬＯＹなどのニッケル基合金とすることができる。
【００１４】
縁部１０６上に堆積を形成するのに使用される粉末状金属材料は好ましくは、約５．０μｍから５０μｍ（０．２ミルから２．０ミル）の範囲の直径を有する。より小さな粒径によって、より高速の粒子速度の達成が可能となる。５μｍより小さな直径では、粒子は、表面２４より上の弧状衝撃波（ｂｏｗ  ｓｈｏｃｋ）層に起因して縁部１０６から一掃されるおそれ、すなわち、弧状衝撃波を通って粒子を推進させるには質量が不十分なおそれがある。粒径分布がより狭くなるほど、粒子速度はより均一なものになる。これは、スプレー／噴流（ｐｌｕｍｅ）中のより小さな粒子がより遅くかつより大きな粒子に衝突し、事実上、両方の速度を低下させるからである。
【００１５】
堆積される粒子は、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるガスなどの圧縮ガスを用いて超音速の速度に加速できる。ヘリウムは、その低分子量に起因して最も高速を生成するので、好ましい気体である。
【００１６】
粉末状金属材料を堆積物に変化させるための、本発明のプロセスにより利用される結合機構は、厳密に固体状態であり、これは、粒子が塑性変形するけれども溶融はしないことを意味する。粒子上に形成され、または縁部１０６上に存在し、または先に堆積された層中に存在するどのような酸化物層も粉砕され、新鮮な金属対金属の接触が非常な高圧でなされる。
【００１７】
堆積物を形成するのに使用される粉末状金属材料は、改造された溶射供給装置などといった従来技術で知られる任意の適切な手段を用いてスプレーガン２２に供給できる。使用できる特注の供給装置の一つは、オハイオ州クリーヴランドのパウダー・フィード・ダイナミックス社（Ｐｏｗｄｅｒ  Ｆｅｅｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により製造される。この供給装置は、オーガー（ａｕｇｅｒ）型供給機構を有する。角のあるスリットを有するバレルロール（ｂａｒｒｅｌ  ｒｏｌｌ）供給装置および流動層供給装置も使用できる。
【００１８】
本発明のプロセスにおいて、供給装置を、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるガスで加圧できる。供給装置圧力は、主ガスまたはヘッド圧力より一般に１５ｐｓｉ高く、この圧力は通常、粉末金属材料組成に依存して、２００ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲にある。
【００１９】
ガスは、ノズル２０の喉部を過ぎて膨張した後に急速に冷却しかつ凝固しないように、加熱できる。正味の効果は、堆積の際の部材１００上の約１１５°Ｆの表面温度になる。当業技術内で知られる任意の適切な手段を、ガスを加熱するのに使用できる。
【００２０】
粉末状金属材料を堆積させるために、ノズル２０は、修理されつつある部材１００の縁部１０６上を複数回通過することができる。通過の回数は、施される材料の厚みの関数である。本発明のプロセスは、任意の所望の厚みを有する堆積物を形成できる。コールドスプレーは、一回の通過当たり０．００２インチから０．０２０インチの範囲の薄い層を生成できる。
【００２１】
縁部１０６上に粉末状金属粒子を堆積させるのに使用される主ガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量で、好ましくは１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量で、入口３０を介してノズル２０を通過できる。上述の流量は、主ガスとしてヘリウムを使用する場合に好ましい。主ガスとして窒素を単独でまたはヘリウムと組み合わせて使用する場合、窒素は、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０から３０ＳＣＦＭの流量で、ノズル２０を通過できる。
【００２２】
主ガスの温度は、６００°Ｆから１２００°Ｆ、好ましくは７００°Ｆから１０００°Ｆ、最も好ましくは７２５°Ｆから９００°Ｆの範囲とすることができる。所望ならば主ガスは、堆積される材料に依存して、ほぼ１２５０°Ｆと同じほど高くに加熱できる。
【００２３】
スプレーガン２２の圧力は、２００ｐｓｉから５００ｐｓｉ、好ましくは２００ｐｓｉから４００ｐｓｉ、最も好ましくは２７５ｐｓｉから３７５ｐｓｉの範囲とすることができる。粉末状金属材料は好ましくは、特定の主ガス圧力より１０から５０ｐｓｉ高い、好ましくは１５ｐｓｉ高い圧力下にあるホッパーから、１０グラム／ｍｉｎから１００グラム／ｍｉｎ、好ましくは１５グラム／ｍｉｎから５０グラム／ｍｉｎの範囲の速度で、ライン３４を介してスプレーガン２２に供給される。
【００２４】
粉末状金属材料は、非酸化性キャリヤーガスを用いてスプレーガン２２に供給される。キャリヤーガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭ、好ましくは８．０ＳＣＦＭから１５ＳＣＦＭの流量で、入口３０を介して導入できる。上述の流量は、キャリヤーガスとしてヘリウムを使用する場合に有用である。キャリヤーガスとして窒素を単独でまたはヘリウムと混合して使用する場合、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０から１０ＳＣＦＭの流量を使用できる。
【００２５】
スプレーノズル２０は、縁部１０６から所定の距離に保持される。この距離は、スプレー距離として知られており、１０ｍｍから５０ｍｍの範囲とすることができる。
【００２６】
スプレーノズル２０から放出される粉末状金属粒子の速度は、８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓ、好ましくは８５０ｍ／ｓから１２００ｍ／ｓの範囲とすることができる。
【００２７】
ガスタービンエンジンに使用される部材のプラットホームの縁部１０６の寸法を修復するのにコールドスプレーを用いる利点の一つは、存在し得るどのようなフィレットの完全性にも影響せずに修復を達成できることである。これは、コールドスプレープロセスが、熱の影響するゾーンを生成しないことである。
【００２８】
図３は、試験片上の縁部のコールドスプレー構築物の写真である。試験片は、約０．１２５インチの厚みを有するＩＮＣＯ  ７１８材料の一片２００であった。試験片の縁部２００は、約０．０１２インチだけ縁部の厚みを構築するようにＩＮＣＯ  ７１８材料を堆積させるのに本発明に従うコールドスプレープロセスを用いてスプレーした。試験片上にスプレーした粉末は、約５．６μｍの標準偏差を有する１５．６７μｍの平均粒径を有するＩＮＣＯ  ７１８粉末であった。粒子は、主ガスとしてヘリウムを用いてスプレーした。主ガス圧力は、３００ｐｓｉであり、主ガス温度は、８７８°Ｆであった。粉末は、３１５ｐｓｉの圧力におけるヘリウムキャリヤーガスを用いて２０グラム毎分の速度でノズルに供給した。スプレーノズルは、１インチの隔離距離を有していた。一回の通過当たりの堆積物の厚みは、約０．００２インチであった。堆積物は、合計６回の通過で作成した。堆積物は、９７％の高密度であった。
【００２９】
いくつかの場合、修復された部材を、堆積材料の延性および／または耐摩耗性を改善するための熱処理にかける必要があり得る。このような場合、限定される訳ではないが、広域熱処理および局所的熱処理を含め、当業技術内で知られる任意の適切な熱処理を使用できる。
【００３０】
本発明は、ガスタービンエンジンに使用されるブレード上のプラットホーム縁部の構築に関連して検討したとはいえ、本発明のプロセスが、他の種類の部材上の縁部表面を修復または修理するのに使用できることは理解されるはずである。
【００３１】
コールドスプレープロセスは、他の金属被覆プロセスに対する多数の利点を提供する。粉末は、高温に加熱されないので、供給原料材料の酸化、分解、およびその他の劣化が生じない。粒子が無酸素加速気体の流れの中に収容されるので、堆積の際の粉末酸化も制御される。他の潜在的な利点は、圧縮残留表面応力の形成と、供給原料の微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の保持とを含む。また、相対的に低い温度を使用するので、基体の熱ひずみが最小限に抑えられる。供給原料が溶融されないので、コールドスプレーは、脆い金属間化合物の生成または冷却時や次の熱処理時に割れる傾向に起因して従来はスプレーできない材料を堆積させる能力を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】タービンエンジンに使用されるブレードのプラットホーム縁部上の典型的な摩耗を示す写真である。
【図２】タービンエンジンに使用されるブレードのプラットホーム縁部上にコールドスプレー粉末金属材料を堆積させるための装置の概略図である。
【図３】本発明のコールドスプレープロセスを用いた試験片の縁部上のコールドスプレー構築物を示す写真である。
【符号の説明】
【００３３】
８…システム
２０…ノズル
２２…スプレーガン
２４…表面
３０…入口
３４…ライン
１００…部材
１０６…縁部
【図２】
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【図１】
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【図３】
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