(57)【要約】単結晶超合金製品を修復するための拡散結合性混合物塗料および方法であって、該製品に適用されるろう付け合金の量を最小化するものである。幅広段差ろう付け工程のホウ素および共晶脆弱性ホウ化物の量が最小化され、より頑強な修復をもたらす。該ろう付け塗料は、合金粉体混合物、バインダー、および塗料を薄くするためのキャリアを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）  合金粉体混合物であって、
ｉ）第１の融解温度を有する第１の合金粉体であって、重量で10%のW、10%のCo、8.3%のCr、5.5%のAl、1.0%のTi、3.0%のTa、1.5%のHf、0.1%のZr、0.70%のMo、0.1%のCから本質的に成り、Niからなる残部および付随不純物を持つ第１の合金粉体；および
ｉｉ）前記第１の合金粉体の融解温度よりも低い第２の融解温度を有する第２の合金粉体であって、重量で約15%のCr、2.9%のBから本質的に成り、Niからなる残部および付随不純物を持つ第２の合金粉体；を含んでなる合金粉体混合物；
ｂ）  バインダー；および
ｃ）  キャリア；
を含んでなる拡散結合性混合物。
【請求項２】
前記合金粉体混合物が、重量パーセントで49〜51%の第１の合金粉体、および49〜51%の第２の合金粉体である、請求項１の混合物。
【請求項３】
前記合金粉体混合物が、重量パーセントで59〜61%の第１の合金粉体、および39〜41%の第２の合金粉体である、請求項１の混合物。
【請求項４】
ａ）  前記第１の合金粉体が、重量で7%のW、10%のNi、23.5%のCr、0.2%のTi、3.5%のTa、0.35%のZrおよび0.6%のCから本質的に成り、Coからなる残部および付随不純物を持ち；
ｂ）  前記第２の合金粉体が、重量で7%のW、10%のNi、23.5%のCr、0.2%のTi、3.5%のTa、0.35%のZr、0.6%のCおよび2.9%のBから本質的に成り、Coからなる残部および付随不純物を持ち；かつ
ｃ）  前記合金粉体混合物が、重量パーセントで59〜61%の第１の合金粉体、および39〜41%の第２の合金粉体である、請求項１の混合物。
【請求項５】
超合金基体を有する製品上の損傷を修復する方法であって、下記の各段階：
ａ）  損傷領域をフッ化物イオンクリーニング工程でクリーニングすること；
ｂ）  １つ以上の融点抑制剤を含有する拡散結合性混合物を、該損傷領域に適用すること；
ｃ）  修復される少なくとも該領域を、減圧下で、該混合物が該損傷領域内に流動するのに充分な温度および時間で加熱するが、該基体が損傷しない充分に低い温度に加熱すること；
ｄ）  修復される少なくとも該領域を、それがサーモカップリング安定化に至るまで冷却すること；および
ｅ）  修復される該領域を加熱し、１つ以上の融点抑制剤を該基体内に拡散させること；
を含んでなる方法。
【請求項６】
前記拡散結合性混合物が、
ａ）  合金粉体混合物であって、
ｉ）第１の融解温度を有する第１の合金粉体であって、重量で10%のW、10%のCo、8.3%のCr、5.5%のAl、1.0%のTi、3.0%のTa、1.5%のHf、0.1%のZr、0.70%のMo、0.1%のCから本質的に成り、Niからなる残部および付随不純物を持つ第１の合金粉体；および
ｉｉ）前記第１の合金粉体の融解温度よりも低い第２の融解温度を有する第２の合金粉体であって、重量で約15%のCr、2.9%のBから本質的に成り、Niからなる残部および付随不純物を持つ第２の合金粉体；を含んでなる合金粉体混合物；
ｂ）  バインダー；および
ｃ）  キャリア；
を含んでなる、請求項５の方法。
【請求項７】
前記合金粉体混合物が、重量パーセントで49〜51%の第１の合金粉体、および49〜51%の第２の合金粉体である、請求項６の方法。
【請求項８】
前記合金粉体混合物が、重量パーセントで59〜61%の第１の合金粉体、および39〜41%の第２の合金粉体である、請求項６の方法。
【請求項９】
前記拡散結合性混合物が、
a）  合金粉体混合物であって、
ｉ）  第１の合金粉体が、重量で7%のW、10%のNi、23.5%のCr、0.2%のTi、3.5%のTa、0.35%のZrおよび0.6%のCから本質的に成り、Coからなる残部および付随不純物を持ち；
ｉｉ）  第２の合金粉体が、重量で7%のW、10%のNi、23.5%のCr、0.2%のTi、3.5%のTa、0.35%のZr、0.6%のCおよび2.9%のBから本質的に成り、Coからなる残部および付随不純物を持ち、重量パーセントで59〜61%の該第１の合金粉体および39〜41%の該第２の合金粉体である合金粉体混合物；
ｂ）  バインダー；および
ｃ）  キャリア；
を含んでなる、請求項５の方法。
【請求項１０】
ａ）  段階ｃ）の温度および時間が2200°F±15°Fで10〜20分間であり；
ｂ）  段階ｄ）の温度が1500°F±15°Fであり；かつ
ｃ）  段階ｅ）の温度および時間が2200°F±15°Fで4時間15分間±15分である；
請求項５の方法。
【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部品の修復のための組成物および方法に関し、より詳しくは、単結晶ニッケルベース超合金製品を治す拡散結合（diffusion bond）のための拡散結合性塗料混合物および熱サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケルをベースとする超合金は、高温作動条件におけるそれらの優れたクリープ強度特性のためにガスタービンエンジン部品に使用される。そのような単結晶超合金は、配向した微細構造を有しない他の公知のニッケルベース超合金を凌ぐ実質的改善を示すが、それらは使用に際して環境上の侵襲、特に酸化および硫化により引き起こされる熱腐食に関して危惧される。さらに、その増強された強度にもかかわらず、単結晶合金は、熱サイクルまたは飛行衝撃またはそれらの組合せのような経験から生じ得る亀裂または他のタイプの損傷または劣化を被りやすい。また、収縮、混入、および亀裂のような不連続性は、そのような部品の製造の間に起こり得る。そのような部品の比較的高いコストのため、時折それらを交換するよりも修復することが望まれる。しかしながら、超合金部品は一度傷つくと、同じ領域において繰り返し欠陥が生じる傾向にあり、行われたいかなる修復も元の超合金ベース金属と同等またはより優れた機械的、環境的および加工的特性を有することは困難なる。
【０００３】
当該技術分野において幅広段差ろう付け（wide-gap brazing）または過渡液相加工（tarnsient-liquid phase processes）のような一定のニッケルベース超合金を修復するための方法が知られている。これらの工程は、タービンエンジン部品をクリーニングすること、その基体よりも低い融解温度を有する適合性の拡散結合性混合物を適用すること、およびその基体に熱的損傷を引き起こすことなくその拡散結合性混合物を融解するように当該製品を加熱することを伴う。これら工程のほとんどは、等軸化合金(equiazed alloys)へ使用されるが、そのユニクリスタル(uni crystal)への不純物の導入が弱い部分を作りだし得るため単結晶合金を修復することは難しいことが分かっている。
【０００４】
修復用拡散結合性混合物は、その拡散結合性混合物が当該混合物を融解するのに十分に高いが、基体を融解し当該基体への熱的損傷を引き起こすほどは高くない温度で適用されることができるように、かなりの量の融点抑制剤、主としてケイ素およびホウ素を含むように配合されている。しかしながら、融点抑制剤の量はかなり多いので、その拡散結合混合物が、基体とは組成が有意に異なり、その修復領域は周囲基体と同じ特性を有さず、その修復領域での欠陥の危険性を増大させ得る。特に、融点抑制剤と組合せされたクロム、チタン、および耐火性元素のファミリー（例えば、タングステン、タンタル）で構成される望ましくない大きな塊状またはスクリプト様脆弱相（script-like brittle phases）は、基体と拡散結合性混合物の間で形成する共晶物に成長する。これら脆弱相は修復複合体を弱体化し得る。但し、一般に従来の修復は、適正に使用されたときに安全な最終製品をもたらすと認識される。
【０００５】
したがって、その部分に適用される拡散結合性混合物合金の量を最小化し、それによりホウ素の量を最小化する組成物および方法についての要求が存在する。また、幅広段差ろう付け加工によく見られる共晶ホウ化物を最小化する組成物および方法、ならびに基体に非常によく類似した特性を有する修復領域をもたらす、超合金基体を修復するための組成物および方法についての要求が存在する。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、製品に適用される拡散結合性混合物合金の量を最小化する、単結晶超合金製品を修復するのに使用される拡散結合性混合物塗料である。その塗料は、２つの合金粉体混合物、バインダー、および塗料を薄くすることにも役立つキャリアを有するものである。その粉体混合物は、拡散結合性混合物を融解させて亀裂内に流動させ、融点抑制剤が基体内に拡散することを可能にすることに協働する高融解温度粉体および低融解温度粉体、並びに生じた硬化性の高融解温度成分を有する。拡散結合性混合物塗料は、クリーンな超合金に塗布され、その製品は３段階熱サイクルを通じて加熱される。その熱サイクルは、その塗料を融解させて損傷領域内に流動させ、次いでサーモカップリング安定化まで冷却し、基体内に拡散させる。好ましい混合組成物および方法の他の独立の特徴および利点は、下記の詳細な記載から、実施例によって本発明の原理を示す添付図面を参照して明らかになるであろう。
【発明の詳細な記載】
【０００７】
本発明は、２つの合金粉体混合物、バインダー、およびキャリアを有する拡散結合性混合物塗料に具体化される。表１は、拡散結合性混合物塗料の組成を示し、ここでその粉体混合物は、重量%で約10%のバインダーおよび約5〜20%のキャリアと組合せされる。実施例１は、100グラムの粉体混合物が10グラムのバインダーおよび5グラムのキャリアと混合された塗料を示す。実施例２は、100グラムの粉体混合物が10グラムのバインダーおよび20グラムのキャリアと混合された塗料を示す。
【０００８】
【表１】
2005532478.tif 000002
【０００９】
粉体混合物は、高融点合金粉体および融点合金粉体を含有する。組合せにおいて、それら２つの粉体は均質な粉体系を規定する。その高融点合金粉体は、優れた酸化耐性と共に、優れた熱腐食耐性および機械的特性を持ち、さらにSiまたはBのような融点抑制剤の実質的不存在により特徴づけられる。対照的に、その低融点合金粉体は、融点抑制剤元素であるSi、Bまたはその両者を含有する。実際には、それが粉体は、付随不純物を含有してもよい。好ましい高融点合金は、MAR-M247およびMAR-M509である。好ましい低融点合金は、M3877およびMAR-M509Bである。表２は、好ましい粉体および各粉体の各構成成分の量を重量％で列挙する。
【００１０】
【表２】
2005532478.tif 000003
【００１１】
好ましい粉体は、表３に示される好ましい比率で組合される。第１の好ましい粉体混合物は、ブランド名JetFix Eで知られており、約49〜51% MAR-M247および49〜51% M3877の組合せである。第２の好ましい粉体混合物は、ブランド名JetFix Gで知られており、約59〜61% MAR-M247および39〜41% M3877の組合せである。第３の好ましい粉体混合物は、ブランド名JetFix555で知られており、約49〜51% MAR-M509および49〜51% MAR-M509Bの組合せである。これら粉体混合物から作られる塗料は、MAR-M509シュラウド（shroud）およびCMSX-3エアーホイル、とりわけガスタービンエンジン部品を修復するのに使用されている。
【００１２】
【表３】
2005532478.tif 000004
【００１３】
それら粉体混合物は、バインダーおよびキャリアと混合される。バインダーは、好ましくはAB215、つまりMetal Methods, Inc., Frankfurt、Kentuckyから市販されている当該技術分野で公知の非繊維質バインダーである。キャリアは、典型的には、粉体混合物の融点より低い温度で蒸発するエチルアルコールまたはアセトンのようなアルコールであり、好ましくはイソプロパノールである。キャリアの目的は、塗料を薄くすることまたは塗料の粘度を低下させることである。このことは、非常に薄い層の塗料を基体に塗布して亀裂に適用されるホウ化物の量を低減することを可能にし、それにより形成され得る共晶脆弱性ホウ化物を最小化する。理想的に過不足ない塗料が塗布されると、亀裂を治癒するがそれ以上にはならず、脆弱性ホウ化物を最小量まで低減する適切な量の粉体混合物が供給される。得られる組成物は、塗料用ブラシまたは噴霧器で超合金製品に塗布される拡散結合性混合物塗料である。
【００１４】
損傷した基体を修復するには、製品を先ず当該技術分野において知られる工程によって修復に備える。それら製品は、酸剥離によりすべてのアルミニドコーティングを剥離させる。亀裂は、拡大鏡を使用して検視で同定する。約0.02インチより大きい亀裂はクランプで閉じ物理的に抑える。次いで亀裂をスポット溶接を使用して溶接する。その初期準備の後、それら亀裂を当該技術分野においても知られているフッ化物イオンクリーニング工程でクリーニングする。本発明に従い、選択された拡散結合性混合物塗料を亀裂に塗料用ブラシまたは噴霧器で薄い層で塗布し、それにより製品に適用されるホウ化物の量を制限する。次いでその製品を減圧下におき2200°F±15°Fで10〜20分間加熱して、その拡散結合性混合物を融解させ亀裂内に流動させる。次いでその製品をサーモカップリング安定化が生じるまで最小の1500°F±15°Fに冷却する。次いでその製品を2200°F±15°Fで4時間15分間±15分、再加熱し、融点抑制剤を基体内に拡散させる。この拡散は、その部品が再び使用されるときに初期融解を受けにくい強い修復をもたらす。その３段階熱サイクルが、塗料を融解して損傷領域内に流動させることを可能とし、そしてフィルムサーモカップリング安定化および基体内への最終的な拡散を与えることができる。
【００１５】
以上記載したものは本発明およびその好ましい態様を実施するために企図された最良の形態であると考えられるが、当業者は、様々な変更および修飾をなし得ることおよび本発明の真の範囲を逸脱することなくそれらの構成要素を均等物と置換し得ることを理解するであろう。したがって、本発明は開示された特定の態様に限定されず、添付された特許請求の範囲内におさまるすべての態様を包含することが企図されている。
【国際調査報告】
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