(57)【要約】  シュラウド接触部での肉盛りの耐久性を向上させたタービン翼およびその製造方法を提供するものであり、周方向に並べて複数個が配置されるタービン翼１であって、隣接するタービン翼１との間で翼端のシュラウド５が接触しており、その接触部５ａに、金属粉末６の高密度エネルギービームによる溶融物からなる耐摩耗性の肉盛り７が施されている。金属粉末６は例えばコバルト基合金であるステライトまたはトリバロイである。
2015068227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に並べて複数個が配置されるタービン翼であって、
隣接するタービン翼との間で翼端のシュラウドが接触しており、
その接触部に、金属粉末の高密度エネルギービームによる溶融物からなる耐摩耗性の肉盛りが施されているタービン翼。
【請求項２】
請求項１に記載のタービン翼において、前記高密度エネルギービームはレーザビームであるタービン翼。
【請求項３】
請求項１または２に記載のタービン翼において、前記金属粉末はコバルト基合金からなるタービン翼。
【請求項４】
請求項３に記載のタービン翼において、前記コバルト基合金はステライトまたはトリバロイであるタービン翼。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン翼おいて、前記シュラウドの母材はニッケル基合金であるタービン翼。
【請求項６】
請求項１に記載のタービン翼を製造する方法であって、隣接するタービン翼と接触する翼端のシュラウドの接触部を、２００℃以上でシュラウドの母材の時効温度以下に予熱したのち、高密度エネルギービームを前記接触部に照射し、その照射領域に金属粉末を噴射することにより、前記高密度エネルギービームの熱で前記金属粉末および前記接触部を溶融させて前記肉盛りを形成するタービン翼の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載のタービン翼の製造方法において、前記高密度エネルギービームとしてレーザビームを使用するタービン翼の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載のタービン翼を製造する方法において、前記肉盛りの形成後に３５０℃以上で後熱を加えて均熱処理を行うタービン翼の製造方法。
【請求項９】
請求項６から８のいずれか一項に記載のタービン翼を製造する方法において、前記金属粉末はコバルト基合金であるタービン翼の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のタービン翼を製造する方法において、前記コバルト基合金はステライトまたはトリバロイであるタービン翼の製造方法。
【請求項１１】
請求項６から１０のいずれか一項に記載のタービン翼の製造方法において、前記シュラウドの母材はニッケル基合金であるタービン翼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シュラウドの接触面に耐摩耗性の肉盛りが施されたタービン翼およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンエンジンではタービン翼の翼端（先端）にシュラウドを形成し、隣接するタービン翼のシュラウド同士を接触面で接触させることにより、高温の燃焼ガスの漏れを抑えるとともに、タービン翼の振動を低減させている。シュラウド同士の接触面は耐摩耗性が必要となるが、タービン翼の使用温度は高温であるため、接触面には特に高温での耐摩耗性が要求される。【０００３】
ガスタービンの高効率化に伴い、タービン翼の使用環境は高温になる。また、ガスタービンが幅広い回転数もしくは出力範囲で使用される場合、接触面はより激しい摩耗を来たすと考えられる。このような厳しい使用環境に対応するために、接触面の形成には高温での耐摩耗性に優れる材料の使用が求められる。例えば、コバルト基合金のような耐摩耗性材料を、ＴＩＧ溶接やプラズマ溶接によって接触面に肉盛りする方法がある（例えば特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３３６５０２号
【特許文献２】特開２００１−１５２８０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような接触面形成方法による場合、入熱が大きいため、シュラウド接触面の肉盛り部分に熱応力の増加に起因する割れが発生しやすい。そして、その割れは、使用環境がきわめて厳しいために、進展しやすいものとなる。また、大きい入熱のため、シュラウドの母材のひずみも大きくなり、求められる製品形状から大きく外れる傾向があった。さらに、シュラウドの接触面のような複雑な形状をＴＩＧ溶接やプラズマ溶接で施工する場合、ワークであるタービン翼と加工ヘッドの距離の取り方が難しいために接触面への安定した品質の肉盛りが難しい。【０００６】
本発明の目的は、シュラウド接触面での肉盛りにおける割れを抑制したタービン翼およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明に係るタービン翼は、周方向に並べて複数個が配置されるタービン翼であって、隣接するタービン翼との間で翼端のシュラウドが接触しており、その接触部に、高密度エネルギービームによる金属粉末の溶融物からなる耐摩耗性の肉盛りが施されている。高密度エネルギービームとしては、例えばレーザビームが使用されるが、電子ビームを使用することもできる。【０００８】
この構成によれば、高密度エネルギービームは指向性、エネルギー密度に優れているため、シュラウドの接触部における金属粉末の肉盛りの形状精度が高く、耐摩耗性に優れ、かつ高温での硬度が高くなり、均質で割れの発生のない耐久性に優れた肉盛りが得られる。また、高密度エネルギービームの指向性が高いことから、シュラウドの接触部のような複雑な形状にも、安定した品質の肉盛りができる。【０００９】
本発明のタービン翼において、前記金属粉末はコバルト基合金からなることが好ましい。この構成によれば、コバルト基合金は、耐熱性および耐摩耗性に優れるため、これを用いた肉盛りは，耐熱性および耐摩耗性に優れ、かつ割れの発生を抑制できる。【００１０】
本発明のタービン翼において、前記コバルト基合金はステライトまたはトリバロイであることが好ましい。この構成によれば、ステライトおよびトリバロイはコバルト基合金類の中でも耐摩耗、耐食、耐熱環境を同時に実現できるので、シュラウドの接触部における肉盛りは耐熱性および耐摩耗性が一層優れ、割れの発生を一層効果的に抑制できる。【００１１】
本発明のタービン翼において、前記シュラウドの母材はニッケル基合金であることが好ましい。この構成によれば、ステライトおよびトリバロイを含むコバルト基合金は、その化学組成中にＮｉを含んでおり、シュラウドの母材はニッケル基合金との相溶性が極めて高いことから、シュラウドの母材との密着密度が高く、肉盛りは一層堅牢となって、割れの発生がより一層抑制される。【００１２】
本発明に係るタービン翼を製造する方法は、隣接するタービン翼と接触する翼端のシュラウドの接触部を、２００℃以上でシュラウドの母材の時効温度以下に予熱したのち、高密度エネルギービームを前記接触部に照射し、その照射領域に金属粉末を噴射することにより、高密度エネルギービームの熱で前記金属粉末および前記接触部を溶融させて前記肉盛りを形成する。高密度エネルギービームとしては、例えばレーザビームが使用されるが、電子ビームを使用することもできる。【００１３】
この構成によれば、高密度エネルギービームの照射前に、シュラウドの接触部を、２００℃以上でシュラウドの母材の時効温度以下に予熱するので、予熱しない場合に比べ、シュラウドの母材と高密度エネルギービーム照射時の接触部での温度ギャップが少ない。これにより、肉盛りでの割れの発生を抑制できる。【００１４】
本発明に係るタービン翼を製造する方法において、前記肉盛りの形成後に３５０℃以上で後熱を加え均熱処理を行うことが好ましい。この構成によれば、後熱を行わない場合に比べ、肉盛り部分の温度低下が時間をかけて進むことになる。これにより、肉盛りは急激に温度低下しないことから、割れの発生が一層抑制される。【００１５】
請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定しめるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
【図１】本発明の好ましい実施形態にかかるタービン翼の斜視図である。
【図２】同タービン翼の要部である肉盛り部分を示す斜視図である。
【図３】レーザ照射によるタービン翼の製造方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態について図１および図２を参照しながら説明する。図１に示すように、ガスタービンのタービン翼１は、翼部２が根元の取付部３を介してタービンディスク４に取り付けられ、その翼端にはシュラウド５が設けられている。タービン翼１はタービンディスク４の周方向Ｐに並べて複数個が配置されている。シュラウド５は、隣接するタービン翼１のシュラウド５との間で接触しており、その接触部５ａに、図２に示すように、高密度エネルギービームの一種であるレーザの照射による金属粉末の耐摩耗性の肉盛り７が施されている。この肉盛り７の外側面が隣接するタービン翼１のシュラウド５と接触する接触面５ａａとなる。接触部５ａはシュラウド５の両側部におけるタービン軸心方向Ｃの中央部に位置しており、タービン軸心方向Ｃに対して傾斜している。シュラウド５における中央の側部を形成する接触部５ａの前後両側部５ｂ、５ｃは、軸心方向Ｃにほぼ平行であり、したがって、シュラウド５の側部５ａ〜５ｃは、曲折した複雑な形状となっている。
【００１８】
ここで、シュラウド５は、ニッケル基合金（例えば、Ｍａｒ−Ｍ２４７(商品名)やＩｎｃｏｎｅｌ−７１３Ｃ（商品名））を母材とする耐熱性合金で形成されている。シュラウド５の接触部５ａにレーザ照射により肉盛りされる耐摩耗性の金属粉末６としては、コバルト基合金を使用し、詳しくは、ステライト（Stellite（商品名））やトリバロイ（Tribaloy（商品名））を使用する。例えば、ステライトとしては、ステライト６，１２、６９４、７２０を用い、トリバロイとしては、トリバロイＴ−８００、Ｔ−４００、Ｔ−９００を用いる。ステライト６の化学組成は、Ｃｒ２６〜３２％、Ｗ３〜６％、Ｆｅ＜３％、Ｍｏ＜１％、Ｎｉ＜３％、Ｃ  ０．９〜１．４％、Ｓｉ＜２％、Ｍｎ＜１％、残部Ｃｏである。トリバロイＴ−８００の化学組成は、Ｃ０．０４％、Ｃｒ１７．４％、Ｎｉ０．８％、Ｃｏ；Ｂａｌ、Ｍｏ２８．２％、Ｓｉ３．４％である。
【００１９】
つぎに、タービン翼１の製造方法の一例について説明する。第１段階では、翼端のシュラウド５の接触部５ａを、２００℃以上、好ましくは５００℃以上で、シュラウド５の母材（ニッケル基合金）の時効温度（Ｍａｒ−Ｍ２４７：８７０℃  /  Ｉｎｃｏｎｅｌ−７１３Ｃ：７６０℃）以下に予熱する。予熱時間は５〜１０分である。
【００２０】
第２段階では、ＬＭＤ法（laser metal deposition）により、シュラウド５の接触部５ａに、耐摩耗性金属粉末６として、トリバロイＴ−８００を用いて肉盛りを形成する。図３はＬＭＤ法を模式的に示す。同図に示すように、ノズル１０は中央部の内管１０ａとその外周囲に設けられた外管５ｂの二重管構造になっている。内管１０ａから図示しないビーム発生源からのレーザビームＬＢがワークＷであるシュラウド５の接触部５ａに照射される。このとき、レーザビームＬＢの照射と同時に、シールドガス（アルゴンガス）ＳＧが矢印で示すように噴射される。
【００２１】
つづいて、外管１０ｂから金属粉末６であるトリバロイＴ−８００を、破線で示すレーザビームＬＢの照射領域（接触部５ａ）に向けて噴射する。このトリバロイＴ−８００の肉盛りの下にあるシュラウドの母材（ニッケル基合金）１１は、レーザビームＬＢにより溶融され、この溶融された母材１１の上にトリバロイＴ−８００の肉盛り７が形成される。肉盛り７の厚さＴは、３ｍｍ程度である。
【００２２】
第３段階では、接触部５ａに所定の肉盛り７が形成された後に、この肉盛り７に対して３５０℃以上で後熱を加え、肉盛り７全体の温度を均一化する均熱処理を行う。より好ましくは、後熱温度は５００〜６００℃、後熱時間は２０分以上、例えば２０〜４０分の範囲である。後熱後には徐々に冷却する。なお、この第３段階の後熱処理は必ずしもなくてもよい。
【００２３】
トリバロイT−４００、T−８００、T−９００、ステライト６、１２、６９４、７２０のようなトリバロイ系、ステライト系は８００℃の高温までＨＲＣ硬度が５４以上と十分に高い。したがって、この程度のＨＲＣ硬度を示すトリバロイ系、ステライト系はすべて、本発明の耐摩耗性に優れた肉盛り７の材料として使用できると推察される。
【００２４】
以上説明したとおり、図２に示すシュラウド５の接触部５ａに施した金属粉末６の耐摩耗性の肉盛り７は、レーザが指向性、エネルギー密度に優れているため、シュラウド５の接触部５ａにおける金属粉末６の肉盛り７の形状精度が高く、耐摩耗性に優れ、かつ高温での硬度が高くなり、均質で割れの発生もなく、耐久性に優れている。また、レーザビームＬＢの指向性が高いことから、シュラウド５の接触部５ａのような複雑な形状にも、安定した品質の肉盛り７ができる。
【００２５】
金属粉末６として耐熱性および耐摩耗性に優れたコバルト基合金を用いたので、これを用いた、シュラウド５の接触部５ａにおける肉盛り７は、耐熱性および耐摩耗性に優れ、割れの発生を抑制できる。
【００２６】
コバルト基合金として用いたステライトおよびトリバロイは、コバルト基合金類の中でも優れた耐摩耗性、耐食性および耐熱性を同時に実現できるので、接触部５ａにおける肉盛り７は、耐熱性および耐摩耗性が一層優れ、割れの発生を一層効果的に抑制できる。
【００２７】
肉盛り７の形成に用いたステライトおよびトリバロイを含むコバルト基合金は、その化学組成中にＮｉを含んでおり、シュラウド５の母材のニッケル基合金との相溶性がきわめてよいから、シュラウド５の接触部５ａでの密着密度が高く、肉盛り７は一層堅牢となって割れの発生がより一層抑制される。
【００２８】
タービン翼１を製造する方法において、レーザの照射前に、シュラウド５の接触部５ａを、２００℃以上でシュラウド５の母材の時効温度以下に予熱し、その後に、シュラウド５の接触部５ａに図３に示すレーザを照射して金属粉末６および接触部５ａを溶融させて肉盛り７を形成したので、予熱しない場合に比べ、シュラウド５の母材とレーザ照射時の接触部５ａでの温度ギャップが少ない。これにより、肉盛り７での割れの発生を抑制できる。
【００２９】
また、前記肉盛り７の形成後に、３５０℃以上で後熱を加え均熱処理を行ったので、後熱を行わない場合に比べ、時間をかけて温度低下がすすみ、肉盛り７を急激に温度低下させることがないから、肉盛り７での割れの発生を一層抑制できる。
【００３０】
以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態および応用形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる本発明の範囲内のものと解釈される。例えば、上述の実施形態では、高密度エネルギービームとしてレーザを使用しているが、これに限定されない。高密度エネルギービームとして、電子ビームを使用してもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１…タービン翼
２…翼部
３…取付部
４…タービンディスク
５…シュラウド
５ａ…接触部
６…金属粉末
７…肉盛り
１０…ノズル
ＬＢ…レーザビーム
ＳＧ…シールドガス（アルゴンガス）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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