(57)【要約】【課題】  本発明は、既に実用に供された固定シュラウドの修理に関する。【解決手段】  ベースメタルで作られたガスタービンエンジンの固定シュラウド（２４）は、固定シュラウド（２４）の流路領域（４０）から初期露出母材流路表面（７０）を残してあらゆる損傷した材料を除去し、初期露出流路表面（７０）上に位置させて母材修復材（７２）を施すことによって修理される。該母材修復材（７２）は、ベースメタルと相容性がある構造材料源を粉体又はワイヤの形態で供給し、レーザクラッディングによって固定シュラウド（２４）の初期露出母材流路表面（７０）上に位置させて該構造材料源を溶着させることによって施されて、修理された母材流路表面（７６）を形成する。母材修復材（７２）を覆って耐環境性摩擦皮膜（７８）を施すことができる。【選択図】      図５
2004176715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの固定シュラウド（２４）を修理する方法であって、
既に実用に供された、ベースメタルで作られた前記固定シュラウド（２４）を準備する段階と、
前記固定シュラウド（２４）の流路領域（４０）から初期露出母材流路表面（７０）を残してあらゆる損傷した材料を除去する段階と、
前記初期露出流路表面（７０）上に位置させて母材修復材（７２）を施す段階と、
を含み、前記施す段階が、
前記ベースメタルと相容性がある構造材料源を供給する段階と、
レーザクラッディングによって前記固定シュラウド（２４）の前記初期露出母材流路表面（７０）上に位置させて前記構造材料源を溶着させて、修理された母材流路表面（７６）を形成する段階と、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記固定シュラウド（２４）を準備する前記段階が、
高圧タービン固定シュラウド（２４）を準備する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記固定シュラウド（２４）を準備する前記段階が、
ニッケル基合金で作られた固定シュラウド（２４）を準備する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記固定シュラウド（２４）を準備する前記段階が、
コバルト基合金で作られた固定シュラウド（２４）を準備する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法
【請求項５】
構造材料源を供給する前記段階が、
前記ベースメタルと実質的に同一の組成を有する構造材料源を供給する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
構造材料源を供給する前記段階が、
前記ベースメタルとは異なる組成を有する構造材料源を供給する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
構造材料源を供給する前記段階が、
粉体として該構造材料源を供給する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記溶着させる段階が、
前記初期露出流路表面（７０）上に位置させて前記粉体を予め配置する段階と、その後、
レーザ（８０）を使用して前記粉体を溶融する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記溶着させる段階が、
レーザビーム（８２）を前記初期露出流路表面（７０）の方向に向ける段階と、同時に
前記粉体が溶融されて溶着するように、該粉体を前記レーザビーム（８２）中へ噴射する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
構造材料源を供給する前記段階が、
ワイヤ（８８）として該構造材料源を供給する段階と、その後、
レーザビーム（８２）を使用して前記ワイヤ（８８）を溶解する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
母材修復材（７２）を施す前記段階が、前記構造材料源を溶着させる前記段階の後に、
前記母材修復材（７２）を機械加工する付加的段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
母材修復材（７２）を施す前記段階の後に、
前記母材修復材（７２）を覆って耐環境性摩擦皮膜（８０）を施す付加的段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
耐環境性摩擦皮膜を施す前記段階の後に、
前記摩擦皮膜（８０）を機械加工する付加的段階、
を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ガスタービンエンジンの高圧固定タービンシュラウド（２４）を修理する方法であって、
既に実用に供された、ベースメタルで作られた前記高圧固定タービンシュラウド（２４）を準備する段階と、その後、
前記高圧固定タービンシュラウド（２４）の流路領域（４０）から初期露出母材流路表面（７０）を残してあらゆる損傷した材料を除去する段階と、その後、
前記初期露出流路表面（７０）上に位置させて母材修復材（７２）を施す段階と、
を含み、前記施す段階が、
前記ベースメタルと実質的に同一の構造材料源を供給する段階と、
レーザクラッディングによって前記高圧固定タービンシュラウド（２４）の前記初期露出母材流路表面（７０）上に位置させて前記構造材料源を溶着させて、修理された母材流路表面（７６）を形成する段階と、
を含み、該方法は更に、
前記母材修復材（７２）を覆って耐環境性摩擦皮膜（８０）を施す段階を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
構造材料源を供給する前記段階が、
粉体として該構造材料源を供給する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記溶着させる段階が、
前記初期露出流路表面（７０）上に位置させて前記粉体を予め配置する段階と、その後、
レーザ（８０）を使用して前記粉体を溶融する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記溶着させる段階が、
レーザビーム（８２）を前記初期露出流路表面（７０）の方向に向ける段階と、同時に
前記粉体が溶融されて溶着するように、該粉体を前記レーザビーム（８２）中へ噴射する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
構造材料源を供給する前記段階が、
ワイヤ（８８）として該構造材料源を供給する段階と、その後、
レーザビーム（８２）を使用して前記ワイヤを溶解する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
母材修復材（７２）を施す前記段階が、前記構造材料源を溶着させる前記段階の後に、
前記母材修復材（７２）を機械加工する付加的段階、
を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
母材修復材（７２）を施す前記段階の後に、
前記母材修復材（７２）を覆って耐環境性摩擦皮膜（７８）を施す付加的段階、
を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機用ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、既に実用に供された固定シュラウドの修理に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機用ガスタービン（ジェット）エンジンにおいては、空気が、エンジン前部へ吹い込まれ、シャフト支持された圧縮機によって加圧され、燃料と混合される。この混合気を燃焼させ、高温燃焼ガスが同一のシャフト上に支持されたガスタービンを通って流れる。燃焼ガス流は、タービンブレード及びタービンベーンの翼形部分に対して衝突することによってガスタービンを回転させ、該ガスタービンは次ぎにシャフトを回転させて圧縮機に動力を供給する。高温排出ガスは、エンジン後部から流出してエンジンを駆動し、また航空機を前方へ駆動する。
【０００３】
ガスタービンにおいては、環状の円周方向に延びる固定シュラウドが、ロータブレードの先端を囲む。固定シュラウドは、燃焼ガスをガス流路に閉じ込め、燃焼ガスを最大効率で利用してガスタービンを回転させるようにする。タービンブレード先端と固定シュラウドとの間の間隙は、タービンブレード先端の周りでの燃焼ガスの漏洩を防止するように最小にされる。固定シュラウドは、タービンブレードの先端に対する摩擦表面を形成する。設計の意図としては、シールのように接触した状態でタービンブレード先端が固定シュラウドと摩擦することである。翼先端と固定シュラウドとの間の間隙、従ってタービンブレードを迂回することができる燃焼ガス量は最小にされ、それによってエンジンの最大効率を保証する。固定シュラウドは、長期実用の間にわたってこの効率を達成するために、極めて厳しい許容範囲に製造されかつこの極めて厳しい許容範囲に維持されなければならない。
【０００４】
固定シュラウドのガス流路表面は、回転するタービンブレード先端による摩耗を受け、更に高温燃焼ガスによる侵食、酸化及び腐食に曝される。固定シュラウドのベースメタルは一般的に、環境による腐食及び摩耗に対して高い耐性はなく、従って固定シュラウドのガス流路表面上には、耐環境性摩擦皮膜が施されている。一定期間にわたってエンジンが作動するにつれて、耐環境性摩擦皮膜の表面は摩滅され、固定シュラウドのベースメタルの一部もまた、損傷を受け及び／又は取り去られる場合がある。結果として、固定シュラウドの寸法が、ガスタービンエンジンを効率的に作動させる上で必要とされる許容範囲以下に減少することになる。別の言い方をすると、固定シュラウドの内向きに面する表面の環状の半径が、徐々に減少し、タービンブレード先端の周りで漏洩する燃焼ガス量が増大して作動効率を低下させることになる。ある時点において、固定シュラウドは最早許容できるようには機能しておらず、ガスタービンの作動は許容可能な水準以下に低下する。
【０００５】
固定シュラウド材料は高価なので、固定シュラウドを廃棄するのではなくて、エンジンの大きさによって決まる所定の許容範囲に従ってそれらの原寸法に固定シュラウドを修復すると同時に流路表面に対して耐食性能を修復することによって、該固定シュラウドを修理することが望ましい。過去においては、この修復は、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法、熱高密度化被覆（ＴＤＣ）法、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）法、又は活性拡散修復（ＡＤＨ）法によって行われてきた。初めの３つの解決策は、耐摩擦性皮膜材料を使用して固定シュラウド寸法を修復するが、下にあるシュラウドベースメタルの構造的強度は修復しない。第４番目の解決策は、耐摩擦性皮膜材料の再施行に先立ち、シュラウドベースメタル中の穴及び亀裂を修理している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明に至る開発において、発明者たちは、これらの解決策は固定シュラウドの寸法の所望の修復を実現するが、その機械的性能は修復されないことに気付いた。固定シュラウドは最早その必要な機械的特性を有しておらず、従って固定シュラウドの機械的損傷の危険性が存在する。それを使用した場合には被覆された固定シュラウドの寸法と共に機械的特性も修復される解決策の必要性が存在する。本発明は、この必要性を満たし、更に関連する利点も提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ガスタービンエンジンにおける固定シュラウドの流路表面の寸法、耐環境性、及び耐摩擦性と併せて機械的特性をも修復するための技術、及びこの方法によって修理された固定シュラウドを提供する。本発明の方法は、一般的にガスタービンエンジンが実用に供され、固定シュラウドが、燃焼ガス、高温度、及びタービンブレードの動きによる摩擦の下で長期間運転に供された後に、使用される。本発明の方法は、他の用途での使用において知られている従来型の手順で使用することができる。
【０００８】
ガスタービンエンジンの固定シュラウドを修理する方法は、既に実用に供された、ベースメタルで作られた固定シュラウドを準備する段階と、固定シュラウドの流路領域から初期露出母材流路表面を残してあらゆる損傷した材料を除去する段階と、初期露出流路表面上に位置させて母材修復材を施す段階とを含む。該施す段階は、ベースメタルと相容性がある構造材料源を供給する段階と、レーザクラッディングによって固定シュラウドの初期露出母材流路表面上に位置させて構造材料源を溶着させて、修理された母材流路表面を形成する段階とを含む。母材修復材は一般的に、工程途中でその所望の寸法、形状及び表面仕上げに機械加工される。
【０００９】
構造材料源は、ベースメタルと実質的に同一の組成を有していてもよいし、又は異なった組成を有していてもよい。構造材料源は、粉体とすることができる。粉体は、初期露出流路表面上に予め配置され、その後レーザを使用して溶融されることができる。別の形態では、レーザビームを初期露出流路表面の方向に向け、同時に、粉体が溶融されて溶着するように、該粉体をレーザビーム中へ噴射することができる。これに代えて、構造材料源は、レーザビーム中へ供給され、修復されている表面上に溶融されるワイヤとすることができる。
【００１０】
固定シュラウドは、あらゆる固定シュラウドとすることができるが、高圧タービン固定シュラウドであることが好ましい。固定シュラウドは、あらゆる実施可能な材料とすることができるが、ニッケル基合金又はコバルト基合金で作られることが好ましい。
【００１１】
その後、耐環境性摩擦皮膜が、母材修復材を覆って施されることが好ましい。耐環境性摩擦皮膜は、摩擦被覆表面を形成し、またこの摩擦被覆表面は一般的に、機械加工などにより所望の形状及び寸法に成形される。この摩擦皮膜材料は、あらゆる耐食性、耐酸化性及び耐摩擦性の粉体とすることができるが、ＭＣｒＡｌＹ組成物が最も適当であることが分かった。
【００１２】
本発明は、エンジン整備においてシュラウドを修理し修復するための技術の進歩したものである。ＴＤＣ法によって修理された固定シュラウドとは異なり、本発明により修理された固定シュラウドは、ホウ素又は珪素のような融点降下剤を付加したことから、温度制限がない。本発明はまた、修復材の溶着の間に部分真空は全く必要でなく、現在の工程をより速く、より安く、より効率的にし、かつより実施し易くすることから、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法を凌駕する進歩である。他の利点としては、工程のばらつきがより少なく、また予熱が不要であることが含まれる。極めて重要なことは、部品歪みが非常に少なく、その結果、シュラウドを原図面許容範囲に修復させることが、より容易にかつより少ない機械加工で行うことができるようになることである。本方法は、耐摩擦性皮膜ではなくて構造材料を使用して固定シュラウドをその原寸法に修復するので、ＡＤＨ法に優る達成成果をもたらす。耐摩擦性皮膜は、固定シュラウドの寸法的に修復されたベースメタルを覆って施されるのが好ましい。
【００１３】
本発明の他の特徴及び利点は、実施例によって本発明の原理を示す付随の図面と関連させてなされる、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、タービンブレード２２に対する固定シュラウド組立体２０を全体的に示す断面図である。固定シュラウド組立体２０は、タービンブレード２２のタービンブレード先端２８に面した関係にある流路表面２６を有する固定シュラウド２４を含む。（本明細書において用いる「固定シュラウド」という用語は、タービンブレード２２がその支持タービンディスク（図示せず）及びタービンシャフト（図示せず）と共に回転するとき、回転しない構造体を意味する。固定シュラウド２４は、一部の他の形式のブレード先端で見られ、ブレードの一部になっており、ブレードが回転すると回転する回転シュラウドとは区別されなければならい。）小さな間隙３０により、流路表面２６はタービンブレード先端２８から隔てられる。間隙３０が小さければ小さいほど、該間隙３０を通って漏洩し、タービンブレード２２を駆動するのに寄与することができなくなる高温燃焼ガス４４は少なくなる。更に、固定シュラウド２４が支持される固定シュラウド支持体３２と、該固定シュラウド支持体３２が支持される固定シュラウドハンガ支持体３４と、該固定シュラウドハンガ支持体３４が支持される支持ケース３６とが示されている。
【００１５】
製造、組立て及び熱膨張適合性の理由で、固定シュラウド２４は一般的に、円周方向に延びる一連の個別の固定シュラウドセグメント３８で形成される。図２は、固定シュラウドセグメント３８の１つを示し、図３は、個々の固定シュラウドセグメント３８が円周方向に突き合わされた状態で互いに組立てられて、環状のほぼ円筒形の固定シュラウド２４を形成する方法を示している。固定シュラウドの構造は、米国特許第６，２３３，８２２号に更に詳しく説明されており、該特許の開示内容は参考文献として本明細書に組み入れられる。
【００１６】
ガスタービンエンジンを作動させると、タービンブレード２２が回転する。タービンブレードは回転しかつ高温に加熱されるので、タービンブレード２２が伸長し、その結果間隙３０がゼロに減少され、タービンブレード先端２８は、流路表面２６に接触して該流路表面２６の中に切り込み、流路表面２６における固定シュラウド２４の材料を摩滅させる。時間が経過すると、材料が、タービンブレード先端２８と固定シュラウド２４との両方からすり減らされ、また高温燃焼ガス中での侵食、酸化及び腐食によってもタービンブレード先端２８及び固定シュラウド２４から失われるので、この間隙３０は一層大きくなる。間隙３０がより大きくなると、ガスタービンの効率は低下する。ある時点で、ガスタービンエンジンは、実用から外されて修理される。
【００１７】
図４は、固定シュラウド２４を修理するための好ましい方法を示す。段階５０において、既に実用に供された固定シュラウド２４が準備される。最も関心のある場合においては、固定シュラウド２４は、高圧タービン固定シュラウドである。固定シュラウドは、ベースメタル４２で作られており、このことは図５を参照されたい。固定シュラウド２４のベースメタル４２は、ニッケル基合金又はコバルト基合金のいずれかであることが好ましい。このような母材合金の例には、Ｌ６０５、Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５、ＩＮ−７３８、Ｒｅｎｅ（登録商標）７７、及びＭａｒＭ５０９が含まれ、Ｌ６０５は、重量パーセントで、約２０パーセントのクロム、約１０パーセントのニッケル、約１５パーセントのタングステン、約３パーセントの鉄、約１パーセントの珪素、約１．５パーセントのマンガン、約０．１パーセントの炭素、及び残部がコバルトと付随不純物である公称組成を有し、またＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５は、重量パーセントで、７．５パーセントのコバルト、７パーセントのクロム、６．２パーセントのアルミニウム、６．５パーセントのタンタル、５パーセントのタングステン、３パーセントのレニウム、１．５パーセントのモリブデン、０．１５パーセントのハフニウム、０．０５パーセントの炭素、０．００４パーセントのホウ素、及び残部がニッケルと付随不純物である公称組成を有し、またＩＮ−７３８は、重量パーセントで、８．５パーセントのコバルト、１６パーセントのクロム、３．４パーセントのアルミニウム、３．８パーセントのチタン、１．７５パーセントのタンタル、２．６パーセントのタングステン、１．７５パーセントのタンタル、０．０１２パーセントのホウ素、０．０１２パーセントのジルコニウム、０．０５パーセントのニオブ、及び残部がニッケルと付随不純物である公称組成を有し、またＲｅｎｅ（登録商標）７７は、重量パーセントで、約１４．６パーセントのクロム、約１５．０パーセントのコバルト、約４．２パーセントのモリブデン、約４．３パーセントのアルミニウム、約３．３パーセントのチタン、約０．０７パーセントの炭素、約０．０１６パーセントのホウ素、約０．０４パーセントのジルコニウム、及び残部がニッケルと微量元素である公称組成を有し、またＭａｒＭ５０９は、重量パーセントで、約１０パーセントのニッケル、約０．６パーセントの炭素、約０．１パーセントのマンガン、約０．４パーセントの珪素、約２２．５パーセントのクロム、約１．５パーセントの鉄、約０．０１パーセントのホウ素、約０．５パーセントのジルコニウム、約７パーセントのタングステン、約３．５パーセントのタンタル、及び残部がコバルトと付随不純物である公称組成を有する。ここに列挙したのは、例示的なものであってそれに限定しようとするものではなく、本方法では、あらゆる実施可能な母材材料が使用されることができる。
【００１８】
段階５２において、あらゆる損傷した材料が、固定シュラウド２４の流路領域４０から初期露出母材流路表面７０を残して除去されるが、このことは図５を参照されたい。流路領域４０は、図１の流路表面２６の部位にほぼ対応するが、実用中に損傷した材料が存在すること及びベースメタル４２の損失があることから、正しく一致するわけではない。損傷を受けた材料には、元の摩擦皮膜の残存物、損傷したベースメタル、並びに酸化、腐食及び侵食による生成物、更にスートが含まれる。この損傷した材料は、あらゆる実施可能な方法によって除去されることができる。１つの方法において、流路領域４０は、最初に任意の実施可能な方法によって脱脂される。流路領域４０は、その後研磨又はグリットブラストされて全ての密着した酸化物を除去される。次いで、流路領域４０は、酸による剥ぎ取りがなされてアルミニドを除去され、続いてフッ化物イオン洗浄（ＦＩＣ）が行われる。
【００１９】
この損傷した材料を除去したことと、実用中の酸化及び摩耗によりベースメタル４２が元々取り去られていることからくる一般的な結果は、固定シュラウド２４の流路領域４０の背部ポケット（最も薄い）部分７４におけるベースメタル４２の厚さｔ0が薄くなり過ぎ、仕様で要求される厚さ以下になることである。摩擦皮膜がこの時点で露出表面に直接施された場合には、固定シュラウド２４は、実用に戻されたときに不十分な機械的特性及び不十分な耐反り性（耐コーディング性）を持つことになるので、この仕様以下の厚さは望ましくない。
【００２０】
段階５４において、母材修復材７２が、流路領域４０において初期露出流路表面７０上に位置しかつ該初期露出流路表面７０と接触するように施される。この母材修復材７２は厚さｔAを有し、該厚さｔAは、ｔ0へ加算された場合に、流路領域４０のポケット部分７４の厚さを修復された厚さｔRに増大させることになり、この厚さｔRは、背部ポケット７４に対する厚さ仕様の許容範囲内にある。
【００２１】
施す段階５４は、段階５６のような、ベースメタル４２と相容性がある構造材料源を供給する段階と、段階５８のような、レーザクラッディングによって固定シュラウド２４の初期露出母材流路表面７０上に位置させて構造材料を溶着させて、修理された流路表面７６を形成する段階とを含む。レーザクラッディングは、他の用途においては公知のプロセスである。
【００２２】
母材修復材７２を施す修復段階５４において使用される構造材料は、ベースメタル４２と実質的に同一の組成を有することができる。母材の組成と実質的に同一の修復材の組成を使用することが好ましく、そうすることによって、固定シュラウド２４のベースメタル４２及び母材修復材７２が、相互拡散による新しい相の形成のような特性に関して化学的に、またベースメタル４２と母材修復材７２との結合のような特性に関して物理的に共に完全に相容性であり、熱膨張係数及び融点の不整合を回避する。これに代えて、母材修復材７２を施す修復段階５４において使用される構造材料は、ベースメタル４２とは異なった組成を有するようにして、該母材修復材７２がベースメタル４２と同一の組成である場合には実現できないような特別な特性を実現することができる。
【００２３】
図６〜図８に示すように、段階５８のような、レーザクラッディングによって構造材料を溶着させるための３つの方法は、特に興味深い。図６に示す方法においては、構造材料の粉体が、初期露出流路表面７０上に位置させて予め配置される。つまり、粉体が、該粉体の何らかの加熱に先立って、該粉体を初期露出流路表面７０上に置くことによって予め配置される。粉体は、該粉体がレーザにより溶融される前に所望の位置に保持されるように、簡易焼結されるか又はアクリル結合剤などのバインダで一体に保持されることができる。その後、粉体はレーザ８０を使用して溶融（溶解）され、この時該レーザの出力は、粉体が溶解されかつ初期露出流路表面７０の最も最上層部分が局部的に溶解されるが、下にある固定シュラウド２４の構造部分は溶解されないか又は実質的なその融点範囲までにも加熱されないように調節される。それよりも、下にある固定シュラウド２４の構造部分は、ヒートシンクとして作用する。レーザ８０は、初期露出流路表面７０に対して横方向に移動されて、その結果、予め配置された粉体が、レーザビーム８２に曝されたときに漸次溶解され、その後レーザ８０が外方へ移動されて、最早特定区域を加熱しないようになると漸次凝固することが可能になる。
【００２４】
図７に示す方法においては、レーザビーム８２は、レーザ８０から初期露出流路表面７０の方向に向けられる。同時に、修復材粉体の粉体流８４が粉体噴射器８６からレーザビーム８２中へかつ初期露出流路表面７０上に噴射され、その結果、該粉体は溶融されて初期露出流路表面７０上に溶着するようになる。この場合でも、レーザ８０の出力水準は、噴射された粉体が溶解されかつベースメタル４２の最上層部分が溶融されるが、下にあるベースメタル４２の部分が溶解されないように選択される。レーザ８０及び粉体噴射器８６は共に、初期露出流路表面７０にわたって横方向に移動され、その結果、噴射された粉体が、レーザビーム８２に曝されたときに漸次溶解され、その後レーザ８０が前方へ移動して、最早特定区域を加熱しないようになると漸次凝固することが可能になる。
【００２５】
図８の方法においては、レーザビーム８２は、レーザ８０から初期露出流路表面７０の方向に向けられる。同時に、構造材料のワイヤ８８が、ワイヤ供給矢印９０で概略的に示すワイヤ供給によって加熱区域中へ供給され、その結果、ワイヤ８８の金属が溶融されて初期露出流路表面７０上に溶着する。ワイヤ８８は、個別の長さで供給されることもできるし、或いは連続コイルとして供給されることもできる。この場合も、レーザ８０の出力水準は、ワイヤ８８が溶解されかつベースメタル４２の最上層部分が溶解されるが、下にあるベースメタル４２の部分が溶解されないように選択される。レーザ８０及び供給ワイヤは共に、初期露出流路表面７０にわたって横方向に移動し、その結果、供給ワイヤが、レーザビーム８２に曝されたときに漸次溶解され、その後レーザ８０が前方へ移動して、最早特定区域を加熱しないようになると漸次凝固することが可能になる。
【００２６】
図６〜図８の３つの方法は、２つを一組に又は全てを同時に組合せることができる。つまり、供給は、図６におけるような予め配置された粉体の一部と、図７におけるような噴射された粉体の一部と、図８におけるような材料の供給ワイヤとのうちの２つ又はそれ以上を含むことができる。
【００２７】
本発明の方法は、他の技術を凌駕する明確な利点をもたらす。母材修復材７２が施される流路領域４０は一般的に、どちらかと言うと薄い。この薄いベースメタル４２が歪むのを回避するために、修復段階５４の間の入熱は、必要以上に大きくないことが望ましい。レーザ８０は、修復材料を溶解するが、必要以上に大きい熱を導入することのないような、良好に形成された精密ビームを有する。図６の実施形態におけるように予め配置された粉体を使用することにより、初期露出流路表面７０を通ってベースメタル４２内に流れる熱が最小になるように、該初期露出流路表面７０が直接的なレーザビーム８２の衝突から保護される。しかしながら、修復材料及び初期露出流路表面７０の最上層部分は、加熱の間に溶解されるので、ある種の溶射法のような一部の他の技術とは異なって、修復材７２と下にあるベースメタル４２との間に強力な冶金学的結合が生じる。本発明の方法は更に、ＬＰＰＳ法及びＨＶＯＦ法と比較した場合、修復材７２内に比較的大きい結晶粒度を生成し、この比較的大きい結晶粒度がクリープ特性及び破断特性にとって望ましい。
【００２８】
いずれの場合においても、結果は、初期露出流路表面７０上に位置しかつ該初期露出流路表面７０上に溶着した、流路表面７６を修理した状態の凝固母材修復材７２である。上述のように、段階５４において施された構造材料修復材７２の量は、段階５８のレーザ溶融後に、厚さｔR（＝ｔ0＋ｔA）が、実用に戻される上で固定シュラウド２４に必要な予め定められた仕様の範囲内にあるような量であるのが望ましい。しかしながら、その結果を精密にかつ極めて均一な表面で達成することは困難であり、通常の方法では、構造材料を所望の厚さよりも若干厚く溶着している。
【００２９】
溶着された母材修復材は、次ぎに符号６０で示すように工程途中で機械加工され、その結果、ベースメタルの合計修復厚さｔRは、所望の値とされ、修理された母材流路表面７６の形状は正確なものとなる。粉体溶着工程５８は、正確な厚さと形状とを正しく実現するほど十分に高精度ではなく、工程途中での機械加工段階６０が用いられる。
【００３０】
段階６２のように、耐環境性摩擦皮膜７８が母材修復材７２上に位置しかつ該母材修復材７２と接触するように施されることは、任意ではあるが大変好ましい。摩擦皮膜７８は、一般的に粉体の形態をしておりかつ摩擦コンプライアンス性がある高い耐環境性をもつ材料であることが好ましい。そのような摩擦皮膜材料の例には、ＭＣｒＡｌＹ（Ｘ）が含まれ、ここで、Ｍは、コバルト、ニッケル及びその組合せからなる群から選択される元素であり、（Ｘ）は、チタン、タンタル、レニウム、モリブデン、及びタングステンからなる固溶体強化剤及びガンマプライムフォーマと、ホウ素、炭素、ハフニウム、ジルコニウム及びその組合せからなる結晶粒界強化剤との群から選択される元素であり、またそのような摩擦皮膜材料の例には更に、ＢＣ−５２合金が含まれ、該ＢＣ−５２合金は、重量パーセントで、約１８パーセントのクロム、約６．５パーセントのアルミニウム、約１０パーセントのコバルト、約６パーセントのタンタル、約２パーセントのレニウム、約０．５パーセントのハフニウム、約０．３パーセントのイットリウム、約１パーセントの珪素、約０．０１５パーセントのジルコニウム、約０．０１５パーセントのホウ素、約０．０６パーセントの炭素、及び残部がニッケルと付随不純物である公称組成を有する。摩擦皮膜は、あらゆる実施可能な方法で施されるが、ＨＶＯＦ（高速フレーム溶射）法によるのが好ましい。摩擦皮膜７８は、好ましくは厚さが約０．００５〜０．１５０インチの範囲内にあり、最も好ましくは厚さが約０．００５〜０．０５０インチの範囲内にある。酸化物の形成を防止する保護シールドとして高速度ガスを利用するＨＶＯＦ法は、比較的低温の溶射法であり、この溶射法は、多岐にわたる厚さでの高密度無酸化物被覆の施工を可能にするもので、当該技術においては公知である。ＨＶＯＦ法は一般的に、例えば酸素、オキシプロピレン、酸素／水素混合物、又はケロシンのような種々の燃料ガスのいずれか１つを使用する。燃料のガス流は、２０００〜５０００ｆｔ／秒の範囲で変化させることができる。勿論、溶射温度は、使用される燃料ガスの燃焼温度に依存することになるが、一般的に、３０００〜５０００°Ｆの範囲内にある。僅かに過剰な厚さの摩擦皮膜７８を施し、次ぎにその過剰分が除去されて流路表面２６を成形し、摩擦皮膜７８の所望の寸法厚さを達成するのが好ましい。機械加工の間に、穴又はコーナ部のような、段階５２、５４及び６０によって放置されてきたあらゆる特徴的形状が、修復される。
【００３１】
母材修復材７２の場合と同様に、正確に所望の厚さ、形状及び表面仕上げに摩擦皮膜７８を溶着することは困難である。１つの解決法では、摩擦皮膜の表面は、段階６４において、所望の形状及び厚さ、更に所望の表面仕上げに任意に機械加工される。
【００３２】
本発明の特徴及び利点は、実施例によって本発明の原理を示す付随の図面と関連してなされた好ましい実施形態についてのより詳細な説明から明白になったであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を限定するためのものではなく、本発明を容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】シュラウドセグメント及びタービンブレードの先端に隣接するシュラウド流路表面と、シュラウド支持体と、シュラウドハンガ支持体と、支持ケースとを示す、固定シュラウド組立体の断面図。
【図２】固定シュラウドセグメントの斜視図。
【図３】タービンブレードの周りに円筒形の固定シュラウドの部分を形成するように組立てられた一連のシュラウドセグメントを有する固定シュラウド組立体の概略部分側面図。
【図４】本発明の方法を実施するための方法のブロック流れ図。
【図５】図２のほぼ線５−５で取った、修復材の層を示す、固定シュラウドの概略断面図。
【図６】レーザクラッディングにおける予め配置された粉体の使用についての概略図。
【図７】レーザクラッディングにおける噴射された粉体の使用についての概略図。
【図８】レーザクラッディングにおける供給ワイヤの使用についての概略図。
【符号の説明】
【００３４】
２４  固定シュラウド
２６  流路表面
４０  流路領域
４２  ベースメタル
７０  初期露出母材流路表面
７２  母材修復材
７４  ポケット部分
７６  修理された母材流路表面
７８  耐環境性摩擦皮膜
【図１】
2004176715.tif 000003
【図２】
2004176715.tif 000004
【図３】
2004176715.tif 000005
【図４】
2004176715.tif 000006
【図５】
2004176715.tif 000007
【図６】
2004176715.tif 000008
【図７】
2004176715.tif 000009
【図８】
2004176715.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月18日(2003.12.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの固定シュラウド（２４）を修理する方法であって、
既に実用に供された、ベースメタルで作られた前記固定シュラウド（２４）を準備する段階と、
前記固定シュラウド（２４）の流路領域（４０）から初期露出母材流路表面（７０）を残してあらゆる損傷した材料を除去する段階と、
前記初期露出流路表面（７０）上に位置させて母材修復材（７２）を施す段階と、
を含み、前記施す段階が、
前記ベースメタルと相容性がある構造材料源を供給する段階と、
レーザクラッディングによって前記固定シュラウド（２４）の前記初期露出母材流路表面（７０）上に位置させて前記構造材料源を溶着させて、修理された母材流路表面（７６）を形成する段階と、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記固定シュラウド（２４）を準備する前記段階が、
高圧タービン固定シュラウド（２４）を準備する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記固定シュラウド（２４）を準備する前記段階が、
ニッケル基合金で作られた固定シュラウド（２４）を準備する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記固定シュラウド（２４）を準備する前記段階が、
コバルト基合金で作られた固定シュラウド（２４）を準備する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法
【請求項５】
構造材料源を供給する前記段階が、
前記ベースメタルと実質的に同一の組成を有する構造材料源を供給する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
構造材料源を供給する前記段階が、
前記ベースメタルとは異なる組成を有する構造材料源を供給する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ガスタービンエンジンの高圧固定タービンシュラウド（２４）を修理する方法であって、
既に実用に供された、ベースメタルで作られた前記高圧固定タービンシュラウド（２４）を準備する段階と、その後、
前記高圧固定タービンシュラウド（２４）の流路領域（４０）から初期露出母材流路表面（７０）を残してあらゆる損傷した材料を除去する段階と、その後、
前記初期露出流路表面（７０）上に位置させて母材修復材（７２）を施す段階と、
を含み、前記施す段階が、
前記ベースメタルと実質的に同一の構造材料源を供給する段階と、
レーザクラッディングによって前記高圧固定タービンシュラウド（２４）の前記初期露出母材流路表面（７０）上に位置させて前記構造材料源を溶着させて、修理された母材流路表面（７６）を形成する段階と、
を含み、該方法は更に、
前記母材修復材（７２）を覆って耐環境性摩擦皮膜（７８）を施す段階を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
構造材料源を供給する前記段階が、
粉体として該構造材料源を供給する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記溶着させる段階が、
前記初期露出流路表面（７０）上に位置させて前記粉体を予め配置する段階と、その後、
レーザ（８０）を使用して前記粉体を溶融する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶着させる段階が、
レーザビーム（８２）を前記初期露出流路表面（７０）の方向に向ける段階と、同時に
前記粉体が溶融されて溶着するように、該粉体を前記レーザビーム（８２）中へ噴射する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
構造材料源を供給する前記段階が、
ワイヤ（８８）として該構造材料源を供給する段階と、その後、
レーザビーム（８２）を使用して前記ワイヤを溶解する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
母材修復材（７２）を施す前記段階が、前記構造材料源を溶着させる前記段階の後に、
前記母材修復材（７２）を機械加工する付加的段階、
を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
母材修復材（７２）を施す前記段階の後に、
前記母材修復材（７２）を覆って耐環境性摩擦皮膜（７８）を施す付加的段階、
を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
耐環境性摩擦皮膜を施す前記段階の後に、
前記摩擦皮膜（７８）を機械加工する付加的段階、
を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【外国語明細書】
2004176715000001.pdf