(57)【要約】  本発明は、チタンを含有する母材(7)(TiAl6V4および/または純チタンを含む母材)を有するターボ機械部品の表面損傷を修理する方法に関する。その方法は、チタン含有合金と粉末とを含む半田を混合するステップであって、粉末が、半田に分布されるとともに母材を含む、ステップと、半田を、表面損傷があるターボ機械部品領域に付与するステップと、合金が液体となって、それによって領域が湿らされるように、熱量を、半田およびターボ機械部品へと導入するステップと、合金が凝固するように半田を冷却するステップとを含む。
2015501222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
TiAl6V4若しくは純チタン、又はその両方を含むチタン含有の母材(7)を有するターボ機械部品の表面損傷を修理する方法であって、
チタン含有の合金と粉末とを含む半田を混合するステップであって、前記粉末が、前記半田内に分布されるとともに前記母材を含み、前記合金の融解温度が前記母材のベータトランザス温度より低くなるように前記合金の組成物が選択され、前記粉末に対する前記合金の質量比が少なくとも3:7で最大で7:3となるようにして前記半田が混合される、ステップと、
前記半田を、前記ターボ機械部品における前記表面損傷がある位置に付与するステップと、
前記合金が液体となってその結果として前記位置が湿らされるように、熱量を前記半田および前記ターボ機械部品へと導入するステップと、
前記合金が固体となるように、前記半田を冷却するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記半田は、ペースト、予備焼結された材料、または、ストリップ、特に粘着性のストリップであるようにして作り出される、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記合金は、ろう付け半田、特に750℃から950℃の間の融解温度のろう付け半田である、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記半田は、manner 様態非金属、半金属、およびセラミックのうちの少なくとも１つの粒子を含み、前記粒子の成分は、拡散過程によって液体の前記合金と結合させられて前記合金との化学反応で硬質材料を形成する、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記粒子は、炭素を含有する化合物、特に、黒鉛を含み、前記硬質材料の炭化チタンが前記炭素と前記合金とから形成される、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記粒子は、小板状若しくは球状、またはその両方である、請求項4または5に記載の方法。
【請求項７】
前記粒子が前記化学反応において変換されるような様態で、前記熱量と前記熱量を導入する時間とが決定される、請求項4から6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
溶解された前記粒子が部分的に、拡散によって前記母材の中へ入り込み、そこで前記母材(7)と化学反応して硬質材料を形成するような様態で、前記熱量と前記熱量を導入する時間とが決定される、請求項4から7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記半田の温度および前記ターボ機械部品の温度が前記母材(7)のベータトランザス温度より低くなるような様態で、前記熱量と前記熱量を導入する時間とが決定される、請求項4から8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項1から9のいずれか一項に記載の方法によって作り出される修理層(5)を備えるターボ機械部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械部品の表面損傷を修理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機とタービンとを備えている。翼または羽根が、圧縮機およびタービンの両方において、静止した案内羽根と回転する回転翼とが区別がされた状態で、用いられている。
【０００３】
強度が高く、密度が小さく、また、耐腐食性の高いチタン合金は、とりわけ、回転翼の材料として使用される。チタン合金は、切り欠き感度が高い、および、割れ感度が高いという不利益がある。
【０００４】
回転翼は、具体的には、例えば摩擦や酸化による摩耗など、様々な摩耗過程に曝される。特に蒸気タービンでは、液滴衝撃エロージョンが摩耗過程として発生する。霧状の液滴が、蒸気タービンにおいて水から生じ、案内羽根によって捕捉され、その案内羽根において蓄積し、案内羽根の出口側の縁から水滴として離脱する。水滴は、絶対速度は低いが、回転翼の回転のため、回転翼に対する速度は高い。水滴がその高い相対速度で回転翼に衝突する場合、これは、回転翼の表面に切り欠きを形成することになる。
【０００５】
様々な方法が、液滴衝撃エロージョンを低減するために利用可能となっている。液滴衝撃エロージョンに耐性のある層を、溶射によって回転翼の表面に施すことができる。さらに、硬化層が溶着によって回転翼の表面に施されてもよい。しかしながら、回転翼の割れ感度は、この方法によって、特にチタン合金と硬化層との間の境界面において、不利に増加されてしまい、その結果、回転翼の耐用年数が減少させられる。さらに、上記の方法は平滑な表面を必要とするため、液滴衝撃エロージョンによって生じた損傷の後では、これらの層は回転翼に再び施すことができないという欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ターボ機械部品の表面損傷を修理する方法を提供することを目的とし、かつ、その方法によって修理されたターボ機械部品を提供することを目的とし、その場合、この方法は容易に繰り返して用いることができ、また、ターボ機械部品は長い耐用年数を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による、チタン含有母材を有するターボ機械部品の表面損傷を修理する方法は、以下のステップ、すなわち、チタン含有合金と粉末とを含む半田を混合するステップであって、粉末が、半田に分布されるとともに母材を含む、ステップと、半田を、ターボ機械部品における表面損傷がある位置に付与するステップと、合金が液体となってその結果として前記位置が湿らされるように、熱量を、半田およびターボ機械部品へと導入するステップと、合金が固体となるように、半田を冷却するステップとを含む。
【０００８】
合金と母材とがチタンを含み、母材を含む粉末が合金と混ぜ合わされるため、半田がその物理的特性において母材と類似したものとなる。そのため、鋭い冶金上の切り欠きが生じず、半田は母材と有利には容易に結合する。具体的には、回転翼の場合には、ターボ機械の運転中に、遠心力または振動の結果、割れが母材と半田との間の境界面に生じる可能性がある。割れの形成は、半田と母材との間での良好な結合によって、および、鋭い冶金上の切り欠きの回避によって減少され、その結果、ターボ機械部品の長い耐用年数が有利に実現される。
【０００９】
本発明による方法は、例えば割れといった、表面損傷の多くの事例、または、表面浸食の多くの事例の修理を可能にする。合金は、液体になるため、割れ、切り欠き、溝、および凹みへ有利に浸入することができ、それらを有利に埋めることができる。割れを修理するための必要条件は、割れが酸化物のない状態であることである。表面浸食の事例の列記した形状に加えて、任意所望のさらなる形状も考えられる。方法は、ターボ機械部品の任意所望の形状に対して、有利には容易に用いることができる。ターボ機械部品の元々の表面輪郭を、様々な深さの浸食があるときでも浸食の後に修復させることが、有利に可能である。さらに、方法は、有利に繰り返して用いることができる。ターボ機械部品が以前の半田を含む場合、この半田はこの方法では融解され、新たに付与された半田と結合する。
【００１０】
半田は、粉末に対する合金の質量比が少なくとも3:7で最大で7:3となるようにして、混合されることが好ましい。母材は、好ましくは、チタン合金、具体的には、TiAl6V4、純チタン、および/または、添加物を含む純チタンを含み、その添加物は、具体的には、炭素である。半田は、ペースト、予備焼結された材料(予備焼結プリフォーム、PSP)、または、ストリップ、具体的には粘着性のストリップであるようにして作り出されることが好ましい。その結果、半田は、目標を絞った様式で浸食によって影響を受けたターボ機械部品の位置に有利には局所的に付与することができる。
【００１１】
合金の組成物は、合金の融解温度が母材のベータトランザス温度より低くなるように好ましくは選択される。純チタンのベータトランザス温度は約880℃であり、TiAl6V4のベータトランザス温度は約960℃から985℃である。この温度より低ければ、チタンの格子構造はまさに六方最密充填構造であり、この温度を超えると、体心立方格子構造が生じる。格子構造の変化は、ターボ機械部品の耐用年数を不利に短くしてしまう。合金の融解温度がベータトランザス温度より低くなっているため、母材の格子構造の変化が回避され、その結果、ターボ機械部品の耐用年数は有利に長い。
【００１２】
合金は、好ましくは、ろう付け半田、具体的には、750℃から950℃の間の融解温度のろう付け半田である。ろう付け半田は、液滴衝撃エロージョンに対して有利に耐性がある。
【００１３】
半田は、非金属、半金属、および/または、セラミックの粒子を含み、この粒子の成分は、拡散過程によって液体の合金と結合させられて合金との化学反応で硬質材料を形成することが好ましい。粒子は、好ましくは、炭素含有化合物、具体的には、黒鉛を含み、硬質材料の炭化チタンが炭素と合金とから形成される。液滴衝撃エロージョンが発生した場合、合金は破壊される可能性があり、その結果、粉末が不利に曝される。合金は、硬いため、液滴衝撃エロージョンに対して耐性がある。化学反応における硬質材料の形成は、有利には合金をより硬くし、その結果、ターボ機械部品の耐用年数は有利に長い。具体的には、黒鉛の反応によって形成された炭化チタンは、有利に高い硬さを有する。粒子は、少なくとも部分的に溶解するため、拡散過程によって、および、粒子の形態より大きい、硬質材料からなる区間を通じて、変化する。
【００１４】
粒子は、好ましくは、小板状および/または球状である。熱量と熱量を導入する時間とは、好ましくは、粒子が化学反応において変換されるようにして決定される。粒子を変換させるために必要とされる熱量と導入する時間とは、粒子の大きさに依存し、また、合金と粒子との質量比にも依存する。
【００１５】
熱量と熱量を導入する時間とは、好ましくは、溶解された粒子が部分的に、拡散によって母材の中へ入り込み、そこで母材と化学反応して硬質材料を形成するような様態で、決定される。この過程において、合金も母材へと一部入る。それと同様に、拡散によって母材から合金へと材料が入っていく。拡散によって、及び、硬質材料が母材においても形成されることによって、母材と硬質材料と合金との間で、例えば、弾性係数または硬度といった特性において、一貫性のないあらゆる変化はもはや存在せず、その結果、鋭い冶金上の切り欠きが有利に回避され、母材と合金との間の割れの形成が防止される。
【００１６】
熱量と熱量を導入する時間とは、好ましくは、半田の温度およびターボ機械部品の温度が母材のベータトランザス温度より低くなるような様態で、決定される。結果として、母材の格子構造の変化を回避することが有利に可能である。
【００１７】
本発明によるターボ機械部品は、本発明による方法によって作り出される修理層を備える。
【００１８】
以下において、本発明による、ターボ機械部品の表面損傷を修理する方法を、添付した図面に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】衝突する液滴がある新しいターボ機械部品の表面領域の断面図である。
【図２】液滴衝撃エロージョンの後の表面領域の断面図である。
【図３】本発明による方法によって修理された後の表面領域の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
例えば蒸気タービンの回転翼といったターボ機械部品が、表面領域1を有している。図1から分かるように、表面領域1は、母材7と、最上部にある表面2とを有している。液滴衝撃エロージョンの開始の前、表面2は滑らかである。複数の概ね一定の液滴3が示されており、それら液滴3は、それの前方側で幅広な凸形状を有しており、後側に向かって先細りとなっている。飛んでいく方向、すなわち、液滴3の表面2に衝突する角度は、回転翼の形状に依存し、図1の例により示されるように、鋭角である可能性がある。液滴が表面2に衝突するとすぐに、液滴衝撃エロージョンが表面2上に生じる。
【００２１】
図2に示すように、表面領域1の表面2は、液滴衝撃エロージョンの後、ギザギザとされており、表面領域1は複数の切り欠き4を有する。切り欠き4は、図1に示す液滴3の飛ぶ方向に実質的に向けられており、異なる深さとなっている。しかしながら、例えば溝または割れといった、任意所望の浸食の形状も考えられる。液滴衝撃エロージョンによって引き起こされる材料の除去のため、ターボ機械部品は図1よりも薄くなっている。
【００２２】
図3から分かるように、半田から作られた修理層5が、図2に示す浸食された表面領域1に付与されている。半田は、粘着性のストリップの形態で、浸食された表面領域1に付与されたとも考えられる。半田が熱の導入によって溶解するため、半田は切り欠き4を完全に満たし、修理層5は冷却および凝固の後に完成される。半田すなわち修理層5は、この場合、合金と、母材を含む粉末(図示せず)とを含んでいる。境界面6が、母材7と修理層5との間に形成される。修理層5と母材7との間の良好な結合のおかげで、境界面は割れの形成に対して耐性がある。ターボ機械部品の元々の表面輪郭が、この方法によって修復され、原理上は、任意所望の形状ターボ機械部品の表面2を修復することが可能である。
【００２３】
材料が拡散によって修理層5から母材7へと入る境界面6、または、材料が母材7から修理層5へと入る境界面6において、拡散層が形成することも考えられる。さらに、母材を含む粉末に加えて、黒鉛の粒子が半田に分散され、熱の供給中に合金の半田に溶解し、合金との化学反応において硬質材料の炭化チタンを形成することも考えられる。
【００２４】
本発明は、好ましい例示の実施形態によって、より詳細に説明および記載されたが、本発明は開示された例によって限定されず、他の変形態様も、当業者によって、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、本発明から導き出すことができる。
【符号の説明】
【００２５】
1  表面領域
2  表面
3  液滴
4  切り欠き
5  修理層
6  境界面
7  母材
【図１】
2015501222.tif 000003
【図２】
2015501222.tif 000004
【図３】
2015501222.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月4日(2014.8.4)
【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】
TiAl6V4若しくは純チタン、又はその両方を含むチタン含有の母材(7)を有するターボ機械部品の表面損傷を修理する方法であって、
チタン含有の合金と粉末とを含む半田を混合するステップであって、前記粉末が、前記半田内に分布されるとともに前記母材を含み、前記合金の融解温度が前記母材のベータトランザス温度より低くなるように前記合金の組成物が選択され、前記粉末に対する前記合金の質量比が少なくとも3:7で最大で7:3となるようにして前記半田が混合される、ステップと、
前記半田を、前記ターボ機械部品における前記表面損傷がある位置に付与するステップと、
前記合金が液体となってその結果として前記位置が湿らされるように、熱量を前記半田および前記ターボ機械部品へと導入するステップと、
前記合金が固体となるように、前記半田を冷却するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記半田は、ペースト、予備焼結された材料、または、ストリップであるようにして作り出される、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記合金は、ろう付け半田である、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記半田は、非金属、半金属、およびセラミックのうちの少なくとも１つの粒子を含み、前記粒子の成分は、拡散過程によって液体の前記合金と結合させられて前記合金との化学反応で硬質材料を形成する、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記粒子は、炭素を含有する化合物を含み、前記硬質材料の炭化チタンが前記炭素と前記合金とから形成される、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記粒子は、小板状若しくは球状、またはその両方である、請求項4または5に記載の方法。
【請求項７】
前記粒子が前記化学反応において変換されるような様態で、前記熱量と前記熱量を導入する時間とが決定される、請求項4から6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
溶解された前記粒子が部分的に、拡散によって前記母材の中へ入り込み、そこで前記母材(7)と化学反応して硬質材料を形成するような様態で、前記熱量と前記熱量を導入する時間とが決定される、請求項4から7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記半田の温度および前記ターボ機械部品の温度が前記母材(7)のベータトランザス温度より低くなるような様態で、前記熱量と前記熱量を導入する時間とが決定される、請求項4から8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項1から9のいずれか一項に記載の方法によって作り出される修理層(5)を備えるターボ機械部品。
【国際調査報告】
2015501222.tif 000006
2015501222.tif 000007
2015501222.tif 000008
2015501222.tif 000009