(57)【要約】  定置ガスタービン又は航空用ガスタービンにおける蒸気タービンブレード又はガスタービングレードなどの超合金構成部材における割れ及びその他の欠陥の構造修理が、ブレードサブストレートを、サブストレートの初期融点よりも低い等温保持温度に加熱し、割れを、溶融した超合金フィラー材料で充填することによって行われる。溶融したフィラーは固化してキャスティングとなり、等温保持温度において構成部材サブストレートと結合する。前の割れが、隣接するサブストレートの超合金材料と同じ又は類似の構造的特性を有するキャスト超合金材料で充填されるように、熱処理プロセスが完了される。キャスティング修理法は、化粧的な、強度の低い溶接又はろう付け法によって前に修理されたものを含む全てのタイプの超合金構成部材欠陥のために普遍的に利用されてよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
割れを有する超合金サブストレートを含む修理された超合金構成部材であって、前記割れは、前記超合金構成部材サブストレートのものと同じ超合金及び同等の構造的特性を有する他の超合金から成るグループから選択されたフィラー超合金の現場形成パッチで充填されていることを特徴とする、修理された超合金構成部材。
【請求項２】
前記サブストレートと、前記フィラー超合金とは、同じである、請求項１記載の構成部材。
【請求項３】
前記サブストレートと、前記フィラー超合金とは、ＣＭ２４７又はＤＳ２４７超合金から成るグループから選択されている、請求項２記載の構成部材。
【請求項４】
前記構成部材は、タービンブレードである、請求項１記載の構成部材。
【請求項５】
前記サブストレートと、前記フィラー超合金とは、ＣＭ２４７又はＤＳ２４７超合金から成るグループから選択されている、請求項４記載の構成部材。
【請求項６】
前記パッチは、フィラー超合金の複数の層を含む、請求項１記載の構成部材。
【請求項７】
前記パッチは、該パッチに隣接する前記サブストレートの外面に合致する外面を形成する、請求項１記載の構成部材。
【請求項８】
割れを有する超合金構成部材サブストレートを含む修理された超合金構成部材において、前記割れは、前記超合金構成部材サブストレートと同じ超合金及び同等の構造的特性を有する他の超合金から成るグループから選択されたフィラー超合金の現場形成パッチで充填されており、該現場形成パッチは、以下のプロセス、すなわち
超合金構成部材サブストレートを、８００℃（１４７２°Ｆ）よりも高く、かつ前記サブストレートの初期融点よりも低い範囲の所望の等温保持温度に加熱し、
前記割れを前記等温保持温度で少なくとも部分的に、溶融した超合金フィラーで充填し、
キャスト超合金フィラーを凝固させて、前記超合金構成部材サブストレートに結合されたパッチを形成する、によって形成されていることを特徴とする、修理された超合金構成部材。
【請求項９】
前記サブストレートと、前記フィラー超合金とは、同じである、請求項８記載の構成部材。
【請求項１０】
前記サブストレートと、前記フィラー超合金とは、ＣＭ２４７又はＤＳ２４７超合金から成るグループから選択されている、請求項９記載の構成部材。
【請求項１１】
前記構成部材は、タービンブレードである、請求項８記載の構成部材。
【請求項１２】
前記サブストレートと、前記フィラー超合金とは、ＣＭ２４７超合金である、請求項１１記載の構成部材。
【請求項１３】
加熱、充填及び凝固ステップは、真空及び不活性ガス雰囲気から成るグループから選択された保護された雰囲気環境において行われる、請求項８記載の構成部材。
【請求項１４】
充填ステップは、溶融した超合金フィラーの複数の連続した層を堆積させることによって行われる、請求項８記載の構成部材。
【請求項１５】
構成部材サブストレートと、前記パッチとを熱処理することをさらに含む、請求項８記載の構成部材。
【請求項１６】
割れを生じた超合金構成部材を修理する方法において、
割れを有するサブストレート領域を備えた超合金構成部材を提供し、
前記サブストレート領域を、８００℃よりも高い所望の等温保持温度に加熱し、
溶融した超合金フィラーによって前記割れを少なくとも部分的に等温に充填し、
キャスト超合金フィラーを凝固させてパッチを形成することを含むことを特徴とする、割れを生じた超合金構成部材を修理する方法。
【請求項１７】
加熱ステップが、保護的な不活性ガス雰囲気下でオーブンにおいて行われる、請求項１６記載の構成部材。
【請求項１８】
充填ステップは、溶融した超合金フィラーの複数の連続した層を堆積させることによって行われ、これにより、前に堆積された超合金フィラーに見られるあらゆるフィラー割れを充填することを含む、請求項１６記載の構成部材。
【請求項１９】
加熱、充填及び凝固ステップが、真空において行われる、請求項１６記載の構成部材。
【請求項２０】
凝固ステップ後に、前記構成部材サブストレートと、前記パッチとを熱処理することをさらに含む、請求項１６記載の構成部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の請求
本願は、引用により本明細書に組み込まれる、２０１１年１１月３日に出願された、“Isothermal Structural Repair of Gas Turbine Components”という名称の、連続番号６１／５５５１０９が割り当てられた、同時係属中の米国特許仮出願の利益を請求する。
【０００２】
開示の背景
１．発明の分野
本発明は、最新型超合金構成部材における欠陥の構造修理に関する。幾つかの実施の形態では、本発明は、超合金ブレードサブストレートの機械的な構造的特性又は材料特性を著しく低下させない形式で、割れを溶融した超合金フィラーで充填することによる、蒸気タービン又はガスタービン（産業用又は航空用）において使用される超合金タービンブレードにおける割れ又はその他の欠陥の修理に関する。溶融したフィラー超合金は、固化して、フィラー超合金の現場形成パッチを形成する。
【０００３】
２．従来技術の説明
ガスタービン又はその他の超合金構成部材の“構造”修理は、一般的に、損傷した材料を適合する合金材料と置き換え、元来の製造時構成部材仕様に近い強度などの機械的特性（例えば、元来の仕様の極限引張強さの７０％）を達成することであると理解される。例えば、さらなる割れ成長のリスクが低減され、ブレードが元来の材料の構造的及び寸法的仕様に回復させられるように、亀裂を生じたタービンブレードにおいて構造修理を行うことが好ましい。
【０００４】
鋳造タービンブレードなどのタービン構成部材を製造するために使用されるニッケル及びコバルトベース超合金材料の構造修理は、仕上げられたブレード材料の冶金学的特性により困難である。例えば、ＣＭ２４７又はＤＳ２４７合金などの、６質量％を超える凝集アルミニウム又はチタン含有量を有する超合金は、アルミニウム−チタン含有量がより少ないＸ−７５０超合金よりも、高温溶接が行われたときにひずみ時効割れを生じやすい。仕上げられたタービンブレード合金は、通常、鋳造後の熱処理の間に強化させられ、これは、タービンブレード合金においてその後の構造修理溶接を行うことを困難にする。超合金構造の製造又は修理のために現在使用されている溶接プロセスは、概して、溶接プレパレーションに隣接するサブストレートの実質的な溶融と、溶接ロッド又は付加されるその他のフィラー材料の完全な溶融とを伴う。このような材料から形成されたブレードが、同じ又は類似の合金のロッドを用いて溶接されると、ブレードは、その後の熱処理、すなわち新たな構成部材に相当する超合金の元来の強度及びその他の材料特性を回復するためのプロセスの間に、溶接部における及び溶接部付近での凝固割れ（液化割れ）及び／又はひずみ時効割れ（再熱割れとしても知られる）を生じやすい。
【０００５】
構造修理と比較して、超合金の“化粧”修理は、損傷した材料を、局所的な元来の構造的性能が必要とされないところにおいて、より低い構造特性仕様を有する不適合な合金材料と置き換えることであると理解される。例えば、化粧修理は、修理される構成部材の元来の輪郭形状を回復するために使用されてよい。上述のように、構成部材が使用状態に戻されたときにその後の拡散の可能性を減じるために表面割れにおける構造修理を行うことが望ましい。逆に、化粧修理の一例は、ブレードの局所的な外面の材料特性がブレード全体の構造的一体性にとって重要でないところおいて、その元来の空力的輪郭を回復するためにタービンブレード翼における（構造的な割れに対立するものとしての）表面ピットを充填するためのものである。化粧修理は、しばしば、ブレード本体の超合金サブストレートよりも強度が低いが、超合金サブストレートの材料特性に悪影響を及ぼさないより高い延性及びより低い適用温度を有する耐酸化性の溶接もしくはろう付け合金を使用することによって行われる。
【０００６】
超合金構造修理溶接の欠点を考慮すると、しばしば、市場で受け入れられる唯一の解決手段は、構造修理を必要とする損傷したタービンブレードをスクラップすることである。なぜならば、過去の経験が、このような構造修理の制限された成功を示しているからである。つまり、修理は、より低い構造強度を有する、より延性の溶接ロッドフィラー材料を使用する化粧溶接によって成功裏に行われると過去に証明されたものだけに限定されてきた。構造溶接修理が成功裏に行われるような状況では、化粧溶接修理はしばしば、構造修理を必要としないブレード部分において行われる。これは、同じブレードにおいて２つの異なる修理モードが用いられることを必要としていた。
【０００７】
つまり、当該技術分野においては、構造的に損傷する割れ及びその他の表面欠陥を修理することができるように、タービンブレードなどの超合金構成部材の表面において構造修理を行う方法の必要性が存在する。
【０００８】
当該技術分野においては、損傷したブレードのスクラップ率を減じることができるように、タービンブレードなどの超合金構成部材の表面における構造修理の成功率を高める別の必要性が存在する。
【０００９】
当該技術分野においては、実証された反復可能な修理技術と、複雑な溶接を必要としない修理後熱処理作業とによって、タービンブレードなどの超合金構成部材の構造修理を行う方法のさらに別の必要性が存在する。
【００１０】
当該技術分野においては、全てのブレード欠陥の修理のために使用することができる、タービンブレードなどの超合金構成部材の修理を行うための普遍的な方法の別の必要性も存在する。
【００１１】
発明の概要
したがって、本発明の課題は、構造割れ及びその他の表面欠陥を修理することができるように、タービンブレードなどの超合金構成部材の構造修理を行うことである。
【００１２】
本発明の別の課題は、損傷した構成部材のスクラップ率を減じることができるように、タービンブレードなどの超合金構成部材の構造修理の成功した構造修理を行う可能性を高めることである。
【００１３】
本発明のさらに別の課題は、実証された反復可能な修理技術と、複雑な溶接を必要としない修理後熱処理作業とによって、タービンブレードなどの超合金構成部材の構造修理を行うことである。
【００１４】
本発明の付加的な課題は、望まれるならば全てのブレード欠陥の修理のために使用することができる、タービンブレードなどの超合金構成部材の修理を行うための普遍的な方法を提供することである。
【００１５】
これらの課題及びその他の課題は、本発明によれば、１つの潜在的に普遍的な修理法によって定置ガスタービン又は航空用ガスタービンにおける蒸気又はガスタービンブレードなどの超合金材料構成部材における潜在的に全ての欠陥を構造的に修理することによって達成される。修理を行う場合、表面欠陥割れの周囲の領域は洗浄される。ブレード構成部材の洗浄された領域（又は構成部材全体）は、所望の温度に加熱される。今や加熱されたブレード割れは、ブレードサブストレート合金と同じ溶融したフィラー超合金材料、又は同等の構造的特性を有する別の超合金材料で充填される。溶融したフィラー合金はその後凝固し、割れ又はその他の欠陥の少なくとも一部を充填し、これにより、現場形成パッチを形成する又は等温に加熱された温度において充填する。割れ又はその他の欠陥を溶融したフィラー合金で所望のレベルに又は完全に充填するために、一回以上のキャスティング充填パスが完了される。今や割れが充填された超合金の等温ビルドアップは完了される。ビルドアップの完了時、割れ表面輪郭を、隣接するブレード又はその他の構成部材サブストレートの輪郭に合致させるために、余分なフィラー合金が除去されてよい。
【００１６】
本発明の実施の形態は、割れを有する超合金サブストレートを備えた、例えばタービンブレードなどの修理された超合金構成部材をも特徴とする。割れは、超合金構成部材サブストレートのものと同じ超合金又は同等の構造的特性を有する他の超合金から成るグループから選択されたフィラー超合金の現場形成パッチで充填される。パッチは、フィラー超合金の複数の層を含んでよい。サブストレート及びフィラー合金は、ＣＭ２４７又はＤＳ２４７超合金であってよい。
【００１７】
本発明の実施の形態は、加えて、割れを有する超合金サブストレートを備えた、例えばタービンブレードなどの修理された超合金構成部材をも特徴とする。割れは、超合金構成部材サブストレートと同じ超合金又は同等の構造的特性を有する他の超合金から成るグループから選択されたフィラー超合金の現場形成パッチで充填される。現場形成パッチは、超合金構成部材サブストレートを所望の等温保持温度に加熱するプロセスによって形成される。その後、割れは、溶融した超合金フィラーによって少なくとも部分的に充填される。その後、超合金フィラーは凝固し、キャストパッチを形成する。パッチは、フィラー超合金の複数の層を含んでよい。サブストレート及びフィラー合金は、ＣＭ２４７又はＤＳ２４７超合金であってよい。このプロセスは、保護雰囲気下及び／又は周囲空気圧力未満の真空圧力下でオーブンにおいて行われてよい。
【００１８】
本発明のさらに別の実施の形態は、割れを有するサブストレート領域を有する、割れを生じた超合金構成部材を修理する方法を特徴とする。方法を実施する際、サブストレート領域は、所望の等温温度に加熱される。次いで、割れは、溶融した超合金フィラーによって少なくとも部分的に充填される。溶融したフィラーは凝固させられ、現場形成パッチを形成する。パッチは、溶融した超合金フィラーの複数の連続した層によって形成された、フィラー超合金の複数の層を有してよい。これにより、堆積される次の層は、前に堆積された超合金フィラーに見られるあらゆるフィラー割れを充填する。サブストレート及びフィラー合金は、ＣＭ２４７又はＤＳ２４７超合金であってよい。このプロセスは、不活性ガスの制御された溶融雰囲気下又は周囲空気圧力未満の真空圧力下でオーブンにおいて行われてよい。
【００１９】
本発明の課題及び特徴は、当業者によって、あらゆる組合せ又は準組合せにおいて共同で又は複数で適用されてよい。
【００２０】
図面の簡単な説明
本発明の教示は、添付の図面に関連した以下の詳細な説明を考慮することによって容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】サブストレートに割れ欠陥を有する超合金タービンブレード構成部材の斜視図を示している。
【図２】図１の２−２に沿った、図１のタービンブレード構成部材の概略的な断面図である。
【図３】超合金構成部材における割れ欠陥を構造的に修理するための修理装置の概略的な斜視図である。
【図４】部分的な構造割れ修理を示す、図２と同様の概略的な断面図である。
【図５】完成した構造割れ修理を示す、図４と同様の概略的な断面図である。
【図６】図５の構造修理の概略的な断面図であり、この場合、修理ゾーンにおける構成部材表面輪郭を隣接するブレード構成部材サブストレートの輪郭に合致させるために余分なフィラーキャスティングが除去されている。
【００２２】
理解を容易にするために、複数の図面に共通の同じエレメントを示すために、可能である場合には、同じ参照符号が使用されている。
【００２３】
詳細な説明
以下の説明を考慮した後、当業者は明らかに、本発明の教示を、定置ガスタービン又は航空用ガスタービンにおける蒸気又はガスタービンブレードなどの超合金材料構成部材における欠陥を構造的に修理する際に容易に利用することができることを十分に理解するであろう。本発明は、選択的に、１つのタイプの普遍的な修理プロセスを行うための１つの修理設備が装備されるだけでよくなるように、“化粧”非構造修理方法によって前に修理された欠陥を含む、全ての超合金構成部材欠陥のための１つの普遍的な修理法の使用を容易にする。
【００２４】
図１及び図２は、サブストレート１０及び割れ欠陥１２を有する典型的な定置ガスタービンのブレードを示している。修理を行う場合、表面欠陥割れ１２の周囲の領域は洗浄される。図３を参照すると、ブレード構成部材サブストレート１０の洗浄された領域（又は構成部材全体）は、好適には、真空又は不活性ガスの保護雰囲気内で、オーブン２０において、ブレード初期溶融温度よりも低くかつ８００℃（１４７２°Ｆ）よりも高い所望の温度に加熱される。公知の電気誘導ヒータ３０が、オーブン２０に設けられている又はオーブン２０と関連している。ヒータ３０はるつぼ管３２を有し、るつぼ管３２は、石英、ルビー、又は粉末超合金材料を溶融状態に溶融させるのに適したその他の公知の材料から構成されている。ヒータ３０は誘導加熱コイルエレメント３４をも有し、誘導加熱コイルエレメント３４は、超合金フィラー材料４０をるつぼ３２内でその融点よりも高い温度において溶融させる。
【００２５】
図４及び図５を参照すると、今や加熱されたブレード割れ１２は、ブレードサブストレート合金と同じものであるか又は同等の構造的特性を有する別の超合金材料である溶融したフィラー超合金材料４０で充填される。例えば、ＣＭ２４７又はＤＳ２４７超合金から形成された超合金構成部材は、望ましくは、溶融したＣＭ２４７フィラー合金を用いて修理される。溶融したフィラー合金材料４０は、割れとるつぼ３２との相対移動によって、割れ１２の長さに沿って堆積させられる。注入されたフィラー合金材料４０は、サブストレート材料の著しい局所的な溶融を一切生ずることなく、等温保持温度においてサブストレート材料１０と融合する。フィラー合金材料４０は、その後、オーブン２０内で比較的低い等温保持温度で硬化し、これにより、割れ１２又はその他の欠陥の少なくとも一部分にフィラーパッチを形成する。フィラー合金材料４０が凝固及び硬化してフィラーパッチを形成する際に、１つ以上のフィラー割れ４１が形成される場合がある。割れ１２又はその他の欠陥を、割れを生じていないフィラー合金によって完全に充填するために、一回以上の充填パス１４０，２４０，３４０等が堆積させられる。それぞれのフィラー材料パッチ４０，１４０，２４０における割れ４１，１４１，２４１等は、サブストレート１０の表面よりも低いところの割れ１２における全てのフィラー材料に割れがなくなるまで、次々に堆積させられる層によって充填される。
【００２６】
図５に示したように、ブレードサブストレート１０の表面輪郭よりも低いところに位置する割れ４１，１４１及び２４１は、最後の割れ３４１がサブストレート表面よりも高いところに位置するまで、次々に堆積させられる層によって充填される。今や割れが充填された超合金構成部材サブストレート１０のあらゆる所望の等温加熱は、完了される。あらゆる等温加熱又はその他の冷却プロセスが完了すると、図６に示したように、割れ表面の輪郭を、隣接するブレード又はその他の構成部材サブストレートの輪郭に合致させるように、余分なフィラー合金３４０が除去されてよい。
【００２７】
公知の修理又は製造方法では、割れ凹所１２は、より軟質のフィラー材料の熱適用（化粧修理）によって又は同じ硬さのフィラー材料によって充填される。前述のように、超合金フィラーを適用する溶接技術は、概して、溶接中又はその後の溶接後の熱処理の間に超合金構成部材に望ましくない割れを発生させる。
【００２８】
慣用の構造超合金溶接では、凝固の間に過剰な収縮応力を受ける溶接ゾーンにおいてしばしばナゲットが形成される。すなわち、溶融されないサブストレート１０における周囲の材料は、これにより捕捉された溶接ナゲットの凝固の間に収縮応力を提供するために自由に降伏しない。対照的に、本発明の等温フィラー合金パッチキャスティング修理プロセスは、修理されるサブストレート表面よりも低いところのあらゆるフィラーパッチ凝固割れを、後から堆積させられる溶融されたフィラー材料によって、過剰充填する。
【００２９】
今や修理された超合金構成部材サブストレート１０は、もはや表面損傷を有さず、この表面損傷は、元来のサブストレート材料と実質的に同じ材料特性を有する新たな超合金修理フィラー材料４０，４１０，２４０，３４０に置き換えられている。特に、硬化されたフィラー合金パッチ内の表面硬さ及び強度特性は、元来の周囲の材料のものと実質的に同じである。構成部材サブストレート１０内の機械的応力又は熱的に発生された応力は、それらの今や結合された関係により、今や超合金フィラー材料４０，１４０，２４０，３４０によって充填された以前の割れ１２を横切って伝達することができる。以前の割れ表面１２に沿った、修理された超合金構成部材サブストレート１０と、新たなフィラーパッチ超合金４０，１４０，２４０，３４０との相対的な固定は、構造的一体性を維持するのに十分である。
【００３０】
以前の割れ１２の表面に沿った、新たな固化されたフィラーパッチ４０，１４０，２４０，３４０と、超合金サブストレート１０との局所的な結合は、今や修理された構成部材サブストレート１０の構造的材料特性に著しく不都合に影響することはない。修理後の熱処理（必要であるならば）は、修理された構成部材のひずみ時効割れのその後のリスクを、完全に排除しないとしても、最小限に減じる。つまり、超合金構成部材サブストレート１０の修理の時間及び費用は、修理失敗の不相応なリスクなしに、本発明の修理方法によって引き受けられてよい。発電分野では、修理することが困難なＣＭ２４７又はＤＳ２４７超合金から構成された、割れを生じた第一列のタービンブレードでさえも、スクラップしてこれらを新たなブレードと交換する必要なしに修理されてよい。本発明の欠陥修理プロセスは、非構造的“化粧”修理法によって前に修理されたものを含む全ての欠陥において利用することができる。
【００３１】
本発明の等温キャスティング修理法を行う場合、全体的な目的は、それぞれの材料の超合金材料特性に著しく影響することなく、割れ１２の表面に沿った超合金サブコンポーネントサブストレート１０と、現場形成フィラー合金凝固パッチ４０との間の局所的な結合を達成することである。超合金サブストレート１０を液化させる（ひいては材料特性を不都合に変化させ、その後の割れを生じやすくさせる）傾向がある公知の溶接技術とは異なり、本発明の等温キャスティングプロセスは、超合金サブストレート１０における正味の変化を回避する。
【００３２】
本発明の教示を含んだ様々な実施の形態がここに図示及び説明されているが、当業者は、さらにこれらの教示を含んだ多くのその他の変更された実施の形態を容易に考え出すことができる。
【図１】
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【図２】
2015503047.tif 000004
【図３】
2015503047.tif 000005
【図４】
2015503047.tif 000006
【図５】
2015503047.tif 000007
【図６】
2015503047.tif 000008
【国際調査報告】
2015503047.tif 000009
2015503047.tif 000010
2015503047.tif 000011