(57)【要約】  比較的多量のＡｌおよび／またはＴｉを含有するＮｉ基超合金は充分に溶接することが困難であることが知られている。強度を改善するために超合金のＡｌおよびＴｉ含有率を高めると、部品の溶接性が劇的に低下する。本願においては、γ’相の減少が溶接性を改善すると結論付けられる。溶接工程と共に使用して、存在するγ’を減少させ且つそれにより溶接性を改善する、段階的な、制御された加熱および冷却工程が記載される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル基超合金部品を補修または接合する方法であって、
ａ）  第一の熱源を用いて、溶接部位を約２１００°Ｆより高い温度に加熱すること、
ｂ）  第二の熱源を用いて、約２１００°Ｆより高い温度で前記ニッケル基超合金部品を溶接またはレーザークラッディングすること、
ｃ）  前記溶接の完了後、直ちに前記第二の熱源を除去すること、および
ｄ）  冷却工程の任意の保持部分で、約３０質量パーセントより多いγ’相が形成されないように、前記溶接部位の制御された段階的な冷却および冷却の保持を実施すること
を含む方法。
【請求項２】
前記ニッケル基超合金部品の超合金が、７１３Ｃ、２４７、ＰＷ１４８０、ＭＡＲＭ２００、Ｒ７７、ＰＷ１４８３、Ｒ８０、Ｕ７２０、７３８、
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、ＮＳからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
溶接されたシームを含むニッケル基超合金であって、前記溶接されたシームが、以下の工程
ａ）  溶接前に、第一の熱源を用いて、溶接部位を最初に予め規定された約２１００°Ｆより高い温度へと加熱する工程、
ｂ）  第二の熱源を用いて、前記ニッケル基超合金部品を溶接する工程、および
ｃ）  前記溶接の完了後、直ちに前記第二の熱源を除去する工程、および
ｄ）  前記溶接部位を、段階的な冷却および保持工程の間に任意の保持温度で約３０質量パーセント以下のγ’相が形成されるように、制御された段階的な冷却を行う工程、
によって製造されたものである、前記ニッケル基超合金。
【請求項４】
請求項３に記載の工程によって形成された溶接されたシームを有する超合金部品の組み立て品。
【請求項５】
前記部品の組み立て品がタービンブレードを含む、請求項４に記載の超合金部品の組み立て品。
【請求項６】
請求項１に記載の方法によって形成された超合金部品の組み立て品。
【請求項７】
前記部品の組み立て品がタービンブレードを含む、請求項６に記載の超合金部品の組み立て品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１１（ａ）に準じて出願された実用特許出願であり、且つ、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９に準じて、２０１１年１１月７日に出願された仮特許出願６１／５５６３９５からの優先権を主張する。前記の仮特許出願の全ての内容は、参照をもってあらゆる目的のために本願内に含まれる。
【０００２】
発明の背景
１．  発明の分野
本発明は、超合金部品の補修または接合に関し、より特定には、ニッケル基超合金部品の溶接組み立てに関し、最も特定には、比較的多量のアルミニウムおよび／またはチタンを含有するニッケル基超合金部品の溶接に関する。
【０００３】
２．  背景と関連技術
超合金は、典型的には、温度が材料の融点に近づく際にも特性の機械的および化学的な劣化に対して優れた耐性を示す高温材料であると理解される。Ｎｉ基超合金は、ニッケル（Ｎｉ）に基づいており、且つ典型的にはかなりの量の多数の他の元素、とりわけ、例えばクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、タンタル（Ｔａ）、炭素（Ｃ）を含有する。高温超合金は、航空機のタービンエンジンにおいて早くから使用されてきた。より高い稼働温度は、典型的には燃料効率の上昇および炭素排出の低下をみちびくので、超合金は地上ベースのタービン系においても同様に使用されることが多くなっている。例えばＲｏｇｅｒ  Ｃ．  Ｒｅｅｄ  によるＴｈｅ  Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ  （Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，  ２００６、特にＣｈａｐｔｅｒ  １）を参照されたい。この参考文献の内容の全ては、あらゆる目的のために参照をもって本願に含まれるものとする。
【０００４】
従って、超合金がより多数の空輸および地上ベースのタービン系において使用され、且つ、高温で稼働されているので、クラッキング、および補修が必要な他の形態の材料劣化に遭遇するブレード翼および他の部品の数が増えている。かかるタービン部品の補修が効率的に行われて、補修された部品が元の部品の特性と可能な限り近い特性を有することが重要である。
【０００５】
超合金の経済的な重要性は、それらの溶接および補修における多数の研究を産み出した。例えば、Ｊ．  Ｎ．  ＤｕＰｏｎｔ，  Ｊ．  Ｃ．  Ｌｉｐｐｏｌｄ，  Ｓａｍｕｅｌ  Ｄ．  ＫｉｓｅｒによるＷｅｌｄｉｎｇ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  ａｎｄ  Ｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｎｉｃｋｅｌ−Ｂａｓｅ  Ａｌｌｏｙｓ（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  ２００９）、特にＣｈａｐｔｅｒ  ４を参照されたい。この参考文献の内容の全ては、あらゆる目的のために参照をもって本願に含まれるものとする。
【０００６】
溶接は、ニッケル基超合金部品を補修または接合するための商業的に重要な方法である。しかしながら、部品の高温強度を改善するためにＡｌおよび／またはＴｉが超合金に添加されると、該部品の溶接ははるかに困難になり、典型的にはクラックまたは他の欠陥が生じやすい。従って、当該技術分野において、ニッケル基超合金部品、特に比較的多量のＡｌおよび／またはＴｉを含むものを溶接するための改善された方法についてのニーズがある。
【０００７】
発明の概要
本願において記載される方法の１つの目的は、ニッケル基超合金を接合するための方法であって、工程の１回の冷却および保持部分で２０％以下のγ’をもたらすように、接合された領域の加熱および制御された段階的な冷却による前記方法を提供することである。
【０００８】
本願内で記載される方法は、保持および冷却工程の間のＡｌおよびＴｉの元素分配（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ  ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ）について、ＡｌおよびＴｉからγを枯渇させて、溶接性を改善するために提供される。
【０００９】
従って、且つ、有利には、以下に詳細に記載されるとおり、前記および他の利点が本発明によって達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＴｉおよびＡｌ含有率の関数としての、いくつかの超合金の溶接性を図示する。
【図２】本発明のいくつかの実施態様に従う保持および冷却工程のさらなる詳細を図示する：（２Ａ）Ｎｉ−Ａｌ擬二元系相図からの完全な相平衡での元素分配、（２Ｂ）冷却および保持工程によるＴＴＴ(時間−温度−変態)図におけるシフト、（２Ｃ）ＡｌおよびＴｉの分配の間の各々の保持温度での溶接の予想される応力緩和、（２Ｄ）分配による無クラック領域への合金２４７の組成のシフト。
【図３】本発明のいくつかの実施態様に従う保持および冷却工程を実施するための典型的な装置。
【００１１】
詳細な説明
本願において記載される全てのパーセンテージは、特段記載されない限り、質量パーセントである。
【００１２】
ＴｉおよびＡｌは、部品の高温強度を高めるためにニッケル基超合金に添加されるが、満足な溶接をもたらす難しさが劇的に上昇するという犠牲を伴う。ニッケル基超合金の溶接性に影響する要因のより入念な研究により、本発明者らは、約３０質量パーセント未満の量で存在するγ’相が、有利な溶接性の指標であり、約６０％より大きいγ’が非溶接性の指標である一方で、中間のγ’の値は、典型的には困難且つ費用のかかる溶接を示すという結論に至った。
【００１３】
要約すれば、本願内に記載される溶接工程は、段階的な冷却および保持工程を通じたＡｌおよびＴｉのγおよびγ’相への元素分配を使用する。これは、ＡｌおよびＴｉから制御してγ相を枯渇させ、且つ溶接性を改善し、典型的には低い質量％のγ’に達する。接合部において圧力解放されたγのＡｌおよびＴｉ含有率が溶接可能な値に低下したら、段階的な冷却および保持工程は終了し、且つ、従来の溶接アルゴン冷却で置き換えられる。
【００１４】
この発明の典型的な実施態様は、２つの熱源を使用する。第一の熱源は、接合、即ち従来の溶接工程のために使用される。この第一の熱源としてはレーザー熱源が有利に使用されるが、他の熱源、とりわけ、例えばアーク、放電、電子ビーム、粒子ビームも本質的に除外されない。
【００１５】
第二の熱源を、該工程の保持および冷却部分のために使用し、且つ接合部の等温保持温度を調節して、任意の等温保持温度でγから約３０％以下のγ’をもたらす。この第二の熱源としてはレーザー熱源が有利に使用されるが、他の熱源、とりわけ、例えば誘導加熱、電子ビーム、タングステンハロゲン電球、赤外線加熱も本質的に除外されない。
【００１６】
任意の等温保持温度で最大３０％のγ’の形成を可能にする、ＡｌおよびＴｉの元素分配は、有効な熱力学的データから計算される。３０％のγ’に達するために必要な保持時間は、γ−γ’系の公知の相転移動態から計算される。
【００１７】
図１は、典型的な超合金の溶接性のゾーンを、ＡｌおよびＴｉ含有率（質量パーセント）の関数として図示する。ライン１００より上にある合金は一般に溶接可能ではないとみなされる。図１内の合金の組成のより詳細な調査は、ライン１００より上に示される合金が、それらの最終的な構造において６０％より多くのγ’相を有することを示す。これに対し、ライン１０１よりも下にある超合金は、その最終的な構造において２０％未満のγ’相を有する。従って、約２０％未満のγ’を有するニッケル基超合金が溶接可能であると予期されることが察せられる。
【００１８】
ここで、特に重要な合金は、図１に示されるものを含む。
【００１９】
合金の溶融温度からの冷却は、超合金をγ相からγ＋γ’相へ転移させる傾向がある。本願内で記載される保持および冷却工程は、完全な熱力学的相平衡におけるＡｌおよびＴｉのγおよびγ’相への元素分配を用いて、保持および冷却工程の間の任意の保持時間で３０％以下のγ’をもたらす。これは、ＡｌおよびＴｉからγ相を枯渇させ、且つ最終的なγ組成を図１に示される溶接可能領域へと動かす。
【００２０】
図３は、本発明のいくつかの実施態様に従う方法を実施するための保持および冷却能力を有する典型的な接合システムを示す。該装置は典型的には、接合を行うための熱源２０１（典型的にはレーザー、レーザー１）、および予め規定された温度に基材を加熱するための第二の熱源（典型的にはレーザー、レーザー２）を含んだ。溶接部位の加熱は、溶接前、レーザー１（２０１）が溶接部位でオンになる前またはオンになったらすぐに行われる。接合部位の最初に予め規定された温度は、有利には、約２１００°Ｆより上であるように選択される。
【００２１】
図２は、本願の保持および冷却工程のいくつかの実施態様によって接合された典型的な高強度Ｎｉ超合金についての冶金学的反応の模式図である。図３の熱源２０２は、溶接レーザー２０１によって行われる接合作業が完了する際に操作可能である。図２に描かれる特定の例について、レーザー溶接工程およびレーザー２０１がオフになった後に、以下の工程が用いられた：
ａ．  Ｔ1で１〜３分間保持する
ｂ．  Ｔ2に冷却し、且つ、２〜１５分間保持する、３０％未満のγ’が生成
ｃ．  Ｔ3に冷却し、且つ、２〜３０分間保持する、３０％未満のγ’が生成、
ｄ．  Ｔ4に冷却し、且つ、０．１〜２時間保持する、３０％未満のγ’が生成、
・
・
（必要または望みに応じて、追加的な工程）
・
・
ｙ．  Ｔnに冷却し、且つ、１〜２０時間保持する、（ｎ＝１２０）、３０％未満のγ’が生成、
ｚ．  室温に冷却し、最終的な３０％以下のγ’が生成。
【００２２】
図２に描かれるこの工程において、γは、元素分配によって、その最終組成が図２Ｄ内の溶接可能ライン１００より下に下がるまで、ＡｌおよびＴｉから枯渇される。γの組成的な変化は図２ＡにおけるスポットＴ1−Ｔnで示される。図２Ｂおよび２Ｃは、冷却曲線における予想されるシフト、および、各々の保持段階での溶接の応力緩和による、各々の保持段階の後の応力対時間の曲線を示す。
【００２３】
本願に記載されるとおりの一般的な保持および冷却工程を、高温割れ並びに歪み時効割れを経験するほとんどの任意の超合金において使用できることが予想される。工程の保持部分の間のＡｌおよびＴｉの元素分配は、歪み時効割れおよび高温割れの可能性を減少させる。前記の分配は、溶接後熱処理の間に歪み時効割れに向かう傾向も著しく減少させ、なぜなら、ＡｌおよびＴｉからγが本質的に枯渇されており、保持および冷却工程の各々の段階の時点で応力が緩和されているからである。
【００２４】
本発明の教示を含む様々な実施態様が本願内で示され且つ詳細に記載されているが、当業者は、これらの教示を含む多くの他の様々な実施態様を容易に考案することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年9月4日(2014.9.4)
【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】
ニッケル基超合金部品を補修または接合する方法であって、
ａ）  第一の熱源を用いて、溶接部位を２１００°Ｆ（１０３４０／９℃）より高い温度に加熱すること、
ｂ）  第二の熱源を用いて、２１００°Ｆ（１０３４０／９℃）より高い温度で前記ニッケル基超合金部品を溶接またはレーザークラッディングすること、
ｃ）  前記溶接の完了後、直ちに前記第二の熱源を除去すること、および
ｄ）  冷却工程の任意の保持部分で、３０質量パーセントより多いγ’相が形成されないように、前記溶接部位の制御された段階的な冷却および冷却の保持を実施すること
を含む方法。
【請求項２】
前記ニッケル基超合金部品の超合金が、７１３Ｃ、２４７、ＰＷ１４８０、ＭＡＲＭ２００、Ｒ７７、ＰＷ１４８３、Ｒ８０、Ｕ７２０、７３８、
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、ＮＳからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
溶接されたシームを含むニッケル基超合金であって、前記溶接されたシームが、以下の工程
ａ）  溶接前に、第一の熱源を用いて、溶接部位を最初に予め規定された２１００°Ｆ（１０３４０／９℃）より高い温度へと加熱する工程、
ｂ）  第二の熱源を用いて、前記ニッケル基超合金部品を溶接する工程、および
ｃ）  前記溶接の完了後、直ちに前記第二の熱源を除去する工程、および
ｄ）  前記溶接部位を、段階的な冷却および保持工程の間に任意の保持温度で３０質量パーセント以下のγ’相が形成されるように、制御された段階的な冷却を行う工程、
によって製造されたものである、前記ニッケル基超合金。
【請求項４】
請求項３に記載の工程によって形成された溶接されたシームを有する超合金部品の組み立て品。
【請求項５】
前記部品の組み立て品がタービンブレードを含む、請求項４に記載の超合金部品の組み立て品。
【請求項６】
請求項１に記載の方法によって形成された超合金部品の組み立て品。
【請求項７】
前記部品の組み立て品がタービンブレードを含む、請求項６に記載の超合金部品の組み立て品。
【国際調査報告】
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