(57)【要約】  約１２３０℃以下の比較的低い溶融温度を有し、タービンブレードおよび翼におけるクラックを、補修工程の間のクラッキングの本質的なリスクなく融合するために適したＮｉ、Ｔｉ、Ｃｒの三元系の共晶付近合金が記載される。かかる合金は、タービンブレードの低温接合または補修のために適しており、なぜなら、それは典型的なタービンブレードおよび翼と同じ組成物を含有し、補修される材料の融点を下げるかまたは補修される部品の機械的特性に悪影響する外的要素を有さないからである。ホウ素が除外されることにより、補修またはシームの特性に不利な脆いホウ素化合物の形成が除かれる。
2015502858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル、チタンおよびクロムを含み、且つ約１２３０℃未満の溶融温度を有し、ガスタービン部品の低温接合または補修のために適している三元系合金。
【請求項２】
ニッケル、チタンおよびクロムを含む三元系合金であって、前記ニッケルが約５５〜約６５質量パーセントの範囲の量で存在し、且つ、前記チタンが約１５〜約２５質量パーセントの範囲の量で存在し、且つ、前記クロムが約１５〜約２５質量パーセントの範囲の量で存在する前記三元系合金。
【請求項３】
前記ニッケルが約６０質量パーセントの量で存在し、前記チタンが約２０質量パーセントの量で存在し、且つ前記クロムが約２０質量パーセントの量で存在する、請求項２に記載の三元系合金。
【請求項４】
前記合金中にホウ素が本質的に存在しない、請求項２に記載の三元系合金。
【請求項５】
ガスタービン部品を補修または接合するための方法であって、
ａ）  前記部品の補修されるべき領域を洗浄し、且つ、前記補修されるべき領域を充填材材料とベース材料との混合物で充填し、その際、前記充填材材料は前記ベース材料の溶体化熱処理温度よりも低い溶融温度を有し、且つ、前記混合物は、前記部品の熱処理後に完全な均質化が達成されるように、前記充填材材料と前記ベース材料との相対分を含有する、
ｂ）  前記部品および前記混合物を、前記充填材材料の融点より上で溶体化熱処理して、そのことによって融合および均質化が達成されること
を含む前記方法。
【請求項６】
前記充填材が、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒを含む三元系の共晶付近合金である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記充填材が本質的に以下の組成：  Ｎｉ（ｘ）、Ｔｉ（ｙ）、Ｃｒ（ｚ）
［式中、ｘ、ｙ、ｚは合計で本質的に１００％であり且つ個々に本質的に以下の範囲：  ５５％≦ｘ≦６５％；  １５％≦ｙ≦２５％；  １５％≦ｚ≦２５％であるように選択される］
を質量パーセントで有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記充填材が本質的に以下の組成（質量パーセント）：  Ｎｉ（６０％）＋Ｔｉ（２０％）＋Ｃｒ（２０％）を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ベース材料が合金２４７である、請求項５に記載の方法。
【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３日に出願された仮特許出願６１／５５５１１３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、あらゆる目的のために参照をもって本願内に含まれるものとする。
【０００２】
発明の背景
１．  発明の分野
本発明は、超合金部品、特定には、ガスタービンにおいて使用される超合金部品の補修に関し、且つ、最も特定には、かかる補修を行うためのＮｉ−Ｔｉ−Ｃｒ三元系の共晶付近合金に関する。
【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】
この著しい量の研究にもかかわらず、超合金部品の接続または補修においてまだ問題が起きている。典型的には、他の手段の欠点は、数ある問題の中でも、補修の間または補修後のクラッキング、補修された部品の有効寿命の短さ、脆性の増加を含む。従って、当該技術分野において、超合金タービン部品の補修のための改善された方法および材料についてのニーズがある。
【０００７】
発明の概要
本願内に記載される充填材合金は、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｒ三元系の共晶付近組成を使用し、そのことにより、比較的低い温度で補修を行うことが可能になり、それによって補修工程の間のクラッキングの問題が減少または除かれる。また、本願内に記載される充填材合金のいくつかの実施態様では、ベース材料の熱処理は補修される領域の均質化ももたらす温度で行われる。さらに、ホウ素は本願内に記載される充填材合金中に有害な量では存在せず、そのことによって、多くの場合、脆いホウ素化合物の形成と関連する脆性等の問題が除かれる。
【０００８】
本発明のいくつかの実施態様において、三元系の共晶付近の組成が調節され、補修される領域の均質化が、部品の溶体化熱処理温度で生じることを可能にする。ＪＭａｔＰｒｏ−４．０  （Ｓｅｎｔｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｌｔｄ．製、Ｓｕｒｒｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｅｎｔｒｅ、ＵＫ）を用いて行われた計算は、式Ｉ：
Ｎｉ（ｘ）−Ｔｉ（ｙ）−Ｃｒ（ｚ）  式Ｉ
で概ね示される組成を有する三元系合金において、ｘ、ｙ、ｚが本質的に以下の範囲（質量パーセント）であるように選択される場合、１１７５℃付近で溶融することを示す：
５５％  ≦  ｘ  ≦  ６５％  （１ａ）
１５％  ≦  ｙ  ≦  ２５％  （１ｂ）
１５％  ≦  ｚ  ≦  ２５％  （１ｃ）。
【０００９】
（１ａ、１ｂ、１ｃ）において、および本文書内にわたって示される範囲は、固定され且つ断固たる限定を意図されているわけではなく、組成の本質的に正確な記載を提供するためのものであり、特定の場合においては、通常の実験によって決定され得るように、適宜調節される。
【００１０】
式１のこの合金は、図１における領域１０１によって示される。商業用途の例として、我々は式１が合金２４７Ｃから製造された部品を補修する能力があることを示した。
【００１１】
他の実施態様は、三元系の共晶付近の混合物およびベース材料を用いて補修を行う。
【００１２】
従って、且つ、有利には、以下に詳細に記載されるとおり、それらおよび他の長所が本発明によって達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】１２７７℃でのＣｒ−Ｎｉ−Ｔｉの等温投影を描いた三元系の相図である。
【図２】本願に記載される材料および方法を用いた代表的なろう付け接合の顕微鏡写真であって、狭いギャップのろう付けの例である。
【図３】本願に記載される材料および方法を用いた代表的なろう付け接合の顕微鏡写真であって、大きなギャップのろう付けの例である。
【００１４】
詳細な説明
本発明は、高強度の補修接合を作るための、典型的には、ガスタービン部品の接合および補修のためのＮｉ＋Ｃｒ＋Ｔｉの三元系共晶付近の充填材合金に関する。
【００１５】
典型的な先行技術の充填材合金は、ホウ素（Ｂ）を充填材合金の成分として含む。これは、機械的特性および補修された部品の寿命を低下させる傾向があり、なぜなら、ガスタービン部品内で典型的に見出される元素であるＢが脆いホウ化物を形成する傾向があるからである。クラックも、補修工程の間および補修工程の後の両方で、先行技術の溶接充填材材料に伴う問題である。
【００１６】
本願内に記載される充填材合金は、三元系の共晶付近の組成を使用し、そのことにより、比較的低い温度で補修を行うことが可能になり、それによって補修工程の間のクラッキングの問題が減少または除かれる。本願に記載される充填材合金のいくつかの実施態様でも、補修に続く均質化のために溶体化熱処理が使用される。さらに、ホウ素は本願内に記載される充填材合金中に有害な量では存在せず、それによって、多くの場合脆いホウ素化合物の形成と関連する脆性等の問題が除かれる。
【００１７】
本発明のいくつかの実施態様において、三元系の共晶付近の組成が調節され、補修される領域の均質化が、部品の溶体化処理温度で生じることを可能にする。
【００１８】
図１は、１２７７℃での三元系Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉについての相図の等温断面を示す。液相は領域１０１によって示される。本願の合金組成について特に興味深い組成は領域１０１によって示される。それらの組成は、約１１７５℃より上の温度で液体であると予測され、且つ、タービン部品の補修のために有利である。従って、好ましい組成物は、上記に示されるとおり、式１：
Ｎｉ（ｘ）−Ｔｉ（ｙ）−Ｃｒ（ｚ）  式１
において、５５％≦６５％、１５％≦ｙ≦２５％、１５％≦ｚ≦２５％を有し、１１７５℃付近で溶融する。式１のこの合金は、図１における領域１００によって示される。
【００１９】
商業用途の例として、我々は式１が合金２４７Ｃから製造された部品を補修する能力があることを示している。
【００２０】
表１は、ブレード、合金２４７の組成、補修された接合の組成（共に質量パーセント）、および補修後の計算された差異デルタを示す。表１は、補修された接合の組成がベース材料である２４７の組成と類似していることを示す。しかしながら、これは、溶体化熱処理温度が補修箇所を本質的に均質化する場合（たとえばこの例）にのみ起きることが予想される。
【００２１】
図２および３は、三元系共晶付近の式Ｉ（ｘ＝６０％、ｙ＝２０％、ｚ＝２０％）を使用し、合金２４７粉末と混合され、次に１２４０℃で２時間、真空炉内で溶体化処理された、代表的なろう付け接合の顕微鏡写真である。図２におけるろう付け接合は、共晶付近合金のみを含有し、狭いギャップのろう付けを示す。図３におけるろう付け接合は、２４７粉末とろう付け粉末との混合物を含有し、大きなギャップのろう付け部を示す。
【００２２】
要約すれば、計算された溶融温度約１１５０℃〜約１２３０℃の範囲を有する式１の組成物は、特に、１２３０℃で溶体化熱処理される合金２４７のための有利な充填材材料であることが示される。従って、この式Ｉの充填材材料が合金２４７部品における開口したクラックに施与される場合、それは有利な温度で溶融し且つクラックを充填する。さらには、合金２４７の２時間の溶体化熱処理が、補修領域を均質化することが以下に示される。
【００２３】
典型的な補修工程は、本願に記載される充填材材料を使用し、以下のように進められる：
ａ）  部品の補修領域を洗浄し、且つ、三元系の共晶付近の充填材並びにベース材料（一般には粉末、ワイヤまたは膜の形態）で充填する。
【００２４】
ｂ）  前記三元系の共晶付近の充填材合金は、補修される部品の溶体化熱処理温度未満の溶融温度を有する。
【００２５】
ｃ）  補修領域に添加される、三元系の共晶付近の充填材およびベース材料の相対分を、熱処理後の完全な均質化に対応するように調節する。
【００２６】
ｄ）  三元系の共晶付近の充填材と、ベース材料との混合物を補修部位で有する部品を、前記三元系共晶付近物の融点より上で熱処理して、完全な融合を達成する。
【００２７】
ｅ）  三元系の共晶付近物の溶融物およびその元素は、熱処理作業の間に、補修を受ける部品とベース材料との間の組成の差によってベース材料中に拡散する。
【００２８】
ｆ）  溶体化熱処理段階は、均質化処理としても作用する。
【００２９】
これとは対照的に、典型的な溶接工程は、同じ組成の充填材材料を使用することがあるが、しかし、より高い温度（典型的には１４５０℃付近）が必要とされ、冷却の間にしばしばクラックが生じる。
【００３０】
上記で考慮される特定の例は、合金２４７を用いたが、本願内に記載される材料および方法は、他の合金、典型的には溶体化熱処理温度が約１２００℃より上である合金を同様に用いることができることが予想される。
【００３１】
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、本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。
【００３２】
【表１】
2015502858.tif 000003
【図１】
2015502858.tif 000004
【図２】
2015502858.tif 000005
【図３】
2015502858.tif 000006
【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、チタンおよびクロムを含み、且つ１２３０℃未満の溶融温度を有し、ガスタービン部品の低温接合または補修のために適している三元系合金。
【請求項２】
ニッケル、チタンおよびクロムを含む三元系合金であって、前記ニッケルが５５〜６５質量パーセントの範囲の量で存在し、且つ、前記チタンが１５〜２５質量パーセントの範囲の量で存在し、且つ、前記クロムが１５〜２５質量パーセントの範囲の量で存在する前記三元系合金。
【請求項３】
前記ニッケルが６０質量パーセントの量で存在し、前記チタンが２０質量パーセントの量で存在し、且つ前記クロムが２０質量パーセントの量で存在する、請求項２に記載の三元系合金。
【請求項４】
前記合金中にホウ素が本質的に存在しない、請求項２に記載の三元系合金。
【請求項５】
ガスタービン部品を補修または接合するための方法であって、
ａ）  前記部品の補修されるべき領域を洗浄し、且つ、前記補修されるべき領域を充填材材料とベース材料との混合物で充填し、その際、前記充填材材料は前記ベース材料の溶体化熱処理温度よりも低い溶融温度を有し、且つ、前記混合物は、前記部品の熱処理後に完全な均質化が達成されるように、前記充填材材料と前記ベース材料との相対分を含有する、
ｂ）  前記部品および前記混合物を、前記充填材材料の融点より上で溶体化熱処理して、そのことによって融合および均質化が達成されること
を含む前記方法。
【請求項６】
前記充填材が、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒを含む三元系の共晶付近合金である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記充填材が以下の組成：  Ｎｉ（ｘ）、Ｔｉ（ｙ）、Ｃｒ（ｚ）
［式中、ｘ、ｙ、ｚは合計で１００％であり且つ個々に以下の範囲：  ５５％≦ｘ≦６５％；  １５％≦ｙ≦２５％；  １５％≦ｚ≦２５％であるように選択される］
を質量パーセントで有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記充填材が以下の組成（質量パーセント）：  Ｎｉ（６０％）＋Ｔｉ（２０％）＋Ｃｒ（２０％）を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ベース材料が合金２４７である、請求項５に記載の方法。
【国際調査報告】
2015502858.tif 000007
2015502858.tif 000008
2015502858.tif 000009