(57)【要約】      （修正有）【課題】部品、及び部品を加工処理する方法を開示する。【解決手段】この方法は、ある特徴を有する基材金属を準備し、特徴を除去して加工処理領域を形成し、第１の層を前記加工処理領域に適用し、第２の層を第１の層に適用することを含む。基材金属、第１の層、及び第２の層は各々が所定の熱膨張率、降伏強度、及び伸び率を有する。加工処理部品は、基材金属の加工処理領域に適用された第１の層と、第１の層に適用された第２の層を含む。【選択図】図１
2012211580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を加工処理する方法であって、
ある特徴を有しており、基材金属組成、基材金属熱膨張率、基材金属降伏強度、及び基材金属伸び率を有する基材金属を準備し、
前記特徴を除去して加工処理領域を形成し、
第１の充填材組成、第１の充填材熱膨張率、第１の充填材降伏強度、及び第１の充填材伸び率を有する第１の充填材を有する第１の層を前記加工処理領域に適用し、
第２の充填材組成、第２の充填材熱膨張率、第２の充填材降伏強度、及び第２の充填材伸び率を有する第２の充填材を有する第２の層を第１の層に適用する
ことを含んでおり、
第１の充填材熱膨張率が基材金属熱膨張率及び第２の充填材熱膨張率の双方より小さく、
第１の充填材降伏強度が基材金属降伏強度より大きく、第２の充填材降伏強度より小さく、
第１の充填材伸び率が基材金属伸び率より大きく、第２の充填材伸び率より小さい、方法。
【請求項２】
第１の充填材熱膨張率が基材金属熱膨張率よりも約５．０〜約１０．０μｍ／ｍ・Ｋ小さい、請求項１記載の方法。
【請求項３】
第２の充填材熱膨張率が第１の充填材熱膨張率よりも約１．３〜約４．３μｍ／ｍ・Ｋ大きい、請求項１記載の方法。
【請求項４】
基材金属熱膨張率が約１７．６μｍ／ｍ・Ｋであり、第２の充填材熱膨張率が約１０．２μｍ／ｍ・Ｋであり、第１の充填材熱膨張率が約１２．８μｍ／ｍ・Ｋである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
第１の充填材伸び率が基材金属伸び率よりも約３２〜３６％大きい、請求項１記載の方法。
【請求項６】
第１の充填材伸び率が第２の充填材伸び率よりも約２９．５〜約３６．５％小さい、請求項１記載の方法。
【請求項７】
基材金属が約８．０％の伸び率を有し、第１の充填材が約６〜約１３％の伸び率を有し、第２の充填材が約４２．５％の伸び率を有する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
第１の充填材降伏強度が基材金属降伏強度よりも約１５〜約２２Ｋｓｉ大きい、請求項１記載の方法。
【請求項９】
第２の充填材降伏強度が第１の充填材降伏強度よりも約２３〜約３０Ｋｓｉ大きい、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
基材金属降伏強度が約３０Ｋｓｉであり、第１の充填材降伏強度が約４５〜約５２Ｋｓｉであり、第２の充填材降伏強度が約７５Ｋｓｉである、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
基材金属組成及び第１の充填材組成がほぼ同じ炭素及びニッケル濃度を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
部品がブレード、ローター、ダイヤフラム、及びバケットからなる群から選択されるガスタービン部品である、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
第１の充填材組成が約１．０〜約１．５重量％の炭素、約４２．５〜約４７．５重量％の鉄、及び残部のニッケルを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
第２の充填材組成が約０．１重量％以下の炭素、約２０〜約２３重量％のクロム、約５．０重量％の鉄、約１．０重量％のコバルト、約８．０〜約１０．０重量％のモリブデン、約２０〜約２３重量％のクロム、及び残部のニッケルを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
溶接プロセスが、ガスタングステンアーク溶接、ガス金属アーク溶接、シールド金属アーク溶接、フラックスコアアーク溶接、サブマージアーク溶接、及びこれらの組合せからなるプロセスの群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
部品を加工処理する方法であって、
ある特徴を有しており、基材金属組成、基材金属熱膨張率、基材金属降伏強度、及び基材金属伸び率を有する基材金属を準備し、
前記特徴を除去して加工処理領域を形成し、
第１の充填材組成、第１の充填材熱膨張率、第１の充填材降伏強度、及び第１の充填材伸び率を有する第１の充填材を有する第１の層を前記加工処理領域に適用し、
第２の充填材組成、第２の充填材熱膨張率、第２の充填材降伏強度、及び第２の充填材伸び率を有する第２の充填材を有する第２の層を第１の層に適用する
ことを含んでおり、
第１の充填材組成が約１．０〜約１．５重量％の炭素、約４２．５〜約４７．５重量％の鉄、及び残部のニッケルを含み、
第２の充填材組成が約０．１重量％以下の炭素、約２０〜約２３重量％のクロム、約５．０重量％の鉄、約１．０重量％のコバルト、約８．０〜約１０．０重量％のモリブデン、約２０〜約２３重量％のクロム、及び残部のニッケルを含む、方法。
【請求項１７】
加工処理部品であって、
基材金属組成、基材金属熱膨張率、基材金属降伏強度、及び基材金属伸び率を有する基材金属と、
加工処理領域と、
第１の充填材組成、第１の充填材熱膨張率、第１の充填材降伏強度、及び第１の充填材伸び率を有する第１の充填材を有しており、加工処理領域に適用された第１の層と、
第２の充填材組成、第２の充填材熱膨張率、第２の充填材降伏強度、及び第２の充填材伸び率を有する第２の充填材を有しており、第１の層に適用された第２の層と
を含んでおり、
第１の充填材熱膨張率が基材金属熱膨張率及び第２の充填材熱膨張率の双方より小さく、
第１の充填材降伏強度が基材金属降伏強度より大きく、第２の充填材降伏強度より小さく、
第１の充填材伸び率が基材金属伸び率より大きく、第２の充填材伸び率より小さい、部品。
【請求項１８】
部品が、ブレード、ローター、ダイヤフラム、及びバケットからなる群から選択されるガスタービン部品である、請求項１７記載の部品。
【請求項１９】
第２の充填材熱膨張率が第１の充填材熱膨張率よりも約１．３〜約４．３μｍ／ｍ・Ｋ大きい、請求項１７記載の部品。
【請求項２０】
第１の充填材伸び率が第２の充填材伸び率よりも約２９．５〜約３６．５％小さい、請求項１７記載の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービン部品を加工処理する方法、及びガスタービン部品に関する。より具体的には、本発明は、ガスタービンダイヤフラムを加工処理する方法、及び加工処理ガスタービンダイヤフラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン部品は熱的、機械的、かつ化学的に過酷な環境にさらされる。例えば、ガスタービンの圧縮機部分において、大気は大気圧の１０〜２５倍に圧縮され、その過程で８００〜１２５０°Ｆ（４２７〜６７７℃）に断熱加熱される。この加熱圧縮空気は燃焼器に導かれ、そこで燃料と混合される。この燃料が点火され、その燃焼過程でガスは３０００°Ｆ（１６５０℃）を越える非常に高い温度に加熱される。これらの高温のガスは、タービン（すなわち、回転するタービンディスクに固定された翼がエネルギーを引き出してタービンのファンと圧縮機を駆動する）、及び排気システム（すなわち、ガスが発電機ローターを回転するのに充分なエネルギーを提供して電気を生成する）を通過する。タービンの作動の効率を改良するために、燃焼温度が上昇している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７８４６２４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
より高い温度で作動することができる加工処理ガスタービン部品、及び溶接部及び／又は界面内に亀裂を生じることなく溶接することによりガスタービン部品を加工処理する方法が当技術分野で望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
代表的な実施形態では、部品を加工処理する方法は、ある特徴を有し、基材金属組成、基材金属熱膨張率、基材金属降伏強度、及び基材金属伸び率を有する基材金属を準備し、特徴を除去して加工処理領域を形成し、第１の充填材組成、第１の充填材熱膨張率、第１の充填材降伏強度、及び第１の充填材伸び率を有する第１の充填材を有する第１の層を前記加工処理領域に適用し、第２の充填材組成、第２の充填材熱膨張率、第２の充填材降伏強度、及び第２の充填材伸び率を有する第２の充填材を有する第２の層を第１の層に適用することを含む。第１の充填材熱膨張率は基材金属熱膨張率及び第２の充填材熱膨張率の双方より小さい。第１の充填材降伏強度は基材金属降伏強度より大きく、第２の充填材降伏強度より小さい。第１の充填材伸び率は基材金属伸び率より大きく、第２の充填材伸び率より小さい。
【０００６】
別の代表的な実施形態では、部品を加工処理する方法は、ある特徴を有し、基材金属組成、基材金属熱膨張率、基材金属降伏強度、及び基材金属伸び率を有する基材金属を準備し、特徴を除去して加工処理領域を形成し、第１の充填材組成、第１の充填材熱膨張率、第１の充填材降伏強度、及び第１の充填材伸び率を有する第１の充填材を有する第１の層を前記加工処理領域に適用し、第２の充填材組成、第２の充填材熱膨張率、第２の充填材降伏強度、及び第２の充填材伸び率を有する第２の充填材を有する第２の層を第１の層に適用することを含む。第１の充填材組成は、約１．０〜約１．５重量％の炭素、約４２．５〜約４７．５重量％の鉄、及び残部のニッケルを含み、第２の充填材組成は、約０．１重量％以下の炭素、約２０〜約２３重量％のクロム、約５．０重量％の鉄、約１．０重量％のコバルト、約８．０〜約１０．０重量％のモリブデン、約２０〜約２３重量％のクロム、及び残部のニッケルを含む。
【０００７】
さらに別の代表的な実施形態では、加工処理部品は、基材金属組成、基材金属熱膨張率、基材金属降伏強度、及び基材金属伸び率を有する基材金属、加工処理領域、加工処理領域に適用された、第１の充填材組成、第１の充填材熱膨張率、第１の充填材降伏強度、及び第１の充填材伸び率を有する第１の充填材を有する第１の層、並びに、第１の層に適用された、第２の充填材組成、第２の充填材熱膨張率、第２の充填材降伏強度、及び第２の充填材伸び率を有する第２の充填材を有する第２の層を含む。第１の充填材熱膨張率は基材金属熱膨張率及び第２の充填材熱膨張率の双方より小さい。第１の充填材降伏強度は基材金属降伏強度より大きく、第２の充填材降伏強度より小さい。第１の充填材伸び率は基材金属伸び率より大きく、第２の充填材伸び率より小さい。
【０００８】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示して図解する添付の図面と関連す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となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に従って加工処理した部品を概略的に示す。
【００１０】
図面を通して、同じ部分にはできるだけ同じ符号を用いた。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
溶接部内部に亀裂をもたず、及び／又は溶接部の界面内部に亀裂をもたない溶接部を有する、加工処理部品、及び部品を加工処理する方法が提供される。
【００１２】
図１を参照して、代表的な加工処理部品１００は、基材金属１０２、第１の充填材を有する第１の層１０４、及び第２の充填材を有する第２の層１０６を含む。本明細書で用いる用語「層」とは、溶接により付着させた充填材物質をいう。加工処理部品１００は金属部品である。一実施形態では、加工処理部品は、ブレード、ローター、ダイヤフラム、バケット又はダブテールのようなガスタービン部品である。代表的なプロセスによると、第１の層１０４が、部品１００の基材金属１０２中の表面欠陥１０８（例えば、空洞、亀裂、欠け、孔、割れ目又はその他相応の表面特徴）に適用される。次に、第２の層１０６が第１の層１０４上に設けられる。容易に分かるように、第２の層１０６は、溶接部の複雑さ及び溶接機が利用する技術に応じて、基材金属１０２から分離したままであってもよく、及び／又は一部が基材金属１０２と接触してもよい。
【００１３】
基材金属１０２は基材金属組成、基材金属熱膨張率、基材金属降伏強度、及び基材金属伸び率を含む。加工処理部品１００の代表的な実施形態では、第１の層１０４は基材金属１０２に近接して配置される。この第１の層１０４は第１の充填材組成、第１の充填材熱膨張率、第１の充填材降伏強度、及び第１の充填材伸び率を有する。第２の層１０６は第１の層１０４に近接して配置される。この第２の層１０６は第２の充填材組成、第２の充填材熱膨張率、第２の充填材降伏強度、及び第２の充填材伸び率を有する。
【００１４】
第１の層１０４及び第２の層１０６は１以上の所定の性質に基づいて選択される。例えば、一実施形態では、第１の層１０４及び第２の層１０６は、基材金属組成、基材金属熱膨張率、基材金属降伏強度、基材金属伸び率及びこれらの組合せに応じて選択される。例えば、一実施形態では、第１の層１０４を製造するために、第１の充填材金属は、第１の充填材組成が、第２の層１０６を製造するための第２の充填材よりも炭素含有率が低く、鉄含有率が低く、ニッケル含有率が高くなるように選択される。別の実施形態では、第１の層１０４及び／又は第２の層１０６を製造するために、第１の充填材及び／又は第２の充填材は、第１の充填材熱膨張率が基材金属熱膨張率及び第２の充填材熱膨張率の双方より小さくなるように選択される。さらに別の実施形態では、第１の層１０４及び／又は第２の層１０６を製造するために、第１の充填材及び／又は第２の充填材は、第２の充填材降伏強度が基材金属降伏強度及び第１の充填材降伏強度の双方より大きくなるように選択される。
【００１５】
第１の層１０４を製造するための第１の充填材及び／又は第２の層１０６を製造するための第２の充填材の選択は、基材金属１０２及び第１の層１０４及び／又は第２の層１０６間の具体的な特定可能で定量化可能な関係及び／又は差に基づく。例えば、一実施形態では、第１の充填材及び／又は第２の充填材は、基材金属１０２と比較した第１の充填材及び／又は第２の充填材の熱膨張範囲の差が熱膨張の所定の差になるように選択される。この実施形態では、第１の充填材熱膨張率は基材金属熱膨張率より小さく、第２の充填材熱膨張率は第１の充填材熱膨張率より大きい。
【００１６】
一実施形態では、第１の層１０４を製造するための第１の充填材と基材金属１０２との熱膨張率の所定の差（すなわち、基材金属熱膨張率の値から第１の充填材熱膨張率の値を減じた差）は約７．０〜約８．０μｍ／ｍ・Ｋ、６．０〜約９．０μｍ／ｍ・Ｋ、５．０〜約１０．０μｍ／ｍ・Ｋ、約６．５μｍ／ｍ・Ｋ、約７．０μｍ／ｍ・Ｋ、約７．５μｍ／ｍ・Ｋ又は約８．０μｍ／ｍ・Ｋである。これに加えて又はその代わりに、第１の層１０４を製造するための第１の充填材は、基材金属１０２よりも約６５〜約７５％低い熱膨張率を有する（すなわち、基材金属熱膨張率の値から第１の充填材熱膨張率の値を減じた差を基材金属熱膨張率の値で除した百分率）。
【００１７】
一実施形態では、第１の層１０４を製造するための第１の充填材と第２の層１０６との熱膨張率の所定の差（すなわち、第２の充填材熱膨張率の値から第１の充填材熱膨張率の値を減じた差）は約２．３〜約３．３μｍ／ｍ・Ｋ、約１．３〜約４．３μｍ／ｍ・Ｋ、約１．８〜約３．８μｍ／ｍ・Ｋ、約２．３μｍ／ｍ・Ｋ、約２．６μｍ／ｍ・Ｋ、又は約２．９μｍ／ｍ・Ｋである。加えて又は代わりに、第１の層１０４を製造するための第１の充填材は第２の層１０６よりも約１８〜約２６％低い熱膨張率を有する（すなわち、第２の充填材熱膨張率の値から第１の充填材熱膨張率の値を減じた差を第２の充填材熱膨張率の値で除した百分率）。
【００１８】
一実施形態では、基材金属１０２は約１７．６μｍ／ｍ・Ｋの熱膨張率を有し、第１の層１０４を製造するための第１の充填材は約１２．８μｍ／ｍ・Ｋの熱膨張率を有し、第２の層１０６を製造するための第２の充填材は約１０．２μｍ／ｍ・Ｋの熱膨張率を有し、これらの組合せも含まれる。
【００１９】
一実施形態では、第１の層１０４を製造するための第１の充填材及び／又は第２の層１０６を製造するための第２の充填材は、基材金属１０２と比較した第１の層１０４及び／又は第２の層１０６の伸び率の差が所定の伸び率の差になるように選択される。本明細書で用いる用語「伸び率」とは、一定の温度における引張強さ試験中の材料の伸長をいう。例えば、伸び率は金属を伸長させ、その金属の伸長前の長さをその金属の破断点における金属の伸長した長さを比較することによって測定される。この実施形態では、第１の充填材伸び率は基材金属伸び率より少し大きいか又は小さく、第２の充填材伸び率は第１の充填材伸び率より大きい。
【００２０】
一実施形態では、第１の層１０４と基材金属１０２との伸び率の所定の差は約３２〜約３６％の値（すなわち、第１の充填材伸び率の値から基材金属伸び率の値を減じた差）、約３４．５％の値（すなわち、第１の充填材伸び率の値から基材金属伸び率の値を減じた差）、約７５〜約８５％の対比範囲（すなわち、第１の充填材伸び率の値から基材金属伸び率の値を減じた差を第１の充填材伸び率の値で除した百分率）、及び／又は約８１％（すなわち、第１の充填材伸び率の値から基材金属伸び率の値を減じた差を第１の充填材伸び率の値で除した百分率）である。
【００２１】
一実施形態では、第２の層１０６を製造するための第２の充填材と第１の層１０４を製造するための第１の充填材との伸び率の所定の差は約２９．５〜約３６．５％の値（すなわち、第２の充填材伸び率の値から第１の充填材伸び率の値を減じた差）、約３３％の値（すなわち、第２の充填材伸び率の値から第１の充填材伸び率の値を減じた差）、又は約６９．５〜約８６％の対比範囲（すなわち、第２の充填材伸び率の値から第１の充填材伸び率の値を減じた差を第２の充填材伸び率の値で除した百分率）である。
【００２２】
一実施形態では、基材金属１０２は約８．０％の伸び率を有し、第１の層１０４を製造するための第１の充填材は約６〜約１３％の伸び率を有し、第２の層１０６を製造するための第２の充填材は約４２．５％の伸び率を有する。
【００２３】
一実施形態では、第１の層１０４を製造するための第１の充填材及び／又は第２の層１０６を製造するための第２の充填材は、基材金属１０２と比較した第１の充填材及び／又は第２の充填材の降伏強度の差が所定の降伏強度の差となるように選択される。本明細書で用いる用語「降伏強度」とは、材料が可塑的に変形し始める応力に対する金属の抵抗力をいう。この実施形態では、第１の充填材降伏強度は基材金属降伏強度より大きく、第２の充填材降伏強度は第１の充填材降伏強度及び基材金属降伏強度の双方より大きい。
【００２４】
一実施形態では、第１の層１０４を製造するための第１の充填材と基材金属１０２との降伏強度の所定の差は約１５〜約２２Ｋｓｉ（すなわち、第１の充填材降伏強度の値から基材金属降伏強度の値を減じた差）、約１８．５Ｋｓｉ（すなわち、第１の充填材降伏強度の値から基材金属降伏強度の値を減じた差）、約５０〜約７３％（すなわち、第１の充填材降伏強度の値から基材金属降伏強度の値を減じた差を基材金属降伏強度の値で除した百分率）、及び／又は約６１．５％（すなわち、第１の充填材降伏強度の値から基材金属降伏強度の値を減じた差を基材金属降伏強度の値で除した百分率）である。
【００２５】
一実施形態では、第２の層１０６を製造するための第２の充填材と第１の層１０４を製造するための第１の充填材との降伏強度の所定の差は約２３〜約３０Ｋｓｉ（すなわち、第２の充填材降伏強度の値から第１の充填材降伏強度の値を減じた差）、約２６．５Ｋｓｉ（すなわち、第２の充填材降伏強度の値から第１の充填材降伏強度の値を減じた差）、約３０〜約４０％（すなわち、第２の充填材降伏強度の値から第１の充填材降伏強度の値を減じた差を第２の充填材降伏強度の値で除した百分率）、及び／又は約３５％（すなわち、第２の充填材降伏強度の値から第１の充填材降伏強度の値を減じた差を第２の充填材降伏強度の値で除した百分率）である。
【００２６】
一実施形態では、基材金属１０２は約３０Ｋｓｉの降伏強度を有し、第１の層１０４を製造するための第１の充填材は約４５〜約５２Ｋｓｉの降伏強度を有し、及び／又は第２の層１０６を製造するための第２の充填材は約７５Ｋｓｉの降伏強度を有する。
【００２７】
一実施形態では、基材金属組成は約３．０重量％以下の炭素、約１．７５〜約３．００重量％のケイ素、約０．７０〜約１．０重量％のマンガン、約１．７５〜約２．５重量％のクロム、約７３．５重量％の鉄、及び残部のニッケル（例えば、約１８〜約２２重量％のニッケル）の組成範囲内のニッケル−レジストキャストタイプＤ−２である。このニッケル−レジストキャストタイプＤ−２は約１４００°Ｆ（約７６０℃）までの温度で腐食、侵食、及び摩擦摩耗に対する抵抗力を提供する。
【００２８】
一実施形態では、第１の充填材組成は約１．０〜約１．５重量％の炭素、約５０〜約５５重量％のニッケル、及び約４２．５〜約４７．５重量％の鉄である。別の実施形態では、組成は約１．２重量％の炭素、約５３重量％のニッケル、及び約４５．０重量％の鉄である。
【００２９】
一実施形態では、第２の充填材組成は約０．１重量％以下の炭素、約２０〜約２３重量％のクロム、約５．０重量％の鉄、約１．０重量％のコバルト、約８．０〜約１０．０重量％のモリブデン、約２０〜約２３重量％のクロム、及び残部のニッケルの組成範囲を有する。
【００３０】
一実施形態では、基材金属組成及び第１の充填材組成はほぼ同じ炭素含有率及びニッケル含有率を含み、第１の充填材熱膨張率は基材金属熱膨張率及び第２の充填材熱膨張率の双方より小さく、第１の充填材降伏強度は基材金属降伏強度より大きいが、第２の充填材降伏強度より小さく、第１の充填材伸び率は基材金属伸び率及び第２の充填材伸び率の双方より大きい。
【００３１】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更をなすことができ、またその要素に換えて等価物を使用することができる。加えて、特定の状況又は材料に本発明の教示を適合させるべく、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの修正をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含する。
【図１】
2012211580.tif 000003
【外国語明細書】
2012211580000001.pdf