(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジン（１０）のトランジションピース（１８）の空気冷却式後部フレーム（２６）を溶接補修する方法を提供する。【解決手段】トランジションピース（１８）は、セラミック皮膜で被覆された内部表面を有する。後部フレーム（２６）は、その中に設けられかつそこから割れが伝搬した冷却孔を備えた表面（２８）を有する。本方法は、エンジン（１０）からトランジションピース（１８）を取外すステップと、トランジションピース（１８）からセラミック皮膜を除去せずに又は後部フレーム（２６）を取り外さずに、表面（２８）上に溶加材を付着させるが該表面（２８）内の冷却孔を閉塞させないレーザビーム溶接法を実行することによって割れを溶接補修するステップとを含む。後部フレーム（２６）の表面（２８）は、トランジションピース（１８）をガスタービンエンジン（１０）内に再据付けするステップに先だって、余分の溶加材を除去するように機械加工することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）のトランジションピース（１８）を溶接補修する方法であって、前記トランジションピース（１８）が、外部表面、セラミック皮膜で被覆された内部表面、及び前記ガスタービンエンジン（１０）のタービンセクションに取付けられる空気冷却式後部フレーム（２６）を有し、前記後部フレーム（２６）が、その中に設けられかつそこから割れが伝搬した冷却孔を備えた表面（２８）を有しており、該方法が、
前記ガスタービンエンジン（１０）から前記トランジションピース（１８）を取外すステップと、
前記トランジションピース（１８）から前記セラミック皮膜を除去せずに又は前記後部フレーム（２６）を取り外さずに、前記表面（２８）上に溶加材を付着させるが該表面（２８）内の冷却孔を塞がない又は前記セラミック皮膜を溶融もしくは剥離させないレーザビーム溶接法を該後部フレーム（２６）の表面（２８）上に実行することによって該後部フレーム（２６）内の割れを溶接補修するステップと、
前記後部フレーム（２６）の表面（２８）を機械加工して、余分の溶加材を除去するステップと、
前記トランジションピース（１８）を前記ガスタービンエンジン（１０）内に再据付けするステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記レーザビーム溶接法の作動パラメータが、約２．７〜約６．３ｋＷの出力レベル及び約０．２〜約１．６ｍｍのレーザスポット径を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザビーム溶接法が、約２〜１５ミリ秒のパルス幅及び約１〜約１２Ｈｚのパルス周波数を含むパルス作動モードを使用するパルスレーザビーム溶接法である、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記トランジションピース（１８）及び溶加材が、ニッケル基合金からなる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記冷却孔を含む前記後部フレーム（２６）の表面（２８）が、該後部フレーム（２６）のシールランド（２８）である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記冷却孔が、約１．２５〜約１５ｍｍ離れて間隔を置いて配置されかつその直径が約０．５〜約２．０ｍｍである、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記トランジションピース（１８）が、該トランジションピース（１８）を熱処理せずにしかも前記溶接補修するステップ後に前記セラミック皮膜を再施工せずに、前記ガスタービンエンジン（１０）内に再据付けされる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記トランジションピース（１８）の外部表面が、該トランジションピース（１８）に取付けられたインピンジメントジャケット（２２）によって囲まれており、前記溶接補修するステップが、前記トランジションピース（１８）から前記インピンジメントジャケット（２２）を取外さずに実行される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記ガスタービンエンジン（１０）が産業用ガスタービンエンジン（１０）である、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法で補修されたトランジションピース（１８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には耐熱合金で形成された部品を補修する溶接方法に関する。より具体的には、本発明は、産業用ガスタービンエンジンの空気冷却式トランジションピースを溶接補修する方法を目的とし、本方法によると、冷却孔の目潰れ及びトランジションピース上の皮膜の剥離を回避することができる。
【背景技術】
【０００２】
超合金は、産業用及び航空機用ガスタービンエンジンのタービン部品のようなターボ機械の部品を形成するために広く使用される。注目すべき実施例には、タービンバケット（動翼）、ノズル（静翼）、並びにライナ、熱シールド及びトランジションピースのような燃焼器部品が含まれる。超合金部品は、鋳造によって形成されることが多く、また幾つかの用途では、それらの複雑さの故に好ましくは又は必然的に溶接によって製作される。溶接はまた、熱サイクル又は異物損傷によって生じた超合金部品内の割れその他の表面欠陥を補修する方法として広く使用される。超合金材料の溶接は一般に、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）法で実行される。溶加材は一般に、溶加材料の選択が、一般に延性溶加材又はその化学的性質がほぼベース金属に一致する溶加材とした状態でＧＴＡＷ補修において使用される。
【０００３】
図１は、産業用ガスタービンエンジン１０の単一環状燃焼器組立体の断面図を概略的に示している。缶アニュラ燃焼器１２を有する燃焼器組立体を図示しており、この缶アニュラ燃焼器１２は、タービン１０の外周の周りに設置された複数の燃焼器の１つである。燃焼器１２は、その内部がタービン１０の燃焼チャンバを形成した缶型ライナ１４を有する。複数の燃料ノズル組立体１６がライナ１４のヘッド端部に設置され、一方、ライナ１４の後端部はトランジションピース１８に結合される。チャンバ１２からの高温燃焼ガスはが、対応するトランジションピース１８を通してエンジンのタービンセクション（図示せず）に導かれる。燃焼器１２及びトランジションピース１８は、それを通して抽出空気がエンジン１０の圧縮機セクション（図示せず）から流れるプレナム２０内に配置される。トランジションピース１８を囲むものとしてインピンジメントジャケット（スリーブ）２２を示しており、またプレナム２０内の抽出空気２４が、ジャケット２２を通って流れてトランジションピース１８の外表面をインピンジメント冷却する。トランジションピース１８は、その後端部にフランジ又はフレーム２６を備えており、このフレーム２６によってトランジションピース１８は、タービンセクションに連結される。後部フレーム２６はまた、例えばフレーム２６の噛合いシールランド及びタービンセクション間のシールを通り抜ける及び／又はフレーム２６のシールランド２８に開口部を形成した冷却孔（図示せず）を通る制御抽出空気漏洩によるなどの抽出空気で冷却して、抽出空気がジャケット２２及びトランジションピース１８間を流れかつ次にフレーム２６を通ってエンジンのタービンセクションの第一段ノズルセクション内に進むのを可能にすることができる。フレーム２６は、個別部品として製作しかつその後トランジションピース１８の後端部に溶接することができる。
【０００４】
燃焼器ライナ１４、トランジションピース１８、及びガスタービンエンジンのその他の高温セクション構成部品は多くの場合、下方にある部品基材の温度を低下させ、それによって部品の耐用寿命を延長する遮熱コーティング（ＴＢＣ）によって保護される。セラミック材料、特にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が、それらの温度性能、低い熱伝導性、並びにプラズマ溶射、フレーム溶射及び物理蒸着（ＰＶＤ）法による蒸着の比較的容易さの故に、ＴＢＣとして広く使用されている。ＴＢＣは一般に、トランジションピース１８の内部表面に施工されて、インピンジメントジャケット２２によってもたらされる背面冷却作用との組合せで該トランジションピース１８の温度をその融解温度以下の温度に維持することができるようにする。
【０００５】
後部フレーム２６は、歪み及び疲労を引き起こす可能性がある高い温度及び応力の組合せにより生じる損傷を受ける。冷却孔は、応力集中部として作用するので、該孔を囲むフレーム２６の材料は、特に温度的−機械的疲労（ＴＭＦ）により割れを起こしやすくなるおそれがある。孔及び該孔の小さい直径（一般に、約０．０２０〜約０．０８０インチ（約０．５〜約２．０ｍｍ））間の近接した間隔は、割れ発生傾向を悪化させる傾向がある。急激な温度勾配は、割れ発生を促進する別の要因である。その結果として多数の割れが、図２及び図３で分かるように個々の冷却孔から伝搬する可能性があり、これら図２及び図３は、産業用ガスタービンエンジンの実使用で見られたトランジションピースを示している。エンジンからのトランジションピース１８の取外しに加えて、ＧＴＡＷを使用する伝統的溶接補修方法に関連する非常に高い入熱は、補修を試みるのに先立って、トランジションピース１８からのインピンジメントジャケット２２の分解及びトランジションピース１８の内部表面上のＴＢＣの剥取りを必要としている。伝統的溶接補修法の高入熱は、ＴＢＣの剥離及び／又はＴＢＣ材料の溶融池内への混合を生じて溶接割れを引き起こすので、ＴＢＣの除去が実行される。溶接補修後におけるＴＢＣのその後の再施工は、拡散過熱処理を必要とし、この拡散過熱処理は、ジャケット２２をトランジションピース１８に取付けた状態を維持する場合にジャケット２２及びその溶接部を歪ませる可能性がある。溶接補修後に冷却孔は、再穿孔加工しなければならず、このことは、実使用の間におけるトランジションピース１８及びそのフレーム２６の歪みにより困難かつ努力を要する作業である。冷却孔の再穿孔加工後に、ＴＢＣを再施工しかつインピンジメントジャケット２２との再組立に先立って、トランジションピース１８に熱処理を行なって、溶接工程によって生じた応力を開放する。別の補修方法は、トランジションピース１８から後部フレーム２６全体を切断しかつそれを新規フレームと置換えて冷却孔を補修する必要性を回避することである。しかしながら、このアプローチは依然としてインピンジメントジャケット２２の取外し及び溶接工程に先立つＴＢＣの剥取りを必要とし、また次にＴＢＣの再施工、トランジションピース１８の熱処理及びインピンジメントジャケット２２の再取付けを必要とする。その結果、両方のプロセスとも、費用がかかりかつ時間がかかる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のことを考慮すると、トランジションピースの後部フレームを補修するのに必要な時間及びステップ数をさらに減少させることが望ましいと言える。
【０００７】
本発明は、産業用ガスタービンエンジンの空気冷却式トランジションピースを溶接補修する方法を提供し、本方法によると、冷却孔の目潰れ及びトランジションピース上のＴＢＣの剥離を実質的に回避することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様によると、トランジションピースは、外部表面、セラミック皮膜で被覆された内部表面、及びガスタービンエンジンのタービンセクションに取付けられる後部フレームを有する。後部フレームは、その中に設けられかつそこから割れが伝搬した冷却孔を備えた表面を有する。方法は、ガスタービンエンジンからトランジションピースを取外すステップと、トランジションピースからセラミック皮膜を除去せずに又は後部フレームを取り外さずに、後部フレームの表面上にレーザビーム溶接法を実行することによって該後部フレーム内の割れを溶接補修するステップとを含む。レーザビーム溶接法は、表面上に溶加材を付着させるが該表面内の冷却孔を塞がない又はセラミック皮膜を溶融もしくは剥離させない。後部フレームの表面は次に、余分の溶加材を除去するように機械加工され、その後にトランジションピースは、ガスタービンエンジン内に再据付けすることができる。
【０００９】
本発明の別の態様は、上記のステップを含むプロセスによって補修されたトランジションピースである。
【００１０】
本発明の技術的効果は、冷却孔を再穿孔加工することを必要とする余分の溶加材を付着させずに、トランジションピースを溶接補修することができることである。さらに、溶接法の低入熱は、溶接補修に先立ってトランジションピース内の皮膜を剥取り、次に溶接補修後にトランジションピースを熱処理する必要性を排除することができる。
【００１１】
本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】産業用ガスタービンエンジンの単一環状燃焼器組立体の部分断面図。
【図２】トランジションピースの後部フレームの一部分及び冷却孔を含むその後部フレームのシールランド内に発生した割れを概略的に示す図。
【図３】図１及び図２に示すタイプの後部フレームを本発明による溶接プロセスを使用して溶接補修した結果を示す走査像。
【図４】図３の溶接補修部から余分の溶接材料を除去した結果を示す走査像。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照して上記した産業用ガスタービン１０のトランジションピース１８に関して、本発明を説明する。そのようなものとして、例示的なトランジションピース１８は、該トランジションピース１８に取付けられたインピンジメントジャケット２２によって囲まれた外部表面、該トランジションピース１８の外表面を遮熱するのに好適なＴＢＣ又はその他の皮膜系で被覆された内部表面、該トランジションピース１８をガスタービンエンジンのタービンセクションの第一段に取付ける空気冷却式後部フレーム２６を有する。さらに、本発明にとって興味があるトランジションピースは、それらの特定の実施例にはＮｉｍｏｎｉｃ  Ｃ２６３、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｘ、Ｉｎｃｏｎｅｌ  ６１７及びＵｄｉｍｅｔ  ５００のようなニッケル基合金が含まれる多様な材料で形成することができる。最後に、本発明は、例えば図２に概略的に示すように、後部フレーム２６のシールランド２８内の冷却孔から伝搬した割れの溶接補修を実行することを目的とする。冷却孔の一般的な構成は、約１．２５〜約１５ｍｍの中心対中心間隔及び約０．０２０〜約０．０８０インチ（約０．５〜約２．０ｍｍ）の直径を備える。しかしながら、本発明は、図１〜図３に示す特定の構成を有するトランジションピースに限定されるものではなく、それどころか多様な燃焼器構成で使用されるその他のトランジションピースに適用可能である。
【００１４】
ＴＢＣの溶融又は剥離及び冷却孔の閉塞を生じさせる可能性があるＧＴＡＷその他の高入熱溶接プロセスの上述の欠点を回避するために、本発明は、レーザビーム溶接（ＬＢＷ）法を使用する。狭い範囲の溶接条件で作動させた場合に、レーザビーム溶接は、それに限定されないがターボ機械で使用される合金を含む多種多様な材料において割れのない溶接継手を形成することができる低入熱溶接プロセスとなる。レーザビーム溶接プロセスの利点は、レーザビームの高エネルギー密度により、深くかつ狭い溶接部を形成することができることである。レーザビーム溶接に関連する追加の利点には、電子ビーム溶接で通常必要とされる真空チャンバ又は放射線シールドがない状態で、別の公知の低入熱溶接プロセスを実行することができることが含まれる。
【００１５】
本発明で使用する好ましいレーザには、様々な固体ＹＡＧレーザが含まれると思われる。好適なレーザビーム溶接機の非限定的な実施例は、約２００Ｗの平均出力能力及び約９ｋＷの最大出力能力を有する。レーザビーム溶接プロセスの好適な作動パラメータには、最大出力の約３０〜７０％、例えば約２．７〜約６．３の出力レベル、及び約０．２〜約１．６ｍｍ、より好ましくは約０．３５〜約０．７５ｍｍのレーザスポット径が含まれる。別の作動パラメータは、例えば約２〜１５ミリ秒のパルス幅及び約１〜約１２Ｈｚのパルス周波数のようなパルス作動モードを使用することであるが、連続作動モードも使用可能であることが予測できる。必要以上の実験なしに、移動速度のようなその他の作動パラメータを確定することができる。レーザビームの制御は、あらゆる好適なロボット機械で達成することができる。レーザビーム溶接プロセスは、例えば不活性シールドガス（例えば、アルゴン又はヘリウム）、活性シールドガス、或いは混合シールドガスを形成するそれらの組合せのようなあらゆる好適な環境内で実行することができる。
【００１６】
レーザビーム溶接プロセスは、多くの場合に自生状態で（追加の溶加材を加えずに）実行されるが、後部フレームのシールランド上で溶加材を使用して溶接補修を実行して、シールランドの表面状態を維持することが好ましい。同時に、付着させる溶加材の量は、シールランドに設置した冷却孔内への溶加材の付着を回避するように制御しなければならない。好適な溶加材は、後部フレームの特定の組成に応じて決まるが、注目すべき実施例には、Ｎｉｍｏｎｉｃ  Ｃ２６３（固溶体強化のためにモリブデンを付加した析出硬化性ニッケル−クロム−コバルト合金）、Ｈａｙｎｅｓ  ２３０（固溶体強化ニッケル基超合金）、ＩＮ６２５（固溶体強化ニッケル基超合金）、ＩＮ６１７（固溶体強化ニッケル基超合金）、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｗ（クロム及び鉄を含有するニッケル−モリブデン合金）のような市場購入可能な合金が含まれる。溶接時に、シールランド、特に割れの両側の材料がレーザビームによって加熱されるが、金属の一部分が蒸発して、充填することを必要とする空洞（「キーホール」）を形成する程度までではない。それどころか、レーザビームは、割れの両側の材料と同時に溶加材を溶融させ、それにより融合させて溶接物を形成する働きをする。レーザビーム溶接法の後に、幾つかのケースでは、溶接補修トランジションピース１８を熱処理することが望ましい場合がある。
【００１７】
本発明に至る調査研究では、トランジションピースは、産業用ガスタービンエンジンにおける実使用から取外され、かつその後部フレーム内に該後部フレームのシールランド内の冷却孔から広がる割れを有することが判明した。トランジションピース及び後部フレームは、１９〜２１重量％のクロム、１９〜２１重量％のコバルト、５．１〜６．１重量％のモリブデン、１．９〜２．４重量％のチタン、０〜０．６重量％のアルミニウム（２．４〜２．８重量％のアルミニウム＋チタン）、０．０４〜０．０８重量％の炭素、０〜０．６重量％のマンガン、０〜０．２重量％の銅、０〜０．００５重量％のホウ素、０〜０．７重量％の鉄、残部のニッケル及び不可避不純物の組成を有するＮｉｍｏｎｉｃ  Ｃ２６３で形成された。トランジションピースの内部表面は、セラミック遮熱コーティング（ＴＢＣ）によって保護された。冷却孔は、約２ｍｍの直径を有しかつ約２ｍｍ離れて間隔を置いて配置されていた。割れは、後部フレームの断面厚さを完全に貫通して延びており、割れを滑らかにした後に以下のパラメータ、つまり最大出力の約５５％の出力レベル（約５ｋＷ）、約０．３５ｍｍのレーザスポット径、約９ミリ秒のパルス幅、約４Ｈｚのパルス周波数、及び約０．５ｍｍ／秒の移動速度を使用して個々にパルスレーザビーム溶接を実行された。溶加材は、約２２．０重量％のクロム、２．０重量％のモリブデン、１４．０重量％のタングステン、０．３重量％のアルミニウム、０．５重量％のマンガン、０．４重量％のケイ素、０．１０重量％の炭素、０．０２重量％のランタン、残部（約５７重量％）のニッケル及び不可避不純物の公称組成を有するＨａｙｎｅｓ  ２３０であった。
【００１８】
得られた溶接物の２つを図３に示しており、この図３から、冷却孔内への何らの大きな侵入もない状態で溶接物の僅かな盛上がりが生じていることが分かる。さらに、ＴＢＣの溶融又は剥離は全く観察されなかった。追加の割れが、後部フレーム内で同様な方法で溶接され、その後に研磨ホイール又はベルトを使用して手動で滑らかにすることによってシールランドを機械加工して、該シールランドの周囲表面から上方に突出した余分の溶接物を除去した。この滑らかにする工程の結果は、図４で見ることができる。これらの結果から、パルスレーザビーム溶接法は、発明の技術的効果は、冷却孔を再穿孔加工することを必要とする余分の溶加材を付着させずに、割れを成功裏に補修したと判断した。さらに、トランジションピースを溶接補修することができることである。さらに、溶接法の低入熱は、ＴＢＣを溶融又は剥離させないので、溶接補修に先立つＴＢＣの剥取りは必要ないと判断した。また、溶接法の低入熱は、インピンジメントジャケットをトランジションピースから分解する必要性を排除しまた溶接補修後にトランジションピースを熱処理する必要性を排除すると判断した。従って、この溶接補修は、ＴＢＣを再施工しかつインピンジメントジャケットを再取付けする必要性を排除する。その結果、トランジションピースに実行されるレーザビーム溶接法は、トランジションピースの後部フレームを補修する従来の方法よりも安価かつ時間がかからないと判断した。
【００１９】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者がその他の形態を採用することができることは明らかであろう。従って、本発明の技術的範囲は、提出した特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２０】
１０  エンジン
１２  燃焼器
１４  ライナ
１６  組立体
１８  部品
２０  プレナム
２２  ジャケット
２４  空気
２６  フレーム
２８  ランド
【図１】
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【図２】
2012132445.tif 000004
【図３】
2012132445.tif 000005
【図４】
2012132445.tif 000006