(57)【要約】【課題】爆圧溶接ガスタービンシュラウド及び爆圧溶接ガスタービンシュラウドを形成する方法を提供すること。【解決手段】爆圧溶接ガスタービンシュラウド及び爆圧溶接ガスタービンシュラウドを形成する方法が開示される。爆圧溶接ガスタービンシュラウドは、第２の合金に溶接された第１の合金を含む。爆圧溶接ガスタービンシュラウドにおいて、第１の合金は、高温ガス経路の少なくとも一部を形成し、或いは、ガスタービンシュラウドの拡張領域は、第１の合金を含む。本方法は、第１の合金を第２の合金に爆発溶接してガスタービンシュラウドを形成する段階を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の合金に爆圧溶接された第１の合金を含むガスタービンシュラウドであって、該第１の合金が前記ガスタービンシュラウドの高温ガス経路の少なくとも一部を形成する、ガスタービンシュラウド。
【請求項２】
前記第１の合金がオーステナイト合金である、請求項１記載のガスタービンシュラウド。
【請求項３】
前記第２の合金がオーステナイト合金である、請求項２記載のガスタービンシュラウド。
【請求項４】
前記第２の合金がフェライト合金である、請求項２記載のガスタービンシュラウド。
【請求項５】
前記第１の合金が第１の温度を上回る熱に対して耐性を示し、前記第２の合金が第２の温度を上回る熱に対して耐性を示す、請求項１記載のガスタービンシュラウド。
【請求項６】
前記第１の温度が前記第２の温度よりも高温である、請求項５記載のガスタービンシュラウド。
【請求項７】
前記第１の温度が約３０００°Ｆを上回る、請求項５記載のガスタービンシュラウド。
【請求項８】
前記第１の温度が約８００〜１２５０°Ｆである、請求項５記載のガスタービンシュラウド。
【請求項９】
高温ガス経路に沿って位置付けられる拡大領域をさらに備える、請求項１記載のガスタービンシュラウド。
【請求項１０】
前記拡大領域が第１の合金と第２の合金とを含む、請求項９記載のガスタービンシュラウド。
【請求項１１】
前記拡大領域が第１の合金からなる、請求項９記載のガスタービンシュラウド。
【請求項１２】
前記第１の合金は、高温ガス経路に沿って厚みが減少する、請求項１記載のガスタービンシュラウド。
【請求項１３】
ガスタービンシュラウドであって、
拡張領域と、
第２の合金に爆圧溶接された第１の合金と、
を備え、前記ガスタービンシュラウドの拡張領域が前記第１の合金を含む、ガスタービンシュラウド。
【請求項１４】
前記拡張領域がさらに第２の合金を含む、請求項１３記載のガスタービンシュラウド。
【請求項１５】
前記拡張領域が第１の合金からなる、請求項１３記載のガスタービンシュラウド。
【請求項１６】
前記拡張領域が、高温ガス経路に沿って位置付けられ、前記第１の合金が、前記高温ガス経路に沿って厚みが減少する、請求項１３記載のガスタービンシュラウド。
【請求項１７】
爆圧溶接されるガスタービンシュラウドの形成方法であって、
第１の合金を第２の合金に爆圧溶接する段階であって、該第１の合金が前記ガスタービンシュラウドの高温ガス経路の少なくとも一部を形成する段階
を含む、方法。
【請求項１８】
前記第１の合金を第２の合金に爆圧溶接することによりプリフォームを形成する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記プリフォームから材料を除去する段階をさらに含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記爆圧溶接が複数の同時爆発を含む、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造部品並びに該製造部品を形成する方法に関する。より具体的には、本発明は、爆圧溶接された部品及び爆圧溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン内の動作温度は、熱的にも化学的にも過酷である。鉄、ニッケル、及びコバルト基超合金の開発、並びに酸化、高温腐食、その他から超合金を保護することができる環境コーティングの使用によって高温性能の大幅な進歩が達成されてきたが、引き続き材料性能を改善するためコーティング系の開発が行われている。
【０００３】
ガスタービンの圧縮機部分において、プロセス中の大気中空気は、大気圧の１０〜２５倍に加圧され、断熱的に８００〜１２５０°Ｆ（４２７〜６７７℃）まで加熱される。この加熱及び加圧空気は燃焼器に送られ、そこで燃料と混合される。燃料が点火されると、燃焼プロセスは、３０００°Ｆ（１６５０℃）を超える極めて高温にまでガスを加熱する。これらの高温ガスは、タービンを通過し、ここで回転タービンディスクに固定された翼形部がエネルギーを抽出して付随の発電機を駆動し、電力を発生させる。タービンの作動効率を改善するため、燃焼温度が上昇してきている。当然のことながら、燃焼温度が上昇すると、これらの燃焼高温ガスの流路を形成する材料の熱劣化を防ぐための対策を講じる必要がある。
【０００４】
これらの高温ガスの流路に沿って配置される部品には、特定の公知の合金が使用される。これらの部品の特定部分は、他の部分よりも高い温度に耐えることができなければならない。例えば、特定部分は、断熱加熱の温度（例えば、８００〜１２００°Ｆ）に対して耐性を示すことができ、他の部分は、燃焼プロセスによって加熱される高温ガス（例えば、３０００°Ｆを超える）に対して耐性を示すことができる。全体的に高温に耐える合金から作られる部品は、極めて高価であること、又は部品の他の部分に望ましい他の特性を含めることができないことにより望ましくない場合がある。或いは、低温部分の温度にのみ耐える合金から全体的に作られた部品は不良になる可能性がある。
【０００５】
一般に、ガスタービンシュラウドは、１以上のリング又はシリンダから製造される。そのため、製造及び工作機械設備では、１以上のリング又はシリンダからガスタービンシュラウドを製造するよう構成されている。ガスタービンシュラウドを形成するための複数材料の溶接は、溶接肉盛り、ストリップクラッディング、ろう付け、又は固体接合などの技術を含むことができる。これらの技術は、材料特性（例えば、結晶構造、組成、又は他の好適な特性）に基づいて制限される場合があるといった欠点がある。
【０００６】
爆圧溶接は、爆発力により平坦材料を溶接することを一般に含む接合技術であり、他の溶接技術とは異なる微細構造をもたらす。爆圧溶接により、他の場合では一般には適合しない金属を接合することが可能になる。しかしながら、爆圧溶接は、単純な形状及び幾何形状に限定されていた。従って、現在の爆圧溶接技術では、ガスタービンシュラウドの構造物を接合することができなかった。
【０００７】
上記の欠点の１以上を生じない爆圧溶接タービンシュラウド、爆圧溶接部品、及び爆圧溶接方法が、当該技術分野で望ましいことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７８３２６１４号明細書
【発明の概要】
【０００９】
例示的な実施形態では、ガスタービンシュラウドは、第２の合金に爆圧溶接される第１の合金を含む。第１の合金は、ガスタービンシュラウドの高温ガス経路の少なくとも一部を形成する。
【００１０】
別の例示的な実施形態では、ガスタービンシュラウドは、拡張領域と、第２の合金に爆圧溶接された第１の合金とを含む。ガスタービンシュラウドの拡張領域は、第１の合金を含む。
【００１１】
別の例示的な実施形態では、爆圧溶接ガスタービンシュラウドを形成する方法は、第１の合金を第２の合金に爆圧溶接する段階を含む。第１の合金は、ガスタービンシュラウドの高温ガス経路の少なくとも一部を形成する。
【００１２】
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の一実施形態による、例示的な爆圧溶接されたガスタービンシュラウドの斜視図。
【図２】図１に示す例示的な爆圧溶接されたガスタービンシュラウドの拡大図。
【図３】本開示の一実施形態による、例示的な爆圧溶接されたガスタービンシュラウドプリフォームの斜視図。
【図４】本開示の一実施形態による、例示的な爆圧溶接されたガスタービンシュラウドプリフォームの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面では、同じ構成要素にはできるだけ同じ符号を用いた。
【００１５】
爆圧溶接ガスタービンシュラウド、非平坦な爆圧溶接部品、及び非平坦な爆圧溶接部品を形成する方法が提供される。本開示の実施形態は、部品を熱的及び化学的に過酷な環境下で使用することを可能にし、酸化及び／又は高温腐食に対して耐性を示すことを可能にし、部品の全材料コストを単一の合金組成に比べて低減可能にし、異なる組成部分が異なる特性（例えば、耐熱特性）を有することを可能にし、非平坦な部品が爆圧溶接によって利用可能な特性を有することを可能にし、他の場合には適合しない特性を有する材料（例えば、他の場合に不適合結晶構造及び／又は組成）を接合可能にし、及びこれらの組合せを可能にする。
【００１６】
図１は、非平坦な爆圧溶接部品を示す。具体的には、図１は、爆圧溶接ガスタービンシュラウド１００を示す。シュラウド１００は、ガスタービンで用いられ、円周方向に配列され、その上にタービンブレードが装着（図示せず）されるロータ（図示せず）と同心状に配列することができる。シュラウド１００は、実質的に平坦な部材１０９から延在するリブ１０７を含む。一実施形態では、リブ１０７及び実質的に平坦部材１０９は同じ材料を含む。別の実施形態では、リブ１０７は、実質的に平坦部材１０９とは異なる材料を含む。
【００１７】
シュラウド１００は、第１の合金１０２及び第２の合金１０６を含む。第１の合金１０２は、クラッド層１０４として実質的に平坦部材１０９に沿って位置付けられ、第２の合金１０６は、実質的に平坦部材１０９を形成し、裏打層１０８である。クラッド層１０４は、第１の温度（例えば、約１０００°Ｆ、約１２５０°Ｆ、約１５００°Ｆ、約２０００°Ｆ、又は約３０００°Ｆ）を上回る熱に対して耐性を示す。裏打層１０８は、第２の温度（例えば、約８００〜１２５０°Ｆの範囲、約８００°Ｆ、約１０００°Ｆ、約１２５０°Ｆ、約１５００°Ｆ、又は約２０００°Ｆ）を上回る熱に対して耐性を示す。一実施形態では、第１の温度は、第２の温度よりも実質的に高い。別の実施形態では、第２の合金１０６は、第１の温度に曝されるのには好適ではない。
【００１８】
第１の合金１０２は、オーステナイトステンレス鋼又はオーステナイト系マンガン鋼のようなオーステナイト合金である。第１の合金１０２は、好適なクラッド材である。好適なクラッド材は、限定ではないが、ステンレス鋼合金、アルミニウム合金、タンタル合金、ニッケル合金、銅合金、チタン合金、ジルコニウム合金、及びこれらの組合せを含む。一実施形態では、第２の合金１０６はオーステナイト合金である。一実施形態では、第２の合金１０６は、フェライト系ステンレス鋼のようなフェライト合金である。第２の合金１０６は好適な裏打材である。好適な裏打材は、限定ではないが、炭素鋼、クロムモリブデン合金鋼、鍛造物、ステンレス鋼、又はこれらの組合せを含む。
【００１９】
図２を参照すると、第１の合金１０２を第２の合金１０６に爆圧溶接すると、図１に対応して拡大領域２００に示すように、第１の合金１０２と第２の合金１０６との間に傾斜部２０３を有する微細構造が形成される。例えば、第１の合金１０２がオーステナイト系であり、第２の合金１０６がフェライト系である一実施形態では、第１の合金１０２は、第２の合金１０６から遠位にある粗大粒領域２０２と、第２の合金１０６から近位にある細粒領域２０２とを含む。この実施形態では、第２の合金１０６は、第１の合金１０２の近位にある非晶質領域２０６と、第１の合金１０２から遠位にある高転位密度領域２０８とを含む。第１の合金１０２を第２の合金１０６に爆圧溶接すると、第１の合金１０２と第２の合金１０６との間に遷移領域２１０を備えた傾斜部２０３が形成され、これにより溶接強度が付加される。理解されるように、他の実施形態では、第１の合金１０２、第２の合金１０６、及び追加の合金（存在する場合）は、所望の特性に基づいてオーステナイト系又はフェライト系である。
【００２０】
再度、図１を参照すると、シュラウド１００は、冷却通路、ノッチ、チャンバ、取付要素、又は他の好適な要素など、他の好適な特徴要素を含む。作動中、高温ガスがクラッド層１０４と境界を接する経路１０１に沿って流れる。経路１０１と境界を接する第１の領域１０３内のガスの温度は、経路１０１と境界を接する拡大領域１０５内のガスの温度よりも高温である。拡大領域１０５は、ガスの経路１０１に沿って形成される角度付き、円弧状、又はその他の拡大した領域を含めることにより識別できる。
【００２１】
図３〜図４は、シュラウド１００を形成するためのプリフォーム３００を示す。プリフォーム３００は、第１の合金１０２を第２の合金１０６に爆圧溶接することにより形成される。図３に示す実施形態では、プリフォーム３００は、第１の領域１０３と第１の合金１０２を含む拡大領域１０５とを備えたシュラウド１００の一実施形態を形成する。図４に示す実施形態では、プリフォーム３００は、第２の合金１０６をさらに含む拡大領域１０５を備えたシュラウド１００の一実施形態を形成する。
【００２２】
本方法の一実施形態では、シュラウド１００又は他の好適な部品の形成は、シュラウド１００の第１の部分を位置付けること、及びシュラウド１００の第２の部分を位置付けることを含む。第１の部分は第１の合金１０２（例えば、クラッド層１０４）を含み、第２の部分は第２の合金１０６（例えば、実質的に平坦な部材１０９又は裏打層１０８）を含む。第１の部分及び第２の部分は、共に爆圧溶接されてプリフォーム３００を形成する。次いで、プリフォーム３００は、過剰な材料を除去するよう機械加工され、変形され、さらに溶接され、或いは、他の処理をされて、シュラウド１００の所望の外観を形成する。プリフォーム３００がリブ１０７を含まない代替の実施形態では、リブ１０７は、機械加工により材料を除去すること、或いは、実質的に平坦部材１０９にリブ１０７を接合することにより爆圧溶接後にプリフォーム３００上に形成される。
【００２３】
第２の合金１０６への第１の合金１０２の爆圧溶接は、爆発を点火又は開始して、爆発力で第１の合金１０２を第２の合金１０６に接触させるようにすることに基づいている。爆圧溶接は、第１の合金１０２の所望の部分が第２の合金１０６に爆圧溶接されるまで継続される。爆圧溶接は、好適な経路に沿って実行される。好適な経路は、限定ではないが、円筒形部品（又はプリフォーム）の螺旋経路、一連の経路、Ｓ字経路、又はこれらの組合せを含む。一連の経路を含む実施形態では、爆発の複数の協調点火又は開始は、爆圧溶接を協働させる（例えば、同時、順次、又は他の制御された爆発）。
【００２４】
爆圧溶接方法の間、点火又は爆発は、所定条件で実行される。一実施形態では、パラメータは、所定圧力（例えば、約１〜約１０ＧＰａ、約５ＧＰａ又は約１０ＧＰａ）、所定の爆発速度（例えば、約１５００〜４０００ｍ／ｓ、約１５００〜約２０００ｍ／ｓ、約３５００〜約４０００ｍ／ｓ、約１５００ｍ／ｓ、約２０００、約３５００ｍ／ｓ又は約４０００ｍ／ｓ）、所定の衝撃角度（例えば、約３〜約３０°、約３〜約５°、約２５〜約３０°、約３°、約５°、約２５°又は約３０°）、所定の衝突速度（例えば、約２２５〜約５５０ｍ／ｓ、約２２５〜約２５０ｍ／ｓ、約５００〜約５５０ｍ／ｓ、約２２５ｍ／ｓ、約２５０ｍ／ｓ、約５００ｍ／ｓ又は約５５０ｍ／ｓ）、又はこれらの組合せを含む。
【００２５】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を様々に変化させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための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ものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【符号の説明】
【００２６】
１００  ガスタービンシュラウド
１０１  ガス経路
１０２  第１の合金
１０３  第１の領域
１０４  クラッド層
１０５  拡大領域
１０６  第２の合金
１０７  リブ
１０８  裏打層
１０９  平坦部材
２０３  傾斜部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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