(57)【要約】【課題】ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の損耗部分に対して、溶接法によって同じニッケル基超合金からなる肉盛部を形成して補修する際に、溶接割れ及びひずみ時効割れの発生を抑制する。【解決手段】スキーラの損傷部を切削除去した後、当該部分にニッケル基超合金から肉盛部を溶接によって形成する。次いで、肉盛部の上部に対してピーニング処理を行い、前記肉盛部内の残留応力を緩和し、その後、肉盛部に対して溶体化処理を行う。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法であって、
前記スキーラの損傷部を切削除去するステップと、
前記スキーラの切削除去した部分において、ニッケル基超合金から肉盛部を溶接によって形成するステップと、
前記肉盛部の上部に対してピーニング処理を行い、前記肉盛部内の残留応力を緩和するステップと、
前記肉盛部に対して溶体化処理を行うステップと、
を具えることを特徴とする、スキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項２】
前記肉盛部は、厚さ方向に積層された複数の肉盛層からなり、前記ピーニング処理は各肉盛層に対して行うことを特徴とする、請求項１に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項３】
前記ピーニング処理は、ハンマー式のピーニング装置を用いて行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項４】
前記ピーニング処理は、エアーハンマー式のピーニング装置を用いて行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項５】
前記肉盛部は、高エネルギー線を用いて溶接することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項６】
前記高エネルギー線は、レーザビームであることを特徴とする、請求項５に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキーラ付きガスタービン動翼の補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジェットエンジンや発電用ガスタービン等に用いられるタービン動翼の先端部には、ケーシングと接触したときのケーシングの摩耗低減及び燃焼ガスの漏洩防止を目的として、外方に隆起した縁部分を設ける場合がある。このような縁部分は一般にスキーラと呼ばれ、このようなスキーラを有するガスタービン動翼はスキーラ付きガスタービン動翼と呼ばれる。
【０００３】
ガスタービンはガスの燃焼温度の高温化により、ガスの使用効率の向上を図ることができる。そのため、１９９０年代は翼入口ガス温度が１１００℃のものが主流であったが、２０００年代に入り１３００℃、１５００℃の機種が開発されてきている。したがって、ガスタービン動翼の先端に備え付けられたスキーラは、このような燃焼ガスに晒されることになり、高温酸化やエロージョンなどの損耗を受けやすい。
【０００４】
従来、上記スキーラにおいて上述のような損耗が生じると、当該箇所に溶接によって肉盛部を形成し補修していた。しかしながら、ガスタービン翼材として使用されているニッケル基超合金は、ニッケルマトリックス中にγ’相と呼ばれるＮｉ３Ａｌ相を析出させて強化した析出強化型のニッケル基超合金が用いられており、溶接は非常に困難である。
【０００５】
すなわち、溶接時に高温で膨張していた上記ニッケル基超合金からなる肉盛部が、冷却時に収縮することによって基材（スキーラ）と肉盛部との間に残留応力が生じ、溶接割れが生じるようになる。また、上記肉盛部は、後に溶体化処理等が行われることにより、上記残留応力に起因して、比較的強度の低い粒界部に変形が集中しひずみ時効割れが生ずる問題があった。
【０００６】
近年では、このような溶接割れ及びひずみ時効割れを抑制するため、航空機用ガスタービンを中心にレーザ肉盛溶接など、従来のＴＩＧ溶接に比較して入熱の少ない溶接手法による補修技術の開発が行われてきている。このような手法によれば、肉盛部を形成する際の溶接割れは大分抑制できるものの、溶体化熱処理を行なうと溶接残留応力のためと考えられるひずみ時効割れが生じるなどの問題があった。
【０００７】
また、基材（スキーラ）と肉盛部との境界を含む領域に対してピーニング処理を行い、これら間に生じた残留応力を低減する技術も開示されている。しかしながら、当該技術が開示された文献においても、ピーニング処理のみでは上述した残留応力の低減は十分ではなく、特に微細な割れを防止することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１９１７１６号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】溶接学会編「溶接・接合技術便覧」産報出版  197頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の損耗部分に対して、溶接法によって同じニッケル基超合金からなる肉盛部を形成して補修する際に、溶接割れ及びひずみ時効割れの発生を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法であって、前記スキーラの損傷部を切削除去するステップと、前記スキーラの切削除去した部分において、ニッケル基超合金から肉盛部を溶接によって形成するステップと、前記肉盛部の上部に対してピーニング処理を行い、前記肉盛部内の残留応力を緩和するステップと、前記肉盛部に対して溶体化処理を行うステップと、を具えることを特徴とする、スキーラ付きガスタービン動翼の補修方法に関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の損耗部分に対して、溶接法によって同じニッケル基超合金からなる肉盛部を形成して補修する際に、溶接割れ及びひずみ時効割れの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための斜視図である。
【図２】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための図１のＩ−Ｉ断面図である。
【図３】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための斜視図である。
【図４】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための図３のＩ−Ｉ断面図である。
【図５】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための斜視図である。
【図６】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための図５のＩ−Ｉ断面図である。
【図７】第２の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための断面図である。
【図８】第２の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための断面図である。
【図９】第２の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
図１〜図６は、本実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための工程図である。なお、図１，図３及び図５は、ガスタービン動翼の先端のスキーラを含む領域を拡大して示す斜視図であり、図２，図４及び図６は、それぞれ図１，図３及び図５におけるＩ−Ｉ断面図である。
【００１５】
最初に、図１及び図２に示すように、ガスタービン動翼１１の先端部に形成されたスキーラ１２の、高温燃焼ガスとの接触による酸化やエロージョン等によって生じた損耗部１２Ａをグラインダーなどを使用して切削除去し、図３及び図４に示すように平坦化する。
【００１６】
次いで、平坦化後のスキーラ１２上に、厚さが約４ｍｍとなるように粉末肉盛溶接を行う。粉末肉盛溶接の条件として、基材であるスキーラ１２と同等組成の粉末であるPlaxair社製NI-417（Ｃｒ：１４質量％、Ｃｏ：９質量％、Ａｌ：３質量％、Ｔｉ：４．９質量％、Ｔａ：３質量％、Ｗ：３．７質量％、Ｍｏ：１．５質量％、Ｎｉ：６０．９質量％；、平均粒子径９５μｍ）を使用し、例えば、高エネルギー線（レーザ光）を生成及び発射するＹＡＧレーザにてレーザ出力を４００Ｗ、波形をＣＷ、溶接速度を１５０ｍｍ/分、粉末供給速度を２．５ｇ/分とし、上記粉末肉盛溶接を行い、肉盛部１４を形成する。
【００１７】
なお、ＹＡＧレーザの代わりにファイバーレーザでも問題なく同一出力にて溶接することは可能である。また、例えば３００Ｗ〜５００Ｗの範囲内でレーザ出力の調整を行なえば、半導体レーザ、ＣＯ２レーザを用いても問題なく溶接することが可能である。
【００１８】
また、上述したようなレーザの代わりに電子ビームやイオンビーム等の高エネルギー線を用いることもできる。しかしながら、これらのビームを用いた場合は、電子あるいはイオンが肉盛部１４内に注入され、肉盛部１４の物性等を大きく変えてしまう場合がある。
【００１９】
本実施形態では、上述のように、ガスタービン動翼１１のスキーラ１２を補修するに際して、上述のようにスキーラ１２と同組成のニッケル基超合金からなる肉盛部１４を高エネルギー線であるレーザ光により形成している。
【００２０】
したがって、肉盛部１４を形成した後に、当該肉盛部１４は急冷されることになるので、例えば、肉盛部１４を形成する際の温度がγ’相が生成しない温度範囲である、ニッケル基超合金の融点約１３００℃の１／２の温度から融点までの温度範囲まで急速に加熱された場合において、肉盛部１４の形成後は、当該温度範囲から急冷されることになる。このため、肉盛部１４の形成過程において、肉盛部１４内にはγ’相が生成されない。この結果、肉盛部１４の強度増大による溶接部境界（スキーラ１２と肉盛部１４との境界）で溶接残留応力の緩和が集中して起こることがないので、後の溶体化処理において、上記溶接部境界を起点としてひずみ時効割れが生じるのを抑制することができる。
【００２１】
以上のような条件で粉末肉盛溶接を行い、スキーラ１２上に肉盛部１４を形成した（図５及び図６参照）後、図５及び図６に示すように、スキーラ付きガスタービン動翼１１の肉盛部１４の上部よりピーニング処理を行う。肉盛部１４の上部よりピーニング処理を行うことにより、例えば肉盛部１４中の残留応力を１００ＭＰａ以上の大きさで低減することができる。したがって、スキーラ１２と肉盛部１４との間に生じる残留応力を減じることができ、溶接割れを抑制することができるようになる。また、以下に説明する溶体化処理が行われる際にも、上記残留応力の減少に起因して、比較的強度の低い粒界部に変形が集中するのを抑制し、ひずみ時効割れを抑制することができる。
【００２２】
なお、上述した残留応力は、例えば応力弛緩法で測定できる。具体的には、歪みゲージを溶接部に貼付した後、歪みゲージ近傍を放電ワイヤーで切削し、歪みを開放することにより、溶接部にたまった残留応力を歪みゲージの値から求めたものである。
【００２３】
従来技術の特許文献１に記載した技術は、ピーニング処理をスキーラと肉盛部との境界を含む領域に行っているのに対し、本実施形態では、肉盛部１４の上部に対して行っている点で相違している。したがって、このようなピーニング処理を行う箇所の相違によって、溶接割れ及びひずみ時効割れの発生度合いが影響し、本実施形態では、肉盛部１４の上部に直接ピーニング処理を行うことにより、特許文献１に記載した技術に比較して、溶接割れ及びひずみ時効割れをより効果的に抑制することができるものと推察される。
【００２４】
上述したピーニング処理は、例えばハンマー式のピーニング装置又はエアー式のピーニング装置を用いて行うことが好ましい。これらの装置を用いたピーニング処理によれば、肉盛部１４中の残留応力を効果的に低減することができるとともに、低温処理であるので、レーザ等を用いたピーニング処理等に比較し、肉盛部１４を低温に保持しておくことができる。したがって、肉盛部１４中に熱応力等に起因した新たな残留応力を生ぜしめることなく、溶接時に生じた本来の残留応力を効果的に低減することができる。
【００２５】
肉盛部１４に対してピーニング処理を実施した後は、スキーラ付きガスタービン動翼１１に対して溶体化処理を行う。この溶体化処理は汎用の方法で行うことができるが、例えば、１１２０℃、２時間の条件で行うことができる。但し、溶体化処理の条件は必要に応じて任意に設定する。
【００２６】
なお、上記においては、ニッケル基超合金としてPlaxair社製NI-417を用いたが、本実施形態は、インコネルやハステロイなどのその他汎用のニッケル超合金に対しても適用することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
図７〜図９は、本実施形態のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための工程図である。なお、これらの図面は、第１の実施形態のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法における図６に相当する断面図である。なお、類似あるいは同一の構成要素に関しては同一の参照符号を用いている。
【００２８】
本実施形態において、ガスタービン動翼１１の先端部に形成されたスキーラ１２の、高温燃焼ガスとの接触による酸化やエロージョン等によって生じた損耗部１２Ａをグラインダーなどを使用して切削除去し、平坦化するまでの工程は、第１の実施形態における図１〜図４に示す工程に基づいて行う。
【００２９】
次いで、図７に示すように、平坦化後のスキーラ１２上に、厚さが約０．８ｍｍとなるように粉末肉盛溶接を行う。粉末肉盛溶接の条件としては、第１の実施形態と同様に、基材であるスキーラ１２と同等組成の粉末であるPlaxair社製NI-417（Ｃｒ：１４質量％、Ｃｏ：９質量％、Ａｌ：３質量％、Ｔｉ：４．９質量％、Ｔａ：３質量％、Ｗ：３．７質量％、Ｍｏ：１．５質量％、Ｎｉ：６０．９質量％；、平均粒子径９５μｍ）を使用し、例えば、高エネルギー線（レーザ光）を生成及び発射するＹＡＧレーザにてレーザ出力を４００Ｗ、波形をＣＷ、溶接速度を１５０ｍｍ/分、粉末供給速度を２．５ｇ/分とし、上記粉末肉盛溶接を行い、第１肉盛層１４−１を形成する。
【００３０】
なお、第１の実施形態と同様に、ＹＡＧレーザに代えて、ファイバーレーザ、半導体レーザ、ＣＯ２レーザを用いることもできる。また、上述したようなレーザの代わりに電子ビームやイオンビーム等の高エネルギー線を用いることもできる。
【００３１】
次いで、図７に示すように、第１肉盛層１４−１に対して、ピーニング処理を行う。第１肉盛層１４−１の上部よりピーニング処理を行うことにより、例えば第１肉盛層１４−１中の残留応力を１００ＭＰａ以上の大きさで低減することができる。したがって、スキーラ１２と第１肉盛層１４−１との間に生じる残留応力を減じることができ、溶接割れを抑制することができるようになる。また、以下に説明する溶体化処理が行われる際にも、上記残留応力の減少に起因して、比較的強度の低い粒界部に変形が集中するのを抑制し、ひずみ時効割れを抑制することができる。
【００３２】
なお、上述した残留応力は、例えば例えば応力弛緩法で測定できる。具体的には、歪みゲージを溶接部に貼付した後、歪みゲージ近傍を放電ワイヤーで切削し、歪みを開放することにより、溶接部にたまった残留応力を歪みゲージの値から求めたものである。
【００３３】
また、ピーニング処理は、第１の実施形態と同様に、例えばハンマー式のピーニング装置又はエアー式のピーニング装置を用いて行うことが好ましい。
【００３４】
次いで、図８に示すように、第１肉盛層１４−１上に厚さ約０．８ｍｍとなるようにして粉末肉盛溶接を行い、第２肉盛層１４−２を形成する。なお、第２肉盛層１４−２は、第１肉盛層１４−１と同様の条件で形成することができる。
【００３５】
次いで、図８に示すように、第２肉盛層１４−２に対してピーニング処理を行う。このピーニング処理は、第１肉盛層１４−１の場合と同様の条件で行うことができる。この場合、第２肉盛層１４−２中の１００ＭＰａ以上の大きさで低減することができる。したがって、第１肉盛層１４−１との間に生じる残留応力を減じることができ、結果として、スキーラ１２と第１肉盛層１４−１との間に生じる残留応力を減じることができ、溶接割れを抑制することができるようになる。また、以下に説明する溶体化処理が行われる際にも、上記残留応力の減少に起因して、比較的強度の低い粒界部に変形が集中するのを抑制し、ひずみ時効割れを抑制することができる。
【００３６】
その後、第２肉盛層１４−２上に、順次に第３肉盛層１４−３、第４肉盛層１４−４及び第５肉盛層１４−５を形成するともに、第３肉盛層１４−３、第４肉盛層１４−４及び第５肉盛層１４−５のそれぞれに対してピーニング処理を行う。なお、第３肉盛層１４−３等の形成条件、すなわち粉末肉盛溶接等の条件、及び第３肉盛層１４−３等に対するピーニング処理の条件は、第１肉盛層１４−１及び第２肉盛層１４−２の場合と同様にして実施した。したがって、最終的に得た肉盛部１４の厚さは、第１の実施形態と同様に、約４ｍｍである。
【００３７】
上述のように、第３肉盛層１４−３、第４肉盛層１４−４及び第５肉盛層１４−５は、第１肉盛層１４−１及び第２肉盛層１４−２の場合と同様の条件で形成し、ピーニング処理を行っているので、第３肉盛層１４−３、第４肉盛層１４−４及び第５肉盛層１４−５の、それぞれ直下に位置する第２肉盛層１４−２、第３肉盛層１４−３及び第４肉盛層１４−４に対する残留応力を減じることができ、結果として、スキーラ１２と第１肉盛層１４−１との間に生じる残留応力を減じることができる。このため、溶接割れを抑制することができるようになり、以下に説明する溶体化処理が行われる際にも、上記残留応力の減少に起因して、比較的強度の低い粒界部に変形が集中するのを抑制し、ひずみ時効割れを抑制することができるようになる。
【００３８】
第１の実施形態では、厚さ約４ｍｍの肉盛部１４を粉末肉盛溶接によって一括して形成しているのに対し、本実施形態では、同じ肉盛部１４を５つの層（第１肉盛層１４−１〜第５肉盛層１４−５）に分割して形成し、各層に対してピーニング処理を行っている。したがって、第１の実施形態の場合と比較して、肉盛部１４中の残留応力減少の度合いが増大し、スキーラ１２と肉盛部１４との間に生じる残留応力をより減じることができる。このため、溶接割れをより抑制することができるようになり、溶体化処理が行われる際にも、上記残留応力の減少に起因して、比較的強度の低い粒界部に変形が集中するのを抑制し、ひずみ時効割れをより抑制することができるようになる。
【００３９】
なお、本実施形態では、肉盛部１４を５層の肉盛層から構成したが、肉盛層の数は、肉盛部の厚さ及び残留応力減少の度合いを鑑みて、適宜に設定することができる。また、各肉盛層の厚さも必要に応じて任意に設定することができる。
【００４０】
また、本実施形態でもスキーラ１２と同組成のニッケル基超合金からなる第１肉盛層１４−１〜第５肉盛層１４−５を高エネルギー線であるレーザ光により形成している。
【００４１】
したがって、各肉盛層１４−１等を形成した後に、当該肉盛層１４−１等は急冷されることになるので、例えば、第１肉盛層１４−１等を形成する際の温度がγ’相が生成しない温度範囲である、ニッケル基超合金の融点約１３００℃の１／２の温度から融点までの温度範囲まで急速に加熱された場合において、第１肉盛層１４−１等の形成後は、当該温度範囲から急冷されることになる。このため、第１肉盛層１４−１等の形成過程において、第１肉盛層１４−１等、すなわち肉盛部１４内にはγ’相が生成されない。この結果、肉盛部１４の強度増大による溶接部境界（スキーラ１２と肉盛部１４との境界）で溶接残留応力の緩和が集中して起こることがないので、後の溶体化処理において、上記溶接部境界を起点としてひずみ時効割れが生じるのを抑制することができる。
【００４２】
なお、図９に示すように第１肉盛層１４−１から第５肉盛層１４−５まで形成し、肉盛層毎にピーニング処理を行った後は、第１の実施形態と同様にして溶体化処理を行う。この溶体化処理は、第１の実施形態と同様にして行うことができる。
【００４３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１１  ガスタービン動翼
１２  スキーラ
１４  肉盛部
１４−１  第１肉盛層
１４−２  第２肉盛層
１４−３  第３肉盛層
１４−４  第４肉盛層
１４−５  第５肉盛層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013148061.tif 000009
【図８】
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【図９】
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