(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナイドコーティングと、オーバーレイコーティングと、それらの組み合わされたコーティングを含む群から任意に選択される表面保護コーティングの除去方法であって、この除去方法は、可変極性溶接電源を使用し、コートされた超合金基体と電極との間でアークを衝突させて、前記超合金基体に局所的な溶融領域を形成し、前記アークは、可変極性電流サイクルの７０〜９０％がＤＣＥＮとされ、そのサイクルの残りの部分がＤＣＥＰとされており、かつ、前記電流は約５〜５０Ａであり、可変極性サイクル周波数が、１０〜１０００Ｈｚであり、除去されるコーティングの厚さが、０．００２５４〜０．０２５４ｃｍであることを特徴とする表面保護コーティングの除去方法。
【請求項２】
少なくともアルミナイドコーティング、オーバーレイコーティング、セラミックサーマルバリヤコーティング及びそれらの組み合わされたコーティングを含んだ一群から選択される保護コーティングを表面に有する超合金基体の溶接修理方法であって、この修理方法は可変極性溶接電源を使用し、コートされた超合金基体と電極との間でアークを衝突させて、前記超合金基体に局所的な溶融領域を形成し、前記アークは、可変極性電流サイクルの７０〜９０％がＤＣＥＮとされ、そのサイクルの残りの部分がＤＣＥＰとされており、かつ、前記電流は約５〜５０Ａであり、可変極性サイクル周波数が、１０〜１０００Ｈｚであることを特徴とする超合金基体の溶接修理方法。
【請求項３】
金属フィラー材料は、ニッケル合金及びコバルト合金から選択され、かつ、前記溶融領域に添加されることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
ＤＣＥＮ電流のＤＣＥＰ電流に対する比は、８０：２０より大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記可変極性電流が、約６〜約３５Ａであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記コーティングは、エンジン運転に使用された超合金ガスタービンエンジン部品上に施されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接修理プロセス中に保護コーティングを除去する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の溶接プロセスが知られているが、溶接プロセスにおいては、電流を通じることによって加熱が行われて、アークが形成される。
【０００３】
いくつかの電流波形が提案されている。直流電流（Ｄ．Ｃ．）は、通常用いられているが、これとは別に交流（Ａ．Ｃ）もまた、使用されている。Ｄ．Ｃ．電流を使用している場合には、ワークピースに対する電極の極性は、種々の影響を生じさせる。上記アークによって発生した熱は、上記アークの正極側に集中する（及びこの熱は、上記正極導電体に衝突する電子衝撃によって発生している）。通常、上記熱を上記ワークピース内で集中させることが望ましい。ＤＣＥＮ（直流電流、負電極;ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ，  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｎｅｇａｔｉｖｅ）と呼ばれている配列では、この様な結果が得られる。これとは反対の構成、これをＤＣＥＰとするが、このＤＣＥＰは、上記溶接電極を正極とし、上記溶接電極へと上記アークの熱を集中させる。この様にすることは通常では非効率であり、かつ、上記溶接装置の過熱を生じさせる潜在的可能性を有しているので好ましくないが、上記ワークピース上の表面酸化物を取り去るという望ましい効果を有し、しばしば強靱な酸化物（Ａｌ，  Ｍｇ，  Ｔｉ，  Ｂｅ及びニッケル基超合金を含む合金など）を形成する金属類の溶接に使用される。
【０００４】
また、可変極性電流は、通常、正及び負の電流パルスが交番的に繰り返される矩形D.C.波を使用することが知られている。典型的には、上記電流サイクルは、非対称とされている。可変極性電流溶接は、DCEN溶接とDCEP溶接の双方の利点を組み合わせて生じさせるという利点を有している。
【０００５】
可変極性溶接については、米国特許第2,697,160号、第3,068,352号、第4,403,135号、第4,421,972号、第5,360,961号、及び第5,466,905号に記載されている。上記特許に開示の内容は本願においても参照することができる。
【０００６】
米国特許第4,403,135号及び第4,421,972号には、上記可変極性溶接プロセスが、表面層の表面酸化層を除去する能力があることを開示している。数多くの可変極性溶接技術の特許があるものの、それらの出願人等は、その従来技術では上記可変極性溶接法が上記極表面酸化層を超えてコーティングを除去できることについては全く開示していない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンエンジンの技術革新とともに、エンジン寿命が飛躍的に延長され、この結果、ガスタービンエンジン部品の修理・再生の必要性が増大している。上記の再生は、しばしば例えばあらかじめ存在しているコーティングを剥ぎ取り、その下にある基体を溶接修理することによって行われている。このような剥ぎ取りが必要とされるのは、酸化及び腐食に対する抵抗性が最適化されているコーティング組成が、通常、溶接に際して上記コーティング材料を取り込む基体の特性よりも劣った機械的特性を有しているため、溶接特性を低下させてしまうためである。この様な剥ぎ取りは、時間を要するプロセスであり、コストの高い手作業を用いるものである。通常、部品は、不活性コーティングによって被覆されており、この被覆は部品のコーティングを剥がすべきではない領域を保護している。実際のコーティング除去は、その後、化学的手段によって行われる。また、コーティングは研磨などの機械的手段によって除去することもできる。この研磨手段は、修理すべき上記部品の壁厚がしばしば１〜３ｍｍ程度であり、また上記研磨操作が必要な材料を少しでも余分に除去してしまうと、上記部品の廃棄に直結してしまうこととなるため、特にデリケートな作業となっていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、少なくともアルミナイドコーティング、オーバーレイコーティング、セラミックサーマルバリヤコーティング及びそれらの組み合わされたコーティングを含んだ一群から選択される保護コーティングを表面に有する超合金基体の溶接修理方法であって、
前記保護コーティングを、前記溶接プロセスの間に除去しうる可変極性溶接法を使用することを特徴とする超合金基体の溶接修理方法を提供することによって解決できる。
【０００９】
さらに、本発明の上記課題は、アルミナイドコーティングと、オーバーレイコーティングと、それらの組み合わされたコーティングを含む群から任意に選択される表面保護コーティングの除去方法であって、この除去方法は、可変極性溶接電源を使用し、コートされた超合金基体と電極との間でアークを衝突させて、上記超合金基体に局所的な溶融領域を形成し、上記アークは、可変極性電流サイクルの７０〜９０％がDCENとされ、そのサイクルの残りの部分がDCEPとされており、かつ、前記電流は約５〜５０Ａであり、可変極性サイクル周波数が、１０〜１０００Ｈｚであることを特徴とする表面保護コーティングの除去方法を提供することによって解決できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、可変極性溶接技術がガスタービンエンジン用途において超合金類に普通に使用される保護コーティングを除去するために使用できることを、予期せずに見いだしたことによってなされたものである。上述のコーティング類としては、基体中へのアルミニウムの拡散によって形成されるアルミナイドコーティングと、頭文字を取ってMCrAlYで典型的には示される表面保護層とを挙げることができ、上記MCrAlYにおいて、Ｍは、鉄、ニッケル、コバルトであり、また、クロム、アルミニウム、イットリウムと、ニッケル、及びコバルトとの混合物を挙げることができる。アルミナイドコーティングは、米国特許第4,132,816号、第4,148,275号にそれぞれ開示されており、オーバーレイコーティングは、米国再発行特許第RE32,121号に開示されている。また、コーティングとしては、セラミックサーマルバリアコーティングを挙げることもできる。
【００１１】
上記コーティングは、高温における酸化及び腐食に対して抵抗性を有し、現代のガスタービンエンジンでは、上記保護コーティングを特に過熱される部位に使用されている。
【００１２】
本発明に従えば、驚くべきことに、また予期せぬことながら、被覆された部品及びエンジン用途に使用されてきた被覆部品に可変極性溶接技術を適用すると、溶接修理と同時に上述の保護コーティングを除去することが可能となる。上述した除去は、普遍的なものであって、所望によりフィラー材料を添加しない溶接修理プロセスに用いることができる。可変極性溶接のこれとは別の利点は、低電流レベルを用いて上記溶接プロセスを保持できる点にあり、これによって、入力電流レベルを低減させ、かつ、熱の発生を防止して上記部品が変形する可能性を低減させることによって、本発明のプロセスに好ましい影響を与えることになる。
【００１３】
通常、使用する上記溶接パラメータは、可変極性溶接において使用されているものである。我々は、鋭意検討の結果、上記可変極性サイクルの間の負極性領域(DCEN)の正極性領域(DCEP)に対する割合が、約７０：３０から約９０：１０の範囲であり、可変極性サイクル周波数を約１０〜１，０００Ｈｚの範囲とすることによって最も良好な結果が得られることを見いだした。
【００１４】
上記可変極性溶接プロセスが、少なくとも３５年間にわたって当業界において知られているが、このプロセスがコートされた部品の修理において上述したような結果を与えることができることは驚くべきことであり、また、全く予期されないものである。可変極性溶接により、０．００１〜０．０１０インチ（１インチは、約２５．４ｍｍである）の比較的厚いコーティングを除去できることは当業界においてはこれまで示唆されてはいなかった。
【００１５】
当業界においては、極表面酸化物層が、除去できるとしてもそのような層は、本発明者等が上記可変極性溶接プロセスで除去できることが見いだした上記コーティング厚さに比較して、その１桁又は２桁小さな厚さに過ぎないことが示唆されているに過ぎなかった。
【００１６】
本願において使用することができる装置の具体例としては、例えば米国特許第５，３６０，９６１号をあげることができ、この図２では、溶接プロセスの概略図が示されており、この溶接プロセスでは、アークがタングステン電極とワークピースとの間に形成されている。ワイヤ形状の溶接フィラー材料は、上記電気溶接アークの作用により上記ワークピース内に形成された溶融プール内に加えられる。この図は、可変極性溶接の典型的構成として例示できものである。我々は、上記ワークピースへとフィラー材料を供給するためにワイヤを用いたが、本発明の目的の上では、粉体として供給することも完全に均等技術である。米国特許第５，４６６，９０５号の図１においては、粉末を供給する粉末供給可変極性溶接法を用いるタングステン不活性ガス溶接手法のために用いることができる構成が詳細に記載されている。
【００１７】
典型的な電流範囲としては、約５から５０Ａである。これよりも低い電流では、アーク保持を困難とし、これよりも高い電流では、ワークピースの過熱を招くことになる。より好適な電流範囲としては、６〜３５Ａである。当業者によれば、極性逆転の際、特に低周波数における逆転の際に、安定的なアークを維持するために補助的な電気的手段を使用してやる必要があることが理解されよう。通常、これは、高周波高電圧低電流手段によって行われ、これが上記溶接電流に重畳されるか、又は、それぞれ極性逆転の際に高電圧キャパシタからの放電を行わせるような電気回路を使用し、上記アークを再スタートさせることが可能にされていても良い。可変極性溶接に高周波ＡＣ電流を使用することは、米国特許第3,068,352号に開示されており、また、キャパシタからの放電手段については米国特許4,963,715号に開示されている。
【００１８】
【実施例】
本発明の利用性と、価値と、を実験的に検証するために、タービンブレードチップの溶接修理を行った。
【００１９】
上記タービンブレードは、プラット＆ホイットニーＰＷ４０００シリーズエンジンのものを使用した。このエンジンは、幅の広い胴体の航空機を駆動するエンジンであり、約５０，０００〜約１００，０００ポンド（１ポンドは、約４５４ｇである）の推力を発生させる。典型的なブレードチップ形状は、主軸長さが３０〜６０ｍｍで、短軸幅が約２〜６ｍｍの翼形状を有している。ブレード組成は、表１に示した合金であり、それぞれの値は重量％で示してある。なお、記号“Ｂａｌ”は、バランスを意味し、それぞれの数値で示された量の残りの量に相当することを示している。
【００２０】
上記修理すべきブレードは、エンジン運転に数千時間使用されたものである。これらのブレードは、約１．５〜５mil厚の保護アルミナイドコーティングを有している。
【００２１】
ブレードは、直径０．０２０〜０．０４５インチのワイヤ形状として供給するニッケル基フィラー合金及びコバルト基フィラー合金の双方で修理した。フィラー合金組成を、表２に示す（数値は重量％である）。一般的に、コバルトフィラー材料は、最も高い温度で運転されている修理部品に用いた。
【００２２】
溶接電源（ＬＴＰ２０１Ａ−ＶＰ）は、リバルディエンジニアリングカンパニー製である。
【００２３】
上記溶接プロセスは、マニュアルで制御したが本発明は、自動化された溶接プロセスにおいても使用できる。アルゴンガスを、不活性シールディングガスとして用いた。
【００２４】
マニュアル溶接を用いると、１パス当たりの典型的な溶接層厚は、０．０２０〜０．０４５インチであった。上記ブレードチップを１パス処理するのに約４分要し、０．１２５インチ厚までの溶接修理層を施すためには多重パスを行った。これは、上記従来法における機械的及び／又は化学的に溶接修理する部品から局部的に保護コーティング層を剥離させる労力を要するステップがないことを除き、同一のブレード修理についての従来法と完全に同一である。
【００２５】
出願譲受人の現在の修理プロセスにおいては、ＰＷ４０００タービンブレードを４５日間で完全に再生することを目的としている。これは、ブレードチップ修理、他の種々の修理及び検査工程を含んだものである。出願人は、溶接修理に先立って行われるコーティングの剥離の必要を排除することで、３日〜４日が短縮できると見積もっている。
【００２６】
図１は、アルミナイドコーティングしたタービンブレードチップの顕微鏡写真である。このブレードは、上記プロセスによって修理されたものである。暗く見えるのはアルミナイドコーティングであり、このコーティングは、上記可変極性溶接操作によって取り除かれている。明るく見えているのが溶接材料であり、上記コーティングと上記基体との間の界面に沿って流れており、上記基体から上記コーティングを離間させていることがわかる。
【００２７】
図２は、A.C溶接を使用して溶接修理した同様のアルミナイドコートされたブレードの顕微鏡写真である。図１に見られるのとは異なり、上記コーティングは、取り除かれると言うよりは、上記溶接層と混合してしまっているのが見られている。
【００２８】
【発明の効果】
可変極性溶接法を、コーティングされた物体、特にガスタービンエンジン部品の修理のために使用する。上記可変極性溶接を使用することにより、その溶接プロセス中に上記保護コーティングを除去することが見いだされた。このことによって、上記修理プロセスにおいて必要とされるコストの高いステップを排除することができる。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によって溶接したコート物体の断面組織顕微鏡写真である。
【図２】図２は、A.C.溶接を用いて溶接したコート物体の断面組織顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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