(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ基単結晶超合金からなるガスタービン翼の補修方法であって、
損傷部位の近傍を除去する工程であって、除去した結果として現れる表面が結晶の優先成長方位である［００１］方位を向くように除去する工程と、
除去部分に基材と同一あるいは類似組成の材料粉末を供給するとともに前記材料粉末を、加熱ビームを発生する材料粉末溶解用トーチを用いて溶解して、前記除去部分に積層させる工程と、を含むガスタービン翼の補修方法において、
前記材料粉末溶解用トーチに加えて前記材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチを用い、前記除去部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を前記［００１］方位に近づけるように前記基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解することを特徴とする、ガスタービン翼の補修方法。
【請求項２】
前記基材加熱用トーチにより前記除去部分の両側の基材の表面を加熱しながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解することを特徴とする、請求項１記載のガスタービン翼の補修方法。
【請求項３】
Ｎｉ基単結晶超合金からなるガスタービン翼を補修するための装置であって、
除去した結果として現れる表面が結晶の優先成長方位である［００１］方位を向くように損傷部位の近傍を除去したガスタービン翼を姿勢変化可能に保持する姿勢制御装置と、
溶加材としての材料粉末を供給する粉末供給装置と、
加熱ビームを発生する材料粉末溶解用トーチと、
前記材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチと、
前記ガスタービン翼の除去した部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を前記［００１］方位に近づけるように前記基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解する制御を行なうコントローラと、を備えたことを特徴とするガスタービン翼の補修装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｉ基超合金からなるガスタービン単結晶翼の補修再生技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長時間運転に供したガスタービン動静翼には、熱応力やクリープ等により翼部に開口亀裂が発生することがある。また、ガスタービン翼は高温ガスの流れの中に曝されるため、コーティング無しのガスタービン翼ではエロージョンやコロージョンによりガス入口側が減肉している事例が多く見うけられる。
【０００３】
図１はこのような長時間運転した後のガスタービン動翼１を示しており、翼全面に酸化皮膜が生成するとともに翼前縁部を中心に翼材料の減肉２、翼プラットホーム上から翼先端部に向けて亀裂３が発生する。これらの減肉および亀裂が生成するとガスタービンの運転時にかかる応力を残った部材部分では受け持てなくなるため、何らかの補修を行う必要がある。
【０００４】
近年では、ガスタービンの高温化に伴い、従来から使用されてきた普通鋳造翼および一方向凝固翼に代わり、単結晶翼が使用されるようになってきている。単結晶翼の材料としてはＮｉ基超合金が使用されている。
【０００５】
このようなＮｉ基超合金からなる単結晶翼は、従来型の翼に比べて耐久性は優れてはいるものの、長時間使用すれば開口亀裂等の損傷発生は避けられない。単結晶翼は、材料費および加工費が非常に高価であるため、運用コスト低減の観点からは補修を行いながら使用することが前提となる。
【０００６】
ところで、Ｎｉ基単結晶超合金翼を補修する上では、二つの大きな解決すべき問題がある。Ｎｉ基超合金自体の溶接性の悪さに起因した溶接割れの問題、もう一つは、肉盛りを行う際に、補修部に単結晶材料のメリットを大幅に損なう結晶粒界が形成されてしまうという問題である。
【０００７】
この問題を解決するための手法の一例が特開平９−１１０５９６号に開示されている。ここに開示された手法は、切除面が基材の優先結晶成長方向を向くように損傷部位を削除し、その後、溶加材を添加するとともに比較的低い出力密度で照射面でのビーム直径が比較的大きくなるように、かつ比較的長時間にわたってレーザービームを照射して深さの幅に対する比が小さい溶融池を生成して補修を行うというものである。
【０００８】
しかし、この方法は、補修部位を広範囲にわたって削除する必要があり、また、溶解に時間がかかるため、非効率的である。また、溶融池の幅方向端部における結晶成長方向は他の部位に比べて大幅に異なることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、効率的で、かつ結晶粒界が生成される可能性を最小限にすることができ、かつ溶接割れを防止することができるガスタービンＮｉ基単結晶翼の補修方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【解決を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、Ｎｉ基単結晶超合金からなるガスタービン翼の補修方法であって、損傷部位の近傍を除去する工程であって、除去した結果として現れる表面が結晶の優先成長方位である［００１］方位を向くように除去する工程と、除去部分に基材と同一あるいは類似組成の材料粉末を供給するとともに前記材料粉末を、加熱ビームを発生する材料粉末溶解用トーチを用いて溶解して、前記除去部分に積層させる工程と、を含むガスタービン翼の補修方法において、前記材料粉末溶解用トーチに加えて前記材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチを用い、前記除去部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を前記［００１］方位に近づけるように前記基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチを専用に設け、除去部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を［００１］方位に近づけるように基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、材料粉末溶解用トーチにより材料粉末を溶解することにより、補修部位の単結晶化が容易となり、また溶接割れも生じにくくなる。さらに、補修効率を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明は、Ｎｉ基単結晶超合金からなるガスタービン翼を補修するための装置であって、除去した結果として現れる表面が結晶の優先成長方位である［００１］方位を向くように損傷部位の近傍を除去したガスタービン翼を姿勢変化可能に保持する姿勢制御装置と、溶加材としての材料粉末を供給する粉末供給装置と、加熱ビームを発生する材料粉末溶解用トーチと、前記材料粉末溶解用トーチより低い出力密度の加熱ビームを発生する基材加熱用トーチと、前記ガスタービン翼の除去した部分に形成される溶融池の等温線の法線方向を前記［００１］方位に近づけるように前記基材加熱用トーチにより加熱を行いながら、前記材料粉末溶解用トーチにより前記材料粉末を溶解する制御を行なうコントローラと、を備えたガスタービン翼の補修装置を提供する。この装置によれば、本発明方法を容易に実施することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下においては、図１に示したように翼長手方向に入った亀裂３の補修方法について説明することとする。
【００１４】
なお、亀裂の進展状況はコーティング施工翼、コーティング未施工翼ともほぼ同様であり、動翼表面にＭＣｒＡｌＹ（ここでＭはＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅあるいはそれらの合金を示す），アルミナイジング、クロマイジング、シリコナイジングあるいはそれらの複合処理を施した耐食コーティング施工翼および耐食コーティング上層にＹ２Ｏ３−ＺｒＯ２，ＭｇＯ−ＺｒＯ２等の遮熱コーティングを施した翼についても、コーティングを剥がした後はコーティング未施工翼と同様に下記の手法により補修が可能である。
【００１５】
補修を行うに際しては、まず、予め調べておいたガスタービン単結晶翼１（以下、単に「翼」という）の結晶成長方位データに基づいて、溶加材を積層させる方向が、図２（ａ）に示すようにＮｉ基合金の優先結晶成長方向である［００１］方位となるように亀裂を含む部位をグラインダーを用いて切削除去して（図２の鎖線参照）溝状の除去部４を形成する。すなわち、除去部４の底壁４ａの向き（底壁表面の法線方向）が［００１］方位と平行になるようにする。なお、本例では除去部４の側壁４ｂの向き（側壁表面の法線方向）を［００１］方位と垂直としているが（図２（ｂ）参照）、必ずしもこのようにする必要はなく、側壁４ｂの法線が［００１］方位となす角度が９０度以外の角度であってもよい。
【００１６】
なお、切削除去作業を行う場合の基礎となる翼１の結晶成長方位データは、運転後に計測したデータ、新品製造時に計測されて保管しているデータのいずれを用いてもよい。また、損傷部近傍の除去を行う加工手段としては、上記のような結晶の優先成長方位との関係を確立できるのであれば、グラインダーの他、放電加工、ブラスト等の手段を用いてもよい。
【００１７】
次に、翼１表面の油分を有機溶剤を用いて除去し、続いて有機溶剤が残らないように純水で洗浄した後、エアブロー等の方法により乾燥する。
【００１８】
続いて、除去部４に合金粉末の積層を行うが、この積層工程について説明する前に、積層工程に用いられる補修装置について簡単に説明しておく。
【００１９】
図３は補修装置を示す図であり、符号１１は翼１が載置されるテーブルである。テーブル１１には、翼１の例えばプラットホーム部をクランプして翼１をテーブル１１に固定するクランプ１２が付設されている。テーブル１１は、姿勢制御装置１３により任意の方向を向くことができる。この姿勢制御装置１３を設けた目的は、積層工程を行っている間、除去部４の底壁４ａを鉛直方向上方を向くように、すなわち［００１］方位が鉛直方向を向くようにすることにある。
【００２０】
また、補修装置は、一対の基材加熱用トーチ１４と、１つの材料粉末溶解用トーチ１５とを有している。なおトーチ１４、１５の数は、この数に限定されない。基材加熱用トーチ１４および材料粉末溶解用トーチ１５は、いずれもレーザービームを発生するトーチであり、両者の違いは出力密度にある。すなわち基材加熱用トーチ１４は、基材の温度コントロールを行うためのトーチであるため、相対的に低い出力密度のビームを翼に照射するためのものである。一方、材料粉末溶解用トーチ１５は、相対的に高い出力密度のビームを翼に照射するためのものである。また、符号１６は材料粉末を除去部４に供給するための粉末供給ノズルである。
【００２１】
両トーチ１４，１５および粉末供給ノズル１６は、図３に概略的に示したロボットアーム１７により任意の方向に移動することができる。符号１８は、この補修装置を制御するコントローラであり、このコントローラ１８は、姿勢制御装置１３、トーチ１４，１５および粉末供給ノズル１６の動作の全てを制御することができる。
【００２２】
なおコントローラ１８は、記憶装置も内蔵しており、除去部４の形状をティーチングしておくくことにより姿勢制御装置１３、トーチ１４，１５およびノズル１６を自動的に動作させることができる。
【００２３】
なお、本例では、基材加熱用トーチ１４および材料粉末溶解用トーチ１５はいずれもレーザービームを照射するトーチとしているが、トーチは電子ビームを照射するものであってもよい。この場合、この補修装置全体を覆う真空チャンバ（図示せず）が更に設けられる。
【００２４】
次に、積層工程について説明する。
【００２５】
まず、翼１の補修対象部位における［００１］方位が鉛直方向を向き、かつ底壁４ａが上方を向くように、翼１をテーブル１１に固定する。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示すように、基材加熱用トーチ１４を用いて、翼１の除去部４近傍を予熱する。次いで、溶加材すなわち補修用合金粉末としてＮｉ基合金粉末を粉末供給ノズル１６から除去部４に吹き込みつつ、Ｎｉ基合金粉末を材料粉末溶解用トーチ１５を用いて溶解し、翼表面１ａに達するまで積層させる。なお、供給するＮｉ基合金粉末は、母材単結晶合金組成あるいは補修部に要求される特性に応じて適宜変更が可能である。
【００２７】
この過程において、基材加熱用トーチ１４により引き続き除去部４の両側の近傍部分（翼１の基材部分）を加熱する。これにより、除去部４内に形成される溶融池内の温度勾配およびその近傍の基材部分の温度勾配が、図２（ｃ）に示すような状態となる。すなわち、図２（ｃ）に模式的に示す溶融池内の等温線２０の法線方向が［００１］方位と一致するか若しくはそれに近い状態となる。凝固時の結晶の成長方向は等温線２０の法線方向と一致するため、図２（ｃ）に示すような温度分布が得られれば、積層部分の結晶方位を［００１］方位と一致またはほぼ一致させることが可能となる。
【００２８】
なお、図４は、比較例として、基材加熱用トーチ１４を用いない場合の温度勾配を模式的に示す図である。この図４に示すように、基材加熱用トーチ１４を用いない場合には、溶融池内の等温線２０の法線方向が［００１］方位から大きく外れることになる。このことは、高傾角粒界が形成される確率が高くなることを意味している。
【００２９】
積層は、積層部分が翼表面１ａより盛り上がるまで継続される（図２（ｃ）一点鎖線参照）。
【００３０】
次に、レーザーによる補修箇所と基材との接合性の強化および補修箇所の合金組織の調整のため熱間静水圧プレス処理を行い、動翼作製時に生成したポロシティおよびシュリンケージあるいはガスタービン運転時に発生したクリープボイドを高温高圧をかけることにより潰す。
【００３１】
次いで、翼１の表面をブラストおよびバレル研磨により所望の形状となるように加工する（盛り上がり部の除去）。
【００３２】
次に、溶体化熱処理および時効熱処理を行い、γ相中に矩形のγ’相が析出する合金組織とする。以上により補修作業は終了する。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、専用の基材加熱用トーチ１４により基材の温度コントロールを行うため、凝固の進行方向を適正に制御することが可能となる。また、溶接割れを防止することもできる。
【００３４】
なお上記実施形態においては、ガスタービン動翼の亀裂部を補修する場合を例にとって説明したが、本発明方法の適用はこれに限定されるものではなく、ガスタービン静翼の亀裂部の補修、動静翼の酸化および腐食による減肉部の補修に適用することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、結晶粒界が生成される可能性を最小限にするとともに溶接割れを防止しつつ、効率的にガスタービンＮｉ基単結晶翼の補修を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】補修対象であるガスタービン動翼に発生した損傷を模式的に示す図。
【図２】補修の手順を示す図。
【図３】補修装置を概略的に示す図。
【図４】本発明方法を適用しない場合を比較して示す模式図。
【符号の説明】
１  ガスタービン翼
２，３  損傷部位
４  除去部分
１４  基材加熱用トーチ
１５  材料粉末溶解用トーチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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