(57)【要約】  低融点合金材料とベース合金材料とを備えるプレフォームを提供するステップと、このプレフォームをガスタービンエンジンブレードの損傷した部分に配置するステップと、このプレフォームとブレードとを、プレフォームがブレードにろう付けされるように熱処理するステップと、を備える、ガスタービンブレードの損傷した部分を修復するために、所定のプロセスが設けられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低融点合金材料と、ベース合金材料と、を備えるプレフォームを提供するステップと、
前記プレフォームをガスタービンエンジンブレードの損傷した部分に配置するステップと、
前記プレフォームと前記ブレードとを、前記プレフォームが前記ブレードにろう付けされるように熱処理するステップと、
を備える、ガスタービンブレードの損傷した部分を修復するプロセス。
【請求項２】
前記ベース合金材料が、前記ブレードが形成されている材料と実質的に同じ材料であることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記プレフォームが、前記熱処理するステップの前の前記プレフォームの全重量を基準にして約７０〜８０重量％のベース合金材料と、約３０〜２０重量％の低融点合金材料と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記熱処理するステップの前に、前記プレフォームを前記ブレードにスポット溶接するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記熱処理するステップの前に、前記プレフォームを前記ブレードに抵抗溶接するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
前記ブレードの損傷した部分が、先端シュラウドの接触表面を含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項７】
前記プレフォームを前記損傷した部分に配置するステップの前に、前記損傷した部分をグラインディングするステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
前記熱処理するステップの後に、前記プレフォームおよび前記ブレードを機械加工するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
前記プレフォームを前記損傷した部分に配置するステップの前に、前記ブレードの損傷した部分にろう付け材料を加えるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
ガスタービンブレードの先端シュラウドの損傷した接触表面を修復するプロセスであって、
低融点合金材料と、ベース合金材料と、を備えるプレフォームを提供するステップと、
前記プレフォームを前記先端シュラウドの前記接触表面に配置するステップと、
前記プレフォームと前記先端シュラウドとを、前記プレフォームが前記先端シュラウドにろう付けされるように熱処理するステップと、
を備えるプロセス。
【請求項１１】
前記ベース合金材料が、前記先端シュラウドが形成されている材料と実質的に同じ材料であることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記プレフォームが、前記溶接するステップ及び前記熱処理するステップの前の前記プレフォームの全重量を基準にして約７０〜８０重量％のベース合金材料と、約３０〜２０重量％の低融点合金材料と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記熱処理するステップの前に、前記プレフォームを前記ブレードにスポット溶接するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記熱処理するステップの前に、前記プレフォームを前記ブレードに抵抗溶接するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記プレフォームを前記接触表面に配置するステップの前に、前記損傷した区画をグラインディングするステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記プレフォームを前記接触表面に配置するステップの前に、前記先端シュラウドの接触表面にろう付け材料を加えるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記熱処理するステップが、低融点熱処理するステップを備えることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記熱処理するステップの後に、フィラー材料を前記プレフォームに溶接するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１９】
上端及び下端を備える翼と、
前記翼の前記下端に結合したルート部であって、該ルート部がブレードを回転可能なディスクに結合するように適合されている、ルート部と、
前記翼の前記上端に結合した先端シュラウドであって、該先端シュラウドが、離間した第１接触表面及び第２接触表面を有する、先端シュラウドと、
前記先端シュラウドの前記接触表面のうちの一方に結合したプレフォームと、
を備えるタービンブレード。
【請求項２０】
前記プレフォームは、前記先端シュラウドの接触表面にろう付けされることを特徴とする請求項１８に記載のタービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガスタービンエンジンブレードの摩耗し、損傷した部分を、損傷部分に予備焼結したプレフォームをろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）することによって修復するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンのタービン部分には、ベーン及び回転するブレードからなる一連の列がある。ブレードはロータディスク組立体に結合している。高温の作動ガスはブレードの列へ進む。作動ガスがタービンを通じて膨張する際に、作動ガスはブレードを回転させ、したがってロータディスク組立体を回転させる。
【０００３】
ガスタービンブレードの１つのタイプは、翼（ａｉｒｆｏｉｌ）の上端に結合した先端シュラウドを備える。先端シュラウドは、隣り合うブレードの先端シュラウドと接触表面で互いにかみ合って（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ）、振動を減少させるとともに、高温ガスがブレードそれぞれの翼上端上を通過するのを防止する。ガスタービンエンジンの始動及び停止サイクル中には、接触表面は変位され（ｄｉｓｐｌａｃｅｄ）、摩耗し損傷した状態になる。過去には、摩耗し、変位され損傷した先端シュラウドの接触表面を修復するために、フィラー材料が接触表面に溶接され、熱処理され、次いで機械加工された。この熱処理作業は、少なくとも先端シュラウドの基体又は原型部分に形成された亀裂を生じさせる場合があった。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の第１の特徴によれば、低融点合金材料とベース合金材料とを備えるプレフォームを提供するステップと、このプレフォームをガスタービンエンジンブレードの損傷した部分に配置するステップと、プレフォームとブレードとを、プレフォームがブレードにろう付けされるように熱処理するステップと、を備えるプロセスが、ガスタービンブレードの損傷した部分を修復するプロセスが提供される。
【０００５】
ベース合金材料は、ブレードが形成されている材料と実質的に同じ材料とすることができる。
【０００６】
プレフォームは、熱処理するステップの前のプレフォームの全重量を基準にして約７０〜８０重量％のベース合金材料と約３０〜２０重量％の低融点合金材料とを備えることができる。
【０００７】
このプロセスは、熱処理するステップの前に、プレフォームをブレードにスポット溶接するステップをさらに備えることができる。
【０００８】
プロセスは、熱処理するステップの前に、プレフォームをブレードに抵抗溶接するステップをさらに備えることができる。
【０００９】
ブレードの損傷した部分は、先端シュラウドの接触表面を含むことができる。
【００１０】
このプロセスは、プレフォームを損傷した部分に配置するステップの前に、損傷した部分をグラインディングするステップをさらに備えることができる。
【００１１】
プロセスは、熱処理するステップの後に、プレフォーム及びブレードを機械加工するステップをさらに備えることができる。
【００１２】
プロセスは、プレフォームを損傷した部分に配置するステップの前に、ブレードの損傷した部分にろう付け材料を加えるステップをさらに備えることができる。
【００１３】
本開示の第２の特徴によれば、低融点合金材料とベース合金材料とを備えるプレフォームを提供するステップと、プレフォームを先端シュラウドの接触表面に配置するステップと、プレフォームと先端シュラウドとをプレフォームが先端シュラウドにろう付けされるように熱処理するステップと、を備えるガスタービンブレードの先端シュラウドの損傷した接触表面を修復するプロセスが提供される。
【００１４】
ベース合金材料は、先端シュラウドが形成されている材料と実質的に同じ材料とすることができる。
【００１５】
プレフォームは、溶接するステップ及び前記熱処理するステップの前のプレフォームの全重量を基準にして約７０〜８０重量％のベース合金材料と約３０〜２０重量％の低融点合金材料とを備えることができる。
【００１６】
熱処理するステップの前に、プロセスは、プレフォームをブレードにスポット溶接するステップをさらに備えることができる。
【００１７】
熱処理するステップの前に、プロセスは、プレフォームをブレードに抵抗溶接するステップをさらに備えることができる。
【００１８】
プロセスは、プレフォームを接触表面に配置するステップの前に、損傷した区画をグラインディングするステップをさらに備えることができる。
【００１９】
プロセスは、プレフォームを接触表面に配置するステップの前に、先端シュラウドの接触表面にろう付け材料を加えるステップをさらに備えることができる。
【００２０】
熱処理するステップは、低融点熱処理するステップを備えることができる。
【００２１】
熱処理するステップの後に、プロセスはフィラー材料をプレフォームに溶接するステップをさらに備えることができる。
【００２２】
本開示の第３の特徴によれば、タービンブレードは、上端及び下端を備える翼と、この翼の下端に結合したルート部であって、このルート部がブレードを回転可能なディスクに結合するように適合されている、ルート部と、翼の上端に結合した先端シュラウドであって、この先端シュラウドが、離間した第１接触表面及び第２接触表面を有する、先端シュラウドと、先端シュラウドの接触表面のうちの一方に結合したプレフォームと、を備えて設けられる。
【００２３】
プレフォームは、前記先端シュラウドの接触表面にろう付けすることができる。
【００２４】
本明細書は、特に本開示に注目し、明確に保護を求める特許請求の範囲に記載の発明によって完結するが、本開示は、添付の図面に関連する以下の説明からより良く理解されると考えられ、ここで、同様の参照符号は、同様の要素を特定する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本開示によって修復することができる接触表面を有するガスタービンブレードの斜視図である。
【図２】図１に図示されたブレードの先端シュラウドの拡大図である。
【図３】先端シュラウドの基体部分の接触表面に結合したプレフォームを含む先端シュラウドの拡大図である。
【図４】本開示のプロセスの低温溶融及び溶体化熱処理のための温度及び時間を図示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明において、本開示を実行することができる特定の好ましい実施形態の一部分を形成する図的であって、かつ限定的でなく図示する添付の図面が参照されている。他の実施形態を使用することができ、変更を本開示の技術的範囲から乖離することなく行うことができることが理解される。
【００２７】
ガスタービンエンジンのタービン部分には、固定ベーン及び回転ブレードからなる一連の列、通常は４つベーンの列及び４つのブレードの列がある。ブレードはロータディスク組立体に結合している。高温の作動ガスはブレードの列へ進む。作動ガスがタービンを通じて膨張する際に、作動ガスはブレードを回転させ、したがってロータディスク組立体を回転させる。
【００２８】
ガスタービンブレード１０の１つのタイプが図１に図示されており、３列目又は４列目のブレードを備えている。タービンブレード１０は、上端部１２及び下端部１３を含む翼１１を備えている。プラットフォーム１４は、翼の下端部１３に結合している。ルート部１５がプラットフォーム１４から延び、ブレード１０を（図示されない）ロータディスク組立体に結合している。ブレード１０は、翼の上端部１２に結合した先端シュラウド２０をさらに備えている。図示の実施形態では、翼１１、プラットフォーム１４、ルート部１５、及び先端シュラウド２０は、Ｎｉ基超合金のような超合金材料から形成された一体ユニットを備える。
【００２９】
先端シュラウド２０は、基体部分２２及び半径方向に延びる第１及び第２密閉レール２４、２６を備える。密閉レール２４、２６は、翼１１の反対方向に延びている。先端シュラウド２０の基体部分２２は、離間した第１及び第２接触表面２２Ａ、２２Ｂを備える。第１接触表面２２Ａは、（図示されない）隣り合う第１のタービンブレードの先端シュラウドの基体部分の隣り合う接触表面に係合し、第２接触表面２２Ｂは、（図示されない）隣り合う第２のタービンブレードの先端シュラウドの基体部分の隣り合う接触表面に係合する。第１及び第２の隣り合うブレードは、タービンブレード１０の対向する側に位置する。第１接触表面２２Ａ及び第２接触表面２２Ｂは、隣り合う先端シュラウドの接触表面に係合し、同様にロータディスク組立体の周りに周方向に位置するすべてのブレードの全ての接触表面は先端シュラウドの接触表面に係合し、ブレードの列を形成する。したがって、ブレードの列内のブレードそれぞれの先端シュラウドそれぞれは、隣り合うブレードの先端シュラウドに接触表面でかみ合い、振動を軽減するとともに高温の作動ガスがブレードの翼上端上を通過するのを防止する。しかし、ガスタービンエンジンの運転中、特に始動及び停止のサイクル中は、接触表面は変位されて、摩耗し、損傷した状態になる。
【００３０】
上述のように、過去には、摩耗し、変位され、損傷した先端シュラウドの接触表面を修復するために、フィラー材料が接触表面に溶接され、熱処理され、次いで機械加工されていた。熱処理作業は、少なくとも先端シュラウドの基体部分に形成されたクラックをもたらす場合があった。
【００３１】
本発明の開示によれば、所定のプロセスが、ガスタービンブレード１０の先端シュラウド２０の接触表面２２Ａ及び２２Ｂのような１つ以上の損傷した接触表面を修復するために提供され、それによって、基体部分２２におけるクラックの形成の可能性が軽減される。
【００３２】
最初に、このプロセスは、基体部分の接触表面２２Ａ及び２２Ｂを従来の砥石車を使用して研磨するステップを含んで、存在する腐食物質を除去し、接触表面２２Ａ及び２２Ｂを滑らかにする。
【００３３】
研磨の後、接触表面２２Ａ及び２２Ｂは検査され、洗浄されて残存するすべての遊離物質及び研磨作業中に使用された冷却剤を除去される。
【００３４】
予備焼結されたプレフォーム３０が、修復される接触表面２２Ａ及び２２Ｂそれぞれに提供される。図示された実施形態において、予備焼結されたプレフォーム３０は低融点合金材料と基材合金材料とを備える。例えば、低融点合金材料は、低融点のＮｉ基超合金を含むことができ、その１つは、商品名「Ｎｉ−３７７−１」の下でＰｒａｘａｉｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｄｉａｎａｐｏｌｉｓ，  ＩＮから商業的に入手可能である。低融点の超合金Ｎｉ−３７７−１は約１４体積％のＣｒ、９体積％のＣｏ、４体積％のＡｌ、２．５体積％のＢ、及び実質的に、Ｎｉからなる残部を備えると考えられる。ごく少量の他の元素がＮｉ−３７７−１に含まれると考えられる。基材合金材料は、所定のＮｉ基超合金を備えることができ、その１つは、商品名「Ｎｉ−３３５−５」の下でＰｒａｘａｉｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｄｉａｎａｐｏｌｉｓ，  ＩＮから商業的に入手可能である。Ｎｉ基超合金Ｎｉ−３３５−５は、約１０体積％のＣｏ、１０体積％のＷ、８．２５体積％のＣｒ、５．５体積％のＡｌ、３．０体積％のＴａ、１．５体積％のＨｆ、１．０体積％のＴｉ、０．７体積％のＭｏ、０．１５体積％のＣ、０．０５体積％のＺｒ、０．０１５体積％のＢ、及び実質的に、Ｎｉからなる残部を備えると考えられる。ごく少量の他の元素がＮｉ−３３５−５に含まれると考えられる。プレフォーム３０中の基材合金材料は好ましくは、先端シュラウド２０の基体部分を含むブレード１０を形成するために使用されたのと同じ、又は殆ど同じ超合金材料であると考えられる。したがって、基材合金材料は、ブレード１０を形成する材料と実質的に同じ固相線温度と液相線温度を有することができる。低融点合金材料Ｎｉ−３７７−１は、基材合金材料より低い固相線温度ＴＳと液相線温度ＴＬとを有している（図４参照）。
【００３５】
プレフォーム３０は、溶接及び熱処理前に、プレフォームの全重量に基づき約７０〜８０重量％のベース合金材料と、約３０〜２０重量％の低融点合金材料とを備える。好ましくは、プレフォーム３０は、プレフォームの全重量に基づき約７５重量％のベース合金材料と、約２５重量％の低融点合金材料とを備える。上述に述べた材料及び重量％は、例示としてのみ提供されており、材料及び重量％は変えてもよい。７５重量％のＮｉ−３３５−５（上述したように、この材料はＰｒａｘａｉｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｄｉａｎａｐｏｌｉｓ，  ＩＮから商業的に入手可能である）と、２５重量％のＮｉ−３７７−１（上述したように、この材料はＰｒａｘａｉｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｄｉａｎａｐｏｌｉｓ，  ＩＮから商業的に入手可能である）とを備えるプレフォームは、商品名「ＭａｒＭ２４７／ＢＲＢ  ７５−２５  ｐｒｅｆｏｒｍ」の下でＡＩＭ  ＭＲＯ，  ＬＬＣ，  Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ，  ＯＨから商業的に入手可能である。
【００３６】
プレフォーム３０は、ともに摩耗しており修復を必要とすると推定される接触表面２２Ａ及び２２Ｂのそれぞれに、従来の抵抗溶接又はその種のプロセスを介してスポット溶接される（図３参照）。
【００３７】
接触表面２２Ａ及び２２Ｂ上のプレフォーム３０は次いで、熱処理作業にかけられて、プレフォームを接触表面２２Ａ及び２２Ｂにろう付けする。図示された実施形態では、熱処理作業は低融点熱処理を含む。また、図示された実施形態では、低融点熱処理の直後に溶体化熱処理が行われる。ステップ（ａ）〜（ｅ）、（ｇ）、（ｉ）、（ｋ）、（ｍ）、及び（ｎ）に対して以下で述べられる温度は炉の温度である。ステップ（ｆ）、（ｈ）、（ｊ）、及び（ｌ）に対して以下で述べられている温度は、保証された浸漬温度、すなわち炉中に提供された試料に取り付けられたセンサによって測定された温度である。
【００３８】
溶体化熱処理が続いて行われる低融点熱処理を備える例示の熱処理作業が図４に図示されている。
【００３９】
低融点熱処理は以下のステップを備える。
（ａ）２０○Ｆ／分で１０００○Ｆまで昇温するステップ
（ｂ）１０００○Ｆに３０分間、維持するステップ
（ｃ）２０○Ｆ／分で１８００○Ｆまで昇温するステップ
（ｄ）１８００○Ｆに１５分間、維持するステップ
（ｅ）炉の温度がプレフォーム３０の低融点材料の固相線温度ＴＳ及び液相線温度ＴＬより高くなるように、２１２５○Ｆまで２０○Ｆ／分で昇温するステップ
（ｆ）一旦、炉中の試料の温度が２１２５○Ｆに達すると、２１２５○Ｆに６０分間、維持するステップ
（ｇ）１○Ｆ／分で２２５０○Ｆまで昇温するステップ
（ｈ）試料の温度が２２２５○Ｆに達すると、２２２５○Ｆに３０分間、維持するステップ
（ｉ）３０○Ｆ／分で２１８０○Ｆまで冷却するステップ
（ｊ）試料の温度が２１８０○Ｆに達すると、２１８０○Ｆに１８０分間、維持するステップ
【００４０】
溶体化熱処理は以下のステップを備える。
（ｋ）３０○Ｆ  ／分で２２５０○Ｆまで昇温するステップ
（ｌ）一旦、試料の温度が２２５０○Ｆに達すると、２２５０○Ｆに１３０分間、維持するステップ
（ｍ）５分間又はそれより短い時間で２２５０○Ｆから１９７５○Ｆまでアルゴンガスで焼入れし、次いで２０分間又はそれより短い時間で１９７５○Ｆから１０００○Ｆまでガス焼入れするステップ
（ｎ）３０分で１０００○Ｆから室温まで焼入れするステップ
【００４１】
低融点熱処理中、図示した実施形態における低融点材料Ｎｉ−３７７−１は溶融し、プレフォーム３０と対応する先端シュラウドの基体部分の接触表面との間の領域を充填する。さらに、図示した実施形態におけるベース合金材料Ｎｉ−３３５−５は、基体部分２２の接触表面２２Ａ及び２２Ｂを画定する超合金材料の中に部分的に拡散し、それによってプレフォーム３０と先端シュラウドの基体部分２２との間に形成されたろう付け接合部の再溶融温度を上昇させる。金属学的接合、すなわち拡散ろう付けは、プレフォーム３０の低融点材料が溶融し、プレフォーム３０のベース合金材料が先端シュラウドの基体部分２２の接触表面２２Ａ及び２２Ｂを画定する材料の中に部分的に拡散したときに効果を発揮すると考えられる。拡散ろう付けは、接触表面２２Ａ及び２２Ｂとプレフォーム３０との間に効果的な接合を生成し、それによってブレード１０をガスタービンエンジンのタービン区画において使用されることを可能にする。
【００４２】
図示された実施形態において、溶体化熱処理は低融点熱処理の後すぐに生じて、全体的な修復の効率を改善する。しかし、溶体化熱処理を低融点熱処理にすぐに引き続いて行う必要はない。溶体化処理は、ブレード１０中の応力を緩和するように効果を発揮し、ブレード１０の硬度を低下させ、延性を改善する。
【００４３】
溶体化熱処理の後、プレフォーム３０と基体部分２２を機械加工して新井縁部又は点を取り除くことができる。プレフォーム３０及び基体部分２２を、次いで従来の耐摩耗金属コーティングでコーティングすることができ、このコーティングはブレード１０の耐摩耗性を改善する。
【００４４】
さらに、例えばプレフォームが形成されているのと同じ材料を備えるろう付け材料のペーストを、プレフォーム３０を接触表面２２Ａ及び２２Ｂに配置する前に接触表面２２Ａ及び２２Ｂに加えて、接触表面２２Ａ及び２２Ｂとプレフォーム３０との間のボイドを充填することができ、それによって接触表面２２Ａ及び２２Ｂとプレフォーム３０との間のろう付けの品質を改善することが考えられる。
【００４５】
また、プレフォーム３０を有するブレード１０が長期間使用されてプレフォーム３０が摩耗した後に、従来の修復プロセスに従って、超合金材料をろう付けされたプレフォーム３０に溶接することもできる。
【００４６】
本開示は先端シュラウドの接触表面２２Ａ及び２２Ｂを修復するステップを開示するが、本発明が、修復を必要としているガスタービンブレードの別の場所にプレフォームを結合するために使用きることが考えられる。
【００４７】
本発明の特定の実施形態が図示され、説明されてきたが、当業者には、多くの他の変更および変形を、本発明の精神及び技術的範囲から乖離することなく行うことができることが明白である。したがって、本発明の技術的範囲内のそのような変更および変形の全てを特許請求の範囲が包含することが意図されている。
【符号の説明】
【００４８】
１０        ガスタービンブレード
１２        上端部
１３        下端部
１１        翼
１４        プラットフォーム
１５        ルート部
２０        先端シュラウド
２２        基体部分
２４        第１密閉レール
２６        第２密閉レール
２２Ａ      第１接触表面
２２Ｂ      第２接触表面
３０        プレフォーム
ＴＳ        固相線温度
ＴＬ        液相線温度
【図１】
2016510372.tif 000003
【図２】
2016510372.tif 000004
【図３】
2016510372.tif 000005
【図４】
2016510372.tif 000006
【国際調査報告】
2016510372.tif 000007
2016510372.tif 000008
2016510372.tif 000009