(57)【要約】      （修正有）【課題】予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）を形成するために超合金金属粉末と混合できるろう合金組成物を提供する。【解決手段】２２〜２４．７５重量％のクロム、９〜１１重量％のニッケル、６．５〜７．６重量％のタングステン、３〜４重量％のタンタル、０．５５〜０．６５重量％の炭素、０．３〜０．６重量％のジルコニウム、０．１５〜０．３重量％のチタン、１．５〜２．６重量％のホウ素、１〜１０重量％のケイ素、及びコバルトを含んでなるコバルト基ろう合金組成物を適用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２２〜２４．７５重量％のクロム、９〜１１重量％のニッケル、６．５〜７．６重量％のタングステン、３〜４重量％のタンタル、０．５５〜０．６５重量％の炭素、０．３〜０．６重量％のジルコニウム、０．１５〜０．３重量％のチタン、１．５〜２．６重量％のホウ素、１〜１０重量％のケイ素、及びコバルトを含んでなるコバルト基ろう合金組成物。
【請求項２】
さらに、１．３重量％以下の鉄、０．１０重量％以下のマンガン、及び０．０２重量％以下の硫黄を含む、請求項１記載のコバルト基ろう合金組成物。
【請求項３】
さらに、２〜２．６重量％のホウ素、及び２．５〜７．５重量％のケイ素を含む、請求項１記載のコバルト基ろう合金組成物。
【請求項４】
さらに、２．４５〜２．５５重量％のホウ素、及び４〜６重量％のケイ素を含む、請求項１記載のコバルト基ろう合金組成物。
【請求項５】
２２〜２４．７５重量％のクロム、９〜１１重量％のニッケル、６．５〜７．６重量％のタングステン、３〜４重量％のタンタル、０．５５〜０．６５重量％の炭素、０．３〜０．６重量％のジルコニウム、０．１５〜０．３重量％のチタン、１．５〜２．６重量％のホウ素、１〜１０重量％のケイ素、１．３重量％以下の鉄、０．１０重量％以下のマンガン、０．０２重量％以下の硫黄、及びコバルトからなる、請求項１記載のコバルト基ろう合金組成物。
【請求項６】
超合金部品の補修又は復元方法であって、
表面硬化合金粉末を、２２〜２４．７５重量％のクロム、９〜１１重量％のニッケル、６．５〜７．６重量％のタングステン、３〜４重量％のタンタル、０．５５〜０．６５重量％の炭素、０．３〜０．６重量％のジルコニウム、０．１５〜０．３重量％のチタン、１．５〜２．６重量％のホウ素、１〜１０重量％のケイ素、及びコバルトを含むコバルト基ろう合金組成物と混合することで予備焼結プリフォームを形成する段階であって、予備焼結プリフォームは６０〜９０重量％の表面硬化合金粉末及び１０〜４０重量％のコバルト基ろう合金組成物を含む段階と、
予備焼結プリフォームを焼結して焼結部品を製造する段階と、
焼結部品を成形する段階と、
焼結部品を超合金部品に溶接して複合体を形成する段階と、
複合体に熱処理サイクルを施す段階と
を含んでなる方法。
【請求項７】
熱処理サイクルが加熱サイクルサブステップ及び冷却サイクルサブステップを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
超合金部品がガスタービンの部品からなる、請求項６記載の方法。
【請求項９】
超合金部品がバケットエンジェルウィング又はバケットチップである、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
熱処理サイクルが、炉を１４℃／分の速度で６５０℃に加熱する段階、６５０℃の温度を３０分間維持する段階、炉を１４℃／分の速度で９８０℃に加熱する段階、９８０℃の温度を３０分間維持する段階、炉を１９℃／分の速度で１２０４〜１２１８℃に加熱する段階、１２０４〜１２１８℃の温度を２０分間維持する段階、炉を１１２０℃の温度まで冷却する段階、１１２０℃の温度を３０分間維持する段階、及び炉を８１５℃の温度まで冷却する段階を含む、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には向上した耐高温酸化性を有し得るろう合金組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンにおける高温ガス通路翼形部のような高温環境又は過激な環境中の部品は、劣化を受けたり、或いは耐久性に関係する問題を生じることがある。かかる超合金を補修するための一方法では、ろう合金及び／又は超合金金属粉末に基づく予備焼結プリフォームが使用されることがある。
【０００３】
本発明は、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）を形成するために超合金金属粉末と混合できるろう合金に関する。ＰＳＰは、高温用途に組み込まれた部品の補修及び／又は復元を伴うもののような各種のサルベージ及び／又は補修用途で使用されることがある。
【０００４】
ろう材粉末は一般に当技術分野で知られている。ろう材粉末の１種にＭａｒ  Ｍ  ５０９Ｂがある。Ｍａｒ  Ｍ  ５０９Ｂは、ホウ素添加剤を含むコバルト基ろう合金である。
【０００５】
Ｍａｒ  Ｍ  ５０９Ｂろう合金を用いるＰＳＰプレートの形成を図１に示す。図示のように、表面硬化合金粉末（ブロック１５０）及びＭａｒ  Ｍ  ９０５Ｂ（ブロック１５２）を混合し（ブロック１５４）、次いで焼結し（ブロック１５６）、水ジェットを用いて成形する（ブロック１５８）。成形後、プリフォームを例えばバケットに仮付け溶接し（ブロック１６０）、熱処理サイクルを施す（ブロック１６２）。Ｍａｒ  Ｍ  ５０９Ｂろう材粉末を含むＰＳＰは、重量％で、約５０％のＣｏ、１０％のＮｉ、２４％のＣｒ、０．２５％のＴｉ、８％のＷ、０．５％のＣ及び２．７％のＢを含むことがある。ある実施形態では、本発明はさらに多い重量％のケイ素及びホウ素を含むろう材粉末に関する。本発明のある実施形態におけるケイ素分は、有利な耐酸化性を与えることができる。高い濃度のケイ素分及びホウ素分は、組成物の融点を容易に低下させることができる。本発明のある実施形態におけるホウ素分は、ろう付け作業に際してＰＳＰと超合金ハードウェアとの結合を容易にすることができる。
【０００６】
本発明のある実施形態では、特定のろう合金組成物を用いるプロセスは容易に適用できると共に、ろう付け前に必要な表面前処理及び表面硬化作業後に必要な機械加工を最小限に抑えることができる。
【０００７】
ある実施形態では、このろう合金を用いたＰＳＰはニアネット形状に製造してバケットにろう付けすることができる。これは、恐らくは表面硬化後の機械加工の程度を減少させながら頑強性、反復性及び再現性を与えることができる。
【特許文献１】米国特許第６５０６０１６号明細書
【特許文献２】米国特許第６８９０１５０号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態では、２２〜２４．７５重量％のクロム、９〜１１重量％のニッケル、６．５〜７．６重量％のタングステン、３〜４重量％のタンタル、０．５５〜０．６５重量％の炭素、０．３〜０．６重量％のジルコニウム、０．１５〜０．３重量％のチタン、１．５〜２．６重量％のホウ素、１〜１０重量％のケイ素、及びコバルトを含んでなるコバルト基ろう合金組成物が提供される。
【０００９】
別の実施形態では、超合金部品の補修又は復元方法であって、表面硬化合金粉末を、２２〜２４．７５重量％のクロム、９〜１１重量％のニッケル、６．５〜７．６重量％のタングステン、３〜４重量％のタンタル、０．５５〜０．６５重量％の炭素、０．３〜０．６重量％のジルコニウム、０．１５〜０．３重量％のチタン、１．５〜２．６重量％のホウ素、１〜１０重量％のケイ素、及びコバルトを含むコバルト基ろう合金組成物と混合することで予備焼結プリフォームを形成する段階と、予備焼結プリフォームを焼結して焼結部品を製造する段階と、焼結部品を成形する段階と、焼結部品を超合金部品に溶接して複合体を形成する段階と、複合体に熱処理サイクルを施す段階とを含んでなる方法が提供される。予備焼結プリフォームは、６０〜９０重量％の表面硬化合金粉末及び１０〜４０重量％のコバルト基ろう合金組成物を含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、一般的には向上した耐高温酸化性を有し得るろう合金組成物に関する。
【００１１】
ある実施形態では、向上した耐高温酸化性を有するろう合金組成物が提供される。例示的な出発点としては、商業的に入手可能なＭａｒ  Ｍ  ５０９Ｂろう材粉末が、本発明の一実施形態に係るろう合金の開発のための基線組成物として使用できる。Ｍａｒ  Ｍ  ５０９Ｂと比べると、追加の（例えば、５％の）ケイ素分及び追加の（例えば、２％の）ホウ素分が存在し得る。本発明のある実施形態におけるケイ素分は、有利な耐酸化性を与えることができる。高い濃度のケイ素分及びホウ素分は、組成物の融点を容易に低下させることができる。本発明のある実施形態におけるホウ素分は、ろう付け作業に際して予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）と超合金ハードウェアとの結合を容易にすることができる。
【００１２】
一実施形態では、ろう合金を超合金金属粉末と混合してＰＳＰを形成することができる。ＰＳＰは、例えば、ガスタービンにおいて見出されるような高温ガス通路部品のサルベージ及び／又は補修に際して使用できる。本発明の一実施形態に従ってろう合金を使用する場合、ＰＳＰと超合金ハードウェアとの良好な結合は熱処理サイクルによって達成することができる。
【００１３】
一実施形態では、ＰＳＰは粉末状のＴｒｉｂａｌｏｙ  Ｔ８００を含むこともできる。Ｔ８００は、Ｄｅｌｏｒｏ  Ｓｔｅｌｌｉｔｅ  Ｉｎｃ．（ベルヴィル、オンタリオ州、カナダ）によって製造されるコバルト基表面硬化合金である。好適なＰＳＰは、Ｍｏｒｇａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ社（Ｗｅｓｇｏ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）（米国カリフォルニア州９４６４４ヘイワードホイップル・ロード２４２５）から入手できる。Ｔ８００は、概略重量％で表して下記の成分を有している。
【００１４】
【表１】
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ある実施形態では、超合金用途のために使用できるＰＳＰは、６０〜９０重量％（及びこの範囲内のすべての部分範囲）のＴ８００又はＣＭ６４粉末と、４０〜１０重量％（及びこの範囲内のすべての部分範囲）の（本明細書中に記載されるような）ろう合金組成物とを含み得る。Ｃｏａｓｔ  Ｍｅｔａｌ（ＣＭ）６４は、Ｍｏｒｇａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ社（Ｗｅｓｇｏ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）から入手できる。ＣＭ６４は、概略重量％で表して下記の成分を有している。
【００１５】
【表２】
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商業的に入手できる粉末状のろう材Ｍａｒ  Ｍ  ５０９Ｂが使用できる。Ｍ  ５０９Ｂはホウ素添加剤を含むコバルト基ろう合金であり、概略重量％で表して下記の成分を有している。
【００１６】
【表３】
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例示的な実施形態では、耐高温酸化性の向上したろう合金組成物が提供される。例示的な実施形態では、かかる合金は約５％のケイ素分及び約２．５％のホウ素分を含み、コバルト分が約５％少ないＭａｒ  Ｍ  ５０９Ｂと同様な化学組成を有する。他の例示的な実施形態では、ケイ素の重量％は１〜１０％（及びこの範囲内のすべての部分範囲）又は２．５〜７．５％（及びこの範囲内のすべての部分範囲）又は４〜６％（及びこの範囲内のすべての部分範囲）の範囲内で変化し得る。また、例示的な実施形態では、ホウ素の重量％は１．５〜２．６％（及びこの範囲内のすべての部分範囲）又は２〜２．６％又は２．４５〜２．５５％（及びこの範囲内のすべての部分範囲）の範囲内で変化し得る。
【００１７】
ある実施形態では、この超合金中のケイ素は耐酸化性を向上させることができる。ケイ素及びホウ素が共に存在することは、融点を低下させてＰＳＰと超合金ハードウェアとの良好な結合を達成するのに有効であり得る。一実施形態では、ろう合金は、下記の概略重量％（いずれの記載範囲もその範囲内のすべての部分範囲を含む）の範囲内で少ないホウ素添加剤及び多いケイ素添加剤を含むコバルト基ろう合金であり得る。
【００１８】
【表４】
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ろう合金を用いるＰＳＰプレートの形成は、（Ｔ８００のような）表面硬化合金粉末と、例示的な実施形態に従って調製された組成物とを混合することを含む。次いで、この混合物を焼結し、例えば水ジェットを用いて成形する。成形後、プリフォームを補修を必要とする可能性のある部品に仮付け溶接し、熱処理サイクルを施す。
【００１９】
一実施形態では、ろう合金を含むＰＳＰを使用する高温ガス通路部品に関して以下の熱処理サイクルが使用できる。熱処理は加熱サイクルサブステップ及び冷却サイクルサブステップを含み得る。加熱サイクルサブステップは、プリフォームを有する超合金部品を室温（例えば、約２１℃（７０°Ｆ））のろう付け炉内に配置することを含み得る。結合プロセスを容易にするため、当業者にとって公知の方法に従い、炉内の非酸化雰囲気及び表面硬化プリフォームに圧力を加える方法を設けることができる。使用する炉は真空炉であってよく、要求最小真空度は０．５×１０-3トルであり得る。
【００２０】
炉は、約１４℃／分（２５°Ｆ／分）の速度で約６５０℃（１２００°Ｆ）に加熱すればよい。約６５０℃（１２００°Ｆ）に達したら、この温度を約３０分間維持すればよい。次いで、炉の温度を約１４℃／分（２５°Ｆ／分）の速度で約９８０℃（１８００°Ｆ）に昇温すればよい。約９８０℃（１８００°Ｆ）に達したら、この温度を約３０分間維持すればよい。次いで、炉の温度を約１９℃／分（３５°Ｆ／分）の速度で約１２０４〜１２１８℃（２２００〜２２２５°Ｆ）に昇温する。約１２０４〜１２１８℃（２２００〜２２２５°Ｆ）に達したら、この温度を約２０分間維持すればよい。次いで、炉を約６０分間で１１２０℃（２０５０°Ｆ）の温度まで冷却し、さらに８１５℃（１５００°Ｆ）まで冷却すればよい。続いて、炉を任意の温度でほぼ室温まで冷却すればよい。
【００２１】
下記の表には、Ｔ８００と、Ｍａｒ  Ｍ  ５０９Ｂ又は本発明の一実施形態に従って調製したろう合金とを用いて製造したＰＳＰに関して２０００°Ｆで５００時間にわたり実施した酸化試験の試験結果をまとめて示す。酸化試験は空気炉内で実施した。まず、試料を２０００°Ｆの空気炉内に５００時間（約２１日間）配置した。５００時間後、試料を炉から取り出し、空気中で冷却した。金属組織学的分析を行って耐酸化性を調べると共に、試料の切片化、研磨及びエッチングを行って酸化層の厚さを調べた。これらの試験結果は向上した耐酸化性を示している。
【００２２】
【表５】
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例示的な実施形態では、このろう合金を用いたＰＳＰはニアネット形状に製造してバケットにろう付けすることができ、かくして表面硬化後の機械加工の程度を減少させながら頑強性、反復性及び再現性を与えることができる。さらに、本発明の製造スケジュールを低減させるため、プリフォームろう付け作業を典型的なコーティング熱処理と統合することもできる。
【００２３】
例示的な実施形態では、本発明は、例えば、米国特許第６５０６０１６号及び同第６８９０１５０号（これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす）に例示されているもののようなガスタービン中の部品を補修及び／又は復元するために有用であり得る。
【００２４】
例えば、図２は本発明の一実施形態に従ってＰＳＰを用いて補修した高温ガス通路側部バケットエンジェルウィングの例を示している。図２には、軸方向に突出したエンジェルウィングシール２１０及び２１２を備えた（バケット（図示せず）の基部又はその付近に位置する）シャンク２０２が示されている。これらのエンジェルウィングシールは、本発明の一実施形態に従って補修されている。同様に、図３は本発明の一実施形態に従ってＰＳＰを用いて補修した高温ガス通路バケットチップを示している。図３では、バケットチップ３０４は補修したカッタ歯３３０を含んでいる。この新たに開発されたろう合金はＰＳＰを製造するために使用でき、或いはバケットの製造及び／又は補修／保全のために使用できる。したがって、それの用途は広範囲であり、多くの製品ラインにわたっている。
【００２５】
以上、現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示された実施形態のみに限定されず、それどころか特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な修正及び同等な構成も包含するものであることを理解すべきである。
【００２６】
さらに、本明細書中に記載されかつ権利請求されるすべての数値及び数値範囲は概略のものであって、明記されているか否かにかかわらずある程度の変動を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】予備焼結プリフォームの製造及び使用に関係するプロセス段階を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態に従ってＰＳＰを用いて補修した高温ガス通路側部バケットエンジェルウィングの例を示している。
【図３】本発明の一実施形態に従ってＰＳＰを用いて補修した高温ガス通路バケットチップを示している。
【符号の説明】
【００２８】
２０２  シャンク
２１０  エンジェルウィングシール
２１２  エンジェルウィングシール
３０４  バケットチップ
３３０  カッタ歯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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