(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒が流れる構造を有するＮｉ基超合金を鋳造して形成された単結晶合金又は一方向凝固合金からなるガスタービン翼であって、鋳造時に形成される翼先端あるいは翼面の鋳孔に挿入して溶接された溶加材を有し、前記溶接により溶融された溶接金属中に占めるＮｉ基超合金母材の溶融量が５０％以下であることを特徴とするガスタービン翼。
【請求項２】
内部に冷媒が流れる構造を有するＮｉ基超合金を鋳造して形成された単結晶合金又は一方向凝固合金からなるガスタービン翼の製造方法において、鋳造時に形成される翼先端あるいは翼面の鋳孔をアーク熱で封止するにあたって、鋳孔を単純形状に加工して、前記鋳孔の形状に適合した形状を有する溶加材を前記鋳孔に挿入配備してアーク溶接し、このアーク溶接に際し、溶接金属中に占めるアークで溶解したＮｉ基超合金母材の溶融量が一定量以下になるようにアークの熱集中性を高め、かつ入熱量を制御することを特徴とするガスタービン翼の製造方法。
【請求項３】
前記溶接金属中に占めるアークで溶解したＮｉ基超合金母材の溶融量が体積比で５０％以下であることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン翼の製造方法。
【請求項４】
前記アーク溶接はＴＩＧ溶接であることを特徴とする請求項２又は３に記載のガスタービン翼の製造方法。
【請求項５】
前記ＴＩＧ溶接がアルゴンと水素の混合ガスまたは、アルゴンとヘリウムの混合ガスをシールドガスとしたことを特徴とする請求項４に記載のガスタービン翼の製造方法。
【請求項６】
前記アーク溶接を鋳孔の周辺に電気絶縁性と耐熱性を有するマスク材を配備して行うことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載のガスタービン翼の製造方法。
【請求項７】
前記溶加材がＮｉベースの合金であり、前記溶加材の溶接割れを防ぐべく、前記溶加材中のＡｌとＴｉの合計含有量を一定量以下に抑えることを特徴とする請求項1乃至５のいずれかに記載のガスタービン翼の製造方法。
【請求項８】
前記溶加材のＡｌとＴｉの合計含有量が１.０重量％以下であることを特徴とする請求項７に記載のガスタービン翼の製造方法。
【請求項９】
前記アーク溶接終了時の最終凝固点が前記ガスタービン翼の表面近傍となるように電流制御することを特徴とした請求項１乃至８のいずれかに記載のガスタービン翼の製造方法。
【請求項１０】
前記アーク溶接の電流制御で、溶接終了時の電流波形がダウンスロープになるようにしたことを特徴とする請求項９に記載のガスタービン翼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン翼及びその製造方法に係り、特に翼の内部に冷却ガスを流しこれを循環させるタイプの動翼及び静翼鋳造時に形成される中子支持孔の封止技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの高効率化に伴って燃焼温度が高くなり、ガスタービン翼の構造や材料もそれに対応して高度化している。翼の構造に関しては翼の温度上昇を抑えるため内部に冷却媒体が流れる通路が設けられている。この通路は翼の鋳造時に中子を用いて形成されるが、冷却効率を高めるため形状が複雑になる。翼の肉厚の偏りの少なくするには中子が鋳造時の湯の流動圧力で動かないように外部から支持する必要がある。この支持のため鋳造後の翼先端部や翼面にはいくつかの鋳孔が残る。この鋳孔を残した状態でガスタービンに組み込んだ場合、冷却媒体が鋳孔から放出され燃焼ガスの温度が低下しガスタービンの発電効率が低下するため、高効率のガスタービンではこのような鋳孔は封止される必要がある。
【０００３】
一方、ガスタービン翼の材料も高度化し、Ｎｉ基合金ではγ´（Ｎｉ3Ａｌ）の析出硬化タイプの超合金が主として用いられているが、高温での強度、耐酸化性を高めるための元素が多量に添加されている。これらの元素の多くは溶接の観点からは割れ感受性をたかめるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
Ｎｉ基超合金の鋳孔の封止に、例えば実稼動によって損傷した翼の補修に一般に使用されるＴＩＧ（特開Ｈ5−192785）や粉体プラズマ溶接（特公平6−47168）を適用することが考えられる。しかし、孔周辺からの拘束力が大きいため溶接金属部や熱影響部に凝固割れや再熱割れが生じて健全な溶接部が得がたい。
【０００５】
また、アーク溶接により鋳孔を封止する場合、アークで溶融した金属が凝固する際、溶融部は母材側からの冷却により急速に凝固するため最終凝固部となる中心部は溶融金属が不足し、ひけ巣が形成され空洞状の欠陥が残る。このような欠陥は運転中の翼の割れ起点となる。
【０００６】
一方、Ｎｉ基超合金の接合方法として低融点ろう材を用いた液相拡散接合が開示されているが（特開Ｈ4−231182）、接合面にＢ,Ｓｉ等のろう材成分の拡散処理に長時間を要し、また完全な拡散ができないために十分な高温強度が得られない欠点がある。
【０００７】
本発明は、溶接により封止してなる鋳孔封止部の溶着金属部に凝固割れや再熱割れの発生を低減したガスタービン翼を提供することを第１の課題とする。
【０００８】
また、本発明は、第１の課題を達成するガスタービン翼の製造方法を提供することを第２の課題とする。
【０００９】
また、第１、２の課題に加えて、溶接金属中心部のひけ巣による欠陥を低減したガスタービン翼及びその製造方法を提供することを第３の課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の課題を解決するため、本発明のガスタービン翼は、内部に冷媒が流れる構造を有するＮｉ基超合金を鋳造して形成された単結晶合金又は一方向凝固合金からなり、鋳造時に形成される翼先端あるいは翼面の鋳孔に挿入して溶接された溶加材を有し、前記溶接により溶融された溶接金属中に占めるＮｉ基超合金母材の溶融量が５０％以下であることを特徴とする。
【００１１】
すなわち、溶接金属中に占めるＮｉ基超合金母材の溶融量を５０％以下とすることによって、Ｎｉ基超合金母材の過度の溶融を防いで、溶接金属中に含まれる凝固割れや再熱割れの要因となる元素の含有量を低減することにより、第１の課題を解決するものである。
【００１２】
第２の課題を解決するため、本発明のガスタービン翼の製造方法は、鋳造時に形成される翼先端あるいは翼面の鋳孔をアーク熱で封止するにあたって、鋳孔を単純形状に加工して、前記鋳孔の形状に適合した形状を有する溶加材を前記鋳孔に挿入配備してアーク溶接し、このアーク溶接に際し、溶接金属中に占めるアークで溶解したＮｉ基超合金母材の溶融量が一定量以下になるようにアークの熱集中性を高め、かつ入熱量を制御することを特徴とする。
【００１３】
これにより、Ｎｉ基合金母材の過度の溶融を防ぎ、溶接金属中に含まれる凝固割れや再熱割れの要因となる元素の含有量を低減することができる。特に、鋳孔の封止材を溶接ワイヤを送給して形成するのではなく、予め鋳孔の形状にしたがって加工した円錐台形か円筒状の単純形状のものを鋳孔に挿入配置することを特徴とする。これにより、ＴＩＧ溶接などの溶接時にアークのスタートから溶加材を加熱できること等、凝固割れや再熱割れの要因となる母材の過度の溶融を防ぐことができる。
【００１４】
また、ＴＩＧ溶接などの溶接による溶接金属中に占める母材の体積割合は、５０％以下であることが好ましい。これは、Ｎｉ基超合金母材の溶融量が、溶接金属中に占める母材の体積割合で５０％を超えると、凝固割れや再熱割れが生ずる確率が急に高くなるからである。
【００１５】
更に、ＴＩＧ溶接による場合は、アークの集中性を高めるために、シールドガスにアルゴンと水素の混合ガスまたは、アルゴンとヘリウムの混合ガスを使用することが望ましい。これによれば、それらのガスの熱ピンチ効果によるアークの収斂作用により、アークのエネルギー密度を高めてアーク熱をできるだけ溶加材に集中することができる。
【００１６】
更に、上記ＴＩＧ溶接において、アークの集中性を高めるために、鋳孔の周辺に電気絶縁性と耐熱性を有するマスク材を配備することが好ましい。これによりとくにアークの広がりに対して鋳孔（封止孔）の寸法が小さい場合には母材がアークに直接晒されず、母材の過度の溶融を防ぐことができる。
【００１７】
更に、上記ＴＩＧ溶接において、アーク熱を主に溶加材に集中することに加え、アンダーカット等の欠陥がなく封止部の裏波が健全に形成される最小限の入熱量を短時間で投入することで、アーク熱の周囲への拡散によるＮｉ基超合金母材の溶融の進行を避けることができる。なお、本発明によるＴＩＧ溶接時間は、ピーク電流の通電時間を１秒以下、できれば０.５秒以下が好ましい。
【００１８】
言い換えれば、本発明のＴＩＧ溶接による鋳孔封止は、溶加材中のＡｌとＴｉの合計含有量を一定量以下に抑えることを特徴とし、これにより、凝固割れや再熱割れを低減する溶接部を得ることができる。これは、Ｎｉ基超合金は析出硬化型の合金であり、Ａｌ、Ｔｉの他多くの添加元素を含んでおり、前記Ｎｉ基超合金が溶接後に凝固する際、柱状晶が成長し易く柱状晶の間に合金元素や不純物が多く集まり、凝固割れを生じ易く、また、溶接部が鋳孔のような形状の場合、周辺からの拘束力が大きくなり割れがさらに助長され易く、さらに、溶接後の時効熱処理過程で結晶粒内の相対強度が粒界よりも高くなり熱応力も加わって時効割れが生じ易くなる。このため、ＡｌとＴｉは、特に高温で析出硬化して延性を低下させ、鋳孔をＡｌ、Ｔｉを多く含むＮｉ基単結晶合金或いは一方向凝固Ｎｉ基合金の翼材と同様の組成の溶加材を用いて従来のＴＩＧで封止溶接すると、凝固割れや再熱割れが生じて健全な封止部が得られないので、母材のＮｉ基超合金に比べＡｌやＴｉ等の添加元素が少なく延性に富んだ溶加材を用いる必要がある。なお、前記溶加材としては、ＡｌとＴｉの合計含有量が２.０重量％以下、できれば１.０重量％以下の材料を選ぶことが好ましい。
【００１９】
また、第３の課題を解決するため、本発明のガスタービン翼の製造方法は、溶融部の急速な冷却で溶融金属の供給不足によって生ずるひけ巣に対しては、ＴＩＧ溶接終了時の最終凝固点がガスタービン翼の表面近傍となるように電流制御することによって、前記表面近傍の余盛り部を設けること等で、多少の欠陥が残っても後で機械的に削除することができる。また、削除しなくとも表面部をより小さい電流で再溶融することによって欠陥を排除できる。
【００２０】
この場合の電流制御は、溶接電流を切断する際、電流波形がダウンスロープ状になるように電流制御することで、ひけ巣の発生を効果的に抑制できる。この場合、翼の裏面（内面）にひけ巣による欠陥ができた場合はその後の除去が困難であるが、鋳孔中心部では最初に裏面から凝固が始まり最終凝固点が表面近傍になるように電流のダウンスロープ制御をすればよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図１から図５及び表１から表５を用いて説明する。
【００２２】
（実施例１）
まず、表１に示す組成のＮｉ基超合金を用い、図３に示すように精密鋳造により単結晶のガスタービン翼を用意した。ここで、表１は、本実施例の封止溶接に用いたＮｉ基単結晶合金の化学成分（ｗｔ％）を示す化学成分表を示す。この翼の先端面３３には中子を支持した鋳孔３２があり、この鋳孔は深さ１.５ｍｍで機械加工により外径４ｍｍ、内径３.５ｍｍのテ―パ状の加工を施した。溶加材は表２に示す組成の材料（Ａ材）を用い、図２に示す形状の封止材に加工した。ここで表２は、封止溶接に用いた溶加材の化学成分（ｗｔ％）を示す化学成分表である。本実施例の場合、封止材は加工した鋳孔の容積より２０％大きくなるような形状に加工した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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図１に示すように、封止材１を鋳孔２が塞がるように置き、入熱量を溶接電流と溶接時間で変化させながらＴＩＧでスポット溶接した。タングステン電極４は直径０.５ｍｍとし、シールドガス６にはアルゴンの他にアークの集中性を高めるため、アルゴンと５％水素、アルゴンと５０％ヘリウムの混合ガスを用いた。また、アークの集中性を高めるためのもう一つの方法として、溶加材周辺に母材と電気的に絶縁したタングステン製の図４に示すマスク４８を置いて溶接することも実施した。溶融金属中央部のひけ巣防止のために行った図５に示す電流値のダウンスロープ制御５２は溶接終了後１秒で電流値が零になるようにした。
【００２５】
表３に本実施例の溶接条件と封止結果をまとめて示す。
【００２６】
【表３】
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Ｎｏ.１からＮｏ.７は溶加材に表２に示すＮｉ合金を用いアルゴンをシールドガスとした場合の入熱量の影響をみたものである。入熱量が０.５ｋJでは溶加材の裏面が完全に溶融せず良好な裏波が形成されなかった。０.７５ｋJ以上で溶加材が完全に溶融し裏波が形成されるが、１.５ＫＪ以上になると母材の溶融比が５０％以上になり、封止部に割れが生じた。Ｎｏ.８からＮｏ.１０はアーク集中の効果をみたものである。シールドガスにアルゴンに５％水素及び５０％ヘリウムを混合することによって、また、溶加材周辺にタングステン製のマスクを置くことで、アルゴンのみでは裏波が形成されなかった入熱条件（Ｎｏ.２）でも良好な封止ができることがわかる。Ｎｏ.１１とＮｏ.１２は電流のダウンスロープ制御をおこなったものである。Ｎｏ.１からＮｏ.１０では全て溶融金属の中心部にひけ巣が発生し、その部分に微小な欠陥がみられたが、ダウンスロープ制御することによってひけ巣の発生が完全に抑制された。
【００２７】
Ｎｏ.１３からＮｏ.１４は溶加材に表２に示す溶加材Ｂを用いた実施例である。この場合、溶加材Ａで良好な封止ができる条件においても割れが発生した。
【００２８】
（実施例２）
図４に示すように、表４に示す組成のＮｉ基超合金を一方向凝固させて作製したガスタービン翼を用意し、表面側の径が４.０ｍｍ、内面側の径が３.０ｍｍ、深さ１.５ｍｍのテ―パ状に加工した鋳孔を実施例1と同様の条件で封止した。ここで、表４は、本実施例の封止溶接に用いたＮｉ基一方向凝固合金の化学成分（ｗｔ％）を示す化学成分表である。表５に本実施例の溶接条件と封止結果をまとめて示す。
【００２９】
【表４】
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【００３０】
【表５】
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実施例１と同様に過度の入熱によって母材の溶融量が大きくなると溶接部に割れが発生し、アルゴンと水素やヘリウムの混合ガスを使用及びタングステン製マスクの使用が溶接金属中の母材の溶融比を下げるのに効果があること、さらに電流のダウンスロープ制御によってひけ巣の発生が抑制できることがわかる。
【００３１】
以上述べたように、本実施例によれば、アーク溶接とくにＴＩＧ溶接を行いながら、Ｎｉ基超合金母材から溶接金属中への溶け込みを抑制できるために、封止部に凝固割れや時効割れが発生するのを抑制できる。更に、溶融金属の急激な冷却を抑制できるために、溶接金属中央部のひけ巣による欠陥を抑制できる。これにより、翼の封止工程における不良率を大幅に低減でき、製造コストを低減できる効果がある。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、封止溶接後の溶着金属部に凝固割れや再熱割れの発生を低減することができる。また、溶接金属中心部のひけ巣による欠陥を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】予め溶加材を鋳孔に配備してＴＩＧで封止溶接している状況を示す一実施例の断面図である。
【図２】本発明に係る溶加材の形状を示す一実施例の斜視図である。
【図３】本発明に係る鋳孔を有するガスタービン翼を示す一実施例の斜視図である。
【図４】溶加材の周辺にＭｏ製のマスクを配備してＴＩＧで封止溶接している状況を示す一実施例の断面図である。
【図５】本発明に係る溶接電流のダウンスロープ制御を示すグラフである。
【符号の説明】
１、２１、４１  溶加材
２、４２  鋳孔
３、４３  ガスタービン翼
４、４４  溶接電極
５、４５  溶接トーチ
６、４６  シールドガス
７、４７  アーク
３１  タービン基部
３２  鋳孔
３３  ガスタービン翼の先端面
３４  ガスタービン翼の翼面
３５  ガスタービン翼
４８  マスク
５１  溶接ピーク電流
５２  溶接電流ダウンスロープ
５３  溶接溶接電流切断
【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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