(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン内での高温作動を経験したガスタービンエンジン製品の製品部分を補修するための方法において、該製品がＣｒ及び合計６重量％以上のＡｌ及びＴｉを含んだＮｉ基超合金でできており、上記製品部分が外表面とその上に付着した高温環境抵抗性被膜を含んでおり、当該方法が下記の段階：
上記製品部分の外表面から上記被膜を除去する段階、
少なくとも製品部分を、６重量％超で２０重量％以下のハロゲン化水素ガスと残余の主に水素ガスを含んだ還元性混合ガスに、１６００°Ｆ〜２０００°Ｆ（８７１℃〜１０９３℃）の範囲内の温度にて、２時間以上で金属硫化物、Ａｌ、Ａｌ酸化物、Ｔｉ及びＴｉ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種類の物質を上記外表面下０．００３インチ（０．０７６ｍｍ）までの深さの製品部分内部から除去するのに十分な時間、曝露する段階、及び
上記製品部分を再被覆する段階
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記製品が実質的に単結晶及び方向性配向柱状多結晶からなる群から選択されるミクロ組織を含んでおり、前記環境抵抗性被膜がＡｌを含んでおり、前記ハロゲン化水素ガスが１０〜１５重量％のフッ化水素ガスであり、しかも前記曝露の時間が２〜１０時間である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記製品部分が０．０２〜０．０８インチ（０．５１〜２．０３ｍｍ）の肉厚の比較的薄い外壁である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
エンジン内での高温作動を経験したガスタービンエンジン製品の製品部分を溶接補修するための請求項１記載の方法において、該製品がＣｒ及び合計６重量％以上のＡｌ及びＴｉを含んだＮｉ基超合金でできており、上記製品部分が外表面とその上に付着した高温環境抵抗性被膜を含んでおり、当該方法が下記の段階：
上記製品部分の外表面から上記被膜を除去する段階、
少なくとも製品部分を、６重量％超で２０重量％以下のハロゲン化水素ガスと残余の主に水素ガスを含んだ還元性混合ガスに、１６００°Ｆ〜２０００°Ｆ（８７１℃〜１０９３℃）の範囲内の温度にて、２時間以上で上記外表面下０．００３インチ（０．０７６ｍｍ）までの深さの製品部分内部からＡｌ及びＴｉ含有量を実質的に減少させて該製品部分内部にＣｒリッチＮｉ層を与えるのに十分な時間曝露して、製品部分を溶接に適した状態に準備する段階、
上記製品部分を予備加熱せずに室温で溶接補修する段階、及び
上記製品部分を再被覆する段階
を含んでなる方法。
【請求項５】
前記製品が実質的に単結晶及び方向性配向柱状多結晶からなる群から選択されるミクロ組織を含んでおり、前記環境抵抗性被膜がＡｌを含んでおり、前記ハロゲン化水素ガスが１０〜１５重量％のフッ化水素ガスであり、しかも前記曝露の時間が２〜１０時間である、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記製品部分が０．０２〜０．０８インチ（０．５１〜２．０３ｍｍ）の肉厚の比較的薄い外壁である、請求項５記載の方法。
【請求項７】
上記製品部分が製品の突出部である、請求項５記載の方法。
【請求項８】
製品の外表面の内部から硫化物を除去するための請求項１記載の方法において、当該方法が下記の段階：
上記製品の全外表面から被膜を除去する段階、
外表面を、６重量％超で２０重量％以下のハロゲン化水素ガスと残余の主に水素ガスを含んだ還元性混合ガスに、１６００°Ｆ〜２０００°Ｆ（８７１℃〜１０９３℃）の範囲内の温度にて、２時間以上で０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）までの深さの製品部分内部から金属硫化物を除去するのに十分な時間曝露する段階、及び
上記製品部分を再被覆する段階
を含んでなる方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、金属硫化物を除去した後、再被覆する前に、
粉末補修合金を上記外表面に塗布し、かつ
外表面及び補修合金を加熱して補修合金を外表面内部及び金属硫化物の除去で残留したボイド内に拡散させる、方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、
粉末補修合金が合金粉体の混合物であり、しかも
外表面及び補修合金を２２００°Ｆ〜２２５０°Ｆ（１２０４℃〜１２３２℃）の範囲内の温度に加熱する、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、例えばガスタービンエンジンの高温部に使用されるタイプのＮｉ基超合金製品の補修に関するものであり、より詳細には、エンジン作動中に損傷を受けた表面壁、突出部(projection)その他の外表面をもつ製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンに使われる最先端の高温Ｎｉ基超合金製品、特に空冷式で比較的複雑な内部冷却室及び通路を有するものは製造が困難であるとともに高価である。したがって、そうした製品がエンジン作動中に損傷を受けた場合、その製品を交換するよりは補修するほうがずっと望ましい。そのため、様々な補修方法が開発され、報告されている。
【０００３】
幾つかの報告された方法では、後段での補修の準備において表面上の不純物を除去するためにフッ化物イオンが用いられる。例えば、製品表面のき裂又は割れ目のろう付型補修の準備として、Ｋｅｌｌｅｒ他の米国特許第４０９８４５０号（１９７８年７月４日発行）では、そうした損傷部分の表面をフッ化物イオンに曝露することによってＡｌ及び／又はＴｉの酸化物を除去している。次に、補修合金が清浄化部分に流し込まれる。このようなフッ化物イオンの使用方法の修正法がＣｈａｓｔｅｅｎの米国特許第４１８８２３７号及び同第４４０５３７９号（それぞれ１９８０年２月１２日及び１９８３年９月２０日発行）に報告されており、この修正法ではフッ化物イオン源としての有機樹脂を使用することで製品表面を清浄化して該表面をろう付により適した状態にすることが意図されている。フッ化物を含むガスは表面を脱炭するためだけでなく、ある種の熱処理における酸化を防止するための酸素に対する「ゲッタ(getter)」雰囲気として作用させるために用いられている。
【０００４】
このようなろう付のための表面の準備についての報告例はいずれも、溶接のために製品表面下の損傷部位を準備することに関連した問題を扱ったものではなく、そうした場合例えばき裂、割れ目、摩耗もしくは摩滅表面又は全壁部分などの損傷部位は広すぎてろう付できない。そうした場合、相当な量の補修合金を溶接によって添加しなければならず、しかも、エンジン駆動Ｎｉ基超合金製品、特に製品の比較的肉薄部分の外壁の補修においては溶接性及び密着性を含めた溶接保全性が重大な問題となる。実質的に単結晶又は一方向凝固柱状多結晶製品として製造されるタイプの一段と高度に合金化された先端Ｎｉ基超合金では、首尾よく補修溶接するのが特に難しい。補修溶接部位がバンド、プラットホームのような突出部、並びにブレードの翼端や翼前縁や翼後縁のような複雑な形状の存在する肉薄外壁部の場合には、補修溶接の問題はいっそう難しくなる。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、その一つの形態において、エンジン内での高温作動を経験したガスタービンエンジン製品の例えば羽根、外壁、バンド、プラットホームやリップなどのような突出部などの製品部分を補修するための方法であって、該製品がＣｒ及び合計約６重量％以上のＡｌ及びＴｉを含んだＮｉ基超合金で作られている製品部分の補修方法を提供する。かかる製品は外表面上に高温環境抵抗性被膜を含んでいる。この方法は、少なくとも補修すべき製品部分から被膜を除去し、次いで、少なくとも該製品部分を約６重量％超で約２０重量％以下のハロゲン化水素ガスを含んでいて残余が主に水素ガスであるような還元性混合ガスに曝露することを含む。曝露は、約１６００°Ｆ〜２０００°Ｆの範囲内の温度にて、約２時間以上、好ましくは２〜１０時間、上記製品部分内部から硫化物並びにＡｌ元素及びＴｉ元素及びそれらの酸化物から選択される物質を除去するのに十分な時間行われる。
【０００６】
一つの具体的な形態では、かかる方法は、空冷製品の比較的肉薄の外壁でその肉厚が約０．０２〜０．０８インチであるような形態の製品部分の溶接補修の目的に利用される。別の形態では、本発明の方法は、エンジンのバンド部材或いはプラットホームやリップのような時としてブレード、ベーン、ディスク、ドラムなどに付随していることもある突出部などの実質的に中実の部材の溶接補修の目的に利用される。曝露の時間は、かかる製品部分内部（例えば約０．００３インチの深さまで）からＡｌ及びＴｉ含有量を実質的に減少させて該製品部分内にＣｒリッチＮｉ層を与え、製品部分を溶接補修に適した状態に準備するのに十分な時間である。これらの段階によって、従来かかる補修に必要とされかつ用いられてきた例えば約１５００°Ｆ〜１８００°Ｆの範囲の高温ではなく室温に製品母材をおいたまま良好な溶接補修ができるようになる。
【０００７】
さらに別の形態では、本発明の方法は、製品の外表面の本体内部から高温腐食生成物（通例合金自体に含まれる不純物だけでなくエンジン作動中に発生する硫化物）を、約２時間以上約０．００５インチまでの深さの製品部分内部からかかる生成物を除去するのに十分な時間外表面を還元性混合ガスに曝露することによって除去する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
比較的狭いき裂、割れ目及び侵食部を補修するのに時としてろう付を使用できることもある。しかし、約０．０２インチを超えるような欠損部位をもつ損傷部分は一般にろう付で補修するには広すぎて、適合性溶加材での溶接によってふさがなければならない。一例を挙げると、このような材料欠損は一般に羽根形部材の後縁、両側面及び／又は前縁でみられることがある。常用される溶接法の一つは当技術分野においてガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）として知られている。超合金製品の補修には、ＧＴＡＷは一般に超合金溶加材を用いるが、かかる超合金溶加材は製品を構成する合金と適合性のもので、好適には同一もしくは実質的に同一のものである。しかし、公知の補修溶接では、溶接部が溶接補修部に密着又は結合するような状態に表面を準備しておくために、溶接すべき製品を例えば約１５００°Ｆ〜約１８００°Ｆの範囲の高温に予備加熱する必要があった。本発明の方法では、かかる予備加熱なしで室温で補修すべき表面を溶接できるように準備する。
【０００９】
金属硫化物のような高温腐食生成物の除去に関する本発明の方法の形態に関して、フッ化物イオンを用いる公知の表面洗浄法はそれを製品本体内部からの金属硫化物の減少に用いると鋳造Ｎｉ基超合金内部で過度の粒界侵食を起こすことが認められた。本発明の還元性混合ガスを使用すると、このような母材金属の粒界侵食を起こさずに硫化物を減少させることができる。
【００１０】
前述の通り、本発明の形態は、ガスタービンエンジン製品の外壁部分又はその他の部分（例えば実質的に中実の製品突出部又はバンド部材）のような、製品部分の補修に関する。一般に、かかる補修は約０．０２インチを超える表面領域に関するもので、き裂や割れ目だけでなく、摩滅、エロージョン及び摩耗領域、さらにはその部分の材料が完全に失われているような壁部分を貫通した比較的大きな穴も含まれる。また、一般に表面の酸化物、硫化物、炭化物、不純物などを除去するための公知の表面洗浄法と本発明を対比すると、本発明は、外表面上だけでなく製品本体内部（例えば壁部分内部）からも上述の生成物を減少させることを特徴とする。溶接補修に関する本発明の形態においては、ＡｌやＴｉのような元素はそれらの酸化物態としてだけでなくγ′相生成元素としての元素態としても製品本体内部から除去され、ＣｒリッチＮｉ層を与えて、外表面であろうがき裂や割れ目からあろうがその部分を溶接に適した状態にする。金属硫化物の除去に関する形態では、燃焼生成物としての或いは燃焼に関連した硫化物は製品本体内部で減少し、金属硫化物が存在していた場所にボイド（void；空洞）が残る。本発明の一つの形態では、粉末補修合金の塗布によって少なくとも表面又は表面付近のボイドを処理し、補修合金を加熱して、金属硫化物の除去に伴ってボイドを生じた製品部分内部へと補修合金を拡散させる。
【００１１】
ＡｌとＴｉはＮｉ基超合金における重要なγ′強化元素であるが、それらが表面部分に存在していると溶接性や密着性などの補修溶接の保全性に悪影響が生じるおそれがあることが認められた。本発明の評価において、溶接すべき表面部分からＡｌ及びＴｉを実質的に除去することができて、溶接領域にＣｒリッチＮｉ層が残るようできれば、溶接すべき母材部分の高温予備加熱を行わずに、室温でＧＴＡＷのような補修溶接を用いることができることが認められた。これによって格段に良好かつ格段に簡単で、しかも公知の補修方法よりも経費のかからない補修方法が得られる。さらに、約０．０２〜０．０８インチの範囲の比較的肉薄の壁の補修も、より良好な溶接部及び室温での作業を介して、比較的肉薄の構造体を溶接の準備のために高温に予備加熱したときに付随しかねない変形の問題が回避されるので、改善される。
【００１２】
【実施例】
一つの実施例において、ガスタービンエンジンの空冷高圧タービンノズル製品を高温エンジン作動後に検査した。このノズルは、出口としての冷却開口部へ通じる空気冷却通路を通してノズル表面に連絡した空冷内部空間を有する一方向凝固鋳造構造体であった。この製品はＲｅｎｅ′１４２と呼ばれる１２重量％Ｃｏ、６．１重量％Ａｌ、６．８重量％Ｃｒ、６．４重量％Ｔａ、５重量％Ｗ、１．５重量％Ｍｏ、２．８重量％Ｒｅ、１．５重量％Ｈｆ、０．１２重量％Ｃ、０．０１５重量％Ｂ及び残部のＮｉと随伴不純物からなるＮｉ基超合金で作られていた。この合金にはγ′相生成元素のＡｌが約６．１重量％含まれていた。この合金は約０．０５〜０．０８インチの厚さの外壁部分を含んでおり、米国特許第３６６７９８５号（Ｌｅｖｉｎｅ他、１９７２年６月６日発行）に概説されているＣｏｄｅｐアルミニド被膜として商業的に入手可能なアルミニド被膜で被覆されていた。このノズルをエンジン作動後に検査したところ、焼け、エロージョン及び０．０２インチを超える幅又は深さの材料欠損を含む外壁部分の損傷がみられた。検査後、まずグリットブラストを行い、次いで約５０重量％の硝酸と約５０重量％のリン酸を含んだ市販の酸性除去液に約１７０°Ｆの温度で２時間製品を接触させることにより、製品全体から被膜を取り除いた。次に、製品を、本発明の範囲内の還元性混合ガス、好ましくは約１０〜１５重量％のフッ化水素ガスを含んでいるものに曝露した。この例では混合ガスは基本的に約１３重量％のフッ化水素ガスと約８７重量％の水素ガスからなっていた。製品は約１９００°Ｆで約４時間曝露したが、これは外壁表面部分から約０．００３インチの深さまでγ′生成元素（Ｒｅｎｅ′１４２合金では主にＡｌ）を実質的に除去して後段での溶接保全性により適したＣｒリッチＮｉ層を与えるのに十分な時間であった。次に、損傷外壁部分を、Ｒｅｎｅ′１４２合金組成と実質的に同一の溶接ワイヤを用いて、予備加熱せずに室温でのＧＴＡＷにより溶接した。この方法により、密着溶接部を含んだ溶接補修壁部分が得られた。溶接及び検査の後、補修した外壁部分をＣｏｄｅｐアルミニド被膜で再被覆した。
【００１３】
上記の実施例を、Ｒｅｎｅ′Ｎ４と呼ばれる公称７．５重量％Ｃｏ、４．２重量％Ａｌ、９．８重量％Ｃｒ、３．５重量％Ｔｉ、４．８重量％Ｔａ、６重量％Ｗ、１．５重量％Ｍｏ、０．５重量％Ｎｂ、０．１５重量％Ｈｆ、０．０６重量％Ｃ、０．００４重量％Ｂ及び残部のＮｉと随伴不純物からなるＮｉ基超合金で作られた同様のノズルで繰り返した。この合金にはγ′相生成元素のＡｌ及びＴｉが合計で約７．７重量％含まれていた。このノズルを上記の手順で補修したところ、同様に良好な結果を得た。
【００１４】
本発明の一つの形態では、上記のタイプの超合金製品の補修に先立って、金属硫化物のような高温腐食の表面下の生成物の除去が含まれる。このような表面下の化合物はその場所に残留すると、製品の早期劣化につながりかねず、特に比較的肉薄の製品壁ではそうである。一つの実施例では、最初の実施例で説明したタイプの空冷高圧タービンノズルで上記のＲｅｎｅ′１４２超合金で作られたノズルをエンジン内での高温作動後に検査した。外壁部分の本体内部に高温腐食金属硫化物生成物が含まれているのが分かった。上述の通りグリットブラスト処理及び続いて市販の化学酸除去液を用いて、外壁全体からＣｏｄｅｐアルミニド被膜を取り除いた。次に、被覆を取り去った外壁を上記の還元性混合ガスに約１９００°Ｆにて約４時間曝露した。この形態の本発明方法を評価したところ、かかる曝露時間は約０．００５インチまでの深さの金属硫化物を減少し除去するのに十分であり、それらが存在していた場所にボイドが残った。この実施例では、ＰＡＣＨ合金と呼ばれることもある米国特許第４８３０９３４号（Ｆｅｒｒｉｇｎｏ他、１９８９年５月１６日発行）に詳細な記載のある合金粉体混合物の形態の粉末補修合金を表面に塗布することによって、ボイドを補修した。米国特許第４８３０９３４号の記載内容は文献の援用によって本明細書中に取り込まれる。ＰＡＣＨ合金粉末混合物を表面に塗布し約２２００°Ｆ〜２２５０°Ｆの範囲内の温度に加熱して合金混合物を表面及び表面下のボイドに流動及び拡散させた。しかる後に、外表面を上記のＣｏｄｅｐアルミニド被膜で再被覆した。
【００１５】
本発明の評価に当たって、還元性ガス中にフッ化水素ガスのようなハロゲン化水素ガスが約６重量％を上回る量で必要であり、この量を下回ると実際的な時間内にγ′相生成体のＡｌ又はＴｉ又はその両者を減少し除去するには不十分であることが判明した。また、かかるガスが約２０重量％を上回ると、約１６００°Ｆ〜２０００°Ｆの温度範囲で約１０時間を超える曝露時間で、過度の粒界侵食又は合金減損が起こることが認められた。本発明の方法では、約２〜１０時間の範囲内の時間が好ましく、特に約２〜６時間の範囲が好ましい。
【００１６】
本発明の方法により、ＣｒリッチなＮｉ層を生じさせることを目的とした補修すべき部分の本体内部からのＡｌやＴｉなどのγ′強化元素の除去を介しての溶接保全性の向上により、上述したような製品の改善された補修が可能になる。加えて、本発明の方法は、構造劣化を防止するための、構造体本体内部からの金属硫化物のような高温腐食生成物の低減及び除去を可能にする。
【００１７】
本発明を様々な具体例、実施形態及び組み合わせについて説明してきたが、本発明について、特許請求の範囲によって規定されるその技術的範囲を逸脱することなく、多種多様な修正、変形及び拡充が可能であることは当業者には明らかであろう。