JPS5946302B2 - タ−ビン部品の再生加工法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、羽根又はブレード等のタービン部品の摩耗部
分を再生する方法、とくに、この摩耗部分に金属を成層
したのち、これを加工および処理することによつて有効
寿命を延長させるような方法に関する。

従米、航空機エンジン、動力部等に用いられるタービン
部品は有効寿命が限られており、その期間が過ぎるとこ
れらの部品は取り外されて廃棄され、再び用いられる可
能性はない。

かかる部品の初期製造コストは著るしく高いため、ター
ビンの維持に含まれる費用も大であつた。この費用は装
置の使用による損失と新規に部品を作るための労賃であ
る。機構を常時信頼できる状態に維持するためには部品
の交換をしばしばおこなう必要があり、このため費用も
嵩む。タービン等の装置に新しい部品を交換することに
よる前述の欠点は本発明により解消される。

本発明の目的は、高品質と信頼性が保障でき、かつ、部
品の摩耗、摩滅に対する費用をも含めた全体のコストを
減少させうるタービン部品再生法を提供するにある。本
発明による方法にしたがえば、再生された部品は、強度
およびパーフオーマンスも良好で、タービン以外の分野
にも適用が可能である。本発明の他の目的は、大規模な
実施が可能であり、かつ、比較的低コストで許容された
再生部品が作成されるタービン部品の再生法を提供する
にある。

上記の目的は、タービン部品と同様のコバルト量ならび
に数パーセントのケイ素をそれぞれ配合した成層用合金
材料を混合調合し、この調合された材料に１０パーセン
ト又はそれ以上のケイ素を添加し、この調合材料ととも
に添加ケイ素を溶融合金にし、この溶融合金をタービン
部分の浸食された表面上に付与して基材表面上に層を形
成させ、前記部品を炉中で１１００℃以上の温度で焼成
することにより表面上に付与されたケイ素含有溶融合金
中の添加ケイ素のほとんどを燃焼除去せしめて成層合金
をタービン基材材料と同一組成分とし、このタービン部
分を取出して冷放し、次いで部品の成層部分を研摩して
部品の原形状、寸法と同一にすることを特徴とする、数
パーセントのケイ素を含有するとともにコバルトを実質
量含有する合金からなる羽根状タービン部品の再生加工
法により達成される。

本発明による方法は、クラツク、大きな孔又はその他の
欠点のない稠密で均質表面を形成しうる再生部分の表面
を提供する。

浸食部分に付与される材料の結合力は、とくに強く、翼
部を連続使用しても分離、折損し難い。本発明の特徴な
らびに利点は、本発明の具体的態様を図面に基いて説明
することにより明らかとなる。

第１図ないし第５図において、本発明は、摩滅やひび割
れを生ずる羽根やブレード等のタービンの翼表面部分を
形成するための新規で改良された方法に関し、これらの
翼部分を元の部分と正確な同一寸法関係に修復しようと
するものである。

本発明による方法は、折損、剥離又は引き離しに対する
高い耐性を有する基体金属と形成表面間の結合により、
とくに均一で稠密な表面特性を与えることができる。第
１図ないし第４図は、以下に述べるプラズマ噴射法を施
した羽根１０を示す。

この羽根はおう状および、とつ状の翼部分１２，１４、
先端部１６および後端部１８を有するとともに、翼部分
の間に内部空間を有する中空体の形態である。第２図に
示される冷却通路２２は内部空間２０と連通している。
第３図および第４図に関して、符号２４で示す部分はプ
ラズマ噴射法により羽根の表面に付加された金属の層を
示す。

この金属の層は約３−４万分の２５．４ｍｍ程の厚さで
あり、かつ、後端部１８に向つて減少させるか、又は図
示のように均―厚さとすることができる。羽根部分１０
に金属被覆をおこなうための２種の方法を第５図および
第６図にそれぞれ示している。第５図は、以下に述べる
ように、シリコンを添加すること以外は、羽根材料と一
般的に同様な組成を有する溶融金属粉体の微粒子を噴霧
状２７に放出するノズル２５を備えた粉体型プラズマ噴
射装置２３を示す。この噴射装置は約３８８０℃（７０
００′Ｆ）の温度で、水素、アルゴン又はヘリウムの雰
囲気中に送られる金属の粉体を溶融する。第６図は別な
方法であつて、シリコンを添加して、羽根の基本金属と
同様な組成を有する線状合金材料を気化せしめる線材型
プラズマ噴射装置２９を示す。合金の線材３１の気化に
より生ずる溶融金属の粒子は羽根１０上に噴射される。
この線材型プラズマ噴射装置の気化作用は、トーチ（図
示せず）等の酸化アセチレンの炎の熱によりおこなわれ
る。第５図の粉体型プラズマ噴射法にしろ、第６図の線
材型プラズマ噴射法にしろ、表面密度ならびに基体金属
との結合の観点から優れた結果を与える。基体金属の合
金はコバルトベース合金として知られているものが用い
られるが、下記の表に示す組成成分を有するヘイネス合
金（ＨａｙｎｅｓＡｌｌＯｙ）＃２５又は＃３１等の製
品を用いることもできる。ヘイネス合金＃２５の基本化
学分析（重量部）上記の合金は以下に述べるように羽根
に各種の溶接作業をおこなうためにも用いられ、Ｌ一６
０５の商品名で知られる溶接棒又は線材の形態で提供さ
れる。粉体型プラズマ噴射法により金属被覆をおこなう
ためには、土述の組成を有するヘイネス合金は基体金属
と本質的に同一組成を有する粉状金属を形成して用い、
これに、１０％以上のオーダーのケイ素が添加される。

プラズマ噴射の間に発生する熱は、調合のため１０％付
加されたケイ素のほとんどを燃焼させることにより、成
層金属として残るものは上述の表の組成成分を有する基
本金属と同様な組成のものである。線材型プラズマ噴射
法においては、ケイ素が線材合金に含有される量の１０
％又はそれ以上のオーダーの量で線材に添加され、この
添加されたケイ素は噴射の間又は後に燃焼し、したがつ
て、成層された金属は基体金属と同様の組成成分を有す
る。基体金属１２，１４と成層金属２４間の結合は特に
強固で耐性があり、羽根の使用中に脱落することがない
。

羽根の補修工程において、使用された部材は次のように
処理される。

１．使用された羽根を約８２℃（１８０′Ｆ）の塩酸浴
中に３−４時間入れて汚物、油等を除去する。

２．水で洗浄したのち１１９０℃（２１７５Ｔ）で２時
間減圧焼鈍する。

３．焼鈍された羽根を肉眼で検査する。

４．羽根をケイ光浸透剤を用いて検査する。

５．翼部先端および後端部のすべてのクラツクを溶接し
、それとともに空冷孔２２も溶接する。

６．もし羽根の後端部が磨耗して薄くなつていたら、こ
の部分を、ヘイネス＃２５溶接棒を用いて好ましくはタ
ングステン不活性ガス法により溶接して厚く盛り上げる
。

７．この羽根を第５図又は第６図に示すプラズマ噴射法
により、ケイ素を添加した合金を用いて３−４万分の２
５．４ｍ７！Ｌの厚さに形成する。

この羽根がヘイネス＃２５合金（上述の組成成分）で構
成されている場合、プラズマ噴射法で用いられる粉状金
属又は線材の調合は同一の合金成分であり、付加的にケ
イ素（好ましくは約１０％量）を添加する。８．この羽
根を第１２図中に示すように、減圧炉叉は水素炉３７（
５ミクロン）中で約１２００℃（２２００′Ｆ′）で１
時間、焼成し、それから冷却する。

なお、この炉は加熱要素３９と、多数の羽根１０を保持
するための支持部材４１を有する。９．冷却後、羽根は
、密閉カバーを備えたタンク３５を有する第１１図の圧
力窯中に置かれ、ここで１１００℃（２０００Ｔ）以上
、および１０５４ｋｇ／Ｃｄ（１５０００ＰＳＩ）以上
の圧力で４時間焼成する。

この操作は形成された層の稠密化を増大させ、かつ、形
成されたプラズマ噴射層と羽根の磨耗した基体物質問の
結合力を改良する。金属中の微細な孔は縮少され、表面
土の欠陥は冶金学的に治癒され、かつこの段階によつて
大巾に除去される。この熱と圧力はアルゴンガスの雰囲
気中でおこなうことが好ましい。第１４図はプラズマ噴
射を受けた後であるが、タンク３５中で焼成される前の
羽根の表面１２を示す。クラツク５０は、小さな気泡を
残して、付着物質２４で部分的に充填されているように
示されている。タンク３５中で高圧焼成をおこなつたの
ちの羽根表面が第１５図中に示されており、この中でク
ラツク５０は実質的に完全に付着物質２４で満たされ、
気孔はほとんど無視できる程度に著るしく小さくされて
いる。１０．翼の表面１２，１４は第１３図の研磨作業
により加工されることにより原状の表面精度が与えられ
、好ましくはドラム４３上を動かされる無端研摩ベルト
４５を翼表面上に直接、接触させるような自動機を用い
ておこなう。

羽根１０の残りの部分は手で研摩するか、又は特殊な機
械（図示せず）を用いてその寸法を原状のそれと同一に
修復する。１１．羽根をケイ光浸透剤を用いて検査する
。

１２．空冷孔２２を、第１６図に示すように、電源（図
示せず）にのびるリード線５８と電極５６を有するハイ
テンシヨンスバーク型放電電極５４を用いて再加する。

電源からの第２のリード線５２は回路を形成するため羽
根に一時的に接続される。１３．羽根を手で磨く。

１４．最後に羽根の寸法精度を検査する。

第７図は、第３図でＸ−Ｘ線で示された部分をプラズマ
噴射法により形成したもので、上述の高圧焼成をおこな
う前の羽根の断面を１００倍に拡大した顕微鏡写真の模
型図である。

オーバーキヤスト金属２４は、境界４６で羽根の翼部１
４の粗面と結合された稠密粗面構造を有する。このよう
な粗面は、プラズマ噴射による金属溶着をおこなう前に
、羽根にサンドプラスト又はボールピーニングを施すこ
とにより形成される。この羽根の翼部分１４は、通常の
ハツチ線を入れた部分で示される。上部層２４の粗面構
造は、断面が、折損しやすい多孔質又はソフトポツト部
分を有することなく、外部表面から境界４６まで連続し
ているため好ましい均一性を有する。このプラズマ噴射
法により得られた金属層は均一かつ高密度であるととも
に、被覆物質と基体金属間の結合は、翼の周囲のいずれ
の部分にも分離をひき起すような痕跡がないため強固で
ある。

所望により、被覆金属表面は最後に耐酸化、耐硫化合金
でコートすることができる。本発明による羽根の改良さ
れた結合力および引張り力は、上述の９番目の段階にお
ける熱と圧力との同時的な付与により与えられる。

所望により、磨耗した羽根の翼部表面にプラズマ噴射を
与える前に、損傷が大で、割れ目を有する羽根を修復す
るため、次のように準備される。

第８図ないし第１０図において、磨耗した羽根をカツト
して端部フランジ２８の隣りにスリツト２６を形成し、
その後の処理の間に羽根に与えられる不均一加熱により
生ずる応力を緩和する。このスリツト２６を形成したの
ち、溶接ビード３０を磨耗により変形した端部に形成し
てもよい。叉、短かいビード３２としで示す溶接される
補修部は、如何なる微細なひび割れをも溶着により埋め
るように先端および後端部に対してなされる。１対のビ
ード３４，３６（おう部及びとつ部表面の磨滅部分を溶
接することにより形成される）は羽根の翼部構造を補強
するように、これらのビードが端部１８とその延長部分
から離れて形成される。

第１０図において、空冷用通路２２はビード４０の溶着
により閉止され、また、スロツト２６はビード４２の溶
着により閉止することができる。その後、羽根は第１図
ないし第６図に示すように合金の層を溶着させるためプ
ラズマ噴射をおこなう。このプラズマ噴射の前に、羽根
の表面をサンドブラスト又はシヨツトピーニング等によ
り処理しておいてもよい。第８図ないし第１０図は、プ
ラズマ噴射により表面形成をおこなう前に、磨耗した羽
根を修復するため採用可能な段階を示すものである。

上述の修復程に要するコストは、この種のタービン羽根
を新たに作成するための初期コストの数分の１に過ぎな
い。

本発明による修復法により形成された製品は新規のター
ビン羽根のために定められた高い標準値にも適合しうる
ものであり、したがつて、本発明はこの分野における顕
著な進歩性を示すものである。土述の説明は羽根加につ
いて述べているが、タービンブレードの修復にも同様な
成功を納めうる。

なお本発明は特定の型のタービン部材に対する適用のみ
に制限されない。本発明の説明に基づき各種の変形及び
修正が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による方法を用いて表面形成された羽
根等のタービンの部品の正面図、第２図は、第１図の羽
根のくぼみ面の正面図、第３図は、第１図の羽根の３−
３線断面図、第４図は、第２図の４−４線断面図、第５
図は、プラズマ噴射装置のノズルから溶融合金をタービ
ンの部品に付与している状態を示す説明図、第６図は、
第５図の別の態様としての線材蒸着型スプレー噴射装置
により溶融合金をタービンの部品に付与することを示す
説明図、第７図は；第３図のＸ−Ｘ線で示す部分を拡大
して示した部分断面図、第８図は、タービン部品を加工
する間におこなわれる溶接段階を示す磨耗したとつ部の
正面図、第９図は、第８図の９−９線断面図、第１０図
は、部品と協働する溶接ビードを示す磨耗部分のくぼみ
部の正面図、第１１図は、タービンの部品に、熱と圧力
を同時に付与するためのタンクの側面図、第１２図は、
複数の部品を焼成するに適した炉の側面図、第１３図は
、部品の翼表面を研摩するための装置の部分説明図、第
１４図は、部品を第１１図に示す加熱圧処理をおこなう
前に、表面上のひび割れ部分を充填材で部分的に埋める
ことを示す、タービン部品の部分断面説明図、第１５図
は、部品が第１１図の加熱加圧工程を受けたのちの部品
断面説明図、および第１６図は、部品の表面が第１３図
の装置による研摩を受けたのち放電加工装置によつて通
気孔を再加工されている状態を示す部分説明図である。 １０・・・・・・羽根、１２，１４・・・・・・翼部分
、１６・・・・・・先端部、１８・・・・・・後端部、
２０・・・・・・内部空間、２３・・・・・・プラズマ
噴射装置、２４・・・・・・金属層、２９・・・・・・
プラズマ噴射装置である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 数パーセントのケイ素を含有し、コバルトを実質量
   含有する合金からなる羽根状タービン部品を修復するに
   際し、前記タービン部品と同様のコバルト量ならびに数
   パーセントのケイ素をそれぞれ配合した成層用合金材料
   を混合調合し；この調合された材料に１０パーセント又
   はそれより多い量のケイ素を添加し；この調合材料とと
   もに添加ケイ素を溶融合金にし；この溶融合金をタービ
   ン部分の浸食された表面上に付与して基材表面上に層を
   形成させ；前記部品を炉中で１１００℃以上の温度で焼
   成することにより表面上に付与された前記ケイ素含有溶
   融合金中の添加ケイ素のほとんどを燃焼除去せしめて成
   層合金をタービン基材料と同一組成成分とし；このター
   ビン部品を取り出して放冷し；次いで部品の成層部分を
   研摩して部品の原形状寸法と同一にすることを特徴とす
   るタービン部品の再生加工法。 ２ 前記タービン部品を高圧窯に入れて１１００℃以上
   に加熱すると同時に１０５４ｋｇ／ｃｍ＾２以上の圧力
   を付与することにより成層合金の稠密化および基材合金
   との結合を強化し、タービン部品を取出して放冷し、研
   摩する工程を有する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ タービン部品の浸食表面のクラックに溶接材料のビ
   ードを形成したのち溶融合金を成層させる工程を有する
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 部品に溶融合金を付与する工程は、粉状金属の溶融
   金属粒子を部品に付与するプラズマ噴射によりおこなう
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 部品の後端の２つの端部の表面部分にスリットを形
   成してこの部分の応力を除去し、この後端部分にそつて
   溶接をおこなつて盛り上げることにより、この部分を補
   強する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 前記スリット部より、後端部から離れて同様にのび
   る羽根の表面部分を溶接することによりこの部分を補強
   し、次いでこの部分に溶融金属を付与する特許請求の範
   囲第５項記載の方法。 ７ 部品の羽根の後端に隣接する通気孔を溶接により閉
   止してからこの部分に溶融金属を付与する特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ８ 後端から離れ、かつ、そこから同様にのびる位置で
   おこなわれる部品の表面上の溶接は、そのくぼみ表面に
   そつて形成される特許請求の範囲第６項記載の方法。 ９ 後端から離れ、かつ、そこから同様にのびる位置で
   おこなわれる部品の表面上の溶接は、そのとつ状表面に
   そつて形成される特許請求の範囲第６項記載の方法。 １０ 前記加熱、加圧工程は、成層された材料がクラッ
   ク中に入り込んで、その内部空間を実質的に完全に埋め
   るような程度で与えられる特許請求の範囲第２項記載の
   方法。