JPS6389607A - 金属物品に合金を付加する方法 - Google Patents

金属物品に合金を付加する方法

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JPS6389607A
JPS6389607A JP62242387A JP24238787A JPS6389607A JP S6389607 A JPS6389607 A JP S6389607A JP 62242387 A JP62242387 A JP 62242387A JP 24238787 A JP24238787 A JP 24238787A JP S6389607 A JPS6389607 A JP S6389607A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ガスタービンエンジンの構成要素に係り、更
に詳細には互いに隣接するタービンベーンの間のノズル
領域のクラスを変更する方法に係る。
従来の技術 ガスタービンエンジンは圧縮機セクションと燃焼セクシ
ョンとタービンセクションとを含んでいる。タービンセ
クション内には回転ブレード及び静止ベーンの交互の列
が配置されている。高温の燃焼ガスがタービンセクショ
ンを通過すると、ブレードが回転駆動され、これにより
回転軸が駆動され、これにより圧縮機セクション及び他
の補助装置を駆動するための仕事が発生される。ガスの
温度が高くなればなる程、タービンセクションに於て抽
出される仕事量が多くなり、またエンビンの全体として
の効率が高くなる。タービンセクションの運転時の耐熱
温度を高くすべく、従来よりコバルト基超合金やニッケ
ル基超合金を使用してタービンエーロフォイルブレード
やベーンが製造されている。かかる材料は高温度に於て
も機械的強度を維持する。
回転ブレードの列の間に配置された静止ベーンは、ガス
流を安定化させ、また回転するタービンブレードの一つ
の列より次の列へガス流を導くよう作用し、互いに隣接
するベーンの間の間隔によりノズル領域が郭定されてい
る。かかるガス流の安定化によりタービンセクションに
於て抽出される仕事量が最適化される。一般にノズル領
域にはガス流の体積流量に関連するクラス番号が与えら
れ、これにより複雑なジオメトリ−のベーンの間の流れ
特性を比較することができる。従ってノズル領域は便宜
上クラス番号の点で定義される。例えば成る特定のモデ
ルのエンジンに於ては、クラス２７のノズルは１．８６
８〜１．８９４ｉｎ”（１２，０５〜１２．２２ｃ／）
のオーブン面積を有しているのに対し、クラス２９のノ
ズルはジオメトリ−に拘らず１．９１９〜１　、　９４
４１ｎ２（１２，３８〜１２．５４ｃＩ２）のオーブン
面積を有している。
使用中には、ベーンに衝突する流動するガス流中に含ま
れる研摩物質や腐食性物質により惹起こされる酸化や金
属の浸食に起因してベーンの表面が劣化する。更に高温
度に於けるガスによる高い荷重によりベーンの変形が促
進され、これによりノズル領域が大きくされ、その結果
タービンの効率が低下する。定期的に行われるエンジン
のオーバホールに於て、ベーンは物理的な損傷が生じて
いるか否か検査され、流路面積の変化の度合やノズル領
域のクラスに対する影響が判定される。かかるベーンが
エンジンに戻される前に、浸食された材料が交換されな
ければならず、またベーンのクラスが変更されなければ
ならない。更に被覆の除去や修繕に起因して金属の一部
が失われたり形状が変化したベーンはそのクラスを変更
されなければならない。
ノズル領域をその元のクラスに戻す（クラスを変更する
）ためにベーンを修正するための幾つかの方法がある。
その一つの方法は熱間打撃や他の手段によってベーンの
トレーリングエツジを湾曲させ、これにより互いに隣接
するベーンの間の間隙を低減することを含んでいる。し
かしかかる湾曲によりベーン内に割れを発生させること
がある応力が発生される。またかかる曲げによりベーン
が過剰に変形せしめられ、これにより内部冷却管を適正
に嵌合させシールすることが阻害されたり、曲げ工程中
ベーンを保持する固定装置がベーンのプラットフォーム
を変形させたりベーンの支柱を圧壊させることがある。
曲げ応力が低減されたとしても、ガスタービンエンジン
に使用される耐熱合金のなかには疲労強度の如き材料特
性に有害な影響が及ぶことに起因して熱開成形したり曲
げ加工したりすることができないものがある。曲げ加工
によってはベーンの表面に金属が戻されないので、強度
は向上されず、ベーンは新しいベーンよりも構造的に脆
弱になり、ベーンの使用寿命が制限される。
タービンベーンのクラスを変更する他の一つの方法は、
米国特許第４，０２８，７８７号に記載された方法の如
く、溶接及びプラズマ溶射の組合せプロセスにより劣化
したベーンの表面に合金を付加することを含んでいる。
このプロセスに於ては、補強を行うべく摩耗した表面に
溶接ビードが付加され、しかる後合金の多数の層がプラ
ズマ溶射により適正な合金厚さになるよう付加される必
要がある。このプロセスは非常に多大な労力を要するも
のであり、溶接工は多数の溶接ビードを狭い表面に付加
し、ベーンを清浄化し、しかる後多数のプラズマ溶射層
を付加しなければならない。
更に溶接工程により発生される熱応力によってベーンが
損傷されることがある。
溶接／プラズマ溶射プロセスに込ける他の一つの問題と
して、劣化が特定の領域に限られていることに起因する
問題がある。劣化はガスの流速が最も高いノズル寸法の
最も小さい領域に於て最も激しいものと考えられる。プ
ラズマ溶射プロセス中には合金が非常に薄い層として表
面に付加され、面積の広い均一なパターンが形成される
。プラズマ溶射の完了後には過剰の材料がベーンの浸食
されていない領域より除去されなければならない。
劣化が特定の領域に於て激しい場合には、合金の多数の
層が付加され、その大部分が浸食されていない領域より
除去されなければならない。かかるプロセスは時間を要
するものであり、また使用される合金材料が浪費される
ことになる。従ってタービンベーンのクラスを変更する
方法であって、特定の領域に合金を付加し、しかもコス
トを低減する方法が必要とされている。
発明の開示 本発明の一つの目的は、物品の特定の領域に制御された
量の合金を付加する単純な方法を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、タービンベーンのクラスを
変更する方法であって、タービンベーンの表面の特定の
位置に合金を肉盛りするために必要とされる労力を低減
する方法を提供することである。
本発明の更に他の一つの目的は、熱開成形したり曲げた
りすることができないタービンベーンのクラスを変更す
る方法を提供することである。
本発明のこれらの目的及び他の目的は、基体とと両立可
能な合金粉末及びバインダの混合物よりなり均一な厚さ
を有し接着剤にて裏当てされた可撓性テープに成形され
たテープ材の一つ又はそれ以上の層を物品の特定の領域
に所望の厚さまで適用することを含む方法によって達成
される。テープが付加された後には、物品は接着剤及び
バインダが分解し、テープ中の合金粉末と基体合金との
間に拡散が生じる温度に加熱される。厚さが一定のテー
プの層を使用することにより、加熱前に、また労力を要
する溶接やプラズマ溶射工程を行うことなく、ノズル領
域のクラスの正確な変更を特定の領域について行うこと
ができ、またクラスの変更と同時に表面欠陥の修繕を行
うことができる。
最終的な機械加工工程によりテープのエツジが混合され
、これにより滑らかな形状の表面が形成される。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。
発明を実施するための最良の形態 添付の図に本発明のクラス変更方法が図示されている。
ベーン１は凹状面２と凸状面３とリーディングエツジ４
とトレーリングエツジ５とを含んでいる。ベーン１はそ
れより上流側のベーン６とそれより下流側のベーン７と
の間に配置されており、ベーン６と１との間にノズル領
域８が郭定され、ベーン１と７との間にノズル領域９が
郭定されている。これらのノズル領域は線１０．１１．
１２．１３により示されている如く互いに隣接する二つ
のベーンの間の間隔の最も小さい領域である。
説明の目的で、ベーン１．６．７は、検査され、その結
果タービンの効率を最適化するためにはノズル領域のク
ラスの変更が必要であると認められた使用されたベーン
であるものと仮定する。また説明の目的で、ベーン１．
６．７は２３．４％Ｃｒ、１０％Ｎ１．７％Ｗ、３．５
％Ｔａ　ｓ　０．　２％Ｔ１．０．６％Ｃ，０，５％Ｚ
ｒ　ｓ　１−　５％Ｆｅなる公称組成を有するコバルト
基超合金よりなっているものとする。かかる材料よりな
るベーンは合金の疲労特性に有害な影響を及ぼすことな
く熱間打撃したり曲げ加工したりすることができないも
のである。従ってベーンは交換されるか、又はベーンの
劣化が生じている領域に基体合金が付加されなければな
らない。かかる合金は本発明を例示するものであり、鉄
基超合金やニッケル基超合金の如き他の材料よりなる物
品についても本発明の方法の利益が得られることが当業
者に理解されよう。
従ってクラスの変更はテープ材１４の連続的な層をベー
ン１の劣化した表面に付加することによって達成される
。使用されるテープはペーストに形成され均一な厚さの
シートに伸延された合金粉末とバインダとの混合物を含
んでいる。テープ材は米国特許第３．２９３，０７２号
の方法を用いて製造されてよい。この米国特許には、基
体として取外し可能なキャリアフィルムを使用し、ポリ
メタクリレートバインダと共に使用されるスクロース−
アセテートイソブチレート、ジブチルフタレート、又は
ジエチル−オキサレートや、ポリビニルアルコールバイ
ンダと共に使用されるグリセリンの如き少量の揮発性可
暫剤と共に、ポリビニルアルコールやポリメタクリレー
トの如き有機ポリマーを使用してテープが如何に製造さ
れるかが示されている。粉末材料はバインダと、可塑剤
と、溶媒としてのアセトンと混合されることによりスラ
リーに形成され、薄い層として取外し可能な裏当て材に
適用され、しかる後加熱されて溶媒が除去される。次い
でそのシートが可撓性を有する帯に切断され、接着剤の
裏当てが付加される。
合金粉末はテープの主要な構成要素であり、基体と両立
し得るものであり、また使用環境に耐え得るものであり
、一般には両立可能なろう合金又は拡散接合可能な合金
を含んでいる。前述のコバルト基超合金に使用される合
金粉末は、２４．５％Ｃｒ　ｓ　４０％Ｎ１．３％Ｂ１
残部ＣＯなる公称組成を有する６０ｖｔ％の合金と、粉
末状をなす４０ｖｔ％の基体合金との混合物を含んでい
る。
添付の図に於て、接着剤にて裏当てされたテープ１４は
所望量の合金が得られるまで層状に付加される。テープ
は薄く可撓性を有しているので、付加されるテープを所
望の形状及び厚さに容易に調整し、また不規則な表面に
従わせることができる。テープの層はベーンの特定の領
域に合金の厚さが次第に増大する部分を形成し、これに
よりベーンの間の間隔を低減するようピラミッド状に付
加される。ベーン６と１との間に於てはテープの四つの
層が図示されており、ベーン１と７との間には二つの層
が図示されている。テープは特定の状況に応じてベーン
の一方の面に適用されてもよく、またその両面に適用さ
れてもよい。
テープ１４が適用されたベーン１は次いで接合が生じる
温度に加熱される。その温度又はそれ以下の温度に於て
バインダ及び接着剤は残留物質を実質的に発生させるこ
となく分解し、これにより合金の汚染が回避される。次
いでテープ中の合金粉末が基体合金と接合し、これによ
り連続的で空孔のない微細組織が形成される。好ましい
実施例に於ては、この接合には米国特許第３，６７８゜
５７０号、同第４，００５，９８８号、同第４゜０７３
．６３９号に記載されている如き過渡的液相接合（ＴＬ
Ｐ）を含んでおり、母合金が露呈されても有害な影響を
受けない温度に於て接合部が形成される。ＴＬＰ接合中
には、物品は等温凝固が達成されるまで接合温度に維持
される。ＴＬＰ接合部を形成すべく、テープ合金はベー
ンを構成する超合金と同一の基礎金属を有しており、高
いボロン含有量を有している。好ましくは１〜５ｗｔ％
にて存在するボロンは融点低下元素として作用し、これ
により融点が超合金の融点よりも低くまた基体合金に非
可逆的な有害な金属学的変化を惹起こす温度よりも低い
温度に低下される。接合が完了すると、ベーンは加熱さ
れ、これによりテープ合金と基体合金との間の微細組織
が均質化される。
テープをベーンに接合することが完了すると、テープの
表面が適正な表面形状に機械加工される。
かかる工程に於ては、一般に、空気力学的表面を滑らか
にすべくテープのエツジを曲げることが必要である。
例 ２３、４％Ｃｒ、１０％Ｎ１　、７％Ｗ、　　３．　５
％Ｔａ、０．２％Ｔｉ　　、　０．６％Ｃ，０，５％Ｚ
ｒ、１．５％Ｆｅなる公称組成を有するコバルト基超合
金よりなるタービンベーンが、ガスタービンエンジンに
於て長時間使用された後にそのエンジンより取出され、
検査された。ベーンはグリッドブラスティングにより清
浄化され、その表面よリアルミナイド被覆が化学的に除
去された。次いでベーンは、割れや他の表面欠陥の位置
を求めるべく、Ｚｙｇｌｏ（登録商標）の如き螢光浸透
材を用いて検査された。欠陥が修復され得るものである
との判定が行われた後に、ノズル領域（クラス）が測定
され記録された。ノズル領域は増大しており、ベーンの
クラスをその元のクラスに戻すためには材料の肉盛りが
必要であるとの判定がなされた。
次いでそのコバルト合金製のベーンは２１００下（１１
４９℃）にて２．５時間に亙り水素レトルト内に於て水
素にて清浄化され、２１００下（１１４９℃）にて２時
間に亙り真空中にて清浄化された。
次いでベーンに対しテープ材が適用された。この場合テ
ープ材は０．０２０ｉｎ（０，５１ｍｍ）の均一な厚さ
を有し、基体合金と両立可能な合金粉末及びバインダを
含み、それらの混合物は２４゜５％Ｃｒ　ｓ　４０％Ｎ
１．３％Ｂ１残部Ｃｏなる公称組成を有する６０ｖｔ％
の合金と、粉末状をなす４０ｖｔ％の基体合金との混合
物を含み、ＴＬ、Ｐ接合に適するよう形成されていた。
テープの四つの層が適当な形状に切断され、ベーンの一
方の側に接着によって適用され、二つの層がトレーリン
グエツジに適用された。各層の幅はベーンの表面に於け
る材料の滑らかな肉盛りを促進すべく変化されていた。
次いでベーンは真空雰囲気中にて２１００下（１１４９
℃）に加熱され、その温度に１２時間維持された。この
温度に於てはバインダ及び接着剤は残留物質を実質的に
生じることなく分解し、合金粉末は溶融され、基体合金
と共に溶融し、該基体合金中に拡散し、これにより一体
的な厚さが増大された表面層が形成され、これと同時に
クラスが変更されるべき領域に存在していた割れがテー
プ材にて充填された。ボロンの融点低下元素が基体合金
中に拡散されることにより、凝固は等温的に発生した。
次いで材料の肉盛り部分が研摩ベルトグラインダを用い
て混合され、このことによりテープのエツジがテーバ状
にされ、これにより連続的で滑らかな表面が形成された
。次いでベーンはグリッドプラストされ、螢光粒子を用
いて検査され、適正なりラス変更が行われたことを確認
すべくノズル領域が測定された。ベーン中に閉塞されて
いた空孔が開けられ、しかる後ベーンが再度被覆された
。
次いでかくして被覆されたベーンが最終的に検査され、
ベーンのクラス変更が再度チェックされた。被覆は一般
にノズル領域の表面に於ける被覆材料の厚さが増大され
ることに起因してベーンのクラスを低減することに留意
されたい。このことは適用されるべきテープの層の数を
判定する場合に考慮されなければならない。
本発明のテープのクラス変更方法を使用することにより
、多大の労力を要する溶接工程を省略し、これにより熱
応力が発生することを回避することができる。また本発
明の方法によれば要件に正確に適合する制御された肉盛
り部を形成することができ、また基体合金の形態を均質
にすることができる。
以上に於ては本発明の好ましい実施例をタービンベーン
について説明したが、特定の領域に基体合金が制御され
た態様にて付加されることを要する任意のタービンエン
ジンの構成要素についても本発明の利益が得られること
が理解されよう。また以上に於ては本発明をコバルト基
超合金、２１００下（１１４９℃）の温度、１２時間の
時間について説明したが、時間、温度、合金、テープの
厚さや幅に関し本発明の範囲内にて他の種々の修正が行
われてよいことは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
添付の図は本発明のベーンのクラス変更方法を示す奪回
である。 １・・・ベーン、２・・・凹状面、３・・・凸状面、４
・・・リーディングエツジ、５・・・トレーリングエツ
ジ、６．７・・・ベーン、８．９・・・ノズル領域、１
４・・・テープ材 特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）金属物品に対しその特定の領域に於て制御された
    量の合金を付加する方法にして、 基体合金と両立可能な合金粉末及びバインダの混合物よ
    りなり接着剤の裏当てを含む均一な厚さのテープに成形
    されたテープ材の一つ又はそれ以上の層を前記特定の領
    域に対し所望の厚さにまで適用する工程と、 前記接着剤及び前記バインダが分解し、前記テープ中の
    合金粉末と前記基体合金との間に接合が生じる温度に前
    記物品を加熱する工程と、 を含む方法。
  2. （２）互いに隣接するタービンベーンの間のノズル領域
    のクラスを変更する方法にして、 前記ベーンの間の前記ノズル領域に於ける材料の不足量
    を求める工程と、 基体合金と同様の合金粉末及びバインダの混合物よりな
    り接着剤の裏当てを含む均一な厚さのテープに成形され
    たテープ材の一つ又はそれ以上の層を前記ノズル領域の
    材料が不足する領域に所望の厚さにまで適用する工程と
    、 前記接着剤及び前記バインダが分解し、前記テープ中の
    前記合金粉末と前記基体合金との間に接合が生じる温度
    に前記ベーンを加熱する工程と、前記付加された合金材
    料を混合して実質的に滑らかな表面を形成する工程と、 を含む方法。
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