JP2011256795A - ガスタービン翼の補修方法及びガスタービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】プラットフォーム側面に発生したき裂等であっても、確実に良好な補修を行うことのできるガスタービン翼の補修方法及びガスタービン翼を提供する。
【解決手段】析出強化型Ｎｉ基超合金からなるガスタービン翼に発生したき裂を補修するガスタービン翼の補修方法である。ガスタービン翼のγ’相をγ相に固溶させる溶体化処理工程と、ガスタービン翼を切削し、断面形状がＵ字状のＵ溝を形成してき裂を除去する工程と、Ｕ溝内にレーザ溶接にて肉盛溶接を行う肉盛溶接工程と、肉盛後に肉盛前と同一寸法に加工する工程と、溶体化熱処理を行う工程を有する。肉盛溶接工程では、固溶強化型Ｎｉ基超合金粉末を溶加材とし、レーザビームの照射部位におけるレーザビームとＵ溝内壁の接線とがなすＵ溝開口端部側の角度が、常に６０度以上９０度以下の範囲となるようにして肉盛溶接を行う。
【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン翼の補修方法及びガスタービン翼に関する。

ガスタービンは燃焼温度の高温化により燃焼効率向上を図ることができる。そのため、１９９０年代は静翼入口ガス温度が１１００℃のものが主流であったが、２０００年代に入り１３００℃、１５００℃の機種が開発され、運用されるようになってきている。燃焼温度の上昇に対する対策として耐用温度の高いＮｉ基超合金の開発、翼冷却方法の改良、遮熱コーティングの採用が行われてきている。しかしながら翼冷却方法の改良は、翼内面と翼外面の温度差を増加させ、動翼についてはプラットフォーム側面に熱応力によるき裂を発生させる原因となっている。

Ｎｉ基超合金は難溶接材であり、特にγ’（ガンマプライム）相と呼ばれるＮｉ_３Ａｌ相を析出し強化した合金であり溶接は非常に困難である。その溶接性は、（Ａｌ＋０．８４Ｔｉ）%と（０．２８Ｃｒ＋０．０４３Ｃｏ）%で定性的に整理され、（Ａｌ＋０．８４Ｔｉ）%が高く、（０．２８Ｃｒ＋０．０４３Ｃｏ）%が低いほど溶接性が悪く、溶接時に凝固割れ、液化割れ、延性低下割れ、再熱割れなどの溶接割れを引き起こす（例えば、非特許文献１参照。）。

表１に現在ガスタービン動翼材として使用されているＧＴＤ−１１１（商品名）とＩＮ−７３８ＬＣ（商品名）の合金組成を示す。

上記の合金組成のＧＴＤ−１１１とＩＮ−７３８ＬＣを、（Ａｌ＋０．８４Ｔｉ）%と（０．２８Ｃｒ＋０．０４３Ｃｏ）%で整理した図上にプロットすると図1に示す領域となり、非常に溶接が困難な材料であることがわかる。しかしながら、近年の技術開発によってプラットフォームの表面に発生したき裂に対する溶接補修も可能となってきている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−３１９９９号公報

溶接学会編「溶接・接合技術便覧」産報出版 197頁

ガスタービン翼の補修において、溶接補修を行うと割れ等の欠陥が発生し易く、確実に良好な補修を行えるようにすることが望まれている。また、ガスタービンにおいて、き裂はプラットフォーム表面のみでなく側面にも発生する。このため、プラットフォーム側面に発生したき裂等の補修を行えるようにすることが望まれている。

本発明は、プラットフォーム側面に発生したき裂等であっても、確実に良好な補修を行うことのできるガスタービン翼の補修方法及びガスタービン翼を提供することを目的とする。

実施形態によれば、析出強化型Ｎｉ基超合金からなるガスタービン翼に発生したき裂を補修するガスタービン翼の補修方法であって、前記ガスタービン翼のγ’相をγ相に固溶させる溶体化処理工程と、前記ガスタービン翼を切削し、断面形状がＵ字状のＵ溝を形成してき裂を除去する工程と、前記Ｕ溝内にレーザ溶接にて肉盛溶接を行う肉盛溶接工程と、肉盛後に肉盛前と同一寸法に加工する工程と、溶体化熱処理を行う工程を有し、前記肉盛溶接工程では、固溶強化型Ｎｉ基超合金粉末を溶加材とし、レーザビームの照射部位におけるレーザビームとＵ溝内壁の接線とがなすＵ溝開口端部側の角度が、常に６０度以上９０度以下の範囲となるようにして肉盛溶接を行うことを特徴とする。

本発明によれば、プラットフォーム側面に発生したき裂等であっても、確実に良好な補修を行うことのできるガスタービン翼の補修方法及びガスタービン翼を提供することができる。

Ｎｉ基超合金の溶接性を示す図。 ガスタービン翼の欠陥発生部位を示す図。 実施形態のガスタービン翼の補修方法の工程を示す図。 レーザ照射方法を示す図。 実施形態におけるレーザ照射方法を示す図。 実施例１の溶接条件における1層目のビード形成方向を模式的に示す図。 実施例１の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。 実施例２の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。 比較例１の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。 比較例２の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。 比較例２の溶接条件における溶接ビードを模式的に示す図。

以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。

図２は、ガスタービン翼の一部を模式的に示すものであり、ガスタービン動翼１のプラットフォーム２の側面にき裂３が形成されている。本実施形態では、このようなき裂３を補修する。

前述した析出強化型Ｎｉ基超合金ＧＴＤ−１１１やＩＮ７３８ＬＣの肉盛補修において、同一材料の肉盛は溶接性の点で非常に困難である。そこで、表２に合金組成を示すＩＮ６２５（商品名）やＩＮ６００（商品名）のような（Ａｌ＋０．８４Ｔｉ）％が低く（０．２８Ｃｒ＋０．０４３Ｃｏ）％が高い固溶強化型合金の粉末を溶加材として用いてき裂部の肉盛補修を行う。なお、表２において、ＩＮ６００は、他にＳｉ：０．２mass％、Ｍｎ：０．３mass％を含んでいる。

具体的には、図３に示すシーケンスに従って補修を実施する。ガスタービン翼の受入検査を行った後（ステップ１０１）、最初にγ’相をγ相に固溶させる溶体化処理を行う（ステップ１０２）。

次に、グラインダー等によってガスタービン使用時に入ったき裂部分をグラインダー等で切削し、断面形状がＵ字状のＵ溝を形成してき裂を除去する（ステップ１０３）。

次に、レーザ肉盛溶接法により、上記したＩＮ６２５、ＩＮ６００等の粉末を溶加材として用いて、き裂を除去した領域のＵ溝内に肉盛溶接を行う（ステップ１０４）。

次に、肉盛部を肉盛前と同一寸法になるようにグラインダー等で加工する仕上げ加工を行い（ステップ１０５）、この後、溶体化熱処理を行う（ステップ１０６）。

次に、補修部位の表面に、他の部位に施されているのと同様なコーティングを行い（ステップ１０７）、この後、時効熱処理を行う（ステップ１０８）。以上の工程で、タービン翼の補修が完了する。

Ｎｉ基超合金の溶接において問題となるのが、後熱処理（ＰＷＨＴ；Post Weld Heat Treatment）割れである。これは溶接後の熱処理において溶接により導入された残留応力が緩和される際、被溶接材の熱影響部にγ’相が析出し強度が高くなるために、融点が低く強度が弱い結晶粒界等にき裂が入る現象である。

一般に、溶接入熱、すなわちレーザ出力を溶接速度で除した値が大きいほどき裂が生じやすいと考えられている。しかしながら、試験検討を行った結果、溶接時の熱影響部の割れは、溶接入熱だけではなく単位面積あたりの入熱と関係があることが明らかとなった。具体的には、被溶接材をＧＴＤ−１１１、溶加材をＩＮ６２５粉末とし、ＹＡＧレーザによる溶接試験を行った場合、後述の実施例および比較例に示すように、溶接入熱が小さいにもかかわらず、溶接割れが発生することがあることが明らかとなり、溶接割れを発生させず、溶接し得る条件としてレーザビームのスポット径をφ５〜７ｍｍとし２０．８Ｗ/ｍｍ^２以上２３．４Ｗ/ｍ^２以下の出力密度という条件を見出した。

ここで、上記レーザビームのスポット径の測定は、次のようにして行った。すなわち、所定のスポット径が得られると考えられる位置に感光紙をおき、レーザビームがあたると考えられる箇所に５０リットル／分以上のアルゴンガス、又は窒素ガス、あるいは空気等のガスを吹き付ける。このガスを吹き付けた箇所に溶接を行う出力に調整したレーザビームを０．５秒照射して感光紙を焼き抜き、焼き抜いたスポット径をノギスで測定してレーザビームのスポット径を規定した。

図４に示すように、き裂補修時には、き裂部分を切削して、被溶接材４に断面形状がＵ字状のＵ溝５を形成する。このＵ溝５内のＵ溝開口側端部５ｂ近傍の溶接において、被溶接材４を水平に維持したままレーザビーム６をＵ溝５の底５ａに直角となる方向で照射した場合、図中に矢印７で示すように、溶加材粉末および溶解した溶加材粉末が重力にてレーザ照射部と異なる位置に落下する。また、後述する図１１に模式的に示すように、Ｕ溝５の傾斜と溶接金属の溶け込み深さの関係から、一部、溶け込み深さが浅くなる箇所が生じる。これらの原因により、Ｕ溝５内の肉盛溶接において融合不良が生じ易くなっていた。

上記溶加材粉末等の落下、融合不良の発生を抑制するため、本実施形態では、例えば、図５，６に示すように、レーザビーム６を上方から垂直に照射するとともに、Ｕ溝５内におけるレーザ照射部位におけるレーザビーム６（光軸８）とＵ溝５内壁の接線９とがなすＵ溝開口端部５ｂ側の角度θが、常に６０度以上９０度以下の範囲となるようにして肉盛溶接を行う。図６の場合、溶接部位によって被溶接材４を傾けることによって、角度θが６０度以上９０度以下となるように調整している。なお、溶加材の供給方向はレーザビーム６の照射方向と同一である。

上記の条件にて補修を行えば、例えば、図２に示したガスタービン動翼１のプラットフォーム２の側面に発生した１ｍｍ以上のき裂３であっても、補修を行うことができる。

（実施例１）
被溶接材には、ＧＥ社製ＧＴＤ−１１１実使用翼材、溶加材にはスペシャルメタル社製ＩＮ６２５相当粉末であるＰｌａｘａｉｒ社製ＮＩ−３２８（商品名）を用い、最大肉盛厚さ４ｍｍとしてＹＡＧレーザを用いて肉盛溶接を行った。溶接条件としてレーザ出力を８００Ｗ、溶接速度を１５０ｍｍ/ｍｉｎとし、溶接雰囲気はアルゴン雰囲気、レーザビームのスポット径はφ７ｍｍとした。本条件での単位面積あたりのレーザ出力は２０．８Ｗ/ｍｍ^２、溶接入熱は３．２Ｊ/ｃｍと計算される。

また、本肉盛溶接では、１層目の溶接を、図６に示すようにレーザビーム６を上方から垂直に照射するとともに、Ｕ溝５内におけるレーザ照射部位におけるレーザビーム６（光軸８）とＵ溝５内壁の接線９とがなすＵ溝開口端部５ｂ側の角度θが、常に６０度以上９０度以下の範囲となるようにして、溶接を行った。図７に実施例１にて得られた溶接部断面組織の顕微鏡写真を示す。図７の顕微鏡写真に示されるとおり、後述する比較例１に対し溶接入熱は大きいにもかかわらず、溶接熱影響部に割れのない溶接組織を得ることができた。

（実施例２）
被溶接材には、ＧＥ社製ＧＴＤ−１１１実使用翼、溶加材にはスペシャルメタル社製ＩＮ６２５相当粉末であるＰｌａｘａｉｒ社製ＮＩ−３２８を用い、最大肉盛厚さ１ｍｍとしてＹＡＧレーザを用いて肉盛溶接を行った。溶接条件としてレーザ出力を９００Ｗ、溶接速度を１５０ｍｍ／ｍｉｎとし、溶接雰囲気はアルゴン雰囲気、レーザビームのスポット径はφ７ｍｍとした。本条件での単位面積あたりのレーザ出力は２３．４Ｗ／ｍｍ^２、溶接入熱は３．６Ｊ／ｃｍと計算される。

また、本肉盛溶接では、１層目の溶接を、図６に示すようにレーザビーム６を上方から垂直に照射するとともに、Ｕ溝５内におけるレーザ照射部位におけるレーザビーム６（光軸８）とＵ溝５内壁の接線９とがなすＵ溝開口端部５ｂ側の角度θが、常に６０度以上９０度以下の範囲となるようにして、溶接を行った。図８に実施例２にて得られた溶接部断面組織の顕微鏡写真を示す。図８の顕微鏡写真に示されるとおり、後述する比較例１に対し溶接入熱は大きいにもかかわらず、溶接熱影響部に割れのない溶接組織を得ることができた。

（比較例１）
被溶接材には、ＧＥ社製ＧＴＤ−１１１実使用翼、溶加材にはスペシャルメタル社製ＩＮ６２５相当粉末であるＰｌａｘａｉｒ社製ＮＩ−３２８を用い最大肉盛厚さ４ｍｍとして肉盛溶接を行った。レーザ出力を６００Ｗ、溶接速度を１５０ｍｍ/ｍｉｎ、レーザビームのスポット径はφ５ｍｍとし肉盛溶接を行った。本条件での単位面積あたりのレーザ出力は３０．６Ｗ/ｍｍ^２、溶接入熱は２．４Ｊ／ｃｍと計算される。

本比較例１では、図４に示したように、Ｕ溝５の底５ａに垂直になるようにレーザビーム６を照射した。図９に比較例１にて得られた溶接部断面組織の顕微鏡写真を示す。図９の顕微鏡写真に示されるとおり、溶接入熱は実施例１，２と比較し、０．６７〜０．７５倍と小さいにもかかわらず、溶接熱影響部に割れが発生した。

（比較例２）
被溶接材には、ＧＥ社製ＧＴＤ−１１１実使用翼、溶加材にはスペシャルメタル社製ＩＮ６２５相当粉末であるＰｌａｘａｉｒ社製ＮＩ−３２８を用い最大肉盛厚さ４ｍｍとしてＹＡＧレーザを用いて肉盛溶接を行った。溶接条件としてレーザ出力を９００Ｗ、溶接速度を１５０ｍｍ／ｍｉｎとし、溶接雰囲気はアルゴン雰囲気、レーザビームのスポット径はφ７ｍｍとした。本条件での単位面積あたりのレーザ出力は２３．４Ｗ／ｍｍ^２、溶接入熱は３．６Ｊ／ｃｍと計算される。

本比較例２では、図４に示したように、Ｕ溝５の底５ａに垂直になるようにレーザビーム６を照射した。図１０に比較例２にて得られた溶接部断面組織の顕微鏡写真を示す。図１０の顕微鏡写真に示されるとおり、被溶接材と溶接金属界面に沿って図中に矢印で示す箇所に欠陥が生じていた。これは図１１に模式的に示すように、被溶接材４のＵ溝内壁１０（図中点線で示す。）の傾斜と溶接金属の溶け込み深さ（図中溶接ビードの状態を実線で示す。）の関係から、一部、溶け込み深さが浅くなる箇所があり、そこで融合不良が発生し溶接欠陥１１が発生したものと考えられる。

（比較例３）
被溶接材には、ＧＥ社製ＧＴＤ−１１１実使用翼、溶加材にはＩＮ６２５相当粉末であるＰｌａｘａｉｒ社製ＮＩ−３２８を用い、最大肉盛厚さ４ｍｍとしてＹＡＧレーザを用いて肉盛溶接を行った。溶接条件としてレーザ出力を８００Ｗ、溶接速度を１５０ｍｍ／ｍｉｎとし、溶接雰囲気はアルゴン雰囲気、レーザビームのスポット径はφ７ｍｍとした。本条件での単位面積あたりのレーザ出力は２０．８ｗ／ｍｍ^２、溶接入熱は３．２Ｊ／ｃｍと計算される。

なお本比較例３では、１層目の溶接を、Ｕ溝５内におけるレーザ照射部位におけるレーザビーム６（光軸８）とＵ溝５内壁の接線９とがなすＵ溝開口端部５ｂ側の角度θが、常に６０度以上９０度以下の範囲となるように設定した実施例１に対し、角度θが５０度以下となるように設定し、溶接を行った。比較例３では、実施例１および２に対し、比較例１と同様に、溶接入熱は０．６７〜０．７５と小さいにもかかわらず、溶接熱影響部に割れが発生した。

実施形態は、上記の実施形態及び実施例に限られず、拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１……ガスタービン動翼、２……プラットフォーム、３……き裂、４……被溶接材、５……Ｕ溝、５ａ……底、５ｂ……Ｕ溝開口端部、６……レーザビーム、８……光軸、９……接線。

Claims (6)

1. 析出強化型Ｎｉ基超合金からなるガスタービン翼に発生したき裂を補修するガスタービン翼の補修方法であって、
   前記ガスタービン翼のγ’相をγ相に固溶させる溶体化処理工程と、
   前記ガスタービン翼を切削し、断面形状がＵ字状のＵ溝を形成してき裂を除去する工程と、
   前記Ｕ溝内にレーザ溶接にて肉盛溶接を行う肉盛溶接工程と、
   肉盛後に肉盛前と同一寸法に加工する工程と、
   溶体化熱処理を行う工程を有し、
   前記肉盛溶接工程では、固溶強化型Ｎｉ基超合金粉末を溶加材とし、レーザビームの照射部位におけるレーザビームとＵ溝内壁の接線とがなすＵ溝開口端部側の角度が、常に６０度以上９０度以下の範囲となるようにして肉盛溶接を行う
   ことを特徴とするガスタービン翼の補修方法。
2. 請求項１記載のガスタービン翼の補修方法であって、
   前記肉盛溶接工程では、レーザビームを上方から垂直に照射し、前記ガスタービン翼を傾けながら肉盛溶接を行うことを特徴とするガスタービン翼の補修方法。
3. 請求項１又は２記載のガスタービン翼の補修方法であって、
   前記肉盛溶接工程では、２０．８Ｗ/ｍｍ^２以上２３．４Ｗ／ｍｍ^２以下の出力密度のレーザにて肉盛溶接を行うことを特徴とするガスタービン翼の補修方法。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のガスタービン翼の補修方法であって、
   前記肉盛溶接工程では、補修雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることを特徴とするガスタービン翼の補修方法
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のガスタービン翼の補修方法であって、
   前記肉盛溶接工程では、肉盛厚さが１ｍｍ以上の肉盛溶接を行うことを特徴とするガスタービン翼の補修方法
6. ガスタービンに使用されるガスタービン翼であって、
   請求項１〜５いずれか１項記載のガスタービン翼の補修方法によって補修されたことを特徴とするガスタービン翼。