ガスタービン翼の補修方法及びガスタービン翼
【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。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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Ni3Al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。)。
【0004】
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。
【0005】
【表1】
【0006】
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。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2008−31999号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】溶接学会編「溶接・接合技術便覧」産報出版 197頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】Ni基超合金の溶接性を示す図。
【図2】ガスタービン翼の欠陥発生部位を示す図。
【図3】実施形態のガスタービン翼の補修方法の工程を示す図。
【図4】レーザ照射方法を示す図。
【図5】実施形態におけるレーザ照射方法を示す図。
【図6】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。
【図7】実施例1の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。
【図8】実施例2の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。
【図9】比較例1の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。
【図10】比較例2の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。
【図11】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
【表2】
【0018】
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)。
【0019】
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)。
【0020】
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)。
【0021】
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)。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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/mm2以上23.4W/m2以下の出力密度という条件を見出した。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
(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/mm2、溶接入熱は3.2J/cmと計算される。
【0030】
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。
【0031】
(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/mm2、溶接入熱は3.6J/cmと計算される。
【0032】
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。
【0033】
(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/mm2、溶接入熱は2.4J/cmと計算される。
【0034】
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。
【0035】
(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/mm2、溶接入熱は3.6J/cmと計算される。
【0036】
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。
【0037】
(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/mm2、溶接入熱は3.2J/cmと計算される。
【0038】
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。
【0039】
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。
【符号の説明】
【0040】
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。
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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Ni3Al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。)。
【0004】
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。
【0005】
【表1】
【0006】
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。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2008−31999号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】溶接学会編「溶接・接合技術便覧」産報出版 197頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】Ni基超合金の溶接性を示す図。
【図2】ガスタービン翼の欠陥発生部位を示す図。
【図3】実施形態のガスタービン翼の補修方法の工程を示す図。
【図4】レーザ照射方法を示す図。
【図5】実施形態におけるレーザ照射方法を示す図。
【図6】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。
【図7】実施例1の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。
【図8】実施例2の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。
【図9】比較例1の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。
【図10】比較例2の溶接部の断面組織を示す顕微鏡写真。
【図11】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
【表2】
【0018】
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)。
【0019】
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)。
【0020】
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)。
【0021】
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)。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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/mm2以上23.4W/m2以下の出力密度という条件を見出した。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
(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/mm2、溶接入熱は3.2J/cmと計算される。
【0030】
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。
【0031】
(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/mm2、溶接入熱は3.6J/cmと計算される。
【0032】
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。
【0033】
(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/mm2、溶接入熱は2.4J/cmと計算される。
【0034】
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。
【0035】
(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/mm2、溶接入熱は3.6J/cmと計算される。
【0036】
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。
【0037】
(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/mm2、溶接入熱は3.2J/cmと計算される。
【0038】
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。
【0039】
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。
【符号の説明】
【0040】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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/mm2以上23.4W/mm2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。
【請求項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
【請求項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
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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/mm2以上23.4W/mm2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。
【請求項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
【請求項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
【請求項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。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図11】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図11】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2011−256795(P2011−256795A)
【公開日】平成23年12月22日(2011.12.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−132340(P2010−132340)
【出願日】平成22年6月9日(2010.6.9)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年12月22日(2011.12.22)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年6月9日(2010.6.9)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
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