タービン要素の回復方法

【課題】現在使用されているタービン要素を回復する方法の欠点を克服する。
【解決手段】本発明は、要素の本体を形成する基材と、基材に接着した保護コーティングとから構成されたタービン要素を回復する方法に関する。方法は、保護コーティングと基材との間の接着不良を有するゾーンを特定するためのタービン要素の制御と、保護コーティングと基材との間の接着不良の除去とを備える。接着不良は、保護コーティングと下にある基材との局所的な溶融を引き起こし、レーザビームの停止後に保護コーティングと基材との間の上記ゾーンの高さにおける適切な接着を可能とするために、接着不良を有する各ゾーン上に向けられたレーザビームを用いて除去される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン要素の回復方法に関する。
【０００２】
「回復」とは、製造の終わりに、通常の使用を危うくする可能性がある１つ又はいくつかの不良を有する新たな部品をコンプライアンスに適合させることを意味すると解釈される。
【背景技術】
【０００３】
タービン構造に使用される要素は、極めて注意深く準備された仕上げ状態を有しなければならず、これは、最小の細部に適用される。
【０００４】
タービン要素、具体的には部品の要素又は可動部品の近くにある要素には、保護コーティングが設けられ、その性質は、これら要素の機能及びそれらの等級によって決まる。例えば、タービンのブレードには、一般に、熱障壁及びブレードを構成する金属の拡散に対する障壁として機能するコーティングが設けられる。また、例えば、溶接された部分によって形成されたロータの場合には、ロータのラビリンスナイフエッジシールには、砥粒コーティングが設けられ、このナイフエッジシールは、固定されたブレードと一体となった摩耗性材料に対向して配設されている。
【０００５】
保護コーティングは、一般に、プラズマ蒸着又はレーザ蒸着によって得られる。ニッケル、コバルト、鉄、又はチタン系の金属を主要部（又は基材）とするブレードは、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、炭化チタン、炭化タングステン等におけるコーティングを有している可能性がある。このコーティングの厚みは、例えば０．０５ｍｍから０．５ｍｍの間である。
【０００６】
コーティング作業の後に、要素の基材上における接着不足やコーティングの接着離れ（ｄｉｓｂｏｎｄｉｎｇ）が時々観察される。不良部品は、表面処理、すなわち化学溶解（酸による）によって回復されることができ、コーティング不良が除去されるのを可能とする。この作業がいったん実行されると、新たな蒸着が実行される。この新たな蒸着は、順次確認されなければならない。製造サイクルを長時間化することに加えて、従来の回復方法は、健康、安全、及び環境に関して欠点を有する。
【０００７】
さらに、金属部品を局所的に処理するのにレーザビームを使用することは、刊行物の対象となっている。
【０００８】
ＵＳ４９６０６１１は、機械的部品のコーティングにおける小さな不良を回復するのを可能とする方法を開示しており、この不良は、塵埃の粒子又は油滴に起因することが注目されている。この方法は、具体的には車両のモータフレームのために設計されており、このフレームは、接着層、中間層、及び仕上げ層からなるいくつかの保護層でコーティングされている。仕上げ層に影響する不良（塵埃の粒子、油滴）を回復するために、塵埃の粒子又は油滴を昇華させるためにレーザビームによって仕上げ層の不良ゾーンを照射し、仕上げ層において極めて小さい空洞を形成するように仕上げ層に隣接しているゾーンを照射することが提案される。そして、空洞は、例えばレーザビームを用いて硬化される修理組成物で満たされる。
【０００９】
ＥＰ−Ａ−０５０４０９５は、ガスタービンの要素を修理する方法、特に、稼働中に破損したブレードを修理する方法を開示している。稼働中において、ブレードは、酸化、亀裂、及び金属腐食の現象を受け、これらの現象は、ブレードにぶつかるガス流に含まれる研摩剤及び腐食剤に起因する。そして、高温で循環する高圧ガス流は、ブレードの変形を引き起こす。この文献は、修理されるべきブレードの表面のゾーン上にレーザビームを向けることによるブレードを修理する方法を提案している。レーザビームは、その後に凝固するように残されるブレードの薄い表層を局所的に溶融させる。凝固は、処理される層の下にある材料内に引っ張り力を引き起こし、ブレードのこの部分に凹状の構成を与える。決定された経路に沿ってレーザビームを適用することにより、ブレードを再構成することが可能である。
【００１０】
ＤＥ−Ａ−３３２５２５１は、接着層によって基材に接着しているセラミックス層でコーティングされた基材を備えるタービン要素を回復する方法を記述している。方法は、セラミックス層の接着不良を有するゾーンを特定するための部品の制御を備える。不良は、エネルギビーム、好ましくは電子ビームを用いてタービン要素をスキャンすることによって特定される。エネルギビームは、各不良ゾーンにおけるセラミックス層で剥がれを引き起こす。不良の除去は、剥がれたゾーンの正確な研摩とセラミックス材料の添加とによって達成される。
【００１１】
ＵＳ５５７６０６９は、接着層でコーティングされた金属要素上にプラズマによってスパッタされた酸化ジルコニウムの層をレーザによって再溶融する方法を開示している。酸化ジルコニウムの層における不良を処理するために、この層は、表面的に再溶融される。その後、セラミックスの懸濁液が塗付される。そして、セラミックスの層は、再度、表面的に再溶融される。この方法においては、基材又は接着層の再溶融はない。
【特許文献１】米国特許第４９６０６１１号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第０５０４０９５号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第３３２５２５１号明細書
【特許文献４】米国特許第５５７６０６９号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１４９６４７４号明細書
【特許文献６】欧州特許第０９５６３７８号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００３／１６７６１６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
現在使用されているタービン要素を回復する方法の欠点を克服する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、要素の本体を形成する基材と、基材に接着した保護コーティングとから構成されたタービン要素を回復する方法に関し、方法は、
保護コーティングと基材との間の接着不良を有するゾーンを特定するためのタービン要素の制御と、
保護コーティングと基材との間の接着不良の除去とを備え、
接着不良は、接着不良を有する各ゾーン上に向けられて、レーザビームの停止後に保護コーティングと基材との間の、上記ゾーンの高さにおける各ゾーンの冷却後に適切な接着を可能とする保護コーティングと下にある基材との局所的な溶融を引き起こすレーザビームを用いて除去されることを特徴としている。
【００１４】
具体的な実施形態によれば、タービン要素の制御の間に特定された、不良を有するゾーンは、３次元的に幾何解析され、決定された経路にレーザビームを提供して各接着不良を除去するのを可能とする特徴を付与するために記録される。
【００１５】
具体的には、タービン要素上のレーザビームの経路は、できる限り迅速となるように決定され得る。
【００１６】
他の実施形態によれば、レーザビームによって引き起こされた局所的な溶融は、不活性又は還元性雰囲気下で実行される。
【００１７】
有利には、レーザビームは、光ファイバによって接着不良を有するゾーン上に向けられる。
【００１８】
レーザビームは、ＹＡＧレーザによって照射され得る。
【００１９】
方法は、接着不良の除去後に、接着不良が保護コーティングと基材との間に残存するかどうかを確認するためのタービン要素の新たな制御を備えてもよい。
【００２０】
方法は、例えば、タービンのブレード又はナイフエッジシールの回復に適用する。
【００２１】
単に指示目的で且つ限定されない方法で与えられる以下の記述を読み、添付された図面を参照することにより、本発明は、より良好に理解され、また、他の利点及び特異点は、明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、タービン要素、例えばブレード１の横断面の部分を示す図である。ブレード１は、要素の本体を形成する基材２と、保護コーティング３とによって構成される。
【００２３】
基材２は、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、又はチタン系の金属材料である。保護コーティング３は、例えば、プラズマ蒸着又はレーザ蒸着によって得られる、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、又は、金属炭化物（例えばチタン又はタングステンの）の層から構成される。コーティングの厚みは、例えば０．０５ｍｍから０．５ｍｍの間である。保護コーティング３は、基材２に接着しなければならない。しかしながら、１つ又はいくつかの不良（コーティングの接着不足、コーティングの接着離れ）が、符号４によって示されるように生じることがある。
【００２４】
このような接着不良を克服するために、本発明によれば、コーティングと基材との間の物理的な連続性を保証するために、不良のゾーンにおける保護コーティングの再溶融が提案される。
【００２５】
コーティング層３及び下にある基材２の局所的な溶融は、図２に示されるように、レーザビーム５を用いて得られる。レーザビームは、例えば、ＹＡＧレーザによって照射され、保護コーティング３の一部と基材２の一部とからなるゾーン６まで光ファイバによって伝送される。このＹＡＧレーザの特徴は、以下のようなものであり得る：
タービン要素上におけるレーザビームの焦点スポットの直径：０．２ｍｍから０．８ｍｍの間
パルス周波数：３Ｈｚから１０Ｈｚ
レーザビームの平均出力：５０Ｗから１００Ｗの間
パルス幅：５ｍｓから１５ｍｓ
ゾーンの表面積がどのくらいであっても回復されるべき各ゾーンに一定のエネルギ密度が供給されることが目的とされる。
【００２６】
本発明にかかる方法は、まず、図１に示されるゾーン４のような接着不良を有するゾーンを特定するためにタービン要素を制御するステップを備える。この作業の前に、基材／保護コーティングの接着の冶金的及び機械的な品質を保証するために、要素の表面のクリーニングが必要とされてもよい。関係するゾーンは、いかなる汚染（潤滑油、油、抽気物等）も除かれるのが有利である。
【００２７】
各不良ゾーンのプロファイルは、レーザビームの最適な軌跡を保証するために、３次元的に（位置、形状、寸法等）幾何解析される。
【００２８】
タービン要素の特性解析がいったん完了すると、要素をコンプライアンスに適合させることが実行される。方法は、金属の投入なしに実行される。それが実行される速度は、手動又は自動的に管理される。レーザビームの焦点スポットの寸法は、作業ゾーンの幾何形状に応じて適合される。変形を制限し、ブレードの場合には、ブレードの頂部の崩壊を回避するために、レーザビームによって供給される平均出力は低い（１００Ｗ未満）。
【００２９】
図３は、タービンブレード１０の基材と保護コーティングとの間の接着不良の除去作業を示している。符号１１は、例えばＹＡＧレーザ源であるレーザ源を示している。レーザ源１１によって照射されるレーザビームは、光ファイバ１２によってレーザヘッド１３まで伝送される。レーザヘッド１３は、レーザビーム１４を回復されるべきゾーンに向ける。作業中、ガス保護システム１５は、腐食及び酸化からブレードを保護する。ガス保護は、不活性ガス（例えばアルゴン）又は還元ガスを吹き付けることによって達成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】要素の本体とその保護コーティングとの間の接着不良ゾーンを有するタービン要素の横断面の部分を示す図である。
【図２】本発明にかかる回復方法を受けた図１に示されるタービン要素を示す図である。
【図３】タービン要素の基材と保護コーティングとの間の接着不良の除去作業を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ブレード
２基材
３保護コーティング
４接着不良ゾーン
５、１４レーザビーム
１０タービンブレード
１１レーザ源
１２光ファイバ
１３レーザヘッド
１５ガス保護システム

【特許請求の範囲】
【請求項１】
要素の本体を形成する基材（２）と、基材に接着した保護コーティング（３）とから構成されたタービン要素（１、１０）を回復する方法にして、
保護コーティング（３）と基材（２）との間の接着不良を有するゾーンを特定するためのタービン要素の制御と、
保護コーティングと基材との間の接着不良の除去とを備える方法であって、
接着不良が、接着不良を有する各ゾーン上に向けられて、レーザビームの停止後に保護コーティングと基材との間の、前記ゾーンの高さにおける各ゾーンの冷却後に適切な接着を可能とする保護コーティングと下にある基材との局所的な溶融を引き起こすレーザビーム（５）を用いて除去されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
タービン要素の制御の間に特定された、不良を有するゾーンが、３次元的に幾何解析され、決定された経路にレーザビームを提供して各接着不良を除去するのを可能とする特徴を付与するために記録される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
タービン要素上のレーザビームの経路が、できる限り迅速となるように決定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
レーザビーム（１４）によって引き起こされた局所的な溶融が、不活性又は還元性雰囲気下で実行される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
レーザビーム（１４）が、光ファイバ（１２）によって接着不良を有するゾーン上に向けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
レーザビーム（１４）が、ＹＡＧレーザ（１１）によって照射される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
接着不良の除去後に、接着不良が保護コーティングと基材との間に残存するかどうかを確認するためのタービン要素の新たな制御を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
タービンブレード又はナイフエッジシールの回復に対する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法の適用。

【図１】