JP6573061B1

JP6573061B1 - 析出強化型鋳造合品の溶接補修方法

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Publication number: JP6573061B1
Application number: JP2019530863A
Authority: JP
Inventors: 西田　秀高; 秀高西田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: EP3932603A1; EP3932603A4; WO2020174525A1; US20220134472A1; JPWO2020174525A1

Abstract

析出強化型鋳造合品の損傷部を補修する方法であって、固溶強化型の合金を含む、前記析出強化型鋳造合品よりも靱性が高い溶接材料５３を用い、マイクロティグ溶接により前記損傷部を溶接する。

Description

本発明は、析出強化型鋳造合品の溶接補修方法に関する。

火力発電設備や原子力発電設備等におけるタービンの動翼、燃焼器、尾筒等の鋳造品は、その素材に析出強化型の超耐熱合金（ニッケル基超耐熱合金等）を用いることで、高温強度を向上させることができる。しかしながら、これらの鋳造品も長期間にわたって高温・高圧条件下におかれると、タービンの起動及び停止の繰り返し等により発生する熱応力が原因となって、表面等に亀裂や損傷が生じることがある。この場合、発電所ではＴＩＧ溶接やレーザー溶接等で補修を行うことで対応している。

この点、母材の素材を改良することで、補修の効果を上げることが考えられる。例えば、特許文献１には、Ａｌ：５ａｔ％より大で１３ａｔ％、Ｖ：９．５％以上で１７．４ａｔ％より小、Ｎｂ：０ａｔ％以上５ａｔ％以下、Ｂ：５０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなり、初相Ｌ１₂相と（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織との２重複相組織を有するＮｉ₃Ａｌ基金属間化合物が記載されている。また、特許文献２には、Ｎｉを主成分とし且つＡｌ：２〜９原子％，Ｖ：１０〜１７原子％，（Ｔａ及び／又はＷ）：０．５〜８原子％，Ｎｂ：０〜６原子％，Ｃｏ：０〜６原子％，Ｃｒ：０〜６原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢ：１０〜１０００重量ｐｐｍを含むＮｉ基金属間化合物合金において、初析Ｌ１₂相と（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織とからなる２重複相組織を有するものが開示されている。

他方、補修方法としては、特許文献３には、ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の補修に関して、スキーラの損傷部を切削除去した後、当該部分にニッケル基超合金から肉盛部を溶接によって形成し、肉盛部を、この肉盛部を構成するニッケル基超合金の融点（ｍ℃）の１／２以上の温度であって、融点以下の温度範囲に１５℃／分以上５００℃／分以下の昇温速度で加熱し、肉盛部に冷却ガスを吹き付け急冷し、その後、肉盛部に対して溶体化処理を行うことが記載されている。

国際公開第２００７／０８６１８５号特開２００９−２１５６４９号公報特開２０１３−６８０８５号公報

ところが、特許文献３に代表されるような溶接作業は、非常に煩雑で未だ効率が悪いのが現状である。例えば、鋳造品の溶接後の熱処理に際して、部品を工場に運搬して行うことが必要となるが、大型の部品であることから時間もコストもかかる。また、同文献では溶接にレーザー溶接を行うことが想定されているが、そのような溶接では亀裂が再発生することが多く、歩留まりが良くない。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、析出強化型鋳造合品を確実かつ効率的に補修することが可能な析出強化型鋳造合品の溶接補修方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の一つは、析出強化型鋳造合品の損傷部を補修する方法であって、固溶強化型の合金を含む、前記析出強化型鋳造合品よりも靱性が高い溶接材料を用い、マイクロティグ溶接により前記損傷部を溶接する。

本発明者は、固溶強化型の合金を含む、母材たる析出強化型鋳造合品よりも靱性が高い溶接材料を、母材が析出強化型鋳造合品の場合に用いることで、補修時及び補修後の溶接部に熱応力がかかってもこれを緩衝させる（外部に逃がす）ことができるため、母材の熱応力に対する耐久性を有意に高めることができ、従来行っていた熱処理も不要となるという知見を得た。さらに本発明者は、この場合の溶接をマイクロティグ溶接で行うことにより、補修時の溶接部の近傍における温度勾配を比較的小さく保ち、溶接部の熱応力の発生及びこれに起因する母材の強度低下を抑制することができることに想到した。このように、本発明の溶接補修方法によれば、溶接材料及び溶接方法を適切に組み合わせることで、析出強化型鋳造合品を確実かつ効率よく補修することができる。

なお、本発明においては、例えば、前記マイクロティグ溶接における溶接電流を５０Ａ以下とする。

このように、マイクロティグ溶接の溶接電流を５０Ａ以下とすることで、補修時及び補修後の補修部位及びその周囲の損傷（例えば、補修部位の割れや亀裂の再発生）を確実に防ぐことができる。

なお、本発明においては、例えば、前記溶接材料は二重複相ナノ組織金属間化合物合金を含むニッケル基合金である。

このように、まず溶接材料がニッケル基合金を含むことで、ニッケルは靱性（延性）が高いため、補修時及び補修後において、補修部位及びその周囲の損傷（例えば、補修部位の割れや亀裂の再発生）防ぐ効果が確実に得られる。また、二重複相ナノ組織を有することで、高温に強く、耐摩耗性、耐食性を良好に保つ効果も得られる。

なお、本発明においては、例えば、前記マイクロティグ溶接においては、前記損傷部の露出面を覆うように前記溶接材料を前記損傷部に導入する。

このように、鋳造合品の損傷部の露出面を覆うように溶接を行うことで、補修時及び補修後において、母材の損傷部と溶接の境界において局所的な変形や損傷が発生して母材の再補修が必要となるような事態を防ぐことができる。

なお、本発明においては、例えば、前記マイクロティグ溶接を行う前に、前記損傷部を含むようにして前記鋳造合品の一部を切削することにより前記鋳造合品の表面に凹部を形成し、形成した凹部に対して前記マイクロティグ溶接を行う。

このように、マイクロティグ溶接を行う前に、損傷部を含む部分を切削して凹部（開先）を形成することで、損傷部分が除去された状態でマイクロティグ溶接を行うことができるので、母材で発生した損傷に起因する、補修時及び補修後の補修部位及びその周囲の損傷（例えば、補修部位の割れや亀裂の再発生）を防ぐことができる。

本発明によれば、析出強化型鋳造合品を確実かつ効率的に補修することができる。

図１は、火力発電所等に設けられるガスタービンの構成部品の一例を示した図である。図２は、本実施形態に係る、鋳造合品の溶接補修方法の手順の一例を示す図である。図３は、開先形成工程の一例を示す図である。図４は、溶接工程の一例を説明する図である。図５は、本発明者らが実施した補修溶接試験の結果を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
まず、図１は、火力発電所等に設けられるガスタービンの構成部品の一例を示した図である。ガスタービン１０は、例えば、複数の、ニッケル−コバルト系の耐熱合金で構成される。具体的には、ガスタービン１０は、燃焼器副室２２及び燃焼器主室２４を備え、燃料を圧縮空気と混合して燃焼させる燃焼器２０と、燃焼器２０で発生した燃焼ガスや水蒸気等が流通する尾筒３０（トランジションピース）と、尾筒３０から流入した燃焼ガス等の熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン室４０とを備えて構成される。タービン室４０には、燃焼ガス等を整流する静翼４２と、燃焼ガス等を圧縮し回転エネルギーに変換する動翼４４とが、交互に複数配置される。なお、これらの各構成部品は、本実施形態では、金属材料に対して主に時効熱処理等による析出強化を行った析出強化型鋳造合品であるものとする。

このようなガスタービン１０の構成部品に対しては、ガスタービン１０の起動及び停止の繰り返しに起因した熱応力が発生し、各構成部品の表面付近に亀裂により損傷が発生しやすい。そこで、このような表面に発生した亀裂に対する溶接補修を例に、本実施形態に係る鋳造合品の溶接補修方法を説明する。

図２は、本実施形態に係る、鋳造合品の溶接補修方法の手順の一例を示す図である。
まず、後述するマイクロティグ溶接を行う前に、発生した亀裂を含む部分を切削することにより凹部（開先）を形成する開先形成工程を実施する（ｓ１１）。

図３は、開先形成工程の一例を示す図である。同図に示すように、亀裂５０が発生したガスタービンの構成部品５の表面５５に対して、ドリルやエンドミル等を用いることで、亀裂５０を含むように構成部品５の表面５５に凹部５１（開先）を形成する。これにより、亀裂５０全体を除去する。なお、凹部５１は、例えば、その断面形状がＶ字状又はＵ字状の空間となるような空間とする。

次に、図２に示すように、開先形成工程で形成した凹部５１に対してマイクロティグ（Micro Tungsten Inert Gas）溶接を行うことで、凹部５１を充填する溶接工程を実施する（ｓ１３）。

ここで、図４は、溶接工程の一例を説明する図である。溶接工程では、溶接材料５３を含む溶接棒５７及び溶接トーチ５４を用いることにより、凹部５１の形成により母材（構成部品５）の内部が露出した露出面５２上に、露出面５２を確実に全面的に覆うように溶接を行う（ｓ１１）。

溶接に用いる溶接棒５７の素材（溶接材料５３）は、固溶強化型の金属を含む、母材である構成部品５よりも靭性が高い合金とする。このような合金としては、例えば、ニッケル基合金がある。

さらに、この溶接材料５３は、二重複相ナノ組織金属間化合物合金を含むニッケル基合金である。すなわち、ニッケルにアルミニウム及びバナジウムを所定割合で加えて鋳造凝固することで、ナノレベルで、Ｄ０₂₂相（Ｎｉ₃Ａｌ）とＬ１₂相（Ｎｉ₃Ｖ）を有する共析組織を形成したニッケル基合金である。なお、アルミニウム及びバナジウムの添加割合、また、その他の微量元素（ホウ素等）の添加割合は特に限定されるものではない。

溶接工程における溶接方法は、具体的には、例えば以下のように実施する。まず、凹部５１に対する入熱量（溶接トーチ５４による、単位時間あたりの熱エネルギー供給量）については、凹部５１に、通常のマイクロティグ溶接で使用される程度の大きさの溶接電流で入熱を行うと、凹部５１に大きな熱応力が発生し、その結果、母材たる構成部品５に割れが生じるおそれがあるので、溶接電流はそれよりも低めに設定する必要がある。例えば、溶接電流は５０Ａ以下とすることが好ましい。

なお、溶接トーチ５４の移動速度（溶接速度）については、その移動速度が速すぎると、入熱部とその周囲との温度差（熱拡散に起因する温度差）が生じ易いため、母材である構成部品５の割れの原因となる。そこで、溶接トーチ５４の移動速度は速くしすぎないことが重要である。これにより、凹部５１に対して満遍なく必要な熱供給を行うことができる。

以上のような溶接方法で溶接を行うことにより、凹部５１に対応する略同一形状の溶接部を形成し、構成部品５に生じた亀裂を補修する。

＜溶接補修試験＞
本発明者らは、以上の溶接方法を用いた、鋳造合品の溶接補修試験を行った。すなわち、本試験では、損傷部を有するガスタービンの燃焼器（材料は、ハステロイ（登録商標）Ｘ）を試験母材として、高濃度ニッケル溶接棒によるマイクロティグ溶接（溶接電流は５０Ａ以下を維持した）を実施することで、損傷部の溶接補修を行った。この溶接補修後、引張試験及び高温疲労試験を行うことで、損傷の無い状態の試験母材（以下、単に母材という）と溶接補修後の母材（以下、補修後部材という）との状態を比較した。

図５は、本発明者らが実施した溶接補修試験の結果を示す図である。引張試験（９００℃大気中）では、母材の０．２％耐力は１７８．１ＭＰａであったのに対して補修後部材の０．２％耐力は１７０．３ＭＰａであった。また、母材の引張強さは１８７．２ＭＰａであったのに対して補修後部材の引張強さは１７７．７ＭＰａであった。すなわち、引張り強さに関して、補修後部材は母材とほぼ同等の強度を有していた。

また、高温疲労試験（９００℃大気中。荷重制御は１５〜１５０ＭＰａ（応力換算）。）では、母材の破断繰り返し数は５５５サイクルであったのに対して補修後部材の（溶接部に対する）破断繰り返し数は３７７サイクルであった。すなわち、高温疲労に対する耐久性に関して、補修後部材は母材の７割程度の耐久性を有しており、実機の運用に充分に耐えることが可能であることがわかった。

以上に説明したように、本実施形態の析出強化型鋳造合品の溶接補修方法によれば、固溶強化型の合金を含む、母材たる析出強化型鋳造合品よりも靱性が高い溶接材料を、母材が析出強化型鋳造合品の場合に用いることで、補修時及び補修後の溶接部に熱応力がかかってもこれを緩衝させる（外部に逃がす）ことができるため、母材の熱応力に対する耐久性を有意に高めることができ、従来行っていた熱処理も不要となる。さらに、この場合の溶接をマイクロティグ溶接で行うことにより、補修時の溶接部の近傍における温度勾配を比較的小さく保ち、溶接部の熱応力の発生及びこれに起因する母材の強度低下を抑制することができることに想到した。このように、本実施形態の溶接補修方法によれば、溶接材料及び溶接方法を適切に組み合わせることで、鋳造合品を確実かつ効率よく補修することができる。

また、本実施形態の鋳造合品の溶接補修方法では、マイクロティグ溶接の溶接電流を５０Ａ以下とすることで、補修時及び補修後の補修部位及びその周囲の損傷（例えば、補修部位の割れや亀裂の再発生）を確実に防ぐことができる。

また、本実施形態の鋳造合品の溶接補修方法では、溶接材料は二重複相ナノ組織金属間化合物合金を含むニッケル基合金であることで、ニッケルは靱性（延性）が高いため、補修時及び補修後において、補修部位及びその周囲の損傷（例えば、補修部位の割れや亀裂の再発生）防ぐ効果が確実に得られる。また、二重複相ナノ組織を有することで、高温に強く、耐摩耗性、耐食性を良好に保つ効果も得られる。

また、本実施形態の鋳造合品の溶接補修方法では、鋳造合品の損傷部の露出面を覆うように溶接を行うことで、補修時及び補修後において、母材の損傷部と溶接部の境界において局所的な変形や損傷が発生して母材の再補修が必要となるような事態を防ぐことができる。

また、本実施形態の鋳造合品の溶接補修方法では、マイクロティグ溶接を行う前に、損傷部を含む部分を切削して凹部（開先）を形成することで、損傷部分が除去された状態でマイクロティグ溶接を行うことができるので、母材で発生した損傷に起因する、補修時及び補修後の補修部位及びその周囲の損傷（例えば、補修部位の割れや亀裂の再発生）を防ぐことができる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、本実施形態では、亀裂補修において、マイクロティグ溶接を行う前に開先を形成するものとしたが、開先を形成することなく、鋳造合品の損傷部に直接肉盛溶接を行ってもよい。また、亀裂以外の損傷、例えば鋳造合品の摩耗（減肉）等に対しても、鋳造合品の損傷部に直接肉盛溶接を行ってもよい。また、本実施形態に係る溶接補修方法は、ガスタービン１０の構成部品（燃焼器２０、尾筒３０、静翼４２、動翼４４）をはじめとするな、耐熱合金部材の溶接補修一般に対して適用することができる。

５構成部品、１０ガスタービン、２０燃焼器、２２燃焼器副室、２４燃焼器主室、３０尾筒、４０タービン室、４２静翼、４４動翼、５０亀裂、５１凹部、５２露出面、５３溶接材料、５４溶接トーチ、５５表面、５６粉末、５７溶接棒

Claims

析出強化型鋳造合品の損傷部を補修する方法であって、
固溶強化型の合金を含む、前記析出強化型鋳造合品よりも靱性が高い溶接材料を用い、マイクロティグ溶接により前記損傷部を溶接する、析出強化型鋳造合品の溶接補修方法。
前記マイクロティグ溶接における溶接電流を５０Ａ以下とする、請求項１に記載の析出強化型鋳造合品の溶接補修方法。
前記溶接材料は二重複相ナノ組織金属間化合物合金を含むニッケル基合金である、請求項１に記載の析出強化型鋳造合品の溶接補修方法。
前記マイクロティグ溶接においては、前記損傷部の露出面を覆うように前記溶接材料を前記損傷部に導入する、請求項１に記載の析出強化型鋳造合品の溶接補修方法。
前記マイクロティグ溶接を行う前に、前記損傷部を含むようにして前記鋳造合品の一部を切削することにより前記析出強化型鋳造合品の表面に凹部を形成し、形成した凹部に対して前記マイクロティグ溶接を行う、請求項１に記載の析出強化型鋳造合品の溶接補修方法。