ガスタービン単結晶ブレードの精密修理：性能と信頼性向上の鍵
タービンブレード技術の進歩により、新しい部品のコストが上昇しました。単結晶ブレードのコストは、同様のサイズと複雑さの従来の鋳造ブレードのコストの 2 ～ 3 倍です。単結晶コンポーネントのコストが高いと、所有者はコンポーネントの耐用年数を最大限に延ばすようになる可能性があります。
コンポーネントの交換コストを削減するソリューションとして、当社はコンポーネントの寿命を延ばすように設計されたプロセスを作成しました。そのようなプロセスの 1 つは完全溶体化再生熱処理 (FSR) です。 FSR は、合金の微細構造と機械的特性を新しい状態に復元します。単結晶合金 FSR の熱処理の主な問題は、残留応力により表面に再結晶粒が形成されることです。単結晶合金中の粒界強化合金添加剤の含有量が低いことを考えると、これはリスクです。単結晶合金の再結晶化および/または漂遊粒子は、高温での疲労寿命と応力破壊強度の低下をもたらします。その結果、元のメーカーによって検査され、拒否されます。これが単結晶鋳物価格高騰の要因の一つ！
当社は、単結晶タービンブレードの FSR 熱処理の実現可能性をさらに評価するために試行修理を実施しました。その際、その後の再結晶化を避けるためにブレードの重要な表面が塑性変形を受けないことを確認することが重要でした。さらに、重要な表面の再結晶化をチェックするには、効果的な非破壊検査方法を使用する必要があります。図 2 に示すように、CMSX-4 単結晶合金で構成された退役したシーメンス SGT-100 HP タービンブレードを使用して、実証修理と破壊分析が実行されました。ブレードは 28 年間稼働していました。{{5} }時間。 1回の修理後、さらに12,000時間稼働しました。合計サービス時間は 36,000 時間で、OEM は部品の有効期限が切れたことをオペレーターに通知しました。
グループ内の代表的なブレードは、冶金学的状態のベースラインを確立するために、「受け取ったとき」の状態で破壊検査を受けました。残りの 5 つのブレードには修理が必要です。以下のものが含まれます。
コーティングの除去
サイズと侵入の検出
完全溶液若返り熱処理
外側のプラチナアルミネートコーティングを交換する
グループ内の代表的なブレードは、冶金学的状態のベースラインを確立するために、「受け取ったとき」の状態で破壊検査を受けました。残りの 5 つのブレードには修理が必要です。以下のものが含まれます。
ベース合金の走査型電子顕微鏡観察 (ガンマ型)
翼型から採取したマイクロプレートサンプルの応力破壊試験
内部および外部表面の顕微鏡検査。
図 に示すように、エアフォイルの外面にはアルミメッキされたプラチナ コーティングが含まれています。コーティングは部分的に消耗していましたが、下にあるベース合金への損傷は観察されなかったため、以前のサービス期間中は効果的に保護されました。
コーティングされていない翼型内部表面、図 3 右。母材合金のわずかな酸化が内面に観察され、侵入深さは<25 microns (0.001 in).
コーティングを除去した後、葉の表面に露出した亀裂や欠陥がないか蛍光貫入試験 (FPI) によって検査されます。兆候は見つかりませんでした。
検査の結果、これらの葉は修理の対象として適していると判断されました。壁の厚さの測定には超音波技術が使用されます。
FSR 熱処理後、ブレードの重要な領域の再結晶粒を化学エッチングによって非破壊的に検査しました。 5 枚のブレードのうち 4 枚では、再結晶粒が重要な領域に現れます (図 4 に示す例)。
破壊検査により、少なくとも 1 つのブレードの再結晶深さが使用限界を超えていることが確認されました (すべての再結晶領域が破壊されたわけではありません)。
この発見に基づいて、さらに 12 個の耐用年数が終了したブレードがさらなる分析のために提出されました。このグループは、6 つのブレードからなる同じ初期テスト グループからの 7 つのブレードと、異なるブレード グループからの 5 つのブレードで構成されます。すべてのブレードは、コーティングの除去と FSR 熱処理プロセスを含む修復が行われ、その後、再結晶粒の肉眼によるエッチング検査が行われました。
すべての葉には当初、主要な領域にさまざまな程度の再結晶粒が含まれていました。ブレードは、すべての重要な領域から再結晶粒子が除去されるまで、機械的な粒子の除去と再検査のサイクルを受けます。最後に、8 枚のブレード (7 枚のグループに 5 枚、5 枚のグループに 3 枚) の破壊検査が実行され、検査結果を検証し、残りの壁厚を評価しました。最初のグループの 7 枚のブレードすべてがメンテナンス限界内にあることが判明し、2 番目のグループのブレードの 5 分の 4 がメンテナンス限界内にあることが判明しました。
