JP2006207579A - ブレード一体型ローターの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブレード一体型ローターを製造、修理する改良された方法を提供する。
【解決手段】チタンベース合金で形成されたハブ部分１２を準備するステップと、ハブ部分１２にチタンベース合金で形成されたエアフォイル１４を溶接するステップを有してなる。本方法はさらに、溶接の前にハブ部分１２を部分時効処理して冷却するステップ、溶接の後にエアフォイル１４、およびエアフォイル１４とハブ部分１２の間の溶接接合部１６を時効処理するステップを有する。溶接後の時効処理ステップには内包式の局所エアフォイル加熱装置を用いることができる。この装置は高耐熱布材料でできたジャケットに織り込まれた複数の加熱要素を有する。
【選択図】図１
【解決手段】チタンベース合金で形成されたハブ部分１２を準備するステップと、ハブ部分１２にチタンベース合金で形成されたエアフォイル１４を溶接するステップを有してなる。本方法はさらに、溶接の前にハブ部分１２を部分時効処理して冷却するステップ、溶接の後にエアフォイル１４、およびエアフォイル１４とハブ部分１２の間の溶接接合部１６を時効処理するステップを有する。溶接後の時効処理ステップには内包式の局所エアフォイル加熱装置を用いることができる。この装置は高耐熱布材料でできたジャケットに織り込まれた複数の加熱要素を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、ブレード一体型ローターを製造／修理するための方法、および、これら方法に用いられる新規な内包式局所エアフォイル加熱装置に関するものである。
大型で高性能のガスタービンエンジンにおいてブレード一体型ローター部品の使用がますます増加しているが、これは性能および効率改善の要求によるものである。従来のローターにおいては、回転エアフォイルは、ディスクのリムにブローチ加工された鳩尾型のスロットに保持されている。ブレード一体型ローターでは、エアフォイルとディスクは一個の連続した金属体を形成している。ブレード一体型ローターにおいては、従来の設計のローターにおいて必要とされるよりも小さなディスク質量で回転エアフォイルを保持することができ、この結果、重量および燃料の節約が図れれう。さらに、ブレード一体型ローターにおけるディスク質量の低減によって、ローターに反力を及ぼし、あるいはローターの反力を受けるシャフト、ハブ、ベアリング等の他の部品の重量低減を図ることができる。
過去において、大型のガスタービンエンジンにブレード一体型ローターを用いることに伴う主な不利益は、ブレンド限界（blendable limit）、つまり手直し可能な限度を超える損傷を受けたブレード一体型ローターエアフォイルを修理するための、信頼性ある方法がないことであった。エアフォイルはディスクと一体になっているので、エアフォイルがブレンド限界を越える損傷を受けた場合はローター全体を使用状態から外し、相当な費用をかけて新しいブレード一体型ローターと交換しなければならない。
ブレード一体型ローターに関する他の問題点は、その製造ないし生産に使用される製造方法に関連したものである。ブレード一体型ローターは単一の大きな鍛造物から削り出すこともできるが、この方法は好ましくない。大型のビレットのような大きな鍛造物は性能を高めることが難しく、また材料によっては非常に高価な出発材料を相当量、削り捨てなくてはならない。また製造過程につきものの加工ミスによって、スクラップになる危険性がある。ブレード一体型ローターを製造する他の方法は、別体に鍛造されたエアフォイルを接合工程によってローターに取り付ける方法である。
必須的に６．０重量％のアルミニウム、２．０重量％の錫、４．０重量％のジルコニウム、６．０重量％のモリブデンを含んでなり、および残部が実質的にチタンからなるチタン合金は、靭性、引っ張り強度、疲労強度が高く、溶接性が良好なことによって、ブレード一体型ローターに望ましいものである。しかしながらこの合金は、斜方晶系マルテンサイトである溶接領域の微細構造の性質のために、溶接後の後処理が困難である。第一に、ＯＥＭ摩擦溶接部は、微細構造を安定化し、応力を除去するために溶接後に熱処理を施さなくてはならない。第二に、ブレード一体型ローターはその後、異物による損傷に対応して使用状態のまま溶接修理を受けることが可能でなくてはならない。溶接部の性能は完全溶体化処理と溶接後の熱処理によって回復されるが、この作業を行うことは、特に非ＯＥＭ溶接においては、エアフォイルの変形の可能性と表面汚染のゆえに実際的ではない。現在用いられている１１００°Ｆ（約５９３．３℃）で２−６時間の溶接後熱処理では、溶接領域が非常に硬くなり、母材に比較して衝撃強度が低下し、疲労割れ伝播抵抗が不十分になる。溶接領域の衝撃および靭性性能を許容範囲に回復するために、溶接後熱処理温度を平均１３００°Ｆ（約７０４．４℃）に高め、２時間までにわたって処理することもできる。しかしながらこの処理においては基準状態の４−６％の引っ張り強度損失が起こる。
しかしながら、上記のような損失は高い応力を受ける多くの部品においては許容されないものである。
従って、本発明の目的は、ブレード一体型ローターを製造および／または修理するための改良された方法を提供することである。
本発明の他の目的は、高い引っ張り強度および疲労強度を保ちながら高温の溶接後熱処理を用いることを可能にする方法を提供することである。
本発明の別の目的は、上記の高温溶接後熱処理を行うための、新規の内包式（密閉型）の局所エアフォイル加熱装置（エアフォイルの局所的な加熱装置）を提供することである。
本発明によれば、ブレード一体型ローターを製造するための方法は、概略的には、好ましくはチタンベースの合金で形成されたハブ部分を準備すること、および同様に好ましくはチタンベースの合金で形成されたエアフォイルをハブ部分に溶接すること、を有してなるものである。溶接の前に、ハブ部分およびエアフォイルに、固溶化処理（溶体化処理）、油焼入れ、部分時効処理および冷却を行うことができる。本方法はさらに、溶接に続いて、ハブ部分とエアフォイルの間の溶接接合部に、高温での溶接後の均質化熱処理を施すことを有してなるものである。
本発明において、新規の内包式（密閉型）の局所エアフォイル加熱装置は、上記の溶接後均質化熱処理を行うために用いられる。本装置は、概略的には、高耐熱性の布材料（織物）から作られたジャケット（包被）に織り込まれた複数の加熱要素（加熱素子）を有してなる。この加熱装置をエアフォイルおよび溶接接合部に被せることで、上記の溶接後熱処理が行われる。
本発明による、ブレード一体型ローターを修理するための方法は、概略的には、ブレード一体型ローターのエアフォイルの損傷部分を機械加工で削り落とすこと、および未損傷のエアフォイルの断片ないし形材をブレード一体型ローターのエアフォイルの残っている部分（残存部分）に溶接すること、を有してなるものである。これに続いて、上記の内包式局所エアフォイル加熱装置を未損傷エアフォイルの断片および溶接部にかぶせ、溶接後熱処理を行なう。これにより、残留応力を除去し、また溶接接合部およびこれに隣接する金属の微細構造と機械的性能ないし特性を回復することができる。
本発明の上記製造／修理方法、および内包式局所エアフォイル加熱装置のその他の詳細、およびその他の目的およびこれに伴う利点は、以下の説明と添付図面に示されている。各図面中において、類似の構成要素は類似の符号で表されている。
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図1には、ハブ部分１２と、溶接接合部１６でハブ部分に溶接されたエアフォイル１４を有するブレード一体型ローター１０が示されている。またエアフォイルの断片１５が溶接接合部１６’でエアフォイルの未損傷部分１１に溶接されている。図1は、また修理を要する損傷した先端部１９を有するいくつかのエアフォイル１１を示している。ハブ部分１２、エアフォイル１４、およびエアフォイルの断片１５は従来公知の適切な技術を用いて形成することができる。ハブ部分１２、各エアフォイル１１、１４、１７、およびエアフォイルの断片１５はチタンベース合金で形成することができる。好適なチタンベース合金としては、主として６．０重量％のアルミニウム、２．０重量％の錫、４．０重量％のジルコニウム、６．０重量％のモリブデン、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金（ＴＩ−６２４６）；主として６．０重量％のアルミニウム、２．０重量％の錫、４．０重量％のジルコニウム、２．０重量％のモリブデン、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金（ＴＩ−６２４２）；および主として６．０重量％のアルミニウム、４．０％のバナジウム、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金（ＴＩ−６４）が挙げられる。チタン合金が好ましいが、ここに説明される方法は例えばＩｎｃｏ７１８のようなニッケルベース合金で形成されたハブ部分、エアフォイル、およびエアフォイルの断片に適用されてもよい。ハブ部分１２、エアフォイル１１、１４、１７および／またはエアフォイルの断片１５は、同じ合金で形成されてもよく、また異なる合金で形成されてもよい。
溶接接合部１６は従来公知の任意の適切な技術を用いて形成することができる。例えば、各エアフォイル１４はハブ部分１２に、ＯＥＭ摩擦溶接法などの摩擦溶接技術を用いて溶接することができる。
溶接の前に、ハブ部分１２と各エアフォイル１４に固溶化処理および油焼入れを行ってもよい。例えば、ハブ部分１２および／またはエアフォイル１４がＴＩ６２４６合金で形成されているならば、固溶化処理および油焼入れを実施する。固溶化処理および油焼入れ処理においては、まずハブ部分１２およびエアフォイル１４を約１６２０°Ｆ（約８８２．２２℃）ないし約１６５５°Ｆ（約９０１．６６℃）の温度で、約１時間ないし４時間にわたって加熱する。固溶化処理および油焼入れ処理は、空気またはアルゴン雰囲気の電気炉中で行うことができる。ハブ部分１２および／またはエアフォイル１４は、適時に遅滞なく油タンク（図示せず）に移すために棚または固定具に入れてもよい。別法として、固溶化処理を行うのに油焼入れ能力のある真空炉を用いてもよい。油焼入れ段階が完了した後、ハブ部分１２およびエアフォイル（単数または複数）１４に約１０７５°Ｆ（約５７９．４４℃）ないし約１１２５°Ｆ（約６０７．２２℃）の温度で、約２時間ないし約８時間にわたって部分的に時効処理（エージング）を施してもよい。この部分時効処理は任意の適切な雰囲気を有する、従来公知の任意の適切な炉を用いて行うことができる。部分時効処理の後、ハブ部分１２およびエアフォイル（単数または複数）１４を毎分約４０°Ｆ（約２２．２２℃）ないし１００°Ｆ（約５５．５５℃）の降温率で冷却してもよい。
上述したように、ブレード一体型ローター１０を製造する場合、一つ一つのエアフォイル１４をハブ部分１２に溶接する。溶接が完了した後、ハブ部分１２およびエアフォイル１４とハブ部分１２の間の溶接接合部１６に、過時効溶接後熱処理を施す。この処理において溶接接合部１６を不活性ガス中で１２７５°Ｆ（約６９０．５５℃）ないし１３２５°Ｆ（約７１８．３３℃）の温度で、１時間ないし４時間にわたって加熱する。溶接後熱処理の後、エアフォイル１４および溶接接合部１６を毎分約４０°Ｆ（約２２．２２℃）ないし約１００°Ｆ（約５５．５５℃）の降温率で冷却する。
本発明によれば、溶接後熱処理は、図２に示されるような、新規な内包式局所エアフォイル加熱装置２０を用いて行うことが好ましい。加熱装置２０は、例えば、高耐熱の硼珪酸アルミニウムベースの織物などのセラミック絶縁材料で形成されたジャケットまたはソックス２２を有する。ジャケットまたはソックス２２は２つの役目を果たす。第１の役目は、ジャケットまたはソックス２２は、装置２０が発生した熱をエアフォイル表面に集中し、溶接接合部１６および周囲の熱の影響を受けた領域を、目標とする溶接後熱処理温度に到達させ、その温度で安定させることである。第２の役目は、ジャケット２２は、隣接するエアフォイルが意図しない加熱を受けるのを防止することである。
装置２０は、ジャケット２２の布ないし構造物に織り込まれた複数の輻射式の抵抗発熱要素、つまり加熱要素（加熱素子）２４を有する。加熱要素２４は、好ましくは、ワット密度の高い電熱線からなる。加熱要素２４は熱をエアフォイル表面に直接に輻射ないし放射する役目をする。加熱要素２４は個別に制御される複数の加熱要素領域として配置されてもよい。例えば、装置２０は、４つの個別に制御される加熱要素領域を有するものでも良い。
チタンで作られた箔状のゲッターシート２６がさらにジャケット２２の織物に織り込まれており、局所的な雰囲気による汚染を防止するとともに領域に分けられた装置２０の温度制御能力を高めている。
装置２０はさらに、ジャケット２２の織物に織り込まれた複数の非接触熱電対ワイヤー２８を有する。熱電対ワイヤー２８は溶接後熱処理サイクルにおいて精密な温度制御を行うのに用いられる。可変式変圧器３０が各加熱領域の加熱要素２４に接続されて、加熱要素に電力を供給する。変圧器３０は熱電対ワイヤー２８が検知した温度の関数として各加熱領域の加熱要素２４への電流を変化させるのに用いることができる。
装置２０を使用するには、図３に示されるように、装置２０をエアフォイル１４と溶接接合部１６に被せる。次いで、電力を輻射式加熱要素２４へ供給し、溶接接合部１６を加熱して上述した溶接後熱処理温度にする。電力は上述した範囲の溶接後熱処理時間にわたって継続して供給される。
ブレード一体型ローター１０を製造するのに用いられるのと基本的に同じ方法が、損傷を受けたブレード一体型ローターを再生するのにも用いられる。ブレード一体型ローターを修理するには、まずローターエアフォイル１１の損傷部分１９を、従来公知の任意の適切な機械加工技術を用いて削り落とす。その後、未損傷エアフォイルの断片１５を、ブレード一体型ローターのエアフォイルの残存部分１１に溶接する。エアフォイルの断片１５を残存部分１１に溶接するには、摩擦溶接技術などの、従来公知の任意の適切な技術を用いることができる。未損傷エアフォイルの断片１５は任意の前述のチタンベース合金またはニッケルベース合金からなっていてよい。
次いで加熱装置２０を未損傷エアフォイル１５および溶接接合部１６’に被せ、電力を供給して前述の溶接後熱処理を、１２７５°Ｆ（約６９０．５５℃）から１３２５°Ｆ（約７１８．３３℃）の温度で、１時間ないし４時間にわたって行う。溶接後熱処理の後、未損傷エアフォイル１５および溶接接合部１６’を毎分約４０°Ｆ（約２２．２２℃）ないし約１００°Ｆ（約５５．５５℃）の降温率で冷却する。
溶接後熱処理の後、未損傷エアフォイルの断片１５を機械加工して、要求される形状を得る。
本発明の加熱装置２０の利点は、焦点を絞った（集中的で）、局所的な加熱を与えることによって、ブレード一体型ローター上の隣接するエアフォイル及びディスクハブが、強度損失および／または変形を起こすような温度より十分低い温度に保たれることである。同時に加熱装置２０により、超合金エアフォイル材料の溶接後応力除去に必要な温度と継続時間を提供することができる。
図４および図５を参照して、これらのグラフには、本発明の方法が母材（Ｐ／Ｍ）の強度損失を除去し、合金の靭性が基準線と合致する状況が図示されている。図４には、ブレード一体型ローターを形成するのに用いられるＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ合金の最終的な引っ張り強度、降伏点、および伸び特性が示されており、この合金に固溶化処理、油焼入れ、１１００°Ｆ（約５９３．３３℃）での部分時効処理、および１３００°Ｆ（約７０４．４４℃）での過時効処理を施した場合（合金ｎｏ．１）と、同じ合金に固溶化処理、空冷、および１１００°Ｆ（約５９３．３３℃）での時効処理を施した場合（合金ｎｏ．２）と、同じ合金に固溶化処理、空冷、および１３００°Ｆ（約７０４．４４℃）での時効処理を施した場合（合金ｎｏ．３）とを比較している。合金ｎｏ．１が他の二つより優れているのがわかる。また図５には、ブレード一体型ローターのディスク部分に用いられたＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ合金のシャルピー衝撃強度に対する、本発明の方法の効果が図示されている。
なお、以上の説明では、加熱装置２０を、チタンベース合金からなるブレード一体型ローターを処理する場合に使用する例を説明したが、上記装置はニッケルベース超合金などの他の材料から形成されたブレード一体型ローター、およびエアフォイルの処理に適用できることは勿論である。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、上述の手段、目的、および利益を満足するブレード一体型ローターの製造および修理技術が提供されることは明らかである。また、上記説明では、本発明をの特定の実施例に基づいて説明したが、上記説明を参照して、当業者には他の別法、改造、および変形は自明である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載されたような、これらの別法、改造、および変形を包含したものである。
１０ ブレード一体型ローター
１１ エアフォイル
１２ ハブ部分
１４ エアフォイル
１５ 断片
１６ 溶接接合部
２０ 加熱装置
２２ ジャケット
２４ 加熱要素
２８ 熱伝対ワイヤー
３０ 可変式変圧器
１１ エアフォイル
１２ ハブ部分
１４ エアフォイル
１５ 断片
１６ 溶接接合部
２０ 加熱装置
２２ ジャケット
２４ 加熱要素
２８ 熱伝対ワイヤー
３０ 可変式変圧器
Claims (9)
- ブレード一体型ローターのエアフォイルの局所熱処理を行うための装置であって、前記装置が、
前記エアフォイルに被せられたジャケットと、
前記ジャケットに織り込まれた複数の加熱要素とを有してなる、ことを特徴とする装置。 - 前記ジャケットはセラミックの絶縁材料または高耐熱硼珪酸アルミニウムをベースとする織物からなり、前記加熱要素は高ワット密度の電熱線であり、かつ、前記ジャケットは、前記加熱要素で発生した熱を前記エアフォイルの表面に集中させ、これにより前記エアフォイルとハブの間の溶接接合部および熱の影響を受けた領域を溶接後熱処理温度に到達させると共にこの温度に安定させるように機能する、ことを特徴とする請求項１記載の装置。
- 隣接するエアフォイルが意図せずに加熱されるのを防ぐために前記ジャケットに織り込まれた材料、および、溶接後熱処理に際して前記エアフォイルの加熱を制御するために前記ジャケットに織り込まれた熱電対ワイヤーをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の装置。
- 前記材料がチタンのゲッターシート材料である、ことを特徴とする請求項３記載の装置。
- 前記加熱要素に供給される電力およびエアフォイルの温度分布を変化させるために、前記加熱要素に接続された可変式変圧器をさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の装置。
- ブレード一体型ローターのエアフォイルを修理する方法であって、前記方法は、
前記ブレード一体型ローターのエアフォイルの損傷部分を削り落とすステップ、
未損傷エアフォイルの断片を前記ブレード一体型ローターのエアフォイルの残存部分に溶接するステップ、
請求項１から５のいずれかに記載の装置を前記未損傷のエアフォイルの断片、および前記未損傷エアフォイルの断片と前記残存部分との間の溶接接合部に被せるステップ、および
残留応力を低減し、また溶接接合部および隣接する金属の微細構造および機械的性能を回復するために、前記未損傷エアフォイルの断片と前記溶接接合部を前記加熱装置を用いて加熱処理するステップを有してなる、ことを特徴とする方法。 - 前記未損傷エアフォイルの断片の表面を機械加工して所要の形状を与えるステップをさらに有してなり、および前記加熱処理ステップが不活性ガス雰囲気中で行われる、ことを特徴とする請求項６記載の方法。
- 前記溶接ステップが、チタンベース合金で形成された未損傷エアフォイルの断片を前記ブレード一体型ローターのエアフォイルの残存部分に溶接するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項６記載の方法。
- 前記加熱処理ステップが、前記エアフォイルの断片を１２７５°Ｆ（６９０．５℃）ないし１３２５°Ｆ（７１８．３℃）の温度で１時間ないし４時間にわたって時効処理するステップ、および前記時効処理されたエアフォイルの断片を毎分４０°Ｆ（２２．２℃）ないし１００°Ｆ（５５．５℃）の降温率で冷却するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項６記載の方法。
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