JP2006297482A - 熱間静水圧プレス加工による部品の製造のための組立体および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第一加工物と第二加工物との組立において材料費に無駄なく、組立製造の前後において多くの作業、機械加工を最小に押さえる組立て体及びその方法を提供する。
【解決手段】熱間静水圧プレス加工により部品を製造するための組立体２４は、第一加工物および第二加工物を含んでなる。該第一加工物および第二加工物を配置し、キャビティ２８を規定する。該キャビティをさらに規定し、熱間静水圧プレス加工の際に該キャビティ中の粉末２６に鍛造負荷を作用させる形状を有する、取り外し可能な工具ピース３０を該組立体に設置する。
【選択図】図３

Description

発明の分野

本発明は、多数の加工物および金属粉末から熱間静水圧下で製造される部品のための組立体およびそのための製造方法に関する。本発明は特に、ガスタービンエンジン用の、ブリスク(blisk)とも呼ばれる、ブレードが一体化されたディスク、およびそれらの製造に関する。

航空機に好適なガスタービンエンジンは、作動流体を圧縮する軸方向フローコンプレッサー、およびその流体が加熱された後、流体から仕事を回収するための軸方向フロータービンを使用することが多い。それぞれ、円形リング、より一般的にはディスク、を含んでなる中心体に取り付けられた、ブレードと呼ばれる翼形部品の輪状列を含んでなる。これらのブレードは、典型的には中心体に機械的に取り付けられているが、このためにディスクの重量が増加する。

そのため、ブレードを中心体に接合する非機械的方法が提案されており、その中で注目すべきは、単一構造の、ブレードが一体化されたディスク、すなわち「ブリスク」であり、そこではディスクおよびブレードが単一の鍛造品から機械加工される。これらの製品は非常に高価である。別の提案は、ブレードが線摩擦溶接されたディスクであり、そこではブレードをディスクに対して直線的に往復運動させることにより、ブレードがディスクに線摩擦溶接される。この製造方法は、一体構造のブリスクよりも約２０％安価であるが、それでもなお高価な製造方法である。さらに、この方法には、大型で高価な機械が必要である。

米国特許第４，４８５，９６１号に開示されている別の方法は、締まりばめにより接合された第一および第二加工物から組み立てた部品を含んでなる。次いで、この接合物を金属粉末の第一層、およびガラス粉末の第一および第二層で覆い、熱間静水圧プレス加工する。続いて溶融したガラスを除去する。

この方法の欠点は、締まりばめを行うための輪郭の複雑な機械加工が必要になることである。さらに、固化した金属粉末の形状を制御するのが困難であり、熱間静水圧工程が完了した後、製品の複雑な機械加工がさらに必要になる。

発明の概要

そこで、固体から機械加工するブリスクに固有の材料浪費が無く、ブレードを線摩擦溶接するディスクに伴う大きな組立コストが無く、製造方法の前後における多くの作業、特に機械加工、を最少に抑え、簡単にする、ブレードが一体化されたディスクを提供することが求められている。

本発明により、熱間静水圧プレス加工により部品を製造するための組立体であって、第一加工物および第二加工物を備えてなり、該第一加工物および第二加工物が、キャビティを規定するように配置され、該組立体が、取り外し可能な工具ピースを備えてなり、該工具ピースが、該キャビティをさらに規定し、熱間静水圧プレス加工の際に該キャビティ中の粉末に鍛造負荷を作用させる形状を有する、組立体を提供する。

好ましくは、該工具ピースは、相対的な運動が該第一加工物に対して半径方向に向けられるように、互いに隣接する形状を有する。

好ましくは、該工具ピースは、該第一加工物または第二加工物の熱膨脹率よりも高い熱膨脹率を有する材料から製造される。

好ましくは、該工具ピースは、熱間静水圧下で該工具ピースと該部品との間の接着を阻止する被覆が施されている。

好ましくは、該粉末は、粒子径が２５０ミクロン以下である。

好ましくは、該粉末は該組立体に、プリフォームとして部分的に固化した状態で供給される。

好ましくは、該プリフォームは、密度が少なくとも６７％である。

好ましくは、該プリフォームは、該第一または第二加工物の少なくとも一方のための配置特徴を形成するように成形する。

好ましくは、該プリフォームは、熱間静水圧プレス加工の際に固化し、該第一加工物と第二加工物との間でユニオンピースを形成し、その際、該プリフォームは、完成したユニオンピースに近い形状を有するが、熱間静水圧プレス加工の下で該プリフォームが固化して必要な寸法を有するユニオンピースが得られるような過剰サイズの、部分的に固化したプリフォームとして該キャビティに供給される。

好ましくは、該第一加工物の周りに複数の第二加工物を配置し、各第二加工物が、各第二加工物と該第一加工物との間にキャビティを規定するように組み立て、各キャビティに粉末を供給し、取り外し可能な工具ピースを各第二加工物の周りに配置して各キャビティをさらに規定し、熱間静水圧プレス加工の際に各キャビティ中の粉末に鍛造負荷を作用させる。

好ましくは、該組立体は、ガスタービンエンジン用のブレードが一体化されたディスクの製造用であり、該第一加工物がディスクを備えてなり、該第二加工物がブレードを含んでなり、該キャビティが、該組立体の熱間静水圧プレス加工により該粉末が固化し、該ディスクとブレードとの間に、丸みをつけられた隅肉ジョイントが形成されるような形状を有する。

本発明の別の態様では、請求項１の組立体を使用し、ユニオンピースを介して第二加工物に接合された第一加工物を含んでなる部品の製造方法であって、該第一加工物および第二加工物を組み立て、該第一加工物と第二加工物の間にキャビティを規定する組立体を形成すること、該キャビティに粉末を供給すること、該粉末が固化し、該部品のユニオンピースを形成し、該粉末が該第一部品および該第二部品に接着するように、該組立体に熱間静水圧を作用させることを含んでなり、該方法が、該組立体に取り外し可能な工具ピースを配置するさらなる工程を含んでなり、該工具ピースが該キャビティをさらに規定し、該工具ピースが、該組立体に熱間静水圧を作用させる際に該キャビティに鍛造負荷を作用させる形状を有する。

ここで、添付の図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。

図１に関して、コンプレッサーブリスク２は、チタン合金鍛造品、この例ではＴｉ６／４、から製造された中央加工物である円筒形ディスク４を含んでなる。同じチタン合金から鍛造された、複数の第二加工物である翼６が、ディスク４に、ディスクの外側表面８の周囲に放射状に均等に配分されて取り付けられ、そこから放射状に突き出ている。各ブレード６は、ディスク４に、固化する前の粒子径約２５０ミクロン以下の粉末化されたチタン合金、この場合Ｔｉ６／４、から固化したユニオンピース１０を介して取り付けられている。各ユニオンピース１０は、ディスク４と各ブレード６との間に、滑らかな(blended)、ある半径を有する隅肉ジョイント１１を与える。本例では、このジョイント１１は、平均半径が約５ｍｍである。ユニオンピース１０は、図１の組立体の一部分を透視図で示し、ユニオンピース１０がよく見えるように翼ブレード６を破線で示す図２から分かるように、ブレード全体の周囲に伸びている。

各ユニオンピース１０は、同じ材料の鍛造品と類似の特性を有するチタン合金の断片を含んでなり、その基底部は、ディスク４の外側表面８と一致する下側表面１２を規定し、コンプレッサーブレード６の断面と類似した形状の、ただし面積が少なくとも１００％大きい足型を規定する。ユニオン１０は、この足型から上に向かって、内側に、基底部から約５ｍｍの高さまで、テーパーが付いており、その高さで、ユニオンは翼６のガスに洗われる外側表面に、最小の段差で滑らかに続いている。テーパーは、各ブレード６とディスク４との間に、ある半径を有する隅肉ジョイント１１を形成するような形状を有する。そのようなジョイント１１は、この分野では良く知られており、ブレード／ディスク界面における応力を下げるのに役立つ。

ユニオン１０は、中央で盛り上がり、基底部１８および側壁２０と共に、断面がブレード６の外側断面と実質的に等しいブラインドソケット１６を形成する。ソケット１６は、ブレード６を受け入れるための、ユニオン１０に拡散接合した、密に適合した箇所の輪郭を形成し、ブレードの基底部２２はソケット基底部１８に拡散接合し、ブレードのガスに洗らわれる表面１４はソケット側壁２０に拡散接合している。ユニオン１０の基底部１２は、ディスク表面８に拡散接合している。

各ブレード６と各ユニオン１０との間および各ユニオン１０とディスク４との間の高品質拡散接合は、先行技術により与えられるようなモノリシックな一体的な構造をブリスク２に与えるが、このブリスクには、先行技術に対して、ブレード６とディスク４との間の別の中間ユニオンピース１０が、隅肉ジョイント１１の複雑な幾何学的構造を与え、それによって、製造前のブレード６とディスク４の幾何学的構造を簡単にするという利点がある。これによって、ブレードを設置する場所の輪郭をディスクの外側表面中に形成する必要性、およびブレードの基底部で応力を下げるための複雑な輪郭を製造する必要性が無くなる。代わりに、ディスクの外側表面８を軸対称に製造することができ、簡単な２軸機械加工による製造が可能になる。同じ理由から、ブレード６は、一定断面で形成することができる。

図３は、図１および図２に示すブリスク２の製造における第一工程で使用する組立体２４の一部を通して見た断面図を示す。組立体２４は、鍛造されたチタンディスク４’、鍛造されたチタン翼ブレード６’の輪状列、および各ブレード６’とディスク４’との間に形成されたキャビティ２８に供給されたチタン粉末２６を含んでなる。各キャビティ２８は、各ブレード６’の基底部２２’により、ディスク表面８’により、および隣接するブレード６’間の区域を占有する取り外し可能な工具ピース３０により規定される。この組立体は、軟鋼バッグ３１の中に収容される。

ディスク４’の外側表面８’は、ディスク直径が前から後ろに向かって増加し、平らになった円錐台を形成するように、軸方向でテーパーが付いている。ディスクの外側表面８’は、軸対称になっているので、その表面を旋削作業により比較的簡単に形成できるという利点がある。外側表面８’は、組立前に、酸化物層を機械加工により除去し、次いで機械加工した表面を脱脂剤、例えばアセトン、で洗浄することにより、拡散接合し易いように調製する。

翼ブレード６’も、チタン鍛造品から、実質的に一定の翼断面積で製造し、各ブレード６’の入射角がディスク４’からの半径方向距離と共に減少するように捩る。各ブレード６’の基底部２２は、ディスク４’の外側表面８’に対して平行に形成し、組立の前に、外側表面８’に関して説明した方法と同じ方法により、拡散接合し易いように調製する。

工具ピース３０は、隣接するブレード６’間の区域に適合するように形成した軟鋼くさびを含んでなる。これは、図３に示す組立体２４の一部の平面図を示す図４を参照するとよく分かる。

各ブレード６’は、前縁３４から後縁３６に向かって、ブレード基底部２２’とブレード先端３２’との間で放射状に伸びる、凸状の吸引表面３２、および前縁３４から後縁３６に向かって、ブレード基底部２２’とブレード先端３２’との間で放射状に伸びる、凹状の圧力表面３８を含んでなる。

各工具ピース３０は、窒化ホウ素被覆３９を施した軟鋼ブロックを含んでなり、その軟鋼ブロックは、軸方向でブレード前縁３４の前方に、および軸方向でブレード後縁３６の後方に伸びており、ディスク表面８’と、ブレード先端３２’と同じ位置にある外側円弧状表面３７との間で放射状に伸びており、ブレード６’同士の間の全容積を実質的に占有している。工具ピース３０が所定の位置にある時、組立体２４は、外側直径がブレード先端直径と等しい、実質的に非中空のディスクを形成する。

平面図では、各工具ピース３０は４つの面を有する。第一側面４０は、凸状のブレード係合表面４２、前方接合表面４４および後方接合表面４６を含んでなる。ブレード係合表面４２は、ブレード６’の圧力表面３８に密に適合する形状を有するのに対し、接合表面４４、４６は、実質的に平面である。ブレード６’の向きのために、第一および第二接合表面４４、４６は、ずれている。

各工具ピース３０の第二の対向する側面４８は、凹状のブレード係合表面５０、前方接合表面５２および後方接合表面５４を含んでなる。ブレード係合表面５０は、第二の隣接するブレード６’の吸引表面３２に密に適合する形状を有する。接合表面５２、５４は、接合表面４４、４６と相補的になっている。

残りの前面５６および後面５８は、ディスク４’の軸と平行に走る平らな表面を含んでなる。

各工具ピース３０の第一および第二側面４０、４８は、テーパーが付いており、ディスク表面４’の方向で狭くなるくさびを形成する。このくさびの半径方向内側の表面６０は、３つの異なった鍛造表面６２、６４、６６を形成するように、切りつめ、除去されている。中央の凹状表面６２は、ディスク表面８’の、完成したブリスク２におけるブレード隅肉ジョイント１１同士の間にある区域に適合する形状を有する。この中央区域の両側には、凸状の表面がある。第一凸状表面６４は、第一側面４０の基底部の周りに伸びている。この区域は、分かり易くするために、図３で破線で示してある。第二凸状表面６４は、第二側面４８の基底部の周りに伸びている。

従って、図３および４の組立体で、隣接する工具ピース３０は、ブレード６’の前方および後方に位置する第一および第二接合表面４４、４６、５２、５４を介して互いに接合されている。同時に、各ブロック３０は、凸状ブレード係合表面４２を介して第一ブレード６’の圧力表面、および凹状ブレード係合表面５０を介して隣接するブレード６’の吸引表面と接合する。隣接するブロックの放射状内側凸状表面６４、６６は、ディスク外側表面８’およびブレード基底部２２’と連係して、キャビティ２８を規定し、このキャビティ２８は、完成したブリスク２のユニオンピース１０の形状と類似しているが、容積が約５０％大きい、すなわち各寸法が完成したユニオン１０の寸法より１５％大きい。このキャビティにＴｉ／Ａｌ４〜６を含んでなる金属粉末２６が、キャビティが６７重量％密度までこの材料で充填されるように供給される。

本発明の好ましい実施態様では、金属粉末２６は、固体状の特性を有するが、材料密度は約６７％である、部分的に固化したプリフォーム６７として供給される。これには、粉末２６を一体的な部品として取り扱うことができ、ゆるい粉末で起こることがあるような、鍛造工程の後に材料の不均質性を引き起こす傾向がある固まりを生じることなく、キャビティ２８を確実に正しく充填できる、という利点がある。

プリフォーム６７は、完成したブリスクのソケット１６と同じ寸法を有するソケット１６’を規定し、これによって、プリフォーム２６を、ブレード６’の基底部２２’の周りに配置することにより、界面２８の中に配置し易くなる。

好ましくは、部分的に固化したプリフォーム６７は、金属粉末を冷間成形することにより製造できるが、焼結させることもできる。結合剤は、熱間静水圧プレス加工工程を妨害するので、避けるべきである。

軟鋼バッグ３１は、ドラム状構造を有し、組立体２４を完全に収容し、ブレード先端３２’および加工物３０の外側表面３７の周りを包み、これらと接合し、組み立てた加工物３０の前および後面５６、５８、およびディスク４’の前および後面を包み、これらと接合する。このバッグは、厚さが２ｍｍであり、ブリスク組立体２４の構成部品の周りを密封する前に、排気する。

図５は、ブリスク２を製造する際の第二工程における、図３および４に示す組立体２４の断面を図式的に示す。ブリスク組立体２４を加熱炉（図には示していない）中に配置し、加圧下の不活性ガス６８で包む。不活性ガス６８の圧力を１００〜１５０ＭＰａに増加させ、温度を９２０〜９３０℃に上昇させる。組立体２４をこれらの条件に約４時間維持し、その間に、不活性ガス６８により発生する、鋼製バッグに対する内側向きの圧力がブレード６’および工具ピース３０を半径方向で内側に押し付ける。工具ピースの接合配置により、組立体２４に作用する負荷は確実に半径方向で内側に向けられ、間に挟まれたブレード６’に作用する負荷が最小量になる。これによって、工具ピース３０の鍛造表面６２、６４、６６、およびブレードの基底部２２’が、プリフォーム６７を半径方向で内側に圧縮し、矢印７０で示す鍛造力をプリフォーム６７の金属粉末２８に作用させる。鍛造力６７は、プリフォームをさらに固化させ、十分に緻密で、「鍛造された」特性を有するユニオンピース１０を形成し、金属粉末２８をブレード６’の基底部２２’に、およびディスク４’の外側表面８’に拡散接合する。従って、この製法により、図１および２に関して前に説明したように、ディスク４およびブレード６に結合した、十分に緻密なユニオンピース１０が得られる。凹状鍛造表面６４、６６の形状は、完成したユニオンピース１０により形成される隅肉ジョイント１１の、凸状半径の付いた輪郭を規定する。

この、部品に対して圧力および温度を作用させる方法は、この分野で熱間静水圧プレス加工として良く知られており、無論、圧力および温度の変数は、使用する材料、および実質的に１００％密度のユニオンピース１０を製造するのに必要な固化の量に応じて、異なる。

熱間静水圧プレス加工の後、軟鋼バッグ３１を、図３に示すブリスク組立体２４から機械的に除去する。次いで、軟鋼加工物３０を組立体から取り外す。加工物の取り外しは、窒化ホウ素被覆３９により、および軟鋼の熱膨脹率が使用するチタン合金の熱膨脹率よりも大きいために、ブリスク２が製造されているチタン合金の熱収縮より大きな軟鋼材料の熱収縮により、容易になる。

この配置には、先行技術に対して、工具ピース３０が、熱間静水圧プレス加工の前に組立体を使い捨てのシーラント、例えばガラス、で包むことを必要とせず、再使用可能であり、コストが低減され、製法がより反復し易い、という利点がある。

最後に、ブリスク２を仕上げ処理して表面不純物をすべて除去し、最終的な機械加工を行い、ブリスク２の動的バランスを確保する。

当業者には明らかなように、上記の説明は、本発明の一例に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。例えば、本発明は、ガスタービンエンジン用のファンブリスクを、本明細書に記載する非中空ブレード６ではなく、超塑性成形および拡散接合により製造した中空ブレードで製造することにも適している。同様に、本発明は、ブレードとディスクとの間に冷却用通路が必要なタービンブリスクの製造にも十分に好適である。そのような用途では、ユニオンピースの形成に使用する予め固化させた形状物６７に、ブレードとディスクの間で共に作動する複数の孔、および固化の際に孔の閉鎖を防止するための補強手段、例えばセラミックチューブ、を設ける。また、そのようなタービンブリスクの製造では、異なった材料、例えば高ニッケル「超合金」を構築に使用する。

無論、予め固化させた形状物６７を使用して粉末を、ディスク４’とブレード６’との間のキャビティ２８に供給するのが好ましいが、金属粉末２６を使用することも可能である。その場合、組立体２４を完成させ、キャビティ２８を規定した後に粉末２８を供給するための手段を工具ピース３０中に設ける。同様に、予め固化させた形状物６７を単一片から形成するのが不都合である場合、形状物６７を、製造工程中に固化する複数の断片として配置することも可能である。

また、本例は、簡単な幾何学的構造を有するディスク４およびブレード６を記載しているが、本製造方法は、より複雑な表面幾何学的構造を有するディスクおよびブレードの翼部分がその長さに沿って連続的に変化する「３−ｄ」ブレード幾何学的構造にも十分に適している。

本方法は、すべての加工物が同じ合金から製造される方法に限定されるものではない。必要であれば、例えばタービンブリスクの例におけるように、タービンブレードを温度能力の理由から高ニッケルの単結晶超合金から鋳造し、ディスクをチタン合金から製造することができる。

本発明のガスタービンコンプレッサーブリスクの断面図を示す。 図１のブリスク、特に本製造方法で使用するユニオンの透視図を示す。 図１および２に示すコンプレッサーブリスクの製造方法における第一工程によるブリスク組立体の断面図を示す。 図３に示すブリスク組立体の平面図を示す。 図１に示すブリスクの製造方法における第二工程を示す。

Claims (12)

1. 熱間静水圧プレス加工により部品を製造するための組立体であって、第一加工物および第二加工物を備えてなり、前記第一加工物および第二加工物が、キャビティを規定するように配置され、前記組立体が、取り外し可能な工具ピースを備えてなり、前記工具ピースが、前記キャビティをさらに規定し、熱間静水圧プレス加工の際に前記キャビティ中の粉末に鍛造負荷を作用させる形状を有する、組立体。
2. 前記工具ピースが、相対的な運動が前記第一加工物に対して半径方向に向けられるように、互いに隣接する形状を有する、請求項１に記載の組立体。
3. 前記工具ピースが、前記第一加工物または第二加工物の熱膨脹率よりも高い熱膨脹率を有する材料から製造されたものである、請求項１に記載の組立体。
4. 前記工具ピースに、熱間静水圧下で前記工具ピースと前記部品との間の接着を阻止する被覆が施されている、請求項１に記載の組立体。
5. 前記粉末の粒子径が２５０ミクロン以下である、請求項１に記載の組立体。
6. 前記粉末が、プリフォームとして部分的に固化した状態で前記組立体に供給される、請求項１に記載の組立体。
7. 前記プリフォームの密度が少なくとも６７％である、請求項６に記載の組立体。
8. 前記プリフォームが、前記第一または第二加工物の少なくとも一方のための配置特徴を形成するような形状を有する、請求項６に記載の組立体。
9. 前記プリフォームが、熱間静水圧プレス加工の際に固化し、前記第一加工物と第二加工物との間でユニオンピースを形成し、前記プリフォームが、完成したユニオンピースに近い形状を有するが、熱間静水圧プレス加工の下で前記プリフォームが固化して必要な寸法を有するユニオンピースが得られるような過剰サイズの、部分的に固化したプリフォームとして前記キャビティに供給される、請求項６に記載の組立体。
10. 前記第一加工物の周りに複数の第二加工物を配置し、各第二加工物が、各第二加工物と前記第一加工物との間にキャビティを規定するように組み立て、各キャビティに粉末を供給し、取り外し可能な工具ピースを各第二加工物の周りに配置して各キャビティをさらに規定し、熱間静水圧プレス加工の際に各キャビティ中の粉末に鍛造負荷を作用させる、請求項１に記載の組立体。
11. 前記第一加工物がディスクを備えてなり、前記第二加工物がブレードを備えてなり、前記キャビティが、前記組立体の熱間静水圧プレス加工により前記粉末が固化し、前記ディスクとブレードとの間に、丸みをつけられた隅肉ジョイントが形成されるような形状を有する、ガスタービンエンジン用のブレードが一体化されたディスクを製造するための、請求項１に記載の組立体。
12. 請求項１に記載の組立体を使用し、ユニオンピースを介して第二加工物に接合された第一加工物を備えてなる部品を製造する方法であって、
    前記第一加工物および第二加工物を組み立て、前記第一加工物と第二加工物の間にキャビティを規定する組立体を形成すること、
    前記キャビティに粉末を供給すること、
    前記粉末が固化し、前記部品のユニオンピースを形成し、前記粉末が前記第一部品および前記第二部品に接着するように、前記組立体に熱間静水圧を作用させること
    を含んでなり、前記方法が、前記組立体に取り外し可能な工具ピースを配置するさらなる工程を含んでなり、前記工具ピースが前記キャビティをさらに規定し、前記工具ピースが、前記組立体に熱間静水圧を作用させる際に前記キャビティに鍛造負荷を作用させる形状を有する、方法。

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