JP2007170376A - 耐久性のための蟻継ぎ表面強化 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性のために強化した表面を有する蟻継ぎ（１６）を備えるガスタービンエンジンブレード（１０）を提供すること。
【解決手段】ブレード（１０）は、エーロフォイル部（１２）と、エーロフォイル部（１２）と反対側に配置された蟻継ぎ部（１６）とを備えている。蟻継ぎ部（１６）は外側表面（４４）を有し、表面の少なくとも一部は複数のピーニング動作による残余圧縮応力を有する。蟻継ぎ部（１６）はまた、残余圧縮応力を有する外側表面（４４）の上に配置された銅ニッケルインジウム磨耗コーティング層（４２）と、銅ニッケルインジウム磨耗コーティング層（４２）の上に配置され、鉛を含んでいない潤滑剤コーティング層（４６）とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は概して、ガスタービンエンジン部品間の亀裂および故障の減少に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンのファンおよび圧縮機ブレードの蟻継ぎ亀裂および故障の減少に関する。

航空機ガスタービン（ジェット）エンジンでは、空気はファンによってエンジンの前部に引き込まれ、シャフト取付圧縮機によって圧縮され、燃料と混合される。混合物は燃焼され、熱い排気ガスが同じシャフト上に取り付けられたタービンを通される。燃焼ガスの流れは、タービンブレードのエーロフォイル部に対して衝突することによってタービンを旋回させ、それによりシャフトを旋回させ、圧縮機に動力を与える。圧縮機ブレードおよびファンブレードは普通、ブリスクが使用される特定の状況を除いて、シャフトに取り付けられた１つまたは複数のディスクの上にフレッティングされた別個の部分である。

特定の航空機エンジン設計では、回転子と呼ぶこともできるチタンまたはチタン合金は、外周面の周りに配置された一列の蟻継ぎスロットを有する。また、チタンまたはチタン合金でできた圧縮機およびファンブレードは、ブレードが蟻継ぎスロット内に保持されるように、それぞれの回転子の蟻継ぎスロットとのブレードの蟻継ぎ基部の噛み合いを可能にする対応する蟻継ぎ基部を有する。回転子が通常の作動速度で動作している場合、遠心力がブレードを径方向外側に移動させる。

時間の経過と共に、航空力学的反応を含む様々な原因により、蟻継ぎ内で亀裂および故障が発達することが知られている。材料能力を越える高サイクル疲労は、これらの故障の少なくとも１つの要因であった。

亀裂は特に、早期段階のファンブレードで生じることがあり、ブレードとディスクの間の接触で蟻継ぎの圧力面に起因する。エンジン動作中、ブレードは、エンジン強制反応および航空力学的励起により共振する。これらの振動は、摩擦の存在と共に、ブレードとディスクの間に摺動および垂直力によって生じた関連する抵抗剪断力を生じさせる。局部応力集中の領域は、摩擦に対する接触領域の縁部に作り出され、その後亀裂を開始させる。応力集中は、高サイクル疲労による故障まで広がるフレッティング疲労亀裂を作り出す。

この問題に対する提案された１つの解決法は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ磨耗コーティングの前の単一ピーニングであり、その後ＭＯＬＹＤＡＧ（登録商標）２５４の商用名で販売されているものなどの、ブレード蟻継ぎと回転子蟻継ぎスロットの間の領域に有鉛乾燥膜潤滑剤を塗布することであった。ＭＯＬＹＤＡＧ（登録商標）は、ミシガン州、Ｐｏｒｔ ＨｕｒｏｎのＡｃｈｅｓｏｎ Ｃｏｌｌｏｉｄ Ｃｏｍｐａｎｙが所有している連邦政府登録商標である。潤滑剤は摩擦係数を小さくし、それによって応力集中のピーク値が小さくなる。しかし、普通の乾燥膜潤滑剤は鉛を含んでおり、多くの国で環境に優しくないとして制限または禁止されている。

提案された別の解決法としては、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，２６７，５５８号に記載されたアルミニウム青銅磨耗コーティングの前の二重ピーニングが挙げられ、その開示の全体を参照として本明細書に援用する。
米国特許第６，２６７，５５８Ｂ１号公報 米国特許第６，５３６，１０９Ｂ２号公報 米国特許第５，６０１，９３３号公報 米国特許第５，４７６，３６３号公報 米国特許第５，３６３，５５４号公報 米国特許第５，１６０，２４３号公報 米国特許第４，４９５，００２号公報 米国特許第３，９５６，１４６号公報 米国特許第３，９１４，１７８号公報 米国特許第３，７９３，１９５号公報 米国特許第３，１４３，３８３号公報 米国特許第３，０７３，０２２号公報 米国特許第２，９２８，７５７号公報

必要なことは、ガスタービンエンジンブレード蟻継ぎの耐久性のための無鉛表面強化である。

耐久性が強化された無鉛表面を有するガスタービンエンジンブレードが開示されている。ガスタービンエンジンブレードは、エーロフォイル部と、エーロフォイル部と反対側に配置された蟻継ぎ部とを備えている。蟻継ぎ部は外側表面を備えており、少なくともその一部は複数のピーニング動作による残余圧縮応力を有する。ブレードはさらに、残余圧縮応力を有する外側表面の少なくとも一部の上に配置された銅、ニッケル、およびインジウムを含む磨耗コーティング層と、銅ニッケルインジウムコーティング層の上に配置され、鉛を含まない潤滑剤コーティング層とを備えている。

ガスタービンエンジン回転子アセンブリが開示されている。回転子アセンブリは複数のブレードを備えており、ブレードはそれぞれチタンおよびチタン系合金からなる群から選択された材料を含み、ブレードはさらにそれぞれエーロフォイル部と、外側表面を含む反対側の蟻継ぎ部とを備えている。外側表面の少なくとも一部は、複数のピーニング動作から生じる残余圧縮応力を有し、銅ニッケルインジウムコーティング層が外側表面の少なくとも一部に配置される。回転子アセンブリはまた、チタンおよびチタン系合金からなる群から選択された材料を含む回転子を備えており、回転子はさらに外周面に沿って位置決めされた複数の蟻継ぎスロットを備え、蟻継ぎ部がそれぞれスロット内に位置決めされており、各銅ニッケルインジウムコーティング層が、各蟻継ぎとそれぞれのスロットの間のバリアとして働き、各銅ニッケルインジウムコーティング層は、通常のエンジン動作中に回転子蟻継ぎスロットと接触して、ブレード蟻継ぎの一部に小さな摩擦係数を提供する。

また、ガスタービンエンジンブレードの表面耐久性を強化する方法が開示されている。この方法は、エーロフォイル部、およびエーロフォイル部に対向する蟻継ぎ部を有するガスタービンエンジンブレードを提供するステップと、予め選択した第１の寸法を有する第１の粒子を使用して蟻継ぎ部をピーニングするステップと、予め選択した第１の寸法より小さい予め選択した第２の寸法を有する第２の粒子を使用して蟻継ぎ部をピーニングするステップと、蟻継ぎ部の外側表面の一部の上に銅ニッケルインジウム磨耗コーティングを塗布するステップと、塗布した銅ニッケルインジウム磨耗コーティングの上に無鉛乾燥膜潤滑剤を塗布するステップとを含む。

本発明の１つの利点は、環境に優しく、許容できる方法で、耐久性を拡張したタービンブレード蟻継ぎ表面の強化である。

本発明の別の利点は、一度だけピーニングされた表面を有するものよりも優れた耐久性を有する蟻継ぎ表面である。

本発明のさらに別の利点は、高サイクル疲労の影響を少なくし、エンジン寿命を改善するように、蟻継ぎ表面の複数の表面強化を組み合わせることである。

本発明の他の特徴および利点は、例として本発明の原理を図示した添付の図面と合わせて、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるだろう。

図１は、圧縮機ブレードまたはファンブレードなどの、典型的なガスタービンエンジンブレード１０の斜視図である。示したブレードは、軸方向蟻継ぎを有する片持ち式ブレードである。ブレード１０は、空気流内に外向きに延びるエーロフォイル部１２と、下向きに延びるシャンク部１３と、ブレード１０を回転子またはディスク（図示せず）に取り付ける蟻継ぎ１６の形でシャンク１３から延びる連結部品とを備えている。プラットフォーム裏面１５を有するプラットフォーム１４は、エーロフォイル１２とシャンク１３と蟻継ぎ１６の間の位置で横方向外側に延びている。ガスタービンエンジンブレードは、先端シュラウド、片持ち式周面蟻継ぎ、および部分長さシュラウドなどの特定の応用例で性能を変えるように、様々な変更形態を含むことができることが分かるだろう。それにも関わらず、多くのガスタービンエンジンブレード設計はこれらの基本的な特徴を含んでいる。ブレード１０はあらゆる適切な材料で構成することができるが、チタンおよびチタン系合金が一般的である。

図２は、回転子アセンブリを形成するように、回転子２０またはディスクの蟻継ぎスロット１８内に組み付けられたブレード蟻継ぎ１６を示している。各回転子２０は、複数のブレード１０を受けるように、周面周りに複数の蟻継ぎスロット１８を含む。さらに、典型的な航空機ガスタービンエンジンは、回転子に組み付けられた圧縮機ブレードからなる複数の圧縮機ステージを含み、連続したステージはそれぞれ、回転子２０に組み付けられた多数のより小さなブレードを有する。同様に、典型的な航空機ガスタービンエンジンはまた、回転子に組み付けられたファンブレードからなる複数のファンステージを含む。回転子２０はあらゆる適切な材料で構成することができるが、ブレード１０と同様に、回転子２０も普通は、チタンまたはチタン系合金で構成されている。例示的なチタン合金としては、Ｔｉ−６−４、Ｔｉ−１７、およびＴｉ−８−１−１が挙げられる。ブレード１０および回転子２０は、必ずしも必要はないが、同じ構成を有してもよい。

エンジンが高速で回転すると、ブレード蟻継ぎ１６は、図２に示す方向Ａの遠心力により外側に移動する。この移動により、接触領域２２に沿ってブレード蟻継ぎ１６と蟻継ぎスロット１８の間の接触が得られることになる。遠心力の連続的な影響による外向きの力に加えて、回転子２０が旋回するときのエンジン振動および空気流ダイナミックスにより摩擦も継続する。

亀裂は普通、接触領域２２に沿って蟻継ぎ内で始まり、その後ブレード内に広がる。この亀裂は、故障が起こる前に、亀裂の入ったブレードを検出し取り除くため、費用のかかる不稼動時間および定期的点検が必要である。

本発明は、亀裂の開始、および開始した亀裂の広がりの両方に必要な過程を変更することによって、ブレード蟻継ぎの期待耐用年数を長くするのを助ける。図３に示すように、接触領域２２は、回転子２０上の蟻継ぎスロット１８の壁面とブレード蟻継ぎ１６の壁面の間の摩擦により高い応力を示し、それによって亀裂３０が発展することになる可能性がある。

本発明は、二重強度ピーニングの機械的処理の後に、銅ニッケルインジウム（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ）コーティングをブレード蟻継ぎに塗布することによって、亀裂開始を遅らせる。無鉛乾燥膜潤滑剤はその後、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎコーティングの上のブレード蟻継ぎに塗布される。

図４に示すように、蟻継ぎ１６は、二重強度ピーニングによって圧縮応力が加えられた機械的に強化された蟻継ぎ表面４４を有する。Ｃｉ−Ｎｉ−Ｉｎ磨耗コーティング４２は、好ましくは蟻継ぎ表面４４と接触して、蟻継ぎ１６の上に塗布される。無鉛乾燥膜潤滑剤は、潤滑剤層４６として塗布され、磨耗コーティング４２に重なり、好ましくはこれと接触している。乾燥膜潤滑剤は犠牲的であり、蟻継ぎ１６用保護の外層として働く。乾燥膜潤滑剤が分散すると、ブレード蟻継ぎ上に磨耗コーティング４２として塗布されたＣｕ−Ｎｉ−Ｉｎは次に、チタンまたはチタン合金からなるブレード蟻継ぎ１６の構造的部分とチタン系回転子２０の間の摩擦を少なくするように働く。乾燥膜潤滑剤と同様に、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ磨耗コーティング４２もまた犠牲的である。

本明細書で使用するように、「Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ」という用語は、約３５重量％から約３８重量％の範囲のニッケル含有量、約４．５重量％から約５．５重量％の範囲のインジウム含有量、最大約１重量％の結合鉄および不純物、および残りは銅を有する銅系合金のことを言う。組成は、約３５．５重量％から３７．５重量％のニッケル、約４．７重量％から約５．２重量％のインジウム、最大約１重量％の結合鉄および不純物、および残りは銅であることが好ましい。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ磨耗コーティング４２は、約０．００８９ｃｍ（０．００３５インチ）から約０．０１７８ｃｍ（０．００７インチ）の範囲の厚さでブレード蟻継ぎ１６に塗布される。ブレード１０がファンブレードの場合、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎは、約０．００８９ｃｍ（０．００３５インチ）から約０．０１２７ｃｍ（０．００５インチ）の範囲の厚さに塗布されることが好ましい。ブレード１０が高圧圧縮機ブレードである場合、厚さは約０．０１０２ｃｍ（０．００４インチ）から約０．０１７８ｃｍ（０．００７インチ）の範囲であることが好ましい。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ材料はあらゆる適切な方法によってコーティングとして塗布することができるが、溶射が好ましい。

Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎコーティングの塗布の後に、無鉛乾燥膜潤滑剤がブレード１０に塗布される。乾燥膜潤滑剤はあらゆる適切な無鉛潤滑剤であってもよいが、好ましい無鉛乾燥膜潤滑剤はまた、鉛のように、環境的に望ましくない揮発性有機化合物をほとんどまたは全く含んでいない。本発明で使用される１つの特に適切な無鉛乾燥膜潤滑剤は、ニュージャージー州、Ｒｏｓｅｌａｎｄのｔｈｅ Ｃｕｒｔｉｓ−Ｗｒｉｇｈｔ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＥＶＥＲＬＵＢＥ（登録商標）９００２の商用名で市販されており、名目上の組成は、約１０重量％から約２０重量％の二硫化モリブデン、約１０重量％から約１５重量％の無機アンチモン化合物、約１重量％から約５重量％のｎ−ブタノール、約１重量％から約５重量％のイソブタノール、約１重量％から約５重量％のｎ−メチルピロリドン、約１重量％から約５重量％のｎ−プロポキシプロパノール、約１重量％未満のジメチルエタノールアミン、および残りは水である。ＥＶＥＲＬＵＢＥ（登録商標）は、ｔｈｅ Ｃｕｒｔｉｓ−Ｗｒｉｇｈｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが所有している連邦政府登録商標である。

潤滑剤は普通、磨耗コーティング上に層状に噴霧またはブラシがけされる。潤滑剤は最初に水を含むことができ、したがって噴霧またはブラシがけする場合に「湿っている」ことがあるので、塗布過程はさらに、水を払うために高温で硬化するステップを含み、それによって無鉛乾燥膜潤滑剤が塗布されることになる。

無鉛乾燥膜潤滑剤は、約０．００１インチから約０．００３インチの範囲の厚さに塗布されることが好ましい。ブレードが圧縮機ブレードである場合、潤滑剤は約０．００１インチから約０．００２インチの厚さに塗布されることが好ましい。ブレードがファンブレードである場合、潤滑剤は約０．００１５インチから約０．００３インチの厚さに塗布されることが好ましい。

Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎおよび無鉛乾燥膜潤滑剤は犠牲的であるので、少ない摩擦の利点を提供し、その利点は磨耗した後は次第になくなる。したがって、この領域に追加の保護を与えるため、無鉛乾燥膜潤滑剤およびＣｕ−Ｎｉ−Ｉｎ磨耗コーティングを犠牲にした後にこの領域内の応力に耐えることができるように、ブレードの蟻継ぎ部は機械的に変更される。これは、蟻継ぎ内のブレードの表面を二重ピーニングすることによって達成される。二重ピーニングにより、ブレードの表面領域内に残余圧縮応力層が得られる。したがって、ブレード蟻継ぎは接触領域２２内で回転子壁面と接触する場合、加えられる負荷は同じであるが、接触領域は残余圧縮応力層の存在により、得られる応力がより小さくなる。ピーニング動作後の蟻継ぎの表面領域内の残余圧縮応力は、エンジン動作中に生じる引っ張り応力と反対のまたは対向する応力である。残余圧縮応力およびエンジン動作により加えられた応力の累積作用は、得られたより小さい応力であり、亀裂の開始を少なくとも遅らせるように働く。

表面内の所望の圧縮応力は、磨耗／フレッティング深さ保護を最大限にするため、表面内に可能な最大範囲にわたっているべきであり、このような応力を作り出す動作はそれ自体表面に対する損傷を与えるべきではない。残余圧縮応力は、少なくとも約０．００８〜０．０１０インチの深さにわたっていることが好ましい。二重強度ピーニングと言われる方法は、所望の圧縮応力を作り出すことが分かっている。物体、この場合ブレードの蟻継ぎ、好ましくはシャンクおよびプラットフォーム裏面を含む蟻継ぎ部全体は最初、第１の寸法の第１の粒子でピーニング動作が行なわれる。これにより、第１の所望の深さまで圧縮応力が作り出される。その後、物体は第１の粒子より小さな第２の寸法を有する第２の粒子で第２回目のピーニングが行なわれる。第２の粒子は、物体の表面を平滑にするように働き、この表面は第１のピーニング動作によっていくらか粗加工されており、小さな表面損傷の発展を防ぐ。第２のピーニング動作はまた、追加の圧縮応力を作り出すが、これらの圧縮応力は第１の動作によって生じるほど深くにわたるものではない。したがって、二重強度ピーニング動作によってピーニングされた物体は、表面またはその近くでピークに達する複雑な残余応力パターンを有する。

本発明の例示的な実施形態による圧縮応力を加える好ましい方法は、より低い強度での第２のピーニングの前の、高い強度でのブレード蟻継ぎ１６、シャンク１３、およびプラットフォーム裏面１５の第１のピーニングである。普通、第１のピーニングはＡｌｍｅｎ「Ａ」スケールを使用して、約０．０１３Ａから約０．０１７Ａの範囲の強度で行なわれる調整カットワイヤピーニングであり、約０．０１５Ａの強度で行なわれることが好ましい。第２のより低い強度のピーニングは普通、約０．００５Ａから約０．００７Ａの範囲、好ましくは約０．００７Ａの強度で行なわれる。さらに、多数のピーニング動作からの応力は均一ではない。というのは、最も高い圧縮応力が、ブレード蟻継ぎの表面、シャンク、およびプラットフォーム裏面で、またはその近くで生じるからである。

ブレード蟻継ぎと回転子内の蟻継ぎスロットの壁面の間の摩擦は犠牲的なコーティングの損失後に増加するが、全体的な応力は圧縮層の存在により小さくなり、それによって亀裂の開始をさらに遅らせ、亀裂伝播過程を遅めることによってブレードの寿命が長くなる。ショットピーニング媒体を含むあらゆるピーニング媒体を使用することができるが、調整カットワイヤピーニングが好ましい。

ブレード蟻継ぎと蟻継ぎスロットでの回転子の壁面の間の一定の摩擦は次第に無鉛潤滑剤の犠牲的コーティングを損失し、ブレード蟻継ぎの表面に沿って配置された圧縮領域を磨耗することになるが、無鉛乾燥膜潤滑剤および銅ニッケルインジウム磨耗コーティングの少ない磨耗、および二重ピーニング動作による得られる応力の減少が、ブレード蟻継ぎ内の疲労誘導亀裂の開始を遅らせる。このような遅延がエンジンの期待耐用年数を越えて蟻継ぎの寿命を延ばす場合、疲労亀裂は効果的に取り除かれる。

本発明は好ましい実施形態を参照して説明したが、発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、相等物をその要素の代わりに使用することができることが、当業者によって理解されるだろう。加えて、その基本的範囲から逸脱することなく、発明の教示に特定の状況または材料を適合させるように多くの変更を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するように考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限るものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲内の全ての実施形態を含むことを意図したものである。

典型的なガスタービンエンジンブレードの部分斜視図および部分断面図である。 エンジン動作中の、典型的な回転子ディスクの蟻継ぎスロット内に設置されたガスタービンエンジンブレードの断面図である。 ブレード蟻継ぎと回転子蟻継ぎスロットの間の接触領域である、領域３−３の展開図である。 本発明の例示的な実施形態による、表面強化を有するガスタービンエンジンブレードの断面図である。

符号の説明

１０ ブレード
１２ エーロフォイル
１３ シャンク
１４ プラットフォーム
１５ プラットフォーム裏面
１６ 蟻継ぎ
１８ 蟻継ぎスロット
２０ 回転子
２２ 接触領域
３０ 亀裂
４２ 磨耗コーティング
４４ 蟻継ぎ表面
４６ 潤滑剤層

Claims (8)

1. エーロフォイル部（１２）と、
   前記エーロフォイル部（１２）と反対側に配置され、外側表面（４４）を備える蟻継ぎ部（１６）であって、前記外側表面の少なくとも一部は複数のピーニング動作による残余圧縮応力を有する蟻継ぎ部（１６）と、
   残余圧縮応力を有する前記外側表面（４４）の少なくとも一部の上に配置された銅、ニッケル、およびインジウムを含む磨耗コーティング層（４２）と、
   銅ニッケルインジウム磨耗コーティング層（４２）の上に配置され、鉛を含んでいない潤滑剤コーティング層（４６）とを備えるガスタービンエンジンブレード（１０）。
2. 前記ブレード（１０）がファンブレードである、請求項１記載のガスタービンエンジンブレード（１０）。
3. 前記磨耗コーティング層（４２）は、０．００８９ｃｍ（０．００３５インチ）から０．０１２７ｃｍ（０．００５インチ）の範囲の予め選択した厚さを有する、請求項２記載のガスタービンエンジンブレード（１０）。
4. 前記ブレード（１０）が圧縮機ブレードである、請求項１記載のガスタービンエンジンブレード（１０）。
5. 前記磨耗コーティング層（４２）は、０．０１０２ｃｍ（０．００４インチ）から０．０１７８ｃｍ（０．００７インチ）の範囲の厚さを有する、請求項４記載のガスタービンエンジンブレード（１０）。
6. チタンまたはチタン系合金からなる群から選択された材料を含む、請求項１記載のガスタービンエンジンブレード（１０）。
7. 前記磨耗コーティング層（４２）は、３５重量％から３８重量％のニッケル、４．５重量％から５．５重量％のインジウム、最大１重量％の結合鉄および不純物、ならびに残りは銅を含む、請求項１記載のガスタービンエンジンブレード（１０）。
8. 前記磨耗コーティング層（４２）は、３５．５重量％から３７．５重量％のニッケル、４．７重量％から５．２重量％のインジウム、最大１重量％の結合鉄および不純物、ならびに残りは銅を含む、請求項１記載のガスタービンエンジンブレード（１０）。

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