JP2007313562A - ターボ機械のブレード用のセラミック製中子の製造プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械のブレードの後縁において、厚さ「ｅ」の少なくとも１つの薄肉領域を有するセラミック製鋳物用中子を製造するためのプロセスを提供する。
【解決手段】セラミック粒子フィラーと有機バインダとからなる混合物の金型内での形成、金型からの中子の取り出し、バインダの除去、および中子の硬化熱処理を含むプロセスに関する。プロセスは、中子が上記金型において形成され、この中子の上記領域が、過剰厚さＥだけ厚さ「ｅ」に比べて厚くされており、上記過剰厚さが、中子が金型から取り出された後、かつ熱処理作業の前または後に機械加工されるプロセスである。詳しくは、機械加工は、焼成前の中子上の切りくずの除去を伴うフライス加工、または焼成後の中子の研磨によって機械的に実行される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ターボ機械の金属製のブレードなど、特には冷却回路を形成する複雑な形状の内部空洞を有する部品のロストワックス鋳造技法を用いての製造に関する。

そのようなブレードの製造は、ワックスまたは同等の材料で作られ、鋳造用中子およびブレードの空洞の形状を形成する内部部品を含むパターンを必要とする。パターンを形成するために、ワックス射出成型が使用される。ワックス射出成型に中子が配置され、ワックスが射出される。次いで、ワックス製のパターンが、セラミック粒子の懸濁液からなるスリップに数回浸漬され、シェル金型が形成される。ワックスが取り除かれ、シェル金型が焼成される。シェルへと溶融金属を注ぎ込み、この金属がシェル金属の内壁と中子との間の空間を占めることによって、ブレードが得られる。シードまたは適切なセレクタ、ならびに制御された冷却によって、金属を所望の構造に凝固させることができる。合金の性質ならびに鋳造作業からもたらされる部品に期待される特性に応じ、合金について、柱状構造（ＤＳ）をもたらす方向性凝固、単結晶構造（ＳＸ）をもたらす方向性凝固、または等軸の凝固（ＥＸ）が各々可能である。最初の２つの種類の部品は、ＨＰタービンのブレードなど、ターボジェットにおいて高い熱的応力および高い機械的応力の両者にさらされる部品のための超合金に関する。

合金の凝固後に、シェルおよび中子が振り落とされ、所望のブレードがもたらされる。

使用される鋳物用中子は、一般的には多孔構造のセラミックで製作される。それらは、粒子の形態である耐火フィラーと、バインダを形成する比較的複雑な有機部分とからなる複合物から製造される。組成の例が、欧州特許第３２８４５２号明細書、仏国特許第２３７１２５７号明細書、および仏国特許第１７８５８３６号明細書に提示されている。知られているとおり、鋳物用中子は、例えばプレス射出を使用しつつ、成型によって形成される。この形成作業に続いて、バインダの除去作業が行われ、中子の有機部分が、使用されている材料に応じて、昇華や熱分解などの手段によって取り除かれる。これにより、多孔性の構造がもたらされる。次いで、中子は、炉内での熱処理によってさらに固められる。おそらくは、分割線などの残部を除去およびデフラッシュして中子の形状を得るため、仕上げの工程が必要とされる。この目的のため、研磨工具が使用される。また、後の使用のサイクルにおいて損傷することがないよう、中子を補強する必要があるかもしれない。この場合、中子が有機樹脂によって含浸される。

中子を得るためのサイクル時間を短くする目的で、無地の中子を製造し、中子が未焼成の状態であるときに、スロットおよび仕切りを機械加工することも可能である。これが、本出願人によって出願済みの特許出願、すなわち仏国特許第０４／５２７８９号明細書に記載されている。
欧州特許第３２８４５２号明細書 仏国特許第２３７１２５７号明細書 仏国特許第１７８５８３６号明細書 仏国特許第０４／５２７８９号明細書

中子の形状は、常により複雑であり、特には特定の領域の壁が常により薄い。結果として、注入の限界に達することがしばしばであり、金型の凹所を満たすために、より流動的なスラリーの開発が必要であり、あるいはより高い圧力を使用する必要がある。

厚い中子は、スラリーの組成ゆえ、寸法的により安定である。例えば、バインダ／フィラーの比、ならびに微細なセラミック粒子および粗いセラミック粒子の割合を、調節することが可能である。

従って、開発中であって大量生産されるべきエンジンの文脈において、従来技術の射出方法は、中子の設計変更に経済的に対応することを可能にできておらず、特には０．４ｍｍ未満の厚さの微細な領域を薄くするというニーズに経済的に対応することができない。

この問題を解決するため、知られている技法は、セラミック製中子を金型内で製造することからなり、薄くかつ／あるいは重要な領域を、より流動的なセラミックスラリーを使用することによって得るか、あるいは射出のパラメータを変更し、特には流速または圧力を従来の作業条件の下での流速または圧力よりも高めることによって得ている。しかしながら、この技法は、或るいくつかの欠点を抱えている。第１に、セラミック材料が研磨剤としての特性を有し、新規な注入条件によって生じるせん断が、金型の薄い領域を早期に摩耗させる原因となる。これは、製造の休止期間が多くなることにつながり、金型を適切な状態に維持するためのコストが高くなる。第２に、注入の条件を最適化し、かつ数値シミュレーションを使用するにもかかわらず、或る薄い領域が、注入の先頭を「凍結」させてしまう。結果として、注入が、いわゆる「低温」スラリー、すなわち強力な結合を有するためには不充分な温度であるスラリーの再結合によってしか生じることができなくなる。このような注入条件は、クラック発生の原因であり、取り出しおよび検査の後に多数の中子が廃棄される結果となる。これらの欠陥は、バインダの除去および焼成の熱処理の後に明らかになることもあり、これはさらに高いコストを負わねばならないということを意味する。

本発明によれば、これらの問題が、例えばターボ機械のブレードの後縁について厚さ「ｅ」が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの間である少なくとも１つの薄い壁または領域を含む鋳物用中子を製造するためのプロセスであって、セラミック粒子フィラーと有機バインダとを含む混合物の金型内での形成、金型からの取り出し、バインダの除去、および中子の硬化熱処理を含むプロセスによって是正される。このプロセスは、中子が上記金型において形成され、この中子の上記領域が、上記混合物の金型への注入時に混合物の流れのために充分な開口のチャネルを生み出すため、過剰厚さＥだけ厚さ「ｅ」に比べて厚くされ、上記過剰厚さが、中子が金型から取り出された後に、上記厚さ「ｅ」が得られるまで機械加工されるプロセスである。機械加工作業は、熱処理の前または後に実行可能である。

当業者が、より低粘度の材料を開発しようとし、あるいは射出のパラメータ、特には流速または圧力を変更しようと試みているのに対し、本発明は、注入対象である空洞の定義に関する圧力低下を少なくするという別のアプローチからもたらされている。

圧力低下は、圧力（Ｐ）を粘度（η）、流速（Ｑ）、長さ（Ｌ）、および直径（Ｄ）に結びつける次の式Ｐ＝ηＱＬ／πＤ^４によって表される。

本発明においては、スラリーの流れのために充分な開口を生み出すよう、狭い領域において流れの直径を増加させる。

従って、壁の厚さが０．１ｍｍにまで削減されても、特定の発達が克服される。

本発明のおかげで、鋳物用中子を得るコストが低減される。薄い後縁を備える金型への射出によって得られ、射出および／または焼成クラックの現れを有する中子の量は、数十％に達するが、この解決策によれば、品質においてかなりの改善が達成可能になり、従来技術のプロセスによるよりも薄い後縁を有する中子の製造が可能になる。意図される限界が、０．１ｍｍの厚さにまで下げられる。

好都合なことに、中子の厚くされた領域を、フライス加工によって機械的に機械加工することができるが、これを手作業によって実行してもよい。

さらに詳しくは、中子は、８０％〜８５％の無機フィラーおよび１５％〜２０％の有機バインダを含む。組成は、好都合なことに、本出願人の名義の欧州特許第３２８４５２号明細書に記載の組成のうちの１つに対応する。コアの大量生産の際の収縮のばらつきが少ないに相違ないあまり流動的でない組成物が求められる。

本発明によれば、全てのブレードの中子を製造するためにただ１つのスラリーを調合すればよいが、従来技術のプロセスでは、各々に合わせたスラリー調合物が必要である。特には、厚さが０．４ｍｍ未満となるような後縁を備えて設計された中子のために、流動的なスラリーを用意する必要がある。

他の特徴によれば、機械加工が、工具の連続パスによって実行され、各パスにおいて、０．０５ｍｍ〜２ｍｍの間の指定された厚さの材料が除去される。特には、焼成前には、機械加工が材料を除去すべくフライスカッターによって実行される一方で、焼成後には、機械加工が、少なくとも３軸のフライス盤、好ましくは４軸または５軸のフライス盤において、多くの場合はダイアモンド端の工具であるが工具によって、材料を除去することによって実行される。この手段によって機械加工を自動的に行うことが可能である。

この技法によれば、常に同じではない焼成工程における中子の収縮の不利益を被ることなく、未焼成の中子を既存のＣＡＤＣＡＭ（コンピュータ支援による設計および製造）ファイルに基づいて機械加工することが可能になる。未焼成の中子は、その中子を製造した金型の寸法を有する。好都合なことに、焼成前は、中子が幾何学的に同一である。

このやり方で、中子の種々の構造要素に対応する種々の厚さを有する形態が製造される。他の形態も可能である。

他の特徴および利点は、添付の図面を参照しつつ、本発明のプロセスを実現する一方法についての以下の説明を検討することで、明らかになるであろう。

以下の説明は、航空用または陸上用のガスタービンエンジンの高圧タービンのブレードのための鋳物用中子の形成に適用される本発明に対応している。この説明は、本発明を限定しようとするものではない。

図１に見られるように、タービンブレード１が、圧力面ＰＦ、吸い込み面ＳＦ、前縁ＬＥ、および後縁ＴＥを含む。これが航空用のガスタービンエンジンの高圧タービンのブレードである場合、ブレードは、内部の空洞（ここでは、７つの空洞）、すなわち１Ａから１Ｇを含む。後縁は、自身と平行に延びる空洞１Ｈを有する。空洞１Ｈは、冷却剤（圧縮機から採られる空気である）を排気するための調節済みの互いに平行な複数のチャネル１ＧＨを介して、最後の空洞１Ｇからもたらされている。

空洞は、仕切り１ＡＢ、１ＢＣ、などによって互いに隔てられている。これらのブレードが、溶融金属を鋳造することによって製造される場合、中子がシェル金型の内部に取り入れられなければならず、この中子が、ブレード内に形成されるべき空洞の空間を占める。この中子は、図１から理解できるように、複雑である。

図２は、金型から得られた中子１００を示している。中子１００は、翼の空洞に相当する部位１００Ａ、ブレードの根元の空洞に相当する部位１００Ｂ、および製造時にブレードを把持するためのハンドルを形成している部位１００Ｃを含む。ブレードの先端には、当技術分野の専門語で「スクイーラ（ｓｑｕｅａｌｅｒ）」と称されるものに相当する部位１００Ｄも存在している。

中子の後縁、すなわち図１の空洞１Ｈの形成をもたらす１００Ｈで示されている部位、および図１のチャネル１ＧＨの形成をもたらすほぞ１００ＧＨが、図３および図４に示されている。本発明による第１のほぞ１００ＧＨ１という特定の場合を、後で説明する。

このコアは、金型での射出成型によって製造され、ほぞ１００ＧＨによって形成される薄い領域へと、注入が行われなければならない。通常の技法は、金型への材料の射出および材料の凝固の後に中子を取り出すことができるよう、金型を或る移動度を有する部分部品を備えるように設計することからなる。すでに述べたように、これらの領域への射出は、それらが薄くなるにつれてますます厄介になる。

本発明の目的は、このような複雑な構造を有する中子を、より流動的なスラリーを開発する必要なく、あるいは圧力または流速などの注入パラメータを増す必要なく、製造することにある。

本発明によれば、変更された金型が生み出され、すなわち成型後の中子が厚くされた少なくとも１つの薄い領域を有する金型が生み出される。

第１のほぞ１００ＧＨ１の厚くされた薄い領域は、第１のほぞ１００ＧＨ１についてそのような厚くされた領域を得るために、この点において金型を適切に形作ることによって得られる。第１のほぞは、中子用スラリーが射出されるブレードの根元から最初に見ることができる。この部位が、図８および図９に断面で示されている。図８は、中子１００の吸い込み面１００ＳＦに対するほぞ１００ＧＨ１の過剰厚さＥを示している。部位１００Ｇおよび１００Ｈの吸い込み面側の表面は、この過剰厚さを除き、実質的に同じ平面に位置している。この過剰厚さは、ほぞ１００ＧＨ１について得ることが望まれる最終的な厚さ「ｅ」、および射出されるスラリーの品質に従って決定される。チャネルが、射出時のスラリーの流れのために充分な開口を備えて生成される。図９に示されている断面において、過剰厚さＥの外形は、ほぞの丸められた円を考慮に入れている。ほぞの丸められた円の半径付けを、機械加工によって行うことができる。

好ましくは、使用されるスラリーは、有機バインダを無機フィラーに組み合わせて含む。例えば、混合物を、欧州特許第３２８４５２号明細書の教示に従って製造することができる。中子は、良好な取り扱いの挙動を有し、その組成ゆえ、切りくずの除去または研磨によって、フライス工具による加工が可能である。

この過剰厚さＥを第１のほぞに備えつつ中子を製造した後、次の工程は、この中子素材において、厚くされた領域を機械加工することからなる。機械加工は、図７に示したような工具によって好都合に実行される。これは、切削端２００Ａを有し、自身の軸２００Ｂに沿って螺旋状の切削縁またはねじを有するフライスカッター２００である。フライスカッターは、加工対象の表面に対して直角に移動させられる。工具の速度および工具の変位の速度は、固定されている。このやり方で、材料に加わる力が抑えられ、工具の曲がりが防止される。

例えば、フライスカッターを空間内に位置決めするための３つの軸および中子を位置決めするための２つの軸など、５軸の変位を有する形式の数値制御の工作機械を使用することが好ましい。この機械を、場合によっては、空洞の機械加工を自動化するために、容易にプログラムすることが可能である。

図４は、機械加工後の中子の後縁領域を示している。チャネルが、収縮分を除き、溶融金属をシェル金型へと鋳造したときの部品においてチャネルが形成する寸法、特には厚さを有する。

ひとたび機械加工後の中子が焼成されると、それ自身は知られている後処理が加えられ、そのプロセスにおいて製造中の鋳造用中子からバインダが除去され、すなわち有機バインダが除去される。この目的のため、中子が、中子の含む有機成分を分解するための充分な温度まで加熱される。残りの工程は、引き続いて中子を、中子を構成しているセラミック粒子を焼結するための温度まで加熱することからなる。さらなる硬化が必要な場合には、有機樹脂による含浸が実行される。

焼成後に機械加工される中子については、仕上げおよび検査の作業へと直接渡される。

本発明の課題解決策の利点を実証するために、図５および図６に関する比較試験を行った。

図６ａは、ハッチング線によって示された従来技術の金型の注入の一段階を示している。ほぞを形成するためのチャネルの厚さは、この例では０．３５ｍｍである。スラリーがブレードの付け根領域から導入され、金型の上部に向かって進んでいる旨を見て取ることができる。スラリーは、小さな厚さの領域を通過して流れる際に低速になる。そのような領域を通過するよりも前に低温になる。従って、スラリーは、そのような領域を通り抜けなければならない。結果として、２つの伝搬の先頭が一緒になる瞬間において、スラリーが強力な結合を形成するために充分に流動的ではない。

図５のグラフに、必要とされる圧力が９４単位の圧力であることが示されている。

図６ｂは、供給をより直接的にするための領域１００Ｈを備える側のチャネル６０を示している。実際、射出圧力はより低く、８５単位の圧力で充分である。しかしながら、スラリーの先頭がほぞのチャネル内で動けずにとどまってしまうため、接合部は依然として満足できるものではない。

図６ｃは、仮のほぞ７０の追加を示している。結果は、上述と実質的に同じであり、圧力は８５単位の圧力である。

図６ｄにおいては、第１のほぞに本発明による過剰厚さを形成するため、金型がえぐられている。図５と比べ、スラリーの伝搬の先頭がチャネル内で詰まることがないようにするために、７８単位の圧力の射出圧力で充分であることを、見て取ることができる。これにより、後縁領域をチャネルを通じて満たすことができる。結果として、ほぞ領域に悪影響を及ぼす機械的な弱点が存在しない。

これらの図は、本質的には、中子の第１のほぞの厚さを増すことを示しているが、これは全てのほぞに対して適用可能である。従って、この技法は、より一般的に、中子において後縁の付近に位置して空気（冷却回路の端部においてブレード内部から出てガスストリームへと射出される）の通過のためのチャネルを有する部位など、中子においてきわめて薄くて狭い部位を製造できるようにする。しかしながら、機械加工を、同じ流れの自由度の問題が生じるコアの任意の部分へと、広げることができる。

冷却付きのタービンブレードの断面図である。 冷却付きのブレードの中子の全体図である。 本発明による過剰厚さを有する中子の後縁領域の図である。 過剰厚さが機械加工された後の中子の後縁の一部位の図である。 所望の後縁形状を得るために使用される手段に対応した射出圧力の変化のグラフである。 金型への注入を図５の手段に対応して示す。 フライスカッターによって機械加工を行う方法を示す。 図３の第１のほぞを８−８の断面で示す。 図８の第１のほぞを９−９の断面で示す。

符号の説明

１ タービンブレード
１ＧＨ チャネル
１Ｈ 空洞
１００ 中子
１００ＧＨ ほぞ
２００ フライスカッター

Claims (10)

1. 特にはターボ機械のブレードの後縁において、厚さ「ｅ」が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの間である少なくとも１つの薄肉領域を含む鋳物用中子を製造するためのプロセスであって、
   セラミック粒子フィラーと有機バインダとを含む混合物の金型内での形成、金型からの取り出し、バインダの除去、および中子の硬化熱処理を含み、
   中子が前記金型において形成され、前記混合物の金型への射出時に前記混合物の流れのために充分な開口のチャネルを生み出すため、この中子の前記領域が、過剰厚さ「Ｅ」だけ厚さ「ｅ」に比べて厚くされており、前記過剰厚さが、中子が金型から取り出された後で機械加工される、プロセス。
2. 機械加工が、熱処理作業の前に実行される、請求項１に記載のプロセス。
3. 過剰厚さの機械加工が、切りくずの除去を伴うフライス加工によって機械的に実行される、請求項２に記載のプロセス。
4. フライス加工が、熱処理作業の後に実行される、請求項１に記載のプロセス。
5. 過剰厚さの機械加工が、研磨によって機械的に実行される、請求項４のいずれか一項に記載のプロセス。
6. 機械加工が、少なくとも３軸、好ましくは４軸または５軸のフライス盤において、材料の除去によってフライスカッターで実行される、請求項５に記載のプロセス。
7. 厚さ「ｅ」の領域が、前縁の付近に位置して、ターボ機械のブレードを内側から冷却するための空気を排気するチャネルを形成するためのほぞを構成する、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. ほぞが、金型を満たすべくスラリーが供給される方の端部から最初に目に入る、請求項７に記載のプロセス。
9. 機械加工が、ほぞの表面に丸みを付ける工程を含む、請求項７に記載のプロセス。
10. 過剰厚さがいくつかの薄肉領域へと適用される複数の前記薄肉領域を含む中子を製造するための、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。

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