JP2007319934A - Ｍｉｍロウ材プリフォームの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の形状と耐久性を有するロウ材プリフォームを製造する方法を提供すること。
【解決手段】金属粉体形態のロウ付け合金と結合剤の混合物を用意する工程と、前記結合剤を融解して混合体を所定の形状を有するプリフォーム５２に成形する工程と、前記プリフォーム５２から前記結合剤の大部分を除去する工程と、前記プリフォーム５２を加熱して、前記結合剤の残余を除去し、前記金属粉体をともに焼結する工程とを含んでなる、ロウ材プリフォーム５２を生成する方法。前記プリフォーム５２は自体に耐摩耗材を含んでもよい。かかるプリフォーム５２は、２つの金属部品間のロウ付け接合部を形成する、或いは耐摩耗皮膜面を有する金属部品を生成するために使用できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、広義には金属部品のロウ付け接合に関するものであり、具体的には、ロウ付け合金プリフォームに関する。

金属部品、特にガスタービンエンジン部品は、しばしばロウ付け処理によって相互に接合する。ロウ付け時、接合する部品より融点の低いロウ付け金属合金を部品の間に配置する。組立体全体を、ロウ付け金属の融点を上回るが接合部品の融点を下回る温度で加熱することにより、ロウ付け合金を接合部へ流し込む。これを冷却することによって、接合部品の金属学的特性に悪影響を与えずに構造接合部を生成する。
米国特許第６、９８２、１２３号明細書 米国特許第６，８２７，２５４号明細書 米国特許第６，６７９，６８０号明細書 米国特許第６，５３０，９７１号明細書 米国特許第６，４６４，１２８号明細書 米国特許第６，４３４，９４６号明細書 米国特許第６，９０５，３０９号明細書 米国特許第６，７９３，４５７号明細書 米国特許第６，７８５，９６１号明細書 米国特許第６，４９４，６７７号明細書 米国特許第６，４１６，２７８号明細書

ロウ付け合金を接合部に配置するための複数の方法が従前から存在している。しかしながら、従来方法にはそれぞれ欠点がある。例えば、ロウ材スラリーを用いる場合、材料を手作業で施工するため、合金ビードの寸法の調整は作業者に依存する。粉体及び結合剤からロウ材のロープを生成する場合、保管寿命が極めて限定され、処理時に壊れやすい。ワイヤを延伸して所定の形状に成形した後、ボロナイジングして、融点降下剤を導入し、ワイヤ状ロウ材プリフォームを製造することができる。しかしながら、この方法で製造できるのは、延伸できる、或いはホウ素を含む合金のみである。ロウ材テープを鋳造し、焼結してプリフォームを製造できる。この場合、焼結したテープをプリフォーム形状に切り出すのであるが、この処理では、それ自体が２次元形状に限定される。３次元プリフォームを製造できるが、この方法は更に、手仕上げ又は機械加工を要する。

したがって、任意の形状と耐久性を有するロウ材プリフォームを製造する方法が必要とされている。

上記の必要性は本発明の提供する方法によって満たされる。本発明の一態様は、ロウ材プリフォームを生成する方法であって、本方法は、金属粉体形態のロウ付け合金と結合剤の混合体を用意する工程と、前記結合剤を融解して前記混合体を所定の形状を有するプリフォームに成形する工程と、前記プリフォームから前記結合剤の一部を除去する工程と、前記プリフォームを加熱して、前記結合剤の残余を除去し、前記金属粉体をともに焼結する工程とを含んでなる。

本発明の他の態様は、２つの金属部品を結合する方法であって、本方法は、金属粉体形態のロウ付け合金と結合剤の混合体を用意する工程と、前記結合剤を融解して前記混合体を所定の形状を有するプリフォームに成形する工程と、前記プリフォームから前記結合剤の一部を除去する工程と、前記プリフォームを加熱して、前記結合剤の残余を除去し、前記金属粉体をともに焼結する工程と、前記プリフォームを前記金属部品により画成される接合部に隣接させ或いは当該接合部内部に配置する工程と、前記金属部品と前記プリフォーを前記金属部品の何れかの融点を下回るが、前記プリフォームの融点を上回る温度で加熱して、ロウ付け合金を融解し、前記接合部に流す工程と、前記ロウ付け合金を冷却して前記金属部品間の結合部を形成する工程とを含んでなる。

本発明の更に他の態様は、耐摩耗皮膜面を有する金属部品を製造する方法であって、本方法は、金属粉体形態の耐摩耗材と結合剤の混合体を用意する工程と、前記結合剤を融解して前記混合体を所定の形状を有するプリフォームに成形する工程と、前記プリフォームから前記結合剤の一部を除去する工程と、前記プリフォームを加熱して、前記結合剤の残余を除去し、前記金属粉体をともに焼結する工程と、前記プリフォームを前記面に隣接させて配置する工程と、ロウ付け合金を前記耐摩耗材と前記面に接触させて配置する工程と、前記金属部品、前記ロウ付け合金及び前記プリフォームを前記金属部品及び前記耐摩耗材の何れかの融点を下回るが、前記プリフォームの融点を上回る温度で加熱して、ロウ付け合金を融解し、前記接合部に流す工程と、前記ロウ付け合金を冷却して前記金属部品と前記耐摩耗材と間の結合部を形成する工程とを含んでなる。

添付の図面において、同様の構成要素には同様の参照番号を付している。図１に、ガスタービンエンジンで使用するために好適な種類の燃焼器１０を示す。本発明は他の種類の金属部品のロウ付けにも同様に適用可能であり、非限定的な具体例として、回転動翼と静翼、タービンシュラウドなどを含むものが挙げられる。

燃焼器１０は、環状の内側及び外側ライナ１４、１６の間に画成されるチャンバ１２を含む。内側及び外側ライナ１４、１６間にそれらを連結する環状ドーム板１８が、内側及び外側ライナ１４、１６の上流端部近傍に配設されている。ドーム板１８内には複数の円周方向に離間した旋回翼組立体２０が設けられている。燃料管２２はマニホルド２４から各旋回翼組立体２０へ延在している。図２は、旋回翼組立体２０の一つを構成する部品の詳細な分解図である。図２には、旋回翼部品が分解した状態で示されている。各旋回翼組立体２０の前方端は、第１旋回翼２７、ベンチュリ部２９及び第２旋回翼３１を含む椀形旋回部２６を有する。椀形旋回部２６は、一体鋳造で製造されてもよいし、或いは別々の構成要素をロウ付けにより接合して製造してもよい。

椀形旋回部２６の下流端部は、椀形旋回部２６の長手方向軸を中心として同心円状に配設され、軸方向に延在する内側及び外側環状フランジ２８、３０を含み、外側環状フランジ３０は内側フランジ２８から離間して環状溝部３２を画成する。外側環状フランジ３０は、ドーム板１８に形成された開口又はアイレット３６内に収納される外側円筒状面３４を画成する。内側環状フランジ２８は、内側円筒状面３８を画成する。

旋回翼組立体２０は、椀形旋回部２６の下流端部に取付けられた出口スリーブ又は円錐形張り出し部４０を含む。出口スリーブ４０は、その上流端部に実質的に円筒形の本体部４２と、その下流端部に張り出し部又は末広部４４を有する。本体部４２は、その上流端部が椀形旋回部２６の内側円筒状面３８と内側で嵌合する寸法である。

更に、そらせ板４６が椀形旋回部２６の下流端部に取付けられている。そらせ板４６は、その上流端部に実質的に円筒形の本体部４８と、その下流端部に張り出し部又は末広部５０を有する。本体部４８は、その上流端部が椀形旋回部２６の環状溝部３２内に嵌合する寸法である。

旋回翼組立体２０を構成する部品はロウ付けによって組み立てる。従来技術の手法とは異なり、ロウ付け合金として、金属射出成形（ＭＩＭ）によって生成したプリフォームを用意し、接合する構成部品により画成される接合部と隣接させ或いは接合部内に配置する。図示した例では、第１プリフォーム５２Ａは断面形状がほぼ長方形の環状のバンドで（詳細は図４及び図５参照）、椀形旋回部２６の円錐形張り出し部４０と内側円筒状面３８の間に配設される。第２プリフォーム５２Ｂは断面が円形のワイヤの輪で（詳細は図６及び図７参照）、環状溝部３２に配設される。第３プリフォーム５２Ｃは断面が円形のもう一つのワイヤの輪で、そらせ板とドーム板１８の接合部に配設される。ロウ付け接合部については多くの構成が知られており、プリフォーム５２の寸法及び形状については、必要な場合、個別の用途毎に所望とするロウ付け前の嵌め合い及びロウ付け合金の量に応じて変更してもよい。

旋回翼組立体２０を仮組立し、必要に応じて固定した後、公知のロウ付け工程によってプリフォーム５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを溶融し、旋回翼組立体部品間に金属結合部を形成する。

以下、ロウ材プリフォーム５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃの製造方法について説明する。先ず、金属粉体形態のロウ付け合金と適当な結合剤を用意する。

好適なロウ付け合金は当業者に公知であり、一般的にはロウ付けする部品と同様の合金をベースとし、融点降下剤を含んだものが挙げられる。ガスタービンエンジン部品の場合、ロウ付け合金は通常、ニッケル又はコバルトをベースとしている。ロウ付け合金組成物は一般的に、ロウ付け合金が接合する部品より低い温度範囲で確実に融解し、製造を容易にするため、ロウ付け合金の融点を降下する一以上の成分を含有する。ニッケル基合金及びコバルト基ロウ付け合金の融点抑制剤には、ケイ素、ホウ素、リン、又はこれらの組み合わせが挙げられる。

使用する個別のロウ付け合金については、粉体に加工してＭＩＭ処理を行うことが可能であれば、特に重要でない。

結合剤は、金属粉体と化学的適合性があり、必要な処理（例えば、混合、注入、凝固及び浸出し）を行えるのであれば如何なる物質でもよい。公知の好適な結合剤の例として、ロウ及びポリマー樹脂が挙げられる。結合剤は、粉体の状態で用意してもよい。

次に、結合剤と金属粉体を完全に混合する。この混合体を加熱して、結合剤を融解し、結合剤によって被覆した金属粉体からなる流体を生成する。その後、混合体を、上述した輪又はバンドなどの所定の形状に成形する。混合体を成形する一方法として、公知の射出成形装置を用いて、混合体を金型に押出す方法が挙げられる。金型は、結合剤の凝固が急速に進み、脆弱なプリフォームが形成されることを回避するため、必要に応じて加熱してもよい。回分式に結合剤を個別に融解する代わりに、スクリューを通過する際に結合剤を融解できる公知の射出成形装置を用いて混合体を連続して成形してもよい。混合体が凝固すると、金型を開き、こうして生成された未圧縮（ｕｎｃｏｍｐａｃｔｅｄ）の「グリーン」プリフォームを取り出す。

グリーンプリフォームは、凝固した結合剤内に懸濁した金属粒子を含む。プリフォームは、続く加工処理に耐えうる十分な機械的強度を有するのみで、最終部品としての使用に適していない。次にプリフォームを浸出し、結合剤の一部を除去し、「ブラウン」プリフォームを生成する。除去する結合剤の量は結合剤の体積の大部分を占めてもよい。この除去作業は、結合剤を溶解するが金属粉体を腐食しない適当な溶剤を用いてプリフォームを浸漬又は洗浄することによって行ってもよい。

次に、プリフォームを焼結する。プリフォームは、焼結処理時にプリフォームの酸化又はその他の好ましくない化学反応が発生することのないよう、適当な雰囲気を生成する手段を備えたチャンバに入れる。アルゴンなどの不活性ガスの供給口をチャンバ内部に連結してもよい。焼結は真空の状態で行うこともできる。熱源はチャンバと連通して配設する。

プリフォームを、金属粉体の液相線温度を下回るが、金属粉体粒子が融合し、固まるためには十分な高温で加熱する。残留した結合剤はこの高温によって融解し、除去される。プリフォームを、プリフォームを強固にするために選択した十分な期間にわたり所望の温度に保つ。加熱速度は、プリフォームの質量及び所望の焼結処理のサイクル時間などの変量に応じて選択する。

焼結工程が終了すると、プリフォームをチャンバから取り出し、冷却する。必要な場合は、プリフォームを公知の熱間等静圧圧縮成形（「ＨＩＰ」）処理を用いて更に強固にし、実質的に１００％緻密化した部品（１００％ ｄｅｎｓｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）してもよい。必要に応じて、プリフォームに、仕上げ機械加工、被覆、検査などの追加の処理を従来の方法で行ってもよい。こうして、上記のロウ付け処理に使用できる状態の最終プリフォーム５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃが製造される。

上記のＭＩＭ処理を用いると、延伸したロウ材ワイヤ又は焼結したロウ材テープよりも低コストで従来技術のロウ部材のロープ又はスラリーペーストを代替するロウ材プリフォーム５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを製造できる。ＭＩＭプリフォーム５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃは上述のように、ロープ又はスラリーペーストの緻密さが約５０％であるのに対して公知の延伸したロウ材ワイヤ又は焼結したテープ（実質的に１００％の緻密さ）と同等の緻密さとなる。材料の緻密さを高めると、ロウ付け接合部に用いるＭＩＭプリフォーム５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃの緻密さも高まるため、ロウ材容器の寸法を小さくできる。

更に、ＭＩＭ処理を用いて耐摩耗皮膜（ｗｅａｒｃｏａｔ）として使用可能なプリフォームを生成してもよい。図３に一例として、円弧状の外側及び内側バンド５８、６０間に位置するノズル羽根５６を有する代表的なタービンノズル部５４を示す。ノズル羽根５６は、燃焼ガスをその下流に配設されたタービンロータ（図示されてない）に導くように構成された翼形部を画成する。外側及び内側バンド５８、６０はそれぞれ、ノズル部５４を通過するガス流の外側及び内側放射状境界を画成する。ガスタービンエンジンは、環状構成で円周方向に配置された複数のかかるノズル部５４を含む。外側及び内側バンド５８、６０それぞれの後方面６２、６４の部分は、エンジンのその他の部品に対する相対的な運動及び摩耗の影響を受けやすい。したがって、これらの面に耐摩耗性能を付加することが好ましい。これは、耐摩耗材を含有するプリフォームをこれらの面又はそれらの部分、例えば、図３に示す外側バンド５８の丸みを帯びた凹部７０に施工することによって、行ってもよい。従来技術では、これらのプリフォームは、焼結されたテープから生成されるため、一般的に、２次元形状に限定される。これは、プリフォームを手作業でブレンドして、凹部７０の加工部位に嵌合する、又はオフセットを用いてプリフォームをこの部位からはみ出ないようにする必要がある。本発明は、複雑な３次元形状に成形できるプリフォームを生成する方法を提供する。

代表的なプリフォーム６６は、凹部７０に嵌合し、適合する形状と寸法である（図８、図９及び図１０参照）。個別の例では、プリフォーム６６は、板状の部材で、それぞれ、丸みを帯びた側縁部、放射状内縁部６７、６９を有する。プリフォーム６６は、上記のロウ材プリフォーム５２について説明した処理とほぼ同様の、金属粉体と結合剤を混合する工程と、混合体を射出成形して「グリーン」プリフォームを生成する工程と、グリーンプリフォームから結合剤を浸出して、「ブラウン」プリフォームを生成する工程と、最後にブラウンプリフォームを焼結して耐摩耗皮膜として使用可能な最終プリフォームを生成する工程を含むＭＩＭ処理を用いて生成する。これは、手作業によるブレンドを不要としたＭＩＭ製造法によるプリフォームで実施可能な特長の一例に過ぎない。

上述のロウ付け合金に加えて、プリフォーム６６は、耐摩耗材を含む。耐摩耗材は、セラミック製耐摩耗粉体を含んでもよい。一例において、耐摩耗粉体は炭化物、特に炭化クロムを含む。炭化クロムは、Ｃｒ２３Ｃ６、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ３Ｃ２及びそれらの組み合わせから成る群から選択してよい。炭化クロムは通常、予め合金化した炭化物の粉体形態にあり、粉体粒子はその断面全体にわたって均質かつ均一である。或いは、炭化クロム、例えばＣｒ３Ｃ２を、金属製結合剤として機能するその他の材料、例えばＮｉＣｒとブレンドしてもよい。

或いは、プリフォーム６６は、実際の使用時に表面に滑らかな酸化膜を形成し、その酸化物が、高温（例えば１０００°Ｆを上回る）で被処理部品と隣接する構造体との界面を潤滑するように機能して摩耗を減らす公知の合金耐摩耗性材料を含んでもよい。潤滑性を有する、又は滑らかな酸化膜を形成する材料の一群にコバルト合金が含まれる。

ロウ付け合金組成物及び合金耐摩耗性組成物の個別の例については、Ｈａｓｚ ｅｔ ａｌ．に発行され、本発明の出願人に譲渡された米国特許番号第６４５１４５４号に記載されている。

更に、耐摩耗材と結合剤のみで上述のＭＩＭ処理を用いることによってもプリフォーム６６からロウ付け合金を除去できる。この場合、ロウ材（図示されてない）の部材はプリフォーム６６と凹部７０の間に独自に施工したらよい。ロウ材は通常、ニッケル基又はコバルト基ロウ付け合金を含む市販のグリーンロウ材テープから製造でき、又は上述のロウ材プリフォーム５２用ＭＩＭ処理によって形成できる。

耐摩耗材を含有するプリフォーム６６を凹部７０と接合する。一般に、結合工程はロウ付けによって行い、この場合ロウ付け合金は、ノズル部５４又は耐摩耗粒子をほとんど溶融させずに融解する。ロウ付け温度は、使用するロウ付け合金の種類に大きく依存する。ロウ付け合金は通常融点が耐摩耗材より低いため、ロウ付け合金は融合時に、耐摩耗性粉末と基体との若干の反応や溶解が起こるかもしれないが、優先的に溶融し、耐摩耗材の粒子を実質的にそのまま残す。

以上、ロウ材プリフォームの生成処理について説明した。本発明の特定の実施の形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれらの実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなくそれらを容易に理解するためのものである。したがって、上述の本発明の好ましい実施の形態および本発明を実施するための最良の態様の説明は例示に過ぎず、限定を意図したものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲により定義される。

本発明は、添付の図面とともになされる以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
ガスタービンエンジン用燃焼器の断面図。 図１の燃焼器の部分分解側面図。 ガスタービンエンジンノズルの概略斜視図。 ロウ材プリフォームの概略端面図。 図４の線５−５に沿った拡大断面図。 代替ロウ材プリフォームの概略端面図。 図６の線７−７に沿った拡大断面図。 図３のノズルの部分断面図。 図３のノズルとともに用いるプリフォームの端面図。 図９のプリフォームの上面図。

符号の説明

１０ 燃焼器
１２ チャンバ
１４ 環状内側ライナ
１６ 環状外側ライナ
１８ ドーム板
２０ 旋回翼組立体
２２ 燃料管
２４ マニホルド
２６ 椀形旋回部
２７ 第１旋回翼
２８ 内側環状フランジ
２９ ベンチュリ部
３０ 外側環状フランジ
３１ 第２旋回翼
３２ 環状溝部
３４ 外側円筒状面
３６ アイレット
３８ 内側円筒状面
４０ 出口スリーブ又は円錐形張り出し部
４２ 円筒形本体部
４４, ５０ 末広部
４６ そらせ板
４８ 円筒形本体部
５２Ａ 第１プリフォーム
５２Ｂ 第２プリフォーム
５２Ｃ 第３プリフォーム
５４ ノズル部
５６ ノズル羽根
５８ 円弧状外側バンド
６０ 円弧状内側バンド
６２ 後方面
６４ 後方面
６６ 代表的なプリフォーム
６７ 丸みを帯びた側縁部
６９ 放射状内縁部
７０ 凹部

Claims (10)

1. ２つの金属部品を結合する方法であって、
   金属粉体形態のロウ付け合金と結合剤の混合体を用意する工程と、
   前記結合剤を融解して前記混合体を所定の形状を有するプリフォームに成形する工程と、
   前記プリフォーム（５２）から前記結合剤の大部分を除去する工程と、
   前記プリフォーム（５２）を加熱して、前記結合剤の残余を除去し、前記金属粉体をともに焼結する工程と、
   前記プリフォーム（５２）を前記金属部品により画成される接合部に隣接させ或いは当該接合部内部に配置する工程と、
   前記金属部品と前記プリフォーム（５２）を前記金属部品の何れかの融点を下回るが、前記プリフォーム（５２）の融点を上回る温度で加熱して、ロウ付け合金を融解し、前記接合部に流す工程と、
   前記ロウ付け合金を冷却して前記金属部品間の結合部を形成する工程とを含んでなる方法。
2. 前記加熱する工程の後、前記プリフォーム（５２）を前記接合部に隣接させ或いは当該接合部内部に配置する工程の前に、熱間等静圧圧縮成形処理を実行する工程を含む、請求項１記載の方法。
3. 耐摩耗皮膜面を有する金属部品を製造する方法において、
   金属粉体形態の耐摩耗材と結合剤の混合体を用意する工程と、
   前記結合剤を融解して前記混合体を所定の形状を有するプリフォーム（５２）に成形する工程と、
   前記プリフォーム（５２）から前記結合剤の大部分を除去する工程と、
   前記プリフォーム（５２）を加熱して、前記結合剤の残余を除去し、前記金属粉体をともに焼結する工程と、
   前記プリフォーム（５２）を前記面に隣接させて配置する工程と、
   ロウ付け合金を前記耐摩耗材と前記面に接触させて配置する工程と、
   前記金属部品、前記ロウ付け合金及び前記プリフォーム（５２）を前記金属部品及び前記耐摩耗材の何れかの融点を下回るが、前記プリフォーム（５２）の融点を上回る温度で加熱して、ロウ付け合金を融解し、前記接合部に流す工程と、
   前記ロウ付け合金を冷却して前記金属部品と前記耐摩耗材と間の結合部を形成する工程とを含んでなる方法。
4. 前記加熱する工程の後、前記プリフォーム（５２）を前記面に接触させて配置する工程の前に、熱間等静圧圧縮成形処理を実行する工程を含む、請求項３記載の方法。
5. 前記混合体をプリフォーム（５２）に成形する工程が、前記混合体を所望の形状を有する金型に射出する工程を含む、請求項３記載の方法。
6. 前記結合剤の大部分を除去する工程を、前記プリフォーム（５２）を、前記結合剤を溶解するが、前記金属粉体は溶解しないように選択された溶剤で洗浄することによって行う、請求項１及び請求項３の何れかに記載の方法。
7. 加熱時に、前記プリフォーム（５２）を組成物の雰囲気を制御するチャンバ（１２）内に配置する、請求項１及び請求項３の何れかに記載の方法。
8. 前記耐摩耗材が炭化クロムである、請求項３記載の方法。
9. 前記プリフォーム（５２）が自体にロウ付け合金を含む、請求項３記載の方法。
10. 前記ロウ付け合金が、前記プリフォーム（５２）と前記面の間に配設したロウ材テープによりなる、請求項３記載の方法。

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