JP2010207912A - ブレード製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボマシン用のブレードを、第１層、第２層、及びこれらの第１及び第２の層間に配置されたメンブレンの超塑性形成及び拡散接合によって製造する方法を提供する。
【解決手段】第１層１６とメンブレン２との間に拡散接合防止材料を第１の所定のパターンで塗布し、第１層１６とメンブレン２との間に拡散接合部が第１の所定のパターンと交差して形成されないようにする工程と、第２層１８とメンブレン２との間に拡散接合防止材料を第２の所定のパターンで塗布し、第２層１８とメンブレン２との間に拡散接合部が第２の所定のパターンと交差して形成されないようにする工程とを含み、第１及び第２の所定のパターンは、ブレードチップ縁部に沿って拡散接合部を形成できるように構成されており、ブレードチップ縁部に沿った拡散接合部は、ブレードに亘り弦方向に延びている。
【選択図】図４ｂ

Description

本発明は、超塑性成形及び拡散接合によってターボマシン用のブレードを製造する方法に関する。

金属製の中空ターボマシンブレード、特にジェットエンジン用ファンブレードを、金属製加工物の超塑性成形及び拡散接合によって製造することは既知である。これらの加工物は、ブレードの圧力面及び吸引面を形成する。金属製加工物は、単体金属、金属合金、及び繊維強化金属（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を含んでも良い。これらの金属製加工物のうちの少なくとも一方が、超塑性伸長可能であってもよい。一つの既知のプロセスでは、接合されるべき加工物の表面を清浄にし、一つ又はそれ以上の加工物の少なくとも一つの表面の所定の領域を、拡散接合を阻止する拡散接合防止（ｓｔｏｐ−ｏｆｆ：ストップオフ）材料（すなわち、拡散接合防止材又は拡散接合防止剤）でコーティングする。加工物をスタック即ち積み重ねをなして配置し、加工物の縁部を、パイプが加工物に溶接される箇所を除いて互いに溶接し、アッセンブリを形成する。パイプにより、負圧又は不活性ガス圧力をアッセンブリの内部に加えることができる。アッセンブリをオートクレーブに入れて加熱し、バインダーを材料から「ベークアウト（ｂａｋｅ ｏｕｔ：焼出し）」し、拡散接合を阻止する。次いで、パイプを使用してアッセンブリから気体を除去でき、パイプをシールする。シール済のアッセンブリを圧力容器に入れ、加熱及びプレスによって加工物を互いに拡散接合し、一体の構造を形成する。拡散接合は、マット（艶消し）加工が施された二つの表面を、界面前後の原子相互交換を可能にする温度条件、時間条件、及び圧力条件の下で、互いに押し付けたときに行われる。第１パイプを取り外し、この第１パイプが配置されていた位置で、第２パイプを、拡散接合されたアッセンブリに装着する。一体の構造を適当な形状のダイ間に配置し、オートクレーブに入れる。一体の構造及びダイを加熱し、加圧流体を第２パイプを通して一体の構造の内部に供給し、少なくとも一方の加工物を超塑性成形し、ダイと形状が一致した物品を製造する。

上文中に説明した中空構造に加え、上文中に説明したプロセスを行う前に、メンブレン（膜）２を金属製加工物４、６間に挿入することもまた既知である（例えば、図１を参照されたい）。メンブレンと隣接した加工物との間の拡散接合箇所は、メンブレン（又は夫々の加工物）の各側の予め選択された領域に拡散接合防止材料を塗布することによって制御できる。次いで、ブレードを膨張させると、メンブレンは、拡散接合を行うことができる箇所で加工物に付着し、これによって内部構造を提供できる（例えば、図２に示すワーレン桁（Ｗａｒｒｅｎ ｇｉｒｄｅｒ）型構造を参照されたい）。

様々な内部構造が提案されてきた。これらの構造を形成するために拡散接合防止材料の予め選択された様々なパターンが必要とされてきた。例えば、両側の一連の重なっていないドットを除いて、両側に拡散接合防止材料を塗布することによって、卵パック（ｅｇｇ ｂｏｘ）型内部構造を提供できる。このような内部構造を備えて製造されたブレードは非常に剛性であるが、この剛性の裏返しとして、これらのブレードは、バードストライクによる破損を被り易い。

この問題点を解決するため、米国特許第５、４７９、７０５号には、ワーレン桁型断面を持つ内部構造が開示されている。この内部構造は、拡散接合防止材料がない、交互のストリップ１０、１２からなる、メンブレンの両側に設けられた所定のパターンによって形成される（例えば、図１及び図２を参照されたい）。このようなブレードは、ブレードが割れるのでなくつぶれる（降伏する）ようにできる潰れ（ｃｒｕｍｐｌｅ）ゾーンが存在するため、バードストライクに対する耐久性が良好である。しかしながら、ブレードの膨張中、メンブレンは、ブレードのチップ（先端部）と上述のストリップの縁部との間の領域で、圧力面加工物に付着してしまう。これは、拡散接合防止材料が圧力面に固着し、この領域で十分な量のガスをメンブレンの両側に流すことができないためである。この固着により、超塑性プロセス中の膨張が妨げられてしまう。このことは、膨張プロセス中に大きく移動しなければならない圧力面（例えば、図３ｂ（ｉｉ）に示す圧力面１８を参照されたい）について特に問題である。更に、ファンブレードの圧力面の形状は、空力学的に非常に重要である。

メンブレンが圧力面に固着しないようにするため、上文中に言及したストリップ１０、１２を含むが、追加のドット１４が吸引側１６に設けられたパターンが提案された（図３ａ参照）。ストリップ１０は吸引側１６に設けられており、ストリップ１２は圧力側１８に設けられている。このような結合パターンでは、ドット１４はブレードのチップ領域にあり、メンブレンの吸引側１６にプリントされたストリップ１０と一直線上にある。

ドット１４は拡散接合防止材料がない別の領域を形成する。この領域で拡散接合部を吸引パネルに形成できる。従って、これらのドットにより、メンブレンは、チップ領域で吸引面に確実に付着し、圧力面の膨張を阻止しないようにメンブレンを圧力面から離した状態に保持する（図３ａ及び図３ｂ参照）。

米国特許第５、４７９、７０５号

しかしながら、ストリップ−ドットパターンの問題点は、メンブレンの両側の周囲に、特に吸引面とメンブレンとの間に不十分なガスしか流すことができないということである。換言すると、吸引パネルにプリントされたドットのため、メンブレンは、吸引パネルに対して保持され、従って、ガスをチップ領域に亘って捕捉してしまうのである。これが起こったとき、ガス圧の不均等によりメンブレンが歪んでしまい、受け入れることができない構成要素を製造することになる。更に、ブレードの更新（ｒｅｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を必要としない解決策を見出すのが望ましい。これは、費用がかかり、時間がかかるためである。

本発明の第１の特徴によれば、ターボマシン用のブレードを、第１層、第２層、及びこれらの第１及び第２の層間に配置されたメンブレンを超塑性形成及び拡散接合によって製造する方法において、
第１層とメンブレンとの間に拡散接合防止材料を第１の所定のパターンで塗布し、第１層とメンブレンとの間に拡散接合部が第１の所定のパターンと交差して形成されないようにする工程と、
第２層とメンブレンとの間に拡散接合防止材料を第２の所定のパターンで塗布し、第２層とメンブレンとの間に拡散接合部が第２の所定のパターンと交差して形成されないようにする工程とを含み、
第１及び第２の所定のパターンは、ブレードチップ縁部に沿って拡散接合部を形成できるように構成されており、ブレードチップ縁部に沿った拡散接合部は、ブレードに亘り弦方向に延びており、更に、ブレードチップ（ブレード先端部）のところのブレード弦の少なくとも第１部分に亘り、チップ縁部のところでスパン方向に延びる第１層の比較的大きな部分が、メンブレンに対し、反対側の第２層よりも大きく拡散接合されるように、第１及び第２の所定のパターンを塗布する工程を含む、製造方法が提供される。

第１の所定のパターンは、一つ又はそれ以上の別個の第１拡散接合防止材料ゾーンを形成することができる。拡散接合防止材料は、前記第１の別個のゾーンで第１層とメンブレンとの間に拡散接合部が形成されないようにする。同様に、第２の所定のパターンは、一つ又はそれ以上の別個の第２拡散接合防止材料ゾーンを形成することができる。拡散接合防止材料は、前記第２の別個のゾーンで第２層とメンブレンとの間に拡散接合部が形成されないようにする。

第１パターンは、スパン方向に配置された一つ又はそれ以上のストリップを形成するように塗布されてもよく、これらのストリップには拡散接合防止材料は塗布されていなくてもよい。第２パターンは、スパン方向に配置された一つ又はそれ以上のストリップを形成するように塗布されてもよく、これらのストリップには拡散接合防止材料は塗布されていなくてもよい。

第２パターンは、一つ又はそれ以上のドットを形成するように塗布されてもよく、これらのドットには拡散接合防止材料は塗布されていない。第２パターンは、一つ又はそれ以上のドットのうちの一つのドットが、一つ又はそれ以上のストリップのうちの一つのストリップとブレードチップ縁部との間に配置されるように塗布されてもよい。

第１層は、ターボマシンブレードの圧力面又は吸引面を形成してもよく、第２層は、圧力面又は吸引面のうちの他方を形成してもよい。ブレードはコンプレッサファンブレードであってもよい。

前記方法は、更に、ブレードチップのところのブレード弦の少なくとも第２部分に亘り、チップ縁部のところでスパン方向に延びる第２層の比較的大きな部分が、メンブレンに対し、反対側の第１層よりも大きく拡散接合されるように、第１及び第２の所定のパターンを塗布する工程を含んでも良い。

前記方法は、更に、第１及び第２の層とメンブレンとを加熱し且つ加圧し、第１及び第２の層とメンブレンとを互いに拡散接合し、一体の構造を形成する工程を含んでいても良い。前記方法は、更に、第１及び第２の層とメンブレンとを適当な形状のダイ間に置き、第１及び第２の層、メンブレン、及びダイを加熱し、第１及び第２の層間に加圧流路を供給し、第１及び第２の層のうちの少なくとも一方を超塑性形成する工程を含んでいても良い。

本発明の第２の特徴によれば、第１層、第２層、及びこれらの第１及び第２の層間に配置されたメンブレンを含むターボマシン用のブレードにおいて、ブレードチップのところのブレード弦の少なくとも第１部分に亘り、チップ縁部のところでスパン方向に延びる第１層の比較的大きな部分を、メンブレンに対し、反対側の第２層よりも大きく拡散接合した、ブレードが提供される。

次に、本発明を更に良好に理解するため、及び本発明をどのように実施するのかを更に明瞭に示すため、添付図面を例として参照する。

図１は、超塑性成形及び拡散接合によってファンブレードが形成される、加工物の従来技術の構成の分解図である。 図２は、拡散接合及び超塑性膨張後のファンブレードの内部構造の断面図である。 図３ａは、従来技術で提案された拡散接合防止材料パターンを持つファンブレードのチップ領域の図である。 図３ｂは、図３ａに示すファンブレードチップの、（ｉ）超塑性膨張前及び（ｉｉ）超塑性膨張後の断面図である。 図４ａは、本発明の第１実施例による拡散接合防止材料パターンを備えたファンブレードのチップ領域の図である。 図４ｂは、超塑性膨張後のファンブレードのチップの、（ｉ）図３ａに示すブレードチップについての、及び（ｉｉ）図４ａに示すブレードチップについての断面図である。 図５は、本発明の第２実施例による拡散接合防止材料パターンを備えたファンブレードのチップ領域の図である。

図４ｂ（ｉｉ）を参照すると、本発明の第１実施例によるターボマシン用のブレード２０は、三つの層を含む。すなわち、吸引面層１６、圧力面層１８、及び吸引面層１６と圧力面層１８との間に配置されたメンブレン２の三つの層を含む。吸引面層１６及び圧力面層１８をメンブレン２に結合する前に、吸引面層１６及び圧力面層１８の両方のメンブレン２に近い方の側部に拡散接合防止材料を塗布する。別の態様では、拡散接合防止材料をメンブレン２の夫々の側部に塗布してもよい。拡散接合防止材料の塗布後、前記層を互いに積み重ね、熱及び圧力を加え、夫々の層間に拡散接合部を形成する。拡散接合防止材料が塗布された場所には拡散接合部は形成されない。次いで、ブレード２０を適当な形状のダイ間に配置し、オートクレーブに入れる。ブレード２０及びダイを加熱し、加圧流体をブレードの内部に供給し、少なくとも一つの層を超塑性成形し、ダイの形状と一致したブレードを製造する。更に、ブレード２０を捩じって所定の形状にしてもよい。

図４ａは、本発明の第１実施例に従って拡散接合防止材料が塗布されるべきブレードチップ（ブレード先端部）の領域の場所を示す（ブレードハブは示してない）。メンブレン２の吸引側では、吸引側内縁部３２によって形成された領域内に拡散接合防止材料が塗布される。従って、ブレード２０の外縁部２２と吸引側内縁部３２との間には拡散接合防止材料がなく、これによって、メンブレン２と吸引面層１６との間にブレード２０の縁部に亘って拡散接合部を形成できる。メンブレン２の吸引側では、拡散接合防止材料は、一つ又はそれ以上のストリップ１０及び一つ又はそれ以上のドット１４が形成する領域に塗布されていない。ストリップ１０は、実質的に半径方向に（即ちハブからブレードチップまでスパン方向に）配置され、ストリップ１０は吸引側内縁部３２の手前で終端する。ドット１４は、ストリップ１０と一直線上にあるように配置されており、ストリップ１０と吸引側内縁部３２との間に配置される。ドット１４は、必ずしも円形形状でなくてもよく、任意の所望の形状であってもよい。同様に、ストリップ１０は必ずしも実質的に矩形形状でなくてもよく、ストリップ１０もまた任意の所望の形状であってもよい。

メンブレン２の圧力側では、圧力側内縁部３４によって形成された領域内に、拡散接合防止材料が塗布される。従って、ブレード２０の外縁部２２と圧力側内縁部３４との間には拡散接合防止材料がなく、これによって、メンブレン２と圧力面層１８との間に、ブレード２０の縁部に亘って、拡散接合部を確実に形成できる。圧力側内縁部３４は、ブレードの弦の一つ又はそれ以上の部分３６に亘り、圧力側内縁部３４が、吸引側内縁部３２よりもブレードハブに近い（即ち、ブレードチップから離れている）ということを除き、吸引側内縁部３２と実質的に同じである。従って、部分３６に亘り、吸引面層１６がメンブレン２に結合されるよりも多くの量の圧力面層１８が、ブレードチップ縁部のところで、メンブレン２に結合される。換言するとブレードチップのところで、圧力面層１８とメンブレン２との間のスパン方向での拡散接合部の大きさは、ブレードの弦の部分３６に亘る吸引面層１６とメンブレン２との間の拡散接合部よりも大きい。

メンブレン２の圧力側では、拡散接合防止材料は、一つ又はそれ以上のストリップ１２によって形成された領域にも塗布されていない。これらのストリップ１２は、実質的に半径方向に（即ちハブからブレードチップまでスパン方向に）配置されており、ストリップ１２は、吸引側内縁部３２の手前で、吸引側でストリップ１０が吸引側内縁部３２から離間されているのとほぼ同じ離間距離のところで終端する。

圧力側に設けられたストリップ１２は、吸引側に設けられたストリップ１０間に交互に配置されている。そして、ストリップ１０、１２は、隣接したストリップ１０、１２間に隙間１１があるように配置されている。この構成により、ブレード２０の膨張時に、メンブレン２が、ストリップ１０のところで吸引面層１６に付着し、また、メンブレン２はストリップ１２のところで圧力面層１８に付着する。従って、メンブレン２は、隣接したストリップ１０、１２間のメンブレン２（即ち隙間１１と重なるメンブレン２の部分）が、吸引面層１６と圧力面層１８との間にストラット及びタイを形成する、ワーレン桁型内部構造を形成する。

上述のストリップ１０、１２に加え、ドット１４は、メンブレン２を圧力面層１８から離した状態に保持し、これによって圧力面層１８が所望の形状に膨張できるようにする。更に、メンブレン２の圧力面側に設けられた拡散接合部の追加の弦方向部分３６により、超塑性膨張中、図４ｂ（ｉｉ）に示すように、メンブレン２が吸引面層１６から持ち上げられて離される。部分３６は、従って、ブレードチップの領域でメンブレン２と吸引面層１６との間にガス流路を形成する。これにより、十分なガスを吸引側のドット１４の周囲に流すことができ、膨張プロセス中に、吸引面層１６が所望の形状に膨張できるようにする。（これとは対照的に、図４ｂ（ｉ）は、メンブレンが吸引面層１６から持ち上げられない従来技術の構成を示す。）
図５を参照すると、この図には、本発明の第２実施例によるブレード１２０が示してある。ブレード１２０は、ブレードの弦の一つ又はそれ以上の部分１３８に亘り、吸引側内縁部１３２が圧力側内縁部１３４よりもブレードのハブに近いということを除き、第１実施例のブレードと実質的に同じである。従って、部分１３８に亘り、圧力面層がメンブレンに結合されているよりも比較的多くの吸引面層が、ブレードチップ縁部のところで、メンブレンに結合されている。換言すると、ブレードチップでは、吸引面層とメンブレンとの間のスパン方向での拡散接合部の大きさが、ブレードの弦の部分１３８に亘る圧力面層とメンブレンとの間の拡散接合部よりも大きい。

第１実施例に関する限りでは、本発明の第２実施例によるブレード１２０は、更に、ブレードの弦の一つ又はそれ以上の部分１３６を含み、これらの部分に亘り、圧力側内縁部１３４は、吸引側内縁部１３２よりもブレードのハブに近い。部分１３６に亘り、吸引面層がメンブレンに結合するよりも多くの圧力面層が、ブレードチップ縁部のところで、メンブレンに結合されている。換言すると、ブレードチップでは、圧力面層とメンブレンとの間のスパン方向での拡散接合部の大きさは、ブレードの弦の部分１３６に亘る吸引面層とメンブレンとの間の拡散接合部よりも大きい。

部分１３６及び１３８は互いに弦方向でずらしてある。複数の部分１３６、１３８に関し、これらの部分１３６、１３８は、圧力面層とメンブレンとの間のスパン方向での拡散接合部の大きさが規則的に変化するように、また、吸引面層とメンブレンとの間のスパン方向での拡散接合部の大きさが規則的に変化するように、交互になっているが、圧力面層とメンブレンとの間の拡散接合部とは逆相をなすようにしても良い。従って、圧力側内縁部１３４及び吸引側内縁部１３６は、類似の波線をなしても良い。部分１３６は、吸引面層上のストリップ１１０及びドット１１４と一直線上にあり、これに対し、部分１３８は、圧力面層のストリップ１１２と一直線上にある。部分１３６及び１３８は、ブレードチップの領域で、メンブレンと、圧力面層及び吸引面層との間に、ガス流を提供するのに役立ち、これによって、メンブレンの両側に十分なガス流を確保できる。

２ メンブレン
１０ ストリップ
１４ ドット
１６ 吸引面層
１８ 圧力面層
２０ ブレード
２２ 外縁部
３２ 吸引側内縁部
３４ 圧力側内縁部

Claims (13)

1. 第１層（１８）、第２層（１６）、及びこれらの第１及び第２の層間に配置されたメンブレン（２）を超塑性形成及び拡散接合することによって、ターボマシン用のブレード（２０）を製造する方法において、
   前記第１層と前記メンブレンとの間に拡散接合防止材料を第１の所定のパターンで塗布して、前記第１層と前記メンブレンとの間に拡散接合部が前記第１の所定のパターンと交差して形成されないようにする工程と、
   前記第２層と前記メンブレンとの間に拡散接合防止材料を第２の所定のパターンで塗布して、前記第２層と前記メンブレンとの間に拡散接合部が前記第２の所定のパターンと交差して形成されないようにする工程とを含み、
   前記第１及び第２の所定のパターンは、ブレードチップ縁部に沿って拡散接合部を形成できるように構成されており、前記ブレードチップ縁部に沿った前記拡散接合部は、前記ブレードに亘り弦方向に延びており、
   前記ブレードチップのところの前記ブレード弦の少なくとも第１部分に亘り、前記チップ縁部のところでスパン方向に延びる前記第１層の比較的大きな部分が、前記メンブレンに対し、反対側の第２層よりも大きく拡散接合されるように、前記第１及び第２の所定のパターンを塗布する工程を含む、製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法において、
   前記第１パターンは、スパン方向に配置された一つ又はそれ以上のストリップ（１２）を形成しており、これらのストリップには前記拡散接合防止材料は塗布されていない、製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の製造方法において、
   前記第２パターンは、スパン方向に配置された一つ又はそれ以上のストリップ（１０）を形成しており、これらのストリップには前記拡散接合防止材料は塗布されていない、製造方法。
4. 請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の製造方法において、
   前記第２パターンは、一つ又はそれ以上のドット（１４）を形成するように塗布されており、これらのドットには前記拡散接合防止材料は塗布されていない、製造方法。
5. 請求項３又は４に記載の製造方法において、
   前記第２パターンは、前記一つ又はそれ以上のドットのうちの一つのドットが、前記一つ又はそれ以上のストリップのうちの一つのストリップと前記ブレードチップ縁部との間に配置されるように塗布される、製造方法。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の製造方法において、
   前記第１層は、ターボマシンブレードの圧力面又は吸引面を形成し、前記第２層は、前記圧力面又は前記吸引面のうちの他方を形成する、製造方法。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の製造方法において、
   前記ブレードはコンプレッサファンブレードである、製造方法。
8. 請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の製造方法において、更に、
   前記ブレードチップのところの前記ブレード弦の少なくとも第２部分に亘り、前記チップ縁部のところでスパン方向に延びる前記第２層の比較的大きな部分が、前記メンブレンに対し、反対側の第１層よりも大きく拡散接合されるように、前記第１及び第２の所定のパターンを塗布する工程を含む、製造方法。
9. 請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の製造方法において、更に、
   前記第１及び第２の層と前記メンブレンとを加熱し且つ加圧して、前記第１及び第２の層と前記メンブレンとを互いに拡散接合し、一体の構造を形成する工程を含む、製造方法。
10. 請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載の製造方法において、更に、
    前記製造方法は、
    前記第１及び第２の層と前記メンブレンとを適当な形状のダイ間に置き、
    前記第１及び第２の層、前記メンブレン、及び前記ダイを加熱し、
    前記第１及び第２の層間に加圧流体を供給して、前記第１及び第２の層のうちの少なくとも一方を超塑性形成する工程を含む、製造方法。
11. 第１層、第２層、及びこれらの第１及び第２の層間に配置されたメンブレンを含むターボマシン用のブレードにおいて、
    前記ブレードのチップのところの前記ブレード弦の少なくとも第１部分に亘り、前記チップ縁部のところでスパン方向に延びる前記第１層の比較的大きな部分が、前記メンブレンに対し、反対側の第２層よりも大きく拡散接合された、ブレード。
12. 本明細書中に図４及び図５を参照して説明し、これらの図に示した製造方法。
13. 本明細書中に図４及び図５を参照して説明し、これらの図に示した、ターボマシンブレード。

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