JP2011117446A - 低温噴射堆積を使用して製造したニアネットシェイプ複合材翼形部前縁保護ストリップ - Google Patents

Abstract

【課題】複合材翼形部（１２）を提供する。
【解決手段】本複合材翼形部（１２）は、前縁保護ストリップ（２８）を有し、前縁保護ストリップ（２８）は、低温噴射堆積システム（３０）を利用して該複合材翼形部（１２）の前縁（１６）上に該保護ストリップ（２８）を堆積させることを含む方法によって製造される。
【選択図】 図２

Description

本明細書に説明する実施形態は一般的に、低温噴射堆積法を使用して製造したニアネットシェイプ複合材翼形部前縁保護ストリップに関する。

ファンブレード及びステータベーンのような多くの最新式タービンエンジン翼形部は、複合材積層品又は成形繊維で構成される。そのような複合材翼形部を多くの場合にエンジン環境内で発生する可能性がある衝突及び侵食損傷から保護するために、翼形部金属前縁（本明細書では、「ＭＬＥ」）が使用される。従来の実施方法では、翼形部の前縁及び側面の周りにＶ字形の保護金属ストリップを巻付けて、そのような保護を行なうことが多い。

不都合なことに、翼形部の前縁に接合した薄い金属ストリップは、エンジン運転時に剥離した状態になる可能性がある。剥離は一般的に、運転時における翼形部の金属ストリップ及び下層複合材料間の高温における歪み不整合によって生じる接合損傷に起因する可能性がある。前縁ストリップの剥離により、翼形部及びエンジン流路内で下流に設置されたその他のエンジン構成要素に対して許容不能な自部品損傷（ＤＯＤ）が生じるおそれがある。さらに、益々複雑な翼形部形状要件により、固体ノーズ輪郭及び薄断面となり、それによって従前使用の前縁ラップの使用が妨げられる。

加えて、現在の前縁ラップは一般的に、加熱成形方法を使用して、或いは棒材又はニアネットシェイプ（ＮＮＳ）鍛造品からの機械加工を使用して製造される。そのような製造法は、高いツーリングコスト、大きな歩留まり低下及び環境に優しくない加工処理を生じる。それらの欠点は、特にＭＬＥのような薄くかつ複雑なジオメトリを製作する場合に当てはまる。さらに、生じる高温の故に、加熱成形方法では、複合材に対する損傷のため、複合材構成要素上に製造材料を直接堆積させることができない。

従って、従来の方法に関連する前述の問題点に対処しかつそれら問題点を克服した製造方法を使用して製造したＭＬＥ保護ストリップに対する必要性が依然として存在している。

本明細書における実施形態は一般的に、前縁保護ストリップを含む複合材翼形部に関し、前縁保護ストリップは、低温噴射堆積システムを利用して該複合材翼形部の前縁上に該保護ストリップを堆積させることを含む方法によって製造される。

本明細書における実施形態はまた一般的に、前縁保護ストリップを含む複合材翼形部に関し、前縁保護ストリップは、低温噴射堆積システムを利用して該複合材翼形部の前縁上に該保護ストリップを堆積させることを含む方法によって製造され、保護ストリップは、チタン、チタン合金、ニッケル−クロム合金、アルミニウム及びそれらの組合せから成る群から選ばれた金属を含み、また複合材は、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミドポリマー繊維及びそれらの組合せから成る群から選ばれた材料を含む。

本明細書における実施形態はまた一般的に、前縁保護ストリップを含む複合材翼形部に関し、前縁保護ストリップは、約２６０℃〜約１０３８℃の温度に加熱されている第１のガスストリーム並びにチタン、チタン合金、ニッケル−クロム合金、アルミニウム及びそれらの組合せから成る群から選ばれた金属粉末を含む第２のガスストリームをノズル内に供給することと、ノズル内で第１のガスストリーム及び第２のガスストリームを混合して堆積物ストリームを形成することと、該複合材翼形部に対して約マッハ０．５〜約マッハ１．０の速度及び約２００℃〜約１０００℃の温度で堆積物ストリームを適用して堆積物を積層しかつ該金属前縁保護ストリップを形成することとを含む方法によって製造される。

これらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、以下の説明から当業者には明らかになるであろう。

本明細書には、本発明を具体的に指摘しかつ明確に特許請求している特許請求の範囲が共に提出されているが、本明細書に記載した実施形態は、その中で同じ参照符号が同様の要素を表わしている添付の図と関連させた以下の詳細な説明からより良好に理解されることになると思われる。

本明細書の説明によるＭＬＥ保護ストリップを有するガスタービンエンジン用複合材ファンブレードの１つの実施形態の概略図。 本明細書の説明による低温噴射堆積システムの１つの実施形態の概略図。

本明細書に説明する実施形態は一般的に、低温噴射堆積を使用して製造したニアネットシェイプ複合材翼形部前縁保護ストリップに関する。

図１は、ガスタービンエンジン用複合材ファンブレード１０であり、複合材ファンブレード１０は、ほぼ前縁１６から後縁１８まで翼弦方向Ｃに延びる複合材翼形部１２を有する。翼形部１２は、根元２０から先端２２までスパン方向Ｓにわたって半径方向外向きに延びて、ほぼそのスパンを形成しかつ負圧側面２４及び正圧側面２６を有する。翼形部１２は、従来の翼形部製造と同様に複合材料で構成することができる。本明細書で使用する場合に、「複合材」というのは、樹脂を注入しかつ硬化させて、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、セラミック繊維及びアラミドポリマー繊維のような複合材料を生成することができるあらゆる織った、編んだ又はクリンプしていないファブリックを意味している。本明細書における実施形態は、翼形部前縁１６に付着させるようになった金属前縁（ＭＬＥ）保護ストリップ２８を製造する方法について説明しており、ここでは、保護ストリップ２８は、チタン、チタン合金、ニッケル−クロム合金（例えば、インコネル７１８）、アルミニウム又はそれらの組合せから選ばれた金属を含む。本明細書における実施形態は、複合材ファンブレードに焦点を当てているが、本明細書における本方法、ツーリング及びＭＬＥ保護ストリップは、あらゆるブレード及びベーンを含むあらゆる複合材翼形部で使用するのに好適である。

ＭＬＥ保護ストリップ２８は、低温噴射堆積法を使用して製造することができる。本明細書で使用する場合に、「低温噴射堆積」というのは、一般的にヘリウム又はその他の不活性ガスのストリーム内で微細（ミクロン又はサブミクロン）金属粉末を流動化させた後に、得られた粉末及びガス混合物をほぼ音速でノズルを通して直接噴射し、それによって複合材及び堆積物材料間に界面接合を形成するのに十分な力で加速金属粉末を複合材表面に衝突させることを含む。そのようなプロセスは、複合材基材と衝突する時のガス／粉末ストリームの温度が比較的低いので、「低温」法と呼ばれる。

本明細書に説明する低温噴射堆積システム３０の実施形態は一般的に、その全体を図２に示しかつ以下に説明するように複合材翼形部１２上にＭＬＥ保護ストリップ２８を堆積させるようになった、ガス源３２、ガス加熱器３４、粉末計量装置３６、ノズル３８及び移動制御装置４６を含むことができる。

本明細書におけるこの実施形態では、第１の加圧ガスストリーム４０（矢印で示すような）をガス加熱器３４及び次にノズル３８に供給することができる。第１のガスストリーム４０は、窒素、ヘリウム、その他の同様な不活性ガス及びそれらの組合せから成る群から選ばれたガスを含むことができ、かつ約５０ｐｓｉ〜約１５０ｐｓｉの圧力でガス源３２からガス加熱器３４に供給することができる。ガス加熱器３４は、第１のガスストリーム４０を約５００°Ｆ（２６０℃）〜約９００°Ｆ（１０３８℃）の温度に加熱することができ、１つの実施形態では、従来型の加熱法を使用して約６２５°Ｆ（３２９℃）に加熱した後に、得られた第１の加熱ガスストリーム４０をここでも同様に約５０ｐｓｉ〜約１５０ｐｓｉの圧力でノズル３８に供給することができる。

同時に、粉末計量装置３６からの金属粉末４２は、ガス源３２からの第２のガスストリーム４４（矢印で示すような）と混合しかつノズル３８に供給することができる。金属粉末４２は、チタン、チタン合金、ニッケル−クロム合金（例えば、インコネル７１８）及びアルミニウムから成る群から選ぶことができ、かつ約５マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの粒径を含むことができる。そのような微細粒径は、大きな変形を生じることができ、そのことが次に、複合材翼形部に対する一層良好な付着をもたらすことができる。第２のガスストリーム４４内への金属粉末４２の粉末供給量は、約１グラム／分〜約２０グラム／分とすることができ、１つの実施形態では、約１０グラム／分とすることができる。そのような粉末供給量は、必要に応じて堆積物の厚さを増加又は減少させると同時に該堆積物の微細構造及び機械的性質を調整するために使用することができる。第２のガスストリーム４４は、その両方がガス源３２から発しているので、第１のガスストリーム４０と同一のガスを含むことができる。第１のガスストリーム４０と同様に、第２のガスストリーム４４は、約５０ｐｓｉ〜約１５０ｐｓｉの圧力で供給することができる。

ノズル３８は、ガスストリーム４０、４４及び金属粉末４２の混合に適応するような従来型の収束／発散形ノズルとすることができる。第１の加熱ガスストリーム４０は、参照符号Ａにおいてノズル３８内に導入することができる。第２のガスストリーム４４によって推進される金属粉末４２は、参照符号Ｂにおいてノズル３８内に導入することができ、ノズル３８内において、金属粉末４２は、第１の加熱ガスストリーム４０と混合しかつ該第１の加熱ガスストリーム４０によって加速することができる。第１の加熱ガスストリーム４０は、金属粉末４２の流速を増大させ、このことにより次に、以下で説明するように複合材翼形部１２上への金属粉末の衝突速度が増大することになる。

第１の加熱ガスストリーム４０、第２のガスストリーム４４及び金属粉末４２は、ノズル３８内で混合して堆積物ストリーム４８を形成することができ、堆積物ストリーム４８は、ノズル３８から流出しかつ複合材翼形部１２に衝突して、ＭＬＥ保護ストリップ２８を積層することができる。より具体的には、堆積物ストリーム４８は、約マッハ０．５〜約マッハ１．０の速度及び約３９２°Ｆ（２００℃）〜約１８３２°Ｆ（１０００℃）の温度でノズル３８から流出することができる。そのような条件下で複合材翼形部１２に衝突することにより、複合材翼形部１２を損傷させずに、堆積物ストリーム４８内に存在する金属粉末４２と該複合材翼形部１２との間に界面接合を形成することができる。

しかしながら、得られた堆積物５０の寸法は、変化させることができ、１つの実施形態では、堆積物５０は、約１．０ｍｍ〜約２．０ｍｍの厚さを有することができ、また別の実施形態では、約１．３ｍｍの厚さを有することができことが、当業者には解るであろう。移動制御装置４６を使用して堆積物ストリーム４８の配置及び配向を制御することにより、堆積物５０の複数の層を適用してＭＬＥ保護ストリップ２８をニアネットシェイプに積層することができる。必要な場合には、ＭＬＥ保護ストリップ２８は、従来の仕上げ加工法（機械加工）を使用して、最終寸法に仕上げることができる。

本明細書におけるこの実施形態では、従来のＭＬＥ保護ストリップ製造法に優る種々の利点が得られる。より具体的には、低温噴射堆積により、前縁保護ストリップをニアネットシェイプに積層し、それによって材料投入を減少させ、材料浪費を低減しかつ全製造時間を短縮することが可能になる。構成要素を完成させるのに必要な材料の量のみを適用することにより、高価な原材料を節約し、かつ材料除去及び仕上げ加工の必要性を劇的に低下させる。加えて、低温の加工作業であるので、低温噴射堆積は、ＭＬＥ保護ストリップの金属学的性質を低下させ又は変化させることはなく、或いは下層複合材基材を損傷又は焼損させることはない。さらに、複合材翼形部上への直接的ＭＬＥ保護ストリップの堆積は、それら両者間の接合を現在実施している付着方法と比較して改善することができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が本発明を製作しかつ使用することを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１０ ファンブレード
１２ 複合材翼形部
１６ 前縁
１８ 後縁
２０ 根元
２２ 先端
２４ 負圧側面
２６ 正圧側面
２８ ＭＬＥ保護ストリップ
３０ 低温噴射堆積システム
３２ ガス源
３４ ガス加熱器
３６ 粉末計量装置
３８ ノズル
４０ 第１のガスストリーム
４２ 金属粉末
４４ 第２のガスストリーム
４６ 移動制御装置
４８ 堆積物ストリーム
５０ 堆積物
Ｃ 翼弦方向
Ｓ スパン方向

Claims (10)

1. 前縁保護ストリップ（２８）を含む複合材翼形部（１２）であって、
   前記前縁保護ストリップ（２８）が、低温噴射堆積システム（３０）を利用して該複合材翼形部（１２）の前縁（１６）上に該保護ストリップ（２８）を堆積させることを含む方法によって製造される、
   複合材翼形部（１２）。
2. 前記保護ストリップ（２８）が、チタン、チタン合金、ニッケル−クロム合金、アルミニウム及びそれらの組合せから成る群から選ばれた金属を含む、請求項１記載の複合材翼形部（１２）。
3. 前記複合材が、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミドポリマー繊維及びそれらの組合せから成る群から選ばれた材料を含む、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の複合材翼形部（１２）。
4. 前記低温噴射堆積システム（３０）を利用することが、
   加熱されている第１のガスストリーム（４０）及び金属粉末（４２）を含む第２のガスストリーム（４４）をノズル（３８）内に供給することと、
   前記ノズル内で前記第１のガスストリーム及び第２のガスストリームを混合して堆積物ストリーム（４８）を形成することと、
   該複合材翼形部に対して前記堆積物ストリームを適用して堆積物（５０）を積層しかつ前記金属前縁保護ストリップ（２８）を形成することと、を含む、
   請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の複合材翼形部（１２）。
5. 前記第１のガスストリーム（４０）が、約２６０℃〜約１０３８℃の温度に加熱される、請求項４記載の複合材翼形部（１２）。
6. 前記第２のガスストリーム（４４）が、チタン、チタン合金、ニッケル−クロム合金、アルミニウム及びそれらの組合せから成る群から選ばれかつ約５マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの粒径である金属粉末を含む、請求項４又は請求項５のいずれか１項記載の複合材翼形部（１２）。
7. 前記第１のガスストリーム（４０）及び第２のガスストリーム（４４）が、約５０ｐｓｉ〜約１５０ｐｓｉの圧力を含む、請求項４、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の複合材翼形部（１２）。
8. 前記堆積物ストリーム（４８）が、約マッハ０．５〜約マッハ１．０の速度及び約２００℃〜約１０００℃の温度を含む、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７のいずれか１項記載の複合材翼形部（１２）。
9. その各々が約１．０ｍｍ〜約２．０ｍｍの厚さである複数の前記堆積物（５０）の層を含む、請求項６、請求項７又は請求項８のいずれか１項記載の複合材翼形部（１２）。
10. ブレード又はベーン（１０、１２）を含む、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９のいずれか１項記載の複合材翼形部（１２）。

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