JP2013522059A - 複合材料から作製された前縁を保護する金属インサートを作り出すための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、複合材料から作製された航空宇宙機械の圧縮機翼の前縁または後縁を保護するための金属インサートを、シート（１）をスタンピングし、前記シート間を拡散結合することによって作り出すための方法であって、最初に前記シートを、前記インサートの吸引側（１Ｅ）および圧力側（１Ｉ）の形状に近似させるためにスタンピングによって成形するステップと、製造される金属インサートの内部空洞のように成形されたコア（３）を作り出すステップであって、コアの表面の一方がインサートの吸引側の内部形状を再生し、他方の表面がインサートの圧力側の内部形状を再生する、ステップと、前記シートを前記コアの周りに配置し、組立体を固定するステップと、真空に引き、組立体を結合によってシールするステップと、組立体を熱間等静圧圧縮成形によって組み立てるステップと、コア（３）を抜き出し、インサートを分離するために組立体を切断するステップと、インサートの外側プロファイルを最終の機械加工ステップによって作り出すステップとを含むことを特徴とする、方法に関する。

Description

本発明の分野は、金属部品の製造の分野に関し、より詳細には、たとえば、ターボファンで使用される、複合材料から作製された広幅翼弦ファンブレードの前縁などの航空宇宙用途向けのチタン前縁またはチタン後縁の製造の分野に関する。

ターボジェットのファンブレードは、現在、重量およびコストの理由から、主に複合材料から作製されている。これらの部品、すなわちその回転速度およびこれらが支持する空力的負荷によるかなりの機械的応力を受ける部品は、空気流中に入り込みやすい外来微粒子または外来物の衝撃にさらに耐えなければならない。したがって、これらの部品は、その前縁および／または後縁において、それらの端部を覆い、ブレードの複合材料に結合された金属部品によって保護される。

複合ファンブレードのチタン前縁を製造するために現在利用可能な方法の範囲は、実施するのが困難かつ複雑であり、したがって高コストである。これは、これらの方法が、使用される温度に耐えることができるツーリングを必要とする加熱成形作業に主に基づくからである。さらに、これらの方法は、中間部品および製造の最終段階の両方でかなりの機械加工を必ず伴う。

重量および強度の理由から、これらの前縁または後縁は、通常チタンから作製され、比較的薄いものである。この小さい厚さのため、超塑性成形および拡散接合（ＳＰＦＤＢ）によるシートの接合を含む製造方法を使用することが当然ながら提案されている。そのような方法は、本出願人の特許出願である、欧州特許出願公開第１５７４２７０号明細書に記載されている。

しかしながら、この方法は、空洞の内部形状を容易に調節することができないという欠点を有し、特に、これは、空洞の端部におけるシート間の接続を最適化することを困難にしている。具体的には、２枚のシート間に、空洞の長手方向軸を横断する共通の接線を有し、可能であれば、大きい曲率半径を有する接合部を作り出すことが、前縁を強くする場合に重要であるが、ＳＰＦＤＢプロセスはこれらのことを可能にしない。

欧州特許出願公開第１５７４２７０号明細書

本発明の目的は、チタンの前縁または後縁を製造するための方法であって、前縁および／または後縁の空洞を作り出すことをより容易にし、その製造コストが高価でない方法を提供することによってこれらの欠点を克服することである。

この目的のため、本発明の主題は、航空宇宙機械の複合圧縮機ブレードの前縁または後縁を保護するための金属インサートを、シートを型鍛造し、これらを互いに拡散溶接することによって作り出すための方法であって、
最初にシートを、前記インサートの吸引側および圧力側の形状に類似するように型鍛造によって形成するステップと、
作り出される金属インサートの内部空洞の形態をとるコアを作り出すステップであって、コアの側部の一方がインサートの吸引側の内部形状を再生し、他方の側部がインサートの圧力側の内部形状を再生し、２つの側部が、先端部で交わり、前縁または後縁の内部形状を再生する、ステップと、
前記シートを、２枚のシートが平行に位置するようにコアの先端部で交わりながら前記コアの周りに配置し、組立体を固く締め付けるステップと、
組立体を真空下に置き、組立体の継ぎ目を溶接するステップと、
組立体を熱間等静圧圧縮成形によって接合するステップと、
コアを抜き出し、インサートを分離するために組立体を切断するステップと、
インサートの外部プロファイルを最終機械加工工程を用いて作り出すステップとを含むことを特徴とする、方法である。

コアに関連して熱間等静圧圧縮成形を用いることにより、連続的な湾曲部を有する内部空洞を有する金属インサートを得ること、したがって空洞の先端部における応力集中を防止することが可能になる。

好ましくは、２つのインサートを各々の工程で作り出すために、コアの各側部の半分は、シートの吸引側に付与される形状を有し、他方の半分は、シートの圧力側に付与される形状を有する。

したがって、前縁および／または後縁インサートが作り出される速度は、２倍になり、作業ステーションの生産性が改善される。

有利には、コアは、熱間等静圧圧縮成形後に２つのインサートを分離する可視的なスクライブラインを生み出すために、側部の各々に長手方向の中間点の刻み目を有する。

この外部から見える刻み目を用いて、作業者は、作り出された２つの前縁を分離するには組立体のどこを切断するべきかを知る。

１つの実施形態では、シートの最初の型鍛造は、前縁または後縁の先端部にハウジングを創出する。

このハウジングは、インサート材料の強度を増すために、熱間等静圧圧縮成形中、インサート材料中に拡散する補強材を挿入するために使用される。

有利には、この実施形態では、複合繊維から作製された補強材が、シートが前記コアの周りに配置されるときにハウジング内に置かれる。

好ましくは、コアは、耐熱材料から作製される。

別の実施形態では、コアは、シートの膨張係数とは異なる膨張係数を有する金属から作製される。

この実施形態では、コアは、有利には、シートの金属を汚染しない抗拡散障壁で覆われる。

好ましくは、コアの金属はチタンまたはニッケル合金であり、障壁は酸化イットリウムである。

付属の概略図を参照して、単なる例示的かつ非限定的な例によって与えられた本発明の１つの実施形態の以下に詳述された説明的記載から、本発明はより良好に理解され、その目的、詳細、特徴、および利点の他のものがより明確に明らかになるであろう。

本発明の１つの実施形態による、前縁を作り出すための方法におけるシート形成ステップの概略図である。 本発明の１つの実施形態による、前縁を作り出すため方法におけるシート事前接合ステップの概略図である。 本発明の１つの実施形態による、前縁を作り出すための方法におけるシート接合ステップの概略図である。 本発明の１つの実施形態による、前縁を作り出すための方法におけるシート切断ステップの概略図である。 本発明の１つの実施形態による方法を用いて作り出された前縁の概略図である。 本発明による変形形態の方法のシート形成ステップ中の前縁の正面部分の図である。

図１は、前縁の内部空洞に付与された精密な形状を有する耐熱コアの外部形状に概ね対応する内部形状をチタンシート１に付与するために、チタンシート１を加熱成形するための工程を２つのステップで示している。こうして２枚のシートは連続的に形成され、その一方は前縁の吸引側１Ｅを形成し、他方は圧力側１Ｉを形成する。

図２は、その長さのほとんどにわたってコアの形状に合致させるために上記で示されたように事前形成された２枚のシート１Ｅおよび１Ｉによって取り囲まれた、耐熱材料（またはＩＮ１００などの、前縁のチタンの膨張係数とは非常に異なる膨張係数を有する金属合金）から作製されたコア３を示している。２枚のシートは、接合後、これらが、前縁の先端部で交わり１８０°の角度で互いに面するのではなく、ほぼ平行に位置し、コアの中間面とほぼ位置合わせされた部分で終端するように成形されることが観察される。したがって、２枚のシートは、これらが前縁の先端部で接合されるところではコアを厳密には封入しない。残留空間４が残り、この空間は後のステップで除去される。

この構成では、シートを互いに接合し、これらをコア３上の所定位置に保つために、シートは、ＴＩＧ溶接（不活性雰囲気下で非消耗タングステン電極を用いるアーク溶接）によって仮付け溶接される（図では示されず）。

図３は、２枚のシート、１Ｅおよび１Ｉを、電子ビーム（ＥＢ）溶接工程を用いて耐熱コアの周りに接合するステップの結果を示している。電子ビーム（ＥＢ）溶接は、図３に示されるように、シートの横方向縁部に平行なビード５に沿って、但しその部分の横断する端部でも（図示されず）実施される。

図４は、シートが熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）プロセスを用いて接合された後で作り出された前縁を示している。ＨＩＰプロセスは、シート１を変形させ、シートがその形状を完璧に沿うコア３に対してこれらをかぶせる。このステップの後は、残留空間４は除去されている。

図４はまた、ＨＩＰ圧縮成形工程に続くステップの一部がどのように実施されるかを示している。最初に、各シート１は、その半分が前縁の吸引側１Ｅに類似し、他方の半分が圧力側１Ｉに類似するように事前成形されることに留意されよう。同様に、コア３は、対称の長手方向軸を有するように成形され、コアの一方の半分３’は前縁の内部形状を有し、他方の半分３’’は、この場合はコアの他方の側部であるが、この形状を複製する。２つの内部形状は、コア３の横断する中間面にわたって互いに面し、それによって２つの前縁を同時に作り出すことが可能になる。

したがって、図の右手部分は、コアの上側に配置された吸引側の半分のシート１’Ｅを底側に配置された圧力側の半分のシート１’Ｉに関連付けることによって作り出された第１の前縁を示しており、一方で左手側は、圧力側の半分のシート１’’Ｉおよび吸引側の半分のシート１’’Ｅを用いて作り出された第２の前縁を示している。

図４はまた、シート１およびコア３によって形成された組立体の横断する中間面に沿って延びる２本のスクライブライン６および６’を示している。これらのラインは、２つの前縁をＨＩＰ圧縮成形が実施された後で互いから分離することを可能にする。最後に、図４は、余分な材料が２つの前縁の横方向側からそれに沿って除去される２本の輪郭線７および７’を示している。

図５は、前縁がその対の部分から分離され、そのプロファイルが適切な機械加工工程を用いて仕上げられた後の生産プロセスの終了時の前縁を示している。

図６は、形成ステップ中、ハウジング８が、コア３の各側部の残留空間４の端部において２枚のシート間に設けられた、本発明による方法の変形形態を示している。ハウジングは、ＨＩＰ圧縮成形工程後に前縁の先端部に位置するように配置される。このハウジングは、複合繊維から作製された円筒形の補強材が中に挿入され得るように管形状を有するように示されているが、そのようである必要はない。

本発明の１つの実施形態による方法を用いて２つの前縁が同時に製造される方法が、次に説明される。

方法は、前縁に望まれる形状に類似する形状でシートを作り出す従来の型鍛造工程で開始する。一方で従来技術では、形成工程は、ほぼ厳密な正しいサイズの部品を提供するために精密である必要があったが、ここでは形成工程は、その後の加熱形成ステップを簡易化するために凡正しい形状を提供する手段としてのみ使用される。加えて、従来技術では、型鍛造は、特に高度なねじれを有する部品を作り出すことが望まれた場合、形成後、シートの表面上に波状形状の出現を招き得る。この効果は本発明ではもはや起こらず、形成時の歪みはそれほどひどくない。

型の形状は、シートの半分に吸引側の形状を、その他方の半分に圧力側の形状を付与するようなものである。したがって、２枚のシートは、一方がコアの上側部分上に置かれることが意図され、第２のものが、第１と反対側の、その下側部分に置かれることが意図されて形成される。

２枚のシートは、シートの横方向縁部に沿ってＴＩＧ仮付け溶接によってコアの周りに接合される。次いでこの組立体は、電子ビーム溶接工程を実施するために真空室内に置かれる。連続的な溶接ビード５が、シートの横方向縁部、およびその横断する縁部の両方に沿って作り出され、それによってコア３を完全に取り囲み、組立体を閉じることが可能になる。したがって、シート１とコア３の間、特にシート１Ｅ、１Ｉとコア３の先端部間に残る残留空間４内に真空が創出される。電子ビーム溶接工程に必要とされる真空圧送ステップはまた、本発明による方法の次のステップを実施するために必要とされることに留意されたい。これらの２つの工程の真空圧送ステップを組み合わせることにより、方法を簡易化し、したがって前縁の生産コストを低減するのを助ける。

次いで、コア３および２枚のシート１Ｅおよび１Ｉによって形成された組立体は、ＴＡ６Ｖチタン合金で作製される翼を考慮した場合、約９４０℃の温度で実施される熱間等静圧圧縮成形工程にかけられる。この温度では、金属は比較的軟質になり、これにかけられた約１０００バールの圧力の作用下で流れることができる。２枚のシートは、コア３の形状を完璧に沿うように変形し、残留空間４を除去する。特に、２枚のシートは、１８０°の角度でコア先端部で交わる。同時に、加熱効果の下、２枚のシートは、拡散によって互いに溶接される。これら２つの効果を組み合わせることにより、コアと全く同じ形状を有し、その先端部において、所望の曲率半径を有する前縁の内部空洞が作り出される。使用される温度により、曲率半径は、従来技術の場合のように先端部に応力が出現することなく作り出される。

次の工程は、コア３を封入する組立体の横断する中間面に沿って２つの切断６および６’を実施することによって作り出された２つの前縁を分解することである。この工程をより容易にするために、コアは、好ましくは、スクライブラインに沿った図に示されない長手方向の刻み目を有し、この刻み目はスクライブラインの場所を印付ける。ＨＩＰ圧縮成形工程中、シートの金属はコア３内に流入し刻み目を充填して、シートの外側において外部から見ることができる刻み目に作り直す。したがって作業者は、２つの切断６および６’をどこに施すべきかを知ることになる。

さらに、コアは、シートとの間に接着が生じないように選択された材料から作製される。この材料は通常、チタンが中に拡散しない耐熱材料、またはシートの膨張係数とは異なる膨張係数を有する金属である。膨張におけるこれらの相違は、この場合、ＨＩＰ圧縮成形工程中にシート１がコア３に結合することを防止する。特定の実施形態では、金属コアは、さらには、チタンを汚染しない酸化イットリウムなどの抗拡散障壁で覆われ、そこではそれによってＨＩＰ圧縮成形工程中の結合のリスクはなくなる。

どのようなタイプのコアが使用されても、本発明は、コアが、本発明による方法の実施中に劣化されないまたは消耗されないため、これを再利用することを可能にする。したがって、これは、作り出された内部空洞の品質に関係なく、前縁の生産コストを低減することを可能にする。

方法の最後は、輪郭線７および７’に沿って切断することによって余分な材料を２つの前縁の横方向縁部に沿って除去するステップを含む。最終の機械加工工程は、所望の外部形状を前縁に付与することを可能にする。

図６に示される変形形態では、シートを事前形成するための型が、残留空間４の端部にハウジング８を生じさせるように成形される。複合繊維から作製された補強材は、シート１がコア３上に取り付けられたとき、ＴＩＧ仮付け溶接工程の前にこのハウジング内に置かれる。このハウジング内に捕捉された繊維は、ＨＩＰ圧縮成形中にシートの金属中に拡散し、前縁の先端部に繊維状の補強を創出する。したがって、前縁が浸食および衝撃に耐える能力が向上する。

本発明は特定の実施形態に関して説明されたが、本発明が、説明された手段のあらゆる技術的等価物、および本発明の範囲内に入る場合はその組合せを包含することは当然ながら明白である。

Claims (9)

1. 航空宇宙機械の複合圧縮機ブレードの前縁または後縁を保護するための金属インサートを、シート（１）を型鋳造し、これらを互いに拡散溶接することによって作り出すための方法であって、
   最初にシートを、前記インサートの吸引側（１Ｅ）および圧力側（１Ｉ）の形状に類似するように型鍛造によって形成するステップと、
   作り出される金属インサートの内部空洞の形態をとるコア（３）を作り出すステップであって、コアの側部の一方がインサートの吸引側の内部形状を再生し、他方の側部がインサートの圧力側の内部形状を再生し、その２つの側部が先端部で交わり、前縁または後縁の内部形状を再生する、ステップと、
   前記シートを、２枚のシートが平行に位置するようにコアの先端部で交わりながら前記コアの周りに配置し、組立体を固く締め付けるステップと、
   組立体を真空下に置き、組立体の継ぎ目を溶接するステップと、
   組立体を熱間等静圧圧縮成形によって接合するステップと、
   コア（３）を抜き出し、インサートを分離するために組立体を切断するステップと、
   インサートの外部プロファイルを最終の機械加工工程を用いて作り出すステップとを含むことを特徴とする、方法。
2. ２つのインサートを各工程で作り出すために、コア（３）の各側部の半分は、シートの吸引側（１’Ｅ）に付与される形状を有し、他方の半分は、シートの圧力側（１’Ｉ）に付与される形状を有する、請求項１に記載の方法。
3. コア（３）が、熱間等静圧圧縮成形後に２つのインサートを分離する可視的なスクライブライン（６）を生み出すために、側部の各々に長手方向の中間点の刻み目を有する、請求項２に記載の方法。
4. シートの最初の型鍛造が、前縁または後縁の先端部にハウジング（８）を創出する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 複合繊維から作製された補強材が、シート（１）が前記コア（３）の周りに配置されたときにハウジング（８）内に置かれる、請求項４に記載の方法。
6. コアが耐熱材料から作製される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. コア（３）が、シート（１）の膨張係数とは異なる膨張係数を有する金属から作製される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
8. コア（３）が、シート（１）の金属を汚染しない抗拡散障壁で覆われる、請求項７に記載の方法。
9. コアの金属がチタンまたはニッケル合金であり、障壁が酸化イットリウムである、請求項８に記載の方法。

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