JP2014532112A - ブレードの前縁用保護補強材を作製する方法 - Google Patents

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Abstract

ブレード（１２）の前縁（１６）を補強するための補強材（３０）を作製する方法であって、補強材（３０）を圧縮熱溶射によって金属コーティングを前縁（１６）に堆積させることによって作成する方法。ブレード（１２）、特に、タービンエンジン、ヘリコプタ、またはプロペラのブレード（１０）であって、前縁（１６）が該補強材によって保護されるブレード。

Description

本発明は、ブレードの前縁用保護補強材を作製する方法に関し、さらにこの補強材により保護されたブレードに関する。例えば、ブレードは、タービンエンジン、ヘリコプタまたはプロペラのブレードとしてよい。
航空分野においては、特に、航空機ターボジェットの分野においては、ターボジェットの構成要素の重量を低減することが常に重要な課題である。このことから、有機マトリックス複合材料製のブレードであるファンブレードまたは案内羽根が開発されてきた。このような複合材ブレードは金属ブレードより軽い。
しかし、このような複合材ブレードの前縁は、腐食や起こりうる衝突（鳥、砂利、氷、砂など）の影響を非常に受けやすいので、保護なしに使用するのには適さない。そのため、以下のいずれかを用いて前縁を保護することが知られている：
前縁に貼り付けられる金属補強片
前縁に塗布される耐腐食性塗料
前縁に貼り付けられる、金属材料またはプラスチック材料から成る耐腐食性フィルム
上述の保護材の組み合わせ
使用される保護材に関係なく、前縁への接着は重要な局面であり、保護材は剥がれることなく、そして前縁に対して動くことなく衝突に耐えうるように、また通常動作での耐用期間の要件を満たすように保護材を前縁に十分に接着する必要がある。
上述の既知の保護材は、十分に条件を満たすものであるが、実際に使用するには複雑すぎる、および／またはコストがかかりすぎる。また、これらの保護材を使用した場合、ブレードの修理が不可能である（すなわち、就航中に摩耗または損傷を受け、その後修理されたブレードは確実に要件を満たすブレードにすることは不可能である）、またはブレードの修復が不可能である（すなわち、製造時に不良が見つかったブレードを取り出して、そのブレードを要件に達するようにすることは不可能である）。
したがって、少なくとも一部は上述の欠点のない保護補強材が必要である。
本発明は、ブレードの前縁を保護するための補強材であって、溶射によって前縁に堆積される金属コーティングである補強材を作製する方法を提供する。したがって、補強材は、堆積された金属コーティングで形成される。
「金属コーティング」という用語は、純金属、金属合金、またはサーメット製のコーティングを指すのに使用される。有利には、金属または合金は、優れた衝突減衰特性を有するコーティングとしては十分に延性があるので、前縁を保護するのに効果がある。
有利には、金属コーティングは、圧縮溶射によって堆積される。圧縮溶射の技術は、高速溶射法（例えば、「コールドスプレー」法、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）法、高速空気燃料（ＨＶＡＦ）法、ハイブリッド法など）を使用するステップと、堆積されたコーティングが確実に「圧縮」状態になるよう適切な方法で、溶射パラメータ、特に、金属粒子の溶射速度を設定するステップとから成る既知の技術である。圧縮状態のコーティングであり、平面の変形可能な試験片に堆積されたコーティングは、試験片のコーティング以外の部分が凸状になるように試験片に力を付与する。
圧縮溶射を使用することで、第一に、ブレードにかなりの厚さ、一般には、数ミリメートルの厚さ、特に、０．５ミリメートル（ｍｍ）〜２０ｍｍの厚さの金属コーティング（すなわち、補強材）を堆積させることができる。さらに、堆積されるコーティングは圧縮状態であるので、ブレードの前縁に締めつけられ、補強材の前縁への接着性をさらに向上させることができる。
特定の実施形態では、溶射ステップの前に、ブレードの前縁の両側に少なくとも１つの長手方向溝（すなわち、合計で少なくとも２つの溝になる）が形成され、金属コーティングはこれらの溝内に堆積される。前記溝は、前縁と同様にブレードの長さ方向に伸びるので「長手方向溝」と呼ばれる。ブレードが直線状でなく、ねじれている場合には、前記溝はブレードの曲線状の前縁に沿った形になり、溝自体も曲線状になる。
これらの溝により、補強材をブレードに埋め込むことができる。このように埋め込むことで、特に、機械的なせん断保持力を有することにより、補強材を前縁で保持する保持力をさらに向上させることができる。すなわち、溝は、補強材とブレードとの相対摺動を防ぐ。
他の実施形態では、溝は、ブレードが作製された後に、機械加工によって形成される。この機械加工動作は、容易に行うことができるという利点があるが、ブレードの機械的強度が低下する恐れがある。
特定の実施形態では、溝は、ブレードの作製時に、モールディングによって形成される。この解決策は、機械加工の場合に比べて、ブレードの機械的強度の低下が小さいという利点がある。
特定の実施形態では、溝は、溝の底部に金属コーティングを容易に堆積させることができるように、裾広がりの形状を有する。
特定の実施形態では、前記金属コーティングは、Ｎｉ、ＡｌもしくはＴｉ製であるか、Ｎｉ基、Ｃｏ基、Ａｌ基、もしくはＴｉ基の合金製であるか、またはサーメット製である。例えば、金属コーティングは以下のうちのいずれかを含んでもよい：
ＮｉＡｌ、ＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＣｒＡＬＹタイプのＮｉ基合金、特に、５〜２０重量％のＡｌを含むＮｉ基合金、例えば、Ｎｉ５Ａｌ、ＮｉＣｒ−６Ａｌ
最大で１２重量％のＳｉを含むアルミニウム合金
多量の追加の金属元素を含むＮｉ基またはＣｏ基の合金、いわゆる「強い」金属合金、例えば、ＣｏＭｏＣｒＳｉ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ
多量（好ましくは、１２重量％）のＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌタイプの金属元素、またはこれらの元素の合金を含むサーメット、例えば、ＷＣ１２Ｃｏ、ＷＣ１７Ｃｏ
Ｔｉの軽合金、例えば、ＴＡ６Ｖ
上述の金属または合金は、所望の用途に有利な機械的特性、特に延性を有する。
本発明はさらに、圧縮溶射によって前縁に堆積された金属コーティングで形成された補強材により保護された前縁を有するブレードを提供する。補強材はさらに、後述するように、前縁と金属コーティングとの間に挿置される接着下層または箔を含んでよい。
特定の実施形態では、ブレードは、有機マトリックス複合材料製である。例えば、織布を覆うことにより形成された複合材ブレードとしてよい。さらに、例えば、使用される複合材料は、炭素繊維織布および／またはプラスチック繊維と樹脂マトリックス（例えば、エポキシ樹脂マトリックス、ビスマレイミド樹脂マトリックス、またはシアネートエステル樹脂マトリックス）との複合体で構成されてよい。この複合体は、樹脂トランスファーモールディング（ＲＴＭ）式の真空樹脂注入法を使用したモールディングによって成形される。
特定の実施形態では、ブレードは、前縁の両側に１つずつの２つの長手方向溝を有し、溝は金属コーティングで埋められる。したがって、金属コーティング（つまり、補強材）は、これらの溝を覆うことになる。
特定の実施形態では、前記金属コーティングは、Ｎｉ、Ａｌ、もしくはＴｉ製である、またはＮｉ基、Ｃｏ基、Ａｌ基、もしくはＴｉ基の合金製である。
特定の実施形態では、補強材の厚さは、０．５ｍｍ〜２０ｍｍである。
本発明の上述の特徴および利点、さらに他の特徴および利点は、以下の本発明の例の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。詳細な説明は、添付図面を参照しながら進める。
添付図面は、略図であって、正確な縮尺で表示されておらず、特に、本発明の原理を説明したものである。
図面では、１つの図面から別の図面に至るまで、類似した要素（または要素の一部）は、同じ参照符号を使用して区別されている。
前縁が保護補強材によって覆われたブレードの側面図である。 図１のブレードの断面Ａ−Ａの部分図である。 ブレードの別の例を示した図２と同様の部分図である。 ブレードの別の例を示した図２と同様の部分図である。 ブレードの別の例を示した図２と同様の部分図である。 ブレードの別の例を示した図２と同様の部分図である。 ブレードの別の例を示した図２と同様の部分図である。
図１および図２は、タービンエンジンブレード１０のブレード１２を示した図である。該ブレードは、航空機ターボジェットのファンブレードである。
ブレード１２は、ターボジェット内を通過する空気流の中に位置させられるものである。上流側および下流側は、この空気流の方向に正常な流れ方向に対して定義されている。
ブレード１２は、空気力学的表面を有し、前縁１６と後縁１８との間の軸方向（ブレード１０の回転軸に対する）の第１の方向１４、および根元部２２と先端部２４との間の半径方向（ブレード１２の長手方向に相当する）の第２の方向２０に伸びる。ブレード１０の根元部２２は、複数のブレードに共通の回転キャリアディスクに固定される。
吸引側面１３および圧力側面１１は、前縁１６を後縁１８に接続するブレード１２の側面である。
前縁１６は、保護補強材３０で覆われる。補強材３０は、前縁１６の形状とぴったり適合し、補強材の前縁３１を形成するように伸びる。
保護補強材３０は、実質的にＵ字形の断面を有し、前縁１６の両側に位置決めされる。この補強材は、補強材の最も厚い（例えば、１０ｍｍ〜２０ｍｍ）領域で補強材の前縁３１を画定する基部３９を有する。基部３９から、ブレード１０の圧力側および吸引側にそれぞれ位置する２つの側方フランジ３５、３７が伸びる。（図２の）断面において、フランジ３５、３７は、最初は、後縁１８に向かって徐々に薄くなって、フランジの端部に向かって次第に厚くなる形状を有する。
保護補強材３０は、圧縮溶射によって前縁１６に金属コーティング３２を堆積させることによって作製される。
接着下層５０（図６参照）は、金属コーティング３２を堆積させる前に前縁１６に堆積されてもよい。例えば、この接着下層５０は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、およびＣｏの合金で構成され、他の元素の含有量を少なくしてもよい（１５重量％未満）。例えば、この接着下層は、プラズマ溶射またはフレーム溶射によって溶射される。接着下層５０が堆積された時点で、コーティング３２がこの下層５０の上に溶射される。
接着下層５０の溶射は、低速度のパラメータを使用して行われてもよい。フレーム溶射は、本質的に、低速度運転であるが、プラズマ溶射の場合は、Ａｒ＋Ｈ２ガスの容量は、４０リットル／分以下になるように選択される。さらに、下層の溶射には、以下のパラメータの１つまたは複数を使用してもよい：
下層厚さ（０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍ）
できる限り低温で保たれた工作物（例えば、表面からの深さ０．５ｍｍの前縁の温度は、プラスチック材料のガラス転移点より少なくとも１０％低い）
低粉体質量流量（例えば、４０ｇ／分未満）
吹き付け（または極低温吹き付け）による強い冷却
溶射ガンの速い移動速度（例えば、６０ｍ／分〜１２０ｍ／分）
例えば、金属コーティング３２は、ニッケル基合金、サーメット、およびニッケル基またはコバルト基の強い金属合金から選択された材料製である。金属コーティング３２は、ＨＶＯＦ、ＨＶＡＦ、またはコールドスプレー溶射装置を使用して、圧縮状態のコーティングを作製するように設定されたパラメータで前記材料を溶射することによって得られる。
金属コーティング３２用の最適な材料を選択するために、「Ａｌｍｅｎ」試験片にＨＶＯＦ、ＨＡＶＦ、またはコールドスプレーの溶射の試験を行うことが可能である。使用される材料は、以下の３つの基準を満たす材料が好ましい：
堆積されたコーティングが「Ａｌｍｅｎ」試験片を圧縮状態にすること
コーティングは、剥離せずに１ｍｍを超える厚さまで堆積可能であること
試験片の裏面に配置された熱電対の温度が、堆積中に１５０℃を超えないこと
さらに、コーティングの圧縮レベルは、所定のコーティング厚さに対して、一般には０．５ｍｍに対して、「Ａｌｍｅｎ」試験片（ＮＦＬ０６−８３２Ｃ規格で規定された試験）を使用して監視されてもよい。Ａｌｍｅｎ ａｒｃｈの値はＦ５Ｎより大きいことが好ましい。
圧縮状態の金属コーティング３２の溶射は、以下のようにして行うことができる。
例えば、コールドスプレー溶射の場合は以下の通りである：
溶射速度：１マッハより速い
ガス温度：２００℃〜１０００℃
粉体質量流量：１０ｇ／分〜８０ｇ／分
チャンバ圧力：４０バールより高い
例えば、ＨＶＯＦ溶射の場合は以下の通りである：
ガス：ケロシン／酸素、または水素／酸素
粉体質量流量：１０ｇ／分〜８０ｇ／分
ＨＶＯＦ ＨＰ装置、チャンバ圧力：８バールより高い
コーティングを直接冷却する極低温冷却（液体ＣＯ２または液体窒素または「ペレット」ＣＯ２）
一部を１５０℃未満で維持するためのさらなる吹き付け
例えば、ＨＶＡＦ溶射の場合は以下の通りである：
ガス：ケロシン／酸素、または水素／酸素
粉体質量流量：１０ｇ／分〜８０ｇ／分
ＨＶＡＦ ＨＰ装置、チャンバ圧力：８バールより高い
コーティングを直接冷却する極低温冷却（液体ＣＯ２または液体窒素または「ペレット」ＣＯ２）
コーティング３２の溶射または下層５０の溶射の前に、ブレード１２の前縁１６の表面を前処理するのが好ましい場合がある。例えば、ブレード１２が炭素繊維織布で作られ、プラスチックの結合剤（通常は、エポキシ樹脂）が注入される場合に行われる。炭素繊維は、製織中に、鱗状に重なり、ごくわずかな空間が残る。表面では、この鱗状の重なりが形成されず、注入されたプラスチック結合剤が、残っている表面粗さを滑らかにする。そのことにより、前縁１６の表面のプラスチック／繊維比が、中心部のプラスチック／繊維比より高くなる。コーティング３２の接着または下層の接着は、一般に、プラスチック材料に接着するより繊維に接着する方が十分に接着できるので、前処理は、過剰なプラスチックを除去するために前縁１６の表面を機械的デスケーリングによる場合がある。このデスケーリングは、一般に、（ブレード１２が正確に成形された場合に）０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ以下で行われる。
しかし、特定の状況下では、対象となる部分もしくは領域（機械的に高い負荷を受けている部分もしくは領域に相当する）の機械的強度を低下させる危険性があるために、および／または対象となる部分もしくは領域が小さすぎて材料を取り除くことができないために、デスケーリングが不可能である。このような状況下では、接着下層５０は、薄い厚さ、例えば、０．０２ｍｍ〜０．４ｍｍの箔６０に置き換えられてもよい（図７参照）。箔６０は、例えば、接着剤によって、前縁１６に固定される。箔は、対象部分の成形中に接着接合されてもよいし、または対象部分の成形後に接着接合されてもよい。箔６０は、この場合、接着力を向上させるために、微細孔が開けられる。箔６０が接着された時点で、箔６０上にコーティング３２が溶射される。
下層５０または箔６０は、コーティング３２の溶射が金属基板に溶射する形で行われるように、金属製にしてもよい。
図２に示されるように、ブレード１２は、前縁１６の両側に長手方向溝４１、４３（例えば、前縁の一方の側に第１の溝、他方の側に第２の溝）を有する場合がある。これら２つの長手方向溝４１、４３は、それぞれ圧力側１１および吸引側１３に位置する。金属コーティングは、これらの溝４１、４３内に堆積され、溝が補強材３０で覆われるようになる。
フランジ３５、３７は、溝４１、４３内で最も厚く、溝から上流側で最も薄くなる。これらの溝４１、４３により、補強材３０をブレード１２に埋め込むことができる。
溝４１、４３は、種々の形状が考えられる。図２〜図５は、可能な形状の様々な例を示したものである。溝４１、４３の下流側（すなわち、後縁１８の側）では、溝４１、４３はブレード１２の側面のそれぞれの段差４７によって画定され、衝突が生じた場合にこれらの段差４７は補強材３０と当接するので、補強材３０がブレード１２上で滑るのを防ぐ。溝４１、４３の上流側（すなわち、前縁１６の側）では、図２および図３の例で示されるように、溝４１、４３はブレード１２の側面の段差により画定され、また反対に、図４の例で示されるように、それぞれの緩斜面により画定される。図５の例は、溝４１、４３の上流側の緩斜面４８に一連の長手方向の波形部分４８が形成されるという点で、図４の例とは異なる。
これらの例の全てにおいて、溝４１、４３は、溶射が９０°の角度で行われる溶射（表面に対して直角な溶射）でない場合でも、金属コーティングを溝の底部に容易に堆積させることができるように裾広がりの形状を有する。一般には、図示されている溝の形状により、４５°〜９０°の角度で溶射を行うことができる。
本明細書に示されている実施形態または例は、非限定的な例として示したものであり、本明細書を踏まえて、当業者は、本発明の範囲内で、上述の実施形態または例を容易に変更することが可能である、または他の実施形態または例を想定することが可能である。
さらに、上述の実施形態または例の種々の特徴を単独で使用してもよいし、または互いに組み合わせて使用してもよい。これらの特徴が組み合わされる場合、上述したように組み合わされてもよいし、または他の方法で組み合わされてもよいが、本発明は本明細書で記載されている特定の組み合わせに限定されない。特に、任意の１つの実施形態または例に関して説明した特徴は、反対の規定がない限り、他の実施形態または例と類似した方法で適用可能である。

Claims (12)

  1. ブレード（１２）の前縁（１６）を保護するための補強材（３０）を作製する方法であって、補強材（３０）は、圧縮溶射によって金属コーティング（３２）を前縁（１６）に堆積させることによって作製されることを特徴とする、方法。
  2. 圧縮溶射ステップの前に、ブレード（１２）の前縁（１６）の両側に少なくとも１つの長手方向溝（４１、４３）が形成され、金属コーティングはこれらの溝（４１、４３）内に堆積される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記金属コーティングが、Ｎｉ、Ａｌ、もしくはＴｉ製であるか、Ｎｉ基、Ｃｏ基、Ａｌ基、もしくはＴｉ基の合金製であるか、またはサーメット製である、請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 補強材（３０）の厚さが、０．５ｍｍ〜２０ｍｍである、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の方法。
  5. 接着下層（５０）が、金属コーティング（３２）を堆積させる前に、前縁（１６）上に堆積される、請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の方法。
  6. 金属箔（６０）が、金属コーティング（３２）を堆積させる前に、前縁（１６）上に固定される、請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の方法。
  7. 圧縮溶射によって前縁（１６）に堆積された金属コーティングで形成された補強材（３０）によって保護される前縁（１６）を有するブレード。
  8. 有機マトリックス複合材料製のブレード（１２）である、請求項７に記載のブレード。
  9. タービンエンジン、ヘリコプタ、またはプロペラのブレード（１２）である、請求項８に記載のブレード。
  10. 前縁（１６）の両側に少なくとも１つの長手方向溝（４１、４３）を有し、これらの溝は金属コーティングで満たされる、請求項８または請求項９に記載のブレード。
  11. 前記金属コーティング（３２）が、Ｎｉ、Ａｌ、もしくはＴｉ製であるか、Ｎｉ基、Ｃｏ基、Ａｌ基、もしくはＴｉ基の合金製であるか、またはサーメット製である、請求項７〜請求項８のうちのいずれか１項に記載のブレード。
  12. 補強材（３０）の厚さが、０．５ｍｍ〜２０ｍｍである、請求項７〜請求項１１のうちのいずれか１項に記載のブレード。
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