JP2015137367A - エンジン部品の肉盛形成方法及びガスタービンエンジン用のエンジン部品 - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケル合金からなるエンジン部品１における狭幅のボス３の修理又は成形等にコールドスプレーの技術を適用すること。【解決手段】ニッケル合金の粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流Ｆとして、環状でかつ狭幅のボス３の先端面３ｔ及び一対の傾斜面３ｓに向かってそれぞれ直交する側から噴射させることにより、作動ガスに同伴したニッケル合金の粉末を固相状態のままで環状でかつ狭幅のボス３の先端面３ｔ及び一対の傾斜面３ｓにそれぞれ衝突させて、環状のボス３の先端面３ｔ側にニッケル合金からなる肉盛Ｂを形成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ニッケル合金又はアルミ合金からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品における狭幅のボスの先端面側に、ニッケル合金又はアルミ合金からなる肉盛を形成するエンジン部品の肉盛形成方法等に関する。

近年、材料粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流として、被処理物の表面に向かって直交する側から噴射させることにより、作動ガスに同伴した材料粉末を固相状態のままで被処理物の表面に衝突させて緻密な組織でかつ密着強度の高い肉盛又は被膜を形成するコールドスプレーの技術が注目されている。また、ガスタービンエンジンの分野においても、ガスタービンエンジン用のエンジン部品の修理又は製造にコールドスプレーの技術を適用する試みが検討されている。

なお、本発明に関連する先行技術として、特許文献１から特許文献３に示すものがある。

特開２０１１−２４０３１４号公報 特開２００５−９５８８６号公報 特開２０１０−２０９４３７号公報

ところで、ニッケル合金からなる試験品における狭幅のボスの先端面側（先端面）に、コールドスプレーによってニッケル合金からなる肉盛を形成した場合に、図５Ａに示すように、その肉盛の断面形状が略矩形（矩形に近い形状を含む）になるのではなく、約８０度（９０度に近い鋭角）の頂部を有する山形形状になることが判明した。また、同様に、アルミ合金からなる試験品における狭幅のボスの先端面側に、コールドスプレーによってアルミ合金からなる肉盛を形成した場合にも、同様の現象が見られた。換言すれば、ニッケル合金等からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品における狭幅のボスの先端面側に、コールドスプレーによってニッケル合金等からなる肉盛を形成しても、その肉盛の厚みをボスの幅方向に亘って十分に確保できないことが判明した。つまり、ニッケル合金等からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品における狭幅のボスの修理又は成形等にコールドスプレーの技術を適用することは困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のエンジン部品の肉盛形成方法等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、ニッケル合金又はアルミ合金からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品における狭幅のボスの先端面側（先端面）に、ニッケル合金又はアルミ合金からなる肉盛を形成するエンジン部品の肉盛形成方法において、前記エンジン部品における狭幅の前記ボスの前記先端面の両側に、前記ボスの先端方向に向かって前記ボスの幅中心に漸次近くなるような傾斜面をそれぞれ形成する傾斜面形成工程と、前記傾斜面形成工程の終了後に、ニッケル合金又はアルミ合金の粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流として、前記ボスの前記先端面及び一対の前記傾斜面に向かってそれぞれ直交する側から噴射させることにより、前記作動ガスに同伴したニッケル合金又はアルミ合金の粉末を固相状態のままで前記ボスの前記先端面及び一対の前記傾斜面にそれぞれ衝突させて、前記ボスの前記先端面側に前記肉盛を形成する肉盛形成工程と、を具備したことを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「狭幅」とは、５ｍｍ以下の幅のことをいう。また、「前記ボスの前記先端面の両側に傾斜面をそれぞれ形成する」とは、予め前記ボスの前記先端面の一側に傾斜面が形成されている場合に、前記ボスの前記先端面の他側に傾斜面を形成することを含む意である。

本発明の第１の特徴によると、前記エンジン部品における狭幅の前記ボスの前記先端面の両側に前記傾斜面をそれぞれ形成した後に、前記作動ガスを超音速流として前記ボスの前記先端面及び一対の前記傾斜面に向かってそれぞれ直交する側から噴射させるため、コールドスプレーによって前記ボスの前記先端面及び一対の前記傾斜面に頂部を有する断面山形の肉盛（山形肉盛）をそれぞれ形成することができる。これにより、コールドスプレーによって前記ボスの先端面側に複数の前記山形肉盛からなる前記肉盛を形成して、前記肉盛の厚みを前記ボスの幅方向に亘って十分に確保することができる。

本発明の第２の特徴は、ニッケル合金又はアルミ合金からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品において、第１の特徴からなるエンジン部品の肉盛形成方法によってボスの先端面側（先端面）に肉盛が形成されていることを要旨とする。

本発明の第２の特徴によると、本発明の第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、コールドスプレーによって前記エンジン部品における狭幅の前記ボスの先端面側に複数の前記山形肉盛からなる前記肉盛を形成して、前記肉盛の厚みを前記ボスの幅方向に亘って十分に確保できるため、ニッケル合金等からなる前記エンジン部品における狭幅の前記ボスの修理又は成形等にコールドスプレーの技術を適用することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法における傾斜面形成工程を説明する模式的な図、図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法における肉盛形成工程を説明する模式的な図である。 図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法における肉盛形成工程を説明する模式的な図、図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法における仕上げ工程を説明する模式的な図である。 図３は、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法に用いられる回転作動装置及びコールドスプレー装置を説明する模式的な図である。 図４（ａ）は、図４（ｃ）におけるIVA-IVA線に沿った拡大断面図、図４（ｂ）は、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法の形成対象であるガスタービンエンジン用のエンジン部品の一部の模式的な断面斜視図、図４（ｃ）は、ガスタービンエンジン用のエンジン部品の一部を示す模式的な図である。 図５Ａは、ニッケル合金からなる試験品における狭幅のボスの先端面側にコールドスプレーによって形成された肉盛を示す写真図である。 図５Ｂは、ニッケル合金からなるエンジン部品における狭幅のボスの先端面側に本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法によって形成された肉盛を示す写真図である。

以下、本発明の実施形態について図１から図４、及び図５Ｂを参照して説明する。

まず、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法の形成対象であるガスタービンエンジン用のエンジン部品１について簡単に説明する。

エンジン部品１は、ガスタービンエンジンの低圧タービン（図示省略）に用いられる環状のシール部品であって、環状のラビリンスシール（図示省略）を備えている。また、エンジン部品１は、ニッケル合金からなり、エンジン部品１には、環状でかつ狭幅のボス３が形成されている。ここで、エンジン部品１のボス３の先端面３ｔは、低圧タービンにおけるタービンディスク（図示省略）との接触によってフレッティング摩耗が生じる部位である。

次に、図３を参照して、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法に用いられるコールドスプレー装置５について説明する。

コールドスプレー装置５は、コールドスプレーによってエンジン部品１のボス３の先端面３ｔ側にニッケル合金からなる肉盛Ｂを形成する装置であって、多関節ロボットにおけるロボットアーム７の先端部に装着されている。また、コールドスプレー装置５は、筐体９と、この筐体９の側面に着脱可能に設けられかつ作動ガスを超音速流Ｆとして噴射するノズル１１と、筐体９内に設けられかつノズル１１に作動ガスを供給するガス供給ユニット１３とを備えている。なお、作動ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが用いられる。そして、コールドスプレー装置５におけるガス供給ユニット１３の具体的な構成は、次のようになる。

筐体９内には、高圧の作動ガスをノズル１１の内部に供給するためのメイン配管１５が配設されており、このメイン配管１５の一端は、ノズル１１の内部に接続されている。また、メイン配管１５の他端は、例えば４０気圧以上の高圧の窒素等の作動ガスを貯留するガス供給源としてのガスボンベ（図示省略）に連絡配管１７を介して接続されている。更に、メイン配管１５の途中には、メイン配管１５の開口度（流通度）を調節するバルブ１９が配設されている。更に、メイン配管１５の途中におけるバルブ１９とノズル１１との間には、作動ガスをニッケル合金の粉末の融点よりも低い所定の高温度まで加熱する抵抗加熱式のヒータ２１が配設されている。

筐体９内には、ニッケル合金の粉末を同伴した作動ガスをノズル１１の内部に供給するためのサブ配管２３が配設されており、このサブ配管２３の一端は、ノズル１１の内部に接続されている。また、サブ配管２３の他端は、メイン配管１５の途中におけるバルブ１９よりも他端側（メイン配管１５の他端側）に分岐接続されている。更に、サブ配管２３の途中には、サブ配管２３の開口度（流通度）を調節するバルブ２５が配設されている。そして、サブ配管２３の途中におけるバルブ２５とノズル１１との間には、ニッケル合金の粉末を供給する粉末供給源として粉末供給器２７が配設されている。

図３を参照して、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法に用いられる回転作動装置２９について説明する。

回転作動装置２９は、エンジン部品１をその軸心（エンジン部品１の軸心）周りに回転させるための装置である。また、回転作動装置２９は、離隔対向した一対の支持フレーム３１を備えており、一対の支持フレーム３１の間には、回転軸３３が複数の軸受３５を介して水平な軸心（回転軸３３の軸心）周りに回転可能に設けられている。更に、一方の支持フレーム３１の近傍には、回転軸３３を回転させる回転モータ３７が設けられている。

回転軸３３には、環状の治具３９が同心状かつ一体的に設けられており、この治具３９は、エンジン部品１を同心状に一体的にセットするものであって、治具３９には、エンジン部品１を収容する環状の収容部（収容空間）４１が設けられている。なお、回転軸３３における一方の支持フレーム３１と治具３９との間には、スペーサ４３が介在されている。

治具３９の収容部４１の開口側には、環状のマスキング部材４５が着脱可能に設けられており、このマスキング部材４５は、室温での硬度ＨＶ９５０以上の材料、例えば超硬合金又はハイス鋼（高速度鋼）からなるものである。また、マスキング部材４５には、エンジン部品１のボス３を挿通させるための環状の挿通穴４７が形成されている。

続いて、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法について説明する。

本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法は、ニッケル合金からなるエンジン部品１における環状でかつ狭幅のボス３の先端面３ｔ側に、ニッケル合金からなる肉盛Ｂを形成するための方法である。また、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法は、傾斜面形成工程と、肉盛形成工程と、仕上げ工程とを具備している。そして、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法における各工程の具体的な内容は、次のようになる。

傾斜面形成工程
図１（ａ）に示すように、エンジン部品１における環状でかつ狭幅のボス３の先端面３ｔの両側（内周側及び外周側）に、ボス３の先端方向に向かってボス３の幅中心３ｃに漸次近くなるような傾斜面３ｓを機械加工又は手加工によってそれぞれ形成する。また、ボス３の先端面３ｔに欠陥等がある場合には、傾斜面３ｓを形成する前に、機械加工又は手加工によって欠陥等を除去して、ボス３の先端面３ｔを平坦にする。なお、予めボス３の先端面３ｔの一側（内周側又は外周側）に傾斜面３ｓが形成されている場合には、ボス３の先端面３ｔの他側（外周側又は内周側）に傾斜面３ｓを機械加工又は手加工によって形成するだけで構わない。

ここで、ボス３の幅方向に対するボス３の傾斜面３ｓの傾斜角θは、３０〜４５度に設定されている。ボス３の各傾斜面３ｓの傾斜角θを３０度以上に設定されるようにしたのは、肉盛形成工程において、肉盛Ｂの厚みをボス３の幅方向に亘ってより十分に確保するためである。ボス３の各傾斜面３ｓの傾斜角θを４５度以下に設定されるようにしたのは、肉盛形成工程において、エンジン部品１に対するコールドスプレー装置５の動作範囲（移動範囲）の拡大を抑えて、コールドスプレー装置５の成膜効率を高めるためである。

ボス３の傾斜面３ｓの幅Ｗ１は、ボス３（ボス３の先端側）の幅Ｗ２の１／３〜２／５倍、具体的には、０．５〜２．０ｍｍに設定されている。ボス３の傾斜面３ｓの幅Ｗ１を前記の範囲に設定されるようにしたのは、肉盛形成工程において、肉盛Ｂの厚みをボス３の幅方向に亘ってより十分に確保するためである。

肉盛形成工程
傾斜面形成工程の終了後に、図３に示すように、エンジン部品１を治具３９の収容部４１に収容した状態で治具３９と同心状に一体的にセットする。次に、治具３９の収容部４１の開口側に環状のマスキング部材４５を装着して、エンジン部品１のボス３をマスキング部材４５の挿通穴４７に挿通させる。これにより、コールドスプレーによって肉盛Ｂを形成するための準備が終了する。

前記準備の終了後に、バルブ１９によってメイン配管１５の開口度を調節して、所定の高温度でかつ高圧の作動ガスをメイン配管１５からノズル１１の内部に供給すると共に、バルブ２５によってサブ配管２３の開口度を調節して、ニッケル合金の粉末を同伴した高圧の作動ガスをサブ配管２３からノズル１１の内部に供給する。また、回転モータ３７の駆動により回転軸３３を回転させて、エンジン部品１を治具３９及び回転軸３３と一体的に回転させると共に、ロボットアーム７を適宜方向に移動制御して、エンジン部品１に対するノズル１１の姿勢を適宜に変更する。これにより、図１（ｂ）に示すように、ニッケル合金の粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流Ｆとして、環状でかつ狭幅のボス３の先端面３ｔ及び一対の傾斜面３ｓに向かってそれぞれ直交する側から噴射させることができる。すると、図２（ａ）に示すように、作動ガスに同伴したニッケル合金の粉末を固相状態のままで環状でかつ狭幅のボス３の先端面３ｔ及び一対の傾斜面３ｓにそれぞれ衝突させて、環状のボス３の先端面３ｔ側にニッケル合金からなる肉盛Ｂを形成することができる。なお、ボス３の先端面３ｔ及び一対の傾斜面３ｓに向かって作動ガスをそれぞれ噴射させる順番は、適宜に変更可能である。

ボス３の先端面３ｔ側に肉盛Ｂを形成した後に、治具３９の収容部４１の開口側からマスキング部材４５を離脱させて、治具３９からエンジン部品１を取り外す。

仕上げ工程
肉盛形成工程の終了後に、図２（ｂ）に示すように、ボス３の先端面３ｔからの肉盛Ｂの厚みが所定の厚みＴになるようにしつつ、機械加工又は手加工によって肉盛Ｂを最終形状に仕上げる。

以上により、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法の実施が終了する。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

エンジン部品１における環状でかつ狭幅のボス３の先端面３ｔの両側に傾斜面３ｓをそれぞれ形成した後に、作動ガスを超音速流Ｆとしてボスの先端面３ｔ及び一対の傾斜面３ｓに向かってそれぞれ直交する側から噴射させるため、コールドスプレーによってボス３の先端面３ｔ及び一対の傾斜面３ｓに約８０度（９０度に近い鋭角）の頂部Ｍｔを有する断面山形の肉盛（山形肉盛）Ｍをそれぞれ形成することができる。これにより、コールドスプレーによってボス３の先端面３ｔ側に複数の山形肉盛Ｍからなる肉盛Ｂを形成して、肉盛Ｂの厚みをボス３の幅方向に亘って十分に確保することができる（図５Ｂ参照）。

マスキング部材４５が超硬合金又はハイス鋼からなる場合には、マスキング部材４５の硬度がエンジン部品１の硬度よりも十分に高いため、肉盛形成工程中に、作動ガスに同伴したニッケル合金の粉末がマスキング部材４５の表面に衝突しても、マスキング部材４５の表面に被膜が形成され難く、マスキング部材４５とボス３との連結（ブリッジ）を抑えることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、コールドスプレーによってボス３の先端面３ｔ側に複数の山形肉盛Ｍからなる肉盛Ｂを形成して、肉盛Ｂの厚みをボス３の幅方向に亘って十分に確保できるため、ニッケル合金からなるエンジン部品１における狭幅のボス３の修理又は成形等にコールドスプレーの技術を適用することができる。特に、マスキング部材４５が超硬合金又はハイス鋼からなる場合には、マスキング部材４５とボス３との連結を抑えることができるため、ニッケル合金からなるエンジン部品１における狭幅のボス３の修理又は成形等にコールドスプレーの技術を有効かつ簡単に適用することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、次のように、種々の態様で実施可能である。

即ち、ニッケル合金からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品１に代えて、アルミ合金からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品（図示省略）を本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法の形成対象にしても構わない。この場合には、サブ配管２３の途中におけるバルブ２５とノズル１１との間に、粉末供給器２７に代えて、アルミ合金の粉末を供給する粉末供給源としてべつの粉末供給器（図示省略）が配設されることになる。また、ガスタービンエンジン用のエンジン部品１のボス３の形状は環状の形状に限るものでなく、円弧状又は直線状に延びた形状、矩形形状等であっても構わない。

そして、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものでなく、本発明の実施形態に係るエンジン部品の肉盛形成方法によってボス３の先端面３ｔ側に肉盛Ｂが形成されたガスタービンエンジン用のエンジン部品１にも及ぶものである。

Ｂ：肉盛、Ｍ：山形肉盛、Ｍｔ：頂部、Ｆ：超音速流、１：ガスタービンエンジン用のエンジン部品、３：ボス、３ｃ：幅中心、３ｔ：先端面、３ｓ：傾斜面、５：コールドスプレー装置、７：ロボットアーム、９：筐体、１１：ノズル、１３：ガス供給ユニット、１５：メイン配管、１９：バルブ、２１：ヒータ、２３：サブ配管、２５：バルブ、２７：粉末供給器、２９：回転作動装置、３１：支持フレーム、３３：回転軸、３７：回転モータ、３９：治具、４１：収容部、４５：マスキング部材、４７：挿通穴

Claims (4)

1. ニッケル合金又はアルミ合金からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品における狭幅のボスの先端面側に、ニッケル合金又はアルミ合金からなる肉盛を形成するエンジン部品の肉盛形成方法において、
   前記エンジン部品における狭幅の前記ボスの前記先端面の両側に、前記ボスの先端方向に向かって前記ボスの幅中心に漸次近くなるような傾斜面をそれぞれ形成する傾斜面形成工程と、
   前記傾斜面形成工程の終了後に、ニッケル合金又はアルミ合金の粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流として、前記ボスの前記先端面及び一対の前記傾斜面に向かってそれぞれ直交する側から噴射させることにより、前記作動ガスに同伴したニッケル合金又はアルミ合金の粉末を固相状態のままで前記ボスの前記先端面及び一対の前記傾斜面にそれぞれ衝突させて、前記ボスの前記先端面側に前記肉盛を形成する肉盛形成工程と、を具備したことを特徴とするエンジン部品の肉盛形成方法。
2. 前記肉盛形成工程の終了後に、前記肉盛を最終形状に仕上げる仕上げ工程を具備したことを特徴とする請求項１に記載のエンジン部品の肉盛形成方法。
3. 前記ボスの幅方向に対する前記ボスの前記傾斜面の傾斜角は、３０〜４５度に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン部品の肉盛形成方法。
4. ニッケル合金又はアルミ合金からなるガスタービンエンジン用のエンジン部品において、
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のエンジン部品の肉盛形成方法によってボスの先端面側に肉盛が形成されていることを特徴とするガスタービンエンジン用のエンジン部品。