JP2015501224A - 表面仕上げが改善されたチタンアルミナイド物品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

改善された表面仕上げを有するチタン含有物品、およびチタン含有物品の表面仕上げを改善するための方法が、提供される。１つの方法は、チタンアルミナイド合金含有物品、例えばタービンブレードの表面の端から端まで、研磨媒体を速い線速度で通過させるステップと；チタンアルミナイド合金含有物品の表面を研磨媒体で変形させるステップと、チタンアルミナイド合金含有物品の表面の表面粗さを低減させるステップと、表面の表面仕上げを改善するステップとを含む。２０マイクロインチのＲａまたはそれ以下の表面仕上げを得ることができる。本発明の態様は高性能タービンブレードを製作するのに使用することができるが、開示される方法は、改善された表面仕上げを得るのが難しい任意のチタン含有物品の処理に適用することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、表面仕上げが改善されたチタンアルミナイド物品およびその製造方法に関する。

現代的なガスタービン、特に航空エンジンは、信頼性、重量、出力、経済性、および稼働耐用年数に関する最高の要求を満たさなければならない。航空エンジンの開発では、とりわけ、材料の選択、新しい適切な材料の探索、および新しい生産方法の探索が、基準を満たしかつ要求に応えるうえで重要な役割を演ずる。

航空エンジンまたはその他のガスタービンに使用される材料には、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる。）、および高強度鋼が含まれる。チタン合金は、一般に圧縮機部分に使用され、ニッケル合金は航空エンジンの高温部分に適しており、高強度鋼は、例えば圧縮機のハウジングおよびタービンのハウジングに使用される。例えば圧縮機用の構成要素など、高負荷または高応力下にあるガスタービン構成要素は、典型的には鍛造部品である。他方、タービン用の構成要素は、典型的にはインベストメント鋳造部品として具体化される。ガスタービン構成要素の重量を低減させるには、高強度繊維が内部に埋め込まれた金属材料である、金属マトリックス複合（ＭＭＣ）材料を使用する。

一般に、従来のインベストメント用の型でチタンおよびチタン合金および類似の反応性金属をインベストメント鋳造し、良好な結果を得ることは、酸素、窒素、および炭素などの元素に対して金属が高い親和性を有するので難しい。高温で、チタンおよびその合金は、型のフェースコートと反応する可能性がある。溶融合金と型との間の任意の反応は、気泡によって引き起こされる、不十分な最終鋳造の表面仕上げをもたらすことになる。ある状況で、気泡は、得られる物品が損なわれるように最終鋳造の化学的性質、微細構造、および性質に影響を及ぼす。

最終的な構成要素が鋳造、機械加工、または鍛造によって生成された後は、この構成要素を最終用途で使用し得る前に、表面仕上げのさらなる改善が典型的には必要である。構成要素の表面の凹凸およびピットは、タービンブレードの用途において空力性能を低下させ、回転または往復部品の用途で摩耗／摩擦を増大させる可能性がある。

チタンアルミナイドのタービンブレードの場合、鋳造されたエーロフォイルは、過大に鋳造／鍛造された領域をダブテール、エーロフォイル、またはシュラウド内に有していてもよい。これらの薄いストック領域を最終寸法に機械加工するために、機械的な機械加工（ミリングまたは研削など）または非機械的な機械加工（電気化学的な機械加工など）が典型的には使用される。しかし、いずれの場合も、ツーリングおよび労力のコストが高く、その結果、製造が遅延する。

さらに、チタンアルミナイド鋳造物品を含めた合金の亀裂に対する限られた延性および感受性により、従来の研削およびポリッシュ技法を使用した鋳造物品の表面仕上げの改善が妨げられる可能性がある。したがって、改善された表面仕上げを有する航空宇宙の用途で使用される金属間化合物をベースにした物品と、そのような物品を製造するための関連ある方法とが求められている。

欧州特許第０５１３４０７号

本開示の一態様は、チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するための方法である。この方法は、チタンアルミナイド合金含有物品を用意するステップと、速い線速度でチタンアルミナイド合金含有物品の表面の端から端まで研磨媒体を通過させるステップと、チタンアルミナイド合金含有物品の表面を変形させるステップと、チタンアルミナイド合金含有物品の表面粗さを低減させ、それによって物品の表面仕上げを改善するステップとを含む。

一実施形態では、物品の表面の端から端まで研磨媒体を通過させるステップは、研磨媒体とチタンアルミナイド微細構造とを相互に作用させるステップを含む。別の実施形態では、変形させるステップは、チタンアルミナイド合金を塑性変形させるステップを含む。チタンアルミナイド合金は、一実施例において、γチタンアルミナイド相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相を含む。本発明により教示される方法を実施することによって、物品の表面粗さを少なくとも約５０％低減させることができる。別の実施形態では、本発明により教示される方法を実施することによって、物品の表面粗さが少なくとも約２５％低減される。

一実施形態では、チタンアルミナイド合金含有物品の表面は、初期粗さが約１００Ｒａよりも大きく、物品の表面粗さは少なくとも約５０Ｒａに低減する。別の実施形態では、物品の表面粗さは少なくとも２０Ｒａに低減する。一実施形態では、速い線速度には、秒当たり少なくとも５メートルが含まれる。一実施形態では、速い線速度には、秒当たり少なくとも５０メートルが含まれる。別の実施形態では、速い線速度には、秒当たり少なくとも１００メートルが含まれる。さらに別の実施形態では、速い線速度には、秒当たり少なくとも１０００メートルが含まれる。

一実施形態では、チタンアルミナイド合金含有物品は、チタンアルミナイド合金含有エンジンを含む。別の実施形態では、チタンアルミナイド合金含有物品は、チタンアルミナイド合金含有タービンを含む。一実施形態では、チタンアルミナイド合金含有物品は、チタンアルミナイド合金含有タービンブレードを含む。

一実施例における研磨媒体には、アルミナ、ガーネット、シリカ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ダイヤモンド、炭化タングステン、およびこれらの組成物が含まれる。一実施形態では、通過させるステップおよび変形させるステップは、少なくとも２回、順次繰り返される。一実施形態では、通過させるステップおよび変形させるステップは、様々なサイズの研磨媒体を用いて多数回、順次繰り返される。一実施形態では、通過させるステップおよび変形させるステップは、サイズが順次減少する研磨媒体を用いて多数回、順次繰り返される。

一実施形態では、通過させるステップは、約１４０ミクロンから約１９５ミクロンの範囲の粒子の第１の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約１１５ミクロンから約１４５ミクロンの範囲の粒子の第２の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約４０ミクロンから約６０ミクロンの範囲の粒子の第３の研磨媒体を表面の端から端まで通過させるステップを含む。別の実施形態では、変形させるステップは、物品の表面を加熱するステップを含む。一実施形態では、表面を加熱するステップは、物品の表面を、チタンアルミナイド合金の延性脆性遷移温度よりも高い温度まで加熱するステップを含む。一実施形態では、研磨媒体を、秒当たり約５０メートルから秒当たり約１０００メートルの速度でチタンアルミナイドの表面の端から端まで通過させる。

本開示の別の一態様は、チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するための方法であって、構造物上でチタンアルミナイド合金含有物品を安定化させるステップと、研磨媒体を、安定化させたチタンアルミナイド合金物品の表面の端から端まで速い線速度で通過させるステップと、チタンアルミナイド合金のγチタンアルミナイド相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相の両方を変形させるステップとを含み、チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善させる方法である。

一実施例における安定化させるステップは、前記チタンアルミナイド合金含有物品を構造物に固定し、取着し、結合させるステップの１つまたは複数を含む。研磨媒体を物品の表面の端から端まで通過させるステップは、研磨媒体と、チタンアルミナイド微細構造の相とを相互に作用させるステップを含んでいてもよい。一実施形態では、物品の表面粗さは少なくとも約２５％低減する。別の実施形態では、物品の表面粗さは少なくとも約５０％低減する。一実施形態では、表面は、その初期粗さが約１００Ｒａよりも大きく、物品の表面粗さは、処理後に約５０Ｒａ以下に低減する。一実施形態では、物品の表面粗さは処理後に２０Ｒａ以下に低減する。

本開示の一態様は、チタンアルミナイド合金含有物品の表面粗さのＲａ値を低減させるための方法であり、この方法は、構造上のチタンアルミナイド合金を安定化させるステップと、連続的に減少するグリットサイズを、安定化させたチタンアルミナイド合金の表面の端から端まで高速で通過させるステップと、チタンアルミナイド合金のγＴｉＡｌ相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相の両方を塑性変形させ、それによってチタンアルミナイド合金の表面のＲａ値を低減させるステップとを含む。一実施形態では、処理後、Ｒａ値が約３分の１から約６分の１に低減し、一実施例では、Ｒａ値が約５分の１に低減する。さらに別の実施形態では、処理後、Ｒａ値が１５以下に低減する。

本開示の一態様は、チタンアルミナイド合金を含有する表面の少なくとも一部の端から端までの粗さが約１ミクロン未満のチタンアルミナイド合金含有物品を対象とする。一実施形態では、この物品は鋳造物品であり、例えば物品は、インベストメント鋳造物品である。別の実施形態では、物品はエンジンまたはタービンである。別の実施形態では、物品はタービンブレードである。一実施形態では、物品はタービンブレードであり、タービンブレードの作用面の少なくとも一部の粗さが約１ミクロン未満である。一実施形態では、チタンアルミナイド合金物品の表面積の大部分が、実質的に平面であり、その粗さは約１ミクロン未満である。別の実施形態では、物品は、ブレードの作用面の少なくとも一部の端から端までの平均粗さが１５Ｒａ未満のタービンエンジンブレードである。

本発明の物品および方法の、これらおよびその他の特徴、態様、および利点は、添付図面の全体を通して同様の文字が同様の部分を表しているこれらの図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるようになる。

２つの典型的なプロフィルメータトレースを示す図であり、本発明の一態様により実現することができる、改善された表面仕上げを示している。特に図１は、鋳造したままの状態と表面変形ポリッシュ（「ＳＤＰ」）後の構成要素５０３の比較を行っており、鋳造したままの構成要素５０３の表面のＲａ値は１１５．１であり、同じ構成要素５０３のＳＤＰ後のＲａ値は１０．０である。 図１と同様の、２つの典型的なプロフィルメータトレースを示す図であり、本発明の別の態様により実現することができる、改善された表面仕上げを示している。特に図２は、鋳造したままの状態であり型の材料の全てが除去された、構成要素６０８の表面粗さを測定したプロフィルメータトレースを示し、この構成要素６０８のＲａは８０．８であり；構成要素６０８は、構成要素５０３に比べて改善された鋳造プロセスを使用し生成した。 図１と同様の、２つの典型的なプロフィルメータトレースを示す図であり、本発明の別の態様により実現することができる、改善された表面仕上げを示している。特に図３は、構成要素の異なる領域で２つの個別のＳＤＰ処理を行った後の、構成要素６０８の表面粗さを測定したプロフィルメータトレースを比較するものであり、第１の処理では、５つのステップを順次使用することによりＲａ １２．２が発生し、第２の処理では、３つのステップを順次使用することによりＲａ １４．８が発生した。 図１から３と同様の、典型的なプロフィルメータトレースを示す図であり、本発明の別の態様により実現することができる、改善された表面仕上げを示している。特に図４は、第３の個別のＳＤＰ処理をした後の、構成要素６０８の表面粗さを測定したプロフィルメータトレースを示し、このＳＤＰ処理では、Ｒａ １９．１が生成された。 構成要素の表面粗さの白黒画像を示す図であり、鋳造したままの表面と、表面変形ポリッシュがなされた表面（即ち、ＳＤＰ処理後）を示しており、この処理では、粗い、中程度の、および微細な研磨媒体をそれぞれ使用した。図示されるように、構成要素の表面仕上げは、鋳造したままの表面に表面変形ポリッシュを行った後、大幅に改善する。構成要素の、鋳造したままのセクションは、ここでは、ＳＤＰ処理がなされた構成要素のセクションよりも、光沢のない、より粗く見える表面として見られる。図５に示されるように、構成要素のＳＤＰ処理セクションは、滑らかにかつ輝いて見える。 本開示の態様によるフローチャートを示す図であり：ａ）チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するための方法、ｂ）チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するための方法、およびｃ）チタンアルミナイド合金含有物品の表面粗さのＲａ値を低減させるための方法のステップを示している。

本開示は、一般に、表面仕上げが改善されたチタンおよびチタン合金含有物品と、そのような物品の表面仕上げを改善するための方法とに関する。詳細には本開示は、優れた性質を示す改善された表面仕上げを有するタービンブレードと、それを生産すための方法とに関する。

従来のガスおよび水蒸気タービンブレードのデザインは、典型的には金属または複合体で全体が作製されたエーロフォイル部分を有する。費用がかかるワイドコード中空ブレードを含めた全金属ブレードは、重量がより重く、その結果、燃料性能がより低くなり、より頑丈なブレードアタッチメントが必要になる。ガスタービン航空機用途では、高温ガス経路内で動作するガスタービンブレードが、ガスタービン内の最高温度のいくらかに曝される。高温ガス経路内でのブレードの寿命および性能を増大させるため、様々なデザインのスキームにしわ寄せが生じていた。

本出願は、タービンブレードなどのチタンアルミナイド構成要素の表面の高剪断速度局所変形により、表面仕上げの実質的改善を行うことができ、かつ性能を改善することができる。一態様は、チタンアルミナイドをベースにした物品など、金属間化合物をベースにした物品に、改善された表面仕上げをもたらすことである。一実施形態では、鋳造チタンアルミナイドをベースにした物品を、高剪断速度表面処理に供して、表面仕上げを１ミクロン未満の粗さに改善する。この新しい表面処理は、表面仕上げを改善し、構成要素の表面にいかなる追加の損傷もまたは亀裂も導入しない。

一実施例では、高速局所的剪断変形が、表面から構成要素の約１００ミクロン未満の深さにまで作用する。一実施形態では、高速局所剪断変形は、表面から構成要素の約１０ミクロン未満の深さにまで作用する。別の実施形態では、高速局所剪断変形は、表面から構成要素の約２ミクロン未満の深さまで作用する。特定の実施形態では、高速局所剪断変形は、表面から構成要素の約１ミクロン未満の深さまで作用する。この表面仕上げ改善技法は、高剪断速度変形ポリッシュと記述することができる。この手法は、ミリングの場合のように、部品を支持するのに高性能のツーリングを必要としない。

しばしば粗さと短縮される表面粗さは、表面のテクスチャの尺度である。これは、その理想的な形からの、実際の表面の垂直方向の偏差によって定量化される。これらの偏差が大きい場合、表面は粗く；これらの偏差が小さい場合、表面は滑らかである。粗さは、典型的には、測定された表面の高周波短波長成分と見なされる。粗さは、実際の物体がその環境とどのように相互作用するようになるかを決定する際に、重要な役割を演ずる。例えば、粗い表面は、通常、滑らかな表面よりも素早く摩耗しかつ高い摩擦係数を有する。

傷、うねり、粗さ、および撚りは、まとめて解釈すると、表面のテクスチャを構成する性質である。傷は、加工物表面のトポグラフィの意図しない、予期しない、望ましくない中断である。傷は、典型的には、バリ、えぐれ、および引掻き傷などの孤立した特徴である。粗さは、加工物表面評価が評価される最も細かい解像度での、高周波（または短波長）の表面のテクスチャのトポグラフィ上の不規則さを指す。うねりは、加工物の表面粗さよりも長い波長または低い周波数での表面テクスチャのトポグラフィ上の不規則さを指す。うねりは、例えば、製作中および工具のチャタリング中など、機械または加工物の振動または撓みから生じる可能性がある。

ポリッシュという用語は、加工物表面粗さの低減を指す。撚りは、表面のテクスチャのパターンまたは表面のテクスチャの構成要素の支配的な方向である。粗さおよびうねりは、特定の加工物表面上に異なるパターンおよび異なる撚りを有していてもよい。本明細書で使用される「タービンブレード」という用語は、水蒸気タービンブレードとガスタービンブレードとの両方を指す。

本出願の発明者らは、粗さが低減し機械的一体性が強化されるなどの改善された性質を持つ表面を備えた、チタンアルミナイドをベースにした物品などの金属間化合物をベースにした物品を提供することについて述べている。本発明の技法の一態様は、チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するための方法であり、前記方法は、チタンアルミナイド合金含有物品を用意するステップと、速い線速度で前記チタンアルミナイド合金含有物品の表面の端から端まで研磨媒体を通過させるステップと、チタンアルミナイド合金含有物品の表面を変形させるステップと、チタンアルミナイド合金含有物品の表面粗さを低減させるステップとを含み、それによって、物品の表面仕上げが改善される。

チタン合金は、高い相対強度および優れた耐食性を有し、主に、航空宇宙、深海探査、および化学プラントの分野などで使用されてきた。チタン合金の一例は、チタンアルミナイドである。チタンアルミナイド合金は、チタンアルミナイド合金のγチタンアルミナイド相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相を含む。

本明細書で教示される方法の変形ステップは、チタンアルミナイド合金を塑性変形させるステップを含む。このチタンアルミナイド合金の変形は、物品の表面の端から端まで研磨媒体を通過させ、研磨媒体とチタンアルミナイド微細構造とを相互作用させる相互作用を引き起こすことによって実現される。研磨媒体を、速い線速度で構成要素の表面の端から端まで通過させ、得られた高剪断速度によって、局所表面変形が発生する。構成要素の表面と研磨媒体との間の相互作用によって発生した摩擦は、表面に亀裂または損傷がない状態で金属間材料の局所流を発生させ；このプロセスによって、表面の凹凸が除去されピットが除去される。

研磨媒体は、アルミナ、ガーネット、シリカ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ダイヤモンド、炭化タングステン、およびこれらの組成物の少なくとも１種から選択される。アブレイシブ材の硬さは、材料のコストおよび加工物の制約に矛盾のない、最も高い値である。ある実施形態では、研磨材が硬いほど、ポリッシュ操作はより速くより効率的になる。研磨媒体の再使用によって、より硬いが費用のかかる研磨材を経済的に使用することが可能になり、その結果、ポリッシュおよび機械加工操作の効率が高まって、必要なときにポリッシュ速度を増大させることができる。例えば、アルミナまたは炭化ケイ素は、ガーネットが使用されるポリッシュ操作において代用してもよい。

高剪断速度局所表面変形は、物品の表面の端から端まで研磨媒体を通過させることによって発生する。運動は、回転運動、並進運動、または振動運動とすることができる。例えば、２０，０００ｒｐｍで回転する５ｃｍ直径のディスクを使用することにより、５０メートル／秒を超える線速度を実現することができ、このレベルの速度と１５ミクロンから２００ミクロンのサイズ範囲のアルミナ粒子とを併せることで、金属間合金物品の表面仕上げの実質的な改善を行うことができる。一実施例では、回転ディスクの横方向速度は線速度よりも遅く、典型的には１×１０^-3から１０×１０^-3メートル／秒の範囲である。本明細書の教示によれば、研磨媒体は、チタンアルミナイド合金含有物品の表面の端から端まで通過する。圧力は、典型的には、表面上で平方インチ当たり約１から約１０ポンドである。一実施形態では、表面上の圧力は、平方インチ当たり約３から約６ポンドである。構成要素の表面と研磨媒体との間の相互作用によって発生した摩擦は、表面に亀裂または損傷のない状態で金属間材料の局所流を発生させた。このプロセスは、表面の凹凸を除去しピットを除去する。チタンアルミナイド合金含有物品は、チタンアルミナイド合金含有エンジン、タービン、またはタービンブレードを含む。

通過させるステップは、２ステップのプロセスまたは最大５ステップのプロセスを含むことができる。通過させるステップは、チタンアルミナイド合金含有物品の表面の端から端まで高速で、異なるサイズの研磨媒体を通過させるステップを含む。研磨媒体を構成する粒子のサイズは、本開示の一態様である。例えば、通過させるステップは、約１４０ミクロンから約１９５ミクロンの範囲の粒子の第１の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約１１５ミクロンから約１４５ミクロンの範囲の粒子の第２の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約４０ミクロンから約６０ミクロンの範囲の粒子の第３の研磨媒体を表面の端から端まで通過させるステップを含む。

別の実施例では、まず、約７０ミクロンから約３００ミクロンの範囲の粒子の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、それに続いて約２０ミクロンから約６０ミクロンの範囲の粒子の研磨媒体を表面の端から端まで通過させステップを含む。別の実施例では、通過させるステップは、まず、約１４０ミクロンから約３４０ミクロンの範囲の粒子の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、それに続いて約８０ミクロンから約１４０ミクロンの範囲の粒子の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、さらに続いて約２０ミクロンから約８０ミクロンの範囲の粒子の研磨媒体を表面の端から端まで通過させるステップを含む。特定の実施形態では、研磨媒体の第３のまたは最終的な通過の際、約５ミクロンから約２０ミクロンの範囲の粒子を表面の端から端まで通過させるステップを行う。特定の実施形態では、研磨媒体の最終の通過の際、約１０ミクロンから約４０ミクロンの範囲の粒子を表面の端から端まで通過させるステップを行う。関連ある実施形態では、研磨媒体の最終の通過は、表面の端から端までの、研磨媒体の第２、第３、第４、または第５の通過としてもよい。一実施形態では、粒子の単位は粒子のサイズを反映する。別の実施形態では、粒子の単位は、幅または直径などの粒子の外形寸法を反映する。ある実施形態では、研磨媒体は、表面の端から端まで異なるサイズを有する同じ物質の組成物とすることができ、または１つもしくは複数の異なる物質の組成物とすることができる。例えば研磨媒体は、様々なサイズのアルミナ粒子、またはアルミナ粒子と様々なサイズのガーネットとの混合物である。

例示的な一実施形態による研磨材の粒度は、加工される表面および実現される表面仕上げの硬さおよび粗さに照らして、必要な作業率と矛盾のない最小サイズであるべきである。一般に、研磨材の粒子または「グリット」のサイズが小さいほど、より滑らかな表面が実現される。研磨材は、約１マイクロメートルから最大約２，０００マイクロメートル程度に低い粒度を最も多く有することになる。より一般には、研磨材の粒径は、約１０から約３００マイクロメートルの範囲になる。

研磨媒体を構成する粒子のサイズと同様に、物品の表面の端から端までの粒子の速度および各通過ステップの持続時間も制御される。一実施形態では、通過速度は、粒子が物品上を１フィート通過するのに１分未満を要するような速度である。別の実施形態では、粒子が物品上を１フィート通過するのに１０秒から４０秒要する。別の実施形態では、粒子が物品上を１フィート通過するのに１秒から２０秒要する。

本発明の一態様では、速い線速度には、秒当たり少なくとも５０メートル、秒当たり少なくとも１００メートル、または秒当たり１０００メートルが含まれる。ある実施形態では、研磨媒体は、秒当たり約５０メートルから秒当たり約１０００メートルの速い線速度で、チタンアルミナイド合金含有物品の表面を端から端まで通過する。研磨媒体を物品の表面の端から端まで通過させるステップは、研磨媒体とチタンアルミナイド微細構造とを相互作用させるステップを含む。

本明細書で教示される技法の高剪断速度変形は、鋳造表面の微細構造の局所加熱および改善された塑性変形を行い、変形応答によって、表面が滑らかになりかつ物品の表面の凹凸およびピットがなくなる。一実施形態では、変形ステップは、表面を加熱するステップを含む。表面を加熱するステップは、表面を、チタンアルミナイド合金の延性脆性遷移温度よりも高い温度に加熱するステップを含む。

本発明の技法の特徴は、表面変形プロセスが、表面の下の合金微細構造の相と相互作用する手法である。例えばチタンアルミナイド合金は、チタンアルミナイド合金のγチタンアルミナイド相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相を含む。表面変形プロセスは、両方の相を塑性変形させて、構成要素の表面亀裂または表面のその他の損傷を発生させることなく、表面仕上げの改善を確実にする。局所的な表面変形処理は、変形したときに、相が延性脆性遷移温度よりも高い温度になるように、十分な局所温度の上昇を発生させる。さらに、表面変形処理には、残留応力という利益がある。

本明細書に教示される方法の、通過させ変形させるステップは、所望の表面仕上げまたは粗さの値が実現されるまで、順次繰り返される。一実施例では、タービンブレード、タービン翼／ノズル、ターボチャージャ、レシプロエンジンのバルブおよびピストンなどの高性能の物品の表面は、そのＲａが約２０以下であることが望まれる。ある場合には、通過させ変形させるステップは、少なくとも２回、順次繰り返される。ある場合には、通過させ変形させるステップは、様々なサイズのまたは連続的に減少していくサイズの研磨媒体で、多数回、順次繰り返される。これは、所望の表面仕上げが得られるまで行われる。例えば、通過させるステップは、約１４０ミクロンから約１９５ミクロンの範囲の粒子の第１の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約１１５ミクロンから約１４５ミクロンの範囲の粒子の第２の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約４０ミクロンから約６０ミクロンの範囲の粒子の第３の研磨媒体を表面の端から端まで通過させるステップを含む。

本明細書に教示される方法とは対照的に、典型的には、チタンアルミナイド構成要素の表面仕上げは、五軸などの多軸ミリングおよび機械加工によって行われる。しかし、一貫して発生させることのできる表面仕上げに関し、この従来の処理には制限がある。これら大型の機械加工技法によって導入される応力は、構成要素の表面亀裂をもたらす可能性がある望ましくない応力を導入する可能性がある。典型的なチタンアルミナイド鋳造物品の亀裂に対する限られた延性および感受性により、従来の研削およびポリッシュ技法を使用した鋳造物品の表面仕上げの改善が妨げられる。

本発明の技法の一態様は、チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するための方法であり、この方法は、構造上のチタンアルミナイド合金含有物品を安定化させるステップと、前記安定化させたチタンアルミナイド合金物品の表面の端から端まで速い線速度で研磨媒体を通過させるステップと、チタンアルミナイド合金のγチタンアルミナイド相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相の両方を変形させるステップとを含み、チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げが改善される。一実施例では、チタンアルミナイド合金含有物品には、チタンアルミナイド合金含有エンジン、チタンアルミナイド合金含有タービン、またはチタンアルミナイド合金含有タービンブレードが含まれる。

本発明の技法の別の態様は、チタンアルミナイド合金含有物品の表面のＲａ値を低減させるための方法であり、この方法は、構造上のチタンアルミナイド合金を安定化させるステップと、安定化させたチタンアルミナイド合金の表面の端から端まで、高速で、順次減少していくグリットサイズを通過させるステップと、チタンアルミナイド合金のγＴｉＡｌ相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相の両方を塑性変形させるステップとを含み、それによってチタンアルミナイド合金の表面のＲａ値が低減する。一実施例における安定化させるステップは、前記チタンアルミナイド合金含有物品を構造物に固定し、取着し、結合させるステップの１つまたは複数を含む。物品の表面の端から端まで研磨媒体を通過させるステップは、研磨媒体とチタンアルミナイド微細構造の相とを相互作用させるステップを含む。

本発明の技法の一実施例は、鋳造によって生産されたチタンアルミナイド物品の表面仕上げの改善を伴う。これらは１００以上のＲａ値を有することができる。Ｒａ値７０は約２ミクロンに対応し；Ｒａ値３５は約１ミクロンに対応する。典型的には、タービンブレード、タービン翼／ノズル、ターボチャージャ、レシプロエンジンのバルブおよびピストンなどの高性能物品の表面は、約２０以下のＲａを有することが必要である。本発明で教示される方法を実施することによって、物品の表面粗さは少なくとも約５０％低減される。例えば、チタンアルミナイド合金含有物品の表面は、初期粗さが約１００Ｒａよりも大きく、物品の表面粗さは、処理後に約５０Ｒａ以下に低減される。一態様では、本発明は、チタンアルミナイド合金含有物品、例えばタービンブレードであり、その表面の少なくとも一部の端から端まで約１ミクロン未満の粗さを有するものである。

一実施例では、処理後の物品の表面粗さが約２０Ｒａ以下である。別の実施例では、処理後の物品の表面粗さが約１５Ｒａ以下である。別の実施形態では、処理後、Ｒａ値が１０Ｒａ以下に低減される。ある実施形態では、処理後、Ｒａ値が約１／３から約１／６に低減される。例えば処理後に、Ｒａ値は約１／５に低減される。一実施形態では、Ｒａ値は、処理前の鋳造時の７０〜１００のレベルから、処理後の２０未満のレベルに改善される。

本発明の技法の教示によれば、物品の表面粗さは少なくとも約２５％低減させることができる。ある場合には、物品の表面粗さは少なくとも約５０％低減される。一実施形態では、物品の表面粗さは、処理前のレベルと比べた場合に２０％から８０％低減させることができる。一実施形態では、物品の表面粗さは、処理前のレベルと比べた場合に約２倍低減させることができる。一実施形態では、物品の表面粗さは、処理前のレベルと比べた場合に約４倍低減させることができる。一実施形態では、物品の表面粗さは、処理前のレベルと比べた場合に約６倍低減させることができる。一実施形態では、物品の表面粗さは、処理前のレベルと比べた場合に約８倍低減させることができる。一実施形態では、物品の表面粗さは、処理前のレベルと比べた場合に約１０倍低減させることができる。別の実施形態では、物品の表面粗さは、処理前のレベルと比べた場合に約２倍から約１０倍低減させることができる。

チタンアルミナイド合金含有物品の表面は、初期粗さが約１００Ｒａより大きくてもよく、処理後、物品の表面粗さは約５０Ｒａ以下に低減される。別の実施形態では、物品の表面粗さは約２０Ｒａ以下に低減される。一実施形態では、チタンアルミナイド合金含有物品の表面は、初期粗さが約１２０Ｒａであり、この粗さは、処理後に約２０Ｒａに低減される。一実施形態では、チタンアルミナイド合金含有物品の表面は、その初期粗さが約１１５Ｒａであり、この粗さは、処理後に約１０Ｒａに低減される。一実施形態では、チタンアルミナイド合金含有物品の表面は、その初期粗さが１１０Ｒａ以上であり、この粗さは、処理後に約３０Ｒａ以下に低減される。

本発明の実施形態は、完成物品に実質的に欠陥のない表面を提供する。さらに本発明の技法の教示を実施することによって、得られる完成物品（例えば、タービンブレード）は、物品の表面の少なくとも一部の端から端まで１０ミクロン未満の粗さを有し、代替の形態では１ミクロン未満の粗さを有する。

一態様は、チタンアルミナイド合金を含有する表面の少なくとも一部の端から端まで約１ミクロン未満の粗さを有する、チタンアルミナイド合金含有物品である。一実施形態では、この物品は鋳造物品である。一実施例では、物品は、インベストメント鋳造物品である。物品は、エンジンまたはタービンとすることができる。特定の実施形態では、物品はタービンブレードである。別の実施形態では、チタンアルミナイド合金含有物品は、チタンアルミナイド合金含有タービンブレードを含む。一実施例では、チタンアルミナイド合金含有物品がタービンブレードであり、タービンブレードの作用面の少なくとも一部は、約１ミクロン未満の粗さを有する。別の実施形態では、チタンアルミナイド合金物品の表面積の大部分が、実質的に平面であり、約１ミクロン未満の粗さを有する。特定の実施形態では、物品は、ブレードの作用面の少なくとも一部の端から端まで約１５Ｒａ未満の平均粗さを有する、タービンエンジンブレードである。

表面変形ポリッシュの手法は、表面仕上げが改善された構成要素を生成し、従来のミリングおよび研削方法と比べた場合にいくつかの利点を有する。例えば本発明の技法は、いかなる表面欠陥も発生させることなく、改善された表面仕上げをもたらすための、素早く簡単な方法を提供する。さらにこの技法は、少ない資本設備費用しか必要とせず、簡単な手持ち式ツールで実施することができ、資本集約的な機械を必要としない。この手法は低コストであり、高率の自動化にも馴染む。

一般的に記述してきたこれらの技法は、ある態様および実施形態を例示するためだけに含まれかついかなる手法によってもこのシステムおよび方法を制限するものではない、下記の実施例を参照することによってより容易に理解することができる。

粗さの値は、プロファイル上または表面上のいずれかで計算することができる。プロファイルの粗さパラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、．．．）がより一般的である。粗さパラメータのそれぞれは、表面を記述するための式を使用して計算する。多くの使用される異なる粗さパラメータがあるが、Ｒ_aはこれまで最も一般的である。その他の一般的なパラメータには、Ｒ_z、Ｒ_q、およびＲ_skが含まれる。

平均粗さＲａは、高さの単位で表される。ヤードポンド法（英国単位系）では、１Ｒａは、典型的には１インチの「１００万分の１」として表される。これは、「マイクロインチ」とも呼ばれる。本明細書で示されるＲａ値は、マイクロインチを指す。振幅パラメータは、平均線からの粗さプロファイルの垂直偏差に基づいて、表面を特徴付ける。図１から４までは、針式プロフィルメータを使用して測定された、典型的な粗さプロファイルを示す。プロフィルメータは、ある部分の表面に沿ってトレースしかつその平均粗さを決定するためにスタイラスを使用するデバイスである。

表面粗さは、Ｒａなどの単一の数値によって記述される。使用される多くの異なる粗さパラメータがあるが、Ｒａがこれまで最も一般的である。これらのパラメータは全て、表面プロファイルの情報の全てを単一の数値に集約する。Ｒａは、絶対値の算術平均であり、Ｒ_tは、集められた粗さデータ点の範囲である。Ｒａは、表面仕上げに対する最も一般的なゲージの１つである。

以下の表は、表面粗さの典型的な測定値を使用して記述されるような、表面粗さの比較を示す。

図１から４までは、表面変形ポリッシュ（ＳＤＰ）の前および後に構成要素の表面粗さを測定した一連のプロフィルメータトレースを示す。

図１は、鋳造したままの状態であり型の材料全てが除去されたものと、表面変形ポリッシュ後との、構成要素５０３の比較を提示する。鋳造したままの構成要素５０３の表面のＲａ値は１１５．１であり、同じ構成要素５０３のＳＤＰ後のＲａ値は１０．０である。ＳＤＰは、粗いグリット（アルミナグリットのサイズ範囲 １４１から１９２ミクロン）、中程度のグリット（アルミナグリットのサイズ範囲 １１６から１４１ミクロン）、および微細なグリットアルミナ（アルミナグリットのサイズ範囲 ４０から６０ミクロン）の３ステップを用い、その後、微細なＳｉＣ粒子（グリットのサイズ範囲 １５から４０ミクロン）の単一ステップを用いた。ＳＤＰは、Ｒａを５分の１超だけ改善した。図１の完全プロフィルメータトレースの比較は、ＳＤＰ後の表面粗さが実質的に低減したことを示す。プロフィルメータデータの比較は、ＳＤＰ処理によって生成することができる表面仕上げが著しく改善されたことを示す。完全プロフィルメータトレースには、ＲｚおよびＲｑ値も示される。これらのデータは、ＳＤＰ処理によってもたらすことができる改善も示す。

図２は、鋳造したままの状態であり、型材料の全てが除去された、構成要素６０８の表面粗さを測定したプロフィルメータトレースを示す。構成要素６０８のＲａは８０．８であり；構成要素６０８は、構成要素５０３に比べて改善された鋳造プロセスを使用して生成した。図２には、較正ブロックのプロフィルメータトレースも示され、規則的な波動がトレース上に示されている。

図３は、２つの個別のＳＤＰ処理を行った後の、構成要素６０８の表面粗さを測定したプロフィルメータトレースを比較する。第１の処理では、５つのステップを順次使用してＲａ １２．２を発生させた。この５つのステップは、回転剪断変形を使用して用いられる粗い、中程度の、および微細なグレードのアルミナグリットと、その後に続く非常に微細なＳｉＣグリットの１ステップ、および布によるバフ掛けの最終ステップとからなるものであった。第２の処理では、３つのステップを順次使用して、Ｒａ １４．８を発生させた。この３つのステップは、粗いグレードのアルミナグリットと、その後に続く非常に微細なＳｉＣグリット（グリットのサイズ範囲 １５から４０ミクロン）の１ステップと、布によるバフ掛けの最終ステップとからなるものであった。この第２の処理のＲａは、最初の処理の場合ほど低くなく、より少ないステップを使用した。

図４は、第３の個別のＳＤＰ処理の後に、構成要素６０８の表面粗さを測定したプロフィルメータトレースを示し；このＳＤＰ処理は、１９．１のＲａをもたらした。このＳＤＰ処理は、粗いグレードのアルミナグリット（アルミナグリットのサイズ範囲 １４１から１９２ミクロン）のステップと、その後に続く非常に微細なＳｉＣグリットの単一ステップを用いたが、先の実施例で示したデータの場合のような、ディスクのバフ掛けは行わなかった。バフ掛けは、Ｒａを１９．１から１４．８に低減させた。

図５は、ＳＤＰに供された構成要素の白黒写真も示す。構成要素は、比較のために当初の鋳造表面を有したままの領域を持つ。これらの当初の鋳造表面のＲａ値は、典型的には１００Ｒａ超である。ＳＤＰ処理のある範囲は、鋳造された金属間およびチタンアルミナイド構成要素の表面粗さの実質的な改善をもたらすために用いることができることがわかる。図は、ほぼ鏡面仕上げが得られることを示す。

ＳＤＰ処理のある範囲は、鋳造された金属間およびチタンアルミナイド構成要素の表面粗さの実質的な改善を実現するのに用いることができることがわかる。Ｒａ値は、５分の１超だけ低減させることができる。下記の表からわかるように、より低いＲａ値は、２または３ステップの処理よりも４および５ステップの処理で得られた。チタン含有物品の４ステップの処理は、最も低いＲａ値を実現し、これはチタン含有物品、例えばタービンブレードなどのチタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するのに非常に有効な方法であることを示している（例えば、図５参照）。

上記説明は、例示を目的としており、制限しようとしていないことが理解されよう。例えば上述の実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用してもよい。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を様々な実施形態の教示に適合させるように、多くの修正を行ってもよい。本明細書に記述される材料の寸法およびタイプは、様々な実施形態のパラメータを定義するものとするが、決して制限するものではなく、単なる例示である。多くのその他の実施形態は、上記説明を読むことによって当業者に明らかにされよう。したがって様々な実施形態の範囲は、添付される特許請求の範囲によって与えられる均等物の全範囲と共に、そのような特許請求の範囲を参照することによって決定されるべきである。添付される特許請求の範囲において、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」という用語は、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」というそれぞれの用語の平易な英語による均等物として使用される。さらに下記の特許請求の範囲では、「ｆｉｒｓｔ（第１の）」、「ｓｅｃｏｎｄ（第２の）」、および「ｔｈｉｒｄ（第３の）」などの用語は、単に標識として使用され、それらの対象に数値要件を課そうとするものではない。さらに、下記の特許請求の範囲の制限は、手段および機能の形式で書かれておらず、そのような特許請求の範囲の制限において「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ（のための手段）」という文言とその後に続くその他の構造のない機能のステートメントとを明らかに使用しない限りかつ使用されるまで、米国特許法第１１２条の第６パラグラフに基づいて解釈しようとするものではない。必ずしも上述のような目的または利点のすべてが、任意の特定の実施形態により実現できるとは限らないことを理解されたい。したがって例えば、当業者なら、本明細書に記述されるシステムおよび技法は、本明細書で教示されまたは示唆され得るようなその他の目的または利点を必ずしも実現することなく本明細書で教示されるような１つの利点もしくは利点の群を実現しまたは最適化するような手法で、具体化または実施され得ることが理解されよう。

本発明について、ごく限られた数の実施形態と併せて詳述してきたが、本発明はそのような開示された実施形態に制限されないことが容易に理解されるべきである。むしろ本発明は、これまで記述されていないが本発明の精神および範囲に適合している任意の数の変更、代替、置換、または均等な配置構成を組み込むように、修正することができる。さらに、本発明のさまざまな実施形態について記述してきたが、本発明の態様は、記述された実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。したがって本発明は、前述の説明によって限定されるものと見なされるものではなく、添付される特許請求の範囲によってのみ限定される。本明細書で言及される全ての刊行物、特許、および特許出願は、個々の刊行物または特許が参照により本明細書に組み込まれることが特にかつ個々に示されているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。矛盾がある場合、本明細書の任意の定義も含めて本出願が優先することになる。

この書面による説明は、最良の形態も含めて本発明を開示するのに、また任意のデバイスまたはシステムの作製及び使用と任意の組み込まれた方法の実施も含めて当業者が本発明を実施できるようにするのに、実施例を使用する。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定められ、当業者が考え付く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、特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造的要素を有している場合、または特許請求の範囲の文字通りの言語との違いがわずかである均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあるものとする。

Claims (29)

1. チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するための方法であって、
   チタンアルミナイド合金含有物品を用意するステップと、
   前記チタンアルミナイド合金含有物品の表面の端から端まで、研磨媒体を速い線速度で通過させるステップと、
   チタンアルミナイド合金含有物品の表面を変形させるステップと、
   チタンアルミナイド合金含有物品の表面粗さを低減させ、それによって物品の表面仕上げを改善するステップと
   を含む方法。
2. 物品の表面の端から端まで研磨媒体を通過させるステップが、研磨媒体とチタンアルミナイド微細構造とを相互作用させるステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 表面を変形させるステップが、チタンアルミナイド合金を塑性変形させるステップを含む、請求項１記載の方法。
4. チタンアルミナイド合金が、γチタンアルミナイド相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相を含む、請求項３記載の方法。
5. 物品の表面粗さが少なくとも約５０％低減される、請求項１記載の方法。
6. チタンアルミナイド合金含有物品が、チタンアルミナイド合金含有タービンブレードを含む、請求項１記載の方法。
7. 研磨媒体が、アルミナ、ガーネット、シリカ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ダイヤモンド、炭化タングステン、およびこれらの組成物を含む、請求項１記載の方法。
8. 前記通過させるステップが、約１４０ミクロンから約１９５ミクロンの範囲の粒子の第１の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約１１５ミクロンから約１４５ミクロンの範囲の粒子の第２の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約４０ミクロンから約６０ミクロンの範囲の粒子の第３の研磨媒体を表面の端から端まで通過させるステップを含む、請求項１記載の方法。
9. 前記変形させるステップが、チタンアルミナイド合金の延性脆性遷移温度よりも高い温度まで表面を加熱するステップを含む、請求項１記載の方法。
10. チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するための方法であって、
    構造物上でチタンアルミナイド合金含有物品を安定化させるステップと、
    前記安定化させたチタンアルミナイド合金物品の表面の端から端まで、研磨媒体を速い線速度で通過させるステップと、
    チタンアルミナイド合金のγチタンアルミナイド相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相の両方を変形させ、チタンアルミナイド合金含有物品の表面仕上げを改善するステップと
    を含む方法。
11. チタンアルミナイド合金含有物品が、チタンアルミナイド合金含有タービンブレードを含む、請求項１０記載の方法。
12. 物品の表面粗さが少なくとも約５０％低減される、請求項１０記載の方法。
13. 研磨媒体が、アルミナ、ガーネット、シリカ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ダイヤモンド、炭化タングステン、およびこれらの組成物を含む、請求項１０記載の方法。
14. 前記通過させるステップが、約１４０ミクロンから約１９５ミクロンの範囲の粒子の第１の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約１１５ミクロンから約１４５ミクロンの範囲の粒子の第２の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約４０ミクロンから約６０ミクロンの範囲の粒子の第３の研磨媒体を表面の端から端まで通過させるステップを含む、請求項１０記載の方法。
15. 前記変形させるステップが、チタンアルミナイド合金の延性脆性遷移温度よりも高い温度まで表面を加熱するステップを含む、請求項１０記載の方法。
16. チタンアルミナイド合金含有物品の表面粗さのＲａ値を低減させるための方法であって、
    構造物上でチタンアルミナイド合金を安定化させるステップと、
    前記安定化させたチタンアルミナイド合金の表面の端から端まで、順次減少するグリットサイズを速い速度で通過させるステップと、
    チタンアルミナイド合金のγＴｉＡｌ相およびα２（Ｔｉ₃Ａｌ）相の両方を塑性変形させ、それによってチタンアルミナイド合金の表面のＲａ値を低減させるステップと
    を含む方法。
17. チタンアルミナイド合金含有物品が、チタンアルミナイド合金含有タービンブレードを含む、請求項１６記載の方法。
18. 物品の表面粗さが少なくとも約５０％低減される、請求項１６記載の方法。
19. 物品の表面粗さが約２０Ｒａ以下に低減される、請求項１６記載の方法。
20. 研磨媒体が、アルミナ、ガーネット、シリカ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ダイヤモンド、炭化タングステン、およびこれらの組成物の少なくとも１種を含む、請求項１６記載の方法。
21. 前記通過させるステップが、約１４０ミクロンから約１９５ミクロンの範囲の粒子の第１の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約１１５ミクロンから約１４５ミクロンの範囲の粒子の第２の研磨媒体を表面の端から端まで通過させ、次いで約４０ミクロンから約６０ミクロンの範囲の粒子の第３の研磨媒体を表面の端から端まで通過させるステップを含む、請求項１６記載の方法。
22. 前記変形させるステップが、チタンアルミナイド合金の延性脆性遷移温度よりも高い温度まで表面を加熱するステップを含む、請求項１６記載の方法。
23. 処理後のＲａ値が、約３分の１から約６分の１に低減される、請求項１６記載の方法。
24. チタンアルミナイド合金を含有する表面の少なくとも一部の端から端まで約１ミクロン未満の粗さを有する、チタンアルミナイド合金含有物品。
25. インベストメント鋳造物品である、請求項２４記載の物品。
26. タービンブレードである、請求項２４記載の物品。
27. タービンブレードであり、タービンブレードの作用面の少なくとも一部が約１ミクロン未満の粗さを有する、請求項２４記載の物品。
28. チタンアルミナイド合金物品の表面積の大部分が、実質的に平面であり、約１ミクロン未満の粗さを有する、請求項２４記載の物品。
29. ブレードの作用面の少なくとも一部の端から端まで１５Ｒａ未満の平均粗さを有するタービンエンジンブレードである、請求項２４記載の物品。