JP2015535313A - エンジンコンポーネントのための局所熱処理および熱管理システム - Google Patents

Abstract

エンジンコンポーネントを熱処理する方法は、複数のチタンコンポーネントを有するディスクを固定具に接続するステップと、前記チタンコンポーネントのうちの１つを誘導コイルループの中へ位置決めするステップと、交流電流を前記誘導コイルループに提供するステップと、前記誘導コイルループの中に位置付けされている前記チタンコンポーネントを熱処理するステップと、前記熱処理の温度を監視するステップとを含む。方法は、前記誘導コイルの温度を制御することをさらに含んでもよい。【選択図】図１

Description

開示されている実施形態は、概して、タービンエンジンコンポーネントの熱管理および熱処理に関する。より具体的には、本実施形態は、エンジンコンポーネントのための局所的な熱管理および熱処理のための方法に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機の中で加圧され、高温燃焼ガスを発生させるために燃焼器の中で燃料と混合させられ、高温燃焼ガスは、タービン段を通って下流に流れる。これらのタービン段は、燃焼ガスからエネルギーを取り出す。高圧タービンは、最初に、燃焼器から高温燃焼ガスを受け入れ、ステーターノズルアッセンブリを含み、ステーターノズルアッセンブリは、支持ローターディスクから半径方向外向きに延在する高圧タービンローターブレードの列を通して燃焼ガスを下流に方向付けする。２段のタービンでは、第２段のステーターノズルアッセンブリが、第１段のブレードの下流に位置付けされており、そして、その後に、第２の支持ローターディスクから半径方向外向きに延在する第２段のローターブレードの列が続く。これは、機械的なエネルギーへの燃焼ガスエネルギーの変換を結果として生じさせる。

第１および第２のローターディスクは、動作の間に圧縮機に動力を与えるために、対応する高圧ローターシャフトによって、圧縮機に連結されている。多段低圧タービンが、多段高圧タービンに続くことが可能であり、または続かないことが可能であり、第２のシャフトによって、圧縮機から上流に配設されているファンに連結され得る。

燃焼ガスが、タービン段を通って下流に流れるときに、そこからエネルギーが取り出され、燃焼ガスの圧力が低減させられる。燃焼ガスは、複数の低圧段タービンを通って継続することが可能である。これは、シャフトを回転させ、そして、シャフトは、１つまたは複数の圧縮機を回転させる。

圧縮機、タービン、およびバイパスファンは、類似の構造を有することが可能である。それぞれは、ローターアッセンブリを有することが可能であり、ローターアッセンブリは、ローターディスク、および、ローターディスクから半径方向外向きに延在するブレードのセットを含む。圧縮機、タービン、およびバイパスファンは、この基本的な構成を共有している。しかし、ローターディスクおよびブレードの構造の材料、ならびに、ローターディスクおよびブレードの形状およびサイズは、ガスタービンエンジンのこれらの異なるセクションの中で変化している。ブレードは、ディスクと一体になっており、ディスクに金属学的に結合させられ得る。このタイプの構造体は、ブリスク（「ブレード付きのディスク」）と呼ばれる。代替的に、ブレードは、ダブテール接続などによって、ディスクに機械的に取り付けることが可能である。ディスクの代替として、ドラムを利用することが可能である。

動作の間に、局所領域において、たとえば、ブレード、ケース、フレーム、および／またはブリスクなどのようなエンジンコンポーネントを定期的に修理することが必要になる。たとえば、タービンおよび圧縮機ブレードは、長い稼働期間にわたって、ブレードに衝突するガスフローの中に同伴された粒子などによって、異物損傷を受ける可能性がある。損傷の他の原因は、上記に説明されている原因から、先端部の擦れ、酸化、熱疲労亀裂、およびエロージョンを含む。最終的に、ブレードの一部分は、交換を必要とする可能性がある。ある場合には、これは、先端部部分の交換を必要とする。他の場合には、ブレードのより大きい部分が交換されなければならない。ブレードの限定されたセグメントだけが、典型的に異物損傷を有するので、損傷を含有するセクションだけを交換することが望ましい。

ワークピースまたはエンジンコンポーネントの一部分を交換することに伴う１つの問題は、ワークピースまたはエンジンコンポーネントの交換部分が溶接されるときに、コンポーネントの既存の部分、および、ディスクまたはドラムが、ヒートシンクになるということである。これは、溶接領域から離れている領域にある既存のコンポーネント、およびディスクまたはドラムの金属学を変化させる可能性があり、それは、非常に望ましくない。たとえば、チタンベースの金属が使用されるときには、それらは、また、金属の表面の上にαケースを形成する可能性がある。たとえば、おおよそ３１５℃（６００°Ｆ）を超える特定の材料の加熱は、たとえばαケースなど、コンポーネントの上の望ましくないビルドアップ（ｂｕｉｌｄ ｕｐ）の脆性層の発達を結果として生じさせる可能性がある。先進的なエンジンコンポーネントは、限界寸法を有しており、それは、コンポーネント全体の熱処理によって、変更させられるかまたは損傷を受ける可能性がある。次いで、このαケースは、化学的な処理によって除去されなければならず、化学的な処理は、パーツから金属を除去する。これは、パーツの公差の変化を結果として生じさせる可能性があり、それらを使用に不適切な状態にする。

また、交換パーツが溶接された後に、交換パーツは、応力を緩和させるために熱処理されることを必要とする可能性がある。しかし、熱を加えること、または、熱への露出が、以前に損傷を受けていないエーロフォイルの部分の損傷または弱化を引き起こさないことが望ましい。この局所処理は、熱的サイクルにパーツ全体をさらすことよりも望ましい。

公知の局所熱処理方法に伴う１つの問題は、プロセス制御方法が欠如していたということである。結果として、コンポーネントは、過剰に加熱されるか、または、加熱不足になる可能性がある。局所熱処理の使用は、限定されてきた。

その場での（ｉｎ ｓｉｔｕ）局所的な溶接およびその後の熱処理に関連付けられるこれらの問題および他の問題を、低減させるかまたは排除することが望ましいこととなる。

表面酸化またはαケース形成が限定されること、ならびに、修理されたコンポーネントが、たとえば、寸法精度、微細構造、および機械的な性能の厳しい要件を維持することが、さらに望ましい。

米国特許第２０１０／０１２２３０Ａ１号

少なくとも一実施形態によれば、エンジンコンポーネントのための熱管理の方法は、少なくとも１つのツールの中にエンジンコンポーネントを位置決めするステップと、前記エンジンコンポーネントの上に第１のツールセクションを位置決めするステップと、前記エンジンコンポーネントの上に第２のツールセクションを位置決めするステップと、少なくとも１つのヒーターブロックによって、前記エンジンコンポーネントの局所的な領域を加熱するステップと、熱処理される前記ワークピースの前記領域から離れている前記第１および第２のツールセクションの冷却部分に冷却流体を通すステップと、前記冷却流体によって、前記ワークピースを通る熱放散を制限するステップと、前記ワークピースの前記熱処理の冷却時間を管理するステップとを含む。

代替的な実施形態によれば、熱管理の方法は、内部キャビティーを有する少なくとも１つのツールの中に、第１のワークピースおよび第２のワークピースを位置決めするステップと、前記第１および第２のワークピースの一部分を冷却するために、前記内部キャビティーのうちの少なくとも１つの中へ流体を通すステップと、接合されたワークピースを形成するために、抵抗加熱によって、前記少なくとも１つのツールの中の前記第１のワークピースおよび前記第２のワークピースを溶接するステップと、前記少なくとも１つのツールの抵抗発熱エレメントまたは溶接電極のうちの少なくとも１つを通して、冷却の速度を遅くするように、前記接合されたワークピースの冷却の速度を制御するステップとを含む。

さらに、さらなる実施形態によれば、局所的な熱管理ツールは、装着ブロックと、第１のワークピース係合表面を有する第１のヒーターブロックと、第２のワークピース係合表面を有する第２のヒーターブロックと、前記第１のヒーターブロックおよび前記第２のヒーターブロックのうちの少なくとも１つの中に装着されている抵抗ヒーターと、前記装着ブロックおよび前記第１のヒーターブロックを係合させる第１の冷却クランプと、前記装着ブロックおよび前記第２のヒーターブロックを係合させる第２の冷却クランプと、前記第１および第２の冷却クランプのうちの少なくとも１つの中に配設されている冷却流体導管と、それぞれの前記ヒーターブロックと前記冷却クランプとの間の断熱体とを含む。

さらなる実施形態によれば、エンジンコンポーネントを熱処理する方法は、エンジンコンポーネントの第１の部分を、前記エンジンコンポーネントの前記第１の部分の第２の部分の上に溶接するステップと、熱処理ステーションにおいて、固定具の中に前記エンジンコンポーネントを位置決めするステップと、前記第１の部分および前記第２の部分のうちの少なくとも１つを誘導コイルの中に位置決めするステップと、前記コイルに電流を加えるステップと、前記第１の部分および前記第２の部分のうちの前記少なくとも１つを熱処理するステップとを含む。

一層さらなる実施形態によれば、エンジンコンポーネントを熱処理する方法は、複数のチタンコンポーネントを有するディスクを固定具に接続するステップと、チタンコンポーネントのうちの１つを誘導コイルループの中へ位置決めするステップと、交流電流を誘導コイルループに提供するステップと、誘導コイルループの中に位置付けされているチタンコンポーネントを熱処理するステップと、熱処理の温度を監視するステップとを含む。

本発明の実施形態が、以下の説明図に図示されている。

例示的なタービンエンジンの側部断面図である。 例示的な溶接線を備えるエンジンコンポーネントの一実施形態の側面図である。 熱管理ツールの下側斜視図である。 図３の例示的な熱管理ツールの分解斜視図である。 図３の熱管理ツールの上側斜視図である。 ツールの中のキャビティーを示すために一部分が除去されている、図３の例示的な熱管理ツールの斜視図である。 例示的なブリスクの上に位置付けされている熱管理ツールの斜視図である。 熱処理ツールの代替的な実施形態の斜視図である。 図８の実施形態の熱処理ツールの詳細斜視図である。

ここで、提供されている実施形態を詳細に参照すると、その１つまたは複数の例が、図面に図示されている。それぞれの例は、開示されている実施形態の限定としてではなく、説明として提供されている。実際に、本実施形態において、本開示の範囲または精神から逸脱することなく、様々な修正および変形を行うことが可能であるということが、当業者に明らかになることとなる。たとえば、一実施形態の一部分として図示または説明されている特徴は、別の実施形態とともに、さらなる実施形態をさらに生み出すために使用することが可能である。したがって、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲の中に入るものとして、本発明が、そのような修正例および変形例を包含するということが意図されている。

図１〜図９を参照すると、局所熱処理および熱管理システムの様々な実施形態が、様々な図に示されている。熱管理システムは、固相抵抗溶接に続いて冷却速度が制御されることを可能にし、熱的サイクルを通してワークピース全体を設置することを回避する。熱管理システムは、ワークピースの冷却速度を遅らせ、ワークピースの残部を通した熱伝達を抑制しながら、修理されたエーロフォイルの中に、最適な微細構造および機械的な特性を提供する。局所的な熱処理プロセスおよび装置は、局所的な場所において、熱処理を提供する。

本明細書で使用されているように、「軸線方向の」または「軸線方向に」の用語は、エンジンの長手方向軸線に沿った寸法を表している。「軸線方向の」または「軸線方向に」と併用して使用される「前方」の用語は、エンジン入口部、または、別のコンポーネントと比較して相対的にエンジン入口部の近くにあるコンポーネントに向かう方向に移動することを表している。「軸線方向の」または「軸線方向に」と併用して使用される「後方」の用語は、エンジンノズル、または、別のコンポーネントと比較して相対的にエンジンノズルの近くにあるコンポーネントに向かう方向に移動することを表している。

本明細書で使用されているように、「半径方向の」または「半径方向に」の用語は、エンジンの中心長手方向軸線と外側エンジン周囲部との間に延在する寸法を表している。「近位」または「近位に」の用語の使用は、それ自体によって、または、「半径方向の」または「半径方向に」の用語と併用して、のいずれかによって、中心長手方向軸線、または、別のコンポーネントと比較して相対的に中心長手方向軸線の近くにあるコンポーネントに向かう方向に移動することを表している。「遠位」または「遠位に」の用語の使用は、それ自体によって、または、「半径方向の」または「半径方向に」の用語と併用して、のいずれかによって、外側エンジン周囲部、または、別のコンポーネントと比較して相対的に外側エンジン周囲部の近くにあるコンポーネントに向かう方向に移動することを表している。

最初に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０の概略側部断面図が、エンジン入口端部１２を有するように示されており、空気が、推進器に進入し、推進器は、一般的に、圧縮機１４、燃焼器１６、および多段高圧タービン２０によって画定されている。集合的に、推進器は、動作の間に、推進力または動力を提供する。ガスタービン１０は、航空、発電、産業用、船舶などのために使用することが可能である。使用法に応じて、エンジン入口端部１２は、代替的に、ファンというよりもむしろ多段圧縮機を含有することが可能である。ガスタービン１０は、エンジン軸線２６またはシャフト２４に関して軸対称であり、様々なエンジンコンポーネントが、その周りに回転するようになっている。動作時に、空気は、エンジン１０の空気入口端部１２を通って進入し、少なくとも１つの圧縮段を通って移動し、少なくとも１つの圧縮段において、空気圧力が増加させられ、燃焼器１６へ方向付けされる。圧縮空気は、燃料と混合させられ、燃焼させられ、高温燃焼ガスを提供し、高温燃焼ガスは、燃焼器１６を出ていき、高圧タービン２０に向かう。高圧タービン２０において、エネルギーが、高温燃焼ガスから取り出され、タービンブレードの回転を引き起こし、次いで、タービンブレードの回転が、シャフト２４の回転を引き起こす。シャフト２４は、エンジンのフロントに向かって通過し、タービン設計に応じて、１つまたは複数の圧縮機段１４、ターボファン１８、または入口ファンブレードの回転を継続させる。

軸対称のシャフト２４が、前方端部から後方端部へタービンエンジン１０を通って延在している。シャフト２４は、その長さに沿って軸受によって支持されている。シャフト２４は、その中での低圧タービンシャフト２８の回転を可能にするように、中空にすることが可能である。両方のシャフト２４、２８は、エンジンの中心線軸線２６の周りに回転することが可能である。動作の間に、シャフト２４、２８は、たとえば、動力、産業用、または航空などの使用領域に応じて、動力または推進力を生成させるために、タービン２０および圧縮機１４のローターアッセンブリなどのようなシャフトに接続されている他の構造体とともに回転する。

さらに図１を参照すると、入口部１２は、複数のブレードを有するターボファン１８を含む。ターボファン１８は、シャフト２８によって低圧タービン１９に接続されており、タービンエンジン１０のために推進力を生成させる。また、エンジンのコンポーネントを冷却することを支援するために、低圧空気を使用することが可能である。

ここで、図２の例示的なエンジンコンポーネントまたはワークピース３１の側面図を参照する。例示的なコンポーネントが、ブレードまたはエーロフォイルとして示されている。ブレードは、前縁部ＬＥ、後縁部ＴＥ、および、それらの間に延在する正圧側面または負圧側面となる表面を有するように示されている。正圧側面および負圧側面のうちのもう一方は、この図には示されていない。コンポーネント３１は、表面に沿って延在する２つの線とともに示されている。第１の斜めの線３３は、約４５度（４５°）で示されており、それは、ブレードの後縁部および先端部の摩耗を示している。したがって、この線３３は、除去されて溶接によって交換され得るコンポーネント３１の小さい先端部部分を示しており、そこでは、熱管理の実施形態が利用され得る。さらに、ブレード先端部またはブレード部分が交換されると、熱処理プロセスを利用することが可能であり、ブレード溶接領域の応力が緩和される。第２の水平方向の線３５は、前縁部と後縁部との間に延在している。また、この第２の水平方向の線は、この線に沿って、損傷を受けたブレードが、新しいブレード部分セグメントとの交換のために切断され得る線を示している。この実施形態によれば、半径方向に外側の半分が、交換部分をその上に溶接することによって交換される。損傷を受けた部分の切断および除去の後に続いて、新しい部分は、従来の融接または固相抵抗溶接（ＳＳＲＷ）によって、ブレードの残りの部分の上に溶接されている。ＳＳＲＷが利用される場合には、熱管理ツール３０を利用することが可能である。従来の融接またはＳＳＲＷに続いて、ブレードおよび溶接は、後続のステップにおいて、局所的に熱処理され得る。

ここで図３を参照すると、ＳＳＲＷ熱処理ツール３０の下側斜視図が示されている。下側の用語が使用されているが、ツール３０は、ワークピース３１がどのように装着されるかということに応じて、および、ツール３０がどこに接続されているかということに応じて、様々な配向に配設させることが可能であるということが留意されるべきである。ツール３０は、一般的に、第１のワークピース受け入れセクション３２と、第２のワークピース受け入れセクション３４とを含む。これらのセクション３２、３４は、ワークピース３１の一部分を一緒に把持するようになる。第２のツール（図示せず）は、ワークピースの代替的な部分を保持し、それに、ワークピース３１が、接合されることとなる。図に示されている非限定的な例によれば、ワークピースは、ブレードまたはエーロフォイルであり、それは、ブリスクの中で利用されるか、または、ディスクもしくはドラムに対して機械的に取り付けるブレードであることが可能である。様々な代替的なタイプのワークピースを、熱処理ツール３０とともに利用することが可能である。たとえば、ブリスク、ファンブレード、ファンブリスク、タービンブレードおよび静翼、ケース、フレーム、回転スペーサー、ならびにシールは、すべて利用することが可能である。ワークピース受け入れセクション３２、３４は、ワークピースに適正に働きかけて熱を加えるために、様々な形状の一部分を受け入れるように形状を変化させることが可能である。ツール３０は、１つのワークピース３１を把持することとなり、隣接するワークピースが、第２のツールによって把持され、２つのツールが、溶接および熱処理プロセスの間に、たとえば固定具によって、隣接する位置に把持され得るようになっている。

ワークピースは、様々なタイプのエンジンコンポーネントとすることが可能である。説明の目的のために、本実施形態では、エーロフォイルまたはブレードが示されている。しかし、これは、ワークピースに関して限定する形状として考えられるべきではない。ブレードは、エーロフォイル前縁部と後縁部との間に延在する正圧側面および負圧側面を含むことが可能である。

第１のワークピース受け入れセクション３２および第２のワークピース受け入れセクション３４のそれぞれは、セクション３２、３４の中へ延在する抵抗加熱エレメント４０を含む。また、複数のスリット４２が、溶接電極の一部分を画定し、ツール３０の上側電極表面に沿って示されており、それは、本明細書でさらに説明されることとなるように、溶接のための均一なクランピング圧力、電流フロー、およびヒートシンクを提供するように利用される。加熱エレメント４０は、溶接プロセスに続くワークピースの冷却速度を制御するために、補助的な予熱、後熱、または、その両方を提供する。また、これは、ワークピース全体を加熱することとは対照的に、局所的な様式で、選択された場所のより制御された加熱および冷却を可能にする。

抵抗加熱エレメント４０に隣接しているのは、ツール３０のための断熱材５０の層である。断熱材５０は、ツール３０を通る熱伝達を限定し、したがって、熱処理を局所化することを支援する。また、断熱材５０は、３６、３８の溶接電極部分をクランプ４８から分離し、クランプ４８が電気を通され、ブロック３６、３８に結合しないようになっている。最後に、断熱材は、ツール３０の加熱される部分を、ツールの冷却される部分から分離する。

ワークピース受け入れセクション３２、３４のそれぞれの中へ延在しているのは、一対の流体冷却チューブ６０、６２である。チューブ６０、６２は、ツール３０の一部分に流体連通している。たとえば、一実施形態によれば、チューブ６０、６２は、ツール３０の２つの側部の中へ圧入されている。具体的には、チューブ６０、６２は、ソケット７３の中に位置付けされている（図４）。このソケットの中に、ツールの中への通路、および、次いで、この対のチューブ６０を通して戻る通路がある。同じプロセスが、チューブ対６２の中で行われる。チューブ６０、６２は、様々なタイプの流体で充填することが可能であり、様々なタイプの流体は、シールディング不活性ガス、または、冷却水もしくは他の熱管理流体などのような液体を含むが、それに限定されない。流体冷却チューブ６０、６２は、熱条件を管理するさらなる手段として、ツールの冷却される部分の温度を、事前選択された温度に、または、温度範囲の中に維持する。断熱材５０と同様に、冷却チューブ６０、６２は、ツール３０を通る熱の広がりを抑制することを助け、したがって、熱処理を局所化することを支援する。追加的に、冷却流体は、冷却の速度を低減させることを支援する。たとえば、流体移動の速度を増加または低減させることによって、ワークピースの冷却の速度も調節することが可能である。このツール３０の冷却される部分は、溶接から間隔を置いて配置され、ワークピース３１に接触しており、ワークピースのこの部分を冷却し、ワークピースの残部を通り、それを越えて、たとえばディスクへの熱の広がりを抑制する。

ここで図４を参照すると、熱処理ツール３０の分解斜視図が示されている。この分解図において、ツール３０のコンポーネントをより容易に説明することが可能である。第１のワークピース受け入れセクション３２は、第１のヒーターブロック３６を含み、第１のヒーターブロック３６は、装着ブロック４６に沿って、ワークピース３１に対抗する位置に保持される。ヒーターブロック３６、３８は、概してＵ字形状であり、冷却クランプ４８を受け入れるように反転されている。ヒーターブロック３６、３８は、２つの機能を有している。第１に、そのパーツは、ワークピース３１の溶接の間に電極として作用する。また、第２に、ヒーターブロック３６、３８は、溶接されるワークピースを予熱または後熱するために使用され、ワークピースの冷却速度を制御するようになっている。

それぞれの冷却クランプ４８は、装着ブロック４６に対する位置に第１のヒーター３６を保持する。クランプ４８は、第１および第２のヒーター３６、３８のチャネル４９を通して位置付けされており、装着ブロック４６に接続および整合させられ得る。クランプ構造体４８のそれぞれは、湾曲した表面７０を有し、ワークピース３１表面を近似し、ワークピース３１表面に適合する。本実施形態では、ワークピース３１は、エーロフォイルとして示されている。したがって、ワークピース３１に係合しているクランプ４８の湾曲した表面７０は、例示的なエーロフォイルの正圧側面または負圧側面のいずれかを近似している。しかし、他のエンジンコンポーネントまたはワークピース３１を、本開示にしたがって利用することが可能である。湾曲した表面７０は、耐熱材料から形成させることが可能である。

図に示されているように、スリット４２は、第１および第２の電極３６、３８の下側表面から延在しており、輪郭成形された表面８２に沿って、ヒーターブロック３６、３８の上部へ、上向きに継続している。スリット４２は、金属ヒーターブロック３６、３８がワークピース３１の形状に適合することを可能にし、加熱および冷却プロセス、膨張および収縮が起こることをさらに可能にする。表面８２は、ワークピースが係合する作業表面を提供するように輪郭成形されている。表面８２は、硬化材料または耐熱材料から形成させることが可能である。スリット４２によって可能にされる輪郭がなければ、ワークピース３１の表面全体は、ヒーターブロック３６、３８に接触することにならない。また、スリット４２は、ワークピース３１の２つの部分をＳＳＲＷ接合するのに必要な溶接熱を提供する電気リード線を保持する。スリット４２の中に配設され、この領域を通って延在するリード線は、処理が起こることとなる領域に局所的な加熱を提供する。ブロック３６、３８のスリット４２領域は、パーツを接合させるために溶接熱を提供する。追加的に、また、スリット領域は、冷却を遅らせるためにパルスタイプ電流をパーツに提供することによって、冷却を遅らせるように使用され得る。

クランプ４８のそれぞれは、装着ブロック４６の中の開口部７４に整合する複数のアライメント開口部７２を含む。ダウエル、ロッド、締結具、または、他のそのような構造体が、これらの開口部を通して位置決めされ、装着ブロックとともにクランプを保持し、次にワークピースに対して、第１および第２のヒーターブロック３６、３８を一緒に保持することが可能である。

また、第１および第２のヒーターブロック３６、３８は、抵抗ヒーター４０のためのキャビティー７８を提供している（図６）。発熱エレメント４１が、破線で示されており、ヒーター３６、３８の内部のキャビティーの中に位置付けされている。抵抗ヒーター４０は、一般的に、ヒーターブロック３６、３８の機外側部から、チャネル４９を通して内向きに、および、ループ発熱エレメント４１を形成するブロック３６、３８の中へ上向きに延在している。ループ４１は、ワークピース３１の熱管理のために熱を提供する。ヒーター４０は、ワークピース３１を溶接する前に、または、ワークピース３１を後熱する前に、予熱するために使用することが可能である。後熱プロセスは、冷却の速度を遅らせるために行われ、埋め込まれている抵抗ヒーター４０によって達成させることが可能であり、抵抗ヒーター４０は、溶接マシン電力供給部と連動して使用されており、溶接マシン電力供給部は、溶接電極３６を通して、より高い電流で行われる溶接が終わった直後に、より低いレベルの制御された電流フローを加えることが可能である。たとえば、スリット４２における溶接電極は、冷却の速度を低減させるための期間の間に溶接に必要なものよりも低い電流レベルで、パルスを発生させることが可能である。これは、ヒーター電極４０に加えて、または、ヒーター電極４０から分離して行われ、冷却の速度を制御することが可能である。したがって、抵抗ワイヤー４０は、冷却プロセスを遅らせるブロックを加熱するために、抵抗溶接マシンに関連付けされていない二次的な電源から電流を受けることが可能である。溶接されたワークピース３１の冷却速度は、約２０００°Ｆ／秒と同じ程度の高さとすることが可能である。いくつかの合金に関して、おおよそ２０００°Ｆおよび１５００°Ｆの範囲の中で、および、より具体的には、２０００°Ｆおよび約１７００°Ｆの範囲の中で、この速度を、おおよそ５０〜７０°Ｆ／秒未満まで低減させることが望ましいこととなる。抵抗ヒーター４０は、クランプ４８の上側部分の中のチャネル７６を通して外向きに延在し、図６に示されているように、ブリスクまたはドラムの隣接するブレードを避けるように曲がることが可能である。

断熱材エレメントまたは断熱体５０が、冷却クランプ４８とヒーターブロック３６、３８との間で、クランプ４８の上方に位置付けされている。断熱材５０は、ヒーター４０、ブロック３６、３８が、望ましくない様式でクランプ４８を加熱することを抑制する。したがって、熱が、ヒーターブロック３６、３８、および、ワークピース３１の局所領域に限定され、局所的な加熱が、ワークピースだけに影響を与えるようになっている。そのうえ、ヒーターブロック３６、３８の熱は、クランプ４８へ移動することが制限され、それは、ワークピース３１の隣接する部分を冷却している。

流体冷却チューブ６０、６２は、クランプ構造体４８を通るソケット７３を通って、クランプ４８の中へ延在するように示されている。流体冷却チューブは、ツール３０のための熱管理の手段を提供する。液体またはガスの形態などのような流体が、クランプ４８に連通するように利用され得る。冷却することは、ヒーターブロック３６、３８が冷却クランプ４８を加熱することを抑制する。クランプがより低温に保たれると、ヒーターブロック３６、３８からの熱は、溶接が行われている場所に隣接したワークピース３１の一部分を金属学的に変化させることを抑制される。

ここで図５を参照すると、ツール３０の上側斜視図が示されている。ツール３０は、底部から、組み立てられた状態で示され、装着ブロック４６との端部３６、３８の係合を示している。複数の開口部４７は、装着ブロック４６の中に位置付けされており、それは、力がワークピース３１（図３）に加えられることを可能にし、ワークピースの一部分が一緒に溶接され得るようになっている。当業者が理解することとなるように、力および熱を加えることによって、溶接が行われる。

ここで図６を参照すると、ツール３０の斜視図が示されている。ツールは、分解された流体冷却チューブ６０および抵抗ヒーター４０とともに示されている。冷却流体チューブが除去され、抵抗ヒーターが除去され、ツール３０の第２の端部部分を加熱することを可能にする第２の端部３８の中のキャビティー７８を明らかにしている。１つのキャビティー形状が示されているが、代替的な形状を利用することも可能である。これは、ヒーターブロック３６、３８の形状に部分的に依存することとなり、ヒーターブロック３６、３８の形状は、ワークピースの形状に依存する。

ここで図７を参照すると、ツール３０の斜視図が、ディスクの上の位置に示されている。これは、ブリスク、または、機械的に取り付けられているブレードを伴うディスク３９であることが可能である。ヒーターブロック３６、３８、クランプ４８、および装着ブロック４６が、溶接されているワークピースまたはコンポーネント３１の周りに位置付けされている。追加的に、溶接プロセスの間に、熱が、ワークピースの加熱されていない部分を通して消散することを制限される。冷却チューブ６０は、クランプ４８のうちの１つを冷却するためにツール３０の中へ延在するように示されている。冷却チューブは、ヒーターブロック３８の反対側に位置することが可能である。また、ヒーター４０は、ヒーターブロック３６の中へ延在するように示されている。断熱体５０が、クランプ４８とヒーターブロック３６との間に示されている。ツール３０は、熱がディスクを通して消散することを防止し、熱がディスクを通して消散することは、極めて緊密な公差を必要とするディスクの一部分を損傷させることとなり、極めて緊密な公差は、溶接の領域で発生する温度まで加熱させられる場合には、変化することとなる。また、述べられることとなるように、アッセンブリは、２つのツール３０を利用する。第１のツール３０は、ディスクに接続されているエンジンコンポーネントの一部分に係合している。第２のツール３０は、第１のツールの半径方向外向きに配設されており、第１のツールの中のコンポーネントに溶接される交換コンポーネントを保持する。

動作時に、ワークピース３１は、第１のヒーターブロック／電極３６および第２のヒーターブロック３８のうちの少なくとも１つの中に配設されている。本実施形態によれば、溶接シームが、ワークピース全体の周りに延在しており、したがって、両方のヒーターブロック／電極が利用され、溶接線全体が熱処理され得るようになっている。ヒーターブロック３６、３８は、装着ブロック４６および冷却クランプ４８に隣接して位置付けされている。ダウエル、ロッド、締結具、または、他の構造体が利用され、開口部７２、７４を通して、クランプ４８を装着ブロック４６に接続し、ヒーターブロック３６、３８を適切な場所に保持することが可能である。断熱体５０は、ヒーターブロック３６、３８とクランプ４８との間に位置付けされている。

次に、冷却チューブ６０、６２は、流体供給源に接続されており、流体が、クランプ４８の中へ流れ得るようになっている。流体は、液体またはガスとすることが可能であり、ヒーターブロック３６、３８に接触していないワークピースの部分がヒートシンクにならないようにする。これは、ワークピース３１およびディスク３９の溶接されていない部分の中の金属学的な変化を制限する。

ツール３０がワークピースとともに構築されると、抵抗ヒーター４０が活性化させられる。冷却流体は、２つの機能を果たす。流体は、直接的に加熱されていない領域において、ワークピース３１をより低温に維持する。追加的に、冷却流体は、ワークピースの加熱されていない部分、および、ブリスクまたはディスクなどのような他のピースが、ヒートシンクになることを抑制する。熱処理がワークピースのそれらのコンポーネントに悪影響を与えないように、冷却の速度が遅くさせられる。溶接プロセスが完了した後に、抵抗器４０を加熱することすることによって、もしくは、溶接電極３６、３８を通して電流を流すことによって、または、その両方によって、冷却速度は、追加的に遅くさせられ、したがって、ワークピースがあまりに急速に冷却されることを防止することが可能である。

ここで図８を参照すると、熱処理ステーション１３０が、斜視図で示されている。本実施形態では、ブレード付きのディスク３９が、固定具１３２の中に装着されて示されている。ブレードまたはワークピース１３１は、中央ハブから延在し、以前の実施形態と同様に、ディスクとともに形成されている可能性があり、または、機械的に取り付けられている可能性がある。

固定具１３２に隣接して、ステーション１３０は、装着具１４０を含む。装着具１４０は、上向きに延在しているが、同様に、様々な方向に延在することも可能である。装着具１４０の上部において、誘導加熱ステーション１４２が位置付けされている。ステーション１４２は、外向きに延在する誘導コイル１４４を含む。コイル１４４は、ループ１４６を形成しており、ブレード１３１の先端部が、その中に位置付けされている。

図２を参照して述べられているように、ブレードは、たとえば、大部分で溶接されるか、または、線３３で示されているような先端部において溶接され得る。この後者の例が示されているが、他の例が提供され得るので、非限定的である。再び図８を参照すると、ブレード１３１の先端部は、大半が除去されている。しかし、誘導コイル１４４の最も近くでは、先端部は、説明の目的のために適切な位置で溶接されるように示されている。

ブレード先端部１３３がブレード１３１の上に配設されると、これらの溶接線は、熱処理されなければならない。熱処理は、ブレードの応力緩和を提供する。しかし、局所的な熱処理は、全体部分のうちの溶接修理された領域だけに、酸化またはαケースのビルドアップを抑制するために望ましい。たとえば、チタンベースの材料を用いた場合に、熱処理は、先述のように、金属の上にαケースビルドアップを引き起こす可能性があり、それは、稼働前に除去されなければならない。

熱処理ステーション１３０は、溶接先端部１３３との接合部におけるブレードの特定の溶接領域の選択された熱処理を可能にする。このように、ブレード１３１の全体が、熱処理される必要はない。その代わりに、応力緩和を必要とするブレードの部分、すなわち、溶接修理される領域が、熱処理され得る。追加的に、熱処理プロセスの副作用は、ブレードおよびディスクの残部に影響を与えない。

ここで図９を参照すると、コイル１４４の詳細斜視図が、先端部１３３が誘導コイル１４４を通過している状態で示されている。内部が水で冷却されるコイルは、たとえば、銅などのような伝導性金属から形成されている。プロセスは、交流電流を循環させ、コイル１４４によって囲まれたスペースの中に強力な磁界を生成させることを伴う。磁界からの渦電流が、ワークピース１３１の中にあり、電流の方向は、金属ワークピース１３１の抵抗性と反対である。結果として、ワークピース１３１だけが、高温になることとなり、コイルがワークピース１３１に近づけば近づくほど、温度は高くなることが可能である。ワークピース１３１の薄い材料厚さの造りに起因して、誘導熱処理プロセスは、応力緩和に非常に適している。先端部１３３に隣接して示されているように、コンポーネント１３１は、タブ１３５をさらに含み、タブ１３５は、溶接プロセスの間の始端（ｒｕｎ ｏｎ）および終端（ｒｕｎ ｏｆｆ）のために過剰材料を提供する。タブ１３５は、局所熱処理の間ではないが、溶接の間のヒートシンクを提供することが可能である。このプロセスにおける温度は、一般的に、先述の熱管理プロセスに関与する溶接プロセスのものよりも低い。

また、図９に示されているのは、閉じたループの温度制御のためのパイロメーター１５０である。パイロメーター１５０は、コイル１４４の中に配設されているコンポーネント１３１の温度を検出する赤外線スポットパイロメーターとすることが可能である。このように、温度を監視することが可能であり、データが、プログラマブルコントローラーへフィードバックされ、適当なランプアップ（ｒａｍｐ ｕｐ）およびランプダウン（ｒａｍｐ ｄｏｗｎ）、加熱速度、加熱温度および時間、ホールディング、冷却速度、ならびに、停止を決定することが可能である。これは、溶接されたエンジンコンポーネントの中に生じた応力緩和を自動的に制御する。閉じたループのシステムを用いて、適正な熱処理のために、温度および時間が制御される。

構造および方法の先述の記載は、説明の目的のために提示されてきた。それは、包括的であることを意図しておらず、または、開示されている厳密なステップおよび／または形態に本発明を限定することを意図しておらず、上記の教示を考慮して、明らかに多くの修正例および変形例が可能である。本明細書で説明されている特徴は、任意の組み合わせに組み合わせることが可能である。本明細書で説明されている方法のステップは、物理的に可能な任意のシーケンスで実施することが可能である。局所熱処理プロセスおよび装置の特定の形態が、図示および説明されてきたが、それは、それに限定されず、その代わりに、それに添付されている特許請求の範囲だけによって、限定されることとなるということが理解される。

複数の本発明の実施形態が、本明細書で説明および図示されてきたが、当業者は、機能を実施するために、ならびに／または、結果および／もしくは本明細書で説明されている利点のうちの１つまたは複数を得るために、様々な他の手段および／または構造体を容易に想像することとなり、そのような変形例および／または修正例のそれぞれは、本明細書で説明されている実施形態の発明の範囲の中にあるとみなされる。より一般的に、当業者は、本明細書で説明されているすべてのパラメーター、寸法、材料、および構成が、例示的なものであるということを意味しているということ、ならびに、実際のパラメーター、寸法、材料、および／または構成が、特定の用途、または、本発明の教示が使用される用途に依存することとなるということを、容易に理解することとなる。当業者は、単なる日常的な実験を使用して、本明細書で説明されている特定の本発明の実施形態に対する多くの均等物を認識し、または、確認することができることとなる。したがって、先述の実施形態は、単なる例として提示されているということ、および、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲の中で、本発明の実施形態は、具体的に説明されて特許請求されているものとは異なるように実施され得るということが、理解されるべきである。本開示の本発明の実施形態は、本明細書で説明されているそれぞれ個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象としている。加えて、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾していなければ、本開示の本発明範囲の中に含まれる。

最良の形態を含む実施形態を開示するために、例が使用されており、また、任意の当業者が、装置および／または方法を実施すること（これは、任意のデバイスまたはシステムを作製すること、使用すること、および、任意の組み込まれた方法を実施することを含む）を可能にする。これらの例は、包括的なものであることを意図しておらず、または、開示されている厳密なステップおよび／または形態に本開示を限定することを意図しておらず、上記の教示を考慮して、多くの修正例および変形例が可能である。本明細書で説明されている特徴は、任意の組み合わせで組み合わせることが可能である。本明細書で説明されている方法のステップは、物理的に可能な任意のシーケンスで実施することが可能である。

本明細書で定義および使用されているようなすべての定義は、辞書による定義、参照により組み込まれる文献における定義、および／または、定義される用語の通常の意味を支配するように理解されるべきである。本明細書および特許請求の範囲の中で使用されているように、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、反対のことが明確に示されていない限り、「少なくとも１つの」を意味するように理解されるべきである。本明細書および特許請求の範囲の中で使用されているように、語句「および／または」は、そのように等位接続されたエレメント、すなわち、いくつかのケースでは接続するように提示され、他のケースでは分離するように提示されるエレメントの「いずれかまたは両方」を意味するように理解されるべきである。

また、反対のことが明確に示されていない限り、２つ以上のステップまたは作用を含む本明細書で特許請求されている任意の方法において、方法のステップまたは作用の順序は、必ずしも、方法のステップまたは作用が記載されている順序に限定されないということが理解されるべきである。

特許請求の範囲において、および、上記の明細書において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「担持する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「把持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「からなる（ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ）」などのような、すべての移行句は、開放型であり、すなわち、それに限定されないが含むということを意味していると理解されるべきである。「から構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」および「から実質的に構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」の移行句だけは、米国特許審査便覧第２１１１．０３節に記載されているように、それぞれ、閉鎖型の移行句、または半閉鎖型の移行句であるべきである。

１０ ガスタービンエンジン
１２ エンジン入口端部、空気入口端部
１４ 圧縮機、圧縮機段
１６ 燃焼器
１８ ターボファン
１９ 低圧タービン
２０ 高圧タービン
２４ シャフト
２６ エンジン軸線、中心線軸線
２８ 低圧タービンシャフト
３０ 熱管理ツール、熱処理ツール
３１ ワークピース、コンポーネント
３２ 第１のワークピース受け入れセクション
３３ 第１の斜めの線
３４ 第２のワークピース受け入れセクション
３５ 第２の水平方向の線
３６ 第１のヒーターブロック、第１のヒーター、第１の電極、溶接電極、端部
３８ 第２のヒーターブロック、第２のヒーター、第２の電極、溶接電極、端部
３９ ディスク
４０ ヒーター電極、抵抗加熱エレメント、抵抗ヒーター、抵抗ワイヤー、抵抗器
４１ ループ発熱エレメント
４２ スリット
４６ 装着ブロック
４７ 開口部
４８ 冷却クランプ、クランプ構造体
４９ チャネル
５０ 断熱体、断熱材
６０ 流体冷却チューブ
６２ 流体冷却チューブ
７０ 湾曲した表面
７２ アライメント開口部
７３ ソケット
７４ 開口部
７６ チャネル
７８ キャビティー
８２ 輪郭成形された表面
１３０ 熱処理ステーション
１３１ ブレード、ワークピース、コンポーネント
１３２ 固定具
１３３ ブレード先端部、溶接先端部
１３５ タブ
１４０ 装着具
１４２ 誘導加熱ステーション
１４４ 誘導コイル
１４６ ループ
１５０ パイロメーター

Claims (14)

1. エンジンコンポーネントを熱処理する方法であって、
   エンジンコンポーネントの第１の部分を、前記エンジンコンポーネントの前記第１の部分の第２の部分の上に溶接するステップと、
   熱処理ステーションにおいて、固定具の中に前記エンジンコンポーネントを位置決めするステップと、
   前記第１の部分および前記第２の部分のうちの少なくとも１つを誘導コイルの中に位置決めするステップと、
   前記コイルに電流を加えるステップと、
   前記第１の部分および前記第２の部分のうちの前記少なくとも１つを熱処理するステップと
   を含む、エンジンコンポーネントを熱処理する方法。
2. 前記エンジンコンポーネントが、ブレード先端部である、請求項１記載の方法。
3. 前記エンジンコンポーネントが、ブレードセグメントである、請求項１記載の方法。
4. 前記誘導コイルの温度を制御することをさらに含む、請求項１記載の方法。
5. 前記制御することが、パイロメーターを前記エンジンコンポーネントに向けることを含む、請求項４記載の方法。
6. 赤外線ビームを前記エンジンコンポーネントに方向付けする、請求項５記載の方法。
7. コントローラーに温度読値を提供するためにフィードバックループをさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 前記エンジンコンポーネントの前記熱処理の自動化された始動、ランピング、ホールディング、および停止をさらに含む、請求項７記載の方法。
9. 前記固定具を回転させることをさらに含む、請求項１記載の方法。
10. 後続のエンジンコンポーネントを前記誘導コイルに係合させることをさらに含む、請求項９記載の方法。
11. エンジンコンポーネントを熱処理する方法であって、
    複数のチタンコンポーネントを有するディスクを固定具に接続するステップと、
    前記チタンコンポーネントのうちの１つを誘導コイルループの中へ位置決めするステップと、
    交流電流を前記誘導コイルループに提供するステップと、
    前記誘導コイルループの中に位置付けされている前記チタンコンポーネントを熱処理するステップと、
    前記熱処理の温度を監視するステップと
    を含む、エンジンコンポーネントを熱処理する方法。
12. 前記監視するステップの温度読値に基づいて、前記熱処理を終了させることをさらに含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記固定具の上にパイロメーターを装着することをさらに含む、請求項１１記載の方法。
14. 前記パイロメーターおよびコントローラーによって、様々な態様の熱処理を制御することをさらに含む、請求項１３記載の方法。