JP2016500136A - 中空チタンファンブレードのアルミニウムろう付け - Google Patents

Abstract

ファンブレードは、アルミニウム合金ろう付け材で相互に固定された第１および第２のチタン部分を含む。ファンブレードを製造する方法は、第１および第２のチタン部分を提供し、第１および第２のチタン部分のうちの少なくとも１つにアルミニウム合金ろう付け材を適用し、ファンブレードを加熱して、アルミニウム合金ろう付け材を溶融させ、第１および第２の部分を相互に結合して、エアフォイル外側輪郭を持つファンブレードを提供する、ことを含む。

Description

本開示は、中空ファンブレード、およびそのろう付け方法に関する。

チタン基合金は、航空宇宙産業における構造用途に広く使用される。これらの合金は、アルミニウム合金と比較して、優れた疲労特性、侵食の便益を提供し、鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金と比較して軽量である。大幅な軽量化は中実チタン部品を用いて達成することができるが、より一層の軽量化が中空構造を使用して達成することができる。

複雑なエアフォイル形状、特に中空ファンブレード（ｈｏｌｌｏｗ ｆａｎ ｂｌａｄｅ）（ＨＦＢ）を創作することは困難である。中空チタンファンブレードは、典型的には、中立軸上で２枚の機械加工された空洞を含むプレートを拡散接合し、接合アッセンブリを熱間成形し、膨張させ、複雑な金型内でその最終形状を実現し、最後に、ブレードの表面を後熱処理して、どのような表面汚染をも除去することによって、作製される。部品経費の多くが、複雑な接合および成形工程によって発生する。

中空のチタン構造を結合するための慣行は、チタン−ニッケル−銅合金でのろう付け、または拡散接合による。アルミニウムでのチタンのろう付けは何十年も使用されるが、必要とされる時間および温度の範囲は非常に限られている。これは、（工業生産）ラインおよび温度が適切に制御されていない場合、アルミニウムおよびチタンが、結合界面で脆弱な金属間化合物相を形成するという事実に起因する。

例示的な一実施例では、ファンブレードは、アルミニウム合金ろう付け材で相互に固定された第１および第２のチタン部分を含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、第１のチタン部分は、鍛造によって提供される。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、第１のチタン部分は、機械加工されたリブを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、機械加工されたリブは弓形形状を有するアンダーカットを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、第２のチタン部分は、カバーを提供する熱間成形シートである。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、ファンブレードは、第１のチタン部分によって画定されるブレード根元を有する。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、ファンブレードは、第１のチタン部分によって画定されるブレード先端を有する。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、カバーは、エアフォイルの一側面を提供する。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、第１のチタン部分は、ファンブレードの前縁および後縁を画定する、対向する第１および第２の縁部を含む。

別の例示的な実施例では、ファンブレードを製造する方法は、第１および第２のチタン部分を提供し、第１および第２のチタン部分のうちの少なくとも１つにアルミニウム合金ろう付け材を適用し、ファンブレードを加熱して、アルミニウム合金ろう付け材を溶融させ、第１および第２の部分を相互に結合して、エアフォイル外側輪郭を持つファンブレードを提供する、ことを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、第１のチタン部分を鍛造するステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、第１のチタン部分を機械加工するステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、機械加工ステップの前に、アルミニウム合金ろう付け材を適用するステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、第２のチタン部分を押圧して、エアフォイルの側面を提供するカバーを作製するステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、カバーを酸洗いするステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、カバーを酸洗いした後で、アルミニウム合金ろう付け材を適用するステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、加熱ステップを行う前に、第１および第２のチタン部分をバッグに入れるステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、加熱ステップの前に、バッグをパージするステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、方法は、加熱ステップ中に、バッグを真空に引くステップを含む。

上記のうちのいずれかのさらなる実施例では、第１のチタン部分は、根元、先端、ならびにエアフォイル外側輪郭の前縁および後縁を提供する。

例示的なろう付けしたチタンファンブレードの斜視図。 線２Ａ−２Ａに沿った、図１に示すファンブレードの断面図。 図２Ａに示すファンブレードの一部分の分解拡大図。 ファンブレードのための例示的な製造方法を示す流れ図。 ろう付け工程を概略的に示す図。

本開示は、添付の図面に関連して考慮する場合に、次の詳細な説明を参照することによってさらに理解することができる。

ファンブレード１０を図１および図２に概略的に示す。ファンブレード１０は、先端１６に延在するエアフォイル１４を支持する根元１２を含む。第１のチタン部分１８および第２のチタン部分２０を相互にろう付けして、ファンブレード１０の外側輪郭２２を提供する。

実施例では、材料２４を除去するために機械加工した鍛造済み素材によって第１のチタン部分１８を提供する。ファンブレードの構造的完全性を提供し、ブレードの疲労寿命を確保し、かつエアフォイルカバー２０を支持しながらも軽量化するために、弓形形状を持ち、かつ第１のチタン部分１８の内部にあるアンダーカット２８を有するリブ２６を提供する。第１のチタン部分１８によって、根元１２およびエアフォイル１４の一側面、併せて先端１６を提供する。また第１の部分１８によって、ファンブレードの前縁１７および後縁１９を画定する第１および第２の縁部を提供する。

第２のチタン部分２０によって、ろう付け材３４で第１のチタン部分１８の内部上に固定されたカバーを提供する。チタンカバーは、チタン鍛造物とのその熱膨張整合、アルミニウムと比較して秀でているその耐食性、アルミニウムと比較して向上したその剛性、アルミニウムと比較して向上したその耐侵食性、およびアルミニウムと比較して向上したその異物破片／衝撃耐性のために使用されることになる。

第１のチタン部分１８および第２のチタン部分２０によってそれぞれ得られる、第１の合せ面３０および第２の合せ面３２のうちの１つまたは両方の上にろう付け材３４を提供する。一実施例では、ろう付け材３４は、３重量％未満の銅および５重量％未満のマンガンを有し、１１７５°Ｆ〜１２２５°Ｆの固相線液相線範囲を有する、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎなどのアルミニウム合金である。ろう付け用に選ばれるアルミニウムまたはアルミニウム合金は、フォトエッチングされる予備成形物としてチタンカバーかチタン鍛造物かのどちらかの上に事前に置くこともできるし、チタンカバーまたはチタン鍛造物上に直接陰極アーク堆積させることもできる。一実施例では、結合する領域でのみろう付け材料を提供するように、鍛造物を機械加工する前、またはチタンカバーを選択的にエッチングする前に、ろう付けするカバーの側面またはろう付けする鍛造物の側面の全表面に陰極アーク堆積させることもできる。

ファンブレード１０を形成する方法４０を４０で概略的に示す。ブロック４２によって示すように、チタン鍛造物（第１のチタン部分１８）を提供する。提案する製造方法は、認定機械特性を持つニアネットシェイプチタン鍛造物を使用する。

ブロック４６に示すようにチタン鍛造物を機械加工して、例えば図１および図２に示すものと類似の構造を提供する。ファンブレードの設計は、内部発泡体インサートを必要としないであろうように調整することができるが、所望であればインサートを使用してもよい。機械加工前に（金属発泡体インサートを使用していない場合）、ブロック４８に示すように、アルミニウム合金ろう付け材を適用してもよい。したがって、機械加工後に、ろう付け材を隆起表面上のみに提供し、それにより第１の合せ面３０を提供する。

ブロック４４に示すようにチタンカバー（第２のチタン部分２０）を提供してもよい。チタンカバーは、接合のための所望の形状を実現しながら、その認定機械特性を維持していることを確実にする加工条件で熱間成形してもよい。あるいは、またはそれに加えて、ブロック５０に示す酸洗い後に、ブロック５２で示すようにアルミニウム合金ろう付け材をチタンカバーに適用してもよい。酸洗いによって、汚染物質のないカバー表面を提供する。

第１の合せ面３０および第２の合せ面３２が相互に係合するように、チタン鍛造物上にカバーを配置する。ブロック５４に示すように、組み立てたファンブレード１０をバッグ６４（図４）に挿入する。バッグは、例えばステンレス鋼またはニッケル合金箔から構成され得る、密封可能な金属製のバッグである。

一実施例では、バッグに入れ密封したファンブレードを、図４に示す発熱体６６を有する真空圧縮ろう付け炉６２に装入する。ブロック５６に示すように、バッグ内の酸素および窒素を排気し、バッグにアルゴンを再充填する。排気および再充填を複数回繰り返して、バッグ内およびファンブレードの内部空洞内の酸素および窒素を許容濃度まで減少させてもよい。最後の排気の後、密封したバッグ内で陰性の雰囲気を維持する。バッグの内部陰圧の大きさは、いかなるバッグ外部の陽圧または真空もが常に、全ての後続の加熱、ろう付け、および冷却中を通して、バッグ６４内のチタンカバー２０および機械加工したファンブレード１０上に力を加えるようなものである。

ろう付けは、アルゴンの陽圧を適用することができる真空炉内、アルゴンレトルト内、高真空を維持することができる炉内、またはアルゴンの分圧を維持することができる真空炉内で生じ得る。第１の実施例では、真空圧縮ろう付け炉６２は、アルミニウム合金ろう付け材料を溶融するための加熱中、および後続の冷却中に、バッグに入れたファンブレード１０にアルゴンの陽圧を適用することができる。アルゴンレトルト内でのろう付けの場合、そのような環境は、設計基準内で最終製品を作製するのに許容可能であるが特定の表面汚染要件を満たすまたはしのぐ程度に、酸素と窒素との両方を含まないものとすることができる。標準的な真空炉内の場合、１２２５°Ｆ〜１２９０°Ｆの温度範囲内で５×１０−４トール以下の圧力で、レトルトまたはその他の視線遮蔽物内で部品を加熱することによってろう付けを達成することになる。炉の選択に関係なく、加熱時の１１７５°Ｆと冷却時の１１７５°Ｆとの間の時間を制御して、材料特性化試験およびファンブレード部品試験によって確立された冶金規格に準拠するろう付け材微細構造を得ることになる。そのような規格は、ろう付け材内の微粒子、チタンアルミナイド、および共晶金属間化合物構造の量を規制することになる。アルミニウムろう付け温度は、Ｔｉ−６−４およびＴｉ−６−２−４−２などのチタン合金に使用する焼なまし温度よりも低いため、事前のプレート／シート圧延、ファンブレード鍛造、および関連する後続の熱処理中に前もって創出したファンブレードカバー２０およびファンブレード鍛造物１８の認定機械特性は、全てのアルミニウムろう付け熱処理を通して維持される。その後ブロック６０で示すように、ファンブレードを仕上げる。

例示的な実施例を開示したが、当業者であれば、一定の改変が特許請求の範囲内に入り得ることを認識するであろう。そのため、次の特許請求の範囲は、それらの真の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (20)

1. ファンブレードであって、
   第１および第２のチタン部分がアルミニウム合金ろう付け材で相互に固定されていることを特徴とするファンブレード。
2. 前記第１のチタン部分が鍛造によって提供されることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
3. 前記第１のチタン部分が、機械加工されたリブを含むことを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
4. 前記機械加工されたリブが、弓形形状を有するアンダーカットを含むことを特徴とする請求項３に記載のファンブレード。
5. 前記第２のチタン部分が、カバーを提供する熱間成形されたシートであることを特徴とする請求項１に記載のファンブレード。
6. 前記ファンブレードが、前記第１のチタン部分によって画定されるブレード根元を有することを特徴とする請求項２に記載のファンブレード。
7. 前記ファンブレードが、前記第１のチタン部分によって画定されるブレード先端を有することを特徴とする請求項６に記載のファンブレード。
8. 前記カバーが前記エアフォイルの一側面を提供することを特徴とする請求項７に記載のファンブレード。
9. 前記第１のチタン部分が、前記ファンブレードの前縁および後縁を画定する、対向する第１および第２の縁部を含むことを特徴とする請求項８に記載のファンブレード。
10. ファンブレードを製造する方法であって、
    第１および第２のチタン部分を提供し、
    前記第１および第２のチタン部分のうちの少なくとも１つにアルミニウム合金ろう付け材を適用し、
    前記ファンブレードを加熱して、前記アルミニウム合金ろう付け材を溶融させ、前記第１および第２の部分を相互に結合して、エアフォイル外側輪郭を持つファンブレードを提供する、
    ことを含むことを特徴とする、ファンブレードを製造する方法。
11. 前記第１のチタン部分を鍛造するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１のチタン部分を機械加工するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記機械加工ステップの前に、前記アルミニウム合金ろう付け材を適用するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 前記第２のチタン部分を押圧して、前記エアフォイルの側面を提供するカバーを作製するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
15. 前記カバーを酸洗いするステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記カバーを酸洗いした後に、前記アルミニウム合金ろう付け材を適用するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記加熱ステップを行う前に、前記第１および第２のチタン部分をバッグに入れるステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
18. 前記加熱ステップの前に、前記バッグをパージするステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記加熱ステップ中に、前記バッグを真空に引くステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１のチタン部分が、根元、先端、ならびに前記エアフォイル外側輪郭の前縁および後縁を提供することを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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