JP2018001195A - 中空翼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空翼の製造方法において、接合層のコンタミネーションを抑制可能なことである。【解決手段】中空翼の製造方法は、背側翼部材と、腹側翼部材とをチタン合金で形成すると共に、背側翼部材及び腹側翼部材の各々裏面側の少なくとも一方に、中空部となる凹部を形成する翼部材形成工程（Ｓ１０）と、背側翼部材及び腹側翼部材の各々裏面側における少なくとも一方の接合面に、チタン合金ろう材からなるインサート層を物理蒸着法で形成するインサート層形成工程（Ｓ１２）と、背側翼部材及び腹側翼部材の各々裏面側の接合面を突き合せて、ろう材の融点以上で加熱加圧して液相拡散接合する液相拡散接合工程（Ｓ１４）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、中空翼の製造方法に係り、特に、チタン合金で形成された中空翼の製造方法に関する。

ジェットエンジン等に用いられるタービン翼には、軽量化や冷却効率等を向上させるために中空翼が用いられている。特許文献１には、ガスタービンに適用される中空翼を拡散接合により製造することが記載されている。

特開平６−２７２５０６号公報

ところで、ファンブレードまたは低圧圧縮機翼等に用いられる中空翼には、軽量で、比強度が高いことから、チタン合金で形成された中空翼が用いられている。このような中空翼を液相拡散接合で製造する場合には、通常、背側翼部材と腹側翼部材との各々接合面の間に、箔状のろう材を入れて液相拡散接合を行っている。また、背側翼部材と腹側翼部材との各々接合面が３次元曲面で形成されていることから、箔状のろう材の密着性を高めて隙間を抑制するために、箔状のろう材を接合面に抵抗溶接等で固定している。

しかし、箔状のろう材を接合面に抵抗溶接等で固定する場合には、接合層に酸化層などのコンタミネーション（異物混入）が生じて、接合強度が低下する可能性がある。

そこで本発明の目的は、接合層のコンタミネーションを抑制可能な中空翼の製造方法を提供することである。

本発明に係る中空翼の製造方法は、背側翼部材と、腹側翼部材とをチタン合金で形成すると共に、前記背側翼部材及び前記腹側翼部材の各々裏面側（接合面側）の少なくとも一方に、中空部となる凹部を形成する翼部材形成工程と、前記背側翼部材及び前記腹側翼部材の各々裏面側における少なくとも一方の接合面に、チタン合金ろう材からなるインサート層を物理蒸着法で形成するインサート層形成工程と、前記背側翼部材及び前記腹側翼部材の各々裏面側の接合面を突き合せて、前記チタン合金ろう材の融点以上で加熱加圧して液相拡散接合する液相拡散接合工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る中空翼の製造方法において、前記チタン合金ろう材は、Ｔｉ−２０質量％Ｚｒ−２０質量％Ｃｕ−２０質量％Ｎｉ合金であることを特徴とする。

本発明に係る中空翼の製造方法において、前記物理蒸着法は、イオンプレーティング法またはスパッタリング法であることを特徴とする。

本発明に係る中空翼の製造方法において、前記物理蒸着法は、アークイオンプレーティング法であることを特徴とする。

上記構成によれば、チタン合金ろう材からなるインサート層を物理蒸着法で接合面に形成することにより、従来箔状のろう材を固定するために使用していた抵抗溶接等が不要となり、接合層に酸化層などのコンタミネーションを抑制することができる。

本発明の実施の形態において、中空翼の製造方法の構成を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において、翼部材形成工程を説明するための図である。 本発明の実施の形態において、インサート層形成工程を説明するための図である。 本発明の実施の形態において、液相拡散接合工程を説明するための図である。 本発明の実施の形態において、中空翼の構成を示す図である。

以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、中空翼の製造方法の構成を示すフローチャートである。中空翼の製造方法は、翼部材形成工程（Ｓ１０）と、インサート層形成工程（Ｓ１２）と、液相拡散接合工程（Ｓ１４）と、を備えている。

翼部材形成工程（Ｓ１０）は、背側翼部材と、腹側翼部材とをチタン合金で形成すると共に、背側翼部材及び腹側翼部材の各々裏面側（接合面側）の少なくとも一方に、中空部となる凹部を形成する工程である。図２は、翼部材形成工程（Ｓ１０）を説明するための図である。

背側翼部材１０は、中空翼における凸面状の負圧面側を形成するための部材である。腹側翼部材１２は、中空翼における凹面状の正圧面側を形成するための部材である。背側翼部材１０と、腹側翼部材１２とは、チタン合金で形成されている。背側翼部材１０及び腹側翼部材１２をチタン合金で形成することにより、中空翼を軽量化することができる。

チタン合金には、例えば、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒ合金等を用いることができる。なお、各チタン合金の合金成分の単位は、質量％である。

背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々裏面側（接合面側）の少なくとも一方には、中空翼の中空部を形成するための凹部１３が形成されている。凹部１３は、背側翼部材１０の裏面側のみに形成されていてもよいし、腹側翼部材１２の裏面側のみに形成されていてもよいし、背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々裏面側の両方に形成されていてもよい。なお、図２では、凹部１３は、腹側翼部材１２の裏面側に形成されている。

背側翼部材１０及び腹側翼部材１２は、鋳造や、インゴットからの機械加工による削り出し等で形成することができる。翼部材は接合後、機械加工で翼形状に加工してもよいし、最初から翼の背側、腹側の形状に対応した形状に形成したものを接合してもよい。また、凹部１３は、鋳造時に一体で形成してもよいし、機械加工等で形成してもよい。

背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々接合面１０ａ、１２ａは、３次元曲面で形成されている。背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々接合面１０ａ、１２ａは、機械研磨、化学研磨等の研磨や、脱脂処理等により前処理されることが好ましい。背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々接合面１０ａ、１２ａの研磨や脱脂処理等については、一般的なチタン製品で行われている処理を適用することができる。

インサート層形成工程（Ｓ１２）は、背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々裏面側における少なくとも一方の接合面１０ａ、１２ａに、チタン合金ろう材からなるインサート層を物理蒸着法で形成する工程である。図３は、インサート層形成工程（Ｓ１２）を説明するための図である。

背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々裏面側の少なくとも一方の接合面１０ａ、１２ａに、チタン合金ろう材の合金成分の元素を物理蒸着法で被覆して、チタン合金ろう材からなるインサート層１４を形成する。インサート層１４は、背側翼部材１０の裏面側の接合面１０ａのみに形成してもよいし、腹側翼部材１２の裏面側の接合面１２ａのみに形成してもよいし、背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々裏面側の接合面１０ａ、１２ａの両方に形成してもよい。図３では、インサート層１４は、腹側翼部材１２の裏面側の接合面１２ａに形成されている。インサート層１４の厚みは、例えば、１μｍから３０μｍとするとよい。

チタン合金ろう材は、背側翼部材１０及び腹側翼部材１２を形成するチタン合金よりも融点の低いチタン合金で構成される。チタン合金ろう材の成分比には、例えば、Ｔｉ−２０Ｚｒ−２０Ｃｕ−２０Ｎｉ合金、Ｔｉ−３７．５Ｚｒ−１５Ｃｕ−１０Ｎｉ合金、Ｔｉ−２５Ｚｒ−５０Ｃｕ合金、Ｔｉ−１５Ｃｕ−１５Ｎｉ合金、Ｔｉ−１５Ｃｕ−２０Ｎｉ合金、Ｔｉ−１５Ｃｕ−２５Ｎｉ合金、Ｔｉ−２４Ｚｒ−１６Ｃｕ−１６Ｎｉ−０．５Ｍｏ合金、Ｔｉ−２６Ｚｒ−１４Ｃｕ−１４Ｎｉ−０．５Ｍｏ合金、Ｔｉ−２０Ｚｒ−２０Ｃｕ−２０Ｎｉ−１Ｍｏ合金、Ｔｉ−３７．５Ｚｒ−１５Ｃｕ−１０Ｎｉ−１Ｍｏ合金等を用いることができる。なお、各チタン合金の合金成分の単位は、質量％である。

チタン合金ろう材には、Ｔｉ−２０Ｚｒ−２０Ｃｕ−２０Ｎｉ合金等のＺｒを含むチタン合金を用いるとよい。これらのチタン合金には、Ｚｒが含まれているので融点が低くなり、後述する液相拡散接合の接合温度をより低くすることができる。これにより、背側翼部材１０及び腹側翼部材１２がα+β型チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で形成されている場合には、β変態を起こしてしまう高温領域から遠ざけることができる。

インサート層１４は、チタン合金ろう材の合金成分の元素を、物理蒸着法（ＰＶＤ法）で被覆して形成される。インサート層１４は、背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々裏面側の少なくとも一方の接合面１０ａ、１２ａに、物理蒸着法（ＰＶＤ法）で成膜して形成されることから、接合面１０ａ、１２ａが３次元曲面からなる場合でも容易に成膜することができる。また、インサート層１４は、物理蒸着法（ＰＶＤ法）で成膜して形成されることから、接合面１０ａ、１２ａとの密着性を高めることができると共に、従来箔状のチタン合金製ろう材を固定するために使用していた抵抗溶接が不要になるので、酸化層などのコンタミネーション（異物混入）を抑制することが可能となる。なお、背側翼部材１０及び腹側翼部材１２における接合面１０ａ、１２ａ以外の部位については、マスキング材等でマスキングすることが好ましい。

物理蒸着法には、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を用いることが可能である。イオンプレーティング法、スパッタリング法等の物理蒸着装置には、一般的な金属膜を成膜する物理蒸着装置を用いることが可能である。

アークイオンプレーティング法、スパッタリング法で成膜されたインサート層１４の合金成分比はターゲット材（蒸発原料）の成分比とは異なる場合がある。そこでインサート層１４がチタン合金ろう材の組成比と同じになるようにターゲット材（蒸発原料）の成分比の調整を行なう。成分の調整方法は、ターゲット材（蒸発原料）の成分比とそのターゲット材（蒸発原料）を用いて作製された成膜の合金成分比を比較し、成膜の合金成分比が上記のチタン合金ろう材の成分比になるようにターゲット材（蒸発原料）の合金成分比を調整しターゲット材（蒸発原料）を作製し直す。必要に応じてこの作業を繰り返す。

次に、例として、アークイオンプレーティング法により腹側翼部材１２の裏面側の接合面１２ａにインサート層１４を形成する方法について説明する。アークイオンプレーティング装置は、ワークを収容する真空チャンバと、ターゲット材（蒸発原料）を蒸発させるための蒸発源と、アーク電源と、ワークに負のバイアス電圧を印加するためのバイアス電源と、アルゴンガス等の不活性ガスや反応性ガス等を真空チャンバ内に供給するためのガス供給装置と、を備えている。

まず、真空チャンバ内に腹側翼部材１２を収容した後に真空引きし、真空チャンバ内を真空雰囲気にする。腹側翼部材１２については、インサート層１４を形成する接合面１２ａ以外の部位を、予めマスキングしておくことが好ましい。

次に、チタン合金ろう材の合金成分Ｔｉ,Ｚｒ,Ｃｕ,Ｎｉ等からなるターゲット材（蒸発原料）を陰極として、真空中でアーク放電によって蒸発させる。蒸発したＴｉ,Ｚｒ,Ｃｕ,Ｎｉ等の合金成分はイオン化して金属イオンとなる。

腹側翼部材１２に負のバイアス電圧を印加することにより、金属イオンを加速させて、腹側翼部材１２の接合面１２ａに堆積させる。これにより腹側翼部材１２の接合面１２ａにインサート層１４を形成することが可能となる。

液相拡散接合工程（Ｓ１４）は、背側翼部材１０及び腹側翼部材１２の各々裏面側の接合面１０ａ、１２ａを突き合せて、チタン合金ろう材の融点以上で加熱加圧して液相拡散接合する工程である。図４は、液相拡散接合工程（Ｓ１４）を説明するための図である。

背側翼部材１０と腹側翼部材１２とは、背側翼部材１０の裏面側の接合面１０ａと、腹側翼部材１２の裏面側の接合面１２ａとを突き合せて組付けられる。組付けられた背側翼部材１０と腹側翼部材１２とは、チタン合金ろう材の融点以上で加熱加圧されて液相拡散接合が行われる。

チタン合金ろう材の融点以上で加熱加圧することにより、溶融したインサート層１４から背側翼部材１０や腹側翼部材１２にチタン合金ろう材の合金成分が拡散して、等温凝固により液相拡散接合する。例えば、チタン合金ろう材がＴｉ−２０Ｚｒ−２０Ｃｕ−２０Ｎｉ合金である場合には、合金成分であるＺｒ、Ｃｕ、Ｎｉが拡散して等温凝固により液相拡散接合する。

液相拡散接合するための装置には、例えば、ホットプレス等を用いることが可能である。図４では、ホットプレスを用いて液相拡散接合する例を示しており、組付けられた背側翼部材１０と腹側翼部材１２とを矢印で示す方向から加圧して液相拡散接合を行っている。

液相拡散接合の接合温度は、チタン合金ろう材の種類により相違するが、例えば、８３０℃から９８０℃とすることが可能である。チタン合金ろう材がＴｉ−２０Ｚｒ−２０Ｃｕ−２０Ｎｉ合金である場合には、液相拡散接合の接合温度を８６０℃から９２０℃とするとよい。

また、液相拡散接合の接合圧力は、例えば、０ＭＰａより大きく１００ＭＰａ以下とするとよい。液相拡散接合時の雰囲気は、背側翼部材１０、腹側翼部材１２及びインサート層１４の酸化を抑制するために、真空雰囲気とするとよい。

液相拡散接合後には、背側翼部材１０と腹側翼部材１２との間に接合層１６が形成されることにより、背側翼部材１０と腹側翼部材１２とが接合されて一体化する。また、背側翼部材１０と腹側翼部材１２との間には、中空部１８が形成される。

液相拡散接合後に、一体となった背側翼部材１０及び腹側翼部材１２を機械加工等して、所定形状の中空翼に加工する。図５は、中空翼２０の構成を示す図である。中空翼２０には、接合層１６と、中空部１８と、が形成されている。中空翼２０は、例えば、ファンブレードまたは低圧圧縮機翼等に適用される。

以上、上記構成によれば、背側翼部材及び腹側翼部材の各々接合面が３次元曲面で形成されている場合でも、チタン合金ろう材からなるインサート層を物理蒸着法で形成することから、インサート層の密着性を高めることが可能となる。これにより、抵抗溶接等を用いる必要がないことから、接合層に酸化層のコンタミネーション（異物混入）が抑制されるので、接合強度を向上させることが可能となる。

１０ 背側翼部材
１２ 腹側翼部材
１３ 凹部
１４ インサート層
１６ 接合層
１８ 中空部
２０ 中空翼

Claims (4)

1. 中空翼の製造方法であって、
   背側翼部材と、腹側翼部材とをチタン合金で形成すると共に、前記背側翼部材及び前記腹側翼部材の各々裏面側の少なくとも一方に、中空部となる凹部を形成する翼部材形成工程と、
   前記背側翼部材及び前記腹側翼部材の各々裏面側における少なくとも一方の接合面に、チタン合金ろう材からなるインサート層を物理蒸着法で形成するインサート層形成工程と、
   前記背側翼部材及び前記腹側翼部材の各々裏面側の接合面を突き合せて、前記チタン合金ろう材の融点以上で加熱加圧して液相拡散接合する液相拡散接合工程と、
   を備えることを特徴とする中空翼の製造方法。
2. 請求項１に記載の中空翼の製造方法であって、
   前記チタン合金ろう材は、Ｔｉ−２０質量％Ｚｒ−２０質量％Ｃｕ−２０質量％Ｎｉ合金であることを特徴とする中空翼の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の中空翼の製造方法であって、
   前記物理蒸着法は、イオンプレーティング法またはスパッタリング法であることを特徴とする中空翼の製造方法。
4. 請求項３に記載の中空翼の製造方法であって、
   前記物理蒸着法は、アークイオンプレーティング法であることを特徴とする中空翼の製造方法。

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