JP2018503015A - 相対的に大きなサイズを有する部品を製造するための、特にタービンエンジン用のブレードを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

相対的に大きなサイズを有する部品を製造するための、特にタービンエンジン用のブレードを製造するための方法によれば、セクター（２）のそれぞれが、製造される部品の対応する部分の実質的に同じ形状およびサイズを有する部分（１５）と、別なセクター（２）の対応する結合面に対して相補的な少なくとも一つの結合面（１４）と、結合面（１４）のそれぞれにおける連続した外側フランジ（１６）とを備えるように、少なくとも二つのセクター（２）が互いに別個に製造され、セクター（２）は結合面（１４）において互いに当接させられると共に続いて連続面（１４）の外周全体に沿って外側フランジ（１６）を溶接するように真空下で実施される電子ビーム溶接によってかつその後の熱間アイソスタティック圧縮によって互いに固定され、この固定の後、フランジ（１６）は材料除去機械加工によって除去される。

Description

本発明は、相対的に大きなサイズを有する部品を製造するための、特にタービンエンジン用のブレードを製造するための方法に関する。

よく知られているように、部品の製造のために、航空分野においてさえ、付加製造技術がますます頻繁に使用されている。こうした技術はサイクルの反復を含み、その間に、製造される部品の連続する水平断面が形成される。特に、各サイクルの開始時に、粉末層が堆積させられる。このような層は、実質的に一定の厚みを有し、製造される部品と同じ組成を有する粉末からなる。その後、粉体層の特定の領域が、集束エネルギービーム、通常はレーザービームまたは電子ビームの走査によって溶融させられる。これらの領域は、製造される部品のジオメトリーおよびサイズを表す数学的モデルに基づいて選択される。言い換えれば、粉末が溶融させられる領域では、コンポーネントの対応する水平断面を画定する連続構造が形成される。

溶融が終了すると、既に形成されている部品の部分が、次回のサイクルへ移行するために、毎回堆積させられる粉末層の厚みと等しい程度まで降下させられる。最後に、全てのサイクルが終了すると残留粉末が除去される。

粉末は、通常は１辺あたり数十センチメートルまでの相対的に小さな最大サイズを有する円筒形または平行六面体の形状を有する作業チャンバー内で溶融させられる。したがって、作業チャンバーのサイズよりも小さな最大サイズを有する部品を製造することができる。

この欠点を克服するために、最初に複数の別個のコンポーネントまたはセクターを製造し、次いでこれらのコンポーネントを互いに固定することによって部品を製造することができる。例えば、互いに一体化した部品のコンポーネントを製造するために、溶接プロセス、溶接ろう付けプロセスおよびまたは機械的要素を含む固定プロセスを使用することが可能である。

しかしながら、これらの固定方法は満足できるものではない。特に、溶接は、使用される材料の機械的特性を局所的に変更し、最終部品に欠陥を生成する傾向があり、ろう付けは、使用される充填材料によって決定される使用限界を有し、そして機械的要素による固定は、重量および最終部品の接合領域に集中する応力の増大を生じ得る。

本発明の目的は、上述した問題を簡単かつ費用対効果の高い様式で解決することができる、相対的に大きなサイズを有する部品を製造するための、特にタービンエンジン用のブレードを製造するための方法を提供することである。

本発明によれば、請求項１に記載された、相対的に大きなサイズを有する部品を製造するための、特にタービンエンジン用のブレードを製造するための方法が提供される。

本発明は、添付図面を参照して、例として提供されかつ限定するものではない、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することで最もよく理解されるであろう。

本発明の方法の好ましい実施形態に従って製造された、相対的に大きなサイズを有する部品、特にタービンエンジン用のブレードの概略側面図である。 本発明に係る方法の一連のステップを示す図である。 図１と類似の図であり、本発明に係る方法の中間ステップにおいて、どのようにしてブレードのブランクが製造されるかを示している。

図１において、参照数字１は、相対的に大きなサイズを有し、かつ、少なくとも二つのセクター２を互いに組み合わせることによって製造された部品を示す（図３）。図示される例では、部品は三つのセクター２から形成されている。

好ましくは、本発明に係る方法によって製造された部品１は、軸線５に沿って延びるタービンエンジン用ブレードによって規定される。セクター２は、プロセス中に互いに組み合わされたとき、軸線５に沿って整列させられ、それぞれ、ブレード１の二つの対向端部および中間部を画定する。

図２を参照すると、部品１を設計するときに、モデルまたは図１１を得るが、これは、続いて、結合されるセクター２にそれぞれ対応する異なる部分１２（ブロック１０）へと分割される。モデル１１のこの分割は、比較的簡単な方法で対応するセクター２のそれぞれのものを製造することができるように各部分１２のサイズが相対的に小さくなるように実施される。

モデル１１の分割は、部分１２間の分離面が互いに相補的であり、軸線５と交差し、セクター２（図３）の端部の範囲を画定するそれぞれの面１４と一致し、そして好ましくは平坦であるように実施される。

セクター２は、予め規定された対応する部分１２の一つに基づいて、その形状およびそのサイズを設定することによって設計される（ブロック２０）。より正確には、図３を参照すると、面１４の他に、各セクター２は、対応する部分１２と同じ形状および実質的に同じサイズを有する部分１５と、各面１４の領域に配置された端部フランジ１６とを備えるように設計される。

設計段階中に部分１５のために設定されたサイズは、プロセスの後続のステップの間に生じる予測されるサイズ変動の関数として、設計段階中に、その範囲が決定される機械加工許容値を提供するように、部分１２のサイズよりも僅かに大きくすることができる。

フランジ１６に関して、それらは部分１５の軸方向端部に対して半径方向外向きに突出し、好ましくは、それらは部分１５の周りで、すなわち軸線５を中心として周方向に連続している。

その間にセクター２が設計されるブロック２０のステップが、それぞれの三次元数学的モデル１７を得るために実行されるが、これは、続いて、好ましくは、「ダイレクトレーザー成形」（ＤＬＦ）、ダイレクトメタルレーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）または「電子ビーム溶融」（ＥＢＭ）といった付加製造技術、すなわち「レイヤーバイレイヤー」製造技術によって、セクター２を製造するために利用される（ブロック３０）。これらの技術は、得られる最終製品（例えばＴｉＡｌの金属合金）と同じ組成を有する粉末を原料として使用するが、それらは従来技術に属するので本明細書では詳細には説明しない。いずれにしても、セクター２を得るために、「レイヤーバイレイヤー」で機能するもの以外の製造技術（例えばモールディング技術）を使用することも可能である。

形成された後、セクター２は、図３に示すように、面１４をそれが軸線５に沿って互いに当接するように配置することによって、一つに結合されるか組み立てられ（ブロック４０）、これによって単一のブランク２１が形成されるが、これは、明らかに、最終的に得られるブレード１の形状と同様の形状を有する。

特に、ブランク２１はセクター２を（図３に部分的に簡略化して示される）テンプレート２２内に配置することによって形成される。テンプレート２２は保持デバイスを備えるが、これは詳細には記載されておらず、セクター２を相対的に固定された位置で保持するように構成されている。好ましくは、テンプレート２２は基準システムを備えるが、これは詳細には記載されておらず、ブランク２１を比較的簡単かつ迅速に形成するようにセクター２を配置するための位置を正確に画定するように構成される。

図１および図３に示す例では、ブレード１は、軸方向端部を経てアクセス可能であってかつブランク２１においては面１４と交差する面２６によって画定される内側キャビティ２５を有する。好ましくは、ブランク２１には、面１４それ自体からキャビティ２５を分離させるよう、面１４の内周の領域において表面２６上に連続ろう付けビード２７（一定の縮尺で示されていない）を形成するように、好ましくは真空下で、ろう付け作業が施される（ブロック５０）。

続いて、ブランク２１には、面１４の外周２８全体に沿ってフランジ１６の対を互いに溶接するために、ＥＢＷとしても知られている電子ビーム溶接が施される（ブロック６０）。電子ビーム溶接技術は常に真空環境下で行われる。必要であれば、通常はこの条件を必要としないその他の溶接技術（例えばレーザー技術）を、ことによると使用することもできる。しかしながら、本発明によれば、外周２８は真空下で溶接される。

特に、二つの溶接作業（ろう付けおよび電子ビーム溶接）は、真空環境を変わらないように維持するために、同じチャンバー（図示せず）内で実施される。

場合によっては、電子ビーム溶接作業は、好ましくは同じ電子ビームによって実現される予熱ステップによって進行させることができる。

電子ビーム溶接作業の終わりに、セクター２は堅固に結合される。溶接は真空下で行われるので、たとえブランク２１が外部に移動させられたとしても、面１４の間に存在する空間または通路にさえ真空環境が存在する。したがって、この作業によって、面１４間の通路の気密シーリングをを保証することができる。

この時点で（ブロック７０）、ブランク２１は熱間アイソスタティック成形またはＨＩＰとして知られる処理を受ける。この作業は、それぞれの以前に製造されたセクター２の内側の材料の圧縮を引き起こすだけでなく、部分１５間の界面または通路の領域における、すなわちＥＢＷ溶接ステップが以前に実施されたフランジ１６よりも内側に配置された面１４の領域における材料の拡散溶接を引き起こす。この拡散溶接は、特に、上記通路内内に前もって得られた真空によって可能である。

続いて、ブランク２１には、フランジ１６を除去し、接合領域におけるブレード１の最終的な輪郭を生み出すために、材料除去機械加工作業、特にフライス加工（ブロック８０）が実施される。したがって、この機械加工ステップの間、部分１５は変更されないままである。ろう付けビード２７は、部品１の特定の作業条件しだいで、除去されてもよくあるいは維持されてもよい。

このステップの終わりに所望のブレード１が得られるが、これは図１に示されている。

このため、上述した方法は、オペレーターが、セクター２の内側において材料を圧縮するために、とにかく使用されたであろうＨＩＰ圧縮ステップによって異なるセクター２を互いに結合することにより相対的に小さなサイズを有する部品を製造することを可能とする。製造される部品１のサイズ制限は、ブロック３０でセクター２を製造するために使用される付加製造機械によっては決定されないが、それは、ＨＩＰ圧縮を実施するためにブロック６０において使用されるプラントによって決定される。

さらに、セクター２の部分１５間の接合領域には冶金的変化および／または欠陥は存在しない。というには、ＨＩＰ圧縮は、二つの部分１５の材料の拡散溶接が自動的に実現されるので、セクター２が連続的かつ均質な様式で接合されることを可能とするからである。同時に、フランジ１６の除去は、周囲２８に沿って実施されたＥＢＷ溶接作業によって発生したであろう起こり得る欠陥を排除することを可能とする。

最後に、添付の図面を参照して説明した方法は、この理由のために特許請求の範囲で規定される本発明の保護の範囲から逸脱することなく、変更および変形が可能であることは明らかである。

特に、既に述べたように、ブロック５０のろう付けステップは、部品１が外側に開くキャビティを持たない場合には存在せず、かつ／またはろう付けは異なる溶接技術によって置き換えることができ、かつ／またはセクター２はブロック３０において例として述べた方法以外の方法で製造することができ、かつ／または面１４は、平坦ではなくかつ／または軸線５と直交しない結合面によって画定することができる。

１ 部品（ブレード）
２ セクター
５ 軸線
１０ ブロック
１１ モデル
１２ 部分
１４ 面（結合面）
１５ 部分
１６ フランジ
１７ 三次元数学的モデル
２０ ブロック
２１ ブランク
２２ テンプレート
２５ 内側キャビティ
２６ 面
２７ ビード
２８ 外周
３０ ブロック
４０ ブロック
５０ ブロック
６０ ブロック
７０ ブロック
８０ ブロック

Claims (6)

1. 相対的に大きなサイズを有する部品を製造するための、特にタービンエンジン用のブレードを製造するための方法であって、前記方法は、
   セクター（２）のそれぞれが、
   ａ）前記部品の対応する部分の実質的に同じ形状およびサイズを有する部分（１５）と、
   ｂ）別なセクター（２）の対応する結合面に対して相補的な少なくとも一つの結合面（１４）と、を備えるように、少なくとも二つのセクター（２）を互いに別個に製造するステップと、
   前記結合面（１４）において、製造されたセクター（２）を互いに当接させることによってブランク（２１）を形成するステップと、
   前記セクター（２）を互いに固定するステップと、
   を備え、
   前記製造するステップは、前記結合面（１４）のそれぞれにおいて各前記セクター（２）がさらに外側フランジ（１６）を備えるように実施され、前記外側フランジ（１６）のそれぞれは、それぞれの前記部分（１５）の周りで連続しており、
   前記固定するステップは、
   ａ）真空下で前記結合面（１４）の外周全体に沿って前記外側フランジ（１６）を互いに溶接するように実施される溶接と、
   ｂ）真空溶接後の熱間アイソスタティック圧縮と、
   を備え、
   前記固定するステップの後に、前記外側フランジ（１６）を除去するために実施される材料除去機械加工ステップをさらに備えることを特徴とする方法。
2. 前記真空溶接が電子ビーム溶接であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ブランク（２１）は前記結合面（１４）によって横断される内側キャビティ（２５）を有し、かつ、前記固定ステップは、さらなる溶接作業を備え、この溶接作業は、前記結合面の内周全体に沿って前記部分（１５）を溶接するように実施されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記さらなる溶接作業は、ろう付けによって規定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記製造ステップが、付加製造プロセスによって規定されることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ブランク（２１）は前記セクター（２）をテンプレート（２２）内に配置することによって形成され、前記固定するステップの少なくとも一部は、前記セクター（２）が前記テンプレート（２２）によって相対的に固定された位置に保持されている間に実施されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。

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