JP2829606B2 - ガスタービンエンジンの複合材料製ファン出口ガイドベーン - Google Patents
ガスタービンエンジンの複合材料製ファン出口ガイドベーンInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、複合材料物品に係り、更に詳細には疲労強
度及び耐エロージョン性の高いめっきされた複合材料物
品に係る。 従来の技術 航空機用ガスタービンエンジンの構成要素の製造に複
合材料を使用することが多くなってきている。複合材料
にて形成された物品によれば、重量多び部品点数が低減
され、エンジンの組立、運転、及び保守のコストが実質
的に節減されるという利点が得られる。複合材料にて構
成することが現在検討されている一つの物品はガスター
ビンエンジンのファン出口ガイドベーンである。 複合材料製のファン出口ガイドベーンが従来より製造
され、アルミニウムにて形成された現在のベーンと対比
する試験が行われており、複合材料製のベーンは疲労強
度及び耐エロージョン性の点に於て不十分であることが
認められている。複合材料製のベーンの耐エロージョン
性を改善する一つの方法は、複合材料の表面に金属めっ
きを施すことを含んでいる。米国特許第3,762,835号、
同第4,108,574号、同第3,572,971号には、衝撃強さや耐
エロージョン性を改善すべく、複合材料物品に種々の金
属シースやクラッドや被覆を施すことが記載されてい
る。また米国特許第3,572,971号に於ては、複合材料製
の圧縮機ブレードにチタニウムクラッドが接合され、ク
ラッドはエロージョンに対する保護作用を行ない、また
横方向及び捩り方向の強度を増大する作用をなす。しか
しかかるクラッドや被覆に関係する疲労の影響について
は論じられていない。 金属物品のめっきに関し得られている経験より、クロ
ムの如き硬質めっきを施すことは疲労寿命に有害な影響
を有していることが一般に知られている。米国特許第2,
732,020号には、金属物品の疲労強度を向上させる一つ
の方法が記載されている。複合材料物品に関する疲労の
問題は論じられていないが、めっきに関する疲労の問題
が説明されている。一般に、電気めっきされたニッケル
めっきを有するアルミニウム製のエーロファイルは数時
間に亙る疲労試験後に疲労破壊した。アルミニウム基体
とニッケルめっきとの間にエラストマ層を介装すること
により、疲労寿命が50時間に増大された。しかし多くの
用途に於ては、特に高温度にて使用される用途に於て
は、エラストマの中間層は好ましくなく、静的強度の如
き他の特性が犠牲になる。 ガスタービンエンジンに於ける金属物品の代替として
複合材料物品を使用するためには、金属と等価又は金属
よりも優れた耐エロージョン性を有し、また優れた疲労
寿命を有する複合材料物品が必要である。 発明の開示 本発明の一つの目的は、優れた耐エロージョン性及び
優れた疲労寿命を有する複合材料物品を提供することで
ある。 本発明の他の一つの目的は、重量を大きく増大するこ
となく優れた耐エロージョン性及び疲労寿命を有する複
合材料製のファン出口ガイドベーンを提供することであ
る。 上述の如き目的は、本発明によれば、複合材料物品の
表面に適用され圧縮応力が与えられた金属めっきであっ
て、残留圧縮応力状態、好ましくは−5000〜−15000psi
（−351〜−1055kg/cm2）の残留圧縮応力状態を生じる
金属めっきを使用することにより達成される。特に導電
性めっきと圧縮応力が与えられたニッケルめっきとを含
み、これらのめっきが合計で凸側（吸入側）に於ては約
5.5mil（140μ）の厚さを有し、凹側（圧力側）に於て
4.5mil（114μ）の厚さを有し、リーディングエッジ及
びトレーリングエッジに於ては約８〜9mil（203〜229
μ）の厚さを有する複合材料製のファン出口ガイドベー
ンは優れた静的強度を有し、かかるベーンによれば荷重
限界がめっきされていない場合の190lb（86.2kg）より7
25lb（329kg）に380％改善されることが解った。めっき
されていないベーンは所要の疲労荷重が与えられると破
損したのに対し、めっきされたベーンは1,000,000サイ
クル以上の低サイクル疲労寿命を有していた。かくして
静的強度及び疲労寿命が実質的に向上することは、めっ
きを施すことにより疲労寿命が有害な影響を受ける金属
めっきに関する経験に鑑みれば驚くべきことである。残
留圧縮応力を有するめっきを使用することにより、めっ
きされていない複合材料物品の疲労性能が限られている
ことに起因して従来制限されていた用途にめっきされた
物品を使用することが可能になる。 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例につい
詳細に説明する。 発明を実施するための最良の形態 第１図に於て、複合材料よりなるファン出口ガイドベ
ーン１はエーロフォイル２を含んでおり、該エーロフォ
イルは凸状面（吸入側面）３と凹状面（圧力側面）４と
を有している。ベーン１の面３及び４はリーディングエ
ッジ５及びトレーリングエッジ６に於て互いに接続され
ている。ファン出口ガイドベーンは本発明を説明するた
めのものであり、優れた疲労強度を必要とする任意の複
合材料物品に於て本発明の利点が得られることに留意さ
れたい。 説明の目的で、ベーン１は40wt％の炭素繊維にて強化
されたUltem（登録商標）ポリエーテルイミド樹脂より
なっているものとする。Ultem樹脂はゼネラル・エレク
トリック・コーポレイションのプラスチックス・ディビ
ジョンにより製造されている。かかる複合材料は例示的
なものであり、他の複合材料についても本発明のめっき
の利点が得られる。例えば複合材料中のUltem樹脂がエ
ポキシ樹脂、ポリアミド−イミド樹脂、又はポリイミド
樹脂に置換えられてよい。同様に例えばガラスやポリア
ミドよりなる他の繊維材料が、複合材料中の炭素繊維に
代わる繊維として使用されてよい。 ベーン１は実質的に従来の方法にてめっきされ、めっ
き方法は水分を除去すべく物品を予熱する工程と、表面
を機械的に仕上げる工程と、適当な溶液中にて物品を洗
浄する工程と、物品をめっきモノマーと接触させる工程
と、物品を活性剤と接触させる工程と、物品を促進剤の
接触させる工程と、銅の如き導電剤にてめっきする工程
（電解銅による化学めっき）と、導電性表面を媒体にて
仕上げる工程と、圧縮応力が与えられたスルファメート
ニッケルの如く−5000〜15000psi（−352〜−1055kg/cm
2）の残留圧縮応力を発生する疲労強度を向上させる金
属めっき材料にて物品めっきする工程とを含んでいてよ
い（但しこれに限定されるものではない）。複合材料が
導電性を有する場合には導電剤を使用することは不要で
あり、まためっき工程の詳細はめっきされるべき物品、
複合材料の選定、及び使用される装置に応じて変化して
よい。 重要な工程は、物品の表面に残留圧縮応力状態を与え
る材料にて物品をめっきすることである。ニッケルめっ
きについて説明するが、残留圧縮応力を与える任意めっ
き材料が使用されてよい。ニッケルめっきの他にコバル
トやニッケル−コバルト合金のめっきが採用されてもよ
い。一般に複合材料物品の疲労強度を向上させるために
は、２〜20mil（51〜508μのめっき厚さが有効であり、
めっき厚さは必要とされる疲労寿命により決定される。
めっきの分布はめっき浴現象の関数であり、めっき厚さ
の分布が不均一であってもよい。 例 凸状面と凹状面とリーディングエッジとトレーリング
エッジとを有する40wt％の炭素繊維にて強化されたUlte
m樹脂よりなるファン出口ガイドベーンが下記の手続き
に従ってめっきされた。先ずベーンは水分を除去すべく
２時間に亙り300゜F（140℃）に加熱され、150゜F（66
℃）にて５分間に亙り水酸化ナトリウムにて処理するこ
と等により、アルカリにてクリーニングされる。次いで
かくしてクリーニングされたベーンは洗浄され、10vol
％の塩酸と４％のEnplate（登録商標）492を含む酸溶液
の如き酸溶液中にて中和される。Enplate492は湿潤剤と
組合わされた酸溶液であり、Enplateめっき物質はアメ
リカ合衆国コネチカット州ウエスト・ヘイヴン所在のエ
ンソーン・インコーポレイテッド（Enthone,Inc.）によ
り製造されている。洗浄後ベーンは0.5％Enplate促進剤
9598の如き促進剤にて30秒間に亙り処理され、再度洗浄
され、1.5％Enplate活性剤444及び25％HC1の如き塩化パ
ラジウムと塩酸との混合物にて５分間に亙り活性化され
る。次いでベーンは洗浄され、2.5％の硫酸と４％のEnp
late492を含む酸溶液中にて３分間に亙り促進される。 洗浄後ベーンは同じくエンソーン・インコーポレイテ
ッドにより製造されているCu−750の如き化学めっき銅
にて被覆された。化学めっき銅はめっき浴溶液中に浸漬
することにより適用され、銅は物品の表面上に析出す
る。次いで銅にて被覆されたベーンは洗浄され、空気中
に於て220゜F（104℃）に30分間焼成され、アルカリに
てクリーニングされ、洗浄され、10％の硫酸溶液中にて
活性化される。次いでベーンはベーン１個当り6.8Aまで
のめっき電流にて室温に於て25分間に亙り輝酸銅中に於
て化学めっきされ、次いで洗浄され、振動タブ中に於て
媒体仕上げされる。銅めっきは0.6〜0.8mil（15.2〜20.
3μ）の厚さになり、更にめっきが施されることを可能
にする導電剤として作用する。 −5000〜15000psi（−352〜−1055kg/cm2）の応力を
有する圧縮応力が与えられたニッケルサルファメートを
含有するサルファメート浴を用いて、銅めっきされたベ
ーンがニッケルめっきされる。ベーンはアルカリにてク
リーニングされ、洗浄され、10％硫酸溶液中にて活性化
され、ニッケルサルファメート浴中に於て1.5V、10Aに
て30分間に亙りめっきされ、電流が30Aに増大されて30
分間に亙りめっきされ、更に電流が45Aに増大されて３
時間に亙りめっきされる。これらの電圧及び電流は使用
される固定装置及び物品のジオメトリーに応じて変化さ
れてよい。最終的に得られるベーンは凸側に於ては4.5m
il（114μ）のめっき層を有し、凹側に於ては5.5mil（1
40μ）のめっき層を有し、リーディングエッジ及びトレ
ーリングエッジに於ては約８〜9mil（203〜225μ）のめ
っき層を有している（これらの厚さは銅めっきの厚さを
含んでいる）。かかるめっき厚さの分布によれば、最も
損傷を受け易いベーンのリーディングエッジ及びトレー
リングエッジに最大の保護作用が与えられる。 第1A図には、上述のプロセスに従ってめっきされた例
示的な複合材料製のファン出口ガイドベーン１の断面図
が図示されている。ベーン１は導電性銅めっき７と圧縮
応力が与えられたニッケルめっき８とを有している。か
かるめっきされたベーンが評価され、実質的に増大され
た静荷重強さを有することが認められた。 第２図は部品の重量及び疲労荷重に関する静的試験の
結果を示すグラフが図示されており、めっきの厚さは吸
入側面の中央点に於て測定された。このグラフより、め
っきされていない複合材料製のベーンは約190lb（86.2k
g）の３点曲げ荷重限界を有することが解る。ファン出
口ガイドベーンとして使用されることを考慮すると、ア
ルミニウム製のベーンに置換わるためには、複合材料製
のベーンは15ksi（1055kg/cm2）の応力に於けるアルミ
ニウムを基準に少なくとも230lb（104kg）の疲労荷重要
件に適合しなければならない。従ってめっきされていな
い複合材料製のベーンはこの用途に於てアルミニウムに
置換わるには相応しくない。複合材料製のベーンの表面
に圧縮応力が与えられたニッケルめっきを適用すること
により、荷重限界が725lb（329kg）まで増大され、めっ
きされていない複合材料製のベーンに対し380％改善さ
れ、これにより複合材料製のベーンをガスタービンエン
ジンに使用することが可能になる。 第３図には、低サイクル疲労寿命とめっき厚さとの関
係が図示されている。これらの結果は235゜F（113℃）
及び10サイクル/secにて230lb（104kg）の３点曲げ荷重
に基づくものである。ファン出口ガイドベーンに必要な
サイクル数は約50,000サイクルである。めっきされてい
ないベーンが必要な230lb（104kg）の荷重が与えられた
状態にて試験されたところ破損した。この第３図のグラ
フより、厚さ4.5mil（114μ）のめっきによれば、上述
の要件が容易に達成され、また疲労寿命の対数値とめっ
き厚さとの間には直線的な関係が存在することが解る。
めっき厚さを約5mil（127μ）まで増大させることによ
り、疲労寿命が1MMサイクル以上に増大される。かかる
関数により、めっき厚さを変化させることによって物品
の疲労寿命を設計要件に適合させることができる。 めっきされた複合材料物品を使用することに関し考慮
すべき一つの重要な点は、疲労寿命に対するエロージョ
ン又は衝撃損傷の影響である。第３図に於て、ファン出
口ガイドベーンの疲労寿命に対するエロージョン及びリ
ーディングエッジの損傷の影響を示す幾つかのデータ点
が図示されている。×が付されたデータ点はエロージョ
ンの損傷についてのものであり、 が付されたデータ点はリーディングエッジの損傷につい
てのものである。5.0mil（127μ）の厚さのめっきを有
するファン出口ガイドベーンが、300ft/sec（91.4m/se
c）にて駆動される150グリットのアルミナよりなる研摩
環境に８時間曝された。第３図のグラフより、疲労寿命
が実質的に低下していないことが解る。同様に３個のフ
ァン出口ガイドベーンがリーディングエッジに対しクロ
スピーンハンマにて衝撃が与えられ、疲労試験された。
疲労寿命は低下したが、所要の50,000サイクルの寿命を
有していた。 重量の低減に関しては、アルミニウム製のファン出口
ガイドベーン95gの重量を有しているのに対し、めっき
されたベーンは必要とされる疲労寿命及び静的強度に応
じて55〜95gの重量を有している（第２図参照）。疲労
荷重の要件が２倍（67.7gにて460lb（209kg））にされ
たとしても、アルミニウム製のベーンよりも30％重量が
節減される。 第４図に於て、めっき厚さと静的強度との間にも直線
関係が存在し、これによりめっき厚さを静的荷重要件に
適合化させることができることが解った。例えば4mil
（102μ）の厚さのめっきによれば破壊に至る荷重が475
lb（215kg）になるのに対し、5mil（127μ）の厚さのめ
っきによれば破壊に至る荷重が575lb（261kg）に増大さ
れる。 以上に於ては本発明をガスタービンエンジンに使用さ
れる複合材料製のファン出口ガイドベーンについて説明
したが、本発明は優れた耐エロージョン性、静的強度、
及び疲労寿命を必要とする任意の複合材料物品に使用さ
れてよいことが理解されよう。また本発明の範囲内にて
めっき方法、めっき厚さ、及び複合材料の種類に関し種
々の変更が行われてよいことが理解されよう。
度及び耐エロージョン性の高いめっきされた複合材料物
品に係る。 従来の技術 航空機用ガスタービンエンジンの構成要素の製造に複
合材料を使用することが多くなってきている。複合材料
にて形成された物品によれば、重量多び部品点数が低減
され、エンジンの組立、運転、及び保守のコストが実質
的に節減されるという利点が得られる。複合材料にて構
成することが現在検討されている一つの物品はガスター
ビンエンジンのファン出口ガイドベーンである。 複合材料製のファン出口ガイドベーンが従来より製造
され、アルミニウムにて形成された現在のベーンと対比
する試験が行われており、複合材料製のベーンは疲労強
度及び耐エロージョン性の点に於て不十分であることが
認められている。複合材料製のベーンの耐エロージョン
性を改善する一つの方法は、複合材料の表面に金属めっ
きを施すことを含んでいる。米国特許第3,762,835号、
同第4,108,574号、同第3,572,971号には、衝撃強さや耐
エロージョン性を改善すべく、複合材料物品に種々の金
属シースやクラッドや被覆を施すことが記載されてい
る。また米国特許第3,572,971号に於ては、複合材料製
の圧縮機ブレードにチタニウムクラッドが接合され、ク
ラッドはエロージョンに対する保護作用を行ない、また
横方向及び捩り方向の強度を増大する作用をなす。しか
しかかるクラッドや被覆に関係する疲労の影響について
は論じられていない。 金属物品のめっきに関し得られている経験より、クロ
ムの如き硬質めっきを施すことは疲労寿命に有害な影響
を有していることが一般に知られている。米国特許第2,
732,020号には、金属物品の疲労強度を向上させる一つ
の方法が記載されている。複合材料物品に関する疲労の
問題は論じられていないが、めっきに関する疲労の問題
が説明されている。一般に、電気めっきされたニッケル
めっきを有するアルミニウム製のエーロファイルは数時
間に亙る疲労試験後に疲労破壊した。アルミニウム基体
とニッケルめっきとの間にエラストマ層を介装すること
により、疲労寿命が50時間に増大された。しかし多くの
用途に於ては、特に高温度にて使用される用途に於て
は、エラストマの中間層は好ましくなく、静的強度の如
き他の特性が犠牲になる。 ガスタービンエンジンに於ける金属物品の代替として
複合材料物品を使用するためには、金属と等価又は金属
よりも優れた耐エロージョン性を有し、また優れた疲労
寿命を有する複合材料物品が必要である。 発明の開示 本発明の一つの目的は、優れた耐エロージョン性及び
優れた疲労寿命を有する複合材料物品を提供することで
ある。 本発明の他の一つの目的は、重量を大きく増大するこ
となく優れた耐エロージョン性及び疲労寿命を有する複
合材料製のファン出口ガイドベーンを提供することであ
る。 上述の如き目的は、本発明によれば、複合材料物品の
表面に適用され圧縮応力が与えられた金属めっきであっ
て、残留圧縮応力状態、好ましくは−5000〜−15000psi
（−351〜−1055kg/cm2）の残留圧縮応力状態を生じる
金属めっきを使用することにより達成される。特に導電
性めっきと圧縮応力が与えられたニッケルめっきとを含
み、これらのめっきが合計で凸側（吸入側）に於ては約
5.5mil（140μ）の厚さを有し、凹側（圧力側）に於て
4.5mil（114μ）の厚さを有し、リーディングエッジ及
びトレーリングエッジに於ては約８〜9mil（203〜229
μ）の厚さを有する複合材料製のファン出口ガイドベー
ンは優れた静的強度を有し、かかるベーンによれば荷重
限界がめっきされていない場合の190lb（86.2kg）より7
25lb（329kg）に380％改善されることが解った。めっき
されていないベーンは所要の疲労荷重が与えられると破
損したのに対し、めっきされたベーンは1,000,000サイ
クル以上の低サイクル疲労寿命を有していた。かくして
静的強度及び疲労寿命が実質的に向上することは、めっ
きを施すことにより疲労寿命が有害な影響を受ける金属
めっきに関する経験に鑑みれば驚くべきことである。残
留圧縮応力を有するめっきを使用することにより、めっ
きされていない複合材料物品の疲労性能が限られている
ことに起因して従来制限されていた用途にめっきされた
物品を使用することが可能になる。 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例につい
詳細に説明する。 発明を実施するための最良の形態 第１図に於て、複合材料よりなるファン出口ガイドベ
ーン１はエーロフォイル２を含んでおり、該エーロフォ
イルは凸状面（吸入側面）３と凹状面（圧力側面）４と
を有している。ベーン１の面３及び４はリーディングエ
ッジ５及びトレーリングエッジ６に於て互いに接続され
ている。ファン出口ガイドベーンは本発明を説明するた
めのものであり、優れた疲労強度を必要とする任意の複
合材料物品に於て本発明の利点が得られることに留意さ
れたい。 説明の目的で、ベーン１は40wt％の炭素繊維にて強化
されたUltem（登録商標）ポリエーテルイミド樹脂より
なっているものとする。Ultem樹脂はゼネラル・エレク
トリック・コーポレイションのプラスチックス・ディビ
ジョンにより製造されている。かかる複合材料は例示的
なものであり、他の複合材料についても本発明のめっき
の利点が得られる。例えば複合材料中のUltem樹脂がエ
ポキシ樹脂、ポリアミド−イミド樹脂、又はポリイミド
樹脂に置換えられてよい。同様に例えばガラスやポリア
ミドよりなる他の繊維材料が、複合材料中の炭素繊維に
代わる繊維として使用されてよい。 ベーン１は実質的に従来の方法にてめっきされ、めっ
き方法は水分を除去すべく物品を予熱する工程と、表面
を機械的に仕上げる工程と、適当な溶液中にて物品を洗
浄する工程と、物品をめっきモノマーと接触させる工程
と、物品を活性剤と接触させる工程と、物品を促進剤の
接触させる工程と、銅の如き導電剤にてめっきする工程
（電解銅による化学めっき）と、導電性表面を媒体にて
仕上げる工程と、圧縮応力が与えられたスルファメート
ニッケルの如く−5000〜15000psi（−352〜−1055kg/cm
2）の残留圧縮応力を発生する疲労強度を向上させる金
属めっき材料にて物品めっきする工程とを含んでいてよ
い（但しこれに限定されるものではない）。複合材料が
導電性を有する場合には導電剤を使用することは不要で
あり、まためっき工程の詳細はめっきされるべき物品、
複合材料の選定、及び使用される装置に応じて変化して
よい。 重要な工程は、物品の表面に残留圧縮応力状態を与え
る材料にて物品をめっきすることである。ニッケルめっ
きについて説明するが、残留圧縮応力を与える任意めっ
き材料が使用されてよい。ニッケルめっきの他にコバル
トやニッケル−コバルト合金のめっきが採用されてもよ
い。一般に複合材料物品の疲労強度を向上させるために
は、２〜20mil（51〜508μのめっき厚さが有効であり、
めっき厚さは必要とされる疲労寿命により決定される。
めっきの分布はめっき浴現象の関数であり、めっき厚さ
の分布が不均一であってもよい。 例 凸状面と凹状面とリーディングエッジとトレーリング
エッジとを有する40wt％の炭素繊維にて強化されたUlte
m樹脂よりなるファン出口ガイドベーンが下記の手続き
に従ってめっきされた。先ずベーンは水分を除去すべく
２時間に亙り300゜F（140℃）に加熱され、150゜F（66
℃）にて５分間に亙り水酸化ナトリウムにて処理するこ
と等により、アルカリにてクリーニングされる。次いで
かくしてクリーニングされたベーンは洗浄され、10vol
％の塩酸と４％のEnplate（登録商標）492を含む酸溶液
の如き酸溶液中にて中和される。Enplate492は湿潤剤と
組合わされた酸溶液であり、Enplateめっき物質はアメ
リカ合衆国コネチカット州ウエスト・ヘイヴン所在のエ
ンソーン・インコーポレイテッド（Enthone,Inc.）によ
り製造されている。洗浄後ベーンは0.5％Enplate促進剤
9598の如き促進剤にて30秒間に亙り処理され、再度洗浄
され、1.5％Enplate活性剤444及び25％HC1の如き塩化パ
ラジウムと塩酸との混合物にて５分間に亙り活性化され
る。次いでベーンは洗浄され、2.5％の硫酸と４％のEnp
late492を含む酸溶液中にて３分間に亙り促進される。 洗浄後ベーンは同じくエンソーン・インコーポレイテ
ッドにより製造されているCu−750の如き化学めっき銅
にて被覆された。化学めっき銅はめっき浴溶液中に浸漬
することにより適用され、銅は物品の表面上に析出す
る。次いで銅にて被覆されたベーンは洗浄され、空気中
に於て220゜F（104℃）に30分間焼成され、アルカリに
てクリーニングされ、洗浄され、10％の硫酸溶液中にて
活性化される。次いでベーンはベーン１個当り6.8Aまで
のめっき電流にて室温に於て25分間に亙り輝酸銅中に於
て化学めっきされ、次いで洗浄され、振動タブ中に於て
媒体仕上げされる。銅めっきは0.6〜0.8mil（15.2〜20.
3μ）の厚さになり、更にめっきが施されることを可能
にする導電剤として作用する。 −5000〜15000psi（−352〜−1055kg/cm2）の応力を
有する圧縮応力が与えられたニッケルサルファメートを
含有するサルファメート浴を用いて、銅めっきされたベ
ーンがニッケルめっきされる。ベーンはアルカリにてク
リーニングされ、洗浄され、10％硫酸溶液中にて活性化
され、ニッケルサルファメート浴中に於て1.5V、10Aに
て30分間に亙りめっきされ、電流が30Aに増大されて30
分間に亙りめっきされ、更に電流が45Aに増大されて３
時間に亙りめっきされる。これらの電圧及び電流は使用
される固定装置及び物品のジオメトリーに応じて変化さ
れてよい。最終的に得られるベーンは凸側に於ては4.5m
il（114μ）のめっき層を有し、凹側に於ては5.5mil（1
40μ）のめっき層を有し、リーディングエッジ及びトレ
ーリングエッジに於ては約８〜9mil（203〜225μ）のめ
っき層を有している（これらの厚さは銅めっきの厚さを
含んでいる）。かかるめっき厚さの分布によれば、最も
損傷を受け易いベーンのリーディングエッジ及びトレー
リングエッジに最大の保護作用が与えられる。 第1A図には、上述のプロセスに従ってめっきされた例
示的な複合材料製のファン出口ガイドベーン１の断面図
が図示されている。ベーン１は導電性銅めっき７と圧縮
応力が与えられたニッケルめっき８とを有している。か
かるめっきされたベーンが評価され、実質的に増大され
た静荷重強さを有することが認められた。 第２図は部品の重量及び疲労荷重に関する静的試験の
結果を示すグラフが図示されており、めっきの厚さは吸
入側面の中央点に於て測定された。このグラフより、め
っきされていない複合材料製のベーンは約190lb（86.2k
g）の３点曲げ荷重限界を有することが解る。ファン出
口ガイドベーンとして使用されることを考慮すると、ア
ルミニウム製のベーンに置換わるためには、複合材料製
のベーンは15ksi（1055kg/cm2）の応力に於けるアルミ
ニウムを基準に少なくとも230lb（104kg）の疲労荷重要
件に適合しなければならない。従ってめっきされていな
い複合材料製のベーンはこの用途に於てアルミニウムに
置換わるには相応しくない。複合材料製のベーンの表面
に圧縮応力が与えられたニッケルめっきを適用すること
により、荷重限界が725lb（329kg）まで増大され、めっ
きされていない複合材料製のベーンに対し380％改善さ
れ、これにより複合材料製のベーンをガスタービンエン
ジンに使用することが可能になる。 第３図には、低サイクル疲労寿命とめっき厚さとの関
係が図示されている。これらの結果は235゜F（113℃）
及び10サイクル/secにて230lb（104kg）の３点曲げ荷重
に基づくものである。ファン出口ガイドベーンに必要な
サイクル数は約50,000サイクルである。めっきされてい
ないベーンが必要な230lb（104kg）の荷重が与えられた
状態にて試験されたところ破損した。この第３図のグラ
フより、厚さ4.5mil（114μ）のめっきによれば、上述
の要件が容易に達成され、また疲労寿命の対数値とめっ
き厚さとの間には直線的な関係が存在することが解る。
めっき厚さを約5mil（127μ）まで増大させることによ
り、疲労寿命が1MMサイクル以上に増大される。かかる
関数により、めっき厚さを変化させることによって物品
の疲労寿命を設計要件に適合させることができる。 めっきされた複合材料物品を使用することに関し考慮
すべき一つの重要な点は、疲労寿命に対するエロージョ
ン又は衝撃損傷の影響である。第３図に於て、ファン出
口ガイドベーンの疲労寿命に対するエロージョン及びリ
ーディングエッジの損傷の影響を示す幾つかのデータ点
が図示されている。×が付されたデータ点はエロージョ
ンの損傷についてのものであり、 が付されたデータ点はリーディングエッジの損傷につい
てのものである。5.0mil（127μ）の厚さのめっきを有
するファン出口ガイドベーンが、300ft/sec（91.4m/se
c）にて駆動される150グリットのアルミナよりなる研摩
環境に８時間曝された。第３図のグラフより、疲労寿命
が実質的に低下していないことが解る。同様に３個のフ
ァン出口ガイドベーンがリーディングエッジに対しクロ
スピーンハンマにて衝撃が与えられ、疲労試験された。
疲労寿命は低下したが、所要の50,000サイクルの寿命を
有していた。 重量の低減に関しては、アルミニウム製のファン出口
ガイドベーン95gの重量を有しているのに対し、めっき
されたベーンは必要とされる疲労寿命及び静的強度に応
じて55〜95gの重量を有している（第２図参照）。疲労
荷重の要件が２倍（67.7gにて460lb（209kg））にされ
たとしても、アルミニウム製のベーンよりも30％重量が
節減される。 第４図に於て、めっき厚さと静的強度との間にも直線
関係が存在し、これによりめっき厚さを静的荷重要件に
適合化させることができることが解った。例えば4mil
（102μ）の厚さのめっきによれば破壊に至る荷重が475
lb（215kg）になるのに対し、5mil（127μ）の厚さのめ
っきによれば破壊に至る荷重が575lb（261kg）に増大さ
れる。 以上に於ては本発明をガスタービンエンジンに使用さ
れる複合材料製のファン出口ガイドベーンについて説明
したが、本発明は優れた耐エロージョン性、静的強度、
及び疲労寿命を必要とする任意の複合材料物品に使用さ
れてよいことが理解されよう。また本発明の範囲内にて
めっき方法、めっき厚さ、及び複合材料の種類に関し種
々の変更が行われてよいことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
第１図は残留圧縮応力状態を有するめっきを含む複合材
料製のファン出口ガイドベーンを示す斜視図である。 第1A図は第１図の線1A−1Aに沿う断面図である。 第２図はめっきされていない複合材料製のベーンとの対
比に於て本発明のベーンに於ける破壊に至る静的荷重を
示すグラフである。 第３図は疲労寿命とめっき厚さとの間の関係を示すグラ
フである。 第４図はめっき厚さと静的強度との間の直線関係を示す
グラフである。 １……ファン出口ガイドベーン,2……エーロフォイル,3
……凸状面（吸入側面）,4……凹状面（圧力側面）,5…
…リーディングエッジ,6……トレーリングエッジ,7……
銅めっき,8……ニッケルめっき
料製のファン出口ガイドベーンを示す斜視図である。 第1A図は第１図の線1A−1Aに沿う断面図である。 第２図はめっきされていない複合材料製のベーンとの対
比に於て本発明のベーンに於ける破壊に至る静的荷重を
示すグラフである。 第３図は疲労寿命とめっき厚さとの間の関係を示すグラ
フである。 第４図はめっき厚さと静的強度との間の直線関係を示す
グラフである。 １……ファン出口ガイドベーン,2……エーロフォイル,3
……凸状面（吸入側面）,4……凹状面（圧力側面）,5…
…リーディングエッジ,6……トレーリングエッジ,7……
銅めっき,8……ニッケルめっき
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 チャールズ・レイ・ワトソン
アメリカ合衆国コネチカット州、ウイン
ザー、ウィルトン・ロード 61
(56)参考文献 特開 昭59−50149（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名)
C25D 5/00 - 7/12
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．凸状の吸入側面と凹状の圧力側面とリーディングエ
ッジとトレーリングエッジとを有し複合材料にて形成さ
れたガスタービンエンジン用ファン出口ガイドベーンに
して、前記各面と各エッジには金属めっきが施されてお
り、該金属めっきは残留圧縮応力が存在する状態となっ
ていることを特徴とするガスタービンエンジン用ファン
出口ガイドベーン。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US89262486A | 1986-08-04 | 1986-08-04 | |
| US892624 | 1986-08-04 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6342396A JPS6342396A (ja) | 1988-02-23 |
| JP2829606B2 true JP2829606B2 (ja) | 1998-11-25 |
Family
ID=25400258
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| DE (1) | DE3725686A1 (ja) |
| FR (1) | FR2602179B1 (ja) |
| GB (1) | GB2194553B (ja) |
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