JP3883899B2 - ブレード一体型ローターの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレード一体型ローターを製造/修理するための方法、および、これら方法に用いられる新規な内包式局所エアフォイル加熱装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
大型で高性能のガスタービンエンジンにおいてブレード一体型ローター部品の使用がますます増加しているが、これは性能および効率改善の要求によるものである。従来のローターにおいては、回転エアフォイルは、ディスクのリムにブローチ加工された鳩尾型のスロットに保持されている。ブレード一体型ローターでは、エアフォイルとディスクは一個の連続した金属体を形成している。ブレード一体型ローターにおいては、従来の設計のローターにおいて必要とされるよりも小さなディスク質量で回転エアフォイルを保持することができ、この結果、重量および燃料の節約が図れれう。さらに、ブレード一体型ローターにおけるディスク質量の低減によって、ローターに反力を及ぼし、あるいはローターの反力を受けるシャフト、ハブ、ベアリング等の他の部品の重量低減を図ることができる。
【0003】
過去において、大型のガスタービンエンジンにブレード一体型ローターを用いることに伴う主な不利益は、ブレンド限界(blendable limit)、つまり手直し可能な限度を超える損傷を受けたブレード一体型ローターエアフォイルを修理するための、信頼性ある方法がないことであった。エアフォイルはディスクと一体になっているので、エアフォイルがブレンド限界を越える損傷を受けた場合はローター全体を使用状態から外し、相当な費用をかけて新しいブレード一体型ローターと交換しなければならない。
【0004】
ブレード一体型ローターに関する他の問題点は、その製造ないし生産に使用される製造方法に関連したものである。ブレード一体型ローターは単一の大きな鍛造物から削り出すこともできるが、この方法は好ましくない。大型のビレットのような大きな鍛造物は性能を高めることが難しく、また材料によっては非常に高価な出発材料を相当量、削り捨てなくてはならない。また製造過程につきものの加工ミスによって、スクラップになる危険性がある。ブレード一体型ローターを製造する他の方法は、別体に鍛造されたエアフォイルを接合工程によってローターに取り付ける方法である。
【0005】
必須的に6.0重量%のアルミニウム、2.0重量%の錫、4.0重量%のジルコニウム、6.0重量%のモリブデンを含んでなり、および残部が実質的にチタンからなるチタン合金は、靭性、引っ張り強度、疲労強度が高く、溶接性が良好なことによって、ブレード一体型ローターに望ましいものである。しかしながらこの合金は、斜方晶系マルテンサイトである溶接領域の微細構造の性質のために、溶接後の後処理が困難である。第一に、OEM摩擦溶接部は、微細構造を安定化し、応力を除去するために溶接後に熱処理を施さなくてはならない。第二に、ブレード一体型ローターはその後、異物による損傷に対応して使用状態のまま溶接修理を受けることが可能でなくてはならない。溶接部の性能は完全溶体化処理と溶接後の熱処理によって回復されるが、この作業を行うことは、特に非OEM溶接においては、エアフォイルの変形の可能性と表面汚染のゆえに実際的ではない。現在用いられている1100°F(約593.3℃)で2−6時間の溶接後熱処理では、溶接領域が非常に硬くなり、母材に比較して衝撃強度が低下し、疲労割れ伝播抵抗が不十分になる。溶接領域の衝撃および靭性性能を許容範囲に回復するために、溶接後熱処理温度を平均1300°F(約704.4℃)に高め、2時間までにわたって処理することもできる。しかしながらこの処理においては基準状態の4−6%の引っ張り強度損失が起こる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような損失は高い応力を受ける多くの部品においては許容されないものである。
【0007】
従って、本発明の目的は、ブレード一体型ローターを製造および/または修理するための改良された方法を提供することである。
【0008】
本発明の他の目的は、高い引っ張り強度および疲労強度を保ちながら高温の溶接後熱処理を用いることを可能にする方法を提供することである。
【0009】
本発明の別の目的は、上記の高温溶接後熱処理を行うための、新規の内包式(密閉型)の局所エアフォイル加熱装置(エアフォイルの局所的な加熱装置)を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ブレード一体型ローターを製造するための方法は、概略的には、好ましくはチタンベースの合金で形成されたハブ部分を準備すること、および同様に好ましくはチタンベースの合金で形成されたエアフォイルをハブ部分に溶接すること、を有してなるものである。溶接の前に、ハブ部分およびエアフォイルに、固溶化処理(溶体化処理)、油焼入れ、部分時効処理および冷却を行うことができる。本方法はさらに、溶接に続いて、ハブ部分とエアフォイルの間の溶接接合部に、高温での溶接後の均質化熱処理を施すことを有してなるものである。
【0011】
本発明において、新規の内包式(密閉型)の局所エアフォイル加熱装置は、上記の溶接後均質化熱処理を行うために用いられる。本装置は、概略的には、高耐熱性の布材料(織物)から作られたジャケット(包被)に織り込まれた複数の加熱要素(加熱素子)を有してなる。この加熱装置をエアフォイルおよび溶接接合部に被せることで、上記の溶接後熱処理が行われる。
【0012】
本発明による、ブレード一体型ローターを修理するための方法は、概略的には、ブレード一体型ローターのエアフォイルの損傷部分を機械加工で削り落とすこと、および未損傷のエアフォイルの断片ないし形材をブレード一体型ローターのエアフォイルの残っている部分(残存部分)に溶接すること、を有してなるものである。これに続いて、上記の内包式局所エアフォイル加熱装置を未損傷エアフォイルの断片および溶接部にかぶせ、溶接後熱処理を行なう。これにより、残留応力を除去し、また溶接接合部およびこれに隣接する金属の微細構造と機械的性能ないし特性を回復することができる。
【0013】
本発明の上記製造/修理方法、および内包式局所エアフォイル加熱装置のその他の詳細、およびその他の目的およびこれに伴う利点は、以下の説明と添付図面に示されている。各図面中において、類似の構成要素は類似の符号で表されている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図1には、ハブ部分12と、溶接接合部16でハブ部分に溶接されたエアフォイル14を有するブレード一体型ローター10が示されている。またエアフォイルの断片15が溶接接合部16’でエアフォイルの未損傷部分11に溶接されている。図1は、また修理を要する損傷した先端部19を有するいくつかのエアフォイル11を示している。ハブ部分12、エアフォイル14、およびエアフォイルの断片15は従来公知の適切な技術を用いて形成することができる。ハブ部分12、各エアフォイル11、14、17、およびエアフォイルの断片15はチタンベース合金で形成することができる。好適なチタンベース合金としては、主として6.0重量%のアルミニウム、2.0重量%の錫、4.0重量%のジルコニウム、6.0重量%のモリブデン、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金(TI−6246);主として6.0重量%のアルミニウム、2.0重量%の錫、4.0重量%のジルコニウム、2.0重量%のモリブデン、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金(TI−6242);および主として6.0重量%のアルミニウム、4.0%のバナジウム、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金(TI−64)が挙げられる。チタン合金が好ましいが、ここに説明される方法は例えばInco718のようなニッケルベース合金で形成されたハブ部分、エアフォイル、およびエアフォイルの断片に適用されてもよい。ハブ部分12、エアフォイル11、14、17および/またはエアフォイルの断片15は、同じ合金で形成されてもよく、また異なる合金で形成されてもよい。
【0015】
溶接接合部16は従来公知の任意の適切な技術を用いて形成することができる。例えば、各エアフォイル14はハブ部分12に、OEM摩擦溶接法などの摩擦溶接技術を用いて溶接することができる。
【0016】
溶接の前に、ハブ部分12と各エアフォイル14に固溶化処理および油焼入れを行ってもよい。例えば、ハブ部分12および/またはエアフォイル14がTI6246合金で形成されているならば、固溶化処理および油焼入れを実施する。固溶化処理および油焼入れ処理においては、まずハブ部分12およびエアフォイル14を約1620°F(約882.22℃)ないし約1655°F(約901.66℃)の温度で、約1時間ないし4時間にわたって加熱する。固溶化処理および油焼入れ処理は、空気またはアルゴン雰囲気の電気炉中で行うことができる。ハブ部分12および/またはエアフォイル14は、適時に遅滞なく油タンク(図示せず)に移すために棚または固定具に入れてもよい。別法として、固溶化処理を行うのに油焼入れ能力のある真空炉を用いてもよい。油焼入れ段階が完了した後、ハブ部分12およびエアフォイル(単数または複数)14に約1075°F(約579.44℃)ないし約1125°F(約607.22℃)の温度で、約2時間ないし約8時間にわたって部分的に時効処理(エージング)を施してもよい。この部分時効処理は任意の適切な雰囲気を有する、従来公知の任意の適切な炉を用いて行うことができる。部分時効処理の後、ハブ部分12およびエアフォイル(単数または複数)14を毎分約40°F(約22.22℃)ないし100°F(約55.55℃)の降温率で冷却してもよい。
【0017】
上述したように、ブレード一体型ローター10を製造する場合、一つ一つのエアフォイル14をハブ部分12に溶接する。溶接が完了した後、ハブ部分12およびエアフォイル14とハブ部分12の間の溶接接合部16に、過時効溶接後熱処理を施す。この処理において溶接接合部16を不活性ガス中で1275°F(約690.55℃)ないし1325°F(約718.33℃)の温度で、1時間ないし4時間にわたって加熱する。溶接後熱処理の後、エアフォイル14および溶接接合部16を毎分約40°F(約22.22℃)ないし約100°F(約55.55℃)の降温率で冷却する。
【0018】
本発明によれば、溶接後熱処理は、図2に示されるような、新規な内包式局所エアフォイル加熱装置20を用いて行うことが好ましい。加熱装置20は、例えば、高耐熱の硼珪酸アルミニウムベースの織物などのセラミック絶縁材料で形成されたジャケットまたはソックス22を有する。ジャケットまたはソックス22は2つの役目を果たす。第1の役目は、ジャケットまたはソックス22は、装置20が発生した熱をエアフォイル表面に集中し、溶接接合部16および周囲の熱の影響を受けた領域を、目標とする溶接後熱処理温度に到達させ、その温度で安定させることである。第2の役目は、ジャケット22は、隣接するエアフォイルが意図しない加熱を受けるのを防止することである。
【0019】
装置20は、ジャケット22の布ないし構造物に織り込まれた複数の輻射式の抵抗発熱要素、つまり加熱要素(加熱素子)24を有する。加熱要素24は、好ましくは、ワット密度の高い電熱線からなる。加熱要素24は熱をエアフォイル表面に直接に輻射ないし放射する役目をする。加熱要素24は個別に制御される複数の加熱要素領域として配置されてもよい。例えば、装置20は、4つの個別に制御される加熱要素領域を有するものでも良い。
【0020】
チタンで作られた箔状のゲッターシート26がさらにジャケット22の織物に織り込まれており、局所的な雰囲気による汚染を防止するとともに領域に分けられた装置20の温度制御能力を高めている。
【0021】
装置20はさらに、ジャケット22の織物に織り込まれた複数の非接触熱電対ワイヤー28を有する。熱電対ワイヤー28は溶接後熱処理サイクルにおいて精密な温度制御を行うのに用いられる。可変式変圧器30が各加熱領域の加熱要素24に接続されて、加熱要素に電力を供給する。変圧器30は熱電対ワイヤー28が検知した温度の関数として各加熱領域の加熱要素24への電流を変化させるのに用いることができる。
【0022】
装置20を使用するには、図3に示されるように、装置20をエアフォイル14と溶接接合部16に被せる。次いで、電力を輻射式加熱要素24へ供給し、溶接接合部16を加熱して上述した溶接後熱処理温度にする。電力は上述した範囲の溶接後熱処理時間にわたって継続して供給される。
【0023】
ブレード一体型ローター10を製造するのに用いられるのと基本的に同じ方法が、損傷を受けたブレード一体型ローターを再生するのにも用いられる。ブレード一体型ローターを修理するには、まずローターエアフォイル11の損傷部分19を、従来公知の任意の適切な機械加工技術を用いて削り落とす。その後、未損傷エアフォイルの断片15を、ブレード一体型ローターのエアフォイルの残存部分11に溶接する。エアフォイルの断片15を残存部分11に溶接するには、摩擦溶接技術などの、従来公知の任意の適切な技術を用いることができる。未損傷エアフォイルの断片15は任意の前述のチタンベース合金またはニッケルベース合金からなっていてよい。
【0024】
次いで加熱装置20を未損傷エアフォイル15および溶接接合部16’に被せ、電力を供給して前述の溶接後熱処理を、1275°F(約690.55℃)から1325°F(約718.33℃)の温度で、1時間ないし4時間にわたって行う。溶接後熱処理の後、未損傷エアフォイル15および溶接接合部16’を毎分約40°F(約22.22℃)ないし約100°F(約55.55℃)の降温率で冷却する。
【0025】
溶接後熱処理の後、未損傷エアフォイルの断片15を機械加工して、要求される形状を得る。
【0026】
本発明の加熱装置20の利点は、焦点を絞った(集中的で)、局所的な加熱を与えることによって、ブレード一体型ローター上の隣接するエアフォイル及びディスクハブが、強度損失および/または変形を起こすような温度より十分低い温度に保たれることである。同時に加熱装置20により、超合金エアフォイル材料の溶接後応力除去に必要な温度と継続時間を提供することができる。
【0027】
図4および図5を参照して、これらのグラフには、本発明の方法が母材(P/M)の強度損失を除去し、合金の靭性が基準線と合致する状況が図示されている。図4には、ブレード一体型ローターを形成するのに用いられるTi−6Al−2Sn−4Zr−6Mo合金の最終的な引っ張り強度、降伏点、および伸び特性が示されており、この合金に固溶化処理、油焼入れ、1100°F(約593.33℃)での部分時効処理、および1300°F(約704.44℃)での過時効処理を施した場合(合金no.1)と、同じ合金に固溶化処理、空冷、および1100°F(約593.33℃)での時効処理を施した場合(合金no.2)と、同じ合金に固溶化処理、空冷、および1300°F(約704.44℃)での時効処理を施した場合(合金no.3)とを比較している。合金no.1が他の二つより優れているのがわかる。また図5には、ブレード一体型ローターのディスク部分に用いられたTi−6Al−2Sn−4Zr−6Mo合金のシャルピー衝撃強度に対する、本発明の方法の効果が図示されている。
【0028】
なお、以上の説明では、加熱装置20を、チタンベース合金からなるブレード一体型ローターを処理する場合に使用する例を説明したが、上記装置はニッケルベース超合金などの他の材料から形成されたブレード一体型ローター、およびエアフォイルの処理に適用できることは勿論である。
【0029】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、上述の手段、目的、および利益を満足するブレード一体型ローターの製造および修理技術が提供されることは明らかである。また、上記説明では、本発明をの特定の実施例に基づいて説明したが、上記説明を参照して、当業者には他の別法、改造、および変形は自明である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載されたような、これらの別法、改造、および変形を包含したものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】ハブ部分に溶接されたエアフォイルを有するブレード一体型ローターの説明図である。
【図2】本発明による内包式局所エアフォイル加熱装置の説明図である。
【図3】エアフォイルおよび溶接接合部の上部に被せられた状態の、図2の加熱装置を示した説明図である。
【図4】本発明による製造/修理方法を用いたことで得られる改善点を示したグラフである。
【図5】本発明による製造/修理方法を用いることによって得られる改良を示すグラフである。
【符号の説明】
10 ブレード一体型ローター
11 エアフォイル
12 ハブ部分
14 エアフォイル
15 断片
16 溶接接合部
20 加熱装置
22 ジャケット
24 加熱要素
28 熱伝対ワイヤー
30 可変式変圧器
Claims (10)
- 合金で形成されたハブ部分を準備するステップ、
合金で形成されたエアフォイルを前記ハブ部分に溶接するステップ、および
前記溶接ステップの前において、前記ハブ部分を1620°F(882.22℃)ないし1655°F(901.66℃)の温度で1時間ないし4時間にわたって固溶化処理し、および前記固溶化処理されたハブ部分を油焼入れするステップを有し、さらに
前記溶接ステップの前に、前記固溶化処理および焼入れを受けたハブ部分を、1075°F(579.44℃)ないし1125°F(607.22℃)の温度で2時間ないし8時間にわたって部分時効処理するステップと、
前記溶接ステップの後に、前記エアフォイルおよび、前記エアフォイルと前記ハブ部分との間の溶接接合部を、1275°F(690.55℃)ないし1325°F(718.33℃)の温度で1時間ないし4時間にわたって時効処理するステップを有し、
前記時効処理ステップが内包式局所エアフォイル加熱装置を前記溶接接合部に被せることによって前記エアフォイルに直接に熱を輻射することを有してなる、ことを特徴とするブレード一体型ローターの製造方法。 - 前記部分時効処理されたハブ部分を、毎分40°F(22.22℃)ないし100°F(55.55℃)の降温率で冷却するステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記時効処理されたエアフォイルを40°F(22.2℃)ないし100°F(55.5℃)の降温率で冷却するステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記内包式局所エアフォイル加熱装置は複数の抵抗加熱要素を有しており、さらに前記時効処理ステップは、前記抵抗加熱要素に加えられる電力を変化させて前記エアフォイルおよび前記溶接接合部を前記温度範囲に加熱するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項3記載の方法。
- 前記ハブ部分および前記エアフォイルは、いずれもチタン合金で形成されている、ことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記ハブ部分および前記エアフォイルは、いずれも、必須的に6.0重量%のアルミニウム、2.0重量%の錫、4.0重量%のジルコニウム、6.0重量%のモリブデン、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金で形成されている、ことを特徴とする請求項1記載の方法。
- ブレード一体型ローターを作成する方法であって、前記方法は、
合金で形成されたハブ部分を準備するステップ、
合金で形成されたエアフォイルを前記ハブ部分に溶接するステップ、
前記溶接ステップの前において、前記ハブ部分を1620°F(882.22℃)ないし1655°F(901.66℃)の温度で1時間ないし4時間にわたって固溶化処理し、および前記固溶化処理されたハブ部分を油焼入れするステップ、
前記溶接ステップの前に、前記ハブ部分と前記エアフォイルの少なくとも一方を、1075°F(579.44℃)ないし1125°F(607.22℃)の温度で2時間ないし8時間にわたって部分時効処理するステップ、および
前記溶接ステップの後に、前記エアフォイル、および前記エアフォイルと前記ハブ部分との間の溶接接合部を1275°F(690.55℃)ないし1325°F(718.33℃)の温度で1時間ないし4時間にわたって時効処理するステップを有し、
前記時効処理ステップが、内包式局所エアフォイル加熱装置を前記溶接接合部に被せて前記エアフォイル表面に直接に熱を輻射するステップを有してなる、ことを特徴とする方法。 - 前記内包式局所エアフォイル加熱装置は複数の抵抗加熱要素を有してなり、および前記時効処理ステップは前記加熱要素に加える電力を変化させることで前記エアフォイルおよび前記溶接接合部を前記温度範囲の温度で加熱するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項7記載の方法。
- 前記ハブ部分と前記エアフォイルの一方が、必須的に6.0重量%のアルミニウム、2.0重量%の錫、4.0重量%のジルコニウム、6.0重量%のモリブデン、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金で形成され、また、前記ハブ部分と前記エアフォイルのうちの他方が、必須的に6.0重量%のアルミニウム、4.0%のバナジウム、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金で形成される、ことを特徴とする請求項7記載の方法。
- 前記ハブ部分と前記エアフォイルの一方が、主として6.0重量%のアルミニウム、2.0重量%の錫、4.0重量%のジルコニウム、6.0重量%のモリブデン、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金から形成され、また、前記ハブ部分と前記エアフォイルのうちの他方が、主として6.0重量%のアルミニウム、2.0重量%の錫、4.0重量%のジルコニウム、2.0重量%のモリブデン、および残部の主としてチタンからなるチタンベース合金で形成される、ことを特徴とする請求項7記載の方法。
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