JP4701076B2 - ターボ機械ブレードのための鋳造セラミックコアを製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロストワックス鋳造技術を使用して、特に冷却回路を形成する複雑な形状の内部キャビティを有する、ターボ機械のための金属ブレードなどのコンポーネントの製造に関する。

そのようなブレードの製造は、鋳造コアを形成しかつブレードのキャビティを特徴づける内部コンポーネントを備えたモデルを、ワックスまたはそれと同等の材料で製造する工程を含む。ワックスのための射出成形型が、モデルを形成するのに使用され、コアがこの型の中に配置され、ワックスがその型に射出される。そして、シェル鋳型を製造するために、ワックスモデルは、セラミック粒子の懸濁液からなるキャスティングスリップに何回か漬けられる。ワックスは除去され、シェル鋳型は焼成される。ブレードは、シェル鋳型の内壁とコアとの間のボイドを占める溶融金属を流し込むことによって得られる。種または適切なセレクタを用いること、および冷却を制御することによって、金属は、所望の組織で固まる。合金の性質、および鋳造処理から得られるコンポーネントの期待される特性に応じて、この金属組織は、柱状組織を備えた方向性凝固（ＤＳ）、単結晶粒組織を備えた方向性凝固（ＳＸ）、または等軸凝固（ＥＸ）であり得る。コンポーネントの最初の２つのグループは、タービンエンジン内において熱的および機械的に高い応力を受ける、ＨＰタービンブレードのようなコンポーネントのための超合金に関連するものである。

合金が凝固された後、シェルおよびコアは取り出される。これにより、所望のブレードが得られる。

使用される鋳造コアは、一般的には多孔質構造を備えたセラミックからなる。これら鋳造コアは、粒子の形態を有する耐熱性充填剤、および結合剤を構成する多少の複合有機質部分からなる混合物から製造される。組成の例が、欧州特許第３２８４５２号、仏国特許第２３７１２５７号、または仏国特許第１７８５８３６号に記載されている。知られているように、鋳造コアは、例えば、射出成形機を用いて成形することによって形状形成される。この形状形成の後に、結合剤除去処理が続き、その結合剤除去処理中に、コアの有機質部分は、使用される材料に応じて、昇華または熱分解のような手段によって除去される。これは、多孔質構造をもたらす。そして、コアは、炉における熱処理によって固められる。型割線の跡を取り除いて仕上げ、最終的なコア形状を得るために、仕上げ工程が必要とされることもある。このために研磨工具が使用される。また、その後のコアの使用サイクルにおいてコアが損傷するのを防止するために、コアを強化することが必要とされることがある。その場合には、コアは、有機樹脂を含浸させられる。

コアの複雑な形状のために、また、特に金属合金が鋳込まれる際、仕切りを形成する凹部が存在するために、コアを形状形成するのに使用される型は、多くの数の移動サブコンポーネントを備えることがある。これらのサブコンポーネントの仕切りは、工具の開口の主方向にアンダーカットを有する。これらは、鋳造対象物を取り出すのを妨げようとする、型の壁に対してわずかに傾斜した領域である。しかしながら、仕切りに対応するこれらのサブコンポーネントは、射出によって直接にコア全体を形成するのを可能にする。

この技術は、一般的に、多くの数のコアを製造することが必要とされる場合に使用される。これは、連続製造段階におけるエンジンコンポーネントの製造に関する場合である。しかしながら、例えばエンジン開発プログラムに関連して、限られた数のコアを準備する場合、これは欠点を有する。多くの数のサブコンポーネントを有する射出成形工具を製造することは時間がかかり、簡単な開発作業にとっては、度を超えたもののように思われる。また、それにかかるコストは、きわめて大きい。さらに、人手による仕上げ作業は、時間がかかり、多くの労働力を必要とする。

したがって、エンジン開発に関連して、複数のサブコンポーネントを含む箱の中に射出する方法は、コアの設計を迅速にかつ経済的に変更することに対応することはできない。さらに、コアの後縁に要求される厚さは、益々薄いものになりつつある。知られている方法を用いてこれらを得ることは、難しくなりつつある。
欧州特許第３２８４５２号明細書 仏国特許第２３７１２５７号明細書 仏国特許第１７８５８３６号明細書

これらの問題を解決するために、１つの知られている技術は、アンダーカット仕切りのない簡素化された型でセラミックコアを製造することである。そして、コアは、パーティションおよび流れ攪乱構造を形成する凹部を形状形成し、かつ後縁のドリル加工するために、焼成された後に機械加工される。しかしながら、この技術は、ある種の限界を有する。セラミックには可塑性領域がないので、機械加工は、研磨によってなされる。このために、先端にダイヤモンドがついた特殊な工具が使用され、この工具は、きわめて高価なものである。それにもかかわらず、工具はすぐに摩耗し、コアの寸法要件を満たすことはもはやできない。さらに、コアは焼成工程中に、互いに不均一な収縮を呈し、これは、上述の寸法公差を満たさなければならない場合、適応機械加工を実行しなければならないことを意味する。適応機械加工は、適切な測定手段を用いてそれぞれのコアの寸法を測定し、測定データを望ましいコアに関連する数値ファイルに記録された値と比較することからなる。実際のコアで測定された値と数値ファイルの値との間の相違に基づいて、ソフトウェアパッケージが、工具のパスを計算する。これらの操作は、個々のコアごとに実行されなければならない。

また、セラミック粒子を焼結するのにレーザを使用する機械を用いて、あるいは、セラミック粒子を互いに粘結させるコロイドを堆積させるノズルを備えた機械を用いて、あるいは、その代わりに、セラミックが焼結される前に結合剤が除去されるセラミック粒子を含んだ樹脂を固めるのにレーザを使用する機械を用いて、セラミックの連続する層を付加することによって、コアを一層ずつ形成することからなるエンジン開発プログラムに適合させた方法が、知られている。これらの技術は、射出成形工具を使用しないが、コア製造時間が長すぎる。さらに、寸法を制御することは、特に後縁がきわめて薄い動翼のためのコアの場合には、きわめて難しい。

本発明によれば、これらの問題は、セラミック粒子充填剤および有機結合剤を含む混合物を型内で形状形成する工程と、型から取り出す工程と、結合剤を除去する工程と、熱処理してコアを硬化させる工程とを含む、特にターボ機械ブレードのための仕切り凹部のような少なくとも１つの凹部を備えた鋳造コアを製造する方法を用いて改善される。この方法は、前記凹部を備えない粗いコア鋳造物（ｃｏｒｅ ｒｏｕｇｈ ｃａｓｔｉｎｇ）が、前記型内で形成され、粗い鋳造物が型から取り出された後に、かつ熱処理操作の前に、前記凹部が機械加工されることを特徴とする。

本発明によって、鋳造コアを得るのに必要とされるコストおよび時間は、減少する。アンダーカットを呈する仕切りを有する型に射出成形によってコアを得るのに要する時間は、３ヶ月から４ヶ月であるが、本発明の技術を用いて要する時間は、３週間から４週間に減少する。また、この解決方法は、設計の変更に対する柔軟性および応答性を相当に増加させ、従来技術の方法を用いて得ることのできる後縁よりも薄い、０．１ｍｍから０．３ｍｍほどの後縁を有するコアを得ることに寄与する。また、この方法のおかげで、コアを操作する量が減少し、不良率を減少させることが見出された。

有利には、機械加工操作は、チップを除去しながらフライス加工することによって機械的に実行される。実際に驚いたことには、コアは、それが成形された後に、かつ、熱硬化処理が施される前に、加工されてもよいことが見出された。この状態において、コアは、プラスティックコンシステンシーを有し、それの形状を維持しながら、操作および加工されてもよい。さらにまた、コアは、成形処理の後、互いに均一な収縮を有する（それらは幾何学的に同一である）。したがって、以前の解決方法とは対照的に、コアを測定すること、およびそれらのコアの寸法をコアに関連する数値ファイルに記録された寸法と比較することを必要としない。本発明に関しては、適応機械加工を必要としない。

より詳細には、コアは、８０％から８５％の無機充填剤、および１５％から２０％の有機結合剤からなる。この組成は、有利には、出願人の会社が所有する欧州特許第３２８４５２号公報に記載された組成の１つに対応する。

別の特徴によれば、機械加工は、それぞれのパスにおいて０．１ｍｍから２ｍｍの範囲の材料の所定の厚さを除去する工具の一連のパスによって実行される。より詳細には、機械加工操作は、少なくとも３軸のフライス盤、好ましくは４軸のフライス盤、あるいは５軸のフライス盤で材料を除去することによって、フライスを用いて実行される。このアプローチを通じて、機械加工は自動化されてもよい。

この技術は、収縮が常に同じであるとは限らない焼成工程中に、コアが収縮することによる不利益をこうむることなく、既存のＣＡＤ−ＣＡＭ（コンピュータ支援設計／コンピュータ支援製造）ファイルによって、焼成していないコアを機械加工するのを可能にする。焼成していないコアは、それが製造されたときの型の寸法を有する。有利には、焼成前のコアは、幾何学的に同一である。

別の特徴によれば、機械加工操作は、粗いコア鋳造物の表面と凹部との間に存在する部分の角を丸くする工程を含む。

このように、コアの様々な構造要素に対応する様々な形状の凹部を製造することができる。より詳細には、金属合金が流し込まれた後に、ターボ機械ブレード冷却回路における分割仕切りを形成する貫通孔を製造することができる。また、鋳込まれた後に、ターボ機械ブレードの後縁において２つの冷却流体排出孔間に存在する、分割仕切りを形成する貫通孔を製造することができる。また、貫通孔ではなく、かつ、鋳込まれた後に、流れを攪乱する特徴を形成する凹部を製造することができる。その他の構造を製造することができる。

この方法を実現するために、０．３ｍｍから０．８ｍｍの直径を備えた頭部、および螺旋状切溝を備えたフライスが使用され、螺旋状切溝のねじれ角は、４０°から６０°である。

添付の図面を参照して、以下に記載される本発明による方法の一実施形態の説明を読むことによって、その他の特徴および利点が明らかとなる。

以下の説明は、航空機または地上で使用されるガスタービンエンジンにおける高圧タービンブレードのための鋳造コアの形成に、本発明を適用することに対応する。この実施形態は、限定するものではない。

図１からわかるように、タービンブレード１は、羽根の腹面ＩＮ、羽根の背面ＥＸ、前縁ＢＡ、および後縁ＢＦを備える。航空機に使用されるガスタービンエンジン用の高圧タービンブレードの場合、ブレードは、内部キャビティを備え、この例においては、１Ａから１Ｇまでの７つの内部キャビティを備える。後縁は、最後のキャビティ１Ｇから供給される開口を備え、それによって、圧縮機から取り出された空気である冷却流体は、逃げることができる。

キャビティは、仕切り１ＡＢ、１ＢＣ等によって互いに分離される。これらのブレードが、溶融金属を鋳込むことによって製造される場合、シェル鋳型は、ブレード内に形成されるべきキャビティのボイドを占めるコアを含まなければならない。図１からわかるように、コアは複雑である。特に、コアは、仕切りに対応する凹部を備え、製造するのが容易ではない。特に、このコアは、アンダーカットが、これらの凹部を実現するために形成されなければならない型内に、射出成形によって製造される。従来の技術は、材料が型に射出された後、コアが引き出されてもよいように、ある程度だけ動くことのできるサブコンポーネントを備えた型を設計しなければならない。上述したように、移動するサブコンポーネントを備えたこの種の型を製造することは、きわめて時間がかかりかつコストのかかるプロセスである。本発明の目的は、このような複雑な構造を有するコアを製造することであるが、同様の複雑さを有する型を製造する必要がない。

本発明によれば、簡素化された型が製造され、換言すれば、移動サブコンポーネントをまったく有しないか、または少ない数の移動サブコンポーネントを少なくとも有する型が、製造される。本発明の意味の範囲内においては、型が、仕切り凹部のような少なくとも１つの凹部を有し、対応するサブコンポーネントを備えないならば、かつ、この凹部が機械加工によって形状形成されなければならないならば、型は、簡素化されたということである。図２は、そのような簡素化された型から得られるコア１０を示す。このコア１０は、ベーン１０Ａ内のキャビティに対応する部分、ブレード根元部キャビティに対応する部分１０Ｂ、および、製造中に掴むためのハンドルを形成する部分１０Ｃを備える。また、ベーンの先端において、当技術分野の用語で「バスタブ」として知られている部分に対応する、部分１０Ｄを見ることができる。この例におけるこの部分は、横方向凹部によって部分１０Ａから分離されている。この凹部は、鋳込まれた後に、「バスタブ」の端壁を形成する。

この粗いコア鋳造物を製造するために、適切な混合物が製造された。これは、特に無機充填剤に結合された有機結合剤である。例えば、混合物は、欧州特許第３２８４５２号の教示に基づいて製造される。コアは、操作しやすく、かつその構造は、チップを除去するフライス工具を用いてコアを加工するのを可能にする。

次の工程は、この粗いコア鋳造物１０において、型によって提供されなかった凹部を機械加工することである。機械加工は、有利には、図５に示されるような工具を用いて実行される。これは、切端１００Ａ、およびシャンク１００Ｂに沿った螺旋状切溝または螺旋状切縁を備えたフライス１００である。機械加工されるべき凹部は、例えば１ｍｍの幅を有する。フライスは、機械加工されるべき表面から、タービンブレードの場合には、０．１ｍｍから０．５ｍｍの深さで、この機械加工されるべき表面に直角に動かされる。また、工具の回転速度および工具の送り速度は、一定である。したがって、材料にかかる負荷は制限され、工具の屈曲を防止する。工具の頭部は、有利には、コアに形成されるべき凹部の幅に応じて、０．３ｍｍから０．８ｍｍの直径を有する。機械加工は、このようにして進行し、一連の工程において、コアが貫通するまで、材料を定められた深さにまで切削する。好ましくは、この段階においてクリアランスが維持され、コアが完全に貫通した後、得るべき正確な翼形が切削され、フライスがシャンクを中心にして動かされる。

好ましくは、例えば、空間においてフライスを位置決めするための３つの軸、およびコアを位置決めするための２つの軸を有する、５軸型の数値制御工作機械が使用される。この機械は、凹部の機械加工を自動化するために、容易にプログラムされることができる。

凹部は、角に丸みをつける操作によって仕上げられる。切削速度、工具の回転速度、工具のパス、および工具の直径のようなパラメータが、定められる。

現在、ブレードコアは、益々薄い後縁を有する。従来技術の射出成形法を用いてそれらを得るのは難しい。本発明の方法は、比較的厚い後縁を備えた粗い鋳造物を製造し、かつ０．１５ｍｍに至る所望の厚さを得るために、この部材を機械加工するのを可能にする。

図３および図４は、機械加工された後のコア１０を示す。縦方向に延び、かつ多かれ少なかれブレードの軸方向に存在する凹部１０ＡＢ、１０ＢＣ等は、貫通孔であり、かつ、溶融金属がシェル鋳型の中に鋳込まれた後に、それらの凹部が、ある程度の収縮があるにしても、コンポーネント内において形成する仕切り１ＡＢ、１ＢＣ等の幅を有する。

コアが機械加工された後、この方法は、鋳造コアを製造するプロセスにおいてそれ自体が良く知られている次の処理に移る。このプロセスは、結合剤を除去することを含み、換言すれば、有機結合剤を除去することを含む。このために、コアは、それが含む有機成分を分解させるほど十分に高い温度にまで加熱される。そして、その他の工程は、コアを形成するセラミック粒子を焼結するのに必要な温度にまで、コアを加熱することを含む。さらなる硬化が必要であれば、コアは有機樹脂を含浸させられる。

この解決方法は、コアを形状形成するのに使用される型の形状を相当に簡素化するので、説明は、本質的に仕切り凹部に限定される。しかしながら、コアのあらゆる部分を機械加工することに拡張されてもよい。例えば、この技術は、後縁の近くに配置されたコアの部分、および冷却回路の端部においてブレードの内部から逃げかつガス流へ噴射される空気の通路のためのダクトを備えたコアの部分のような、きわめて薄いコアの部分を製造するのを可能にする。

冷却されたタービンブレードの断面図である。 簡素化された型から取り出された後の粗いコア鋳造物の斜視図である。 本発明に基づいて、凹部を機械加工した後の図２のコアを示す図である。 図３のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。 フライスを用いて機械加工する方法を示す図である。

符号の説明

１ タービンブレード
１０ コア
１０Ａ ベーン
１０Ｂ、１０Ｃ ブレードの一部分
１０ＢＣ、１０ＣＤ、１０ＤＥ、１０ＥＦ、１０ＦＧ 凹部
１００ フライス
１００Ａ 切端
１００Ｂ シャンク
ＩＮ 羽根の腹面
ＥＸ 羽根の背面
ＢＡ 前縁
ＢＦ 後縁

Claims (11)

1. セラミック粒子充填剤および有機結合剤を含む混合物を型内で形状形成する工程と、型から取り出す工程と、結合剤を除去する工程と、熱処理して鋳造コアを硬化させる工程とを含む、ターボ機械ブレードのための少なくとも１つの仕切りのための凹部を備えた鋳造コアを製造する方法であって、前記凹部を備えない粗いコア鋳造物（１０）が、前記型内で形成され、粗いコア鋳造物が型から取り出された後に、かつ熱処理操作の前に、前記凹部（１０ＡＢ、１０ＢＣ、…、１０ＦＧ）が機械加工され、機械加工操作が、切りくずを除去しながらフライス加工することによって機械的に実行され、また、機械加工操作が、粗いコア鋳造物の表面と凹部との間の部分の角を丸くする工程を含むことを特徴とする方法。
2. 機械加工が、０．１ｍｍから２ｍｍの所定の厚さで一連のパスによって実行される、請求項１に記載の方法。
3. 機械加工操作が、少なくとも３軸のフライス盤で材料を除去することによって、フライスを用いて実行される、請求項１または２に記載の方法。
4. 機械加工操作が、４軸のフライス盤で材料を除去することによって、フライスを用いて実行される、請求項３に記載の方法。
5. 機械加工操作が、５軸のフライス盤で材料を除去することによって、フライスを用いて実行される、請求項３に記載の方法。
6. 型がコアの凹部の数よりも少ない数のいくつかの移動サブコンポーネントを備えている、複数の凹部を備えたコアを製造するための請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 型が移動サブコンポーネントを備えていない、複数の凹部を備えたコアを製造するための請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
8. 凹部が、貫通孔であり、鋳込まれた後に、ターボ機械ブレード冷却回路における分割仕切りを形成する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 凹部が、貫通孔であり、鋳込まれた後に、ターボ機械ブレートの後縁における２つの冷却流体排出孔間に分割仕切りを形成する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
10. 凹部が、貫通孔ではなく、鋳込まれた後に、流れを攪乱する構造体を形成する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
11. フライス加工が、０．３ｍｍから０．８ｍｍの直径の頭部（１００Ａ）、および螺旋状切溝（１００Ｂ）を備えたフライスを用いて実行され、螺旋状切溝（１００Ｂ）のねじれ角が、４０°から６０°である、請求項１または２に記載の方法。

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