JP5072237B2 - 金属材料を機械的に特徴付ける方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械、特に航空用ターボ機械の分野に関し、可動ブレード付きディスクのような部分の補修を意図している。

エンジンの増加した性能要求に合わせるために、「ブリスク（ｂｌｉｓｋ）」と呼ばれる一体形ブレード付きディスクまたはホイールは、現在、ガスタービンエンジンの圧縮機用のチタン合金から製造される。従来のロータにおいて、ブレードは、ディスクの周縁上に作られたハウジングの中に嵌合したそれらのルート部によって保持される。従って、ディスクとブレードは、ブレード付きロータに組み立てられる前に別々に製造される。ブリスクでは、ブレードとディスクは、単一の部分を形成する鍛造ブランクから直接的に機械加工される。この技術は、エンジンの総重量を実質的に節約するばかりでなく、製造コストを実質的に低減することができる。

しかしながら、この種類のロータは、補修が困難であるという欠点を有する。作動時に、圧縮機のブレードが、エンジンを介しての異物等の取り込みによって生じる衝撃、またはエンジンを通過して流れる空気によって取り込まれてブレードの表面に接触する、ダストおよび他の粒子によって生じる腐食により、損傷を被る場合がある。この摩耗または損傷は、それが製造者の文書で指示された基準に従って補修することができないときは、一つ以上の欠陥ブレードの交換を必要とする。一体形ブレード付き部品の場合、ブレードは、大きくて重い部品の一体部分であり、従来の装置とは異なって、個々の補修のために交換または取り外しさえも行うことができない。部品を直接ディスク上で補修する必要がある。従って、補修は、サイズ、重量、大きな部品の場合には補修すべき領域への接近性を含む、部品のすべての態様を考慮しなければならない。

従って、ブリスクの場合、一般的に補修に関連する領域は、各ブレードについて、翼端、前縁側の翼角隅、後縁側の翼角隅、前縁および後縁である。

開発された補修技術は、損傷ブレード上の損傷領域を取り除き、次いで、取り除かれた部分を適切な形状の部分と交換するか、または肉盛り溶接することにある。これらの技術は、一般的に、損傷部分を取り除く従来の機械加工工程、補修部分の非接触検査、補修領域の超音波ピーニングおよび再加工のための特有の機械加工を用いている。

本発明は、肉盛り溶接による補修に関する。

補修は、ある種の合金が使用されている場合に実行が特に困難である。その溶接は、体積欠陥を形成する。これは、特に、チタン合金Ｔｉ１７のときにそうである。この合金は、この材料で作られているブレードのような製品に関する、例えば本出願人の欧州特許出願公開第１３４０８３２号明細書に記載されている。肉盛り溶接を実行するとき、航空産業で従来広く使用されているＴＩＧまたはマイクロプラズマ技術によれば、軽い応力領域に限定された用途に対してチタンＴｉ１７が処理されるに過ぎない。

これらの従来の肉盛り溶接技術は、欠陥を形成する。したがって、その関連する薄さと比較してかなりの量のエネルギーを用いるＴＩＧ肉盛り溶接は、歪みを発生して、微小孔または微小ブリスタのような多数の孔と広大な熱影響領域（ＨＡＺ）とを形成する。非常に容易に検出することができないこれらの微小孔は、８０％まで機械的特性を低下させる。従って、この種類の肉盛り溶接は、軽い応力領域のみに適用することができる。マイクロプラズマ肉盛り溶接は、より小さなＨＡＺを形成するが、依然として比較的大きい。さらに、その方法は、特別な注意、および使用された設備および製品の定期的な検査を必要とし、その結果、機械の動作パラメータは、期待される結果をずらしたり、加減したりしない。

米国特許第６５６８０７７号明細書は、ブリスク上のブレードを補修する方法を記載している。この方法では、ブレードの損傷部分が機械加工され、次いで、第１の操作モードで、消失部分が、タングステン電極アーク溶接（ＴＩＧ）機械によって金属の付着により肉盛りされる。第２の操作モードでは、インサートが、電子ビーム溶接機械によって溶接される。それから、このブレードの外形が、適当な機械加工によって復元される。しかしながら、この方法は、あるチタン合金を溶接するときに遭遇する問題に言及していない。

特に、レーザ肉盛り溶接は、溶接領域での欠陥を防止する技術である。

レーザ肉盛り溶接は、例えば、特に金属の輪郭が、ＣＡＤデータから生成されなけらばならないような用途で、既に知られていると共に使用されている。その壁は、０．０５ｍｍから３ｍｍの厚さを有し、その層は、高さが０．０５ｍｍから１ｍｍである。この技術により、基板に対して優れた冶金学的結合を達成することができる。

レーザビームによる肉盛り溶接の技術は、次の利点を有する。すなわち、流入熱は、長い間に亘り一定である。熱は、体積の中に蓄積すると共に拡散する時間を有しない。これにより、チタンの場合はほとんどガス放出がなく、強度の低減に制限があるという結果となる。さらに、この技術の再現性および信頼性は良好であり、一旦、機械パラメータが設定されると、それは、容易に制御される。

現在用いられているレーザ技術は、同時に、溶加材を加えると共に、基板にレーザビームを放射する必要がある。この材料は、一般的に、粉末または金属ワイヤの形態で加工領域に付着される。他のバージョンでは、それは、適宜なノズルを使用することにより、加工領域に粉末ジェットの形態で噴霧される。

しかしながら、そのような方法は実行するのが難しい。
欧州特許出願公開第１３４０８３２号明細書 米国特許第６５６８０７７号明細書

第１に、補修された領域の機械的特性を不利に弱めることなく補修を行うのに、肉盛り溶接金属が適していることを確実にする必要がある。

第２に、問題の装置が、材料の特性を不利に弱めることなく補修を行うことができることも必要である。

従って、本発明の主題は、補修すべき部分を構成する金属に対して金属材料を機械的に特徴付けると共に、前記金属材料での肉盛り溶接によって前記金属部分を補修する装置を正当であると確認する方法であって、
・ 補修すべき部分の金属の棒に凹みを機械加工することと、
・ 前記金属材料を使用して前記補修する装置によって凹みを肉盛り溶接することと、
・ 前記金属の棒から、テストピースが肉盛り溶接金属のみからなる中央領域を有するように、テストピースを切断することと、
・ 部分の金属成分に対する機械的特性の弱体化を決定するために、テストピースに軸方向振動疲労テストを行うこととを含むこと、を特徴とする方法である。

部分を補修するために、製造者または機械の使用者が、場合によってはその部分を構成する合金と同一でない合金を使用する、新しい請負業者を利用する場合、その部分を十分に補修することができることを確認する、簡単な手段を有することが重要である。従って、本発明の方法は、この目的に合致する。必要なことは、製造者または使用者が、一連の上述のテストピースを請負業者に供給すると共に、請負業者が、それらテストピースを、本方法による肉盛り溶接動作を行った後で、製造者または使用者に戻すことである。テストにより破砕がもたらされた後で標本に行われた分析により、機械的特性に関して十分な補修を行う性能を正確に示す。

この方法は、好ましくはレーザ肉盛り溶接型である装置を用いるが、いかなる種類の肉盛り溶接も適用することができる。

この方法は、特に、チタン合金製の部分に対して、チタン合金、特にＴｉ１７またはＴＡ６Ｖから成る金属材料を用いる。

有利には、棒は平行六面体形状であり、棒に機械加工された凹みは、補修すべき部分に形成された凹みに対応する形状を有する。特に、この凹みは、棒の横断方向軸に対して円筒状である。

本方法を、以下、添付図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、一体形ブレード付きディスク１の一部分を示す。ブレード３は、ディスク５の周りに径方向に分布されている。アセンブリは、単一のブランクから機械加工により、またはその部品の少なくとも一部分を溶接することにより製造されるという意味では、一体形のアセンブリである。特に、ブレードは、脱着式の機械手段によってディスクに結合されていない。損傷を受けやすい領域は、前縁３１、後縁３２、前縁角隅３３、後縁角隅３４、および、知られている封止リップを形成する薄肉部分を備える線状の翼端３５である。

観察される損傷は、その領域の位置に応じる。例えば、前縁、後縁、または翼角隅の上では、これは、異物の衝突または亀裂によって生じた材料の消失である場合がある。翼端においては、エンジンケーシングとの擦れによって頻繁に摩耗がある。

損傷領域に応じて、補修すべき領域の形状、寸法、および側面が決定されるように、所定量の材料が取り除かれる。この形状付け動作は、肉盛り溶接の所望の品質に見合う表面仕上げを確実にする範囲において、機械的機械加工、特に、適宜な工具を使用するミリングにより実行される。

次いで、溶加材を受容することを意図している溶接表面が、機械的にも化学的にも清浄にされる。この清浄化は、基板材料に合わせて行われる。これは、特にチタン合金Ｔｉ１７の場合、または合金ＴＡ６Ｖの場合に重要である。

図２は、レーザの肉盛り溶接ノズル３０を示す。このノズルは、補修すべき領域上にレーザビーム伝搬軸に沿って、付着すべき金属粉末を供給するチャンネルを有する。このビームは、その部分に向けられており、粉末金属Ｍは、ビームによって加熱された領域にガスＧの流れによってエントレインメントされる。

ノズルは、補修すべき領域に沿って往復運動で移動し、漸次、レーザビームによって付着されると共に溶解された材料層の積み重ねを構築する。厚さは部分に沿って変化するが、肉盛り溶接は一定の速度と強さで実行される。

パラメータは、特に、内部歪み、再度の機械加工、および熱影響領域（ＨＡＺ）の範囲を制限するように構成される。肉盛り溶接において考慮すべきパラメータは、
・ 表面からのレーザビーム（好ましくは、ＹＡＧレーザ）の焦点の高さ、
・ ヘッド３０の前進速度、
・ ビームによって印加されるエネルギー、
・ 基板の金属と必ずしも同じではない使用粉末（Ｔｉ１７またはＴＡ６Ｖ）、好ましくは３０μｍから１００μｍの粒子サイズ、および焦点、
・ 好ましくはヘリウムまたはアルゴンである、エントレインメント、すなわち閉じ込めガスの性質、
である。

使用すべきノズルの種類は、予め規定されている。速度とエネルギーは、用いられる機械の種類に応じている。

特に、チタンＴｉ１７の場合、体積内に多孔性の出現を防止するために、パラメータが±５％を超える値だけ変化してはならないことが分かった。

本発明はまた、肉盛り溶接の補修方法を実行するレーザ溶接装置の検証に関する。詳細には、機械を使い始めると共に、その機械を使用して肉盛り溶接によってブリスクを補修する前に、補修された部分が、それらの使用中に不利な弱体化を被っていないかを確認する必要がある。

この正当化の確認は、いわゆる特徴付けおよび検証テストピースでテストを行うことによって、実行される。図３から図６に示されるこれらのテストピース５０により、以下のことが可能になる。
・ 酸化していないことを視覚的に確認すると共に、肉盛り溶接の形状を測定する。
・ 熱処理がある場合とない場合について、染料浸透テストおよび断面マイクログラフィックのような破壊検査および非破壊検査によって、機械加工後に肉盛り溶接の冶金学的品質を評価する。
・ 機械的特性に関して、機械加工および熱処理の後で、すなわち、周期的な疲労（ＨＣＦ）テストを実行することにより、レーザ肉盛り溶接Ｔｉ１７材料を特徴付ける。

ブリスクの補修の特別な場合、鍛造ブリスクのブランクから得られる棒５０を使用するのが好ましい。なぜならば、その棒は、そのような装置によって補修されるブリスクと同じ性質の繊維化方向を有しているからである。これらのテストを行うために、棒は、例えば次の寸法、すなわち１００ｍｍ×１９ｍｍ×８ｍｍを有する、平行六面体である。

図４から分かるように、凹部５２は、補修すべき領域を形成するために、外形の形状を翼の前縁または後縁の損傷領域から切断する凹みに対応させて、機械加工される。ここで、この凹みは、棒の軸に対して軸が横断方向である円筒形状を有する。

棒５０は、翼より幅広である。正当であるとの確認が望まれる装置によって、この凹部５２は肉盛り溶接される（図５）。この凹みは、十分な深さ、例えば最大５ｍｍの深さを有し、その結果、いくつかの層の積み重ねを形成することによって、その方法を行う必要がある。さらに、棒の幅の広さ故に、肉盛り溶接は、種々の層を横断することによって実行される。

図５に示すように、場合によっては、少しも重要でないわずかなオーバーハングをもって溶接が完了したとき、薄片５６が棒から切断される。この薄片５６は、図５に斜線で示されるように、肉盛り溶接部５４を含む。図から分かるように、薄片は、平行であり、肉盛り溶接が行われた面から、例えば１ｍｍだけ若干後退している。例えば、厚さ８ｍｍの棒に対しては、厚さ２．５ｍｍの薄片が得られる。従って、この薄片は、中央部が、元の棒の二つの要素間の肉盛り溶接金属のみから成る三つの独特の部分がある。

図６は、肉盛り溶接領域を組み込んでいる棒を形成する中央部５６ａを取得するために機械加工された、薄片５６を示す。その中央部において、棒５６ａの全厚さは、肉盛り溶接材料で構成されている。棒５６ａの各側では、より広いタブ５６ｂが、周期的な疲労試験が実行される機械のあご部の中に把持されるためのタブを形成する。

図７に模式的に示すこれらのテストは、圧縮軸方向力と引っ張り軸方向力を交互に印加することにある。特に、振動の周波数および振幅、繰り返し数、および温度が決定される。

図８は、破砕されたテストピースの表面の原寸図を示す。テストピースは、肉盛り溶接領域で破砕されている。この表面を検査することにより、肉盛り溶接の品質を確認すると共に、提示された欠陥の性質を観察することができる。種々のテストピースに対して、単位ＭＰａの交番応力のレベルが、繰り返し数の関数としてｘ軸上の対数目盛のグラフに示され、破砕した繰り返し数が書き留められている。例えば、このグラフ上に、いくつかのテストピースから成る標本に対して、発生した欠陥Ａまたはコア欠陥Ｂによって生じた、種々のテストピースの破砕の発生が示されている。

この結果を分析することによって、対象の装置に対する材料の弱体化のレベルが、このように決定される。このレベルは、元の部分の材料の機械的強度に対する、肉盛り溶接後の材料の機械的強度の比である。

テストピースのテストが満足であると共に、そのレベルが、実験的に決定された最小のしきい値を超えるとき、装置が正当であると確認される。

一体形ブレード付きディスクの部分図である。 肉盛り溶接ノズルの概略断面図である。 本発明によるレーザ肉盛り溶接を有する機械的特徴付けテストピースを示す図である。 本発明によるレーザ肉盛り溶接を有する機械的特徴付けテストピースを示す図である。 本発明によるレーザ肉盛り溶接を有する機械的特徴付けテストピースを示す図である。 本発明によるレーザ肉盛り溶接を有する機械的特徴付けテストピースを示す図である。 肉盛り溶接テストピース上の振動疲労テストを示す図である。 破砕表面の原寸図である。 テスト結果を分析するためのグラフである。

符号の説明

１ 一体形ブレード付きディスク
３ ブレード
５ ディスク
３０ 肉盛り溶接ノズル
３１ 前縁
３２ 後縁
３３ 前縁角隅
３４ 後縁角隅
３５ 翼端
５０ テストピース
５２ 凹部
５４ 肉盛り溶接部
５６ 薄片
５６ａ 中央部
５６ｂ タブ

Claims (4)

1. 補修すべき部分を構成するチタン合金に対するチタン合金金属材料でのレーザ肉盛り溶接によって装置で前記チタン合金の部分が補修できるか否かを検査すると共に、前記金属材料でのレーザ肉盛り溶接によって前記部分を補修する前記装置を正当であると確認するための方法であって、
   前記チタン合金の棒（５０）に、補修すべき部分に形成される凹みの形状を有する凹み（５２）を機械加工することと、
   前記装置によって前記棒に機械加工された凹みを前記チタン合金金属材料で肉盛り溶接（５４）することと、
   前記棒から、テストピースが肉盛り溶接金属材料のみからなる中央領域（５６ａ）を有するように、テストピース（５６）を切断することと、
   テストピースに該テストピースの軸方向に沿った振動疲労テストを行うこととを含むことを特徴とする、方法。
2. 前記金属材料は、Ｔｉ１７またはＴＡ６Ｖである、請求項１に記載の方法。
3. 前記棒（５０）が、平行六面体形状である、請求項１に記載の方法。
4. 凹みが、前記棒の横断方向軸に対して円筒状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

Images