JP5163756B2 - ファンブレードの前縁強化部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ジェットエンジンのファンに適用されるファンブレードの前縁を強化するための部材を製造する方法に関する。

ジェットエンジンは、一例として、前段より順に、ファンアセンブリ、高圧コンプレッサ、燃焼器、タービンおよびその他のアセンブリを備える。ファンアセンブリにより導入された外気は高圧コンプレッサにより圧縮されて燃焼器に導入され、燃料と混合されて燃焼に利用される。燃焼器により発生された高圧の高温ガス流は、タービンに導入されて、エネルギが抜き出される。

ファンアセンブリは外気を直接に吸引するものであるので、外気中の異物が衝突することによる強い衝撃に曝される。特にファンブレードの前縁部は、高い耐衝撃性が要求される。かかる局所的な耐衝撃性への要求への解答の一は、例えば、ファンブレードの前縁部に限定して、高い耐衝撃性を有する強化部材を付加することであろう。

一方、ファンブレードは、良好な空気力学的特性を実現するために、その表面は単純でない３次元曲面を必要とし、前縁強化部材の表面もこれに適合する必要がある。しかし高い耐衝撃性を有する素材の多くは難加工性であり、かつ冷間加工すら困難な場合が多い。いかにして３次元曲面加工を行うかが技術的な課題である。さらにかかる強化部材において、最も前縁の部位と、周縁部とでは、耐衝撃性に鑑みて要求される厚さが異なる。必要な厚さ分布に応じた断面プロファイルを、如何にして最終形状に付与するかという点でも、技術的課題が存する。

すなわち、高い耐衝撃性と３次元曲面加工との両立は、それ自体が困難な技術的課題である。

日本国特許出願公開２００５−２５６８３８号公報は、超塑性成形技術を利用したファンブレードの前縁部の製造方法を開示する。かかる技術においては、超塑性成形に供されるエンベロープ構造を形成するにあたり、冷間曲げの代わりに拡散接合を適用しており、ファンブレードの前縁部のごとき複雑形状の加工の問題を克服している。

本発明者は、拡散接合を含む工程により製造された成形品について、長期間の使用による破損の過程について鋭意調査した。その結果、しばしば特定の面に沿ったクラックないし破断が生ずることを見出し、かかる面が拡散接合面に由来することを推定した。拡散接合は、接合前の表面の清浄度に敏感であって、拡散接合の実施の後には、超音波探傷等の検査によって欠陥が無いことが確認される。しかしながらかかる検査の検出限界に起因してか、あるいは欠陥が無くとも長期間の使用の後には、拡散接合面に起因する破損が生ずる懸念があることが、発明者の調査により見出されたのである。

翻って上述のＪＰ２００５−２５６８３８号が開示する技術によれば、拡散接合面は、前縁強化部材の中でも衝撃に最も曝される最前縁に位置せしめられる。安全性の向上の観点からは問題が懸念される。

本発明は、上述の課題に鑑みて為されたものであって、超塑性成形によりながら、最終製品に拡散接合面を残さずに、ファンブレードの前縁を強化するための部材を製造する方法を提供する。

本発明の第１の局面によれば、ファンブレードの前縁部材の製造方法は、第１の側面と第２の側面を有する板材を、前記第１の側面から前記第２の側面に向けて、前記第２の側面に達しないスリットを形成するべく、切り込み、開口を残して前記スリットの縁をシールし、金型中において前記開口を経由してガスにより前記板材を加圧して超塑性成形し、前記シールされた前記縁を含む部分を切り取る工程を含む。

好ましくは、前記板材はTi系超塑性材料より本質的になる。また好ましくは、前記超塑性成形する工程は、７５０乃至９５０℃に加熱することを含む。あるいは好ましくは、前記シールする工程は、溶接、ろう付け、圧接、前記金型への圧着よりなる群より選択された何れかによる。さらにあるいは好ましくは、前記板材に板厚分布を付与する工程をさらに含む。

本発明の第２の局面によれば、ファンブレードの前縁部材が提供され、前記前縁部材は前記何れかの方法によって製造される。

本発明の第３の局面によれば、ジェットエンジンのファンに適用されるファンブレードが提供され、前記ファンブレードは前記前縁部材を備える。

図１は、本発明の第１の実施形態による製造方法につき、超塑性成形前の各工程を順に追って説明する図である。 図２は、前記実施形態による製造方法につき、超塑性成形の工程を説明する断面図である。 図３は、超塑性成形後および切断後の板材の断面図である。 図４は、前縁強化部材の斜視図である。 図５は、ファンブレードと前縁強化部材の斜視図である。 図６は、本発明の第２の実施形態による製造方法につき、超塑性成形前の各工程を順に追って説明する図である。 図７は、本発明の第３の実施形態による製造方法による超塑性成形の工程を説明する断面図である。

本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

図５を参照するに、ファンブレード１は、ルート２から径の外方向に延長された前縁４と後縁６とを有し、前縁４と後縁６との間を滑らかに連結する正圧面８および負圧面１０とを備える。ファンブレード１が回転することにより、空気は前縁４から後縁６の側に向かって送り出される。前縁４は空気中の異物が衝突することによる衝撃に最も曝されている箇所であって、かかる部位を保護し強化するべく、前縁強化部材４０が付加される。

第１の実施形態による前縁強化部材４０の製造方法は、次の通りである。図１（ａ）を参照するに、まず矩形など任意の輪郭の平板な板材１２を準備する。板材１２の素材には、耐衝撃性を有し、適宜の加熱により超塑性を発現する素材であれば、何れも適用しうる。そのような素材としてはＴｉ系超塑性材料が例示できる。Ｔｉ系超塑性材料としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ合金、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ合金、Ｔｉ−８Ｍｎ合金、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏ合金およびＴｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ合金等が例示できる。

図１（ｂ）を参照するに、板材１２の外周を適宜の輪郭にするべく加工する。加工は、プレスによる打ち抜き、機械加工やウォータージェット加工などの公知の方法を適用しうる。

加工された板材１４は、図１（ｃ）に示すスリット加工に供される。板材１４の一方の側面から他方の側面に向けて、他方の側面には達しないように、即ち他方の側面が連結されたままとなるように、スリットＳを切り込む。スリットＳの底部と他方の側面の表面との間の厚さは、超塑性成形後の前縁強化部材４０の前縁部の厚さに反映される。すなわち、かかる厚さを適宜調整することにより、前縁強化部材４０の前縁部の厚さを調整することができる。スリット加工は、サイドカッターやエンドミル等の公知の工具を用いてマシニングセンタにより行われる。単純な形状の場合には、ワイヤーカットを利用しうる。

スリットＳを有する板材１６は、好ましくは図１（ｄ）に示すような板厚分布を付与する成形加工に供される。かかる板厚分布は、目標とする断面プロファイルが後工程の超塑性成形後に実現されるよう、与えられるものである。最適な板厚分布は、計算機シミュレーションおよび実験を組み合わせて決定される。スリット加工は、あるいは板厚分布の付与の後でもよい。これらの各工程による処理を終えることにより、スリットＳを有する板材１８が得られる。

次いで図１（ｅ）を参照するに、スリットＳの縁を、超塑性成形のガスを導入するための開口を残して、溶接材Ｗによってシールする。図１（ｅ）において開口は右手のやや手前に現われているが、開口は後述の超塑性成形のためのガスＧを導入するために都合のよい何れの場所であってもよい。シールは例えばＴＩＧ溶接によるのが好適である。板材の素材が上述のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である場合は、溶接材としてはＹＴＡＢ６４０、シールドガスとしてはアルゴンガスが好適である。ＴＩＧ溶接と組み合わせて、治具による固定やプレスによって、スリットＳのギャップを狭くする工程を適用してもよい。またＴＩＧ溶接に代わり、ろう付け、圧接などによってシールしてもよい。かかる工程により、開口を有したエンベロープ構造を有する板材２０が得られる。

必要に応じて、板材２０にはさらに曲げや捻り加工を実施する。この工程は、スリット加工の後の何れの段階で行ってもよい。あるいは曲げや捻り加工は、後述の超塑性成形と同時に行ってもよい。

超塑性成形は、図２に示す金型２２を利用して実施される。金型２２は超塑性成形に必要な温度を実現しうる適宜のヒータを備える。金型２２は、前縁部材に要求される幾何的形状に近似したキャビティ２４を有しており、エンベロープ構造の板材２０は、キャビティ２４内に収納される。ヒータにより、あるいはガスＧによる加熱も組み合わせて、板材２０を適宜の温度に加熱する。その温度は、Ｔｉ系超塑性合金では７５０乃至９５０℃の範囲の何れかであるが、板材２０の素材に応じて適宜に決められる。例えば素材がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の場合、超塑性を発現する温度域を考慮して、９００℃程度が好適である。またＴｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ合金等ではより低く７５０乃至８００℃が好適である。かかる適宜の温度に保持したまま、板材２０の開口を経由してガスＧによりその内部を加圧し、超塑性成形を実施する。

板材２０は超塑性成形されることにより、例えば図３（ａ）のような中空の構造体２６となる。構造体２６において、シールされた縁を含む適宜の部分を図３（ｂ）のように切り取り、最終製品形状とすることにより、図４に示す幾何的形状を有する前縁強化部材４０が得られる。前縁強化部材４０に対する仕上げ加工は、この段階で行ってもよいし、ファンブレードに取り付けた後に行ってもよい。

上述の工程は、種々の変形が可能である。例えば図６に示すように、板材４２を矩形などの原形のままスリット加工に供してスリットＳ’を有する板材４４とする。板厚分布の付与された、あるいは付与無しの、板材４６は、スリットＳ’の縁に対する溶接の実施によって、溶接材Ｗ’によってシールされた板材４８とされる。この状態で板材４８は曲げ加工を受けて、適宜の輪郭を有する板材５０となる。後は上述と同様に、超塑性成形、切断、および仕上げ加工によって、前縁強化部材４０が得られる。

さらには、次のような変形も可能である。図１（ｄ）に示されているのと同様な、スリットを有し、溶接等によるシールの施されていない板材１８’を用意する。板材１８’のスリットの縁は、ガスの経路を有する金型５２によって、金型５４に対して押し付けられる。金型５４と板材１８’のスリットの縁との間の圧着Ｃによって、シールを構成する。ガスの漏れを防止するべく、圧着Ｃの部分はガスケットやＯリングなどのシール手段を備えていてもよい。しかる後に、ヒータにより、あるいはガスＧによる加熱も組み合わせて、板材１８’を適宜の温度に加熱し、ガスＧにより板材１８’の内部を加圧し、超塑性成形を実施する。

前縁強化部材４０において最前縁は、スリット加工の工程において連結されたまま残された他方の側面に由来する部位である。すなわち、最前縁は、接合等の工程を経ていない部位であって、接合面のような材質の不連続性を含んでいない。従って接合面を含むことに起因して安全性への懸念が生ずることはない。さらに適宜の断面プロファイルを付与しうるので、前縁強化部材４０はより良好な耐衝撃性を有しうる。また図３（ｂ）に示される通り、シールされた縁を含む適宜の部分が切り取られているので、他の部位を参照しても接合面が含まれないように前縁強化部材４０を製造することができる。このため、超音波探傷等の手間のかかる検査を省略することができる。

好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

ファンブレードの前縁を強化するための部材を製造する方法において、超塑性成形によって３次元曲面を実現しつつ、最終製品に拡散接合面が残らないよう製造する方法が提供される。

Claims (7)

1. ファンブレードの前縁部材の製造方法であって、
   第１の側面と第２の側面を有する板材を、前記第１の側面から前記第２の側面に向けて、前記第２の側面に達しないスリットを形成するべく、切り込み、
   開口を残して前記スリットの縁をシールし、
   金型中において前記開口を経由してガスにより前記板材を加圧して超塑性成形し、
   前記シールされた前記縁を含む部分を切り取る、
   工程よりなる製造方法。
2. 前記板材はTi系超塑性材料より本質的になる、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記超塑性成形する工程は、７５０乃至９５０℃に加熱することを含む、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記シールする工程は、溶接、ろう付け、圧接、前記金型への圧着よりなる群より選択された何れかによる、請求項１乃至３の何れかに記載の製造方法。
5. 前記板材に板厚分布を付与する工程をさらに含む、請求項１乃至４の何れかに記載の製造方法。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の方法によって製造されたファンブレードの前縁部材。
7. 請求項６に記載の前縁部材を備えた、ジェットエンジンのファンに適用されるファンブレード。

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