JP5178016B2 - 表面圧縮組織を有する物体表面の作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体の表面の作成に関し、より詳細には物体表面内に有利な表面組織および残余応力状態を作り出すことに関する。

物体の表面状態はしばしば、物体の性能に重要な影響を持つ。例えば、悪環境に曝されることによる腐食および酸化損傷は、物体の表面の特徴によって大きく制御される。保護層は、ある状況では、その耐腐食および酸化性を良くするように、物体の表面に塗布することができる。

別の例では、使用中に疲労負荷に曝される物体の耐疲労性は、物体の表面が残余圧縮応力状態にある場合に良くなる。残余圧縮応力状態は、そうでなければ表面で始まり、材料の内部に伝播する疲労亀裂の開始および伝播を抑制する。表面に圧縮状態を作り出す技術が知られている。

しかし、表面に残余圧縮応力状態を作り出すこのような技術は、円滑性などの表面の他の特性を変更することがあり、それによって意図する応用例で物体の究極的な性能に干渉することがある。その表面が残余圧縮状態を表面に作り出すように機械的に働き、それによってエーロフォイルの疲労性能が良くなるエーロフォイルは、エーロフォイルの空気力学性能が悪くなるような程度まで破壊された表面仕上げであることがある。表面仕上げを良くするための知られている解決法はその後、残余圧縮状態に悪影響を与える。したがって、所望の残余圧縮応力状態および必要な高品質表面仕上げの両方を得ることは、既存の技術を使用して可能ではなかった。
米国特許第４，９４７，６６８号公報 米国特許第４，９２２，７３９号公報 米国特許公開第２００５／００６７４１３Ａ１号公報 米国特許公開第２００４／０２４０７６２Ａ１号公報 米国特許第６，７９６，５３３Ｂ２号公報 米国特許公開第２００４／０１６６７７６Ａ１号公報 米国特許第６，７５５，０６５Ｂ２号公報 米国特許第６，６２２，５７０Ｂ１号公報 米国特許第６，４１５，４８６Ｂ１号公報 米国特許第５，８６３，２３９号公報 米国特許第５，８２６，４５３号公報 米国特許第５，６６４，９９１号公報 米国特許第４，０６３，３４６号公報

エーロフォイルの表面処理、および所望の機械的残余圧縮応力状態および所望の低い粗さの表面仕上げの両方を達成する他の形状に対する改良型の解決法の必要がある。

本発明は、この要求を満たし、さらに関連する利点を提供する。

本発明は、物体の表面を作成する方法を提供する。表面は、疲労亀裂の開始を遅らせるのに望ましい残余圧縮応力を有する。表面はまた、定量的に低い表面粗さを有する表面組織を備えた円滑な表面仕上げを有する。適宜、表面組織は、方向的に合わせられた表面組織パターンの表面隆起（すなわち、突起またはうね）を有することができる。このような方向的に合わせられた表面組織パターンは、物体の表面にわたって方向的に合わせられたガス流があり、表面組織パターンがその方向的に合わせられたガス流に対して向いている応用例で有利である。ガス流は例えば、空気または燃焼ガスであってもよい。

本発明によると、表面を作成する方法は、物体表面を有する物体を提供するステップと、その後、第１の残余圧縮応力状態および第１の表面粗さを物体表面に確立するように物体表面を処理する第１の処理ステップと、その後、第２の残余圧縮応力状態および第２の表面粗さを物体表面に確立するように表面圧縮組織によって物体表面を処理する第２の処理ステップとを含む。第２の表面粗さは、第１の表面粗さより定量的に小さい。実質的に、第２の処理ステップで物体表面から取り除かれる材料はない。第２の処理ステップは、第１の処理ステップと異なる。

特に重要な応用例では、物体はガスタービンエンジンの構成部品である。物体表面は、物体が使用されている場合に、方向的に合わせられたガス流に接触させることができる。本解決法を使用することができる物体の例は、タービンまたは圧縮機ブレードエーロフォイルなどのエーロフォイルと、タービンまたは圧縮機静翼エーロフォイルと、タービン、圧縮機、またはファンディスクのウェブと、接触要素が特定の方法で互いに対して移動することを意図した継手と、歯車の歯と、ブレード上の蟻継ぎとディスク上のブレードスロットの間面などの、接触表面が互いに対して移動するようには意図されていない接触点と、他のタイプの構造物とを備えている。

第２の処理ステップは、物体表面に方向的に合わせられた表面組織パターンを確立するステップを含むことができる。方向的に合わせられた表面組織パターンは非直線的である。すなわち、表面組織パターンは、物体の使用応用例に関連する所望のパターンを追跡するように、物体表面にわたって湾曲させるまたは角付けすることができる。

したがって、物体が物体表面上にガス流インピンジメントを画定するのに使用される場合に物体表面を方向的に合わせられたガス流に接触させた状況では、第２の処理ステップは、特に物体表面が非平面的（すなわち、１次元または２次元に湾曲している）場合に、物体表面に方向的に合わせられた表面構造パターンを確立するために使用することができる。方向的に合わせられた表面構造パターンの表面隆起は、ガス流インピンジメント方向に対する選択された関係を持つ。エーロフォイルの場合、表面構造パターンは、エーロフォイルの性能を最適化させるように選択される。

処理は、物体表面に第１の残余圧縮応力状態および第１の表面粗さを確立するように物体表面を剥離し、その後、深いまたは浅いローリング、または他のバニシング技術を使用して、表面圧縮組織によって物体表面をバニシングすることによって達成することができる。最終的な結果は、物体表面内の第２の残余圧縮応力状態および第２の表面粗さである。本明細書で論じる他の互換性のある特性を、表面剥離またはバニシングのステップで使用することができる。

本解決法で生成された物体表面は、物体の使用中に疲労亀裂の開始および伝播に耐える圧縮残余応力状態を有する。この圧縮応力状態は最初に、第１の処理ステップで作り出される。しかし、第１の処理ステップは普通、物体表面を粗い状態にしておき、これによって使用中の機能性に干渉することがある。

第２の処理ステップは、第１のステップで作り出された残余圧縮応力状態を小さくしないが、代わりに表面圧縮応力状態を維持し、さらに増加させる。明らかに、第２の処理ステップは、物体表面から材料が取り除かれる処理を利用していない。第２の処理ステップでのこのような材料の除去は、第１の処理ステップの終了時に残余圧縮応力状態にある材料の厚さの一部をなくすことによって、第１の処理ステップで作り出される残余圧縮応力状態を打ち消す傾向がある。代わりに、第２の処理ステップは、残余圧縮応力状態にある材料のいずれも取り除くことなく、第１の処理ステップから得られる表面粗さの大きさを小さくする。第２の処理ステップは実際、材料を取り除くことなく、表面を働かせることによって残余圧縮応力状態を大きくする。第２の処理ステップは、第１の処理ステップの後に行わなければならない。というのは、第２の処理ステップが第１の処理ステップの前に行なわれる場合、得られる最終表面が粗すぎるからである。

本解決法は、物体の表面仕上げが使用応用例で検討事項である場合に特に有利に適用される。特に重要な例では、湾曲ガスタービン圧縮機ブレードまたは圧縮機静翼のエーロフォイルが、使用中に方向的に合わせられた高速流のガスに接触させられる。エーロフォイルの圧力側は、高周波数および低周波数疲労の両方に曝される。エーロフォイルの圧力側表面はしたがって、残余圧縮応力状態にあることが望ましい。しかし、エーロフォイルが残余圧縮応力状態を作り出すように機械的に処理される場合、表面の関連する粗面化は、圧力側エーロフォイル表面にわたって円滑なガス流を干渉する。本解決法は、第１の処理ステップの後に第２の処理ステップを含んで、表面粗さを小さくし、さらにエーロフォイル表面にわたる方向的に合わせられたガス流と適合するように残りの表面粗さを成形する。

本発明の他の特性および利点は、例として本発明の原理を示す添付の図面と合わせて、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるだろう。しかし、本発明の範囲はこの好ましい実施形態に限るものではない。

図１は、表面を作成する方法を示し、図２は現在最も重要な物体３０を示している。物体表面３２を有する物体３０が、ステップ２０で提供される。図示した実施形態では、物体３０はガスタービンブレード３４である。（すなわち、物体３０は一般的にガスタービンエンジンで使用されるブレードであるが、必ずしもタービン部分にあるわけではない。物体３０は例えば、ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードであってもよい。）ガスタービンブレード３４は、ガス流が使用動作中に衝突する圧力側３８と、反対側に配置された吸引側４０とを備えるエーロフォイル３６を有する。ガスタービンブレード３４はさらに、下向きに延びるシャンク４２と、ガスタービンブレード３４をガスタービンエンジンのガスタービンディスク（図示せず）に取り付ける蟻継ぎ４４の形の一体取付部とを備えている。プラットフォーム４６は、エーロフォイル３６とシャンク４２と蟻継ぎ４４の間の位置で横方向外側に延びている。

物体３０は、あらゆる実施可能な材料でできていてもよい。例としては、ガンマプライムまたは関連位相の沈着によって強化されたニッケル系超合金などのニッケル系合金、コバルト系合金、およびチタン系合金が挙げられる。このような材料でできている物体は、鋳造、鋳造加工、または粉末冶金の形で提供することができる。

物体表面３２はその後、ステップ２２で第１の残余圧縮応力状態および第１の表面粗さを物体表面３２に確立するように第１の処理がされる。第１の処理２２は、あらゆる実施可能な方法で行うことができるが、ピーニングが好ましい。ピーニングの際、物体表面３２は例えばガラスビードピーニング、メタルショットピーニング、または超音波ショックピーニングのような小さな物理的物体の機械的衝撃によって、または例えばレーザショックピーニングのような衝撃波によって変形される。低塑性バニシングなどの他の実現可能な技術を使用することができる。ピーニングは、図３および４に示すもののような表面プロファイルを有するように、物体表面３２を塑性変形させる。物体表面３２の表面プロファイルは、あらゆる実現可能な方法で測定することができる、測定可能な表面粗さを有する。図では、表面粗さＲ１は（深い引っかき傷などの偶発的な異常な特性を除く）物体表面３２上の最も高い頂点と最も低い谷部の間の最大差として測定される。

物体表面３２の塑性変形は、物体表面を使用中の疲労損傷に対する物体３０の感受性を小さくするのに有利である第１の残余圧縮応力状態にしておく。疲労亀裂はしばしば自由な物体表面３２で始まるので、物体表面３２を第１の残余圧縮状態にすることにより、疲労亀裂が物体表面３２で開始し、物体表面３２から物体３０に伝播する可能性が低くなる。同様に、表面圧縮応力状態は、異物損傷（ＦＯＤ）および小さな処理損傷から生じる亀裂の開始および伝播に対して保護する。

しかし、比較的粗い表面仕上げの表面粗さＲ１は十分に大きいので、特に物体表面３２が使用中の高速の方向的に合わせられたガス流インピンジメントに意図的に曝されるエーロフォイル３６の圧力側３８である場合に、物体表面３２にわたって円滑に方向的に合わせられたガス流と干渉することができる。表面粗さＲ１の波紋を立てた物体表面３２は、ガス流にガス流摂動を案内することができ、それによってエーロフォイル３６の空気力学的性能に干渉する。同様の破壊が、使用中にその上にガスが急速に流れるガスタービンエンジンの他の構成部品、または他のタイプの装置の構成部品で起こることがある。このような円滑なガス流との干渉は、流れ分離につながることがある。物体表面３２の表面粗さが大きければ大きいほど、使用中の物体表面の物体表面上に衝突する高速の方向的に合わせられたガス流の流れ分離の危険性が高くなる。

したがって、物体表面３２はその後、物体表面に第２の残余圧縮応力状態および第２の表面粗さＲ２を確立するように、表面圧縮組織によってステップ２４で第２の処理が行なわれる。第２の処理ステップ２４で使用される過程は、第１の処理ステップ２２で使用される過程と異なっていなければならない。図５および６は、第２の処理ステップ２４の後の物体表面３２を示している。第２の表面粗さＲ２は、第１の表面粗さＲ１より定量的に小さい。その結果、物体表面３２上の使用中の方向的に合わせられたガス流は、第１の表面粗さＲ１を有する場合に直面するよりさらに小さな破壊の問題がある。

実質的に、第２の処理ステップ２４で物体表面から取り除かれる材料はない。「実質的に」によって、意図的に取り除かれる材料がないことを意味している。例えば、極めて少量の材料を物体表面３２から第２の処理ステップ２４を行うのに使用される装置に付着させることのように、物体表面３２からの材料の一部の小さな偶発的な除去がある可能性がある。材料を取り除くことなく表面粗さを小さくすることは、本解決法の重要な要件および利点である。そうでなければ取り除かれる表面材料は、有益な残余圧縮応力状態にある材料である。かなり大量の材料が第２の処理ステップ２４で取り除かれると、第１の処理ステップ２２の後の第１の残余応力状態で残っている材料はほとんどない、またはないことがある。

第２の処理ステップ２４は、好ましくは物体表面３２をローラバニシングすることによって、また最も好ましくは物体表面をディープローラバニシングすることによって達成される。ディープローラバニシングでは、円筒形、テーパ状、または球面ローラ要素が物体表面３２の上を転動して、表面隆起４８（すなわち、突起またはうね）の高さを低くし、追加の残余圧縮応力を物体表面３２に案内する。実質的に、本解決法の第２の処理ステップ２４に必要とされるような、物体表面３２から取り除かれる材料がない。実施可能なローラバニシング過程は、米国特許第４，９４７，６６８号および第４，９２２，７３９号に記載されており、その開示を参照として援用する。

ディープローラバニシングでは、バニシングローラは一連のパスで物体表面上を通過し、各パスは前のパスから横方向に変位されている。パス間の望ましい重なりが、バニシングローラの直径および幅、バニシングローラに加えられる圧力、および物体３０の材料を含むいくつかの検討材料によって確立される。実際の重なりが小さければ小さいほど、得られる物体表面３２はより粗くなる。実際の重なりが大きければ大きいほど、得られる物体表面３２はより優れており、物体表面３２のすぐ下にある物体３０内の残余応力はより高い。いくつかの応用例では、重なりは少なくとも５０パーセントであることが望ましい。

多くの幅広く使用される表面処理技術は、第２の処理ステップ２４で使用することができない。というのは、研磨剤または他の材料除去物体を使用して材料を意図的に取り除くからである。例えば、研削、機械加工、グリットブラスティング、タンブリング、機械的研磨、化学的研磨、および電気化学的研磨は第２の処理ステップ２４での使用に適していない。というのは、これらの技術はそれぞれ材料を意図的に取り除くからである。

第２の処理ステップ２４は、物体表面３２に方向的に合わせられた表面組織パターンの表面隆起４８を確立するのに適宜使用することができる。（本明細書で使用されるような「組織」とは、結晶組織のことではなく、表面隆起の方向性のことを言う。）第１の処理ステップ２２は、物体表面３２の平面内に大部分は方向性のない表面隆起４８の表面組織を作り出す。第２の処理ステップ２４は、表面隆起４８を物体表面３２内にある特定の選択した方向と平行に方向付けるように使用することができる。第２の処理ステップ２４でバニシングを使用する場合、物体表面３２内にある選択方向に平行な物体表面３２に対してバニシングホイールまたはローラを転動させるだけで方向付けが達成される。バニシングホイールまたはローラは、選択方向と平行でないクロスローリング方向に転動されない。表面隆起４８のこのような方向付けは、使用中の物体表面３２に衝突するガス流がある場合に有用であり、（第２の処理ステップ２４の後の）表面隆起４８は、インピンジメントの方向に対して選択した方向性を有することが望ましい。

図７の例では、ガスインピンジメント方向の矢印５０は、ガスタービンブレード３４が使用中である場合に、ガスタービンブレード３４のエーロフォイル３６に対する方向的に合わせられたガス流のインピンジメントを示すベクトルである。表面隆起４８の粗さをＲ２まで小さくする利点は、ガスインピンジメント方向の矢印５０に対する交差路ではなく、図７に示すようにガスインピンジメント方向の矢印５０にほぼ平行に（または、ある他の選択した方向的関係を備えて）表面隆起４８を位置合わせすることによって、さらに良くすることができる。ガスタービンブレード３４のエーロフォイル３６の物体表面３２の上での高速の方向的に合わせられたガス流の円滑な流れの遮断は、表面組織パターンの隆起４８の方向性によって少なくなる。表面組織パターンの隆起４８の方向性の形状は直線的であってもよく、または図７に示すように、物体表面３２およびガスインピンジメント方向５０の形状にしたがうように非直線的であってもよい。

第２の処理ステップ２４は、第１の処理ステップ２２の後でなければならない。ステップの順序は、第１の処理ステップ２２が第２の処理ステップ２４の後になるように逆にすることはできない。ステップが逆になると、第２の処理ステップ２４の過程の後の第１の処理ステップ２２の過程で、最終的な物体表面が許容できないほど粗いという結果になる。方向的に合わせられた表面組織パターンの表面隆起４８が第２の処理ステップ２４で生成されるこれらの実施形態では、このような方向的に合わせられた表面組織パターンは、第１の処理ステップ２２の過程が第２の処理ステップ２４後の物体表面上で使用される場合に失われるだろう。

本解決法の利点は、幅広い物体３０で実現することができる。エーロフォイルなどの、使用中の場合に表面にわたって方向的に合わせられたガス流に曝された物体、およびタービンディスクのウェブなどの高速ガス流で動作する構造物で特に有利な結果が得られる。

本解決法は、湾曲エーロフォイル表面上で検査された。表面は最初タンブリングされ、その後ガラスビードでピーニングされる。エーロフォイル表面の第１の部分はその後、単一のローラ方向にローラバニシングされ、エーロフォイル表面の第２の部分はピーニングされたのと同様の状態にされる。５つの表面粗さ測定が、各部分で行われる。第１の（一方向にバニシングされた）部分の平均表面粗さＲａは、バニシング方向に垂直に測定して５．０マイクロインチであり、バニシング方向に平行に測定して２．９ミクロインチである。第２の（バニシングしていない）部分の平均表面粗さＲａは、バニシング方向に垂直に測定して１５．５ミクロインチであり、バニシング方向と平行に測定して１４．４ミクロインチであり、値は通常の実験変化内で基本的に同じであると判断される。したがって、タンブリングおよびピーニングの後の一方向のバニシングは、バニシング方向と平行にも垂直にも表面粗さをかなり良くする結果になるが、最も小さい表面粗さ（すなわち、最も円滑な表面）はバニシング方向と平行に達成される。より効率的なガス流につながる衝突した方向的に合わせられたガス流に対して最も小さな表面粗さを達成するように、バニシング方向を湾曲表面の上の方向的に合わせられたガス流方向の突起と平行に方向付けることが期待されている。

本発明の特定の実施形態を例示的目的で詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な変更および改良を加えることができる。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲で限定されるものではない。

表面を作成する方法のブロック流れ図である。 ガスタービンブレードの斜視図である。 第１の処理の後であるが第２の処理前の、線３−３に沿った、図２のガスタービンブレードの表面の拡大詳細断面図である。 図３のガスタービンブレードの表面の略表面粗さプロファイルである。 第２の処理の後の、線３−３に沿った、図２のガスタービンブレードの表面の拡大詳細断面図である。 図５のガスタービンブレードの表面の略表面粗さプロファイルである。 図２と同様であるが、表面上に示された方向的に合わせられた表面組織パターンを備えたガスタービンブレードの斜視図である。

符号の説明

２０ 物体を提供するステップ
２２ 物体表面を処理する第１のステップ
２４ 物体表面を処理する第２のステップ
３０ 物体
３２ 物体表面
３４ ガスタービンブレード
３６ エーロフォイル
３８ 圧力側
４０ 吸引側
４２ シャンク
４４ 蟻継ぎ
４６ プラットフォーム
４８ 表面隆起
５０ ガスインピンジメント方向

Claims (4)

1. 物体表面（３２）を有する物体（３０）を提供するステップと、
   その後、第１の残余圧縮応力状態および第１の表面粗さを物体表面（３２）に確立するように物体表面（３２）を処理する第１の処理ステップと、
   その後、第２の残余圧縮応力状態および第２の表面粗さを物体表面（３２）に確立するように表面圧縮組織によって物体表面（３２）を処理する第２の処理ステップと、
   を含み、
   第２の表面粗さは第１の表面粗さより定量的に小さく、第２の処理ステップで物体表面（３２）から取り除かれる材料が実質的になく、第２の処理ステップは第１の処理ステップと異なり、
   前記第２の処理ステップは、物体表面（３２）に選択した方向に方向付けされた表面組織パターンの表面隆起（４８）を確立するステップを含み、前記方向付けされた表面組織パターンの表面隆起（４８）は、前記物体の使用中に前記物体の表面に衝突するガス流の方向と平行に整列していること
   を特徴とする、表面を（３２）を作成する方法。
2. 物体を提供するステップは、ガスタービンエンジンの構成部品として物体（３０）を提供するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 第１の処理ステップは、ピーニングによって物体表面（３２）に第１の処理を行うステップを含む、請求項１記載の方法。
4. 第２の処理ステップは、物体表面（３２）をディープローラバニシングするステップを含む、請求項１記載の方法。
   

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