JP5429193B2 - 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て、かつ外部に露出せしめられる。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、外部に露出した接合面を最終製品に残さずに、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、幾何的形状を有するファンブレードの前縁部材の製造方法は、板材を、ガスの経路を有する第１の金型と、雌型を有する第２の金型との間に挟持し、前記経路を経由した前記ガスにより加圧して前記雌型に適合せしめるべく超塑性成形し、裏当て材を前記超塑性成形された板材に接合し、製品形状を得るべく周囲を切断する工程を含む。

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、前記接合する工程は、雄型を有する第３の金型と、ガスの経路を有する第４の金型との組み合わせにより、前記経路を経由した前記ガスにより加圧して拡散接合することによる。さらに好ましくは、前記雄型は前記幾何的形状に適合した形状であって、前記接合する工程において前記裏当て材および前記超塑性成形された板材を前記雄型に適合せしめるべく超塑性成形する。さらにまた好ましくは、前記接合する工程は、ろう付けによる。あるいはまた好ましくは、前記製造方法は、前記板材をＵ字状に曲げ、開口を残して前記板材の周縁をシールする工程をさらに含む。さらに好ましくは、前記製造方法は、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、裏当て材の接合の工程を説明する斜視図および断面図である。 図３は、絶縁強化部材の斜視図および断面図である。 図４は、ファンブレードと前縁強化部材の斜視図である。 図５は、本発明の第２の実施形態による製造方法につき、各工程を順に追って説明する図である。 図６は、本発明の第３の実施形態による製造方法につき、エンベロープ構造を作成する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つき、超塑性成形の工程を説明する図である。 図８は、本発明の変形例による製造方法につき、裏当て材の接合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４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。この平板には、後工程の成形後に目標とする断面プロファイルが実現されるよう、機械加工などによって予め板厚分布が付与されていてもよい。かかる板厚分布は、計算機シミュレーションおよび／または実験を組み合わせて決定される。板厚分布の付与は、あるいは後続の工程の何れかの際に実施してもよい。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を、ガスの経路を有する上金型１４と、雌型を有する下金型１６との間に挟持する。上金型１４と下金型１６とは、超塑性成形に必要な温度を実現しうる適宜のヒータをそれぞれ備える。雌型は、図示の形状に限らず、後述の超塑性成形に都合のよい何れの形状も適用しうる。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１２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、上金型１４のガスの経路を経由したガスＧにより板材１２を加圧し、超塑性成形を実施する。板材１２は雌型が作るキャビティ２０内へ陥入するように超塑性変形し、図１（ｃ）のごとく雌型に適合した板材２２が得られる。

上述と並行して、裏当て材２４を準備する。裏当て材２４は板材１２と同じ素材よりなることが好ましいが、接合が可能な素材であればこれに限られない。棒状のかかる素材を、適宜の機械加工および必要ならば塑性加工を組み合わせて、図２（ａ）に示されるような、板材２２の底部分に適合する形状とする。

図２（ｂ）を参照するに、裏当て材２４を板材２２の底部分に当接し、さらに裏当て材２４に対して雄型を有する上金型２６を当接する。この状態で、これら部材をガスの経路を有する下金型２８内に導入する。下金型２８のガスの経路を経由したガスＧにより板材２２を加圧し、適宜の加熱によって裏当て材２４と板材２２とを互いに拡散接合する。このとき、超塑性成形を同時に実行して、板材２２に曲げや捻りを与えてもよい。

上述の接合は、拡散接合に代わり、ろう付けによってもよい。この場合は、適宜のろう材を予め裏当て材２４と板材２２との間に介在せしめ、その後に加熱する。

上述の工程を完了した板材２２から、適宜の部分を切り取り、さらに仕上げ加工を実施することにより、図３（ａ）に示されるように、幾何的形状を有する前縁強化部材４０が得られる。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。図３（ｂ）を参照するに、裏当て材２４に由来する部分４４は、板材２２に由来する部分４２と一体化しており、この間の接合面は部分４２の裏側にのみ存在していて外部に露出しない。

上述の工程は、種々の変形が可能である。例えば超塑性成形の工程に先立ち、図５（ａ）に示すように、板材５２を曲げ加工によってＵ字形にしておく。次いで図５（ｂ）に示すように、その周縁を、超塑性成形のガスを導入するための開口を残して、シール材Ｗによってシールする。シール材Ｗの板材５２に対する固定は、例えばＴＩＧ溶接による。板材の素材が上述の例の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り、板材５２の周縁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５４が得られる。次いで、板材５４は、図５（ｃ）に示すごとく、ガスＧの経路を有する金型５６と、金型５８とを利用して、超塑性成形される。あるいは、シールは溶接によらずに、金型５６による圧着によってもよい。圧着する箇所には、ガスの漏れを防止するべくラビリンスを形成してもよい。かかる変形例によれば、予め曲げ加工をしている分だけ、超塑性成形における加工度を小さくすることができる。

あるいは、図６（ａ）に示すごとくＵ字形に曲げた板材６２を、治具による固定やプレスにより、エンベロープ構造としてもよい。図６（ｂ）に示すごとく、U字形に曲げた板材６２の上端により、ガスGを流通せしめるための短管６４を挟持する。次いで、短管６４が挟持された部分を除く板材６２の周縁を圧着することにより、図６（ｃ）に示すエンベロープ構造の板材６６が得られる。あるいは、短管６４なしにガスＧの流通を許容する余裕を残して圧着してもよい。

圧着面は、ろう付け等により接着せしめることが望ましい。あるいはろう付け無しに、次工程の超塑性成形の際に、金型によって圧着してもよい。

上述の工程により得られたエンベロープ構造の板材６６は、図７に示すごとく、ガスＧの経路を有する金型７０と、金型６８とを利用して、超塑性成形される。

また、上述の工程は、次のように変形することもできる。板材２２’は、超塑性成形の後、下金型７２内にそのまま残す。並行して裏当て材２４’を用意し、図８に示すごとく、ろう材を間に介在せしめつつ裏当て材２４’を下金型７０内の板材２２’の底部分に当接する。そして適宜の加熱によって裏当て材２４’を板材２２’にろう付けする。板材を金型から取り外し、再び挿入する手順を省略することができるので、この変形例は生産性の向上に寄与する。もちろん、板材を一旦取り外し、同一または類似の金型内に挿入し直してもよい。

前縁強化部材４０において最前縁は、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。最前縁の裏面には、裏当て材２４が接合されているが、かかる接合面は、外部に露出していない。すなわち、外部に露出した接合面が最終製品に含まれないので、安全性への懸念が生ずることはない。さらに最前縁は接合された裏当て材２４の厚さを反映するため、最前縁に、他の部位よりも厚い適宜の厚さを付与しうるので、前縁強化部材４０はより良好な耐衝撃性を有しうる。

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。

超塑性成形によりながら、外部に露出した接合面を最終製品に残さずに、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が提供される。

Claims (10)

1. 幾何的形状を有するファンブレードの前縁部材の製造方法であって、
   板材を、ガスの経路を有する第１の金型と、雌型を有する第２の金型との間に挟持し、前記経路を経由した前記ガスにより加圧して前記雌型に適合せしめるべく超塑性成形し、
   裏当て材を前記超塑性成形された板材に接合し、
   製品形状を得るべく周囲を切断する
   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に記載の製造方法。
4. 前記接合する工程は、雄型を有する第３の金型と、ガスの経路を有する第４の金型との組み合わせにより、前記経路を経由した前記ガスにより加圧して拡散接合することによることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
5. 前記雄型は前記幾何的形状に適合した形状であって、前記接合する工程において前記裏当て材および前記超塑性成形された板材を前記雄型に適合せしめるべく超塑性成形することを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
6. 前記接合する工程は、ろう付けによることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
7. 前記板材をＵ字状に曲げ、開口を残して前記板材の周縁をシールする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
8. 前記板材に板厚分布を付与する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
9. 請求項１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。
10. 請求項９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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