JP5538401B2 - 拡散溶接によるチタン部材および鋼部材の組み立て - Google Patents

Description

本発明は、異なる性質の部材、一方はチタン製で他方は鋼製の部材を拡散溶接によって組み立てる方法に関し、さらに、方法によって得られる金属部材、特に、ターボ機械のタービンシャフトに関する。

航空機エンジンの雑音、燃費、ＣＯ_２排出量の低減を目的とした研究を背景として、シャフトの直径および重量は変えてないが、ターボ機械の低圧タービンシャフトによって伝達されるトルクは大幅に増加されている。このことから、本出願者は、チタンマトリックスを有する複合材料製の中央部を有し、高強度鋼製の末端部を含むシャフトを作ることについて研究することになった。この末端部は、ターボ機械の他の部品に接続するために比較的複雑な形状をなすように機械加工されることが可能である。

チタン製中央部と鋼製末端部との組み立ては、これまで満足のいく形で解決されなかった問題を引き起こす。特に、チタン−鋼接合部がタービンシャフトとして非常に強い機械的特性を有する必要があるためである。

このために、本発明は、拡散溶接によってチタン部材と鋼部材とを組み立てる方法を提供する。方法は：
チタン部材と鋼部材との間に、ニオブまたはバナジウムの薄層または薄箔（チタン部材側）と銅の薄層または薄箔（鋼部材側）とを備える２枚の金属薄層を介在させるステップと、
２つの部材と２枚の介在金属層とのアセンブリを真空下に置くステップと、
前記アセンブリを９００℃から９５０℃の温度で１０００から１５００ｂａｒの圧力で熱間静水圧圧縮して、熱間静水圧圧縮後に制御冷却を行うステップとを含むことを特徴とする。

チタン部材と介在金属層と鋼部材とによって形成されたアセンブリの熱間静水圧圧縮により、チタン部材と鋼部材とを拡散溶接によって組み立てることができる。介在金属層は、２つの部材の接合を弱める金属間相を引き起こすので、チタンが鋼に移動するのを防ぎ、鉄がチタンに移動するのを防ぐ。

一般に、熱間静水圧圧縮とは、要素のスタックを作成するステップと、前記要素の周囲を、一般的には溶接によって封止すると同時に、脱気のために接触面に通じるオリフィスを残すステップとを含む。オリフィスを介して排気された脱気の後に、オリフィスは、一般には溶接によって気密に閉鎖される。その後、スタックは、所与の時間、高温でガス（一般には、アルゴン）の高圧力を受ける。熱間静水圧圧縮は、要素間の隙間をなくし、要素間の固相溶接を実現する。

本発明において、熱間静水圧圧縮の時間は、約１から３時間である。以下に示されるように、本発明の特定の実施形態では、その時間は約２時間である。

本発明の別の特徴によれば、方法は、約８００℃での第１の滞留と、その後の冷却と、約４５０℃での第２の滞留と、冷却とを含む熱処理をアセンブリに施すステップを含む。

上述のアセンブリは、熱処理の間、約１０００から１５００ｂａｒの圧力で維持される。

介在金属層は、約２０から約５０マイクロメートル（μｍ）の薄い厚さの層であり、金属箔をスタンピングすることによって形成されてもよいし、または組み立てられる部材の端部に金属を蒸着させることによって形成されてもよい。

本発明のさらに別の特徴によれば、方法は、組み立てる両部材の端部を非平面の相補的形状にするために機械加工するステップであって、鋼部材の端部はチタン部材の凹部に係合される少なくとも１つの突出部を含むように機械加工するステップを含む。

これらの形状は、熱間静水圧圧縮時のチタンと鋼との熱膨張差を利用して、加熱および冷却時に２つの部材間が接触した状態に維持されるようにする。

両部材の端部は、例えば、円錐形状または双円錐形状としてもよい。

本発明はさらに、チタン部分と鋼部分とを備える金属部材であって、これらの２つの部分が上述の拡散溶接方法を行って組み立てられ、前記部分の端部は、ニオブまたはバナジウムの薄層（チタン部分側）と銅の薄層（鋼部分側）との介在薄層を介して結合されることを特徴とする金属部材を提供する。

本発明の別の特徴によれば、チタン部分は中央部であり、上述した拡散溶接方法によって鋼部分が中央部の両端に組み合わせられる。

金属部材は、中実としてもよいし、または管状としてもよい。

この金属部材の中央部は、チタンマトリックスを有する複合材料製とすることができる。

金属部材は、ターボ機械のタービンシャフトを構成することができる。

本発明はさらに、上述のように定義されたタイプのタービンシャフトを含むことを特徴とする、ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械を提供する。

例として添付図面を参照して考察された以下の説明を読めば、本発明はより十分に理解され、本発明の他の特徴、詳細、利点がより明らかになる。

チタン部材と鋼部材との本発明の接合部を示す断面図である。 本発明の方法の基本ステップを示すフローチャートである。 本発明の方法における熱間静水圧圧縮および熱処理時の圧力曲線と温度曲線とを示したグラフである。 チタン部材と鋼部材との別の接合形状を示す斜視図である。 本発明の変形形態の鋼部材の端部の断面図である。 本発明のタービンシャフトの端部の軸方向片側断面図である。

図１は、チタン部材１０と鋼部材１２とのアセンブリを示す図であり、これらの２つの部材の接合部は円錐形状であり、部材１２の端部は、部材１０の端部内の相補的形状の空洞に係合される丸い先端を形成する頂部を有する。

２つの部材の接触面は、チタン部材１０の端部に付着されるニオブまたはバナジウムの薄層または薄箔１４と、鋼部材１２の端部に付着される銅の薄層または薄箔１６によって生成される。

これらの介在金属箔１４、１６は、例えば、約２０から５０μｍの厚さであり、平面ディスクをスタンピングすることによって形成され得る。

変形形態では、介在層は、知られている方法、例えば、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）を使用して金属を蒸着させることによって、または、または電解析出によって、チタン部材の端部および鋼部材の端部に直接形成されてもよい。

本発明の方法の主なステップは、図２に示されている。

組み立てる部材は、ステップ１８で、注意深く洗浄および脱脂が行われ、その後、ステップ２０で、次の熱間静水圧圧縮を部材に加えるのに適した知られているタイプのステンレス鋼容器またはケース内に配置される。

ステップ２２で、約１２時間、容器内部で二次真空が形成され、その後、容器は溶接によって気密に閉鎖される。

その後、ステップ２４で、容器は熱間静水圧圧縮エンクロージャ内に配置され、そこで、チタン部材と介在金属層と鋼部材とを備えるアセンブリは、約１から３時間にわたって、９００から９５０℃の高温と、１０００から１５００ｂａｒの高圧力とを受ける。

その後、チタン部材と介在金属層と鋼部材とを備えるアセンブリは、鋼質を向上させるために熱処理２６が施される。熱処理は、典型的には、例えば、約８００℃の高温での滞留と、その後の制御冷却と、例えば、約４５０℃の高温での別の滞留と、その後の制御冷却とを含む。

部材１０がＴｉ６２４２チタン合金製で、部材１２がＭ２５０マルエージング鋼製である本発明の特定の実施形態では、熱間静水圧圧縮の時間は２時間で、圧力は１４００ｂａｒ、温度は９２５℃である。

第１の冷却は、約４００℃まで１分当り４℃から５℃低下する割合で行われ、その後、組立部材１０、１２と介在金属層とによって構成されるアセンブリは、７９０℃で２時間の滞留と、４５５℃で２時間の滞留と、第１の滞留後に大気温度まで１分あたり約４から５℃低下する冷却率で行われる制御冷却とを含む熱処理が施される。４５５℃の滞留後の冷却は、空気中で行われ得る。

２つの組立部材を含むアセンブリは、熱間静水圧圧縮の時間と鋼の熱処理全体にわたって、変わらずに１４００ｂａｒの圧力を受けるのが好ましい。

図３には、熱間静水圧圧縮の特性および鋼の熱処理の特性が示されている。横軸を時間（ｈ）、縦軸を温度（℃）および圧力（ｂａｒ）として、曲線Ｐは組み立てる部材に加えられる圧力の変動を示し、曲線Ｔはそれらの部材が受ける温度の変動を示している。

１０００から１５００ｂａｒの静水圧では、熱間静水圧圧縮により介在金属を損傷せずに熱処理の冷却ステップを通過できる。銅のような延性金属の損傷は、高静水圧下では遅延される。それは、このような圧力が欠陥の形成を阻止し、このような欠陥が周囲に広がるのを阻止するためである。したがって、鋼の熱処理が一軸圧力下での膨張差の影響により介在金属層内に高いレベルのせん断力を引き起こし、ひいてはより延性のある介在金属の破壊を引き起こしてしまうという先行技術に見られた問題を避けることができる。

図４は、チタン部材１０と鋼部材１２との接合部の形状の変形形態を示す図である。この変形形態では、鋼部材１２の端部は、円錐の母線に沿って円錐の頂部からその基部に向かって伸びるフルーティング２８を有する円錐台形先端を含む。さらに、２つの部材１０、１２は、中央穴３０と共に形成される。

図５では、２つの部材の接合部の別の実施形態が鋼部材１２について示されている。

チタン部材の端部に組み立てられるこの鋼部材の端部は双円錐形状であり、部材１２の円筒状外周から前記部材の軸に向かって伸びて部材１２から突出する円錐台形面３２を備え、この円錐台形面は、丸い凸状縁部３４を介して、第１の円錐面と反対方向に伸びて部材１２の端部の凹部を形成する円錐面３６に接続される。この円錐面３６は、丸い縁部３４から部材１２の中心軸に向かって伸びる。

円錐台形面３２の頂角は、例えば、１２０°とすることができ、円錐面３６の頂角は約１６０°である。

チタン部材１０の端部は、図５に示される形状に対して相補的形状である。

図６は、本発明の低圧タービンシャフトの一部を示す図である。シャフトは、チタンマトリックスを有する複合材料製の中央部４０を備え、前記中央部は、軸４２を中心とした管状であり、航空機ターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械の別の構成部品に連結する連結部を形成する高強度鋼製の管状末端部４８の対応する端部４６に接続するための端部４４で厚さが増加する。

末端部４８を鋼製にすることで、機械加工によって任意の適切な形状にすることが可能となる。その形状は比較的複雑である。

シャフトの中央部４０の他端部も同様に（図示せず）、図６に示されたのと同じタイプの末端部に接続される。

中央部４０の端部４４と末端部４８との接続は、チタン部分と鋼部分との間にニオブ（またはバナジウム）および銅の介在層を使用して、上述の拡散溶接方法によって行われる。

中央部４０の各端部と各末端部４８との接合部５０は、中央部４０に向かって円弧をなす丸い頂部を有する円錐形状である。

一実施形態では、接合部の頂部の円弧は、２０ミリメートル（ｍｍ）より大きい半径で、頂角は約６０°である。

本発明の特定の実施形態では、低圧タービンシャフトの中央部４０は、外径が８１ｍｍで、Ｔｉ６２４２マトリックスおよびＳｉＣ長繊維を有する複合材料製であり、末端部４８は、Ｍ２５０マルエージング鋼製である。中央部４０の端部と末端部４８との接合部は、ブレードの損失に対応するトルク、すなわち、７０，０００ニュートンメートル（Ｎｍ）を伝達することができる。さらに、これらの接合部は、亀裂を生じることなく２５，０００回の離陸に耐えることができ、このような離陸時に伝達されるトルクは約４１，５００Ｎｍである（離陸とは、通常の使用条件下で伝達トルクが最大である飛行段階である）。

Claims (14)

1. 拡散溶接によってチタン部材と鋼部材とを組み立てる方法であって、
   チタン部材（１０）と鋼部材（１２）との間に、ニオブまたはバナジウムの薄層または薄箔（チタン部材側）と銅の薄層または薄箔（鋼部材側）とを備える２枚の金属薄層（１４、１６）を介在させるステップと、
   ２つの部材と２枚の介在金属層とのアセンブリを真空下に置くステップと、
   前記アセンブリを９００℃から９５０℃の温度で１０００ｂａｒから１５００ｂａｒの圧力で熱間静水圧圧縮して、熱間静水圧圧縮後に制御冷却を行うステップと、
   前記アセンブリに対し、当該アセンブリが１０００ｂａｒから１５００ｂａｒの圧力に維持される熱処理を施すステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 熱間静水圧圧縮の時間が、１時間から３時間であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記熱処理が、８００℃での第１の滞留と、その後の冷却と、４５０℃での第２の滞留と、冷却とを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 介在金属が、２０μｍから５０μｍの厚さであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 組み立てられる部材の端部を、これらの端部に非平面の相補的形状を付するために機械加工するステップであって、鋼部材（１２）の端部に、チタン部材（１０）の凹部に係合する少なくとも１つの突出部を設けるステップを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 部材（１０、１２）の端部に円錐形状または双円錐形状（３２、３６）を付するステップを含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 介在金属が、組み立てられる部材（１０、１２）の端部に金属を蒸着させることによって形成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 介在金属（１４、１６）に部材（１０、１２）の端部の形状に対応する形状を付するために、介在金属をスタンピングするステップを含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
9. チタン部分（１０、４０）と鋼部分（１２、４８）とを備える金属部材であって、これら２つの部分が請求項１から８のいずれか一項に記載の拡散溶接方法および熱処理を行って組み立てられ、前記部分の端部が、ニオブまたはバナジウム（チタン部分側）と銅（鋼部分側）の介在薄層を介して結合されることを特徴とする、金属部材。
10. チタン部分が中央部（４０）であり、指定の拡散溶接方法によって鋼部分（４８）が中央部の両端（４４）に組み合わせられることを特徴とする、請求項９に記載の金属部材。
11. 管状であることを特徴とする、請求項１０に記載の金属部材。
12. 中央部（４０）が、チタンマトリックスの複合材料製であることを特徴とする、請求項１１に記載の金属部材。
13. ターボ機械で使用するタービンシャフトを構成することを特徴とする、請求項１２に記載の金属部材。
14. 請求項１３に記載のタービンシャフトを含むことを特徴とする、ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械。

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