JP5778935B2 - 部品の表面仕上りを改善するピーニング処理 - Google Patents

Description

本発明は、物品の表面を修飾する処理に関する。特に、本発明は、部品の機械的特性及び表面仕上り特性を改善できるピーニング処理に関する。

ショットピーニングは、部品の表面及び直ぐ下に位置する基質領域を修飾して、その特性を改善する処理であり、圧縮残留応力を生じさせることで耐疲労性及び耐異物損傷性を改善することが含まれる。鋼、チタンベースの合金及び超合金で形成された、ガスタービンブレード、蒸気タービンブレード、及びガスタービンエンジンブレード等のエアフォイル部品を含む、ターボ機械の一部の部品が望ましい表面特性を示すには、それらのエアフォイル表面に完全なショットピーニングが、例えばアルメンＮストリップスケールを基準にして１０Ｎ（アルメンＡストリップスケールを基準にして約３Ａ）以上のアルメン強度のような比較的高い強度で必要になる（本明細書に示すピーニング強度は全て、アルメンＡ又はＮストリップスケールのいずれかを基準にして量化した強度である）。しかし、ショットピーニングを高い強度で実施するとエアフォイル表面粗さが、例えば約９０マイクロインチ（約２．３マイクロメートル）Ｒａ以上とかなり粗くなってしまう傾向があり、ブレードの空気力学的にもタービンの全体的な性能にとっても有害である。また、表面粗さが増すと、大気中の汚染物、腐食物、及び侵食物の粘着が助長され、これらの付着によって、割れ目孔食、応力腐食割れ、及び疲労損失が助長されることがある。

ピーニング後の粗さを低減するにあたり、圧縮機ブレードには、長期のタンブリング、ヒドロホーニング、ドラッグ仕上げ、化学エッチング等の研磨加工、或いは、例えば３５マイクロインチ（約０．９マイクロメートル）Ｒａ等のより妥当なレベルまで表面仕上り粗さを低下させるまた別の方法を施すことが多い。しかし、結果的に得られる表面仕上りは、ピーニングを受ける前の元々のエアフォイル表面仕上りよりも高くなる。ショットピーニングの後に研磨加工を行うと、製造コストが高くなりサイクル時間が長くなることに加えて、圧縮残留応力層が除去されることによって、ショットピーニングで得られた利点が失われる可能性があり、そうすると寸法の歪みが生じることもある。

米国特許第７３８４２４４号

本発明は、部品の表面仕上りを改善すると共に、部品の表面近くの領域内に残留圧縮応力を生じさせる、部品の表面加工処理を提供する。

本発明の第１の態様によると、本処理は、第１のピーニング工程を実施することによって部品の表面近くの領域内に残留圧縮応力層を形成するステップと、次に、少なくとも第２のピーニング工程を実施することによって部品の表面近くの領域内の残留圧縮応力を保持しながら部品の表面の表面平滑化を行うステップとを含む。第１のピーニング工程は、第１のガラスビーズ媒体を用いて湿式ガラスビーズピーニングを第１の強度で行うことを含み、第２のピーニング工程は、第２のガラスビーズ媒体を用いて湿式ガラスビーズピーニングを第２の強度で行うことを含み、この第２の強度は第１の強度よりも低く、第２のガラスビーズ媒体は第１のガラスビーズ媒体よりも小さい。

本発明の好適な態様によると、本処理は、第１のピーニング工程によって生じた好ましい残留圧縮応力層を除去する傾向があり部品の寸法歪みを生じ得るピーニング後研磨処理を必要とせずに、ピーニングされたままの状態で平滑な表面仕上りを達成する。また、本発明では、ピーニング後研磨を使用しないことによって、部品の製造時間及び部品のコストを大幅に削減できる。

以下の詳細な説明から、本発明のその他の態様及び利点の理解が深まるであろう。

ガスタービン圧縮機ブレード上に施した３種類の表面加工によって生じた残留圧縮応力の層深さをプロットしたグラフである。 ガスタービン圧縮機ブレード上に施した異なる５種類の表面加工の結果得られた表面粗さのデータをプロットしたグラフである。 図２にそのデータを示した、圧縮機ブレードの表面の外観を示す顕微鏡写真のスキャン画像である。 図２にそのデータを示した、圧縮機ブレードの表面の外観を示す顕微鏡写真のスキャン画像である。

本発明は、概して、疲労特性の改善も含めたショットピーニングの効果によって利益を得るだけでなく、例えば２５マイクロインチ（約０．６マイクロメートル）Ｒａ以下等、従来のショットピーニング処理では達成不可能な３５マイクロインチ（約０．９マイクロメートル）Ｒａ未満の比較的滑らかな表面仕上りが必要な部品に適用可能である。こうした部品の特筆すべき例には、エアフォイルが高い疲労負荷にさらされる、鋼、チタンベースの合金及び超合金で形成されたガスタービンブレード、蒸気タービンブレード、及びガスタービンエンジンブレードを含めた、ターボ機械のエアフォイル部品が含まれる。本発明の利点を圧縮機ブレードに関して説明するが、本発明の教示内容は、概して、滑らかな表面仕上り及び耐疲労性によって利益を得る如何なる部品にも適用可能である。

本発明は、概して、先ず部品の表面近くの領域内に望ましいレベルの圧縮残留応力層を生じさせた後、その望ましい圧縮残留応力を失うことなく表面を平滑化する形で、少なくとも２種類の異なるサイズのピーニング媒体を順次使用することによるピーニング処理を伴う。具体的には、本ピーニング処理は、湿式ガラスビーズピーニング処理であって、比較的粗いガラスビーズ媒体を用いて第１のアルメン強度で湿式ガラスビーズピーニングを行った後、より微細なガラスビーズ媒体を用いてより低いアルメン強度でまた別の湿式ガラスビーズピーニング工程を行うことを含む処理である。第１のアルメン強度は、好ましくは、例えば７Ｎから１４Ｎのように少なくとも７Ｎ、より好ましくは９Ｎから１２Ｎであり、低い方のアルメン強度は、好ましくは６Ｎ未満、より好ましくは、例えば２Ｎから５Ｎのように、第１のアルメン強度の約１／４から約１／３である。第１及び第２の強度を得るために用いるガラスビーズ媒体は、選択した強度範囲に有用な直径を有するべきである。第１の強度を得るための比較的粗いガラスビーズ媒体は、０．５０ミリメートル超、非限定的な例としては約０．７０ミリメートル（例えばＧＰ２３４又は等価物）の直径を有するべきであり、低い方の強度を得るための比較的微細なガラスビーズ媒体は、比較的粗いガラスビーズ媒体の直径よりも小さい、例えばその約１／４から約１／３、非限定例として約０．２ミリメートル（例えばＧＰ２０又は等価物）の直径を有する。第１のピーニング工程は、ブレードの表面近くの領域内に所望の圧縮残留応力層を生じさせることを意図しており、第２のピーニング工程は、第１のピーニング工程によって創出された粗さを取り除くことで表面を平滑化することを意図している。第２のピーニング工程によって、従来の研磨処理に比べて加工時間が短縮されコストが抑えられることに加えて、先行するピーニング工程による全ての利益を実質的に保持し、研磨処理に関連した部分的な歪みのリスクが回避される。

本発明に繋がる研究を、産業用ガスタービンの鋼製圧縮機ブレードを用いて行った。第１のブレード（試験片Ａ）には、ＣＣＷ−１４ステンレス鋼製ワイヤーショット（直径約０．０１４インチ（約０．３５ｍｍ））を用いてショットピーニングを、約１０Ｎから１２Ｎのアルメン強度で施した後、長時間にわたるタンブリング振動研磨工程を実施した。第２のブレード（試験片Ｂ）にも最初のものと同じピーニング工程を実施したが、追加のタンブリング工程は行わなかった。最後に、第３のブレード（試験片Ｃ）には、ＧＰ２３４ガラスビーズ（直径が約０．０２８インチ（約０．７０ｍｍ））を用いて湿式ガラスビーズピーニングを、約９Ｎから１２Ｎのアルメン強度で施した後、ＧＰ２０ガラスビーズ（直径が約０．００８インチ（約０．２０ｍｍ））を用いて湿式ガラスビーズピーニングを約３Ｎのアルメン強度で行った。各々のショットピーニング処理は、完全な表面被覆が得られるように行われた。

図１は、３種類の表面加工によって生じた残留圧縮応力の層深さをプロットしたグラフであり、２段階ピーニング処理を施したブレードに高い残留圧縮応力がかなり深い層深さで得られたことを示している（「ＣＣ」及び「ＣＶ」は、それぞれ試験片Ａの凹面及び凸面で得られたデータを示す）。特筆すべきは、２段階ピーニング表面加工を施した試験片Ｃが最も高い残留圧縮応力を表面近くの領域全体にわたって示しており、その深さはブレードの表面下約０．００６インチ（約１５０マイクロメートル）に相当する。試験片ＡとＢのデータを比較することで、試験片Ａでは残留圧縮応力がタンブリング工程によって低下したであろうことがわかる。

第２の研究として、追加の３枚のブレードに２段階ピーニング加工を異なる粗いピーニング媒体を用いて施した。これらのうち第１の追加ブレード（試験片Ｄ）には、完全な表面被覆が得られるようにＧＰ１６５ガラスビーズ（直径約０．０２インチ（約０．５０ｍｍ））を用いて湿式ガラスビーズピーニングを約１０Ｎのアルメン強度で施した。これらのうち第２のブレード（試験片Ｅ）には、完全な表面被覆が得られるようにＳ１１０鋳鋼ショット（直径約０．０１４インチ（約０．３５ｍｍ）以下）を用いてピーニングを約１０Ｎのアルメン強度で施し、第３のブレード（試験片Ｆ）には、完全な表面被覆が得られるようにＳ１７０鋳鋼ショット（直径約０．０２インチ（約０．５０ｍｍ））を用いてピーニングを約１０Ｎのアルメン強度で施した。試験片Ｄ、Ｅ、及びＦに実施したピーニングの第２段階においては、上述の研究で用いたものと同様、ＧＰ２０ガラスビーズスラリー、被覆、強度（約３Ｎ）、及び時間を用いた。

図２は、第２の研究の試験片Ｄ、Ｅ、及びＦ、並びに第１の研究の試験片Ｂ及びＣが示した表面粗さデータの百分率ベースの正規確率プロットである。このグラフから明らかなように、ＧＰ２０ガラスビーズスラリーを用いて達成可能な表面仕上りは、第１のピーニング工程で用いる媒体に左右されること、並びに、第１のピーニング工程で大きいＧＰ２３４ガラスビーズ（直径約０．７０ｍｍ）を用いると、微細なＧＰ１６５ガラスビーズ（直径約０．５０ｍｍ）と、鋳造ショット媒体（直径約０．３５及び０．５０ｍｍ）のいずれかとを用いた場合に比べて、大幅に良好な表面仕上りが達成された。研磨を受けなかった試験片Ｂ（ＣＣＷ−１４ステンレス鋼製ワイヤーショット（直径約０．３５ｍｍ、アルメン強度約１０Ｎから１２Ｎ、タンブリングも第２のピーニング工程も施さなかった））を用いてピーニングされた）の平均表面仕上りは、約１００マイクロインチ（約２．５マイクロメートル）Ｒａであったが、Ｓ１１０で鋳造ショット（直径０．３５ｍｍ）を用いてピーニングを施した試験片Ｅ、Ｓ１７０で鋳鋼ショット（直径０．５０ｍｍ）を用いてピーニングを施した試験片Ｆ、及びＧＰ１６５ガラスビーズ（直径０．５０ｍｍ）を用いてピーニングを施した試験片Ｄが示した平均表面仕上りは、約４６から５３マイクロインチ（約１．２から約１．３マイクロメートル）Ｒａの範囲内であった。対照的に、２段階ピーニング工程（ＧＰ２３４ガラスビーズ（直径０．７０ｍｍ）を９Ｎから１２Ｎの強度で用いた後に、より小さいＧＰ２０ガラスビーズを３Ｎの強度で用いる）を施した試験片Ｃが示した平均表面粗度は、約２５マイクロインチ（約０．６４マイクロメートル）Ｒａであった。図３及び４は、それぞれ試験片Ｃ及びＢのエアフォイル表面の外観を示す顕微鏡写真のスキャン画像であり、試験片Ｃに対して実施した第２のピーニング工程によって表面仕上りが劇的に改善したことを示している。

以上から、２段階ピーニング処理によって、０．５０ミリメートルを超える大きさの粒子のガラスビーズ媒体を含む第１のスラリーを用いた後、より微細なガラスビーズ媒体を含む第２のスラリーを用いて第２のピーニング工程をより低強度で行うことで、望ましいレベルの残留圧縮応力が得られ、約２５マイクロインチ（約０．６４マイクロメートル）以下の表面粗度が得られる、という結論に至った。より一般的には、第１及び第２のピーニング工程の強度を得るために用いるガラスビーズ媒体は、それぞれの強度に有用なに直径を有するべきであるという結論に至った。例として、鋼合金、チタンベースの合金、及び超合金で形成されたガスタービン圧縮機ブレード等の部品の場合、第１の湿式ガラスビーズピーニング工程を、好ましくは直径が０．５０ｍｍ超から約０．９０ｍｍの、より好ましくは約０．６０から約０．８０ｍｍの比較的粗いガラスビーズ媒体を用いて行い、少なくとも７Ｎから約１４Ｎ、より好ましくは約９Ｎから約１３Ｎのアルメン強度を得て、第２のガラスビーズピーニング工程を第１のピーニング工程よりも小さいガラスビーズ媒体、好ましくは比較的粗いガラスビーズ媒体の約１／４から約１／３、例えば約０．１５から約０．２５ｍｍのガラスビーズ媒体を用いて、好ましくは６Ｎ未満、より好ましくは第１のアルメン強度の約１／４から約１／３、例えば２Ｎから５Ｎのアルメン強度で実施すべきであると思われる。本発明の好適な態様により、第２のピーニング工程の後に得られる表面仕上りは、第１の工程の後に得られた表面仕上りの約１／４から約１／２であり、例えば第１のピーニング工程の後に得られた表面粗度が約７０から約１００マイクロインチ（約１．８から約２．５マイクロメートル）の場合には、第２のピーニング工程を約２０から約５０マイクロインチ（約０．５から約１．３マイクロメートル）の表面仕上りが得られるように行う。

本発明を好適な態様に関して記述してきたが、当業者には、その他の形態も適用可能なことが明らかである。例えば、ガラスビーズ媒体が好適ではあるものの、セラミック、鋼、ステンレス等の異なる材料も使用可能なことが想到され、これを行うには媒体のサイズ及び強度を調整する必要があると思われる。また、ピーニング媒体を特定の強度で得られるだけでなく、加工するべき表面領域に必要な被覆をもたらし得るのであれば、様々なピーニング技術を適用可能であることにも留意されたい。したがって、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (9)

1. 部品の表面仕上りを改善するピーニング方法であって、
   第１のガラスビーズ媒体を用いて第１の強度で湿式ガラスビーズピーニングを行うことを含む第１のピーニング作業を行って、部品の表面近傍領域内に残留圧縮応力層を生じさせるステップと、次いで、
   前記第１のガラスビーズ媒体のガラスビーズの直径の１／４〜１／３の直径を有するガラスビーズからなる第２のガラスビーズ媒体を用いて前記第１の強度の１／４〜１／３の強度の第２の強度で湿式ガラスビーズピーニングを行うことを含む第２のピーニング作業を少なくとも行って、前記部品の表面近傍領域内の残留圧縮応力を残しながら前記部品の表面の表面平滑化をもたらすステップと、
   を含む方法。
2. 前記第１のガラスビーズ媒体のガラスビーズが０．５０ｍｍ超の直径を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のガラスビーズ媒体のガラスビーズが０．５０ｍｍ超〜０．９０ｍｍの直径を有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１のピーニング作業の前記第１の強度が７Ｎ〜１４Ｎである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第２のガラスビーズ媒体のガラスビーズが０．１５〜０．２５ｍｍの直径を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第２のピーニング作業の前記第２の強度が６Ｎ未満である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第１のピーニング作業後の部品の表面の表面仕上げが１．８〜２．５μｍであり、
   前記第２のピーニング作業後の部品の表面の表面仕上げが０．５〜１．３μｍ未満である、
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第２のピーニング作業後の前記部品の表面の表面仕上げが０．９μｍ未満である、
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記部品がターボ機械のエアフォイル部品である、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。