JP6130406B2 - ターボ機械ブレードの製造のためのセラミックコアの含浸方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は、タービンエンジンであり、より詳細には、これらのタービンエンジンの金属ブレード組立体を製造する分野である。

複雑な形状を備える内部キャビティを有する、タービンエンジンの金属ブレード組立体などの部品を製造するために、通常、ロストワックス鋳造と呼ばれる技術が使用される。これは、その後容易に取り除かれ得る、ワックスまたは他の等価材料で部品の初期モデルを製造することから成る。

製造プロセスは、鋳物用コアを形成しブレード組立体の内部キャビティを含む、内部部分の製造で始まる。次いで、コアが配置されワックスが注入される射出成形鋳型を用いて、ワックスモデルが作られる。次いで、セラミックシェルがこのモデルの周りに作られ、シェルは、いくつかのスラリーに連続浸漬することによって製造される複数の層から成る。スラリーは、コロイド状ミネラルバインダと必要に応じて添加物とを備えるセラミック材料の粒子で出来ている。

次いで、シェル鋳型が脱ろうされ、脱ろうは、最初のワックスモデルを形成する材料が取り除かれる操作である。モデルが取り除かれた後に、セラミック鋳型が得られ、そのキャビティは、ブレードの形状すべてを再現し、その鋳型は、ブレードの内部キャビティを生産することを目的とするセラミックコアを依然として閉じ込める。次いで、鋳型は、高温熱処理または「焼成」を受け、これは、必要な機械的特性を鋳型に与える。

次いで、シェル鋳型は、鋳造による金属部品の製造に入れる態勢となる。シェル鋳型の内部および外部の完全性がチェックされた後に、次のステップは、シェル鋳型の内壁とコアとの間の空の空間を占める溶融金属を鋳造することにあり、次いで、前記金属を凝固させる。最後に、合金が鋳造された後に、シェルは、振り落とし動作によって破壊され、次いで、ブレードに閉じ込められたままであるセラミックコアが、化学処理を介して取り除かれ、金属部品の製造は、機械加工または研磨による仕上げで終わる。

セラミックコアを使ってしばしば遭遇される問題は、これらが非常に繊細な形状を有し、ワックス射出を介したオーバーモールド中に壊れまたは変形する傾向があり得ることである。したがって、製造プロセスの終わりに強化操作を行うことが必要である。現在使用されている方法のうちの１つは、希釈液と混合された樹脂を用いてコアの小孔を充填し、次いでこの樹脂を重合させることにあり、それにより、次いでその機械的強度を４倍にできるようになる。通常使用される生成物は、アラルダイトなどのポリエポキシド樹脂、ならびにトルエンおよびメタノールなどの溶媒の混合物で出来ている希釈液である。

これらの生成物による欠点は、これらが一般に（生殖の発癌性、突然変異誘発性、または有毒性としてＣＭＲに分類されている）毒性があり、これらは作業者によって実施されるべき保護措置を必要とすることである。特に、これらは、［Ｆｒｅｎｃｈ］Ｌａｂｏｕｒ Ｃｏｄｅ（フランス労働コード）の下で、身体の保護具の着用、および各作業者について特定の曝露の監視、およびまた構内、吸引系統、ならびに乾燥手段がＡＴＥＸ（爆発性雰囲気）指令に準拠して行われることを必要とする。

１つの解決策が英国特許出願第２２６３６５８号明細書によって与えられており、これは、溶媒としての水の使用、およびポリビニルアルコールを含む異なる含浸生成物の使用を推奨している。これは、１０％の限界内の、換言すれば、水１リットル当たりおよそ１０グラムのアルコールの濃度を推奨しており、この場合生成物が高粘性になるので、この濃度が超過されるべきでない限界値であることを考慮している。

出願人は、この限界について好奇心を持ち、より高い濃度が状況をさらに改善する可能性があるかどうかを知ること、およびそれから生じるかもしれない制限事項を分析することを求めた。

英国特許出願第２２６３６５８号明細書

本発明の目的は、コアの機械的な補強のために現在の生成物よりもよりよく機能する生成物を提案することであり、これは、スタッフの健康および安全の保護、ならびに環境の保護の点では責務に応じている。

本発明の主題は、ロストワックス鋳造によってタービンエンジン部品の製造に使用されるセラミックコアを機械的に補強するための含浸方法にして、ポリビニルアルコールＰＶＡｌを水に溶解することによって得られる混合物にコアを浸漬するステップと、これに続くコアを純水に浸漬するステップおよび熱重合とを含む方法であって、混合割合は、水１リットル当たりＰＶＡｌが１００ｇと２００ｇとの間にあることを特徴とする方法である。

浸漬するステップによる含浸時間は、２０分と１時間３０分との間にあることが有利である。長い時間は、その比較的高い粘性のために、セラミックコアの細孔に適切に貫入するように含浸生成物にとって必要である。

好ましくは、重合は、９０℃と１２０℃との間の温度で行われる。

より好ましくは、重合は、３０分と２時間との間で行われる。

また、本発明は、ロストワックス鋳造によって、内部キャビティを備えるタービンエンジンブレードを製造する方法にして、前記内部キャビティを表すセラミックコアを製造するステップを含む方法であって、上記で説明した方法を介して前記コアを機械的に補強するステップを含むことを特徴とする方法に関する。

本発明は、添付の概略図面を参照して、単に例示および非限定的な例として与えられる本発明の実施形態について下記に与えられる詳細な説明書きを読むと、よりよく理解され、その他の目的、詳細、特徴、および利点がより明瞭に明らかになるであろう。

本発明による生成物でブレードコアを含浸することによって得られる結果を与える表である。 本発明による含浸生成物を用いて、および先行技術の生成物を用いて得られる材料の２つの物理的特性の比較上の概略図である。 本発明による含浸生成物を用いて、および先行技術の生成物を用いて得られる材料の２つの物理的特性の比較上の概略図である。

図１は、タービンエンジンブレードのワックスモデルのコアを表す試験片から、水溶液でのポリビニルアルコール（ＰＶＡｌ）のさまざまな濃度について、およびさまざまな製造条件（含浸時間、焼成時間および温度）について得られた結果を示している。

アルコールでの選択された濃度は、５０ｇ／ｌ、１００ｇ／ｌ、および２００ｇ／ｌであり、試験片の含浸時間は、２０分から１時間３０分に及んだ。同時に、焼成時間および温度は、それぞれ、１６時間という１つの例では３５分から１時間３０分に、および９０℃から１７２℃に及んだ。以下のことが留意されよう。すなわち、
−５０ｇ／ｌの濃度において、２０分の含浸時間、および３５分から２時間について９０℃から１２０℃の温度での焼成の場合、得られた破断応力は、１４．８７ＭＰａから２０．０７ＭＰａに及び、ヤング率は、１３．９ＧＰａから１６．８７ＧＰａに及び、
−１００ｇ／ｌの濃度において、２０分から１時間３０分に及ぶ含浸時間、および１時間から２時間について９０℃と１７２℃との間の温度での焼成の場合、破断応力は、２１．５２ＭＰａから２９．４ＭＰａに及び、ヤング率は、５０．３ＧＰａから１８．１１ＧＰａに及び、
−２００ｇ／ｌの濃度において、３０分から１時間３０分に及ぶ含浸時間、および１時間から１６時間について１２０℃の温度での焼成の場合、破断応力は、３１．５ＭＰａから３５．７９ＭＰａに及び、ヤング率は、６．６７ＧＰａから６．５３ＧＰａに及んだ。

図２および図３は、５つのタイプの試験片、すなわち、含浸なしの試験片、水溶液での５０ｇ／ｌの割合でＰＶＡｌで含浸された試験片、１００ｇ／ｌの割合でＰＶＡｌで含浸された試験片、２００ｇ／ｌの割合でＰＶＡｌで含浸された試験片、および先行技術によるエポキシ樹脂で含浸された試験片について、それぞれ破断応力およびヤング率を示している。

提起された問題と取り組むために、本発明は、最初に、健康にまたは環境の保護に関連している危険を排除するために、先行技術のトルエンまたはメタノールタイプの希釈液の使用を止めて、これらを水と置き替えるように提案している。先行技術の生成物を取って替えるために、一連の試験全体が、異なる商品、およびこれらの生成物について異なる水溶液の濃度で行われている。また、生成物の溶体化熱処理に関して異なるパラメータ（濃度、撹拌、温度）、および異なる乾燥および重合パラメータ（温度、時間）が、評価されている。

終わりに、本発明は、含浸生成物としてポリビニルアルコールを選択した。これは、水に可溶性であり、その粘着性および乳化性が知られている。その化学式が−（ＣＨ_２ＣＨＯＨ）ｎ‐である、ポリビニルアルコールまたはＰＶＡｌは、ポリ酢酸ビニルのアルカリ加水分解（水酸化ナトリウム、カリウム）によって得られる。これは、離型剤として、または充填剤として使用されることができ、したがって、一定のフィルムを形成するという利益を提供し、これは、鋳型に巻き付けることができ、したがって、タービンエンジンブレードの製造の場合はワックスモデルのコアに巻き付けるように作られ得る。この生成物は、一連の試験が被覆および粘着力の皮膜形成性特性を備えるいくつかの可溶性生成物で行われた後に最後に選好されたが、コアの表面の細孔に貫入し、これらを充填し、したがって乾燥によってまたは重合によって凝固されるシェルを作るという利点を有する。行われた試験の後で、推奨される濃度は、機械的特性の所望の増加に応じて１００ｇ／ｌから２００ｇ／ｌである。

したがって、本発明の生成物によって与えられる機械的補強の効果は、２部分から成る。すなわち、これは、多孔性、セラミック材料の機械的特性を低下させる傾向があるこの多孔性の部品を除去することによる第１の補強、およびコアを取り囲む被覆を形成することによる第２の補強をもたらし、被覆自体は、特有の機械的特性を有する。

本発明の推奨される実施は、その溶解を加速するために、８０°まで加熱された水にＰＶＡｌを溶解することによって混合物を準備することにある。次いで、コアが混合物に浸漬され、次いで、過剰の混合物を除去するために蒸留水に浸漬される。最後に、これらは、炉で重合を受ける。コアで得られる質量の増加は、およそ２％である。

本発明によって与えられる第１の利益は、溶媒として水の使用にあり、これは、以前の有機溶媒によって遭遇した毒性の問題を排除する。他方では、この選択は、標準的樹脂を止め、その代わりとしてＰＶＡｌなどの生成物を選択することを意味し、これは、水に可溶性であり、その重合がコアを十分強くする。本発明を開発する際に遭遇した困難さのうちの１つは、コアを適切に含浸するために比較的低い粘度を維持しながら、重合の後にその機械的強化の有効性を増大するように十分に混合物を濃縮することができることにある。

水およびＰＶＡｌで得られた結果は、材料の特性の明らかな増加を示しており（図２および図３を参照されたい）、これは、確かに先行技術の有機溶媒で得られるものより劣ったままであるが、タービンエンジンブレードのコアの製造方法には十分である。したがって、およそ１００ｇ／ｌから２００ｇ／ｌの混合物の割合の場合、破断強度は、処理しないままの試験片に比して（先行技術の場合の４に対して）３倍であり、ヤング率は、（先行技術の方法の場合の４に対して）２倍であるということが分かり得る。

また、図２および図３を見ると、セラミックコアの機械的強度は１００ｇ／ｌを超えてＰＶＡｌの濃度を採ることによってさらに改善されるということが認められよう。特に、曲げ破断強度に関して得られる増加は、これらのコアが壊れやすく、取扱いが非常に困難であるので特に価値がある。この増加はより大きな粘度の損失に関して得られ、これは、特に、先行技術によって推奨される限界値よりも高いことは確かである。高すぎる粘度は、コアの過度の生成物を除去するために含浸に続く純水の清浄の段階がより困難になるので不利益であることは否定しがたい。これは、極端に薄く壊れやすく、その凹部から生成物を無理に取り除くことが困難であり得る、一定の表面が、過度に加工されるべきでないためである。したがって、出願人は、受ける危険を考えると、２００ｇ／ｌの範囲を超えて増加は正当化されなかったことを認めている。

より高い濃度は、含浸されたコアの機械的強度を改善するが、製造スケジュールが、この粘度を考慮して調整されなければならない。次いで、生成物は、コアの表面の下に深く貫入し、したがって細孔を適切に充填するためにより長い間コアと接触したままでなければならない。したがって、含浸時間は、およそ５分という先行技術の場合の極端に短い時間に比して、３０分よりも少なくない値に増加されなければならない。

要するに、出願人は、１０ｇ／ｌにおける最大許容濃度を固定した、先行技術の教示に反しており、調整が製造スケジュールに合わせて行われたとの条件で、この場合コアの機械的強度をさらに改善することができたことを認めている。

Claims (5)

1. ロストワックス鋳造を介してタービンエンジン部品の製造に使用されるセラミックコアを機械的に補強するための含浸方法にして、ポリビニルアルコールを水に溶解することによって得られる混合物にセラミックコアを浸漬するステップと、その後、セラミックコアを純水に浸漬するステップと、その後、熱重合を行うステップとを含む方法であって、混合割合は、水１リットル当たりポリビニルアルコールが１００ｇと２００ｇとの間にあることを特徴とする、方法。
2. 浸漬するステップによる含浸時間が、２０分と１時間３０分との間にある、請求項１に記載の方法。
3. 熱重合が、９０℃と１２０℃との間の温度で行われる、請求項１または請求項２のいずれかに記載の方法。
4. 熱重合が、３０分と２時間との間で行われる、請求項３に記載の方法。
5. ロストワックス鋳造によって、内部キャビティを備えるタービンエンジンブレードを製造する方法にして、前記内部キャビティを表すセラミックコアを生産するステップを含む方法であって、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法を介して前記コアを機械的に補強するステップを含むことを特徴とする、方法。

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