JP6298808B2 - 複合物でできた前縁を保護するためのインサートを備えた金属補強材を形成するための方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は、金属部品の作製分野であり、より具体的には航空産業のためのチタンの前縁または後縁、複合材料で作製された幅広の翼弦を有する、例えばタービンエンジンのファンブレードのための前縁などの作製分野である。

重量およびコストの理由のために、ターボジェットエンジンのファンブレードは今日大半が複合材料でできている。このような部品は、それらが被るその回転速度と航空力学的な負荷に起因して高いレベルの機械的ストレスを受け、また空気流に進入する可能性のある粒子または異物からのいかなる衝撃にも耐える必要がある。このような理由のため、それらはその前縁および／またはその後縁において、その端部を覆い翼の複合材料に接着された金属部品によって保護される。

複合ファンブレード用にチタンでできた前縁に関して現在使用される製造データシートは、実現するのが厄介かつ複雑であり、これは大幅なコストにつながる。これは、それが主に高温形成作業に基づいているためであり、この作業は、利用される温度に耐える装備を必要とする。それはまた、製造の中間部品段階と最終段階の両方において大変な数の機械加工作業が行われることを必要とする。

さらにこのようにして製造される前縁の耐腐食性の問題にも対処する必要がある。互いに接着された２層金属の構造体を形成することで成り立つものなど、これに関して様々な解決策が考案されてきた。このケースでは、第１の層は、衝撃に対する前縁の変形に適応することを可能にするチタンベースの合金から形成され、第２の層は、腐食に対して前縁を保護するためにニッケルベースの合金から形成される。この解決策は、前縁補強材に関する簡素な形状の場合においてのみ企図することができ、この形状に関して、部品は単に薄い金属シートを折り曲げることによって実現させることができる。複雑な形状を有する補強材の場合、ニッケルベースの合金でできた補強材に関する製造データシートは、実現するのが極めて複雑であり、部品を製造するのに費用がかさむことになる。

最後に、重量および機械的強度の理由のために、これらの前縁または後縁は、概ねチタンでできており、比較的薄い。この薄さからして、超塑性成形および拡散結合（ＳＰＦＤＢ）工程を介して金属シートを組み立てるステップを含む作製方法の利用が当然のことながら提案されてきた。このような方法は、本出願人の欧州特許第１５７４２７０号明細書に記載されている。

しかしながら、この方法では空洞の内部形状を調節することを可能にすることが困難であり、詳細には空洞の端部における金属シートの最適な接合の実現性を制限する。これを是正するために、本出願人は、コアを使用するチタンの前縁または後縁を作製するための方法を考案しており、このコアに接するようにチタンシートが互いに対して溶接され、熱間静水圧プレスによってコアの周りに貼り付けられる。この方法は、仏国特許第２９５７５４５号明細書の下に公開された特許出願の主題であった。

この方法は、前縁の形成を大幅に容易にするものであるが、その現行の様式において、それは使用中に遭遇する腐食に対してチタン部品の耐性を高めるために前縁を補強するのに上記に述べた要望を考慮していない。

欧州特許第１５７４２７０号明細書 仏国特許発明第２９５７５４５号明細書

本発明の目的は、タービンエンジンブレードの前縁または後縁のためにより耐腐食性の高いチタン補強材を形成するための簡素で安価な方法を提案することによってこのような欠点を是正することである。

この目的のために、本発明は、金属シートを打ち抜き加工しそれらを互いに対して拡散溶接することによって、複合材料でできた航空エンジンブレードの前縁または後縁を保護するための金属補強材を形成するための方法に関し、
この方法は、
形成される金属補強材の内部空洞の形状を有するコアを形成し、その一方の面が強化材の吸気面の内部形状を再現し、他方の面が強化材の加圧面の内部形状を再現するステップと、
強化材のものより高い硬度の合金でできたインサートを形成するステップと、
前記コアの上流に前記インサートを受容することが可能な金属シート間の空洞を形成しながら、金属シートを前記補強材の吸気面と加圧面の形状により近づけるためにそれらを打ち抜き加工によって初期成形するステップと、
前記金属シートを前記コアの周りに位置決めし、インサートが前記空洞内に配置され、組立体が一緒に接合されるステップと、
真空下に組立体を配置し、溶接作業によって前記組立体を閉じるステップと、
熱間静水圧プレスによって組立体を接合するステップと、
インサートの材料を露呈する最終的な機械作業によって補強材の外側形状を形成するステップと、
組立体を切断することでコアを取り出し、補強材を切り離すステップとを含むことを特徴とする。

これにより強固になった先端を備えた補強材が実現され、これは経済的に形成されるが、その理由は、インサートを加える作業が、従来技術の方法と比べて追加の作業なしで行われるためである。

好ましくは、インサートに使用される合金の冷間加工に関する弾性限界は、補強材に使用される材料のものより大きい。

第１の実施形態では、金属シートはチタン合金でできており、インサートは、Ｔｉ５５５３、Ｔｉ１０−２−３またはＴｉ１７を含む範囲から選択されるチタン合金でできている。

第２の実施形態では、金属シートはチタン合金でできており、インサートは金属間チタン合金でできている。

有利には、金属間合金は、チタン−アルミニウム合金である。

第３の実施形態では、金属シートは、チタン合金でできており、インサートは、斜方晶系合金でできている。

有利には、斜方晶系合金は、チタン−アルミニウム−ニオビウム合金である。

本発明はまた、複合材料でできた航空エンジンブレードの前縁または後縁を保護するための金属補強材に関し、これは、その上流端において、補強材のものより高い硬度を有する合金で作製され拡散溶接作業によって前記補強材に固定されたインサートを有する。

有利には、補強材の材料は、第１のチタン合金であり、インサートの材料は第２のチタン合金であり、その硬度および冷間加工に関する弾性限界は、前記補強材のものを超えている。

好ましくは補強材のチタン合金は、ＴＡ６Ｖであり、インサートの合金は、Ｔｉ５５５３、Ｔｉ１０−２−３、Ｔｉ１７、ＴｉＡｌおよびＴｉ２ＡｌＮｂ合金より選択される。

本発明は、添付の概略的な図面を参照して、単に例示であり非制限的な例として提示された本発明の一実施形態の以下の詳細な説明のための記載を読むことでより適切に理解され、その他の目的、詳細、特徴および利点はより明白になるであろう。

従来技術による方法によって前縁のための補強材を形成する際の金属シートの成形のステップの概略図である。 従来技術による方法によって前縁のための補強材を形成する際の金属シートを事前に組み立てるステップの概略図である。 従来技術による方法によって前縁のための補強材を形成する際の金属シートを組み立てるステップの概略図である。 本発明の一実施形態による方法によって金属シートを事前に組み立てるステップの概略図である。 本発明の一実施形態による方法によるＨＩＰプレス作業のステップの後の前縁のための補強材の断面における概略図である。 最終的な機械加工作業の後の本発明による前縁のための補強材の断面図である。

図１を参照すると、２つのステップにおいて、チタンのシート１の面の一方に耐熱性のコアの外側形状におおよそ一致する形状を与えるためにシートを熱間成形する作業を見ることができ、前記コアは、前縁の内部空洞に与えられる正確な形状を有する。２つの金属シートは、このようにして連続して成形され、その一方の面は、前縁の吸気面１Ｅになり、他方の面は、その加圧面１Ｉになる。

示されるように、図１から図３は、２つの前縁補強材の同時形成を示しており、これはこのような部品の対称性の性質を利用している。

図２は、コア３を示しており、これは耐熱性の材料（金属合金、例えばＩＮ１００などでできており、前縁のチタンのものとはかなり異なる膨張係数を有する）でできており、コアは、２つの金属シート１Ｅと１Ｉによって周りを囲まれており、すでに述べたようにこれらのシートは、それぞれの長さの大部分を覆うようにコアを装着するように適合させるために事前成形されている。２つの金属シートは、組立後それらが合致するように成形されていないため、前縁の先端において平角で互いに向いているが、それらは一部では略平行でありコアの中央の面に沿って位置合わせされて終わっていることに留意されたい。

その結果、２つの金属シートは、コアを正確に囲むものではなく、コアに接するようにそれらは前縁の先端において組み立てられることになる。残りの空間４が残されており、これはその後のステップにおいて吸収されることになる。

この構成において、金属シートは、仮付け溶接（図面には示されていない）およびＴＩＧ溶接（不活性雰囲気における非消耗タングステン電極によるアーク溶接）によって組み立てられることで、それらを互いに対して接合し、それらをコア３に接するように所定の場所に保持する。

図３は、従来技術によって電子ビーム（ＥＢ）溶接によって耐火性のコアの周りに２つの金属シート１Ｅおよび１Ｉを組み立てるステップの結果を示している。この溶接は、図３に見ることができるように金属シートの側縁部に平行してシーム５に沿って行われるが、これはまた部品の横断方向の端部に対しても平行である（図面には示されていない）。

図４は、本発明による方法の場合における２つの金属シート１Ｅおよび１Ｉを組み立てるステップを示している。金属シートを成形するステップにおいて、各々のシートの変形は、事前組立てのときにそれらの間に空洞６を形成するようにして行われた。この空洞は、残りの空間４を超えて、コア３よりさらに上流の位置において溶接シーム５とコア３の前方の先端との間に形成される。さらに上流の位置とは、前縁に向かってさらに前方の位置を指している。この空洞は、事前に組み立てられる前に金属シートの金属より腐食に対してより耐性のある合金でできたインサート７によって満たされている。

次のステップ、すなわち熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）工程による金属シートの組立ては、従来技術で使用されるものと同様である。ＨＩＰ工程は、金属シート１Ｅおよび１Ｉの変形を生じさせ、コア３およびインサート７に押しつけられて平らにされ、それらの形状に対して金属シートは完全に一致する。

図５は、このような作業の後の前縁の補強材の状態を示している。残りの空間４はなくなり、インサート７は、補強材の前方部分において囲繞される。点線は、前縁の所望される形状を表しており、これはこの組立作業の終わりに実現される体積内に完全に収まる。

図６は、本発明による形成の方法の終わりに得られる前縁補強材を示している。得られた部分は、先行する図面の点線に沿って切り取られ、インサート７の金属を露呈させ、コア３は、当業者に知られた技術によって除去されている。前縁補強材はその後、例えば結合作業によって複合材料のブレードに装着されるように準備が整えられることで、前記ブレードに使用中の長期の耐用寿命にわたって必要な耐性を与える。

本発明の一実施形態による方法を通して前縁補強材の作製の経過を以下に記載する。

方法の原理は、従来技術でのように、一方は加圧面であり、他方は吸気面であるチタンの２つのシートの拡散溶接ステップと、それらをコアの周りで成形するステップとで成り立っている。作業は、標準的な打ち抜き加工作業で始まり、これは、金属シートを前縁補強材に関して所望される形状に近い特定の形状にする。このために、金属補強材の内部空洞の形状を有するコアがあらかじめ作製されており、その面の一方は、前縁の吸気面の内部形状を再現しており、他方の面は、前縁の加圧面の内部形状を再現している。

本発明によると、まず第１にインサート７が耐腐食材料から形成され、その輪郭は、前縁の端部においてそれに関して得られることが望まれる体積を超えるように画定される。それは機械加工作業によって実現させることができるが、より有利には、機械加工作業を最小限にするために押出し成形または鋳造によって実現することもできる。次に打ち抜き加工中、２つの金属シート１Ｅと１Ｉが事前に組み立てられる際それらの間に空洞６を形成するように特有の変形が各々の金属シート１においてなされる。この空洞６の体積が、インサート７の体積と一致し、その位置が前縁の先端における所望の位置と合致することで耐腐食性材料をそこに配置する。

方法の次の部分は、従来技術のものと同様であり、仮付け溶接およびＴＩＧ溶接作業によって、金属シートを金属シートの側縁部に沿ってコア３およびインサート７の周りに事前に組み立てる。組立体はその後、真空密閉容器内に配置されることで、電子ビーム溶接を実施することができる。途切れることない溶接シームが金属シートの側縁部に沿って、およびそれぞれの横断方向の縁部に形成され、これによりコア３およびインサート７を完全に囲繞することで組立体を閉じることを可能にする。このように真空状態が金属シート１とコア３との間で維持され、詳細には、金属シート１Ｅ、１Ｉ、コア３の先端とインサート７との間に残りの空間４が残される。

コア３、インサート７ならびに２つの金属シート１Ｅおよび１Ｉによって形成された組立体はその後、熱間静水圧プレス作用を受け、これはＴＡ６Ｖチタン合金でできたブレードに関する場合、おおよそ９４０℃の温度で行われる。その温度では、金属は比較的柔軟であり、それに印加されるおおよそ１０００バールの圧力の作用の下にクリープを起こす可能性がある。２つの金属シートが変形することで、それらは、コア３およびインサート７の形状に完全に一致し、残りの空間４をなくす。同時に、熱および圧力の作用の下で、２つの金属シートは、拡散によって互いに対して溶接され、拡散によってインサートに溶接される。

方法の最後の部分は、図５で点線として示されるラインに沿った切断作業と、前縁に所望される外側形状を与えることを可能にする最終的な機械加工作業とによる前縁補強材の側縁部に沿って余分な材料を除去するステップを含む。最終的な機械加工作業は、インサート７の金属を露呈させ、これはこのように前縁補強材の端部に配置されているが、この場所では腐食の問題が最も重大である。

本発明の概念は、補強材に使用されるチタン（一般にＴＡ６Ｖ）のベース合金より耐腐食性の高い合金によって複合ファンブレードの前縁の先端を局所的に補強する原理に基づいている。

耐腐食性材料の選択は、この材料が、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）による成形ステップにおいて加圧面および吸気面の金属シートに拡散溶接させることができるようなものでなければならない。したがって加圧面と吸気面の金属シートのチタン合金に化学的に適合可能である必要があり、詳細には、それは２つの合金の相互汚染を招くべきではない。それはまた、２つの合金間の拡散溶接を可能にするために金属シートのチタン合金のものに近い拡散溶接作業のための温度窓を有する必要がある。好ましくは、但し排他的にではなく、インサート７の合金はよって、加圧面および吸気面の金属の合金との適合性の理由のためにチタンベースであるように選択される。この合金は、低い温度で高度の硬度と、高い弾性限界を有することによって特徴付けられるべきであり、この理由のために、それはＴｉ５５５３、Ｔｉ１０−２−３またはＴｉ１７から選択されることが好ましい。それはＴｉＡｌ中間金属合金またはＴｉ２ＡｌＮｂ斜方晶系合金である場合もある。

本発明をファンブレードおよびその前縁を一例として利用して記載してきた。これが圧縮器またはタービンブレードの何であれいずれの段階のブレードであっても、それはいずれのタービンエンジンブレードにも等しく申し分なく使用することができることは明らかである。

Claims (10)

1. 金属シート（１）を打ち抜き加工しそれらを互いに対して拡散溶接することによって、複合材料でできた航空エンジンブレードの前縁または後縁を保護するための金属補強材を形成するための方法であって、
   形成される金属補強材の内部空洞の形状を有するコア（３）を形成し、コアの一方の面が金属補強材の吸気面の内部形状を再現し、コアの他方の面が金属補強材の加圧面の内部形状を再現するステップと、
   金属補強材の硬度より高い硬度の合金でできたインサート（７）を形成し、そのインサート（７）はチタンベースの合金から作られているステップと、
   前記コアの上流または下流に前記インサートを受容することが可能な金属シート間の空洞（６）を形成しながら、金属シート間に残りの空間（４）を残すことによって、金属シートを前記補強材の吸気面（１Ｅ）と加圧面（１Ｉ）の形状により近づけるために金属シートを打ち抜き加工によって初期成形し、前記空洞が、前縁に向かって、前記残りの空間（４）を超えてコア（３）よりさらに上流またはさらに下流の位置で位置決めされるステップと、
   前記金属シートを前記コア（３）の周りに位置決めし、インサート（７）が前記空洞（６）内に配置され、組立体が一緒に接合されるステップと、
   真空下に組立体を配置し、溶接によって前記組立体を閉じるステップと、
   金属シートおよびインサートを互いに拡散溶接し熱間静水圧プレスによって組立体を接合するステップと、
   インサート（７）の材料を露呈する最終的な機械作業によって金属補強材の外側形状を形成するステップと、
   組立体を切断することでコア（３）を取り出し、金属補強材を切り離し、金属補強材の前方部分に関して、金属補強材およびインサート（７）という二つの別個の部分とするステップとを含むことを特徴とする、方法。
2. インサート（７）に使用される合金の冷間加工に関する弾性限界が、金属補強材（３）に使用される材料の弾性限界より大きい、請求項１に記載の方法。
3. 金属シートがチタン合金でできており、インサート（７）が、Ｔｉ５５５３、Ｔｉ１０−２−３またはＴｉ１７を含む範囲から選択されるチタン合金でできている、請求項１または２に記載の方法。
4. 金属シートがチタン合金でできており、インサート（７）が金属間チタン合金でできている、請求項１または２に記載の方法。
5. 金属間チタン合金がチタン−アルミニウム合金である、請求項４に記載の方法。
6. 金属シートがチタン合金でできており、インサート（７）が斜方晶系合金でできている、請求項１または２に記載の方法。
7. 斜方晶系合金がチタン−アルミニウム−ニオビウム合金である、請求項６に記載の方法。
8. 複合材料でできた航空エンジンブレードの前縁または後縁を保護することを目的とする金属補強材であって、該金属補強材は、金属補強材の硬度より高い硬度を有するチタン合金で作製され拡散溶接作業によって金属補強材の端部に固定されたインサート（７）を有する、金属補強材。
9. 金属補強材の材料は第１のチタン合金であり、インサートの材料は第２のチタン合金であり、第２のチタン合金の硬度および冷間加工に関する弾性限界が、前記補強材の硬度および冷間加工に関する弾性限界を超える、請求項８に記載の補強材。
10. 金属補強材のチタン合金がＴＡ６Ｖであり、インサート（７）の合金が、Ｔｉ５５５３、Ｔｉ１０−２−３、Ｔｉ１７、ＴｉＡｌまたはＴｉ２ＡｌＮｂ合金より選択される、請求項９に記載の補強材。

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