JP6385949B2 - タービンエンジンロータディスクにブレードを摩擦溶接する方法；対応する一体型ブレードディスク - Google Patents

Description

本発明は、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ビンエンジンのロータディスクにエーロフォイルを摩擦溶接する方法に関する。

タービンエンジン用の一体型ブレード付きディスク（ブリスク）は、その外周で、実質的に半径方向のブレードの環状列を有するロータディスクであり、そのブレードは、ディスクと一体に作られる。このタイプのディスクは、その周縁で突出スタブを有するディスクにエーロフォイルを摩擦溶接することによって得られることができ、各エーロフォイルの半径方向内側端部は、ディスクのスタブに溶接される。

この方法は、ブリスクを修理するために使用され得る。ディスクの少なくとも１つのブレードが、損傷され、取り替えられる必要がある場合には、これは、（機械加工されるブレードの半径方向内側端部分に対応する）材料のスタブが新しいエーロフォイルに溶接するためにディスクの周縁に残存するように、たとえば機械加工によって取り除かれる。

出願人の名義の先行欧州特許出願第０６６９１８３号明細書および欧州特許出願第１５１６６９０号明細書は、このトピックに関する現状の技術水準を例示している。

ブリスクを修理する上述の環境においては、ディスクの周縁に残存するスタブは、その主要部とその前縁との間で（かつまた、その主要部とその後縁との間で）著しく変化する横方向寸法を有する。１つの特定の実施例においては、主要部の横方向寸法とスタブの前縁の横方向寸法との間の比は、１９である。摩擦溶接後に、スタブの横方向寸法のこの大きな変化は、エーロフォイルがディスクと接続するゾーンの微細構造に異種性を引き起こすことが分かっている。そのうえ、部品の形状のため、また、熱的側面が考慮される必要があり、なぜなら、単位面積当たりの高い溶接圧がスタブの前縁および後縁においてより大きく、それによって、熱機械的に影響されるより大きなゾーン（ＺＡＴＭ）が生じるからである。

それらの欠点を改善するために、殊に出願欧州特許出願第０８５０７１８号明細書においては、ディスクの上述のスタブの前縁および後縁にチョックを取り付け、各チョックがスタブの前縁または後縁を受け入れかつ端縁の形状に対して実質的に相補的な形状から成る凹部を有する提案が、既に行われている。

各チョックは、これが取り付けられる前縁または後縁の形状と合致し、上述の欠点を低減しまたは除去さえするようにスタブの横方向寸法および強度を局所的に増加させる。チョックは、溶接される材料の横方向寸法をより均一にする働きをする。

先行技術においては、文献欧州特許出願第０８５０７１８号明細書によって示されるように、チョックは、部材によってディスクの周縁で然るべき位置に保持され、この部材は、ナットアンドボルトタイプの手段によってディスクを保持するために使用される手段に固締される。

それにもかかわらず、その技術は、隙間がチョックとスタブの前縁および後縁との間のアセンブリに存在し得るので、信頼性がない。そのうえ、摩擦溶接中に、チョックは高レベルの振動および応力を受ける場合があり、それにより、チョックがディスクに対して移動することになり得る。

欧州特許出願公開第０６６９１８３号明細書 欧州特許出願公開第１５１６６９０号明細書 欧州特許出願公開第０８５０７１８号明細書

本発明の特定の目的は、これらの問題に対して簡単で効果的で費用のかからない解決策を提供することである。

本発明は、タービンエンジンのロータディスクにエーロフォイルを摩擦溶接する方法にして、ディスクが、その外周に、エーロフォイルが溶接されることになる突出スタブまたは突出した接点を有し、方法が、スタブの前縁および後縁にチョックを取り付けることにあるステップを含み、各チョックは、スタブの前縁または後縁が受け入れられかつその端縁の形状に対して実質的に相補的な形状から成る、凹部を含む方法であって、摩擦溶接前に、チョックが、溶接によってスタブに固定されること、および摩擦溶接作業中に、チョックとスタブとの間の溶接のビードが、エーロフォイルとスタブとの間の接続ゾーンの周りに形成され、かつたとえば機械加工によって取り除かれまたは除去されることになる材料の継ぎ目に少なくとも一部が押し出されることを特徴とする、方法を提供する。

エーロフォイルをスタブに摩擦溶接するより前に、「仮付け」（浅い溶接）とも呼ばれるチョックをスタブに溶接することが特に有利であり、なぜなら、それによりチョックがスタブに対して静止状態に保持できるようになり、チョックとスタブとの間のいかなる隙間も除去されるからである。例示として、チョックは、レーザ溶接、アーク溶接（ＴＩＧ、プラズマ）、融合溶接、等によって溶接され得る。チョックとスタブとの間の溶接ビードは、摩擦溶接中に作り出される材料の継ぎ目（「フラッシュ」とも呼ばれる）に押し出されることが有利である。したがって、チョックの溶接中に溶融されるゾーン（ＺＦ）は、エーロフォイルをスタブに接続するゾーンの外側に（エーロフォイルが取り替えられた後に）見出されることになる。材料の継ぎ目はその後除去されるので、この溶融されたゾーンは、取り除かれ、したがって、完成されたロータディスクには見出されないことになる。さらにより有利な方法においては、チョックを溶接する作業によって熱的に影響されるゾーン（ＺＡＴ）はまた、少なくとも一部が継ぎ目に押し出され得る。このゾーンは、特に、異なる（異なるサイズの粒子）かつ／または低い硬度の微細構造を有することによって、部品の残りの部分と異なる。このゾーンは、チョックの溶接ビードに近いディスクのスタブに延在する。次に、溶融されたゾーンと熱的に影響されるゾーンが共に上述の継ぎ目に押し出されている場合には、これらは、完成されたロータディスクの材料の健全性に影響を及ぼさない。

エーロフォイルは、直線または軌道摩擦溶接によってスタブに溶接され得る。

摩擦溶接前に、溶接ビードが、各チョックとスタブの前縁または後縁との間に形成される。この溶接ビードは、チョックの凹部の半径方向外周縁に沿って連続的に延在することが好ましい。

チョックの溶接ビードは、摩擦溶接中に消費される材料の全厚さまたは半径方向寸法の半分よりも小さいかまたはそれに等しいディスクの長手方向軸線に対して深さまたは半径方向寸法を有することが好ましい。この「全」厚さは、エーロフォイルからもスタブからも消費される材料の結合された厚さを示す。溶接部の溶け込み深さは、スタブから消費される材料の量に等しいかまたはそれよりも少なくてもよい。これにより、チョックの溶接によって溶融されるゾーンの少なくとも一部、および有利なことにすべてが摩擦溶接後に継ぎ目に見出されることになることを確実にすることができる。

チョックは、スタブのおよび／またはエーロフォイルの材料と同一の、あるいは同じ化学的ベース（主成分）を有する材料で作られ得る。例示として、ロータディスクは、Ｔｉ１７などのチタン基合金で作られ得る。

摩擦溶接前に、摩擦溶接中に少なくとも一部が失われることになる消耗要素がスタブに使用され、それに固締され得る。このステップは、ロータディスクを修理する場合に特に有利である。詳細には、損傷したブレードを機械加工し、取り除いた後に、ディスクに残存するスタブは、その最終寸法を既に有し、特に、その横方向寸法は、エーロフォイルがスタブに摩擦溶接された後に、かつ仕上げ加工がそれに行われた後にブレードの半径方向内側端部分が有するであろう横方向寸法である。摩擦溶接前にスタブに取り付けられる消耗要素は、摩擦溶接中に消費されるスタブ材料の量を制限する働きをする。

スタブに取り付けられるエーロフォイルの材料の消費を制限するために、（その前縁および後縁において局所的な方法で、さもなければ一般化した方法で）半径方向内側端部分を過大寸法にすることができ、この端部分は、ブレードを最終寸法まで持ってくるために溶接後に機械加工で除去するためである。

また、ロータディスクを製作する場合に、ディスクの周縁に設けられる突出スタブは、上述のタイプの消耗要素を付加するいかなる必要性も回避するために、ディスクの設計時に過大寸法にされ得る。

摩擦溶接前に、金属シートなどのディスクを保護するための部材が、ディスクの外周とチョックとの間に介挿され得る。これは、チョックを介してディスクに伝達されている破砕力となり得る摩擦溶接中にディスクを損傷するいかなる危険も制限する。

また、本発明は、ブリスクを製作するための、またはブリスクを修理するための上に記述した方法の使用法に関する。

また、本発明は、上に記述した方法によって製作されまたは修理されることを特徴とする、タービンエンジン用のブリスクを提供する。

本発明は、非限定的な実施例を介して、および添付の図面を参照して行われる次の説明を読むとよりよく理解されることができ、本発明の他の詳細、特徴、および利点が明らかになる。

タービンエンジンブリスクの、部分斜視略図である。 そのブレードが取り替えの目的で機械加工された後の図１のブリスクの、部分斜視略図である。 本発明の方法に使用されるチョックの、斜視略図である。 ロータディスクスタブの、およびスタブの前縁および後縁に係合されるチョックの高度な略図である。 ディスクの長手方向軸線に対する断面の高度な部分略図であり、ディスクスタブと、スタブに取り付けられるチョックと、スタブに配置されるエーロフォイルとを共有し、本発明の方法のステップを示している図である。 ディスクの長手方向軸線に対する断面の高度な部分略図であり、ディスクスタブと、スタブに取り付けられるチョックと、スタブに配置されるエーロフォイルとを共有し、本発明の方法のステップを示している図である。 ディスクの長手方向軸線に対する断面の高度な部分略図であり、ディスクスタブと、スタブに取り付けられるチョックと、スタブに配置されるエーロフォイルとを共有し、本発明の方法のステップを示している図である。 ディスクの長手方向軸線に対する断面の高度な部分略図であり、ディスクスタブと、スタブに取り付けられるチョックと、スタブに配置されるエーロフォイルとを共有し、本発明の方法のステップを示している図である。 図５の図に類似した図であり、本発明の方法の異なる実施を示しており、保護部材がチョックとロータディスクの周縁との間に介挿される図である。

初めに、図１を参照するが、この図１は、タービンエンジン用の一体型ブレード付きディスク（ブリスク）１０の一部を示しており、このディスク１０は、ディスクの長手方向軸線に対して実質的に半径方向に延在し、かつディスクと一体に形成されるブレード１２の環状列を有する。ブレード１２は、それらの半径方向内側端部において、ディスクの外周に延在する環状プラットフォーム１４に接続される。

万一ブレード１４が損傷を受けた場合には、これらを取り替える目的で機械加工によってこれらを取り除くことができる。図１の参照符号１６は、取り替えられることになるブレード１２の断面を明細に記しており、この断面は、プラットフォーム１４の外側環状表面に対して実質的に平行に、かつそれからある距離をおいて延在する。

プラットフォーム１４と接合面１６との間の距離は、（プラットフォーム１４と断面１６との間に延在するブレードの半径方向内側部分に対応する）材料のスタブが支持体として役立つようにプラットフォーム１４に残存し、その支持体の上に新しいブレードエーロフォイルが摩擦溶接によって固締され得るように決定される。

図２は、その周縁において上記規定のタイプのスタブ１８の環状列を担持するロータディスク１０’を示している。このディスク１０’は、上記で説明されたように、ブリスクを修理する目的でブリスク１０からブレードを機械加工し、取り除くことによって得られ得る。あるいは、これは、ブリスクを製作する目的で、たとえば鋳造によって直接得られ得る。こうした状況では、スタブは、ディスクの製作中に作られ、それらの各々は、ブレードエーロフォイルを受け入れることになる。

図２に見ることができるように、各スタブは、前縁２０および後縁２２を有し、その端縁は、正圧側および負圧側によって一緒に接続される。

エーロフォイル（図示せず）は、直線または軌道摩擦溶接によってディスクの各スタブ１８に固締される。その主断面とその前縁２０および後縁２２との間のスタブ１８の横方向寸法の多大な変化と関連する上に記述した問題を回避するために、各スタブ１８の前縁および後縁にチョックすなわち取り付けストッパ２４を取り付けることが知られている（図３および図４）。

チョック２４は、溶接される材料の横方向寸法をより均一にする働きをする。詳細には、これらは、（エーロフォイルによって見られる）材料の横方向寸法の変化を制限するように構成されることが多く、スタブの主断面の横方向寸法とスタブの前縁および後縁におけるチョックの横方向寸法との間の比は、たとえば、３という許容できる最大値であれば、２よりも小さいかまたはそれに等しい。

チョック２４は、通常、スタブの前縁または後縁の周りに係合するための凹部２６を有する材料の１ブロックで作られる。この凹部２６は、図４に見ることができるように、対応する端縁の形状に密接に嵌合するように形作られる。示された実施例においては、チョック２４は、実質的にＵ字形状であり、凹部２６の両側に２つの横タブを有する。組み立てられた位置では、各チョックは、スタブの前縁または後縁に係合され、ディスクのプラットフォーム１４の半径方向外側表面に載っている。

本発明の方法は、エーロフォイルをスタブに摩擦溶接する前に、チョックをスタブ１８に溶接または「仮付け」することによって、この種のチョック２４の使用と関連する先行技術の欠点を改善する働きをする。

図４に示される本発明の実施においては、溶接のビード２８が、各チョック２４の凹部２６の半径方向外周縁３０とスタブ１８の前縁または後縁との間に連続的に形成される。この溶接ビード２８は、レーザ溶接によって、アーク溶接（ＴＩＧ、プラズマ、等）、または任意の他のタイプの溶接によって作られることができ、これは、スタブ１８の半径方向または横方向寸法Ｌと比べて小さい深さまたは半径方向寸法に作られることが好ましい。溶接される前に、チョック２４は、わずか１ｍｍの隙間によってスタブ１８の前縁２０および後縁２２から分離されることが好ましい。

図５〜図８は、本発明の方法のステップを示している。

図５においては、チョック２４は、スタブ１８の上述の端縁２０、２２のうちの１つに係合され、その横タブは、スタブの両側に延在する。溶接ビード２８は、上記に説明されたように、チョックの凹部の外周縁に沿ってスタブ１８とチョック２４との間に延在する。溶接ビード２８は、ｅと書かれる、ディスクの長手方向軸線（Ａ、図５）に対して深さまたは半径方向寸法を有する。溶接ビード２８は、チョックを溶接する作業中の溶融ゾーン（ＺＦ）を表し、破線２７は、溶接作業によって熱的に影響されるゾーン（ＺＡＴ）の輪郭を描いている。Ｔｉ１７で作られているスタブ１８の特定の環境においては、ＺＡＴにおけるスタブの合金の硬度は、ビッカース硬度スケール（ＨＶ）で３００から３５０程度のものであり、そのゾーンの外側で３７０ＨＶから４００ＨＶ程度のものである。

図９に示される異なる実施は、「犠牲」型の、少なくとも１枚の保護金属シート３０がディスクのプラットフォーム１４の半径方向外側表面とチョック２４との間に介挿されるという点で図５の実施と異なる。このシート３０は、チョック２４を溶接する作業中に、およびエーロフォイルをスタブ１８に摩擦溶接する作業中にディスクの損傷を回避する。

図６においては、新しいエーロフォイル３２がディスクのスタブ１８に配置され、スタブ２４に接続されることになるこのエーロフォイルの半径方向内側端部は、特に横方向に過大寸法にされる可能性があり、または、スタブが修理後に機械加工され得る余肉を持つ場合には過大寸法にされない。

次に、直線または軌道摩擦溶接が、当業者に知られている方法で行われる。

摩擦溶接ステップの終わりに、および図７に示されるように、エーロフォイル３２は、スタブ１８に接続されるその半径方向内側端部を有し、スタブの、およびエーロフォイルの材料の一部が、溶接作業中に消費され、それによって、それらの半径方向寸法（軸線Ａに対して半径に沿った寸法）を減少させる。

摩擦溶接中に消費される材料の（全）厚さの２分の１が、Ｅと書かれており、この厚さは、スタブ１８から消費される材料の厚さ、およびエーロフォイル３２の半径方向内側端部から消費される材料の厚さに等しい。エーロフォイルおよびディスクが同じ材料から作られる場合には（同種溶接）、スタブから消費される材料の量は、エーロフォイルから消費される量と同様であるはずである。これと対照的に、これらの部材が異なる組成を有する異なる材料で、または合金で作られる場合には（異種溶接）、この場合、これらの部材の一方から消費される材料は、他方の部材から消費される材料よりも大きいことがある。

チタン基合金の場合、材料の総消費量は、均一溶接を行う場合にはおよそ４ミリメートル（ｍｍ）から１０ｍｍの範囲にある。Ｔｉ１７で作られる部品を組み付ける場合には、スタブからの材料の消費量は、２ｍｍよりも大きいかまたはそれに等しい場合がある。

好ましくは、溶接ビード２８の深さｅは、摩擦溶接中に消費される材料の厚さの半分Ｅよりも小さいかまたはそれに等しい。深さｅが厚さの半分Ｅよりも小さい場合には、全溶接ビード２８（すなわち、溶融されたゾーン）が、摩擦溶接中にチョック２４を取り巻いて形作る材料３４のフラッシュまたは継ぎ目に対して押し出される。例示として、深さｅは、２．５ｍｍよりも小さいかまたはそれに等しい場合がある。

有利なことに、熱的に影響される上述のゾーンＺＡＴはまた、摩擦溶接中にこれらの継ぎ目３４に押し出される。万一ＺＡＴの一部がスタブの有用ゾーンに残存する場合には、これは、摩擦溶接中の摩擦力および鍛造力の結果として捏和される。したがって、その粒子は、より小さくされ、基材の粒子のサイズよりも小さいかまたはそれに等しいサイズに戻ることができる。

摩擦溶接は、図７に破線によって輪郭が描かれるように熱機械的に影響されるゾーンＺＡＴＭを生じる。スタブ１８がＴｉ１７で作られる上述の特定の状況においては、ＺＡＴＭにおける合金の硬度は、３００ＨＶから３５０ＨＶ程度のものであり、このゾーンは、スタブの残りの部分と比べて粒径の減少を示す。

摩擦溶接の終わりに、エーロフォイル３２は、その半径方向内側端部でスタブ１８に、かつスタブの前縁および後縁に位置しているチョック２４に保持される。

次のステップは、チョック２４と、継ぎ目３４と、エーロフォイル３２の半径方向内側部分に初めに設けられる材料の余肉とを取り除くためにディスクを機械加工することにある。図８は、この機械加工ステップ後のブリスク用のその最終寸法を有するブレードを示している。破線は、摩擦溶接作業によって熱機械的に影響される上述のゾーンＺＡＴＭを標示している。ディスクは、ショットブラスティング、熱処理、等のような他の追加の処理を受けることができる。

Claims (6)

1. タービンエンジンのロータディスク（１０’）にエーロフォイル（３２）を摩擦溶接する方法にして、ディスクが、その外周に、エーロフォイルが溶接されることになる突出スタブ（１８）を有し、方法が、スタブの前縁（２０）および後縁（２２）にチョック（２４）を取り付けることにあるステップを含み、各チョックは、スタブの前縁または後縁が受け入れられかつその端縁の形状に対して実質的に相補的な形状から成る、凹部（２６）を含む方法であって、
   摩擦溶接前に、チョックが、溶接によってスタブに固定され、
   摩擦溶接作業中に、チョックとスタブとの間の溶接のビード（２８）が、エーロフォイルとスタブとの間の接続ゾーンの周りに形成され、かつその後、たとえば機械加工によって取り除かれまたは除去されることになる材料の継ぎ目（３４）に少なくとも一部が押し出され、
   チョック（２４）の溶接ビード（２８）が、摩擦溶接中に消費される材料の全厚さ（Ｅ）の半分よりも小さいかまたはそれに等しいディスクの長手方向軸線に対して深さ（ｅ）または半径方向寸法を有し、前記全厚さ（Ｅ）が、エーロフォイル（３２）から、およびスタブ（１８）から消費される材料の結合された厚さである
   ことを特徴とする、方法。
2. 摩擦溶接前に、溶接ビード（３４）が、各チョック（２４）とスタブ（１８）の前縁または後縁（２０、２２）との間に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 各チョック（２４）とスタブ（１８）の前縁または後縁（２０、２２）との間の溶接ビード（３４）が、チョックの凹部（２６）の半径方向外周縁（３０）に沿って連続的に延在することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. チョック（２４）が、スタブ（１８）のおよびエーロフォイル（３２）の主要化学成分と同一である主要化学成分を有する同一材料で作られ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. 摩擦溶接前に、ディスクを保護するための部材（３０）が、ディスク（１０’）の外周とチョック（２４）との間に介挿されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ブリスク（１０）を製作するための、またはブリスクを修理するための、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法の使用。

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