JP6475701B2 - 中空金属部品及びその製造方法 - Google Patents

中空金属部品及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6475701B2
JP6475701B2 JP2016518030A JP2016518030A JP6475701B2 JP 6475701 B2 JP6475701 B2 JP 6475701B2 JP 2016518030 A JP2016518030 A JP 2016518030A JP 2016518030 A JP2016518030 A JP 2016518030A JP 6475701 B2 JP6475701 B2 JP 6475701B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
core
hollow
back side
tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2016518030A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2016526105A (ja
Inventor
プレンティス,イアン・フランシス
オット,エリック・アレン
ウッドフィールド,アンドリュー・フィリップ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of JP2016526105A publication Critical patent/JP2016526105A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6475701B2 publication Critical patent/JP6475701B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/005Selecting particular materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05DPROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/02Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/108Installation of cores
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/003Moulding by spraying metal on a surface
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D29/00Removing castings from moulds, not restricted to casting processes covered by a single main group; Removing cores; Handling ingots
    • B22D29/001Removing cores
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/009Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine components other than turbine blades
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/04Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/147Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288Protective coatings for blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00Stators
    • F01D9/02Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
    • B22F2005/103Cavity made by removal of insert
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/30Application in turbines
    • F05D2220/36Application in turbines specially adapted for the fan of turbofan engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/20Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/22Manufacture essentially without removing material by sintering
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/30Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31Layer deposition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

本明細書に記載の技術は、一般に、中空金属部品の製造方法に関し、より詳細にはガスタービンエンジン用の翼形部として使用されるかかる金属部品に関する。
多くのガスタービンエンジン組立体は、ファンブレードの形態の翼形部などの中空金属部品及び/又は案内翼などの非回転固定翼形部を含む。その金属部品内の中空域は、重量を低減し及び/又は他の所望の構造特性を付与するために利用してもよい。
良好な特性を備えかつ寸法管理を伴う中空金属構造体は、製造が困難である場合が多く、従来のプロセスでの加工の複雑さと低い歩留まりに起因してコストがかかる場合がある。
中空金属構造体は、いくつかの方法により作り出されている。鋳造が利用可能であるが、薄壁セクションは制御が困難である可能性があり、材料特性が不十分である可能性がある。製造は様々な方法で行うことができる。部品は、板金から切断して形成する、鋳造する、圧延する及び/又は「超塑性成形」することができる。接合は、融接、固相接合、拡散接合、活性拡散接合、ろう付け、ボルト締め又は接着接合によるものであってもよい。溶接では、その後の熱処理を必要とする場合がある局所的な熱影響ゾーンが作り出される。ろう付け及び活性拡散接合では、局所的な合金化による局所的な低特性領域が生じる場合がある。接着接合は、十分な強度がなくてもよい。高温での長時間の加工は、疲労性及び延性などの材料特性を悪化させる可能性がある。
良好な物理的特性を備えかつ寸法管理を伴うコスト効率が高くかつ歩留まりの高い構造体である中空金属部品を製造するための改善された製造方法が依然として必要である。
欧州特許出願公開第1995411号明細書
一態様において、中空金属部品の製造方法は、第1の側と裏側とを備える1以上のコアを用意するステップと、第1の金属溶射プロセスを利用して、1以上の金属又は金属合金をコアの第1の側に施工して、第1の側と裏側とを備える部分的に形成された構造体を得るステップと、第2の金属溶射プロセスを利用して、1以上の金属又は金属合金を部分的に形成された構造体の裏側とコアの裏側に施工して、凹凸構造体を得るステップとを含む。
別の態様において、中空金属部品は、内表面及び外表面を有する第1の側と、内表面及び外表面を有する裏側とを備え、第1の側の内表面と裏側の内表面が1以上の空洞を画成する。部品は一体に形成され、材料組成の比較的異なる領域を有しており、それらの間で材料が徐々に遷移する。
例示的なガスタービンエンジンの立面断面図である。 ガスタービンエンジン用の従来技術のファンブレードの形態の例示的な中空金属部品の立面図である。 ファンブレードの形態の従来技術の中空金属部品の断面図である。 図3の従来技術のファンブレードの拡散接合領域の拡大断面図である。 形成プロセスの8つ段階における例示的な中空金属部品の断面図である。 形成プロセスの8つ段階における例示的な中空金属部品の断面図である。 形成プロセスの8つ段階における例示的な中空金属部品の断面図である。 形成プロセスの8つ段階における例示的な中空金属部品の断面図である。 形成プロセスの8つ段階における例示的な中空金属部品の断面図である。 形成プロセスの8つ段階における例示的な中空金属部品の断面図である。 形成プロセスの8つ段階における例示的な中空金属部品の断面図である。 形成プロセスの8つ段階における例示的な中空金属部品の断面図である。
図1は、長手方向軸線11を有する例示的なガスタービンエンジン組立体10の断面概略図である。ガスタービンエンジン組立体10は、ファン組立体12とコアガスタービンエンジン13とを含む。コアガスタービンエンジン13は、高圧圧縮機14と、燃焼器16と、高圧タービン18とを含む。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体10はまた、低圧タービン20と、多段ブースタ32と、ブースタ32を実質的に囲むスプリッタ34とを含む。
ファン組立体12は、ロータディスク26から径方向外方に延びるファンブレード24のアレイを含み、ロータディスク26の前方部分は、流線形スピナ25により囲まれる。ガスタービンエンジン組立体10は、吸気側28と排気側30とを有する。ファン組立体12とブースタ32とタービン20は、第1のロータシャフト21により互いに連結され、圧縮機14とタービン18は、第2のロータシャフト22により互いに連結される。
運転時に、空気はファン組立体12を通って流れ、空気流の第1の部分50は、ブースタ32を通して送られる。ブースタ32から吐出された圧縮空気は、空気流がさらに圧縮される圧縮機14を通して送られ、燃焼器16に送出される。燃焼器16からの高温の燃焼生成物(図1には図示せず)は、タービン18及び20を駆動するために利用され、タービン20は、シャフト21によってファン組立体12及びブースタ32を駆動するために利用される。ガスタービンエンジン組立体10は、設計動作条件と設計外動作条件との間の動作条件の範囲で動作可能である。
ファン組立体12から吐出された空気流の第2の部分52は、ファン組立体12からの空気流の一部分をコアガスタービンエンジン13の周りで迂回させるためにバイパスダクト40を通して送られる。より具体的には、バイパスダクト40は、ファンケーシング又はシュラウド36とスプリッタ34との間に延びる。よって、ファン組立体12からの空気流の第1の部分50は、上で説明したように、ブースタ32を通して、次に圧縮機14内に送られ、ファン組立体12からの空気流の第2の部分52は、バイパスダクト40を通して送られて、例えば、航空機に推力を与える。スプリッタ34は、流入空気流を第1の部分50と第2の部分52とにそれぞれ分割する。ガスタービンエンジン組立体10はまた、ファン組立体12に構造的支持を提供するためのファンフレーム組立体60を含み、また、ファン組立体12をコアガスタービンエンジン13に連結するために利用される。
ファンフレーム組立体60は、径方向外側取付けフランジと径方向内側取付けフランジとの間で実質的に径方向に延びかつバイパスダクト40内で円周方向に間隔をおいて配置される複数の出口案内翼70を含む。ファンフレーム組立体60はまた、径方向外側取付けフランジと径方向内側取付けフランジとの間に連結される複数のストラットを含んでもよい。一実施形態では、ファンフレーム組立体60は、フランジが出口案内翼70とストラットとに連結される弧状セグメントとして製造される。一実施形態では、出口案内翼及びストラットは、バイパスダクト40内で同軸に連結される。任意選択的に、出口案内翼70を、バイパスダクト40内でストラットの下流側に連結してもよい。
ファンフレーム組立体60は、ガスタービンエンジン組立体10内の種々の部品の配向の維持を容易にするために使用される、ガスタービンエンジン組立体10の種々のフレーム及び支持組立体のうちの1つである。より具体的には、このようなフレームと支持組立体は、固定部品を相互接続し、ロータ軸受支持を提供する。ファンフレーム組立体60は、出口案内翼70及びストラットが、ファン組立体12の出口の周りに円周方向に間隔をおいて配置されかつファン組立体12から吐出された空気流路を横切って延びるように、バイパスダクト40内でファン組立体12の下流側に連結される。
ファンブレード、ファンブレードの金属製前縁部、出口案内翼及びストラットなどの、ファン組立体及びファンフレーム組立体の部品は、重量を低減し及び/又は他の望ましい構造特性を付与するために、実質的に中空である場合が多い。しかしながら、このような中空部品は、従来のプロセスでの製造が困難でありかつ製造にコストがかかる場合が多い。加えて、従来のプロセスは、薄壁、接合部と溶接部とろう付け部の周りの脆弱域、製造上の制約による厚壁、不十分に多様な材料特性を備えた部品などの、望ましくない特徴を備えた部品をもたらす場合がある。
図2は、中空内部空間を形成するために拡散接合により互いに結合される2つの半部としてブレードが形成される、従来の製造プロセスにより製造されたファンブレード24の形態の従来の中空金属部品を図示している。図3は、接合線83に沿って結合された2つの半部81、82を図示するファンブレード24の断面図である。図4の拡大図が図示するように、85に示すような非結合領域を回避するために拡散接合が完全かつ正確に形成されることを確実にすることに関する課題に加えて、84に示すような縁部の傷及び多くの接触表面において2つの半部が結合する場所での応力集中が生じる可能性がある。
図2に示すように、ファンブレード24は、性能及び/もしくは耐久性又は他の考慮事項に異なる特性が要求される異なる領域を有してもよい。例えば、外側前縁部における領域Aは、高密度特性及び高弾性率特性を有することが要求される場合がある。外側前縁部における領域B及びプラットフォーム領域内の領域Dは、高い破断点歪み特性(例えば、15%の伸び)を有することが要求される場合がある。ブレードの中央翼弦領域内の領域Cは、高弾性率特性及び低密度特性を有することが要求される場合がある。翼根近傍の領域Eは、最適化された高サイクル疲労/低サイクル疲労(HCF/LCF)特性と、ブリスクを形成するために領域Eがディスクへ溶接により結合され得る構成のための溶接性とを有することが要求される場合がある。
図2〜図4のファンブレード24などの従来のように生産される中空ファンブレードは、ハニカムコアを備え、超塑性成形及び拡散接合(SPF−DB)によるトラスコアを備え、機械加工及び拡散接合又は溶接によるリブコアを備えるように製造され、互いにろう付けされる。多数の材料特性を備えたブレードは、従来では、異種材料を互いに接合する(MLEを複合ブレード又はアルミニウムブレードに接合する)ことにより製造されていた。
ファンブレード24などの中空ブレードは通常、従来の製造方法を使用して生産するにはコストがかかる。金属ブレードは、一般にブレード全体にわたって1つの材料特性に限定される。接合される複合ブレード又は金属ブレードの前縁部は、従来の製造方法を使用して機械加工するのにコストがかかり、翼形部に取り付けるための2次プロセスを必要とする。
以下で説明されかつ図5〜図12に描かれている中空金属部品の製造方法は、限定されるものではないが、薄壁、ろう付け、溶接又は接合により生じる脆弱域を含む従来のように製造された中空部品の1つ又は複数の材料欠陥を排除することができる。さらに、本明細書で説明する方法により製造される物品を異なる領域においては異なる材料で製造してもよく、その結果、異なる領域が異なる材料特性を備える。それゆえ、本明細書で説明する方法に従って製造された中空部品を、異なる領域に所望の材料特性を有するように調整してもよい。前述の利点の1つ又は複数を備えた中空部品と、前述の利点の1つ又は複数を有する中空部品を作り出す方法とが含まれる。
金属溶射法は、一般に、基板上に金属の層を堆積させるための追加の製造プロセスである。原料(金属粉末)の成分を変更することにより、溶射域の異なる領域を異なる合金から形成してもよい。このことは、図2に描かれているようなファンブレード24などの、異なる領域における異なる材料特性により利益を得ることができる部品に有利であり得る。加えて、溶融プロセスでは通常利用できない非従来型の合金を作り出してもよい。
金属溶射プロセスでは、一般に、細かい金属粉末粒子を加速させ、金属粉末粒子が付着する基板上に衝突させる。その後の熱処理及び加圧処理では、細かい粒子サイズを有する密度100%の物体を確保してもよい。物品の化学組成は、原料(金属粉末)の化学組成を反映したものである。原料(金属粉末)の成分を変更することにより、図5〜図12に描かれている8つのステッププロセスなどにおいて、溶射域の異なる領域を異なる合金から形成してもよい。粉末を、予め合金化された材料から又は異なる合金の混合物から製造してもよい。後者の場合では、金属は、その後の熱操作中に部分的又は完全に合金化される。このことにより、溶融プロセスにより生産可能でない合金が得られる。
部品は通常、全ての箇所に同じ材料特性を必要としない。実際には、ファンブレード24の領域A〜Eに関連して上で説明したような、部品の異なる領域に異なる材料特性を備えた部品を有することが望ましい。妥協が採用されて不必要な重量又は厚さをもたらすか、部品が多数の異なる材料片から製造される。本明細書で説明する方法は、部品の各領域において局所的な要件を満たすように部品の材料特性を調整することを可能にする。本明細書で説明する部品は、実質的に一体に形成される一方で、異なる材料で構成された領域を備える。
一実施形態では、図5〜図12に示すように、方法は、裏当て工具又は形成工具及びコアに金属を溶射する金属溶射法を利用して、中空金属部品を作り出す。別の実施形態は、そのような方法で作り出された中空金属部品である。本発明の一実施形態では、方法は、溶融又は熱分解などにより、コアが機械的に、化学的に又は熱的に実質的に除去されて、中空金属部品が得られるように、金属を単一のコア又は多数のコア上に溶射する第1の金属溶射プロセスを含む。代替的に、軽量材料よりなるコアをその場に残してもよい。形成工具は、1つ又は複数の部片を備えてもよい。コアは、通常は上に形成される材料よりも軽い重量及び低い密度の、多様な材料よりなるインサート又は別個の部片を構成する。コアは、完成した部品における中空空間の形成を可能にするためか又は他の望ましい特性を付与するためだけに存在してもよい。コアは、細長い管又はストリップであってもよく又は格子もしくはメッシュなどの他のより複雑な幾何学的形状を有してもよい。隣接するコアのない領域を形成するために、裏当て工具又は成形具を使用してもよい。このような裏当て工具又は成形具は、コアに隣接する中実の金属溶射領域への同時の堆積を可能にし、その結果、部分的に形成された構造体を得る。次いで、裏当て工具又は成形具から部品を除去しかつ裏側において第2の金属溶射プロセスを実施することにより、より複雑な形状を完成させてもよく、その結果、凹凸構造体を得る。代替的に、隣接するコアのない領域をコア上に直接堆積させてもよい。
図5〜図12は、コア及び形成工具を使用してファンブレードなどの中空金属部品を形成するための8つのステッププロセスを図示している。
図5では、形成される所望の物品に適した大きさ及び形状の形成工具90が設けられている。完成体に中空空洞又は軽量空洞を作り出すために、各々が第1の側と裏側とを有しかつそれらの裏側が形成工具90の表面に固定される、1つ又は複数のコア91を設けてもよい。代替的な実施形態では、1つ又は複数のコアを形成工具なしに設けてもよく、材料をコアの両側に同時又は連続的に施してもよい。
図6は、図5の工具90とコア91を示しており、工具90の所望の領域に材料1が溶着されている。そして、図7は、工具90とコア91の所望の領域に材料2を溶着させる更なるステップを描いている。材料2は、材料1と同じであってもよく又は、完成体の異なる領域が多様な特性を備えた多様な材料で形成され得るように材料1と異なっていてもよい。材料1と2が同じであり及び/又は1つの材料のみが含まれる場合には、図6及び図7のステップを組合せることができ及び/又は1つのステップを省略することができる。
図8は、材料1の第1の溶着部近傍の材料2の一部分上に材料1の追加量を溶着させ、その結果、材料1が材料2の溶着部の端を取り囲み、第3の材料3の溶着部が中央領域において材料2上に位置する更なるステップを描いている。より多い又は少ない数の異なる材料を同じ方式で施してもよい。
図5〜図12の方法における任意の又は全てのステップ間に適切な設定時間、保持時間又は滞留時間を採用してもよい。熱処理もしくは化学処理又は機械的(例えば、機械加工又はピーニング)作業などの追加の中間加工ステップを実施してもよい。
そして、図8に描かれているステップ後に、図9に示すように、コア91の裏側と先に溶着させた材料(必要に応じて、材料1、材料2及び材料3)を含む部分的に形成された構造体の裏側とを露出させるために、形成工具が除去される。次いで、図10に示すように、追加量の材料2が、コア91の裏側及び部分的に形成された構造体の裏側を覆うように施され、その結果、コアが材料2の両側の層で取り囲まれかつこれら層に包まれる。図11は、部分的に形成された構造体の中央領域に材料3が施された状態を図示している。これにより、コアを覆って取り囲むように金属又は金属合金などの材料を施すプロセスが完了する。
意図する部品及び/又は採用するコアの構成によっては、金属溶射を施すステップを連続して達成してもよく、それにより、溶射を施すステップが、各々開始と終了とを有する第1及び第2のステップで別々に達成されるのではなく、単一の組合せたステップにおいて達成されるプロセスがもたらされる。
図12は、任意選択的な緻密化及び仕上げ加工のステップ後の、ファンブレード24などの、完成した中空金属部品を図示している。また、意図する用途に要求されるように、適切なコーティングを完成体の全て又は一部に施してもよい。多くの場合では、緻密化後に機械加工及び/又は研磨を必要とする場合があるが、時には他のプロセスとプロセスの間(すなわち、金属溶射と金属溶射の間又は緻密化の前)にある程度の機械加工を実施することが望ましい場合がある。
作業の順序(すなわち、どちらの側が第1の側でありかつどちらの側が上で説明したような裏側であるか)は、生産すべき部品の性質、製造、機械加工、表面外形及び表面仕上げに関する考慮事項に従って選択してもよい。例えば、翼形部の場合には、まず負圧側すなわち凸側に作業を実施した後に正圧側すなわち凹側に実施することが望ましい場合がある。
凹凸構造体は、密度が100%ではなく、熱間等方圧加圧(HIP)などの緻密化プロセス又は他の同様のプロセスを必要とする。この緻密化プロセスは、コア及び/もしくは成形工具がその場に残った状態で又はコア及び/もしくは成形工具を除去した後に行ってもよい。必要に応じて、コア及び/又は成形工具の表面は、溶射前に基材又は他の適切な材料でコア及び/又は成形工具をコーティングすることにより(例えば、電気めっきにより)密封してもよい。それゆえ、コアは、密閉された空洞を形成するように、施される金属材料で完全に取り囲まれてもよい。
技術的利点は、得られた微細構造体が非常に細かい粒子状のものであり、完成した構造体が他の中空金属の製造方法により作り出された中空構造体よりも優れた機械的特性を有し得、鋳造性に関してより優れたものであることである。本方法はまた、粉末原料/付加製造の使用に伴う他の材料技術強化の使用を可能にする。
本方法の商業上の利点は、本方法が従来の製造技術と比較して、より迅速な加工、低減された工具要件、より良好な材料利用(これら全てがより低いコストにつながり得る)を可能にすることである。
技術的利点は、従来の中実のチタンブレードよりも薄くて軽いファンブレードである。商業上の利点は、従来のものよりも製造コストがより安い中空ファンブレード又は金属製前縁部(MLE)である。
技術的利点は、部品が単一の材料片から製造され得る、つまり、一体に形成されるが、部品の異なる領域において異なる材料特性を利用するように設計され得ることである。このことは、完成した部品の軽量化又は薄型化をもたらすことができる。加えて、溶融プロセスを使用することでは通常利用できない合金を使用することができ、この利点が拡大される。商業上の利点は、異なる領域には異なる材料特性要件による製造を通常必要とする部品が単一片から一体に形成され得ることである。接合、溶接、ろう付け及び/又はボルト締め作業の排除及び部品点数の低減は、コスト削減をもたらすことができる。
既存の部品に堆積させる金属溶射が一般的である。部品は、欠けた材料を金属溶射で補い、次いで仕上げ加工することより修理してもよい。摩耗にさらされる局所領域を、耐摩耗材料で被覆してもよい。これらの場合では、部品は、従来のように生産され、次いで、別々の箇所に異なる材料の追加することにより改良される。金属溶射プロセスの既存の適用とは対照的に、提案された方法は単一の作業での部品の形成を可能にし、かかる部品は、比較的異なる材料特性を有する異なる材料で構成された領域を含んでおり、これらの領域間で徐々に遷移する。
本明細書で説明する方法で生産される部品は、ファンブレードなどの回転翼形部として使用されるか又は案内翼などの静翼として使用されるように賦形されかつ適合されてもよい。本明細書で説明する方法及び材料を用いて製造された翼形部は、局所的な要件に適合するように箇所によって異なる材料特性を有してもよい。翼形部などの中空金属部品は、中空であってもよく、完全な翼形部であってもよく又は(複合翼形部への接合のための金属製前縁部などの)部分的な翼形部であってもよい。
翼形部は、必要な周波数を有するが、中実翼形部と比較して減少した重量を有するように中空であってもよい。振動/衝撃応答のために、中空翼形部は、いくつかの大きな空洞ではなく多数の小さな空洞を必要とする場合がある。上で説明したコア上に金属溶射する方法による製造により、より安価でありかつ従来型の方法により生産された翼形部よりも優れた材料特性を有する、いくつかの小さな空洞を備えた中空翼形部を得ることができる。より小さい重量又は厚さで設計目的を満たすために局所的な材料特性を調整することにより翼形部の特徴を改善してもよい。例えば、ファンブレードを本発明で説明する方法で生産してもよい。前縁部付近の弾性率、降伏強度及び密度を増加させることにより、ファンブレードの衝撃損傷を低減してもよい。このことは、例えば、タングステン(W)などの高密度の要素を前縁材料中に合金化することにより達成することができる。このことは、空気力学的性能の改善のためにより薄肉の縁部を可能にする。翼形部とシャンクの周りの領域は、曲げモード応答に強い影響を及ぼす。例えば、この領域ではチタンとボロン(B)を合金化することにより、弾性率及び強度を増加させることができ、より薄肉のブレードで同じ周波数を可能にする。説明した製造方法及び多数の特性は、複合ファンブレード用に使用される金属製前縁部(MLE)などの実施形態にも適用可能である。
本発明を具体化する部品は、従来のように製造された中空部品と比較して優れた機械的特性と材料特性とを備えた非常に細かい粒子状微細構造体を有してもよい。本発明の実施形態は、従来の技術及び従来のように作り出された中空部品と比較して、より迅速な加工と低減された工具要件とより良好な材料利用とにより生じる、商業上の利点及びより低いコストをもたらす。
金属溶射プロセスは、金属粉末を含み得る、原料を取り入れ、原料の成分を加速させ、成分が付着する基板に成分を付与する付加製造プロセスである。層が蓄積し、最終的に原料で構成された製品が得られる。基板の異なる領域が異なる金属及び/又は金属合金から形成されて、最終的に、製品の異なる領域に異なる材料特性を備えた製品が得られるように、原料の成分を変更してもよい。緻密化プロセスにより、一体に形成された密度100%の部品が得られる。
金属溶射プロセスで作り出される部品に1つ又は複数の中空領域を与えるために、コア及び裏当て工具又は成形具を使用してもよい。本発明の一実施形態では、方法は、成形具又は1つ又は複数のコアに1つ又は複数の金属粉末を溶射する金属溶射プロセスを利用して、部分的に形成された構造体を作り出す。成形具は、コアの周りの空間内に金属が堆積することを可能にする。成形具が除去され、第2の金属溶射プロセスが裏側で実施され、その結果、凹凸構造体が得られる。第1の金属溶射プロセス後かもしくは第2の金属溶射プロセス後のいずれかに、コアを機械的に又は化学的に除去してもよく又は、軽量材料から製造されたコアをその場に残してもよい。次いで、凹凸構造体が緻密化プロセスを経て、その結果、中空部品が得られる。本発明の別の実施形態は、かかる方法で作り出された中空部品である。
本明細書で説明する方法及び材料を使用して、多種多様な中空金属構造体を製造してもよい。例えば、金属材料に関する軽量の利点が要求されるストラット及び他の固定構造体などの非空気力学的要素のみならず、回転翼形部と固定翼形部の両方の翼形部を製作してもよい。
本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明が特許請求の範囲の精神及び範囲内の改良を伴って実施され得ることを認識するであろう。
1 材料
2 材料
3 材料
10 ガスタービンエンジン組立体
11 長手方向軸線
12 ファン組立体
13 コアガスタービンエンジン
14 高圧圧縮機
16 燃焼器
18 高圧タービン
20 低圧タービン
21 第1のロータシャフト
22 第2のロータシャフト
24 ファンブレード
25 流線形スピナ
26 ロータディスク
28 吸気側
30 排気側
32 多段ブースタ
34 スプリッタ
36 シュラウド
40 バイパスダクト
50 第1の部分
52 第2の部分
60 ファンフレーム組立体
70 出口案内翼
81、82 半部
83 接合線
90 形成工具
91 コア
A 領域
B 領域
C 領域
D 領域
E 領域

Claims (10)

  1. 中空金属部品の製造方法であって、
    形成工具を設けるステップと、
    第1の側と裏側とを備え、該裏側が前記工具と接触する1以上のコアを用意するステップと、
    第1の金属溶射プロセスを利用して、1以上の金属又は金属合金をコアの第1の側に施工して、第1の側と裏側とを備える部分的に形成された構造体を得るステップと、
    第2の金属溶射プロセスを利用して、1以上の金属又は金属合金を部分的に形成された構造体の裏側とコアの裏側に施工して、凹側面と側面とを備える構造体を得るステップと
    を含む、方法。
  2. 部分的に形成された構造体内にコアを保持しながら、部分的に形成された構造体から工具を除去して、部分的に形成された構造体及びコアのそれぞれの裏側を露出させるステップをさらに含む、請求項に記載の方法。
  3. 中空金属部品の製造方法であって、
    第1の側と裏側とを備える1以上のコアを用意するステップと、
    第1の金属溶射プロセスを利用して、1以上の金属又は金属合金をコアの第1の側に施工して、第1の側と裏側とを備える部分的に形成された構造体を得るステップと、
    第2の金属溶射プロセスを利用して、1以上の金属又は金属合金を部分的に形成された構造体の裏側とコアの裏側に施工して、凹側面と凸側面とを備える構造体を得るステップと
    を含み、
    複数のコアが互いに離間した関係で設けられ、1以上の金属又は金属合金が複数のコア間に施されることを特徴とする、方法。
  4. 前記構造体が緻密化プロセスを受ける、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
  5. コアを除去するためのステップをさらに含む、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
  6. コアが緻密化プロセス後に除去される、請求項6に記載の方法。
  7. 第1の金属溶射プロセスを利用する前に、工具、コア又はこれらの組合せを密封することをさらに含む、請求項1又は2に記載の方法。
  8. 複数の金属、金属合金又はこれらの組合せが、第1の金属溶射プロセスで利用される、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 複数の金属、金属合金又はこれらの組合せが、第2の金属溶射プロセスで利用される、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記構造体を仕上げ加工するためのステップをさらに含む、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
JP2016518030A 2013-06-07 2014-06-06 中空金属部品及びその製造方法 Expired - Fee Related JP6475701B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361832439P 2013-06-07 2013-06-07
US61/832,439 2013-06-07
PCT/US2014/041290 WO2014197789A2 (en) 2013-06-07 2014-06-06 Hollow metal objects and methods for making same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016526105A JP2016526105A (ja) 2016-09-01
JP6475701B2 true JP6475701B2 (ja) 2019-02-27

Family

ID=51168368

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016518030A Expired - Fee Related JP6475701B2 (ja) 2013-06-07 2014-06-06 中空金属部品及びその製造方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10408083B2 (ja)
EP (1) EP3003608A2 (ja)
JP (1) JP6475701B2 (ja)
CN (1) CN105592961B (ja)
BR (1) BR112015030468A2 (ja)
CA (1) CA2914530A1 (ja)
WO (1) WO2014197789A2 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3096911B1 (en) * 2014-01-21 2019-12-25 United Technologies Corporation Method for forming single crystal components using additive manufacturing and re-melt
US10914185B2 (en) * 2016-12-02 2021-02-09 General Electric Company Additive manufactured case with internal passages for active clearance control
US11168566B2 (en) * 2016-12-05 2021-11-09 MTU Aero Engines AG Turbine blade comprising a cavity with wall surface discontinuities and process for the production thereof
CN109676141B (zh) * 2017-12-06 2020-10-23 全亿大科技(佛山)有限公司 异形复杂金属制品的制造方法及异形复杂金属制品
US10793943B2 (en) 2018-03-15 2020-10-06 Raytheon Technologies Corporation Method of producing a gas turbine engine component
US11313041B2 (en) 2018-07-17 2022-04-26 National Research Council Of Canada Manufactured metal objects with hollow channels and method for fabrication thereof
FR3087701B1 (fr) * 2018-10-30 2021-11-26 Safran Aircraft Engines Hybridation des fibres du renfort fibreux d'une aube de soufflante
US11441545B2 (en) * 2020-02-25 2022-09-13 General Electric Company Tungsten-based erosion-resistant leading edge protection cap for rotor blades

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2641439A (en) * 1947-10-01 1953-06-09 Chrysler Corp Cooled turbine or compressor blade
US3848307A (en) * 1972-04-03 1974-11-19 Gen Electric Manufacture of fluid-cooled gas turbine airfoils
US4334495A (en) 1978-07-11 1982-06-15 Trw Inc. Method and apparatus for use in making an object
JPS57152459A (en) * 1980-10-06 1982-09-20 Gen Electric Plasma flame-spray casted article
US4447466A (en) 1981-08-14 1984-05-08 General Electric Company Process for making plasma spray-cast components using segmented mandrels
US4574451A (en) * 1982-12-22 1986-03-11 General Electric Company Method for producing an article with a fluid passage
JP2982523B2 (ja) * 1992-10-29 1999-11-22 石川島播磨重工業株式会社 中空耐熱合金部品の製作方法
JPH1018911A (ja) * 1996-07-02 1998-01-20 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 流通路形成方法
US6447704B1 (en) 2000-05-23 2002-09-10 Gmic, Corp. Thermal-sprayed tooling
US7384596B2 (en) 2004-07-22 2008-06-10 General Electric Company Method for producing a metallic article having a graded composition, without melting
US7138323B2 (en) * 2004-07-28 2006-11-21 Intel Corporation Planarizing a semiconductor structure to form replacement metal gates
US7316057B2 (en) 2004-10-08 2008-01-08 Siemens Power Generation, Inc. Method of manufacturing a rotating apparatus disk
US20060222776A1 (en) * 2005-03-29 2006-10-05 Honeywell International, Inc. Environment-resistant platinum aluminide coatings, and methods of applying the same onto turbine components
US20070003416A1 (en) 2005-06-30 2007-01-04 General Electric Company Niobium silicide-based turbine components, and related methods for laser deposition
EP1903127A1 (de) * 2006-09-21 2008-03-26 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Herstellen von Bauteilen durch Kaltgasspritzen und Turbinenbauteil
GB0709838D0 (en) * 2007-05-23 2007-07-04 Rolls Royce Plc A hollow blade and a method of manufacturing a hollow blade
CN101418706B (zh) 2008-11-20 2010-12-22 浙江工业大学 一种汽轮机抗气蚀叶片及其成形方法
US8192799B2 (en) * 2008-12-03 2012-06-05 Asb Industries, Inc. Spray nozzle assembly for gas dynamic cold spray and method of coating a substrate with a high temperature coating
US8453327B2 (en) * 2010-02-05 2013-06-04 Siemens Energy, Inc. Sprayed skin turbine component
US20130104567A1 (en) 2011-10-31 2013-05-02 Douglas Gerard Konitzer Method and apparatus for cooling gas turbine rotor blades

Also Published As

Publication number Publication date
EP3003608A2 (en) 2016-04-13
WO2014197789A3 (en) 2015-02-26
CN105592961B (zh) 2019-08-13
US20160115820A1 (en) 2016-04-28
US10408083B2 (en) 2019-09-10
JP2016526105A (ja) 2016-09-01
CN105592961A (zh) 2016-05-18
CA2914530A1 (en) 2014-12-11
BR112015030468A2 (pt) 2017-07-25
WO2014197789A2 (en) 2014-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6475701B2 (ja) 中空金属部品及びその製造方法
JP5791882B2 (ja) 冷間溶射を用いたタービンローターの製作
US9879559B2 (en) Airfoils having porous abradable elements
US6190133B1 (en) High stiffness airoil and method of manufacture
EP2708296B1 (en) Methods for manufacturing turbine stator airfoil assemblies by additive manufacturing
US9903214B2 (en) Internally cooled turbine blisk and method of manufacture
JP2012026448A (ja) 接合縁部を備えた構成要素
US20160186579A1 (en) HYBRID GAMMA TiAl ALLOY COMPONENT
WO2013172894A2 (en) Leading edge protection and method of making
WO2017222920A1 (en) Methods for repairing film holes in a surface
CA2740094A1 (en) Method for connecting at least one turbine blade to a turbine disk or a turbine ring
EP3550107B1 (en) Method of producing a gas turbine engine component
US9752442B2 (en) Airfoil with variable profile responsive to thermal conditions
CA2746275C (en) Turbine nozzle segment and method of repairing same
US20150308449A1 (en) Gas turbine engine component with brazed cover
EP0490187A1 (en) Low pressure plasma deposition fabrication of multi-alloy axial turbine wheels

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170531

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180607

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180703

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20180913

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181203

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190108

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190201

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6475701

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees