JPS6342396A - ガスタービンエンジンの複合材料製ファン出口ガイドベーン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、複合材料物品に係り、更に詳細には疲労強度
及び耐二ローション性の高いめっきされた複合材料物品
に係る。

従来の技術 航空機用ガスタービンエンジンの構成要素の製造に複合
材料を使用することが多くなってきている。複合材料に
て形成された物品によれば、重量及び部品点数が低減さ
れ、エンジンの組立、運転、及び保守の・コストか実質
的に節減されるという利点が得られる。複合材料にて構
成することが現在検討されている一つの物品はガスター
ビンエンジンのファン出口ガイドベーンである。

複合材料製のファン出口ガイドベーンが従来より製造さ
れ、アルミニウムにて形成された現在のベーンと対比す
る試験が行われており、複合材料製のベーンは疲労強度
及び耐エロージヨン性の点に於て不十分であることが認
められている。複合＋４　材製のベーンの耐二ローショ
ン性を改善する一つの方法は、複合材料の表面に金属め
っきを施すことを含んでいる。米国特許第３，７６２，
８３５号、同第４，１０８，５７２号、同第３，５７２
．９７１号には、衝撃強さや耐二ローション性を改善す
べく、複合材料物品に種々の金属シースやクラッドや被
覆を施すことが記載されている。

また米国特許第３，５７２，９７１号に於ては、複合材
料製の圧縮機ブレードにチタニウムクラッドが接合され
、クラッドはエロージョンに対する保護作用を行ない、
また横方向及び捩り方向の強度を増大する作用をなす。

しかしかかるクラッドや被覆に関係する疲労の影響につ
いては、：烏じられていない。

金属物品のめっきに関し得られている経験より、クロム
の如き硬質めっきを施すことは疲労寿命に有害な影響を
有していることが一般に知られている。米国特許第２，
７３２，０２０号には、金属物品の疲労強度を向上させ
る一つの方法が記載されている。複合材料物品に関する
疲労の問題は論じられていないが、めっきに関する疲労
の問題が説明されている。一般に、電気めっきされたニ
ッケルめっきを有するアルミニウム製のエーロフォイル
は数時間に亙る疲労試験後に疲労破壊した。

アルミニウム基体とニッケルめっきとの間にエラストマ
層を介装することにより、疲労寿命が５０時間に増大さ
れた。しかし多くの用途に於ては、特に高温度にて使用
される用途に於ては、エラストマの串間層は好ましくな
く、静的強度の如き他の特性が犠牲になる。

ガスタービンエンジンに於ける金属物品の代替として複
合材料物品を使用するためは、金属と等価又は金属より
も優れた耐二ローション性を有し、また優れた疲労寿命
を宵する複合材料物品か必要である。

発明の開示 本発明の一つの目的は、優れた耐エロージヨン性及び優
れた疲労寿命を有する複合材料物品を提供することであ
る。

本発明の他の一つの目的は、重量を大きく増大すること
なく優れた耐エロージヨン性及び疲労寿命を有する複合
材料製のファン出口ガイドベーンを提供することである
。

上述の如き目的は、本発明によれば、複合材料物品の表
面に適用され圧縮応力が与えられた金属めっきであって
、残留圧縮応力状態、好ましくは−５０００〜−１５０
００ｐｓｉ　　（−３５１〜−１０５５ｋｇ／ｃｄ）の
残留圧縮応力状態を生じる金属めっきを使用することに
より達成される。特に導電性めっきと圧縮応力が与えら
れたニッケルめっきとを含み、これらのめっきが合計で
凸側（吸入側）に於ては約５．　５ＩＩｌｉｌ　　（１
４０μ）の厚さを有し、凹側（圧力側）に於ては４．　
５ｍ１ｌ　　（１１４μ）の厚さを有し、リーディング
エツジ及びトレーリングエツジに於ては約８〜９ｍ１ｌ
　　（２０３〜２２９μ）の厚さを有する複合材料製の
ファン出口ガイドベーンは優れた静的強度を存し、かか
るベーンによれば荷重限界がめつきされていない場合の
１９０１ｂ（８６，２ｋｇ）より７２５１ｂ（３２９ｋ
ｇ）に３８０％改善されることが解った。めっきされて
いないベーンは所要の疲労荷重が与えられると破損した
のに対し、めっきされたベーンは１，０００，０００サ
イクル以上の低サイクル疲労寿命を有していた。かくし
て静的強度及び疲労寿命が実質的に向上することは、め
っきを施すことにより疲労寿命が有害な影響を受ける金
属めっきに関する経験に鑑みれば驚くべきことである。

残留圧縮応力を有するめっきを使用することにより、め
っきされていない複合材料物品の疲労性能が限られてい
ることに起因して従来制限されていた用途にめっきされ
た物品を使用することが可能になる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 第１図に於て、複合材料よりなるファン出口ガイドベー
ン１はエーロフオイル２を含んでおり、該エーロフォイ
ルは凸状面（吸入側面）３と凹状面（圧力側面）４とを
有している。ベーン１の面２及び３はリーディングエツ
ジ５及びトレーリングエツジ６に於て互いに接続されて
いる。ファン出口ガイドベーンは本発明を説明するため
のものであり、優れた疲労強度を必要とする任意の複合
材料物品に於て本発明の利点が得られることに留意され
たい。

説明の目的で、ベーン１は４０ｗｔ％の炭素鐵ｔ（＆に
て強化された旧ｔｅｍ　　（登録商標）ポリエーテルイ
ミド樹脂よりなっているものとする。旧ｔｃｍ樹脂はゼ
ネラル・エレクトリック・コーポレイションのプラスチ
ックス・デイビジョンにより製造されている。かかる複
合材料は例示的なものであり、他の複合材料についても
本発明のめっきの利点が得られる。例えば複合材料中の
旧ｔｅｍ樹脂がエボキシ樹脂、ポリアミド−イミド樹脂
、又はポリイミド樹脂に置換えられてよい。同様に例え
ばガラスやポリアミドよりなる他の繊維材料が、複合材
料中の炭素繊維に代わる繊維として使用されてよい。

ベーン１は実質的に従来の方法にてめっきされ、めっき
方法は水分を除去すべく物品を予熱する工程と、表面を
機械的に仕上げる工程と、適当な溶液中にて物品を洗浄
する工程と、物品をめっき七ツマ−と接触させる工程と
、物品を活性剤と接触させる工程と、物品を促進剤と接
触させる工程と、銅の如き導電剤にてめっきする工程（
電解銅による化学めっき）と、導電性表面を媒体にて仕
上げる工程と、圧縮応力が与えられたスルファメートニ
ッケルの如＜−５０００〜−１５０００ｐｓｉ（−３５
２〜−１０５５ｋｇ／ｃｄ）の残留圧縮応力を発生する
疲労強度を向上させる金属めっき材料にて物品をめっき
する工程とを含んでいてよい（但しこれに限定されるも
のではない）。複合材料が導電性を有する場合には導電
剤を使用することは不要であり、まためっき工程の詳細
はめっきされるべき物品、複合材料の選定、及び使用さ
れる装置に応じて変化してよい。

重要な工程は、物品の表面に残留圧縮応力状聾を与える
材料にて物品をめっきすることである。

ニッケルめっきについて説明するが、残留圧縮応力を与
える任意のめっき材料が使用されてよい。

ニッケルめっきの他にコバルトやニッケルーコバルト合
金のめっきが採用されてもよい。一般に度合材料物品の
疲労強度を向上させるためには、２〜２０ａ＋ｉｌ　　
（５１〜５０８μのめっき厚さが有効であり、めっき厚
さは必要とされる疲労寿命により決定される。めっきの
分布はめっき浴現象の関数であり、めっき厚さの分布が
不均一であってもよい。

例 凸状面と凹状面とリーディングエツジとトレーリングエ
ツジとを有する４０ｖｔ％の炭素繊維にて強化された旧
ｔｅａ樹脂よりなるファン出口ガイドベーンが下記の手
続きに従ってめっきされた。先ずベーンは水分を除去す
べく２時間に亙り３００’Ｆ（１４９℃）に加熱され、
１５０下（６６℃）にて５分間に亙り水酸化ナトリウム
にて処理すること等により、アルカリにてクリーニング
される。

次いでかくしてクリーニングされたベーンは洗浄され、
１０ｖｏ１％の塩酸と４％のＥｎｐｌａｔｅ　　（登録
商標）４９２を含む酸溶液の如き酸溶液中にて中和され
る。Ｅｎｐｌａｔｅ　４９２は湿潤剤と組合わされた酸
溶液であり、Ｅｎｐｌａｔｅめっき物質はアメリカ合衆
国コネチカット州ウェスト・ヘイヴン所在のエンラージ
・インコーホレイテッド（Ｅｎｔｈｏｎｅ、　１ｎｃ、
　）により製造されている。洗浄後ベーンは０゜５９６
　Ｅｎｐｌａｔｅ促進剤９５９８の如き促進剤にて３０
秒間に亙り処理され、再度洗浄され、１．５％Ｅｎｐｌ
ａｔｅ活性剤４４４及び２５％ＭＣＩの如き塩化パラジ
ウムと塩酸との混合物にて５分間に亙り活性化される。

次いでベーンは洗浄され、２，５％の硫酸と４％のＥｎ
ｐｌａｔｅ　４９２を含む酸溶液中にて３分間に亙り促
進される。

洗浄後ベーンは同じくエンラージ・インコーホレイテッ
ドにより製造されているＣｕ−７５０の如き化学めっき
銅にて被覆された。化学めっき銅はめっき浴溶液中に浸
漬することにより適用され、銅は物品の表面上に析出す
る。次いで銅にて被覆されたベーンは洗浄され、空気中
に於て２２０下（１０４℃）に３０分間焼成され、アル
カリにてクリーニングされ、洗浄され、１０％の硫酸溶
液中にて活性化される。次いでベーンはベーン１個当り
６８８Ａまでのめっき電流にて室温に於て２５分間に亙
り輝酸銅中に於て化学めっきされ、次いで洗浄され、振
動タブ中に於て媒体仕上げされる。銅めっきは０．６〜
０．８ｆｆｌｉｌ　　（１５，２〜２０．３μ）の厚さ
になり、更にめっきが施されることを可能にする導電剤
として作用する。

−５０００〜−１５０００ｐｓｌ　　（−３５２〜−１
０５５ｋｇ／ｃＪ）の応力を有する圧縮応力が与えられ
たニッケルサルファメートを含有するサルファメート浴
を用いて、銅めっきされたベーンがニッケルめっきされ
る。ベーンはアルカリにてクリーニングされ、洗浄され
、１０％硫酸溶液中にて活性化され、ニッケルサルファ
メート浴中に於て１．５Ｖ、ＩＯＡにて３０分間に亙り
めっきされ、電流が３０Ａに増大されて３０分間に亙り
めっきされ、更に電流が４５Ａに増大されて３時間に亙
りめっきされる。これらの電圧及び電流は使用される固
定装置及び物品のジオメトリ−に応じて変化されてよい
。最終的に得られるベーンは凸側に於ては４．５ｍ１ｌ
　　（１１４μ）のめっき層を有し、凹側に於ては５．
　５ｍ１ｌ（１４０μ）のめっき層を有し、リーディン
グエツジ及びトレーリングエツジに於ては約８〜９ｍｉ
！　　（２０３〜２２５μ）　のめっき層を何している
（これらの厚さは銅めっきの厚さを含んでいる）。かか
るめっき厚さの分布によれば、最も損傷を受は易いベー
ンのリーディングエツジ及びトレーリングエツジに最大
の保護作用が与えられる。

第１Ａ図には、上述のプロセスに従ってめっきされた例
示的な複合材料製のファン出口ガイドベーン１の断面図
が図示されている。ベーン１は導電性鋼めっき７と圧縮
応力が与えられたニッケルめっき８とを有している。か
かるめっきされたベーンが評価され、実質的に増大され
た静荷重強さををすることが認められた。

第２図は部品の重量及び疲労荷重に関する静的試験の結
果を示すグラフが図示されており、めっきの厚さは吸入
側面の中央点に於て測定された。

このグラフより、めっきされていない複合材料製のベー
ンは約１９０　ｌｂ　（８６，２ｋｇ）の３点曲げ荷重
限界を有することが解る。ファン出口ガイドベーンとし
て使用されることを考慮すると、アルミニウム製のベー
ンに置換わるためには、複合材料製のベーンは１５　ｋ
ｓｌ　　（１０５５ｋｇ／ｃｊ）の応力に於けるアルミ
ニウムを基準に少なくとも２３０　ｌｂ　（１０４ｋｇ
）の疲労荷重要件に適合しなければならない。従ってめ
っきされていない複合材料製のベーンはこの用途に於て
アルミニウムに置換わるには相応しくない。複合材料製
のベーンの表面に圧縮応力が与えられたニッケルめっき
を適用することにより、荷重限界が７２５　ｌｂ　（３
２９ｋｇ）まで増大され、めっきされていない複合材料
製のベーンに対し３８０％改善され、これにより複合材
°材製のベーンをガスタービンエンジンに使用すること
が可能になる。

第３図には、低サイクル疲労寿命とめっき厚さとの関係
が図示されている。これらの結果は２３５下（１１３℃
）及び１０サイクル／　ｓｅｅにて２３０１ｂ（１０４
ｋｇ）の３点曲げ荷重に基づくものである。ファン出口
ガイドベーンに必要なサイクル数は約５０，０００サイ
クルである。めっきされていないベーンが必要な２３０
１ｂ（１０４ｋｇ）の荷重が与えられた状態にて試験さ
れたところ破損した。この第３図のグラフより、厚さ４
．　５ｍｌ＋　　（１１４μ）のめっきによれば、上述
の要件が容易に達成され、また疲労寿命とめっき厚さと
の間には直線的な関係が存在することが解る。めっき厚
さを約５ｍ１ｌ　　（１２７μ）まで増大させることに
より、疲労寿命がＩＭＭサイクル以上に増大される。か
かる関係により、めっき厚さを変化させることによって
物品の疲労寿命を設計要件に適合させることができる。

めっきされた複合材料物品を使用することに関し考慮す
べき一つの重要な点は、疲労寿命に対するエロージョン
又は衝撃損傷の影響である。第３図に於て、ファン出口
ガイドベーンの疲労寿命に対する二ローション及びリー
ディングエツジの損傷の影響を示す幾つかのデータ点が
図示されている。×が付されたデータ点はエロージョン
の損（ＩＪを示しており、／が付されたデータ点はリー
ディングエツジの損傷を示している。５．　０ｍ１ｌ　
　（１２７μ）の厚さのめっきを有するファン出口ガイ
ドベーンが、３００ｆｔ／ｓｅｅ　　（９１，４ｍ／ｓ
ｅｅ　）にて駆動される１５０グリツドのアルミナより
なる研摩環境に８時間曝された。第３図のグラフより、
疲労寿命が実質的に低下していないことが解る。同様に
３個のファン出口ガイドベーンがリーディングエツジに
対しクロスビーンハンマにて衝撃が与えられ、疲労試験
された。疲労寿命は低下したが、所要の５０，０００サ
イクルの寿命を有していた。

重量の低減に関しては、アルミニウム製のファン出ロガ
イドベーンは９５ｇの重量を有しているのに対し、めっ
きされたベーンは必要とされる疲労寿命及び静的強度に
応じて５５〜９５ｇの重量を有している（第２図参照）
。疲労荷重の要件が２倍（６７，７ｇにて４６０１ｂ（
２０９ｋｇ））にされたとしても、アルミニウム製のベ
ーンよりも３０％重量が節減される。

第４図に於て、めっき厚さと静的強度との間にも直線関
係が存在し、これによりめっき厚さを静的荷重要件に適
合化させることができることが解□った。例えば４Ｇ＋
１１　　（１０２μ）の厚さのめっきによれば破壊に至
る荷重が４７５１ｂ　（２１５ｋｇ）になるのに対し、
５ｍｌ！　　（１２７μ）の厚さのめっきによれば破壊
に至る荷重が５７５１ｂ（２６１ｋｇ）に増大される。

以上に於ては本発明をガスタービンエンジンに使用され
る１夏合材料製のファン出口ガイドベーンについて説明
したが、本発明は優れた耐二ローション性、静的強度、
及び疲労寿命を必要とする任意の複合材料物品に使用さ
れてよいことが理解されよう。また本発明の範囲内にて
めっき方法、めっき厚さ、及び複合材料の種類に関し種
々の変更が行われてよいことが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は残留圧縮応力状態を有するめっきを含む複合材
料製のファン出口ガイドベーンを示す斜視図である。 第１Ａ図は第１図の線ＩＡ−ＩＡに沿う断面図である。 第２図はめっきされていない複合材料製のベーンとの対
比に於て本発明のベーンに於ける破壊に至る静的荷重を
示すグラフである。 第３図は疲労寿命とめっき厚さとの間の関係を示すグラ
フである。 第４図はめっき厚さと静的強度との間の直線関係を示す
グラフである。 １・・・ファン出口ガイドベーン、２・・・エーロフオ
イル、３・・・凸状面（吸入側面）、４・・・凹状面（
圧力側面）、５・・・リーディングエツジ、６・・・ト
レーリングエツジ、７・・・銅めっき、８・・・ニッｒ
ルめっ特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・
コーポレイション 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　毅ＦＩＧ、／

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 疲労強度が向上された複合材料物品にして、前記物品の
   表面に残留圧縮応力状態を有する金属めっきが施された
   疲労強度が向上された複合材料物品。