JP2010222705A - ニアネットシェイプ翼形部前縁保護材を作るための高温付加製造システム及びそのツーリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高温付加製造システムを提供する。
【解決手段】本高温付加製造システム（２９）は、金属堆積物（４０）を供給するようになった高温付加製造装置（３８）と、ツーリングシステム（３０）とを含み、ツーリングシステム（３０）は、金属堆積物を受けかつ該金属堆積物に形状を与えるようになったマンドレル（３２）と、マンドレル（３２）に施工されて、金属堆積物（４０）の汚染を減少させるようになった金属クラッディング（３４）と、マンドレル（３２）と関連して、該システム（３０）から熱を除去するようになった少なくとも１つの冷却チャネル（３６）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本明細書に記載した実施形態は、総括的にはニアネットシェイプ翼形部前縁保護材を作るための高温付加製造システム及びその付加製造システムで使用するツーリングシステムに関する。

ブレード及びベーンのような多くの最新式のタービンエンジン翼形部は、複合材積層体又は成形繊維で構成される。翼形部金属前縁（本明細書では、「ＭＬＥ」）保護ストリップを使用して、エンジン環境内で発生する可能性があることが多い衝突及び侵食損傷から複合材翼形部を保護することができる。従来の実施法では、多くの場合において、翼形部の前縁及び側面をＶ字形保護金属ストリップで包んで、そのような保護を与えている。

ＭＬＥ保護ストリップは様々な材料で作ることができるが、その有利な重量及び機械的特性により、チタン及びチタン合金が利用されることが多い。しかしながら、それらチタン構成要素を製作するためには、加熱成形法を使用しなければならない。加熱成形法は一般的に、中間のケミカルミリング又は機械加工を伴った複数のステップを必要とする。それらのステップにより、高いツーリングコスト、高い収率損失及び環境に優しくない加工処理が生じる可能性がある。これらの不利な点は、特にＭＬＥ保護ストリップのような薄いかつ複雑なジオメトリを製作する場合に起こり易い。

付加製造方法は、ネット又はニアネットシェイプ（ＮＮＳ）構成要素を作るために金属部品又はプリフォームを構築することを含む。このやり方によると、低いコストでかつ改善した製造効率で複雑な構成要素を作ることができる。一般的に、自立形構成要素は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルにより構築される。しかしながら、構成要素が薄くかつ／又は複雑な形状を有する場合には、支持用のツール上で構成要素を構築するのが有利である可能性がある。

ＮＮＳ構成要素を作る付加方法として、プラズマ移行アーク又はレーザクラッディングのような高温かつ溶融ベースのプロセスを使用する場合には、ツールは、幾つかの機能を果たさなければならない、すなわち、ツールは、部品に対して形状を与えなければならず、ツールは、入熱を制御して、構成要素の全長にわたって所望の結晶粒度を有する均一な微細構造を備えるようにしなければならず、また該ツールに対する堆積構成要素の融着を防止するのに十分なほど急速に堆積物から熱を伝導除去しなければならない。さらに、ツールは、金属堆積物の汚染が構成要素の物理的及び機械的特性に致命的な影響を与える可能性があるので、金属堆積物のいかなる汚染も生じないようにしなければならない。このことは、チタン及びチタン合金について作業する場合に、特に当てはまる。

より具体的には、チタン及びチタン合金を堆積させる場合には、チタンの高い融点及び反応特性のために、ツーリングによる堆積物の汚染のリスクが高くなる。現在の実施法では、堆積させるのと同じ合金（例えば、チタン及びチタン合金）で製作した一体構造式ツールを利用している。このやり方は、汚染の問題を軽減するのに役立つが、ツールに対する堆積物の融着がない状態で健全な堆積物を作るためのプロセス窓が非常に狭くなる。それは、チタンが、他のヒートシンク材料（例えば、耐熱金属、軟鋼、銅）と比較した場合に、比較的低い熱伝導体であるからである。

米国特許第５，７８５，４９８号公報

従って、現在のＭＬＥ保護ストリップ製造に関連する前述の問題を解決しかつ克服する製造及びツーリングシステムに対する必要性が依然として存在している。

本明細書における実施形態は、総括的にツーリングシステムに関し、本ツーリングシステムは、高温付加製造装置を使用して施工された金属堆積物を受けかつ該金属堆積物に形状を与えるようになったマンドレルと、マンドレルに施工されて、金属堆積物の汚染を減少させるようになった金属クラッディングと、マンドレルと関連して、該システムから熱を除去するようになった少なくとも１つの冷却チャネルとを含む。

本明細書における実施形態は、総括的に高温付加製造システムに関し、高温付加製造システムは、金属堆積物を供給するようになった高温付加製造装置と、ツーリングシステムとを含み、ツーリングシステムは、金属堆積物を受けかつ該金属堆積物に形状を与えるようになったマンドレルと、マンドレルに施工されて、金属堆積物の汚染を減少させるようになった金属クラッディングと、マンドレルと関連して、該システムから熱を除去するようになった少なくとも１つの冷却チャネルとを含む。

それらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、以下の開示から当業者には明らかになるであろう。

本明細書と共に提出した特許請求の範囲において、本発明を具体的に指摘しかつ明確に特許請求しているが、本明細書に記載した実施形態は、同じ参照符号が同様な要素を表している添付図面と関連させて行った以下の説明から一層良好に理解されることになると思われる。

本明細書における説明による、ガスタービンエンジン用の複合材ファンブレードの１つの実施形態の概略図。 本明細書における説明による高温付加製造システムの１つの実施形態の一部分の概略断面図。

本明細書に説明する実施形態は、総括的にはニアネットシェイプ翼形部前縁保護ストリップを作るための高温付加製造システム及びその付加製造システムで使用するツーリングシステムに関する。

図１は、ガスタービンエンジン用の複合材ファンブレード１０であり、複合材ファンブレード１０は、前縁１６から後縁１８までほぼ翼弦方向Ｃに延びる複合材翼形部１２を有する。翼形部１２は、ほぼそのスパンを定める根元２０から先端２２までスパン方向Ｓに半径方向外向きに延びかつ負圧側面２４及び正圧側面２６を有する。翼形部１２は、当技術分野で公知であるように複合材料の複数プライで構成することができる。本明細書における実施形態は、翼形部前縁１６に対して付着させるようになったチタン又はチタン合金金属前縁（ＭＬＥ）保護ストリップ２８を作るための方法及びツーリングについて説明する。本明細書における実施形態は、複合材ファンブレードに焦点を当てているが、本明細書における方法、ツーリング及びＭＬＥ保護ストリップは、ブレード及びベーンを含むあらゆる複合材翼形部で使用するのに適している。

ＭＬＥ保護ストリップ２８は、高温付加製造プロセスを使用して作ることができる。本明細書で使用する場合に、「高温付加製造法」というのは、プラズマ移行アーク蒸着、レーザクラッディング、ガスメタルアーク溶接、超音波溶接、電子ビーム自由形状製作成形、金属付着及び同様の方法を含むプロセスを意味する。そのようなプロセスは、約３０００℃を越える作動温度を有し、この作動温度は、本ケースではチタン又はチタン合金金属堆積物の融点を十分越えている。高い融点及び／又は反応性材料について作業する場合におけるそのようなプロセスに共通な前述の問題を克服するためには、独特のツーリングを使用しなければならない。図２は、チタン及びチタン合金の高温付加製造法と共に使用するのに適したツーリングシステム３０を含む高温付加製造システムの概略図である。

より具体的には、ツーリングシステム３０は、マンドレル３２と、金属クラッディング３４と、高温付加製造装置３８で使用するようになった少なくとも１つの冷却チャネル３６とを含む。マンドレル３２は、金属堆積物４０を受けることができかつＭＬＥ保護ストリップ２８の所望の形状に対応する形状を有することができる。マンドレル３２は、使い捨て又は再使用可能とすることができ、またあらゆる金属又は非金属材料で製作することができる。金属堆積物４０の汚染を防止するのを助けるためには、マンドレル３２は、金属堆積物の熱伝導率の少なくとも約２倍である熱伝導率を有するべきである。この熱伝導率の差によりまた、マンドレル３２がヒートシンクとして働き、それによって現在の実施法と比較した場合に該マンドレルに対する融着がない状態で健全な堆積物を作るための大きなプロセス窓を構成するのを可能にすることができる。マンドレル３２用の好適な「金属材料」の幾つかの実施例には、それに限定されないがチタン、チタン合金、モリブデン、タングステン、軟鋼及び銅が含まれ、一方、好適な非金属材料の幾つかの実施例には、それに限定されないが黒鉛、炭化ケイ素及び炭素間複合材が含まれる。

金属クラッディング（又は、「クラッディング」）３４は、マンドレル３２に施工された金属堆積物４０としてチタン又はチタン合金の薄い層を含む。クラッディング３４は、金属堆積物４０の汚染をさらに防止する働きをする。クラッディング３４は、プラズマ溶射、ロールボンディング、プラズマ移行アーク蒸着、アーク溶接オーバレイ（被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ））、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、ガスタングステンアーク溶接、火炎溶射及び物理蒸着（ＰＶＤ）を含む様々な方法によってマンドレル３２に施工することができる。クラッディング３４の厚さは、約２ミクロン〜約２ｍｍの範囲とすることができ、１つの実施形態では、約２ミクロン〜約１ｍｍとすることができる。従来通りの熱伝達モデリング法を使用して、使用する特定のクラッディング材料についての最適皮膜厚さを決定することができる。

クラッディング３４に加えて、マンドレル３２の能動冷却は、ＭＬＥ保護ストリップ２８の熱を除去しかつ該マンドレル３２及びクラッディング３４に対する該ＭＬＥ保護ストリップ２８の融着を防止するのを助けるのに望ましいものとすることができる。能動冷却はまた、堆積物材料の結晶粒度を制御しかつＭＬＥ保護ストリップ２８の機械的及び腐食性能を最適にするのを助けるように使用することができる。能動冷却は、マンドレル３２と関連させた状態で少なくとも１つの冷却チャネル３６を使用することによって達成することができる。そのような冷却チャネル３６は、マンドレル３２に対して取付る、マンドレル３２内に埋込む（図２に示すように）、マンドレル３２内に機械加工する、或いはそれらの幾つかの組合せとすることができる。次に、冷却チャネル３６を通して能動冷却媒体を流して（矢印で示すように）、マンドレル３２から熱を除去することができる。能動冷却媒体は、水又はグリコールのような液体、或いはアルゴン、窒素、空気又はヘリウムのような気体とすることができる。

使用中に、高温付加製造装置３８は、ツーリングシステム３０の上方に配置して、金属堆積物４０を供給するようにすることができる。マンドレル３２に対する金属（チタン及びチタン合金）堆積物４０の施工は、前述したような従来通りの方法で達成することができる。ほぼ周囲温度に冷却されると、得られたニアネットシェイプＭＬＥ保護ストリップ２８は、さらに加工処理することができる。１つの実施形態では、ＭＬＥ保護ストリップ２８は、マンドレル３２から取外しかつ翼形部前縁１６に対して取付ける前に、従来通りの方法（例えば、機械加工）を使用して最終寸法形状に仕上げることができる。別の実施形態では、翼形部前縁１６に対して保護ストリップ２８を取付けた後に、あらゆる必要な仕上げ作業を実行することができる。ＭＬＥ保護ストリップ２８は次に、様々な従来通りの方法を使用して、形部前縁１６に機能可能に連結することができる。

本明細書における実施形態では、従来のＭＬＥ保護ストリップ製造方法に優る利点が得られる。より具体的には、付加製造法によると、前縁保護ストリップをニアネットシェイプに構築し、それによって材料投入、材料浪費及び総製造時間を低減することが可能になる。構成要素を完成させるのに必要な量の材料のみを使用することにより、高価な原材料を節約し、また材料の除去及び仕上げ加工（例えば、機械加工）の必要性を劇的に減少させる。さらに、付加製造法により、ＭＬＥ保護ストリップの設計を、従来の機械加工法と比較して迅速にかつ低コストで変更又は改造する上での自由度が可能になる。さらに、付加製造プロセスを利用することにより、ＭＬＥ保護ストリップは、その組成を機能的に強化してその特性及び構造を調整することが可能になり、それによって最新式の設計機能が可能になる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が本発明を製作しかつ使用することを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１０ 複合材ファンブレード
１２ 翼形部
１６ 前縁
１８ 後縁
２０ 先端
２２ 根元
２４ 負圧側面
２６ 正圧側面
２８ ＭＬＥ保護ストリップ
２９ 高温付加製造システム
３０ ツーリングシステム
３２ マンドレル
３４ 金属クラッディング
３６ 冷却チャネル
３８ 高温付加製造装置
４０ 金属堆積物
Ｃ 翼弦方向
Ｓ スパン方向

Claims (10)

1. 高温付加製造システム（２９）であって、
   金属堆積物（４０）を供給するようになった高温付加製造装置（３８）と、
   ツーリングシステム（３０）と、
   を含み、前記ツーリングシステム（３０）が、
   前記金属堆積物を受けかつ該金属堆積物に形状を与えるようになったマンドレル（３２）と、
   前記マンドレル（３２）に施工されて、前記金属堆積物（４０）の汚染を減少させるようになった金属クラッディング（３４）と、
   前記マンドレル（３２）と関連して、該システム（３０）から熱を除去するようになった少なくとも１つの冷却チャネル（３６）と、を含む、
   付加製造システム（２９）。
2. 前記金属堆積物（４０）が、熱伝導性を有するチタン又はチタン合金を含む、請求項１記載の付加製造システム（２９）。
3. 前記マンドレル（３２）が、前記金属堆積物（４０）の熱伝導率よりも少なくとも２倍大きい熱伝導率を含む、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の付加製造システム（２９）。
4. 前記マンドレル（３２）が、チタン、チタン合金、モリブデン、タングステン、軟鋼及び銅からなる群から選ばれた金属材料、或いは黒鉛、炭化ケイ素及び炭素間複合材からなる群から選ばれた非金属材料を含む、請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の付加製造システム（２９）。
5. 前記高温付加製造装置（３８）が、プラズマ移行アーク蒸着、レーザクラッディング、ガスメタルアーク溶接、超音波溶接、電子ビーム自由形状製作及び成形金属付着からなる群から選ばれたプロセスを実行することができる、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４のいずれか１項記載の付加製造システム（２９）。
6. 前記高温付加製造装置（３８）が、約３０００℃以上の作動温度を含む、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５のいずれか１項記載の付加製造システム（２９）。
7. 前記金属クラッディング（３４）が、前記金属堆積物（４０）と同一の材料を含む、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の付加製造システム（２９）。
8. 前記金属クラッディング（３４）が、プラズマ溶射、ロールボンディング、プラズマ移行アーク蒸着、アーク溶接オーバレイ、火炎溶射及び物理蒸着からなる群から選ばれたプロセスを使用して、前記マンドレルに施工される、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７のいずれか１項記載の付加製造システム（２９）。
9. 前記クラッディング（３４）が、約２ミクロン〜約２ｍｍの厚さを含む、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８のいずれか１項記載の付加製造システム（２９）。
10. １つよりも多い冷却チャネル（３６）を含む、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９のいずれか１項記載の付加製造システム（２９）。

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