JP5511789B2 - ターボ機械の部品の超音波ショットブラスト方法 - Google Patents

Description

本発明は、接近しにくい領域を有する表面、より具体的には、フックとブレードの脚部との間の溝を含むターボ機械のブレードの軸方向保持フックを処理および圧縮する方法に関する。

ガスタービンの航空エンジンでは、タービンディスクの前記ブレードのハウジング内のブレードの軸方向保持フックおよびブレードを軸方向に保持する半径方向溝を含むタービンディスクのリムは強い応力を受ける。ブレードフックは、ディスクの溝に対して高いレベルの静的応力を受け、そのために、ディスクとディスクの面に付けられるフランジとの間が接触および摩耗問題が生じる。

現在では、機械的性能を向上させるために、これらの部品の表面は、耐疲労性および耐腐食性を高めるように従来のショットブラストによって処理される。

プレストレス付与のショットブラスト工程は、表面硬化によって金属部品の特性を向上させるための機械的処理である。これは、材料の構造変化に基づくものである。従来の方法は、小さな鋼鉄、ガラス、またはセラミック製の球を射出することによって、機械部品を表面圧縮するステップからなる。このショットピーニング工程は、内部圧縮応力の中心（ｓｅａｔ）となる圧縮領域を生成するもので、それにより耐性が高められる。

従来のショットブラストの例によれば、表面が強度Ｆ１５Ａ（Ａｌｍｅｎ強度による）で鋼球ＢＡ３１５（直径０．３１５ｍｍの鋼球）を射出することによって打ち付けられる。処理される表面をカバーするために、ノズルを通って膨張して生成されたガス流束が使用され、このとき、ノズルは部品の表面に平行に移動される、または部品がノズルに対して平行に移動される。

仏国特許第２８１６５３８号明細書 仏国特許第２８７３６０９号明細書

特定の領域に接近しにくい場合、このタイプのショットブラストは最適な状態で行うことができない。このような場合、ショットブラストの噴流が表面に直接向けられず、ほとんどの場合、ショットブラストはバウンスによって行われる。

バウンスによるショットブラストは、球が表面に当たる運動エネルギーがより弱くなるので、その効果はかなり低くなる。また、場合によっては、圧縮レベルは部品の表面を処理するのに十分ではない。

さらに、従来のショットブラストは、ブレードの溝さらにディスクの溝のような接近しにくい領域を十分にカバーできるものではない。

また、レーザ衝撃圧縮の使用もこれらの領域には適さない。この場合、これらの領域は引っ込んでいるので、レーザビームが届くことができない。

レーザ衝撃処理は、材料内に可塑化衝撃波を生成して材料の表面特性をさらに改善するための方法である。衝撃波は、非常に短時間（数ナノ秒）で、封じ込め媒質の存在下で、材料の表面に非常に強いレーザインパルス（ＧＷ／ｃｍ２）を収束させることで生成される。処理は、数百マイクロメートルの厚みなどに対して残留圧縮応力を誘発する可能性があり、特に、鋼鉄、アルミニウム合金またはチタンの分野の対象となる用途のさまざまな材料において残留圧縮応力を誘発する可能性がある。処理は、耐疲労性、耐摩耗性、さらに耐腐食性などの表面特性を改善するのに使用される。この技術の利点の１つは、部品の表面状態がほとんど変化しないということである。

本出願者は、超音波ショットブラスト方法によって、ガスタービンエンジンの部品の接近しにくい領域を有する、ターボ機械のブレードを軸方向に保持するフックの表面を処理することを目的とした。

超音波ショットブラスト方法は、金属材料の表面層を圧縮して硬化させることができ、この技術は部品の寿命を改善することになる。方法は、発電機に接続された音響要素によって超音波の周波数に近い周波数でソノトロードを振動させるステップからなる。ソノトロードを介して、さまざまな種類の球がショットブラストされなければならない材料に向かって射出される。

接近しにくい領域の従来の表面処理方法の欠点を克服するために、本発明は、従来のショットブラストまたはレーザ衝撃のような方法では表面を完全にカバーすることができないようなブレードの溝のような前記領域に超音波ショットブラスト方法を適用するものである。

本発明によれば、ソノトロードに接触して始動される雲状の球群により、接近しにくい領域を含む金属表面を超音波ショットブラストする方法は、表面はフックとブレードの脚部との間の溝を含むターボ機械のブレードを軸方向に保持するフックの表面および前記溝外側の表面部であり、雲状の球群は前記表面を取り囲むチャンバ内に収容されることを特徴とする。

有利には、方法を適用することで、接近しにくい領域をより深く圧縮することができ、ひいては、損傷（疲労、フレッチングなど）に対する耐性を向上させることができる。

ショットブラスト方法は、鋼鉄、チタン合金、ニッケル系超合金またはアルミニウムを含む群から選択された材料で作られた部品を対象とする。

方法を適用する利点は、材料が隅で折れ曲がることなく、完全にカバーし、より良好な表面状態を得ることができる点である。別の利点は、この方法は反復性が高いという点である。

本発明は、フックの前記溝が幅１．５ｍｍから１０ｍｍ、深さ１．５ｍｍから２０ｍｍである場合を対象とする。

特に、直径が２．５ｍｍ以下、重量が０．５ｇ以上、直径が３００μｍから２．５ｍｍの特徴を有する球を使用する。

これらは、炭素含有量の少ない鋼製軸受球であり、ソノトロードの振動振幅は、２０μｍ以上である。

処理時間は、５から２００秒であるのが好ましい。

ソノトロードは、チャンバの壁の一部を形成する。

溝とブレード脚部との超音波ショットブラストを行うことでタービンロータのブレードのアタッチメントの寿命を延ばす方法を記載した、仏国特許第２８１６５３８号明細書が知られている。ショットブラストは、粗度を増大させずに接触面の圧縮プレストレスを増大させるために、少なくともＦ８ＡのＡｌｍｅｎ強度で行われる。球は、振動するように設定されたソノトロードの震動によって射出され、環状または軸方向の溝によって形成されたチャンバに収容され、ソノトロードは溝口に挿入されて、２つの耳部が横方向開口部をカバーする。この仏国特許の教示では、ブレードを収容する溝が壁のあるチャンバを形成することができるので、処理される領域の接近し易さは問題ではない。

仏国特許第２８７３６０９号明細書は、超音波ショットブラストおよびに射出物の使用に関するものである。射出物を使用することによって、射出物よりも小さい曲率半径を有する凹面の適切な処理強度を得ることができる。射出物は、その寸法は小さいが硬度および密度はともに高く、このような射出物を使用することで、従来の小さな曲率半径を有する射出物では接近しにくい領域を処理することができる。これらの射出物は、部品内に所望のレベルの応力を生成するのに十分な大きさの運動エネルギーを得ることができる。この仏国特許は、処理される表面の構造に適したチャンバの多数の実施形態を示している。しかしながら、その教示は、小さい開口部を有する溝のある一部を有する部品の処理を含まない。

本発明の目的、態様、利点は、種々の実施形態の以下の説明を読めば、より十分に理解される。これらは、非限定的な例として説明されている。添付の図面は、以下の通りである。

ターボ機械のブレードのフックを示す図である。 Ｘ線回析による応力解析の領域の概略図である。 図２の解析領域Ａにおける従来のショットブラストによって得られた応力のプロフィールであり、ｘ軸が深さミクロン、ｙ軸が残留応力値Ｍｐａで示された図である。 ブレードフックの超音波ショットブラストを可能にする手段を示す図である。 図２の解析領域Ａにおける、超音波ショットブラストによって得られた応力のプロフィールを示す図である。

ジェットエンジンでは、ロータディスクはリムを有し、その周囲に複数の取り外し可能なブレードが取り付けられる。ブレードは、リムに機械的処理された軸方向溝内に取り付けられ（例えば、ダブテール状に）、ブレードの基部で機械的処理された脚部（これもダブテール形状で）を備え、脚部を溝に嵌合させることで組み立てられる。ブレード脚部は、わずかな遊びを持たせて摺動させることで溝に嵌合される。脚部は、ブレードの脚部に取り付けられた軸方向保持フックによって、軸方向に固定される。フックは、ブレードの脚部とフックとの間に位置決めされた横方向保持リングと協働する。したがって、溝は、ブレード脚部の軸方向運動を有する。ブレードの脚部の上にあるプラットフォームは、ガスの墳流の範囲を画定する。材料は、鋼鉄、チタン合金、ニッケル系超合金、またはアルミニウムを含む群から選択される。

図１は、本発明の方法の適用に関係する形状を示す図である。処理される表面は、フック２０とブレードの脚部１３との間に形成される溝５の内側と、隣接する外側表面部７とを含む。処理される表面は、逆Ｕ字型の領域５からなる。この領域の幅は１．５ｍｍから１０ｍｍであり、深さは１．５ｍｍから２０ｍｍである。処理される表面はさらに、溝５の外側のフックの表面部７も含む。

フックは、大きな応力を受ける、つまり、前記フックにかかる高いレベルの静的応力は破損や摩耗の問題を招く恐れがある。

図４は、フックを超音波ショットブラストされることができるように作成された手段を示す図である。ブレード１０は、概略的には、ベーン１１と、例えば、ダブテール形状断面、場合によっては、支柱を有する脚部１３とを備える。プラットフォームは、脚部１３とベーン１１との間に置かれる。

手段３０は、振動面３２を有する支持プレートと、超音波周波数の振動を生成する手段によって励起されるソノトロード（図示せず）とを備える。前記振動面は、チャンバ２５の作用壁となる。壁３１によって画定されるこの体積の中で、チャンバの振動面３２の片側に、開口部２６が設けられ、そこを通ってブレード１０のフック２０が導入される。開口部２６は、フックを有するブレードの脚部の面によって塞がれる。

このようにして、フック２０はチャンバ内に収容される。溝５と、溝に近接し溝の外側にあるフックの表面部７とは、チャンバ内に収容される。この場合の溝は、幅３．２ｍｍ、深さ７．２６ｍｍである。

振動面３２は、フック２０から近距離に位置する。振動面３２は、溝５よりも幅が広く、溝５の外側のフックの表面部の少なくとも一部の方を向いている。

直径１．５ｍｍの球２が、開口部２６を通ってチャンバ２５内に導入される。振動面３２がソノトロードによって超音波振動を受けると、雲状の球群がチャンバ２５内で作られる。球はフック２０に向かって射出され、前記溝５の壁および近接する表面部７にぶつかる。

超音波振動の周波数、振動面３２の寸法および直径、球の材料および重量は、フックの溝の領域さらに溝の外側の表面部が非常に短時間で均一にショットブラストされるように選択される。

上述の例で、手段を使用して超音波ショットブラストを調整した後、保たれるパラメータは、以下の表の通りである。

超音波ショットブラストの１つの大きな利点は、少量の球を使用して実施できることである。したがって、このケースでは、鋼製軸受球のような高品質の球を使用することができる。これらの球は、炭化タングステン球よりも硬度が高い。鋼製軸受球は破損しない上に完全な球形であり、そのために、ショットブラストされた部品の表面の粗度を上げる可能性のある鋭い縁部を形成しない。

ショットブラスト時間はカバレッジレートに応じて決定される。カバレッジレートは衝突される表面とショットブラストにさらされる全表面積との比率である。

１２５％に相当するカバレッジレートでは、ショットブラスト時間は７５秒であることを示している。

超音波ショットブラストの調整は、幅３．２ｍｍ、深さ７．２６ｍｍの領域にわたってフック２０上で行われる。方法に使用されるパラメータは、球の直径３００μｍから２．５ｍｍ、重量０．５から５ｇ、振幅２０から５００μｍ、処理時間５から２００秒とした。

図２に見られるように、応力は、溝を含むブレードの脚部の領域ＡおよびＢで測定される。領域Ａは、溝５の横方向表面によって画定される脚部１３の体積によって形成され、領域Ｂは溝５の底部によって画定される脚部１３の体積によって形成される。これらの領域は、Ｘ線回析によって深さに対する残留応力を決定するために測定される。図３には、ＢＡ３１５（直径０．３１５ｍｍの鋼球）および強度Ｆ１５Ａ（Ａｌｍｅｎ強度による）の従来のショットブラストによって得られた応力プロフィールの結果が示されている。

図５は、図２に示されたフック２０の領域２において、本発明の対象の超音波ショットブラストによって得られた応力のプロフィールを示す図である。

従来のショットブラストによって得られた結果（図３）を超音波ショットブラストによって得られた結果（図５）と比べると、処理された表面の領域Ａでは、同じ応力レベルが観察できる。しかしながら、超音波ショットブラストによって、ずっと深くまで（顕著に従来のショットブラストに対して１００％の割合で）応力を得ることができる。

図２の領域ＡおよびＢでは、超音波ショットブラストによって得られたカバレッジレートをチェックするために、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡法）分析が行われた。

ＳＥＭ分析は、サンプルの反射像（１００，０００倍以上に拡大された）を生成し、別の方法では検出できないような細部を明らかにする。

この分析の結果は、フック２０の領域ＡおよびＢを完全にカバーできること、キズが残らないこと、衝突により折れ曲がらないことを示している。

Claims (9)

1. ソノトロードによる超音波振動を受ける振動面と接触して始動される雲状の球群により、接近しにくい領域を含む金属表面を超音波ショットブラストする方法であって、
   金属表面が、フック（２０）の表面であり、前記フックが、ターボ機械のブレードを該ブレードの回転軸方向に保持し、
   前記金属表面が、フック（２０）とブレードの脚部との間に設けられた溝（５）と、前記溝の外側の表面部（７）とを含み、
   雲状の球群が、前記溝と前記溝の外側の表面部（７）とを取り囲むチャンバ（２５）内に収容され、
   前記チャンバ（２５）が、第１および第２の壁と、第１の壁と第２の壁との間の一方側の振動面と、第１の壁と第２の壁との間の他方側でブレードのプラットフォームの一部を備えるフックを支持する表面とによって画定されることを特徴とする、ショットブラスト方法。
2. 前記溝（５）が、ブレードの脚部とフックとの間の距離である幅が１．５ｍｍから１０ｍｍで、溝の底部と溝の開口部との間の距離である深さが１．５ｍｍから２０ｍｍである、請求項１に記載のショットブラスト方法。
3. （ａ）２．５ｍｍ以下の直径
   （ｂ）０．５ｇ以上の重量を有する球が使用される、請求項１または２に記載のショットブラスト方法。
4. 球の運動の振幅が、２０μｍ以上である、請求項３に記載の方法。
5. 処理時間が、５から２００秒である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 球は、直径が３００μｍから２．５ｍｍである、請求項１に記載のショットブラスト方法。
7. 球が、鋼製軸受球または炭化タングステンもしくはアルミニウム製の球である、請求項１に記載のショットブラスト方法。
8. ソノトロードが、チャンバ（２５）の壁の一部を形成する、請求項７に記載の方法。
9. フックが、鋼鉄、チタン合金、ニッケル系超合金またはアルミニウムを含む群から選択された材料で作られる、請求項１から８のいずれか一項に記載のショットブラスト方法。

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