JP6553073B2 - ブレード用保護エッジおよび前記エッジの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ブレード用保護エッジおよび前記エッジの製造方法に関する。保護エッジは、具体的には、タービンエンジンブレード用保護エッジであってもよい。

航空学の分野、より具体的には、航空機のターボジェットエンジンの分野では、ターボジェットエンジンの構成要素の質量を低減することは、絶えざる関心事である。この関心事は、有機マトリックスを有する複合材料で形成されたファンまたは整流ブレードの開発に繋がってきた。これら複合材料のブレードは金属製のブレードよりも軽量である。

複合材料のブレードの前縁は、通常、腐食および可能性のある衝撃（鳥、グリット、氷、砂など）の影響を非常に受けやすく、保護なしで使用することができない。したがって、金属またはプラスチックで形成され、ブレードの本体に接着された保護エッジの使用が一般的である。このため、この保護エッジは、ブレードの前縁を画定する。たとえば、特許文献国際公開第２０１３／０２１１４１号にそのような保護エッジが記載されている。

保護エッジのブレードの本体上への接着は重要な態様である。この接着を向上させるために、既知の一方法によれば、特定の数の中間層、たとえばポリウレタンフィルムまたは接着プライマが、本体とブレードの強化縁部との間に配置される。別の方法によれば、接着される表面は、たとえば研磨またはスクラッチにより機械的に準備がされる。十分ではあるが、これら方法は製造にあまりに時間がかかり、複雑で、かつ／または費用がかかると考えられる。さらに、上述の中間層は、環境に対し有害であるとされ、国際機関（ヨーロッパのＲＥＡＣＨシステムなど）による廃止の手続き中である特定の物質を含む場合がある。

国際公開第２０１３／０２１１４１号

したがって、効果的にブレードを保護する一方、ブレード本体への固定が容易である新しいタイプの保護エッジが必要とされている。

本発明は、陽極酸化可能な金属で形成された保護エッジが提供され、この保護エッジがマイクロアーク酸化電解処理を経る、ブレード用保護エッジの製造方法に関する。

マイクロアーク酸化電解処理は、それ自体として知られる表面処理技術であり、基板を電解質バスに浸すことと、この基板を、処理の最初の時点で基板表面上に最初に形成された絶縁酸化物層の絶縁破壊電圧に達するために、高電圧で陽極酸化することとを含む。次いで、マイクロアークが開始され、基板の浸された表面にわたって移動する。この技術により、一方では基板の構成要素で形成される酸化物層の形成、他方では電解質バス内に最初に存在する化学種の酸化物層内の混入を通して、特定の構造および特定の物理化学的特性を有する、基板表面上のコーティングを形成することが可能になる。処理の終了時には、得られたコーティングは、コーティングの中心部に緻密で硬質な構造を有し、コーティングの表面に多孔構造を有する。この技術は、この文献では、「マイクロアークプラズマ酸化処理」、またはよりシンプルに「マイクロアーク酸化処理」とも呼ばれる。

マイクロアーク酸化は、従来の陽極酸化処理方法とは大きく異なるものである。特に、酸化物層の絶縁破壊電圧に達するのに必要な大量のエネルギを伴う点で、マイクロアーク酸化は従来の陽極酸化処理方法と異なる。

マイクロアーク酸化によって表面コーティングを生成することは、従来の陽極酸化処理によって得られるコーティングの微細構造とは全く異なる特定の微細構造を有する特定のコーティングの形成に繋がる。

マイクロアーク酸化では、コーティングを形成するために金属を投入することは不要である。形成されたコーティングは、マイクロアーク酸化処理を経る基板表面上に存在する金属（または金属種）の酸化によって得られる。

提案の用途では、保護エッジが基板として使用され、マイクロアーク酸化処理により、保護エッジの表面上に、一方では中心部が緻密かつ硬質であり、他方では表面が多孔質であるコーティングを形成することが可能になる。このコーティングの硬度により、ブレードを腐食またはあらゆる衝撃から効果的に保護することが可能になり、一方、コーティングの表面多孔性により、使用される接着剤の良好な食いつきを提供することで、特にコーティングが接着剤により固定される場合の、コーティングの固定が容易になるとともに向上される。

この保護エッジは、具体的には、チタン、チタン合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金で形成され得る。保護エッジがチタンまたはチタン合金で形成される場合、保護エッジ上に形成されるコーティングは、主として酸化チタンで形成される。

ブレードの保護を確実にするために、保護エッジは、保護エッジをブレード本体上に接着することが可能であり、それにより、ブレードの前縁または後縁を形成するように構成される。

いくつかの実施形態では、保護エッジは、相互に反対側に位置する外面と内面とを有し、外面は部分的にブレードの空力表面を画定し、内面はブレードの本体上に固定されるように構成されている。

本発明に係る方法を実行する間、マイクロアーク酸化処理は通常、保護エッジの外部の表面全体、したがって、外面と内面との両方に施される。

しかし、表面特性の観点での要請は、ブレードの保護エッジのこれら２つの表面では異なっている。

外面では、ブレードの保護エッジは、好ましくは、空力上の理由から非常に平滑であることと、大気中に存在する粒子の衝撃に耐えるために高い耐摩耗性を有することとの両方を満たさなければならない。

マイクロアーク酸化によって得られる表面コーティングは、概して一定の粗さを有する。したがって、そのようなコーティングは先天的に、ブレードの前縁または後縁を構成しなければならない表面には全く適するようには見えない。

あるいは、少なくともこのコーティングが部品の接着を可能にするために必要な粗さを有する場合、この粗さは概して、コーティングを空力上の要求と矛盾させる傾向にあり、この空力上の要求は、それどころか、表面が特に平滑であることを要求する。

したがって、一実施形態では、有利には、保護エッジの外面がマイクロアーク酸化処理の後に研磨される。したがって、この研磨により、外面が、一定のレベルの空力上の要求に合う粗さのレベルを達成することを可能にする。

この研磨は特に、保護エッジの外面の粗さのレベルが２μｍ未満、好ましくは０．８μｍ未満であるように行われ得る。

さらに、研磨の後に、表面上では、コーティングの表面が緻密で硬質な構造になる。有利には、コーティングのこの部分が特に高い耐摩耗性を有する。

逆に、保護エッジの内面では、マイクロアーク酸化によって形成されたコーティングの表面層は、表面が多孔性であり、その表面のブレード上への接着にもっぱら適切な内面の粗さ特性を有する。したがって、この表面層は、ブレードの本体上への保護エッジの物理化学的接着（たとえば接着剤による接着）に好ましいものとするために保持され得る。具体的には、内面は、マイクロアーク酸化処理の後に研磨されない場合があることが好ましい。処理の間に使用される電解質バスの構成も、内面の多孔質表面が、物理化学的接着に好ましい特定の化学種を組み入れるように選択され得る。

マイクロアーク酸化ステップの後に、任意選択的に研磨ステップが続き、保護エッジがブレード本体上に接着される。したがって、保護エッジはブレードの前縁または後縁を形成する。

特定の実施形態では、マイクロアーク酸化電解処理は、
保護エッジを電解質バスに浸すステップであって、保護エッジが第１の電極を形成する、ステップと、
第２の電極（対電極とも呼ばれる）を電解質バスに浸すステップと、
第１および第２の電極に電圧を印加するステップと、を含む。

好ましくは、この電圧を印加する際には電流が加えられる。換言すると、マイクロアーク酸化操作は具体的には、加えられる電流の強度を調整することによって制御される。

好ましくは、印加される強度は、特に保護エッジがチタンまたはチタン合金で形成される場合に、パルスを有する。好ましくは、これらパルスの周波数は５０ヘルツ未満である。

第２の電極は、補強物の内面に面する電解質バス内に配置され得、概して外面よりも処理に好ましくない形状を有する内面の処理を促進するようになっている。通常は、補強物の内面は凹状になっており（すなわち空洞化されており）、一方外面は凸状になっている（すなわち、反っている）。

補強物は、ブレードの本体をまたいで配置されるように、ほぼＵ状の断面を有し得る。この補強物は、保護エッジのもっとも厚い部分を構成するベースを有し得る。このベースの外面は、ブレードの前縁（または後縁）を画定し得る。このベースは、ブレードの圧力側と吸引側とにそれぞれ位置する２つの翼側に沿って延び得る。これら翼側の外面はそれぞれ部分的に、ブレードの圧力側面と吸引側面を画定する。断面では、これら翼側のプロファイルはベースから離れるにつれて薄くなっていく場合がある。保護エッジは、ブレード本体に全体が、またはその高さの一部が固定され得る。

本発明は、上述の方法を使用して製造された保護エッジ、および、そのような保護エッジを備えたブレードにも関する。本ブレードは、（たとえば、航空機のターボジェットエンジンの）ターボマシンブレード、具体的には、航空学上のターボマシンファンブレードであってもよい。本ブレードはまた、プロペラブレードまたはベーンであってもよい。

本ブレードは、有機マトリックス複合材料で形成された本体、または中心部分を備えてもよい。本ブレードは、たとえば、織物材料のドレープ形成によって得られた複合ブレードであってもよい。さらなる例としては、使用される複合材料は、織物カーボン／プラスチック繊維と、樹脂性マトリックス（たとえばエポキシ樹脂、ビスマレイミド、またはシアン酸エステル）のアセンブリで形成することができ、このアセンブリは、たとえばＲＴＭ（レジンインジェクション成型）タイプの真空樹脂注入方法を使用した成型によって形成される。

保護エッジは、具体的には接着により、中心部に固定され得、ブレードの前縁または後縁を画定し得る。

本発明の上述の特徴および利点、ならびの他の特徴および利点は、本発明の実施形態の以下の詳細な説明を読むことで明らかになる。この詳細な説明では、添付の図面を参照する。

添付図面は概略的であり、縮尺は一定ではない。添付図面の主な目的は、本発明の原理を説明することである。

これら図面では、１つの図から別の図にわたって、同様の要素（または要素の部分）は同じ参照符号を使用して識別されている。

図１は、保護エッジを備えたブレードの側面図である。 図２は、断面切断平面Ａ−Ａに沿った断面図の、図１のブレードの一部分の図である。 図３は、マイクロアーク酸化電解処理設備の全体図である。 図４は、本発明の一実施形態に適用される強度パルスを示す概略図である。 図５は、基板上のマイクロアーク酸化電解処理を使用して形成された例示的コーティングの構造を示す概略断面図である。

図１および図２は、ターボマシンエンジンブレード１０を示している。このブレードは、航空機のターボジェットエンジンのファンブレードであってもよい。このブレード１０は、ターボジェットエンジンを通って流れる流体流の中に配置されることが意図されている。上流と下流は、この流体の通常の流れ方向に対して定められる。

ブレードの空力表面１２は、上流から下流に、前縁１６と後縁１８の間を、シャンク２２とアペックス２４との間の長手方向２０に沿って延びる。ブレード１０は、そのシャンク２２により、いくつかのブレードと共有する回転支持ディスクに固定されている。

吸引面１３と圧力面１１は、前縁１６を後縁１８に接続するブレードの空力表面１２の側面である。

ブレード１０は、接着により保護エッジ３０が固定される本体９を備えている。この保護エッジ３０は、ブレード１０の空力表面１２の高さ全体にわたって、長手方向２０に沿って延びる。保護エッジ３０は、相互に反対側に位置する外面３１と内面３２とを有する。保護エッジ３０の外面３１は、前縁１６ならびに、吸引面１３および圧力面１１の一部を画定する。吸引面１３および圧力面１１の残りの部分ならびに後縁１８は、ブレード９の本体によって画定される。保護エッジ３０の内面３２は、本体９と接触している。

保護エッジ３０は、ほぼＵ状の断面を有し、本体９のエッジをまたいで配置されている。この補強物は、補強物のもっとも厚い部分であり、前縁１６を画定するベース３９を有する。このベース３９は、ブレード１０の圧力面側と吸引面側とにそれぞれ位置する２つのサイド翼側３５と３７に沿って延びる。翼側３５、３７は、断面（図２参照）において、後縁１８に向かって薄くなっていくプロファイルを有する。

図３は、マイクロアーク酸化電解処理設備１の例を概略的に示している。この設備は、電解質バス３または電解質を含むタンク２備えている。たとえば、この電解質バスは、アルカリ金属（たとえば、カリウムまたはナトリウム）の水酸化物の水溶液、およびアルカリ金属の酸素酸塩で形成されている。金属または合金で形成され、一方では半導体特性を有し、他方では「対電極」と呼ばれる少なくとも１つの第２の電極４を有する、第１の電極を形成する基板５は、電解質バス３に浸される。この設備は、電流供給源６、電圧源７、および、処理シークエンスに応じた様々なパラメータを制御および監視する制御手段（たとえば、マイクロコンピュータ８）をも備えている。制御手段８は特に、電解質バスを通って流れる電流の強度Ｉを調整することを可能にする。この設備は、基板５を構成する金属を変質させることにより、その基板５上にコーティングを形成することを可能にする。 そのような設備の全体の操作および制御は、従来技術から既知であり、それらは本明細書にはさらに詳細には記載しない。

提案の方法では、基板５は、保護エッジ３０によって形成されている。たとえば、保護エッジ３０は、チタンまたはチタン合金で形成されている。この保護エッジ３０上にコーティングを形成するための設備１の使用レンジは、たとえば以下の通りである。

電流密度：２０から４００Ａ／ｄｍ^２
電圧：２００から１０００Ｖ、より具体的には４００から８００Ｖ
強度パルス周波数：１から５００Ｈｚ、好ましくは１０から５００Ｈｚ
電荷比ｑ_ｐ／ｑ_ｎ：０．４から１．８（ｑ_ｐは伝達される正電荷であり、ｑ_ｎは伝達される負電荷である）
処理期間：１０から９０分
バスの温度：５から４０℃、好ましくは１０から４０℃
バスのｐＨ：６から１４
バスの伝導性：１００から１０００ｍＳ／ｍ
電解質バス３は、鉱物質が除去された水と、０．１から５０ｇ／ｌの組成の、水酸化物、ケイ酸塩、アルミン酸塩、リン酸塩、チオ硫酸塩、タングステン酸塩、チオシアン酸塩、またはバナジウム酸塩などの様々な形態のカリウムおよび／またはナトリウム塩の混合物を含み得る。

保護エッジ３０の内面３２の処理を促進するために、第２の電極すなわち対電極４を、その内面３２に面して配置することができ、具体的には、保護エッジ３０の翼側３５と翼側３７との間に配置され、かつ／または第１の電極５と同様の形状を有し得る。図３の例では、２つの対電極４が使用され、保護エッジ３０の両側に、保護エッジ３０に非常に近接して配置されている。

以下の手法が、マイクロアーク酸化処理の効果を増大させるために用いられる。

一方では、処理を施している間、超音波が電解質バス３内に拡散される。

他方では、基板５と電極４との間に適用される強度は直流の強度ではなく、可変交流の強度であり、期間Ｔの時間間隔で印加される周期パルスを有する。この期間Ｔは、２０ｍｓより大であるように、たとえば３０ｍｓに選択され、それにより、パルスの周波数は５０Ｈｚ未満のままである。

強度Ｉの時間ｔの関数としての変化量が図４に示されている。

各パルスは両極性であり、
０から正の平坦強度Ｉ＋に強度が上昇する期間Ｔ１の強度上昇傾斜部と、
強度がＩ＋に等しいままの期間Ｔ２の平坦域と、Ｉ＋から０に強度が低下する期間Ｔ３の強度減少傾斜部と、
強度が０に等しいままの期間Ｔ４の平坦域と、
０から負の平坦強度Ｉ−に強度が低下する期間Ｔ５の強度低下傾斜部と、
強度がＩ−に等しいままの期間Ｔ６の平坦域と、
Ｉ−から０に強度が上昇する期間Ｔ７の強度上昇傾斜部と、を含んでいる。

１つのパルスが完了するとすぐに、新しいパルスが印加される。

正の強度平坦域の強度Ｉ＋と、負の強度平坦域の強度Ｉ−とは、必ずしも等しくはない。

正の平坦域と負の平坦域とは、印加される強度がゼロである短時間の期間Ｔ４によって分けられている。

図５は、概略的に断面図で、基板５上にマイクロアーク酸化電解処理を使用して形成された例示的コーティング５０の構造を示している。この例では、コーティング５０は、多孔性表面構造５２と、多孔層５２と基板５との間に配置された緻密層５１とを有している。緻密層５１は、多孔層５２よりも緻密で硬質である。図示のように、多孔層５２は比較的高い多孔性と、粗い外側表面５３を有している。

マイクロアークの電解処理の後に、具体的には、摩擦仕上げにより、または慣習的な研磨用の、１ｃｍ^２あたり８０から４０００粒に粒子サイズが小さくなる複数の炭化ケイ素ディスクにより、もしくはその均等物により、保護エッジ３０の外面３１が研磨され得る。たとえば、外面３１の所望の粗さレベルは約０．６ミクロンである場合があり、これは空力上の要求の一定のレベルに対応する。この研磨ステップは、図４のコーティング５０の場合、破線Ｄで図示するように、多孔層５２を除去することに相当する。したがって、緻密層５１は表面上にあるとともに露出している。

一方、保護エッジの内面３２は加工されていない場合がある。すなわち、研磨されていない場合がある。図４のコーティング５０の場合、このことは、図示の複数層構造を保持することに相当する。

したがって、保護エッジ３０が図４に示すタイプのコーティング５０を有する場合、保護エッジ３０の外面３１は破線Ｄによって画定された緻密層５１の外面によって画定され、一方、保護エッジ３０の内面３２は多孔層５２の外面５３によって画定される。

したがって、保護層３０はブレード１０の保護を向上させるとともに、空力上の要求の一定のレベルに対応する、硬質で平滑な外面３１と、ブレード１０の本体９への保護エッジ３０の接着を促進させる、多孔性で粗い内面３２とを有する。

本明細書に記載の例または実施形態は、単に例として、非限定的に提供されたものであり、当業者であれば、この詳細な説明に照らして、これら実施形態または例を、本発明の範囲内にあるままで、容易に変更できるか、他の実施形態または例を検討することができる。

さらに、これら例または実施形態の様々な特徴は、単独で、または相互に組み合わせて使用することができる。それらが組み合わせられる場合、これら特徴は上述のように、または別様に組み合わせられるが、本発明はこの詳細な説明に記載の特定の組合せに限定されない。特に、別様に指定されていない限り、１つの実施形態または例に関連して記載した特徴は、類似の方式で別の実施形態または例に適用することができる。

Claims (12)

1. 陽極酸化可能な金属で形成された保護エッジ（３０）が提供され、保護エッジが相互に反対側に位置する外面と内面とを有し、外面がブレードの空力表面を画定するように構成され、内面がブレードの本体上に接着されて、ブレードの前縁を形成するように構成され、
   前記保護エッジ（３０）は、保護エッジの内面と外面の両方に施されるマイクロアーク酸化電解処理を経る、ブレード用前縁を形成することが意図された保護エッジの製造方法。
2. 保護エッジ（３０）が、ブレード（１０）の空力表面を部分的に画定する外面（３１）を有し、外面（３１）がマイクロアーク酸化電解処理の後に研磨される、請求項１に記載の方法。
3. 保護エッジ（３０）がブレード本体（９）に接着される、請求項１または２に記載の方法。
4. マイクロアーク酸化電解処理には、
   保護エッジ（３０）を電解質バス（３）に浸すステップであって、保護エッジが第１の電極を形成する、ステップと、
   第２の電極（４）を電解質バスに浸すステップと、
   第１および第２の電極に電圧を印加するステップと、を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 電圧が印加されると、強度がパルスを有する電流が加えられる、請求項４に記載の方法。
6. 第２の電極（４）が、保護エッジの内面（３２）に面した電解質バス（３）内に配置された、請求項４または５に記載の方法。
7. 保護エッジ（３０）がチタンまたはチタン合金で形成された、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. ブレード本体（９）が有機マトリックス複合材料で形成された、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を使用して製造された保護エッジ。
10. 請求項９に記載の保護エッジと、有機マトリックス複合材料で形成された本体（９）を備え、保護エッジ（３０）が接着により本体（９）に固定され、ブレード（１０）の前縁（１６）または後縁（１８）を画定する、ブレード。
11. ブレード（１０）が航空学上のターボマシンのファンブレードである、請求項１０に記載のブレード。
12. 請求項１０に記載のブレード（１０）を備えたターボマシン。

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