JP6786615B2 - パウダーベッド上での選択的溶融による、エアフォイルプリフォーム、エアフォイル、およびノズルセクタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、付加製造方法の一般的分野に関する。本発明は、より詳細には、パウダーベッド上での選択的溶融による、タービンエンジンのエアフォイルの製造方法に関する。

今日、複雑な三次元パーツを容易かつ迅速に形成するために、付加製造技術に頼るのが一般的慣習であり、有利である。航空機の分野は、このタイプの方法を使用するのに特に適切である。

金属または合金でパーツを製造する場合、パウダーベッド上での選択的溶融の方法により、鋳造、鍛造、または機械加工などの慣習的な方法を使用して形成することが、困難であるか不可能である複雑なパーツを得ることが可能になる。

そのような方法は、通常、パウダー層が製造プラットフォーム上に堆積されるステップを含んでおり、この後に、ヒータ部材を使用して、堆積されたパウダー層のある部分を選択的に溶融させるステップが続く。上述の各ステップは、最終的なパーツを層毎に構築するように、連続して繰り返される。

図１は、水平な製造プラットフォーム５上に配置された２つの同心リング３と４との間に延びる複数の固定エアフォイル２を備えた、航空機のタービンエンジン用のタービンノズルセクタ１を示している。ノズルがそのような構成である場合、エアフォイル２は、「ぶら下がっている」。すなわち、エアフォイル２は、リング３およびリング４から片持ち梁状に突き出ている。

パウダーベッド上での選択的溶融により、そのようなノズルセクタ１を製造することが所望である場合、製造の間、除去可能であるか、壊すことができるサポート６（図１参照）を設ける必要がある。このサポート６は、エアフォイルの製造の間、エアフォイルを保持する。具体的には、パウダーベッド上での選択的溶融の方法において、溶融される層の各々が、すでに前に溶融されている材料によって支えられることが可能であることが必須である。そのようなサポート６は、（一方が上になっているか、他方が上になってノズルセクタが製造されるのに応じて）エアフォイル２の前縁部または後縁部に、また、やはり、製造プラットフォーム５に面するエアフォイルの面２ａの一部の上に、必然的に存在する（図５参照）。

それでも、前縁部または後縁部における、そのような除去可能なサポートの存在は、望ましくない。具体的には、ノズルセクタが、パウダーベッド上での選択的溶融のためのツール内で製造されると、製造プラットフォームから離され、除去可能なサポートを除去する必要がある。手作業による研磨ステップが、それらサポートの残留物を除去するために必要である。手作業による研磨の間、オペレータは、研磨ツールを、サポートが存在する縁部（エアフォイルの前縁部または後縁部に対応する）上で移動させ、この縁部に対して押しつける必要がある。手作業による研磨は、このため、材料を過度に除去する結果として、問題となっている縁部に関する形状の欠陥および異常に繋がる虞がある。そのような欠陥は、続いてタービンエンジンにおいて使用される間、エアフォイルの空気力学に関して問題になる場合がある。

このため、本発明の主要な目的は、パウダーベッド上での選択的溶融による、タービンエンジンのためのエアフォイルプリフォームの製造方法であって、プリフォームが、エアフォイルおよび、このエアフォイルに固定された少なくとも１つの除去可能なサポートを備え、エアフォイルが、エアフォイルの前縁部または後縁部に対応するエアフォイルの第１の縁部から、エアフォイルの後縁部または前縁部に対応するエアフォイルの第２の縁部に、層毎に製造され、本方法が、除去可能なサポートおよびエアフォイルを製造することであって、前記除去可能なサポートが、最初に製造プラットフォームに固定され、次に、エアフォイルの第１の縁部の近位に位置し、前記製造プラットフォームに向いた、エアフォイルの圧力側または吸引側を形成する面の部分に固定されるためのものである、製造することを含む、製造方法を提案することにより、そのような欠点を抑えることである。

本発明によれば、エアフォイルの圧力側または吸引側を形成し且つ製造プラットフォームに面する面は、前記面から離れるように延びるフラットを含み、このフラットは、エアフォイルの第１の縁部の外側に位置する前記面の部分上に存在し、除去可能なサポートは、フラットに固定されているか、フラットと、第１の縁部の外側に位置する前記面の部分との両方に固定されている。

本発明の方法は、エアフォイルプリフォームの製造の間、本方法が、エアフォイルの第１の縁部（この第１の縁部は、パウダーベッド上の選択的溶融のためのツール内におけるエアフォイルの向きに応じて、前縁部または後縁部に対応する場合がある）においてフラットを製造することを組み込んでいる点で、注目すべきものである。有利には、このフラットの存在は、除去可能なサポートが取り付けられるエアフォイルの部分が、考慮されている第１の縁部から離間することを可能にしている。換言すると、除去可能なサポートは、エアフォイルの第１の縁部から後退している。次いで、エアフォイルを得るために、除去可能なサポートが除去される場合、サポートの残部は、フラット上、および、場合によっては、製造プラットフォームに面するエアフォイルの面の部分上に位置するが、第１の縁部には直接位置していない。このため、残部を除去するために、エアフォイルを研磨する場合、オペレータは、もはや、エアフォイルの第１の縁部に対して押しつける必要はないが、むしろ、フラット上、および、フラットが近位に存在する、エアフォイルの面上に押しつける。このため、そのような構成は、エアフォイルが一様かつ制御された方式で研磨されることを確実にすることにより、サポートを除去することに起因して、欠陥が現れることを制限する役割を果たす。さらに、エアフォイルの調整または研磨に必要な時間は、そのような技術により、また、このステップをより体系的にすることにより、低減される。当然、研磨以外の技術が、サポートが除去された後のエアフォイルの形状の調整のために使用され得る。

好ましくは、フラットは、製造プラットフォームに対して平行であるとともに、エアフォイルの第１の縁部に対して接線になっている第１の面を備えている。たとえば、第１の面は、製造プラットフォームに対して５度以下の角度を形成する場合がある。パーツが層毎に構築され、各層が製造プラットフォームに対して平行であることから、このことは、エアフォイルを形成する第１の層が、あるエリア、たとえば、矩形のエリアを提供することを意味する。特にエアフォイルの第１の縁部において、エアフォイルを良好に保持するために、ラインよりもむしろエリアにすることが、第１の層には有利である。

やはり好ましくは、フラットは、第１の面に対して垂直な第２の面をさらに備えている。たとえば、第２の面は、第１の面に対して８５度から９５度の範囲の角度を形成する場合がある。そのような状況の下では、前記フラットの第１の面と第２の面との間の交差部にある、フラットのポイントが、０．５ミリメートル（ｍｍ）以下、たとえば、０．３ｍｍ以下である、製造プラットフォームに面するエアフォイルの面からの距離に位置している場合がある。より概略的には、フラットは、このフラットが、エアフォイルの形状の欠陥（たとえば、仕様に記載されている）の許容可能なレベルを超えない、または、換言すると、フラットが、エアフォイルの形状の要請に適合するような方式で、エアフォイルに組み込まれ得る。このため、フラットがこの方法で構成される場合、フラットの寸法は、エアフォイルの、許容可能な形状の欠陥の寸法より小さく、そのため、たとえば機械加工により、次いでフラットを除去することは、任意選択的になる場合がある。

除去可能なサポートは、多孔性のサポートである場合がある。

本発明は、タービンエンジンのエアフォイルの製造方法であって、
上述の方法によってエアフォイルプリフォームを製造するステップと、
除去可能なサポートおよびフラットを、エアフォイルプリフォームから除去するステップと、を含む、製造方法をも提供する。

好ましくは、除去可能なサポートおよびフラットを除去することが、エアフォイルを研磨することを含んでいる。

本発明は、パウダーベッド上での選択的溶融により、タービンエンジンのノズルセクタの製造方法であって、ノズルセクタが、２つのリングセクタによって保持された複数の固定エアフォイルを備え、固定エアフォイルが、上述のエアフォイルの製造方法によって製造される、製造方法をも提供する。

最後に、本発明は、エアフォイルおよび、このエアフォイルに固定された少なくとも１つの除去可能なサポートを備えた、タービンエンジンのエアフォイルプリフォームであって、圧力側または吸引側を形成するエアフォイルの面の１つが、前記面から延びるフラットを含み、このフラットが、エアフォイルの前縁部または後縁部に対応するエアフォイルの第１の縁部の外側に位置する前記面の部分上に存在し、除去可能なサポートが、フラットに固定されているか、フラットと、第１の縁部の外側に位置する前記面の部分との両方に固定されている、タービンエンジンのエアフォイルプリフォームを提供する。

好ましくは、フラットは、エアフォイルの第１の縁部に対して接線になっている第１の面と、この第１の面に対してほぼ垂直な第２の面とを有している。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して成される以下の説明から明らかになる。図中、

本発明の方法によって製造されるのに適切であるノズルセクタの斜視図である。 エアフォイルを製造するための、本発明の方法のメインステップを示すフローチャートである。 ノズルセクタが製造される、パウダーベッド上での選択的溶融のためのツールの概略断面図である。 その除去可能なサポートを伴う、エアフォイルの第１の縁部における図３の細部を示す図である。 従来技術の方法を示す、図３の図に類似の図である。

図１は、上述のように、航空機のタービンエンジンのタービンの、ノズルセクタ１、すなわち、ガイドベーンのセットを示している。そのようなノズルセクタ１は、パウダーベッド上での選択的溶融により、本発明の方法によって製造され得る。製造方法のステップには、ノズルセクタ１のエアフォイル２（すなわち、ノズルセクタ１のベーン）を製造することが含まれている。本発明は、エンジンが陸上にあるか、航空機用のものであるかに関わらず、等しく良好にタービンエンジンのためのエアフォイルに適用されることに注目すべきである。

エアフォイル２を製造するための本発明の方法は、図２のフローチャートと、図３および図４に示す選択的溶融のためのツールとを参照して以下に説明される。そのような方法は、最初にエアフォイルプリフォームを製造すること（ステップＥ１）と、次いで、エアフォイルを得るために、プリフォームから除去可能なサポート６を除去すること（ステップ２）とを含んでいる。このため、サポート６は、本発明の方法によってエアフォイル２が製造された後に、エアフォイル２から除去されるように設計されていることから、「除去可能」と呼ばれる。

図３は、複数の固定エアフォイル２を有するノズルセクタ１の製造において使用するのに適切である、パウダーベッド上の選択的溶融のためのツール１０を示している。簡略化の目的のために、ツール１０は、２つのエアフォイル２のみを備えたノズルセクタ１の、製造の間の断面で示されている。

既知の方式で、ツール１０は、パウダー供給源１２と、製造ゾーン１４とを有している。この製造ゾーン１４で、ノズルセクタ１が製造される。パウダー供給源１２は、ノズルセクタ１の製造に使用される金属パウダー１６または合金パウダーを含んでおり、一方、ゾーン１４は、ノズルセクタ１が製造された後に溶融されていないパウダー１８とともにノズルセクタ１を含むのに適切である。

パウダー供給源１２の底部には、パウダーをスクレーパまたはローラ２２に搬送するために、垂直に移動するのに適切であるプラットフォーム２０が存在する。スクレーパまたはローラ２２は、次いで、パウダーを製造ゾーン１４に押して、それにより、パウダー層を形成するようになっている。製造ゾーン１４の底部には、ノズルセクタ１が製造されるにつれて、垂直に徐々に移動するのに適切である製造プラットフォーム５が存在する。パウダー拡散手段を構成するスクレーパまたはローラ２２は、パウダー層を製造プラットフォーム５上に堆積させる役割を果たす。

最後に、ツール１０は、レーザビームまたは電子ビームを発生させるためのジェネレータ部２４と、製造ゾーン１４上に堆積したパウダー層を選択的に溶融するように、発生されたビームがたどる経路を制御するための制御部２５とを有する、ヒータ部材２３を含んでいる。

各エアフォイル２に関し、最初に製造プラットフォーム５に固定され、次にエアフォイル２に固定され、それにより、エアフォイル２が製造方法を通して保持されることを可能にするように、除去可能なサポート６を製造する準備がされる。このため、エアフォイルプリフォームはエアフォイル２とその除去可能なサポート６とを備えて製造される。

図４は、除去可能なサポート６の近位における、製造ゾーン１４のエアフォイルプリフォームの拡大概略図である。この例では、エアフォイルプリフォームは、矢印２６によって示された方向に製造される。エアフォイルプリフォームの製造は、サポート６で開始し、次いで、エアフォイル２が製造される。エアフォイル２の製造は、エアフォイル２の第１の縁部２８（この例では、エアフォイルの後縁部に対応している）で始まり、エアフォイルの第２の縁部（この例では、図示されていない、エアフォイルの前縁部に対応している）に続く。図に見ることができるように、第１の縁部２８は、製造プラットフォーム５に面して位置しており、一方、第２の縁部は、製造プラットフォーム５から離れて位置している。さらに、第１の縁部２８および第２の縁部は、製造プラットフォームの頂部表面に対してほぼ平行である。

本発明によれば、フラット３０は、エアフォイル２上に形成される。より正確には、エアフォイルの面２ａ上の、エアフォイルの第１の縁部２８において、形成される。このフラット３０は、第１の縁部２８の近位から、第１の縁部２８から離れるように、製造プラットフォーム５に面するエアフォイルの面２ａ（この例では、この面は、エアフォイルの吸引側である）のそばに延びている。図示の例では、フラット３０は、製造プラットフォーム５に対してほぼ平行であるとともに、エアフォイルの第１の縁部２８に対して接線になっている、第１の面３０ａと、この第１の面３０ａに対してほぼ垂直な第２の面３０ｂとを有している。この構成では、２つの面間の交差部に位置するポイント３０ｃは、エアフォイルの面２ａから距離ｄにある。この距離ｄは、エアフォイル２に関する形状の欠陥の許容可能なレベルに適応するために、好ましくは、０．５ｍｍ以下であり、むしろ０．３ｍｍ以下である。概して、距離ｄは、エアフォイル２に関する形状の欠陥の許容可能なレベル以下であるように選択され得、ここで、形状の欠陥は概して、仕様によって規定される。

この例では、除去可能なサポート６は、エアフォイル２を支持するための複数のリッジ６ａ（またはタブ）を備えている。これらリッジ６ａは、第１の面２８から離れる方向で、フラット３０からエアフォイルの面２ａに延びる、エアフォイル２の部分の上に固定されている。リッジ６ａは、フラット上に固定され得、かつ、エアフォイルの第１の縁部２８から後退している。すなわち、リッジ６ａは、エアフォイルの第１の縁部には厳密には位置していないが、この第１の縁部から離間している。図示されていない一実施形態では、リッジ６ａは、エアフォイルの面２ａのところまでフラット３０の面３０ａの中間から延びる部分上に固定され得る。

ステップＥ１の端部では、サポート６、フラット３０、およびエアフォイル２は、単一のパーツを形成することに注目すべきである（本明細書ではエアフォイル「プリフォーム」と呼ばれる）。

除去可能なサポート６は、好ましくは、多孔性タイプである。概略的方式では、除去可能なサポート６は、中実である必要はなく、たとえば、除去可能なサポート６は、中空である場合がある。これにより、サポート６がエアフォイルプリフォームから最後には除去されることから、製造方法の間、過度に多くの材料を消費することを避けている。

図４における破線３２は、エアフォイルを構成する第１の層を表しており、エアフォイル２の製造が始まるこの第１の層の溶融部分が、フラット３０の存在の結果として、平面を形成することを見ることができる。平面で構成される第１のエアフォイル層を得ることは、有利である。具体的には、付加製造において、製造の欠陥を最小にするために、単一ラインの溶融によってパーツが始まることを可能な限り避けることが適切である。さらに、エアフォイル２の製造を平面で開始することにより、エアフォイル２は、サポート６によってよりよく保持される。

エアフォイルプリフォーム（または、ノズルもしくはガイドベーンのセットのための複数のプリフォーム）が製造されると、除去可能なサポート６は、リッジ６ａを切断することによって除去することができる（ステップＥ２）。フラット３０とともに残っているサポート６のリッジ６ａの残部は、次いで、たとえば、グラインダタイプの研磨ツールを使用して、除去される。フラット３０の存在により、このステップの間、研磨ツールを第１の縁部２８に対して置くことを避けることが可能になる。具体的には、代わりに、研磨ツールをフラット３０に対し、面２ａに置くことが可能であり、それにより、第１の縁部２８の損傷を避けるようになっている。さらに、研磨ツールを、第１の縁部２８の代わりに面２ａに対して押しつけることがより容易であることがわかる。このため、フラットの存在により、規則的であり、かつ仕様によって規定される許容可能である欠陥よりも大である欠陥を生じない、第１の縁部２８を有するエアフォイルを得ることが可能になる。

エアフォイル２をサポートするために使用される複数のサポート６に関し、本発明の範囲を超えないことに注目すべきである。

比較として、従来技術において成され得る除去可能なサポート６の配置が、図５に示されている。この構成では、サポート６の少なくとも１つのリッジ６ａが、エアフォイルが製造されている間にエアフォイルを正確に保持することを可能にするために、第１の縁部２８に配置されている。さらに、エアフォイル２を形成する第１の層（破線３２によって示されている）は、ラインによって構成されており、このことは、上述の理由から望ましくない。サポート６が切り取られた後は、リッジ６ａの残部の少なくともいくらかは、第１の縁部２８に必然的に位置している。この残部の存在により、エアフォイルの調整および研磨のステップがより困難になり、かつ、縁部における欠陥、および、製造されるエアフォイル２のセットにおける不規則性に繋がり得る。

Claims (10)

1. パウダーベッド上での選択的溶融による、タービンエンジンのためのエアフォイルプリフォームの製造方法であって、プリフォームが、エアフォイル（２）および、このエアフォイルに固定された少なくとも１つの除去可能なサポート（６）を備え、エアフォイルが、エアフォイルの前縁部または後縁部に対応するエアフォイルの第１の縁部（２８）から、エアフォイルの後縁部または前縁部に対応するエアフォイルの第２の縁部に、層毎に製造され、本方法が、除去可能なサポートおよびエアフォイルを製造することであって、前記除去可能なサポートが、最初に製造プラットフォーム（５）に固定され、次に、エアフォイルの第１の縁部の近位に位置した、エアフォイルの圧力側または吸引側を形成し且つ製造プラットフォームに面する面（２ａ）の部分に固定されるためのものである、製造することを含み、
   本方法が、エアフォイルの圧力側または吸引側を形成し且つ製造プラットフォームに面する面（２ａ）が、前記面から離れるように延びるフラット（３０）を含み、このフラットが、エアフォイルの第１の縁部（２８）の外側に位置する前記面の部分上に存在し、除去可能なサポート（６）が、フラットに固定されているか、フラット（３０）と、第１の縁部（２８）の外側に位置する前記面（２ａ）の部分との両方に固定されていることを特徴とする、製造方法。
2. フラット（３０）が、製造プラットフォームに対して平行であるとともに、エアフォイルの第１の縁部（２８）に対して接線になっている第１の面（３０ａ）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. フラット（３０）が、第１の面（３０ａ）に対して垂直な第２の面（３０ｂ）をさらに備えていることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記フラットの第１の面（３０ａ）と第２の面（３０ｂ）との間の交差部にある、フラットのポイント（３０ｃ）が、０．５ｍｍ以下である、製造プラットフォーム（５）に面するエアフォイルの面（２ａ）からの距離（ｄ）に位置していることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 除去可能なサポート（６）が、多孔性のサポートであることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. タービンエンジンのエアフォイル（２）の製造方法であって、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法により、エアフォイルプリフォームを製造するステップ（ステップＥ１）と、
   除去可能なサポート（６）およびフラット（３０）を、エアフォイルプリフォームから除去するステップ（ステップＥ２）と、
   を含むことを特徴とする、製造方法。
7. 除去可能なサポート（６）およびフラット（３０）を除去することが、エアフォイル（２）を研磨することを含んでいることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. パウダーベッド上での選択的溶融による、タービンエンジンのノズルセクタ（１）の製造方法であって、ノズルセクタが、２つのリングセクタ（３、４）によって保持された複数の固定エアフォイル（２）を備え、本方法が、固定エアフォイルが、請求項６または請求項７に記載のエアフォイルの製造方法によって製造されることを特徴とする、製造方法。
9. エアフォイル（２）および、このエアフォイルに固定された少なくとも１つの除去可能なサポート（６）を備えた、タービンエンジンのエアフォイルプリフォームであって、本プリフォームが、圧力側または吸引側を形成するエアフォイルの面（２ａ）の１つが、前記面から延びるフラット（３０）を含み、このフラットが、エアフォイルの前縁部または後縁部に対応するエアフォイルの第１の縁部（２８）の外側に位置する前記面の部分上に存在し、除去可能なサポート（６）が、フラット（３０）に固定されているか、フラットと、第１の縁部（２８）の外側に位置する前記面（２ａ）の部分との両方に固定されていることを特徴とする、タービンエンジンのエアフォイルプリフォーム。
10. フラット（３０）が、エアフォイル（２）の第１の縁部（２８）に対して接線になっている第１の面（３０ａ）と、この第１の面（３０ａ）に対してほぼ垂直な第２の面（３０ｂ）とを有していることを特徴とする、請求項９に記載のプリフォーム。

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