JP5322371B2 - 一体形ブレード付きディスクを補修する方法、作業開始時および作業終了時テストピース - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械、特に航空用ターボ機械の分野に関し、可動ブレード付きディスクの補修を意図している。

エンジンの増加した性能要求に合わせるために、「ブリスク」と呼ばれる一体形ブレード付きディスクまたはホイールは、現在、ターボジェットエンジンの圧縮機用のチタン合金から製造される。従来のロータにおいて、ブレードは、ディスクの周縁上に作られたハウジングの中に嵌合したそれらのルート部によって保持される。従って、ディスクとブレードは、ブレード付きロータに組み立てられる前に別々に製造される。ブリスクでは、ブレードとディスクは、単一の部分を形成する鍛造ブランクから直接的に機械加工される。この技術は、作るべきエンジンの総重量を実質的に節約するばかりでなく、製造コストを実質的に低減することができる。ブレードのルート部と使用中のキャビティにおけるフレッチング問題はもはや存在しない。

しかしながら、この種類のロータは、補修が困難であるという欠点を有する。作動時に、圧縮機のブレードが、エンジンを介しての異物等の取り込みによって生じる衝撃、またはエンジンを通過して流れる空気によって取り込まれてブレードの表面に接触する、ダストおよび他の粒子によって生じる腐食により、損傷を被る場合がある。この摩耗または損傷は、それが製造者の文書で指示された基準に従って補修することができないときは、一つ以上の欠陥ブレードの交換を必要とする。一体形ブレード付き部品の場合、ブレードは、大きくて重い部品の一体部分であり、従来の装置とは異なって、個々の補修のために交換または取り外しさえも行うことができない。部品を直接ディスク上で補修する必要がある。従って、補修は、サイズ、重量、大きな部品の場合には補修すべき領域への接近性を含む、部品のすべての態様を考慮しなければならない。

従って、ブリスクの場合、一般的に補修に関連する領域は、各ブレードについて、翼端、前縁側の翼角隅、後縁側の翼角隅、前縁および後縁である。ブレードは、いわゆる三次元設計がなされ、３方向に変化する形状およびこの変化する外形に沿った可変厚さを有する特定の特徴を備える。補修可能領域の最大範囲は、エンジンの使用方法、および部品によって支持される空力的負荷を考慮する。

開発された補修技術は、損傷ブレード上の損傷領域を取り除き、次いで、取り除かれた部分を適切な形状の部分と交換するか、または肉盛り溶接することにある。これらの技術は、一般的に、損傷部分を取り除く従来の機械加工動作、補修部分の非接触検査、補修領域の超音波ピーニングおよび再加工のための特有の機械加工を用いている。

本発明は、肉盛り溶接による補修に関する。

補修は、ある種の合金が使用されている場合に実行が特に困難である。その溶接は、体積欠陥を形成する。これは、特に、チタン合金Ｔｉ１７のときにそうである。この合金は、この材料で作られているブレードのような製品に関する、例えば本出願人の欧州特許出願公開第１３４０８３２号明細書に記載されている。肉盛り溶接を実行するとき、航空産業で従来広く使用されていたＴＩＧまたはマイクロプラズマ技術によっては、許容し得る結果が達成される条件の下で、チタンＴｉ１７を処理することができない。

これらの従来の肉盛り溶接技術は、欠陥を形成する。したがって、関連する薄さと比較してかなりの量のエネルギーを用いるＴＩＧ肉盛り溶接は、歪みを発生して、微小孔または微小ブリスタのような多数の孔と広大な熱影響領域（ＨＡＺ）とを形成する。非常に容易に検出することができないこれらの微小孔は、８０％まで機械的特性を低下させる。作動時の部品の挙動におけるそのような弱体化は、受け入れることができず、この種類の肉盛り溶接を用いることはできない。マイクロプラズマ肉盛り溶接は、より小さなＨＡＺを形成するが、依然として比較的大きい。さらに、その方法は、特別な注意、および使用された設備および製品の定期的な検査を必要とし、その結果、機械の動作パラメータは、期待される結果をずらしたり、加減したりしない。

米国特許第６５６８０７７号明細書は、ブリスク上のブレードを補修する方法を記載している。この方法では、ブレードの損傷部分が機械加工され、次いで、第１の操作モードで、消失部分が、タングステン電極アーク溶接（ＴＩＧ）機械によって金属の付着により肉盛りされる。第２の操作モードでは、インサートが、電子ビーム溶接機械によって溶接される。それから、このブレードの外形が、適当な機械加工によって復元される。しかしながら、この方法は、あるチタン合金を溶接するときに遭遇する問題に言及していない。

本出願人は、レーザビームを用いることによる肉盛り溶接技術を使用すると、通常の技術によって遭遇する問題を未然に防ぐことを見出した。特に、レーザ肉盛り溶接は、溶接領域の欠陥を最小化する技術であると思われる。

レーザ肉盛り溶接は、例えば、特に金属の輪郭が、ＣＡＤデータから生成されなければならないような用途で、既に知られていると共に使用されている。その壁は、０．０５ｍｍから３ｍｍの厚さを有し、その層は、高さが０．０５ｍｍから１ｍｍである。この技術により、基板に対して優れた冶金学的結合を達成することができる。

レーザビームによる肉盛り溶接の技術は、次の利点を有する。すなわち、流入熱は、長い間に亘り一定である。熱は、体積の中に蓄積すると共に拡散する時間を有しない。これにより、チタンの場合はほとんどガス放出がなく、強度の低減に制限があるという結果となる。さらに、この技術の再現性および信頼性は良好であり、一旦、機械パラメータが設定されると、それは、容易に制御される。

現在用いられているレーザ技術は、同時に、溶加材を加えると共に、基板にレーザビームを放射する必要がある。この材料は、一般的に、粉末または金属ワイヤの形態で加工領域に付着される。他のバージョンでは、それは、適宜なノズルを使用することにより、加工領域に粉末ジェットの形態で噴霧される。
欧州特許出願公開第１３４０８３２号明細書 米国特許第６５６８０７７号明細書

従って、本発明の一つの主題は、肉盛り溶接技術を使用することにより、一体形ブレード付きディスクを補修する方法である。

本発明によれば、少なくとも一つの損傷領域を有するターボ機械の一体形ブレード付きディスクまたはブリスクを、溶接機械による前記損傷領域の金属の肉盛りによって補修する方法であり、損傷領域を準備する準備ステップと、この領域を金属で肉盛りするステップと、補修された領域を機械加工によって再加工するステップとを含む方法であって、この方法は、
・ 準備ステップは、補修すべき領域の外形を画定するように損傷領域を機械加工することを含み、
・ 肉盛り溶接動作は、レーザ型機械であると共に動作パラメータが予め設定された溶接機械を使用して、前記画定された外形を有する作業開始時テストピースと呼ばれるテストピース上で実行され、
・ 肉盛り溶接後のテストピースの品質が確認され、
テストピースの品質が、補修容認基準に対応しているときは、
・ 補修すべき領域が、その動作パラメータを変更することなく、同じ溶接機械を使用して肉盛りされることを特徴とする。

本発明は、レーザビームによって加熱が実行される肉盛り溶接装置を制御する能力に基づくことによって、工業的スケールで一体的ブレード付きディスクが補修されることを可能にするという利点を有する。一旦、装置が正当であると確認されると共にパラメータが設定されると、必要なことは、従来のテストピースの処理によって、パラメータが正しくずれていないことを確認するだけでよい。意外にも、この方法は、ブリスクほどに複雑な構成部品の修理に対して非常に信頼性があることが分かる。同じディスク上の多くのブレードが肉盛り溶接されるためには、事前確認で十分である。

他の特徴によれば、補完的に動作を適切に実行するために、この方法は、補修すべき領域または補修すべき種々の連続領域が肉盛り溶接された後で、いわゆる作業終了時テストピースを肉盛り溶接するステップと、作業終了時テストピースの品質を確認するステップとを含む。

この方法は、ディスクの金属成分がチタン合金、特にＴｉ１７であるときに特に適している。

肉盛り金属の性質は、制限されないが、好ましくは、肉盛り溶接金属はチタン合金、特にＴｉ１７またはＴＡ６Ｖである。

この方法は、ブレードの端部、前縁角隅または後縁角隅、および前縁または後縁の中から、少なくとも一つの補修すべき領域に適用される。

他の特徴によれば、ブリスクを補修する方法は、調整テストピースを肉盛り溶接することにより、肉盛り溶接装置を調整するステップを含み、そのステップの間にパラメータが予め設定され、次いで、肉盛り溶接の品質を確認するための非破壊および／または破壊検査が行われる。

特に、調整テストピースは、前記肉盛り溶接すべきディスクの翼の前縁または後縁領域の外形に対応する外形を有している。検査は、肉盛り溶接ステップの後に、テストピースから機械加工されたテスト標本で実行される疲労テストを含む。

本発明はまた、この方法を実行する作業開始時または作業終了時テストピースに関する。これは、チタン合金で作られ、その形状が、封止リップで翼端をシミュレートすることによって特徴付けられる。

本発明はまた、チタン合金で作られ、その形状が、所定のモデルに従って機械加工された翼端の前縁または後縁角隅をシミュレートする、この方法を実行する作業開始時または作業終了時テストピースに関する。

本方法を、以下、添付図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、一体形ブレード付きディスク１の一部分を示す。ブレード３は、ディスク５の周りに径方向に分布されている。アセンブリは、単一のブランクから機械加工により、またはその部品の少なくとも一部分を溶接することにより製造されるという意味では、一体形のアセンブリである。特に、ブレードは、脱着式の機械手段によってディスクに結合されていない。損傷を受けやすい領域は、前縁３１、後縁３２、前縁角隅３３、後縁角隅３４、および、知られている封止リップを形成する薄肉部分を備える線状の翼端３５である。

観察される損傷は、その領域の位置に応じる。例えば、前縁、後縁、または翼角隅の上では、これは、異物の衝突または亀裂によって生じた材料の消失である場合がある。翼端においては、エンジンケーシングとの擦れによって頻繁に摩耗がある。経済的および工業的理由により、これらのディスクを補修する動作の標準化が望まれる。従って、補修が可能か否かを確認した後で、標準化した機械加工動作が、損傷を受けた一つまたは複数の領域で実行される。補修すべきか否かの決定は、特に、明らかになった欠陥のサイズまたは範囲に応じる。

損傷領域に応じて、補修すべき領域の形状と寸法が常に同じになるように、所定量の材料が取り除かれる。この形状付け動作は、肉盛り溶接の所望の品質に見合う表面仕上げを確実にする範囲において、機械的機械加工、特に、適宜な工具を使用するミリングにより実行される。

次いで、溶加材を受容することを意図している溶接表面が、機械的にも化学的にも清浄にされる。この清浄化は、基板材料に合わせて行われる。これは、特にチタン合金Ｔｉ１７の場合、または合金ＴＡ６Ｖの場合に重要である。

作業開始時テストピースが、肉盛り溶接される。図２ａおよび図２ｂは、翼端の肉盛り溶接に対応するテストピース１０を示す。一定の厚さおよび例えば４４ｍｍの長さを有する矩形プレートの形態のこのテストピースは、補修すべき領域に共通の特性を有する。
・ 好ましくは、同じ材料で作られており、且つ、
・ 同じ表面、形状、熱的および冶金特性を有している。

図２ｂは、その形状が、補修すべき領域における機械加工後の翼端の形状と同じであるプレートの縁の側面を示す。この端部は、曲面形状の部分１２と、放射の開始時における封止リップの基部を示す部分１４とを備える。その厚さは、翼端の厚さである。

図３ａおよび図３ｂは、翼前縁または後縁角隅を補修するためのテストピースを示す。テストピース２０は、一定厚さの矩形プレートの形態である。このプレートは、翼端角隅の機械加工後の補修すべき領域の外形と同じである外形２２に切断されている。この外形は、翼端に近接していると共に、前縁または後縁に平行な直線部分２２ａを備える。この直線部分２２ａは、前縁または後縁で終端する曲面部２２ｂによって延ばされている。テストピース２０は、翼の前縁または後縁に対する部分２２ｂの結合を示す一体的な第１のルート部２４と、翼端に対する部分２２ａの結合を示す第２のルート部２６とを有する。

図４は、レーザの肉盛り溶接ノズル３０を示す。このノズルは、補修すべき領域上にレーザビーム伝搬軸に沿って、付着すべき金属粉末を供給するチャンネルを有する。このビームは、その部分に向けられており、粉末金属Ｍは、ビームによって加熱された領域にガスＧの流れによってエントレインメントされる。

ノズルは、補修すべき領域に沿って往復運動で移動し、漸次、レーザビームによって付着されると共に溶解された材料層の積み重ねを構築する。厚さは部分に沿って変化するが、肉盛り溶接は、一定の速度と強さで実行される。

パラメータは、特に、内部歪み、再度の機械加工、および熱影響領域（ＨＡＺ）の範囲を制限するように構成される。肉盛り溶接において考慮すべきパラメータは、
・ 表面からのレーザビーム（好ましくは、ＹＡＧレーザ）の焦点の高さ、
・ ヘッド３０の前進速度、
・ ビームによって印加されるエネルギー、
・ 基板の金属と必ずしも同じではない使用粉末（Ｔｉ１７またはＴＡ６Ｖ）、好ましくは３０μｍから１００μｍの粒子サイズ、および焦点、
・ 好ましくはヘリウムまたはアルゴンである、エントレインメント、すなわち閉じ込めガスの性質、
である。

使用すべきノズルの種類は、予め規定されている。速度とエネルギーは、用いられる機械の種類に応じている。

特に、チタンＴｉ１７の場合、体積内に多孔性の出現を防止するために、パラメータが±５％を超えるだけ変化してはならないことが分かった。

層の付着の連続性、それらの厚さ、およびそれらの幅は、視覚的に確認される。その目的は、エントレインメントガスによる遮蔽不足、接着の欠如、亀裂（双眼顕微鏡の下）、および未融合材料による酸化の痕跡を検出することにある。

テストピースの肉盛り溶接が、良好であると考えられるときは、機械のパラメータは正当であると確認される。５％の変動は許容される。

次のステップは、場合によっては一つまたは複数の部分上の肉盛り溶接すべき領域の補修である。テストピースの領域に対応する同じ種類の領域に基づく、すべての準備された領域が、補修される。

肉盛り溶接領域の簡単な目視検査がなされる。その理由は、ブリスク上で利用可能でない多くの空間を必要とする、一つまたは複数の破壊検査技術を使用することができないからである。

作業終了時テストピースは、ブリスクのブレードに対してなされる補修を示す結果を得るように、前のステップと同じ溶接状態の下で製造される。

作業終了時テストピースになされる検査により、問題のブリスクの補修が正当であると確認されるか、またはされないことが可能である。この検査は、金属によって放出されたガスによって形成されるキャビティであるブリスタを探査する金属組織の評価を含む。Ｔｉ１７チタンの場合、微小のブリスタは、５μｍから１００μｍしかない場合があり、簡単なＸ線写真術によって検出することができない。金属組織の評価中に観察される微小孔の密度は、補修を容認する大きな要因である。

肉盛り溶接が完了すると、熱処理および機械再加工動作によって補修が完了する。これらの動作は、従来のものである。

汚染が発生しないように、熱処理中に特別な注意が払われなければならないことに留意されたい。

本発明はまた、肉盛り溶接の補修方法を実行するレーザ溶接装置の検証に関する。その理由は、機械を使い始めると共に、その機械を使用して肉盛り溶接によってブリスクを補修する前に、溶接パラメータ調整のための作業を行う必要があるからである。

本発明の他の特徴によれば、この調整動作は、いわゆる、調整テストピースをテストすることによって行われる。図５から図７に示されたこれらのテストピース５０により、以下のことが可能になる。
・ 酸化していないことを視覚的に確認すると共に、肉盛り溶接の形状を測定する。
・ 熱処理がある場合とない場合について、染料浸透テストおよび断面マイクログラフィックのような破壊検査および非破壊検査によって、機械加工後に肉盛り溶接の冶金学的品質を評価する。
・ 機械的特性に関して、機械加工および熱処理の後で、すなわち、周期的な疲労（ＨＣＦ）テストを実行することにより、レーザ肉盛り溶接Ｔｉ１７材料を特徴付ける。

鍛造ブリスクのブランクから得られた棒を使用するのが好ましい。なぜならば、その棒は、そのような装置によって補修されるブリスクと同じ性質の繊維化方向を有しているからである。

外形形状が、翼の前縁または後縁の損傷領域から切り欠かれている凹みに対応する、切り欠き凹部５２を有する平行六面体棒５０が、補修すべき領域を形成するために肉盛り溶接されている。この棒は、翼より幅広である。この凹部５２は、正当であるとの確認が望まれる機械によって肉盛り溶接される。棒の幅のために、肉盛り溶接は、種々の層を横断することによって実行される。図６に示すように、場合によっては、少しも重要でないわずかなオーバハングをもって溶接が完了したとき、薄片５６が棒から切断される。この薄片５６は、図６に斜線で示されるように、肉盛り溶接部５４を含む。図７は、肉盛り溶接領域を組み込んでいる棒を形成する中央部５６ａを得るために機械加工された、この薄片５６を示す。その中央部において、棒５６ａの全厚さは、肉盛り溶接材料で構成されている。棒５６ａの各側では、より広いタブ５６ｂが、周期的な疲労試験が実行される機械のあご部に把持されるためのタブを形成する。

調整テストピースのテストが満足であるとき、装置の調整が完了したと考えられる。次いで、ブリスクの補修作業が実行され得る。二つのブリスクの補修作業の間では、装置の調整のための作業を実行する必要がない。作業開始時および作業終了時のテストピースが、十分な肉盛り溶接の結果を与えることを確認するだけで十分である。

一体形ブレード付きディスクの部分図である。 翼端を補修する本発明の方法を実行するのに使用される、作業開始時または作業終了時テストピースの正面図である。 翼端を補修する本発明の方法を実行するのに使用される、作業開始時または作業終了時テストピースの側面図である。 翼端隅角を補修する本発明の方法を実行するのに使用される、作業開始時または作業終了時テストピースの正面図である。 翼端隅角を補修する本発明の方法を実行するのに使用される、作業開始時または作業終了時テストピースの側面図である。 レーザ肉盛り溶接ノズルの縦断面図である。 レーザ肉盛り溶接装置を調整するのに使用される機械的特性立証テストピースを示す図である。 肉盛り溶接後における図５のテストピースを示す図である。 図６の肉盛り溶接されたテストピースから切断された周期的疲労テスト用の標本を示す図である。

符号の説明

３ ブレード
５ ディスク
１０ テストピース
１２ 曲面形状の部分
１４ 封止リップの基部を示す部分
２０ テストピース
２２ 外形
２２ａ 直線部分
２２ｂ 曲面部
２４ 第１のルート部
２６ 第２のルート部
３０ 肉盛り溶接ノズル
３１ 前縁
３２ 後縁
３３ 前縁角隅
３４ 後縁角隅
３５ 翼端
５０ 平行六面体棒
５２ 切り欠き凹部
５４ 肉盛り溶接部
５６ 薄片
５６ａ 中央部
５６ｂ タブ

Claims (16)

1. 少なくとも一つの損傷領域を有するターボ機械の一体形ブレード付きディスクまたはブリスクを、肉盛り溶接機械による前記損傷領域の金属の肉盛りによって補修する方法であり、損傷領域を前処理する前処理ステップと、損傷領域を金属で肉盛りするステップと、補修された領域を再加工するステップとを含む方法であって、
   ・ 前処理ステップが、補修すべき領域の外形を画定するように損傷領域を機械加工することを含み、
   ・ 肉盛り溶接動作が、レーザ型機械であると共に動作パラメータが予め設定された肉盛り溶接機械を使用して、前記画定された外形を有する作業開始時テストピースと呼ばれるテストピース上で実行され、
   ・ 前記予め設定された動作パラメータが正当であることを確認するために肉盛り溶接後のテストピースの品質が確認され、
   テストピースの品質が容認基準に対応しているときは、
   ・ 補修すべき領域が、その動作パラメータを変更することなく同じ機械を使用して肉盛りされ、
   補修すべき領域が肉盛り溶接された後で、当該肉盛り溶接による補修が正当であることを確認するため、最初の作業開始時テストピースと同一の、いわゆる作業終了時テストピースを肉盛り溶接するステップと、作業終了時テストピースの品質を確認するステップとを含むことを特徴とする、方法。
2. ディスクの金属成分が、チタン合金である、請求項１に記載の方法。
3. ディスクの金属成分が、Ｔｉ１７またはＴＡ６Ｖである請求項２に記載の方法。
4. 肉盛り溶接金属が、チタン合金である、請求項２または３に記載の方法。
5. 肉盛り溶接金属が、Ｔｉ１７またはＴＡ６Ｖである請求項４に記載の方法。
6. 損傷領域が、翼端に位置している、請求項１に記載の方法。
7. 損傷領域が、翼の前縁角隅または後縁角隅である、請求項１に記載の方法。
8. 損傷領域が、翼の前縁または後縁に位置している、請求項１に記載の方法。
9. 肉盛り溶接ステップが、レーザビームによって溶加材を溶融することによって実行される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. ディスクが、少なくとも二つの損傷領域を有し、前記二つの損傷領域が、作業開始時テストピースの処理後に補修される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 溶接パラメータの調整のための調整テストピースを肉盛り溶接することにより、肉盛り溶接装置を調整するステップを含み、該肉盛り溶接装置を調整するステップの間に、パラメータが予め設定され、次いで、肉盛り溶接の品質を確認するための非破壊および／または破壊検査が行われる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の一体形ブレード付きディスクを補修する方法。
12. 調整テストピースが、前記ディスクの翼の前縁または後縁の肉盛り溶接すべき領域の外形を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 検査が、肉盛り溶接ステップの後に、調整テストピースから機械加工されたテスト標本で実行される疲労テストを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 調整テストピースが、鍛造ブリスクのブランクから切断される、請求項１１に記載の方法。
15. チタン合金で作られ、翼端の形状を有する、請求項６に記載の方法を実行する、作業開始時または作業終了時テストピース。
16. チタン合金で作られ、所定のモデルに従って機械加工された翼端の前縁または後縁角隅の形状を有する、請求項７に記載の方法を実行する、作業開始時または作業終了時テストピース。

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