JP2007314879A - 金属複合材発泡体構成部品を製造する方法及び金属複合材構成部品のためのプリフォーム - Google Patents

Abstract

【課題】金属複合材構成部品又はガスタービンエンジン用のブレードを製造する方法を提供する。
【解決手段】本方法は、セラミック又は金属発泡体材料を含むコアを準備する段階と、構成部品又はブレードの外部輪郭を定める空洞を有する金型内にコアを配置する段階と、混合物を金型内に射出して発泡体のセル内容積に侵入させる段階と、プリフォームから結合剤の大部分を除去する段階と、プリフォームを加熱して、結合剤の残部を除去しかつ金属粉末を互いに焼結させて完成構成部品又はブレードを形成する段階とを含む。金属複合材構成部品のためのプリフォームは、それらの間にセル内容積を備えたセラミック又は金属セル壁を有する発泡体材料のコアを含む。コアは、構成部品の外部輪郭の少なくとも一部分を形成する。金属粉末及び結合剤の混合物が、セル内容積内に配置される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、総括的には金属構成部品に関し、より具体的にはその構造の一部として発泡体を含む複合材構成部品に関する。

特にセラミック及び／又は金属セル壁を備えた発泡体を含む一部の発泡体は、構造材料として有望である。具体的には、それら発泡体は、軽量、高強度かつ耐熱能力があるガスタービンエンジン用の構成部品として有用であると言える。例えば溶融合金を発泡体内に導入した後に溶融合金を凝固させることによるなど、発泡体のセル内空間を金属合金で満たすことによって、そのような発泡体から複合材料を形成することが提案されてきた。

しかしながら、多くの金属合金に必要な高温処理により、発泡構造体内に不均一な加熱及び熱応力が生じる可能性がある。このことは、発泡体の即時熱疲労破壊を招いて、発泡体を意図する目的に使用できなくするおそれがある。
米国特許第６，４３５，８２４号公報 米国特許第６，４４３，７００号公報

従って、セラミック又は金属発泡体コアを使用しながら発泡体の構造健全性を保った状態で複合材金属構成部品を製造する方法に対する必要性が存在する。

上記の必要性は、本発明によって満たされ、１つの態様によると、本発明は、金属複合材構成部品を製造する方法を提供し、本方法は、それらの間にセル内容積を備えたセラミック又は金属セル壁を有する発泡体材料を含むコアを準備する段階と、構成部品の外部輪郭を定める空洞を有する金型内にコアを配置する段階と、金属粉末及び結合剤の混合物を準備する段階と、結合剤を溶融させかつ混合物を金型内に射出してセル内容積に侵入させる段階と、プリフォームから結合剤の大部分を除去する段階と、プリフォームを加熱して、結合剤の残部を除去しかつ金属粉末を互いに焼結させて完成構成部品を形成する段階とを含む。

本発明の別の態様によると、前縁、後縁、先端、根元及び対向する側面を備えた翼形部を有するガスタービンエンジン用のブレードを製造する方法は、それらの間にセル内容積を備えたセラミック又は金属セル壁を有する発泡体材料を含むコアを準備する段階と、翼形部の外部輪郭を定める空洞を有する金型内にコアを配置する段階と、金属粉末及び結合剤の混合物を準備する段階と、結合剤を溶融させかつ混合物を金型内に射出してセル内容積に侵入させる段階と、プリフォームから結合剤の大部分を除去する段階と、プリフォームを加熱して、結合剤の残部を除去しかつ金属粉末を互いに焼結させて完成ブレードを形成する段階とを含む。

本発明の別の態様によると、金属複合材構成部品のためのプリフォームは、それらの間にセル内容積を備えたセラミック又は金属セル壁を有する発泡体材料を含みかつ構成部品の外部輪郭の少なくとも一部分を形成するコアと、セル内容積内に配置された金属粉末及び結合剤の混合物とを含む。

本発明は、添付図面の図と関連させて行う以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

様々な図を通して同一の参照符号が同じ要素を示している図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン用の例示的なタービンブレード１０を示している。本発明は、その他のタイプの金属構成部品の製作に対しても同様に適用可能であり、そのような金属構成部品の非限定的な実施例には、回転圧縮機ブレード、固定タービンベーン、タービンシュラウド及びこれらに類したものが含まれる。タービンブレード１０は、前縁１４、後縁１６、先端１８、根元１９、並びに対向する側面２０及び２２を有する翼形部１２を含む。弓形の内側プラットフォーム２４が、翼形部１２の根元１９に取り付けられる。ダブテール２６が、ブレード１０をロータスロット内に取り付けるために下向きに延びる。

図５は、タービンブレード１０を製造するための工程を示している。先ず始めに、ブロック３２に示すように、発泡体材料のコアを準備する。コアのサイズ及び形状は、特定の用途に適合するように変化させることができる。この図示した実施例では、コアは、タービンブレード１０の外部輪郭を形成し、従ってその外観が完成タービンブレード１０と同様である。それに代えて、コアは、ビームセクションのような内部補強部材を形成するようにより小さく製造することもできる。

図２に示すコアの発泡体材料は、それらの間にセル内容積３０を有するセル壁２８で構成されたオープンセル固体発泡体である。セル壁２８は、発泡体の容積を貫通して連続している。「オープンセル」という用語が暗示するように、セル内容積３０もまた連続している。つまり、発泡体材料は、２つの相互貫入した連続領域、すなわちセル壁２８とセル内容積３０で形成されている。１つの実施形態では、セル壁２８は、発泡体材料の少なくとも約６０体積％を占めており、発泡体材料の約６０〜約８０体積％を占めることができる。セル内容積３０は、発泡体体積の残余部分を占める。

セル壁２８は、セラミック材料、金属材料又はそれらの混合物で作ることができる。セル壁２８にセラミックを使用する場合には、あらゆる使用可能なセラミックを使用することができる。例示的なセラミック材料は、酸化アルミニウム（「アルミナ」）である。酸化アルミニウムは、その低密度の故に特に関心があるものである。セラミック材料は、セラミックの混合物とすることができ、最大の体積で存在するセラミックが、「ベースセラミック」である。

ベースセラミックに１つ又はそれ以上の改質用セラミックを混合して、その特性を変更することができる。例えば、改質用セラミックは、ベースセラミックよりもアブレシブなセラミック材料とすることができる。酸化アルミニウムよりもアブレシブでありかつ酸化アルミニウムベースセラミックと混合することができるアブレシブ改質用セラミックの実施例には、立方晶窒化ホウ素及びゾルゲルアルミナがある。改質用セラミックは、ベースセラミックよりもアブレシブでない、つまりベースセラミックよりもアブレイダブルなセラミック材料とすることもできる。酸化アルミニウムよりもアブレイダブルでありかつ酸化アルミニウムベースセラミックと混合することができるアブレイダブル改質用セラミックの幾つかの実施例には、窒化ケイ素及び炭化ケイ素が含まれる。改質用セラミックの相対量は、所望の改質量に従って選択される。

上記のセラミック発泡体材料及びそれらの製作については、Ｓｃｈｅｌｌ他に付与されかつ本発明の出願人に譲渡された米国特許第６，４３５，８２４号に記載されている。

セル壁２８に金属を使用する場合には、意図した作動条件に適したあらゆる合金を使用することができる。タービンエンジン構成部品に好適であることが知られている合金の実施例には、アルミニウム、チタン、鉄、コバルト及びニッケル合金が含まれる。タービン構成部品に有用な合金の具体的な実施例には、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、並びにＩＮＣＯ ７１８、ＵＤＩＭＥＴ ７２０及びＲｅｎｅ １９５のようなニッケル基合金、並びにＡ２８６のように鉄基合金が含まれる。

上記の金属発泡体材料については、Ｇｒｙｌｌｓ他に付与されかつ本発明の出願人に譲渡された米国特許第６，４４３，７００号に記載されている。

続いて図５のブロック３４において、コアは、タービンブレード１０の外部輪郭のめす型を形成した空洞を有する金型（図示せず）内部に配置される。必要に応じて、コアは、適当な固定具で金型内部に設置することができる。

金型内に射出するために、金属粉末及び適当な結合剤が準備される。金属粉末は、単一の合金とすることができ、或いは１つよりも多い合金の機械的混合物とすることができる。本明細書で使用する場合、「粉末」という用語は、あらゆる一般に自由流動する乾燥形態の金属合金を意味しており、何らかの特定の粒子形状又は粒度に限定されるものではない。タービンブレードを構成するのに適した公知の合金類の非限定的な実施例には、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖのようなチタン合金、ＩＮＣＯ ７１８、ＵＤＩＭＥＴ ７２０又はＲｅｎｅ １９５のようなニッケル基合金、及びＡ２８６のような鉄基合金が含まれる。

結合剤は、金属粉末と化学的に適合性がありかつ必要な処理（例えば、混合、射出、凝固及び浸出）を可能にするあらゆる材料とすることができる。公知の好適な結合剤の実施例には、ワックス及びポリマー樹脂が含まれる。結合剤は、粉末の形態で準備することができる。

結合剤及び金属粉末は、互いに完全に機械的に混合される。次に混合物を加熱して、結合剤を溶融させ、金属粉末が結合剤で被覆された状態の流体を形成する。次に、ブロック３６において、混合物は、公知の射出成形装置を使用して該混合物を金型の空洞内に押し出すことによって、タービンブレード１０の形状に成形される。任意選択的に、金型は、脆いプリフォームを形成することになる結合剤の過度に急速な凝固を回避するために加熱することができる。射出工程の間に、結合剤及び金属粉末は、コアの周り及び内部に流れ、コアのセル内容積３０を満たす。混合物は、例えば約１５０℃（３００°Ｆ）のような比較的低い温度の状態にある。従って、コアに加わる熱応力は、最小化される。混合物が凝固したら、金型が開かれ、得られたプリフォームが取り出される（ブロック３８）が、これは内部にコアを有する圧縮成形されていないプリフォームつまり「グリーン」プリフォームである。図３は、結合剤４０及び金属粉末４２がセル内容積３０内に配置された状態の「グリーン」プリフォームの物理的構造を示している。

「グリーン」プリフォームは、セル内容積３０内で凝固した結合剤４０中に浮遊している金属粉末粒子４２を含む。プリフォームは、完成構成部品として使用するには適さないが、更なる処理を行うのに十分な機械的強度だけは有する。図５のブロック４４において、プリフォームは、浸出処理されて、結合剤４０の大部分が除去され、いわゆる「ブラウン」プリフォーム（図４参照）を形成する。これは、結合剤を溶解するが金属粉末４２は侵食しない適当な溶剤を使用してプリフォームを浸漬するか又は洗浄することによって行うことができる。

次に、ブロック４６において、「ブラウン」プリフォームは、焼結される。プリフォームは、焼結工程の間におけるプリフォームの望ましくない酸化又はその他の反応を防止する適当な雰囲気を形成するための手段を含むチャンバ内に配置される。この図示した実施例では、アルゴンのような不活性ガスの供給源が、チャンバの内部に連結される。焼結処理はまた、真空下で行うこともできる。

プリフォームは、金属粉末４２の液相温度以下であるが、金属粉末４２を互いに融着させかつ圧密化させるのに十分に高い温度、例えば約７００℃（１３００°Ｆ）まで加熱される。この高温度はまた、あらゆる残存結合剤を溶融して流し出す。プリフォームは、圧密化したタービンブレード１０を得るのに十分に長い選択した時間にわたって所望の温度に保持される。加熱速度は、プリフォームの質量及び焼結工程の所望のサイクル時間のような変数に応じて選択される。金属粉末４２は、初期焼結サイクルの間に発泡体材料に支持を与えて、通常発生する即時熱疲労破壊を防止し、次に発泡体材料が構造体の一体形部分になることを可能にする。その結果、発泡体の存在は、タービンブレード１０に対して剛性又はその他の機械的特性のいずれかの向上をもたらすことができる。

焼結サイクルが完了した時、タービンブレード１０は、チャンバから取り出されて放冷される。必要な場合には、タービンブレード１０は、実質的に１００％緻密な構成部品を得るために、公知の熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）法を用いてさらに圧密化することができる。所望に応じて、タービンブレード１０は、公知の方法で最終機械加工、被覆処理、検査などのような付加的な工程を施すことができる。

以上は、金属複合材発泡体構成部品の製造方法について説明した。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、それらの実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態についての以上の説明は、本発明を限定するためではなく、単に説明するためのみに示したものであり、本発明は、特許請求の範囲によって定まる。

例示的な金属構成部品の斜視図。 金属射出成形工程の前における図１の構成部品の構造を示す、図１の線２−２に沿って取った部分断面図。 その製造工程の第１の段階の後における図１の構成部品の構造を示す図。 第２の段階の後における図１の構成部品の構造を示す図。 本発明により行われる製造工程のブロック図。

符号の説明

１０ タービンブレード
１２ 翼形部
１４ 前縁
１６ 後縁
１８ 先端
１９ 根元
２０ 対向する側面
２２ 対向する側面
２４ 内側プラットフォーム
２６ ダブテール
２８ セル壁
３０ セル内容積
３２ ブロック
３４ ブロック
３６ ブロック
３８ ブロック
４０ 結合剤
４２ 金属粉末
４４ ブロック
４６ ブロック

Claims (10)

1. 金属複合材構成部品を製造する方法であって、
   それらの間にセル内容積（３０）を備えたセラミック又は金属セル壁を有する発泡体材料を含むコアを準備する段階と、
   前記構成部品の外部輪郭を定める空洞を有する金型内に前記コアを配置する段階と、
   金属粉末（４２）及び結合剤（４０）の混合物を準備する段階と、
   前記結合剤（４０）を溶融させかつ前記混合物を金型内に射出して前記セル内容積（３０）に侵入させる段階と、
   前記プリフォームから前記結合剤（４０）の一部分を除去する段階と、
   前記プリフォームを加熱して、前記結合剤（４０）の残部を除去しかつ前記金属粉末（４２）を互いに焼結させて前記完成構成部品を形成する段階と、
   を含む方法。
2. 前記加熱する段階の後に、前記構成部品に対して熱間等静圧圧縮成形処理を行う段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記コアが、前記構成部品の外部輪郭の少なくとも一部分を形成する、請求項１記載の方法。
4. 前記コアが、前記構成部品よりも小さく、かつ内部補強部材を形成する、請求項１記載の方法。
5. 前記セル壁がセラミックである、請求項１記載の方法。
6. 前記セル壁が、本質的にアルミナから成る、請求項1記載の方法。
7. 前記構成部品が、ガスタービンエンジン用の翼形部（１２）である、請求項1記載の方法。
8. 金属複合材構成部品のためのプリフォームであって、
   それらの間にセル内容積（３０）を備えたセラミック又は金属セル壁を有する発泡体材料を含み、かつ前記構成部品の外部輪郭の少なくとも一部分を形成するコアと、
   前記セル内容積（３０）内に配置された金属粉末（４２）及び結合剤（４０）の混合物と、
   を含むプリフォーム。
9. 前記コアが、前記構成部品よりも小さく、かつ内部補強部材を形成する、請求項８記載のプリフォーム。
10. 前記セル壁が、本質的にアルミナから成る、請求項８記載のプリフォーム。