JPH0378212B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、中空物品を製作する新規な改良され
た方法に関する。

ガスタービンエンジンのロータブレードのよう
なある種の物品は、大抵、軽量化と冷却促進の目
的で中空に、即ち内部空所を有するように製作さ
れる。かゝる中空ロータブレードを製作するつの
方法は、外部表面を形成するセラミツク鋳型およ
び内部表面を形成するセラミツクインサートまた
は中子を用いる鋳造である。鋳型および中子間に
溶湯（金属）を注入し、金属が凝固するまで全体
を冷却する。次に鋳型をはずし、中子を化学的手
段で溶解し、完成ブレードを得る。この製作方法
は、多数の材料について種々の温度で使用して好
結果が得られているが、幾つかの限定条件をもつ
ている。例えば共晶ブレードのようなある種のブ
レードを製作する場合、鋳造金属合金の凝固中
に、セラミツク鋳型、中子および鋳造材料の間の
反応の結果として、新たに成形されたブレードの
表面に炭化物が生じる。炭化物を化学的に除去す
ると、ブレードの内外表面に角のとがつたピツト
または穴状欠陥を残す恐れがある。かゝるピツト
は結果的にブレード寿命を短くする。ピツトの生
成を避けるには、ブレード表面から炭化物を機械
的に除去しなければならない。しかし、この余分
の工程により製作時間とコストが増加する。

中空ブレードを製作するのに用いられている別
の方法では、ブレードを２つの別々の半部として
鋳造し、各半部の内側部分に別々に空所を切削ま
たはフライス削りし、次いで両半部を一緒に締付
けまたは結合する。この製作方法も使用されて好
結果をあげているが、幾つかの欠点を有する。例
えば、ブレード半部を別々に鋳造する結果、両半
部を結合する際に両半部間の不整合が生じ、補正
に追加の時間と費用を必要とする。さらに、結合
線、即ち両半部の隣接表面間の界面は通常完成ブ
レードの前縁から後縁まで延在する。しかし、ブ
レードの前縁と後縁は高応力高温区域である。こ
のような高応力高温区域には、構造的一体性を保
つために結合線を通さないのが好ましい。

さらに、大抵の場合結合線は、ブレードの翼弦
線をたどり、従つて湾曲している。両半部を一緒
に結合する過程で両半部に圧力を加える必要があ
る場合、圧力がもつとも効果的に働くのが直角で
あるが、圧力を結合線に対してほゞ直角に加える
のは困難である。さらに、ロータブレードの場
合、その表面の一方が凹面で他方が凸面であるの
で、両半部の外側表面に圧力を加えるのが困難で
ある。

本発明は、その１例では、中空物品を製作する
方法を提供し、この方法によれば、材料の中実素
材を形成し、素材上に少くとも１つの基準を設定
し、素材を２部品に切断し、２部品の隣接表面を
心合せする心合わせ手段を設定し、２部品を分離
し、隣接表面の少くとも一方に少くとも１個の空
所を成形し、心合わせ手段を用いて隣接表面を心
合せし、２部品を一緒に締付け、前記基準を位置
基準として利用して、物品の外表面を成形する。

本発明の方法の特定形態では、切断線を物品の
低応力区域を通るように選択し、両部品の隣接表
面用の心合わせ手段としてダボを用いる。物品の
内外表面の成形は、機械加工により行うことがで
きる。物品の外表面がエアーホイル部とベース部
を含む場合、最初にエアーホイル部を成形し、エ
アーホイル部に第２基準を設定し、この第２基準
を位置基準として利用して、ベース部を成形す
る。

次に図面を参照しながら本発明を詳述する。

第１図に本発明の方法に従つて製作した中空物
品を示す。ここで「中空物品」はその内部に空
所、〓間または空間を有する物品を意味する。第
１図に示す中空物品はロータブレード１０で、エ
アーホイル（翼型）部１１とベース部１２とより
なり、後者はプラツトホーム１３およびダブテイ
ルまたはあり１４を含む。以下に、このようなロ
ータブレードの製作に関連して本発明の方法を説
明するが、本発明の方法は他の中空物品を製作す
るのに用いても適切であることが理解できるはず
である。

次に第２図に移ると、本発明の製作方法の第１
工程は、これから製作すべき物品、例えば破線で
示すロータブレード１０の寸法より大きいか等し
い寸法を有する材料の中実素材、例えば材料ブロ
ツク２０を形成することである。素材は、任意の
望ましい形状のものとすることができるが、ほゞ
直方体のブロツク２０が好ましい。その理由は、
以下の説明からわかるように、ブロツク２０を２
部品に切断した後、外表面に平坦なら２つの部品
に対して、従つて結合すべき表面に沿つて一層均
一に圧力を発揮できるので、平坦な外表面により
２部品の結合が容易になるからである。素材ブロ
ツクの形成は、材料を型で鋳造することによつて
行う。これが、本発明の方法においては、鋳造プ
ロセスを用いる唯一の工程である点で好ましい。
後述するところから明らかなように、物品の内外
表面を鋳造材料素材から、例えば機械加工によつ
て成形するので、鋳造の結果として材料素材の表
面に生じるであろう炭化物は物品の内外表面の成
形時に除去されるはずである。

物品を製作する材料は、物品が使用される環境
などの因子を考慮して選ぶ。ガスタービンエンジ
ン用のロータブレードの場合、適当な材料とし
て、例えば商業的にRene'150として知られる鋳
造ニッケル基超合金があり、これについては本出
願人に譲渡されたWukusickの米国特許第
4169742号（1979年10月２日公告）に詳述されて
いる。

共晶ロータブレードの製作に用いるのに特に適
当な材料の別の例は、商業的にNiTaC14bとして
知られる整列炭化物繊維強化複合共融合金であ
り、これについては本出願人に譲渡された
Smasheyの米国特許第3904402号（1975年９月９
日公告）ら詳述されている。

ブロツク２０は上方部分２１と下方部分２２を
含み、これらはそれぞれこのブロツクから形成す
る予定のロータブレード１０のエアーホイル部１
１とベース部１２に位置が対応する。

ブレード１０の長さ方向の強度を増すために、
ブロツク２０を構成する材料の粒子を長さ方向
に、即ちブロツクの上方部分から下方部分に配向
させることができる。かゝる粒子配向は、任意適
当な方法でのブロツク２０の方向性凝固によつて
達成することができる。

本発明の製作方法の次の工程は、材料素材上に
少くとも１つの基準、好ましくは複数の基準を設
定することである。この基準は後で、物品の内部
空所および外表面を成形するための、また切断後
の材料素材の２部品を適正に心合せし締付けるた
めの位置基準として用いられる。

材料素材がブロツク２０である場合、ブロツク
２０の少くとも３つの隣接側面の部分を精密研削
して、少くとも１つの角を規定することにより、
少くとも１つの基準を設定する。例えば、第２図
に示すように、ブロツク２０の下方部分２２の下
面２４および２つの側面２５および２６により規
定された角に基準２３を設定することができる。
この角が基準２３の原点を定め、３つの隣接側面
２４，２５および２６の交線が基準２３の軸、具
体的にはＸ，ＹおよびＺ軸を規定する。ブロツク
２０の角のうち２つの角に基準２３を設定して、
ブロツク２０を２部品に切断したとき各部品が１
つの基準を持つようにするのが好ましい。

基準をブロツク２０の角以外の位置に設定して
もよい。しかし、ブロツク２０の上方部分２１を
ロータブレード１０のエアーホイル部１１に形成
するときに、基準を位置基準として使用できるよ
うに、基準をブロツク２０の下方部分２２に配置
する必要がある。

第２図おかび第３図において、次に材料素材、
例えばブロツク２０を２部品３０および３１に切
断する。実線３２で示される切断線（場合によつ
ては結合線とも称される）は、ブロツク２０内を
長さ方向にブロツクの上方部分２１から下方部分
２２に、かつブロツクの側面２６および２７間を
軸線方向に延在し、従つて両部品３０と３１の間
の界面である。切断線３２は、両部品３０および
３１の隣接表面３３および３４を示すことにもな
る。切断線３２は、製作すべき物品内の相対的に
低応力および低温度の区域を通るように選ぶ。例
えば、物品がロータブレード１０である場合、ロ
ータブレードのエアーホイル部１１の高応力区域
は前縁３５および後縁３６である。前縁３５およ
び後縁３６およびその近くでは、エアーホイル部
１１がより幅狭であるので、エアーホイルのこれ
らの部分に加える応力はエアーホイル部の幅広な
中心部分での応力より集中される。さらに、前縁
３５および後縁３６はエアーホイルの残りの部分
より高温になりがちであり、従つて熱応力がより
大きくなる。従つて、切断線３２が、その切断に
よりエアーホイル構造一体性が悪影響を受ける恐
れのある前縁３５および後縁３６を横切らないの
が好ましい。その代り、エアーホイル部１１を破
線で示した第３図からわかるように、本発明にお
いては、切断線３２が、低応力区域であるエアー
ホイル部１１の幅広な中心部分を横切る。さらに
具体的に説明すると、エアーホイル部１１は普通
凸面である吸引側３７と普通凹面である加圧側３
８とを具える。第３図の構成では、切断線３２は
エアーホイル部１１の吸引側３７とだけ交差す
る。

切断線３２は、この切断線で作られる隣接表面
３３および３４が、２つの部品３０および３１を
互に締付けるとき圧力が加えられるブロツク２０
の表面にほゞ平行な平坦表面を１個または複数個
数含むようにするのが好ましい。第３図の構成で
は、隣接表面３３および３４のそれぞれが、ほゞ
長さ方向に延在する軸線に沿つて交差する２つの
平坦表面を有する。この結果両部品３０および３
１それぞれの平坦表面同士がなす角度によつて、
後で２部品を互に締付ける際の２部品の軸線方向
心合わせが容易になる。２つの部品がこの斜交位
置でぴつたり合うまたははまり合うからである。
湾曲した隣接表面を設けるのに較べて、ブロツク
側面２５および２８にほゞ平行に延在する平坦表
面を含む隣接表面を設ける利点は、側面２５およ
び２８に対して加えられる圧力を利用して両部品
を一緒に締付けるか結合するとき、平坦表面が圧
力を隣接表面に沿つてまた隣接表面に直角に均一
分布させる作用をなし、この結果一層良好な結合
が得られる。

ブロツク２０の切断は任意所望の手段で行うこ
とができる。かゝる切断手段の１例は、放電加工
（EDM＝electrodischarge machining）によるワ
イヤ切断である。

本発明の製作方法の次の工程は、２つの部品３
０および３１の隣接表面３３および３４を心合わ
せする心合わせ手段を設定することである。任意
所望の心合わせ手段を使用することができる。心
合わせ手段の１例は、第３図に示したように、互
にある角度で配置され、隣接表面３３および３４
のそれぞれを構成する平坦表面の斜交配置であ
る。かくして隣接表面３３および３４が互に嵌合
し、２つの部品３０および３１を軸線方向で心合
わせする。

他の心合わせ手段は第２図に示す通りのダボ４
０である。ダボ４０の断面形状に一致する形状の
穴４１を、ブロツク２０の両部品３０および３１
それぞれにドリルまたは他の手段であける。穴４
１が物品、即ちロータブレード１０に形成される
予定のブロツク部分に延在しないような位置に穴
４１をあけるのが好ましい。例えば、穴４１をブ
ロツク２０の下方部分２２にあり１４より下側位
置に配置することができる。両部品３０および３
１を適正に心合せするために、ダボ４０が穴４１
にぴつたりはまる必要がある。両部品３０および
３１を心合わせするために、ダボ４０を上述した
平坦表面の斜交配置と併用することができる。

次にブロツク２０の２部品３０および３１を分
離する。製作中の物品の中空内部を画成するため
に、隣接表面３３および３４の少くとも一方に少
くとも１個の空所を成形する。第４および５図に
分離した後の２つの部品３０および３１を示す。
隣接表面３３および３４に、機械加工などの適当
な手段で空所４２および４３をそれぞれ形成す
る。基準２３およびダボ４０用の穴４１を、空所
４２および４３を正確に機械加工するための基準
位置として使用することができる。勿論、２つの
部品３０と３１とを一緒に締付けたときロータブ
レード１０の内部空所となる予定の空所４２およ
び４３の数と形は、重量を減らし冷却を向上する
必要に応じて変えることができる。

次に両部品３０および３１の隣接表面３３およ
び３４を、心合わせ手段、例えばダボ４０によつ
て、また所望により基準２３を利用して心合わせ
する。

このように心合わせし終つた２つの部品３０お
よび３１を次に一緒に締付ける。締付けは任意適
当な手段、例えば結合によつて行うことができ
る。好適に使用できる結合の１例は活性化拡散結
合（ADB＝activated diffusion bonding）とし
て知られる技術である。ADB法では、ホウ素薄
膜を隣接表面３３および３４間に配置し、これを
加熱加圧するとホウ素が隣接表面中に拡散して両
部品３０および３１を互に結合させる。前述した
ように、結合に圧力が必要とされるように、締付
けに圧力が必要とされる場合、第３図から明らか
なように、ブロツク２０の平坦側面２５および２
８は、圧力を両部品３０および３１に対してかつ
切断線３２に沿つて均一に加えるのを容易にする
よう機能する。同様に、両部品３０および３１の
隣接表面３３および３４を構成する平坦表面は、
圧力を隣接表面に対してほゞ直角に均一に分布さ
せるよう機能する。直角方向が結合を促進するの
にもつとも有効な圧力角度である。

次に基準２３を位置基準として利用して、物品
の外表面を任意適当な手段で、例えば機械加工に
よつて成形する。物品がロータブレード１０であ
る場合、第６図に示すように、エアーホイル部１
１を最初に成形することができる。次に少くとも
１つの第２基準５０をエアーホイル部に、例えば
エアーホイル部の前縁または後縁の端部に設定す
る。第２基準５０を位置基準として利用して、第
７図に示すようにプラツトホーム１３とあり１４
を含み得るベース部１２の外表面を成形する。

こうして物品、例えばロータブレード１０の製
作を完了する。第１図に示すように、ロータブレ
ード１０の種々の位置に冷却用穴をドリル、中ぐ
りバイトまたは他の手段、例えば放電加工によつ
てあけることができる。第６図に示すような物品
の外表面から内部まで延在する大きな空所５２も
適当な手段で、例えば放電加工によつて形成する
ことができる。

最後に、所望に応じて、第８図に示す先端キヤ
ツプ５３をロータブレード１０の先端に、第１図
に示すような配置で、例えば結合によつて取付け
ることができる。先端キヤツプ５３の開口５４の
形状に合致する冷却用穴をドリル、中ぐり、放電
加工または他の手段で、先端キヤツプからロータ
ブレード１０内の空所４２，４３まで延在させ
て、冷却空気用の空所からの出口を形成すること
ができる。

或はまた、ロータブレード１０に一体の先端キ
ヤツプをもたせることができる。かゝる一体先端
キヤツプの内方部分を隣接表面３３および３４に
それぞれ形成される空所４２及び４３と一緒に形
成し、先端キヤツプの外方部分をロータブレード
１０の外表面を形成するときに形成することがで
きる。かゝる先端キヤツプに適当な冷却用穴を、
上述した手段で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法により製作した物品の側
面図、第２図はそれから物品を製作し始める材料
ブロツクの斜視図、第３図は第２図の３−３線方
向に材料ブロツクを見てブロツクの切断線を示す
頂面図、第４図および第５図はブロツクを切断し
た２部品をその表面に空所を形成した状態で示す
斜視図、第６図は物品のエアーホイル部を切断線
を含めて示す頂面斜視図、第７図は物品のベース
部を切断線を含めて示す底面斜視図、および第８
図は物品用の先端キヤツプの頂面図である。 １０……ロータブレード、１１……エアーホイ
ル部、１２……ベース部、１３……プラツトホー
ム、１４……あり、２０……材料ブロツク、２１
……上方部分、２２……下方部分、２３……基
準、２４〜２８……側面、３０，３１……部品、
３２……切断線、３３，３４……隣接表面、３
５，３６……前縁，後縁、３７……吸引側、３８
……加圧側、４０……ダボ、４１……ダボ受穴、
４２，４３……空所、５０……第２基準、５２…
…空所、５３……先端キヤツプ、５４……開口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 凸面側、凹面側、前縁及び後縁を有するエア
   ーホイル部と、ベース部とを含む中空物品の製作
   方法に於て、該製作方法が、 (a) 前記中空物品のエアーホイル部とベース部と
   に夫々対応する上方部分と下方部分とを有し、
   該中空物品の寸法に等しいかそれより大きい寸
   法の材料の中実素材を形成し、 (b) 前記素材上に少なくとも１つの基準を設定
   し、 (c) 前記素材を２部品に切断し、切断線は該素材
   を前記上方部分から前記下方部分に貫通して２
   部品に相補形の隣接表面を作り、各々の該隣接
   表面は後の(f)工程での心合せを容易にする為、
   略縦方向に延在する軸に沿つて相互に或る角度
   で交差する２つの平坦表面のみを有し、 (d) 前記２部品の隣接表面を心合せする心合せ手
   段を設定し、 (e) 前記２部品を分離し、前記隣接表面の少くと
   も一方に前記物品の中空内部を形づける少くと
   も１個の空所を成形し、 (f) 前記心合せ手段を用いて、前記２部品の相補
   形の隣接表面を突合せて該２部品の隣接表面を
   心合せし、 (g) 前記２部品を一緒に締付け、 (h) 前記基準を位置基準として利用して、前記物
   品の上方部分の外表面を加工して、前記凸面
   側、凹面側、前縁及び後縁を有するエアーホイ
   ル部を、切断線が前記凸面側と前記前縁及び後
   縁から離れた箇所のみで交差する様に形成する
   工程とを含む方法。 ２ 工程(a)の形成する材料の中実材料を材料の
   ほゞ直方体のブロツクとする特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ３ 工程(b)の基準の設定として、前記材料ブロツ
   クの少くとも３つの隣接側面の部分的に精密研削
   して、少くとも１つの角を規定し、前記角および
   前記３つの隣接側面の交線により前記基準の原点
   および軸をそれぞれ規定する特許請求の範囲第２
   項記載の方法。 ４ 工程(d)の心合せ手段が前記２部品にあけた穴
   に挿通するダボよりなる特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ５ 工程(e)での少くとも１個の空所の成形が少く
   とも１個の空所を機械加工することによりなる特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 工程(g)での２部品の締付けが前記２部品を結
   合することによりなる特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ７ 前記結合を活性化拡散結合とする特許請求の
   範囲第６項記載の方法。 ８ 工程(h)での物品の外表面の成形が前記外表面
   を機械加工することよりなる特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ９ 凸面側、凹面側、前縁及び後縁を有するエア
   ーホイル部と、ベース部とを含む中空物品の製作
   方法に於いて、該製作方法が、 (a) 物品の寸法に等しいかそれより大きい寸法を
   有し、物品のエアーホイル部およびベース部に
   夫々対応する上方部分および下方部分を含む材
   料のほゞ直方体のブロツクを鋳造し、 (b) 前記ブロツクの下方部分に基準を設定し、 (c) 前記ブロツクを２部品に切断し、切断線が、
   前記ブロツクをその上方部分から下方部分まで
   貫通して、２部品の相補形の隣接表面を作り、
   各々の該隣接表面は後の(f)工程での心合せを容
   易にする為、略縦方向に延在する軸に沿つて相
   互に或る角度で交差する２つの平坦表面のみを
   有し、 (d) 前記２部品の心合せのために前記ブロツクの
   下方部分にあけた穴のダボを挿入し、 (e) 前記２部品を分離し、前記隣接表面の少くと
   も一方に前記物品の中空内部を形づける少くと
   も１個の空所を機械加工し、 (f) 前記ダボにより前記２部品の隣接表面を突合
   せることによつて該２部品の隣接表面を心合せ
   し、 (g) 前記２部品を一緒に結合し、 (h) 前記基準を位置基準として利用して、前記物
   品の上方部分の外表面を加工して、前記凸面
   側、凹面側、前縁及び後縁を有するエアーホイ
   ル部を、切断線が前記凸面側と前記前縁及び後
   縁から離れた箇所のみで交差する様に形成し、 (i) 前記エアーホイル部に少くともとも１個の第
   ２基準を設定し、 (j) 前記第２基準を位置基準として利用して、前
   記下方部分の外表面を機械加工して前記ベース
   部を形成する工程を含む方法。 １０ 工程(a)のブロツク鋳造が、前記ブロツクの
   粒子をブロツクの上方部分から下方部分まで長さ
   方向に配向させることを特許請求の範囲第９項記
   載の方法。 １１ 工程(b)での基準の設定として前記ブロツク
   の下方部分の下面および下面に隣接する３つの側
   面を精密研削して、前記２部品それぞれに角を規
   定し、これらの角および前記隣接側面の交線によ
   り前記基準の原点および軸をそれぞれ規定する特
   許請求の範囲第９項記載の方法。 １２ 前記物品のベース部がプラツトホームとあ
   りを含み、工程(j)でのベース部の外表面の機械加
   工が前記プラツトホームおよびありの外表面を機
   械加工することよりなる特許請求の範囲第９項記
   載の方法。 １３ さらに(k)前記エアーホイル部に冷却用穴を
   ドリルせん孔する工程を具える特許請求の範囲第
   ９項記載の方法。 １４ さらに(l)先端キヤツプを前記エアーホイル
   部の端部に結合する工程を具える特許請求の範囲
   第１３項記載の方法。 １５ 工程(c)でのブロツクの２部品への切断が放
   電加工により前記ブロツクを２部品にワイヤ切断
   することによりなる特許請求の範囲第９項記載の
   方法。