(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属加工物（１２）の粗面処理方法（５０）であって、当該方法が、
粗面化される前記加工物（１２）の部位を対電極（２８）に近接して配置するステップ（５２）と、
前記加工物（１２）の前記部位と前記対電極（２８）を共に、臭化ナトリウム溶液を含む電解質浴（３０）の中に配置するステップ（５４）と、
電流の流れを伴う複数の電位パルスを前記加工物（１２）と前記対電極（２８）との間に印加して、前記加工物（１２）の前記部位を所望の粗度に粗面化するステップ（５６）と
を含んでおり、
粗面化される前記加工物（１２）の部位を前記対電極（２８）に近接して配置するステップ（５２）が、粗面化される前記加工物（１２）と前記対電極（２８）との間に少なくとも１つのスペーサ（２９）を配置することを含んでおり、
当該方法が、更に、少なくとも１つの電気バスパッド（３１）を前記少なくとも１つのスペーサ（２９）の各々に近接して配置するステップであって、前記少なくとも１つの電気バスパッド（３１）の各々は、少なくとも１つのスペーサ（２９）に圧縮力を及ぼすように構成されるステップを含んでいる、方法（５０）。
【請求項２】
前記対電極（２８）は、ステンレス鋼メッシュ、銅メッシュ、真鍮メッシュ、ブロンズメッシュ、金メッシュ、白金メッシュ、チタンメッシュ、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法（５０）。
【請求項３】
前記対電極（２８）は共形銅電極である、請求項１に記載の方法（５０）。
【請求項４】
迷走電流による破損を防止するための手段（３５，３７，４９）を粗面化される前記加工物（１２）の前記部位の外面に近接して配置するステップを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法（５０）。
【請求項５】
迷走電流による破損を防止するための前記手段は、コンプライアントブーツ（３５）、バイアス陽極（３７）、又は犠牲シールド（４９）のうちの１つである、請求項４に記載の方法（５０）。
【請求項６】
前記加工物（１２）と前記対電極（２８）との間への前記電位の印加中に前記電解質浴（３０）から気泡を除去するステップ（５８）を更に含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法（５０）。
【請求項７】
前記加工物（１２）と前記対電極（２８）との間に印加される複数の電位パルスが５〜３０ボルトの範囲にある、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法（５０）。
【請求項８】
前記加工物（１２）が、９０〜４００マイクロインチ（２．２９〜１０．２μｍ）の粗度に粗面化される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法（５０）。
【請求項９】
機械加工製品（１０）の製造方法（５０）であって、当該方法が、
粗面化される第１の加工物（１２）の部位を対電極（２８）に近接して配置するステップ（５２）と、
前記第１の加工物（１２）と前記対電極（２８）を共に、臭化ナトリウム溶液を含む電解質浴（３０）の中に配置するステップ（５４）と、
電流の流れを伴う複数の電位パルスを前記第１の加工物（１２）と前記対電極（２８）との間に印加して、前記第１の加工物（１２）の前記部位を所望の粗度に粗面化するステップ（５６）と、
前記第１の加工物（１２）を前記電解質浴（３０）から取り出すステップ（６０）と、
洗浄媒質を用いて前記第１の加工物（１２）を洗浄するステップ（６２）と、
前記第１の加工物（１２）を複合基板（１６）に結合して複合積層板構成部品を形成するステップ（６４）と
を含んでおり、
粗面化される前記第１の加工物（１２）の部位を前記対電極（２８）に近接して配置するステップ（５２）が、粗面化される前記第１の加工物（１２）と前記対電極（２８）との間に少なくとも１つのスペーサ（２９）を配置することを含んでおり、
当該方法が、更に、少なくとも１つの電気バスパッド（３１）を前記少なくとも１つのスペーサ（２９）の各々に近接して配置するステップであって、前記少なくとも１つの電気バスパッド（３１）の各々は、少なくとも１つのスペーサ（２９）に圧縮力を及ぼすように構成されるステップを含んでいる、方法（５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、金属表面の粗面化方法及びそれによって製造された製品に関し、より詳細には、金属表面をエッチングするための電解法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空宇宙産業及びその他の産業は、多くの場合、接着結合の前に金属の表面処理を必要とする。タービン翼、ファン、圧縮機翼及びその他の複合部品等の多数の構成部品が互いに接着結合されて、完成品の製造が行なわれる。金属間又は金属−非金属間の良好な接着結合を確実に得るために、金属の表面をできるだけきれいにする必要があるが、多くの金属は洗浄後に最適な結合を得るにはあまりにも滑らか又は均一すぎる表面を有する。より良好な接着を得るための公知の方法の１つでは、金属表面を化学処理してエッチング表面を形成することによって、結合を得るのに関係する表面積がより多くもたらされる。この方法では、金属表面の所望の粗面化を得るために、化学処理は犠牲多孔質障壁層（マスク）と酸エッチング液の塗布を必要とする。エッチング液混合物としては、硝酸及び弗化水素酸の組み合わせが挙げられる。エッチングプロセスの所要時間は非常に長く、エッチング液混合物は取り扱いが困難である。更に、エッチングは、得られる粗面処理の程度が限られていた。
【０００３】
引っ掻き又はバリ研磨のような機械的手段を含む、その他の粗面化技術も使用されている。これらの技術は、基板の歪み、余剰材料の除去、特定表面の粗面化能力の低下又は困難度の増加、及び一貫性のない塗布などの欠点がある。更に、そのような技術では、特定用途に要求される粗面処理のレベルを高めるのは難しい場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７１９５８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、金属表面の粗面化技術の改善が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの例示的実施形態によれば、金属加工物の粗面処理方法が提供される。本方法は、粗面化される加工物の部位を対電極に近接して配置するステップを含む。加工物を対電極に近接して配置するステップの後で、加工物と対電極は共に電解質の中に配置される。加工物と対電極との間に電流の流れを伴う電位を印加して、加工物の部位を所望の粗度に粗面化する。
【０００７】
本発明の別の例示的実施形態によれば、機械加工製品の製造方法が提供される。本方法は、粗面化される第１の加工物の部位を対電極に近接して配置するステップを含む。加工物を対電極に近接して配置するステップの後で、加工物と対電極は、ここでもまた、共に電解質の中に配置される。加工物と対電極との間に電流の流れを伴う電位を印加して、粗面化される加工物の部位を所望の粗度に粗面化する。加工物は電解質から取り出され、洗浄媒質を用いて洗浄される。その後、加工物は非金属基板に結合される。
【０００８】
本発明のこれら及びその他の特徴及び改良点は、幾つかの図面及び添付の特許請求の範囲に関連してなされる以下の詳細な説明を検討することで当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解することができるであろう。
【図１】本発明の例示的実施形態に従った、複合積層板構成部品等の機械加工製品を形成するために粗面化されて結合された複数の金属加工物の概略図である。
【図２】本発明の例示的実施形態に従った、複合基板に嵌合された金属加工物を含む機械加工製品の概略図である。
【図３】本発明の例示的実施形態に従った、金属加工物の表面を粗面化するのに用いられる例示的な装置の概略図である。
【図４】本発明の例示的実施形態に従った、金属加工物の表面を粗面化するのに用いられる例示的な装置の概略断面図である。
【図５Ａ】本発明の例示的実施形態に従った、金属加工物の表面の粗面化に用いられる例示的な装置の部分断面図である。
【図５Ｂ】本発明の例示的実施形態に従った、金属加工物の表面の粗面化に用いられる例示的な装置の部分断面図である。
【図６】本発明の例示的実施形態に従った、金属加工物と対電極の概略図である。
【図７】本発明の例示的実施形態に従った、金属表面の粗面化に必要とされる例示的なステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下で詳述されるように、本発明の実施的形態は、金属加工物の粗面処理方法を提供し、粗面化される加工物の部位を対電極に近接して配置又は固定して固定アセンブリを形成する。粗面化される加工物の部位を対電極に近接して配置するステップの後で、粗面化される加工物の部位と対電極は電解質浴の中に配置される。粗面化される加工物の部位と対電極との間に電位を印加して、加工物の表面を所望の粗度に粗面化する。本発明のある特定の実施形態では、加工物は電解質から取り出され、次いで洗浄媒質を用いて洗浄される。その後、加工物を１つ以上の金属又は非金属構成部品に結合して、機械加工製品（例えば、複合積層板構成部品）を形成する。ある特定の実施形態では、機械加工製品が開示されている。機械加工製品は、９０〜４００マイクロインチの範囲の所望の粗度を有する粗面化された金属表面と、結合材を用いて粗面化された金属表面に結合された１つ以上の近接構成部品とを有する加工物を含む。本発明の実施形態は、次の処理（例えば、接着結合）に適した粗面を生じさせて、マスク及び酸エッチング液を不要にする。本発明の特定の実施形態は、図１〜６を全体的に参照して以下で論じられる。
【００１１】
図１を参照すると、本発明の例示的実施形態に従った機械加工製品１０が図示されている。機械加工製品１０は、複合基板又は支持体に結合された複数の金属加工物１２，１３，及び１４を含む。図示した特定の実施形態では、製品１０はファンブレードであるが、本技術は、粗面処理を用いることになる、例えばタービン翼、圧縮機翼などの広範囲にわたる機械加工製品に利用することができる。加工物１２は製品の前縁であり、加工物１３はキャップであり、加工物１４は複合基板１６に固定された後縁である。全ての加工物は、複合基板１６への結合を強化するように粗面化される。図示の例では、加工物のうちのいずれか１つが複合基板１６の縁部に固定されているが、基板１６は所望の最終形状を確保するために凹部を備えることもできる。加工物１２のうちの１つの縁部表面の粗面化方法は、以下で更に詳細に説明される。
【００１２】
図１の加工物１２のうちの１つに関して、本粗面処理技術を以下に説明する。加工物１２の金属材料は、後続のコーティングの塗布や、金属間又は金属−非金属間接着結合などの目的に応じて粗面処理を必要とする任意の金属材料であると広く考えられる。加工物に適した金属としては、金属合金及び金属間固定具が挙げられる。ある実施形態では、金属加工物１２は、例えば航空エンジン部品用の、チタン薄板、ニッケル薄板、又はそれらの組み合わせ等の１つ以上の薄板を含む。ある特定の例示的実施形態では、チタンは、アルミニウム、バナジウム、錫、クロム、モリブデン、及びジルコニウムと合金化することができる。ある特定の例示的実施形態では、ニッケルは、鉄、クロム、アルミニウム、ニオブ、及びモリブデンと合金化することができる。それらの軽量性、高力性、及び熱安定性のために、チタン及びチタン合金は、航空宇宙用途のような、機体及びエンジン部品としての用途に役立つ。ある例では、チタンは、複合材料部品の保護シースとして、例えば、複合ファンブレードの前縁として使用することができ、前縁の内面は、複合ファンブレード構成部品への接着結合の前に粗面化される。本明細書において、加工物１２は当業者に公知のその他の金属を含んでもよいことを理解されたい。加工物１２としては、用途に応じて、後縁、前縁、又はその他の部分が挙げられる。ある特定の実施形態では、加工物１２としては、先端キャップ、ファンブレード、出口案内翼、静翼、又はそれらの組み合わせが挙げられる。本明細書において、このリストは包括的ではなく、粗面処理の適用を必要とするその他の構成部品も挙げられることもまた理解されたい。
【００１３】
図２を参照すると、本発明の別の例示的実施形態に従った機械加工製品１０が断面で図示されている。図示の実施形態では、製品１０は、複合基板１６の凹部１８に嵌合された加工物１２を含む。図示の実施形態では、良好な接着結合を確保するために、加工物１２は、参照番号２４で示す粗面化された内面を備えた前縁２２を有する。表面２４の粗度は、９０〜４００マイクロインチの範囲にすることができる。表面２４の粗面化は、電解エッチング又は粗面化プロセスによって行なわれ、以降の図によって以下で更に詳細に説明される。加工物１２は、結合剤（例えば、エポキシ接着膜）を用いて基板１６に結合される。
【００１４】
図３を参照すると、本発明の更に別の例示的実施形態に従った、加工物１２の表面２４の粗面化に用いられる装置２６が図示されている。装置２６は、粗面化される加工物１２の部位に近接して配置又は固定された対電極２８を含む。図示の実施形態では、対電極２８は、「メッシュ」状構造を含み、ステンレス鋼メッシュ、銅メッシュ、金メッシュ、白金メッシュ、チタンメッシュ、又はそれらの組み合わせを含むことができる。本明細書において、このリストは包括的ではなく、当業者に公知のその他の材料を含んでもよいことを理解されたい。更に、対電極２８はソリッド構造であってもよいことを理解されたい。粗面化される加工物１２の部位と対電極２８は、電解質浴３０の中に共に配置される前に、互いに対してまず配置又は固定される。電解質浴３０は、酸溶液、基礎液、塩溶液、又はそれらの組み合わせを含むことができる。ある例示的実施形態では、電解質浴３０は、臭化ナトリウム溶液（チタン又はチタン合金の場合）を含むことができる。回路のショートを防止するために、粗面化される加工物１２の部位と対電極２８との間に少なくとも１つのスペーサ２９を設けて、加工物１２を対電極２８から離すようになっている。好適な実施形態では、粗面化される加工物の部位は対電極に近接して配置され、加工物と対電極との間におよそ０．１２７〜２．５４センチメートルの範囲の間隔を有している。ある特定の例示的実施形態では、その他の位置決め器を機械加工ゾーンから離れて使用して、粗面化される加工物１２の部位を対電極２８から離すことができる。必要に応じて、追加のスペーサ、又はスペーサのネットワークをこのために設けてもよい。
【００１５】
次に図４を参照すると、代替的なスペーサ構成と、加工物の外面を迷走電流から保護するための手段を含むことが開示されている代替的実施形態が図示されている。実施形態を通して同様の要素は同様の番号を有することを理解されたい。代替的実施形態では、粗面化される加工物１２の部位を対電極２８から離し、回路のショートを防止するために、加工物１２を電極２８に対して配置又は固定するステップの間、且つアセンブリを電解質浴３０の中に配置するステップの前に、粗面化される加工物１２の部位と対電極２８との間に複数のスペーサ２９が配置される。この好適な実施形態では、電極２８を共形銅電極として構成してもよいことが開示されている。スペーサ２９は非常に小さく、特定の実施形態の１つでは、０．６３５×０．３１７５×０．２２８６センチメートル程度である。この特定の実施形態では、スペーサ２９はテフロン（登録商標）からなっているが、代替的には、非導電性の化学的に不活性の物質から形成してもよい。複数の電気バスパッド３１が粗面化される加工物１２の部位に近接して構成されてスペーサ２９の少なくとも一部分に力を及ぼすことによって、電流の通路に対する高圧接触が得られる。好適な実施形態では、電気バスパッド３１が少なくとも５０ポンドの圧縮力をスペーサ２９に伝えるように構成されることによって、電流の通路に対する高圧接触が得られる。間欠的な電気接触によって火花が生じるようになり、加工物１２が使用不可能になる可能性があるので、電気バス経路は重要である。図示の実施形態では、加工物１２の外面をそのような迷走電流から保護するために、粗面化される加工物１２の部位の外側を囲むように、コンプライアントブーツ３５が含まれている。より詳細には、コンプライアントブーツ３５は、加工物１２の部位の外側壁の周囲に構成されるが、そこから一定の距離だけオフセットしてもよい。コンプライアントブーツ３５は、加工物１２の外側に害を及ぼす迷走電流を排除する。
【００１６】
図５Ａ及び５Ｂでは、加工物１２を迷走電流の攻撃から保護するための代替的な手段が図示されている。より詳細には、図５Ａの部分概略断面で最も良く図示されているように、コンプライアントブーツ３５の代わりに、粗面化される加工物１２に到達する迷走電流を最小限に抑えるためにバイアス陽極３７が含まれている。バイアス陽極３７は、メッシュ又はソリッド構造として構成することができ、加工物１２の外側に近接して、外側と適合するが、そこから一定の距離だけオフセットするように配置される。バイアス陽極３７は、電気的接続部３９を介して更なる電場を形成し、加工物外面の形状又は質を変化させることになる望ましくない表面電位を中和する。コンプライアントブーツ３５と同様に、バイアス陽極３７は、加工物１２の外側に迷走電流が害を及ぼす可能性を最小限に抑える。
【００１７】
図５Ｂの部分概略断面で最も良く図示されているように、コンプライアントブーツ３５の代わりに、粗面化される加工物１２の外側に到達する迷走電流を最小限に抑えるために犠牲シールド４９が含まれている。犠牲シールド４９は、亜鉛等の材料からメッシュ又はソリッド構造で構成することができ、加工物１２の外側に近接して配置される。より詳細には、犠牲シールド４９は、加工物１２の形状と適合し、それと接触するように構成される。コンプライアントブーツ３５と同様に、犠牲シールド４９は、加工物１２の外側に迷走電流が害を及ぼす可能性を最小限に抑える。
【００１８】
前述の実施形態では、図３に最も良く図示されているように、加工物１２と対電極２８は電源３２に結合されている。電源３２は、電解エッチングプロセスによって加工物の内面２４を粗面化するために、加工物１２と対電極２８との間に電位（例えば、５〜３０ボルトの範囲の電位）を印加するように構成される。電位は、およそ０．５〜３０分の範囲の間印加されることになる。ある実施形態では、加工物１２と対電極２８との間にパルス電位が印加される。一例では、電力は０．１秒間印加された後、０．１２秒間止められる。電位のパルス印加は、印加に応じて表面の所望の粗面化が生じるように変化させてもよい。電圧、持続時間、及びパルス型（パルス電源の場合）は、もちろん、所望の粗面度が得られるように変更してもよい。
【００１９】
加工物１２と対電極２８との間に電位が印加されると、電解質浴３０を介して加工物１２と対電極２８との間に電流が流れる。電解質溶液中の陽「イオン」及び陰「イオン」は分離され、反対極性のプレートに引き寄せられる。陽イオンが対電極（「陰極」とも呼ばれる）に引き寄せられ、陰イオンが加工物又は陽極プレート（「陽極」とも呼ばれる）に引き寄せられて酸化が起こり、それによって加工物１２の表面２４の腐食が起こる。その結果、加工物１２の表面２４が粗面化される。
【００２０】
図示の実施形態では、装置２６は、浴に流体（電解質）の流れを通すように構成されたポンプ３４（図３）も含んでおり、加工物１２と対電極２８との間への電位の印加中に電解質３０から気泡３６を除去するようになっている。ポンプ３４は、吸入管３８，４０，４２と、排出管４４とを備えている。矢印４６，４８は、電解質の流れを図示している。代替的には、ポンプ３４は、そこに形成された穿孔を有し、例えばフラッシング動作で、浴に流体（電解質）の流れを通すように構成された洗浄管４８（図４）と流体接続しており、加工物１２と対電極２８との間への電位の印加中に電解質３０から気泡３６を除去するようになっている。
【００２１】
図６を参照すると、本発明の例示的実施形態に従った、加工物１２と対電極２８のより詳細な図が示されている。加工物１２は、粗面化される表面２４を備えた前縁を有する。図１及び２に関して説明したように、粗面化プロセス中、加工物１２は対電極２８から一定の距離「Ｄ」だけ離れている。スペーサ（図５には図示せず）は、粗面化プロセス中に加工物１２と対電極２８との間の距離「Ｄ」を維持するために使用される。加工物１２の粗面度は、所定の電圧及び処理時間での粗面化プロセス中に加工物１２と対電極２８との間の距離「Ｄ」を変更することによって変化させることができる。ある例示的実施形態では、距離「Ｄ」はおよそ０．０５〜１インチの範囲である。対電極２８は、所望の外形を有する固定具３６を介して所望の位置に保持される。更に、表面に沿った様々な場所で異なる粗面度が望ましい場合、この距離は局所的な粗面化を強化するように制御することができる。
【００２２】
図７を参照すると、金属加工物の表面の粗面化方法５０に必要とされる例示的なステップを示すフローチャートが示されている。本方法は、アセンブリを電解質浴の中に配置する前に、まず粗面化される加工物の部位を対電極に近接して配置又は固定するステップ（ステップ５２）を含む。次に、粗面化される加工物の部位と対電極は電解質浴の中に配置される（ステップ５４）。粗面化される加工物の部位と対電極は、固定アセンブリとして共に電解質浴の中に配置される。電解質浴は、酸溶液、基礎液、塩溶液、又はそれらの組み合わせを含むことができる。加工物は、回路のショートを防止するために、一定の距離「Ｄ」だけ対電極から離れて配置される。
【００２３】
本方法は、加工物と対電極との間に電位を印加して、電解エッチングプロセスによって加工物の所望の表面を粗面化するステップ（ステップ５６）を更に含む。ある実施形態では、加工物と対電極との間に一定時間の間パルス電位が印加される。パルス持続時間、パルス間隔、及びパルス振幅等のパルスパラメータは、印加に応じて表面の所望の粗面化が生じるように変化させてもよい。
【００２４】
ある例示的実施形態では、本方法は、加工物と対電極との間への電位の印加中に電解質から気泡を除去するステップ（ステップ５８）を更に含む。金属加工物は、粗面化プロセス後に電解質浴から取り出される（ステップ６０）。粗面化された表面を有する金属加工物は、洗浄媒質を用いて洗浄される(ステップ６２)。粗面化プロセス中に除去された物質は、洗浄媒質を用いて洗浄される。その後、金属加工物が準備される。本方法は、複合積層板構成部品等の基板に加工物を結合するステップ（ステップ６４）を含む。加工物は、エポキシ接着膜等の結合材を用いて基板に結合される。
【００２５】
本明細書では本発明の特定の特徴のみを図示及び説明してきたが、当業者は多くの修正及び変更に想到するであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神内にある全てのそのような修正及び変更を保護するように意図されていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２６】
１０  機械加工製品
１２  加工物
１３  加工物
１４  加工物
１６  複合基板
１８  凹部
２２  前縁
２４  内面
２６  装置
２８  対電極
２９  スペーサ
３０  電解質浴
３１  バスパッド
３２  電源
３４  ポンプ
３５  コンプライアントブーツ
３６  気泡
３７  バイアス陽極
３８  吸入管
３９  電気接続部
４０  吸入管
４２  吸入管
４４  排出管
４６  電解質の流れ
４８  洗浄管
４９  犠牲シールド
５０  方法
【図１】
0006001935.tif 000002
【図２】
0006001935.tif 000003
【図３】
0006001935.tif 000004
【図４】
0006001935.tif 000005
【図５Ａ】
0006001935.tif 000006
【図５Ｂ】
0006001935.tif 000007
【図６】
0006001935.tif 000008
【図７】
0006001935.tif 000009