(57)【要約】  ターボ機械の翼形部の前縁用の衝突保護を提供するように適合された金属前縁保護ストリップ（１２）。保護ストリップ（１２）は、ステンレス鋼またはニッケル基合金から形成され、チタン基合金から形成された同一の保護ストリップと比較して、より高密度であり、向上した強度および弾性特性を提供する。保護ストリップは、複合材ブレード（１０）と共に使用するために特に適合し、より薄い翼形部を可能にし、それによってエンジン効率を改善する。対応する翼形部およびそのような翼形部を製造する方法もまた提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械の翼形部の前縁用の衝突保護を提供するように適合された金属前縁保護ストリップ（１２）であって、ステンレス鋼またはニッケル基合金から形成され、チタン基合金から形成された同一の保護ストリップと比較して、より高密度であり、向上した強度および弾性特性を提供する、金属前縁保護ストリップ（１２）。
【請求項２】
請求項１に記載の金属前縁保護ストリップ（１２）によって保護された前縁を含むターボ機械の翼形部。
【請求項３】
前記翼形部が、ポリマーマトリックス複合材から形成される、請求項２に記載の翼形部。
【請求項４】
前記保護ストリップ（１２）が、ニッケル基合金から形成される、請求項１に記載の金属前縁保護ストリップ（１２）。
【請求項５】
前記ニッケル基合金が、５０〜５５重量％のニッケル、１７〜２１重量％のクロム、２．８〜３．３３重量％のモリブデン、４．７５〜５．５重量％のニオブ、０〜１．０重量％のコバルト、０．６５〜１．１５重量％のチタン、０．２〜０．８重量％のアルミニウム、０〜０．３５重量％のマンガン、０〜０．３重量％の銅、０〜０．０８重量％の炭素、０〜０．００６重量％のホウ素、バランス鉄および偶発性不純物からなる、請求項４に記載の金属前縁保護ストリップ（１２）。
【請求項６】
請求項４に記載の金属前縁保護ストリップ（１２）によって保護された前縁を含むターボ機械の翼形部。
【請求項７】
前記翼形部が、ポリマーマトリックス複合材から形成される、請求項６に記載の翼形部。
【請求項８】
前記保護ストリップ（１２）が、ステンレス鋼合金から形成される、請求項１に記載の金属前縁保護ストリップ（１２）。
【請求項９】
前記ステンレス鋼合金が、１４〜１５重量％のクロム、３．５〜５．５重量％のニッケル、０〜０．４５重量％のニオブ、２．５〜４．５重量％の銅、０．０７重量％までの炭素、１．００重量％までのケイ素、１．００重量％までのマンガン、バランス鉄および偶発性不純物からなる、請求項８に記載の金属前縁保護ストリップ（１２）。
【請求項１０】
請求項８に記載の金属前縁保護ストリップ（１２）によって保護された前縁を含むターボ機械の翼形部。
【請求項１１】
前記翼形部が、ポリマーマトリックス複合材から形成される、請求項１０に記載の翼形部。
【請求項１２】
保護ストリップ（１２）を含む翼形部を作製する方法であって、
第１の温度で硬化されるポリマーマトリックス複合材から形成される翼形部を作製するステップと、
クリープフォーミング工程またはミリングを使用してニッケル基合金またはステンレス鋼合金から形成される保護ストリップ（１２）を作製するステップと、
接着剤を使用して前記保護ストリップ（１２）を前記翼形部に取り付けるステップと、
前記保護ストリップ（１２）と前記翼形部との間の接着を形成するために、前記第１の温度よりも低い第２の温度で前記接着剤を硬化するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の前記方法を使用して作製された前記保護ストリップ（１２）を備える翼形部。
【請求項１４】
５０〜５５重量％のニッケル、１７〜２１重量％のクロム、２．８〜３．３３重量％のモリブデン、４．７５〜５．５重量％のニオブ、０〜１．０重量％のコバルト、０．６５〜１．１５重量％のチタン、０．２〜０．８重量％のアルミニウム、０〜０．３５重量％のマンガン、０〜０．３重量％の銅、０〜０．０８重量％の炭素、０〜０．００６重量％のホウ素、バランス鉄および偶発性不純物からなるニッケル基超合金、または１４〜１５重量％のクロム、３．５〜５．５重量％のニッケル、０〜０．４５重量％のニオブ、２．５〜４．５重量％の銅、０．０７重量％までの炭素、１．００重量％までのケイ素、１．００重量％までのマンガン、バランス鉄および偶発性不純物からなるステンレス鋼合金のいずれかから作製された金属前縁保護ストリップ（１２）によって保護された前縁を備えるターボ機械の翼形部。
【請求項１５】
前記翼形部が、ポリマーマトリックス複合材から形成される、請求項１４に記載の翼形部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属前縁保護ストリップ、対応する翼形部および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、全体的に複合材翼形部に適する前縁保護ストリップに関する。特に、本発明は、翼形部構成要素の金属前縁（ＭＬＥ：ｍｅｔａｌ  ｌｅａｄｉｎｇ  ｅｄｇｅ）を保護する際に採用される金属および合金に関する。
【０００３】
ファンブレードおよびステータベーンなど、多くの最新式ガスタービンエンジン翼形部構成要素は、複合材積層品または繊維成形体から構成される。多くの場合エンジン環境内で発生する可能性がある衝突および侵食損傷からそのような複合材構成要素の翼形部を保護するために、ＭＬＥが使用される。従来の実施方法では、翼形部の前縁および側面の周りにＶ字形の保護金属ストリップを巻付けて、そのような保護を提供することが多い。
【０００４】
そのようなＭＬＥの製造のために多くの工程が存在するが、本明細書では詳細に考察しない。関連して発生する工程は、米国特許第２０１１／０１２９６００号Ａ１明細書および米国特許第２０１１／００９７２１３号Ａ１明細書に開示された。加えて、例えば、従来の機械加工およびクリープフォーミングを含む他の製造工程が、ＭＬＥを製造するために使用され得る。クリープフォーミングは、部品のプラスチック変形を引き起こすために十分高い温度が圧力下で使用されて、部品用の所望の形状に影響を与える工程として当技術分野で公知である。時効処理が、工程温度で同時に発生する可能性がある。現在まで、製造の容易さおよび重量の低減に起因して、多くのＭＬＥが主にチタンまたはその合金から製造されてきた。更に、チタンまたはその合金から製造されたＭＬＥの衝突強度は十分であると発見された。米国特許第２０１１／０１９４９４１号Ａ１明細書の中で、Ｐａｒｋｉｎらは複合材ブレード用の共硬化された被覆を開示する。特定の説明を推進する意図はまったくないが、チタン、ニッケル、チタン合金またはニッケル合金でできている被覆を使用するポリマーマトリックス複合材（ＰＭＣ：ｐｏｌｙｍｅｒ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）ブレード構造体と共にＭＬＥを共硬化する方法を開示しているようである。より薄いタービンエンジン翼形部が全体的ブレード効率を向上させ、それによって、エンジン燃料消費率（ＳＦＣ：ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｆｕｅｌ  ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を低減させるが、チタンまたはその合金でできているＭＬＥの厚さの任意の減少は、構成要素の衝突強度が減少することにつながる可能性がある。
【０００５】
衝突状態は、翼形部の寸法調整に大きな役割を担っている。翼形部の厚さに関わらず、ＭＬＥは、翼形部と同じまたは類似の衝突状態に耐えることができなければならない。したがって、重大なことにエンジン翼形部の厚さを低減する目的で、より薄い厚さ、したがってより少ない材料体積の材料を用いて、同じ衝撃状態に耐えることができるＭＬＥが所望される。より高い耐力強度を有する、より高密度の材料を利用することによって、全体的により薄い構造を可能にし、その結果、例えばチタンまたはチタン合金とほぼ同一の曲げ強さおよび半径方向質量など、システムの機械的特性をもたらす。航空機エンジン研究および開発の１つの具体的な目標は、改良されたＳＦＣであり、それによって、例えばスラスト出力などに関するエンジン設計の燃料効率を説明する。金属前縁が下層の複合材ブレードを保護するために加えられるので、機械的特性に妥協せずに、低減された厚さを有する前縁が、燃料消費率を向上させることができ、一方で同時に複合材ブレードのために必要とされる保護を与えることができる。したがって、ＭＬＥに所望される機械的特性に妥協せずに、燃料消費率を改善することができる材料を改善する努力が引き続いて行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２４０５１０１号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、ガスタービンエンジンのファンブレードを含む、ターボ機械内で使用される型の複合材翼形部上に使用するために適する金属前縁（ＭＬＥ）保護ストリップを提供する。本発明の実施形態は、更に、公知のＭＬＥ複合材と比較して、強度および密度特性を改善する手段としてＭＬＥ組成に関連する。
【０００８】
本発明の第１の態様により、ターボ機械の翼形部の前縁用の衝突保護を提供するように適合された金属前縁保護ストリップであって、ステンレス鋼またはニッケル基合金を利用して形成され、チタン基合金から形成された同一の保護ストリップと比較して、より高密度であり、向上した強度および弾性特性を提供する、金属前縁保護ストリップが提供される。
【０００９】
本発明の第２の態様は、保護ストリップを含む翼形部を作製する方法であって、ポリマーマトリックス複合材でできている翼形部を作製するステップと、クリープフォーミング工程またはミリングを使用してニッケル基合金またはステンレス鋼合金を利用する保護ストリップを作製するステップと、接着剤を使用して保護ストリップを翼形部に取り付けるステップと、保護ストリップと翼形部との間の接着を形成するために、接着剤を硬化するステップとを利用する方法である。
【００１０】
本発明の第３の態様は、その組成が、５０〜５５重量％のニッケル、１７〜２１重量％のクロム、２．８〜３．３３重量％のモリブデン、４．７５〜５．５重量％のニオブ、０〜１．０重量％のコバルト、０．６５〜１．１５重量％のチタン、０．２〜０．８重量％のアルミニウム、０〜０．３５重量％のマンガン、０〜０．３重量％の銅、０〜０．０８重量％の炭素、０〜０．００６重量％のホウ素、バランス鉄および偶発性不純物であるニッケル基超合金、またはその組成が、１４〜１５重量％のクロム、３．５〜５．５重量％のニッケル、０〜０．４５重量％のニオブ、２．５〜４．５重量％の銅、０．０７重量％までの炭素、１．００重量％までのケイ素、１．００重量％までのマンガン、バランス鉄および偶発性不純物であるステンレス鋼合金のいずれかでできている金属前縁保護ストリップによって保護された前縁を備えるターボ機械の翼形部である。
【００１１】
本発明の技術的効果は、実質的にＭＬＥの機械的特性に妥協せずに、ＭＬＥの重量および／または厚さを低減することによって、燃料消費率の低減を達成することができることである。
【００１２】
本発明の別の技術的効果は、ＭＬＥを翼形部に取り付けるための二次硬化工程を導入することによって、残留応力を低減することができることである。
【００１３】
本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＭＬＥ保護ストリップを備えるガスタービンエンジンのファンブレードの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書に説明する実施形態は、全体的に、ガスタービンエンジンの翼形部構成要素のための金属前縁（ＭＬＥ）保護ストリップ用の組成、および特定の組成に関連する様々な特性および利点に関する。
【００１６】
図１は、ガスタービンエンジン用の複合材ファンブレード１０を表示する。ブレード１０は、当技術分野で公知の型であり、その翼形部がＭＬＥ保護ストリップ１２を備えるように表示されている。図１はガスタービンエンジン用のファンブレードを表示するが、本発明は、図示する特定のファンブレードまたはガスタービンエンジンの翼形部に限定されないことに留意するべきである。
【００１７】
本発明の好適な態様によって、保護ストリップ１２は、ステンレス鋼またはニッケル基組成を含む。保護ストリップ１２のための好適な組成は、従来のチタン基保護ストリップと比較して、向上した密度、向上した弾性係数および向上した強度を示す。これら３つの特性の改善は、衝突状態に耐える保護ストリップ１２の能力の全体的な改善に寄与するように意図されている。前述のＰａｒｋｉｎらによる米国特許出願第２０１１／０１９４９４１号Ａ１明細書の中で説明されるように、ＭＬＥをポリマーマトリックス複合材ブレード構造と一緒に共硬化することは、以下の理由から本発明の高強度材料を採用する場合には適切ではないと見なされている。ＭＬＥ用の好適な高強度材料の熱膨張率（ＣＴＥ）が、約４．５ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有するチタンの熱膨張率よりも約２５〜６０％大きいので、約１．０ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有するポリマーマトリックス複合材積層品と共硬化する作業は、システムの作業中に処理することが困難になる残留接着応力を増加させるであろう。本発明の好適な態様によれば、二次硬化作業（ポリマーマトリックス複合材ブレードの前の硬化は、一次硬化と呼ばれている）が、保護ストリップ１２を複合材ブレード１０に接着するために使用され、より低温での硬化、および保護ストリップ１２と下層の複合材ブレード１０との間により柔軟な接着層を可能にする。例えば、保護ストリップ１２は、適切な材料および工程を使用して、約２００〜２５０°Ｆ（約９３〜１２１℃）の相対的に低温で硬化され得る接着剤によって複合材ブレード１０に取り付け可能である。この接着を形成するために適する接着剤は、限定しないが、スリーエム社（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ）の製品、ＡＦ１９１などの熱硬化性エポキシ樹脂系接着剤を含む。比較すると、複合材ブレード１０は、通常、例えば約３２５°Ｆ（約１６３℃）またはそれを超えるより高温で硬化される。したがって、より低い温度の二次硬化工程は、残留応力を低減する理由から好適な態様である。接着工程中に、ブレード１０の複合材基部構造と金属ＭＬＥ保護ストリップ１２の両方が、接着硬化温度まで加熱される。接着硬化中に、両物品がそれらの相対的なＣＴＥに基づいて膨張する。この上昇した接着硬化温度で接着が達成され、その後組立品が室温に冷却され、ＣＴＥの不一致によって生じる残留応力レベルを維持する。この接着硬化温度をできる限り低く保つことによって、ＣＴＥの不一致によって結果として生じる残留応力は最小化されることができる。ニッケル基合金またはステンレス鋼合金などの高強度材料を使用する場合、ポリマーマトリックス複合材ブレードとＭＬＥとの間のＣＴＥの不一致が増加するので、この接着硬化温度を最低に、例えば約２００〜２５０°Ｆ（約９３〜１２１℃）の範囲内に維持することが非常に所望される。
【００１８】
チタンおよびその合金と比較して、前述の高強度合金の密度が高いために、これらの高強度材料でできている保護ストリップ１２は、チタンおよびその合金でできている保護ストリップよりもより薄いにもかかわらず、先行技術のＭＬＥを形成するために使用される、より体積が大きい従来のチタン基合金の機械的特性に類似する機械的特性を示すことができる。前縁からブレード１０の下層の複合材料まで同じ負荷伝達を目標にすることによって、下層複合材の中に生成される歪みは、従来のチタン基ＭＬＥを使用するより厚い翼形部によって生成される歪みと概ね同様である。したがって、従来のＭＬＥを用いるよりも、より薄く、より軽い翼形部を備える保護ストリップ１２を利用することが可能になる。そのような翼形部の厚さの低減によって、特定の環境下では約０．２６％のファン効率（単位体積の空気を移送するためにファンブレードによって必要とされるエネルギーとして測定される）の改善を提供することが予測される。より高密度のＭＬＥを使用するブレード積重物の設計要求に起因して発生する可能性がある任意の効率損失を考慮した後、燃料消費率の全体的改善が約０．１％であると推定される。
【００１９】
ストリップ１２用の具体的に適する組成の実施例には、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）の名の下で市販の特定のニッケル基合金が含まれる。限定しない実施例として、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８の報告された組成範囲は、５０〜５５重量％のニッケル、１７〜２１重量％のクロム、２．８〜３．３３重量％のモリブデン、４．７５〜５．５重量％のニオブ、０〜１．０重量％のコバルト、０．６５〜１．１５重量％のチタン、０．２〜０．８重量％のアルミニウム、０〜０．３５重量％のマンガン、０〜０．３重量％の銅、０〜０．０８重量％の炭素、０〜０．００６重量％のホウ素、バランス鉄および偶発性不純物である。ストリップ１２用の他の具体的に適切な合金には、ステンレス鋼が含まれ、その限定しない実施例は、１５−５ＰＨステンレス鋼である。１５−５ＰＨステンレス鋼用の通常の組成範囲は、１４〜１５重量％のクロム、３．５〜５．５重量％のニッケル、０〜０．４５重量％のニオブ、２．５〜４．５重量％の銅、０．０７重量％までの炭素、１．００重量％までのケイ素、１．００重量％までのマンガン、バランス鉄および偶発性不純物である。比較に基づいて、前述の合金は、従来のチタン基ＭＬＥ材料を超えて、約７５％の密度の増加を提供する。そのようなより高密度によって、回転場の下でブレードのプレストレスを増加させることを助け、それによってブレード１０が、衝撃負荷の下で変形する傾向に動力学的に抵抗する能力を促進する。Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８および１５−５ＰＨは、チタンと比較して約１５〜３０％の耐力強度の増加、および約７０％の弾性係数の増加を提供する。したがって、これらの高強度材料は、保護ストリップ１２が変形し、下層の複合材ブレード１０の中に歪みを伝達する傾向に抵抗する。本明細書に説明する特性の組合せによって、全体的により薄いストリップ１２が、チタン基金属前縁を備える従来のブレードと概ね同じ、またはそれに勝る改善された能力を有することができる。
【００２０】
本発明の保護ストリップ１２を備える翼形部は、以下の工程の中で説明するように作製され得る。翼形部（ブレード１０の翼形部など）が、限定しない実施例では約３２５°Ｆ（約１６３℃）である一次硬化温度で硬化を経験するポリマーマトリックス複合材から形成される。保護ストリップ１２は、例えばクリープフォーミング工程またはミリングを使用して、ニッケル基合金またはステンレス鋼合金から形成される。次いで、保護ストリップ１２は、翼形部のポリマーマトリックス複合材が硬化された一次硬化温度より低い二次硬化温度で硬化可能である熱硬化性接着剤を使用して、翼形部に取り付けられる。例えば、そのような二次硬化温度は、約２００〜２５０°Ｆ（約９３〜１２１℃）の範囲であることができる。二次硬化作業は、翼形部と保護ストリップ１２との間の接着剤結合を形成する。前述のように、このより低い温度の硬化によって、翼形部保護ストリップ組立体の中により小さい残留応力が生じる。
【００２１】
合金の特定の組成および特性ならびにそれらから作製された金属前縁を含む特定の実施形態によって本発明を説明したが、当業者によって他の形態が採用され得ることは明らかである。したがって、本発明は特定の開示する実施形態に限定されないことを理解すべきである。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２２】
１０  複合材ブレード
１２  前縁保護ストリップ
【図１】
2015532695.tif 000003
【国際調査報告】
2015532695.tif 000004
2015532695.tif 000005
2015532695.tif 000006