(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｔｉ基被膜の欠陥をバニシングによって低減する方法を提供する。【解決手段】分散腐食を受けたＴｉ基基材の損傷部位は、腐食修復プロセス１００によって、修復される。損傷部位は、清浄化され１０２、Ｔｉ基被膜が堆積され１０４、次いで、機械加工が行なわれる１０６。このＴｉ基被膜は、構造的な脆弱部をもたらす圧着きずを有することがある。これらの欠陥を低減するために、Ｔｉ被膜に、バニシングが施される１０８。このバニシングは、好ましくは、変形を最小限に抑止する低塑性バニシングである。次いで、バニシングが施された領域以外の領域に、ショットピーニングが施される１１０。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の物品を作製する方法であって、前記物品が、表面およびこの表面の少なくとも一部を覆うＴｉ基被膜を有するＴｉ基基材を備えた方法において、
前記物品の表面の一部を選択し、次いで、
前記一部に、圧縮応力が、この一部に沿って第１の深さにわたって与えられるまで、ローラ変形加工を行なうステップを備えた物品の作製方法。
【請求項２】
前記作製方法が、ブレードを作製する方法であって、
前記一部が、前記ブレードのエアフォイルに沿った部分であることを特徴とする請求項１に記載の作製方法。
【請求項３】
前記一部が、前記エアフォイルの翼幅の内周側の半分内の領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の作製方法。
【請求項４】
前記一部が、前記エアフォイルの表面領域の大半の部分であることを特徴とする請求項３に記載の作製方法。
【請求項５】
前記第１の深さが、０．０２０インチ未満であり、
ピーク圧縮応力が、１００〜１２０ｋｓｉであることを特徴とする請求項１に記載の作製方法。
【請求項６】
前記圧縮応力が、被膜／基材の界面において、少なくとも２０ｋｓｉであることを特徴とする請求項５に記載の作製方法。
【請求項７】
前記被膜の領域の大半に沿って、
前記第１の深さが、０．００４〜０．０１５インチであり、
前記第１の深さが、少なくとも局部的な被膜厚みであることを特徴とする請求項１に記載の作製方法。
【請求項８】
Ｔｉ基金属基材と、
前記基材の上に施され、表面およびこの表面下に複数の組み込まれた介在物を有するＴｉ基凝結物と、
を有し、
第１の領域に沿って、圧縮応力が、前記凝結物から前記基材内に延びる第１の深さ領域において、２０ｋｓｉよりも大きいことを特徴とする部品。
【請求項９】
前記凝結物および前記基材が、本質的に、５〜７重量％のアルミニウムと、３〜５重量％のバナジウムと、残部のチタンと、を含み、他の構成成分が３重量％未満である合金からなることを特徴とする請求項８に記載の部品。
【請求項１０】
前記第１の領域に沿って、前記圧縮応力が、前記表面から少なくとも０．００５インチ〜０．０１５インチ未満の深さに本質的に及ぶ範囲内において、２０ｋｓｉよりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の部品。
【請求項１１】
前記第１の領域に沿って、前記圧縮応力が、凝結物／基材界面の０．００５インチ以内において、２０ｋｓｉ未満に減少することを特徴とする請求項８に記載の部品。
【請求項１２】
前記第１の領域に沿って、前記凝結物が、０．００２〜０．０１０インチの厚みを有することを特徴とする請求項８に記載の部品。
【請求項１３】
前記第１の領域に沿って、前記凝結物が第１の厚みを有し、前記第１の深さ領域が、前記第１の厚みの１．０〜２．０倍の厚みを有することを特徴とする請求項８に記載の部品。
【請求項１４】
前記第１の領域は、前記凝結物によって占められる前記表面領域の大半の領域であることを特徴とする請求項１３に記載の部品。
【請求項１５】
堆積されたチタン基材料の処理方法であって、前記材料が、
第１の公称化学的性質、第１の特性結晶粒径、および第１の特性結晶粒組織を有する素地と、
前記素地内の複数の不連続部と、
を最初に有する方法において、
前記材料をバニシングすることを備えた処理方法。
【請求項１６】
前記不連続部が、前記素地内に複数のスピットを含み、
前記スピットが、
前記素地よりも高いレベルの難揮発性不純物を有する液滴と、
前記液滴から延びるとともに前記素地と同一の化学的性質を本質的に有し、かつ、より大きい第２の特性結晶粒径と等軸晶の少ない第２の結晶粒組織とを有する幹と、
を有することを特徴とする請求項１５に記載の処理方法。
【請求項１７】
前記材料が、基材の上にあり、前記バニシングが、
前記材料の少なくとも局部的な厚みであって、０．０１５インチ未満である厚みの第１の深さ領域に沿って、２０〜１２０ｋｓｉの圧縮応力を与えることを特徴とする請求項１５に記載の処理方法。
【請求項１８】
前記材料が、基材の上にあり、前記バニシングが、
前記材料の局部的な厚みの１．０〜２．０倍の第１の深さ領域に沿って、２０〜１２０ｋｓｉの圧縮応力を与えることを特徴とする請求項１５に記載の処理方法。
【請求項１９】
前記バニシングは、流体ローラ式バニシングを備えることを特徴とする請求項１５に記載の処理方法。
【請求項２０】
電子ビーム物理蒸着、カソードアーク蒸着、およびスパッタリングの少なくとも１つによって、前記材料を基材の上に堆積することをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の処理方法。
【請求項２１】
前記材料は、基材の第１の領域の上にあり、前記方法が、前記材料で被覆されていない前記基材の第２の領域をショットピーニング加工することをさらに備えた請求項１５に記載の処理方法。
【請求項２２】
前記ショットピーニング加工が、前記バニシング加工よりも高い残留応力を前記バニシング加工よりも浅い深さにわたって与えることを特徴とする請求項２１に記載の処理方法。
【請求項２３】
前記処理方法が、ブレードに対してなされ、
前記第１の領域が、前記ブレードのエアフォイルに沿った領域であり、前記第２の領域が、取付けルート部に沿った領域であることを特徴とする請求項２１に記載の処理方法。
【請求項２４】
前記ブレードを清浄化し、
前記基材の損傷部位を機械加工し、
前記損傷部位に補形物を溶接し、
前記部位を溶接後機械加工し、
前記溶接後機械加工の後、前記材料を堆積し、
前記材料の余分な部分を機械加工することをさらに備えた請求項２３に記載の処理方法。
【請求項２５】
前記ブレードを清浄化し、
前記清浄化の後、前記材料を堆積し、
前記材料の余分な部分を機械加工することをさらに備えた請求項２３に記載の処理方法。
【請求項２６】
前記機械加工が、研磨加工であり、
前記機械加工が、前記バニシングの前になされることを特徴とする請求項２３に記載の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｔｉ基材料の堆積に関する。さらに詳細には、本発明は、堆積欠陥に処置を施すことに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｔｉ基材料の堆積に関する技術が発展している。例えば、Ｔｉ合金の被膜またはＴｉ合金の構造的な凝結物を同様の組成式もしくは異なる組成式を有する基材の上に堆積するのに、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）を用いることができる。このような技術は、損傷または磨耗した部品、例えば、ガスタービンエンジン部品（例えば、ブレード、ベーン、シールなど）の修復を行なうために、航空宇宙業界において用いられることがある。
【特許文献１】米国特許第５，４７４，８０９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，８２６，４５３号明細書
【特許文献３】米国特許第６，６７２，８３８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，８９３，２２５号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１５５２０３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、堆積欠陥は、凝結物の完全性を損なう可能性がある。このような欠陥の１つの分類群は、材料の液滴が基材の上または堆積している凝結物の上に飛散したときに、生じる。このような欠陥は、通常、「スピット（溶融飛散物）」として知られている。溶融プールは、蒸発して凝結物内に蓄積されることが意図されていない添加物を含むことがある。例えば、特許文献１は、溶融プールに難揮発性元素を用いる技術を開示している。液滴が（基材または堆積している凝結物の）表面に達すると、堆積物がさらに液滴の上およびその隣接する表面の上に溜まる。液滴の両側に沿って、その液滴の両側の相対方位によって、微細組織の不連続部が、堆積している材料内に生じることがある。材料がさらに堆積するにつれて、これらの不連続部は、最終的な凝結物の表面までの全域にわたって、継続的に生じる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
Ｔｉ基被膜は、圧着きずを有することがある。このようなきずは、被膜および被覆部品に１つまたは複数の構造的な脆弱部を与える可能性がある。１つまたは複数のこれらの構造的な脆弱部を軽減するために、被膜に残留圧縮応力を与えるバニシング加工処理が施される。
【０００５】
本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細について、添付の図面および以下の実施の最良の形態に基づいて、説明する。本発明の他の特徴、目的、および利点は、実施の最良の形態および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１では、基材２４の表面２２の上に堆積された凝結物２０が示されている。例示的な凝結物の厚みは、０．２ｍｍよりも小さい値（例えば、薄い被膜の場合）から２ｍｍを超える値（少なくとも局部的に堆積される場合、例えば、ある種の修復におけるような構造的な凝結部の場合）までの範囲内であってもよい。凝結物は、表面２２の上に達したモリブデンの飛散した液滴２８によって引き起こされた第１の欠陥２６を有する。例示的な液滴の大きさは、３０〜５００μｍである（横断寸法の分布における特性値（平均値／中央値／最頻値）として測定された）。欠陥（スピット）は、液滴２８から凝結物の表面（図示せず）に向かって延びている幹３０を含む。第２の欠陥３２が示されているが、この第２の欠陥３２は、図面の切面の下方の液滴によって引き起こされた可能性がある。他の欠陥は、必ずしも飛散によって生じているとは限らない。例えば、空孔または気泡が、同じようなスピットをもたらすことがある。
【０００７】
例示されている堆積物は、同様の基材上の公称Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの凝結物である。代替的な堆積物として、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２ＭｏおよびＴｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖが挙げられる。堆積物は、堆積中に溶融されたインゴットから、実質的に非消耗性である１つまたは複数の難揮発性元素または他の元素を含むプール（例えば、３０％Ｍｏ−７０％Ｚｒ混合物からなるプール）を少なくとも部分的に通って、生成されるようにすることができる。従って、液滴は、プールの表面層と同様の組成を有する傾向にある。非消耗性のプール添加物が不在の場合、液滴２８は、インゴットと同様の組成を有することになるが、この場合も、同様の欠陥を生じる可能性がある。モリブデン含有プールを用いるシステムにおける液滴の多くは、少なくとも１０％（重量％）、または少なくとも２０％（重量％）のＭｏ濃度を有するだろう。このＭｏ濃度は、プールにおける堆積材料元素による希釈の可能性を反映し、非消耗性のプール材料のＭｏ％よりもいくらか少ないことがある。
【０００８】
例示的な実施例において、基材２８は、中粒から粗粒の結晶粒（例えば、１０〜４０μｍの特性粒径（例えば、平均値で表した粒径）またはＡＳＴＭ規格で表した約１０．５〜６．５の粒径）のα−β微細組織を有する。一例として、基材の１０〜２０％（重量％）がβ相で、残りが本質的にα相である。（欠陥から離れた）凝結物の素地もα−β微細組織を有するが、このα−β微細組織は、極めて微細な結晶粒を有する（例えば、凝結物の成長／堆積方向に沿って長手方向に配向した５〜１０μｍの長さおよび２〜５μｍの厚みを有する針状α結晶粒）。幹の大きさは、殆どの部分において、液滴の大きさに依存する。例示的な幹の径は、約２０μｍから約５０μｍの間にある。しかし、極めて大きい幹が存在する可能性もある。幹は、柱状α−β微細組織を有する。この微細組織は、素地の特性粒径の数倍の特性粒径を有することがあり、結晶粒が、堆積方向（すなわち、基材から離れる方向）に細長く延びることがある。特に、極めて大きい直径の幹（例えば、直径が１００μｍを超える幹）の場合、幹の周囲に孔が存在することがある。幹と素地との界面における結晶粒の不連続と幹の結晶粒の特有の配列とによって、構造的な脆弱部が生じる可能性があり、これらの脆弱部が、とりわけ、延性、破壊靭性、耐疲労性、耐フレッチング疲労性、耐食性、耐摩耗性、耐亀裂核生成性（ｃｒａｃｋ  ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）などに悪影響を与えることになる。
【０００９】
本発明によれば、１つまたは複数のこれらの構造的な脆弱部を軽減するために、凝結物にバニシング処理が施される。例示的なバニシング処理は、低塑性バニシング処理である。
【００１０】
航空宇宙用部品の低塑性バニシングは、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５において、検討されている。また、Ｔｉ基部品に対してこのようなバニシングを用いる方法が、２００５年３月８日〜１１日にルイジアナ州ニューオーリンズで開催された第１０回国際ＨＣＦ会議の議事録におけるＰ．プレベイ、Ｎ．ジャヤラマン、およびＲ．ラビンドラナス（Ｐ．  Ｐｒｅｖｅｙ，  Ｎ．  Ｊａｙａｒａｍａｎ，  Ｒ．  Ｒａｖｉｎｄｒａｎａｔｈ）による「Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ航空エンジンブレードのダブテイルにおける損傷許容値を改善する設計に残留圧縮を用いる方法」、および２００５年９月６日〜９日にフランス、パリのマルヌ・ラ・ヴァレで開催されたＩＣＳＰ９の議事録におけるＰ．プレベイ、Ｎ．ジャヤラマン、およびＪ．カメット（Ｊ．  Ｃａｍｅｔｔ）による「疲労損傷機構を軽減する低塑性バニシングの概要」においても、検討されている。
【００１１】
例となる部品は、ブレード４０（図２）である。この例示されているブレードは、エアフォイル４２、プラットフォーム４４、および取付けルート部４６を有する。エアフォイルは、前縁４８、後縁５０、および前縁と後縁との間に延びている正圧面５２および負圧面５４を有する。エアフォイルは、プラットフォームの外周面５８の内周端５６から先端６０の外周端に延びている。ルート部は、プラットフォームの下面６２から垂下し、ブレードをディスク（図示せず）の相補的な溝穴に固定するために、入り組んだ輪郭（例えば、いわゆるダブテイルの輪郭すなわちモミの木状の輪郭）を有していてもよい。局部的な翼幅Ｓは、先端６０とエアフォイルの内周端５６との間の半径方向の距離である。翼幅Ｓは、エアフォイルの翼弦に沿って変化する。
【００１２】
例示的なエアフォイルは、１つまたは複数の形態の磨耗および／または損傷を受けることがある。摩耗の例として、広い範囲に分散する腐食が挙げられる。損傷の例として、通常は前縁の近傍または先端に生じる異物損傷（ＦＯＤ）による切り傷や欠けが挙げられる。
【００１３】
分散腐食に対処するために、凝結物（被膜）２０を領域７２に施すことができる。例示されている領域７２は、正圧面および負圧面に沿って境界７４に至るエアフォイルの実質的に全体に沿って延びている。例示されている境界７４は、先端から半径方向距離Ｓ1の位置にある。例示的な半径方向距離Ｓ1は、翼弦全体に沿って翼幅Ｓの５０％よりも長い。
【００１４】
図２では、前縁４８に沿った例示的な損傷部位８０も示されている。溶接による修復の場合、溶接修復材料８２が図示されているが、この溶接修復材料８２が、欠損した材料を元に戻すために、損傷部位の上に施される。例示されている溶接による修復は、肉盛式であってもよく、もしくは予成形された補形物を含んでもよい。溶接材料に隣接して、既存の基材が、領域８４に沿って、熱的に誘発された薄肉化、すなわち、局所的な溶接収縮を受けることがある。凝結物は、代替案または追加案として、局所的な溶接収縮によって欠損した厚みを元に戻すために、領域８４に施されてもよい。
【００１５】
例示的な腐食修復プロセス１００（図３）の場合、最初の清浄化ステップ１０２は、ＨＦ‐ＨＮＯ3溶液によるエッチングを含むことができる。この清浄化の例として、機械的な清浄化も挙げられる。清浄化の後、凝結物が堆積される（ステップ１０４）。
【００１６】
例示的な方法では、凝結物の仕上げ加工ステップ１０６は、規格値を満たす最終的なエアフォイルの輪郭を局所的にもたらすことができる。例示的な仕上げ加工ステップ１０６は、ベルト式の研磨機を用いる方法を含む。この方法では、手動によって、ブレードをベルト式研磨機に対して操作する。自動化ブレンディングプロセスによる代替的な機械加工も知られている。検査（例えば、プローブまたはレーザスキャン、図示せず）によって、該部分の寸法的な整合性を検証することができる。
【００１７】
凝結物に、バニシングが施される（ステップ１０８）。例示的なバニシングは、流体転動体による。例示的な転動体は、球／ボールである。単一点式バニシングおよび対向２点キャリパ式バニシングが、前述の引用文献に開示されている。代替案として、バニシングは、機械仕上げ加工ステップ１０６の前に行なってもよく、または機械仕上げ加工ステップ１０６なしで行なってもよい。
【００１８】
例示的なバニシングは、本質的に、エアフォイルの未被覆領域にわずかに重なって凝結物の全体にわたって行なわれる。例示的なバニシングは、その作用深さが浅い（すなわち、基材の厚み／深さの全体に及ぶことがない残留圧縮応力を加える）。例示的な生成されたままの凝結物は、０．００８インチの中央値／最頻値で表される厚みを有する（より一般的には、約０．０１５インチまで、より具体的には、０．００４〜０．００８インチ）。例示的なバニシングは、表面２２において、凝結物／基材の界面に至るかまたはそのわずかに下方に至る深さ領域にわたって残留圧縮応力を与える。例示的な深さ領域は、局部的な被膜厚みの１．０〜２．０倍である。
【００１９】
深さ領域における例示的な残留応力は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合、１００〜１１０ｋｓｉのピーク値、より一般的には、９０〜１２０ｋｓｉのピーク値を有する。この範囲の上限は、凝結物の強度によって、制限されることもある。深さ領域の下方では、残留応力は、急激に減少する。凝結物／基材の界面では、例示的な残留応力は、少なくとも２０ｋｓｉである。界面の下方では、残留応力が、さらに減少する。界面の下方の０．００１〜０．００５インチ以内（一例であり、より具体的には、０．００１〜０．００４インチ以内）において、特にバニシング後に機械加工される被膜またはバニシング前の機械加工が被膜厚みを実質的に減少させていない被膜の場合、応力は、２０ｋｓｉ未満になることがあり、より具体的には、０に至ることもある。被膜厚みおよびこのような機械加工の時期とその程度に依存して、（残留応力が２０ｋｓｉ未満、より具体的には、０に至る）この箇所は、凝結物の表面から０．０１５インチ以内（一例であり、より具体的には、０．０１２インチ以内、（例えば、バニシング後に機械加工を行なわないか、またはバニシング後に最小の機械加工を行なう場合、０．００９〜０．０１２インチ以内））にあることもある。応力分布の深さがこのように浅いので、該部分の変形を制限することができる。
【００２０】
所望の応力分布を与えるのに必要なバニシングのパラメータは、繰り返し破壊試験プロセスによって、構築することができる。例示的な試験プロセスでは、局在的検査プロセス（例えば、Ｘ線回折）を用いて、残留応力の深さおよび大きさの分布を評価し、場所ごとにバニシング加工のパラメータを変更する必要性を示唆することができる。
【００２１】
例示的な方法では、凝結物によって被覆されると共にバニシングが施される領域以外のブレードの領域が、さらに機械処理されてもよい。例えば、ショットピーニングステップ１１０が挙げられる。ショットピーニングは、取付けルート部４６に対して行なうことができる。このショットピーニングは、バニシングよりも浅い深さとバニシングよりも高いピーク圧縮値とを有する応力分布を与えることができる。
【００２２】
有力な変更形態のなかには、バニシング、機械加工、またはショットピーニングの順番の入れ替えが含まれる。
【００２３】
図４では、例示的な溶接修復プロセス１２０が示されている。修復プロセス１００のステップと同様のステップは、同様の参照番号で示される。損傷部位を清浄化ステップ１０２の前または後に機械加工することができる（ステップ１２２）。溶接加工ステップ１２６は、欠損した材料を元に戻すことができる。溶接後機械加工ステップ１２８は、溶接部の隆起領域を減らすと共に、堆積用のひけ領域を準備し、さらに機械加工ステップ１０６におけるのと同様の加工を行なうことができる。堆積ステップ１３２に先立って、再清浄化ステップ１３０を行なうことができる。
【００２４】
堆積は、影響を受けていない領域にわずかに重ねて、ひけ領域を被覆するようにしてもよい。代替案として、堆積は、広い領域（例えば、堆積ステップ１０４におけるのと同様の領域）を被覆してもよい。堆積厚みは、堆積ステップ１０４の厚みと同様であってもよい。堆積後、機械加工１３４が行われてもよい（例えば、仕上げ加工ステップ１０６と同様に）。
【００２５】
（例えば、バニシングステップ１０８と同様の）バニシングステップ１３６が、影響を受けていない領域にわずかに重ねて凝結部を覆ってもよいし、またはバニシングステップ１０８におけるのと同様のより広い領域を覆ってもよい。続いて、ショットピーニングステップ１１０が、前述したのと同様に、行なわれてもよい。第１の実施例と同様に、バニシングのパラメータは、適切な試験によって、決定することができる。
【００２６】
本発明の１つまたは複数の実施形態について説明した。にもかかわらず、種々の変更が本発明の精神と範囲から逸脱することなくなされ得ることが理解されるだろう。例えば、本発明は、種々の既存の堆積技術、溶接技術、機械加工技術、バニシング技術、および他の技術および種々の既存の装置の変更形態として、またはそれらの技術および装置を用いて実施されてもよい。また、種々の境界領域および遷移領域は、前述した特性から逸脱する特性を有することがあってもよい。ブレードエアフォイルへの適用例について説明したが、Ｔｉ基被膜は、他の領域および他の部品に施されてもよい。ブレードの他の領域の例として、磨耗または腐食したブレードのルート部の修復が挙げられる。従って、他の実施形態は、特許請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】欠陥を示す、同様の基材上のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの凝結部の光学的顕微鏡写真である。
【図２】ブレードの図である。
【図３】ブレードを修復する第１の工程のフローチャートである。
【図４】ブレードを修復する第２の工程のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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