航空機エンジンタービンブレードおよびファン／圧縮機ブレードの溶接修理および再製造技術

Feb 24, 2025

航空機エンジンのブレードは長期間にわたり複雑で厳しい作業環境にあり、さまざまな種類の損傷欠陥が発生しやすいです。ブレードを交換することは費用がかさむため、ブレードの修理および再製造技術に関する研究には大きな経済的メリットがあります。航空機エンジンのブレードは主に2種類に分けられます：タービンブレードとファン/圧縮機ブレードです。タービンブレードでは通常、ニッケルベースの高温合金が使用され、ファン/圧縮機ブレードではチタン合金が主に使用され、一部ではニッケルベースの高温合金も使用されます。タービンブレードとファン/圧縮機ブレードの材料や作業環境の違いにより、一般的な損傷の種類が異なり、それに伴い異なる修理方法や、修理後に達成すべき性能指標が求められます。本論文では、航空機エンジンブレードにおける2種類の一般的な損傷欠陥に対する現在使用されている修理方法とキーテクノロジーについて分析・議論し、航空機エンジンブレードの高品質な修理および再製造を実現するための理論的根拠を提供することを目指します。

航空機エンジンでは、タービンやファン／圧縮機のローターブレードが遠心力、熱応力、腐食などの長期間にわたる過酷な環境にさらされ、非常に高い性能が要求されます。これらは航空機エンジン製造における最も核心的な部品の一つとされ、その製造は全体のエンジン製造作業量の30％以上を占めています[1。 –長時間にわたり過酷で複雑な作業環境に置かれることで、ローターブレードは亀裂、ブレード先端の摩耗、破断損傷などの欠陥が発生しやすくなります。ブレードの修理コストは、全体のブレード製造コストの20％しかかかりません。したがって、航空機エンジンブレードの修理技術に関する研究は、ブレードの耐用年数を延ばし、製造コストを削減し、大きな経済効果をもたらします。

航空機エンジンブレードの修理および再製造は主に次の4つのステップを含みます[4]：ブレードの前処理（ブレードクリーニング[5]、3次元検査および幾何学的再構築[6、 –7]など）；材料の堆積（先進的な溶接および接合技術を使用して欠損した材料の充填と蓄積を行う[8、 –10]、性能回復の熱処理[11、 –13]など）；ブレードの再生（研削やポリッシングなどの加工方法[14]を含む）；修理後の処理（表面コーティング[15]などを含む） –図1に示すように、材料の堆積は、修復後のブレードの機械的特性を確保するための鍵です。航空エンジン用ブレードの主要な構成要素と材料は図2に示されています。異なる材料や異なる欠陥形状に対して、対応する修理方法の研究が、損傷したブレードの高品質な修理および再製造を実現するための基礎となります。本論文では、ニッケルベース高温合金タービンブレードとチタン合金ファン／圧縮機ブレードを対象として、現在の段階におけるさまざまな航空エンジンブレードの損傷タイプに対する修理方法およびキーテクノロジーについて議論・分析し、その利点と欠点を説明します。

1. ニッケルベース高温合金タービンブレードの修理方法

ニッケルベースの高温合金タービンブレードは、長期間にわたり高温の燃焼ガスと複雑な応力環境で動作し、ブレードには疲労熱クラック、小面積の表面損傷（ブレード先端の摩耗や腐食損傷）、そして疲労破断などの欠陥がよく発生します。タービンブレードの疲労破断修理における安全性は比較的低いため、疲労破断が発生した後は溶接修理を行わず、通常直接交換されます。タービンブレードの2つの一般的な欠陥とその修理方法は図3 [4]に示されています。以下では、これらの2種類の欠陥に対するニッケルベース高温合金タービンブレードの修理方法をそれぞれ紹介します。

1.1 ニッケルベース超合金タービンブレードのクラック修理

ろう付けと固体相溶接修復法は、通常タービンブレードのクラック欠陥を修理するために使用され、主に以下の方法が含まれます：真空ろう付け、一時的液体相拡散接合、活性化拡散接合、および粉末冶金再製造修復法。

Shan et al. [18] は、ChS88ニッケルベース合金ブレードの亀裂を修復するためにビーム真空ろう付け法を使用し、Ni-Cr-B-SiおよびNi-Cr-Zrろう材を用いました。結果は、Ni-Cr-B-Siろう材と比較して、Ni-Cr-Zrろう材中のZrが拡散しにくく、基板が著しく腐食せず、ろう付け部の靭性が高いことを示しました。Ni-Cr-Zrろう材を使用することで、ChS88ニッケルベース合金ブレードの亀裂修復が可能です。Ojo et al. [19] は、Inconel718ニッケルベース合金の拡散ろう付けジョイントにおけるギャップサイズとプロセスパラメータの影響を研究しました。ギャップサイズが増加すると、Ni3Al系金属間化合物やニッケル・クロム豊富なホウ化物などの硬くて脆い相が現れ、これがジョイントの強度と靭性が低下する主な理由です。

トランジェント液相拡散接合は等温条件下で固化し、平衡条件における結晶化に属し、組成と構造の均一化に寄与します[20]。Pouranvari[21]は、Inconel718ニッケルベース高温合金のトランジェント液相拡散接合を研究し、充填材中のCr含有量と基体の分解範囲が等温固化領域の強度に影響を与える主要な要因であることを発見しました。Linら[22]は、GH99ニッケルベース高温合金ジョイントのトランジェント液相拡散接合プロセスパラメータが組織および特性に及ぼす影響を研究しました。その結果、結合温度の上昇や時間の延長により、析出ゾーン内のNi豊富およびCr豊富なボロライドの数が減少し、析出ゾーンの粒径が小さくなることが示されました。室温および高温引張りせん断強度は、保持時間の延長に伴って増加しました。現在、トランジェント液相拡散接合は、低応力領域の小さなクラックの修理や、無冠ブレードの先端損傷の再構築に成功裏に使用されています[23]。 –24]. トランジェント液相拡散接合はさまざまな材料に成功裏に適用されてきましたが、小さなクラック（約250の修復に限定されています μ m）。

クラック幅が0.5 mmを超えており、毛細管現象だけではクラックを埋めることができない場合、活性拡散接合を使用してブレードを修理することができます[24]。 Su et al. [25]は、活性拡散ろう接法を用いてDF4Bろう材によってIn738ニッケルベース高温合金ブレードを修理し、高強度で酸化に強いろう接部を得ました。 γ′ 接合部で析出する相は強化効果を持ち、引張強度は母材の85%に達します。接合部はCr豊富なホルバイトの位置で破断します。ホークら[26]はまた、活性拡散接合を用いて、レネ108ニッケルベース高温合金ブレードの広い亀裂を修復しました。粉末冶金再製造法は、先進材料表面の元の再構築のために最近開発された方法であり、高温合金ブレードの修理に広く使用されています。これは、亀裂、焼損、摩耗、穴などの5mmを超えるような大規模な欠陥を三次元的に近似した各向同性強度まで回復および再構築することができます[27]。カナダの企業であるリバーディは、高AlおよびTi含有量で溶接性が悪いニッケルベース合金ブレードを修理するためにLPM（リバーディ粉末冶金）法を開発しました。このプロセスは図4に示されています[28]。近年、この方法に基づく垂直層状粉末冶金法では、幅25mmの欠陥に対して一括でろう付け修理を行うことが可能です[29]。

1.2 修理ニッケル系高温合金タービンブレードの表面損傷について

ニッケル系高温合金ブレードの表面に小面積の傷や腐食損傷が発生した場合、通常は加工によって損傷部を除去し、溝を作り、適切な溶接方法で充填および修復します。現在の研究は主にレーザー溶融堆積とアルゴンアーク溶接修復に焦点を当てています。

アメリカのデラウェア大学でキムら[30]は、高アルミニウムおよびチタン含有量のレネ80ニッケルベース合金ブレードに対してレーザークラッディングと手動溶接修復を行い、溶接後の熱処理を行った試料と、溶接後の熱処理に加えてホットイソスタティックプレス（HIP）を行った試料を比較し、HIPが有効に小サイズの気孔欠陥を低減できることを見いだした。華中科技大学の劉ら[31]は、718ニッケルベース合金タービン部品の溝および穴欠陥の修復にレーザークラッディング技術を使用し、レーザー出力密度、レーザースキャン速度、クラッディング形状が修復プロセスに及ぼす影響を研究した。その結果は図5に示されている。

アルゴンアーク溶接修理に関しては、中国航空発展瀋陽黎明航空発動機（集団）有限公司の曲勝ら[32]が、DZ125高温合金タービンブレードの先端部分に生じた摩耗および亀裂問題をタングステンアルゴンアーク溶接法で修復しました。結果は、従来のコバルト系溶接材料を使用して修復した場合、熱影響 zona では熱割れが発生しやすく、溶接部の硬度が低下することを示しています。しかし、新開発のMGS-1ニッケル系溶接材料を使用し、適切な溶接および熱処理プロセスを組み合わせることで、熱影響zonaでの亀裂の発生を効果的に回避でき、1000℃での引張強度も向上します。違う Cがベース材の90%に達する。宋文慶ら[33]はK4104高温合金タービンガイドブレードの鋳造欠陥の修復溶接プロセスに関する研究を行った。結果によると、HGH3113およびHGH3533溶接線を充填金属として使用すると、優れた溶接成形性、良好な塑性、高い割れ抵抗が得られる。一方で、Zr含有量が増加したK4104溶接線を使用すると、液状金属の流動性が悪く、溶接面の成形が良くなく、亀裂や非融着欠陥が発生する。これにより、ブレードの修復プロセスにおいて、充填材料の選択が重要な役割を果たすことがわかる。

現在のニッケルベースタービンブレードの修理に関する研究では、ニッケルベースの高温合金にはCr、Mo、Alなどの固溶強化元素やP、S、Bなどの微量元素が含まれており、これらが修理プロセス中に亀裂に対する感受性を高めています。溶接後は構造的な偏析や脆いラヴェス相欠陥が発生しやすくなります。したがって、ニッケルベース高温合金の修理に関する今後の研究では、このような欠陥の構造と機械的特性を調整する必要があります。

2 チタン合金ファン/圧縮機ブレード修理方法

運転中、チタン合金のファン／圧縮機羽根は主に遠心力、空力、および振動負荷にさらされます。使用中に、表面損傷欠陥（ひび割れ、羽根先端摩耗など）、チタン合金羽根の局所破損欠陥、そして大面積の損傷（疲労破断、大面積の損傷や腐食など）がよく発生し、羽根の全体交換が必要となります。異なる欠陥タイプと一般的な修理方法は図6に示されています。以下では、これらの3種類の欠陥の修理に関する研究状況を紹介します。

2.1 チタン合金羽根の表面損傷欠陥の修理

運転中、チタン合金羽根には表面ひび割れ、小面積の傷、羽根摩耗などの欠陥がよく発生します。このような欠陥の修理はニッケルベースのタービン羽根の場合と似ており、欠陥部分を切削して除去し、レーザー溶融沈着またはアルゴンアーク溶接を使用して充填・修理を行います。

レーザー溶融沈着の分野では、西北工業大学の趙荘ら [34] は、TC17チタン合金鍛造部品の小型表面欠陥（表面径2mm、深さ0.5mmの半球形欠陥）に対するレーザー修復研究を行いました。その結果、 β レーザー沈着ゾーン内の柱状結晶が界面から接合的に成長し、粒界が不明瞭になりました。元々の針状の α 板条および二次 α 熱影響ゾーンにおける相は成長し、粗大化した。鍛造試料と比較すると、レーザー修復試料は高強度低塑性の特性を持っていた。引張強度は1077.7 MPaから1146.6 MPaに増加し、延長率は17.4%から11.7%に減少した。潘波ら[35]は同軸粉末供給レーザークラッディング技術を使用して、ZTC4チタン合金の円形孔状の预制欠陥を多次にわたり修復した。結果は、母材から修復領域への微細組織の変化が板状であることを示した。 α 相と粒界 β 相 → かご目構造 → マーテンサイト → ウィドマンシュタッテン構造。熱影響ゾーンの硬さは、修復回数の増加に伴い若干上昇したが、母材および堆積層の硬さはほとんど変化しなかった。

修復ゾーンおよび熱処理前の熱影響ゾーンは超微細な針状である α 相が分布している β 相行列および基材領域は細かい籠状構造であり、熱処理後、各領域の微視的組織は板条状一次相です。 α 相 + β 相変化組織であり、修復領域における一次相の長さは他の領域よりも著しく大きい。修復部の高サイクル疲労限界は490MPaで、これは基材の疲労限界よりも高く、極限低下は約7.1%である。手動アルゴンアーク溶接も、ブレード表面のクラックや先端摩耗を修復するために一般的に使用されるが、その欠点は熱入力が大きく、広範囲の修復では大きな熱応力と溶接変形が発生しやすい[37]。 α 相の長さは他の領域よりも著しく大きい。

現在の研究は、レーザー溶融沈着またはアルゴンアーク溶接が修復に使用されるかどうかにかかわらず、修復領域には高強度低塑性の特性があり、修復後にブレードの疲労性能が低下しやすいことを示しています。次の研究ステップは、合金組成を制御し、溶接プロセスパラメータを調整し、プロセス制御方法を最適化して修復領域の組織を調節し、修復領域で強度と塑性のバランスを実現し、その優れた疲労性能を確保することに焦点を当てるべきです。

2.2 チタン合金ブレードの局所損傷の修復

チタン合金ローターブレードの損傷欠陥の修復と、チタン合金の3次元固体部品の追加製造技術はプロセスに関して本質的な違いはありません。修復は、損傷部分を基体として、破断面および局所表面に再び堆積する2次追加製造プロセスと見なすことができ、図7に示されています。異なる熱源に応じて、主にレーザー追加修復とアーク追加修復に分けられます。注目に値するのは、近年ドイツの871共同研究センターが、チタン合金一体型ブレードの修復においてアーク追加修復技術を研究焦点としており、核剤を添加するなどの手段で修復性能を向上させています[39]。

レーザー追加修復分野では、龚信勇（Gong Xinyong）ら[40]はTC11合金粉末を使用して、TC11チタン合金のレーザーメルト堆積修復プロセスを研究しました。修復後、堆積領域において薄肉試験片および界面再溶融領域は典型的なウィドマンシュタット構造の特徴を持ち、基体の熱影響ゾーン構造はウィドマンシュタット構造から二相構造に移行しました。堆積領域の引張強度は約1200 MPaで、これは界面遷移ゾーンや基体よりも高く、一方で塑性は基体より若干低くなっていました。引張試験片はすべて基体内で破断しました。最終的に、実際のインペラは点溶解堆積法によって修復され、超速度試験評価を通過し、設置応用が実現されました。卞洪友ら [41] はTA15粉末を使用してTC17チタン合金のレーザー加算修復を研究し、異なる焼入れ熱処理温度（610 °C ℃、630 °C ℃および650 °C ) その微細組織と特性に与える影響について研究した。結果は、レーザー堆積によって修復された TA15/TC17 合金の引張強度が 1029MPa に達することを示したが、塑性は比較的低く、僅か 4.3% であり、これはそれぞれ TC17 锻造部品の 90.2% と 61.4% に相当する。異なる温度での熱処理後、引張強度と塑性は大幅に向上した。焼入れ温度が 650 °C ℃ の場合、最高の引張強度は 1102MPa に達し、これは TC17 锻造部品の 98.4% に相当し、破断伸長率は 13.5% となり、堆積状態に比べて著しく改善された。

アーク加算修復の分野において、劉ら [42] は欠損したTC4チタン合金ブレードの模擬試験片に対する修復研究を行った。堆積層では等軸結晶と柱状結晶の混合粒構造が得られ、最大引張強度は991 MPa、延長率は10%であった。卓ら [43] はTC17チタン合金に対してTC11溶接ワイヤーを使用し、アーク加算修復研究を行い、堆積層および熱影響 zona の微細組織変化を分析した。加熱なしの条件では引張強度が1015.9 MPa、延長率が14.8%で、良好な総合性能が示された。陳ら [44] は異なる焼入れ温度がTC11/TC17チタン合金修復試験片の微細組織および機械的特性に及ぼす影響を研究した。その結果、高い焼入れ温度は修復試験片の延性を向上させるのに有利であることが示された。

金属積層製造技術を用いたチタン合金ブレードの局所損傷欠陥の修復に関する研究はまだ始まったばかりです。修復されたブレードでは、堆積層の機械的特性に注意するだけでなく、修復されたブレードの界面における機械的特性の評価も非常に重要です。

大面積損傷のある3つのチタン合金ブレードの交換および修復

圧縮機ロータの構造を簡素化し、重量を軽減するために、現代の航空機エンジンブレードでは多くの場合、一体型のブレードディスク構造が採用されています。これは、作業ブレードとブレードディスクを一体化した一体成型構造で、はめこみ（テンオン）や受け口（モルタル）を排除しています。これにより、重量軽減を実現するだけでなく、従来の構造におけるテンオンとモルタルの摩耗や空力損失も回避できます。圧縮機の一体型ブレードディスクの表面損傷や局所的な損傷欠陥の修理は、前述の分離型ブレード修理方法に類似しています。一体型ブレードディスクの破断や欠損部分の修理には、その独自の加工方法と利点から、線形摩擦溶接が広く使用されています。そのプロセスは図8 [45]に示されています。

マテオら[46]は、線形摩擦溶接を使用してTi-6246チタン合金の修理をシミュレートしました。結果は、同じ損傷が最大3回まで修理された場合、熱影響ゾーンが狭くなり、溶接粒構造が細かくなることを示しました。引張強度は、修理回数の増加に伴い、1048 MPaから1013 MPaに低下しました。しかし、引張および疲労試験片はいずれも溶接領域から離れた基材領域で破断しました。

マら[47]は、異なる熱処理温度（530 違う C + 4時間空冷、610 違う C + 4時間空冷、670 違う C + 4時間空冷）が tC17チタン合金の線形摩擦溶接ジョイントの組織および機械的特性に及ぼす影響を研究しました。その結果、熱処理温度が上昇すると、 α 相と β 相の再結晶度が著しく増加することがわかりました。引張および衝撃試験片の破断挙動は、脆性破断から靭性破断に変化しました。670での熱処理後違う Cの場合、引張試験片は母材で破断しました。引張強さは1262MPaでしたが、伸長率は母材の81.1%のみでした。

現在、国内外の研究によると、線形摩擦溶接修復技術は自己清浄作用で酸化物を除去する機能があり、融解による冶金的欠陥を引き起こすことなく結合面上の酸化物を効果的に除去できます。同時に、異なる材料間の接合を実現し、二重合金／二重性能の一体型ブレードディスクを得ることができ、異なる材料で作られた一体型ブレードディスクの刃体の破断や欠損部分の迅速な修復も可能です[38]。しかし、線形摩擦溶接技術を用いた一体型ブレードディスクの修復にはまだ多くの解決すべき問題があります。例えば、接合部での大きな残留応力や、異種材料接続の品質管理の難しさなどです。また、新素材に対する線形摩擦溶接プロセスについてはさらに探求が必要です。