JP2000110505A - 空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置する方法 - Google Patents

空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置する方法

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JP2000110505A JP11208463A JP20846399A JP2000110505A JP 2000110505 A JP2000110505 A JP 2000110505A JP 11208463 A JP11208463 A JP 11208463A JP 20846399 A JP20846399 A JP 20846399A JP 2000110505 A JP2000110505 A JP 2000110505A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザによる掘削中にエアフォイルを損傷す
る原因となり得る空隙を生じさせずに、エアフォイルの
空洞部に流体状の遮断材料を配置する。 【解決手段】 エアフォイル10の前縁領域22におけ
る第2の翼幅方向領域48に遮断材料64を配置する方
法は、気泡72が形成されるおそれのある領域Rに隣接
してインピンジメント孔56を設け、この孔を通して気
泡72の少なくとも一部が排気されるように、この気泡
を半真空の第2の環境において膨張させることを含む。
領域48に残る気泡72を、続いて、第3の環境で圧縮
することにより、気泡72を含む空隙がレーザビームの
中心線から離れるように移動される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に空洞部を有す
る構造体をレーザ掘削する方法に関し、この方法は、空
洞部の内部をレーザビームから保護するために空洞部に
遮断材料を充填することに関連するステップを含む。ま
た、本発明は、特に、空洞部内に遮断材料を配置すると
ともに、この遮断材料に空隙が生じるおそれを最小とす
るための方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンエンジン用のエアフォイル
は、作動媒体ガス用の流路に配置されている。このよう
なエアフォイルの例としては、タービンブレードやター
ビンベーンが挙げられる。これらのエアフォイルは、ガ
スがエンジンを通って流れるのに従って熱ガスを浴び
る。タービンベーンやタービンブレードなどのエアフォ
イルの温度を許容限度内に保つために、運転状態では、
エアフォイル内部の流路を通るように冷却空気が流され
る。
【0003】更に、エアフォイルは、エアフォイルの内
部から外部へと延びる冷却孔を含むこともできる。これ
らの冷却孔は、エアフォイル内部の流路から熱い壁を通
るようにエアフォイルの外部へと冷却空気を送る。排出
される冷却空気は、壁を通過する時に吹出し冷却を提供
し、エアフォイルから排出される時に冷却空気のフィル
ムによりフィルム冷却を提供する。冷却空気のフィルム
は、エアフォイルと熱い作動媒体ガスとの間のバリアと
なる。
【0004】冷却空気孔は、小さく、11〜17ミル
(0.011〜0.017インチ)の範囲の直径を有し
得る。これらの孔は、所定のパターンで掘削され、エア
フォイルに確実に十分な冷却を提供する形状となってい
る。
【0005】孔を掘削する1つの方法には、レーザを用
いてエアフォイルの外側面にコヒーレントエネルギを有
するビームを放射するものがある。レーザビームによる
強い放射は、エアフォイルの壁を焼き抜き、冷却空気用
の十分な管路を提供する孔を形成する。レーザビーム
は、エアフォイルの壁を貫通して空洞部内に到達する時
に空洞部の他方側の隣接構造体に衝突して許容できない
程度の損傷をエアフォイルに与えるおそれがある。従っ
て、レーザビームが、エアフォイル壁を貫通した後に空
洞部を囲む壁に衝突しないように、空洞部内に遮断材料
を配置することができる。
【0006】1つの方法は、製造工程におけるブレード
の鋳込みコアであるセラミック製鋳造コアを、エアフォ
イル内に配置したままとすることである。このセラミッ
ク製コアが、適切な遮断材料となる。このセラミックコ
アは、続いて周知の浸出技術を用いて取り除かれる。こ
の方法は、グレゴア、グリフィス、及びストラウドに付
与された米国特許第5,222,617号、名称「ター
ビンブレードの掘削」に説明されている。しかし、鋳造
後にコアが存在することによって、エアフォイル内部の
初期検査が不可能となる。また、セラミック材料は、冷
却空気孔を掘削した後の除去が困難となるおそれもあ
る。更に、冷却空気孔を再度掘削することが必要となり
得る修理工程においては、上記コアを利用することがで
きない。
【0007】遮断材料の他の例としては、ワックスもし
くはワックス様の材料が挙げられる。この材料は、流路
内部へ容易に流れるように溶融される。この溶融材料の
温度は、その融点以上であり、250°Fを超え得る。
この溶融材料は、空洞部内に流すもしくは注入すること
ができ、または、保護する面に噴霧もしくは塗装するこ
ともできる。しかし、この溶融材料は、作業員をひどく
熱傷するおそれがある。更に、このワックスは、隣接す
る冷却孔の間に延在することもあり得る。この場合、第
2の孔を掘削する時にレーザビームを遮断するワックス
は、第1の孔をレーザビームで掘削する時に溶融するお
それがある。これにより、ワックス内に空隙が生じてし
まう。従って、レーザビームは、第2の孔を掘削する時
に間隙を含む流路部分を通過することになり、そのエネ
ルギがワックスによって十分に散逸しないおそれがあ
る。ビームは、第2の孔の壁を貫通した後にエアフォイ
ルの内部壁に衝突し得るので、第2の孔の掘削時にエア
フォイルが損傷されるおそれがある。
【0008】間隙の形成を防止するために添加剤を用い
るワックス様の材料の1つが、コルフェ及びストラウド
に付与された米国特許第5,049,722号、名称
「レーザバリア材料及びレーザ掘削方法」に開示されて
いる。この特許では、ワックス基剤にワックス様の材料
であるPTFE(ポリ四フッ化エチレン)が添加されて
いる。PTFEは、空隙の形成を防止する。エアフォイ
ルの種類によっては、前縁の流路の内部にこのような材
料を配置することが特に困難となる。多くの場合、前縁
の流路は、製造段階ではエアフォイルの外側面と接続し
ていない。即ち、掘削処理の前は、隣接する流路と連通
するように設けられた小さなインピンジメント孔を除く
と、前縁の流路は、盲流路つまり袋小路となっている。
隣接する流路は、前縁流路へと流れる冷却空気を受け入
れる開口部も有している。従って、作業員は、慎重に入
口開口部に溶融材料を流し入れるとともに、前縁流路内
の材料から気泡を除くようにエアフォイルを操作しなけ
ればならない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】また他の方法は、流体
状態でエアフォイル内に配置されるエポキシ樹脂のよう
なマスキング剤を用いる。エポキシ樹脂は、エアフォイ
ル内に樹脂を単に流し入れることによって配置される。
また、エポキシ樹脂は、室温であり、作業員に熱傷の危
険を与えるおそれを有しない。エポキシ樹脂は、流体を
硬化させて米国特許第5,049、722号に開示され
たPTFEワックスと同様の固形材料とするために更に
処理される。しかし、この樹脂は、溶融ワックスに比べ
て比較的粘性が高く、エアフォイル内部の小さい接続流
路を通って流れることが困難である。
【0010】従って、前縁の流路などのような盲空洞部
や流入する粘性材料によって塞がれた流路では、遮断材
料に気泡が生じるおそれがある。このような気泡は、空
隙防止のために前縁領域に十分なエポキシ樹脂を注入し
なかったことによって生じる。更に、エアフォイルの構
造的な設計によって、エアフォイルの前縁流路内の構造
に気泡が捕捉されるおそれがある。
【0011】よって、レーザ掘削中に空洞部周囲の構造
体に許容できない損傷を引き起こし得る空隙を空洞部内
に生じさせずに、前縁の空洞部内で流体状の材料を硬化
させるように、エアフォイルの前縁などの形状づけられ
た空洞部に流体状の遮断材料を配置する方法が求められ
ている。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によると、気体が
捕捉されたポケットの領域を通ってレーザ掘削を行う前
に、このポケットの領域を含む形状づけられた空洞部内
に硬化可能な遮断材料を配置する方法は、1)捕捉され
た気体の一部をポケット外に押し出すとともに押し出さ
れた気体に働く浮力を増加させるために、硬化可能な材
料内に捕捉された気体の容積を膨張させることと、2)
材料が硬化するのに従ってポケットの容積が減少するよ
うに、ポケット内に残った捕捉気体を圧縮することと、
が含まれる。
【0013】本発明によると、捕捉気体を膨張及び圧縮
するステップは、捕捉された気体の容積を変動させるた
めに、外部環境の温度もしくは圧力、またはこれらの両
方を変動させることを含む。
【0014】本発明の詳細な実施例では、形状づけられ
た空洞内に硬化可能な材料を配置する方法は、まず、気
体を含むポケットが形成されるおそれのある領域に隣接
するように排気流路を形成し、次に、捕捉気体の少なく
とも一部が排気流路と流体的に連通するようにポケット
内の気体を膨張させ、続いて、膨張した気体の一部が排
気流路を通って排出されるようにすることを含む。
【0015】本発明の主な特徴は、環境において気体に
働く圧力を調整することで捕捉された気体の容積を膨張
させることである。他の特徴は、圧縮により気体を除い
た領域を通るように行われる冷却空気孔を掘削するステ
ップである。本発明の更に他の特徴は、半真空における
気体の膨張によって十分な気体が排気されるように、レ
ーザビームの貫通位置に近接して排気流路を設けること
であり、これにより、遮断材料が硬化されるに従って、
気体に働く圧力により気体がレーザビームの貫通位置か
ら離れるように移動する。
【0016】本発明の主な利点は、空隙の大きさを減少
させることにより、遮断材料内に捕捉された気体の空隙
を含む部材領域に孔を掘削することが可能となること
で、部材にレーザで孔を掘削するコストが低下すること
である。本発明の他の利点は、部材から捕捉された気泡
を取り除くために部材を操作する必要をなくすことで、
部材内部の盲空洞部に遮断材料を配置するコストが低下
するとともにこの材料を配置することが容易となること
である。本発明の更に他の利点は、充填処理において適
切な温度のエポキシ樹脂などのより粘度の高い物質を使
用することにより、このような材料を扱う作業員の熱傷
を防いで作業員の健康及び安全を守ることができること
である。
【0017】
【発明の実施の形態】図1は、ガスタービンエンジンの
ステータベーン10として示されたガスタービンエンジ
ン用のエアフォイルの側面図である。エアフォイルと
は、タービンブレードやタービンベーンを含み、流れを
導く面、プラットフォーム及びバットレスを含むタービ
ンブレードやステータベーンの全ての部分を指す。
【0018】エアフォイル10は、外側端部12と内側
端部14とを有する。エアフォイル10は、翼幅方向に
延びる後縁18を含む後縁領域16を有する。前縁領域
22は、後縁領域16から翼弦方向で前方に離間されて
いる。前縁領域22は、翼幅方向に延びる前縁24を有
する。
【0019】エアフォイル10は、更に、内側端部14
と外側端部12との間に延びる流れを導く面26を有す
る。この流れを導く面26は、負圧側壁28と正圧側壁
32とを含む。負圧側壁28と正圧側壁32とは、間に
冷却空気用の空洞部34を有するように前縁24と後縁
18とで接続されている。
【0020】エアフォイル10は、空洞部34内に設け
られた第1の内部壁36を有する。第1の内部壁36
は、前縁24から翼弦方向に離間されている。第1の内
部壁36は、負圧側壁28と正圧側壁32との間に冷却
空気用の第1の流路38を形成するようにこれらの間で
延びる。第1の流路38は、前縁領域22で翼幅方向に
延びる。製造工程において、適切な手段によって冷却空
気孔42が掘削される。冷却空気孔42は、側壁を貫通
してエアフォイルの前縁領域及び他の領域(図示省略)
においてエアフォイル内部まで延びる。エアフォイルの
半製品では、第1の流路38は、前縁領域を介してエア
フォイルの外部と流体的に連通していない。
【0021】図2は、図1に示したエアフォイル10の
完成品に対応するエアフォイル10の半製品の部分断面
図である。エアフォイル10の半製品の一部は、エアフ
ォイル10の前縁領域22を示すように切り欠いてあ
る。図2に示されるように、エアフォイル10の前縁2
4には、まだ冷却空気孔42が掘削されていない。エア
フォイル10は、第1の翼幅方向流路38を第1の翼幅
方向領域46と第2の翼幅方向領域48とに分割する第
2の内部壁44を含む。
【0022】エアフォイル10は、前縁24及び第1の
壁36から翼弦方向に離間された第三の内部壁52を有
する。第三の内部壁52は、側壁28,32の間を延び
て第1の流路38に隣接して翼幅方向に延びる第2の流
路54を定める。複数のインピンジメント孔56が、第
1の壁36を貫通しており、第1の流路38と第2の流
路54とは、流体的に連通している。第2の流路54の
面積の1つのインピンジメント孔56の面積に対する比
は、通常20対1よりも大きく、最大100対1であり
得る。インピンジメント孔56の大きさは、高さが約6
0ミル、幅が約20ミルであり、フィルム冷却孔よりも
大きい。エアフォイル10の外側端部12における第1
の開口部58と内側端部14における第2の開口部62
によって、第2の流路54がエアフォイル10の外部と
流体的に連通している。製造時に第2の開口部62を塞
ぐために、カバー63がこの開口部62上に延在する。
【0023】流体状の遮断材料64が前縁領域22に配
置されて示されている。エアフォイル10を遮断材料6
4で充填した時に、気泡が捕捉される。これらの気泡
は、気泡66,68,72として概略的に示されてい
る。第1の流路38と第2の流路54とは、インピンジ
メント孔56を介して常に流体的に連通しており、エア
フォイルの配置次第で、通常は、気体が流れるように連
通している。よって、第1の流路38と第2の流路54
とは、外側端部12における第1の開口部58と内側端
部14における第2の開口部62とを介してエアフォイ
ル10の外部と流体的に連通している。しかし、第2の
流路54と、第2の流路54を介して第1の流路38へ
と流体状の遮断材料64が充填されると、気体循環が減
少した領域が生じる。例えば、1つのインピンジメント
孔56aは、第2の壁44に最も近接しており、第2の
壁44から翼幅方向に離間されている。流体状の遮断材
料64は、この高さまで充填され、この孔56aの上部
に気体循環が制限された領域Rが形成され得る。インピ
ンジメント孔56aによって、領域Rに最も近接する第
2の領域48の一部が、第2の流路54と気体的に連通
可能となるが、インピンジメント孔56aは、領域R内
には達しない。
【0024】図3は、図1の3−3線に沿ったエアフォ
イル10の第1の外側端部12の上面図である。図1及
び図3は、エアフォイルの負圧面側に設けられた(図1
では細い線で、図3では実線で示されている)第1のダ
ム74の外側端部12に対する関係を示している。図3
に示すように、正圧面側の第2のダム76が、第1のダ
ム74に面している。カバー即ちバリア84が、エアフ
ォイルの特定の他の開口部78,82上に延在し、これ
らの位置へ流体状の遮断材料64が流れることを阻止し
ている。これらのダム74,76及びバリア84は、エ
アフォイル10の第1の面と共同して、流体を受け入れ
るとともに第1の開口部58に向かって流体を集めるた
めのボウル86を形成する。
【0025】図4は、図2に示したエアフォイル10の
線4−4に沿った断面図である。エアフォイル10の前
縁24に冷却孔42を掘削する方法は、コヒーレント光
を集束したレーザビームを使用する。
【0026】図4は、冷却空気孔42の掘削処理におけ
るエアフォイルの外側面及び第1の流路38に対するレ
ーザビームの関係を示している。レーザビームは、中心
線Lとして概略的に示されている。レーザビームは、エ
アフォイル10の内部に届くのに従って、壁を焼き抜い
て壁の内部に突破孔(breakout hole)を
形成する。レーザビームの放射線は、中心線Lと一致す
る。レーザビームの線は、第1の流路38を横切って延
びるように示されており、遮断材料64がなければ第1
の壁36に衝突する。レーザビームは、エアフォイル1
0の外部壁に衝突するおそれもあり、また、冷却空気孔
42の位置によっては前縁領域22の第1の内部壁36
に放射されるおそれもある。遮断材料64によってビー
ムのエネルギを吸収して散逸しない限り、この領域にお
ける第1の壁36もしくは外部壁に、孔が掘削または部
分的に掘削されるおそれがある。このような孔のため
に、エアフォイルの廃棄またはコスト高な再加工が必要
となる場合もある。
【0027】従って、冷却空気孔42を掘削する方法
は、エアフォイル10の冷却空気孔42に隣接する前縁
領域22に遮断材料64を配置することを要する。この
ことは、エアフォイル10の第2の流路54及び第1の
流路38に遮断材料64を充填し得るように、供給源に
対してエアフォイル10を配置することを含む。通常、
エアフォイルは、その内側端部14が垂直よりも約5°
後方に傾くように固定具に配置される。
【0028】図2に示したエアフォイル10の半製品状
態では、前縁領域22の第1の流路38は、前縁領域2
2に出口孔(冷却空気孔42)を有しない盲空洞部であ
る。従って、第1の流路38と第2の流路54との間に
延びるインピンジメント孔56が、遮断材料64の入口
と、エアフォイル10内部の捕捉気体用の出口と、の両
方を提供しなければならない。
【0029】第2の流路54及び第1の流路38に遮断
材料64を充填するステップは、通常、第1の環境で行
われる。(第1の環境、第2の環境、及び第3の環境な
どの)“環境”とは、1つのステップの少なくとも一部
にわたってエアフォイル10を囲む気体及びこの気体の
圧力や温度を示すために使用する。“気体”には、アル
ゴンなどの一種類の原子で構成される分子を含む気体
や、空気などの多種類の原子を含む気体が含まれる。
【0030】本発明の1つの実施例では、第1の環境の
気体は、第1の圧力P1及び第1の温度T1の空気であ
る。第1の圧力P1は、大気圧、つまり、14.7ポン
ド/平方インチ絶対圧力(14.7psia)であり、
第1の温度は、ほぼ室温に等しい。室温は、通常約70
°F〜80°Fの範囲である。
【0031】遮断材料64として適切であることがわか
った材料には、硬化可能な流体エポキシ樹脂及び流体硬
化剤がある。この混合物は、掘削処理の前に硬化され
る。テキサス、ヒューストン、ピー.オー.ボックス4
320(P.O.Box 4320,Houston,
Texas)所在のシェル化学社(Shell Che
mical Company)は、この樹脂をEPON
樹脂815(EPONResin 815)として供給
している。硬化剤は、EPI−CURE硬化剤3140
(EPI−CURE Curing Agent 31
40)材料である。樹脂と硬化剤とは、それぞれ同量混
合される。硬化剤は、低い粘性を有し、接着フローリン
グや一般的なコーティングに使用可能なものである。約
80°F(25°C)の温度では、この硬化剤の粘性
は、約3,000〜6,000センチポアズであり、こ
の樹脂の粘性は、約500〜700センチポアズであ
る。室温で樹脂と硬化剤とを混合したものは、糖蜜に近
い粘性を有し、約1750〜約3400センチポアズの
範囲の粘性となり得る。
【0032】第1の流路38にエポキシ樹脂と硬化剤と
の糖蜜様の混合物を充填する前に、本発明の方法は、ダ
ム74,76を形成するとともにエアフォイルの選択さ
れた位置にカバーを設置することを含む。例えば、この
方法では、ベーンの外側端部12にボウル86を形成す
ることが含まれる。このボウル86は、ベーンの第1の
開口部58に隣接し、エアフォイル10の側面にアルミ
ニウム製テープを施すことにより形成される。このテー
プは、ベーンの端部の負圧面側にダム74を形成すると
ともに、正圧面側にダム76を形成する。適切なアルミ
ニウム製テープには、ニューヨーク州 12090,フ
ーシック フォールズ,マッカフリーストリート 14
(14 McCaffrey Street,Hoos
ickFalls,New York 12090)所
在のフロン社(FuronInc.)よりアルミフォイ
ル箔ガラス繊維布テープ(部品番号2925−7)とし
て供給されているものがある。このテープの高さH1
は、第1の開口部58に隣接するエアフォイル部分より
も3/8インチ高い。エアフォイル10は、ベーンの外
側端部12に他の開口部78,82を有する。本発明の
方法は、これらの他の開口部78,82を必要に応じて
塞ぐことを含む。同じアルミニウム製テープが、第2の
開口部62のカバー63にも使用される。この開口部6
2は、第2の流路54に遮断材料64を充填する前に覆
われる。
【0033】遮断材料64が開口部より上の高さH2に
到達するまで、これらのダム74,76で形成されたボ
ウル86を介して第2の流路54に遮断材料64が流し
込まれる。この高さH2は、ダムの高さH1よりも低
く、通常は、約1/4インチである。
【0034】遮断材料64が第2の流路54及び第1の
流路38に流入するのに従って、第1の環境の空気など
の気体が、第2の流路54のポケットなどで遮断材料6
4内に捕捉される。また、第2の流路54内に遮断材料
64を流し入れた後に、第2の開口部62にバリアを提
供するようにアルミニウム製テープを施すこともでき
る。このようにすれば、第2の流路54より空気を全て
排気することができるが、エアフォイル10の外部に樹
脂が流出した場合には、エアフォイル10を処理及び洗
浄することが必要となるので、時間がかかってしまう。
この処理は、第1の流路38に十分な量の遮断材料64
が充填される前に必要となる。
【0035】真空炉に入れられる次のエアフォイル群を
充填するために実質的に全ての流体状遮断材料64が使
用されるように、十分な量の遮断材料64が混合され
る。従って、エアフォイル群を充填するのに要する時間
は、前に充填したエアフォイル10が半真空内に配置さ
れる時間にほぼ等しい。
【0036】遮断材料64で充填されたエアフォイル1
0は、約20〜30分にわたって半真空状態を形成する
ように第2の温度T2及び第2の圧力P2とされた第2
の環境を有する真空炉に配置される。第2の圧力P2
は、第1の環境の(通常は、大気圧である)第1の圧力
1よりも低い。第2の圧力P2は、通常、125ト
ル、即ち約2.5psiaよりも低い。半真空の環境の
温度T2は、ほぼ室温である。本発明の他の実施例で
は、第2の環境で遮断材料64から空気が取り除かれる
時に、前縁領域22に気泡が捕捉される程度まで遮断材
料64が硬化しない限り、温度T2は、温度T1よりも
高くなり得る。遮断材料の粘性が温度とともに減少する
場合などでは、温度T2が温度T1よりも高い方が利点
を有する場合があり得る。
【0037】本発明の方法は、遮断材料64内に捕捉さ
れた気体に浮力が働くようにエアフォイル10を配置す
ることを含む。開示された実施例では、ベーンは、その
内側端部に支持されてそれ自体で立つ構造体であり、他
に支持を必要とせずに真空炉に配置することができる。
また、ベーンの第2の端部を約5°後方に傾ける固定具
にベーンを配置することもできる。このような固定具
は、一対の平行ロッドを有し、これらのロッドがベーン
のプラットフォームの外側端部の下側とそれぞれ係合す
る。これにより、特殊な固定方法の必要性がなくなると
ともに、ベーンの取扱い速度を速くすることで取扱いコ
ストを低下させることができる。
【0038】半真空状態によって、気泡68が膨張し、
気泡に働く浮力が増加する。第1の流路38内の膨張し
た気泡は、浮力により第1の流路38から第2の流路5
4へと押し出される。このように膨張した気泡は、第2
の流路54の他の膨張した気泡と合流する。気泡72な
どの膨張した気泡が第2の流路54内で上方に浮上する
のに従って、第2の流路54と第1の流路38との間に
延びるインピンジメント孔56を介して遮断材料64が
第1の流路38に押し込まれる。第1の流路38に押し
込まれた遮断材料64もまた、インピンジメント孔56
を介して第1の流路38内の空気を第2の流路54へと
押し出すことに寄与し、気泡が第2の流路54を通過し
ようとする作用を高めるとともに、第1の流路38内へ
遮断媒体を更に押し込む。
【0039】遮断材料64で充填したエアフォイル10
を第2の環境の半真空状態に配置した後、遮断材料64
で充填したエアフォイル10を、第3の環境に配置す
る。第3の環境は、第2の圧力よりも高い第3の圧力P
3の気体を含む。この気体は、通常空気であり、その温
度は、温度T2よりも高い温度T3である。(EPON
樹脂815樹脂とEPI−CURE硬化剤3140材料
である)エポキシ樹脂と硬化剤のこの特定の混合物で用
いられる温度は、約225〜275°Fの範囲である。
この環境は、通常、約250°Fの温度である。エポキ
シ樹脂と硬化剤の混合物は、この温度範囲に約20分か
ら30分間保たれて硬化される。続いて、室温及び大気
圧である第4の環境において約48時間にわたって、エ
ポキシ樹脂及び硬化剤の混合物が最終的に硬化される。
本発明の他の実施例では、ワックスなどの他の材料を使
用し得る。この場合には、第1の環境において第2の流
路54に遮断材料64を充填するステップは、より高温
で行われ得る。他の方法では、溶融状態のワックスを上
記のような高温で用い、ワックスがベーン内に流れ込む
間、ワックスをその内部の熱によって溶融状態に保つ。
充填したエアフォイル10を第2の環境に配置するステ
ップは、ワックスを溶融状態に保つために、高温とした
半真空の真空炉で行われる。ワックスで充填したエアフ
ォイル10を、硬化するために第3の環境に配置するス
テップは、ワックスを硬化するために温度T2よりも低
い温度T3、及び圧力P2よりも高い圧力P3で行われ
る。
【0040】本発明の方法の利点は、特に、循環が減少
した領域である図2及び図5で示した領域Rを含む部材
を、遮断材料64で充填することに関する。現象的には
よく解明されていないが、経験的なデータにより、この
領域で以下のようなことが起こると考えられる。領域R
には、領域Rの高さBの翼幅方向高さと同じ高さの気泡
が捕捉されるおそれがある。遮断材料64で充填したエ
アフォイル10を、約125トルよりも低い圧力である
第2の環境に配置すると、環境において遮断材料に働く
気体の外圧が減少する。これにより、気泡内の捕捉され
た気体の圧力も減少する。
【0041】理想気体の法則によって、環境の圧力及び
遮断材料64の温度が捕捉された気泡の容積に与える影
響を概算することができる。
【0042】理想気体の法則では、pV=nRTと定義
しており、この式では、V=nモルの気体の容積、p=
絶対圧力、T=絶対温度、R=使用する単位のみによっ
て値が変化する普遍定数である。工業技術的な計算に
は、通常、数気圧の気体圧力が適している。理想気体の
法則によると、外圧を因数6で(760トルから125
トルよりも低い圧力まで)低下させると捕捉気体の容積
が6倍増加する。インピンジメント孔56の列が設けら
れていない場合には、気泡は、流路の第2の領域48に
おいて翼幅方向に翼幅方向高さB2まで延在する。この
半真空における新たな翼幅方向高さB2は、翼幅方向高
さB1の約6倍となる。
【0043】この場合、インピンジメント孔56は、全
く設けられていないわけではなく、実際には、第1の流
路38がエアフォイル10の外部と流体的に連通するよ
うにインピンジメント孔56が設けられている。圧力を
圧力P2まで低下させることで、第2の壁44に最も近
接するとともに領域Rに隣接するインピンジメント孔5
6aまで捕捉気体を膨張させることができる。捕捉され
た気泡72は、浮力によってインピンジメント孔56a
を通って第2の流路54へと押しだされ、続いてエアフ
ォイル10の外部へと押し出される。このことは、領域
Rに気泡がなくなるまで続く。従って、低下した圧力P
2では、捕捉気体の気泡は、同じ翼幅方向高さB1で延在
するが、多くの空気分子が排気されている。
【0044】遮断材料64で充填したエアフォイル10
を第3の圧力の第3の環境に配置すると、気体の容積が
翼幅方向高さB3即ち元の容積の6分の1まで減少す
る。よって、遮断材料64で満たされるべき領域に捕捉
気体が僅かに残った状態となり、この気体は高さB3
空隙を形成する。しかし、この圧縮された空隙は、イン
ピンジメント孔56と第2の壁44との間でエアフォイ
ル10の前縁24を貫通して延びる冷却孔42a用のレ
ーザビームの掘削軸Lとは一致しない。硬化ステップに
おいて遮断材料64を加熱すると、気体は温度T2より
も上昇する。しかし、この時の容積増加は、捕捉された
気体を取り除く処理において圧力を元の値の6分の1に
低下させた場合の圧力低下に比べて(気泡内の気体温度
次第で約2〜3倍と)小さい。これにより、レーザビー
ムLは、気泡によって形成された空隙を通ることはな
く、レーザビームは壁に衝突することがない。
【0045】この方法は、流体状であり、かつ硬化する
ことができるどのような遮断材料にも適用することがで
きる。例えば、ワックスを基剤とする遮断材料は、第2
の環境においてワックスを流体状に保つために高温で排
気され、ワックスを硬化するために室温まで冷却され
る。このような遮断材料では、排気及び硬化処理におい
て第2及び第3の環境が捕捉気体の容積を減少させるよ
うに働く。
【0046】硬化処理は、第4の環境において室温及び
大気圧で48時間樹脂混合物を硬化させることによって
終了する。硬化処理が一旦完了すると、遮断材料は、周
囲圧力の変化に対する耐性が増すので、その形状が維持
される。エポキシ樹脂は、圧力の作用に対して特に耐性
を有するが、ワックス様の材料も同様に十分に機能する
と思われる。
【0047】本発明の方法は、エアフォイル10の外側
壁を貫通して前縁24の空洞部及び必要に応じて他の位
置へと冷却空気孔42を掘削するステップを含む。この
ステップは、従来のレーザ掘削技術を用いて実行され
る。
【0048】その後、炉のような空気を含む第5の環境
にエアフォイル10を配置し、この環境を1300°F
まで加熱することによって、エアフォイル10の内部か
ら遮断材料64を取り除く。エポキシ樹脂は、冷却空気
孔42を通過し得る少量の微細粒子を残す他は全て蒸発
する。続いて、冷却空気孔42が十分な大きさであるか
どうかを確認するためにエアフォイル10の水流試験が
行われる。この水流試験は、エアフォイル10を通して
水を流すことによって行われ、樹脂の酸化粒子があれ
ば、この時に取り除かれる。
【0049】本発明の利点は、捕捉された気泡を浮力で
取り除くために多くの方向へエアフォイル10を操作す
る必要がないことにより、エアフォイルの製造コストが
低下する点である。本発明の他の利点は、室温のエポキ
シ樹脂と硬化剤を使用することにより、充填処理におい
てエアフォイル10を取り扱う作業員が熱傷するおそれ
が低減される点である。また他の利点は、エアフォイル
10の破棄や掘削処理中に損傷され得るエアフォイル1
0を許容形状に再加工するための再加工などに関するコ
ストをなくすことにより、コストが低減される点であ
る。更に他の利点は、エアフォイル10を高温に加熱す
ることで、遮断材料64のほぼ全てを蒸発させて取り除
くことができる点である。微細粒子の粉末が残った場合
には、エアフォイルの後の処理で容易に洗い流すことが
できる。
【0050】本発明をその詳細な実施例に基づいて開示
及び説明してきたが、当業者であれば分かるように、請
求項に記載された本発明の趣旨及び範囲から離れない範
囲でその形態や詳細を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】エアフォイルの内部を示すタービンベーンタイ
プのタービンエアフォイルの一部切欠き側面図である。
【図2】エアフォイルの内部と遮断材料内の気泡を示す
図1のステータベーンの半製品の一部切欠き断面図であ
る。
【図3】図1の3−3線に沿った図である。
【図4】図2の4−4線に沿った一部切り欠き断面図で
ある。
【図5】図2の部分的な拡大図である。
【符号の説明】
12…外側端部 14…内側端部 38…第1の翼幅方向流路 44…第2の内部壁 46…第1の翼幅方向領域 48…第2の翼幅方向領域 52…第三の内部壁 54…第2の流路 56,56a…インピンジメント孔 58…第1の開口部 62…第2の開口部 63…カバー 64…遮断材料 66,68,72…気泡 L…レーザビーム中心線 R…気体循環が制限された領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムス ディー.ジョーンズ アメリカ合衆国,コネチカット,ノウガタ ック,チェリー ストリート イーエック スティー 495 (72)発明者 ジェイムス エフ.ウォーラー,ジュニ ア. アメリカ合衆国,コネチカット,ポートラ ンド,ターンピック,グラストンベリー 706

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 形状づけられた空洞部を有する構造体の
    該空洞部に隣接した部分を貫通するようにレーザ掘削を
    行う前に、前記空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料
    を配置する方法であって、前記構造体は、前記流体状の
    材料によってポケットに気体が捕捉されるような内部形
    状を有するとともに、前記空洞部から気体を排気するた
    めの開口部を有し、 前記流体状でかつ硬化可能な材料を、第1の圧力P1
    び第1の温度T1である第1の環境で前記空洞部内に充
    填するステップを含み、前記流体状でかつ硬化可能な材
    料は、該硬化可能な材料がポケット内の気体を部分的に
    囲むように前記空洞部内に配置され、 前記流体状でかつ硬化可能な材料で充填した前記構造体
    を、第2の温度T2及び第2の圧力P2である気体を含む
    第2の環境に配置することで、前記ポケット内の気体
    を、該ポケットよりも大きくなるまで膨張させ、捕捉さ
    れた気体の一部をポケット外に押し出して前記開口部と
    連通させるステップを含み、前記第2の温度T2は、該
    ステップにおいて前記材料が気泡を捕捉する程度まで硬
    化しない温度であり、前記第2の圧力P2は、前記第1
    の圧力よりも低く、 前記空洞部内の前記気体に働く浮力が、該気体を前記第
    1の開口部に向かって押し出すように、前記構造体を配
    置するステップを含み、 続いて、前記流体状でかつ硬化可能な材料で充填した前
    記構造体を、第2の圧力P2よりも高い第3の圧力P3
    ある第3の環境に所定の時間配置することによって遮断
    材料を硬化させるステップを含み、 前記空洞部内に気体を含むポケットがあれば、圧力を圧
    力P1から圧力P2へと下げることでこの気体を含むポケ
    ットを膨張させて、該気体の少なくとも一部が、前記開
    口部を通って前記空洞部より排気されるとともに、前記
    空洞部内の前記硬化された遮断材料に形成される空隙の
    大きさが減少するように、前記遮断材料に比較的高い前
    記圧力P3を加えることで残る気泡を圧縮し、前記遮断
    材料がレーザビームを遮断して前記構造体の許容できな
    い損傷を防止するように、前記レーザビームの線の外側
    に前記空洞内の前記空隙を形成することを特徴とする空
    洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置する方法。
  2. 【請求項2】 前記第1,第2,第3の環境における前
    記気体は、空気であることを特徴とする請求項1記載の
    空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置する方
    法。
  3. 【請求項3】 前記圧力P2は、半真空であることを特
    徴とする請求項2記載の空洞部内に流体状でかつ硬化可
    能な材料を配置する方法。
  4. 【請求項4】 前記圧力P2は、半真空であることを特
    徴とする請求項1記載の空洞部内に流体状でかつ硬化可
    能な材料を配置する方法。
  5. 【請求項5】 前記圧力P2は、約125トルよりも低
    い圧力でかつ半真空であることを特徴とする請求項3記
    載の空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置する
    方法。
  6. 【請求項6】 前記圧力P2は、約125トルよりも低
    い圧力でかつ半真空であることを特徴とする請求項4記
    載の空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置する
    方法。
  7. 【請求項7】 前記第2の環境における前記気体の前記
    第2の温度は、前記温度T1よりも高い温度であること
    を特徴とする請求項1記載の空洞部内に流体状でかつ硬
    化可能な材料を配置する方法。
  8. 【請求項8】 前記遮断材料は、前記第1の温度T1
    りも高い融点を有するワックスを基剤とする材料であ
    り、前記構造体に溶融状態で充填されることを特徴とす
    る請求項7記載の空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材
    料を配置する方法。
  9. 【請求項9】 前記第2の環境における前記気体の前記
    第2の温度T2は、前記温度T1とほぼ同じ温度であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の空洞部内に流体状でかつ
    硬化可能な材料を配置する方法。
  10. 【請求項10】 前記第2の環境における前記気体の前
    記第2の温度T2と、前記第1の環境における前記気体
    の前記温度T1と、は、それぞれほぼ室温であることを
    特徴とする請求項9記載の空洞部内に流体状でかつ硬化
    可能な材料を配置する方法。
  11. 【請求項11】 前記遮断材料は、エポキシ樹脂材料で
    あり、この材料は、室温で混合されるとともに、続い
    て、更に加熱することなく前記エアフォイルに充填され
    ることを特徴とする請求項10記載の空洞部内に流体状
    でかつ硬化可能な材料を配置する方法。
  12. 【請求項12】 前記第3の環境における前記気体の前
    記第3の圧力P3は、前記第1の環境における前記圧力
    1とほぼ同じであることを特徴とする請求項1記載の
    空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置する方
    法。
  13. 【請求項13】 前記第3の環境における前記気体の前
    記第3の圧力P3と、前記第1の環境における前記気体
    の前記圧力P1と、は、大気圧であることを特徴とする
    請求項12記載の空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材
    料を配置する方法。
  14. 【請求項14】 前記第3の環境における前記気体の前
    記第3の温度T3は、前記温度T2よりも高く、前記遮断
    材料が硬化する温度を提供することを特徴とする請求項
    1記載の空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置
    する方法。
  15. 【請求項15】 前記材料は、エポキシ樹脂であり、前
    記温度は、該樹脂の硬化温度の約250°Fであること
    を特徴とする請求項14記載の空洞部内に流体状でかつ
    硬化可能な材料を配置する方法。
  16. 【請求項16】 前記材料は、前記構造体に溶融状態で
    充填され、前記第3の環境における前記気体の前記第3
    の温度T3は、前記材料を硬化するために該材料の融点
    よりも低い温度となっていることを特徴とする請求項1
    記載の空洞部内に流体状でかつ硬化可能な材料を配置す
    る方法。
  17. 【請求項17】 前記開口部は、第1の開口部であり、
    前記第1の空洞部に隣接するとともに前記第1の開口部
    及び前記空洞部の膨張した気泡と気体的に連通する排気
    孔が設けられており、前記ポケットから前記気体の一部
    を押し出すステップは、前記気体の前記一部を前記排気
    孔を通して押し出すことにより、前記気泡の少なくとも
    一部を前記排気孔を通して前記第1の空洞部から排気す
    ることを特徴とする請求項1記載の空洞部内に流体状で
    かつ硬化可能な材料を配置する方法。
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