JP2001012207A - 乱流発生構造を有する製品及び製品上に乱流発生構造を設ける方法 - Google Patents

乱流発生構造を有する製品及び製品上に乱流発生構造を設ける方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャビティ内に位置する表面及び容易に接近
し得ないその他任意の表面上に乱流発生構造を設けるこ
とのできる方法の提供。 【解決手段】 ろう合金のごとき接合剤によって基体の
表面に接合された乱流発生材料を含む製品が開示され
る。一つの実施形態に従えば、乱流発生材料は約125
〜約4000ミクロンの範囲内の平均粒度を有する離散
合金粒子から成る粒子相を含んでいる。別の実施形態に
従えば、乱流発生構造を付与するための方法及び乱流発
生構造を形成するための製品が開示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術の分野】本発明は、タービンエンジ
ンにおいて使用される金属部品のごとき、表面の突起を
要求する製品に関するものである。一部の実施形態にお
いては、本発明は特に製品の様々な表面上における伝熱
特性を向上させるための改良された技術に関する。
【0002】
【従来の技術】タービンエンジン部品の温度を限界レベ
ル以下に維持するため、様々な技術が考案されてきた。
例えば、エンジン圧縮機からの冷却用空気が部品内に導
かれ、1以上の部品表面に沿って流されることがよくあ
る。燃焼から生じる高温ガスに対して直接には暴露され
ないエンジン部品の表面に当てられる場合、かかる気流
は当業界において「背面気流」と呼ばれる。熱伝達を向
上させるため、背面気流と共に「タービュレータ(turbu
lator)」が使用されてきた。タービュレータは部品の表
面の特定部分上に設けられた突起又は「こぶ」であっ
て、これらは該表面に沿って流される冷却剤の使用に際
して熱伝達を増加させるために役立つ。
【0003】一般に、タービュレータは鋳造によって形
成される。しかしながら、部品の特定領域に乱流発生構
造を付与するために鋳造を使用することは容易でない。
例えば、タービンエンジン部品のある部分に突起を鋳造
することは極めて困難である。このような部分とは、例
えば、内部のキャビティの特定部分、溶融金属の流れが
制限される部位、及び製造時に鋳型部分同士が分離して
いる領域である。また、タービン部品の外面の一部(例
えば、エンジンノズルの外部プラットホーム)に乱流発
生構造を設けることが困難な場合もある。
【0004】場合によっては、エンジンの使用中にエン
ジン部品の表面上の乱流発生構造を補修又は変更しなけ
ればならないことがある。また、場合によっては、部品
内の特定の部位における伝熱効率及び冷却効率を向上さ
せるため、使用中又は補修中にエンジン部品に乱流発生
構造を追加する必要が生じることもある。乱流発生構造
の追加及び補修は、鋳造方法によって達成することはで
きない。
【0005】既に形成された部品に乱流発生構造を付与
するための公知技術の一例は、基体の表面上に乱流発生
構造をワイヤ溶射することである。この種の乱流発生構
造に付随する欠点は被膜の酸化であって、これは伝熱効
率を低下させる。激しい酸化の場合には、被膜の剥落が
起こり、その結果熱伝達に関する利益が完全に失われる
こともある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】各種の金属基体に乱流
発生構造を付与するための新たな方法は、当業界におい
て歓迎されるはずである。すなわち、キャビティ内に位
置する表面及び容易に接近し得ないその他任意の表面上
に乱流発生構造を設けることのできる方法が要望されて
いる。また、様々なサイズ及び形状の突起を様々なパタ
ーンで形成し得る方法も要望されている。更にまた、表
面上に乱流発生構造を有すると共に、望ましい伝熱特性
及び耐久性を有する製品も要望されている。
【0007】
【発明の概要】本発明の一つの実施形態に従えば、基体
の一表面上にろう合金と乱流発生材料とから成る層を設
置する工程と、基体の表面上に該層を融着させる工程と
を含む結果、ろう合金によって乱流発生材料が基体に結
合されることを特徴とする、基体の一表面上に乱流発生
構造を設ける方法が提供される。上記の材料層は、ろう
付けシート及びスラリーを始めとする様々な形態で基体
上に設置することができる。更にまた、上記の基体は超
合金基体のごとき金属基体であり得る。本発明の別の実
施形態に従えば、基体と、ろう合金によって該基体の一
表面に結合された乱流発生材料とから成ることを特徴と
する製品が提供される。更に別の実施形態に従えば、特
定の粒度を有する乱流発生材料が結合された基体から成
る製品が提供される。その他の実施形態としては、乱流
発生材料を含むろう付けシート及びスラリーが挙げられ
る。
【0008】
【好ましい実施の形態】本発明は任意の金属材料又は合
金と共に使用することができるが、通例は例えば100
0℃を越える高温環境用として設計された耐熱合金と共
に使用される。ここで言う「金属を基材とする」という
用語は、主として金属又は合金で作製された基体を指
す。ある種の耐熱合金は、コバルト基、ニッケル基及び
鉄基合金を含む「超合金」である。一つの実施形態にお
いては、超合金はニッケル基又はコバルト基超合金であ
るが、この場合にはニッケル又はコバルトが最大の重量
比率を占めるただ1種の元素である。ニッケル基超合金
は、例えば、少なくとも約40重量%のNiと共に、コ
バルト、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブ
デン、チタン及び鉄から成る群から選択される少なくと
も1種の成分を含んでいる。ニッケル基超合金の実例と
しては、インコネル(Inconel) (登録商標)、ニモニッ
ク(Nimonic) (登録商標)、レーン(Rene)(登録商標)
(例えば、レーン80、レーン95、レーン142及び
レーンN5合金)及びユーディメット(Udimet)の商品名
で呼ばれるものが挙げられる。その中には、方向性凝固
超合金及び単結晶超合金が含まれる。コバルト基超合金
は、例えば、少なくとも約30重量%のCoと共に、ニ
ッケル、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブ
デン、チタン及び鉄から成る群から選択される少なくと
も1種の成分を含んでいる。コバルト基超合金の実例と
しては、ヘーネス(Haynes)(登録商標)、ノズアロイ(N
ozzaloy)(登録商標)、ステライト(Stellite)(登録商
標)及びアルティメット(Ultimet) (登録商標)の商品
名で呼ばれるものが挙げられる。
【0009】基体の種類は広範囲にわたって変化し得る
が、多くの場合、それは超合金で作製されたタービンエ
ンジン部品(例えば、燃焼器ライナ、燃焼器ドーム、静
翼、動翼、ノズル又は羽根)から成っている。その他の
基体としては、タービンエンジンの高圧段以外の領域
(例えば、シュラウド隙間調節領域)で使用されるター
ビン部品(例えば、フランジ、ケーシング及びリング)
が挙げられる。かかる部品がより低温の環境に暴露され
ることを考えると、これらの部品は超合金で作製されて
いなくてもよい。かかる部品用の典型的な合金として
は、インコネル(Inconel) (登録商標)718、インコ
ネル(Inconel) (登録商標)900系列、及びワスパロ
イ(Waspalyo)(登録商標)が挙げられる。
【0010】本発明の実施形態に従えば、少なくともろ
う合金成分と乱流発生材料とを含む材料層を使用するこ
とにより、基体(特に超合金基体)の一表面上に乱流発
生構造が設けられる。ここで言う「材料層」とは、単一
の層又は互いに積層された複数の独立したサブレヤーを
意味している。かかる材料層は、内部に離散相を分散さ
せた母材相及びサブレヤーによって規定された複数の相
を始めとする複数の相を有し得る。かかる材料層は、
(例えば、ろう付けシートの場合のように)自立したシ
ートから成ることもあれば、あるいは少なくとも乱流発
生材料及びろう合金成分を含有するスラリーから成るこ
ともある。ここで言う「乱流発生材料」とは、基体に融
着された場合、基体の表面から突出した複数の突起を形
成するような材料である。かかる複数の突起は協力して
「乱流発生構造」を規定するが、これは処理済みの基体
を通しての熱伝達を増加させるために有効な粗面として
の外観を有している。本発明のある種の実施形態に従え
ば、乱流発生材料は基体に結合された離散粒子から構成
された粒子相から成っている。かかる離散粒子の粒子相
は、ある種の実施形態に関連して以下に詳細に記載され
る粗大な粉末から形成することができる。
【0011】本発明の一つの実施形態に従えば、材料層
はろう付けシート(特に未焼結ろう材テープ)である。
かかるテープは商業的に入手することができる。一つの
実施形態に従えば、水又は有機液体のごとき液体媒質中
に金属粉末及び結合剤を懸濁して成るスラリーから未焼
結ろう材テープが形成される。液体媒質は結合剤用の溶
媒として機能し得る。金属粉末は、しばしば「ろう合
金」と呼ばれる。
【0012】ろう合金の組成は、基体の組成に類似して
いることが好ましい。例えば、基体がニッケル基超合金
である場合、ろう合金は類似のニッケル基超合金組成物
を含有し得る。他方、コバルト基超合金に対してはニッ
ケル基ろう合金又はコバルト基ろう合金が通例使用され
る。ニッケル基又はコバルト基組成物は、一般に、ニッ
ケル又はコバルトが組成物中において最大の比率を占め
るただ1種の元素であるような組成物を意味する。ろう
合金組成物はまた、ケイ素、ホウ素、リン又はそれらの
混合物をも含有し得るが、それらは融点降下剤として役
立つ。その他の種類のろう合金、例えば銀、金、パラジ
ウム又はそれらの混合物と共にその他の金属(例えば、
銅、マンガン、ニッケル、クロム、ケイ素及びホウ素)
を含有する貴金属組成物も使用し得ることに注意された
い。かかるろう合金元素の少なくとも1種を含む混合物
も使用可能である。ろう合金の実例としては、重量百分
率で表わして、2.9%のホウ素、92.6%のニッケ
ル、及び4.5%のスズから成るもの、3.0%のホウ
素、7.0%のクロム、3.0%の鉄、83.0%のニ
ッケル、及び4.0%のケイ素から成るもの、19.0
%のクロム、71.0%のニッケル、及び10.0%の
ケイ素から成るもの、並びに1.8%のホウ素、94.
7%のニッケル、及び3.5%のケイ素から成るものが
挙げられる。
【0013】未焼結ろう材テープを形成するためのスラ
リー中における結合剤としては、一般に各種の物質が使
用される。非制限的な実例としては、ポリエチレンオキ
シドや各種のアクリル系樹脂のごとき水性有機材料が挙
げられる。また、溶剤型の結合剤も使用することができ
る。粘度を調整するため、その他の有機溶剤(例えば、
アセトン、トルエン又は各種キシレン類)をスラリーに
添加することもできる。
【0014】かかるスラリーは、通例、除去可能な支持
シート〔例えば、マイラ(Mylar) (登録商標)のごとき
材料から成るプラスチックシート〕上にテープ注型され
る。テープ注型のためには、ドクタブレードを使用する
ことができる。次いで、スラリー中の揮発性物質の実質
的に全てが蒸発させられる。こうして得られたろう材テ
ープは、通例約1〜約250ミクロンの範囲内の厚さを
有し、また好ましくは約25〜約125ミクロンの範囲
内の厚さを有する。
【0015】上記のごときろう合金及び結合剤を含有す
るろう材テープは、商業的に入手することができる。商
品の実例は、ズルツァー・メトコ社(Sulzer Metco)から
入手し得るアムドライ(Amdry) 系列のろう材テープであ
る。銘柄の一例としては、アムドライ(登録商標)10
0が挙げられる。
【0016】未焼結ろう材テープに付加される乱流発生
材料は、通例、処理部品の熱伝達を増加させるために役
立つ突起を形成するのに十分な粒度を持った粒子から成
る粗大な粉末である。多くの実施形態においては、粒子
の粒度は主として突起によって規定される所望の表面粗
さ及び表面積(並びにその結果としての熱伝達の程度)
によって決定される。本発明においては、表面粗さは光
学的プロフィルメトリーによって測定された指定領域内
の中心線平均粗さ値(Ra)及び平均山−谷間距離(R
z)によって特徴づけられる。一つの実施形態に従え
ば、Raは約0.1ミルより大きくて、例えば約1.0
ミルより大きく、また好ましくは約2.0ミルより大き
い。同様に、一つの実施形態に従えば、Rzは約1ミル
より大きくて、例えば約5ミルより大きい。Rzは通例
約100ミルより小さく、また一層普通には約50ミル
より小さい。ここで言う「粒子」とは、大きいアスペク
ト比(例えば、1:1より大きいアスペクト比)を有す
る繊維を含むことがある。一つの実施形態に従えば、乱
流発生用粉末の粒子の粒度は約125〜約4000ミク
ロン(例えば、約150〜約2050ミクロン)の範囲
内にある。好適な実施形態に従えば、粉末粒子の平均粒
度は約180〜約600ミクロンの範囲内にある。
【0017】乱流発生材料は、しばしば、基体金属ひい
てはろう合金に類似した材料から成っている。しかる
に、融着操作を通じて乱流発生用粉末が概して無傷のま
まに保たれるようにするため、乱流発生用粉末はろう合
金よりも高い融点又は軟化点を有することがある。通
例、乱流発生用粉末はニッケル、コバルト、アルミニウ
ム、クロム、ケイ素、鉄及び銅から成る群から選択され
る少なくとも1種の元素から成っている。かかる粉末
は、断熱被膜(TBC)系用の超合金ボンドコート組成
物、例えば式MCrAlY(式中、Mは各種の金属又は
金属混合物であって、例えばFe、Ni又はCoであり
得る)によって表わされる超合金組成物から成り得る。
一般に、MCrAlY材料は約17.0〜23.0%の
クロム、約4.5〜12.5%のアルミニウム、約0.
1〜1.2%のイットリウム、及び残部のMから成る組
成範囲を有している。
【0018】とは言え、本発明の重要な利点の1つは、
乱流発生材料の組成を変化させることによって基体の特
定部分の表面の「化学的性質」を変化させ得ることに関
するものであるという事実が強調されるべきである。例
えば、乱流発生材料として耐酸化性又は耐食性の合金を
使用すれば、それらの望ましい性質を示す乱流発生表面
が得られる。別の例を挙げれば、高い熱伝導率を有する
材料(例えば、228Btu・in/ft2 ・hF程度
の熱伝導率を有するアルミニウム化ニッケル)を使用す
ることにより、熱伝達に影響を与える乱流発生材料の熱
伝導率を増大させることができる。
【0019】一つの実施形態に従えば、乱流発生材料は
約60Btu・in/ft2 ・hFより大きい熱伝導
率、好ましくは約80Btu・in/ft2 ・hFより
大きい熱伝導率(例えば、約130Btu・in/ft
2 ・hFより大きい熱伝導率)を有する材料から成って
いる。それに対し、乱流発生構造を形成するための従来
の注型技術では突起用として母材金属のみが通例使用さ
れ、従って乱流発生表面の特性を選択する際の柔軟性が
制限される。
【0020】かかる粉末は、各種の技術(例えば、散
布、注入、吹込み、ロール付着など)によってランダム
に付着させることができる。付着技術の選択は、部分的
には所望の突起パターンを得るために所望される粉末粒
子の配列状態に依存する。例えば、突起の所望のパター
ン密度が比較的低い場合には、ふるいを通して一定量ず
つの粉末をテープ表面上に散布すればよい。
【0021】通例、乱流発生用粉末を付着させるのに先
立ち、未焼結ろう材テープの表面には接着剤が付着させ
られる。後続の融着工程中において完全に揮発し得るも
のであれば、任意のろう付け用接着剤を使用することが
できる。接着剤の実例としては、ポリエチレンオキシド
及びアクリル系樹脂が挙げられる。ろう付け用接着剤の
商品の実例としては、コトロニクス・コーポレーション
(Cotronics Corporation) から入手し得る「4Bブレー
ズ・バインダ(4B Braze Binder) 」が挙げられる。かか
る接着剤は各種の技術によって付着させることができ
る。例えば、液状の接着剤は表面に吹付けるか、あるい
は塗布すればよい。あるいはまた、3Mカンパニー(3M
Company)の467アドヒーシブ・テープ(467 Adhesive
Tape) のごとき両面接着型の薄いマット又はフィルムを
使用することもできる。
【0022】一つの実施形態に従えば、ろう付けに先立
ち、熱伝導率のために最も適した所望の整列状態を得る
ためにテープ表面上で粉末粒子が移動される。例えば、
細長い形状を有する針状の粒子(繊維を含む)は、それ
らの最大寸法が基体に接触したろう付けシートの表面に
対して実質的に垂直に延びるようにして物理的に整列さ
せることができる。粉末の整列は、その他各種の技術に
よっても行うことができる。例えば、磁気又は静電気発
生源を使用することによって所望の整列状態を達成する
こともできる。更に別の実施形態に従えば、個々の粒子
又は粒子塊がろう合金で被覆され、かかる被覆粒子が基
体に付着させるための接着剤シート上に配置される。か
かる接着剤シートは、融着工程中において実質的に完全
に消失するものであれば、任意適宜の接着剤から成り得
る。
【0023】ある種の実施形態に従えば、乱流発生用粉
末はろう付けシートの表面においてパターン化される。
パターン化のためには様々な技術が存在する。一つの実
施形態に従えば、スクリーン印刷技術により、スクリー
ンを通して基体表面上に粉末が付着させられる。かかる
スクリーンは、突起の所望形状及びサイズに応じて所定
のサイズ及び配列状態の開口を有していればよい。別の
実施形態に従えば、スクリーンを通してシート上にろう
付け用接着剤が塗布される。スクリーンを取除けば、パ
ターン化された接着剤層が得られる。このシートに粉末
を付着させれば、それは接着剤を有する領域に密着す
る。スクリーンの使用により、複数の「粒子塊」を有す
るパターンを形成することもできる。この場合、スクリ
ーンの開口の間隔に対応したピッチで粒子塊同士が互い
に離隔して配置されることになる。余分の粉末は容易に
除去することができ、その結果、所望の粒子パターンが
残る。別の実施形態に従えば、「クッキーカッタ」技術
を使用することができる。それによれば、先ず最初に所
望の乱流発生構造パターンを規定するようにろう材テー
プが切断され、次いで余分のろう材テープが除去され
る。その後、パターン化されたテープに乱流発生用粉末
を付着させればよい。更に別の実施形態に従えば、乱流
発生材料の粒子がろう合金で被覆され、かかる被覆粒子
が融着工程中に揮発する接着剤シート上に付着させられ
る。この場合、接着剤シートは融着に先立って乱流発生
材料を基体に取付けるための簡単な手段を提供するだけ
であって、一般に融着後の最終製品においてはいかなる
役割も果たさない。
【0024】別の実施形態に従えば、既に形成された未
焼結ろう材テープの表面上に乱流発生用粉末を付着させ
るのではなく、未焼結ろう材テープの形成に際し、乱流
発生用粉末が未焼結ろう材テープの他の成分(例えば、
ろう合金粉末、結合剤及び溶剤)と混合される。この場
合、乱流発生用粉末は未焼結ろう材テープ中において分
散粒子相を成すことになる。
【0025】次に、除去可能な支持シート〔例えば、マ
イラ(登録商標)裏当て材〕が未焼結ろう材テープから
剥離される。次いで、基体(部品)のうちで乱流発生構
造が所望される部分にテープが取付けられる。そのため
には、例えば接着剤を使用することができる。基体材料
にテープを取付けるための接着剤としては、融着工程中
に完全に揮発するものであれば、任意適宜のものを使用
することができる。
【0026】ある種の実施形態においては別の簡単な取
付け手段が使用される。未焼結ろう材テープを基体の特
定部分上に配置し、次いで結合剤を部分的に溶解して可
塑化する溶剤に接触させれば、テープは基体表面に順応
して密着することになる。例えば、テープを基体上に配
置した後、ろう材テープ上にトルエン、アセトン又はそ
の他の有機溶剤を吹付けるか、あるいは刷毛塗りすれば
よい。
【0027】基体に未焼結ろう材テープを付着させた
後、乱流発生材料が基体に融着される。かかる融着工程
は、ろう付けや溶接のごとき各種の技術によって実施す
ることができる。一般に、融着はろう付けによって実施
されるが、これは金属又は合金溶加材の使用を伴う任意
の金属接合方法を含んでいる。従って、ろう材テープ及
びろう材箔を「ろう付け」以外の融着方法において使用
し得ることも自明のはずである。ろう付け温度は部分的
には使用するろう合金の種類に依存するが、通例は約5
25〜約1650℃の範囲内にある。ニッケル基ろう合
金の場合、ろう付け温度は約800〜約1260℃の範
囲内にあるのが通常である。
【0028】可能ならば、ろう付けはしばしば真空炉内
において実施される。真空度は、部分的にはろう合金の
組成に依存する。通常、真空度は約10-1〜約10-8to
rrの範囲内にあって、これは真空室から周囲空気を所望
レベルにまで排気することによって達成される。
【0029】炉の使用を許さない領域に乱流発生構造を
設置する場合、例えば部品自体が大き過ぎて炉内に挿入
できない場合には、トーチ又はその他の局部加熱手段を
使用することができる。例えば、アルゴン被包ガス又は
フラックスを有するトーチをろう付け表面に当てればよ
い。このような目的のために役立つ特定の加熱技術とし
ては、ガス溶接トーチ(例えば、酸素アセチレン溶接、
酸水素溶接、空気アセチレン溶接及び空気水素溶接)、
高周波(RF)溶接、タングステン不活性ガス(TI
G)溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接、及び赤外線(I
R)ランプの使用が挙げられる。
【0030】融着工程により、ろう付けシートは基体に
融着される。ろう材が冷却すると、それは基体の表面に
冶金的結合を生じ、乱流発生材料は凝固したろう母材の
内部に機械的に保持される。
【0031】本発明の別の実施形態に従えば、材料層は
第1及び第2の表面を持った金属箔の形態を有するろう
付けシートから成る。かかる箔は、基体の材料に類似し
た金属材料、例えば上記の実施形態に関連した記載され
たようなろう合金から成っている。すなわち、基体がニ
ッケル基超合金から成る場合、箔材料はニッケル基超合
金であり得る。ろう材テープの場合と違って結合剤を含
まない箔用のろう合金組成物中には、融点降下剤として
役立つケイ素、ホウ素又はそれらの混合物が含有される
ことがある。その他のろう合金組成物、例えばコバルト
又は鉄から成るものや前述のごとき貴金属組成物も好適
に使用し得る。かかる箔は、約0.1〜約2500ミク
ロンの厚さを有するのが通常であって、好ましくは約2
5〜約200ミクロンの厚さを有する。
【0032】かかる箔を作製するためには各種の技術を
使用することができる。第1の技術に従えば、除去可能
な支持シート上に金属粉末材料と結合剤との混合物がテ
ープ注型される。支持シートを除去した後、残った未焼
結シートを(例えば、真空熱処理の使用により)焼結す
れば「プレフォーム」箔が得られる。焼結温度は、箔合
金の組成、粉末粒子の粒度、及び箔の所望密度のごとき
様々な因子に依存する。このような方法は、通例、「テ
ープ注型プレフォーム」技術と呼ばれる。
【0033】第2の代替技術に従えば、金属粉末材料が
支持シート上に薄い金属層として付着させられる。かか
る付着のためには、真空プラズマ溶射、高速酸素燃料
(HVOF)溶射及び空気プラズマ(AP)溶射のごと
き各種の溶射技術が通例使用される。その他の付着技
術、例えばスパッタリング及び物理蒸着(PVD)も使
用することができる。次いで支持シートを除去すれば、
所望の金属箔が残ることになる。
【0034】箔を作製するための第3の技術は、時には
非晶質金属リボン技術と呼ばれる。この方法において
は、金属粉末材料を融解し、得られた溶融材料を高速ロ
ーラ上に注ぐことによってそれが急冷される。急冷され
た材料はローラからリボンとして射出される。ろう材箔
は、ウェスゴー(Wesgo) 社やアライド・シグナル・カン
パニー(Allied Signal Company) のごとき様々な供給源
から商業的に入手することができる。一般に、ろう材箔
が上記の未焼結ろう材テープと異なる点は、乱流発生用
粉末を付着させてから基体に融着する以前において箔が
焼結済みの高密度状態にあることである。
【0035】乱流発生用粉末はろう材箔の第1の表面に
付着させられる。かかる粉末は、一般に、未焼結ろう材
テープを使用する前述の実施形態に関連して記載された
粉末と同じ特性を有している。その場合と同じく、かか
る粉末は基体金属ひいてはろう合金に類似した材料から
成るのが通常である。すなわち、かかる粉末は通常はニ
ッケル基合金であるが、前述のごとき式MCrAlYの
組成を有していてもよい。かかる粉末を付着させるため
には、上記の技術(例えば、溶射又は注型)を使用する
ことができる。
【0036】通例、乱流発生用粉末の付着に先立って箔
の第2の表面に接着剤が付着させられる。かかる接着剤
は、金属箔に密着しかつ後続の融着工程中において完全
に揮発するという条件の下で前記に記載されたものの中
から選択することができる。かかる接着剤の実例は前記
に記載された通りであって、例えばポリエチレンオキシ
ド及び各種のアクリル系樹脂が挙げられる。かかる接着
剤を付着させるための技術もまた、前記に記載されたも
のと同じである。
【0037】更にまた、基体表面に関して要求される伝
熱特性に基づき、上記のごとくにして粉末粒子を移動さ
せかつ整列させることができる。同様に、各種の技術に
より、箔の表面上において粉末粒子をパターン化するこ
ともできる。
【0038】場合によっては、箔を取付ける基体表面が
湾曲していることがある。そのような場合には、箔にも
同じ湾曲を付与するのが望ましいこともある。比較的薄
い箔は、基体の湾曲に整合するよう容易に曲げることが
できる。厚さのより大きい箔は通常は柔軟でないが、そ
の他の技術によって成形することができる。例えば、基
体の所望の湾曲を有する除去可能な支持シートを作製時
に使用すればよい。次いで、前述のごとき技術、例えば
溶射又は注型(例えば、結合剤を使用しない液体金属注
型若しくは結合剤を使用する粉末スラリー注型)によ
り、支持シート上にろう材を設置することができる。更
に、やはり前述のごとくにして箔上に乱流発生用粉末を
設置することができる。その後、所望の湾曲を有すると
共に乱流発生構造を有する支持シートから剥離すればよ
い。(あるいはまた、支持シートを除去した後、箔上に
乱流発生用粉末を設置してもよい。)乱流発生構造を付
与されたろう材箔は、乱流発生構造を設けるべき基体上
の部位に適合したサイズに切断される。次いで、かかる
箔を基体の該当部分に取付けることができる。例えば、
接着剤シート又は接着剤組成物を用いて箔の第1の表面
(すなわち、乱流発生用粉末で被覆された表面と反対側
の表面)を基体に取付けることができる。融着構造中に
完全に揮発するものであれば、基体金属に箔を取付ける
ために適した任意の接着剤を使用することができる。接
着剤の実例は前記に記載された通りである。
【0039】あるいはまた、ろう材箔を機械的手段によ
って取付けることもできる。ある種の好適な実施形態に
従えば、幾つかの位置において箔が基体表面に局部的に
溶接(スポット溶接)される。そのためには、タングス
テン不活性ガス(TIG)溶接、抵抗溶接、(例えばト
ーチを用いた)ガス溶接、RF溶接、電子ビーム溶接及
びIRランプ法のごとき様々な加熱手段を使用すること
ができる。
【0040】次いで、前述のごとくにして基体に箔を融
着することができる。この工程においては、ろう付けが
しばしば使用される。この場合にも、ろう付け温度は部
分的には箔用として使用されるろう合金の種類に依存す
るが、通例は約525〜約1650℃の範囲内にある。
上記のごときニッケル基超合金の場合には、ろう付け温
度は通例約800〜約1260℃の範囲内にある。融着
工程においては、前述のごとくにして箔が基体に融着さ
れるが、この工程は真空炉内において実施することがで
きる。あるいはまた、真空炉に対する代替手段として、
トーチを用いてろう付けを行うこともできるし、また基
体に箔を融着するために役立つその他の加熱手段(例え
ば、上記のごとき溶接技術)を使用することもできる。
【0041】別の実施形態に従えば、基体がスラリー状
の材料層で被覆される。すなわち、上記のごとき実施形
態と異なり、(未焼結ろう材テープ又はろう材箔の形態
を有する)ろう付けシートが使用されない。その代り
に、液体媒質、ろう合金粉末及び乱流発生用粉末を含有
するスラリーが基体の表面に直接に塗布される。スラリ
ーを乾燥させた後、被覆済みの基体を加熱すれば、ろう
材が軟化してフィルムを形成し、それによって乱流発生
用粉末が基体に結合される。スラリーは所望に応じて結
合剤を含有していてもよく、また液体媒質は結合剤に対
する溶媒として機能するものであってもよい。スラリー
の乾燥後かつ融着の前に部品の取扱いが必要となる場合
(例えば、被覆済みの部品を炉まで輸送する場合)に
は、結合剤の使用が望ましい。
【0042】液体媒質は、水、有機化合物(例えば、ア
セトン、トルエン又は各種キシレン類)、あるいは水と
有機化合物との混合物であり得る。乱流発生用粉末、ろ
う合金粉末及び結合剤は、上記のごとき材料から成り得
る。例えば、乱流発生用粉末は一般にニッケル、コバル
ト、鉄及び銅から成る群から選択される少なくとも1種
を含んでいる。一つの実施形態に従えば、乱流発生用粉
末は式MCrAlY(式中、MはFe、Ni、Co及び
それらの混合物から成る群から選択される金属である)
によって表わされる組成を有する。かかるMCrAlY
材料は、約17.0〜23.0%のCr、4.5〜1
2.5%のAl、約0.1〜1.2%のY、及び残部の
Mから成る組成範囲を有している。一つの実施形態にお
いては、MはNiである。例えば、結合剤としては、ポ
リエチレンオキシド及び各種のアクリル系樹脂のごとき
水性有機材料(又はそれらの混合物)が挙げられる。溶
剤型の結合剤も使用することができる。
【0043】スラリー自体は、一般に乱流発生用粉末、
ろう合金及び結合剤を含有している。ろう合金の量は、
乱流発生用粉末の粒子を基体に結合するのに十分となる
よう乱流発生用粉末に応じて選定されるのであって、例
えば約1〜40重量%のろう合金及び残部(約60〜9
9重量%)の乱流発生用粉末が使用される。結合剤は、
一般に、結合剤の消失体積を最小限に抑えながら取扱い
のために十分な未焼結強度を確保するのに十分な量で存
在するのであって、その量は例えばスラリーの約1〜2
0重量%である。
【0044】上記のごとき実施形態においては、融着後
の部品構造物は、部品の外面の一部を構成する凝固ろう
材フィルムと、該表面から突出した突起とを含んでい
る。かかる突起は、一般に離散粒子から構成された粒子
相から成っている。かかる粒子は、一般に粒子同士の堆
積がほとんど若しくは全く存在しない単層を成して配列
されていてもよいし、あるいは一部の粒子が互いに堆積
することのある粒子塊を成して配列されていてもよい。
このように、融着後、処理済みの部品は内部に粒子相を
埋込んだろう合金のフィルムによって規定された外面を
有している。ろう合金のフィルムは、連続した母材相を
成すことがある。ここで言う「連続した」母材相とは、
粒子又は粒子塊の間において、基体の処理表面に沿って
途切れずに存在しているフィルムを意味する。あるいは
また、ろう合金のフィルムが連続して存在する代りに、
局部的に存在して個々の粒子を基体に結合していること
もある。この場合、ろう合金のフィルムは離散した粒子
又は粒子塊を取巻く局部的なすみ肉を成して存在してい
る。いずれの場合でも、フィルムの薄い部分が延びて乱
流発生用粉末の粒子を全体的又は部分的に被覆していて
もよい。
【0045】図1は、融着後における本発明の一つの実
施形態を示している。図示のごとく、部品20は「背
面」の冷却液が流通する内部のキャビティ22を有して
いる。上記に記載された技術の1つに従って部品20の
内面を処理することにより、連続母材相を成すろう合金
フィルム24と、乱流発生材料から成る離散粒子相26
とが形成されている。図1において、粒子相の粒子はラ
ンダムに配列されているが、上記のごとき所定のパター
ンに従って配列することもできる。この部分断面図では
部品20が円筒形の形状を有するものとして示されてい
るが、それは例えば現行のタービンエンジンを構成する
部品の様々な形状及びサイズのうちの任意のものを有す
ることができる。また、乱流発生構造は部品20の内面
上に示されているが、高温ガスが内部のキャビティを通
って流れかつ冷却液が外面に沿って流れるような場合に
は、それを部品の外側に設けることもできる。
【0046】基体を基準として測定された突起の平均高
さhは、一般に乱流発生材料の粒子の平均粒度のオーダ
ーに等しいのであって、例えば約125〜約4000ミ
クロン又は約150〜約2050ミクロンの範囲内にあ
る。高さhはまた、約180〜約600ミクロンの範囲
内にあってもよい。基体上に位置するろう合金フィルム
24の厚さは、一般に、基体に対する粒子の十分な付着
力を確保しながら、粒子相26によって提供される十分
な表面粗さ及び表面積の増加を確保するように選定され
る。かかる厚さは約20〜100ミクロン程度であっ
て、更に詳しく述べれば30〜70ミクロン程度であ
る。一つの実施形態においては、かかる厚さは約50ミ
クロンである。ろう合金フィルム24は主として図1に
示されるような薄層を形成するが、それは粒子相26の
個々の粒子を覆う薄い被膜をも形成し得ることに注意さ
れたい。
【0047】本発明の別の実施形態に従えば、乱流発生
用粉末の個々の離散粒子ではなく、成形型を使用するこ
とによってろう付けシート上に突起を形成することもで
きる。かかる成形型は、突起のサイズ及び形状を複製す
るために適したくぼみを(それの主面の1つに)有して
いる。かかる成形型は、ゴム(例えば、RTVコンパウ
ンド)又は任意の合成材料のシートであり得る。あるい
はまた、かかる成形型はセラミック材料又は金属材料か
ら形成することもできる。この種の成形型自体は、当業
界において公知の技術によって既存の乱流発生表面から
作製することができる。
【0048】このような実施形態のための成形技術の1
つは、「グリーンキャスティング(green casting) 」と
呼ばれるものである。この技術に従えば、成形型のくぼ
みにスラリー材料が充填される。かかるスラリーは、液
体媒質、乱流発生用粉末、ろう合金粉末、及び所望に応
じて結合剤を含んでいる。液体媒質は結合剤用の溶媒と
して機能し得るものであって、合金と結合剤との混合を
促進するために有効である。かかる液体媒質としては、
水、アセトンや芳香族溶剤(例えば、トルエン、イソプ
ロパノール又は各種キシレン類)のごとき有機化合物、
及び水と有機化合物との混合物が挙げられる。ろう合金
及び乱流発生材料の組成は、前記に記載された通りであ
ればよい。適当な結合剤も他の実施形態に関連して既に
記載されているが、例えば水性の有機材料又は溶剤型の
結合剤であればよい。
【0049】くぼみには、任意適宜の技術(例えば、流
し込み又はこて塗り)によってスラリーを充填すること
ができる。時には、適当な時点で成形型からの分離を促
進するため、スラリーの充填に先立ってくぼみの表面の
全部又は一部に少量の離型剤(例えば、ステアリン酸塩
又はシリコーン系材料)が塗布される。
【0050】次いで、前述のごとき未焼結ろう材テープ
又はろう材箔から成り得るろう付けシートの一表面に接
触するようにして充填済みの成形型の開放面が配置され
る。成形された突起とシートとの間の付着力を向上させ
るため、シート表面に接着剤層が塗布されていてもよ
い。その後、成形型をシートから引き剥がすか、あるい
は切り離せば、露出した突起が残ることになる。
【0051】実施形態として、乱流発生用粉末及びろう
合金を充填した成形型の開放面上にろう材テープを「現
場形成」することもできる。すなわち、テープ形成用金
属粉末、結合剤及び所望に応じて溶媒から成るスラリー
を成形型の開放面上に塗布すればよい。スラリー中の揮
発性物質が蒸発すれば、未焼結状態のテープが得られ
る。スラリーを加熱することにより、蒸発速度を高める
こともできる。次いで、基体上への設置前又は設置後に
おいて、成形型を取除いて突起を露出させればよい。
【0052】更に別の実施形態として、成形型(例え
ば、金型又はセラミック型)の開放面上にろう材箔を
「現場形成」することもできる。この実施形態は、前述
の技術の1つ〔例えば、溶射技術又は注型技術(この場
合は液体金属注型)〕に従って成形型の開放面上に溶融
状態の乱流発生材料を付着させることによって実施する
ことができる。成形型のくぼみが充填された後、やはり
注型又は溶射技術によって(例えば、厚さ約125ミク
ロンまでの)ろう合金の薄層を成形型上に設置すればよ
い。(時には、ろう合金の設置に先立って充填済みの成
形型の表面が平坦な状態に研削されることもある。)成
形型を取除いた後、突起は薄いろう合金シートに固定さ
れた状態に保たれる。
【0053】成形型のくぼみを充填するためのスラリー
中に存在するろう合金の量は、液状のろう合金母材中に
おける乱流発生用粉末の液相焼結を促進するのに十分で
あると共に、ろう合金の溶融プール中における焼結に際
して突起を崩壊させないような量である。ろう合金の量
は乱流発生用粉末に応じて選定されるのであって、例え
ば約1〜40重量%のろう合金及び残部(約60〜99
重量%)の乱流発生用粉末が使用される。結合剤は、一
般に、結合剤の消失体積を最小限に抑えながら取扱いの
ために十分な未焼結強度を確保するのに十分な量で存在
するのであって、その量は例えばスラリーの約1〜20
重量%である。
【0054】この実施形態に関する上記の事例において
は、乱流発生用粉末の粒度は前述の実施形態に関連して
上記に記載されたものほど大きい必要はない。なぜな
ら、この場合の突起は1群の粒子によって形成し得るか
らである。一般に、粒度は約1〜約4000ミクロン
(例えば、約10〜約2000ミクロン)の範囲内にあ
り、また好ましくは約500ミクロン以下である。一つ
の実施形態においては、粒度は約25〜約180ミクロ
ンの範囲内にある。
【0055】成形型を用いるこれらの実施形態のいずれ
を採用するかに関係なく、得られる製品は部品への取付
けのためのろう材上に配置された所望の突起を含むろう
付けシートの形態を持った材料層である。取付方法はろ
う付けシートがろう材テープ又はろう材箔のいずれであ
るかに部分的に依存するが、各々の場合において好適な
技術は前述の通りである。
【0056】図2は、本発明のこの実施形態に従って突
起を含むろう付けシートの斜視図である。図示のごと
く、ろう付けシート10は冷却剤に暴露されるように設
けられた突起12を含んでいる。かかる突起は概して半
球形の形状を有するものとして図示されているが、所望
の表面粗さ及び表面積特性を満たすと共に、所望の熱伝
達向上を達成するため、その他の形状を有していてもよ
い。
【0057】図3は、図2に示されたろう付けシート1
0を基体8に取付けたところ示す部分断面図である。図
示のごとく、ろう付けシート10の突起12は前述の実
施形態における突起と同じく約125〜約4000ミク
ロン(例えば、約150〜約2050ミクロン)程度の
高さhを有している。かかる高さはまた、約180〜約
600ミクロンの範囲内にあってもよい。かかる突起
は、乱流発生用粉末の粒子14が稠密に充填されたもの
から成っている。ろう合金16は基体上に位置する薄い
フィルムを形成すると共に、突起内における乱流発生用
粉末の粒子14の間の空隙を満たしている。粒子14間
の粒間相を形成するろう合金は、気孔を低減させること
により、突起を通しての効率的な熱伝達を達成するため
に有効である。
【0058】上記のごとく、乱流発生構造のサイズ及び
パターンは、所定の状況に応じて最大の熱伝達が達成さ
れるよう容易に調整することができる。通例、突起は実
質的に半球状の形状を有するが、これは本明細書中に記
載された様々な実施形態に従って成形型のくぼみの形状
又は乱流発生用粉末の粒子の形状に基づいている。その
他の形状、例えば円錐、円錐台、ピン及びフィンのごと
き形状も可能である。基体1平方センチメートル当りの
突起の数は、様々な因子(例えば、それらのサイズや形
状)に依存する。一つの実施形態においては、突起の数
は特定の基体表面(すなわち、本発明の実施形態に従っ
て処理される基体の特定領域)の約40〜約95%を覆
うのに十分なものである。かかる特定領域は、例えば、
小さい内部冷却流路の表面から、タービンエンジン部品
の露出面の全体にまでわたる。
【0059】本発明の実施形態に従って乱流発生材料を
設置することは、基体の表面積を増大させるために有効
である。例えば、部品の処理済み領域の表面積をAと
し、かつ(一般に平滑な表面を有する)未処理の部品の
同じ領域の表面積をA0 とした場合、A/A0 は一般に
少なくとも約1.05であり、また通例は少なくとも約
1.20である。なお、A/A0 は一般に約4.0未満
であり、また通例は約2.5未満である。
【0060】前述の実施形態に関連してはろう合金が好
ましい種類の結合剤として記載されたが、その他の結合
剤を使用することができる。例えば、それほど苛酷でな
い環境(例えば、より低い動作温度に暴露される非超合
金部品の場合)においては耐熱エポキシ樹脂を使用する
ことができる。
【0061】多くの実施形態においては、乱流発生構造
(すなわち、突起によって規定される「表面粗さ」)は
下方の部品に対する伝熱特性を向上させるために存在し
ている。伝熱特性の向上は部品の特定領域について望ま
しい温度低下をもたらし、ひいては熱応力の低下をもた
らす。その上、突起のサイズ及び間隔を調整することに
よって熱伝達の向上を調整することもできるが、これは
部品における温度勾配及び応力勾配の低減をもたらす。
【0062】本発明の実施形態は、ワイヤ溶射された乱
流発生構造に比べて熱伝達の改善を示した。例えば、本
発明の実施形態は40000のジェットレイノルズ数に
おいて1.52を越える熱伝達向上値(例えば、約1.
60を越える熱伝達向上値)をもたらした。それに対
し、ワイヤ溶射技術によって形成される乱流発生構造
は、40000のジェットレイノルズ数において1.3
〜1.52程度の熱伝達向上値をもたらすことが判明し
ている。本発明の特定の実施形態においては、4000
0のジェットレイノルズ数において約1.70〜1.8
2の熱伝達向上値が示された。かかる熱伝達向上値は、
未処理の平滑な表面の場合を1.0として正規化されて
いる。熱伝達向上値を測定するためには、処理済みの基
体中に温度測定用の熱電対が埋込まれた。処理済みの基
体の上方には衝突板が取付けられ、処理済みの基体の反
対側(すなわち、突起を持たない側)に所定量の熱が加
えられた。次いで、衝突板の穴を通して冷却用空気が処
理表面に吹付けられた。その時、処理表面を所定の温度
に保つために必要なエネルギーの量が測定された(所要
の温度が高いほど熱伝達の向上が大きくなる)。次に、
処理済みの試料を未処理の平滑な基準試料と比較され
た。
【0063】本発明の実施形態に従えば、乱流発生構造
を基体の表面近くに保持することにより、冷却表面に沿
っての冷却剤の流れの圧力降下が低減し、フィンの冷却
効率が改善される。例えば、一つの実施形態において
は、乱流発生構造の高さは600ミクロンより小さく、
また更に詳しく述べれば約375ミクロンより小さい。
乱流発生材料が表面の近接することによってフィン効率
が改善されることを確実にするためには、粒子の粒度が
600ミクロンより小さく、また更に詳しく述べれば約
375ミクロンより小さければよい。
【0064】上記においては衝突冷却(冷却用空気の流
れが基体の表面に垂直である場合)に関連して温度測定
が行われたが、実際の使用に際しては対流(冷却用空気
の流れが基体の表面に平行である場合)によって冷却を
行うこともできる点に注意されたい。
【0065】更にまた、本発明の実施形態に従えば、従
来のワイヤ溶射によって形成された乱流発生構造に比べ
て耐酸化性が顕著に改善されることも実証された。室温
と2000°Fとの間で温度を循環させると共に、45
分間にわたって2000°Fの温度を保持するという熱
サイクル試験が試料に施された。かかる試験の結果、処
理表面は200回の炉内サイクル後にほとんど酸化を示
さず、また400回の炉内サイクル後にも僅かな酸化し
か示さないことが判明した。それに対し、ワイヤ溶射に
よって形成された乱流発生構造は200回の炉内サイク
ル後に顕著な酸化を示し、乱流発生構造の早期剥落を生
じることが判明した。
【0066】上記のごとく、高温環境において使用され
る部品に向けて流されるか、あるいはかかる部品に沿っ
て流される冷却剤と共に乱流発生構造が使用されるのが
通例である。かかる冷却剤は通常は空気であるが、それ
はその他の流体(例えば水)から成っていてもよいこと
を理解すべきである。
【0067】
【実施例】下記の実施例は単に例示を目的としたものに
過ぎないのであって、本発明の範囲に対していかなる種
類の制限も加えないことを理解すべきである。特に記載
のない限り、全ての割合は重量百分率で表わされてい
る。例1 本例においては、市販のろう材テープであるアムドライ
(登録商標)100(それの組成は10重量%のケイ
素、19重量%のクロム、及び残部のニッケルから成っ
ている)を使用した。かかるテープは約25〜50ミク
ロンの厚さを有していたが、それを極めて薄い有機接着
剤で被覆した。他方、68重量%のNi、22重量%の
Cr、9重量%のAl、及び1重量%のYから成る概略
組成を有する粗大なNiCrAlYボンドコート粉末を
使用した。この粉末は50〜80メッシュ(すなわち、
180〜300ミクロン)の平均粒度(粒径)を有して
いたが、それを手作業でろう材テープ表面に付着させ
た。次いで、このテープを約5cm×5cmの大きさに
切断し、ニッケル基超合金から成るタービンエンジン部
品のノズルキャビティ表面の一部分に取付けた。その
後、テープ上に溶剤(アセトン)を吹付けたところ、テ
ープは可塑化し、キャビティ表面に順応してそれに密着
した。
【0068】次に、約10-5torrに保たれた真空炉を使
用しながら、ノズルキャビティを約2150°F(11
77℃)のろう付け温度で真空ろう付けした。乱流発生
用粉末はキャビティ表面に対して完全に融着した。乱流
発生構造の存在のため、表面は粗雑な組織を示してい
た。突起は実質的に半球状の形状を有していた。測定さ
れたRa値は約2.7ミル(68.6ミクロン)であ
り、またRz値は約13.5ミル(343ミクロン)で
あった。20000のジェットレイノルズ数において
1.7の熱伝達向上値が測定され、また40000のジ
ェットレイノルズ数において1.9の熱伝達向上値が測
定された。例2 例1において使用された種類のNiCrAlYボンドコ
ート粉末を使用した。40メッシュ(最大粒度425ミ
クロン)のスクリーンを通して(接着剤で被覆された)
ろう材テープ表面に粉末を付着させることにより、表面
上にパターンを形成した。次いで、前記の例と同様にし
て、このテープを切断し、ノズルキャビティ表面の一部
分に取付けた。やはり例1と同様にして真空ろう付けを
行ったところ、乱流発生構造は所望のパターンを成しな
がらキャビティ表面に対して完全に融着した。本例に関
する熱伝達測定を例1と同様にして行ったところ、40
000のジェットレイノルズ数において1.9の熱伝達
向上値が測定された。例3 本例においては、例1の場合と同じろう合金から成るろ
う材箔を使用した。この箔を約5cm×5cmの大きさ
に切断した。スクリーン印刷により、箔表面上にパター
ン化された接着剤層を形成した。次いで、例1において
使用されたNiCrAlYボンドコート粉末を手作業で
接着剤被覆表面上に散布した。余分の粉末を表面から除
去した後、ノズルキャビティ表面の一部分に箔をスポッ
ト溶接し、それから例1と同様にして(同じろう付け条
件下で)真空ろう付けした。例2と同じく、パターン化
された乱流発生構造はキャビティ表面に対して完全に融
着した。20000のジェットレイノルズ数において
1.73の熱伝達向上値が測定され、また40000の
ジェットレイノルズ数において1.9の熱伝達向上値が
測定された。
【0069】上記の例ではノズルキャビティに乱流発生
構造が付与されたが、それ以外にも多種多様の部品を処
理することができる。例えば、燃焼器ライナ、燃焼器ド
ーム、静翼、動翼及びシュラウドを始めとするその他の
超合金部品が挙げられる。また、低温用途において使用
される非超合金部品を処理することもできる。例えば、
シュラウド隙間調節領域で使用されるフランジ、ケーシ
ング及びリングを有利に処理することができる。これら
の実施形態においては、乱流発生構造の使用は流路シュ
ラウドの直径の一層正確な調節を可能にし、それにより
動翼先端とシュラウド表面との隙間を減少させて効率を
高める。かかる部品の材料に関する要求温度条件が低い
ことを考慮して、ろう合金の代りに別の結合剤(例え
ば、耐熱エポキシ樹脂又ははんだ)を使用することもで
きる。乱流発生材料の付着は、ろう付けシートを用いて
行うこともできるし、あるいは上記のごとくに結合剤及
び乱流発生材料を含有するスラリーを用いて行うことも
できる。
【0070】上記のごとく、ここで使用される「乱流発
生構造」という用語は、処理済みの部品を通しての熱伝
達を増加させるために有効な多数の突起から成る粗面を
意味している。ある種の実施形態においては、かかる粗
面は紙やすり様の外観を呈する。かかる熱伝達の増加
は、主として処理済みの部品の表面積の増大に原因する
ものと考えられる。乱流発生構造はまた、特に乱流発生
材料が主として大粒度の材料から成る場合、冷却剤の流
れ特性を(例えば、表面に沿った層流から乱流に)変化
させることによっても熱伝達を増加させることがある。
【0071】本発明の実施形態に従えば、容易に接近し
得ない表面に乱流発生構造を付与して熱伝達の向上をも
たらすための方法が提供される。また、本発明の実施形
態に従えば、様々なサイズ及び形状の突起を所望ならば
所定のパターンで形成することができる。更にまた、乱
流発生材料及び結合剤(例えば、ろう合金)を含む層を
使用する本発明の実施形態に従えば、伝熱効率の改善に
加えて高温下での耐酸化性及び耐食性の改善を達成する
こともできる。
【0072】以上、本発明の好適な実施形態を記載した
が、本発明の精神に反することなしに様々な実施形態が
可能であることは当業者にとって自明であろう。従っ
て、本発明の範囲はもっぱら前記特許請求の範囲によっ
て限定されるべきであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】突起を含むろう付けシートの部分断面図であ
る。
【図2】突起を含むろう付けシートの斜視図である。
【図3】基体に取付けられた図2のろう付けシートの断
面図である。
【符号の説明】
10 ろう付けシート 12 突起 14 粒子 16 ろう合金 20 部品 22 キャビティ 24 ろう合金フィルム 26 離散粒子相
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01D 5/18 F01D 5/18 9/02 102 9/02 102 F02C 7/00 F02C 7/00 C D 7/18 7/18 C (72)発明者 ロバート・アラン・ジョンソン アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 シンプソンビル、ワイルド・ホース・クリ ーク・ドライブ、308番 (72)発明者 チン−パン・リー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、カマーゴ・パインズ・レーン、12番 (72)発明者 マーク・ジェラルド・レティグ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、コロナド・アベニュー、1159番 (72)発明者 ネジム・アブアフ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、バレンシア・ロード、1532番 (72)発明者 ジョン・ハワード・スタークウェザー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ソベリン・ドライブ、5945番

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超合金基体と、結合剤によって前記超合
    金基体の一表面に結合された乱流発生材料とから成るこ
    とを特徴とする製品。
  2. 【請求項2】 前記乱流発生材料が前記超合金基体の前
    記表面を越えて突出し、複数の突起を形成している請求
    項1記載の製品。
  3. 【請求項3】 前記結合剤がろう合金から成る請求項1
    記載の製品。
  4. 【請求項4】 前記ろう合金が前記基体の前記表面上に
    層を形成し、かつ前記乱流発生材料が前記ろう合金の層
    中に埋込まれている請求項3記載の製品。
  5. 【請求項5】 前記ろう合金の層が連続母材相を形成し
    ている請求項4記載の製品。
  6. 【請求項6】 前記乱流発生材料が合金から成る請求項
    1記載の製品。
  7. 【請求項7】 前記合金がニッケル、コバルト、アルミ
    ニウム、クロム、ケイ素、鉄及び銅から成る群から選択
    される少なくとも1種の元素から成る請求項6記載の製
    品。
  8. 【請求項8】 前記合金が式MCrAlY(式中、Mは
    鉄、ニッケル及びコバルトから成る群から選択される少
    なくとも1種の物質である)で表わされる組成を有する
    請求項7記載の製品。
  9. 【請求項9】 前記超合金基体がニッケル基又はコバル
    ト基超合金から成る請求項1記載の製品。
  10. 【請求項10】 前記結合剤がろう合金から成り、かつ
    前記ろう合金がニッケル、コバルト、鉄、貴金属及びそ
    れらの混合物から成る群から選択される少なくとも1種
    の金属を含む請求項1記載の製品。
  11. 【請求項11】 前記ろう合金が前記ろう合金の融点を
    低下させるための成分を更に含む請求項1記載の製品。
  12. 【請求項12】 基体と、前記基体の一表面に結合され
    た乱流発生材料とから成っていて、前記乱流発生材料が
    約125〜約4000ミクロンの範囲内の平均粒度を有
    する離散合金粒子の粒子相から成ることを特徴とする製
    品。
  13. 【請求項13】 前記合金粒子がニッケル、コバルト、
    アルミニウム、クロム、ケイ素、鉄及び銅から成る群か
    ら選択される少なくとも1種の元素から成る請求項12
    記載の製品。
  14. 【請求項14】 前記合金粒子が式MCrAlY(式
    中、Mは鉄、ニッケル及びコバルトから成る群から選択
    される少なくとも1種の物質である)で表わされる組成
    を有する請求項13記載の製品。
  15. 【請求項15】 Mがニッケルである請求項14記載の
    製品。
  16. 【請求項16】 前記基体がタービンエンジン部品であ
    る請求項12記載の製品。
  17. 【請求項17】 前記タービンエンジン部品が燃焼器ラ
    イナ、燃焼器ドーム、静翼、ノズル、動翼、シュラウ
    ド、羽根及びシュラウド隙間調節部品から成る群から選
    択される部品である請求項16記載の製品。
  18. 【請求項18】 前記タービンエンジン部品が超合金か
    ら成り、かつ燃焼器ライナ、燃焼器ドーム、静翼、ノズ
    ル、動翼、シュラウド及び羽根から成る群から選択され
    る請求項17記載の製品。
  19. 【請求項19】 前記タービンエンジン部品がシュラウ
    ド隙間調節部品である請求項17記載の製品。
  20. 【請求項20】 前記シュラウド隙間調節部品がフラン
    ジ、ケーシング及びリングから成る群から選択される請
    求項19記載の製品。
  21. 【請求項21】 液体媒質と、ろう合金粉末と、乱流発
    生材料とから成ると共に、前記乱流発生材料が約125
    〜約4000ミクロンの範囲内の平均粒度を有する超合
    金粒子から成ることを特徴とするスラリー。
  22. 【請求項22】 前記ろう合金粉末がニッケル、コバル
    ト、鉄、貴金属及びそれらの混合物から成る群から選択
    される少なくとも1種の金属から成る請求項21記載の
    スラリー。
  23. 【請求項23】 超合金基体の一表面上にろう合金と乱
    流発生材料とから成る層を設置する工程と、前記超合金
    基体の前記表面上に前記層を融着させる工程とを含む結
    果、前記ろう合金によって前記乱流発生材料が前記超合
    金基体に結合されることを特徴とする、超合金基体の一
    表面上に乱流発生構造を設ける方法。
  24. 【請求項24】 前記乱流発生材料がニッケル、コバル
    ト、アルミニウム、クロム、ケイ素、鉄及び銅から成る
    群から選択される少なくとも1種の元素から成る請求項
    23記載の方法。
  25. 【請求項25】 前記層がろう付けシートから成る請求
    項23記載の方法。
  26. 【請求項26】 前記ろう付けシートがろう合金を含む
    金属箔から成り、かつ前記乱流発生材料が前記金属箔の
    表面上に設置される請求項25記載の方法。
  27. 【請求項27】 前記金属箔が約0.1〜約250ミク
    ロンの範囲内の厚さを有する請求項26記載の方法。
  28. 【請求項28】 前記融着工程が前記基体の一部を局部
    的に加熱することによって実施される請求項23記載の
    方法。
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