JP2004538358A

JP2004538358A - 単結晶ベーンセグメント及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004538358A
Application number: JP2000579385A
Authority: JP
Inventors: フラジアー，ドナルド・ジェイ; バークホルダー，フィリップ・エス
Original assignee: ロールス−ロイス・コーポレーション
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2004-12-24
Also published as: EP1131176A4; EP1131176B1; EP1131176B2; WO2000025959A1; DE69933132T3; CA2349412A1; CA2349412C; DE69933132T2; DE69933132D1; EP1131176A1

Abstract

本発明は、レニウムを含む指向性凝固合金から単結晶鋳造品として製造された多数エアフォイルベーンセグメント５０を対象とするものである。単結晶鋳造品は、粒子境界強化剤を保持している。

Description

【０００１】
【技術分野】
本出願は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、１９９８年１１月５日に出願された、「単結晶ベーンセグメント及びその製造方法（ＳＩＮＧＬＥＣＲＹＳＴＡＬＶＡＮＥＳＥＧＭＥＮＴＡＮＤＭＥＴＨＯＤＯＦＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ）」という名称の同時出願係属中の仮特許出願第６０／１０７，１４１号の利益を主張するものである。
【０００２】
【発明の背景】
本発明は、全体として、ガスタービンエンジンの鋳造構成要素及びその製造方法に関する。より具体的には、本発明の１つの実施の形態において、レニウムを含む指向性凝固（ＤＳ）化学合金からの単結晶鋳造品として多数エアフォイルベーンセグメントが製造される。本発明は、ガスタービンの構成要素用に開発されたものであるが、この分野以外の用途にも適用可能である。
【０００３】
ガスタービンの性能は、全体として、燃焼室から流れる高温度の作用流体の作動温度の上昇と共に向上する。ガスタービンエンジンの設計者が作用流体の許容可能な温度を制限するものと認識する１つのファクタは、高温度の作用流体にさらされたとき、エンジン構成要素が劣化しないようにすることである。エンジン内のブレード及びベーンのようなエアフォイルは、エンジンの作動中に、顕著な熱及び運動負荷にさらされる構成要素である。
【０００４】
多くのガスタービンエンジンは、ニッケル又はコバルト合金にて形成された鋳造構成要素を利用する。構成要素は、多結晶体、指向性凝固構造体又は単結晶構造体として鋳造することができる。全体として、最も望ましい材料の性質は、単結晶構造体と関係している。しかし、多数エアフォイルベーンセグメントのような、幾つかの構成要素の幾何学的形態は、鋳造過程中に、主として、粒子又は結晶上の欠点に関係した問題点を生じさせる。単結晶合金は、こうした型式の欠点を許容せず、このため、こうした欠点を示す鋳物は、一般にエンジンに使用するのに適していない。このように、鋳造の歩留り率は低く、その結果、構成要素の製造コストが増す。
【０００５】
指向性凝固構成要素は、単結晶と多結晶との間の材料性質を有しており、単結晶の構成要素よりも製造がより容易である。指向性凝固構成要素は、全体として、柱状粒子を有する多結晶構造として画定され、全体として、粒子境界強化剤を有する指向性凝固構成要素にて鋳造される。指向性凝固構成要素は、応力の場が柱状粒子に沿って方向決めされ、また、柱状粒子に対して直角の応力の場が最小となる場合の設計に最適である。しかし、多数エアフォイルベーンセグメントのような、１つの構成要素において、応力の場は、エアフォイルに沿って上昇し且つエアフォイルを共に接続する内側及び外側シュラウドと関係した横断方向に上昇する。
【０００６】
従来の技術は単結晶の多数エアフォイルベーンセグメントを製造することができるが、改良された単結晶の多数エアフォイルベーンセグメント及びその製造方法が依然として必要とされている。本発明は、新規且つ自明でない方法にてこの必要性及び他の必要性を満足させるものである。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の１つの形態は、指向性凝固合金にて形成された鋳造単結晶構造体から成る製品を対象とするものである。
【０００８】
本発明の別の形態は、複数のエアファイルを有する単一鋳造、単結晶ベーンセグメントから成り、該ベーンセグメントが指向性凝固合金にて形成された、ガスタービンエンジン構成要素を対象とするものである。
【０００９】
本発明の別の形態は、指向性凝固合金にて形成された単一鋳造、単結晶シュラウドベーンを備えるガスタービンエンジン構成要素を対象とするものである。
また、本発明の別の形態は、単結晶製品を製造する方法を対象とするものである。この方法は、指向性凝固合金を提供することと、指向性凝固合金を溶融させることと、溶融した指向性凝固合金を鋳造金型内に注入することと、指向性凝固合金を凝固させて、単結晶製品を製造することとを備えている。
【００１０】
本発明の１つの目的は、単結晶の多数エアフォイルベーンセグメント、及びその製造方法を提供することである。
本発明の関連する目的及びその有利な点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１１】
【好ましい実施の形態の説明】
本発明の原理の理解を促進する目的のため、次に、図面に図示した実施の形態について説明し、その説明のため特定の語を使用する。しかし、これにより、本発明の範囲を何ら限定することを意図するものではなく、図示した装置の変更例及び更なる改変例、及び本明細書に記載した本発明の原理の更なる適用例は、本発明が関係する技術分野の当業者に通常、案出されるものであることが理解されよう。
【００１２】
図１を参照すると、ファン部分２１と、コンプレッサ部分２２と、燃焼器部分２３と、タービン部分２４とを備え、これらが航空機の飛行推進エンジンを製造し得るように共に一体化された、ガスタービンエンジン２０が図示されている。この型式のガスタービンエンジンは、一般に、ターボファンと称される。１つの代替的な形態のガスタービンエンジンは、コンプレッサと、燃焼器と、タービンとを有し、これらが、ファン部分の無い航空機の飛行推進エンジンを製造し得るように共に一体化されている。航空機という語は、一般的であり且つヘリコプター、飛行機、ミサイル、無人の宇宙船及び実質的に他の全ての同様の装置を含む。ガスタービンエンジンの構成要素を共に接続することのできる多数の方法があることを認識することが重要である。コンプレッサ同士を接続するインタークーラに対して追加的なコンプレッサ及びタービンを追加することができ、また、再加熱燃焼室をタービンの間に追加することができる。
【００１３】
ガスタービンエンジンは、工業的用途に使用するのにも同様に適している。歴史的に、工業的ガスタービンエンジンにはガス及び油の伝達管用のポンプ装置、発電、及び空軍の推進のような広い用途がある。
【００１４】
コンプレッサ部分２２は、複数のコンプレッサブレード２６が接続されたロータ２５を備えている。該ロータ２５は、ガスタービンエンジン２０内にて回転可能な軸２７に固着されている。複数のコンプレッサベーン２８は、ブレード２６に対して流体の流れを指向させ得るようにコンプレッサ部分２２内に配置されている。タービン部分２４は、ロータディスク３１に接続された複数のタービンブレード３０を備えている。ロータディスク３１は、ガスタービンエンジン２０内にて回転可能な軸２７に固着される。燃焼器部分２３から出る高温ガスからタービン部分内で抽出されたエネルギは、コンプレッサ部分２２を駆動し得るように軸２７を通じて伝達される。更に、燃焼器部分２３から出る高温のガス状の流れを指向させ得るように、複数のタービンブベーン３２がタービン部分２４内に配置されている。
【００１５】
タービン部分２４は、ファン部分２１を駆動する動力をファン軸３３に提供する。ファン部分２１は、複数のファンブレード３５を有するファン３４を備えている。空気は、矢印Ａの方向にガスタービンエンジン２０に入り且つファン部分２１を通ってコンプレッサ部分２２及びバイパス管路３６内に進む。従来のガスタービンエンジンの原理及び構成要素は、当業者に公知であると考えられるため、これらの原理及び構成要素に関する更なる詳細は本明細書では説明しない。
【００１６】
図２を参照すると、タービンノズルの一部分を形成するベーンセグメント５０が図示されている。複数のベーンセグメント５０は、完全な３６０°のタービンノズルを全体として形成し得るように従来通り共に接続される。ベーンセグメント５０の各々は、端部壁部材５１、５２に接続された複数のベーン３２を備えている。図２に図示したベーン部分５０の実施の形態は、４つのベーンが接続されているが、ベーンセグメントは、１つのベーンセグメント当たり１つ又は２つ以上のベーンを備えることができ、４つのベーンを有するベーンセグメントに限定することを意図するものて゜はない。本発明の１つの好ましい実施の形態において、タービンノズルは、各々、４つのベーンを有する１１個のベーンセグメントを有する。しかし、その他の数のベーンセグメントにて形成されたタービンノズル及びその他の数のベーンを有するベーンセグメントとすることも考えられる。
【００１７】
ベーン３２は、前縁３２ａと、後縁３２ｂと、該前縁及び後縁の間を伸びる外面とを有している。第一の端部壁部材５１と第二の端部壁部材５２との間の方向を表示するため、本明細書で径間方向という語を使用する。更に、前縁５２ａと後縁３２ｂとの間の方向を表示するため流れ方向という語を使用する。各ベーン５０は、前縁３２ａと後縁３２ｂとの間を伸びる外面５３を有するエアフォイルを画成する。ベーンの前縁及び後縁は、第一の端部３２ｃと、第二の端部たる、他端３２ｄとの間を伸びる。ベーン５０の外面５３は、凸形の吸引側（図示せず）と、凹形の圧力側５５とを有する。
【００１８】
１つの実施の形態において、ガスタービンエンジンベーン３２は、指向性凝固合金組成物を利用して単結晶鋳造技術により製造された中空の単鋳造、単結晶構造体である。別の実施の形態において、ガスタービンエンジンベーンは、指向性凝固合金組成物を利用して単結晶鋳造技術により製造された忠実な単鋳造、単結晶構造体である。更に、本発明は、内部の冷却通路と、冷却媒体が通るための孔とを有するガスタービンエンジンベーンを対象とする。単結晶鋳造技術は、当業者に公知であると考えられる。鋳造単結晶構造体を製造する１つの方法は、その内容を引用し本明細書に含めた、オーコナー（Ｏ’Ｃｏｎｎｏｒ）への米国特許第５，２９５，５３０号に記載されている。
【００１９】
本発明において、鋳造単結晶構造体を製造するために利用される材料は、ＤＳ合金と称されることがしばしばである、指向性凝固合金である。より好ましくは、合金は、第二世代の指向性凝固超合金である。第二世代の指向性凝固超合金は、１，０００℃まで、ＣＭＳＸ−２（登録商標名）及びＣＭＳＸ−３（登録商標名）のような第一世代の単結晶超合金と同様のクリープ破断強度を有する。例えば、図３には、ＣＭＳＸ２／３及びＣＭ２４７ＬＣと比較してＣＭ１８６ＬＣの強度を示すラーソン・ミラープロットが図示されている。第二世代の超合金の例は、非限定的に、ＰＷＡ１４２６（プラットアンドホイットニー（Ｐｒａｔｔ＆Ｗｈｉｔｎｅｙ）の製品）、レーン（Ｒｅｎｅ）１４２（ゼネラルエレクトリック（ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ）の製品）、ＣＭ１８６ＬＣ（キャノンマスケゴン（Ｃａｎｎｏｎ−Ｍｕｓｋｅｇｏｎ）の製品）を含む。その他の指向性凝固合金は、単鋳造、単結晶構造を製造するときに使用することが考えられる。
【００２０】
指向性凝固合金の各々は、粒子境界の強度を増す設計とされた粒子境界の強化剤を含む。合金、ＰＷＡ１４２６、レーン１４２及びＣＭ１８６ＬＣの各々は、その粒子境界の強化剤としてホウ素、炭素、ハフニウム、及びジルコニウムを含む。粒子境界強化剤を含む、その他の指向性凝固合金が本明細書にて考えられる。粒子境界は、全体として、隣接する粒子間の結晶学的方向の相違又は不一致に対応する働きをする、数原子直径の幅を有する非方向決め構造体の鋳造構成要素の領域として全体として規定される。理論的な「単結晶」には、低角度の粒子境界も、高角度の粒子領域の何れも存在しないことが当業者に理解されよう。しかし、商業的な単結晶構造体には、１つ又は２つ以上の粒子境界が存在するが、依然として単結晶構造体であることを特徴とすることが更に理解されよう。更に、これら結晶の異常をより許容する製造方法は、性質上、より経済的である。
【００２１】
レニウムを含有する合金ＰＷＡ１４２６、レーン１４２及びＣＭ１８６ＬＣに対する公称化学組成物は、表１に掲げてある。

表１
図４を参照すると、溶融した金属を受け入れ且つ多数エアフォイルベーンセグメントを形成する溶融金属受入れキャビティを有する鋳造金型２００が図示されている。図５を参照すると、理解し易くするため、鋳造金型２００の壁を除去した多数エアフォイルベーンセグメント５０及び金属開始種６２が図示されている。金属開始種６２の一部分は、金型の溶融金属受入れキャビティ内に伸びている。溶融した指向性凝固合金は、開始種６２に接触し且つその一部分が溶融して戻るようにする。鋳造多数エアフォイルベーンセグメントを製造するこの過程の１つの好ましい形態において、開始種６２は冷金６５と接触していない。より好ましくは、開始種６２と冷金６５との間に絶縁体９０を配置する。絶縁体９０は、開始種６２を冷却する冷金６５から熱的に絶縁し、これにより、開始種の一部分の溶融を促進する機能を果す。
【００２２】
指向性凝固合金は、鋳造鋳型を通じて垂直方向に移動する熱勾配により凝固させる。より具体的には、指向性凝固合金は、開始種６２の非溶融部分からエピタキシー凝固されて単結晶製品を形成する。１つの形態において、指向性凝固合金を凝固する熱勾配は、金型の加熱と金型の冷却とを組み合わせることで形成される。鋳型内に熱勾配を発生させる１つの装置は、金型ヒータと、金型冷却コーンと、冷金と、鋳造される構造体の引き出しとを備えている。単結晶合金構造の成長に関する更なる詳細は、当業者に公知であると考えられ、従って、説明しない。鋳造した単結晶合金製品は、ベーンセグメントという語で説明したが、ブレードシール、シュラウド、ブレードトラック、ノズルライナー及び高温並びに応力に曝されるその他の構成要素のような、指向性凝固合金にて形成されたその他の鋳造単結晶製品の形態も本明細書の対象であると考えられる。
【００２３】
本発明の１つの形態において、開始種６２は、種＜００１＞（一次方向）結晶の方向がタンジェントＡに対して実質的に平行であり、種＜０１０＞（第二の方向）結晶の方向が平均的なエアフォイル積層軸線Ｂに対して実質的に平行であるように形成され且つ／又は方向決めされている。平均的なエアフォイル積層軸線Ｂは、各エアフォイル積層軸線Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、Ｂ_４の平均値により全体として画定される。図５の図は、凝固方向をこの図面に図示した方向にのみ限定することを意図するものではない。１つの代替的な実施の形態において、凝固方向は平均的なエアフォイル積層軸線Ｂに対し実質的に平行である。更に、その他の凝固方向が考えられる。本発明は、成長する結晶に対し結晶学的構造を付与するため、開始種を使用することにのみ限定されるものではない。単結晶は、熱核生成及びピグテール区分構造体を有する連続的な成長のため粒子を選択するといった当業者に一般に公知の技術により成長させることができる。
【００２４】
１つの形態において、鋳造単結晶製品の性質を最大にするため、一般に使用される長い均質熱処理サイクルを使用せずに、単結晶ベーンセグメントを使用することができる。ガスタービンのブレードのような製品に十分に適した本発明の別の形態において、製品は、完全に熱処理した状態で使用することができる。完全に熱処理した製品は、応力破断を最大にし且つ製品が高温度及び応力に長時間、曝されたとき、シグマのような有害な位相的最密充填構造（ＴＣＰ）相の形成を最小にする。この長時間の曝し時間は、１０００時間以上となろう。
【００２５】
本発明は、上記の説明にて図示し且つ詳細に説明したが、これは説明のためであり、その性質を限定するものではなく、好ましい実施の形態のみを図示し且つ説明したものであり、本発明の精神に属する変更及び改変例を保護することを望むものであることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ガスタービンエンジンの図である。
【図２】
図１のガスタービンの一部分を備える多数エアフォイルベーンセグメントの斜視図である。
【図３】
３つの合金を比較する、ラーソンミラープロット図である。
【図４】
ベーンセグメントを形成する鋳造金型の図である。
【図５】
図４の鋳造金型にて形成された多数エアフォイルベーンセグメントの図である。

Claims

指向性凝固合金にて形成された鋳造単結晶構造体を備える、製品。
請求項１の製品において、
前記指向性凝固合金がＰＷＡ１４２６、レーン１４２及びＣＭ１８６ＬＣから成る群から選択される、製品。
請求項１の製品において、
前記指向性凝固合金がレニウムを含む、製品。
請求項３の製品において、
前記指向性凝固合金が約３重量パーセントのレニウムを含む、製品。
請求項１の構成要素において、
前記合金が、基本的に、重量％で、０．０７Ｃ、６Ｃｒ、９Ｃｏ、０．５Ｍｏ、８Ｗ、３Ｔａ、３Ｒｅ、５．７Ａｌ、０．７Ｔｉ、０．０１５Ｂ、０．００５Ｚｒ、１．４Ｈｆから成り、その残りがニッケル及び付随的な不純物である、構成要素。
請求項１の構成要素において、
前記合金が、基本的に、重量％で、６．８Ｃｒ、１２Ｃｏ、２Ｍｏ、５Ｗ、６Ｔａ、３Ｒｅ、６．２Ａｌ、１．５Ｈｆ、０．１２Ｃ、０．０１５Ｂ、０．０２Ｚｒから成り、その残りがニッケル及び付随的な不純物である、構成要素。
請求項１の構成要素において、
前記合金が、基本的に、重量％で、６．５Ｃｒ、１２Ｃｏ、２Ｍｏ、６Ｗ、４Ｔａ、３Ｒｅ、１．５Ｈｆ、０．１０Ｃ、０．０１５Ｂ、０．０３Ｚｒ、６．０Ａｌから成り、その残りがニッケル及び付随的な不純物である、構成要素。
複数のエアフォイルを有する単一鋳造、単結晶ベーンセグメントから成り、
前記ベーンセグメントが指向性凝固合金で形成された、ガスタービンエンジン構成要素。
請求項８の構成要素において、
第一の部材と、第一の部材から隔たった第二の部材とを備え、
前記複数のエアフォイルの各々が、前記第一及び第二の部材と一体に鋳造され且つ該第一及び第二の部材内の間を伸びる、構成要素。
請求項９の構成要素において、
前記合金が、基本的に、重量％で、０．０７Ｃ、６Ｃｒ、９Ｃｏ、０．５Ｍｏ、８Ｗ、３Ｔａ、３Ｒｅ、５．７Ａｌ、０．７Ｔｉ、０．０１５Ｂ、０．００５Ｚｒ、１．４Ｈｆから成り、その残りがニッケル及び付随的な不純物である、構成要素。
請求項９の構成要素において、
前記合金が、基本的に、重量％で、６．８Ｃｒ、１２Ｃｏ、２Ｍｏ、５Ｗ、６Ｔａ、３Ｒｅ、６．２Ａｌ、１．５Ｈｆ、０．１２Ｃ、０．０１５Ｂ、０．０２Ｚｒから成り、その残りがニッケル及び付随的な不純物である、構成要素。
請求項９の構成要素において、
前記合金が、基本的に、重量％で、６．５Ｃｒ、１２Ｃｏ、２Ｍｏ、６Ｗ、４Ｔａ、３Ｒｅ、１．５Ｈｆ、０．１０Ｃ、０．０１５Ｂ、０．０３Ｚｒ、６．０Ａｌから成り、その残りがニッケル及び付随的な不純物である、構成要素。
請求項９の構成要素において、
前記複数のエアフォイルの少なくとも１つが、冷却媒体が通る内部冷却通路を有する、構成要素。
請求項８の構成要素において、
前記指向性凝固合金が粒子境界強化剤を含む、構成要素。
指向性凝固合金から成る単一鋳造単結晶、シュラド付きのベーンを備える、ガスタービンエンジン構成要素。
請求項１５の構成要素において、
前記指向性凝固合金が、少なくとも１つの粒子境界強化剤を含む、構成要素。
請求項１６の構成要素において、
前記少なくとも１つの粒子境界強化剤がホウ素、炭素、ハフニウム及びジルコニウムを含む、構成要素。
請求項１５の構成要素において、
前記指向性凝固合金が約３重量％のレニウムを含む、構成要素。
単結晶製品の製造方法において、
指向性凝固合金を提供することと、
該指向性凝固合金を溶融させることと、
溶融した指向性凝固合金を鋳造金型内に注入することと、
単結晶製品を製造すべく指向性凝固合金を凝固することとを備える、製造方法。
請求項１９の方法において、
鋳造金型を通じて熱勾配を移動させることを更に含む、方法。
請求項１９の方法において、
金属開始種を提供することを更に含み、
金属開始種の一部分が鋳造金型内に配置される、方法。
請求項２１の方法において、
開始種を部分的に溶融させて戻すことを更に含む、方法。
請求項２２の方法において、
前記凝固中、指向性凝固合金が開始種の非溶融部分からエピタキシー凝固される、方法。
請求項２１の方法において、
前記開始種を通じてエネルギを吸引すべく冷金を提供することを更に含む、方法。
請求項２４の方法において、
開始種を部分的に溶融して戻すのを促進すべく、開始種を冷金から熱的に絶縁することを更に含む、方法。
請求項２５の方法において、
前記熱的に絶縁することが、冷金と開始種との間に絶縁体を配置することを含む、方法。
請求項２１の方法において、
その＜００１＞結晶方向が、ベーンセグメントの接線に対し実質的に平行であり、開始種＜０１０＞結晶方向が平均的なエアフォイルの積層軸線に対して実質的に平行であるように開始種を整合させることを更に含む、方法。