JP2007098475A - セラミック鋳造中子を製造する方法並びに関連する物品及びプロセス - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック鋳造中子を製造する方法について説明する。
【解決手段】この鋳造中子は、事前選択した形状を有しかつ複数の平行断面として特徴付けられる。各断面は、事前選択したパターン及び厚さを有する。本方法は、レーザ圧密化プロセスにおいてレーザビーム（１３２）を用いてセラミック中子材料（１０６）を溶融するステップと、中子の第１の断面のパターンで第１の層（１１６）を形成するように溶融材料を堆積させて、第１の堆積層（１１６）の厚さが第１の断面の厚さに対応するようにするステップとを含む。第２の層（１４０）が同様な方法で形成され、その後、中子が完成するまで付加的な層が形成される。セラミック中子を使用してインベストメント鋳造によってガスタービン部品を製造する方法と同様に、このプロセスを用いて既存のセラミック中子の形状を修正する方法についても説明する。関連する物品及びプロセスについても説明する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジン部品の製造に関する。より具体的には、本発明は、そのような部品の鋳造で使用するセラミック中子を製造する方法に関する。

セラミック中子は、様々なタイプの精密部品のインベストメント鋳造に使用されることが多い。実例には、タービンエンジンブレード及びベーンが含まれる。これらのタイプの部品を鋳造する場合、中子は、高温の鋳造温度において、物理的かつ化学的に安定した状態を維持しなければならない。加えて、中子は、鋳造される溶融金属と比較的反応しないものであるべきであり、また適度の時間内に鋳造品から容易に溶脱可能でなくてはならない。さらに、中子は、該中子の周りに鋳造された部品のユーザが必要とする厳しい寸法公差を満たさなければならない。

セラミック中子は、該中子を用いて鋳造する部品に形が変わる複雑な細部を含まなければならないことが多い。例えば、ガスタービンエンジンブレードは、例えばブレード内部の多壁構造の場合における複雑なパターンの内部冷却チャネル（「経路」又は「通路」）を含まなければならないことが多い。（当業者には明らかなように、タービンブレードのような部品は多くの場合、それらの間に冷却経路が配置された状態で、外壁と該外壁から間隔を置いて配置された内壁とを含む）。
冷却空気は、チャネルを通って流れ、次に通常は翼形表面における冷却孔の構成を通して吐出される。従って、中子は、タービンブレードの特徴形状を精密に複製する相反特徴形状を含まなければならない。多壁構造を備えたエンジンブレード設計の実例は、米国特許第５，９３１，６３８号及び第６，２５４３，３４号に見ることができる。

セラミック中子は通常、従来通りのプロセスによって製造される。実例には、トランスファ成形及び注入成形が含まれる。後者のプロセスでは、セラミック粒子とワックス、エポキシ材料などのような熱可塑性バインダとの混合物が一般的に、２つの半体を有する中子金型内に注入される。金型を取り外した後に、中子は通常次に、ある種の予備焼成ステップを行ってバインダの一部又は全て並びにあらゆる他の揮発性物質が除去される。予備焼成に続いて、中子形状は、圧密化したセラミック中子を形成するように高温で焼成される。

中子を製造するための成形プロセスは、多くの場合において許容可能であるが、幾つかの欠点を含んでいる。例えば混合物内で使用するバインダが、非常に高価である可能性がある。さらに、過剰なバインダを除去するための混合物の処理並びに乾燥、予備焼成及び焼結ステップが、商業レベルでプロセスを実行するのに必要な費用及び時間を増大させる可能性がある。（米国特許第５，０１４，７６３号においてＦｒａｎｋが記載しているように、幾つかの中子製造プロセスは、冷凍ステップを含み、このことによりさらに複雑となる可能性がある）。

注入成形プロセスの多くでは、中子金型の２つの半体は、焼結完了後に開かれ、完成中子が取り出される。当業者には明らかなように、中子金型の２つの半体間の境目は「分割線」として知られている。中子金型は、高精度な事前選択した寸法が得られるようにモールド半体を適切に分離するのを保証する位置に分割線が配置されるように細心の注意で設計される。

中子金型の適切な分割線の決定は過去においては比較的に単純であったが、最近では、より複雑な中子の開発によって、この作業は一層困難な問題になってきた。実例として、単一壁タービンブレードを鋳造するのに使用される中子の分割線の選定は比較的容易に行うことができる。これらの中子は通常、「２次元」又は「２．５次元」のジオメトリを有し、金型セクションは、中子を成形した後に２つの方向に（すなわち、直線的に）容易に分解することができる。

しかしながら、タービン内部に多壁構造が必要なジオメトリを有する中子、例えば「３次元ジオメトリ」を特徴とする中子の場合には、分割線の選定は、非常に困難になる可能性がある。この困難性は一部には、中子に対して設計した壁又セグメントが必ずしも全てが互いに整列しているとは限らないという事実に起因する。実際に、中子を成形した後に中子の金型セクションを３つの異なる方向に分解しなければならない場合があるので、そのような中子を単一注入の形態で従来型の金型内に形成することは不可能になる可能性がある。その場合におけるモールドの取り外しは、中子の重要なジオメトリの一部分の形成を妨げる可能性がある。

複雑な翼形部構造に対する中子を形成するのに関連する問題を解決するか又は最小にするための試みがなされてきた。例えば、複数中子は、注入成形プロセスにおける分離注入によって形成することができる。個々の中子は次に、複合中子に組み立てることができる。

そのような複合中子の使用は後続の鋳造プロセスで許容可能である場合もあるが、幾つかの大きな欠点がある。例えば、組立てステップは、時間がかかりかつ高価になる可能性がある。組立てステップはまた、鋳造物品の最終寸法におけるばらつきの原因にもなる。これらのばらつきは、たとえ最小の程度であっても、鋳造部品のスクラップ化を引き起こす可能性がある。
米国特許第４，３２３，７５６号公報 米国特許第４，７２４，２９９号公報 米国特許第４，７３０，０９３号公報 米国特許第５，０１４，７６３号公報 米国特許第５，０３８，０１４号公報 米国特許第５，０４３，５４８号公報 米国特許第５，９３１，６３８号公報 米国特許第６，２５４，３３４号公報 米国特許第６，２６９，５４０号公報 米国特許第６，４２９，４０２号公報 米国特許第６，５０４，１２７号公報 C.Theiler et al., "DEPOSITION OF GRADED METAL MATRIX COMPOSITES BY LASER BEAM CLADDING," BLAS Bremen Institute, @ http://www.bias.de/aboutus/structure, /lmb/Publikationen/Deposition%20of%20graded.pdf (undated, with June 2005 website address), pp.1-10 US Patent Application 11/172,390, Bernard Bewlay et al., filed June 30,2005, GE Docket No.158568-1. US Patent Application 10/622,063, Stephen Rutkowski et al., filed July 17,2003, GE Docket No.126762-1.

上記の考察を考慮すると、セラミック鋳造中子を製造する新規な方法は、当技術分野で歓迎されることになるのは明らかであろう。多壁を有する複雑な中子の形成を可能にする方法は、大きな関心事であるといえる。さらに、上述の典型的な注入成形又はトランスファ成形ステップを排除又は最少にすることはまた、中子の製造分野における大きな前進をもたらすことになる。

本発明の１つの実施形態は、事前選択した形状を有しかつ複数の平行断面として特徴付けられたセラミック鋳造中子を製造する方法を対象とする。各断面は、事前選択したパターン及び厚さを有する。本方法は、（ｉ）レーザビームを用いてセラミック中子材料を溶融しかつ中子の第１の断面のパターンで第１の層を形成するように溶融材料を堆積させて、第１の堆積層の厚さが第１の断面の厚さに対応するようにするステップと、（ｉｉ）レーザビームを用いてセラミック中子材料を溶融しかつ物品の第２の断面のパターンで第２の層を形成するように第１の堆積材料層上に少なくとも部分的に位置させて溶融材料を堆積させて、第２の堆積層の厚さが第２の断面の厚さに対応するようにするステップと、次に、（ｉｉｉ）レーザビームを用いてセラミック中子材料を溶融しかつ中子の対応する断面のパターンで一連の層を形成するように下にある断面上に少なくとも部分的に位置した一連の断面の少なくとも１つとして溶融材料を堆積させて、中子が完成するまで該溶融材料を堆積させかつ該一連の層を形成するようにするステップとを含む。

また、本明細書では、セラミック鋳造中子の形状を修正する方法を説明する。本方法は、指定したパターンに従ってレーザ圧密化プロセスによって鋳造中子の少なくとも一部分に対して該中子の形状を修正するように付加的なセラミック材料を加えるステップを含む。

本発明の別の実施形態は、ガスタービンの部品を製造する方法を対象とする。本方法は、（ａ）その中に組み込まれた事前設定した中子のパターンに従ってセラミック材料を層毎に堆積させることができるレーザ圧密化システムにセラミック中子材料を送給することによってセラミック鋳造中子を製造するステップと、次に、鋳造中子を熱処理するステップと、（ｂ）モールド−中子組立体の一部としてセラミック鋳造中子を使用してインベストメント鋳造プロセスを行ってガスタービン部品を形成するステップとを含む。

本明細書で説明した方法によって製造したセラミック鋳造中子もまた、本発明の実施形態を構成する。本発明の他の特徴及び利点は、以下の本発明の詳細な説明から一層明らかになるであろう。

本発明のセラミック鋳造中子は、レーザ圧密化プロセスによって調製される。そのようなプロセスは一般的に、当技術分野では公知であり、その上様々な他の呼び方で呼ばれる。それらには、「レーザクラッディング」、「レーザ溶接」、「レーザネットシェーピング」などが含まれる。（「レーザ圧密化」又は「レーザ堆積」を通常、本明細書で使用する用語とする）。このプロセスの非限定的な実例は、参考文献として本明細書に組み入れた以下の米国特許、すなわち第６，４２９，４０２号（Ｄｉｘｏｎ他）、第６，２６９，５４０号（Ｉｓｌａｍ他）、第５，０４３，５４８号（Ｗｈｉｔｎｅｙ他）、第５，０３８，０１４号（Ｐｒａｔｔ他）、第４，７３０，０９３号（Ｍｅｈｔａ他）、第４，７２４，２９９号（Ｈａｍｍｅｋｅ）及び第４，３２３，７５６号（Ｂｒｏｗｎ他）に記載されている。レーザ圧密化クラッディングに関する情報はまた、http://www.bias.de/aboutus/structure/Imb/Publikationen/Deposition%20of％20graded.pdf（日付けなし、２００５年６月ウエブサイトアドレス）における、ＢＩＡＳ Ｂｒｅｍｅｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（１０頁）、Ｃ．Ｔｈｉｅｌｅｒ他による「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒａｄｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｂｙ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｃｌａｄｄｉｎｇ」のような、その他の多くの参考文献にも記載されている。

一般的に、レーザビーム圧密化プロセスは通常、消耗粉末又はワイヤを基体の表面上の溶融プール内に供給するステップを含む。基体は通常、このプロセスによって形成されることになる物品のベース部分である。溶融プールは、高強度の熱源を形成するレーザビームとの相互作用によって生成されかつ維持される。Ｃ．Ｔｈｉｅｌｅｒ他によって記載されているように、基体は、ビームに対してスキャンされる。スキャニングが前進するにつれて、溶融基体領域及び溶融堆積材料は凝固し、クラッドトラックが表面上に堆積される。並んで堆積されたトラックによって、層が連続的に形成される。多層構造は、複数トラックを互いの上に堆積させることによって形成される。

このプロセスで使用するセラミック中子材料は、当技術分野では公知である。それらは通常、粉末形態である。一般的に、溶脱材料を用いて除去可能なあらゆるセラミック材料を使用することができる。（所望のセラミック材料に対する前駆体もまた、使用することができる）。好適なセラミックの非限定的な実例には、アルミナ、ジルコニア、シリカ、イットリア、マグネシア、カルシア、セリア及びその組合せが含まれる。アルミナ及びアルミナ含有混合物は、多くの場合好ましい中子材料である。当業者には明らかなように、中子材料はまた、バインダのような多様な他の添加物を含むことができる。以下にさらに詳しく述べるように、セラミック材料の粉末粒径は、その大部分は粉末のタイプ及びレーザ堆積装置のタイプに応じて決まることになる。

図１は、レーザ圧密化プロセスの一般的原理を説明する簡単な説明図である。所望の物品の形成は、基体１２の表面１０上で行われている。レーザビーム１４は、以下に説明する従来通りのレーザパラメータによって基体の選択した領域上に集束される。セラミック供給材料（堆積材料）１６は、通常は適切なキャリアガス２０によって粉末源１８から送給される。供給材料は通常、エネルギービームが基体表面１０と交差する点に非常に近接した基体上の領域に導かれる。溶融プール２２は、この交差点において形成されかつ凝固して、クラッドトラック２４を形成する。互いに隣接して堆積させた複数のクラッドトラックは通常、所望の層を形成する。堆積装置が上方へインクリメントするにつれて、物品は、３次元形状の完成に向って進展する。

以下にさらに説明するように、供給材料の堆積は、コンピュータ動作制御の下で実行することができる。１つ又はそれ以上のコンピュータプロセッサを使用して、レーザ、供給材料流及び基体の移動を制御することができる。一般的に、本発明によるコンピュータ制御レーザ圧密化は通常、互いにほぼ平行なセクション又は「スライス」の組立体であるような所望の中子物品の解析から始める。物品は次に、各セクションのパターン、すなわちその形状及び寸法と、隣接する断面に対する各セクションの位置とを特定することによって固有に定められる。

より具体的には、コンピュータ支援設計（例えば、ＣＡＤ−ＣＡＭ）の当業者には、所望の物品は最初に、図面から、又は鋳造、機械加工などのような従来通りの方法によって予め形成された物品からその形状を特徴付けることができることが分かるであろう。物品の形状が数値的に特徴付けられると、物品（又は同等に、堆積ヘッド）の移動が、利用可能な数値制御コンピュータプログラムを使用してレーザ堆積装置に対してプログラムされる。これらのプログラムは、堆積装置の各「パス」間におけるその部分の移動及びパス間の横方向変位に関する命令のパターンを作り出す。得られた物品は、翼形部、又は中子などの複雑な曲面及び中空領域を含む数値的特徴付けの形状を極めて正確に再生する。上記に引用した米国特許第５，０３８，０１４号は、このタイプの堆積方法に関して多くの他の詳細を記載している。米国特許第６，４２９，４０２号及び第６，２６９，５４０号もまた、この点に関して有益である。

図２は、本発明の実施形態に適した１つのタイプのレーザクラッディング装置の全体的説明図である。装置１００は、供給材料容器１０２を含む。容器１０２には、供給チャンバ１０４によって供給することができる。供給チャンバは、中子のためのセラミック粉末を収容する。従来型の粉末送給システムは、多くの場合、例えば別個のガス供給源から送給することができる不活性ガスキャリアのようなガス流内に粉末粒子を同伴する。（粉末輸送を支援することに加えて、不活性ガスはまた、容器１０２内の粉末を加圧下に維持するように機能することができる）。そのようなガスシステムに関する詳細は、ここで説明する必要はない。容器１０２は、粉末供給における含水量を最少にするために、加熱する（例えば、加熱コイルによって）ことができる。

供給材料１０６を粉末送給ノズル１０８に搬送するために、様々な機構が使用できる。非限定的な実例として、市販されている従来型の粉末供給ホイール１１０を使用することができる。それに代えて、例えばオーガ機構、ディスク機構などのような多くの他のタイプの定量フィーダが使用可能である。粉末ホイールは、供給材料１０６を送給ノズル１０８に搬送する導管１１２に協働するように取り付けられる。多様な機構の形態とすることができる振動装置１２４が、導管１１２に組み合わされる。振動装置は、導管を通って移動する粉末粒子が導管の壁に付着するのを防止する。

導管１１２は、粉末送給ノズル１０８（本明細書では、「粉末ヘッド」と呼ぶこともある）で終端する。粉末ヘッド（通常は加圧不活性ガスによって支援される）は、粉末を基体１１４の上部表面又は前に堆積させた層１１６の表面に導く。粉末ヘッドの形状、寸法及び配向は、大幅に変化させることができる。（以下にさらに説明するように、粉末ヘッドの数もまた、変化させることできる）。粉末ヘッドはまた、銅、青銅、アルミニウム、鋼又はセラミック材料のような多様な材料で形成することができる。米国特許第５，０３８，０１４号に記載されているように、粉末ヘッドは通常、粉末の均一な流れを強化するために、水などによって流体冷却される。流体冷却はまた、レーザビームがヘッドを貫通して通過するので、或いは溶融プール（「溶接プール」）からのエネルギーが粉末ヘッドに向かって反射して戻されるので、粉末ヘッドが過度に加熱されるのを防止する。（しかしながら、流体冷却は、必ずしも必要ではない）。

装置１００はさらに、レーザ１３０を含む。レーザは、ビーム軸線１３４を有するビーム１３２を放射する。それらが本明細書で説明した溶融機能を達成するのに十分な出力を有する限り、広範な種々の従来型のレーザを使用することができる。約０．１ｋｗ〜約３０ｋｗの出力範囲内で作動する炭酸ガスレーザが、この範囲が大きく変化する可能性はあるが、一般的に使用される。本発明に適した他のタイプのレーザの非限定的な実例には、ファイバレーザ、ダイオードレーザ、ランプポンプ型固体レーザ、ダイオードポンプ型固体レーザ及びエキシマレーザがある。これらのレーザは市販されており、当業者は、それらの作動に大いに精通している。レーザは、パルスモード又は連続モードのいずれかで作動させることができる。

レーザビーム１３２は通常、基体表面の下方に焦点面１３６を有する。焦点面は、基体の表面に選択したビームスポット１３８を形成するように計算される。ビームスポットの寸法は通常、その直径が約０．２ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内にある。しかしながら、この寸法は、大幅に変化させることができ、この範囲外にある場合もある。レーザエネルギーは、ビームスポット１３８にほぼ一致させて材料のプールを溶融するのに十分であるように選択される。通常、レーザエネルギーは、約１０^３〜約１０^７ワット／平方ｃｍの範囲の出力密度で加えられる。幾つかの好ましい実施形態では、出力密度は、約１０^５〜約１０^７ワット／平方ｃｍの範囲内にある。

上述のように、材料の層は通常、導管１２２を通してビームスポット１３８における溶融プール内に粉末１０６を供給することによって堆積される。レーザビームスポットとその重なった粉末を支持する物品との間で相対的側方移動を行わせるにつれて、溶融相互作用領域の徐々なる溶融、冷却及び凝固が発生し、「ビード」又は層が形成される。図２は、堆積材料の第１の層１１６を示すが、次の層１４０の堆積は進行中である。粉末を供給する角度は、大幅に変化させることができ、通常は、物品表面に対して約２５度〜７０度の範囲内にある。レーザ堆積技術分野の当業者は、当技術分野で公知の要因に基づいて、特定の状況に適するように粉末送給角度を容易に調整することができるであろう。

図２に示すように、基体１１４は、可動支持体１４２上に支持することができる。支持体１４２は、２つの直線方向、すなわち「Ｘ」方向（Ｘ及び−Ｘの両方）及び「Ｙ」方向（図２の説明図の平面から外にＹ及び−Ｙの両方）に基体を移動させることができる。導管１１２及びレーザ１３０を一定の高さに維持しながら、支持体１４２のＸ及びＹ方向移動の組合せを制御することによって、タービンブレードのその特定のセクションに対する正確なパターン（形状）を有する状態で、基体上に良好に形成した層を堆積させることができる。

殆どの場合において、第１の直線軸Ｘ及び第２の直線軸Ｙに沿った支持体１４２の移動は、例えばプロセッサ１４４を使用した幾つかの形態のコンピュータ動作制御装置によって実行される。広範な種々のコンピュータ制御システムを使用することができる。それらの大部分は通常、所望の移動パターンがその中にプログラムされたＣＡＤ／ＣＡＭインタフェイスを使用する。

さらに、支持テーブル１４２は、１つ又はそれ以上の付加的支持プラットフォームと組合せて使用して、支持体１４２（及び基体１１４）を操作することができる方向をさらに増加させることができる。例えば、支持プラットフォームは、複合多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械の一部とすることができる。これらの機械は、当技術分野では公知であり、市販されている。基体を操作する目的でそのような機械を使用することは、２００３年７月１７日出願のＳ．Ｒｕｔｋｏｗｓｋｉ他の同時係属出願、米国特許出願第１０／６２２，０６３号に記載されており、この出願は、参考文献として本明細書に組み入れる。米国特許出願第１０／６２２，０６３号に記載されているように、そのような機械を使用することにより、直線軸Ｘ及びＹに対する１つ又はそれ以上の回転軸に沿った基体の移動が可能になる。一例として、従来型の回転スピンドル（図２には図示せず）は、回転移動を可能にするように使用することができる。

図２の実施形態に示すように、導管１１２及びレーザ１３０は、装置支持体１４６上に固定支持される。この支持体は、図に示すように、垂直な「Ｚ」方向（及び−Ｚ方向）に移動可能である。このようにして、導管１１２及びレーザ１３０は、上昇又は下降させることができる。

幾つかの実施形態では、装置支持体１４６は、プロセッサ１４４と協働して機能することができるプロセッサ１４８によって制御することができる。このようにして、支持体１４６及び支持体１４２は、形成される物品に対して少なくとも３次元で移動させることができる。例えば、導管１１２及びレーザ１３０を一定の「Ｚ」高さに保持しながら、支持体のＸ及びＹ方向移動の組合せを制御することによって、基体上に良好に形成した層を堆積させることができる。この層、例えば層１４０は、タービンブレードのその特定のセクションに対して必要なパターンに一致することになる。（当業者には明らかなように、同一のタイプのＸ、Ｙ、及びＺ移動は、支持体１４６をＸ及びＹ方向に操作しながら、支持体１４２をＺ方向に操作することによって実行することができる）。

図２の実施形態に示すように、１つの層、例えば層１１６が堆積された時に、装置１００は、上向きにインクリメント（増分移動）させることができる。装置を上昇させると、導管１１２及びレーザ１３０もまた、第２の層１４０の高さ又は厚さとなるように選択した量だけ上昇する。このようにして、層１４０は、層１１６上に位置するように形成することができる。（再度いうが、図２は、第１の層１１６が完全に堆積され、かつ第２の層１４０が部分的に堆積されている時の段階における堆積プロセスを示す）。層１４０が堆積される時には、層１１６の上部分は通常、再溶融されて層間に溶接ボンドを形成するようになる。

上述のように、セラミック中子のための組成物は、供給チャンバ１０４からの供給材料によって供給することができる。従来型の管又は導管により、供給チャンバを供給材料容器１０２に接続することができる。上述のフィーダと同様な様々なタイプの定量フィーダを各チャンバに対して使用することができる。粉末は、容器１０２に重力供給することができ、また／或いはキャリアガスを用いて搬送することができる。容器１０２は、セラミック中子材料（及びあらゆる他の成分）を混合するためのまたその中に保持された湿分量を最少にするための従来型の装置を含むことができる。任意選択的なプロセッサ１５０は、セラミック中子材料の容器への供給を調整するように機能する。従って、プロセッサ１５０は、プロセッサ１４８及びプロセッサ１４４と連動して機能することができる。プロセッサの全ての調整は、基体の多軸移動、すなわち特定の時点における基体の部位及び位置（すなわち、基体上に形成された層の数）と、中子形成における次の層又は層の組に対して特有の構成を与えるコンピュータ命令のパターンとに基づいている。本明細書で説明したコンピュータ多軸能力は、「オーバハング」材料、すなわち下にある基体上に直接堆積される必要がない材料の堆積を可能にする利点があることにも注目されたい。例えば、基体は、堆積材料の一部分が重力によって所望の形状に流動することになるように操作することができる場合もある。それに代えて、中子材料の一部分は、犠牲支持材料上に堆積させることができる。犠牲支持材料もまた、レーザ堆積によって堆積させかつ成形することができ、一種の一時的基体として機能する。犠牲支持材料はその後、中子の形成が完了した後に除去し（例えば、材料を溶解することによって又は材料を焼失させることによって）、それによって所望のオーバハング構造を残すことができる。

当業者には明らかなように、１４４、１４８及び１５０のようなプロセッサは、まとめて幾つかのサブプロセッサと呼ぶことができる。さらに、図２に特徴を挙げたプロセッサの全ては、例えばそれらの機能が単一のプロセッサによって処理されることになるように、統合することができる。例えばＣＮＣシステム及び粉末堆積の実務知識を有する当業者は、過度の労力を必要とせずに所定の状況に対して最良の制御システムを考え出すことができるであろう。

図２のものと同様な装置を使用する典型的なレーザクラッディングプロセスに関するその他の詳細は、米国特許第５，０３８，０１４号のような様々な参考文献に記載されている。非限定的な実例として、セラミック中子は、３ｋｗの炭酸ガスレーザを使用して形成することができた。レーザビームは、基体表面上の０．３５６ｃｍのスポット直径上に集束させて、約３０ｋｗ／平方ｃｍの出力密度を得ることができた。基体表面及び周囲区域は、堆積の間に不活性ガス（例えば、アルゴン）雰囲気内に保持することができた。粉末送給システムは、図２に示すものと実質的に同じであった。供給導管に導かれた典型的なセラミック粉末（例えば、アルミナ）は、約５０ミクロン〜約２００ミクロンの平均粒径を有することができた。粉末は、約１０グラム／分の速度で基体表面に導くことができた。形成された各「ビード」又は層の高さは、約０．０３８ｃｍ（０．０１５インチ）となった。約７．６ｃｍ（３インチ）の長さを有する中子を製作するためには、これらの動作条件下では、全部で約２００のパスが必要とされることになった。レーザビームに対する基体の典型的な直線横断速度は、供給粉末が堆積される時に約１２７ｃｍ（５０インチ）／分とすることができた。

しかしながら、レーザ圧密化プロセスのためのレーザ及び粉末送給システムに関して多くの変更が可能であることを強調しておきたい。一般的に、それらは全て、本発明の技術的範囲内にあり、ここでは詳細に説明する必要はない。１つの実例として、様々なタイプの同心供給ノズルを使用することができる。１つのそのようなタイプは、上記に引用した米国特許第４，７２４，２９９号においてＨａｍｍｅｋｅによって説明されている。Ｈａｍｍｅｋｅは、レーザビーム通路がノズル本体のハウジングを通って垂直に延びているレーザ溶射ノズル組立体について説明している。ハウジングは、レーザがそれを通って通過できる同軸の開口を含む。別個の粉末送給システムが、レーザビーム通路に対して垂直な方向から通路と連通した環状経路に粉末を供給する。このようにして、供給粉末及びレーザビームは、共通の部位に集中させることができる。他のレーザ圧密化システムにおけるのと同様に、溶融プールが、レーザビーム及び粉末流の集中と一致する表面領域内で下にあるワークピース上に形成される。

別の実施可能な実施形態は、供給粉末を送給する方法に関する。幾つかの好ましい実施形態では、粉末は、複数供給ノズルによって基体表面上の溶融プール内に供給される。例えば、堆積が行われる表面領域の外周の周りに２つ〜４つのノズルを等しい間隔で配置することができる。各ノズルには、図２の実施形態における容器１０２に類似した供給源から供給することができる。複数供給ノズルを使用するレーザ堆積システムの非限定的な実例は、２００５年６月３０日出願のＢｅｒｎａｒｄ Ｂｅｗｌａｙ他の係属米国特許出願第１１／１７２，３９０号に記載されている。この特許出願の内容は、参考文献として本明細書に組み入れる。複数粉末ノズルを使用することによって、多様な方向からのセラミック供給材料の堆積が可能になる。幾つかのケースでは、このことが、単一方向からの堆積に比較して材料の「積層」をより均一になるようにする。次に、堆積させた各層の溶融及びその後の凝固におけるより大きな均一性及び稠度により、完成中子のより均一なミクロ組織を形成することができるようになる。

本明細書で説明した本レーザ堆積プロセスは、複数の壁及び開口を有する複雑な中子の形成に極めて有効なものとなり得る。（本明細書で使用する場合、「開口」は、中子内にあらゆるタイプの空間、通路、孔、間隙又は空洞を含むことを意味する。非限定的な実例として、この用語は、中子内部の３次元開口を意味することができる）。レーザ、粉末堆積ヘッド及び基体プラットフォームのコンピュータ制御により、中子の壁を精密なインクリメンタル（増分）断面として積層させることが可能になる。（例えば、中子の壁と他の特徴形状との間の空間は、ロボット機構が壁又は他の特徴形状の次の領域に「到着」するまでは粉末堆積を止めるプログラム命令によって確保される）。

そのような中子は、冷却通路の錯綜したパターンを備えた複雑なタービン翼形部の形成に必要となる可能性がある。そのようなタービン翼形部の非限定的な実例は、参考文献として本明細書に組み入れた米国特許第５，９３１，６３８号（Ｋｒａｕｓｅ他）に記載されている。この参考文献では、図１のタービンブレードは、例えば蛇行通路、中間翼弦中央通路、後縁フィード通路すなわち半径方向に延びる中央通路、他の管路などのような多数の異なるタイプの空洞及び管路を含む。

レーザ堆積プロセスによって中子部品を製作した後に、多様なプロセスを行うことができる。例えば、機械加工ステップを使用して、中子の精密な幾何学形状を達成又は修正することができる。機械加工法の実例には、放電加工（ＥＤＭ）、フライス削り及び研削が含まれる。研磨ステップが行われることも多い。さらに、従来型の静水圧プレス成形加工を使用して、例えば中子材料内の内部空隙を排除又は最少にすることができる。焼結、圧密化などのために、中子に対して適切な熱処理を行うことができる。（熱処理は、後続の工程に耐えるのに十分な強度を中子に与える）。一般的に、本明細書で説明したレーザ圧密化プロセスを使用することによって、従来型の成形加工により形成されたセラミック中子と比較して、これらの製作後処理ステップの多くに要する時間を削減することができる。

本発明の実施形態によって調製したセラミック中子は、多様な成形及び鋳造プロセスで使用することができる。例えば、本中子は、米国特許第５，９３１，６３８号に記載されているものと同様な多壁部品のインベストメント鋳造で使用することができる。前に述べたように、本中子は、従来通りの方法によって得られる一体形中子よりも遥かに高い複雑さを備えたものとすることができる。

中子を熱処理（例えば、焼成）した後に、業界の通例の実施方法に従ってインベストメント鋳造を行うことができる。そのようなプロセスでは、中子は、例えばタービンブレードのような部品を形成するためのモールド−中子組立体の一部として使用される。一般的に、中子及び当業者に公知の適切な補助的材料（例えば、位置決めピン及び支持ピン、湯口、ゲート等）が、鋳造することになる部品の設計に従って適切に成形したモールド内に配置される。次に、通常はモールド内にワックスを注入しかつ凝固させて、ろう型を形成する。埋め込まれた中子を含むろう型は、セラミックスラリー内に繰り返し浸漬されて、ろう型の周りにセラミックシェルモールドが形成される。ワックスを除去した後に、残りの全てが、セラミック中子であり、セラミックシェルモールド内に配置されかつセラミックシェルモールドに取り付けられ、それによって上に述べたモールド−中子組立体を形成する。モールド−中子組立体内で溶融金属を凝固させることによって部品を鋳造した後に、セラミックモールドは、例えば化学的又は機械的手段によって除去される。次に、中子は、例えば化学的除去剤の使用のような従来通りの方法によって溶脱させることができる。

本発明の別の実施形態は、既に形成されたセラミック中子を補修又は修正する方法に関する。例えば、１つ又はそれ以上の寸法が規格外れとなったセラミック中子には、上述のレーザ堆積プロセスを行うことができ、この場合には、中子が基体表面としての役目を果たすことができる。（修正を必要とする中子の一部分は、修正する領域の下方の領域まで削り落とされることになる）。コンピュータ制御の堆積により、中子が所望の規格を有する形状に再形成されることになる。レーザ堆積プロセスを使用することの利点は、付加材料が、仕上げ後に、行った溶接事象による元の中子部分との間の検知可能な接合線又は不連続部を有することにならないことである。この実施形態では、レーザ堆積ステップは、他の従来型のステップ（例えば機械加工）と組み合わせて使用して、中子の形状を特定の要求に適合するように修正することができる。

本特許明細書では、タービンブレードの製造におけるセラミック中子及びそれらの使用を例示してきた。しかしながら、多くのタイプのタービン部品が、本発明の様々な実施形態から利点を得ることができる。非限定的な実例には、バケット、ノズル、ロータ、ディスク、ベーン、ステータ、シュラウド、燃焼器及びブリスクが含まれる。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、それらの実施形態は、説明のためだけのものであり、決して限定するものであると解釈すべきではない。従って、本発明及び特許請求の範囲の技術的範囲内で本発明に対して変更を加えることができることを理解されたい。上に述べた特許、特許出願、論文及び文書の全ては、参考文献として本明細書に組み入れる。

レーザ圧密化システムの概略図。 レーザ圧密化装置の詳細概略図。

符号の説明

１００ レーザクラッディング装置
１０２ 供給材料容器
１０４ 供給チャンバ
１０６ セラミック中子材料
１０８ 粉末送給ノズル
１１２、１２２ 導管
１１４ 基体
１１６ 第１の層
１３０ レーザ
１３２ レーザビーム
１４０ 第２の層
１４２ 可動支持体
１４４、１４８、１５０ プロセッサ
１４６ 装置支持体

Claims (10)

1. 事前選択した形状を有しかつその各々が事前選択したパターン及び厚さを有する複数の平行断面として特徴付けられたセラミック鋳造中子を製造する方法であって、
   （ｉ）レーザビーム（１３２）を用いてセラミック中子材料（１０６）を溶融しかつ中子の第１の断面のパターンで第１の層（１１６）を形成するように前記溶融材料を堆積させて、前記第１の堆積層の厚さが前記第１の断面の厚さに対応するようにするステップと、
   （ｉｉ）レーザビーム（１３２）を用いてセラミック中子材料（１０６）を溶融しかつ物品の第２の断面のパターンで第２の層（１４０）を形成するように前記第１の堆積材料層（１１６）上に少なくとも部分的に位置させて前記溶融材料を堆積させて、前記第２の堆積層の厚さが前記第２の断面の厚さに対応するようにするステップと、次に、
   （ｉｉｉ）レーザビーム（１３２）を用いてセラミック中子材料（１０６）を溶融しかつ中子の対応する断面のパターンで一連の層を形成するように下にある断面上に少なくとも部分的に位置した一連の断面の少なくとも１つとして前記溶融材料を堆積させて、前記中子が完成するまで該溶融材料を堆積させかつ該一連の層を形成するようにするステップと、
   を含む方法。
2. 中子材料（１０６）を溶融しかつ前に堆積させた中子材料を覆って前記溶融材料を堆積させる各ステップの間に、前記前に堆積させた材料の一部分が溶融されて前記層間に溶接ボンドを形成するようになる、請求項１記載の方法。
3. 前記セラミック中子材料が、アルミナ、ジルコニア、シリカ、イットリア、マグネシア、カルシア、セリア及びその組合せからなる群から選択される、請求項１記載の方法。
4. 前記セラミック鋳造中子が、少なくとも１つの開口を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記セラミック鋳造中子が、タービンエンジン部品のチャネルを定めるパターンで複数の開口を含む、請求項４記載の方法。
6. 前記タービンエンジン部品が、前記セラミック鋳造中子を使用することを含む鋳造プロセスで形成される、請求項５記載の方法。
7. タービンエンジンブレードのインベストメント鋳造に適したセラミック鋳造中子を製造する方法であって、
   その中に組み込まれた事前設定した中子のパターンに従ってセラミック材料を層毎に堆積させることができるレーザ圧密化システム（１００）にセラミック中子材料（１０６）を送給するステップ、
   を含む方法。
8. セラミック鋳造中子の形状を修正する方法であって、
   指定したパターンに従ってレーザ圧密化プロセスによって鋳造中子の少なくとも一部分に対して該中子の形状を修正するように付加的なセラミック材料を加えるステップ、
   を含む方法。
9. ガスタービンの部品を製造する方法であって、
   （ａ）その中に組み込まれた事前設定した中子のパターンに従ってセラミック材料を層毎に堆積させることができるレーザ圧密化システム（１００）にセラミック中子材料（１０６）を送給することによってセラミック鋳造中子を製造するステップと、次に、前記鋳造中子を熱処理するステップと、
   （ｂ）モールド−中子組立体の一部として前記セラミック鋳造中子を使用してインベストメント鋳造プロセスを行って前記ガスタービン部品を形成するステップと、
   を含む方法。
10. 請求項１の方法によって製造したセラミック鋳造中子。

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