JP2015072012A - タービンシュラウドの表面パターンの３ｄ印刷法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製品の製造方法が提供される。【解決手段】製品の製造方法が提供され、第１のコーティングを基材に吹き付けるステップと、パターンで配置される材料の３Ｄ印刷によって第１のコーティング上に第２のコーティングを堆積させるステップとを含む。パターンは、タービン部材のベース面に配置されるリッジを含む。各々のリッジは、第１の側壁及び第２の側壁によって定められ、各々の側壁が、第１及び第２の端部を有する。端部が、ベース面から延在しており、側壁は、リッジの中心線及び頂部を画成する第１及び第２の側壁の各々の第２の端部で交わるまで互いに向かって傾斜している。側壁は、ベース面に対して実質的に同じであるが反対向きの傾きで傾斜している。リッジは、タービンバケットの後部に対応し、バケットの回転軸に対して第１の角度で配向している。【選択図】図１
Description
本発明は、高温環境に曝されるマイクロタービン及びターボチャージャを含むガスタービンエンジン、ラジアル流入タービン及びラジアルタービンの金属部品の表面に配置されるパターンに関し、特にタービン翼（「バケット」としても知られる）の性能及び効率を改善するためにガスタービンエンジンにおいて用いられるタービンシュラウドにパターンを適用するための新規な方法に関する。
ガスタービンエンジンは、多種多様な用途に使用され、最も顕著には発電において使用されている。そのようなエンジンは、典型的には、空気を多段の軸流圧縮機によって高い圧力に圧縮するターボ圧縮機を備えている。圧縮された空気は、空気及び燃料源からの燃料を受け取って連続的な燃焼を提供することで、作動ガスの温度及び圧力を高いレベルに上昇させる燃焼装置を通過する。燃焼装置が、高温のガスをタービンにもたらし、タービンが、高圧ガス作動流体が圧縮機によって生み出された高い圧力から大気圧へと膨張するときに、この作動流体から仕事を抽出する。
ガスが燃焼装置から出るとき、温度が、タービンのノズル及びバケットを構成するために使用されている材料の許容温度限界を容易に超える可能性がある。高温のガスの温度は、膨張時に低下するが、排気ガスの温度が、通常は依然として周囲よりも充分に高いままである。したがって、タービンの初期の段の強力な冷却が、部材が適切な寿命を有することを保証するために、不可欠である。タービンの初期の段における高温は、回転するバケット及びタービンシュラウドなどの高温ガスに触れる部品の完全性、金属学及び予想される寿命に関して、種々の問題を引き起こす。通常は、より高効率なエンジンのために、高い燃焼温度が望ましいが、高いガス温は、タービン部材の冷却のために圧縮機から空気を取り出すことを必要とする可能性があり、全体としてのエンジンの効率を下げる傾向にある。
最大のエンジン効率（したがって、最大の発電）を達成するために、バケットがタービンケーシング又は「シュラウド」内で、最小限の干渉及び膨張する作動流体から入手することができるエネルギの量に対してできる限り高い効率で、回転することが重要である。
動作時、タービンケーシング（シュラウド）は、回転するバケットと比べ、固定されたままである。典型的には、最高の効率は、シュラウドとバケット先端との間に最小限の閾値クリアランスを維持することによって、バケットの先端を過ぎる高温ガスの望ましくない「漏れ」を防止することで、達成することができる。クリアランスが大きくなると、漏れの問題につながり、ガスタービンエンジンの全体としての効率を大きく下げると考えられる。エンジンの効率を犠牲にすることがないよう、バケットの外周における高温ガスの「漏れ」の量が最小限でなければならず、すなわちバケット先端とタービンシュラウドとの間の環状の空間が小さくなければならない。さらに、バケットがタービンシュラウドの内面の特定の部位の近くにないとき、その特定の部位を過ぎる高温ガスの流れによって引き起こされる損失が存在する。
効率を大きく損なうことがない適切なクリアランスを維持する必要性は、特に高い動作温度の影響下にあるときに、タービンの回転時にタービン部品に作用する遠心力によってバケットがシュラウドに向かって外方向に広がる可能性があるという事実によって、さらに困難にされる。さらに、バケット先端とシュラウドとの間のクリアランスが、シュラウドの全周において一様でない可能性がある。非一様性は、機械加工の公差、積み重ねの公差、並びに熱容量及び熱応答の違いに起因する非一様な膨張などといったいくつかの因子によって引き起こされる。したがって、予想される最高の動作温度においてシュラウドとバケット先端との間に最小の有効稼働時クリアランスを設定することが重要である。
例えばシュラウドが変形したり、或いはバケット先端がシュラウドのセラミック又は金属製の流れ表面とこすれると、バケット先端の摩耗に起因するガスタービン効率の大きな損失が生じる。シュラウドの特定の場所とこすれることによってバケット先端が摩滅すると、バケット先端の摩滅により、他の場所におけるバケット先端とシュラウドとの間のクリアランスが大きくなる。やはり、タービンの回転時のシュラウドとの界面におけるバケットのそのような損傷は、最終的に、全体としてのエンジンの性能及び効率の大きな低下を引き起こす。
過去において、アブレイダブル型の皮膜が、定常状態の温度条件のもとでシュラウドとバケット先端との間に最小限の（すなわち、最適な）稼働時クリアランスを設定するうえで役立つように、タービンシュラウドに適用されている。特に、コーティングが、バケットが高速でシュラウドの内側を回転するときにバケット先端にほとんど又はまったく損傷を生じさせることなくバケットの先端によって容易に摩耗させられることができる材料を使用して、バケットに面するシュラウドの表面に適用されている。アブレイダブル型の皮膜は、マスク又はスクリーンを介した吹き付けによってパターンを生成することによって適用され、或いは中実なパッド又は層を吹き付け、次いでパターンを機械的に削ることによってこのアブレイダブルパッドに適用される。これらの公知の技術はどちらも、多数の工程を必要とするという欠点を抱えており、層の積み重ね及び得られるアブレイダブルパターンのリッジの高さを、狭い公差で達成することが困難である。
最初に、ガスタービンが停止しており、部品が室温にあるとき、バケット先端とコーティングとの間にクリアランスが存在している。その後に、通常の動作の際に、バケット先端の少なくとも或る程度の半径方向への伸びを不可避的にもたらす遠心力並びに回転及び固定の部品の温度変化に起因して、クリアランスが減少し、バケット先端のシュラウド表面のコーティングへの接触を引き起こし、コーティングの一部を摩滅させて最小限の稼働時クリアランスを確立させる。アブレイダブル皮膜が存在しない場合、バケット先端とシュラウドとの間の冷間時クリアランスを、後の高温動作の最中の回転しているバケット先端とシュラウドとの間の接触を防止するために、充分に大きくしなければならない。他方で、アブレイダブル皮膜が存在する場合、接触が生じた場合の犠牲部分がバケット先端ではなくてアブレイダブル皮膜であるという保証により、冷間時クリアランスを減らすことができる。
しかしながら、シュラウドから取り除かれる（削り落とされる）コーティング材料が、下流のエンジン部品に影響を及ぼしてはならない。理想的には、アブレイダブル皮膜材料が、ガスタービンの運用年数の全体にわたってシュラウドに付着したままであり、大きな経時劣化を生じることがない。換言すると、アブレイダブル材料が、タービンシュラウドにしっかりと付着し、コーティングの一部が始動時、運転停止時又は高温再始動時にバケットの翼によって取り除かれるときも付着したままである。さらに、好ましくは、コーティングが、多数回の動作サイクルにおいても、すなわち始動時及び運転停止時或いは周期的な出力の軽減の際のガスタービンエンジンの繰り返しの熱サイクルにもかかわらず、シュラウドに固定されたままでなくてはならない。
本発明の一態様によれば、製品の製造方法が提供される。本方法は、第１のコーティングを基材に吹き付けるステップと、パターンで配置される材料の３Ｄ印刷によって第１のコーティング上に第２のコーティングを堆積させるステップとを含む。パターンは、タービン部材のベース面に配置される第１の複数のリッジを含む。第１の複数のリッジの各リッジは第１の側壁と第２の側壁とによって画成される。第１の側壁及び第２の側壁の各々は、第１の端部と、反対側の第２の端部とを有する。第１の側壁及び第２の側壁の第１の端部がベース面から延在しており、第１の側壁及び第２の側壁は、リッジの中心線及び頂部を画成する第１及び第２の側壁の各々の第２の端部で交わるまで互いに向かって傾斜している。第１の側壁及び第２の側壁は、ベース面に対して実質的に同じであるが反対向きの傾きで傾斜している。タービンバケットの少なくとも後部に対応する第１の複数のリッジの少なくとも第１の部分が、タービンバケットの回転軸に対して第１の角度で配向している。第１の角度は約２０度〜約７０度である。パターンは、第１の複数のリッジの各リッジが互いに実質的に平行となるようにベース面に配置された第１の複数のリッジを含む。第１の角度は、タービンバケットの後縁の出口角度に等しい。
本発明の一態様によれば、製品の製造方法が提供される。本方法は、稠密縦割れ皮膜からなる第１の遮熱コーティングを、部材に吹き付けるステップを含む。堆積ステップが、第２の遮熱コーティングを、該第２の遮熱コーティングをパターンにて３Ｄ印刷することによって、第１の遮熱コーティング上に堆積させる。パターンは、部材のベース面に配置される複数のリッジを含む。第２の遮熱コーティングのポロシティ（気孔率）が３Ｄ印刷の特性の調節によって制御され、これらの特性は、粒度分布、飽和度、結合剤／体積比又は層厚の少なくともいずれかを含む。
本発明の上述の目的、特徴及び利点、並びに他の目的、特徴及び利点が、以下の説明を添付の図面と併せて検討することによって、明らかにナルであろう。添付の図面において、類似の参照番号は、同じ構成要素を指している。
次に図面を参照すると、いくつかの図において、同様の構成要素には同様の番号が付されている。
本発明の典型的な実施形態は、アブレイダブル材料の摩耗性を改善し、タービンバケット先端の付近のシールを改善することによってタービンの空気力学的性能を改善するパターンを画成するアブレイダブル皮膜を適用する方法を含む。他の典型的な実施形態は、タービンシュラウドの内面に形成されたパターンを適用する方法を含む。通常は、パターンが、素材の複数のリッジを３Ｄ印刷することによって形成される。素材は、例えば、タービンシュラウドの内面と一体であってよく、或いは一製品であってよい。パターンの典型的な実施形態は、タービンバケット先端とタービンシュラウドとの間の空間を減らすことによって、タービンバケット先端の周囲のシールを改善することで、タービンの空気力学的性能を改善する。さらなる空気力学的性能の改善が、複数のタービンバケット先端の各々のタービンバケット先端の間の空気力学的損失を減らすパターンによって実現される。タービンシュラウドの内面のパターン面が、外壁に主流の流れへの方向をもたらす。したがって、たとえシールが改善されないとしても、パターン面が、空気力学的損失を軽減する。図１が、改善されたパターンの種々の選択肢としての実施形態の空気力学的な利益を説明するグラフである。図１に示されるように、タービンシュラウドの内面にパターンを配置することによって、タービンバケット先端とタービンシュラウドの内面との間に、パターンの存在によって引き起こされるクリアランスの実際の減少を上回る有効クリアランスの減少が存在する。また、パターンの典型的な実施形態は、タービンバケット先端との摩擦において除去されなければならないアブレイダブル皮膜の量を減らすことによって、摩耗性も改善する。パターンの摩耗性の改善は、タービンバケット先端の摩滅の軽減につながり、したがって各々のタービンバケット先端をそのような摩滅を少なくするように処理する必要をなくす。
図２が、接触パッチを示している摩耗可能パターン１２の典型的な実施形態の図である。接触パッチは、摩耗可能パターン１２と接触するタービンバケット先端１０の外面の想像線による輪郭である。矢印１７が、摩耗可能パターン１２に対するタービンバケット先端１０の移動の方向を示している。典型的な実施形態においては、タービンバケット先端１０の移動が、タービンバケット先端１０の回転によって引き起こされる。矢印１７は、摩耗可能パターン１２に対する流体の流れの方向を示している。タービンバケット先端１０が、前部９及び後部１１を備えている。前部９は、タービンバケット先端１０のうち、タービンの動作時に翼列において最初に流体の流れを受ける部位である。タービンバケット先端１０の前部９は、タービンバケット先端１０の空気力学的特性を向上させるために、移動の方向１４とは反対の方向に湾曲している。前面１３が、タービンバケット先端１０のうち、タービンバケット先端１０が通常の動作において回転するときに移動の方向１４に関してタービンバケット先端１０の前側に位置する表面である。後面１５が、タービンバケット先端１０のうち、タービンバケット先端１０が通常の動作において回転するときに移動の方向１４に関してタービンバケット先端１０の前面１３の背後に位置する表面である。後部１１は、タービンバケット先端１０のうち、タービンバケット先端１０が通常の動作において回転するときに移動の方向１４に関して前部９に後続する部位である。
摩耗可能パターン１２は、ベース面２０上に配置された第１の複数のリッジ１６によって定められている。複数のリッジ１６の各リッジ１６は、他の各リッジ１６に実質的に平行である。さらに、複数のリッジ１６の各リッジ１６は、他の各リッジ１６から実質的に等距離に位置する。
図３が、典型的な実施形態における第１の複数のリッジ１６からの１つのリッジ１６の断面図を示している。リッジ１６が、ベース面２０上に配置されている。典型的な実施形態においては、ベース面２０が、タービンシュラウド４３の内面に配置されるが、ベース面２０は、タービンシュラウド４３の内面に限られず、他の適切な表面を含む。ベース面２０は、例えば、タービンシュラウド４３の内面に適用された遮熱コーティング、タービンシュラウド４３の内面に適用された金属ボンドコート又はタービンシュラウドの露出された内面を含む。タービンシュラウドの露出された内面は、これらに限られるわけではないが、金属又はセラミックの表面を含む。遮熱コーティングは、例えば、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、或いはイットリア（例えば、約７％〜約２０％）、イッテルビア安定化ジルコニア、純ジルコニア（非安定化、すなわち約９９．９％）、マグネシア、カルシアその他の安定剤で部分的又は完全に安定化されたジルコニアを含む。金属ボンドコートには、β−ＮｉＡｌ及びＭＣｒＡｌＸの金属間化合物があるが、Ｍはニッケル、コバルト、鉄及びそれらのいずれかの組合せを含み、Ｘはイットリア、ジルコニウム、ケイ素、ハフニウム及びそれらのいずれかの組合せを含む。例えば、金属ボンドコートは、ＭＣｒＡｌＸを含むことができ、ここでＭはニッケル、コバルト又は鉄（或いはそれらの組合せ）の１種以上を含み、Ｘはイットリア、ジルコニウム、ケイ素又はハフニウム（或いはそれらの組合せ）の１種以上を含む。ベース面２０は、任意には、アブレイダブル皮膜２１の層で覆われる。アブレイダブル皮膜２１の層が使用される場合、この層のベース面２０からの高さは、最大約０．３２ｍｍである。リッジ１６は、中心線２２及びリッジ高さ２４を有する。中心線２２におけるリッジ高さ２４が、ベース面２０から上部３４へと測定される。アブレイダブル皮膜２１の層が使用される場合、リッジ高さ２４は、アブレイダブル皮膜２１の層の外面から上部３４へと測定される。各々のリッジ１６のリッジ高さ２４は、第１の複数のリッジ１６における他の各リッジ１６のリッジ高さ２４に等しい。リッジ高さ２４は、約０．１ｍｍ〜約４ｍｍであり、より好ましいリッジ高さ２４は、約０．２５ｍｍ〜約２ｍｍである。各々のリッジ１６は、第１の側壁３０及び第２の側壁３２によって定められている。第１の側壁及び第２の側壁３０及び３２は、第１の端部３１及び第２の端部３３によって定められている。第１及び第２の両方の側壁３０及び３２の第１の端部３１は、ベース面２０に接触して位置し、ベース面２０から延在している。第１及び第２の両方の側壁３０及び３２の第２の端部３３が合流し、上部３４を画成している。第１の側壁及び第２の側壁３０及び３２は、第１の側壁及び第２の側壁３０及び３２がベース面２０から延在するときに互いに向かって傾くように配置されている。上部３４におけるリッジ１６の二等分が、各々のリッジ１６の中心線２２に相当する。第１の側壁及び第２の側壁３０及び３２は、実質的に同じであるが反対向きであるベース面２０に対する傾きで中心線２２に向かって傾いている。上部３４の形状は、実質的に湾曲（図示のとおりの第１及び第２のそれぞれの側壁３０及び３２の第２の端部の接続に相当）していても、或いは断面図において見たときに三角形の２つの辺を画成していてもよい。
アブレイダブル皮膜２１及び／又はリッジ１６を、遮熱コーティング（ＴＢＣ）で構成することができる。ＴＢＣは、結合コート層に隣接して結合コート層の上に重なることができる。ＴＢＣの厚さは、典型的には約１〜約１００ミル（約２５〜約２５４０μｍ）であり、関係する物品の設計パラメータなどの種々の因子に依存する。例えば、タービンシュラウドにおいては、ＴＢＣが、典型的にはより厚く、通常は約３０〜約７０ミル（約７６２〜約１７７８μｍ）、より典型的には約４０〜約６０ミル（約１０１６〜約１５２４μｍ）である。対照的に、タービン翼の場合には、ＴＢＣが、典型的にはより薄く、通常は約３〜約３０ミル（約７６〜約７６２μｍ）、より典型的には約３〜約１０ミル（約７６〜約２５４μｍ）である。
ＴＢＣは、結合コート層に隣接して結合コート層の上に重なる高い破壊靱性の内側層を備えることができる。衝撃による損傷によって引き起こされるＴＢＣの破砕及び脱落は、典型的には、漸進的な浸食のような様相では生じないことが明らかになっている。むしろ、典型的には、（硬い物体の衝突に起因して）ＴＢＣの外面からＴＢＣと結合コート層との間の界面に鉛直方向に延在し、この界面又は界面の付近においてＴＢＣの不良を引き起こし、すなわちＴＢＣの最終的な剥離を生じさせる割れの形成及び伝播の結果であることが明らかになっている。さらに、この界面から離れたＴＢＣの種々の深さ又はレベルにおいて、水平方向に延在する割れも形成されうることが明らかになっている。結果として、ＴＢＣ内のこれらの水平な割れが形成される場所において、一連の「段状（ｔｉｅｒｅｄ）」の部位又は層が分離して失われる可能性がある。結合コート層と外側断熱層との間の界面に配置されるＴＢＣの内側層の高い破壊靱性は、これらの鉛直方向に延在する割れの伝播を中断させるとともに、水平方向に延在する割れの形成及び伝播を最小化又は防止することで、ＴＢＣ（特に、外側断熱層）に耐衝撃性及び耐破砕性をもたらすと考えられる。そのような高い破壊靱性の内側層の使用は、衝撃による損傷によって引き起こされる上述の鉛直方向の割れの伝播により敏感な傾向にある熱伝導率の低い特定の外側断熱層について、特に望ましいかもしれない。
内側層は、典型的には、ＴＢＣ（とりわけ、外側層）に耐衝撃性及び耐破砕性を付与するとともに、耐ひずみ性、弾性係数及び熱伝導率などのＴＢＣの他の望ましい特性（例えば、機械的特性及び断熱性）に過度の悪影響を及ぼすことがないように、比較的薄い層として形成される。この点に関し、内側層は、約５ミル（１２７μｍ）までの厚さを有するべきである。典型的には、内側層の厚さは、約０．５〜約２ミル（約１３〜約５１μｍ）、より典型的には約１〜約２ミル（約２５〜約５１μｍ）である。
ＴＢＣの内側層は、破壊靱性を高め、したがってＴＢＣに耐衝撃性の改善をもたらすために、正方相の特定の領域において安定化されたジルコニア含有セラミック組成物を含むことができる。これらの内側層の破壊靱性及び耐衝撃性を、それぞれのジルコニア含有セラミック組成物のジルコニア格子安定性当量（ｚｉｒｃｏｎｉａ ｌａｔｔｉｃｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）の効果にもとづいて予測することができる。破壊靱性及び耐衝撃性は、ジルコニア格子安定性当量に関係があることが明らかになっている。
正方相のこれらのジルコニア含有セラミック組成物の格子安定性を、イットリアなどの安定化金属酸化物の添加量の増加の効果も含めて、計算することが可能である。ジルコニア含有セラミック組成物においてイットリアのレベルが低くなるにつれて、ｃ／ａ比は逆に増加する。さらに、ｃ／ａ比が大きくなるにつれて、破壊靱性が向上するとともに、耐衝撃性が改善され、すなわちイットリアのレベルを下げると、ジルコニア含有セラミック組成物を含む高い破壊靱性の内側層の破壊靱性が向上し、耐衝撃性が改善されることが、明らかになっている。
適切な耐衝撃性を有している高い破壊靱性の内側層をもたらすために、ジルコニア含有セラミック組成物は、典型的には約１．０１１〜約１．０１６の範囲にあり、より典型的には約１．０１３〜約１．０１５の範囲にあるｃ／ａ比を有するべきである。これらのｃ／ａ比を有する高い破壊靱性の内側層に使用するための適切なジルコニア含有組成物は、少なくとも約９０％のジルコニアを含むことができる。典型的には、これらのジルコニア含有組成物は、約９３〜約９６％のジルコニアを含み、より典型的には約９３．５〜約９５．５％のジルコニアを含む。これらのｃ／ａ比を有する高い破壊靱性の内側層２６に使用するために適したジルコニア含有組成物は、安定化させる量の安定化金属酸化物をさらに含む。典型的には、安定化金属酸化物が、組成物の約４〜約７％の量にて含まれる。適切な安定化金属酸化物を、イットリア、カルシア、セリア、酸化スカンジウム、マグネシア、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化ガドリニウム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ジスプロシウム、酸化エルビウム、イッテルビア、酸化ユーロピウム、酸化プロセオジム及びこれらの混合物で構成されるグループから選択することができる。高い破壊靱性の内側層において有用なジルコニア含有セラミック組成物は、典型的には、安定化金属酸化物としてのイットリアを、組成物の約４．５〜約６．５％の量にて含む。
ジルコニア含有組成物のｃ／ａ比が、破壊靱性及び耐衝撃性にきわめて強い影響を有する一方で、得られるＴＢＣの保護内側層のポロシティの水準も、やはり影響を有することが明らかになっている。したがって、さらなる破壊靱性及び耐衝撃性の利益を、任意には内側層をより高密度にし、すなわち内側層のポロシティを下げることによって、得ることが可能である。これは、典型的には、おおむね０．２０以下、より典型的にはおおむね０．１５以下のポロシティの割合を有するように内側層を形成することによって達成される。典型的には、内側層が、約０．１０〜約０．２０、より典型的には約０．１０〜約０．１５のポロシティの割合を有する。
さらなる破壊靱性及び耐衝撃性の利益を、任意には最大約１０％の酸化ハフニウムを内側層に存在させることによって得ることができる。典型的には、酸化ハフニウムが、約２〜約７％、より典型的には約４〜約６％の量にて内側層に存在する。酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ガドリニウム及びこれらの混合物などの他の金属酸化物も、任意には最大約１％、より典型的には約０．３〜約０．５％の範囲で、内側層に存在できる。あくまでもいくつかの例として、酸化ハフニウム及び／又はこれらの他の金属酸化物を含む適切なジルコニア含有セラミック組成物として、下記の表１に示される組成物が挙げられる。
図５が、第１の複数のリッジ１６が図２と同様の平行線のパターンで配置されている摩耗可能パターンの典型的な実施形態を示している。矢印１４が、第１の複数のリッジ１６に対するタービンバケット先端１０（図２）の移動の方向を示している。タービンシュラウド４３の内面の基準線４２が、両矢印によって示されるように、タービンバケット（図示されていない）の回転軸を表している。タービンバケットは、図４に全体として３７で示されている回転可能なシャフトを中心にして回転する。典型的な実施形態においては、ベース面２０が、タービンシュラウド４３の内面であってよい。タービンシュラウドは、実質的に円筒形の形状であるが、ここでは分かりやすくするために、平坦な表面として表示されている。第１の複数のリッジ１６は、各々のリッジ１６が第１の複数のリッジ１６の他の各リッジ１６に実質的に平行であるように配置される。また、各々のリッジ１６は、他の各リッジ１６の間の距離が等しくなるように配置されている。各々のリッジ１６の間の距離４４は、約１ｍｍ〜約１４ｍｍである。各々のリッジ１６の間の好ましい距離４４は、約２ｍｍ〜約７ｍｍである。さらに、各々のリッジ１６は、基準線４２に対して第１の角度４８が形成されるように配置される。第１の角度４８は、約２０度〜約７０度である。
図６が、基準線４２に対して第１の角度４８に配置された第１の複数のリッジ１６が、基準線４２に対して第２の角度５２に配置された第２の複数のリッジ５０と交差している別の典型的な実施形態を示している。第１及び第２の複数のリッジ１６及び５０の交差によって形成されたパターンは、ひし形のパターンである。この実施形態において、矢印１４が、第１及び第２の複数のリッジ１６及び５０に対するタービンバケット先端１０の移動の方向を示している。第１の複数のリッジ１６は、図２及び５のように、第１の複数のリッジ１６の各リッジ１６が第１の複数のリッジ１６の他の各リッジ１６に実質的に平行であるように配置されている。さらに、第１の複数のリッジ１６の各リッジ１６は、各々のリッジ１６の間の距離が等しくなるように配置されている。隣接するリッジ１６の間の距離４４は、約１ｍｍ〜約１４ｍｍである。隣接するリッジ１６の間の好ましい距離４４は、約２ｍｍ〜約７ｍｍである。各々のリッジ５０は、他の各リッジ５０に実質的に平行である。さらに、各々のリッジ５０は、隣接するリッジ５０の間の距離が等しくなるように配置されている。各々のリッジ５０の間の距離５４は、約１ｍｍ〜約１４ｍｍであり、各々のリッジ５０の間の好ましい距離５４は、約２ｍｍ〜約７ｍｍである。各々のリッジ１６及び各々のリッジ５０の間の距離４４及び５４が、図６のひし形パターンにおいては互いに実質的に等しいことを、理解できるであろう。第２の複数のリッジ５０は、各々のリッジが基準線４２に対して第２の角度５２を形成するように配置されている。第２の角度５２は、第１の角度４８とは異なる。典型的な実施形態においては、第２の角度５２が、第１の角度４８に対して相補的である。
図７が、タービンバケット先端１０に対応するタービンバケットの断面を通る平均キャンバーライン６０を示している。平均キャンバーラインは、タービンバケット先端１０の前面１３と後面１５との間の中間に位置する仮想の線である。平均キャンバーライン６０は、第１の端部６６及び第２の端部６８を有する。矢印１４が、第１の複数のリッジ１６に対するタービンバケット先端１０の移動の方向を示している。矢印１７が、タービンバケット先端１０に対する流体の流れの方向を示している。平均キャンバーライン６０は、タービンバケット先端１０の前部９の近くでは実質的に湾曲した形状であり、平均キャンバーライン６０は、タービンバケット先端１０の後部１１の近くでは実質的に直線状である。平均キャンバーライン６０の実質的に湾曲した形状は、移動の方向１４とは反対の方向の曲がりを含む。曲がりの旋回半径が、第２の端部６８から第１の端部６６に近付くにつれて大きくなっている。平均キャンバーライン６０は、タービンバケット先端１０を第１の端部６６から第２の端部６８へと通って延在している。出口角度６２が、基準線４２と、タービンバケット先端１０の後面１５の後縁６４の部分との間に形成される。後縁６４は、第２の端部６８の付近の後部１１に相当する。典型的な実施形態においては、各々のリッジ１６の第１の角度４８（図５及び６を参照）が、出口角度６２に一致するように選択される。
図８が、第１の複数のリッジ１１６を画成するアブレイダブル皮膜のためのパターンの別の典型的な実施形態の図を示している。パターンが、湾曲部７０及び直線部７２を含む。湾曲部７０は、パターンのうち、タービンバケット先端１０がパターンに摩耗可能に連絡しているときにタービンバケット先端１０の前部９に対応する部分に配置されている。直線部７２は、リッジ１１６のうち、タービンバケット先端１０がパターンに摩耗可能に連絡しているときにタービンバケット先端１０の後部１１に対応する部分に配置されている。直線部７２は、リッジ１１６の第１の端部に位置している。第１の複数のリッジ１１６は、直線部７２において第１の複数のリッジ１１６の各リッジ１６が他の各リッジ１１６に実質的に平行であるように、ベース面２０上に配置されている。また、各々のリッジ１１６は、湾曲部７０及び直線部７２の両方において隣接するリッジ１１６の間の距離が等しいように配置されている。各々のリッジ１１６の間の距離４４は、約１ｍｍ〜約１４ｍｍであり、各々のリッジ１１６の間の好ましい距離４４は、約２ｍｍ〜約７ｍｍである。第１の複数のリッジ１１６は、直線部７２において、第１の角度４８が基準線４２に対して形成されるように配置されている。第１の角度４８は、約２０度〜約７０度である。典型的な実施形態においては、第１の角度４８が、出口角度６２（図７を参照）に一致するように選択される。湾曲部７０は、湾曲部７０を通る平均キャンバーライン６０の形状に実質的に一致するように構成された半径を備える。
図９が、基材にパターンを３Ｄ印刷するための本発明の一態様による方法のフロー図である。製品を製造するための方法９００が、タービンシュラウドに第１の遮熱コーティングを吹き付けるステップ９１０を含み、第１の遮熱コーティングは、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、イットリア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア及びカルシア安定化ジルコニアの１種以上を含む稠密縦割れ皮膜からなる。第２のステップ９２０が、第２の遮熱コーティングをパターンにて３Ｄ印刷することによって、第１の遮熱コーティングに第２の遮熱コーティングを堆積させ、第２の遮熱コーティングは、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア及びカルシア安定化ジルコニアの１種以上を含む。パターンは、タービン部材のベース面に配置された第１の複数のリッジを含む。第１の複数のリッジの各リッジは第１の側壁と第２の側壁とによって画成される。第１の側壁及び第２の側壁の各々が、第１の端部と、反対側の第２の端部とを有する。第１の側壁及び第２の側壁の第１の端部がベース面から延在している。第１の側壁及び第２の側壁は、リッジの中心線及び頂部を画成する第１及び第２の側壁の各々の第２の端部で交わるまで、互いに向かって傾斜している。第１の側壁及び第２の側壁は、ベース面に対して実質的に同じであるが反対向きである傾きにて傾斜している。第１の複数のリッジの少なくとも第１の部分が、タービンバケットの少なくとも後部に対応し、タービンバケットの回転軸に対して第１の角度で配向している。第１の角度は、約２０度〜約７０度である。パターンは、第１の複数のリッジを、第１の複数のリッジの各リッジが互いに実質的に平行となるように、ベース面に配置して備える。第１の角度は、タービンバケットの後縁の出口角度に等しい。
中実又は高密度リッジ（ポロシティが低い）はバケット先端を過度にすり減らすため、外側層のリッジのポロシティがきわめて重要である。外側層のリッジのポロシティの範囲は、望ましくは約１０％〜約３０％である。これを上回る範囲又は下回る範囲も、バケット先端の特定の素材に応じて使用することができる。本発明の利点は、リッジのポロシティを制御でき、各々のリッジの種々の層が異なるポロシティの値を有することさえ可能な点にある。
三次元印刷は、セラミック粉末及び液体結合剤を使用する。セラミック粉末は、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、或いは任意の他の適切なセラミック材料又は混合物であってよい。このセラミック粉末を、約５０μｍ〜約２００μｍの粒度分布で供給することができる。結合剤材料は、典型的には、蒸留水とイソプロピルアルコール又は変性エタノールとの混合物である。他の結合剤材料又は混合物も、個々のセラミックにおいて望まれるとおりに使用することができる。
リッジのポロシティを、セラミック粉末の粉末粒度分布、飽和度（結合剤／体積比）及び／又は層厚さを制御することによって制御することができる。例えば、ポロシティを、より細かい粒度（例えば、５０μｍ）を使用することによって下げることができ、ポロシティを、より大きい粒度（例えば、２００μｍ）を使用することによって高めることができる。粒度の混合（すなわち、粒度分布）を、所望のリッジ又は層のポロシティの細かい制御を達成するために使用することができる。飽和度又は粉末と結合剤との間の比も、ポロシティを制御するために調節可能である。飽和度（粉末／結合剤の比）が高いほど、粉末の結合／強化に利用できる結合剤が少なくなり、したがってポロシティが高くなる。反対に、飽和度が低いほど、より多くの結合剤が粉末の結合／強化のために存在し、したがってポロシティは低くなる。層の厚さも、ポロシティの制御に使用することができる。各々の３Ｄ印刷パスにおける層の厚さが厚いほど、結合剤にとってすべての粉末へと到達が困難になり、印刷パスが薄いほど、結合剤が粉末に到達しやすくなる。薄い層は、より高い密度／より低いポロシティをもたらし、厚い層は、より低い密度又はより高いポロシティをもたらすことができる。
あくまでも一例として、１０％〜３０％のポロシティ水準を、約１００μｍの粒度分布（又は、粉末粒度）及び／又は約７５％の飽和比によって達成することができる。この方法を、下方の層ほどポロシティが低く（例えば、約１０％）、リッジの上部又は最上部をより高いポロシティ（例えば、約３０％）を有するように印刷できるよう、リッジ内の複数の層に適用することができる。これは、３Ｄ印刷プロセスの最中に粒度（粒度分布）、飽和比又は層厚さを積極的に変更することによって達成することができる。ここでの大きな利点は、多孔質セラミック層を指定のポロシティにて形成することができ、したがってリッジに所望の摩耗可能性をもたらすことができる点にある。
第１の複数のリッジの各リッジは、互いに等間隔に、約１ｍｍ〜約１４ｍｍ又は約２ｍｍ〜約７ｍｍだけ離れて位置することができる。各々のリッジの高さは、ベース面から頂部に向かって垂直に測定して、約０．１ｍｍ〜約４ｍｍであってよく、或いはベース面から頂部に向かって垂直に測定して、約０．２５ｍｍ〜約２ｍｍであってよい。第２の複数のリッジを、第１及び第２の複数のリッジが交差するように、タービンバケットの回転軸に対して第１の角度とは異なる第２の角度でベース面に配置することができる。第１の複数のリッジが、タービンバケットの前部に対応する第１の複数のリッジの第２の部位に延在し、この第２の部位は、第１の複数のリッジの湾曲部を画成している。湾曲部は、リッジがタービンバケットの平均キャンバーライン形状に実質的に対応して曲がるように配置された第１の複数の尾根を含むことができる。
ここで説明した方法９００は、予想だにせぬ大幅な結果の改善を実際に示している。結果は、アブレイダブル皮膜におけるリッジの３Ｄ印刷方法９００が、プロセスの工程数の削減及び公差の改善をもたらしたがゆえに、予想だにせぬ結果である。
さらに、本発明を典型的な実施形態に関して説明したが、それらの構成要素について、本発明の技術的範囲から離れることなく、種々の変更及び均等物による置き換えが可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から離れることなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に合わせるために、多数の変更を行なうことができる。したがって、本発明は、本発明の実施について考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限られず、むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に包含されるすべての実施形態を含む。さらに、第１、第２、などといった用語の使用は、いかなる順序又は重要性も意味するものではなく、むしろ第１、第２、などといった用語は、或る要素をもう１つの要素から区別するために使用されている。さらに、「ａ」、「ａｎ」、などといった用語の使用は、数量の限定を意味せず、むしろ言及される事項が少なくとも１つ存在することを意味している。
９ 前部
１０ バケット先端
１１ 後部
１２ 摩耗可能パターン
１３ 前面
１４ 移動の方向
１５ 後面
１６ リッジ
１７ 矢印
２０ ベース面
２１ アブレイダブル皮膜
２２ 中心線
２４ リッジの高さ
３０ 第１の側壁
３１ 第１の端部
３２ 第２の側壁
３３ 第２の端部
３４ 上部
３７ 回転可能な軸
４２ 基準線
４３ タービンシュラウド
４４ 距離
４８ 第１の角度
５０ 第２の複数のリッジ
５２ 第２の角度
６０ 平均キャンバーライン
６２ 出口角度
６６ 第１の端部
６８ 第２の端部
７０ 湾曲部
７２ 直線部
１１６ 第１の複数のリッジ
１０ バケット先端
１１ 後部
１２ 摩耗可能パターン
１３ 前面
１４ 移動の方向
１５ 後面
１６ リッジ
１７ 矢印
２０ ベース面
２１ アブレイダブル皮膜
２２ 中心線
２４ リッジの高さ
３０ 第１の側壁
３１ 第１の端部
３２ 第２の側壁
３３ 第２の端部
３４ 上部
３７ 回転可能な軸
４２ 基準線
４３ タービンシュラウド
４４ 距離
４８ 第１の角度
５０ 第２の複数のリッジ
５２ 第２の角度
６０ 平均キャンバーライン
６２ 出口角度
６６ 第１の端部
６８ 第２の端部
７０ 湾曲部
７２ 直線部
１１６ 第１の複数のリッジ
Claims (20)
- 第１のコーティングを基材に吹き付けるステップと、
パターンで配置される材料の３Ｄ印刷によって第１のコーティング上に第２のコーティングを堆積させるステップと
を含む製品の製造方法であって、前記パターンが、タービン部材のベース面に配置される第１の複数のリッジを含んでいて、
第１の複数のリッジの各リッジが第１の側壁と第２の側壁とによって画成され、第１の側壁及び第２の側壁の各々が第１の端部及び反対側の第２の端部を有しており、第１の側壁及び第２の側壁の第１の端部がベース面から延在しており、第１の側壁及び第２の側壁が、リッジの中心線及び頂部を画成する第１の側壁及び第２の側壁の各々の第２の端部で交わるまで互いに向かって傾斜していて、第１の側壁及び第２の側壁がベース面に対して実質的に同じであるが反対向きの傾きで傾斜しており、
タービンバケットの少なくとも後部に対応する第１の複数のリッジの少なくとも第１の部分が、タービンバケットの回転軸に対して第１の角度で配向していて、第１の角度が約２０度〜約７０度であり、
前記パターンが、第１の複数のリッジの各リッジが互いに実質的に平行となるようにベース面に配置された第１の複数のリッジを含んでおり、
第１の角度がタービンバケットの後縁の出口角度に等しい、方法。 - 第２のコーティングのポロシティが３Ｄ印刷の特性の調節によって制御され、前記特性が、粒度分布、飽和度、結合剤／体積比又は層厚の少なくともいずれかを含む、請求項１記載の方法。
- 粒度分布が約５０μｍ〜約２００μｍである、請求項２記載の方法。
- 第２のコーティングのポロシティが約５％〜約５０％である、請求項２記載の方法。
- 第２のコーティングのポロシティが約１０％〜約３０％である、請求項２記載の方法。
- 第１のコーティングが稠密縦割れ遮熱コーティングである、請求項１記載の方法。
- 第１の複数のリッジの各リッジが互いに約１ｍｍ〜約１４ｍｍの等間隔で離隔している、請求項１記載の方法。
- 各々のリッジの高さが、ベース面から頂部に向かって垂直に測定して、約０．２５ｍｍ〜約４ｍｍである、請求項１記載の方法。
- 第１の複数のリッジと第２の複数のリッジが交差するように、第２の複数のリッジがタービンバケットの回転軸に対して第２の角度でベース面に配置されており、第２の角度が第１の角度とは異なる、請求項１記載の方法。
- 第１の複数のリッジが、タービンバケットの前部に対応する第１の複数のリッジの第２の部分に延在しており、第２の部分が第１の複数のリッジの湾曲部を画成しており、湾曲部が、リッジがタービンバケットの平均キャンバーライン形状に実質的に対応して曲がるように配置された第１の複数のリッジを含む、請求項１記載の方法。
- ベース面が、遮熱コーティング、金属ボンドコート、及びタービンシュラウドの表面であって、金属及びセラミックの少なくとも一方であるタービンシュラウドの表面の少なくともいずれかを含む、請求項１記載の方法。
- 遮熱コーティングが、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、純ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア及びカルシア安定化ジルコニアの１種以上を含み、
金属ボンドコートが、β−ＮｉＡｌの金属間化合物及びＭＣｒＡｌＸ（ただし、Ｍはニッケル、コバルト及び鉄の１種以上を含み、Ｘはイットリア、ジルコニウム、ケイ素及びハフニウムの１種以上を含む。）の１種以上を含む、請求項１１記載の方法。 - 材料が、セラミックコーティング、タービンシュラウドのセラミック表面、金属コーティング及びタービンシュラウドの金属表面の少なくともいずれかを含む、請求項１記載の方法。
- 稠密縦割れ皮膜からなる第１の遮熱コーティングを、部材に吹き付けるステップと、
第２の遮熱コーティングをパターンで３Ｄ印刷することによって第１のコーティング上に第２のコーティングを堆積させるステップと
を含む製品の製造方法であって、前記パターンが、部材のベース面に配置される複数のリッジを含んでおり、第２の遮熱コーティングのポロシティが３Ｄ印刷の特性の調節によって制御され、前記特性が、粒度分布、飽和度、結合剤／体積比又は層厚の少なくともいずれかを含んでいる、方法。 - 粒度分布が約５０μｍ〜約２００μｍである、請求項１４記載の方法。
- 第２の遮熱コーティングのポロシティが約５％〜約５０％である、請求項１４記載の方法。
- 第２の遮熱コーティングのポロシティが約１０％〜約３０％である、請求項１４記載の方法。
- 複数のリッジの各リッジが互いに約１ｍｍ〜約１４ｍｍの等間隔で離隔しており、複数のリッジの各リッジの高さが、ベース面から頂部に向かって垂直に測定して、約０．２５ｍｍ〜約４ｍｍである、請求項１４記載の方法。
- 第１の遮熱コーティング及び第２の遮熱コーティングが、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、純ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア及びカルシア安定化ジルコニアの１種以上を含む、請求項１４記載の方法。
- 材料が、セラミックコーティング、タービンシュラウドのセラミック表面、金属コーティング及びタービンシュラウドの金属表面の少なくともいずれかを含む、請求項１４記載の方法。
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