JP2016512470A - 再結晶化を抑制するコーナー半径を有する鋳造部品 - Google Patents

Abstract

鋳造部品は、単結晶微細構造と内部空洞を画定する内部コーナー部とを有する鋳造品本体を含む。単結晶微細構造は耐熱金属コアを用いた鋳造品本体の焼流し精密鋳造に関する臨界内部残留応力を規定し、臨界内部残留応力は、それを超えると前記単結晶微小構造体が所定条件下で再結晶化するものである。内部コーナー部は臨界コーナー半径よりも大きいコーナー半径を規定し、臨界コーナー半径は、それ以下であると単結晶微小構造体における内部残留応力の量が臨界内部残留応力を超えるものである。内部空洞は、コーナー半径付近で約２０ミリよりも小さい断面を含む。

Description

本発明は、鋳造部品における再結晶化に関する。

ガスタービンエンジンのエアフォイルなどの機械部品は、超合金材料から鋳造することができる。例えば、焼流し精密鋳造において、セラミックまたは耐熱金属コアが型内に配置されてロウ材でコーティングされ、これが所望の形状を与える。そして、ロウ材は、シェルとして硬化されるセラミックスラリーでコーティングされる。ロウがシェルから溶かし出され、その後、残存する空洞が金属で充填されて部品となる。そして、コアが除去されて部品内の内部通路が残る。

本開示の一実施例による鋳造部品は、単結晶微細構造と内部空洞を画定する内部コーナー部とを有する鋳造品本体を含む。単結晶微細構造は耐熱金属コアを用いた鋳造品本体の焼流し精密鋳造に関する臨界内部残留応力を規定し、臨界内部残留応力は、それを超えると単結晶微小構造体が所定条件下で再結晶化するものである。内部コーナー部は臨界コーナー半径よりも大きいコーナー半径（Ｒ）を規定し、臨界コーナー半径は、それ以下であると単結晶微小構造体における内部残留応力の量が臨界内部残留応力を超えるものである。内部空洞は、コーナー半径付近で約２０ミリよりも小さい断面を含む。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、内部空洞は、約１５ミリより小さい断面の微細通路である。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、微細通路は鋳造品本体の外壁に埋め込まれている。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、鋳造品本体はエアフォイルであり、外壁はエアフォイルの負圧側壁部または正圧側壁部である。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、微細通路は鋳造品本体の長手方向に垂直な断面を有し、この断面は最大幅寸法Ｗを有し、最大幅Ｄ対コーナー半径Ｒの比は１０：１（１０対１）以下である。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、内部空洞は鋳造品本体の長手方向に垂直な断面を有し、断面は最大幅寸法Ｗを有し、コーナー半径（Ｒ）対最大幅Ｄの比は少なくとも１：１０（１対１０）である。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、内部コーナー部は鋳造品本体のリブと外壁の間にある。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、鋳造品本体はニッケル基合金からなる。

本開示の一実施例によるタービンエンジンは、ファンを選択的に含み、圧縮器部、圧縮器部と流体的に連通している燃焼器部、及び燃焼器と流体的に連通しているタービン部を含む。タービン部は、単結晶微細構造と内部空洞を画定する内部コーナー部とを有する鋳造品本体を有するエアフォイル鋳造部品を含む。単結晶微細構造は耐熱金属コアを用いた鋳造品本体の焼流し精密鋳造に関する臨界内部残留応力を規定し、臨界内部残留応力は、それを超えると単結晶微小構造体が所定条件下で再結晶化するものである。内部コーナー部は臨界コーナー半径よりも大きいコーナー半径（Ｒ）を規定し、臨界コーナー半径は、それ以下であると単結晶微小構造体における内部残留応力の量が臨界内部残留応力を超えるものである。内部通路は、コーナー半径付近で約２０ミリよりも小さい断面を含む。

本開示の一実施例による鋳造部品における再結晶化の制御方法は、耐熱金属コアを用いた鋳造品本体の焼流し精密鋳造に関する臨界コーナー半径よりも大きいコーナー半径（Ｒ）を有するように鋳造品本体に内部空洞を画定する内部コーナー部を設定することによって、単結晶微細構造を有する鋳造品本体における再結晶化を制限することを含み、臨界コーナー半径は、それ以下であると単結晶微小構造体における内部残留応力の量が鋳造により臨界内部残留応力を超えるものであり、臨界内部残留応力は、それを超えると単結晶微小構造体が所定条件下で再結晶化するものである。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、内部空洞は微細通路である。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、鋳造品本体はエアフォイルであり、微細通路はエアフォイルの外壁に埋め込まれている。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態は、耐熱金属コアを用いて内部空洞を形成することを含む。

上記実施形態のいずれかの更なる実施形態において、耐熱金属コアは、コーナー半径付近で約１５ミリよりも小さい断面を有する部分を含む。

本開示の種々の構成及び有利な効果が、以降の詳細な説明から当業者には明らかなものとなる。詳細な説明に付随する図面を以下に簡単に説明する。

図１は、一実施例のガスタービンエンジンを示す。 図２は、図１のガスタービンエンジンで使用される一実施例のエアフォイルを示す。 図３は、リブと壁部の間のコーナーを模式的に示す。

図１に、ガスタービンエンジン２０を模式的に示す。ガスタービンエンジン２０は、概略として、ファン部２２、圧縮器部２４、燃焼器部２６及びタービン部２８を含む二軸ターボファンとしてここに開示される。代替のエンジンは、他のシステムまたは構成要素としてオーグメンター部（図示省略）を含んでいてもよい。ファン部２２がバイパス流路に沿って空気を送る一方で、圧縮器部２４は、空気を圧縮するとともに燃焼器部２６へ連通させ、その後タービン部２８を通して膨脹させるようにコア流路に沿って空気を送る。開示される非限定的な実施形態ではターボファン型ガスタービンエンジンとして図示されるが、その教示は三軸アーキテクチャを含む他のタイプのタービンエンジンにも適用可能であるので、ここに記載される概念はターボファンでの使用に限定されないことが理解されるべきである。

エンジン２０は、概略として、いくつかのベアリングシステム３８を介した、エンジン静止構造体３６に対するエンジン中心軸Ａを中心とする回転のために搭載された第１のスプール３０及び第２のスプール３２を含む。種々の位置の種々のベアリングシステム３８が代替的または追加的に設けられてもよいことが理解されるべきである。

第１のスプール３０は、概略として、ファン４２、第１の圧縮器４４及び第１のタービン４６を相互接続する第１の軸４０を含む。第１の軸４０は、ファン駆動ギアシステム４８のギヤアセンブリを介してファン４２に接続されて、第１のスプール３０よりも遅い速度でファン４２を駆動する。第２のスプール３２は、第２の圧縮器５２及び第２のタービン５４を相互接続する第２の軸５０を含む。第１のスプール３０は、第２のスプール３２よりも相対的に低圧で稼働する。ここで使用される「低圧」及び「高圧」またはその変化形は、高圧が低圧よりも高いことを示す相対的用語である。環状燃焼器５６は、第２の圧縮器５２と第２のタービン５４の間に配置される。第１の軸４０及び第２の軸５０は同心であり、それらの長手軸と同一線上のエンジン中心軸Ａを中心としてベアリングシステム３８を介して回転する。

コア空気流は、第１の圧縮器４４、その後に第２の圧縮器５２によって圧縮され、環状燃焼器５６において燃料と混合及び燃焼され、その後第２のタービン５４及び第１のタービン４６にわたって膨脹する。第１のタービン４６及び第２のタービン５４は、膨脹に応じて、それぞれ第１のスプール３０及び第２のスプール３２を回転駆動する。

エンジン２０は、約６よりも大きいバイパス比を有する高バイパスギヤ型の航空機エンジンであり、例示の実施形態では１０より大きく、ファン駆動ギアシステム４８のギヤアセンブリは、約２．３：１より大きいギヤ減速比のプラネタリギヤ方式または他のギヤ方式などのエピサイクリック歯車列であり、第１のタービン４６は約５よりも大きい圧力比を有する。第１のタービン４６の圧力比は、排出ノズルの前の第１のタービン４６の排出口での圧力に関連して、第１のタービン４６の吸入口の前で測定される圧力である。第１のタービン４６は最大ロータ直径を有し、ファン４２は、最大ロータ直径をファン直径で割った比が０．６よりも小さくなるようなファン直径を有する。ただし、上記パラメータは例示に過ぎないことが理解されるべきである。

大量の推力が、高バイパス比に起因してバイパスフローＢによって与えられる。エンジン２０のファン部２２は、特定の飛行条件−−通常はマッハ約０．８及び約３５０００フィートでの巡航−−に対して設計される。エンジンの燃料消費量状態が最良である、マッハ０．８及び３５０００フィートの飛行条件−−「バケット巡航推力あたり燃料消費率（ＴＳＦＣ）」としても知られている−−は、燃焼されている燃料のＩｂｍを、エンジンがその最小点において生成する推力のＩｂｆで割った工業基準パラメータである。「低ファン圧力比」は、ファン出口ガイドベーン（ＦＥＧＶ）システムなしのファンブレード単体にわたる圧力比である。非限定的な一実施形態によってここに開示される低ファン圧力比は、約１．４５よりも小さい。「低補正ファン先端速度」は、フィート／秒で表した実際のファン先端速度を工業基準温度補正値（Ｔｒａｍ°Ｒ／５１８．７°Ｒ）^0.5で割ったものである。非限定的な一実施形態によってここに開示される「低補正ファン先端速度」は、約１１５０フィート／秒よりも遅い。

エンジン２０のタービン部２８は、回転可能ブレードや静止ベーンなどの複数の鋳造部品６０を含む。鋳造部品６０は、ニッケル基合金やコバルト基合金などの超合金材料からなる。鋳造部品６０は、単結晶微細構造を与えるとともに、内部冷却通路を持つ比較的複雑な形状を形成するように焼流し精密鋳造で鋳造される。焼流し精密鋳造プロセスにおいて冷却すると、内部残留応力または歪が発生する。特に、耐熱金属コアを用いて部品６０に内部通路を形成する場合に比較的高い残留歪が発生し得る。一実施例として、セラミックコアは、セラミックコアが破砕するときに鋳造部品の歪を緩和するように、冷却中に発生した歪の下で「破砕性」となる内部多孔性を有するよう設計される。しかし、耐熱金属コアは非破砕性であり、それゆえ比較的高い残留歪を鋳造部品に発生させる。耐熱金属は、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン及びそれらの合金を含んでいればよく、その更なる実施例は、シャー他に与えられた米国特許第６６３７５００号で知ることができ、参照としてここに取り込まれる。ここでは用語「内部残留応力」が使用されるが、「内部残留歪」も同様に適用可能であることが理解されるべきである。

耐熱金属コアを用いた鋳造による内部残留応力の位置は、後続の熱サイクル中の超合金材料の再結晶化の核生成部位となる。正しく配向されずに再結晶化された粒子は、機械的特性を損ない、クラック起点部位として作用し得る。再結晶化を抑制する対策の候補として、部品を加熱処理して残留内部応力を解放することが考えられる。加熱処理は、再結晶化を抑制するには有利であるものの、エアフォイルなどの部品の強度及び他の特性に影響を与えることになり、コストも増加し得る。より詳細を以下に説明するように、ここに開示される鋳造部品６０は、再結晶化が排除または抑制されて応力を解放する加熱処理が不要となるように、耐熱金属コアを利用する焼流し精密鋳造プロセスにおける鋳造時の内部残留応力を減少させるための構成を含む。

図２に、鋳造部品６０の１つを示す。本実施例では、鋳造部品６０は、回転可能なガスタービンエンジンのタービンブレードである。ただし、本開示はブレードに限定されず、ベーンまたは機械用の他の鋳造部品に適用可能である。鋳造部品６０は、エアフォイル部６２、根部６４及びプラットフォーム部６６を含む。少なくともエアフォイル部６２が鋳造品本体６８を構成する。本実施例では、エアフォイル部６２、根部６４及びプラットフォーム部６６が一体に鋳造される。

鋳造部品６０は、エンジン２０に配置される場合に、概略としてエンジン中心軸Ａに垂直な長手軸Ｌに沿って延在する。エアフォイル部６２は、概略として前縁エッジＬＥと後縁エッジＴＥ、プラットフォーム部６６における基部６２ａと先端部６２ｂの間に延在する。

上述したように、鋳造部品６０は、焼流し精密鋳造を用いて作製され、比較的複雑な幾何形状を提供する。これに関して、鋳造部品６０は、概略としてエアフォイル部６２内の１以上のリブ７２に隣接して延びる１以上の内部冷却通路７０（図２において切り取られて示される）を含む。本実施例では、リブ７２は、内部コーナー部７６で隣接壁部７４と交わる。内部冷却通路７０は、上述したように、焼流し精密鋳造において耐熱金属コアを用いて形成される。

いくつかのリブ７２及び隣接壁部７４とともにコーナー７６を通る断面図を示す図３も参照すると、鋳造品本体６８の単結晶微細構造は、それを超えると単結晶微細構造が所定条件下で再結晶化する、耐熱金属コアを用いた鋳造品本体６８の焼流し精密鋳造に関する臨界内部残留応力を規定する。例えば、所定条件は、内部コーナー部７６で局所的に５％よりも大きい歪である。

本実施例では、内部コーナー部７６は、それ以下であると単結晶微細構造における内部残留応力が臨界内部残留応力を超える臨界コーナー半径よりも大きいコーナー（曲率）半径Ｒを有する。したがって、内部コーナー部７６は、内部残留応力が臨界内部残留応力レベルを超えないことによって再結晶化が抑制または排除されるのに充分大きなコーナー半径Ｒを有する。鋳造後に続く加熱処理を用いるのではなく、そのような内部コーナー部７６の設計を通じて再結晶化を抑制または排除することによって、作製プロセスから加熱処理をなくしてコストを低減できる。さらに、エアフォイルの他の特性に影響を及ぼし得る加熱処理とは異なり、１以上のコーナー半径が臨界コーナー半径よりも大きくなるように設計する手法は、鋳造部品６０の他の特性にほとんどまたは全く影響を与えない。

更なる実施例として、リブ７２及び壁部７４は、隣接リブ７２並びに壁部８０及び８２と接合される。リブ７２及び壁部８０，８２は通路８４を画定する。本実施例では、壁部８０は、負圧面または正圧面などの鋳造部品の外表面Ｓを含む。更なる実施例では、通路８４は、例えば、約２０ミリ幅よりも小さい断面を有する微細通路である。また更なる実施例では、通路８４は、約１５ミリ幅よりも小さい断面を有する微細通路である。

焼流し精密鋳造プロセスにおける耐熱金属コアの使用によって、微細通路のような、より小さくかつより複雑な構造体を形成することが可能となる。一方、より小さくかつより複雑な構造体のコーナー半径は一般により小さく、耐熱金属コアの使用によって生じ得る比較的高い歪と相まって、再結晶化をもたらし得る高い内部残留応力に寄与し得る。通路８４のコーナー７６は、それ以下であると単結晶微細構造における内部残留応力の量が臨界内部残留応力を超える臨界コーナー半径よりも大きなコーナー半径Ｒを有する。したがって、微細通路が比較的小さくても、内部残留応力を回避または軽減して再結晶化を抑制または排除するようにコーナー半径が臨界コーナー半径よりも大きく設計される。

一実施例では、コーナー半径Ｒは、通路８４の断面の最大幅Ｗに応じて選択される。例えば、通路８４の最大幅Ｗ対コーナー半径Ｒの比は、１０：１（１０対１）以下である。言い換えると、コーナー半径Ｒ対通路８４の最大幅Ｗの比は少なくとも１：１０（１対１０）である。

臨界コーナー半径、及び耐熱金属コアを用いた鋳造による臨界内部残留応力は、設計及び使用される超合金材料の組成によっていくらか変わり得ることが理解されるべきである。ここに開示される実施例は、選定のための手引きであり、これらの実施例が与えられれば、当業者は、臨界内部残留応力、臨界コーナー半径、及びそれにより耐熱金属コアを用いた焼流し精密鋳造の際の特定の設計に使用されるべきコーナー半径Ｒを決定することができるはずである。例えば、臨界内部残留応力は、試料部品または部品でないものを鋳造し、試料を所定条件に曝し、顕微鏡を用いた微細構造の評価を行うことによって特定することができる。

構成の組合せが説明の実施例において示されたが、本開示の種々の実施形態の利点を実現するのにそれらの全部が組み合わされる必要はない。言い換えると、本開示の実施形態によって設計されるシステムは、図面のいずれかに示された構成の全部または図面に模式的に示された部分の全部を必ずしも含む必要はない。さらに、一実施形態の選択された構成は、他の実施形態の選択された構成と組み合わされてもよい。

前述の説明は、限定的な性質のものではなく例示的なものである。開示された実施例に対する必ずしも本開示の本質から逸脱しないバリエーション及び変形例が当業者には明らかなものとなるはずである。本開示に対して付与される法的保護の範囲は、以降の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定される。

Claims (14)

1. 鋳造部品であって、
   単結晶微細構造と内部空洞を画定する内部コーナー部とを有する鋳造品本体を備え、前記単結晶微細構造が、耐熱金属コアを用いた前記鋳造品本体の焼流し精密鋳造に関する臨界内部残留応力を規定し、該臨界内部残留応力は、それを超えると前記単結晶微小構造体が所定条件下で再結晶化するものであり、前記内部コーナー部が、臨界コーナー半径よりも大きいコーナー半径（Ｒ）を規定し、前記臨界コーナー半径は、それ以下であると前記単結晶微小構造体における内部残留応力の量が前記臨界内部残留応力を超えるものであり、前記内部空洞が、前記コーナー半径付近で約２０ミリよりも小さい断面を含む、前記鋳造部品。
2. 前記内部空洞が、約１５ミリより小さい断面の微細通路である、請求項１に記載の鋳造部品。
3. 前記微細通路が前記鋳造品本体の外壁に埋め込まれた、請求項２に記載の鋳造部品。
4. 前記鋳造品本体がエアフォイルであり、前記外壁が前記エアフォイルの負圧側壁部または正圧側壁部である、請求項３に記載の鋳造部品。
5. 前記微細通路が、前記鋳造品本体の長手方向に垂直な断面を有し、該断面が最大幅寸法Ｗを有し、前記最大幅Ｄ対前記コーナー半径Ｒの比が１０：１（１０対１）以下である、請求項２に記載の鋳造部品。
6. 前記内部空洞が、前記鋳造品本体の長手方向に垂直な断面を有し、該断面が最大幅寸法Ｗを有し、前記コーナー半径（Ｒ）対前記最大幅Ｄの比が少なくとも１：１０（１対１０）である、請求項２に記載の鋳造部品。
7. 請求項１に記載の鋳造部品において、前記内部コーナー部が前記鋳造品本体のリブと外壁の間にある、前記鋳造部品。
8. 請求項１に記載の鋳造部品において、前記鋳造品本体がニッケル基合金からなる、前記鋳造部品。
9. タービンエンジンであって、
   ファンを選択的に備え、
   圧縮器部と、
   前記圧縮器部と流体的に連通している燃焼器部と、
   前記燃焼器と流体的に連通しているタービン部であって、該ガスタービン部が、単結晶微細構造と内部空洞を画定する内部コーナー部とを有する鋳造品本体を有するエアフォイル鋳造部品を含み、前記単結晶微細構造が、耐熱金属コアを用いた前記鋳造品本体の焼流し精密鋳造に関する臨界内部残留応力を規定し、該臨界内部残留応力は、それを超えると前記単結晶微小構造体が所定条件下で再結晶化するものであり、前記内部コーナー部が、臨界コーナー半径よりも大きいコーナー半径（Ｒ）を規定し、前記臨界コーナー半径は、それ以下であると前記単結晶微小構造体における内部残留応力の量が前記臨界内部残留応力を超えるものであり、前記内部通路が、約２０ミリよりも小さい断面を含む、前記タービン部と
   を備えたタービンエンジン。
10. 鋳造部品における再結晶化の制御方法であって、
    耐熱金属コアを用いた鋳造品本体の焼流し精密鋳造に関する臨界コーナー半径よりも大きいコーナー半径（Ｒ）を有するように、前記鋳造品本体内で内部空洞を画定する内部コーナー部を設定することによって、単結晶微細構造を有する鋳造品本体における再結晶化を制限することを含み、前記臨界コーナー半径は、それ以下であると前記単結晶微小構造体における内部残留応力の量が鋳造による臨界内部残留応力を超えるものであり、前記臨界内部残留応力は、それを超えると前記単結晶微小構造体が所定条件下で再結晶化するものである、前記方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記内部空洞が微細通路である、前記方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、前記鋳造品本体がエアフォイルであり、前記微細通路が前記エアフォイルの外壁に埋め込まれている、前記方法。
13. 請求項１０に記載の方法であって、耐熱金属コアを用いて前記内部空洞を形成することを含む前記方法。
14. 請求項１０に記載の方法において、前記耐熱金属コアが、前記コーナー半径付近で約１５ミリよりも小さい断面を有する部分を含む、前記方法。

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