JP2019512048A - 部品を製造するための方法及びデバイス - Google Patents
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Abstract
本発明は、ターボ機械のための部品（１）を製造するための方法であって、付加製造方法により、部品（１）のためのベース材料（２）から部品を付加積層するステップと、繊維材料（３）が部品軸線周りの部品（１）の周方向（Ａ）に沿って配向されるようにかつ繊維複合材料（４）が作り出されるように、付加積層するステップの間に、部品（１）のための構造内に繊維材料（３）を導入するステップであって、繊維複合材料が、繊維材料（３）と、付加積層するステップにより固化されるベース材料（２）と、を含む、方法に関する。本発明は、対応する部品（１）と、部品（１）を製造するための対応するデバイスと、にさらに関する。
Description
本発明は、ターボ機械のための部品部分及び部品を製造するための方法に関する。本発明は、部品と、部品を製造するためのデバイスと、をさらに含む。
部品は、タービンディスクであり得る。用語“タービンディスク”は、この場合、タービンリング又はロータディスクと同義であると理解される。また、部品は、圧縮機又はガスタービンの圧縮機のロータ部分又は一部分であってもよい。また、部品は、好ましくは、付加的又は生成的に製造又は積層された部品である。
公知の層状付加又は生成的製造方法は、特に、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）及び電子ビーム溶融（ＥＢＭ）である。付加製造方法は、例えばパウダー層から、層、層要素もしくは体積要素を反復して積み重ねること又は層、層要素もしくは体積要素をともに結合することにより、三次元的に個々に形成された部品を製造するためのものである。個々の層の典型的な厚さは、２０μｍから６０μｍの間にある。
パウダー形態もしくは粉形態だけでなく例えば懸濁液といった液体形態の双方で存在することができる多数の異なる材料、例えばセラミック材料及び／又は金属材料は、基礎材料として利用可能である。生成的製造方法では、三次元物体は、複数の個々の材料層によって形成され、これら材料層は、下側であることが可能な積層プラットホーム上で順々に堆積され、その後、個々に、局所的な選択的固化プロセスを受ける。
選択的レーザー溶融のための方法は、例えば特許文献１から公知である。
タービン部分は、それらの利用又は動作中に、特に高い熱的負荷及び／又は機械的負荷を受ける。この場合、動作中の、ガスタービン又はそのロータ部分の熱的負荷及び機械的負荷が、例えば熱機械的応力の形態で相互に関係づけられる。
従って、これまでの耐熱材料の開発に加えて、機械的特性を改善した材料、例えば複合材料が必要とされている。タービンにおける熱的に高い負荷が加えられる領域、例えば６００℃よりも高い温度の領域では、材料の高い程度の強度が必要とされ、タービン、圧縮機又は対応するロータディスクの内側領域又は内側部分では、高いレベルでの延性が特に必要とされる。
従って、本発明の目的は、特に回転可能なタービン部分の機械的特性を改善する手段を規定すること、及び／又はタービンの動作をより信頼性のあるものにしかつ／又はより効率的なものとすることを目的する。
この目的は、独立請求項の要旨により達成される。有利な実施形態は、従属請求項の要旨である。
本発明の一側面は、ガスタービンのためのロータディスクなどの、ターボ機械、例えばガスタービンのための部品を製造するための方法であって、付加製造方法により部品を付加積層するステップを備える方法に関する。付加積層のための部品は、特に部品のためのマトリックス材料又はベース材料から、好ましくはパウダー形態のベース材料から積層される。記載した材料は、ニッケルベース、コバルトベース又は鉄ベースの材料であり得る。
方法は、好ましくは部品軸線周りの部品の周方向に沿って繊維材料が配向されるように又は部品軸線周りの部品の周方向に基本的に沿って繊維材料が配向されるように、かつ繊維複合材料が作り出されるように、付加積層するステップの間に、部品のための構造内に繊維材料を導入するステップであって、繊維複合材料が、都合よくは、繊維材料と、付加積層するステップの結果として固化されるベース材料と、を含み、繊維材料が、特に酸化アルミニウム、ムライト、ＳｉＢＣＮ、ＳｉＣＮ又はＳｉＣからなるセラミック材料も含む、ステップも含む。
一実施形態では、部品は、回転可能部分であり、特にターボ機械の動作中に回転する回転可能部分である。
一実施形態では、部品は、ターボ機械の又はターボ機械のための、回転対称部分又は基本的に回転対称部分である。
周方向は、この場合、好ましくはターボ機械での利用中の、回転方向に対応する方向又は動作中の部品の旋回方向を指す。周方向は、接線方向であってもよい。
周方向は、特に、部品軸線の周囲を記述するか、又は部品の周囲に沿って幾何学的な方向成分を少なくとも部分的に含んでもよい。
用語“構造”は、部品自体を説明することができる。例えば付加製造中の所定の時点で、かつ付加製造のための対応する設備又はデバイスにおいて、特に、部品の部分的に（付加的に）製造された部分のみをこの用語が意図するものとすることができる。
繊維材料は、主に又は大部分が、周方向に又は周方向に沿って配向される。例えば、繊維材料は、必要な捩れ、又は製造で引き起こされる周方向からのずれとは別にして、この方向に沿って配向され、かつ／又は構造内に導入されてもよい。しかしながら、繊維材料は、部品と同心状に又は他の繊維と同心状に必ずしも配向されない。
説明した方法により、特に有利な様式では、繊維複合材料又は繊維複合基部は、少なくとも部分的に付加製造又は付加積層されるか、又は、対応する製造が、付加製造プロセスで実施されてもよい。繊維複合材料の公知の利点は、特にガスタービン、例えば圧縮機ディスクのロータ部分としての製造及び応用のために、説明された方法により利用され得ることである。繊維方向に対して垂直な、部品の例えばクリープ耐性又は引張荷重に対する耐性は、繊維複合材料の使用によって向上することができる。
同時に、付加製造技術の利点は、この場合、相乗的に利用することもできる。
一実施形態では、付加製造方法は、パウダー層ベースの付加製造方法である。
一実施形態では、付加製造方法は、ビーム溶融方法である。
一実施形態では、付加製造方法は、選択的レーザー溶融、選択的レーザー焼結、電子ビーム溶融又はレーザー蒸着溶接である。
一実施形態では、繊維材料は、ロボット制御されるデバイス又はロボットガイドされるデバイスにより、部品の構造内に導入される。
一実施形態では、繊維材料は、例えば部品の積層方向に沿って見ると、部品の１つの、特に中央の径方向領域に配置又は導入され、好ましくは径方向の範囲全体にわたって配置又は導入されない。この領域は、特に、部品の径方向の“くびれ領域”であり、この領域は、部品の動作中に、特に高い機械的負荷を受ける。
一実施形態では、繊維材料は、付加積層中に織り合わせられる。
一実施形態では、ベース材料は、少なくとも部分的に繊維材料同士の間に配置される。
一実施形態では、繊維材料には、導入の前にコーティングが提供される。
本発明のさらなる側面は、ターボ機械のための部品であって、部品が、説明した方法により製造されるか、又は製造可能である、部品に関する。
一実施形態では、部品は、ターボ機械、例えばガスタービンのロータ部分である。
一実施形態では、部品は、動作中にターボ機械の回転可能部分を取り付けるように構成されたタービンディスクである。回転可能部分は、例えば圧縮機ブレードである。
本発明のさらなる側面は、例えば径方向領域、特に中央又は中間径方向領域と、上述した繊維複合材料と、を備える、ターボ機械のためのタービンディスクに関する。繊維複合材料が、繊維材料及びマトリックス材料も含み、繊維材料が、タービンディスクの周方向に沿って配向され、繊維材料が、特に酸化アルミニウム、ムライト、ＳｉＢＣＮ、ＳｉＣＮ又はＳｉＣからなるセラミック材料も含む。
繊維複合材料のマトリックス材料は、好ましくは、付加製造中に又は付加製造の結果として固化されるベース材料を指す。
一実施形態では、繊維材料は、カーボン、ホウ素、玄武岩、及び／又は、特に酸化アルミニウム、ムライト、ＳｉＢＣＮ、ＳｉＣＮ又はＳｉＣからなるセラミック材料のうちの１つ以上を含んでいる。
一実施形態では、繊維複合材料及び／又は繊維材料は、カーボン（Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び／又は酸化アルミニウム、例えばＡｌ２Ｏ３を含んでいる。繊維複合材料及び／又は繊維材料は、例えば基本構成要素として、記載した材料を含んでもよい。
一実施形態では、マトリックス材料及び／又はベース材料は、カーボン、炭化ケイ素及び／又は酸化アルミニウムを含んでいる。マトリックス材料及び／又はベース材料は、例えば基本構成要素として、記載した材料を含んでもよい。
一実施形態では、繊維材料のコーティングは、特に、カーボン及び／又は窒化ホウ素（ＢＮ）を含んでいる。
本発明のさらなる側面は、ターボ機械の部品を製造するためのデバイスであって、デバイスが、例えばパウダー形態のベース材料から部品を付加積層するように構成されている、デバイスに関する。また、デバイスは、繊維材料が部品の周方向に沿って配向されるようにかつ繊維複合材料が作り出されるように部品のための構造に繊維材料を導入するための器具を備えている。繊維複合材料は、上述したように、都合よくは、繊維材料と、固化されたベース材料と、を含んでいる。
本発明の方法に関連する実施形態、特徴及び／又は利点は、デバイス及び／又は部品にも関し、逆も同様である。
本発明のさらなる細部が、図面を参照して以下で説明される。
図１は、デバイス１０の平面図を概略的に示す。デバイス１０は、部品１を付加製造するためのデバイスである。デバイス１は、図１に示すように、好ましくは、パウダー層から部品を層状に積層するためのデバイス、例えば選択的レーザー溶融するためのデバイスである。あるいは、デバイス１０は、選択的レーザー焼結するためのデバイス及び／又は電子ビーム溶融するためのデバイスであり得る。
部品１を製造するための本発明による方法は、図１及び図２を参照してデバイス１０に基づいて説明される。
部品１は、特に、ガスタービンなどのターボ機械のロータ部分である。部品１は、特に、タービンディスク、タービンリング又はタービンの圧縮機のロータディスクを指す。
デバイス１０は、建造プラットホーム８（図２参照）を有し、部品１のための、好ましくはパウダー形態の基礎材料又はベース材料２が、建造プラットホーム８上に配置される。ベース材料２は、例えばニッケルベースの材料、コバルトベースの材料又は鉄ベースの材料である。
建造プラットホーム８上での部品の積層が示されている。この場合、部品は、部分的に積層された部品であり得、かつ／又は部品の付加製造中の部品であり得る。部品１は、都合よくは、回転対象構成からなるか、又は主に回転対象構成である。ターボ機械のロータ部分又はターボ機械の圧縮機のロータ部分のように、部品は、好ましくは回転可能でもあり、例えばターボ機械のステータ部品に対して回転可能である。部品は、好ましくは、タービンの指定された動作中に回転する。
付加積層のために、デバイス１０は、固化デバイス９を有する。この場合、固化デバイスは、従来技術の固化デバイスであり得る。固化デバイス９は、好ましくは、コンピュータ制御される又はコンピュータ制御可能なユニットであり、このユニットは、ベース材料２を固化させるために、レーザー又は電子ビームデバイス（明確には特定せず）を備えている。固化させるために、ベース材料２は、好ましくは、まず溶融され、その後、固化される。
ベース材料２をつけるために、デバイス１０は、コーティング又は堆積デバイス７を有する。この場合、コーティング又は堆積デバイス７は、ドクターブレードであり得、好ましくはパウダー形態のベース材料２は、ドクターブレードにより建造プラットホーム８上に分配又は堆積される。これは、例えばコーティング方向Ｂに沿って行うことができる。
本発明による要素として、デバイス１０は、器具５も有する。器具５は、繊維材料３を部品１のための積層部内に導入するように構成され、具体的に、繊維材料３が、少なくとも主に、動作中に部品１における符号Ａによって特定された周方向又は回転方向に沿って配向されるように、繊維材料３を導入するように構成される。
図１において部品１の内部に示される、破線（同心）の円は、好ましくは、繊維材料３が配置及び／又は導入される領域を示す。繊維材料は、部分的にのみ示されている。図示されたセクションを参照すると、配向又は整列の方向は、周方向Ａに対応していることが分かる。
また、器具５は、好ましくは、繊維材料３の導入が、繊維材料３と固化されたベース材料又はマトリックス材料（簡略化のために、これは、ベース材料と同じ方式で符号２で特定される）とを含む繊維複合材料４を作り出すように、構成される。繊維複合材料４は、繊維材料３及びマトリックス材料によって形成され得る。
器具５は、好ましくは、ロボット制御される。図１に示されるように、器具５は、図では概略的にのみ示されたロボットアームを備えることができる。このロボットアームは、繊維材料３が、上述したように、ベース材料の付加積層中に部品に“組み込まれる”ことができるように、例えば建造プラットホーム８又は部品１の製造範囲にわたって回動可能である。前記ロボットアームは、例えば入れ子式に延長可能な構成からなる。
本方法の範囲内では、繊維材料３は、器具５を用いて、好ましくは部品１の付加積層又は付加製造中に、構造内に導入され、このため、繊維複合材料４が作り出され、上述したように繊維が同じ方式で配向される。１つの繊維層（図１参照）は、ベース材料の付加積層された層ごと及び／又は固化された層ごとに導入され得る。これは、好ましくは、ベース材料２がコーティングデバイス７により堆積又は分配される前に行われ、このため、対応する層が繊維複合材料のために形成又は製造される。ベース材料２は、好ましくは、繊維材料が導入されるようにかつ／又はベース材料２が少なくとも部分的に繊維材料３同士の間に配置されるように、堆積される。
繊維材料３は、特に織り合わせられることもできる。
説明される方法の範囲内では、繊維材料は、例えば器具５により構造内に導入する前に、コーティングが提供されるか又はコーティングで覆われることも規定される（明確には特定されない）。コーティングは、スライドコーティング又は潤滑コーティングであり得、特に、これにより、マトリックス材料２に対する繊維材料３のスライド移動を可能にし、そして、この移動は、繊維複合材料４の特定の機械的特性に所定の効果を有する。
図２は、デバイス１０の概略側面図を示す。積層方向は、符号Ｃで特定される。図１のデバイスの実施形態の代替案として、図２に示されたデバイス１０は、例えばレーザー蒸着溶接のためのデバイス、特にレーザーパウダー蒸着溶接のためのデバイスであり得る。従って、固化デバイス９は、この場合、好ましくは、ベース材料２を固化させるためのレーザー（明確には特定されていない）と、パウダーノズル（明確には特定されていない）と、の双方を備え、パウダーノズルにより、ベース材料２が利用可能になる。
図３は、完成した部品１を簡略的な断面図で示す。部品１は、残りのセクションと比較して、より細い領域又はくびれた中央領域もしくは径方向内側領域６を有する。この領域では、部品１の動作中に特に高い機械的負荷が生じる可能性がある。タービンディスク１における特定されない上方の拡大領域は、特に、例えばガスタービンの動作中にタービンブレードを所定位置に保つことと、好ましくは、形成されたキャビティ内に又はキャビティ外に軸方向にスライドさせることによってタービンブレードを交換可能とすることと、の双方のために設けられる。
中央領域６は、説明された繊維複合材料４を含んでいる。中央領域６は、繊維複合材料４からなることができる。特に、繊維材料３は、図３の断面図では、領域６において円形形態で示されている。繊維複合材料４及び／又は繊維複合材料４が設けられた部品は、従来技術のタービンディスクと比較して、改善された機械的特性、例えば１パーセントまでの特により高い破断伸(fracture elongation)又は破断伸荷重性(fracture-elongation loadability)を特に有する。同じ理由によって、説明した方法によって製造された、本発明による部品１は、好ましくは、顕著に増大された耐亀裂性、改善された耐熱衝撃性、及び例えば改善された熱機械的特性を有する。
さらに、従来技術のタービンのロータ部分に対する部品１の延伸性又は延伸荷重性は、２パーセント増大されることができる。
繊維複合材料４は、繊維方向の仕様に起因して、異方性、従って特別な機械的特性を有することができる。
部品１は、特に、圧縮機のロータディスク又は（好ましくは流れ方向で見ると、タービンの燃焼チャンバの上流の）ガスタービンの圧縮機段のロータディスクであり得る。部品１は、特に、“２６ＮｉＣｒＭｏＶ １４−５”又は“Ｃｏｓｔ−Ｅ （Ｘ １ ２ＣｒＭｏＷＶＮｂＮ １０−１−１”のグレードの材料からなる圧縮機ロータディスクであり得る。
説明された繊維材料３は、カーボン、ホウ素、玄武岩及び／又はセラミック材料、特に酸化アルミニウム、例えばＡｌ２Ｏ３、ムライト、ＳｉＢＣＮ、ＳｉＣＮ及びＳｉＣのうちの１つ以上を含むことができる。
本発明は、例示的な実施形態に基づく説明によって限定されず、それぞれの新たな特徴及びそれぞれの特徴の組み合わせをカバーする。本発明は、特に、この特徴又はこの特徴の組み合わせ自体が特許請求の範囲又は例示的な実施形態に明確に開示されていないとしても、特許請求の範囲の特徴のそれぞれの組み合わせを含む。
１ 部品、２ ベース材料、３ 繊維材料、４ 繊維複合材料、５ 器具、６ 中央領域、１０ デバイス、１２ コーティング、Ａ 周方向、Ｃ 積層方向
Claims (11)
- ターボ機械のための部品（１）を製造するための方法であって、
− 付加製造方法により、前記部品（１）のためのベース材料（２）から前記部品を付加積層するステップと、
− 繊維材料が部品軸線周りの前記部品（１）の周方向（Ａ）に沿って配向されるようにかつ繊維複合材料（４）が作り出されるように、前記付加積層するステップの間に、前記部品（１）のための構造内に繊維材料（３）を導入するステップであって、前記繊維複合材料が、前記繊維材料（３）と、前記付加積層するステップの結果として固化されるベース材料（２）と、を含み、前記繊維材料（３）が、特に酸化アルミニウム、ムライト、ＳｉＢＣＮ、ＳｉＣＮ又はＳｉＣからなるセラミック材料を含む、ステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 前記繊維材料（３）が、ロボット制御される器具（５）により導入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記繊維材料（３）が、前記部品（１）の積層方向（Ｃ）に沿って見ると、前記部品（１）の中央領域（６）においてのみ導入されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
- 前記付加製造方法が、選択的レーザー溶融、選択的レーザー焼結、電子ビーム溶融又はレーザー蒸着溶接であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ベース材料（２）が、少なくとも部分的に前記繊維材料（３）同士の間に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記繊維材料（３）には、導入の前にコーティング（１２）が提供されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- ターボ機械のための部品（１）であって、
前記部品が、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法により、製造されるか又は製造可能であり、
前記部品が、ターボ機械、例えばガスタービンのロータ部分であることを特徴とする部品（１）。 - 前記部品が、ターボ機械における動作中に回転する部分、例えば圧縮機ブレードを取り付けるためのタービンディスクであることを特徴とする請求項７に記載の部品（１）。
- 繊維複合材料（４）を備える、ターボ機械のためのタービンディスクであって、
前記繊維複合材料（４）が、特に酸化アルミニウム、ムライト、ＳｉＢＣＮ、ＳｉＣＮ又はＳｉＣからなるセラミック材料を含む繊維材料（３）と、マトリックス材料と、も含み、
前記繊維材料（３）が、周方向（Ａ）に沿って配向されるか、又は動作中の前記タービンディスクの回転軸線（Ａ）周りで前記タービンディスクに沿って配向されることを特徴とするタービンディスク。 - 前記繊維材料（３）が、カーボン、ホウ素及び／又は玄武岩の１つ以上を含むことを特徴とする請求項９に記載のタービンディスク。
- ターボ機械のための部品を製造するためのデバイス（１０）であって、
前記デバイス（１０）が、ベース材料（２）から前記部品（１）を付加積層するように構成され、
前記デバイス（１０）が、器具（５）を有し、前記器具（５）が、繊維材料（３）が部品軸線周りの前記部品（１）の周方向（Ａ）に沿って配向されるようにかつ繊維複合材料（４）が作り出されるように、前記部品（１）のための構造内に繊維材料（３）を導入するように構成され、前記繊維複合材料が、前記繊維材料（３）と、固化されたベース材料と、を含んでいることを特徴とするデバイス。
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