JP4108152B2

JP4108152B2 - 保護皮膜を有する流体冷却製品並びにその製造方法

Info

Publication number: JP4108152B2
Application number: JP12458997A
Authority: JP
Inventors: ブーペンドラ・クマー・グプタ; ロバート・ポール・ジーグレー; ウィルバー・ダグラス・スケイデット
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: DE69734625D1; DE69734625T2; JPH1054202A; EP0807744A3; US5941686A; SG55270A1; US5771577A; EP0807744A2; EP0807744B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、冷却用開口部を通って外表面に出る冷却通路を有する表面保護流体冷却製品並びに該製品の製造方法に関する。本発明は特に空冷高温作動ガスタービンエンジン製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先進ガスタービンエンジン部品でエンジンの高温部において作動する部品は、その部品の作動寿命を縮めかねないような温度を経験する可能性がある。一般に、かかる部品には、燃焼器、タービンブレード及びベーン、タービンシュラウド及び排気系における様々な部品が含まれる。部品の寿命を向上させるため、かかる部品はそのボディ内部に表面又は部品表面付近への出口をもつ冷却通路を含むように設計されている。耐熱性及び／又は環境耐性をさらに与えるべく、高温に曝露される表面上に金属又はセラミック皮膜のような高温保護皮膜が設けられることがしばしばある。当技術分野で広く報告されているこのような皮膜の具体例は、アルミニド、ＭＣｒＡｌＹ（ただし、ＭはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群の少なくとも１つの元素である）、各種金属のオーバーレイ皮膜、並びにセラミック熱保護皮膜であり、その一種に当技術分野で断熱皮膜(Thermal Barrier Coating) もしくはＴＢＣと呼ばれているものがある。本発明はかかる皮膜すべてに関するものであるが、その中でも特に重要なのはＴＢＣ皮膜である。
【０００３】
例えばガスタービン技術において使用されるようなＴＢＣ皮膜の典型例はイットリアで安定化されたジルコニアを主体としたものであり、例えば約８重量％のイットリアで安定化された約９２重量％のジルコニアである。ＴＢＣ皮膜の好ましい施工方法はプラズマ溶射によるものであり、その目的のために市販されている装置が使用できる。かかる皮膜はしばしば金属ボンディングコートと共に使われる。この一般的なタイプのＴＢＣ皮膜については、Ｓｔｅｃｕｒａ他の米国特許第４０５５７０５号（１９７７年１０月２５日特許）、Ｗｅａｔｈｅｒｌｙ他の米国特許第４０９５００３号（１９７８年６月１３日特許）、Ｓｉｅｍｅｒｓ他の米国特許第４３２８２８５号（１９８２年５月４日特許）、Ｍａｒｔｕｓ他の米国特許第５２１６８０８号（１９９３年６月８日特許）及びＧｕｐｔａ他の米国特許第５２３６７４５号（１９９３年８月１７日特許）にみられるように、かなりの期間にわたって報告されている。これらの米国特許の開示内容は文献の援用によって本明細書の内容の一部をなす。
【０００４】
上記で引用したＭａｒｔｕｓ他の米国特許には、流体冷却（この場合、空冷）ガスタービンエンジンタービンブレードの構成が示されている。かかるブレードは中空内部を有していて、壁を貫く冷却チャンネル又は孔などの冷却通路を通して外部壁面に連絡している。外表面の保護は、その発明の一つの形態では、ＴＢＣ皮膜である。冷却孔はエンジン作動中のブレードの適切もしくは望ましい冷却を提供するようなサイズで構築されるので、冷却孔通過流体の流れの減少が上記のような表面施工の結果として制約されるべきではない。したがって、Ｍａｒｔｕｓ他は、その発明の一つの形態において、すべての冷却孔から、孔を通過する流れをじゃまする余分な材料（例えばＴＢＣなど）を取り除くことを教示している。ＴＢＣ成膜後のレーザー穿孔加工(drilling)は、ＴＢＣとその基材(substrate) の境界でのき裂のために不都合を生じることがあることが判明した。Ｍａｒｔｕｓ他は流れの障害物を取り除く方法について記載しているが、そのような除去工程の必要性がなくなれば境界き裂の危険性が低下するとともに製造コストが低減し、生産効率が向上するであろう。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、その一つの形態において、壁面上に保護皮膜を含んだ流体冷却製品の製造方法において、皮膜の施工の結果として流体冷却通路を通る冷却流体の有害な閉塞が回避されるような形状の流体冷却通路を壁の中に作り出すための複数の段階を含んでなる方法を提供する。流体冷却通路は、第一の壁面における第一の開口部から第二の壁面における第二の開口部まで達し、第二壁面には少なくとも第二開口部に隣接して保護皮膜が含まれている。当該方法には、冷却通路を通る冷却流体の所望流量を確定すべく第一開口部についての第一断面積を選定する段階が含まれる。成膜方法及び皮膜厚さも選定されるが、該成膜方法は第二開口部における通路内部にある量の皮膜を部分的に付着させる。成膜に先立って、第一開口部が第一断面積を有していて第二開口部が第一断面積よりも大きい第二断面積を有していてその断面積の差が通路内部での皮膜の部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分よりも小さくならないように、換言すれば皮膜断面積の縮小分と少なくとも等しくなるように、流体冷却通路が創出される。かかる構成の創出の結果として、後段において第二開口部内に皮膜を部分的に付着しても通路を通過する流体の流れは第一開口部によって確定される流量未満に制限されることはなく、後段における第二開口部近傍での皮膜の除去処理が不要となる。
【０００６】
本発明は、別の形態では、冷却流体を通過させるために、各々壁の中を通って第一の壁面における第一の開口部から第二の壁面における第二の開口部まで達する複数の流体冷却通路で上記の構成をもつ通路を有している壁を含む流体冷却製品を提供する。第二壁面は、第二開口部の周囲及びその内部の一部に保護皮膜を含んでいる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
まず、図面について説明する。
図１は、壁の中に本発明にしたがって形成した冷却通路を含んでいて、しかも壁面及び通路内部の一部に保護皮膜を含んでいる流体冷却壁の部分断面図である。
【０００８】
図２は、図１と同様の壁の部分断面図であり、保護皮膜としてのＴＢＣのプラズマ溶射の方向と冷却通路内でのＴＢＣの部分的付着を示している。
図３も、図１と同様の壁の部分断面図であり、保護皮膜としてのＴＢＣの図２とは異なるプラズマ溶射の方向と冷却通路内でのＴＢＣの部分的付着を示している。
【０００９】
図４は、第二壁面における第二開口部について、符号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤで示す一連の形状の種類を示す概略断面図である。
図５は、図１と同様の流体冷却壁の別の形態を示す部分断面図である。
様々なサイズ及び形状の冷却通路及び孔がガスタービン技術（例えばガスタービンブレードやベーン及び燃焼器など）に用いられてきた。あるものでは、製造技術の結果として、部品内部から外表面に向かって、概して僅かにしかもいずれにせよ大概は未統制のままテーパ(taper) がつくことがある。しかし、本発明以前に、被覆面上でのこのような開口部の形状が調整入口開口部に対応して並びに成膜方法及び出口開口部内に部分的に付着した皮膜の量（冷却流体の流れを減少させるおそれのあるような量のもの）に対応して制御されたことはない。
【００１０】
ガスタービンエンジン部品において壁に開口部を設けるのに通例用いられる方法には、適当に形作られたモールド及びコアーを用いての鋳造、機械的穿孔又は機械加工、砥粒穿孔加工(abrasive grit drilling)、並びに放電加工や電解加工やレーザー加工による材料の除去が含まれる。これらの方法はすべて周知であり、文献に記載されている。これらの方法は、使用した装置及び方法のパラメーターに起因して各々ある程度独特な形状を与える。現在、タービン部品に関して特に関心が持たれているのは穿孔のために焦点を合わせたレーザーを用いて材料を除去することである。本発明を評価するに当たって、例えばＦｅ、Ｎｉ及びＣｏの少なくとも１種類の元素を主成分とする合金のような高温合金材料に穴をあけるのに市販のＮｄ：ＹＡＧ型レーザーを使用した。
【００１１】
図１の断面図は、ガスタービンエンジン燃焼器の合金壁１０を示す。その一つの形態はハステロイＸ(Hastelloy X) 合金として市販されている慣用のＮｉ基合金でできたものである。壁１０の中には流体冷却通路が通じており、第一の壁面１６における第一の開口部１４から第二の壁面２０における第二の開口部１８まで達している。第一開口部１４から第二開口部１８までの通路を通過する冷却流体の流れは開口部１４のサイズによって確定される。第二壁面２０の上に付着しているのは保護皮膜２２であり、その一部は、２２Ａとして示す通り、第二開口部１８を通る通路の内部に付着している。例えば、これはＴＢＣのようなセラミック皮膜のプラズマ溶射による付着によって起こり得る。本発明によれば、第一開口部１４の断面積は通路内を望ましい流量の冷却流体が流れるように選定され、具体的な皮膜の厚さ並びに開口部１８の通路１２内部にある量の皮膜が部分的に付着するような成膜方法も選定される。次いで、開口部１８の断面積について、調整開口部１４の断面積よりも大きく、その断面積の差が図１で２２Ａとして示す通り第二開口部１８近傍の通路１２内部の皮膜２２の部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分よりも小さくならないように、実地製造の観点からは該縮小分よりも大きくなるように、サイズが決められ創出される。
【００１２】
本発明の一つの形態の説明を簡単にするため、図１において、通路１２がレーザー穿孔加工で一般に生ずるような実質的に円形の断面のものであると仮定する。第一開口部１４の断面積は直径２４に基づき、第二開口部１８の成膜処理前の断面積は直径２６に基づく。第二開口部１８の通路１２内部に部分的に皮膜が付着するような方法で被覆を施した後は、第二開口部の直径は皮膜量２２Ａの分だけ縮小して直径２８となる。本発明及び図１によれば、この例における第二開口部１８の直径２６は第一開口部１４の直径よりも大きく、その直径の差は、図示の通り通路内の皮膜の付着に起因する第二開口部の直径の縮小分を表す直径２６と２８の差を下回らない。例えば、大体直径２４のサイズの直径で通路１２の予備形成体を穴あけするのにレーザー穿孔を用いる場合、第二開口部及び通路１２の最終形状は、通路に対する後続の制御されたパスにおいて穿孔用レーザーの焦点を広げることによって適度に大きな直径２６をもつように作り出すことができる。このようにして、第一開口部１４のサイズによって確定された冷却流体の量は後段の成膜処理によって減少することはなく、皮膜を取り除く必要はなくなる。さらに、流体の流れの方向に変化は起きない。実地には、壁そのものに実質的に円形断面の通路を穿孔して得られる表面の開口部は穿孔加工がその面に対してある角度をなしていれば円形とはならない。したがって、この単純化された説明を除き、本明細書中で本発明を実施するための寸法について円形断面というときは、通路内の断面について意味するものであって、必ずしも開口部における形状を意味するものではない。円形断面以外の開口部及び通路について、本発明は、通路１２を通過する流体の流れに関して、第一開口部１４が第一の断面積を有していて第二開口部１８が第一断面積よりも大きい第二断面積を有していて、その断面積の差は第二開口部１８における通路１２内部の皮膜の部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分よりも小さくない、と説明される。
【００１３】
通路１２内部での皮膜の付着は、皮膜をプラズマ溶射法で施工する場合に起こり得る。そうした皮膜の付着量は、少なくとも部分的に、壁１０に通路を作り出すときの方向及び付着の角度の関数である。図２及び図３の部分断面図は、第二壁面２０に対して異なる付着方向で付着した皮膜の大体の量を示す。ＴＢＣのプラズマ溶射を用いる場合、破線及び矢印３０で示す溶射角度が約３０°未満であると不十分な皮膜が得られることが判明した。したがって、ＴＢＣ皮膜で本発明を実施するときは、溶射角度を第二壁面２０に対して３０°より大きく約９０°以下に設定する。
【００１４】
図２は、皮膜の溶射をある角度で、当技術分野で一般に行われている通り面２０を横切るように往復させて行ったときに、第二開口部１８を通して通路１２内部に実質的に不均一に皮膜が付着することを示している。このような付着は通路の角度及び第二壁面２０への溶射角度の関数である。したがって、ある角度に設定された通路に対して溶射の角度を調節することにより、上述の通路１２内部への皮膜のオーバースプレーを制御することができる。図３は、通路１２及び溶射方向３０が共に第二壁面２０に対して実質的に垂直であるという特殊な配置を示したものである。この配置では、ＴＢＣの付着にプラズマ溶射を用いると通路内へのオーバースプレーに対して毛細管型の効果が起きて、オーバースプレーが通路に入り込むにしたがってオーバースプレーを冷却する傾向が次第に高まり、ある地点からは通路内壁への付着が全く起こらなくなることが判明した。本発明の評価実験から、これが一般に通路の長さの約４分の１のところで起こることが分かった。選定された第一開口部に対して、第二開口部のサイズ、成膜方法並びに皮膜厚さを決定するための一つの方法は、一連の合金試験片の壁に一連のサンプル通路１２を創出することである。次に、第二壁面及び第二開口部の通路内部に、皮膜をある所定の範囲内にて一連の様々な厚さに付着させる。本発明によれば、通路内における流体の流れの閉塞を避けるために、創出すべき第二開口部のサイズの範囲を選択するための基準として上記の各々について通路内部の皮膜量を測定する。
【００１５】
ガスタービンエンジン製品についてレーザーを用いて高温合金に穴を開け、ＴＢＣを付着させる場合、製品壁の低温側の面の穴（第一開口部１４で表される）は約０．０１〜０．０３インチの範囲内の直径を有していて、製品壁の保護皮膜を付着させる高温側の面の穴はそれよりも大きくかつ約０．０２〜０．０４インチの範囲内の直径を有しているのが好ましい。ガスタービンエンジン製品に対して例えば放電穿孔法などのその他の材料除去方法を用いる場合、約０．０１〜０．０４インチの範囲内の第一開口部及び約０．０２〜０．１インチの範囲内の第二開口部を用いることができる。約０．０１〜０．０３インチの範囲内の第一開口部を有する製品についての好ましい皮膜厚さは、流体の流れの有害な減少を回避すべく、約０．００５インチから約０．０１５インチ未満までの範囲内である。
【００１６】
本発明では、第二開口部１８を、開口部１４の断面積よりも大きい断面積をもち、その断面積の差がオーバースプレーによる通路１２内部での皮膜の部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分を下回らないように作られる。本発明の方法では、調整第一開口部によって確定される通路流量が維持されるようにするための、皮膜及びそのオーバースプレーの調節が、通路の角度、第二開口部の寸法の増分及び皮膜付着角度の関数として融通性をもって行える。
【００１７】
【実施例】
本発明の一つの評価実験では、市販のハステロイＸ合金でできた壁厚約０．０８０インチの清浄燃焼器壁を制御Ｎｄ：ＹＡＧレーザードリルを用いて穿孔して、壁に約０．０２インチの通路を複数設けた。次に、レーザーの焦点を拡大して片方の壁面（図の面２０に相当）で約０．０３インチの開口部（図の第二開口部１８に相当）を各々の通路に生じさせた。レーザー穿孔法は少量の改鋳(recast)そしておそらくは若干のバリ(burr)を生じる傾向がある。したがって、改鋳及びバリ及び表面汚染物を除去するため、約２０重量％アルミナ粉末水中スラリーでのブラスト法により通路及び開口部をバリ取りし、清浄化した。次に、広い方の開口部１８を含む面２０に、厚さ約０．００４〜０．００６インチのＮｉＣｒＡｌＹ合金の金属ボンディングコートを設けた。市販のプラズマ溶射ガンであるＭｅｔｃｏＰｌａｓｍａＧｕｎ７ＭＢを含んだ横行式プラズマ溶射装置を窒素及び水素雰囲気中約４５°の角度で用いて、約８重量％のイットリアで安定化された約９２重量％のジルコニアのＴＢＣで上記ボンディングコートを約０．００８〜０．０１０インチの厚さに被覆した。プラズマ溶射からのオーバースプレーで、図１に示す開口部１８を通る通路内にＴＢＣが付着した。本発明のこの実施例で、複数の冷却通路を含んでいてその片面に保護皮膜を有する壁をもつ製品が得られ、保護皮膜の付着は通路内部にも及んでいたが、それでも通路を通過する流体流量を被覆面の反対側の壁面上の通路開口部で確定される流量未満に減少させることはなかった。したがって、第二開口部を通る通路に付着したオーバースプレー皮膜を取り除く必要は全くなかった。しかし、上述の約０．０２インチの第一開口部と約０．０３インチの第二開口部の相対的寸法でＴＢＣ皮膜を約０．０１５インチにすると、通路を通過する流体の流れが減少した。したがって、本発明によれば、約０．０１５インチに近い厚さのＴＢＣを用いるには第二開口部のサイズをこの例でのサイズよりも広くする必要がある。
【００１８】
上述の通り、レーザー穿孔法を用いて通路１２を作りだしたとき、流体流量を確定する開口部１４の直径をもつ通路予備形成体が面２０に一回の制御パスで穴開けされた。次に、レーザーの焦点を広げて、面２０に対する二度目の制御パスで本発明による大きな開口部１８を作り出した。この操作の結果、図１〜図３に示すようなテーパのついた通路(tapered passage) が得られた。
【００１９】
ただし、本発明には、上述の相対的な開口部の寸法が維持される限り、このようなテーパ以外の形状の通路及び開口部も包含されると理解すべきである。図４のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ並びに図５に示す断面図は、他の形状の例を幾つか示したものである。図４のＡ及びＣでは、第二開口部１８は、面２０での皿座ぐり(countersinking)と同様の操作によって設けることができる。図４のＢ及びＤでは、第二開口部１８は、面２０を湾入(indent)させる操作によって設けることができる。上述の通り、通路１２の断面と開口部１４及び１８とは、本発明の関係が維持される限り、同じ形状のものである必要はなく、円形である必要もない。図５の部分断面図において、通路１２は第二開口部１８において不均一に形作られた壁をもつ。これは、本発明にしたがって、通路を通過する流体流量が減少することがないように、通路内部の皮膜量２２Ａの付着に適合させるための皿座ぐりの一形態である。
【００２０】
本発明を様々な実施形態、例及び組み合わせについて説明してきたが、本発明について、特許請求の範囲によって規定されるその技術的範囲を逸脱することなく、多種多様な修正、変形及び拡充が可能であることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷却通路及び保護皮膜を含んだ流体冷却壁の部分断面図
【図２】ＴＢＣのプラズマ溶射の方向及び冷却通路内のＴＢＣの部分的付着を示す部分断面図
【図３】ＴＢＣのプラズマ溶射の方向及び冷却通路内のＴＢＣの部分的付着を示す部分断面図
【図４】第二壁面における第二開口部について一連の形状の種類を示す概略断面図
【図５】別の形態の流体冷却壁を示す部分断面図
【符号の説明】
１０壁
１２流体冷却通路
１４第一開口部
１６第一壁面
１８第二開口部
２０第二壁面
２２保護皮膜

Claims

壁１０の中を通って第一の壁面１６における第一の開口部１４から第二の壁面２０における第二の開口部１８まで達する流体冷却通路１２を有する壁１０を含んでいて、上記第二壁面２０の上には保護皮膜２２が少なくとも第二開口部１８に隣接して含まれている、流体冷却製品の製造方法において、当該方法が下記の段階：
流体冷却通路１２を通る冷却流体の所望流量を確定するため第一開口部１４についての第一断面積２４を選定する段階、
第二壁面２０の上に保護皮膜２２を少なくとも第二開口部１８の周囲に付着させるための成膜方法であって、該成膜方法で第二開口部１８の通路１２内部にある量の皮膜２２Ａが部分的に付着する成膜方法を選定する段階、
上記成膜方法による第二壁面２０上の少なくとも第二開口部１８に隣接した皮膜２２についての皮膜厚さの範囲を選定する段階、
成膜に先立って、第一開口部１４が第一断面積２４を有していて第二開口部１８が第一断面積２４よりも大きい第二断面積２６を有していてその断面積の差が第二開口部１８における通路１２内部の皮膜２２Ａの部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分２６−２８よりも小さくならないように、壁１０の中に実質的に円形断面の流体冷却通路１２を創出する段階、及び
上記成膜方法によって第二壁面２２上に上記で選定した皮膜厚さの範囲内の皮膜２２を少なくとも第二開口部１８の周囲に付着させ、もって第二開口部１８の通路１２内部に付着した皮膜２２Ａと共に測定される第二開口部の第二断面積２８が第一開口部の第一断面積２４に少なくとも等しくなるようにする段階
を含んでなることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、前記第一開口部１４についての第一断面積２４を選定し、前記成膜方法を選定し、かつ前記皮膜厚さの範囲を選定した後、下記の段階：
一連の複数のサンプル通路１２を創出する段階、
第二壁面２０上に上記で選定した厚さの範囲内の一連の複数の皮膜厚さの皮膜２２を少なくとも第二開口部１８の周囲に付着させる段階、及び
第一開口部１４の第一断面積２４よりも大きな第二開口部の第二断面積２６を成膜に先立って創出するための基準として、第二開口部１８の通路１２内部に付着した皮膜量２２Ａを一連の厚さの各々について測定する段階、
を含んでなることを特徴とする方法。
通路１２内部の皮膜量２２Ａを第一開口部１４から第二開口部１８までの通路を通る流体の流れの減少によって測定することを特徴とする請求項２記載の方法。
前記流体冷却製品が、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択される元素を主成分とする高温合金からなる空冷ガスタービンエンジン製品であることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記熱保護皮膜２２が断熱皮膜であり、前記第一開口部１４について選定された直径２４が０．０１〜０．０４インチ（０．０２５４〜０．１０１６ｃｍ）の範囲内にあり、かつ前記第二開口部１８の第二直径２６が０．０２０〜０．１インチ（０．０５０８〜０．２５４ｃｍ）の範囲内にあることを特徴とする請求項４記載の方法。
前記通路１２がレーザーを使って壁１０の中に創出され、第一開口部１４について選定された直径２４が０．０１〜０．０３インチ（０．０２５４〜０．０７６２ｃｍ）の範囲内にあり、第二開口部１８について選定された直径２６が０．０２０〜０．０４０インチ（０．０５０８〜０．１０１６ｃｍ）の範囲内にあり、かつ第二壁面２０上の皮膜の選定された皮膜厚さの範囲が０．００５インチ（０．０１２７ｃｍ）から０．０１５インチ（０．０３８１ｃｍ）未満までであることを特徴とする請求項５記載の方法。