JP4721634B2 - 物品の穴の内面にタービュレーションを形成する方法及び関連する物品 - Google Patents

Description

広い意味では、本発明は、高温部品における冷却効率を向上させる方法に関する。より特定の実施例のいくつかにおいては、本発明は、タービンエンジン部品内部の冷却穴の内面に粗面を形成することを指向している。

現在、タービンエンジン部品の温度を臨界レベル以下に維持するためにいくつかの技法が利用可能である。一例として、エンジン圧縮機からの冷却剤としての空気が１つ以上の部品面に沿って部品を通過するように誘導される場合が多い。更に、冷却空気の導管として機能するように、タービンブレードを貫通する相対的に長い半径方向の冷却穴があけられることも多い。

多くの場合、半径方向冷却穴はShaped Tube Electrolytic Machining（成形管電解加工）、略して「ＳＴＥＭ穴あけ」として知られるプロセスにより形成される。ＳＴＥＭプロセスは、奥行きと直径の比が大きい小さな穴をあけるのに特に有用な電気化学加工技法である。このプロセスの非常に重要な利点は、冷却穴の内面に粗さを与えるために使用できるということである。この粗面は穴を介する熱伝達を大幅に向上させる。ＳＴＥＭ穴あけは特許文献１及び特許文献２などの様々な引例で述べられている。

簡単に言えば、ＳＴＥＭシステムは、多くの場合、負に帯電された１つ以上のチタン管と、酸電解質と、正に帯電された基板又は半加工品とを利用する。電解質は基板中に汲み上げられて、冷却穴の予め選択された経路にある金属を溶解する。穴の内部に粗面を形成するために、穴の深さが増して行くにつれて電解質の注入は間欠的に停止される。この間欠動作の結果、冷却穴の長さに沿って複数の突出部分が形成される。それらの突出部分は熱伝達を向上させるのに必要とされる粗さと表面積を与える。

ＳＴＥＭ穴あけは多くの場合に有用な技法であるが、いくつかの欠点もある。例えば、このプロセスは非常に遅い。従って、著しく多くの穴をあけなければならない場合には、相当に長い時間が必要になり、その結果、処理費用が高くなる。また、必要とされる機器も極めて高価である。更に、ＳＴＥＭ穴あけはエッチングによる砕片を生じさせ、これを適正に取り除かないと、穴の熱伝達効率が低下する可能性がある。その上、ＳＴＥＭ穴あけは場合によっては通し穴の面に一致性のない粗面パターンを形成する場合があり、これも熱伝達効率に悪影響を及ぼす可能性がある。
米国特許第５，９２７，９４６号 米国特許第５，８２０，７４４号

従って、当該技術においては、物品の通し穴の面にタービュレーションを与えるための新たな方法が歓迎されるであろう。この方法はタービュレーションを穴の壁の選択されたどの領域にも固着することが可能でなければならない。更に、方法は所望のタービュレーションの形状、大きさ及びパターン、並びにその組成を変更することを可能にしなければならない。また、方法は物品と関連して使用されるその他のプロセスと両立すべきであり、製造に過剰な費用を追加してはならない。

本発明の一実施例は、少なくとも１つの通し穴の内面にタービュレーションを与える方法を要求する。通し穴は多様な異なる物品に配置されることが可能である。１つの重要な例は、タービンエンジン部品の一部に設けられる冷却穴のパターン、例えば、タービンブレードを貫通する半径方向冷却穴である。（ここで使用される用語「穴」は、刻み目及び中空領域を含めて、物品にある多種多様な内部領域又は空洞を含むものとする）。タービンエンジン部品は通常はニッケル系又はコバルト系スーパーアロイ材料から形成されている。

まず最初に、最終的に通し穴に挿入することができる基板にタービュレーション材料が塗布される。多くの実施例において、基板又は「マンドレル」は、以下に説明するように、犠牲材料から形成されたバー又はロッドである。（バーは中実、中空のいずれであっても良く、中空の場合、「管」と呼ばれることもある）。ニッケル系又はコバルト系合金である場合が多いタービュレーション材料は様々な形態で基板に塗布できる。例えば、粉末として自由に塗布することが可能であるし、スラリ、金属箔又はテープ（例えば、生ろうテープ）の一部として塗布することも可能である。

基板にタービュレーション材料が塗布された後、基板を通し穴に挿入することができる。基板は、タービュレーション材料を穴の内面の選択された領域に隣接して位置決めするのに十分な程度まで挿入される。次に、タービュレーション材料は以下に説明するいくつかの加熱技法を使用して内面に融合される。その後、様々な技法により犠牲基板を穴から取り除くことができる。

タービュレーション材料を基板に塗布するための他の方法も本発明の一部を構成している。例えば、基板の表面に、通し穴の所望のタービュレーションに対応する寸法を有する複数の刻み目を設けることができる。刻み目は接着剤−タービュレーション材料組成物で充填され、その後、基板は通し穴に挿入される。融合工程及び基板の除去の後、タービュレーション材料は接着剤を介して穴の面に付着されたまま残る。

別の代替例として、相対的に細い基板（通常はバー又はロッド）を複数のリングの支持体として使用することもできる。リングはバーを取り囲み、それぞれ、接着剤−タービュレーション材料組成物から形成されている。基板の長さに沿って、犠牲材料から成るリングを接着剤−タービュレーション材料リングと交互に配列することができる。基板−リングアセンブリを通し穴に挿入した後、基板を抜き取り、タービュレーション材料を含むリングを穴の壁に融合させることができる。以下に説明するように、犠牲リングを通し穴から取り除くことができる。

別の代替例として、基板自体が接着剤から形成された金属箔であっても良い。タービュレーション材料を箔に塗布し、箔を通し穴に十分に嵌合する大きさに切り取ることができる。その後、タービュレーション材料が内面に配置されている状態で箔を管の形に巻き上げることができる。次に、その管を通し穴に挿入し、穴に融合させると、タービュレーション材料は穴の壁に接合される。

更に別の実施例は、
（Ｉ）内面を含む少なくとも１つの通し穴を含む基板と、
（ＩＩ）通し穴の内面の少なくとも一部に接着剤により接着されたタービュレーション材料とを具備する物品を指向している。ここで説明するように、部品は、タービュレーションを含む多数の半径方向冷却穴を含むタービンエンジン部品である場合が多い。

本発明の様々な特徴に関する更に詳細な説明は本明細書の以下の部分で見られる。

本明細書で説明される通し穴は何らかの金属材料又は合金の内部に形成されることが可能である。通常（必ずではない）、金属材料は、１０００℃を超えるような高温環境に合わせて設計された耐熱合金である。本明細書の定義によれば、「金属系」という用語は、主に金属又は合金から形成されているが、多少の非金属材料を更に含有していても良い材料を表す。

耐熱合金の中には、コバルト系合金、ニッケル系合金及び鉄系合金を含む「スーパーアロイ」がいくつかある。一実施例では、スーパーアロイは、重量の上でニッケル又はコバルトが単一の最大の元素であるような材料である。ニッケル系合金は、例えば、少なくとも約４０ｗｔ％のＮｉと、コバルト、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン及び鉄より成る群から選択された少なくとも１つの成分とを含む。コバルト系合金は、例えば、少なくとも約３０ｗｔ％のＣｏと、ニッケル、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン及び鉄より成る群から選択された少なくとも１つの成分とを含む。通し穴が配置される物品の種類は多種多様であるが、燃焼器ライナ、燃焼器ドーム、バケット又はブレード、ノズル又はベーンなどのタービンエンジン部品の形態をとっている場合が多い。

タービュレーションは、通し穴の面に融合されたときに、表面を越えるまで延出する複数の突出部分を形成するどのような材料からも形成されることが可能である。この複数の突出部分は粗面として現れる。多くの場合、タービュレーション材料は通し穴の面に接着される個別の粒子から成る微粒子相から構成されている。個別の粒子から成る微粒子相は以下に更に詳細に説明する粗い粉末から形成されていても良い。タービュレーション材料の概要は、本明細書にも参考として取り入れられている特開２００１−１２２０７号公報にも記載されている。

タービュレーション材料は、通し穴が配置されている物品の材料と同様の材料から形成されている場合が多い。通常、タービュレーション粉末はニッケル、コバルト、アルミニウム、クロム、珪素、鉄及び銅よりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。粉末は熱障壁被覆膜（ＴＢＣ）系のスーパーアロイ接着被覆組成物から形成されていることが可能である。一例として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ及びその組み合わせより成る群から選択された元素をＭとし、Ｙ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ及びその組み合わせより成る群から選択された元素をＸとするとき、粉末は化学式ＭＣｒＡｌ（Ｘ）のスーパーアロイ組成物であっても良い。ＭＣｒＡｌ（Ｘ）材料は、一般に、約１７．０〜２３．０％のクロムと、約４．５〜１２．５％のアルミニウムと、約０．１〜１．２％のイットリウムという組成範囲を有し、残部であるＭを含む。実施例によっては、タービュレーション粉末粒子は約１２５μｍから約４０００μｍの範囲内の平均粒径を有する。いくつかの好ましい実施例においては、平均粒径は約１８０μｍから約６００μｍの範囲内にある。

本発明においては、タービュレーション材料は既存の通し穴に塗布される。多くの場合、それらの通し穴は当初は滑らかな面を有する。（しかし、既に粗面であるか又は一部が粗面であるような穴にタービュレーション材料を塗布するためにこのプロセスを使用することも可能である）。通し穴を形成する技法は当該技術では良く知られている。例えば、鋳造により数多くの種類の物品に穴を形成することができる。更に、滑らかな穿孔を含む穴を準備するためにＳＴＥＭ技法を使用できる。すなわち、プロセスを「連続」モードで実行することにより、ＳＴＥＭ技法を使用できる。ある種の物品に対しては、例えば、レーザー穴あけ、放電加工（ＥＤＭ）及びガンバレル穴ぐりなどの他の種類の穴あけ技法により穴を形成することが可能である。穴は約１インチ（２．５ｃｍ）から約２５インチ（６３．５ｃｍ）の長さである場合が多い。更に、穴の長さと直径の比は約２０：１から約１００：１の範囲である場合が多い。

先に述べた通り、まず、タービュレーション材料は基板、例えば、マンドレル又は他の種類の除去自在の支持体に塗布される。数多くの異なる種類の基板をこの目的のために使用できるであろう。通し穴に挿入することが可能であれば、基板の大きさと形状はかなり多種多様であって良い。また、基板はその表面にタービュレーションを保持し、その後、続く加熱工程でタービュレーションを「解放」する、すなわち、通し穴の面に転写することが可能でなければならない。

一実施例では、図１に示すように、基板はバー１０である。バーは、通し穴の所望の長さに対応するタービュレーション１２を含むのに十分な長さを有する。バーの形状は穴の形状によって決まる。通常、バーは図１に示すようにほぼ円筒形である。

好ましい実施例のうちのいくつかにおいては、バーは犠牲材料から形成されている。言い換えれば、タービュレーションが通し穴の面に融合された後、犠牲材料を穴から取り除くことができるということになる。多様な犠牲材料を使用できる。多くは、本明細書に参考として取り入れられている出願係属中の特願２００３−１２７６５０号に記載されている。当業者であれば、選択された物品及び接着剤（後述する）の種類に対して最も適する材料を判定することができる。犠牲材料は、過度の労力なしに穴から取り除かれることが可能でなければならない。除去の条件（例えば、温度条件）は穴又はその周囲領域に悪影響を及ぼすべきでない。

犠牲材料の例には金属酸化物、金属塩、金属ハロゲン化物、金属ホウ酸塩、金属硫酸塩、金属アルミン酸塩及びその組み合わせがあるが、これらには限定されない。特定の例のいくつかは塩化ナトリウム、ホウ酸カリウム、塩化ニッケル、硫酸マグネシウム、フッカニッケル、アルミン酸ナトリウム及びアルミン酸ナトリウムとアルミノ珪酸ナトリウムの混合物である。ペーストの形態で使用される場合、これらの化合物の多くは結合剤及び／又は溶剤と組み合わされている。結合剤の例には水性ゲル、例えば、Vitta Gel（登録商標）及びポリエチレンオキシドがある。溶剤ベース結合剤系はポリビニルブチラルをベースとする結合剤である。どの特定の溶剤を選択するかは、使用される結合剤の種類によって決まる。典型的な例は水、アルコール、アセトン、水酸化ナトリウム溶液及び水酸化カリウム溶液を含む。当業者は円筒形バーなどの様々な形状の基板としてこれらの材料を形成する技法を熟知している。

いくつかの好ましい実施例においては、基板を形成するために炭素系材料が使用される。その例はグラファイト、並びにグラファイトを含有する混合物を含む。グラファイト系基板は容易に所望の形状に成形できる。更に、グラファイトは必要に応じて、例えば、燃焼技法により通し穴から容易に除去できる。

タービュレーション材料をバー１０に塗布する方法は多数ある。それらの多くの概要は先に引用した特許出願の中で説明されている。ある例では、タービュレーション材料の粒子をバーに自由に塗布又は「散布」することができる。通常は、タービュレーション粒子を一時的に接着させるために、まず、何らかの種類の結合剤によって（例えば、噴霧又は浸漬により）バーを被覆するであろう。結合剤は、通常、水又は有機溶剤などの液体媒体をベースとしている。従来の結合剤はポリエチレンオキシド及び様々なアクリルなどの有機材料を含むであろう。（溶剤をベースとする結合剤も使用できる）。

タービュレーション材料がバーに塗布された後、材料の上に接着剤を塗布することができる。多くの好ましい実施例では、接着剤はろう材料である。そのような材料は当該技術において良く知られており、多くの場合、ニッケル、コバルト、鉄、貴金属及びそれらの金属のうちの少なくとも１つを含む混合物より成る群から選択された少なくとも１つの金属を含む。いくつかのろう組成物は「Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology」第三版、第２１巻の３４２ページ以降に記載されている。合金ろうの組成は穴が配置されている物品の組成に類似しているのが好ましい。例えば、物品がニッケル系スーパーアロイから形成されている場合、合金ろうを同様のニッケル系スーパーアロイ組成物（通常、少なくとも約４０ｗｔ％のニッケルを含有する）から形成することができる。合金ろう組成物は、融点抑制剤として作用する珪素及び/又はホウ素を更に含有していても良い。

以下にニッケル系合金ろうの組成の例を示す。成分は重量パーセント（ｗｔ％）で指示されている。
１）４．５Ｓｉ、１４．５Ｃｒ、３．３Ｂ及び４．５Ｆｅ、残部Ｎｉ；
１）１５Ｃｒ、３．５Ｂ、残部Ｎｉ；
２）４．５Ｓｉ、３Ｂ、残部Ｎｉ；
３）４．２Ｓｉ、７Ｃｒ、３Ｂ及び３Ｆｅ、残部Ｎｉ；
４）１０Ｓｉ、１９Ｃｒ、残部Ｎｉ；
５）３．５Ｓｉ、２２Ｃｏ、２．８Ｂ、残部Ｎｉ；
６）３．５Ｓｉ、１．８Ｂ、残部Ｎｉ；
７）４．５Ｓｉ、１４Ｃｒ、３Ｂ及び４．５Ｆｅ、残部Ｎｉ；
８）１７Ｃｒ、９Ｓｉ、０．１Ｂ、残部Ｎｉ；
９）２．６Ｓｉ、２Ｃｒ、２Ｂ及び１Ｆｅ、残部Ｎｉ；
１０）１５Ｃｒ、８Ｓｉ、残部Ｎｉ；
１１）１０．１Ｓｉ、１９．０Ｃｒ、残部Ｎｉ；
１２）４．５Ｆｅ、４．５Ｓｉ、１４．０Ｃｒ、３．１Ｂ、０．７５Ｃ、残部Ｎｉ；
１３）４．５Ｆｅ、４．５Ｓｉ、１４．０Ｃｒ、３．１Ｂ、残部Ｎｉ；
１４）４．５Ｓｉ、３．１Ｂ、残部Ｎｉ；
１５）１１．０Ｐ、残部Ｎｉ；
１６）１０．１Ｐ、１４．０Ｃｒ、残部Ｎｉ；及び
１７）１９Ｃｒ、７．３Ｓｉ、１．５Ｂ、残部Ｎｉ

本発明のいくつかの好ましいニッケル系合金ろうは珪素、クロム、ホウ素及び鉄のうちの少なくとも１つと、残部であるニッケルとを含む。珪素は場合によってはホウ素より好ましい。場合によっては、珪素とホウ素の混合物が採用される。１つの特定の、限定的な意味を持たない例として、それらの組成物の１つは約５ｗｔ％から約１５ｗｔ％の珪素又はホウ素と、約１５ｗｔ％から約２５ｗｔ％のクロムと、残部であるニッケルとを含む。

コバルト系合金ろう組成物の例を次に挙げる。
１）８Ｓｉ、１９Ｃｒ、１７Ｎｉ、４Ｗ、０．８Ｂ、残部Ｃｏ；及び
２）１７．０Ｎｉ、１．０Ｆｅ、８．０Ｓｉ、１９．０Ｃｒ、０．８Ｂ、０．４Ｃ、残部Ｃｏ

他の種類の合金ろうも同様に使用できるであろう。限定的な意味を持たない例としては、銅、マンガン、ニッケル、クロム、珪素及びホウ素などの他の金属と組み合わされた銀、金及び/又はパラジウムを含有する貴金属組成物がある。合金ろうの元素のうちの少なくとも１つを含む混合物も可能である。金属ろう組成物の多くはPraxair Surface Technologies, Inc.より入手可能である。

ろう材料を一例とする接着剤は接着シート又は接着層の形態でタービュレーションに張り付けられることが可能である。一例として、接着シートは、バーに巻き付けられる生ろうテープの形態であっても良い。生ろうテープは市販されている。その例は、Sulzer Metcoより入手可能であるAmdryシリーズのろうテープである。その一例のグレードはAmdory（登録商標）１００である。あるいは、先に引用した特開２００１−１２２０７号公報に記載されているような従来の技法によりテープを製造することも可能である。（あるいは、接着シートは金属箔の形態であっても良い）。

図２は、接着剤を塗布した後の図１の円筒形バー（基板）の横断面（端面）図である。バー１０はタービュレーション材料の層１２を含み、タービュレーション材料の層はろうの層１４により被覆されている。この時点で、手作業により又は機械を使用してバーを通し穴に挿入することができる。（一例として、多数のバーをそれぞれ異なる通し穴に挿入するためにロボットシステムを使用できる）。バーは通し穴の内面の選択された領域に隣接してタービュレーション材料１２を位置決めするために必要な程度まで挿入される。

バーが通し穴の中の所望の場所に位置決めされた後、熱処理が実行される。熱処理により、タービュレーション材料は穴の内面に融合する。採用される特定の熱処理は様々であり、１つには使用されている接着剤の種類によって決まる。（通常、適切な融合を実現するために、熱処理は接着剤、タービュレーション材料及びその下に位置する通し穴の金属に熱を加えなければならない）。ろう型接着剤の場合、特開２００１−１２２０７号公報に記載されているような従来のろう付け操作を使用できる。（ここで使用される用語「ろう付け」は、概して、充填金属又は合金の使用を含むあらゆる金属接合方法を含むことが意図されている）。

ろう付け温度は１つには使用される合金ろうの種類によって決まり、通常は約５２５℃から約１６５０℃の範囲である。ニッケル系合金ろうの場合、ろう付け温度は通常は約８００℃から約１２６０℃の範囲である。可能であれば、ろう付けは真空炉内部で実行されることが多い。真空の量は１つには合金ろうの組成によって決まる。通常、真空は約１０^-1ｔｏｒｒから約１０^-8ｔｏｒｒの範囲であり、これは真空チャンバから周囲空気を所望のレベルまで真空排気することにより実現される。当業者は通し穴内部でタービュレーション材料を融合させるのに適する他の加熱技法を熟知しているであろう。

加熱工程は接着剤（例えば、ろう材料）を通し穴の内面に融合する。接着剤が冷却されると、穴の壁に対する金属接合を形成する。タービュレーション材料は接着層、例えば、凝固したろう基質材料の中に機械的に保持される。これによりタービュレーションは通路の中へ突出して、例えば、熱伝達を向上させるという機能を実行する。

接着剤が通し穴の面に融合された後、基板（例えば、マンドレル）を穴から取り除くことができる。場合によっては、基板は単純に元の状態のままで穴から引き抜かれる。しかし、好ましい実施例においては、基板はそれを分解する何らかの種類の技法により取り除かれる（すなわち、犠牲基板）。特定のどの技法を採用するかは１つには基板の組成によって決まる。技法は、通し穴又は通し穴が含まれている物品に悪影響を及ぼさない方法でなければならない。（一例として、強い酸は多くの種類の基板を除去できるが、周囲の金属部品をも損傷してしまうであろう）。

水溶性基板材料の場合、それを除去する技法として水洗いを使用しても良い。他の種類の材料に対しては化学浸出又は真空吸出しを使用しても良いであろう。水、アルコール、アセトン又はアルカリ金属水酸化物などの溶剤によるエッチングも採用できるであろう。場合によって適切であるもう１つの技法は超音波処理による除去である。

基板材料が有機物質（例えば、グラファイト）又は一部有機である場合には、燃焼を採用できるであろう。例えば、基板材料を揮発させるか又は完全に燃焼させるのに十分な高温まで物品自体を加熱することが可能であろう。その後、空気噴射を単独で実行するか、又は先に挙げた他の技法のうちの１つと組み合わせて実行することにより、残留砕片を除去できるであろう。

本発明の別の実施例では、まず、タービュレーション材料は、接着剤をも含有するスラリの形態で基板（例えば、マンドレル）に塗布される。一例として、液体媒体、合金ろう粉末及びタービュレーション粉末を含むスラリ組成物を単純な混合技法により調製できる。（スラリは任意に結合剤を含有していても良く、液体媒体はその結合剤の溶剤として機能する）。液体媒体は、先に説明したように、水又は有機成分、あるいはその混合物であれば良い。

スラリを様々な技法により付着させることができる。例えば、スラリを基板に直接に噴霧、塗布又はテープ鋳造することができる。その後、スラリを乾燥させることにより、全ての揮発性材料を蒸発させることができる。あるいは、揮発性物質の除去を加速するために、従来の加熱工程を実行できる。そこで、タービュレーション材料と接着剤を含む基板を先に説明したように通し穴へ挿入することができる。

もう１つの代替例として、図３及び図４に示すように、基板の表面に複数の刻み目から成るパターンを形成することができる。基板３２（例えば、円筒形バー）の各々の刻み目３０は、通し穴の内面の対応する所望のタービュレーション形成領域の寸法に相当する寸法を有する。刻み目をパターン規定し、形成する方法は当該技術では良く知られている。例えば、この目的のために機械加工技法（多くの場合、コンピュータの制御を受ける）を使用できる。

形成後、図５に示すように、刻み目３０は接着剤及びタービュレーション材料から成る組成物によって充填される。それらの成分は、それぞれ、先に説明した通りである。通常、結合剤も入っている。（しかし、金属粉末技術に精通しているものであれば、タービュレーション粒子及び接着剤粒子を互いに適切に接着した状態に保持するための他の技法を承知している）。接着剤は通常はろう材料であり、粘度を調整するために追加の溶剤を添加しても良い。通常、組成物はペースト状の粘度を有する。その組成物を都合の良い何らかの技法、例えば、こて塗り又は注入などにより刻み目に付着させることができる。任意の追加工程として、組成物３４で充填された刻み目を被覆するように、接着剤の層をバーの周囲に巻き付けることができる。先に説明したように、巻き付けに使用される接着剤は生ろうテープである場合が多い。

その後、図６に示すように、基板は通し穴３６に挿入される。基板が所望の場所に位置決めされた後、タービュレーション材料を接着剤によって穴の壁に融合させるために熱処理が実行される。多くの場合、接着剤はろうであり、ろう付け技法は先に説明した通りである。

融合工程の後、先に説明した技法の１つにより基板３２を取り除くことができる。基板材料が可燃性であれば、燃焼を含む除去技法が場合によっては好ましい。例えば、融合に使用された真空ろう付け工程に続いて、グラファイト型基板材料を酸化し、それにより除去するように、空気加熱工程を実行できる。（周囲の通し穴の壁を損傷する可能性のある温度を回避するように注意を払うべきである）。基板の除去後、図７の横断面図に示すように、穴３６の内壁４０には残留タービュレーション３８が残る。（この横断面図においてタービュレーションの縁部を規定する製図線は簡明にするために省略されている）。

本発明の別の実施例では、タービュレーション材料を接着剤と組み合わせて材料のリング又は「座金」を形成することができる。（通常、結合剤も含まれる）。図８及び図９のタービュレーション材料−接着剤リング５０の特定の形状は、タービュレーションの所望の形状によって決まる。例えば、円形ではなく、様々な矩形の形状を使用することは可能であろう。あるいは、冷却剤流れモデルに応じて、多様な不規則形状も使用できるであろう。（更に、タービュレーション材料／接着剤から成る個々のリングが異なる形状を有することも可能であろう）。リングは、成形などの何らかの都合の良い技法により形成できる。

その後、リング５０は除去自在の基板５２（例えば、図１０及び図１１に示す円筒形支持バー）に嵌め込まれ、タービュレーションの所望の場所に従って位置決めされる。リングは、通し穴の壁に融合される前に、様々な技法により基板上の適正な場所に一時的に保持されることが可能である。一例として、接着剤材料の中の結合剤を一部溶解させ、可塑化する溶剤にリング材料をさらすことが可能であろう。このように溶剤にさらすことによって、構造は基板表面に従い、それに接着するようになるであろう。

この実施例の利点は、先の実施例と比較して基板５２の厚さ又は直径を著しく減少できることである。その結果、基板を前もって除去できるため、タービュレーション材料が穴の壁に融合された後に除去されなければならない基板の体積も減少する。これは状況によっては重大な処理の特性となりうる。

場合によっては、犠牲材料から形成されたリング又は座金を基板に嵌め込むことも可能である。例えば、図１２及び図１３に示す犠牲リング５４をタービュレーション材料−接着剤リング５０の嵌め込みと交互にバー５２（図１０）の長さに沿って嵌め込むことができる。犠牲リングは、図１４に示すように、個々のタービュレーション材料−接着剤リングを所望の通りに分離することができる。通常、犠牲リング５４は基板の材料と同様の種類の材料、例えば、酸化物又はグラファイトから形成されている。従って、タービュレーション材料が穴の壁に融合された後、犠牲リングを（基板と共に）容易に除去できる。犠牲リングの大きさは主に隣接するタービュレーション材料−接着剤リング５０の所望の位置によって決まる。（先に説明した実施例の場合のように、別の接着剤の層、例えば、生ろうテープをリング５０及び５４を被覆するようにバーの周囲に任意に巻き付けることが可能である）。

図１４及び図１５は、タービュレーション材料−接着剤リング５０及び犠牲リング５４を含むマンドレル／基板６０を示す。（この図では２種類のリングが交互に配列されているが、リングを任意のパターンで配列することが可能であろう）。組み立て完了後、マンドレルを先に説明したように通し穴に挿入することができる。挿入後、基板、すなわち、内側支持バー５２を抜き取り、リング５０及び５４を穴内部の適正な位置に残すことができる。図１６及び図１７は、支持バー５２を取り除いた後のリングアセンブリ自体を示す。融合のために熱を加える前に、様々な技法によりリングを穴内部の所定の場所に一時的に保持しておくことができる。例えば、リングに含まれる結合剤を一部溶解させ、可塑化する溶剤を穴内部に噴霧して、リングを穴の壁に付着させることが可能である。

内側支持バー５２を取り除くことにより、融合工程の後で燃焼させるか又はその他の方法により除去しなければならない材料の量は著しく減少する。その後、タービュレーション材料を通し穴の壁に融合するために従来通りの加熱工程（例えば、ろう付け）を実行できる。次に、先に説明した技法のうちの１つ以上、例えば、エッチング、化学浸出又は燃焼により犠牲リング５４を除去できる。（また、タービュレーション材料の融合中、内側支持バー５２は通し穴にとどまっていても良く、融合後、例えば、犠牲リングを除去するために使用される技法によりバーを除去できることにも注意すべきである）。

本発明の別の実施例においては、基板は、接着剤、例えば、ろうから形成された金属箔であっても良い。箔は、タービュレーションが望まれる通し穴の内面の一部を十分に覆う表面積を有する。そのような箔を製造するために、様々な技法を使用できる。その多くは先に引用した２つの特開２００１−１２２０７号公報及び特願２００３−１２７６５０号で教示されている。一例として、金属粉末材料と結合剤の混合物が取り外し自在の支持シートにテープ鋳造される。金属粉末は通常は通し穴が配置されている物品を形成している材料に類似しているが、必ずしもそうではない。テープ鋳造の後、支持シートを取り除き、残った生シートを、例えば、真空熱処理を使用することにより「事前成形」箔として焼結する。

金属箔を調製するための別の例として、まず、金属粉末材料を薄い金属の層として支持シート上に付着させることができる。通常、真空プラズマ付着、ＨＶＯＦ（高速オキシ燃料）又は空気プラズマ（ＡＰ）噴霧などの様々な熱噴霧技法が付着のために使用される。その後、支持シートが取り除かれて、所望の金属箔が残る。もう１つの代替例として、特開２００１−１２２０７号公報に記載されているように、箔を製造するためにアモルファス金属リボン技法を使用できるであろう。

その後、粉末形態のタービュレーション材料を箔の第１の面に塗布することができる。（タービュレーション材料が所定の場所にとどまるように、まず、箔の表面が接着剤で被覆される場合もある）。更に、先に引用した特許出願に記載されているように、タービュレーションを箔表面上でパターン規定することも可能である。箔は、通し穴の内面の所望の一部分を覆うのに十分な寸法に切り取られる。

次に、基板、例えば、円筒形の管を形成するために箔を巻くことができる。図１８は、第１の面８２（内面）及び第２の面８４（外面）を含むそのような管又はロッド８０を示す。管８０の切り取り部分に示されるタービュレーション８６は内面８２に配置されている。管は選択された通し穴の内側に嵌合するのに十分な小さい直径となるように巻き上げられる。

その後、箔管８０を通し穴に挿入することができる。管が通し穴に入ったならば、金属箔のばねのような性質によって箔は膨張し、穴の内面に接触するはずである。箔の内面８２のタービュレーション８６は通し穴の中へ突出し、箔の外面８４は穴の壁に最も近接している。融合工程に先だって、様々な技法により箔を所定の場所に一時的に保持することができる。その技法の例としてはスポット溶接、仮付け溶接、接着剤の使用などがある。次に、先に説明したように、箔と周囲の領域をタービュレーション材料を穴の壁に融合するのに十分な温度まで加熱することができる。

図１９は、スーパーアロイ管１００の一部の写真である。タービュレーション材料１０２はろう付け剤を使用して管の内面１０４と外面１０６に既に塗布されている。（本発明は管の内面に塗布されるタービュレーション材料に特に関連している）。タービュレーション材料の保全性、例えば、管面へのタービュレーション材料の接着は、従来の技法により形成又は塗布されたタービュレーション材料の保全性と等しい。

本発明の更に別の実施例は、少なくとも１つの通し穴を有する基板を含む物品を指向している。先に説明した通り、物品は数多くの異なる種類の部品の形態をとることができる。多くの場合、物品はタービンブレードのようなタービンエンジン部品であり、いくつかの半径方向冷却穴（例えば、約５個から約５０個の穴）を含んでいても良い。物品は、通し穴の内面の少なくとも一部に接着されたタービュレーション材料、例えば、合金を更に含む。タービュレーション材料は内面を越えるまで、すなわち、穴の通路内へ延出し、通常は複数の突出部分を形成している。それらの突出部分は予め選択されたパターンを描いて配置されることが可能であり、その大きさ及び形状を希望に応じて調整することができる。先に述べたように、突出部分は、通し穴が冷却穴として機能しているときに熱伝達を向上させるために使用される場合が多い。図２０は、タービュレーション１２２を含むろう付けシート１２０の一部を示す。先に述べたように、タービュレーション材料は凝固したろう基質材料の中に機械的に保持されている。

以下の実施例は単なる例であり、特許請求されている発明の範囲をどのような意味でも限定すると解釈されてはならない。全ての部は特に指示のない限り重量パーセント（ｗｔ％）で示される。

実施例
いくつかのステンレス鋼管の内面にタービュレーション材料を塗布した。いずれの場合にも、市販のテープ鋳造生ろうテープであるAmdry（登録商標）１００（組成：１０ｗｔ％の珪素、１９ｗｔ％のクロム、残部ニッケル）を採用した。テープは約７５〜１２５μｍの厚さを有し、非常に薄い有機接着剤で被覆されていた。タービュレーション材料として、６８ｗｔ％のＮｉ、２２ｗｔ％のＣｒ、９ｗｔ％のＡｌ及び１ｗｔ％のＹというおおよその組成を有する粗いＮｉＣｒＡｌＹ接着被覆粉末を採用した。粉末の平均粒径（直径）は５０〜８０メッシュ、すなわち、１８０〜３００μｍであり、ろうテープの表面に手作業で塗布された。試料の一部については、タービュレーション粉末をテープ面にあるパターンに従って塗布した。

各々のテープを管（内径０．２５ｉｎ/０．６４ｃｍ）の１つに挿入した。次に、約２１５０°Ｆ（１１７７℃）、１０^-5ｔｏｒｒに維持された真空炉内に約３０分間にわたり管を配置することにより、テープを管内部にろう付けした。ろう付けはタービュレーション材料を管の内面に堅固に融合するように作用した。

タービュレーションは管の内面に粗い組織を与えた。Ｒ_a値は約２．７ｍｉｌｓ（６８．６μｍ）であり、Ｒ_z値は約１３．５ｍｉｌｓ（３４３μｍ）であった。この粗面プロファイルは管を介する熱伝達を向上させる働きをする。

本発明の好ましい実施例を説明したが、当業者には本発明の趣旨から逸脱せずにこれに代わる実施例が明白になるであろう。従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきであることが理解される。

先に挙げた特許、物品及びテキストの全ては本明細書に参考として取り入れられている。特許請求の範囲に示されている図中符号は本発明の範囲を狭めるのではなく、本発明の理解を容易にすることを意図されている。

タービュレーションが適用された円筒形金属マンドレルの図。 接着剤が塗布された後の図１の円筒形マンドレルの横断面図（端面図）。 刻み目を付けられた円筒形マンドレルの側面図。 図３のマンドレルの右側面図。 金属結合剤で刻み目が充填された後の図３のマンドレルの図。 通し穴に挿入されている間の図５のマンドレルの図。 マンドレルを取り除いた後の図６の通し穴の図。 マンドレル上に設置するための一組のタービュレーション形成リングの図。 図８の右側面図。 円筒形マンドレルの側面図。 図１０の右側面図。 マンドレル上に設置するための一組の犠牲リングの図。 図１２の右側面図。 リングのセットを組み立てた後の図１０のマンドレルの図。 図１４の右側面図。 マンドレルを除去した後、通し穴に現れたと考えられる図１４のリングのアセンブリを示す図。 図１６の右側面図。 金属箔から形成された円筒形で中空のマンドレルの内面にタービュレーションが適用されている本発明の別の実施例を示す図。 タービュレーションが適用されているスーパーアロイ管の一部の写真。 タービュレーションを含むろう付けシートの一部を示す図。

符号の説明

１０…バー、１２…タービュレーション材料、１４…ろうの層（接着剤層）、３０…刻み目、３２…基板、３４…タービュレーション材料−接着剤組成物、３６…通し穴、３８…タービュレーション、５０…タービュレーション材料−接着剤リング、５２…基板（支持バー）、５４…犠牲リング、８０…管、８６…タービュレーション

Claims (41)

1. 通し穴（３６）の内面（４０）にタービュレーション（３８）を形成する方法において、
   （ａ）通し穴（３６）に挿入して該通し穴の内面（４０）に融合させることができるタービュレーション材料（３４）を、金属酸化物、金属塩、金属ハロゲン化物、金属ホウ酸塩、金属硫酸塩、金属アルミン酸塩、炭素系材料及びそれらの組み合わせより成る群から選択される犠牲材料から形成された基板（３２）に塗布する工程と、
   （ｂ）前記基板（３２）が前記通し穴（３６）の内面（４０）に隣接するように、前記基板を前記通し穴に挿入する工程と、
   （ｃ）前記タービュレーション材料（３８）を前記通し穴（３６）の内面（４０）に融合させる工程とから成る方法。
2. 前記タービュレーション材料（３４）は合金から構成されている請求項１記載の方法。
3. 前記合金はニッケル、コバルト、アルミニウム、クロム、珪素、鉄及び銅より成る群から選択された少なくとも１つの元素を含む請求項２記載の方法。
4. Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ及びそれらの組み合わせより成る群から選択された元素をＭとし、Ｙ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ及びその組み合わせより成る群から選択された元素をＸとするとき、前記合金はＭＣｒＡｌ（Ｘ）である請求項２記載の方法。
5. 前記基板（３２）はバーである請求項１記載の方法。
6. 前記バー（３２）には接着剤も塗布される請求項５記載の方法。
7. 前記接着剤は合金ろうから構成されている請求項６記載の方法。
8. 前記合金ろうは、ニッケル、コバルト、鉄、貴金属及びそれらの金属のうちの少なくとも１つを含む混合物より成る群から選択された少なくとも１つの金属を含む請求項７記載の方法。
9. 前記合金ろうは少なくとも４０ｗｔ％のニッケルと、珪素、クロム、ホウ素及び鉄より成る群から選択された少なくとも１つの追加元素とを含む請求項８記載の方法。
10. 前記接着剤はシート（１４）の形態である請求項６記載の方法。
11. 前記シート（１４）は生ろうテープから構成されている請求項１０記載の方法。
12. 前記シート（１４）は金属箔から構成されている請求項１０記載の方法。
13. 前記タービュレーション材料（１２）は、１２５μｍから４０００μｍの範囲内の平均粒径を有する個別の合金粒子から成る微粒子相から構成されている請求項６記載の方法。
14. 前記タービュレーション材料（１２）は、接着剤（１４）が塗布される前に前記バー（１０）の表面に直接に塗布される請求項６記載の方法。
15. 前記タービュレーション材料（１２）を前記バー（１０）に一時的に接着するために、結合剤が使用される請求項１４記載の方法。
16. 前記タービュレーション材料及び前記結合剤は、前記バー（１０）の表面に直接に塗布されるスラリの形態である請求項１４記載の方法。
17. 前記接着剤（１４）は前記タービュレーション材料（１２）に層の形態で塗布される請求項１４記載の方法。
18. 前記接着剤（１４）の層は個別の合金粒子（１２）を被覆するように前記バー（１２）の周囲に巻き付けられる請求項１７記載の方法。
19. 前記接着剤（１４）は合金ろうから構成されている請求項１８記載の方法。
20. 前記バー（１０）は円筒形である請求項１８記載の方法。
21. 前記バー（１０）は、前記タービュレーション材料（１２／３８）を前記通し穴（３６）の内面に融合させた後に前記通し穴から取り除かれる犠牲材料から構成されている請求項１８記載の方法。
22. 前記犠牲材料は、水洗い、化学浸出、真空吸出し、エッチング、超音波処理、燃焼及びそれらの技法の組み合わせより成る群から選択された技法により前記通し穴（３６）から取り除かれる請求項２１記載の方法。
23. 前記バー（３２）の表面は複数の刻み目（３０）から成るパターンを含み、前記刻み目の各々は前記通し穴（３６）の内面（４０）にある対応するタービュレーションの場所の寸法に相当する寸法を有する請求項５記載の方法。
24. 前記刻み目（３０）は、前記バー（３２）が前記通し穴（３６）に挿入される前に、接着剤及び前記タービュレーション材料から成る組成物で充填される請求項２３記載の方法。
25. 前記組成物は結合剤を更に含む請求項２４記載の方法。
26. 前記結合剤はろう材料である請求項２４記載の方法。
27. 前記ろう材料は、ニッケル、コバルト、鉄、貴金属及びそれらの金属のうちの少なくとも１つを含む混合物より成る群から選択された少なくとも１つの金属を含む請求項２６記載の方法。
28. 前記刻み目（３０）が前記組成物（３４）で充填された後、前記バー（３２）が前記通し穴（３６）に挿入される前に、少なくとも１つのろうテープの層が前記バーに巻き付けられる請求項２６記載の方法。
29. 前記バー（３２）は、前記タービュレーション材料（３８）を前記通し穴（３６）の内面（４０）に融合させた後に前記通し穴（３６）から取り除かれる犠牲材料から構成されている請求項２３記載の方法。
30. 前記タービュレーション材料は、工程（ｂ）の前に、タービュレーション−接着剤組成物から成る複数のリング（５０）を形成するために接着剤と組み合わされ、その後、前記リング（５０）は、前記バー（５２）が前記リングにより包囲されるように前記バーに沿って嵌合され、前記リング（５０）は前記通し穴の表面のタービュレーションのパターンを規定する予め選択されたパターンで互いに離間して配置される請求項５記載の方法。
31. 工程（ｂ）の前に、犠牲材料から成る複数の犠牲リング（５４）が、前記タービュレーション−接着剤のリングの間に存在する空間を充填するように前記タービュレーション−接着剤リング（５０）に関して間欠的に前記バー（５２）に沿って嵌合され、それにより、前記タービュレーション−接着剤リング（５０）の間の分離が維持される請求項３０記載の方法。
32. 前記バー（５２）は、前記通し穴に挿入された後、前記タービュレーション−接着剤リング及び前記犠牲リングが前記通し穴の中にとどまっている間に取り除かれる請求項３１記載の方法。
33. 前記犠牲リング（５４）は、前記タービュレーション材料を前記通し穴の内面に融合させた後に前記通し穴から取り除かれる請求項３２記載の方法。
34. 前記犠牲リング（５４）は、水洗い、化学浸出、真空吸出し、エッチング、超音波処理、燃焼及びそれらの技法の組合わせより成る群から選択された技法により取り除かれる請求項３３記載の方法。
35. 前記接着剤はろう組成物である請求項３０記載の方法。
36. 前記バー（８０）は、第１の面（８２）及びそれとは反対側の第２の面（８４）を有する、金属箔から構成される管である請求項５記載の方法。
37. 前記金属箔は、タービュレーションが望まれる前記通し穴の内面の一部分を十分に被覆する表面積を有する請求項３６記載の方法。
38. 前記金属箔はろう材料から構成され、前記タービュレーション材料は前記金属箔の第１の面に提供される請求項３６記載の方法。
39. 前記金属箔は前記通し穴の形状に類似する形状（８０）に巻かれており、第２の面（８４）が前記通し穴の内面に隣接するか又はそれと接触するように前記通し穴の中へ挿入され、融合工程の後、前記金属箔の第１の面（８２）にあるタービュレーション（８６）は前記通し穴の表面に付着する請求項３８記載の方法。
40. 前記金属箔は、融合工程の前に、固着技法により一時的に前記通し穴の中に保持される請求項３９記載の方法。
41. スーパーアロイ材料から形成されたタービンブレードの少なくとも１つの半径方向冷却穴の内面にタービュレーション（１２）を設ける方法において、
    （ｉ）犠牲材料から形成された円筒形バー（１０）に、前記冷却穴の内面に融合させることができるタービュレーション材料（１２）を塗布する工程と、
    （ｉｉ）前記バーの周囲に、前記タービュレーション材料（１２）を被覆するようにろう材料から成る層（１４）を巻き付ける工程と、
    （ｉｉｉ）前記バーを前記冷却穴（３６）に挿入する工程と、
    （ｉｖ）前記タービュレーション材料（１２／３８）を前記ろう材料によって前記冷却穴（３６）の内面（４０）にろう付けするために十分な熱を加える工程と、
    （ｖ）前記犠牲材料を除去するのに適する技法により前記円筒形バー（１０）を取り除く工程とから成る方法。