JP4759766B2 - 穴を有する部品の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、ガスタービンエンジンに関し、詳しくは、鋳造された内部流路を有する部品の機械加工に関する。

なお本発明は、米国空軍から授与された契約Ｆ３３６１５−０３−Ｄ−２３５４のもとに、米国政府の支援を受けてなされたものである。したがって、同政府は、本発明に一定の権利を有する。

各種のガスタービンエンジン用部品がインベストメント鋳造によって形成され、続いて機械加工される。例として、冷却シュラウドやブレード外側エアシール（ＢＯＡＳ）がある。ＢＯＡＳセグメントは、ブリード空気によって内部冷却することができる。例えば、ＢＯＡＳセグメント内で周方向に延在する冷却流路脚を上流から下流にかけて配列することができる。ＢＯＡＳセグメントの外周（ＯＤ）側から（例えば、流路脚の端部にある１つまたは複数の入口ポート（入口）を介して）流路脚に、冷却空気を供給することができる。この冷却空気は、出口ポート（出口）を介して脚から流出することができる。ＢＯＡＳセグメントの周方向端部（合わせ面）に出口を設け、この出口に隣接するセグメント間領域に通気させることができる。通気される空気は、例えば、隣接するＢＯＡＳセグメントを冷却や、ガスの吸い込みを防止するためのガスのパージに寄与することができる。この出口を、長手方向端部に設けてもよい。また、ＢＯＡＳセグメントの内周（ＩＤ）側／面に沿って出口を設けてもよい。

ＢＯＡＳセグメントは、インベストメント鋳造法によって鋳造することができる。典型的な鋳造法では、セラミック鋳造コアを使用して、流路脚部を形成する。コアは、流路脚部に対応する脚部を有する。コア脚部は、コアの第１および第２の端部の間に延在する。コアは、鋳型内に配置することができる。鋳型内のコア脚部の上にワックスを成型し、模型（ｐａｔｔｅｒｎ）を形成することができる。この模型をシェルで覆うことができる（例えば、セラミックシェルを形成するスタッコ塗り加工）。このシェルからワックスを取り除くことができる。シェル内のコア上に金属を鋳造することができる。このシェルおよびコアを破壊して取り除くことができる。コアを取り除いた後、コア脚部は、鋳物内に流路脚部を残す。鋳放しの流路脚部は、通常、未加工のＢＯＡＳ鋳物の周方向両端部で開口している。端部開口の少なくとも幾つかは、プラグ溶接、ろう付けピン、または他の手段によって閉じることができる。鋳物は、所望の精密な形状に機械加工することができる。

鋳物のＯＤ側から流路脚部への空気入口は、最初の鋳造時に形成するか、または続いての機械加工（例えば、ドリル加工）で形成することができる。流路脚部から鋳物のＩＤ側への空気出口も同様に形成することができる。

機械加工を行うと、分離した研削くずや削りくずが、鋳物の入口および出口の開口を通って鋳物に入ってしまうことがある。

本開示の１つの態様は、鋳型キャビティ内に鋳造金属を含むときの方法に関する。鋳型は、シェルと、シェルに部分的に埋め込んだ鋳造コアと、を有する。鋳造された金属からシェルおよびコアを取り除く。取り除くことにより、金属表面に少なくとも１つの開口が残る。開口は、鋳造コアのあった部分に残る。この開口を犠牲材料で充填する。金属および開口部の犠牲材料を機械加工する。機械加工の後、犠牲材料の残った部分を取り除く。

様々な実施の形態において、このコアをコアアセンブリとすることができる。犠牲材料はエポキシ樹脂とすることができる。充填するステップは、開口からエポキシ樹脂を流し込むステップと、このエポキシ樹脂を硬化させるステップと、を含む。充填するステップは、液体の形態の犠牲材料を含む容器内に少なくとも部分的に浸漬させることを含む。

１つまたは複数の実施例の詳細は、添付の図面を参照して以下に記述される。他の特徴、目的および利点は、本明細書の記述、図面、および特許請求の範囲から明らかになる。

図１および図２は、ブレード外側エアシール（ＢＯＡＳ）セグメント２０を示す。ＢＯＡＳセグメントは、前縁／上流／前方端部２４と、後縁／下流／後方端部２６と、を有する本体部分２２を備える。本体は、第１および第２の周方向端部または合わせ面２８，３０を有する。本体は、ＩＤ側／面３２およびＯＤ側／面３４を有する。周囲構造体４０（図３）にＢＯＡＳを取り付けるために、例示的なＢＯＡＳセグメントは、複数の取り付け用フックを有する。例示的なＢＯＡＳセグメントは、各々が末端部分で前方に突出している複数の前方取り付け用フック４２を有する。例示的なＢＯＡＳセグメントは、各々が末端部分で前方に突出している複数の後方フック４４を有する。

複数のＢＯＡＳセグメント２０からなる周方向リングアレイは、ガスタービンエンジンの対応するブレード段を囲むことができる。したがって、組み立てられたＩＤ面３２は、対応するブレード段（図示せず）の先端部の軌跡（ｓｗｅｅｐ）に近接し、局所的に、コア流路４８（図３）の最外部の境界を形成する。ＢＯＡＳセグメント２０は、アレイを連結する形状部を有し得る。例示的な形状部として、フィンガージョイントおよび相じゃくり継ぎ（ｆｉｎｇｅｒ ａｎｄ ｓｈｉｐｌａｐ ｊｏｉｎｔｓ）がある。

ＢＯＡＳは、空気冷却することができる。例えば、面３４のすぐ外側のチャンバ５６（図３）にブリード空気を向けることができる。このブリード空気を、ＯＤ面内の溜め部（ｗｅｌｌ）７０のベース部にある入口ポート（入口）６０に誘導することができる。この空気は、入り口を介して内部冷却流路８０（図３、例えば、単純なプレナムまたは流路網）に流入する。例示的な流路網は、周方向に延在する複数の脚部８２を含む。流路８０は複数の出口を有し得る。例示的な出口としては、１つまたは複数の長手方向端部２４，２６および１つまたは複数の周方向端部２８，３０に沿った側面周囲出口がある。例示的なＢＯＡＳセグメント２２において、前端部２４および周方向端部２８，３０に沿って出口１００が形成され、ＩＤ面３２に沿って出口１１０が形成されている。

例示的なＢＯＡＳセグメントは、鋳造による製造に続いて、機械加工で仕上げられる。鋳造により、最終的なＢＯＡＳセグメントの形状に対応する荒仕上げの形状部を有する鋳放しのＢＯＡＳセグメントが形成される。例示的な鋳造により、内部流路、周囲出口、ＩＤ出口、およびＯＤ入口が形成される。図４および図５は、セグメント２０用の鋳放しの鋳物１２０を示している。最終的な出口１００，１１０は、鋳物の表面下にスロット１２２，１２４の位置で引っ込められている。スロットは、耐熱性金属コア（ＲＭＣ）の脚部１４４の外周側端部を連結するＲＭＣ１４２の部分１４０（図６）によって形成されている。例示的な部分１４０は、鋳物１２０の金属を鋳造するためのシェル１４６に部分的に埋め込まれている。続いて機械加工される表面輪郭１５０にある脚部１４４の部分が、鋳造により出口の開口となる。

我々は、そのような未加工鋳物の機械加工に伴う潜在的な問題に着目した。機械加工を行うと、分離した研削くずや削りくずが、鋳物の入口および出口の開口を通って鋳物に入ってしまうことがある。機械加工を行うと、付着した削りくずが流路に入ってしまうことがある。機械加工により、開口の位置に欠け落ち（ｃｈｉｐｐｉｎｇ）が生じてしまうことがある。したがって、本開示は、これらの問題の１つまたは複数を少なくとも部分的に軽減するために、機械加工の前に開口をマスキングする（例えば、栓塞する）方法に関する。

図７は、一例としての栓塞および機械加工を含む一例としてのＢＯＡＳセグメント製造方法のフローチャートである。この方法は、他の物品を作るために使用することもできる。この方法に関していくつかの変更を行うことができる。例示的な方法２００は、（１つまたは複数の）内部流路を鋳造するためのコアアセンブリの形成（ステップ２０２）を含む。例示的なコアアセンブリは、主流路および周囲出口を形成する成型セラミック供給コアを含む。供給コアは、ＯＤ入口およびＩＤ出口を形成する１つまたは複数の耐熱性金属コア（ＲＭＣ）を使って組み立てられる。コアアセンブリは、模型材料（例えば、ワックス）を使って上乗せ成型され（ステップ２０４）、模型を形成する。この模型上にシェルが形成される（ステップ２０６）。このワックスは、（例えば、オートクレーブを介して）除される（ステップ２０８）。このシェルは、焼結により硬化される（ステップ２１０）。このシェル内に溶融合金が鋳込まれる（例えば、流し込んで冷却する）（ステップ２１２）。シェルは、（例えば、機械的な破壊により）除去される（ステップ２１４）。コアアセンブリは、（例えば、化学溶脱により）除去され（ステップ２１６）、未加工の鋳物を残す。

以下に、一例としての栓塞方法を説明する。一例としての方法は、浸漬および真空技術を使用して、犠牲充填材料を導入する。他の充填技術も可能である。一例としての方法は、充填材料として硬化性エポキシ樹脂を使用する。他の充填材料を使用することもできる。

第１の例としての方法は、上部に開口のある浸漬容器を使用する。例示的な容器は、浸漬される特定の鋳物に特別に対応する形状部を有していないという点で、一般的なものである。あつらえた容器ではなく一般的な容器を使用してＢＯＡＳセグメント鋳物を栓塞することについて、いくつか考慮すべきことがある。ＢＯＡＳセグメントのＩＤ面がほぼ平坦であれば、ＩＤ出口を介して通流し易くするために、容器の底部からＩＤ面を離して保持するのに有利となる。そのために、１つまたは複数の支持体（例えば、別個の足部）をＩＤ面に形成することができる（ステップ２３０）。例示的な支持体は、ＩＤ面にエポキシ樹脂３００（図８）を付着（例えば、滴状ないしビード状（ｄｒｏｐｓ ｏｒ ｂｅａｄｓ）に）させることにより形成される。次に、これらの滴を硬化することができる。例示的なエポキシ樹脂は光硬化性である。一例としての光硬化性エポキシ樹脂としては、公称粘度が４０，０００ｃｐｓの（コネティカット州トリントン所在のダイマックス社（ＤＹＭＡＸ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能な）ＳＰＥＥＤＭＡＳＫ ７２０がある。例示的な硬化は、紫外光溶着機（ＵＶ ｌｉｇｈｔ ｗｅｌｄｅｒ）で行われる。例示的な硬化した足部は、高さが１ｍｍ〜４ｍｍである。

これは、鋳物の特定の領域を浸漬から保護することにも有利となり得る。一例としての保護は、外側に延びるスカートを形成することを含む（ステップ２３２）。一例としてのスカート３０４（図９）は、鋳物の周囲に沿って側面をテープで包むことによって形成される。例示的なテープの近位部は、鋳物本体の合わせ面、前端部および後端部をマスクする。テープの遠位部は外周方向に延在し、スカートの突出部分を形成する。周囲出口を覆っているテープを部分的に切り取り（ステップ２３４）、少なくとも部分的に周囲出口１００を露出させることができる（例えば、スロット１２２を露出させることにより、最終的な出口がもたらされる）。こうして、ＢＯＡＳセグメントは、浸漬に対する準備が整えられる。

しかし、特に、容器が再利用可能な場合に、容器３１０（図１０）を前処理するステップを加えてもよい（ステップ２３６）。容器の内面３１２は、離型剤３１４を使ってコーティングすることができる。例示的な離型剤としては、グリースがある。あるいは、容器に固体のライナを取り付けてもよい。容器は、栓塞材料３１６で満たされ（ステップ２３８）、容器に鋳物を設置することができる（ステップ２４０）。例示的な栓塞材料として、まだ硬化されていない状態のエポキシ樹脂がある。例示的なエポキシ樹脂としては、公称粘度が５００ｃｐｓのＳＰＥＥＤＭＡＸ ７０７がある。これは、小さいＩＤ出口およびＯＤ入口を通って比較的流れ易いという理由で選択される。代替例において、鋳物の設置と栓塞材料の注入の順番を逆にしてもよい。

鋳物に液体エポキシ樹脂を吸引するために、真空補助装置を使用することができる。一例としての真空補助方法は、エポキシ樹脂が周囲出口およびＩＤ出口を介して流路網に浸透することを可能にするための初期段階の無補助期間（例えば、約３０分）を含む。例示的なＢＯＡＳセグメントでは、エポキシ樹脂は、ＯＤ入口を介して上方および外方に向かって流れ、少なくとも部分的に溜め部７０を満たす（図１１）。次に、容器およびＢＯＡＳセグメントを真空チャンバに移し、減圧／真空状態に晒すことができる（ステップ２５０）。真空により、エポキシ樹脂から気泡が抜け易くなる。このチャンバから浸漬された鋳物を取り出し、充填範囲の妥当性を検査することができる（ステップ２５２）。必要であれば、容器にさらにエポキシ樹脂を加えてもよいし、鋳物を真空に晒す期間をさらに延ばしてもよい。また、振動させ、かつ／または遠心分離機にかけることは、材料を流れ易くすることや、気泡を除去することを助長し得る。これらは、真空補助に加えて或いは真空補助の代わりに行うことができ、真空補助の前後、および／または真空補助の間に行うことができる。

次に、エポキシ樹脂が硬化される（ステップ２５４）。例示的な硬化は（例えば、支持体と同様に）光硬化である。例示的な光硬化による硬化は、紫外光溶着機のチャンバ内で照射が遮られる可能性のある領域を硬化させるための初期段階の手作業によるハンドワンディング（ｈａｎｄ ｗａｎｄｉｎｇ）を含む。次に、容器をチャンバに移し、エポキシ樹脂をさらに硬化させるために、容器を紫外光にさらす。例示的な光硬化に続いて熱硬化を行ってもよい。一例としての熱硬化は、大気圧オーブン（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｏｖｅｎ）の中で行われる。この例示的な熱硬化は、少なくとも１時間、２２５°Ｆ（約１０７℃）の温度で行われる。

オーブンで硬化した後、容器から鋳物およびエポキシ樹脂が取り出される（ステップ２５６）。テープおよび／またはエポキシ樹脂が除去される（部分的に取り除く）（ステップ２５８）。一例としての除去は、切り取りで除かれる。この切り取りは、前端部、後端部、および合わせ面から切り取られる。次に、鋳物が機械加工される（ステップ２６０）。一例としての機械加工は、溜め部７０、ＩＤ面、前端部および後端部、合わせ面ならびにフックに沿っての機械加工を含む。

機械加工の後、硬化したエポキシ樹脂が除去される（ステップ２６２）。一例としての除去は加熱による。この例示的な加熱は、空気炉内で行われる（例えば、１５分以上（これに温度上昇時間と冷却時間が加わる）、約１３５０°Ｆ（約７３２℃）で加熱される）。鋳物をさらに処理し、コーティングすることができる（例えば、多層熱遮蔽コーティング（ＴＢＣ））（ステップ２７０）。しかし、エポキシ樹脂を除去する前に、１つまたは複数のコーティング処理段階が行われてもよい（ステップ２６２）。

代替的に、材料を導入するために、非浸漬法を使用してもよい。非浸漬法の一実施例は、初めに幾つかの開口を封止することを含む（ステップ４０２）。例えば、周囲開口とＩＤ開口を封止することができる。例示的な封止は、高粘度のエポキシ樹脂（例えば、ＳＰＥＥＤＭＡＳＫ ７２０）を開口に塗布することによる。例えば、未硬化のエポキシ樹脂を（例えば、ビードないし滴３５０（図１２）として）側面開口に亘って塗布し、ハンドワンド（ｈａｎｄ ｗａｎｄ）を使用して硬化させることができる。次いで、ＩＤ開口に亘ってエポキシ樹脂（例えば、個々のビードないし滴３５２（図１３）の状態でのＳＰＥＥＤＭＡＸ ７２０）を塗布し、（例えば、光チャンバを用いて）硬化させることができる。次に、ＩＤ面が下になるように鋳物を向け、溜め部７０に、未硬化のエポキシ樹脂（例えば、ＳＰＥＥＤＭＡＳＫ ７０７などの比較的低粘度のエポキシ樹脂またはさらに低粘度の類似品）を追加して、少なくとも部分的に充填することができる（ステップ４０４）。真空チャンバ内における１回または複数回のサイクルにより、鋳物から空気を抜き（ステップ４０６）、溜め部から鋳物にエポキシ樹脂を吸引して流路を満たすことができる。上記のように、続けて、光硬化および／または熱硬化を行うことができる（ステップ４０８）。

さらに代替的な非浸漬法として、樹脂の真空注入がある。

変更した他の実施例において、少なくとも幾つかの流路を機械加工することができる。この機械加工は、栓塞の前後いずれで行うこともできる。例えば、ドリル加工であけたＯＤ入口またはＩＤ出口を栓塞し、その後に、対応するＢＯＡＳセグメント面を機械加工してもよい。これに加え、または代替的に、栓塞した供給流路にこれらの入口または出口をドリル加工であけることは、未栓塞の供給流路にドリル加工することに比べ、供給流路に付着削りくずが形成されることを低減することができる。

１つまたは複数の実施例について記述したが、いくつかの変更が可能であることを理解されたい。例えば、使用される特定の工作機械の詳細のみならず、鋳造される特定の部品および利用可能な装備（例えば、特定の紫外光硬化装置または熱硬化装置）の詳細は、特定の実施の詳細に影響を与えることがある。本発明の方法は、既存の部品の製造に使用することができるが、本発明の方法が使用されると、開口の位置、大きさ、形状などを選択する際に、柔軟性が高くなる。したがって、他の実施例も添付の請求項の範囲内にある。

ブレード外側エアシール（ＢＯＡＳ）セグメントを示す図。 図１のＢＯＡＳセグメントを別に示す図。 線３−３に沿って切り取った図１のＢＯＡＳセグメントの断面図。 図１の鋳放しのＢＯＡＳセグメントの図。 図４の鋳放しセグメントの別の図。 シェルおよび鋳造コアを備えた鋳造セグメントの部分的な断面図。 図１のＢＯＡＳセグメントを製造する方法のフローチャート。 足部を追加した図４の鋳物を示す図。 周囲をテーピングした後の図４の鋳物を示す図。 浸漬の初期段階における図４の鋳物を示す長手方向の断面図。 浸漬の次の段階における図４の鋳物を示す長手方向の断面図。 代替例のマスキング後の図４の鋳物を示す図。 図１２の鋳物を別に示す図。

Claims (10)

1. シェルと、前記シェルに部分的に埋め込まれた鋳造コアと、からなる鋳型のキャビティ内で金属を鋳造するステップと、
   前記金属の表面に前記鋳造コアによって形成される少なくとも１つの開口を残すように、前記金属から前記シェルおよび前記鋳造コアを除去するステップと、
   犠牲材料として液体のエポキシ樹脂で前記開口を充填するステップと、
   前記液体のエポキシ樹脂を硬化させるステップと、
   前記金属を前記開口の前記犠牲材料とともに機械加工するステップと、
   前記機械加工の後、前記犠牲材料の残った部分を除去するステップと、
   を含む方法であって、
   前記充填するステップは、
   前記金属の周囲にスカートを設けて、この金属を前記液体のエポキシ樹脂を収容した容器内に少なくとも部分的に浸漬して行い、前記スカートによって、該スカートの外側のエポキシ樹脂の液面が、前記金属の露出した部分よりも高くなるようにしたことを特徴とする方法。
2. 前記硬化させるステップが、紫外光で硬化させることを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記浸漬の前に、前記金属に少なくとも１つの支持体を設け、
   前記浸漬の間に、前記少なくとも１つの支持体が、前記金属を支持し、前記液体が前記開口を介して通流できるようにすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記浸漬によって下部の開口から導入された液体エポキシ樹脂がスカートの内側の開口からあふれ出ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記鋳造金属は、内周側面と、外周側面と、上流端部および下流端部と、第１の周方向端部および第２の周方向端部と、を有するブレード外側エアシールとなる未加工品であって、前記外周側面は凹んだ溜め部を有し、前記スカート内の少なくとも１つの前記開口が前記凹んだ溜め部内に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記浸漬するステップに続いて減圧された環境に晒すことを含む請求項４に記載の方法。
7. 前記浸漬するステップに続いて減圧された環境に晒すことを含む請求項１に記載の方法。
8. 前記充填するステップが、複数の前記開口を介して個別に流入させることを含む請求項１に記載の方法。
9. 前記除去するステップが、加熱することを含む請求項１に記載の方法。
10. 前記除去するステップの後、前記金属にコーティングをすることをさらに含む請求項１に記載の方法。

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