JP5197929B2 - ニオブシリサイド基タービン構成部品および関連するレーザ付着方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、高温用途に使用される金属および金属合金に関する。より具体的には、タービンエンジンの様々な構成部品に有用なニオブシリサイド組成物に関する。

高温用途に使用される器材は、様々な高性能合金から製作することができる。特定の合金の選択は、構成部品に規定される他の要件に加えて、構成部品が曝される想定温度による部分が多い。それらには、強度、耐クリープ性、耐摩耗性、耐酸化性、耐環境性、重量要件などが含まれる。ガスタービンエンジンは、単一の（複雑であっても）器材に至るまで、多くの合金特性が、いかにバランスがとれている必要があるかの良い例である。通常のガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機で圧縮され、燃焼器で燃料と混合、着火されて高温燃焼ガスを生成する。ガスは、１つまたは複数の段を有し、タービンノズルおよびロータブレードを備える高圧タービン（ＨＰＴ）を通って下流に流れる。ガスは次いで、タービンノズルおよびロータブレードをそれぞれが有する複数の段を通常備える低圧タービン（ＬＰＴ）に流れる。タービンの「高温」部分における金属温度は、作動中、約１１５０℃の高さにもなり得る。

ニッケル基超合金が、タービンの高温部にしばしば選ばれる金属であるが、さらに高温の作動温度に耐えられる先進材料に大きな関心がもたれている。比較的新しい合金の例は、高融点金属−金属間化合物複合材（ＲＭＩＣ）材料である。これらの多くは、ニオブ（Ｎｂ）および珪素（Ｓｉ）をベースとし、下記の多数の特許に記載されている。

ＲＭＩＣ複合材は、通常、多相微細構造を有する。たとえば、その微細構造は、Ｎｂ基金属相および１つまたは複数の金属間珪化金属相を有し得る。米国特許第５，８３３，７７３号（Ｂｅｗｌａｙ等）に記載されているように、珪化金属相は、珪化物Ｍ_３Ｓｉおよび珪化物Ｍ_５Ｓｉ_３を含むことがある。ここでＭはＮｂ、Ｔｉ（チタン）、またはＨｆ（ハフニウム）である。この材料は、高強度、低靭性の珪化物を低強度、高靭性のＮｂ基金属相と組み合わせた複合材であると考えられる。それらの融解温度はしばしば約１７００℃に達し、多くのニッケル合金に比較して相対的に低密度を有する。これらの特性によって、この種材料を、温度がニッケル基超合金の従来の使用限界を超える用途に使用できる可能性が大いに高まる。

上記のガスタービンエンジンのタービンブレードが、単一の物品において合金特性のバランスを取ることがいかに難しくなり得るかの良い例を提示する。ブレードのエーロフォイルなどの部分は、比較的高度の強度および「クリープ」耐性を必要とすることが多い。しかし、これらの要件を満たすための組成の調節は、他の特性を犠牲にしてはじめて達成されることがある。たとえば、合金の耐酸化性が低下する可能性があり、耐酸化性の低下は、ブレード先端などのブレードの他の部分にとって問題になり得る。

タービンブレードは、（他のタイプの高温器材と同様に）鍛造、精密鋳造、機械加工などの様々な技法によって製作することができる。しかし、これらの製法は複雑で費用が嵩み得る。たとえば、正確で厳密なブレード形状を得るために、多数の個々の段階を必要とし得、それら段階は、最終的幾何形状を得るために、通常、時間の掛かる機械仕上げ段階で終わる。

さらに、ブレードを所与のタービン段でロータまたはディスクに取り付けるために、ブレードの基底部は、通常、ダブテールまたは「クリスマスツリー」に形成しなければならない。この工程は、通常、鋳造または鍛造段階中に実施され、その後機械仕上げが行われる。適切なダブテール形状を得るのもまた複雑な作業であり、時間の掛かる、多数の機械加工後の作業を必要とすることが多い。

さらに、大部分のタービンブレードは、通常、圧縮機から抽気した空気の一部分を導く中空の内部冷却領域を備える。通常の中空領域は、蛇行した通路を有することが多い。これら領域の形成もまた、複雑な工程を必要とする。たとえば、中空通路を形成するために、極めて特殊な特性を持つセラミックコアが、通常、鋳造または一方向凝固工程中に使用される。コアは、最初の鋳造または凝固段階中、全く損傷されずに済むよう十分に強くなければならない。それらはまた、所望の部品が形成された後、すなわち周囲の金属が収縮する時、「粉砕可能」で、抽出可能でなければならない。コアの適切な組成を処方することは（特に新しいタイプの合金を鋳造しようとする時）、従来の技法による効率的なブレードおよび他の構成部品の製造におけるさらに別の難題である。

これらのことを考慮すると、当技術分野では、少なくとも２つの領域で新しい開発が行われることが期待されることが明らかな筈である。第１に、その構成部品の異なる部分間で特定の特性特質が変化するＲＭＩＣベースのタービン構成部品（ならびに他の高温構成部品）は、少なからぬ価値がある。第２に、従来の鋳造工程に必要な諸段階の一部を簡略化または削減するようなこの種構成部品の製造方法もまた、当技術分野の少なからぬ関心事である。
米国特許第５，８３３，７７３号 米国特許第５，４５８，４６１号 米国特許第５，６９０，４７２号 米国特許第６，４０９，８４８号 米国特許第６，４１９，７６５号 米国特許第５，９４２，０５５号 米国特許第５，９３２，０３３号 米国特許出願Ｓ．Ｎ．１１／０２９，６６６ 米国特許第６，４２９，４０２号 米国特許第６，２６９，５４０号 米国特許第５，０４３，５４８号 米国特許第５，０３８，０１４号 米国特許第４，７３０，０９３号 米国特許第４，７２４，２９９号 米国特許第４，３２３，７５６号 米国特許出願Ｓ．Ｎ．１０／６２２，０６３ 米国特許第６，４７５，６４２号 米国特許第５，３９９，３１３号 米国特許第４，１１６，７２３号 米国特許第６，２６８，５８４号 米国特許第５，２５２，２６４号 "Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒａｄｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｂｙ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｃｌａｄｄｉｎｇ"，ｂｙ Ｃ．Ｔｈｉｅｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，ＢＩＡＳ Ｂｒｅｍｅｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（１０ ｐａｇｅｓ），ａｔ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｉａｓ．ｄｅ／ａｂｏｕｔｕｓ／ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ／Ｉｍｂ／Ｐｕｂｌｉｋａｔｉｏｎｅｎ／Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ％２０ｏｆ％２０ｇｒａｄｅｄ．ｐｄｆ（ｕｎｄａｔｅｄ，ｗｉｔｈ Ｊｕｎｅ ２００５ ｗｅｂｓｉｔｅ ａｄｄｒｅｓｓ）

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。

本発明の一実施形態は、ニオブシリサイド基組成物から形成されるタービン構成部品を対象としている。タービン構成部品は、その構造の少なくとも一部分を通して組成上漸変している。

別の実施形態は、ニオブシリサイド合金から形成されたタービンブレードに関する。ブレードは、
（ａ）エーロフォイルと、
（ｂ）エーロフォイルの外端に位置するエーロフォイル先端領域と、
（ｃ）エーロフォイルが取り付けられている翼台と、
（ｄ）翼台の下側に取り付けられ、ブレードをタービンロータに取り付けることができるように、タービンロータのスロットに嵌め込むのに適合した形状を有するダブテール翼根と、
を備える。

タービンブレードの少なくとも一部分のニオブシリサイド合金の組成が、ブレードの別の部分のニオブシリサイド合金の組成とは異なる。

本発明の別の実施形態は、ニオブシリサイドをベースにしたタービンの物品を製造する方法を対象にしている。物品は、予め選択された形状を有し、平行な複数の断面として特徴付けられ、各断面は予め選択されたパターンおよび厚さを有する。方法は、
（ｉ）レーザビームでニオブシリサイド材料を溶融し、物品の第１の断面のパターンをもつ第１の層を形成するように溶融材料を付着する段階であって、第１の付着層の厚さが、第１の断面の厚さに対応する段階と、
（ｉｉ）レーザビームでニオブシリサイド材料を溶融し、物品の第２の断面のパターンをもつ第２の層を形成するように、付着材料の第１の層と少なくとも部分的に重ねて、溶融材料を付着する段階であって、第２の付着層の厚さが、前記第２の断面の厚さに対応する段階と、次いで、
（ｉｉｉ）レーザビームでニオブシリサイド材料を溶融し、物品の諸層に対応するパターンをもつ引き続く諸層を形成するように、引き続く諸断面の少なくとも１つを部分的にその下の断面に重ねて溶融材料を付着する段階であって、物品が完成するまで溶融材料が付着され、引き続く層が形成されていく段階と、
を含む。

ニオブシリサイドを含む材料で形成されるタービン構成部品を修理する方法が、本発明の別の実施形態を構成する。方法は、レーザクラッディングプロセスを使用して、ニオブシリサイドを含む少なくとも１つの補充材料で、構成部品の損傷部分を補填または修正する段階を含む。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の詳細な以下の記述から、より明らかになろう。

図１は、例示的ガスタービンエンジンロータブレード１０の斜視図である。このタイプのタービンブレードは当技術分野では既知である。非限定的例としは、米国特許第５，４５８，４６１号（Ｃ．Ｐ．Ｌｅｅ等）および第５，６９０，４７２号（Ｃ．Ｐ．Ｌｅｅ等）に記載されている様々なブレードの設計があり、それらは参照により本明細書に組み込まれる。通常、複数のこの種のブレードが、輪状のロータディスク（図示せず）に取り付けられる。ブレード１０は、正圧面および負圧面１４、１６、ならびに前縁および後縁１８、２０をそれぞれ有するエーロフォイル１２を備える。エーロフォイルの側壁２１および２３が、正圧および負圧面１４および１６を画成する。側壁は、エーロフォイルの垂直寸法を有する面内にあり、互いに対向している。

図１のエーロフォイルの下部は基部２２で終わる。基部２２は翼台２４を備え、その翼台２４上には、エーロフォイルが直立の状態、すなわち翼台の上面２５に実質的に垂直にしっかりと取り付けられ得る。基部はさらに、翼台の下側に取り付けられたダブテール翼根２６を備える。ダブテール翼根は、ブレード１０をロータに取り付けるように設計されている。以下にさらに記述するように、ダブテール翼根、翼台、およびエーロフォイルは、（通常一体として）鋳造することができ、または、別々に形成し、次いで機械的もしくは金属学的に一体に結合することができる。あるいは、それらは、やはり本明細書の後の部分で説明するようにレーザデポジションプロセスで形成することができる。

図１に示すように、垂直方向寸法「Ｓ」は、翼台２４の上面２５からエーロフォイル先端３１の最上部まで延びるエーロフォイルの「高さ」または翼長を表す。当業者なら理解するように、エーロフォイル先端は様々な形状に形成することができる。本例では、先端３１は、エンドキャップ３２で終わっている。エンドキャップは、側壁２１および２３の外端を閉じている。（別の設計では実際、先端をシュラウドで覆ってしまうこともできる）。交差する寸法「Ｃ」は、エーロフォイルの翼弦長を表す。翼弦長は、一般に、翼長に垂直であり、前縁および後縁１８、２０の最遠点から延びる。

当技術分野では既知のように、図１に示されるようなタービンブレードは、典型的には、側壁２１および２３の間に広範な中空領域を包含している。中空領域は、主として、ブレードの中を冷却空気を通すように働く。図に示されるように、側壁、前縁および後縁、ならびにエンドキャップは、多数の小さな冷却孔または開口３４を有する。これらの孔は、ブレードエーロフォイル１２の内部から冷却空気を通過させ、排出させる。冷却空気は、通常、基部２２に流入し、その中を上方へエーロフォイルに流れる。以下にさらに記述するように、長大、複雑な冷却空気の通路をエーロフォイルの内部に組み込むことができる。これらの通路は、空気を計算された速度パターンおよび形状に従って開口から流出させ、それによって、作動中のブレードの外側に、極めて大切な冷却を施す。

前述のように、本発明のブレードおよびその他のタービン構成部品は、ニオブシリサイド基組成物から形成される。一般に、そのような組成物は、ニオブ（Ｎｂ）、珪素（Ｓｉ）、ならびに、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、クロム（Ｃｒ）、およびアルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。そのような組成物は、通常、ニオブ基金属相、および珪化金属相の両方を含む微細構造を有する。本発明に関し、タービン構成部品を形成する材料の少なくとも約７５重量％が何らかの形のニオブシリサイド組成物を含むことになるよう目論まれた。本明細書で使用される時、用語「ニオブシリサイド基」は、この組成上のパラメータを表すものであり、簡潔さのために、「ニオブシリサイド材」と称されることもある。

本発明によるタービンブレードは、異なる位置、たとえばエーロフォイル、エーロフォイル先端領域（以下に説明される）、翼台、およびダブテール翼根には異なるニオブシリサイド組成物を含むことができる。所与の位置に対するニオブシリサイド組成物は、多数の要因に依って特定される。それらには、ブレードのその部分が曝される想定温度、ならびに以下の特性、すなわち強度、延性、靭性、耐クリープ性（「クリープ強度」）、耐酸化性、耐蝕性、疲労特性、耐環境性、重量要件などに対する固有の要求仕様が含まれる。特定の組成物の選定は、標準作動状態下で構成要素の１つの部分に所望される固有の特性に依存する。本明細書で使用される場合、用語「標準作動状態」は、温度範囲、温度サイクル、腐食条件、引張荷重、熱応力、遠心応力、および当業者にはよく知られている他のさまざまな条件の点で、構成部品が通常使用される状態を指す。

エーロフォイル１２に適した組成物の例は、米国特許第６，４０９，８４８号（Ｂｅｗｌａｙ等）および第６，４１９，７６５号（Ｊａｃｋｓｏｎ等）に見られ、それら特許は参照により本明細書に組み込まれる。そのような組成物の非限定的な例では、約１４原子％〜約２６原子％のチタン、約１原子％〜約４原子％のハフニウム、約６原子％までのタンタル、約１２原子％〜約２２原子％の珪素、約５原子％までのゲルマニウム、約４原子％までのホウ素、約７原子％〜約１４原子％のクロム、約３原子％までの鉄、約２原子％までのアルミニウム、約１原子％〜約３原子％のスズ、約２原子％までのタングステン、約２原子％までのモリブデン、残りニオブを含む。幾つかのケースでは、ニオブとタンタルの原子百分率の和の、チタンとハフニウムの原子百分率の和に対する比が、約１．４と約２．２との間の値を有する。さらに、ある好ましい実施形態では、エーロフォイルのニオブシリサイド合金は、標準作動状態下で、エーロフォイル先端領域のニオブシリサイド合金より高い耐クリープ性を示す。

特定の位置に特定のニオブシリサイド組成物を使用することによる利益の１つの例示は、タービンエーロフォイルのエーロフォイル先端領域に関係する。一般に、「先端領域」は、エーロフォイル先端３１に隣接するエーロフォイルの一部分である。本明細書で使用する時、先端領域は、上端３５から（翼長「Ｓ」に沿って）下方に、翼弦の寸法［Ｃ］の約５０％から約７５％になる点まで延在する領域としてより具体的に定義することができる。

タービンブレードの先端領域は、甚だしい磨耗に曝されることが多い。たとえば、先端は、タービンブレードがその中で回転するケーシングのシュラウドに向かって擦り上げられる時、摩滅し得る。したがって、ある実施形態では、先端領域のニオブシリサイド組成物が、ブレードのその他の部分に使用されるニオブシリサイド組成物に比較して、より高い耐磨耗性を示すことが極めて望ましい。したがって、その組成物は、炭化チタンまたは炭化タングステンなどの耐摩耗性を向上させる合金成分を含むことができる。コバルト基合金もまた、耐摩耗性に対して有効である。非限定的例としては、コバルト、ならびにクロム、タングステン、ニッケル、鉄、モリブデン、および珪素の少なくとも１つを含むものがある。これらのあるものは、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）合金またはＴｒｉｂａｌｏｙ（登録商標）合金と呼称されている。

他の実施形態では、先端領域が耐酸化性を向上させたニオブシリサイド材を含むことが望ましい。このタイプの組成物は当技術分野では既知である。非限定的例が、米国特許第５，９４２，０５５号（Ｊａｃｋｓｏｎ等）および第５，９３２，０３３号（Ｊａｃｋｓｏｎ等）で提供されており、それら特許は参照により本明細書に組み込まれる。耐酸化性組成物は、かなりの量の珪素変性ラーベス相、すなわちタービンエーロフォイルの他の部分を形成するニオブシリサイド組成物中にある量より多い珪素変性ラーベス相を含むことが多い。適切な組成物の具体的な一例は、珪化金属間化合物相、ニオブ基金属相、および珪素変性Ｃｒ_２Ｍラーベス相を含むシリサイド基組成物である（Ｍは少なくともＮｂ）。その組成物は、原子百分率で、約１２〜約２５％のチタン、約６〜約１２％のハフニウム、約１５〜約２５％のクロム、約１〜約８％のアルミニウム、約１２〜約２０％の珪素、残りニオブを含む。ニオブ基金属相は、一部、組成物全体の靭性を高めるように働き、ラーベス相は、高温での耐酸化性を向上するのに重要である。

先端領域用の耐酸化性組成物の別の具体例は、やはり上記の３つの相を含むシリサイド基組成物である。この例では、珪化金属間化合物相は、通常、Ｍ_５Ｓｉ_３またはＭ_３Ｓｉ（ＭはＮｂ＋Ｔｉ＋Ｈｆ）を含む。珪素変性ラーベス相は、典型的には、Ｃｒ_２Ｍ（ＭはやはりＮｂ＋Ｔｉ＋Ｈｆ）を含む。このタイプの組成物は、約２５体積％以上のニオブ基金属相を含むことが好ましい。１つの具体的な組成物は、原子百分率で、約３０〜約４４％のニオブ、約１７〜約２３％のチタン、約６〜約９％のハフニウム、約１１〜２０％のクロム、約２〜１３％のアルミニウム、および約１３〜約１８％の珪素を含む。

エーロフォイルおよびエーロフォイル先端領域は、互いに異なるニオブシリサイド組成物を含むことが多いが、組成物は漸変させられることが多い。組成の漸変は、タービンブレードの異なる領域間のより円滑な変化を実現する。本明細書で使用される「漸変」は、組成物中の１つまたは複数の成分の量が、タービンの物品の寸法に沿って継続的または連続的に変化することを示すものである。単位寸法当たりの変化の程度は、広範に変化させることができる。さらに、漸変は全寸法に亘って生じさせる必要はなく、その代わり、極めて特定な範囲、たとえばタービンブレードの隣接する２つの領域の境界に生じさせることができる。（以下にさらに記述されるように、漸変は複数の方向に、たとえばエーロフォイルの翼長または弦長に沿って、またはエーロフォイル壁の厚みを通して生じさせることができる）。漸変はまた、所与のタービンの物品の複数の別々の箇所に生じさせることができる。

図１を参照すると、エーロフォイル１２とエーロフォイル先端領域３１との境界領域「Ｉ」が示されている。エーロフォイル長（「Ｓ」）に沿う境界領域の長さは、たとえば暴露温度および特性要件などの前記の要因に一部従ってかなり変化し得る。通常、境界は、翼長の約１％〜約２５％の長さを有する。

したがって、ニオブシリサイド組成物を漸変させる時に、耐酸化性または耐摩耗性を向上させる成分の量を、境界「Ｉ」の中でエーロフォイル１２の主要部分からエーロフォイル先端領域３１に向かう方向に次第に増加させることができる。たとえば、ニオブシリサイド基組成物全体に対する割合として、境界中の珪素変性ラーベス相の量を、増加させることができる。非限定的例示として、境界「Ｉ」中の、全ニオブシリサイド基組成物の一部としての珪素変性ラーベス相の体積百分率は、予め選択された増加率で境界の長さを通じてエーロフォイル先端領域に向かう方向に増加させることができる。組成上の漸変を、上方へ、すなわち先端の真の末端まで続けることはできるが、先端領域の大部分は通常漸変されず、比較的一様な組成物から形成される。同様に、組成上の漸変を、下方へ、すなわち全翼長に亘って続けることはできるが、エーロフォイルの大部分は、通常、比較的一様なニオブシリサイド組成物を含む。

タービンブレードの異なる箇所で異なるニオブシリサイド組成物を用いる他の例示を提供することができる。一例として図１を参照すると、翼台２４およびダブテール翼根２６は、作動中エーロフォイル１２および先端３１に衝突する高温ガスには通常曝されない。したがって、ブレードのこれら部分にとって、高レベルの耐酸化性および／または高温強度を示すニオブシリサイド組成物を用いることは、重要ではなくなり得る。その代わり、翼台およびダブテール翼根は、中間温度、すなわち約５００℃〜約１０００℃の作動温度で強化された機械的特性を提供するニオブシリサイド組成物から利益を得ることができる。この文脈で使用される「機械的特性」は、靭性（たとえば破壊靱性）、延性、耐クリープ性、および中間温度強度を含むことを意味する。

様々なニオブシリサイド組成物が、強化された機械的特性を翼台およびダブテール翼根に与えることができる。それらの幾つかが、本出願の譲受人に譲渡された２００４年１２月３１日出願の同時係属の特許出願Ｓ．Ｎ．１１／０２９，６６６（Ｂ．Ｂｅｗｌａｙ等）に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。これらの材料については、存在する珪素の量は、組成物に対する全原子百分率に基づいて、約９原子％より少ない。その組成物は、典型的には、ニオブ基金属相、および式Ｍ_３ＳｉまたはＭ_５Ｓｉ_３の少なくとも１つの珪化金属相を含む。ＭはＮｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、プラチナ族金属、およびそれらの組合せで構成される群から選択される少なくとも１つの元素である。

ダブテール翼根および翼台に適したそのような組成物の非限定的具体例は、ニオブならびに、
約５原子％〜約４５原子％のチタンと、
約１原子％〜約２０原子％のハフニウムと、
約１原子％〜約２５原子％のクロムと、
約１原子％〜約２０原子％のアルミニウムと、
約０．５原子％〜約８．５原子％の珪素と、
を含む。

これら「低珪素」組成物は、全原子百分率を基に、約２０原子％までのレニウムを含むことが多い。やはり含まれ得るその他のプラチナ族金属の例には、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、およびパラジウム（Ｐｄ）が含まれる。幾つかの実施形態では、組成物は、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、およびモリブデン（Ｍｏ）など前述の他の元素を含むことができる。たとえば、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、窒素（Ｎ）、鉄（Ｆｅ）、およびインジウム（Ｉｎ）などの様々な他の元素と共に、希土類金属を含むこともできる。これら元素の代表的レベルは、既出のＢｅｗｌａｙ等の特許出願Ｓ．Ｎ．１１／０２９，６６６で提供されている。

特定の最終的使用条件に適合するように、特定の成分のレベルをさらに調節することができる。たとえば、翼台に対する強度要件が特に厳しいある種の実施形態では、ニオブシリサイド組成物中のハフニウムの好ましいレベルは、約５原子％〜約１０原子％である。さらに、珪素のレベルが、たとえば約２０原子％までと、「低珪素」組成物よりも高くなり得る。別の例としては、比較的低温状態でタービンブレードのダブテール翼根部分の耐酸化性の向上が必要になることがある（たとえば、約１１００°Ｆ〜１４００°Ｆ（５９３℃〜７６０℃）の温度範囲）。そのような場合は、クロムのレベルが、好ましくは少なくとも約５原子％である。あるいは、または指定されたクロムのレベルに加えて、組成物は、さらに約１原子％〜約３原子％のスズを含み得る。以下にさらに記述されるように、レーザクラッディングプロセスは、タービン構成部品製造中に特定のこれら成分のレベルを調節するのに特に適している。

当業者は、前記の因子に基づいて、所与の翼台およびダブテール翼根に対する最適な元素の組合せを決定することができるであろう。たとえば、ニオブシリサイド組成物中にＷ、Ｔａ、またはＭｏの１つまたは複数を含めると、金属相の引張強度、ならびに金属相および金属間化合物層両方のクリープ強度を増加させるのに有効であり得る。しかし、それらが存在するとまた、高密度の合金になり得、それは時として重要な問題になり得る。（翼台とダブテール翼根はここでは常に一緒に説明されているが、実際にはそれらがそれぞれ、タービンブレードに対する要件に応じて異なるタイプのニオブシリサイド組成物を含み得ることは理解されるべきであろう）。

図１を参照すると、ブレードのそれぞれの部分に異なるニオブシリサイド組成物が用いられた時、エーロフォイル１２の組成物が、翼台２４の組成物に急に変化し得る。同様に、翼台の組成物は、ダブテール翼根２６の組成物に急に変化し得る。しかし、好ましい実施形態では、これら構成部品の少なくとも２つの間で少なくともある種の組成上の漸変が行われる。たとえば、翼長「Ｓ」に沿ったエーロフォイルの下側のある部分２７（適宜、境界「Ｉ−２」と名付けられている）から始まって、組成物が、エーロフォイルに最適なものから翼台に最適なものへ徐々に変化する。

境界「Ｉ−２」の長さは、上述の境界「Ｉ」の長さを決定するのに用いられた因子の多くに応じて、かなり変化し得る。一般に、境界Ｉ−２は、翼長「Ｓ」の長さの約１％〜約２５％の長さを有する。多くの場合、境界Ｉ−２の長さは、境界「Ｉ」の長さに類似している。その境界内では、ニオブシリサイド組成物中の１つまたは複数の成分の割合は、両方向の「目標組成物」に応じて増減させることができる。

同様にして、ダブテール翼根２６の組成物もまた漸変させることができる。たとえば、組成物の漸変は、翼長「Ｓ」と同じ方向に沿って、たとえばダブテール翼根の上側部分４０から下側部分４２へ行うことができる。漸変は、上記のものと同様（長さはそれぞれ変化するが）な特定の境界に沿って行うことができる。あるいは、漸変は、ダブテール翼根の全長（高）に亘って、かつ／または他の寸法を通しても行うことができる。

上記のように、エーロフォイルは、典型的には、前縁部分と後縁部分との間に延在し、それらに結合する側壁から形成される。図１に示されるように、側壁２１および２３は、壁から壁への、翼長Ｓに垂直な寸法としてエーロフォイル厚さを画定する。側壁間の大部分または全ての内側領域内に、通常、中空領域が配置される。側壁自体も、必要なブレード強度など、やはり前記の因子に依存する厚さを有する。

ある実施形態では、一方または両方の側壁の厚さに沿って組成を漸変させることが非常に有益であり得る。この構想の一例が、図１に示されたエーロフォイルの拡大断面図である図２に提示されている。（この図では、エンドキャップ３２は示されていない。さらに、側壁の厚さが、描写を容易にするために、幾分誇張されている）。

側壁の組成上の漸変が有利であり得る１つの状況は、熱膨張に関係している。当業者は理解するように、たとえば燃焼ガスに曝されて、エーロフォイルが、作動中高温に曝される時、エーロフォイル外壁の温度は最大に上昇し得、他方、内壁の温度はかなり低めである。この温度勾配が、エーロフォイルの外側領域を、内側領域に比較して、より大きく膨張させ得る。その結果生じ得る応力が熱疲労を発生させ得、結果としてエーロフォイルの損傷に至り得る。疲労は、エーロフォイルが多数の温度サイクルに曝されると、より急速に生じ得る。しかし、この温度勾配による応力は、エーロフォイル壁がニオブシリサイド組成物に関して漸変されている場合、低減または消滅させることができる。

図２を参照すると、側壁２１は、厚さＩ−３に沿って組成上漸変させることができ、側壁２３は、厚さＩ−４に沿って組成上漸変させることができる。それぞれの場合に、熱膨張係数（ＣＴＥ）に影響する成分が増加または減少するように、組成を変化させることができる。非限定的例として、ニオブシリサイド組成物中のチタンやクロムのような元素の割合を増加させることによって、材料のＣＴＥを増加させることができる。したがって、そのような元素の割合を、厚さＩ−３に沿って、外側から内側に行くにつれて、増加させてもよい。同様な組成物の漸変を、厚さＩ−４に沿って、外側から内側へ行くにつれて設定することができる。このようにして、ニオブシリサイド組成物のＣＴＥは、壁の厚さを通して実質的にバランスさせることができる。

さらに、ニオブシリサイド組成物は、タービンブレード上、またはその一部の上に適用された１つまたは複数のコーティングのＣＴＥに適合するように漸変させることができる。当業者は理解するように、タービンブレードは、遮熱コーティング（ＴＢＣ）、たとえばイットリア安定化ジルコニアのような材料から形成されるセラミックコーティングによって保護されることが多い。ボンドコーティングが、ＴＢＣとタービンブレード表面との間に付着させられることが多い。ボンドコートの非限定的例には、Ｃｒ−Ａｌ−Ｒｕ合金、二珪化物、またはＳｉ−Ｔｉ−Ｃｒ−Ｎｂ合金から作られる材料が含まれる。

タービンが高温、作動温度にある時、かつ／または前述の温度サイクルにブレードが曝されている間、保護コーティングとタービンブレード表面との間に応力が発生する。これら応力が、コーティングの健全性およびブレード表面への付着性を損なう結果となる。したがって、タービンブレード表面とその上に付着されたコーティングとの間に発生する応力を最低限に抑えるために、側壁２１および２３を通してニオブシリサイド材料の組成を漸変（全体または部分的に）させることができる。

一方または両方の側壁の厚さを通して組成上漸変させる他の理由がある。たとえば、側壁の耐酸化特性を修正するために漸変を実施することができる。耐酸化性のような特性を利用するための最適な漸変方式は、当業者によって不要な実験を行わずに決定することができる。

各エーロフォイルの壁の厚さの両端間で組成を変化させる程度は、当然、ＣＴＥにとって最も重要な熱に対する考察と併せて、前記の因子に依存している。多くの変形形態も可能である。たとえば、側壁２１および側壁２３は、互いに同じように漸変させる必要はない。（実際に、一方を漸変し、他方を漸変させないこともできる。）さらに、Ｉ−３、Ｉ−４で表されている漸変は、図２に示されるように壁の縁に対してほぼ垂直である必要はない。さらに、漸変は、各壁の全厚さを通して連続している必要はない。実際に、壁は、本明細書に記述しているように「漸変」させる必要なない。その代わりに、１つの特定のニオブシリサイド組成物が、寸法Ｉ−３およびＩ−４に沿う壁の１つの層（すなわち垂直な「薄片」）で存在し、１つまたは複数の異なるニオブシリサイド組成物が、全く漸変させられることなしに、他の「層」で存在してもよい。

上述のように、図１に示されるようなタービンブレードは、様々な技法で製作することができる。それらには、鍛造、精密鋳造、機械加工、およびそれら技法の組合せが含まれる。幾つかの好ましい実施形態では、本発明のタービンブレードは、レーザクラッディングプロセスによって製作される。そのようなプロセスは、当技術分野では一般に知られており、「レーザ溶接」とよばれることもある。このプロセスの非限定的例は、参照により本明細書に組み込まれる以下の米国特許に提示されている。すなわち、第６，４２９，４０２号（Ｄｉｘｏｎ等）、第６，２６９，５４０号（Ｉｓｌａｍ等）、第５，０４３，５４８号（Ｗｈｉｔｎｅｙ等）、第５，０３８，０１４号（Ｐｒａｔｔ等）、第４，７３０，０９３号（Ｍｅｈｔａ等）、第４，７２４，２９９号（Ｈａｍｍｅｋｅ）、および第４，３２３，７５６号（Ｂｒｏｗｎ等）である。レーザクラッディングに関する情報は、ＢＩＡＳ Ｂｒｅｍｅｎ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅのＣ．Ｔｈｉｅｌｅｒ等によるｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｉａｓ．ｄｅ／ａｂｏｕｔｕｓ／ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ／Ｉｍｂ／Ｐｕｂｌｉｋａｔｉｏｎｅｎ／Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ％２０ｏｆ％２０ｇｒａｄｅｄ．ｐｄｆ（２００５年６月のウェブサイドアドレス、日付なし）「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒａｄｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｂｙ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｃｌａｄｄｉｎｇ」（１０頁）など、他の多くの参照文献にも提示されている。

一般に、レーザビームクラッディングプロセスは典型的に、基盤の表面上の溶融池中に消費粉体またはワイヤを供給することを伴う。基盤は、通常、このプロセスによって形成される物品の基底部分である。溶融池は、高温の熱源を提供するレーザビームに反応することによって発生し、維持される。Ｃ．Ｔｈｉｅｌｅｒ等によって記述されているように、基盤はビームに対してスキャンされる。スキャニングが進行すると、溶融基盤領域および溶融付着材料が凝固し、クラッディング軌跡が表面に付着する。１つの層が、複数の軌跡を順次並行に付着することによって形成されていく。多重層構造は、複数の軌跡を互いに重ねて付着していくことによって生成される。

レーザビームクラッディングプロセスに関する特有の一利点は、付着中の比較的小さな熱影響領域（ＨＡＺ）に関係する。ＨＡＺが小さいことによって、最初に付着中の基盤上、および層を引き続き付着中の構成要素上の熱衝撃または応力が最低限に抑えられる。さらに、溶融池が急速に冷却する（以下に記述するように）ことによって、製造されている物品に極めて細かい微細構造状態が形成され得る。

図３は、レーザクラッディングプロセスの一般的な原理を説明する簡単な図である。所望の物品の形成が、基盤６０の表面５８上で行われている。レーザビーム６２の焦点を、以下に記載する従来のレーザパラメータに従って、基盤上の選択された領域に合わせる。供給材料（付着材料）６４は、通常粉体源６６から適切な搬送ガス６８によって送出される。供給材料は、通常、エネルギービームが基盤表面５８と交差する点に極めて近い基盤上の領域に導入される。溶融池７０がこの交差点に形成され、凝固してクラッデイング軌跡７２を形成する。互いの直ぐ隣に複数の軌跡を付着させることによって、所望の層を形成する。付着装置が上方に次第に上昇していくに従って、物品は３次元の形に完成されていく。

さらに以下に記載するように、供給材料の付着は、コンピュータ移動制御のもとで実施することができる。１つまたは複数のプロセッサを、レーザの移動、供給材料の流れ、および基盤を制御するのに使用することができる。プロセッサは、供給材料の組成を制御するのにも使用することができる。このようにして、特定のニオブシリサイド組成物を、タービンブレードの指定された領域に供給することができる。さらに、前記のように、その組成物を組成上漸変させることができる。一般に、本発明によるコンピュータ制御レーザクラッディングは、通常、互いに実質的に平行な断片または「細片」の集合体としてタービンブレードを解析することから始まる。次いで、物品は、隣接する部分との関係において、各部分のパターン、すなわちその形状および大きさ、ならびに各部分の位置を特定することによって、固有に定義される。

より具体的には、所望のタービンの物品は、最初は図面から、または鋳造、機械加工などの従来の方法でそれ以前に形成された物品から形状を特徴付けることができることがコンピュータ支援設計（たとえばＣＡＤ−ＣＡＭ）の当業者には理解されよう。部品の形状が数値的に特徴付けされた後、部品（または等価的に、付着物ヘッド）の移動が、利用可能な数値制御コンピュータプログラムを使用して、レーザクラッディング装置用にプログラムされる。これらプログラムは、付着を実行する各「パス」中の部品の移動、および各パス間の部品の横方向移動に関する指令パターンを生成する。その結果製作される物品は、複雑な曲線やエーロフォイルの中空領域などを含む、数値的特徴付けによる形状を極めて正確に再生する。上記で言及した米国特許第５，０３８，０１４号は、このタイプの付着技法に関する詳細を他に多数記載している。米国特許第６，４２９，４０２号および第６，２６９，５４０号もまた、この点に関して有益である。

図４は、本発明の実施形態に適切なレーザクラッディング装置の一タイプの全体を示す。装置１００は、供給材料貯槽１０２を有する。貯槽１０２は、複数の粉体供給室（ホッパ）１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、および１１４によって供給することができる。各供給室は、様々なニオブシリサイド組成物を形成するのに用いることができる単一元素、化合物（たとえば２元素化合物）、または合金で満たすことができる。６個の供給室が図示されているが、タービンブレードの各部分を形成するのに用いられる特定の成分に応じて、数は６個より多くても少なくてもよい。各供給室は、粉体流に用いられる従来の導管によって貯槽１０２に接続することができる。

従来の粉体送出システムは、しばしば粉体微粒子をガス流れ、たとえば別のガス供給源から送出することができる不活性ガス搬体に乗せる。（粉体の搬送を支援するのに加えて、不活性ガスは、貯槽１０２内の粉体を加圧下に維持するように働くことができる）。そのようなガスシステムに関する詳細をここに含める必要はない。貯槽１０２は、供給粉体中の含有水分を最低限に抑えるように、加熱（たとえば加熱コイルによって）することができる。

様々な機構が、供給材料１１６を粉体送出ノズル１１８に搬送するのに利用できる。非限定的例として、市販の従来型粉体供給輪１２０を使用することができる。あるいは、たとえばオーガ機構、円盤機構など他の多数の体積式供給装置が利用できる。粉体輪は、供給材料１１６を送出ノズル１１８に搬送する導管１２２に協働的に装着されている。様々な機構形態をとることができる加振装置１２４が、導管１２２と組み合わさっている。加振装置は、導管を通って移動する粉体微粒子が、導管の壁に付着するのを防止する。

導管１２２は、粉体送出ノズル１１８（本明細書では「粉体ヘッド」と称することもある）で終わる。粉体ヘッド（通常加圧不活性ガスで補助される）は、基盤１２６の上面、またはそれ以前に付着された層１２８の表面上に粉体を導く。粉体ヘッドの形状と大きさは大幅に変わり得る。粉体ヘッドはまた、銅、青銅、アルミニウム、鉄またはセラミック材など様々な材料から形成することができる。米国特許第５，０３８，０１４号に記載されているように、粉体ヘッドは、粉体の流れの一様性を高めるために、通常、水などで流体冷却されている。流体冷却はまた、レーザビームがヘッドを通過する時、または溶融池（「溶接池」）からエネルギーが粉体ヘッドに逆反射される時、粉体ヘッドが過度に加熱されるのを防止する。

装置１００はさらにレーザ１３０を有する。レーザは、光軸１３４を有するビーム１３２を射出する。本明細書に説明された溶融作用を完遂できるに十分な出力を有することを前提として、様々な種類の従来のレーザを用いることができる。約０．１ｋｗ〜約３０ｋｗの出力範囲の二酸化炭素レーザが、その範囲はかなり変化し得るが、典型的に用いられる。本発明に適した他のタイプのレーザの非限定的例は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバレーザ、ダイオードレーザ、ランプ励起固体レーザ、ダイオード励起固体レーザ、およびエキシマレーザである。これらレーザは市販されており、当業者はその操作に習熟している。レーザは、パルスモードまたは連続モードのいずれでも作動させることができる。

レーザビーム１３２は、通常、基盤表面より下方に焦点面１３６を有する。焦点面は、基盤の表面に選択されたビームスポット１３８が得られるように計算されている。ビームスポットの大きさは、通常、直径０．２ｍｍ〜約５ｍｍの範囲である。ただし、その大きさはかなり変化させることができ、この範囲から外れることが時々ある。レーザのエネルギーは、ビームスポット１３８とほぼ一致する材料池を溶融するのに十分なように選択される。通常、レーザエネルギーは、１平方センチメートル当たり約１０^３〜約１０^７ワットの範囲のパワー密度で適用される。

上述のように、材料層は、通常、粉体１１６を導管１２２を通してビームスポット１３８位置の溶融池に供給することによって付着される。物品に重ね合わせる粉体を搬送しながらレーザビームスポットと物品との間で相対横移動が行われるので、溶融反応領域の溶融、冷却、凝固が順次生じ、「ビード」または層を生成する。図４では、付着材料の第１層１２８が示され、次の層１４０の付着が進んでいる。粉体が供給される角度はかなり変化し得、物品の表面に対して通常約２５°〜７０°の範囲である。レーザ付着の当業者は、当技術分野で既知の因子に基づいて、特定の状況に適する粉体の送出角度を調節することが容易にできるであろう。

図４に示すように、基盤１２６は、移動可能な支持部１４２で支持することができる。支持部１４２は、基盤を２つの直線方向に移動させることができる。すなわち、「Ｘ」方向（Ｘおよび−Ｘ方向の両方）および「Ｙ」方向（Ｙおよび−Ｙ方向の両方、図４に示された面から外へ）である。支持部１４２のＸおよびＹ方向移動の組合せを制御することによって、導管１２２およびレーザ１３０を一定の高さに維持しながら、タービンブレードのその特定の部分に対する精密なパターン（形状）を有する正確に画定された層を基盤上に付着することができる。

殆どの例では、第１の直線軸Ｘおよび第２の直線軸Ｙに沿った支持部１４２の移動は、たとえばプロセッサ１４４などの何らかの形のコンピュータ移動制御によって実行される。広範なコンピュータ制御システムを使用することができる。それらの大部分は、通常、所望の移動パターンがプログラムされたＣＡＤ／ＣＡＭインターフェースを使用する。

さらに、支持台１４２は、支持台１４２（および基盤１２６）を操作できる方向をさらに増やすために、１つまたは複数の新たな支持台座と併せて使用することができる。たとえば、支持台座は、複雑な多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械の一部であり得る。それら機械は、当技術分野では既知であり、市販されている。そのような機械を使用して基盤を操作することについては、２００３年７月１７日出願のＳ．Ｒｕｔｋｏｗｓｋｉ等による同時係属出願Ｓ．Ｎ．１０／６２２，０６３に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。Ｓ．Ｎ．１０／６２２，０６３に記載されているように、そのような機械を使用することにより、直線軸ＸおよびＹに対して、１つまたは複数の回転軸に沿って基盤を動かすことが可能になる。たとえば、従来型の回転スピンドル（図４に示さず）を使用して回転運動を実現することができる。

図４の実施形態に示されるように、導管１２２およびレーザ１３０は、装置支持部１４６上に強固に支持されている。その支持部は、図に示すように垂直「Ｚ」方向（および−Ｚ方向）に移動可能である。このように、導管１２２およびレーザ１３０は上昇または下降させることができる。

ある実施形態では、装置支持部１４６は、プロセッサ１４４と協働して働くことができるプロセッサ１４８によって制御することができる。このようにして、形成される物品に関して、支持部１４６および支持部１４２は少なくとも３次元的に移動させることができる。たとえば、支持部１４２のＸおよびＹ方向移動の組合せを制御することにより、導管１２２およびレーザ１３０を一定の「Ｚ」高さに維持しながら、正確に画定された層を基盤上に付着することができる。層、たとえば層１４０は、タービンブレードのその特定の部分に求められるパターンに一致する。（当業者は理解するように、同じタイプのＸ、Ｙ、およびＺ移動を、Ｚ方向には支持部１４２を操作し、ＸおよびＹ方向には支持部１４６を操作することによって実行することができる）。

図４に示すように、１つの層、たとえば層１２８を付着すると、装置１００は、一刻み上昇する。装置が上昇すると、第２の層１４０の高さまたは厚さとして選定した量だけ、導管１２２およびレーザ１３０も上昇する。このようにして、層１４０を層１２８上に重ねて形成することができる。（再び言うと、図４は、第１の層１２８が完全に付着され、第２の層１４０が部分的に付着されている段階での付着プロセスを示している）。層１４０が付着される時、層１２８の上側部分が通常再溶解される。このようにして、隣接する層の混合および構造の連続性が確保される。

上述のように、タービンブレードの特定の領域に選択されたニオブシリサイド組成物は、１つまたは複数の供給室（要素１０４〜１１４）からの供給材料のある組合せによって実現される。非限定的例として、図示された６室は、それぞれＮｂ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＴｉを収容することができる。（新たな供給室を、新たな元素またはブレンド元素用として追加することができる）。従来の管または導管によって、各室を供給材料貯槽１０２に接続することができる。上述のもののような様々なタイプの容積型供給装置を各室に用いることができる。粉体は、貯槽１０２に重力供給することができ、かつ／または搬送ガスを介して搬送することができる。貯槽１０２は、様々な元素および合金を混合し、またその中に含まれる水分量を最低限に抑えるために、従来型の装置を備えることができる。貯槽はまた、所望の組成を得るために様々な粉体が容易に化合できることを確実にする機械式機構または形状を備えることができる。

多くの技法を、付着層内、または次の付着層との間で粉体のブレンド法を変化させるのに用いることができる。たとえば、図４の各ホッパ／室１０４〜１１４間の粉体の配分は、各ホッパと組み合わされた粉体供給輪または円盤（具体的に示されていない）の回転速度を変更することによって行うことができる。（供給輪１２０について上記で指摘したように、供給輪に対して、たとえばオーガと類似機能のものまたはディスクなど多くの変更形態が可能である。）あるいは、やはり各ホッパから流れる粉体の量を効率的に配分する従来型の粉体スプリッタを使用することもできる。

さらに図４を参照すると、貯槽１０２に組み合わさったプロセッサ１５０が示されている。一般に、このプロセッサ（またはプロセッサ群）は、様々なホッパ／供給室から貯槽への粉体元素または合金の供給を調整するように働く。したがって、プロセッサ１５０は、プロセッサ１４８および１４４と連携して働くことができる。全てのプロセッサは、タービン構成部品形成中、基盤の多軸移動、特定の時点における基盤の位置および姿勢（すなわち、基盤上にすでに付着された層の数）、ならびに次の層または次の一組の層用の特定の組成を実現するコンピュータ指令パターンに基づいて協調する。

当業者は理解するように、要素１５０のようなプロセッサは、複数のサブプロセッサを纏めて示すことができる。さらに、図４に描かれた全てのプロセッサ（１４４、１４８、および１５０）を統合し、たとえばそれらの機能を単一のプロセッサで取り扱えるようにすることが可能である。たとえばＣＮＣの作動および粉体の付着作業を熟知した当業者は、所与の状況に対して最良の制御システムを無理なく考案することができる。

図４に示すような装置を使用した典型的なレーザクラッディングプロセスに関する他の詳細は、米国特許５，０３８，０１４号などの様々な参照文献に提示されている。非限定的例として、基盤と一体になった圧縮機ブレードを、３ｋＷ二酸化炭素レーザを用いて形成することができる。レーザビームを、基盤表面の直径０．３５６ｃｍのスポットに収束して、１平方センチメートル当たり約３０ｋＷのパワー密度を実現することができる。基盤表面および環境領域は、付着中、不活性雰囲気（たとえばアルゴン）に維持することができる。粉体送出システムは、実質的に図４に示される通りである。供給導管に導かれる通常のニオブシリサイド粉体は、約３５ミクロン〜約１８０ミクロンの平均粒径を有し得る。粉体は、毎分約１０グラムの流量で基盤表面に導くことができる。形成される各「ビード」または層の高さは、約０．０１５インチ（０．０３８ｃｍ）である。長さが約３インチ（７．６ｃｍ）のブレードを製作するためには、これらの操作条件下では、合計で約２００パスが必要になり得る。基盤の、レーザビームに対する通常の直線移動速度は、供給粉体を付着している時、毎分約５０インチ（１２７ｃｍ）であり得る。

レーザクラッディングプロセス用のレーザおよび粉体送出システムに関しては、多数の変形形態が可能である。一般に、それらは全て本発明の範囲内であるが、ここに詳細に記載する必要はない。一例として、様々なタイプの同心の供給ノズルを採用することができる。そのようなタイプの１つが、上記で参照した米国特許第４，７２４，２９９号にＨａｍｍｅｋｅによって記載されている。Ｈａｍｍｅｋｅは、レーザビーム通過路がノズル本体のハウジングを貫通して垂直に延在するレーザスプレーノズルアセンブリを記載している。ハウジングは、レーザがそれを通過することができる同軸の複数の開口を有する。個々の粉体送出システムが、レーザビーム通過路に垂直な方向から、レーザビーム通過路に連通する環状通路に粉体を供給する。このようにして、供給粉体とレーザビームとを、共通の箇所に集中させることができる。他のレーザクラッディングシステムのように、下に置かれた加工物上の、レーザビームと粉体流の集中点に合致する表面領域に溶融池が形成される。

考えられる別の変形形態は、供給粉体が送出される方法に関する。幾つかの好ましい実施形態では、粉体は、複数の供給ノズルによって基盤表面の溶融池に供給される。たとえば、約２〜４個のノズルを、付着が行われている表面領域の周囲を取り囲んで等間隔に配置することができる。各ノズルには、図４の実施形態の貯槽１０２と同様な供給源から供給することができる。

図５は、粉体送出管１６０、１６２、１６４、および１６６を、レーザクラッディングシステムの一部として（単純化した形で）示す。各管は、粉体ノズル１７０、１７２、１７４、および１７６（それぞれ）で終わっている。ノズルは、レーザクラッディングプロセスによって形成されつつあるタービンエーロフォイル１７８の表面１６８を囲んでいる。レーザビーム１８０は、下方へ、粉体ノズルによって囲まれている表面１６８上の一点に導かれる。（層１６９が、部分的に形成されている）。粉体送出に関する多くの他のパラメータなどは、前記の実施形態で説明したものと同様である。（各粉体ノズルは、全く同じとして示されているが、それらの大きさと寸法は、付着パラメータに一部応じて変化し得る。たとえば、１つまたは複数のノズルの先端の直径を小さくすることがある）。

複数の粉体ノズルを使用することによって、ニオブシリサイド供給材料を様々な方向から付着させることができる。ある場合には、それにより、単一方向からの付着に比較して、材料の「積層」をより一様にすることができる。言い換えると、付着されている各層の溶融およびそれに引き続く凝固の一様性および一貫性が高まるほど、完成するタービン物品がより一様な微細構造になる。

レーザクラッディングプロセスによってタービン構成部品を製造した後、様々なプロセスを実施することができる。たとえば、構成部品の精密な幾何学的形状を達成または修正するために機械加工段階を用いることもある。機械加工技法の例には、放電加工（ＥＤＭ）、ミリング、および研削が含まれる。研磨段階もまた、頻繁に行われる。さらに、たとえば構成部品母材の内部空隙を除去しまたは最低限に抑えるために、従来の静水圧圧縮操作を用いることができる。焼結、緻密化などを行うために、物品に適切な熱処理を施すこともできる。一般に、本明細書に記載されたレーザクラッディングプロセスを用いると、従来の鍛造または鋳造工程で成形されるタービン物品に比較して、これら製造後の段階の多くに必要な時間を低減することができる。

前述のように、本発明のタービン構成部品は、少なくとも約７５重量％のニオブシリサイド組成物を含む。したがって、残りの成分には、他の材料を含み得る。例としてタービンブレードの場合は、ダブテール翼根は、珪素を含む金属間化合物に比較して、ニオブ合金などの金属材料を含み得る。ニオブ基金属材料は、ダブテール翼根に必要なことがある破壊靱性のレベルを向上させることができる。このタイプの通常の組成物は、少なくとも約５０原子％のニオブ、ならびにチタン、ハフニウム、クロム、アルミニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、ジルコニウム、およびレニウムからなる群から選択される少なくとも１つの添加元素を含んでもよい。

他の実施形態では、ダブテール翼根は、従来の超合金材料を含むことができる。用語「超合金」は、通常、レニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、鉄などの１つまたは複数の元素を含む複雑なコバルトまたはニッケル基合金を包含するものとされる。そのような材料は、様々な参照文献、たとえば米国特許第６，４７５，６４２号、第５，３９９，３１３号、第４，１１６，７２３号などに記載されており、これら米国特許は参照により本明細書に組み込まれる。（部分的に、または全部が超合金材料を含むダブテール翼根を使用することは、ダブテール翼根が差し込まれるタービンディスクまたはロータが、しばしば同様な超合金材料から形成されるので、好ましいことが時としてあり得る）。レーザクラッディングプロセスは、主としてニオブシリサイドをベースとするタービン構成部品に超合金組成物および他の金属組成物を組み込むのに、漸変または非漸変方式のいずれに従っても、最大限の柔軟性を発揮する。

従来のタービン構成部品に加えて、本明細書に記載したプロセスは、ニオブシリサイド基材料で形成する「ブリスク」を製造するのに用いることができる。米国特許５，０３８，０１４号（Ｐｒａｔｔ等）に記載されているように、ブリスクはディスクと一体に形成されたタービンブレードである。ブリスクを使用すると、エーロフォイル上のダブテール形式の連結部、およびタービンディスク上のそれに対合するスロットの必要がなくなる。したがって、ブリスクは、一部は重量軽減によって、タービン性能向上の可能性をもたらす。Ｐｒａｔｔ等による参照文献には、従来の鋳造および鍛造工程に比較して、レーザ溶接（レーザクラッディング）プロセスによってブリスクを製作することの利点が記載されている。

図４に記載されている装置は、Ｐｒａｔｔ等の特許の図１〜５に示されているもののようなブリスクを製作するのに極めて適している。前述のように、所望のブリスク形状が、最初に、部分毎に特徴付けされる。次いで、物品が、コンピュータ駆動レーザシステムに従って、層の上に層を重ねて再生される。さらに、ニオブシリサイド組成物から形成されるブリスクは、その構造の全体を通して、またはその一部分で組成的に漸変させることができる。このようにして、構成部品の各部分は、所与の作動環境に対して最も適した組成を与えられる。さらに、ブリスクのブレードが損傷した部分は、ブリスク全体を廃棄するなど、より極端な段階をとる必要なしにレーザクラッディングプロセスによって（以下で説明する）容易に修理することができる。

本発明の別の実施形態は、ニオブシリサイド基材料から形成されたタービン構成部品の修理方法に関する。たとえば、損傷タービンブレードを、損傷領域より下方の領域まで擦り落とすことができる。次いで、そのブレードに上記のレーザクラッディングプロセスを適用することができる。ブレードの損傷を受けていない部分または区画が基盤面になる。コンピュータ制御式付着によって、ブレードが、元の形状と同一の形状に再形成される。レーザクラッディングプロセスを使用することの利点は、発生する溶接現象によって、修理部分が元のブレード部分と、仕上げ後、検出可能な結合線または不連続性を持たないようにできることである。それらの修理技法は、前記のブリスクにも非常に適している。

本発明は、ニオブシリサイド材料から形成された既存のタービン構成部品を修正するのに使用することもできる。非限定的例として、他の点では機能を果たすタービンブレードの表面を、より過酷な使用環境を満足するように、レーザクラッディングプロセスを介して、耐摩耗性材料で増強することができる。さらに、レーザクラッディング段階と機械加工段階との組合せを使用して、タービン構成部品の形状を特定の必要性に適合するように修正することができる。

本特許明細書では、タービンブレードが、しばしば例示されている。しかし、多くのタイプのタービン構成部品が、本発明の様々な実施形態から利益を享受できる。非限定的例としては、バケット、ノズル、ロータ、ディスク、ベーン、ステータ、シュラウド、および燃焼器、ならびに前述のブリスクがある。

本発明の物品および方法が、例示の目的で詳細に記載されてきたが、この記述は、決して限定的であると解釈されるべきではない。特許請求の範囲は、これら教示の精神および範囲内の全ての変形形態および修正形態を包含するものである。上記の特許、特許出願、物品、文書は全て参照により本明細書に組み込まれる。

エーロフォイル、翼台、およびダブテール翼根を有するタービンエンジンブレードの斜視図である。 図１の線２−２に沿った、タービンエンジンブレードの拡大断面図である。 レーザクラッディングプロセスの概略図である。 レーザクラッディング装置の詳細説明図である。 レーザクラッディング装置中の、紛体を送出する多重供給ノズルシステムの図である。

符号の説明

１０ タービンブレード
１２ エーロフォイル
１４ エーロフォイルの正圧面
１６ エーロフォイルの負圧面
１８ 前縁
２０ 後縁
２１ 側壁
２２ エーロフォイルの基部
２３ 側壁
２４ 翼台
２５ 翼台の上面
２６ ダブテール翼根
３１ エーロフォイル先端
３２ エンドキャップ
３４ 冷却孔
３５ 上端
４０ ダブテール翼根の上側部分
４２ ダブテール翼根の下側部分
５８ 基盤の表面
６０ 基盤
６２ レーザビーム
６４ 供給材料
６６ 粉粒源
６８ 搬送ガス
７０ 溶融池
７２ クラッディング軌跡
１００ 装置
１０２ 供給材料貯槽
１０４ 紛体供給室
１０６ 紛体供給室
１０８ 紛体供給室
１１０ 紛体供給室
１１２ 紛体供給室
１１４ 紛体供給室
１１６ 供給材料（粉体）
１１８ 粉体送出ノズル
１２０ 粉粒供給輪
１２２ 導管
１２４ 加振装置
１２６ 基盤
１２８ 付着材料層
１３０ レーザ
１３２ レーザビーム
１３４ レーザ光軸
１３６ 焦点面
１３８ ビームスポット
１４０ 材料層
１４２ 移動可能な支持部
１４４ プロセッサ
１４６ 支持部
１４８ プロセッサ
１５０ プロセッサ
１６０ 紛体送出管
１６２ 紛体送出管
１６４ 紛体送出管
１６６ 紛体送出管
１６８ タービンエーロフォイルの表面
１６９ 層
１７０ 紛体ノズル
１７２ 紛体ノズル
１７４ 紛体ノズル
１７６ 紛体ノズル
１７８ タービンエーロフォイル
１８０ レーザビーム

Claims (11)

1. ニオブシリサイド基組成物から形成されたタービン構成部品（１０）であって、当該タービン構成部品を形成する材料の少なくとも７５重量％が何らかの形のニオブシリサイド基組成物を含んでいて、該ニオブシリサイド基組成物が前記構成部品の少なくとも一部分で組成が漸変しており、その組成の漸変が、タービン構成部品の寸法に沿っての組成物中の１種以上の成分の量の継続的又は連続的な変化であり、
   当該タービン構成部品（１０）が、
   （ａ）エーロフォイル（１２）と、
   （ｂ）前記エーロフォイル（１２）の外端に位置するエーロフォイル先端領域（３１）と、
   （ｃ）前記エーロフォイル（１２）が取り付けられている翼台（２４）と、
   （ｄ）翼台（２４）の下側に取り付けられ、前記ブレード（１０）をタービンロータに取り付けることができるように前記ロータのスロットに嵌め込むのに適合した形状を有するダブテール翼根（２６）と
   を有するタービンブレードを含んでおり、
   前記構成部品の少なくともエーロフォイル先端領域（３１）が、標準作動状態で、前記構成部品の隣接するエーロフォイル（１２）より高い耐酸化性を示すように組成が漸変しており、
   前記ニオブシリサイド基組成物がニオブシリサイド合金であって、前記タービンブレードのダブテール翼根（２６）のニオブシリサイド合金の組成が、前記ブレードのエーロフォイル（１２）のニオブシリサイド合金の組成とは異なっていて、前記ダブテール翼根（２６）のニオブシリサイド合金が、前記エーロフォイル（１２）のニオブシリサイド合金より高い破壊靭性を示し、前記ダブテール翼根（２６）のニオブシリサイド合金中に存在する珪素の量が、全原子百分率に基づいて、９原子％未満であり、前記合金がＮｂ基金属相と、式Ｍ₃Ｓｉ又はＭ₅Ｓｉ₃の１以上の珪化金属相（ただし、Ｍは、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、白金族金属からなる群から選択される１種以上の元素又はそれらの組合せである。）とを有する、タービン構成部品（１０）。
2. 前記構成部品の翼台及びダブテール翼根（２４、２６）が、標準作動状態で、前記構成部品の隣接するエーロフォイル（１２）より高い、靭性、延性、耐クリープ性及び中間温度強度から選択される機械的特性を示すように組成が漸変している、請求項１記載のタービン構成部品（１０）。
3. 前記エーロフォイル先端領域（３１）のニオブシリサイド合金が、標準作動状態で、前記エーロフォイル（１２）のニオブシリサイド合金に比較して、より高い耐酸化性、耐摩耗性又は耐酸化性と耐磨耗性の組合せを示す、請求項１記載のタービン構成部品（１０）。
4. 前記ニオブシリサイド合金の組成を、前記ブレードのエーロフォイル（１２）、エーロフォイル先端領域（３１）、翼台（２４）及びダブテール翼根（２６）のうちの少なくとも１つの領域を通して漸変させて、前記ブレードの前記１つの領域から隣接する別の領域までの間で前記合金の組成の漸進的な移行を実現する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービン構成部品（１０）。
5. 組成上の漸変が様々な領域で独立に存在する、請求項４記載のタービン構成部品（１０）。
6. 前記エーロフォイルの組成が、先端領域のそれより低いレベルで珪素変性ラーベス相を含む、請求項５記載のタービン構成部品（１０）。
7. 前記エーロフォイルの組成が、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）及び珪素（Ｓｉ）を含み、ニオブ基金属相及び珪化金属相を含む微細構造を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービン構成部品（１０）。
8. 前記エーロフォイル（１２）が、全体として対向する側壁（２１、２３）を備え、前記側壁の少なくとも一部分がエーロフォイルの翼長又は弦長に沿って或いはエーロフォイル壁の厚みを通して組成上漸変している、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のタービン構成部品（１０）。
9. 前記側壁（２１、２３）が組成上漸変し、それにより、前記タービンブレードが標準作動状態に曝された時、前記側壁の厚さを通して実質的にバランスがとれた熱膨張係数（ＣＴＥ）を実現する、請求項８記載のタービン構成部品（１０）。
10. 少なくとも部分的にレーザクラッディングプロセスによって製造される、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のタービン構成部品（１０）。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載のタービン構成部品（１２６）を修正する方法であって、前記タービン構成部品を形状、組成、又は形状と組成の組合せについて修正するために、ニオブシリサイドを含む追加材料をタービン構成部品の少なくとも一部分に、指定されたパターンに従って付着させる段階を含む方法。
    

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