JP5795710B2 - タービンブレードの製造方法 - Google Patents

Description

本明細書記載の実施形態は、一般に、タービンブレードを製造する方法に関する。より詳細には、本明細書記載の実施形態は、一般に、インベストメント鋳造を使用して正味形状で複雑な内部躯体を製作し、引き続き外壁を着設して壁際の回路を生成し、タービンブレードを完成することによってタービンブレードを製造する方法に関する。

先進ガスタービン用鋳造タービンエーロフォイルは、現在の鋳造技術の能力では困難となり得る内部形体を有する。その鋳造は、内部形体を形成するために複雑なセラミック中子を必要とし、それらの中子は鋳造プロセス中に壊れ易い。その結果、５０〜７０パーセントの歩留まりは珍しいことではない。３０〜５０パーセントの鋳造廃却率は、使用可能な鋳造品のコストに影響する。この問題は、単結晶材料などの特殊な合金と複合しており、その合金は部品を鋳造するコストを上昇させ、したがって、金属製品を廃却することによって生じるコストを上昇させ得る。

インベストメント鋳造によって、同じ材料から製造された内側および外側部分を有するブレードが得られる。同様に、ブレードに環境コーティングを適用するために拡散プロセスが使用されるので、ブレードの内側および外側部分が同じコーティングからなるのが一般的である。そのようなプロセスでは、ブレードの内側部分を外側部分とは独立に製造する、またはコーティングすることはできない。

米国特許第６８９６０３６号

したがって、前述の問題を回避することができ、複雑で効果的な冷却体系を有する改良されたタービンブレードの製造方法の必要性が残る。

本明細書の実施形態は、一般に、複数の開放冷却チャネルを形成する複数の内部リブを備える内部躯体を鋳造するステップと、開放冷却チャネルに充填材を充填するステップと、開放冷却チャネルに充填材が充填された内部躯体の周りに外壁を着設するステップとを含むタービンブレードの製造方法に関する。

本明細書記載の実施形態はまた、一般に、超合金を含み、２つ以上の埋設冷却チャネルと、複数の開放冷却チャネルを形成する複数の内部リブとを備える内部躯体を鋳造するステップと、開放冷却チャネルと埋設冷却チャネルとの間に横断孔を穿孔するステップと、開放冷却チャネルに充填材を充填するステップと、開放冷却チャネルに充填材が充填された内部躯体の周りに外壁を着設するステップとを含む、タービンブレードを製造する方法に関する。

本明細書記載の実施形態はまた、一般に、超合金を含み、２つ以上の埋設冷却チャネルと、複数の開放冷却チャネルを形成する複数の内部リブとを備える内部躯体を鋳造するステップと、開放冷却チャネルと埋設冷却チャネルとの間に横断孔を穿孔するステップと、内部躯体に内部耐環境コーティングを施すステップと、開放冷却チャネルに充填材を充填するステップと、開放冷却チャネルに充填材が充填された内部躯体の周りに外壁を着設するステップと、完成タービンブレードを生成するために充填材を取り除くステップとを含む、タービンブレードを製造する方法に関する。

これらおよび他の特徴、態様、および利点が、当業者には以下の開示から明らかになろう。

本明細書は、本発明を詳細に明示し明確にその特許請求を行う特許請求の範囲によって結論付けられるが、本明細書に提示される実施形態は、添付図面と併せて以下の説明によってより良く理解されるであろうと思われる。その添付図面では、同様な参照番号は同様な要素を示す。

本明細書記載のタービンブレードの一実施形態の概略透視図である。 本明細書記載のタービンブレードの一実施形態の概略断面図である。 本明細書記載の内部躯体の一実施形態の概略透視図である。 本明細書記載の、内部耐環境コーティングと、冷却チャネルに充填された充填材とを有する図３の実施形態の上面図である。 本明細書記載の、外壁を着設した後の図４の実施形態の図である。 本明細書記載の、充填材を取り除いた後の図５の実施形態の図である。

本明細書記載の実施形態は、一般に、タービンブレードを製造する方法に関する。より詳細には、本明細書記載の実施形態は、一般に、インベストメント鋳造を使用して正味形状で複雑な内部躯体を製作し、引き続き外壁を着設して壁際の回路を生成し、タービンブレードを完成することによってタービンブレードを製造する方法に関する。

様々な図を通して同一の参照番号は同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、タービンエンジン（図示せず）に使用する従来のタービンブレード３０を示す。タービンブレード３０は、中空のエーロフォイル４２と、周知の態様でタービンディスク（図示せず）にタービンブレード３０を装着するための一体のダブテール４３とを備える。エーロフォイル４２は、第１の側壁４４と、第２の側壁４６とを備える。第１の側壁４４は、凸状であり、エーロフォイル４２の負圧面を形成し、第２の側壁４６は、凹状であり、エーロフォイル４２の正圧面を形成する。側壁４４および４６は、エーロフォイル４２の前縁４８、および軸方向に間隔を置いた後縁５０において連結されている。

第１の側壁４４および第２の側壁４６は、それぞれ、長手方向または半径方向外向きに延在して、ダブテール４３に隣接して位置する翼根部５２から、冷却回路５６の半径方向外側境界を形成する先端プレート５４まで広がる。冷却回路５６は、エーロフォイル４２内に、側壁４４と側壁４６との間に形成され、当技術分野では周知である。例示的実施形態では、冷却回路５６は、図２に示されるように、蛇行した通路５８を有する。当業者は、本明細書に示される蛇行通路は、以下に記載される方法を用いて製作することができる冷却回路の一例に過ぎないことを理解するであろう。本明細書に説明されるように、以下の製造パラメータを有する様々な冷却回路設計を製造することができる。

本明細書の実施形態では、インベストメント鋳造は、開放冷却チャネルを形成し、任意選択で追加の埋設冷却チャネルを形成する正味形状で複雑な内部躯体を製作するために使用することができる。次いで、以下に示すように、開放冷却チャネルを充填材で充填し、外壁を着設して開放冷却チャネルを埋設することができる。

最初に、図３に示す内部躯体６０を、従来のインベストメント鋳造プロセスおよび材料を使用して製造することができる。内部躯体６０は、あらゆる適切なニッケル基超合金から製作することができ、複数の内部リブ６４によって形作られる複数の開放冷却チャネル６２を形成することができ、開放冷却チャネル６２は、以下に説明するように、完成ブレードにおいて外壁が着設された後で、共に壁際の回路を構成する助けとなることができる。本明細書を通して使用される「ニッケル基超合金」とは、金属基材が、他のいかなる元素よりも高いパーセンテージのニッケルを含むことを示す。この場合には、ニッケル基超合金とは、それに限定はされないが、Ｒｅｎｅ Ｎ４、Ｒｅｎｅ Ｎ５、Ｒｅｎｅ Ｎ５１５、Ｒｅｎｅ Ｎ６、ＣＭＳＸ ４（登録商標）、ＣＭＳＸ １０（登録商標）、ＰＷＡ １４８０、ＰＷＡ １４８４、およびＳＣ １８０を意味する。各開放冷却チャネル６２は、少なくとも約２５４ミクロン（約１０ミル）の断面を有し得る。開放チャネル６２は、直線であり、または非直線形の複雑な形状を有し、また様々な向きを取り得る。任意選択的に、躯体６０はまた、図３に示されるように、いかなる数の埋設冷却チャネル６８でも備え得る。埋設冷却チャネル６８は、既存のインベストメント鋳造中子技法を用いて製作することができる。

任意選択で、内部躯体６０の内部リブ６４のインベストメント鋳造に続いて、図４に示すように、望むなら、開放冷却チャネル６２と埋設冷却チャネル６８との間に、複数の横断孔７０を従来の穿孔方法を用いて穿孔することができる。

次いで、さらに先のプロセスの前に、あらゆる適切な環境コーティング材を使用して内部躯体６０に任意選択的にコーティングを行って、躯体６０上に内部環境コーティング７２を生成することができる。本明細書で使用することが受け入れられる適切な内部環境コーティングの例には、それに限定されるべきではないが、拡散アルミナイドを含めることができる。プロセス中のこの時点で内部環境コーティング７２を適用することにより、内部コーティングを最適なブレード性能に向けて調整することを可能にすることができ、かつ、現在行われているように完成したブレードの外側に適用されるのと同じコーティングに限定しなくてよいようにすることができる。

開放冷却チャネル６２は、図４に示すように、外壁を着設する準備として充填材７４によって充填することができる。本明細書に使用される「充填材」は、外壁を着設するまで開放冷却チャネル６２の外形を維持することができるあらゆる物質を意味し、外壁を着設した時点で、充填材７４は、化学的蒸解、溶解、気化、拡散などの様々な方法のいずれかを用いて壁際の回路の冷却チャネルから取り除くことができる。充填材には、それに限定されるべきではないが、アルミニウム、モリブデン、またはポリマーを含めることができる。例として、それに限定はされないが、一実施形態では、充填材は、後に、従来技法を使用して完成ブレードの作動温度より低い温度で壁際の回路の冷却チャネルから溶出することができるアルミニウムまたはポリマーを含み得る。このようにして、充填材は、ブレードを損傷する懸念なしに取り除くことができる。

冷却チャネルを充填材７４によって充填した状態で、外壁７６を、図５に示すように、充填材７４を有する開放冷却チャネル６２を含めて、内部躯体６０の周りに着設することができる。外壁７６は、物理気相成長法（ＰＶＤ）、溶射、コールドスプレイ、接合などの２次プロセスを使用して着設することができる。特に、一実施形態では、充填材７４を備える内部躯体６０の周りに外壁７６を着設するために陰極アーク蒸着法を使用することができる。あるいは、素材のシートを内部躯体６０に巻き付け、従来の接合手法を用いて内部躯体６０に接合して外壁７６を生成することもできる。

外壁７６は、既述のニッケル基超合金などのタービンブレード構造に用いるのに適した数多くの材料のいずれかを含み得る。そのような材料は、ブレードの設計を最適化するのを助けるように選択することができる。たとえば、一実施形態では、外壁７６は、耐環境性をブレードにもたらすことができるＲｅｎｅ １９５のような材料を含み得る。これにより、ブレードの負荷を担持させるために比較的高強度低耐環境性の材料を使用して内部躯体を製造することができる一方で、完成ブレードに別の外部環境コーティングを施す必要に伴うコストが回避される。別の実施形態では、外壁７６は、壁厚内の温度勾配による熱応力を軽減するために、内部躯体６０を製作するのに使用する材料より熱膨張率が低い材料を含み得る。外壁７６は、内部躯体６０を製造するのに使用する材料と同じ、またはそれとは異なる材料を含み得る。

外壁を着設した後、既述の適切ないずれかの技法を用いて充填材を取り除いて、図６に示すように、以前は開放されていた冷却チャネル６２を備える壁際の回路６６と、任意選択の埋設冷却チャネル６８とを有する完成ブレード１３０を残すことができる。壁際の回路６６の各冷却チャネル６２は、壁際の回路６６の他の冷却チャネル６２、または埋設冷却チャネル６８から少なくとも約１０ミルに配置することができる。外壁７６は、拡散アルミナイド、白金改質拡散アルミナイド、およびＭＣｒＡｌＸオーバーレイから選択された外部環境コーティング７８を備え得る。外部環境コーティング７８は、内部躯体に適用される内部環境コーティング（図示せず）と同じ組成を有してもよく、異なってもよい。このインベストメント鋳造に引き続き、穿孔、コーティング、機械加工などの標準的タービンブレード製造プロセスが、必要なら、次いで実施される。

本明細書記載の方法は、タービンブレードの製造において利点を提供することができる。ここに記載されたプロセスを使用することによって、２つの異なる冷却回路、すなわち内部冷却回路と、冷却チャネルおよび外壁によって形成される壁際の回路とを可能にすることができる。さらに、本実施形態は、壁際の回路を製作するのに複雑な中子の使用を無くすことができ、それによって、中子ずれなどの中子が関連する欠陥が低減することによって高い鋳造歩留まりを得ることができる。さらに、ブレード製造プロセスにおいて外壁を独立した構成要素として着設することによって、壁際の回路の冷却チャネルが、従来のインベストメント鋳造プロセスによって可能な形体と同じような微細な形体を有し（ただし中子を使用せずに）、かつ、より大きな配置の自由度を有することを可能にすることができる。冷却チャネルと内部冷却回路との間の横断孔では、従来の鋳造手法では不可能である穿孔を行うことができる。そのような横断孔によって、壁際の回路における複雑なインピンジメント冷却を可能にすることができ、それにより、冷却効率がさらに向上する。内部環境コーティングを外部環境コーティングとは独立に選択することができると共に、内部躯体を製造するのに使用する材料は、外壁を製造するのに使用する材料とは独立に選択することができ、それによって、ブレードの性能を最適化するように材料およびコーティングを調整することができる。

本明細書は、本発明を開示するために、最良の形態を含み、また、いかなる当業者にも本発明を実施し用いることを可能にする例を使用している。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって定義され、かつ、当業者が想起する他の例も含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言から逸脱しない構造要素を有し、または、特許請求の範囲の文言から実質的に逸脱しない同等な構造要素を有する限り、特許請求の範囲に包含されるものとする。

３０ タービンブレード
４２ エーロフォイル
４３ ダブテール
４４ 第１の側壁
４６ 第２の側壁
４８ 前縁
５０ 後縁
５２ 翼根部
５４ 先端プレート
５６ 冷却回路
５８ 蛇行通路
６０ 内部躯体
６２ 開放冷却チャネル
６４ 内部リブ
６６ 壁際の回路
６８ 埋設冷却チャネル
７０ 横断孔
７２ 内部環境コーティング
７４ 充填材
７６ 外壁
７８ 外部環境コーティング
１３０ 完成ブレード

Claims (8)

1. 複数の開放冷却チャネル（６２）を形成する複数の内部リブ（６４）を備える内部躯体（６０）を鋳造するステップと、
   前記内部躯体（６０）に内部環境コーティング（７２）を施すステップと、
   内部環境コーティング（７２）を施された前記開放冷却チャネル（６２）に充填材（７４）を充填するステップと、
   前記開放冷却チャネル（６２）に前記充填材（７４）を充填された前記内部躯体（６０）の周りに外壁（７６）を着設するステップであって、前記内部躯体（６０）と前記外壁（７６）とが異なる超合金材料を含むステップと
   を含む、タービンブレード（３０）を製造する方法。
2. 少なくとも１つの埋設冷却チャネル（６８）を備えるように前記内部躯体（６０）を鋳造するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. ２つ以上の埋設冷却チャネル（６８）を備えるように前記内部躯体（６０）を鋳造するステップを含む、請求項２記載の方法。
4. 前記充填材（７４）を充填する前に、前記開放冷却チャネル（６２）と前記埋設冷却チャネル（６８）との間に複数の横断孔（７０）を穿孔するステップを含む、請求項３記載の方法。
5. 前記外壁（７６）が、前記内部躯体（６０）の材料より熱膨張率が低い材料を含む、請求項１、２、３、または４のいずれか１項記載の方法。
6. 物理気相成長法、溶射、コールドスプレイ、または接合からなるグループから選択された方法を用いて前記外壁（７６）を着設するステップを含む、請求項１、２、３、４、または５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記外壁（７６）を着設後、前記充填材（７４）を取り除くステップを含む、請求項１、２、３、４、５、または６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記外壁に外部環境コーティングを施すステップであって、前記外部環境コーティングが前記内部環境コーティングとは異なるステップを含む、請求項７記載の方法。
   

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