JP6193987B2 - タービンハードウェアに断熱コーティングを選択的に生成するための処理 - Google Patents
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Description
本発明は、一般的には、構成要素のスルーホールまたはスロットからコーティングを選択的に除去することに関する。特に、本発明は、セラミック断熱コーティング（ＴＢＣ）により保護されたエアフォイル構成要素のスルーホールまたはスロットからＴＢＣを選択的に除去することに関する。
例えばタービン、燃焼器、および増強部などのガスタービンエンジンの特定の部分にある構成要素は、しばしば、それらの使用温度を低減するためにセラミック層で断熱され、それによってエンジンがより高い温度でより効率的に動作することができる。これらのコーティングは、しばしば断熱コーティング（ＴＢＣ）と呼ばれるが、低い熱伝導率を有し、物に強く付着しなければならず、多くの加熱および冷却サイクルを通して付着した状態を維持しなければならない。これらの要件を満たすことができるコーティングシステムは、典型的には、断熱セラミック層を構成要素に付着させる金属性ボンドコートを含み、ＴＢＣシステムと呼ぶことができるものを形成する。金属酸化物、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）により部分的または完全に安定化したジルコニア（ＺｒＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、および／または他の酸化物は、ＴＢＣシステムのセラミック層のための断熱材料として広く用いられてきた。セラミック層は、例えばエア・プラズマ・スプレー（ＡＰＳ）などの熱スプレー技術、または電子ビーム物理気相成長法（ＥＢＰＶＤ）などの物理気相成長（ＰＶＤ）技術によって典型的に成膜される。ボンドコートは、典型的には、例えば拡散アルミナイドもしくはプラチナアルミナイドなどの酸化耐性拡散コーティング、または、例えば、しばしばＭＣｒＡｌＸ合金（Ｍは鉄、コバルト、および／またはニッケルであり、Ｘはイットリウム、希土類元素、および／または反応性元素である）で形成されるタイプの酸化耐性オーバレイコーティングで形成される。
ＴＢＣシステムは下にある構成要素基板に顕著な熱的保護を提供するが、燃焼器ライナーおよび高圧タービン（ＨＰＴ）ブレード（バケット）および静翼（ノズル）などの構成要素の内部冷却がしばしば必要であり、ＴＢＣと組み合わせて、またはその代わりに用いることができる。ガスタービンエンジンの空冷される構成要素では、冷却流の有効性を高めるために構成要素の表面上に冷却膜を分配する慎重に構成された冷却ホールまたはスロットを通して冷却空気流が放出されることが、しばしば必要である。膜冷却効果を提供することを目的とする冷却ホールは、しばしばディフューザ（後縁領域）ホールと呼ばれ、構成要素の表面でホールを出る空気の速度を下げるために下流方向に断面積が増加する形状を有し、それによって構成要素の表面の膜冷却の有効性を高める。冷却ホールの効率は、流出係数（Ｃｄ）によって定量化することができ、それは流量測定に基づく冷却ホールの有効面積の、ホールの物理的面積に対する比率である。ホールの入口および出口を含み、ホールを通る空気流に対する抵抗をもたらすホール内の表面状態の結果として、有効面積は物理的面積より小さくなる。したがって、各開口のサイズ、形状、および表面状態が開口を出る空気流の量を決定し、ホールを含む冷却回路内の流動分布全体に影響を及ぼすために、冷却ホールを形成し構成する処理は重大である。
ＴＢＣを必要としない構成要素では、冷却ホールは、典型的に放電加工（ＥＤＭ）およびレーザー加工などの従来の穿孔技術によって、あるいは、正しい寸法の開口を有する鋳造物を生産する複雑で高度な鋳造によって形成される。セラミックは電気的に非伝導性であるから、ＴＢＣを有する構成要素の冷却ホールを形成するためにはＥＤＭ技術を用いることができず、また、レーザー加工技術は、構成要素基板とセラミックとの間の界面にクラックを生じさせることによって、もろいセラミックＴＢＣを破砕する傾向がある。したがって、冷却ホールは、しばしばボンドコートまたはＴＢＣを適用する前にＥＤＭおよびレーザー穿孔によって機械加工される。典型的には酸化保護のために冷却ホール内にボンドコートを成膜することが望ましいが、空冷される構成要素の冷却ホールのＴＢＣ膜の存在は、冷却ホール開口の形状を変化させ、そのサイズを縮小させることによって、また冷却空気が放出するときに冷却空気から金属を断熱することによって、ＴＢＣが流出係数を低下させる結果として、構成要素の実用寿命に悪影響を及ぼすおそれがある。ＴＢＣを有する冷却ホールの障害は、新たに製造された空冷される構成要素で起こるだけでなく、現場から戻ってきた構成要素のＴＢＣを修復する場合にも起こる。修復の際には、典型的に、既存のボンドコートおよびＴＢＣの全てを除去して、その後に新しいボンドコートおよびＴＢＣが成膜されるが、冷却ホールがＴＢＣ材料の成膜によって妨げられるおそれがあるという結果が伴う。
以上の説明から、冷却ホールが適切なサイズおよび形状を維持しなければならないという要求によって、ＴＢＣにより保護される空冷の構成要素を製造し修復することが複雑になることが分かる。典型的な解決策は、冷却ホールの所望のサイズおよび形状を維持するために冷却ホールをマスクすることである。例えば、タービンブレードの後縁に沿って冷却ホール内にＴＢＣを成膜することを回避するために、タービンブレードの後縁をマスクすることが通常行われる。この方法では、エアフォイル構成要素の後縁の表面温度を下げるＴＢＣが得られない。
冷却ホールからＴＢＣを取り除くために、様々な技術が提案されている。日本の特開平０９−１５８７０２号公報には、空冷の構成要素の内部に高圧流体を導入して、流体が冷却ホール開口を通って流出し、この際に、冷却ホールが形成された後に構成要素がセラミック材料でコーティングされた結果として冷却ホールを塞いでいるセラミック材料を除去する処理が開示されている。別の技術は、Ｃａｍｍを発明者とする米国特許第６，００４，６２０号に開示され、それによればホールのコーティングされない表面に向かって噴射されるジェットにより冷却ホールに蓄積されたセラミックが除去される。上述したタイプの技術が冷却ホールからセラミック膜を除去するために用いられているが、進行中の挑戦的な課題は、例えば、セラミック膜を除去する際に、冷却ホールおよびそれらの周囲のＴＢＣの表面特性に損傷を与えること、またはそれを改変することを回避する結果として、望ましい空力特性を有する冷却ホールを生産する能力に関する。この挑戦的な課題は、構成要素の表面の効果的な膜冷却を達成するために、増大する断面形状を慎重に制御しなければならない後縁領域のホールに適用される。
本発明によれば、エアフォイル構成要素のコーティングを成膜する処理、それによって形成される構成要素、およびエアフォイル構成要素のホール内のセラミック膜を除去するための処理が提供される。エアフォイル構成要素の特定なものであるが非限定的な実施例は、ガスタービンエンジンの空冷される構成要素である。
本発明の第１の態様によれば、処理は、エアフォイル構成要素の後縁を画定する後縁領域、後縁領域内にあって後縁から間隔を置いて配置されるホールの内部、および後縁領域内にあってホール間に配置されるランドを含めて、エアフォイル構成要素にボンドコートを成膜するステップを含む。それから、セラミックコーティングが、エアフォイル構成要素の後縁領域、後縁領域内にあるホールの内部、およびホール間のランドを含めて、ボンドコートに成膜される。ホール内のセラミックコーティングは、後縁領域およびホール間のランドのセラミックコーティングを完全に除去せずに、選択的に除去される。
本発明の第２の態様によれば、エアフォイル構成要素は、エアフォイル構成要素の後縁を画定する後縁領域を含む。ホールは、後縁領域内にあって後縁から間隔を置いて配置される。ランドは、後縁領域内にあってホール間に配置される。セラミックコーティングは、エアフォイル構成要素の後縁領域上、およびホール内ではなくホール間のランド上にある。
本発明の第３の態様によれば、処理は、エアフォイル構成要素のボンドコートおよびボンドコートのセラミックコーティングを含むエアフォイル構成要素を取得することを含む。ボンドコートおよびセラミックコーティングの両方は、エアフォイル構成要素の後縁を画定する後縁領域上、後縁領域内にあって後縁から間隔を置いて配置されるホールの内部、および後縁領域内にあってホール間に配置されるランド上にある。ホール内のセラミックコーティングは、後縁領域およびホール間のランドのセラミックコーティングを完全に除去せずに、選択的に除去される。
本発明の別の態様は、ホールからボンドコートを完全に除去せずに、セラミックコーティングが選択的に除去される上記の処理によって形成されるエアフォイル構成要素である。
本発明の技術的な効果は、空冷の構成要素のより大きい部分を断熱セラミック材料でコーティングすると共に、構成要素のホール内のセラミック材料の堆積を除去する能力である。非限定的な実施例として、本発明は、後縁およびブレードが全体としてより高い動作温度に耐えることができるように冷却ホールの有効性を著しく低減せずに、冷却ホールが存在する後縁を含む、タービンブレードのエアフォイル部全体をコーティングする能力を提供する。
この発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明からより良く理解されよう。
本発明は、セラミックコーティングを構成要素の表面に成膜することができるが、その後に表面のホールから除去することができる処理である。特定の例では、ＨＰＴブレード１０は、ブレード１０のエアフォイル部分の後縁２０を画定する後縁領域１８を含むように図１に示す。図２に示すように、セラミックコーティング（ＴＢＣ）１４は、後縁領域１８内にあって冷却ホール（スロット）２４間に配置されるランド２２を含むブレード１０の後縁領域１８に成膜することができるが、それらの性能に悪影響を与えないようにホール２４から除去される。
本発明の好ましい実施形態によれば、ＴＢＣ１４は、後縁２０および後縁領域１８を含むブレード１０のエアフォイル全体に成膜することができる。その後、後縁領域１８のホール２４からＴＢＣ１４を選択的に除去する（エッチングする）ために、切除レーザービームを用いる。切除レーザービームは、好ましくは、動作パラメータを制御して、後縁領域１８からＴＢＣ１４が部分的または完全に除去されるように、レーザービームを後縁領域１８の表面に選択的に照射することができるラスターパターンを用いるレーザー発生器（図示せず）によって発生させる。これを達成するための好適な手段は、画像認識および制御プログラムの方法における当業者には公知であり、したがって、ここでは詳細な説明はしない。本発明の好ましい態様によれば、ＴＢＣ１４が成膜されるボンドコート１６にほとんどあるいは全く損傷を与えないように、ＴＢＣ１４を選択的に除去することができる。ボンドコート１６が依然として冷却ホール２４を画定する金属表面に対する酸化保護を提供することが望ましいと考えられている。
本発明の利点は、２つの本質的に同一のＨＰＴブレード１０を示す図１および図２を比較することによって認識することができる。図１は、従来の方法によりブレード１０をコーティングした結果を示す。ここでは、ブレード１０の後縁領域１８に対応する暗い表面領域はＴＢＣ１４（ブレード１０のより明るい表面領域として見える）によってコーティングされていない。このように、後縁領域１８は、ＴＢＣ１４によって熱的に保護されていない。対照的に、図２に示すブレード１０の、後縁領域１８およびホール２４間のランド２２を含むエアフォイル部分の全体は、ＴＢＣ１４によって保護されており、唯一の例外は後縁領域１８内のホール２４である。これは、ブレード１０のエアフォイル表面の加熱負荷を著しく減少させる。
図５は、この処理による加熱負荷の減少を示す。ブレード１０の表面全体のシェーディングは、ブレード１０の２つの背中合わせに配置された表面領域２６に対する温度の低下を表すように変化し、各々はブレード１０の前縁から下流に広がる。表面領域２６の下流に位置する２つの背中合わせに配置された表面領域２８は、領域２６より約０°Ｃ〜２０°Ｃ低い温度であることを示し、表面領域２８の下流に位置する２つの背中合わせに配置された表面領域３０は、領域２６より２０°Ｃ以上低い温度であることを示す。了解されるように、加熱の減少はエアフォイルの表面全体に広がり、それは最も冷たい表面領域３０に含まれる後縁領域１８、後縁２０、およびランド２２を含んでいる。これらの結果は、ブレード１０の改良された耐久性能およびエアフォイル冷却流全体の８％の潜在的な節約に関係する。
本発明の好ましい実施形態では、例えば、冷却ホール２４からの冷却空気とタービンブレード１０の周辺の高温ガスとの混合を減らすために、冷却ホール２４の周辺でＴＢＣ１４にテーパをつけるために、研磨レーザーによって実行されるエッチングを用いることができる。表面間のＴＢＣ１４の厚さの比較的急激な変化が、ガスの乱流および混合を生成しやすいと考えられる。したがって、ＴＢＣ１４が冷却ホール２４に近づくにつれて、ＴＢＣ１４の厚さが徐々に減少することが好ましい。さらに、ＴＢＣ１４が後縁２０に近づくにつれてＴＢＣ１４の厚さが徐々に減少するように、ＴＢＣ１４に後縁２０の近くでテーパをつけることができる。ブレード１０の後縁の厚さを最小にすることがブレード１０のエアフォイル部分の空力特性を改善すると考えられる。図３および図４は、それぞれ冷却ホール２４およびランド２２の上流壁５４の近くの例示的なテーパ領域１２を示す。図示するように、冷却ホール２４および後縁２０の上流壁に近づくにつれて厚さが徐々に減少するように、ＴＢＣ１４にテーパをつけることができる。
図８は、本処理によって実行されるテーパリングの結果を示す。ホール２４を囲むテーパ領域１２は、より暗いコントラスト領域によって定義される。テーパ領域１２は、ホール２４の端部ならびにホール２４および後縁２０の上流に沿って示される。
図６および図７は、ブレード１０の後縁領域１８の断面図を示す走査画像である。図６は冷却ホール２４を有する部分を示し、図７はランド２２を有する部分を示す。図６を参照すると、ブレード１０のＴＢＣ１４は、好ましいことに、点３２の近くでは厚さが最大（すなわち、テーパがつけられていないブレード１０のコーティングされた部分とほぼ同じ厚さ）で、点３４の近くではより薄く、点３６、３８、４０、および４２の近くでは完全に除去されている。図７を参照すると、ブレード１０のＴＢＣ１４は、好ましいことに、点４４、４６、および４８の近くでは厚さが最大で、点５０の近くではより薄く、点５２の近くでは最大になる。好ましいことに、ＴＢＣ１４は、例えばボンドコート１６などのＴＢＣ１４の下にある層に顕著な損傷を与えずに、これらの点においてテーパがつけられるか、あるいは完全に除去される。本試験は、この方法によるＴＢＣ１４の除去およびテーパリングが隣接するＴＢＣ１４の微細構造に損傷を与えないことを示した。
図９は、上述した処理によってエッチングされた冷却ホール２４および隣接するランド２２の断面図を示す走査画像である。図示するように、ＴＢＣ１４はホール２４から除去され、ランド２２の側面からホール２４の下部に向かってＴＢＣ１４の厚さが減少するように、ホール２４の壁を画定する隣接するランド２２の壁の側面に沿ってテーパがつけられている。ＴＢＣ１４とブレード１０の表面との間に成膜されるボンドコート１６は、本発明の好適な態様によるエッチングプロセスの完了後も依然として損なわれていないことが示されている。前述のように、ホール２４内のボンドコート１６を保持することは、おそらくホール２４に対する酸化保護を提供する。
本発明の別の態様では、上記の処理の結果として、有利な特性を有するようにブレード１０を作製することができる。例えば、後縁領域１８を含むエアフォイル全体にＴＢＣ１４を成膜する能力は有利な特徴である。この特徴の結果、ブレード１０に対する冷却流要件を著しく低減させることができる。本試験は、第１段のブレードについてエアフォイル冷却流全体の８％の潜在的な節約を示す。
特定の実施形態に関して本発明を記載しているが、当業者が他の形式を採用することができることは明らかである。例えば、ブレード１０、冷却ホール２４、およびランド２２の物理的形状は図示したものと異なってもよく、ブレード１０の表面のコーティングのタイプは記載したものと異なってもよい。したがって、本発明の範囲は以下の請求項のみによって限定される。
１０ ブレード
１２ テーパ領域
１４ 断熱コーティング（ＴＢＣ）
１６ ボンドコート
１８ 後縁領域
２０ 後縁
２２ ランド
２４ 冷却ホール
２６ 表面領域
２８ 表面領域
３０ 表面領域
３２ 点
３４ 点
３６ 点
３８ 点
４０ 点
４２ 点
４４ 点
４６ 点
４８ 点
５０ 点
５２ 点
５４ 上流壁
１２ テーパ領域
１４ 断熱コーティング（ＴＢＣ）
１６ ボンドコート
１８ 後縁領域
２０ 後縁
２２ ランド
２４ 冷却ホール
２６ 表面領域
２８ 表面領域
３０ 表面領域
３２ 点
３４ 点
３６ 点
３８ 点
４０ 点
４２ 点
４４ 点
４６ 点
４８ 点
５０ 点
５２ 点
５４ 上流壁
Claims (15)
- エアフォイル構成要素の後縁（２０）を画定する後縁領域（１８）、前記後縁領域（１８）内にあって前記後縁（２０）から間隔を置いて配置されるホール（２４）の内部、および前記後縁領域（１８）内にあって前記ホール（２４）間に配置されるランド（２２）を含めて、前記エアフォイル構成要素上にボンドコート（１６）を成膜するステップと、
前記エアフォイル構成要素の前記後縁領域（１８）、前記後縁領域（１８）内にある前記ホール（２４）の内部、および前記ホール（２４）間の前記ランド（２２）を含めて、前記ボンドコート（１６）上にセラミックコーティング（１４）を成膜するステップと、
切除レーザービームを用いて、前記後縁領域（１８）および前記ホール（２４）間の前記ランド（２２）の前記セラミックコーティング（１４）を完全には除去せずに、前記ホール（２４）内の前記セラミックコーティング（１４）を選択的に除去するステップであって、前記ホール（２４）内の前記ボンドコート（１６）が保持されるステップと
を含む処理方法。 - 前記ホール（２４）の各々の上流側の前記セラミックコーティング（１４）の厚さが前記ホール（２４）の各々に向かって下流方向に減少するように、前記セラミックコーティング（１４）にテーパをつけるために、前記セラミックコーティング（１４）は前記後縁領域（１８）から選択的に除去される、請求項１に記載の処理方法。
- 前記ランド（２２）の前記セラミックコーティング（１４）の厚さが前記後縁（２０）向かって下流方向に減少するように、前記セラミックコーティング（１４）にテーパをつけるために、前記セラミックコーティング（１４）は前記ホール（２４）間の前記ランド（２２）から選択的に除去される、請求項１又は２に記載の処理方法。
- 前記ホール（２４）は、前記構成要素の冷却ホール（２４）である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の処理方法。
- 前記ホール（２４）の少なくとも１つは、前記後縁（２０）向かって下流方向に断面積が増加する形状を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の処理方法。
- 前記構成要素は、高圧タービンブレード（１０）である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の処理方法。
- 前記ホール（２４）、前記後縁領域（１８）、および前記ホール（２４）間の前記ランド（２２）から前記ボンドコート（１６）を完全に除去せずに、前記セラミックコーティング（１４）が選択的に除去される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の処理方法。
- 前記ホール（２４）、前記後縁領域（１８）、および前記ホール（２４）間の前記ランド（２２）の前記ボンドコート（１６）を損傷せずに、前記セラミックコーティング（１４）が選択的に除去される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の処理方法。
- エアフォイル構成要素であって、
前記エアフォイル構成要素の後縁（２０）を画定する後縁領域（１８）と、
前記後縁領域（１８）内にあって前記後縁（２０）から間隔を置いて配置されるホール（２４）と、
前記後縁領域（１８）内にあって前記ホール（２４）間に配置されるランド（２２）と、
前記エアフォイル構成要素の前記後縁領域（１８）上、および前記ホール（２４）間の前記ランド（２２）上に設けられたセラミックコーティング（１４）と
を含み、前記ホール（２４）内にセラミックコーティング（１４）はないが、前記ホール（２４）内にボンドコートが保持されている、エアフォイル構成要素。 - 前記後縁領域（１８）の前記セラミックコーティング（１４）は、前記ホール（２４）の各々の上流側の前記セラミックコーティング（１４）の厚さが前記ホール（２４）の各々に向かって下流方向に減少するようにテーパがつけられる、請求項９に記載のエアフォイル構成要素。
- 前記ホール（２４）間の前記ランド（２２）の前記セラミックコーティング（１４）は、前記ランド（２２）の前記セラミックコーティング（１４）の厚さが前記後縁（２０）向かって下流方向に減少するようにテーパがつけられる、請求項９又は１０に記載のエアフォイル構成要素。
- 前記ホール（２４）間の前記ランド（２２）の側面の前記セラミックコーティング（１４）は、前記ランド（２２）の側面の前記セラミックコーティング（１４）の厚さが前記ホール（２４）に向かって減少するようにテーパがつけられる、請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のエアフォイル構成要素。
- 前記ホール（２４）は、前記エアフォイル構成要素の冷却ホール（２４）である、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のエアフォイル構成要素。
- 前記ホール（２４）の少なくとも１つは、前記後縁（２０）向かって下流方向に断面積が増加する形状を有する、請求項９乃至１３のいずれか１項に記載のエアフォイル構成要素。
- 前記構成要素は、高圧タービンブレード（１０）である、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載のエアフォイル構成要素。
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