JP6310979B2 - 内部流路処理のための超臨界水による方法 - Google Patents
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Description
本発明は、製造方法、より詳細には被加工物の内部流路における表面粗度を低減する方法に関する。
製造工程において、構成要素の小型内部チャネルの表面粗度を低減することが望ましい。これは、複雑な内部形態を有する部品、例えばキャスト成形又は付加製造工程により作られた構成要素又はアセンブリに対して特に当てはまる。
表面粗度を低減するさまざまな方法が公知であり、例えば、機械的研磨、電解研磨、化学的不働態化及び強酸を使用する化学的研磨などが挙げられる。これらの方法はすべて有効であるが、それぞれに欠点がある。
例えば、機械的研磨は内部流路の寸法が縮小された場合困難になり、カーブ及び他の内部形体の周りで、流動場、特に流動場の「不感帯」の変化のため不均質な結果を生み出す可能性がある。電解研磨は、研磨される表面の近くに電極を挿入する必要があり、複雑な内部形態に対しては実行できそうもない。強酸を使用する化学的研磨は、大幅な環境的、健康的及び安全性の困難な課題存在する。
したがって、内部流路において表面粗度を低減する方法の必要性は依然として存在する。
この必要性は、近臨界又は超臨界水溶液を使用して内部流路から不要なものを取り除く方法により対処される。
本発明は、添付の図面と併せて下記の説明を参照することによって最もよく理解できると思われる。
これらの図を参照する際、さまざまな場をとおして同じ番号は同じ素子を表し、図１は被加工物の内部流路を処理する方法を一般的に例示するフローチャートである。本明細書に記載の方法は、多くのタイプの被加工物中の内部流路の処理に適切である。第１ステップ、ブロック１００において、内部流路と水を含む作動流体とを、場合により１以上の共溶媒と共に超臨界状態において、又は近超臨界状態で接触させる。
水は、臨界点が約３７４℃（７０５°Ｆ）及び２２．０６４ＭＰａ（３．２ＫＳＩＡ）である。水は、臨界点に接近する状態（すなわち、「近超臨界」状態）及び臨界点より高い状態（すなわち「超臨界」状態）において金属に対して高腐食性である。水の特性は、臨界点の約１０％下、すなわち、圧力１９から２０ＭＰａ（２．８から２．９ＫＳＩＡ）以上及び温度約３２５から３５０℃（６１７から６６２°Ｆ）以上において実質的に変化し始める。特定の圧力又は温度に限定するものではないが、当業者は、技術的には未だ気体又は液体であり、超臨界流体ではない状態下で、水明確で大きな腐食性の増加を示すことを理解すると思われる。本明細書において使用する場合、「近超臨界」という用語は、このような高腐食性を有する水を指す。
作動流体の物理的状態及び／又は組成は、特定の用途に適用するように変動されてよく、最も有効な状態は合金次第である。例えば、ニッケルは、臨界点よりわずかに低い、より酸性条件において最も急速に溶解することが知られている。他方でクロムは、臨界点より上の、アルカリ条件下でより可溶性になると思われる。共溶媒を必要に応じて加え、特定の酸性又はアルカリ条件を得てもよい。適切な共溶媒の限定されない例としては、鉱酸、有機酸、有機塩基、無機塩基及び塩が挙げられる。
作動流体の腐食性は、表面凹凸の溶解にもたらし、内部流路の表面粗度を低減させる。この工程は、本明細書において「化学的研磨」と称されることがある。
続いてブロック１０２、内部流路はフラッシュ又はすすがれ、化学的研磨工程は停止され、溶解した金属残屑が除去される。すすぎは、例えば別の非腐食性すすぎ用流体を使用して実施することができる。又は、作動流体は、非腐食性になるように亜臨界状態に移行され、その後すすぎ用流体として使用されてもよい。
流路は、処理が完全であるかどうかを決定するために検査され（ブロック１０４）、研磨、その後のすすぎのステップは、所望の表面仕上げを得るまで必要に応じて反復することができる。
場合により、内部流路は、例えば、加熱空気の強制循環により乾燥させることができる（ブロック１０６）。
図２は、１以上の内部流路「Ｐ」を有する被加工物「Ｗ」と連結された、上記の方法を実施するために使用可能な機器１０の実施例を概略的に示す。図２に示した例示的被加工物Ｗは、基本的に直線の上部流路及び複数の屈曲を包含する下部流路を備える。
本明細書に記載の工程は、超臨界水又は近超臨界水の腐食作用を受けやすい任意の被加工物の内部流路の化学的研磨に適切である。この工程は、ニッケル及びコバルト系合金などの航空宇宙合金から作られた被加工物に対する使用に適切である。この工程は、翼形部及び燃料ノズルなどのガスタービンエンジン構成要素の内部流路に使用することができる。この工程は、キャスト成形又は付加製造などの工程により作製された、複数の内部流路を有する複雑な構成要素への使用に特に有用である。「付加製造」は、層ごとの構築又は（従来の機械工程による材料の除去に相対する）付加的成形加工を伴う工程を記載するために、本明細書において使用される用語である。このような工程は、「急速製造工程」とも称することができる。付加製造工程としては、限定するものではないが、直接金属レーザー溶融（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＤＭＬＭ）、レーザーネットシェイプ製造（Ｌａｓｅｒ Ｎｅｔ Ｓｈａｐｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、インクジェット及びレーザージェットなどによる３Ｄプリンティング、光造形（Ｓｔｅｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）（ＳＬＡ）、電子ビーム溶融（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＥＢＭ）、レーザー技術ネットシェイピング（Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｎｅｔ Ｓｈａｐｉｎｇ）（ＬＥＮＳ）及び直接金属堆積（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＤＭＤ）が挙げられる。
被加工物Ｗは、入口マニホールド１４及び出口マニホールド１６を備える固定具と連結される。マニホールド１４、１６の目的は、流路Ｐと機器１０の残りとの間の簡便な流体流路を提供することである。マニホールド１４、１６の１つ又は両方は、パイプ及び配管用器具の組合せなどの他のハードウェアと交換可能であることが理解されると思われる。
リザーバ１８は、上記の作動流体「Ｆ」の供給装置を包含する。又は、作動流体は、建物の給水パイプなどの別の供給装置から供給されてもよい（非掲載）。
ポンプ２０は、リザーバ１８と接続された入口２２及び入口マニホールド１４と接続された出口２４を有する。まとめると、リザーバ１８、ポンプ２０及び被加工物Ｗの内部流路Ｐが、流体流動回路を画定する。
電気抵抗ヒーター又は熱交換器などの加熱装置２６は、超臨界状態又は近超臨界状態において作動流体を適切な温度に加熱するために提供され得る。この実施例において、加熱装置２６はリザーバ１８に浸漬されて示される。
出口マニホールド１６は、ドレン管路２８に接続される。ドレン管路２８は、建物の排水設備又は排水回収槽につながれるか、又は再循環のためにリザーバ１８に戻るようにつながれてもよい。流出制御バルブ３０はドレン管路２８に配置される。流出制御バルブ３０は手作業又は遠隔で操作することができる。
機器１０は、リザーバ１８から被加工物Ｗの内部流路Ｐ内に、ポンプ２０により加熱作動流体「Ｆ」をポンプでくみ上げることによって使用することができる。流出制御バルブ３０が閉じると、作動流体が上記の超臨界又は近超臨界状態になるまで、流体圧力が上昇する。高腐食性作動流体は、表面の凸凹の溶解をもたらし、内部流路の表面を化学的に研磨する。
次いで、流出制御バルブ３０を開け、作動流体を放出し、その圧力を亜臨界状態に低減する。ポンプ２０は動作を続けるので、作動流体はここでは非腐食性すすぎ用流体として機能し、溶解した金属粒子を流し出す。流出制御バルブ３０を、必要に応じて開放、閉鎖及び／又は調整して、所望の圧力を維持し、亜臨界と超臨界状態との間で作動流体を循環させることができる。
図３は、上記の方法を実施するために使用可能な別の機器１００を概略的に示す。この機器は、流体リザーバ１１８、熱交換器１２６、ポンプ１２０、入口及び出口マニホールド１１４、１１６、圧力調節バルブ１３０並びに戻り管路１２８を備える。
リザーバ１１８は上記の作動流体Ｆの供給装置を包含し、加圧可能なように配列される。機器１００は、ポンプ１２０を運転して、作動流体Ｆを循環させることによって動作させることができる。流体流動ループは閉鎖され、したがって、圧力上昇が起こり、圧力調節バルブ１３０又は他の適切な装置により調節される。圧力調節バルブ１３０は、作動流体Ｆに関して圧力が臨界点より高く、又は臨界点に近くなるように設定されたその設定値を有することができる。
次いで、熱交換器１２６を使用して、作動流体Ｆを臨界点より高い、又は臨界点に近い温度に加熱することができる。高腐食性作動流体は、表面の凸凹の溶解をもたらし、内部流路の表面を化学的に研磨する。次いで、この作動流体は自然対流により冷却されるか、又は熱交換器１２６を介した冷却によって冷却することができる。ポンプ１２０は動作を続けるので、作動流体はここでは非腐食性すすぎ用流体として機能し、溶解した金属粒子を流し出す。
上記の固定具は、特定の用途に合わせて変更することができる。例えば、図４は、被加工物Ｗをかみ合わせるための平坦なシール面２３２を有する入口及び出口マニホールド２１４、２１６並びに被加工物Ｗの内部流路Ｐと連絡する個別のポート２３４を例示する。図５は、被加工物Ｗをかみ合わせるための周辺シールリム３３２を有する入口及び出口マニホールド３１４、３１６並びに被加工物の内部流路Ｐと連絡する開放プレナム３３４を例示する。
上記の工程は、内部流路を化学的に研磨する多数の有利性を有する。水溶性化学物質は比較的安全であり、環境に優しく、並びに部品の性能に影響を与えうる任意の残留物を後に残しにくい。必要な圧力及び温度は、燃料ノズルなどの構成要素の設計限界より十分低い。このことは屈曲した流路中であっても一貫した結果を生じ、「デッドスペース」を回避すると思われる。処理される表面が被加工物の外側近くにある必要はない。この工程は、レーザー粉末床（ｌａｓｅｒ ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ）付加製造工程における表面の表面粗度の除去に特に有用である。
前述は、超臨界水又は近超臨界水を使用して表面粗度を低減する方法を記載してきた。本明細書（すべての添付の特許請求の範囲、要約及び図面も含む）に開示のすべての特色及び／又はそのように開示されたすべての方法又は工程のすべてのステップは、このような特色及び／又はステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組合せることができる。
本明細書（すべての添付の特許請求の範囲、要約及び図面も含む）に開示の個々の特色は、明らかに他のことが述べられていない限り、同じ、等価又は同様の目的にかなう別の特色により置き換えることができる。したがって、明らかに他のことが述べられていない限り、開示された個々の特色は、包括的な一連の等価又は同様の特色の単なる一例である。
本発明は、前述の実施形態の詳細に制限されるものではない。本発明は、本明細書（すべての添付の特許請求の範囲、要約及び図面も含む）に開示の特色の任意の新規な特色、もしくは任意の新規な組合せ又はそのように開示されたすべての方法もしくは工程のステップの任意の新規なもの、任意の新規な組合せに拡張する。
１０ 機器
１４ 入口マニホールド
１６ 出口マニホールド
１８ リザーバ
２０ ポンプ
２２ 入口
２４ 出口
２６ 加熱装置
２８ ドレン管路
３０ 流出制御バルブ
１００ 機器
１１８ 流体リザーバ
１２６ 熱交換器
１２０ ポンプ
１１４ 入口マニホールド
１１６ 出口マニホールド
１３０ 圧力調節バルブ
１２８ 戻り管路
２１４ 入口マニホールド
２１６ 出口マニホールド
２３２ 平坦なシール面
２３４ ポート
３１４ 入口マニホールド
３１６ 出口マニホールド
３３２ 周辺シールリム
３３４ 開放プレナム
１４ 入口マニホールド
１６ 出口マニホールド
１８ リザーバ
２０ ポンプ
２２ 入口
２４ 出口
２６ 加熱装置
２８ ドレン管路
３０ 流出制御バルブ
１００ 機器
１１８ 流体リザーバ
１２６ 熱交換器
１２０ ポンプ
１１４ 入口マニホールド
１１６ 出口マニホールド
１３０ 圧力調節バルブ
１２８ 戻り管路
２１４ 入口マニホールド
２１６ 出口マニホールド
２３２ 平坦なシール面
２３４ ポート
３１４ 入口マニホールド
３１６ 出口マニホールド
３３２ 周辺シールリム
３３４ 開放プレナム
Claims (9)
- 被加工物（Ｗ）の内部流路（Ｐ）において表面粗度を低減する方法であって、
内部流路（Ｐ）と水を含む腐食性作動流体（Ｆ）とを超臨界状態又は近超臨界状態で接触させるステップと、
前記接触させるステップの後に、内部流路（Ｐ）をすすぐステップと、
を含む方法。 - 内部流路（Ｐ）と水を含む腐食性作動流体（Ｆ）とを、超臨界状態又は近超臨界状態で接触させるステップ、及び内部流路（Ｐ）をすすぐステップを交互に行うことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 内部流路（Ｐ）が、作動流体（Ｆ）の特性を非腐食性亜臨界状態に移行させることによってすすがれる、請求項１に記載の方法。
- 内部流路（Ｐ）と水を含む腐食性作動流体（Ｆ）とを、超臨界状態又は近超臨界状態で接触させるステップ、及び作動流体（Ｆ）の特性を非腐食性亜臨界状態に移行させることによって内部流路（Ｐ）をすすぐステップを交互に行うことをさらに含む、請求項３に記載の方法。
- 作動流体（Ｆ）の特性が、その温度を変動させることによって移行される、請求項４に記載の方法。
- 作動流体（Ｆ）の特性が、その圧力を変動させることによって移行される、請求項４に記載の方法。
- 作動流体（Ｆ）が、ポンプ（２０、１２０）を使用して内部流路（Ｐ）を通って循環される、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
- 内部流路（Ｐ）からの作動流体（Ｆ）の出口を遮断するための流出制御バルブ（３０）を使用しながら、作動流体（Ｆ）を内部流路（Ｐ）内にポンプでくみ上げることによって作動流体（Ｆ）を加圧するステップをさらに含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
- 作動流体（Ｆ）が１以上の共溶媒を含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
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