JP6378499B2 - タービンブレード冷却チャネル形成 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、一般に、タービンブレードに関し、より詳細には、タービンブレードの表面に冷却チャネルを形成すること、及びこのような冷却チャネルを含むタービンブレードに関する。
高温用途に用いるタービンブレードは、通常は、ニッケル基超合金であり、金属ボンドコート及びセラミック遮熱コーティングで覆われる。本発明の実施形態は、冷却チャネルを形成する公知の構成及び方法と比較して、タービンブレードの冷却を改善することを促進する。ひいては、これにより、ニッケル合金の使用と比較して、より高い温度を有する高温ガス通路内でタービンブレードを使用すること、より薄い遮熱コーティングを使用すること、及びコストを削減することが可能になる。いくつかの場合、タービンブレードのより一層の能動的冷却がブレード表面で生じるため、タービンブレード内の冷却流路は、簡素化することができる。加えて、すべての冷却チャネルを同時に製造することができ、これにより、ウォータージェット又は放電加工などの公知の冷却チャネル形成方法と比較して、費用が抑えられる。
一実施形態では、本発明は、タービンブレードの表面に沿って冷却チャネルを形成する方法を提供し、方法は、タービンブレードの表面の第１の部分に第１のマスク材料を塗工する工程と、第１のマスク材料の上及びタービンブレードの表面の第２の部分の上に第１のバリア層を形成する工程と、第１のマスク材料及び第１のマスク材料の上のバリア層を除去して、タービンブレードの表面の第１の部分を露出させる工程と、タービンブレードの表面の第１の部分をエッチングして、タービンブレードの表面に沿って冷却チャネルを形成する工程とを含む。
別の実施形態では、本発明は、タービンブレードをコーティングする方法を提供し、方法は、タービンブレード表面の金属層をアルミナイジングする工程と、アルミナイジングした金属層をアルミナイド層にする工程と、アルミナイド層からアルミニウムを除去し、多孔質金属層を形成する工程とを含む。
さらに別の実施形態では、本発明は、ニッケル基超合金翼形部と、翼形部の表面上の酸化多孔質金属層と、酸化多孔質材料上の遮熱コーティングとを備えるタービンブレードを提供する。
本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と併せて本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されるであろう。
本発明の図面は、正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを目的としており、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同様の番号付けは、図面間で同様の要素を表す。
図１は、本発明の実施形態に係るタービンブレード１の一部の断面側面図を示す。タービンブレード１は、前縁面８及び後縁面１０を含む。本発明の１つの方法にしたがって、複数の冷却チャネル２０が、後縁面１０に沿って形成されている。ボンドコート層７０及び遮熱コーティング層７２が、後縁面１０上に形成され、複数の冷却チャネル２０を覆う。冷却チャネル２０は、図１では、後縁面１０に沿ってのみ示されているが、冷却チャネルは、後縁面１０ではなく、又は後縁面１０に加えて、同様に前縁面８に沿って配置されてもよいことを理解すべきである。
図２は、本発明の一実施形態に係る方法の流れ図及び添付の断面側面図を示す。Ｓ１では、第１のマスク材料３０が、タービンブレードの表面１０の上に堆積される。本発明の実施形態に係る使用に適したマスク材料は、例えば、フォトレジスト又はポリマ材料を含む。第１のマスク材料３０を、例えば、浸漬、噴霧、もしくは蒸着を含むいくつかの方法又は技術を使用して堆積させることができる。使用する特定の方法又は技術は、第１のマスク材料３０に少なくとも部分的に依存することになる。第１のマスク材料３０を、個別的に堆積させることができ、又はより大きな領域にわたって堆積させ、その後、パターン化することができる。図２に示すように、第１のマスク材料３０は、第２の部分１４を露出したままにして、表面１０の第１の部分１２を覆う。第１の部分１２は、冷却チャネルを形成すべき表面１０の１つ又は複数の領域を含む。第２の部分１４は、冷却チャネルを形成すべきでない表面１０の領域を含み、第１の部分１２以外の表面１０の一部又はすべてを含むことができる。当業者は、もちろん、開示したもの以外の材料及び堆積技術を用いることができることを理解するであろう。
Ｓ２では、第１のバリア層４０が、第１のマスク材料３０と表面１０の第２の部分１４の両方を覆って、表面１０の上に形成される。第１のバリア層４０は、例えば、酸窒化チタン、ＴｉＯ2、ＴａＯ2、ＴｉＮ、ＳｉＯ2、及び酸化アルミニウムなどの高融点酸化物を含むことができる。第１のバリア層４０を、例えば、化学蒸着、スパッタリング、又は反応性スパッタリングを含む、任意の数の方法又は技術を用いて形成することができる。使用する特定の方法又は技術は、第１のバリア層４０に少なくとも部分的に依存することになる。Ｓ３では、第１のマスク材料３０が、第１のマスク材料３０の上のバリア層４０の部分と共に除去され、表面１０の第１の部分１２を露出させる。次に、Ｓ４で、第１の部分１２をエッチングして、表面１０に冷却チャネル２０を形成することができる。第１の部分１２をエッチングすることは、例えば、液体化学エッチング及び反応性イオンエッチングを含む、任意の数の方法又は技術を含むことができる。
本発明のいくつかの実施形態では、冷却チャネル２０をさらに処理して、冷却チャネル２０の上に張出し構造を形成することができる。これは、冷却チャネル２０への開口部を有効に減少させ、いくつかの状況では望ましい可能性がある。図３は、このような張出し構造を形成する方法の流れ図及び添付の断面側面図を示す。Ｓ５では、冷却チャネル２０に、第２のマスク材料３２が充填される。第２のマスク材料３２は、第１のマスク材料３０（図２）と同じであってもよく、又は異なるマスク材料であってもよい。同様に、マスク材料３２を、第１のマスク材料３０と同じ方法もしくは技術を用いて堆積させることができ、又は異なる方法もしくは技術によって堆積させることができる。
Ｓ６では、高温金属層５０が、第２のマスク材料３２及び第１のバリア層４０の上に堆積、形成、又は塗工される。高温金属層５０は、例えば、ニッケル基超合金又は耐火金属を含むことができ、蒸着、スパッタリング、又は電気化学的堆積などの任意の数の方法又は技術を用いて、堆積、形成、又は塗工することができる。
次に、Ｓ７で、第３のマスク材料３４及び第２のバリア層４２が、高温金属層５０の上に堆積又は形成される。図３に見られるように、第３のマスク材料３４は、少なくとも一次元で、その幅が、冷却チャネル２０の幅未満になるように堆積される。第３のマスク材料３４及び第２のバリア層４２の堆積又は形成は、図２の第１のマスク材料３０及び第１のバリア層４０の堆積又は形成と同様である。第３のマスク材料３４は、第１のマスク材料３０もしくは第２のマスク材料３２と同じであってもよく、又は異なるマスク材料であってもよく、同じ方法もしくは同じ技術又は異なる方法もしくは異なる技術を用いて堆積され得る。同様に、第２のバリア層４２は、第１のバリア層４０と同じであってもよく、又は異なるマスク材料であってもよく、同じ方法もしくは同じ技術又は異なる方法もしくは異なる技術を用いて堆積され得る。
Ｓ８では、第３のマスク材料３４、及び第３のマスク材料３４の上の第２のバリア層４２の部分が、図２のＳ３での第１のマスク材料３０及び第１のバリア層４０の除去と同様に、除去される。Ｓ９では、第３のマスク材料３４及び第２のバリア層４２の除去によって露出された場所で、高温金属層５０がエッチングされ、第２のマスク材料３２が冷却チャネル２０から除去される開口部２２を形成する。図３に見られるように、冷却チャネル２０と比較して、第３のマスク材料３４の寸法がより小さいことにより、結果として、冷却チャネル２０の上の高温金属層５０及び第２のバリア層４２の張出し６０、６２が生じる。
図４は、本発明の一実施形態に係る冷却チャネル２０の上面図を示す。例示及び説明を容易にするために、第２のバリア層４２のみを示す。しかしながら、当業者は、高温金属層５０が、第２のバリア層４２の下にあることを認識するであろう。図４では、張出し６０、６２が、開口部２２に隣接して、冷却チャネル２０の一部の上に存在する。他の構成も可能である。図５では、例えば、張出し６０は、実質的に正方形の開口部２２の周りに連続する。
図６は、本発明の別の実施形態の断面図を示す。ここで、開口部１２２は、オフセットされ、冷却チャネル１２０の壁１２１と実質的に同一平面である。したがって、単一の張出し１６０が、冷却チャネル１２０の上に形成される。図７〜図９は、このような実施形態に係る冷却チャネル１２０に対する開口部１２２の様々な配置構成の上面図を示す。
図３〜図９では、開口部２２、１２２は、実質的に正方形又は長方形の形状のものとして示される。しかしながら、これは、必要でも本質的でもなく、本発明の様々な実施形態によって形成される開口部は、任意の数の二次元形状を有することができる。
本発明の実施形態のいずれでも、冷却チャネル２０、１２０を形成するために表面１０、１１０がエッチングされると、ＭＣｒＡｌＹなどの金属ボンドコートを、第１のバリア層４０又は第２のバリア層１４０を覆うのに十分で、冷却チャネル２０、１２０を覆うのに十分であるが、冷却チャネル２０、１２０を充填しないように塗工することができる。同様に、本発明の実施形態のいずれでも、形成した冷却チャネル２０、１２０を、例えば、タービンブレード１（図１）内の、空気又は蒸気などの冷却流体の供給源に結合することができる。例えば、冷却チャネル２０、１２０が形成されると、例えば穿孔によって、冷却チャネル２０、１２０の底面から、タービンブレードの中心の冷却空気の供給源まで通る通路を形成することができる。
本発明のいくつかの実施形態では、高温金属層５０、１５０は、多孔質金属層を含む。このような多孔質金属層を使用すると、タービンブレード自体又は遮熱コーティング（ＴＢＣ）のいずれかよりも適合しているため、後の処理工程中にタービンブレードに塗工されるＴＢＣ内の応力が抑えられる。多孔質金属層はまた、同様の非多孔質金属層と比較して、熱拡散率を低下させる。これにより、高温ガスとタービンブレードの間の温度降下が増大する。
図１０は、一実施形態に係るタービンブレード上に多孔質金属層を形成する方法の流れ図を示す。Ｓ１０では、金属層、例えば図３の４２をアルミナイジングする。これは、例えば、アルミニウム浴湯中への金属層の浸漬、金属層上へのアルミニウムの噴霧堆積、又は金属層上へのアルミニウムの蒸着を含む、任意の数の方法又は技術を使用して達成することができる。
Ｓ１１では、アルミナイジングした金属層は、アルミナイド層に変換される。典型的には、これは、アルミナイジングした金属層を、酸素の非存在下で、約６６０℃〜約１２００℃の温度に加熱することによって達成される。
Ｓ１２では、多孔質金属層を形成するために、アルミニウムがアルミナイド層から除去される。アルミニウムは、任意の数の方法又は技術を使用して除去することができるが、典型的には、アルミナイド層に苛性溶液を使用することによって除去することができる。金属層がニッケル合金であった場合には、形成した多孔質金属層は、多孔質ニッケル合金層を含む。
多孔質金属層において、いくつかの追加の処理を実施することができる。例えば、Ｓ１３では、多孔質金属層を、適宜、酸化によって不動態化することができる。これは、例えば、金属層が高温に曝される場合、多孔質金属層の高表面積は、自然発火性である可能性が高いため、望ましい可能性がある。多孔質金属層の酸化は、例えば、空気中で約４００℃に加熱することによって達成することができる。
Ｓ１４では、ボンドコート及び／又は遮熱コーティングを、適宜、Ｓ１２で形成した多孔質金属層、又はＳ１３で形成した酸化多孔質金属層に塗工することができる。
本明細書に記載のように、多孔質金属層は、高温金属層５０、１５０から形成されるが、同様に、他の金属層を、適合性を増すために、多孔質にすることができる。例えば、タービンブレード自体のニッケル基超合金を、上述した方法又は同様の方法を用いて多孔質にすることができる。加えて、タービンブレードを、ニッケル基耐熱合金の層で被覆することができ、ニッケル基耐熱合金は、その後、上述した方法又は同様の方法を用いて多孔質にされる。
いずれの場合でも、タービンブレードの仕上げを完了するために、多孔質金属層の上に追加の層を堆積させることができる。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、タービンブレードは、ニッケル基超合金翼形部、翼形部の表面上の酸化多孔質金属層、ボンドコート、及び酸化多孔質材料上の遮熱コーティングを備える。
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明する目的のみのためであり、開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明確にそうでないと示さない限り、複数形も含むことを意図するものである。「備える」及び／又は「備えている」という用語は、本明細書で使用する場合、述べられた特徴、整数、工程、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、工程、動作、要素、構成要素、及び／又はこれらの群の存在或いは追加を排除しない。
本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するため、さらに、当業者が、任意のデバイス又はシステムを形成及び使用すること、並びに任意の関連する又は組み込まれた方法を実行することを含む、本発明を実施することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と実質的に違いのない等価な構造要素を有する場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
１ タービンブレード
８ 前縁面
１０、１１０ 表面
１２ 第１の部分
１４ 第２の部分
２０、１２０ 冷却チャネル
２２、１２２ 開口部
３０ 第１のマスク材料
３２ 第２のマスク材料
３４ 第３のマスク材料
４０、１４０ 第１のバリア層
４２、１４２ 第２のバリア層
５０、１５０ 高温金属層
６０、６２、１６０ 張出し
７０ ボンドコート層
７２ 遮熱コーティング層
１２１ 壁
８ 前縁面
１０、１１０ 表面
１２ 第１の部分
１４ 第２の部分
２０、１２０ 冷却チャネル
２２、１２２ 開口部
３０ 第１のマスク材料
３２ 第２のマスク材料
３４ 第３のマスク材料
４０、１４０ 第１のバリア層
４２、１４２ 第２のバリア層
５０、１５０ 高温金属層
６０、６２、１６０ 張出し
７０ ボンドコート層
７２ 遮熱コーティング層
１２１ 壁
Claims (12)
- タービンブレードの表面に沿って冷却チャネルを形成する方法であって、
タービンブレードの表面の第１の部分に第１のマスク材料を塗工する工程と、
第１のマスク材料の上及びタービンブレードの表面の第２の部分の上に第１のバリア層を形成する工程と、
第１のマスク材料及び第１のマスク材料の上のバリア層を除去して、タービンブレードの表面の第１の部分を露出させる工程と、
タービンブレードの表面の第１の部分をエッチングして、タービンブレードの表面に沿って冷却チャネルを形成する工程と、
冷却チャネルに第２のマスク材料を充填する工程と、
第２のマスク材料の上及びタービンブレードの表面の第２の部分の上に、高温金属層を堆
積させる工程と、
高温金属層の上に第３のマスク材料を堆積させる工程と、
第３のマスク材料及び高温金属層の上に第２のバリア層を堆積させる工程と、
第３のマスク材料、及び第３のマスク材料の上の第２のバリア層を除去する工程と、
第２のマスク材料まで通すように高温金属層をエッチングする工程と、
第２のマスク材料を除去する工程と
を含み、
高温金属層を堆積させる工程が、
高温金属層をアルミナイジングする工程と、
アルミナイジングした高温金属層をアルミナイド層に変換する工程と、
多孔質金属層を形成するために、アルミナイド層からアルミニウムを除去する工程と
によって多孔質金属層を形成する工程を含む、方法。 - 冷却チャネルとタービンブレード内の冷却源との間の通路を形成する工程をさらに含む、請求項１記載の方法。
- タービンブレードの表面に、冷却チャネルを覆うのに十分であるが冷却チャネルを充填しない金属ボンドコートを塗工する工程をさらに含む、請求項１記載の方法。
- 冷却チャネルが第１の幅を有し、高温金属層をエッチングする工程が、高温金属層の少なくとも一部が冷却チャネルの上に延在するように、高温金属層を、第１の幅未満である第２の幅にエッチングする工程を含む、請求項１記載の方法。
- アルミナイジングする工程が、高温金属層をアルミニウム浴湯に浸漬する工程、高温金属層上にアルミニウムを噴霧堆積する工程、又は高温金属層上にアルミニウムを蒸着する工程のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載の方法。
- アルミナイド層からアルミニウムを除去する工程が、苛性溶液を使用してアルミナイド層からアルミニウムを浸出させる工程を含む、請求項１記載の方法。
- 多孔質金属層を酸化させる工程をさらに含む、請求項１記載の方法。
- 第１のマスク材料が、フォトレジスト及びポリマ材料から成る群から選択される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
- 第１のバリア層が、酸窒化チタン、ＴｉＯ2、ＴａＯ2、ＴｉＮ、ＳｉＯ2、酸化アルミニウム、及び耐火金属酸化物から成る群から選択される少なくとも１種類の材料を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
- タービンブレードをコーティングする方法であって、
タービンブレード表面の金属層をアルミナイジングする工程と、
アルミナイジングした金属層をアルミナイド層に変換する工程と、
アルミナイド層からアルミニウムを除去し、多孔質金属層を形成する工程と
を含む方法。 - タービンブレードであって、
ニッケル基超合金翼形部と、
翼形部の表面上の酸化多孔質金属層と、
酸化多孔質材料上のボンドコート又は遮熱コーティングのうちの少なくとも一方と
を備え、
前記酸化多孔質金属層が、タービンブレード表面の金属層をアルミナイジングする工程と、アルミナイジングした金属層をアルミナイド層に変換する工程と、アルミナイド層からアルミニウムを除去する工程と、により形成された、タービンブレード。 - 翼形部の表面に沿った少なくとも１つの冷却チャネルと、
少なくとも１つの冷却チャネルとタービンブレード内の冷却剤の供給源との間の少なくとも１つの通路と
をさらに備える、請求項１１記載のタービンブレード。
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-
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- 2014-02-28 EP EP14157384.0A patent/EP2775100B1/en active Active
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- 2014-03-07 CN CN201410081979.XA patent/CN104033187B/zh active Active
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