JP6416381B2 - ガスタービンエンジン部品を構築するための方法 - Google Patents

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Description

本発明は、エネルギービームおよび制御光学系を使用してクラッド層を堆積させることによって翼を構築することに関する。特に、本発明は、エネルギービームが、各クラッド層を形成する間にそれに沿って横断する経路のパターンに関する。
ガスタービンエンジンのタービンセクションに使用されるブレードは、燃焼ガス、高い機械力、および異物衝撃にさらされる。これは、高い動作温度と相まって、ブレード内に高レベルの応力を生み出す。ブレード先端シェルフ(翼の末端部)およびブレードスキーラ(ブレード先端部を取り囲む隆起材料)を含むブレード先端部、ブレード翼セクション、ならびにブレードプラットホームは特に、摩耗および亀裂のエリアを含む、応力関連の損傷の影響を受けやすい。これらの亀裂は、翼の先端部からプラットホームに向かって下方に延びることもあり、時にはブレード先端部に隣接するブレードシェルフ(先端キャップとしても知られている)を過ぎて延びる。
摩耗したまたは亀裂の入ったブレードスキーラを非構造的置換材料に置き換えることは、知られている。この置換材料は、主として応力が、この場所において相対的に低いので、非構造的と考えられ、結果として、損傷の影響は、性能の観点から相対的に最小である。残念ながら、亀裂は、先端シェルフより下に(プラットホームに向かって)頻繁に見られ、翼本体内に延びる。例えば、亀裂は、ブレード先端部より下に30mm延びることもある。この材料の置換(スキーラより下に)は、より困難であり、より構造的な要求であると考えなければならず、その場合ある最小の機械的性質が、翼本体内で遭遇するより大きい応力を持続するために達成されなければならない。
超合金を溶接することが最も困難であるため、タービンブレードのそのような広範な部分を置き換えるための既知のプロセスはない。プロセス中に材料の延性を最大にするためにホットボックス(hot box)を使用して亀裂を砥ぎ落し、再溶接することは、限られた成果しかなかった。悩まされるブレード先端部全体を切り取り、溶接することは、少なくとも2つの理由のために可能でない。第一に、材料それ自体は、突き合わせ溶接を受け入れない。それは、縮み応力および高い拘束力に起因して亀裂が入るということになる。第二に、翼内に配置されるリブ(構造的機能および冷却用空気管理に役立つ)は、突き合わせ溶接のためにアクセスされないこともあり得る。その結果、ブレード翼を構築しかつ/または修理する改善された方法のための余地が、当技術分野にある。
米国特許出願公開第2013/0140278号明細書
本発明は、図面を考慮して次の記述において説明される。
クラッド層の例示的実施形態を形成するとき、エネルギービームによって追随される経路の例示的実施形態を概略的に示す図であり、経路は、クラッド層上に重ね合わされる。 形成プロセスの開始に向かって基板上に形成される図1のクラッド層の概略斜視図である。 代替基板上の図1のクラッド層の概略側面図である。 クラッド層を形成するとき、エネルギービームによって追随されるパターンの例示的実施形態を概略的に示す図であり、パターンは、クラッド層上に重ね合わされる。 クラッド層を形成するとき、エネルギービームによって追随されるパターンの例示的実施形態を概略的に示す図であり、パターンは、クラッド層上に重ね合わされる。 ブレード先端部の例示的実施形態を形成する間、エネルギービームによって追随されるパターンの例示的実施形態を概略的に示す図である。 ブレード先端部の例示的実施形態を形成する間、エネルギービームによって追随されるパターンの例示的実施形態を概略的に示す図である。 クラッド層の代替例示的実施形態を形成するとき、エネルギービームによって追随される経路の例示的実施形態を概略的に示す図であり、経路は、クラッド層上に重ね合わされる。 クラッド層の代替例示的実施形態を形成するとき、エネルギービームによって追随される経路の例示的実施形態を概略的に示す図であり、経路は、クラッド層上に重ね合わされる。
本発明者らは、走査光学系を使用して基板上にクラッド層を堆積させることによって、タービンブレードなどの、内部リブによって構造的に支持される翼スキンを有するガスタービンエンジン部品の翼セクションを構築する方法を考案した。走査光学系は、基板上に置かれた粉末材料の層内に2つの溶融プールを発生させ、2つの溶融プールは、各クラッド層を形成するために異なる経路に沿って同時に進む。各クラッド層は、翼の層を形成し、側部セクションおよび少なくとも1つのリブセクションを含む。各溶融プールは、ブレードの反りを防止するためにクラッド層の異なる側部を形成する。溶融プールの1つは、各リブセクションを形成し、各リブセクションについて、せいぜい1つの経路開始がある。特徴のこの組み合わせは、以前には可能でなかった仕方で新しい翼セクションの構築および既存の翼セクションの修理を可能にする。
基板が超合金である例示的実施形態では、粉末材料は、参照により全体として本明細書に組み込まれる、Bruck他への米国特許出願公開第2013/0140278号明細書に述べられるような超合金の金属粉末およびフラックスを含んでもよい。現在入手できる先進的な走査光学系(例えばCambridge Technology Lightning II 4kW、Scanlab powerSCAN 4kW、Trumpf PFO 3D 8kWおよびIPG 8kW)と一緒に、超合金をこの仕方で被覆する能力、および本明細書で開示される堆積パターンは、以前には可能でなかった超合金部品の構築および修理を可能にする。
図1は、クラッド層10の例示的実施形態を形成するとき、エネルギービームによって追随される経路の例示的実施形態を概略的に示し、経路は、基板(図示されず)上に重ね合わされる。クラッド層10は、翼の形状であってもよく、正圧側の壁16、負圧側の壁18、前縁20、後縁22、第1のリブセクション24、第2のリブセクション26、および第3のリブセクション28を有するスキン14を有してもよい (1から上の、任意の数のリブセクションは、本開示の範囲内である。) 。クラッド層10を形成するために、粉末材料(図示されず)が、基板上に置かれ、エネルギービーム(図示されず)が、始動され、矢印によって示される経路を横断する。
クラッド層10は、いくつかの部分を含むと考えられてもよい。この例示的実施形態では、第1のリブセクション24を含む第1の部分30、第2のリブセクション26を含む第2の部分32、第3のリブセクション28を含む第3の部分34、および後縁22を含む第4の部分36があってもよい。一対の経路が、クラッド層10の各部分を形成するために使用されてもよい。
第1の部分30を形成するために、第1の経路40は、第1のリブセクション24の前縁側の第1の経路開始点42から始まり、負圧側の壁18に沿って横断し、次いで第1のリブセクション24を形成するために向きを変えてもよい。第2の経路44は、第1のリブセクション24の前縁側の第2の経路開始点46から始まり、正圧側の壁16に沿って横断してもよい。第1の経路開始点42および第2の経路開始点46は、共通開始点48に位置してもよい。共通開始点48などの、開始点のいずれかに隣接して提供されるオプションの使い捨てエンドタブ(runon tab)54があってもよい。第1の経路40および第2の経路44は、第1のリブセクション24が正圧側の壁16に出会う接合部50において出会う。
共通開始点48の場所は、第1の経路40の長さおよび第2の経路44の長さが同じであるように選択されてもよい。そのような例示的実施形態では、走査光学系は、エネルギービームを各経路に沿って同じ速度で横断させるように構成されてもよく、それによってエネルギービームが第1の経路40を横断するのに第2の経路44と同じ時間がかかる。別法として、第1の経路40および第2の経路44は、異なる長さであってもよい。この場合、もしエネルギービームが、各経路を同じ速度で横断するならば、より長い経路を形成するのにより長い時間がかかることもある。2つの経路が、異なる長さであるが、しかし横断速度が、各経路について同じであるとき、エネルギービームの走査は、それが各経路を同じ時間で横断するように、なお調整されてもよい。例えば、もし第1の経路40が、第2の経路44の2倍長いならば、その時エネルギービームは、各経路を同じ速度で横断する間に、第1の経路40を形成するのに第2の経路44の2倍の時間を費やすこともある。たとえエネルギービームのパワー出力が、各経路を形成するときに同じであっても、より短い経路の溶融プールは、エネルギービームがより長い経路を形成するのにより多くの時間を費やすことを可能にするために十分長く液化されたままであることになるので、これは、可能となる。
クラッド層10を形成するとき、第1の溶融プール(図示されず)は、第1の経路40をたどることになり、第2の溶融プール(図示されず)は、第2の経路44をたどることになる。もし溶融プールの片方が、開始され、共通開始点における粉末材料が、溶融され、次いでもう一方の溶融プールが開始される前に固化されることになるならば、その時共通開始点48において固化される材料は、時間的に遅く開始する溶融プールによって再溶融されることになる。この再溶融(再溶融したもの)は、両方の溶融プールを同じ時間に、または1つの溶融プール(図示されず)だけが共通開始点48に形成されるのと時間的に十分近くに開始することによって回避可能である。再溶融を回避することは、亀裂が入る可能性を低減し、より強いクラッド層を作成する。
もし溶融プールの片方が、第1のリブセクション24が正圧側の壁16と出会う接合部50において終了され、もう一方の溶融プールが接合部50に達する前に固化することが許されることになるならば、その時接合部において固化される材料は、時間的に遅れて到着する溶融プールによって再溶融されることになる。この再溶融は、両方の溶融プールを接合部50において単一の溶融プールに融合することによって回避可能である。オプションの使い捨てエンドタブ52は、接合部50に、または経路が終わることになる任意の点に位置決めされてもよい。任意のエンドタブ52は、クラッド層10が完了した後に機械加工で除去されてもよい。
プロセスのこの時点において、クラッド層10の第1の部分30が、形成される。第1の経路40は、クラッド層10の負圧側の壁18の一部分60および第1のリブセクション24を形成した。第2の経路は、クラッド層10の正圧側の壁16の一部分62を形成した。
第2の部分32を形成するために、第3の経路70は、第3の経路開始点72から始まってもよく、エネルギービームは、それが、負圧側の壁18が第2のリブセクション26に出会う接合部74に達するまで、負圧側の壁18のより多くを形成するために、第3の経路70に沿って溶融プールを横断させる。第3の経路開始点72に隣接する負圧側の壁18の部分60内のクラッド材料は、固化していることもあり得る。その結果、第3の経路開始点72にいくらかの再溶融があることもあり得る。
第4の経路76は、第1のリブセクション24が正圧側の壁16に出会う接合部50から始まってもよく、エネルギービームは、溶融プールに正圧側の壁18のより多くを形成させ、第2のリブセクション26を形成し、その後それは、第3の経路70を横断した溶融プールに出会う。例示的実施形態では、第4の経路76を横断するエネルギービームによって形成される溶融プールは、接合部50における第1の部分30内の溶融した材料が固化する前に始まってもよい。そのような実施形態では、第1のリブセクション24が正圧側の壁16に出会う接合部50においてクラッド層10の材料の再溶融はない。
第3の経路70を横断する溶融プールは、第4の経路76を横断する溶融プールと出会い、その結果それらが、接合部74において単一の溶融プールに融合するように時間を調節されてもよく、それは、接合部74におけるクラッド材料の再溶融を回避する。これを成し遂げるために、第3の経路70を横断する溶融プールのための開始時刻は、第4の経路76を横断する溶融プールに関して遅延されてもよい。別法として、横断速度が、変えられてもよく、またはエネルギービームは、同じ横断速度を維持するが、しかし第4の経路76上でより多くの時間を費やしてもよい。オプションの使い捨てエンドタブ52は、接合部74に位置決めされてもよく、1つまたは複数の溶融プールは、エンドタブ52において流出されてもよい。その結果、この例示的実施形態では、第1のリブセクション24について第2の部分32内に1つの再溶融だけがある。
プロセスのこの時点において、クラッド層10の第2の部分32が、形成される。第3の経路70は、負圧側の壁18の一部分78を形成した。第4の経路76は、正圧側の壁16の一部分80および第2のリブセクション26を形成した。
第3の部分34を形成するために、第5の経路90は、負圧側の壁18が第2のリブセクション26に出会う接合部74から始まってもよい。エネルギービームは、それが、負圧側の壁18が第3のリブセクション28に出会う接合部92に達するまで、溶融プールに負圧側の壁18のより多くを形成させる。例示的実施形態では、第5の経路90を横断するエネルギービームによって形成される溶融プールは、接合部74における第2の部分32内の溶融した材料が固化する前に始まってもよい。そのような例示的実施形態では、接合部74におけるクラッド層10の材料の再溶融はない。
第6の経路94は、第6の経路開始点96から始まってもよく、エネルギービームは、正圧側の壁16のより多くおよび次いで第3のリブセクション28を形成するために第6の経路94に沿って溶融プールを横断させ、その後それは、第5の経路90を横断する溶融プールに出会う。第6の経路開始点96に隣接する負圧側の壁18の部分78内のクラッド材料が、固化していることもあり得る。その結果、第6の経路開始点96にいくらかの再溶融があることもあり得る。
第5の経路90を横断する溶融プールは、第6の経路94を横断する溶融プールと出会い、その結果それらが、負圧側の壁18が第3のリブセクション28に出会う接合部92において単一の溶融プールに融合するように時間を調節されてもよく、それは、接合部92におけるクラッド材料の再溶融を回避する。これを成し遂げるために、第5の経路90を横断する溶融プールのための開始時刻は、第6の経路94を横断する溶融プールに関して遅延されてもよい。別法として、横断速度が、変えられてもよく、またはエネルギービームは、同じ横断速度を維持するが、しかし第6の経路94上でより多くの時間を費やしてもよい。オプションの使い捨てエンドタブ52は、接合部92に位置決めされてもよく、1つまたは複数の溶融プールは、エンドタブ52において流出されてもよい。その結果、この例示的実施形態では、第2のリブセクション26について第3の部分34内に1つの再溶融だけがある。
プロセスのこの時点において、クラッド層10の第3の部分34が、形成される。第5の経路90は、負圧側の壁18の一部分98を形成した。第6の経路94は、正圧側の壁16の一部分100および第3のリブセクション28を形成した。
第4の部分36を形成するために、第7の経路110は、負圧側の壁18が第3のリブセクション28に出会う接合部92から始まってもよい。エネルギービームは、それが、第7の経路終端点114に達するまで、溶融プールに負圧側の壁18のより多くを形成させる。例示的実施形態では、第7の経路110を横断するエネルギービームによって形成される溶融プールは、接合部92に隣接する第3の部分34内の溶融した材料が固化する前に始まってもよい。そのような例示的実施形態では、接合部92におけるクラッド層10の材料の再溶融はない。
第8の経路116は、第8の経路開始点118から始まってもよく、エネルギービームは、それが、第8の経路終端点120に達するまで、正圧側の壁16のより多くを形成するために第8の経路116に沿って溶融プールを横断させる。第8の経路開始点118に隣接する正圧側の壁16の部分100内のクラッド材料が、固化していることもあり得る。その結果、第8の経路開始点118にいくらかの再溶融があることもあり得る。第7の経路終端点114および第8の経路終端点120は、共通終端点122であってもよい。
第7の経路110を横断する溶融プールは、第8の経路116を横断する溶融プールと出会い、その結果それらが、共通終端点122において単一の溶融プールに融合するように時間を調節されてもよく、それは、共通終端点122における再溶融を回避する。これを成し遂げるために、第8の経路116を横断する溶融プールのための開始時刻は、第7の経路110を横断する溶融プールの前または後に始まるように調整されてもよい。別法として、横断速度が、変えられてもよく、またはエネルギービームは、同じ横断速度を維持するが、しかしより長い方の上でより多くの時間を費やしてもよい。オプションの使い捨てエンドタブ52は、共通終端点122に位置決めされてもよく、1つまたは複数の溶融プールは、エンドタブ52において流出されてもよい。その結果、この例示的実施形態では、第3のリブセクション28について第4の部分36内に1つの再溶融だけがある。
プロセスのこの時点において、クラッド層10の第4の部分36が、形成され、それ故にクラッド層10が、完了する。第7の経路110は、負圧側の壁18の一部分124を形成し、第8の経路116は、正圧側の壁16の一部分126を形成した。
上で述べられた例示的実施形態を使用して作られるクラッド層10内には、各リブセクションについてたった1つの再溶融が存在する。加えて、もし上で開示された例示的実施形態が、一緒に使用されるならば、1つの溶融プールが、第2の経路開始点46において開始され、第2の経路44、次いで第4の経路76、次いで第5の経路90、次いで第7の経路110に沿って横断し、1つの連続的な、途切れない横断において第7の経路終端点114に達することもあり得る。この連続的な、途切れない横断の間に、他の経路を横断する溶融プールは、それらが、連続的な、途切れない溶融プールを用いて並行して反対側の壁部分を形成するように、開始され、終了されてもよい。反対側の壁部分を同時に形成することは、翼の反りを軽減し、連続的な、途切れない横断を有することは、再溶融を最小限にする。
第2の部分32および第3の部分34の形成は別法として、クラッド層内に形成すべき追加の各リブセクションについて一対の経路に沿って同時に2つの溶融プールを移動させるようにエネルギービームを横断させると述べられてもよい。各対の1つの経路は、前に形成されたリブセクションとそれぞれの追加のリブセクションとの間のクラッド層の1つの側の壁の一部分ならびに追加のリブセクションを形成していることになる。各対の別の経路は、前に形成されたリブセクションと追加のリブセクションとの間のクラッド層の反対側の壁の一部分を形成していることになる。
例えば、第2の部分32を形成するためには、その対の経路は、第3の経路70および第4の経路76ということになる。形成すべき追加のリブセクションは、第2のリブセクション26ということになり、前に形成されたリブセクションは、第1のリブセクション24ということになる。第4の経路76は、正圧側の壁16の部分80および第2のリブセクション26を形成することになる。第3の経路70は、反対側の壁部分を形成することになり、それは、負圧側の壁18の部分78である。
第3の部分34を形成するためには、その対の経路は、第5の経路90および第6の経路94ということになる。形成すべき追加のリブセクションは、第3のリブセクション28ということになり、前に形成されたリブセクションは、第2のリブセクション26ということになる。第6の経路94は、正圧側の壁16の部分100および第3のリブセクション28を形成することになる。第5の経路90は、反対側の壁部分を形成することになり、それは、負圧側の壁18の部分98である。
図示される経路の例示的パターンは、限定することを意味しない。例えば、第1のリブセクション24は、第2の経路44および負圧側の壁18に移動された接合部によって形成されてもよい。そのような代替例示的実施形態は、クラッド層10の各部分に適用されてもよい。もし一部分が、このように変更されるならば、形成すべきすぐ隣接した部分についての開始点はまた、もう一方の側に移動されてもよい。任意のパターンは、たとえ1つよりも多い開始点が、各リブセクションについて形成されても、本開示の範囲内である。加えて、3つのリブセクションが、図示されるが、より多くのまたはより少ないリブセクションが、クラッド層10内に形成されてもよい。
さらに、エネルギービームのパワー出力は、クラッド層10を形成するために作られるすべての経路について同じであってもよい。別法として、パワー出力は、存在する経路と同じ数のパワー設定が使用されてもよいように変化してもよい。例えば、エネルギービームのパワーは、一対の経路の片方について1つのレベル、およびその対の経路のもう一方について別のエネルギーレベルであってもよい。さらになお、パワーは、エネルギービームが、経路を横断している間に、変化する熱要求を受け入れるように調整されてもよい。
もしクラッドプロセスが、クラッド層上にスラグの層を発生させるならば、それは、粉末材料が固化されるときに、またはクラッド層10の形成の完了時に除去されてもよい。
1つまたは複数のクラッド層10が、翼を作成するまたは再構築するために基板上に堆積されてもよく、その場合上記のプロセスは、必要とする数のクラッド層10を形成するために繰り返されてもよい。
図2は、形成プロセスの開始に向かって基板130上に形成されるクラッド層10の概略側面図である。この例示的実施形態では、基板は、翼正圧側134、翼負圧側136、翼前縁138、翼後縁140、および付着面142を有する翼132であり、付着面142は、この例示的実施形態では、翼スキン146のエッジ144である。エネルギービーム源152から発し、走査光学系154によって案内されるエネルギービーム150は、付着面142上に置かれた粉末材料156を処理している。走査光学系154は、エネルギービーム150をエネルギービーム実線によって示されるようにクラッド層10の片側の方に向け、次いで点線によって示されるようにクラッド層のもう一方の側に向けることができるということが分かる。走査光学系は、ビームを約3m/sのジャンプ速度で片側からもう一方の側にジャンプさせる能力がある。その結果、2つの溶融プールが、持続され、同時に横断されてもよい。プロセスの間に、粉末材料156は、クラッド層10を形成するために、溶融し、固化し、付着面142に付着する。
フラックス粉末が粉末材料156に組み込まれる、例示的実施形態では、スラグ158が、クラッド層10上に生じることもあり、それは、任意のその後のクラッド層が堆積される前に除去される。代替例示的実施形態では、フィラーおよびフラックスが、スリーブ内に封入されるなどの別個のプリフォーム内に事前に置かれる可能性もあり、それは次いで、プロセス場所に位置決めされる。粉末材料内のフィラー材料は、基板と同じ化学組成を有してもよく、またはそれは、異なってもよい。
点線は、十分なクラッド層10が、翼132を完了するために堆積されるとき、翼132の未完成の部分162の完成したプロファイル160を規定する (リブは、完成した翼の中にあって外部から見えない。) 。完成したプロファイル160は、初めて作成されている翼132を表してもよく、またはそれは、以前に翼132の一部であったが、しかし除去され、翼132をその元の状態に戻すために置き換えなければならない材料を示してもよい。後者は、例えば運転中の翼132が、翼132の先端部164に亀裂が入ることを経験するときに起こることもある。翼132は、運転から引き出されてもよく、先端の端部166およびその中の望まれない亀裂は、本明細書で開示されるクラッド修理作業を可能にするために除去される(それによってエッジ144を作成する)。限定されない例では、30mmが、除去されてもよく、30mmのセクションが、再構築されるまで、3mm厚さのクラッド層が、形成されてもよい。10層が、堆積されると、翼132は、完成状態に戻されることになる。翼132の外部表面は、仕上げ機械加工を必要とすることもある。内部表面は、そのままで受け入れられてもよい。
図3は、例えばブレードプラットホーム170であってもよい代替基板上に配置されたクラッド層10の概略側面図である。これは、翼全体が、ブレードから除去され、翼が、本明細書で開示される方法を使用して置き換えられるべきときに起こることもある。別法として、これは、新しいブレードが、製造される予定であり、翼部分が、本明細書で開示される方法を使用して新しいブレードプラットホーム170に適用されるべきであるときに起こることもある。
図4は、クラッド層10を形成するときにエネルギービームによって追随されるパターンの例示的実施形態を概略的に示す。この図では、パターンは、クラッド層10上に重ね合わされる。この例示的実施形態では、エネルギービームは、円形パターン180内に案内される。翼スキン146、およびそれ故にクラッド層10の厚さ182は、3.0mmであってもよい。円形パターンの直径184は、3.5〜4.0mmであってもよく、隣接円形パターン180は、エネルギービームが、第1の経路40および第2の経路44を横断するとき、約1mmだけ重なり合ってもよい。エネルギービームは、例えば1mmの直径を有してもよい。この例示的実施形態では、第1のリブセクション24は、エネルギービームをクラッド層10の負圧側の壁18の部分60から正圧側の壁16の部分62まで横断させることによって形成される。円形パターン180は、第1のリブセクション24が正圧側の壁16に出会う接合部50において融合してもよく、または円形パターン180の1つは、他の円形パターン180が、終了する間、停止してもよい。別法として、この場所におけるビームパターンは、接合部50の形成に対して最も伝導性のある(most conductive)他の形状を形成するように合わせられてもよい。パワーの量および/または横断速度その他などのパラメータが、付着を最適化するために接合部50に追加されてもよい。オプションとして、円形パターンの1つまたは両方が、オプションのエンドタブ52において流出されてもよい。提供される寸法は、限定されない例であり、寸法およびパターンは、当業者に知られている方法で調整されてもよい。
図5に示される変形では、エネルギービームは、異なる仕方で第1のリブセクション24を形成してもよい。溶融プールをクラッド層10の負圧側の壁18の部分60から正圧側の壁16の部分62まで横断させる代わりに、エネルギービームは、それが、負圧側の壁18の部分60に沿って進み続けている間、それが、第1のリブセクション24を含むように、溶融プールを拡大する。これは、かなりのパワー、例えば8〜10kWを必要とすることもあるが、しかし可能であれば製造を迅速化することもある。ここで再び、例示的実施形態は、限定することを意味していない。正確なパターン形成は、当業者に知られている方法で適合されてもよい。例えば、走査光学系154は、重なり合うパターンを維持してもよいが、しかしパターンを正圧側の壁16から負圧側の壁18まで及ぶのに十分な楕円形にしてもよい。
図6は、翼132を完了するために必要なこともある、翼132の先端キャップ186の例示的実施形態を形成する間、エネルギービームによって追随されるパターンの例示的実施形態を概略的に示す。翼132の内部は、粉末または固形のセラミック材料(例えば、ジルコニア、シリカ、アルミナ、チタニア、グラファイトその他)で充填されてもよく、セラミック材料は、翼132の外部を取り囲むように位置決めされてもよい。粉末材料156は、翼132を充填するセラミック材料上に位置決めされる。例示的実施形態では、エネルギービームは、翼正圧側134と翼負圧側136との間を前後に円形パターン180を横断する。いったん先端キャップ186が、完了すると、セラミック材料は、除去されてもよく、完了した翼132を残す。この例示的実施形態は、限定することを意味しない。正確なパターン形成は、当業者に知られている方法で適合されてもよい。
図7に示される変形では、エネルギービームは、異なる仕方で先端キャップ186を形成してもよい。別個の側方堆積物を形成する代わりに、エネルギービームは、溶融プールが、翼前縁138から翼後縁140まで進むように、拡大されてもよい。これは、かなりのパワー、例えば8〜10Wを必要とすることもあるが、しかし可能ならば製造を迅速化することもある。この例示的実施形態は、限定することを意味せず、上で開示されるように翼正圧側134から翼負圧側136まで及ぶ、重なり合う、広い楕円パターンに似た他のパターンが、使用されてもよい。
図8に示される別の例示的実施形態では、再溶融なしにクラッド層10を形成することが可能である。この例示的実施形態では、2つの溶融経路を維持するために前に使用されたビーム共有は、例えばリブセクションが、遭遇されるとき、3つの溶融経路を維持するために使用されることになる。この例示的実施形態では、クラッド層10の形成は、2溶融プール領域200および3溶融プール領域202を含んでもよい。2つの溶融プールが、出会うまで、その後の経路の開始を遅らせる代わりに、溶融プールは、それぞれの開始点に隣接する溶融材料が、なお溶融されている間に、その後の経路上で開始される。
これは、それぞれの開始点に隣接する溶融材料が、溶融されるときに、またはその後十分すぐに、溶融材料が、エネルギービームが第3の溶融プールを形成するときになお溶融されているように開始する第3の溶融プールをさらになお形成するためにエネルギービームを共有することによって成し遂げられてもよい。結果として、前の通りに、クラッド層10はなお、第1のリブセクション24を含む第1の部分30、第2のリブセクション26を含む第2の部分32、第3のリブセクション28を含む第3の部分34、および後縁22を含む第4の部分36を含むと考えられてもよい。前の通りに、一対の経路/溶融プールが、クラッド層10の各部分を形成するために使用されてもよい。しかしながら、前と異なり、第3の溶融プールは、2つの溶融プールが、その後の部分より先の部分を終了すると、その後の部分を横断し始める。例えば、2つの溶融プールが、第1の部分30の第1のリブセクション24および正圧側の壁16の部分62を形成する間に、第3の溶融プールはすでに、第2の部分32の第3の経路70に沿って横断し始めており、第3の経路開始点72に隣接する溶融材料が、固化する前に、このプロセスを始めている。これは、この場所におけるどんな再溶融も防止する。
第1の部分30をなお形成する2つの溶融プールは、第1のリブセクション24が正圧側の壁16に出会う接合部50に同じ時間に達するように時間を調節されてもよい。この時点において、エネルギービームは、単一の溶融プールを形成し、溶融プールが、第3の経路70を形成し続ける間に、第4の経路76に沿ってそれを横断させ始める。それ故に、このプロセスの間に、第3の溶融プールが、その後の部分32、34、36を形成していてもよいので、1つの部分30、32、34を同時に形成する2つの溶融プールがあるだけでもよい。いったんその後のセクションの前のセクションが、形成されると、その形成は、別のリブセクションが、溶融プールの1つによって遭遇されるまで、2つの溶融プールに戻る。
溶融プールの横断速度は、経路の相対的長さを説明するように調整されてもよく、それぞれの接合部に2つの溶融プールが同時に到着するように適切に時間を調節することを提供する。例えば、第2の部分32を形成するとき、溶融プールは、別の溶融プールが、負圧側の壁18の部分78をすでに形成し始めた後にのみ正圧側の壁16の部分80を形成し始める。もし第3の経路70上の溶融プールよりも第4の経路上の溶融プールについてより長い横断が残るならば、その時第3の経路70上の溶融プールは、両方の溶融プールが、負圧側の壁18が第2のリブセクション26に出会う接合部74に同時に達するように、相対的に遅くされてもよい。別法として、第4の経路76を形成する溶融プールの速度は、相対的に増加されてもよい。
第4の経路76を形成する溶融プールが、第2のリブセクション26に達するとき、第3の溶融プールは、第6の経路開始点96において開始される。これは、第6の経路開始点96に隣接する溶融材料が、固化する前に起こってもよく、それによってこの場所における再溶融を防止する。2つの溶融プールが、第2のリブセクション26および負圧側の壁18の部分78を横断すると、第3の溶融プールは、正圧側の壁16の部分100を横断し始める。いったん第2のリブセクション26および負圧側の壁18の部分78を形成する溶融プールが、接合部74において出会うと、単一の溶融プールが次いで、負圧側の壁18の部分98を横断し始める。ここで再び、第5の経路90および第6の経路94を取る溶融プールについての横断速度は、それらが、負圧側の壁18が第3のリブセクション28に出会う接合部92に同時に達するように時間を調節されてもよい。例えば、第3の溶融プールは最初に、矢印間のより短い間隔によって示されるように、相対的に遅くされてもよい。
第6の経路94を形成する溶融プールが、第3のリブセクション28に達するとき、エネルギービームは、第8の経路開始点118に第3の溶融プールを作成する。これは、第8の経路開始点118に隣接する溶融材料が、固化する前に起こってもよく、それによってこの場所における再溶融を防止する。2つの溶融プールが、第3のリブセクション28および負圧側の壁18の部分98を横断すると、第3の溶融プールは、正圧側の壁16の部分126を横断し始める。いったん第3のリブセクション28および負圧側の壁18の部分98を形成する溶融プールが、出会うと、単一の溶融プールが次いで、負圧側の壁18の部分124を横断し始める。第7の経路110および第8の経路116を取る溶融プールについての横断速度は、それらが、共有終端点122に同時に達するように時間を調節されてもよい。
有利には、この例示的実施形態では、クラッド層10全体は、再溶融なしに形成される。
図示される経路の例示的パターンは、限定することを意味しない。例えば、図9に示される代替例示的実施形態では、第3の溶融プールは、第2の経路44を横断する溶融プールが、第1のリブセクション24に到着するとき、第4の経路76を横断し始める。図8の例示的実施形態でのように、第4の経路76を横断する溶融プールが、第2のリブセクション26に到着するとき、第3の溶融プールは、第6の経路94を横断し始める。しかしながら、第5の経路90を横断する溶融プールが、第3のリブセクション28に達するとき、第3の溶融プールは、第7の経路110を横断し始める。
第3の溶融プールが、固化した材料から生じる、固化した材料に隣接して形成される、または前に処理された(溶融された)がしかしなお固化しない材料と一緒になる限り、再溶融は、回避可能である。言い換えれば、第3の溶融プールが、前に処理されたリブセクション内の隣接材料がなお溶融されているときに横断し始める限り、再溶融は、回避可能である。再溶融を回避するこれらの方法のいずれかまたはすべては、本開示の範囲内であると考えられる。
上記のように、エネルギービームのパワー出力は、クラッド層10を形成するために作られるすべての経路について同じであってもよい。別法として、パワー出力は、存在する経路と同じ数のパワー設定が使用されてもよいように変化してもよい。例えば、エネルギービームのパワーは、一対の経路の片方について1つのレベル、およびその対の経路のもう一方について別のエネルギーレベルであってもよい。さらになお、パワーは、エネルギービームが経路を横断している間に、変化する熱要求を受け入れるように調整されてもよい。
前述のことから、本発明者らは、以前には可能でなかった仕方で翼を構築するための革新的方法を考案したことが分かる。その結果、これは、当技術分野における改善を表す。
本発明の様々な実施形態が、本明細書で図示され、述べられたが、そのような実施形態が、ほんの一例として提供されることは、明らかであろう。多数の変形、変更および置換が、本明細書での発明から逸脱することなくなされてもよい。それに応じて、本発明は、添付のクレームの趣旨および範囲によってのみ制限されることが意図される。
10 クラッド層
14 スキン
16 正圧側の壁
18 負圧側の壁
20 前縁
22 後縁
24 第1のリブセクション
26 第2のリブセクション
28 第3のリブセクション
30 第1の部分
32 第2の部分
34 第3の部分
36 第4の部分
40 第1の経路
42 第1の経路開始点
44 第2の経路
46 第2の経路開始点
48 共通開始点
50 接合部
52 エンドタブ
54 エンドタブ
60 負圧側の壁の一部分
62 正圧側の壁の一部分
70 第3の経路
72 第3の経路開始点
74 接合部
76 第4の経路
78 負圧側の壁の一部分
80 正圧側の壁の一部分
90 第5の経路
92 接合部
94 第6の経路
96 第6の経路開始点
98 負圧側の壁の一部分
100 正圧側の壁の一部分
110 第7の経路
114 第7の経路終端点
116 第8の経路
118 第8の経路開始点
120 第8の経路終端点
122 共通終端点
124 負圧側の壁の一部分
126 正圧側の壁の一部分
130 基板
132 翼
134 翼正圧側
136 翼負圧側
138 翼前縁
140 翼後縁
142 付着面
144 翼スキンのエッジ
146 翼スキン
150 エネルギービーム
152 エネルギービーム源
154 走査光学系
156 粉末材料
158 スラグ
160 翼の完成したプロファイル
162 翼の未完成の部分
164 翼の先端部
166 先端の端部
170 ブレードプラットホーム
180 円形パターン
182 翼スキンの厚さ
184 円形パターンの直径
186 先端キャップ
200 2溶融プール領域
202 3溶融プール領域

Claims (10)

  1. 基板(130)上に粉末材料の層(156)を提供するステップと、
    クラッド層(10)を形成するために粉末材料の前記層にわたってエネルギービーム(15)を横断させるステップとを含み、前記クラッド層は、ガスタービンのブレード翼の層を形成する、方法であって、前記横断させるステップは、
    前記エネルギービームの横断の第1の経路(40)および第2の経路(44)を共通開始点(48)から開始するステップと、
    前記エネルギービームを前記第1の経路に沿って横断させることによって前記クラッド層の第1の側の壁(18)の一部分(60)および第1のリブセクション(24)を形成し、同時に前記エネルギービームを前記第2の経路に沿って横断させることによって前記クラッド層の第2の側の壁(16)の一部分(62)を形成するステップと、
    前記クラッド層内の各リブセクション(24、26、28)についてせいぜい1つの開始点(72、96、118)を作成するステップとを含む、方法。
  2. 前記基板は、ブレードプラットホーム(170)を備え、前記方法はさらに、前記ブレードプラットホーム上に前記クラッド層を堆積させるステップを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 翼(132)の少なくとも一部分を既存の部品から除去するステップをさらに含み、それによって前記基板を形成する、請求項1に記載の方法。
  4. 前記エネルギービームを少なくとも前記第1の側の壁から前記第2の側の壁まで及ぶように拡大し、前記エネルギービームを前記第1のリブセクションに沿って横断させることによって前記第1の経路の一部として前記第1のリブセクションを形成するステップと、
    前記第1のリブセクションに当接する前記第1の側の壁上で前記エネルギービームの横断の第3の経路(70)を開始するステップとをさらに含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記エネルギービームを前記第1の側の壁から前記第2の側の壁まで横断させることによって前記第1の経路の一部として前記第1のリブセクションを形成するステップと、
    前記第1のリブセクションおよび前記第2の側の壁の接合部において前記第1の経路および前記第2の経路を融合するステップと、
    前記第1のリブセクションに当接する前記第1の側の壁上で前記エネルギービームの横断の第3の経路を開始するステップとをさらに含む、請求項3に記載の方法。
  6. 隣接する第1の経路材料が、溶融されるとき、横断の前記第3の経路を開始するステップをさらに含み、それによって第3の経路開始点における再溶融を防止する、請求項5に記載の方法。
  7. 前記第2の側の壁のより多くおよび次いで第2のリブセクションを形成するために、前記第1のリブセクションおよび前記第2の側の壁の前記接合部において前記エネルギービームの横断の第4の経路(76)を開始するステップであって、前記第2のリブセクションは、前記エネルギービームを前記第2の側の壁から前記第1の側の壁まで横断させることによって形成される、ステップと、
    前記第3の経路を用いて前記第1の側の壁のより多くを形成し、次いで前記第2のリブセクションおよび前記第1の側の壁の接合部において前記第3の経路を前記第4の経路と融合するステップと、
    前記第2のリブセクションに当接する前記第2の側の壁上で前記エネルギービームの横断の第6の経路(94)を開始するステップとをさらに含む、請求項5に記載の方法。
  8. 隣接する第4の経路材料が、溶融されるとき、横断の前記第6の経路を開始するステップをさらに含み、それによって第6の経路開始点(96)における再溶融を防止する、請求項7に記載の方法。
  9. 前記第1のリブセクションおよび前記第2の側の壁の前記接合部における前記クラッド層の再溶融を防止するように前記第4の経路を開始するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
  10. 前記共通開始点における前記クラッド層の再溶融を防止するように前記第1の経路および前記第2の経路を開始するステップと、前記第1の経路および前記第2の経路の接合部における前記クラッド層の再溶融を防止するように、前記第1の経路および前記第2の経路の前記接合部において前記第1の経路および前記第2の経路を終了させるステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
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