JP6945298B2 - 被覆コアを使用して内部通路を有する部品を形成するための方法及びアセンブリ - Google Patents

被覆コアを使用して内部通路を有する部品を形成するための方法及びアセンブリ Download PDF

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Description

本開示の分野は、概して、その中に画成される内部通路を有する部品に関し、より具体的には、被覆コアを使用してそのような部品を形成することに関する。
いくつかの部品は、例えば、意図される機能を果たすために、その中に画成される内部通路を必要とする。例えば、限定されるものではないが、ガスタービンの高温ガス経路部品等のいくつかの部品は、高温に供される。少なくともいくつかのそのような部品は、冷却流体の流れを受容するために、その中に画成される内部通路を有し、そうすることで、部品はより良好に高温に耐えることが可能となる。別の例として、限定されるものではないが、いくつかの部品は、別の部品との界面で摩擦に供される。少なくともいくつかのそのような部品は、摩擦の減少を促進するための潤滑剤の流れを受容するために、その中に画成される内部通路を有する。
その中に画成される内部通路を有する少なくともいくつかの既知の部品は、内部通路のために選択された位置で鋳型キャビティ内にセラミック材料のコアが延在する鋳型内で形成される。溶融金属合金がセラミックコアの周囲の鋳型キャビティに導入され、冷却されて部品が形成された後、化学的溶解等によってセラミックコアが除去され、内部通路が形成される。しかしながら、少なくともいくつかの既知のセラミックコアは脆弱であり、結果的に、コアを損傷することなく製造及び取り扱うことが困難であり、高価となる。また、そのような部品を形成するために使用されるいくつかの鋳型は、インベストメント鋳造によって形成され、少なくともいくつかの既知のセラミックコアは、インベストメント鋳造プロセスのためのパターンを形成するために使用される、限定されないが、ワックス等の材料の注入に確実に耐える十分な強度を有しない。
代替的に又は付加的に、その中に画成される内部通路を有する少なくともいくつかの既知の部品は、最初は内部通路なしで形成され、後続ステップにおいて内部通路が形成される。例えば、少なくともいくつかの既知の内部通路は、限定されないが、電気化学的な穿孔プロセス等を用いて、部品に通路を穿孔することによって形成される。しかしながら、少なくともいくつかのそのような穿孔プロセスは、比較的時間が掛かり、かつ高価である。さらに、少なくともいくつかのそのような穿孔プロセスは、特定の部品設計に必要とされる内部通路の曲率をもたらすことができない。
米国特許第9079803号明細書
一態様において、その中に画成される内部通路を有する部品を形成する方法が提供される。方法は、内部通路の形状に対応する形状を有する前駆体コアを形成することと、前駆体コアの外壁の周囲に中空構造を形成することとを含む。方法はまた、中空構造内から前駆体コアを除去することと、中空構造及び内部コアが被覆コアを形成するように、中空構造内に内部コアを配置することとを含む。方法はさらに、被覆コアを型に対して位置付けることと、溶融状態にある部品材料がキャビティ内で被覆コアの一部から中空構造を少なくとも部分的に吸収するように、溶融状態にある部品材料を鋳型のキャビティに導入することとを含む。付加的に、方法は、部品を形成するように部品材料をキャビティの中で冷却することを含む。内部コアは、部品内の内部通路を画成する。
例示的な回転機の概略図である。 図1に示す回転機とともに使用される例示的な部品の概略斜視図である。 図2に示す部品を作製するための例示的な鋳型アセンブリの概略斜視図であり、鋳型アセンブリは、鋳型に対して位置付けされた被覆コアを含む。 図3に示す線4−4に沿った、図3に示す鋳型アセンブリとともに使用される例示的な被覆コアの概略断面図である。 例示的な前駆体コアの周囲に形成された、図3及び図4に示す被覆コアの例示的な中空構造の概略的切欠斜視図である。 図1に示す回転機とともに使用される別の例示的な部品の一部の概略斜視図であり、部品は、複数の通路壁特徴部を有する内部通路を含む。 図6に示すような通路壁特徴部を有する部品を形成するために図3に示す鋳型アセンブリとともに使用される別の例示的な被覆コアの概略切欠斜視図である。 図7に示す被覆コアを形成する際に使用される別の例示的な前駆体コアの概略斜視図である。 図1に示す回転機とともに使用される部品の一部の概略斜視図であり、部品は、起伏のある断面を有する内部通路を含む。 図9に示す内部通路を有する部品を形成するために図3に示す鋳型アセンブリとともに使用される別の例示的な被覆コアの概略切欠斜視図である。 図10に示す被覆コアを形成する際に使用される別の例示的な前駆体コアの概略斜視図である。 図2、図6、及び図9に示す部品のうちのいずれか等の、その中に画成される内部通路を有する部品を形成する例示的な方法のフロー図である。 図12からのフロー図の続きである。 図12及び図13からのフロー図の続きである。
以下の明細書及び特許請求の範囲において、多くの用語に言及するが、それらは以下の意味を有するように定義されるものとする。
単数形「1つの(a)」、「1つの(an)」、及び「この(the)」は、文脈による別段の明確な指示がない限り、複数形の指示対象を含む。
「任意選択的な」又は「任意選択的に」は、続いて記載される事象又は状況が発生してもしなくてもよく、その記載が事象が発生する場合及び発生しない場合を含むことを意味する。
近似を表す文言は、本明細書及び特許請求の範囲を通して本発明で使用される場合、それが関連する基本的機能の変化をもたらすことなく、許容範囲で変化し得る任意の定量的表現を修飾するために適用され得る。したがって、「約」、「及び」、及び「実質的に」等の1以上の用語によって修飾される値は、指定される正確な値に限定されるべきではない。少なくともいくつかの場合において、近似を表す文言は、その値を測定するための器具の精度に対応し得る。ここで、また本明細書及び特許請求の範囲を通して、範囲の限界が特定され得る。そのような範囲は、組合せられてもよく、かつ/又は交換されてもよく、文脈又は文言による別段の指示がない限り、それに含まれる全ての部分範囲を含む。
本明細書に記載される例示的な部品及び方法は、その中に画成される内部通路を有する部品を形成するための既知のアセンブリ及び方法に関連する欠点の少なくともいくつかを克服する。本明細書に記載される実施形態は、内部通路の形状に対応する前駆体コアを形成することと、前駆体コアの周囲に中空構造を形成することとを含む。中空構造内から前駆体コアが除去され、内部コアがその中に配置されて被覆コアを形成する。被覆コアは、鋳型に対して位置付けられ、部品は、その鋳型内で鋳造される。溶融状態にある部品材料は、被覆コアの一部から中空構造を少なくとも部分的に吸収し、内部コアは、部品内の内部通路を画成する。
図1は、本開示の実施形態が使用され得る部品を有する例示的な回転機10の略図である。例示的な実施形態では、回転機10は、吸気部12、吸気部12から下流に連結された圧縮機部14、圧縮機部14から下流に連結された燃焼器部16、燃焼器部16から下流に連結されたタービン部18、及びタービン部18から下流に連結された排気部20を含むガスタービンである。略管状ケーシング36は、吸気部12、圧縮機部14、燃焼器部16、タービン部18、及び排気部20のうちの1つ以上を少なくとも部分的に取り囲む。代替の実施形態では、回転機10は、本明細書に記載されるような内部通路を伴って形成される部品が好適な任意の回転機である。さらに、本開示の実施形態は、説明のために回転機に関連して記載されているが、本明細書に記載される実施形態は、その中に画成される内部通路を伴って好適に形成される部品に関する任意の状況において適用可能であることを理解されたい。
例示的な実施形態では、タービン部18は、ロータシャフト22を介して圧縮機部14に連結される。本明細書で使用される場合、「連結する」という用語は、部品間の直接的な機械的接続、電気的接続、及び/又は通信接続に限定されるものではなく、複数の部品間の間接的な機械的接続、電気的接続、及び/又は通信接続も含み得るということに留意されたい。
ガスタービン10の動作中、吸気部12は、圧縮機部14に空気を送る。圧縮機部14は、より高圧及び温度に空気を圧縮する。より具体的には、ロータシャフト22は、圧縮機部14内でロータシャフト22に連結された1以上の円周方向に並んだ圧縮機ブレード40に回転エネルギーを付与する。例示的な実施形態では、圧縮機ブレード40の各列の前には、空気流を圧縮機ブレード40に誘導する、ケーシング36から半径方向内向きに延在する円周方向に並んだ圧縮機ステータベーン42がある。圧縮機ブレード40の回転エネルギーは、空気の圧力及び温度を上昇させる。圧縮機部14は、燃焼器部16に向かって圧縮された空気を放出する。
燃焼器部16において、圧縮されたガスは、燃料と混合され、点火され、タービン部18に向かって導かれる燃焼ガスを発生する。より具体的には、燃焼器部16は、1以上の燃焼器24を含み、その中で、燃料、例えば、天然ガス及び/又は燃料油が、空気流中に注入され、燃料と空気の混合物が点火され、タービン部18に向かって導かれる高温燃焼ガスを発生させる。
タービン部18は、燃焼ガス流からの熱エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する。より具体的には、燃焼ガスは、タービン部18内でロータシャフト22に連結された1以上の円周方向に並んだロータブレード70に回転エネルギーを付与する。例示的な実施形態では、ロータブレード70の各列の前には、燃焼ガスをロータブレード70に誘導する、ケーシング36から半径方向内向きに延在する円周方向に並んだタービンのステータベーン72がある。ロータシャフト22は、限定されないが、発電機及び/又は機械的駆動用途等の負荷(図示せず)に連結されてもよい。排気された燃焼ガスは、タービン部18から排気部20内へと下流に流れる。回転機10の部品は、部品80として設計される。燃焼ガスの経路に近接する部品80は、回転機10の動作中に高温に供される。付加的に又は代替的に、部品80は、その中に画成される内部通路を伴って好適に形成される任意の部品を含む。
図2は、回転機10(図1に示す)とともに使用されるように示された、例示的な部品80の概略斜視図である。部品80は、その中に画成される1以上の内部通路82を含む。例えば、部品80を高温燃焼ガスの温度未満に維持することを促進するために、回転機10の動作中に冷却流体が内部通路82に提供される。内部通路82は1つのみ示されているが、部品80は、任意の好適な数の本明細書に記載されるように形成される内部通路82を含むということを理解されたい。
部品80は、部品材料78から形成される。例示的な実施形態では、部品材料78は、好適なニッケル系超合金である。代替の実施形態では、部品材料78は、コバルト系超合金、鉄系合金、及びチタン系合金のうちの少なくとも1つである。他の代替の実施形態では、部品材料78は、部品80が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適な材料である。
例示的な実施形態では、部品80は、ロータブレード70又はステータベーン72のうちの一方である。代替の実施形態では、部品80は、本明細書に記載されるような内部通路を伴って形成されることが可能な回転機10の別の好適な部品である。さらに他の実施形態では、部品80は、その中に画成される内部通路を伴って好適に形成される任意の好適な用途のための任意の部品である。
例示的な実施形態では、ロータブレード70、又は代替的にステータベーン72は、圧力側74及び反対側の吸引側76を含む。圧力側74及び吸引側76の各々は、前縁84から反対側の後縁86まで延在する。さらに、ロータブレード70、又は代替的にステータベーン72は、根元端部88から反対の先端部90まで延在し、ブレード長96を画成する。代替の実施形態では、ロータブレード70、又は代替的にステータベーン72は、本明細書に記載されるような内部通路を伴って形成されることが可能な任意の好適な構成を有する。
特定の実施形態では、ブレード長96は、少なくとも約25.4センチメートル(cm)(10インチ)である。さらに、いくつかの実施形態では、ブレード長96は、少なくとも約50.8cm(20インチ)である。特定の実施形態では、ブレード長96は、約61cm(24インチ)〜約101.6cm(40インチ)の範囲である。代替の実施形態では、ブレード長96は、約25.4cm(10インチ)未満である。例えば、いくつかの実施形態では、ブレード長96は、約2.54cm(1インチ)〜約25.4cm(10インチ)の範囲である。他の代替の実施形態では、ブレード長96は、約101.6cm(40インチ)を超える。
例示的な実施形態では、内部通路82は、根元端部88から先端部90まで延在する。代替の実施形態では、内部通路82は、内部通路82が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適な様式で、かつ任意の好適な程度まで、部品80内に延在する。特定の実施形態では、内部通路82は非直線的である。例えば、部品80は、根元端部88と先端部90との間に画成される軸89に沿って所定のねじれとともに形成され、内部通路82は、軸方向のねじれに相補的な湾曲形状を有する。いくつかの実施形態では、内部通路82は、内部通路82の長さに沿って圧力側74から実質的に一定の距離94に位置付けられる。代替的に又は付加的に、内部通路82が内部通路82の長さに沿って後縁86から実質的に一定の距離92に位置付けられるように、部品80のコードは、根元端部88と先端部90との間で先細になり、内部通路82は、先細部に相補的に、非直線的に延在する。代替の実施形態では、内部通路82は、部品80の任意の好適な輪郭に相補的な非線形形状を有する。他の代替の実施形態では、内部通路82は、非直線的であり、部品80の輪郭に相補的ではない。いくつかの実施形態では、非線形形状を有する内部通路82は、部品80のために事前に選択された冷却基準を満たすことを促進する。代替の実施形態では、内部通路82は直線的に延在する。
いくつかの実施形態では、内部通路82は、実質的に環状の断面を有する。代替の実施形態では、内部通路82は、実質的に卵形の断面を有する。他の代替の実施形態では、内部通路82は、内部通路82が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適な形状の断面を有する。さらに、特定の実施形態では、内部通路82の断面の形状は、内部通路82の長さに沿って実質的に一定である。代替の実施形態では、内部通路82の断面の形状は、内部通路82が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適な様式で、内部通路82に沿って変化する。
図3は、部品80(図2に示す)を作製するための鋳型アセンブリ301の概略斜視図である。鋳型アセンブリ301は、鋳型300に対して位置付けられた被覆コア310を含む。図4は、図3に示す線4−4に沿った被覆コア310の概略断面図である。図2〜図4を参照すると、鋳型300の内壁302は、鋳型キャビティ304を画成する。溶融状態にある部品材料78が鋳型キャビティ304に導入され、冷却されて部品80を形成することができるように、内壁302は、部品80の外側形状に対応する形状を画成する。例示的な実施形態における部品80は、ロータブレード70、又は代替的にステータベーン72であるが、代替的な実施形態では、部品80は、本明細書に記載されるように、その中に画成される内部通路を伴って好適に形成される任意の部品であることに留意されたい。
被覆コア310は、被覆コア310の一部315が鋳型キャビティ304内に延在するように、鋳型300に対して位置付けられる。被覆コア310は、第1の材料322から形成される中空構造320と、中空構造320内に配置され、内部コア材料326から形成される内部コア324とを含む。内部コア324は、内部通路82の形状を画成するように成形され、鋳型キャビティ304内に位置付けられた被覆コア310の一部315の内部コア324は、部品80が形成されると部品80内の内部通路82を画成する。
中空構造320は、内部コア324の長さに沿って内部コア324を実質的に取り囲む外壁380を含む。内部コア324が中空構造320の内側部分360によって相補的に成形されるように、中空構造320の内側部分360は、外壁380に対して内側に位置する。特定の実施形態では、中空構造320は、略管状形状を画成する。例えば、限定されるものではないが、中空構造320は、内部コア324の、ひいては内部通路82の選択された非直線形状を画成するために必要に応じて、屈曲形状又は傾斜形状等の非直線形状で好適に配置される管として実装される。代替の実施形態では、中空構造320は、内部コア324が本明細書に記載されるような内部通路82の形状を画成することを可能にする任意の好適な形状を画成する。
例示的な実施形態では、中空構造320は、内部コア324の特徴的な幅330未満である壁厚328を有する。特徴的な幅330は、本明細書において、内部コア324と同じ断面積を有する円の直径として定義される。代替の実施形態では、中空構造320は、特徴的な幅330未満ではない壁厚328を有する。内部コア324の断面の形状は、図3及び図4に示す例示的な実施形態では円である。代替的に、内部コア324の断面の形状は、内部通路82が本明細書に記載されるように機能することを可能にする内部通路82の任意の好適な断面の形状に対応する。
鋳型300は、鋳型材料306から形成される。例示的な実施形態では、鋳型材料306は、部品80を形成するために使用される部品材料78の溶融状態に関連する高温環境に耐えるように選択される耐火セラミック材料である。代替の実施形態では、鋳型材料306は、部品80が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適な材料である。さらに、例示的な実施形態では、鋳型300は、好適なインベストメント鋳造プロセスによって形成される。例えば、限定されるものではないが、ワックス等の好適なパターン材料を、部品80のパターン(図示せず)を形成するための好適なパターンダイに注入し、パターンを鋳型材料306のスラリーに繰り返し浸漬し、それを硬化させて鋳型材料306のシェルを作製し、シェルを脱ろうし、焼成して鋳型300を形成する。代替の実施形態では、鋳型300は、鋳型300が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の好適な方法によって形成される。
特定の実施形態では、部品80を形成するプロセスの間、被覆コア310が鋳型300に対して固定されたままであるように、被覆コア310が鋳型300に対して固着される。例えば、被覆コア310は、被覆コア310を取り囲む鋳型キャビティ304に溶融部品材料78を導入する間に被覆コア310の位置が変化しないように固着される。いくつかの実施形態では、被覆コア310は、鋳型300に直接連結される。例えば、例示的な実施形態では、被覆コア310の先端部分312は、鋳型300の先端部分314内に強固に包み込まれている。付加的に又は代替的に、被覆コア310の根元部分316は、先端部分314の反対側で鋳型300の根元部分318内に強固に包み込まれている。例えば、限定されるものではないが、鋳型300は、前述のようなインベストメント鋳造によって形成され、被覆コア310は、先端部分312及び根元部分が316がパターンダイの外に延在する一方で、一部315がダイのキャビティ内に延在するように、好適なパターンダイにしっかりと連結される。パターン材料は、一部315がパターン内に延在するように被覆コア310の周囲のダイに注入される。インベストメント鋳造により、鋳型300が、先端部分312及び/又は根元部分316を包み込む。付加的に又は代替的に、被覆コア310は、部品80を形成するプロセスの間、鋳型300に対する被覆コア310の位置を固定されたままにすることができる任意の他の好適な様式で鋳型300に対して固着される。
第1の材料322は、溶融部品材料78によって少なくとも部分的に吸収可能であるように選択される。特定の実施形態では、部品材料78は合金であり、第1の材料322は、合金の1以上の構成材料である。さらに、いくつかの実施形態では、第1の材料322は、本明細書に記載されるように、内側部分360と外壁380との間に連続層として配置される複数の材料を含む。
例えば、例示的な実施形態では、溶融状態にある部品材料78が鋳型キャビティ304に導入されたときに、第1の材料322が部品材料78によって実質的に吸収可能であるように、部品材料78はニッケル系超合金であり、第1の材料322は実質的にニッケルである。代替の実施形態では、部品材料78は、任意の好適な合金であり、第1の材料322は、溶融合金によって少なくとも部分的に吸収可能な1以上の材料である。例えば、部品材料78はコバルト系超合金であり、第1の材料322は実質的にニッケルである。別の例として、部品材料78は鉄系合金であり、第1の材料322は実質的に鉄である。別の例として、部品材料78はチタン系合金であり、第1の材料322は実質的にチタンである。
特定の実施形態では、溶融状態にある部品材料78が鋳型キャビティ304に導入されたときに、被覆コア310の一部315、すなわち鋳型キャビティ304内に延在する部分の第1の材料322が、部品材料78によって実質的に吸収されるように、壁厚328は十分に薄い。例えば、いくつかのそのような実施形態では、部品材料78が冷却した後に、明確な境界線によって中空構造320と部品材料78とが区別されないように、第1の材料322は、部品材料78によって実質的に吸収される。さらに、いくつかのそのような実施形態では、部品材料78が冷却した後に、第1の材料322が部品材料78中に実質的に均一に分布されるように、第1の材料322は実質的に吸収される。例えば、内部コア324に近接する第1の材料322の濃度は、部品80内の他の位置の第1の材料322の濃度よりも、検出可能なほど高くはない。例えば、かつ限定されることなく、第1の材料322はニッケルであり、また部品材料78はニッケル系超合金であり、部品材料78が冷却した後に内部コア324の近くには検出可能なより高いニッケル濃度は残らず、形成される部品80のニッケル系超合金全体にわたって実質的に均一なニッケルの分布がもたらされる。
代替の実施形態では、壁厚328は、第1の材料322が部品材料78によって実質的に吸収されないように選択される。例えば、いくつかの実施形態では、部品材料78が冷却した後、第1の材料322は、部品材料78中に実質的に均一に分布されない。例えば、内部コア324に近接する第1の材料322の濃度は、部品80内の他の位置の第1の材料322の濃度よりも検出可能に高い。いくつかのそのような実施形態では、部品材料78が冷却した後に、明確な境界線によって中空構造320と部品材料78とが区別されるように、第1の材料322は、部品材料78によって部分的に吸収される。さらに、いくつかのそのような実施形態では、部品材料78が冷却した後に、内部コア324に近接する中空構造320の少なくとも一部が無傷のまま残るように、第1の材料322は、部品材料78によって部分的に吸収される。
例えば、限定されないが、部品80がロータブレード70である実施形態等の特定の実施形態では、内部コア324の特徴的な幅330は、約0.050cm(0.020インチ)〜約1.016cm(0.400インチ)の範囲内であり、中空構造320の壁厚328は、約0.013cm(0.005インチ)〜約0.254cm(0.100インチ)の範囲内であるように選択される。より具体的には、いくつかのそのような実施形態では、特徴的な幅330は、約0.102cm(0.040インチ)〜約0.508cm(0.200インチ)の範囲内であり、壁厚328は、約0.013cm(0.005インチ)〜約0.038cm(0.015インチ)の範囲内であるように選択される。別の例として、限定されないが、部品80が、限定されないがステータベーン72等の静止部品である実施形態等のいくつかの実施形態では、内部コア324の特徴的な幅330は、約1.016cm(0.400インチ)を超え、かつ/又は壁厚328は、約0.254cm(0.100インチ)を超えるように選択される。代替の実施形態では、特徴的な幅330は、結果として得られる内部通路82が意図される機能を果たすことを可能にする任意の好適な値であり、壁厚328は、被覆コア310が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の好適な値となるように選択される。
例示的な実施形態では、内部コア材料326は、部品80を形成するために使用される部品材料78の溶融状態に関連する高温環境に耐えるように選択される耐火セラミック材料である。例えば、限定されないが、内部コア材料326は、シリカ、アルミナ、及びムライトのうちの少なくとも1つを含む。さらに、例示的な実施形態では、内部コア材料326は、内部通路82を形成するために部品80から選択的に除去可能である。例えば、限定されるものではないが、内部コア材料326は、限定されないが、好適な化学的溶解プロセス等の、部品材料78を実質的に劣化させない好適なプロセスによって、部品80から除去可能である。特定の実施形態では、内部コア材料326は、部品材料78との互換性及び/又は部品材料78からの除去可能性に基づいて選択される。代替の実施形態では、内部コア材料326は、部品80が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適な材料である。
図5は、例示的な前駆体コア524の周囲に形成される中空構造320の概略切欠斜視図である。前駆体コア524は、前駆体材料526から形成される。図2〜図5を参照すると、前駆体コア524は、内部通路82の形状に対応する形状を有する。中空構造320の内側部分360が外壁528によって相補的に成形されるように、中空構造320は、前駆体コア524の外壁528の周囲に形成される。中空構造320は、切欠図において、前駆体コア524の一部の上にのみ延在しているように示されているが、例示的な実施形態では、中空構造320は、内部通路82を画成する前駆体コア524の実質的に全ての部分上に延在する。中空構造320が外壁528の周囲に形成された後、前駆体コア524が中空構造320内から除去され、被覆コア310を形成するように内部コア324が中空構造320内に配置される。内部コア324は、内側部分360によって相補的に成形され、そうすることで、内部コア324もまた内部通路82の形状に対応する形状を有し、そうすることで、前述のように、鋳型キャビティ304内に位置付けられた被覆コア310の一部315の内部コア324が、部品80内で内部通路82の位置を画成する。
いくつかの実施形態では、前駆体コア524は、好適な付加的な製造プロセスを少なくとも部分的に用いて形成され、前駆体材料526は、前駆体コア524の付加的な製造を促進するように選択される。例えば、前駆体コア524のコンピュータ設計モデルは、前駆体コア524の第1の端部511と第2の端部513との間で一連の薄い平行な平面にスライスされる。コンピュータ数値制御(CNC)機械は、モデルスライスに従って第1の端部511から第2の端部513まで前駆体材料526の連続層を堆積して前駆体コア524を形成する。そのような3つの代表的な層が、層566、567、及び568として示されている。いくつかのそのような実施形態では、前駆体材料526は、フォトポリマーであるように選択され、前駆体材料526の連続層は、ステレオリソグラフィープロセスを用いて堆積される。代替的に、前駆体材料526は、熱可塑性物質であるように選択され、前駆体材料526の連続層は、熱溶解フィラメント製造プロセス、インクジェット/粉末床プロセス、選択的加熱焼結プロセス、及び選択的レーザ焼結プロセスのうちの少なくとも1つを用いて堆積される。付加的に又は代替的に、前駆体材料526は、任意の好適な材料であるように選択され、前駆体材料526の連続層は、前駆体コア524が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適なプロセスを用いて堆積される。
特定の実施形態では、付加的な製造プロセスによる前駆体コア524の形成は、前駆体コア524が、他の方法によって達成不可能な非直線性、構造的複雑性、正確性、及び/又は再現性を伴って形成されることを可能にする。したがって、付加的な製造プロセスによる前駆体コア524の形成は、それに応じて改善された非直線性、構造的複雑性、正確性、及び/又は再現性を伴う、中空構造320の内側部分360、内部コア324の、ひいては非直線的な内部通路82の相補的な形成を可能にする。付加的に又は代替的に、付加的な製造プロセスを用いた前駆体コア524の形成は、前述のように、鋳型300における部品80の初期形成後に、別個のプロセスにおいて部品80に確実に加えることができない内部通路82の形成を可能にする。さらに、いくつかの実施形態では、フォトポリマー又は熱可塑性物質である前駆体材料526を使用した付加的な製造プロセスによる前駆体コア524の形成は、金属の第1の材料322を使用した付加的な製造によって直接的に中空構造320を形成することと比較して、中空構造320の製造に必要なコスト及び/時間を削減する。
代替の実施形態では、前駆体コア524は、本明細書に記載されるような外壁528の周囲に中空構造320が形成されることを可能にする任意の好適な様式で形成される。
特定の実施形態では、前駆体材料526は、中空構造320内からの前駆体コア524の除去を促進するようにさらに選択される。いくつかのそのような実施形態では、前駆体材料526は、第1の材料322の融点未満である融点を有するように選択される。例えば、前駆体コア524の周囲に形成される中空構造320の温度は、前駆体コア524が融解して中空構造320から流れ出るように、前駆体材料526の融点を超えて上昇される。付加的に又は代替的に、前駆体材料526は、第1の材料322よりも柔らかい材料であるように選択され、前駆体コア524は、中空構造320から機械加工される。例えば、前駆体コア524の除去を促進するために、中空構造320の中で機械的ルータデバイスを蛇行させて前駆体材料526を破壊する及び/又は取り除く。付加的に又は代替的に、前駆体材料526は、化学的除去プロセスに適合するように選択され、前駆体コア524は、好適な溶剤を使用して中空構造320から除去される。
代替の実施形態では、前駆体材料526は、任意の好適な様式で前駆体コア524が中空構造320内から除去されることを可能にする任意の好適な材料である。
いくつかの実施形態では、中空構造320の選択された壁厚328が得られるまで第1の材料322が外壁528の周囲に堆積されるように、中空構造320は、めっきプロセスによって前駆体コア524の外壁528の周囲に形成される。例えば、第1の材料322は、金属であり、好適な金属めっきプロセスにおいて外壁528の周囲に堆積される。いくつかのそのような実施形態では、第1の材料322は、無電解めっきプロセスにおいて外壁528の周囲に堆積される。付加的に又は代替的に、第1の材料322は、電気めっきプロセスにおいて外壁528の周囲に堆積される。代替の実施形態では、第1の材料322は、任意の好適な材料であり、中空構造320は、中空構造320が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の好適なめっきプロセスによって、前駆体コア524の外壁528の周囲に形成される。
特定の実施形態では、第1の材料322は、内側部分360と外壁380との間に連続層として配置される複数の材料を含む。例えば、前駆体材料526は熱可塑性物質であり、第1の材料322の最初の層は、外壁528の周囲における前駆体材料526への無電解めっきによる堆積を促進するように選択される第1の金属合金であり、第1の材料322の後続層は、第1の材料322の前の層への電気めっきを促進するように選択される第2の金属合金である。いくつかのそのような実施形態では、第1及び第2の金属合金の各々は、ニッケルの合金である。他の実施形態では、前駆体材料526は、任意の好適な材料であり、第1の材料322は、任意の好適な複数の材料であり、中空構造320は、中空構造320が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の好適なプロセスによって前駆体コア524の外壁528の周囲に形成される。
前述のように、中空構造320が形成された後、前駆体コア524は中空構造320内から除去される。いくつかの実施形態では、被覆コア310は、中空構造320を内部コア材料326で充填することによって形成される。例えば、限定されるものではないが、内部コア材料326を、スラリーとして中空構造320内に注入し、被覆コア310内に内部コア324を形成するように中空構造320内で内部コア材料326を乾燥させる。さらに、特定の実施形態では、中空構造320は、実質的に内部コア324を構造的に補強するため、いくつかの実施形態では部品80を形成するための製造、取り扱い、及び未補強の内部コア324の使用に関連するであろう潜在的な問題を軽減する。例えば、特定の実施形態では、内部コア324は、破砕、亀裂、及び/又は他の損傷の比較的高いリスクにさらされる、比較的脆性のセラミック材料である。したがって、いくつかのそのような実施形態では、被覆コア310を形成及び輸送することは、非被覆内部コア324の使用と比較して内部コア324に対する損傷のリスクがはるかに低い。同様に、いくつかのそのような実施形態では、例えば、被覆コア310の周囲のパターンダイにワックスパターン材料を注入することによって、被覆コア310の周囲に鋳型300のインベストメント鋳造に使用される好適なパターンを形成することは、非被覆内部コア324の使用と比較して内部コア324に対する損傷のリスクがはるかに低い。したがって、特定の実施形態では、被覆コア310の使用は、被覆コア310ではなく非被覆内部コア324を使用して行われた場合の同じステップと比較して、その中に画成される内部通路82を有する許容可能な部品80を製造することの失敗のリスクがはるかに低い。したがって、被覆コア310は、内部通路82を画成するように内部コア324を鋳型300に対して位置付けることに関連する利点の獲得を促進する一方で、内部コア324に関連する脆弱性の問題を軽減するか又は排除する。
図6は、複数の通路壁特徴部98を有する内部通路82を含む部品80の一部の概略斜視図である。例えば、限定されるものではないが、通路壁特徴部98は、回転機10の動作中に内部通路82に提供される冷却流体の熱伝達能力を向上させるタービュレータである。図7は、図6に示すような通路壁特徴部98を有する部品80を形成するための鋳型アセンブリ301において使用される、別の例示的な被覆コア310の概略切欠斜視図である。具体的には、図7の視野では、内部コア324の特徴を示すために中空構造320の一部が切り取られている。図8は、図7に示す被覆コア310を形成するために使用される別の例示的な前駆体コア524の概略斜視図である。
図6〜図8を参照すると、前述のように、内部コア324の形状は、内部通路82の形状を画成する。特定の実施形態では、内部コア324が、その中に画成される1以上の通路壁特徴部98を含む内部通路82を画成するように、内部コア324は、中空構造320の内側部分360によって相補的に形成される。例えば、内部コア324は、1以上の相補的特徴部331を含むように内側部分360によって相補的に形成され、1以上の相補的特徴部331は、1以上の通路壁特徴部98の形状に相補的な形状を有する。したがって、溶融部品材料78が被覆コア310を取り囲む鋳型キャビティ304(図3に示す)に導入され、第1の材料322が溶融部品材料78に吸収されると、溶融状態にある部品材料78は、1以上の相補的特徴部331に対して連結し、1以上の通路壁特徴部98を形成する。付加的に又は代替的に、溶融部品材料78が鋳型キャビティ304に導入されて冷却された後に、内部コア324に隣接する中空構造320の内側部分360の一部が無傷のまま残る程度まで、1以上の相補的特徴部331に対して連結された内側部分360の無傷な部分は、1以上の通路壁特徴部98を画成する。
例えば、例示される実施形態では、1以上の相補的特徴部331は、内部コア324の外面332内に画成される複数の凹状特徴部334である。溶融部品材料78が鋳型キャビティ304に導入され、第1の材料322が溶融部品材料78に吸収されたときに、溶融部品材料78が複数の凹状特徴部334を充填するように、各凹状特徴部334は、対応する通路壁特徴部98の形状に相補的な形状を有する。凹状特徴部334内で冷却された部品材料78は、限定されないが、化学的溶解プロセスを用いること等によって、内部コア324が除去された後に、複数の通路壁特徴部98を形成する。例えば、各凹状特徴部334は、深さ336及び幅338によって画成される溝350であり、各対応する通路壁特徴部98は、内壁100から内側に延在する隆起部として形成され、隆起部の高さ102は、深さ336と実質的に等しく、隆起部の幅104は、幅338と実質的に等しい。したがって、外面332は、内壁100の全体的な形状を画成し、内部コア324の相補的特徴部331は、内部通路82の通路壁特徴部98の形状を画成する。
例示的な実施形態では、前駆体コア524は、中空構造320を形成するために使用される。より具体的には、例示的な実施形態では、中空構造320は、好適なめっきプロセスによって前駆体コア524の周囲に形成され、そうすることで、前述のように、中空構造320の選択された壁厚328が得られるまで第1の材料322が外壁528の周囲に堆積される。代替の実施形態では、中空構造320は、中空構造320が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の好適な様式で、前駆体コア524の周囲に形成される。
前駆体コア524は、この場合も同様に、内部通路82の形状に対応する形状を有する。より具体的には、前駆体コア524は、1以上の通路壁特徴部98の形状に相補的な形状を有する1以上の相補的特徴部531を含む。例えば、例示的な実施形態では、1以上の相補的特徴部531は、前駆体コア524の外壁528に沿って画成される複数の凹状特徴部534である。中空構造が外壁528の周囲に形成されたときに、中空構造320の内側部分360が、1以上の相補的特徴部531、すなわち、例示的な実施形態における複数の凹状特徴部534と一致するように、各凹状特徴部534は、対応する通路壁特徴部98の形状に相補的な形状を有する。同様に、前駆体コア524が中空構造320内から除去され、被覆コア310を形成するように内部コア324が中空構造320内に配置された後、中空構造320の内側部分360は、前述のように内部コア324の凹状特徴部334を成形する。例えば、各凹状特徴部534は、内部コア324の溝350の深さ336及び幅338に対応する深さ536及び幅538によって画成される溝550である。
いくつかの実施形態では、前駆体コア524は、前述のように、好適な付加的な製造プロセスを少なくとも部分的に用いて形成され、前駆体材料526は、この場合も同様に、前駆体コア524の付加的な製造を促進するように選択される。付加的に又は代替的に、前駆体材料526は、任意の好適な材料であるように選択され、前駆体材料526の連続層は、前駆体コア524が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適なプロセスを用いて堆積される。特定の実施形態では、付加的な製造プロセスによる前駆体コア524の形成は、中空構造320の内側部分360、ひいては内部通路82の通路壁特徴部98が、他の方法によって達成不可能な構造的複雑性、正確性、及び/又は再現性を伴って形成されることを可能にする。したがって、付加的な製造プロセスによる前駆体コア524の形成は、それに応じて改善された構造的複雑性、正確性、及び/又は再現性を伴う、中空構造320の内側部分360、内部コア324、ひいては通路壁特徴部98の相補的な形成を可能にする。付加的に又は代替的に、付加的な製造プロセスを用いた前駆体コア524の形成は、前述のように、鋳型300における部品80の初期形成後に、別個のプロセスにおいて内部通路82に確実に加えることができない通路壁特徴部98の形成を可能にする。さらに、いくつかの実施形態では、フォトポリマー又は熱可塑性物質である前駆体材料526を使用した付加的な製造プロセスによる前駆体コア524の形成は、金属の第1の材料322を使用した付加的な製造によって直接的に中空構造320を形成することと比較して、中空構造320の製造に必要なコスト及び/時間を削減する。
代替の実施形態では、前駆体コア524は、本明細書に記載されるような外壁528の周囲に中空構造320が形成されることを可能にする任意の好適な様式で形成される。
この場合も同様に、特定の実施形態では、前駆体材料526は、前述のように、中空構造320内からの前駆体コア524の除去を促進するようにさらに選択される。
いくつかの実施形態では、鋳型300における部品80の形成中に通路壁特徴部98を画成するように前駆体コア524によって中空構造320の内側部分360を成形することは、他の方法を用いて一貫して及び確実に形成することができない内部通路82に沿った位置における通路壁特徴部98の形成を可能にする。例えば、内部コア材料326は、比較的脆性のセラミック材料であるため、相補的特徴部331を画成するために、類似するが非被覆の内部コア324を独立して成形することは、内部コア324の破砕又は亀裂のリスクを増加させる。大きな長さ対直径(L/d)比及び/又は実質的に非直線の形状を有する非被覆内部コア324の場合、リスクはさらに増加する。別の例として、後続の別個のプロセスにおいて、すなわち、部品80が形成された後に、内部通路82の長さに沿って通路壁特徴部98を加えることは、再現性及び正確性を伴って達成することが比較的困難であり、大きな長さ対直径(L/d)比及び/又は実質的に非直線の形状を有する内部通路82の場合は特に困難である。
例示される実施形態は、通路壁特徴部98の形状を画成するために、前駆体コア524の外壁528に沿った溝550としてのみ画成される凹状特徴部534、ひいては内部コア324の外面332における溝350としてのみ画成される凹状特徴部334を示しているが、代替の実施形態では、他の形状の相補的特徴部531、ひいては相補的特徴部331が、通路壁特徴部98の形状を画成するために使用される。例えば、限定されるものではないが、特定の実施形態(図示せず)において、1以上の凹状特徴部534は、少なくとも部分的に、前駆体コア524に沿って縦方向にかつ/又は斜めに延在し、少なくとも部分的に、内部コア324に沿って縦方向にかつ/又は斜めに延在する1以上の凹状特徴部334を形成する。別の例として、限定されるものではないが、いくつかの実施形態(図示せず)において、1以上の凹状特徴部534は、スタッド形状を有する対応する通路壁特徴部98を画成するように外壁528に画成されるくぼみである。別の例として、限定されるものではないが、いくつかの実施形態(図示せず)において、1以上の相補的特徴部531は、対応する通路壁特徴部98をくぼみ又は他の凹形状として画成するように外壁528上に画成されるスタッド又は他の突起である。代替の実施形態では、任意の好適な形状の外壁528が、内部通路82がその意図される目的のために機能することを可能にする、対応する形状の通路壁特徴部98を画成するために使用される。さらに、例示される実施形態は、実質的に同一な反復形状である相補的特徴部531及び331をそれぞれ有する前駆体コア524、ひいては内部コア324を示しているが、前駆体コア524は、前駆体コア524及び内部コア324が本明細書に記載されるように機能することを可能にする異なる形状の相補的特徴部531の任意の好適な組合せを有することを理解されたい。
さらに、例示される実施形態は、略環状断面を有する内部通路82を画成するように成形された前駆体コア524及び内部コア324を示しているが、代替の実施形態では、前駆体コア524、ひいては内部コア324は、内部通路82がその意図される目的のために機能することを可能にする、任意の好適な形状の断面を有する内部通路82を画成するように成形される。具体的には、限定されるものではないが、前駆体コア524を使用して被覆コア310を成形することは、部品80の幾何形状に一致する起伏のある断面形状を有する内部通路82を伴う部品80を形成することを促進する。さらに、例示される実施形態は、前駆体コア524、ひいては内部コア324を、それらのそれぞれの長さに沿って略一定形状の断面を有するものとして示しているが、前駆体コア524及び内部コア324は、それらの長さに沿った断面の形状において、前駆体コア524及び内部コア324が本明細書に記載されるように機能することを可能にする、任意の好適な変形例を有することを理解されたい。
例えば、図9は、起伏のある断面を有する内部通路82を含む部品80の一部の概略斜視図である。図10は、図9に示す内部通路82を有する部品80を形成するために鋳型アセンブリ301とともに使用される別の例示的な被覆コア310の概略切欠斜視図である。具体的には、図10の視野では、内部コア324の特徴を示すために中空構造320の一部が切り取られている。図11は、図10に示す中空構造320を形成するために使用され得る別の例示的な前駆体コア524の概略斜視図である。
図9〜図11を参照すると、例示的な実施形態では、部品80は、ロータブレード70及びステータベーン72のうちの一方であり、内部通路82は、後縁86に近接して部品80内に画成される。より具体的には、内部通路82は、後縁86の先細の幾何形状に対応する起伏のある断面円周を有するように部品80の内壁100によって画成される。通路壁特徴部98は、タービュレータとして機能するように内部通路82の反対側の細長い縁部110に沿って画成され、内壁100から内部通路82の中心に向かって内向きに延在する。通路壁特徴部98は、各々が内部通路82の軸方向に横断する細長い隆起部の反復パターンとして示されているが、代替の実施形態では、通路壁特徴部98は、内部通路82がその意図される目的のために機能することを可能にする任意の好適な形状、配向、及び/又はパターンを有することを理解されたい。
上で論じたように、外面332及び内部コア324の凹状特徴部334の形状は、内部通路82の内壁100及び通路壁特徴部98の形状を画成する。より具体的には、内部コア324は、内部通路82の起伏のある断面に対応する細長い先細の断面を有する。例示的な実施形態では、1以上の相補的特徴部331は、外面332の反対側の細長い側面346にある細長い切り欠き部354として画成される複数の凹状特徴部334であり、各切り欠き部354は、前述のように、通路壁特徴部98の形状に相補的な形状を有する。
例示的な実施形態では、中空構造320は、この場合も同様に、好適なめっきプロセスによって前駆体コア524の周囲に形成され、そうすることで、前述のように、中空構造320の選択された壁厚328が得られるまで第1の材料322が外壁528の周囲に堆積される。代替の実施形態では、中空構造320は、中空構造320が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の好適な様式で前駆体コア524の周囲に形成される。
前駆体コア524は、この場合も同様に、内部通路82の形状に対応する形状を有する。より具体的には、前駆体コア524は、内部通路82の起伏のある断面に対応する細長い先細の断面を有する。例示的な実施形態では、1以上の相補的特徴部531は、外壁528の反対側の細長い側面546にある細長い切り欠き部554として画成される複数の凹状特徴部534であり、各切り欠き部554は、前述のように、通路壁特徴部98の形状に相補的な形状を有する。したがって、中空構造が外壁528の周囲に形成されたときに、中空構造320の内側部分360は複数の凹状特徴部534と一致する。同様に、前駆体コア524が中空構造320内から除去され、被覆コア310を形成するように内部コア324が中空構造320内に配置された後、中空構造320の内側部分360は、外面332の反対側の細長い側面346を成形し、前述のように、内部コア324の凹状特徴部334を細長い切り欠き部354として成形する。
いくつかの実施形態では、前駆体コア524は、前述のように、好適な付加的な製造プロセスを少なくとも部分的に用いて形成され、前駆体材料526は、この場合も同様に、前駆体コア524の付加的な製造を促進するように選択される。付加的に又は代替的に、前駆体材料526は、任意の好適な材料であるように選択され、前駆体材料526の連続層は、前駆体コア524が本明細書に記載されるように形成されることを可能にする任意の好適なプロセスを用いて堆積される。特定の実施形態では、付加的な製造プロセスによる前駆体コア524の形成は、中空構造320の内側部分360、ひいては内部通路82の断面形状及び通路壁特徴部98が、他の方法によって達成不可能な構造的複雑性、正確性、及び/又は再現性を伴って形成されることを可能にする。付加的に又は代替的に、付加的な製造プロセスを用いた前駆体コア524の形成は、前述のように、鋳型300における部品80の初期形成後に、別個のプロセスにおいて内部通路82に確実に加えることができない断面形状及び通路壁特徴部98の形成を可能にする。さらに、いくつかの実施形態では、フォトポリマー又は熱可塑性物質である前駆体材料526を使用した付加的な製造プロセスによる前駆体コア524の形成は、金属の第1の材料322を使用した付加的な製造によって直接的に中空構造320を形成することと比較して、中空構造320の製造に必要なコスト及び/時間を削減する。
代替の実施形態では、前駆体コア524は、本明細書に記載されるような外壁528の周囲に中空構造320が形成されることを可能にする任意の好適な様式で形成される。
この場合も同様に、特定の実施形態では、前駆体材料526は、前述のように、中空構造320内からの前駆体コア524の除去を促進するようにさらに選択される。
代替の実施形態では、部品80は、任意の好適な幾何形状を有し、前駆体コア524は、部品80の幾何形状に好適に対応する任意の好適な形状を有する内部通路82を形成するように成形される。
内部通路82等の、その中に画成される内部通路を有する、部品80等の部品を形成する例示的な方法1200を、図12〜図14においてフロー図に示す。また、図1〜図11を参照すると、例示的な方法1200は、内部通路の形状に対応する形状を有する、前駆体コア524等の前駆体コアを形成すること1202を含む。方法1200はまた、外壁528等の前駆体コアの外壁の周囲に、中空構造320等の中空構造を形成すること1204も含む。方法1200は、中空構造内から前駆体コアを除去すること1206と、中空構造及び内部コアが被覆コア310等の被覆コアを形成するように、中空構造内に内部コア324等の内部コアを配置すること1208とを含む。付加的に、方法1200は、被覆コアを鋳型300等の鋳型に対して位置付けること1210と、溶融状態にある部品材料がキャビティ内で被覆コアの一部から中空構造を少なくとも部分的に吸収するように、溶融状態にある部品材料78等の部品材料を鋳型キャビティ304等の鋳型のキャビティに導入すること1212とを含む。方法1200はまた、部品を成形するようにキャビティ内で部品材料を冷却する1214ことも含む。内部コアは、部品内の内部通路を画成する。
いくつかの実施形態では、前駆体コアの外壁の周囲に中空構造を形成するステップ1204は、前駆体コアの外壁によって内側部分360等の中空構造の内側部分を相補的に成形すること1216を含む。
いくつかの実施形態では、中空構造内に内部コアを配置するステップ1208は、内部コアが内部通路の形状に対応する形状を有するように、内側部分360等の中空構造の内側部分によって内部コアを相補的に成形すること1218を含む。
特定の実施形態では、前駆体コアを形成するステップ1202は、付加的な製造プロセスを少なくとも部分的に用いて前駆体コアを形成すること1220を含む。いくつかのそのような実施形態では、前駆体コアを形成するステップ1204は、ステレオリソグラフィープロセスを用いて前駆体コアを形成すること1222を含む。付加的に又は代替的に、いくつかのそのような実施形態では、前駆体コアを形成するステップ1202は、熱溶解フィラメント製造プロセス、インクジェット/粉末床プロセス、選択的加熱焼結プロセス、及び選択的レーザ焼結プロセスのうちの少なくとも1つを用いて前駆体コアを形成すること1224を含む。
いくつかの実施形態では、前駆体コアを形成するステップ1202は、フォトポリマー材料から前駆体コアを形成すること1226を含む。付加的に又は代替的に、前駆体コアを形成するステップ1202は、熱可塑性材料から前駆体コアを形成すること1228を含む。
特定の実施形態では、中空構造内から前駆体コアを除去するステップ1206は、前駆体コアを融解させること1230を含む。付加的に又は代替的に、中空構造内から前駆体コアを除去するステップ1206は、中空構造から前駆体コアを機械加工すること1232を含む。付加的に又は代替的に、中空構造内から前駆体コアを除去するステップ1206は、化学的除去プロセスを用いて中空構造から前駆体コアを除去すること1258を含む。
いくつかの実施形態では、中空構造は、第1の材料322等の第1の材料から形成され、前駆体コアの外壁の周囲に中空構造を形成するステップ1204は、めっきプロセスにおいて外壁の周囲に第1の材料を堆積させること1234を含む。いくつかのそのような実施形態では、第1の材料は金属材料であり、前駆体コアの外壁の周囲に中空構造を形成するステップ1204は、金属めっきプロセスにおいて外壁の周囲に第1の材料を堆積させること1236を含む。さらに、いくつかのそのような実施形態では、前駆体コアの外壁の周囲に中空構造を形成するステップ1204は、無電解めっきプロセスにおいて外壁の周囲に第1の材料を堆積させること1238を含む。付加的に又は代替的に、いくつかのそのような実施形態では、前駆体コアの外壁の周囲に中空構造を形成するステップ1204は、電気めっきプロセスにおいて外壁の周囲に第1の材料を堆積させること1240を含む。さらに、いくつかのそのような実施形態では、前駆体コアの外壁の周囲に中空構造を形成するステップ1204は、内側部分360等の中空構造の内側部分からの複数の材料を、外壁380等の中空構造の外壁に連続層として堆積させること1242を含む。いくつかのそのような実施形態では、複数の材料を堆積させるステップ1242は、無電解めっきプロセスを用いて、前駆体コアの外壁の周囲に、複数の層の最初の層として第1の金属合金を堆積させること1244と、電気めっきプロセスを用いて、複数の層の後続層として第2の金属合金を堆積させること1246とを含む。
特定の実施形態では、中空構造内に内部コアを配置するステップ1208は、内部コア材料326等の内部コア材料をスラリーとして中空構造内に注入すること1248と、内部コアを形成するように中空構造内で内部コア材料を乾燥させること1250とを含む。
いくつかの実施形態では、内部通路は、通路壁特徴部98等の1以上の通路壁特徴部を含み、前駆体コアを形成するステップ1202は、1以上の相補的特徴部が1以上の通路壁特徴部の形状に相補的な形状を有するように、相補的特徴部531等の前駆体コアの1以上の相補的特徴部を形成すること1252を含む。いくつかのそのような実施形態では、1以上の通路壁特徴部は、内壁100等の部品の内壁から内側に延在する隆起部であり、前駆体コアの1以上の相補的特徴部を形成するステップ1252は、前駆体コアの外壁に沿って凹状特徴部534等の複数の凹状特徴部を形成すること1254を含む。
特定の実施形態では、前駆体コアを形成するステップ1202は、部品の幾何形状に一致する内部通路の断面形状を画成するように前駆体コアを成形すること1256を含む。
特定の実施形態では、方法1200は、部品内に内部通路を形成するように部品から内部コアを除去すること1260をさらに含む。
上述の被覆コアは、その中に画成される内部通路、特に、限定されないが、非直線的及び/又は複雑な形状を有する内部通路を有する部品を形成するために使用される被覆コアを形成するための費用対効果の高い方法を提供し、よって、コアに関連する脆弱性の問題を軽減するか又は排除する。具体的には、被覆コアは、中空構造と、その中に配置される内部コアとを含む。中空コアは、内部通路の形状に対応する形状を有する前駆体コアの外壁の周囲に形成される。被覆コアは、部品内で内部通路の位置を画成するように鋳型キャビティ内に位置付けられる。中空構造は、内部コアに構造上の補強を提供し、例えば、限定されないが、その中に画成される内部通路を有する部品を形成するための従来のコアより長い、より重い、より薄い、及び/又はより複雑なコアの確実な取り扱い及び使用を可能にする。いくつかの実施形態では、前駆体コアは、例えば、付加的な製造プロセスによって、比較的迅速かつ安価な製造を可能にする材料から形成され、前駆体コアの周囲に形成される中空構造の改善された構造的複雑性、正確性、及び/又は再現性をもたらす。特定の実施形態では、中空構造は、金属めっきプロセスによって前駆体コアの周囲に形成される。
さらに、本明細書に記載される前駆体コアから被覆コアを形成することは、内部通路を画成する壁に様々な通路壁特徴部のいずれかを一体形成するための費用対効果が高く、かつ高精度な方法を提供する。具体的には、中空構造を相補的に画成し、ひいては内部コアの外面を画成するように前駆体コアを予め成形する能力によって、例えば、中空構造又は内部コアを機械的に操作することなく内部コアの外面にタービュレータ画成特徴部を加えることが容易になり、したがって、亀裂又は他の損傷のリスクが回避される。
本明細書に記載される方法、システム、及び装置の例示的な技術的効果は、以下のうちの少なくとも1つを含む:(a)その中に画成される内部通路を有する部品を形成する際に使用されるコアの形成、取り扱い、輸送、及び/又は保存に関連する脆弱性の問題を軽減するか又は排除すること、(b)部品に内部通路を形成するための従来のコアと比較して、より長い、より重い、より薄い、及び/又はより複雑なコアの使用を可能にすること、並びに(c)部品内の通路壁特徴部を相補的に画成する特徴部をコアの外面に加えることに関連する脆弱性の問題を軽減するか又は排除すること。
前駆体コアから形成される被覆コアの例示的な実施形態が、上に詳述される。前駆体コア及びそれから形成される被覆コア、並びにそのような前駆体コア及びそれから形成される被覆コアを使用する方法及びシステムは、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの部品及び/又は方法のステップは、本明細書に記載される他の部品及び/又はステップとは無関係にかつ別個に用いられてもよい。例えば、例示的な実施形態は、現在、鋳型アセンブリ内でコアを使用するように構成されている多くの他の用途に関連して実施及び利用され得る。
本開示の種々の実施形態の特定の特徴は、ある図面には示され、他の図面には示されていないかもしれないが、これは便宜のためであるに過ぎない。本開示の原理によれば、図面の任意の特徴が、任意の他の図面の任意の特徴と組合せて参照及び/又は請求され得る。
本明細書は、実施例を用いて、最良の形態を含む実施形態を開示し、また、任意の当業者が、任意のデバイス又はシステムを作製及び使用すること、並びに任意の組み込まれた方法を行うことを含めて、実施形態を実施することを可能にする。本開示の特許され得る範囲は、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実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と差異の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のごくわずかな差異を有する等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることが意図される。
[実施態様1]
その中に画成される内部通路(82)を有する部品(80)を形成する方法(1200)であって、
内部通路(82)の形状に対応する形状を有する前駆体コア(524)を形成すること(1202)と、
前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成すること(1204)と、
中空構造(320)内から前駆体コア(524)を除去すること(1206)と、
中空構造(320)及び内部コア(324)が被覆コア(310)を形成するように、中空構造(320)内に内部コア(324)を配置すること(1208)と、
被覆コア(310)を鋳型(300)に対して位置付けること(1210)と、
溶融状態にある部品材料(78)がキャビティ(304)内で被覆コア(310)の一部から中空構造(320)を少なくとも部分的に吸収するように、溶融状態にある部品材料(78)を鋳型(300)のキャビティ(304)に導入すること(1212)と、
部品(80)を形成するように部品材料(78)をキャビティ(304)の中で冷却すること(1214)とを含み、内部コア(324)は、部品(80)内の内部通路(82)を画成する、方法(1200)。
[実施態様2]
前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成すること(1204)は、前駆体コア(524)の外壁(528)によって中空構造(320)の内側部分(360)を相補的に成形すること(1216)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様3]
中空構造(320)内に内部コア(324)を配置すること(1208)は、内部コア(324)が内部通路(82)の形状に対応する形状を有するように、中空構造(320)の内側部分(360)によって内部コア(324)を相補的に成形すること(1218)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様4]
前駆体コア(524)を形成すること(1202)は、付加的な製造プロセスを少なくとも部分的に用いて前駆体コア(524)を形成すること(1220)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様5]
前駆体コア(524)を形成すること(1202)は、ステレオリソグラフィープロセスを用いて前駆体コア(524)を形成すること(1222)を含む、実施態様4に記載の方法(1200)。
[実施態様6]
前駆体コア(524)を形成すること(1202)は、熱溶解フィラメント製造プロセス、インクジェット/粉末床プロセス、選択的加熱焼結プロセス、及び選択的レーザ焼結プロセスのうちの少なくとも1つを用いて前駆体コア(524)を形成すること(1224)を含む、実施態様4に記載の方法(1200)。
[実施態様7]
前駆体コア(524)を形成すること(1202)は、フォトポリマー材料から前駆体コア(524)を形成すること(1226)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様8]
前駆体コア(524)を形成すること(1202)は、熱可塑性材料から前駆体コア(524)を形成すること(1228)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様9]
中空構造(320)内から前駆体コア(524)を除去すること(1206)は、前駆体コア(524)を融解させること(1230)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様10]
中空構造(320)内から前駆体コア(524)を除去すること(1206)は、中空構造(320)から前駆体コア(524)を機械加工すること(1232)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様11]
中空構造(320)内から前駆体コア(524)を除去すること(1206)は、化学的除去プロセスを用いて中空構造(320)から前駆体コア(524)を除去すること(1258)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様12]
中空構造(320)は、第1の材料(322)から形成され、前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成すること(1204)は、めっきプロセスにおいて外壁(528)の周囲に第1の材料(322)を堆積させること(1234)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様13]
第1の材料(322)は、金属材料であり、前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成すること(1204)は、金属めっきプロセスにおいて外壁(528)の周囲に第1の材料(322)を堆積させること(1236)を含む、実施態様12に記載の方法(1200)。
[実施態様14]
前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成すること(1204)は、無電解めっきプロセスにおいて外壁(528)の周囲に第1の材料(322)を堆積させること(1238)を含む、実施態様13に記載の方法(1200)。
[実施態様15]
前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成すること(1204)は、電気めっきプロセスにおいて外壁(528)の周囲に第1の材料(322)を堆積させること(1240)を含む、実施態様13に記載の方法(1200)。
[実施態様16]
前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成すること(1204)は、中空構造(320)の内側部分(360)からの複数の材料を、中空構造(320)の外壁(380)に連続層として堆積させること(1242)を含む、実施態様12に記載の方法(1200)。
[実施態様17]
複数の材料を堆積させること(1242)は、
無電解めっきプロセスを用いて、前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に、複数の層の最初の層として第1の金属合金を堆積させること(1244)と、
電気めっきプロセスを用いて、複数の層の後続層として第2の金属合金を堆積させること(1246)とを含む、実施態様16に記載の方法(1200)。
[実施態様18]
中空構造(320)内に内部コア(324)を配置すること(1208)は、
内部コア材料(326)をスラリーとして中空構造(320)内に注入すること(1248)と、
内部コア(324)を形成するように中空構造(320)内で内部コア材料(326)を乾燥させること(1250)とを含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様19]
内部通路(82)は、1以上の通路壁特徴部(98)を含み、前駆体コア(524)を形成すること(1202)は、1以上の相補的特徴部(531)が1以上の通路壁特徴部(98)の形状に相補的な形状を有するように、前駆体コア(524)の1以上の相補的特徴部(531)を形成すること(1252)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様20]
1以上の通路壁特徴部(98)は、部品(80)の内壁から内側に延在する隆起部であり、前駆体コア(524)の1以上の相補的特徴部(531)を形成すること(1252)は、前駆体コア(524)の外壁(528)に沿って複数の凹状特徴部(534)を形成することを含む、実施態様19に記載の方法(1200)。
[実施態様21]
前駆体コア(524)を形成すること(1202)は、部品(80)の幾何形状に一致する内部通路(82)の断面形状を画成するように前駆体コア(524)を成形すること(1256)を含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
[実施態様22]
部品(80)内に内部通路(82)を形成するように部品(80)から内部コア(324)を除去すること(1260)をさらに含む、実施態様1に記載の方法(1200)。
10 回転機、ガスタービン
12 吸気部
14 圧縮機部
16 燃焼器部
18 タービン部
20 排気部
22 ロータシャフト
24 燃焼器
36 管状ケーシング
40 圧縮機ブレード
42 圧縮機ステータベーン
70 ロータブレード
72 ステータベーン
74 圧力側
76 吸引側
78 溶融部品材料
80 部品
82 内部通路
84 前縁
86 後縁
88 根元端部
89 軸
90 先端部
92 実質的に一定の距離
94 実質的に一定の距離
96 ブレード長
98 通路壁特徴部
100 内壁
102 隆起部の高さ
104 隆起部の幅
110 細長い縁部
300 鋳型
301 鋳型アセンブリ
302 内壁
304 鋳型キャビティ
306 鋳型材料
310 被覆コア
312 先端部分
314 先端部分
315 一部
316 根元部分
318 根元部分
320 中空構造
322 第1の材料
324 非被覆内部コア
326 内部コア材料
328 壁厚
330 特徴的な幅
331 相補的特徴部
332 外面
334 凹状特徴部
336 深さ
338 幅
346 細長い側面
350 溝
354 切り欠き部
360 内側部分
380 外壁
511 第1の端部
513 第2の端部
524 前駆体コア
526 前駆体材料
528 外壁
531 相補的特徴部
534 凹状特徴部
536 深さ
538 幅
546 細長い側面
550 溝
554 切り欠き部
566 層
567 層
568 層
1200 方法
1202 形成するステップ
1204 形成するステップ
1206 除去するステップ
1208 配置するステップ
1210 位置付けること
1212 導入すること
1214 冷却すること
1216 成形すること
1218 成形すること
1220 形成すること
1222 形成すること
1224 形成すること
1226 形成すること
1228 形成すること
1230 融解させること
1232 機械加工すること
1234 堆積させること
1236 堆積させること
1238 堆積させること
1240 堆積させること
1242 堆積させるステップ
1244 堆積させること
1246 堆積させること
1248 注入すること
1250 乾燥させること
1252 形成するステップ
1254 形成すること
1256 成形すること
1258 除去すること

Claims (10)

  1. 内部に画成される内部通路(82)を有する部品(80)を形成する方法(1200)であって、当該方法が、
    内部通路(82)の形状に対応する形状を有する前駆体コア(524)を形成するステップ(1202)と、
    前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に第1の材料からなる中空構造(320)を形成するステップ(1204)と、
    中空構造(320)内から前駆体コア(524)を除去するステップ(1206)と、
    中空構造(320)及び内部コア(324)が被覆コア(310)を形成するように、中空構造(320)内に内部コア(324)を配置するステップ(1208)と、
    被覆コア(310)を鋳型(300)に対して位置付けるステップ(1210)と、
    溶融状態にある部品材料(78)を鋳型(300)のキャビティ(304)に導入するステップであって、部品材料(78)が合金であり、かつ第1の材料が前記合金の1以上の構成材料であることにより、溶融状態にある部品材料(78)がキャビティ(304)内で被覆コア(310)の一部から中空構造(320)の第1の材料を少なくとも部分的に吸収する、ステップ(1212)と、
    部品(80)を形成するように部品材料(78)をキャビティ(304)の中で冷却するステップ(1214)と
    を含み、内部コア(324)は、部品(80)内の内部通路(82)を画成する、方法(1200)。
  2. 前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成するステップ(1204)は、前駆体コア(524)の外壁(528)によって中空構造(320)の内側部分(360)を相補的に成形すること(1216)を含む、請求項1に記載の方法(1200)。
  3. 中空構造(320)内に内部コア(324)を配置するステップ(1208)は、内部コア(324)が内部通路(82)の形状に対応する形状を有するように、中空構造(320)の内側部分(360)によって内部コア(324)を相補的に成形すること(1218)を含む、請求項1又は請求項2に記載の方法(1200)。
  4. 前駆体コア(524)を形成するステップ(1202)は、付加的な製造プロセスを少なくとも部分的に用いて前駆体コア(524)を形成すること(1220)を含む、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の方法(1200)。
  5. 駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成するステップ(1204)は、めっきプロセスにおいて外壁(528)の周囲に第1の材料(322)を堆積させること(1234)を含む、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の方法(1200)。
  6. 第1の材料(322)は、金属材料であり、前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成するステップ(1204)は、金属めっきプロセスにおいて外壁(528)の周囲に第1の材料(322)を堆積させること(1236)を含む、請求項5に記載の方法(1200)。
  7. 前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成するステップ(1204)は、無電解めっきプロセスにおいて外壁(528)の周囲に第1の材料(322)を堆積させること(1238)を含む、請求項6に記載の方法(1200)。
  8. 前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成するステップ(1204)は、電気めっきプロセスにおいて外壁(528)の周囲に第1の材料(322)を堆積させること(1240)を含む、請求項6に記載の方法(1200)。
  9. 前駆体コア(524)の外壁(528)の周囲に中空構造(320)を形成するステップ(1204)は、中空構造(320)の内側部分(360)からの複数の材料を、中空構造(320)の外壁(380)に連続層として堆積させること(1242)を含む、請求項5に記載の方法(1200)。
  10. 部品(80)内に内部通路(82)を形成するように部品(80)から内部コア(324)を除去するステップ(1260)をさらに含む、請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の方法(1200)。
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