JPH07253027A - ガスタービン羽根及びその製造用のコア／パターン組合せ体の製造方法 - Google Patents

ガスタービン羽根及びその製造用のコア／パターン組合せ体の製造方法

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JPH07253027A
JPH07253027A JP5024223A JP2422393A JPH07253027A JP H07253027 A JPH07253027 A JP H07253027A JP 5024223 A JP5024223 A JP 5024223A JP 2422393 A JP2422393 A JP 2422393A JP H07253027 A JPH07253027 A JP H07253027A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイスを使用せず、コアを壊れ易い状態で取
り扱うことなく、射出成形を不要とした方法で、ガスタ
ービン羽根及びそのためのコア／パターン組合せ体を製
造する方法を提供する。 【構成】 本発明はガスタービン羽根又はその一部のた
めの溶融コア／パターン組合せ体を製造する方法を提供
する。コア及びパターンのための粉末層を設け、これを
溶融し、それぞれの溶融層を形成する。次の粉末層をこ
れらの溶融層上に設け、これを溶融し、溶融層に融着す
る。以下、同様に、先の溶融層の上に次の粉末層を設
け、これを溶融し、融着し、最終的にコア／パターン組
合せ体を形成する。コアは約１．５２４ｍｍ（０．０６
インチ）までの厚さを有する区分を具備するとよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば米国特許第４，
８６３，５３８号明細書に開示された如き、溶融可能な
粉末の層を基体上に順次設け、レーザー光線でこれらの
層を順次溶融することにより鋳造ガスタービンの羽根又
はその一部のための溶融したコア／パターン組合せ体を
製造する方法に関する。特に、本発明は、セラミック粉
末の層を設け、これらを溶融してコアの層を形成し、こ
れに隣接してワックス又はプラスチック材料の層を設
け、これを溶融してパターンの層を形成し、一層毎にこ
れらを繰り返して、ガスタービンの羽根又はその一部の
ためのコア／パターン組合せ体を製造する方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】鋳造ガスタービンの羽根
を製造するのに使用するに適したセラミックコアを作る
種々の方法が知られている。これら従来の方法は、極め
て脆いコアが取り扱い中に破損するのを阻止するため、
エポキシ樹脂又はフェノール樹脂の如き保護コーティン
グでセラミックコアを覆う工程を有する。しかし、保護
コーティングは、コアの更なる詳細加工又はコアへのド
リル穴明け加工等の引き続きの機械加工の遂行を妨害す
るので、好ましくない。その後、鋳造すべき羽根又はそ
の一部のパターンを形成するように射出成形によりワッ
クス又はプラスチック材料でコアを覆う工程をも有す
る。これらの工程は高価で多大な時間を要する。
【０００３】従って、セラミックコア用のダイス及びワ
ックスパターン用のダイスを形成する必要がなく、壊れ
易い状態でコアを取り扱う必要性を排除し、コアのまわ
りにパターンを形成するための射出成形工程を不要とし
た簡単な方法でガスタービン羽根又はその一部を製造す
る方法を提供するのが望ましい。
【０００４】
【発明の構成並びに作用効果】本発明に係るコア／パタ
ーン組合せ体の製造方法の特徴とするところは、ガスタ
ービン羽根又はその一部の中空部分の第１横断面領域に
対応する所定のパターンでセラミック粉末の第１層を基
体上に設ける工程と；セラミック粉末の第１層の所定の
パターンにわたってレーザー光線を当てることにより第
１層を一緒に溶融して、中空部分の第１横断面領域の形
を有するセラミックの溶融層を形成する工程と；ガスタ
ービン羽根又はその一部の第１横断面領域に対応する所
定のパターンでワックス又はプラスチック粉末の第１層
を基体上に設ける工程と；ガスタービン羽根又はその一
部の第１横断面領域に対応する所定のパターンにわたっ
てレーザー光線を当てることによりワックス又はプラス
チック粉末の第１層を一緒に溶融して、ガスタービン羽
根又はその一部の第１横断面領域に対応する形を有する
ワックス又はプラスチックの溶融層を形成し、これらセ
ラミックの溶融層とワックス又はプラスチックの溶融層
とで第１の溶融層を形成させる工程と；中空部分の第１
横断面領域にじかに隣接する中空部分の第２横断面領域
に対応する第２の所定のパターンでセラミック粉末の第
２層を第１の溶融層上に設ける工程と；中空部分の第２
の所定のパターンにわたってレーザー光線を当てること
によりセラミック粉末の第２層を溶融して、中空部分の
第２横断面領域の形を有するセラミックの第２の溶融層
を形成し、これを第１の溶融層に融着する工程と；ガス
タービン羽根又はその一部の第１横断面領域にじかに隣
接するガスタービン羽根又はその一部の第２横断面領域
に対応する第２の所定のパターンでワックス又はプラス
チック粉末の第２層を第１の溶融層上に設ける工程と；
ガスタービン羽根又はその一部の第２の所定のパターン
にわたってレーザー光線を当てることによりワックス又
はプラスチック粉末の第２層を溶融して、ガスタービン
羽根又はその一部の第２横断面領域に対応する形を有す
るワックス又はプラスチックの第２の溶融層を形成し、
これを第１の溶融層に融着する工程と；を有し、以下、
同様に、先に形成した溶融層の上に、中空部分の横断面
領域及びガスタービン羽根又はその一部の横断面領域に
それぞれ対応する所定のパターンで粉末の層を設け、そ
れらをそれぞれ溶融して次の溶融層を形成し、それによ
り、ガスタービン羽根又はその一部の中空部分に対応す
る形状を有するコア及びガスタービン羽根又はその一部
に対応する形状を有するパターンを形成することであ
る。
【０００５】
【実施例】本発明は、ガスタービン羽根又はその一部の
中空部分に対応する形状のコアと、ガスタービン羽根又
はその一部に対応する形状のパターンとを有するコア／
パターン組合せ体を製造する方法を提供する。その特徴
とするところは、コアの一部を形成するためにセラミッ
ク粉末の層を溶融し、これに隣接してワックス又はプラ
スチック粉末の層を溶融してパターンの一部を形成し、
複数の層につき一層毎にこれらを繰り返してコア／パタ
ーン組合せを形成することである。本発明はまた、０．
５０８ｍｍ（０．０２インチ）より小さい厚さを有する
区分を備えた溶融コア又はパターンを製造する方法を提
供する。更に、本発明は約６４９℃（１２００°Ｆ）か
ら約１８１５．５℃（３３００°Ｆ）までの範囲の温度
での融解合金を使用して中空ガスタービン羽根を製造す
る方法も提供する。
【０００６】上述のように、本発明はセラミック材料
（粉末）の層及びワックス又はプラスチック粉末の層を
一層毎に一緒に順次溶融してコア／パターン組合せ体を
形成することによりコア／パターン組合せ体を製造する
方法を提供する。好ましくは、水晶を含む粉末のそれぞ
れの層にレーザー光線を当てることにより、粉末の層を
一緒に溶融する。粉末材料のレーザー光線によるこのよ
うな溶融を達成するための作動に適した装置及び方法は
米国特許第４，８６３，５３８号明細書に開示されてい
る。粉末の層を一緒に溶融するには、粉末の所定のパタ
ーン上に波動エネルギを当てるとよい。このような波動
エネルギは電子ビームでよい。
【０００７】上記米国特許第４，８６３，５３８号明細
書に開示されているように、本発明に関連して使用でき
る装置は部品を製造すべき目標層領域上にビームを発出
させるように選択可能なレーザーその他の放射エネルギ
源を有する。粉末分配装置は粉末を目標層領域上に配置
する。制御機構は狭い境界内に位置した粉末のみを選択
的に溶融又は焼結して部品の所望の層を形成するように
作動する。この制御機構はレーザーを作動させて、粉末
の層を順次選択的に焼結又は溶融し、一緒に焼結又は溶
融した複数個の層を有する完成部品を製造する。各層の
定められた境界は部品のそれぞれの横断面領域に対応す
る。制御機構は各層の定められた境界を決定するために
ＣＡＤ／ＣＡＭシステムの如きコンピュータを有すると
よい。製造すべき部品の全体寸法及び形状を与えるため
に、コンピュータは各層に対して定められた境界を決定
し、これらの定められた境界に従ってレーザー制御機構
を作動させる。
【０００８】レーザー制御機構はレーザー光線を目標層
領域上に当てる手段と、オン位置とオフ位置との間でレ
ーザー光線を変調する手段又は必要に応じて変化する形
状を得るために目標層領域内の粉末を選択的に焼結又は
溶融するためのシャッタ手段とを有するとよい。レーザ
ー当て機構は目標層領域を連続的にラスター走査するた
めレーザー光線の照準を移動させるように作動するとよ
い。変調機構は、レーザー光線の照準が特定の層の定め
られた境界内に位置したときにのみ粉末を焼結又は溶融
するように、レーザー光線をオン又はオフする。レーザ
ー当て機構は、特定の層の定められた境界内の粉末を焼
結又は溶融すべくレーザー光線を連続的にオン状態に維
持できるように、特定の層の定められた境界内のみにレ
ーザー光線の照準を合わせるとよい。
【０００９】レーザー当て機構は、検流計で駆動せしめ
られる鏡を使用して目標層領域をそれぞれラスター走査
するようにレーザー光線を移動させるとよい。第１の鏡
はレーザー光線を偏向して第２の鏡へ導き、第２の鏡は
レーザー光線を偏向して目標層領域へ導くとよい。検流
計により第１の鏡を運動させると、レーザー光線は目標
層領域内で実質上第１方向へ移動する。検流計により第
２の鏡を運動させると、レーザー光線は目標層領域内で
第２方向へ移動する。これらの鏡は、上記の第１方向と
第２方向とが互いに実質上直交するように、相互に関し
て方位決めしてある。このような構成のため、目標層領
域内でのレーザー光線の種々異なる型式の走査パターン
（ラスター走査パターンを含む）が可能となる。
【００１０】各層の外側限界を画定する制限構造体を使
用することにより粉末の分配を補助するとよい。別個の
制限構造体で各層の限界を定めてもよいし、単一の制限
構造体により全体の部品の限界を定めてもよい。特定の
層に通路や空間を設けたい場合は、その通路や空間を形
成すべき層の領域の粉末を焼結又は溶融しなければよ
い。層の選択した部分の粉末を溶融した後、未溶融粉末
をブラシで除去するかブロワで除去し、通路や空間を形
成する。代わりに、空間や通路を形成すべき位置で、先
に溶融した層の上に異なる型式の材料（インサート）を
配置し、このインサートのまわりに次の未溶融粉末層を
設け、その後粉末を溶融することにより、通路や空間を
画定してもよい。好ましくは、インサートの材料及び位
置は、粉末を一緒に溶融した後にインサートを溶かすか
除去して空間や通路を形成できるように選定する。
【００１１】本発明の方法の工程は次の通りである。最
初に、ガスタービン羽根又はその一部の中空部分の三次
元形状を決定しなければならない。次に、タービン羽根
又はその一部の三次元形状を決定しなければならない。
コアは、ガスタービン羽根の中空部分のそれぞれの断面
領域に対応して一層毎にセラミック粉末（好ましくは、
水晶粉末）の層を先の層に融着することにより、最終的
に形成される。セラミック粉末の第１層をガスタービン
羽根の中空部分の第１横断面領域に対応する所定のパタ
ーンで基体上に設ける。このセラミック粉末の第１層の
所定のパターンにわたってレーザー光線を当てることに
より第１層を一緒に溶融して、中空部分の第１横断面領
域形状を有するセラミックの第１溶融層を形成する。同
様に、セラミック粉末又は溶融セラミックに隣接して設
けたワックス又はプラスチック材料の層を、コアの各層
を形成するのと同じ方法で、一緒に溶融することによ
り、パターンを形成できる。第１横断面領域にじかに隣
接する中空部分の第２横断面領域に対応する第２の所定
のパターンで、セラミック粉末の第２層をセラミックの
第１溶融層又はワックス又はプラスチック材料の第１溶
融層上に設ける。第２の所定のパターンにわたってレー
ザー光線を当てることにより、粉末の第２層を一緒に溶
融し、中空部分の第２横断面領域の形状を有するセラミ
ックの第２溶融層を形成し、この溶融層を第１溶融層に
融着する。パターンの第２層も同様の方法で形成する。
以下、同様に、コアの中空部分及びパターンのそれぞれ
の横断面領域に対応する所定のパターンで粉末の層を先
に形成した溶融層上に順次配置し、粉末の各層を一緒に
溶融してそれぞれの溶融層を形成し、これらを先の溶融
層に融着し、それにより、ガスタービン羽根又はその一
部の中空部分に対応する形状を有するコア及びガスター
ビン羽根又はその一部に対応する形状を有するパターン
を形成する。
【００１２】コア／パターン組合せ体はガスタービン羽
根を製造するのに使用できる。容易に着脱可能な鋳造モ
ールドをコア／パターン組合せ体のまわりに配置してモ
ールドをパターンの外表面に適合させる。ワックス又は
プラスチックのパターンは、ワックスのパターンを予熱
するかプラスチックのパターンを溶かすかするが如き当
業界で既知の方法により、除去することができる。融解
合金を鋳造モールド内に注入して融解合金でモールドを
満たす。その後、融解合金を固化する。鋳造モールドを
破壊除去し、融解カセイソーダでコアを除去する。
【００１３】好ましくは、セラミック粉末は水晶からつ
くる。水晶はα水晶又はβ水晶でよい。すべての粉末は
１００マイクロメーター以下の平均粒子寸法を有する。
水晶粉末がα水晶／β水晶である場合、これにより形成
したコアは約６４９℃（１２００°Ｆ）から約１８１
５．５℃（３３００°Ｆ）までの範囲の温度を有する融
解合金での鋳造に耐えることができる。
【００１４】パターンを形成するために使用するワック
ス又はプラスチック粉末は同様の寸法及び形状を有する
とよい。溶融パターンの各層は約０．２５４ないし１．
５２４ｍｍ（０．０１０ないし０．０６インチ）の厚さ
を有するとよい。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 溶融可能な粉末の層を基体上に順次設
    け、レーザー光線でこれらの層を順次溶融することによ
    りコアとパターンとの組合せ体を製造する方法におい
    て、 ガスタービン羽根又はその一部の中空部分の第１横断面
    領域に対応する所定のパターンでセラミック粉末の第１
    層を前記基体上に設ける工程と；前記セラミック粉末の
    第１層の前記所定のパターンにわたってレーザー光線を
    当てることにより当該第１層を一緒に溶融して、前記中
    空部分の第１横断面領域の形を有するセラミックの溶融
    層を形成する工程と；前記ガスタービン羽根又はその一
    部の第１横断面領域に対応する所定のパターンでワック
    ス又はプラスチック粉末の第１層を前記基体上に設ける
    工程と；前記ガスタービン羽根又はその一部の第１横断
    面領域に対応する所定のパターンにわたってレーザー光
    線を当てることによりワックス又はプラスチック粉末の
    当該第１層を一緒に溶融して、当該ガスタービン羽根又
    はその一部の第１横断面領域に対応する形を有するワッ
    クス又はプラスチックの溶融層を形成し、これらセラミ
    ックの溶融層とワックス又はプラスチックの溶融層とで
    第１の溶融層を形成させる工程と；前記中空部分の第１
    横断面領域にじかに隣接する同中空部分の第２横断面領
    域に対応する第２の所定のパターンでセラミック粉末の
    第２層を前記第１の溶融層上に設ける工程と；前記中空
    部分の第２の所定のパターンにわたってレーザー光線を
    当てることにより前記セラミック粉末の第２層を溶融し
    て、当該中空部分の第２横断面領域の形を有するセラミ
    ックの第２の溶融層を形成し、これを前記第１の溶融層
    に融着する工程と；前記ガスタービン羽根又はその一部
    の第１横断面領域にじかに隣接する当該ガスタービン羽
    根又はその一部の第２横断面領域に対応する第２の所定
    のパターンでワックス又はプラスチック粉末の第２層を
    前記第１の溶融層上に設ける工程と；前記ガスタービン
    羽根又はその一部の第２の所定のパターンにわたってレ
    ーザー光線を当てることによりワックス又はプラスチッ
    ク粉末の前記第２層を溶融して、当該ガスタービン羽根
    又はその一部の第２横断面領域に対応する形を有するワ
    ックス又はプラスチックの第２の溶融層を形成し、これ
    を前記第１の溶融層に融着する工程と；を有し、 以下、同様に、先に形成した溶融層の上に、前記中空部
    分の横断面領域及び前記ガスタービン羽根又はその一部
    の横断面領域にそれぞれ対応する所定のパターンで粉末
    の層を設け、それらをそれぞれ溶融して次の溶融層を形
    成し、それにより、前記ガスタービン羽根又はその一部
    の中空部分に対応する形状を有するコア及び当該ガスタ
    ービン羽根又はその一部に対応する形状を有するパター
    ンを形成することを特徴とするコア／パターン組合せ体
    の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記セラミック粉末が水晶でできている
    ことを特徴とする請求項１の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記コアが１．５２４ｍｍ（０．０６イ
    ンチ）より小さい厚さを有する区分を備えたことを特徴
    とする請求項１の製造方法。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の方
    法に係るガスタービン羽根又はその一部を製造する方法
    において、 前記パターンに適合し容易に着脱可能な鋳造モールド
    を、前記コア／パターン組合せ体のまわりに配置する工
    程と；前記パターンを除去して空間を形成する工程と；
    前記鋳造モールド内に融解合金を注入して前記空間を満
    たす工程と；前記融解合金を固化する工程と；前記鋳造
    モールドを除去する工程と；液体カセイソーダで前記コ
    アを除去する工程と；を有することを特徴とする製造方
    法。
  5. 【請求項５】 前記融解合金が約６４９℃（１２００°
    Ｆ）から約１８１５．５℃（３３００°Ｆ）までの範囲
    の温度を有することを特徴とする請求項４の製造方法。
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