JPH1054202A - 保護皮膜を有する流体冷却製品並びにその製造方法 - Google Patents
保護皮膜を有する流体冷却製品並びにその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 空冷ガスタービンエンジンのような流体冷却
製品に断熱皮膜と冷却通路の両方を施工する方法の提
供。 【解決手段】 片方の面２０に保護皮膜２２を有する製
品の壁１０に、所望の流体流量が維持されかつ出口開口
部１８における通路内の皮膜２２Ａによって妨害されな
いような大きさの開口部１４及び１８を有する流体冷却
通路１２を設ける。通路１２は、該通路を通過する流体
流量を確定する流体入口としての第一開口部１４と、皮
膜２２が付着していて流体が排出される第二開口部１８
を有する。該製品の製造方法は、第一開口部１４の断面
積２４を選定し、壁面２０上及び第二開口部１８の通路
１２の内部２２Ａに選定された厚さの保護皮膜を付着さ
せるための成膜方法を選定し、第一開口部１４の断面積
２４よりも大きな断面積２６をもつ第二開口部１８をそ
の断面積の差が第二開口部１８における通路１２内部の
皮膜２２Ａの部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分
２６−２８よりも小さくならないように通路１２を創出
する諸段階を含む。
製品に断熱皮膜と冷却通路の両方を施工する方法の提
供。 【解決手段】 片方の面２０に保護皮膜２２を有する製
品の壁１０に、所望の流体流量が維持されかつ出口開口
部１８における通路内の皮膜２２Ａによって妨害されな
いような大きさの開口部１４及び１８を有する流体冷却
通路１２を設ける。通路１２は、該通路を通過する流体
流量を確定する流体入口としての第一開口部１４と、皮
膜２２が付着していて流体が排出される第二開口部１８
を有する。該製品の製造方法は、第一開口部１４の断面
積２４を選定し、壁面２０上及び第二開口部１８の通路
１２の内部２２Ａに選定された厚さの保護皮膜を付着さ
せるための成膜方法を選定し、第一開口部１４の断面積
２４よりも大きな断面積２６をもつ第二開口部１８をそ
の断面積の差が第二開口部１８における通路１２内部の
皮膜２２Ａの部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分
２６−２８よりも小さくならないように通路１２を創出
する諸段階を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術の分野】本発明は、冷却用開口部を
通って外表面に出る冷却通路を有する表面保護流体冷却
製品並びに該製品の製造方法に関する。本発明は特に空
冷高温作動ガスタービンエンジン製品に関する。
通って外表面に出る冷却通路を有する表面保護流体冷却
製品並びに該製品の製造方法に関する。本発明は特に空
冷高温作動ガスタービンエンジン製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】先進ガスタービンエンジン部品でエンジ
ンの高温部において作動する部品は、その部品の作動寿
命を縮めかねないような温度を経験する可能性がある。
一般に、かかる部品には、燃焼器、タービンブレード及
びベーン、タービンシュラウド及び排気系における様々
な部品が含まれる。部品の寿命を向上させるため、かか
る部品はそのボディ内部に表面又は部品表面付近への出
口をもつ冷却通路を含むように設計されている。耐熱性
及び／又は環境耐性をさらに与えるべく、高温に曝露さ
れる表面上に金属又はセラミック皮膜のような高温保護
皮膜が設けられることがしばしばある。当技術分野で広
く報告されているこのような皮膜の具体例は、アルミニ
ド、ＭＣｒＡｌＹ（ただし、ＭはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉか
らなる群の少なくとも１つの元素である）、各種金属の
オーバーレイ皮膜、並びにセラミック熱保護皮膜であ
り、その一種に当技術分野で断熱皮膜(Thermal Barrier
Coating) もしくはＴＢＣと呼ばれているものがある。
本発明はかかる皮膜すべてに関するものであるが、その
中でも特に重要なのはＴＢＣ皮膜である。
ンの高温部において作動する部品は、その部品の作動寿
命を縮めかねないような温度を経験する可能性がある。
一般に、かかる部品には、燃焼器、タービンブレード及
びベーン、タービンシュラウド及び排気系における様々
な部品が含まれる。部品の寿命を向上させるため、かか
る部品はそのボディ内部に表面又は部品表面付近への出
口をもつ冷却通路を含むように設計されている。耐熱性
及び／又は環境耐性をさらに与えるべく、高温に曝露さ
れる表面上に金属又はセラミック皮膜のような高温保護
皮膜が設けられることがしばしばある。当技術分野で広
く報告されているこのような皮膜の具体例は、アルミニ
ド、ＭＣｒＡｌＹ（ただし、ＭはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉか
らなる群の少なくとも１つの元素である）、各種金属の
オーバーレイ皮膜、並びにセラミック熱保護皮膜であ
り、その一種に当技術分野で断熱皮膜(Thermal Barrier
Coating) もしくはＴＢＣと呼ばれているものがある。
本発明はかかる皮膜すべてに関するものであるが、その
中でも特に重要なのはＴＢＣ皮膜である。
【０００３】例えばガスタービン技術において使用され
るようなＴＢＣ皮膜の典型例はイットリアで安定化され
たジルコニアを主体としたものであり、例えば約８重量
％のイットリアで安定化された約９２重量％のジルコニ
アである。ＴＢＣ皮膜の好ましい施工方法はプラズマ溶
射によるものであり、その目的のために市販されている
装置が使用できる。かかる皮膜はしばしば金属ボンディ
ングコートと共に使われる。この一般的なタイプのＴＢ
Ｃ皮膜については、Ｓｔｅｃｕｒａ他の米国特許第４０
５５７０５号（１９７７年１０月２５日特許）、Ｗｅａ
ｔｈｅｒｌｙ他の米国特許第４０９５００３号（１９７
８年６月１３日特許）、Ｓｉｅｍｅｒｓ他の米国特許第
４３２８２８５号（１９８２年５月４日特許）、Ｍａｒ
ｔｕｓ他の米国特許第５２１６８０８号（１９９３年６
月８日特許）及びＧｕｐｔａ他の米国特許第５２３６７
４５号（１９９３年８月１７日特許）にみられるよう
に、かなりの期間にわたって報告されている。これらの
米国特許の開示内容は文献の援用によって本明細書の内
容の一部をなす。
るようなＴＢＣ皮膜の典型例はイットリアで安定化され
たジルコニアを主体としたものであり、例えば約８重量
％のイットリアで安定化された約９２重量％のジルコニ
アである。ＴＢＣ皮膜の好ましい施工方法はプラズマ溶
射によるものであり、その目的のために市販されている
装置が使用できる。かかる皮膜はしばしば金属ボンディ
ングコートと共に使われる。この一般的なタイプのＴＢ
Ｃ皮膜については、Ｓｔｅｃｕｒａ他の米国特許第４０
５５７０５号（１９７７年１０月２５日特許）、Ｗｅａ
ｔｈｅｒｌｙ他の米国特許第４０９５００３号（１９７
８年６月１３日特許）、Ｓｉｅｍｅｒｓ他の米国特許第
４３２８２８５号（１９８２年５月４日特許）、Ｍａｒ
ｔｕｓ他の米国特許第５２１６８０８号（１９９３年６
月８日特許）及びＧｕｐｔａ他の米国特許第５２３６７
４５号（１９９３年８月１７日特許）にみられるよう
に、かなりの期間にわたって報告されている。これらの
米国特許の開示内容は文献の援用によって本明細書の内
容の一部をなす。
【０００４】上記で引用したＭａｒｔｕｓ他の米国特許
には、流体冷却（この場合、空冷）ガスタービンエンジ
ンタービンブレードの構成が示されている。かかるブレ
ードは中空内部を有していて、壁を貫く冷却チャンネル
又は孔などの冷却通路を通して外部壁面に連絡してい
る。外表面の保護は、その発明の一つの形態では、ＴＢ
Ｃ皮膜である。冷却孔はエンジン作動中のブレードの適
切もしくは望ましい冷却を提供するようなサイズで構築
されるので、冷却孔通過流体の流れの減少が上記のよう
な表面施工の結果として制約されるべきではない。した
がって、Ｍａｒｔｕｓ他は、その発明の一つの形態にお
いて、すべての冷却孔から、孔を通過する流れをじゃま
する余分な材料（例えばＴＢＣなど）を取り除くことを
教示している。ＴＢＣ成膜後のレーザー穿孔加工(drill
ing)は、ＴＢＣとその基材(substrate) の境界でのき裂
のために不都合を生じることがあることが判明した。Ｍ
ａｒｔｕｓ他は流れの障害物を取り除く方法について記
載しているが、そのような除去工程の必要性がなくなれ
ば境界き裂の危険性が低下するとともに製造コストが低
減し、生産効率が向上するであろう。
には、流体冷却（この場合、空冷）ガスタービンエンジ
ンタービンブレードの構成が示されている。かかるブレ
ードは中空内部を有していて、壁を貫く冷却チャンネル
又は孔などの冷却通路を通して外部壁面に連絡してい
る。外表面の保護は、その発明の一つの形態では、ＴＢ
Ｃ皮膜である。冷却孔はエンジン作動中のブレードの適
切もしくは望ましい冷却を提供するようなサイズで構築
されるので、冷却孔通過流体の流れの減少が上記のよう
な表面施工の結果として制約されるべきではない。した
がって、Ｍａｒｔｕｓ他は、その発明の一つの形態にお
いて、すべての冷却孔から、孔を通過する流れをじゃま
する余分な材料（例えばＴＢＣなど）を取り除くことを
教示している。ＴＢＣ成膜後のレーザー穿孔加工(drill
ing)は、ＴＢＣとその基材(substrate) の境界でのき裂
のために不都合を生じることがあることが判明した。Ｍ
ａｒｔｕｓ他は流れの障害物を取り除く方法について記
載しているが、そのような除去工程の必要性がなくなれ
ば境界き裂の危険性が低下するとともに製造コストが低
減し、生産効率が向上するであろう。
【０００５】
【発明の概要】本発明は、その一つの形態において、壁
面上に保護皮膜を含んだ流体冷却製品の製造方法におい
て、皮膜の施工の結果として流体冷却通路を通る冷却流
体の有害な閉塞が回避されるような形状の流体冷却通路
を壁の中に作り出すための複数の段階を含んでなる方法
を提供する。流体冷却通路は、第一の壁面における第一
の開口部から第二の壁面における第二の開口部まで達
し、第二壁面には少なくとも第二開口部に隣接して保護
皮膜が含まれている。当該方法には、冷却通路を通る冷
却流体の所望流量を確定すべく第一開口部についての第
一断面積を選定する段階が含まれる。成膜方法及び皮膜
厚さも選定されるが、該成膜方法は第二開口部における
通路内部にある量の皮膜を部分的に付着させる。成膜に
先立って、第一開口部が第一断面積を有していて第二開
口部が第一断面積よりも大きい第二断面積を有していて
その断面積の差が通路内部での皮膜の部分的付着に起因
する皮膜断面積の縮小分よりも小さくならないように、
換言すれば皮膜断面積の縮小分と少なくとも等しくなる
ように、流体冷却通路が創出される。かかる構成の創出
の結果として、後段において第二開口部内に皮膜を部分
的に付着しても通路を通過する流体の流れは第一開口部
によって確定される流量未満に制限されることはなく、
後段における第二開口部近傍での皮膜の除去処理が不要
となる。
面上に保護皮膜を含んだ流体冷却製品の製造方法におい
て、皮膜の施工の結果として流体冷却通路を通る冷却流
体の有害な閉塞が回避されるような形状の流体冷却通路
を壁の中に作り出すための複数の段階を含んでなる方法
を提供する。流体冷却通路は、第一の壁面における第一
の開口部から第二の壁面における第二の開口部まで達
し、第二壁面には少なくとも第二開口部に隣接して保護
皮膜が含まれている。当該方法には、冷却通路を通る冷
却流体の所望流量を確定すべく第一開口部についての第
一断面積を選定する段階が含まれる。成膜方法及び皮膜
厚さも選定されるが、該成膜方法は第二開口部における
通路内部にある量の皮膜を部分的に付着させる。成膜に
先立って、第一開口部が第一断面積を有していて第二開
口部が第一断面積よりも大きい第二断面積を有していて
その断面積の差が通路内部での皮膜の部分的付着に起因
する皮膜断面積の縮小分よりも小さくならないように、
換言すれば皮膜断面積の縮小分と少なくとも等しくなる
ように、流体冷却通路が創出される。かかる構成の創出
の結果として、後段において第二開口部内に皮膜を部分
的に付着しても通路を通過する流体の流れは第一開口部
によって確定される流量未満に制限されることはなく、
後段における第二開口部近傍での皮膜の除去処理が不要
となる。
【０００６】本発明は、別の形態では、冷却流体を通過
させるために、各々壁の中を通って第一の壁面における
第一の開口部から第二の壁面における第二の開口部まで
達する複数の流体冷却通路で上記の構成をもつ通路を有
している壁を含む流体冷却製品を提供する。第二壁面
は、第二開口部の周囲及びその内部の一部に保護皮膜を
含んでいる。
させるために、各々壁の中を通って第一の壁面における
第一の開口部から第二の壁面における第二の開口部まで
達する複数の流体冷却通路で上記の構成をもつ通路を有
している壁を含む流体冷却製品を提供する。第二壁面
は、第二開口部の周囲及びその内部の一部に保護皮膜を
含んでいる。
【０００７】
【発明の実施の形態】まず、図面について説明する。図
１は、壁の中に本発明にしたがって形成した冷却通路を
含んでいて、しかも壁面及び通路内部の一部に保護皮膜
を含んでいる流体冷却壁の部分断面図である。
１は、壁の中に本発明にしたがって形成した冷却通路を
含んでいて、しかも壁面及び通路内部の一部に保護皮膜
を含んでいる流体冷却壁の部分断面図である。
【０００８】図２は、図１と同様の壁の部分断面図であ
り、保護皮膜としてのＴＢＣのプラズマ溶射の方向と冷
却通路内でのＴＢＣの部分的付着を示している。図３
も、図１と同様の壁の部分断面図であり、保護皮膜とし
てのＴＢＣの図２とは異なるプラズマ溶射の方向と冷却
通路内でのＴＢＣの部分的付着を示している。
り、保護皮膜としてのＴＢＣのプラズマ溶射の方向と冷
却通路内でのＴＢＣの部分的付着を示している。図３
も、図１と同様の壁の部分断面図であり、保護皮膜とし
てのＴＢＣの図２とは異なるプラズマ溶射の方向と冷却
通路内でのＴＢＣの部分的付着を示している。
【０００９】図４は、第二壁面における第二開口部につ
いて、符号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤで示す一連の形状の種類を
示す概略断面図である。図５は、図１と同様の流体冷却
壁の別の形態を示す部分断面図である。様々なサイズ及
び形状の冷却通路及び孔がガスタービン技術（例えばガ
スタービンブレードやベーン及び燃焼器など）に用いら
れてきた。あるものでは、製造技術の結果として、部品
内部から外表面に向かって、概して僅かにしかもいずれ
にせよ大概は未統制のままテーパ(taper) がつくことが
ある。しかし、本発明以前に、被覆面上でのこのような
開口部の形状が調整入口開口部に対応して並びに成膜方
法及び出口開口部内に部分的に付着した皮膜の量（冷却
流体の流れを減少させるおそれのあるような量のもの）
に対応して制御されたことはない。
いて、符号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤで示す一連の形状の種類を
示す概略断面図である。図５は、図１と同様の流体冷却
壁の別の形態を示す部分断面図である。様々なサイズ及
び形状の冷却通路及び孔がガスタービン技術（例えばガ
スタービンブレードやベーン及び燃焼器など）に用いら
れてきた。あるものでは、製造技術の結果として、部品
内部から外表面に向かって、概して僅かにしかもいずれ
にせよ大概は未統制のままテーパ(taper) がつくことが
ある。しかし、本発明以前に、被覆面上でのこのような
開口部の形状が調整入口開口部に対応して並びに成膜方
法及び出口開口部内に部分的に付着した皮膜の量（冷却
流体の流れを減少させるおそれのあるような量のもの）
に対応して制御されたことはない。
【００１０】ガスタービンエンジン部品において壁に開
口部を設けるのに通例用いられる方法には、適当に形作
られたモールド及びコアーを用いての鋳造、機械的穿孔
又は機械加工、砥粒穿孔加工(abrasive grit drillin
g)、並びに放電加工や電解加工やレーザー加工による材
料の除去が含まれる。これらの方法はすべて周知であ
り、文献に記載されている。これらの方法は、使用した
装置及び方法のパラメーターに起因して各々ある程度独
特な形状を与える。現在、タービン部品に関して特に関
心が持たれているのは穿孔のために焦点を合わせたレー
ザーを用いて材料を除去することである。本発明を評価
するに当たって、例えばＦｅ、Ｎｉ及びＣｏの少なくと
も１種類の元素を主成分とする合金のような高温合金材
料に穴をあけるのに市販のＮｄ：ＹＡＧ型レーザーを使
用した。
口部を設けるのに通例用いられる方法には、適当に形作
られたモールド及びコアーを用いての鋳造、機械的穿孔
又は機械加工、砥粒穿孔加工(abrasive grit drillin
g)、並びに放電加工や電解加工やレーザー加工による材
料の除去が含まれる。これらの方法はすべて周知であ
り、文献に記載されている。これらの方法は、使用した
装置及び方法のパラメーターに起因して各々ある程度独
特な形状を与える。現在、タービン部品に関して特に関
心が持たれているのは穿孔のために焦点を合わせたレー
ザーを用いて材料を除去することである。本発明を評価
するに当たって、例えばＦｅ、Ｎｉ及びＣｏの少なくと
も１種類の元素を主成分とする合金のような高温合金材
料に穴をあけるのに市販のＮｄ：ＹＡＧ型レーザーを使
用した。
【００１１】図１の断面図は、ガスタービンエンジン燃
焼器の合金壁１０を示す。その一つの形態はハステロイ
Ｘ(Hastelloy X) 合金として市販されている慣用のＮｉ
基合金でできたものである。壁１０の中には流体冷却通
路が通じており、第一の壁面１６における第一の開口部
１４から第二の壁面２０における第二の開口部１８まで
達している。第一開口部１４から第二開口部１８までの
通路を通過する冷却流体の流れは開口部１４のサイズに
よって確定される。第二壁面２０の上に付着しているの
は保護皮膜２２であり、その一部は、２２Ａとして示す
通り、第二開口部１８を通る通路の内部に付着してい
る。例えば、これはＴＢＣのようなセラミック皮膜のプ
ラズマ溶射による付着によって起こり得る。本発明によ
れば、第一開口部１４の断面積は通路内を望ましい流量
の冷却流体が流れるように選定され、具体的な皮膜の厚
さ並びに開口部１８の通路１２内部にある量の皮膜が部
分的に付着するような成膜方法も選定される。次いで、
開口部１８の断面積について、調整開口部１４の断面積
よりも大きく、その断面積の差が図１で２２Ａとして示
す通り第二開口部１８近傍の通路１２内部の皮膜２２の
部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分よりも小さく
ならないように、実地製造の観点からは該縮小分よりも
大きくなるように、サイズが決められ創出される。
焼器の合金壁１０を示す。その一つの形態はハステロイ
Ｘ(Hastelloy X) 合金として市販されている慣用のＮｉ
基合金でできたものである。壁１０の中には流体冷却通
路が通じており、第一の壁面１６における第一の開口部
１４から第二の壁面２０における第二の開口部１８まで
達している。第一開口部１４から第二開口部１８までの
通路を通過する冷却流体の流れは開口部１４のサイズに
よって確定される。第二壁面２０の上に付着しているの
は保護皮膜２２であり、その一部は、２２Ａとして示す
通り、第二開口部１８を通る通路の内部に付着してい
る。例えば、これはＴＢＣのようなセラミック皮膜のプ
ラズマ溶射による付着によって起こり得る。本発明によ
れば、第一開口部１４の断面積は通路内を望ましい流量
の冷却流体が流れるように選定され、具体的な皮膜の厚
さ並びに開口部１８の通路１２内部にある量の皮膜が部
分的に付着するような成膜方法も選定される。次いで、
開口部１８の断面積について、調整開口部１４の断面積
よりも大きく、その断面積の差が図１で２２Ａとして示
す通り第二開口部１８近傍の通路１２内部の皮膜２２の
部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分よりも小さく
ならないように、実地製造の観点からは該縮小分よりも
大きくなるように、サイズが決められ創出される。
【００１２】本発明の一つの形態の説明を簡単にするた
め、図１において、通路１２がレーザー穿孔加工で一般
に生ずるような実質的に円形の断面のものであると仮定
する。第一開口部１４の断面積は直径２４に基づき、第
二開口部１８の成膜処理前の断面積は直径２６に基づ
く。第二開口部１８の通路１２内部に部分的に皮膜が付
着するような方法で被覆を施した後は、第二開口部の直
径は皮膜量２２Ａの分だけ縮小して直径２８となる。本
発明及び図１によれば、この例における第二開口部１８
の直径２６は第一開口部１４の直径よりも大きく、その
直径の差は、図示の通り通路内の皮膜の付着に起因する
第二開口部の直径の縮小分を表す直径２６と２８の差を
下回らない。例えば、大体直径２４のサイズの直径で通
路１２の予備形成体を穴あけするのにレーザー穿孔を用
いる場合、第二開口部及び通路１２の最終形状は、通路
に対する後続の制御されたパスにおいて穿孔用レーザー
の焦点を広げることによって適度に大きな直径２６をも
つように作り出すことができる。このようにして、第一
開口部１４のサイズによって確定された冷却流体の量は
後段の成膜処理によって減少することはなく、皮膜を取
り除く必要はなくなる。さらに、流体の流れの方向に変
化は起きない。実地には、壁そのものに実質的に円形断
面の通路を穿孔して得られる表面の開口部は穿孔加工が
その面に対してある角度をなしていれば円形とはならな
い。したがって、この単純化された説明を除き、本明細
書中で本発明を実施するための寸法について円形断面と
いうときは、通路内の断面について意味するものであっ
て、必ずしも開口部における形状を意味するものではな
い。円形断面以外の開口部及び通路について、本発明
は、通路１２を通過する流体の流れに関して、第一開口
部１４が第一の断面積を有していて第二開口部１８が第
一断面積よりも大きい第二断面積を有していて、その断
面積の差は第二開口部１８における通路１２内部の皮膜
の部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分よりも小さ
くない、と説明される。
め、図１において、通路１２がレーザー穿孔加工で一般
に生ずるような実質的に円形の断面のものであると仮定
する。第一開口部１４の断面積は直径２４に基づき、第
二開口部１８の成膜処理前の断面積は直径２６に基づ
く。第二開口部１８の通路１２内部に部分的に皮膜が付
着するような方法で被覆を施した後は、第二開口部の直
径は皮膜量２２Ａの分だけ縮小して直径２８となる。本
発明及び図１によれば、この例における第二開口部１８
の直径２６は第一開口部１４の直径よりも大きく、その
直径の差は、図示の通り通路内の皮膜の付着に起因する
第二開口部の直径の縮小分を表す直径２６と２８の差を
下回らない。例えば、大体直径２４のサイズの直径で通
路１２の予備形成体を穴あけするのにレーザー穿孔を用
いる場合、第二開口部及び通路１２の最終形状は、通路
に対する後続の制御されたパスにおいて穿孔用レーザー
の焦点を広げることによって適度に大きな直径２６をも
つように作り出すことができる。このようにして、第一
開口部１４のサイズによって確定された冷却流体の量は
後段の成膜処理によって減少することはなく、皮膜を取
り除く必要はなくなる。さらに、流体の流れの方向に変
化は起きない。実地には、壁そのものに実質的に円形断
面の通路を穿孔して得られる表面の開口部は穿孔加工が
その面に対してある角度をなしていれば円形とはならな
い。したがって、この単純化された説明を除き、本明細
書中で本発明を実施するための寸法について円形断面と
いうときは、通路内の断面について意味するものであっ
て、必ずしも開口部における形状を意味するものではな
い。円形断面以外の開口部及び通路について、本発明
は、通路１２を通過する流体の流れに関して、第一開口
部１４が第一の断面積を有していて第二開口部１８が第
一断面積よりも大きい第二断面積を有していて、その断
面積の差は第二開口部１８における通路１２内部の皮膜
の部分的付着に起因する皮膜断面積の縮小分よりも小さ
くない、と説明される。
【００１３】通路１２内部での皮膜の付着は、皮膜をプ
ラズマ溶射法で施工する場合に起こり得る。そうした皮
膜の付着量は、少なくとも部分的に、壁１０に通路を作
り出すときの方向及び付着の角度の関数である。図２及
び図３の部分断面図は、第二壁面２０に対して異なる付
着方向で付着した皮膜の大体の量を示す。ＴＢＣのプラ
ズマ溶射を用いる場合、破線及び矢印３０で示す溶射角
度が約３０°未満であると不十分な皮膜が得られること
が判明した。したがって、ＴＢＣ皮膜で本発明を実施す
るときは、溶射角度を第二壁面２０に対して３０°より
大きく約９０°以下に設定する。
ラズマ溶射法で施工する場合に起こり得る。そうした皮
膜の付着量は、少なくとも部分的に、壁１０に通路を作
り出すときの方向及び付着の角度の関数である。図２及
び図３の部分断面図は、第二壁面２０に対して異なる付
着方向で付着した皮膜の大体の量を示す。ＴＢＣのプラ
ズマ溶射を用いる場合、破線及び矢印３０で示す溶射角
度が約３０°未満であると不十分な皮膜が得られること
が判明した。したがって、ＴＢＣ皮膜で本発明を実施す
るときは、溶射角度を第二壁面２０に対して３０°より
大きく約９０°以下に設定する。
【００１４】図２は、皮膜の溶射をある角度で、当技術
分野で一般に行われている通り面２０を横切るように往
復させて行ったときに、第二開口部１８を通して通路１
２内部に実質的に不均一に皮膜が付着することを示して
いる。このような付着は通路の角度及び第二壁面２０へ
の溶射角度の関数である。したがって、ある角度に設定
された通路に対して溶射の角度を調節することにより、
上述の通路１２内部への皮膜のオーバースプレーを制御
することができる。図３は、通路１２及び溶射方向３０
が共に第二壁面２０に対して実質的に垂直であるという
特殊な配置を示したものである。この配置では、ＴＢＣ
の付着にプラズマ溶射を用いると通路内へのオーバース
プレーに対して毛細管型の効果が起きて、オーバースプ
レーが通路に入り込むにしたがってオーバースプレーを
冷却する傾向が次第に高まり、ある地点からは通路内壁
への付着が全く起こらなくなることが判明した。本発明
の評価実験から、これが一般に通路の長さの約４分の１
のところで起こることが分かった。選定された第一開口
部に対して、第二開口部のサイズ、成膜方法並びに皮膜
厚さを決定するための一つの方法は、一連の合金試験片
の壁に一連のサンプル通路１２を創出することである。
次に、第二壁面及び第二開口部の通路内部に、皮膜をあ
る所定の範囲内にて一連の様々な厚さに付着させる。本
発明によれば、通路内における流体の流れの閉塞を避け
るために、創出すべき第二開口部のサイズの範囲を選択
するための基準として上記の各々について通路内部の皮
膜量を測定する。
分野で一般に行われている通り面２０を横切るように往
復させて行ったときに、第二開口部１８を通して通路１
２内部に実質的に不均一に皮膜が付着することを示して
いる。このような付着は通路の角度及び第二壁面２０へ
の溶射角度の関数である。したがって、ある角度に設定
された通路に対して溶射の角度を調節することにより、
上述の通路１２内部への皮膜のオーバースプレーを制御
することができる。図３は、通路１２及び溶射方向３０
が共に第二壁面２０に対して実質的に垂直であるという
特殊な配置を示したものである。この配置では、ＴＢＣ
の付着にプラズマ溶射を用いると通路内へのオーバース
プレーに対して毛細管型の効果が起きて、オーバースプ
レーが通路に入り込むにしたがってオーバースプレーを
冷却する傾向が次第に高まり、ある地点からは通路内壁
への付着が全く起こらなくなることが判明した。本発明
の評価実験から、これが一般に通路の長さの約４分の１
のところで起こることが分かった。選定された第一開口
部に対して、第二開口部のサイズ、成膜方法並びに皮膜
厚さを決定するための一つの方法は、一連の合金試験片
の壁に一連のサンプル通路１２を創出することである。
次に、第二壁面及び第二開口部の通路内部に、皮膜をあ
る所定の範囲内にて一連の様々な厚さに付着させる。本
発明によれば、通路内における流体の流れの閉塞を避け
るために、創出すべき第二開口部のサイズの範囲を選択
するための基準として上記の各々について通路内部の皮
膜量を測定する。
【００１５】ガスタービンエンジン製品についてレーザ
ーを用いて高温合金に穴を開け、ＴＢＣを付着させる場
合、製品壁の低温側の面の穴（第一開口部１４で表され
る）は約０．０１〜０．０３インチの範囲内の直径を有
していて、製品壁の保護皮膜を付着させる高温側の面の
穴はそれよりも大きくかつ約０．０２〜０．０４インチ
の範囲内の直径を有しているのが好ましい。ガスタービ
ンエンジン製品に対して例えば放電穿孔法などのその他
の材料除去方法を用いる場合、約０．０１〜０．０４イ
ンチの範囲内の第一開口部及び約０．０２〜０．１イン
チの範囲内の第二開口部を用いることができる。約０．
０１〜０．０３インチの範囲内の第一開口部を有する製
品についての好ましい皮膜厚さは、流体の流れの有害な
減少を回避すべく、約０．００５インチから約０．０１
５インチ未満までの範囲内である。
ーを用いて高温合金に穴を開け、ＴＢＣを付着させる場
合、製品壁の低温側の面の穴（第一開口部１４で表され
る）は約０．０１〜０．０３インチの範囲内の直径を有
していて、製品壁の保護皮膜を付着させる高温側の面の
穴はそれよりも大きくかつ約０．０２〜０．０４インチ
の範囲内の直径を有しているのが好ましい。ガスタービ
ンエンジン製品に対して例えば放電穿孔法などのその他
の材料除去方法を用いる場合、約０．０１〜０．０４イ
ンチの範囲内の第一開口部及び約０．０２〜０．１イン
チの範囲内の第二開口部を用いることができる。約０．
０１〜０．０３インチの範囲内の第一開口部を有する製
品についての好ましい皮膜厚さは、流体の流れの有害な
減少を回避すべく、約０．００５インチから約０．０１
５インチ未満までの範囲内である。
【００１６】本発明では、第二開口部１８を、開口部１
４の断面積よりも大きい断面積をもち、その断面積の差
がオーバースプレーによる通路１２内部での皮膜の部分
的付着に起因する皮膜断面積の縮小分を下回らないよう
に作られる。本発明の方法では、調整第一開口部によっ
て確定される通路流量が維持されるようにするための、
皮膜及びそのオーバースプレーの調節が、通路の角度、
第二開口部の寸法の増分及び皮膜付着角度の関数として
融通性をもって行える。
４の断面積よりも大きい断面積をもち、その断面積の差
がオーバースプレーによる通路１２内部での皮膜の部分
的付着に起因する皮膜断面積の縮小分を下回らないよう
に作られる。本発明の方法では、調整第一開口部によっ
て確定される通路流量が維持されるようにするための、
皮膜及びそのオーバースプレーの調節が、通路の角度、
第二開口部の寸法の増分及び皮膜付着角度の関数として
融通性をもって行える。
【００１７】
【実施例】本発明の一つの評価実験では、市販のハステ
ロイＸ合金でできた壁厚約０．０８０インチの清浄燃焼
器壁を制御Ｎｄ：ＹＡＧレーザードリルを用いて穿孔し
て、壁に約０．０２インチの通路を複数設けた。次に、
レーザーの焦点を拡大して片方の壁面（図の面２０に相
当）で約０．０３インチの開口部（図の第二開口部１８
に相当）を各々の通路に生じさせた。レーザー穿孔法は
少量の改鋳(recast)そしておそらくは若干のバリ(burr)
を生じる傾向がある。したがって、改鋳及びバリ及び表
面汚染物を除去するため、約２０重量％アルミナ粉末水
中スラリーでのブラスト法により通路及び開口部をバリ
取りし、清浄化した。次に、広い方の開口部１８を含む
面２０に、厚さ約０．００４〜０．００６インチのＮｉ
ＣｒＡｌＹ合金の金属ボンディングコートを設けた。市
販のプラズマ溶射ガンであるＭｅｔｃｏ Ｐｌａｓｍａ
Ｇｕｎ ７ＭＢを含んだ横行式プラズマ溶射装置を窒
素及び水素雰囲気中約４５°の角度で用いて、約８重量
％のイットリアで安定化された約９２重量％のジルコニ
アのＴＢＣで上記ボンディングコートを約０．００８〜
０．０１０インチの厚さに被覆した。プラズマ溶射から
のオーバースプレーで、図１に示す開口部１８を通る通
路内にＴＢＣが付着した。本発明のこの実施例で、複数
の冷却通路を含んでいてその片面に保護皮膜を有する壁
をもつ製品が得られ、保護皮膜の付着は通路内部にも及
んでいたが、それでも通路を通過する流体流量を被覆面
の反対側の壁面上の通路開口部で確定される流量未満に
減少させることはなかった。したがって、第二開口部を
通る通路に付着したオーバースプレー皮膜を取り除く必
要は全くなかった。しかし、上述の約０．０２インチの
第一開口部と約０．０３インチの第二開口部の相対的寸
法でＴＢＣ皮膜を約０．０１５インチにすると、通路を
通過する流体の流れが減少した。したがって、本発明に
よれば、約０．０１５インチに近い厚さのＴＢＣを用い
るには第二開口部のサイズをこの例でのサイズよりも広
くする必要がある。
ロイＸ合金でできた壁厚約０．０８０インチの清浄燃焼
器壁を制御Ｎｄ：ＹＡＧレーザードリルを用いて穿孔し
て、壁に約０．０２インチの通路を複数設けた。次に、
レーザーの焦点を拡大して片方の壁面（図の面２０に相
当）で約０．０３インチの開口部（図の第二開口部１８
に相当）を各々の通路に生じさせた。レーザー穿孔法は
少量の改鋳(recast)そしておそらくは若干のバリ(burr)
を生じる傾向がある。したがって、改鋳及びバリ及び表
面汚染物を除去するため、約２０重量％アルミナ粉末水
中スラリーでのブラスト法により通路及び開口部をバリ
取りし、清浄化した。次に、広い方の開口部１８を含む
面２０に、厚さ約０．００４〜０．００６インチのＮｉ
ＣｒＡｌＹ合金の金属ボンディングコートを設けた。市
販のプラズマ溶射ガンであるＭｅｔｃｏ Ｐｌａｓｍａ
Ｇｕｎ ７ＭＢを含んだ横行式プラズマ溶射装置を窒
素及び水素雰囲気中約４５°の角度で用いて、約８重量
％のイットリアで安定化された約９２重量％のジルコニ
アのＴＢＣで上記ボンディングコートを約０．００８〜
０．０１０インチの厚さに被覆した。プラズマ溶射から
のオーバースプレーで、図１に示す開口部１８を通る通
路内にＴＢＣが付着した。本発明のこの実施例で、複数
の冷却通路を含んでいてその片面に保護皮膜を有する壁
をもつ製品が得られ、保護皮膜の付着は通路内部にも及
んでいたが、それでも通路を通過する流体流量を被覆面
の反対側の壁面上の通路開口部で確定される流量未満に
減少させることはなかった。したがって、第二開口部を
通る通路に付着したオーバースプレー皮膜を取り除く必
要は全くなかった。しかし、上述の約０．０２インチの
第一開口部と約０．０３インチの第二開口部の相対的寸
法でＴＢＣ皮膜を約０．０１５インチにすると、通路を
通過する流体の流れが減少した。したがって、本発明に
よれば、約０．０１５インチに近い厚さのＴＢＣを用い
るには第二開口部のサイズをこの例でのサイズよりも広
くする必要がある。
【００１８】上述の通り、レーザー穿孔法を用いて通路
１２を作りだしたとき、流体流量を確定する開口部１４
の直径をもつ通路予備形成体が面２０に一回の制御パス
で穴開けされた。次に、レーザーの焦点を広げて、面２
０に対する二度目の制御パスで本発明による大きな開口
部１８を作り出した。この操作の結果、図１〜図３に示
すようなテーパのついた通路(tapered passage) が得ら
れた。
１２を作りだしたとき、流体流量を確定する開口部１４
の直径をもつ通路予備形成体が面２０に一回の制御パス
で穴開けされた。次に、レーザーの焦点を広げて、面２
０に対する二度目の制御パスで本発明による大きな開口
部１８を作り出した。この操作の結果、図１〜図３に示
すようなテーパのついた通路(tapered passage) が得ら
れた。
【００１９】ただし、本発明には、上述の相対的な開口
部の寸法が維持される限り、このようなテーパ以外の形
状の通路及び開口部も包含されると理解すべきである。
図４のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ並びに図５に示す断面図は、他
の形状の例を幾つか示したものである。図４のＡ及びＣ
では、第二開口部１８は、面２０での皿座ぐり(counter
sinking)と同様の操作によって設けることができる。図
４のＢ及びＤでは、第二開口部１８は、面２０を湾入(i
ndent)させる操作によって設けることができる。上述の
通り、通路１２の断面と開口部１４及び１８とは、本発
明の関係が維持される限り、同じ形状のものである必要
はなく、円形である必要もない。図５の部分断面図にお
いて、通路１２は第二開口部１８において不均一に形作
られた壁をもつ。これは、本発明にしたがって、通路を
通過する流体流量が減少することがないように、通路内
部の皮膜量２２Ａの付着に適合させるための皿座ぐりの
一形態である。
部の寸法が維持される限り、このようなテーパ以外の形
状の通路及び開口部も包含されると理解すべきである。
図４のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ並びに図５に示す断面図は、他
の形状の例を幾つか示したものである。図４のＡ及びＣ
では、第二開口部１８は、面２０での皿座ぐり(counter
sinking)と同様の操作によって設けることができる。図
４のＢ及びＤでは、第二開口部１８は、面２０を湾入(i
ndent)させる操作によって設けることができる。上述の
通り、通路１２の断面と開口部１４及び１８とは、本発
明の関係が維持される限り、同じ形状のものである必要
はなく、円形である必要もない。図５の部分断面図にお
いて、通路１２は第二開口部１８において不均一に形作
られた壁をもつ。これは、本発明にしたがって、通路を
通過する流体流量が減少することがないように、通路内
部の皮膜量２２Ａの付着に適合させるための皿座ぐりの
一形態である。
【００２０】本発明を様々な実施形態、例及び組み合わ
せについて説明してきたが、本発明について、特許請求
の範囲によって規定されるその技術的範囲を逸脱するこ
となく、多種多様な修正、変形及び拡充が可能であるこ
とは当業者には明らかであろう。
せについて説明してきたが、本発明について、特許請求
の範囲によって規定されるその技術的範囲を逸脱するこ
となく、多種多様な修正、変形及び拡充が可能であるこ
とは当業者には明らかであろう。
【図１】 本発明による冷却通路及び保護皮膜を含んだ
流体冷却壁の部分断面図
流体冷却壁の部分断面図
【図２】 ＴＢＣのプラズマ溶射の方向及び冷却通路内
のＴＢＣの部分的付着を示す部分断面図
のＴＢＣの部分的付着を示す部分断面図
【図３】 ＴＢＣのプラズマ溶射の方向及び冷却通路内
のＴＢＣの部分的付着を示す部分断面図
のＴＢＣの部分的付着を示す部分断面図
【図４】 第二壁面における第二開口部について一連の
形状の種類を示す概略断面図
形状の種類を示す概略断面図
【図５】 別の形態の流体冷却壁を示す部分断面図
１０ 壁 １２ 流体冷却通路 １４ 第一開口部 １６ 第一壁面 １８ 第二開口部 ２０ 第二壁面 ２２ 保護皮膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・ポール・ジーグレー アメリカ合衆国、オハイオ州、モントゴメ リー、オラインダ・ドライブ、10600番 (72)発明者 ウィルバー・ダグラス・スケイデット アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、テイラー・ロード、6203番
Claims (9)
- 【請求項１】 壁１０の中を通って第一の壁面１６にお
ける第一の開口部１４から第二の壁面２０における第二
の開口部１８まで達する流体冷却通路１２を有する壁１
０を含んでいて、上記第二壁面２０の上には保護皮膜２
２が少なくとも第二開口部１８に隣接して含まれてい
る、流体冷却製品の製造方法において、当該方法が下記
の段階：流体冷却通路１２を通る冷却流体の所望流量を
確定するため第一開口部１４についての第一断面積２４
を選定する段階、 第二壁面２０の上に保護皮膜２２を少なくとも第二開口
部１８の周囲に付着させるための成膜方法であって、該
成膜方法で第二開口部１８の通路１２内部にある量の皮
膜２２Ａが部分的に付着する成膜方法を選定する段階、 上記成膜方法による第二壁面２０上の少なくとも第二開
口部１８に隣接した皮膜２２についての皮膜厚さの範囲
を選定する段階、 成膜に先立って、第一開口部１４が第一断面積２４を有
していて第二開口部１８が第一断面積２４よりも大きい
第二断面積２６を有していてその断面積の差が第二開口
部１８における通路１２内部の皮膜２２Ａの部分的付着
に起因する皮膜断面積の縮小分２６−２８よりも小さく
ならないように、壁１０の中に流体冷却通路１２を創出
する段階、及び上記成膜方法によって第二壁面２２上に
上記で選定した皮膜厚さの範囲内の皮膜２２を少なくと
も第二開口部１８に隣接して付着させる段階を含んでな
ることを特徴とする方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記第一
開口部１４についての第一断面積２４を選定し、前記成
膜方法を選定し、かつ前記皮膜厚さの範囲を選定した
後、下記の段階：一連の複数のサンプル通路１２を創出
する段階、 第二壁面２０上に上記で選定した厚さの範囲内の一連の
複数の皮膜厚さの皮膜２２を少なくとも第二開口部１８
の周囲に付着させる段階、及び第一開口部１４の第一断
面積２４よりも大きな第二開口部の第二断面積２６を成
膜に先立って創出するための基準として、第二開口部１
８の通路１２内部に付着した皮膜量２２Ａを一連の厚さ
の各々について測定する段階、を含んでなることを特徴
とする方法。 - 【請求項３】 通路１２内部の皮膜量２２Ａを第一開口
部１４から第二開口部１８までの通路を通る流体の流れ
の減少によって測定することを特徴とする請求項２記載
の方法。 - 【請求項４】 Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択
される元素を主成分とする高温合金から空冷ガスタービ
ンエンジン製品を製造するための方法において、上記製
品は、壁１０の中を通って第一の壁面１６における第一
の開口部１４から第二の壁面２０における第二の開口部
１８まで達する実質的に円形断面の空冷通路１２をその
内部に有する壁１０を含んでいて、上記第二壁面２０は
その上に熱保護皮膜２２を少なくとも第二開口部１８に
隣接して含んでおり、当該方法が下記の段階：空冷通路
１２を通る冷却空気の所望流量を確定するため第一開口
部１４についての第一直径２４を選定する段階、 第二壁面２０の上に熱保護皮膜２２を少なくとも第二開
口部１８の周囲に付着させるための成膜方法であって、
該成膜方法で第二開口部１８の通路１２内部にある量の
皮膜２２Ａが部分的に付着する成膜方法を選定する段
階、 上記成膜方法による第二壁面２０上の少なくとも第二開
口部１８に隣接した皮膜２２についての皮膜厚さの範囲
を選定する段階、 成膜に先立って、第一開口部１４が第一直径２４を有し
ていて第二開口部１８が第一直径２４よりも大きい第二
直径２６を有していてその差が第二開口部１８における
通路１２内部の皮膜２２Ａの部分的付着に起因する第二
直径２６の縮小分２６−２８よりも小さくならないよう
に、壁１０の中に空冷通路１２を創出する段階、及び上
記成膜方法によって第二壁面２２上に上記で選定した皮
膜厚さの範囲内の皮膜２２を少なくとも第二開口部１８
に隣接して付着させる段階を含んでなることを特徴とす
る方法。 - 【請求項５】 前記熱保護皮膜２２が断熱皮膜であ
り、前記第一開口部１４について選定された直径２４が
約０．０１〜０．０４インチの範囲内にあり、かつ前記
第二開口部１８の第二直径２６が約０．０２０〜０．１
インチの範囲内にあることを特徴とする請求項４記載の
方法。 - 【請求項６】 前記通路１２がレーザーを使って壁１０
の中に創出され、第一開口部１４について選定された直
径２４が約０．０１〜０．０３インチの範囲内にあり、
第二開口部１８について選定された直径２６が約０．０
２０〜０．０４０インチの範囲内にあり、かつ第二壁面
２０上の皮膜の選定された皮膜厚さの範囲が約０．００
５インチから約０．０１５インチ未満までであることを
特徴とする請求項５記載の方法。 - 【請求項７】 第一開口部１４から通路１２を介して第
二開口部１８へと冷却流体を通過させための、各々壁１
０の中を通って第一の壁面１６における第一の開口部１
４から第二の壁面２０における第二の開口部１８まで達
する複数の流体冷却通路１２を有している壁１０を含む
流体冷却製品であって、各々の通路はその中を通過する
流体について、ある所定の流体圧力において第一開口部
１４の第一断面積２４によって確定されるある選定され
た流量を有しており、上記第二壁面２０はその上に保護
皮膜２２を第二開口部１８の周囲に含んでおり、改良点
が、 第二開口部１８における各々の通路１２の内部に保護皮
膜２２Ａが部分的に含まれていること、並びに第二開口
部１８の各々が、第二開口部１８における通路１２内部
の皮膜２２Ａと共に測定して、第一断面積２４に少なく
とも等しい第二断面積２８を有していることにあること
を特徴とする製品。 - 【請求項８】 前記保護皮膜が断熱皮膜であり、通路１
２が壁１０の内部に実質的に円形の断面を有していて、
前記第一開口部１４の直径２４が約０．０１〜０．０４
インチの範囲内にあり、かつ前記第二開口部１８の直径
２６が約０．０２０〜０．１インチの範囲内にあること
を特徴とする請求項７記載の製品。 - 【請求項９】 当該製品がガスタービンエンジン部品の
形態にあり、第一開口部１４の直径２４が約０．０１〜
０．０３インチの範囲内にあり、第二開口部１８の直径
２６が約０．０２〜０．０４インチの範囲内にあり、か
つ第二壁面２０上の断熱皮膜の厚さが約０．００５イン
チから約０．０１５インチ未満までの範囲内であること
を特徴とする請求項８記載の製品。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/649352 | 1996-05-17 | ||
| US08/649,352 US5771577A (en) | 1996-05-17 | 1996-05-17 | Method for making a fluid cooled article with protective coating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1054202A true JPH1054202A (ja) | 1998-02-24 |
| JP4108152B2 JP4108152B2 (ja) | 2008-06-25 |
Family
ID=24604421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12458997A Expired - Fee Related JP4108152B2 (ja) | 1996-05-17 | 1997-05-15 | 保護皮膜を有する流体冷却製品並びにその製造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5771577A (ja) |
| EP (1) | EP0807744B1 (ja) |
| JP (1) | JP4108152B2 (ja) |
| DE (1) | DE69734625T2 (ja) |
| SG (1) | SG55270A1 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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