JPS6119375B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 開放回路型液冷ガスタービのバケツト（動翼）
の構造配置は、米国特許第3445481号及び第
3446482号に示されてい。前者に開示されている
バケツトは、両端が開放しいる冷却通路を有して
いる。当該通路は、バケツトのコア部を部分的に
形成する一連のリブと、当該コアを覆い且つリブ
に溶接された金属板の外板によつて形づけられて
いる。後者は、中空の鍛造又は鋳造タービンンバ
ケツト内に加圧液を噴出することを開示してい
る。他に、米国特許第3619076号に記載されてい
る開放回路型冷却系では、タービン羽根の構成
が、中央の翼型翼桁からなつている。当該翼桁
は、きわめて高い熱伝導率を有する金属板、例え
ば銅、でもつて被覆されている。当該被覆板は、
翼桁に隣接する板面にほられた溝を有しており、
当該溝と翼桁のなめらかな表面が一緒になつて、
タービン羽根の表面上に分布する冷却通路を形づ
けている。

米国特許第3445481号及び第3619076号に示され
ている構成のいずれにおいても、板をコアに結合
することによつて液冷通路を形成するのには、い
くつかの不利益がある。前記外板（skin）を結合
するのにろう接を使用するときには、タービンバ
ケツトの流路のいくつかが、ろう接材料で詰つた
塞がつたりする。コアと外板の間には勝れた結合
部が必要であつて、これは、極めて高い液圧のも
とで一杯に流れる水を収容するためである。前記
液圧は、タービン運転中の遠心力から生ずるもの
である。さらに、外板にいかなる割れがあつても
冷却の漏れを生じ、羽根の破壊に至りうる。

従来技術の不利益の多くは、1976年12月13日付
米国特許出願第749719号（Liquid Cooled Gas
Turbine Buckets）に開示された発明によつて克
されている。当該特許が開示している水冷型ター
ビンバケツトでは、予成形された管を使つて水冷
用流路が形成されている。当該管は、外側保護層
の下に置かれており、該外側保護層は、高い熱伝
導をもたらす内側外板と、高温腐食からの保護を
もたらす外側外板とからなつている。

また米国特許第3928901号及び3952939号には、
等方静圧技術を使用して、翼型（air foil）やタ
ービンバケツトのような凹凸基体に薄板被覆を付
ける方法が開示されている。しかし、当該米国特
許に述べられている手順では、予成形管を組込ん
でいるタービンバケツトの製造に適用されたと
き、当該管を破壊する傾向があるだろう。更に、
米国特許第3952939号に開示されているように、
圧力伝達媒体として溶融ガラスを使用するとき
は、溶融ガラス管に入つてしまうおそれがあり、
管を傷めずにこれを除くことは困難であるか又は
ほとんど不可能である。

本願発明によつて、水冷型高温タービン部品を
作る方法が案出された。当該タービン部品は、コ
アと、コアに結合された熱伝導性銅層と、該銅層
内に埋められた、水を通しうる金属管と、外側の
耐食性被覆とを有しているものである。当該方法
では、翼桁と２つの剛性端壁を含む予成形体を形
成する。剛性端壁は、該端壁を貫通する開口を有
し、そして当該端壁の間を形づけるように配置さ
れている。その後、翼桁表面に沿つて多数の冷却
管を置くが、該管は前記端壁の開口を通つて伸び
ている。前記あらかじめ形づけられた空間を、金
属片で囲んで内部空洞を形成し、当該空洞を銅粉
末又はニツケル粉末で満たす。該粉末は、高温等
方静圧によつて固められるが、この間前記管をガ
ス圧に対して開放しておき、そして余分の金属を
機械加工によつて除去し、冷却管を内部に埋め込
んだ熱伝導層を形成する。次いで、熱伝導層のう
えに耐食性被覆を取りつける。

本願発明は、添付図面と以下の説明から一層明
確に理解されよう。

第１図に示されている組立体１０は、ガスター
ビンノズルの製造に有用であつて、翼桁１２を有
し、その両端に端壁１４，１６を取りつけてあ
る。該端壁は、相互に平行に又は同心に取り付け
られている。これらの端壁１４，１６には、翼桁
１２の近くの所定の位置に端壁１４，１６を貫通
して穴あけ又は機械加工された多数の穴１８があ
る。代表的なタービンノズルの製造における次の
段階が、第２図に示されており、ここでは、多数
の管２０が、端壁１４及び１６の穴１８を介して
適所に取り付けられ且つ翼桁１２の外側表面に沿
つて配置されている。更に、管（図示せず）が貫
通している端ブロツク２２が、端壁１４，１６の
間の翼桁１２の後縁に取り付けられる。管の部分
２０が、図示のように、各隣接部材から隔てられ
ている。端壁１４，１６の間にブレース２４が取
り付けられていて、それらの間の支持体として役
立ち且つ次工程で動かないようにする。

第３図では、第２図の組立体が軟鋼片３０で囲
まれているが、ろう接又は溶接した管を開放して
穴１８を残している。第３図に示すように、第２
図の組立体を密封して包囲体３０を形成するが、
これは、完全に密封する前に、銅粉又はニツケル
粉末で充填される。端壁１４（図示されていな
い）及び端壁１６が該容器の２つの側面となる。
軟鋼片３０の薄板が該容器の残りの４つの側面を
形成するが、端壁１４，１６に及び相互に溶接さ
れている。

代表的ノズルの翼桁部分４０の断面図が、第４
図に示されている。翼桁１２の外側面が銅の下層
４２で囲まれているが、この下層には冷却管２０
が埋め込められている。銅粉の高温等方静圧によ
つて形成された銅の下層４２は、機械加工されて
最終形状と寸法になつている。耐食性被覆４４が
銅又はニツケル下層４２をおおつて、ガスタービ
ンの運転状態中に存在する高温雰囲気ガスによる
腐食を防止する。

第５図は、本願の新規な方法のフローシートで
ある。ここでは、端壁を有する予成形体が形成さ
れた点から記載を始める。図解すると、第１図に
示すような予成形体が、インベストメント鋳造又
は鍛造で製造した翼と端壁部分を溶接して製造さ
れる。端壁に一連の穴があけられているが、当該
穴の径は、水運搬管の外径と合つている。コアと
管の表面には次の結合の準備がされる。当該表面
の準備は、ガラス吹付け、蒸気脱脂、そしておそ
らくニツケルめつき及び真空熱処理を含む。適当
な組成と寸法の管が、所定の場所に順応するよう
に曲げられ、それから端壁の所定位置の穴を通つ
て出ている。端壁と翼（airfoil）を冷却する管が
このようにして配置されている。次いで、各端壁
の外側に管を溶接又はろう接するが、当該結合は
気密でなければならない。

ノズルの端壁は、次いで、軟鋼片をそれらに溶
接することによつて容器を形成するように、利用
される。最後の軟鋼片を溶接する前に、軽いガラ
スビーズ吹き付け、水素還元又は他の適当な手段
によつて、全内側表面を清浄にする。容器は銅又
は銅合金粉で振動充填されるが、当該粉は、アル
カン・アルミニウム社（ALCAN Aluminum
Corporation）からMD−銅粉末として市販され
ているもの、又はユナイテツド・ステーツ・メタ
ルズ・リフアイニング社（United States Metals
Refining Company）からAMAX金属粉末として
市販されているようなものである。代替的に、ニ
ツケル又はニツケル合金粉末を使用しうる。次い
で、排気管のついた残りの軟鋼片を適所に溶接す
る。銅粉末による溶接域の汚染を避けるように極
力注意しなければならない。組立体全体に真空漏
洩試験を行う。

組立体は、適当な温度と時間をかけて真空脱ガ
スし、それから真空系からの真空のもとで密封す
る。次いで等方静圧に直接組立体を置いて、温
度、圧力、及び時間の臨界条件を含む適当なパラ
メータのもとで固める。温度は、1500゜〜1900〓
（816゜〜1038℃）であるべきである。温度が1500
〓より低いと、時間が過度に長くなり、温度が
1900〓より高いと、銅を溶かす危険が生じる。有
用な圧力は、含まれる形体の複雑性によつて、１
〜25Kis（0.7〜18Kg／mm²）の範囲にある。また、
温度が低いほど、圧力が大きい。時間は、粉末を
理論密度に密にするのに充分な1/2〜約４時間の
範囲にある。HIP（高温等方静圧）サイクル中、
銅粉末は理論密度の約100％になり、それと同時
に銅層をコアと管に結合する。冷却管は、示され
ているように、オートクレーブ圧の内側へ開いて
いて、つぶれるのを防止してある。HIP手順のあ
と、軟鋼片が機械除去されそして所望のノズル表
面が銅層にまで機械加工される。

最終表面の被覆は、適用できるいくつかの方法
の１つによつて達成しうる。例えば、米国特許第
3928901号に述べられている方法によつて、成形
を行いうる。一方、組立体の銅下層に被覆を組み
付け、被覆の溶接を、全て、漏洩のないように行
い、当該中間構造体を被覆で包み込むことによつ
て、拡散結合が達成される。次いで、高温等圧サ
イクルによつて拡散結合が生じる。好適な被覆材
料は、ニツケル−クロム合金であつて、例えば、
IN−671及びIN−617として、インターナシヨナ
ル・ニツケル社（International Nickel
Company）から市販されているようなものであ
る。これらのニツケル−クロム合金の組成は、基
本的には、50〜80重量％のニツケルと20〜50重量
％のクロムで、好ましい組成は、Ni−50Crであ
る。一層複雑な合金は多数の元素を有し、代表的
なIN−617の組成を次表に示す。

元 素 重量％ クロム 22 アルミニウム １ コバルト 12.5 モリブデン ９ ほう素 0.003 炭 素 0.07 ニツケル 残り 次の実施例によつて本願発明を更に説明する。

実施例 １ 最新設計によつて要求される多くの重要な特徴
を有している複合体について上述した方法の容易
性を示すために実験が計画された。コア構造体が
304ステンレス鋼端壁と翼でもつて溶接製造され
た。溶接前に、端壁の所定位置に1/8インチ（3.2
mm）の穴があけられた。端壁を翼に溶接した後、
翼の凹面に沿つてあけた穴を通して、外径1/8
（32.mm）×壁厚0.035インチ（0.89mm）の347ステン
レス鋼製管が置かれた。更に、管は、端壁との交
点で翼を支えるように曲げられた。全ての管は、
端壁の外側面に溶接された。

内側に翼と管の組立体を包含する容器を形成す
るように端壁に1/16インチ厚（1.6mm厚）の軟鋼
片が溶接された。最後の片を溶接する前に、乾燥
水素中1900〓（1037℃）で、組立体全体が焼鈍さ
れ、表面の酸化膜を全て除いた。見かけ密度3.2
ｇ／cm²（理論密度の36％）を有する電気銅粉末が
当該容器に充填された。適所に排気管を溶接した
最終片が、最後の端壁表面に溶接され、完全に溶
接した容器とした。次いで、漏洩のない緊密性を
確かめるため、全ての溶接部において、質量分光
計による漏洩テストを組立体に行つた。排気管の
鍛接前に、1000〓（538℃）で40時間にわたり、
容器を高温脱ガスした。

組立体は、1800〓（982℃）−15Ksi（11Kg／
mm²）−２時間で、高温等方静圧をかけられた。オ
ートクレーブから取り出した後、容器は室温まで
空冷された。加圧後の容器にＸ線をかけたとこ
ろ、若干の管移動があつたことが示されたが、管
のつぶれは避けられた。更に、視覚検査で、オー
トクレーブサイクル中に軟鋼製容器に割れが発生
したことが示された。これは金属学顕微鏡試験で
立証されたが、それによると粉末が約90％密度に
なつていることが示されたし、一方、ステンレス
鋼表面への銅の結合が部分的に達成されていた。
それにもかかわらず、銅と銅合金粉末の密度化と
管含有複雑コア構造体への結合とを同時に行う粉
末冶金の解決手段が容易であることがこの実験に
よつて確かめられた。

実施例 ２ この実験は、実施例１に使用されたものを代表
する形状物に銅粉末を完全に結合し密にする本願
発明の可能性を確認するために行われた。更に、
この実験は、結合線構造、密になつた銅の組織を
評価するものであつたし、粉末冶金技術により高
水準の電導性（及び熱伝導性）が得られることを
立証するものであつた。この実験のために、２つ
の端壁と中央支柱と４つの管からなるいくぶん簡
単な構造体が使用された。全ての表面に１〜２ミ
ル（25〜50μ）のニツケルめつきを行いそして
1900〓（1038℃）−１時間の真空熱処理をした。
実施例１の場合のように、端壁を包んで軟鋼製容
器が溶接製造されそしてガラス吹付けで溶接部を
清浄にした。容器内部は、−60メツシユのアルゴ
ン噴霧化OFHC銅粉末で充填されそして頂蓋−排
気管が適所に溶接された。溶接金属への銅のまき
込みを防止するように最大の注意がはられた。溶
接後、組立体は漏洩検査をして、真空脱ガスしそ
して鍛接密封した。

高温等方静圧前に、銅粉末を予備密度化しそし
て高温等方静圧サイクル中における容器壁移動の
大部分を除くために、60Ksi（42Kg／mm²）で冷間
等方静圧を組立体にかけた。圧縮体は、1800〓
（982℃）−10Ksi（７Kg／mm²）−２時間で高温等方
静圧をかけられた。その後、圧力を維持しつつ、
温度を1112〓（600℃）に下げて、圧縮体をオー
トクレーブから取り出して空冷した。完全な密度
化と結合が明白であつた。銅とステンレス鋼管結
合線の組織は、勝れた性質のものであつた。密に
なつた銅粉末の組織全体が、充分に焼鈍された錬
銅のそれに極めて似ている。密になつた銅の電導
率は、100％IACSであると測定された。

この実験は、複雑な複合部品の製造に粉末冶金
結合技術が適用しうることを立証した。当該部品
は超高温タービン熱ガス流路金物用であつて水冷
を行うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、代表的なガスタービンノズル製造用
の翼桁−端壁組立体の斜視図であつて、あらかじ
めあけた穴を有し、本願発明の方法に使用する組
立体を示す、第２図は、第１図の翼桁−端壁組立
体に管と後端ブロツクを取り付けたものの斜視図
である、第３図は、第２図の組立体を軟鋼片で囲
んだものの斜視図である、第４図は、代表的ガス
タービンノズルの断面図であつて、本願発明の方
法によつて準備されうるものを示す、第５図は、
本願発明のフローシートを示す。 １２……翼桁、１４，１６……端壁、２０……
冷却管、４４……被覆。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 次の諸段階からなる水冷型高温タービン物品
   を製造する方法、 (a) 翼桁と二つの剛性端壁を有し、該端壁がそれ
   らを通つて伸びる開口を有し且つそれらの間に
   空間を形づけている予成形体を形成する、 (b) 翼桁の表面上の位置に沿つて且つ端壁の開口
   を通つて伸びるように多数の冷却管を置き、該
   管と端壁の間に漏れの無い緊密な結合部を形成
   する、 (c) あらかじめ形づけた空間を金属片で囲んで、
   内部空洞を形成し、 (d) 銅、銅合金、ニツケル及びニツケル合金から
   なる群から選ばれた金属粉末で前記内部空洞を
   充填し、 (e) 前記管をガス圧に対して開放したままにおい
   て、高温等方静圧によつて前記粉末を固めて、 (f) 機械加工により余分の金属を除去して、冷却
   管を中に埋め込んだ熱伝導層を形成し、そして (g) 前記熱伝導層のうえに耐食性被覆を取り付け
   る。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   前記予成形体を、ニツケル基合金とクロム−ニツ
   ケル−鉄合金からなる群より選ばれた合金から鋳
   造する、方法。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の方法において、
   前記管をクロム−ニツケル−鉄合金から形成す
   る、方法。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の方法において、
   管がモネル製である、方法。 ５ 特許請求の範囲第２項記載の方法において、
   耐食性被覆が、基本的に、50〜80重量％ニツケル
   と20〜50重量％クロムからなる合金である、方
   法。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   金属粉末が銅又は銅合金である、方法。 ７ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   金属粉末がニツケル又はニツケル合金である、方
   法。 ８ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   高温等方静圧が、1500〜1900〓（816〜1038℃）
   の温度、１〜25Ksi（0.7〜18Kg／mm²）の圧力で
   0.5〜４時間の時間にわたり行われ、本質的に理
   論密度をもたらす、方法。 ９ 特許請求の範囲第８項記載の方法において、
   前記予備成形体がクロム−ニツケル−鉄合金から
   鋳造され、金属粉末が銅であり、耐食性被覆が
   Ni−50Crである、方法。 １０ 特許請求の範囲第８項記載の方法におい
   て、高温等方静圧が1800〓（982℃）、10Ksi（７
   Kg／mm²）で２時間にわたり生ずる、方法。