KR20060049907A - 인베스트먼트 주조 - Google Patents

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KR20060049907A
KR20060049907A KR1020050060980A KR20050060980A KR20060049907A KR 20060049907 A KR20060049907 A KR 20060049907A KR 1020050060980 A KR1020050060980 A KR 1020050060980A KR 20050060980 A KR20050060980 A KR 20050060980A KR 20060049907 A KR20060049907 A KR 20060049907A
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KR1020050060980A
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주니어. 존 제이. 마신
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

물품은 물품의 형상에 적어도 부분적으로 대응하는 형상을 갖는 주형 쉘에 망상 코어 요소를 제공함으로써 제조될 수 있다. 용융 금속 물질이 쉘에 주입되어, 망상 코어 요소 내에 적어도 부분적으로 침투시킨다. 용융 금속 물질이 고형화하게 된다. 쉘 및 망상 코어 요소가 제거된다. 제거로 인해, 하나 이상의 가스 투과성 다공 영역을 갖는 물품을 남긴다.
망상 코어, 비망상 코어, 에어포일, 선단 에지, 후단 에지

Description

인베스트먼트 주조 {INVESTMENT CASTING}
도1은 본 발명의 원리에 따른 가스 터빈 엔진 블레이드의 도면.
도2는 선 2-2를 따라 취한 블레이드의 플랫폼의 단면도.
도3은 도1의 블레이드의 팁 영역의 도면.
도4는 도3의 팁 영역의 중간 단면도.
도5는 도1의 블레이드의 에어포일의 후단 에지부의 스트림와이즈 단면도.
도6은 대체 팁 영역의 횡방향 단면도.
도7은 도1의 블레이드의 에어포일의 중간부의 부분 흐름 단면도.
도8은 블레이드 외부 공기 시일의 도면.
도9는 선 9-9를 따라 취한, 도8의 블레이드 외부 공기 시일의 단면도.
도10은 대체 블레이드 외부 공기 시일의 단면도.
도11은 도10의 블레이드 외부 공기 시일을 형성하는 코어의 도면.
도12는 가스 터빈 엔진 베인의 도면.
도13은 선 13-13을 따라 취한, 도12의 베인의 베인의 에어포일의 부분 흐름 단면도.
도14는 제1 코어 부착물의 단면도.
도15는 제2 코어 부착물의 단면도.
도16은 제3 코어 부착물의 단면도.
도17은 제4 코어 부착물의 단면도.
도18은 제5 코어 부착물의 단면도.
도19는 제6 코어 부착물의 단면도.
여러 도면에서 동일한 도면 부호 및 지시는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
본 발명은 인베스트먼트 주조(investment casting)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 냉각 부품의 인베스트먼트 주조에 관한 것이다.
인베스트먼트 주조는 복잡한 형상을 갖는 금속 구성 요소, 특히 중공 구성 요소를 형성하는 데 일반적으로 사용되는 기술이고, 초합금 가스 터빈 엔진 구성 요소를 제조하는 데 사용된다.
가스 터빈 엔진은 항공기 추진 수단, 전력 발전기, 선박 추진 수단 및 펌프에 널리 사용된다. 가스 터빈 엔진의 적용시에, 효율이 주요 목적이다. 개선된 가스 터빈 엔진 효율은 보다 높은 온도에서 작동함으로써 얻어질 수 있지만, 터빈 섹션에서 유동 작동 온도는 터빈 구성 요소에 사용되는 초합금 물질의 용융점을 넘어선다. 결국, 공냉을 시키는 것이 일반적인 방식이다. 일반적으로, 냉각은 엔진의 압축기 섹션으로부터 냉각될 터빈 구성 요소 내의 통로를 통해 냉각 공기를 유동시킴으로써 행해진다. 이러한 냉각은 엔진 효율에 관련 비용을 발생시킨다. 결 국, 주어진 양의 냉각 공기로부터 얻어지는 냉각 효율을 최대화하여 향상된 비열 냉각을 시키려는 강한 욕구가 있다. 이는 세밀하고 정밀하게 위치된 냉각 통로 섹션을 이용함으로써 얻어질 수 있다.
잘 발달된 분야가 블레이드(blade)/베인(vane), 시일(seal)/덮개 및 연소실 구성 요소와 같은 내부 냉각 터빈 엔진 부품의 인베스트먼트 주조와 관련하여 존재한다. 예시 공정에서, 하나 이상의 주형 공동을 구비한 주형이 준비되고, 각각의 공동은 일반적으로 주조되는 부품에 대응하는 형상을 갖는다. 주형을 준비하는 예시적인 공정은 부품의 하나 이상의 왁스 모형의 사용을 포함한다. 모형은 일반적으로 부품 내에서 냉각 통로가 될 세라믹 코어 위에 왁스를 틀에 넣어 만들어서 형성된다. 외형 공정에서, 세라믹 쉘(ceramic shell)이 공지된 방식으로 하나 이상의 이러한 모형 둘레에 형성된다. 왁스는 압력솥에서 용융함으로써 제거될 수 있다. 쉘은 구워져서 쉘을 경화시킨다. 이는 하나 이상의 부품 형상 격실을 구비한 쉘을 포함하는 주형을 남기는데, 이러한 격실은 냉각 통로를 형성하는 세라믹 코어를 포함한다. 그리고 나서, 용융 합급이 부품을 주조하는 주형에 주입될 수 있다. 합금을 냉각하여 고형화시킨 후, 쉘과 코어는 성형된 부품으로부터 열적, 기계적 및/또는 화학적으로 제거될 수 있다. 그런 다음, 부품은 하나 이상의 단계에서 기계 가공되고, 처리되거나/처리되고 피복될 수 있다.
세라믹 코어는 경화 금속 다이(die) 내에 주입하여, 세라믹 파우더 및 결합제 물질의 혼합물을 성형함으로써 형성될 수 있다. 다이로부터 제거한 후, 가공되지 않은 코어는 결합제를 제거하도록 열적으로 사후 처리되고, 세라믹 파우더를 함 께 소결하도록 구워진다. 보다 정교한 냉각 특성에 대한 경향은 코어 제조 기술에 영향을 끼쳐 왔다. 정교한 특징은 제조하기 어려울 수 있거나/있고, 제조되었을 때 부서지기 쉬울 수 있다. 일반 양도되어 미결정 중인 샤(Shah) 등의 미국특허 제6,637,500호는 세라믹 및 내화성 금속 코어 조합체의 대표적인 사용을 개시하고 있다. 다른 형상이 가능하다. 일반적으로, 세라믹 코어는 통형 통로와 같은 큰 내부 특성을 제공하지만, 내화성 금속 코어는 출구 통로와 같은 보다 정교한 특성을 제공한다.
미국특허 제4,789,140호는 초합금의 주조와 양립 가능한 세라믹 폼 다공성 물질을 개시합니다. 미국특허 제4,697,632호는 평탄한 외부 면을 갖는 코어를 형성함에 있어서 이러한 물질의 사용을 개시한다. 미국특허 제6,648,596호는 세라믹 폼을 포함하는 팁 영역을 구비한 에어포일을 개시한다.
미국특허 제6,544,003호는 적어도 개방 셀 고체 세라믹 폼의 일부분에 만들어지는 에어포일을 구비한 터빈 엔진 블리스크(blisk)를 개시한다.
본원 발명의 일 실시예는 물품을 제조하는 방법을 포함한다. 망상 코어 요소가 적어도 부분적으로 물품의 형성에 해당하는 형상을 갖는 주형 쉘에 제공된다.용융된 금속 물질이 망상 코어 요소 내에 적어도 부분적으로 침투시키기 위해 쉘에 주입된다. 용융된 금속 물질이 고형화하게 된다. 쉘 및 망상 코어 요소가 파괴적으로 제거된다. 망상 코어 요소를 제거하면, 물품이 하나 이상의 가스 투과성 다공 영역과 함께 남는다.
다양한 실시에서, 다공 영역은 화학적으로 확장될 수 있다. 고형화된 금속 물질은 금속 기판과 통합될 수 있다. 상기 방법은 터빈 엔진 블레이드 외부 공기 시일을 만드는 데 사용될 수 있는데, 고형화된 물질은 시일의 외부 표면부를 형성한다. 상기 방법은 터빈 엔진 에어포일 요소를 만드는 데 사용될 수 있는데, 고형화된 물질은 에어포일 또는 요소 플랫폼의 외부 표면부를 형성한다. 망상 코어 요소는 망상 유기 물질을 슬러리(예컨대, 세라믹 또는 금속)로 피복하고 나서 굽는 단계, 망상 유기 물질을 금속층으로 피복하는 단계 및 망상 금속 물질을 슬러리로 피복하고 나서 망상 금속 물질을 제거하는 단계 중 어느 하나 이상에 의해 형성될 수 있다. 망상 코어 요소는 본질적으로 제1 특징 구멍 크기(선택적으로 다공성의 체적비와 같은 다른 다공성 특징)의 제1 영역 및 제1 특징 구멍 크기보다 작은 본질적으로 제2 특징 구멍 크기(또는 다른 다공성 특징)의 제2 영역을 가질 수 있다. 망상 코어 요소는 비망상 코어 요소와 통합될 수 있다. 비망상 코어 요소는 하나 이상의 이송 통로를 형성할 수 있다. 다공 영역은 하나 이상의 이송 통로와 연통하는 출구 통로일 수 있다. 상기 방법은 가스 터빈 엔진 요소를 제조하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 망상의 제1 부분 및 비망상의 제2 부분을 포함하는 희생 인베스트먼트 주조 코어를 포함한다.
다양한 실시에서, 제2 부분은 터빈 에어포일 요소에서 하나 이상의 이송 통로를 형성하기 위해 형상화될 수 있다. 제1 부분은 하나 이상의 출구 통로를 하나 이상의 이송 통로로부터 적어도 부분적으로 형성하기 위해 형상화될 수 있다. 제1 부분은 제2 부분으로부터 돌출할 수 있다. 제1 부분은 세라믹 층을 통해 제2 부분에 고정될 수 있다. 제1 부분은 제2 부분에 대한 제1 부분의 기계적인 백-로킹(back-locking)을 통해 제2 부분에 고정될 수 있다. 제1 부분은 제1 부분 및 제2 부분 각각에서 오목부에 수용되는 부분을 갖는 하나 이상의 핀을 통해 제2 부분에 고정될 수 있다. 제1 부분은 제2 부분으로부터 제1 부분과 제2 부분 사이의 간격으로 이격되어 유지될 수 있다.
이러한 코어는 제2 부분을 세라믹 접착제를 통해 제1 부분에 고정하는 단계, 제2 부분을 제1 부분에 용접하는 단계, 제1 부분 및 제2 부분을 제1 부분 및 제2 부분의 관련 오목부에 수용된 하나 이상의 핀을 통해 결합하는 단계, 및/또는 다른 적당한 방법 중 적어도 하나를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 기판 내에서 냉각 통로 시스템과 함께 주물 금속 기판을 갖는 제조 물품을 포함한다. 냉각 통로 시스템은 냉각 가스를 수용하는 하나 이상의 이송 통로를 포함한다. 냉각 통로 시스템은 하나 이상의 이송 통로로부터 냉각 가스를 배출하고 망상 통로 부분을 구비한 하나 이상의 출구 통로를 포함한다.
다양한 실시에서, 기판은 중량면에서 물품의 주요 부분을 형성할 수 있다. 기판의 금속은 합금의 단일 연속 조각일 수 있다. 기판의 금속은 철계, 니켈계 또는 코발트계 초합금일 수 있다. 물품은 내부 단부와 외부 단부 사이에서 뻗어 있는 에어포일을 구비하고 압력측 표면과 흡입측 표면을 구비한 터빈 요소일 수 있다. 망상 부분은 에어포일의 측벽 내에 위치될 수 있다. 망상 부분은 에어포일의 후단 에지 출구를 형성할 수 있다. 망상 부분은 터빈 요소의 플랫폼 내에 위치될 수 있다. 다중 위치에서 다중 망상 부분이 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 세부 사항은 아래의 첨부 도면 및 기재에서 설명된다. 본 발명의 특징, 목적 및 장점은 기재 및 도면, 청구항으로부터 명백할 것이다.
도1은 가스 터빈 엔진 블레이드(20)(예컨대 엔진의 터빈 섹션으로부터)를 도시한다. 블레이드는 단일하게 형성된 금속 주조를 포함할 수 있고, 선택적으로 열적 보호 및/또는 화학적 보호를 위해 피복될 수 있다. 예시적인 블레이드(20)의 일반적인 형상은 예를 든 것일 뿐이다. 블레이드는 플랫폼(26)의 루트(24)로부터 팁(28)까지 뻗어 있는 에어포일(22)을 포함한다. 에어포일은 선단 에지(34) 및 후단 에지(36) 사이에서 뻗어 이는 압력 측면(30) 및 흡입 측면(32)을 갖는다. 디스크 부착부(38) (예컨대, 소위 전나무 블레이드 부착 루트)는 플랫폼(26)(예컨대, 엔진 중심선으로부터 멀어지는 방향이기 보다는 오히려 엔진 중심선으로 향하는 방향을 나타내는 디펜딩/내부/저면)의 저면으로부터 의존한다. 기재된 바와 같이, 블레이드는 다양하게 알려지거나 발달된 일반적인 형상일 수 있다.
그러나, 예시적인 블레이드(20)는 열 전달을 촉진하거나/촉진하고 중량을 조절하기 위한 하나 이상의 몇가지 개선 사항을 포함할 수 있다. 도1은 향상된 열 전달 영역(42)을 포함하는 플랫폼(26)의 선단 에지(40)를 도시한다. 실시예에서, 향상된 열 전달 영역(42)이 주변으로 신장하여, 플랫폼(26)의 제1 및 제2 주변 측 면에 인접한 제1 단부(44) 및 제2 단부(46) 사이 및 플랫폼의 선단 단부(50)에 가까운 선단 측면(48)(도2)과 에어포일에 가까운 후단 측면(52) 사이에서 뻗어 있다. 향상된 열 전달 영역(42)에서, 주물 금속이 그물 모양으로 만들어져서, 영역에 다공성 및 투과성의 정도를 제공한다. 영역(42)은 플랫폼(26)의 인접한 외부 표면(56)과 일반적으로 연속하는 외부 경계(54)를 갖는다. 영역(42)은 플랫폼(26) 내에 내부 경계(58)를 갖는다.
실시예에서, 주물의 나머지와 함께 단일하게 형성될 지라도, 영역(42)은 기부(60) 및 측방 주변부(62)를 구비한 비망상 금속의 구획 내에 포획된 것처럼 보인다. 다른 실시예에서, 망상 금속은 분리하여 형성될 수 있다(예컨대, 최종 형태 또는 최종 형태에 가가운 망상 예비형성체를 침투시키고 나서, 예비형성체를 제거하거나 균일한 금속 폼 블록(metallic foam block) 또는 다른 조각으로부터 절삭./기계가공함으로써). 그런 다음, 용접 또는 확산 접합에 의한 것과 같은 비망상 금속(예컨대, 주물)과 일체화될 수 있다. 실시예에서, 이러한 가상의 구획은 보이지 않는 구획이 아니기 때문에, 영역(42)은 비망상 금속 내에 보이지 않게 위치하지 않는다. 주변 표면(66)을 구비한 통로(64)는 영역(42)으로부터 플랫폼(26)의 내부 표면 또는 저면(68)까지 뻗어 있다. 통로(64)는 저면(68)으로부터 통로(64) 및 영역(42)을 통해서 가스를 연통시켜서 경계(54)를 벗어난다. 압력 기울기에 따라, 역방향으로 연통될 수 있다. 본질적으로 냉각 공기로 이루어진 가스를 연통시키면, 영역(42)의 높은 비표면적은 열 전달을 향상시켜서 플랫폼을 냉각시킨다. 다른 실시예에서, 영역(42)은 내부 플랫폼 표면(68)과 외부 플랫폼 표면(56) 사이에 서 연장된다. 다른 실시예에서, 영역(42)은 보이지 않을 수 있다(예컨대, 통로와 연통하지 않음). 보이지 않는 상황이라면, 영역(42)과 표면(56) 및 경계(54)에 대한 가스 유동 사이에서 향상된 열전달의 적당한 정도가 있다.
아래에서 더 상세히 설명된 바와 같이, 영역(42)은 망상 주조 코어 요소(예컨대, 알루미나, 실리카, 지르코니아 및/또는 지르콘과 같은 세라믹 폼)를 사용함으로써 형성될 수 있다. 최종 주조에서 (하나 이상의 실질적으로 비망상형 세라믹 또는 기타 코어를 포함할 수 있는) 쉘 인베스트먼트 주조 모형 내에 포함된 망상 주조 코어 요소를 갖는다면, 망상 세라믹 코어를 침투하는 금속은 본질적으로 역 망상조직을 가질 것이다. 금속을 경화시킨 후, 다공성 및 투과성을 갖는 영역(42)을 남기고 세라믹은 화학적으로 제거될 수 있다. 또한, 다공성 및 투과성은 영역(42)의 주형 금속의 연속 화학 에칭에 의해 향상될 수 있다.
이러한 주조 코어를 위한 망상 폼(foam)은 상호 연결된 셀형 공간과 함께 산재된 상호 연결 3차원 웹과 비슷하다. 금속이 폼 내에서 주조될 때, 금속은 공간의 형태를 갖는다. 폼이 제거되면, 금속의 세공(pore)은 폼의 연장된 상호 연결 웹 구조를 갖는다. 예시적인 폼은 50ppi(인치당 세공수)부터 5ppi까지 세공 크기를 갖는다. 보다 좁은 대표적인 범위는 30ppi부터 10ppi까지이다. 많은 망상 폼에서, 세공들 사이에서 폼 재료의 두께는 세공 크기와 함께 증가하거나 감소하다. 이와 같이, 작은 세공 크기(예컨대, 50ppi)를 갖는 폼 재료는 더 큰 세공 크기를 갖는 재료보다 더 미세한 통로, 더 큰 비표면적(이로 인한, 열 전달) 및 유동에 대한 더 큰 저항을 갖는 금속 부품을 주조하기 쉽다. 주조 금속의 세공/통로 크기는 여러 방식으로 특징될 수 있다. 하나의 변수는 주조를 통해 섹션을 만들어서 섹션을 따라 세공의 선형 치수를 측정하는 것을 포함한다. 세공의 연신 특성으로 인해, 최소 횡단 치수를 통로의 길이에 수직한 치수의 특성으로 보이게 할 수 있다. 30ppi 폼으로부터 제조된 주물의 조사에서, 횡단 치수는 1 내지 3 mil(300 내지 1100μ)의 근처에 있고, 평균적으로 2 mil(550μ)에 근접한다. 20ppi 폼이라면, 1.5 내지 5 mil(350 내지 1300μ)이고, 평균적으로 3 mil(760μ)에 근접한다. 10ppi 폼이라면, 3 내지 7 mil(800 내지 1700μ)이고, 평균적으로 4 mil(1000μ)에 근접한다.
다른 변수는 다공성의 체적비이다. 이러한 변수를 위해, 주조 부품의 특성은 폼 코어의 특성과 반대로 변화한다. 이와 같이, 10%의 다공성의 주조 부품 체적비를 달성하기 위해, 폼 코어는 본질적으로 90%의 다공성의 체적비를 갖는다. 다공성의 예시적인 주조 체적비는 10 내지 50%이고, 보다 좁게는 15 내지 30%이다.
도3은 팁(28)에 인접한 에어포일의 부분 내에서 망상 영역(80)의 폼에 향상을 도시한다. 영역(80)은 외부 경계(82) 및 비망상 재료의 벽 영역(86)에 의해 둘러싸여진 주연부(84)를 갖는다. 영역(80)은 블레이드 내의 내부 이송 통로(90)에 인접한 내부 경계(88)(도4)를 갖는다. 동작시에, 통로(90)로부터 냉각 공기는 내부/내부 경계(88)에 들어가고, 영역(80)을 통해 지나가서, 외부/외부 경계(82)를 나간다. 예시적인 내부 경계(88)는 통로(90)를 분리하는 벽(92)의 외부 단부와 연속될 수 있다.
도4는 통로(90)의 후단로으부터 출구 슬롯을 형성하는 망상 영역(100)의 형 태에서 개선을 도시한다. 예시적인 망상 영역(100)은 플랫폼(26) 근방의 내부 단부 및 팁(28) 근방의 외부 단부 사이에서 연장되고, 선단 한계/경계(102) 및 후단 한계/경계(104)와 압력측 한계/경계(106) 및 흡입측 한계/경계(108)를 갖는다. (도5)
영역(80, 100)은 도1의 영역(42)과 동일한 방식으로 형성될 수 있다. 예컨대, 대응하는 형상의 세라믹 폼 전구체(precursor)는 초기에 제조될 수 있다. 이는 이송 통로를 형성하기 위한 비망상 세라믹 코어 및/또는 부가적인 외부 세라믹 구성요소에 결합될 수 있다. 이러한 외부 세라믹 구성요소는 모형을 형성하기 위해 왁스를 오버몰딩하는 동안 망상 코어 및 이송 코어를 위치시키고, 적용된 세라믹 쉘에 끼워 넣어질 수 있다.
도6은 다른 다공성/투과성의 소영역(120, 122)을 갖는 대체 팁 망상 영역을 도시한다. 실시예에서, 망상 영역은 통로(90)와 연통하는 에어포일의 팁 부분을 형성한다. 선단 소영역(120)은 압력 측벽부(124) 및 흡입 측벽부(126)를 연결하고, 말단/외부 소영역(132)의 내부 경계인 외부 경계(130)를 공유한다. 예시적인 망상 영역은 압력측 표면(30) 및 흡입측 표면(32)의 나머지와 연속하는 표면/경계 부분을 포함한다. 실시예에서, 내부/선단 소영역(120)은 외부/말단 소영역(122)보다 큰 다공성(예컨대, 더 크거나/크고 더 많은 공간)을 갖는다. 이로 인해, 공기는 통로로부터 외부/말단 소영역(122)을 통하는 것보다 내부/선단 소영역(120)을 통해 보다 자유롭게 통과할 수 있다. 공기의 주요 부분은 경계(130)를 통해 통과하고 제2 소영역(122)의 압력측 경계 및 흡입측 경계와 외부 말단/경계(132)로부터 나가는 더 작은 부분과 함께 내부/선단 소영역(122)의 압력측 경계부 및 흡입측 경계부를 나갈 수 있다. 제2 소영역(122)의 보다 낮은 다공성은 제1 소영역(120)보다 큰 강도와 마모 저항을 제공할 수 있다. 제2 소영역(122)의 다공성은 러브 스트립(엔진에 다른 손상을 피하도록)과 접촉하는 파괴 변형의 바람직한 정도를 제공하도록 최적화되면서, 연속 작동(제2 소영역(122)을 소모하게 하는 러브 스트립 접촉의 다공성을 포함하는)을 가능하게 하도록 강도의 적절한 정도를 제공한다. 이러한 실시예는 두 개의 망상 코어를 비망상 코어 및 부가적인 외부 구성요소에 고정함으로써 만들어질 수 있다. 제1 소영역(120)을 형성하는 코어는 제2 소영역(122)을 형성하는 망상 코어보다 작은 다공성을 갖는다.
도7은 압력측 측벽(124) 및 흡입측 측벽(126) 내의 다른 망상 영역(140, 142)을 도시한다. 각각의 망상 영역은 관련 압력측 표면(30) 또는 흡입측 표면(32)의 잔존 부분과 인접하는 외부 경계 및 관련 통로(90)를 따라서 내부 경계를 갖는다. 실시예에서, 망상 영역은 블레이드를 따라 익장방향으로 연신될 수 있다. 도1은 블레이드 길이의 주요 부분을 따라 뻗어 있는 각 영역(140)을 도시한다. 보다 짧은 영역(예컨대, 익장의 적어도 20% 또는 30% 이상으로 뻗어 있음)이 가능하다.
도8은 내부 표면(204), 외부 표면(206), 주연으로 연장된 기수 및 후미 단부/말단(208, 210), 종방향으로 연장된 단부/말단(212, 214)을 구비한 본체(202)를 갖는 블레이드 외부 공기 시일(BOAS)(200)을 도시한다. L-형 장착 브라켓(216, 218)의 그룹은 본체와 일체형으로 형성되고 기수 및 후미 단부에 가까운 외부 표면 (206)으로부터 뻗어 나온다. 실시예에서, 다수의 냉각 구멍(220)은 내부 표면(204)을 관통하고, 다수의 구멍(222)은 각각의 주연 단부 표면(212, 214)을 관통한다. 구멍(220)은 표면(204)에 대해 수직한 방향의 중심선을 가지며, 바람직한 막 냉각 유동을 제공한다. 구멍(220, 222)은 중심 공간(230)과 연통한다(도9). 공간(230)은 내부 본체 벽부(232) 및 외부 본체 벽부(234)를 분리시킨다. 부가적인 냉각을 위해, 외부 부분에 외부 표면(206)의 나머지 부분과 연속하는 외부 경계를 갖는 망상 영역(240)을 제공한다. 망상 영역(240) 및 통로(242)는 냉각 공기 입구 유동을 구멍(220, 222)을 통해서 출구 유동을 이송하기 위한 공간에 제공한다. 변화와 제조 방법은 블레이드 망상 영역에 대해 앞서 기재된 것과 유사할 수 있다. 예컨대, 비망상 세라믹 코어는 공간(230)을 형성할 수 있다. (예를 들어 세라믹 접합제를 통해) 비망상 세라믹 코어와 단일하게 형성되거나 비망상 세라믹 코어에 고정된 것은 영역(240)을 형성하는 망상 세라믹 코어에 연결되는 통로(242)를 형성하는 기둥일 수 있다. 비망상 코어의 유사 부분 또는 이에 고정되는 비망상 코어는 통로(222 및/또는 220)를 형성하거나, 이들은 주조 후에 천공될 수 있다. 또한, 통로(242) 및/또는 구멍(220 및/또는 222)은 망상 코어 또는 코어부에 의해 그물 조직화되고 형성될 수 있다.
도10은 공간이 대응하는 형상/크기의 망상 영역(250)에 의해 대체되는 블레이드 외부 공기 시일(200)의 다른 실시예를 도시한다. 이는 외부 표면에서 부가적으로 눈에 보이지 않거나 개방된 망상 영역 및/또는 천공되거나 주조된 입구 구멍과 조합될 수 있다.
도11은 망상 영역(250)을 형성하는 본체(262)를 구비한 망상 세라믹 코어(260)를 도시한다. 단일하게 형성되거나 일체로 고정된 망상 또는 비망상 세라믹 기둥(264)은 도면 부호 "222"와 같은 통로를 형성하는 본체(262)의 주연 및/또는 종방향 단부로부터 돌출한다. 부가적인 망상 및/또는 비망상 코어 및/또는 코어 조합체는 본체(262)의 표면(예컨대, 입구 통로를 형성하는 외부 표면)에 고정될 수 있다. 제조시, 코어(260)는 BOAS의 내부 및 외부 부분을 형성하기 위해 미리 성형된 왁스 모형 요소에 조립된다. 예컨대, 두 부분은 핀/기둥(264)의 공통 중심면을 따라서 만날 수 있다. 하나 이상의 기둥(264) 각각은 적용된 쉘 내에 포획하기 위해 조립된 왁스로부터 돌출할 수 있어서, 왁스를 제거하고 나서 용융된 금속을 주입하는 동안 쉘 내의 위치에 코어(260)를 유지한다. 또한, 왁스 또는 상기 부분은 코어(260)에서/코어(260)에 대해서 직접 성형될 수 있다.
도12는 내부 덮개(304) 및 외부 덮개(306) 사이에서 연장되는 에어포일(302)을 구비한 베인(300)을 도시한다. 에어포일은 앞서 언급한 블레이드 에어포일의 냉각 특성과 비슷한 냉각 특성을 가질 수 있다. 내부 및/또는 외부 덮개는 블레이드 플랫폼 및/또는 BOAS의 망상 영역과 유사한 망상 영역을 갖는다. 예시적인 망상 영역은 선단 에지 망상 영역(320)의 유동방향 및 익장방향 배열 및 연신 압력측 및 흡입측 영역(322)의 유동 방향 및 익장 방향 배열을 포함한다. 예시적인 영역(320)은 비교적 비연신 섹션(예컨대, 원형)이다. 영역(322)은 본질적으로 직선형이다. 영역(322)이 관련 에어포일 표면에서 익장 방향으로 연신되는 것으로 도시된다. 그러나, 영역(322)은 회선형 유동 방향 섹션을 갖는다. 예컨대, 도13은 공 동(90)에서 관련 에어포일의 내부 표면으로부터 연장되고 이러한 표면에 대해 대체로 수직하는 제1 부분(324)를 포함하는 유동방향 섹션을 도시한다. 제2 부분(326)은 벽 내에서 연장되는데, 대체로 벽에 평행하다. 제3 부분(328)은 관련 압력측 표면 또는 흡입측 표면으로 연장된다. 벽 내에 있는 부분(326)의 개선된 길이는 향상된 열 전달을 제공한다.
다양한 부착 수단이 비망상 코어에 망상 코어를 고정하는 데 이용될 수 있다. 도14는 세라믹 코어(402)의 평탄하고 연속적인 표면(406) 상에 있는 세라믹 접합제(404)로 비망상 세라믹 코어(402)에 고정된 망상 세라믹 코어(400)를 도시한다.
도15는 다른 실시예를 도시하는데, 비망상 세라믹 코어(410)가 바람직한 위치/배향으로 망상 코어(414)를 정합하고 유지하기 위한 특징부(412)를 갖는다. 특징부(412)는 망상 코어(414)의 상보성 특징부(418)를 수용하는 코어(410)의 인접 표면(416)에 오목부를 포함한다. 실시예에서, 특징부(418)는 코어(414)의 본체(422)로부터 돌출하고 간격(426)을 만들기 위해 본체의 인접 표면(424)이 표면(416)으로부터 이격되도록 하는 기둥(420)의 단부 부분을 포함한다. 세라믹 접합제(428)는 특징부(412, 418)을 서로 고정시킬 수 있다.
도16은 비망상 코어 정합 및 유지 특징부가 더브테일(dovetail) 슬롯(430)을 포함하고 망상 코어의 상보성 부분은 더브테일 돌출부(432)를 포함하는 변형예를 도시한다. 돌출부는 슬롯 내로 활주되어, 코어를 조립한다. 이러한 기계적 백-로킹 효과(back-locking effect)로 인해, 세라믹 접합제(434)는 선택적이다. 본체를 구비한 망상 코어와 비망상 코어로부터 본체를 이격시키는 다중 돌출부에 대해서 설명했지만, 본체가 없거나/없고 간격이 없는 다른 실시예가 가능하다.
도17은 분리 가능하게 형성된 핀(444)과 세라믹 접합제(446)를 통해 비망상 코어(442)에 망상 코어(440)를 부착하는 것을 도시한다. 핀은 직선형이거나 하나 또는 모든 코어의 상보성 특징부와 직접 결합하거나 더욱 견고하게 접착제와 결합시키기 위한 백-로킹 특징부를 가질 수도 있다.
다른 실시예에서, 부착 기둥은 비망상 코어나 망상 코어와 단일하게 형성될 수 있다. 예컨대, 도18은 단일 비망상 코어(452)의 유지 부분으로부터 돌출하고 망상 코어(456)에서 대응하는 구멍(454)에 의해 수용되는 부착 기둥(450)을 도시한다. 세라믹 접합제(458) 층은 2개의 코어를 연결할 수 있다.
도19는 제자리 세라믹(474)(cast-in-place ceramic)에 의해 연결된 미리 형성된 망상 코어(470) 및 비망상 코어(472)를 도시한다. 제자리 세라믹(474)은 코어에 상보성 백-로킹 오목부(478, 480)를 채우는 백-로킹 돌출부(476)를 형성할 수 있다. 또한, 백-로킹 돌출부는 관련 오목부를 형성하는 주조 가능한 세라믹으로 코어(470, 472)의 하나 또는 모두에 형성될 수 있다. 예컨대, 코어(470, 472)는 다이(die)에 위치되고, 주조 가능한 세라믹(예컨대, 알루미나계 또는 실리카계 자연 가수분해 물질)이 코어 사이의 공간에 주사되며, 고형화하기 위해 건조하거나 경화시킨다.
망상 요소는 다양한 기술에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 유기 망상 물질 또는 무기 망상 물질[예컨대, 천연 스폰지, 합성(예컨대 중합) 스폰지 또는 합성 폼]이 세라믹 슬러리로 피복될 수 있다. 일 실시예가 되는 상황에서, 슬러리는 망상 요소를 미세하게 피복시켜서, 피복된 것조차 피복 요소는 그 자체로 망상 조직이다. 요소는 분해되거나 용융되어(예컨대, 전구 물질 또는 경화시키기 위해 슬러리를 가열하는 부분), 없어진 유기 또는 무기 물질의 공간 및 피복된 요소의 공간에 의해 형성된 망상 조직을 갖는 세라믹 코어를 남긴다. 또한, 슬러리는 비망상 조직 또는 공간을 남기는 요소를 완전히 피복할 수 있다. 열 분해 또는 융해 후, 망상 조직은 없어진 물질로 인해 망상 조직이 될 수 있다. 다중 다공성 코어에 있어서, 다른 다공성의 영역을 갖는 하나의 유기 또는 무기 물질이 위에 기재된 슬러리 피복 공정에 사용될 수 있다. 또한, 분리시킨 이러한 물질(각각은 관련 다공성을 갖음)은 슬러리 피복 공정 전에 조립될 수 있다. 또한, 분리 가능하게 형성된 망상 세라믹 요소는 서로 고정될 수 있다.
망상 세라믹 물질을 대체하기 위해, 망상 금속 물질[예컨대, 내화성 금속(예를 들어 몰리브덴)계 폼 또는 비내화성(예컨대 니켈) 금속이 사용될 수 있다. 이러한 폼은 유사한 공정에 의해 형성될 수 있다. 이러한 코어는 용접, 납땜, 확산 접합 및/또는 기타 융합 공정에 의해 서로 고정될 수 있다. 이러한 코어는 세라믹 코어와 유사한 수단(특히, 세라믹 코어에 고정될 때)에 의해 고정될 수 있다. 또한, 금속 폼은 사이에 들어가게 됩니다. 예컨대, 금속 폼은 경화하게 되는 세라믹 슬러리로 채워질 수 있다. 금속 폼은 분해되어 (예를 들어, 상승된 온도에서 산화를 통해 열적으로 분해되거나 기타 화학적으로 에칭됨) 망상 세라믹을 남긴다.
탄소 및 화합물(예를 들어, 금속간 화합물) 폼을 포함하는 다른 망상 요소가 코어로 직접 사용되거나 코어 전구물질로 사용될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 기재되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 수정이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 행해질 수 있다. 예컨대, 시사된 특정 요소의 세부 사항은 어떤 특정 실시예의 세부 사항에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 다른 실시예는 청구항의 범위 내에 있다.
주어진 양의 냉각 공기로부터 얻어지는 냉각 효율을 최대화하여 향상된 비열 냉각을 시키려는 강한 욕구가 있다. 이는 세밀하고 정밀하게 위치된 냉각 통로 섹션을 이용함으로써 얻어질 수 있다.

Claims (25)

  1. 물품을 제조하는 방법이며,
    적어도 하나의 망상 코어 요소를 물품의 형상에 적어도 부분적으로 대응하는 형상을 갖는 주형 쉘에 제공하는 단계와,
    용융된 금속 물질을 쉘에 주입하여 상기 망상 코어 요소 내에 적어도 부분적으로 침투시키는 단계와,
    용융된 금속 물질을 고형화시키는 단계와,
    상기 쉘 및 상기 망상 코어 요소를 파괴적으로 제거하는 단계를 포함하고,
    망상 코어 요소를 제거하여, 하나 이상의 가스 투과성 다공 영역을 갖는 물품을 남기는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파괴적으로 제거하는 단계 후에 상기 고형화된 금속 물질에 남겨진 상기 다공 영역을 화학적으로 팽창시키는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고형화된 금속 물질을 금속 기판과 일체화시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 터빈 엔진 블레이드 외부 공기 시일을 제조하기 위해 사용되고, 고형화된 물질이 시일의 외부 표면부를 형성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 터빈 엔진 에어포일 요소를 제조하기 위해 사용되고, 고형화된 물질이 에어포일의 외부 표면부 또는 상기 요소의 플랫폼을 형성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    슬러리로 망상 유기 물질을 피복하고 나서 굽는 단계와, 금속 층으로 망상 유기 물질을 피복하는 단계와, 슬러리로 망상 금속 물질을 피복하고 나서 망상 금속 물질을 제거하는 단계 중 하나 이상의 단계에 의해 상기 망상 코어 요소를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 망상 코어 요소는 본질적으로 제1 특징 세공 크기의 제1 영역 및 상기 제1 특징 세공 크기보다 작은 본질적으로 제2 특징 세공 크기의 제2 영역을 갖는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 망상 코어 요소가 비망상 코어 요소와 일체화되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 비망상 코어 요소는 하나 이상의 이송 통로를 형성하고,
    상기 다공 영역이 하나 이상의 이송 통로와 연통하는 출구 통로인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 가스 터빈 엔진 구성 요소를 제조하는 데 사용되는 방법.
  11. 망상 제1 부분과,
    비망상 제2 부분을 포함하는 희생 인베스트먼트 주조 코어.
  12. 제11항에 있어서, 제2 부분은 터빈 엔진 요소에 하나 이상의 이송 통로를 형성하기 위해 형상화되고,
    제1 부분은 하나 이상의 이송 통로로부터 하나 이상의 출구 통로를 적어도 부분적으로 형성하기 위해 형상화되는 코어.
  13. 제11항에 있어서, 제2 부분은 터빈 에어포일 요소에 하나 이상의 이송 통로를 형성하기 위해 형상화되고,
    제1 부분은 하나 이상의 이송 통로로부터 에어포일의 적어도 하나의 압력측 및 흡입측까지 복수의 출구 통로를 적어도 부분적으로 형성하기 위해 형상화되는 코어.
  14. 제11항에 있어서,
    제1 부분이 제2 부분으로부터 돌출하거나,
    제1 부분이 세라믹 층을 통해 제2 부분에 고정되거나,
    제1 부분이 제2 부분에 대한 제1 부분의 백-로킹을 통해 제2 부분에 고정되거나,
    제1 부분이 제1 및 제2 부분 각각의 오목부에 수용되는 부분을 갖는 하나 이상의 핀을 통해 제2 부분에 고정되거나,
    제1 부분은 간격을 두고 제2 부분으로부터 이격되어 유지되는 것 중에서 적어도 하나인 코어.
  15. 제11항의 코어를 제조하는 방법이며,
    제2 부분을 세라믹 접합제를 통해 제1 부분에 고정하는 단계와,
    제2 부분을 제1 부분에 융합, 접합 또는 용접하는 단계와,
    제1 부분과 제2 부분의 관련 오목부에 수용되는 하나 이상의 핀을 통해 제1 부분 및 제2 부분을 연결하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  16. 제조 물품이며,
    주형 금속 기판과,
    기판 내에 냉각 통로 시스템을 포함하고,
    상기 냉각 통로 시스템은
    냉각 가스를 수용하기 위한 하나 이상의 이송 통로와,
    하나 이상의 이송 통로로부터 냉각 가스를 방출하기 위한 것이고, 망상 통로 부분을 구비한 하나 이상의 출구 통로를 포함하는 물품.
  17. 제16항에 있어서, 기판이 중량면에서 물품의 주요 부분을 형성하는 물품.
  18. 제16항에 있어서, 기판의 금속이 합금의 단일 연속 피스인 물품.
  19. 제16항에 있어서, 기판의 금속이 철계, 니켈계 또는 코발트계 초합금인 물품.
  20. 제16항에 있어서, 내부 단부 및 외부 단부 사이에서 연장되고, 압력측 표면 및 흡입측 표면을 갖는 에어포일을 구비한 터빈 요소인 물품.
  21. 제20항에 있어서, 상기 망상 부분이 에어포일의 측벽 내에 위치되는 물품.
  22. 제20항에 있어서, 상기 망상 부분이 터빈 요소의 플랫폼 내에 위치되는 물품.
  23. 제20항에 있어서, 상기 망상 부분이 에어포일의 팁 내에 위치되는 물품.
  24. 제20항에 있어서, 상기 망상 부분이 에어포일의 후단 에지 부분 내에 위치되는 물품.
  25. 제20항에 있어서, 상기 망상 부분이 에어포일의 선단 에지 부분 내에 위치되는 물품.
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