(57)【要約】【課題】一体型の使い捨て中子及びシェルダイを使用してガスタービン構成要素を製造する方法を提供する。【解決手段】本方法は、真正ガスタービン構成要素（１０）の一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を準備するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を貫通させて少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を挿入するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）の内部に一体型の中子及びシェルモールド（４４）を鋳造するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を除去して、その中に配置された少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を有する一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を得るステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を使用して、真正ガスタービン構成要素複製品（４６）を鋳造するステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）並びに少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を除去して、真正ガスタービン構成要素複製品（４６）を得るステップとを含む。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真正ガスタービン構成要素（１０）の一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を準備するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を貫通させて少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を挿入するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）の内部に一体型の中子及びシェルモールド（４４）を鋳造するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を除去して、その中に配置された前記少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を有する前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を得るステップと、
前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を使用して、真正ガスタービン構成要素複製品（４６）を鋳造するステップと、
前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）並びに少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を除去して、前記真正ガスタービン構成要素複製品（４６）を得るステップと、
を含む方法。
【請求項２】
その周りに配置された外側シェルダイ（３０）を有する、真正ガスタービン構成要素（１０）の数値モデル（２８）を生成するステップと、
前記真正ガスタービン構成要素（１０）の一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を製作するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を貫通させて少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を挿入するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）の内部に一体型の中子及びシェルモールド（４４）を鋳造するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を除去して、その中に配置された前記少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を有する前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を得るステップと、
前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を使用して、真正ガスタービン構成要素複製品（４６）を鋳造するステップと、
前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）並びに少なくとも１つの貫通ロッド（４３）を除去して、前記真正ガスタービン構成要素複製品（４６）を得るステップと、
を含む方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの貫通ロッド（４３）が、石英又はアルミナを含む、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの貫通ロッド（４３）が、前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）内の少なくとも１つの開口（３９）を貫通する、請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を貫通させて複数の貫通ロッド（４３）を挿入するステップを含む、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
ステレオリソグラフィー法、マイクロペン堆積法、選択的レーザ焼結法、レーザワイヤ堆積法、溶融堆積法、インクジェット堆積法、電子ビーム溶解法、レーザ工学ネットシェイピング法、直接金属レーザ焼結法、直接金属堆積法及びそれらの組合せから成る群から選ばれた付加層製造法を用いて一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を製作するステップを含む、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）をセラミックスラリで作製するステップと、
前記セラミックスラリを硬化させて、一体型の凝固セラミック中子及びシェル鋳造モールド（４４）を生成するステップと、
を含む、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記真正ガスタービン構成要素複製品の周りから、前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）或いは前記一体型の凝固セラミック中子及びシェル鋳造モールド（４４）を除去するステップが、破砕、溶解、溶脱及びそれらの組合せから成る群から選ばれた方法を含む、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記真正ガスタービン構成要素（１０）が、タービンブレード、タービンノズル及びシュラウドから成る群から選ばれた、実質的に中空の内部を有する構成要素である、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
コンピュータ支援設計を用いて生成されかつその周りに配置された外側シェル（３０）を有する、複数の内部チャネル（２４）を有する真正翼形部（１２）の数値モデル（２８）を準備するステップと、
ステレオリソグラフィー法、マイクロペン堆積法、選択的レーザ焼結法、レーザワイヤ堆積法、溶融堆積法、インクジェット堆積法、電子ビーム溶解法、レーザ工学ネットシェイピング法、直接金属レーザ焼結法、直接金属堆積法及びそれらの組合せから成る群から選ばれた付加層製造法を用いて前記真正翼形部（１２）の数値モデル（２８）の一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を製作するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を貫通させて複数の貫通ロッド（４３）を挿入するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）の内部に、セラミックスラリを含む一体型の中子及びシェルモールド（４４）を鋳造するステップと、
前記セラミックスラリを硬化させて、凝固セラミックを含む一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を生成するステップと、
前記一体型の使い捨て中子及びシェルダイ（３４）を除去して、その中に配置された前記複数の貫通ロッド（４３）を有する前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を得るステップと、
前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）を使用して、真正翼形部複製品（４６）を鋳造するステップと、
前記一体型の中子及びシェル鋳造モールド（４４）並びに複数の貫通ロッド（４３）を除去して、前記真正翼形部複製品（４６）を得るステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書における実施形態は、総括的には使い捨てダイを使用して構成要素を製造する方法に関する。より具体的には、本明細書における実施形態は、総括的には、その中に配置された貫通ロッドを有する一体型の使い捨て中子及びシェルダイを使用して、ブレード、ノズル及びシュラウドのようなガスタービン構成要素を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属のような適当な材料の複雑な三次元すなわち３Ｄ構成要素を形成するためには、インベストメント鋳造法又はロストワックス法が使用される。
【０００３】
タービンブレードは、その根元においてブレードプラットフォームと一体形に接合された翼形部を含み、ブレードプラットフォームの下方において、マルチローブ支持ダブテールが一体形に接合される。翼形部は、中空であり、ブレードダブテールの内部で始まりかつ該翼形部のスパンに沿って延びる１つ又はそれ以上の半径方向チャネルを含み、これらチャネルは、エンジン運転時に加圧冷却空気を受けるための１つ又はそれ以上の入口を有する。
【０００４】
翼形部は、その前縁及び後縁間におけるかつプラットフォームの根元から半径方向外側先端までの該翼形部の対向する正圧側面及び負圧側面の異なる部分の冷却を調整するようになった様々な形態の複雑な冷却回路をその中に有することができる。
【０００５】
現在の翼形部設計では、複雑な冷却回路は、翼形部の内部に前縁に沿って、該前縁の内部衝突冷却を行うようになった専用チャネルを含むことができる。翼形部の薄い後縁に沿った専用チャネルは、該後縁の専用の冷却を行う。また、前縁及び後縁間の翼形部の中間部内には、マルチパス蛇行チャネルを配置することができる。翼形部の３つの冷却回路は、ブレードダブテールを貫通して延びて加圧冷却空気を別個に受けるようになった対応する入口を有する。    
【０００６】
翼形部内部の冷却チャネルは、翼形部の加熱側壁と内部冷却空気との間の熱伝達を増大させるようになった、短いタービュレータリブ又はピンのような局所的特徴形状部を含むことができる。翼形部の半径方向チャネルを分離する隔壁又はブリッジは、該翼形部の前方ブリッジを貫通して延びて運転時に前縁の内部を衝突冷却するようになった典型的な衝突冷却孔のような該ブリッジを貫通した小さなバイパス孔を含むことができる。
【０００７】
そのようなタービンブレードは一般的に、従来型の鋳造法により高強度超合金金属材料で製造される。通常のインベストメント鋳造法又はロストワックス鋳造法では、タービンブレードの内部に所望である複雑な冷却通路に合せて、最初に精密なセラミック中子が製作される。その翼形部、プラットフォーム及び一体形ダブテールを含むタービンブレードの正確な３Ｄ外部表面を形成する精密なダイ又はモールドもまた製作される。
【０００８】
セラミック中子は、２つのダイ半部分の内部に組立てられ、これらは、それらの間に空間つまり空隙を形成し、この空間つまり空隙が、得られるブレードの金属部分を形成する。空隙を満たしかつその中に封じ込められたセラミック中子を取り囲むように、ワックスが、組立てられたダイ内に注入される。２つのダイ半部分を分離させて、成形ワックスから除去する。成形ワックスは、所望のブレードの精密な形状を有しており、次にセラミック材料で被覆されて、周りを囲むセラミックシェルを形成する。
【０００９】
ワックスを溶融しかつシェルから除去して、セラミックシェルと内部セラミック中子との間に対応する空隙つまり空間が残るようにする。次に、シェル内に溶融金属を注入してその中の空隙を満たし、シェル内に収容されたセラミック中子を再び封じ込める。
【００１０】
溶融金属を冷却しかつ凝固させ、次に外部シェル及び内部中子を適切に除去して、その中に内部冷却通路を備えた所望の金属製タービンブレードが後に残るようにする。
【００１１】
鋳造タービンブレードには次に、所望に応じて翼形部の側壁を貫通して適当なフィルム冷却孔の列を穿孔するような後続の製造作業を行って、内部を流れる冷却空気のための出口を形成するようにすることができ、これらフィルム冷却孔は次に、ガスタービンエンジンの運転時に翼形部の外部表面上に保護冷却空気フィルム又はブランケットを形成することができる。
【００１２】
ガスタービンエンジン効率は一般的に、運転時に発生しかつタービンブレードがそれからエネルギーを取り出す高温燃焼ガスの温度を上昇させることによって、増大する。タービンブレードは、高温度におけるそれらの強度を増強してタービンブレードの耐久性及び有効寿命を増大させるようなニッケル基超合金などの超合金金属で形成される。
【００１３】
翼形部の内部に設けられた複雑な冷却回路は、運転中のタービンエンジン内で所望のブレードの長寿命を得るために高温燃焼ガスからブレードを保護する助けになる。
【００１４】
タービンブレード内部の冷却回路は、限られた加圧冷却空気の使用を調整しかつその冷却効果を最大にするために、ますます複雑かつ入り組んだものになってきている。タービンブレードを冷却するために運転時に圧縮機から抽気されるあらゆるそのような冷却空気は、燃焼プロセスにおいては使用されず、それに対応してエンジンの全体効率を低下させる。
【００１５】
タービン翼形部冷却の改善における最近の進展には、翼形部内に二重壁を導入して、翼形部の所望の場所における局所的冷却を増強するようにすることが含まれる。典型的な翼形部は、翼形部の一次冷却を行う専用前縁チャネル及び専用後縁チャネル並びにマルチ経路蛇行チャネルのような主チャネルを含む。これらのチャネルは一般的に、翼形部の薄い正圧及び負圧側壁間に形成され、これら正圧及び負圧側壁は、約４０〜５０ミル（約１．２ｍｍ）の厚さとすることができる。
【００１６】
翼形部の二重壁構造を導入する場合には、翼形部の主側壁と該翼形部内の主チャネルとの間に薄い内部壁を設けて、比較的狭い補助又は二次チャネルを形成する。二次壁は、それを貫通して主流れチャネルから主側壁の内側表面に向けて衝突冷却空気を送るようになった衝突孔を含むことができる。
【００１７】
二重壁構造及び狭い二次流れチャネルの導入は、タービンブレードの典型的なインベストメント鋳造法において使用する既に複雑なセラミック中子に対して更なる複雑さを付加する。例えば、米国特許第５，４８４，２５８号、第５，６６０，５２４号、第６，１２６，３９６号、及び第６，１７４，１３３号を参照されたい。セラミック中子は、様々な冷却チャネル及びそれらチャネルの特徴形状部に相当する翼形部内の様々な内部空隙と完全に一致するので、冷却回路の複雑さが増すにつれて、セラミック中子は、それに対応して益々複雑になる。
【００１８】
翼形部の各半径方向チャネルは、セラミック中子内に対応する半径方向脚部を必要とし、それらの脚部は、鋳造工程の間に２つのダイの内部で適当に相互連結されるか又はその他の方法で支持されなくてはならない。二次チャネルの場合ようにセラミック中子の脚部が細くなった場合には、それに対応して脚部の強度が低下し、このことにより、取扱い中に脆性破壊を受けて中子の製作における有効歩留りの低下が生じる。
【００１９】
セラミック中子は個別に製作され、次に２つのダイ半部分の内部に組立てられるので、それらの相対的な位置決めは、対応する組立公差の影響を受ける。翼形部の壁は、そもそも比較的薄く、またセラミック中子の特徴形状部もまた、小さくかつ精密である。従って、ダイ半部分の内部におけるセラミック中子の相対位置は、組立公差の影響を受け、このことが、得られる翼形部の薄い壁内側の複雑な冷却回路の仕上り寸法及び相対位置に影響を与える。
【００２０】
加えて、タービン構成要素を製造する現在の方法は一般的に、内部中子を作るのに必要とされるステップのみに対処している。例えば、米国特許出願第２００５／０００６０４７号を参照されたい。そのような方法は、構成要素の最終鋳造用の鋳造モールドを形成するために、依然としてワックスダイの使用、ワックス注入及び／又は外部セラミックシェル被覆を必要としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許第５，４８４，２５８号公報
【特許文献２】米国特許第５，６６０，５２４号公報
【特許文献３】米国特許第６，１２６，３９６号公報
【特許文献４】米国特許第６，１７４，１３３号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０００６０４７号公報
【特許文献６】米国特許第６，６２６，２３０号公報
【特許文献７】米国特許第５，８２４，２５０号公報
【特許文献８】米国特許第４，３２１，０１０号公報
【特許文献９】米国特許第５，８６８，１９４号公報
【特許文献１０】米国特許第６，５８８，４８４号公報
【特許文献１１】米国特許第６，２５５，０００号公報
【特許文献１２】米国特許第６，３７５，８８０号公報
【特許文献１３】米国特許第６，６０９，０４３号公報
【特許文献１４】米国特許第６，３６８，５２５号公報
【特許文献１５】米国特許第６，５７１，４８４号公報
【特許文献１６】米国特許第５，１３６，５１５号公報
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００５／０１５６３６１号公報
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００５／０２０５２３２号公報
【特許文献１９】米国特許出願公開第２００５／０２５８５７７号公報
【特許文献２０】米国特許出願公開第２００５／０２８４５９８号公報
【特許文献２１】米国特許出願公開第２００６／００６５３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従って、複雑な内部設計を有するガスタービン構成要素、特に翼形部を製造する簡易方法に対する必要性が依然として存在している。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本明細書に説明した実施形態は、総括的にはガスタービン構成要素を製造する方法に関し、本方法は、真正ガスタービン構成要素の一体型の使い捨て中子及びシェルダイを準備するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを貫通させて少なくとも１つの貫通ロッドを挿入するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイの内部に一体型の中子及びシェルモールドを鋳造するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを除去して、その中に配置された少なくとも１つの貫通ロッドを有する一体型の中子及びシェル鋳造モールドを得るステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールドを使用して、真正ガスタービン構成要素複製品を鋳造するステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールド並びに少なくとも１つの貫通ロッドを除去して、真正ガスタービン構成要素複製品を得るステップとを含む。
【００２４】
本明細書における実施形態は、総括的にはガスタービン構成要素を製造する方法に関し、本方法は、その周りに配置された外側シェルダイを有する、真正ガスタービン構成要素の数値モデルを生成するステップと、真正ガスタービン構成要素の一体型の使い捨て中子及びシェルダイを製作するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを貫通させて少なくとも１つの貫通ロッドを挿入するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイの内部に一体型の中子及びシェルモールドを鋳造するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを除去して、その中に配置された少なくとも１つの貫通ロッドを有する一体型の中子及びシェル鋳造モールドを得るステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールドを使用して、真正ガスタービン構成要素複製品を鋳造するステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールド並びに少なくとも１つの貫通ロッドを除去して、真正ガスタービン構成要素複製品を得るステップとを含む。
【００２５】
本明細書における実施形態は、総括的にはガスタービン翼形部を製造する方法に関し、本方法は、コンピュータ支援設計を用いて生成されかつその周りに配置された外側シェルを有する、複数の内部チャネルを有する真正翼形部の数値モデルを準備するステップと、マイクロペン堆積法、選択的レーザ焼結法、レーザワイヤ堆積法、溶融堆積法、インクジェット堆積法、電子ビーム溶解法、レーザ工学ネットシェイピング法、直接金属レーザ焼結法、直接金属堆積法及びそれらの組合せから成る群から選ばれた付加層製造法を用いて真正翼形部の数値モデルの一体型の使い捨て中子及びシェルダイを製作するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを貫通させて複数の貫通ロッドを挿入するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイの内部に、セラミックスラリを含む一体型の中子及びシェルモールドを鋳造するステップと、セラミックスラリを硬化させて、凝固セラミックを含む一体型の中子及びシェル鋳造モールドを生成するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを除去して、その中に配置された複数の貫通ロッドを有する一体型の中子及びシェル鋳造モールドを得るステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールドを使用して、真正翼形部複製品を鋳造するステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールド並びに複数の貫通ロッドを除去して、真正翼形部複製品を得るステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本明細書の説明による、真正タービンブレードの１つの実施形態の概略斜視図。
【図２】線Ａ−Ａに沿って取った、図１のタービンブレードの実施形態の概略断面図。
【図３】真正タービンブレードを使用して、ブレード並びに該ブレードの対応する一体型の使い捨て中子及びシェルダイの数値モデルを作る方法の１つの実施形態の概略図。
【図４】その周りに付加外側シェルダイを有する、図２のタービンブレードの２Ｄ数値モデルの１つの実施形態の概略断面図。
【図５】線Ｘ−Ｘに沿って取った、それを貫通して延びる付加貫通ロッドを有する図３の一体型の使い捨て中子及びシェルダイの実施形態の概略断面図。
【図６】空隙を満たしかつ一体型の中子及びシェル鋳造モールドを形成するためのモールド材料による注入後における、図５の一体型の使い捨て中子及びシェルダイの実施形態の概略断面図。
【図７】使い捨て中子及びシェルダイが除去された後における一体型の中子及びシェル鋳造モールドの１つの実施形態の概略断面図。
【図８】真正タービンブレード複製品を形成するための合金による注入後における一体型の鋳造モールドの１つの実施形態の概略断面図。
【図９】一体型の鋳造モールドのシェル部分の除去後における真正ブレード複製品の概略断面図。
【図１０】一体型の鋳造モールドの中子部分及び貫通ロッドの除去後における真正ブレード複製品の１つの実施形態の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本明細書は、本発明を具体的に指摘しかつ明確に特許請求している特許請求の範囲を伴っているが、本明細書に記載した実施形態は、同じ参照符号が同様な要素を示す添付の図と関連させて、以下に記載したような真正構成要素に関してか又はそれらのモデルに関してかのどちらかについて説明した以下の説明を読むことにより一層よく理解されるようになると思われる。
【００２８】
本明細書における実施形態は、総括的には一体型の使い捨て中子及びシェルダイを使用してガスタービン構成要素を製造する方法に関する。より具体的には、本明細書における実施形態は、総括的には真正ガスタービン構成要素の一体型の使い捨て中子及びシェルダイを準備するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを貫通させて少なくとも１つの貫通ロッドを挿入するステップと、その中に少なくとも１つの貫通ロッドを有する一体型の使い捨て中子及びシェルダイの内部に一体型の中子及びシェルモールドを鋳造するステップと、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを除去して、一体型の中子及びシェル鋳造モールドを得るステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールドを使用して、真正ガスタービン構成要素複製品を鋳造するステップと、一体型の中子及びシェル鋳造モールド並びに少なくとも１つの貫通ロッドを除去して、真正ガスタービン構成要素複製品を得るステップとを含む方法に関する。
【００２９】
本明細書における実施形態は、総括的にはタービンブレードの製造について説明しているが、本説明はそのようなものに限定されるべきではないことは、当業者には解るであろう。本発明の実施形態は、それに限定されないが、タービンブレード及びその一部分、ベーン及びバンドを含むタービンノズル、並びにシュラウドのような中子を有するあらゆる構成要素の製造に適用可能である。
【００３０】
図に目を向けると、図１は、本明細書に記載した方法を用いて製造することができるガスタービン構成要素１１の１つの実施形態である真正タービンブレード１０（以下においては、「タービンブレード」又は「ブレード」と呼ぶ）を示している。「真正」という用語によって、ガスタービンエンジン内での取付け及び使用が可能な構成要素を意味している。タービンブレード１０は、翼形部１２を含むことができ、翼形部１２は、ほぼ凹面形の正圧側面１４と該正圧側面に対向したほぼ凸面形の負圧側面１６とを有することができる。翼形部１２は、該翼形部１２の根元２０においてプラットフォーム１８に対して一体形に結合することができる。プラットフォーム１８は、エンジン運転時に翼形部１２上を通過する高温燃焼ガスの内側境界面を形成することができる。プラットフォーム１８の下方にはまた、マルチローブ取付けダブテール２２を一体形に形成して、タービンロータディスクの周辺部の対応するダブテールスロット内にタービンブレード１０を取付けるようにすることができる。
【００３１】
ブレード１０は、ガスタービンエンジン内でのその適切な使用における必要性に応じて、単一壁又は多重壁とすることができ、また複雑な三次元すなわち３Ｄ形状を有することができる。上述したように、ブレード１０の翼形部部分は、実質的に中空の内部２１（図１に示す）を含むことができ、この中空内部２１は、図２に示すように該中空内部の少なくとも一部分を占める少なくとも１つの内部チャネル２４を備えた適当な内部冷却回路を含むことができる。本明細書全体を通して使用する場合に、「少なくとも１つの」というのは、１つが存在することができること、又は１つよりも多くが存在することができることを意味する。図２に示す実施形態では、中空内部は、複数の内部チャネル２４を含むことができる。チャネル２４は、翼形部の両側面間に配置することができ、またブレード１０の全長だけ延びて入口（図示せず）を形成することができ、これらの入口は、プラットフォーム及びダブテールを貫通して延びて、エンジン運転時に加圧冷却空気を受けるようにすることができる。幾つかのチャネル２４は、該チャネル間での流体連通を可能にする開口３９によって互いに連結することができる。開口３９は、例えばクロスオーバ衝突孔又は後縁スロットとすることができる。
【００３２】
図３に目を向けると、タービンブレード１０の数値モデルは、従来通りのコンピュータ２６内にプログラムされた適当なソフトウエアを使用するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を含むあらゆる従来型の方式で設計しかつ形成することができる。「数値モデル」というのは、構成要素のコンピュータ化モデルを意味している。構成要素の外側及び内側表面の両方を含む該構成要素の全体形状の３Ｄ数値座標を使用することによって、タービンブレードのような高度に複雑な部品の数値モデルを形成することは、一般的な方法である。従って、タービンブレード１０は、コンピュータ２６によって生成されるようなその二次元すなわち２Ｄ数値モデル２８によって表すことができる。数値モデル２８は、翼形部、プラットフォーム及びダブテール並びにその内部チャネル及び開口を含むブレード１０の全外側表面の正確な定義を含むことができる。図４に示す１つの実施形態では、数値モデル２８は、その周りに付加されたコンピュータ生成外側シェルダイ３０を含むことができ、これは、本明細書で以下に説明するように、一体型の中子及びシェルダイを後で製作する際の助けとなる。
【００３３】
図３に目を向けると、外側シェルダイ３０を有する数値モデル２８（図４に示すような）が生成されると、当業者には公知のあらゆるラピッドプロトタイピング法又は追加層製造法を用いて、一体型の使い捨て中子及びシェルダイを製作することができる。許容可能な追加層製造法の幾つかの実施例には、それに限定されないが、ペン先端において液状媒体を正確に供給しかつ次に硬化させるマイクロペン堆積法、レーザを使用して正確な制御位置において粉末媒体を焼結させる選択的レーザ焼結法、レーザによってワイヤ原料を溶融させまた次に正確な位置において堆積させかつ凝固させて製品を構築するレーザワイヤ堆積法、細いＡＢＳプラスチックワイヤを複数層として押出して製品を構築することによる溶融堆積法、複数のインクジェットノズルで、数値モデルにより定めた形状寸法に従ってダイ材料及び必要に応じて支持材料を堆積させるインクジェット堆積法、電子ビーム溶解法、レーザ工学ネットシェイピング法（ＬＥＮＳ（登録商標））、直接金属レーザ焼結法、並びに直接金属堆積法が含まれる。
【００３４】
一例として、図３に示す実施形態では、ステレオリソグラフィー（ＳＬＡ）機械３２を使用して、一体型の使い捨て中子及びシェルダイ３４（又は「使い捨てダイ」）を形成することができ、次にこの使い捨てダイを使用して、本明細書で以下に説明するように、真正タービンブレード複製品を製造することができる。ＳＬＡ機械３２は、あらゆる従来型の構成を有することができまたロボットアーム３８の端部に取付けられたレーザ３６を含むことができ、このロボットアーム３８は、その様々な機能を制御するようにデジタル式にプログラム可能になったＳＬＡ機械の数値コントローラによって３Ｄ空間内で制御しかつ位置決めすることができる。
【００３５】
液体樹脂のようなあらゆる適当なＳＬＡ材料４０をプール内に収容することができ、またレーザ３６から放射されたレーザビーム４２を使用して材料４０を局所的に硬化させ、それによって凝固ＳＬＡ材料４１を生成しかつ使い捨てダイ３４を形成することができる。使い捨てダイ３４は、プール内であらゆる適当な固定具上に支持することができ、またコンピュータ２６内に記憶させた数値モデル２８の寸法に従ってダイ３４の全体構成上でレーザビーム４２が正確に案内されるにつれて、層毎に構築することができる。
【００３６】
所望に応じて、例えばワックス又は熱可塑性材料を含む支持材料（図示せず）は、ＳＬＡ材料と同時に又は交互に堆積させて、製作時に使い捨てダイに対して支持を与えることができる。使い捨てダイの作製が完了すると、支持材料は、例えば溶融又は溶解によって除去することができる。
【００３７】
ブレード１０の数値モデル２８を用いて、ＳＬＡ機械３２を使用して使い捨てダイ３４を形成して、該使い捨てダイ３４及び真正ブレード１０が材料組成を除いて実質的に同一であるようにすることができる。ブレード１０は、殆どのガスタービンエンジン用途において一般的であるようなあらゆる適当な合金又は超合金金属で形成することができるが、使い捨てダイ３４は、例えばレーザ３６により硬化させて凝固ＳＬＡ材料４１を生成することができるあらゆる適当なＳＬＡ材料４０で製作することができる。使い捨てダイ３４を作るために使用する材料は、製作方法に応じて変更することができることは、当業者には分かるであろう。
【００３８】
一体型の使い捨てダイ３４は、例えば凝固ＳＬＡ材料４１によって形成することができ、またブレード全体の正確な外部形状及び表面並びにあらゆる所望のチャネル及び開口を含むブレード内の正確な内部冷却回路を含むことができる。本明細書全体を通して使用する場合に、「一体型の」というのは、中子とシェルとが独立片としてではなく、単体構造体として互いに結合されることを意味する。図３は、使い捨てダイ３４の断面斜視図を示しているが、使い捨てダイ３４は破線で表したようなブレード全体に対応していることが、当業者には解るであろう。使い捨て中子及びシェルダイ３４の寸法は、必要に応じて所望の精度でブレードの様々な特徴形状部を再現するように変更することができる。当業者には解るように、使い捨てダイ３４のより高い精度は、数値モデル２８におけるより多くのデータポイントを必要とし、それは、ＳＬＡ機械３２の制御における数値モデルの実際的使用によってのみ制限される。
【００３９】
図５には、凝固ＳＬＡ材料４１で製作した、得られた使い捨て中子及びシェルダイ３４の１つの実施形態の断面図を示している。凝固ＳＬＡ材料４１は、金属の強度を欠いた低強度の非金属材料であるので、使い捨て中子及びシェルダイ３４を封じ込めて、該使い捨て中子及びシェルダイ３４に付加的支持を与えることが望ましいと言える。当業者に公知のあらゆる適当な封じ込め方法は、本明細書での使用に許容可能である。反対に、凝固ＳＬＡ材料が、鋳造工程の注入圧力に耐えるのに十分な強度を有する場合には、付加的支持は不要とすることができる。
【００４０】
さらに、少なくとも１つの貫通ロッド４３、また図５に示すように複数の貫通ロッド４３を利用して、鋳造時に使い捨てダイ３４に対して支持を与えかつ中子及びシェル間の適正な整列を保証することができる。貫通ロッド４３は、従来型の鋳造法と共用可能なあらゆる組成物で製造することができ、これらの組成物には、それに限定されないが、石英又はアルミナが含まれる。しかしながら、一般的にはダイの外側表面と接触するだけである当技術分野で使用されている従来型のロッドとは異なり、本明細書における貫通ロッド４３は、使い捨てダイの幅Ｗを少なくとも跨ぐのに十分な長さのものとすべきであり、この長さは場所によって変化させることができる（図５参照）。貫通ロッドが使い捨てダイを貫通するのを可能にすることによって、ダイは支持することができ、また使い捨てダイの中子及びシェル間の整列は、真正構成要素複製品の製造工程全体を通して維持することができる。
【００４１】
貫通ロッド４３の直径もまた、変更することができる。しかしながら、１つの実施形態では、貫通ロッド４３は、約０．０２５インチ〜約０．０６５インチ（約０．０６４ｃｍ〜約０．１７ｃｍ）の範囲にある直径を有することができ、また１つの実施形態では、約０．０４０インチ〜約０．０６０インチ（約０．１０ｃｍ〜約０．１５ｃｍ）の範囲にある直径を有することができる。さらに、全ての貫通ロッド４３は、同一の直径又は異なる直径を有することができ、或いは各貫通ロッドは、その長さに沿って可変の直径を有することができる。
【００４２】
貫通ロッド４３は、例えば該貫通ロッドを孔４７及び／又は開口３９を通して押し込むことによって使い捨てダイ３４内に挿入することができる。前述したように、開口３９は、使い捨てダイ内に含ませて、真正ブレード複製品内において空気流を助けるようにすることができる。孔４７は、製造後にあらゆる従来型の穿孔工具を使用して使い捨てダイ内に穿孔することができ、或いはそれに代えて、孔４７は、開口３９と同様に製造時に使い捨てダイ内に含ませることができる。図５に示すように、１つの実施形態では、孔４７は、開口３９と整列させて配置して、単一の貫通ロッド４３が開口３９及び孔４７を貫通することができるようにすることができる。この構成では、本明細書で以下に説明するように使用に先立ってパッチで塞ぐか又は詰め物で塞ぐことを必要とする可能性がある余分な孔を真正ブレード複製品内に設けるのを回避することが望ましいと言える。
【００４３】
図６に示すように、一体型の中子及びシェルモールド４４は、その空隙を満たすことによって使い捨てダイ３４の内部に鋳造することができる。中子及びシェルモールド４４は、あらゆる適当なモールド材料を加圧下で注入することによって鋳造することができ、１つの実施形態ではこのモールド材料は、セラミックスラリとすることができる。貫通ロッド４３は、使い捨てダイ３４がモールド材料の注入圧力に耐えるのを助け、かつ一体型のモールド４４が所望の形状を確実に保持するのを助けることができる。使い捨てダイ３４内にモールド材料を注入した後に、モールド材料は、例えば乾燥及び加熱のような当技術分野において公知の技術を用いて硬化させかつ凝固させることができる。その結果得られるのは、図６に示すような中子部分４９及びシェル部分５０を有する一体型の中子及びシェル鋳造モールド４４（又は、「一体型のモールド」）である。１つの実施形態では、一体型のモールド４４は、凝固セラミックを含むことができる。
【００４４】
次に使い捨て中子及びシェルダイ３４を除去して、図７に示すように、その中に配置された貫通ロッド４３を有する一体型の中子及びシェル鋳造モールド４４を後に残すことができる。使い捨て中子及びシェルダイは、あらゆる適当な方法によって一体型のモールド４４から除去することができ、この適当な方法は、使い捨てダイ及び一体型のモールドの製作材料に応じて変更することができる。幾つかの許容可能な除去方法には、一体型のモールド４４から使い捨てダイを溶融、焼却又は溶解することを含むことができる。使い捨てダイを除去した後に、対応する空隙４５が一体型のモールド４４内に残り、この空隙は、図１に示すタービンブレード１０を形成する金属部分の正確な形状と一致する。
【００４５】
従って、次に、１つの実施形態ではブレード複製品を含む真正ガスタービン構成要素複製品は、従来型のインベストメント鋳造法を用いて一体型の中子及びシェルモールド内に鋳造することができる。本明細書で使用する場合に、「複製品」というのは、本明細書に説明した方法を用いて作られた真正構成要素の実質的に同一のコピー製品を意味している。真正構成要素と同様に、複製品は、ガスタービンエンジン内に取付けかつ使用することができる。鋳造時に、溶融金属は、一体型のモールド４４内に注入されて、一体型のモールド４４内に存在する空隙４５（図７に示す）を重力によって満たすことができる。貫通ロッド４３は、所定の位置に留まって、モールド中子部分４９とモールドシェル部分５０との間に適正な間隔及び整列を維持するのを助けることができる。溶融金属は、ガスタービン構成要素を製造するのに適した合金又は超合金のようなあらゆる材料とすることができる。次に溶融金属は、図８に示すように、一体型のモールド４４内で冷却しかつ凝固して、真正ガスタービン構成要素複製品を形成することができ、この複製品は、この例示的実施形態では、真正ガスタービンブレード複製品４８である。
【００４６】
次に一体型のモールド４４は、一般に脆弱な構造体材料を破砕又は溶解することにより真正ブレード複製品４８から適切に除去することができる。それに代えて、一体型のモールド４４がセラミックで製作されている場合には、モールド４４は、化学的溶脱によってブレード複製品４８から適切に除去することができる。より具体的には、１つの実施形態では、中子部分４９、シェル部分５０及び貫通ロッド４３は、同時に除去して、図１０に示すような真正ブレード複製品４８を後に残すことができる。
【００４７】
別の実施形態では、モールドシェル部分５０は、該モールドシェル部分を貫通して延びる貫通ロッド４３のあらゆるセグメントと共に最初に除去することができる。モールドシェル部分５０は、機械的装置のようなあらゆる許容可能な手段によって除去することができる。例えば、１つの実施形態では、ハンマーを使用して、シェル部分５０をその中に収容されている貫通ロッド４３のセグメントと共に破砕して取り除くことができる。図９に示すように、シェル部分５０とその中に収容されている貫通ロッドセグメント４３とを真正ブレード複製品４８から除去したら、モールド中子部分４９は、その中に収容されている貫通ロッド４３のあらゆる残余セグメントと共に除去して、真正ブレード複製品４８を後に残すことができる。シェル部分と同様に、中子部分４９及び残りの貫通ロッド４３は、溶解又は化学的溶脱を含む幾つもの方法によって除去することができる。
【００４８】
得られたブレード複製品４８には次に、その側壁を貫通して冷却孔の列を穿孔すること或いは貫通ロッドの除去後に残っているあらゆる不必要な孔をパッチで塞ぐことのような一般的な鋳造後処理を行うことができる。最終的に得られるのは、図９に示す真正ブレード複製品４８のような真正ガスタービン構成要素複製品４６である。前述したように、真正ブレード複製品４８は、図１に示す真正ブレード１０と実質的に同一なものとすることができる。
【００４９】
上記の方法では、ワックスダイの使用並びに対応するワックス注入及びワックス除去作業を削減することができる。このことは、時間及び出費の両方の節約を可能にする。さらに、また前述したように、一体型の中子及びシェルモールドは、現在の鋳造方法の場合にはしばしば複雑であり過ぎる単一壁及び多重壁翼形部を含む幾つもの構成要素設計を製造するために使用することができる。さらに、一体型の中子及びシェルモールドは、一層高度な壁厚制御を製造業者に提供し、それにより、一層正確に製作した構成要素の製造を可能にする。また、貫通ロッドの使用は、単一のロッドにより多数の壁厚を同時に制御することを可能にする。その他の利点は、以上の詳細な記述から当業者には明らかであろう。
【００５０】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、またさらに当業者が本発明を製作しかつ使用するのを可能にしている。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００５１】
１０  真正タービンブレード
１１  ガスタービン構成要素
１２  翼形部
１４  正圧側面
１６  負圧側面
１８  プラットフォーム
２０  根元
２１  中空内部
２２  ダブテール
２４  内部チャネル
２６  コンピュータ
２８  ２Ｄ数値モデル
３０  外側シェルダイ
３２  ステレオリソグラフィー（ＳＬＡ）機械
３４  一体型の使い捨て中子及びシェルダイ
３６  レーザ
３８  ロボットアーム
３９  開口
４０  ＳＬＡ材料
４１  凝固ＳＬＡ材料
４２  レーザビーム
４３  貫通ロッド
４４  一体型の中子及びシェルモールド
４５  空隙
４６  真正ガスタービン構成要素複製品
４７  孔
４８  真正ガスタービンブレード複製品
４９  中子部分
５０  シェル部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2010110795000001.pdf