(57)【要約】      （修正有）【課題】欠点の１以上を被らない放電加工法、及び放電加工するための物品及び放電用冷却剤を提供する。【解決手段】放電加工法、放電加工用の物品１０１及び導電性放電加工用冷却剤１１７が開示されている。放電加工法は部品の標的領域１１３を放電加工することを含む。物品１０１は非導電性層、導電性層及び非導電性層上の標的領域１１３を含む。導電性放電加工用冷却剤１１７は炭化水素液体及び炭化水素液体内に懸濁した炭素粉末を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品の標的領域を放電加工することを含む放電加工方法であって、
標的領域が、物品の非導電性層上に位置し、物品の導電性層と放電加工系の電極との間に位置する、方法。
【請求項２】
標的領域が導電性塗料を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
導電性塗料が、導電性非金属、グラファイトを含むコロイド、導電性ポリマー及びこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
さらに、ブラシ塗り、噴霧、分配機構を介する射出及びこれらの組合せからなる群から選択される技術により導電性塗料を適用することを含む、請求項２記載の方法。
【請求項５】
電極が、単一のプロセスで複数の形態的特徴部を機械加工するように構成された個々の電極の集合体である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
標的領域が導電性放電加工用冷却剤内に位置する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
導電性放電加工用冷却剤が炭化水素液体中に懸濁された炭素粉末を含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
炭素粉末が約０．０１ｇ／ｃｍ3〜約０．０５ｇ／ｃｍ3の濃度である、請求項７記載の方法。
【請求項９】
非導電性層が遮熱コーティングである、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
方法がマスキング及びコーティング、レーザー穿孔及びウォータージェット加工を欠く一段階プロセスである、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
放電加工が標的領域を除去する、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
放電加工が非導電性層から材料を除去する、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
放電加工が導電性層から材料を除去する、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
放電加工が非導電性層と導電性層との間のボンディング層から材料を除去する、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
放電加工が、物品の表面に対して約５度〜約９０度の角度で材料を除去する、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
放電加工が物品内に冷却孔を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
物品がタービン部品である、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
非導電性層、
導電性層及び
導電性層から遠位にあり、導電性塗料を含む、非導電性層上の標的領域
を含み、非導電性層がタービン部品の遮熱コーティングである、放電加工のための物品。
【請求項１９】
炭化水素液体及び
炭化水素液体中に懸濁した炭素粉末
を含み、放電加工系内に配置される、導電性放電加工用冷却剤。
【請求項２０】
導電性放電加工用冷却剤の少なくとも一部分が放電加工系の電極から一時的に充電される、請求項１９記載の導電性放電加工用冷却剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械加工された物品及び物品を機械加工する方法に関する。より特定的には、本発明は、放電加工法、放電加工のための物品及び放電用冷却剤に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン部品は熱的、機械的及び化学的に過酷な環境に付される。例えば、ガスタービンの圧縮機部分において、大気空気は、例えば大気圧の１０〜２５倍に圧縮され、この過程で断熱的に例えば８００°〜１２５０°Ｆ（４２７℃〜６７７℃）に加熱される。この加熱され圧縮された空気は燃焼器に送られ、そこで燃料と混合される。この燃料が点火されると、燃焼過程によりガスは非常に高い温度、例えば３０００°Ｆ（１６５０℃）を超える温度に加熱される。これらの高温のガスはタービン（ここで、回転するタービンディスクに固定された翼がエネルギーを引き出してタービンのファン及び圧縮機を駆動する）及び排気系（ここで、ガスは発電機回転子を回転させて電気を産み出すのに充分なエネルギーを提供する）を通過する。充分な強度を保持し、かつ高温度での酸化／腐食損傷を回避するために、金属製部品の表面にコーティングを設けてその部品がうまく機能し設計寿命を満たすようにしている。．
ガスタービンの作動の効率を改良するために、燃焼温度は常に上昇して来ている。より高い温度で、部品を作成するのに使用される材料はその機能を発揮することができないか又は融解し始めるほど弱くなる。伝統的に、空気が温度制御のために使用される。これには、被覆された部品の特定の位置を貫通する冷却孔を設ける必要がある。典型的な高温ガスタービンブレード又はベーンは金属部品を冷却するために翼表面に数百の小さい冷却孔を含有し得、例えば、通常遮熱コーティング（ＴＢＣ）で被覆される典型的な最新のガスタービンのステージ１のノズルには７００を超える冷却孔があり得る。産業界では、２つのＴＢＣプロセス、すなわち電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）及びプラズマ溶射が優勢である。
【０００３】
コートされた部品の冷却孔の製造は大まかに２つの方法に分けることができる。すなわち、（１）最初にドリルで冷却孔をあけた後、遮熱コーティングを設けるか、又は（２）最初に部品をコートした後、そのコーティング及びその下の金属製部品にドリルで冷却孔をあける。ＥＢＰＶＤは一般に第１の方法で行われるが、第２の方法はプラズマ溶射されるＴＢＣ（これは、予めドリルであけた冷却孔を容易に被覆し埋める可能性がある）に特に有利である。第１の方法では、コートする前又はその間複雑なマスキング手段を使用する必要があり、コートした後そのマスクを完全に除去することが必要である。不十分なマスキングは残余のコーティング材料により予め機械加工した冷却孔の閉塞を起こし得、個々の冷却孔の費用のかかる再加工が必要となり得る。第２の方法では、遮熱コーティングは通常非導電性で脆性セラミック酸化物（複数でもよい）で作成されるので、遮熱コーティング又は下にある基材を損傷しない技術の利用可能性が制限される。
【０００４】
ある公知のプロセスは導電性タービン部品に対して放電加工を利用する。このプロセスは絶縁性冷却剤を伴う導電性材料に限定される。このプロセスを使用するには、通常は非導電性材料の組成を変更して導電性にする。かかる変更により放電加工の使用が可能になるが、剥離、耐摩耗性、耐疲労性及び／又は断熱能のような物理的及び機能的性質が犠牲になる。
【０００５】
別のタイプの公知のプロセスにおいては、コーティングを通って金属基材中に形態的特徴部（feature）を機械加工するために二段階の機械加工が利用されている。このプロセスでは始めにウォータージェット又はレーザーアブレーションでコーティングを突き抜き、次いで放電加工（ＥＤＭ）を使用して導電性金属部分を機械加工する。これら２つの工程を使用すると、労働時間、資本費用（例えば、同軸のレーザーアブレーションサブシステムのため）及びプロセスに伴うコストが増大する。加えて、かかるプロセスはレーザーアブレーションに基づく有害な特徴を有する可能性がある。ウォータージェット又はレーザーアブレーションにより機械加工された形態的特徴部の深さに沿ったテーパーは望ましくないが避けがたいことが多い。
【０００６】
ＴＢＣでコートされた高温部（ＨＧＰ）部品に微細な冷却孔（例えば、直径約０．０３０インチ）をドリルであけるのはＨＧＰ部品の製作において最も過酷な分野の１つであり、二段階プロセスが広く使用されている。上記欠点の他にも、かかるプロセスでは、１つの冷却孔の２つの部分の不整合が生じ得、局部的な冷却を設計限界以下に低減させ得、部品の局部的な過熱が生じ得る。
【０００７】
レーザー穿孔は重大な鋳直し、亀裂及びバックストライク(back strike)を生じかねない。ウォータージェットプロセスは深さ能力に制限があり得、バックストライクをを起こしかねない。さらに、いずれの技術によってあけた孔もその深さに沿ってテーパーを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６２７５５５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記欠点の１以上を被らない放電加工法、放電加工するための物品及び放電用冷却剤が当技術分野で望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ある代表的な実施形態では、放電加工法は物品の標的領域を放電加工することを含む。標的領域は物品の非導電性層上に位置し、物品の導電性層と放電加工系の電極との間に位置する。
【００１１】
別の代表的な実施形態では、放電加工のための物品は非導電性層、導電性層及び導電性層から遠位の非導電性層上の標的領域を含み、標的領域は導電性塗料を含む。非導電性層はタービン部品の遮熱コーティングである。
【００１２】
もう１つ別の代表的な実施形態では、導電性放電加工用冷却剤は炭化水素液体及びこの炭化水素液体内に懸濁した炭素粉末を含む。導電性放電加工は放電加工系内に位置する。
【００１３】
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例として図示する添付の図面と併せた以下の好ましい実施形態に関するより詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本開示に従って代表的な部品を形成する代表的な方法を模式的に図解する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
可能である限り、図面を通じて同じ部分を表すには同じ参照番号を使用する。
【００１６】
代表的な放電加工法、放電加工のための物品及び放電加工用冷却剤が提供される。本開示の実施形態により、非導電性層に対する放電加工の使用が可能になり、構造体の機械加工のより良好な制御が可能になり、低コストでの機械加工が可能になり、機械加工された形態的特徴部（例えば、タービン部品の冷却孔）の機能的特性及び近くの材料の物理的／機械的性質が高まり、ある種の機械加工された形態的特徴部の増大した効率での機械加工が可能になり、材料及び／又は機械加工された形態的特徴部（例えば、タービン部品の冷却孔）の物理的特性が高まり、コーティングに殆ど又は全く損傷を与えることなく遮熱コーティングを通り抜ける小さくてテーパーがない成形加工した冷却孔の穿孔が可能になり、又はこれらの組合せにが得られる。
【００１７】
図１を参照して、代表的な放電加工（ＥＤＭ）プロセス１００は、タービン部品、例えばブレード、ノズル、動翼、ダブテール、シュラウド、又はその他あらゆる適切な部品の冷却孔のような形態的特徴部１０５を機械加工するためにＥＤＭシステム１０３に対して物品１０１を配置することを含む。一実施形態では、このプロセス１００は一段階プロセスである。例えば、一実施形態では、プロセス１００は、マスキング及びコーティングと併せた穴加工、レーザー穿孔、ウォータージェット加工、又はこれらの組合せを欠く。或いは、好ましくはない実施形態では、プロセス１００はマスキング及びコーティングと併せた穴加工、レーザー穿孔、ウォータージェット加工、又はこれらの組合せを含む。
【００１８】
物品１０１は導電性ＥＤＭ冷却剤１１７内に配置される。導電性ＥＤＭ冷却剤１１７は少なくとも所定の伝導率を有する流体である。一実施形態では、この流体は炭素粉末が懸濁している灯油のような炭化水素液体である。一実施形態では、炭素粉末は、重量で、約０．０１ｇ／ｃｍ3〜約０．０５ｇ／ｃｍ3、約０．０１ｇ／ｃｍ3〜約０．０３ｇ／ｃｍ3、約０．０３ｇ／ｃｍ3〜約０．０５ｇ／ｃｍ3、約０．０１ｇ／ｃｍ3、約０．０３ｇ／ｃｍ3、約０．０５ｇ／ｃｍ3、又はこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲の濃度で存在する。
【００１９】
物品１０１は、基材のような導電性層１０７と、非導電性層１０９とを含む。一実施形態では、導電性層１０７は約１０2〜１０5ｏｈｍ-1ｃｍ-1の導電率を有し及び／又は非導電性層１０９は３００ｏｈｍ  ｃｍ超の抵抗率を有する。一実施形態では、導電性層１０７はニッケル基超合金のようなベースメタルである。一実施形態では、ベースメタルは、重量で、約１４％のクロム、約９．５％のコバルト、約３．８％のタングステン、約１．５％のモリブデン、約４．９％のチタン、約３．０％のアルミニウム、約０．１％の炭素、約０．０１％のホウ素、約２．８％のタンタル及び残部のニッケルという組成を有する。一実施形態では、ベースメタルは、重量で、約７．５％のコバルト、約７．０％のクロム、約６．５％のタンタル、約６．２％のアルミニウム、約５．０％のタングステン、約３．０％のレニウム、約１．５％のモリブデン、約０．１５％のハフニウム、約０．０５％の炭素、約０．００４％のホウ素、約０．０１％のイットリウム及び残部のニッケルという組成を有する。一実施形態では、ベースメタルは、重量で、約０．１５％〜０．２０％の炭素、約１５．７０％〜約１６．３０％のクロム、約８．００％〜約９．００％のコバルト、約１．５０％〜約２．００％のモリブデン、約２．４０％〜約２．８０％のタングステン、約１．５０％〜約２．００％のタンタル、約０．６０％〜約１．１０％のコロンビウム、約３．２０％〜約３．７０％のチタン、約３．２０％〜約３．７０％のアルミニウム、約０．００５％〜約０．０１５％のホウ素、約０．０５％〜約０．１５％のジルコニウム、最大約０．５０％の鉄、最大約０．２０％のマンガン、最大約０．３０％のケイ素、最大約０．０１５％のイオウ及び残部のニッケルという組成を有する。一実施形態では、非導電性層１０９は遮熱コーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニア、又はその他の任意のセラミック酸化物のようなコーティングである。一実施形態では、物品１０１は非導電性層１０９と導電性層１０７との間に位置するボンドコート層１１５を含む。ボンドコート層１１５は導電性層１０７と非導電性層１０９との間に遷移部を提供することにより、導電性層１０７と非導電性層１０９との間の遷移部に関連する物理的特性を増大する。適切なボンドコート層１１５はＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、又はＦｅＮｉＣｒＡｌＹであるか、又は含む。
【００２０】
非導電性層１０９は、導電性層１０７より、ＥＤＭシステム１０３の電極１１１の近位に位置する。換言すると、プロセス１００の間、物品１０１は、非導電性層１０９が導電性層１０７と電極１１１との間に位置するように配向される。非導電性層１０９は導電性ＥＤＭ冷却剤１１７中に浸漬される。
【００２１】
導電性層１０７の少なくとも一部分から遠位で、標的領域１１３が、導電性ＥＤＭ冷却剤１１７中に浸漬された非導電性層１０９上に配置される。この標的領域１１３は電極１１１が起動されたときアークを形成することができるアーク開始点である。標的領域１１３と電極１１１は導電性ＥＤＭ冷却剤１１７により離隔されている。標的領域１１３は電極１１１から所定のギャップ間隔で配置される。一実施形態では、標的領域１１３は導電性塗料、例えばコロイド状グラファイト塗料を含む。塗料は非導電性層１０９に接着し、実質的に均一な厚さを有する。一実施形態では、標的領域１１３は導電性材料の塗料を含み、この塗料は所定の電気抵抗、例えば約１００〜約３００ｏｈｍ  ｃｍを有する。塗料は、ブラシ塗り、噴霧、又は、例えば、中空の電極若しくは別のノズル先端からの射出のような任意の適切な方法で塗布される。射出法は標的領域１１３を正確に配置するのに役立つ。一実施形態では、射出は、機械加工される形態的特徴部に応じて、機械加工の前に固定量の導電性材料を分配する自動化シリンジタイプの分配機構によって達成される。一実施形態では、標的領域１１３は塗料が約３００ｏｈｍ  ｃｍ未満の電気抵抗を有するように、導電性ポリマー及び／又は酸化物のような導電性非金属を含む。
【００２２】
図１に図解されているように、プロセス１００は、電極１１１と標的領域１１３との間の一連の反復する電流放電を迅速に生成し続けることにより、標的領域１１３の材料を除去する。プロセス１００は、さらなる電流放電によって非導電性層１０９の少なくとも一部分を除去／機械加工し続ける。一実施形態では、機械加工された形態的特徴部１０５の形成に先立って、標的領域１１３はプロセス１００の電流放電によって完全に除去される。一実施形態では、プロセス１００はさらに、非導電性層１０９と導電性層１０７との間に位置するボンドコート層１１５をさらなる電流放電により除去／機械加工することを含む。その後、プロセス１００はさらなる電流放電により、導電性層１０７の少なくとも一部分を除去し続けることによって機械加工された形態的特徴部１０５を形成する。
【００２３】
機械加工された形態的特徴部１０５はＥＤＭプロセス１００により形成することができる任意の適切な形態的特徴部である。一実施形態では、機械加工された形態的特徴部１０５は所定の最大幅、例えば、約０．０１５インチ〜約０．０８０インチ、約０．０１５インチ〜約０．０３０インチ、約０．０１０インチ若しくは約０．０１０インチ未満、約０．０２０インチ若しくは約０．０２０インチ未満、約０．０３０インチ若しくは約０．０３０インチ未満、約０．０４０インチ若しくは約０．０４０インチ未満、約０．０５０インチ若しくは約０．０５０インチ未満、約０．０６０インチ若しくは約０．０６０インチ未満、約０．０７０インチ若しくは約０．０７０インチ未満、約０．０８０インチ若しくは約０．０８０インチ未満、又はこれらの適切な組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲を有する。一実施形態では、機械加工された形態的特徴部１０５は物品１０１を貫通して延び及び／又は円筒形、円錐台形、円錐形、立方体形、矩形／チャネル様、卵形、複雑な形態、又はこれらの組合せのような所定の幾何学的形態を含む。
【００２４】
一実施形態では、形態的特徴部１０５の種類によって、電極１１１は物品表面に対してある角度αで傾斜している。この角度αの適切な値としては、限定されることはないが、約５度〜約９０度、約５度〜約６０度、約５度〜約４５度、約５度〜約３０度、約５度〜約１５度、約１５度〜約９０度、約３０度〜約９０度、約４５度〜約９０度、約６０度〜約９０度、約３０度〜約６０度、約３０度〜約４５度、約４５度〜約６０度、又はこれらの任意の適切な組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲がある。
【００２５】
一実施形態では、電極１１１は個々の電極の集合体であり、上記のように単一のプロセスで製作される動翼、ノズル及び／又はシュラウドの一列の冷却孔のような複数の機械加工された形態的特徴部の製作が可能である。
【００２６】
好ましい実施形態に関連して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更をなし得、またその要素を均等物で置き換えることができる。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるべく多くの変更をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施する際に考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、後記特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含するものである。
【図１】
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