(57)【要約】      （修正有）【課題】鋳造後の機械加工作業の必要性をなくす、高温ガス路構成要素に冷却チャネルを形成するための方法を提供する。【解決手段】１つまたは複数の表面冷却チャネルを含む構成要素を鋳造する方法。方法は、中核部分の可撓性の鋳型にセラミック製の中核を鋳造するステップと、少なくとも２つの部分において、第１の外殻部分と、第２の外殻部分のそれぞれの可撓性の鋳型内にセラミック製の外殻を鋳造するステップとを含む。セラミック製の外殻部分の中でセラミック製の中核を組み立てることによって、セラミック製の鋳造容器がその後形成される。金属基体材料が、セラミック製の鋳造容器内に鋳造される。セラミック製の鋳造容器を取り外すことで、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを中に画定する構成要素の基体が露呈する。【選択図】図１
2014139428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の表面冷却チャネル（４０）を含む構成要素（３０）を鋳造する方法であって、
１つまたは複数の中核部分（６０）の可撓性の鋳型（８０）からセラミック製の中核（５２）を鋳造するステップ（１６０）と、
少なくとも２つの部分において、少なくとも２つの外殻部分（６２、６４）のそれぞれの可撓性の鋳型（１００、１０２）にセラミック製の外殻（５４）を鋳造するステップ（１６２）と、
前記セラミック製の外殻部分（５４）の中で前記セラミック製の中核（５２）を組み立てることによって、セラミック製の鋳造容器（５６）を形成するステップ（１６４）と、
金属基体材料（１１０）を前記セラミック製の鋳造容器（５６）内に鋳造するステップ（１６６）と、
前記セラミック製の鋳造容器（５６）を取り外すことで、内部通路（３８）と、前記内部通路（３８）と流体連通する１つまたは複数の冷却路（４１）と、前記１つまたは複数の冷却路（４１）と流体連通する１つまたは複数の表面の溝（４４）とを中に画定する前記構成要素（３０）の基体（３２）を露呈するステップ（１６８）とを含む方法。
【請求項２】
前記構成要素（３０）の幾何学形状を画定し、前記内部通路（３８）と、前記内部通路（３８）と流体連通する１つまたは複数の冷却路（４１）と、前記１つまたは複数の冷却路（４１）と流体連通する１つまたは複数の表面の溝（４４）とを含む所望のセラミック製の鋳造容器（５６）のモデルを形成するステップ（１５２）と、
前記モデルを、前記中核部分（５２）、前記第１の外殻部分（６２）および前記第２の外殻部分（６４）を画定する複数の部分にデジタル式に分割するステップ（１５４）と、
前記複数の部分（５２、６２、６４）の各々を成形型（６６、６９、９０、９２）に変換するステップ（１５６）であって、前記複数の部分（５２、６２、６４）が、１つまたは複数の精密金属インサート（７０）を含むことで、前記内部通路（３８）と、前記１つまたは複数の冷却路（４１）と、前記１つまたは複数の表面の溝（４４）とを含む前記構成要素（３０）の幾何学形状を画定するステップ（１５６）と、
各々の成形型（６６、６９、９０、９２）から前記可撓性の鋳型（８０、１００、１０２）を鋳造するステップ（１５８）とをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記基体（３２）の表面（３４）の少なくとも一部を覆うようにコーティング（４２）を配置するステップであって、前記１つまたは複数の冷却路（４１）、前記１つまたは複数の表面の溝（４４）および前記コーティング（４２）が、前記１つまたは複数の表面冷却チャネル（４０）を画定することで、前記構成要素（３０）を冷却するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記コーティング（４２）を貫通する少なくとも１つの冷却材出口（４５）を画定するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記１つまたは複数の表面の溝（４１）が、内側にくぼんだ形状の溝である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
１つまたは複数の表面冷却チャネル（４０）を含む構成要素（３０）を鋳造する方法であって、
前記構成要素（３０）の幾何学形状を画定し、前記内部通路（３８）と、前記内部通路（３８）と流体連通する１つまたは複数の冷却路（４１）と、前記１つまたは複数の冷却路（４１）と流体連通する１つまたは複数の表面の溝（４４）とを含む所望のセラミック製の鋳造容器（５６）のモデル（５０）を形成するステップ（１５２）と、
前記モデル（５０）を複数の部分（５２、６２、６４）にデジタル式に分割するステップ（１５４）と、
前記複数の部分（５２、６２、６４）の各々を成形型（６７、６９、９０、９２）に変換するステップ（１５６）であって、前記複数の部分（６０、６２、６４）が、１つまたは複数の精密金属インサート（７０）を含むことで、前記内部通路（３８）と、前記１つまたは複数の冷却路（４１）と、前記１つまたは複数の表面の溝（４４）と、１つまたは複数の整列機構（７２、９８）とを含む前記構成要素（３０）の幾何学形状を画定するステップ（１５６）と、
各々の成形型（６７、６９、９０、９２）から可撓性の鋳型（８０、１００、１０２）を鋳造するステップ（１５８）と、
それぞれの可撓性の鋳型（６７、６９）からセラミック製の中核（５２）を鋳造するステップ（１６０）と、
少なくとも２つの部分において、それぞれの可撓性の鋳型（９０、９２）からセラミック製の外殻（５４）を鋳造するステップ（１６２）と、
前記セラミック製外殻部分（５４）の中で前記セラミック製の中核（５２）を組み立てることによって、前記セラミック製の鋳造容器（５６）を形成するステップ（１６４）と、
金属（１１０）を前記セラミック製の鋳造容器（５６）中に鋳造するステップ（１６６）と、
前記セラミック製の鋳造容器（５６）を取り外すことによって、前記内部通路（３８）と、前記内部通路（３８）と流体連通する１つまたは複数の冷却路（４１）と、前記１つまたは複数の冷却路（４１）と流体連通する１つまたは複数の表面の溝（４４）とを有する前記構成要素（３０）の基体（３２）を露呈するステップ（１６８）とを含む方法。
【請求項７】
前記基体（３２）の表面（３４）の少なくとも一部を覆うようにコーティング（４２）を配置するステップをさらに含み、前記１つまたは複数の表面の溝（４４）と、前記コーティング（４２）が、前記１つまたは複数の表面冷却チャネル（４０）を画定することで前記構成要素（３０）を冷却する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記１つまたは複数の表面の溝（４４）が、内側にくぼんだ形状の溝である、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記成形型（６７、６９、９０、９２）の各々が、金属材料で形成される、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の部分（６０、６２、６４）が、１つまたは複数の中核部分（６２）と、少なくとも２つの外殻部分（６２、６４）とを画定する、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は一般に、ガスタービンシステムなどのタービンシステムに関し、より詳細には中のマイクロ−チャネル冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいて、圧縮機の中で空気が圧縮され、燃焼器の中で燃料と混ぜ合わされて高温の燃焼ガスを生成する。高圧タービン（ＨＰＴ）においてこのガスからエネルギーが抽出され、このエネルギーが圧縮機に動力を提供し、低圧タービン（ＬＰＴ）において、これはターボファン航空機エンジン用途ではファンに動力を提供し、船舶および工業用途では外部シャフトに動力を提供する。
【０００３】
ガスタービンエンジンの作動中、燃焼ガスの温度は３０００°Ｆを超える場合があり、これは、このようなガスに接触するエンジンの金属部分の溶融温度よりかなり高い。金属部分の溶融温度を超えるガスの温度でのこのようなエンジンの作動は、十分に確立した分野であり、種々の方法によって金属部分の外側の面に冷却空気を供給することに一部依存している。特に高温を受けやすいため、冷却作用に関して特に注意を必要とするこのようなエンジンの金属部分は、燃焼器および燃焼器の尾翼に位置する部品を形成している金属部分である。
【０００４】
エンジンの効率は、燃焼ガスの温度と共に上昇する。しかしながら燃焼ガスは、その流路に沿って種々の構成要素を加熱するため、長期のエンジンの寿命を実現するためにそれらを冷却することが必要となる。典型的には、高温ガス路構成要素は、圧縮機から空気を抜き取ることによって冷却される。このような冷却工程は、抜き取られた空気が燃焼工程において使用されないためエンジン効率を低下させる。
【０００５】
ガスタービンエンジンを冷却する技術は、発達しきっており、種々の高温ガス路構成要素における様々な態様の冷却回路および機構に関する様々な特許を含んでいる。例えば燃焼器は、半径方向外側および内側のライナーを含み、これらは作動中冷却することを必要とする。タービンノズルは、外側バンドと内側バンドの間に支持される中空の静翼を含んでおり、これもまた冷却することを必要とする。タービンロータブレードは中空であり、典型的には冷却回路を中に含んでおり、ブレードは、タービンシュラウドによって囲まれ、これもまた冷却することを必要とする。高温の燃焼ガスが、排気管から排出され、これもまた裏打ちされ、好適に冷却されてよい。
【０００６】
このような一例のガスタービンエンジン構成要素の全てにおいて、高強度の超合金の薄い金属壁が典型的に使用されることで、耐久性を高めると同時に、それを冷却する必要性を最小限にする。種々の冷却回路および機構は、エンジン内のそれぞれの対応する環境において、このような個別の構成要素に適応される。例えば一連の内部冷却路、または蛇行路が高温ガス路構成要素の中に形成される場合がある。プレナムから蛇行路に冷却流体が供給され、冷却流体は、この通路を通って流れ、高温ガス路構成要素の基体およびコーティングを冷却することができる。しかしながらこのような冷却方法は典型的には、熱伝導率が比較的低く、構成要素の温度プロフィールが不均一なものになる。
【０００７】
マイクロ−チャネル冷却技術の利用には、冷却の要件を有意に緩和させる可能性がある。マイクロ−チャネル冷却は、加熱区域のできるだけ近くに冷却装置を設置することで、所与の熱伝導率に関する負荷担持基体材料の高温側と低温側の間の温度差を縮小する。しかしながらマイクロ−チャネルを形成するための現行の技術は典型的には、マイクロ−チャネルおよび冷却材供給穴を形成するのに鋳造後に機械加工作業を利用することを必要とする。鋳造後の機械加工作業には、潜在的に破壊工程が伴い、典型的には長い時間を必要とする。
【０００８】
したがって鋳造後の機械加工作業の必要性をなくす、高温ガス路構成要素に冷却チャネルを形成するための方法を提供することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１３５２６２号明細書
【発明の概要】
【００１０】
一実施形態において、１つまたは複数の表面冷却チャネルを含む構成要素を鋳造する方法が開示されている。方法は、１つまたは複数の中核部分の可撓性の鋳型からセラミック製の中核を鋳造するステップと、少なくとも２つの部分において、第１の外殻部分と、第２の外殻部分それぞれの可撓性の鋳型内にセラミック製の外殻を鋳造するステップとを含む。次に、セラミック製の外殻部分の中でセラミック製の中核を組み立てることによって、セラミック製の鋳造容器が形成される。金属の基体材料が、セラミック製の鋳造容器に鋳造される。その後セラミック製の鋳造容器が取り外される。セラミック製の鋳造容器を取り外すことで、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを中に画定する構成要素の基体が露呈する。
【００１１】
別の実施形態において、１つまたは複数の表面冷却チャネルを含む構成要素を鋳造する方法が開示されている。方法は、特定のモデルの所望されるセラミック製の鋳造容器を提供し、この鋳造容器が、構成要素の幾何学形状を画定し、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを含んでいるステップを含む。このモデルは、デジタル式に複数の部分に分割され、複数の部分の各々は成形型に変換され、この場合、複数の部分が１つまたは複数の精密金属インサートを含むことで、内部通路、１つまたは複数の冷却路および１つまたは複数の表面の溝を含む構成要素の幾何学形状と、１つまたは複数の整列機能とを画定する。各々の成形型から可撓性の鋳型が次に鋳造される。セラミック製の中核が、各々の可撓性の鋳型から鋳造される。少なくとも２つの部分において、それぞれの可撓性の鋳型からセラミック製の外殻が鋳造される。セラミック製の外殻部分の中でセラミック製の中核を組み立てることによって、セラミック製の鋳造容器が形成される。次に、金属がセラミック製の鋳造容器に鋳造される。セラミック製の鋳造容器はその後に取り外されることで、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを有する構成要素の基体が露呈する。
【００１２】
さらに別の実施形態において、１つまたは複数の表面冷却チャネルを含む構成要素を鋳造する方法が開示されている。方法は、特定のモデルの所望されるセラミック製の鋳造容器を提供し、この鋳造容器が、構成要素の幾何学形状を画定し、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを含むステップと、このモデルを複数の部分にデジタル式に分割するステップとを含む。複数の部分は、１つまたは複数の中核部分と、少なくとも２つの外殻部分とを画定する。複数の部分の各々は次に、成形型に変換される。１つまたは複数の精密金属インサートが、複数の部分の１つまたは複数に配置されることで、内部通路と、１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の表面の溝と、１つまたは複数の整列機構とを含む構成要素の幾何学形状を画定する。次に各々の成形型から可撓性の鋳型が鋳造される。それぞれの可撓性の鋳型は、その間に空洞を画定するように組み立てられる。それぞれの可撓性の鋳型からセラミック製の中核が鋳造され、少なくとも２つの部分において、それぞれの可撓性の鋳型からセラミック製の外殻が鋳造される。１つまたは複数の整列機構を利用して、セラミック製の外殻部分の中でセラミック製の中核を組み立てることによって、セラミック製の鋳造容器が形成される。その後金属が、セラミック製の鋳造容器内に鋳造される。その後セラミック製の鋳造容器を取り外すことで、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを有する構成要素の基体が露呈する。最終的には基体の表面の少なくとも一部にコーティングが配置され、１つまたは複数の表面の溝およびコーティングが、１つまたは複数の表面冷却チャネルを画定することで構成要素を冷却する。
【００１３】
本明細書で考察される実施形態によって提供されるこれらのおよび付加的な特徴は、以下の詳細な記載を図面と併せて考慮することで、より完全に理解されるであろう。
【００１４】
図面に記載される実施形態は例示であり、本質的に典型的なものであり、クレームによって定義される実施形態に限定することは意図されていない。例示の実施形態の以下の詳細な記載は、以下の図面と併せて読むことで理解することができ、図面では同様の構造体は、同様の参照番号によって示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを備えた構成要素を含むガスタービンシステムの概略図である。
【図２】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む一例のエーロフォイル構成の概略断面図である。
【図３】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図４】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図５】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図６】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図７】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図８】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図９】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図１０】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図１１】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図１２】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図１３】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図１４】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図１５】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法における１つのステップの断面図である。
【図１６】本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による、表面冷却チャネルを含む構成要素を作成する方法の一実装形態を描くフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示の１つまたは複数の特定の実施形態が以下に記載される。このような実施形態の簡潔な記載を実現しようとする中で、実際の実装形態の全ての機能が明細書に記載されない場合もある。いずれかのこのような実際の実装形態の、何らかの工学プロジェクトまたは設計プロジェクトでの開発において、例えばシステム関連および商業関連の制約に準拠するなど、この開発者の特定の目的を達成するために多数の実装形態に固有の決定を行う必要があり、これは実装形態によって異なる可能性があることを理解されたい。さらにこのような開発の取り組みは、複雑で時間がかかるものではあるが、それでもやはり、本開示の恩恵を有する当業者にとって、設計、作製および製造を請け負うことは日常的であることを理解されたい。
【００１７】
本開示の種々の実施形態の要素を取り上げる際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「前記」は、１つまたは複数の要素があることを意味することが意図されている。用語「備える」、「含む」および「有する」は、包括的であり、記載される要素以外の追加の要素がある可能性があることを意味することが意図されている。
【００１８】
例えばエーロフォイルなどの金属、セラミック、ポリマーおよび／または複合材料システムから作成された高性能の製品内に表面冷却チャネルを作製する方法が開示されている。この方法によって、改善された冷却特徴を持つエーロフォイル設計を製作することが可能になり、この特徴によって、表面冷却チャネルを鋳造後に機械加工する必要がなくなる。一実施形態において、冷却材出口機構が、コーティングを配置した後、塗布されたコーティング内に配置される場合がある、あるいは表面冷却チャネルが、この部分の縁部から離れて出て行くように配向される場合もある。
【００１９】
この製作方法は、リソグラフィおよびリソグラフィ機械加工技術の利用に基づいた新規の成形または鋳造工程を利用することで、完成したエーロフォイルの三次元モデルを作り出す。方法は、本明細書により詳細に記載される。
【００２０】
図１は、ガスタービンシステム１０の概略図である。システム１０は、１つまたは複数の圧縮機１２と、燃焼器１４と、タービン１６と、燃料ノズル２０とを含むことができる。圧縮機１２およびタービン１６は、１つまたは複数のシャフト１８に結合されてよい。シャフト１８は、１本のシャフトの場合、あるいは複数のシャフト部分を併せて結合してシャフト１８を形成する場合がある。
【００２１】
ガスタービンシステム１０は、いくつかの高温ガス路構成要素を含む場合がある。高温ガス路構成要素は、システム１０の任意の構成要素であり、これは少なくとも部分的にシステム１０を通る高温のガス流に曝される。例えば動翼組立体（これはまたブレードまたはブレード組立体としても知られる）、ノズル組立体（これは静翼または静翼組立体としても知られる）、シュラウド組立体、移行部分、保持リングおよび圧縮機排気構成要素は全て、高温ガス路構成要素である。しかしながら本開示の高温ガス路構成要素は、上記の例に限定されるものではなく、高温のガス流に少なくとも部分的に曝されるいずれの構成要素でもよいことを理解されたい。さらに、本開示の高温ガス路構成要素は、ガスタービンシステム１０の中の構成要素に限定されるものではなく、高温の流れに曝される可能性のある機械またはその構成要素のいずれの部品でもあり得ることを理解されたい。
【００２２】
高温ガス路構成要素が、高温ガス流に曝される際、高温ガス路構成要素は、高温ガス流によって加熱され、高温ガス路構成要素が故障する温度に達する場合がある。したがってシステム１０が、高温においても高温ガス流と共に作動することを可能にし、システム１０の効率や性能を上げるために高温ガス路構成要素を冷却するシステムが必要になる。
【００２３】
一般に、本開示の冷却システムは、一連の小型の冷却チャネル、すなわちマイクロチャネルを含んでおり、これは高温ガス路構成要素の表面に形成される。高温ガス路構成要素は、１つまたは複数の溝と、これらの溝を埋めるコーティングを含み、マイクロチャネルを形成することができる。プレナムからマイクロチャネルに冷却流体が供給されてよく、冷却流体がマイクロチャネルを通って流れることで、コーティングと基体を冷却することができる。
【００２４】
次に図２を参照すると、エーロフォイル構成を有する高温ガス構成要素３０の一例が示されている。指摘されるように、構成要素３０は、外側の面３４と、内側の面３６を備えた基体３２を備える。基体３２の内側の面３６は、少なくとも１つの中空の内部空間３８を画定する。代替の一実施形態において、中空の内部空間の代わりに、高温ガス構成要素３０が供給空洞を含む場合もある。基体３２の外側の面３４は、いくつかの表面冷却チャネル４０を画定する。表面冷却チャネル４０はそれぞれ、少なくとも部分的に基体３２の外側の面３４に沿って延在し、１つまたは複数の冷却路４１を介して少なくとも１つの中空の内部空間３８と流体連通する。基体３２の外側の面３４の少なくとも一部にわたって、より詳細には基体３２の外側の面３４の中に形成された１つまたは複数の溝４４を覆うようにコーティング４２が配置され、この溝がコーティング４２と組み合わさって、表面冷却チャネル４０を形成する。一実施形態において、高温ガス構成要素３０が、複数のコーティング４２を含む場合があり、表面冷却チャネル４０は、基体３２内または一部が基体３２内、および１つまたは複数のコーティング４２の中に形成される場合もある。
【００２５】
以下に記載するように、本明細書に開示される方法は、リソグラフィおよびリソグラフィ機械加工技術を含むことで、完成した構成要素、より詳細には複数の表面冷却チャネルを含むエーロフォイルの三次元モデルを作り出す。最初に、コンピュータ処理された設計システムを利用してエーロフォイルなどの構成要素のデジタルモデルが形成されるが、その利用は当分野でよく知られている。デジタルモデルはその後、鋳造するために複数の部分に分割される。複数の鋳造物が最終的に鋳造容器内に組み立てられ、その中に合金が鋳造される。鋳造容器を最終的に取り外すことで、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の開放した表面冷却チャネルとを有する冷却可能な構造体が露呈する。この方法により、構成要素が開放した表面冷却チャネルを形成するのに鋳造後に機械加工する必要がなくなる。
【００２６】
先に指摘したように、本明細書に開示される方法によって作製される一例の実施形態は、ガスタービンエーロフォイルの作製であり、これは、複数の表面冷却チャネルと流体連通する内部の中空の通路を含んでいる。
【００２７】
より詳細に図３から図１６を参照すると、構成要素３０を作製する方法におけるいくつかのステップが開示されている。より詳細には、セラミック製の鋳造容器５６のセラミック製の中核５２と、セラミック製の外殻５４を製造するための方法におけるいくつかのステップが開示されており、この容器は中に構成要素３０の内部通路と、１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の表面冷却チャネルとを画定する。
【００２８】
指摘されるように、方法は、高温ガス構成要素３０の外側の面３４に、内部通路３８と流体連通するように１つまたは複数の表面チャネル、すなわち溝４４を形成するステップ（図２に最もよく示される）を提供する。例示の例の場合、複数の溝４４が、外側の面３４に形成される。溝４４の各々は、少なくとも部分的に構成要素３０の表面３４に沿って延在する。一実施形態において、例えば図３に示されるように、最初に所望のセラミック製の鋳造容器５６のモデル５０が設けられ、これは、構成要素３０を画定し、複数のインサート（以下に記載する）を含むことで、内部通路３８（図２）と、１つまたは複数の冷却路４１（図２）と、１つまたは複数の溝４４（図２）とを画定する。モデルは図４に示されるように、複数の部分にデジタル式に分割される。より具体的にはモデルがデジタル式に分割されることで、１つまたは複数の中核部分と（その１つの中核部分６０が示される）、少なくとも２つの外殻部分６２および６４を画定する。例示の実施形態において、中核部分６０は、単独の部分によって画定されるように示されているが、単独の部分として形成するのに複雑過ぎる場合もあり、代替として複数の中核部分として形成される場合もあることに留意されたい。一実施形態において、中核および外殻の各々を２つ以上の部分に分割することで、作製し易くすることができ、より精密な細部を含むことが可能になる。
【００２９】
次に図５を参照すると、次に複数の部分の各々を、より具体的には中核部分６０と、複数の外殻部分６２および６４が成形型６６に変換される。各々の成形型６６は、よく知られた機械加工工程を利用してデジタルモデル５０から形成され、各々の部分６０、６２、６４をそれぞれの成形型６６に変換する。成形型６６の各々は、デジタルモデル５０から既知の機械加工工程を利用して形成され、各々の部分６０、６２、６４をそれぞれの成形型６６に変換する。複数の部分６０、６２および６４の少なくとも１つが、複数の精密金属インサート７０を含むことで、１つまたは複数の冷却路４１と、１つまたは複数の表面の溝４４を含む構成要素３０の幾何学形状を画定する。このような部品の図面に示される二次元断面ではなく、三次元性を念頭に置くことで、一実施形態において金属インサート７０は、それ自体の複数の層で形成されてよく、例えばエッチングされ、その後所定の位置に積み重ねられた、または固定された銅製のシートで形成されてよい。これに加えて、１つまたは複数の精密金属インサート７０は、１つまたは複数の整列機構７２を画定するために含まれる場合もある。より具体的には図５に示されるように、中核部分６０は、２つの協働する成形型６７および６９に変換され、これらは最終的には、セラミック製の鋳造容器５６のセラミック製の中核５２を形成する。成形型６６の各々は、機械加工することが可能な何らかの柔軟で安定した金属または金属合金で形成される。好ましい一実施形態において、成形型６６は、費用の利点および機械加工し易いようにアルミニウム材料で形成される。成形型６６の各々、より詳細には成形型６７および６９は、機械加工された面６８と、精密金属インサート７０と、整列機構７２とを組み込み、鋳造されるべき構成要素の目的とする形状を反映する。好ましい一実施形態において、精密金属インサート７０は、エッチングされた銅で形成され、１つまたは複数の冷却路４１（図２）および１つまたは複数の表面の溝４４を含む最終製品の幾何学形状を反映している。エッチングまたはリソグラフィ技術によって容易に細工されるという点で、銅が精密金属インサート７０に好ましい材料であるが、任意の金属または合金も、このような技術が作用する対象となる。例えば図３に示されるように、それぞれの溝４４の最終的な幾何学形状は、底部４６と頂部４８を有し、底部４６は頂部４８より幅が広いため、各々の溝４４は、内側にくぼんだ形状の溝４４である。例えば図３で指摘されるように、方法はさらに、それぞれの溝４４の底部４６に結合した１つまたは複数の冷却路５６を形成することで、溝４４と１つの中空の内部空間３８の間の流体連通を実現するステップを含む。１つまたは複数の冷却路５６は典型的には、円形または楕円形の断面である。１つまたは複数の冷却路５６は、それぞれの溝４４（図３に示される）の底部４６に対して直角である、あるいはより一般的には、溝４４の底部４６に対して２０−９０度の範囲の角度で形成されてよい。溝４４は本明細書には内側にくぼんだタイプの溝として記載されるが、溝４４を開放した形式の溝として作製することも本明細書では予想される。成形型６６の結果として生じる全体の表面の幾何学形状７４は、機械加工された面６８と、精密機械インサート７０を組み合わせたものであり、セラミック製の中核５２の最終的な形状を示すものである。
【００３０】
次に図６を参照すると、複数の可撓性の鋳型８０が次に、成形型６６から、より詳細には成形型６７および６９から鋳造される。この可撓性の鋳型８０によって、各々の成形型６６の結果として生じる表面の幾何学形状７４、より詳細には各々の成形型６７および６９の機械加工された面６８と、精密金属インサート７０を複製することが可能になる。
【００３１】
図７に最もよく示されるように、硬化作業に続いて、成形型６７および６９が取り外されることで、可撓性の鋳型８０が露呈する。可撓性の鋳型８０は、その間に空洞８２を画定するように、互いに対して位置決めされ整列される。空洞８２は、セラミック製の中核５２の形状を示すものである。一実施形態において、整列機構７２の形態で整列インサート８４を利用することで、可撓性の鋳型８０の各々の片側を互いに対して適切に整列させるのを助ける。
【００３２】
次に図８を参照して、可撓性の鋳型８０の２つの片側を整列させた後、空洞８２は、セラミック製の鋳造材８６によって満たされる。硬化させた後、可撓性の鋳型８０が取り外されることで、セラミック製の中核５２が露呈し、これは１つまたは複数の冷却路４１と、１つまたは複数の表面の溝４４を形成する正確な機構を含んでおり、これらは最終的には１つまたは複数の表面冷却チャネル４０を形成する。
【００３３】
セラミック製の中核５２の作製に加えて、セラミック製の鋳造容器５６はさらに、セラミック製の外殻５４を含んでいる。したがって次に少なくとも２つの部分６２および６４においてセラミック製の外殻５４が鋳造され、これらはその後一緒に接合され、セラミック製の中核５２と組み合わせることで、１つまたは複数の表面の溝４４を含む構成要素３０を作製することが可能になる。先に詳細に記載したように、例えば図２のエーロフォイル３０などのエーロフォイルの作製の好ましい一実施形態において、外殻部分６２および６４は、セラミック製の外核５４のデジタルモデル５０（図３および図５）に基づいて作製される。好ましい一実施形態では、デジタルモデル５０、より詳細にはセラミック製の鋳造容器５６は、吸引側と圧力側に分けられる。セラミック製の鋳造容器５６の分割に関する代替の場所も本明細書では予想され、これは、形状および作製のしやすさを含めた設計パラメータに左右され、この場合、一部の部品が３つ以上の外殻部分を必要とする場合もあることが理解される。
【００３４】
次に図９および図１１を参照すると、セラミック製の鋳造容器５６のセラミック製の外殻５４を備える各々の外殻部分６２および６４に対する成形型が作製される。より詳細には、示されるように、中核部分６０に関して先に記載したのと同様の一般的なやり方で、各々の外殻部分６２および６４に対して第１の成形型９０および第２の成形型９２が作製される。図９は、外殻部分６２の外側９４の第１の成形型９０を示しており、これはその後に続く外側９４の可撓性の鋳型の鋳造に備えて作製されている。図１１は、外殻部分６２の内側９６の第２の成形型９２を示しており、これはその後に続く内側９６の可撓性の鋳型の鋳造に備えて作製されている。示されていないが、外殻部分６４に対しても同様のやり方で付加的な成形型が作製され、これは外殻部分６４の内側と外側両方を描いている。一実施形態において成形型９０および９２は、アルミニウムなどの柔軟な金属材料または金属合金で形成される。先に詳細に記載したように、正確な工具による仕上げ作業が必要な場合、図３−８の精密金属インサート７０と同様の精密金属インサート（図示せず）が、成形型９０および９２に挿入される場合もある。これに加えて、一実施形態において協働する整列機構９８が各々の成形型９０および９２に含まれることで、その後の可撓性の鋳型を作製するステップにおいて成形型９０および９２を整列し易くする場合もある。
【００３５】
可撓性の鋳型が次に、各々の成形型９０および９２に対して作成される。より具体的には図１０および図１２に示されるように、可撓性の鋳型１００が、成形型９０から形成され、可撓性の鋳型１０２は、成形型９２から形成される。可撓性の鋳型１００および１０２は、中核部分６０の可撓性の鋳型８０に関して概ね上記に記載したやり方で形成される。これに加えて、外殻部分６４に対しても同様のやり方で付加的な可撓性の鋳型が作製され、これは外殻部分６４の内側と外側の両方を描いている。
【００３６】
次に図１３に最もよく示されるように、外殻部分６２に対して作成された可撓性の鋳型１００および１０２が、その間に空洞８２を画定するように位置決めされ整列される。示される実施形態では、空洞１０４は、最終的なセラミック製の外殻５４の一部の形状を示すものである。形成された整列機構９８において整列インサート１０６を利用することで、可撓性の鋳型１００および１０２の各々の片側を互いに対して適切に位置決めするのを助けることができる。可撓性の鋳型１００および１０２の２つの片側を整列させた後、空洞１０４は、セラミック製の鋳造材１０８によって満たされる。硬化させた後、可撓性の鋳型１００および１０２が取り外されることで、セラミック製の鋳造容器５６の一部、より詳細にはセラミック製の外殻５４の片側が露呈する。この工程は、セラミック製の鋳造容器５６のセラミック製の外殻５４の残りの片側を作製するために繰り返される。
【００３７】
次に図１４を参照すると、２つのセラミック製の外殻５４の中でセラミック製の中核５２を組み立て、これにより構成要素３０の完全な鋳型を画定することにより、次にセラミック製の鋳造容器５６が形成される。セラミック製の鋳造容器５６は、中に画定された複数の空洞１１２を有する。一実施形態において、少なくとも２つの外殻部分６２および６４の中に、よって結果として生じる２つのセラミック製の外殻５４に位置特定機構がある場合があり、これは１つまたは複数の中核部分６０、よって結果として生じるセラミック製の中核５２の中の頂部開放位置と整列しその中に挿入される。このような位置特定機構によって、中核と外殻の両方において「固定する」ことが可能になり、これにより表面チャネルを開放したままにし、溶融した金属が、セラミック製の中核５２とセラミック製の外殻５４の間のウェブを埋めないように維持することが可能になる。
【００３８】
セラミック製の鋳造容器５６はその後、当分野で既知のよく知られた工程を利用して溶融した金属１１０をセラミック製の鋳造容器５６の中に、より詳細には、その中に画定された空洞１１２の中で受けることで、複数の表面の溝４４を含んだ鋳造ガスタービンブレード３０を形成する。好ましい一実施形態において、溶融した金属１１０は、その全体が本明細書に組み込まれる米国特許第５，６２６，４６２号、Ｍｅｌｖｉｎ Ｒ． Ｊａｃｋｓｏｎ等の「Ｄｏｕｂｌｅ-ｗａｌｌ ａｉｒｆｏｉｌ」において考察されるように、任意の好適な金属材料を含むことができる。構成要素３０の目的とする用途に応じて、これはニッケルベース、銅ベースおよび鉄ベースの超合金を含む可能性がある。ニッケルベースの超合金は、γとγ’層の両方を含むものであってよく、詳細にはγとγ’層の両方を含むニッケルベースの超合金であってよく、この場合、γ’層は、この超合金の体積の少なくとも４０％を占める。このような合金は、高温強度および高温クリープ抵抗を含む望ましい特性が組み合わされることから、有利であることが知られている。金属材料１１０はまた、ＮｉＡｌ金属間合金である場合もあり、これらの合金は、高温強度および高温クリープ抵抗を含めた優れた特性を組み合わせたものを有することが知られており、これらの特性は、航空機に使用されるタービンエンジン用途で使用するのに有利である。ニオブベースの合金の場合、優れた耐酸化性を有するコーティングされたニオブベースの合金が好ましく、特にそのような合金は、Ｎｂ-(２７-４０)Ｔｉ-(４．５-１０．５)Ａｌ-(４．５-７．９)Ｃｒ-(１．５-５．５)Ｈｆ-(０-６)Ｖであり、この場合、その組成の範囲は、原子の割合である。金属材料はまた、少なくとも１つの二次相を含むニオブベースの合金である場合もあり、例えばケイ化物、カーバイドまたはホウ化物などのニオブを含有する金属間化合物などである。このような合金は、延性相（すなわちニオブベースの合金）と、強化相（すなわちニオブを含有する金属間化合物）の複合材料である。他の構成の場合、金属材料は、モリブデンベースの合金であり、例えばＭｏ5ＳｉＢ２および／またはＭｏ3Ｓｉの二次相を備えたモリブデン（固溶体）ベースの合金などである。他の構成の場合、金属材料は、セラミック基複合材料（ＣＭＣ）であり、例えばＳｉＣファイバで強化されたシリコンカーバイド（ＳｉＣ）マトリクスなどである。他の構成の場合、金属材料は、ＴｉＡｌベースの金属間化合物である。
【００３９】
セラミック製の鋳造容器５６が次に取り外されることで、内部通路３８と、内部通路３８と流体連通する１つまたは複数の冷却路４１と、１つまたは複数の冷却路４１と流体連通する１つまたは複数の表面の溝４４とを有する構成要素３０が露呈し、その一部が図１５に示されている。例えば図１５で指摘されるように、方法はさらに、構成要素３０の基体３２の表面３４の少なくとも一部にわたってコーティング４２を配置するステップを含む。より詳細には、一実施形態においてコーティング４２は、１つまたは複数の溝４４の開放した溝を直接覆うように基体３２の表面３４の少なくとも一部にわたって配置される。本明細書で使用されるように「開放した」とは、溝４４が空であることを意味しており、すなわちそれらが犠牲充填材で満たされていないことを意味している。図１５に示されるように、例えば溝４４とコーティング４２が、いくつかの内側にくぼんだ形状のチャネル４０を画定することで構成要素３０を冷却する。基板３２とコーティング４２はさらに、複数の出口フィルム穴（図示せず）を画定することができる。一例のコーティング４２は、米国特許第５，６４０，７６７号および米国特許第５，６２６，４６２号において提供されており、これらはその全体が参照により本明細書に組み込まれている。米国特許第５，６２６，４２６号で考察されるように、コーティング４２は、基体３２の表面３４の一部に付着されている。
【００４０】
有利には、内側にくぼんだ溝４４を形成することで、基体３２にコーティング４２を塗布するのに犠牲充填材（図示せず）を使用する必要がなくなる。これにより、充填工程およびより困難な取り外し工程も必要なくなる。狭い開口部４８（頂部）を有する内側にくぼんだ形状の溝を形成することによって（例えば、およそ１０−１２ミルの幅の範囲内の開口部４８を備える）、犠牲充填材を使用せずに、開口部４８をコーティング４２によって埋めることができ、これにより従来のチャネル形成技術に関する先に記載した機械加工後のステップがなくなることの他に、付加的な処理ステップ（充填および浸出）もなくすことができる。例えば図１５に示される一例の構成の場合、コーティング４２は、各々の溝４４を完全に埋めており、そのためコーティング４２は各々の表面冷却チャネル４０を密閉している。これに加えて、一実施形態において少なくとも１つの冷却材出口４５が、コーティング４２を貫通するように画定される場合もある。
【００４１】
次に図１６を参照すると、本明細書に示される、または記載される１つまたは複数の実施形態による表面冷却チャネル４０を含む構成要素３０を作成する方法１５０の１つの実装形態を描くフローチャートが示されている。方法１５０は、ステップ１５２において、最初に構成要素３０を画定する所望のセラミック製の鋳造容器のモデルを形成することによって、最終的に１つまたは複数の表面冷却チャネル４０を含むように構成要素３０を鋳造するステップを含む。このモデルは、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを含む。次にステップ１５４において、モデルは、１つの中核部分と、複数の外殻部分を含む複数の部分にデジタル式に分割される。複数の部分の各々は、ステップ１５６で金属製の成形型に変換される。複数の部分が複数の精密金属インサートを含むことで、内部通路と、１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の表面の溝と、１つまたは複数の整列機構とを含む構成要素の幾何学形状を画定することができる。成形型は次に、ステップ１５８において整列されることで、各々の金属製の成形型から可撓性の鋳型を鋳造する。可撓性の鋳型の硬化作業に続いて、成形型が取り外されることで、可撓性の鋳型が露呈し、これはその後整列され、それぞれの可撓性の鋳型からステップ１６０でセラミック製の中核を鋳造し、ステップ１６２でセラミック製の外殻を鋳造するのに利用される。セラミック製の外殻部分の中でセラミック製の中核を組み立てることによって、ステップ１６４でセラミック製の鋳造容器が次に組み立てられ、この場合、組み立てステップは、１つまたは複数の整列機構を利用するステップを含む場合がある。金属材料がステップ１６６で、その後セラミック製の鋳造容器内に鋳造される。冷却した後、ステップ１６８でセラミック製の鋳造容器が取り外され、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを含む構成要素が露呈する。
【００４２】
開示される方法を、限定された数の実施形態のみに関連して詳細に記載してきたが、開示される方法は、このような開示される実施形態に限定されるものではないことを容易に理解されたい。むしろ方法は、これまで記載されない任意の数の変形形態、代替形態、代用品または等価な構成を組み込むように改変させることができ、これらは本開示の精神および範囲に見合ったものである。加えて方法の種々の実施形態が記載されてきたが、方法の態様は、記載される実施形態の一部のみを含む場合があることを理解されたい。したがって開示される方法は、上記の記載によって限定されるものとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるのみである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  シャフト
２０  燃料ノズル
３０  高温ガス構成要素
３２  基体
３４  外側の面
３６  内側の面
３８  内部空間
４０  表面冷却チャネル
４１  冷却路
４２  コーティング
４４  溝
４５  冷却材出口
４６  底部
４８  頂部
５０  モデル
５２  セラミック製の中核
５４  セラミック製の外殻
５６  セラミック製の鋳造容器
６０  中核部分
６２  外殻部分
６４  外殻部分
６６  成形型
６８  機械加工された面
７０  精密金属インサート
７２  整列機構
７４  結果として生じる表面
８０  可撓性の鋳型
８２  空洞
８４  整列インサート
８６  セラミック材
９０  成形型
９２  成形型
９４  部分６２の外側
９６  部分６２の内側
９８  整列機構
１００  可撓性の鋳型
１０２  可撓性の鋳型
１０４  空洞
１０６  整列インサート
１０８  セラミック製の鋳造材
１１０  溶融した金属
１２０  コーティング
１２２  内側のくぼんだ形状の表面冷却チャネル
１５０  方法
１５２  構成要素を画定し、内部通路と、１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の表面の溝とを含む所望のセラミック製の鋳造容器のモデルを形成する。
１５４  このモデルをデジタル式に複数の部分に分割する。
１５６  複数の部分の各々が成形型に変換され、この場合複数の部分が、複数の精密金属インサートを含むことで、構成要素の幾何学形状を画定することができる。
１５８  各々の成形型から可撓性の鋳型を鋳造する。
１６０  各々の可撓性の鋳型からセラミック製の中核を鋳造する。
１６２  少なくとも２つの部分において、各々の可撓性の鋳型からセラミック製の外殻を鋳造する。
１６４  セラミック製の外殻部分の中でセラミック製の中核を組み立てることによってセラミック製の鋳造容器を形成し、組み立てステップが、１つまたは複数の整列機構を利用するステップを含む場合がある。
１６６  金属をセラミック製の鋳造容器内で鋳造する。
１６８  セラミック製の鋳造容器を取り外すことで、内部通路と、内部通路と流体連通する１つまたは複数の冷却路と、１つまたは複数の冷却路と流体連通する１つまたは複数の表面の溝とを有する構成要素が露呈する。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【外国語明細書】
2014139428000001.pdf