(57)【要約】【課題】多層部品及びその製造方法を改善すること。【解決手段】多層部品及びその製造方法が開示される。多層部品は、ボンドコート層に当接するフォイル表面層と、フォイル表面層と基材との間に位置するチャンネル形成材料とを含む。チャンネル形成材料は、チャンネルの少なくとも一部を画成する。チャンネルは、多層部品の基材にフォイル表面層と共にろう付けされるチャンネル形成材料によって少なくとも部分的に画成することができる。本方法は、１以上の層をフォイル表面層に施工するステップと、フォイル表面層と基材との間にチャンネルを少なくとも部分的に画成するようにチャンネル形成材料を施工するステップと、を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックコーティング層と、
前記セラミックコーティング層に当接するボンドコート層と、
前記ボンドコート層に当接するフォイル表面層と、
前記フォイル表面層と基材との間に位置するチャンネル形成材料と
を含む多層部品であって、前記チャンネル形成材料がチャンネルの少なくとも一部を画成する、多層部品。
【請求項２】
前記チャンネルが、前記フォイル表面層及び前記基材層によってさらに画成される、請求項１記載の多層部品。
【請求項３】
前記チャンネルが、前記フォイル表面層によってさらに画成される、請求項１記載の多層部品。
【請求項４】
前記チャンネルが、前記基材によってさらに画成される、請求項１記載の多層部品。
【請求項５】
前記チャンネルが、前記チャンネル形成材料によって完全に画成される、請求項１記載の多層部品。
【請求項６】
前記チャンネルが冷却通路である、請求項１記載の多層部品。
【請求項７】
前記チャンネルが、機械加工なしで画成される、請求項１記載の多層部品。
【請求項８】
前記チャンネルが、機械加工によってさらに画成される、請求項１記載の多層部品。
【請求項９】
前記チャンネルが、円形、三角形、楕円形、方形、矩形、台形、複雑な形状、三日月形、波形及びこれらの組合せからなる群から選択される断面輪郭を含む、請求項１記載の多層部品。
【請求項１０】
前記チャンネル形成材料がＥＳＤコーティングである、請求項１記載の多層部品。
【請求項１１】
前記チャンネル形成材料が予備焼結プリフォームである、請求項１記載の多層部品。
【請求項１２】
前記予備焼結プリフォームが、２種以上の金属粉体を含み、該２種以上の金属粉体の少なくとも１種類がろう付け合金粉体である、請求項１１記載の多層部品。
【請求項１３】
前記チャンネルが、前記チャンネル形成材料によって少なくとも部分的に画成される複数のチャンネルのうちの１つである、請求項１記載の多層部品。
【請求項１４】
前記多層部品が、湾曲した幾何形状を含む、請求項１記載の多層部品。
【請求項１５】
前記多層部品が、タービン部品である、請求項１記載の多層部品。
【請求項１６】
前記フォイル表面層及び前記チャンネル形成材料が、前記基材に同時に又は別個にろう付けされる、請求項１記載の多層部品。
【請求項１７】
チャンネルを有する多層部品であって、前記チャンネルが、前記多層部品の基材にフォイル表面層と共にろう付けされるチャンネル形成材料によって少なくとも部分的に画成される、多層部品。
【請求項１８】
多層部品を製造する方法であって、
１以上の層をフォイル表面層に施工するステップと、
前記フォイル表面層と基材との間にチャンネルを少なくとも部分的に画成するようにチャンネル形成材料を施工するステップと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記チャンネル形成材料は、前記フォイル表面層が前記チャンネル形成材料上に配置される前に前記基材に施工される、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記チャンネル形成材料は、前記チャンネル形成材料が前記基材上に配置される前に前記フォイル表面層に施工される、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品及びその製造方法に関する。より詳細には、本発明は、多層部品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン及び発電タービンは、効率を高めるため高温で作動する。このようなエンジンの部品（翼形部など）がより長い時間期間にわたって、こうした高温で作動することができるようにするために、様々な技術的進歩が採用されてきた。最新の高効率発電用燃焼タービンエンジンに利用される翼形部は、単結晶合金のような高品質材料、並びに部材の内部及び外部寸法の正確な制御に依存している。高耐熱性超合金の使用に加え、種々の翼形部は、内部冷却システムを含むように設計されている。このような内部冷却システムの１つは、翼形部の内部及び表面近傍に配置された冷却通路を使用するものである。
【０００３】
表面近傍に冷却通路を有するこのようなタービン翼形部を提供するために、幾つかの技術が利用されてきた。例えば、一部の技術は、冷却チャンネルが超合金の薄皮で覆われた超合金基材を含むタービンブレードのような、高効率薄壁タービン部品を使用している。薄皮は、タービンブレード翼形部の内側スパー構造に接合される。冷却通路を形成する１つの方法は、ガスタービンエンジンの空冷式ブレード、ベーン、シュラウド、燃焼器又はダクト内の冷却チャンネルのような、物品内に内部冷却チャンネルを形成することを含む。本方法は一般に、表面に埋め込まれた溝を有するように基材を形成することを含む。犠牲材料が溝内に堆積され、溝から選択的に除去することができるフィラーを形成する。基材の表面上にフィラーを覆って永久層が堆積され、その後、フィラーが溝から除去されて、永久層の下の基材に所望のチャンネルがもたらされる。別の方法は、部品の基材の一部を機械加工することによって冷却通路を形成することを含む。
【０００４】
このような技術は、幾つかの欠点が存在する場合がある。特殊な材料を用いることにより、コストが増大し、可用性が制限される場合があり、特殊材料の他の特徴に対処するために追加の調査が必要となり、用途の柔軟性が制限される可能性がある。同様に、材料を機械加工することにより、既に機械加工されている部品を再生又は補修できないなど、望ましくない特徴がもたらされる可能性がある。加えて、このような冷却孔の機械加工は、表面近傍の部品及び／又は複雑な形状の部材（湾曲部材など）において特に問題となる。
【０００５】
上記の欠点の１以上を生じない多層部品及び製造方法が、当該技術分野において望ましいことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７９００４５８号明細書
【発明の概要】
【０００７】
例示的な実施形態では、多層部品は、セラミックコーティング層と、セラミックコーティング層に当接するボンドコート層と、ボンドコート層に当接するフォイル表面層と、フォイル表面層と基材との間に位置するチャンネル形成材料とを含む。チャンネル形成材料は、チャンネルの少なくとも一部を画成する。
【０００８】
別の例示的な実施形態では、チャンネルを有する多層部品は、多層部品の基材にフォイル表面層と共にろう付けされるチャンネル形成材料によって少なくとも部分的に画成される。
【０００９】
別の例示的な実施形態では、多層部品を製造する方法は、１以上の層をフォイル表面層に施工するステップと、フォイル表面層と基材との間にチャンネルを少なくとも部分的に画成するようにチャンネル形成材料を施工するステップとを含む。
【００１０】
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の一実施形態に係る例示的な多層部品の概略図。
【図２】本開示の一実施形態に係る例示的な多層部品の概略図。
【図３】本開示の一実施形態に係る例示的な多層部品の概略図。
【図４】本開示の一実施形態に係る例示的な多層部品の概略図。
【図５】本開示の一実施形態に係る例示的な多層部品を製造する例示的な方法のフロー図。
【図６】本開示の一実施形態に係る例示的な多層部品を製造する例示的な方法のフロー図。
【図７】本開示の一実施形態に係る例示的な多層部品を製造する例示的な方法のフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。
【００１３】
例示的な多層部品及び製造方法が提供される。本開示の実施形態は、例えば、本明細書で開示される特徴の１以上を含まない冷却構成と比較して、部品においてより時間効率がよく及び／又はコスト効率のよい冷却チャンネルの形成を可能にし、多層部品に対して材料選択の高レベルの柔軟性を許容し、タービン部品の全体コストを低減し、機械加工の低減又は排除（又は拡張した方式での使用）を可能にし、特殊材料の低減又は排除（又は拡張した方式での使用）を可能にし、耐酸化性を向上させ、部品のろう付けの在炉時間を低減し又はこれらの組合せを可能にする。
【００１４】
図１〜図４を参照すると、多層部品１００は、フォイル表面層１０６と基材１１０との間に位置付けられたチャンネル１１２を含む。基材１１０は、例えば、ニッケル系合金、コバルト系合金又はこれらの組合せなど、好適な金属又は金属合金である。一実施形態では、基材１１０は、重量基準で、約２２％のクロム、約１８％の鉄、約９％のモリブデン、約１．５％のコバルト、約０．６％のタングステン、約０．１％の炭素、約１％のマンガン、約１％のケイ素、約０．００８％のホウ素、不可避的不純物及び残部のニッケルの組成を有する。一実施形態では、基材１１０は、重量基準で、約５０％〜約５５％のニッケル＋コバルト、約１７％〜約２１％のクロム、約４．７５％〜約５．５％のコロンビウム＋タンタル、約０．０８％の炭素、約０．３５％のマンガン、約０．３５％のケイ素、約０．０１５％のリン、約０．０１５％の硫黄、約０．１％のコバルト、約０．３５％〜約０．８０％のアルミニウム、約２．８％〜約３．３０％のチタン、約０．００１％〜約０．００６％のホウ素、約０．１５％の銅、不可避的不純物及び残部の鉄の組成を有する。
【００１５】
一実施形態では、多層部品１００は、翼形部、ベーン、ブレード、ノズル、ダクト、複雑な形状の部品、湾曲領域を有する部品、他の何れかの好適な部品又はこれらの組合せである。チャンネル１１２は、チャンネル形成材料１０８により少なくとも部分的に画成される。一実施形態では、チャンネル形成材料１０８及びフォイル表面層１０６は、図５〜図６に示され、これらを参照して以下で説明されるように、基材１１０に同時に又は別個にろう付けされる。
【００１６】
多層部品１００は、あらゆる好適な数又はタイプの層を含む。図１〜図４に示すように、一実施形態では、多層部品は、フォイル表面層１０６、基材１１０、チャンネル形成材料１０８、ボンドコート層１０４及びセラミックコーティング層１０２を含む。別の実施形態では、多層部品１００は、フォイル表面層１０６、基材１１０及びチャンネル形成材料１０８を含む。理解されるように、好適な中間層又は追加層が、多層部品１００をさらに画成してもよい。
【００１７】
フォイル表面層１０６は、例えば、ろう付けによってチャンネル形成材料１０８に施工できる好適な材料である。フォイル表面層１０６は、基材１１０、チャンネル形成材料１０８、ボンドコート層１０４又はこれらの組合せに接着することができる。一実施形態では、フォイル表面層１０６は、ボンドコート層１０４及び／又はチャンネル形成層１０８に当接する。一実施形態では、フォイル表面層１０６は、ボンドコート層１０４及びチャンネル形成層１０８で使用される材料に基づき選択される材料を有し、コーティング構造全体に蓄積される熱誘起応力を低減又は排除するようセラミックコーティング層１０２から基材１１０に所定の熱特性の移行を可能にする中間層である。一実施形態では、フォイル表面層１０６は、基材１１０と同等か又はそれよりも優れた耐酸化性と、基材１１０と同等か又はそれよりも低い熱伝導率とを有する。
【００１８】
チャンネル形成材料１０８は、フォイル表面層１０６と基材１１０との間に位置付けられる。チャンネル形成材料１０８は、基材１１０の組成及び／又は熱特性に相当する材料を含み及び／又は基材１１０の熱伝導率と同等か又はそれよりも低い熱伝導率を有する。一実施形態では、チャンネル形成材料１０８は、放電堆積（ＥＳＤ）コーティングを含む。材料は、基材１１０と同じであるか又は、例えば、同等又はより低い熱伝導率を有する、基材１１０に対応する材料である。別の実施形態では、チャンネル形成材料１０８は、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）を含み、例えば、１以上のＰＳＰストリップ、１以上のＰＳＰろう付けボール、１以上のＰＳＰチクレット、１以上のＰＳＰフォイル、１以上の他の好適なＰＳＰ構造又はこれらの組合せを含む。
【００１９】
一実施形態では、チャンネル形成材料１０８は、種々の混合パーセントを有する少なくとも２つの材料を含有したＰＳＰストリップを含む。例えば、一実施形態では、第１の材料は、重量基準で、約８％〜約８．８％のクロム、約９％〜約１１％のコバルト、約２．８％〜約３．３％のタンタル、約５．３％〜約５．７％のアルミニウム、最大約０．０２％のホウ素（例えば、約０．０１％〜約０．０２％のホウ素）、約９．５％〜約１０．５％のタングステン、最大約０．１７％の炭素（例えば、約０．１３％〜約０．１７％の炭素）、最大約１．２％のチタン（例えば、約０．９％〜約１．２％のチタン）、約１．２％〜約１．６％のハフニウム及び残部のニッケルの組成を有する。一実施形態では、第２の材料は、例えば、重量基準で、約１３％〜約１５％のクロム、約９％〜約１１％のコバルト、約２．２５％〜約２．７５％のタンタル、約３．２５％〜約３．７４％のアルミニウム、約２．５％〜約３％のホウ素、最大約０．１％のイットリウム（例えば、約０．０２％〜約０．１％のイットリウム）及び残部のニッケルの組成を有するろう付け合金粉体である。第１の材料と第２の材料を混合する好適な重量比率には、限定ではないが、約５０：５０、約５５：４５、約６０：４０、約４５：５５及び約４０：６０が挙げられる。
【００２０】
別の実施形態では、チャンネル形成材料１０８は、例えば、約８０％の第１の組成と約２０％の第２の組成、約６０％の第１の組成と約４０％の第２の組成、約５０％の第１の組成と約５０％の第２の組成又は所望の特性を提供するよう選択される他の何れかの好適な組成を含む、第１のチャンネル形成材料１０８及び第２のチャンネル形成材料１０８を有する。
【００２１】
チャンネル形成材料１０８は、好適な所定の幾何形状又は対応する幾何形状である。好適な幾何形状には、実質的に平坦な幾何形状（例えば、平坦プレート）、テープ様幾何形状（例えば、巻き取り可能な可撓性テープ、機械的な力なしで直角に曲げることができる可撓性テープ又は所定長さを有する可撓性テープ）、実質的に一貫した厚みの幾何形状（例えば、約０．０３０インチ、約０．１６０インチ又は約０．０２０インチ〜約０．０８０インチ）、堅固なテープ、厚みが変化した幾何形状（例えば、第１の領域で約０．０１０インチの厚みを有し且つ第２の領域で約０．０２０インチの厚みを有する、或いは、第１の領域で約０．０２０インチの厚みを有し且つ第２の領域で約０．０３０インチの厚みを有する）又はこれらの組合せが挙げられる。第１のチャンネル形成材料１０８及び第２のチャンネル形成材料１０８を有する一実施形態では、第１のチャンネル形成材料１０８及び第２のチャンネル形成材料１０８は、実質的に同一の幾何形状を含む。別の実施形態では、第１のチャンネル形成材料１０８及び第２のチャンネル形成材料１０８は、異なる幾何形状を有する（例えば、第１のチャンネル形成材料１０８は、第２のチャンネル形成材料１０８の薄肉領域に相当する厚肉領域を有する）。
【００２２】
一実施形態では、チャンネル形成材料１０８、ＰＳＰ及び／又はＥＳＤコーティングに加えて又はこれらの代替として、可撓性テープが使用される。可撓性テープは、バインダーと共に第１の組成と第２の組成を組合せ、次いで混合物をロール成形してテープ様又はロープ様構造体を形成することによって形成される。可撓性テープは、複数の幾何形状に曲げることができ、例えば、約０．０２０インチ〜約０．１２５インチの所定の厚みを含み、また、所定長に切断することができる。
【００２３】
チャンネル形成材料１０８は、多層部品１００内にチャンネル１１２の１以上を形成するよう構成される。ＰＳＰに関する一実施形態では、ＰＳＰ構造体の２以上は、ＰＳＰ構造体間の領域がチャンネル１１２の１以上の幅を定めるように構成される。加えて又は代替として、ＰＳＰ構造体の１以上は、１以上のチャンネル１１２の高さを定める高さを含む。一実施形態では、ＰＳＰ構造体の高さは、約０．０１５インチであり、幅は約０．０１５インチである。一実施形態では、ＰＳＰ構造体の高さは、約０．２インチであり、幅は約０．１５インチである。別の実施形態では、高さ及び／又は幅はある範囲で変動する。
【００２４】
チャンネル１１２は、多層部品１００の何れかの好適な部分に、例えば、セラミックコーティング層１０２に当接するような外部領域の何れかの好適な所定距離内に位置付けられる。好適な所定距離には、限定ではないが、約１ミル、約５ミル、約３０ミル、１ミル〜約５ミルの間、約５ミル〜約３０ミルの間、約１ミル〜約３０ミルの間又はこれらの何れかの好適な組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分範囲が挙げられる。図１に示すように、一実施形態では、チャンネル１１２の１以上は、フォイル表面層１０６から基材１１０まで延び、従って、フォイル表面層１０６、基材１１０及びチャンネル形成材料１０８によって画成される。図２に示すように、一実施形態では、チャンネル１１２の１以上は、フォイル表面層１０６から、基材１１０まで延びるのではなく、チャンネル形成材料１０８内に延び、従って、フォイル表面層１０６及びチャンネル形成材料１０８によって画成される。図３に示すように、一実施形態では、チャンネル１１２の１以上は、基材１１０から、フォイル表面層１０６まで延びるのではなく、チャンネル形成材料１０８内に延び、従って、基材１１０及びチャンネル形成材料１０８によって画成される。図４に示すように、一実施形態では、チャンネル１１２の１以上は、チャンネル形成材料１０８によって完全に画成され、フォイル表面層１０６又は基材１１０には延びていない。基材１１０によって少なくとも部分的に画成されるチャンネルを有する一部の実施形態では、チャンネル１１２の寸法は、機械加工された基材１１０によって少なくとも部分的に画成される。他の実施形態では、基材１１０は機械加工されない。
【００２５】
チャンネル１１２は、空気、蒸気、ガス状流体、液状流体、クーラント、移送可能な他の好適な材料又はこれらの組合せなどの流体を移送するための何れかの好適な構造である。１つの好適な構造が冷却通路である。チャンネル１１２は、例えば、円形、半円、三角形、楕円形、方形、矩形、台形、複雑な形状、三日月形、波形及びこれらの組合せからなる群から選択される断面輪郭の幾何形状を含む。一実施形態では、チャンネル１１２は、隣接して位置付けられた多層部品１００の２つの間に形成される。
【００２６】
図５を参照すると、多層部品１００を製造する方法５００は、フォイル表面層１０６に１以上の層を施工するステップ（ステップ５０１）と、フォイル表面層１０６と基材１１０との間にチャンネル１１２を少なくとも部分的に画成するようにチャンネル形成材料１０８を施工するステップ（ステップ５０３）と、次いでこれらを共にろう付けするステップとを含む。一実施形態では、フォイル表面層１０６及びチャンネル形成材料１０８は、同時ろう付けすることにより基材１１０に施工される。
【００２７】
図６を参照すると、一実施形態では、フォイル表面層１０６と基材１１０との間にチャンネル１１２を少なくとも部分的に画成するようにチャンネル形成材料１０８を施工するステップ（ステップ５０３）は、チャンネル形成材料１０８を基材１１０上に配置するステップ（ステップ６０２）を含む。次いで、フォイル表面層１０６がチャンネル形成材料１０８上に位置付けられる（ステップ６０４）。次に、チャンネル形成材料１０８及びフォイル表面層１０６が基材１１０にろう付けされる（ステップ６０６）。別の実施形態では、ボンドコート層１０４がフォイル表面層１０６に施工され（ステップ６０８）、次いで、セラミックコーティング層１０２がボンドコート層１０４に施工される（ステップ６１０）。ボンドコート層１０４及び／又はセラミックコーティング層１０２が、フォイル表面層及びチャンネル形成材料１０８のろう付けの前又は後で施工される（ステップ６０６）。
【００２８】
図７を参照すると、一実施形態では、フォイル表面層１０６と基材１１０との間にチャンネル１１２を少なくとも部分的に画成するようにチャンネル形成材料１０８を施工するステップ（ステップ５０３）は、チャンネル形成材料１０８をフォイル表面層上に配置するステップを含む（ステップ７０２）。次いで、フォイル表面層１０６は、基材１１０上に位置付けられる（ステップ７０４）。次に、チャンネル形成材料１０８及びフォイル表面層１０６が基材１１０にろう付けされる（ステップ７０６）。別の実施形態では、ボンドコート層１０４がフォイル表面層１０６に施工され（ステップ７０８）、次いで、セラミックコーティング層１０２がボンドコート層１０４に施工される（ステップ７１０）。ボンドコート層１０４及び／又はセラミックコーティング層１０２は、フォイル表面層及びチャンネル形成材料１０８のろう付けの前又は後で施工される（ステップ７０６）。
【００２９】
図１〜図４を再度参照すると、一実施形態では、ボンドコート層１０４は、フォイル表面層１０６及びセラミックコーティング層１０２に当接する。加えて又は代替として、ボンドコート層１０４は、フォイル表面層１０６よりも小さい熱伝導率を有する。
【００３０】
一実施形態では、セラミックコーティング層１０２は、ボンドコート層１０４に当接し、タービンの高温ガス経路のような多層部品１００の環境に曝される。セラミックコーティング層１０２は、好適な耐熱コーティングである。好適なコーティングには、限定ではないが、遮熱コーティング（ＴＢＣ）及び耐環境コーティング（ＥＢＣ）が挙げられる。一実施形態では、ＴＢＣは、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア安定化ホウ酸塩を含む。加えて又は代替として、ＴＢＣは、ボンドコート層１０４よりも小さい熱伝導率を有する。
【００３１】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。
【符号の説明】
【００３２】
１００  多層部品
１０２  セラミックコーティング層
１０４  ボンドコート層
１０６  フォイル表面層
１０８  チャンネル形成材料
１１０  基材
１１２  チャンネル
【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】
2014148167.tif 000007
【図６】
2014148167.tif 000008
【図７】
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