(57)【要約】【課題】冷却チャンネルを形成および成形するための方法、ならびに関連製品を提供する。【解決手段】金属基材内のチャンネルの形状を修正するための方法が記載されている。本方法は、冷却剤流体がチャンネルを通過する間にチャンネルの伝熱特性を変更するために、チャンネルの内部表面の選択された部分上に少なくとも１つの金属コーティングを施すステップを含む。ガスタービンエンジン構成部品などの、修正されたチャンネルを含む関連物品も記載されている。【選択図】図１
2015101788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材（１０）内のチャンネル（２０）の形状を修正するための方法であって、冷却剤流体が前記チャンネル（２０）を通過する間に前記チャンネル（２０）の伝熱特性を変更するために、前記チャンネル（２０）の内部表面（２２、２４）の選択された部分上に少なくとも１つの金属コーティングを施すステップを含む方法。
【請求項２】
前記金属コーティングが、溶射工程またはコールドスプレー技術によって前記内部表面（２２、２４）の一部に施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶射工程が、燃焼溶射工程またはプラズマ溶射工程である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼溶射工程が、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）および高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）からなる群から選択される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記金属コーティングが、耐酸化コーティングである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記耐酸化コーティングが、金属アルミナイド組成物またはＭＣｒＡｌＸ組成物を備え、「Ｍ」が鉄、ニッケル、コバルトまたはそれらの組合せであり得、Ｘが、イットリウム、タンタル、シリコン、ハフニウム、チタン、ジルコニウム、ホウ素、炭素またはそれらの組合せであり得る、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記チャンネル（２０）が、冷却回路の一部を含むマイクロチャンネルであり、前記金属基材（１０）が、前記冷却回路を含む高温構成部品（１２）である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記マイクロチャンネル（２０）が、前記基材（１０）の表面上の出口部で終端する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記マイクロチャンネル（２０）が凹み形状である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記凹み形状マイクロチャンネル（２０）が、底面（２２）と、前記底面（２２）に対して概ね垂直または角が付けられている側壁（２４）とを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記側壁（２４）から熱を奪って伝達することを向上させるために、前記底面（２２）と接触する冷却剤流体の量を減少させながら、前記側壁（２４）と接触する冷却剤流体の量を増加させるパターンによって、前記コーティングが前記凹み形状マイクロチャンネル（２０）の前記底面（２２）の一部に施される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記冷却剤流体が通過する間に、前記マイクロチャンネル（２０）に対して最適化された伝熱特性によって選択される不均一なパターンで、前記チャンネル（２０）の前記内部表面（２２、２４）の一部に前記金属コーティングが施される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記内部チャンネル表面（２２、２４）の伝熱特性を向上させるために、少なくとも１つの金属コーティングが、前記表面（２２、２４）の選択された部分に施され、次いで、前記マイクロチャンネル（２０）に耐酸化性を与えるために、少なくとも１つの耐酸化コーティングの第２の層が、前記内部チャンネル表面（２２、２４）全体の上に均一に施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記基材（１０）が、タービンエンジン構成部品の一部である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
高温基材（１０）の形態である物品であって、冷却回路の一部として、前記基材（１０）の内部領域内に位置する少なくとも１つのマイクロチャンネル（２０）を備え、前記マイクロチャンネル（２０）が、金属コーティング材料が配置されている内部表面（２２、２４）を含み、前記マイクロチャンネル（２０）の一部を通る伝熱特性を向上させ、かつ前記マイクロチャンネル（２０）の前記内部表面（２２、２４）の選択された領域に耐酸化性を与える方法で、前記コーティング材料がパターン化される物品。
【請求項１６】
前記コーティング材料が、前記マイクロチャンネル（２０）の前記内部表面（２２、２４）のすべてに耐酸化性を実質的に与える、請求項１５に記載の物品。
【請求項１７】
前記マイクロチャンネル（２０）が、前記基材（１０）の前記表面上の出口部で終端する、請求項１５に記載の物品。
【請求項１８】
前記金属材料が、コールドスプレー技術によって施されている、請求項１５に記載の物品。
【請求項１９】
ガスタービンエンジン構成部品の形態である、請求項１５に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一般主題は、ガスタービンエンジンなどの高温で使用される物品の冷却チャンネルに関する。いくつかの特定の実施形態は、冷却チャンネルを作製および成形するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは圧縮機を含み、圧縮機内でエンジン空気が加圧される。エンジンは燃焼器も含み、燃焼器内で加圧空気が燃料と混合され、高温の燃焼ガスが発生する。典型的な設計（例えば、航空機エンジンまたは固定式動力システム向け）では、エネルギーは、圧縮機に動力を供給する高圧タービン（ＨＰＴ）内のガス、および低圧タービン（ＬＰＴ）内のガスから抽出される。低圧タービンは、ターボファン航空機エンジン用途ではファンに動力を供給し、または海洋および産業用途では外部シャフトに動力を供給する。
【０００３】
ガスタービンエンジンは通常、極めて高い温度環境で動作するため、エンジン内に冷却システムが必要であることは決定的である。例えば、エンジン構成部品は、航空機用途では約３８００°Ｆ（２０９３℃）まで、固定式動力発生用途では約２７００°Ｆ（１４８２℃）までの温度の高温ガスに晒されることが多い。高温ガスに晒された構成部品を冷却するために、これらの「高温ガス経路」構成部品は、通常内部対流および外部フィルム冷却の両方を有する。
【０００４】
様々な高温ガス経路構成部品内の冷却回路および特徴部の多くの態様が、当技術分野において述べられてきた。例えば、燃焼器は、半径方向の外側ライナおよび内側ライナを含み、これらは動作中に冷却を必要とする。タービンノズルは、外側バンドと内側バンドとの間に支持される中空ベーンを含み、これらも冷却を必要とする。タービンロータブレードは中空であり、通常その中に冷却回路を含み、ブレードはタービンシュラウドに囲まれ、これらも冷却を必要とする。高温の燃焼ガスは、ライニングされてもまたよい排気口を通して排出され、適切に冷却される。
【０００５】
これらの例示的ガスタービンエンジン構成部品のすべてにおいて、それらを冷却する必要性を最小に抑えながら耐久性を向上させるために、高強度超合金金属の薄い金属壁が通常使用されている。様々な冷却回路および特徴部は、エンジン内の対応する環境におけるこれらの個々の構成部品に合わされている。例えば、一連の内部冷却通路、またはサーペンタインチャンネルが、高温ガス経路構成部品内に形成されてもよい。冷却流体は、プレナムからサーペンタインに供給されてもよく、冷却流体は通路を通って流れ、高温ガス経路構成部品の基材およびコーティングを冷却してもよい。この種類の冷却設計は、いくつかの場合には効果的であり得るが、他の状況でそれを使用すると、伝熱速度が比較的遅くなり、構成部品の温度プロファイルが不均一になり得る。
【０００６】
マイクロチャンネル冷却（特徴を以下に説明するような）は、可能な限り加熱ゾーンの近くに冷却を配置することによって、冷却要件を大幅に低減する可能性を有しているため、所与の伝熱速度に対して、高温側と低温側との温度差が小さくなる。しかしながら、マイクロチャンネルを形成するための現行の技術では、通常、犠牲充填剤を使用して、コーティングがマイクロチャンネル（通常、機械加工によって形成される必要がある）内に堆積しないようにする必要がある。犠牲充填剤はまた、堆積中、コーティングを支持する。
【０００７】
特定のタービンエンジンまたは他の装置の動作中に受ける最高温度に晒される領域から、冷却剤が効果的に熱を確実に奪い去るために、冷却回路を流れる流体の特定の経路が不可欠である。例として、マイクロチャンネルは、様々な構成を有し、いくつかの種類の底面と共に、両方のチャンネル側壁を含む３次元領域であると考えることができる。マイクロチャンネルの表面のそれぞれは、エンジン動作中、部分的に冷却回路の曲率、粗さおよび全体的な設計に応じて、異なる温度プロファイルに晒され得る。温度プロファイルがより低い領域に、必要な冷却剤より多くの冷却剤を供給することは、非効率的であり、不十分な冷却剤で他の高温表面を奪い得る。利用可能な冷却剤空気の量が限られている場合は、特にそうである。例えば、タービンエンジンの場合には、しばしばエンジン圧縮機から冷却剤空気を抜き出す必要があり、過剰の冷却剤空気が冷却回路にそれると、エンジン効率が悪くなり得る。
【０００８】
冷却チャンネル内の冷却剤流の特性に影響を与えるためには、異なる技術を用いることができる。例として、冷却チャンネルの選択された設計は、チャンネルが位置する特定の構成部品を鋳造する間に得ることができるであろう。さらに、機械加工技術を用いて、既に形成されている冷却チャンネルの深さおよび形状を変更することができるであろう。それらの工程の例には、レーザ穿孔、水噴流切断および放電加工（ＥＤＭ）がある。
【０００９】
冷却チャンネルの形状を有利に変更するためには、機械加工技術が効果的であり得る。しかしながら、そのような方法に関連した欠点がある。例えば、そのような方法は時間がかかり得、それによって、構成部品を製造するコストが増加する。さらに、機械加工工程が構成部品の完全性に悪影響を与えないことを確実にするために、時には特別な注意を払う必要がある。
【００１０】
したがって、冷却剤チャンネルの形状を修正するための追加的な工程は、当技術分野で歓迎されるであろう。新しい工程は、チャンネルの伝熱特性を改善する方法でチャンネルを修正することができるべきである。新しい工程はまた、効率的に実施し、特定の構成部品の製造に関する他の工程と適合し得るべきである。さらに、チャンネル表面の耐酸化性など冷却剤チャンネルにおける他の特性の改善をも行った成形工程は、かなり興味があるものであろう。
【発明の概要】
【００１１】
金属基材内のチャンネルの形状を修正するための方法について説明する。本方法は、冷却剤流体がチャンネルを通過する間にチャンネルの伝熱特性を変更するために、チャンネルの内部表面の選択された部分上に少なくとも１つの金属コーティングを施すステップを含む。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、高温基材の形態の物品を対象とする。本物品は、冷却回路の一部として、基材の内部領域内に位置する少なくとも１つのマイクロチャンネルを備え、マイクロチャンネルは、基材の表面上の出口部で終端する。マイクロチャンネルは内部表面を含み、その表面の少なくとも一部上に金属コーティング材料が施される。コーティング材料は、マイクロチャンネルの一部を通る伝熱特性を向上させ、かつ、マイクロチャンネルの内部表面に耐酸化性を与える方法でパターン化される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】凹んだ冷却チャンネルを備えた冷却回路の一部の概略断面図である。
【図２】図１の凹んだ冷却チャンネルのうちの１つの拡大図である。
【図３】超合金基材上に形成された凹み形状チャンネルの断面の顕微鏡写真である。
【図４】超合金基材上に形成された凹み形状チャンネルの断面の別の顕微鏡写真である。
【図５】タービン・エンジン・システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する際、冠詞「ａ（１つの）」、「ａｎ（１つの）」、「ｔｈｅ（前記）」および「ｓａｉｄ（前記）」は、特記する場合を除き、１つまたは複数の要素が存在することを意味することが意図される。さらに、「備える」、「含む」および「有する」という用語は、包括的であることが意図され、列挙する要素以外の追加的要素があってもよいことを意味する。本明細書で使用する「および／または」という用語は、１つまたは複数の関連する列挙項目のいかなる組合せも含む。さらに、本明細書に特記する場合を除き、「上に配置され」、「上に堆積し」または「間に配置され」という用語は、層、物体などの間における直接的接触、または例えば、それらの間に介在層を有する間接的接触を指す。
【００１５】
明細書および特許請求の範囲の全体にわたる本明細書で使用されるような近似する文言は、関連し得る基本機能の変化が生じることなく許容範囲で変わり得るであろう任意の量的表現を修飾するために適用されてもよい。したがって、「約」などの用語によって修飾される値は、特定される正確な値に限定されない。場合によっては、近似する文言は、値を測定する器具の精度に対応し得る。
【００１６】
高温に晒され、冷却を必要とするいかなる基材も、本発明に使用することができる。例としては、セラミックまたは金属系材料が挙げられる。基材を形成し得るであろう金属または金属合金の非限定例としては、鋼、アルミニウム、チタンと、モリブデンなどの耐火金属と、ニッケル、コバルトまたは鉄をベースとした超合金などの超合金とが挙げられる。基材はまた、ニオブ・ケイ化物金属間複合材などの複合材料から形成することができる。非常に多くの場合、基材は、ガスタービンエンジン構成部品、例えば、ガスタービンブレードの少なくとも１つの壁または他の表面である。
【００１７】
図１は、基材１０内の冷却回路の一部の概略断面図である。基材は、先に説明したような任意の高温構成部品１２、例えばタービンロータブレードの一部に相当し得る。基材は、外側表面１４および内側表面１６を含み得る。（以下にさらに説明するように、外側表面は、１つまたは複数の仕上層で覆うことができる。）内側表面１６は中空内部空間１８の上方にあり、中空内部空間１８自体は、特定の構成部品の内部領域と連通している。
【００１８】
各チャンネルまたは溝２０は、特定の冷却経路の出口部であると考えることができる。さらに本実施形態では、各チャンネルは、底部２２および側壁２４を含む。しかしながら、図１に示したチャンネルの形状は、単に例示的なものであり、他の多くの形状およびチャンネル寸法が可能である。
【００１９】
さらに、「チャンネル」という用語は、話を簡単にするために本開示で使用するが、多種の最終用途向け小型チャンネルの好ましい種類は、「マイクロチャンネル」としてより一般に知られている。産業用サイズの動力発生タービン構成部品に対しては、「小型」または「マイクロ」チャンネルの寸法は、約０．２５ｍｍ〜約１．５ｍｍの範囲の近似の深さおよび幅を含むであろう。航空機サイズのタービン構成部品に対しては、チャンネル寸法は、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍの範囲の近似の深さおよび幅を含むであろう。
【００２０】
引き続き図１を参照すると、各チャンネル２０は、アクセス孔２６と連通している。アクセス孔は、例えば圧縮機からのバイパス空気を搬送するプレナムである内部空間１８から、内部空間１８を通って流れる冷却剤を運ぶ。マイクロチャンネルのさらなる情報および図は、本明細書に援用する米国特許出願公開第２０１２／０１１４９１２号明細書（Ｒ．Ｂｕｎｋｅｒら）に提供されている。米国特許第８，３８７，２４５号明細書（Ｂｕｎｋｅｒら）も教示的であり、本明細書に援用する。この特許には、チャンネル冷却回路の種々の態様が記載されており、チャンネル冷却回路において、一部分の内部領域を起点とする冷却剤のアクセス孔が、出口部、例えば「出口フィルム孔」で終端し得る冷却剤チャンネルと連通している。本発明は、冷却チャンネルおよび冷却回路の多様な設計に適用可能であることを理解されたい。さらに、多くの実施形態では、本明細書に記載するチャンネル成形を、出口部を含むチャンネルまたはチャンネルの任意のセグメントの長さにわたって行うことができる。
【００２１】
この図では、チャンネル２０は、凹み形状の開口部の形態をとっている。この種類の形状は、チャンネルの底部２２を、その上部開口部２３よりはるかに広くする必要があることを、当業者であれば理解する。場合によっては、底部の幅は、上部開口部の幅の約３〜４倍である。この種類の形状には様々な利点がある。例えば、この種類の形状により、続いて外側表面１４上に施されるコーティング材料の過剰量が、チャンネル２０内に堆積し、望ましくなく冷却通路を遮断する可能性が減る。
【００２２】
図２は、底部／底面２２、上部開口部２３および側壁２４を含む、図１の凹み形状チャンネル２０のうちの１つの断面を概略的に示す（拡大）。（底面２２および側壁２４は、チャンネルの「内部表面」と集合的に呼ぶことができる。）非常に高い温度で動作するガスタービンエンジンの場合には、設計された冷却構成によっては、側壁２４が底面２２よりも著しく高い熱暴露を受ける。この「熱的不均衡」に対応するために、側壁は、底面より高い冷却剤流体への暴露から利点を得るであろう。
【００２３】
本発明の実施形態は、チャンネルの内部表面２８の選択された部分に施されたコーティングを使用することによって、チャンネル２０の伝熱特性が平衡を保ち得るであろうという発見に基づく。例として、チャンネルの底面２２の少なくとも一部にコーティング材料を制御しながら堆積させる（図２の矢印２８によって簡単に示す）ことは、底面２２上を移動する冷却剤流体の量を減少させるように見える。次いでこれにより、比例して、チャンネルの内部側壁２４のすべてまたは一部に沿って移動する冷却剤流体（矢印３０）の量が増加し、速度が上昇する。冷却回路の構成によっては、側壁に沿った流れが増加すると、側壁表面からの伝熱速度が増加し得、これは非常に望ましくあり得る。（当業者が理解するように、本発明によって修正された異なる冷却回路設計では、冷却チャンネル両端の圧力比が異なり得、冷却剤流の特性に影響を与え得る。）
コーティング材料は、多くの技術によってチャンネルの内部表面に施すことができる。例えば、溶射工程を用いることができる。例としては、燃焼溶射工程およびプラズマ溶射工程が挙げられる。燃焼溶射技術の場合には、高温ガスおよびコーティング粉末の流れを基材表面に方向付ける。コーティング粉末は、その流れの中で部分的に融解し、基材上に堆積する。生じるコーティングは通常、気孔率が比較的低く、付着強度が高い。これらの種類の技術から生じる堆積物の形状は、溶射材料と、修正されているチャンネルの既存の寸法との相互作用に部分的に依存する。さらに以下に説明するように、事前に実行される実験室モデル試験により一般に、修正されたチャンネルに対して生じる伝熱特性を予想することができ、それによって、追加のコーティング堆積物の指針または標準として役立ち得る。燃焼溶射技術はまた、タービンブレードのような高温構成部品をコーティングするのに非常に適応可能である。燃焼溶射技術の特定の例としては、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）および高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）が挙げられる。
【００２４】
いくつかの好ましい実施形態では、コールドスプレー技術を用いて、チャンネルの内部表面にコーティング材料を施すことができる。コールドスプレー技術は、当技術分野で知られており、本明細書に援用する「Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｒｅｎｄｓ  ｉｎ  Ｃｏｌｄ  Ｓｐｒａｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｌｏｏｋｉｎｇ  ａｔ  ｔｈｅ  Ｆｕｔｕｒｅ」；Ｊｕｌｉｏ  Ｖｉｌｌａｆｕｅｒｔｅ，Ｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅ  Ｗｉｎｄｓｏｒ，Ｌｔｄ．，１月８日などの様々な参考文献に記載されている。他の参照文献としては、２０１３年７月１１日に公開された米国特許出願公開第２０１３／０２０１０号明細書（ｗｗｗ．ｍｅｔａｌｆｉｎｉｓｈｉｎｇ．ｃｏｍ１７７４３７（Ａｍａｎｃｈｅｒｌａら）および２０１３年６月２０日に公開された米国特許出願公開第２０１３／０１５３０８９号明細書（Ａｊｄｅｌｓｚｔａｊｎら）、ならびに同時係属特許出願１４／０８７８９７（代理人整理番号２６９０２６−１、Ｒｏｎａｌｄ  Ｓ．Ｂｕｎｋｅｒら）が挙げられ、これらのすべてを本明細書に援用する。非常に一般な用語である「コールドスプレー」は固体状態のコーティング工程であり、すなわち、粒子は工程中に融解しない。コールドスプレーでは、高速ガス噴流を使用して金属粉末粒子を基材の方へ加速し、それによって粒子が塑性変形し、衝撃を受けて固まる。本発明のいくつかの特定の実施形態においてコールドスプレー技術を用いる利点は、チャンネルの特定領域上に、所望の寸法のコーティング材料を正確に堆積し得ることである。
【００２５】
Ａｊｄｅｌｓｚｔａｊｎら（上記）の文献で記載されるように、典型的なコールドスプレー技術では、堆積物材料、例えば、粉末状の金属、合金、または複合材料の原料に加えて、ヘリウム、窒素または空気などの高圧ガスを受ける溶射ガンが使用される。粉粒体は、高圧で溶射ガン内のガス流に導入され、適切なノズルから放出される。粒子は、ガス流内で高速に加速される。粒子は実際、超音速に達し得る。ガス流は、加熱されてもよい。飛行中酸化および堆積材料の相変化を最小限するために、通常、ガスは粒子の融点未満に加熱される。いくつかの実施形態では、搬送ガスは、約２０℃〜約１２００℃の範囲の温度で維持される。コールドスプレー中の原料の速度は、約５００ｍ／ｓ〜約１１００ｍ／ｓの範囲にあることが多い。
【００２６】
上に示唆したように、コールドスプレーシステムのような、本明細書に記載するスプレーシステムのうちのいくつかは、堆積工程中にコンピュータ制御することができる。例えば、スプレーシステムが、多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ユニット、もしくはその原理で動作する同様の装置を含み得、またはそれに取り付けられ得ることを、当業者であれば理解する。ＣＮＣシステム自体は、当技術分野で知られており、複数のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸、ならびに回転軸に沿って溶射ガンが移動するのを可能にする。このように、チャンネル内の各コーティング特徴部の所望の高さ、幅および長さを正確に得ることができる。チャンネルの伝熱特性を最も有利に変更するには、時にはコーティング材料の不均一なパターンが必要になり得るため、コーティング堆積のこの精度は大きい利点になり得る。
【００２７】
図３は、ニッケルベース超合金基材３３上に形成された従来の凹み形状チャンネル３１の断面の顕微鏡写真である。様々な鋳造手順または他の形成手順を用いることができたであろうが、チャンネルは、機械加工技術によって最初に基材上に形成された。チャンネル３１は、側壁３４および底面３６を含む。この図では、１つの保護コーティング３７が、基材３３の上面上に施されている。以下に説明するように、保護コーティングは、金属コーティングであることが多く、特定の構成部品の要件に応じて、１つを超えるコーティングが施され得る。
【００２８】
図３に示した凹み形状は、マイクロチャンネルの出口領域に多くの利点を提供する。１つの利点は、チャンネルの比較的狭い上部開口部３８が、チャンネルへのコーティング材料の堆積を防ぎ、または最小限にし、そうでなければ冷却剤の流れを遮断する（除去されなければ）であろう。先行技術のこの特定の図では、コーティング材料の非常に小さいマウンド３９のみがチャンネル３１内に堆積し、これは典型的に別の加工上の利点としてみなされる。
【００２９】
図４は、本発明の実施形態による凹み形状チャンネル４２の断面の顕微鏡写真である。チャンネルは超合金基材４０上に形成されており、図３のように機械加工技術によって最初に形成された。チャンネル４２は、側壁４４および底面４６を含む。チャンネルは、基材４０の表面上にコーティング４８を堆積させることによって、効果的に閉じられている。
【００３０】
図４の実施形態では、コーティング材料は、チャンネルの底面４６上に意図的に施されており、隆起部または「マウンド」５０を形成している。この特徴部のコーティング材料は、従来のＨＶＯＦ工程によって施されたＭＣｒＡｌＹタイプのコーティング（以下に説明するような）であった。
【００３１】
図４のこの特徴部５０は、底面４６、すなわち冷却剤の存在が不可欠でないかもしれない領域から冷却空気をそらすように部分的に機能する。代わりに、冷却剤は、チャンネルの側壁４４、すなわち冷却剤の存在がより不可欠であり得ることが多い領域に効果的に移送される。したがって、より効果的に熱を側壁から取り除いて伝えることができる。先に説明したように、タービンエンジンの場合には、冷却剤空気をエンジン圧縮機からあまり抜き出す必要がないため、全体的なエンジン効率が改善され得る。
【００３２】
さらに、特徴部５０は、ＣＮＣシステムまたは同様の手段を使用し、かつ、例えば、先に説明したようなコールドスプレー技術を用いて、図４に示した例示的顕微鏡写真よりも正確に作製し得るであろうことに留意されたい。一般に、特徴部５０の形状は、相当な程度まで変わり得、言うまでもなく、主に冷却剤チャンネルの場所および最終用途に依存する。多くの場合、冷却チャンネルを修正する前に行われるモデル化手順または他の試験手順に基づいて、最も適切な形状を決定することができる。非常に一般的な例として、選択された出口形状を備えた複数の試料チャンネルを通る冷却剤流について、実験室モデル試験を行うことができるであろう。この試験によって、冷却剤流、伝熱および他の特性を測定して、どのチャンネル形状が、熱性能、例えば、熱伝達効率の所望のレベルに対して最も効果的であるかを決定することができるであろう。試験データに基づいて、上記技術を用いてチャンネルの形状を適切に修正することができる。さらに、特徴部５０はチャンネルの中央領域に堆積されているが、いくつかの他の場所、例えば、側壁の一方または他方により近い場所に堆積することが好ましい状況があり得る。
【００３３】
特定の用途に非常に有用であり得るいくつかの実施形態では、チャンネルの内部に施されるコーティングは、耐酸化コーティングであり得るであろう。従来の耐酸化コーティングを使用することができるであろうが、高温用途に使用される特殊なコーティングが、しばしば特に興味深い。そのようなコーティングの例としては、金属−アルミナイド組成物（例えば、ニッケルアルミナイドまたは白金アルミナイド）およびＭＣｒＡｌＸ組成物が挙げられる。ＭＣｒＡｌＸコーティングの場合、「Ｍ」は鉄、ニッケル、コバルトまたはそれらの組合せであり得、Ｘはイットリウム、Ｙ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃまたはそれらの組合せであり得る。これらの材料のうちのいくつかの非限定例は、本明細書に援用する米国特許第６，２３４，７５５号明細書などの様々な参考文献に見ることができる。
【００３４】
少なくとも１つの比較的薄く均一な耐酸化コーティングが、最初にチャンネルの内部表面の大部分またはすべてに施されることが時には望ましい場合がある。特定のコーティング厚さ（合計）は、複数の因子に依存するであろうが、タービンエンジン構成部品の場合には、典型的に約１０ミクロン〜約５０ミクロンの範囲にあり得るであろう。このコーティングの堆積に続き、先に説明したように、伝熱パターンに影響を与えるために、次いで追加のコーティング材料を、内部表面の特定の選択された領域にのみであるが第１の層の上に施すことができるであろう。
【００３５】
あるいは、堆積を逆にして、すなわち最初に内部表面の選択された部分上に「成形」堆積して、次いで表面全体上に薄く均一な耐酸化コーティングを施すことができるであろう。いずれの場合も、最上層の堆積工程も用いることができ、場合によっては、コーティング面のきめ、例えば、その粗さ特性に有利に影響を与えて、伝熱特性をさらに向上させることができる。
【００３６】
チャンネルの内部上に均一な耐酸化コーティングを使用することは、以前に当技術分野で行われている。通常、様々な気相技術は、そのようなコーティングの提供に効果的である。しかしながら、それらの種類の工程は、本発明の実施形態によって得ることができる、「不均一」としてしばしば特徴付けられ得る正確な成形コーティング特徴部の提供には効果的ではないであろう。
【００３７】
上述のように、チャンネルを遮断し（「架橋」）、それらの形成を完了するために、少なくとも１つの仕上層がチャンネルの上部領域上に施される。図４の層４８は、例示的なものである。仕上層は、ＭＣｒＡｌＸ（上記）のような適切な金属材料から形成することができ、または、異なる組成物から形成することができる。仕上層を施すために溶射技術を用いることができるであろうが、他の技術、例えばプラズマによる工程も可能である。仕上層の厚さは変わり得、チャンネルコーティングシステムに必要な全体的な完全性のような因子に部分的に依存する。さらに、１つまたは複数の仕上層は、先に参照した米国特許出願公開第２０１２／０１１４９１２号明細書に記載されているように、時には有利に基材表面に対してある角度で堆積させることができる。
【００３８】
他の実施形態では、仕上層は、いくつかの層の形態であり得るであろう。例えば、チャンネルを遮断するために、まず金属層を施し、続いてセラミックス層を施すことができるであろう。セラミックス層は、イットリア安定化ジルコニア材料であり得、基材に対して遮熱コーティング（ＴＢＣ）として機能するであろう。当業者であれば、ＴＢＣを施すためのコーティング工程に精通している。
【００３９】
場合によっては、特定の種類および量の冷却剤流に対して既に成形された内部表面を有するマイクロチャンネルが、既に形成されていてもよい。先に説明したように従来の機械加工技術によって、または一部を形成するために用いられる鋳造工程によって、マイクロチャンネルが形成されていてもよい。この場合、例えば、異なる種類の冷却剤流がここで、高温ガス経路構成部品を通って方向付けられると、本明細書に記載する工程の実施形態を用いて、形状を変更することができるであろう。このように、新しい状況に適切な修正された伝熱特性を得ることができる。
【００４０】
上述のように、本発明の実施形態は、高温基材の一部に組み込まれたチャンネル特徴部に関する。基材は多くの形態をとることができ、時にはタービンエンジン、例えばガスタービンである。図５は、典型的なガスタービンシステム６０の概略図である。システム６０は、１つまたは複数の圧縮機６２、燃焼器６４、タービン６６および燃料ノズル６８を含んでもよい。圧縮機６２およびタービン６６は、１つまたは複数のシャフト７０によって連結されてもよい。シャフトは、単一のシャフト、または共に連結された複数のシャフトセグメントであってもよい。
【００４１】
先に示唆したように、ガスタービンシステム６０は、複数の高温ガス経路構成部品を含んでもよい。バケット組立体（ブレードまたはブレード組立体としても知られている）、ノズル組立体（ベーンまたはベーン組立体としても知られている）、シュラウド組立体、トランジションピース、保持リングおよび圧縮機排気構成部品は、典型的な高温ガス経路構成部品すべてである。高温ガス経路構成部品は実際、高温ガス流に少なくとも部分的に晒される任意の構成部品であり得る。本発明のパターン化／修正されたマイクロチャンネルは、これらの高温ガス経路構成部品の多くに効率的に組み込むことができ、本明細書に説明した付随する利点を提供する。
【００４２】
本明細書には、本発明の特定の特徴のみを示して説明してきたが、当業者であれば、多くの修正および変更を思いつく。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内にあるそのようなすべての修正および変更を包含することが意図されると理解される。
【符号の説明】
【００４３】
１０  基材
１２  高温構成部品
１４  基材の外側表面
１６  基材の内側表面
１８  中空内部空間
２０  凹み形状チャンネルまたは溝
２２  チャンネルの底面または底部
２３、３８  チャンネルの上部開口部
２４、３４、４４  チャンネルの側壁
２６  アクセス孔
２８  内部表面、コーティング材料の堆積（矢印）
３０  冷却剤流体の移動（矢印）
３１、４２  凹み形状チャンネル
３３  ニッケルベース超合金基材
３６、４６  チャンネルの底面
３７  保護コーティング
３９  マウンド
４０  超合金基材
４８  コーティング（層）
５０  隆起部またはマウンド（特徴部）
６０  ガスタービンシステム
６２  圧縮機
６４  燃焼器
６６  タービン
６８  燃料ノズル
７０  シャフト
【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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