(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査方法であって、
１以上の内部通路を有するワークピースに対し、ワークピースを構成する物質と非反応性の金属物質であって、タングステンを基準とする高原子番号の金属物質を含む造影剤を含有する造影剤スラリーを塗工する工程と、
ワークピースの内部通路内に、造影剤又はその酸化物を堆積させる工程と、
放射線探傷検査技術を使用して、ワークピースを検査する工程と、
ワークピースの内部通路から造影剤を除去する工程と
を含む方法。
【請求項２】
造影剤がタングステン、タングステン塩又はタングステン合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
造影剤がオスミウム、オスミウム塩又はオスミウム合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ワークピースを加熱すると、造影剤の少なくとも一部が酸化する、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
堆積工程が、ワークピースを加熱して、スラリーの液体成分の少なくとも一部を蒸発させる工程を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
除去工程が浸出する工程を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
浸出工程が、フッ化水素酸又はアンモニアを使用して実施される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
造影剤がタングステンを含み、加熱により、タングステン酸化物が生成され、浸出工程を、フッ化水素酸洗浄液を使用して実施する、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
造影剤がオスミウムを含み、加熱により、オスミウム酸化物が生成され、浸出工程を、アンモニウム洗浄液を使用して実施する、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
ワークピースが鉄、鋼、コバルトクロム、インコネル、アルミニウム、及びチタンを含む、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
造影剤を塗工する前に、交互積層によりワークピースを形成する、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法であって、
（ａ）粉末床に粉末の層を注入して溶融領域を形成する工程と、
（ｂ）粉末床の第１側部から粉末床にリコーターアームを通すことにより、粉末床に後続の粉末層を設ける工程と、
（ｃ）粉末床にワークピースが形成されるまで、（ａ）と（ｂ）とを繰り返す工程と、
（ｄ）粉末床からワークピースを除去する工程と
を含む、方法。
【請求項１２】
造影剤を塗工する前に、精密鋳造プロセスを使用して、ワークピースを製造する、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法であって、精密鋳造プロセスが、
鋳造コアと外側シェル鋳型とを備えた鋳型に液体金属を注入して固化させ、鋳造部品を形成する工程と、
外側シェル鋳型と鋳造コアとを除去する工程と
を含む、方法。
【請求項１３】
鋳造コアを除去する工程が浸出工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
液体金属を注入する前に、プロセスを使用して鋳型を製造する工程をさらに含む、請求項１２または１３に記載の方法であって、プロセスが、
鋳造コアの少なくとも一部を使い捨てパターン材料で包囲して、コアアセンブリを形成する工程と、
コアアセンブリの周辺に外側シェル鋳型を形成する工程と、
外側シェル鋳型から使い捨てパターン材料を除去する工程と
を含む、方法。
【請求項１５】
使い捨てパターン材料がワックス又はプラスチックである、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、内部形状を有するワークピースの放射線及びコンピュータ断層撮影（ＣＴ）検査のための方法に関する。開示された方法により、例えば積層造形ワークピース及び／又は精密鋳造されたタービンブレードの内部形状内に造影剤を分布させ、次いで検査後に、この造影剤とこれの残渣すべてとを完全に除去することが可能となる。
【背景技術】
【０００２】
最近のエンジン及び次世代タービンエンジンの多くは、入り組んでいて複雑な形状を有する部品及び部位を要し、またこれらの製造に際し、新しいタイプの材料及び製造技術が必要とされている。
【０００３】
タービンブレードは通常、ブレードの翼長に沿って延在する半径方向流路を有し、かつエンジンの動作中に加圧冷却空気を受け取る少なくとも１つ以上の流入口を有する、中空の翼形部を含んでいる。前縁と後縁との間で翼形部の中間において配置された蛇行流路を含む、ブレードにおける種々の冷却通路の中で、翼形部は通常、ブレードを通過する、加圧冷却空気を受け取るための流入口を含んでおり、これらの流入口は、翼形部の加熱された側壁とブレード内部の冷却空気との間の熱伝達を促進する短いタービュレータリブ又はピンのような局所的な特徴を含んでいる。
【０００４】
このようなタービンブレードは、通常高強度の超合金金属材料から製造され、これには数多くの工程が含まれている。まず、精密セラミックコアを、タービンブレード内部に要する複雑な冷却通路に適合するように製造する。さらに、精密金型又は鋳形を製造し、これは翼形部と、プラットフォームと、一体型ダブテールとを含むタービンブレードの正確な３次元外面を画成している。セラミックコアを２つの金型半体内部に組み込んでおり、これらの金型半体は自身の間に空間又は空隙を形成し、これにより、ブレード内に生じる金属部分を画成している。組み立てた金型内にワックスを注入して空隙を充填し、かつそこに内包されたセラミックコアを包囲する。２つの金型半体を分割し、かつ成形ワックスから取り出す。成形ワックスは所望のブレードに沿った形状となり、次いでセラミック材料をこれに塗工してセラミックコアを包囲するセラミックシェルを形成する。その後、ワックスが融解し、セラミックシェルと内部のセラミックコアとの間に残された空隙又は空間を残存させつつ、シェルからこれを除去する。次いで、シェルに溶融超合金金属を注ぎ込んでそこに存在する空隙を充填し、シェルに入ったセラミックコアを再度封入する。溶融金属を冷却してこれを固化させ、次いで内部の冷却通路が存在する所望の金属タービンブレードを残存させつつ、外側シェルと内部コアとを好適に除去する。
【０００５】
燃料ノズルのような他のジェット航空機エンジンの部品は、近年、積層造形技術を使用して製造されており、この技術は、減法造形方法とは対照的に、１つ以上の材料を積み重ねてネット又はニアネットシェイプ（ＮＮＳ）の物体を形成する工程を含んでいる。積層造形技術においては、多種多様の材料から複合体部品を製造することができる。通常、自立式物体をコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから製造することができる。適用例としては、複合ワークピースと、インベストメント鋳造用のパターンと、射出成形及びダイカスト鋳造用の金型と、砂型鋳造用の金型及びコアとを直接製造することが挙げられる。設計サイクルにおいて、コンセプトに関するやり取りやこれの試験を実施しやすくするためにプロトタイプ品を製造することも、積層造形方法の一般的な使用法の１つである。
【０００６】
航空機エンジン部品の内部形状がますます複雑化していることにより、製造した部品の検査が困難になってきている。また、プロトタイピング作業からフル生産プロセスにも積層造形技術を適用することで、製造した部品を非破壊検査するに際し、より高度な技術の必要性が生じている。ワークピースのサイズが大型化し、製造したワークピースの内部形状がより複雑になるにつれて、より効果的な放射線及びＣＴ検査技術が必要とされている。
【０００７】
医療用ＣＴ及び放射線検査のための造影剤の使用が知られている。製造した部品のＣＴ撮像には、ヨウ化亜鉛による造影剤を主に使用していた。Ｓｃｈｉｌｌｉｎｇ他著“Ｘ−ｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｄｍｉｃｒｏｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｄａｍａｇｅｉｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，”ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ６５（２００５）２０７１−２０７８．を参照されたい。ヨウ化亜鉛は、ＣＴスキャン用に一般的に使用される造影剤である。ＣＴ検査は、従来の技術を使用して、特定の積層造形部品に利用されている。Ｖａｎ  Ｂａｅｌ他著“Ｍｉｃｒｏ−ＣＴｂａｓｅｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｅｄＴｉ５Ａｌ４Ｖｐｏｒｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（２０１１）７４２３−７４３１．を参照されたい。
【０００８】
本発明者らは、内部形状の複雑性や部品全体のサイズが増すにつれて、従来のＣＴ造影剤がＣＴ検査においてその有効性を失いつつあることを見出した。積層造形の発展により、より複雑な内部形状を有する大型化したワークピースが増加し、従来のＣＴ検査方法がその有効性を失っている。工業用造影剤と、こうした造影剤を使用した、特に大型の積層造形部品又は精密鋳造されたワークピースに対する検査方法が必要とされており、これらの方法では、ワークピースの内部形状内に造影剤を堆積させることができ、かつ検査後に、このワークピースに対して非破壊的となるプロセスを経て造影剤を除去することができる。
【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２０１４／０１６３７１７号明細書
【発明の概要】
【００１０】
本発明は検査方法に関するものである。本検査方法は、１以上の内部通路を有するワークピースに対し、造影剤を含有する造影剤スラリーを塗工する工程と、ワークピースの内部通路内に、造影剤又はその酸化物を堆積させる工程と、放射線深傷検査技術を使用して、ワークピースを検査する工程と、ワークピースの内部通路から造影剤を除去する工程とを含んでいる。
【００１１】
一実施形態では、造影剤はタングステン又はタングステン合金である。別の実施形態では、造影剤はオスミウム又はオスミウム合金である。造影剤は酸化していてもよく、また、加熱後に液体成分を蒸発させることができる。本発明の１つの態様では、造影剤を除去する工程は浸出プロセスを含み、これはフッ化水素酸、酸又はアンモニアなどの薬剤を使用して浴液中でワークピースのすすぎ及び／又は浸出を行う工程を伴い得る。
【００１２】
一実施形態では、造影剤はオスミウムを含み、加熱によりオスミウム酸化物が生成され、浸出する工程を、アンモニウム洗浄液を使用して行われる。一実施形態では、造影剤はタングステンを含み、加熱によりタングステン酸化物が生成され、浸出を、フッ化水素酸を使用して実施する。ワークピースは鉄、鋼、コバルトクロム、インコネル、アルミニウム、及びチタンを含む。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付図面に関連して以下に記載した詳細な説明は、種々の構成を説明するものとして意図され、本明細書に記載した概念が実践され得る唯一の構成を表すことを意図するものではない。詳細な説明には、種々の概念に関する十分な理解を促進する目的で具体的な詳細が含まれている。しかし、これらの具体的な詳細がなくてもこのような概念を実践できることが、当業者には明らかであろう。
【００１４】
本発明は、ＣＴ又は他の放射線撮像方法を使用したワークピースの検査方法に関するものである。本方法は非破壊検査用造影剤を使用するものであり、この造影剤は、液体キャリア中に懸濁又は溶解させた１つ以上の高原子番号金属（例えば、タングステン又はオスミウム）を含んでいる。この造影剤は、検査するワークピースの母材金属（例えば、アルミニウム、コバルト、ニッケル）に対し非反応性でなければならない。液体キャリアとして、単独の又は懸濁化剤を添加した水又は有機溶剤を使用することができる。表示が、コントラスト剤のない放射線撮影法の解像度よりも低いスルークラック又は薄い壁であるかどうかを判断するために、本発明の方法は、後続の試験を実施する必要なしに、ワークピースの表示に関する明確な証拠を提供することができる。
【００１５】
被検査体に装着する固定具を介し、ポンプ又は重力送り装置を使用して、ワークピースに造影剤を投入することができる。次いで、ワークピースの１つ以上の内部通路内に、少なくとも一部、造影剤を堆積させる。その後、放射線撮像方法（例えば、ＣＴスキャン）を使用して、このワークピースを検査する。検査終了後、部品から造影剤を除去する。造影剤の除去は、洗流し又は加圧洗浄、もしくは洗浄液の使用を伴い得る。
【００１６】
一実施形態では、本方法は、造影剤が表面表示を充填し、かつこれに堆積することが可能となる硬化（すなわち、加熱）工程を含んでいる。本発明の造影剤を使用すると、高解像度の検査が可能となるため、造影剤なしでは発見したり、十分に特徴づけたりすることができなかった欠陥を検出し、特徴づけることができる。これにより、付加的な費用がかかる検証、試験及び／又は検査工程を不要にしている。
【００１７】
本発明によるワークピースは、ＤＭＬＭ、すなわちダイレクトレーザー溶融を使用して積層造形された、積層造形燃料ノズルなどの部品であってもよい。このワークピースは、超合金タービンブレードなどの鋳造部品であってもよい。内部通路を有する、特に金属構造物などの工業的に製造されたあらゆる構造物には、本発明が提供する高解像度の検査が有効である可能性がある。
【００１８】
粉末床レーザー溶融方法を使用して製造した部品（例えば、ジェット航空機エンジン用の燃料ノズル）のような積層造形ワークピースの場合には、本検査方法を、（ａ）粉末床に粉末の層を注入して溶融領域を形成する工程と、（ｂ）粉末床の第１側部から粉末床にリコーターアームを通すことにより、粉末床に後続の粉末層を設ける工程と、（ｃ）粉末床にワークピースが形成されるまで、（ａ）と（ｂ）とを繰り返す工程と、（ｄ）粉末床からワークピースを除去する工程とを含むプロセスを使用して、交互積層によりワークピースを形成する工程を含むプロセスを使用した部品製造の後に実施してもよい。熱処理又は洗浄などの付加的工程を、検査に先立って実施してもよい。或いは、これらの後処理工程を、本発明による検査の後に実施することもできる。
【００１９】
ワークピースを精密鋳造方法において製造する場合（例えば、タービンブレード）、本検査方法を、（ａ）液体金属（例えば、超合金）を鋳型に注ぎ込んでこれを固化させ、鋳造コア及び外側シェル鋳型の周辺に鋳造部品を形成する工程と、（ｂ）外側シェル鋳型及び鋳造コアを除去する工程とを含むプロセスを使用して部品を製造した後に実施してもよい。これらの除去工程を、機械的（破壊）及び／又は化学的（浸出）プロセスを使用して実施してもよい。熱処理又は洗浄などの付加的工程を、検査に先立って実施してもよい。或いは、これらの後処理工程を、本発明による検査の後に実施することもできる。鋳造コアの少なくとも一部を使い捨てパターン材料（例えば、ワックス又はプラスチック）で包囲して、コアアセンブリを形成する工程と、このコアアセンブリの周辺に外側シェル鋳型を形成する工程と、この外側シェル鋳型から使い捨てパターン材料を除去する工程とを含むロストワックス法を使用して、鋳型を製造することができる。
【００２０】
本発明の検査方法により、種々の材料、主に、放射線検査を困難にしている内部キャビティを有する金属の検査が可能となる。例えば、ワークピース又は部品は、薄壁を備えた内部キャビティを有し得る。本発明は、これらの壁における亀裂などの潜在的な指示を検査するのに有用である。
【００２１】
造影剤スラリーの塗工を、部品への重力送り装置により又はポンプにより、実施してもよい。自身の内部キャビティを露出している部品の開口部に対し、このスラリーを直接塗工することができる。或いは、部品又はワークピースに取り付けた固定具を介してスラリーを添加してもよい。このスラリーを、ワークピースの内部キャビティを通して造影剤を分布させるように設計している。一実施形態では、造影剤はタングステン又はタングステン合金である。別の実施形態では、造影剤はオスミウム又はオスミウム合金である。このスラリーは、懸濁化剤又は検査後におけるスラリーの最終的な除去を助ける薬剤のような他の薬剤を含み得る。
【００２２】
検査が必要なワークピースの内部全体に造影剤を堆積させている。部品をスラリーで洗浄することによって、スラリー内の造影剤を堆積させることができる。或いは、スラリーで充填するか又は洗浄した後、この部品を加熱してもよい。スラリーの液体成分又は液体成分の一部を除去するのに、加熱工程を使用することができる。また、この加熱により、別の造影剤を生成するために塗工されるものとして、造影剤を反応させることができる。例えば、造影剤がタングステンである場合、この加熱により、タングステンの一部又はすべてが酸化タングステン（ＷＯ2  ・  ＷＯ4）に転化されることになり得る。造影剤がオスミウムである場合、加熱により、オスミウムを酸化オスミウム（単数又は複数）（ＯｓＯ2  ・  ＯｓＯ4）に反応させてもよい。或いは、造影剤を金属酸化物のスラリーとして塗工することができる。その場合、加熱工程が不要となるか又は、検査の前にスラリー中の液体の一部又はすべてを蒸発させるために、加熱工程を使用してもよい。
【００２３】
ひとたび造影剤を部品又はワークピースに添加し、また加熱又は硬化工程を実施すると、この部品をＣＴスキャンなどの放射線撮像方法を使用して検査することができる。造影剤の使用により、高出力スキャンと高解像度化が可能となっていることを除いては、本検査工程は当技術分野で周知のものと同様のものである。高出力スキャンにより、欠陥をより強力に検出することができ、特に積層造形技術又は精密鋳造技術を使用して製造されている部品用に、生産工程において要される試験のいくつかを削減することができる。
【００２４】
検査終了後、造影剤を除去する。部品を水で洗い流すか又はすすぐことによってこれを実施することができる。固定具を介してスラリーを添加している場合、同じ固定具を通じて洗浄剤を塗工することができる。造影剤は、その硬化形態において、化学的浸出プロセスを介しての除去の影響を特に受けやすい可能性がある。例えば、造影剤が酸化タングステンである場合、フッ化水素酸などの酸を含有する洗浄液を使用して、これを化学的に除去することができる。造影剤が酸化オスミウムである場合、浸出剤はアンモニア水洗浄液であってもよい。洗浄液は洗浄剤の組合せであってもよく、有機溶剤のような他の洗浄剤とともにこれを使用することができる。例えば、アンモニア又はフッ化水素酸水溶液を使用して浸出を行う場合、部品内の水の除去を助けるために、有機溶剤中で再度すすぎを行ってもよい。
【００２５】
本明細書は、好適な実施形態を含む実施例を使用して本発明を開示し、任意の装置又はシステムを製造かつ使用すること、及び取り入れた任意の方法を実行することを含む本発明の実施を、当業者が行うのを可能にする。本開示の特許され得る範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含み得る。このような他の実施例が、特許請求の範囲の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合又は、それらが特許請求の範囲の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。本明細書に記載した種々の実施形態におけるいくつかの態様を、このような各態様に関する他の既知の均等物と同様に、当業者が混合かつ適合させて、本出願の原理によるさらなる実施形態及び技術を構築することができる。
［実施態様１］
１以上の内部通路を有するワークピースに対し、造影剤を含有する造影剤スラリーを塗工する工程と、
ワークピースの内部通路内に、造影剤又はその酸化物を堆積させる工程と、
放射線探傷検査技術を使用して、ワークピースを検査する工程と、
ワークピースの内部通路から造影剤を除去する工程とを含む、検査方法。
［実施態様２］
造影剤はタングステン、塩又はそれらの合金である、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
造影剤はオスミウム、塩又はそれらの合金である、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
ワークピースを加熱すると、造影剤の少なくとも一部が酸化する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様５］
堆積する工程が、ワークピースを加熱して、スラリーの液体成分の少なくとも一部を蒸発させる工程を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
除去する工程が浸出する工程を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様７］
浸出する工程を、フッ化水素酸又はアンモニアを使用して実施する、実施態様２に記載の方法。
［実施態様８］
造影剤はタングステンを含み、加熱により、タングステン酸化物が生成され、浸出する工程を、フッ化水素酸洗浄液を使用して実施する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様９］
造影剤はオスミウムを含み、加熱により、オスミウム酸化物が生成され、浸出する工程を、アンモニウム洗浄液を使用して実施する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１０］
ワークピースは鉄、鋼、コバルトクロム、インコネル、アルミニウム、及びチタンを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１１］
造影剤を塗工する前に、交互積層によりワークピースを形成する、実施態様１に記載の方法であって、
（ａ）粉末床に粉末の層を注入して溶融領域を形成する工程と、
（ｂ）粉末床の第１側部から粉末床にリコーターアームを通すことにより、粉末床に後続の粉末層を設ける工程と、
（ｃ）粉末床にワークピースが形成されるまで、（ａ）と（ｂ）とを繰り返す工程と、
（ｄ）粉末床からワークピースを除去する工程とを含む、方法。
［実施態様１２］
造影剤を塗工する前に、精密鋳造プロセスを使用して、ワークピースを製造する、実施態様１に記載の方法であって、精密鋳造プロセスは、
鋳造コアと外側シェル鋳型とを備えた鋳型に液体金属を注入して固化させ、鋳造部品を形成する工程と、
外側シェル鋳型と鋳造コアとを除去する工程とを含む、方法。
［実施態様１３］
鋳造コアを除去する工程は浸出工程を含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１４］
液体金属を注入する前に、プロセスを使用して鋳型を製造する工程をさらに含む、実施態様１２に記載の方法であって、プロセスは、
鋳造コアの少なくとも一部を使い捨てパターン材料で包囲して、コアアセンブリを形成する工程と、
コアアセンブリの周辺に外側シェル鋳型を形成する工程と、
外側シェル鋳型から使い捨てパターン材料を除去する工程とを含む、方法。
［実施態様１５］
使い捨てパターン材料がワックス又はプラスチックである、実施態様１４に記載の方法。