(57)【要約】　　　（修正有）【課題】融点及び耐酸化性のようなパラメータに関して、改善された高温性能を有し、材料に関連する費用効果を高める翼形部のようなタービン構成部品及びその製法の提供。【解決手段】物品２００は、冷却流体供給システム２１８と上部端と底部端とを備えかつ該物品２００に機械的な支持を与えるスパー２０８と、該スパー２０８に隣接する第１端及び第２端を有し互いに間隔をおいた関係にある複数のスペース要素２１４を備えかつ該スパー２０８に取り付けられた隔離構造体２１０と、スパー２０８及び隔離構造体２１０をコンフォーマルに囲むスキン２１２とを備え、複数のスペース要素２１４が、該スペース要素２１４の第２端に隣接するスキン２１２の内面に配置されてスパー２０８と該スキン２１２との間に冷却流体供給システム２１８と流体連通状態にある複数のプレナム２１６を形成し、スパー２０８の底部端とスキン２１２の底部端とを連結する基部２０４が設けられている。【選択図】　　　図２
2004036606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン組立体の高温ガス通路に用いるための物品（２００）であって、
冷却流体供給システム（２１８）と上部端と底部端とを備え、該物品（２００）に機械的な支持を与えるスパー（２０８）と、
該スパー（２０８）に隣接する第１端及び該第１端の反対側にある第２端を有し互いに間隔をおいた関係にある複数のスペース要素（２１４）を備え、前記スパー（２０８）に取り付けられた隔離構造体（２１０）と、
上部端及び底部端を備え、前記スパー（２０８）及び前記隔離構造体（２１０）をコンフォーマルに囲むスキン（２１２）と、
を備え、
前記隔離構造体（２１０）は前記スパー（２０８）と前記スキン（２１２）とを分離し、前記複数のスペース要素（２１４）は、該スペース要素（２１４）の前記第２端に隣接する前記スキン（２１２）の内面に配置されて、前記スパー（２０８）と前記スキン（２１２）との間に複数のプレナム（２１６）を形成し、前記プレナム（２１６）は前記冷却流体供給システム（２１８）と流体連通状態にあり、前記スキン（２１２）はＲｈ、Ｐｄ、及びＰｔからなるグループより選択される少なくとも１つの金属を含み、
前記スパー（２０８）の底部端と前記スキン（２１２）の底部端とを連結する基部（２０４）が設けられている、
ことを特徴とする物品（２００）。
【請求項２】
前記スキン（２１２）上に配置される断熱皮膜（２３２）を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項３】
前記断熱皮膜（２３２）がイットリア安定化ジルコニアを含むことを特徴とする、請求項２に記載の物品（２００）。
【請求項４】
前記断熱皮膜（２３２）が柱状微細構造を備えることを特徴とする、請求項２に記載の物品（２００）。
【請求項５】
前記スパー（２０８）が、セラミック、超合金、ケイ化物ベース（２０４）の複合材及びチタン・アルミニドのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項６】
前記複合材がモリブデン基（２０４）ケイ化物、ニオブ基（２０４）ケイ化物、及びその組み合わせのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項５に記載の物品（２００）。
【請求項７】
前記セラミックがセラミックマトリクス複合材を含むことを特徴とする、請求項５に記載の物品（２００）。
【請求項８】
前記超合金がニッケル基（２０４）超合金を含むことを特徴とする、請求項５に記載の物品（２００）。
【請求項９】
前記ニッケル基（２０４）超合金が方向性凝固合金を含むことを特徴とする、請求項８に記載の物品（２００）。
【請求項１０】
前記ニッケル基（２０４）超合金が単結晶を含むことを特徴とする、請求項８に記載の物品（２００）。
【請求項１１】
前記スパー（２０８）が約０．５ｍｍから約５ｍｍまでの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項１２】
前記スパー（２０８）の前記厚さが約０．５ｍｍから約３ｍｍまでの範囲であることを特徴とする、請求項１１に記載の物品（２００）。
【請求項１３】
前記冷却流体供給システム（２１８）が複数の冷却孔（２３０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項１４】
前記冷却流体供給システム（２１８）が前記スパー（２０８）の前記上部端から前記底部端に至る複数の溝を備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項１５】
前記スパー（２０８）上に配置された耐酸化被覆（２２４）を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項１６】
前記耐酸化被覆（２２４）が、プラチナ−ニッケル・アルミニド、ニッケル・アルミニド、及びＭＣｒＡｌＹ材料のうちの少なくとも１つを含み、ここで、ＭはＮｉ、Ｆｅ、及びＣｏのうちの少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１５に記載の物品（２００）。
【請求項１７】
前記スパー（２０８）が前記スキン（２１２）に面する外面を更に含み、断熱皮膜（２２６）が前記スパー（２０８）の前記外面上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項１８】
前記隔離構造体（２１０）が前記スパー（２０８）と一体であることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項１９】
前記スペース要素（２１４）が約０．２ｍｍから約３ｍｍまでの範囲の高さを有することを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項２０】
前記スペース要素（２１４）がほぼ等しい高さを有することを特徴とする、請求項１９に記載の物品（２００）。
【請求項２１】
前記隔離構造体（２１０）が、セラミック、超合金、ケイ化物ベース（２０４）の複合材及びチタン・アルミニドのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項２２】
前記超合金がニッケル基（２０４）超合金であることを特徴とする、請求項２１に記載の物品（２００）。
【請求項２３】
前記ニッケル基（２０４）超合金が方向性凝固合金を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の物品（２００）。
【請求項２４】
前記ニッケル基（２０４）超合金が単結晶を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の物品（２００）。
【請求項２５】
前記スペース要素（２１４）が材料組成の勾配を含み、該勾配は前記スパー（２０８）に隣接する前記第１端から前記スキン（２１２）に隣接する前記第２端にまでわたることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項２６】
前記隔離構造体（２１０）が前記スペース要素（２１４）の前記第２端に配置された拡散障壁層（２２８）を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項２７】
前記拡散障壁層（２２８）がルテニウムを含むことを特徴とする、請求項２６に記載の物品（２００）。
【請求項２８】
前記スキン（２１２）が前記金属の単一片からなることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項２９】
前記スキン（２１２）が前記金属の少なくとも約８０原子パーセントを含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項３０】
前記スキン（２１２）が約０．１ｍｍから約０．５ｍｍまでの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項３１】
前記スキン（２１２）の前記厚さが約０．１ｍｍから約０．３ｍｍまでの範囲であることを特徴とする、請求項３０に記載の物品（２００）。
【請求項３２】
前記スキン（２１２）が前記プレナム（２１６）と流体連通状態にある複数の冷却孔（２３０）を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項３３】
前記スキン（２１２）が、該スキン（２１２）の第１端を該スキン（２１２）の前記内面に接合して前記スパー（２０８）の周りに囲いを形成する溶接接合部を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項３４】
前記スキン（２１２）が、該スキン（２１２）を前記隔離構造体（２１０）に連結する少なくとも１つの冶金的接合部を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項３５】
前記物品（２００）がタービン翼形部（２０２）を構成することを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項３６】
前記基部（２０４）が前記翼形部（２０２）のプラットフォームを構成することを特徴とする、請求項３５に記載の物品（２００）。
【請求項３７】
前記基部（２０４）が超合金を含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項３８】
前記超合金がニッケル基（２０４）超合金を含むことを特徴とする、請求項３７に記載の物品（２００）。
【請求項３９】
前記スパー（２０８）を前記基部（２０４）に取り付ける機械的接合部を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項４０】
前記スパー（２０８）を前記基部（２０４）に取り付ける、溶接接合部、蝋付け接合部、及び拡散接合部のうちの少なくとも１つを更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項４１】
前記スキン（２１２）と前記スパー（２０８）との間に置かれたリテーナを更に備え、該リテーナは、溶接接合、蝋付け接合、及び拡散接合のうちの少なくとも１つによって、前記スキン（２１２）に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の物品（２００）。
【請求項４２】
ガスタービン組立体の高温ガス通路に用いるためのタービンブレード（２００）であって、
複数の冷却孔（２３０）を備え、翼形部（２０２）に機械的な支持を与えるスパー（２０８）と、
該スパー（２０８）と一体の隔離構造体（２１０）と、
を備え、
該隔離構造体（２１０）は互いに間隔をおいた関係にある複数のスペース要素（２１４）を備え、該スペース要素（２１４）は前記スパー（２０８）に隣接する第１端及び該第１端の反対側にある第２端を有し、
内面及び外面を備えるスキン（２１２）が前記スパー（２０８）及び前記隔離構造体（２１０）をコンフォーマルに囲み、前記隔離構造体（２１０）は前記スパーと前記スキン（２１２）とを分離しており、前記複数のスペース要素（２１４）は、該スペース要素（２１４）の前記第２端に隣接する前記スキン（２１２）の前記内面に配置されて、前記スパー（２０８）と前記スキン（２１２）との間に複数のプレナム（２１６）を形成しており、該プレナム（２１６）は前記スパーの前記冷却孔（２３０）と流体連通状態にあり、前記スキン（２１２）はＲｈ、Ｐｄ、Ｐｔ及びその混合物からなるグループから選択される少なくとも８０原子パーセントの金属を含み、前記スキン（２１２）は、前記プレナム（２１６）と流体連通状態にある複数の冷却孔（２３０）を更に備え、
前記スパー（２０８）と前記スキン（２１２）とを連結する基部（２０４）と、
前記スキン（２１２）の前記外面上に配置されたイットリア安定化ジルコニアを含む断熱皮膜（２３２）と、
が設けられている、
ことを特徴とするタービンブレード（２００）。
【請求項４３】
ガスタービン組立体の高温ガス通路に用いるための物品（２００）を作る方法であって、
冷却流体供給システム（２１８）と上部端と底部端とを備え、前記物品（２００）に機械的な支持を与えるスパー（２０８）を設け、
該スパー（２０８）に隣接する第１端及び該第１端の反対側にある第２端を有し互いに間隔をおいた関係にある複数のスペース要素（２１４）を備える隔離構造体（２１０）を、前記スパー（２０８）に取り付け、
上部端及び底部端を備えＲｈ、Ｐｄ、及びＰｔからなるグループより選択される少なくとも１つの金属を含むスキン（２１２）で前記スパー（２０８）及び前記隔離構造体（２１０）をコンフォーマルに囲み、前記隔離構造体（２１０）が前記スパー（２０８）と前記スキン（２１２）とを分離し、前記複数のスペース要素（２１４）が、該スペース要素（２１４）の前記第２端に隣接する前記スキン（２１２）の内面に配置されて、前記スパー（２０８）と前記スキン（２１２）との間に前記冷却流体供給システム（２１８）と流体連通状態にある複数のプレナム（２１６）を形成するようにし、
前記物品（２００）のための基部（２０４）を形成し、
前記スパー（２０８）の底部端と前記スキン（２１２）の底部端とを前記基部（２０４）に接合する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項４４】
断熱皮膜（２３２）を前記スキン（２１２）上に配置することを更に含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記断熱皮膜（２３２）がイットリア安定化ジルコニアを含むことを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記スパー（２０８）を設けることが、セラミック、超合金、ケイ化物ベース（２０４）の複合材及びチタン・アルミニドのうちの少なくとも１つを準備することを含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
前記スパー（２０８）を設けることが、約０．５ｍｍから約５ｍｍまでの範囲の厚さを有するスパー（２０８）を設けることを含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項４８】
前記スパー（２０８）の前記冷却流体システム（２１８）が、複数の冷却孔（２３０）、及び前記スパー（２０８）の前記上部端から前記底部端に至る複数の溝のうちの少なくとも１つを備えることを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項４９】
耐酸化被覆（２２４）を前記スパー（２０８）上に配置することを更に含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５０】
断熱皮膜（２２６）を前記スキン（２１２）に面する前記スパー（２０８）の外面上に配置することを更に含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項５１】
前記隔離構造体（２１０）を取り付けることが、該隔離構造体（２１０）を前記スパー（２０８）と一体に形成することを含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５２】
前記スペース要素（２１４）が約０．２から約３ｍｍまでの範囲の高さを有することを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５３】
前記隔離構造体（２１０）が、セラミック、超合金、ケイ化物ベース（２０４）の複合材及びチタン・アルミニドのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５４】
拡散障壁層（２２８）を前記スペース要素（２１４）の前記第２端に配置することを更に含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５５】
前記スキン（２１２）が少なくとも約８０原子パーセントの前記金属を含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５６】
前記スキン（２１２）が約０．１ｍｍから約０．５ｍｍまでの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５７】
前記スキン（２１２）が前記プレナム（２１６）と流体連通状態にある複数の冷却孔（２３０）を更に備えることを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５８】
前記スキン（２１２）の第１端を前記スキン（２１２）の前記内面に接合して、前記スパー（２０８）の周りに囲いを形成することを更に含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項５９】
前記スキン（２１２）を前記隔離構造体（２１０）に連結する少なくとも１つの冶金的接合部を形成することを更に含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項６０】
前記形成することが、溶接、蝋付け、及び拡散接合のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記接合することが、溶接、蝋付け、及び拡散接合のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項４３に記載の方法。
【請求項６２】
ガスタービン組立体の高温ガス通路に用いるためのタービンブレード（２００）を作る方法であって、
複数の冷却孔（２３０）と上部端と底部端とを備え、前記タービンブレード（２００）に機械的な支持を与えるスパー（２０８）を設け、
該スパー（２０８）に隣接する第１端及び該第１端の反対側にある第２端を有し互いに間隔をおいた関係にある複数のスペース要素（２１４）を備える隔離構造体（２１０）を、前記スパー（２０８）に取り付け、
内面及び外面を備えＲｈ、Ｐｄ、Ｐｔ及びその混合物からなるグループより選択される少なくとも８０原子パーセントの金属を含むスキン（２１２）で前記スパー（２０８）及び前記隔離構造体（２１０）をコンフォーマルに囲み、前記隔離構造体（２１０）が前記スパー（２０８）と前記スキン（２１２）とを分離し、前記複数のスペース要素（２１４）が、該スペース要素（２１４）の前記第２端に隣接する前記スキン（２１２）の前記内面に配置されて、前記スパー（２０８）と前記スキン（２１２）との間に前記冷却孔（２３０）と流体連通状態にある複数のプレナム（２１６）を形成し、前記スキン（２１２）が前記プレナム（２１６）と流体連通状態にある複数の冷却孔（２３０）を更に備えるようにし、
前記タービンブレード（２００）のための基部（２０４）を形成し、
前記スパー（２０８）の底部端と前記スキン（２１２）の底部端とを前記基部（２０４）に接合し、
断熱皮膜（２３２）を前記スキン（２１２）の前記外面上に配置する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、翼形部のようなタービン組立体の構成部品に関する。より具体的には、本発明は、ハイブリッド構造を有するタービン組立体に関する。更により具体的には、本発明は、タービン組立体のための耐酸化ハイブリッド構造を有する翼形部のような物品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空用タービン、陸上用タービン、海上用タービンなどのようなタービン組立体は、一般的に、超合金として知られる部類の材料から形成される構成部品を含む。超合金は、一般的にタービン作動中に遭遇する、高温、高応力、及び高圧の条件下で、所望の化学的特性及び物理的特性を示す。ニッケル（Ｎｉ）基、鉄（Ｆｅ）基、及びコバルト（Ｃｏ）基超合金は、そうした用途において特に関心をもたれている。例えば、現代のジェットエンジンにおける翼形部のようなタービン構成部品は、約１，１５０°Ｃという高温にまで達することがあるが、この温度は、殆どのＮｉ基超合金の溶融温度の約８５％に相当する。
【０００３】
高い使用温度では、タービン構成部品を形成するために用いられる超合金は、クリープ、酸化、及び溶融のようなメカニズムによる損傷を非常に受けやすい。典型的には耐熱材料から形成される断熱皮膜を構成部品表面に適用することは、金属表面の温度を下げることによって高温での超合金の性能を高める。そうした皮膜は保護の手段を提供するものではあるが、チッピング、亀裂、及びスポーリングの問題を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
材料の融点及び耐酸化性に関連する諸問題は、タービン効率を引き上げるためにより高い作動温度を必要とする最先端のタービン設計によって厳しくなる。進んだ設計概念においては、構成部品の表面温度は、最先端の超合金の融点を超えることが予想される。したがって、必要とされるのは、例えば融点及び耐酸化性のようなパラメータに関して、改善された高温性能を有する翼形部のようなタービン構成部品である。十分な高温性能を示す材料に関連する費用が多くの場合高いために、構成部品について付加的に必要とされるのは、費用効果を高めることである。
【０００５】
【発明を解決するための手段】
本発明は、これらのニーズに対処する実施形態を提供する。第１の実施形態は、ガスタービン組立体の高温ガス通路に用いるための物品である。この物品は、冷却流体供給システムと上部端と底部端とを備え、該物品に機械的な支持を与えるスパーと、
該スパーに隣接する第１端及び該第１端の反対側にある第２端を有し互いに間隔をおいた関係にある複数のスペース要素を備え、該スパーに取り付けられた隔離構造体と、
上部端及び底部端を備え、スパー及び隔離構造体をコンフォーマルに囲むスキンと、
を備え、隔離構造体がスパーとスキンとを分離し、複数のスペース要素が、該スペース要素の第２端に隣接するスキンの内面に配置されて、スパーと該スキンとの間に冷却流体供給システムと流体連通状態にある複数のプレナムを形成し、該スキンはＲｈ、Ｐｄ、及びＰｔからなるグループより選択される少なくとも１つの金属を含み、
スパーの底部端とスキンの底部端とを連結する基部が設けられる。
【０００６】
第２の実施形態は、ガスタービン組立体の高温ガス通路に配置される物品のための金属系スキンである。このスキンは、Ｒｈ、Ｐｄ、及びＰｔからなるグループより選択される少なくとも１つの金属を含む自立型のシートであって、該シートは該物品の支持構造体をコンフォーマルに囲むようにされた形状を有する。
【０００７】
第３の実施形態は、ガスタービン組立体の高温ガス通路に用いるための物品を作る方法である。この方法は、
冷却流体供給システムと上部端と底部端とを備え、該物品に機械的な支持を与えるスパーを設け、
該スパーに隣接する第１端及び該第１端の反対側にある第２端を有し互いに間隔をおいた関係にある複数のスペース要素を備える隔離構造体を、該スパーに取り付け、
上部端及び底部端を備えＲｈ、Ｐｄ、及びＰｔからなるグループより選択される少なくとも１つの金属を含むスキンでスパー及び隔離構造体をコンフォーマルに囲み、隔離構造体がスパーとスキンとを分離し、複数のスペース要素が、該スペース要素の第２端に隣接する該スキンの内面に配置されて、該スパーと該スキンとの間に冷却流体供給システムと流体連通状態にある複数のプレナムを形成するようにし、
該物品のための基部を形成し、
スパーの底部端とスキンの底部端とを該基部に接合する、
ことを含む。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、一層良く理解されるであろう。図面を通して同じ記号は同じ部品を表す。
【０００９】
以下の説明において、「上部」「底部」「外方」「内方」などの用語は便宜的な語であって、限定的な用語として解釈されるべきでないことを理解されたい。
【００１０】
Ｒｈ、Ｐｄ、及びＰｔのような貴金属及びこれらの合金は、高い溶融温度、優れた耐酸化性、高温強度、及び断熱皮膜（以下「ＴＢＣ」とも呼ばれる）に対する良好な接着性を有する。しかしながら、その非常に高い密度及び費用のために、翼形部のようなタービン構成部品全体を、そうした金属及び合金から製造することは実際的ではない。本発明は、ハイブリッド構造を有するタービン構成部品を提供することによって、この問題及び他の問題を克服する。このハイブリッド構造は、機械的支持を与えるための少なくとも１つのスパーと、該スパーに取り付けられた隔離構造体と、少なくとも１つの貴金属又はその合金を含む外側スキンとを備える。外側スキンは隔離構造体と接触し、かつスパーをコンフォーマルに囲む。
【００１１】
図面を全体的に、また特に図１を参照すると、図は、本発明の例示的な実施形態を説明する目的のためにあり、本発明をそれに限定することは意図していないことが理解されるであろう。図１は、タービン組立体に用いられるようにされた従来技術のタービンブレード１００の断面図である。タービンブレード１００は、タービン組立体１００内の高温ガス通路の中に延びる翼形部１０２と、該タービンブレード１００をタービンディスク（図示せず）及び該タービン組立体の残部に取り付けるための基部１０４とを備える。翼形部１０２は、ニッケル基、鉄基又は、コバルト基超合金を含む壁１０６によって形成される。壁１０６は更に、壁１０６の外面上に配置される断熱皮膜１０８を含み、壁１０６及び翼形部１０２を酸化から保護することができる。タービン組立体の作動中に翼形部１０２を冷却するために、基部１０４には流入口１１０が設けられ、該流入口を通って冷却媒体が翼形部１１２の内部に流れる。冷却媒体は次に、壁１０６における孔１１４を通過して、該壁１０６の外面を冷却する。
【００１２】
タービン組立体の作動中、断熱皮膜１０８は、タービン組立体の高温ガス通路内の高温ガスに曝されることに起因して、最終的には摩滅するか又は層状剥離する。したがって、壁１０６は高温ガスに曝され、早期に腐食する。タービンブレード１００は、この場合、交換されるか又は改修されなければならない。
【００１３】
本発明の物品の断面図が図２に示されている。図２に示す物品はタービンブレード２００である。本発明の種々の実施形態が、ここではタービンブレードとして説明されるが、本発明で特許請求されている物品はそれに限定されない。タービン組立体内の高温ガス通路に露出されるタービン組立体の他の構成部品もまた、本発明の技術的範囲内にあると考えられる。これらの構成部品には、それに限定されるものではないが、燃焼器、羽根などが含まれる。図２に見られるように、タービンブレード２００は、タービン組立体の高温ガス通路内に延びる翼形部２０２と、該翼形部２０２を該タービン組立体の残部に連結する基部２０４とを備える。基部２０４は超合金を含み、かつ、ある実施形態においては、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、鉄基超合金、及びその組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。基部２０４は、冷却媒体を翼形部２０２に供給するための少なくとも１つの流入口２０６を含む。冷却媒体は、少なくとも１つの流入口２０６を通過して、翼形部２０２の内部２２２に入ることができる。
【００１４】
翼形部２０２は、該翼形部２０２に機械的支持を与える少なくとも１つのスパー２０８と、該スパー２０８の外面に取り付けられた隔離構造体２１０と、該隔離構造体２１０に取り付けられ、かつスパー２０８及び隔離構造体２１０をコンフォーマルに囲む外側スキン２１２とを備える。スパー２０８は、冷却媒体を該スパー２０８の外部表面に供給するための冷却流体供給システムを含む。隔離構造体２１０は、互いに間隔をおいた関係にある複数のスペース要素２１４を備える。複数のスペース要素２１４の各々の第１端はスパー２０８の外面に接触し、複数のスペース要素２１４の各々の第２端は外側スキン２１２の内面に接触し、したがって、該スパー２０８と該外側スキン２１２とが分離される。複数のスペース要素２１４は、スパー２０８と外側スキン２１２との間に複数のプレナム２１６を形成する。プレナム２１６は冷却流体供給システム２１８と流体連通状態にあり、したがって、外側スキン２１２を冷却するために、冷却剤を該外側スキン２１２の内面に供給することが可能になる。
【００１５】
基部２０４は、タービンブレード２００のタービン組立体の残部に対する取付点として機能することに加えて、スパー２０８の底部端を外側スキン２１２の底部端に連結する。ここで用いられる「連結する」は、取り付けることを意味し、したがって、一方の部分に作用している荷重が他方の部分に伝達され、取り付けは、機械的接合、冶金的接合、及びその組み合わせのいずれかによって達成される。ある実施形態において、スキン２１２は、該スキン２１２を少なくとも１つの基部内側片２０５と少なくとも１つの基部外側片２０７との間に配置することによって、基部２０４に連結される。他の実施形態において、スキン２１２は、該スキン２１２を基部２０４とスパー２０８との間に接合することによって、基部２０４に連結される。スキン２１２を基部２０４に取り付ける冶金的接合部を形成するための幾つかの方法のうちのいずれかが、これらの代替的な実施形態のいずれにおいても用いられる。適当な方法には、例えば、溶接、蝋付け、及び拡散接合が含まれる。幾つかの実施形態においては、これらの接合方法のうちいずれかが、更に、スパー２０８を基部２０４に連結させるために用いられる。ある実施形態において、スパー２０８及び基部２０４のための材料の選択が、適当な冶金的接合部の形成における困難さの原因となる。例えば、基部２０４が超合金からなり、スパー２０８がニオブ基ケイ化物ベースの複合材からなる場合には、適当な冶金的接合を得ることは、多くの場合、困難である。そうした実施形態において、図４に示される例は、スパー３０８が、例えば、ダブテール配列及び締まり嵌めを含む幾つかの適当な機械的取り付け方式のいずれかによって、基部３０４に連結され、該基部３０４が、スパー３０８をしかるべき場所に物理的に固定するような形態にされる。
【００１６】
基部３０４でのその取り付けに加え、幾つかの実施形態において、スキン３１２は、リテーナ３５０（図４）によってスパー３０８に取り付けられる。リテーナ３５０は、スキン３１２のスパー３０８に対する取り付けの第２の点を形成して、高められた機械的支持をスキン３１２に与える。図４に示される例示的な翼形部の実施形態において、リテーナ３５０は翼形部３００の、基部３０４から見て反対側の端に配置され、かつ、例えば溶接、蝋付け、及び拡散接合を含む幾つかの適当な技術のいずれかにより、スキン３１２に冶金的に接合されている。ある実施形態において、冶金的接合部が、更にリテーナ３５０とスパー３０８との間に形成される。幾つかの実施形態においては、リテーナ３５０は、プラチナ、パラジウム、及びロジウムのうちの少なくとも１つを含む。
【００１７】
スパー２０８（図２）は翼形部２０２に機械的支持を与え、かつ、ある実施形態においては、セラミック、超合金、金属ケイ化物ベースの複合材、及びチタン・アルミニドのうちの少なくとも１つを含む。スパー２０８がセラミックから形成される場合には、該セラミックは、モノリシックセラミック（窒化ケイ素のような）、及びセラミックマトリクス複合材（以下「ＣＭＣ」と呼ぶ）のうちの少なくとも１つからなる。ある実施形態において、ＣＭＣは、例えば炭化ケイ素母材に埋め込まれた炭化ケイ素繊維又は炭化ケイ素粒子のような、炭化ケイ素を含む。別の実施形態においては、スパー２０８は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、鉄基超合金、及びその組み合わせのうち少なくとも１つを含む。ある実施形態においては、超合金は、例えば方向性凝固共晶合金のような方向性凝固超合金を含む。他の実施形態においては、超合金は、単結晶を含む。スパー２０８が金属ケイ化物ベースの複合材を含む更に別の実施形態においては、該複合材は、モリブデン基ケイ化物、ニオブ基ケイ化物、及びその組み合わせのうち少なくとも１つを含む。スパー２０８は、例えば約０．５ｍｍから約３．０ｍｍのような、約０．５ｍｍから約５．０ｍｍまでの範囲の厚さを有する。
【００１８】
スパー２０８の冷却流体分配システム２１８は、該スパー２０８を通して冷却剤をプレナム２１６に供給して、外側スキン２１２に冷却を与える。適当な冷却流体には、それに限定されるものではないが、空気、窒素、アルゴンなどのような気体が含まれる。１つの実施形態において、冷却流体供給システム２１８は、複数の冷却孔（図２及び図３に示す）を備え、該孔はスパー２０８の内面から該スパー２０８を貫通して、該スパー２０８の外面及びプレナム２１６に延びる。この実施形態においては、冷却剤が、物品（図２では翼形部２００）の内部２２２に配置されたチャネルから、スパー２０８を通ってプレナム２１６に流れる。或いは、冷却流体供給システム２１８は、スパー２０８の上部端から底部端に至る複数の溝を備え、冷却剤は該溝を通って流れるようにすることができる。
【００１９】
図３に示すように、幾つかの実施形態においては、スパー２０８は更に、該スパー２０８上に配置された耐酸化被覆２２４を備える。ある実施形態においては、耐酸化被覆２２４は、約５ミクロンから約５０ミクロンの間の厚さを有し、プラチナ−ニッケル・アルミニド、ニッケル・アルミニド、及びＭＣｒＡｌＹ合金のうちの少なくとも１つを含み、ここで、Ｍはニッケル、鉄、及びコバルトのうちの少なくとも１つである。幾つかの実施形態においては、スパー２０８は更に、該スパー２０８の外面上に配置された断熱皮膜２２６を備える。幾つかの実施形態においては、断熱皮膜２２６は、約０．０５ｍｍから約０．２ｍｍまでの範囲の厚さを有し、イットリア安定化ジルコニアを含む。
【００２０】
隔離構造体２１０は、スパー２０８と外側スキン２１２とを分離し、かつ複数のスペース要素２１４を備える。隔離構造体２１０は、例えば単一鋳造物として、スパー２０８と一体で隔離構造体を形成することによって、該スパー２０８に取り付けられることが多い。或いは、隔離構造体２１０は分けて形成され、電子ビーム溶接を含む溶接、蝋付け、及び拡散接合などのうちの少なくとも１つを用いて、スパーに接合される。隔離構造体２１０として用いるのに適当な代替材料は、スパー２０８に関して上述したものと同じ材料、即ちＣＭＣ、超合金、金属ケイ化物、及びチタン・アルミニドのうちの少なくとも１つを含む。外側スキン２１２とスパー２０８との熱膨張係数におけるいかなる不一致にも対応するために、幾つかの実施形態においては、スペース要素２１４は材料組成の勾配を有し、該勾配はスパー２０８に隣接するスペース要素２１４の第１端からスキン２１２に隣接する第２端にまでわたる。ある実施形態においては、隔離構造体２１０は更に、外側スキン２１２と該隔離構造体２１０との間のスペース要素２１４の第２端に配置された拡散障壁層２２８を備える。具体的な実施形態においては、拡散障壁層２２８は約５ミクロンから約５０ミクロンの範囲の厚さを有し、かつ、ある実施形態ではルテニウムを含む。
【００２１】
スペース要素２１４は互いに間隔をおいた関係にあり、幾つかの実施形態においては、直方柱及び直円柱のうちの少なくとも１つを含む。間隔をおいた関係は、外側スキン２１２とスパー２０８との間にプレナム２１６を形成し、該プレナムに冷却剤が流れる。或いは、スペース要素２１４は、円錐、円錐台などの形状をとることもできる。スペース要素２１４は、約０．２ｍｍから約３ｍｍまでの範囲の高さを有し、等しい高さであっても異なる高さであってもよい。スペース要素２１４として用いるのに適当な代替材料は、スパー２０８に関して上述したものと同じ材料、即ちＣＭＣ、超合金、金属ケイ化物、及びチタン・アルミニドのうちの少なくとも１つを含む。
【００２２】
外側スキン２１２は、Ｒｈ、Ｐｄ、及びＰｔからなるグループより選択される少なくとも１つの貴金属を含む材料から形成される。１つの実施形態において、外側スキン２１２は、少なくとも８０原子パーセントの貴金属を含む。別の実施形態においては、外側スキン２１２は、スパー２０８及び隔離構造体をコンフォーマルに囲み、したがって、例えば翼形部２０２の外面を形成する単体からなる。ある実施形態においては、スキン２１２は、約０．１ｍｍから約０．５ｍｍまでの範囲の厚さを有し、特定の実施形態においては、この厚さは約０．１ｍｍから約０．３ｍｍまでの範囲にある。
【００２３】
本発明の幾つかの実施形態においては、スキン２１２は更に、複数の冷却孔２３０を備え、該孔は外側スキン２１２を、該外側スキン２１２の内面から外面に通る。複数の冷却孔２３０はプレナム２１６と流体連通状態にあり、したがって、冷却流体が該プレナム２１６から外側スキン２１２を通って外面に流れることを可能にする。ある実施形態において、冷却孔２３０は約０．１ｍｍから約０．７５ｍｍまでの範囲の直径を有する。冷却孔２３０は、同じ直径、又は異なる直径のいずれでもよい。例えば、１つの実施形態においては、複数の冷却孔２３０は、第１の数値を有する直径をもつ冷却孔の第１のグループと、第２の数値を有する直径をもつ冷却孔の第２のグループとを含む。そうした配列は、所定の場所のいずれかに向けられる冷却流体量が、使用における必要条件を満たすように設計されることを可能にし、該条件は、多くの場合、例えばタービン翼形部のような構成部品上の位置によって異なる。或いは、同様の効果は、例えば、熱管理上のニーズによって決定される孔の間隔を変えて、特定の位置における孔に集中させるような他の技術によって得ることができる。
【００２４】
１つの実施形態において、外側スキン２１２がスパー２０８及び隔離構造体２１０をコンフォーマルに囲み、したがって、翼形部２０２の外面を形成する単体からなり、かつ、外側スキン２１２の一方の端と外側スキン２１２の内面とを接合する溶接接合部がスパー２０８の周りに囲いを形成する。ある実施形態では、スキン２１２は、それに限定されるものではないが、電子ビーム溶接を含む溶接、蝋付け、及び拡散接合のような少なくとも１つの冶金的接合部によって、隔離構造体２１０に接合される。
【００２５】
物品２００は更に、外側スキン２１２の外面上に配置された耐熱皮膜２３２を備えることができる。耐熱皮膜２３２は、イットリア安定化ジルコニア又は同様の材料のいずれかを含み、特定の実施形態においては、柱状微細構造を有する。幾つかの実施形態においては、耐熱皮膜２３２は、約０．１ｍｍから約０．５ｍｍまでの範囲の厚さを有し、特定の実施形態においては、この厚さは約０．１ｍｍから約０．３ｍｍまでの範囲にある。耐熱皮膜２３２は、それに限定されるものではないが、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、プラズマ溶射、高速酸素フレーム溶射などのような幾つかの適当な方法のうちのいずれかによって、外側スキン２１２に施すことができる。耐熱皮膜２３２に対する吹出し冷却は、外側スキン２１２に複数の冷却孔２３０を設けることによって与えることができる。吹出し冷却された耐熱皮膜２３２をもつ翼形部２０２は、超合金だけで形成された翼形部に比べて、遥かに高い温度で用いることができる。
【００２６】
本発明のタービンブレード２００及び他のタービン構成部品の実施形態は、超合金のみを用いて形成された同様の物品に比べて、より高い温度性能及びより大きな耐酸化性を有する。本発明の物品の改善された高温度性能及び耐酸化性は、タービン構成部品及びタービン組立体にとって、修理の必要性の減少、重量の減少、及びより長い耐用年数をもたらす。
【００２７】
本発明の別の実施形態は、ガスタービン組立体の高温ガス通路に配置される物品２００のための金属性スキン２１２である。スキン２１２は、Ｒｈ、Ｐｄ、及びＰｔからなるグループより選択される少なくとも１つの金属を含む自立型シートを備える。このシートは、物品２００の支持構造体２１０をコンフォーマルに囲むようにされた形状を有する。「自立型」という用語は、本発明の他の実施形態について上述したように物品に取り付けられるのに先立ち、このシートが、例えば、被覆が基板によって支持されるように、別の構造体によって支持されていないことを意味する。ある実施形態においては、シートは金属の単体からなる。物品２００のスキン２１２について上述した実施形態における組成、厚さ、形状、及び他のパラメータについての適当な代替技術もまた、スキン２１２の実施形態に適切である。
【００２８】
本発明の別の実施形態は、上述のように、本発明の物品２００を作るための方法である。与えられた要素の冶金的接合は、例えば溶接、蝋付け、及び拡散接合のような、幾つかの適当な方法のいずれかによって達成される。スキン２１２を基部２０４に接合するために拡散接合が選択される場合には、該接合は、該スキン２１２と該基部２０４との間に拡散接合を得るのに適当な温度及び圧力で行われる。或いは、一連の個別の開口部がスキン２１２に形成されて、該スキン２１２における該開口部を通して、該スキン２１２の一方の側から反対側への基材の固体拡散を可能にし、該スキン２１２によって分離された基材の部分の間に固体接合を生成することができる。
【００２９】
ここで種々の実施形態を説明してきたが、本明細書から、種々の要素の組み合わせ、変形、均等物又は改良が当業者によって行われることができるが、それらは依然として特許請求の範囲に定められた本発明の技術的範囲内に含まれることが理解されるであろう。例えば、燃焼器、羽根、遷移部品などのようなタービンブレード以外のタービン組立体の構成部品は、本発明の技術的範囲内に入ると考えられる。更に、高温ガス通路を有する他の構造（例えば、高炉、ボイラーなど）において用いられる物品は、本発明の技術的範囲内に入ると考えられる。したがって、当業者には、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、種々の修正、適応及び変更が可能であろう。
【００３０】
特許請求の範囲に示される参照番号は、本発明の技術的範囲を狭めることを意図するものではなく、それらをより容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の翼形部の概略断面図。
【図２】本発明の翼形部の概略断面図。
【図３】図２に示す翼形部の拡大詳細図。
【図４】本発明の翼形部の別の実施形態の概略図。
【符号の説明】
２００　物品、タービンブレード
２０２　翼形部
２０４　基部
２０６　冷却媒体流入口
２０８　スパー
２１０　隔離構造体
２１２　金属性スキン
２１４　スペース要素
２１６　プレナム
２１８　冷却流体供給システム
２３２　断熱皮膜
【図１】
2004036606.tif 000003
【図２】
2004036606.tif 000004
【図３】
2004036606.tif 000005
【図４】
2004036606.tif 000006
【外国語明細書】
2004036606.tif 000007
2004036606.tif 000008
2004036606.tif 000009
2004036606.tif 000010
2004036606.tif 000011
2004036606.tif 000012
2004036606.tif 000013
2004036606.tif 000014
2004036606.tif 000015
2004036606.tif 000016
2004036606.tif 000017
2004036606.tif 000018
2004036606.tif 000019
2004036606.tif 000020
2004036606.tif 000021
2004036606.tif 000022
2004036606.tif 000023
2004036606.tif 000024
2004036606.tif 000025
2004036606.tif 000026
2004036606.tif 000027
2004036606.tif 000028
2004036606.tif 000029
2004036606.tif 000030
2004036606.tif 000031
2004036606.tif 000032
2004036606.tif 000033