(57)【要約】  本発明は、ベース（１１）を形成する部分と、壁（１３）を形成する部分とからなり、ベース（１１）は低多孔率のセラミックス材料から作られ、壁（１３）は粉末の焼結によって得られ、外被（１３Ｅ）とコア（１３Ｎ）を有し、コアは外被の中に位置し、コアの多孔率はベースの多効率より大きく、ベースから遠ざかるに従って増加することを特徴とする、セラミックス材料からなる部品（１０）に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス材料で作られた部品（１０）であって、ベース（１１）を形成する部分と、壁（１３）を形成する部分とからなり、ベース（１１）は低多孔率のセラミックス材料から作られ、壁（１３）はセラミックス粉末の焼結によって得られ、壁（１３）はさらに、外被（１３Ｅ）とコア（１３Ｎ）を有し、コアは外被の中に位置し、コアの多孔率がベースの多効率より大きく、ベースから遠ざかるに従って増加することを特徴とする、部品（１０）。
【請求項２】
ベース（１１）がセラミックス粉末の焼結により作製される、請求項１に記載の部品。
【請求項３】
ベース（１１）を形成する材料の多孔率が３％未満である、請求項１または２に記載の部品。
【請求項４】
コア（１３Ｎ）の多孔率が５％を超え、好適には１０％から５０％の間にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載の部品。
【請求項５】
コア（１３Ｎ）が、部分焼結により結合したセラミックス粒子で作られた多孔質物質からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の部品。
【請求項６】
コア（１３Ｎ）が、隔壁で仕切られた空洞からなり、隔壁を形成する材料が３％未満の多効率を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の部品。
【請求項７】
コア（１３Ｎ）が異なる空洞を有する部分からなり、特に、大きさがベースから遠ざかるに従って増加する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の部品。
【請求項８】
壁（１３）の延長にヒール（１５）を備え、多孔率がコアを形成する材料の多孔率よりも小さい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の部品。
【請求項９】
タービンエンジンブレードを形成する部品であって、ベースがブレードの根元を形成し、壁がブレード翼を形成し、コアの多効率よりも小さい多孔率のヒールを任意に有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の部品。
【請求項１０】
ステップ開始時にベース（１１）と面一をなす粉末の入る焼結トレイ（６）を使用して壁（１３）を形成するステップと、レーザービームまたは電子ビームを用いて粉末を連続した層に選択的に焼結するステップとからなり、連続した層が部品を焼結トレイ（６）の中で下方向に漸進的に動かすことによって得られる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の部品を製造するための方法。
【請求項１１】
粉末焼結によってベースを別途作製することと、その後、セラミックス粉末の連続した層を堆積させ、層の焼結により連続した層を結合することにより壁を形成すること、を含む請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一部セラミックス材料で作られた部品の製造の分野に関し、より詳細には、タービンエンジン、特にタービンローターブレードまたは固定ノズル羽根のようなガスタービンエンジン用の部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温のガスが流れるタービンエンジンの高温部品においては、このような温度レベルに耐える能力のある合金が用いれられ、必要に応じて、材料の安定性を超えた温度でこれらの部品が作動できるよう流体を使った適切な冷却を行っている。
【０００３】
航空分野における新しいガスタービンエンジンの開発との関連の中で、高温でも良好な構造特性を有するより一層軽い材料が求められている。セラミックスは、このような要求に適う材料である。セラミックスは、燃焼室より下流のタービンからエンジン後部に位置する部品用で使用される。
【０００４】
粉末焼結の製造技術は、機械部品や他のものをいくぶん細かい粉末から直接作製するものであり、従来技術である。ある製造方法によれば、種々の工程を経て粉末を塊状にして、半製品状態の部品を形成する。この部品は、接触部分に沿った拡散によって粒子が溶融するかまたは相互に結合するのに十分な温度に加熱される。このようにして、部品は所与のレベルに結合される。ある特定の技術によれば、部品は連続した層から造られる。この方法では、材料は粉末状であり、部品の一部分の表面に対応する行路に沿って導かれたレーザービームまたは電子ビームの作用の下で加熱される。粉末を付着し、レーザーまたは電子ビームを用いて前記粉末を焼結する工程を繰り返すことにより、部品が徐々に厚みを増し、所望の形状を得ることができる。レーザービームまたは電子ビームによって印加される熱量は、材料の性質に依存する。必要に応じて、感熱性のポリマー（プレセラミックスの場合もあればそうでない場合もある）を使用して部品形成中の結合を確保することもでき、プレセラミックスポリマーを使用しない場合には、後で熱処理によってポリマーを除去することもできる。図２は、レーザー加熱により部品を製造する装置の説明であり、この技術の実施の詳細を以下に述べる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガスタービンエンジンの高温部品にとって、セラミックスの温度限界が従来技術で用いられている合金よりも高いことを考慮し、本願出願人は、レーザービームまたは電子ビームを使用して粉末を結合させる技術に基づいて、セラミックス材料からタービンローターブレードのような部品を作製することを目的としている。
【０００６】
本発明のもう一つの目的は、タービンローターブレードのような回転部品の根元部分における機械的応力を、最大機械的応力が根元部分に留まれる程度にまで減少させる手段の提供である。
【０００７】
一体構造のセラミックス材料で作られた部品におけるひずみは、欠陥から引き起こされるため、本発明のもう一つの目的は、臨界サイズの欠陥が発生する可能性を減少させる手段である。
【０００８】
曝される可能性の高い温度はセラミックスの使用限界温度を超える場合があるため、本発明のさらにもう一つの目的は、冷却できる部品の設計である。
【０００９】
冷却は部品中の流体の循環によって確保でき、この目的で部品内に流路を作ることを意図しているので、本発明のさらにもう一つの目的は、部品の作製中にこのような流路を造ることができるようセラミックスを成形する方法である。
【００１０】
特にこの方法は大掛かりな機械加工技術を使用する必要がない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によると、これらの目的は、セラミックス材料で作られる部品によって達成される。この部品は、ベースを形成する部分と、壁を形成する部分とからなり、ベースは低多孔率のセラミックス材料から作られ、壁はセラミックス粉末の焼結から得られる。壁はさらに、外被あるいは外郭とコアとを有し、コアは外被の中に位置し、コアの多孔率はベースの多孔率より大きく、ベースから遠ざかるに従って増加することを特徴とする。
【００１２】
多孔率あるいは密度の勾配を持つことにより、本発明による部品の構造は、かなり軽い部分を有するものとすることができ、このことによって、可動部品であればベースにかかる応力レベルの減少が確保される。さらに、部品中のセラミックスの分量が減らせるおかげで、前記構造を弱める可能性のある臨界サイズの欠陥の発生可能性を減少させる利点がある。
【００１３】
さらに、従来技術と異なり、多孔性や空洞の存在により、機械加工を必要とせずに、冷却流体の循環が可能となる。
【００１４】
好ましくは、ベースもまたセラミックスの粉末焼結により作製される。
【００１５】
別の特徴によれば、ベースを形成する材料の多孔率は３％未満である一方、コアの多孔率は５％以上、好ましくは１０％から５０％の間である。
【００１６】
「多孔率」という用語は、部品の該当部分の空隙の割合に関する。この空隙は、材料の構造に関連し、セラミックス材料の粒子の間に作られ構造の中に拘束されている空間に関係する。材料の密度は、多孔率と反比例関係にある。
【００１７】
本件出願の別の実施形態では、壁を形成する部分においては、結合したセラミックス粒が形成する狭い隔壁によって作られる空洞の分量と、隔壁の分量との関係も多孔率という用語で表される。
【００１８】
さらに、もし冷却を行う場合、ベースは、壁に冷却空気を運ぶための流路も備える。この場合、流路はベースの多孔率の定義には入らない。
【００１９】
本件出願では、本発明は次の二つの態様を有する。セラミックスの多孔率、従って密度を制御することと、部品の壁内に空洞を造りだし、その結果、材料の分量を減少させること、である。
【００２０】
従って、第一の実施形態によれば、コアは、部分焼結によって結合し間に空隙を形成しているセラミックス粒子で作られる多孔質物資から成る。
【００２１】
「部分焼結」とは、最大密度に至るであろう温度よりも低い温度で焼結する技術を意味するものと理解される。
【００２２】
別の実施形態によれば、コアは隔壁で仕切られた空洞から成り、隔壁は、レーザービームまたは電子ビームを用いた焼結によって作製される。隔壁は密度が高く、その多孔率は３％未満である。
【００２３】
有利なことに、コアは異なる空洞を持つ部分を有し、具体的には、ベースから遠ざかるに従って空洞の大きさが増加する部分を有する。
【００２４】
特定の実施形態によれば、部品は壁の延長にヒールを備え、ヒールの多孔率はコアを形成する材料の多孔率より小さい。
【００２５】
本発明は特に、ベースがブレードの根元を形成し、壁がブレード翼を形成し、コアの多孔率より小さい多孔率のヒールを任意に有する、タービンエンジンブレードに関する。
【００２６】
本発明はこのような部品の製造方法にも関する。この製造方法は、ステップ開始時にベースと面一をなす粉末が入る焼結トレイを用いて壁を形成するステップと、レーザービームまたは電子ビームにより、粉末を連続した層に選択的に焼結するステップとからなり、連続した層は、部品を焼結トレイの中で下方向に漸進的に動かすことによって得られる。
【００２７】
この方法は特に、粉末焼結によってベースを別途作製することと、その後、セラミックス粉末の連続した層を堆積させ、層の焼結により連続した層を結合することにより壁を形成することとを含む。
【００２８】
本発明は、添付概略図面を参照し純粋に例示のための非限定的実施例を通して以下に詳細に述べる本発明の実施形態の中でよりよく理解され、また、本発明の他の目的や詳細、特徴や利点もより明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による構造を有する、セラミックス材料で作られたタービンローターブレードを示す図である。
【図２】レーザー溶融焼結装置を示す図である。
【図３】本発明による部品の一つのベースを例示する図である。
【図４】図３のベース上にレーザー焼結によって形成された第一の層を示す図である。
【図５】同じベース上に二つのタービンブレードを有する変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１を参照すると、タービンブレード１０は、本発明に従って作製することのできる部品を形成していることがわかる。ブレードは、根元すなわちベース１１を備え、これによりタービンディスクのリムに取り付けられる。この根元は、その上に取り付けられるプラットホーム１２を有し、根元は、軸ＸＸに沿ってエンジン作動中にかかる遠心力の方向に、高温エンジンガスが掃引するブレード翼を形成する壁１３に延びている。この場合、ブレードはシールストリップ１６を備え、ブレード上に取り付けられたヒール１５を有する。ヒール１５とプラットホームは、それぞれガスエンジンのダクトの外面と内面の要素であり、その間にブレード翼が半径方向に延在している。シールストリップは、タービン段のステータ上に配設されたリングとともにシールを形成する。
【００３１】
本発明によれば、セラミックス材料でできたこの部品は、軸ＸＸに沿って密度が変化する。密度変化は、軸ＸＸに直交する平面に沿った断面（軸ＸＸに沿って部品Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）で模式的に示されている。
【００３２】
ベース１１は最大密度を有する。これは、例えば、型の中でセラミックス粉末を成形することによって得られる要素であり、前記粉末はバインダーで結合されていてもよい。このステップに続いて、型で作製された半製品の焼結熱処理が行われる。使用する材料の組成によっては、中間で脱バインダステップを含む処理を行ってもよい。この要素の多孔率は好適には３％未満である。
【００３３】
壁１３は、外被１３Ｅとコア１３Ｎを有する。外被は壁の外面を形成する。外被は薄く、例えば１ｍｍ未満であり、好適にはおよそ０．５ｍｍであり、ベースのような低多孔率を有する。外被は、比較的多孔率の大きいコア１３Ｎを画定する。コアの多孔率は５％より大きく、好適には１０％から５０％の間である。相応じて、コアの密度は比較的小さく、この実施例にあるように部品をローター上に取り付けた時、遠心力によりベースにかかる機械的応力を減少させるという上記の利点がもたらされる。有利なことに、密度は軸全体を通して同じではない。断面Ｂ、Ｃに見られるように、この密度は、網目の比較的小さいまたは比較的大きい異なる格子模様で模式的に表されている。断面Ｄが示すヒールはベースより低密度であってもよく、壁より大きい密度であってもよい。これはセラミックス粉末の焼結粒子で作製される。
【００３４】
このような部品は部分的に粉末焼結で作製され、その方法は、図２の装置に関連して改めて以下で述べる。図２は、レーザービームまたは電子ビームを用いた粉末焼結により部品を作製する装置を示す。
【００３５】
レーザービームまたは電子ビーム発生装置１は適切な出力を持つビーム２を放射し、ビームは反射鏡３の配列に向かい、反射鏡の最後の鏡４は、例えば上記のブレード１０のような作製する部品の表面が確実に掃引されるよう枢動される。
【００３６】
既に形成された部品Ｐの部分は、規則的な間隔で焼結するのに適した形で粉末７の層で覆われるよう、トレイ６の中に埋められる。粉末を供給する第二のトレイ８が焼結トレイ６の横に置かれ、焼結粉末７で満たされている。部品Ｐの部分を所与の厚さの粉末層で覆うために、ピストン９を形成する装置は、所与の量の粉末７を供給トレイ８から焼結トレイ６に移動させることができる。この層の厚さは、ビーム２による粒子間の焼結パスを行う間、その部品の部分の厚さの増加分の厚さに対応する。焼結トレイ６を下げ、供給トレイ８を上げる装置により、一方で焼結される部品Ｐの部分をトレイ６の側と面一に合わせておき、他方で正確な厚さ持った粉末７の層を供給トレイ８のピストン９と対向するように持ってくることが可能となる。
【００３７】
部品１０を形成する粒子の焼結及び結合は、以下の方式で行われる連続した基本操作で実施される。すなわち、部品Ｐの部分は焼結トレイ６の側と面一に合わせられているので、ピストン９は、このトレイ６に向かって動き、部品Ｐの部分の上に所望の厚さの粉末７を堆積させた後、供給トレイ８の終端の待機位置に戻る。レーザービームまたは電子ビーム２は、振動ミラー４を使って部品Ｐの部分の表面を掃引し、それによって、層の表層部分の部分溶融を引き起こすか、または、粒子間の拡散が促進されるような温度上昇を引き起こし、前記層を部品Ｐと一体化させて厚さが増す。形成された部品Ｐの部分は次に、厚みが増した分を相殺するため下方向に移動し、その結果、表面が焼結トレイ６と再び面一となり、他方で、供給トレイ８が上昇して、十分な量の粉末７をピストン９と対向して供給できるようになる。この工程を必要な回数繰り返すことによって、完成部品１０に求められる形状と寸法に到達する。
【００３８】
本発明によれば、作製する部品のベース１１は、最初に焼結トレイ６内に配置される。図３で示したベース１１は、好適には従来のセラミックス粉末焼結法を用いて別途得る。従来のセラミックス粉末焼結法とは、型の中で、セラミックス粉末とバインダーでできた半製品部品を形成し、次に中間脱バインダー処理ステップを伴う焼結熱処理を行うものである。タービンローターブレードの場合、ベース１１は、好適にはブレードの根元を備え、必要に応じてプラットホームを備えてもよい。従来技術の焼結法により、非常に密度が高く多孔率が３％未満の部品を製造することができる。本発明の方法の特徴に従うと、ベース１１はその上面に平坦部を備え、プラットホームが提供される場合にはプラットホーム部に備えてもよい。
【００３９】
ベースは、セラミックス粉末とともに焼結トレイの中に配置され、その平坦部は粉末の表面と面一に合わせられている。本方法では、次に、上述したステップに従ってレーザービームまたは電子ビームを用いて、このベース１１（図４）上に壁１３を作ることも含まれる。ビームの行路は、壁の幾何学的特徴をメモリ中に保持する制御要素によって制御される。層を作るため、ビームは、位置だけでなくエネルギー入力の面でも制御される。
【００４０】
従って、外被１３Ｅの表面は所与の多孔率、具体的にはベースと同様に３％未満の多孔率で、層に作り込まれる。この表面の下にはコア１３Ｎが、多孔率が表面の多孔率より大きくなるようにして作られる。部分焼結を行う際に、ビームのエネルギーを低いレベルに維持すれば低密度のものが得られる。多孔率は、ベースの多孔率より大きい。少なくとも５％、好適には１０％から５０％の間である。層単位で操作して部品を作製することにより、多孔率が軸ＸＸに沿って変化するコアとなるように層を作ることができる。この多孔率は、ベースとヒールの間で都合よく増大する。
【００４１】
壁のコアの変形例によれば、レーザービームの動きを制御して隔壁を作り、隔壁と隔壁の間がハニカム構造となるような空洞を形成する。隔壁は、外被を形成する表面のような密度の大きい材料で作られる。空洞の大きさは好都合なように変更してもよく、好適には、ブレードのベースからヒールの間で増加する。
【００４２】
使用するセラミックス材料はどのような種類のものであってもよい。好ましくは、１０００℃を超える温度で使用できるセラミックスが選定される。例えば、ＳｉＣのようなカーバイドや、Ａｌ２Ｏ３のような酸化物、またはＳｉ３Ｎ４のような窒化物がある。共晶セラミックスもまた適している。
【００４３】
粉末の粒度は、レーザービームまたは電子ビームを用いて焼結するのが可能となるように選定される。粉末のサイズが小さくなればなるほど、低温度で部分焼結を作りやすいことが観察されている。
【００４４】
レーザービームまたは電子ビームは、処理する材料に適合させる。例えば、アルミナＡｌ２Ｏ３の場合、波長９４００ｃｍ−１のレーザーを放射し、出力は１０Ｗから３０Ｗの間であり、最適な動きが９６ｍｍ／ＳとなるＹＡＧレーザーがこの用途には適している。
【００４５】
セラミックスは、バインダーを形成するホットメルト前駆物質を有する混合物の一部分をなしていてもよく、後で適切な熱処理によって除去してもよい。
【００４６】
もし粗さを減少させる必要があれば、仕上げ加工を取り入れてもよい。
【００４７】
これらの部品を製造するため使用する方法では、連続して層を溶融することで発生する温度勾配により、大きな残留応力を発生させることとなる。作製する部品の形状や厚さや断面変化に応じて、この温度勾配が増加する場合がある。材料にもよるが、この温度勾配から生じる残留応力は、製造中の部品を変形させることがあり、使用中に亀裂やひびを発生させることがある。従って、焼結工程で温度を制御することと、固化の際の残留応力を最小化するために粉末の温度を均一に保つことが重要である。例えば抵抗加熱手段のような適切な加熱手段をこの目的で使用する。
【００４８】
本発明の変形例によれば、図５に示すように、部品は一対のタービンブレードである。従って、本発明が提供する解決策を用いれば、同じベース上に二つの壁を直接作製することが可能である。ベース１１１はタービンディスク上に取り付けるための根元とプラットホーム１１２とを備える。二つの壁１１３、１１３’は、タービンローターの二つの隣接する壁に対応し、このプラットホーム上で支持されている。この二つの壁は、上記で説明したのと同じ方法で作られる。
【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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【国際調査報告】
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