(57)【要約】【課題】タービンシュラウドを被覆するためのパック（４８）の製造方法を提供すること。【解決手段】金属粉末および結合剤の混合物を用意するステップと、混合物を融解させて、混合物をシュラウドの流路表面（１８）に適合する形状を有する予備成形品（７０）に成形するステップと、この予備成形品（７０）から結合剤の大部分を除去するステップと、結合剤の残分を除去し金属粉末を一体的に焼結してパック（４８）を形成するようにマイクロ波エネルギー（８６）でこの予備成形品（７０）を加熱するステップとを含む。タービンシュラウドは、パック（４８）をシュラウドの流路表面（１８）に接合することにより修繕してよい。【選択図】図２
2007154873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンシュラウドを被覆するためのパック（４８）の製造方法であって、
金属粉末および結合剤の混合物を用意するステップと、
前記結合剤を融解させて、前記混合物を前記シュラウドの流路表面（１８）に適合する所定の形状を有する予備成形品（７０）に成形するステップと、
前記予備成形品（７０）から前記結合剤の大部分を除去するステップと、
前記結合剤の残分を除去し、前記金属粉末を一体的に焼結してパック（４８）を形成するように前記予備成形品（７０）を加熱するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記加熱するステップの後に、前記パック（４８）に熱間静水圧圧縮成形処理を行うステップをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記混合物を予備成形品（７０）に成形する前記ステップが、前記混合物を所望の形状を有する型（６８）に射出するステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記加熱するステップの間、前記予備成形品（７０）を真空下に保持する請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記金属粉末は第１および第２の粉末の組合せであり、前記第１の粉末が、Ａｌ７．４から８．４重量％、Ｔａ４．３から５．６重量％、Ｓｉ０．１から０．５重量％、Ｈｆ０．１から０．５重量％、Ｃ０．０５重量％以下、Ｂ０．０５重量％以下、Ｒｅ０から２．２重量％、Ｗ２．７から４．４重量％、ならびに残分としてＮｉおよび典型的な不純物から本質的になる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
流路表面（１８）を有するタービンシュラウドを用意するステップと、
金属粉末および結合剤の混合物を用意するステップと、
前記結合剤を融解させ、前記混合物を前記シュラウドの流路表面（１８）に適合する所定の形状を有する予備成形品（７０）に成形するステップと、
前記予備成形品（７０）から前記結合剤の大部分を除去するステップと、
前記結合剤（５４）の残分を除去し、前記金属粉末を一体的に焼結してパック（４８）にするように前記予備成形品（７０）を加熱するステップと、
前記予備成形品（７０）を前記流路表面（１８）に接合するステップとを含む
タービンシュラウドを修繕する方法。
【請求項７】
前記加熱するステップの後に、前記パック（４８）に熱間静水圧圧縮成形処理を行うステップをさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記混合物を予備成形品（７０）に成形する前記ステップが、前記混合物を所望の形状を有する型（６８）に射出するステップを含む請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記加熱するステップの間、前記予備成形品（７０）を真空下に保持する請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記金属粉末は第１および第２の粉末の混合物であり、前記粉末の一方が、Ａｌ７．４から８．４重量％、Ｔａ４．３から５．６重量％、Ｓｉ０．１から０．５重量％、Ｈｆ０．１から０．５重量％、Ｃ０．０５重量％以下、Ｂ０．０５重量％以下、Ｒｅ０から２．２重量％、Ｗ２．７から４．４重量％、ならびに残分としてＮｉおよび典型的な不純物から本質的になる請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に焼結金属製の構成要素に関し、より具体的には金属射出成形によって被覆されたタービンシュラウドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、回転するディスクに取付けられた複数のエーロフォイル形状のブレードを有する１つまたは複数のタービン段を含む。このブレードが、加熱された燃焼ガスの蒸気からエネルギーを取り出してそれをディスクに伝達し、そのディスクがシャフトに連結されて、ファン、圧縮機、または外部負荷に動力を供給する。環状のシュラウドがタービンブレードの先端部を取り囲んで、各段を通る流路の外側の境界を画定する。ブレードの先端部とシュラウドとの間のクリアランスを最小にすることで、ブレードの先端部からの漏れを防止し、最大の効率を得ている。シュラウドの流路表面は、アブレーダブルすなわち「摩耗に寛容（ｒｕｂ−ｔｏｌｅｒａｎｔ)」に作製され、それにより作動中にブレードの先端部が表面を切削できるようになっている。この切削の作用は、ブレードがシュラウドに合う界面を形成するように意図的に起こされる場合もあり、または単純に、エンジン作動中に所与の径方向のクリアランスを超過した際に起こる場合もある。
【０００３】
ブレードの摩擦、高温ガスによる侵食、および高温による腐食によって、シュラウドの流路表面は時とともに摩耗する。シュラウド材は高価であるので、シュラウドは元来の寸法まで復元することにより修繕するのが一般的である。この復元のための既知の１つの方法は、熱圧縮被覆（ＴＤＣ）を使用することである。このＴＤＣ処理では、圧縮金属粉末製の薄い「パック」を使用して、それをシュラウドにろう付けする。この「パック」は約７０％の密度を有しており、そのためろう付けのステップから冷却する際に、シュラウドの歪みまたは「カッピング」が起こりやすい。さらに、低融点のろう付け材は、流れすぎる（ｒｕｎ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅｌｙ）傾向にある。このため、かなりの手作業のブレンド（ｈａｎｄ  ｂｌｅｎｄｉｎｇ  ｗｏｒｋ）が必要であり、シュラウドを廃棄しなくてはならなくなる可能性が増す。
【特許文献１】米国特許第５５６１８２７号
【特許文献２】米国特許第６５６５６８０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、緻密な流路表面を形成する、シュラウドを被覆するための方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の必要は本発明により満たされる。本発明は一態様によると、タービンシュラウドを被覆するためのパックの製造方法であって、金属粉末および結合剤の混合物を用意するステップと、結合剤を融解させて、この混合物をシュラウドの流路表面に適合するあらかじめ選択された形状を有する予備成形品に成形するステップと、この予備成形品から結合剤の大部分を除去するステップと、結合剤の残分を除去し金属粉末を一体的に焼結してパックを形成するようにその予備成形品を加熱するステップとを含む方法を提供する。
【０００６】
本発明の別の態様によると、タービンシュラウドの修繕方法は、流路表面を有するタービンシュラウドを用意するステップと、金属粉末および結合剤の混合物を用意するステップと、結合剤を融解させて、この混合物をシュラウドの流路表面に適合するあらかじめ選択された形状を有する予備成形品に成形するステップと、この予備成形品から結合剤の大部分を除去するステップと、結合剤の残分を除去し金属粉末を一体的に焼結してパックにするようにその予備成形品を加熱するステップと、その予備成形品を流路表面に接合ステップとを含む。
【０００７】
本発明は、以下の説明に添付の図面を併せて参照することにより、最もよく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面を参照する。すべての図において同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図１はガスタービンエンジンの高圧タービン（ＨＰＴ）の一部分の断面図を示し、これにケーシング１０、およびシュラウド部分１４を支持するシュラウドハンガー１２を含む。弓形をした複数のシュラウド部分１４が、タービンブレード１６をぴったりと取り囲むように環状に周方向に配列されており、それによってタービン段を流れる高温の燃焼ガスのための径方向外側の流路境界を画定している。
【０００９】
シュラウド部分１４、または少なくともその流路表面１８は、ブレードの先端部２０の接触によってブレード１６ではなく流路表面１８を摩耗させるという意味で、「摩耗対応材（ｒｕｂ−ｃｏｍｐｌｉａｎｔ  ｍａｔｅｒｉａｌ）」からなっている。エンジン作動中には、ブレードの摩擦、機械的侵食、酸化、および腐食によって流路表面１８が摩滅するにつれて、ブレード１６と流路表面１８との間のクリアランス「Ｃ」が徐々に増していく。
【００１０】
図２は、シュラウド部分１４の１つをさらに詳細に示す。シュラウド部分１４は一般に弓形をしており、流路表面１８、反対側の内部表面２２、軸方向に面した前縁部２６を形成する前部フランジ部２４、軸方向に面した後縁部３０を形成する後部フランジ部２８、ならびに対向する左右の側壁３２および３４を備えている。隣接するシュラウド部分１４との間の漏れを防ぐために、側壁３２および３４は、既知のタイプの端部シール（図示せず）を受けるために形成されたシール溝３６をその中に有してもよい。シュラウド部分１４は、外向きに延在する前部壁３８および外向きに延在する後部壁４０を含む。前部壁３８、後部壁４０、側壁３２および３４、ならびに内部表面２２が組合わさって、開口シュラウドプレナム４２を形成する。前部取付けフランジ４４は前部壁３８から延在し、後部取付けフランジ４６は後部壁４０から延在する。
【００１１】
シュラウド部分１４は、ニッケルベースの超合金など、ガスタービンエンジン内の高い作動温度において許容できる強度を有する適切な超合金の一体型鋳物として形成してよい。少なくとも、シュラウド部分１４の流路表面１８は、犠牲材すなわち摩耗対応材で形成される。シュラウド部分１４が過度に摩耗した場合、図６に示すように、流路表面１８に予備成形した被覆部材または「パック」４８を取付けることによって、流路表面１８を正しい寸法まで復元してよい。
【００１２】
図３は、本発明の方法によるパック４８の構成工程を示す。まず、ブロック５０に示すように、金属粉末および適切な結合剤を用意する。金属粉末は、１種類の合金であるか、または２種類以上の合金の機械的な混合物であってよい。射出成形工程を最も良好に行うため、また下記の適宜行うマイクロ波加熱ステップに適合させるために、金属粉末の粒子サイズは約１００マイクロメートル以下でなければならない。
【００１３】
既知の適切な金属粉末の例は、２種類のニッケルベースの粉末の組合せであり、一方の粉末がホウ素またはケイ素などの融点抑制剤を含む。この組成物は、Ｒｅｅｖｅｓらに発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５５６１８２７号に記載されている。高融点粉末に適する一合金は、Ｊａｃｋｓｏｎらに発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６５６５６８０号に記載されている、Ｒｅｎｅ１９５として知られる超合金組成物である。Ｒｅｎｅ１９５は、重量パーセントで、Ｃｏ約５．１重量％以下、Ｃｒ約７．２から約９．５重量％、Ａｌ約７．４から約８．４重量％、Ｔａ約４．３から約５．６重量％、Ｓｉ約０．１から約０．５重量％、Ｈｆ約０．１から約０．５重量％、Ｃ約０．０５重量％以下、Ｂ約０．０５重量％以下、Ｒｅ約０から約２．２重量％、Ｗ約２．７から約４．４重量％、ならびに残分としてＮｉおよび典型的な不純物という公称組成を有する。いずれの場合も、金属粉末は意図するエンジン作動状態に適し、シュラウド部分１４の基材と適合性のあるものでなければならない。
【００１４】
結合剤は、金属粉末と化学的に適合しており、必要な処理（たとえば混合、射出、凝固、および浸出）のできるいかなる物質でもよい。既知の適切な結合剤の例には、ろうおよびポリマー樹脂を含む。結合剤は粉末形状で用意してよい。
【００１５】
結合剤および金属粉末は、ブロック５２に示すように十分に混合する。その後、混合物を加熱して結合剤を融解させ、結合剤によって被覆された金属粉末を有する流体を生成する（ブロック５４）。次にブロック５６で、その混合物をあらかじめ決められた形状に成形する。混合物を成形する１つの方法は、既知の射出成形装置を使用することである。ホッパー６０、および回転スクリュー６４を備えた押出機６２を含む射出成形装置５８の概略図を図４に示す。混合物は型６８の空洞部６６に押出される。結合剤が急速に凝固しすぎて予備成形品７０が脆くならないように、型６８は適宜加熱してよい。個々のバッチで結合剤を融解させる代わりに、結合剤がスクリュー６４を通過する際に結合剤を融解させることのできる既知の射出成形装置を使用して混合物を連続的に成形することもできる。混合物が凝固したら、図５に示すように型６８を開いて、得られた未圧縮すなわち「未焼結の」予備成形品（“ｇｒｅｅｎ”  ｐｅｒｆｏｒｍ）７０を取り出す（図３のブロック７２を参照）。
【００１６】
予備成形品７０は、凝固した結合剤の中に懸濁した金属粒子を含む。予備成形品７０は、完成部品としての使用には適さず、さらなる加工を行うのに十分な機械的強度を有するに過ぎない。図３のブロック７４で、予備成形品４８は浸出にかけられ結合剤の大部分を除去する。この操作は、結合剤を溶解するが金属粉末を腐食しない適切な溶剤の中に予備成形品４８を沈めること、またはその溶剤で予備成形品４８を洗浄することにより行ってよい。
【００１７】
次に、ブロック７６で、予備成形品７０を焼結する。図６に示すように、チャンバー７８の中に予備成形品７０を置く。このチャンバー７８は、焼結工程中に予備成形品７０の不要な酸化または他の反応が起こらないように、適切な雰囲気を生成するための手段を含む。図示の例では、アルゴンなどの不活性ガスの供給部８０がチャンバー７８の内部に接続されている。焼結は真空下で行ってもよい。予備成形品７０は、たとえば抵抗ヒーター８２などの既知の方法で、金属粉末の液化温度より低い温度であって、金属粉末粒子が融解し合って固化するのに十分な高さの温度まで加熱される。またその高い温度では、残っているすべての結合剤を蒸発させ、除去することになる。予備成形品７０は、固化したパック４８を得るのに十分な長さの選択された時間、所望の温度に保たれる（図７を参照）。
【００１８】
代替として、予備成形品７０はマイクロ波焼結してもよい。これを達成するためには、マイクロ波周波数域での出力を備えた既知のタイプの空洞磁電管などのマイクロ波源８６を、チャンバー７８に連通させて適宜取付けることになろう。マイクロ波スペクトルは、約１ＧＨｚから３００ＧＨｚの範囲にわたる。このスペクトル内では、約２．４ＧＨｚの出力周波数が、固体の金属を通過することなく金属粒子と結合して金属粒子を加熱するとして知られている。
【００１９】
焼結サイクルが完了したら、パック４８をチャンバー７８から取り出して冷ましておく。必要であれば、図３のブロック８８に示すように、実質的に密度１００％の部品を得るために、既知の熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）法を用いてパック４８をさらに固化させてもよい。完成したパック４８は、流路表面１８の形状に適合する緩やかに湾曲した形状を有し、図示の例では約２．５ｍｍ（０．１インチ）以下の厚さを有する。
【００２０】
パック４８は、以下のようにタービンのシュラウド部分１４を修繕または改良するために使用してよい。まず、シュラウド部分１４を清掃して脱脂する。その後、シュラウド部分１４を研磨またはグリットブラストして、固着している酸化物をすべて除去する。次に、既知のやり方でシュラウド部分１４の酸除去およびフッ素イオン洗浄をする。その後、パック４８を流路表面１８と好ましくは接着剤で接合する。 Ｂｏｒｄｅｎ社製のＳＡＦ−Ｔなどの接着剤が適することが分かっている。パック４８のスポット溶接など他の接合方法を用いてもよい。
【００２１】
パック４８およびシュラウド部分１４は、従来技術の方法に従って、真空または他の適切な環境において選択されたろう付け温度まで加熱され、選択された時間だけその状態に保持される。ろう付けの間に、パック４８は流路表面１８に接合する。パック４８をろう付けされたシュラウド部分１４は、タービンブレード１６の延在する長さ部分と流路表面１８との間に所望の厳密な公差をほぼ達成できる正確な寸法のものである。しかしながら典型的には、シュラウドの流路が正確な寸法を有するように、いくらかの仕上げ機械加工が必要となる。従来技術に比べてパック４８の密度が増しているために、シュラウド部分１４のカッピング効果の発生がかなり減少し、ろう付け材の流出がかなり減少する。これによって、その後に再加工したり、高価なろう付け材「流れ止め（ｓｔｏｐ−ｏｆｆ）」物質を使用したりしなくて済む。
【００２２】
以上、被覆部材の製造および被覆部材を用いたシュラウドの修繕の方法を説明してきた。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、これら実施形態に様々な変更をなしうることが当業者には明らかであろう。したがって、上述の本発明の実施形態の説明および本発明を実施するための最良の形態は、限定の目的のためではなく、例示の目的のみを意図して提示されており、本発明は特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】タービンブレードの先端部を囲むシュラウド部分、シュラウド支持体、シュラウドハンガーを示す、シュラウドアセンブリの断面図である。
【図２】図１のタービンシュラウドの斜視図である。
【図３】本発明に従って行われる製造工程のブロック図である。
【図４】射出成形装置の略側面図である。
【図５】図４に示す型から外した予備成形品の略側面図である。
【図６】焼結室内にある予備成形品の略断面図である。
【図７】シュラウド部分に接合されたパックの略斜視図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ケーシング
１２  シュラウドハンガー
１４  シュラウド部分
１６  タービンブレード
１８  流路表面
２０  ブレード先端部
２２  内部表面
２４  前部フランジ部
２６  前縁部
２８  後部フランジ部
３０  後縁部
３２  対向する左側壁
３４  対向する右側壁
３６  シール溝
３８  前部壁
４０  後部壁
４２  シュラウドプレナム
４４  前部取付けフランジ
４６  後部取付けフランジ
４８  パック
５０  ブロック
５２  ブロック
５４  結合剤
５６  ブロック
５８  成形装置
６０  ホッパー
６２  押出機
６４  スクリュー
６６  空洞部
６８  型
７０  予備成形品
７４  ブロック
７６  ブロック
７８  チャンバー
８０  供給部
８２  ヒーター
８６  マイクロ波源
８８  ブロック
【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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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
2007154873000001.pdf