(57)【要約】  冷却通路（９９，１０５）は、鋳造型（１５２）内でのセラミックシェルインサート（１３０）の使用により、インベストメント鋳造中に、ブレード（９２）、ベーン（１０４，１０６）、リングセグメント（１１０）またはトランジション（８５）における鋳造物などの、燃焼タービンエンジン用の構成部材に形成される。セラミックシェルインサート（１３０）に形成されたセラミックポスト（１３４）は、部分的に完成した冷却通路（１５６）の対応する輪郭に合致する輪郭を有する。ポスト（１３４）は、超合金構成部材鋳造後に除去され、部分的に完成した冷却通路を形成し、部分的に完成した冷却通路は、その後、冷却通路に沿った残りの超合金材料を除去することによって完成される。
2018507988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金構成部材に冷却通路を形成する方法であって、
型キャビティを形成したワックス射出型を提供し、該ワックス射出型の型キャビティ表面は、燃焼タービンエンジン用の構成部材の対応する表面輪郭に合致しており、
セラミックシェルインサートを提供し、該セラミックシェルインサートは、インサート表面輪郭と、インサート表面から突出した少なくとも１つのセラミックポストとを有しており、前記インサート表面輪郭および前記セラミックポストは組み合わさって、前記エンジン構成部材における部分的に完成した冷却通路の対応する表面輪郭に合致しており、
前記セラミックシェルインサートを前記ワックス射出型に挿入し、前記シェルインサート表面および各セラミックポストは、前記型キャビティ表面の一部を形成し、各ポストは前記型キャビティ内へ突出しており、
前記型キャビティにワックスを充填し、該ワックス内に各ポストを封入し、
前記ワックスを硬化させ、前記セラミックシェルインサートおよび各ポストを埋め込んだワックスパターンを形成し、
前記ワックス射出型を除去し、硬化したワックスパターンは、前記インサート表面および各セラミックポストと共に、構成部材表面輪郭と合致しており、
前記硬化したワックスパターンおよび埋め込まれた前記セラミックシェルインサートをセラミックスラリに封入し、
前記セラミックスラリを焼成し、これにより、前記スラリを、前記セラミックシェルインサートに接合された外側セラミックシェルに硬化させ、前記ワックスを排除し、接合された前記外側セラミックシェルおよび前記セラミックシェルインサートは、部分的に完成した各冷却通路を含む、前記エンジン構成部材の輪郭に合致したシェル内部キャビティを形成し、
前記シェル内部キャビティに溶融した超合金材料を充填し、該シェル内部キャビティにおいて構成部材鋳造物を形成するために前記超合金材料を冷却し、前記鋳造物は、部分的に完成した各冷却通路を有しており、
前記外側セラミックシェルと、各セラミックポストを含む前記セラミックシェルインサートとを、前記鋳造物から除去し、部分的に完成した各冷却通路を露出させ、
対応する構成部材における対応する完成した冷却通路の輪郭に合致するように、前記鋳造物から、硬化した鋳造された超合金材料を除去することによって、少なくとも１つの冷却通路を完成させる、燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金構成部材に冷却通路を形成する方法。
【請求項２】
前記セラミックシェルインサートは、前記エンジン構成部材における部分的に完成した冷却通路のパターンに対応する複数のセラミックポストを有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
いかなるその他の型キャビティ表面にも接触することなく、前記型キャビティ内へ突出した、挿入されたセラミックポストをさらに有する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
型キャビティ空所にワックスを充填する前に、前記セラミックインサートの表面がセラミックコアと向き合った関係で、前記セラミックインサートと前記セラミックコアとの間に前記型キャビティ空所を形成するように、前記セラミックコアを前記型キャビティ内へ挿入し、前記セラミックシェルインサートを前記型内へ挿入することをさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項５】
特別に設計された表面特徴を形成するセラミックインサート表面輪郭をさらに有する、請求項２記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックインサート表面から９０度未満の角度で突出している、請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックインサート表面から３０〜６０度の角度で突出している、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックインサート表面から非線形の輪郭で延びている、請求項２記載の方法。
【請求項９】
前記冷却通路が、前記構成物鋳造物内に形成された壁部を完全に貫通して延びるように、冷却通路パス内にある硬化した鋳造された超合金材料を前記構成部材から除去することによって、前記少なくとも１つの冷却通路を完成させることをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却通路を完成させる前に、前記部分的に完成した冷却通路を含む前記構成部材鋳造物に、サーマルバリアコーティングを形成することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金ブレードまたはベーン構成部材に冷却通路を形成する方法であって、前記構成部材は、壁外面と壁内面とによって画成された構成部材壁を有し、前記壁内面は、該壁内面内に構成部材キャビティを形成しており、前記冷却通路は、前記構成部材壁のそれぞれの外面と内面との間で前記構成部材を貫通して延びており、
型キャビティを形成するワックス射出型を提供し、前記型キャビティの型キャビティ表面は、燃焼タービンエンジン用の中空のブレードまたはベーン構成部材の外面の対応する輪郭に合致しており、
インサート表面輪郭と、インサート表面から突出した少なくとも１つのセラミックポストとを有するセラミックシェルインサートを提供し、前記インサート表面輪郭と前記セラミックポストとは組み合わさって、エンジン構成部材壁の外面における部分的に完成した冷却通路の対応する表面輪郭に合致しており、
セラミックコアを提供し、該セラミックコアのコア外面は、前記エンジン構成部材の壁内面の対応する輪郭に合致しており、
シェルインサート表面が、セラミックコア外面と向き合って間隔を置いた関係になり、前記シェルインサート表面と前記セラミックコア外面との間に、構成部材壁のそれぞれの外面および内面の対応する輪郭に対応するキャビティ空所を形成するように、セラミックコアを型キャビティ内へ挿入し、かつセラミックシェルインサートを型内へ挿入し、
前記型キャビティにワックスを充填し、該ワックス内に各セラミックポストを封入し、
前記ワックスを硬化させ、前記セラミックコアと、各セラミックポストを含むセラミックシェルインサートとを埋め込んだワックスパターンを形成し、
ワックス噴射型を除去し、硬化したワックスパターンは、前記セラミックコア、セラミックシェルインサート表面および各セラミックポストと共に、構成部材壁のそれぞれの外側および内側表面輪郭に合致しており、
前記硬化したワックスパターンと、それぞれの埋め込まれた前記セラミックコアと、前記セラミックシェルインサートとをセラミックスラリに封入し、
前記セラミックスラリを焼成し、これにより、スラリを、前記セラミックシェルインサートおよび前記セラミックコアに接合された外側セラミックシェルに硬化させ、前記ワックスを排除し、接合された前記外側セラミックシェルおよび前記セラミックインサートは、部分的に完成した各冷却通路を含むエンジン構成部材壁外面輪郭に合致するシェル内部キャビティを形成し、セラミックコア外面は、エンジン構成部材壁内面輪郭に合致しており、セラミックシェルキャビティ空所は、エンジン構成部材壁に合致しており、
セラミックシェル内部キャビティ空所に溶融した超合金材料を充填し、該超合金材料を冷却して、前記セラミックシェル内部キャビティ空所において構成部材鋳造物を形成し、鋳造物は、構成部材外壁面において、部分的に完成した各冷却通路を有しており、
セラミックコアと、セラミック外側シェルと、各セラミックポストを含むセラミックインサートとを前記鋳造物から除去し、構成部材壁の外面における部分的に完成した各冷却通路を露出させ、
冷却通路の残りのパスを遮蔽する硬化した鋳造された超合金材料を除去することによって、構成部材壁を通過する少なくとも１つの冷却通路を完成させる、
燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金ブレードまたはベーン構成部材に冷却通路を形成する方法。
【請求項１２】
前記冷却通路を完成させる前に、前記部分的に完成した冷却通路を含む前記構成部材鋳造物にサーマルバリアコーティングを形成することをさらに含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記セラミックシェルインサートは、前記エンジン構成部材における部分的に完成した冷却通路のパターンに対応する複数のセラミックポストを有する、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
いかなるその他の型キャビティ表面にも接触することなく、前記型キャビティ内へ突出した、挿入されたセラミックポストをさらに有する、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記セラミックポストは、前記インサート表面から９０度未満の角度で突出している、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのセラミックポストは、前記インサート表面から３０〜６０度の角度で突出している、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックシェルインサート表面から非線形の輪郭で延びている、請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
前記セラミックシェルインサート表面は、
前記エンジン構成部材における部分的に完成した冷却通路のパターンに対応する、複数のセラミックポストと、
それぞれに前記インサート表面輪郭において形成された、特別に設計された表面特徴と、
を有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックインサート表面から３０〜６０度の角度で突出している、請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックシェルインサート表面から非線形の輪郭で延びている、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、その内容全体が参照により本明細書に援用される、“TURBINE COMPONENT THERMAL BARRIER COATING WITH CRACK ISOLATING ENGINEERED GROOVE FEATURES”という名称の、２０１５年２月１８日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１５／１６３１８の優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本発明は、エンジンブレード、ベーンまたはトランジションなどの燃焼タービン構成部材の超合金基板に冷却通路を形成する方法に関する。特に、本発明は、突出したセラミックポストを備えるセラミックシェルインサートを使用することによって、インベストメント鋳造中にこのような超合金構成部材に部分的に完成した冷却通路を形成し、次いで、鋳造物における通路を完成させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
ガス／燃焼タービンエンジンおよび蒸気タービンエンジンを含む公知のタービンエンジンは、タービンケーシングまたはハウジングによって周方向に包囲された、軸取付けされたタービンブレードを有する。この説明の残りの部分は、燃焼またはガスタービンの技術的用途における適用に焦点を合わせているが、本明細書に説明される典型的な実施の形態は蒸気タービンエンジンに適用可能である。ガス／燃焼タービンエンジンにおいて、燃焼器内で始まる燃焼経路における高温の燃焼ガス流は、略管状のトランジションを通じてタービンセクション内へ案内される。前方のベーンまたは第１列のベーンは、燃焼ガスを、タービンブレードおよびベーンの連続する交互の列を通過するように案内する。タービンブレードに衝突した高温の燃焼ガスはブレードの回転を生じさせ、これにより、高温ガス内の熱エネルギを機械的仕事に変換し、この機械的仕事は、発電機などの回転機械に動力を提供するために利用可能である。
【０００４】
高温の燃焼ガス通路内のエンジン内部構成部材は、約１０００℃（華氏１８３２度）をはるかに超える燃焼温度に曝される。例えば燃焼セクショントランジション、ベーンおよびブレードなどの、燃焼通路内のエンジン内部構成部材は、多くの場合、耐熱超合金から形成されている。ブレード、ベーンおよびトランジションは、多くの場合、燃焼通路内へのクーラント流体の通過のために、構成部材外面における冷却孔において終わった冷却通路を有する。
【０００５】
タービンエンジン内部構成部材は、多くの場合、金属−セラミック材料のサーマルバリアコートもしくはサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）を有しており、このＴＢＣは、構成部材基板表面の外面上に直接提供されるかまたは基板表面に予め提供された中間金属ボンディングコート（ＢＣ）上に提供される。ＴＢＣは、構成部材基板上に断熱層を提供し、この断熱層は基板温度を低下させる。ＴＢＣの提供と、構成部材における冷却通路との組合せは、基板温度をさらに低下させる。
【０００６】
超合金構成部材における冷却通路の製造、および超合金構成部材へのＴＢＣ層の提供は、相反する製造上の制約を生じる。従来、冷却通路は、機械的な切断／穿孔ビット、または様々なアブレーション装置、例えば高圧ウォータジェット、パーカッションレーザパルスおよび放電加工（ＥＤＭ）を含む、典型的な除去機械によって、構成部材内の意図した通路パスから超合金材料を除去することによって形成される。冷却通路パスを切削するということは、輪郭およびサイズが切削機器の物理的能力によって制限される。例えば、穿孔された通路は線形であり、ドリルビットに一致するように断面対称性を有する。アブレーションされた通路は、アブレーション機器のサイズおよび切削経路に沿って機器を操作するための能力によって制限される。
【０００７】
インベストメント鋳造されたタービンエンジン構成部材は、完成した超合金構成部材の輪郭を複製したワックス射出成形型において、硬化したワックスパターンを形成することによって製造される。ワックスパターンは、セラミックスラリに封入され、セラミックスラリは、その後、焼成によって、セラミックシェルケーシングに硬化される。ワックスがセラミックシェルケーシングから除去されると、内部のキャビティに、溶融した超合金材料が充填される。典型的には、より具体的には、燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金構成部材のためのワックスパターンは、ハードツールワックス型内へ射出され、正確な滑らかな表面を備えたツールから除去される。次いで、ワックスパターンは、様々なセラミックスラリ混合物に浸漬され、セラミック外側シェルを形成するように処理され、セラミック外側シェルは、その後、焼結され、溶融金属が注入されるベスティブールを形成する。冷却および固化すると、外側セラミックシェルは、機械的および／または化学的方法によって除去され、次いで、金属部分は、さらなる処理のために準備される。金属部分のさらなる処理は、セラミックコア除去、仕上げ機械加工、冷却孔の穿孔およびサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）の提供を含む。現在の処理技術は、多くの場合、ボンディングコート提供のために表面を準備するために、インベストメント鋳造された表面が僅かにグリットブラストされることを必要とする。この時点で、ボンディングコート、典型的には金属−クロム−アルミニウム−イットリア（ＭＣｒＡｌＹ（エムクラリー））コーティングが、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）または低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）などの、噴霧堆積技術によって基板に提供される。この後、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などのセラミックサーマルバリアが、コーティングシステムを完成させるために、大気圧または空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）を介して、ＭＣｒＡｌＹの表面に提供される。幾つかの場合、二層セラミックコーティングが、低い熱伝導率のためにＡＰＳによって提供される。
【０００８】
インベストメント鋳造ワックスパターンは、ワックスパターンに直接に冷却通路を形成するための十分な、信頼性の高い、構造的一体性を有さない。冷却通路が、ワックスパターンを形成する型において形成されている場合、ワックスパターンにおける冷却通路輪郭が変形するまたはワックスパターン通路がセラミックスラリによって完全に充填されないという、無視できない機会がある。いずれにしても、金属鋳造物における結果的な通路は、設計仕様に合致しない。
【０００９】
幾つかのインベストメント鋳造構成部材製造プロセスでは、冷却通路の所望の輪郭およびパスに合致する耐火性金属コア（ＲＭＣ）インサートが、構成部材金属鋳造の前に、型に配置される。ＲＭＣインサートは、型内で正確に整列されなければならず、化学的溶解プロセスによって鋳造後に除去され、これは、製造の複雑さおよびコストを増大させる。ＴＢＣ層の提供は、製造プロセスに付加的な順序づけ困難性を付加する。
【００１０】
ＴＢＣ層の提供前に冷却通路がブレード、ベーン、トランジションまたはその他の超合金構成部材に形成されると、通路は、ＴＢＣ材料が構成部材表面に提供されるときにＴＢＣ材料によって閉塞される。ＴＢＣ提供前に構成部材表面において冷却通路を一時的にマスキングすることによって閉塞を軽減することができるが、これは、製造プロセスに付加的な、コストのかかるステップを追加する。代替例では、冷却通路内の過剰なＴＢＣ材料閉塞物は、その後、上記の切削プロセスによって除去することができる。ＴＢＣ提供後の冷却通路閉塞物除去は、ＴＢＣ層損傷のリスクおよび／または構成部材表面における冷却通路の縁辺に沿った層剥離のリスクを高める。幾つかの製造プロセスでは、冷却通路は、構成部材基板へのＴＢＣ層の提供後に形成される。１つの公知のＴＢＣコーティング後の冷却通路形成プロセスでは、パルスレーザが、意図した冷却通路進入箇所において構成部材からＴＢＣ材料をアブレーションし、次いで、超合金材料をアブレーションし、通路を形成する。
【００１１】
前述のように、予め提供されたＴＢＣ層への損傷のリスク、または構成部材基板からの層の層剥離のリスクがある。なぜならば、冷却通路がその後に構成部材内に形成されるからである。上記の典型的なタービン構成部材を製造するために使用される典型的な金属−セラミックＴＢＣ材料と典型的な超合金材料との、中でも特に熱膨張率、破壊靱性および弾性率の違いにより、ＴＢＣ層の熱的および／または機械的に誘発される応力割れ、および異なる材料の境界面におけるＴＢＣ／タービン構成部材の付着損失の潜在的なリスクが存在する。なぜならば、ＴＢＣ層および超合金材料は、冷却通路の形成中またはＴＢＣ閉塞物を除去するための冷却通路クリーニング中に、除去されるからである。き裂および／または付着損失／層剥離は、ＴＢＣ層の構造的な一体性に不利な影響を及ぼし、潜在的に、スパレーション（すなわち、タービン構成部材からのＴＢＣ絶縁材料の分離）につながる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、それぞれの部分的に完成した冷却通路に合致する１つまたは複数の突出したポストを備える特別に設計された表面を有するセラミックインサートが、鋳造型内に提供される。幾つかの実施の形態では、セラミックインサートは、ワックスパターンに位置決めされるおよび／またはワックスパターン内に埋め込まれる、部分的に焼結された、セラミック材料（インベストメント鋳造プロセスにおいて使用される典型的なコア材料と同じ）である。代替的に、セラミックシェルインサートは、ワックス射出機内に配置され、ワックスが射出されたときにワックスパターン内に埋め込まれる。
【００１３】
本明細書に説明される方法の典型的な実施の形態は、鋳造型内におけるセラミックシェルインサートの使用によって、インベストメント鋳造中に、ブレード、ベーンまたはトランジションなどの燃焼タービンエンジン構成部材に冷却通路を形成する。セラミックシェルインサートに形成されたセラミックポストは、部分的に完成した冷却通路の輪郭に合致する輪郭を有する。ポストを含むシェルインサート表面は、その輪郭が構成部材の輪郭に合致する、硬化したワックスパターンに埋め込まれる。ワックスパターンおよびその埋め込まれたシェルインサートは、外側セラミックシェルを形成するように硬化するセラミックスラリに封入される。硬化したワックスの除去後、外側セラミックシェル内のキャビティに、溶融した超合金材料が充填され、その後、超合金構成部材鋳造物を形成するように硬化される。セラミック外側シェル、シェルインサートおよびあらゆるコアは、鋳造物から除去され、鋳造物は、この時点で、鋳造物に形成された、現場打ちの部分的な冷却通路を有している。冷却通路は、冷却通路パスにおいて残りの超合金材料を除去することによって完成される。
【００１４】
通路パスの輪郭は、セラミックインサートに固定されたセラミックインサートポストの輪郭を変化させることによって容易に選択的に変化し、これは、標準的な公知のＲＭＣインサートと比較して、鋳造型内での付加的な整列努力を必要としない。部分的に完成した冷却パス通路は、通路の完成前に、その後に提供されるあらゆるＴＢＣ層障害物を容易に除去される。冷却通路は、対応する構成部材における対応する完成した冷却通路輪郭に合致するように鋳造物から超合金材料の残りを除去することによって完成される。
【００１５】
本発明の典型的な実施の形態は、その型キャビティ表面が燃焼タービンエンジン用の構成部材の対応する表面輪郭に合致する型キャビティを形成したワックス射出型を提供することによって、燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金構成部材に冷却通路を形成する方法を特徴とする。エンジン構成部材における部分的に完成した冷却通路の対応する表面輪郭に共同で合致する、インサート表面輪郭と、内面から突出した少なくとも１つのセラミックポストとを有する、セラミックシェルインサートが提供される。セラミックシェルインサートは、ワックス射出型内に挿入される。シェルインサート表面および各セラミックポストは、各ポストが型キャビティ内へ突出しながら、型キャビティ表面の一部を形成する。型キャビティにワックスが充填され、ワックス内に各ポストを包囲する。ワックスが硬化され、その中にセラミックシェルおよび各ポストを埋め込んだワックスパターンを形成する。ワックス射出型は除去される。硬化したワックスパターンは、インサート表面および各セラミックポストと共に、構成部材表面輪郭に合致する。硬化したワックスパターンおよび埋め込まれたシェルインサートは、セラミックスラリに封入される。セラミックスラリは焼成され、これにより、スラリを、セラミックシェルインサートに結合された外側セラミックシェルに硬化させ、ワックスを排除する。接合された外側セラミックシェルおよびセラミックシェルインサートは、部分的に完成した各冷却通路を含むエンジン構成部材輪郭に合致するシェル内部キャビティを形成する。シェル内部キャビティに溶融した超合金材料が充填される。超合金材料は冷却され、そこで構成部材鋳造物を形成する。鋳造物は、部分的に完成した各冷却通路を有する。外側セラミックシェルと、各セラミックポストを含むセラミックインサートとは、鋳造物から除去され、部分的に完成した各冷却通路を露出させる。少なくとも１つの冷却通路は、鋳造物から硬化した鋳造された超合金材料を除去し、対応する構成部材における対応する完成した冷却通路輪郭に合致させることによって、完成される。
【００１６】
本発明のその他の典型的な実施の形態は、燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金ブレードまたはベーン構成部材に冷却通路を形成する方法を特徴とする。構成部材は、壁外面と、その内部に構成部材キャビティを形成した壁内面とによって画成された構成部材壁を有しており、そのそれぞれの外面と内面との間で構成部材壁を貫通して延びる冷却通路を備えている。型キャビティを形成するワックス射出型が提供され、その型キャビティ表面は、燃焼タービンエンジン用の中空のブレードまたはベーン構成部材の外面の対応する輪郭に合致している。エンジン構成部材壁における部分的に完成した冷却通路の対応する表面輪郭に組み合わさって合致する、インサート表面輪郭と、インサート表面から突出した少なくとも１つのセラミックポストとを有する、セラミックシェルインサートが提供される。セラミックコアが提供され、セラミックコアのコア外面は、同じ構成部材の壁内面の対応する輪郭に合致している。セラミックコアが型キャビティに挿入され、セラミックシェルインサートが型に挿入され、その際、シェルインサート表面がセラミックコア外面と向き合って間隔を置いた関係になり、それらの間にキャビティ空所を形成し、このキャビティ空所は、構成部材壁のそれぞれの外面および内面の対応する輪郭に対応する。型キャビティ空所にワックスが充填され、ワックス内に各セラミックポストを包囲する。ワックスが硬化され、セラミックコアと、各セラミックポストを含むセラミックシェルインサートとをその中に埋め込んだワックスパターンを形成する。ワックス射出型が除去され、硬化したワックスパターンは、セラミックインサート表面および各セラミックポストと共に、構成部材壁のそれぞれの外面および内面の輪郭に合致している。硬化したワックスパターンおよび埋め込まれたシェルインサートはセラミックスラリに封入され、セラミックスラリは焼結され、これにより、スラリを、セラミックシェルインサートおよびセラミックコアに結合された外側セラミックシェルに硬化させる。ワックスが排除され、接合された外側セラミックシェルおよびセラミックインサートは、部分的に完成した各冷却通路を含む、エンジン構成部材壁の外面輪郭に合致するシェル内部キャビティを形成する。同様に、セラミックコア外面は、エンジン構成部材壁の内面輪郭に合致し、セラミックシェルキャビティ空所は、エンジン構成部材壁に合致する。セラミックシェル内部キャビティ空所に溶融した超合金材料が充填され、この溶融した超合金材料は次いで冷却され、セラミックシェル内部キャビティ空所内に構成部材鋳造物を形成する。鋳造物は、構成部材外壁表面に、部分的に完成した各冷却通路を有する。セラミックコアと、セラミック外側シェルと、各セラミックポストを含むセラミックインサートとは、鋳造物から除去され、構成部材壁の外面における部分的に完成した各冷却通路を露出させる。冷却通路の残りのパスを閉塞した硬化した鋳造された超合金材料を除去することによって、少なくとも１つの冷却通路が構成部材壁を貫通して完成される。
【００１７】
本明細書に記載された発明の典型的な実施の形態のそれぞれの特徴は、共同でまたは複数であらゆる組合せまたはサブコンビネーションにおいて適用されてもよい。
【００１８】
本発明の典型的な実施の形態は、添付の図面に関連した以下の詳細な説明においてさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の典型的な方法の実施の形態に従って形成された冷却通路を有する、１つまたは複数の超合金構成部材を有する、ガスまたは燃焼タービンエンジンの部分的な軸方向断面図である。
【図２】本発明の典型的な方法の実施の形態に従って形成された冷却通路を有する、第１列タービンブレードならびに第１列および第２列ベーンを示す、図１のタービンエンジンの詳細な断面図である。
【図３】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、セラミックポストおよび特別に設計された表面特徴（ＥＳＦｓ）を有する、典型的なセラミックシェルインサートの透視図である。
【図４】図３のセラミックシェルインサートの典型的なセラミックポストおよびＥＳＦｓの透視図である。
【図５】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、型キャビティ内へのワックス射出中の、図３のセラミックシェルインサートと、セラミックコアとを有する、タービンブレード翼用のワックス射出型の断面図である。
【図６】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、図５のワックス射出型からの除去後の、タービンブレード翼用の、埋め込まれたセラミックシェルインサートおよびセラミックコアを備える、硬化されたワックスパターンの断面図である。
【図７】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、外側セラミックシェルへの封入および硬化したワックスの除去後の、セラミックシェルインサートおよびセラミックコアの断面図である。
【図８】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、セラミックシェルインサートおよびセラミックポストの断面図である。
【図９】本発明の典型的な方法の実施の形態による、ワックス射出後の、セラミックコアと向き合った、図８のセラミックシェルインサートおよびセラミックポストの断面図である。
【図１０】本発明の典型的な方法の実施の形態による、外側セラミックシェルにおける封入および硬化したワックスの除去後の、セラミックコアと向き合った、図８のセラミックシェルインサートおよびセラミックポストの断面図である。
【図１１】本発明の典型的な方法の実施の形態による、型への溶融した超合金材料の充填およびその後の材料の硬化後の、セラミックコアと向き合った、図８のセラミックシェルインサートおよびセラミックポストの断面図である。
【図１２】本発明の典型的な方法の実施の形態による、セラミックシェルインサート、セラミックコアおよびセラミック外側シェルの除去後の超合金構成部材鋳造物と、超合金構成部材鋳造物に形成された、成形された部分的な深さの冷却通路との、断面図である。
【図１３】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の収束する円錐台形の輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図１４】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の末広がりの輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図１５】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の矩形の輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図１６】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の台形の輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図１７】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材にフィルム冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の台形の輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図１８】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材にフィルム冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の台形の輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図１９】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に分岐した冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の分岐した輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図２０】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に分岐した冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の分岐した輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図２１】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に非線形および／または非対称の冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の非線形で非対称の輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図２２】本発明の典型的な方法の実施の形態による、超合金構成部材に非線形および／または非対称の冷却通路を形成するために使用される、図８と同様の、セラミックコアと向き合った、セラミックシェルインサートと、代替的な実施の形態の非線形で非対称の輪郭のセラミックポストとの断面図である。
【図２３】通路縁辺の周囲における構成部材基板およびそのボンディングコート（ＢＣ）からの望ましくないＴＢＣ層剥離につながる、燃焼タービンエンジン用のサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）された超合金構成部材に冷却通路を形成する従来の方法の断面図である。
【図２４】通路縁辺の周囲における構成部材基板およびそのボンディングコート（ＢＣ）からの望ましくないＴＢＣ層剥離につながる、燃焼タービンエンジン用のサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）された超合金構成部材に冷却通路を形成する従来の方法の断面図である。
【図２５】通路縁辺の周囲における構成部材基板およびそのボンディングコート（ＢＣ）からの望ましくないＴＢＣ層剥離につながる、燃焼タービンエンジン用のサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）された超合金構成部材に冷却通路を形成する従来の方法の断面図である。
【図２６】本発明の典型的な方法の実施の形態による、ＴＢＣ層を超合金材料のオーバーハング層によって遮蔽することによって、予め形成された部分的な冷却通路が、通路縁辺の周囲における構成部材基板およびそのボンディングコート（ＢＣ）からの望ましくないＴＢＣ層剥離を阻止する、燃焼タービンエンジン用のサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）された超合金構成部材に冷却通路を形成する典型的な方法の断面図である。
【図２７】本発明の典型的な方法の実施の形態による、ＴＢＣ層を超合金材料のオーバーハング層によって遮蔽することによって、予め形成された部分的な冷却通路が、通路縁部の周囲における構成部材基板およびそのボンディングコート（ＢＣ）からの望ましくないＴＢＣ層剥離を阻止する、燃焼タービンエンジン用のサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）された超合金構成部材に冷却通路を形成する典型的な方法の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
理解を容易にするために、複数の図面に共通の同じ要素を示すために、可能である場合には、同じ参照符号が使用されている。図面は実寸ではない。
【００２１】
実施の形態の説明
本発明の典型的な方法の実施の形態は、超合金材料のインベストメント鋳造中にタービンエンジン構成部材に直接、部分的に完成した冷却通路を形成する。部分的な冷却通路は、突出したポストと、選択的に付加的な特別に設計された表面特徴とを有する、セラミックシェルインサートの使用によって形成される。セラミックポストは、製造プロセスのワックスパターン形成中にセラミックポストがワックスに埋め込まれるときに構造的一体性および整列を維持するための、十分な強度を有する。ワックスが硬化した後、複合的な硬化したワックスパターンおよび埋め込まれたセラミックシェルは、中央コアなどのあらゆる他の鋳造型セグメントと共に、次いで、セラミックスラリに封入される。スラリは焼成され、スラリを外側セラミックシェルに硬化させる。外側セラミックシェルの焼結中に予め排除されていなかったあらゆるワックスが除去され、溶融した超合金材料を受け取るための型キャビティを残す。セラミックシェルインサートのセラミックポストは型キャビティ内へ突出する。型キャビティに注入された溶融した超合金材料は、セラミックポストの周囲で硬化する。鋳造物が冷却しかつ硬化した後、外側シェル、シェルインサートおよび突出したセラミックポストを含むセラミック型材料が除去され、構成部材基板に、部分的に形成されたまたは完成した冷却通路を残す。
【００２２】
幾つかの実施の形態では、ＴＢＣ層が、部分的に完成した冷却通路を含む構成部材基板の所望の部分の上に提供される。部分的な冷却通路を閉塞するあらゆるＴＢＣ材料が除去され、部分的な冷却通路の終端へのアクセスを可能にする。その後、冷却通路パスは、意図した通路パスに沿って構成部材超合金材料を除去することによって完成される。
【００２３】
図１および図２を参照すると、ガスまたは燃焼タービンエンジン８０などのタービンエンジンは、多段圧縮機セクション８２と、燃焼セクション８４と、多段タービンセクション８６と、排気システム８８とを有する。大気圧吸気が、タービンエンジン８０の軸方向長さに沿ってほぼ流れ矢印Ｆの方向で圧縮機セクション８２に引き込まれる。吸気は、回転する圧縮機ブレードの複数の列によって圧縮機セクション８２において次第に加圧され、対応する圧縮機ベーンによって燃焼セクション８４へ案内され、この燃焼器セクション８４において燃料と混合され、点火される。点火された燃料・空気混合物は、今度は元々の吸気よりも高い圧力および速度で、トランジション８５を通って、タービンセクション８６における連続した列Ｒ1，Ｒ2等へ案内される。エンジンのロータおよび軸９０は、圧縮機セクション８２およびタービンセクション８６において、遠位ブレード先端部９４において終わった、翼断面形状のタービンブレード９２の複数の列を有する。
【００２４】
簡便性および簡略化のために、燃焼タービンエンジン構成部材における冷却通路の形成およびサーマルバリアコート（ＴＢＣ）の提供のさらなる議論は、タービンセクション８６の実施の形態および適用に焦点を置くが、同様の構成は、圧縮機８２または燃焼セクション８４ならびに蒸気タービンエンジン構成部材に適用可能である。エンジン８０のタービンセクション８６において、各タービンブレード９２は、凹面状の輪郭の高圧側９６と、凸面状の低圧側９８とを有する。ブレード９２に形成された冷却通路９９は、ブレード表面に沿った冷却流体の通過を促進する。燃焼流れ方向Ｆに流れる高速・高圧の燃焼ガスは、ブレード９２に回転運動を付与し、ロータ９０を回転させる。公知のように、ロータ軸９０に付与された機械的動力の一部は、有効仕事を行うために利用可能である。燃焼ガスは、半径方向で、ロータ９０から遠位においてはタービンケーシング１００によって、ロータ９０から近位では、アブレイダブル表面を有する空気シール１０２によって、束縛されている。
【００２５】
図２に示された第１列セクションを参照すると、それぞれの上流ベーン１０４および下流ベーン１０６はそれぞれ、上流燃焼ガスをタービンブレード９２の前縁の入射角に対してほぼ平行に方向付け、ブレード９２の後縁から出る下流燃焼ガスを、下流の第２列タービンブレード（図示せず）への所望の進入角度のために方向転換する。ベーン１０４，１０６に形成された冷却通路１０５は、ベーン表面に沿った冷却流体の通過を促進する。図２に示された冷却通路９９および１０５は、単に概略的な図であり、視覚的な明確性のために拡大されており、実寸で描かれていないことに留意されたい。典型的なタービンブレード９２またはベーン１０４，１０６は、より多くの冷却通路を有しており、これらの冷却通路は、エンジン燃焼ガスに曝されるそれぞれのブレードまたはベーンの総表面積に対して著しくより小さな直径のそれぞれの翼本体の周囲に分配されている。
【００２６】
前述のように、燃焼ガスに曝されるタービン構成部材表面は、多くの場合、下側に位置する基板の絶縁のためのＴＢＣ層を備えて構成されている。典型的なＴＢＣコーティングされた表面は、タービンブレード９２と、ベーン１０４および１０６と、リングセグメント１１０と、タービンベーンのアブレイダブル表面１２０および関連するキャリヤ面と、燃焼セクショントランジション８５とを含む。ブレード９２、ベーン１０４および１０６、リングセグメント１１０、およびトランジション８５の露出した表面のためのＴＢＣ層は、多くの場合、３００〜２０００ミクロン（μｍ）の合計ＴＢＣ層厚さを有するように、溶射、蒸着または溶液／懸濁液プラズマ溶射法によって提供される。
【００２７】
インベストメント鋳造されたエンジン構成部材におけるセラミックシェルインサートを用いた部分的に完成した冷却通路の製造
図３〜図７を参照すると、本発明の幾つかの実施の形態では、セラミックインサート１３０は、部分的に完成した冷却通路の輪郭と、選択的に、その他のタイプの特別に設計された表面特徴（ＥＳＦｓ）とを有する。ＥＳＦｓは、上記国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１５／１６３１８号に記載されている。セラミックシェルインサート１３０は、典型的には、ワックスパターン１５０上に配置されるまたは位置決めされる、（インベストメント鋳造プロセスのための典型的なコア材料と同様の）部分的に焼結されたセラミックである。代替的に、図５に示したように、セラミックシェルインサート１３０は、ワックス射出機または型１４２内に配置され、ワックスが射出されてその後に硬化するときにワックスパターン１５０内に内包される。ワックスパターン１５０（セラミックインサート１３０およびセラミックコア１４４を含む）は、セラミックスラリに浸漬され、セラミックスラリによってコーティングされる。スラリは硬化され、インベストメント鋳造外側シェル型１５２を形成する。（ワックスパターン１５０の表面に取り付けられた）セラミックシェルインサート１３０の内面または境界面１３２は、結果的な金属面および構造的に現場打ちされる冷却通路特徴のための鋳造型表面細部を有している。
【００２８】
冷却通路特徴は、対応する部分的な冷却通路輪郭に合致する突出するセラミックポスト１３４によってセラミックシェルインサート１３０に形成されている。この鋳造法は、さもなければワックス材料組成の脆性によりワックスパターン１５０において妥協される、冷却通路輪郭を含む表面輪郭特徴における細部を維持する。超合金構成部材のためのセラミックシェルインサート１３０の表面輪郭形成プロセスは、モジュール性に役立ち、付加的な部分的に完成した冷却通路を形成するセラミックポスト１３４、および特別に設計された表面特徴の係止表面１４０は、タービンブレード９２またはベーン１０４，１０６の前縁および後縁などの露出した翼領域のために組み込まれる。セラミック外側鋳造シェル１５２の収縮と両立可能であるために、幾つかの実施の形態では、セラミックシェルインサート１３０は、ワックス射出機１４２へ提供される前に部分的に熱処理される。図２のエンジンベーン１０４，１０６またはブレード９２の例では、鋳造シェル１５２が熱処理されるとき、シェルインサート１３０は、外側セラミックシェル構造１５２の一部として残り、これは、インベストメント鋳造表面、例えば、タービンブレード９２、凹面状の輪郭の高圧側９６および凸面状の低圧側９８の表面のための、外側キャビティ壁を形成する。
【００２９】
図３〜図８のセラミックシェルインサートシステム１３０の典型的な実施の形態は、セラミックインサート境界面または内面１３２におけるＥＳＦｓ１４０およびセラミックポスト１３４によって、図２のエンジン８０内のブレード９２またはベーン１０４，１０６に、１つの特別に設計された表面特徴または特別に設計された表面特徴の配列および／または部分的な冷却孔通路９９，１０５を鋳造する能力を提供する。部分的な冷却通路は、セラミックロッド突出部またはポスト１３４を備えるセラミックインサート１３０を形成することによって製造される。図４および図８のセラミックロッド１３４は、燃焼タービン構成部材内の冷却通路の対応する意図した入口または出口孔輪郭に合致するように構成された縁部分１３６と、ポスト先端部分１３８とを有しており、ポスト先端部分１３８の表面輪郭および遠位端部は、部分的に完成した冷却通路の終端または端部の対応する表面輪郭を形成する。セラミックポスト１３４は、セラミックシェルインサート１３０の内面１３２に一体的に形成されているかまたは別個に形成されてセラミックシェルインサート１３０の内面１３２に結合されている。セラミックポストまたはロッド１３４は、ワックスパターン１５０に突入し、言い換えれば、ワックスパターン１５０に埋め込まれ、部分的に完成した冷却孔９９または１０５を形成する。セラミックシェルインサート１３０は、内部セラミックコア１４４と一体的ではなく、本明細書における典型的な実施の形態では、突出したセラミックポスト１３４は内部コア１４４と接触しておらず、不完全な冷却通路を残す。しかしながら、部分的な冷却通路／孔は、有利には、鋳造後に固体の超合金構成部材に完全な冷却通路を切削するために必要な加工時間を短縮する。本明細書に詳細に説明するように、部分的に完成したまたは形成された冷却通路９９および１０５を備える、超合金の燃焼タービン構成部材を鋳造することは、有利には、冷却通路の完成を単純化し、冷却通路完成の間の、予め提供されたサーマルバリアコートの層剥離の可能性を低減する。
【００３０】
本発明の方法の実施の形態による、部分的に完成した冷却通路を備える燃焼タービン構成部材のインベストメント鋳造のための主なステップが、図５〜図１２に示されている。各ステップは一般に以下のように説明される。
【００３１】
図５および図８を参照すると、エンジン構成部材の冷却通路輪郭または特別に設計された表面特徴の所望の表面輪郭に合致するように、１つまたは複数のシェルインサート１３０が提供される。完成したセラミックシェルインサート１３０は、固体のワックスパターン１５０内で配向される。幾つかの実施の形態では、セラミックシェルインサート１３０は、構成部材輪郭の残りの部分に似た、予め完成された硬化したワックスパターン内へ直接に押し込まれる。その他の実施の形態では、セラミックポスト１３４の潜在的な脆性により、セラミックインサート１３０は、他の型表面から間隔を置かれた関係にある、セラミックコア１４４などのあらゆるその他の所望のインサートとともに、ワックス射出型またはダイ１４２の内部キャビティ１４６内に位置決めされる。セラミックコアは、ブレードまたはベーンの冷却プレナムなどの、エンジン構成部材の内部中空部分表面輪郭に対応している。幾つかの実施の形態では、複数のモジュール式のセラミックシェルインサート１３０が、構成部材鋳造物の所望の表面全体を形成するために使用される。溶融したワックス１４８が、型またはダイキャビティ１４６内へ介在されまたは射出され、溶融したワックス１４８は、ワックス内に、セラミックシェルインサートのポスト１３４およびあらゆるその他のタイプの特別に設計された表面特徴を封入する。セラミックポスト１３４と、セラミックコア１４４などのその他の型表面特徴との間の間隙は、ここで、溶融したワックス１４８が充填され、溶融したワックス１４８は、その後、硬化し、ワックスパターン１５０となる。
【００３２】
今やセラミックシェルインサート１３０、ポスト１３４およびセラミック内部コア１４４を捕捉した硬化したワックスパターン１５０は、型１４２から分離され、所望のエンジン構成部材の外側輪郭に合致する図６および図９の複合パターンを残す。硬化したワックスパターン１５０、シェルインサート１３０およびセラミックコア１４４を含む複合的な構成部材パターンは、セラミックスラリに浸漬されるまたはさもなければ封入され、乾燥され、公知のタイプのインベストメント鋳造製造プロセスにおいて焼成され、これにより、セラミック外側シェルまたは鋳造容器１５２を形成し、超合金構成部材のための鋳造型を形成する。セラミック／ワックス複合容器１５２およびパターン１５０は、公知のオートクレーブなどにおいてワックス除去され、図７および図１０に示された中空キャビティ１４６を備える複合セラミック容器を残す。
【００３３】
複合セラミック容器１５２の中空キャビティ１４６は、部分的な冷却通路／孔を含む、超合金構成部材の表面特徴を有する。図７および図１０の両方の実施の形態では、ポスト１３４はセラミック内部コア１４４と接触しておらず、その後の鋳造プロセス中に超合金材料が充填される開放空間間隙Ｇを残している。鋳造される構成部材の合計基板壁厚Ｇは、型キャビティ１４６内の、セラミックコア１４４の内面と、セラミックシェルインサート１３０の内面１３２との間の距離によって確立される。図１１において、セラミックシェルインサート１３０およびセラミックコア１４４を含むセラミック容器１５２は、典型的には真空鋳造プロセスにおいて、溶融した超合金金属１５４が充填される。最終的に、ポスト縁部分１３６およびポスト先端部１３８を含むポスト１３４は、前述のように基板壁厚Ｇの約５０％〜９０％である部分的な冷却通路深さＤを有する、部分的に完成した冷却通路の輪郭を形成している。構成部材の外側境界まで冷却通路を完成させるために構成部材から除去すべき超合金材料１５４の残りの深さは、ＧマイナスＤである。
【００３４】
図１１において、外側セラミックシェル鋳造型１５２における超合金材料１５４の鋳造が完了し、縁部１３６およびポスト先端部１３８を含むポスト１３４を、今や硬化した金属に捕捉している。超合金金属１５４が固化し、冷却すると、前のシェルインサート１３０およびポスト１３４を形成するセラミック型材料と、セラミックコア１４４と、図７の外側セラミックシェル１５２とは、硬化した金属鋳造物１５４から機械的または化学的に除去される。典型的には、セラミック型材料のための公知の化学的除去プロセスは、加熱された水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）および／または水酸化カリウム（ＫＯＨ）の浴を使用する。
【００３５】
今やセラミックを有さない金属鋳造物１５４は、今や、合計基板厚さＧと比較して部分的深さＤの部分的に完成した冷却通路１５６を有する。部分的に完成した冷却通路１５６は、図１２に示したように、入口１５８と、終端または孔底部１６０とを有する。この実施の形態では、終端１６０は、通路入口１５８から横方向にずれている。部分的に完成した冷却通路１５６は、構成部材表面１６１に対して角度θで向けられた、円筒状の通路として概略的に示されている。今やセラミックを有さない超合金金属鋳造物における部分的に完成した冷却通路は、選択的なＴＢＣ提供の前または後に、機械的切削、加圧水またはその他の流体のジェット、またはアブレーションプロセスによって鋳造物から残留金属を除去することによって、完成される。幾つかの実施の形態では、冷却通路を完成させるための残留金属除去は、部分的な冷却通路１５６内で開始され、終端１６０において開始する。代替的に、残留金属の除去は、新たに形成された通路部分が、部分的に完成した冷却通路１５６の終端と連通するまで、基板の外側（ここでは、部分的に完成した冷却通路の入口１５８とは反対側）から開始される。
【００３６】
図８、図１０および図１２を参照すると、ポスト１３４の寸法の規定は、以下のように要約される。幾つかの実施の形態では、ポスト１３４は、セラミックシェルインサート表面１３２に対して、９０度未満、典型的には３０〜６０度の角度θで向けられている。ポスト１３４は、対応する冷却通路の断面直径に合致するように選択された直径または厚さ「ｔ」を有する。本明細書における実施の形態では、ポストの直径ｔは、典型的には０．７ｍｍ〜１．７５ｍｍであり、ポスト１３４の長さ「Ｌ」は、典型的には、冷却通路の部分深さＤにコサインθを乗じたものである。幾つかの実施の形態では、冷却通路の部分深さＤは、合計基板厚さ「Ｇ」の５０％〜９５％である。
【００３７】
前述のように、セラミックシェルインサート１３０は、一体的に鋳造された部分的な冷却通路または孔に似ているように輪郭づけられたセラミックポストの配列を備えて製造されている。典型的には、本発明の方法によって形成されていない公知の切削された冷却孔は、直径が０．５〜０．６ｍｍであり、円筒形であり、表面に対して３０度の角度θを成している。図１２に示したように、このタイプの通路または孔１５６は、セラミックシェルインサート１３０におけるセラミックポスト構造１３４を使用することによって、鋳造プロセス後に固体金属に完全に切削されるのではなく、鋳造物において一体的に形成することができる。しかしながら、セラミックポスト１３４のジオメトリは、単純な形状および角度に制限されない。様々な典型的な部分的な冷却通路の輪郭が、図１３〜図２２に示されており、本明細書においてより詳細に説明される。１つまたは複数の実施の形態では、セラミックシェルインサート１３０は、エンジン構成部材における部分的に完成したまたは部分的な深さの冷却通路のパターンに対応する、複数のセラミックポスト１３４を有する。幾つかの実施の形態では、複数のセラミックシェルインサート１３０は、構成部材内に部分的な冷却通路を形成するために使用される。１つまたは複数の実施の形態では、少なくとも１つのセラミックポスト１３４は、セラミックインサート表面１３２から、９０度未満の角度θで突出しており、その他の実施の形態では、少なくとも１つのセラミックポスト１３４は、セラミックインサート表面１３２から、３０〜６０度の角度θで突出している。
【００３８】
前述のように、本発明の方法の実施の形態によって形成された、一体的に鋳造された部分的な冷却通路は、公知の耐火性金属コア（ＲＭＣ）インサートプロセスによって形成された通路よりも容易な製造により、公知の鋳造後冷却通路形成プロセスによって容易に複製することができない、冷却流体流、熱伝達およびＴＢＣ層剥離阻止設計オプションを可能にする。冷却通路／孔構成は、図１２に示したように、単純な円筒状の孔に限定されない。構成部材壁の厚さを貫通する冷却通路プロフィルの直径または断面または通路パスを変化させることは、有利には、孔直径／断面が構成部材の外面に接近するにつれて減少するかまたは増大するかに応じて、冷却流の速度を増大または減少させる能力を提供する。
【００３９】
図１３〜図２２は、インベストメント鋳造された超合金構成部材に形成される代替的な冷却通路輪郭を示している。図１３〜図２２の全てにおいて、セラミック内部コア１４４は、タービンブレードまたはベーンなどのエンジン構成部材の内面を形成する。図１３〜図１８は、本発明の鋳造法によって形成される冷却通路形状の変化の典型的な実施の形態を示している。背景技術によれば、冷却通路形状の変更は、以前は、ＥＤＭおよびレーザアブレーションによってならびにその他の公知の材料切削方法によって行われてきた。例えば、タービンブレードおよびベーンにおけるフィルム冷却通路は、以前は、ＥＤＭまたはミリ秒レーザ穿孔によって形成され、次いで、台形／ピラミッド形の、末広がりの外面輪郭が、より精密なナノ秒レーザの使用によって表面に形成される。図１３では、セラミックポスト１６４は、セラミックインサート１６２に向かって末広がりの円筒状輪郭を有しており、これは、タービンエンジン構成部材の外面において、対応する末広がりの冷却通路輪郭を形成する。逆に、図１４では、セラミックポスト１６８は、セラミックインサート１６６に向かって収束する円筒状輪郭を有している。図１５では、セラミックインサート１７０に形成されたセラミックポスト１７２は矩形の輪郭を有するのに対し、図１６では、セラミックインサート１７４のセラミックポスト１７６は台形の輪郭を有する。図１７では、セラミックインサート１７８における突出した台形の輪郭のポスト１８０は、部分的に完成した冷却通路の終端、または最も内側に達する部分または尖塔状部分に対応するポスト先端部１８１への滑らかな角度輪郭移行部を有するのに対し、図１８のセラミックインサート１８２におけるポスト１８４は、台形の入口部分１８６から、ポスト先端部または終端における、ネック状の円筒状部分１８８への、段状の移行部を有している。
【００４０】
セラミックインサートにポストを形成するための付加的な実施の形態が、図１９および図２０に示されており、ここでは、典型的なブレードまたはベーン構成部材冷却キャビティからの１つの冷却流体供給部が、表面における多数の冷却排出部に分割されている。図１９では、セラミックインサート１９０の突出したポスト２００は、構成部材表面から排出する、３つの冷却パス出口２０２，２０４，２０６に分岐した、終端２０８における１つの供給プレナムを備えた冷却通路を形成する。本発明の実施の形態によれば、４つ以上または２つ以下の分岐路を備えた冷却通路を構成することができる。代替的な実施の形態が図２０に示されており、ここでは、セラミックインサート２１０に形成された突出したポスト２１２が、終端２１８において１つの通路を形成しており、この通路は、線形に２つの通路／孔出口２１４および２１６に分岐している。このような多次元冷却通路形成方法は、（図面のシート内へのまたは図面のシートからの）構成部材内における二次元または三次元の輪郭に適用可能である。発明の実施の形態は、図２１〜図２２に示された非線形の冷却通路パスも製造する。図２１のセラミックインサート２２０は、入口２２４および終端２２６を備える非線形ポスト２２２を有する。冷却通路は、終端２２６が、セラミック内部コア１４４によって規定される構成部材壁部境界の外側へ延びるように、構成部材から材料を除去することによって鋳造後に完成される。図２２では、豚の尾状の冷却通路がポスト２３０によって形成され、初期端部２３４はセラミックインサート２２８に形成されており、セラミックコアインサート１４４に向かって終端２３６まで延びている。ポスト２３０は、（図面シート内へまたは図面シートから）第３の次元へ延びている。本明細書における実施の形態の方法によって形成された、蛇行したパスを備える非線形の通路は、それぞれの通路絞り速度よりも低いあらゆる任意の冷却流速度において、構成部材において同じ体積を示す線形通路と比較して、同じ構成部材体積においてより長い冷却通路を提供し、より大きな熱伝達表面積を提供し、冷却流のためのより長い滞留時間を提供する。
【００４１】
冷却通路形成中のＴＢＣ損傷の緩和
前述のように、サーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）層の提供前に超合金エンジン構成部材に形成された冷却通路が、後で提供されるＴＢＣ材料による閉塞を阻止するためにマスキングされるが、これは、コストがかかり、時間を浪費する。過去においては多くの場合、冷却通路は、図２３〜図２５の進行に示したような、レーザアブレーションによるＴＢＣ層提供後に、超合金エンジン構成部材２３９に形成されていた。基板２４０は、ＴＢＣ層２４４の提供の前、典型的にはＭＣｒＡｌＹである、ボンディングコート（ＢＣ）のオーバー層を有する。ＴＢＣ層２４４の提供後、ＴＢＣ層２４４は、冷却通路／孔（図２５）を形成するために、ＴＢＣ２４４（図２３）、次いでＢＣボンディングコート２４２（図２４）、次いで基板２４０の超合金ベース材料を通じてパルスを提供するためにパーカッション（丸印２４８によって概略的に示されている）を使用するレーザアブレーション装置２４６によって穿孔される。層剥離および／またはき裂損傷は、レーザアブレーション装置２４６によってベース材料２４０を通って穿孔することによって生じる、２５０で示されたゾーンにおけるオーバーハングするＴＢＣに力を加える複数のパーカッション２４８の結果として、ボンディングコート２４２との境界面において、ＴＢＣ層２４４において一般的に見られる。
【００４２】
その後の冷却通路２７０の形成中のサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）層２７６に対する潜在的な損傷は、図２６および図２７に示したように、同じ表面におけるＴＢＣ層２７６の提供の前に、超合金タービンエンジン構成部材２６０における、部分的に完成したまたは形成された冷却通路２６４の形成によって、軽減される。部分的に完成した冷却通路２６４の終端２６８より下側の残りの超合金材料を通って穿孔する必要がある、より少ない基板２６２の材料（および結果としてレーザアブレーション装置２４６によって発生されるより少ないパーカッション２４８）が存在しており、これにより、ゾーン２７８においてＴＢＣ層に反復するパーカッション損傷を生じる機会を減じる。構成部材基板２６２内の部分的に完成した冷却通路２６４の傾斜したパスは、横方向にずれた通路終端２６８と、ゾーン２７８におけるＴＢＣ材料の近傍の部分的な冷却通路入口２６６との間に介在された通路壁における超合金材料のオーバーハングするシールド層２６９を介在させる。
【００４３】
本発明の実施の形態のＴＢＣ損傷軽減方法を実施する場合、部分的に完成した冷却通路２６４は、構成部材表面においてあらゆる従来公知の切削またはアブレーション方法によって形成されるが、有利には、このような部分的に完成した冷却通路２６４は、幾つかの実施の形態において、構成部材２６０のインベストメント鋳造の間、本明細書における図３〜図２２に示されたタイプの突出するセラミックポスト、セラミックインサート１３０の使用によって形成される。エンジン構成部材を製造するためにインベストメント鋳造ではないプロセスが使用されると、部分的に完成した冷却通路は、ＢＣ２７４およびＴＢＣ層２７６の提供の前に、構成部材から材料を除去することによって形成される可能性が高い。インベストメント鋳造法の実施の形態と、ＴＢＣ層保護方法の実施の形態とは、独立しているが、ＴＢＣ層を有するブレードおよびベーンなどのタービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金構成部材を製造するときに一緒に実施されてもよい。
【００４４】
図２６および図２７は、燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金ブレードまたはベーン構成部材に冷却通路２７０を形成する方法の実施の形態を示しており、ここでは、構成部材２６０は、構成部材壁（例えば、超合金基板２６２）を有する。構成部材壁は、それぞれの第１および第２の壁表面（例えば、ボンディングコート２７４との接合部におけるそれぞれの上面と、冷却通路マージン２７２を規定する下面）によって画定されている。これらの典型的な図２６および図２７において、完成した冷却通路は、それぞれの第１および第２の面の間で構成部材壁（基板２６２）を貫通して延び、この場合、第１の面は、燃焼ガスに曝されるための外面を形成しており、第２の面は、ブレードまたはベーン構成部材２６０に形成された冷却チャネルと連通した内面を形成している。ＴＢＣ層を保護するための冷却通路形成方法は、エンジン８０の燃焼セクション８４内のトランジション８５または燃焼器バスケットなどのその他のエンジン構成部材に適用可能であることに留意されたい。
【００４５】
部分的に完成した冷却通路２６４は、燃焼タービンエンジン用の超合金エンジン構成部材２６０の壁部の第１の面に形成されている。部分的に形成されたまたは部分的に完成した冷却通路２６４は、冷却通路の入口または出口に対応する、構成部材基板２６２の第１の面に形成された入口２６６を有する。部分的に完成した冷却通路２６４は、構成部材の第１の面から遠位の、通路入口２６６から横方向にずれた終端２６８を有する、構成部材壁基板２６２内の傾斜した通路パスを有する。横方向にずれた通路入口２６６と、終端２６８とは、通路終端２６８と、横方向にずれた通路入口２６６の近傍の構成部材の第１の面との間に介在された壁部における超合金材料のオーバーハングするシールド層２６９を有する。冷却通路２７０および部分的に完成したまたは部分的に形成された通路２６４が、図２６および図２７に、直線的なパス、対称的な断面、および構成部材基板２６２における一定の傾斜したパス角度を有するように示されている。その他の実施の形態では、冷却通路は、非対称の、軸方向または半径方向断面を備えてまたは備えずに、非線形経路を形成している。代替的な実施の形態の冷却通路輪郭の例が、図１３〜図２２に示されている。
【００４６】
サーマルバリアコーティング２７６は、構成部材基板２６２の第１の面および部分的に完成したまたは形成された通路入口２６６に提供される。サーマルバリアコーティング２７６は、構成部材基板２６２の表面に直接提供された、または構成部材基板表面上に予め提供された中間ボンディングコート層２７４上に提供された、公知の組成の、溶射された、または蒸着された、または溶液／懸濁液プラズマ溶射されたサーマルバリアコートを含む。
【００４７】
パルスレーザ２４６または放電機械などのアブレーション装置は、基板２６２におけるサーマルバリアコーティング２７６および超合金材料をアブレーションするために使用される。レーザ２４６またはその他のアブレーション装置は、部分的に完成したまたは形成された通路２６４の入口２６６と整列され、部分的に完成したまたは形成された通路からサーマルバリアコーティング材料２７６をアブレーションし、通路終端２６８に到達する。
【００４８】
図２７において、冷却通路２７０は、冷却通路パス２７０に沿って、部分的な通路終端部２６８から、構成部材２６０の壁部を形成する構成部材基板２６２の第２の面における通路出口２７２まで、部分的に完成したまたは形成された通路２６４の傾斜したパスから超合金材料をアブレーションすることによって、完成される。前述のように、部分的に形成された／完成した通路における超合金材料のオーバーハングするシールド層２６９は、通路入口２６６の近傍におけるゾーン２７８におけるサーマルバリアコーティング材料２７６に対する損傷を阻止する。ゾーン２７８における、さもなければ回避または軽減されるＴＢＣ損傷は、上方へ向けられた二重矢印によって概略的に示された、通路入口２６６からのアブレーションされた超合金材料の排出によって生じる。幾つかの実施の形態では、第１のレベルのアブレーションエネルギは、部分的に完成したまたは形成された通路２６４からサーマルバリアコーティング材料をアブレーションしながらアブレーション装置２４６によって提供され、第２の、より高いレベルのアブレーションエネルギは、冷却通路２７０のパスを完成させるために、基板２６２における超合金材料をアブレーションしながらアブレーション装置２４６によって提供される。幾つかの実施の形態では、第１のレベルのアブレーションエネルギは、第２のレベルのアブレーションエネルギよりも低いパルス繰返数および／またはより低いエネルギ強度で提供される。幾つかの実施の形態では、冷却通路２７０の形成中に構成部材２６０へ伝達される合計アブレーションエネルギは、その後の構成部材熱処理中に構成部材に固化き裂または再熱き裂を誘発するためには不十分である。
【００４９】
“TURBINE COMPONENT THERMAL BARRIER COATING WITH CRACK ISOLATING ENGINEERED GROOVE FEATURES”という名称の、２０１５年２月１８日に出願された上記国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１５／１６３１８号に記載されているように、幾つかの実施の形態では、図２を参照すると、付加的なおよび選択的な特別に設計された溝特徴（ＥＧＦｓ）１２２が、冷却通路を包囲するＴＢＣオーバー層の層剥離を制限するために、タービンブレード９２の冷却通路９９およびベーン１０４および１０６の冷却通路１０５などの、タービン構成部材冷却通路の一部または全周にわたってＴＢＣ層に形成されている。ブレード９２またはベーン１０４，１０６の構成部材表面における冷却通路入口９９または１０５の極端なマージンにおけるＴＢＣ層は、金属基板からの分離を開始することができ、この分離は、孔から離れる方向にＴＢＣ層内で横方向／水平方向に拡散する可能性がある。アンカリング層または金属基板と接触する深さになどにおける、冷却孔９９，１０５のマージンから横方向に間隔を置かれた距離におけるＥＧＦ１２２の形成は、さらに、溝を超える層剥離を制限する。冷却孔９９／１０５の周縁マージンのうちの１つまたは複数に沿ったＴＢＣ層剥離は、取り囲んだＥＧＦセグメント１２２の交差箇所において捕捉される。
【００５０】
本発明の教示を含んだ様々な実施の形態がここに図示および説明されているが、他者は、さらに請求項に記載の発明を含んだ多くのその他の変更された実施の形態を容易に考え出すことができる。本発明は、詳細な説明に示されたまたは図面に例示された構成部材の構成および配置の典型的な実施形態の詳細にその適用が制限されない。本発明は、他の実施の形態が可能であり、様々な形式で実現または実施することができる。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためであり、限定と見なされるべきではないことが理解されるべきである。すなわち、本明細書における「包含する」、「含む」または「有する」の使用およびその変形は、以後に挙げるアイテム、その均等物、および付加的なアイテムを内包することが意図されている。そうでないことが明示または限定されない限り、「取り付けられた」、「結合された」、「支持された」および「連結された」という用語およびその変形は、広く使用され、直接的および間接的な取付け、結合、支持および連結を包含する。さらに、「結合された」および「連結された」は、物理的、機械的または電気的な接続または結合に制限されない。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月18日(2017.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金構成部材に冷却通路を形成する方法であって、
型キャビティを形成したワックス射出型を提供し、該ワックス射出型の型キャビティ表面は、燃焼タービンエンジン用の構成部材の対応する表面輪郭に合致しており、
セラミックシェルインサートを提供し、該セラミックシェルインサートは、インサート表面輪郭と、インサート表面から突出した少なくとも１つのセラミックポストとを有しており、前記インサート表面輪郭および前記セラミックポストは組み合わさって、前記エンジン構成部材における部分的に完成した冷却通路の対応する表面輪郭に合致しており、
前記セラミックシェルインサートを前記ワックス射出型に挿入し、前記シェルインサート表面および各セラミックポストは、前記型キャビティ表面の一部を形成し、各ポストは前記型キャビティ内へ突出しており、
前記型キャビティにワックスを充填し、該ワックス内に各ポストを封入し、
前記ワックスを硬化させ、前記セラミックシェルインサートおよび各ポストを埋め込んだワックスパターンを形成し、
前記ワックス射出型を除去し、硬化したワックスパターンは、前記インサート表面および各セラミックポストと共に、構成部材表面輪郭と合致しており、
前記硬化したワックスパターンおよび埋め込まれた前記セラミックシェルインサートをセラミックスラリに封入し、
前記セラミックスラリを焼成し、これにより、前記スラリを、前記セラミックシェルインサートに接合された外側セラミックシェルに硬化させ、前記ワックスを排除し、接合された前記外側セラミックシェルおよび前記セラミックシェルインサートは、部分的に完成した各冷却通路を含む、前記エンジン構成部材の輪郭に合致したシェル内部キャビティを形成し、
前記シェル内部キャビティに溶融した超合金材料を充填し、該シェル内部キャビティにおいて構成部材鋳造物を形成するために前記超合金材料を冷却し、前記鋳造物は、部分的に完成した各冷却通路を有しており、
前記外側セラミックシェルと、各セラミックポストを含む前記セラミックシェルインサートとを、前記鋳造物から除去し、部分的に完成した各冷却通路を露出させ、
対応する構成部材における対応する完成した冷却通路の輪郭に合致するように、前記鋳造物から、硬化した鋳造された超合金材料を除去することによって、少なくとも１つの冷却通路を完成させる、燃焼タービンエンジン用のインベストメント鋳造された超合金構成部材に冷却通路を形成する方法。
【請求項２】
前記セラミックシェルインサートは、前記エンジン構成部材における部分的に完成した冷却通路のパターンに対応する複数のセラミックポストを有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
いかなるその他の型キャビティ表面にも接触することなく、前記型キャビティ内へ突出した、挿入されたセラミックポストをさらに有する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
型キャビティ空所にワックスを充填する前に、前記セラミックインサートの表面がセラミックコアと向き合った関係で、前記セラミックインサートと前記セラミックコアとの間に前記型キャビティ空所を形成するように、前記セラミックコアを前記型キャビティ内へ挿入し、前記セラミックシェルインサートを前記型内へ挿入することをさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項５】
特別に設計された表面特徴を形成するセラミックインサート表面輪郭をさらに有する、請求項２記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックインサート表面から９０度未満の角度で突出している、請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックインサート表面から３０〜６０度の角度で突出している、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのセラミックポストは、前記セラミックインサート表面から非線形の輪郭で延びている、請求項２記載の方法。
【請求項９】
前記冷却通路が、前記構成物鋳造物内に形成された壁部を完全に貫通して延びるように、冷却通路パス内にある硬化した鋳造された超合金材料を前記構成部材から除去することによって、前記少なくとも１つの冷却通路を完成させることをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却通路を完成させる前に、前記部分的に完成した冷却通路を含む前記構成部材鋳造物に、サーマルバリアコーティングを形成することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【国際調査報告】
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