(57)【要約】      （修正有）【課題】高温における構造的強度および高い熱伝導率の両方を有する構成部品及びその構成部品の製造方法の提供。【解決手段】第１の材料と、第２の材料とを含み、第２の材料から形成された第２の部材４が、第１の材料から形成された第１の部材１１，１２によって包囲されている構成部品１。更に、付加製造プロセスを使用し、付加製造プロセスによって第１の材料から第１の部材１１を製作し、付加製造プロセスの間に、第２の材料から形成された第２の部材４を付加し、第１の部材１１に第１の材料により第１の部材１２をさらに付加し、これにより、第２の部材４を包囲する、構成部品を製造する方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料および第２の材料を含み、第２の材料から形成された第２の部材（４）が、第１の材料から形成された第１の部材（１０）によって包囲されていることを特徴とする、構成部品（１）。
【請求項２】
前記第２の部材（４）は前記第１の部材（１０）によって完全に囲繞されている、請求項１記載の構成部品。
【請求項３】
前記第２の部材（４）は、前記構成部品（１）の表面（３）まで延びている、請求項１記載の構成部品。
【請求項４】
前記第２の材料は、前記第１の材料よりも高い熱伝導率を有するように選択されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成部品。
【請求項５】
前記第２の材料は、前記第１の材料よりも高い熱膨張係数を有するように選択されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の構成部品。
【請求項６】
前記第１の部材（１０）は、継目がない、請求項１から５までのいずれか１項記載の構成部品。
【請求項７】
前記第２の部材（４）は、少なくとも１つの平坦な表面を有し、特に、前記少なくとも１つの平坦な表面から始まる一定のまたは減少する横断面寸法の１つを有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の構成部品。
【請求項８】
前記第１の部材（１０）は、付加製造法によって製造可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載の構成部品。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項記載の構成部品を製造する方法であって、付加製造プロセスを使用し、該付加製造プロセスによって第１の材料から第１の部材（１０）を作製することを含む方法において、前記付加製造プロセスの間に、第２の材料から形成された第２の部材（４）を付加し、前記第１の部材に第１の材料（１２）をさらに付加し、これにより、前記第２の部材を包囲することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の構成部品を製造する方法。
【請求項１０】
前記第１の部材の第１のフラグメント（１１）を製造し、前記第２の部材（４）を配置し、その後さらに第１の材料を付加し、前記第２の部材を包囲するように前記第１の部材を製造するために前記第２の部材を前記第１の材料によって被覆する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の部材の前記第１のフラグメント（１１）を製造することは、キャビティを備える第１の部材を製造することを含み、前記キャビティは、前記第１のフラグメントの外側からアクセス可能であり、前記キャビティは特に、前記第２の部材（４）に対して相補的な形状として成形されており、さらに、前記第２の部材を前記キャビティに挿入することを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の部材を付加することは、該第２の部材をロボットアームによって配置することを含む、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の部材を製造することは、前記第１の材料の粉末を配置し、選択された位置において前記粉末を溶融させ、前記第１の部材を形成するために、結果として得られた溶融物を再固化させることを含む、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの平坦な表面を有するように前記第２の部材（４）を選択し、該第２の部材の横断面寸法は、前記少なくとも１つの平坦な表面から始まって一定であるかまたは減少しており、特に前記平坦な表面が上になるように前記第２の部材を配置する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の部材（１０）を製造することは、選択的レーザ溶融プロセスおよび選択的電子ビーム溶融プロセスのうちの１つを含む、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、請求項１の前提部に記載された構成部品に関し、さらに、方法の独立請求項において特徴付けられた、前記部品を製造する方法に関する。
【０００２】
前記構成部品は、幾つかの実施の形態では、エンジン構成部品、具体的には火力発電エンジンの構成部品、より具体的にはガスタービンエンジンの構成部品に関する。前記構成部品は、ガスタービンエンジンの高温ガス通路において使用するための構成部品であってもよい。
【背景技術】
【０００３】
開示の背景
多くの技術的な用途において、使用される構成部品の良好な熱伝導率が要求されることがある。これは、一方では熱交換器の場合であるかもしれないが、他方では、冷却されるエンジン部品の場合でもあるかもしれない。例えば、構成部品が、一方の側において高い熱負荷を受け、かつ他方の側において冷却される場合、構成部品の熱伝導率が高いほど、冷却はより効率的となる。さらに、例えば高温ガスジェットが構成部品の高温ガス側に衝突すると生じる場合などのように、熱負荷を受ける側にホットスポットが存在する場合、構成部品の熱伝導率が高いと、構成部品における温度分布がより均一化される。また、構成部品の冷却材側における温度分布がより均一に分布させられていると、冷却材がより効率的に使用される。
【０００４】
しかしながら、例えば銅などの高い熱伝導率を有する材料は、特に高温において、過酷な作動条件下で作動するための構造的強度および耐久性を欠くことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
開示の概要
本開示の課題は、高温における構造的強度および高い熱伝導率の両方を有する構成部品を提供することである。本開示の別の課題は、前記構成部品を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、以下の開示および説明を見た場合に当業者に明らかになるかもしれないその他の有利な効果を除いて、請求項１に開示された構成部品と、方法の独立請求項に記載された方法とによって達成される。
【０００７】
したがって、第１の材料と、第２の材料とを含み、第２の材料から形成された第２の部材が、第１の材料から形成された第１の部材によって包囲されている構成部品が開示される。すなわち、第２の材料から形成された第２の部材は、第１の材料から形成された第１の部材内に形状ロック式に保持されている。すなわち、異なる材料から形成された２つの部材の間で溶接またはその他の接合ステップは必要ない。これにより、例えば、互いに接合することができないまたは極めて高価におよび／または不確実にしか接合されない材料および／または高温での場合による作業をも考慮して溶接に適さない材料を使用することができる。これにより、例えば、金属材料と非金属材料とを組み合わせることができ、例えば、部材のうちの一方は金属材料から形成されていてもよく、他方の部材はセラミック材料から形成されていてもよい。幾つかの実施の形態では、第１の材料は金属材料であってもよく、第２の材料は金属材料またはセラミック材料であってもよい。第１の材料は、幾つかの実施の形態では、例えばニッケル基合金などの高温合金であってもよい。第２の材料は、例えば、特に高温において所要の構造的強度を欠く銅であってもよいが、銅に限定されない。しかしながら、構成部品の機械的性能は第１の材料によって提供されるため、第２の材料の機械的特性は、あるとしても僅かな影響しかない。
【０００８】
本開示の１つの態様では、第２の部材は第１の部材によって完全に囲繞されている。これにより、作動温度において液化すらする材料から形成された第２の部材を使用してもよい。その他の実施の形態では、第２の部材は、構成部品の表面まで延びていてもよい。第２の部材は、例えば、ガスタービンの高温ガス通路エレメントの冷却材側まで延びていてもよく、これは、構成部品から冷却材側へ、その結果として冷却材への熱伝導を高める。上記に記載および示唆されているように、第２の材料が、第１の構成部品よりも高い熱伝導率を有するように選択されていると有利であることが分かるであろう。開示の別の態様では、第２の材料は、第１の材料よりも高い熱膨張係数を有するように選択されてもよい。これは、より高い作動温度において第１の部材内での第２の部材の付加的な締りばめを行うように機能する。
【０００９】
別の態様において、本開示による構成部品は、第１の部材が継目を有さないことを特徴としてもよく、すなわち、構成部品を製造する方法は、第２の部材を包囲する第１の部材を、２つ以上の別個のピースを接合することによって組み立てることを伴わない。第１の部材は、一体的またはワンピースであると言われてもよい。これは、以下でより詳細に説明するように、付加製造プロセスによって第１の部材を製造することによって達成されてもよい。前記プロセスは、選択的レーザ溶融プロセスおよび選択的電子ビーム溶融プロセスのうちの１つであってもよいが、それらに限定されない。
【００１０】
本開示による構成部品のさらに別の典型的な実施の形態では、第２の部材は、少なくとも１つの平坦な面を有しており、特に、少なくとも１つの平坦な面から始まる一定のまたは減少する横断面寸法を有している。これは、製造プロセスを適用する場合に、構成部品の製造を容易にするように機能してもよい。
【００１１】
さらに、上述の種類の構成部品を製造する方法が開示される。この方法は、付加製造プロセスを適用し、付加製造プロセスによって第１の材料から第１の部材を作製することを含む。付加製造プロセスの間に、第２の材料から形成された第２の部材が付加される。第２の部材が提供された後に付加製造プロセスによって第１の部材にさらに第１の材料が付加され、特に第２の部材を被覆し、これにより第２の部材を包囲する。
【００１２】
第１の部材を製造することは、第１の材料の粉末を配置し、選択された位置において粉末を溶融させ、第１の部材を形成するように、結果として得られた溶融物を再び固化させることを含んでもよい。例えば選択的レーザ溶融または選択的電子ビーム溶融などのこのような製造プロセスは、一般的に下から上へ鉛直方向に行われる。
【００１３】
より具体的には、この方法は、第１の部材の第１のフラグメントを製造し、第２の部材を配置し、その後さらに第１の材料を付加し、第２の部材を包囲するように第１の部材を製造するために、第２の部材を第１の材料によって被覆することを含んでもよい。前記は、方法を実施するより具体的なモードにおいて、キャビティを備える第１の部材のフラグメントを製造することを含み、前記キャビティは第１の部材のフラグメントの外側からアクセス可能であり、前記キャビティは特に第２の部材に対して相補的またはカウンターパートの形状として成形されており、さらに第２の部材を前記キャビティに挿入することを含む。すなわち、第１のステップにおいて、付加方法によって第１の部材を製造することは開始し、ある時点まで行われる。その後、第２の部材は、それまでに製造された第１の部材のフラグメントに配置および／または挿入される。その後のステップにおいて、第１の部材の製造は継続され、第２の部材を包囲する第１の材料をさらに付加する。幾つかの実施の形態では、第１の部材の第１のフラグメントを製造する第１のステップは、第２の部材に対してカウンターパート形状として成形されたキャビティを形成するように第１の部材を作製することを含み、第２の部材はその後、第１の部材と同一平面を成すように収容される。作製方向が下から上である場合、前記キャビティに配置されたときの第２の部材の上端部は第１の部材の第１のフラグメントの上端部と同一平面を成している。これは、第１の部材の付加製造を継続するときに構成部品をその後再コーティングする際に有利であることが分かるであろう。この再コーティングは、第２の部材を被覆すること、特に第２の部材を第１の材料の金属粉末によって被覆することを含み、この金属粉末はその後溶融および再固化させられる。
【００１４】
方法は、少なくとも１つの平坦な面を有するように第２の部材を選択することを含んでもよく、第２の部材の横断面寸法は、少なくとも１つの平坦な面から始まって一定であるかまたは減少しており、特に前記平坦な面が上になるように第２の部材を配置することを含んでもよい。第２の部材は次いで、便利には、平坦な面を備える第１の部材の既に製造されたフラグメントに配置されてもよい。第２の部材の形状により、第１の材料を付加する次のステップのためにアンダカットは存在しない。同様に、第２の部材は便利には、第１の部材の第１のフラグメントに製造されたカウンターパートキャビティに配置されてもよいのに対し、第１の材料を付加するその後の製造ステップのために第１の部材のフラグメントとともに平坦な面を提供するように配置されてもよい。
【００１５】
第２の部材を付加することは、ロボットアームによって第２の部材を配置することを含んでもよい。これは、プロセスが、閉鎖されたプロセスチャンバにおいて、制御された条件において、および／またはシールディングガス雰囲気において行われるならば有効かつ有利であることが分かるであろう。
【００１６】
上に開示された本開示の教示を実施する様々なモードは容易に互いに組み合わされてもよいことが認められるであろう。
【００１７】
上に提供されおよび／または請求された教示の別の実施の形態および利点は当業者に容易に明らかになるであろう。
【００１８】
本開示の主題を、ここで、添付の図面に示された典型的な実施の形態によってさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の構成部品（図１ａ）と、本開示による構成部品（図１ｂ）とを示している。
【図２】本開示による構成部品を製造する２つの態様（図２ａ，図２ｂ）を示している。
【図３】製造プロセスの中間状態の平面図を示している。
【図４】本開示による構成部品の別の典型的な実施の形態を示している。
【図５】本開示による構成部品のさらに別の典型的な実施の形態を示している。
【００２０】
図面は極めて概略的であり、技術的説明に必要ない詳細は理解および説明を容易にするために省略されていることもあると理解される。図面は、選択された例示的な実施の形態のみを例として示しており、示されていない多くの実施の形態がさらに、本明細書において請求された主題の範囲に包含され得ることがさらに理解される。
【００２１】
本開示の教示を実施する典型的な態様
図１は、従来技術による構成部品と、本開示による構成部品との高温ガス側および冷却材側における典型的な温度分布を示している。図１ａおよび図１ｂの両方には、ガスタービンエンジンの高温ガス通路において使用されてもよい構成部品１が示されている。構成部品は、特に、例えばニッケル基合金などの高温合金から形成されていてもよい。構成部品１は、高温ガス流に対面する高温ガス側２と、冷却材流に対面する冷却材側３とを有する。さらに、高温ガス側２および冷却材側３における典型的な温度分布が示されている。高温ガス側における温度Ｔの分布は、高温ガス側における温度分布におけるピークによって示されているように、ホットスポットによって左右されてもよい。図１ａの下側部分に見られるように、温度分布は、均一に１つの材料のみから成る構成部品の場合、高温ガス側２から冷却材側３までの小さな距離にわたって、縁部においてのみ均一化している。図１ｂは、本開示による構成部品１を示している。構成部品１は、図１ａに示された従来技術の構成部品と同じ合金から形成された第１の部材１０を有する。第１の部材１０は、第２の材料から形成された第２の部材４を包囲している。第２の部材４が第１の部材１０によって包囲されているとは、第１の部材１０が第２の部材４を形状ロックしていることを意味する。部材４は形状ロッキングによって部材１０内の所定の位置に保持されているので、第１の部材１０と第２の部材４との間の接合は不要である。これは、第２の部材４を形成する第２の材料が、例えば溶接のために、部材１０を形成する第１の材料と適合している必要がないことを意味する。また、高温において破損するかもしれない接着剤は、２つの部材４および１０を接続するために使用する必要はない。さらに、構成部品１の構造的強度、特に高温における構成部品の構造的強度は、第１の部材１０によって完全に提供されてもよい。要するに、第２の部材４に使用される材料の選択の大きな自由度が提供される。特に、構成部品１の外面が第１の部材１０によって提供されるように第１の部材１０は第２の部材４を完全に囲繞してもよく、これは、ひいては、第１の材料から成る第１の部材１０のみが、高温および／または攻撃的な流体であり得る環境と接触することを意味する。第１の部材によって完全に包囲されているとは、第２の部材４のために使用される材料が、作動中に構成部品１が使用される条件下での第２の部材の耐久性に関していかなる要求をも満たす必要がないことを意味する。これは、さらに、第２の部材４に使用される材料の選択の自由度を高める。第２の部材４は、例えば高い熱伝導率を有する、すなわち第１の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から成ってもよい。このような第２の材料は、例えば銅であってもよく、非金属、例えばセラミック材料が選択されてもよく、または、第２の部材４が第１の部材１０によって完全に囲繞されているならば、エンジンの高温ガス通路における構成部品１の作動中に液化するような材料でさえ選択されてもよい。構成部品１を形成するために第１の部材１０内に包囲された板状または層状の第２の部材４を使用し、その場合、第２の部材４が、第１の部材１０を形成する材料よりも高い熱伝導係数を有する材料から形成されている結果、構成部品１を通じて高温ガス側２から冷却材側３へ伝導される熱は、構成部品１がその高温ガス側において不均一な温度分布に曝された場合に、横方向に分配される。これにより、図１ｂの下側部分に示された冷却材側における温度分布は、図１ａに示された場合と比較して温度ピークが低下させられかつ横方向領域の温度が上昇させられることによって均一化されている。これにより、構成部品１の熱負荷は、構成部品にわたって、より均一に分配され、さらに、冷却材側３上を流れる冷却材流がより効率的に使用される。高温ガス流と構成部品１の高温ガス側との間の熱伝達特性に応じて、高温ガス側２における構成部品の温度分布でさえ、第２の部材４における熱の分配により、より不均一でなくなることに注目すべきである。
【００２２】
以下では、本開示による構成部品を製造する方法を例示する。第２の部材が第１の部材によって包囲または特に囲繞されるように構成部品を製造するために、第１の部材は、製造プロセスの間に第２の部材を内包することができるように製造される必要がある。第２の部材は第１の部材１０によって包囲または囲繞されているので、第１の部材の製造が完了すると第２の部材を第１の部材に挿入するためのアクセスは存在しない。それを行う１つの方法は、第１の部材１０を個々のピースから組み立てることであろう。これらのピースは、例えば互いに溶接されてもよい。しかしながら、そのように構成部品を組み立てる方法は高価であり、さらに、例えば高温合金などの第１の部材１０のために使用される材料は、溶接および／または機械加工するのが困難であるかもしれない。したがって、例えば選択的レーザ溶融または選択的電子ビーム溶融などの付加製造プロセスを使用して構成部品１を製造することが提案される。
【００２３】
図２は、第１の部材を作製するために付加製造プロセスを使用して構成部品１を製造する典型的な態様を示している（図２ａおよび図２ｂ）。まず、付加製造法によってビルドプラットフォーム２０上に第１の部材の第１のフラグメント１１が製造される。付加製造法の例は、当該技術分野では自体公知であり、したがって詳細な説明は不要である。方法は、例えば、ビルドプラットフォーム上に金属粉末の層を配置し、粉末を選択的な位置において選択的に溶融および再固化させ、このように製造された固体材料の層を金属粉末の新たな層によって再コーティングし、固化した材料の先行する層上に配置された材料を再び溶融させかつ再固化させることを含む。配置、溶融および再固化プロセスを複数回反復した後、第１の部材の第１のフラグメント１１が製造される。図２ａに示された実施の形態では、平坦なフラグメント１１が製造されているが、図２ｂに示された実施の形態では、キャビティを有するタブ状のフラグメント１１が製造されている。次のステップでは、第１の部材を作製するために使用された材料とは異なる第２の材料から成る第２の部材４が、図２ａにおいてはフラグメント１１上に配置され、図２ｂにおいてはタブ状のフラグメント１１に形成されたキャビティ内に配置される。この限りにおいて、フラグメント１１におけるキャビティは、第２の部材４に対して相補的な形状を有するように製造されていてもよい。付加製造プロセスは閉鎖されたプロセシングチャンバにおいて行われてもよいため、第２の部材４を配置することは特にロボットアームによって行われてもよい。図２ｂに示された実施の形態では、第２の部材４とフラグメント１１とがそれらの上端部において互いに同一平面を成すように、第１のフラグメントは製造され、第２の部材４の厚さは選択される。キャビティと、第２の部材４とは、互いに相補的な形状を有する。これは、その後の再コーティングステップ、すなわち金属粉末の層を即座に第２の部材４およびフラグメント１１上に配置することを容易にするであろう。この限りにおいて、ここで提供された実施の形態における第２の部材４は、平坦な面、特に平坦な上面を有する。連続的なステップにおいて、第１の部材の付加製造は継続され、フラグメント１１を製造するために使用されるのと同じ材料である金属粉末の連続的な層を第２の部材４の側方または上方にそれぞれ配置し、各層における材料を溶融および再固化させる。第２の部材４が配置された後に付加製造プロセスによって製造される、結果として得られる構造が符号１２で示されている。図３は、第２の部材４が配置された後のビルドプラットフォームの平面図を示している。それぞれのセクションは、図２ａおよび図２ｂにおいて対応してマークされている。見られるように、製造が完了した後、第２の部材４は完全に第１の部材によって囲繞される。構成部品１の第１の部材を作製するために付加製造プロセスを使用する場合、前記第１の部材は、継目のない形式で、すなわち第２の部材を包囲する一体的な、ワンピースの部材として作製することができる。
【００２４】
製造プロセスの間に第１の部材が再固化しながら第１の部材の材料が収縮することにより、第１の部材内で第２の部材の締りばめが達成されてもよいことに注目すべきである。さらに、構成部品１が高温で作動するためのものであり、第２の部材を形成する第２の材料の熱膨張係数が、包囲する第１の部材を形成する第１の材料の熱膨張係数よりも高い場合には、前記締りばめは作動中に助長される。これにより、第１の部材内での第２の部材の起こりえるがたつきが回避される。
【００２５】
図４および図５は、本開示による構成部品１の別の実施の形態を示している。両ケースでは、第２の部材４は構成部品１の表面まで延びている。第２の部材４は、依然として第１の部材１０によって包囲されるように成形されているが、完全には囲繞されていない。特に、第１の部材１０を形成する材料よりも高い熱伝導率を有する材料から形成された第２の部材が、構成部品１の冷却材面または側３まで延びていると、冷却側に向かう熱の伝導が高められることがある。図４の実施の形態では、第２の部材４はほぼ板状または層状であり、冷却材側３まで延びている。図５の実施の形態では、複数の洋梨形の第２の部材が配置されており、構成部品１の冷却材側３まで延びている。
【００２６】
開示の主題は典型的な実施の形態によって説明されているが、これらの実施の形態は、請求された発明の範囲を限定しようとするものではないことが理解される。請求項は、本明細書に明示的に示されていないまたは開示されていない実施の形態をもカバーしており、本開示の教示を実施する典型的な態様において開示されたものから逸脱する実施の形態は、依然として請求項によってカバーされる。
【符号の説明】
【００２７】
１  構成部品
２  高温ガス側
３  冷却材側
４  第２の部材
１０  第１の部材
１１  第１の部材のフラグメント
１２  第１の部材のフラグメント（結果として得られる構造）
２０  ビルドプラットフォーム
Ｔ  温度
【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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【外国語明細書】
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