(57)【要約】【課題】本発明は、外表面を有する本体、外表面に形成された１以上の溝、及び溝に少なくとも部分的に挿入されてその上を覆う材料ストリップを提供する。【解決手段】ターボ機械用回転部品（１０）は、外表面（１４）を有する本体（１２）、外表面（１４）に形成された１以上の溝（１６）、及び溝（１６）に少なくとも部分的に挿入されてその上を覆う材料ストリップ（１８、１１８）を含む。材料ストリップ（１８、１１８）は、溝（１６）を覆った状態で本体（１２）に熱接合され、通路（２０）を形成する。溝（１６）と反対側に仕上げ外表面（２４）を有する材料ストリップ（１８、１１８）は、溝（１６）の形成前の本体（１２）の対応する外表面（１４）と実質的に一致する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外表面（２２）を有する本体（１２）と、
外表面（２２）に形成された１以上の溝（１６）と、
溝（１６）に少なくとも部分的に挿入されてその上を覆う材料ストリップ（１８、１１８）と
を備えるターボ機械用の回転部品（１０）であって、
材料ストリップ（１８、１１８）が溝（１６）を覆った状態で本体（１２）に熱接合されて通路（２０）を形成し、溝（１６）と反対側に仕上げ外表面（２４）を有する材料ストリップ（１８、１１８）が、溝（１６）の形成前の本体（１２）の対応する外表面（２２）と実質的に一致する、部品（１０）。
【請求項２】
本体（１２）が金属からなる、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項３】
材料ストリップ（１８、１１８）が予備焼結プリフォームろう材である、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項４】
予備焼結プリフォームろう付けからなる材料ストリップ（１８、１１８）のベース合金粒子が、重量基準で、
約５．４〜約５．７％のＡｌ、約０．０６〜約０．０９％のＣ、約８．０〜約８．５％のＣｒ、約９．０〜約９．５％のＣｏ、約０．１％以下（存在しても存在しなくてもよい）のＭｎ、約０．２５％以下（存在しても存在しなくてもよい）のＳｉ、約９．３〜約９．７％のＷ、及び残部のＮｉ、
約６．６〜７．０％のＣｒ、約１１．４５〜１２．０５％のＣｏ、約５．９４〜６．３０％のＡｌ、約０．０２％のＴｉ、約４．７０〜５．１０％のＷ、約１．３〜１．７％のＭｏ、約２．６〜３．０％のＲｅ、約６．２０〜６．５０％のＴａ、約１．３〜１．７％のＨｆ、約０．１０〜０．１４％のＣ、約０．００３５％のＭｎ、約０．０３％のＺｒ、約０．０１〜０．０２％のＢ、約０．２％のＦｅ、約０．０６％のＳｉ、約０．１％のＫ、約０．００４％のＳ、約０．１％のＮｂ、及び残部のＮｉ、
約７．６％のＣｒ、約３．１％のＣｏ、約７．８％のＡｌ、約５．５％のＴａ、約０．１％のＭｏ、約３．９％のＷ、約１．７％のＲｅ、約０．１５％のＨｆ、約０．０２％のＣ、約０．０１５％のＢ、及び残部のＮｉ、或いは
約０．１３〜０．１９％のＣ、約０．４％のＳｉ以下、約０．７０〜１．００％のＭｎ、約０．０２５％以下のＰ、約０．０２０〜０．０４０％のＳ、約０．６０〜１．００％のＣｒ、０．８０〜１．１０％のＮｉ、０．０２０〜０．０５０％のＡｌ
の組成を有する、請求項３に記載の部品（１０）。
【請求項５】
ろう付け材料（１８、１１８）が、重量基準で、
約１３〜約１５％のＣｒ、約９〜約１１％のＣｏ、約３．２〜約３．８％のＡｌ、約２．２〜約２．８％のＴａ、約２．５〜約３．０％のＢ、約０．１０％以下（存在しても存在しなくてもよい）のＹ、及び残部のＮｉ、
約７１％のＮｉ、約１９％のＣｒ、約１０％のＳｉ、
約１４〜約１６％のＣｏ、約１９〜約２１％のＣｒ、約４．６〜約５．４％のＡｌ、約０．０２以下のＢ、約０．０５以下のＣ、約７．５〜約８．１％のＳｉ、約０．０５以下のＦｅ、及び残部のＮｉ、或いは
約１５．３％のＣｒ、約１０．３％のＣｏ、約３．５％のＴａ、約３．５％のＡｌ、約２．３％のＢ、及び残部のＮｉ
の組成を有する、請求項３に記載の部品（１０）。
【請求項６】
溝（１６）が本体（１２）の外表面（２２）に対して実質的に均一な深さを有する、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項７】
溝（１６）が本体（１２）の外表面（２２）に対して複数の深さを有する、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項８】
溝（１６）が複数の幅を有する、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項９】
溝（１６）が実質的に均一な断面を有する、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項１０】
溝（１６）が複数の断面を有する、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項１１】
予備焼結プリフォームが約０．００５〜約０．２５インチの厚さを有する、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項１２】
溝（１６）の少なくとも一部がＵ字形、Ｖ字形、矩形、多角形、曲線形の断面の少なくとも１つを画成する、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項１３】
ターボ機械用回転部品（１０）を冷却するための方法であって、
外表面（２２）を有する本体（１２）を備える回転部品（１０）を用意するステップと、
外表面（２２）に１以上の溝（１６）を形成するステップと、
１以上の予備焼結材料ストリップ（１８、１１８）を準備するステップと、
予備焼結材料ストリップ（１８、１１８）を溝（１６）に少なくとも部分的に挿入して、溝を覆うように配置するステップと、
ストリップを溝（１６）を覆った状態で本体（１２）に熱接合するステップと、
材料ストリップ（１８、１１８）の外表面（２２）が溝（１６）の形成前の本体（１２）の対応する外表面（２２）と実質的に一致するように、溝（１６）と反対側の材料ストリップ（１８、１１８）の外表面（２２）から材料（１８、１１８）を除去するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
外表面（２２）上に少なくとも１層の金属コーティング、外表面（２２）上に金属コーティング及び上層遮熱コーティング、外表面（２２）上に遮熱コーティングを施工するステップをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項１５】
ストリップ（１８、１１８）の本体（１２）への熱接合を、約２０５０〜約２３００°Ｆの温度での約５〜約６０分間のろう付けにより達成する、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体としてターボ機械用部品及びターボ機械用部品を冷却するための方法に関し、より具体的には、ターボ機械用回転部品及びターボ機械用回転部品を冷却するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンブレード等の回転部品は、ターボ機械用等の高温環境で高強度を要する用途に使用されることが多い。これらの部品を冷却することが望ましい。
【０００３】
これに応じて、放電加工（「ＥＤＭ」）及び成形管電解加工（ＳＴＥＭ）等の従来とは異なる加工法を使用し、タービンブレードの根元及びコア部分を通って半径方向に延在する冷却チャネルが形成されている。残念なことに、これらの加工法はタービンブレードの複雑な翼形部形状及び肉厚に対してチャネルの大きさ、形状及び位置に制限を有することから、冷却チャネルの先進的な設計を達成することは困難又は不可能である。
【０００４】
代替方法として、米国特許第３８５６４３３号明細書、第４１３４７０９号明細書及び第４３１１４３３号明細書は、ブレード翼形部表面における長手方向の溝の形成、及び翼形部表面全体を覆う有孔外被を含む、共形的上層外被の適用を公開している。
【０００５】
しかし、共形的上層外被は翼形部表面の周縁断面を増大させるため、この構造を利用するには、タービンブレードの設計において上層外被の厚みを考慮しなければならない。すなわち、周縁翼形部表面に沿った材料の付加は、ターボ機械の効率低下をもたらす可能性がある。その結果、本来設計された周縁翼形部表面を維持するために、上層外被が占める体積量に相当する量のブレード材料を周縁翼形部表面から除去しなければならない。ブレードが曝される稼働温度は効率向上のために上昇していくため、周縁翼形部表面に沿った材料のこれほどの量の除去は困難な課題となる可能性がある。このようにますます厳しい稼働要件を満たすに当たって、結果として得られる「薄い」ブレードの構造強度が十分ではない可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８３９８３７１号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、外表面を有する本体、外表面に形成された１以上の溝、及び溝に少なくとも部分的に挿入されてその上を覆う材料ストリップに関する。材料ストリップは、溝を覆った状態で本体に熱接合され、通路を形成する。材料ストリップは、溝の形成前の本体の対応する外表面に実質的に一致する、溝と反対側の仕上り外表面を有する。
【０００８】
本発明は、さらに、ターボ機械用回転部品を冷却するための方法に関する。方法は、外表面を有する本体を含む回転部品を用意するステップと、外表面に１以上の溝を形成するステップと、１以上の予備焼結材料ストリップを準備するステップと、予備焼結材料ストリップを溝に少なくとも部分的に挿入して、溝を覆うように配置するステップと、ストリップを溝を覆った状態で本体に熱接合するステップとを含む。方法は、材料ストリップの外表面が溝の形成前の本体の対応する外表面と実質的に一致するように、溝と反対側の材料ストリップの外表面から材料を除去するステップをさらに含む。
【０００９】
本発明の他の特徴及び利点は、例として本発明の原理を示す添付図面と併せ、以下の好ましい実施形態についてのより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ターボ機械で使用する例示的回転部品の正面図である。
【図２】回転部品の溝に材料ストリップを挿入する以前の回転部品の、図１の線２−２に沿った断面図である。
【図３】回転部品及び挿入した材料ストリップの、図２の断面図の部分拡大図である。
【図４】材料ストリップの一部を除去後の回転部品及び挿入した材料ストリップの、図２の断面図の部分拡大図である。
【図５】回転部品及び回転部品の溝に挿入した材料ストリップの、図２の断面図の部分拡大図の実施形態である。
【図６】材料ストリップの一部を除去した後の回転部品及び挿入した材料ストリップの、図２の断面図の部分拡大図の実施形態である。
【図７】ターボ機械で使用する回転部品に形成された溝の例示的実施形態の正面図である。
【図８】材料ストリップの一部を除去した後の回転部品及び挿入した材料ストリップの、図２の断面図の部分拡大図の実施形態である。
【図９】ターボ機械用回転部品を冷却するための、本発明の製造方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、例示的回転部品又はブレード又はタービンブレード１０を示す。タービンブレード１０は、溝１６が形成された外表面１４を有する本体１２を含む。図１の線２−２からの断面図である図２に示すように、予備焼結プリフォーム等の材料ストリップ１８を、対応する溝１６に少なくとも部分的に挿入されてその上を覆う。材料ストリップ１８を対応する溝１６に部分的に挿入して上を覆った後、好ましくは真空中で行うろう付け等により、材料ストリップ１８が本体１２に熱接合される、これについては以下でさらに詳細に説明する。部分的に挿入した材料ストリップ１８及び溝１６は、ターボ機械（図示せず）の稼働中にタービンブレード１０を冷却するための流体を受ける通路２０（図３）を形成する。図３にさらに示すように、部分的に挿入した材料ストリップ１８は、溝１６とは反対側に面する外表面２２を有する。材料ストリップ１８を本体１２に熱接合した後、次に図４に示すように、材料ストリップ１８に切削加工又は他の適切な加工を施し、材料ストリップ１８の外表面２２から材料を除去する。切削、研削又は他の適切な材料除去加工を完了すると、材料ストリップ１８から除去した材料２６の結果として仕上げ外表面２４が得られ、仕上げ外表面２４は、溝１６の形成前のタービンブレード１０の本体１２の対応する外表面１４と実質的に一致する。
【００１２】
一実施形態では、図５及び図６に示すように、材料ストリップ１１８を対応する溝１１６に少なくとも部分的に挿入されてその上を覆う。材料ストリップ１１８は対向する一対のフランジ１２３を有し、溝１１６はフランジ１２３を共形的に受けるように構成された対向する凹部を有する。材料ストリップ１１８を対応する溝１１６に部分的に挿入して上を覆った後、ろう付け等により材料ストリップ１１８を本体１２に熱接合するが、これについては以下でさらに詳細に説明する。部分的に挿入した材料ストリップ１１８及び溝１１６は、ターボ機械（図示せず）の稼働中にタービンブレード１０を冷却する流体を受けるための通路１２０を形成する。図５にさらに示すように、部分的に挿入した材料ストリップ１１８は、溝１１６とは反対側に面する外表面１２２を有する。材料ストリップ１１８を本体１２に熱接合した後、次に図６に示すように、材料ストリップ１１８に切削もしくは研削加工、又は他の適切な加工を施し、材料ストリップ１１８の外表面１２２から材料を除去する。切削、研削又は他の適切な材料除去加工を完了すると、材料ストリップ１１８から除去した材料１２６の結果として仕上げ外表面１２４が得られ、仕上げ外表面１２４は、溝１１６の形成前のタービンブレード１０の本体１２の対応する外表面１４と実質的に一致する。一実施形態では、図８は、溝１１６の形成前のタービンブレード１０の本体１２の対応する外表面１４と実質的に一致する、材料ストリップ２１８の仕上げ外表面２２４を示す。別の言い方をすれば、仕上げ外表面１２４，２２４を組み込んで、外表面１４に隣接する表面を平滑にする。
【００１３】
図７は、本体１２に形成した溝の例示的実施形態を示す。溝の他の実施形態が形成可能であり、本発明に包含されるものと意図されることは理解されるべきである。例えば、溝１６は、翼形部の実質的に全長にわたって翼形部表面又は外表面１４に半径方向外側に延在してもよいが、部分的な長さの溝４６、５６を外表面１４に形成してもよい。図７にさらに示すように、１以上の溝の交点６７を有する溝６８、７０等の、交差している溝６６を外表面１４に形成してもよい。ジグザグの溝３６及び曲線状の溝７６を、さらに図７に示す。任意の溝は、翼形部の長さに対して任意の方向で実質的に軸方向に（直線状に）及び／又は蛇行を含む曲線状に、少なくとも部分的に延在してもよいし、実質的に均一な断面又は複数の断面を有してもよいことを理解するべきである。さらに、溝の断面形状の少なくとも一部は、Ｕ字形、Ｖ字形、多角形及び／又は曲線形の断面を画成してもよい。溝は、翼形部表面に対して実質的に均一な深さを有しても、又は翼形部表面に対して複数の深さを有してもよい。溝の配置及び断面形状は、翼形部のより均一な温度をもたらす。
【００１４】
溝は、約０．０１〜約０．１３インチ、約０．０２〜約０．１０インチ、約０．０３〜約０．０８インチ、約０．０５〜約０．０７インチ、約０．０６インチ、又は任意の適切な範囲もしくはその部分範囲の深さを有することができる。溝は、約０．０１〜約０．２５インチ、約０．０５〜約０．２０インチ、約０．１０〜約０．１５インチ、約０．１２インチ、又は任意の適切な範囲もしくはその部分範囲の幅を有することができる。材料ストリップ１８（たとえば、予備焼結した材料）は、約０．００５〜約０．２５インチ、約０．０１〜約０．２インチ、約０．０５〜約０．１５インチ、約０．１〜約０．１３インチ、約０．１２インチ、又は任意の適切な範囲もしくはその部分範囲の厚さを有することができる。
【００１５】
図９は、タービンブレード等のターボ機械で使用する回転部品を生産するための本発明の製造方法を説明するフローチャートであるが、他の方法を使用してもよい。本明細書において、用語「ａ」及び「ａｎ」（１つの）は、「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ」（１以上の）又は接尾辞「（ｓ）」（単数又は複数）を伴う用語と互換的に使用する。工程の最初のステップ１００は、回転部品の外表面に１以上の溝を形成することを主として含む。１以上の溝を回転部品の外表面に形成した後、次のステップ１０２は、１以上の予備焼結したストリップ又は予備焼結プリフォームろう付け材料ストリップ１８、１１８の準備を含む（図１）。予備焼結プリフォーム１８、１１８に適した材料は、超合金等の、部品の合金と同一の組成を有する合金粒子を主成分とする混合物を含むが、これに限定されるものではない。
【００１６】
一実施形態では、超合金は、重量基準で、約５．４〜約５．７％のＡｌ、約０．０６〜約０．０９％のＣ、約８．０〜約８．５％のＣｒ、約９．０〜約９．５％のＣｏ、約０．１％以下（存在しても存在しなくてもよい）のＭｎ、約０．２５％以下（存在しても存在しなくてもよい）のＳｉ、約９．３〜約９．７％のＷ、残部のＮｉ及び不可避不純物の組成を有する。
【００１７】
一実施形態では、超合金は、重量基準で、約６．６〜７．０％のＣｒ、約１１．４５〜１２．０５％のＣｏ、約５．９４〜６．３０％のＡｌ、約０．０２％のＴｉ、約４．７０〜５．１０％のＷ、約１．３〜１．７％のＭｏ、約２．６〜３．０％のＲｅ、約６．２０〜６．５０％のＴａ、約１．３〜１．７％のＨｆ、約０．１０〜０．１４％のＣ、約０．００３５％のＭｎ、約０．０３％のＺｒ、約０．０１〜０．０２％のＢ、約０．２％のＦｅ、約０．０６％のＳｉ、約０．１％のＫ、約０．００４％のＳ、約０．１％のＮｂ、残部のＮｉ及び不可避不純物の組成を有する。
【００１８】
一実施形態では、超合金は、重量基準で、約７．６％のＣｒ、約３．１％のＣｏ、約７．８％のＡｌ、約５．５％のＴａ、約０．１％のＭｏ、約３．９％のＷ、約１．７％のＲｅ、約０．１５％のＨｆ、約０．０２％のＣ、約０．０１５％のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物の組成を有する。
【００１９】
一実施形態では、超合金は、重量基準で、約０．１３〜０．１９％のＣ、約０．４％のＳｉ以下、約０．７０〜１．００％のＭｎ、約０．０２５％以下のＰ、約０．０２０〜０．０４０％のＳ、約０．６０〜１．００％のＣｒ、０．８０〜１．１０％のＮｉ、０．０２０〜０．０５０％のＡｌ、及び不可避不純物の組成を有する。
【００２０】
一実施形態では、ろう付け材料は、重量基準で、約１３〜約１５％のＣｒ、約９〜約１１％のＣｏ、約３．２〜約３．８％のＡｌ、約２．２〜約２．８％のＴａ、約２．５〜約３．０％のＢ、約０．１０％以下（存在しても存在しなくてもよい）のＹ、残部のＮｉ及び不可避不純物の組成を有する。
【００２１】
一実施形態では、ろう付け材料は、重量基準で、約７１％のＮｉ、約１９％のＣｒ、約１０％のＳｉの組成を有する。
【００２２】
一実施形態では、ろう付け材料は、重量基準で、約１４〜約１６％のＣｏ、約１９〜約２１％のＣｒ、約４．６〜約５．４％のＡｌ、約０．０２以下のＢ、約０．０５以下のＣ、約７．５〜約８．１％のＳｉ、約０．０５以下のＦｅ、残部のＮｉ及び不可避不純物の組成を有する。
【００２３】
一実施形態では、ろう付け材料は、重量基準で、約１５．３％のＣｒ、約１０．３％のＣｏ、約３．５％のＴａ、約３．５％のＡｌ、約２．３％のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物の組成を有する。
【００２４】
混合物は、所望の特性を提供する任意の適切な混合比を有する。例えば、ろう付け材料粒子に対するベース合金粒子の適切な重量比は、約９０／１０〜約３０／７０、約７５／２５〜約３５／６５、約６５／３５〜約５０／５０、約７０／３０、及び任意の適切な範囲又はその部分範囲である。混合物は不活性雰囲気中で、適切な圧力で、並びにろう材及び超合金粒子の固相線温度よりも低い温度で、適切な気孔率が達成されるまで予備焼結する。予備焼結プリフォーム材料ストリップは、約０．００５〜約０．２５０インチ、約０．０１〜約０．２３インチ、約０．０１５〜約０．２０インチ、約０．０２インチ、及び任意の適切な範囲又はその部分範囲の厚さを有する。厚さは実質的に均一であってもよいし、予備焼結プリフォーム材料ストリップの長さに従って変化してもよいことを理解すべきである。
【００２５】
予備焼結プリフォームろう付け材料ストリップ（単数又は複数）を、回転部品に形成された対象となる特定の溝（単数又は複数）に対応する形状及び輪郭で用意した後、次のステップ１０４は、予備焼結したろう付け材料ストリップ（単数又は複数）を溝に少なくとも部分的に挿入して、溝を覆うように配置することを含む。任意選択で、予備焼結材料ストリップ（単数又は複数）を、さらなる加工に備えて適切な位置にスポット溶接してもよい。予備焼結したストリップ（単数又は複数）を配置した後、次のステップ１０６は、予備焼結したストリップ（単数又は複数）を回転部品に熱接合し、溝の上を覆うことを含む。例えば、熱接合は、ろう付け温度約２０５０〜約２３００°Ｆ、約２１００〜約２２５０°Ｆ、約２１５０〜約２２００°Ｆ、約２１５０°Ｆ、及び任意の適切な範囲又はその部分範囲で、ろう付け保持時間約５〜約６０分、約１５〜約５０分、約２５〜約４０分、約３０〜約３５分、約３０分、及び任意の適切な範囲又はその部分範囲の間、真空中で予備焼結したストリップ（単数又は複数）を回転部品にろう付けすることによって達成することができる。
【００２６】
予備焼結材料ストリップを溝の上を覆って回転部品に熱接合した後、次のステップ１０８は、予備焼結したストリップ（単数又は複数）の外表面を組み込んで、外表面又は翼形部表面に隣接する表面を前述したように一致させるため、予備焼結したろう付け材料ストリップ（単数又は複数）から材料を除去することを含む。
【００２７】
十分な量の材料を予備焼結したろう付け材料ストリップ（単数又は複数）から除去した後、任意選択で、次のステップ１１０は、回転部品の外表面上に少なくとも１層の金属コーティング、回転部品の外表面上に金属コーティング及び上層遮熱コーティング、回転部品の外表面上に遮熱コーティングを施工する等の、回転部品にコーティングを施工することを含む。
【００２８】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、その要素を等価物で置換できることを当業者は理解するであろう。さらに、本発明の本質的な範囲を逸脱せずに特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させるために、多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付した特許請求の範囲に入るすべての実施形態を含むことが意図されている。
【符号の説明】
【００２９】
１０  回転部品（タービンブレード）
１２  本体
１４  （本体の）外表面
１６、１１６  溝
１８、１１８、２１８  材料ストリップ（ろう付け材料）
２０、１２０  通路
２２、１２２  （材料ストリップの）外表面
２４、１２４、２２４  仕上り外表面
２６、１２６  除去した材料
３６  ジグザグの溝
４６、５６  部分的な長さの溝
６６  交差している溝
６７  溝の交点
６８、７０  交点を有する溝
７６  曲線状の溝
１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０  ステップ
１２３  フランジ
【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】
2017067065.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
2017067065000001.pdf