(57)【要約】  ターボ機械構成部品を作るための方法は以下のステップを含む。（ａ）ターボ機械構成部品（１）の膨大部に相当する中空容積（１１Ｖ）を取り囲むスキンを有するターボ機械構成部品（１）の複数の個別のセグメント（１Ｓ）を付加製造によって製造するステップ（ｂ）合体させて内部に中空空洞を有する半製品の構成部品を形成するようにターボ機械構成部品の個別のセグメントを組み立てるステップ（ｃ）半製品の構成部品の空洞をバルク状の流動可能な材料で満たすステップ（ｄ）空洞内のバルク状の流動可能な材料を高密度化および固化するステップ【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）前記ターボ機械構成部品（１）の複数の個別のセグメント（１Ｓ）を付加製造によって製造するステップであって、前記個別のセグメント（１Ｓ）の少なくともいくつかが、前記ターボ機械構成部品（１）の膨大部に相当する少なくとも１つの中空容積（５Ｖ、１１Ｖ）を取り囲むスキン（５Ｓ、１１Ｓ）を有する、ステップと、
（ｂ）前記ターボ機械構成部品（１）の前記個別のセグメント（１Ｓ）を合体させて半製品の構成部品を形成するように組み立てるステップであって、前記セグメント（１Ｓ）の前記中空容積（５Ｖ、１１Ｖ）が前記半製品の構成部品内に少なくとも１つの内部空洞（５Ｃ、１１Ｃ）を形成する、ステップと、
（ｃ）前記半製品の構成部品の前記少なくとも１つの内部空洞（５Ｃ、１１Ｃ）をバルク状の流動可能な材料で満たすステップと、
（ｄ）バルク状の流動可能な材料で満たされた前記少なくとも１つの内部空洞（５Ｃ、１１Ｃ）を封止的に閉鎖するステップと、
（ｅ）前記少なくとも１つの内部空洞（５Ｃ、１１Ｃ）内の前記バルク状の流動可能な材料を高密度化および固化するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記ターボ機械構成部品（１）の前記セグメント（１Ｓ）が第１の粉末材料で製造される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１の粉末材料が第１の金属粉末である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記バルク状の流動可能な材料が第２の粉末材料である、請求項１、２、または３記載の方法。
【請求項５】
前記第２の粉末材料が第２の金属粉末である、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記第２の粉末材料が前記第１の粉末材料とは異なる、請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
前記第１の粉末材料が前記第２の粉末材料より小さな粒径を有する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記バルク状の流動可能な材料が熱間等方圧加圧によって高密度化および固化される、請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記第１の粉末材料が１０マイクロメートルと４８マイクロメートルとの間の平均粒径を有し、前記第２の粉末材料が５０マイクロメートルと１００マイクロメートルとの間の平均粒径を有する、請求項８項記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の粉末材料と前記第２の粉末材料が異なる化学成分を有する、請求項５乃至９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の粉末材料が超合金粉末である、請求項２乃至１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記超合金がニッケル基超合金、チタン合金よりなるグループから選択される、請求項１１項記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の粉末材料がステンレス鋼、炭素鋼、ニッケル基超合金、チタン合金、アルミニウム合金よりなるグループから選択された粉末である、請求項４乃至１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記バルク状の流動可能な材料が硬化可能な材料であり、前記バルク状の流動可能な材料が硬化によって高密度化および固化される、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの内部空洞（５Ｃ、１１Ｃ）を取り囲むスキン（５Ｓ、１１Ｓ）を貫通して延在する少なくとも２つの開口（２１、２３、２５、２７）を設けるステップと、
前記少なくとも一方の内部空洞（５Ｃ、１１Ｃ）を前記開口（２１、２３、２５、２７）のうちの一方を通してバルク状の流動可能な材料で満たし、前記開口（２１、２３、２５、２７）の他方から気体状物質を除去するステップと、
前記開口（２１、２３、２５、２７）を封止的に閉鎖するステップと
を含む請求項１乃至１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
各開口（２１、２３、２５、２７）に空の押し湯部（２１Ａ、２３Ａ、２５Ａ、２７Ａ）を設けるステップと、
前記押し湯部（２１Ａ、２３Ａ、２５Ａ、２７Ａ）をバルク状の流動可能な材料で満たすステップと
をさらに含み、
前記開口（２１、２３、２５、２７）を封止的に閉鎖する前記ステップが、バルク状の流動可能な材料で満たされた前記押し湯部（２１Ａ、２３Ａ、２５Ａ、２７Ａ）を封止的に閉鎖するステップを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記ターボ機械構成部品（１）が、ハブ（１１）を有するディスク（３）、および前記ディスク（３）の表面から延在する複数のブレード（７）より構成される遠心または求心ターボ機械のインペラ（１）である、請求項１乃至１６のいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの内部空洞（５Ｃ、１１Ｃ）が前記インペラディスク（３）の前記ハブ（１１）内に配置された、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記インペラ（１）がさらにシュラウド（５）を備え、前記ブレード（７）が前記ディスク（３）と前記シュラウド（５）との間を接続して延在する、請求項１７または１８記載の方法。
【請求項２０】
前記シュラウド（５）がさらに、前記高密度化するステップで高密度化されたバルク状の流動可能な材料で満たされた内部空洞（５Ｃ、１１Ｃ）を含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
各個別のセグメント（１Ｓ）が、前記ブレード（７）のうちの１枚と前記インペラ（１）の前記ディスク（３）の部分とを含む、請求項１７乃至２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
請求項１９または２０に従属するとき、各個別のセグメント（１Ｓ）が前記シュラウド（５）の部分を含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
ハブ（１１）を有するディスク（３）、および前記ディスク（３）から延在する複数のブレード（７）を含むターボ機械インペラ（１）であって、前記ディスク（３）が、高密度化および固化された材料で満たされ、スキン（５Ｓ、１１Ｓ）によって取り囲まれた少なくとも膨大部を含む、ターボ機械インペラ（１）。
【請求項２４】
前記膨大部が、前記インペラ（１）の回転軸の周りに環状の延在部を有する、請求項２３記載のターボ機械インペラ（１）。
【請求項２５】
前記膨大部が前記ディスク（３）の前記ハブ（１１）内に配置された、請求項２４記載のターボ機械インペラ（１）。
【請求項２６】
シュラウド（５）をさらに備え、前記ブレード（７）が前記ディスク（３）と前記シュラウド（５）との間を接続して延在する、請求項２３、２４、または２５記載のターボ機械のインペラ（１）。
【請求項２７】
前記シュラウド（５）にさらなる膨大部が設けられ、前記さらなる膨大部が高密度化および固化された材料で満たされ、スキン（５Ｓ、１１Ｓ）によって取り囲まれた、請求項２６記載のターボ機械のインペラ（１）。
【請求項２８】
前記高密度化および固化された材料が高密度化および固化された粉末材料である、請求上２３乃至２７のいずれか１項記載ターボ機械のインペラ（１）。
【請求項２９】
前記高密度化および固化された材料が硬化された樹脂を含む、請求上２３乃至２７のいずれか１項記載ターボ機械のインペラ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はターボ機械の製造に関する。より詳細には、本明細書で開示する主題は、具体的には、限定するものではないが、ターボ機械インペラ、例えば、遠心ポンプおよび遠心圧縮機用のインペラなどのターボ機械構成部品を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械は、１つまたは複数の回転構成部品、および１つまたは複数の静止構成部品を備える。ターボ機械を通って流れる流体は、回転構成部品の回転運動によって加速させられ、静止構成部品で減速させられ、ここで、流体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する。
【０００３】
遠心ポンプおよび圧縮機などの遠心ターボ機械は通常、回転軸に取り付けられて回転する１つまたは複数のインペラより構成される。軸はケーシングに支持される。各インペラは、前面および背面を有するディスクより構成され、回転軸に取り付けるために中央の穴が設けられる。ブレードはディスクの前面から延在し、それらの間に流体通路を画定する。インペラはさらにシュラウドを備えることができ、シュラウドはブレードに接続され、ディスクの反対側で流体通路を塞ぐ。
【０００４】
隣接するブレードの間に形成される流体通路は通常、複雑な形状を有しており、その形状は、流体力学的に検討することによって決められる。各インペラはディフィーザと組み合わされ、ディフューザは、インペラから加速された流体を受け入れ、流体の運動エネルギーはこの中で圧力エネルギーに変換され、このようにして流体圧力を増大させる。ディフューザは通常、機械のケーシング内に収納された、いわゆる静止隔壁に形成される。
【０００５】
流体の流れと相互作用するターボ機械構成部品はかなり複雑な形状をしていることが多い。これは、静止構成部品、およびインペラなどの回転構成部品の両方に当てはまる。
【０００６】
時には、ディフューザおよびインペラなどの複雑なターボ機械構成部品の製造は数値制御の切削除去加工によって行われる。しかしながら、あらゆる流体力学的な面が切削除去工具によって加工できるわけではないので、切削除去による加工はいくつかの種類のディフューザおよびインペラに限定される。
【０００７】
ターボ機械インペラを製造するための別の選択肢には、いわゆる放電加工（ＥＤＭ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）によるものがあり、この技法では、ディスクの形状をした被加工物が誘電液体中に置かれて電極と相互作用する。被加工物と電極との間に電位差がかかると、電気火花が生じ、これが被加工物の表面を侵食する。電極は、要求される空洞を侵食によって得るような形状となっている。最終インペラ形状が得られるまで、種々の電極を有する種々の工具を順番に使用して被加工物を加工する。
【０００８】
ＥＤＭにもまた限界と欠点があり、これは、具体的には、要求されるインペラの最終形状を達成するために異なる形状のいくつかの電極を使用する必要があることによるものである。電極は摩耗しやすく、たびたび交換しなければならない。さらに、放電加工はかなり時間のかかるプロセスである。
【０００９】
したがって、特に、限定するものではないが、ポンプおよび圧縮機用の遠心インペラなどの複雑なターボ機械構成部品を製造する改善された方法に対する必要性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ＬＩＵ  Ｊ  Ｈ  ＥＴ  ＡＬ：「Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｎｅａｒ  ｄｅｎｓｅ  ｍｅｔａｌ  ｐａｒｔｓ  ｖｉａ  ｉｎｄｉｒｅｃｔ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｌａｓｅｒ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｗｉｔｈ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ」、ＡＰＬＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  Ａ；ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＳＣＩＥＮＣＥ  ＆  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ、ＳＰＲＩＮＧＥＲ、ＢＥＲＬＩＮ、ＤＥ、ｖｏｌ．８９、ｎｏ．３、２００７年６月２８日、７４３〜７４８ページ
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書で開示する主題のいくつかの実施形態によれば、付加製造による大型のターボ機械構成部品の製造を、付加製造装置の構造によって課せられた限界を克服して可能にする方法が提供される。本明細書で開示する主題の実施形態によれば、ターボ機械構成部品の複数の個別のセグメントを付加製造によって製造するステップ含む方法が提供される。ここで、個別のセグメントの少なくともいくつかは、ターボ機械構成部品の膨大部に相当する少なくとも１つの中空容積を取り囲むスキンを有する。本方法はさらに、ターボ機械構成部品の個別のセグメントを合体させて半製品のターボ機械構成部品を形成するように組み立てるステップを含むことができる。したがって、個別のセグメントの中空容積は半製品のターボ機械構成部品内に少なくとも１つの内部空洞を形成する。いくつかの実施形態によれば、内部空洞は環状の延在部を有する。本明細書で開示する方法の例示的な実施形態によれば、半製品のターボ機械構成部品の少なくとも１つの内部空洞をバルク状の流動可能な材料で満たすステップがさらに提供される。
【００１２】
いくつかの実施形態によれば、バルク状の流動可能な材料は液体または半液体材料とすることができる。いくつかの例示的な実施形態では、バルク状の流動可能な材料は液相中に懸濁された固体材料の微粒子を含むことができる。本開示の他の実施形態によれば、バルク状の流動可能な材料は粉末状とすることができる。
【００１３】
本明細書で開示する実施形態によれば、本方法はさらに、バルク状の流動可能な材料で満たされた少なくとも１つの内部空洞を封止的に閉鎖するステップを含むことができる。バルク状の流動可能な材料は高密度化されて固体材料に変換され、内部空洞を満たしてターボ機械構成部品の内部コアを形成することができる。
【００１４】
本明細書で開示する主題の例示的な実施形態は、内部空洞を粉末材料で満たして、熱間等方圧加圧、すなわち、いわゆる「ＨＩＰ」によって粉末材料を高密度化するステップを含む。
【００１５】
気体状物質は、内部空洞を封止する前に、半製品のターボ機械構成部品から除去することができる。
【００１６】
いくつかの実施形態では、半製品の構成部品の特定の内部空洞または各内部空洞には、スキン部、すなわち、付加製造によって得られたセグメントを組み立てて形成された半製品のターボ機械構成部品の中実部分に外部と連通する２つの開口が設けられる。２つの開口によって、バルク状の流動可能な材料を一方の開口を通して導入し、気体状物質を他方の開口から逃がすことができるので、内部空洞をバルク状の流動可能な材料でよりたやすく満たすことができる。
【００１７】
ターボ機械構成部品の各セグメントの付加製造プロセスのステップは以下のステップを含むことができる。
（ａ）標的面に第１の粉末材料の層を供給するステップ
（ｂ）エネルギービームをその層に向け、粉末材料を溶解しない内部領域を取り囲む周囲領域に沿って粉末材料を溶解するステップ
（ｃ）複数の層に対してステップ（ａ）および（ｂ）を繰り返し、周囲領域が、前に形成された層の周囲領域とともに溶解された各層に形成され、このようにして構成部品のセグメントのスキン部分を生成するステップ
（ｄ）構成部品のセグメントを冷却し、その内部容積から溶解していない粉末材料を除去するステップ
特に都合の良い用途としては、本方法は、限定するものではないが、ターボポンプおよびターボ圧縮機、または他のターボ機械用の遠心インペラなどのターボ機械インペラを製造するために使用することができる。本方法はまた、ターボ膨張器およびタービン用のインペラなどの求心ターボ機械の構成部品を製造するために都合よく使用することができる。本明細書で開示する主題の実施形態は、ハブを有するディスクを備え、かつディスクから延在するブレードを備え、隣接するブレードの対の間に流路を形成する、インペラの製造に関する。いくつかの実施形態では、本明細書で開示する方法でシュラウド付きインペラを製造することができる。
【００１８】
ターボ機械構成部品のセグメントを別々に製造し、それらセグメントを組み立てて中間の半製品のターボ機械構成部品を形成し、次いで、それをバルク状の流動可能な材料で満たし、続いて高密度化および固化することによって、大型の遠心インペラなどの比較的大型のターボ機械構成部品を比較的小型の付加製造機械および装置を使用して製造することができる。
【００１９】
各ターボ機械構成部品のセグメントの外側スキン部分の付加製造のために使用される粉末材料は、通常、金属粉末である。
【００２０】
いくつかの実施形態によれば、半製品のターボ機械構成部品の内部空洞を満たすために使用されるバルク状の流動可能な材料は粉末材料とすることができる。本明細書で開示する実施形態では、内部空洞を満たすために金属粉末を使用することができる。
【００２１】
半製品のターボ機械構成部品の内部空洞を満たすために使用される粉末材料は金属粉末とすることができる。しかしながら、セラミック材料の使用は除外しない。
【００２２】
例えば、低温での用途に対して、構成部品の重量の低減を望む場合には、バルク状の流動可能な材料を高分子系材料より構成することができる。例えば、熱可塑性高分子材料を使用することができる。他の実施形態では、熱硬化性高分子もまた使用することができる。例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、ＢＭＩ（ｂｉｓ−ｍａｌｅｉｍｉｄｅ：ビスマレイミド）、または他の高分子材料は、本明細書で開示する用途に使用するのに適した高分子材料である。
【００２３】
さらなる実施形態によれば、プラスチック材料、およびその中に分散されたセラミック粒子より構成されたバルク状の流動可能な複合材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、１０ｎｍから２５０マイクロメートルの粒径の粒子を使用することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、バルク状の高分子またはバルク状の流動可能な複合材料は、粉末状または液状にしてスキンを通して内部空洞内に注入される。次いで、エネルギーを加えて材料を硬化させ、このようにして、高密度化および固化されたコアを形成する。いくつかの実施形態では、エネルギーは熱の形態で加えられる。ポリイミドは典型的には、５００℃より低い温度で硬化することができる。エポキシ樹脂は２５０℃より低い温度で硬化することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態によれば、ターボ機械構成部品の個別のセグメントは、第１の金属粉末で製造され、半製品のターボ機械構成部品の少なくとも１つの内部空洞は、第２の金属粉末で満たされ、第２の金属粉末は第１の金属粉末と異なる。例えば、第１の金属粉末は、第２の金属粉末より小さな粒径を有する。いくつかの実施形態では、第１の金属粉末は、１０マイクロメートルと４８マイクロメートルとの間の粒径を有する。いくつかの実施形態では、第２の金属粉末は、５０マイクロメートルと１００マイクロメートルとの間の粒径を有する。
【００２６】
本明細書で開示する方法の可能な実施形態によれば、第１の金属粉末と第２の金属粉末とは異なる化学成分を有する。例えば、第１の金属粉末の主成分は、ニッケル基超合金またはチタン合金粉末とすることができる、またはそれらを含むことができる。第２の金属粉末の主成分は、鋼とすることができる、またはそれを含むことができる。他の実施形態では、鋼は、付加製造によって作られる外部スキンに使用することができ、アルミニウム合金などのより軽い材料は、ＨＩＰによって作られる内部コアに使用することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、本方法はさらに、少なくとも１つの内部空洞を取り囲むスキンを貫通して延在する少なくとも２つの開口を設けるステップと、少なくとも一方の内部空洞を開口のうちの一方を通して金属粉末で満たし、開口の他方から気体状物質を除去するステップと、開口を封止的に閉鎖するステップとを含むことができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、本方法はさらに、各開口に空の押し湯部を設けるステップと、押し湯部を金属粉末で満たすステップとを含む。
【００２９】
開口を封止的に閉鎖するステップは、金属粉末で満たされた押し湯部を封止的に閉鎖するステップを含むことができる。
【００３０】
本明細書で開示する方法に従ってターボ機械インペラを製造するとき、インペラの最も膨大な部分である内部空洞はインペラハブに設けることができる。粉末材料または他のバルク状の流動可能な材料で満たされ、次いでＨＩＰを受ける、または高密度化および固化される追加の内部空洞は、インペラアイに設けることができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、付加製造によって製造される単一のインペラセグメントは、ハブおよびディスク部分、ならびにブレードを含むことができる。インペラがシュラウド付きインペラの場合、各インペラセグメントはシュラウドの部分を含むことができる。
【００３２】
インペラがスプリッタ、すなわち、隣接するブレードの間に画定された流路に配置されたより短いブレードを含むことができる。各インペラセグメントは１つまたは複数のスプリッタを含むことができる。
【００３３】
特徴および実施形態は本明細書で下記に開示され、本説明の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解することができるように、かつ当分野に対する本発明の寄与をよりよく認識できるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。もちろん、以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴が存在する。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態が、以下の説明で記載され、または図面に示される構成部品の構造の詳細および配置に適用されることに限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実行および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、説明のためのものであって、限定として見なすべきではないことを理解されたい。
【００３４】
したがって、本開示が基礎を置いている概念は、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることを当業者は理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、このような同等な構造を含むものとみなすことが重要である。
【００３５】
以下の詳細な説明を添付の図面と併せて考察して参照することによって、開示される本発明の実施形態、およびそれらに付随する利点の多くをよりよく理解するようになったとき、これらを容易により完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】遠心圧縮機インペラの例示的な実施形態の軸測図である。
【図２】図１のインペラのセグメントの図である。
【図３】付加製造機械の概略図である。
【図４】インペラの中空内部空洞を金属粉末で満たす前の製造プロセスの中間ステップでの図１のインペラの断面図である。
【図４Ａ】図４の細部Ａの拡大図である。
【図４Ｂ】図４の細部Ｂの拡大図である。
【図５】熱間等方圧加圧のステップ後の製造プロセス終了時での図１のインペラの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
添付の図面を参照して例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは同様の要素とみなす。さらに、図面は必ずしも原寸に比例して描かれたものではない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。
【００３８】
本明細書を通して「一実施形態」または「実施形態」または「いくつかの実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示する主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「一実施形態では」または「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れるが、これらは、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な様態で組み合わせることができる。
【００３９】
以下に、本明細書で開示する主題の例示的な実施形態を、遠心ターボ機械、具体的には、遠心圧縮機用のインペラの製造に関連して説明する。他の実施形態では、本明細書で開示する新規の特徴は、他のターボ機械構成部品、具体的には、付加製造によって単一品として製造することができない比較的大型の構成部品の製造に適用することができる。
【００４０】
図１は、遠心圧縮機用のインペラ１の概略軸測図である。図１に示した実施形態では、インペラ１はディスク３およびシュラウド５を備える。ブレード７はディスク３の前面に取り付けられ、ディスク３からシュラウド５に延在する。中央の穴９はハブ１１に形成され、ハブ１１はディスク３とは一体となる部分を形成する。各ブレードは、インペラ入口に前縁７Ｌを有し、インペラ出口に後縁７Ｔを有する。
【００４１】
流路１３は、インペラディスク３とインペラシュラウド５との間に形成され、隣接するブレード７によって互いに分離される。
【００４２】
シュラウド５は、インペラ１の入口を取り囲むインペラアイ５Ｅを形成する。
【００４３】
図１に示すように、インペラ１は複数のセグメントまたはセクタ１Ｓに分割される。各セグメント１Ｓはシュラウド５の部分５Ｐを含むことができる。各セグメントはさらに、ディスク３の部分３Ｐおよび１枚のブレード７を含むことができる。シュラウドに沿う線Ｓ１およびディスクに沿う線Ｓ２は、隣接するインペラセグメント１Ｓを分ける境界を示す。
【００４４】
各インペラセグメント１Ｓは、図３を参照して後で説明する付加製造によって製造することができる。図２は、それぞれシュラウド部分５Ｐ、ディスク部分３Ｐ、ならびにそれぞれ前縁７Ｌおよび後縁７Ｔを有するブレード７を有するインペラセグメント１Ｓの概略軸測図である。図２によれば、各インペラセグメント１Ｓはまた、インペラハブ１１の部分１１Ｐを含む。
【００４５】
図２に示した実施形態では、インペラセグメント１Ｓは中空の２つの膨大領域、すなわち断面の大きな領域を有する。より詳細には、図２の実施形態では、中空部分または中空容積１１Ｖは、ハブ部分１１Ｐに設けられている。さらなる中空容積５Ｖはインペラアイ５Ｅに設けられている。中空容積１１Ｖおよび５Ｖはともに、それぞれスキン部分１１Ｓおよび５Ｓが取り囲むことができる。様々なインペラセグメント１Ｓが半製品のインペラを形成するように組立てられると、これらの中空容積１１Ｖおよび５Ｖは、後に続く製造ステップにおいて金属粉末で満たされる。
【００４６】
図３は、それぞれの個別のインペラセグメント１Ｓを製造するために使用することができる付加製造機械の概略図である。当業者には知られているように、付加製造は、複雑な形状の品物を、エネルギー源を用いて局所的に溶融された金属粉末から開始して一層毎に製造するプロセスである。図３の実施形態では、エネルギー源は電子ビームガンである。他の実施形態では、エネルギー源はレーザとすることができる。
【００４７】
図３の付加製造機械は全体を１００で示す。付加製造機械の構造および動作はそれ自体知られており、本明細書ではそれほど詳細には説明しない。手短に言うと、図３の付加製造機械１００はエネルギー源を含み、本明細書で開示する例示的な実施形態では、エネルギー源は、電子ビームＥＢを発生する電子エミッタ１０３を備える電子ビームガン１０１を含む。電子ビームＥＢは、電子ビームガン１０１の下方に配置された標的面ＴＳの方に向けられる。電子ビームの経路に沿って、収束コイル１０５および偏向コイル１０７を配置することができる。収束コイル１０５は、標的面ＴＳに電子ビームを収束させ、偏向コイル１０７は、粉末材料を溶融および固化するべきパターンに従って、電子ビームＥＢの動きをそのパターンに沿って制御する。コンピュータ装置１０９は、偏向コイル１０７を制御し、電子ビームＥＢの動きを制御する。電子ビームＥＢの動きは、製造しようとする３次元製品を表すファイルからのデータに基づいて、コンピュータ装置１０９によって制御される。
【００４８】
エネルギー源１０１の下方には、閉じ込め構造体１１１が配置される。閉じ込め構造体１１１は、例えば、電気加熱器など、１１３で概略的に示す加熱器を備える温度制御手段と組み合わせることができる。可動テーブル１１５を閉じ込め構造体１１１内に配置することができる。可動テーブル１１５は、両方向矢印ｆ１１５に従って鉛直方向に動くように制御することができる。可動テーブル１１５の鉛直方向の動きはコンピュータ装置１０９によって制御することができる。粉末材料容器１１７は標的面ＴＳの上方に配置され、例えば、コンピュータ装置１０９の制御の下、両方向矢印ｆ１１７に従って水平方向に動くように制御される。
【００４９】
付加製造機械１００によって実施される付加製造プロセスは以下のように要約することができる。粉末材料の第１の層は、標的面ＴＳの高さに配置された可動テーブル１１５に沿って粉末材料容器１１７を矢印ｆ１１７に従って１回または複数回移動させることによって、粉末容器１１７から可動テーブル１１５上に分配される。粉末材料の第１の層が分配されると、電子ビームガン１０１を作動し、偏向コイル１０７によって電子ビームＥＢを制御して、製造しようとする製品の断面に対応する、層の限定された部分の粉末材料を局所的に溶融する。溶融後、粉末材料を冷却して固化することができる。製造しようとする製品の断面の境界の外側の粉末材料は、粉末状のままである。
【００５０】
上記のように第１の層が処理されると、可動テーブル１１５が下げられ、粉末材料の次の層が第１の層の上に分配される。次に、粉末材料の第２の層が選択的に溶融され、続いて、冷却および固化することができる。溶融および固化は、各層の部分がその前に形成された層の部分に付着するように実施される。このプロセスは、１つの粉末材料の層の後に別の粉末材料の層を続けて付加し、製品の次の断面に対応する層の部分を選択的に溶融および固化することによって、完全な製品が形成されるまで段階的に繰り返される。
【００５１】
製品が完成すると、溶融および固化されなかった粉末材料は除去され、再利用することができる。
【００５２】
上記のプロセスは、加熱器１１３によって温度を制御した状態で実行することができる。閉じ込め構造体１１１内の温度は、全プロセスが高温で実行され、残留応力が製造サイクルの完了時に製品内に実質的に残らないように制御される。構成プロセスが完了した後、製品を処理温度から環境温度まで冷却曲線に従って冷却することができ、それは最終製品内の残留応力を防止する。
【００５３】
閉じ込め構造体１１１の内部は、粉末材料および溶融された材料が酸素を吸収しないように高真空状態に維持されることが好ましい。
【００５４】
図３の描写では、インペラセグメント１Ｓが上記で要約された付加製造プロセスの中間ステップにあることが概略的に示されている。
【００５５】
上記で手短に説明したように、インペラ１の個別のインペラセグメント１Ｓを付加製造によって製造した後、複数のインペラセグメント１Ｓは合体するように組み立てられ、互いに接続される。いくつかの実施形態では、インペラセグメント１Ｓは、溶接、はんだづけ、ろう付け、または任意の他の適切な技法によって接続することができる。インペラセグメントを互いに溶接またはろう付けすることは、特に有利な実施形態である。組み立てられたインペラセグメント１Ｓは、中間の半製品の構成部品、すなわち、半製品のインペラを形成し、これは、組み立てられたインペラセグメント１Ｓの中空容積に相当する１つまたは複数の内部空洞によって特徴づけられる。インペラセグメント１Ｓが、各ハブ部分１１Ｐに中空容積１１Ｖを備える場合、半製品の構成部品は、インペラ１のハブ部分内に、インペラ１の回転軸Ａ−Ａを取り囲む環状の内部中空空洞を含む。図２に示した実施形態では、各インペラセグメント１Ｓはまた、インペラアイ５Ｅにおいて中空容積５Ｖを有し、したがって、半製品の構成部品はまた、インペラアイ５Ｅにおいて回転軸Ａ−Ａの周りを環状に延びる内部中空空洞を有する。
【００５６】
図４は、インペラ１の回転軸Ａ−Ａを含む平面に沿って切り取った、半製品のインペラの断面図である。組み立てられたインペラセグメント１Ｓの隣接する中空容積１１Ｖおよび５Ｖによって形成された内部中空空洞は、図４では１１Ｃおよび５Ｃの符号が付けられている。
【００５７】
製造プロセスの次のステップは、内部中空空洞１１Ｃおよび５Ｃを金属粉末で満たすことであり、これに続いて、金属粉末は熱間等方圧加圧によって緻密化および固化される。
【００５８】
図４に最もよく示されているように、各内部中空空洞１１Ｃおよび５Ｃはそれぞれスキン１１Ｓおよび５Ｓによって取り囲まれ、それらは、上記の付加製造プロセスによって生成されたインペラセグメント１Ｓを溶接などで接合することによって得られる。インペラセグメント１Ｓが組み立てられ、線Ｓ１およびＳ２に沿って合体するように接合されると、このように形成された各内部中空空洞１１Ｃおよび５Ｃは、関連するスキン部分１１Ｓおよび５Ｓによって完全に取り囲まれ、封じられる。
【００５９】
各中空内部空洞１１Ｃおよび５Ｃを金属粉末で満たすために、それぞれのスキン部分１１Ｓおよび５Ｓを貫通して開口が設けられる。これらの開口は中空内部空洞１１Ｃおよび５Ｃを周囲と接続する。図４および拡大図の図４Ａには、２つのこのような開口２１および２３が示されており、ハブ１１の中央の膨大部を形成する内部中空空洞１１Ｃを周囲の環境と接続する。いくつかの実施形態では、図４Ａの拡大図に最もよく示されているように、開口２１にはいわゆる押し湯部２１Ａが設けられ、後でより明らかとなる目的のための金属粉の貯槽を形成する。同様に、開口２３にも押し湯部２３Ａを設けることができる。
【００６０】
重力およびインペラ１を揺らすことによって、内部中空空洞１１Ｃの充填を容易にすることができる。金属粉末は、２つの開口２１および２３の一方を通して内部中空空洞１１Ｃ内に供給することができ、一方、前記２つの開口２１、２３のうちの他方を通して空気または他の気体状物質を逃がす。いくつかの実施形態では、開口を２つより多く設けることができ、それらは、環状に延びる内部中空空洞１１Ｃに沿った適切な位置に配置することができる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、付加製造によって製造されるインペラセグメント１Ｓは、隣接する中空容積１１Ｖおよび／または５Ｖの間に仕切壁を形成するように製造することができる。この場合、内部中空空洞１１Ｃおよび／または５Ｃは、中間隔壁によって２つ以上の小空洞に細分化することができる。このような場合、内部空洞１１Ｃまたは５Ｃの各区画には２つの開口を設けることが好ましい。しかしながら、インペラセグメント１Ｓは、それらが互いに組み立てられたとき、単一の環状の内部中空空洞１１Ｃおよび単一の環状の内部中空空洞５Ｃが生成されるような形状が好ましい。これらの２つの環状に形成された内部中空空洞１１Ｃ、５Ｃは、各空洞の２つの開口によって金属粉末を満たすことができる。
【００６２】
中空空洞１１Ｃに関連して上記で開示したように、内部中空空洞５Ｃの充填は、重力、および場合により振動によりなされ、それによって、空気または他の気体状物質を、内部中空空洞５Ｃの内部から２つの開口２５、２７のうちの一方または他方を通して逃がすことができる。
【００６３】
添付の図面に示された実施形態では、２つの内部中空空洞５Ｃおよび１１Ｃのみが設けられている。しかしながら、他の実施形態では、異なる数の空洞を設けることができる。例えば、インペラハブ１１には１つの内部中空空洞１１Ｃのみを設けることができ、一方、インペラアイ５Ｅは、空洞をなくして、付加製造によって中実に製造することができる。他の実施形態では、各インペラセグメント１Ｓには中空容積５Ｖ、１１Ｖを２つより多く付加製造によって形成することができ、その結果、インペラセグメントを互いに組み立てた後には、内部中空空洞５Ｃおよび１１Ｃは２つより多く半製品のインペラに残る。
【００６４】
一般論では、各個別のインペラセグメント１Ｓにおいて、前記インペラセグメント１Ｓのそれぞれの膨大部に中空内部空洞を付加製造中に残すことができる。インペラセグメントのより薄い部分、例えば、具体的には、インペラディスク３の半径方向最も外側部分、およびシュラウド５の半径方向外向き部分は付加製造によって全部を形成することができる。
【００６５】
半製品のインペラの内部空洞５Ｃおよび１１Ｃは金属粉末で完全に満たされると、空気または他の気体状物質は、内部空洞５Ｃ、１１Ｃを満たす金属粉末の隙間から除去することができ、その結果、気体状物質は内部空洞１１Ｃおよび５Ｃから完全に、または実質的に完全に除去される。これは、例えば、半製品のインペラを真空室内に配置することによって達成することができる。空気または他の気体状物質が内部空洞１１Ｃおよび５Ｃから排出されると、各押し湯部２１Ａ、２３Ａ、２５Ａ、２７Ａの上端を、例えば、レーザクラッディングプロセスによって粉末を溶融する、上部で金属部分を溶接またはろう付けする、上部で金属部分を封止するために接着剤を塗布する、または任意の適切な方法で封止的に閉鎖することができる。
【００６６】
次に、半製品の構成部品は、内部空洞内の金属粉末を緻密な中実の物質にする熱間等方圧加圧、またはいわゆる「ＨＩＰ」を含む最終製造ステップを受けることができる。このステップでは、半製品のインペラ１を炉内に置いて、使用された材料に応じて、例えば、４５０から１４００℃の範囲の適切温度で加熱する。熱と同時に、例えば、炉内に供給された加圧不活性ガスによって圧力が加えられる。通常、例えば、４０ＭＰａから３５０ＭＰａの範囲の圧力が用いられる。圧力と熱を同時に加えると、金属粉末内における、および内部空洞５Ｃ、１１Ｃに含まれる金属粉末と空洞を取り囲むスキン部分の内面との間の境界における塑性変形、クリープ、および拡散接合が組み合わさって、内部隙間および微細気孔が取り除かれる。
【００６７】
中実で緻密な金属塊が、金属粉末で満たされた内部空洞１１Ｃおよび５Ｃのそれぞれの中に形成される。
【００６８】
圧力と熱によって、金属粉末の粒子間の内部隙間が取り除かれることにより、金属粉末は高密度化され、内部空洞１１Ｃおよび５Ｃ内の金属粉末の体積が減少する。この体積の減少は、押し湯部２１Ａ、２３Ａ、２５Ａ、および２７Ａに含まれる金属粉末によって補われる。押し湯部に含まれる金属粉末は内部空洞１１Ｃ、５Ｃ内に流れ、その結果、内部空洞１１Ｃおよび５Ｃを取り囲む外側のスキン１１Ｓおよび５Ｓの変形は生じない。したがって、インペラセグメント１Ｓの製造中に付加製造によって作られたスキンの外側の形状および寸法は高度に維持される。
【００６９】
図５は、図４の断面図と同様の、最終のインペラの断面図である。
【００７０】
熱間等方圧加圧を受ける金属粉末はある体積の固体金属となり、これは、異なるインペラセグメント１Ｓ間の付着を改善し、その結果、様々なインペラセグメント間の結合が強化される。したがって、機械的耐性の高い本体が得られる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、単一のインペラセグメント１Ｓを製造するために使用される金属粉末は、半製品のインペラの内部空洞を満たすために使用される金属粉末と同じにすることができる。しかしながら、本明細書で開示された、付加製造とＨＩＰを組み合わせた混合製造法は、２つの製造段階に対して異なる金属粉末材料を組み合わせて使用することができることは都合が良い。第１の金属粉末は付加製造ステップに使用することができ、第２の異なる金属粉末は内部空洞への充填およびその後のＨＩＰに使用することができる。したがって、最も適切な化学的および物理的特性の材料を選ぶことが可能となる。いくつかの実施形態では、より細かな金属粉末をインペラセグメント１Ｓのスキン部分の付加製造に使用することができ、より粗い金属粉末を空洞への充填およびＨＩＰに使用することができる。いくつかの実施形態では、スキン部分の金属粉末の平均粒径は１０マイクロメートルと４８マイクロメートルとの間にあり、一方、５０〜１００マイクロメートルの平均粒径がインペラのコア部分に使用することができる、すなわち、内部空洞への充填およびＨＩＰに使用することができる。
【００７２】
２つのステップを有する製造方法のさらなる利点は、インペラのスキンとコアで異なる化学的特性を有する材料を任意に選べることから得られる。インペラの最終用途に応じて、異なる材料を使用して、例えば、機械的および／または化学的耐性と重量との間で最良の妥協点を得ることができる。下表は、インペラのスキン（付加製造によって製造される外側部分）およびコア（粉末で満たされＨＩＰを受ける内部空洞）にそれぞれ使用することができる可能な種々の金属合金、ならびに各組合せによって得られる利点をまとめている。
【００７３】
【表１】
2017519106.tif 000003
第１の列のグループに挙げられた単一の材料はそれぞれ、第２の列の対応するグループの材料のうちの任意の１つと組み合わせることができる。
【００７４】
本明細書で説明された主題の開示された実施形態は、図面に示され、かつ、いくつかの例示的な実施形態に関連して、具体的にかつ詳細に上記で完全に説明されてきたが、本明細書で述べた新規の教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に記載される主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、開示された新規性の適正な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。様々な実施形態の異なる特徴、構造、および手段は、様々に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１  インペラ
１Ｓ  インペラセグメント
３  ディスク
３Ｐ  ディスク部分
５  シュラウド
５Ｃ  内部中空空洞
５Ｅ  インペラアイ
５Ｐ  シュラウド部分
５Ｓ  スキン部分
５Ｖ  中空容積
７  ブレード
７Ｌ  前縁
７Ｔ  後縁
１１  ハブ
１１Ｃ  内部中空空洞
１１Ｐ  ハブ部分
１１Ｓ  スキン部分
１１Ｖ  中空容積
１３  流路
２１  開口
２１Ａ  押し湯部
２３  開口
２３Ａ  押し湯部
２５  開口
２５Ａ  押し湯部
２７  開口
２７Ａ  押し湯部
１００  付加製造機械
１０１  電子ビームガン
１０３  電子エミッタ
１０５  収束コイル
１０７  偏向コイル
１０９  コンピュータ装置
１１１  閉じ込め構造体
１１３  加熱器
１１５  可動テーブル
１１７  粉末材料容器
ｆ１１５  鉛直方向
ｆ１１７  水平方向
Ｓ１  線
Ｓ２  線
ＴＳ  標的面
【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
2017519106.tif 000009
【図５】
2017519106.tif 000010
【国際調査報告】
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2017519106.tif 000012
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