JP2021042676A - Turbine blade and method for manufacturing turbine blade - Google Patents

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Abstract

To provide a turbine blade with different kind of strength increased for a wing part and a mounting part, and a method for manufacturing a turbine blade.SOLUTION: In a turbine blade 1 formed by connecting a wing part 2 and a mounting part 3, the wing part 2 is formed of a metal having a columnar structure along a longitudinal direction, and the mounting part 3 is formed of a metal having an equiaxed structure.EFFECT: Since the wing part 2 is formed of the columnar structure, the high temperature strength of the wing part 2 can be increased, and since the mounting part 3 is formed of the equiaxed structure, the fatigue strength of the mounting part 3 can be increased.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、タービンブレード及びタービンブレードの製造方法に関する。 The present invention relates to turbine blades and methods for manufacturing turbine blades.

従来、タービンブレードとして、例えば、特開２０１３−０１５１４２号公報に記載されるように、翼部と取付部を備えたものが知られている。タービンブレードは、例えば、ロータの外周に複数取り付けられて用いられ、翼部の端に翼部を取り付けるための取付部を有している。タービンブレードの製造方法としては、材料の塊から削り出して形成する方法、又は鍛造や鋳造によりタービンブレードを形成する方法などが知られている。 Conventionally, as a turbine blade, for example, a turbine blade provided with a blade portion and a mounting portion is known as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-015142. A plurality of turbine blades are used by being attached to the outer periphery of the rotor, for example, and have an attachment portion for attaching the blade portion to the end of the blade portion. As a method for manufacturing a turbine blade, a method of forming the turbine blade by carving it from a block of material, a method of forming the turbine blade by forging or casting, or the like is known.

特開２０１３−０１５１４２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-015142

上述したタービンブレード及びタービンブレードの製造方法に対しては、強度の高いタービンブレードを製造することが難しい。すなわち、タービンブレードの翼部では高温強度（主としてクリープ強度）が求められ、取付部では疲労強度が求められる。翼部は高温状態で用いられるため、高温状態での使用に耐えられる強度が求められる。一方、取付部では繰り返し応力を受けるため、疲労強度が高いことが望ましい。ところが、連接される翼部と取付部について異種の強度を高めるように製造することは困難である。 It is difficult to manufacture a turbine blade having high strength with respect to the above-mentioned turbine blade and the method for manufacturing a turbine blade. That is, high temperature strength (mainly creep strength) is required for the blade portion of the turbine blade, and fatigue strength is required for the mounting portion. Since the wing is used in a high temperature state, it is required to have strength that can withstand use in a high temperature state. On the other hand, it is desirable that the fatigue strength is high because the mounting portion is repeatedly stressed. However, it is difficult to manufacture the wing portion and the mounting portion to be connected so as to increase the strength of different types.

そこで、翼部と取付部について異なる種類の強度を高めたタービンブレード及びタービンブレードの製造方法の開発が望まれている。 Therefore, it is desired to develop a turbine blade and a method for manufacturing a turbine blade having different types of strength for the blade portion and the mounting portion.

本開示の一態様に係るタービンブレードは、翼部と取付部を連接して形成したタービンブレードにおいて、翼部は、長手方向に沿った柱状組織の金属により形成され、取付部は、等軸組織の金属により形成されて構成される。このタービンブレードによれば、翼部が柱状組織により形成されることにより翼部の高温強度を高めることができる。また、取付部が等軸組織により形成されることにより、取付部の疲労強度を高めることができる。 The turbine blade according to one aspect of the present disclosure is a turbine blade formed by connecting a blade portion and a mounting portion. The blade portion is formed of a metal having a columnar structure along the longitudinal direction, and the mounting portion has an equiaxed structure. It is composed of the metal of. According to this turbine blade, the high temperature strength of the blade portion can be increased by forming the blade portion with a columnar structure. Further, since the mounting portion is formed of an equiaxed structure, the fatigue strength of the mounting portion can be increased.

また、本開示の一態様に係るタービンブレードにおいて、翼部は、平均長辺長さ２００μｍ以上の柱状組織により形成され、取付部は、平均粒径５０μｍ以下の等軸組織により形成されていてもよい。この場合、翼部が平均長辺長さ２００μｍ以上の柱状組織により形成されることにより翼部の高温強度を高めることができる。また、取付部が平均粒径５０μｍ以下の等軸組織により形成されることにより、取付部の疲労強度を高めることができる。 Further, in the turbine blade according to one aspect of the present disclosure, even if the blade portion is formed of a columnar structure having an average long side length of 200 μm or more and the mounting portion is formed of an equiaxed structure having an average particle size of 50 μm or less. Good. In this case, the high temperature strength of the wing portion can be increased by forming the wing portion with a columnar structure having an average long side length of 200 μm or more. Further, the fatigue strength of the mounting portion can be increased by forming the mounting portion with an equiaxed structure having an average particle size of 50 μm or less.

また、本開示の一態様に係るタービンブレードにおいて、翼部の柱状組織と取付部の等軸組織の移行距離は５ｍｍ以内であってもよい。この場合、翼部の柱状組織と取付部の等軸組織の移行距離は５ｍｍ以内であるため、翼部と取付部の境界において柱状組織と等軸組織の混合領域が短く形成される。従って、翼部の高温強度と取付部の疲労強度を的確に発揮させることができる。 Further, in the turbine blade according to one aspect of the present disclosure, the transition distance between the columnar structure of the blade portion and the equiaxed structure of the mounting portion may be within 5 mm. In this case, since the transition distance between the columnar structure of the wing portion and the equiaxed structure of the mounting portion is within 5 mm, the mixed region of the columnar structure and the equiaxed structure is formed short at the boundary between the wing portion and the mounting portion. Therefore, the high temperature strength of the wing portion and the fatigue strength of the mounting portion can be accurately exhibited.

本開示の一態様に係るタービンブレードの製造方法は、翼部と取付部を連接して形成したタービンブレードの製造方法において、粉末材料にエネルギビームを照射し粉末材料を溶融させて翼部及び取付部を順次造形することによりタービンブレードを製造し、翼部の造形と取付部の造形において、エネルギビームの照射条件を異ならせて造形を行い、翼部を柱状組織として造形し取付部を等軸組織として造形するように構成される。このタービンブレードの製造方法によれば、翼部の造形と取付部の造形においてエネルギビームの照射条件を異ならせることにより、翼部を柱状組織とし取付部を等軸組織として造形することができる。従って、製造したタービンブレードにおいて、翼部の高温強度を高め、取付部の疲労強度を高めることが可能となる。また、粉末材料にエネルギビームを照射し粉末材料を溶融させて翼部及び取付部を順次造形することにより、翼部の組織と取付部の組織の移行距離を短くすることができる。 The method for manufacturing a turbine blade according to one aspect of the present disclosure is a method for manufacturing a turbine blade formed by connecting a blade portion and a mounting portion, wherein the powder material is irradiated with an energy beam to melt the powder material and the blade portion and the mounting portion are mounted. Turbine blades are manufactured by sequentially molding the parts, and in the molding of the blade part and the molding of the mounting part, the molding is performed with different energy beam irradiation conditions, the blade part is shaped as a columnar structure, and the mounting part is equiaxed. It is configured to be modeled as an organization. According to this method for manufacturing a turbine blade, by making the irradiation conditions of the energy beam different between the molding of the blade portion and the molding of the mounting portion, the blade portion can be shaped as a columnar structure and the mounting portion can be shaped as an equiaxed structure. Therefore, in the manufactured turbine blade, it is possible to increase the high temperature strength of the blade portion and increase the fatigue strength of the mounting portion. Further, by irradiating the powder material with an energy beam to melt the powder material and sequentially modeling the wing portion and the mounting portion, the transition distance between the structure of the wing portion and the structure of the mounting portion can be shortened.

また、本開示の一態様に係るタービンブレードの製造方法において、翼部の造形は、取付部の造形に対し、エネルギビームの走査速度を遅くし、かつ、エネルギビームの走査間隔を広くしてもよい。この場合、翼部の造形が、取付部の造形に対し、エネルギビームの走査速度を遅くし、かつ、エネルギビームの走査間隔を広くして行われることにより、翼部を柱状組織として造形し、取付部を等軸組織として造形することができる。従って、タービンブレードにおいて、翼部の高温強度を高めることができ、取付部の疲労強度を高めることができる。 Further, in the method for manufacturing a turbine blade according to one aspect of the present disclosure, the shaping of the blade portion may slow down the scanning speed of the energy beam and widen the scanning interval of the energy beam as compared with the molding of the mounting portion. Good. In this case, the wing portion is shaped as a columnar structure by slowing the scanning speed of the energy beam and widening the scanning interval of the energy beam as compared with the molding of the mounting portion. The mounting portion can be modeled as an equiaxed structure. Therefore, in the turbine blade, the high temperature strength of the blade portion can be increased, and the fatigue strength of the mounting portion can be increased.

本開示に係る発明によれば、翼部と取付部について異なる種類の強度を高めたタービンブレード及びタービンブレードの製造方法を提供することができる。 According to the invention according to the present disclosure, it is possible to provide a turbine blade and a method for manufacturing a turbine blade having different types of strengths for a blade portion and a mounting portion.

本開示の実施形態に係るタービンブレードの概要を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline of the turbine blade which concerns on embodiment of this disclosure. 図１のタービンブレードの使用状態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the use state of the turbine blade of FIG. 図１のタービンブレードにおける金属結晶の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the metal crystal in the turbine blade of FIG. 図１のタービンブレードの製造装置の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the manufacturing apparatus of the turbine blade of FIG. 実施形態に係るタービンブレードの製造方法における造形工程の説明図である。It is explanatory drawing of the modeling process in the manufacturing method of the turbine blade which concerns on embodiment. 実施形態に係るタービンブレードの製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the turbine blade which concerns on embodiment. 実施形態に係るタービンブレードの製造方法における予備加熱工程の説明図である。It is explanatory drawing of the preheating process in the manufacturing method of the turbine blade which concerns on embodiment. 実施形態に係るタービンブレードの製造例における断面画像である。It is sectional drawing image in the manufacturing example of the turbine blade which concerns on embodiment. 実施形態に係るタービンブレードの製造方法の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the manufacturing method of the turbine blade which concerns on embodiment.

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

図１は、本開示の実施形態に係るタービンブレードの構成概要図である。図２は、図１のタービンブレードの使用状態の一例を示す図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a turbine blade according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a diagram showing an example of a usage state of the turbine blade of FIG.

図１に示すように、タービンブレード１は、ジェットエンジンやガスタービンなどに用いられる部品であり、翼部２と取付部３を備えている。翼部２は、タービンを構成する翼部材である。翼部２は、例えば、タービンの径方向Ｄに向けて延びており、径方向Ｄを横切る断面において湾曲した形状とされる。具体的には、翼部２の径方向Ｄを横切る断面は、翼断面の形状とされる。取付部３は、翼部２を取り付けるための部位である。取付部３は、例えば、タービンの構造、形状などに応じた形状とされる。 As shown in FIG. 1, the turbine blade 1 is a component used in a jet engine, a gas turbine, or the like, and includes a blade portion 2 and a mounting portion 3. The blade portion 2 is a blade member constituting the turbine. The blade portion 2 extends in the radial direction D of the turbine, for example, and has a curved shape in a cross section crossing the radial direction D. Specifically, the cross section of the wing portion 2 across the radial direction D is the shape of the wing cross section. The attachment portion 3 is a portion for attaching the wing portion 2. The mounting portion 3 has, for example, a shape corresponding to the structure, shape, and the like of the turbine.

例えば、図２に示すように、タービンブレード１は、タービンのロータ９１に取り付けられて用いられる。具体的には、タービンブレード１は、ロータ９１の周方向へ複数配列されて用いられる。この場合、取付部３がロータ９１の外周に接合され、周方向へ複数配列されて組付けられる。取付部３は、例えば、ロータ９１に対しダブテール接合される。このように取付部３が組付けられることにより、複数の翼部２がロータ９１の周方向に配列して設けられる。 For example, as shown in FIG. 2, the turbine blade 1 is used by being attached to the rotor 91 of the turbine. Specifically, a plurality of turbine blades 1 are arranged and used in the circumferential direction of the rotor 91. In this case, the mounting portions 3 are joined to the outer periphery of the rotor 91, and a plurality of mounting portions 3 are arranged and assembled in the circumferential direction. The mounting portion 3 is dovetailed to, for example, the rotor 91. By assembling the mounting portions 3 in this way, a plurality of blade portions 2 are provided so as to be arranged in the circumferential direction of the rotor 91.

このタービンブレード１を用いたタービンの作動時において、翼部２は高温ガスに曝される。このため、翼部２では高い高温強度が要求される。つまり、翼部２は、高温状態において、変形しにくい高い強度が求められる。一方、タービンの作動時において、取付部３は、繰り返し応力を受ける。このため、取付部３では高い疲労強度が要求される。 When the turbine is operated using the turbine blade 1, the blade portion 2 is exposed to a high temperature gas. Therefore, the blade portion 2 is required to have high high temperature strength. That is, the wing portion 2 is required to have high strength that is not easily deformed in a high temperature state. On the other hand, when the turbine is operating, the mounting portion 3 is repeatedly stressed. Therefore, the mounting portion 3 is required to have high fatigue strength.

翼部２は、長手方向に延びる柱状組織の金属により形成されている。すなわち、翼部２は、結晶状態が長手方向に延びる柱状晶の金属により形成されている。ここで長手方向とは、翼部２の基端から先端へ向けた方向であって、図１のロータ９１の径方向Ｄと一致する。翼部２は、柱状組織により形成されることにより、高温強度が高められている。 The wing portion 2 is formed of a metal having a columnar structure extending in the longitudinal direction. That is, the wing portion 2 is formed of a columnar crystal metal whose crystalline state extends in the longitudinal direction. Here, the longitudinal direction is a direction from the base end to the tip end of the blade portion 2, and coincides with the radial direction D of the rotor 91 in FIG. The wing portion 2 is formed of a columnar structure, so that the high temperature strength is increased.

また、翼部２は、平均長辺長さが２００μｍ以上の柱状組織により形成されている。つまり、翼部２は、結晶の長辺方向の平均長さが２００μｍ以上の金属により形成されている。例えば、翼部２の断面において、結晶粒の長辺方向の平均の長さが２００μｍ以上となっている。ここで、長辺長さは、結晶が矩形である場合の長辺の長さを意味する。また、結晶が矩形でない場合、結晶の一番長い箇所の長さを意味する。この長辺の長さは、例えばＥＢＳＤ（Electron BackScatterDiffraction：後方散乱電子回折）測定法を用いて測定される。なお、結晶の長辺長さが計測可能であれば、ＥＢＳＤ測定法以外の手法を用いて、平均長辺長さを測定してもよい。 Further, the wing portion 2 is formed of a columnar structure having an average long side length of 200 μm or more. That is, the wing portion 2 is formed of a metal having an average length of 200 μm or more in the long side direction of the crystal. For example, in the cross section of the wing portion 2, the average length of the crystal grains in the long side direction is 200 μm or more. Here, the length of the long side means the length of the long side when the crystal is rectangular. When the crystal is not rectangular, it means the length of the longest part of the crystal. The length of this long side is measured using, for example, an EBSD (Electron BackScatter Diffraction) measuring method. If the long side length of the crystal can be measured, the average long side length may be measured by using a method other than the EBSD measurement method.

取付部３は、等軸組織の金属により形成されている。すなわち、取付部３は、結晶状態が等軸晶の金属により形成されている。取付部３は、等軸組織により形成されることにより、疲労強度が高められている。 The mounting portion 3 is made of a metal having an equiaxed structure. That is, the mounting portion 3 is formed of a metal having an equiaxed crystal state. Fatigue strength is increased by forming the mounting portion 3 with an equiaxed structure.

また、取付部３は、平均粒径が５０μｍ以下の等軸組織により形成されている。つまり、取付部３は、結晶粒径の平均が５０μｍ以下の金属により形成されている。例えば、取付部３の断面において、結晶粒の粒径の平均が５０μｍ以下となっている。平均粒径を５０μｍ以下とすることにより、取付部３の疲労強度を高めることが可能となる。結晶の粒径は、例えばＥＢＳＤ測定法を用いて測定される。なお、結晶の粒径が計測可能であれば、ＥＢＳＤ測定法以外の手法を用いて、平均粒径を測定してもよい。 Further, the mounting portion 3 is formed of an equiaxed structure having an average particle size of 50 μm or less. That is, the mounting portion 3 is formed of a metal having an average crystal grain size of 50 μm or less. For example, in the cross section of the mounting portion 3, the average particle size of the crystal grains is 50 μm or less. By setting the average particle size to 50 μm or less, it is possible to increase the fatigue strength of the mounting portion 3. The grain size of the crystal is measured using, for example, an EBSD measurement method. If the particle size of the crystal can be measured, the average particle size may be measured by using a method other than the EBSD measurement method.

翼部２と取付部３は、例えば、同一の金属により形成されている。翼部２と取付部３は、例えば、ニッケル基合金により形成される。また、翼部２と取付部３は、チタン合金により形成されてもよい。 The wing portion 2 and the mounting portion 3 are formed of, for example, the same metal. The wing portion 2 and the mounting portion 3 are formed of, for example, a nickel-based alloy. Further, the wing portion 2 and the mounting portion 3 may be formed of a titanium alloy.

図３は、タービンブレード１の金属結晶の状態を示している。図３において、縦軸は、タービンブレード１の長手方向（径方向Ｄ）の位置を示している。すなわち、縦軸の下部は取付部３の位置であり、縦軸の上部は翼部２の位置である。図３において、横軸は、金属組織の状態を示している。右側が柱状組織、左側が等軸組織である。柱状組織と等軸組織の間は、柱状状態（柱状晶）と等軸組織（等軸晶）が混合する組織となる。柱状組織と等軸組織の間の混合する組織の距離を移行距離と称する。つまり、移行距離は、翼部２と取付部３の境界において、柱状組織と等軸組織が混合する距離を意味する。 FIG. 3 shows the state of the metal crystal of the turbine blade 1. In FIG. 3, the vertical axis indicates the position of the turbine blade 1 in the longitudinal direction (diameter direction D). That is, the lower part of the vertical axis is the position of the mounting portion 3, and the upper part of the vertical axis is the position of the wing portion 2. In FIG. 3, the horizontal axis represents the state of the metal structure. The right side is the columnar structure and the left side is the equiaxed structure. Between the columnar structure and the equiaxed structure, the columnar state (columnar crystal) and the equiaxed structure (equal axis crystal) are mixed. The distance between the columnar structure and the equiaxed structure is called the transition distance. That is, the transition distance means the distance at which the columnar structure and the equiaxed structure are mixed at the boundary between the wing portion 2 and the mounting portion 3.

翼部２と取付部３の境界において、柱状組織と等軸組織が混合する組織ができるだけ短い方がよい。すなわち、柱状組織及び等軸組織の一方から他方へ移行する移行距離が短いことが望ましい。つまり、翼部２をできるだけ柱状組織で構成し、取付部３をできるだけ等軸組織で構成することにより、翼部２の高温強度を高め、取付部３の疲労強度を高めることができる。 At the boundary between the wing portion 2 and the mounting portion 3, the structure in which the columnar structure and the equiaxed structure are mixed should be as short as possible. That is, it is desirable that the transition distance from one of the columnar structure and the equiaxed structure to the other is short. That is, by forming the wing portion 2 with a columnar structure as much as possible and the mounting portion 3 having an equiaxed structure as much as possible, the high temperature strength of the wing portion 2 can be increased and the fatigue strength of the mounting portion 3 can be increased.

しかしながら、柱状組織と等軸組織の移行距離を短くして、タービンブレードなどの金属部品を形成するのは難しい。例えば、金属部品を鋳造により製造する場合、冷却調整して凝固状態を制御することにより、柱状組織と等軸組織を含む金属部品を製造することが考えられる。この場合、柱状組織と等軸組織の移行距離をミリ単位として（１ｃｍ未満にして）金属部品を製造するのは困難である。 However, it is difficult to form a metal part such as a turbine blade by shortening the transition distance between the columnar structure and the equiaxed structure. For example, when a metal part is manufactured by casting, it is conceivable to manufacture a metal part including a columnar structure and an equiaxed structure by controlling the solidification state by adjusting the cooling. In this case, it is difficult to manufacture a metal part with the transition distance between the columnar structure and the equiaxed structure in millimeters (less than 1 cm).

タービンブレード１において、翼部２の柱状組織と取付部３の等軸組織の移行距離は５ｍｍ以内となっている。また、タービンブレード１において、翼部２の柱状組織と取付部３の等軸組織の移行距離は１ｍｍ以内としてもよい。更には、タービンブレード１において、翼部２の柱状組織と取付部３の等軸組織の移行距離は０．５ｍｍ以内としてもよい。このように翼部２の柱状組織と取付部３の等軸組織の移行距離を短くすることにより、翼部２の高温強度を高め、取付部３の疲労強度を高めることが可能となる。 In the turbine blade 1, the transition distance between the columnar structure of the blade portion 2 and the equiaxed structure of the mounting portion 3 is within 5 mm. Further, in the turbine blade 1, the transition distance between the columnar structure of the blade portion 2 and the equiaxed structure of the mounting portion 3 may be within 1 mm. Further, in the turbine blade 1, the transition distance between the columnar structure of the blade portion 2 and the equiaxed structure of the mounting portion 3 may be within 0.5 mm. By shortening the transition distance between the columnar structure of the wing portion 2 and the equiaxed structure of the mounting portion 3 in this way, it is possible to increase the high temperature strength of the wing portion 2 and increase the fatigue strength of the mounting portion 3.

次に、本実施形態に係るタービンブレード１の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the turbine blade 1 according to the present embodiment will be described.

まず、タービンブレード１の製造方法に用いられる三次元造形装置１０について説明する。図４は、三次元造形装置１０の構成概要図である。三次元造形装置１０は、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して粉末材料Ａを溶融させ凝固させてタービンブレード１を造形する装置である。この三次元造形装置１０は、例えば、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して粉末材料Ａの予備加熱する工程と、粉末材料Ａに対し電子ビームＢを照射し粉末材料Ａを溶融させてタービンブレード１の一部を造形する工程とを繰り返し、凝固した粉末材料を積層させてタービンブレード１の造形を行う。予備加熱は、予熱とも称され、物体の造形前に、粉末材料Ａの融点未満の温度で粉末材料Ａを加熱する処理である。また、造形後に造形物および周辺の粉末床の平均温度を調整するための追加加熱が実施されてもよい。追加加熱は後熱とも称される。 First, the three-dimensional modeling apparatus 10 used in the method for manufacturing the turbine blade 1 will be described. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the three-dimensional modeling apparatus 10. The three-dimensional modeling device 10 is an device that irradiates the powder material A with an electron beam B to melt and solidify the powder material A to form the turbine blade 1. The three-dimensional modeling apparatus 10 includes, for example, a step of irradiating the powder material A with an electron beam B to preheat the powder material A, and irradiating the powder material A with an electron beam B to melt the powder material A to melt a turbine. The process of modeling a part of the blade 1 is repeated, and the solidified powder material is laminated to form the turbine blade 1. Preheating, also called preheating, is a process of heating the powder material A at a temperature lower than the melting point of the powder material A before modeling the object. Further, after modeling, additional heating may be performed to adjust the average temperature of the modeled object and the surrounding powder bed. Additional heating is also called post-heating.

三次元造形装置１０は、ビーム出射部２０、造形部３０及び制御部４０を備えて構成されている。ビーム出射部２０は、造形部３０の粉末材料Ａに対し電子ビームＢを出射し、粉末材料Ａを溶融させる。電子ビームＢは、荷電粒子である電子の直線的な運動により形成される荷電粒子ビームである。また、ビーム出射部２０は、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して粉末材料Ａの予備加熱を行った後に、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射し粉末材料Ａを溶融させて三次元の物体であるタービンブレード１の造形を行っていく。 The three-dimensional modeling device 10 includes a beam emitting unit 20, a modeling unit 30, and a control unit 40. The beam emitting unit 20 emits an electron beam B to the powder material A of the modeling unit 30 to melt the powder material A. The electron beam B is a charged particle beam formed by the linear motion of electrons, which are charged particles. Further, the beam emitting unit 20 irradiates the powder material A with the electron beam B to preheat the powder material A, and then irradiates the powder material A with the electron beam B to melt the powder material A in three dimensions. The turbine blade 1 which is an object is modeled.

ビーム出射部２０は、電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３、偏向コイル２４及び飛散検知器２５を備えている。電子銃部２１は、制御部４０と電気的に接続され、制御部４０からの制御信号を受けて作動し、電子ビームＢを出射する。電子銃部２１は、例えば、下方に向けて電子ビームＢを出射するように設けられている。収差コイル２２は、制御部４０と電気的に接続され、制御部４０からの制御信号を受けて作動する。収差コイル２２は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置され、電子ビームＢの収差を補正する。フォーカスコイル２３は、制御部４０と電気的に接続され、制御部４０からの制御信号を受けて作動する。フォーカスコイル２３は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置され、電子ビームＢを収束させ、電子ビームＢの照射位置におけるフォーカス状態を調整する。偏向コイル２４は、制御部４０と電気的に接続され、制御部４０からの制御信号を受けて作動する。偏向コイル２４は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置され、制御信号に応じて電子ビームＢの照射位置を調整する。偏向コイル２４は、電磁的なビーム偏向を行うため、機械的なビーム偏向と比べて、電子ビームＢの照射時における走査速度を高速なものとすることができる。電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３及び偏向コイル２４は、例えば、筒状を呈するコラム２６内に設置される。なお、収差コイル２２の設置を省略する場合もある。 The beam emitting unit 20 includes an electron gun unit 21, an aberration coil 22, a focus coil 23, a deflection coil 24, and a scattering detector 25. The electron gun unit 21 is electrically connected to the control unit 40, operates by receiving a control signal from the control unit 40, and emits an electron beam B. The electron gun portion 21 is provided so as to emit the electron beam B downward, for example. The aberration coil 22 is electrically connected to the control unit 40 and operates by receiving a control signal from the control unit 40. The aberration coil 22 is installed around the electron beam B emitted from the electron gun portion 21 to correct the aberration of the electron beam B. The focus coil 23 is electrically connected to the control unit 40 and operates by receiving a control signal from the control unit 40. The focus coil 23 is installed around the electron beam B emitted from the electron gun unit 21, converges the electron beam B, and adjusts the focus state at the irradiation position of the electron beam B. The deflection coil 24 is electrically connected to the control unit 40 and operates by receiving a control signal from the control unit 40. The deflection coil 24 is installed around the electron beam B emitted from the electron gun unit 21, and adjusts the irradiation position of the electron beam B according to a control signal. Since the deflection coil 24 performs electromagnetic beam deflection, the scanning speed at the time of irradiation of the electron beam B can be made higher than that of the mechanical beam deflection. The electron gun portion 21, the aberration coil 22, the focus coil 23, and the deflection coil 24 are installed in, for example, a column 26 having a tubular shape. In some cases, the installation of the aberration coil 22 may be omitted.

飛散検知器２５は、粉末材料Ａへの電子ビームＢの照射により粉末材料Ａが飛散したことを検知する機器である。つまり、飛散検知器２５は、粉末材料Ａへの電子ビームＢが照射されたときに、粉末材料Ａが飛散して霧状に舞い上がるスモーク現象を検知する。飛散検知器２５としては、例えばＸ線検知器が用いられる。この場合、飛散検知器２５は、スモーク発生時に発生するＸ線を検知し、Ｘ線の検知によって粉末材料Ａの飛散の検出が可能となる。飛散検知器２５は、例えば、コラム２６に取り付けられ、電子ビームＢに向けて配置される。なお、飛散検知器２５は、粉末材料Ａの照射領域の近傍位置に設けられる場合もある。また、三次元造形装置１０によっては、飛散検知器２５が設けられていなくてもよい。 The scattering detector 25 is a device that detects that the powder material A is scattered by irradiating the powder material A with the electron beam B. That is, the scattering detector 25 detects the smoke phenomenon in which the powder material A scatters and soars in the form of mist when the powder material A is irradiated with the electron beam B. As the scattering detector 25, for example, an X-ray detector is used. In this case, the scattering detector 25 detects the X-rays generated when smoke is generated, and the scattering of the powder material A can be detected by the detection of the X-rays. The scattering detector 25 is attached to the column 26, for example, and is arranged toward the electron beam B. The scattering detector 25 may be provided at a position near the irradiation region of the powder material A. Further, depending on the three-dimensional modeling apparatus 10, the scattering detector 25 may not be provided.

造形部３０は、所望のタービンブレード１を造形する部位であり、チャンバ３０ａ内に粉末材料Ａを配している。造形部３０は、ビーム出射部２０の下方に設けられている。造形部３０は、箱状のチャンバ３０ａを備えており、チャンバ３０ａ内において、プレート３１、昇降機３２、粉末塗布機構３３及びホッパ３４を備えている。チャンバ３０ａはコラム２６と結合されており、チャンバ３０ａの内部空間は電子銃部２１が配置されるコラム２６の内部空間と連通している。 The modeling portion 30 is a portion for modeling a desired turbine blade 1, and the powder material A is arranged in the chamber 30a. The modeling unit 30 is provided below the beam emitting unit 20. The modeling unit 30 includes a box-shaped chamber 30a, and in the chamber 30a, a plate 31, an elevator 32, a powder coating mechanism 33, and a hopper 34 are provided. The chamber 30a is coupled to the column 26, and the internal space of the chamber 30a communicates with the internal space of the column 26 in which the electron gun portion 21 is arranged.

プレート３１は、造形されるタービンブレード１を支持する部材である。プレート３１上で物体が造形されていき、プレート３１は、造形されていくタービンブレード１を支持する。プレート３１は、例えば円形の板状体のものが用いられる。プレート３１は、電子ビームＢの出射方向の延長線上に配置され、例えば水平方向に向けて設けられる。プレート３１は、下方に設置される昇降ステージ３５に支持されて配置され、昇降ステージ３５と共に上下方向に移動する。昇降機３２は、昇降ステージ３５及びプレート３１を昇降させる機器である。昇降機３２は、制御部４０と電気的に接続され、制御部４０からの制御信号を受けて作動する。例えば、昇降機３２は、タービンブレード１の造形の初期において昇降ステージ３５と共にプレート３１を上部へ移動させておき、プレート３１上で粉末材料Ａが溶融凝固されて積層されるごとにプレート３１を降下させる。昇降機３２は、プレート３１を昇降できる機構であれば、いずれの機構のものを用いてもよい。 The plate 31 is a member that supports the turbine blade 1 to be modeled. An object is shaped on the plate 31, and the plate 31 supports the turbine blade 1 to be shaped. As the plate 31, for example, a circular plate-shaped plate is used. The plate 31 is arranged on an extension line in the emission direction of the electron beam B, and is provided, for example, in the horizontal direction. The plate 31 is supported and arranged on the elevating stage 35 installed below, and moves in the vertical direction together with the elevating stage 35. The elevator 32 is a device that raises and lowers the elevating stage 35 and the plate 31. The elevator 32 is electrically connected to the control unit 40 and operates by receiving a control signal from the control unit 40. For example, the elevator 32 moves the plate 31 upward together with the elevating stage 35 at the initial stage of modeling the turbine blade 1, and lowers the plate 31 each time the powder material A is melt-solidified and laminated on the plate 31. .. As the elevator 32, any mechanism may be used as long as it is a mechanism capable of raising and lowering the plate 31.

プレート３１は、造形タンク３６内に配置されている。造形タンク３６は、チャンバ３０ａ内の下部に設置されている。この造形タンク３６は、例えば、円筒状に形成され、プレート３１の移動方向に向けて延びている。この造形タンク３６は、プレート３１と同心円状の断面円形に形成される。造形タンク３６の内側形状に合わせて、昇降ステージ３５が形成される。つまり、造形タンク３６の内側形状が水平断面で円形の場合、昇降ステージ３５の外形も円形とされる。これにより、造形タンク３６に供給される粉末材料Ａが昇降ステージ３５の下方へ漏れ落ちることを抑制しやすくなる。また、粉末材料Ａが昇降ステージ３５の下方へ漏れ落ちることを抑制するために、昇降ステージ３５の外縁部にシール材を設けてもよい。なお、造形タンク３６の形状は、円筒状に限定されず、断面矩形の角筒状であってもよい。 The plate 31 is arranged in the modeling tank 36. The modeling tank 36 is installed in the lower part of the chamber 30a. The modeling tank 36 is formed in a cylindrical shape, for example, and extends in the moving direction of the plate 31. The modeling tank 36 is formed to have a circular cross section concentric with the plate 31. The elevating stage 35 is formed according to the inner shape of the modeling tank 36. That is, when the inner shape of the modeling tank 36 is circular in the horizontal cross section, the outer shape of the elevating stage 35 is also circular. This makes it easier to prevent the powder material A supplied to the modeling tank 36 from leaking downward from the elevating stage 35. Further, in order to prevent the powder material A from leaking below the elevating stage 35, a sealing material may be provided on the outer edge of the elevating stage 35. The shape of the modeling tank 36 is not limited to a cylindrical shape, and may be a square tubular shape having a rectangular cross section.

粉末塗布機構３３は、プレート３１の上方に粉末材料Ａを供給し粉末材料Ａの表面を均す部材であり、リコータとして機能する。例えば、粉末塗布機構３３は、棒状又は板状の部材が用いられ、水平方向に移動することにより電子ビームＢの照射領域に粉末材料Ａを供給し、粉末材料Ａの表面を均す。粉末塗布機構３３は、図示しないアクチュエータ及び機構により移動制御される。なお、粉末材料Ａを均す機構としては、粉末塗布機構３３以外の機構を用いることができる。ホッパ３４は、粉末材料Ａを収容する収容器である。ホッパ３４の下部には、粉末材料Ａを排出する排出口３４ａが形成されている。排出口３４ａから排出された粉末材料Ａは、プレート３１上へ流入し、又は、粉末塗布機構３３によりプレート３１上へ供給される。プレート３１、昇降機３２、粉末塗布機構３３及びホッパ３４は、チャンバ３０ａ内に設置される。チャンバ３０ａ内は、真空又はほぼ真空な状態とされている。なお、プレート３１上に粉末材料Ａを層状に供給する機構としては、粉末塗布機構３３及びホッパ３４以外の機構を用いることができる。 The powder coating mechanism 33 is a member that supplies the powder material A above the plate 31 to level the surface of the powder material A, and functions as a recorder. For example, in the powder coating mechanism 33, a rod-shaped or plate-shaped member is used, and the powder material A is supplied to the irradiation region of the electron beam B by moving in the horizontal direction, and the surface of the powder material A is leveled. The powder coating mechanism 33 is movement-controlled by an actuator and a mechanism (not shown). As a mechanism for leveling the powder material A, a mechanism other than the powder coating mechanism 33 can be used. The hopper 34 is a container for accommodating the powder material A. A discharge port 34a for discharging the powder material A is formed in the lower part of the hopper 34. The powder material A discharged from the discharge port 34a flows into the plate 31 or is supplied onto the plate 31 by the powder coating mechanism 33. The plate 31, the elevator 32, the powder coating mechanism 33, and the hopper 34 are installed in the chamber 30a. The inside of the chamber 30a is in a vacuum or almost vacuum state. As a mechanism for supplying the powder material A in a layer on the plate 31, a mechanism other than the powder coating mechanism 33 and the hopper 34 can be used.

粉末材料Ａは、多数の粉末体により構成される。粉末材料Ａとしては、例えば金属製の粉末が用いられる。また、粉末材料Ａとしては、電子ビームＢの照射により溶融及び凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。 The powder material A is composed of a large number of powder bodies. As the powder material A, for example, a metal powder is used. Further, as the powder material A, if it can be melted and solidified by irradiation with the electron beam B, granules having a diameter larger than that of the powder may be used.

制御部４０は、三次元造形装置１０の装置全体の制御を行う電子制御ユニットであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを含んで構成される。制御部４０は、プレート３１の昇降制御、粉末塗布機構３３の作動制御、電子ビームＢの出射制御、偏向コイル２４の作動制御、粉末材料Ａの飛散検出、及び、粉末材料Ａの飛散位置検出を行う。制御部４０は、プレート３１の昇降制御として、昇降機３２に制御信号を出力して昇降機３２を作動させ、プレート３１の上下位置を調整する。制御部４０は、粉末塗布機構３３の作動制御として、電子ビームＢの出射前に粉末塗布機構３３を作動させ、プレート３１上へ粉末材料Ａを供給して均す。制御部４０は、電子ビームＢの出射制御として、電子銃部２１に制御信号を出力し、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させる。 The control unit 40 is an electronic control unit that controls the entire device of the three-dimensional modeling device 10, and includes, for example, a computer including a CPU, a ROM, and a RAM. The control unit 40 controls the raising and lowering of the plate 31, controls the operation of the powder coating mechanism 33, controls the emission of the electron beam B, controls the operation of the deflection coil 24, detects the scattering of the powder material A, and detects the scattering position of the powder material A. Do. The control unit 40 outputs a control signal to the elevator 32 to operate the elevator 32 as an elevation control of the plate 31, and adjusts the vertical position of the plate 31. The control unit 40 operates the powder coating mechanism 33 before the emission of the electron beam B to control the operation of the powder coating mechanism 33, and supplies the powder material A onto the plate 31 to level the powder material A. The control unit 40 outputs a control signal to the electron gun unit 21 to control the emission of the electron beam B, and emits the electron beam B from the electron gun unit 21.

制御部４０は、偏向コイル２４の作動制御として、偏向コイル２４に制御信号を出力して、電子ビームＢの照射位置を制御する。例えば、粉末材料Ａの予備加熱を行う場合、制御部４０は、ビーム出射部２０の偏向コイル２４に制御信号を出力し、プレート３１に対し電子ビームＢを走査して照射させる。 The control unit 40 outputs a control signal to the deflection coil 24 to control the operation of the deflection coil 24 to control the irradiation position of the electron beam B. For example, when preheating the powder material A, the control unit 40 outputs a control signal to the deflection coil 24 of the beam emitting unit 20 and scans and irradiates the plate 31 with the electron beam B.

制御部４０は、物体の造形を行う場合、例えば造形すべきタービンブレード１の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを用いる。タービンブレード１の三次元ＣＡＤデータは予め入力されるタービンブレード１の形状データである。制御部４０は、三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。スライスデータは、例えば、タービンブレード１の水平断面のデータであり、上下位置に応じた多数のデータの集合体である。制御部４０は、このスライスデータに基づいて、電子ビームＢが粉末材料Ａに対し照射する領域を決定する。 When modeling an object, the control unit 40 uses, for example, three-dimensional CAD (Computer-Aided Design) data of the turbine blade 1 to be modeled. The three-dimensional CAD data of the turbine blade 1 is the shape data of the turbine blade 1 input in advance. The control unit 40 generates two-dimensional slice data based on the three-dimensional CAD data. The slice data is, for example, data of a horizontal cross section of the turbine blade 1, and is a collection of a large number of data according to the vertical position. The control unit 40 determines the region to be irradiated to the powder material A by the electron beam B based on the slice data.

図５は、タービンブレード１の造形時における電子ビームＢの走査を示す図である。なお、図５には、説明の便宜上、粉末材料Ａの図示を省略している。図５に示すように、タービンブレード１の形状に応じ、矢印の方向に沿って電子ビームＢが照射される。電子ビームＢは、予め設定された間隔Ｇで走査され、造形領域Ｒの全域に照射される。造形領域Ｒは、造形すべきタービンブレード１のスライスデータに応じて設定される。 FIG. 5 is a diagram showing scanning of the electron beam B during modeling of the turbine blade 1. Note that FIG. 5 omits the illustration of the powder material A for convenience of explanation. As shown in FIG. 5, the electron beam B is irradiated along the direction of the arrow according to the shape of the turbine blade 1. The electron beam B is scanned at a preset interval G and irradiates the entire area of the modeling region R. The modeling area R is set according to the slice data of the turbine blade 1 to be modeled.

制御部４０は、翼部２と取付部３の造形において、電子ビームＢの照射条件を異ならせて造形を行わせる。例えば、制御部４０は、翼部２と取付部３の造形において、電子ビームＢの走査速度及び走査間隔を異ならせる。具体的には、翼部２の造形は、取付部３の造形に対し、電子ビームＢの走査速度を遅くし、かつ、電子ビームＢの走査の間隔Ｇを広くして行われる。これに対し、取付部３の造形は、翼部２の造形に対し、電子ビームＢの走査速度を速くし、かつ、電子ビームＢの走査の間隔Ｇを狭くして行われる。また、翼部２と取付部３の造形において、電子ビームＢの出力を異ならせてもよい。この電子ビームＢの照射条件は、翼部２が柱状組織として造形され、取付部３が等軸組織として造形されるように、走査速度、走査間隔、ビーム出力などを適宜調整して設定される。 The control unit 40 causes the wing portion 2 and the mounting portion 3 to be modeled by different irradiation conditions of the electron beam B. For example, the control unit 40 makes the scanning speed and the scanning interval of the electron beam B different in the modeling of the blade portion 2 and the mounting portion 3. Specifically, the modeling of the wing portion 2 is performed by slowing the scanning speed of the electron beam B and widening the scanning interval G of the electron beam B with respect to the modeling of the mounting portion 3. On the other hand, the molding of the mounting portion 3 is performed by increasing the scanning speed of the electron beam B and narrowing the scanning interval G of the electron beam B as compared with the molding of the wing portion 2. Further, the output of the electron beam B may be different in the modeling of the wing portion 2 and the mounting portion 3. The irradiation conditions of the electron beam B are set by appropriately adjusting the scanning speed, scanning interval, beam output, etc. so that the blade portion 2 is formed as a columnar structure and the mounting portion 3 is formed as an equiaxed structure. ..

図６は、本実施形態に係るタービンブレード１の製造方法を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing a manufacturing method of the turbine blade 1 according to the present embodiment.

図６に示すように、タービンブレード１の製造は、取付部３の造形と翼部２の造形を順次行って行われる。まず、図６のＳ１０に示すように、取付部３の造形が行われる。取付部３の造形は、プレート３１上への粉末材料Ａの供給工程、予備加熱工程及び造形工程を繰り返して行われる。 As shown in FIG. 6, the turbine blade 1 is manufactured by sequentially molding the mounting portion 3 and the blade portion 2. First, as shown in S10 of FIG. 6, the mounting portion 3 is shaped. The molding of the mounting portion 3 is performed by repeating the steps of supplying the powder material A onto the plate 31, the preheating step, and the molding step.

粉末材料Ａの供給工程は、電子ビームＢの照射領域に粉末材料Ａを供給しその表面を均す工程である。例えば、図１において、制御部４０は、昇降機３２に制御信号を出力してプレート３１の上下位置を調節し、図示しないアクチュエータ又は機構に制御信号を出力して粉末塗布機構３３を作動させる。これにより、粉末塗布機構３３が水平方向に作動し、プレート３１上に粉末材料Ａが供給され、粉末材料Ａの表面が均される。 The powder material A supply step is a step of supplying the powder material A to the irradiation region of the electron beam B and leveling the surface thereof. For example, in FIG. 1, the control unit 40 outputs a control signal to the elevator 32 to adjust the vertical position of the plate 31, and outputs a control signal to an actuator or mechanism (not shown) to operate the powder coating mechanism 33. As a result, the powder coating mechanism 33 operates in the horizontal direction, the powder material A is supplied onto the plate 31, and the surface of the powder material A is leveled.

予備加熱工程は、物体造形を行う前に予め粉末材料Ａを加熱する工程である。制御部４０は、ビーム出射部２０に制御信号を出力し、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させると共に、電子ビームＢを走査させる。これにより、図７に示すように、プレート３１上の粉末材料Ａに電子ビームＢが均一となるように照射されて加熱される。 The preheating step is a step of heating the powder material A in advance before performing the object modeling. The control unit 40 outputs a control signal to the beam emitting unit 20, emits the electron beam B from the electron gun unit 21, and scans the electron beam B. As a result, as shown in FIG. 7, the powder material A on the plate 31 is irradiated with the electron beam B so as to be uniform and heated.

造形工程は、タービンブレード１の取付部３の造形を行う工程である。例えば、制御部４０は、造形すべき取付部３の三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。そして、制御部４０は、このスライスデータに基づいて、粉末材料Ａに対し電子ビームＢを照射する造形領域Ｒを決定し、その造形領域Ｒに応じてビーム出射部２０から電子ビームＢを照射させる。ここでの造形工程では、取付部３を構成する一部の層が造形される。このとき、電子ビームＢの照射は、翼部２の造形と比べて、電子ビームＢの走査速度が速く、かつ、電子ビームＢの走査の間隔Ｇが狭くして行われる。電子ビームＢの照射条件は、取付部３が等軸組織となるように、電子ビームＢの走査速度、走査の間隔Ｇ、出力などを適宜調整して設定される。これにより、取付部３における金属の結晶粒径が小さくなり、取付部３が等軸組織として造形される。 The modeling process is a process of modeling the mounting portion 3 of the turbine blade 1. For example, the control unit 40 generates two-dimensional slice data based on the three-dimensional CAD data of the mounting unit 3 to be modeled. Then, the control unit 40 determines a modeling region R for irradiating the powder material A with the electron beam B based on the slice data, and irradiates the electron beam B from the beam emitting unit 20 according to the modeling region R. .. In the modeling process here, a part of the layers constituting the mounting portion 3 is modeled. At this time, the irradiation of the electron beam B is performed with the scanning speed of the electron beam B being faster and the scanning interval G of the electron beam B being narrower than that of the modeling of the blade portion 2. The irradiation conditions of the electron beam B are set by appropriately adjusting the scanning speed of the electron beam B, the scanning interval G, the output, and the like so that the mounting portion 3 has an equiaxed structure. As a result, the crystal grain size of the metal in the mounting portion 3 becomes smaller, and the mounting portion 3 is formed as an equiaxed structure.

取付部３の造形において、粉末材料Ａの供給工程、予備加熱工程、造形工程が繰り返し行われることにより、取付部３が層状に徐々に形成されていき、最終的に所望の取付部３が造形される。 In the modeling of the mounting portion 3, the powder material A supply step, the preheating step, and the molding step are repeatedly performed, so that the mounting portion 3 is gradually formed in layers, and finally the desired mounting portion 3 is molded. Will be done.

Ｓ１０の取付部３の造形が完了したら、翼部２の造形が行われる（Ｓ２０）。翼部２の造形は、プレート３１上への粉末材料Ａの供給工程、予備加熱工程及び造形工程を繰り返して行われる。また、必要に応じて造形工程の後に追加加熱工程を行って、粉末材料Ａの供給工程、予備加熱工程、造形工程及び追加加熱工程を繰り返して行ってもよい。 When the modeling of the mounting portion 3 of S10 is completed, the modeling of the wing portion 2 is performed (S20). The molding of the wing portion 2 is performed by repeating the steps of supplying the powder material A onto the plate 31, the preheating step, and the molding step. Further, if necessary, an additional heating step may be performed after the modeling step, and the powder material A supply step, the preheating step, the modeling step, and the additional heating step may be repeated.

粉末材料Ａの供給工程は、電子ビームＢの照射領域に粉末材料Ａを供給しその表面を均す工程である。例えば、図４において、制御部４０は、昇降機３２に制御信号を出力してプレート３１の上下位置を調節し、図示しないアクチュエータ又は機構に制御信号を出力して粉末塗布機構３３を作動させる。これにより、粉末塗布機構３３が水平方向に作動し、プレート３１上に粉末材料Ａが供給され、粉末材料Ａの表面が均される。 The powder material A supply step is a step of supplying the powder material A to the irradiation region of the electron beam B and leveling the surface thereof. For example, in FIG. 4, the control unit 40 outputs a control signal to the elevator 32 to adjust the vertical position of the plate 31, and outputs a control signal to an actuator or mechanism (not shown) to operate the powder coating mechanism 33. As a result, the powder coating mechanism 33 operates in the horizontal direction, the powder material A is supplied onto the plate 31, and the surface of the powder material A is leveled.

予備加熱工程は、物体造形を行う前に予め粉末材料Ａを加熱する工程である。制御部４０は、ビーム出射部２０に制御信号を出力し、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させると共に、電子ビームＢを走査させる。これにより、図７に示すように、プレート３１上の粉末材料Ａに電子ビームＢが均一となるように照射されて加熱される。 The preheating step is a step of heating the powder material A in advance before performing the object modeling. The control unit 40 outputs a control signal to the beam emitting unit 20, emits the electron beam B from the electron gun unit 21, and scans the electron beam B. As a result, as shown in FIG. 7, the powder material A on the plate 31 is irradiated with the electron beam B so as to be uniform and heated.

造形工程は、タービンブレード１の翼部２の造形を行う工程である。例えば、制御部４０は、造形すべき翼部２の三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。そして、制御部４０は、このスライスデータに基づいて、粉末材料Ａに対し電子ビームＢを照射する造形領域Ｒを決定し、その造形領域Ｒに応じてビーム出射部２０から電子ビームＢを照射させる。ここでの造形工程では、翼部２を構成する一部の層が造形される。このとき、電子ビームＢの照射条件は、取付部３のものと異なる。電子ビームＢの照射は、取付部３の造形と比べて、電子ビームＢの走査速度が遅く、かつ、電子ビームＢの走査の間隔Ｇが広くして行われる。電子ビームＢの照射条件は、翼部２が柱状組織となるように、電子ビームＢの走査速度、走査の間隔Ｇ、出力などを適宜調整して設定される。これにより、翼部２における金属の結晶粒径が大きくなり、翼部２が柱状組織として造形される。 The modeling process is a process of modeling the blade portion 2 of the turbine blade 1. For example, the control unit 40 generates two-dimensional slice data based on the three-dimensional CAD data of the wing unit 2 to be modeled. Then, the control unit 40 determines a modeling region R for irradiating the powder material A with the electron beam B based on the slice data, and irradiates the electron beam B from the beam emitting unit 20 according to the modeling region R. .. In the modeling process here, a part of the layers constituting the wing portion 2 is modeled. At this time, the irradiation conditions of the electron beam B are different from those of the mounting portion 3. The irradiation of the electron beam B is performed so that the scanning speed of the electron beam B is slower and the scanning interval G of the electron beam B is wider than that of the molding of the mounting portion 3. The irradiation conditions of the electron beam B are set by appropriately adjusting the scanning speed of the electron beam B, the scanning interval G, the output, and the like so that the blade portion 2 has a columnar structure. As a result, the crystal grain size of the metal in the wing portion 2 becomes large, and the wing portion 2 is formed as a columnar structure.

追加加熱工程は、造形後の造形物及び周辺の粉末の平均温度を維持、調整するために造形領域Ｒ及び粉末材料Ａを加熱する工程である。制御部４０は、ビーム出射部２０に制御信号を出力し、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させると共に電子ビームＢを走査させる。これにより、図７に示すように、プレート３１上の粉末材料Ａに電子ビームＢが均一となるように照射されて加熱される。 The additional heating step is a step of heating the modeling region R and the powder material A in order to maintain and adjust the average temperature of the modeled object and the surrounding powder after modeling. The control unit 40 outputs a control signal to the beam emitting unit 20, emits the electron beam B from the electron gun unit 21, and scans the electron beam B. As a result, as shown in FIG. 7, the powder material A on the plate 31 is irradiated with the electron beam B so as to be uniform and heated.

翼部２の造形において、粉末材料Ａの供給工程、予備加熱工程、造形工程及び追加加熱工程が繰り返し行われることにより、翼部２が層状に徐々に形成されていき、最終的に取付部３に連接して翼部２が造形される。 In the molding of the wing portion 2, the wing portion 2 is gradually formed into layers by repeatedly performing the powder material A supply step, the preheating step, the molding step, and the additional heating step, and finally the mounting portion 3 is formed. The wing portion 2 is formed in connection with the above.

Ｓ２０の翼部２の造形を終えたら、図６の一連の制御処理を終了する。なお、ここでは取付部３、翼部２の順に造形する方法について説明したが、翼部２、取付部３の順に造形する場合もある。 When the modeling of the wing portion 2 of S20 is completed, the series of control processes of FIG. 6 is completed. Although the method of modeling the mounting portion 3 and the wing portion 2 in this order has been described here, the wing portion 2 and the mounting portion 3 may be modeled in this order.

図８に実際の製造例を示す。図８の左の画像は柱状組織と等軸組織を造り分けた造形体の断面の画像であり、図８の右の画像は境界部分を拡大した解析画像である。この造形体は、上述した製造方法により製造したものであり、ニッケル基合金により形成されている。図８の右の画像を見ると、柱状組織と等軸組織の移行距離が短いことがわかる。柱状組織（柱状晶）と等軸組織（等軸晶）の移行距離は、約０．５ｍｍとなっている。 FIG. 8 shows an actual manufacturing example. The image on the left of FIG. 8 is an image of a cross section of a modeled body in which a columnar structure and an equiaxed structure are separately formed, and the image on the right of FIG. 8 is an analysis image in which the boundary portion is enlarged. This modeled body is manufactured by the above-mentioned manufacturing method, and is formed of a nickel-based alloy. Looking at the image on the right of FIG. 8, it can be seen that the transition distance between the columnar structure and the equiaxed structure is short. The transition distance between the columnar structure (columnar crystal) and the equiaxed structure (equal axis crystal) is about 0.5 mm.

以上説明したように、本実施形態に係るタービンブレード１によれば、翼部２が柱状組織により形成されることにより翼部２の高温強度を高めることができる。また、取付部３が等軸組織により形成されることにより、取付部３の疲労強度を高めることができる。 As described above, according to the turbine blade 1 according to the present embodiment, the high temperature strength of the blade portion 2 can be increased by forming the blade portion 2 with a columnar structure. Further, since the mounting portion 3 is formed of an equiaxed structure, the fatigue strength of the mounting portion 3 can be increased.

また、本実施形態に係るタービンブレード１によれば、翼部２が平均長辺長さ２００μｍ以上の柱状組織により形成されることにより翼部２の高温強度を高めることができる。また、取付部３が平均粒径５０μｍ以下の等軸組織により形成されることにより、取付部３の疲労強度を高めることができる。 Further, according to the turbine blade 1 according to the present embodiment, the high temperature strength of the blade portion 2 can be increased by forming the blade portion 2 with a columnar structure having an average long side length of 200 μm or more. Further, the fatigue strength of the mounting portion 3 can be increased by forming the mounting portion 3 with an equiaxed structure having an average particle diameter of 50 μm or less.

また、本実施形態に係るタービンブレード１によれば、翼部２の柱状組織と取付部３の等軸組織の移行距離は５ｍｍ以内とされる。このため、翼部２と取付部３の境界において柱状組織と等軸組織の混合領域が短く形成される。従って、翼部２の高温強度と取付部３の疲労強度を的確に発揮させることができる。 Further, according to the turbine blade 1 according to the present embodiment, the transition distance between the columnar structure of the blade portion 2 and the equiaxed structure of the mounting portion 3 is within 5 mm. Therefore, a mixed region of the columnar structure and the equiaxed structure is formed short at the boundary between the wing portion 2 and the mounting portion 3. Therefore, the high temperature strength of the wing portion 2 and the fatigue strength of the mounting portion 3 can be accurately exhibited.

本実施形態に係るタービンブレード１の製造方法によれば、翼部２の造形と取付部３の造形において電子ビームＢの照射条件を異ならせることにより、翼部２と取付部３を異なる組織として造形することができる。すなわち、翼部２を柱状組織とし取付部３を等軸組織として造形することができる。従って、翼部２の高温強度を高め、取付部３の疲労強度を高めることが可能となる。また、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射し粉末材料Ａを溶融させて翼部２及び取付部３を順次造形することにより、翼部２の組織と取付部３の組織の移行距離を短くすることができる。従って、翼部２の高温強度と取付部３の疲労強度を的確に発揮させることができる。 According to the method for manufacturing the turbine blade 1 according to the present embodiment, the blade portion 2 and the mounting portion 3 have different structures by different irradiation conditions of the electron beam B in the molding of the blade portion 2 and the molding of the mounting portion 3. Can be modeled. That is, the wing portion 2 can be formed as a columnar structure, and the attachment portion 3 can be formed as an equiaxed structure. Therefore, it is possible to increase the high temperature strength of the wing portion 2 and increase the fatigue strength of the mounting portion 3. Further, by irradiating the powder material A with the electron beam B to melt the powder material A and sequentially modeling the wing portion 2 and the mounting portion 3, the transition distance between the structure of the wing portion 2 and the structure of the mounting portion 3 is shortened. be able to. Therefore, the high temperature strength of the wing portion 2 and the fatigue strength of the mounting portion 3 can be accurately exhibited.

また、本実施形態に係るタービンブレード１の製造方法によれば、翼部２の造形が、取付部３の造形に対し、電子ビームＢの走査速度を遅くし、かつ、電子ビームＢの走査間隔を広くして行われる。これにより、翼部２を柱状組織として造形し、取付部３を等軸組織として造形することができる。従って、タービンブレード１において、翼部２の高温強度を高めることができ、取付部３の疲労強度を高めることができる。 Further, according to the method for manufacturing the turbine blade 1 according to the present embodiment, the molding of the blade portion 2 slows down the scanning speed of the electron beam B with respect to the molding of the mounting portion 3, and the scanning interval of the electron beam B is increased. It is done widely. As a result, the wing portion 2 can be formed as a columnar structure, and the attachment portion 3 can be formed as an equiaxed structure. Therefore, in the turbine blade 1, the high temperature strength of the blade portion 2 can be increased, and the fatigue strength of the mounting portion 3 can be increased.

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment. The present invention can take various modifications without departing from the gist of the claims.

例えば、上述した実施形態においては、エネルギビームとして電子ビームＢを粉末材料Ａに照射して物体を造形する場合について説明したが、電子ビームＢ以外のエネルギビームを照射するものであってもよい。例えば、レーザビームやイオンビームを照射して物体を造形するものであってもよい。 For example, in the above-described embodiment, the case where the powder material A is irradiated with the electron beam B as the energy beam to form an object has been described, but the energy beam other than the electron beam B may be irradiated. For example, an object may be modeled by irradiating a laser beam or an ion beam.

また、上述した実施形態においては、タービンブレード１の三次元造形装置１０が粉末材料Ａの供給工程、予備加熱工程、造形工程、追加加熱工程を順次行うものであったが、これらの工程を同時に行うものであってもよい。例えば、図９に示すように、プレート３１の上方にビーム出射部２０、粉末塗布機構３３及びヒータ５０を周方向へ配列し、プレート３１を中央の位置Ｃを中心に回転可能とする。これにより、プレート３１上への粉末材料Ａの供給、予備加熱及び造形を同時に行うことができる。このようなタービンブレード１の製造装置によりタービンブレード１を製造することにより、タービンブレード１の製造を効率良く短時間で行うことが可能となる。特に、タービンブレード１が大型の場合に有効である。 Further, in the above-described embodiment, the three-dimensional modeling apparatus 10 of the turbine blade 1 sequentially performs the powder material A supply step, the preheating step, the modeling step, and the additional heating step, but these steps are simultaneously performed. It may be what you do. For example, as shown in FIG. 9, the beam emitting portion 20, the powder coating mechanism 33, and the heater 50 are arranged above the plate 31 in the circumferential direction so that the plate 31 can be rotated around the central position C. As a result, the powder material A can be supplied onto the plate 31, preheated, and shaped at the same time. By manufacturing the turbine blade 1 with such a turbine blade 1 manufacturing apparatus, it is possible to efficiently manufacture the turbine blade 1 in a short time. This is particularly effective when the turbine blade 1 is large.

１ タービンブレード
２ 翼部
３ 取付部
１０ 三次元造形装置
２０ ビーム出射部
２１ 電子銃部
２２ 収差コイル
２３ フォーカスコイル
２４ 偏向コイル
３０ 造形部
３１ プレート
３２ 昇降機
３３ 粉末塗布機構
３４ ホッパ
４０ 制御部
Ａ 粉末材料
Ｂ 電子ビーム
Ｄ 径方向
Ｒ 造形領域 1 Turbine blade 2 Wing part 3 Mounting part 10 Three-dimensional modeling device 20 Beam emitting part 21 Electron gun part 22 Aberration coil 23 Focus coil 24 Deflection coil 30 Modeling part 31 Plate 32 Elevator 33 Powder coating mechanism 34 Hopper 40 Control part A Powder material B Electron beam D Radial direction R Modeling area

Claims (5)

翼部と取付部を連接して形成したタービンブレードにおいて、
前記翼部は、長手方向に沿った柱状組織の金属により形成され、
前記取付部は、等軸組織の金属により形成される、
タービンブレード。 In a turbine blade formed by connecting a blade and a mounting part,
The wing portion is formed of a metal having a columnar structure along the longitudinal direction.
The mounting portion is formed of an equiaxed metal.
Turbine blade. 前記翼部は、平均長辺長さ２００μｍ以上の前記柱状組織により形成され、
前記取付部は、平均粒径５０μｍ以下の前記等軸組織により形成される、
請求項１に記載のタービンブレード。 The wing portion is formed of the columnar structure having an average long side length of 200 μm or more.
The mounting portion is formed of the equiaxed structure having an average particle size of 50 μm or less.
The turbine blade according to claim 1. 前記翼部の前記柱状組織と前記取付部の前記等軸組織の移行距離は５ｍｍ以内である、
請求項１又は２に記載のタービンブレード。 The transition distance between the columnar structure of the wing portion and the equiaxed structure of the mounting portion is within 5 mm.
The turbine blade according to claim 1 or 2. 翼部と取付部を連接して形成したタービンブレードの製造方法において、
粉末材料にエネルギビームを照射し前記粉末材料を溶融させて前記翼部及び前記取付部を順次造形することにより前記タービンブレードを製造し、
前記翼部の造形と前記取付部の造形において、前記エネルギビームの照射条件を異ならせて造形を行い、前記翼部を柱状組織として造形し前記取付部を等軸組織として造形する、
タービンブレードの製造方法。 In the method of manufacturing a turbine blade formed by connecting a wing portion and a mounting portion,
The turbine blade is manufactured by irradiating the powder material with an energy beam to melt the powder material and sequentially forming the blade portion and the mounting portion.
In the molding of the wing portion and the molding of the mounting portion, the molding is performed with different irradiation conditions of the energy beam, the wing portion is shaped as a columnar structure, and the mounting portion is shaped as an equiaxed structure.
How to manufacture turbine blades. 前記翼部の造形は、前記取付部の造形に対し、前記エネルギビームの走査速度を遅くし、かつ、前記エネルギビームの走査間隔を広くして行われる、
請求項４に記載のタービンブレードの製造方法。 The molding of the wing portion is performed by slowing the scanning speed of the energy beam and widening the scanning interval of the energy beam with respect to the molding of the mounting portion.
The method for manufacturing a turbine blade according to claim 4.
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