JP6452736B2 - 一体的な壁厚制御のためのフィルム孔突出部を用いるタービンブレードインベストメント鋳造 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、フィルム冷却通路を有する中空部材のインベストメント鋳造中の壁厚制御に関する。

発明の背景
インベストメント鋳造は、内部冷却通路を有する中空部材を製造するために使用することができる。インベストメント鋳造プロセスの間、ワックスがワックスキャビティ内へ注入され、中子とワックスダイとの間にワックスパターンを形成する。ワックスダイは除去され、中子およびワックスパターンはセラミックスラリに浸され、ワックスパターンの周囲にセラミックシェルを形成する。ワックスパターンは熱により除去され、型キャビティを残す。溶融金属がセラミック中子とセラミックシェルとの間に注入され、次いでセラミック中子とセラミックシェルは除去され、完成した部材を出現させる。

セラミック中子とワックスダイとの間のあらゆる移動の結果、歪められたワックスパターンが生じることがある。セラミックシェルがワックスパターンの周囲に形成され、セラミックシェルは最終部材のための型キャビティを形成するので、この相対移動の結果、許容できない部材が生じることがある。同様に、翼自体を鋳造するときのセラミック中子とセラミックシェルとのあらゆる移動の結果、許容できない部材が生じることがある。特に、完成した部材の壁部内に形成された冷却チャネルは、型キャビティによって形成される壁部が厳しい製造公差を満たすことを要求する。ガスタービンエンジン技術が進歩するにつれて、より複雑な冷却方式の必要性も高まる。これらの複雑な冷却方式は、比較的小さなサイズから比較的大きなサイズまでの範囲にわたる通路を生じることがあり、これにより、製造公差は、構成部材の設計においてより顕著になっている。

取扱いおよび複数の鋳造作業の間に２つの別個の部材が１つの位置的関係に保持されなければならないインベストメント鋳造プロセスの性質は、公差を保持することを困難にする。加えて、セラミック中子自体は、ワックスダイおよびセラミックシェルと比較したとき、比較的長く薄い。その結果、加熱されると、セラミック中子は、最初に意図された形状から歪むことがある。同様に、セラミック中子は、全ての寸法において、ワックスダイおよび／またはセラミックシェルとまさに同じ形式で膨張しないことがある。この相対移動は、型キャビティを変化させ、最終部材を許容できないものにすることもある。

この相対的な移動を克服するために、Caccavale他への米国特許第５２９６３０８号明細書は、ワックスパターン注入の間にワックスダイに接触またはほとんど接触する、セラミック中子においてバンパを有するセラミック中子を説明している。これは、セラミック中子とワックスダイとの間の間隙を制御し、同様に、セラミック中子とセラミックシェルとの間の間隙を制御する。間隙の制御により、セラミック中子とセラミックシェルとの間の移動が最小化され、これは、翼の壁厚の制御を高める。バンパは、歪みを打ち消すために、重要な応力領域に位置決めされている。最終部材は、内部冷却通路と翼の表面との間に、バンパが配置されていた孔を有してもよく、この孔は、冷却流体が内部冷却通路から漏れることを許容する。

以下の説明では、本発明を図面に関連して説明する。

フィルム冷却配列を有するブレードの圧力面（pressure side）を示している。 図１のブレードの負圧面（suction side）を示している。 図１のブレードを形成するために使用される中子の圧力面を示している。 図１のブレードを形成するために使用される中子の負圧面を示している。 図３の中子の先端部の拡大図を示している。 図３の中子の拡大図を示している。 図５のフィルム孔突出部の拡大図を示している。 鋳造プロセスを示す断面図を示している。 鋳造プロセスを示す断面図を示している。 鋳造プロセスを示す断面図を示している。 鋳造プロセスを示す断面図を示している。 鋳造プロセスを示す断面図を示している。 鋳造プロセスを示す断面図を示している。 鋳造プロセスを示す断面図を示している。

発明の詳細な説明
本願発明者らは、従来技術に関連した望ましくない冷却空気の漏れなしに、壁厚制御を可能にする革新的なセラミックコアを考案した。特に、本明細書に開示された中子は、従来の形式で典型的な蛇行した冷却通路を形成しているが、さらに、従来の中子から延びるフィルム孔突出部を有している。フィルム孔突出部は、セラミックコアをワックスダイおよびセラミックシェルに対して固定の位置関係に保持する形式で、ワックスダイの内面、ひいてはセラミックシェルの内面に当接するように構成されている。各フィルム孔突出部は、その後に鋳造される翼内にそれぞれの孔を形成する。しかしながら、冷却空気の漏れを最小限にするために、関連する孔を最小限にしているかまたは完全に避けている従来技術とは異なり、本明細書に開示されたフィルム孔突出部に関連した孔は、その代わりに、フィルム冷却孔となるようにサイズ決めおよび成形されており、かつフィルム冷却配列内のフィルム冷却孔の全部ではないとしても一部であるように位置決めされている。このようにフィルム孔突出部をサイズ決め、成形および位置決めすることにより、冷却流体の望ましくない損失がなくなる。その代わり、結果的に形成される孔、およびそれを通流する関連する冷却流体が、フィルム冷却配列の一部として革新的に使用される。

図１は、基部１４と、先端部１６と、前縁１８と、後縁２０と、圧力面２２と、負圧面２４とを有する翼１２を備えるガスタービンエンジン（図示せず）用のブレード１０を示している。フィルム冷却配列３０は、フィルム冷却孔３４の複数のグループ３２を有してもよい。各グループ３２は、この典型的な実施の形態において示されている列３６などの、固有のパターンを形成していてもよい。しかしながら、その他のパターンが考えられ、この開示の範囲内であるとみなされる。これらのフィルム冷却孔３４はそれぞれ、空気などの冷却流体の個々の流れを排出するように構成されている。個々の流れは互いに統一され、翼の表面３８に沿って高温ガスと翼表面３８との間を流れ、これにより、翼表面３８を高温ガスから保護する。フィルム冷却孔３４の出口４０は、表面被覆を高めるように成形されていてもよい。形状は、フィルム冷却孔３４から逃げ出す空気を減速させるディフューザの形状を有してもよい。１つの典型的な実施の形態では、形状は、当業者に公知の１０−１０−１０構成を採ってもよい。図２は、翼１２の負圧面２４を示している。

図３は、セラミックから形成されてよい中子５０の典型的な実施の形態を示している。中子５０は、中子基部５２と、中子先端部５４と、中子前縁５６と、中子後縁５８と、中子５０の圧力面６２からの、中子通路構造６０とを有する。ブレード１０において、中子通路構造６０は、構成部材を通って冷却流体を搬送する内部通路（図示せず）を形成する。複数のフィルム孔突出部６４が中子通路構造６０から延びている。図１および図２のフィルム冷却孔３４と一致するように複数のフィルム孔突出部６４が位置決めされていることが分かる。特に、中子先端部５４に配置されたフィルム孔突出部６４は、図１の翼１２の先端部１６に対して平行に配置されたパターン／列３６の一部となるフィルム冷却孔３４を形成するように位置決めされている。この典型的な実施の形態では、先端部１６に配置されたフィルム冷却孔３４よりも、中子先端部５４に配置されたフィルム孔突出部６４のほうが少ない。この典型的な実施の形態では、フィルム孔突出部６４によって形成されない、先端部１６における残りの必要とされるフィルム冷却孔３４は、二次的な機械加工作業によって形成される必要がある。代替的な典型的な実施の形態では、先端部１６の列３６におけるフィルム冷却孔３４の全てを形成するために必要とされるのと同数のフィルム孔突出部６４を設けることができる。同様に、翼１２全体におけるフィルム冷却孔３４よりも少ないフィルム孔突出部６４を設けることができ、これは、残りの必要とされるフィルム冷却孔３４を形成するためにその後の機械加工を必要とする。または、翼１２全体におけるフィルム冷却孔３４と同数のフィルム孔突出部６４を設けることができる。図３の典型的な実施の形態では、フィルム孔突出部６４の位置は、フィルム冷却孔の所望の位置と、ワックスダイにおいて中子５０の形状を維持するのを助ける位置との両方に一致するように選択されている。

図４は、図３の中子５０の負圧面６６と、中子通路構造６０から延びたより多くのフィルム孔突出部６４とを示している。フィルム孔突出部６４は、フィルム冷却孔が必要とされる箇所ならばどこでも、圧力面６２、負圧面６６、中子基部５２および中子先端部５４のうちのいずれかまたは全てから延びていることができる。同様に、フィルム孔突出部６４は、フィルム冷却孔を形成する必要はなく、その代わりに、例えば、シャンクインピンジメント冷却孔を形成することができる。フィルム孔突出部６４は、ブレード１０の表面を冷却するための配列が存在する箇所にはどこでも配置することができる。

図５は、中子通路構造６０から延びておりかつワックスダイ６８に接触するフィルム孔突出部６４の拡大図を示している。各フィルム孔突出部６４は、端面７２を有する本体７０によって形成されており、端面７２は本体７０に対して拡大されていてもよい。本体７０および端面７２は、成形された出口４０を有するフィルム冷却孔３４を形成するように成形されていてもよい。典型的な成形された出口４０は、当業者に公知のように１０−１０−１０構成を有してもよい。図６は、翼の基部１４の近くで中子通路構造６０のうちの１つから延びるフィルム孔突出部６４と、基部１４と先端部１６の間のほぼ半分のところから延びるフィルム孔突出部６４との拡大図を示している。しかしながら、フィルム冷却孔３４が形成される限り、あらゆる位置を選択可能である。

図８に見られるように、フィルム孔突出部６４は、中子５０の外側の本体７０の延長の軸線７６が中子表面７４に対して鋭角７８を形成するように、中子５０の表面７４から延びていてもよい。その結果、中子５０の中子表面７４から延びる本体７０は、中子表面７４に対して片持ちされている。言い換えれば、端面７２は、本体７０が中子５０に接続している箇所に対して、中子表面７４に沿って横方向にずれている。

図８に見られるように、端面７２は、ワックスダイ６８の内面８０に当接し、この内面８０と同一平面を成している（一致している）。集合的に、次いで、端面７２は、ワックスダイ６８の内面８０によって規定された輪郭に合致する輪郭を規定しており、これにより、両者間の合致する嵌め合いを生じる。内面と同一平面に当接することにより、端面７２と内面８０との間にはワックスが全く（またはほとんど）入り込むことができない。その結果、クリーンな冷却孔出口４０が生じ、その後の機械加工によって鋳造プロセスによるバリを排除する必要がない。

取扱いおよび鋳造作業の間、ワックスダイは、端面７２に摩擦力および法線力を加える。配列の片持ちされた性質により、これは、本体７０と中子５０とが接続した箇所の周辺で曲げモーメントを生じる。この片持ち配列により、本体７０は、ワックスダイの内面８０によって本体７０に加えられる力に抵抗することができにくくなる。この理由から、フィルム孔突出部６４に対する損傷を防止するために注意が払われなければならない。しかしながら、このトレードオフは、高温ガスとともに移動するように、または代替的に、高温ガスに対して向流で移動するように冷却流体を方向付けるべく向けられたフィルム冷却孔３４を形成するために、許容可能であると考えられる。

中子５０とワックスダイ６８との間（その後、中子５０とセラミックシェルとの間）の位置関係を依然として維持しながらこの曲げモーメントに抵抗するために、本体７０および中子５０は、破損に抵抗するように十分に強くなければならないだけでなく、所望の屈曲量を許容するように、ただし望ましくない屈曲は軽減するように構成されていなければならない。幾分かの屈曲が許容される典型的な実施の形態では、フィルム孔突出部６４によって維持される位置関係は、事実上、許容できる公差を有する１つの固定の位置関係である。典型的な実施の形態では、いかなる屈曲も減少させるおよび／または排除することが好ましいことがある。屈曲が許容されない典型的な実施の形態では、フィルム孔突出部６４によって維持される位置関係は、事実上、許容できる公差のない１つの固定の位置関係である。

本体７０が、第１のジオメトリ８２（延びの軸線７６を規定している）と、より大きなおよび／または増大する断面積の第２のジオメトリ８４とを有してもよいことが分かる。第２のジオメトリ８４は、その後に形成されるフィルム冷却孔３４のディフューザ部分を規定してもよい。すなわち、第１のジオメトリ８２および第２のジオメトリ８４によって規定されたフィルム孔突出部６４（すなわち、中子表面７４の外側の本体７０の部分）は、実際には、中子表面７４から離れるほど断面積が増大していてもよい。加えて、図８は、本体７０が、中子５０内へ延びる第３のジオメトリ８６を有する代替的な典型的な実施の形態を示している。この第３のジオメトリ８６は、本体７０が別個の構成部材で中子５０に挿入されるとき、例えば中子５０が成形体であるときなどに、存在してもよい。このような典型的な実施の形態では、本体７０は、石英、または焼結されたまたは焼結されていない（成形体）粉末冶金構造であってもよい。中子５０は、所望の位置に取り付けられた本体７０とともに焼結されてもよく、これにより、フィルム孔突出部６４がそこから延びる焼結された中子５０を形成する。

代替的に、例えば、第３のジオメトリ８６を凹所に挿入し、本体７０を中子５０に結合することによって、第３のジオメトリ８６を備えた本体７０が、完成した中子に接続されてもよい。この結合は、接着剤の使用、またははんだ付け、ろう付けまたは溶接などによって、当業者に公知の手段によって達成されてもよい。例えば、石英の本体７０は、圧力面６２および／または負圧面６６における凹所に挿入されてもよい。別個の本体７０が中子に組み付けられる場合、これらの別個の本体７０は、選択的に、鋳物に機械加工される他の冷却孔とは異なる冷却孔３４を形成するように構成されてもよい。例えば、別個の本体７０は、取扱い／組立てを容易にするために、より大きくてもよい。拡大された別個の本体７０によって生じる比較的大きなフィルム冷却孔は、単に他の機械加工された冷却孔よりも大きいというだけでもよいし、または代替的に、ダストが構成部材の内部冷却通路から排出されることを可能にするようにサイズ決めされるなどの、付加的な機能を果たしてもよい。

図８は、中子５０の圧力面６２において中子表面７４から延びるフィルム孔突出部６４の断面図を示しているが、別のまたは複数の他のフィルム孔突出部６４が、中子５０の負圧面６６から延びていてもよい。このような配列では、中子５０は、次いで、ワックスダイ６８に対して固定の位置関係に保持される。これは、中子５０とワックスダイ６８との間に間隙９０を規定し、この間隙９０は最終的に翼１２の壁厚を規定する。フィルム孔突出部６４は、中子５０が熱応力によりその形状を変化させようとするときに中子５０によって生ぜしめられる力に耐えることができるような十分な強度のものである。すなわち、中子５０の形状は、ワックスダイ６８に対して適切な位置に維持および保持される。これは、間隙９０のそれぞれの寸法が中子５０の全周にわたって維持され、これがワックスパターンキャビティ９２の寸法制御を維持することを意味する。間隙９０は翼１２の壁厚を規定するので、壁厚のより良好な寸法制御がこの構成を用いて維持される。

図９〜図１４は、引き続き、本明細書に開示された構造を用いるインベストメント鋳造プロセスを示す。図９では、ワックスはワックスパターンキャビティ９２に導入され、ワックスパターン９４が中子５０とワックスダイ６８との間に形成されている。フィルム孔突出部６４は、ワックスパターン９４の成形の間、中子５０とワックスダイ６８との１つの位置関係を保持する。図１０では、ワックスダイ６８は除去されており、中子５０と周囲のワックスパターン９４とを残している。端面７２とセラミックシェルとの良好な接触を保証するために、端面７２に残っていることがあるあらゆるワックスがこのステップにおいて除去されてもよい。図１１では、中子５０およびワックスパターン９４は、セラミックシェル９６を形成するためにセラミックスラリに浸されている。端面７２は、セラミックスラリに対して露出しており、ひいてはセラミックシェル９６と境界面を形成し、これにより、中子５０とセラミックシェル９６とをブリッジする構造を形成する。典型的な実施の形態では、セラミックシェル９６は端面７２に結合し、これにより、モノリシックな中子５０およびセラミックシェル９６配列を形成する。両者が互いに結合されるこの構成では、間隙９０が維持されるのみならず、セラミックシェル９６の内面８０に沿った端面７２の横方向移動も防止される。これは、中子５０が、内面８０に対して、図１１における上下などに移動するのを防止し、これにより、両者間のより正確な位置関係を維持する。

図１２では、ワックスパターン９４は中子５０とセラミックシェル９６との間から除去されている。これは、熱によって、または当業者に公知のあらゆる手段を介して行うことができる。これは、中子５０と、セラミックシェル９６と、これらの間に規定された型キャビティ９８とを残し、型キャビティ９８はフィルム孔突出部６４によってブリッジされている。この型キャビティ９８をブリッジすることにより、フィルム孔突出部６４は、中子５０を、セラミックシェル９６との１つの位置関係に保持し続ける。図１３では、溶融した金属が、型キャビティ９８内と、フィルム孔突出部６４の周囲とに鋳造されている。固化すると、これは、翼１２の壁部１００を形成する。比較的高温の溶融した金属が型キャビティ９８内へ注がれる（または強制的に射出される）ときに生じ得る熱的および機械的応力にもかかわらず、フィルム孔突出部６４は再び、中子５０およびセラミックシェル９６を固定の位置関係に保持する。

図１４では、中子５０およびセラミックシェル９６は、化学的浸出または当業者に公知のあらゆるその他の技術によって除去されている。残るのは、フィルム孔突出部６４が前に配置されていた、成形された出口４０を備える鋳造フィルム冷却孔１０２を有する、壁部１００を備える鋳造翼１２を有する鋳造ブレード１０である。この典型的な実施の形態に示す鋳造フィルム冷却孔１０２は、本体７０の第２のジオメトリ８４が配置されていたディフューザ１０４を有する。鋳造されたフィルム冷却孔１０２またはこの鋳造プロセスによって形成された孔は、より大きなフィルム冷却孔配列３０の一部であってもよいフィルム冷却孔３４のパターン（すなわち列）を形成するために必要とされるフィルム冷却孔３４の一部のみを構成してもよい。所望のパターンを完成させるために必要とされるフィルム冷却孔３４の残りは、鋳造作業後に機械加工されてもよい。言い換えれば、翼１２におけるフィルム冷却孔３４のパターンは、１つまたは複数の鋳造されたフィルム冷却孔１０２と、鋳造作業に続いて翼１２に機械加工されたフィルム冷却孔とを含んでもよい。そうするために、フィルム孔突出部６４のために選択された位置は、少なくとも２つの目標が達成されるようになっていなければならない。第１に、固定の位置関係が維持されなければならない。第２に、フィルム孔突出部６４の存在により生じる鋳造されたフィルム冷却孔１０２は、当然にフィルム冷却孔の予め計画されたパターンの一部となるように位置決めされる。

鋳造された冷却孔と、その後に機械加工された冷却孔との組合せを用いてパターンを形成する１つの利点は、１つの鋳造構成から、２つ以上のパターンおよび関連するフィルム冷却配列３０を製造することができるということである。例えば、その後に機械加工される冷却孔が、減じられたまたは増大した直径を有するべきであることが決定されたとすると、その変更は、同じ中子５０を用いて提供することができる。例えば、効率を高めるためにより高温で作動するように任意のガスタービンエンジンがアップグレードされる場合、冷却の増大が望まれることがある。この例では、ブレードは同じままであるが、より多くの冷却が必要である。完成したアップグレードされたブレードによって必要とされるより大きな冷却は、アップグレードされる前のエンジンのための完成したブレードを形成するために使用することができる同じ鋳造において、異なるまたはより多くのフィルム冷却孔を機械加工することによって達成することができる。さらに、より少ない機械加工されたフィルム冷却孔が必要であることが決定されたとすると、望まれない孔は単に穿孔されることはない。その結果、本明細書に開示された配列および方法は、融通性が増加する。

上記のことから、発明者らは、結果として生じる翼の冷却通路から空気を漏らす構造を生じることなく、型キャビティの寸法制御を改善する独特かつ革新的な位置決め配列を考案したということが分かる。その結果、翼の壁厚の寸法制御が改善され、フィルム冷却孔を形成するために必要とされるその後の機械加工が少なくなる。したがって、これは当該技術の改善を表す。

本発明の様々な実施の形態が本明細書中で図示および説明されているが、これらの実施の形態は単に例として提供されていることが明らかになるであろう。本発明から逸脱することなく、多数の改変、変更および代用がなされ得る。したがって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ限定されることが意図されている。

Claims (9)

1. 翼を形成する方法であって、
   セラミック中子から延びた片持ちされたフィルム孔突出部の端面をワックスダイの内面に対して当接させ、前記セラミック中子を前記ワックスダイに対して固定の位置関係に保持し、
   前記セラミック中子と前記ワックスダイとの間にワックスパターンを形成し、
   前記ワックスダイを除去し、
   前記ワックスパターンを包囲しかつ前記端面に接触するセラミックシェルを形成し、
   前記ワックスパターンを除去し、
   前記セラミック中子の周囲に、超合金を含む翼を鋳造し、
   前記鋳造のステップの後に前記翼にフィルム冷却孔を機械加工し、該機械加工のステップによって形成されたフィルム冷却孔と、前記鋳造のステップの間に前記フィルム孔突出部によって形成された別の鋳造されたフィルム冷却孔とを含む、フィルム冷却孔のパターンを形成する
   ことを含む方法。
2. 前記フィルム孔突出部および前記セラミック中子は、１つの成形作業によって形成されたモノリシックなボディを形成する、請求項１記載の方法。
3. 前記セラミックシェルを前記端面に結合することをさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記フィルム孔突出部のそれぞれが、それぞれのフィルム孔突出部によって形成されたフィルム冷却孔においてディフューザを形成するように構成された形状を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 別個のフィルム孔突出部ボディを前記セラミック中子に組み付けることによって前記セラミック中子に前記フィルム孔突出部を形成することをさらに含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 鋳造配列であって、
   ガスタービンエンジンの翼の内部を形成するように構成されたセラミック中子と、
   前記セラミック中子から片持ちされた複数のフィルム孔突出部と、を備え、各フィルム孔突出部は、前記翼を貫通するフィルム冷却孔を形成するように構成されており、前記複数のフィルム孔突出部は、前記翼におけるフィルム冷却配列の少なくとも一部を規定するフィルム冷却孔を形成するように位置決めされており、
   前記複数のフィルム孔突出部の各フィルム孔突出部は、端面を有し、複数の端面によって形成された輪郭は、ワックスダイの内面によって形成される輪郭と合致するように構成されており、これにより、前記複数の端面が前記内面に対して同一平面を成すように当接したとき、前記セラミック中子は前記ワックスダイに対して固定の位置関係に保持されており、
   前記複数のフィルム孔突出部および前記セラミック中子は、１つの成形作業によって形成されたモノリシックなボディを形成しており、
   機械加工によって形成されるフィルム冷却孔と、鋳造の間に前記フィルム孔突出部によって形成される別の鋳造されたフィルム冷却孔とを含む、フィルム冷却孔のパターンが前記翼に形成される
   ことを特徴とする、鋳造配列。
7. 前記セラミック中子の材料とは異なる材料を含み、かつ前記複数のフィルム孔突出部を形成するために前記セラミック中子に挿入される、複数のフィルム孔突出部ボディをさらに備える、請求項６記載の鋳造配列。
8. 前記複数のフィルム孔突出部ボディは、石英を含み、前記セラミック中子の圧力面および前記セラミック中子の負圧面のうちの少なくとも一方から延びている、請求項７記載の鋳造配列。
9. 各フィルム孔突出部において、前記端面は、それぞれのフィルム孔突出部の残りに対して拡大されている、請求項６から８までのいずれか１項記載の鋳造配列。

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