JP2004337975A - タービン構成要素の製造方法と製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン構成要素は大きな熱的、機械的負荷に耐えねばならない。そのため、タービン構成要素は、結晶的な優先方向を持つ材料で製造すると有利である。従来、結晶的な優先方向を有するタービン構成要素は、全体を一体として製造しており、その歩留まりは悪かった。本発明はこのタービン構成要素の歩留まりの良い製造方法を提供する。
【解決手段】タービン構成要素（９、１０）を、少なくとも基礎部分（１）と継足し材料（８）を結合して構成し、その結合領域の部分領域（７）が結晶的な優先方向（２）を有し、この結果結晶的な優先方向（２）なしの、従来存在していた結合領域の悪い特性を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基礎部分の準備、基礎部分の上への継足し材料の設置、少なくとも基礎部分と境を接する部分領域における継足し材料の第１状態から固体第２状態への変換の工程を含む、少なくとも基礎部分とその上への継足し材料とから成るタービン構成要素の製造方法に関する。また本発明は、基礎部分を準備するためのホルダと、基礎部分の上への継足し材料の設置装置と、少なくとも基礎部分と境を接する部分領域における継足し材料の第１状態から固体第２状態への変換装置とを有する、少なくとも基礎部分とその上への継足し材料とから成るタービン構成要素の製造装置に関する。また本発明は、その製造装置の利用およびタービン構成要素に関する。

特許文献１に、粉末導入によって新たな層が基材上に発生される単結晶組織における肉盛溶接が示されている。

多くの分野で、発電機や作動機械を駆動するために、タービンが採用されている。高温高圧の作動媒体に含まれるエネルギは、作動媒体がタービンを通して導かれ、仕事をしながら膨張することによって、タービン軸の回転運動を発生するために利用される。タービン軸の回転運動を発生するために、タービン軸の外周に、通常、翼群又は翼列の形に輪状にまとめられた多数の動翼が配置されている。それらの動翼は、洗流する作動媒体からの衝撃力の伝達によってタービン軸を駆動する。また、タービン内において流れる作動媒体を案内するために、通常、互いに隣り合う動翼列の間に、タービン車室に結合された静翼列が配置されている。そのタービン翼は、作動媒体を適切に案内するために有利に形状づけられ、翼軸線に沿って延び且つ圧力および温度のような作動媒体パラメータに合わせて設計された羽根を有する。羽根の先端には、タービン翼を各々の支持体、即ち、タービン軸や車室に固定するために、翼軸線に対して直角に延び少なくとも終端領域が引掛け座として形成された翼台座が一体形成されている。

特に高い効率を得るために、発電機を駆動するためのガスタービン又は蒸気タービンは、熱力学的理由から、タービン装置に流入する作動媒体の特に高い作動媒体パラメータに対して設計されている。蒸気タービンの場合、圧力は２００バールより高く、温度は５００℃より高くされる。

ガスタービンの場合、タービン装置に流入する作動媒体の温度は、約１２００℃〜約１３００℃の範囲にある。

非常に高い作動媒体パラメータおよびそれに応じて高い熱的負荷のもとでも、タービン構成要素、特に翼の大きな信頼性および長い寿命を保証するために、特に強く負荷されるタービン構成要素は冷却可能に形成されている。

更に、タービン回転構成要素は、特に半径方向に大きな機械的負荷を受ける。即ち、タービン翼は、通常、その軸線が半径方向に延び、この方向におけるかなり大きな引張り応力に耐えねばならない。その機械的負荷は、近年のタービンにおいてタービン翼が、通常、いわゆる中空翼形部として形成されているだけに、なおさら大きくなる。その中空翼形部は、空洞から熱的に特に大きく負荷される領域に冷却材を供給することによって、タービン翼の内部範囲における冷却が保証されるようにされている。タービン構成要素が結晶的な優先方向を有する材料で作ることが目的に適っていることが分かっている。そのために、タービン構成要素は単結晶構成要素として設計される。即ち、結晶的な優先方向は単結晶組織又は「シングル・クリスタル・組織」によって与えられる。そのような構成要素は「ＳＸ・構成要素」とも呼ばれる。しかしまた、結晶的な優先方向は、タービン構成要素が一方向に方向づけられて凝固された組織を有し、即ち、「一方向凝固組織」として設計される、ことによっても与えられる。そのような構成要素は「ＤＳ・構成要素」とも呼ばれる。タービン構成要素の材料の結晶的な優先方向に基づいて、結晶的な優先方向に沿って方向づけられた特に良好な急速な放熱特性および引張り応力負荷容量が得られる。その放熱特性および引張り応力負荷容量は、等方性材料から成るタービン構成要素よりもかなり大きい。タービン翼の場合、結晶的な優先方向は有利に翼軸線に沿って配置されている。即ち、そのようなタービン翼の熱伝導性および引張り応力負荷容量は、その結晶的な優先方向に沿って、タービンにおけるタービン翼の運転に対して特に目的に適っている。同じような処置は、他のタービン構成要素にも同じように施される。

大きな機械的および熱的負荷を受けるタービン構成要素、特にタービン翼は、特許文献２に記載されているように、通常、全体又は一部が、鋳造過程の枠内で製造される。その鋳造過程は、タービン構成要素に結晶的な優先方向として一方向凝固組織からシングル・クリスタル・組織を与えることができる。即ち、通常のＳＸ翼又はＤＳ翼は一回の作業工程で鋳造される。掛止め台座又は空洞を備えた特に上述したタービン翼の場合に生ずるようなアンダカットは、鋳造過程では全く実現できないか、極めて実現困難である。いずれにしても、複雑な幾何学形状は、通常、歩留まりを非常に悪くし（不良品発生率を高め）、そのようなタービン構成要素を全体として製造しなければならない鋳造過程の経済性を低下させる。従来、そのような悪い歩留まりが余儀なくされた。結晶的な優先方向を有するタービン構成要素、特にＳＸ・タービン構成要素および／又はＤＳ・タービン構成要素における歩留まりを高める（不良品発生率を下げる）試みは、そのようなタービン構成要素を「鋳造に適合させること」、即ち、通常、本来望まれるよりも単純な構造で構成することにある。これはしばしば、そのようなタービン構成要素の使用特性を悪くする。

即ち、総じて言えば、大きな熱的および機械的負荷を受け、且つ鋳造過程にとって複雑な構造を持つタービン構成要素、特にタービン回転構成要素を、鋳造過程で結晶的な優先方向を備えて製造することは極めて困難である。低い歩留まりを甘受するか、鋳造過程のためだけにタービン構成要素の不必要に単純化された構造を受容せねばならない。この問題は、従来、単結晶又は一方向凝固組織のタービン構成要素を、鋳造過程の枠内で全体として鋳造せねばならないだけに、一層重大である。
米国特許第６０２４７９２号明細書 欧州特許出願公開第０８１５９９３号明細書

本発明の課題は、タービン構成要素が場合によって複雑な構造にも係わらず特に簡単に且つできるだけ高い歩留まり（低い不良品発生率）で製造できるような、タービン構成要素の製造方法と装置と、該装置の利用法と、タービン翼とを提供することにある。

タービン構成要素の製造方法についての課題は、冒頭に述べた形式の方法において、本発明に基づき、少なくとも部分領域における継足し材料の変換時に、別個の核形成体により結晶的な優先方向を発生させ、もって変換後に、継足し材料が固体第２状態において少なくとも部分領域に結晶的な優先方向を示すことで解決される。

装置についての課題は、本発明に基づき、冒頭に述べた形式の装置において、別個の核形成体を用意し、少なくとも部分領域における継足し材料の変換時に、核形成体によって結晶的な優先方向を発生させ、変換後に、継足し材料が少なくとも部分領域における固体第２状態において結晶的な優先方向を有するようにすることで解決される。

本発明は、タービン構成要素を特別に良好で、特に熱的および機械的に目的に適う機能のために単結晶組織に形成せねばならず、しかしそのために、必ずしも全体を一体として唯一の鋳造過程の枠内で製造する必要がないようにするという考えから出発する。本発明では、その代わりにタービン構成要素を主に基礎部分と継足し材料を結合して構成する。本発明に基づき、タービン構成要素の基礎部分と継足し材料との接合領域として配置されるタービン構成要素の少なくとも部分領域が、結晶的な優先方向を有することが重要である。本発明は、継足し材料の変換時に核形成体によって、接合領域の少なくとも部分領域に結晶的な優先方向が生じ、この結果、従来余儀なくされていた結晶的な優先方向なしの接合領域の熱的および機械的に不利な特性が回避できるという認識に基づく。或るタービン構成要素の或る基礎部分又は他の基礎補助部分を、タービン構成要素を仕上げるべく再び除去する。全体として結晶的な優先方向を持つタービン構成要素を製造するため、タービン構成要素の継足し材料は、部分領域を越えても結晶的な優先方向を持つ。

別個の核形成体の利用によって、本来の非単結晶母材部分又は乱れ結晶構造を持つ母材部分の追加的評価又は再利用も可能となる。本発明の提案構想は、部分領域も結晶的な優先方向を持つので、結晶的な優先方向を有する複雑なタービン構成要素も特に経済的に製造することが可能になる。各々結晶的な優先方向を持つ部品の単純な結合は、通常の結合方法では、接合領域の部分領域が結晶的な優先方向を有さず、従ってタービン構成要素に対し上述の有利な熱的および機械的特性をもたらさない故に不利である。これに反し本発明の構想は、完全に結晶的な優先方向を有するタービン構成要素の結合、接合又は鋳造も可能にし、その際、接合領域の部分領域も結晶的な優先方向を有する。その場合、本発明は、集合状態の変換時における核形成の物理的原理を利用する。即ち、継足し材料は部分領域で第１状態から固体第２状態に変換し、核形成体に結晶的な優先方向を生じ、該方向を、変換後に少なくとも部分領域が結晶的な優先方向を有するように、変換時に部分領域の継足し材料内において継続する。即ち、部分領域は、等方性組織でなく、タービン構成要素の他の部分も有するような特にぴったりした結晶的な優先方向を持つ。

継足し材料は特に溶融物、即ち第１状態である液体状態で供給する。複雑な幾何学形状を持つタービン構成要素の鋳造は、タービン構成要素を本発明の構想に基づき全体を一体的に作る必要がなく、個々の鋳造部品を結合して作れる故、特に簡単に、しかも非常に高い歩留まりで実施できる。即ち、本来の鋳造過程は、タービン構成要素の一部のみに限定される。部分、例えば基礎部分又は継足し材料の継足し部分がタービン構成要素よりも小さな寸法を有し、その部分を良好に鋳造できるよう選定できるので、タービン構成要素の部分に関し歩留まりは、勿論高くなる。かくして、たとえ複雑なタービン構成要素でも、簡単に鋳造できる部品から結合して作ることもできる。

方法および装置についての本発明の有利な実施態様は、それらの従属請求項から理解でき、個々に、特に有利なタービン構成要素を製造する有利な方式を示す。

本発明に基づく方法は、基礎部分をこれが結晶的な優先方向に対する核形成体として作用するように形成するときに、特に簡単に実施できる。その際、例えば部分領域と接する基礎部分の表面が、結晶的な優先方向に対する核形成体として作用する。部分領域は、結晶的な優先方向として一方向凝固組織および／又は単結晶組織を有するとよい。これは、タービン構成要素の部品の鋳造過程中に実現可能な、２つの特に優れた組織である。核形成体の作用のため、部分領域にも、第１状態から固体第２状態への変換時に、一方向凝固組織および／又は単結晶組織が生ずる。

本発明の方法の第１変形例では、この方法を、タービン構成要素を新規に製造するために用いる。特にこの第１変形例では、継足し材料を基礎部分に継足し部分として付け、部分領域が、基礎部分と継足し部分とを結合する接合領域を形成すると特に好ましい。またその際、継足し材料を継足し部分と基礎部分の間に配置し、継足し部分と基礎部分との結合を支援する追加材料を含むと目的に適う。その追加材料は接合過程に合わせるとよい。特に、継足し部分を垂直方向に継足し材料に付けると有利である。この方向づけの際、核形成体が結晶的な優先方向を発生する利点があることを確認した。

特に、全体的に結晶的な優先方向を有するタービン構成要素を製造するために、基礎部分および／又は継足し部分が少なくとも、部分領域と境を接する範囲に結晶的な優先方向として、一方向凝固組織および／又は単結晶組織を有することが目的に適っている。基礎部分および継足し部分が完全に結晶的な優先方向を有すると有利である。別に適当な各種の核形成体も準備でき、そして、基礎部分をタービン構成要素の仕上げのために再び除去できるので、基礎部分は必ずしも結晶的な優先方向を有する必要はない。この場合、ただ継足し部分が少なくとも、部分領域に隣接する範囲に結晶的な優先方向として、一方向凝固組織および／又は単結晶組織を有する。

本発明の他の変形例に基づき、本発明の方法は、「改装」の分野でタービン構成要素を修理し又は別の方式で処理、例えば被覆するためにも利用できる。特にこの変形例では、基礎部分は、少なくとも部分領域と接する範囲に結晶的な優先方向として既に一方向凝固組織および／又は単結晶組織を有する被覆又は修理すべきタービン構成要素である。本発明の第２変形例では、いずれの場合も、常に継足し部分は基礎部分に付けず、通常１つ又は複数の層を部分領域として基礎部分の上に設ける。それに伴い、継足し材料を、基礎部分上に追加材料の１つ又は複数の層として設け、その際、部分領域は、追加材料の１つ又は複数の層と、基礎部分を結合する接合領域とを含む。ここに述べた第２変形例では、タービン構成要素を修理し、又は他の処置、例えばそれを被覆するため、多数の層を設け、その際核形成に基づき、結晶的な優先方向を第１層からそれに接する第２層に伝播させる。

勿論上述の２つの変形例は、個々に又は繰り返し連続して、又は互いに組合せて実施できる。即ち、第１変形例に基づき、複数の継足し部分を、各々互いに接する継足し部分／基礎部分間に接合領域として形成された部分領域により結合し、その際、少なくともその部分領域は結晶的な優先方向を持つ。必ずしも全ての継足し部分／基礎部分が結晶的な優先方向を持つ必要はなく、全体として結晶的な優先方向を持つタービン構成要素を製造すべく、全部分および部分領域は同じ結晶的な優先方向を持つ。原理的には、タービン構成要素において第１結晶的な優先方向、第２結晶的な優先方向および場合によって互いにずれた別の結晶的な優先方向を、それらがタービン構成要素の熱的および機械的負荷に向くよう設けてもよい。そのため、それに応じて、異なる結晶的な優先方向を有する基礎部分を核形成体として利用し、その基礎部分は核形成に基づき、部分領域および場合によっては継足し部分において結晶的な優先方向を発生する。

ここで述べた第１変形例と第２変形例を組合せてもよい。これは、特にタービン構成要素の修理時、例えば一部で修理すべきタービン構成要素に対し（第２変形例に基づき）被覆を行わねばならず、又はタービン構成要素に新たな部分を（第１変形例に基づき）付けねばならないときに有利である。

原理的には、第１状態は任意の固体状態或いは液体又は気体状態である。特に気体又は液体状態から固体状態への変換が起るとき、その変換が少なくとも部分領域の冷却により加速すると有利である。また、変換のために温度や圧力等の他の運転パラメータを調整する。その際、特に有利な実施態様では、結晶的な優先方向の形成が局所的な熱供給により一層促進されるように、温度勾配を形成すべき結晶的な優先方向に向けて調整する。

本発明に基づく方法の他の実施態様において、継足し材料の変換および設置を異なった方式で行うこともできる。

即ち、継足し材料を溶接過程又は溶融過程の枠内で追加材料として設け、その際、追加材料の第１状態が液体状態であると有利である。その溶接過程として、肉盛溶接過程が考えられるが、溶融過程でもよい。これらの過程は、第１変形例に基づいて他の部分を取り付け、又は特に被覆された他の部分領域をただ置くために、同じように有利である。レーザ溶接、特にレーザ粉末肉盛溶接が目的に適う。その場合、部分領域を、通常の溶接層の広がりを越えて拡張した溶接層として形成するとよい。

通常の溶接法の場合、継足し材料として、溶接追加材料（溶加材）並びに継足し材料を設けると目的に適う。溶接過程のために、少なくとも部分領域が、追加材料および有利には基礎部分の境界領域も一緒に溶融され、部分領域において、核形成体によって結晶的な優先方向を生ずる。かくして、部分領域並びに基礎部分と構造部分との境界領域は結晶的な優先方向を持つ。溶融時又はレーザ溶接時に、追加材料は場合によって省かれ、従って、ただ基礎部分および継足し部分が互いに当接する。この場合、継足し部分は既に継足し材料と見なされる。溶融時に、基礎部分と継足し部分の互いに接する境界領域が溶融し、液体状態から固体状態への変換時に、結晶的な優先方向が生ずる。この結果、変換後に接合領域の少なくとも部分領域は結晶的な優先方向を持つ。

特に被覆した部分領域を設けるため、継足し材料、特に追加材料をレーザ粉末肉盛溶接によって設けるとよい。この方式の場合、継足し材料を粉末としてレーザビームに吹き込み、そこで溶融させ、続いて基礎部分上で液状にする。

或いは継足し材料、特に追加材料を、吹き付け、塗り付け又は浸漬過程で設ける。その場合、第１状態は液体状態である。どのように継足し材料を設け、第１状態から第２状態に変換させるかは、製造すべきタービン構成要素にとって有利に、および継足し材料の選択に応じて有利に選択される。他の有利な方式は、継足し材料、特に追加材料を薄膜、板金又は線として設けることにあり、その場合、第１状態は液体状態である。

本発明の上述の全実施態様は、溶接過程又は溶融過程の枠内で実現できる。その際基礎部分を溶融浴安全装置として利用すると特に好ましい。継足し材料を設置するための装置は、溶接装置と、溶融装置と、塗り付け装置と、鋳造装置との群から選んだ装置である。

本発明の特に有利な実施態様に基づき、継足し材料と継足し部分を層状に設け、その際第１状態は液体状態であり、段階的に各々約０．２５〜０．５ｍｍの厚さの層を設ける。本発明に基づく方法のこの有利な実施態様を実現すべく、個々の又は複数の基礎部分を準備し、その上にタービン構成要素の別の物体を層状に鋳造する。鋳造した材料を液体から固体状態に変換する際、基礎部分が核形成体として作用し、材料の液体状態から固体状態への変換後、少なくとも部分領域、好適には全材料が基礎部分の結晶的な優先方向を有するように、継足し材料に結晶的な優先方向を発生させる。この過程を数回繰り返す。また、特に好適な基礎部分を核形成体として利用する。この基礎部分を再び除去する。上述の方式によれば、１回又は数回の設置過程で、たとえ複雑なタービン構成要素の構造物でも、高い歩留まりで製造できる。

材料を固体状態に変換するための運転パラメータは、その変換の目的に合わせて選定される。特にその装置において冷却が考慮される。

利用についての課題は、本発明に基づき、装置をタービン構成要素の新規作成、修理又は処理に利用することで解決できる。タービン構成要素の新規作成は、複数の部品の結合や少なくとも１回の鋳造過程の実施により実現する。同様にして、タービン構成要素の修理も行える。本発明の装置は、新しく作ったタービン構成要素又は修理すべきタービン構成要素を被覆するためにも利用できる。そのため、例えばタービン構成要素の本体上に、複数の部分領域を層状に設ける。これは、上述のように溶接、溶融又はエピタキシャル法で行う。タービン構成要素の製造のため、本発明の１つ又は複数の設置法および変換法を互いに組合せ得る。即ち、例えば既述のように、継足し部分として１つ又は複数の鋳造部品を溶接過程で結合し、もって全体として結晶的な優先方向を有するタービン構成要素を作る。また、タービン構成要素を、主に多数回連続して実施する鋳造過程で製造し、その際、基礎部分により与えられた結晶的な優先方向を鋳造材料の各鋳造過程時に発生させ、最終的にタービン構成要素全体に完全に広げる。最終的に、同じ結晶的な優先方向を持つ他の部分領域、又は望まれるなら、異なる結晶的な優先方向を持つ他の部分領域を、タービン構成要素上に層状に設ける。これは、エピタキシャル法又は溶接で行う。

タービン構成要素に関する課題は、本発明に従い、本発明の方法と実施態様に応じて製造したタービン構成要素により解決される。更に、この課題は本発明に基づき、部分領域が継足し材料を有し、該材料が、別個の核形成体により結晶的な優先方向を発生しつつ第１状態から固体第２状態に変化し、その後、少なくとも部分領域が結晶的な優先方向を持ち、少なくとも１つの部分領域を有するタービン構成要素により解決される。その部分領域が、少なくとも部分領域と接する箇所で結晶的な優先方向を有する継足し部分に接すると望ましい。

タービン構成要素の他の実施態様では、部分領域が基礎部分に隣接し、該部分が少なくとも部分領域と境を接する領域に結晶的な優先方向を有すると有利である。この場合、基礎部分は完成したタービン構成要素の一部ともなる。

部分領域、基礎部分および継足し部分の少なくとも１つが、結晶的な優先方向として一方向凝固組織および／又は単結晶組織を有すると有利である。特に、主に全体が結晶的な優先方向を有するタービン構成要素を製造すべく、該要素を、各々全体が結晶的な優先方向を有する複数の部分から構成すると望ましい。

上述のタービン構成要素は、本発明に基づく構想がタービン翼に対し特に有効なので、タービン翼として形成するのに適する。特に冒頭に述べたように、動翼はタービン回転構成要素として、その軸方向広がりに沿って作用する大きな熱的および機械的負荷を受けねばならない。タービン翼の単結晶構造又は軸方向広がり方向に向けられた凝固は、特別に発生された結晶的な優先方向を有する結晶構造のために、特に有利である。従って、そのようなタービン翼は、たとえ複雑な構造でも、高い歩留まりで製造できる。

以下図を参照し、本発明の実施例を詳細に説明する。図は実施例を尺度通りに示しておらず、むしろ説明上分かり易く概略的にかつ歪めた形で示す。図から直接理解できる教示内容を補足して、関連した従来技術を参照されたい。その場合、本発明の全般的思想から逸脱することなしに、実施例の形状および詳細を多種多様に変更および変化できることも考慮されたい。上述の説明、図面並びに請求項に開示した本発明の特徴事項は、個々に並びに任意の組合せにおいて、本発明の形成にとって重要である。本発明の全般的考えは、正確な形状又は以下に図示し説明する有利な実施例の詳細に限定されないか、又は請求項で権利請求する対象に比べて切り詰められた対象に限定されない。

本発明の特に有利な実施例として、ＤＳ／ＳＸタービン翼を製造するためおよび結合するための種々の方法を記載する。

以下、２つの図を参照し、例えば予め成形した構成要素から、如何にしてＤＳ／ＳＸタービン翼の製造が可能かにつき説明する。特に有利な実施例に基づき、ＤＳ／ＳＸタービン翼の組立は、ＤＳ部品又はＳＸ部品の新規製造や修理のために行われる。その予成形された構成要素は、第１変形例に基づき、ＤＳ／ＳＸ層のエピタキシャル法で結合される。該ＤＳ／ＳＸ層は、接合領域として形成された部分領域を形成し、該部分領域は、予成形されたＤＳ／ＳＸ構成要素と同様に、ＤＳ／ＳＸ組織、即ち結晶的な優先方向を有する。

第２変形例に従い、結晶的な優先方向を有する構成要素をＤＳ／ＳＸ肉盛溶接、特に層状肉盛溶接や溶融で製造する。その際、特に溶融浴安全装置（Schweisbadsicherung）の特別な形状が利用できる利点がある。例えば結晶方向の付与に関し、基礎部分として使える溶融浴安全装置の利用が適する。従って、溶融浴安全装置は、設置すべき材料に対する核形成体として利用できる。

他の変形例に基づき、ＤＳ／ＳＸ翼を製造すべく予成形したＤＳ／ＳＸ構成要素の結合は、レーザ溶接やレーザ誘導溶融で特に層状に行える。その際材料供給は種々の様式で行える。例えば第２追加材料を継足し材料として吹き付け、継足し部分をその上に付け、続いて接合領域をレーザ誘導法で溶融させる。継足し材料を同様に粉末とし、接着材と共に又は接着材なしで上に付ける。更に、例えば塗り付け、浸漬又は吹き付け等の種々の泥状被覆方式が存在する。溶融過程又は溶接過程は、レーザで行ってもよい。継足し材料の他の設置法は、継足し材料を薄膜、板金又は線として置き、場合により継足し材料の設置後にレーザ点溶接で、第１液体状態から第２固体状態に変換する方法である。これは、継足し材料全体を溶融する必要がない利点を持つ。しかし所望の場合、溶融過程も行える。

上述の変形例は、全て、鋳造技術では製造できないか非常に製造困難なオーバハング幾何学形状を発生するのに適する。かかる幾何学形状の例を図１に示す。タービン翼に掛止め取付け部を製造すべく、該取付け部側端に、タービン翼部品又はタービン構成要素９を基礎部分１として準備する。この部分１はＳＸ鋳造品として鋳造過程の枠内で作れ、従って平行線模様で記号的に示す結晶的な優先方向２を有する。タービン構成要素９はその取付け側端が細くくびられている。そのため、掛止め取付け部を設けるべく、くびれ３の両側に第１基礎補助部分４ａと第２基礎補助部分４ｂを配置している。これらの両基礎補助部分４ａ、４ｂは、基礎部分１の結晶的な優先方向２に相当するＳＸ組織を有する。該補助部分４ａ、４ｂは、溶融浴における溶融浴安全装置として形成されている。

基礎部分１と基礎補助部分４ａ、４ｂの上に、上述の変形例に従って追加材料５を設ける。次に、同様に結晶的な優先方向としてＳＸ／ＤＳ組織を持つ継足し部分６を垂直に設ける。本実施例では、追加材料５と継足し部分６が継足し材料８を形成する。本発明に基づく製造方法の図１に示す有利な実施例では、追加材料５と継足し部分６および基礎部分１、４ａ、４ｂの材料を、追加材料５と接する部分領域７、即ち基礎部分１および継足し部分６と接する部分領域７で溶融させ、第１液体状態から固体第２状態に変換する。

その場合、継足し部分６を層状に設け、連続する付着工程で、例えば約０．２５〜０．５ｍｍの厚さの層を設ける。変換時に、部分領域７と接する基礎部分１および基礎補助部分４ａ、４ｂの表面が核形成体として作用し、この結果変換時に、追加材料５と、該材料５に隣接して溶融した継足し部分６の部分領域７に、ＳＸ組織として結晶的な優先方向を発生させる。即ち、変換後、少なくとも追加材料５の範囲を含む接合領域として作用する部分領域７全体は、ＳＸ組織として結晶的な優先方向を有する。即ち、部分１、４ａ、４ｂ、５、６から成るタービン翼は、全体を通してＳＸ組織を有し、該組織は、上述したこの実施例に基づき、特に追加材料５の部分領域７と、それと接する継足し部分６、基礎部分１、基礎補助部分４ａ、４ｂの領域でも連続する。

本発明に基づく製造方法のここで述べた有利な実施例では、基礎補助部分４ａおよび基礎補助部分４ｂを接合過程後に除去する。この場合、例えば旋盤加工又はフライス加工による切削除去が特に有利である。

図２ａは、タービン構成要素１０、この実施例ではタービン翼の異なった所望の形状を示す。このタービン翼は、下部１１にオーバハング幾何学形状を有し、従って、鋳造技術では製造できないか非常に製造困難である。それでも、この種タービン構成要素１０は、図２ｂと図２ｃで一層明らかに示す製造工程によって、簡単に、通しの結晶的な優先方向１２を備えて、高い歩留まりで製造できる。

図１を参照して既に述べた如く、図２ｂに従い第１製造工程で、第１基礎部分１３ａと第２基礎部分１３ｂを準備する。これら両基礎部分１３ａ、１３ｂは、同様に結晶的な優先方向１２を持つ。図２ｃに示す他の工程で、基礎部分１３ａ、１３ｂのそばに、基礎補助部分１４も準備する。これは必ずしもＳＸ組織を持つ必要はない。本実施例では、基礎補助部分１４を合成材料で製造し、これを一方では核形成体として用い、更に図２ｃに示す組織の製造過程後、図２ａに示すタービン構成要素１０を完成すべく再び除去する。基礎部分１３ａ、１３ｂと基礎補助部分１４の準備後、図２ｃに基づき、継足し部分１５を垂直方向に基礎部分１３ａ、１３ｂと基礎補助部分１４の上に付ける。この際、図１と同様に追加材料は利用しない。継足し材料で継足し部分１５を形成する。接合過程、例えば溶接過程により、部分領域１６ａ、１６ｂで、継足し部分１５と基礎部分１３ａ、１３ｂとの境界範囲の材料を溶融させる。同様に、継足し部分１５と基礎補助部分１４との境界範囲としての部分領域１６ｃで、継足し部分１５の材料と基礎補助部分１４の合成材料の材料を溶融させ、次いでこの第１液体状態から固体第２状態に変換する。基礎補助部分１４の合成材料と基礎部分１３ａ、１３ｂのＳＸ組織は核形成体として働き、部分領域１６ａ、１６ｂ、１６ｃに結晶的な優先方向１２を発生する。この結果、変換後、部分領域１６ａ、１６ｂ、１６ｃと継足し部分１５は結晶的な優先方向１２を持つ。

次に基礎補助部分１４を除去する。これは、合成材料を用いた際、種々の方式で、特に簡単に行える。かくしてタービン構成要素１０を、図２ａに示す如く、オーバハング幾何学形状１１をなし、通して結晶的な優先方向１２を備えたタービン部品として仕上げる。

基礎補助部分１４を核形成体（ＳＸ／ＤＳ組織）としてＬ形に形成し、該Ｌ脚が第２基礎部分１３ｂに固定されている場合、肉盛溶接で部分１３ａを充填してもよい。これを行う際、即ち第２基礎部分１３ｂの高さが得られたとき、肉盛溶接を部分１３ｂ、１４、１３ａの全表面に延ばす。従って、予め作成した部品１３ａは不要である。

ＤＳ／ＳＸ翼又は他のタービン構成要素に対する、図１と図２を参照して上述した特に有利な製造方法の実施例は、継足し部分の設置を考慮する。場合により追加的に、上述のタービン構成要素９、１０を一層発展して形成すべく利用される他の有利な実施例は、図３におけるタービン構成要素としての翼１８への結晶的な優先方向１７を備えた層１６の設置に関する。これにより、例えば上述したグレーデッド翼（段階翼）を形成できる。該翼は、翼の場所に応じ種々の材料組成を示す。例えばこの翼の掛止め取付け部２０は完全に金属で作り、その広がり２１には尖端に向けて徐々にセラミックを含み得る。これは、結晶的な優先方向１７を持つ多層の部分領域１９を設けることで簡単に達成できる。図３は、そのような唯一の部分領域１９を示す。その際金属とセラミックから成る混合物を、該混合物が翼の相応した場所における要件、特に熱的および機械的な要件に関して最良になるように、層から層に変化させる。この場合、例えばセラミック量は、広がり２１の方向に翼の尖端に向けて増加する。

この種グレーデッド翼を製造する他の有利な方法は、例えば、所謂グリーンリング又はプレスリングを準備し、それから層状にＭＣｒＡｌＹ皮層を設ける方法である。

上述のグレーデッド翼は、その製造方法に基づき、層から層へ段階的に変化した材料組成を示す。しかし、全く同様に、例えば図１と図２ａ〜図２ｃを参照して述べた如く、基礎部分と継足し部分の材料組成を各部分の要件に応じて最適化し、そして結晶的な優先方向を維持した状態で、接合領域において結合することができる。

既に説明した如く、タービン構成要素は高い熱的、機械的負荷に耐えねばならない。従って、タービン構成要素を、結晶的な優先方向を有する材料で製造すると有利である。従来、結晶的な優先方向を持つタービン構成要素を一体に製造しており、その歩留まりは非常に悪かった。本発明によれば、優れたタービン構成要素９、１０の製造を、タービン構成要素９、１０を少なくとも基礎部分１と継足し材料８とから構成することで、特に簡単化できる。その際、接合領域の部分領域７は結晶的な優先方向２を有し、その結果結晶的な優先方向なしの、従来存在していた接合領域の悪い特性を回避できる。

上述の方法は、価値ある幾つかの例であり、ここで提案する構想は、複雑な幾何学形状を持ち且つ熱的、機械的要件のため種々の材料組成を持つタービン構成要素でも、特に簡単に、高い歩留まりで製造し、修理し又は他の処理をすべく、幅広い変更性を提供する。

本発明は肉盛溶接によっても行える（特許文献１も参照）。その際、まず第１基礎補助部分４ａおよび／又は第２基礎補助部分４ｂ（図１参照）、又は第１基礎部分１３ａおよび基礎補助部分（図２参照）を、基礎部分１又は第２基礎部分１３ｂに設ける。その場合、継足し部分６、１５の発生は、肉盛溶接により行える。

追加材料は必ずしも必要ない。

同様に、ＤＳ組織にＳＸ組織が継足しされるか、又はその逆も可能である。

オーバハング幾何学形状を持つタービン構成要素の製造方法の説明図。 基礎部分が有利なタービン翼を仕上げるために再び除去する、図１のオーバハング幾何学形状を持つタービン構成要素の製造方法の説明図。 図２ａの構造を製造する工程を説明するための底面図。 図２ａの構造を製造する他の工程を説明するための底面図。 新規製造並びに修理時に本発明で利用するタービン構成要素の被覆処理方法の説明図。

符号の説明

１ 基礎部分、２ 結晶的な優先方向、４ａ、４ｂ、１４ 基礎補助部分、５ 追加材料、６ 継足し部分、７ 部分領域、８ 継足し材料、９、１０、１８ タービン構成要素

Claims (25)

1. 基礎部分（１）の準備、基礎部分（１）上への継足し材料（８）の設置、少なくとも基礎部分（１）と接する部分領域（７）における継足し材料（８）の第１状態から固体第２状態への変換の工程を含む、少なくとも基礎部分（１）とその上への継足し材料（８）とから成るタービン構成要素（９、１０、１８）の製造方法において、少なくとも部分領域（７）における継足し材料（８）の変換時に、別個の核形成体により結晶的な優先方向（２、１２）を発生させることで、変換後、継足し材料（８）に、固体第２状態において少なくとも部分領域（７）に結晶的な優先方向（２、１２）を与えることを特徴とする方法。
2. 第１状態が、液体又は気体状態であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 結晶的な優先方向（２）に対する核形成体として、部分領域（７）と接する基礎部分（１）および／又は基礎補助部分（４ａ、４ｂ、１４）の表面が作用することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 継足し材料（８）を基礎部分（１）上に、追加材料（５）の１つ又は複数の層として設け、部分領域（７）が、追加材料（５）の１つ又は複数の層と、基礎部分（１）を結合する接合領域とを含むことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 継足し材料（８）を基礎部分（１）に継足し部分（６）として付け、部分領域（７）により基礎部分（１）と継足し部分（６）を結合する接合領域を形成することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
6. 継足し材料（８）が、継足し部分（６）と基礎部分（１）との間に配置され、継足し部分（６）と基礎部分（１）とを結合する追加材料（５）を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 基礎部分（１）又は継足し材料（８）が、少なくとも部分領域（７）と接する表面に、結晶的な優先方向（２）を持つことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. 結晶的な優先方向（２）を、一方向凝固組織および／又は単結晶組織として形成したことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
9. 変換を、少なくとも部分領域（７）の冷却により加速することを特徴とする請求項１から８の１つに記載の方法。
10. 継足し材料（８）を、溶接および／又は溶融過程で追加材料（５）と共に付け、該追加材料（５）の第１状態が液体であることを特徴とする請求項４又は６記載の方法。
11. 追加材料（５）を第１状態が固体である粉末として設け、又は第１状態が液体である液体として塗り付け又は浸漬で設けることを特徴とする請求項４又は６記載の方法。
12. 継足し材料（８）を薄膜、板金又は線として設け、追加材料（５）の第１状態が液体であることを特徴とする請求項４又は６記載の方法。
13. 追加材料（５）をエピタキシャル法で設け、追加材料（５）の第１状態が気体であることを特徴とする請求項４又は６記載の方法。
14. 継足し材料（８）を鋳造過程の枠内で設け、継足し材料（８）の第１状態が液体であることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の方法。
15. 基礎部分（１）から基礎補助部分（４ａ、４ｂ、１４）を、タービン構成要素（９、１０）の仕上げ時に再び除去することを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の方法。
16. 基礎部分（１）を準備するためのホルダと、基礎部分（１）上への継足し材料（８）の設置装置と、少なくとも基礎部分（１）と接する部分領域（７）における継足し材料（８）の第１状態から固体第２状態への変換装置とを有し、少なくとも基礎部分（１）とその上への継足し材料（８）とから成るタービン構成要素（９、１０）の製造装置において、別個の核形成体が用意され、少なくとも部分領域（７）における継足し材料（８）の変換時に、核形成体によって結晶的な優先方向（２）が発生され、変換後に、継足し材料（８）が少なくとも部分領域（７）における固体第２状態において結晶的な優先方向（２）を持つことを特徴とするタービン構成要素の製造装置。
17. 部分領域（７）と接する基礎部分（１）の表面が、結晶的な優先方向（２）に対する核形成体として作用することを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 基礎部分（１）および／又は基礎補助部分（４ａ、４ｂ、１４）を準備するためのホルダが浴あり、基礎部分（１）および／又は基礎補助部分（４ａ、４ｂ、１４）が、溶融浴安全装置として形成されたことを特徴とする請求項１６又は１７記載の装置。
19. 設置装置が、溶接装置、溶融装置、塗り付け装置および鋳造装置の群から選んだ装置であることを特徴とする請求項１６から１８の１つに記載の装置。
20. 継足し材料（８）の変換のために、冷却が行われることを特徴とする請求項１６から１９の１つに記載の装置。
21. 請求項１６から２０の１つに記載の装置を、タービン構成要素（９、１０、１８）の修理および／又は被覆処理に利用することを特徴とする装置の利用方法。
22. 部分領域（７）が継足し材料（８）を有し、該材料（８）が、別個の核形成体により結晶的な優先方向（２）を発生しつつ第１状態から固体第２状態に変換され、該変換後に、少なくとも部分領域（７）が結晶的な優先方向（２）を持つことを特徴とする少なくとも１つの部分領域（７）を備えたタービン構成要素（９、１０、１８）。
23. 部分領域（７）が継足し部分（６）と接し、該部分（６）が少なくとも部分領域（７）と接する領域に結晶的な優先方向（２）を持つことを特徴とする請求項２２記載の要素。
24. 部分領域（７）が基礎部分（１）と接し、該部分（１）が少なくとも部分領域（７）と接する領域に結晶的な優先方向（２）を持つことを特徴とする請求項２２又は２３記載の要素。
25. 製造時に、部分領域（７）と接する基礎部分（１）および／又は基礎補助部分（４ａ、４ｂ、１４）の表面が、結晶的な優先方向（２）に対する核形成体として作用することを特徴とする請求項２２から２４の１つに記載の要素。
    
    

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