JPS59155504A - 流体通路を含む物品を作る方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 関連出願との関係 この出願は１９８１年８月１４日に出願された発明の名
称「プラズマ吹付は成形部品」と云う係属中の米国特許
出願通し番号筒２９２．８５７号及び発明の名称「流体
通路を持つ物品とその製法」と云う同日出願の係属中の
米国特許出願通し番号４５２２４３に関係する。

この発明は冷却等の為の流体通路を持つ物品を作る方法
、更に具体的−に、云え、（ヨ、動翼部材の様なターボ
流体機械の物品を′作る方法に関する。

動翼及び静翼を含むガスタービン機関の高温で動作する
種々の部品は、流体冷却、特に空気冷却を用いている。

この冷却により、部品の構成材料が冷却なしの場合に有
効に動作し得る湿度より高い温度に於ける動作に、部材
が耐えるように能力が強められる。ガスタービン機関の
動翼の設計が進歩するにつれて、この部品内部の冷却通
路が次第に複雑になっている・こ♀様な空冷式タービン
の動翼及び静翼の典型が米国特許第３，６２８゜８８０
号及び同第３．６２８，８８５号に記載されている。こ
れらの文献に記載されている様に、動翼及び静翼の現在
の空気冷却は複雑な内部冷却通路によって行なわれてお
り、一般的にはこの内部通路を境膜冷却等の為に動翼又
は静翼の外面と接続する孔を壁に設ける。

一層大形のガスタービン機関に使う比較的大形の動翼及
び静翼内にこの様な複雑な構造を製造するのも困難であ
るが、例えばヘリコプタや比較的小形の航空機の動力源
となるガスタービン機関に使う小形の動翼及び静翼内に
この様な複雑な冷却通路を設けるのは、極めｔ困難であ
り、非常に費用がか）る。

現在、この様なタービンの動翼及び静翼は主に精密鋳造
方法によって製造されており、この為に取外し自在の成
形用中子を使うが、中子は形が複雑であり、正確に製造
するのが難しく、取扱いが困難であると共ｔこ、成形過
程の開所定位置に保つのが難しい。この様な中子は一般
的にセラミックであって、こういう方法では、中子の破
損が、普通に起る様な種類の失敗である。この様な成形
作業では、温度が高く、場合によっては保持時間が比較
的長い結果として、中子の移動、たるみ又はその両方に
より、他の問題が起る。この成形に伴う問題により、成
形効率が低下し、その為に成形した物品のコストが高く
なる。

この発明の主な目的は、・、普通の成形・用中子を使わ
ずに、小さな動翼部材の様な物品の中に流体通路を作る
改良された実際的な方法゛を提供することである。

別の目的は、動翼部材′の中に配置された犠牲材料を使
い、これを後で除去して流体通路を作ることにより、動
翼部材に内部の流体冷却通路を作る方法を提供すること
である。

上記並びにその他の目的及び利点は、以下図面ついて詳
しく説明する所から更によく理解されよう。以下の説明
はこの発明の範囲を制約するものではなく、この発明を
例示するにすぎないことを承知されたい。

一簡単に云うと、この発明の１形式の方法は、加工面を
持つ心棒を用意し、低圧プラズマ沈積によってこの加工
面の上に第１の材料を沈積する工程を含む。これによっ
て加工面と接触する内面を持つ第１の部材が得られる。

第１の部材及び心棒を分離し、その後、流体通路の少な
くとも一部分の選ばれた形を持つ溝を第１の部材の内面
に作成する。この後、溝に犠牲材料を沈積し、犠牲材料
の上並びに内面の内、少なくとも犠牲材料に隣接した部
分の上、にカバー材料を適用して予備成形体を作る。こ
の後、必要があれば、予備成形体は物品の形に更に近づ
く様に整形することが出来る。次に犠牲材料を除去して
、流体溝路の少なくとも一部分を作る。この代りに、内
面の溝ではなく、内面の上に犠牲材料を沈積することが
出来る。

今日のガスタービン機関のタービン動翼の設計は、密実
な動翼から空気冷却通路を持う動翼に発展しており、ニ
ッケル、コバルト又は鉄を基本としたスーパアロイを、
空気冷却がない場合にその機械的な性質や能力からみて
使えるよりも高い温、麿で使うことが出来る様にしてい
る。この冷却通路は一般的に動翼内部に蛇行又はラビリ
ンス形通路を構成する様な形式であって、動翼の外壁に
設けた孔又は流路を介して動翼の外面と連通して、境膜
冷却が出来る様にしている。

従来、「ロストワックス」形精密鋳造方法で２、成形用
鋳型の中に石英又はセラミックの成形用中子を配置する
ことにより、−・この様な複・雑な物品を作るのが常套
手段である。成、形の後、鋳物９壁にあけた孔又は開口
により、−冷却空気が動翼の内部から外面へ通過して境
町冷却グ出来る様にしている。゛この様な孔又は開口゛
は、′電解法、電気化学法、放電法、レーザー法、機械
的な穿孔法又はこういう方法の種々の組合せという種々
の除去方法によって作成される。中子は脆くて慎重な取
扱いが必要である為、取扱い又は成形中のその破損が、
この方法に固有の問題である。この問題は成形用中子が
複雑になると共に大き′くなり、小さな動翼を成形する
時は特にそうなる。

メタルス・エンジニアリング・フォータリー誌１９６４
年２月号所載のマツシュ（ｌｙｌａｓｈ）及びブラウン
（Ｂ　ｒｏｗｎ）の論文「プラズマ成形材料のＭ４造と
性質」には、自立部品を製造する方法が記載されている
。この方法は溶融した粒子を適当な形状の心棒に吹付け
、その後で何等かの便利な手段によって心棒を除去する
ものである。この沈積を行なう１つの手順が米国特許第
３．８３９．６１８号に詳しく記載されている。この方
法は低圧室で行なわれ、１種の低圧プラズマ沈積と呼ば
れることがある。この発明の方法を実施する場合には、
前掲係属中の米国特許出願通し番号第２９２゜８５７号
に記載されている低圧プラズマ沈積の改良された形を使
うことが好ましい。この改良された方法は性質並びに微
ｍ椛造を目立ってよくすると共に、理論密度の１００％
に近い値を達成するが、当業者であれば判る様に、この
発明で使われる面の上に材料の種々の部分を作成し又は
沈積するこの他の方法も、種々の公知の手段によって実
施することが出来る。

次に図面について説明する。第１図は例えば軟鋼、鉄、
銅又はその他の浸出可能な材料から成る取外し自在の心
棒の斜視図である。第１図に示す心棒が加工面１０を持
っている。この加工面は翼加工面１２及び基部加工面１
４を含む。この発明の方法では、第２図では概略的に粉
末管１６Ａを含むノズル部材１６で示した前述の低圧、
プラス、マ沈積方法により、ニッケルを基本としたスー
パアロイの様な第１の材料が沈・積される。・第２図は
第１図の心棒を加熱心棒支持体、１８上に配置１′だ斜
視図であり、こうして第１−図の加工面１０に低圧プラ
ズマ沈積によってｍ−１のＹ料２０を品積することが出
来る様にしていする。゛この代りに、取外し自在の心棒
は加熱された心棒支持体上に沈積し或いは配置した金属
或いは酸化物の薄膜の形にすることが出来る。こうする
と、重畳した沈積物を手速く且つきれいに剥すことが出
来る。加工面１０を所望の程度に覆う為、心棒と沈積装
置との間に、回転、並進等によって相対運動を行なわせ
るのかは、その内面が心棒の加工面と接触している第１
の部材が得られる。この後筒１ゐ部材に実質的に悪影響
のない様な形で、心棒の化学的な溶解等により、心棒と
第１の部材とを分離する。

第３図は心棒の加工面１０と接触していた内面２４を持
つ第１の部材２２の斜視図である。この発明の１形式の
方法は、この後、第１の部材２２の内面２４に溝を作成
する。この例では、この溝は、１個の連続的な溝又は第
３図の２６Ａ、２６８１２６Ｃで示した成るパターンの
溝を表わす。

溝又１よ溝のパターンは、物品に作ろうとする流体通路
の少なくとも一部分の選ばれた形を持つ。この満又は溝
のパターンは種々の手段によって作成することが出来る
が、その成るものはプログラムし、或いは自動化するこ
とが出来る。例えば、耐食膜材料を適当に配置した選択
的な化学的な食刻又は化学的な切削加工により、写真食
刻方法により、電気化学的な加工又は放電加工により、
機械的な切削又は旋削により、レーザーにより、電子ビ
ームにより１．或いは第１の部材２２の内面２４に適当
な形の凹みを作成することが出来るこの他の、材料除去
方法により、単独で或いは種々の組合ぜで、溝を設ける
ことが出来る。

複雑な形の溝又は溝パターンを作成する好ましい方法は
、業界で周知の写真食刻方法である。例えば、成る電気
的な印刷配線板の製造に写真食刻を用いる。この方法で
は、この発明に関する限り食刻剤である薬品に対して抵
抗力を持つ曝光乳剤で金属面を被覆する。この面の一部
分を、例えば溝或いは溝パターンの像を面←投影するこ
とにより、選択的に露光する。乳−剤を現像して、投影
パターンに応じて、乳剤を一つ堅城及び持たない区域を
作る。この面に適当：な食ｉｌＪ剤の化学溶液を作用さ
せると、乳剤のない区域は化学的に溶解して選ばれた深
さを持つ溝又は溝パターンが得られる、。

溝又は溝パターンを作成した後、犠牲材料を溝に沈積し
又は位置きめする。犠礼材料は、溶融、フラッシング、
化学的な除去又は食刻、１つ又は更に多くの周囲の材料
に対する選択的な拡散等により、２２に示す様な部材に
非可逆的な損傷を与えずに除去することの出来る種々の
材料にすることが出来る。この様なことが出来る１種類
の材料は金属、例えばニッケル或いはニッケル合金であ
り、これはニッケルを基本としたスーパアロイの第１の
部材に対して特に有用である。ニッケルは、−電気めっ
き又は無電気めっき、吹付は沈積、蒸気沈積、プレス加
工等の手段によつへて沈積することが出来、必要に応じ
て適当な耐食膜材料を使う。

この発明の別の形式は、溝又は溝パターンを作らずに、
直接的に部材２２の面２４に選ばれたパターンで犠牲材
料を沈積する工程を含む。第４図及び第５図の部分断面
図は、内面２４の中又は上に犠牲材料２８を沈積するこ
とを示している。例えば第４図では、犠牲材料２８を第
３図の溝２６Ａに沈積する。

上に述べた様に犠牲材料を内面２４の中又は上に沈積し
た後、犠牲材料の上、並びに内面の内、少なくとも犠牲
材料に隣接した部分の上にカバー材料を適用して、犠牲
材料を捕捉すると共に予備成形体を作る。・これが第６
図の概略的な部分断面図に示されていて、第１の部材２
２が加熱された部材支持体３０の上に配置され、第１の
部材２２と同じ又は異なる材料のカバー材料３２が、ノ
ズル１６で示す低圧プラズマ沈積によって沈積される。

この方法では、犠牲材料２８並びに内面２４の内、少な
くとも犠牲材料２８に隣接した部分が覆われ、こうして
犠牲材料２８を第１の部材２２とカバー材料３２の間に
捕捉して、第７図の３４に示す様な予備成形体を作る。

この後、希望により又は必要により、予轡成形体を整形
して、製造する物−品の形に更に近づけることが出来る
。これは゛実押に４、い物品と呼ぶことかあ。。第７１
１Ｋｔよ１形式め、ア様、整形を表わす図式的な断面図
である。第７図で、予備成形体３４が均衡鍛造プレスの
下側ダイ３６の空所の中に。

配置される。この後、矢印４０で示す力によって、下側
ダイ３６及び上側ダイ３８の間に加えられた圧力によっ
て、まだ捕捉された犠牲材料２８を持つ予備成形体２８
は、製造ザる物品の形にごく近い形に整形される。均衡
鍛造を、予備成形体３４の整形に使うことの出来る手段
の１例として述べたが、コイニング、爆発成形、機械加
工、研削等の様な他の作業を使ってもよく、温度、圧力
又はその組合せを用いても用いなくてもよいことは当業
者に明らかであろう。犠牲材料は、溶融、フラッシング
、化学的な除去又は食刻、１つ又は更に多くの周囲の又
は捕捉している材料に対する選択的な拡散等によって除
去されて、流体通路の少なくとも一部分となる。

希望によっては、こうして得られた中空の物品を周知の
方法で、熱機械的に処理して、機械的な性質を高める為
に更に望ましい結晶粒を作ることが出来る。例えば、熱
にさらすことによる単純な結晶粒の成長により、高温応
力破壊特性を改善することが出来る。この処理の別の１
例は米国特許第３，７７２，０９０号に記載されている
様な方向性再結晶化である。更に、好ましくは犠牲材料
を除去する前に、物品の冶金的な構造を稠密にする為に
、商業的に利用し得る周知の高温均衡プレス加工方法を
使うことが出来る。この様な追加の処理の後、物品を最
終的な形にイを上げ加工する。ことが出来る。当業者に
は、この他の処理方法の選択も容易に理解されよう。

特定の１例では、低炭素の、酸で浸出し得る鋼から成る
打抜き板金の心棒を全体的に第１図に示す様な形で用意
することにより、ガスタービン機関に対するタービン動
翼部材の予備成形体を作った。心棒を心棒支持体にしっ
かりと固定し、この支持体を約１．８００″Ｆの温度に
加熱した。米国特許第３．６１５，３７６号に記載され
てりる、シネ８０合金とも呼ばれる市場で入手し得るニ
ッケルを基本としたスーパ、アロイの粉末を前掲米国特
許出願通し番号第２９°２，８’５７号に記載されてい
る様な種類の低圧プラズマ沈積により、約ＯＯ３乃至０
．０６吋の範囲内の厚さまで、心棒の加工面に沈積した
。これによって、第１の材料としてのこの合金から成る
第１の部材が得られた。

第１の部材及び心棒を分離する為、硝酸及び水の化学的
な溶液で、第１の部−材に影響を与えずに、心棒を溶解
した。この様にして、心棒との接触面又は界面であった
内面を持つ第１の部材を用意した。

第１の部材の内面には、動翼の内部冷却に希望するパタ
ーンに、溝を写真食刻によって作成した。

作成した溝は断面が約０．０１５吋である。この溝は業
界で商業的にも利用されている周知の普通の方法で、犠
牲材料としての電気めっきニッケルで充填し、この沈積
を案内する為に耐食膜材料を用いた。電気めっきの後、
耐食膜材料を除いた。

この後、内面と犠牲材料に低圧プラズマ沈積ノズルを利
用することが出来る様にして、溝の中に犠牲材料を持つ
第１の部材を支持部材に配置した。

犠牲材料の上並びに内面の内、少なくとも犠牲材料に隣
接した部分の上に、上に述べた様な種類の低圧プラズマ
沈積により、上に述べたルネ８０のニッケルを基本とし
たスーパアロイのカバー材料を適用して、予備成形体を
作った。この作業の後、約５０容積％の硝酸を含む化学
的な食刻水溶液を用いて、犠牲材料を除去した。犠牲材
料を除去することにより、物品内の流体通路が得られた
。

犠牲材料を除去、した後の流体通路の壁、例えば第１の
部材とカバー材料の接合部に、望ましくない角又は縁が
存在すれば、通路に化学的な材料除去溶液を循環させる
ことにより、それを除き又は小さくし、通路の形を手直
しすることが出来る。

この発明を特定の実施例及び例について説明したが、当
業者であれば、この発明が特許請求の範囲内でいろいろ
変更することが出来るこ仁゛は明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は取外し自在の心棒の斜視図、第２図は加熱され
た心棒支持体上５配シされていて沈積材料を受ける第１
図の心棒の部６的な斜視図、第３図は第２図に示す様に
して作られた部材を心棒から分離した状態を示す斜視図
、第４図は部材の溝の中にある犠牲材料の部分断面図、
第５図は部材の表面にある犠牲材料の部分断面図、第６
図は犠牲材料及び部材の面の上にカバー材料を沈積する
ことを示す図式的な部分断面図、第７図は予備成形体の
整形を示す図式的な断面図である。 主な符号の説明 １０：加工面、 ２０：第１の材料、 ２２：第１の部材、 ２４：内面、 ２６Ａ：溝、 ２８：犠牲材料、 ３２：カバー材料。 特許出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代理人　（７６
３０）　　生　沼　徳　ニ手続補正書 特許庁長官　　若　杉　和　夫　　殿 住　所　　アメリカ合衆国、１２’３０５、ニューヨー
ク州、スケネクタデイ、リバーロード、１番 名　称　　ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代表
者　　サムソン・ヘル、フゴット ４、代理人 住　所　　１０７東京都港区赤坂１丁目１４番１４号第
３５興和ビル　４階 日本ゼネラル・エレクトリック株式会社・極東特許部内
。 電話（５８８）５２００−５２０７ ６、補正の対象 図面 ７０．補正の内容

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）流体通路を含む物品を作る方法に於て、加工面を持
   つ心棒を用意し、低圧プラズマ沈積によって、前記加工
   面の上に第１の材料を沈積して、加工面と接触する内面
   を持つ第１の部材を作り、前記第１カ部材及び心棒を分
   離し、前記第１の部材の内面に、前記流体通路の少なく
   とも一部分の選ばれた形を持つ溝を作成し、該溝に犠牲
   材料を沈積し、前記犠牲材料の上並びに前記内面の内、
   少なくとも犠牲材料に隣ｉした部分の上にカバー材料を
   適用して予備成形体を設け、前記犠牲材料を除去して前
   記流体通路の少なくとも一部分を作る工程から成る方法
   。 ２、特許請求の範囲１）に記載した方法に於て、前記溝
   が写真食刻によって前記内面に作成される方法。 ３′）、特許請求の範囲１）に記載した方法に於て、前
   記流体通路に化学的な材料除去溶液を循環させて、流体
   通路の手直しをする方法。 ４）特許請求の範囲１）に記載した方法に於て、犠牲材
   料を除去、した後、物品゛を熱機械的に処理して更に望
   ましい結晶粒の形にする方法。 ５）特許請求の範囲１）に記載した方法に於て、カバー
   材料を適用した後且つ犠牲材料を除去する前に、物品の
   形に近づく様に予備成形体を整形する工程を含む方法。 ６）特許請求の範・皿５？に記載した方法に於て、予備
   成形体を整形する工程が、該予備成形体を高温均衡プレ
   ス加工にかけて、物品の冶金的な構造を稠密にすること
   を含む方法。 ７）流体通路を含む物品を作る方法に於て、加工面を持
   つ心棒を用意し、低圧プラズマ沈積によって該加工面の
   上に第１の材料を沈積して前記加工面と接触する内面を
   持つ第１の部材を作り、第１の部材及び心棒を分離し、
   前記第１の部材の内面の上に前記流体通路の少なくとも
   一部分の選ばれた形を持つ犠牲材料を沈積し、該犠牲材
   料の上並びに前記内面の内、少なくとも犠牲材料に隣接
   した一部分の上にカバー材料を適用して予備成形体を作
   り、その後前記犠牲材料を除去して前記流体通路の少な
   くとも一部分を作る工程から成る方法。 ８）特許請求の範囲７）に記載した方法に於て、前記流
   体通路に化学的な材料除去溶液を循環させて流体通路の
   手直しをする方法。 ９）特許請求の範囲７）に記載した方法に於て、犠牲材
   料を除去した後、物品を熱機械的に処理して更に望まし
   い結晶粒の形にする方法。 １０）特許請求の範囲７）に記載した方法に於て、カバ
   ー材料を適用した後且つ犠牲材料を除去する前に、物品
   の形に近づく様に予備成形体を整形する工程を含む方法
   。 １１）特許請求の範囲１０）に記載した方法に於て、予
   備成形体を整形する工程が該予備成形体を高温均衡プレ
   ス加工にかけて物品の冶金的な構造を稠密にすることを
   含む方法。