JP2014087924A - マイクロ冷却される皮膜層を備えた構成要素及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短縮された製造時間及び簡易化された製造手法を提供する。
【解決手段】外面及び内部空間を有する基材を設け、基材の一部に皮膜を施工し、皮膜に各々の溝が皮膜に少なくとも部分的に沿って延在している溝を形成する。それぞれの溝の頂上の近傍で皮膜を塑性変形させるように皮膜の表面の少なくとも一部を処理し、皮膜の表面の少なくとも一部を覆って追加皮膜を施工する。
【選択図】図１

Description

本開示は一般的には、ガス・タービン・エンジンに関し、さらに具体的には、内部のマイクロチャネル冷却に関する。

ガス・タービン・エンジンでは、圧縮機において空気を加圧し、燃焼器において燃料と混合して高温の燃焼ガスを生成する。エネルギがガスから取り出されて高圧タービン（ＨＰＴ）では圧縮機に動力を与え、低圧タービン（ＬＰＴ）ではターボファン航空機エンジン応用のファンに動力を与え、又は船舶応用及び工業的応用では外部シャフトに動力を与える。

エンジン効率は燃焼ガスの温度と共に高まる。しかしながら、燃焼ガスはガス流路に沿って様々な構成要素を熱し、このため許容できる長さのエンジン寿命を達成するためにはこれらの構成要素の冷却を必要とする。典型的には、熱ガス経路構成要素は、圧縮機から空気を抜き出すことにより冷却される。この冷却工程は、抜き出される空気が燃焼工程に用いられないためエンジン効率を低下させる。

ガス・タービン・エンジン冷却技術は成熟しており、様々な熱ガス経路構成要素における様々な観点の冷却回路及び特徴について多くの特許を含んでいる。例えば、燃焼器は、半径方向に外ライナ及び内ライナを含んでおり、これらのライナは運転中に冷却を必要とする。タービン・ノズルは、内外バンドの間に支持された中空の静翼を含んでおり、これらのバンドも冷却を必要とする。タービン動翼は中空であり、典型的には冷却回路を内部に含んでいるが、これらの動翼はタービン・シュラウドによって包囲されており、これらのシュラウドがまた冷却を必要とする。高温の燃焼ガスは排気管を通じて排気され、この排気管もライナを施されている場合があり、適当に冷却され得る。

これら例示的なガス・タービン・エンジン構成要素の全てにおいて、高強度超合金金属の薄い壁を典型的には用いて、構成要素を軽量化し、また構成要素の冷却の必要性を最小限に抑えている。様々な冷却回路及び特徴が、エンジンにおけるこれら個々の構成要素に対応する環境において、各構成要素向けに特別に構成されている。例えば、熱ガス経路構成要素に一連の内部冷却通路すなわち蛇行路を形成することができる。冷却流体がプレナムから蛇行路に供給されることができ、冷却流体はこれらの通路を流れて、熱ガス経路構成要素基材及びあらゆる関連する皮膜を冷却することができる。しかしながら、この冷却方式では典型的には、熱伝達が比較的低効率となり、また構成要素温度プロファイルが非一様となる。

マイクロチャネル冷却手法の利用は、冷却要件を著しく軽減する可能性を有する。マイクロチャネル冷却は、熱束源に可能な限り近接して冷却を配置し、このようにして、所与の熱伝達率について、負荷を担持する基材材料の高温側と低温側との間の温度差を縮小する。しかしながら、現状の手法は基材層の内部での１又は複数の溝の形成、続いて１又は複数の溝を橋架けしてマイクロチャネルを画定するための１又は複数の皮膜層の施工を提供している。多くの事例において、マイクロチャネルを形成することは典型的には、犠牲充填材の利用、凹入溝、又は角度付き堆積手法等のような特殊な手法を必要とする。犠牲充填材の利用は、堆積時に皮膜を支持しつつ、皮膜がマイクロチャネルの内部に堆積しないようにする。皮膜系の堆積に続いて、犠牲充填材（逃散性）材料が除去される。逃散性材料によるチャネルの充填、及び後に行なわれるこの材料の除去は、現在のマイクロチャネル加工手法に潜在的な問題を呈する。犠牲充填材の除去は、溶脱、エッチング、又は蒸発という潜在的に損傷を与える工程を必要とし、また典型的には長時間を要求する。残留する充填材材料も問題である。他のマイクロチャネル皮膜堆積手法は凹入溝の作製を含んでおり、この場合には表面の溝開口が十分に微小であるため皮膜粒子が橋を形成して溝の内部、従って形成されたマイクロチャネルの内部に殆ど又は全く堆積が生じない。加えて、角度付き堆積手法が皮膜堆積に用いられており、これによりチャネル開口の内部への見通し線を減少させる。これらの手法は、皮膜層の堆積を提供しているが、複雑な機械加工手法、厳密な公差を要求する場合があり、また不要な皮膜粒子がマイクロチャネル又はチャネル開口に堆積することを意図せず許す場合がある。

従って、短縮された製造時間及び簡易化された製造手法を提供する熱ガス経路構成要素に冷却チャネルを形成する方法を提供できると望ましい。

本開示の一観点は、外面及び少なくとも一つの内部空間を有する基材を設けるステップと、基材の少なくとも一部に皮膜を施工するステップと、皮膜に１又は複数の溝を形成するステップであって、各々の溝が皮膜に少なくとも部分的に沿って延在している、１又は複数の溝を形成するステップと、溝の頂上を横断する空隙が縮小されるように、それぞれの溝の頂上の少なくとも近傍で皮膜を塑性変形させるように皮膜の表面の少なくとも一部を処理するステップと、皮膜の表面の少なくとも一部を覆って１又は複数の追加皮膜を施工するステップであって、基材、皮膜及び追加皮膜が、構成要素を冷却するための１又は複数のチャネルを画定する、１又は複数の追加皮膜を施工するステップとを含む製造方法にある。

本開示のもう一つの観点は、外面及び少なくとも一つの内部空間を有する基材を設けるステップと、基材の少なくとも一部に構造皮膜を施工するステップと、皮膜に１又は複数の溝を形成するステップであって、各々の溝が皮膜に少なくとも部分的に沿って延在している、１又は複数の溝を形成するステップと、溝の頂上を横断する空隙が縮小されるように、それぞれの溝の頂上の少なくとも近傍で皮膜を塑性変形させると共に溝の近傍で構造皮膜の表面にファセットを設けるように皮膜の表面の少なくとも一部を処理するステップと、皮膜の表面の少なくとも一部を覆って１又は複数の追加皮膜を施工するステップであって、基材、皮膜及び追加皮膜が、構成要素を冷却するための１又は複数のチャネルを画定する、１又は複数の追加皮膜を施工するステップとを含む製造方法にある。

本開示のさらにもう一つの観点は、外面及び内面を含む基材と、基材の少なくとも一部に配設された皮膜と、皮膜の少なくとも一部を覆って配設された追加皮膜とを含む構成要素にある。基材の内面は少なくとも一つの内部空間を画定する。皮膜は、１又は複数の溝を内部に画定し、各々の溝が皮膜の外面に少なくとも部分的に沿って延在して、底面及び頂上を有している。皮膜の表面はそれぞれの溝の近傍でファセットを設けられている。１又は複数の供給孔がそれぞれの溝の底面及び基材を貫通して形成されており、それぞれの内部空間と流体連通するように溝を接続している。基材、皮膜及び追加皮膜が共に、構成要素を冷却するための１又は複数のチャネルを画定する。

上述の各特徴の様々な精緻化が本開示の様々な各観点に関連して存在する。さらに他の特徴もこれらの様々な観点に組み入れられ得る。これらの精緻化及び付加的な特徴は、個々に存在していても組み合わせて存在していてもよい。例えば、図示の実施形態の１又は複数に関連して以下で議論する様々な特徴が、本開示の上述の各観点の任意のものに単独で又は任意の組み合わせで組み入れられ得る。この場合にも、上に掲げた簡単な要約は、請求される主題に対して制限を加えずに読者が本開示の幾つかの観点及び背景に馴染み易くするためのみのものである。

本開示のこれらの特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとさらに十分に理解されよう。図面全体にわたり、類似の参照符号は類似の部材を表わす。
本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態によるガス・タービン・システムの概略図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による冷却チャネルを備えた翼型構成例の概略断面図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による基材への皮膜層の堆積を含む本書に開示される方法におけるステップを概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による１又は複数の溝を画定するように皮膜層を機械加工することを含む本書に開示される方法におけるステップを概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による１又は複数の冷却供給孔を形成することを含む本書に開示される方法におけるステップを概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による１又は複数の冷却供給孔を形成することを含む本書に開示される方法におけるステップの代替的な実施形態を概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による処理済み表面に凹凸を導入する表面処理を含む本書に開示される方法におけるステップを概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による処理済み表面に皮膜を堆積させることを含む本書に開示される方法におけるステップを概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による１又は複数の冷却孔を形成することを含む本書に開示される方法におけるステップを概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による１又は複数の冷却孔を形成することを含む本書に開示される方法におけるステップの代替的な実施形態を概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による皮膜層の内部に部分的に延在してそれぞれのフィルム冷却孔に冷却材を運搬する三つのマイクロチャネルの例を遠近図として概略的に示す図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による追加皮膜材料の表面処理及び堆積の後に開口径が減少した図９の１又は複数の冷却チャネルの断面図である。 本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による表面冷却チャネルを含む構成要素を作製する方法の一具現化形態を示す流れ図である。

本書での「第一」及び「第二」等の用語は、如何なる序列、量又は重要性を意味するものでもなく、一つの要素を他の要素から区別するために用いられている。本書の単数不定冠詞は量の制限を示すものではなく、被参照項目の少なくとも一つの存在を示す。量に関連して用いられる「約」との修飾語は、所載の値を包含し、文脈によって規定される意味を有する（例えば特定の量の測定に関連する誤差の程度を含む）。加えて、「組み合わせ」との用語は、配合物、混合物、合金、及び反応生成物等を包含する。

また、本明細書において、接尾辞「（s）」（「（１又は複数）」）は通常、被修飾語の単数及び複数の両方を含むものとし、これにより１又は複数の当該用語を含むものとする（例えば「通路孔」は特に他の記載のない限り１又は複数の通路孔を含み得る）。本明細書の全体を通じて「一実施形態」、「もう一つの実施形態」、及び「一つの実施形態」等への言及は、当該実施形態に関連して記載されている特定の要素（例えば特徴、構造、及び／又は特性）が、本書に記載される少なくとも一つの実施形態に含まれており、他の実施形態には存在していてもいなくてもよいことを意味する。同様に、「特定の構成」への言及は、当該構成に関連して記載されている特定の要素（例えば特徴、構造、及び／又は特性）が、本書に記載される少なくとも一つの構成に含まれており、他の構成には存在していてもいなくてもよいことを意味する。加えて、所載の発明の諸特徴を、様々な実施形態及び構成において任意の適当な態様で組み合わせ得ることを理解されたい。

図１は、ガス・タービン・システム１０の概略図である。システム１０は、１又は複数の圧縮機１２、１又は複数の燃焼器１４、１又は複数のタービン１６、及び１又は複数の燃料ノズル２０を含み得る。圧縮機１２及びタービン１６は、１又は複数のシャフト１８によって結合され得る。シャフト１８は、単一のシャフトであってもよいし、シャフト１８を形成するように共に結合される多数のシャフト切片であってもよい。

ガス・タービン・システム１０は、多くの熱ガス経路構成要素を含み得る。熱ガス経路構成要素は、システム１０を流れる高温ガスの流れに少なくとも部分的に曝露されるシステム１０の任意の構成要素である。例えば、バケット・アセンブリ（動翼又は動翼アセンブリとしても公知）、ノズル・アセンブリ（静翼又は静翼アセンブリとしても公知）、シュラウド・アセンブリ、尾筒、及びタービン排気管構成要素は全て、熱ガス経路構成要素である。しかしながら、本開示の熱ガス経路構成要素は以上の例に限らず、高温ガスの流れに少なくとも部分的に曝露される任意の構成要素であり得ることを理解されたい。さらに、本開示の熱ガス経路構成要素はガス・タービン・システム１０の構成要素に限らず、高温流に曝露され得る任意の機械装置又は機械装置要素であり得ることを理解されたい。

熱ガス経路構成要素が熱ガス流に曝露されると、熱ガス経路構成要素は熱ガス流によって熱せられて、熱ガス経路構成要素が実質的に劣化し又は故障する温度に達し得る。このように、システム１０の所望の効率、性能及び／又は寿命を達成するのに必要とされるようにシステム１０が高温の熱ガス流と共に動作することを可能にするために、熱ガス経路構成要素のための冷却システムが必要とされる。

一般的には、本開示の冷却システムは、熱ガス経路構成要素の保護皮膜層に形成される一連の微小なチャネルすなわちマイクロチャネルを含んでいる。熱ガス経路構成要素は、皮膜層に形成される１又は複数の溝と、これら１又は複数の溝に橋架けして、本書で冷却チャネルとも呼ばれるマイクロチャネルを形成する追加皮膜層とを含み得る。工業規模の発電タービン構成要素では、「微小」チャネル又は「マイクロ」チャネルの寸法は０．２５ｍｍから１．５ｍｍの範囲の近似的な深さ及び幅を包含し、航空機規模のタービン構成要素のチャネルの寸法は０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲の近似的な深さ及び幅を包含する。冷却流体がプレナムからチャネルへ供給されることができ、冷却流体はチャネルを流れて、熱ガス経路構成要素を冷却することができる。

図２には、翼型構成を有する熱ガス構成要素３０の一例が示されている。図示のように、構成要素３０は、外面３４及び内面３６を備えた基材３２を含んでいる。基材３２の内面３６は、少なくとも一つの中空の内部空間３８を画定している。代替的な実施形態では、中空の内部空間の代わりに、熱ガス構成要素３０は供給空洞を含んでいてもよい。皮膜４２が基材３２の外面３４の少なくとも一部を覆って配設されている。皮膜４２の内部には１又は複数の冷却チャネル４０が画定されている。冷却チャネル４０の各々が、皮膜４２の少なくとも部分的に内部に延在しており、１又は複数の冷却供給孔４３を介して少なくとも一つの中空の内部空間３８と流体連通している。冷却供給孔４２は不連続的な開口として構成され、それぞれの冷却チャネル４０の全長にわたって延在している訳ではない。皮膜４２は、基材３２の外面３４の少なくとも一部を覆って配設されて、１又は複数の溝４４を内部に画定して有しており、１又は複数の溝４４は、基材３２及び少なくとも一つの追加皮膜５０と共に、冷却チャネル４０を形成している。

以下に記載するように、本書に開示される方法は、三次元仕上げされた構成要素３０、さらに具体的には複数の冷却チャネル４０を含む翼型を作製するための堆積及び機械加工手法を含んでいる。この方法は、強度の小さい多孔質材料を用いる必要なしに、近浸出冷却を含む構成要素３０を生ずることができる。冷却チャネル４０は、位置及び寸法について任意であってもよいし特定的に目標設定されていてもよく、このようなものとして設計に融通性がある。チャネル構造の内部での皮膜の堆積を最小化するために典型的に用いられている凹入形状の冷却チャネルは必要とされず、機械加工時間の短縮及び設計公差の緩和が得られる。加えて、構成要素３０の修理は、新たな部品の製造に対する誤りの修復においても、全体修理においても、より容易である。

前述のように、本書に開示される方法に従って作製される実施形態の一例はガス・タービン翼型の製造であって、構成要素の基材に配設された皮膜の内部に形成される複数の冷却チャネルと流体連通する内部の中空通路を含んでいる。

構成要素３０を製造する方法を図３〜図１１に関して説明する。例えば図３に示すように、この製造方法は、構造皮膜とも呼ばれる皮膜４２を基材３２の外面３４に堆積させるステップを含んでいる。一実施形態では、堆積に続いて、皮膜材料４２を熱処理する。一実施形態では、皮膜材料４２は、約０．０３０インチの深さまで作製されるが、皮膜４２の厚みは設計に依存し、所望の得られる冷却特徴の寸法によって決まることを理解されたい。図４に示すように、この製造方法は、基材３２の外面３４に堆積した皮膜４２に１又は複数の溝４４（これらの溝は図２のチャネル４０を部分的に画定する）を形成するステップを含んでいる。１又は複数の溝４４は、基材３２を貫通することなく１又は複数の垂直方向及び水平方向において皮膜４２を選択的に除去するように機械加工することにより形成され得る。代替的な実施形態では、１又は複数の溝４４は、皮膜４２のさらなる処理に先立って皮膜４２及び基材３２の少なくとも部分的に内部に機械加工されてもよい。パターンは、寸法要件が保たれている限り格子様態様として形成されてもよいし、曲線溝を含めて如何なる任意の幾何学的構成として形成されてもよい。例えば図４及び図９に示すように、各々の溝４４が皮膜４２に少なくとも部分的に沿って延在している。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図９に最も分かり易く示すように、１又は複数の冷却供給孔４３が、１又は複数の溝４４をそれぞれの内部空間３８に接続する。図２に示すように、基材３２は少なくとも一つの内部空間３８（図２）を有している。尚、図９に示す冷却供給孔４３は図示の断面に位置する不連続的な孔であって、１又は複数の溝４４の全長に沿って基材３２を貫通して延在している訳ではないことを特記しておく。冷却供給孔４３は、１又は複数の溝４４をそれぞれの内部空間３８に接続する所望の任意のパターンで任意の箇所に機械加工され得る。供給冷却孔４３は、図５（Ａ）に最も分かり易く示すように、基材３２の外面３４のような局所的な表面に関して直角で形成されてもよいし、図５（Ｂ）に最も分かり易く示すように、基材３２の外面３４のような局所的な表面に対して鋭角で形成されてもよい。一実施形態では、供給冷却孔４３は残りの施工された皮膜特徴を貫通して、さらに具体的には皮膜４２の少なくとも一部を貫通して機械加工され得る。

基材３２は典型的には、米国特許第５，６２６，４６２号、Melvin R. Jackson等、“Double-wall airfoil”において議論されているように鋳造構造である。この特許をその全体として本出願に援用する。基材３２は任意の適当な材料から形成され得る。構成要素３０の所期の応用に依存して、この材料は、Ｎｉ基、Ｃｏ基及びＦｅ基の超合金を含み得る。Ｎｉ基超合金は、γ相及びγ′相の両方を含むものであってよく、特にγ′相が超合金の少なくとも４０体積％を占めるようなγ相及びγ′相の両方を含むＮｉ基超合金であってよい。かかる合金は、高温強度及び高温クリープ抵抗を含めた望ましい特性の組み合わせのため有利であることが公知である。基材材料はまた、ＮｉＡｌ金属間合金を含んでいてよい、というのはこれらの合金もまた、航空機用タービン・エンジン応用に用いるために有利である高温強度及び高温クリープ抵抗を含めた優れた特性の組み合わせを有することが公知であるからである。Ｎｂ基合金の場合には、優れた抗酸化性を有する皮膜付きＮｂ基合金が好ましく、特にＮｂ−（２７〜４０）Ｔｉ−（４．５〜１０．５）Ａｌ−（４．５〜７．９）Ｃｒ−（１．５〜５．５）Ｈｆ−（０〜６）Ｖを含む合金が好ましい。尚、組成範囲は原子百分率である。基材材料はまた、ケイ化物、炭化物又はホウ化物を含むＮｂ含有金属間化合物のような少なくとも一つの二次相を含むＮｂ基合金を含んでいてもよい。かかる合金は、延性相（すなわちＮｂ基合金）と強化相（すなわちＮｂ含有金属間化合物）との複合体である。他の構成としては、基材材料は、Ｍｏ₅ＳｉＢ₂及び／又はＭｏ₃Ｓｉの第二の相を有するモリブデン基の合金（固溶体）のようなモリブデン基合金を含んでいる。他の構成としては、基材材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）母材をＳｉＣ繊維で強化したようなセラミック基複合材（ＣＭＣ）を含んでいる。他の構成としては、基材材料はＴｉＡｌ基金属間化合物を含んでいる。

皮膜４２は、多様な手法を用いて施工され又は堆積させられ得る。特定の工程について述べると、皮膜４２は、イオン・プラズマ堆積（当技術分野では陰極アーク堆積としても公知）を行なうことにより堆積させられ得る。イオン・プラズマ堆積装置及び方法の例は、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許第７，８７９，２０３号、Weaver等、“Method and Apparatus for Cathodic Arc Ion Plasma Deposition”に掲げられている。この特許を参照によりその全体として本出願に援用する。簡単に述べると、イオン・プラズマ堆積は、所望の皮膜材料を生成するための組成を有する消耗性陰極を真空室の内部に配置するステップと、基材を真空環境の内部に設けるステップと、陰極表面に陰極アークを形成して陰極表面からの皮膜材料のアーク誘発浸食を生ずるように陰極に電流を供給するステップと、基材の外面に陰極からの皮膜材料を堆積させるステップとを含んでいる。

イオン・プラズマ堆積を用いて堆積した皮膜の非限定的例が米国特許第５，６２６，４６２号に記載されている。幾つかの熱ガス経路構成要素について、皮膜はニッケル基又はコバルト基合金を含んでおり、さらに具体的には超合金又は（Ｎｉ，Ｃｏ）ＣｒＡｌＹ合金を含んでいる。基材材料がγ相及びγ′相の両方を含むＮｉ基超合金である場合には、米国特許第５，６２６，４６２号で議論されているように、皮膜も類似の組成の材料を含み得る。加えて、超合金については、皮膜はγ′−Ｎｉ₃Ａｌ族の合金を基とする組成を含み得る。

他の工程の構成について述べると、皮膜４２は、熱溶射工程及び冷溶射工程の少なくとも一方を行なうことにより堆積させられる。例えば、熱溶射工程は燃焼溶射又はプラズマ溶射を含んでいてよく、燃焼溶射は高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）又は高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）を含んでいてよく、プラズマ溶射は大気（空気又は不活性ガス等）プラズマ溶射、又は低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ、真空プラズマ溶射又はＶＰＳとしても公知）を含んでいてよい。一つの非限定的例では、（Ｎｉ，Ｃｏ）ＣｒＡｌＹ皮膜がＨＶＯＦ又はＨＶＡＦによって堆積させられる。皮膜４２を堆積させる他の手法の例としては、制限でなく述べると、スパッタリング、電子ビーム物理的気相堆積、封じ込めめっき（entrapment plating）、及び電気めっきがある。

１又は複数の溝４４は、多くの異なる形状の任意のものを有するように構成され得る。図４〜図１１に示す構成の例について述べると、１又は複数の溝４４は断面が実質的に矩形である。直線的な壁を有するように示されているが、１又は複数の溝４４は任意の壁構成を有していてよく、例えば直線であっても曲線であってもよい。

１又は複数の溝４４は多様な手法を用いて形成され得る。１又は複数の溝４４を形成する手法の例としては研磨性液体ジェット、プランジ電解加工（ＥＣＭ）、放電加工（ＥＤＭ）、回転電極による放電加工（フライスＥＤＭ）、及び／又はレーザ加工がある。レーザ加工手法の例は、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許公開第２０１１／０１８５５７２号、B. Wei等、“Process and System for Forming Shaped Air Holes”に記載されている。この特許を参照によりその全体として本出願に援用する。ＥＤＭ手法の例は、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許公開第２０１１／０２９３４２３号、R. Bunker等、“Articles Which Include Chevron Film Cooling Holes and Related Processes”に記載されている。この特許を参照によりその全体として本出願に援用する。

特定の工程について述べると、１又は複数の溝４４及び冷却供給孔４３は、研磨性液体ジェット４１を用いて形成される（図４、並びに図５（Ａ）及び図５（Ｂ））。研磨性液体ジェット穿孔工程及びシステムの例も米国特許公開第２０１１／０２９３４２３号に掲げられている。この米国特許公開第２０１１／０２９３４２３号で説明されているように、研磨性液体ジェット工程は典型的には、高圧水流に懸濁された研磨粒子（例えば研磨「グリット」）の高速流を用いる。液体の圧力はかなりの幅にわたっていてよいが、しばしば約３５ＭＰａ〜６２０ＭＰａの範囲にある。ガーネット、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、及びガラス・ビーズのような多くの研磨材料を用いることができる。有利には、研磨性液体ジェット加工手法の能力は、様々な深さまで段階を成して、また加工された特徴の形状に対する制御を行ないながらの材料の除去を容易にする。このことは、１又は複数のチャネル４０に供給を行なう１又は複数の内部冷却供給孔４３が、一定断面の直線孔、成形孔（例えば楕円）、又は収束孔若しくは発散孔（不図示）の何れかとして穿孔されることを可能にする。

加えて、米国特許公開第２０１１／０２９３４２３号で説明されているように、水ジェット・システムは、多軸型のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ユニット（不図示）を含み得る。ＣＮＣシステム自体は当技術分野で公知であり、例えば米国特許第７，３５１，２９０号、S. Rutkowski等、“Robotic Pen”に記載されている。この特許をその全体として本明細書に援用する。ＣＮＣシステムは、多くのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸、並びに傾斜軸に沿った切削工具の移動を可能にする。

図３〜図１１に示す例について述べると、製造方法はさらに、それぞれの溝４４の頂上の少なくとも近傍で皮膜４２を塑性変形させるように皮膜４２の表面の少なくとも一部４６を処理するステップを含んでいる。得られる処理済み皮膜４２を、例えば図６及び図７に示す。溝４４の頂上を横断して存在する空隙４８が、例えば図６に示すように処理の結果として縮小される。このように、表面４６を処理すると皮膜材料４２の恒久的変形を齎す。有利には、溝４４の頂上を横断する空隙４８を縮小することにより、製造方法は、１又は複数の追加で堆積させられる皮膜が、例えば図７、並びに図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように開口を直接橋架けする（すなわち犠牲充填材を用いずに）能力を向上させる。加えて、溝４４の頂上を横断する空隙４８を縮小することにより、製造方法は、溝４４の頂上を横断する幅について比較的厳しくない機械加工仕様の利用を容易にする。有利には、この機械加工仕様を軽減することにより、製造方法は、チャネルの機械加工費用を抑えることができる。加えて、皮膜４２を塑性変形させることにより、構造超合金基材の望ましくない再結晶を招き得る基材３２の局所的な塑性変形を減少させ、又は防ぐことができる。

前述のように、製造方法はさらに、皮膜４２の堆積に先立って又は堆積中に、基材３２を予熱するステップを選択随意で含み得る。さらに、製造方法はさらに、図６に関して記載されるように、皮膜４２が堆積した後に、且つ皮膜４２の表面を処理するのに先立って、構成要素３０を熱処理する（例えば１１００℃で２時間にわたり真空熱処理する）ステップを選択随意で含み得る。このように、皮膜４２の表面４６を処理するステップは、事前の熱処理であっても事後の熱処理であってもよい。これらの熱処理の選択肢は、基材３２に対する皮膜４２の接着性を向上させ、且つ／又は皮膜４２の延性を高めることができ、両方とも皮膜４２を塑性変形させて溝４４の頂上を横断する空隙４８を縮小する皮膜付き基材３２の処理を容易にする。加えて、製造方法はさらに、１又は複数のグリット・ブラスト作用を施すステップを選択随意で含み得る。例えば、基材表面３２は選択随意で、皮膜４２を施工することに先立ってグリット・ブラストで処理されてよい。加えて、処理済み皮膜表面４６は、引き続き堆積する追加皮膜（本書に記載されているもの）の接着性を向上させるように選択随意でグリット・ブラストを施されてもよい。グリット・ブラスト作用は典型的には、熱処理の直前よりも寧ろ熱処理の後に施される。

２０１１年９月２３日に出願されて本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許出願第１３／２４２，１７９号、R. Bunker等、“Components with Cooling Channels and Methods of Manufacture”も基材３２に同様の処理を施す。しかしながら、皮膜４２を処理することにより、皮膜４２は基材３２よりも延性が高く従って塑性変形にさらに馴染む点で上述の方法が有利である。加えて、変形工程によって皮膜４２に誘発される欠陥は、皮膜付き構成要素の機械的欠点を招くことが比較的少なく、また後の熱処理時の基材３２における欠陥よりも容易に修復され得る。従って、皮膜４２を有する系は、米国特許出願第１３／２４２，１７９号の方法を用いて無皮膜基材を変形させ得るよりも上述の方法を用いた方が大きい度合いまで変形し得る。加えて、変形を皮膜４２のみに制限することにより基材３２の再結晶も回避することができ（米国特許出願第１３／２４２，１７９号の方法に対して相対的に）、繰り返し負荷の下での機械的な特性を向上させる。

明示的に図示されていないが、特定の応用について、皮膜４２の表面４６の処理は、溝４４の頂上の近傍で皮膜４２における空隙４８を縮小する。本書で用いられる「空隙を縮小する」との表現は、処理後の空隙幅が処理前の空隙幅よりも小さいことを意味する。特定の構成について述べると、この処理は開口を幾何学的に閉じることができ、ここで「幾何学的に閉じる」との表現は、皮膜４２が溝開口の対向側から皮膜４２の極く近傍に接近して空隙４８を実質的に閉じることを意味する。このように、本書で用いられる場合に幾何学的に閉じるとは冶金的に結合されることと等価ではない。しかしながら、幾つかの工程構成では、冶金的結合が実際に形成してもよい。有利には、空隙４８の寸法を縮小すると、１又は複数の追加堆積皮膜が開口を直接橋架けする能力をさらに向上させる。

皮膜４２の表面４６は多様な手法の１又は複数を用いて処理されることができ、これらの手法としては、制限でなく述べると溝４４の頂上を横断する空隙４８が縮小されるように溝４４の少なくとも近傍で皮膜４２（及び可能性として基材３２の一部も）を塑性変形させるために、表面４６をショット・ピーニングする、表面４６を水ジェット・ピーニングする、表面４６をフラッパ・ピーニングする、表面４６を重力ピーニングする、表面４６を超音波ピーニングする、表面４６をバニシ仕上げする、表面４６を低塑性バニシ仕上げする、及び表面４６をレーザ衝撃ピーニングすることが含まれる。

特定の工程について述べると、皮膜４２の表面４６はショット・ピーニングによって処理される。図６に示すように、例えばショット・ピーニングは典型的には、皮膜４２の表面４６に多くの表面凹凸４５を導入する。ピーニング工程時に、冷却パターン寸法、さらに具体的には１又は複数の溝４４を横断する空隙４８の各々の寸法は、ショット径よりも小さくなければならない。一実施形態では、部品に様々な寸法領域を保つために、異なるピーニング・ショット寸法を用い得ることが期待される。有利には、表面凹凸は、表面４６を覆って堆積した１又は複数の追加皮膜、特にイオン・プラズマ堆積、電子ビーム物理的気相堆積、及びスパッタリングのような工程を用いて堆積した皮膜の橋架けを補助することができる。

他の工程について述べると、皮膜４２の表面４６はバニシ仕上げによって処理され得る。表面処理される材料及び所望の変形に依存して多様なバニシ仕上げ手法を用いることができる。バニシ仕上げ手法の非限定的例としては、例えばローラ、ピン、又はボールを用いて皮膜４２の表面４６に塑性マッサージを施すこと、及び低塑性バニシ仕上げを施すことが含まれる。

１又は複数の溝４４の各々の頂上を横断する空隙４８は、特定応用に基づいて変化する。しかしながら、幾つかの構成については、１又は複数の溝４４の各々の頂上を横断する空隙４８は、皮膜４２の表面４６を処理する前には約８ミル〜４０ミル（０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ）の範囲にあり、１又は複数の溝４４の各々の頂上を横断する空隙４８は、皮膜４２の表面４６を処理した後には約０ミル〜１５ミル（０ｍｍ〜０．４ｍｍ）の範囲にある。

特定の構成について述べると、皮膜４２の表面４６を処理するステップは、１又は複数の溝４４の各々の近傍に「ファセット」を形成するように、皮膜４２の「頭をつぶす（mushroom）」等のように皮膜表面４６を変形させる。本書で用いられる「ファセットを設ける」とは、例えば図６の円で囲んだ領域に示すように、溝４４の近傍の表面４６を溝４４へ向けて傾斜させることと理解されたい。

例えば図７及び図１０に示すように、製造方法はさらに、空隙４８の橋架けを提供するように皮膜４２の表面４６の少なくとも一部を覆って追加皮膜５０を配設するステップを含んでいる。尚、この追加皮膜５０は、１又は複数の異なる皮膜層を含み得ることを特記しておく。例えば、皮膜５０は、接着皮膜、熱障壁皮膜（ＴＢＣ）及び抗酸化皮膜のような追加の構造皮膜及び／又は選択随意の追加皮膜層（１又は複数）を含んでいてよい。特定の構成について述べると、追加皮膜５０は外側構造皮膜層を含んでいる。例えば図７に示すように、基材３２、皮膜４２及び追加皮膜５０が、構成要素３０を冷却する１又は複数の冷却チャネル４０の各々を画定する。

特定の構成について述べると、皮膜４２及び追加皮膜５０は、工業用構成要素については０．１ミリメートル〜２．０ミリメートルの範囲の合計厚み、さらに具体的には、０．２ミリメートルから１ミリメートルの範囲の合計厚み、さらに一層具体的には、０．２ミリメートルから０．５ミリメートルの合計厚みを有する。航空機用構成要素については、この範囲は典型的には、０．１ミリメートルから０．２５ミリメートルである。しかしながら、特定の構成要素３０の要件に依存して他の厚みを用いてもよい。

追加皮膜層（１又は複数）５０は多様な手法を用いて堆積させられ得る。皮膜を形成する堆積手法の例は上に掲げられている。構造皮膜に加えて、上述の手法を用いて接着皮膜、ＴＢＣ及び抗酸化皮膜を堆積させてもよい。

幾つかの構成については、皮膜４２及び追加皮膜５０を堆積させるために多数の堆積手法を用いることが望ましい。例えば、第一の皮膜４２はイオン・プラズマ堆積を用いて堆積させられ、引き続いて堆積させられる追加皮膜層は、燃焼熱溶射工程又はプラズマ溶射工程のような他の手法を用いて堆積させられ得る。用いられる材料に依存して、各皮膜層について異なる堆積手法の利用は、限定しないが引張り公差、強度、接着性、及び／又は延性のような特性に利益を提供することができる。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、皮膜５０の堆積（及びセラミック皮膜のような他の任意の皮膜が施工される）に続いて、冷却パターンを完成させるために、１又は複数の冷却孔５４を追加皮膜５０（及び任意の引き続き堆積させられる皮膜）を含めて頂上皮膜を貫通して機械加工することができ、この場合にも当該１又は複数の冷却孔５４が冷却パターン、さらに具体的には１又は複数の冷却チャネル４０との流体連通を提供する限り、所望の任意の位置及びパターンとして機械加工することができる。１又は複数の冷却孔５４は、この場合にも、図８（Ａ）に最も分かり易く示すように局所的な表面に対して直角であってもよいし（前述のように）、角度付きであってもよいし、形状等を含んでいてもよい。必要に応じて、１又は複数の冷却孔５４の一部５６が、図８（Ｂ）に最も分かり易く示すように、構成要素３０の内部領域３８と直接連通するように基材３２を貫通して機械加工されてもよい。

図１１には、本書に図示され又は記載される１又は複数の実施形態による１又は複数の冷却チャネル４０を含む構成要素３０を作製する方法６０の一具現化形態を示す流れ図が示されている。方法６０は、ステップ６２において、基材３２を先ず提供して最外表面３４に皮膜４２を堆積させることにより１又は複数の冷却チャネル４０を最終的に含むように構成要素３０を製造するステップを含んでいる。皮膜４２は、さらなる処理ステップに先立って選択随意で熱処理され得る。次に、ステップ６４において、皮膜４２は、基材３２を貫通せずに皮膜４２の内部に１又は複数の溝４４を画定するように、１又は複数の垂直方向及び水平方向に皮膜４２を除去するように機械加工される。パターンの機械加工は、寸法要件が保たれている限り格子様幾何学的構成として構成されてもよいし、曲線幾何学的構成を含めて如何なる任意の幾何学的構成として構成されてもよい。次に、機械加工ステップ６６において、１又は複数の冷却供給孔４３が基材３２に画定される。１又は複数の冷却供給孔４３は、内部空間３８と流体連通して設けられる。次に、ショット・ピーニング処理ステップ６８等において、皮膜４２の表面４６を変形させる、さらに具体的には、皮膜４２の表面４６の「頭をつぶし」て、１又は複数の溝４４の空隙４８を狭めるように皮膜４２の表面４６が処理される。次に、ステップ７０では、空隙を閉じて１又は複数の冷却チャネル４０を画定するように追加皮膜５０が皮膜４２の処理済み表面４６に堆積させられる。最後に、ステップ７２において、１又は複数の冷却孔５４が皮膜５０に機械加工される。１又は複数の冷却孔５４は、冷却パターンとの流体連通を提供するように皮膜５０に任意の位置及びパターンとして機械加工される。処理の後には、内部空間通路３８、内部通路３８と流体連通した１又は複数の冷却供給孔４３、及び１又は複数の冷却供給孔４３と流体連通して皮膜４２に形成された１又は複数の冷却チャネル４０を含む構成要素３０が提供される。尚、冷却孔４８は、幾つかの冷却チャネルの冷却出口を接続し得る出口溝を含めて多くの代替的な形態を取り得ることを理解されたい。出口溝は、本出願と共通の譲受人に譲渡された米国特許公開第２０１１／０１４５３７１号、R. Bunker等、“Components with Cooling Channels and Methods of Manufacture”に記載されている。この特許を参照によりその全体として本出願に援用する。

有利には、以上に述べた製造方法は、皮膜４２の表面４６を塑性変形させるように皮膜４２の表面４６を処理することにより、皮膜４２に形成される１又は複数の溝４４の各々における空隙４８の完全な又は部分的な閉鎖を齎し得る。次に、このことが、追加皮膜５０による空隙４８の橋架けを容易にする。得られる仕上げ済み構成要素３０はこのようにして、マイクロチャネル、可視の亀裂、又は空隙の徴候を示さなくなり得る。これにより、処理済み皮膜を覆って施工されると微細構造及び強度に関してさらに一様な皮膜が提供される。

本書では本開示の幾つかの特徴のみを図示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は、本開示の要旨に含まれるような全ての改変及び変形を網羅するものと理解されたい。

１０：ガス・タービン・システム
１２：圧縮機
１４：燃焼器
１６：タービン
１８：シャフト
２０：燃料ノズル
３０：熱ガス構成要素
３２：基材
３４：外面
３６：内面
３８：内部空間
４０：表面冷却チャネル
４１：研磨性液体ジェット
４２：皮膜
４３：冷却供給孔
４４：溝
４５：表面凹凸
４６：皮膜４２の表面
４８：空隙
５０：追加皮膜
５２：皮膜５０の表面
５４：冷却孔
５６：貫通冷却孔
６０：１又は複数の冷却チャネルを含む構成要素を作製する方法

Claims (20)

1. 外面及び少なくとも一つの内部空間を有する基材を設けるステップと、
   前記基材の少なくとも一部に皮膜を施工するステップと、
   前記皮膜に１又は複数の溝を形成するステップであって、各々の溝が前記皮膜に少なくとも部分的に沿って延在している、１又は複数の溝を形成するステップと、
   前記溝の頂上を横断する空隙が縮小されるように、それぞれの溝の前記頂上の少なくとも近傍で前記皮膜を塑性変形させるように前記皮膜の表面の少なくとも一部を処理するステップと、
   前記皮膜の前記表面の少なくとも一部を覆って１又は複数の追加皮膜を施工するステップであって、前記基材、前記皮膜及び当該追加皮膜が、構成要素を冷却するための１又は複数のチャネルを画定する、１又は複数の追加皮膜を施工するステップと
   を備えた製造方法。
2. １又は複数の溝を形成する前記ステップは、前記基材の一部に前記１又は複数の溝の少なくとも一部を形成することをさらに含んでいる、請求項１に記載の製造方法。
3. 各々の溝は、研磨性液体ジェット、プランジ電解加工（ＥＣＭ）、放電加工（ＥＤＭ）、回転電極による放電加工（フライスＥＤＭ）、及びレーザ加工の１又は複数を用いて形成される、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記皮膜の前記表面を処理するステップは、前記溝の少なくとも前記近傍で前記皮膜を塑性変形させるために、前記表面をショット・ピーニングする、前記表面を水ジェット・ピーニングする、前記表面をフラッパ・ピーニングする、前記表面を重力ピーニングする、前記表面を超音波ピーニングする、前記表面をバニシ仕上げする、前記表面を低塑性バニシ仕上げする、及び前記表面をレーザ衝撃ピーニングすることの１又は複数を行なうことを含んでいる、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記処理するステップは、前記皮膜の前記表面に複数の表面凹凸を導入する、請求項４に記載の製造方法。
6. 前記皮膜の前記表面を処理するステップは、前記表面をショット・ピーニングするステップを含んでいる、請求項４に記載の製造方法。
7. 前記表面をショット・ピーニングするステップは、前記１又は複数の溝の前記頂上を横断する前記空隙よりも大きい径を有するピーニング粒子を含んでいる、請求項６に記載の製造方法。
8. 前記溝の前記頂上を横断する前記空隙は、前記皮膜の前記表面を処理する前には約０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にあり、前記溝の前記頂上を横断する前記空隙は、前記皮膜の前記表面が処理された後には約０ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲にある、請求項１に記載の製造方法。
9. 前記追加皮膜は、外側構造皮膜層、結合皮膜及び熱障壁皮膜の１又は複数を含んでいる、請求項１に記載の製造方法。
10. 前記追加皮膜は外側構造皮膜層を含んでいる、請求項１に記載の製造方法。
11. 前記皮膜の前記表面を前記処理するステップは、前記溝の近傍で前記皮膜にファセットを設ける、請求項１に記載の製造方法。
12. 外面及び少なくとも一つの内部空間を有する基材を設けるステップと、
    前記基材の少なくとも一部に構造皮膜を施工するステップと、
    前記皮膜に１又は複数の溝を形成するステップであって、各々の溝が前記皮膜に少なくとも部分的に沿って延在している、１又は複数の溝を形成するステップと、
    前記溝の頂上を横断する空隙が縮小されるように、それぞれの溝の前記頂上の少なくとも近傍で前記皮膜を塑性変形させると共に前記溝の近傍で前記構造皮膜の前記表面にファセットを設けるように前記皮膜の表面の少なくとも一部を処理するステップと、
    前記皮膜の前記表面の少なくとも一部を覆って１又は複数の追加皮膜を施工するステップであって、前記基材、前記皮膜及び前記追加皮膜が、構成要素を冷却するための１又は複数のチャネルを画定する、１又は複数の追加皮膜を施工するステップと
    を備えた製造方法。
13. １又は複数の溝を形成する前記ステップは、前記基材の一部に前記１又は複数の溝の少なくとも一部を形成することをさらに含んでいる、請求項１２に記載の製造方法。
14. 前記構造皮膜の前記表面を処理するステップは、それぞれの溝の前記頂上の少なくとも近傍で前記皮膜を変形させると共に前記溝の少なくとも一つのエッジに隣接して前記構造皮膜の前記表面にファセットを設けるために、前記表面をショット・ピーニングする、前記表面を水ジェット・ピーニングする、前記表面をフラッパ・ピーニングする、前記表面を重力ピーニングする、前記表面を超音波ピーニングする、前記表面をバニシ仕上げする、前記表面を低塑性バニシ仕上げする、及び前記表面をレーザ衝撃ピーニングすることの１又は複数を行なうことを含んでいる、請求項１２に記載の製造方法。
15. 前記構造皮膜の前記表面を処理するステップは前記表面をショット・ピーニングするステップを含んでおり、該ショット・ピーニングは前記構造皮膜の前記表面に複数の表面凹凸を導入する、請求項１４に記載の製造方法。
16. 前記表面をショット・ピーニングするステップは、前記１又は複数の溝の各々の前記頂上を横断する前記空隙よりも大きい径を有するピーニング粒子を含んでいる、請求項１５に記載の製造方法。
17. 前記追加皮膜は、外側構造皮膜層、結合皮膜及び熱障壁皮膜の１又は複数を含んでいる、請求項１２に記載の製造方法。
18. 外面及び内面を含む基材であって、前記内面は少なくとも一つの内部空間を画定している、基材と、
    該基材の少なくとも一部に配設されて、１又は複数の溝を内部に画定している皮膜であって、各々の溝が当該皮膜の外面に少なくとも部分的に沿って延在すると共に底面及び頂上を有しており、当該皮膜の表面は前記それぞれの溝の近傍でファセットを設けられており、１又は複数の冷却供給孔が、それぞれの溝の前記底面及び前記基材を貫通して形成されて、前記内部空間と流体連通するように前記溝を接続している、皮膜と、
    該皮膜の少なくとも一部を覆って配設された追加皮膜であって、前記基材、前記皮膜及び当該追加皮膜が共に、当該構成要素を冷却するための１又は複数のチャネルを画定する、追加皮膜と
    を備えた構成要素。
19. 前記それぞれの溝の前記近傍で前記皮膜の前記表面に複数の表面凹凸が形成されている、請求項１８に記載の構成要素。
20. 前記追加皮膜は、外側皮膜層、結合皮膜及び熱障壁皮膜の１又は複数を含んでいる、請求項１８に記載の構成要素。