JP2014098385A - リエントラント形状の冷却チャネルを備えた構成部品および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温ガス経路の構成部品内に、充填および除去工程の必要性をなくす冷却チャネルを形成するための方法を提供する。
【解決手段】構成部品の製造方法が提供される。構成部品は、少なくとも１つの内部空間を有する基材を含む。方法は、１つまたは複数の溝を構成部品の中に形成する工程を含む。各々の溝は、基材の外側表面に少なくとも部分的に沿って延び、その開口で狭まることによって各々の溝がリエントラント形状である。各々の溝の断面積Ａは、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、リエントラント形状の溝の開口の幅であり、Ｄは、リエントラント形状の溝の深さである。溝が基材の中に形成された構成部品、および溝が構造的コーティングの中に少なくとも部分的に形成された構成部品も提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、その中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、空気が圧縮機内で圧縮され、高温の燃焼ガスを発生させるために燃焼器内で燃料と混合される。そのガスから、圧縮機を駆動する高圧タービン（ＨＰＴ）内で、また航空機のターボファンエンジン用途ではファンを駆動し、または海運および工業用途では外部シャフトを駆動する低圧タービン（ＬＰＴ）内で、エネルギーが抽出される。

エンジン効率は燃焼ガスの温度と共に上昇する。しかしながら、燃焼ガスはその流路に沿って様々な構成部品を加熱し、これは、許容できる長いエンジン寿命を達成するためにこれらの構成部品を冷却することを必要とする。通常、高温ガス経路の構成部品は、圧縮機から空気を流すことによって冷却される。この冷却処理は、流出ガスが燃焼過程に使用されないのでエンジン効率を下げる。

ガスタービンエンジンの冷却技術は成熟しており、様々な高温ガス経路の構成部品における冷却用回路および特徴の様々な態様のための数多くの特許を含む。例えば、燃焼器は半径方向で外側と内側のライナを含み、これらは運転中に冷却を必要とする。タービンノズルは外側と内側のバンドの間に支持される中空のベーンを含み、これもやはり冷却を必要とする。タービンのロータブレードは中空であり、通常ではその中に冷却用回路を含み、これらのブレードはやはり冷却を必要とするタービンシュラウドによって取り囲まれる。高温の燃焼ガスは、やはり裏張りされて適切に冷却することができる排気口を通じて吐出される。

これらの例示的なガスタービンエンジン構成部品の全てにおいて、構成部品重量を減らしてその冷却の必要性を最少にするために高強度の超合金金属の薄壁が通常では使用される。エンジン内のそれぞれ対応する環境にあるこれら個々の構成部品のために、様々な冷却用回路および特徴が調整される。例えば、一連の内部冷却用通路または屈曲通路が高温ガス経路の構成部品に形成されてもよい。冷却用流体はプレナムからこれら屈曲通路に供給されてもよく、冷却用流体は通路を通って流れて高温ガス経路の構成部品の基材およびいずれかの付随するコーティングを冷却してもよい。しかしながら、この冷却策は通常、比較的低い熱伝達率および不均一な構成部品温度プロファイルという結果につながる。

マイクロチャネル冷却は、加熱された領域に可能な限り近接して冷却を設け、それにより所与の熱伝達率について主要な耐荷基材材料の高温側と低温側との間の温度差を減少させることによって、冷却要件を大幅に低減する可能性を有する。しかしながらマイクロチャネルを形成するための現行の技術は、犠牲となる充填物を使用することで、マイクロチャネル内にコーティングが堆積しないようにし、堆積する際にコーティングを支えるだけでなく、コーティングシステムが堆積した後、犠牲となる充填物を除去する必要があるのが典型的である。しかしながら一時的な材料によるチャネルの充填、およびその後の材料の除去は共に、現行のマイクロチャネル加工処理技術に関する潜在的な問題を提示している。例えば充填材は、基材およびコーティングと適合可能である必要があり、さらに収縮度は最小限であるが十分な強度を有する必要もある。犠牲となる充填物の除去には、抽出、エッチングまたは気化という、損傷させる可能性がある工程が伴い、通常、長時間を要する。残留した充填材の材料もまた問題である。

したがって、高温ガス経路の構成部品内に、充填および除去工程の必要性をさらになくす冷却チャネルを形成するための方法を提供することが望ましい。

米国特許第８１４７１９６号明細書

本発明の一態様は、特定の構成部品の製造方法に在る。構成部品は、少なくとも１つの内部空間を有する基材を含む。方法は、構成部品の中に１つまたは複数の溝を形成する工程を含んでおり、この場合各々の溝は、少なくとも部分的に基材の外側表面に沿って延在し、その開口で狭まることによって各々の溝がリエントラント形状の溝を含む。各々の溝の断面積Ａは、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、リエントラント形状の溝の開口の幅であり、Ｄは、リエントラント形状の溝の深さである。

本発明の別の態様は、外側表面と内側表面を有する基材を含む構成部品に在り、内側表面は少なくとも１つの内部空間を画定し、外側表面は１つまたは複数の溝を画定する。各々の溝は基材の表面に少なくとも部分的に沿って延び、その開口で狭まることによって各々の溝がリエントラント形状の溝を含む。各々の溝の断面積Ａは、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、リエントラント形状の溝の開口の幅であり、Ｄは、リエントラント形状の溝の深さである。構成部品はさらに、基材の外側表面の少なくとも一部分上に堆積させた少なくとも１つのコーティングを含んでおり、溝およびコーティングが共に構成部品を冷却するための１つまたは複数のリエントラント形状のチャネルを画定する。

本発明のさらに別の態様は、外側表面と内側表面を有する基材を含む構成部品に在り、内側表面は、少なくとも１つの内部空間を画定する。構成部品はさらに、基材の表面の少なくとも一部分上に配置された少なくとも１つのコーティングを含んでおり、コーティングは、基材の外側表面に堆積させた構造上のコーティングと、追加的なコーティングとの少なくとも１つの内側の層を含む。１つまたは複数の溝が、構造上のコーティングの中に少なくとも部分的に形成され、各々の溝は、基材の表面に少なくとも部分的に沿って延び、その開口で狭まることによって各々の溝がリエントラント形状の溝を含む。各々の溝の断面積Ａは、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、リエントラント形状の溝の開口の幅であり、Ｄは、リエントラント形状の溝の深さである。溝および付加的なコーティングが共に構成部品を冷却するための１つまたは複数のリエントラント形状のチャネルを画定する。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は添付の図面を参照しながら下記の詳細な説明を読むとさらによく理解され、図中、同様の記号は図面全部にわたって同様の部分を表わす。

ガスタービンシステムの概略図である。 本発明の態様による、リエントラントの冷却用チャネルを備えた一例のエーロフォイル構造の概略の断面図である。 リエントラント溝を形成するための角度φでの研磨性液体ジェットの第１の通過を示す図である。 リエントラント溝を形成するための対頂角１８０−φでの研磨性液体ジェットの第２の通過を示す図である。 リエントラント溝を形成するための溝に垂直な研磨性液体ジェットの任意選択の第３の通過を示す図である。 リエントラント冷却チャネルを備えた冷却用回路の一部の概略断面図である。 例示的なリエントラント形状の溝の概略断面図である。 基材の表面に部分的に沿って延び、各々のフィルム冷却穴に冷却剤を通す３つの例示的なマイクロチャネルの概略斜視図である。 図８の１つの例示的なマイクロチャネルの断面図であり、マイクロチャネルが進入穴からフィルム冷却穴に冷却剤を運ぶところを示す図である。 Ａ＝ＲからＡ＝２．３３Ｒまで変動する断面積を有する５つの冷却チャネルＡ−Ｅの概略断面図である。 本発明の態様による例示的な涙型の冷却チャネルの概略断面図である。 図１０の５つの冷却チャネルＡ−Ｅの中に堆積されたコーティングの量（各々の冷却チャネルの全体の断面積に対する）を示す図である。 非対称の断面を有する例示的な冷却チャネルの概略断面図である。 構造的コーティングの中に形成された浸透性のスロットを備えた冷却チャネルの図である。 ４つの円形の冷却チャネルＧ−Ｊの中に堆積されたコーティングの量（各々冷却チャネルの全体の断面積に対する）を示す図である。

本明細書の「第１」、「第２」などの用語はいずれかの順序、量、または重要性を意味するものではなく、むしろ１つの要素を他から区別するために使用される。本明細書の「１つの」（「ａ」および「ａｎ」）という用語は量の限定を意味するものではなく、言及された事物が少なくとも１つ存在することを意味する。量に結び付けて使用される修飾語句「約」は述べられた値を包含し、前後関係によって指示される意味を有する（例えば、特定の量の測定に付随する誤差の程度を含む）。さらに、「組み合わせ」という用語は配合、混合、合金、反応生成物などを包含する。

さらに、本明細書では、（１つまたは複数の）（接尾辞「（ｓ）」）は通常、それが修飾する用語の単数形と複数形の両方を含み、したがってその用語の１つまたは複数を含むことを意図する（例えば「通過穴」は別途特定しない限り１つまたは複数の通過穴を含み得る）。「一実施形態」、「他の実施形態」、「或る実施形態」などへの本明細書全体にわたる言及は、その実施形態と結び付けて述べられる特定の要素（例えば特徴、構造、および／または特性）が本明細書に述べられる少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態に有っても無くてもよいことを意味する。同様に、「特定の構成」という言及はその構成と結び付けて述べられる特定の要素（例えば特徴、構造、および／または特性）が本明細書に述べられる少なくとも１つの構成の中に含まれ、他の構成の中に有っても無くてもよいことを意味する。さらに、述べられる発明性のある特徴が様々な実施形態および構成でいずれの適切な方式で組み合わされてもよいことは理解されるはずである。

図１はガスタービンシステム１０の概略図である。このシステム１０は１つまたは複数の圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、および燃料ノズル２０を含んでもよい。圧縮機１２およびタービン１６は１つまたは複数のシャフト１８によって連結されてもよい。

ガスタービンシステム１０はいくつかの高温ガス経路の構成部品１００を含んでよい。高温ガス経路の構成部品は、システム１０を通る高い温度の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のいずれかの構成部品である。例えば、バケットアセンブリ（ブレードまたはブレードアセンブリとしても知られる）、ノズルアセンブリ（ベーンまたはベーンアセンブリとしても知られる）、シュラウドアセンブリ、トランジションピース、保持リング、およびタービン排気構成部品は全て高温ガス経路の構成部品である。しかしながら、本発明の高温ガス経路の構成部品１００が上記の実例に限定されず、高い温度のガスの流れに少なくとも部分的に曝露されるいずれの構成部品であってもよいことを理解されたい。さらに、本開示の高温ガス経路の構成部品１００がガスタービンシステム１０の構成部品に限定されず、高い温度の流れに曝露されるいずれかの機械装置またはその構成部品であってもよいことを理解されたい。

高温ガス経路の構成部品１００が高温ガスの流れに曝露されると、高温ガス経路の構成部品１００は高温ガスの流れによって加熱され、高温ガス経路の構成部品１００が大幅に劣化または故障する温度に到達する可能性がある。したがって、システム１０が、システム１０の所望の効率、性能および／または寿命を達成するために必要な高い温度の高温ガス流で動作することを可能にするために、高温ガス経路の構成部品１００のための冷却システムが必要とされる。

一般的に、本開示の冷却システムは高温ガス経路の構成部品１００の表面に形成された一連の小チャネルまたはマイクロチャネルを含む。工業的規模の動力発生タービン構成部品については、「小」または「マイクロ」チャネルの寸法は０．２５ｍｍから１．５ｍｍの範囲のおよその深さと幅を包含すると考えられ、その一方で航空機産業規模のタービン構成部品のチャネル寸法は０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲のおよその深さと幅を包含することになる。高温ガス経路の構成部品は保護コーティングを施されてもよい。冷却用流体はプレナムからチャネルへ供給されてもよく、冷却用流体はチャネルを通って流れて高温ガス経路の構成部品を冷却してもよい。

図２〜１５を参照して製造方法が述べられる。例えば図２に示されるように、この方法は、少なくとも１つの内部空間１１４を有する基材１１０を含む構成部品１００を製造することを目的としている。基材１１０は通常では（１つまたは複数の）溝１３２を形成する前に鋳造される。本願明細書にその全体が参照によって組み入れられるＭｅｌｖｉｎ Ｒ．Ｊａｃｋｓｏｎらの米国特許第５，６２６，４６２号、“Ｄｏｕｂｌｅ−ｗａｌｌ ａｉｒｆｏｉｌ”で検討されるように、基材１１０はいずれの適切な材料から形成されてもよい。構成部品１００について意図される用途に応じて、これはＮｉ主成分、Ｃｏ主成分、およびＦｅ主成分の超合金を含み得る。Ｎｉ主成分の超合金はγ相とγ’相の両方を含むもの、特に、γ’相が超合金の体積で少なくとも４０％を占めるγ相とγ’相の両方を含むものであってよい。そのような合金は、高温強度および高温クリープ耐性を含む望ましい特性が組み合わせられているため好都合であることが知られている。基材材料はまたＮｉＡｌの金属間合金を含んでもよく、その理由は、これらの合金もまた、航空機に使用されるタービンエンジン用途での使用に好都合である、高温強度および高温クリープ耐性を含む優れた特性の組み合わせを有することが知られているからである。Ｎｂ主成分合金の事例では、優れた抗酸化性を有するコーティングされたＮｂ主成分合金が好ましく、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く、ここで組成範囲の単位は原子パーセントである。基材材料はケイ化物、炭化物、またはホウ化物を含むＮｂ含有金属間化合物などの、少なくとも１つの二次相を含むＮｂ主成分合金も含み得る。そのような合金は延性相（すなわちＮｂ主成分合金）と強化相（すなわちＮｂ含有金属間化合物）の複合材である。他の構成としては、基材材料はＭｏ₅ＳｉＢ₂および／またはＭｏ₃Ｓｉの第２相を伴うモリブデンを主成分とする合金（固溶体）などのモリブデン主成分の合金を含む。他の構成としては、基材材料は炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維で強化されたＳｉＣマトリックスなどのセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む。他の構成としては、基材材料はＴｉＡｌ主成分の金属間化合物を含む。

ここで図３、図４および図６〜図８を参照すると、製造方法は、構成部品１００内に１つまたは複数の溝１３２を形成する工程を含んでいる。示されるように、例えば図８では、各々の溝１３２は、基材１１０の外側表面１１２に少なくとも部分的に沿って延び、その開口１３６において狭くなることで、各々の溝１３２はリエントラント形状の溝１３２である。図３に示される構成に関して、溝は、冷却剤を各々のフィルム冷却穴１７２に流す。溝１３２を形成するための例示的な技術には、限定するものではないが、研磨性液体ジェット、プランジ電解加工（ＥＣＭ）、放電加工（ＥＤＭ）、回転電極を備えた放電加工（ミリングＥＤＭ）およびレーザ加工が含まれる。例示的なレーザ加工技術は、本発明の譲受人に譲渡された、２０１０年１月２９日出願の米国特許出願公開第１２／６９７，００５号、“Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｈａｐｅｄ ａｉｒ ｈｏｌｅｓ”に述べられており、これは本願明細書にその全体が参照によって組み入れられる。例示的なＥＤＭ技術は、本発明の譲受人に譲渡された、２０１０年５月２８日出願の米国特許出願公開第１２／７９０，６７５号、“Ａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｃｈｅｖｒｏｎ ｆｉｌｍ ｃｏｏｌｉｎｇ ｈｏｌｅｓ，ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ”に述べられており、これは本願明細書にその全体が参照によって組み入れられる。特定の処理では、溝１３２は、研磨性液体ジェットを使用して形成され、これは図３〜図５を参照して以下でより詳細に検討される。

ここで図７および図１０を参照すると、例えば各々の溝の断面積Ａは、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、リエントラント形状の溝１３２の開口１３６の幅であり、Ｄは、リエントラント形状の溝１３２の深さである。換言すると、面積Ｒは、開口においてリエントラント形状の溝と同一の幅を有し、それと同一の深さを有する仮想の方形の溝の断面積である。例えば、図１０のチャネルＡおよびチャネルＢは、２．３３Ｒおよび２Ｒの面積をそれぞれ有する。有利なことにＲ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内にある断面積Ａを有する冷却チャネルは、コーティング処理においてごくわずかなコーティングがチャネルに内に堆積される可能性があり、犠牲となる充填物を使用する必要がない。

特定の構成では、各々の溝１３２は中心線に対して対称である。本明細書で使用されるように「対称」とは、機械加工の精度により生じる溝の輪郭における軽微な偏差を包含するものと理解すべきである。例えば図６〜図８および図１０〜図１２に示される溝は、中心線に対して対称である。溝は、図６〜図８および図１０に示されるように平坦な基部１３４を有する場合もある。他の構成の場合、溝１３２の基部１３４が円形の場合もある。例えば溝は、図１１に示されるように涙型の場合もある。有利なことに、基本的に中心線に対して対称なチャネルは、例えば図１３に示されるものなどの非対称のチャネルに対して相対的により大きな断面積を有する（同一の深さと同一の開口幅の場合）。

しかしながら他の構成では、例えば図１３に示されるように、各々の溝１３２が非対称の断面を有する場合もある。非対称の溝は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第１３／６６４，４５８号で検討されており、その全体が参照によって本明細書に組み入れられる。非対称の断面は、構成部品の機械加工が難しい領域において、あるいは構成部品内に他の機能および／または制約を適応させるのに必要な場合がある。

上記で指摘したように、いくつかの技術を使用して溝１３２を形成することができる。図３および図４に示される例示の処理に関して、各々の溝１３２は、基材１１０の外側表面１１２に研磨性液体ジェット１６０を向けることによって形成される。図３および図４に示される処理に関して、研磨性液体ジェット１６０を１回または複数回通過させる間に基材１１０の面１１２に対して水平方向の角度で研磨性液体ジェット１６０を向けることによって、少なくとも１つの溝１３２が形成される。

例示的な研磨性液体ジェットによる研削処理およびシステムは、本発明の譲受人に譲渡された、２０１０年５月２８日出願の米国特許出願公開第１２／７９０，６７５号、“Ａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｃｈｅｖｒｏｎ ｆｉｌｍ ｃｏｏｌｉｎｇ ｈｏｌｅｓ，ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ”に提供されており、これは本願明細書にその全体が参照によって組み入れられる。米国特許出願公開第１２／７９０，６７５号に説明されているように、研磨性液体ジェット処理は通常、高圧水流中に懸濁した研磨性の粒子（例えば研磨性の「グリット」）の高速流を利用する。液体の圧力は大幅に異なり得るが、多くの場合約３５〜６２０ＭＰａの範囲内にある。ガーネット、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、およびガラスビーズなどのいくつかの研磨性材料を使用することができる。有利なことに、研磨性液体ジェット加工技術の能力は様々な深さの段階で、加工される造作の形状を制御しながら材料を除去することを容易にする。

加えて、米国特許出願公開第１２／７９０，６７５号に説明されているように、ウォータージェットシステムは多軸のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ユニット２１０（図４）を含んでもよい。ＣＮＣシステム自体は当技術分野で知られており、例えば、本願明細書にその全体が参照によって組み入れられる、米国特許出願公開第１００５／００１３９２６号（Ｓ．Ｒｕｔｋｏｗｓｋｉら）に述べられている。ＣＮＣシステムはＸ、Ｙ、およびＺ軸、ならびに傾斜軸のいくつかに沿った切削工具の移動を可能にする。

加えて、溝１３２を形成する工程はさらに、少なくとも１つの追加的な通過を実施する工程を含む場合があり、この場合研磨性液体ジェット１６０は、基材１１０の外側表面１１２に水平方向の角度と、この面に対してほぼ垂直な方向５２の間の１つまたは複数の角度で溝１３２の基部１３４に向けられることで、溝１３２の基部１３４から材料が除去される（図５を参照）。本明細書で使用されるように「基部」は、溝の下部であり、湾曲していても（図１１）あるいは平坦でも（図１０）よいことに留意されたい。

ここで図８および図９を参照すると、製造方法はさらに、基材１１０内に１つまたは複数の進入穴１４０を形成する工程を含む場合がある。示されるように例えば図１４では、各々の進入穴１４０は、それぞれの溝１３２をそれぞれの内部空間１１４と流体連絡で接続する。図８に示される穴１４０は、示される断面図に位置する別個の穴であり、基材を貫いて溝１３２の長さに沿って延びていないことに留意されたい。

それぞれの溝を供給する内部進入穴１４０は、一定の断面の直線的な穴、成形した（例えば楕円形の）穴、あるいは集束もしくは散開する穴（図示せず）のいずれかとして研削されてよい。進入穴を形成するための方法は、本発明の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第１３／２１０，６９７号（Ｒｏｎａｌｄ Ｓ． Ｂｕｎｋｅｒ等）、“Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ”に提供されており、これは本願明細書にその全体が参照によって組み入れられる。特定の処理では、進入穴１４０は、研磨性液体ジェットを使用して形成される場合があり、これは上記で述べられている。指摘されるように、有利なことに研磨性液体ジェット加工は、様々な深さの段階で、加工される造作の形状を制御しながら材料を除去することを容易にする。これはチャネルを供給する内部進入穴１４０を上記で指摘した形状に、すなわち一定の断面の直線的な穴、成形した穴、または集束もしくは散開する穴に研削することも可能にする。

特定の構成では、溝１３２は、基材１１０の外側表面１１２内に形成される。例えば図８および図９を参照されたい。ここで図８、図９および図１２を参照すると、製造方法はさらに、基材１１０の表面１１２の少なくとも一部分上にコーティング１５０を堆積させる工程を含む場合がある。このような構成では、溝１３２およびコーティング１５０が共に、構成部品１００を冷却するための１つまたは複数のリエントラント形状のチャネル１３０を画定する。コーティング１５０は、構造的コーティング層を備え、さらに任意選択で追加的コーティング層を含む場合がある。コーティング層は、多様な技術を使用して堆積させることができる。特定の処理では、構造的コーティングはイオンプラズマ蒸着（やはり当技術分野で陰極アーク蒸着として知られている）を実行することによって堆積させてもよい。イオンプラズマ蒸着の装置および方法の実例は、本発明の譲受人に譲渡された、Ｗｅａｖｅｒらの米国特許出願公開第２００８／０１３８５２９号、“Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｓｍａ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”に提供されており、これは本願明細書にその全体が参照によって組み入れられる。簡単に述べると、イオンプラズマ蒸着は、所望のコーティング材料を作り出すための組成を有する消耗性の陰極を真空チャンバ内に配置する工程、基材１１０を真空環境の中に供給する工程、電流を陰極に供給して陰極表面上に陰極アークを形成し、結果としてアークで誘発される陰極表面からのコーティング材料の浸食を生じさせる工程、および陰極からのコーティング材料を基材表面１１２上に蒸着させる工程を含む。

イオンプラズマ蒸着を使用して蒸着される構造的コーティングの非限定の実例はＪａｃｋｓｏｎらの米国特許第５，６２６，４６２号、“Ｄｏｕｂｌｅ−ｗａｌｌ ａｉｒｆｏｉｌ”に述べられている。或る高温ガス経路の構成部品１００では、構造的コーティング５４はニッケル主成分またはコバルト主成分の合金を含み、さらに具体的には超合金または（Ｎｉ，Ｃｏ）ＣｒＡｌＹ合金を含む。基材材料がγ相とγ’相の両方を含むＮｉ主成分の超合金である場合、構造的コーティングは米国特許第５，６２６，４６２号で検討されているものと同様の材料組成を含んでもよい。さらに、超合金としては、構造的コーティング５４はγ’−Ｎｉ₃Ａｌ系の合金を主成分とする組成を含んでもよい。

さらに一般的には、構造的コーティングの組成は下層に在る基材の組成によって決定づけられると考えられる。例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維で強化されたＳｉＣマトリックスなどのＣＭＣ基材では、構造的コーティングは典型的にはケイ素を含むと考えられる。

他の処理構成では、構造的コーティングは熱溶射処理およびコールドスプレー処理のうちの少なくとも１つを実行することによって堆積させられる。例えば、熱溶射処理は燃焼溶射またはプラズマ溶射を含んでもよく、燃焼溶射は高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）または高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）を含んでもよく、プラズマ溶射は大気圧（空気または不活性ガスなど）プラズマ溶射または減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ、真空プラズマ溶射またはＶＰＳとしても知られている）を含んでもよい。１つの限定されない実例では、（Ｎｉ，Ｃｏ）ＣｒＡｌＹコーティングはＨＶＯＦまたはＨＹＡＦによって堆積させられる。構造的コーティングを堆積させるための他の例示的な技術は、限定しないが、スパッタリング、電子ビーム物理蒸着、エントラップメントメッキ、および電気メッキを含む。

米国特許出願公開第１２／９４３，６２４号（Ｂｕｎｋｅｒ等）、“Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ ｓｈａｐｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ”で検討されるように、マイクロチャネルを形成するための現行の技術は典型的には、犠牲となる充填物を利用することで、コーティングがマイクロチャネル内に堆積しないようにし、堆積する際にコーティングを支えるだけでなく、コーティングシステムが堆積した後、犠牲となる充填物を除去する必要がある。しかしながら一時的な材料でチャネル充填すること、およびその材料を後に除去することは共に、現行のマイクロチャネル加工処理技術に関する潜在的な問題を提示している。例えば充填物は、基材およびコーティングと適合可能である必要があり、さらに収縮度は最小限であるが十分な強度を有する必要もある。犠牲となる充填物の除去には、抽出、エッチングまたは気化という、損傷させる可能性がある工程が伴い、通常、長時間を要する。残留した充填材の材料もまた問題である。

リエントラント形状の幾何学形状と、小さな頂部面の開口幅を有するチャネルを成形することで、コーティングの堆積物をチャネルの外に維持する助けをする。しかしながら充填物が利用されない場合、チャネルの開口幅は、コーティング材の堆積物をチャネルの外に維持するのに十分でない場合がある。図１２は、異なる断面積Ａのチャネルに関する例示的な充填比を描いている。本明細書で使用されるように「充填比」は、チャネル内に堆積されるコーティング（図１２では参照番号１６２によって示される）が占めるチャネル領域の割合である。例えばコーティングがチャネル内に全く堆積されない場合、充填比は０である。同様にチャネルの断面積全体が堆積されたコーティングで充填される場合、充填比は１００％である。図１２に示される例では、チャネルＡ〜Ｅは、均等な開口幅を有することに留意されたい。しかしながら図１２に示されるように、方形のチャネルの有意な部分がコーティングで充填されるのに対して、リエントラント形状のチャネルは、チャネルの外形がよりリエントラント形状になるにつれて（すなわちＤからＡに進むにつれて）、チャネルの断面積のごく一部として次第に少なくなるコーティング堆積物を有する。ゼロに近づくより小さな開口幅は、コーティング堆積物をチャネルの外に維持するのを助けることになるが、これは本明細書に見られる性質を説明していない。

特定の理論に縛られることなく、有向の衝撃性の噴霧が、空気をチャネル空間内に閉じ込め、ある程度加圧する（恐らく加熱することによって）ものと考えられおり、この捕捉された空気は、コーティング粒子（ほとんどまたは全て）がチャネルの内部に進入するのを拒否する逆圧および妨害物として機能する。観察される現象に関するこのような物理的な説明は、例えば熱噴霧コーティングなど空気中で行われる何らかの処理に特に適用可能である。衝突性の噴霧は、チャネルの開口の大きさよりずっと大きな有効径を有するが、これは単独で観測される効果を提供するには十分ではない。加圧された妨害空気の十分な内部空間が必要であり、この空気はまたこの空間内で循環することができるため、観測される結果を提供するある範囲の望ましくかつ必要な比率のチャネルの断面積になる。

特定の処理では、各々の溝の中に堆積されたコーティングの充填比は、２０パーセント未満であり、より詳細には１０パーセント未満である。例えば図１２のチャネルＡおよびチャネルＢ、ならびに図１５のチャネルＧを参照されたい。簡潔に言えば、図１５は、４つの円形の冷却チャネルＧ〜Ｊの中に堆積されたコーティングの量（それぞれの冷却チャネルの全体の断面積に対する）を示している。図１５に見ることができるように、冷却チャネルＧに関してＡ＞２であり、冷却チャネルＨに関してＡ〜２であり、冷却チャネルＩおよびＪに関してＡ＜２Ｒである。チャネルＧ〜Ｊの中に堆積されるコーティング１６２の量は、各々の冷却チャネルにおいてほぼ同じであるが、コーティング堆積物１６２が占める断面積の割合は、冷却チャネルＪのものと比べて、冷却チャネルＧではずっと小さくなる。有利なことには、相対的に塞がっていないチャネルを有することでチャネルを通る冷却流が改善される。

ここで図１４を参照すると、コーティングは、少なくとも１つの構造的コーティング５４と、追加的コーティング５６とを含んでおり、各々の溝１３２は、構造的コーティング５４の中に少なくとも部分的に形成される。特定の構成では（図１４）、溝は完全に構造的コーティング５４の中に形成される。しかしながら他の構成では（図示せず）、溝は、構造的コーティングを貫いて基材１１０へと延びている。

有利なことには、上記に述べた方法によって、犠牲となる充填物を使用せずに被冷却構成部品をコーティングすることが容易になる。開口１３６を犠牲となる充填物を使用せずにコーティング１５０によって橋渡しすることによって、従来のチャネル形成技術に関する２つの主要な処理工程（充填および抽出工程）をなくすことができる。

本発明の構成部品１００の実施形態が、図２〜図１５を参照して述べられている。図２に示されるように、構成部品１００は、外側表面１１２と内側表面１１６とを有する基材１１０を含んでいる。基材１１０は上記に記載されている。図２に示されるように、例えば内側表面１１６は、少なくとも１つの内部空間１１４を画定する。図８に示されるように外側表面１１２は、１つまたは複数の溝１３２を画定する。各々の溝１３２は、基材１１０の表面１１２に少なくとも部分的に沿って延び、その開口１３６において狭くなることで、各々の溝１３２はリエントラント形状の溝１３２である。ここで図７および図１０を参照すると、例えば各々の溝の断面積Ａは、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、リエントラント形状の溝１３２の開口１３６の幅であり、Ｄは、リエントラント形状の溝１３２の深さである。上記で指摘したように、面積Ｒは、開口においてリエントラント形状の溝と同一の幅を有し、それと同一の深さを有する仮想の方形の溝の断面積である。

図８に示されるように、構成部品１００はさらに、基材１１０の外側表面１１２の少なくとも一部分上に配置された少なくとも１つのコーティング１５０を含む。コーティング１５０は上記に記載されており、単独のまたは異なる組成を有する１つまたは複数のコーティング層を有することができる。図８に示されるように、例えば溝１３２およびコーティング１５０は共に、構成部品１００を冷却するための１つまたは複数のリエントラント形状のチャネル１３０を画定する。特定の構成では（図８および図１２）、コーティング１５０が各々の溝１３２を完全に橋渡しすることで、コーティング１５０は、それぞれのマイクロチャネル１３０を密閉している。しかしながら他の構成では（例えば図１４を参照されたい、これは溝が構造的コーティングの層５４の中に形成された場合の通気性の隙間１４４を示している）、コーティング１５０が、１つまたは複数の通気性の隙間１４４を画定するため、コーティング１５０は、各々の溝１３２を完全には橋渡ししていない。

特定の構成では、各々の溝１３２は中心線に対して対称である。上記で指摘したように、「対称」とは、機械加工の精度により生じる溝の輪郭における軽微な偏差を包含するものと理解すべきである。例えば図６〜図８および図１０〜図１２に示される溝は、中心線に対して対称である。例えば図６〜図８に示されるように、溝が平坦な基部を有する場合もある。他の構成では、溝１３２の基部１３４が円形の場合もある。例えば溝は、図１１に示されるように涙型の場合もある。

しかしながら他の構成では、各々の溝１３２が、例えば図１３に示されるように非対称の断面を有する場合もある。上記で指摘したように、非対称の溝は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第１３／６６４，４５８号で検討されている。

ここで図８および図９を参照すると、１つまたは複数の進入穴１４０を基材１１０内に形成することができる。図１４に示されるように、例えば各々の進入穴は、それぞれの溝１３２をそれぞれの内部空間１１４と流体連絡で接続している。上記で指摘したように、図８に示される穴１４０は、示される断面図に配置された別々の穴であり、溝１３２の長さに沿って基材を貫いて延びていない。進入穴は、図８および図９を参照して上記で述べられている。

特定の構成では、各々の溝に堆積されたコーティングの充填比は、２０パーセント未満であり、より詳細には１０パーセント未満である。例えば図１２のチャネルＡおよびチャネルＢ、ならびに図１５のチャネルＧを参照されたい。上記で指摘したように、「充填比」は、チャネル内に堆積されたコーティングが占めるチャネルの面積の割合である。有利なことには、比較的低い充填比を有することによって、チャネルは、所与のチャネル断面積に関して十分な冷却剤を運ぶことができる。

上記に記載した構成部品の利点には、従来のように被冷却構成部品のコーティングに関する費用がかかる２つの処理工程（充填および抽出工程）をなくすことによって製造コストが低下した改善された冷却作用が含まれる。

本発明の別の構成部品１００の実施形態が、図２〜図１５を参照して記載されている。図２に示されるように、構成部品１００は、外側表面１１２と内側表面１１６とを有する基材１１０を含んでいる。図２に示されるように、例えば内側表面１１６は、少なくとも１つの内部空間１１４を画定する。基材１１０は上記に記載されている。

図１４に示されるように、構成部品１００はさらに、基材１１０の表面１１２の少なくとも一部分上に配置された少なくとも１つのコーティング１５０を含む。図１４に示されるように、コーティング１５０は、基材１１０の外側表面１１２上に配置された構造的コーティング５４と、追加的コーティング５６の少なくとも１つの内側の層を含む。追加的コーティング５６は、１つまたは複数の異なるコーティング層を有する場合がある。例えば追加的コーティング５６は、追加の構造的コーティングおよび／または任意選択の追加的コーティング層、例えば接着コーティング、熱障壁コーティング（ＴＢＣ）および酸化防止コーティングなどを含む場合がある。特定の構成では、追加的コーティング５６は外側の構造的コーティング層を含んでもよい（これもやはり参照符号５６で表示される）。特定の構成では、構造的コーティング５４および追加的コーティング５６は工業構成部品では０．１〜２．０ミリメートルの範囲、より具体的には０．２〜１ミリメートルの範囲、さらにより具体的には０．２〜０．５ミリメートルの範囲の組み合わせ後の厚さを有する。航空機構成部品では、この範囲は通常では０．１〜０．２５ミリメートルである。しかしながら、特定の構成部品１００のための要件に応じて他の厚さが利用されてもよい。

図１４に示される例示的な構成では、溝１３２は、構造的コーティング５４の中に少なくとも部分的に形成される。各々の溝１３２は、基材１１０の表面１１２に少なくとも部分的に沿って延び、その開口１３６において狭くなることで、各々の溝１３２はリエントラント形状の溝（１３２）である。（このように基材に沿って溝が延在することは、溝が基材の中で形成された場合の図８に示される構成と同様である。）図１０を参照して上記で検討したように、各々の溝の断面積Ａは、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、リエントラント形状の溝（１３２）の開口１３６の幅であり、Ｄは、リエントラント形状の溝１３２の深さである。例えば、図１０のチャネルＡおよびチャネルＢは、２．３３Ｒおよび２Ｒの面積をそれぞれ有する。図１４に示されるように、溝１３２および追加的コーティング５６は共に、構成部品１００を冷却するための１つまたは複数のリエントラント形状のチャネル１３０を画定する。

特定の構成では、各々の溝１３２は、構造的コーティング５４の中に完全に配置される。例えば図１４を参照されたい。他の構成では（明確には示されていない）、各々の溝１３２は、構造的コーティング５４を貫いて基材１１０へと延びている。特定の構成では、追加的コーティング５６が、それぞれの溝１３２を完全に橋渡しすることで、追加的コーティング５６がそれぞれのマイクロチャネル１３０を密閉する（例えば、溝が基材の中に形成される場合の図６を参照されたい）。しかしながら他の構成では、追加的コーティング５６が１つまたは複数の通気性の隙間１４４を画定することで、追加的コーティング１５０は、それぞれの溝１３２を完全には橋渡ししていない（例えば、図１４を参照）。

溝の幾何学形状が上記に記載される。特定の構成では、各々の溝１３２は中心線に対して対称である。例えば図６〜図８および図１０〜図１２に示される溝は、中心線に対して対称である。上記で指摘したように、例えば図１４に示されるように、溝が平坦な基部１３４を有する場合もある。他の構成では、溝１３２の基部１３４が円形の場合もある。例えば溝は、図１１に示されるように涙型の場合もある。

しかしながら他の構成では、各々の溝１３２が、例えば図１３に示されるように非対称の断面を有する場合もある。上記で指摘したように、非対称の溝は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第１３／６６４，４５８号で検討されている。

図８および図９を参照して上記に記載したように、１つまたは複数の進入穴１４０を基材１１０の中に形成することができる。図１４に示されるように、例えば各々の進入穴は、それぞれの溝１３２をそれぞれの内部空間１１４と流体連絡で接続している。上記で指摘したように、図８に示される穴１４０は、示される断面図に配置された別々の穴であり、溝１３２の長さに沿って基材を貫いて延びていない。

特定の構成では、各々の溝に堆積させられたコーティングの充填比は、２０パーセント未満であり、より詳細には１０パーセント未満である。例えば図１２のチャネルＡおよびチャネルＢ、ならびに図１５のチャネルＧを参照されたい。上記で指摘したように、「充填比」は、チャネル内に堆積させたコーティングが占めるチャネルの面積の割合である。

上記に記載した製造方法および構成部品の利点には、被冷却構成部品のコーティングに関して費用がかかる２つの処理工程（充填および抽出工程）をなくすことに関連して改善された冷却作用および製造コストの低下が含まれる。

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
５２ 垂直な方向
５４ 構造的コーティング
５６ （１つまたは複数の）追加的コーティング（外側の構造的コーティング）
１００ 高温ガス経路の構成部品
１１０ 基材
１１２ 基材の外側表面
１１４ 内部空間
１１６ 基材の内側表面
１３０ 冷却チャネル
１３２ （１つまたは複数の）溝
１３４ 溝の基部
１３６ 溝の開口
１４０ （１つまたは複数の）進入穴
１４４ （１つまたは複数の）通気性の隙間
１４６ 溝の上端部
１５０ 追加的コーティング
１６０ 研磨性液体ジェット
１６２ コーティング堆積物
１７２ フィルム冷却穴
Ｄ 溝の深さ
Ｗ 溝の開口の幅

Claims (25)

1. 少なくとも１つの内部空間を有する基材を備える構成部品を製造する方法であって、前記構成部品の中に１つまたは複数の溝を形成する工程を含み、
   各々の溝が、前記基材の外側表面に少なくとも部分的に沿って延び、その開口で狭まることによって各々の溝がリエントラント形状の溝を含み、
   各々の溝の断面積Ａは、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、前記リエントラント形状の溝の前記開口の幅であり、Ｄは、前記リエントラント形状の溝の深さである方法。
2. 各々の溝が、中心線に対して対称である、請求項１記載の方法。
3. それぞれの溝の基部が円形である、請求項１記載の方法。
4. 各々の溝が非対称の断面を有する、請求項１記載の方法。
5. 前記基材の中に１つまたは複数の進入穴を形成する工程をさらに含み、各々の進入穴が、前記溝のうちの１つを前記それぞれの内部空間と流体連絡で接続する、請求項１記載の方法。
6. 前記溝が、前記基材の前記外側表面内に形成される、請求項１記載の方法。
7. 前記基材の前記表面の少なくとも一部分上にコーティングを配置する工程をさらに含み、前記溝および前記コーティングが共に、前記構成部品を冷却するための１つまたは複数のリエントラント形状のチャネルを画定する、請求項１記載の方法。
8. 各々の溝の中に堆積された前記コーティングの充填比が２０パーセント未満である、請求項７記載の方法。
9. 各々の溝の中に堆積された前記コーティングの前記充填比が１０パーセント未満である、請求項８記載の方法。
10. 前記コーティングが、熱噴霧処理を行うことによって配置される、請求項７記載の方法。
11. 前記コーティングが、少なくとも１つの構造的コーティングと、追加的コーティングとを備え、各々の溝が、前記構造的コーティングの中に少なくとも部分的に形成される、請求項７記載の方法。
12. 外側表面と内側表面を有する基材であって、前記内側表面が少なくとも１つの内部空間を画定し、前記外側表面が１つまたは複数の溝を画定しており、各々の溝が、前記基材の前記表面に少なくとも部分的に沿って延び、その開口で狭まることによって各々の溝がリエントラント形状の溝を含み、各々の溝の断面積Ａが、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、前記リエントラント形状の溝の前記開口の幅であり、Ｄは、前記リエントラント形状の溝の深さである基材と、
    前記基材の前記外側表面の少なくとも一部分上に配置された少なくとも１つのコーティングであって、前記溝および前記コーティングが共に、構成部品を冷却するための１つまたは複数のリエントラント形状のチャネルを画定するコーティングとを備える構成部品。
13. 各々の溝が、中心線に対して対称である、請求項１２記載の構成部品。
14. それぞれの溝の基部が円形である、請求項１２記載の構成部品。
15. 各々の溝が非対称の断面を有する、請求項１２記載の構成部品。
16. 前記基材の中に１つまたは複数の進入穴が形成され、各々の進入穴が、前記それぞれの溝を前記それぞれの内部空間と流体連絡で接続する、請求項１２記載の構成部品。
17. 各々の溝の中に堆積された前記コーティングの充填比が２０パーセント未満である、請求項１２記載の構成部品。
18. 各々の溝の中に堆積された前記コーティングの前記充填比が１０パーセント未満である、請求項１７記載の構成部品。
19. 外側表面と内側表面を有し、前記内側表面が少なくとも１つの内部空間を画定する基材と、
    前記基材の前記表面の少なくとも一部分上に配置された少なくとも１つのコーティングであって、前記基材の前記外側表面上に配置された構造的コーティングと、追加的コーティングの少なくとも１つの内側の層を備えるコーティングとを備え、
    １つまたは複数の溝が前記構造的コーティングの中に少なくとも部分的に形成され、各々の溝が、前記基材の前記表面に少なくとも部分的に沿って延び、その開口で狭まることによって各々の溝がリエントラント形状の溝を含み、
    各々の溝の断面積Ａが、Ｒ＝Ｗ＊Ｄの面積のおよそ２倍からおよそ３倍の範囲内であり、ここでＷは、前記リエントラント形状の溝の前記開口の幅であり、Ｄは、前記リエントラント形状の溝の深さであり、
    前記溝および前記追加的コーティングが共に、前記構成部品を冷却するための１つまたは複数のリエントラント形状のチャネルを画定する構成部品。
20. 各々の溝が中心線に対して対称である、請求項１９記載の構成部品。
21. それぞれの溝の基部が円形である、請求項１９記載の構成部品。
22. 各々の溝が非対称の断面を有する、請求項１９記載の構成部品。
23. 前記基材の中に１つまたは複数の進入穴が形成され、各々の進入穴が、前記それぞれの溝を前記それぞれの内部空間と流体連絡で接続する、請求項１９記載の構成部品。
24. 各々の溝の中に堆積された前記コーティングの充填比が２０パーセント未満である、請求項１９記載の構成部品。
25. 各々の溝の中に堆積された前記コーティングの前記充填比が１０パーセント未満である、請求項２４記載の構成部品。