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JP2559194B2 - ガスタービン羽根及びその製造用のコア／模型組合せ体の製造方法 - Google Patents

ガスタービン羽根及びその製造用のコア／模型組合せ体の製造方法

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JP2559194B2
JP2559194B2 JP5024223A JP2422393A JP2559194B2 JP 2559194 B2 JP2559194 B2 JP 2559194B2 JP 5024223 A JP5024223 A JP 5024223A JP 2422393 A JP2422393 A JP 2422393A JP 2559194 B2 JP2559194 B2 JP 2559194B2
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gas turbine
cross
turbine blade
sectional area
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JP5024223A
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カート・フランシス・オコナー
Original Assignee
アリスン・エンジン・カンパニー・インコーポレーテッド
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば米国特許第４，
８６３，５３８号明細書に開示された如き、溶融可能な
粉末の層を基体上に順次設け、レーザー光線でこれらの
層を順次溶融することにより鋳造ガスタービンの羽根又
はその一部のためのコア／模型組合せ体を製造する方法
に関する。特に、本発明は、セラミック粉末の層を設
け、これらを溶融してコアの層を形成し、これに隣接し
てワックス又はプラスチック材料の層を設け、これを溶
融して模型の層を形成し、一層毎にこれらを繰り返し
て、ガスタービンの羽根又はその一部のためのコア／模
型組合せ体を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】鋳造ガスタービンの羽根
を製造するのに使用するに適したセラミックコアを作る
種々の方法が知られている。これら従来の方法は、極め
て脆いコアが取り扱い中に破損するのを阻止するため、
エポキシ樹脂又はフェノール樹脂の如き保護コーティン
グでセラミックコアを覆う工程を有する。しかし、保護
コーティングは、コアの更なる詳細加工又はコアへのド
リル穴明け加工等の引き続きの機械加工の遂行を妨害す
るので、好ましくない。その後、鋳造すべき羽根又はそ
の一部の模型を形成するように射出成形によりワックス
又はプラスチック材料でコアを覆う工程をも有する。こ
れらの工程は高価で多大な時間を要する。
【０００３】従って、セラミックコア用のダイス及びワ
ックス模型用のダイスを形成する必要がなく、壊れ易い
状態でコアを取り扱う必要性を排除し、コアのまわりに
模型を形成するための射出成形工程を不要とした簡単な
方法でガスタービン羽根又はその一部を製造する方法を
提供するのが望ましい。
【０００４】
【発明の構成並びに作用効果】本発明に係るコア／模型
組合せ体の製造方法の特徴とするところは、ガスタービ
ン羽根又はその一部の中空部分の第１横断面領域に対応
する所定のパターンでセラミック粉末の第１層を基体上
に設ける工程と；セラミック粉末の第１層の所定のパタ
ーンにわたってレーザー光線を当てることにより第１層
を一緒に溶融して、中空部分の第１横断面領域の形を有
するセラミックの溶融層を形成する工程と；ガスタービ
ン羽根又はその一部の第１横断面領域に対応する所定の
パターンでワックス又はプラスチック粉末の第１層を基
体上に設ける工程と；ガスタービン羽根又はその一部の
第１横断面領域に対応する所定のパターンにわたってレ
ーザー光線を当てることによりワックス又はプラスチッ
ク粉末の第１層を一緒に溶融して、ガスタービン羽根又
はその一部の第１横断面領域に対応する形を有するワッ
クス又はプラスチックの溶融層を形成し、これらセラミ
ックの溶融層とワックス又はプラスチックの溶融層とで
第１の溶融層を形成させる工程と；中空部分の第１横断
面領域にじかに隣接する中空部分の第２横断面領域に対
応する第２の所定のパターンでセラミック粉末の第２層
を第１の溶融層上に設ける工程と；中空部分の第２の所
定のパターンにわたってレーザー光線を当てることによ
りセラミック粉末の第２層を溶融して、中空部分の第２
横断面領域の形を有するセラミックの第２の溶融層を形
成し、これを第１の溶融層に融着する工程と；ガスター
ビン羽根又はその一部の第１横断面領域にじかに隣接す
るガスタービン羽根又はその一部の第２横断面領域に対
応する第２の所定のパターンでワックス又はプラスチッ
ク粉末の第２層を第１の溶融層上に設ける工程と；ガス
タービン羽根又はその一部の第２の所定のパターンにわ
たってレーザー光線を当てることによりワックス又はプ
ラスチック粉末の第２層を溶融して、ガスタービン羽根
又はその一部の第２横断面領域に対応する形を有するワ
ックス又はプラスチックの第２の溶融層を形成し、これ
を第１の溶融層に融着する工程と；を有し、以下、同様
に、先に形成した溶融層の上に、中空部分の横断面領域
及びガスタービン羽根又はその一部の横断面領域にそれ
ぞれ対応する所定のパターンで粉末の層を設け、それら
をそれぞれ溶融して次の溶融層を形成し、それにより、
ガスタービン羽根又はその一部の中空部分に対応する形
状を有するコア及びガスタービン羽根又はその一部に対
応する形状を有する模型を形成することである。
【０００５】
【実施例】本発明は、ガスタービン羽根又はその一部の
中空部分に対応する形状のコアと、ガスタービン羽根又
はその一部に対応する形状の模型とを有するコア／模型
組合せ体を製造する方法を提供する。その特徴とすると
ころは、所定のパターンに成型されたセラミック粉末の
層を溶融してコアの一部を形成し、その上にワックス又
はプラスチック粉末の層を所定パターンに成型して溶融
することにより模型の一部を形成し、同様の工程を繰り
返してコア／模型組合せを形成することである。本発明
はまた、０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）より小さい
厚さを有する区分を備えた溶融コアや模型を製造する方
法を提供する。更に、本発明は約６４９℃（１２００°
Ｆ）から約１８１５．５℃（３３００°Ｆ）までの範囲
の温度での融解合金を使用して中空ガスタービン羽根を
製造する方法も提供する。
【０００６】上述のように、本発明はセラミック材料
（粉末）の層及びワックス又はプラスチック粉末の層を
一層毎に一緒に順次溶融してコア／模型組合せ体を形成
することによりコア／模型組合せ体を製造する方法を提
供する。好ましくは、水晶を含む粉末のそれぞれの層に
レーザー光線を当てることにより、粉末の層を一緒に溶
融する。粉末材料のレーザー光線によるこのような溶融
を達成するための作動に適した装置及び方法は米国特許
第４，８６３，５３８号明細書に開示されている。粉末
の層を一緒に溶融するには、粉末の所定のパターン上に
波動エネルギを当てるとよい。このような波動エネルギ
は電子ビームでよい。
【０００７】上記米国特許第４，８６３，５３８号明細
書に開示されているように、本発明に関連して使用でき
る装置は部品を製造すべき目標層領域上にビームを発出
させるように選択可能なレーザーその他の放射エネルギ
源を有する。粉末分配装置は粉末を目標層領域上に配置
する。制御機構は狭い境界内に位置した粉末のみを選択
的に溶融又は焼結して部品の所望の層を形成するように
作動する。この制御機構はレーザーを作動させて、粉末
の層を順次選択的に焼結又は溶融し、一緒に焼結又は溶
融した複数個の層を有する完成部品を製造する。各層の
定められた境界は部品のそれぞれの横断面領域に対応す
る。制御機構は各層の定められた境界を決定するために
ＣＡＤ／ＣＡＭシステムの如きコンピュータを有すると
よい。製造すべき部品の全体寸法及び形状を与えるため
に、コンピュータは各層に対して定められた境界を決定
し、これらの定められた境界に従ってレーザー制御機構
を作動させる。
【０００８】レーザー制御機構はレーザー光線を目標層
領域上に当てる手段と、オン位置とオフ位置との間でレ
ーザー光線を変調する手段又は必要に応じて変化する形
状を得るために目標層領域内の粉末を選択的に焼結又は
溶融するためのシャッタ手段とを有するとよい。レーザ
ー当て機構は目標層領域を連続的にラスター走査するた
めレーザー光線の照準を移動させるように作動するとよ
い。変調機構は、レーザー光線の照準が特定の層の定め
られた境界内に位置したときにのみ粉末を焼結又は溶融
するように、レーザー光線をオン又はオフする。レーザ
ー当て機構は、特定の層の定められた境界内の粉末を焼
結又は溶融すべくレーザー光線を連続的にオン状態に維
持できるように、特定の層の定められた境界内のみにレ
ーザー光線の照準を合わせるとよい。
【０００９】レーザー当て機構は、検流計で駆動せしめ
られる鏡を使用して目標層領域をそれぞれラスター走査
するようにレーザー光線を移動させるとよい。第１の鏡
はレーザー光線を偏向して第２の鏡へ導き、第２の鏡は
レーザー光線を偏向して目標層領域へ導くとよい。検流
計により第１の鏡を運動させると、レーザー光線は目標
層領域内で実質上第１方向へ移動する。検流計により第
２の鏡を運動させると、レーザー光線は目標層領域内で
第２方向へ移動する。これらの鏡は、上記の第１方向と
第２方向とが互いに実質上直交するように、相互に関し
て方位決めしてある。このような構成のため、目標層領
域内でのレーザー光線の種々異なる型式の走査パターン
（ラスター走査パターンを含む）が可能となる。
【００１０】各層の外側限界を画定する制限構造体を使
用することにより粉末の分配を補助するとよい。別個の
制限構造体で各層の限界を定めてもよいし、単一の制限
構造体により全体の部品の限界を定めてもよい。特定の
層に通路や空間を設けたい場合は、その通路や空間を形
成すべき層の領域の粉末を焼結又は溶融しなければよ
い。層の選択した部分の粉末を溶融した後、未溶融粉末
をブラシで除去するかブロワで除去し、通路や空間を形
成する。代わりに、空間や通路を形成すべき位置で、先
に溶融した層の上に異なる型式の材料（インサート）を
配置し、このインサートのまわりに次の未溶融粉末層を
設け、その後粉末を溶融することにより、通路や空間を
画定してもよい。好ましくは、インサートの材料及び位
置は、粉末を一緒に溶融した後にインサートを溶かすか
除去して空間や通路を形成できるように選定する。
【００１１】本発明の方法の工程は次の通りである。最
初に、ガスタービン羽根又はその一部の中空部分の三次
元形状を決定しなければならない。次に、タービン羽根
又はその一部の三次元形状を決定しなければならない。
コアは、ガスタービン羽根の中空部分のそれぞれの断面
領域に対応して一層毎にセラミック粉末（好ましくは、
水晶粉末）の層を先の層に融着することにより、最終的
に形成される。セラミック粉末の第１層をガスタービン
羽根の中空部分の第１横断面領域に対応する所定のパタ
ーンで基体上に設ける。このセラミック粉末の第１層の
所定のパターンにわたってレーザー光線を当てることに
より第１層を一緒に溶融して、中空部分の第１横断面領
域形状を有するセラミックの第１溶融層を形成する。同
様に、この第１溶融層上にワックス又はプラスチック材
料の所定のパターンの層を成型し、これを、セラミック
スの場合と同様にレーザー光線を当てることにより溶融
して模型を形成する。第１横断面領域にじかに隣接する
中空部分の第２横断面領域に対応する第２の所定のパタ
ーンで、セラミック粉末の第２層をセラミックの第１溶
融層又はワックス又はプラスチック材料の第１溶融層上
に設ける。第２の所定のパターンにわたってレーザー光
線を当てることにより、粉末の第２層を一緒に溶融し、
中空部分の第２横断面領域の形状を有するセラミックの
第２溶融層を形成し、この溶融層を第１溶融層に融着す
る。模型の第２層も同様の方法で形成する。以下、同様
に、コアの中空部分及び模型のそれぞれの横断面領域に
対応する所定のパターンで粉末の層を先に形成した溶融
層上に順次配置し、粉末の各層を一緒に溶融してそれぞ
れの溶融層を形成し、これらを先の溶融層に融着し、そ
れにより、ガスタービン羽根又はその一部の中空部分に
対応する形状を有するコア及びガスタービン羽根又はそ
の一部に対応する形状を有する模型を形成する。
【００１２】コア／模型組合せ体はガスタービン羽根を
製造するのに使用できる。容易に着脱可能な鋳造モール
ドをコア／模型組合せ体のまわりに配置してモールドを
模型の外表面に適合させる。ワックス又はプラスチック
の模型は、ワックスの模型を予熱するかプラスチックの
模型を溶かすかするが如き当業界で既知の方法により、
除去することができる。融解合金を鋳造モールド内に注
入して融解合金でモールドを満たす。その後、融解合金
を固化する。鋳造モールドを破壊除去し、融解カセイソ
ーダでコアを除去する。
【００１３】好ましくは、セラミック粉末は水晶からつ
くる。水晶はα水晶又はβ水晶でよい。すべての粉末は
１００マイクロメーター以下の平均粒子寸法を有する。
水晶粉末がα水晶／β水晶である場合、これにより形成
したコアは約６４９℃（１２００°Ｆ）から約１８１
５．５℃（３３００°Ｆ）までの範囲の温度を有する融
解合金での鋳造に耐えることができる。
【００１４】模型を形成するために使用するワックス又
はプラスチック粉末は同様の寸法及び形状を有するとよ
い。溶融模型の各層は約０．２５４ないし１．５２４ｍ
ｍ（０．０１０ないし０．０６インチ）の厚さを有する
とよい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 594201032 Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ 420，Ｉｎｄｉａｎａ ｐｏｌｉｓ，Ｉｎｄｉａｎａ 46206, Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａ ｍｅｒｉｃａ

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 溶融可能な粉末の層を基体上に順次設
    け、レーザー光線でこれらの層を順次溶融することによ
    りコアと模型との組合せ体を製造する方法において、 ガスタービン羽根又はその一部の中空部分の第１横断面
    領域に対応する所定のパターンでセラミック粉末の第１
    層を前記基体上に設ける工程と； 前記セラミック粉末の第１層の前記所定のパターンにわ
    たってレーザー光線を当てることにより当該第１層を一
    緒に溶融して、前記中空部分の第１横断面領域の形を有
    するセラミックの溶融層を形成する工程と； 前記ガスタービン羽根又はその一部の第１横断面領域に
    対応する所定のパターンでワックス又はプラスチック粉
    末の第１層を前記基体上に設ける工程と； 前記ガスタービン羽根又はその一部の第１横断面領域に
    対応する所定のパターンにわたってレーザー光線を当て
    ることによりワックス又はプラスチック粉末の当該第１
    層を一緒に溶融して、当該ガスタービン羽根又はその一
    部の第１横断面領域に対応する形を有するワックス又は
    プラスチックの溶融層を形成し、これらセラミックの溶
    融層とワックス又はプラスチックの溶融層とで第１の溶
    融層を形成させる工程と； 前記中空部分の第１横断面領域にじかに隣接する同中空
    部分の第２横断面領域に対応する第２の所定のパターン
    でセラミック粉末の第２層を前記第１の溶融層上に設け
    る工程と； 前記中空部分の第２の所定のパターンにわたってレーザ
    ー光線を当てることにより前記セラミック粉末の第２層
    を溶融して、当該中空部分の第２横断面領域の形を有す
    るセラミックの第２の溶融層を形成し、これを前記第１
    の溶融層に融着する工程と； 前記ガスタービン羽根又はその一部の第１横断面領域に
    じかに隣接する当該ガスタービン羽根又はその一部の第
    ２横断面領域に対応する第２の所定のパターンでワック
    ス又はプラスチック粉末の第２層を前記第１の溶融層上
    に設ける工程と； 前記ガスタービン羽根又はその一部の第２の所定のパタ
    ーンにわたってレーザー光線を当てることによりワック
    ス又はプラスチック粉末の前記第２層を溶融して、当該
    ガスタービン羽根又はその一部の第２横断面領域に対応
    する形を有するワックス又はプラスチックの第２の溶融
    層を形成し、これを前記第１の溶融層に融着する工程
    と；を有し、 以下、同様に、先に形成した溶融層の上に、前記中空部
    分の横断面領域及び前記ガスタービン羽根又はその一部
    の横断面領域にそれぞれ対応する所定のパターンで粉末
    の層を設け、それらをそれぞれ溶融して次の溶融層を形
    成し、それにより、前記ガスタービン羽根又はその一部
    の中空部分に対応する形状を有するコア及び当該ガスタ
    ービン羽根又はその一部に対応する形状を有する模型を
    形成することを特徴とするコア／模型組合せ体の製造方
    法。
  2. 【請求項２】 前記セラミック粉末が水晶でできている
    ことを特徴とする請求項１の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記コアが１．５２４ｍｍ（０．０６イ
    ンチ）より小さい厚さを有する区分を備えたことを特徴
    とする請求項１の製造方法。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の方
    法に係るガスタービン羽根又はその一部を製造する方法
    において、 前記パターンに適合し容易に着脱可能な鋳造モールド
    を、前記コア／模型組合せ体のまわりに配置する工程
    と；前記模型を除去して空間を形成する工程と；前記鋳
    造モールド内に融解合金を注入して前記空間を満たす工
    程と；前記融解合金を固化する工程と；前記鋳造モール
    ドを除去する工程と；液体カセイソーダで前記コアを除
    去する工程と；を有することを特徴とする製造方法。
  5. 【請求項５】 前記融解合金が約６４９℃（１２００°
    Ｆ）から約１８１５．５℃（３３００°Ｆ）までの範囲
    の温度を有することを特徴とする請求項４の製造方法。
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