特許 6973896 タービン部品の修理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6973896

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】タービン部品の修理方法

(51)【国際特許分類】

   B23P 6/04 20060101AFI20211118BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20211118BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20211118BHJP

   B23P 15/02 20060101ALI20211118BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20211118BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20211118BHJP

   B22F 7/06 20060101ALI20211118BHJP

   B22C 9/04 20060101ALI20211118BHJP

   B22C 9/24 20060101ALI20211118BHJP

   B22D 23/06 20060101ALI20211118BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20211118BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   B23P6/04

   F01D25/00 X

   F02C7/00 D

   B23P15/02

   B22F3/105

   B22F3/16

   B22F7/06 A

   B22C9/04 A

   B22C9/24 C

   B22D23/06

   B33Y10/00

   B33Y80/00

【請求項の数】15

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2019-545942(P2019-545942)

(86)(22)【出願日】2018年2月15日

(65)【公表番号】特表2020-509943(P2020-509943A)

(43)【公表日】2020年4月2日

(86)【国際出願番号】US2018018277

(87)【国際公開番号】WO2018156408

(87)【国際公開日】20180830

【審査請求日】2019年10月11日

(31)【優先権主張番号】15/439,451

(32)【優先日】2017年2月22日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】ガライ、グレゴリー テレンス

(72)【発明者】

【氏名】メイヤー、マーク ケビン

(72)【発明者】

【氏名】コニッツァー、ダグラス ジェラルド

(72)【発明者】

【氏名】カーター、ウィリアム トーマス

【審査官】 村上 哲

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１８５１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２００１８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０３１４４０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０１３９８４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１０−５００５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１６−５３６５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１７−５０４７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３１９５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−００９２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第２９９５４１０（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｐ ６／０４

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ０２Ｃ ７／００

Ｂ２３Ｐ １５／０２

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ２２Ｆ ７／０６

Ｂ２２Ｃ ９／０４

Ｂ２２Ｃ ９／２４

Ｂ２２Ｄ ２３／０６

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ８０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）液体金属（６０８）を凝固させて鋳造部品（６１０）を形成するために、前記液体金属をセラミック鋳型（６００）に注ぐことであって、前記セラミック鋳型（６００）は、前記セラミック鋳型（６００）及び前記鋳造部品（６１０）の除去部分の指標となるウィットネス・フィーチャ（６１４）を含むセラミックコア（６０４）を含み、前記セラミックコア（６０４）が前記鋳造部品（６１０）の内側空洞を満たすことと、
（ｂ）鋳造部品の表面部分（６１２）及び前記セラミックコアの表面部分（６１２）を作成するために、前記セラミック鋳型（６００）及び前記鋳造部品（６１０）の一部を前記ウィットネス・フィーチャ（６１４）が現れるまで除去することと、
（ｃ）前記表面部分（６１２）上に金属粉末の層を堆積させることと、
（ｄ）融着層を形成するために、前記金属粉末の少なくとも一部にエネルギービームを照射することと、
（ｅ）金属物体が形成されるまで工程（ｃ）〜（ｄ）を繰り返すことと
を含む、金属物体の製造方法。

【請求項2】

前記表面部分（６１２）は平面である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記セラミック鋳型（６００）は、セラミックシェル（６０２）と、前記セラミックシェル（６０２）及び前記セラミックコア（６０４）間の少なくとも１つの内側空洞とをさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。

【請求項4】

セラミックの汚染を防ぐために前記表面部分（６１２）を処理することをさらに含む、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

工程（ｃ）〜（ｅ）が、誘導加熱、放射加熱、又は両方の組み合わせの存在下で実行される、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記金属物体がタービンブレード又はベーンであり、前記鋳造部品がエーロフォイルである、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

（ａ）液体金属（６０８）を凝固させて鋳造部品（６１０）を形成するために、前記液体金属をセラミック鋳型（６００）に注ぐことであって、前記セラミック鋳型（６００）は、前記セラミック鋳型（６００）及び前記鋳造部品（６１０）の除去部分の指標となるウィットネス・フィーチャ（６１４）を含むセラミックコア（６０４）を含み、前記セラミックコア（６０４）が前記鋳造部品（６１０）の内側空洞を満たすことと、
（ｂ）鋳造部品の表面部分（６１２）及び前記セラミックコアの表面部分（６１２）を作成するために、前記セラミック鋳型（６００）及び前記鋳造部品（６１０）の一部を前記ウィットネス・フィーチャ（６１４）が現れるまで除去することと、
（ｃ）前記表面部分（６１２）上に金属粉末の層を堆積させることと、
（ｄ）融着層を形成するために、前記金属粉末の少なくとも一部にエネルギービームを照射することと、
（ｅ）ブレード又はベーンが形成されるまで工程（ｃ）〜（ｄ）を繰り返すことと
を含む、タービンブレード又はベーンの製造方法。

【請求項8】

前記表面部分（６１２）は平面である、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記セラミック鋳型（６００）は、外部シェル（６０２）と、前記外部シェル（６０２）及び前記セラミックコア（６０４）間の少なくとも１つの内側空洞とを含む、請求項７又は請求項８に記載の方法。

【請求項10】

セラミックの汚染を防ぐために前記表面部分（６１２）を処理することをさらに含む、請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

工程（ｃ）〜（ｅ）が、誘導加熱、放射加熱、又は両方の組み合わせの存在下で実行される、請求項７〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記鋳造部品がエーロフォイルである、請求項７〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

ウィットネス・フィーチャ（６１４）を含むセラミックコア（６０４）を備えた金属ブレード又はベーン部分（６１０）と、
金属部分及びセラミック部分を含むワークピース（６１２）の実質的に平面の上面と
を含む鋳造金属タービンブレード又はベーンワークピース（６１０〜６００）。

【請求項14】

前記セラミックコア（６０４）が、前記金属ブレード又はベーンの内側空洞を満たす、請求項１３に記載の鋳造金属タービンブレード又はベーンワークピース（６１０〜６００）。

【請求項15】

セラミックの汚染を防ぐための保護層をさらに含む、請求項１３又は請求項１４に記載の鋳造金属タービンブレード又はベーンワークピース。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して、中空金属物体を製造又は修理する方法に関する。より具体的には、中空金属物体は、付加製造（ＡＭ）技術、又はＡＭ技術とインベストメント鋳造技術の混合を使用して作製される。製造方法に利用するＡＭ技術は、直接金属レーザ溶解（ＤＭＬＭ）又はその他のレーザ粉末床溶解付加製造に限定されない。生産される中空金属物体は、航空機エンジン又は他の発電タービンの部品、例えばブレード又はステータベーンとして特に有用である。

【背景技術】

【0002】

超合金材料は、溶接凝固割れやひずみ時効割れの影響を受けやすいため、溶接が最も難しい材料の１つである。本明細書で使用される「超合金」という用語は、優れた機械的強度と高温での耐クリープ性とを備えた高耐腐食性及び耐酸化性の合金を意味する。通常、超合金にはニッケル又はコバルトが多く含まれている。超合金の例には、ハステロイ、インコネル合金（ＩＮ７３８、ＩＮ７９２、ＩＮ９３９など）、レネ合金（ＲｅｎｅＮ５、Ｒｅｎｅ８０、Ｒｅｎｅ１４２、Ｒｅｎｅ１９５）、ヘインズ合金、Ｍａｒ Ｍ、ＣＭ２４７、ＣＭ２４７ＬＣ、Ｃ２６３、７１８、Ｘ−７５０、ＥＣＹ７６８、２８２、Ｘ４５、ＰＷＡ１４８３及びＣＭＳＸ（ＣＭＳＸ−４など）単結晶合金などの商標及びブランド名で販売されている合金が含まれる。

【0003】

回転ブレード及びステータベーンの両方のガスタービンエーロフォイルは、一過性のセラミックコアの周りに超合金材料を鋳造し、その後セラミックコアを除去して、ブレード内に冷却室及びチャネルを形成することによってしばしば製造される。通常、高強度の超合金金属材料からこれらのタービンブレードを製造するには、タービンブレード内部に所望される複雑な冷却通路に適合する精密なセラミックコアを最初に製造する必要がある。エーロフォイル、プラットフォーム及び一体型ダブテールを含むタービンブレードの正確な３次元外面を画定する精密なダイ又はモールドも作成される。そのようなモールド構造１０の概略図が図１に示されている。セラミックコア１１は、結果として生じるブレードの金属部分を画定する空間又は空隙を間に形成する２つのダイの半体の内側に組み立てられる。組み立てられたダイにワックスが注入されて空隙を満たし、その中に封入されたセラミックコアを囲む。２つのダイの半体は分割され、成形されたワックスから除去される。成形されたワックスは、所望のブレードの正確な形状を有し、セラミック材料でコーティングされて周囲のセラミックシェル１２を形成する。次に、ワックスが溶解されシェル１２から除去され、セラミックシェル１２と内部セラミックコア１１と先端部プレナム１４との間に対応する空隙又は空間１３が残る。次に、溶解超合金金属がシェルに注がれてその中の空隙を満たし、シェル１２に含まれるセラミックコア１１及び先端部プレナム１４が再びカプセル化される。溶解金属は冷却されて凝固し、次いで外部シェル１２、内部コア１１及び先端部プレナム１４が適切に除去され、内部冷却通路が見られる所望の金属タービンブレードが残る。浸出プロセスによってセラミックコア材料を除去するための経路を提供するために、ボールシュート１５及び先端部ピン１６が設けられ、これらは浸出時にタービンブレード内にボールシュート及び先端部穴を形成し、これらはその後ろう付けして閉じなければならない。

【0004】

米国特許出願公開第２０１０／０２００１８９号（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙに付与）は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、エーロフォイル１８の外側端部を閉じることができる方法を開示している。図２Ａに示すように、第１の工程では、エーロフォイル１８の断面形状を正確に規定する先端部プレート５０が、エーロフォイル１８の外端部に（セラミック鋳型なしで）外壁１９に接触して設置される。先端部プレート５０は、レーザ溶接により外壁１９に結合されている。次に、端部又は周辺縁部から先端部プレート５０にレーザエネルギーを向けて（図２Ａの矢印「Ｗ」を参照）、貫通溶接を行い、先端部プレート５０の外周を外壁１９に融着させる。次に、図２Ｂに示すように、先端部壁３４は、自由形状レーザ製作プロセスにより形成され、溶解合金粉末が１又は複数のパスで先端部プレート５０上に堆積される。

【0005】

別の態様では、米国特許出願公開第２０１０／０２００１８９号が、代替方法によって形成されたエーロフォイル１８’’を示している。図３Ａは、外壁１９’’を備えた鋳放し状態（セラミック鋳型なし）のエーロフォイル１８’’を示す。エーロフォイル１８’’の内部には、適切な金属合金粉末６８が充填されており、この粉末は、外壁１９’’の外端部と同一平面に削り取られるか、又は平坦化される。粉末６８は一緒に焼結され、図３Ａの矢印「Ｌ」で概略的に示すように、レーザエネルギーをそこに向けることによって外壁１９’’に結合される。図３Ｂは、完成した先端部キャップ３６’’に粉末６８が焼結され、過剰の粉末６８が除去された後のエーロフォイル１８’’を示す。先端部キャップ３６’’が形成されると、図３Ｃに示すように、自由形状レーザ製作プロセスを使用して、先端部キャップ３６’’の上部に先端部壁３４’’が形成される。

【0006】

米国特許出願公開第２０１５／００３４２６６Ａ１号（Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｉｎｃ．に付与）は、ブレードの空洞がブレード先端部のその後の形成のための支持材料でも満たされているタービンブレードの製造方法を記載している。図４に示すように、方法８０は、ブレード先端部キャップなしで先端部壁を有する超合金タービンブレードを最初に鋳造する工程８２を含む。工程８４で、ブレードの空洞に支持要素が配置される。次いで工程８６で、金属粉末を含む付加充填材料が開口にかけて支持要素上に支持される。次に工程８８で、エネルギービームが付加充填材料を横切って横断して材料を溶解し、それによりブレード先端部を横切って超合金キャップを形成し、既存のブレード先端部壁に融着させる。方法８０は、付加溶接によってキャップの周囲に半径方向に延出するスクイーラリッジを構築する工程９０をさらに含む。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

前述を鑑みて、また現行のブレード及びベーンは交換するのが非常に高価なその先端部で特に寿命が制限される傾向があるという事実を考慮すると、新しく鋳造されるエーロフォイル及びフィールドリターン修理用エーロフォイルの先端部又は他のコンポーネントを製造する新規方法の必要性が残っている。時間のかからない、費用対効果の高い方法を提供することが望ましいであろう。例えば、エーロフォイル製造施設に既に存在する材料を利用する方法及び／又はそのような材料の新しい二次用途を見つける方法を提供し、それによって新しい材料を取得し廃棄する必要性を回避することが特に有益であろう。

【課題を解決するための手段】

【0008】

第１の態様では、本発明は、金属物体の製造方法に関する。この方法は、（ａ）液体金属を凝固させて鋳造部品を形成するために、液体金属をセラミック鋳型に注ぐことであって、セラミック鋳型はウィットネス・フィーチャを含むセラミックコアを含み、セラミックコアが鋳造部品の内側空洞を満たすことと、（ｂ）鋳造部品の表面部分及びセラミックコアの表面部分を作成するために、セラミック鋳型及び鋳造部品の一部をウィットネス・フィーチャが現れるまで除去することと、（ｃ）表面部分上に金属粉末の層を堆積させることと、（ｄ）融着層を形成するために、金属粉末の少なくとも一部を照射することと、（ｅ）ブレード又はベーンが形成されるまで工程（ｃ）〜（ｄ）を繰り返すこととを含む。好ましくは、表面部分は平面である。

【0009】

一実施形態では、セラミック鋳型は、セラミックシェルと、シェル及びコア間の少なくとも１つの内側空洞とをさらに含む。したがって、この方法の実施形態は、工程（ｂ）の前にセラミックシェルを除去することをさらに含む。

【0010】

特定の実施形態において、この方法は、セラミックの汚染を防ぐために表面部分を処理することをさらに含む。

【0011】

一実施形態では、方法の工程（ｃ）〜（ｅ）は、誘導加熱、放射加熱、又は両方の組み合わせの存在下で実行される。

【0012】

いくつかの実施形態では、本方法は、金属物体からセラミック鋳型を除去することをさらに含む。

【0013】

好ましくは、金属物体はタービン部品である。好ましくは、タービン部品はブレード又はベーンであり、鋳造部品はエーロフォイルである。

【0014】

第２の態様では、本発明は、タービンブレード又はベーンの製造方法に関する。

【0015】

第３の態様では、本発明は、ウィットネス・フィーチャを含むセラミックコアを備えた金属ブレード又はベーン部分と、金属部分及びセラミック部分を含むワークピースの実質的に平面の上面とを含む鋳造金属タービンブレード又はベーンワークピースに関する。

【0016】

一実施形態では、セラミックコアは、金属ブレード又はベーンの内側空洞を満たす。

【0017】

一実施形態では、ブレード又はベーンは、セラミックシェルによってさらに囲まれている。

【0018】

一実施形態では、鋳造金属タービンブレードは、セラミックの汚染を防ぐための保護層をさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】従来のインベストメント鋳造プロセスによって作製されたボールシュートを備えたコアシェル型の従来のスキームの一例を示した概略図である。

【図2A】先端部プレートが鋳放しエーロフォイルに追加され（セラミック鋳型が除去され）先端部壁が先端部プレート上に構築されるブレード先端部を製造する従来技術の方法を示した概略図である。

【図2B】先端部プレートが鋳放しエーロフォイルに追加され（セラミック鋳型が除去され）先端部壁が先端部プレート上に構築されるブレード先端部を製造する従来技術の方法を示した概略図である。

【図3A】鋳放しエーロフォイル（セラミック鋳型が除去された）の中空内部が、粉末が外壁の外端部と同じ高さになるまで金属合金粉末で満たされ、焼結されて先端部キャップが形成され、次いで先端部キャップ上に先端部壁が構築される、ブレード先端部を製造する別の従来技術の方法を示した概略図である。

【図3B】鋳放しエーロフォイル（セラミック鋳型が除去された）の中空内部が、粉末が外壁の外端部と同じ高さになるまで金属合金粉末で満たされ、焼結されて先端部キャップが形成され、次いで先端部キャップ上に先端部壁が構築される、ブレード先端部を製造する別の従来技術の方法を示した概略図である。

【図3C】鋳放しエーロフォイル（セラミック鋳型が除去された）の中空内部が、粉末が外壁の外端部と同じ高さになるまで金属合金粉末で満たされ、焼結されて先端部キャップが形成され、次いで先端部キャップ上に先端部壁が構築される、ブレード先端部を製造する別の従来技術の方法を示した概略図である。

【図4】鋳放しエーロフォイル（セラミック鋳型なし）の中空内部が支持要素で満たされ、その後ブレード先端部にわたる付加充填材料が続く、ブレード先端部のさらに別の従来技術の方法を示したフローチャートである。エネルギーが付加充填材料全体に適用されて材料を溶解し、ブレード先端部を横切る超合金キャップが形成され、既存のブレード先端部壁に融着される。

【図5A】本発明の実施形態による、外部シェルと、シェル及びコア間に１又は複数の内側空洞を有する内部コアとを有するセラミック鋳型を示した図である。

【図5B】エーロフォイルを鋳造するために液体金属で満たされている図５Ａのセラミック鋳型の内側空洞を示した図である。

【図5C】液体金属で満たされた図５Ｂのセラミック鋳型の一部が研削されて平坦又は平面の表面を形成する様子を示した図である。

【図5D】装置が外部熱制御機構を備えている、本発明の実施形態によるブレード先端部を製造するＤＭＬＭプロセスを示した図である。

【図5E】図５ＤのＤＭＬＭプロセスの拡大図であり、金属セラミック中間体が構成要素並進機構によって支持され、シールによってさらに固定され、外部加熱機構が中間体に近接した位置にあることを示した図である。

【図5F】ＤＭＬＭシステムがセラミックスラリーの堆積のための直接インク書き込み（ＤＩＷ）リソグラフィシステムを備えている、本発明の実施形態によるブレード先端部を製造するＤＭＬＭプロセスを示した図である。

【図6A】コアが埋め込みウィットネス・フィーチャを有する本発明の実施形態による、外部シェルと、シェル及びコア間に１又は複数の内側空洞を備えた内部コアとを有するセラミック鋳型を示した図である。

【図6B】図６Ａのセラミック鋳型（液体金属で満たされている）が、ウィットネス・フィーチャが露出するまで研削されていることを示した図である。

【図7A】円周方向に向けられた複数のタービュレータを有するタービンブレード（前方を見てブレードの後方側）の断面図である。

【図7B】軸方向に向けられた複数のタービュレータを有するタービンブレード（前方を見てブレードの後方側）の断面図である。

【図8A】先端部プレナムコア及び先端部ピンを有する先行技術のセラミック鋳型を示した図である。

【図8B】本発明の実施形態による開いた端部鋳造を有するセラミック鋳型を示した図である。

【図9A】損傷した先端部を有するフィールドリターン・タービンブレードを示した図である。

【図9B】図９Ａの中空のフィールドリターン・タービンブレードにセラミックスラリーを注入することによる、内部セラミックコア及び任意で外部シェルの修復を示した図である。

【図10】本発明の実施形態によるフィールドリターン・タービンブレードの修理方法を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されており、本明細書で説明される概念が実施され得る唯一の構成を表すことを意図していない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供する目的で特定の詳細を含む。しかし、これらの概念がこれらの具体的な詳細なしに実施されてもよいことは当業者には明らかであろう。例えば、本発明は、金属物体の特定の構成要素を付加的に製造するための好ましい方法を提供し、これらの構成要素及びこれらの物体は、ジェット航空機エンジンの製造に使用されることが好ましい。具体的には、タービンブレード及びステータベーンなどの単結晶、ニッケルベースの超合金又は元素チタンの中空金属物体の生産は、本発明に従って有利に生産することができる。しかし、本明細書に記載の技術及び方法を使用して、タービンの他の金属部品を作製してもよい。同様に、他の適切な非タービン構成要素も、本明細書で提供される技術及び方法を使用して作製され得る。

【0021】

背景で確認したように、ブレード又はステータベーンの先端部分は、直接金属レーザ溶解（ＤＭＬＭ）、又は米国特許第９，０６４，６７１号（Ａｒｃａｍ ＡＢに付与され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているＥＢＭプロセスなどの電子ビーム溶解（ＥＢＭ）プロセスによって、エーロフォイル及び他の部分（例えば、ブレード根元部及びベーントラニオン）の鋳造に続いて製造できることが知られている。

【0022】

典型的なＤＭＬＭプロセスの説明は、ドイツ特許第ＤＥ１９６４９８６５号で提供され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。ＤＭＬＭプロセスでは、所望の部品形状の製作をサポートするためのビルドプラットフォーム又は表面が必要であるため、従来の方法では、エーロフォイルの中空内部を閉鎖するためだけでなく、ＤＭＬＭプロセスの表面としても機能するように、カスタムメイドの先端部プレート又は先端部キャップの構築（すなわち、エーロフォイルの断面形状を正確に規定すること）がしばしば必要であった。

【0023】

従来のインベストメント鋳造プロセスで使用されるセラミック鋳型は、注がれた液体金属の冷却及び凝固の直後に除去される一過性材料と見なされることが多い。本発明者らは、内部セラミックコア及び任意で外部シェルが、先端部又はブレード或いはベーンの他の構成要素のその後のＤＭＬＭ形成のための支持構造として簡明、且つ便利に機能できることを発見した。本明細書で使用される「一過性」という用語は、例えば機械的プロセス、流体フラッシング、化学的浸出、及び／又は一過性材料をその位置から除去できる他の既知のプロセスにより、金属の溶解及び冷却後に除去可能であることを意味する。特定の実施形態では、損傷した先端部又は摩耗した先端部を有するフィールドリターン・エーロフォイルで作業する場合、セラミックスラリーをエーロフォイルの中空内部又は内側空洞に注入して、セラミックコアを再形成することができる。コアとエーロフォイルの組み合わせは、ＤＭＬＭによって交換用先端部を形成するための支持面を提供する。

【0024】

セラミックコアを後続の付加製造作業の支持構造として使用することは、費用及び時間対効果が高いだけでなく、実行可能性も高い。これは、セラミックが化学的に不活性であり、高強度、高破壊靭性、高弾性率硬度、高融点、低熱膨張、優れた耐摩耗性などを備えているためである。このような物理化学的特性により、セラミックは付加製造プロセスの条件（すなわち、高温及び高圧）に耐える理想的な材料になる。さらに、製造プロセス（すなわち、鋳造及び印刷）の完了後に、例えば機械的力又は化学的浸出（例えば、アルカリ浴）又は好ましくは両方の組み合わせによってセラミックコアを除去することは難しくない。本発明のセラミック鋳型、コア、シェル及びスラリーは、好ましくは光重合セラミック、より好ましくは硬化した光重合セラミックで構成される。

【0025】

図５Ａ〜図５Ｄは、本発明による新規鋳造タービンブレードの製造方法を示す。最初に、図５Ａに示すように、外部シェル５０２及び内部コア５０４を有するセラミック鋳型５００が提供される。空洞５０６は、セラミック鋳型５００の鋳造及び除去の際にタービンブレードの形状を画定するように適合されている。図５Ｂに見られるように、鋳造プロセス中に、液体金属５０８が空洞５０６に注がれ、放置されて冷却及び凝固し、タービンブレードの少なくともエーロフォイル構成要素５１０を形成する。いくつかの実施形態では、タービンブレードの根元部又はステータベーンの内側トラニオン及び外側トラニオンも鋳造中に形成される（図示せず）。次に、図５Ｃに示すように、エーロフォイル５１０とセラミック鋳型５００との組み合わせの一部が、例えば、研削、機械加工、切断又は他の既知の技術により除去される。図５Ｃは、グラインダーブレード又はディスクを使用して、エーロフォイル５１０とセラミック鋳型５００との組み合わせの上部を除去する実施形態を示す。その結果、平坦又は平面の表面５１２が現れ、金属セラミック中間体５１６が生産される。平面５１２は、図５Ｄに示すタービンブレードの先端部品を製造するＤＭＬＭプロセスにおける原料金属粉末のその後の堆積のための連続的、且つ密封された支持構造として機能する。

【0026】

本発明によるブレード又はステータベーンの先端部は、スキーラ先端部と呼ばれることもある周辺先端部壁と、エーロフォイルの内部を閉鎖する先端部キャップとを含む。しかし、いくつかの実施形態では、先端部キャップを除去して、エーロフォイルに空洞を残したままにすることができる。

【0027】

ＤＭＬＭプロセスの初期段階で、セラミック金属ビルド表面５１２上に堆積された原料金属粉末は、一緒に溶解され、レーザエネルギーをエーロフォイル５１０に向けることによりエーロフォイル５１０の外壁に結合される。正確なプロセスパラメータは、特定の用途に応じて異なる場合がある。一実施形態では、１〜１００Ｗの平均出力、１Ｈｚ〜２００ｋＨｚのパルス周波数を有する短パルス赤外レーザビームが使用される。レーザビームをスキャナで使用する場合の並進速度又は走査速度は、約５ｍｍ／秒（０．１９７インチ／秒）〜約５００ｍｍ／秒（１９．７インチ／秒）である。

【0028】

或いは、好ましくは、先端部の第１の付加層は、米国特許第８，９２５，７９２号（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙに付与され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に開示された超合金の結合方法を用いてエーロフォイル５１０に接合される。この方法は、一般に、ガンマプライムソルバスｇ’１を有する第１の超合金副成分と、ガンマプライムソルバスｇ’２を有する第２の超合金副成分とを、第１及び第２の超合金副成分の間に配設された少なくとも１．５重量％のホウ素を含む充填材料と位置合わせすることと、温度Ｔ１で第１の熱処理を実行し、ここでＴ１は充填材料の固相線より上であり、充填材料の液相線より下であることと、温度Ｔ２で第２の熱処理を実行し、ここでＴ２はＴ１よりも大きく、またＴ２はｇ’１及びｇ’２の下限以上であることとを含む。

【0029】

ＤＭＬＭプロセスパラメータの適切な制御により、このプロセスは、必要に応じて、エーロフォイル５１０と同じ微細構造（例えば、方向性凝固又は単結晶）を付加製造された先端部壁に生成することができる。例えば、約０．２５ｃｍ／秒（０．１インチ／秒）〜約０．７６ｃｍ／秒（０．３インチ／秒）、好ましくは約０．４４ｃｍ／秒（０．１７５インチ／秒）〜約０．５１ｃｍ／秒（０．２００インチ／秒）のトラバース速度で、約３００Ｗ〜約１０００Ｗの電力の連続波ビームを使用することができる。約１００〜２００回通過すると、適切な高さの先端部壁とニアネット形状が得られ、各層は２０〜１００μｍ、好ましくは２０〜５０μｍ、より好ましくは３０〜５０μｍである。一実施形態では、各付加層は３０μｍである。本明細書で使用する場合、「ニアネット」という用語は、完成部品に到達するために実質的な追加の機械加工プロセスを必要とする構造を指す。ＤＭＬＭプロセスが終了すると、既知の機械加工、研削、コーティングなどのプロセスによって先端部壁をさらに形成することができる。

【0030】

付加製造で使用される原料金属粉末と鋳造で使用される液体金属に適した材料の代表例には、優れた耐酸化性を持つように開発された合金、ガスタービンエンジンの動作における高温で許容できる強度を有する既知の「超合金」、例えばハステロイ、インコネル合金（ＩＮ７３８、ＩＮ７９２、ＩＮ９３９など）、レネ合金（Ｒｅｎｅ Ｎ４、Ｒｅｎｅ Ｎ５、Ｒｅｎｅ８０、Ｒｅｎｅ１４２、Ｒｅｎｅ１９５など）、ヘインズ合金、Ｍａｒ Ｍ、ＣＭ２４７、ＣＭ２４７ＬＣ、Ｃ２６３、７１８、Ｘ−７５０、ＥＣＹ７６８、２８２、Ｘ４５、ＰＷＡ１４８３及びＣＭＳＸ（ＣＭＳＸ−４など）単結晶合金が含まれる。本発明のエーロフォイル及びブレード先端部は、一方向凝固（「ＤＳ」）又は単結晶（「ＳＸ」）などの１又は複数の選択された結晶微細構造で形成することができる。特定の実施形態では、本発明のブレード及びベーンは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる出願人の同時係属出願第１５／４０５，６５６号に開示されている微細構造など、複数の制御された金属粒子配向で形成されてもよい。特定の実施形態では、本発明のエーロフォイルは単結晶構造で形成されるが、ブレード先端部は非単結晶構造で形成される。

【0031】

図５Ｄは、ビルドエンクロージャ５５１が、付加製造されているブレード先端部の少なくとも一部を誘導加熱することを含む、ＤＭＬＭプロセスの一実施形態を示す。付加製造装置５５０は、装置５５０の構成要素を少なくとも部分的に囲むビルドエンクロージャ５５１を含む。例えば、規定された環境内で粉末床における金属粉末Ｐの溶融が起こるように、少なくとも１つの粉末床（図示せず）がビルドエンクロージャ５５１内に設けられている。いくつかの実施形態では、ビルドエンクロージャ５５１は、実質的に無酸素の雰囲気を画定する。いくつかの実施形態では、ビルドエンクロージャ５５１は、不活性雰囲気（例えば、アルゴン雰囲気）を画定する。さらなる実施形態では、ビルドエンクロージャ５５１は、酸化を最小限にするために還元雰囲気を画定する。さらなる実施形態において、ビルド雰囲気５５１は真空を画定する。

【0032】

図５Ｄに示すように、ビルドエンクロージャ５５１は、粉末床内で金属粉末Ｐの溶融が生じる環境を画定する第１の気密ゾーン５５２を含む。ビルドエンクロージャ５５１は、気密であってもなくてもよい第２のゾーン５５３を含んでもよく、一例では、第１のゾーン５５２と連通する環境を画定する。装置５５０はまた、粉末供給機構５５４、粉末並進機構５５５、ビルドプラットフォーム５５６、作業面５６２、ビルドプレート５５７、シール５５８、外部熱制御機構５５９、及び構成要素並進機構５６０を含む。生産中、粉末供給機構５５４のエレベータ５６１は、規定量の金属粉末「Ｐ」をビルドプラットフォーム５５６の高さよりも上に持ち上げる。次に、粉末並進機構５５５により、規定量の金属粉末が作業面５６２及びビルド表面５１２上に薄く均一な層で広がり、粉末床５６５を形成する。作業面５６２からのオーバーフローは、過剰粉末容器５６３によって収集され、その後任意で粗粒子をふるいにかけるように処理した後に再使用される。

【0033】

ビルドプレート５５７は、ビルドプレート５５７から延出する開口部５６４を含む。開口部５６４は、粉末床５６５と連通していてもよく、粉末床５６５を部分的に形成してもよい。金属粉末「Ｐ」は、粉末並進機構５５５によってビルドプレート５５７の開口部５６４を横切って押されると、金属粉末「Ｐ」は、開口部５６４を通って粉末床５６５内に落下することができる。このようにして、粉末並進機構５５５は、ビルドプレート５５７の開口部５６４を通って粉末床５６５に金属粉末「Ｐ」を堆積させるように動作可能であってもよい。

【0034】

好ましくは、ビルドプレート５５７は実質的に非導電性の材料（例えば、セラミック、ガラス又は非金属）製であり、外部熱制御機構５５９（中間体５１６の所定の温度プロファイルを形成するように動作可能である）が、エーロフォイル５１０に追加されたブレード先端部の層を形成するために利用される金属粉末「Ｐ」の焼結温度までビルドプレート５５７を加熱することを防ぐように動作可能である。このようにして、外部熱制御機構５５９は、先端部の層を形成する金属粉末「Ｐ」の溶融又は焼結を妨げることなく、エーロフォイル５１０及び製造される先端部の所定の温度プロファイルを形成することができる。好ましくは、外部熱制御機構５５９は誘導ベースであるが、放射ベース又はレーザベースの加熱も使用することができる（例えば、加熱ランプ又は補助レーザによる）。

【0035】

図５Ｄ及び図５Ｅに示す例の外部熱制御機構５５９は、ビルドプレート５５７の底面５６６に近接して配置される。いくつかの実施形態では、図５Ｄに示すように、外部熱制御機構５５９は、ビルドプレート５５７の底面５６６から間隔を空けられてもよい。代替実施形態では、外部熱制御機構５５９は、ビルドプレート５５７の底面５６６に当接してもよい。さらに別の代替実施形態では、外部加熱機構５５９は、ビルドプレート５５７内の凹部又は空洞に配置されてもよい。別の図示されていない例の外部熱制御機構５５９は、ビルドプレート５５７に対して固定された位置関係で構成される。さらに別の例では、外部熱制御機構５５９は、ビルド表面５１２上の新しい層の形成に対してできるだけ近くに配置され、（本明細書でさらに説明するように）その温度プロファイルを制御することができる。例えば、外部熱制御機構５５９は、ビルドプレート５５７の底面５６６に対してできるだけ近くに配置されてもよい。別の実施形態において、外部熱制御機構５５９は、ビルドプレート５５７の底面５６６に近接して配置され、ビルド表面５１２に向かって磁束を集中させてその上に形成される層の温度プロファイルを制御するように構成される軟磁性材料を含むことができる。図５Ｄ及び図５Ｅに示すように、外部熱制御機構５５９は、ビルドプレート５５７の開口部５６４と（例えば、垂直方向に）実質的に位置合わせされる内部空間又は空隙を形成し得る。中間体５１６は、外部熱制御機構５５９の内部空間又は空隙を通って、ビルドプレート５５７の開口部５６４内に延出し得る。言い換えると、外部熱制御機構５５９の一部は、中間体５１６の周りに少なくとも部分的に延在してもよい。それにより、構成要素並進機構５６０は、外部熱制御機構５５９（及びビルドプレート５５７）に対して中間体５１６を並進させるように動作可能であってもよい。

【0036】

外部熱制御機構５５９は、ビルド表面５１２の所定の温度プロファイルを形成するように動作可能であってもよい。例えば、一例における外部熱制御機構５５９は、中間体５１６がビルドプレート５５７の開口部５６４内に配置されたときに中間体５１６を実質的に囲む少なくとも１つの誘導コイルを含む。エーロフォイル５１０は導電性であり、製造される先端部であるため、外部熱制御機構５５９の少なくとも１つの誘導コイルは、コイルに電流が流れ磁場が作成されるときに、中間体５１６及び先端部の温度を制御することができる。さらに、外部熱制御機構５５９がビルドプレート５５７の底面５６６に近接して配置されると、外部熱制御機構５５９は、ビルド表面５１２の温度を制御して、金属粉末「Ｐ」によって形成されるブレード先端部の層が割れないことを保証することができる。このようにして、外部熱制御機構５５９は、ビルド表面５１２の所定の温度プロファイルを形成してブレード先端部の亀裂を防ぐように動作可能である。

【0037】

一例では、少なくとも凝固すると少なくとも１つの層に亀裂がないように、少なくとも１つの層の焼結温度又は溶融温度からその凝固温度（例えば、金属合金粉末「Ｐ」の組成に応じて約１３００℃）まで、少なくとも１つの新たに付加形成された層の所定の温度プロファイルが生成される。新しく形成された層の所定の温度プロファイル、例えば焼結又は溶融温度からその凝固温度までの所定の冷却プロファイルは、凝固層に亀裂が生じないように、経験的に決定されるか、実験的に決定されるか、又はそれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、所定の温度プロファイルは、少なくとも凝固すると少なくとも１つの層に亀裂がないように、焼結又は溶融温度からその凝固温度までの、少なくとも１つの新たに付加形成された層の所定の冷却プロファイルの範囲であり得る。少なくとも凝固すると少なくとも１つの層の亀裂を防ぐのに有効な少なくとも１つの新しく付加形成された層から作られた特定の温度プロファイルは、金属粉末「Ｐ」の組成、少なくとも１つの層の厚さ、少なくとも１つの層の形状／構成、少なくとも１つの層の初期温度（すなわち、溶融温度）、少なくとも１つの層の凝固温度、少なくとも１つの層と先行及び／又は後続の層又は形成部分との間の温度勾配、凝固後の少なくとも１つの層の所望の微細構造、付加製造された先端部の最終的な動作パラメータ、少なくとも１つの層の所望の形成速度（すなわち、構成要素並進機構５６０による構成要素の移動）など、多くの要因によって（少なくとも部分的に）影響を受けるか又は依存し得る。一例では、装置５５０は、少なくとも外部熱制御機構５５９及び（外部熱制御機構５５９に対して中間体５１６を並進させるための）構成要素並進機構５６０を使用することにより、溶融から凝固までの冷却プロファイルなど、エーロフォイル５１０の端部（例えば、少なくとも１つの新たに形成された層）に所定の温度プロファイルを形成又は適用する。

【0038】

所定の温度プロファイルは、通常、周囲温度よりも高く、堆積された材料を溶解するのに必要な温度よりも低い、すなわち２００〜１２００℃、好ましくは５００〜１２００℃、より好ましくは１０００〜１２００℃である。一実施形態では、外部熱制御機構は、ＤＭＬＭ中に約１０００℃で温度を維持する。このような温度で加熱すると、ブレード先端部に形成された結晶粒の成長が促進され、それにより、複数の極薄付加層（厚さ約２０〜１００μｍ）の形成を可能にし、その結果ブレード先端部の形状分解能が向上する。さらに、そのような温度に加熱することによって、低温で発生する堆積物の割れを回避する。

【0039】

図５Ｄに示すように、装置５５０でブレード先端部を製造する方法は、中間体５１６のビルド表面５１２が開口部５６４内（潜在的にビルドプレート５５７の上面５６８の下）に配置されシール５５８と係合するように、ビルドプレート５５７に対して構成要素並進機構５６０などを介してブレード先端部を並進させることを含む。ビルドプレート５５７の開口部５６４、シール５５８、及びビルド表面５１２が協働して、金属粉末「Ｐ」を保持するための粉末床５６５を形成してもよい。そのような状態の間、粉末供給機構５５４は、図５Ｄにも示すように、金属粉末「Ｐ」を露出させる場合がある。金属粉末「Ｐ」が露出した状態で、粉末並進機構５５５は次に、開口部５６４を通してシール５５８及びビルド表面５１２上に露出した金属粉末「Ｐ」を堆積させることにより、粉末床５６５を充填してもよい。それにより、粉末床５６５は、ビルド表面５１２の上方又は上に金属粉末「Ｐ」の層を形成することができる。上述のように、一例では、構成要素「Ｃ」の端部６４の上方又は上の金属粉末「Ｐ」の層の厚さは、３０〜５０μｍの範囲内である。

【0040】

図５Ｄに示すように、金属粉末「Ｐ」が粉末床５６５内に堆積され、それにより金属粉末「Ｐ」の層がビルド表面５１２の上方又は上に形成されると、指向性エネルギー源５６９及びビーム指向機構５７０は、新しい断面層として金属粉末「Ｐ」をビルド表面５１２に融着させるパターンで、堆積した金属粉末「Ｐ」の層にエネルギーのビームを向けてもよい。新しい断面層がビルド表面５１２に形成された後、外部熱制御機構５５９を使用して、少なくとも新しく形成された断面層の温度プロファイルを形成し、亀裂を防ぐ。また、ビルド表面５１２上に新しい断面層が形成された後、潜在的に少なくとも新しく形成された断面層の温度プロファイルの形成中又は形成の一部において、ブレード先端部（図５Ｄに図示せず）は、構成要素並進機構５６０によってビルドプレート５５７及び外部熱制御機構５５９に対して並進してもよい。ブレード先端部は、新たに形成された層を備えたビルド表面５１２が開口部５６４内（潜在的に上面５６８の下）に配置されシール５５８と係合するように、粉末床５６５内のより低い位置に並進してもよい。次いで、ビルド表面５１２は、粉末床５６５における金属粉末「Ｐ」の堆積及び融着のための状態であり、その上に別の層を形成してもよい。このようにして、ブレード先端部を並進させ、金属粉末「Ｐ」を堆積させ、金属セラミック中間体５１６のビルド表面５１２上に金属粉末「Ｐ」層を融着させ、温度プロファイルを形成することにより、金属ブレード先端部を断面層様式で断面層に製造又は形成するために複数回実行され得るサイクルを形成することができる。

【0041】

ビーム指向機構５７０は、ＤＭＬＭプロセス中にビルド表面５１２を横切って指向性エネルギー源５６９によって放出された非集束レーザ又は電子ビームの焦点を移動又は走査する。ＤＭＬＭプロセスにおけるビーム指向機構５７０は、典型的には固定位置であるが、その中に含まれる光学（例えば、テレセントリックレンズ、ミラー、ビームスプリッタ）又は電子（例えば、偏向コイル、集束コイル）は、制御及び調整されるレーザビームの様々な特性を可能にするために可動であり得る。しかし、いくつかの実施形態では、ビーム指向機構５７０自体が、そのような調整のために異なる位置に移動してもよい。レーザが走査される速度は、制御可能な重要なプロセスパラメータであり、レーザ出力を特定のスポットに適用する時間に影響を与える。通常のレーザ走査速度は、１秒あたりおよそ１０〜１００ミリである。

【0042】

特定の実施形態では、指向性エネルギー源５６９は、それぞれが放射ビームを放出する複数のダイオードレーザ又はエミッタを含むダイオードファイバ・レーザアレイ（例えば、ダイオードレーザバー又はスタック）である。ダイオードレーザと複数の光ファイバとの間に円柱レンズが配置されてもよい。円柱レンズは、レーザのダイオード接合に垂直な方向の大きな角度発散を補正し、通常、ファスト軸のビーム発散をスロー軸の発散よりも小さくし、それにより、いずれの結合光学系も使用しないアセンブリ（すなわち、各ファイバが結合先のレーザに極めて近接して単純に設置されているアセンブリ）と比較して、システム全体のアセンブリ公差を緩和する。しかし、結合光学系を使用しないダイオードファイバ・レーザアレイが本技術と共に使用され得ることを理解されたい。特定の実施形態では、複数の光ファイバは、それぞれの端部に、光ファイバからコリメートされた又は発散するレーザビームを提供するように構成されたレンズをさらに含んでもよい。また、これらのレンズがなくても、光ファイバ１０９の端部は、コリメートされた又は発散したレーザビームを提供するように適合され得ることを理解されたい。

【0043】

誘導加熱の代替として、本発明のＤＭＬＭプロセスは放射加熱を装備することができ、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願第２０１３／０１０１７４６号（現在Ａｅｒｏｊｅｔ Ｒｏｃｋｅｔｄｙｎｅ、Ｉｎｃ．に付与されている）に開示されている付加製造プロセスなど、付加製造されているブレード先端部の少なくとも一部及びビルドチャンバを規定する保持壁は、所望の温度に加熱される。複数の加熱要素を保持壁に装着又は支持してもよい。好ましくは、少なくとも、付加製造されたブレード先端部及び非集束照射ビームの近位の保持壁が放射加熱される。より好ましくは、ブレード先端部及びビルドチャンバ内の作業空間全体が放射加熱を受ける。加熱要素は、作業空間全体を所望の温度に維持する放射熱を生成する。所望の温度は、通常、周囲温度よりも高く、堆積した材料を溶解するのに必要な温度よりも低い。

【0044】

上述のＤＭＬＭ装置及び方法は、潜在的に他の方法と組み合わせて、ブレード先端部の全て又は一部を構築するために使用されてもよい。例えば、上述の装置５５０及び方法によってブレード先端部の全てを構築するために、最初にシード成分を利用して、その上に第１層を形成することができる。他の実施形態では、上述の装置５５０及び方法によってブレード先端部の一部を構築するために、既存の部分的に形成された先端部に層を形成することができる。

【0045】

特定の一実施形態では、本発明によるＤＭＬＭ装置又はシステム（誘導／放射加熱の有無にかかわらず）は、コンピュータ制御によるセラミックスラリーの堆積のために、別の付加製造システム及び技術、すなわち「ロボキャスティング」としても知られる直接インク書き込み（ＤＩＷ）と組み合わされてもよい。図５Ｆに示すように、ＤＩＷロボット又はシステム５７１（概略的に表示）は、「インク」のフィラメント（この場合はセラミックスラリー）をノズル又はシリンジ５７２から押し出し又は圧搾して、セラミック部分を層ごとに形成する（押し出されたセラミックスラリーは最終的に乾燥して凝固する）。ＤＩＷプロセスは、例えば、セラミックコア及び／又はセラミックシェルを再形成するために、又は機械加工工程後にビルド表面５１２を改良するために利用され得る。しかし、本発明はＤＩＷに限定されず、任意の適切なコンピュータ制御セラミック付加製造技術をＤＭＬＭと組み合わせて使用できることに留意されたい。

【0046】

図５Ａ〜図５Ｄに示すように、セラミック外側シェル５０２は、鋳造プロセスの後、及びその後のブレード先端部の付加製造中であっても、エーロフォイル５１０に取り付けられたままである。或いは、鋳造が完了した後、先端部の製造前にシェルを除去してもよい（コアは保持される）。しかし、シェルを保持することは、エーロフォイル５１０とセラミック鋳型５００との組み合わせの一部を除去してビルド表面５１２を作成する工程の視覚的対比を改善するなどの追加の利点を提供し得る。視覚的対比により、ブレード先端部の自動認識及び登録が改善される。ロボットは、各々の（わずかに異なる）ブレード先端部を見つけ、それに応じてＤＭＬＭプログラムを調整することができる。保持されたシェルによって、加熱されたＤＭＬＭプロセス中に親エーロフォイル５１０を均一に加熱又は断熱することもでき、これにより結晶粒の成長が促進される。

【0047】

本明細書に記載の付加製造プロセスのいずれかよりも前に、セラミック金属ビルド表面は、例えば、バキューミング、アルカリ媒体による化学処理、又はビルド表面を覆う保護層、又はこれらの２つ以上の組み合わせにより、セラミックの汚染について処理されてもよく、それにより鋳造された親エーロフォイルへの付加金属のきれいな結合が促進される。

【0048】

本発明のセラミックコアには、特別な設計特徴、例えば１又は複数のウィットネス・フィーチャを組み込むことができる。いくつかの実施形態では、ウィットネス・フィーチャは、この特徴がコア表面から突き出すことなく、ウィットネス・フィーチャの一方の表面のみが示されるようにセラミックコアに埋め込まれる。つまり、ウィットネス・フィーチャはコア表面と同一平面上にある。或いは、ウィットネス・フィーチャは、コア表面から突出するノッチを形成する。特定の実施形態では、ウィットネス・フィーチャは、セラミック以外の材料でできている。他の実施形態では、ウィットネス・フィーチャもコアのようにセラミックで作られており、例えば、出願人の同時係属出願第１５／３７７，６７３号、第１５／３７７，７９６号、第１５／３７７，７２８号、第１５／３７７，７５９号、第１５／３７７，７８７号、第１５／３７７，７４６号、第１５／３７７，７６６号、及び第１５／３７７，７８３号に開示されている１又は複数の技術を使用して、コアと一緒に付加製造することができる。これらの各出願の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。或いは、ノッチウィットネス・フィーチャとセラミック鋳型は、選択的レーザ活性化（ＳＬＡ）技術を使用して製造される。例えば、ノッチは、後にワックスコアを形成するために使用されるＳＬＡ金型に形成されてもよい。

【0049】

図６Ａは、１又は複数の内側空洞６０６を画定する外側シェル６０２と内側コア６０４とを含むセラミック鋳型６００を示す。内側コア６０４は、ウィットネス・フィーチャ６１４をさらに含む。内側空洞６０６が液体金属６０８で満たされてエーロフォイル６１０が形成された後、エーロフォイル６１０とセラミック鋳型６００の一部は、ウィットネス・フィーチャ６１４が露出するまで除去される（図６Ｂを参照）。或いは、エーロフォイル６１０とセラミック鋳型６００の一部は、ウィットネス・フィーチャ６１４が露出し且つ除去されるまで、除去される。さらに代替的には、エーロフォイル６１０とセラミック鋳型６００の一部が迅速に除去され、ウィットネス・フィーチャ６１４が露出すると除去プロセスは減速され、ウィットネス・フィーチャ６１４は、エーロフォイル６１０とセラミック鋳型６００をさらにどれくらい除去する必要があるかを決定するのに役立つ。このようにして、セラミックコアに１又は複数のウィットネス・フィーチャを持たせることで、第１の付加面の反復可能な位置付けを可能にする。

【0050】

別の実施形態では、本発明のセラミックコアは、コアの除去時に、先端部キャップの下側に形成される複数のタービュレータに対応する特徴を含む。これらの鋳放しタービュレータは、エーロフォイルの加熱された側壁と内部冷却空気との間の熱伝達を促進及び／又は増加させる。図７Ａ及び図７Ｂは、前方を見てブレードの後方側の部分的なタービンブレード７００の断面図であり、エーロフォイル７０２、エーロフォイル外壁７０６、後縁部７１０、先端部７０４及び先端部壁７０８を示す。エーロフォイル７０２及び先端部７０４は、円周方向（図７Ａ）又は軸方向（図７Ｂ）に配向された複数のタービュレータ７１４を有する先端部キャップ７１２によって分離されている。

【0051】

代替実施形態では、上述の一連の熱伝達タービュレータを有する先端部キャップは、鋳造ではなく付加製造される。

【0052】

本発明のセラミックコア設計には、これらの型から作られた鋳造部品に穴（すなわち流出冷却穴）を形成するために利用できる、型のコアとシェルとの間に一体化されたセラミックフィラメントを含むが必ずしも限定されない、さらに他の特定の特徴又は輪郭を組み込むことができる。
コアとシェルとの間に十分なセラミックフィラメントを使用してコアの蛇行のための浸出経路を位置付け提供することはまた、ボールろう付けシュートの排除を可能にする。先端部プレナムコアとシェルとの間にセラミックフィラメントを設けて、浮動先端部プレナムを支持し、伝統的な先端部ピンの必要性及びその後のろう付けによる閉鎖をなくしてもよい。

【0053】

図８Ａに示すコア８００Ａのような従来のセラミックコアは、先端部ピン８０４を有する先端部プレナム８０２を含み、浸出時に、鋳造されたエーロフォイル８１０Ａ内に先端部穴を形成し、これはその後ろう付けして閉じなければならない。本発明では、図８Ｂのコア８００Ｂなどの開口先端部鋳造（すなわち、先端部プレナム及び先端部ピンが排除されている）を備えたセラミックコアを提供することができる。先端部が開いた設計により、エーロフォイルの壁（厚さなど）の制御が改善され、セラミックコアの浸出が迅速、且つ容易になり、ろう付けの必要がなくなる。図８Ｂに示すように、溶解金属をセラミックコア８００Ｂに注ぎ、冷却及び凝固させて、鋳造されたエーロフォイル８１０Ｂを形成した後、セラミックコア８００Ｂの上部の部分を除去して、ブレード先端部のその後のＤＭＬＭ製造のための平面を作成することができる。

【0054】

本発明のブレード先端部は、付加製造プロセス中にそこに形成される１又は複数の穴を組み込むことができる。セラミックコアは、これらの穴を通って浸出してもよい。

【0055】

図９は、本発明による、損傷した先端部を有するフィールドリターン・タービンブレードの修理方法を示す。図９Ａには、外壁９０２と内側空隙９０４とを有するフィールドリターン・エーロフォイル９００が提供されている。空隙９０４にセラミックスラリーが注入され、次いでそれが硬化して内部セラミックコア９０６を再形成する。特定の実施形態では、ブレード９００全体を包む外部セラミックシェル９０８も再形成することができる。修理のその後の工程は、新規鋳造タービンブレードの製造方法で説明した工程と同様であり、すなわち、エーロフォイルとコアの上部を除去してビルド表面を現し、交換用ブレード先端部を付加製造する。

【0056】

さらに別の態様では、本発明は、交換用先端部の付加製造にセラミック金属ビルド表面を利用しない、損傷した先端部を有するフィールドリターン・タービンブレードの代替の修理方法を提供する。図１０を参照すると、工程Ｓ１００２で、損傷したブレード先端部又はエーロフォイル１０１０の上部に超薄型シム１０１２が設置され、平坦又は平面の表面１０１２を提供して、工程Ｓ１００４で（本明細書に開示されるような所望により存在する誘導加熱又は放射加熱による）新規又は交換用のブレード先端部の後続の付加製造を支持する。いくつかの実施形態では、ブレード先端部の付加製造の前に、セラミックコア及び／又はセラミックシェル（図１０には図示せず）が存在してもよい。

【0057】

超薄型シム１０１２は、ブレード先端部を付加的に製造するために使用される金属粉末と同じ材料で作られていることが好ましい。重要なことは、超薄型シム１０１２は、その厚さがわずか１０００μｍ未満、例えば２５〜９００μｍ（０．０２５〜０．９ｍｍ）、好ましくは２００〜７５０μｍ（０．０２〜０．７５ｍｍ）、より好ましくは２５０〜５００μｍ（０．２５〜０．５ｍｍ）であるために、先に参照した米国特許出願公開第２０１０／０２００１８９号に開示された薄板５０及びシム５０’と比較して、エーロフォイル１０１０の外壁により容易、且つより簡単に接合することができる。接合は、本明細書で説明されているプロセスと同じプロセスを使用して行われ得る。また重要なことに、超薄型シム１０１２はその幾何学的形状によって制限されないが、ブレード先端部の付加製造のために１又は複数のオーバーハング１０１６を備えた連続的、且つ密封された支持面を形成するために、エーロフォイル１０１０の外壁を完全に覆うことが好ましい。オーバーハング（複数可）１０１６は、その後、工程Ｓ１００６で、例えば、機械加工又は研削又は任意の他の既知の同等の技術によって除去される。

【0058】

一態様では、本発明は、他の製造方法、装置、及びセラミックコアシェル型の特徴を組み込むか又はそれらと組み合わせた本発明の製造方法に関する。次の特許出願には、これらの方法及び型のこれらの様々な側面の開示が含まれている。

【0059】

米国特許出願第１５／４０６，４６７号、標題「Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｕｉｌｄ Ｖｏｌｕｍｅ（モバイルビルドボリュームを使用した付加製造）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００５９、２０１７年１月１３日出願。

【0060】

米国特許出願第１５／４０６，４５４号、標題「Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｃａｎ Ａｒｅａ（モバイル走査エリアを使用した付加製造）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００６０、２０１７年１月１３日出願。

【0061】

米国特許出願第１５／４０６，４４４号、標題「Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｇｒｏｗｎ Ｂｕｉｌｄ Ｅｎｖｅｌｏｐｅ（動的成長ビルドエンベロープを使用した付加製造）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００６１、２０１７年１月１３日出願。

【0062】

米国特許出願第１５／４０６，４６１号、標題「Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｒｅｃｏａｔｅｒ（選択的リコータを使用した付加製造）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００６２、２０１７年１月１３日出願。

【0063】

米国特許出願第１５／４０６，４７１号、標題「Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｃｈｉｎｅ（大規模付加機械）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００７１、２０１７年１月１３日出願。

【0064】

米国特許出願第１５／４３９５８４号、標題「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＵＲＢＩＮＥ ＡＩＲＦＯＩＬ ＡＮＤ ＴＩＰ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＴＨＥＲＥＯＦ（タービンエーロフォイルの製造方法とその先端部品）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００９３／３１５７８０、２０１７年２月２２日出願。

【0065】

米国特許出願第１５／４３９５２９号、標題「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＵＲＢＩＮＥ ＡＩＲＦＯＩＬ ＷＩＴＨ ＯＰＥＮ ＴＩＰ ＣＡＳＴＩＮＧ ＡＮＤ ＴＩＰ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＴＨＥＲＥＯＦ（開口先端部鋳造及びその先端部品を備えたタービンエーロフォイルの製造方法）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００９１／３１５７８０Ｂ、２０１７年２月２２日出願。

【0066】

米国特許出願第１５／４３９５４８号、標題「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＵＲＢＩＮＥ ＢＬＡＤＥ ＴＩＰ（タービンブレード先端部の製造方法）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００９２／３１５７８０Ｃ、２０１７年２月２２日出願。

【0067】

米国特許出願第１５／４３９４５１号、標題「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＵＲＢＩＮＥ ＡＩＲＦＯＩＬ ＡＮＤ ＴＩＰ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＴＨＥＲＥＯＦ ＵＳＩＮＧ ＣＥＲＡＭＩＣ ＣＯＲＥ ＷＩＴＨ ＷＩＴＮＥＳＳ ＦＥＡＴＵＲＥ（ウィットネス・フィーチャ付きセラミックコアを使用したタービンエーロフォイル及びその先端部品の製造方法）」、弁護士整理番号０３７２１６．０００９０／３１５７８０Ｄ、２０１７年２月２２日出願。

【0068】

米国特許出願第１５／４３９６４３号、標題「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＴＵＲＢＩＮＥ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＵＳＩＮＧ ＵＬＴＲＡ−ＴＨＩＮ ＳＨＩＭ（超薄型シムを使用したタービン部品の方法）」、弁護士整理番号０３７２１６．００１０１／３１５７８０Ｅ、２０１７年２月２２日出願。

【0069】

これらの各出願の開示は、本明細書に開示されるコアシェル型と併せて使用できるコアシェル型及び製造方法の追加の態様を開示する範囲でその全体が本明細書に組み込まれる。

【0070】

本明細書は、好ましい実施形態を含めて本発明を開示するために、またあらゆる当業者が任意のデバイス又はシステムを製造及び使用すること並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を行うことを可能にするために例を使用する。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を持っている場合、又は特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的な違いを持たない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。記載された様々な実施形態からの態様、並びにそのような各態様に対する他の既知の均等物は、本願の原理に従って追加の実施形態及び技術を構築するために当業者によって混合及び適合され得る。

【0071】

本発明のさらなる態様は下記の記載によって示される。

【0072】

（ａ）液体金属を凝固させて鋳造部品を形成するために、前記液体金属をセラミック鋳型に注ぐことであって、前記セラミック鋳型はウィットネス・フィーチャを含むセラミックコアを含み、前記セラミックコアが前記鋳造部品の内側空洞を満たすことと、
（ｂ）鋳造部品の表面部分及び前記セラミックコアの表面部分を作成するために、前記セラミック鋳型及び前記鋳造部品の一部を前記ウィットネス・フィーチャが現れるまで除去することと、
（ｃ）前記表面部分上に金属粉末の層を堆積させることと、
（ｄ）融着層を形成するために、前記金属粉末の少なくとも一部を照射することと、
（ｅ）金属物体が形成されるまで工程（ｃ）〜（ｄ）を繰り返すことと
を含む、金属物体の製造方法。

【0073】

前記表面部分が平面である。

【0074】

前記セラミック鋳型が、セラミックシェルと、前記シェル及び前記コア間の少なくとも１つの内側空洞とをさらに含む。

【0075】

工程（ｂ）の前に前記セラミックシェルを除去することをさらに含む。

【0076】

セラミックの汚染を防ぐために前記表面部分を処理することをさらに含む。

【0077】

工程（ｃ）〜（ｅ）が、誘導加熱、放射加熱、又は両方の組み合わせの存在下で実行される。

【0078】

前記金属物体から前記セラミック鋳型を除去することをさらに含む。

【0079】

前記金属物体がタービンブレード又はベーンであり、前記鋳造部品がエーロフォイルである。

【0080】

（ａ）液体金属を凝固させて鋳造部品を形成するために、前記液体金属をセラミック鋳型に注ぐことであって、前記セラミック鋳型はウィットネス・フィーチャを含むセラミックコアを含み、前記セラミックコアが前記鋳造部品の内側空洞を満たすことと、
（ｂ）鋳造部品の表面部分及び前記セラミックコアの表面部分を作成するために、前記セラミック鋳型及び前記鋳造部品の一部を前記ウィットネス・フィーチャが現れるまで除去することと、
（ｃ）前記表面部分上に金属粉末の層を堆積させることと、
（ｄ）融着層を形成するために、前記金属粉末の少なくとも一部を照射することと、
（ｅ）ブレード又はベーンが形成されるまで工程（ｃ）〜（ｄ）を繰り返すことと
を含む、タービンブレード又はベーンの製造方法。

【0081】

前記表面部分が平面である。

【0082】

前記セラミック鋳型が、外部シェルと、前記シェル及び前記コア間に少なくとも１つの内側空洞を有する内部コアとを含む。

【0083】

工程（ｂ）の前に前記外部シェルを除去することをさらに含む。

【0084】

セラミックの汚染を防ぐために前記表面部分を処理することをさらに含む。

【0085】

工程（ｃ）〜（ｅ）が、誘導加熱、放射加熱、又は両方の組み合わせの存在下で実行される。

【0086】

前記セラミック鋳型を前記ブレード又はベーンから除去することをさらに含む。

【0087】

前記鋳造部品がエーロフォイルである。

【0088】

ウィットネス・フィーチャを含むセラミックコアを備えた金属ブレード又はベーン部分と、
金属部分及びセラミック部分を含むワークピースの実質的に平面の上面と
を含む鋳造金属タービンブレード又はベーンワークピース。

【0089】

前記セラミックコアが、前記金属ブレード又はベーンの内側空洞を満たす。

【0090】

前記ブレード又はベーンが、セラミックシェルによってさらに囲まれている。

【0091】

セラミックの汚染を防ぐための保護層をさらに含む。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図5F】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10】