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特開2025-74021多孔質領域と傾斜側壁を有するターボ機械部品用金属クーポン
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025074021
(43)【公開日】2025-05-13
(54)【発明の名称】多孔質領域と傾斜側壁を有するターボ機械部品用金属クーポン
(51)【国際特許分類】
B22F 10/38 20210101AFI20250502BHJP
B22F 1/00 20220101ALI20250502BHJP
B22F 5/04 20060101ALI20250502BHJP
B22F 10/20 20210101ALI20250502BHJP
C22C 1/04 20230101ALI20250502BHJP
B22F 7/06 20060101ALI20250502BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20250502BHJP
B33Y 80/00 20150101ALI20250502BHJP
【ＦＩ】
B22F10/38
B22F1/00 M
B22F5/04
B22F10/20
C22C1/04 B
B22F7/06 F
B33Y10/00
B33Y80/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024182438
(22)【出願日】2024-10-18
(31)【優先権主張番号】18/495,818
(32)【優先日】2023-10-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】515322297
【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】110002848
【氏名又は名称】弁理士法人ＮＩＰ＆ＳＢＰＪ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】マクミラン、グレン エー．
(72)【発明者】
【氏名】ベリーノ、マーク カーマイン
(72)【発明者】
【氏名】ケラー、ジェシー
(72)【発明者】
【氏名】レンツ、エリソン エー．
(72)【発明者】
【氏名】ハント、マーク ローレンス
(72)【発明者】
【氏名】クック、ポール アルバート
(72)【発明者】
【氏名】オストルート、ネイサン ニコラス
【テーマコード（参考）】
4K018
【Ｆターム（参考）】
4K018AA07
4K018BA04
4K018EA51
4K018JA21
4K018KA12
4K018KA23
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ターボ機械部品用の付加製造（ＡＭ）金属クーポンを提供する。
【解決手段】部品２０２は、圧力側１７８、吸込側１８０、後縁１８４、およびクーポン開口部２０４を有するエアフォイル本体２０６を含む。ＡＭ金属クーポン２００は、ＡＭ金属部材の外面と９０°未満の角度をなす少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁を有するＡＭ金属部材を有する。ＡＭ金属部材はまた、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域と、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域とを有する。ろう材は、エアフォイル本体のクーポン開口部２０４内でＡＭ金属クーポンを結合し、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域および少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域の少なくとも一方に浸入する。
【選択図】図４
【解決手段】部品２０２は、圧力側１７８、吸込側１８０、後縁１８４、およびクーポン開口部２０４を有するエアフォイル本体２０６を含む。ＡＭ金属クーポン２００は、ＡＭ金属部材の外面と９０°未満の角度をなす少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁を有するＡＭ金属部材を有する。ＡＭ金属部材はまた、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域と、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域とを有する。ろう材は、エアフォイル本体のクーポン開口部２０４内でＡＭ金属クーポンを結合し、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域および少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域の少なくとも一方に浸入する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
付加製造（ＡＭ）金属部材（２９０）を含む、金属クーポン（２００）であって、
ＡＭ金属部材（２９０）は、
ＡＭ金属部材（２９０）の外面（２９６）と９０°未満の角度をなす 少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）と、
第１の有孔率を有する第１の多孔質領域（３００Ａ）と、
第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）と、を有し、
第１の有孔率および第２の有孔率は、それぞれ、第１の多孔質領域（３００Ａ）および第２の多孔質領域（３００Ｂ）の総体積に対して、２％～５０％の開放空間体積である、金属クーポン（２００）。
ＡＭ金属部材（２９０）は、
ＡＭ金属部材（２９０）の外面（２９６）と９０°未満の角度をなす 少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）と、
第１の有孔率を有する第１の多孔質領域（３００Ａ）と、
第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）と、を有し、
第１の有孔率および第２の有孔率は、それぞれ、第１の多孔質領域（３００Ａ）および第２の多孔質領域（３００Ｂ）の総体積に対して、２％～５０％の開放空間体積である、金属クーポン（２００）。
【請求項2】
ＡＭ金属部材（２９０）は、第１の多孔質領域（３００Ａ）と第２の多孔質領域（３００Ｂ）との間に可変多孔質領域（３００Ｄ）を含む、請求項１に記載の金属クーポン（２００）。
【請求項3】
ＡＭ金属部材（２９０）が、ＡＭ金属部材（２９０）の外面（２９６）と９０°未満の角度をなす傾斜端壁（３４０）をさらに含む、請求項１に記載の金属クーポン（２００）。
【請求項4】
第１の有孔率及び第２の有孔率は、それぞれの多孔質領域（３００Ａ、３００Ｂ）の総体積に対して１０％～４０％の開放空間体積である、請求項１に記載の金属クーポン（２００）。
【請求項5】
少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）は、一対の対向する傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）を含む、請求項１に記載の金属クーポン（２００）。
【請求項6】
ターボ機械部品（２０２）であって、
圧力側（１５２、１７８）、吸込側（１５４、１８０）および後縁（１５８、１８４）を有するエアフォイル本体（２０６）と、
付加製造（ＡＭ）金属クーポン（２００）の外面（２９６）とそれぞれ９０°未満の角度で対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）と、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域（３００Ａ）と、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）とを有するＡＭ金属クーポン（２００）と、
エアフォイル本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）内でＡＭ金属クーポン（２００）を結合するろう材（３１０）と、
を含み、
ろう材（３１０）は、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域（３００Ａ）および少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域（３００Ｂ）の少なくとも一方に浸入し、
クーポン開口部（２０４）は、対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）をクーポン側壁に嵌合することを含む、ターボ機械部品（２０２）。
圧力側（１５２、１７８）、吸込側（１５４、１８０）および後縁（１５８、１８４）を有するエアフォイル本体（２０６）と、
付加製造（ＡＭ）金属クーポン（２００）の外面（２９６）とそれぞれ９０°未満の角度で対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）と、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域（３００Ａ）と、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）とを有するＡＭ金属クーポン（２００）と、
エアフォイル本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）内でＡＭ金属クーポン（２００）を結合するろう材（３１０）と、
を含み、
ろう材（３１０）は、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域（３００Ａ）および少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域（３００Ｂ）の少なくとも一方に浸入し、
クーポン開口部（２０４）は、対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）をクーポン側壁に嵌合することを含む、ターボ機械部品（２０２）。
【請求項7】
ＡＭ金属クーポン（２００）が、ＡＭ金属クーポン（２００）の外面（２９６）に対して９０°未満の角度をなす傾斜端壁（３４０）をさらに含み、クーポン開口部（２０４）が、傾斜端壁（３４０）に対する嵌合内壁（３４２）を含む、請求項６に記載のターボ機械部品（２０２）。
【請求項8】
対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）が、エアフォイル本体（２０６）の圧力側（１５２、１７８）から吸込側（１５４、１８０）まで延びている、請求項６に記載のターボ機械部品（２０２）。
【請求項9】
対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）が、金属クーポン（２００）の上流端（３０８）からエアフォイル本体（２０６）の後縁（１５８、１８４）まで延びている、請求項６に記載のターボ機械部品（２０２）。
【請求項10】
対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）が、エアフォイル本体（２０６）の圧力側（１５２、１７８）から吸込側（１５４、１８０）まで延びている、請求項９に記載のターボ機械部品（２０２）。
【請求項11】
ＡＭ金属クーポン（２００）は、第１の多孔質領域（３００Ａ）と第２の多孔質領域（３００Ｂ）との間であって、第１の多孔質領域（３００Ａ）と第２の多孔質領域（３００Ｂ）とを含む可変多孔質領域（３００Ｄ）を含む、請求項６に記載のターボ機械部品（２０２）。
【請求項12】
第１の有孔率が第２の有孔率よりも高く、第１の多孔質領域（３００Ａ）が第２の多孔質領域（３００Ｂ）よりも多くのろう材（３１０）をその中に含む、請求項６に記載のターボ機械部品（２０２）。
【請求項13】
第１の多孔質領域（３００Ａ）が、エアフォイル本体（２０６）に接合するように構成された金属クーポン（２００）の縁部（３０６）の少なくとも一部にあり、第２の多孔質領域（３００Ｂ）が、第１の多孔質領域（３００Ａ）の少なくとも一部に隣接している、請求項６に記載のターボ機械部品（２０２）。
【請求項14】
第１の有孔率および第２の有孔率は、第１の多孔質領域（３００Ａ）および第２の多孔質領域（３００Ｂ）の総体積に対して、それぞれ２％～５０％の開放空間体積である、請求項６に記載のターボ機械部品（２０２）。
【請求項15】
圧力側（１５２、１７８）、吸込側（１５４、１８０）及び後縁（１５８、１８４）を有するエアフォイル本体（２０６）を有するターボ機械部品（２０２）に金属クーポン（２００）を結合する方法であって、
金属クーポン（２００）の外面（２９６）に対してそれぞれ９０°未満の角度で対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）と、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域（３００Ａ）と、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）とを有する金属クーポン（２００）を付加的に製造するステップと、
金属クーポン（２００）を部品（２０２）のエアフォイル本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）に位置決めするステップであって、クーポン開口部（２０４）が、対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）をクーポン側壁に嵌合することを含む、前記ステップと、
金属クーポン（２００）をエアフォイル本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）に結合させるために、金属クーポン（２００）にろう材（３１０）を浸入させるステップであって、浸入させるステップは、ろう材（３１０）を、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域（３００Ａ）および少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域（３００Ｂ）の少なくとも一方に浸入させるステップを含む、前記ステップと、を含む、方法。
金属クーポン（２００）の外面（２９６）に対してそれぞれ９０°未満の角度で対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）と、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域（３００Ａ）と、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）とを有する金属クーポン（２００）を付加的に製造するステップと、
金属クーポン（２００）を部品（２０２）のエアフォイル本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）に位置決めするステップであって、クーポン開口部（２０４）が、対向して傾斜したクーポン側壁（２９２、２９４）をクーポン側壁に嵌合することを含む、前記ステップと、
金属クーポン（２００）をエアフォイル本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）に結合させるために、金属クーポン（２００）にろう材（３１０）を浸入させるステップであって、浸入させるステップは、ろう材（３１０）を、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域（３００Ａ）および少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域（３００Ｂ）の少なくとも一方に浸入させるステップを含む、前記ステップと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、部品の修理および製造に関し、より具体的には、２つの多孔質領域と傾斜した側壁を有する金属クーポンを使用するターボ機械部品に関する。
【背景技術】
【0002】
工業用部品は時として修理が必要になる。例えば、ターボ機械で使用され、作動流体を誘導してエネルギーを生成する高温ガス経路部品は、修理が必要になることがある。高温ガス経路部品は、タービンの回転ブレードや静止ベーンなど、様々な形態をとることができ、作動流体を誘導してエネルギーを生み出すエアフォイルを含んでいる。回転ブレードは、タービンロータに結合され、タービンロータを回転させる働きをし、静止ベーンは、ターボ機械のケーシングに結合され、作動流体を回転ブレードに向ける働きをする。
【0003】
直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ：direct metal laser melting）や選択的レーザー溶融（ＳＬＭ：selective laser melting）などの付加製造は、工業部品を製造するための信頼性の高い製造方法として登場した。付加製造技術の出現により、ターボ機械ノズルの前縁や後縁の一部など、部品の一部を交換する能力も提供されている。例えば、ターボ機械ノズルの前縁の一部を除去してノズルに切り欠きを残し、新しい部分（本明細書では「クーポン：coupon」と呼ぶ）を切り欠きに結合することができる。クーポンは、少なくともカットアウトと概ね一致する形状を有するように付加的に製造される。クーポンは、使用済みのターボ機械ノズルの一部を置き換えたり、新しいターボ機械ノズルの一部として追加したりすることができる。
【0004】
しかし、交換用クーポンは、部品の取り外された部分と同じ材料と外装構造で作られている。その結果、交換用クーポンは、クーポンの強度、耐酸化性、サイクル疲労、応力／ひずみ抵抗、延性、耐摩耗性、熱伝導性または電気伝導性、および／または質量の減少（coupon strength, oxidation resistance, cycle fatigue, stress/strain resistance, ductility, wear resistance, thermal or electrical conductivity, and/or decreased mass）などの一般的な性能特性の改善がなく、元の部品および／または切り抜きと同じ欠点のいくつかに悩まされる。交換用クーポンを部品に結合するために単一のろう材が使用されるが、これは、上記の一般的な性能特性の改善、および接合接着強度と信頼性の向上、および必要なろう付け後の機械加工／ブレンドの減少など、接合に関連する追加的な性能特性の改善を妨げる。また、除去された切り抜きと材料的に同一のクーポンを使用しても、交換用クーポンの高い材料費を削減することはできない。もう一つの課題は、切り抜きと同じ強度を持つクーポンの長期的な結合を確保することである。
【発明の概要】
【0005】
以下に述べるすべての側面、例、特徴は、技術的に可能なあらゆる方法で組み合わせることができる。
【0006】
本開示の一態様は、金属クーポン（metal coupon）を提供する。金属クーポンは、付加製造（ＡＭ）金属部材（an additively manufactured (AM) metal member）を含む。ＡＭ金属部材は、前記ＡＭ金属部材の外面との角度が９０°未満である少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁（at least one slanted coupon side wall at an angle of less than 90° with an exterior surface of the AM metal member）と、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域（a first porous region having a first porosity）と、前記第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域（a second porous region having a second porosity different than the first porosity）とを有する。前記第１の有孔率および前記第２の有孔率は、それぞれ、前記第１の多孔質領域および前記第２の多孔質領域の総体積に対して２％～５０％の間である（the first porosity and the second porosity are between 2% to 50% open space volume to total volume of the first porous region and second porous region, respectively）。
【0007】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記ＡＭ金属部材は、前記第１の多孔質領域と前記第２の多孔質領域との間に可変多孔質領域を含む（the AM metal member includes a variable porosity region between the first porous region and the second porous region）。
【0008】
本開示の別の態様は、先の態様のいずれかを含み、前記ＡＭ金属部材は、前記ＡＭ金属部材の外面に対して９０°未満の角度で傾斜した端壁をさらに含む（the AM metal member further includes a slanted end wall at an angle of less than 90° with the exterior surface of the AM metal member）。
【0009】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記第１の有孔率および前記第２の有孔率は、それぞれの多孔質領域の総体積に対して１０％～４０％の開放空間体積である（the first porosity and the second porosity are between 10% to 40% open space volume to total volume of the respective porous region）。
【0010】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記ＡＭ金属部材は、その中に冷却通路を含む（the AM metal member includes a cooling passage therein）。
【0011】
本開示の一態様は、ターボ機械部品（a turbomachine component）を提供する。前記ターボ機械部品は、圧力側、吸引側および後縁を有するエアフォイル本体（an airfoil body having a pressure side, a suction side and a trailing edge）と、付加製造（ＡＭ）金属クーポンであって、前記ＡＭ金属クーポンの外面に対してそれぞれ９０°未満の角度で対向して傾斜したクーポン側壁と、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域と、前記第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域とを有する付加製造（ＡＭ）金属クーポン（an additively manufactured (AM) metal coupon having oppositely slanted coupon side walls each at an angle of less than 90° with an exterior surface of the AM metal coupon, a first porous region having a first porosity, and a second porous region having a second porosity different than the first porosity）と、前記エアフォイル本体のクーポン開口部内でＡＭ金属クーポンを結合するろう付け材（a braze material coupling the AM metal coupon in a coupon opening in the airfoil body）とを含む。前記ろう付け材は、少なくとも前記第１の有孔率の特性に基づく前記第１の多孔質領域および少なくとも前記第２の有孔率の特性に基づく前記第２の多孔質領域の少なくとも一方に浸入し（the braze material infiltrated into at least one of the first porous region based at least on a characteristic of the first porosity and the second porous region based at least on a characteristic of the second porosity）、前記クーポン開口部は、対向して傾斜したクーポン側壁を前記クーポン側壁に嵌合することを含む（the coupon opening includes mating oppositely slanted coupon side walls to the coupon side walls）。
【0012】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記ＡＭ金属クーポンは、前記ＡＭ金属クーポンの外面に対して９０°未満の角度をなす傾斜端壁をさらに含み（the AM metal coupon further includes a slanted end wall at an angle of less than 90° with the exterior surface of the AM metal coupon）、前記クーポン開口部は、前記傾斜端壁に対する嵌合内壁を含む（the coupon opening includes a mating inner wall to the slanted end wall）。
【0013】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記対向して傾斜したクーポン側壁は、前記エアフォイル本体の圧力側から吸引側まで延びる（the oppositely slanted coupon side walls extend from the pressure side to the suction side of the airfoil body）。
【0014】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記対向して傾斜したクーポン側壁は、前記金属クーポンの上流端から前記エアフォイル本体の前記後縁まで延びる（the oppositely slanted coupon side walls extend from an upstream end of the metal coupon to the trailing edge of the airfoil body）。
【0015】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記対向して傾斜したクーポン側壁は、前記エアフォイル本体の前記圧力側から前記吸引側まで延びる（the oppositely slanted coupon side walls extend from the pressure side to the suction side of the airfoil body）。
【0016】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記ＡＭ金属クーポンは、前記第１の多孔質領域と前記第２の多孔質領域との間および前記第１の多孔質領域と前記第２の多孔質領域を含む可変多孔質領域を含む（the AM metal coupon includes a variable porosity region between and including the first porous region and the second porous region）。
【0017】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記第１の有孔率は前記第２の有孔率よりも高く（the first porosity is higher than the second porosity）、前記第１の多孔質領域は前記第２の多孔質領域よりも多くのろう材をその中に含む（the first porous region includes more braze material therein than the second porous region）。
【0018】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記第１の多孔質領域は、前記エアフォイル本体に接合するように構成された前記金属クーポンの縁部の少なくとも一部にあり（the first porous region is in at least part of an edge of the metal coupon configured for joining to the airfoil body）、前記第２の多孔質領域は、前記第１の多孔質領域の少なくとも一部に隣接する（the second porous region is adjacent to the at least part of the first porous region）。
【0019】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記第１の有孔率および前記第２の有孔率は、それぞれ、前記第１の多孔質領域および前記第２の多孔質領域の総体積に対して、２％～５０％の開放空間体積である（the first porosity and the second porosity are between 2% to 50% open space volume to total volume of the first porous region and second porous region, respectively）。
【0020】
本開示の別の態様は、圧力側、吸込側、および後縁を有するエアフォイル本体を有するターボ機械部品に金属クーポンを結合する方法（a method of coupling a metal coupon in a turbomachine component having an airfoil body having a pressure side, a suction side and a trailing edge）を提供する。この方法は、前記金属クーポンの外面に対して９０°未満の角度で対向して傾斜したクーポン側壁と、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域と、前記第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域とを有する前記金属クーポンを付加製造するステップ（additively manufacturing the metal coupon having oppositely slanted coupon side walls each at an angle of less than 90° with an exterior surface of the metal coupon, a first porous region having a first porosity, and a second porous region having a second porosity different than the first porosity）と、前記金属クーポンを前記部品の前記エアフォイル本体内のクーポン開口部に位置決めするステップであって、前記クーポン開口部が、前記対向して傾斜したクーポン側壁を前記クーポン側壁に嵌合させることを含む、前記ステップ（positioning the metal coupon in a coupon opening in the airfoil body of the component, wherein the coupon opening includes mating oppositely slanted coupon side walls to the coupon side walls）と、前記金属クーポンを前記エアフォイル本体の前記クーポン開口部に結合させるために、前記金属クーポンにろう材を浸入させるステップであって、前記浸入させることが、少なくとも前記第１の有孔率の特性に基づく前記第１の多孔質領域および少なくとも前記第２の有孔率の特性に基づく前記第２の多孔質領域の少なくとも一方に前記ろう材を浸入させるステップを含む、前記ステップ（infiltrating the metal coupon with a braze material to couple the metal coupon in the coupon opening in the airfoil body, wherein the infiltrating includes infiltrating the braze material into at least one of the first porous region based at least on a characteristic of the first porosity and the second porous region based at least on a characteristic of the second porosity）。
【0021】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記付加製造するステップは、前記金属クーポンの外面に対して９０°未満の角度で傾斜した端壁を有する前記金属クーポンを形成するステップを含み（the additive manufacturing includes forming the metal coupon with a slanted end wall at an angle of less than 90° with the exterior surface of the metal coupon）、前記クーポン開口部は、前記傾斜した端壁に対する嵌合内壁を含む（the coupon opening includes a mating inner wall to the slanted end wall）。
【0022】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記付加製造するステップは、前記エアフォイル本体の前記圧力側から前記吸引側まで延びる、前記対向して傾斜したクーポン側壁を有する前記金属クーポンを形成するステップを含む（the additive manufacturing includes forming the metal coupon with the oppositely slanted coupon side walls extending from the pressure side to the suction side of the airfoil body）。
【0023】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記付加製造するステップは、前記金属クーポンの上流端から前記エアフォイル本体の後縁まで延びる、前記対向して傾斜したクーポン側壁を有する前記金属クーポンを形成するステップを含む（the additive manufacturing includes forming the metal coupon with the oppositely slanted coupon side walls extending from an upstream end of the metal coupon to the trailing edge of the airfoil body）。
【0024】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記付加製造するステップは、前記エアフォイル本体の前記圧力側から前記吸引側に延びる前記対向して傾斜したクーポン側壁を形成するステップをさらに含む（the additive manufacturing further includes forming the oppositely slanted coupon side walls extending from the pressure side to the suction side of the airfoil body）。
【0025】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記付加製造するステップの前に（prior to the additive manufacturing）、前記金属クーポンを受容するように構成された前記クーポン開口部を前記エアフォイル本体に形成するステップ（creating the coupon opening in the airfoil body configured to receive the metal coupon）と、前記クーポン開口部のモデルを作成するステップ（creating a model of the coupon opening）と、をさらに含み、前記付加製造するステップは、前記クーポン開口部のモデルに基づいて前記金属クーポンを製造するステップを含む（the additive manufacturing includes manufacturing the metal coupon based on the model of the coupon opening）。
【0026】
この要約部に記載されているものを含め、本開示に記載されている２つ以上の態様を組み合わせて、本明細書に具体的に記載されていない実施形態を形成することができる。すなわち、本明細書に記載される全ての実施形態は、互いに組み合わせることができる。
【0027】
１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。他の特徴、目的および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0028】
本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて取られる本開示の様々な態様に関する以下の詳細な説明から、より容易に理解されるであろう：
【図1】ガスタービンシステムの形態であり、本開示の実施形態による部品を含む例示的なターボ機械の概略図である。
【図2】のガスタービンシステムと共に使用することができ、本開示の実施形態によるターボ機械部品を含む、例示的なガスタービンアセンブリの断面図を示す。
【図3】本開示の実施形態による金属クーポンを含むタービン回転ブレードの形態のターボ機械部品の透視図である。
【図4】本開示の実施形態による金属クーポンを含むタービンノズルの形態のターボ機械部品の透視図である。
【図5】本開示の実施形態による、金属クーポンを付加製造するための例示的な付加製造システムの概略ブロック図である；
【図6】本開示の実施形態による、異なる有孔率を有する多孔質領域を有するサンプル金属クーポンの上面図である。
【図12A】本開示の実施形態による、ターボ機械部品のエアフォイル本体の後縁にある金属クーポンの側面図である。
【図12B】本開示の実施形態による、ターボ機械部品のエアフォイル本体の後縁にある金属クーポンの側面図である。
【図14A】本開示の様々な実施形態による方法の透視図である。
【図14B】本開示の様々な実施形態による方法の透視図である。
【図14C】本開示の様々な実施形態による方法の透視図である。
【図14D】本開示の様々な実施形態による方法の透視図である。
【図14E】本開示の様々な実施形態による方法の透視図である。
【図14F】本開示の様々な実施形態による方法の透視図である。
【0029】
本開示の図面は必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを描写することを意図しており、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなされるべきではない。図面において、同様の番号は、図面間の同様の要素を表す。
【発明を実施するための形態】
【0030】
最初の問題として、本開示を明確に説明するために、ターボ機械の例示的な用途の中で関連する機械部品を参照し説明する際に、特定の用語を選択する必要が生じる。この際、可能であれば、一般的な業界用語が使用され、その一般的な意味と一致する方法で採用される。特に断らない限り、このような用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広範な解釈を与えるべきである。当業者であれば、特定の構成要素が複数の異なる用語または重複する用語を用いて言及されることが多いことを理解するであろう。本明細書において単一の部品であると説明されるものは、別の文脈では複数の部品から構成されるものを含み、参照される場合がある。あるいは、本明細書において複数の構成要素を含むものとして説明されているものが、他の箇所では単一部品として言及されている場合もある。
【0031】
加えて、いくつかの説明的な用語が本明細書で定期的に使用されることがあるが、本節の冒頭でこれらの用語を定義しておくことは有益であろう。これらの用語およびその定義は、特に断りのない限り、以下の通りである。本明細書で使用する「下流」および「上流」は、ターボ機械を通る作動流体、または例えば、燃焼器を通る空気の流れ、またはターボ機械の構成システムの１つを通る冷却材の流れなどの流体の流れに対する方向を示す用語である。「下流」という用語は、流体の流れ方向に対応し、「上流」という用語は、流れと反対の方向を指す。また、「前方」および「後方」という用語は、それ以上の特定はなく、方向を指し、「前方」はターボ機械の前方または圧縮機端部を指し、「後方」はターボ機械の後方またはタービン端部を指す。
【0032】
さらに、本明細書では、以下に説明するように、いくつかの説明的用語が規則的に使用される場合がある。「第１」、「第２」、および「第３」という用語は、１つの構成要素を別の構成要素から区別するために互換的に使用されることがあり、個々の構成要素の位置または重要性を意味することを意図していない。
【0033】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかにそうでないことが示されない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書において使用される場合、用語“含む：ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”および／または“含んでおり：ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”は、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。“任意の”または“任意に”は、その後に記述される事象が発生してもしなくてもよいこと、またはその後に記述される特徴が存在してもしなくてもよいこと、およびその記述が、事象が発生する、または特徴が存在する事例と、事象が発生しない、または特徴が存在しない事例とを含むことを意味する。
【0034】
ある要素または層が、他の要素または層に「載っている」、「係合されている」、「接続されている」、「結合されている」、または「取り付けられている」と称される場合、他の要素または層に直接載っている、係合されている、接続されている、結合されている、または取り付けられている可能性があり、あるいは介在する要素または層が存在する可能性がある。対照的に、ある要素が他の要素や層の上に「直接」、「直接係合」、「直接接続」、「直接結合」されている場合、介在する要素や層は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の単語も同様に解釈されるべきである（例えば、「間」対「直接間」、「隣接」対「直接隣接」など）。本明細書で使用される場合、用語「および／または」は、関連する列挙された項目の１つまたは複数のあらゆる組み合わせを含む。本明細書において、「結合」および「搭載」の動詞の形は、互換的に使用され得る。
【0035】
上記に示されるように、本開示は、エアフォイル本体と、ＡＭ金属部材の外面に対して９０°未満の角度で少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁を有する付加製造（ＡＭ）金属クーポンとを含むターボ機械部品を提供する。本明細書で使用される「クーポン」は、元の製造または修理の一部として部品本体のクーポン開口部に配置されるように構成された任意の部品、すなわち挿入可能な部品を含むことができる。特定の実施形態では、一対の傾斜したクーポン側壁は、ＡＭ金属部材の外面に対して９０°未満の角度をなしている。これから説明するように、傾斜したクーポン側壁は、金属クーポンをターボ機械部品内に保持するのを補助するために、様々な形態をとることができる。ＡＭ金属クーポンはまた、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域と、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域とを有する。第１の有孔率および第２の有孔率は、それぞれ、第１の多孔質領域および第２の多孔質領域の総体積に対して２％～５０％の開放空間体積である。ターボ機械部品は、圧力側、吸引側および後縁を有するエアフォイル本体と、ＡＭ金属クーポンをその中に有するクーポン開口部とを含む。クーポン開口部は、例えば、金属クーポンをその中に保持するために、対向して傾斜したクーポン側壁をクーポン側壁に嵌合することを含む。ろう材は、エアフォイル本体のクーポン開口部内でＡＭ金属クーポンを結合し、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域および少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域の少なくとも一方に浸入する。金属クーポンを部品に結合する方法は、前述のように金属クーポンを付加製造することと、金属クーポンをターボ機械部品のエアフォイル本体のクーポン開口部に位置決めすることとを含むことができる。
【0036】
前述のように、金属クーポンは、エアフォイル本体のクーポン開口部内で金属クーポンを結合させるために、ろう材を浸入させることができる。ろう材は、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域および少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域の少なくとも一方に浸入する。ＡＭ金属クーポンの有孔率は、１つまたは複数のろう材の流れを異なる方法で誘導して、従来とは異なる物理的特性を作り出すように構成される。例えば、必要な場所に多くのろう材を誘導し、ろう材を特殊な形状に誘導し、および／または複数のろう材の使用を可能にする。修理に使用される場合、カスタマイズされたＡＭ金属クーポンは、元の部品および／または切り抜き（original component and/or cutout）と同じ欠点に悩まされることはなく、例えば、接合接着結合強度、クーポン強度、応力／ひずみ抵抗、延性、耐摩耗性、耐酸化性、サイクル疲労、熱伝導性、電気伝導性、表面粗さ、硬度、質量（joint adhesive bond strength, coupon strength, stress/strain resistance, ductility, wear resistance, oxidation resistance, cycle fatigue, thermal conductivity, electrical conductivity, surface roughness, hardness, and mass）を変更するように（ろう材を使用して）カスタマイズすることができる。この補修は、従来のナローギャップろう付けプロセスよりも強度が高く、補修後の特定の仕上げを必要とせず、しかも予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ：pre-sintered preforms）などの現行技術に比べて物理的特性が改善されている。１つまたは複数のろう材を使用して交換クーポンを部品に結合することで、接合接着強度や信頼性などの接合に関する性能特性も向上し、ろう付け後の必要な機械加工／配合を減らすことができる。多孔質ＡＭクーポンの使用は、例えば、金属クーポンの高価な母材の使用量を減らすことにより、材料コストを削減することもできる。傾斜したクーポンの側壁は、圧力差や抗力によるターボ機械の空力荷重などの運転荷重を利用して、金属クーポンを部品、例えばノズルやブレードの後縁内に保持する。
【0037】
図１は、本開示の教示による部品を含み得る例示的な産業機械の概略図である。この例では、機械は、燃焼またはガスタービン（ＧＴ）システムの形態のターボ機械１００を含む。ターボ機械１００は、圧縮機１０２および燃焼器１０４を含む。燃焼器１０４は、燃焼領域１０６と燃料ノズルアセンブリ１０８とを含む。ターボ機械１００はまた、タービンアセンブリ１１０と、共通の圧縮機／タービンシャフトまたはロータ１１２とを含む。一実施形態では、ターボ機械１００は、ＧＥ Ｖｅｒｎｏｖａから市販されている７ＨＡ．０３エンジンである。本開示は、任意の特定のＧＴシステムに限定されず、例えば、ＧＥ Ｖｅｒｎｏｖａの他のＨＡ、Ｆ、Ｂ、ＬＭ、ＧＴ、ＴＭ及びＥクラスのエンジンモデル、並びに他社のエンジンモデルを含む他のエンジンに関連して実施することができる。さらに、本開示は、特定のターボ機械に限定されず、例えば、蒸気タービン、ジェットエンジン、圧縮機、ターボファンなどに適用することができる。さらに、本開示は、特定のターボ機械部品に限定されるものではなく、製造中または修理中にクーポンを使用する任意の工業部品に適用することができる。
【0038】
運転中、空気は圧縮機１０２を通って流れ、圧縮空気は燃焼器１０４に供給される。具体的には、圧縮空気は燃焼器１０４に一体化された燃料ノズルアセンブリ１０８に供給される。アセンブリ１０８は、燃焼領域１０６と流路連通している。燃料ノズルアセンブリ１０８は、燃料源（図１には示されていない）とも流路連通しており、燃料と空気を燃焼領域１０６に流す。燃焼器１０４は燃料に点火し燃焼させる。燃焼器１０４は、ガス流の熱エネルギーが機械的な回転エネルギーに変換されるタービンアセンブリ１１０と流路連通している。タービンアセンブリ１１０は、ロータ１１２に回転可能に結合して駆動するタービン１１１を含む。圧縮機１０２もロータ１１２に回転可能に連結されている。図示の実施形態では、複数の燃焼器と燃料ノズルアセンブリ１０８がある。
【0039】
図２は、図１のガスタービンシステムと共に使用され得るターボ機械１００（図１）の例示的なタービンアセンブリ１１０の断面図を示す。タービンアセンブリ１１０のタービン１１１は、ターボ機械１００の静止ケーシング１２２に結合され、回転ブレード１３２の列１２４に軸方向に隣接するノズルまたはベーン１２０の列を含む。静止ベーンまたはノズル１２６は、半径方向外側のプラットフォーム１２８および半径方向内側のプラットフォーム１３０によってタービンアセンブリ１１０に保持され得る。タービンアセンブリ１１０のブレード列１２４は、ロータ１１２に結合され、ロータと共に回転する回転ブレード１３２を含む。回転ブレード１３２は、ロータ１１２に結合された半径方向内側のプラットフォーム１４８（ブレードの根元部、図３）と、任意選択で、半径方向外側の先端シュラウド１３６（ブレードの先端）とを含むことができる。本明細書で使用される場合、「部品：component」または「ターボ機械部品：turbomachine component」という用語は、静止ノズル１２６、回転ブレード１３２、または本開示による多孔質領域を含む金属クーポンが採用され得る任意の他の構造を総称して指す場合がある。
【0040】
図３および図４は、本開示の教示が採用され得る、ターボ機械の高温ガス経路部品などの例示的なターボ機械部品を示す。図３は、本開示の実施形態が採用され得るタイプのタービン回転ブレード１３２の透視図を示す。タービン回転ブレード１３２は、回転ブレード１３２がロータ１１２（図２）に取り付けられるルート１４０を含む。根元部１４０は、ロータ１１２（図２）のロータホイール１４４（図２）の外周の対応するダブテールスロットに取り付けるように構成されたダブテール１４２を含むことができる。ルート１４０は、ダブテール１４２と、エアフォイル１５０とルート１４０との接合部に配置され、タービンアセンブリ１１０を通る流路のインボード境界の一部を画定するプラットフォーム１４８との間に延びるシャンク１４６をさらに含むことができる。エアフォイル１５０は、作動流体１５１（図２）、すなわち高温の燃焼ガスの流れを遮断し、ロータディスクを回転させる回転ブレード１３２の能動的な構成要素であることが理解されよう。回転ブレード１３２のエアフォイル１５０は、凹状の圧力側（ＰＳ）外壁１５２と、それぞれ対向する前縁および後縁１５６、１５８の間に軸方向に延びる円周方向または横方向に対向する凸状の吸引側（ＳＳ）外壁１５４とを含むことが分かるであろう。側部外壁１５２、１５４はまた、プラットフォーム１４８からアウトボード先端１６０まで半径方向に延びており、後者は先端シュラウド１３６（図２）を含んでも含まなくてもよい。
【0041】
図４は、本開示の実施形態が採用され得るタイプの静止ノズル１２６の透視図を示す。静止ノズル１２６は、静止ノズル１２６がターボ機械の静止ケーシング１２２（図２）に取り付ける外側プラットフォーム１７０を含む。外側プラットフォーム１７０は、ケーシング内の対応するマウントに取り付けるための、現在知られているまたは後に開発される任意の取り付け構成を含むことができる。静止ノズル１２６は、隣接するタービンロータブレード１３２（図３）とプラットフォーム１４８（図３）との間に位置決めするための内側プラットフォーム１７４をさらに含むことができる。プラットフォーム１７０、１７４は、タービンアセンブリ１１０を通る流路のアウトボード境界およびインボード境界のそれぞれの部分を画定する。エアフォイル１７６は、作動流体の流れを遮り、タービンロータブレード１３２（図３）に向ける静止ノズル１２６の能動部品であることが理解されよう。静止ノズル１２６のエアフォイル１７６は、凹状の圧力側（ＰＳ）外壁１７８と、それぞれ対向する前縁および後縁１８２、１８４の間に軸方向に延びる円周方向または横方向に対向する凸状の吸引側（ＳＳ）外壁１８０とを含むことが分かるであろう。側部外壁１７８、１８０はまた、プラットフォーム１７０からプラットフォーム１７４まで半径方向に延びている。
【0042】
ブレード１３２またはノズル１２６は、フィルム冷却のためにその表面に冷却剤を供給する通路、導管および他の構造などの冷却剤の供給源を含む内部冷却構造を含むことができることを理解されたい。冷却剤は、例えば、圧縮機１０２からの空気を含むことができる。
【0043】
本明細書で説明する本開示の実施形態は、静止ノズル１２６、タービン回転ブレード１３２、他の形態のターボ機械部品、および／またはクーポンを採用する他の任意の産業部品のいずれかに適用可能な態様を含み得る。図３および図４はまた、ターボ機械部品２０２（以下、簡潔にするために「部品２０２」）における例示的な付加製造（ＡＭ）金属クーポン２００（以下、簡潔にするために「金属クーポン２００」または「ＡＭ金属クーポン（複数可）２００」）を示す。より詳細には、金属クーポン２００は、部品２０２のエアフォイル本体２０６内のクーポン開口部２０４内にあることがある。本体２０６内のクーポン開口部２０４」は、本体２０６の除去された部分、例えば、先端シュラウドを含むまでの、本体２０６内の任意のサイズの空隙であってよい。例えば、金属クーポン２００は、それぞれ、ブレード１３２またはノズル１２６の後縁１５８、１８４のクーポン開口部２０４にあることができる。あるいは、金属クーポン２００は、それぞれ、ブレード１３２またはノズル１２６の前縁１５６、１８２のクーポン開口部２０４にあることができる。しかしながら、金属クーポン２００は、部品２０２のエアフォイル本体２０６の任意のクーポン開口部２０４に採用できることが強調される。エアフォイル本体２０６は、それぞれ、ブレード１３２またはノズル１２６の圧力側外壁１５２、１７８、吸引側外壁１５４、１８０、および後縁１５８、１８４を含むことができる。
【0044】
傾斜したクーポン側壁（単数または複数）および／または傾斜した端壁、およびその中の１つまたは複数の多孔質領域を含む付加製造金属クーポン２００は、多孔質領域を形成することができる現在知られているまたは後に開発される任意の技術を用いて付加製造することができる。図５は、金属クーポン２００または複数の金属クーポン２００Ａ、２００Ｂを生成するための例示的なコンピュータ化金属粉末付加製造システム２１０（illustrative computerized metal powder additive manufacturing system、以下、「ＡＭシステム２１０」）の概略図／ブロック図であり、そのうち単層のみが示されている。本開示の教示は、複数の溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８を使用して金属クーポン２００を構築することに関連して説明されるが、本開示の教示は、任意の数の溶融ビーム源を使用して複数のクーポン２００Ａ、２００Ｂを構築することにも同様に適用可能であることが強調され、容易に認識されるであろう。この例では、ＡＭシステム２１０は、直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ：direct metal laser meltin）のために配置されている。本開示の一般的な教示は、粉末床溶融、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ：direct metal laser sintering）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ：electron beam melting）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ：selective laser sintering）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ：selective laser melting）、およびおそらく他の形態の付加製造（すなわち、金属粉末用途以外）などの他の形態の金属粉末付加製造にも等しく適用可能であることが理解される。クーポン２００Ａ、２００Ｂは、長方形の要素として図示されているが、付加製造プロセスは、任意の形状のクーポン、多種多様な異なるクーポン、およびビルドプラットフォーム２２０上の多数のクーポンを製造するために容易に適合させることができることが理解される。
【0045】
ＡＭシステム２１０は、一般に、付加製造制御システム２３０（additive manufacturing control system「制御システム」）およびＡＭプリンタ２３２を含む。これから説明するように、制御システム２３０は、コンピュータ実行可能な命令またはコード２３４のセットを実行して、複数の溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８を使用してクーポン２００を生成する。図示の例では、４つの溶融ビーム源は４つのレーザーを含むことができる。しかしながら、本開示の教示は、任意の溶融ビーム源、例えば、電子ビーム、レーザーなどに適用可能である。制御システム２３０は、コンピュータプログラムコードとしてコンピュータ２３６上で実施されることが示されている。この限りにおいて、コンピュータ２３６は、メモリ２３８および／または記憶システム２４０、プロセッサユニット（ＰＵ）２４４、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２４６、およびバス２４８を含んで示されている。さらに、コンピュータ２３６は、外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース２５０と通信して示されている。一般に、プロセッサユニット（ＰＵ）２４４は、メモリ２３８および／またはストレージシステム２４０に格納されているコンピュータプログラムコード２３４を実行する。コンピュータプログラムコンピュータプログラムコード、プロセッサユニット（ＰＵ）２４４は、メモリ２３８、ストレージシステム２４０、Ｉ／Ｏデバイス２５０および／またはＡＭプリンタ２３２との間でデータの読み取りおよび／または書き込みを行うことができる。バス２４８は、コンピュータ２３６内の各構成要素間の通信リンクを提供し、Ｉ／Ｏデバイス２５０は、ユーザがコンピュータ２３６と対話することを可能にする任意のデバイス（例えば、キーボード、ポインティングデバイス、ディスプレイなど）で構成することができる。コンピュータ２３６は、ハードウェアとソフトウェアの様々な可能な組み合わせの代表的なものに過ぎない。例えば、プロセッサユニット（ＰＵ）２４４は、単一の処理ユニットから構成されてもよいし、１つまたは複数の場所、例えばクライアントおよびサーバ上の１つまたは複数の処理ユニットに分散されてもよい。同様に、メモリ２３８および／または記憶システム２４０は、１つまたは複数の物理的な場所に存在し得る。メモリ２３８および／または記憶システム２４０は、磁気媒体、光学媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）等を含む、様々なタイプの非一過性のコンピュータ可読記憶媒体の任意の組み合わせから構成することができる。コンピュータ２３６は、産業用コントローラ、ネットワークサーバ、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、ハンドヘルドデバイスなどの任意のタイプのコンピューティングデバイスで構成することができる。
【0046】
前述のように、ＡＭシステム２１０、特に制御システム２３０は、金属クーポン２００を生成するためにコード２３４を実行する。コード２３４は、とりわけ、ＡＭプリンタ２３２を動作させるための一組のコンピュータ実行可能命令２３４Ｓ（本明細書では「コード２３４Ｓ」とも呼ぶ）、およびＡＭプリンタ２３２によって物理的に生成される金属クーポン（単数または複数）２００を定義する一組のコンピュータ実行可能命令２３４Ｏ（本明細書では「コード２３４Ｏ」とも呼ぶ）を含み得る。本明細書で説明するように、付加製造プロセスは、コード２３４を記憶する非一過性のコンピュータ可読記憶媒体（例えば、メモリ２３８、記憶システム２４０など）から始まる。ＡＭプリンタ２３２を動作させるためのコンピュータ実行可能命令セット２３４Ｓは、ＡＭプリンタ２３２を動作させることができる現在知られているまたは後に開発される任意のソフトウェアコードを含むことができる。
【0047】
金属クーポン２００を定義するコンピュータ実行可能命令２３４Ｏのセットは、クーポンの正確に定義された３Ｄモデルを含むことができ、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）、ＴｕｒｂｏＣＡＤ登録商標、ＤｅｓｉｇｎＣＡＤ ３Ｄ Ｍａｘなどの多種多様な周知のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアシステムのいずれかから生成することができる。この点で、コード２３４Ｏは、現在知られている、または後に開発された任意のファイル形式を含むことができる。さらに、金属クーポン（単数または複数）２００を代表するコード２３４Ｏは、異なるフォーマット間で変換することができる。例えば、コード２３４Ｏは、３Ｄ ＳｙｓｔｅｍｓのステレオリソグラフィＣＡＤプログラム用に作成された標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）ファイル、または、任意のＡＭプリンタで製造される任意の三次元物体の形状および構成を任意のＣＡＤソフトウェアが記述できるように設計された拡張可能マークアップ言語（ＸＭＬ）ベースのフォーマットである米国機械学会（ＡＳＭＥ）標準である付加製造ファイル（ＡＭＦ）を含むことができる。金属クーポン（単数または複数）２００を代表するコード２３４Ｏは、必要に応じて、データ信号のセットに変換されて送信されたり、データ信号のセットとして受信されてコードに変換されたり、保存されたり等されることもできる。コード２３４Ｏは、本開示の実施形態に従って、これから説明されるように、重複するフィールド領域における境界部および内部セクションの形成を可能にするように構成されてもよい。いずれにせよ、コード２３４Ｏは、ＡＭシステム２１０への入力であってよく、部品設計者、知的財産（ＩＰ）提供者、設計会社、ＡＭシステム２１０のオペレータまたは所有者、または他の情報源から来てもよい。いずれにしても、制御システム２３０は、コード２３４Ｓおよび２３４Ｏを実行し、金属クーポン（単数または複数）２００を、材料の連続する層でＡＭプリンタ２３２を使用して組み立てられる一連の薄片に分割する。
【0048】
ＡＭプリンタ２３２は、金属クーポン２００の印刷に制御された雰囲気を提供するために密閉された処理チャンバ２６０を含むことができる。金属クーポン２００が構築される／構築される構築プラットフォーム２２０が、処理チャンバ２６０内に配置される。多数の溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８が、ビルドプラットフォーム２２０上の金属粉末の層を溶融してクーポン２００を生成するように構成されている。４つの溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８が図示されているが、本開示の教示は、例えば１、２、３、または５以上の任意の数の源を採用するシステムに適用可能であることが強調される。当該分野で理解されるように、各溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８は、それぞれ、それが専ら金属粉末を溶融することができる非重複フィールド領域を含むフィールドを有することができ、２つ以上のソースが金属粉末を溶融することができる少なくとも１つの重複フィールド領域を含むことができる。この点に関して、各溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８は、符号２３４Ｏによって定義されるように、各スライスごとに粒子を溶融する溶融ビームをそれぞれ生成してもよい。例えば、図５において、溶融ビーム源２１２は、ある領域において溶融ビーム２６２を使用して金属クーポン（単数または複数）２００の層を形成することが示されており、一方、溶融ビーム源２１４は、別の領域において溶融ビーム２６２’を使用して金属クーポン（単数または複数）２００の層を形成することが示されている。各溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８は、現在知られているまたは後に開発される任意の方法で較正される。すなわち、各溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８は、その個々の精度を保証するための個々の位置補正（図示せず）を提供するために、ビルドプラットフォーム２２０に対するそのレーザービームまたは電子ビームの予想位置と実際の位置との相関が取られている。一実施形態では、複数の溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８の各々は、同じ断面寸法（例えば、動作時の形状およびサイズ）、出力およびスキャン速度を有する溶融ビーム、例えば、２６２、２６２’を生成することができる。
【0049】
図５を続けると、アプリケータ（または再コータブレード）２７０は、最終クーポンの連続する各スライスが作成されるブランクキャンバスとして広がる原材料２７２の薄い層を作成することができる。ＡＭプリンタ２３２の様々な部分は、各新規層の追加に対応するために移動してもよく、例えば、ビルドプラットフォーム２２０は、各層の後に下降してもよく、および／またはチャンバ２６０および／またはアプリケータ２７０は上昇してもよい。プロセスは、アプリケータ２７０によってアクセス可能なチャンバ２６０内に保持され得るストックの、細粒金属粉末の形態の異なる原材料を使用してもよい。即座の場合、クーポン（単数又は複数）２００は、純金属又は合金を含む金属で作られてもよい。一例では、金属は、実質的に任意の非反応性金属粉末、すなわち、非爆発性粉末または非導電性粉末（non-explosive or non-conductive powder）を含むことができ、例えば、コバルトクロムモリブデン（ＣｏＣｒＭｏ）合金、ステンレス鋼、ニッケル－クロム－モリブデン－ニオブ合金（ＮｉＣｒＭｏＮｂ）のようなオーステナイトニッケル－クロム系合金（例えば、これらに限定されない、インコネル６２５またはインコネル７１８）、ニッケル－クロム－鉄－モリブデン合金（ＮｉＣｒＦｅＭｏ）（例えば、Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｉｎｃ．から入手可能なＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標） Ｘ、またはニッケル－クロム－コバルト－モリブデン合金（ＮｉＣｒＣｏＭｏ）（例えば、Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｉｎｃ．から入手可能なＨａｙｎｅｓ ２８２）。他の可能性としては、例えば、Ｒｅｎｅ １０８、ＣＭ ２４７ ＬＣ、Ｍａｒ Ｍ ２４７、および任意の析出硬化性（ＰＨ）ニッケル合金が挙げられる。
【0050】
処理チャンバ２６０は、アルゴンや窒素などの不活性ガスで満たされ、酸素を最小化または除去するように制御される。制御システム２３０は、不活性ガス源２７６からの処理チャンバ２６０内の混合ガス２７４の流れを制御するように構成される。この場合、制御システム２３０は、ガス混合物２７４の含有量を制御するために、ポンプ２８０、および／または不活性ガス用フローバルブシステム２８２を制御することができる。フローバルブシステム２８２は、特定のガスのフローを正確に制御することができる、１つ以上のコンピュータ制御可能なバルブ、フローセンサ、温度センサ、圧力センサなどを含むことができる。ポンプ２８０は、バルブシステム２８２と一緒に設けてもよいし、バルブシステム２８２なしで設けてもよい。ポンプ２８０が省略される場合、不活性ガスは、処理チャンバ２６０に導入される前に、単に導管またはマニホールドに入ることができる。不活性ガスの供給源２７６は、その中に含まれる材料のための任意の従来の供給源、例えば、タンク、リザーバまたは他の供給源の形態をとることができる。ガス混合物２７４を測定するために必要な任意のセンサ（図示せず）を設けてもよい。ガス混合物２７４は、従来の方法でフィルタ２８６を用いて濾過されてもよい。
【0051】
動作中、金属粉末を載せたビルドプラットフォーム２２０は処理チャンバ２６０内に提供され、制御システム２３０は不活性ガス源２７６からの処理チャンバ２６０内の混合ガス２７４の流れを制御する。制御システム２３０はまた、ＡＭプリンタ２３２、特にアプリケータ２７０および溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８を制御して、ビルドプラットフォーム２２０上の金属粉末の層を順次溶融し、本開示の実施形態に従って金属クーポン２００を生成する。
【0052】
特定のＡＭシステム２１０が本明細書に記載されているが、本開示の教示は、特定の付加製造システムまたは方法に限定されないことが強調される。また、本開示の教示は、付加製造された金属クーポン（単数または複数）２００に関するものであるが、部品２０２は、付加製造（おそらく１以上の金属クーポン２００について説明したものと同様のもの）、鋳造、または他の方法論のような、現在知られているまたは後に開発される任意の方法で製造され得ることが認識されるであろう。部品２０２は、金属クーポン２００について本明細書に記載した材料のいずれかを含むことができる。
【0053】
本明細書で使用される「有孔率：Porosity」とは、例えば、多孔質領域、金属クーポンなど、記載された構造体の総体積に対するオープンスペースの体積の比率である。典型的には、この点で、有孔率は、記載された構造体の全体または総体積に対する開放空間の体積の割合として記載される。開放空間は、中実材料における空の領域であり、本明細書では「孔：pores」３０２と呼ばれることがあり、記載された構造体の材料における相互接続通路を含むことがある。金属クーポン２００における「多孔質領域：porous region」は、したがって、１００％中実（100% solid）未満であり、孔３０２及び／又は相互接続通路の形態の空きスペースを含む。多孔質金属クーポン２００は、中実領域を含み得るが、１００％中実未満である１つ以上の多孔質領域も含む。本明細書で使用されるように、その“総体積”を特定する目的のための多孔質領域または小領域の三次元境界は、隣接する領域または小領域に対して２％より大きい有孔率の変化が金属クーポン２００内で生じる場所、および／または金属クーポン２００の端部が存在する場所によって特定され得る。「空隙体積：Open space volume」は、総称して、領域または部分領域内の、空である、すなわち、空隙、隙間、空の空間、および／または材料で満たされていない（a void, gap, empty space and/or not filled with material, within a region or sub-region）三次元空間である。本明細書で使用される場合、「異なる有孔率：different porosities」または「有孔率の差：differences in porosity」は、一般に、総体積に対する開放空間体積の割合、所与の体積内の孔３０２の数、孔３０２の体積（すなわち、サイズ）、孔３０２の形状、および実際の個別の孔（本明細書では「孔連通路：pore connecting passages」と称される）として認識されない可能性のある孔３０２間の連通路開口部のバリエーションなどの任意の様々な特性を意味する。非限定的な一例のみとして、孔サイズは、例えば、１．０７ｘ１０－６～８．５８ｘ１０－３立方ミリメートル（６．５４ｘ１０－１１～５．２４ｘ１０－７立方インチ）の範囲とすることができ、別の非限定的な例として、孔直径は、０．０１２７ミリメートル（ｍｍ）～０．２５４ミリメートル（０．０００５インチ～０．０１インチ）の範囲とすることができる。図面では、異なる多孔質領域またはサブ領域は、典型的には、連続的であるか、または互いに接触しているように示されているが、それらは、任意の方法で、例えば、その間に中実領域を有するように、互いに分離され得ることが強調される。すなわち、単一の金属クーポンは、１つまたは複数の隔離された、非接触の多孔質領域またはサブ領域を含むことができる。なお、「領域」および／または「サブ領域」という用語は、多孔性の変化を示すために互換的に使用される場合がある。例えば、孔形状または孔連通路の相違に伴い、有孔率の相違は、全容積に対する開放空間容積の割合にのみ基づくものではないことが認識されるであろう。しかし、有孔率の違いが、例えば、高いか低いかといった程度で比較される場合、参照される違いは、専ら、体積特性、すなわち、総体積に対する空隙体積の割合である。
【0054】
多孔質金属クーポン（単数または複数）２００は、本明細書に記載のＡＭシステム２１０、または多孔質金属を形成することができる任意の他の金属付加製造システムまたは方法を使用して、有孔率の異なる多孔質領域（有孔率の異なる１つまたは複数の多孔質サブ領域を含んでも含まなくてもよい）で形成することができる。ＡＭシステム２１０の動作に関しては、溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８は、断続的に金属を焼結させず、中実材料ではなく金属粉末を残すようにプログラムすることができる。このプロセスは、異なる量だけレーザーフィールド領域をオーバーラップさせること、および／またはビルドファイル、すなわちコード２３４Ｏに孔３０２を設計することを含むことができる。各レーザー走査の重なりが少ないほど有孔率が高くなり、連続する走査間のレーザーの重なりが多いほど有孔率が低くなる。レーザースポットサイズ、走査速度、焦点および／またはパワーもまた、有孔率を調整するために制御することができる。より詳細には、付加製造は、金属粉末の層を融合させるために１つ以上の溶融ビーム源２１２、２１４、２１６、２１８を有するＡＭシステム２１０を使用することと、少なくとも２つの多孔質領域の有孔率を制御するためにシステムのパラメータを調整することとを含む。パラメータを調整することは、（ソース２１２、２１４、２１６、２１８からの）１つまたは複数の溶融ビーム２６２、２６２（図５）の溶融領域の重なり量を調整すること、システムの走査速度を調整すること、または溶融ビームのスポットサイズ、焦点、またはパワーのうちの少なくとも１つを調整することのうちの少なくとも１つを含み得る。未溶融の金属粉が金属クーポン２００から除去されるとき、金属粉は孔３０２を残し、孔３０２間に相互接続通路を有し、金属クーポン２００に１つ以上の多孔質領域を形成する。いずれにせよ、金属クーポン２００の層状製造は、金属クーポン２００の任意の所望の層内に任意の数、形状および／またはサイズの多孔質領域を形成するように制御することができる。
【0055】
図６Ａ－Ｄは、異なる有孔率を有する非限定的サンプル金属クーポン２００の上面概略図である。孔３０２は、図面では暗いオープンスペースとして示されている。図６Ａは、試料の総体積に対して約４０％の開放空間容積を有する第１の有孔率を有する試料金属クーポン２００を示し（一般に開放空間の量が多く、孔３０２が多いまたは大きい）、図６Ｂは、試料の総体積に対して約３０％の開放空間容積を有する第１の有孔率を有する試料金属クーポン２００を示し、図６Ｃは、試料の総体積に対して約３０％の開放空間容積を有する第１の有孔率を有する試料金属クーポン２００を示す。図６Ｃは、試料の総体積に対して約２０％の開放空間容積の第１の有孔率を有する試料金属クーポン２００を示し、図６Ｄは、試料の総体積に対して約１０％の開放空間容積の第１の有孔率を有する試料金属クーポン２００を示す（開放空間の量は概して少ない）。各多孔質領域は、多孔質領域の総体積に対して２％～５０％の開放空間体積、すなわち、２％～５０％の開放空間と残りの５０％～９８％の中実との間の有孔率を有することができる。他の実施形態では、各有孔率は、多孔質領域３００の総容積に対して１０％～４０％の開放空間容積、すなわち、他の６０％～９０％の中実を有する１０％～４０％の開放空間容積の間であってもよい。他の実施形態では、１０％未満の範囲、１５％未満の範囲、２０％未満の範囲、２５％未満の範囲、３０％未満の範囲、３５％未満の範囲の有孔率を有する多孔質領域（複数可）を金属クーポン２００に設けることができる、４０％未満の範囲、４５％未満の範囲、２％から４５％の範囲、２％から４０％の範囲、２％から３５％の範囲、２％から３０％の範囲、２％から２５％の範囲、２％から２０％の範囲、５％から４５％の範囲、５％から４０％の範囲、５％から３５％の範囲、５％から３０％の範囲で、５％から２５％の範囲で、５％から２０％の範囲で、１０％から４５％の範囲で、１０％から４０％の範囲で、１０％から３５％の範囲で、１０％から３０％の範囲で、１０％から２５％の範囲で、１０％から２０％の範囲で、１５％から４５％の範囲で、１５％から４０％の範囲で、の範囲、１５％から３５％の範囲、１５％から３０％の範囲、１５％から２５％の範囲、１５％から２０％の範囲、１０％から５０％の範囲、２０％から５０％の範囲、２５％から５０％の範囲、３０％から５０％の範囲、３５％から５０％の範囲、または４０％から５０％の範囲である。本明細書で説明するように、有孔率の他の範囲も可能である。
【0056】
図７Ａ－Ｂ、８Ａ－Ｂ、９Ａ－Ｂ、１０Ａ－Ｂおよび１１Ａ－Ｂは、様々な実施形態による例示的な付加製造（ＡＭ）金属クーポン２００の透視図および断面図を示す。図７Ａ－１Ｂにおいて、‘Ａ’とラベル付けされた図は透視図を示し、‘Ｂ’とラベル付けされた図は、それぞれの‘Ａ’とラベル付けされた図における図線Ｂ－Ｂに沿った断面図を示すが、それぞれの金属クーポン２００が部品２０２のクーポン開口部２０４内に配置されている。Ｂ’とラベル付けされた図面はまた、ターボ機械軸Ａが図面のページに出入りする金属クーポン２００および部品２０２を示す。金属クーポン２００は、ＡＭ部材２９０の外面、すなわち、金属クーポン２００が部品２０２内にある間に外面になる面との角度αが９０°未満の少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁を有する付加製造（ＡＭ）部材２９０を含む。ＡＭ金属部材２９０はまた、（孔３０２を有する）１つまたは複数の多孔質領域３００を含む。図７Ａ－Ｂは、金属クーポン２００を示す。図７Ａ～Ｂは、第１の有孔率の単一の多孔質領域３００を有する金属クーポン２００を示し（クーポン２００全体が第１の有孔率を有する）；図８Ａ～Ｂは、異なる有孔率を有する１つ以上の（層状の）多孔質領域３００Ａ～Ｂを有する金属クーポン２００を示し；図９Ａ－Ｂは、異なる有孔率を有する１つ以上の多孔質領域３００Ａ～Ｂおよび中実領域３０４を有する金属クーポン２００を示し；図１０Ａ－Ｂは、異なる有孔率を有する１つ以上の多孔質領域３００Ａ～Ｂおよび中実領域３０４を有する金属クーポン２００を示す。図１０Ａ－Ｂは、異なる有孔率を有する第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂとの間（およびおそらくはその少なくとも一部を含む）に可変有孔率領域３００Ｄを有する金属クーポン２００を示し、図１１Ａ－Ｂは、異なる有孔率を有する１つ以上の（対向する）多孔質領域３００Ａ～Ｂを有する金属クーポン２００を示す。図７Ａ－図１１Ｂの金属クーポン２００は、図３及び図４に示すように、それぞれ、ブレード１３２又はノズル１２６の後縁１５８又は１８４のクーポン開口部２０４に配置されるように構成された形状を有するように示されている。しかしながら、クーポン開口部２０４は、それぞれ、ブレード１３２またはノズル１２６の前縁１５６または１８２にあることもできる。金属クーポン２００はまた、ブレード１３２の任意の先端部（図示せず）またはエアフォイル部、またはプラットフォーム１７０（図示）、１７４、またはノズル１２６のエアフォイル部にもあり得る。
【0057】
図７Ａ－Ｂに示されるように、金属クーポン２００は、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域３００を有することができる。図７Ａ－Ｂにおいて、金属クーポン２００は、単一の第１の多孔性を有する単一の多孔質領域３００を含む。図７Ａ－Ｂでは、金属クーポン２００全体が第１の多孔性を含む。したがって、金属クーポン２００の各層は同じ有孔率を有する。図８Ａ－Ｂ、図９Ａ－Ｂ、図１０Ａ－Ｂおよび図１１Ａ－Ｂでは、金属クーポン２００は、それぞれ異なる有孔率を有する２つの多孔質領域３００Ａ－Ｂを含む。図８Ａ－Ｂでは、２つの異なる多孔質領域３００Ａ、３００Ｂは、一方が他方よりも金属クーポンのさらに内側にある層状の内部および外部領域であり、図１１Ａ－Ｂでは、２つの異なる多孔質領域３００Ａ、３００Ｂは、金属クーポン２００の異なる側面（例えば、図示のように上側および下側）にある。多孔質領域３００Ａ～Ｂを画定する金属クーポン２００の層内の領域は、孔３０２を含むように形成され得る。図９Ａ～Ｂにおいて、金属クーポン２００は、多孔質領域３００Ａ～Ｂを含み、各多孔質領域３００Ａ～Ｂは、おそらく同じか異なる有孔率（後者は図示）を有し、中実領域３０４を含む。ここで、領域３００Ａ－Ｂを画定する金属クーポン２００の層内の領域は、孔３０２を含むように形成され得、中実領域３０４を画定する金属クーポン２００の層内の領域は、孔３０２なしで形成される。図１０Ａ－Ｂにおいて、金属クーポン２００は、異なる有孔率の第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂとの間（及びおそらくはその少なくとも一部を含む）に可変有孔率領域３００Ｄを含む。ここで、領域３００Ａ－Ｂまたは可変多孔質領域３００Ｄを画定する金属クーポン２００の層内の領域は、異なる有孔率を作り出すために、例えば、異なるサイズまたは数の孔３０２を含むように形成され得る。可変多孔質領域３００Ｄは、変化する、例えば、増加、減少、および／または増加および減少の両方を有する任意の多孔性を有することができる。有孔率の変化は、漸進的であってもよく、段階的であってもよく、さもなければ漸増的であってもよい。可変多孔質領域３００Ｄは、図１０Ａ－Ｂにおいて、図８Ａ－Ｂと同様に内部および外部多孔質領域３００Ａ、３００Ｂの間に示されているが、可変多孔質領域は、図１１Ａ－Ｂに図示される実施形態にも適用され得る。各多孔質領域３００は、多孔質領域３００の総容積に対して２％～５０％の開放空間容積の間、すなわち、２％～５０％の開放空間と、他の５０％～９８％の中実との間の有孔率を有することができる。他の実施形態では、各有孔率は、多孔質領域３００の総容積に対して１０％～４０％の開放空間容積、すなわち、他の６０％～９０％の中実に対して１０％～４０％の開放空間を有することができる。有孔率の他の範囲も可能である。例えば、多孔質領域３００は、本開示を通して記載される任意の有孔率を有することができる。
【0058】
ＡＭ金属部材２９０および金属クーポン２００は、ＡＭ金属部材２９０の外面２９６と９０°未満の角度でそれぞれ少なくとも１つの傾斜したクーポン側壁２９２（および２９４）を含むことができる。傾斜したクーポン側壁２９２、２９４および外面２９６は、圧力差および／または抗力によるターボ機械の空気力学的負荷などの動作負荷を活用して、金属クーポン２００を部品２０２、例えばノズル１２６またはブレード１３２の後縁１５８、１８０内に保持する異なる収束テーパを提供するように変化してもよい。
【0059】
第１の選択肢では、傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、ＡＭ金属部材２９０の外面２９６と９０°未満の角度をなしており、エアフォイル圧力側外壁１５２、１７８（図３－４）のような部品２０２の第１の部分または側面３２６から、エアフォイル１５０、１７６の吸引側外壁１５４、１８０（図３－４）のような部品２０２の第２の部分または側面３２８に収束するテーパを提供する。すなわち、対向して傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、圧力側外壁１５２、１７８からエアフォイル本体２０６の吸引側外壁１５４、１８０まで延びている。（図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂは、明確にするために側面３２６、３２８のみを示す）。ここで、傾斜したクーポン側壁（単数または複数）は、動作荷重、例えば圧力差によるターボ機械の空力荷重を利用して、金属クーポン２００を部品２０２、例えばノズル１２６またはブレード１３２後縁１５８、１８４内にそれぞれ保持する。これに関して、図７Ａ－Ｂは、単一の傾斜したクーポン側壁２９２を有するＡＭ金属部材２９０を示し、図８Ａ－Ｂ、図９Ａ－Ｂ、図１０Ａ－Ｂおよび図１１Ａ－Ｂは、一対の対向する傾斜したクーポン側壁２９２、２９４を有するＡＭ金属部材２９０を示す。各傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、エアフォイル１５０、１７６の（凹状、圧力）側外壁１５２、１７８のような部品２０２の第１の部分または側面３２６、および／またはエアフォイル１５０、１７６の第２の（凸状、吸引）側外壁１５４、１８０のような部品２０２の第２の部分または側面３２８のようなＡＭ金属部材２９０の外面２９６と９０°未満の角度αをなしている。対照的に、図７Ａ～Ｂの非傾斜クーポン側壁２９３は、ＡＭ金属部材２９０の外面２９６と約９０°の角度をなしている。外面２９６は、部品２０２のクーポン開口部２０４と干渉しない金属クーポン２００の外面であることができる。例えば、Ｂ’図に描かれているように、このオプションでは、外面２９６は、部品２０２のクーポン開口部２０４内にある間、金属クーポン２００の上面、下面、または上面と下面の両方とすることができる。すなわち、外面２９６は、金属クーポン２００が部品２０２内にある間、外面である。一対の傾斜したクーポン側壁２９２、２９４が角度αにある場合、両壁は、エアフォイル１５０、１７６の（凹状、圧力）側外壁１５２、１７８のような部品２０２の第１の部分または側面３２６から、エアフォイル１５０、１７６の第２の（凸状、吸引）側外壁１５４、１８０のような部品２０２の第２の部分または側面３２８に収束するプロファイルを形成する。すなわち、エアフォイル圧力側外壁１５２、１７８から吸引側外壁１５４、１８０まで収束テーパが設けられる。この点で、側面３２６（圧力側外壁１５２、１７８）またはその近傍における金属クーポン２００の幅Ｗ１は、側面３２８（吸引側外壁１５４、１８０）またはその近傍における幅Ｗ２よりも大きい。傾斜したクーポンの側壁の数に関係なく、クーポン開口部２０４は、クーポンの傾斜した側壁２９２、２９４と一致するように、嵌合する内壁２９８、２９９を有する。
【0060】
傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、エアフォイル圧力側外壁１５２、１７８から吸引側外壁１５４、１８０に収束するテーパを有し、様々な形態をとることができる。図８Ａ～Ｂでは、傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、各クーポン側壁２９２、２９４の高さに沿って部分的に傾斜している。内壁２９８、２９９も同様に、その高さに沿って部分的に傾斜している。図９Ａ～Ｂでは、傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、各クーポン側壁２９２、２９４の高さ全体に沿って傾斜しており、わずかに凸状の湾曲を有していてもよい。内壁２９８、２９９も同様に、その高さの全体に沿って傾斜しており、カップル側壁（couple side walls）２９２、２９４と一致するわずかに凹状の曲率を有する。内壁２９８、２９９が金属クーポン２００をその中に保持する限り、図９Ａ～Ｂの実施形態では、任意の曲率半径を使用することができる。図１０Ａ－Ｂにおいて、傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、各クーポン側壁２９２、２９４の高さの全体に沿って傾斜している。内壁２９８、２９９も同様に、その高さの全体に沿って傾斜している。図８Ａ－Ｂ、図９Ａ－Ｂおよび図１０Ａ－Ｂにおいて、傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、金属クーポン２００の外面２９６に対して同じ角度αで、各クーポン側壁２９２、２９４の高さの全体に沿って傾斜している。内壁２９８、２９９も同様に、その高さの全体に沿って傾斜している。しかし、金属クーポンの両側壁の角度を一致させる必要はない。図１１Ａ～Ｂにおいて、傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、各クーポン側壁２９２、２９４の高さの全体に沿って傾斜しているが、クーポン側壁２９２は、角度α２であるクーポン側壁２９４、すなわち、α１≠α２であるクーポン側壁２９４とは、外面２９６に対して異なる角度α１である。内壁２９８、２９９も同様に、その高さの全体に沿って、それぞれ、それらの連接するクーポン側壁２９２、２９４に一致する角度で傾斜している。
【0061】
図１２Ａ－Ｂは、後縁１５８、１８４を有するエアフォイル１５０、１７６の形態の部品２０２における金属クーポン２００の側面図を示す。図１２Ａ－Ｂのターボ機械軸Ａの矢印Ａは、ターボ機械１００（図１）の後方を指している。第２の選択肢では、傾斜したクーポン側壁２９２、２９４は、エアフォイル１５０、１７６の後縁１５８、１８４（側面３２６、３２８ではない）におけるＡＭ金属部材２９０の外面２９６と９０°より大きい角度βをなしている。このオプションでは、外面２９６は、エアフォイル１５０、１７６の後縁１５８、１８４（側面３２６、３２８ではない）である。図１２Ａは、単一の傾斜したクーポン側壁２９２を示し、図１２Ｂは、対向する一対の傾斜したクーポン側壁２９２、２９４を示す。金属クーポン２００の上流端３０８から後縁１５８、１８４の外面２９６まで収束テーパが設けられている。対向して傾斜したクーポン側壁２９２、２９４（２つ使用される場合）は、金属クーポン２００の上流端３０８からエアフォイル本体２０６の後縁１５８、１８４まで延びている。換言すれば、（ロータ１１２の）ターボ機械軸Ａに平行に走るクーポン傾斜壁２９２、２９４（表面または面）は、前方から後方に向かって収束するテーパで設定される。金属クーポン２００の外面２９６（後縁１５８、１８４）における幅Ｗ３は、金属クーポン２００の上流端３０８における幅Ｗ４よりも小さい。傾斜したクーポン側壁は、金属クーポン２００を部品２０２、例えばノズルまたはブレード後縁内に保持するために、運転負荷、例えばターボ機械の空気抵抗を利用する。２つのクーポン傾斜側壁２９２、２９４が使用される場合、角度βは、それらの両方について同じにすることもできるし、異なるようにすることもできる。いずれにせよ、クーポン開口部２０４は、第２の選択肢の下で、クーポン傾斜側壁２９２、２９４に一致するように、嵌合内壁２９８、２９９を有する。
【0062】
図面から明らかなように、クーポンの傾斜側壁２９２、２９４の２つのオプションは、荷圧力差と抗力（pressure differences and drag）の両方から生じるターボ機械の空力荷重（turbomachine aerodynamic loads）の観点から、動作負荷を活用し、部品２０２内の金属クーポン２００、例えばノズルまたはブレードの後縁を保持することができる。
【0063】
図１３は、図７Ｂの図線１３－１３に沿った断面図である。図１３に示すように、ＡＭ金属部材２９０は、ＡＭ金属部材２９０（金属クーポン２００）の外面２９６と９０°未満の角度γで傾斜した端壁３４０をさらに含み得る。クーポン開口部２０４は、クーポン傾斜端壁３４０と一致する嵌合内壁３４２を有する。クーポン開口部２０４の傾斜端壁３４０と嵌合内壁３４２は、さらに、ＡＭ金属部材２９０（金属クーポン２００）を所望の位置に向けるように作用することができる。傾斜端壁３４０およびクーポン開口部２０４の嵌合内壁３４２はまた、圧力差および抗力によるターボ機械の空力荷重の両方の観点から、金属クーポン２００を部品２０２、例えばノズルまたはブレード後縁内に保持するために、動作負荷を活用する。クーポン開口部２０４の傾斜端壁３４０および嵌合内壁３４２は、図７Ａの実施形態に示されているが、これらは、本明細書における任意の実施形態に適用可能である。図１３に示すように、傾斜端壁３４０は、第１の側面３２６、例えば圧力側におけるＡＭ金属部材２９０（金属クーポン２００）の第１の長さＬ１が、第２の側面３２８、例えば吸引側におけるＡＭ金属部材２９０（金属クーポン２００）の第２の長さＬ２よりも長くなる可能性がある。
【0064】
次に、図３、図４、図５、図７Ａ－図１１Ｂ、図１２、図１３、及び図１４Ａ－図Ｅを参照して、本開示による方法の実施形態を説明する。本方法は、ターボ機械部品２０２内の金属クーポンを結合することを含み得る。図１４Ａ－Ｆは、本開示の実施形態による方法の透視図を示す。
【0065】
図１４Ａは、部品２０２のエアフォイル本体２０６にクーポン開口部２０４を形成する様子を示している。クーポン開口部２０４は、金属クーポン２００を受け入れるように構成されている。クーポン開口部２０４は、任意の形状を有することができる。特定の用途では、クーポン開口部２０４は、部品２０２のエアフォイル本体２０６の損傷した部分を除去することによって作成されるが、クーポン開口部２０４は、部品２０２の元のバージョン、例えば、部品２０２の残りの部分と一緒に製造することが困難な位置にあることもできる。図示された非限定的な例では、クーポン開口部２０４は、ノズル１２６の後縁１８４にある。図１４Ａはまた、クーポン開口部２０４のモデルを作成することを示す。モデル作成は、部品２０２のエアフォイル本体２０６に対するクーポン開口部２０４のデジタル化された表現をスキャンして作成するために、現在知られているまたは後に開発される任意の三次元スキャナ（図示せず、矢印参照）を使用することを含み得る。部品をスキャンしてモデル化するプロセスは当該技術分野において周知であるため、読者が本開示の顕著な側面に集中できるように、さらなる詳細は省略する。
【0066】
図５、８Ａ－１１Ｂは、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域３００Ａと、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域３００Ｂとを有する付加製造金属クーポン２００を示す。図７Ａ－Ｂはまた、単一の有孔率（中実以外）を有する金属クーポン２００の成形を示し、図１０Ａ－Ｂはまた、第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂとの間、及びおそらくは第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂとの一部を含む可変有孔率領域３００Ｄを有する金属クーポン２００の成形を示す。可変有孔率領域３００Ｄは、第１の多孔質領域３００Ａの有孔率から第２の多孔質領域３００Ｂの有孔率へと徐々に変化する有孔率を含み得る。前述のように、有孔率の変化は、漸進的、段階的、または漸増的（gradual, stepped or incremental）であってよい。第１の多孔質領域、第２の多孔質領域、および可変多孔質領域は、総体積に対する開放空間体積の割合、孔形状、孔サイズ、孔の数、または孔連通路のうちの少なくとも１つの特性の点で互いに異なる。付加製造は、多孔質金属クーポン２００（または緻密領域または中実領域）を製造するために、本明細書に記載される任意のＡＭプロセスを含み得る。付加製造は、ＡＭプリンタ２３２を制御することによって、金属クーポン２００の中実領域の中に多孔質領域３００を選択的に形成することを含んでもよい。付加製造は、クーポン開口部２０４のプロファイル（例えば、形状、寸法など）に概ね一致するように、またはクーポン開口部２０４のモデルに基づいてクーポン開口部２０４のニアネットシェイプを有するように、金属クーポン２００を製造することを含み得る。本明細書で使用される「ニアネットシェイプ：near net shape」は、金属クーポン２００が、製造プロセスの指定された段階で、追加的な処理、例えば機械加工を行わないか、最小限の処理で、所望の製造公差内にあることを示す。外面への追加のテクスチャリングや研磨（texturing or polishing）が望まれる場合もある。金属クーポン２００が部品に装着されると、追加のコーティングが施されることがある。ほぼ正味の形状に形成された場合、金属クーポン２００は、クーポン開口部２０４に配置されたときに、例えば、選択されたろう付け材料（単数または複数）および機械加工または研磨のような仕上げ方法がないか、または必要最小限である、クーポン開口部２０４に金属クーポン２００を結合するために必要なエアフォイル本体２０６の表面（単数または複数）に非常に近い、製造後の形状を有することもできる。しかし、金属クーポン２００に多孔質領域３００を使用することで、隙間が広いにもかかわらず、多孔質領域がろう材の把持と保持を改善するため、ろう材の隙間が狭い中実クーポンと比較して、接合隙間の寸法ばらつきが大きくなる。
【0067】
傾斜したクーポン側壁オプションに関して、図７Ａ～図１１Ｂに示すように、付加製造は、エアフォイル本体２０６の圧力側外壁１５２、１７８から吸引側外壁１５４、１８０まで延びる、対向して傾斜したクーポン側壁２９２、２９４を有する金属クーポン２００を形成することを含むこともできる。それに加えて、または代替オプションとして、図１２Ａ～Ｂに示されるように、付加製造は、金属クーポン２００の上流端３０８からエアフォイル本体２０６の後縁１５８、１８４まで延びる、対向して傾斜したクーポン側壁２９２、２９４を有する金属クーポン２００を形成することを含むこともできる。別の選択肢として、図１３に示すように、付加製造は、ＡＭ金属クーポンの外面に対して９０°未満の角度γで傾斜した端部壁３４０を有する金属クーポン２００を形成することも含み得、クーポン開口部は、傾斜した端部壁に対する嵌合内壁を含む。
【0068】
【0069】
本開示の実施形態に従って、金属クーポン２００内の１つ以上の多孔質領域３００の有孔率は、図３、図４および図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂおよび図１１Ｂに示すように、金属クーポン（単数または複数）２００を部品２０２のエアフォイル本体２０６内のクーポン開口部２０４に結合する後続のろう付けプロセス中に、その中のろう材の流れを制御するために制御される、すなわち、カスタマイズされる。各多孔質領域３００は、多孔性に影響を与える前述の特性のいずれかの点でカスタマイズすることができる。さらに、多孔質領域３００の形状および／または位置は、所望のようにろう付け材料を誘導するように配置することができる。例えば、図７Ａ－Ｂでは、金属クーポン２００の全体が第１の多孔質領域３００を含むので、ろう付け材料はその中に均一に分布する。対照的に、図８Ａ－Ｂでは、金属クーポン２００は、クーポン開口部２０４（図３－４）と結合するであろう金属クーポン２００の縁部６の近傍に１つの多孔質領域３００Ａを含み、第１の多孔質領域３００Ａに隣接する、例えば縁部３０６から遠位に、異なる有孔率を有する異なる多孔質領域３００Ｂを含む。このようにして、ろう材３１０は、各多孔質領域３００において異なる様式で分布され、その結果、金属クーポン２００の異なる領域において異なる物理的特性（複数可）が得られる。より詳細には、任意の数の多孔質領域３００を使用して、金属クーポン２００を含む部品２０２における少なくとも１つの物理的特性、例えば、接合接着強度、クーポン強度、応力／ひずみ抵抗、延性、耐摩耗性、耐酸化性、サイクル疲労、熱伝導性、電気伝導性、表面粗さ、硬度、および／または質量（joint adhesive bond strength, coupon strength, stress/strain resistance, ductility, wear resistance, oxidation resistance, cycle fatigue, thermal conductivity, electrical conductivity, surface roughness, hardness, and/or mass）をカスタマイズ（作成）することができる。包括的でない可能性のリストでは、金属クーポン２００は、部品２０２の少なくとも１つの物理的特性を制御するために、金属クーポン２００の他の中実領域と比較して、毛細管現象によってより多くのろう材をそこに導くために、１つの領域３００に高い有孔率を含むことができる。別の実施形態では、金属クーポン２００は、部品２０２の少なくとも１つの物理的特性を制御するために、金属クーポン２００の他の中実領域と比較して、毛管現象によってより少ないろう材をそこに導くために、１つの領域３００においてより低い有孔率を含むことができる。他の実施形態では、金属クーポン２００は、集合的に金属クーポン２００の全体を構成する２つ以上の多孔質領域３００を含むことができる。所望のろう材の流動および浸透を作り出すために、多孔質領域３００の任意の配置が可能である。
【0070】
特定の実施形態では、付加製造は、例えば、部品２０２に以前は存在しなかった構造を含む、金属クーポン２００内の部品２０２のための任意の様々な改良を形成することも含むことができる。部品２０２は、改良が必要な元の部品であってもよいし、除去または損傷した部分を含む部品であってもよい。例えば、図９Ａに示すように、付加製造は、金属クーポン２００に冷却通路３２０を形成することを任意に含み得る。冷却通路３２０は、任意の方法で金属クーポン２００内に延びてよく、例えば、その中に蛇行経路で延びてよく、又は金属クーポン２００の外部表面３２２を通って延びてよい。金属クーポン２００には、任意の有利な内部構造変更を加えることができる。現在知られている又は後に開発される付加製造後の仕上げ加工は、任意に金属クーポン２００に対して実施することができ、例えば、その表面を平滑にするために研磨することができる。しかしながら、有利なことに、本開示の教示は、付加製造後の材料に存在する残留応力に対処するために通常使用される他の仕上げ工程、例えば、ピーニング、熱処理、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ：hot isostatic pressing）等の必要性を除去し得る。
【0071】
図１４Ｂおよび図１４Ｃは、部品２０２の本体２０６（例えば、エアフォイル）のクーポン開口部２０４に金属クーポン２００を位置決めする様子を示している。金属クーポン２００は、現在知られているまたは後に開発される任意の方法、例えば、プレスフィットまたはスリップフィットを介して手動で、本体２０６の開口部２０４に配置することができる。必要に応じて、金属クーポン２００は、接着剤、クランプ、ニッケルクロム鋲溶接、ボール鋲、抵抗溶接、融解鋲溶接（adhesive, clamps, nickel-chromium tack welds, ball tacks, resistance weld, fusion tack weld）など、任意の所望の方法で所定の位置に保持することができる。傾斜したクーポン側壁２９２、２９４および／または傾斜した端部壁３４０を使用して、金属クーポン２００を部品２０２のエアフォイル本体２０６のクーポン開口部２０４に配置することができる。
【0072】
図１４Ｄ－Ｅは、金属クーポンをエアフォイル本体２０６のクーポン開口部２０４に結合させるために、金属クーポン２００にろう材３１０を浸透させること、すなわち、ろう付けプロセスを実行することを示す。ろう材３１０は、現在知られている、または後に開発されたろう組成物を含むことができるが、これらに限定されない：例えば、ＧＥ（Ａｌｓｔｏｍ）Ｂ１Ｐ、Ａｍｄｒｙ（商標）Ｄ１５、ＤＦ４Ｂ、またはＢＲＢが挙げられるが、これらに限定されるものではない：
浸入（infiltrating：浸潤）は、真空ろう付けシステム、誘導ろう付けシステム、および／または不活性ガス雰囲気加熱システムおよび関連技術を使用するような、現在知られているまたは後に開発されるろう付けプロセスを含むことができる。非限定的な一例では、ろう付けは、例えば、ろう材（図１４Ｄ）を塗布し、熱を加えて（図１４Ｅ）、毛細管現象によってろう材を金属クーポン２００の中、中、および周囲に流入させることを含んでもよい。
【表1】
浸入（infiltrating：浸潤）は、真空ろう付けシステム、誘導ろう付けシステム、および／または不活性ガス雰囲気加熱システムおよび関連技術を使用するような、現在知られているまたは後に開発されるろう付けプロセスを含むことができる。非限定的な一例では、ろう付けは、例えば、ろう材（図１４Ｄ）を塗布し、熱を加えて（図１４Ｅ）、毛細管現象によってろう材を金属クーポン２００の中、中、および周囲に流入させることを含んでもよい。
【0073】
浸入は、ろう材３１０を、少なくとも第１の有孔率の特性に基づく第１の多孔質領域３００Ａおよび少なくとも第２の有孔率の特性に基づく第２の多孔質領域３００Ｂの少なくとも一方に注入する。可変有孔率領域３００Ｄ（図１０Ａ－Ｂ）が存在する場合、浸潤は、ろう材３１０を、第１の有孔率の特性に基づいて第１の有孔率領域３００Ａを移動させて浸潤させること、可変有孔率領域３００Ｄの特性（例えば、有孔率の勾配、段差のある有孔率など）に基づいて可変有孔率領域３００Ｄを移動させて浸潤させること、および第２の有孔率の特性に基づいて第２の有孔率領域３００Ｂを移動させて浸潤させることを含む。
【0074】
多孔質領域３００Ａ、３００Ｂ、およびおそらく可変多孔質領域３００Ｄの有孔率が異なることにより、ろう材３１０の流動および浸透が異なる。ろう付けプロセスの結果として、ろう材３１０をその中に有する第１の多孔質領域３００Ａおよび第２の多孔質領域３００Ｂは、少なくとも１つの異なる物理的特性を有する。可変多孔質領域３００Ｄが存在する場合、それは、第１および第２の多孔質領域３００Ａ、３００Ｂとはおそらく異なる物理的特性（複数可）を有する。したがって、ろう付けプロセスの結果として、部品２０２において、ろう材３１０をその中に有する第１の多孔質領域３００Ａおよび第２の多孔質領域３００Ｂ（およびおそらく可変多孔質領域３００Ｄ）は、少なくとも１つの異なる物理的特性を有する。例えば、ろう材３１０の量が多いほど、接合接着強度が強くなり、延性が高くなり、熱伝導率または電気伝導率が高くなり、耐酸化性が高くなる場合があり、ろう材３１０の量が少ないほど、表面粗さが小さくなり、硬度が低くなり、接合接着強度が低くなり、延性が低くなり、熱伝導率または電気伝導率が低くなり、耐酸化性が低くなる場合がある。いずれにせよ、ろう材の量と異なる多孔質領域の有孔率を制御することで、最終製品の物理的特性を制御することができる。一例では、第１の多孔質領域３００Ａの第１の有孔率は、第２の多孔質領域３００Ｂの第２の有孔率よりも高い（すなわち、密度が低い）場合がある。この場合、浸潤には、第１の多孔質領域３００Ａに第２の多孔質領域３００Ｂよりも多くのろう材３１０を浸潤させることが含まれる。使用されるろう材３１０に応じて、他の要因の中でも、異なる有孔率により、部品２０２の少なくとも１つの物理的特性、例えば、接合接着強度、応力／ひずみ抵抗、延性、耐摩耗性、耐酸化性、熱伝導性、電気伝導性、表面粗さ、硬度、および／または質量をカスタマイズすることができる。加えて、多孔質領域３００を使用するろう材３１０のマルチフロー経路は、従来の狭い隙間充填ろう付けプロセスと比較して、また狭い隙間ろう付けに必要な厳しい製造公差に起因して、ろう付け接合部に沿って充填不足および／または空隙が生じる可能性を低下させる可能性がある。したがって、部品２０２は、その中に多孔質領域３００を有する金属クーポン２００を使用しているにもかかわらず、少なくとも９８％中実である可能性がある。
【0075】
特定の実施形態では、異なるろう材３１０を金属クーポン２００の異なる部分に使用することができ、部品２０２内の金属クーポン２００の結合および部品２０２の領域の物理的特性をさらにカスタマイズすることができる。例えば、図９Ｂおよび図１１Ｂを参照すると、第１のろう材３１０Ａを部品２０２の第１の部分または側面３２６に使用し、第１のろう材３１０Ａとは異なる別のろう材３１０Ｂを部品２０２の異なる部分または側面３２８に使用することができる。一例において、図３、図４および図９Ｂを参照すると、部品２０２の第１の部分または側面３２６は、エアフォイル１５０、１７６の第１の（凹状、圧力）側外壁１５２、１７８であってもよく、部品２０２の第２の部分または側面３２８は、エアフォイル１５０、１７６の第２の（凸状、吸引）側外壁１５４、１８０であってもよい。異なる部分または側面３２６、３２８上の、異なる多孔質領域３００に加えて、異なるろう付け材料３１０Ａ、３１０Ｂは、それらの位置における部品２０２の予期される環境に対してカスタマイズされ得る。認識されるように、異なる状況に対処するために可能なろう付け材料および／または多孔質領域のバリエーションは膨大である。
【0076】
本開示による方法の他の実施形態は、部品２０２のための金属クーポン２００を形成することだけを含むことができる。この場合、図１４Ａに示すように、本方法は、部品２０２のエアフォイル本体２０６にクーポン開口部２０４のモデルを作成することと、クーポン開口部２０４に少なくとも密接に適合するように、例えばクーポン開口部２０４のほぼ正味の形状を有するように、金属クーポン２００を付加製造することとを含む。本明細書に記載され、図８Ａ－Ｂ、図９Ａ－Ｂ、図１０Ａ－Ｂ、図１１Ａ～Ｂに示されるように、金属クーポン２００は、少なくとも１つの傾斜側壁２９２、２９４および／または傾斜端壁３４０と、第１の有孔率を有する第１の多孔質領域３００Ａと、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域３００Ｂとを含み得る。異なる第１および第２の有孔率は、ろう材３１０を使用してクーポン開口部２０４に金属クーポン２００を結合した後に、異なる物理的特性を作り出す。
【0077】
図１４Ｆは、外面を滑らかにし、余分なろう材を除去するための機械加工などであるが、これらに限定されない部品２０２の例示的な任意の仕上げ工程を示す。前述のように、本開示の教示は、他の仕上げステップ、例えば、ピーニング、熱処理、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ：hot isostatic pressing）等の必要性を除去する。
【0078】
図３、図４、図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂ、図１２Ａ－Ｂおよび図１３は、本開示の実施形態によるターボ機械部品２０２の実施形態を示す。図７Ｂ、８Ｂ、９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂは、前述のように、部品２０２のエアフォイル本体２０６のクーポン開口部２０４上の金属クーポン２００の拡大断面図を示す。図７Ｂは、単一の多孔質領域３００を有する金属クーポン２００を備えた部品２０２を示し、図８Ｂは、２つ以上の多孔質領域３００Ａ、３００Ｂを有する金属クーポン２００を備えた部品２０２を示し、図９Ｂは、２つ以上の多孔質領域３００Ａ、３００Ｂおよび中実領域３０４（図９Ａ）を有する金属クーポン２００を備えた部品２０２を示し、図１０Ｂは、２つ以上の多孔質領域３００Ａ、３００Ｂおよび中実領域３０４（図１０Ａ）を有する金属クーポン２００を備えた部品２０２を示す。図１０Ｂは、２つ以上の層状の多孔質領域３００Ａ、３００Ｂおよび異なるろう材３１０Ａ、３１０Ｂを有する金属クーポン２００を備えた部品２０２を示し、図１１Ｂは、金属クーポン２００の異なる側面３２６、３２８上に２つの多孔質領域３００Ａ、３００Ｂを有する金属クーポン２００および異なるろう材３１０Ａ、３１０Ｂを備えた部品２０２を示す。部品２０２は、圧力側外壁１５２、１７８、吸引側外壁１５４、１８０および後縁１５８、１８４を有するエアフォイル本体２０６を含む。本明細書で使用される例では、エアフォイル本体２０６は、タービン回転ブレード１３２（図３）またはタービン静止ノズル１２６（図４）を含むことができる。金属クーポン２００は、例えば、図３および図４において、それぞれブレード１３２およびノズル１２６のエアフォイル１５０、１７６に示されているが、金属クーポン２００は、部品２０２のエアフォイル本体２０６の任意の部分にあることができる。付加的に製造された（ＡＭ）金属クーポン２００は、本明細書で説明するように、その外面２９６と９０°未満の角度で対向して傾斜したクーポン側壁２９２、２９４の各オプションを含むことができる。図８Ａ～１１Ｂに関連して本明細書で説明するように、ＡＭ金属クーポン２００はまた、第１の有孔率を有する少なくとも第１の多孔質領域３００Ａと、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域３００Ｂとを有する。ろう材３１０は、エアフォイル本体２０６のクーポン開口部２０４内で金属クーポン２００を結合する。図７Ｂに示すように、ろう材３１０は、少なくとも第１の有孔率の特性に基づいて第１の多孔質領域３００Ａに浸入された第１の部分３３０を含む。図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂおよび図１１Ｂに示すように、金属クーポン２００は、第１の有孔率とは異なる第２の有孔率を有する第２の多孔質領域３００Ｂをさらに含む。第１の有孔率は、総体積に対する開放空間体積の割合、孔形状、孔サイズ、孔数、または孔連通路の少なくとも１つの特性において、第２の有孔率と異なっていてもよい。エアフォイル本体２０６は、第１の有孔率および第２の有孔率の一方または両方とは異なる第３の有孔率を有することができる。例えば、エアフォイル体２０６は、第１の有孔率および第２の有孔率の両方よりも密な第３の有孔率を有してもよく、例えば、１００％中実であり得る。任意選択で、金属クーポン２００は、第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂとの間（および場合によってはその一部を含む）に、可変多孔質領域３００Ｄ（図１０Ｂに破線のボックスで示す）を含むことができる。可変有孔率領域３００Ｄは、第１有孔率と第２有孔率との間で、例えば、段階的または漸増的に有孔率を徐々に変化させることができる。図１０Ｂにおいて、異なる多孔質領域３００Ａ、３００Ｂは、金属クーポン２００において、一方が他方の内側に層状に配置されている。図１１Ｂでは、異なる多孔質領域３００Ａ、３００Ｂは、金属クーポン２００の反対側にある。
【0079】
図１０Ｂおよび図１１Ｂにおいて、ろう材３１０Ｂは、少なくとも第２の多孔質の特性に基づき第２の多孔質領域３００Ｂに浸入した第２の部分３３２を含む。多孔質の「少なくとも特性に基づいて：At least on a characteristic」とは、多孔質が、他の特性の中でも、ろう材体積、多孔質内のパターン、結晶化、化学的勾配および組成などの異なる浸入特性をもたらし得ることを示す。しかし、当該技術分野で理解されているように、他の要因も、ろう材の種類や、温度、圧力、部品２０２と金属クーポン２００の位置関係など（ただし、これらに限定されない）、ろう付けプロセスの特性などの浸透特性に影響を与え得る。異なる有孔率の結果として、ろう材３１０を含む第１の多孔質領域３００Ａおよび第２の多孔質領域３００Ｂは、少なくとも１つの異なる物理的特性を有する。有孔率は、有孔率がそれらの物理的特性に影響を与え得る限りにおいて、それらの物理的特性を選択するようにカスタマイズされ得る。一例では、第１の多孔質領域３００Ａの第１の有孔率は、第２の多孔質領域３００Ｂの第２の有孔率よりも高く（すなわち、密度が低く）、第１の多孔質領域３００Ａは、第２の多孔質領域３００Ｂよりも多くのろう材３１０をその中に含むことができる。図１０Ｂに示す別の実施例では、第１の多孔質領域３００Ａは、エアフォイル本体２０６に接合するように構成された金属クーポン２００の縁部３０６の少なくとも一部にあり、第２の多孔質領域３００Ｂは、金属クーポン２００のさらに内側にある。図１１Ｂに示す別の例では、第１の多孔質領域３００Ａは金属クーポン２００の一方の側面３２６にあり、第２の多孔質領域３００Ｂは金属クーポン２００の反対側の側面３２８にある。このようにして、金属クーポン２００および部品２０２の異なる側面は、異なる物理的特性を有することができる。図３および図４に示すように、ノズル１２６またはブレード１３２のエアフォイル１５０、１７６に関して言えば、エアフォイルの圧力側外壁１５２、１７８は、それぞれ、エアフォイルの吸引側外壁１５４、１８０とは異なる物理的特性を有してもよい。いずれにしても、第２の多孔質領域３００Ｂは、第１の多孔質領域３００Ａに隣接していてもよい。あるいはまた、第２の多孔質領域３００Ｂは、金属クーポン２００の縁部３０６の少なくとも（別の）一部に隣接してもよく、おそらく第１の多孔質領域３００Ａに隣接してもよい。図１０Ｂに示すように、この配置は、エアフォイル本体２０６のクーポン開口部２０４における金属クーポン２００の接合接着結合強度を強化するために、ろう付け接合部３３４の近傍により多くのろう付け材料３１０を配置するのに有利であり得るか、またはろう付け接合部３３４における酸化をより少なくするか、またはろう付け接合部３３４における熱伝導性をより大きくすることを可能にし得る。本明細書で説明する物理的特性のいずれも、異なる有孔率および／または異なるろう材に基づいてカスタマイズすることもできる。前述のように、使用されるろう材３１０に応じて、異なる有孔率により、接合接着強度、応力／ひずみ抵抗、延性、耐摩耗性、耐酸化性、熱伝導性、電気伝導性、表面粗さ、硬度、および／または質量など、部品２０２の物理的特性をカスタマイズすることができる。
【0080】
図１１Ｂでは、ろう材３１０Ｂは、少なくとも第２の多孔性（有孔率）の特性に基づいて第２の多孔質領域３００Ｂに浸入した第２の部分３３２も含む。図１１Ｂの例では、第１の多孔質領域３００Ａは金属クーポン２００の一方の側面３２６にあり、第２の多孔質領域３００Ｂは金属クーポン２００の反対側の側面３２８にある。このようにして、金属クーポン２００および部品２０２の異なる側面は、異なる物理的特性を有することができる。図３および図４に示すように、ノズル１２６またはブレード１３２のエアフォイル１５０、１７６に関して言えば、エアフォイルの圧力側外壁１５２、１７８は、それぞれ、エアフォイルの吸引側外壁１５４、１８０とは異なる物理的特性を有してもよい。いずれにしても、第２の多孔質領域３００Ｂは、第１の多孔質領域３００Ａに隣接していてもよい。図１１Ｂに示すように、この配置は、エアフォイル本体２０６のクーポン開口部２０４内の金属クーポン２００の接合接着結合強度を強化するために、側部３２６のろう付け接合部３３４の近傍により多くのろう付け材料３１０を配置するのに有利であるか、またはろう付け接合部３３４における酸化をより少なくするか、またはろう付け接合部３３４における熱伝導性をより大きくすることを可能にすることができる。本明細書で説明する物理的特性のいずれも、異なる有孔率および／または異なるろう材に基づいてカスタマイズすることもできる。前述のように、使用されるろう材３１０に応じて、異なる有孔率により、接合接着強度、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、熱伝導性、電気伝導性、表面粗さ、硬度、および／または質量など、部品２０２の物理的特性をカスタマイズすることができる。
【0081】
前述のように、金属クーポン２００は、部品２０２のエアフォイル本体２０６のクーポン開口部２０４のほぼ正味の形状を有することができる。図１４Ｃに示すように、金属クーポン２００は、その中に冷却通路３２０を任意に含むことができる。冷却通路３２０は、金属クーポン２００に画定され、金属クーポンの外面３２２を通って延びることができる。
【0082】
本明細書では、異なる多孔質領域３００の特定の位置が図示されているが、異なるろう材浸透特性および部品２０２に対する異なる物理的特性を提供するために、異なる多孔質領域を任意の方法で配置できることが強調される。
【0083】
本開示の実施形態はまた、図１～２に示されるように、タービンアセンブリ１１０を含むターボ機械１００と、本明細書に記載される少なくとも１つの部品２０２とを含むことができる。部品２０２は、タービン静止ノズル（単数又は複数）１２６、タービン回転ブレード（単数又は複数）１３２、又はターボ機械１００の他の部品の形態をとることができる。金属クーポン２００は、新しく製造された部品に使用することも、修理または改良が必要な部品に使用することもできる。本方法はエアフォイル材に適用されているが、部品２０２はあらゆる工業部品であり得ることに留意されたい。
【0084】
本開示は、様々な技術的および商業的利点を提供するが、その例については本明細書で説明する。部品の修理または改良のために、付加製造は、損傷した材料のみを除去する必要があるカスタムフィット形状を有する金属クーポンをコスト効率よく作成することを可能にする。多孔質領域は、例えば予備焼結プリフォームと比較して物理的特性の改善をもたらす可能性のある特定の領域において、より高い割合の母材合金（例えば、６０％超）を提供する可能性がある。多孔質領域はまた、ろう材で囲まれた従来の金属粒子に比べて強度の高いろう材充填の溶接／溶融粒子マトリックス（例えば、超合金金属ベース）を提供する可能性がある。多孔質領域を使用したろう材のマルチフロー経路は、従来の狭い隙間充填ろう付けプロセスと比較して、ろう付け接合部に沿った充填不足および／またはボイドの可能性を減少させる可能性もある。多孔質領域は、ろう材の流れを高度にカスタマイズできるように、金属クーポン間で有孔率に差をつけて形成することができる。多孔質領域はまた、ろう材用の狭い隙間を有する機械加工された中実クーポンと比較して、より大きな接合隙間寸法のばらつきに対応する。本開示の教示を用いた補修は、従来の狭い隙間のろう付けプロセスよりも強度が高く、特定の補修後仕上げを必要とせず、しかも予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）などの現行技術と比較して改善された物理的特性を提供する。傾斜したクーポンの側壁および／または傾斜した端壁は、動作荷重、例えば圧力差や抗力によるターボ機械の空力荷重を利用して、金属クーポンを部品、例えばノズルまたはブレード後縁内に保持する。
【0085】
本明細書および特許請求の範囲を通じて使用される近似的な表現は、それが関連する基本的な機能の変化をもたらすことなく許容可能に変化し得るあらゆる定量的表現を修正するために適用することができる。したがって、「約」、「およそ」、「実質的に」などの用語によって修正される値は、指定された正確な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似的な表現は、値を測定するための機器の精度に対応することがある。本明細書及び特許請求の範囲全体を通じて、範囲の限定は、組み合わされ、及び／又は交換されることがある。このような範囲は、文脈又は文言が別段のことを示さない限り、特定され、そこに含まれるすべてのサブ範囲を含む。範囲の特定の値に適用される「約」または「およそ」は、両端値に適用され、値を測定する機器の精度に依存しない限り、記載された値の±１０％を示す場合がある。
【0086】
以下の特許請求の範囲におけるすべての手段またはステッププラス機能要素の対応する構造、材料、行為、および等価物は、具体的に特許請求されるように、他の特許請求される要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことを意図している。本開示の説明は、例示および説明の目的で提示されたが、開示された形態での開示について網羅的または限定的であることを意図するものではない。本開示の範囲および精神から逸脱することなく、多くの修正および変形が当業者には明らかであろう。実施形態は、本開示の原理および実際の適用を最もよく説明するため、ならびに、当業者が、企図される特定の用途に適するように様々な変更を伴う様々な実施形態について本開示を理解できるようにするために選択され、説明された。
【0087】
１００：：ターボ機械 １０２：圧縮機 １０４：燃焼器 １０６：燃焼領域 １０８：燃料ノズルアセンブリ １１０：タービンアセンブリ １１１：タービン １１２：ロータ １２０：ノズル列又はベーン列 １２２：静止ケーシング １２４：回転ブレード列 １２６：静止ベーン／ノズル １２８、１７１：外側プラットフォーム １３０：内側プラットフォーム １３２：回転ブレード １３４、１７４：内側プラットフォーム １３６：先端シュラウド １４０：根元部 １４２：ダブテール １４４：ロータホイール １４６：シャンク １４８：プラットフォーム １５０、１７６：エアフォイル １５１：作動流体 １５２、１７８：圧力側（ＰＳ）外壁 １５４、１８０：吸込側（ＳＳ）外壁 １５６、１８２：前縁 １５８、１８４：後縁 １６０：先端部 ２００、２００Ａ、２００Ｂ：金属クーポン ２０２：部品／コンポーネント ２０４：クーポン開口部 ２０６：本体 ２０８：コンポーネント表面 ２１０：コンピュータ制御金属粉末付加製造システム／ＡＭシステム ２２、２１４、２１６、２１８：溶融ビーム源 ２２０：造形プラットフォーム ２３０：付加製造制御システム ２３２：ＡＭプリンタ ２３４：コンピュータ実行可能命令／コード
２３４Ｏ：コンピュータ実行可能命令／オブジェクト ２３４Ｓ：コンピュータ実行可能命令／システム ２３６：コンピュータ ２３８：メモリ ２４０：ストレージシステム ２４４：プロセッサユニット（ＰＵ） ２４６：入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース ２４８：バス ２５０：外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース ２６０：処理チャンバ ２６２：溶融ビーム ２７０：アプリケータ ２７２：原材料 ２７４：ガス混合物 ２７６：不活性ガス／不活性ガス源 ２８０：ポンプ ２８２：バルブシステム ２８６：フィルタ ２９０：付加製造（ＡＭ）部材／ＡＭ金属部材 ２９２、２９４：傾斜したクーポンの側壁 ２９３：傾斜しないクーポン側壁 ２９６：外面 ２９８、２９９：内壁／嵌合内壁 ３００：多孔質領域 ３００Ａ：第１の多孔質領域 ３００Ｂ：第２の多孔質領域 ３００Ｃ：第３の多孔質領域 ３００Ｄ：可変有孔率領域 ３０２：孔 ３０４：中実領域 ３０６：縁部 ３０８：外面／上流端 ３１０、３１０Ａ、３１０Ｂ：ろう付け材料 ３２０：冷却通路 ３２２：外面 ３２６：第１の側面 ３２８：第２の側面 ３３０：第１の部分 ３３２：第２の部分 ３３４：ろう付け接合部 ３４０：傾斜端壁 ３４２：嵌合内壁
２３４Ｏ：コンピュータ実行可能命令／オブジェクト ２３４Ｓ：コンピュータ実行可能命令／システム ２３６：コンピュータ ２３８：メモリ ２４０：ストレージシステム ２４４：プロセッサユニット（ＰＵ） ２４６：入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース ２４８：バス ２５０：外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース ２６０：処理チャンバ ２６２：溶融ビーム ２７０：アプリケータ ２７２：原材料 ２７４：ガス混合物 ２７６：不活性ガス／不活性ガス源 ２８０：ポンプ ２８２：バルブシステム ２８６：フィルタ ２９０：付加製造（ＡＭ）部材／ＡＭ金属部材 ２９２、２９４：傾斜したクーポンの側壁 ２９３：傾斜しないクーポン側壁 ２９６：外面 ２９８、２９９：内壁／嵌合内壁 ３００：多孔質領域 ３００Ａ：第１の多孔質領域 ３００Ｂ：第２の多孔質領域 ３００Ｃ：第３の多孔質領域 ３００Ｄ：可変有孔率領域 ３０２：孔 ３０４：中実領域 ３０６：縁部 ３０８：外面／上流端 ３１０、３１０Ａ、３１０Ｂ：ろう付け材料 ３２０：冷却通路 ３２２：外面 ３２６：第１の側面 ３２８：第２の側面 ３３０：第１の部分 ３３２：第２の部分 ３３４：ろう付け接合部 ３４０：傾斜端壁 ３４２：嵌合内壁
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図14E】
【図14F】
【外国語明細書】