JP2002336933A - セラミックコアの処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コアをとちの表面に一致させて、コアの歪み
を減少させ、予め選択された寸法の公差内にあるコアの
歩留まりを改善する、未焼成の成形されたセラミックコ
アの処理方法を提供する。 【解決手段】熱硬化性及び／又は熱可塑性結合剤を有す
る未焼成（素地）のセラミックコアを少なくとも一つの
とちに置くステップ、とち及びその上の素地のセラミッ
クコアをコンベヤーに置くステップ、並びにとち及び素
地のコアを、加熱オーブンを通じて運搬して、とち及び
素地のセラミックコアを、高い超周囲温度まで、又は素
地のコアに存在する結合剤の軟化温度より高く、加熱す
るステップを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融した金属材料
の鋳造に使用する、未焼成（素地）のセラミックコアを
処理する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンエンジンのほとんどの製造
業者は、翼の内部冷却の効率を改善してより大きなエン
ジンの推力を可能とし十分な翼の耐用年数を提供する、
入り組んだ空気冷却チャネルを含む進歩したインベスト
メント鋳造のタービン翼（即ちタービン動翼又は静翼）
を評価している。内部の冷却通路は、セラミックのシェ
ルモールドに位置決めされた一又は複数の薄い翼の形状
をしたセラミックコアを使用して、鋳造翼において形成
され、ここで、溶融した金属は、コア周辺の型で鋳造さ
れる。溶融した金属が固まった後、型とコアを除去し
て、コアが存在していた一又は複数の内部通路を備える
鋳造翼を残す。

【０００３】セラミックコアは、典型的には、セラミッ
クの粉、有機熱硬化性及び／又は熱可塑性結合剤、及び
様々な添加剤を含む可塑性のセラミック化合物を使用し
て作られる。セラミック化合物は、コアの金型又は型に
おいて、高温で射出成形又はトランスファー成形され
る。素地（未焼成）のコアが金型又は型から除去される
とき、そのコアは、典型的には、上部及び下部のとちの
間に置かれ、コアの仕上げ及び評価並びに高い焼結温度
での焼成の前に、周囲温度まで冷却される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】素地のコアは、成形及
び／又は自然冷却の操作によって、コアに誘起される応
力による歪みを示し得る。歪みは、歪みがちである比較
的薄い断面を伴う翼後縁を有するコアの翼領域に関する
特有の問題であり得る。結果として、素地のセラミック
コアは、コアの生産作業において一つのコアから次のコ
アへ寸法の変動を示す。更に、コアの生産作業において
一つのコアから次のコアへ寸法の変動が起こるように、
素地のコアが、上部又は下部のとちと不適切に接触する
場合もある。

【０００５】本発明の目的は、コアの歪みを減少させて
寸法の公差にかなうコアの歩留まりを改善する様式で、
未焼成のセラミックコアを処理する方法を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの実施例に
おいて、未焼成のセラミックコアを処理する方法は、成
形されたコアの形状を有する未焼成（素地）のセラミッ
クコア及び結合剤を少なくとも一つのとちに置くこと、
とち及びその上の素地のセラミックコアをコンベヤーに
置くこと、とち及び素地のコアを、加熱オーブンを通じ
て運搬して、とち及び素地のセラミックコアを、高い超
周囲温度（superambient temperature）まで加熱するこ
とを含む。この様式における素地のセラミックコアの加
熱は、コアをとちの表面に一致させて、コアの歪みを減
少させ予め選択された寸法の公差内にコアの歩留まりを
改善することを確認する。この為に、好ましくは、とち
及び素地のセラミックコアを、成形された素地のコアに
存在する結合剤の軟化温度以上の超周囲温度にまで加熱
する。複数の素地のセラミックコアにおける各々を、コ
アをそれぞれのとちに置き、加熱オーブンを通じた輸送
用のコンベヤーに各々のコア／とちを続々と又は隣り合
わせに置くことによって処理することができる。

【０００７】本発明の特定の実施例において、加熱オー
ブンを通るコンベヤーの運行速度は、とち及び素地のセ
ラミックコアを加熱オーブンの出口の開口の最も近くで
所望の超周囲温度まで加熱するように、制御される。と
ち及び素地のセラミックコアが周囲温度まで冷却し得る
ように、とち及び素地のセラミックコアを、加熱オーブ
ンを出た後に、コンベヤーから除去する。とちが、加熱
オーブンを出た後、及び周囲温度まで冷却する間に、素
地のセラミックコアに熱を供給することは、加熱オーブ
ンにおいて素地のセラミックコアを加熱する為に必要と
される時間を減少させるのに都合がよい。

【０００８】本発明の好ましい実施例において、素地の
セラミックコアを、上部のとちと下部のとちとの間に置
き、上部のとちと下部のとちとの間で加熱オーブンを通
じて運搬する。

【０００９】本発明は、コア成形金型からの除去後、歪
みがちである相対的に薄い断面を伴う翼後縁を有する翼
領域を含む素地のセラミックコアを処理することに、限
定はされないが、有益である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、従来の射出成形、トラ
ンスファー成形、又は、可塑性のセラミック化合物をコ
ア金型若しくは型に導入する他のコア形成技術によって
作られるセラミックコアの製造にのみ関する説明の目的
の為に、以下に記載される。射出又はトランスファー成
形されたセラミックコアを、高温のセラミックの粉末
（例えば、アルミナ、シリカ、ジルコン、ジルコニア、
など、粉）を含むセラミック化合物、有機結合剤（例え
ば、熱硬化性結合剤材料、熱可塑性又は架橋熱可塑性結
合剤材料、及びその混合物）、並びに様々な添加剤を超
周囲金型温度の金型へ射出することによって成形し、素
地のコアを形成する。セラミック化合物を含む特定のセ
ラミック粉末、有機結合剤、及び添加剤は、この為に使
用される入手可能な従来の材料から選択され得、この発
明の部分を形成しない。

【００１１】使用することができる典型的な熱硬化性樹
脂の結合剤は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃ
ｏｍｐａｎｙからＳＲ３６０として入手可能であり、素
地のコア１０が高温（例えば、３００度Ｆ）で成形され
た後、軟化点又は約２００度Ｆより高い温度（例えば約
２５０度Ｆ）を有する。すなわち、熱硬化性樹脂の結合
剤は、コア金型又は型において成形されたセラミックコ
アの成形の間に、ある程度架橋し、それによって、在庫
品の樹脂結合剤によって示される比較的低い値より上に
その軟化温度を上昇させる。成形された素地のコア１０
が、引き続き、成形されたセラミックコア１０に存在す
る結合剤の軟化点又は温度より高く加熱されるとき、結
合剤は、素地のコア１０が、対応して内部応力を緩和
し、硬質の上部及び下部のとち４０、４２の表面４０
ａ、４２ａに対する上部のとち４０の重量の下で、所望
のコアの構成に一致することを、可能とすると思われ
る。しかしながら、高い超周囲温度で軟化する他の有機
結合材を、本発明を実践することにおいて使用すること
ができるとき、本発明は、どんな特定の熱硬化性及び／
又は熱可塑性樹脂の結合剤にも限定されない。例えば、
米国特許第４８３７１８７号は、素地のコアを形成する
コア金型への射出用の、熱可塑性ワックス系の結合剤系
を含むアルミナ系のコア材料を記載しており、その特許
の教唆は、ここでは参照によって組み込まれる。

【００１２】図１及び１Ａを参照して、上部の硬質のと
ち４０と下部の硬質のとち４２との間に位置する、コア
金型又は型（示してない）から除去された素地のセラミ
ックコア１０を、概略的に示す。素地のコア１０を、そ
れがまだコア金型又は型からの除去に続く高い成形温度
（例えば３００度Ｆ）にあるとき、又は素地のコア１０
が室温まで冷却された後、とち４０、４２の間に位置さ
せることができる。ニッケル又はコバルトが主成分の超
合金のガスタービンエンジン動翼を鋳造することに使用
する素地のセラミックコア１０を、図２において説明す
る。コア１０は、タービン翼の鋳造において形成される
内部の冷却通路の構成を有する。コア１０は、根元領域
１２及び翼領域１４を含むように説明される。翼領域１
４は、翼前縁１６及び歪みがちな相対的に薄い断面を有
する翼後縁１８を含む。様々な構成及び寸法の開口又は
溝２０を、コア１０を通じて提供し、公知の鋳造タービ
ン翼の内側に、長い壁、曲線的な台座、及び他の特徴を
形成することができる。コア１０は、タービン翼のコア
技術において公知である凸側面Ｓ１及び反対の凹側面Ｓ
２を含む。側面Ｓ１及びＳ２は、典型的には、リブ、台
座、攪拌器などのような複雑な表面の特徴を含む。翼後
縁１８は、典型的には、そる、若しくはカールするか、
又は別の状態に歪む傾向がある非常に薄い縁へ次第に薄
くなっている。

【００１３】硬質の上部及び下部のとち４０、４２は、
金属、プラスチック（例えば、Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ
Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＲＥＮプラスチック）、
セラミック、又は他の相対的に硬質の／堅固な材料を含
んでもよい。とちは、素地のセラミックコア１０のそれ
ぞれ最も近い側面Ｓ１、Ｓ２の最も外側のプロファイル
又は輪郭に対応すると共に素地のコア１０を受ける為に
その側面の間に空洞を定義する、それぞれの内部のコア
を受ける面４０ａ、４２ａを含む。輪郭を描いたとちの
表面４０ａ、４２ａは、各々均一であり、成形されたコ
ア１０に存在する台座、攪拌器などのような、表面の詳
細を含まない。

【００１４】本発明の方法の実施例を実践することにお
いて、成形からまだ熱い間に、又は周囲温度まで冷却し
た後、素地のセラミックコア１０を、コア金型又は型
（示してない）から除去し、下部のとち４２に置く。と
ちの表面４２ａと接触して、とち４２にコアを適切に位
置決めすることを妨げ得るコアの表面又は側面Ｓ２にお
ける鋳ばりを削り、とち４２における素地のコアの適切
な位置の選定を可能とする。コアの鋳ばりは、コア金型
における型割り線に由来し得る。代わりに、下部のとち
４２を、全ての位置で取り除き、コア１０に残留する全
ての鋳ばりを収容することができる。次に、上部のとち
４０を、従来の様式でコア１０の上端に置く。上部のと
ちの表面と接触してとち４０にコアを適切に位置決めす
ることを妨げ得るコア表面又は側面Ｓ１の鋳ばりを削
り、とち４０における素地のコアの適切な位置の選定を
可能とする。とち４０、４２は、図１Ａにおける、互い
に一致しする一又は複数の組みの雄型及び雌型位置決め
ボタンＢ２、Ｂ１を含み、とちを、それらのとちの間の
コア１０と共に、互いに対して確実に位置決めする。上
部のとちは、この為にクランプ機構（示してない）を使
用することができるが、重力によって素地のコア１０上
に保持される。とちの重量、とちの材料、クランプ力の
ようなパラメータを、使用するセラミックコア材料及び
コアを処理するパラメータに依存して、選択することが
できる。

【００１５】本発明は、上部及び下部のとち４０、４２
の両方と共に使用することに限定されない。例えば、コ
ア１０が、少なくとも一つのとち、即ち下部のとち４２
に置かれ支持される限り、特にセラミックコア材料が熱
可塑性結合剤を含む場合に、上部のとち４０は、オプシ
ョンであって、省略してもよい。

【００１６】本発明の実施例を実践することにおいて、
間にセラミックコア１０を有するとち４０、４２を、
（例えばピザオーブンに類似する）電気抵抗素子加熱対
流オーブンのような従来の加熱オーブン５２を通って運
行する図１のエンドレスコンベヤー５０において位置決
めする。オーブン５２は、図１における矢印Ａによって
示されるコンベヤーの動きの方向に一列に整列した入口
の開口５２ａ及び出口の開口５２ｂを含む。コンベヤー
は、ローラー５３上で回転し、ローラー５３の一つ又は
両方を駆動するモーター５５によって駆動される従来の
エンドレス金属ベルトコンベヤーを含み得る。

【００１７】複数の素地のセラミックコア１０における
各々を、それぞれのとち４０、４２の間に素地のコアを
置き図１に示すように加熱オーブン５２を通じた立て続
けの輸送用のコンベヤーに各々のとち４０、４２／コア
の組み立て品を置くことによって、処理することができ
る。とち４０、４２／コア１０を、コンベヤーにおける
矢印Ａの方向に離して置き、より不変の加熱、及びコン
ベヤーベルト上の重量の制御を提供する。例えば、三イ
ンチ（又は他の適切な距離）の終端間の間隔を、コンベ
ヤー５０上の隣接するとち４０、４２／コア１０の間に
提供することができる。とち４０、４２／コア１０を、
この同じ目的の為に、矢印Ａに垂直な横の間隔と共に、
コンベヤー上に並べて置くこともできる。オーブン５２
は、典型的には、最初に対流オーブンのファンを作動さ
せ、次にコンベヤー５０を予め選択された速さまで作動
させ、次にオーブンヒーターを予め選択された時間（例
えば１０分）の間作動させて、オペレーターが、動くコ
ンベヤー５０における立て続けのとち４０、４２／コア
１０の積載を始める前に、所望のオーブンの内部温度を
達成するスケジュールに従って、オペレータによって制
御される。

【００１８】本発明の好ましい実施例において、とち４
０、４２、及びそれらのとちの間の素地のセラミックコ
ア１０を、加熱オーブンの出口の開口５２ｂに最も近い
成形された素地のセラミックコア１０に存在する、有機
結合剤の軟化温度より高い所望の超周囲温度まで加熱す
るように、加熱オーブン５２を通じたコンベヤー５０の
運行速度を、与えられたオーブンの内部温度に対して制
御する。

【００１９】例えば、図３を参照して、とち４０、４２
が予め選択されたコンベヤーの速さ（例えば２インチ毎
分）及び３００度Ｆのオーブンの内部温度でオーブン５
２を通って並んで運搬されるときに、コア１０を受ける
ことになるとち４０、４２の第一及び第二の組みの間に
あるキャビティー（空洞）における温度を測定した。一
組のとち４０、４２をコンベヤー５０の左手側で位置決
めすると共に、別の組みのとち４０、４２をコンベヤー
５０の右手側で位置決めした。各組のとち４０、４２の
間で定義される空洞における温度を、コンベヤー５０、
よってオーブン５２の左手側（黒丸の温度データ点参
照）及び右手側（黒四角の温度データ点参照）に位置決
めされるそれぞれ第一及び第二の組みのとち４０、４２
の間の各空洞に置かれる、それぞれの熱電対によって測
定した。図３は、１８分後に３００度Ｆの“ターゲッ
ト”温度に到達するまで、とちをオーブン５２を通じて
運搬するとき、オーブン５２の出口の開口５２ｂの最も
近くに位置するとち４０、４２に対応する、それぞれの
とちの組み４０、４２の間にある各空洞における温度
が、時間と共に増加することを示す。

【００２０】与えられたオーブンの内部温度に対して、
コンベヤーの速さを制御して、加熱オーブンの出口の開
口５２ｂに最も近い素地のコア１０における、所望の超
周囲焼きなまし温度を達成する。使用される特定のコン
ベヤーの速さは、オーブン５２の温度特性に依存すると
思われ、コア１０及びとち４０、４２の質量及び熱伝導
率を経験的に決定して、加熱オーブンの出口の開口５２
ｂの最も近くで、所望の超周囲温度を提供することがで
きる。

【００２１】上述したとちの間の素地のコア１０に対す
る３００度Ｆのターゲット温度は、説明の目的の為にの
み提供され、素地のセラミックコアを成形した後に約２
００度Ｆ以上の軟化温度（例えば約２５０度Ｆ）を有す
る上述した熱硬化性樹脂のコア結合剤（即ち、Ｇｅｎｅ
ｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可
能なＳＲ３６０結合剤）に対して選択された。結合剤
が、成形された素地のセラミックコアに存在するとき
に、異なる軟化温度を有する異なる有機結合剤に対して
は、他のターゲットなまし温度が選択されるかもしれな
い。

【００２２】とち４０、４２／コア１０が開口５２ｂを
通じてオーブン５２から出た後、とち４０、４２／コア
１０が周囲温度まで冷却し得るように、それらをコンベ
ヤー５０から除去して、テーブル５４に置く。加熱され
たとち４０、４２は、テーブル５４においてそれらのと
ちの間にある素地のセラミックコア１０へ熱を供給する
熱供給体として役立つ。とち４０、４２の使用は、コア
１０をとちの大部分が冷却するよりも長く高い超周囲温
度に保持すると共に、適切な形状に形成することを可能
とする。

【００２３】上述の様式における素地のセラミックコア
１０の加熱は、とち４０、４２の表面４０ａ、４２ａに
素地のコア１０を一致させることを援助して、コアの歪
みを減少させ、コアの内部応力を緩和し、予め選択され
た寸法の公差内にある素地のコアの歩留まりを実質的に
改善する。

【００２４】本発明は、とち４０、４２／コア１０が加
熱オーブンの出口の開口５２ｂの最も近くで所望の超周
囲温度まで加熱されることに限定されない。例えば、と
ち４０、４２／コア１０を、それらがコンベヤー５０に
おいてオーブン５２を通じて運搬されるとき、加熱オー
ブン５２内の任意の場所又は位置で結合剤の軟化温度よ
り高い超周囲温度まで加熱することができる。しかしな
がら、加熱オーブンの出口の開口５２ｂの最も近くで所
望の超周囲温度までのとち４０、４２／コア１０の加熱
は、オーブン５２におけるとち４０、４２／コア１０の
滞留時間を減少させることに都合が良く好ましい。

【００２５】

【実施例】

【発明の効果】 【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実践する装置の概略の透視図で
ある。

【図１Ａ】間に素地のセラミックコアを有する上部及び
下部のとちの拡大図である。

【図２】本発明に従って処理され得る典型的な素地のセ
ラミックコアの透視図である。

【図３】とちが加熱オーブンを通じて運搬されるとき、
コンベヤーの右及び左手側における素地のセラミックコ
アの位置に応じて上部及び下部のとちの間で測定された
典型的な温度のグラフである。

【符号の説明】

１０ 素地のセラミックコア １２ 根元領域 １４ 翼領域 １６ 翼前縁 １８ 翼後縁 ２０ 溝 ４０ 上部のとち ４０ａ 上部のとちの表面 ４２ 下部のとち ４２ａ 下部のとちの表面 ５０ コンベヤー ５２ 加熱オーブン ５２ａ 入口の開口 ５２ｂ 出口の開口 ５３ ローラー ５４ テーブル ５５ モーター Ａ コンベヤーの動きの方向 Ｂ１ 雌型位置決めボタン Ｂ２ 雄型位置決めボタン Ｓ１ 凸側面 Ｓ２ 凹側面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボビー エイ ディクソン アメリカ合衆国 テネシー州 37814 モ ーリスタウン クレストウェイ・ドライヴ 1410 (72)発明者 ジェニファー エイ ホルト アメリカ合衆国 テネシー州 37891 ホ ワイツバーグ ヒース・ウィンズ・コート 6089 Ｆターム(参考） 4E093 QB03 QC01

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結合剤を有する未焼成のセラミックコア
   を少なくとも一つのとちに置くステップと、 前記とちと該とち上の前記素地のセラミックコアとを、
   加熱オーブンを通じて前記とちと前記素地のセラミック
   コアとを運搬するコンベヤーに置くステップと、 前記加熱オーブンを通じて前記とちと前記素地のセラミ
   ックコアとを運搬して、前記とちと前記素地のセラミッ
   クコアとを高温の超周囲温度まで加熱するステップと、
   を含むセラミックコアを処理する方法。
2. 【請求項２】 前記とちと前記素地のセラミックコアと
   を、前記未焼成のコアに存在する前記結合剤の軟化温度
   より高い超周囲温度まで加熱する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記とちと前記未焼成のセラミックコア
   とが前記加熱オーブンの出口の開口の最も近くに位置す
   るとき、前記とちと前記未焼成のセラミックコアとを前
   記超周囲温度まで加熱するように、前記コンベヤーの運
   行速度を制御するステップを含む請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 前記とちと前記素地のセラミックコアと
   が周囲温度まで冷却し得るように、前記加熱オーブンを
   出た後に、前記とちと前記未焼成のセラミックコアとを
   前記コンベヤーから除去するステップを含む請求項１記
   載の方法。
5. 【請求項５】 前記とちは、前記加熱オーブンを出た後
   と周囲温度まで冷却する間とに、前記未焼成のセラミッ
   クコアへ熱を供給する請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 前記未焼成のセラミックコアは、前記超
   周囲温度まで加熱された後に、前記とちの表面に一致す
   る請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】 前記未焼成のセラミックコアは、上部の
   とちと下部のとちとの間に置かれ、前記上部のとちと前
   記下部のとちとの間で前記加熱オーブンを通じて運搬さ
   れる請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】 前記未焼成のセラミックコアは、翼領域
   を含む請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】 前記結合剤は、熱硬化性結合剤を含む請
   求項１記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記結合剤は、熱可塑性結合剤を含む
    請求項１記載の方法。