JP2002531267A - 多数壁セラミック中子組立品及びその製造方法と内部冷却通路の形を定める多数壁を有する翼鋳物の製造方法 - Google Patents
多数壁セラミック中子組立品及びその製造方法と内部冷却通路の形を定める多数壁を有する翼鋳物の製造方法Info
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Abstract
Description
のような超合金翼を鋳造するための、複雑な複合セラミック中子(multi−
piece ceramic core)に関する。
や薄壁(thin−wall)があり、翼内部の冷却効率を改善してより大きな
エンジン推力を与えたり十分な耐用年数となるように複雑な空冷用通路(air
cooling channel)を設けた進歩した翼(タービン動翼または
羽根)を高く評価している。
明細書には、複雑な空冷通路を設けた、多数壁や薄壁のある進歩したタービン動
翼または羽根の設計が記載されている。米国特許5295530号明細書におい
て、第1薄壁セラミック中子をワックスまたはプラスチックで被覆し、その被覆
された第1セラミック中子上に類似する第2セラミック中子を仮位置決めピンで
配置して多数壁を有する中子組立品(multi−wall core ass
embly)を作成し、セラミック中子に穴をあけ、各々のあけた穴に位置決め
ロッドを嵌入させ、それから第2セラミック中子をワックスまたはプラスチック
で被覆する。多数壁セラミック中子組立品の構築は必要に応じてこの順序で反覆
される。
、この中子組み付け手順は全くもって複雑であり、時間を浪費しコストも高い。
加えて、この中子組み付け手順では寸法精度が低下し、中子組立品の繰返し精度
が低下し、従ってそのような中子組立品を用いて作られる翼鋳物に損失をもたら
すこととなり得る。
や薄壁のある進歩したタービン翼形(例えばタービン動翼あるいは羽根の鋳物)
の鋳造に用いる多数壁セラミック中子組立品及びその製造方法と内部冷却通路の
形を定める多数壁を有する翼鋳物の製造方法を提供することにある。
壁セラミック中子組立品及びその製造方法と内部冷却通路の形を定める多数壁を
有する翼鋳物の製造方法を提供することにあり、これまでの中子組立技法の不利
な点を克服する新規の方法で複合中子組立品を形成する。
ケータ機能と嵌合する一体連結ロケータ機能を複数の個別的な中子構成要素が有
するように形成すること、 中子構成要素を焼成すること、 隣接している中子構成要素が有する一体連結ロケータ機能と嵌合させて焼成され
た中子構成要素を組立てて、中子構成要素の適切な相互関連した位置・間隔決め
をする内部ジョイントを形成すること、 中子構成要素を組立品として一緒に接合させる内部ジョイントにセラミック接着
剤を導入すること、 からなる。
ミック接着剤によって一体連結ロケータ機能間の内部ジョイントで一緒に接合さ
れる、薄壁のある間隔を置いた複数の中子構成要素を備えたことを特徴とする。
を定める多数壁を有する翼鋳物の製造方法であって、薄壁のある複数の個別的な
アーチ形(例えば翼形)の中子構成要素が一体連結ロケータ機能を有するように
、マスタ鋳型で形成される。その個別的な中子構成要素はそれぞれのセラミック
セッタ支持具にある状態で予焼される。予焼された中子構成要素は、隣接してい
る中子構成要素が有する一体連結ロケータ機能を用いて一緒に組立てられる。
ントに導入するセラミック接着剤を用いて一緒に接着される。そのように作られ
た多数壁セラミック中子組立品は薄壁のある間隔を置いた複数のアーチ形の(例
えば翼形)中子構成要素とからなり、接着された一体連結ロケータ機能間の内部
ジョイントで一緒に結合される。
る翼形(図示せず。ガスタービンエンジンタービン動翼や羽根が含まれる)を鋳
造するための多数壁セラミック中子組立品10及びその製造方法と内部冷却通路
の形を定める多数壁を有する翼鋳物の製造方法を提供する。タービン動翼や羽根
は、例えば周知のニッケルあるいはコバルト基超合金といった溶融状態の超合金
を、図5に示すように中に中子組立品10が配置されるセラミックインベストメ
ントシェル鋳型Mに鋳込むことで形成できる。溶融状態の超合金をセラミック中
子組立品10まわりの周知の鋳型M内で方向性凝固(directionall
y solidified)させて、セラミック中子組立品10を中に有した柱
状晶(columnar grain)あるいは単結晶の鋳物を作り出すことが
できる。あるいは、溶融状態の超合金を鋳型M内で凝固させて、周知の等軸晶(
equiaxed grain)鋳物を作り出すこともできる。後述のごとく、
化学溶脱あるいは他の適切な技法で中子組立品10が除去されて、中子構成要素
C1、C2、C3があったところが内部冷気通路となる鋳造翼が形成される。 図1に示すように、本発明例示の中子組立品10は、薄壁があり予め形成され
た一体連結ロケータ機能を有する複数の(3つが図示されている)個別的なアー
チ形の中子構成要素C1、C2、C3からなり、その一体連結ロケータ機能は、
中子構成要素C1、C2にある円筒形(あるいは他の形)の突起あるいは柱10
aと、中子構成要素C2、C3にある補完的な円筒形の凹部あるいはカウンタボ
ア10bとからなる。一般的に0.002から0.004インチ/サイドの隙間
(径方向隙間)が示される図3の凹部10bで柱10aが受け止められ、それに
よって中子組立品10の内部ジョイントJの形が定まる。柱10aの端と凹部1
0bとの隙間は0.015インチから0.020インチにわたり、その間に後述
のように接着剤を受け入れる空洞10cが形成される。
が共に嵌合して弧を描かせ、鋳型Mの中子組立品10のまわりで鋳造される翼に
内部壁及び内部冷却空気通路を形成するように、柱10a及び凹部10bが中子
構成要素C1、C2、C3の相補形パターンに配置される(図5)。中子構成要
素C1にある柱10aの例示パターンが図6に示されている。
要素C1、C2、C3は、空間S1、S2を形成するように、中子の対抗する面
に造られた一体バンパCBによって間隔をあけて配置される。超合金が鋳型Mの
中子組立品10のまわりに鋳込まれると、最終的に空間S1、S2は溶融状態の
超合金で充填される。
タ鋳型(図示せず)で形成され、アーチ形状となり一体連結ロケータ機能10a
、10bが形成される。空洞10cにそれぞれ連通する接着剤入口穴10dとと
もに、中子構成要素C1、C3が形成される。例えば各中子構成要素C1、C2
、C3のように構成されたそれぞれのマスタ鋳型にセラミックスラリーが射出さ
れる射出成形によって、中子構成要素がアーチ形状となり一体連結ロケータ機能
と接着剤入口穴とを有した状態で形成できる。すなわち、一体連結ロケータ機能
10aおよび/または10bおよび接着剤入口穴10dを適切に配置した状態で
その中子構成要素を形成するために、それぞれの中子構成要素C1、C2、C3
用にマスタ鋳型が用意される。米国特許5296308号明細書には一体機能を
有するセラミック中子の射出成形が記載されており、それは本願明細書に引用し
たものとする。あるいは、本発明は特定の中子成形技術に限定されないので、注
入中子成型法(poured core molding)やスリップ注型法(
slip−cast molding)やその他の技法で中子構成要素を形成し
てよもい。
子組立品10を形成する場合には、中子構成要素C1、C2、C3は、当業者に
明らかである、凹凸面・翼前縁および翼後縁がある断面輪郭の相補形鋳物翼形と
なる。
ン基、ジルコニア基、あるいは当業者に既知の他の適切なセラミック中子材料や
その混合物からなることができる。特定のセラミック中子材料は本発明の一部を
形成せず、適切なセラミック中子材料は米国特許5394932号明細書に記載
されているものである。そのセラミック中子材料は、後述の如くそこに形成され
る翼鋳物から化学的に溶脱できるものが選ばれる。
にするため、型込めの後更なる処理の前に、個々の生の(未焼成の)中子構成要
素を目視検査する。個々の中子構成要素の外観を検査できるので、中子組立品1
0の歩留り率を増加させ中子組立品のコストを減らす点で有利である。
は、一組の各セラミックセッタ20、21(例示のために一組が図2で示されて
いる)で高温で予焼される。セラミックセッタ21が中子構成要素上にある一方
、各セラミックセッタ20には、隣接する中子構成要素(例えば図3の中子構成
要素C1)面を支持するよう構成される上部支持面20aが含まれる。複合中子
構成要素がそのセラミック材料に応じた従来の中子焼成パラメータを用いて従来
の中子燃焼加熱炉に装填されるように、セラミックセッタ20の底面は従来の支
持具上に配置される。燃焼加熱炉から除去したあと、隣接している中子構成要素
C1、C2、C2、C3に予め形成された一体連結ロケータ機能10a、10b
を用いて、予焼された中子構成要素C1、C2、C3を共に組立てる。その一体
連結ロケータ機能は、中子構成要素の相互関連した取付具における適切な位置・
間隔決めをなすものである。中子構成要素は、手作業で又は適切な機械的装置で
取付具に組み立てることができる。
関連した位置を定める型板部材TMを備えた取付具あるいは型板とともに、一体
連結ロケータ機能10a、10b間の内部ジョイントJに導入されるセラミック
接着剤30を用いて一緒に接着される。セラミック接着剤30は市販のアルミナ
基、シリカ基あるいは従来のセラミック中子材料に用いられる他のペーストセラ
ミック接着剤からなる。そのセラミック接着剤30は、中子構成要素C1、C3
に形成される接着剤入口穴10dにシリンジを挿入することで内部ジョイントJ
に導入される。内部ジョイントJは「カウンタボア中の柱」形状であり、セラミ
ック接着剤30を受け入れる空洞10cは、各柱10aの端と各下部嵌合凹部1
0bとの間で形が明確となる。セラミック接着剤30は各々の接着剤入口穴10
dと関連する空洞10cとを充填するために導入される。
C1、C2、C3が取付具あるいは型板にある間に、セラミック接着剤30がセ
ットされる。
ことで中子組立品10が取付具あるいは型板から除去され、そして接着した中子
組立品に更なる処理が施される。必要ならば手作業によって各々の中子構成要素
の外面と同じ平面になるまで、接着剤入口穴10dをセラミック接着剤で充填し
てよい。追加してセラミック接着剤30で、中子構成要素の面が互いに嵌合ある
いは入れ子状になっている幅木のところ又はその他の中子外面のところであるジ
ョイント管路を充填させてもよい。セラミック接着剤30は中子外面と同じ高さ
になるよう均等化される。
能10a、10bによって相互関連して配置されるとともに一体連結ロケータ機
能間の内部ジョイントJにおいてセラミック接着剤30で一緒に接合する薄壁の
ある間隔を置いた複数のアーチ形の(翼形)中子構成要素C1、C2、C3とか
らなる。
ル鋳型を形成するように、更なる処理がなされる。特に、消耗型蝋模型やプラス
チックや他の材料が空間S1、S2や中子組立品10のまわりに導入され、中子
/模型組立品が形成される。このために一般的には、中子組立品10は金型模型
に配置され、空間S1、S2や中子組立品10のまわりに溶融状態のワックスW
が射出され、要求された多数壁のあるタービン動翼あるいは羽根形状を形成する
(図4)。それから、周知の「ロストワックス」法に従って中子/模型組立品を
セラミックスラリーに反覆浸漬し、過剰スラリーを排出し、シェル鋳型が中子/
模型組立品に造型され、要求された厚さになるまで粗粒セラミックスタッコを振
りかけ、セラミック鋳型材料に配置する。それから、シェル鋳型が鋳造に耐える
強さとなるよう高温で焼成され、中に中子組立品10を有するシェル鋳型Mを残
しつつ熱的あるいは化学的溶解技法によって模型が選択的に除去される(図5)
。
溶融状態の超合金が導入される。その溶融状態の超合金が中子組立品10のまわ
りの鋳型Mで方向性凝固して、柱状晶あるいは単結晶の翼鋳物を形成する。ある
いは溶融状態の超合金が凝固して、等軸晶の翼鋳物を形成する。機械的型ばらし
操作で凝固した鋳物から鋳型Mを取り外し、周知の化学的溶脱あるいは機械的グ
リットブラスト技法がなされる。化学的溶脱あるいは他の従来の中子を取り外す
技法で、凝固した翼鋳物から中子組立品10を選択的に取り外す。以前、中子構
成要素C1、C2、C3があった空間は翼鋳物の内部冷気通路となり、超合金鋳
造物がある空間S1、S2は冷却空気通路を分離する翼の内部壁となる。
スファ成形によって、セラミック中子構成要素を連結ロケータ機能とともに形成
できる点、中子構成要素を予め焼くことで寸法の完全性を改善し、組立前に検査
できるようにしてセラミック中子組立品の歩留りを改善し、その結果中子組立品
のコストを減らす点で有利である。
明の実施例の種々の変更態様や変形形態を作成できることは、当業者にとって明
らかである。
を定める多数壁を有する翼鋳物の製造方法を例示の実施例において提供し、薄壁
のある複数の個別的なアーチ形(例えば翼形)の中子構成要素(core el
ement)が一体連結ロケータ機能(integral interlock
ing locating feature)とセラミック接着剤入口穴(ce
ramic adhesive entry hole)とを有するように、マ
スタ鋳型(master dies)で形成される。その個別的な中子構成要素
はそれぞれのセラミックセッタ支持具にある状態で、予焼(prefire)さ
れる。予焼された中子構成要素は、隣接している中子構成要素が有する中子構成
要素同士の相互関連した適切な位置決めをさせる一体連結ロケータ機能を用いて
一緒に組立てられる。そして、組立てられた中子構成要素は、予め形成された接
着剤入口穴を通って一体連結ロケータ機能間の内部ジョイントに導入するセラミ
ック接着剤を用いて一緒に接着される。
数のアーチ形の(例えば翼形)中子構成要素とからなり、その中子構成要素は一
体連結ロケータ機能で相互関連した位置に配置され、セラミック接着剤によって
連結ロケータ機能間の内部ジョイントで一緒に結合される。
スファ成形によって、セラミック中子構成要素を連結ロケータ機能とともに形成
できる点、中子構成要素を予焼することで寸法の完全性を改善し、組立前に検査
できるようにしてセラミック中子組立品の歩留りを改善し、その結果中子組立品
のコストを減らす点、中子組立品の高い寸法精度と繰返し精度が得られる点で有
利である。
る。
れた中子組立品の断面図である。
れている中子組立品の断面図である。
立品の断面図である。
中子構成要素の斜視図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 隣接している中子構成要素が有する補完的な一体連結ロケー
タ機能と嵌合する一体連結ロケータ機能を複数の個別的な中子構成要素が有する
ように形成すること、 中子構成要素を焼成すること、 隣接している中子構成要素が有する一体連結ロケータ機能と嵌合させて焼成され
た中子構成要素を組立てて、中子構成要素の適切な相互関連した位置・間隔決め
をする内部ジョイントを形成すること、 中子構成要素を組立品として一緒に接合させる内部ジョイントにセラミック接着
剤を導入すること、 からなる多数壁セラミック中子組立品の製造方法。 - 【請求項2】 前記中子構成要素に、一体連結ロケータ機能に連通する接着
剤入口穴を形成した請求項1の多数壁セラミック中子組立品の製造方法。 - 【請求項3】 中子構成要素を接合させた後に前記接着剤入口穴をセラミッ
ク材料で充填させる請求項2の多数壁セラミック中子組立品の製造方法。 - 【請求項4】 前記中子構成要素は射出成形あるいはトランスファー成形さ
れる請求項1の多数壁セラミック中子組立品の製造方法。 - 【請求項5】 中子構成要素に形成され、且つジョイントに連通する接着剤
入口穴に挿入したシリンジを用いて、前記セラミック接着剤を内部ジョイントに
導入させる請求項1の多数壁セラミック中子組立品の製造方法。 - 【請求項6】 前記中子構成要素をアーチ形とするとともに、この中子構成
要素が、タービン翼形を鋳造するために略翼断面形状となっている請求項1の多
数壁セラミック中子組立品の製造方法。 - 【請求項7】 焼成された中子構成要素が、その一体連結ロケータ機能と内
部ジョイントに導入されるセラミック接着剤と共に取付具に組み立てられる請求
項1の多数壁セラミック中子組立品の製造方法。 - 【請求項8】 一体連結ロケータ機能によって相互関連して配置されるとと
もに、セラミック接着剤によって一体連結ロケータ機能間の内部ジョイントで一
緒に接合される、薄壁のある間隔を置いた複数の中子構成要素を備えたことを特
徴とする多数壁セラミック中子組立品。 - 【請求項9】 前記中子構成要素をアーチ形とするとともに、この中子構成
要素が、タービン翼形を鋳造するために略翼断面形状となっている請求項8の多
数壁セラミック中子組立品。 - 【請求項10】 セラミック鋳型内における中子組立品の位置を定めること
、 中子組立品のまわりの鋳型に溶融状態の金属材料を導入すること、 からなる内部冷却通路の形を定める多数壁を有する翼鋳物の製造方法。 - 【請求項11】 溶融状態の金属材料が、鋳型で方向性凝固する内部冷却通
路の形を定める多数壁を有する翼鋳物の製造方法。
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