JP2003053480A - インベストメント鋳造における中子及びパターンの製造 - Google Patents

インベストメント鋳造における中子及びパターンの製造

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JP2003053480A JP2002214292A JP2002214292A JP2003053480A JP 2003053480 A JP2003053480 A JP 2003053480A JP 2002214292 A JP2002214292 A JP 2002214292A JP 2002214292 A JP2002214292 A JP 2002214292A JP 2003053480 A JP2003053480 A JP 2003053480A
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Ken E Fosaaen
イー フォサーエン ケン
Jeffery S Smith
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アール アーニー デイヴィッド
Robert M Shay Jr
エム シェイ，ジュニア ロバート
Nick G Lirones
ジー リローンズ ニック
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、金属及び合金のインベストメント
鋳造で使用するセラミック中子及び遊走性パターンを製
造する改良された方法及び装置を提供することを目的と
する。 【解決手段】 インベストメント鋳造で使用するための
セラミック中子若しくは遊走性パターンを製造する方法
及び装置。流動性セラミック中子若しくはパターン物質
は協働するダイで定義される成形穴に導入され、一つ若
しくは両者のダイの少なくとも一つの領域は物質で成形
穴の充満中に加熱され、次いで、成形穴からセラミック
中子若しくはパターン除去前に低い取り出し温度まで冷
却される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属及び合金のイ
ンベストメント鋳造におけるシェルモールドを生成する
ために使用するセラミック中子及び遊走性パターンの製
造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の等軸及び指向的な凝固技術を用い
る中空のガスタービンエンジンブレード及び翼（エアー
フォイル）の鋳造において、エアーフォイルの内部冷却
路を成形するために、焼成されたセラミック中子は、セ
ラミックインベストメントシェルモールドに位置する。
ガスタービンエンジンの作動中、エアーフォイルの温度
を許容範囲内に維持するために冷却空気は冷却路に導か
れる。中空のタービンエンジンエアーフォイルのインベ
ストメント鋳造に使用される焼成されたセラミック中子
は、典型的には、薄い断面の後縁領域を伴うエアーフォ
イル形状領域を有する。
【０００３】典型的に、セラミック中子は、注入成形、
トランスファー成形によって、若しくは適切に形作られ
た中子形成ダイへの１つ以上のセラミックパウダー、結
合剤及び任意の添加物を含んでいる適切な流体セラミッ
ク中子物質を注入することによって望ましい中子形態に
成形される。緑の成形された中子がダイから取り除かれ
た後、遊走性の結合剤及び湯の華を取り除き、かつ中空
ガスタービンエンジンブレード及び翼（エアーフォイ
ル）を鋳造するために典型的に使用されるニッケル若し
くはコバルトの基剤超合金のような金属材料を鋳造する
際に使用の中子を増強するために１段階以上の高温度
（スーパーアンビエント）で焼成される。
【０００４】次いで、焼成されたセラミック中子は、周
知のロストワックス法によるシェルモールドの製造で使
用され、ここでセラミック中子はパターン成形ダイに位
置しており、遊走性パターンは中子と内部のダイ壁との
間の空間のダイの中へ、ワックス、加熱可塑性物等など
の気圧パターン物質の下で注入することによって中子に
関して形成される。一般的に、パターンは、中子の後縁
特質の位置において対応する薄い断面の後縁領域を伴う
エアーフォイル形状領域を有する。
【０００５】セラミック中子を備える遊走性パターン
は、シェルモールドを構築する段階の反復を受ける。例
えば、パターン／中子アセンブリは、セラミックスラリ
ーに繰り返し浸けられ、余剰のスラリーは廃棄され、粗
いセラミックのしっくい若しくは砂でしっくい加工さ
れ、次いで、アセンブリにシェルモールドを形成する複
数のセラミック層を構築するために乾燥される。次い
で、結果となるインベストされたパターン／中子アセン
ブリは、そこに位置しているセラミック中子を備えるシ
ェルモールドを残して遊走性パターンを選択的に除去す
る、蒸気加圧減菌などのパターンを除去する操作を受け
る。その後、シェルモールドは、金属鋳物において適切
なシェルモールド強度を発達するために高温度で焼成さ
れる。
【０００６】セラミック中子の薄い断面の後縁領域での
ある複雑な特質とタービンエアーフォイル（例えば、タ
ービンブレード）のインベストメント鋳造で使用される
遊走性パターンは、製造における困難性を有している。
特に、中子の薄い断面の後縁領域は、鋳物のタービンブ
レードの後縁での狭い冷却空気の出口開口部を形成する
複数の狭い間隔が置かれたリブ（ｒｉｂ）を含んでい
る。
【０００７】中子モールディングダイは、セラミック中
子物質で満たされる場合にセラミック中子リブを形成す
るだろう狭い通路間で確定される間隔が置かれた壁の特
質を含むために機械加工される。それらの狭い通路は、
中子注入モールディング操作中に完全に充満することの
困難さを有する。多くの場合において、通路に入るセラ
ミック中子物質は完全に通路を満たすことに先だって時
期尚早に凝固し、残存のセラミック物質を成形穴の中子
印刷領域による妨害物のまわりに流れさせ、不運にも別
の時期尚早の凝固化前面が通路で形成された反対側から
通路に入る。充満サイクルに続く中子成形サイクルの高
圧パッケージ段階と呼ばれる間に、通路に位置する時期
尚早の凝固化前面は押されてともに“鍛造”され、時期
尚早の凝固化前面がパッケージ圧の下で鍛造される溶接
若しくは結合ラインと呼ばれる形態となる。それらの溶
接若しくは結合ラインは、通常の中子の工程及び処理中
に壊れ易いか若しくは破砕し易い比較的機械により弱い
エリアであり、中子の廃棄に帰着する。これらの問題
は、高いダイの充満速度（例えば、１５０ミリ秒以
下）、高いセラミック物質温度の後でさえ存続し、高い
パッケージ圧（例えば、２０００ｐｓｉ）は、圧迫熱板
温度（ｐｒｅｓｓ ｐｌａｔｅｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅ）の制御によって８０度Ｆ±５度Ｆで維持される中
子成形ダイの後縁領域の通路の不適当な充填の問題を克
服する過去の試みで使用された。さらに、かかる注入パ
ラメーターは、成形操作中に不安定な圧力プロファイル
を提供する。
【０００８】同様の問題は、薄い断面の後縁領域及び遊
走性パターンの注入成形ダイの別の領域の充満で経験さ
れる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、金属
及び合金のインベストメント鋳造で使用するセラミック
中子及び遊走性パターンを製造する改良された方法及び
装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の実施態様におい
て、セラミック中子及び遊走性パターンを形成するため
に選択された構成を有する流動性物質は、協働するダイ
によって定義される成形穴に導入される。少なくとも一
つ若しくは両者のダイの領域で、成形穴に近隣の充満が
困難な領域は、成形穴からの成形されたセラミック中子
若しくは成形されたパターンを取り出す前に低い取り出
し温度に冷却することに続いて、流動性物質で成形穴を
充満することに先立ち、及び充満中に、スーパーアンビ
エントな温度に加熱される。
【００１１】セラミック中子物質若しくはパターン物質
の形成されたエアーフォイル形状体を生成する本発明の
実施態様において、加熱／冷却ダイ領域は、充満が困難
な薄い断面後縁領域若しくは本体を成形するために形態
化された、エアーフォイル形状の成形穴の他の領域に近
隣して位置される。
【００１２】本発明の別の実施態様において、一つ若し
くは両方のダイの少なくとも一つの領域は、一つ若しく
は両方のダイに配置している一つ以上の熱電素子によっ
て加熱／冷却される。温度センサーは、その領域に近接
して配置され、電源コントローラーは、感知された温度
に反応して、そこで電力を制御する熱電素子に接続され
ている。
【００１３】本発明は、金属エアーフォイルの鋳造で使
用するエアーフォイル形状体を成形するための装置を提
供する。装置は、エアーフォイル形状を有する成形穴を
定義する第一及び第二ダイ、並びに流動性物質で成形穴
の充満中の領域を加熱及び成形穴から形成されたエアー
フォイル形状体を取り除く前に低い取り出し温度に領域
を冷却する、成形穴の充満が困難な領域に近接する少な
くとも一つのダイに配置されている少なくとも一つの熱
電素子を含んでいる。装置は、各熱電素子から熱を除去
するために熱交換流体を導くための入り口導管及び熱交
換流体をそこから排出するための出口導管を含むことが
できる。成形穴は、エアーフォイル形状体を複製するセ
ラミック中子若しくは遊走性パターンの形態を有する。
【００１４】本発明の前述した目的及び利点は、添付図
を伴う下記の詳細な記載から、より明らかになるであろ
う。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明は、金属及び合金のインベ
ストメント鋳造でのシェルモールドの製造の使用におけ
る成形されたセラミック中子及び遊走性パターンの製造
に関する。特に、本発明は、等軸グレインエアーフォイ
ルを生産する従来の等軸及び、縦欄式配列のグレイン及
び単一結晶エアーフォイルを生産する指向的な凝固技術
を用いるタービンブレード及び翼などの中空のガスター
ビンエンジンエアーフォイルを成形するニッケル基若し
くはコバルト基超合金の鋳造におけるセラミック中子及
び遊走性パターンの生成に有用である。しかしながら、
本発明は限定せずに、他の金属構成部分の鋳造で使用す
るためのセラミック中子及び遊走性パターンの製造を実
行できる。
【００１６】本発明は、流動性のセラミック中子材若し
くは遊走性パターン物質が領域を満たすのに困難を有す
る、成形穴を満たすことが困難な一つ以上の領域の充満
を提供するのに有用である。成形穴を満たすことが困難
な領域は、薄い断面の大きさ若しくは別の大きさ、複雑
な形態、成形穴への流動性物質の入り口からの遠隔、ダ
イによる局地的な急速な熱の欠損、領域に近接する流動
性物質の流れの特性、及び前述に列記した要因の組み合
わせによって流動性物質を満たすことが困難である。本
発明は、インベストメント鋳造で使用するためのセラミ
ック中子及び遊走性パターンの成形で流動性セラミック
中子物質若しくは流動性パターン物質で成形穴のかかる
満たすことが困難な領域を充満することが実行できる。
本発明はエアーフォイル形状の中子成形穴の薄い断面の
後縁領域の充満に関する例証の目的のために下記に記載
されているが、本発明はかなり制限されないで、成形穴
の位置に関係なく、形成穴の任意の満たすことが困難な
領域を満たすことが実行できる。例えば、本発明は、セ
ラミック中子若しくは遊走性パターンのリーディングエ
ッジでの満たすことが困難な一つ以上の領域の充満を改
良するために実行できる。
【００１７】制限ではなく例証する目的において、図１
は、注入成形圧迫の固定されたプレスプレート２５ａと
ダイベース２７ａとの間及び可動のプレスプレート２５
ｂとダイベース２７ｂとの間に配置されている水で冷却
したアルミニウムプレート２３ａ、２３ｂによって８２
乃至８３度Ｆで維持されている第一及び第二の協働ダイ
１０、１２を例示している。ダイベース２７ａはダイ１
０を保持し、一方でダイベース２７ｂはダイ１２を保持
する。水で冷却したアルミニウムプレート２３ａ、２３
ｂのそれぞれは、各プレート２３ａ、２３ｂのそれぞれ
の水径路（示されていない）に冷却水を供給する冷却水
口Ｉ、次いで放出する水の出口Ｌを含んでいる。代わり
に若しくは冷却プレート２３ａ、２３ｂは加えて、ダイ
ベース２７ａ、２７ｂは、局所的なダイ領域３０を除外
して全体のダイ温度を維持するために同様に水は冷却さ
れ得る。
【００１８】図１乃至３は、一般的なエアーフォイル形
状をその間に有する主要な中子成形穴１４を定義するよ
うな協働する中子成形ダイ１０、１２を例示している。
他の適切なダイの物質が使用されるけれども、一般的に
ダイ１０、１２は鉄からなる。成形穴１４は、一般的
に、特定の中子の設計によって指示されるようなタービ
ュレーター、通路、ペデスタルリセス（ｐｅｄｅｓｔａ
ｌ ｒｅｃｅｓｓｅｓ）などの中子に成形されるが、し
かし本発明の部品を形成しないような図３で削除されて
いる複雑なダイの表面の特質を含んでいる。エアーフォ
イル状の成形穴１４は、リーディングエッジ領域１４ａ
及び主要な中子穴１４の断面と比較して比較的薄い断面
が次第に先細になる、後縁領域１４ｂを含んでいる。ほ
んの例として、後縁領域１４ｂは下がるにしたがって
０．０１４インチよりも先細になる。これは、リーディ
ングエッジ領域近くの中子成形穴１４の最大厚の０．５
００インチと比較する。成形穴１４のリーディング領域
及び後縁領域１４ａ、１４ｂは成形された中子Ｃにそれ
ぞれのリーディングエッジ及び後縁ＬＥ、ＴＥを形成す
る。
【００１９】壁の特質１４Ｃは、ダイが狭い通路１４ｄ
をその間に確定するために閉まっている場合のダイの下
部１０及びダイの上部１２に機械加工される。狭い通路
１４ｄは、成形穴１４に成形されている、図４のセラミ
ックの中子ＣのオープンスペースＯＰによって分離され
る狭いセラミックのリブＲを形成する。エアーフォイル
の鋳造技術の既知の手法で中子が除去される場合、リブ
Ｒは、鋳物の超合金タービンエアーフォイルの後縁から
の冷却空気のための出口を形成するであろう。
【００２０】図４で、ダイ１０は、凸のエアーフォイル
状の中子表面Ｓ１を形成するための成形面１４ｅを含
み、及びダイ１２は成形された中子Ｃで凹のエアーフォ
イル状の中子表面Ｓ２を形成するための成形面１４ｆを
含んでいる。成形穴１４は、成形された中子Ｃに中子印
刷領域Ｐ１、Ｐ２を形成するために適合される、二次的
領域１４ｇ、１４ｈを含んでいる。図３に示されるよう
に、複数の通気路１４ｐは、セラミックの中子物質が穴
１４に導入されるように、成形穴１４から空気を排出す
るために、後縁領域１４ｄ及び溝１４ｇとの間に配置さ
れている。
【００２１】複数のエゼクターピンＥＰはダイ１０に配
置され、成形穴１４から成形された中子Ｃを取り出すた
めの手法で移動可能である。後縁領域１４ｄに近隣のエ
ゼクターピンＥＰは図３に示されている。従来の手法で
そこから成形された中子の除去をもたらすために成形穴
１４の様々な他の位置に位置している別のエゼクターピ
ンは示されていない。
【００２２】入り口開口部１０ａはダイの下部１０若し
くはダイの上部１２、又はその両者に形成されており、
従来の中子注入成形圧縮（示されていない）のポンプＰ
と連絡している。流動性のセラミック化合物などのセラ
ミックの中子物質は、開口部１０ａを介して成形穴１４
に圧力（例えば、ほんの５００乃至２００ｐｓｉ）下で
注入される。ダイ１０、１２及びポンプＰは、オハイオ
州クリーブランドのホーメット テンプクラフト イン
ク（Ｈｏｗｍｅｔ Ｔｅｍｐｃｒａｆｔ Ｉｎｃ．，）
のモデルＤＣＳ−２として入手可能な従来の水圧のセラ
ミックの中子注入成形圧縮の部品であり得る。注入成形
圧縮は、セラミックの中子物質が一定の注入ラム速度
（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｒａｍ ｓｐｅｅｄ）での圧力
下で注入される間の完全段階、セラミックの中子物質の
圧力が上昇し、成形穴１４を完全に満たすために安定さ
れる間のパック段階、中子の凝固が完遂するまでセラミ
ックの中子物質に対する圧力が維持される間の維持段
階、及びダイが開いて成形された中子の除去を可能にす
る場合の中子取り出し段階を提供するために操作され
る。凝固はセラミックの中子物質からダイ１０、１２へ
の熱の損失の結果として発生する。
【００２３】成形穴１４に注入される流動性のセラミッ
クの中子化合物は、一つ以上の適切なセラミックパウダ
ー（粉）の混合、一つ以上の遊走性充填材物質などの遊
走性結合剤及び他の成分、分散剤、可塑剤、潤滑剤、並
びに他の成分からなる。結合剤は、熱可塑性のワックス
ベースの結合剤、熱可塑性レジン、若しくは事前に加水
分解されたエチルケイ酸塩などの有機金属の液体であり
得、形態を成形するためにセラミックパウダー／結合剤
の混合物を形成する適切な比率でセラミックパウダーと
混合される。セラミックパウダーは、従来のＶ−コーン
ブレンダー、含気性のブレンダー、若しくは混合装置な
どの他を用いて混合される。ブレンダーは、室温若しく
は高温度で従来の高い前断の混合設備を用いて加えられ
る。セラミックパウダーは、アルミナ、シリカ、ジルコ
ニア、ジルコン、イットリア及び他のパウダー並びに特
定の金属若しくは合金を鋳造するために適切な前述に列
記の混合物を含んでいる。米国特許出願番号４８３７１
８７は、アルミナを基にしたセラミック中子はアルミナ
とイットリア粉末からなることが記載している。セラミ
ックの中子を成形するために従来のセラミックパウダー
及び結合剤システムを使用することができるので、特定
のセラミックパウダー、遊走性の結合剤及びセラミック
パウダー／結合剤の混合物の他の成分は、本発明の一部
を成形しない。
【００２４】上記の発明の背景で記載したように、成形
穴１４の薄い断面の後縁領域１４ｂでの壁の特質１４ｃ
間で確定される通路１４ｄは、通路１４ｄは中子注入成
形操作中に流動性のセラミック化合物で完全に満たすこ
とが困難である、製造の困難さを表している。特に、流
動性のセラミック化合物（熱可塑性ワックスなどの結合
剤物質）は、主要な形成穴１４の入り口での通路１４ｄ
で時期尚早に凝固し、、後縁領域１４ｂの反対の最も外
側から通路１４ｄ（矢印Ａを参照）に入る中子印刷領域
１４ｆによって、妨害物のまわりで流れることをセラミ
ックの合成物に強いる。注入サイクルのいわゆるパック
段階の間に、通路１４ｄに位置している時期尚早に凝固
セラミック化合物の正面はともに正面間の空気をトラッ
ピングして、押され“鍛造”され、通常の中子処理中に
壊れ易く若しくは破砕され易い比較的機械的に弱い部分
である、いわゆる溶接若しくは結合ラインの形態とな
り、中子の廃棄に帰着する。弱い結合ライン形態の問題
は、速いダイの十分な速度（例えば、１５０ミリ秒以
下）、高いセラミック化合物の温度（例えば、２９０
Ｆ）によってさえある中子設計のために存続し、及び高
いパック圧力（例えば、２０００ｐｓｉ）はかかる問題
を克服する過去の試みにおいて使用された。
【００２５】発明の実施例に準じ、後縁通路１４ｄに近
接のダイ１０若しくはダイ１２又はその両者の局地的な
領域３０は事前に加熱され、及び成形穴１４からセラミ
ック中子を取り出す前に局地的な領域３０を冷却するこ
とによって後続する、流動性のセラミックの物質若しく
は化合物の導入中に加熱される。本発明を限定しないで
例証する目的のために提供された本発明の実例となる実
施態様において、一つ若しくは両者のダイの局地的な領
域３０は、熱電素子４０が詳細に示されている一方で、
同様の熱電素子４０´は点線で概略的に示されている、
図２で配置されている一つ以上のペルチエ熱電素子４０
によって加熱／冷却される。本発明は、後縁通路１４ｄ
を含有するそれぞれの局地的な領域３０に近接するダイ
１０若しくはダイ１２又は両者のダイ１０、１２の一つ
以上の熱電素子４０を伴って実行できる。熱電素子４０
がダイ１０、１２の両者に提供される場合は、一般的に
同一の型となるだろう。ダイ１０の熱電素子４０のみが
簡便さのために下記に記載され、ダイ１２の熱電素子が
同様であるであろうことが理解される。
【００２６】図２乃至３を参照するに、ダイ１０は機械
加工されるか、若しくは、望ましく選択された電圧の大
きさ及び極性を提供できる電圧コントローラーなどの電
力コントローラーＳから素子４０を通る電気的な流れに
依存する加熱効果若しくは冷却効果を提供できる、それ
ぞれのペルチエ半導体熱電素子４０を受取るために形態
化される一つ以上の溝１４ｊ（図３に示される二つの
溝）を含むために形成される。溝１４ｊは、溝１４ｊの
表面１４ｓ１が一般的に平行で、本発明を制限するので
はなく、例証する目的で成形穴の後縁１４ｂから焼く５
／３２インチの空間が置かれるように、ダイ１０の分岐
表面ＰＳに対する角度で配位されている。
【００２７】各ペルチエ熱電（ＰＴＥ）素子４０は、市
販の入手可能なＰＴＥ素子からなり、隣接するダイの溝
形成表面１４ｓ１と熱接触で熱により伝導的な誘電性の
プレート４０ａ、熱交換機４２と熱接触で熱により伝導
的な誘電性のプレート４０ｂ、及びその間にある周知の
複数の半導体４０ｃを含んでいる。本発明を実施するた
めの適切なＰＴＥ素子４０は、ニュージャージー州、ト
レントン、メルコールコーポレーション（Ｍｅｌｃｏｒ
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販されており入手可
能である。熱により伝導的な窒化ホウ素糊、アルミニウ
ム窒化物箔、若しくは他の熱により伝導的な物質は、好
ましくは、プレート４０ａとダイ表面１４ｓ１とプレー
ト４０ｂと熱交換機４２との間に位置している。窒化ホ
ウ素糊は、オハイオ州、クリーブランド、アドバンスド
セラミックコーポレーション（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅ
ｒａｍｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販され
ており入手可能である。アルミニウム窒化物箔は、ニュ
ージャージー州、トレントン、メルコールコーポレーシ
ョンから市販されており入手可能である。
【００２８】各熱交換器４２は、中空金属（例えば、
銅）若しくは冷却する流動性の入り口導管４２ａ及び冷
却する流動性の出口導管４２ｂに連絡している他の熱に
より伝導的な物質マニホールドを含んでいる。熱交換器
４２は、それを通過する冷却流体の流れのための内部の
曲がりくねった通路（示されていない）を含むことがで
きる。導管４２ａ、４２ｂは、主要な溝１０ｂ及び主要
な溝１０ｂに対して垂直に延在するダイ１０の二次的な
溝１０ｃで受取られる。通気路１４ｐは、セラミックの
中子物質で満たす間に、成形穴１４から空気を排出する
ために溝１０ｂ、１０ｃに連絡している。冷却する流体
は、圧縮空気、水、若しくは、入り口導管４２ａが冷却
水源（例えば、ショップワーター（ｓｈｏｐ ｗａｔｅ
ｒ））、若しくは圧縮空気（例えば、圧縮されたショッ
プエアー（ｓｈｏｐ ａｉｒ））若しくは別の閉開ルー
プ流体システムのような他の流体を含むことができる。
圧縮空気のための出口導管４２ｂは周辺空気と連絡して
いる。液体（例えば、水）が使用される場合、出口導管
４２ｂは従来の下水排水設備に接続されるか、若しくは
閉ループ再循環システムに提供されている。
【００２９】図３Ａに示されている本発明の代替となる
実施態様は、熱交換機４２を省略し、その間に熱接触を
提供するために図２のプレート４０ｂ´と近接するダイ
の溝形成表面１４ｓ２との間に、例えば、窒化ホウ素
糊、アルミニウム窒化物パッドだけのような熱による伝
導的な物質４５´を配置する。窒化ホウ素糊は、オハイ
オ州、クリーブランド、アドバンスドセラミックコーポ
レーションから市販されており入手可能である。アルミ
ニウム窒化物パッド若しくは箔は、ニュージャージー
州、トレントン、メルコールコーポレーションから市販
されており入手可能である。図３Ａにおいて、図１乃至
３と同様の特徴は、同様の参照番号に´が付せられてい
る。
【００３０】熱電対５０は、局地的なダイの領域３０の
温度をモニターするためにダイ１０の穴に位置してい
る。熱電対５０は、電圧コントローラーに対する局地的
なダイの領域３０で感知されたダイの温度を表すフィー
ドバック信号を提供するために、すでに記載の電圧コン
トローラーなどの出力コントローラーＳに接続されてい
る。熱電対は、表面１４ｓ１とダイ１０及び若しくは１
２の領域１４ｂとの間の任意の位置に位置できる。電圧
コントローラーは、注入機械マイクロプロセッサーコン
トローラーＭＣに接続でき、その結果、本発明に準じる
局地的なダイの領域３０のサーマルサイクリング（加熱
／冷却）は圧縮操作の充満段階及び維持段階と協働でき
る。電圧コントローラーＳは、注入成形圧縮の操作の段
階に依存して局地的なダイの領域３０を加熱若しくは冷
却するためにＰＴＥ素子４０に電圧の大きさ及び極性を
提供するように導線Ｗ１、Ｗ２によってＰＴＥ素子４０
に接続されている。
【００３１】例えば、本発明の実施態様に準じて、ダイ
１０（及び／若しくはダイ１２）の局地的な領域３０
は、流動性のセラミック中子物質が成形穴１４に満たさ
れるまでの充満段階に先だって、及び充満段階中に加熱
される。ＰＴＥ素子４０による局地的な領域３０の加熱
は、後縁通路１４ｄを満たす前に液体のセラミックのス
ラリーの時期尚早の凝固を実質的に防御する、局地的な
ダイの領域３０で上昇したスーパーアンビエントな温度
を提供するために出力コントローラーＳによって制御さ
れる。すなわち、セラミック物質は、通路１４ｄが満た
されるまでは液体のままである。ＰＴＥ素子４０によっ
て局地的な領域３０に適用されるべき熱エネルギー量
は、導入されているセラミック中子物質の構成及び温
度、周辺の空気の温度、ダイの温度、ダイの物質の温度
的な伝導性、及び中子／ダイの幾何学的因子に依存して
変化するだろうし、与えられた中子成形パラメーターた
めに経験的に決定することができる。
【００３２】制限するためではなく例証する目的におい
て、局地的なダイの領域３０は、１５５乃至９０度Ｆの
範囲の凝固温度、並びに図４の後縁セラミックリブＲで
前述の機械的に弱い溶接若しくは結合ラインが完全に除
外されるように、セラミック化合物を伴う図１乃至２に
例示された種類の後縁通路１４ｄの充満を達成するため
に、１１．５立方インチ／秒の流率でスチールのダイに
注入される２９０Ｆ度の注入温度を有する米国特許出願
番号４８３７１８７に記載の種類のセラミック化合物に
おいて１６０度Ｆ及びそれよりも高い温度に加熱でき
る。
【００３３】充満段階後の経験的に決定されるポイント
において、ＰＴＥ素子４０は、局地的なダイの領域３０
でその領域を、成形穴の表面に後縁領域１４ｂの付着な
しで、及び緑の中子への損傷なしで、エゼクターピンＥ
Ｐの移動により成形穴１４から成形された中子Ｃの除去
を可能にするであろう、適切な低い中子取り出し温度ま
で冷却するために、加熱効果よりも冷却効果を提供する
ために制御される。ＰＴＥ素子４０に提供される電圧
は、方向が反転し、ダイの領域３０で低い取り出し温度
を提供するために出力コントローラーＳによって制御さ
れる。成形穴に対する成形された中子（若しくは成形さ
れたパターン）の付着及び破壊、割れ、及び／若しくは
成形された中子のゆがみなどの中子の損傷を防御するた
めの適切な取り出し温度は、与えられた中子（若しくは
パターン）成形操作において経験的に決定される。ダイ
の領域３０の一般的な第二の低い取り出し温度は、中子
Ｃを成形するために既に記載の前述のセラミック中子化
合物及び成形するパラメーターにおいて８５Ｆ度であ
る。
【００３４】第一のスーパーアンビエントな温度と第二
の低い取り出し温度との間の局地的なダイの領域の既に
記載のサイクリングは、適切な緑の中子の強度を伴う他
の中子と同様に、図４に示されている種類のセラミック
中子Ｃの成形を可能にして、中子が成形穴１４から取り
出される場合の付着問題を伴わないで、リブＲでの弱い
溶接若しくは結合ラインの存在により廃棄の中子を削減
する。さらに、減少したダイの充満速度（例えば、１５
０ミリ秒より速い）、減少した中子の物質温度、及び減
少したパック圧力（例えば、２０００ｐｓｉより低い）
は使用されるかもしれない。減少した充満速度は、ダイ
１０、１２の磨耗を減少するため、及び成形された中子
若しくはパターンでのトラップされた空気を減少するた
めに有利である。
【００３５】緑（点火されていない）の中子Ｃがダイ１
０、１２から取り出された後で、インベストメント鋳造
法工程で使用するために中子まで強さを与えるために加
熱することにより、セラミックパウダー粒子の強化を達
成する従来の方法で、高い温度で焼結される。緑のセラ
ミック中子の焼結は、採用されるセラミックパウダーの
要求に基づく高温度までの熱処理の手段によって達成さ
れる。前述した米国特許出願番号４８３７１８７は、ア
ルミナを基にしたセラミック中子の熱の処理を記載して
いる。従来の熱の処理技術が図４の燃焼された多孔性の
セラミック中子Ｃを生成するために使用されるので、特
定の熱の処理技術は、本発明の部分を形成しない。
【００３６】素子は永続性であり、小型であり、注入成
形機械の短いサイクリ時間を収容するように比較的急速
に局地的なダイの領域３０を加熱し冷却するので、本発
明は局地的なダイの領域３０を加熱し，次いで冷却する
ためのＰＴＥ素子４０の使用に関して既に記載されてい
る。使用された成形機械の時間に依存して、他の加熱及
び冷却装置若しくは技術が使用されてもよいので、本発
明はそのように制限されていない。例えば、ダイ１０及
び／若しくは１２又は成形基板２７ａ、２７ｂでの近隣
の油若しくは水の通路を用いるダイの領域３０の熱い流
体加熱及び冷たい流体冷却は、長い機械のサイクル時間
が受理可能な事柄で使用されるかもしれない。図３Ｂを
参照するに、以前の図と同様の特徴は、同じ参照番号に
二つの´を付して表され、ダイの下部１０´´は、成形
穴１４´´の後縁領域１４ｂ´´に近隣のダイの領域３
０´´を加熱及び冷却する水、油若しくは他の流体通路
Ｐ１´´及び成形穴１４´´のリーディングエッジ領域
１４ａ´´に近隣のダイの領域３１´´を加熱及び冷却
する同様の水、油若しくは他の流体通路Ｐ２´´を含有
することを示されている。領域３０´´及び３１´´に
近隣のダイ１０´´及び／若しくはダイ１２´´での通
路Ｐ１´´、Ｐ２´´の位置は、本発明の有用性を達成
する既に記載のように、加熱及び冷却を提供するために
経験的に選択される。マニホールドＭ´´は通路Ｐ１´
´、Ｐ２´´に水、油若しくは他の流体を供給できる。
マニホールドＭ´´は、熱いダイの領域３０´´及び３
１´´に対する通路Ｐ１´´、Ｐ２´´に適切な温度
（例えば、１４０乃至１６０Ｆ度の温水）で熱い流体を
提供するために、ライン若しくは導管Ｌ１´´、Ｌ２´
´によって流体ヒーターＨ´´（例えば、１８キロワッ
トの電気的な温水ヒーター）に交互に連絡している。次
いで、マニホールドＭ´´は、冷たいダイの領域３０´
´及び３１´´に対する通路Ｐ１´´、Ｐ２´´に適切
な温度（例えば、４５Ｆ度の冷水）で既に記載のように
取り出し温度になるまで冷却流体を提供するために、流
体冷却機ＣＨ´´（例えば、従来の水の冷却機）に連絡
している。ダイの領域３０´´及び３１´´が中子取り
出し温度まで下がった後、通路Ｐ１´´、Ｐ２´´を通
過する流体の流れは終了され得る。マニホールドＭ´´
及び通路Ｐ１´´、Ｐ２´´は、ダイの領域３０´´及
び３１´´を加熱し次いで冷却するために必要であるの
で、ヒーターＨ´´若しくは冷却機ＣＨ´´にマニホー
ルドＭ´´を交互に連絡するための従来の手法で提供さ
れ制御される従来のバルブＶ´´を伴って流体ヒーター
Ｈ´´及び流体冷却機ＣＨ´´を備えるリターンライン
ＬＲ´´により閉ループ手段に接続されている。流体供
給ライン若しくは導管Ｌ１´´、Ｌ２´´は、逆流を防
ぐために従来のチェックバルブ（示されていない）を含
むことができる。ヒーターＨ´´及び冷却機ＣＨ´´
は、熱電対５０´´によって感知される温度に反応して
制御される。示されてはいないが、ダイの上部（示され
ていない）は、通路Ｐ１´´、Ｐ２´´のような同様の
流体通路を含むことができる。ダイ１０´´及びダイ１
２´´の一つ若しくは両者の何れかは前述の流体通路を
含むことができる。
【００３７】さらに、本発明は成形穴１４の一つ以上の
充満しがたい領域の加熱及び冷却に関して既に記載され
ているが、ダイ１０及び／若しくはダイ１２が、局地的
よりも一般的に、成形穴の充満を改良するために加熱若
しくは冷却できることはこの手法において制限されな
い。例えば、油、水若しくは他の流体通路は、充満を改
良するための本発明の他の実施態様に準じて成形穴１４
の一つ以上の充満しがたい領域を加熱若しくは冷却する
ためにダイの一般的な加熱及び冷却を提供する形態の必
要に応じてダイ１０、１２の一つ若しくは両者の全体に
わたって提供できる。
【００３８】加えて、本発明は、固形の遊走性パター
ン、若しくはセラミック中子Ｃに関して注入される遊走
性パターンの製造において実施可能である。例えば、図
４のセラミックの中子Ｃは、パターン成形穴を形成する
パターン成形ダイ（示されていない）間に一般的には配
置され、次いでワックスなどの溶解パターン物質はパタ
ーン成形穴の中子に関して圧力下で注入される。かかる
手法は米国特許出願番号５２９６３０８に記載されてお
り、パターンを形成するために使用された充満されるパ
ターンワックス物質は米国特許出願番号５９８３９８２
に記載されて、両特許の教示はここに参照として組み入
れられている。パターン物質は、パターンワックス物
質、パターンポリマー物質（例えば、ポリウレタン、ポ
リスチレン、及びその他）、及びセラミックシェルモー
ルドにインベストされて、次いでシェルモールドから熱
により若しくは他の手段によって結果として除去され
る、遊走性パターンを生成するためのロストワックスイ
ンベストメント技術で周知の他のものから選択できる。
遊走性パターンの後縁は、図４の中子Ｃのセラミックリ
ブＲ間の空間を満たすために成形され、パターンの薄い
断面の後縁領域を形成する。
【００３９】本発明は、セラミックリブＲ間の空間を完
全に満たすことを保証するために中子成形穴１４におい
て、及びパターン物質が（例えばワックス）が溶解を維
持し、次いでダイの表面への付着なしで遊走性パターン
の除去を可能にする第二の低いパターン取り出し温度に
冷却する間に中子の損傷を伴わない後縁領域の別の詳細
において既に記載と同様の手法でパターン成形穴の少な
くとも一つの後縁領域を加熱及び冷却する構想を描く。
本発明は、一つ以上の充満しがたい領域を満たすことを
必要として、リーディングエッジ領域などのパターン成
形穴の他の領域を同様に加熱／冷却する構想を描く。本
発明はまた、局地的ではなく、一般的な一つ若しくは両
方のパターン成形ダイを加熱及び冷却することを構想に
描く。
【図面の簡単な説明】
【図１】注入成形圧迫のダイアセンブリの概略図であ
る。
【図２】図１の成形ダイの上部及び下部の断面図であ
る。
【図３】本発明の実施態様に準ずる、熱電素子をその上
に有する形成ダイ下部の上面の正面図である。
【図３Ａ】本発明の実施態様に準ずる、熱電素子をその
上に有する形成ダイ下部の図３と同様の上面の正面図で
ある。
【図３Ｂ】本発明の別の実施態様に準ずる、流動性通路
を有する形成ダイ下部の図３と同様の上面の正面図であ
る。
【図４】本発明の実施態様に一致して製造されたセラミ
ック中子の斜視図である。
【符号の説明】
１０ ダイ １２ ダイ １４ 中子成形穴 ２３ａ アルミニウムプレート ２３ｂ アルミニウムプレート ２５ａ プレスプレート ２５ｂ プレスプレート ２７ａ ダイベース ２７ｂ ダイベース Ｉ 冷却水口 Ｌ 水の出口 １０ｂ 主要な溝 １０ｃ 二次的な溝 １４ｃ 壁の特質 １４ｅ 成形面 １４ｆ 成形面 １４ｊ 溝 １４ｐ 通気路 １４ｓ１ 溝形成表面 １４ｓ２ 溝形成表面 ３０ ダイの領域 ４０ ＰＴＥ素子 ４０´ ＰＴＥ素子 ４０ａ プレート ４０ｂ プレート ４０ｃ 半導体 ４２ 熱交換器 ４２ａ 冷却する流動性の入り口導管 ＰＳ 分岐表面 Ｗ１ 導線 １０ａ 入り口開口部 １４ａ リーディングエッジ領域 １４ｂ 後縁領域 １４ｄ 狭い通路 １４ｇ 二次的領域 １４ｈ 二次的領域 ４２ｂ 出口導管 ５０ 熱電対 ＥＰ エゼクターピン ＭＣ 注入機械マイクロプロセッサーコントロー
ラー Ｓ 出力コントローラー Ｗ２ 導線 １０ａ´ 入り口開口部 １０ｂ´ 主要な溝 １４´ 中子成形穴 １４ａ´ リーディングエッジ領域 １４ｂ´ 後縁領域 １４ｃ´ 壁の特質 １４ｄ´ 狭い通路 １４ｇ´ 二次的領域 １４ｈ´ 二次的領域 １４ｊ´ 溝 ３０´ ダイの領域 ４０ｂ´ プレート ４５´ 熱による伝導的な物質 ５０´ 熱電対 ＥＰ´ エゼクターピン Ｗ１´ 導線 Ｗ２´ 導線 １０ａ´´ 入り口開口部 １４´´ 成形穴 １４ａ´´ リーディングエッジ領域 １４ｂ´´ 後縁領域 １４ｃ´´ 壁の特質 １４ｄ´´ 狭い通路 １４ｇ´´ 二次的領域 １４ｈ´´ 二次的領域 ３０´´ ダイの領域 ３１´´ ダイの領域 ５０´´ 熱電対 ＣＨ´´ 冷却機 ＥＰ´´ エゼクターピン Ｈ´´ ヒーター Ｍ´´ マニホールド Ｌ１´´ 導管 Ｌ２´´ 導管 ＬＲ´´ リターンライン Ｐ１´´ 通路 Ｖ´´ バルブ Ｃ 中子 ＬＥ リーディングエッジ ＯＰ オープンスペース Ｐ１ 通路 Ｐ２ 通路 Ｒ リブ Ｓ１ 中子表面 Ｓ２ 中子表面 ＴＥ 後縁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２２Ｃ 9/04 Ｂ２２Ｃ 9/04 Ｒ 9/24 9/24 Ｃ (72)発明者 ジェフリー エス スミス アメリカ合衆国 ミシガン州 49441 ノ ートン・ショアズ フォレスト・パーク・ ロード 1965 (72)発明者 デイヴィッド アール アーニー アメリカ合衆国 テネシー州 37877 タ ルボット ボート・ドック・ロード 2096 (72)発明者 ロバート エム シェイ，ジュニア アメリカ合衆国 ミシガン州 49456 ス プリング・レイク ズーニー・ドライヴ 18555 (72)発明者 ニック ジー リローンズ アメリカ合衆国 ミシガン州 49316 カ レドニア ラヴィーン・リッジ・ドライヴ 9925 Ｆターム(参考） 4E093 MB03 MB06

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 インベストメント鋳造で使用するための
    成形体の製造方法であって、セラミック中子若しくは遊
    走性パターンを形成するために選択された流動性物質で
    協働するダイ間に配置される成形穴の充満と、前記成形
    穴の充満中に少なくとも一つの前記ダイの少なくとも一
    つの領域をスーパーアンビエントな温度まで加熱と、及
    び前記成形穴からの成形体の除去前に前記局地的な領域
    の低温までの冷却からなる方法。
  2. 【請求項２】 前記ダイの前記少なくとも一つの前記領
    域は、該ダイに配置されている少なくとも一つの熱電素
    子によって加熱及び冷却されることを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記領域の感知している温度及び感知さ
    れる温度に反応して前記少なくとも一つの熱電素子の制
    御を含有していることを特徴とする請求項２に記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 前記領域はエアーフォイルの後縁状領域
    からなり、該後縁状領域は前記成形穴の充満に先だっ
    て、及び前記成形穴の充満中に加熱され、並びに前記成
    形穴から前記成形体の除去前に冷却されることを特徴と
    する請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記後縁状領域は、前記流動性物質で充
    満することを可能にする前記少なくとも一つの熱電素子
    によって加熱される比較的狭い通路を含むことを特徴と
    する請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記ダイの前記少なくとも一つの前記領
    域は、該領域に配置された少なくとも一つの流動性通路
    によって加熱及び冷却されることを特徴とする請求項１
    に記載の方法。
  7. 【請求項７】 熱交換流体を用いる前記少なくとも一つ
    の熱電素子からの脱熱を含有することを特徴とする請求
    項２に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記熱交換流体は液体及びガスから構成
    されるグループから選択されることを特徴とする請求項
    ７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記流動性物質はセラミック粉末及び流
    動性結合剤からなるセラミック中子物質を含むことを特
    徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記流動性物質はワックス及びポリマ
    ーから構成されるグループから選択されるパターン物質
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 金属のエアーフォイルの鋳造に使用す
    るためのエアーフォイル形状体を成形する装置であっ
    て、エアーフォイル形状穴を有する成形穴を定義する第
    一及び第二ダイと、並びに流動性物質で前記成形穴の充
    満中に前記穴の少なくとも一つの充満が困難な領域をス
    ーパーアンビエントな温度まで加熱するための、及び前
    記成形穴からエアーフォイル形状体が取り出される前に
    前記領域を低温度まで冷却するための少なくとも一つの
    前記ダイに配置される少なくとも一つの熱電素子からな
    ることを特徴とする装置。
  12. 【請求項１２】 前記領域に近接の温度センサー及び感
    知された温度に反応して前記装置への電力を制御するた
    めの前記少なくとも一つの熱電素子に接続される電力コ
    ントローラーを含有することを特徴とする請求項１１に
    記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記熱電素子と熱接触の熱交換器を含
    有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記装置から熱を除去するために前記
    熱交換器に熱交換流体を導く入口導管及び前記熱交換流
    体を排出するための出口導管を含有することを特徴とす
    る請求項１３に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記少なくとも一つの熱電素子から熱
    を導くために前記少なくとも一つの熱電素子と前記少な
    くとも一つのダイとの間に配置された熱による伝導性物
    質を含有することを特徴とする請求項１１に記載の装
    置。
  16. 【請求項１６】 前記成形穴はセラミック中子の形態を
    有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記成形穴は前記エアーフォイル形状
    体を複製するパターンに対応する形態を有することを特
    徴とする請求項１１に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 金属のエアーフォイルの鋳造に使用す
    るためのエアーフォイル形状体を成形する装置であっ
    て、エアーフォイル形状穴を有する成形穴を定義する第
    一及び第二ダイと、並びに流動性物質で前記成形穴の充
    満中に前記穴の少なくとも一つの充満が困難な領域をス
    ーパーアンビエントな温度まで加熱するための、及び前
    記成形穴からエアーフォイル形状体が取り出される前に
    前記領域を低温度まで冷却するための少なくとも一つの
    前記ダイに配置される少なくとも一つの流動性通路から
    なることを特徴とする装置。
  19. 【請求項１９】 前記成形穴はセラミック中子の形態を
    有することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記成形穴は前記エアーフォイル形状
    体を複製するパターンに対応する形態を有することを特
    徴とする請求項１８に記載の装置。
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