JP2005118884A - 耐熱金属コア - Google Patents

Abstract

【課題】ワックスダイに対して所望の位置にコアを維持しかつ鋳造時にコアの移動を防止するための耐熱金属コアが提供される。
【解決手段】コア１０と、コア１０から離間したワックスダイ１２と、耐熱金属コア１４とを備える鋳造システムが提供され、耐熱金属コア１４は、コア１０内のスロット１８内に収容される第１の端部と、ワックスダイ１２に対してコア１０を配置するようにワックスダイ１２に接触する第２の端部とを有し、さらに、耐熱金属コア１４は、ワックスダイ１２内に密閉されるときばね負荷を提供する手段２０と、コア１０にワックスダイ１２を機械的に固定する手段とのうちの少なくとも一方の手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンエンジン部品を形成するのに使用するための鋳造システム、およびそれに使用するための耐熱金属コアに関する。

インベストメント鋳造は、複雑な形状寸法を有する金属部品、特に中空部品を形成するために一般に使用される技術であり、超合金ガスタービンエンジン部品を製作するのに使用される。本発明は、超合金鋳造物の製造に関して説明するが、本発明はそれに限定されないことは理解されるであろう。

インベストメント鋳造技術に使用されるコアは、壊れやすいセラミック材料から製作され、特に、先進のガスタービンエンジンハードウェア内に小さな入り組んだ冷却通路を製作するのに使用される先進のコアがそうである。これらのセラミックコアは、作成時および鋳造時に反ったり、割れたりし易い。

従来のセラミックコアは、セラミックスラリーと成形加工されたダイを用いる成形方法により製造される。パターン材料は、最も一般には、ワックスであるが、プラスチック、低融点金属、および尿素など有機化合物も利用されてきた。シェルモールドは、コロイド状シリカバインダー（結合剤）を用いてセラミック粒子を互いに結合して形成され、このセラミック粒子は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ケイ酸アルミナなどとすることができる。

セラミックコアを用いてタービンブレードを製造するのに使用されるインベストメント鋳造方法は、以下の通りである。内部冷却通路に望まれる形状寸法を有するセラミックコアを、金属ダイの壁が取り囲むがコアから通常間隔を置くように、金属ダイの中に配置する。ワックスなどの使い捨てパターン材料でダイを満たす。ダイを取り外し、セラミックコアをワックスパターン内に埋め込んだままにする。次に、ワックスパターンをセラミックスラリー中に浸し、その後、スラリーに、より大きな乾燥セラミック粒子を付着させることによって、ワックスパターンの周りに外部シェルモールドを形成する。この工程は、スタッコ塗りと呼ばれる。コアごとスタッコ塗りしたワックスパターンを次に乾燥させ、さらに、このスタッコ塗りを繰り返して所望する壁厚のシェルモールドを得る。この時点で、モールドを完全に乾燥させ、高温で加熱してワックス材料を取り除くとともにセラミックス材料を強化する。

結果として得られるのは、セラミックコアを含むセラミックモールドであり、これらは組み合わさってモールドキャビティを形成する。コアの外面が、鋳造物内に形成される通路を規定し、シェルモールドの内面が、作成される超合金鋳造物の外部寸法を規定することは、理解されるであろう。コアおよびシェルは、鋳造処理には必要だが仕上がりの鋳造部品の一部にはならないゲート、押し湯などの鋳造部分も形成できる。

ワックスを取り除いた後に、シェルモールドおよびコアアッセンブリによって形成されたキャビティ内へ溶融した超合金材料を注ぎ込み、凝固させる。次にモールドおよびコアは、機械的および化学的手段の組み合わせによって、超合金鋳造物から取り除く。

向上した機械的特性、より薄い厚み、向上した耐熱衝撃性、および新しい形状寸法および形状部を有する、インベストメント鋳造のためのコアを提供する試みが行われてきた。そのような試みの一つは、米国特許出願公開第２００３／００７５３００号に示されており、参照することによって本願に組み込まれる。これらの努力は、埋め込まれた耐熱金属部材を有するセラミックコアを提供するものであった。
米国特許出願公開第２００３／００７５３００号明細書

しかしながら、これらのセラミックコアを使用するときの鋳造歩留まりを向上させる必要性が残されている。対処する必要のある特定の問題の一つは、どのようにしてよりよく、シェリング（ｓｈｅｌｌｉｎｇ）時にワックスダイ内のコアの位置を維持し、かつ鋳造時にシェル内のコアの位置を維持するかである。

歴史的には、白金、石英、またはアルミナから成るピンが、インベストメント鋳造において鋳造コアを支持しかつコア移動を防止するのに使用されてきた。ピンは、ワックスおよびシェリング操作中は非常に効果的であるが、白金は、溶融合金内に溶解するので、白金ピンは、鋳造時に位置を維持するのには、それほど効果的ではない。セラミックピンは、鋳造物内に孔または介在物を残すので、不利である。

従って、本発明の目的は、シェリング時にワックスダイ内の位置にセラミックコアを保持するための改善された技術を提供することである。

上述の目的は、本発明によって達成される。

本発明に従うと、一般に、第１のコアと、このコアから離間したワックスダイと、耐熱金属コアとを備える鋳造システムが提供され、耐熱金属コアは、第１のコア内のスロット内に収容される第１の端部と、ワックスダイに対して第１のコアを配置するようにワックスダイに接触する第２の端部とを有し、さらに、耐熱金属コアは、ワックスダイ内に密閉されるときばね負荷を提供する手段と、第１のコアにワックスダイを機械的に固定する手段とのうちの少なくとも一方の手段を有する。

また、本発明は、ワックスダイに対する所望の位置にセラミックまたは耐熱金属コアを維持し、かつ、鋳造時にコアの移動を防止するための耐熱金属コアに関する。耐熱金属コアは、耐熱金属材料から形成されたコア部材を備える。コア部材は、ワックスダイ内に密閉されるときばね負荷を提供するように、少なくとも一つの一体に形成されたばねタブを有する。

なおさらに、本発明は、ワックスダイに対する所望の位置にセラミックまたは耐熱金属コアを維持するための耐熱金属コアに関する。耐熱金属コアは、耐熱金属材料から形成されたコア部材を備え、コア部材は、第１の端部と、中央部と、ワックスダイ内のスロットに係合するように中央部に対して所定の角度で配置される第２の端部とを有する。

本発明の耐熱金属コア壁厚制御の他の詳細、さらにはそれに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明、および同様の参照符号が同様の部材を示している添付の図面に述べられる。

図面をここで参照すると、図１および図２は、本発明に従う鋳造システムの第一の実施態様を例示する。鋳造システムは、セラミックまたは耐熱金属コア１０と、コア１０から離間したワックスダイ１２と、コア１０とワックスダイ１２の間に位置する耐熱金属コア１４とを含む。耐熱金属コア１４は、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン、これらの合金、およびこれらの金属間化合物から成る群より選択される材料から形成できる。耐熱金属コア１４のための好ましい材料は、モリブデンおよびその合金である。所望ならば、耐熱金属コア１４は、保護セラミック被覆を備えることができる。耐熱金属は、従来のセラミックより延性を与えると同時に、セラミック被覆が存在する場合、セラミック被覆は、インベストメント鋳造処理のシェル焼成工程時に耐熱金属を保護し、かつ溶融金属からコア１４の溶解を防止する。

耐熱金属コア１４は、第１の端部に、コア１０内のスロット１８内に嵌合する少なくとも一つの係合部材１６を有する。所望ならば、耐熱金属コア１４は、コア１０内の複数の離間したスロット１８内に嵌合する複数の一体に形成され離間した係合部材１６を有し得る。さらに、耐熱金属コア１４は、ワックスダイの表面１９に当接する第２の端部を有する。

また、耐熱金属コア１４は、好ましくは、ワックスダイ内に密閉されるときばね負荷を提供するための少なくとも一つの一体に形成されたばねタブ２０を有する。好ましい実施態様では、耐熱金属コア１４は、複数の離間したタブ２０を有する。一つまたは複数のタブ２０は、好ましくは、高アスペクト比を有するように設計され、ここで、アスペクト比は、式 ＡＲ＝Ｌ／Ｄ によって定義され、ここで、Ｌは、タブの長さであり、Ｄは、タブの幅である。また、一つまたは複数のタブ２０は、壁面から突出する可能性を最小限に抑えるために、テーパ付きまたはテーパなしの端部を有するように設計できる。

一つまたは複数のタブ２０を備えることによって、耐熱金属コア１４の弾性および延性が、ワックスダイ内で耐熱金属コアをよりよく位置付けかつシェル時にコア１０の位置をよりよく維持する、ばねに類似した効果を生成するのに使用される。

図３および図４をここで参照すると、本発明に従う鋳造システムの第二の実施態様が例示される。この実施態様では、耐熱金属コア１４’は、コア／シェルタイ（ｔｉｅ）を形成するのに使用される。図から理解できるように、コア１４’は、第１の端部に、セラミックまたは耐熱金属コア１０’内の少なくとも一つのスロット１８’内に嵌合する少なくとも一つの係合部材１６’を有する。また、コア１４’は、平面状中央部３０と、中央部に対して角度の付いた少なくとも一つの端部３２とを有する。所望ならば、コア１４’は、複数の離間した端部またはタブ３２を備えることができる。一つまたは複数の端部３２は、その末端において、ワックスダイ１２’内の少なくとも一つのスロット３４内に嵌合する。図３に示すように、スロットは、三角形状の断面を有し得る。代替として、端部３２の末端部がワックスダイ１２’の表面１９’に実質的に垂直な場合、スロットは、断面をＵ字形とすることができる。

図から理解できるように、各スロット３４は、ワックスダイ１２’の表面１９’に実質的に垂直な後部壁面３６を有し得る。また、各スロット３４は、傾斜した壁面３８を有し得る。各端部３２は、その末端において後部壁面３６に当接することができ、さらに、傾斜した壁面３８に接触するように角度を付けることができる。このような構成を備えることにより、機械的なロックが提供される。

所望ならば、一つまたは複数の端部またはタブ３２は、図５に示すように、シェルを機械的に捕まえかつこの部品をコアに機械的に固定するための少なくとも一つの孔４２を有し得る。一つまたは複数の端部３２は、シェルを保持できる任意の形状を有し得る。従って、耐熱金属コア１４’は、コア／シェルタイを提供することによりコアサポートを向上させる。

本発明の耐熱金属コアの利点の一つは、それが、白金よりはるかに優れた鋳造温度における機械的特性を有するということである。耐熱金属コア上に施された被覆は、鋳造サイクル時に溶解に対して耐熱金属を保護し、より効果的な制御が可能となる。さらに、耐熱金属コアの延性は、コアの破損を防止するのを助ける。

従来のセラミックコアは、鋳造ニッケル超合金よりかなり低い密度を有する。鋳造時に、コアは、浮いてしまい、壁厚のむらおよびなめらかなコアのキスアウト（ｋｉｓｓ ｏｕｔ）（シェル内に移動することに起因する望まれないセラミックの突出）を生じる。本発明の耐熱金属コアは、一般に、鋳造超合金よりかなり高い密度を有し、従って、セラミックコアよりよく浮力を打ち消し、キスアウトおよび壁厚のばらつきを低減することで鋳造歩留まりを向上させることになる。なおさらに、本発明の耐熱金属コアは、コアが浮くのを最小限に抑えるようにセラミックコアの上に戦略的に配置できる。

本発明の耐熱金属コアは、相対的に薄い壁の中に鋳造コアを配置しておくことによりエーロフォイルを含むタービン部品の先進の冷却が可能となる。耐熱金属コアの延性によって、入り組んだ形状寸法の革新的な処理が可能となり、また、位置合わせおよび壁厚制御が得られる。

本発明に従って、上述した目的、手段、および利点を十分に満足する耐熱金属コア壁厚制御が提供されたことは明らかである。本発明は、その特定の実施態様の文脈において説明したが、他の代替例、変更例、および変形例が、上述の説明を読んだ当業者には明らかとなるであろう。従って、添付の特許請求の範囲に含まれるように、これらの代替例、変更例、および変形例を含むことが意図されている。

本発明の鋳造システムの第一の実施態様の側面図である。 図１の鋳造システムに使用される耐熱金属コアの上面図である。 本発明の鋳造システムの第二の実施態様の側面図である。 図３の実施態様の上面図である。 図３の鋳造システムに使用される耐熱金属コアの一部の概略図である。

符号の説明

１０、１０’…セラミックまたは耐熱金属コア
１２、１２’…ワックスダイ
１４、１４’…耐熱金属コア
１６、１６’…係合部材
１８、１８’…スロット
１９、１９’…ワックスダイの表面
２０…タブ
３２…タブ
３４…スロット
３６…垂直な後部壁面
３８…傾斜した壁面
４２…孔

Claims (18)

1. 第１のコアと、この第１のコアから離間するワックスダイと、
   耐熱金属コアと、
   を備える鋳造システムであって、
   耐熱金属コアは、第１のコア内のスロット内に収容される第１の端部と、ワックスダイに対して第１のコアを配置するようにワックスダイに接触する第２の端部とを有し、さらに、
   耐熱金属コアは、ワックスダイ内に密閉されるときばね負荷を提供する手段と、第１のコアにワックスダイを機械的に固定する手段とのうちの少なくとも一方の手段を有する、 ことを特徴とする鋳造システム。
2. 前記耐熱金属コアは、ばね負荷手段を有し、このばね負荷手段は、少なくとも一つの一体に形成されたばねタブを備えることを特徴とする請求項１記載の鋳造システム。
3. 前記ばね負荷手段は、複数の離間したばねタブを備えることを特徴とする請求項２記載の鋳造システム。
4. 前記タブのそれぞれは、テーパ付きの端部を有することを特徴とする請求項２記載の鋳造システム。
5. 前記タブのそれぞれは、テーパなしの端部を有することを特徴とする請求項２記載の鋳造システム。
6. 前記耐熱金属コアは、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン、これらの合金、およびこれらの金属間化合物から成る群より選択される材料から形成されることを特徴とする請求項１記載の鋳造システム。
7. 前記耐熱金属コアは、機械的固定手段を有し、ワックスダイは、耐熱金属コアの機械的固定手段を収容するスロットを備えることを特徴とする請求項１記載の鋳造システム。
8. 前記機械的固定手段は、スロット内に嵌合するように角度の付いた、耐熱金属コアの第２の端部を備えることを特徴とする請求項７記載の鋳造システム。
9. 前記ワックスダイ内のスロットは、ワックスダイの表面に垂直な壁面を有し、耐熱金属コアの第２の端部は、この壁面に当接することを特徴とする請求項８記載の鋳造システム。
10. 前記機械的固定手段は、耐熱金属コアの第２の端部内に少なくとも一つの孔を有することを特徴とする請求項７記載の鋳造システム。
11. ワックスダイに対して所望の位置にコアを維持しかつ鋳造時にコアの移動を防止するための耐熱金属コアであって、
    耐熱金属材料から形成されたコア部材を有しており、
    コア部材は、ワックスダイ内に密閉されるときばね負荷を提供するように少なくとも一つの一体に形成されたばねタブを有することを特徴とする耐熱金属コア。
12. 前記コアは、複数の離間したばねタブを有することを特徴とする請求項１１記載の耐熱金属コア。
13. 前記コア部材は、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン、これらの合金、およびこれらの金属間化合物から成る群より選択される材料から形成されることを特徴とする請求項１１記載の耐熱金属コア。
14. ワックスダイに対して所望の位置にコアを維持しかつ鋳造時にコアの移動を防止するための耐熱金属コアであって、
    耐熱金属材料から形成されたコア部材を有しており、
    コア部材は、第１の端部と、中央部と、ワックスダイ内のスロットに係合するように中央部に対して所定の角度で配置される第２の端部とを有することを特徴とする耐熱金属コア。
15. 前記第２の端部と中央部の間の角度は、第２の端部がスロットの壁面に当接するようになっていることを特徴とする請求項１４記載の耐熱金属コア。
16. 前記第２の端部は、シェルに耐熱金属コアを機械的に固定する手段を含むことを特徴とする請求項１４記載の耐熱金属コア。
17. 前記機械的固定手段は、少なくとも一つの孔を有する少なくとも一つのタブを備えることを特徴とする請求項１６記載の耐熱金属コア。
18. 前記コア部材は、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン、これらの合金、およびこれらの金属間化合物から成る群より選択される材料から形成されることを特徴とする請求項１４記載の耐熱金属コア。

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