JP2005169501A - インベストメント鋳造模型のシェル被覆装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インベストメント鋳造のワックス模型２２をシェル被覆する装置および方法を提供する。
【解決手段】コーティング材料２８を収容するタンク２６は、膨張シール５４によってアウタータンク３４との間がシールされる。タンクカバーアッセンブリー６０がシェリング管７０を備え、その内部に、ロボットアーム８８により固定具２４で保持した模型２２が挿入される。管７０の上部空間７９の真空引きをして、液面レベル３１を上昇させ、模型２２全体を浸漬したのち、大気に開放して液面レベル３１を下げる。浸漬中に模型２２を振動させ、均一にコーティングする。
【選択図】図１

Description

この発明はインベストメント鋳造に関する。より詳しくは、本発明は超合金タービンエンジン構成部品のインベストメント鋳造に関する。

インベストメント鋳造は複雑な形状を有する金属部品を成形するために、一般的に用いられる技術である。そして、その技術は一般的に超合金のガスタービンエンジン構成部品の製造に用いられる。例示的な鋳造工程においては、一つ又は複数のキャビティを有する鋳型が準備され、各キャビティは鋳造すべき部品に関連する形状を持っている。鋳型を準備する例示的な工程にあっては、成形すべき部品の一つないし複数のワックス模型の使用を含んでいる。この模型は、ワックスをモールドすることにより成形する。モールドは、一般的に部品内の内部通路の形状に対応した犠牲的コア（例えば、セラミックコア）を覆うように行われる。シェル被覆工程において、セラミックシェルが、一つないし複数の上記模型の回りに成形される。このシェル被覆工程にあっては、上記模型がコーティング材料（例えば、セラミックスラリー）のタンクに浸漬される。構造的な一体性を確保するために、このコーティングにより濡れた模型に、乾燥した粒子が付着させられ、かつコーティング層は乾燥される。この工程は複数の層を得るために繰り返される。

シェル被覆工程の後、ワックス模型はオートクレイブにおける熔融により除去される。中空のセラミックシェルは熱を加えることによって強化される。その後、部品の鋳造のために、熔融した合金がシェルに導入される。合金の冷却および固化の後に、シェル（もしあれば、コアも）は、機械的及び／又は化学的に、若しくは適宜な方法で、部品から除去される。その後、部品は１又はそれ以上の工程において、機械加工および処理が施される。

本発明の一つの見地によると、インベストメント鋳造模型のシェル被覆装置を含む。タンクはコーティング材料を貯えている。コーティング材料に浸漬された模型を保持する手段がある。模型の浸漬中にその模型を振動させる手段がある。

種々の実施においては、模型の回りを真空にするためにポンプが組み合わせられる。振動手段は模型を保持する手段に設けられる。この装置は、コーティング材料がジルコンスラリーであるものと組み合わされる。

本発明の他の見地は、インベストメント鋳造模型のシェル被覆装置を含む。タンクはコーティング材料を貯えている。保持部材がコーティング材料中に浸漬された模型を保持する。タンクの少なくとも一つの上部空間から空気を抜くための真空源がタンクに組み合わせられる。

種々の実施においては、模型の浸漬中に該模型を振動させる手段が用いられる。第１の上記上部空間は、保持部材を収容するとともにタンク内の下方に延びる導管内にある。第２の上記上部空間は導管の外にある。この装置は、セラミックコアと該コアの少なくとも一部の上にワックス層がある模型と組み合わされる。

本発明の更に他の見地は、インベストメント鋳造模型のシェル被覆方法を含む。模型はコーティング材料を有する容器に導入される。模型はコーティング材料で被覆される。模型近傍の容器を真空引きする。種々の実施においては、真空引きは、前工程で模型に付着したコーティング材料の気泡を破裂させるように、コーティング材料の液面レベルより上の模型の機能部位に対する第１の真空引きを含む。模型は回転させても良い。模型は回転中に振動させてもよい。真空引きは、スラリーに部分的に浸漬されている導管の上部空間から行っても良い。真空引きは、容器内のコーティング材料のレベルを、模型の機能部位より下の第１の高さから、模型の機能部位より上の第２の高さに上昇させる。真空引きは、レベルを下げるために解除される。真空引きは、機能部位のコーティング材料の塗層内にある気泡の破壊を促すように、機能部位を浸漬させない状態で、再真空引きをしても良い。

図１は、固定具２４に保持されたワックス模型２２をコーティングするためのシェル被覆システムを表している。タンク２６には、少なくとも部分的に液状であって、周辺部３０と中央部３１とでメニスカス状（凹凸状）となった表面を有する液状コーティング材料２８が貯えられている。タンクの上部空間３２はメニスカス状の周辺部３０の上に位置している。例示的実施例にあっては、タンク２６は中心軸５００を有するインナータンクであり、側面方向ではアウタータンク３４で取り囲まれている。例示的実施例にあっては、インナータンクとアウタータンクとはそれぞれ底部３６，３８を有する。駆動モータ４２と組み合わされたベアリング・トランスミッションアセンブリー４０が、インナータンクを、中心軸５００を中心として駆動モータの駆動により回転するように支持している。例示的実施例にあっては、タンク２６は、底部３６から上方へ延びる側壁部４６と、側壁部４６の頂部で半径方向の外側へ水平に延びるリムフランジ４８を有する。アウタータンク３４は、底部３８から上方へ延びる側壁部５０と、側壁部５０の頂部で半径方向の内側へ延びるリムフランジ５２とを有し、該リムフランジ５２は、リムフランジ４８の上部にあって、平行に向かい合っている。膨張シール５４がフランジ５２の下面に設けられており、これを膨張させるとフランジ４８の上面と密に係合し、収縮させるとフランジ４８との密なる係合を解くことができる。

タンクカバーアセンブリー６０は、水平なフランジ６２と、それに直交する環状カラー６４と、からなるタンク係合部材を含み、上記カラー６４は、タンク３４，２６のリム領域内で同軸かつ密接するようにフランジ６２の内径に沿い、カバーアセンブリーを位置決めする。フランジ６２の下面に、フランジ５２と水密的に係合するためのシール部材（例えば、図示省略のＯリング）を設けても良い。カバーアセンブリー６０は、更にフランジ６２の頂部に固定されて、開孔を設けた横方向のプレート６８を含む。シェリング管７０が、プレート６８の中央開孔を貫通して延び、このシェリング管７０は、プレート６８と一体成形、若しくはプレート６８に密に固定してある。シェリング管７０は、側壁部７４の頂部に半径方向外側へ延びる上部フランジ７２を有する。側壁部７４の底部７６はコーティング材料２８の中に浸漬されている。管の蓋つまりカバー７８の下面は、管上部空間７９上のフランジ７２に当接して密封される。カバー７８は、固定具２４のシャフト８０に回転型ベアリング・シール８２を介して取り付けられており、カバー７８の中心孔を貫通したシャフト８０が、カバー７８に対して、シャフト８０および管７０に共通な軸５０２を中心に回転できるようになっている。例示的な軸５０２は、垂直ではなく、タンク軸５００に対し角度θで傾斜している。シャフト８０の上端は、ロボットアーム８８のハンド又は他の端末イフェクタ８６で掴むことができるような構造（例えば、クロスバー８４）を有する。したがって、ロボットアーム８８は固定具２４とカバー７８を一つのユニットとして運搬することができる。

例示的な固定具２４は、模型若しくは一つないし複数の構造的部材９４（例えば、軸方向のロッド）で結合される、上端部９０と下端部９２を含む。

管上部空間７９およびタンク上部空間３２の選択的な真空引き、ならびに、シール５４の膨張・収縮を行うための手段が設けられる。例示的な手段は圧縮空気であり、商用空気などのソース１２０からの空気を用いる。ライン１２２がソース１２０から延び、マフラー１２４から排出するように下流へ向かう。ベンチュリ１２６がライン１２２内に設けられて、枝ライン１２８に真空を供給するためのポンプとして作用する。枝ライン１２８はそれ自体が枝ライン１３０，１３２を有し、枝ライン１３０は管上部空間７９に、枝ライン１３２はタンク上部空間３２にそれぞれ至っている。例示的な実施例にあっては、上部空間７９，３２への真空供給を制御するために、バルブ１３４，１３６が枝ライン１３０，１３２にそれぞれ配置される。例示的なバルブ１３４，１３６は、少なくとも二つの状態を持つ。その第１の状態では、対応する上部空間を真空に晒し、第２の状態では、対応する上部空間を大気に開放する。なお、上部空間を真空に晒すこと無く、単にシールするだけのもう一つの状態を備えていてもよい。付加的な枝ライン１４０が、主ライン１２２とシール５４との間を接続する。例示的な実施例にあっては、バルブ１４２が枝ライン１４０に配置されており、シール５４を膨張させるようにシール５４に圧力を与えるか、又は、シールを収縮させるように大気に開放するか、選択的に機能する。追加的な全体のコントロールバルブ１４６を、ライン１２２に配置し、圧縮空気システムを開閉するようにしてもよい。

インナータンク２６の正回転によって、コーティング材料が十分に混合した状態に維持される。撹拌器（図示せず）がコーティング材料２８内に延びている。インナータンクが回転するので、撹拌器は固定したものとすることができる。代わりに、撹拌器自体が動く（例えば、図示しない軸の回りを回転させる）ようにしてもよい。例示的な実施例にあっては、コーティング工程の工程間（例えば、固定具及び模型がないとき）においては、シール５４は非係合状態にあるが、インンナータンク２６は回転している。管７０はその頂部が開かれるか、若しくは、他の一時的な取り外し可能なカバー（図示略）が設けられる。模型へ所期のコーティング層を与える例示的な適用にあっては、インナータンクの回転が停止され、シール５４は膨張・係合状態となる。管上部空間７９とタンク上部空間３２は両方とも大気に開放される。したがって、メニスカスな中央部３１の液面レベルは、メニスカスな周辺部３０と同一レベルになる。一時的なカバー（若しあれば）は取り去られ、ロボットアーム８８が、固定具を管内に運び、垂直方向の力（例えば、軸５０２に沿って）によってカバー７８とフランジ７２との間のシールが維持される。この時点で、固定具と模型は部分的にコーティング材料に浸漬される。管上部空間７９から真空引きがなされ、メニスカス状となる中央部３１の液面レベルが周辺部３０よりも上方に上昇する（図２参照）。これによって、固定具と模型が更に浸漬され、望ましくは、模型の機能部位１６０が完全に浸漬される。浸漬中に、模型が十分に塗装されるように、ロボットアーム８８が固定具を軸５０２の回りに回転させるようにしてもよい。更に、ロボットアーム８８が、模型表面の濡れを改善し、あるいは、模型からのスラリーの除去を改善するために、固定具を振動させるようにしてもよい。例示的に、この振動は、端末イフェクタ８６に搭載した振動ユニット１５０の手段によって達成される。例示的な振動ユニットは、プレートマウントタービンである。代替的には、空気又は電気的振動器である。

適当な浸漬時間をおいた後、模型の機能部位から過剰なコーティングを排出することが望ましい。例示的な実施例にあっては、これは、管上部空間７９を大気に開放してスラリーのレベルを再び等しくする（望ましくは模型の機能部位１６０よりも下方へ下がるようにする）ことで達成される。それから、コーティングにおける気泡の除去を助けるために、双方の上部空間７９，３２から真空引きをする。それぞれの液面レベルは等しく維持される。上部空間７９内の圧力の減少は、気泡の破壊に寄与する。気泡を除去する適当な時間の後、二つの上部空間は再度大気に開放される。例示的な実施例にあっては、次に、過剰なスラリーを除去するように、ロボットアーム８８が固定具を振動させつつ軸５０２を中心として回転させ、所望の厚さのコーティング層を残す。ロボットアームは、回転および振動を維持しつつ、固定具２４を抜き出す。ロボットアームは、その後、固定具と模型を、追加的な次の工程に持ち込む。この次の工程の例示的なものとしては、液状コーティング層に固体粒子（所謂スタッコ）を付着させることを含む。これは、公知の又は他のレインサンディング（ｒａｉｎ ｓａｎｄｉｎｇ）技術、バレルサンディング（ｂａｒｒｅｌ ｓａｎｄｉｎｇ）技術、若しくは流動性ベッド（ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ）技術により行われる。粒子の付着後に、粒子で被覆されたコーティング層は（例えば、オーブン内で）乾燥される。コーティング層の乾燥後に、更に多くの層の付着形成が、同様に、液体工程および粒子工程、若しくは、液体工程のみの組み合わせによってなされる。例示的な実施例にあっては、各々の液体工程が、適当なコーティング材料を貯えた別々のタンクを有し、かつ単一のロボットが、所定の各固定具をステーションからステーションに運ぶために使用される。例示的な実施例にあっては、微細な形態にコーティング層を施す初期の工程を、前述の真空工程のバリエーションで行う。そして、微細な細部が被覆されたら、後続するコーティング層の被覆は、通常の大気中での浸漬により行う。

例示的な実施例は、反応性の高い成分を含む合金からなる、微細かつ複雑な外形を持つ物品の鋳造のためのシェルを成形することを含む。反応性の高い成分の例は、ハフニュウム（Ｈｆ）とイットリュウム（Ｙ）である。このような合金の場合、最内側のモールド層（模型に最初に施されたコーティング層によるもの）が、その成分に反応しないことが有利である。このような最初のコーティング層つまり表面コーティング層の例としては、耐火性のジルコン（ＺｒＳｉＯ₄）スラリーとアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粒子砂からなる。これに続くコーティング層のコーティング材料の例は、より一般的なＳｉＯ₂（シリカ）とアルミナの混合物であり、但し、上記のジルコン−アルミナ混合物を表面コーティング層よりも多くの層（例えば、最初の二つ又は三つの層）に被覆するようにしてもよい。

以上、本発明の一実施例を記載したが、本発明は種々の変更が可能であり、例えば、この方法は、既存のタンクや固定具その他の設備を実質的に使用することができる。また、この方法は種々の形の模型のシェル被覆に利用できる。模型によっては、コーティング材料や運転パラメータが異なるものとなる。

さらに、二つの上部空間の真空引きを選択的に行うに際して、各々の上部空間に異なる圧力での真空引きを適用するようにしてもよく、管内の液面レベルが周辺部の液面レベルよりも下がるようにすることもできる。さらに、変形例として、一方もしくは双方の上部空間に正圧を加え、所望の作用を得るようにすることもできる。

本発明のシェル被覆装置を第１工程において示す断面図である。 図１の装置の第２工程の状態を示す断面図である。

Claims (15)

1. コーティング材料を収容するタンクと、
   コーティング材料内に浸漬する模型の保持手段と、
   模型の浸漬中に模型を振動させる手段と、を備えてなる、インベストメント鋳造模型のシェル被覆装置。
2. 模型の回りを真空引きするためのポンプを備えた請求項１に記載の装置。
3. 振動させる手段は保持手段に搭載されている請求項１に記載の装置。
4. 上記コーティング材料はジルコン・スラリーである請求項１に記載の装置。
5. コーティング材料を収容するタンクと、
   コーティング材料に浸漬する模型を保持する保持要素と、
   タンクの少なくとも一つの上部空間から空気を抜くためにタンクに組み合わせられた真空源と、を備えてなる、インベストメント鋳造模型のシェル被覆装置。
6. 模型の浸漬中に模型を振動させる手段を有する請求項５に記載の装置。
7. 上記上部空間の一つは、保持要素を収容するとともにタンク内に下方へ延びた導管内にあり、かつ、
   上記上部空間の他の一つは、この導管の外側にある請求項５に記載の装置。
8. 模型は、セラミックコアと該コアの少なくとも一部の上に設けられたワックス層とからなる請求項５に記載の装置。
9. コーティング材料を収容した容器に模型を導入し、
   コーティング材料で模型をコーティングし、
   模型近傍の容器中の真空引きをする、インベストメント鋳造模型のシェル被覆方法。
10. 真空引きは、模型に先に施されたコーティング材料における気泡を壊すように、コーティング材料の液面レベルより上の模型の機能部位に最初の真空引きをする請求項９に記載の方法。
11. 模型を回転させる請求項９に記載の方法。
12. 回転中に模型を振動させる請求項１１に記載の方法。
13. 真空引きは、スラリーに部分的に浸漬された導管の上部空間から行う請求項９に記載の方法。
14. 真空引きによって、容器内のコーティング材料のレベルを、模型の機能部位より下の第１の高さから、模型の機能部位より上の第２の高さに上昇させる請求項９に記載の方法。
15. 上記レベルを低下させるために真空引きを解除すると共に、
    機能部位のコーティング材料の塗層内にある気泡の破裂を促すように、機能部位を浸漬させない状態で、再真空引きをする請求項１４に記載の方法。
    

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