JP2005271083A - 単結晶インベストメント鋳造部材を生成するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成するシステムと方法が提供される。
【解決手段】システム１０は、インベストメントモールディングキャビティ２８と、種結晶スタータキャビティ３２と、種結晶３４と接触する溶融金属材料内においてエピタキシャル結晶成長を開始させるための種結晶３４と、（１）凝固中に溶融金属材料内へ成長するように種結晶から単結晶を選択することと、（２）凝固中に種結晶からの単結晶が溶融金属材料内へ成長し続けるのを確実にすることの一方または両方を行うように、キャビティ３２とキャビティ２８を機能的に接続する結晶粒セレクタ３０と、キャビティ２８とその内部に収容されるあらゆる溶融金属材料との重量を、この重量の少なくとも一部を結晶粒セレクタから取り去るように、少なくとも部分的に支持するための結晶粒セレクタサポート３６とを備えており、単結晶インベストメント鋳造部材を生成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にインベストメント鋳造に関する。より詳細には、本発明は、高性能単結晶鋳造部材を生成するために、種晶、結晶粒セレクタ、および結晶粒セレクタサポートを使用すること、および高性能単結晶鋳造部材を作成する方法に関する。

インベストメント鋳造は長年の間、鋳造後にさらに必要な加工が最小限に抑えられる最終形状に近い（ｎｅａｒ−ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）部材を作成するのに使用されてきた。インベストメント鋳造によって、入り組んだ内部通路を有する複雑な部品が作成される。一般に、インベストメント鋳造プロセスにおいては、部品の射出成形されたワックスパターンが作成される。ワックスパターンは、完成部材の中に入り組んだ内部通路を作成するためにセラミックコアまたは耐熱コアを内部に含むことができる。一旦形成されると、ワックスパターンは、いくつかの層のセラミック材料内に包まれて、部品のセラミックシェルモールドを形成する。次いでワックスは、加熱によってセラミックシェルモールドから除去され、次いでセラミックシェルモールドは、炉内で焼成され焼結される。その後、溶融金属がセラミックシェルモールド内へ注がれ、取り除かれまたは「失われた（ｌｏｓｔ）」ワックスによって生成された内部のキャビティを満たす。次いで溶融金属は、選択的に冷却することができて、所望の制御された結晶粒（ｇｒａｉｎ）構造を備える最終鋳造部材を生成する。その後、セラミックシェルモールドは除去され、鋳造部材は、所望ならば加熱処理することができて、部材を強化し、また、その冶金学的構造を均質化する。

例えば一方向（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ）凝固鋳造、および単結晶鋳造などといった、鋳造部品内において制御された結晶粒構造を得るためのいくつかの既知の方法が存在する。一方向凝固鋳造においては、活性（ａｃｔｉｖｅ）加熱室と、低温室とを有する真空炉が使用され得る。鋳造の前に、モールドの所定の一端以外において核形成（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）の抑制を助けるために、モールドは、鋳造中にモールド内へ注がれることになる溶融金属の融点より高い温度に活性加熱室内で一般に加熱される。次に溶融金属がモールド内へ注がれ、次いでモールドは、徐々に活性加熱室から引き出され、低温室内へ配置されて溶融金属からの熱除去を制御し、これによって、内部に収容される鋳造部材内に所定の一方向凝固パターンを生成する。

その最も技術的に洗練された形態において、一方向凝固は、単結晶鋳造を含む。単結晶鋳造においては、溶融金属がモールドキャビティ内へ注がれるときに結晶成長を開始させるために、また、凝固先端（ｆｒｏｎｔ）が種結晶からモールドキャビティ内の溶融金属内へ進行するときに結晶方位（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を制御するために、種結晶が使用され得る。単結晶種結晶を用いるときは、単結晶が、種結晶からモールドキャビティ内へ上方へとエピタキシャルに成長するのが予想される。このような仕方で、種結晶は、結果として得られる最終鋳造部材の一方向単結晶を決定する。種結晶を用いることの代替としてまたはそれに加えて、非線形（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ）管状結晶粒セレクタ（ｓｅｌｅｃｔｏｒ）（または選択装置）が、所定の結晶構造が確実に最終鋳造部材内で得られるように使用され得る。種結晶と組み合わせて用いるときは、この結晶粒セレクタは、種結晶とモールドキャビティの間に配置することができ、たとえ、不良な結晶成長が種結晶から開始する場合（すなわち、種晶の複製（ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ）が種結晶から全く生じない場合）でも、あるいは、雑音の多い（ｎｏｉｓｙ）結晶成長が種結晶から開始する場合（すなわち、限界的な（ｍａｒｇｉｎａｌ）種晶の複製が種結晶から生じる場合）でも、なお確実に高品質の単結晶最終鋳造部材を結晶粒セレクタから得ることができる。所望ならば結晶粒セレクタサポートを、鋳造中に結晶粒セレクタ上に配置される負荷の一部を支えるのを助けるように用いることもできる。

現在のインベストメント鋳造システムおよび方法においては、単結晶鋳造技術が使用されるが、不良なあるいは雑音の多い結晶成長開始部が生じる場合は、しばしば望ましくない結晶構造が最終鋳造部材内に生じる。さらに、不良なあるいは雑音の多い結晶成長開始部に起因して、得られる生産歩留まりがしばしば不良になる。従って、最適な所望の結晶構造を最終鋳造部材内で達成させるシステムおよび方法を有するのが望ましいであろう。理想的には、これらのシステムおよび方法は、不良であるか、雑音が多いか、あるいは不良でありかつ雑音が多い結晶成長開始部が生じるときであっても、最適な所望の結晶構造を達成させ、それによって、生産歩留まりを向上させるであろう。

従って、既存のインベストメント鋳造システムおよび方法の上述した欠点は、高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成する新規なインベストメント鋳造システムおよび方法に関する本発明の実施態様によって克服される。これらのシステムおよび方法は、高品質、高性能の単結晶鋳造部材が確実に得られるように、種結晶、結晶粒セレクタ、および結晶粒セレクタサポートを用いる。

本発明の実施態様は、高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成するためのシステムを含む。これらのシステムは、少なくとも５０％またはそれを超える生産歩留まりをこれらのシステムから達成させることができる。これらのシステムは一般に、一つまたは複数のインベストメントモールディングキャビティと、種結晶スタータ（ｓｔａｒｔｅｒ）キャビティと、種結晶と接触する溶融金属材料内においてエピタキシャル結晶成長を開始させるための種結晶と、（１）凝固中に溶融金属材料内へ成長するように種結晶から単結晶を選択することと、（２）凝固中に種結晶からの単結晶が溶融金属材料内へ成長し続けるのを確実にすることの一方または両方を行うように、種結晶スタータキャビティとインベストメントモールディングキャビティを機能的に（ｏｐｅｒａｔｉｖｅｌｙ）接続する結晶粒セレクタと、インベストメントモールディングキャビティとその内部に収容されるあらゆる溶融金属材料との重量を、この重量の少なくとも一部を結晶粒セレクタから取り去るように、少なくとも部分的に支持するための結晶粒セレクタサポートと、を備えており、システムは、単結晶インベストメント鋳造部材を生成することができる。各種結晶は、一つまたは複数の単結晶インベストメント鋳造部材を成長させるのに使用できる。単結晶インベストメント鋳造部材は、ガスタービンエンジン部材を含むことができる。

実施態様において、これらのシステムは、種結晶と、種結晶と機能的に連通する結晶粒セレクタと、結晶粒セレクタを圧迫する重量の少なくとも一部を支持することができる結晶粒セレクタサポートと、を備えることができ、システムは、単結晶インベストメント鋳造部材を生成することができる。

実施態様において、種結晶は、約０．０００７ｉｎ²から約０．６２５ｉｎ²の断面積を有する、円形、正方形、長方形、楕円形、半円形、および多角形のうちの少なくとも一つの断面形状を有する単結晶結晶粒構造を備える。種結晶は、種結晶と接触する溶融金属材料が鋳造中に種結晶の一部を逆戻りして溶融させるように、所定の融点を有する。さらに、種結晶は、所定の高さを有しており、種結晶の頂部は、種結晶の頂部の温度が種結晶の液相線（ｌｉｑｕｉｄｕｓ）温度を超えるように十分遠くまで炉内へ延在しており、一方、種結晶の底部の温度は、種結晶の固相線（ｓｏｌｉｄｕｓ）温度より低いままである。種結晶は、＜００１＞一次結晶方位および二次結晶方位を有することができるか、あるいは、＜１１１＞一次方位と、＜１１２＞または＜１１０＞二次結晶方位とを有することができる。種結晶の二次方位は、所定の結晶面と位置合せすることができるが、これは、制御された二次方位が所望される鋳造特徴部によって規定されるものである。

実施態様において、種結晶は、ニッケル基超合金、鉄基超合金、コバルト基超合金、および耐熱基（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ−ｂａｓｅｄ）超合金のうちの少なくとも一つを含むことができる。種結晶は、以下の合金元素すなわち、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ホウ素（Ｂ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、およびケイ素（Ｓｉ）のうちの少なくとも一つと、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、およびコバルト（Ｃｏ）のうちの少なくとも一つと名目上（ｎｏｍｉｎａｌ）の不純物とから成る残部と、を含むことができる。種結晶は、約５ｗｔ％のクロムと、約１０ｗｔ％のコバルトと、約５．６ｗｔ％のアルミニウムと、約１．９ｗｔ％のモリブデンと、約５．９ｗｔ％のタングステンと、約０．１ｗｔ％のハフニウムと、約８．７ｗｔ％のタンタルと、約３．０ｗｔ％のレニウムと、ニッケルから成る残部とを含むことができる。

実施態様において、結晶粒セレクタは、種結晶スタータキャビティをインベストメントモールディングキャビティに接続する非線形管状構造を備える。非線形管状構造は、円形、楕円形、三角形、長方形、正方形、および多角形のうちの少なくとも一つの断面形状を有する、らせん形、二次元ベンド（ｂｅｎｄ）、三次元ベンド、階段状（ｓｔａｉｒｃａｓｅ）、およびジグザグ状のうちの少なくとも一つを含むことができる。実施態様において、非線形管状構造は、約０．０００２５ｉｎ²から約０．５０ｉｎ²の断面積を有する通路を内部に備える。実施態様において、通路は、非線形管状構造が接続される種結晶の表面の表面積の大きさの約１／９以下の断面積を有し得る。らせん形は、１インチ当たり約０．２５回転から約１０回転と、約９０°から約３６００°の回転がらせん形の一端から他端へ生じるように全体で約０．２５回転から約１０回転との一方または両方を有することができる。また、らせん形は、水平から約５０°±３０°の傾斜角を有することができる。結晶粒セレクタサポートは、高強度セラミック、ガラス、黒鉛、および耐熱金属のうちの少なくとも一つなどといった約３１００°Ｆの温度まで結晶粒セレクタに支持を与えることができる材料を含むことができる。実施態様において、結晶粒セレクタは、結晶粒セレクタサポートの周りに配置されることができるものであり、約０．０２０ｉｎ²から約０．２５ｉｎ²の断面積を有する、円形、正方形、長方形、三角形、および楕円形のうちの少なくとも一つの断面形状を有するロッドを備える。

また、本発明の実施態様は、高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成する方法を含む。これらの方法は、種結晶を種結晶スタータキャビティ内に配置し、種結晶スタータキャビティをモールドキャビティに機能的に接続するように結晶粒セレクタを設け、結晶粒セレクタと、モールドキャビティと、その内部に収容されるあらゆる溶融金属とを支持するように結晶粒セレクタサポートを使用し、溶融金属をモールドキャビティ内へ導入し、溶融金属をモールドキャビティから結晶粒セレクタを通って種結晶スタータキャビティ内へと流れさせ、種結晶から単結晶をエピタキシャルに核形成させかつ成長させ、モールドキャビティ内の溶融金属内へ単結晶のみを成長させて最終の高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成するように種結晶と関連させて結晶粒セレクタを使用する、工程を含む。

本発明のさらなる特徴部、態様、および利点は、本発明のいくつかの好ましい形態を例示する添付の図面が参照されるとともに同様の参照符号が図面全体を通して同様の部材を示している以下の説明の過程で、当業者には容易に明らかになるであろう。

本発明の装置および方法は、ここで以下のさまざまな図面を参照して説明される。

本発明の理解を促進する目的のために、図１、図２に例示されるような本発明のいくつかの好ましい実施態様をここで参照するとともに、特定の用語を、本発明を説明するのに使用する。ここで使用する用語は、説明の目的のためであり、限定のためではない。ここに開示されている特定の構造および機能的な説明は、限定としてではなく、本発明をさまざまに使用するように当業者に教示するための代表的な基礎としての請求項のための単なる基礎として解釈される必要がある。当業者には一般に生じるような、記述された構造および方法における任意の修正または変形、およびここに例示されるような本発明の原理のさらなる適用は、本発明の精神および範囲内にあると考えられる。

本発明は、高品質、高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成するためのシステムおよび方法に関する。これらのシステムおよび方法は、不良なあるいは雑音の多い結晶成長開示部が最初に生じる場合であっても、インベストメント鋳造部材の製造歩留まりを向上させるとともに最適な所望の結晶構造を最終鋳造部材内で達成させるように、種結晶と、結晶粒セレクタと、結晶粒セレクタサポートとを使用する。

先に述べたように、インベストメント鋳造は、鋳造後にさらに必要な加工または処理が最小限に抑えられる最終形状に近い部材を生成するのに使用できる。最初に、部品の射出成形されたワックスパターンが作成され得る。このパターンは、ワックスが除去されると最終鋳造部材内の入り組んだ中空通路を形成することになるセラミックまたは他の耐熱材料のコアをワックスの内部に備えることができる。このような中空鋳造物は、一般にガスタービンエンジン部材などの複雑な部品を作成するのに使用される。一旦ワックスパターンが形成されると、パターンは次いで、いくつかの層のセラミック材料（すなわち、スラリーおよびスタッコ（ｓｔｕｃｃｏ））内に包まれることができて、部品のセラミックシェルモールドを形成する。その後ワックスは、溶解されてモールドから除去でき、次いでモールドは、炉内での焼結によって強化され得る。その後、実施態様においては、真空炉が、このモールド内で単結晶鋳造部材を生成するのに使用され得る。

単結晶鋳造部材は、さまざまな方法で作成できる。所望のものが、単結晶鋳造部材内の一次および二次の結晶成長を制御すること、あるいは、自然には好ましくない方向に結晶を成長させることである場合は、種結晶が、最終鋳造部材のために、一次および二次方位、および不自然な方位のうちの少なくとも一つを前もって選択するのに使用され得る。既知の一次および二次方位を有する種結晶は、以前に鋳造された単結晶スラブ（ｓｌａｂ）から種結晶を加工すること、あるいは既存の種結晶から一つまたは複数の種結晶を鋳造することなどによるさまざまな仕方で作成できる。予め作成された種結晶は次に、インベストメント鋳造セラミックシェルモールド内の種結晶スタータキャビティの内部に取り付けることができる。一般に種結晶の頂部と種結晶スタータキャビティの頂部の間には間隙が存在し、それによって、溶融金属が鋳造中に間隙内に溜まり種結晶の一部を逆戻りして溶融させることができる。この溶融金属溜まり内の原子は次いで、種結晶の原子構造をエピタキシャルに複写して、溶融金属から生成される単結晶鋳造部材の中へおよびその全体に亘って制御された一次および二次方位で成長し続ける。

所望のものが、単結晶鋳造部材内の一次成長方向のみを制御することである場合は、結晶粒セレクタが、多数の二次柱状（ｃｏｌｕｍｎａｒ）結晶粒を内部に有する単結晶種結晶から一つの主要（ｄｏｍｉｎａｎｔ）な結晶を選択するように使用されることができ、それによって、主要な結晶を最終鋳造部材の中へ成長させ、一方、内部の原子の全てを所望の一次方位に整列させる。種結晶は、結晶粒セレクタが主要な結晶を選択できる十分な柱状結晶粒を提供する任意の適切な幾何学的形態を備えることができる。同様に、結晶粒セレクタは、種結晶内の好ましくない二次結晶に対する妨害を与える任意の適切な幾何学的形態を備えることができ、それによって、種結晶からの一つの主要な結晶のみが最終鋳造部材内への連続成長のために選択される。階段状、らせん形、およびベンドのうちの少なくとも一つの形態の結晶粒セレクタは、結晶粒成長を抑制するために一般に使用される。

ここで図１を参照すると、本発明の実施態様において使用されるような例示的なインベストメント鋳造システム１０が示される。この特定のシステムでは、真空炉１１が、サセプター１２を備えており、サセプター１２は、サセプター１２の直ぐ近くに配置された誘導コイルまたは電気抵抗加熱器１４によって加熱される。この炉１１はまた、活性加熱室１６と、低温室１８と、これら二つの室を分離する放射シールドとして機能するバッフル２０と、冷却板２２の上に位置するセラミックシェルモールド２４の基部を冷却する冷却板２２とを備える。鋳造の前に、セラミックシェルモールド２４の底部以外での核形成を防止するのを助けるために、セラミックシェルモールド２４は、鋳造中にセラミックシェルモールド２４内へ注ぎ込まれることになる溶融金属の融点を超える温度に活性加熱室１６内で加熱できる。

鋳造中は、所定の合金が溶融され、注ぎカップ（ｐｏｕｒ ｃｕｐ）２６を介して耐熱セラミックシェルモールド２４内へ導入される。いくつかの例示的な非限定的な合金は、立方晶系結晶構造のニッケル基、鉄基、コバルト基、および耐熱基超合金のうちの少なくとも一つを含む。注ぎカップ２６から溶融金属が下方へとモールドキャビティ２８、結晶粒セレクタ３０、および種結晶スタータキャビティ３２内へ流れ込み、溶融金属は、種結晶スタータキャビティ３２内に配置される種結晶３４の上方部分の一部を溶融させる。溶融金属は、取り除かれまたは「失われた」ワックスによって生成されたモールド２４内のキャビティを満たし、モールド２４内に配置されたどのようなセラミック／耐熱コアも封じ込める。種結晶３４は、冷却板２２上に直接位置することができ、あるいは、冷却板２２と直接接触しないようにモールド２４内に配置されることができる。冷却板２２は、種結晶３４および種結晶スタータキャビティ３２を冷却し、それによって、内部に収容される溶融金属の凝固を開始させる。溶融金属の引き続く結晶化は、冷却板２２をゆっくりと降下させて、セラミックシェルモールド２４を活性加熱室１６から徐々に引き出し、それを低温室１８内へ配置させて、モールド２４内に収容される溶融金属からの一方向の熱除去の確立および制御の一方または両方を行うことによって生じる。これが生じる間に、凝固先端が、種結晶スタータキャビティ３２内の種結晶３４の溶融金属部分内で最初に確立される。図２は、凝固中に冷却板が低温室１８内へ降下される間に、活性加熱室１６から部分的に移動される冷却板２２およびセラミックシェルモールド２４を示す。セラミックシェルモールド２４が活性加熱室１６から引き出される間に、凝固先端は、上方へと結晶粒セレクタ３０内の溶融金属を通ってモールドキャビティ２８内の溶融金属内へ移動して、単結晶鋳造部材がモールドキャビティ２８内に形成される。これによって、所定の一方向凝固（すなわち単結晶）パターンを内部に有する制御された結晶粒構造を備える最終鋳造部材が生成される。鋳造後、セラミックシェルモールド２４は、鋳造部材の外側から（すなわち機械的に）除去でき、鋳造部材内のどのような耐熱コアも、機械的または化学的溶解処理によって鋳造部材から除去できる。

一般に、種結晶３４を使用するときは、結晶粒セレクタ３０の使用は、必要でなく、しばしば好ましくすらないと考えられている。しかしながら、種結晶３４に加えて結晶粒セレクタ３０を用いることは、特に不良なあるいは雑音の多い結晶成長開始部が存在するときに、生産歩留まりを向上させかつ最終鋳造部材内で最適な所望の結晶構造の形成を促進するのを助けることが見出された。例えば、不良な種結晶開始部が生じる場合（すなわち、種晶の複製が種結晶スタータキャビティ３２内で全く生じない場合）、結晶粒セレクタ３０は、種結晶から成長を開始した複数の柱状結晶粒のうちの一つを選択でき、モールドキャビティ２８内の溶融金属内へ単結晶を伝播させ、そうでなければ可能性のある不良な鋳造物を省くことができる。限界的な結晶成長が種結晶スタータキャビティ３２内で開始した場合、結晶粒セレクタ３０は、モールドキャビティ２８内の溶融金属内への伝播のために、主要な結晶粒（すなわち、種結晶３４の結晶粒）を選択でき、そうでなければ可能性のある不良なあるいは限界的な性質の鋳造物を省くことができる。清浄な開始部が生じる場合（すなわち、１００％の種晶の複製が生じ、種結晶スタータキャビティ３２内に結晶粒欠陥が全くない場合）、結晶粒セレクタ３０は、それから生成される最終鋳造部材に有害な影響を及ぼさないことが示されている。さらに、鋳造部材が、鋳造後の加工を最小限に抑える方位であるが結晶成長にとって熱力学的には好ましくない方位に鋳造モールド内で配置される場合は、種結晶と結晶粒セレクタの両方とも、最終鋳造部材内の最適な一次および二次結晶成長を確実にするように使用される必要があり得る。従って、本発明の実施態様は、種結晶３４と関連させて結晶粒セレクタ３０を使用することを含む。種結晶３４および結晶粒セレクタ３０は両方とも、セラミックシェルモールドが形成される間に撓み（ｆｌｅｘｕｒｅ）を最小限に抑えるとともに細かなひびによるひび割れ（ｃｒａｚｅ ｃｒａｃｋ）を防止するのに必要な構造の完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を有するように設計される必要があり、それによって、正常な結晶成長を阻害してばらばらに迷走する結晶および好ましくない結晶方位を最終鋳造部材内に形成させ得る鋳造中の金属の鋳ばり（ｆｉｎ）の生成を防止する。

本発明において使用される種結晶３４は一般に、鋳造された円柱形状を有するが、任意の適切な形状または構成が使用され得る。例えば、実施態様において、種結晶３４は、円形断面、正方形断面、長方形断面、楕円形断面、半円形断面、多角形断面、その他などを有する円柱形状を有することができる。多数の他の適切な形状および／または構成も存在する。また、種結晶３４は、種晶の一端（すなわち底部端）が種晶の他端（すわなち頂部端）より大きくなるようにテーパ付きとすることができる。種結晶３４は、任意の適切な断面積を有することができ、実施態様においては、約０．０００７ｉｎ²と約０．６２５ｉｎ²の間とすることができる。種晶の高さは、種結晶の底部の温度が種結晶の固相線温度より低いままで、種結晶の頂部の温度が種結晶の液相線温度を超えるように十分遠くまで種結晶の頂部が炉内に延在するよう十分大きな寸法とするのが好ましい。

種結晶３４は、最終鋳造部材内で所望される所定の結晶構造（すなわち単結晶）および方位を有する。鋳造中、種結晶３４の結晶構造は、エピタキシャル結晶成長によって最終鋳造部材に付与されることになる。種結晶３４は、所望の結晶方位を有するように鋳造されることができ、あるいは、種結晶３４は、種結晶３４に所望の結晶方位を付与するように、モールドキャビティ２８に関して物理的に配置され得る。例えば、実施態様において、種結晶３４は、＜００１＞一次結晶方位および二次結晶方位を有するように、あるいは、＜１１１＞一次結晶方位と、＜１１２＞または＜１１０＞二次結晶方位とを有するように鋳造できる。また例えば、実施態様において、二次結晶方位は、制御された二次方位が所望される鋳造特徴部によって規定される好ましい結晶面と位置合せすることができる。

実施態様において、種結晶３４は、以下の材料すなわち、ニッケル基、鉄基、コバルト基、および耐熱基超合金のうちの少なくとも一つ、のうち一つまたは複数を含むことができる。実施態様において、種結晶は、以下の合金元素すなわち、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ホウ素（Ｂ）、コロンビウム／ニオブ（Ｃｂ／Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、およびケイ素（Ｓｉ）のうちの一つまたは複数と、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、およびコバルト（Ｃｏ）のうちの少なくとも一つと名目上の不純物とから成る残部と、を含むことができる。本発明の一実施態様において使用される種結晶は、以下の組成（重量パーセント）すなわち、５％のクロムと、１０％のコバルトと、５．６％のアルミニウムと、１．９％のモリブデンと、５．９％のタングステンと、０．１％のハフニウムと、８．７％のタンタルと、３．０％のレニウムと、ニッケルから成る残部とを有するＰＷＡ１４８４を含むことができる。実施態様において、種結晶の組成は、部材合金の融点と同様かあるいはそれより高い融点を有しており、それによって、部材合金の過熱金属が、鋳造中に種結晶全体を完全に溶融させることなく種結晶の頂部の小領域を逆戻りして溶融させて、エピタキシャル成長が種結晶から生じるのを確実にする。個々の単結晶鋳造部材を成長させるのに、あるいは、各部材が制御された一次および二次方位を有する複数の単結晶鋳造部材を成長させるのに、一つの種結晶を使用できる。

本発明の実施態様において、結晶粒セレクタ３０の一端は、種結晶スタータキャビティ３２に機能的に接続されかつ種結晶スタータキャビティ３２の上に配置される。この結晶粒セレクタ３０は、モールドキャビティ２８内の溶融金属内での連続した単結晶成長を確実にするという、あるいは、種結晶３４内の柱状結晶粒成長をモールドキャビティ２８内の溶融金属内の単結晶成長に変換するという、その意図された目的に役立つ任意の適切な形状／構成とすることができる。結晶粒セレクタ３０は、最終鋳造部材内へ成長し続けるのが所望されている単結晶を除く他は全て除外するのに十分な方向の変更を有する任意の適切な非線形管状構造を備えることができる。さまざまな実施態様において、らせん形、二次元または三次元ベンド、階段状、ジグザグ状、またはその他の適切な非線形管状構造を使用できる。いくつかの実施態様において、曲がり角および急な方向転換は、異質な核形成を促進する傾向があるので、らせん形が好ましいものとなり得る。非線形管状構造は、例えば、円形、楕円形、三角形、長方形、正方形、多角形、その他などといった任意の適切な断面形状を有することができる。非線形管状構造は一般に非常に小さくかつ脆弱であるが、それは、溶融金属を相対的に自由に通して流させるように十分大きな通路を内部に有する必要がある。実施態様において、通路は、約０．０００２５ｉｎ²から約０．５０ｉｎ²の断面積を有することができる。実施態様において、通路直径の断面積は、通路が付着される種結晶３４の表面の表面積の大きさの約１／９以下である。実施態様において、らせん形を用いる場合、らせん形は、１インチ当たり約０．２５〜１０回転と、約９０〜３６００°の回転がらせん形の一端から他端へ生じるように全体で約０．２５〜１０回転との一方または両方を有することができる。さらに、らせん形の傾斜角は、水平から約５０°±３０°とすることができる。さまざまなその他の実施態様も可能である。

結晶粒セレクタ３０の他端は、モールドキャビティ２８に機能的に接続され、モールドキャビティ２８の下に配置される。モールドキャビティ２８が溶融金属で満たされる場合、相対的に脆弱な結晶粒セレクタ３０は一般に、この重量を支えるが、これはかなり甚大になり得る。しばしば、この重量は、結晶粒セレクタ３０がそれ自体で支持できないほど大きくなることがあり、結晶粒セレクタ３０は、破損するかあるいはそれ自体の上に崩壊することがある。従って、結晶粒セレクタサポート３６が、モールド２４とその内部の溶融金属との重量を支持するのを助けるように使用されることができ、それによって、結晶粒セレクタ３０それ自体から負荷の一部を取り去る。結晶粒セレクタサポート３６は、その上に掛けられる負荷を支持できるとともに鋳造前および鋳造中に到達される高温（すなわち、約２６００〜３１００°Ｆまで）においてその形状および強度を維持することもできる任意の適切な材料を備えることができる。いくつかの適切な非限定的な材料は、アルミナ、シリカ、アルミナ−ケイ酸塩、ジルコニア、その他などの高強度セラミック材料と、ガラス、黒鉛、耐熱金属、または同様のものなどといったその他の材料との一方または両方を含む。ここで示される結晶粒セレクタサポート３６は、円形断面を有する前もって形成されたセラミックロッドであるとはいえ、任意の適切なロッドの幾何学的形状を使用できる。例えば、結晶粒セレクタサポート３６は、正方形断面、長方形断面、三角形断面、楕円形断面、その他を有するロッドを含むことができる。結晶粒セレクタサポート３６は、その意図された目的を達成するのに適した任意の大きさとすることができる。例えば、実施態様において、結晶粒セレクタサポート３６は、約０．０２０〜０．２５ｉｎ²の断面積を有するロッドを含むことができる。結晶粒セレクタサポートの多くの他の実施態様も可能である。

本発明は、高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を作成する方法を含む。実施態様において、これらの方法は、以下の非限定的な順序でこれらの工程すなわち、種結晶を種結晶スタータキャビティ内に配置し、種結晶スタータキャビティをモールドキャビティに機能的に接続するように結晶粒セレクタを設け、結晶粒セレクタと、モールドキャビティと、その内部に収容される溶融金属とを支持するように結晶粒セレクタサポートを使用し、溶融金属をモールドキャビティ内へ導入し、溶融金属をモールドキャビティから結晶粒セレクタを通って種結晶スタータキャビティ内へと流れさせ、種結晶から単結晶をエピタキシャルに核形成させかつ成長させ、モールドキャビティ内の溶融金属内へ単結晶のみを成長させて最終の高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成するように種結晶と関連させて結晶粒セレクタを使用する、工程を含む。

上述したように、本発明は、高品質、高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成するためのシステムおよび方法を提供する。有利なことには、これらのシステムおよび方法は、不良なあるいは雑音の多い結晶成長開示部が最初に生じる場合であっても、最適な所望の結晶構造を最終鋳造部材内で達成させる。従って、結晶粒の誤った方位に起因する鋳造欠陥が、本発明のシステムおよび方法によって大幅に低減され、それによって、生産歩留まりが増加される。多くの他の実施態様および利点は、当業者には明らかであろう。

本発明が満たすさまざまな必要を充足する本発明のさまざまな実施態様を説明した。これらの実施態様は、本発明のさまざまな実施態様の原理の単なる例示であると理解する必要がある。その多数の変更および改造が、本発明の精神および範囲から逸脱せずに当業者には明らかであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に含まれるような全ての適切な変更および変形を含むものである。

本発明の実施態様において使用されるような、真空炉と、種結晶と、結晶粒セレクタと、結晶粒セレクタサポートとを備える例示的なインベストメント鋳造システムを示す概略図である。 冷却板とモールドが活性加熱室から部分的に移動されかつ低温室内に部分的に配置されて示されている、図１の例示的なインベストメント鋳造システムを示す概略図である。

符号の説明

１０…インベストメント鋳造システム
１１…真空炉
１２…サセプター
１４…加熱器
１６…活性加熱室
１８…低温室
２０…バッフル
２２…冷却板
２４…セラミックシェルモールド
２６…注ぎカップ
２８…モールドキャビティ
３０…結晶粒セレクタ
３２…種結晶スタータキャビティ
３４…種結晶
３６…結晶粒セレクタサポート

Claims (35)

1. インベストメントモールディングキャビティと、
   種結晶スタータキャビティと、
   種結晶と接触する溶融金属材料内においてエピタキシャル結晶成長を開始させるための種結晶と、
   （１）凝固中に溶融金属材料内へ成長するように種結晶から単結晶を選択することと、（２）凝固中に種結晶からの単結晶が溶融金属材料内へ成長し続けるのを確実にすることの一方または両方を行うように、種結晶スタータキャビティとインベストメントモールディングキャビティを機能的に接続する結晶粒セレクタと、
   インベストメントモールディングキャビティとその内部に収容されるあらゆる溶融金属材料との重量を、この重量の少なくとも一部を結晶粒セレクタから取り去るように、少なくとも部分的に支持するための結晶粒セレクタサポートと、
   を備えるシステムであって、単結晶インベストメント鋳造部材を生成することができることを特徴とするシステム。
2. 種結晶は、単結晶結晶粒構造を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 種結晶は、以下の形状すなわち、円形、正方形、長方形、楕円形、半円形、および多角形のうちの少なくとも一つの断面を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 種結晶は、約０．０００７ｉｎ²から約０．６２５ｉｎ²の断面積を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 種結晶は、所定の高さを有しており、種結晶の頂部は、種結晶の頂部の温度が種結晶の液相線温度を超えるように十分遠くまで炉内へ延在しており、一方、種結晶の底部の温度は、種結晶の固相線温度より低いままであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 種結晶は、＜００１＞一次結晶方位および二次結晶方位を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 種結晶は、＜１１１＞一次方位と、＜１１２＞または＜１１０＞二次結晶方位とを有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 種結晶の二次方位は、制御された二次方位が所望される鋳造特徴部によって規定される所定の結晶面と位置合せされることを特徴とする請求項１記載のシステム。
9. 種結晶は、ニッケル基超合金、鉄基超合金、コバルト基超合金、および耐熱基超合金のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 種結晶は、以下の合金元素すなわち、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ホウ素（Ｂ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、およびケイ素（Ｓｉ）のうちの少なくとも一つと、名目上の不純物とニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、およびコバルト（Ｃｏ）のうちの少なくとも一つとから成る残部と、を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
11. 種結晶は、約５ｗｔ％のクロムと、約１０ｗｔ％のコバルトと、約５．６ｗｔ％のアルミニウムと、約１．９ｗｔ％のモリブデンと、約５．９ｗｔ％のタングステンと、約０．１ｗｔ％のハフニウムと、約８．７ｗｔ％のタンタルと、約３．０ｗｔ％のレニウムと、ニッケルから成る残部とを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
12. 種結晶は、種結晶と接触する溶融金属材料が鋳造中に種結晶の一部を逆戻りして溶融させるように、所定の融点を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
13. 少なくとも二つのインベストメントモールディングキャビティをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
14. 種結晶は、少なくとも二つの単結晶インベストメント鋳造部材を成長させるように使用されることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
15. 結晶粒セレクタは、種結晶スタータキャビティをインベストメントモールディングキャビティに接続する非線形管状構造を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
16. 非線形管状構造は、らせん形、二次元ベンド、三次元ベンド、階段状、およびジグザグ状のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１５記載のシステム。
17. 非線形管状構造は、以下の断面形状すなわち、円形、楕円形、三角形、長方形、正方形、および多角形のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１５記載のシステム。
18. 非線形管状構造は、約０．０００２５ｉｎ²から約０．５０ｉｎ²の断面積を有する通路を内部に備えることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
19. 非線形管状構造は、非線形管状構造が接続される種結晶の表面の表面積の大きさの約１／９以下の断面積を有する通路を内部に備えることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
20. らせん形は、１インチ当たり約０．２５回転から約１０回転を備えることを特徴とする請求項１６記載のシステム。
21. らせん形は、約９０°から約３６００°の回転がらせん形の一端から他端へ生じるように全体で約０．２５回転から約１０回転を備えることを特徴とする請求項１６記載のシステム。
22. らせん形の傾斜角は、水平から約５０°±３０°であることを特徴とする請求項１６記載のシステム。
23. 結晶粒セレクタサポートは、約３１００°Ｆの温度まで結晶粒セレクタに支持を与えることができる材料を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
24. 材料は、高強度セラミック、ガラス、黒鉛、および耐熱金属のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２３記載のシステム。
25. 結晶粒セレクタは、結晶粒セレクタサポートの周りに配置されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
26. 結晶粒セレクタサポートは、以下の断面形状すなわち、円形、正方形、長方形、三角形、および楕円形のうちの少なくとも一つを有するロッドを備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
27. 結晶粒セレクタサポートは、約０．０２０ｉｎ²から約０．２５ｉｎ²の断面積を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
28. 単結晶インベストメント鋳造部材は、ガスタービンエンジン部材を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
29. 種結晶と、
    種結晶と機能的に連通する結晶粒セレクタと、
    結晶粒セレクタを圧迫する重量の少なくとも一部を支持することができる結晶粒セレクタサポートと、
    を備えるシステムであって、単結晶インベストメント鋳造部材を生成することができることを特徴とするシステム。
30. 高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成する方法であって、
    種結晶を種結晶スタータキャビティ内に配置し、
    種結晶スタータキャビティをモールドキャビティに機能的に接続するように結晶粒セレクタを設け、
    結晶粒セレクタと、モールドキャビティと、その内部に収容されるあらゆる溶融金属とを支持するように結晶粒セレクタサポートを使用し、
    溶融金属をモールドキャビティ内へ導入し、
    溶融金属をモールドキャビティから結晶粒セレクタを通って種結晶スタータキャビティ内へと流れさせ、
    種結晶から単結晶をエピタキシャルに核形成させかつ成長させ、
    モールドキャビティ内の溶融金属内へ単結晶のみを成長させて高性能の単結晶インベストメント鋳造部材を生成するように種結晶と関連させて結晶粒セレクタを使用する、
    工程を含むことを特徴とする方法。
31. 一つの種結晶スタータキャビティが、複数のモールドキャビティに機能的に接続されることを特徴とする請求項３０記載の方法。
32. 種結晶は、少なくとも二つの単結晶インベストメント鋳造部材を成長させるように使用されることを特徴とする請求項３０記載の方法。
33. 高性能の単結晶インベストメント鋳造部材は、ガスタービンエンジン部材を含むことを特徴とする請求項３０記載の方法。
34. 結晶粒セレクタは、結晶粒セレクタサポートの周りに配置されることを特徴とする請求項３０記載の方法。
35. 結晶粒セレクタサポートは、ロッドを備えることを特徴とする請求項３４記載の方法。

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