JP2007090434A - Method and apparatus for attaching metallic casting core to ceramic casting core - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はインベストメント鋳造に関する。さらに詳しくは、本発明はインベストメント鋳造コアアセンブリに関する。 The present invention relates to investment casting. More particularly, the present invention relates to investment casting core assemblies.
インベストメント鋳造は航空宇宙産業に一般的に用いられている。様々な例がガスタービンエンジン部品の鋳造に関係している。部品の例としては様々なブレード、ベーン、シール、および燃焼室パネルを含む。こうした多くの部品には冷却経路が鋳造される。経路は犠牲鋳造コアにより形成されうる。 Investment casting is commonly used in the aerospace industry. Various examples relate to the casting of gas turbine engine components. Examples of parts include various blades, vanes, seals, and combustion chamber panels. Many of these parts are cast cooling paths. The path can be formed by a sacrificial casting core.
コアの例としてはセラミックコア、耐火金属コア(RMC)、およびこれらの組み合わせを含んでなる。一例の組み合わせでは、セラミックコアが供給経路を形成するのに対し、耐火金属コアは供給経路から部品の内壁を通して延びる冷却経路を形成する。コアは互いが組み立てられてセラミック接着剤で固定されうる。一例のセラミック接着剤はアルミナベースのものである。例えば、接着剤はアルミナ粉末およびコロイドシリカのようなバインダを備えうる。 Examples of cores include ceramic cores, refractory metal cores (RMC), and combinations thereof. In one example combination, the ceramic core forms a supply path, while the refractory metal core forms a cooling path that extends from the supply path through the inner wall of the part. The cores can be assembled together and secured with a ceramic adhesive. An example ceramic adhesive is alumina-based. For example, the adhesive may comprise a binder such as alumina powder and colloidal silica.
部品(例えば、ニッケルもしくはコバルトベースの超合金からの)の最初の鋳造後、鋳造シェルやコアが壊されるようにして取り除かれる。一例のシェルの除去は主に機械的である。一例のコアの除去は主に化学的である。例えば、コアは化学的浸出により除去される。一例の浸出はオートクレーブでのアルカリ性溶液の使用を含む。一例の浸出技術は特許文献1、特許文献2および特許文献3に開示されている。
したがって、本発明の一つの態様は金属鋳造コアをセラミック鋳造コアに取り付ける方法を含む。金属鋳造コアの挿入部位がセラミック鋳造コアの差込部位に挿入される。スラリが金属鋳造コアとセラミック鋳造コアとの間に導入される。 Accordingly, one aspect of the present invention includes a method of attaching a metal cast core to a ceramic cast core. The insertion site of the metal casting core is inserted into the insertion site of the ceramic casting core. A slurry is introduced between the metal casting core and the ceramic casting core.
種々の実施例では、金属鋳造コアは耐火金属ベースの基体(例えば、任意選択的にコーティングされた)を含みうる。この方法はタービンブレードコアアセンブリもしくはタービンベーンコアアセンブリを形成するのに用いられる。スラリが硬化されるように加熱される。金属鋳造コアとセラミック鋳造コアはスラリの導入中に振動される。部品の挿入はセラミック鋳造コアが未焼成の段階で行われる。スラリはジルコンおよび水溶性コロイドシリカを備える。 In various embodiments, the metal casting core can include a refractory metal-based substrate (eg, optionally coated). This method is used to form a turbine blade core assembly or a turbine vane core assembly. Heated to cure the slurry. Metal and ceramic casting cores are vibrated during the introduction of the slurry. The part is inserted when the ceramic casting core is not fired. The slurry comprises zircon and water soluble colloidal silica.
本発明のもう一つの態様は鋳造コアアセンブリを製造する装置を含む。装置はセラミック鋳造コアを固定する手段をもつ。装置はセラミック鋳造コアの受入部位に差し込まれた挿入部位をもつ金属鋳造コアを固定する手段をもつ。装置はセラミック鋳造コアと金属鋳造コアを振動させる手段をもつ。 Another aspect of the invention includes an apparatus for manufacturing a cast core assembly. The apparatus has means for fixing the ceramic casting core. The apparatus has means for securing a metal cast core having an insertion site inserted into a receiving site of the ceramic cast core. The apparatus has means for vibrating the ceramic and metal casting cores.
種々の実施例では、固定する手段がセラミック鋳造コアと金属鋳造コアの相対的な位置を調節する手段を含む。 In various embodiments, the means for securing includes means for adjusting the relative position of the ceramic and metal casting cores.
様々な製造状況において、セラミック接着剤のバインダは耐火金属コアのような付加的な部材と拒絶反応を示しうる。別の方法として、シェル化に用いるスラリを基にしてコアを固定するように特殊なスラリが開発されている。実施例のスラリは本質的に重量比で79:21のジルコンと水溶性コロイドシリカと、界面活性剤と、所望の粘度を達成するように十分な添加水と、の組み合わせよりなる。ジルコンのコロイドシリカに対する比率の実施例の範囲は70:30〜80:20である。 In various manufacturing situations, ceramic adhesive binders can exhibit rejection with additional components such as refractory metal cores. As another method, a special slurry has been developed to fix the core based on the slurry used for shelling. The example slurry consists essentially of a combination of 79:21 zircon by weight, water-soluble colloidal silica, a surfactant, and sufficient added water to achieve the desired viscosity. Example ranges for the ratio of zircon to colloidal silica are 70:30 to 80:20.
実施例の界面活性剤は、テキサス州ヒューストンのソルベイ・ケミカルズ社よりANTAROX BL 225の商標で入手可能な、本質的に直鎖状アルコールがベースの界面活性剤である。実施例の界面活性剤の量は0.05〜0.15%(体積%)で、より厳密には、例えば0.07〜0.09%といった、0.1%未満である。任意選択的な添加剤は、少量(例えば、0.005〜0.015%(体積%))のポリジメチルシロキサン(ニュージャージー州ウェインのハイドロラブズ社よりBURST RSD−10の商標で入手可能)で、気泡の破壊に役立つ。実施例のスラリは、2.87〜2.96g/cm3の範囲の密度をもつ。実施例のスラリは、9.0〜10.5(pH)の範囲の水素イオン濃度をもつ。実施例のスラリは、25±2センチポイズ(cP)の粘度をもつ。しかしながら、特定の状況、特にさらに薄いスラリには、その他の粘度(例えば、18〜25センチポイズ)が適している。 The example surfactants are essentially linear alcohol based surfactants available under the trademark ANTAROX BL225 from Solvay Chemicals, Inc. of Houston, Texas. The amount of surfactant in the examples is 0.05-0.15% (volume%), more strictly less than 0.1%, for example 0.07-0.09%. Optional additives are small amounts (eg, 0.005 to 0.015% by volume) of polydimethylsiloxane (available under the trademark BURST RSD-10 from Hydrolabs, Wayne, NJ), Helps to destroy bubbles. The example slurry has a density in the range of 2.87-2.96 g / cm 3 . The slurry of the example has a hydrogen ion concentration in the range of 9.0 to 10.5 (pH). The example slurry has a viscosity of 25 ± 2 centipoise (cP). However, other viscosities (eg, 18-25 centipoise) are suitable for certain situations, particularly thinner slurries.
図1はインベストメント鋳造モールド成形の実施例の方法20を示す。さまざまな先行技術の方法やまだ開発されていない方法を含む、その他の方法が考えられる。一つもしくは複数の金属コア部材が形成(ステップ22)され(例えば、モリブデンやニオブのような耐火金属からなり、薄板金からのスタンピングもしくはそれ以外ではカッティングにより)、コーティング(ステップ24)される。適切なコーティング材料は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、クロミア、ムライトおよびハフニアを含む。望ましくは、耐火金属とコーティングの熱膨張係数(CTE)はほぼ同じである。コーティングはあらゆる適切な目視による方法(line‐of‐sight technique)もしくは非目視の方法(non‐line‐of‐sight technique)により適用される(例えば、化学蒸着法(CVD)、物理蒸着法(PVD)、プラズマ溶射法、電気泳動法、およびゾル−ゲル法)。個々の層は通常0.1〜1ミル(mil)の厚さである。Pt、その他の貴金属、Cr、Si、W、Al、もしくはその他の非金属材料の層が、溶融金属による侵食や溶解から保護するためのセラミックコーティングと組み合わされて、酸化から保護するように金属コア部材へ被覆される場合もある。
FIG. 1 illustrates a
また一つもしくは複数のセラミックコアが形成される(ステップ26)(例えば、成形および焼成工程により、もしくはこの工程でシリカを含有させることにより)。一つもしくは複数のコーティングされた金属コア部材(以下、耐火金属コア(RMC))が一つもしくは複数のセラミックコアに組み合わされる(ステップ28)。上記のように、アセンブリは以下で述べるセラミックスラリの使用も含む。その後コアアセンブリは、天然もしくは合成のろうのような、犠牲しやすい材料でオーバーモールドされる(ステップ30)(例えば、アセンブリを金型(ろう鋳型)内に配置して、その周りにろうを成形することにより)。複数のアセンブリが一つの特定の金型(ろう鋳型)に含まれることもある。 One or more ceramic cores are also formed (step 26) (e.g., by forming and firing processes, or by including silica in this process). One or more coated metal core members (hereinafter referred to as refractory metal cores (RMC)) are combined into one or more ceramic cores (step 28). As noted above, the assembly also includes the use of a ceramic slurry as described below. The core assembly is then overmolded with a sacrificial material, such as natural or synthetic wax (step 30) (eg, placing the assembly in a mold (wax mold) and molding the wax around it) By doing). Multiple assemblies may be included in one specific mold (brazing mold).
オーバーモールドされたコアアセンブリ(もしくは一群のアセンブリ)は主に鋳造される部品の内部形状に対応する外部形状をもつ鋳造パターン(模型)を形成する。その後このパターンはシェル化の固定具に取り付けられる(ステップ32)(例えば、固定具の端板の間にろう付けすることにより)。その後このパターンがシェル化される(ステップ34)(例えば、スラリ浸漬、スラリスプレーなどの一つもしくは複数の段階により)。シェルが形成されたのち、乾燥される(ステップ36)。乾燥により、シェルに少なくとも十分な強度もしくはその他の物理的整合性の特性が提供されてその後の工程が可能となる。例えば、インベストメント鋳造コアアセンブリを含むシェルがシェル化の固定具から完全もしくは部分的に取り外されて(ステップ38)、脱ろう装置(例えば、蒸気オートクレーブ)へと送られる(ステップ40)。脱ろう装置では、蒸気脱ろう工程(ステップ42)によりろうの大部分が除去されてシェル内部に固定されたコアアセンブリが残る。シェルおよびコアアセンブリはおおかた最終的な鋳型を形成する。しかしながら、脱ろう工程では通常シェル内部やコアアセンブリ上にろうや副生成物の炭化水素残留が残る。 The overmolded core assembly (or group of assemblies) forms a casting pattern (model) having an external shape that corresponds primarily to the internal shape of the part being cast. This pattern is then attached to the shelling fixture (step 32) (eg, by brazing between the fixture end plates). The pattern is then shelled (step 34) (eg, by one or more stages such as slurry immersion, slurry spray, etc.). After the shell is formed, it is dried (step 36). Drying provides the shell with at least sufficient strength or other physical integrity characteristics to allow subsequent processing. For example, the shell containing the investment casting core assembly is completely or partially removed from the shelling fixture (step 38) and sent to a dewaxing device (eg, a steam autoclave) (step 40). In the dewaxing device, the vapor dewaxing process (step 42) removes most of the wax, leaving a core assembly secured within the shell. The shell and core assembly mostly forms the final mold. However, the dewaxing process usually leaves wax and by-product hydrocarbon residues inside the shell and on the core assembly.
脱ろう後、シェルは炉(例えば、空気もしくはその他の酸化性雰囲気を含む)へと送られ(ステップ44)、ここで加熱されて(ステップ46)シェルが強化され、あらゆるろう残留物が除去され(例えば、蒸発により)、炭化水素残留物が炭素に転換される。雰囲気中の酸素は炭素と反応して二酸化炭素を生成する。炭素の除去は金属鋳造における有害な炭化物の形成を軽減もしくは排除するのに有益である。炭素の除去により作業の次の段階で使用される減圧ポンプの閉塞の可能性を軽減する付加的な利益がもたらされる。 After dewaxing, the shell is sent to a furnace (eg, containing air or other oxidizing atmosphere) (step 44) where it is heated (step 46) to strengthen the shell and remove any wax residue. The hydrocarbon residue is converted to carbon (eg, by evaporation). Oxygen in the atmosphere reacts with carbon to produce carbon dioxide. Carbon removal is beneficial in reducing or eliminating the formation of harmful carbides in metal casting. The removal of carbon provides the additional benefit of reducing the possibility of clogging the vacuum pump used in the next stage of work.
鋳型がこの雰囲気炉から取り出され、冷却されて検査される(ステップ48)。鋳型中に金属結晶種を置くことにより鋳型がシード添加されて(ステップ50)一方向凝固鋳造もしくは単結晶鋳造の最終的な結晶構造が設定される。なお、他の技術がその他の一方向凝固および単結晶の鋳造技術(例えば、シェルの形状が結晶粒の選別手段となる)もしくはその他の微細構造の鋳造に適用されることもある。鋳型は鋳造炉(例えば、炉内の冷硬プレート(チルプレート)の上に置かれた)へと送られる(ステップ52)。鋳造炉は真空に減圧もしくは非酸化性雰囲気(例えば、不活性ガス)を充填されて(ステップ54)鋳造合金の酸化が防止される。鋳造炉が加熱されて(ステップ56)鋳型を予熱する。この予熱は二つの目的に役立つ。すなわち、シェルをさらに硬化させて強化する、そして溶融合金の鋳湯のためにシェルを予熱して合金の熱衝撃や早すぎる凝固を防ぐことである。 The mold is removed from the atmosphere furnace, cooled and inspected (step 48). The mold is seeded by placing a metal crystal seed in the mold (step 50) to set the final crystal structure of unidirectional solidification casting or single crystal casting. Other techniques may be applied to other unidirectional solidification and single crystal casting techniques (for example, the shell shape serves as a means for selecting crystal grains) or other fine structure castings. The mold is sent to a casting furnace (eg, placed on a chill plate in the furnace) (step 52). The casting furnace is filled with a vacuum or a non-oxidizing atmosphere (eg, inert gas) (step 54) to prevent oxidation of the cast alloy. The casting furnace is heated (step 56) to preheat the mold. This preheating serves two purposes. That is, to further harden and strengthen the shell and to preheat the shell for molten alloy castings to prevent thermal shock and premature solidification of the alloy.
予熱後のまだ減圧されている状態の間に、溶融合金を鋳型に鋳湯し(ステップ58)、この鋳型を冷却して合金を凝固させる(ステップ60)(例えば、炉の高温域からの取り出し後)。凝固後、減圧が開放されて(ステップ62)冷硬された鋳型が鋳造炉から取り出される(ステップ64)。シェルは脱シェル工程(ステップ66)で除去される(例えば、シェルの機械的破壊)。 While the pressure is still reduced after preheating, the molten alloy is cast into a mold (step 58), and the mold is cooled to solidify the alloy (step 60) (eg, removed from the high temperature zone of the furnace). rear). After solidification, the reduced pressure is released (step 62), and the chilled mold is removed from the casting furnace (step 64). The shell is removed in a shell removal process (step 66) (eg, mechanical destruction of the shell).
コアアセンブリが脱コア工程(ステップ68)で除去されて鋳造品(例えば、最終的な部品の金属の原型)が残る。本発明による多段階脱コア工程を以下に示す。鋳造品が機械加工(ステップ70)され、化学的もしくは熱的処理の少なくとも一方により処理(ステップ72)され、そしてコーティング(ステップ74)されて最終的な部品が形成される。機械加工、あるいは化学的もしくは熱的処理のうちいくつかもしくは全てが脱コアの前に行われる。 The core assembly is removed in a decore process (step 68), leaving a cast (eg, the final part metal prototype). The multi-stage decore process according to the present invention is shown below. The casting is machined (step 70), processed by chemical or thermal processing (step 72), and coated (step 74) to form the final part. Some or all of machining or chemical or thermal treatment is performed prior to decore.
図2はコア組立ての装置200の詳細を示す。装置はアセンブリを振動させる振動台202を含む。各々のアセンブリは振動台の上の固定具204により固定されている。実施例のアセンブリ(図3)は鋳造セラミックフィードコア(ceramic feedcore)210と耐火性板金製の後縁スロットの耐火金属コア212よりなる。図3はさらに実施例の固定具204の詳細を示す。固定具は振動台に取り付ける基部220を含む。
FIG. 2 shows details of the
固定具は関連するフィードコア210を固定する機能を含む。これらの機能はフィードコア210と係合するように基部に正確に固定された複数のツーリングボール222を含む。クランプ224はフィードコアがツーリングボールに配置された後このフィードコアと係合するように基部に取り付けられる。回動式固定バー230はフィードコアを定位置に固定するためフィードコアの根元部に係合するように配置されている。
The fixture includes the function of fixing the associated
固定具はフィードコアに対して対応する耐火金属コア212を固定する機能を含む。実施例の固定では、耐火金属コアの先端部分がフィードコアの後縁側の脚部の溝内に挿入されている。耐火金属コアを支える機能は、この耐火金属コアの後端部分をつかむクランプ240を含む。クランプはガントリー構造体242に取り付けられる。実施例のガントリー構造体は方向500に沿って動くようにスライド可能なように取り付けられている。ガントリー(したがって耐火金属コア)の位置はマイクロメータ装置250により調節されている。実施例のマイクロメータ装置はガントリーをフィードコアの根元部に押し付けてフィードコアに沿った耐火金属コアの位置の精密な調節を行う。
The fixture includes the function of fixing the corresponding
コアの取り付けおよび位置決め(ステップ300)(図4)後、スラリのビードが結合部に適用(ステップ302)される。振動台の振動(ステップ304)によりスラリが結合部に浸透する。浸透後、スラリは乾燥される(ステップ306)。スラリの適用はフィードコアが未焼成の段階で行われる。その後コアアセンブリは取り外されて(ステップ308)フィードコアを硬化させるように焼成される(ステップ310)。また焼成によってスラリがさらに硬化されてコアを一層強力に結合させる。焼成は前述のシェル焼成とは別もしくは同時でもよい。 After core attachment and positioning (step 300) (FIG. 4), a slurry bead is applied to the joint (step 302). Slurry permeates the coupling portion by vibration of the shaking table (step 304). After infiltration, the slurry is dried (step 306). The slurry is applied when the feed core is not fired. The core assembly is then removed (step 308) and fired to cure the feed core (step 310). Moreover, the slurry is further hardened by firing to bond the cores more strongly. The firing may be performed separately or simultaneously with the shell firing described above.
都合のよいことに、スラリは、振動により助長されるスラリの結合部内への浸透を容易にするように効果的な粘度をもつ。しかしながら、乾燥による収縮は機械的破損のおそれのあるほど大きくさせるべきではない。また熱膨張係数は、焼成および鋳造に伴う加熱中、結合を維持するように効果的であるべきである。上記の実施例の特性および構成は特に効果的であると考えられる。 Conveniently, the slurry has an effective viscosity to facilitate the penetration of the slurry into the joint promoted by vibration. However, shrinkage due to drying should not be so great as to cause mechanical failure. The coefficient of thermal expansion should also be effective to maintain bonding during the heating associated with firing and casting. The characteristics and configurations of the above examples are believed to be particularly effective.
204…固定具
210…セラミック鋳造コア
212…耐火金属鋳造コア
222…ツーリングボール
224…クランプ
230…回動式固定バー
240…クランプ
204 ... Fixing
Claims (16)
前記金属鋳造コアと前記セラミック鋳造コアとの間にスラリを導入することを備えてなる金属鋳造コアのセラミック鋳造コアへの結合方法。 Insert the insertion part of the metal casting core into the receiving part of the ceramic casting core,
A method of joining a metal cast core to a ceramic cast core, comprising introducing a slurry between the metal cast core and the ceramic cast core.
2.87〜2.96g/cm3の密度と、
9〜10.5(pH)の水素イオン濃度と、
25±2センチポイズ(cP)の粘度と、
を持つことを特徴とする請求項1に記載の結合方法。 The slurry is
A density of 2.87-2.96 g / cm 3 ;
A hydrogen ion concentration of 9 to 10.5 (pH);
A viscosity of 25 ± 2 centipoise (cP);
The coupling method according to claim 1, wherein:
2.87〜2.96g/cm3の密度と、
9〜10.5(pH)の水素イオン濃度と、
18〜27センチポイズ(cP)の粘度と、
を持つことを特徴とする請求項1に記載の結合方法。 The slurry is
A density of 2.87-2.96 g / cm 3 ;
A hydrogen ion concentration of 9 to 10.5 (pH);
A viscosity of 18-27 centipoise (cP);
The coupling method according to claim 1, wherein:
前記セラミック鋳造コアの受入部位に差し込まれた挿入部位をもつ金属鋳造コアを支持する手段と、
前記セラミック鋳造コアと前記金属鋳造コアとを振動させる手段と、
を備えてなる装置。 Means for supporting the ceramic casting core;
Means for supporting a metal casting core having an insertion site inserted into a receiving site of the ceramic casting core;
Means for vibrating the ceramic casting core and the metal casting core;
A device comprising:
前記金属鋳造コアと、
前記金属鋳造コアと前記セラミック鋳造コアとの間のジルコンと水溶性コロイドシリカとを備えてなるスラリであって、振動手段によって振動されるスラリと、
を組み合わせてなる請求項14に記載の装置。 The ceramic casting core;
The metal casting core;
A slurry comprising zircon and water-soluble colloidal silica between the metal casting core and the ceramic casting core, wherein the slurry is vibrated by vibration means;
The device according to claim 14, which is a combination of the above.
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