JP2007118083A - 鋳造コア除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造部品に対する悪影響を最小限化し、かつ、金属コアとセラミックコアを組み合わせて用いる場合に、その両方に有効な浸出法を提供する。
【解決手段】鋳造部品から耐火性金属鋳造コアを破壊的に除去するために、該部品を硝酸と硫酸の組み合わせにさらす。
【選択図】図１

Description

本発明は、インベストメント鋳造に関する。より詳細には、本発明は金属性の鋳造コアを鋳造部品から除去することに関する。

インベストメント鋳物は、航空宇宙産業界で通常使用されている。様々な例が、ガスタービンエンジン部品の鋳造物に関連する。代表的な部品には、種々のブレード、ベーン、シール並びに燃焼器パネルが包含される。そのような部品の多くは、冷却通路を有する鋳造品である。通路は、犠牲的な鋳造コア（中子）を用いて形成することができる。

代表的なコアには、セラミックコア、耐火性金属コア（ＲＭＣ）、及びそれらの組み合わせが含まれる。例示的な組み合わせにおいて、セラミックコアは供給通路を形成でき、一方、ＲＭＣは、供給通路から関連部品の壁部を通って延びる冷却通路を形成することができる。

（例えば、ニッケル基又はコバルト基超合金から）部品を最初に鋳造した後、鋳造シェルとコアは破壊して除去される。例示的なシェルの除去は、主として機械的なものである。例示的なコアの除去は、主として化学的なものである。例えば、コアは化学浸出法で除去することができる。代表的な浸出法は、オートクレーブ中でアルカリ性溶液を使用することを包含する。例示的な浸出法は、米国特許第４，１４１，７８１号明細書、米国特許第６，２４１，０００号明細書、米国特許第６，７３９，３８０号明細書に開示されている。

特に、長い通路や微細な通路の形成が検討される場合、浸出法は非常に時間がかかるものとなる場合がある。浸出法において直面する問題には、以下が含まれる。
・鋳造部品に対する悪影響の最小限化
・金属コアとセラミックコアを組み合わせて用いる場合に、その両方に有効な浸出法
米国特許第４，１４１，７８１号明細書 米国特許第６，２４１，０００号明細書 米国特許第６，７３９，３８０号明細書

本発明の目的は、鋳造部品に対する悪影響を最小限化し、かつ、金属コアとセラミックコアを組み合わせて用いる場合に、その両方に有効な浸出法を提供することである。

本発明の一態様は、鋳造部品から少なくとも１つの鋳造コア（例えば、耐火性金属鋳造コア）を破壊的に除去するのに使用される硝酸と硫酸の組み合わせに関連する。

本発明の別の態様は、鋳造部品から少なくとも１つの鋳造コア（例えば、セラミックと耐火性金属鋳造コアの組み合わせ）を除去するのに使用されるアルカリ浸出と酸浸出の組み合わせに関連する。

本発明の１つ又はより多くの実施態様の詳細を以下の関連図面と説明において開示する。本発明のその他の特徴、目的及び利点は、その開示と図面並びに特請求の範囲の記載から明らかになるであろう。

異なる図面における同様の符号は同様の構成要素を示す。

図１は、インベストメント鋳造鋳型を形成するための例示的な方法２０を示している。様々な従来技術の方法やこれまでに開発された方法を含む他の方法も可能である。符号２２，２４において（例えば、モリブデンやニオブなど、スタンピングやその他シートメタルから切断された耐火性金属から）１つ又はより多くの金属コア要素が形成され（２２）、被覆される（２４）。適切な被膜材料には、シリカ、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化クロム、ムライト、及び酸化ハフニウムが包含される。耐火性金属と被膜の熱膨張係数（ＣＴＥ）がほぼ同じであることが好ましい。被膜は、適当な視準線技術又は非視準線技術（例えば、化学蒸着法又は物理蒸着法（ＣＶＤ又はＰＶＤ））、プラズマ溶射法、電気泳動法及びゾル−ゲル法）のいずれかによって適用することができる。個々の層は、通常０．１〜１ミル（０．００２５４〜０．０２５４ｍｍ）の厚さを有し得る。白金やその他の貴金属、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ又はＡｌやその他の非金属材料の層を溶融金属の腐食と溶解から保護するために、酸化保護用のセラミックコアと組み合わせて、金属コア要素に適用することができる。

符号２６において（例えば、成形プロセスと焼成プロセスにおいて、シリカから又はシリカ含有材料から）１つ又はより多くのセラミックコアを形成（２６）することができる。符号２８では、１つ又はより多くの被覆された金属コア要素（以降、耐火性金属コア（ＲＭＣ）と称す）を、１つ又はより多くのセラミックコアに組み立てる。次いで、コアのアッセンブリは、天然又は合成のワックスなどの容易に犠牲にされる材料で（例えば、鋳型にアッセンブリを配置して、その周囲でワックスを成形することにより）オーバーモールド（３０）される。所与の鋳型には多数のそのようなアッセンブリが包含され得る。

オーバーモールドされたコアアッセンブリ（又はアッセンブリのグループ）は、鋳造される部品の外形より大型の外形を有する鋳造パターン形状にある。パターンは、次いで符号３２で（例えば、固定具のエンドプレート間をワックス溶接することにより）シェル固定具に組み立てられる（３２）。パターンは、次いで符号３４で（例えば、１段階又はより多くの段階でスラリーに含浸させるか、スラリー噴霧塗布するかなどにより）シェルが構築される（３４）。シェルを構築した後乾燥される（３６）。乾燥３６により、シェルは少なくとも十分な強度か、あるいはその他の物理的完全性特性を有するようになり、後続に工程に供することができるようになる。例えば、インベストメントで包まれたコアアッセンブリを含むシェルは、符号３８において完全に又は部分的にシェル固定具から取り外されて（３８）、（スチームオートクレーブなどの）脱ワックス器に移される（４０）。脱ワックス器では、蒸気脱ワックス工程４２により、ワックスの大部分が除去され、シェル内に固定されたコアアッセンブリが残される。シェルとコアアッセンブリは、一般に、最終的な鋳型（モールド）を形成する。しかしながら、脱ワックス工程は、通常、ワックス又は副生成物である炭化水素の残滓をシェルの内側及びコアアッセンブリに残す。

脱ワックス後、シェルは（空気又はその他の酸化雰囲気を含む）炉へ移され（移動４４）、そこでシェルの強度を増大させるために、残存するワックス残滓を（蒸発などによって）除去するよう、及び／又は炭化水素残滓を炭素に変換するよう加熱される（４６）。雰囲気中の酸素は炭素と反応して二酸化炭素が生成される。炭素の除去により、金属鋳造品中に有害なカーバイドの形成が低減又は排除される。炭素を除去することにより、後続の操作段階で使用される真空ポンプを閉塞させる可能性を低減するという追加の利点がもたらされる。

鋳型（モールド）を大気炉から取り除いて、冷却し、点検（４８）することができる。鋳型中に金属種を配置することによって鋳型にシード添加（５０）を行い、一方向凝固鋳物（ＤＳ）又は単結晶鋳物（ＳＸ）の最終的な結晶構造を形成することができる。それにも関わらず、本発明の技術は（例えば、シェルの寸法形状が粒子セレクタを画定する場合）、その他の微細構造の鋳造に適用できる。鋳型（モールド）は、鋳造炉へ移す（５２）ことができる（例えば、炉内の冷却プレートの上に配置される）。鋳造炉は、鋳造合金の酸化を防ぐために、ポンプダウン（５４）又は非酸化雰囲気（例えば不活性ガス）で充填してよい。鋳造炉は、鋳型を予熱するために加熱（５６）される。この予熱は２つの目的に役立つ。即ち、シェルをさらに硬化して強化することと、溶融した合金を誘導する際に、熱衝撃と合金の早期固化を防ぐためにシェルを予熱すること、である。

予熱してしばらくの間真空状態に置いた後、溶融合金を鋳型中に注入（５８）し、合金が固化（６０）するよう（例えば、炉のホットゾーンから撤収後）鋳型を冷却する。固化した後真空を中断（６２）し、冷却された鋳型を鋳造炉から撤去（６４）してよい。シェルは、脱シェル工程（６６）で（例えば、シェルの機械的破壊により）除去することが可能である。

コアアッセンブリは（例えば、最終的な部品の金属製の前駆体などの）鋳造物品を残すように脱コア工程（６８）で除去される。本発明の多段階式脱コア工程を以下で説明する。鋳造物品を機械加工（７０）し、化学的及び／又は熱的に処理（７２）し、次いで被覆（７４）することにより、最終的な部品を形成できる。脱コアの前に、機械加工、化学的処理又は熱処理のうちのいくつか、あるいは全てを行ってもよい。

適当な脱コア工程６８の正確な状態（ｎａｔｕｒｅ）はいくつかの要因に左右される。これらの要因には、被膜のいずれかを含むＲＭＣの特定の材料、セラミックコアの特定の材料、鋳造合金の特定の材料、及びコアの寸法形状である。材料によって、有効性並びに種々の除去法に関する様々な問題が生じる。寸法形状に関する問題は、アクセシビリティ並びに必要な露出に影響を与える。

本発明の代表的な方法の第１のグループは、優先的にＲＭＣを除去する酸浸出機構の使用を包含する。例えば、酸浸出機構は、ＲＭＣのほとんどを除去することができる一方、セラミックコアを本質的に完全な状態で残す。セラミックコアを優先的に除去するのにアルカリ浸出法を使用することができる。より広範では、酸浸出機構は、１つ又はより多くの第１のＲＭＣを、１つ又はより多くの残りのコアよりも大きい割合で除去することができ（例えば、異なるＲＭＣ又はセラミックコア）、第１のＲＭＣのほとんどの部分を除去する一方で、残りのコアをより少ない割合で除去できる。アルカリ浸出法は、その他のコアを優先的に除去するのに使用可能である。

図２は、そのような脱コア工程の代表的な一例を示しており、アルカリ浸出工程１００が酸浸出工程１０２より先に行われる。代表的なアルカリ浸出工程は、鋳造物をオートクレーブ内に配置することと、その鋳造物をアルカリ性溶液（例えば、２２．５％水酸化カリウム）中に含浸させることとを含む。溶液へのさらしは、上昇した圧力（例えば、０．５（７５）〜１．３７（２００）ＭＰａ（ＰＳＩ）ゲージ）かつ適度に上昇した温度（例えば、３５０°Ｆ（１７７℃）、より広範では１５０〜４００℃で、例えば１２時間、より広範では１〜７２時間）で行ってよい。アルカリ性溶液をセラミックにさらし続けて反応生成物を排除するよう、圧力に周期を持たせるか、及び／又は、そうでなければ溶液を撹拌してよい。反応生成物を排出するのを促進するために（例えば、大気圧において水を用いた）中間洗浄工程を設けることもできる。

任意の清浄洗浄工程１０４（伝導度を用いた多数回の洗浄サイクルや洗浄完了を確認するためのその他のテストを包含可能）後、例示的な酸浸出工程１０２は、鋳造物の酸溶液（例えば、以下に開示の組み合わせ溶液など）中への浸漬１０６を含む。露出（溶液へさらすこと）は高温で行ってよい。例示的な温度は、アルカリオートクレーブの温度よりも低い。例示的な温度範囲は、周囲温度／室温〜１２０°Ｆ（４９℃）であり、より広範には８０℃までである。溶液は、ＲＭＣを酸溶液にさらし続けて反応生成物を排出させるために撹拌してよい。同様に、中間洗浄工程１０８は、排出を促進して中間検査１１０を容易にし得る。

図３は、別のそのような例示的な脱コア工程を示しており、この場合、（例えば１０２に類似した）酸浸出工程２００は、アルカリ浸出工程２０２（例えば、１００に類似した）の前に行われる。これにより、アルカリによる鋳造物への攻撃を最小限にすることが保証され得る。コアの構成に依存して、図２の工程と比較して、酸浸出工程に要する時間を（例えば、倍加あるいはそれより若干長くなるよう）適度に増大することができる。しかしながら、アルカリ浸出工程を（例えば１／３以下に）短縮することはより重要である。例えば、ＲＭＣによって残された排出経路を介した進入路（アクセス）により、アルカリ溶液によるセラミック供給コアの長さに沿ったほぼ瞬時の攻撃が可能となる。

モリブデンの除去に関連した実験により、酸浸出工程の適当なパラメータを選択する際に検討する、多数の物理的機構と化学的機構が示されている。鋳型中のニッケル超合金とコバルト超合金、単結晶、及び一方向凝固の鋳物を、周囲温度である７０°Ｆ（２１℃）から、上昇した１５０°Ｆ（６６℃）までの可変温度において、２４時間酸の組み合わせにさらした。１２０°Ｆ（４９℃）までは試験合金に対して悪影響はなかった（＜０．０００５インチの材料損失）。それよりも高温では、モリブデンＲＭＣの急速な溶解が見られた。１５０°Ｆ（６６℃）において、適度なエッチングが鋳造物に見られた。従って、ベース材料に対する有害な影響のない、コア除去に推奨される温度は１２０°Ｆ（４９℃）付近（例えば、１００〜１４０°Ｆ（３８〜６０℃））である。

鋳物からの除去速度は、ＲＣＭの酸に対する進入のしやすさ（アクセスビリティ）に影響される。溶解された金属の総量も又、溶解速度に影響を及ぼす。溶解したモリブデンの総量が２０ｇ／ｌを越えると、その速度は急激に低下する。３０ｇ／ｌを越えると、溶解の自然な終了が十分に起こる。硝酸と硫酸のそれぞれの濃度の様々な組み合わせを評価した。濃度５０％硝酸と５％硫酸により、除去速度とベース金属に対する影響のつり合いがとれた有利な結果が得られた。撹拌により未使用の酸を所望される領域に送り込む速度は改善されたが、定量化はされなかった。

これらの実験から、硝酸（ＨＮＯ₃）と硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）の組み合わせの有利な相関的組み合わせが発見された。容量で４０〜６０％の硝酸と、３〜１０％の硫酸を本質的に含有する水溶性溶液により、好ましい結果が得られると予測される。例示として、この溶液について、容量で、硝酸濃度は硫酸濃度の４〜２０倍、より狭く８〜１５倍であってよい。

本発明の１つ又はより多くの実施態様を説明してきた。それにも関わらず、本発明の趣旨並びに範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であることは理解されるであろう。例えば、本発明の原理は、既存あるいはこれから開発される方法が、実施のパラメータの影響を受けるかあるいは、それらを要求する場合の変更として実施できる。従って、その他の実施態様は特許請求の範囲内である。

インベストメント鋳造方法のフローチャートを示す図。 図１の方法内の代表的な脱コア工程のフローチャートを示す図。 代替の脱コア工程のフローチャートを示す図。

Claims (23)

1. 硝酸と硫酸の組み合わせに鋳造コアをさらすことによって鋳造部品から鋳造コアを破壊的に除去するステップを含むことを特徴とする、方法。
2. 前記鋳造コア上に犠牲的パターンを成形するステップと、
   そのパターンの上にシェルを形成するステップと、
   鋳造コアを残して、そのシェルからパターンを破壊的に除去するステップと、
   そのシェル中で金属材料を鋳造するステップと、
   鋳造部品を残すようにそのシェルを破壊的に除去するステップ、
   とをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記さらすことが、少なくとも８０℃の温度で行われることを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 前記鋳造コアが、本質的に、任意に被覆された耐火性金属ベースの基体からなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 前記鋳造コアが、第１の鋳造コアであり、
   前記方法が、第２の鋳造コアを前記鋳造部品から、主としてアルカリ浸出法によって除去するステップを含むことを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 前記アルカリ浸出法が、前記第１の鋳造コアの除去後に、実質的に行われることを特徴とする、請求項５記載の方法。
7. 前記アルカリ浸出法が、前記第１の鋳造コアの除去前に、実質的に行われることを特徴とする、請求項５記載の方法。
8. 前記鋳造コアが、本質的にセラミック被覆のモリブデンベース基体からなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
9. 前記組み合わせが、容量で、硫酸濃度の４〜２０倍である硝酸濃度を有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
10. 前記組み合わせが、容量で、硫酸濃度の８〜１５倍である硝酸濃度を有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
11. 前記組み合わせが、容量で４０〜６０％の硝酸と３〜１０％の硫酸を含む水溶性溶液の形態であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
12. 請求項１記載の前記方法が、ガスタービンエンジンの部品を製造するのに使用されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
13. 前記鋳造部品が、本質的にニッケル基又はコバルト基超合金からなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
14. 第１の鋳造コアの大部分を除去するための、アルカリ浸出を含む第１の浸出ステップと、
    第２の鋳造コアの大部分を除去するための、酸浸出を含む第２の浸出ステップ、
    とを含むことを特徴とする、セラミックの第１の鋳造コアと耐火性金属ベースの第２の鋳造コアとを鋳造部品から除去するための方法。
15. 前記第１の浸出ステップが、０．５ＭＰａ〜１．３７ＭＰａの圧力における複数の第１の期間と、大気圧における複数の第２の期間とを含み、かつ、
    前記第２の浸出ステップが、３８〜４９℃の温度における期間を含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
16. 前記第１の浸出ステップが、０．５ＭＰａ〜１．３７ＭＰａゲージの圧力における少なくとも１つの期間を含み、かつ、
    前記第２の浸出ステップが、３８〜４９℃の温度における期間を含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
17. 前記第１の浸出ステップが、少なくとも０．５ＭＰａゲージの圧力における少なくとも１の期間を含み、かつ、
    前記第２の浸出ステップが、３０〜４９℃の温度における少なくとも１つの期間を含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
18. 前記第２の浸出ステップが、硝酸と硫酸を含有する溶液中へ含浸させることを含むことを特徴とする、請求項１５記載の方法。
19. 前記第１の浸出ステップが、少なくとも１００℃の温度にさらすことを含み、かつ、
    前記第２の浸出ステップが、６６℃までの温度にさらすことを含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
20. 前記第１の浸出ステップが、少なくとも１５０℃の温度にさらすことを含み、かつ、
    前記第２の浸出ステップが、６０℃までの温度にさらすことを含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
21. 請求項１４記載の前記方法が、ガスタービンエンジンの部品を製造するのに使用されることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
22. 前記鋳造部品が、本質的にニッケル基又はコバルト基超合金からなることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
23. 前記第２のコアが、本質的にセラミック被覆のモリブデンベース基体からなることを特徴とする、請求項１４記載の方法。

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