JP2007203371A - インベストメント鋳造方法および鋳型アッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】脱ろう中のろう排出経路を付与するインベストメント鋳造鋳型デザイン１０を提供する。
【解決手段】鋳型１０は、マニホルド１６および供給導管１８が接続されたスプルー１４を支持するベースプレート１２を備える。導管１８は、端部１７でマニホルド１６と、端部１９でゲート２０と連通する。模型２２は、ベース２４に配置される。二重壁注入チャンバ２６は、内側および外側容器２８，３０を備える。脱ろう中に、プレート１２からのろうは、矢印方向３８に導管１８と開口部３２を通って容器２８に溜まる。模型２２からのろうは、ベント３６とチャネル３４を通って容器３０に溜まる。鋳型からマニホルドが外され、容器２８，３０からろうが除去される。その後、内側容器に溶融材料が導入され、導管１８とゲート２０を通ってシェルに流入する。材料が凝固すると、鋳型からマニホルドが外され、シェル／コアが除去される。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋳型デザイン、より詳細には、インベストメント鋳造の鋳型デザインに関する。

インベストメント鋳造は、複雑な幾何学形状を有する金属部品、特に中空部品を形成するために通常用いられる技術であり、超合金製のガスタービンエンジン部品の製造に用いられる。

ブレードやベーンなどのタービンエンジン部品のインベストメント鋳造に関しては、十分に発達した分野が存在する。例示的な工程では、１つまたは複数の鋳型（モールド）キャビティを有する鋳型が作成され、鋳型キャビティの各々は、鋳造される部品に概ね対応する形状を有する。鋳型を作成する例示的な工程には、１つまたは複数の部品のろう模型（ワックスパターン）の使用が含まれる。部品内の冷却通路の形状に概ね対応するセラミックコア上にろう（ワックス）を注入して、模型を成形する。模型はシェル形成固定具に取り付けられる。取付けに先立って、模型を受けるように固定具を準備する。例えば、少なくとも固定具のベースプレートにコーティングを施すように、固定具をろうに浸漬させる。ろう模型は、ベースプレートのろうコーティング上に配置され、ベースプレートにろう付け（溶接）される。

シェル形成工程では、固定された模型に対するセラミックコーティング材料の噴霧、浸漬などにより、１つまたは複数の模型の周囲にセラミックシェルが形成される。オートクレーブでの溶融などによって、ろうが除去される。シェルは、ベース表面を平坦にするベース表面のトリミングやサンディングによりさらに処理される。シェルを硬化させるようにシェルを焼成してもよい。こうして、冷却通路を画定するセラミックコアを含んだ１つまたは複数の部品画定チャンバを有するシェルを備えた鋳型が形成される。シェルは、最終部品の結晶方位を画定するように、種晶添加される（シード：ｓｅｅｄ）とともに、鋳造炉でチルプレート上にベース表面が配置される。次に、部品を鋳造するように、溶融合金が鋳型に導入される。合金が冷却されて凝固すると、成形部品からシェルおよびコアが機械的および／または化学的に除去される。次いで、部品は機械加工され、１回または複数の工程で処理される。

通常、従来技術においては、２種類の普及したインベストメント鋳造鋳型デザインの原理が存在している。第１のデザインでは、上面プレートおよび底面プレートを備え、ケージに浸漬された鋳型を有する。ケージは、シェル形成工程で完全に埋設される。次に、ＤＳ鋳造工程で必要なバッフル嵌合（ｂａｆｆｌｅ ｆｉｔ）状態を維持するため、鋳造に先立ってセラミック製の上面プレートがダイアモンドホイールでトリミングされる。この鋳型デザインは利点を有している。例えば、底面供給を容易にし、適切な排出を促進する。底面供給を実行することにより、セラミックシェルが受ける腐食が抑制され、また充填が行われる間に部品キャビティから堆積物が洗い流される。しかし、トリミング工程により、大量のセラミックダストが遊離する。このセラミックダストが鋳型内に滞留し、成形部品に形成される微小の特徴部に入り込むと、部品のばらつきが生じる恐れがある。

第２のデザインでは、あらかじめ製造された注入カップおよび底面プレートのみを利用する。セラミックのスラリが既存の注入カップを覆うまで、鋳型が浸漬される。また、この鋳型デザインも利点を有する。例えば、このデザインではセラミック製の上面プレートを使用しないため、上述したトリミング工程が省略されれ、セラミックの破片が減少する。加えて、セラミックの上面プレートがないため、一定のバッフル嵌合のために鋳型の上部輪郭を繰り返し使用できる。しかし、この鋳型デザインでは、部品キャビティの底面供給は許容されず、また、排出または脱ろう工程中にろうが排出される通路がもたらされない。

したがって、トリミング工程を省略し、破片の発生量を抑制するインベストメント鋳造鋳型デザインが必要とされている。

また、脱ろう工程中にろうを排出する経路を付与するインベストメント鋳造鋳型デザインが必要とされている。

本開示によれば、インベストメント鋳造方法は、金型に対してベースプレートを配置するステップと、金型と、ベースプレートの少なくとも第１の表面部分との間で第１の材料を成形するステップと、ベースプレートに、第２の材料からなる１つまたは複数の模型を固定するステップと、１つまたは複数の模型の少なくとも一部分および第１の材料の少なくとも一部分に１つまたは複数のコーティング層を適用するステップと、コーティング層により形成された１つまたは複数のシェルを残すように、第１の材料をマニホルド胴体部の内側容器から実質的に除去し、第２の材料をマニホルド胴体部の外側容器から実質的に除去するステップと、ベースプレートを除去するステップと、マニホルド胴体部の内側容器から１つまたは複数のシェルに溶融金属を導入するステップと、溶融金属を凝固させるステップと、１つまたは複数のインベストメント鋳造用鋳型を破壊的に除去するステップと、を含む。

本開示によれば、鋳型アッセンブリは、複数の鋳型セクションと、二重壁注入チャンバを有するマニホルド胴体部と、二重壁注入チャンバから前記複数の鋳型セクションのうち対応する１つまたは複数の鋳型セクションまでそれぞれ延びる複数の供給導管と、複数の鋳型セクションから二重壁注入チャンバまでそれぞれ延びる複数のベントと、を備え、二重壁注入チャンバが、内面および外面を有する第１の概ね円錐形状の壁部を備えた内側容器と、内側容器の周囲に周方向に配置されるとともに、内面および外面を有する第２の概ね円錐形状の壁部を備えた外側容器と、を備え、内側容器の内面により、開口部の一部が画定され、内側容器の外面および外側容器の内面により、概ね環状のチャネルの一部が画定される。

本明細書に記載されたインベストメント鋳造鋳型デザイン、およびこれを用いるインベストメント鋳造方法は、両方の従来技術デザインの長所を組み合わせたものである。インベストメント鋳造鋳型デザインでは、二重壁注入カップを備えたマニホルド胴体部と、単一のベースプレートと、を用いており、これにより、上面プレートのトリミングの必要性が排除されるとともに、脱ろう工程中にろう材料を排出させる経路が付与される。加えて、鋳型は、鋳造のため短時間でシェル加工されて形成され、これにより、注入カップからトリミング除去されなければならないシェルの量、および鋳型に侵入し得る破片の量が抑制される。

図１および図２を参照すると、本発明のインベストメント鋳造鋳型デザインが図示されている。インベストメント鋳造鋳型デザイン１０は、概ね、スプルー１４を支持するベースプレート１２を備え、このスプルー１４上にマニホルド胴体部１６が取り付けられる。スプルー１４には、１つまたは複数の供給導管１８が接続されている。各供給導管１８は、第１の端部１７においてマニホルド胴体部１６と連通し、第２の端部１９においてゲート２０と連通している。１つまたは複数の模型（パターン）２２の各々は、ゲート２０に接続されたベース２４に配置される。各模型２２は、タービンエンジン部品のインベストメント鋳造鋳型（モールド）を最終的に形成するのに十分な量の溶融金属を受けるように、インベストメント鋳造鋳型デザイン１０内に取り付けられる。

マニホルド胴体部１６は、二重壁注入チャンバ２６を備える。この二重壁のデザインにより、インベストメント鋳造工程の実施および完成製品の質の向上に対する利点がもたらされる。二重壁注入チャンバ２６は、内面および外面を有する第１の概ね円錐形状の壁部を備えた内側容器２８と、内面および外面を有する第２の概ね円錐形状の壁部を備えた外側容器３０と、を含む。外側容器３０は、内側容器２８の周囲に周方向に配置される。内側容器２８の内面は、１つまたは複数の供給導管１８と流体連通する開口部３２の一部を画定する。内側容器２８の外面および外側容器３０の内面により、マニホルド胴体部１６の１つまたは複数のベント３６と流体連通する概ね環状のチャネル３４の一部が画定される。また、各ベント３６は、マニホルド胴体部１６と反対側の端部で各模型２２とそれぞれ流体連通している。

図３を参照すると、シェル形成の完了後、脱ろうまたは排出の工程が行われる。脱ろう工程中において、シェル形成工程以前に蓄積した模型２２およびベースプレート１２から１つまたは複数のろう（ワックス）材料が、当業者に周知の方法により除去される。本明細書において説明する鋳型デザインの利点によれば、ベースプレート１２からのろう材料は、溶融、例えば、概ね液化して、供給導管１８を通って矢印３８の方向に流れる。液化したろう材料は、供給導管１８および開口部３２を通流して、二重壁注入カップ（チャンバ）２６の内側容器２８内に溜まる。同時に、模型２２からのろう材料は、溶融、例えば、概ね液化して、ベント３６および概ね環状のチャネル３４を通流して外側容器３０内に溜まる。マニホルド胴体部１６が鋳型１０から取り外され、内側容器２８および外側容器３０からろう材料が除去される。

次に図４を参照すると、脱ろう完了後、シェル形成工程中に製造されたシェル４０が、当業者に周知である一般的なインベストメント鋳造の手順にしたがって、トリミング、サンディング、燃焼される。次に、インベストメント鋳造鋳型デザイン１０のマニホルド胴体部１６を介して、所定量の溶融材料がシェル４０へ導入される。具体的には、溶融材料は内側容器に導入され、供給導管１８を通って、矢印４２の方向に流れる。溶融材料は、供給導管１８およびゲート２０を通流し、シェル４０に流入する。溶融材料が冷却されて凝固すると、シェルおよびコアは、機械的および／または化学的に成形部品から除去される。シェルおよび／またはコア材料は、ベント３６を通って概ね環状のチャネル３４に溜まるように、化学的に除去されて概ね液化した材料となる。ここで再び、マニホルド胴体部１６がインベストメント鋳造鋳型デザイン１０から取り外され、使用済みのシェルおよび／またはコア材料が除去される。

本発明のインベストメント鋳造鋳型デザインにより、オペレータがシェルまたは成形部品を必要以上にトリミングすることなしに、ろう材料、使用済みシェルおよびコア材料の除去が容易になる。その結果、鋳型アッセンブリへ侵入するダストが減少するとともに、部品のばらつきが少なくなり、よりきれいな鋳造が実現する。また、本発明のインベストメント鋳造鋳型デザインにより、溶融金属がシェルに底面供給（ｂｏｔｔｏｍ ｆｅｅｄｉｎｇ）され得る。底面供給された溶融金属は、改善された層流となるため、鋳造の欠陥が少なくなる。加えて、底面供給のプロセスにより、脆弱なセラミックの耐熱金属コアがさらに保護される。溶融金属をシェルに底面供給すると、溶融金属がコアを徐々に包囲するので、セラミックの耐熱金属コアが破損する可能性が低下する。対照的に、溶融金属をシェルに上方から注入すると、溶融金属の重量により、溶融金属がセラミックの耐熱金属コアに衝突して、コアが破損してしまうことが多い。最後に、二重壁注入カップ（チャンバ）のデザインにより、インベストメント鋳造鋳型デザインへと流入する空気および酸素の量が減少するため、コア材料が酸化しにくくなる。したがって、本発明のインベストメント鋳造鋳型デザインおよびこれを用いるインベストメント鋳造方法によって、従来の鋳型および鋳造方法よりも優れた複数の利点がもたらされる。

本発明は、本明細書に記載、図示されたものに限定されない。

本発明のインベストメント鋳造鋳型デザインの斜視図。 図１のインベストメント鋳造鋳型デザインの側面図。 脱ろう工程中のろうの流れを示した図１のインベストメント鋳造鋳型デザインの断面図。 鋳造工程中の金属の流れを示した図１のインベストメント鋳造鋳型デザインの断面図。

Claims (9)

1. 金型に対してベースプレートを配置するステップと、
   前記金型と、前記ベースプレートの少なくとも第１の表面部分との間で第１の材料を成形するステップと、
   前記ベースプレートに、第２の材料からなる１つまたは複数の模型を固定するステップと、
   前記１つまたは複数の模型の少なくとも一部分および前記第１の材料の少なくとも一部分に１つまたは複数のコーティング層を適用するステップと、
   前記コーティング層により形成された１つまたは複数のシェルを残すように、前記第１の材料をマニホルド胴体部の内側容器から実質的に除去し、前記第２の材料を該マニホルド胴体部の外側容器から実質的に除去するステップと、
   前記ベースプレートを除去するステップと、
   前記マニホルド胴体部の前記内側容器から前記１つまたは複数のシェルに溶融金属を導入するステップと、
   前記溶融金属を凝固させるステップと、
   １つまたは複数のインベストメント鋳造用鋳型を破壊的に除去するステップと、
   を含むインベストメント鋳造方法。
2. 前記実質的に除去するステップが、
   前記内側容器と連通する第１の供給導管および第１の開口部を通して前記第１の材料を実質的に除去することと、
   前記外側容器と連通するベントおよび概ね環状のチャネルを通して前記第２の材料を実質的に除去することと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造方法。
3. 前記第１の材料および前記第２の材料が、１つまたは複数のろう材料からなることを特徴とする請求項２に記載のインベストメント鋳造方法。
4. 前記導入するステップが、
   前記模型に通じる第１の供給導管と連通する前記内側容器から前記溶融金属を導入することと、
   前記模型から前記外側容器に通じるベントから前記溶融金属を流出させることと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造方法。
5. 前記マニホルド胴体部が、
   内面および外面を有する第１の概ね円錐形状の壁部を備えた前記内側容器と、
   前記内側容器の周囲に周方向に配置されるとともに、内面および外面を有する第２の概ね円錐形状の壁部を備えた前記外側容器と、
   を有する二重壁注入チャンバを備え、
   前記内側容器の前記内面により、開口部の一部が画定され、
   前記内側容器の前記外面および前記外側容器の前記内面により、前記概ね環状のチャネルの一部が画定されることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造方法。
6. ガスタービンエンジン部品の製造に使用されることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造方法。
7. 複数の鋳型セクションと、
   二重壁注入チャンバを有するマニホルド胴体部と、
   前記二重壁注入チャンバから前記複数の鋳型セクションのうち対応する１つまたは複数の鋳型セクションまでそれぞれ延びる複数の供給導管と、
   前記複数の鋳型セクションから前記二重壁注入チャンバまでそれぞれ延びる複数のベントと、
   備える鋳型アッセンブリであって、
   前記二重壁注入チャンバが、
   内面および外面を有する第１の概ね円錐形状の壁部を備えた内側容器と、
   前記内側容器の周囲に周方向に配置されるとともに、内面および外面を有する第２の概ね円錐形状の壁部を備えた外側容器と、
   を備え、
   前記内側容器の前記内面により、開口部の一部が画定され、
   前記内側容器の前記外面および前記外側容器の前記内面により、前記概ね環状のチャネルの一部が画定されることを特徴とする鋳型アッセンブリ。
8. 前記複数の鋳型セクションが、３つまたは複数のセクションからなり、
   前記鋳型セクションの各々が、第１の供給導管および第２の供給導管に対応することを特徴とする請求項７に記載の鋳型アッセンブリ。
9. 前記鋳型セクションの各々が、成形キャビティと、ゲートと、を備え、
   前記ゲートが、前記成形キャビティの下端部から、前記供給導管に連結された上端部まで延びることを特徴とする請求項７に記載の鋳型アッセンブリ。