JP2007203372A - 薄肉の鋳造を容易にする金属被覆コア - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉のフィーチャ、例えば、複雑な冷却通路の充填が容易となり、かつ、部品のばらつきや欠陥を減少させることができる、インベストメント鋳造用コアを提供する。
【解決手段】インベストメント鋳造法のためのコアは、１つ又はより多くのセラミック材料からなるコア１０と、インベストメント鋳造作業条件下で酸化しにくい金属材料の外層１２とを有する。内部通路を有するタービンエンジン部品を鋳造する方法は、少なくとも１つの内部通路を有する１つ又はより多くのタービンエンジン部品を作製するための、それぞれが内面と少なくとも１つの前述のコアと有する、１つ又はより多くの鋳型部品を作製するステップと、その１つ又はより多くの鋳型部品を組み立てるステップと、組み立てたその１つ又はより多くの鋳型部品内に溶融合金を注入するステップと、工程中に上記少なくとも１つのコアの金属を消費するステップとを含んでなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インベストメント鋳造に関し、より詳細には、薄肉の鋳造に関する。

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、中空部品を製造するのに一般的に用いられている技術であり、ブレードやベーン、あるいはその他中空のエアフォイルなどの、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ている。

高性能なエアフォイル設計には、非常に肉厚の薄い金属壁と複雑な冷却通路が包含される。鋳造するフィーチャの寸法に応じて、これらの冷却通路はセラミックの小型なコアや、耐火性金属コアのいずれか、あるいはその両方で形成される。薄肉の壁面積における金属量に対して、セラミックの表面積が大きいため、複合フィーチャにより、冷却通路を首尾良く鋳造することが非常に困難なものとなっている。溶融金属に対するセラミックの接触界面には、そのような接触に伴う高い表面張力が存在する。セラミックは、容易には「ウェットアウト（ｗｅｔ ｏｕｔ：この場合、金属表面全体をぬらすこと）」しないため、無充填という欠点が生じる。

従って、インベストメント鋳造法には依然として改善の余地がある。

本発明の目的は、薄肉のフィーチャ、例えば、複雑な冷却通路の充填が容易となり、かつ、部品のばらつきや欠陥を減少させることができる、インベストメント鋳造用コアを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、インベストメント鋳造法のためのコアは、概して、１つ又はより多くのセラミック材料、１つ又はより多くの耐火性金属コア、あるいは該セラミック材料と該耐火性金属コアの両方と、鋳造材料との親和性を有する金属の外層とを含んでなる。

本発明の第２の態様によれば、内側通路を有するガスタービンエンジン部品の鋳造方法は、少なくとも１つの内側通路を有する１つ又はより多くのタービンエンジン部品を形成するために、それぞれが内面と、鋳造材料との親和性を有する金属の層とを含む少なくとも１つのコアを有する、１つ又はより多くの鋳型部分を形成するステップと、その１つ又はより多くの鋳型部分を組み立てるステップと、溶融合金をその組み立てられた１つ又はより多くの鋳型部品中に投入するステップと、その少なくとも１つのコアの金属の層を消費するステップと、を含んでなる。

前述の組み立てるステップは、１つ又はより多くの鋳型部分を分配マニホルド（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍａｎｉｆｏｌｄ）で組み立てるステップを包含する。

また、前記形成するステップは、プレートの上に犠牲的なタービンエンジン部品パターンを組み立てるステップと、シェルを、その組み立てた犠牲的タービンエンジン部品パターンに適用するステップと、そのシェルを、少なくとも上記犠牲的タービンエンジン部品パターンそれぞれの一部を溶融するよう加熱するステップと、を含んでなる。

本発明の１つ又はより多くの実施形態の詳細を、関連する図面並びに以下の開示において説明する。本発明のその他の特徴、目的及び利点は、以下の開示と図面、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

尚、異なる図における同様の符号並びに名称は、同様の構成要素を示している。

本明細書に開示する本発明の物品と方法は、溶融金属に対するセラミックの接触部位における溶融金属とセラミックとの間の表面張力に起因する「ウェットアウト」不全に伴う部品の欠陥を低減しつつ、複雑な構造のフィーチャの鋳造を容易にすることを意図するものである。本発明の方法は、インベストメント鋳造法におけるワックス注入作業の前に、セラミックコアと、耐火性金属とを金属含有材料でコーティングするステップを包含する。金属被膜は、工程中にセラミックが溶融金属に接触するのを妨げ、その変わりに、セラミックと溶融金属の間の接触界面における表面張力よりも非常に小さい表面張力を伴う金属−金属接触をもたらす。そのような小さい表面張力により、薄肉のフィーチャ、例えば、複雑な冷却通路の充填が容易となり、かつ、部品のばらつきや欠陥を減少させることができる。

図１を参照すると、インベストメント鋳造法で使用するコア１０が示されている。コア１０は、概して、当業者に周知の１つ又はより多くのセラミック材料と、同様に当業者に周知の１つ又はより多くの耐火性金属（「ＲＭＣ」）材料と、そのようなセラミックとＲＭＣ材料との組み合わせとからなる、実質的に円筒形からなる。例えば、セラミック材料は、それらに限定されるものではないが、シリカベースやアルミナベースのセラミック、１つ又はより多くのそのようなセラミック材料などを含んでなる混合物を包含する。ＲＭＣ材料は、それらに限定されるものではないが、モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステンなどを包含する。当業者には周知のように、そのようなＲＭＣ材料は、溶融金属による酸化や腐食を防ぐために、シリカ、アルミナ、ジルコニア、クロミア（酸化クロム）、ムライト並びにハフニア（酸化ハフニウム）などの保護被膜を含む場合がある。

金属材料を含んでなる外層１２は、コア１０の外側表面に対して設けられる。金属材料は、概して、インベストメント鋳造の作業条件下で酸化されにくい金属を含んでなる。例えば、外層１２の金属材料は、それらに限定されるものではないが、金、白金などの貴金属や、それら貴金属を少なくとも１つ含む化合物を含んでなる。好ましくは、選択される金属は、鋳型部品を形成するよう鋳造される溶融金属との親和性を有する。

外層１２は、概して、当業者に周知のような、所望の金属−金属接触を得るのに十分な厚さを有する。外層１２の金属は、当業界で既知の多種多様な堆積技術のいずれかによって適用することができる。例えば、当業界で既知の様々なスパッタリング法のいずれかを用いて金属をコア１０上にスパッタリングすることによって外層１２を形成することができる。あるいは又、別の例では、当業界で既知の種々のめっき法のいずれかを用いて金属をコア１０上にめっきすることによって、外層１２を形成することができる。当業者に周知なように、スパッタリング法により、非常に薄い層、例えば、１インチの数万分の一から１インチの数十万分の一の厚さを得ることができる。また、めっき法によっても、上記厚さに匹敵する薄さの層を形成することが可能である。上述したように、鋳造材料との親和性を有する金属は、貴金属、または、「第７１版化学と物理のハンドブック（第１〜１０頁；１９９０年〜１９９１年、ＣＲＣプレス社出版」（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ， ７１ｓｔ ｅｄ．， ｐ．１−１０（１９９０−９１））による元素周期表のＶＩＩＩ属又はＶＩＩＩＡ族、並びにＩＢ族から選択される金属、あるいは両方を含んでなるものであってよい。また、外層１２をコア１０に適用する際に希ガスなどの不活性ガスを利用するときには、追加の金属を採用し得ることは予期される。

前述のように、金属材料の外層１２は、インベストメント鋳造工程中のセラミックの溶融金属への接触を防ぎ、その代わりに、非常に小さい表面張力を伴う金属−金属接触をもたらす。そのような小さい表面張力により、薄肉のフィーチャ、例えば、複雑な冷却通路の充填が促進され、かつ、部品のばらつきや欠陥を減少させることができる。

金属被覆コア１０は、当業者に周知のインベストメント鋳造法のいずれにおいても利用できる。より詳細には、金属被覆コア１０は、鋳造品される、中空内部を有する部品のいずれに対しても利用することができる。限定するのではなく、例示目的で、図２は、インベストメント鋳造法において本明細書で開示の金属被覆コア１０を用いた、代表的な工程手順を示している。中空の内部を形成するために配置された１つ又はより多くの金属被覆コア１０を有する、ダイの下半分の部品にベースプレートを配置（２０）し、ダイの下半分の部品と上半分の部品とを組み立てる（２２）。ワックスや同様の材料を注入（２４）して層を形成する。ワックスを冷却（２６）する。ダイの上下部品を分離（２８）して、層を付着させたままベースプレートを取り外す（３０）。

ベースプレートの作製と平行して、トッププレートとロッドを作製（３２）することができる。この作製には、トッププレートに鋳込みコーンを固定するステップと、トッププレートとロッドの残存する表面部分に、最終的に被膜からのはく離を容易にするためのワックス又はその他の剥離剤の薄層を適用するステップとを包含する。ロッドは、トッププレートに予め取り付けてもよいが、この取り付けは、ロッドをベースプレートに固定する次の組み立て品の固定段階（３４）で行ってもよい。上記層を部品として前もって成形しない場合、ワックススペーサやフィーチャを位置決めするその他のパターンを、ワックス溶接などによって層に固定（３６）してもよい。次いで、（例えば、フィーダ及び追加のワックス部品と共にワックス溶接することにより）パターンを配置し固定（３８）する。ウェット又はドライ浸せき法（ｗｅｔ ｏｒ ｄｒｙ ｄｉｐｐｉｎｇ）及びウェット又はドライスプレー塗布の組み合わせを包含する、１つ又はより多くの工程で被膜を適用（４０）する。具体的には、従来既知の溶融した被膜材料に瞬間的あるいは部分的に漬けるか、被膜材料の微細な粒子や蒸気を適用するかさらすことにより被覆することができる。被覆工程中、ワイパーによってトッププレートとベースプレートの周囲面を清浄に保つ。これにより、後続のトッププレートとベースプレートをシェルから取り外す工程が容易なものとなる。複数の被覆工程の間に乾燥工程があってもよい。

最後の乾燥工程後、トッププレートを取り外す（４２）。ワックスは、スチームオートクレーブ中などで脱ワックス工程（４４）などによって除去することができる。脱ワックス工程後、ベースプレートとロッドをユニット（一つのまとまり）として取り外し（４６）、それら両方を再使用するため、ロッドをベースプレートから取り外す。次いで、シェルを、（例えば、ロッドを覆っている部分を含む底部周辺部分を取り除き、鋳込みコーン周囲の上方部分をトリミングするなどして）トリミング（４８）する。シェルに軽微の瑕疵がある場合、パッチング（５０）を行ってもよい。シェルの下面は、紙ヤスリで研磨（５２）してよい。シェルを強化するために焼成（５４）し、所定の結晶軸配向を形成する必要がある場合にはシード添加（５６）してよい。次いで、シェルを鋳造炉内に設置（５８）し、溶融金属を投入（６０）する。溶融金属は、金属被覆コア１０の外側の金属材料層１２を消費し（焼き尽くし）、同時に、所期の目的である金属−金属接触並びに所望通りに低減された表面張力を得るのを助長する。金属の冷却（６２）後、金属部品（又は複数の部品）をシェルから取り外す（脱シェル）（６４）。機械加工（６６）により、部品をそれぞれに分離し、余剰の材料を除去して、所望の外側並びに内側の部品プロファイル（輪郭形状）を得る。後機械加工処理（６８）には、加熱処理又は化学処理、コーティングなどが包含される。

本明細書において開示した金属被覆コア及び該コアを利用する方法により、従来技術における非金属被覆コアとそれらを用いる方法をはるかに上回る利点がもたらされる。ここで説明した金属被膜により、インベストメント鋳造工程中のセラミック−溶融金属接触が防止され、その代わりに非常に小さい表面張力を伴う金属−金属接触が得られる。小さい表面張力により、薄肉のフィーチャ、例えば、複雑な冷却通路などの充填が容易となり、部品のばらつき及び欠陥を減少させることができる。インベストメント鋳造法において金属被覆コアを用いることにより、複雑なフィーチャを有する薄肉で中空の部品を、一貫した上述の結果を再現可能に鋳造することができる。

本発明は、ここに開示並びに例示の形態に限定されるものではなく、これらの形態は単に本発明を実施する最良の形態を例示するものでしかなく、かつ、部品の形状、寸法、配置並びに作業の詳細には変更の余地があることは理解すべきである。本発明は、むしろそのような変更を全て包含するものであり、本発明の趣旨及び特許請求の範囲で定義される範囲内に含まれるものである。

本発明の金属被覆コアを示す図である。 図１の金属被覆コアを採用したインベストメント鋳造方法を示す図である。

符号の説明

１０…コア
１２…金属材料含有外層

Claims (12)

1. １つ又はより多くのセラミック材料を含んでなるコアか、１つ又はより多くの耐火性金属コアか、あるいはそれらセラミック材料コアとそれら耐火性金属コアの両方と、
   鋳造材料との親和性を有する金属の外層と、
   を含んでなることを特徴とする、インベストメント鋳造法のためのコア。
2. 前記１つ又はより多くのセラミック材料が、シリカベースのセラミック材料と、アルミナベースのセラミック材料と、それらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１記載のコア。
3. 前記１つ又はより多くの耐火性金属コアが、モリブデンと、ニオブと、タンタルと、タングステンとからなる群から選択される金属を含んでなることを特徴とする、請求項１記載のコア。
4. 前記１つ又はより多くの耐火性金属コアが、シリカと、アルミナと、ジルコニアと、クロミアと、ムライトとからなる群から選択される材料を含んでなる保護被膜を備えることを特徴とする、請求項１記載のコア。
5. 前記外層の前記金属が貴金属を含むことを特徴とする、請求項１記載のコア。
6. 前記外層の前記金属が、ＶＩＩＩ族又はＶＩＩＩＡ族及びＩＢ族の金属からなる群から選択される金属を含むことを特徴とする、請求項１記載のコア。
7. 前記金属の前記外層が、スパッタリングされた金属材料の層であることを特徴とする、請求項１記載のコア。
8. 前記金属の前記外層が、めっきされた金属材料の層であることを特徴とする、請求項１記載のコア。
9. それぞれが内面と、鋳造材料との親和性を有する金属の層とを含む少なくとも１つのコアを有する、１つ又はより多くの鋳型部品を形成するステップと、
   上記１つ又はより多くの鋳型部品を組み立てるステップと、
   その組み立てた１つ又はより多くの鋳型部品中に溶融合金を投入するステップと、
   その少なくとも１つのコアの金属の層を消費するステップと、
   を含んでなることを特徴とする、内部冷却通路を有するタービンエンジン部品を鋳造する方法。
10. 前記溶融合金を注入するステップが、前記組み立てた１つ又はより多くの鋳型部品中に前記溶融合金を同時に投入するステップを含んでなることを特徴とする、請求項９記載の方法。
11. 前記組み立てるステップが、前記１つ又はより多くの鋳型部品を、分配マニホルドで組み立てるステップを含んでなることを特徴とする、請求項９記載の方法。
12. 前記形成するステップが、
    プレートの上に犠牲的なタービンエンジン部品パターンを組み立てるステップと、
    シェルを、その組み立てた犠牲的タービンエンジン部品パターンに適用するステップと、
    そのシェルを、少なくとも上記犠牲的タービンエンジン部品パターンそれぞれの一部を溶融するよう加熱するステップと、
    を含んでなることを特徴とする、請求項９記載の方法。

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