JP2007253237A - 取り付け方法およびインベストメント鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 主にタービンエンジンアッセンブリの製造に用いられる複数の鋳造コアを、継手を介して接合させるインベストメント鋳造方法を提供する。
【解決手段】 第１の鋳造コア（１２０）を第２の鋳造コア（１２２）に取り付ける方法において、第１の鋳造コア（１２０）の第１の部分（１３２）が、第２の鋳造コア（１２２）の第２の部分（１３４）に係合もしくは近接される。この周りにコーティングを適用するように、第１の部分（１３２）と第２の部分（１３４）とが接触を保った状態でセラミックスラリに浸漬される。さらにこの第１の部分（１３２）および第２の部分（１３４）を接合するようにコーティングが硬化処理される。本発明によって得られる複合コアは、同様の形状をもつ非複合式のコアに比べ、製造が容易となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、インベストメント鋳造に関する。さらに詳細には、本発明は、インベストメント鋳造コアアッセンブリに関する。

インベストメント鋳造は、通常、航空宇宙業界に用いられている。種々の例の内には、ガスタービンエンジン部品の鋳造も含まれる。典型的な部品の例として、種々のブレード、ベーン、シ−ル、および燃焼器パネルが挙げられる。多くのこのような部品は、冷却通路を伴って鋳造される。これらの通路は、犠牲鋳造コアによって形成される。

典型的なコアの例として、セラミックコア、耐火金属コア（ＲＭＣ）、およびこれらの組合せが挙げられる。一般的な組合せでは、セラミックコアは、供給通路を形成することができ、ＲＭＣは、供給通路から関連する部分の壁を通して延びる冷却通路を形成することができる。セラミックコアは、冷却通路を形成するのに用いられてもよく、金属コアは、供給通路を形成するのに用いられてもよいことを理解されたい。セラミックコアは、「未焼成」コアを成形し、次いで、焼成され硬化されることによって、作製することができる。耐火金属コアは、鋳造によって作製されてもよく、シート素材から（例えば、打抜きまたは切断／成形によって）作製されてもよく、または他の適切な方法によって作製されてもよい。これらのコアは、例えばセラミック接着剤によって、互いに組み合わせて固定することができる。典型的な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、この接着剤は、アルミナ粉末およびコロイドシリカのような結合剤を含む。

１つまたは複数のコアは、犠牲材料（例えば、ワックス）によって被覆成形（オーバモールド）され、これによって、鋳造される部品の形状と少なくとも部分的に対応する形状の模型を形成することができる。この模型の周りに、シェルを形成することができる（例えば、セラミックシェルを多段スタッコ塗りプロセスによって形成することができる）。犠牲材料は、シェルにより形成される鋳型空間内にコアを残した状態で取り除くことができる（例えば、蒸気脱ワックスにより）。シェルは、焼成して硬化させることができる。

溶融金属が、このシェル内に注入され、凝固され得る。

（例えば、ニッケル基またはコバルト基超合金から）部品のこの最初の鋳造を行なったあと、鋳造シェルおよびコアが、破壊的に取り除かれる。例示的なシェルの除去は、主に機械的になされる。例示的なコアの除去は、主に化学的になされる。例えば、コアは、化学的浸出によって、除去することができる。例示的な浸出は、オートクレーブ内における、アルカリ溶液の使用を含む。例示的な浸出技術が、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている。
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

従って、本発明の一態様は、第１の鋳造コアを第２の鋳造コアに取り付ける方法を含む。第１の鋳造コアの第１の部分が、第２の鋳造コアの第２の部分に係合もしくは近接される。この第１の部分と第２の部分とがセラミックスラリに浸漬されて、第１の部分および第２の部分の周りにコーティングが形成される。このコーティングが硬化されて、第１の部分と第２の部分との間に継手を形成する。結果として得られる複合コアは、同様の形状の非複合コアよりも製造が容易である。

種々の実施形態では、金属鋳造コアは、（例えば、任意選択的に被覆された）耐火金属ベースの基体を備える。この方法は、タービンブレードコアアッセンブリまたはタービンベーンコアアッセンブリを形成するのに用いられうる。スラリは、加熱されて硬化される。金属鋳造コアおよびセラミック鋳造コアは、導入時に振動（ｖｉｂｒａｔｅ）されうる。係合もしくは近接は、未焼成状態もしくは焼成状態のセラミック鋳造コアに対してなされる。スラリは、ジルコンおよび水性コロイドシリカを含みうる。

図１では、インベストメント鋳造品を形成する例示的な方法２０が示されている。種々の従来技術による方法およびすでに開発されている方法を含む、その他の方法も可能である。１つまたは複数の金属コア要素が形成され（２２）（例えば、モリブデンやニオブといった耐火金属を板金から打ち抜きもしくはカッティングすることにより、もしくは合金すなわち一つもしくは複数の耐火金属を含有する合金から）、次いでコーティングされる（２４）。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。好ましくは、耐火金属とコーティングとの熱膨張係数（ＣＴＥ）はほぼ同じである。コーティングは、任意の適切な目視による（ｌｉｎｅ‐ｏｆ ｓｉｇｈｔ）技術もしくは非目視による（ｎｏｎ ｌｉｎｅ‐ｏｆ ｓｉｇｈｔ）技術（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、およびゾル‐ゲル法）によって施されてもよい。個々の層は、一般的には、０．１ミル（ｍｉｌ）〜１ミルの厚さである。Ｐｔ、その他の貴金属、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ、Ａｌ、またはその他の非金属材料の層が、溶融金属の侵食および溶解を保護するセラミックコーティングと組み合わされて酸化を保護するように金属コア要素に施されうる。

また、１つもしくは複数のセラミックコアが形成される（２６）（例えば、成形および焼成工程でシリカより、もしくはシリカを含有させることにより）。コーティングされた金属コア要素（以下、耐火金属コア（ＲＭＣ）と呼ぶ）の１つもしくは複数が、セラミックコアの１つもしくは複数と組み合わされる（２８）。前述したように、この組み合わせにおいては、以下に述べるセラミックスラリの使用を含む。次いで、このコアアッセンブリは、天然または合成ワックスのような容易に消失し得る犠牲材料によって（例えば、アッセンブリを鋳型内に配置し、このアッセンブリの周りにワックスを鋳込むことによって）、被覆成形される（３０）。所定の１つの鋳型内に、複数のこのようなアッセンブリが含まれてもよい。

被覆成形されたコアアッセンブリ（またはアッセンブリ群）は、鋳造される部品の外形にほぼ対応する外形を有する鋳造模型を形成する。次いで、この模型は、シェル形成用固定具に取り付けられる（３２）（例えば、固定具の端板の間にワックス融着することにより）。次いで、模型にシェルを堆積させる（３４）（例えば、一回または複数回のスラリ浸漬、スラリ噴射などによって）。シェルが堆積された後、このシェルを乾燥させる（３６）。乾燥によって、後続の処理を可能にするのに少なくとも充分な強度または他の物理的な一体的特性がシェルにもたらされる。例えば、インベストメントコアアッセンブリを含むシェルは、シェル形成用固定具から完全にまたは部分的に取り外されて（３８）、次いで、脱ワックス装置（例えば、蒸気オートクレーブ）に移送される（４０）。脱ワックス装置では、蒸気脱ワックス処理（４２）によって、コアアッセンブリをシェル内に固定したまま、ワックスの大部分が取り除かれる。シェルおよびコアアッセンブリは、ほぼ最終的な鋳型を形成する。しかし、脱ワックス処理では、一般的にワックスもしくは副生成物である炭化水素の残留物がシェル内部およびコアアッセンブリ上に残留する。

脱ワックスの後、シェルは、（例えば、空気または他の酸化雰囲気を含む）炉に移送される（４４）。この炉内において、シェルを強化させ、かつ残留しているあらゆるワックス残留物を取り除き（例えば、蒸発によって）、あるいは炭化水素の残留物を炭素に変換させるように加熱される（４６）。雰囲気中の酸素が炭素と反応し、二酸化炭素を生成する。炭素の除去は、金属鋳造物における有害な炭化物（カーバイド）の生成を低減または排除するのに、有益である。炭素を除去することによって、後続の作業段階において用いられる真空ポンプが目詰まりする可能性を低減させるという付加的な利点も得られる。

鋳型が大気炉から取り出され、冷却されて、検査される（４８）。鋳型は、必要に応じて種結晶処理される（５０）（例えば、一方向凝固（ＤＳ）鋳造または単結晶（ＳＸ）鋳造による最終的な結晶構造を得るために、金属種晶を鋳型内に配置することによって）。しかしながら、本発明の教示には、他のＤＳおよびＳＸ鋳造技術（例えば、シェルの幾何学的形状によって結晶粒セレクタを画定する技術）または他の微細構造による鋳造が適用されてもよい。この鋳型は鋳造炉に移送される（例えば、炉内の冷却板の上に配置される）（５２）。鋳造合金の酸化を防ぐために、鋳造炉は減圧されるか、もしくは非酸化性雰囲気（例えば、不活性ガス）で充填される（５４）。鋳造炉は、鋳型を予熱するために加熱される（５６）。この予熱は、２つの目的、すなわち、シェルをさらに硬化させて強化する目的、および溶融合金が導入されるシェルを予熱してシェルの熱衝撃および合金の早すぎる凝固を防ぐ目的に役立つ。

減圧状態に維持したままで予熱を行なった後、溶融合金が鋳型内に注入され（５８）、次いで合金を凝固させるように鋳型が冷却される（６０）（例えば、炉の高温ゾーンからの取り出し中もしくは取り出し後に）。凝固の後、減圧が解除され（６２）、冷却された鋳型が鋳造炉から取り出される（６４）。シェルは、脱シェル処理６６（例えば、シェルの機械的な破壊）によって、除去される（６６）。

コアアッセンブリが脱コア処理６８で除去されて、鋳造物品（例えば、最終部品の金属中間体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ））が残る。本発明による多段式脱コア処理については、後述する。鋳造物品は、機械加工され（７０）、化学的にもしくは熱的に処理され（７２）、次いで、被覆されて（７４）、最終的な部品が形成される。任意の機械加工、または化学的もしくは熱的な処理の一部または全てが、コア除去の前になされてもよい。

図２〜４は、種々の製造段階における例示的な複合コアを示す。図５は、組み立て／製造ステップのフローチャートである。図２では、１対の別々に成形されたセラミックコア１２０，１２２が示されている。これらの例示的なコアは、それぞれ、主本体部すなわち幹部１２４，１２６、および端末部分１２８，１３０を有する。端末部分の各々の端１３２，１３４の近傍において、これらのコアは、それぞれ、嵌合特徴部１３６，１３８を備える。例示的な嵌合特徴部は、隆起状突起１３６および相補的な区画１３８として、示されている。代替的な嵌合特徴部の例として、蟻継ぎまたはその他の背部で係止する（ｂａｃｋ‐ｌｏｃｋｉｎｇ）特徴部、合じゃくり特徴部、相欠き特徴部、および簡単な突合せ特徴部などが挙げられる。嵌合特徴部は、端末部分に示されているが、それ以外の箇所に形成されてもよい（例えば、１対または複数対の嵌合特徴部が、コア本体に沿った中間位置に形成されてもよい）。

成形した後および任意選択的にコアをさらに硬化させるように焼成した後、コア１２０，１２２を互いに組み合わせることができる。図３では、互いが組み合わせられ／嵌め込まれ（１８０）、次いで、それらの嵌合特徴部が互いに係合された状態で固定具１４０に保持されたコアが示されている。例示的な固定具１４０の例として、クランプ、ロボットアクチュエータなどが挙げられる。

固定具１４０は、スラリ適用時に組み立てられたコアを保持する。例示的なスラリ適用は、スラリコーティング１５０を形成するために端末部をスラリタンク内に１回または複数回浸漬する（１８２）方法を含む。複数回の浸漬が用いられる場合、コーティング１５０の所望の層を形成するように同じスラリが用いられてもよく、異なるタンクからの異なるスラリが用いられてもよい（例えば、継手の最大強度を得るように）。端末部分は、スラリの堆積がコアの厚みを過度に大きくすることがなく、かつ端末部分に不連続部をもたらすことがないように、隣接する幹部に対してわずかに薄くしうる、もしくは窪ませうる。コーティングを施している間、固定具１４０は、コアの係合部分を接触させて、もしくは近接させて保持する（例えば、２つのコア間にスラリが接合浸透することを可能とするのに充分な間隙を隔てて）。

コーティングを施した後、このコーティングが硬化される。例示的な硬化処理は、さらなる焼成を含まない乾燥処理１８４を含む。これは、ワックスパッドによって一ヶ所に保持された予焼成セラミック部品の場合、特に有用である。例えば、付加的なセラミックコアが、コア１２０，１２２のうちの１つに予め組み合わせられ、ワックスパッドによって位置決めされる。スラリを室温乾燥することによりパッドは保持される。代替的な非焼成乾燥は、９５℃までの温度の加熱を含む。代替的な硬化は、コア１２０，１２２をも硬化しうる焼成（未焼成状態もしくはごく一部焼成された状態で組み合わされた場合）を含む（例えば、１２００℃以上で）。

コーティングを硬化させた結果として、図１に関して述べたようなさらなる取扱いおよび処理ステップを可能とするのに充分な強度をもつ継手１５４が形成される。すでに述べたように、これらのステップは、結果として得られた複合セラミックコア１６０を耐火金属コア１６２（図４）のような１つもしくは複数の他のコアに組み合わせることを含む（例えば、複合コア内の溝穴もしくはこれに予め鋳型された溝穴に挿入（１８６）することにより）。

例示的なスラリは、シェルコーティングスラリと同一か、もしくはこれに類似するものでもよい。望ましい継手の強度および継手の表面の滑らかさを得るように、シェルコーティングの適用順序は本発明のシェルコーティングスラリの適用順序に対して変更しうる。例えば、シェルコーティングスラリの適用順序は、一般的に、微細粒スラリから粗粒スラリの順序で進む。まず滑らかさを得るために微細粒スラリが模型に施され、続いて、強度を得るために粗粒スラリが施される。しかしながら、コーティング１５０における最後のスラリ層は、滑らかさを得るために微細粒であることが望ましい。なぜなら、シェルは通常、外部特徴部を形成するが、コアは通常、内部特徴部を形成するからである。例示的なスラリは、適当な界面活性剤および他の作用物質（例えば、気泡の崩壊を促進するもの）に加えてジルコンおよび水性コロイドシリカの組合せを含む。

変形形態は、継手においてセラミック接着剤と併用されるスラリコーティングの使用を含む。この接着剤は、コアの組み立て時に導入することができる。例示的なセラミック接着剤は、ニューヨーク州ブルックリンのコトロニクス社から、ＲＥＳＢＯＮＤの商標で市販されている。セラミック接着剤の使用は、特に予め焼成されたセラミックコアに適している。セラミック接着剤によって接合強度が高められ、さらに後続の高温焼成の必要性を回避する。

このような接着剤は、浸漬されたアッセンブリが、高温焼成によって悪影響を受ける場合がある金属コアもしくは他の非セラミックコアを含む場合にも適している。例えば、図６では、セラミックコア２００と耐火金属コア２０２とのアッセンブリが示されている。耐火金属コア２０２の部位２０４が、セラミックコア２００の溝穴２０６内に位置し、セラミック接着剤２０８によって少なくとも部分的に保持される。スラリコーティング２１０は、継手を形成するようにこれらの２つのコアの接合部を覆う。スラリ２１０は、前述の方法で施される。必要に応じて、物理的な拘束物または適切な拘束物により、コアのうち１つもしくは両方の一部がスラリの適用（例えば、噴射、塗装、または浸漬）時に防護されてもよく、またはこの適用後に、このコアの１つもしくは両方の一部からスラリが除去されてもよい。セラミックコア間の継手と同じようにＲＭＣ‐セラミックコア間の継手をスラリにさらに浸漬させることにより、未焼成のセラミック接着剤（もしあれば）が鋳造合金と接触しないように隔離され、不都合な化学的相互作用を回避する。

実施例のインベストメント鋳造方法のフローチャート。 １対のセラミックコアの図。 固定具に取り付けられて保持された図２のコアの図。 金属コアが取り付けられた、図２のセラミックコアによって構成された複合コアの図。 図４の複合コアの組み立て／製造ステップのフローチャート。 金属コアに取り付けられたセラミックコアの図。

符号の説明

１２０…第１の鋳造コア
１２２…第２の鋳造コア
１３２…第１の部分
１３４…第２の部分

Claims (25)

1. 第１の鋳造コアを第２の鋳造コアに取り付ける方法であって、
   前記第１の鋳造コアの第１の部分を前記第２の鋳造コアの第２の部分に係合もしくは近接させ、
   コーティングを形成するように前記第１の部分および前記第２の部分をスラリに浸漬し、
   前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアをさらに接合させるように前記コーティングを硬化させることを備えてなる取り付け方法。
2. 第３の鋳造コアの第３の部分を前記第１のコアおよび前記第２のコアにおける少なくとも１つの第４の部分に係合もしくは近接させることをさらに備え、前記浸漬もしくは別の浸漬が、前記第３の部分および前記第４の部分を浸漬することを備えてなる請求項１に記載の取り付け方法。
3. 少なくとも１つの付加的な鋳造コアを前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアのうち少なくとも１つに取り付けることをさらに備える請求項１に記載の取り付け方法。
4. 前記係合もしくは近接が、接触させると共に接触させて保持することを備え、
   前記浸漬が、前記係合もしくは近接の後になされることを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
5. 前記係合もしくは近接が、前記第１の部分と前記第２の部分との間にセラミック接着剤を施すことを備え、
   前記浸漬が、前記係合もしくは近接の後になされることを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
6. 前記浸漬が、異なるスラリに複数回浸漬することを備え、
   前記複数回の浸漬のうち少なくとも１回が、前記係合もしくは近接の後になされることを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
7. 前記係合もしくは近接が、焼成状態で接触させることを備え、
   前記硬化が、乾燥処理を含むとともに焼成を含まないことを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
8. 前記係合もしくは近接が、未焼成状態で接触させることを備え、
   前記硬化が、前記第１のコアおよび前記第２のコアも硬化させるように前記第１のコアおよび前記第２のコアとともに焼成することを備えてなる請求項１に記載の取り付け方法。
9. 前記コーティングが、接合部において前記第１の部分と前記第２の部分とを完全に取り巻くことを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
10. 前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアを成形することをさらに備えてなる請求項１に記載の取り付け方法。
11. 前記係合もしくは近接が、合じゃくり、相欠き、背部で係止される突起部／凹部による継手、さねはぎよりなるグループから選択される継手を形成することを備えてなる請求項１に記載の取り付け方法。
12. 金属鋳造コアの挿入部分を、前記接合された第１の鋳造コアおよび第２の鋳造コアにおける受入部分に挿入することをさらに備えてなる請求項１に記載の取り付け方法。
13. タービンブレードコア、タービンベーンコア、シールコア、もしくは燃焼器コアを製作するように用いられる請求項１に記載の取り付け方法。
14. 前記硬化が、加熱処理をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
15. 前記スラリが、ジルコンおよび水性コロイドシリカを含むことを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
16. 前記スラリが、ジルコンの含有量の２０〜３０％（重量％）の水性コロイドシリカを含むことを特徴とする請求項１５に記載の取り付け方法。
17. 前記スラリが、界面活性剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
18. 前記第１の鋳造コアを成形し、前記第２の鋳造コアを金属シートから形成することをさらに備える請求項１に記載の取り付け方法。
19. 前記第１の鋳造コアが、成形されたセラミックを備え、前記第２の鋳造コアが、金属部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の取り付け方法。
20. 請求項１に記載の第１の鋳造コアおよび第２の鋳造コアを取り付け、
    前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアの周りに部分的に犠牲材料を成形し、
    前記犠牲材料にシェルを適用し、
    前記犠牲材料を前記シェルから除去し、
    前記犠牲材料の代わりに少なくとも部分的に溶融金属を前記シェルに鋳湯し、
    前記溶融金属を凝固させ、
    前記シェルと、前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアと、を前記凝固した金属から除去することを備えてなるインベストメント鋳造方法。
21. 第１の鋳造コアを第２の鋳造コアに取り付ける方法であって、
    第１の相対位置において前記第１の鋳造コアの第１の部分を前記第２の鋳造コアの第２の部分に係合もしくは近接させ、
    前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアを前記第１の相対位置を維持するように保持し、
    コーティングを形成するように前記第１の部分および前記第２の部分をスラリに浸漬し、
    前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアをさらに接合させるように前記コーティングを硬化させることを備えてなる取り付け方法。
22. 前記浸漬および前記硬化の一部は、前記保持の間に行なわれることを特徴とする請求項２１に記載の取り付け方法。
23. 第１の鋳造コアを第２の鋳造コアに取り付ける方法であって、
    第１の相対位置において前記第１の鋳造コアの第１の部分を前記第２の鋳造コアの第２の部分に係合もしくは近接させ、
    スラリコーティングを前記第１の部分および前記第２の部分を覆うように適用し、
    前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアをさらに接合させるように前記スラリコーティングを硬化させることを備えてなる取り付け方法。
24. 前記適用および前記硬化ステップにおける少なくとも一部の間、前記第１の相対位置を維持するように前記第１の鋳造コアおよび前記第２の鋳造コアを保持することをさらに備えてなる請求項２３に記載の取り付け方法。
25. 前記コーティングが、前記第１の部分および前記第２の部分を接合部において完全に取り巻くことを特徴とする請求項２３に記載の取り付け方法。

Images