JP2007275991A - セラミックおよび耐火金属鋳造コアの焼成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミック鋳造コア要素と非セラミック鋳造コア要素の複合コアを形成する方法を提供すること。
【解決手段】 複合鋳造コアを形成する例示的な工程２０が、１つもしくは複数の耐火金属コアを形成し（ステップ２２）、この耐火金属コアの一部を覆うようにセラミック材料をオーバーモールドし（ステップ２４）、これを窯などの加熱チャンバ内の酸化雰囲気中で加熱し（ステップ２８）、チャンバ空気を非酸化ガスでパージし（ステップ４０）、更に複合コアの非酸化焼成を行い（ステップ４２）、冷却する（ステップ５０）ステップを備える。複合コアを用いたインベストメント鋳造により、製造が困難な細かい特徴部の鋳造が改善される。
【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、超合金タービンエンジン構成部品のインベストメント鋳造に関する。

インベストメント鋳造は、複雑な幾何形状を有する金属構成部品、特に中空の構成部品を形成するのに一般に使用されている技法であり、超合金ガスタービンエンジン構成部品の製造に使用されている。本発明は、特定の超合金鋳造品の製造に関して記載されているが、本発明はそれだけに限られるものではないことを理解されたい。

ガスタービンエンジンが、航空機推進、発電、および船舶推進に広く使用されている。ガスタービンエンジンの応用分野では、効率が主な目的となっている。

ガスタービンエンジンの効率は、より高い温度で動作させることによって向上させることができるが、タービン部における現在の動作温度は、タービン構成部品に使用されている超合金材料の融点を上回るものである。したがって、空気冷却することが一般に行われる。冷却は、比較的冷たい空気を、エンジンのコンプレッサ部から、冷却すべきタービン構成部品内の流路を介して流すことによって行われる。かかる冷却には、エンジン効率に関連するコストが伴う。したがって、特定の冷却を強化し、所与の冷却空気量から得られる冷却の利益を最大にすることが強く望まれている。こうした要望は、細かい、正確に配置された冷却通路部を使用することによって達成され得る。

セラミックコア自体は、セラミック粉末とバインダ材料との混合物を、ダイ（金型）中に注入して成型することによって形成することができる。ダイから取り出した後、未焼結コアは、バインダを除去するために熱で後処理され、セラミック粉末を共に焼結させるために燃焼される。より細かい冷却特徴部（ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅ）化の傾向は、コア製造技法の重い負担となっている。細かい特徴部は製造が困難であり、あるいは、製造された後で脆弱であることが判明するおそれがある。本発明の出願人に譲渡されたＳｈａｈらの特許文献１およびＢｅａｌｓらの特許文献２（これらの開示は、本願の参照となる）は、セラミックと耐火金属コアとの組合せの使用を開示している。
米国特許第６，６３７，５００号明細書 米国特許第６，９２９，０５４号明細書

インベスト鋳造工程では、セラミック鋳造コア要素と非セラミック鋳造コア要素の組合せ体として複合コアが形成される。このコアは、酸化雰囲気中で加熱され、次いで、非酸化雰囲気中で加熱される。

酸化雰囲気中での加熱は、セラミック鋳造コア要素からバインダを除去するのに有効となり得る。しかし、この加熱は、有利には、非セラミック鋳造コアに不都合な被害を与えるほどには温度および時間が十分でないものである。第２の加熱は、セラミックを焼成するのに有効な温度と時間のためのものである。したがって、非酸化雰囲気は、非セラミック鋳造コア要素を、酸化雰囲気中で同様に加熱すると生じたであろう過剰な酸化から保護する。

本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細が、添付の図面および以下の説明に記載されている。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、以下の説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明白となるであろう。

図１は、複合鋳造コアを形成する例示的な工程２０を示す。１つまたは複数の耐火金属コア（ＲＭＣ）が形成される（ステップ２２）。例示的な形成には、耐火金属シート（例えばモリブデンまたはニオブ）からの切断（例えば、レーザカットまたはスタンピング）と、形成（ｆｏｒｍｉｎｇ）／成形（ｓｈａｐｉｎｇ）（例えば、前記スタンピングもしくはその他のベンディング）と、保護コーティングを用いた被覆と、を組み合わせたものが含まれる。適切な被覆材料には、シリカ、アルミナ、ジルコニア、クロミア、ムライト、ハフニアが含まれる。好ましくは、耐火金属の熱膨張率（ＣＴＥ）とコーティングの熱膨張率（ＣＴＥ）とは同様である。コーティングは、任意の適切な目視による（ｌｉｎｅ−ｏｆ ｓｉｇｈｔ）技法、または非目視による技法（例えば、化学蒸着法もしくは物理蒸着法（ＣＶＤ、ＰＶＤ）、プラズマ溶射法、電気泳動法、およびゾル‐ゲル法）によって適用することができる。個々の層は、一般的には０．１〜１ミル（ｍｉｌ）の厚さである。Ｐｔ、他の貴金属、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ、Ａｌ、あるいは他の非金属材料の層を、酸化防止のために、溶融金属浸食や溶解を防止するためのセラミックコーティングと共に金属コア要素に適用しうる。

次いで、ＲＭＣがダイに移され、ここで、（例えばシリカ、ジルコン、またはアルミナをベースとする）セラミック材料がＲＭＣの一部分を覆うように注入／成型され（ステップ２４）、最初の組合せ体（コアアッセンブリ）を形成する。成型されたままの状態のセラミック材料は、バインダを含み得る。バインダは、成型されたセラミック材料の整合性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を、未焼成の素地状態で維持する働きをする。例示的なバインダは、ワックスベースのものである。

次いで、組合せ体は、加熱チャンバ（例えば窯（ｋｉｌｎ）または炉（ｆｕｒｎａｃｅ））に移される（ステップ２６）。加熱２８が空気中で行われ、これは周囲温度から第１の温度に温度を上げることを含む。この加熱２８により、セラミックのバインダ成分が蒸発し、パージされる。空気によってもたらされる酸化雰囲気が、バインダ除去工程で化学的な助けとなり得る。しかし、以下でさらに述べるように、かかる酸化雰囲気中での過剰な加熱は、ＲＭＣに損傷を与える可能性があり、ＲＭＣ酸化によって表面不整が引き起こされ、その不整が最終的な鋳造部品に転写される可能性がある。したがって、第１の温度は、有利には、過剰なＲＭＣ劣化を回避するのに十分低い程度の温度である。例示的な第１の温度は１０００°Ｆである。より広義には、例示的な第１の温度は６００°Ｆを上回り、より具体的には８００〜１２００°Ｆもしくは９００〜１１００°Ｆである。注記のない限り、温度とはコアの温度ではなく、オーブン（ｏｖｅｎ）またはその中の雰囲気温度である。コア温度には適度な差（例えば、約２００〜３００°Ｆまで）がある場合がある。

例示的な加熱ステップ２８は、第１の上昇加熱（ｒａｍｐ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）３０を含む。例示的な上昇加熱３０は、周囲条件（例えば、工場温度、すなわち一般的には１２０°Ｆ未満）から第１の中間温度までである。例示的な中間温度は６００°Ｆである。より広義には、例示的な第１の中間温度は、２５０〜９５０°Ｆ、より具体的には５００〜８００°Ｆ、もしくは５５０〜６５０°Ｆである。第１の上昇加熱３０は、比較的高速である（例えば、１０〜５０°Ｆ／分、より狭義には２０〜４０°Ｆ／分）。第１の上昇加熱３０は、バインダを溶融する／吸い上げる（ｗｉｃｋ）、またはバインダを最初に分解させるのに効果的なものとなり得る。

第１の上昇加熱３０に続いて、保持／休止（ｄｗｅｌｌ）加熱３２を行うことができる。例示的な保持／休止加熱３２は、残りのバインダ成分／材料を炭化させ、得られた炭素／灰を除去／排出するように働く。例示的な保持／休止加熱３２は、本質的に前記第１の中間温度である。

保持／休止加熱３２に続いて、第２の上昇加熱３４を行うことができる。例示的な第２の上昇加熱３４は、前記第１の温度までであり、同様の速度とすることができる。

パージ４０が、主焼成加熱４２の前に行われうる。例示的なパージ４０では、チャンバ空気が非酸化ガス（例えば、窒素またはアルゴン）によってパージされる。パージガスは、コアアッセンブリの過剰な冷却を回避するように十分低い割合で導入される必要がある（例えば、チャンバ雰囲気温度が５０°Ｆの差を超えるほど低下しないように）。パージガスが本質的に空気と置き換えられた後で、かかるガスの流量は、主焼成加熱４２の残りのステップのために、定常状態の流量までさらに低減することができる。

例示的な主焼成加熱４２は、焼成温度までである。例示的な焼成温度は、２１００°Ｆである。より広義には、例示的な焼成温度は、１６００°Ｆを上回り、より具体的には、１８００〜２４００°Ｆ、もしくは１８００〜２０００°Ｆである。この焼成加熱には、パージ終了時の温度から温度を上昇させる必要がある。この温度上昇の第１の上昇加熱ステップ４４は、比較的高速（例えば１０〜１５°Ｆ／分）である。この第１のステップが、主焼成加熱段階の温度上昇の大部分を占め得る。例示的な第１のステップ４４は、第２の温度（例えば、前記焼成温度であるピーク温度）より約２００°Ｆ（より広義には、１５０〜３００°Ｆ）低い切替え温度まで続く。例示的な上昇期間は１２時間であり、より広義には８〜２０時間、より狭義には１０〜１５時間である。切替え温度では、第２のより低速な上昇加熱ステップ４６（例えば１〜５°Ｆ／分）が、本質的にピーク温度（例えば１８００〜２４００°Ｆ）まで続く。

複合コアは、所望の複合コア特性を達成するために、焼成温度で時間を延長して保持／「浸漬（ｓｏａｋ）」４８してもよい。浸漬により、セラミック構造が焼結され、目標の寸法および強度特性まで、収縮や強度の増大が引き起こされる。例示的な浸漬時間は８時間であり、より広義には４〜１２時間、より狭義には８〜１０時間である。

浸漬後、クールダウン（冷却）５０が行われる。クールダウン速度は、ＲＭＣの収縮がセラミックコアの収縮より先行しすぎないように、また、セラミックコア内の純粋な内部応力によって破損が引き起こされないように制御されるべきである。後者の機構は、より低い温度で特に重要となり、より低速度を規定する。例示的なクールダウンは、３つの段階を含む。第１段階は、浸漬温度（例えば２０００°Ｆ）から高い中間温度（例えば１０００°Ｆ、より広義には７００〜１１００°Ｆ）までである。この段階は、比較的高速（例えば、３０〜５０°Ｆ／分もしくは４０〜５０°Ｆ／分）である。第２段階は、低い中間温度（例えば、５００°Ｆ、より広義には４００〜７００°Ｆ）までである。この第２の段階はさらに低速である（例えば２０〜３０°Ｆ／分もしくは２０〜２５°Ｆ／分）。例示的な第３段階の初めに熱が遮断され、コアを空気に再度曝すように炉が大気に通気される。しかしながら、第３段階をさらに分割してこれら２つの事象を分けることもできる。この段階のコーストダウン（ｃｏａｓｔ ｄｏｗｎ）冷却は、２００°Ｆ以下まで、さらに低速でもよい（例えば、５〜１０°Ｆ／分）。

図２は、複合コアアッセンブリを使用するインベストメント鋳造の例示的な方法１２０を示す。様々な従来技術の方法や未開発の方法を含めて、その他の方法も可能である。次いで、焼成されたコアアッセンブリは、天然ワックスまたは合成ワックスなどの犠牲化されやすい材料でオーバモールドされる（例えば、型内にアッセンブリを配置し、その周囲をワックスで成型することによって）（ステップ１３０）。所与の型内に、複数のかかるアッセンブリが含まれてもよい。

オーバモールドされたコアアッセンブリ（またはアッセンブリ群）は、鋳造されるべき部品の外部形状に概して対応する外部形状を備えた鋳造パターンを形成する。次いで、このパターンは、シェル化固定具に組み付けられる（ステップ１３２）（例えば、固定具のエンドプレート間にワックス溶接によって）。次いで、このパターンがシェルで覆われる（ステップ１３４）（例えば、スラリ浸漬、スラリ吹付などの１つまたは複数の段階によって）。シェルが構築された後、乾燥処理される（ステップ１３６）。この乾燥は、後続の加工が可能となるように、シェルに少なくとも十分な強度またはその他の物理的な整合性特性を与える。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、シェル化固定具から、完全に、または部分的に取り外され（ステップ１３８）、次いで、ワックス除去装置（例えば、蒸気オートクレーブ）に移される（ステップ１４０）。ワックス除去装置内では、蒸気脱ろう処理１４２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る。シェルとコアアッセンブリは、ほぼ最終的な型を形成することになる。しかし、一般に、脱ろう処理によりシェルの内側やコアアッセンブリ上にワックスまたは副産物の炭化水素残渣が残る。

ワックス除去後、シェルは、（例えば、空気または他の酸化雰囲気を含む）炉に移され（ステップ１４４）、その炉中でシェルが加熱されて（ステップ１４６）、シェルを強化し、かつ（例えば、蒸発によって）残りのあらゆるワックス残渣も除去し、炭化水素残渣を炭素に転化する。雰囲気中の酸素は、炭素と反応して二酸化炭素を形成する。炭素の除去は、金属鋳造品内の有害な炭化物の生成を低減もしくは排除するのに有利である。炭素の除去によって、後続の操作段階において使用される真空ポンプを目詰まりさせる可能性を低減させるという付加的な利点が得られる。

鋳型が大気炉から取り出され、冷却されて、検査される（ステップ１４８）。鋳型内に金属種晶（ｓｅｅｄ）を配置することによって、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確立するように種晶処理される（ステップ１５０）。しかし、本発明の教示は、（例えば、シェルの幾何形状が結晶粒セレクタを画定する）他のＤＳおよびＳＸ鋳造技術、または他の微細構造の鋳造に応用することもできる。鋳型は、鋳造炉に移される（例えば、炉内の冷却板上に配置される）（ステップ１５２）。鋳造合金の酸化を防止するために鋳造炉は減圧されるか、または非酸化雰囲気（例えば不活性ガス）で充填される（ステップ１５４）。鋳型を予熱するために鋳造炉が加熱される（ステップ１５６）。この予熱は、シェルをさらに硬化させて強化する目的、および、溶融合金を導入するためにシェルを予熱し、熱衝撃や合金の早期凝固を防止する目的という２つの目的に役立つ。

予熱後、依然として真空状態下にある間に、溶融合金が鋳型内に鋳湯され（ステップ１５８）、合金を凝固させるように鋳型が冷却される（例えば、炉の高温ゾーンから取り出した後）（ステップ１６０）。凝固後、減圧が解除され（ステップ１６２）、冷却された鋳型が鋳造炉から取り出される（ステップ１６４）。シェルは、シェル除去処理１６６（例えばシェルの機械的な破壊）によって除去される。

コアアッセンブリがコア除去処理１６８で除去されて、鋳造品（例えば最終的な部品の金属前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ））が残る。鋳造品は機械加工され（ステップ１７０）、化学的もしくは熱的に処理され（ステップ１７２）、コーティングされて（ステップ１７４）、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もしくは全てがコア除去前に実施されてもよい。

以上、本発明の１つまたは複数の実施形態について説明した。しかし、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な改変を加えることができることは理解されるであろう。例えば、既存の工程の改変形態として応用され、もしくは既存の部品の製造に応用される場合、既存の工程もしくは部品の詳細が任意の特定の実施形態の詳細にも影響を及ぼし得る。したがって、その他の実施形態も添付の特許請求の範囲に含まれる。

複合コアアッセンブリの形成方法のフローチャート。 複合コアアッセンブリを用いた鋳造方法のフローチャート。

Claims (18)

1. セラミック鋳造コア要素と非セラミック鋳造コア要素の組合せ体を形成するステップと、
   前記組合せ体を、酸化雰囲気中で少なくとも６００°Ｆの第１の雰囲気温度まで加熱するステップと、
   前記組合せ体を、非酸化雰囲気中で少なくとも１６００°Ｆの第２の雰囲気温度まで加熱するステップと、
   を備えた方法。
2. 前記形成ステップが、前記非セラミック鋳造コア要素を覆うように前記セラミック鋳造コア要素を成型するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記形成ステップが、前記非セラミック鋳造コア要素を耐火金属ベースのシートから成形するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記酸化雰囲気中で加熱するステップが、本質的に空気中で加熱するステップを備え、
   前記非酸化雰囲気中で加熱するステップが、本質的に窒素ガスおよび希ガスのうち少なくとも１つの気体中で加熱するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記酸化雰囲気中で加熱するステップが、
   本質的に第１の保持温度までの最初の上昇加熱と、
   本質的に前記第１の保持温度における保持期間と、
   本質的に前記第１の温度までの第２の上昇加熱と、
   を備え、
   前記非酸化雰囲気中で加熱するステップが、
   本質的に前記第２の温度までの上昇加熱と、
   本質的に前記第２の温度における保持期間と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記非酸化雰囲気中で加熱するステップが、前記第１の温度から前記第２の温度までの範囲の大部分にわたる１０〜１５°Ｆ／分の第１の温度上昇段階と、その後の少なくとも１００°Ｆ上回る１〜５°Ｆ／分の第２の温度上昇段階と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記非酸化雰囲気中で加熱するステップが、少なくとも６００°Ｆを上回る１０〜１５°Ｆ／分の第１の温度上昇段階と、その後の少なくとも１００〜３００°Ｆ上回る１〜５°Ｆ／分の第２の温度上昇段階と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記第１の温度が、９００〜１１００°Ｆであり、
   前記第２の温度が、１８００〜２４００°Ｆであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記酸化雰囲気中で加熱するステップと、前記非酸化雰囲気中で加熱するステップとが、単一のチャンバ内で、前記組合せ体を途中で取り出すことなく実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記非酸化雰囲気中で加熱するステップの前に、前記酸化雰囲気をパージすることをさらに備える請求項９に記載の方法。
11. 前記パージ中に、前記チャンバ内の雰囲気温度が５０°Ｆの差を上回るほど低下しないことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. クールダウンステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記組合せ体を前記非酸化雰囲気中で前記第２の温度まで加熱するステップの後、前記組合せ体を冷却するステップと、
    前記冷却ステップの後、パターンを形成するように前記組合せ体をワックスでオーバモールドするステップと、
    シェルを形成するように前記パターンをシェルで覆うステップと、
    前記シェルから前記ワックスを除去するステップと、
    前記シェル内に金属合金を鋳湯するステップと、
    前記合金から前記シェルを破壊して除去するステップと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. セラミック鋳造コア要素と非セラミック鋳造コア要素の組合せ体を形成するステップと、
    前記セラミック鋳造コア要素からバインダを除去し、灰および残留炭素を除去する第１のステップと、
    前記セラミック鋳造コア要素を焼成する第２のステップと、
    を備えてなる方法。
15. 前記第１のステップが、本質的に空気中で行われ、
    前記第２のステップが、本質的に非酸化雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２のステップのピーク温度が、前記第１のステップのピーク温度より少なくとも８００°Ｆ高いことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. セラミック鋳造コア要素と非セラミック鋳造コア要素の組合せ体を形成するステップと、
    高温酸化的バインダ除去ステップと、
    非酸化焼成ステップと、
    を備えてなる方法。
18. 前記バインダ除去ステップと前記焼成ステップとの間に、パージステップをさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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