JP2008183566A - 金属鋳物製造用のセラミック鋳型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のスリップキャスト鋳型に通常付随する設計上の柔軟性を保持しながら、高温での成形作業に耐えることが出来る鋳型として、ゲルキャスチング組成物を提供する。
【解決手段】外型と蝋型との間にゲルキャスティング組成物を配置し（ここで、蝋型は所望の鋳物の複製である）、ゲルキャスティング組成物を反応させてゲルマトリックスを形成し、蝋型を取り除き、ゲルマトリックスから溶媒を抜き出して、乾燥ゲルを形成し、乾燥ゲルを焼成してゲルキャスト鋳型を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミック鋳型及びセラミック鋳型の製造方法に関する。特に、本発明は、タービン金属鋳物を製造するためのセラミック鋳型に関する。

現在利用可能な技術で製造されるセラミック鋳型は鋳型の製造方法に起因し得る様々な欠陥がある。従来のスリップキャスティングの場合、具体的短所の一つは、鋳型の内面を乾燥することができないことである。そのため、キャスティング時に鋳型に亀裂が生ずる。この問題を解決するため、鋳型は一般に層を積層していくことによって形成される。これによって乾燥の問題は解決されるが、その結果鋳型内に不均一性の問題が生じる。鋳型を積層によって形成する結果として起こる不均一性の一例は、各種層間の熱膨張係数の差である。これは、鋳型の層間剥離及び亀裂を起こしかねない。加えて、層の上に層を重ねることによる鋳型の製造方法では、約１ｍｍ以下の壁厚が目的とされる場合問題が生じる。さらに、積層して鋳型を構築することによって、その鋳型は一般に全体として均一な厚さとなり、これは望ましくないことがある。
米国特許第３４２３３５８号明細書 米国特許第４９０６４２４号明細書 米国特許第５０２８３６２号明細書 米国特許第６０６６２７９号明細書 米国特許第６２２８２９９号明細書 米国特許第６３６５０８２号明細書

そこで、従来のスリップキャスト鋳型に通常付随する設計上の柔軟性を保持しながら、高温での成形作業に耐えることができる鋳型を構築できれば望ましい。

本明細書では、外型と蝋型との間にゲルキャスティング組成物を配置し（ここで、蝋型は目的とする鋳物の複製である）、ゲルキャスティング組成物を反応させてゲルマトリックスを形成し、蝋型を取り除き、溶媒を抜き出して、乾燥ゲルを形成し、乾燥ゲルを焼成してゲルキャスト鋳型を形成することからなる方法について開示する。

また、本明細書では、外型と蝋型との間にゲルキャスティング組成物を配置し（ここで、蝋型はタービン部品の複製である）、ゲルキャスティング組成物を反応させてゲルマトリックスを形成し、蝋型を取り除き、ゲルマトリックスから溶媒を抜き出して、乾燥ゲルを形成し、乾燥ゲルを焼成してゲルキャスト鋳型を形成することからなる方法についても開示する。

本明細書では、金属鋳物の成形に使用することができる鋳型の製造方法について開示する。代表的な実施形態では、この鋳型はタービン部品の製造に使用することができる。ある鋳型の製造方法では、ゲルキャスティング組成物を蝋型の周りに注入すればよい。この蝋型は目的とする金属鋳物の複製（レプリカ）である。外型を使用して、鋳型の外面を形成する。ゲルキャスティング組成物を蝋型と外型との間の空間に注入する。一実施形態では、ゲルキャスティング組成物が固化してゲルマトリックスとなった後、これをダイから取り出し、乾燥する。この蝋型は、融解させ、鋳型からのワックスを注入することによってゲルマトリックスから取り除くことができる。また、蝋型は、研磨、エッチング又は溶解によって取り除くこともできる。

ここで図１を参照すると、金属鋳物の成形システム１０は、ゲルキャスティング組成物６を注入する外型４を含んでいる。次いで、目的とする鋳物の複製である蝋型２を、外型４内のゲルキャスティング組成物６中に入れる。ゲルキャスティング組成物を重合して固化したゲルマトリックスが形成されたら蝋型２を取り除く。次に、ゲルマトリックスを外型４から取り出し、乾燥して、乾燥ゲルを形成する。乾燥ゲルを次に、約３００℃以上の温度で焼成してゲルキャスト鋳型を形成する。

この方法は、鋳型の壁厚を制御することができるという点で有利である。もう１つ別の利点は、鋳型を工学処理して強度を最大化することにより鋳型の欠陥を低減することができることである。また、ゲルキャスティングにより鋳型を製造すると、鋳型を製造するのに必要とされる時間が短縮されることにより、生産性が改善されると共にコストが低減する。

一実施形態では、ゲルキャスティング組成物は、無機粉末、モノマー、溶媒、及びその他所望の添加剤からなる。この無機粉末は金属又はセラミックであることができる。適切な金属粉末の例としては、スチール、アルミニウム合金、超合金、チタン合金、銅合金又はこれらの金属粉末を１種以上含む組合せがある。セラミック粉末の例としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、酸化クロム、酸化鉄、酸化亜鉛、ヒドロキシルアパタイト、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、耐火性炭化物（例えば、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）など）、耐火性窒化物（例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）など）、耐火性ホウ化物（例えば、二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）など）、クレー、スピネル、ムライト、フェライト、チタネート、ジルコン、ガラスフリット又はこれらの物質を１種以上含む組合せがある。

一実施形態では、金属又はセラミック粉末は、マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズ（以下、ナノサイズ）の粒子を有することができる。マイクロメートルサイズの粒子は一般に約１．２マイクロメートル（μｍ）以上の粒径を有する。一実施形態では、マイクロメートルサイズの粒子は約１．５μｍ以上の粒径を有する。別の実施形態では、マイクロメートルサイズの粒子は約１．８μｍ以上の粒径を有する。さらに別の実施形態では、マイクロメートルサイズの粒子は約２．５μｍ以上の粒径を有する。さらに別の実施形態では、マイクロメートルサイズの粒子は約５．０μｍ以上の粒径を有する。

代表的なナノサイズの粒子としては、約１２００ｎｍ以下の最大粒径を有する金属酸化物、高度に架橋したシリコーン、かご型シルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）マクロマー、金属炭化物、ナノクレーなどがある。一般に、粒径が約５００ｎｍ以下、好ましくは約２００ｎｍ以下、好ましくは約１００ｎｍ以下、さらに好ましくは約４０ｎｍ以下であるナノサイズの粒子を使用するのが望ましい。

本組成物に使用できるナノサイズの金属酸化物は、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属、遷移金属及びその他一般に使用される金属の金属酸化物である。金属酸化物の適切な例は、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化銅、酸化アルミニウムなど又はこれらの金属酸化物を１種以上含む組合せである。炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化鉄などのナノサイズの金属炭化物又はこれらの金属炭化物を１種以上含む組合せも本組成物に使用することができる。金属酸化物及び炭化物は一般に約１〜約１０００ｍ^２／ｇｍの量の表面積を有する粒子である。この範囲内で、一般に金属酸化物及び炭化物は、約５平方メートル／グラム（ｍ^２／ｇｍ）以上、好ましくは約１０ｍ^２／ｇｍ以上、さらに好ましくは約１５ｍ^２／ｇｍ以上の表面積を有するのが望ましい。また、この範囲内で、約９５０ｍ^２／ｇｍ以下、好ましくは約９００ｍ^２／ｇｍ以下、さらに好ましくは約８７５ｍ^２／ｇｍ以下の表面積が望ましい。

ナノサイズの金属酸化物の市販の例はＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化カルシウム、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化カルシウムプラス、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化セリウム、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化マグネシウム、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化マグネシウムプラス、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化チタン、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化亜鉛、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化ケイ素、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化銅、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化アルミニウム、ＮＡＮＯＡＣＴＩＶＥ（商標）酸化アルミニウムプラスであり、すべてＮａｎｏＳｃａｌｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから市販されている。ナノサイズの金属炭化物の市販の例は、炭窒化チタン、炭化ケイ素、炭化ケイ素−窒化ケイ素、及び炭化タングステンであり、すべてＰｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから市販されている。

本ゲルキャスティング組成物は、ゲルキャスティング組成物の重量を基準にして１０〜約９５重量％の量のセラミック又は金属粉末を含む。一実施形態では、ゲルキャスティング組成物は、ゲルキャスティング組成物の重量を基準にして２０〜約８５重量％の量のセラミック又は金属粉末を含む。別の実施形態では、ゲルキャスティング組成物は、ゲルキャスティング組成物の重量を基準にして３０〜約７５重量％の量のセラミック又は金属粉末を含む。市販のセラミック粉末（例えば、ホワイトウェア、アルミナ、ムライト、ジルコン、窒化ケイ素、炭化ケイ素）はゲルキャスティング組成物の重量を基準にして約４０〜約９０重量％の量で使用することができる。

一般に、モノマーをゲルキャスティング組成物に使用してスラリー混合物を形成する。このモノマーは溶媒と共に使用してモノマー溶液を形成してもよい。このモノマー溶液は無機粉末用の低粘度媒体を提供する。また、加熱されたとき、モノマー溶液は重合すると共にゲル化して、安定した強固なポリマー／溶媒ゲルマトリックスを形成する。このゲルマトリックスは、その中でスラリー混合物が加熱される所望の形状の鋳型中に無機物を固定する。

一実施形態では、代表的なモノマーはビニル又はアリル官能基を有するものである。適切なモノマーの例は、アクリル酸、メタクリルアミド、メタクリル酸、メトキシ（ポリエチレングリコール）モノメタクリレート、ｎ−ビニルピロリドン、アクリルアミド、アルキルアクリルアミド、アルキルメタクリルアミド、アルキルアクリレート、アルキルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド、ヒドロキシアルキルアクリルアミド、ヒドロキシアルキルメタクリルアミド、ヒドロキシアルキルアクリレート、ヒドロキシアルキルメタクリレート、メタクリラトエチルトリメチルアンモニウムクロリド、メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、ｐ−スチレンスルホン酸、ｐ−スチレンスルホン酸塩又はこれらのモノマーを１種以上含む組合せである。

代表的なアクリルアミドはヒドロキシメチルアクリルアミド、ｎ−メチロールアクリルアミド（ＨＭＡＭ）である。別の代表的なアクリルアミドはＮ，Ｎ′−メチレンビスアクリルアミド（ＭＢＡＭ）である。

別の実施形態では、ゲルキャスティング組成物に使用する代表的なモノマーは、
反応して、エポキシ、フェノール−ホルムアルデヒド、エポキシ−変性ノボラック、フラン、尿素−アルデヒド、メラミン−アルデヒド、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、フェノールホルムアルデヒドノボラック、フェノールホルムアルデヒドレゾールｓフェノール−アルデヒド、レゾール及びノボラック樹脂、エポキシ変性フェノール樹脂、ポリアセタール、ポリシロキサン、ポリウレタン又はこれらのものを１種以上含む組合せを形成することができるものである。

一実施形態では、ゲルキャスティング組成物に使用するモノマーは低温硬化性樹脂を形成することができる。低温硬化性樹脂は、追加の加熱を使用することなく室温で反応することができるものである。低温硬化性樹脂は一般に約６５℃以下の温度で硬化する。従って、例えば、８０℃で硬化する熱硬化性ポリマーは低温硬化性樹脂ではない。適切な低温硬化性樹脂の例としては、単独で又はエステルで硬化させられるポリウレタン、アルカリ変性レゾールと共に使用したときにアミンで硬化させられるエポキシ（例えば、ＡＬＰＨＡＳＥＴ（登録商標）及びＢＥＴＡＳＥＴ（登録商標））、フラン類、例えば、フルフリルアルコール−ホルムアルデヒド、尿素−ホルムアルデヒド、及び酸で硬化させられる遊離のメチロール含有メラミンがある。本発明の目的からして、冷間硬化樹脂は、通常室温で硬化させることができるあらゆる樹脂がある。

ゲルキャスティング組成物に使用するモノマーは、ゲルキャスティング組成物の総重量を基準にして１〜約４０重量％の量で使用することができる。一実施形態では、ゲルキャスティング組成物に使用するモノマーは、ゲルキャスティング組成物の総重量を基準にして２〜約３０重量％の量で使用できる。別の実施形態では、ゲルキャスティング組成物に使用するモノマーは、ゲルキャスティング組成物の総重量を基準にして３〜約２０重量％の量で使用することができる。

場合により、熱可塑性ポリマーをゲルキャスティング組成物に使用してもよい。一般に、ゲルキャスティング組成物に使用する熱可塑性ポリマーは約５０℃以下のガラス転移温度（Ｔｇ）を有するのが望ましいが、ゲルキャスティング組成物に使用する溶媒に応じて約５０℃以上のＴｇを有する熱可塑性ポリマーを使用してもよい。約５０℃以下のＴｇを有する代表的なポリマーはポリアルキレングリコール及びポリアクリルアミドである。適切なポリアルキレングリコールの例は、ポリテトラメチレンオキサイド、ポリエチレングリコールなど又はこれらのポリアルキレングリコールを１種以上含む組合せである。ゲルキャスティング組成物に使用できる５０℃より低いガラス転移温度を有する他の熱可塑性ポリマーは熱可塑性エラストマーである。適切な熱可塑性エラストマーの例は、アイオノマー、ブロックコポリマー又はこれらの熱可塑性エラストマーを１種以上含む組合せである。代表的な市販の熱可塑性アイオノマーは、Ｄｕ Ｐｏｎｔ製のＳＵＲＬＹＮ（登録商標）である。代表的な熱可塑性ブロックコポリマーは、ジブロック又はトリブロックコポリマーからなるスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）である。

ゲルキャスティング溶液中に使用できる５０℃より高いＴｇを有する熱可塑性ポリマーはポリエチレンテレフタレート、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、セルロース、セルロース誘導体、ポリアクリル酸など又はこれらの熱可塑性ポリマーを１種以上含む組合せである。

ゲルキャスティング組成物に添加することができる他の代表的なポリマーは天然ポリマーである。ゲルキャスティング組成物に添加することができる天然ポリマーの一例は多糖である。代表的な多糖は寒天、キサンタンガム、デンプン、ローカストビーンガムなど又はこれらの多糖の１種を含む組合せである。また、天然ポリマーの溶液から生成したポリマーゲルは１種以上のタンパク質、例えばゼラチン及びアルブミンを含んでいてもよい。

ゲルキャスティング組成物に熱可塑性ポリマーを使用する場合、ゲルキャスティング組成物の総重量を基準にして１〜約４０重量％の量で使用することができる。一実施形態では、ゲルキャスティング組成物に使用する熱可塑性ポリマーは、ゲルキャスティング組成物の総重量を基準にして２〜約３０重量％の量で使用できる。別の実施形態では、ゲルキャスティング組成物に使用する熱可塑性ポリマーは、ゲルキャスティング組成物の総重量を基準にして３〜約２０重量％の量で使用できる。

所望により、溶媒をゲルキャスティング組成物に加えてもよい。代表的な溶媒は水である。所望により、極性プロトン性特性、極性非プロトン性特性又は非極性特性を有する他の有機溶媒を使用してもよい。溶媒は一般にゲルキャスティング組成物の重量を基準にして約１〜約３０重量％の量で使用することができる。一実施形態では、溶媒はゲルキャスティング組成物の重量を基準にして約２〜約２０重量％の量で使用できる。別の実施形態では、溶媒はゲルキャスティング組成物の重量を基準にして約３〜約１０重量％の量で使用できる。

モノマーの重合を活性化するために開始剤をゲルキャスティング組成物に添加することができる。この開始剤はラジカル開始剤でよい。適切なラジカル開始剤の例としては、過硫酸アンモニウム、過硫酸アンモニウムとテトラメチルエチレンジアミンの混合物、過硫酸ナトリウム、過硫酸ナトリウムとテトラメチルエチレンジアミンの混合物、過硫酸カリウム、過硫酸カリウムとテトラメチルエチレンジアミンの混合物、アゾビス［２−（２−イミダゾリン−２−イル）プロパン］ＨＣｌ（ＡＺＩＰ）、及びアゾビス（２−アミジノプロパン）ＨＣｌ（ＡＺＡＰ）、４，４′−アゾ−ビス−４−シアノペンタン酸、アゾビスイソブチラミド、アゾビスイソブチラミジン．２ＨＣｌ、２−２′−アゾ−ビス−２−（メチルカルボキシ）プロパン、２−ヒドロキシ−１−［４−（ヒドロキシエトキシ）フェニル］−２−メチル−１−プロパノン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−１−プロパノンなど又はこれらのラジカル開始剤を１種以上含む組合せがある。ある種の添加剤又はコモノマーも重合を開始させることができ、この場合別個の開始剤は望ましくないことがある。この開始剤は反応の開始に加えてその反応を制御することができる。開始剤はゲルキャスティング組成物の重量を基準にして約０．００５〜約０．５重量％の量で使用する。

ラジカル開始剤系に加えて、他の開始剤系もゲルキャスティング組成物に使用することができる。これには、紫外（ＵＶ）、Ｘ線、γ線、電子ビーム、又は適切な重合開始剤として機能し得るその他の形態の放射線がある。この開始剤はゲルキャスティング組成物の製造中、又はキャスティングの直前に組成物に添加することができる。

場合により、ゲルキャスティング組成物の流動性を制御するために分散剤、凝集剤、及び懸濁化剤も組成物に添加することができる。分散剤は組成物がより容易に流れるようにし、凝集剤は組成物がより流れ難くし、懸濁化剤は粒子が組成物から沈殿するのを防ぐ。これらの添加剤は一般に、ゲルキャスティング組成物中のセラミック又は金属粉末の総重量を基準にして約０．０１〜約１０重量％の量で使用する。

無機粉末用の各種分散剤もゲルキャスティング組成物に添加することができる。一般に、分散剤は開始剤と相互作用しないのが望ましい。適切な分散剤の例としては、無機酸、無機塩基、有機酸、有機塩基、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸の塩、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸の塩、ポリアクリル酸のコポリマー、ポリアクリル酸のコポリマーの塩、ポリメタクリル酸のコポリマー、ポリメタクリル酸のコポリマーの塩、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、リグノスルホン酸塩、ポリ（エチレンオキサイド）、エチレンオキサイドの付加物、プロピレンオキサイドの付加物、ポリカルボキシレート、ポリカルボキシレートの塩、ナフタレンスルホン酸塩、スルホスクシネート、ポリホスフェート、ケイ酸ナトリウム、リン酸エステルなど又はこれらの分散剤を１種以上含む組合せがある。

ゲルキャスティング組成物のゲル特性を変えるためにその他の添加剤を含ませることができる。適切な添加剤の例としては、湿潤及び乾燥状態におけるゲルの機械的性質を変える可塑剤、電解質、脱泡剤、殺細菌剤、殺真菌剤、可溶性の機能性ポリマー、無機粒子又は繊維がある。可溶性の機能性ポリマーは、ゲル又はゲル前駆体特性を変えるためにゲル又はゲル前駆体に添加されるあらゆるポリマー種である。これらとしては、乳化剤、分散剤、増粘剤、高分子電解質、キレート化剤、発泡剤、懸濁化剤又はこれらの可溶性機能剤を１種以上含む組合せを挙げることができる。

特定のゲルキャスティング組成物に使用する添加剤のレベルは広範囲に変化することができる。これは、その添加剤がゲルキャスティング組成物中で果たす役割に直接依存する。例えば、可塑剤をモノマー溶液に添加して、ゲル化及び乾燥状態におけるより適合性のポリマーを提供し得る。可塑剤の含有量は、乾燥ゲル（乾燥ゲルはゲルキャスティング組成物を乾燥した後に得られる）の重量を基準にして数パーセントのオーダーで添加する。殺細菌剤は、細菌の成長を防止するためにモノマー溶液に添加することができる。これはゲルキャスティング組成物の重量を基準にして百万部当たりの部（ｐｐｍ）で添加される。発泡調節剤は、組成物中の泡を除去するか又は泡を形成するためにゲルキャスティング組成物に添加される。発泡調節剤は一般に、ゲルキャスティング組成物の重量を基準にして約０．０１〜約２重量％で添加する。

既に述べたように、ゲルキャスティング組成物から製造された鋳型は金属鋳物の成形に使用することができる。ある代表的な実施形態では、ゲルキャスト鋳型はタービン部品の製造に使用することができる。これらのタービン部品はガスタービン、水力発電タービン、蒸気タービンなどの発電用タービンに使用することができるか、又は航空機、機関車、若しくは船舶における推進力を促進するのに使用されるタービンであってもよい。ゲルキャスト鋳型を用いて製造できるタービン部品の例は静翼及び／又は動翼であり得る。ゲルキャスト鋳型を用いて製造できるその他のタービン部品の例はシール、シュラウド、スプリッターなどである。

一実施形態では、ゲルキャスト鋳型を製造する一態様では、金属又はセラミック粉末、モノマー、溶媒、及び任意の添加剤を、適切な方法で合わせて混合してゲルキャスティング組成物を形成することができる。図２に、ゲルキャスティング組成物をゲルキャスト鋳型に変換するのに使用できる幾つかの代表的な段階を示す。セラミック又は金属粉末、モノマー及び溶媒を混合することによって形成されたゲルキャスティング組成物は一般にスラリーの形態である。代表的な実施形態では、ゲルキャスティング組成物を形成するには、分散剤をモノマーに溶解させてモノマー溶液を形成した後、無機粉末及び溶媒をそのモノマー溶液に加える。所望により開始剤をゲルキャスティング組成物に添加してもよい。次いで、得られたゲルキャスティング組成物をダイと蝋型の間の空間中に注入する。既に述べたように、この蝋型は目的とする金属鋳物の複製である。このワックス鋳物（蝋型）をダイ内の所望の位置に配置し、ゲルキャスティング組成物を注入するまで所定の位置に保持する。ゲルキャスティング組成物を目的とする形状に形成した後、モノマー及び任意のコモノマーが重合しゲル化して安定したゲルマトリックスを形成するのに充分な温度に充分な時間加熱する。

重合が起こる温度はゲルキャスティング組成物に使用する開始剤並びにモノマー及び／又はコモノマーに依存する。この重合反応は一般に、使用する溶媒の凝固点と沸点の間の温度で行う。加熱によりラジカル開始剤が活性化されるが、多くの系で約５０℃の温度を用いて重合を活性化することができる。一般に、約１〜約１００℃の重合温度が望ましい。一実施形態では、重合は約１５〜約８０℃の温度で行う。

安定したゲルマトリックスを形成するゲル化時間は、モノマー、金属又はセラミック粒子の重量％、溶媒及び開始剤の種類の組合せに依存する。一般に、ゲルキャスティング組成物を約１分以上の時間加熱するのが望ましい。一実施形態では、モノマーが重合して安定したゲルマトリックスを形成するためには、スラリーを約１〜約１２０分の時間加熱する。別の実施形態では、モノマーを重合させて安定したゲルマトリックスを形成するためにスラリーを約２〜約９０分の時間加熱する。

ゲルマトリックスは真空、又は大気圧より高い圧力、また約３００ｐｓｉもの高い圧力で形成することができる。この反応は大気圧で実施することができるが、その他の圧力を利用して、異なる特性を有するゲルマトリックスを製造することができる。加熱後、得られた賦形された固体ゲルマトリックスは周囲温度まで冷却することができる。このゲルマトリックスは、可塑剤及び／又は溶媒を含有しており、未焼成形態にあるという点で、湿潤なグリーン状態にある。その後このグリーン製品は、溶媒を実質的に除去して乾燥ゲルを提供するために加熱することができる。乾燥ゲルを製造するのに適切な特定の温度と時間は、使用する個々の金属又はセラミック粉末及びモノマーに依存する。当初、乾燥は蒸発が速くなり過ぎないような温度で行うべきである。その結果、初期乾燥温度は一般に溶媒の沸点よりは融点に近い。乾燥プロセスが進行するにつれて、温度を上げて乾燥速度を速くしてもよい。最後に残った痕跡量の溶媒をゲルマトリックスから追い出すために、水の沸点を越える温度を使用してもよい。一般に、乾燥ゲルを得るために乾燥は１時間以上〜約３０時間行うことができる。

次に、乾燥ゲルから蝋型を取り除くことができる。一実施形態では、蝋型は融解させることにより取り除くことができる。別の実施形態では、蝋型は溶解により取り除くことができる。さらに別の実施形態では、蝋型は研磨又はエッチングによって取り除くことができる。その後、乾燥ゲルをダイから取り出し、モノマーの重合によって形成したポリマーを分解するために焼成することができる。以下、この焼成後の乾燥ゲルをゲルキャスト鋳型という。

焼成は一般に、約３００℃以上の温度で行う。焼成の間、収縮は起こらない。その結果、鋳型は約４０％多孔質のままである。本発明の方法では形成された外型中に注型するのが好ましいが、押出成形、又は固体フリー形態の製造を始めとする他の成形技術も使用できる。さらに、セラミックプロセス技術で公知のその他の添加剤、例えば離型剤を、その公知の機能に合わせてゲルキャスティング組成物に含ませてもよい。

既に述べたように、この方法は、鋳型の壁厚を制御することができる点で有利である。別の利点は、強度を最大化することにより鋳型の不具合を低減するように鋳型を設計することができることである。ゲルキャスティングにより鋳型を製造すると、鋳型を製造するにかかる時間が短縮され、その結果生産が改善されると共にコストが低減する。

１つの有利な実施形態では、鋳物を製造する本方法は、約２ｃｍ^２以下の断面積を有する鋳物の製造に使用することができる。一実施形態では、約１ｃｍ^２以下の断面積のものをこの方法で製造することができる。別の実施形態では、本方法により約０．５ｃｍ^２以下の断面積のものを製造することができる。

代表的な実施形態に関して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、各種変更をなすことができ、またある要素に代えて等価物を使用してもよい。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるべく多くの修正をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施する上で最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではないことを了解されたい。

図１は、蝋型２、外型４、及びその間に配置されたゲルキャスティング組成物６を含むシステム１０の概略図である。 図２は、金属鋳物の成形に使用することができる鋳型を製造するプロセス段階を示す概略図である。

符号の説明

２ 蝋型
４ 外型
６ ゲルキャスティング組成物

Claims (13)

1. 外型（４）と蝋型（２）との間にゲルキャスティング組成物（６）を配置し、ここで蝋型（２）は目的とする鋳物の複製であり、
   ゲルキャスティング組成物（６）を反応させてゲルマトリックスを形成し、
   蝋型（２）を取り除き、
   ゲルマトリックスから溶媒を抜き出して、乾燥ゲルを形成し、
   乾燥ゲルを焼成してゲルキャスト鋳型を形成する
   ことを含んでなる方法。
2. さらに、ゲルキャスト鋳型を使用して鋳物を形成することを含む、請求項１記載の方法。
3. 蝋型（２）がタービン部品の複製である、請求項１記載の方法。
4. タービン部品が静翼又は動翼である、請求項３記載の方法。
5. ゲルキャスティング組成物（６）がモノマーを含む、請求項１記載の方法。
6. ゲルキャスティング組成物が金属又はセラミック粒子を含む、請求項１記載の方法。
7. モノマーが、アクリル酸、メタクリルアミド、メタクリル酸、ヒドロキシメチルアクリルアミド、ｎ−メチロールアクリルアミド、Ｎ，Ｎ′−メチレンビスアクリルアミド、メトキシ（ポリエチレングリコール）モノメタクリレート、ｎ−ビニルピロリドン、アクリルアミド、アルキルアクリルアミド、アルキルメタクリルアミド、アルキルアクリレート、アルキルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド、ヒドロキシアルキルアクリルアミド、ヒドロキシアルキルメタクリルアミド、ヒドロキシアルキルアクリレート、ヒドロキシアルキルメタクリレート、メタクリラトエチルトリメチルアンモニウムクロリド、メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、ｐ−スチレンスルホン酸、ｐ−スチレンスルホン酸塩又はこれらのモノマーを１種以上含む組合せからなる、請求項５記載の方法。
8. 請求項１記載の方法で製造された物品。
9. 外型（４）と蝋型（２）との間にゲルキャスティング組成物（６）を配置し、ここで蝋型（２）はタービン部品の複製であり、
   ゲルキャスティング組成物（６）を反応させてゲルマトリックスを形成し、
   蝋型（２）を取り除き、
   ゲルマトリックスから溶媒を抜き出して、乾燥ゲルを形成し、
   乾燥ゲルを焼成してゲルキャスト鋳型を形成する
   ことを含んでなる方法。
10. 蝋型（２）を融解させることによって蝋型（２）を取り除く、請求項９記載の方法。
11. 溶解、研磨及び／又はエッチングによって蝋型（２）を取り除く、請求項９記載の方法。
12. さらに、外型（４）からゲルマトリックスを取り出すことを含む、請求項９記載の方法。
13. 請求項９記載の方法で製造されたタービン部品。

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