JP2009136922A - コアの焼成に用いられる装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、焼成中にコアセッターが変形することにより発生するコアの外形寸法のバラツキを抑制する利点を有し、特にタービンブレードおよびタービンベーンといった中空の翼形状の鋳造物を鋳造するために使用される、薄い複雑な翼形状のコアに対して有利な、セラミック鋳造コアの焼成に用いられる装置および方法を実現することを目的とする。
【解決手段】本発明のセラミック鋳造コアの焼成に用いられる装置および方法は、サガーと当該サガー内に置かれるコアセッター挿入物と、を含む。コアセッター挿入物はサガーの底壁上の耐熱性の粒状グロッグのベッドまたは支持体上に置くことができる。コアセッター挿入物はコア受面を有し、この受面は中空の翼鋳造物の鋳造に使用される翼形状のセラミック鋳造コアを受けるために翼形状であってもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熔融金属材料の鋳造に使用される１つまたは複数のセラミックコアの焼成（焼結）に関する。

ガスタービンエンジンの製造会社のほとんどは、より優れたエンジン推力を許容し、翼の十分な耐用期間を実現するために、翼の内部冷却の効率を高める複雑な空気冷却チャネルを含む最新のインベストメント鋳造タービン翼（ａｉｒｆｏｉｌ）（すなわちタービンブレード（ｂｒａｄｅ）またはベーン（ｖａｎｅ））を評価している。内部冷却通路は、セラミックシェル金型（この金型内で熔融金属がコア周りに鋳造される）内に配置される１つまたは複数の薄い翼形状のセラミックコアを使用して、鋳造翼内に形成される。熔融金属が固化した後、金型およびコアが除去されると、コアがそれまで存在していた部分に１つまたは複数の内部通路を有する鋳造翼が残る。

セラミックコアは典型的には、セラミック粉末、結合剤および各種の添加剤を含む可塑性セラミック複合体を使用して作製される。セラミック複合体は、射出成形されるか、トランスファー成形されるか、またはコアのダイスまたは金型に高温度で注入される。未焼結（未焼成）のコアは、ダイスまたは金型から除去されると、典型的には、周囲温度に冷却するために剛性セラミックセッター上に置かれ、その後コアの仕上げおよび測定を行い、高い焼結温度で焼成する。未焼結のセラミックコアは、１つまたは複数の工程において高い（周囲温度以上の）温度でセラミックのコアセッター上で焼成され、ニッケル基またはコバルト基超合金といった金属材料の鋳造に用いられるコアを焼結および強化する。

米国特許第６４０３０２０号明細書は焼成中に剛性コアセッター上に配置される未焼結のセラミックコアを開示している。米国特許第５０１４７６３号明細書および６３４７６６０号明細書は焼成中に上部セッターと底部セッターと間に配置される未焼結のセラミックコアを開示している。セッター外形が変形すると、セッター上のセラミックコアの焼成中に達成できる寸法公差に悪影響を与える可能性があることから、焼成中は、剛性コアセッターを使用してセラミックコアの寸法公差を維持する。例えば、セッター外形が変形すると、未焼成のセラミックは、その生産工程中において順に生産されるセラミックコアのそれぞれの寸法にバラツキが生じる。

米国特許第６４０３０２０号明細書 米国特許第５０１４７６３号明細書 米国特許第６３４７６６０号明細書

実際には、複数のセラミックセッターを相互に積み重ねて、複数のセラミックコアを同時に焼成することができる。焼成温度が華氏３０００度（摂氏１６４８．９度）の領域である場合、セラミックセッターは時間経過とともに継続的に変形する可能性があり、各セッターの重量は積み重ねられて増加する。セラミックセッターが変形すると、コア外形の寸法にバラツキが発生する可能性がある。

本発明は、セラミック鋳造コアの焼成に用いられる装置であって、サガー（ｓａｇｇａｒ）と、当該サガー内に置かれ、コア受面を有するコアセッター挿入物と、を含む装置を提供する。
本発明の例示的な実施形態では、装置はさらに、サガーの底壁上に置かれる耐熱性の粒状グロッグのベッドを含み、焼成（焼結）中は、コアセッター挿入物はグロッグのベッド上に置かれる。
本発明の別の例示的な実施形態では、装置はさらに、サガーの底壁上に置かれ、直立する耐熱性の支持体を含み、焼成中は、コアセッター挿入物は支持体上に置かれる。
本発明のさらに別の例示的な実施形態では、コア受面は翼形状である。翼形状のコアは焼成のためにコア受面上に置かれる。
本発明のさらに別の例示的な実施形態では、サガーの底壁に、コア除去ピンを受け入れるための開口部を含む。
本発明の方法の実施形態には、コアセッター挿入物／コアを内部に有するサガーを積み重ねることと、その後、積み重ねられたセッター内のコアセッター挿入物上に置かれたセラミックコアを焼成することと、を含む。サガーは、そのサガーの下に積み重ねられた他のサガーの側壁の上に積み重ねられる。

本発明は、焼成中にコアセッターが変形することにより発生するコアの外形寸法のバラツキを抑制する利点を有し、これは、特にタービンブレードおよびタービンベーンといった中空の翼形状の鋳造物を鋳造するために使用される、薄い複雑な翼形状のコアに対して有利である。

サガーの斜視図である。（実施例） サガーの断面図であり、破線はサガーの直立する側壁の形成される内面を表すために使用され、底壁は側壁にすみ肉接合で接合されるものとして示されている。（実施例） 翼形状で上向きのコア受面と、ベース部とを有するように図示されている、コアセッター挿入物の斜視図である。（実施例） 本発明の実施形態による装置を、部分的に断面で示す斜視図であり、コアセッター挿入物はサガー内の耐熱性の粒状グロッグのベッド上に置かれている。（実施例） 本発明の別の実施形態による装置の断面図であり、コアセッター挿入物はサガーの底壁上の耐熱性支持体上に置かれ、コア除去ピンは底壁の開口部を通って移動できる。（実施例） 翼形状を有する例示的なセラミックコアの部分斜視図である。（実施例）

本発明の上述および他の利点は、添付図面を用いる以下の詳細な説明から容易に明らかになるであろう。

本発明は、図６に示される翼形状のセラミック鋳造コアＣの焼成に用いられる装置／方法に関して例示的に説明することを目的として、以下に開示される。このようなセラミック鋳造コアは、１つまたは複数の内部冷却通路を有するタービンのブレードおよびベーンといった、中空の翼鋳造物の鋳造に使用され、米国特許第５０１４７６３号明細書および６３４７６６０号明細書に開示されている。これら特許の内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。中空の翼鋳造物の鋳造に用いられるセラミック鋳造コアは、セラミック粉末、結合剤および各種の添加剤を含む可塑性セラミック複合体を使用して作製される。

セラミック複合体は、射出成形されるか、トランスファー成形されるか、またはコアのダイスまたは金型に高温度で注入される。未焼結（未焼成）のコアはダイスまたは金型から除去されると、典型的には、周囲温度に冷却するために剛性のセラミックセッター上に置かれ、その後コアの仕上げおよび測定を行い、高い焼結温度で焼成する。未焼結のセラミックコアは１つまたは複数の工程において、高い（周囲温度以上の）温度でセラミックのセッター上で焼成され、例えばニッケル基またはコバルト基超合金といった金属材料の鋳造に用いられるコアを焼結および強化する。

本発明の実施形態は、未焼結、未焼成のセラミック鋳造コアの焼成（焼結）に用いられる装置であって、耐熱性サガー１０と、サガー内に置かれる、図１から４に示されるような耐熱性コアセッター挿入物１２と、を含む装置を提供する。ここで、図１から４に示されるような耐熱性コアセッター挿入物１２は例示を目的とするものであり、これに限定されない。

サガー１０は、前もって成形され、側壁１０ａおよび底壁１０ｂを有する耐熱性のボックス状のエンクロージャを備える。サガーは典型的には再使用可能であり、長期間にわたり繰り返される焼成に耐えられ、所望のサガーの形状に製造できる、任意の適切な耐熱性材料から作ることができる。このような耐熱性材料には、ムライト材料、アルミナベースの材料等を含むがこれらに限定されない高温のセラミック材料が含まれる。

サガーチャンバ１０ｃに、コアセッター挿入物１２およびその上のセラミック鋳造コアを収容し、さらにサガーチャンバ１０ｃにおいてサガーが強化され、意図される繰返し使用に対して十分な耐久性を備えられるように、サガー１０の寸法を決定する。サガーチャンバの寸法は、焼成される様々なコアセッター挿入物／鋳造コアの大きさに応じて選択される。典型的には、チャンバ１０ｃは、使用されるサガーの多用性を許容するため、焼成される様々な大きさのコアセッター挿入物／鋳造コアを収容することが可能である。例示であって、限定的なものではないが、側壁１０ａおよび底壁１０ｂは厚さは１インチにしてもよい。

側壁１０ａの内面は、図２の破線により図示されたように形成できる。また、側壁１０ａは底壁１０ｂに接合され、図２に示されるとおりすみ肉接合を形成できる。側壁１０ａの内面にくぼみ１０ｒを設けることにより、焼成後のセラミック鋳造コアを除去するためのアクセス、および／またはコアの焼成中の空気流れが得られる。

コアセッター挿入物１２は、前もって形成され、コア受面１２ｓを有する、焼成された剛性のセラミックセッターを備える。例示の目的で、表面１２ｓは、部分的に翼形状を有し、相補的な翼形状のセラミック鋳造コアＣを受けるように図示されている。表面１２ｓは、この表面上で焼成される未焼結のセラミック鋳造コアの表面は、相補的な、前もって選択される所望の輪郭または外形を有する。

コアセッター挿入物１２の底部１２ｂは、図４の、ある実施形態では耐熱性の粒状グロッグのベッド１１上に、または図５の別の実施形態では耐熱性の支持体１１’上に置かれるようになっている。コアセッター挿入物は、可塑性セラミック複合体がダイスまたは金型（図示せず）に注入される従来の注入成形法により作製できるが、コアセッター挿入物は、射出成形およびトランスファー成形を含むがこれらに限定されない、他のプロセスによっても作製できる。

従来の注入式セッター成形法は、１つまたは複数のセラミック粉末（例えば、アルミナ、シリカ、ジルコンおよび／またはジルコニア粉末）と、揮発性アルコール成分を含む触媒硬化型エチルシリケート液体結合剤などの液体結合剤と、他の添加剤とを混合することと、コアセッター挿入物の形状の金型またはダイスに混合物を注入することと、混合物を硬化することと、その後に焼成のために金型およびダイスから未焼結のコアセッター挿入物を除去することと、を含む。本発明の実現形態においては、焼成中にコアセッター挿入物に負荷がかからないように、また変形しないようにするため、厚さおよび外周がより少ないコアセッター挿入物を、過去において用いられていたよりも少ない材料（より少ない質量）で作製できる。

図４に示されている本発明の例示的な実施形態では、セラミック鋳造コアの焼成に用いられる装置は、サガー１０の底壁１０ｂ上に位置する耐熱性の粒状グロッグのベッド１１を含み、コアセッター挿入物１２がこのベッド１１上に置かれ、焼成中に浮動する。グロッグのベッド１１は、使用されるコア焼成温度に応じて、粗いアルミナ粒子、ムライト粒子等を含むがこれらに限定されない、高温のセラミック粒子といった任意の適した耐熱性材料であって、浮動粒子の形のものから成ることができ、また焼成中のセッター挿入物に負荷がかからないようにし、かつ変形しないようにする厚さに形成されることが出来る。

例示として、ベッドの厚さは１／４インチから１インチ（０．６３５ｃｍから２．５４ｃｍ）であるが、これに限定されず他の厚さであってもよい。焼成後、鋳造コアは、指または適切なコア取外しツールを使用して、くぼみ１０ｒを通してアクセスすることにより手動で除去されてもよいし、またはコア除去機構によって除去されてもよい。代替としてまたはこれに加えて、コアの除去を容易にするためのアクセスを可能にするために、側壁１０ａおよび／または底壁１０ｂに窓（図示せず）を設けてもよい。

図５に示されている本発明の別の例示的な実施形態では、装置は、サガーの底壁１０ｂ上に位置するペグといった直立する耐熱性の支持体１１’を含み、コアセッター挿入物は、焼成中は支持体上に置かれる。底壁１０ｂは開口部１０ｄを含み、この開口を通してコア除去機構の注入板ＰＴの除去ピンＰが突き出て、サガーが焼成炉から取り出された後に、サガー１０から、焼成された鋳造コアを除去するのを容易にすることができる。

本発明は典型的には、生産量の増加およびコスト低減を目的として、同時に複数のセラミック鋳造コアを焼成（焼結）して行なわれるが、必要であれば、単一のセラミック鋳造コアを焼成することもできる。焼成の温度／時間は、焼成されるコア鋳造物に所望の強度を実現するために、焼成される特定の鋳造コアに応じて変化する。本発明は特定の焼成温度／時間に限定されない。いくつかの鋳造コアについては、焼成温度は華氏３０００度（摂氏１６４８．９度）の領域にある。

複数のセラミック鋳造コアを焼成する際、本発明の方法の実施形態は、上述のタイプの（コアセッター挿入物１２／鋳造コアを有する）複数のサガー１０を相互に積み重ねることと、積み重ねられたセッター内のコアセッター挿入物上に位置するセラミック鋳造コアを焼成することと、を含む。サガー１０は、そのサガーの下に積み重ねられた他のサガーの側壁の上に積み重ねられる。例えば、一番上のサガーの底壁１０ｂは、１つ下のサガーの側壁の上面１０ｓの上に載り、以下サガーが積み重ねられた状態の下の方まで同様に続くように、積み重ねられる。一番下のサガーの底壁は、高温のセラミックまたは金属板といった従来の耐熱性セラミックまたは金属支持体（図示せず）上に載る。

これにより、各サガー１０の重量は１つ下のサガーの側壁１０ｂに掛かる。上述の方法でサガー１０を積み重ねると、繰り返される焼成中にコアセッター挿入物１２に負荷がかかること、また変形することを抑え、これにより、焼成される鋳造コア上の負荷を抑え、焼成される鋳造コアの寸法の一貫性を改善することができる。サガーは、曲がったり、捩れたりしても、受け入れ可能な鋳造コアの生産物に対して悪影響を与えることなく、後続の鋳造コアの焼成に再使用できる。寸法の一貫性を維持するために必要であれば、焼成後にコアセッター挿入物の表面を再仕上げしてもよい。

当業者であれば、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態における様々な変形形態が可能であることは明らかであろう。

１０ サガー
１０ａ 側壁
１０ｂ 底壁
１０ｃ サガーチャンバ
１２ コアセッター挿入物
１２ｓ コア受面
１１ ベッド
１１’ 支持体
Ｃ セラミック鋳造コア
ＰＴ 注入板
Ｐ 除去ピン

Claims (12)

1. サガーと、該サガー内に置かれ、コア受面を有するコアセッター挿入物と、を備えることを特徴とする、セラミック鋳造コアの焼成に用いられる装置。
2. 前記サガーの底壁に置かれた耐熱性の粒状グロッグのベッドまたは耐熱性の支持体を含み、前記コアセッター挿入物は、前記グロッグのベッドまたは支持体上に置かれていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記コア受面は翼形状であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記コア受面上に置かれた翼形状のコアをさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記サガーの前記底壁に、コア除去ピンを受け入れる開口部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 焼成のために、未焼成のセラミック鋳造コアを支持する方法であって、耐熱性サガー内に置かれたコアセッター挿入物上に未焼成のセラミック鋳造コアを置くステップを備えることを特徴とする、セラミック鋳造コアの焼成に用いられる方法。
7. 前記サガーの底壁上に置かれた耐熱性の粒状グロッグのベッドまたは耐熱性の支持体上に前記コアセッター挿入物を置くことを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 複数のサガーを相互に積み重ねることを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
9. 前記サガーは、該サガーの下に積み重ねられた他のサガーの側壁の上に積み重ねられることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記コアセッター挿入物はコア受面を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
11. 前記コア受面は翼形状であることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 翼形状のコアが前記コア受面上に置かれることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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