JP2011255398A - 鋳造用具、鋳造用具の生産方法及び精密鋳造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】TiAl基合金の精密鋳造に用いられる鋳造用具1(10)であって、前記TiAl基合金の溶湯を貯留可能な内部空間を画定する隔壁3を備え、前記隔壁3は、セラミックスで形成された基層3aと、前記セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成され、前記内部空間2(12)側において基層3aを被膜する被膜層3bと、を有することを特徴とする。
【選択図】図3
Description
例えば、比強度、耐熱性及び耐食性に優れたTiAl基合金は、航空機エンジンの各種部品やタービン翼等の材質として好適であるが、一般の金属や合金に比べて硬くて脆いために機械加工が困難である。このようなTiAl基合金の加工に、上述した精密鋳造法が広く用いられている。
すなわち、本発明に係る鋳造用具は、TiAl基合金の精密鋳造に用いられる鋳造用具であって、前記TiAl基合金の溶湯を貯留可能な内部空間を画定する隔壁を備え、前記隔壁は、セラミックスで形成された基層と、前記セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成され、前記内部空間側において前記基層を被膜する被膜層と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成され、内部空間側において基層を被膜する被膜層を有するので、TiAl基合金の溶湯に対して被膜層が接触することとなる。この被膜層は、セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成されているので、セラミックスで形成された基層に比べて、TiAl基合金の溶湯が反応し難くなって鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、TiAl基合金の酸素濃度が高くなることを防止することができる。
また、隔壁全部を金属酸化物で形成する構成も考えられるが、鋳造用具用製造型にスラリを流し込んで固化させようとすると固化が完了するまでに金属酸化物が沈殿してしまうので、鋳造用具の製作が困難となる。しかしながら、本発明に係る鋳造用具は、セラミックスの基層を金属酸化物で被覆する構成であるので、隔壁全部を金属酸化物で形成する場合に比べて鋳造用具の製作を容易にすることができる。
この構成によれば、金属酸化物が酸化イットリウム、酸化イッテルビウム及び酸化エルビウムのうちいずれか一つであるので、酸素との結合がより強い金属酸化物で被膜層を形成することができる。これにより、TiAl基合金の溶湯が更に反応し難くなってTiAl基合金の酸素濃度が高くなることを十分に防止することができる。
この構成によれば、被膜層の厚さが0.08mm以上かつ0.48mm未満であるので、後述するように、内部空間に溶湯を貯留した場合において被膜層が剥離するまでの耐久時間を長くすることができる。
この構成によれば、基層がジルコニアであるので、被膜層が基層から不測に剥離した場合であっても、ジルコニアとTiAl基合金の溶湯とが接触することとなる。これにより、他のセラミックスと比べて比較的に酸素との結合が強いジルコニアが、TiAl基合金の溶湯と接触するので、TiAl基合金と基層とが反応し難くなって鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、TiAl基合金の酸素濃度が高くなることを抑止することができる。
この構成によれば、スラリ製造工程とスラリ噴霧工程とを有するので、被膜層を容易に均一的かつ十分な薄さに形成することができる。
この構成によれば、粉体の粒径が0.5μm以上であるので、スラリが乾燥する際の凝集を緩和し、かつ、被膜層が柔らかくなることを抑止すると共に、TiAl基合金の溶湯に接触した際の焼結による収縮を緩和して被膜層の剥離を抑止することができる。また、粉体の粒径が3μm以下であるので、基層に対する被膜層の良好な付着性を確保することができる。
この構成によれば、溶媒が水を含まない非水系溶剤であるので、水を含む溶媒と比べて、金属酸化物の凝集を抑止することができる。すなわち、一般に金属酸化物は水と反応して直ぐに凝集してしまうために、溶媒が水を含むとスラリ製造工程において凝集が進行してしまってスラリ噴霧工程の作業性を悪化させる恐れがある。しかしながら、溶媒に水を含まない非水系溶剤を用いることで凝集が防止されるので、スラリ噴霧工程の作業性を良好なものにすることができる。
この構成によれば、スラリにアルコール系の分散剤が添加されているので、金属酸化物の粉体の分散を図ることができると共に、速乾性があるためにスラリ噴霧工程後の作業性を向上させることができる。
この構成によれば、上記のうちいずれかの鋳造用具を用いるので、活性で酸素との親和性が高いTiAl基合金を用いて精密鋳造をした場合に鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、TiAl基合金中の酸素濃度が高くなることを抑止して、所望の品質の鋳造品を得ることができる。
また、本発明に係る鋳造用具の生産方法によれば、被膜層を均一的かつ十分な薄さに容易にすることができる。
また、本発明に係る精密鋳造方法によれば、所望の品質の鋳造品を得ることができる。
(鋳造用具)
図1は本発明の実施形態に係る坩堝(鋳造用具)1の概略構成斜視図である。
図1に示すように、坩堝1は、有底円筒状に形成されており、TiAl基合金の溶湯を貯留可能な内部空間2が隔壁3によって画定されている。
鋳型10は、直方体状に形成されており、TiAl基合金の溶湯を貯留可能である内部空間12が隔壁3によって画定されている。なお、内部空間12は、タービン翼の形状に対応して形成された形状の鋳造スペースを複数有している。
隔壁3は、図3に示すように、セラミックスCで形成された基層3aと、金属酸化物Oで形成され、内部空間2(12)側において基層3aを被膜する被膜層3bとを有している。
被膜層3bは、その厚さdが0.08mm以上かつ0.48mm以下に形成されている。
また、被膜層3bを形成する金属酸化物Oは、例えば、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化イッテルビウム(Yb2O3)及び酸化エルビウム(Er2O3)のうちいずれか一つを用いることができる。
なお、坩堝1及び鋳型10の製造方法については、後に詳述する。
TiAl基合金の溶湯の酸化メカニズムは、TiAl基合金の溶湯に含有されるTiが坩堝1のセラミックスCの酸素を奪い取る、以下の反応による。なお、以下の反応におけるMは、任意の元素を示している。
1/3M2O3+Ti→TiO+2/3M
表1は、セラミックスC及び金属酸化物Oの上記反応での各平衡定数Kpを示したものである。表1における各平衡定数Kpは、生成自由エネルギーによる平衡計算によって求めたものであり、対数表記している。
また、金属酸化物Oのスラリ20は安定性が悪いために、スラリ20を型に流し込んで相当時間放置して固化させることにより、隔壁3全部(鋳造用具全部)を金属酸化物Oで形成するのは困難であるが、
また、隔壁3全部を金属酸化物Oで形成する構成も考えられるが、鋳造用具用製造型にスラリ20を流し込んで固化させようとすると固化が完了するまでに金属酸化物Oが沈殿してしまうので、坩堝及び鋳型の製作が困難となる。これに対して、坩堝1及び鋳型10によれば、セラミックスCの基層3aを金属酸化物Oで被覆する構成であるので、隔壁3全部を金属酸化物Oで形成する場合に比べて坩堝1及び鋳型10の製作を容易にすることができる。
各グラフは、被膜層3bの厚さdを0.01,0.10,0.35,0.60mmに代えた坩堝を複数用意し、TiAl基合金の溶湯(1650℃)を貯留した状態で各坩堝を炉内に放置し、その後、被膜層3bの剥離によって生じるバブリングまでの時間を耐久時間tとして測定したものである。なお、バブリングは炉が備える観察窓を介して目視で判定した。
また、高純度のジルコニアを用いることで更にTiAl基合金と基層3aとが反応することを抑制することができる。さらに、ジルコニアに5%以上の酸化イットリウム(Y2O3)、酸化イッテルビウム(Yb2O3)あるいは酸化エルビウム(Er2O3)を添加した場合も同様の効果が得られる。
続いて、本発明に係る鋳造用具の製造方法について説明する。
図7は、本発明に係る鋳造用具の製造方法を説明する図である。
本発明に係る鋳造用具の製造方法は、金属酸化物Oの粉体と溶媒とを混合してスラリ20を製造し(スラリ製造工程)、製造したスラリ20を隔壁3の基層3aのうち内部空間2,12側にスラリ20を噴霧して(スラリ噴霧工程)、坩堝1及び鋳型10を得るものである。
同様に、基層3aのみで隔壁(3)が構成された鋳型10に対して、基層3aのうち内部空間12側にスラリ20を噴霧する。
この乾燥の際、分散剤成分が速やかに揮発する。また、金属酸化物Oの粉体の粒径が0.5μm以上であるので、スラリ20が乾燥する際の凝集が緩和され、かつ、被膜層3bが適度な硬さに維持される。
また、粉体の粒径が3μm以下となっているために、基層3aに対して被膜層3bが良好に付着する。
この際、スラリ20にアルコール系の分散剤が添加されているので、スラリ20における金属酸化物Oの粉体の分散が良好に維持された状態で、スラリ20を噴霧することができる。
例えば、上述した実施形態においては、鋳型10の内部空間12がタービン翼の鋳造スペースを有する構成としたが、他の部品であってもよい。
また、坩堝1と鋳型10とは必ずしもセットで用いる必要はなく、単独で用いてもよい。
2,12…内部空間
3…隔壁
3a…基層
3b…被覆層
3b…被膜層
10…鋳型
20…スラリ
C…セラミックス
G…スプレーガン
O…金属酸化物
Claims (9)
- TiAl基合金の精密鋳造に用いられる鋳造用具であって、
前記TiAl基合金の溶湯を貯留可能な内部空間を画定する隔壁を備え、
前記隔壁は、セラミックスで形成された基層と、
前記セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成され、前記内部空間側において前記基層を被膜する被膜層と、
を有することを特徴とする鋳造用具。 - 前記金属酸化物は、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム及び酸化エルビウムのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項1に記載の鋳造用具。
- 前記被膜層は、厚さが0.08mm以上0.48mm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の鋳造用具。
- 前記基層は、ジルコニアで形成されていることを特徴とする請求項1から3のうちいずれか一項に記載の鋳造用具。
- 請求項1から4のうちいずれか一項に記載の鋳造用具の生産方法であって、
前記金属酸化物の粉体と溶媒とを混合してスラリを製造するスラリ製造工程と、
前記基層のうち前記内部空間側に前記スラリを噴霧するスラリ噴霧工程とを有することを特徴とする鋳造用具の生産方法。 - 前記粉体は、粒径が0.5μm以上3μm以下であることを特徴とする請求項5に記載の鋳造用具の生産方法。
- 前記溶媒は、水を含まない非水系溶剤であることを特徴とする請求項5又は6に記載の鋳造用具の生産方法。
- 前記スラリは、アルコール系の分散剤が添加されていることを特徴とする請求項5から7のうちいずれか一項に記載の鋳造用具の生産方法。
- 請求項1から3のうちいずれか一項に記載の鋳造用具を用いることを特徴とする精密鋳造方法。
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