JP2013523451A - 柔軟なワックスパターンツールを利用するインベストメント鋳造 - Google Patents
柔軟なワックスパターンツールを利用するインベストメント鋳造 Download PDFInfo
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Abstract
鋳造形状がさもなければ複数の引き面を必要とする場合であっても鋳造ワックスパターン（５２）からのワックスパターンツール（４４）の除去を容易にするためにワックスパターンツール（４４）が柔軟であるインベストメント鋳造プロセス。柔軟なツールは、周囲のコフィンモールド（４０）に対して、それにより囲繞されたセラミックコア（１０）に対して正確に指標付けられる柔軟な挿入体（４２）を含んでもよい。位置決めピン（１０６）がワックス注入ステップ前にコアに対して柔軟に接触するように柔軟なツールから延びてもよい。結果として得られるワックスパターンの表面は、マスターツール（１２）から柔軟な表面を介して複製される工学的トポグラフィ（３６）を含んでもよい。柔軟なツールは、熱伝導性のある、あるいは磁性の粒子（９２）またはワックス注入中に動作可能なセンサや振動器などの他の能動デバイス（９６）を封入してもよい。
Description
（関連出願の相互参照）
本出願は、参照することによってその全体が本願に組み入れられる米国仮出願第６１／２６７，５１９（代理人整理番号２００９Ｐ２２７８５ＵＳ）の２００９年１２月８日の出願日の利益を主張する。
本出願は、参照することによってその全体が本願に組み入れられる米国仮出願第６１／２６７，５１９（代理人整理番号２００９Ｐ２２７８５ＵＳ）の２００９年１２月８日の出願日の利益を主張する。
本発明は、一般に、インベストメント鋳造の分野に関し、より詳細には、柔軟なツールまたはモールドを使用してインベストメント鋳造プロセスの一環としてワックスパターンを形成することに関する。
インベストメント鋳造は、銅、青銅、および、金などの金属からきめ細かい手工芸品を形成するためにそれが最初に使用されたときにまで数千年遡る最も古い既知の金属成形プロセスのうちの１つである。工業用インベストメント鋳造は、第二次世界大戦が特殊な金属合金から形成される正確に寸法付けられた部品に対する需要を増大させた１９４０年代では更に一般的となった。今日、インベストメント鋳造は、航空宇宙産業や電力産業において、複雑な翼形状と内部冷却通路の幾何学的形態とを有するブレードまたはベーンなどのガスタービン部品を形成するために一般に使用される。
インベストメント鋳造されるガスタービンブレードまたはベーンの形成は、翼形状に対応する内面を有する外側セラミックシェルと、外側セラミックシェル内に配置されて翼内に形成されるべき内部冷却通路に対応する１つ以上のセラミックコアとを有するセラミック鋳造容器を形成することを伴う。溶融合金がセラミック鋳造容器内へ導入され、その後、溶融合金を冷却して硬化できる。その後、外側セラミックシェルおよびセラミックコアが機械的または化学的な手段によって除去されて、外側翼形状とセラミックコアの形状を成す中空内部冷却通路とを有する鋳造されたブレードまたはベーンが露呈する。
射出鋳造のためのセラミックコアは、高強度硬化機械鋼から形成される互いに嵌め合うコアモールド半体へと所望のコア形状を最初に精密機械加工し、その後、モールド半体同士を接合して、所望のコア形状に対応する注入容積を画定し、セラミック成形材料を注入容積内へ真空注入することによって製造される。成形材料は、セラミック粉末と結合材料との混合物である。セラミック成形材料が未焼結状態まで硬化されたら、モールド半体が分離されて、未焼結状態セラミックコアが解放される。その後、脆弱な未焼結状態コアが熱処理され、それにより、結合剤が除去されるとともに、セラミック粉末が互いに焼結されて、溶融合金の鋳造を切り抜けるために必要な温度要件に耐えることができる材料が形成される。完全なセラミック鋳造容器は、所望の翼形状に対応する注入容積を画定する他の精密機械加工された硬化鋼モールド（ワックスパターンモールドまたはワックスパターンツールと称される）の２つの接合された半体内にセラミックコアを位置決めし、その後、溶融したワックスをセラミックコアの周囲でワックスパターンモールド内へ真空注入することによって形成される。ワックスが硬化したら、モールド半体が分離されて除去され、それにより、ワックスパターンの内側に入れられたセラミックコアが露呈する。このとき、ワックスパターンは翼形状に対応している。その後、ワックスパターンの外表面は、例えば浸漬プロセスによってセラミック成形材料でコーティングされ、それにより、コア／ワックスパターンの周囲にセラミックシェルが形成される。シェルの焼結時、および、結果として起こるワックスの除去時、前述したように、インベストメント鋳造プロセスで溶融合金を受けるために、完成したセラミック鋳造容器を利用できる。
ワックスパターンをセラミック成形材料でコーティングする前に位置決めワイヤまたはピンをワックスパターン内へ挿入することが更に知られている。位置決めワイヤは、ワイヤが脆弱なセラミックコア材料に対して損傷を与える前にワイヤの更なる挿入が終わらされるように、それらが閉じ込められたセラミッココアとほんの軽く接触するまでワックスを貫通して挿入される。ワイヤの一部は、ワックス表面を越えて延在したままであり、その後、周囲のセラミック成形材料中に入れられる。位置決めワイヤは、ワックスが除去される時点で、また、その後の溶融金属注入ステップ中に、コアに対して機械的な支持を与える役目を果たす。ワイヤ材料、一般的には白金は、溶融金属が完成したセラミック鋳造モールド内へ注入された後に溶け、最終的な鋳造製品に組み込まれるようになる。
既知のインベストメント鋳造プロセスは、高価であるとともに、多大な時間を必要としており、そのため、新たなブレードまたはベーン形態の開発は、一般に、完成までに多くの月日と数十万ドルとを要する。また、設計選択は、セラミックコアおよびワックスパターンの形成においてプロセス限界により制限される。金属成形業界は、これらの限界を認識してきており、また、米国特許第７，４３８，５２７号に記載される翼後縁冷却チャネルを鋳造するための改良されたプロセスなど、少なくとも幾つかの漸進的な改善を生み出してきた。インベストメント鋳造技術の分野で漸進的な改善が与えられてきたが、本発明者等は、多くの分野で、例えば、燃焼の効率を高めるために焼成温度が増大され続け、電力レベルが上昇されるにつれてガスタービン高温ガス経路部品サイズが増大し続ける次世代のガスタービンエンジンにおいて、計画的進歩のための部品設計を著しく妨げる本質的な限界に業界が直面していることを認識した。
本発明は、インベストメント鋳造のための全く新しい形態手法の一部である。本明細書中および特許請求の範囲に記載されるように、柔軟なワックスパターンモールドは、コフィンモールド内の柔軟な挿入体を有するハイブリッドツールとして形成されてもよい。柔軟な挿入体は、硬質ツールにおいてはさもなければ複数の引き面を必要とする鋳造形態部の周囲で柔軟な挿入体を変形することによって、鋳造ワックスパターンからのワックスパターンツールの除去を容易にする。柔軟な挿入体は、アルミニウムまたは軟鋼などの比較的低コストで低硬度の材料から機械加工されるマスターツールから鋳造されてもよい。
幾つかの望ましい表面トポグラフィは、非常に微細であるため、その後の処理ステップ中およびセラミックシェル形成ステップ中にワックスの表面に存続しない場合がある。そのような実施形態の場合、セラミック挿入体は、柔軟なワックスパターンモールドと併せて使用されてもよい。セラミック挿入体は、所望の複雑な表面トポグラフィを含むように形成されてもよい。セラミック挿入体は、柔軟なワックスパターンモールド内にセットされ、ワックス注入容積を画定する表面の一部を形成する。ワックス注入および凝固の後、柔軟なワックスパターンモールドが除去される際には、セラミック挿入体はワックスパターンに付着されたままである。その後、例えば前述した浸漬プロセスによってセラミックシェルがワックスパターンおよびその付着された挿入体の周囲に形成され、それにより、焼成時、挿入体がセラミックシェルの一体部分となる。
柔軟なワックスパターンモールド内に配置されるセラミック挿入体は、ガスタービンブレードのための後縁冷却穴などの表面開口通路をその後の鋳造金属部品に形成するために使用されてもよい。この実施形態では、セラミック挿入体は、冷却穴の所望の形状に対応する突出部を含む。突出部はセラミックコアと接触するように延びてもよく、それにより、（セラミックコアによって画定される）ブレードの中空内部から（セラミックシェルの内面によって画定される）ブレード表面へと延びる冷却チャネルがその後の鋳造部品に形成される。突出部の先端には、セラミックコアに形成される協働する形態部と対を成す形態部が形成されてもよい。コアとセラミック挿入体の突出部との間の機械的な接触は、セラミックコアを柔軟なワックスパターンモールド内に正確に位置させるとともに、その後のワックス注入ステップ中および金属注入ステップ中にセラミックコアを機械的に支持する役目を果たす。
ワックスパターンモールドの柔軟な挿入体は、挿入体を周囲のコフィンモールドに対して正確に位置させることができるようにするアライメント形態部を含むように形成されてもよく、コフィンモールドは、挿入体および挿入体に形成される任意の形態部をワックス注入ステップのために囲繞されたセラミックコアに対して正確に位置決めすることができる。
柔軟なモールドまたは柔軟なモールド挿入体を形成するために使用される成形材料は、柔軟な挿入体が所望の方法で反応できるようにする材料またはデバイスと共に注入され、あるいは該材料または該デバイスの周囲に成形されてもよく、このことは、本明細書中で反応要素を含む柔軟な挿入体として広く記載される。反応要素は、その後に硬化される材料に所望の特性を与える充填材料であってもよい。例えば、磁性粒子が充填材として使用される場合には、硬化された柔軟な挿入体が磁気エネルギに反応する。この特性は、コフィンモールドが永久磁石または電磁石を含むように形成される場合、柔軟な挿入体を周囲のコフィンモールド内に固定するのに役立つ場合がある。熱伝導性を有する、あるいは断熱性を有する材料が充填材として使用される場合には、柔軟な挿入体を通じた熱伝達がその使用中に更に都合良く制御されてもよい。
柔軟なモールド内または挿入体内にそれが形成されるときに埋め込まれてもよい他のタイプの反応要素は能動デバイスである。そのような能動デバイスとしては、温度センサ、圧力センサ、機械的な振動器、加熱または冷却デバイス、あるいは、その後のワックス注入プロセス中に柔軟な挿入体が使用されるときに役立ち得る他のデバイスが挙げられる。
金属鋳造中に囲繞されたセラミックコアを機械的に支持するために位置決めピン（ワイヤ）が柔軟なワックスパターンモールドと共に使用されてもよく、また、重要なことには、これらはワックス注入ステップ前にセラミックコアに対して位置決めされてもよい。専用のピン支持要素が柔軟な挿入体の表面の凹部内に配置され、それにより、ワックス注入前にピンがセラミックコアに対して正確に位置決めされる。これにより、ワックス注入中にピンはコアを支持することができ、また、既に鋳造されたワックスパターンにピンを挿通する必要があった従来技術のプロセスの場合よりも高い精度をもってピンを位置決めすることができる。その結果、脆弱なセラミックコアに対する損傷が減少され、プロセス歩留まりが向上される。
本発明で利用される実現技術は、米国特許第７，１４１，８１２号および第７，４１０，６０６号および第７，４１１，２０４号に記載されており、前記特許の全ては、バージニア州のシャーロッツビルのＭｉｋｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ社に譲渡されており、参照することにより本願に組み入れられる。この技術は、一般にＴｏｍｏリソグラフィックモールディング技術（以下、「Ｔｏｍｏプロセス」と称される）と称されており、柔軟な誘導モールドを形成するために金属箔積層モールドの使用を伴い、前記誘導モールドは、その後、構成部品を鋳造するために使用される。部品形態は、最初にデジタルモデルで具現化された後にデジタル処理でスライスされ、また、フォトリソグラフィまたは他の精密材料除去プロセスを使用して、それぞれのスライスに対応して金属箔が形成される。三次元の様々なスライスの厚さを制御できる設計者の能力と相まった二次元材料除去プロセスの固有の精度は、標準的なモールド機械加工プロセスを使用してこれまで利用できなかった三次元製造公差精度を与える。箔は、適した柔軟な成形材料を受けるための積層モールドを形成するために互いに積層される。「柔軟な」という用語は、本明細書中では、室温加硫（ＲＴＶ）シリコンゴム、または従来技術の金属モールドのように硬質ではないが鋳造構造物からのモールドの除去を容易にするためにモールドをある程度まで曲げて引き伸ばすことができるようにする「柔軟なモールド」を形成するために使用され得る他の材料などの材料を示すために使用される。また、用語「柔軟なモールド」および「柔軟なツール」は、本明細書中では、柔軟な自立構造および硬質コフィンモールド内に収容される柔軟なライナーまたは挿入体を含むように使用される場合がある。この場合、柔軟なモールド内へ構成要素が直接に流し込まれる。モールド材料の柔軟性は、鋳造部品がモールドから引き出されるにつれて特徴形態の周囲で変形できる柔軟なモールド材料の能力に起因して、突出するアンダーカットおよび逆断面テーパーを有する部品特徴形態の鋳造を可能にする。
まとめると、これらの改善は、以下で更に十分に説明するように、従来技術の限界、特にインベストメント鋳造プロセスのワックスパターン部における限界の多くを克服するインベストメント鋳造のための新たな手法を規定する。
以下の記述では、図面を考慮して本発明を詳しく説明する。
例えば複雑な内部冷却通路を有するガスタービンブレードまたは他の部品を鋳造するために使用されてもよいインベストメント鋳造プロセスの一環として、内部冷却通路の形状を画定するセラミックコアが最初に形成される。図１は、任意の既知のプロセスによって形成されてもよい１つのそのようなセラミックコア１０の例示である。
セラミックコアが形成されると、インベストメント鋳造プロセスにおける次のステップは、コアの周囲でワックスを鋳造するためのワックスパターンツールの一部としてコアを使用して、鋳造ブレードまたは他の鋳造部品の最終的な外表面形状を画定することである。従来技術のワックスパターンツール形態は、ツールをワックスパターンまたは鋳造部品から除去するために部品の形状に起因して複数の引き面（ｐｕｌｌ ｐｌａｎｅ）が必要とされるときには、特に複雑で高価である。本発明は、ツール製造時間およびコストを伝統的なワックスパターンツールにおいて必要であったよりも少なくなるまで減らすとともに、部品構造の高い柔軟性と高い鋳造歩留まりとをもたらす高い性能を与える、ワックスパターンツールへの新規なアプローチを提供する。従来技術の高価な機械鋼ツールの代わりに、簡易な低コストのアルミニウムまたは軟鋼（または、他の容易に機械加工される材料、まとめて軟質金属と称する）マスターツールが使用される。その後、低圧射出プロセスを使用してマスターモールドから誘導柔軟ワックスパターンモールド（ツール）が形成される。図２Ａは、柔軟なワックスパターンツール１６の一方のサイド１６ａを形成するために柔軟なモールド材料１４を受ける機械加工されたアルミニウムなどの軟質金属から形成されるマスターツール１２の断面を示している。この場合、柔軟なワックスパターンツール１６の他方のサイド１６ｂも同様の方法で形成される。柔軟なワックスパターンツールは、柔軟なモールド材料から全体が形成されてもよく、あるいは、以下で図示して説明するようにソリッドコフィンモールドと併せて使用される柔軟なモールド挿入体（または、ライナー）のハイブリッド形態をなしてもよい。柔軟なワックスパターンツールの２つの組み付けられたサイドが図２Ｂに示されている。図２Ｂは、柔軟なモールドサイド間に画定される注入キャビティ１８内へのセラミックコアの配置を示している。
マスターツールは１つ以上の精密挿入体２０を受けるように形成されてもよく、精密挿入体は、図２Ａ〜図Ｂの実施形態では、モールドの柔軟な内面２４と一体となるように形成される例えば柔軟な位置決めピンの形状を成す、コアと当接する位置決め形態部２２を形成するために使用される。高機能な高精細度の細部領域を画定するために、以下により詳細に述べられるように、必要に応じて、例えばその後の鋳造金属部品に塗布されるべきコーティングの付着を容易にする工学的表面粗さを含めて、様々な形状の精密挿入体がマスターツールの任意の領域で使用されてもよい。挿入体は、Ｔｏｍｏプロセス、ステレオリソグラフィ、ダイレクトメタルファブリケーション、または、他の高精細プロセスを使用して形成されてもよい。マスターツールのハイブリッド表面２６（機械加工されたアルミニウム表面および精密挿入体表面）は、その後、マスターツールの細部を再現するワックス射出モールドの柔軟な内面に複製される。
図２Ｂに示される位置決め形態部は、セラミックコアと緩やかに接触するように高い機械的ヒステリシスをもって柔軟なモールドの本体から延び、それにより、柔軟なワックスパターンモールド内でコアの適切な位置を確保する。位置決め形態部は、ワックス注入中にコアに対して機械的な支持を与えつつコア／モールド界面２８にある程度の柔軟性を与える。従来技術のツールは、金属ピンをコアと強く接触するように組み込むことで知られるが、そのような強い接触は、しばしば、モールド閉塞中に比較的脆弱なセラミックコアに対して損傷を与える。本明細書中に記載される柔軟な形態部はある程度の許容範囲を与え、したがって、コアに対する損傷の機会が少ないことに起因して、歩留まりの高い許容できる部品が得られる。位置決め形態部の柔軟性の度合いは変化可能であるが、これらの位置決め形態部はそれらが接触するコア表面より柔軟であってもよく、それにより、位置決め形態部は、セラミックコア材料に損傷を与えることなくコアによって変形され得る。一方、従来技術の位置決めピンは、コア材料よりも硬質であり、そのため、セラミックコア材料に損傷を与えることなくコアによって変形され得ない。位置決め形態部は、位置決め形態部を曲げて容易に除去できるモールド材料の柔軟性に起因して平行な引き面内に配置される必要がなく、有益である。
図３に示される他の実施形態では、コアを位置決めしてコアに対して機械的な支持を与えるために、柔軟なモールドと一体でない柔軟なピンまたはスペーサ３０が、コアと柔軟なモールドとの間に配置されてもよい。そのような一体でないスペーサは、コアに損傷を与えることなくセラミックコアを係合できる発泡体またはワックスまたは任意の材料から形成されてもよい。スペーサは、接着剤３２を用いて所定位置に保持されてもよく、および／または、柔軟なモールドに形成される開口３４に挿入されてもよい。スペーサは、ワックス注入後のシェル硬化中に燃え尽きるようになっていてもよく、あるいは、シェル形成前にワックスパターンから引き出されてもよい。あるいは、スペーサは、セラミック鋳造材料から形成されてもよく、また、ワックスパターンによって封入された状態に保たれた後、コーティングされてその後に加えられるセラミックシェル材料と一体になってもよい。溶融金属合金鋳造時、封入されたセラミックスペーサは、鋳造金属部品に表面開放通路を画定する機能を果たす。これらの選択肢のいずれも、柔軟なモールドの柔軟な内面およびスペーサ自体の柔軟性は、ワックス注入ステップ中にコアに対してある程度の柔軟な支持を与える役目を果たす。
ワックスパターンツールを形成するための前述した形態は、以下の表１で要約されるように、既知の従来技術のプロセスよりも勝る。
図４Ａ〜図４Ｈは、工学的表面トポグラフィ３６が金属部品表面３８へと直接に成形されるインベストメント鋳造プロセスのステップを示している。図４Ａには、コフィンモールド（金型）の２つの半体４０が示されており、各半体は、所望の表面トポグラフィを含む露出面を有する柔軟なモールド挿入体（ライナー）４２ａ、４２ｂを収容する。柔軟な挿入体は、Ｔｏｍｏプロセスを用いて、あるいは他の精密プロセスを用いて形成されるマスターモールドから直接に形成されてもよい。図４Ｂは、セラミックコアの周囲で柔軟なワックスパターンツール４４として互いに組み付けられたコフィンモールド半体を示しており、これにより、その後に鋳造される金属部品４６の所望の形状に適合する注入キャビティ１８が画定される。コアプリント４８として知られるセラミックコアの両端部は、コフィンモールドと接触するように延びて、コアをコフィンモールドと柔軟なモールド挿入体とに対して支持する。その後、注入キャビティは、注入プロセスを使用して、図４Ｃに示されるように、ワックス５０で満たされる。ワックスが硬化した後、ツールが除去され、それにより、その外面上に所望のトポグラフィを有する図４Ｄに示されるワックスパターン５２が露呈する。その後、ワックスパターンには、当技術分野において知られる技術を使用してセラミック材料がコーティングされ（シェル形成され）、それにより、図４Ｅに示されるワックス充填セラミック鋳造容器５４が形成される。その後、例えば加熱によってワックスが除去され、図４Ｆに示される鋳造容器５６が形成される。その後、図４Ｇに示されるように、溶融金属合金５８が鋳造容器内へ流し込まれて、セラミック鋳造容器が破壊的に除去され、それにより、図４Ｈに示されるように、内部キャビティ６０を有するとともに一体的に鋳造された工学的表面トポグラフィ３６をその表面３８上に有する構成部品４６が露呈する。
図４Ａの柔軟なモールド挿入体は、引用された米国特許第７，１４１，８１２号および第７，４１０，６０６号および第７，４１１，２０４号に記載されるように、Ｔｏｍｏプロセスマスターモールドから直接に得られてもよい。あるいは、１つ以上の中間モールドを形成するためにＴｏｍｏプロセスモールドまたは他の精密マスターモールドが使用されてもよい。この場合、中間モールドは、表面トポグラフィを改質して更に向上させる更なるプロセスステップに晒される。一実施形態では、第１の柔軟なモールドを鋳造するために金属箔マスターＴｏｍｏプロセスモールドが使用され、また、繊維材料中間モールドを鋳造するために第１の柔軟なモールドが使用される。中間モールドは、その後、繊維の一部をモールドの表面で露出させるためにグリットブラスト処理される。その後、第２の柔軟なモールドが中間モールドへ成形されて、第２の柔軟なモールドが露出された繊維の形状をその表面トポグラフィの一部として複製する。その後、第２の柔軟なモールドが図４Ａのコフィン金型で使用される。
その最も簡単な形態において、柔軟なツールは、一般にワックスの表面に凹状に形成されてもよい頑丈な形態部をワックスパターンの表面に形成するために使用される。一般に、これらの形態部は、高角度の段部を縁部に形成してインターロック形状をもたらすとともにその上側に位置するコーティングとの界面の表面積を増大するために、比較的低い角度を成して、浅い形状を有している。六角形型構造またはハニカム構造が使用されてもよい。図５は、前述したステップを使用するワックスパターンの表面における頑丈であると分かる１つのそのような表面６２を示している。ワックスパターンにおけるそのような表面は、インベストメント鋳造において変換可能なハニカム状の表面をもたらし、それにより、高いインターロック度合いと、上側に位置するコーティング層との結合完全性のための大きい表面積とをもたらす周期的に粗い表面（マクロ範囲）が得られる。更なる利点は、表面にわたる高い断続コーティング厚から得られてもよい。
更なる表面工学は、例えば図６に見られるように、かなり大きい表面積増大とインターロックとをもたらすことができる。この場合、ギアコグ型の層６４を形成するために六角形状の縁部が丸み付けられる。典型的な表面特徴深さは０．３８ｍｍおよび０．６６ｍｍの両方で有効となるように形成されて示されたが、これらの深さは、最適化を意味せず、限界であることを意図されていない。高い表面角度の領域（例えば、翼の前縁または後縁部、あるいは、翼／プラットフォーム交差部）では、表面からのパターン突出部が有益な場合がある。そのような突出部は、第二世代の柔軟なモールドから形成することができる（すなわち、柔軟なモールドマスターからの柔軟なモールド複製）。図７は、そのようなモールド技術によって形成される突出されたワックス表面パターン６６の一例を示している。突出するモールドは、表面にアンダーカットを形成するように設計することができ、それにより、コーティングとの機械的なインターロックの度合いが高まる。これは、コーティングの応力が高い領域で特に有用である。なお、陥凹状の表面形態部にアンダーカットを形成することもできる。
マスターツールは、グリットブラスティング、または、サンディングなどの非Ｔｏｍｏ表面改質技術によって、あるいは、レーザ誘導マイクロポットマークを表面上に形成することによって、あるいは、例えばエポキシなどの接着剤を用いてマスターツールの表面に結合される第２相材料を付加することによって更に改質することができる。そのような材料は、制限なく、ランダムに、あるいは所定のパターンを伴って表面上に加えられてもよいシリコンカーバイド粒子または短繊維を含んでもよい。表面改質技術または第２相材料は、柔軟なモールドツールの表面を画定するために使用され得るとともに、場合により第二世代の柔軟なモールドツールから複製され得るランダムな表面配列をツールの表面上に形成する。一例として、図８Ａ〜図８Ｃは、固有のミクロ表面特徴を形成するために様々な度合いのハイブリッド表面を伴って漸進的に改質されたマスターツールから形成されるワックスパターン表面６８、７０、７２を示している。この場合、マスターツールが漸進的にグリットブラスト処理され、また、基本的なＴｏｍｏプロセス形状が漸進的に浸食され、それにより、表面６８から表面７２へと進むにつれて次第に丸みを帯びた構造が得られるが、依然として、Ｔｏｍｏプロセス特徴の基本的な形状は保たれる。凹状の、あるいは突出した工学的表面のいずれかを形成するためにＴｏｍｏプロセスの性能と組み合わされるこのハイブリッド形態は、鋳放し部品に多種多様な工学的表面を形成するためにかなりのプロセス柔軟性を示す。本プロセスは、更なる実際のグリットブラスティングを必要とすることなくグリットブラスト処理されたマスターツール内で鋳造される複数世代間にわたる柔軟な挿入体によってグリットブラスト処理されたマスターツール表面の複製を行なうことができ、それにより、正確な部品間複製が確保され、有益である。本プロセスは、事実上、所望のマスターツール表面が形成されると、表面改質プロセス変化に影響されにくくなる。これは、マスターツールから結果として得られる全ての表面が同一だからである。
図９Ａ〜図９Ｃは、所望の表面仕上げがワックスパターニング段階で非常に脆弱であるためにシェルコーティング７４へと効果的に変換され得ない場合に、インベストメント鋳造部品に工学的表面を形成するための他の実施形態を示している。そのような表面は、一般に、取り扱い中およびシェルコーティング中に容易に損傷される脆弱な突出部をワックスパターンにもたらす表面である。この実施形態では、消耗セラミック挿入体７６が、Ｔｏｍｏプロセスを用いて、あるいは所望の表面トポグラフィ７６を有するように形成されてもよい。消耗挿入体は、図９Ａに示されるように柔軟なワックス射出モールド１６の一部を形成するが、図９Ｂに示されるように、モールドから外されて、鋳造ワックスパターンからモールドを除去する際にワックスパターン５２と共にとどまる。ワックスパターンがシェル形成されてシェル７４が熱処理される際、挿入体は、図９Ｃに示されるように、鋳造容器５６のための外側キャビティ壁７８を画定するシェル構造の一部のままである。挿入体の内面は、鋳造部品の最終的な金属表面の所望のトポグラフィを含み、また、その細部は、トポグラフィをワックスを介して変換しなければならない別の方法を用いてより頑丈な形態に保たれる。このプロセスは、さもなければ脆弱性に起因してワックスパターンが傷つけられるであろう表面に細部を保持するために使用することができる。そのようなプロセスは、それ自体、例えば翼の前縁および後縁などの露出された翼領域のために更なる固定が必要とされる場合にはモジュール性に役立つ。そのようなセラミック挿入体は、ワックス注入ツールへの適用前に部分的に熱処理されてもよい。
図１０Ａ〜図１０Ｂは、最終的な鋳造金属部品に表面開放通路を画定するための消耗挿入体８０の他の用途を示しており、例えば、ガスタービンブレードの後縁冷却通路を形成するのに役立つ場合がある。挿入体は、シリカ、セラミック、または、石英材料から形成されてもよく、また、柔軟なワックスパターンモールド１６のスロットまたは開口などの協働する凹部８２内に嵌合するように設計されている。挿入体、柔軟なワックスパターンモールド、および、コア１０の全ては、例えばＴｏｍｏプロセスを用いて適切な精度をもって形成されてもよく、それにより、図１０Ａに示されるように、挿入体の突出脚８４は、コアと当接し、または、コアの協働する開口８６と対を成してそれらの間に機械的な結合部を形成する。機械的な結合部は、突き合わせ継手、または、凹状継手（ｒｅｃｅｓｓｅｄ ｊｏｉｎｔ）、または、他の協働する形状であってもよい。挿入体は、図１０Ｂに示されるように、柔軟なワックスパターンモールドが除去された後にワックスパターン５２にとどまり、また、挿入体は、その後のシェル形成プロセス中にシェル（図示せず）と一体になる。挿入体の突出脚は、コアによって画定される内部通路とシェル内面によって画定される部分の外表面との間で鋳造金属部品に通路を形成するとともに、ワックス注入ステップおよび金属注入ステップ中にコアに対して機械的な支持も与える。Ｔｏｍｏプロセスなどの精密プロセスを用いて柔軟なワックスパターンモールド挿入体を形成することにより、従来技術を用いて以前は不可能であった形状、角度、アスペクト比、テーパー、螺旋等を有するブレード後縁冷却通路を形成することができる。１つの例は、図１０Ａおよび図１０Ｂの挿入体８０によって形成される非線形冷却チャネルである。挿入体は、部品の表面に対して略平行に延びる部分８１を含むことが有益であり、それにより、冷却チャネルの有効性が高まる。このタイプの形状は、標準的な鋳造後機械加工プロセスを用いて得ることができない。各挿入体が単一の冷却チャネルを形成してもよく、あるいは、図１４に示される櫛形態を伴って形成される挿入体８３により複数の冷却チャネルが画定されてもよい。
図１１は、柔軟なモールド挿入体４２を伴うコフィンモールド４０の一実施形態を示しており、この場合、モールドおよび挿入体には、コフィン金型内への柔軟なモールド挿入体の配置を容易にしてそれらの間の適切な位置合わせを確保する協働するアライメント形態部が形成される。図１１は、挿入体の表面上の台形形状の突出部８８と、コフィン金型の表面上の鏡像形状の溝９０との使用を示しているが、当業者であれば分かるように、任意の様々な協働形状が使用されてもよい。柔軟なモールドの使用の利点のうちの１つは、それらの低いコストおよび互換性であり、また、そのようなアライメント形態部の使用は、単一のコフィン金型と共に使用される複数の柔軟なモールド挿入体のそれぞれが適切に位置決めされるようにする。また、柔軟な挿入体の適切な位置決めは、コアがコフィンモールドから支持されるときに挿入体がコアに対して適切に指標付けられるようにする。
様々な反応要素が柔軟なワックス射出モールド内またはモールド挿入体内に入れられてもよい。一例において、図１１は、柔軟な挿入体４２を形成するために使用されるモールド材料中の反応要素としての充填材粒子９２の使用を示している。モールド材料が依然として液体状態にある間、充填材粒子はそれがモールド形状へと成形される前にモールド材料と混合される。粒子は、所望の特性をモールドライナーへまとめて与える任意の様々な材料または材料の組み合わせであってもよい。例えば、粒子は、挿入体の熱伝導率を高めるために、熱エネルギに対して非常に伝導性があるなど、所望の熱伝導率特性を有するように選択されてもよい。他の実施形態では、粒子が断熱性を有してもよい。図１１の充填材粒子の少なくとも一部は、磁性を有してもよく、また、コフィン金型に取り付けられる磁石９４に引き付けられ、それにより、柔軟な挿入体をコフィン金型内でその適切な位置に保持する。磁石は永久磁石または電磁石であってもよく、電磁石は、それが励磁されないときにコフィン金型からの挿入体の解放を容易にする。他の実施形態では、柔軟なモールド挿入体を鋳造するために使用されるマスターモールドで磁石が使用され、それにより、モールド材料が硬化している間に液状モールド材料中の磁性粒子が磁石の方へ引き付けられ、その結果、磁石に隣接するモールドの領域で粒子の優先的な分配がもたらされる。
図１２は、能動デバイス９６である反応要素の柔軟な挿入体４２内での使用を示している。能動デバイスは、該デバイスがモールド材料中に入れられるように、モールド材料の鋳造中にマスターモールド（図示せず）内に配置される。用語「能動デバイス」は、本明細書中では、柔軟なモールドの使用中にモールドの効果を高めるように機能するモールド材料以外の任意の物体またはボイドを含むように使用される。能動デバイスの例としては、鋳造プロセスを監視するために使用されてもよい温度センサまたは圧力センサなどのセンサ；注入キャビティの全体にわたる鋳造材料の流れを促すために使用されてもよい機械的な振動器などのアクチュエータ；鋳造プロセス中に温度を調整するために使用されてもよい抵抗ヒータまたは加熱流体、あるいは冷却流体の通過のための流体チャネルなどの温度調整デバイスなどが挙げられるがこれらに限定されない。能動デバイスは、モールド材料の外側に配置される電子回路または流体システムなどの関連するシステム９８に接続されてもよく、あるいは、デバイスは、モールド材料内に隔離されて、問い合わせＲＦ信号または音響エネルギなどの遠隔通信信号に応答してもよい。
発明の背景で先に説明したように、従来技術では、埋め込まれたセラミックコアと接触するように白金ワイヤ（またはピン）をワックスパターン内へ挿入することが知られている。この手順は不安定である。なぜなら、白金ワイヤを過度に挿入しすぎるとセラミックコアに損傷をもたらす可能性があり、この損傷は、金属部品が鋳造された後まで気付かれないままとなる可能性があり、鋳造後検査に合格しない。また、従来技術の白金ワイヤは、ワックスが鋳造された後までそれらが所定位置に配置されないため、ワックス注入ステップ中にコアの支持を行なわない。本発明は、そのような位置決めワイヤまたはピンを柔軟なワックスパターンモールドと併用することにより、ワイヤによって与えられる支持に対してある程度の柔軟性を与えるとともに、ワックス注入ステップ前にワイヤをセラミックコアに対して位置決めできるようにすることをもくろむ。図１３Ａ〜図１３Ｅは、これが達成され得る方法の１つの実施形態を示している。
図１３Ａに示されるように、柔軟な挿入体４２には、ディスク１０２などの取り外し可能な支持要素を受けるための表面凹部１００が形成される。他の実施形態では、支持要素が他の形状を有してもよい。一実施形態では、化学的および熱的な拡張適合性を確保するために、柔軟な挿入体およびディスクが同じ材料から形成されてもよい。ディスクには、既知の白金位置決めワイヤなどの位置決めピン１０６を受けるための穴または開口１０４が形成される。当業者であれば分かるように、特定のセラミックコア形態の支持のために、複数のそのようなディスクおよびワイヤが挿入体と関連付けられてもよい。柔軟なモールドは、下側柔軟挿入体（図示されている）と上側柔軟挿入体（図示せず）とから形成されてもよい。ワイヤ、ディスク、および、挿入体は予め組み付けられ、その後、セラミックコア１０がワイヤの上面と軽く接触するように柔軟なモールド内に位置決めされる。図示の水平の実施形態では、下側挿入体が土台を形成し、この土台上にコアが置かれ、その後、柔軟なモールドを形成するために上側挿入体（図示せず）がコアを覆うように下降される。コアに予荷重を与えるために軽い指圧がワイヤに均一に加えられてもよい。一実施形態では、ディスクを貫くワイヤの動きに軽い抵抗を与えるために、ディスクに形成される穴の直径がワイヤの直径と比べて小さい０．００５−０．０１０インチであってもよく、それにより、コア材料に損傷を与えることなくコアを支持するために必要などんな程度までであろうとワイヤがディスク内へと、あるいはディスクを貫通して延びるようにすることができる。単一の柔軟な挿入体形態が複数のコア形態と共に使用される一実施形態では、挿入体に凹部があるが特定のコア形態を支持するためにワイヤが必要とされない領域にブランクディスク（すなわち、穴１０４がない）が設けられてもよい。
図１３Ａから分かるように、位置決めワイヤは、ワックス注入ステップ前に所定位置でコアと軽く接触し、それにより、鋳造ワックスパターンを通じたワイヤの適切な位置決めの従来技術の問題が克服されるとともに、ワックス注入中にある程度の機械的な支持がコアに与えられる。その後、図１３Ｂに示されるようにワックス１０８が注入され、また、ワックスが凝固されると、図１３Ｃに示されるように柔軟な挿入体と位置決めディスクとが除去され、それにより、ワックスパターン５２が露呈されて、ワックス表面１１２を越えて延びる各ワイヤの部分１１０が残る。その場所で各ワイヤをコアの表面に対して略垂直となるように位置することができるため、ワイヤからの柔軟な挿入体の除去に必要な複数の引き面が存在し得る。ディスクおよびその協働する柔軟な挿入体の凹部のテーパー形状は、特定のコアのために使用されてもよい複数の位置決めピンからの挿入体の除去を容易にする。各モールド半体のワイヤの全てが互いに略平行である実施形態においては、位置決めディスクが必要ない場合があることが分かる。そのような実施形態では、各ワイヤが柔軟な挿入体に直接に形成されるそれぞれの穴に受けられてもよい。
その後、図１３Ｄに示されるようにワイヤの突出部を包み込むように既知の浸漬プロセスによってセラミックシェルコーティング７４がワックスパターン上に形成された後、図１３Ｅに示されるように、ワックスが除去されて、事前に配置されたコア支持ワイヤを含む完成したセラミック鋳造容器５６が露呈される。
前述したインベストメント鋳造形態手法は、鋳造産業のための新たなビジネスモデルに相当する。従来技術のビジネスモデルは、急速な注入時間および硬化時間を伴って単一のマスターツールから複数のセラミック鋳造容器（および、その後に鋳造金属部品）を形成するために非常に高価な準備期間が長い頑丈なツールを利用する。一方、本明細書中に開示される新たな形態手法は、かなりゆっくりとした注入時間および硬化時間を伴ってセラミック鋳造容器を形成するために、安価な、より迅速に形成される、あまり頑丈でないマスターツールと、マスターツールから得られる中間の柔軟なモールドとを利用する。したがって、新たな鋳造形態手法は、第１の種類のセラミック鋳造容器（および、その後に形成される鋳造金属部品）を従来技術の方法を用いるよりもかなり速く安価に形成できるため、急速プロトタイプ製造および開発試験用途において有利に適用できる。置き換え可能な挿入体を使用して形態特徴を変えることにより複数の異なるプロトタイプ形態を単一のマスターツールから比較的容易に製造できる。また、新たな形態手法は、単一のマスターツールから複数の同一の中間の柔軟なモールドを鋳造できるため、大量生産用途において効果的に適用することができ、それにより、従来技術を超えるかなりのコスト利点を依然として維持しつつ従来技術の方法の生産能力に一致する、あるいは該生産能力を超えるべく、複数のセラミック鋳造容器を同時に形成できる。本形態手法の時間およびコストの節減は、マスターツールを製造するコストおよび労力の低減を含むだけでなく、後縁冷却穴または表面粗さなどの特定の形態特徴を形成するために従来技術において必要な特定の金属鋳造後ステップの排除も含む。これは、そのような形態特徴を本明細書中に開示される新たな形態手法を使用して金属部品に直接に成形できるからである。これに対し、従来技術では、鋳造後処理が必要である。本発明は、脆弱なセラミックコアに対する位置決めワイヤの配置のリスクを低減するため、歩留まりの高い許容できる部品の可能性を与えるとともに、従来技術の硬質ツールを用いて可能なよりも高い機械的柔軟性をもってコアが柔軟なワックス射出モールド内で支持されるため、セラミックコアに損傷を与えない更に高いワックス注入圧の可能性も与える。本発明は、柔軟なモールドによって高精度部品を形成するだけでなく、従来技術の屈曲成形プロセスを用いて達成できなかった程度まで部品間精度も可能にする。最後に、本形態手法は、これらのコスト利点および製造利点を与えると同時に、これまで従来技術の性能の範囲内でなかった形態特徴の鋳造を可能にし、それにより初めて、次世代ガスタービン設計目標を達成するために必要なハードウェア特徴を部品設計者が形成できるようにする。
本発明の様々な実施形態を図示してここで説明してきたが、そのような実施形態が単なる一例として与えられていることは言うまでもない。本発明から逸脱することなく多くの変形、変更、および、置き換えを行なってもよい。
Claims (29)
- インベストメント鋳造プロセスの一環としてワックスパターンを形成するためのツールであって、
コフィンモールドと、
前記コフィンモールド内に配置され、前記コフィンモールドに対して所定位置に支持されるコアと、
インベストメント鋳造プロセスのワックス注入ステップ中にワックスで複製されるべき形態部を備え、ワックス注入ステップ中に前記形態部を前記コアに対して既知の位置に位置決めするように前記コフィンモールドに固定された柔軟なライナーと、
を備えるツール。 - 前記形態部は、前記柔軟なライナーに一体形成されるとともにワックス注入ステップ中に前記コアを支持するために前記コアと接触する柔軟な位置決め要素を備える請求項１に記載のツール。
- 前記形態部は、前記コアと接触するように延びる非直線脚を含む挿入体を備える請求項１に記載のツール。
- 前記挿入体は、ワックス注入ステップ中に前記コアを支持するために、前記コアと接触するように延びる脚を備える請求項３に記載のツール。
- 前記形態部は、ワックス注入ステップ中に前記コアを支持するために、前記コアと接触するように延びるピンを備える請求項１に記載のツール。
- 前記柔軟なライナーの内面に形成される凹部と、
前記凹部内に配置される支持要素と、
を更に備え、
前記ピンが、前記支持要素の開口を通過して前記コアへ向けて延びる、請求項に記載５のツール。 - インベストメント鋳造プロセスの一環としてワックスパターンを形成するためのツールであって、
前記ワックスパターンの所望の外面形状を画定する柔軟な内面を備えるツール本体と、
前記ツール本体内に配置され、ワックス注入ステップ後にワックスパターンの一部を形成するコアと、
前記コアと前記ツール本体との間に配置されるとともに、ワックス注入ステップ中に前記コアに対して柔軟な支持を与えるために前記柔軟な内面によって支持される位置決め要素と、
を備えるツール。 - 前記位置決め要素が、前記ツール本体の前記柔軟な内面と一体形成される請求項７に記載のツール。
- 前記位置決め要素が、接着剤を用いて前記ツール本体の前記柔軟な内面に取り付けられる請求項７に記載のツール。
- 前記ツール本体の前記柔軟な内面に形成される凹部を更に備え、
前記位置決め要素は、前記凹部内に配置されるとともに、前記柔軟な内面を越えて前記コアへ向けて延びる、請求項７に記載のツール。 - 前記位置決め要素は、その後のセラミックシェル形成ステップ前にワックスパターンから引き出されるスペーサ、またはその後のセラミックシェル硬化ステップ中に燃え尽きるスペーサを備える請求項７に記載のツール。
- 前記位置決め要素は、ワックス注入ステップ後にワックスパターンによって取り込まれたままであって、その後に加えられるセラミックシェル材料と一体化するセラミック材料を備える請求項７に記載のツール。
- 前記位置決め要素は、
前記ツール本体の前記柔軟な内面に形成される凹部内に配置される支持要素と、
前記支持要素の開口を通過して前記コアへ向けて延びるピンと、
を更に備える請求項７に記載のツール。 - 前記ツール本体は、
コフィンモールドと、
前記コフィンモールド内に配置される柔軟な内面を備える柔軟な挿入体と、
前記柔軟な挿入体を既知の相対位置で前記コフィンモールド内に位置決めするために、前記コフィンモールドおよび前記柔軟な挿入体で形成された形態部と、
を備える請求項７に記載のツール。 - 前記ツール本体は、
コフィンモールドと、
前記コフィンモールド内に配置される柔軟な内面を備える柔軟な挿入体と、
前記柔軟部材内に配置される反応要素と、
を備える請求項７に記載のツール。 - 前記反応要素は、センサ、アクチュエータ、温度制御要素、磁石、磁気エネルギに反応する粒子、および、周囲を取り囲む前記柔軟部材の柔軟材料の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有する粒子から成るグループのうちの１つを備える請求項１５に記載のツール。
- 前記ツール本体は、
コフィンモールドと、
前記コフィンモールド内に配置される柔軟な内面を画定する柔軟な挿入体と、
前記柔軟な内面の凹部内に配置される精密セラミック挿入体と、
を備える請求項７に記載のツール。 - インベストメント鋳造プロセスの一環としてワックスパターンを形成するためのツールであって、
前記ワックスパターンの所望の外面形状を画定する柔軟部材を備えるツール本体と、
前記ツール本体内に配置され、ワックス注入ステップ後にワックスパターンの一部を形成するコアと、
前記ツール本体内で前記コアを支持するための手段と、
前記柔軟部材内に配置される反応要素と、
を備えるツール。 - 前記反応要素は、センサ、アクチュエータ、温度制御要素、磁石、磁気エネルギに反応する粒子、および、周囲を取り囲む前記柔軟部材の柔軟材料の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有する粒子から成るグループのうちの１つを備える請求項１８に記載のツール。
- 前記ツール本体内で前記コアを支持するための前記手段は、前記コアと前記ツール本体との間に配置されるとともに、ワックス注入ステップ中に前記コアに対して柔軟な支持を与えるために前記柔軟部材によって支持される位置決め要素を備える請求項１８に記載のツール。
- 前記ツール本体内で前記コアを支持するための前記手段は、
前記ツール本体の前記柔軟部材に形成される凹部内に配置される支持要素と、
前記支持要素の開口を通過して前記コアへ向けて延びるピンと、
を更に備える請求項１８に記載のツール。 - インベストメント鋳造方法において、改良点は、
ワックス射出モールド内にセラミックコアを位置決めするステップであって、前記モールドが、該モールド内に形成されるべきワックスパターンの所望の外面形状を画定する内面を有する柔軟部材を備えるステップと、
ワックスパターンを形成するために前記セラミックコアの周囲で前記ワックス射出モールド内へワックスを注入する間に前記柔軟部材から前記セラミックコアを支持するステップと、
を備えるインベストメント鋳造方法。 - ワックスを注入するステップ中に前記コアと接触して前記コアに支持を与えるために、前記内面から離れて前記コアへ向かって延びる突出部を備えるように前記柔軟部材を形成するステップを更に備える請求項２２に記載の方法。
- 前記柔軟部材の内面と一体になるように、前記突出部を形成するステップを更に備える請求項２３に記載の方法。
- 前記柔軟部材の内面に凹部を形成するステップと、
ワックスを注入するステップ中に、前記コアと接触して前記コアに支持を与えるために、前記コアへ向けて延びるように前記凹部内にスペーサを挿入するステップと、
ワックスを注入するステップ後に前記スペーサを除去するステップと、
を更に備える請求項２２に記載の方法。 - 前記柔軟部材の内面に凹部を形成するステップと、
ワックスを注入するステップ中に、前記コアと接触して前記コアに支持を与えるために、前記コアへ向けて延びるように前記凹部内にセラミック挿入体を挿入するステップと、
前記ワックス射出モールド内にワックスパターンを形成するために注入されたワックスが凝固できるようにするステップと、
前記セラミック挿入体を前記ワックスパターンと共に保持しつつ、前記ワックス射出モールドを除去するステップと、
前記ワックスパターンの周囲に前記セラミック挿入体を含むセラミックシェル構造を形成するステップと、
を更に備える請求項２２に記載の方法。 - 前記柔軟部材の内面に凹部を形成するステップと、
開口を備える支持要素を前記凹部内に挿入するステップと、
ワックスを注入するステップ中に、前記コアと接触して前記コアに支持を与えるために前記コアへ向けて延びるように前記開口内にピンを挿入するステップと、
前記ワックス射出モールド内に、ワックスパターンを形成するために注入されたワックスが凝固できるようにするステップと、
前記ピンを前記ワックスパターン内に保持しつつ、前記ワックス射出モールドを前記ワックスパターンから除去するとともに、前記支持要素を前記ピンから除去し、その結果、前記ピンの一部が前記ワックスパターンを越えて前記コアから離れるように延びる、ステップと、
前記ワックスパターンの周囲にセラミックシェル構造を形成してピンの延在部を取り囲むステップと、
を更に備える請求項２２に記載の方法。 - 前記内面は、前記外面形状のための工学的表面トポグラフィを画定する請求項２２に記載の方法。
- ワックスを注入する前に、前記柔軟部材の内面に挿入体を取り付けるステップであって、前記挿入体が前記コアに隣接するその表面に工学的トポグラフィを備えるステップと、
前記挿入体をワックス中に保持しつつ、ワックス注入後に前記柔軟部材を前記ワックスパターンから除去するステップと、
前記ワックスパターンおよび前記挿入体をセラミック材料でコーティングしてセラミック鋳造容器を形成するステップと、
を更に備える請求項２２に記載の方法。
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