JP2015205325A - ＴｉＡｌ合金の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴｉＡｌ合金の鋳造方法において、ＴｉＡｌ合金鋳造品の破断や割れを抑制することである。【解決手段】ＴｉＡｌ合金の鋳造方法であって、ＴｉＡｌ合金溶湯を鋳型に注湯して鋳込む鋳込み工程（Ｓ１０）と、鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金溶湯を冷却して凝固させる冷却工程（Ｓ１２）と、を備え、冷却工程（Ｓ１２）において、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ＴｉＡｌ（チタンアルミナイド）合金の鋳造方法に関する。

チタンとアルミニウムとの金属間化合物であるＴｉＡｌ合金は、高温域の比強度等に優れていることから、ジェットエンジンのタービン翼等に適用されている。このようなＴｉＡｌ合金製のタービン翼等を鋳造する鋳型には、チタン合金を鋳造する鋳型と同じ鋳型が用いられている。

特許文献１には、チタン合金用鋳型では、鋳型を構成する鋳型本体のキャビティ表面の少なくとも初層を、酸化セリウムを主成分とする骨材と、少なくともジルコニアゾルを主成分とするバインダで構成されるスラリの焼成物で形成することが記載されている。

特開２００７−６９２４６号公報

ところで、ＴｉＡｌ合金の鋳造については、真空中でＴｉＡｌ合金溶湯を鋳型に鋳込んだ後に、鋳型表面温度が１１００℃になるまで真空中で静置して冷却し、その後に大気冷却される。

ＴｉＡｌ合金は、金属間化合物であることから脆性材料であり、鋳込み後の冷却過程での収縮により、ＴｉＡｌ合金鋳造品に破断や割れが発生する場合がある。より詳細には、鋳込み後の冷却時には、鋳型がＴｉＡｌ合金鋳造品を拘束すると共に、ＴｉＡｌ合金鋳造品と鋳型との熱膨張差により、ＴｉＡｌ合金鋳造品の収縮量が鋳型の収縮量よりも大きくなるので、ＴｉＡｌ合金鋳造品には引張応力が負荷される。また、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの大気冷却中では、鋳型表面の冷却速度が２０℃／分と速く、ＴｉＡｌ合金鋳造品の温度のばらつきが大きくなり、ＴｉＡｌ合金鋳造品に負荷される引張応力が更に大きくなる。これにより、ＴｉＡｌ合金鋳造品に破断や割れが発生し易くなる。

そこで本発明の目的は、ＴｉＡｌ合金鋳造品の破断や割れを抑制可能なＴｉＡｌ合金の鋳造方法を提供することである。

本発明に係るＴｉＡｌ合金の鋳造方法は、ＴｉＡｌ合金溶湯を鋳型に注湯して鋳込む鋳込み工程と、前記鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金溶湯を冷却して凝固させる冷却工程と、を備え、前記冷却工程において、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満とすることを特徴とする。

本発明に係るＴｉＡｌ合金の鋳造方法は、前記冷却工程において、前記鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、前記鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、真空中で冷却することを特徴とする。

本発明に係るＴｉＡｌ合金の鋳造方法は、前記冷却工程において、前記鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、前記鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、金属材料または無機材料で形成された容器で覆って冷却することを特徴とする。

本発明に係るＴｉＡｌ合金の鋳造方法は、前記冷却工程において、前記鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、前記鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、加熱炉内で冷却することを特徴とする。

本発明に係るＴｉＡｌ合金の鋳造方法において、前記鋳型は、有底で形成されており、前記ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯されるキャビティを有する鋳型本体を備え、前記鋳型本体は、キャビティ側に設けられ、酸化セリウム、酸化イットリウム及び酸化ジルコニウムの少なくとも１つを含み、前記ＴｉＡｌ合金溶湯との反応を抑制する耐反応性層と、前記耐反応性層に積層され、耐火材で形成されるバックアップ層と、を有していることを特徴とする。

上記構成によれば、ＴｉＡｌ合金溶湯の鋳込み後の冷却工程において、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満としたので、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの大気冷却における冷却速度より遅い冷却速度でＴｉＡｌ合金鋳造品が冷却される。これにより、鋳込み後の冷却工程において、ＴｉＡｌ合金鋳造品の温度のばらつきが小さくなり、鋳型の拘束によりＴｉＡｌ合金鋳造品に負荷される引張応力が低減されるので、ＴｉＡｌ合金鋳造品の破断や割れを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態において、ＴｉＡｌ合金の鋳造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において、ＴｉＡｌ合金を鋳造する鋳型の構成を示す断面図である。 ＴｉＡｌ合金鋳造品であるタービン翼の構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、第一の鋳型及び第二の鋳型の強度試験方法を示す図である。 本発明の実施の形態において、第一の鋳型の高温強度特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態において、第二の鋳型の高温強度特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態において、実施例１の鋳造方法における冷却時間と鋳型表面温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態において、実施例１、２及び比較例１の鋳造方法と、クラック発生率との関係を示すグラフである。

以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、ＴｉＡｌ合金の鋳造方法を示すフローチャートである。ＴｉＡｌ合金の鋳造方法は、鋳込み工程（Ｓ１０）と、冷却工程（Ｓ１２）と、を備えている。

鋳込み工程（Ｓ１０）は、ＴｉＡｌ合金溶湯を鋳型に注湯して鋳込む工程である。まず、鋳型について説明する。図２は、ＴｉＡｌ合金を鋳造する鋳型１０の構成を示す断面図である。図２に示す鋳型１０は、ＴｉＡｌ合金鋳造品としてタービン翼を鋳造するための鋳型を示している。鋳型１０は、有底で形成されており、ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯されるキャビティ１２を有する鋳型本体１４を備えている。鋳型本体１４は、翼本体が鋳造される翼本体鋳造部１４ａと、シュラウドが鋳造されるシュラウド鋳造部１４ｂと、プラットホームが鋳造されるプラットホーム鋳造部１４ｃと、から構成されている。シュラウド鋳造部１４ｂは、翼本体鋳造部１４ａの長手方向の一方と連通し、翼本体鋳造部１４ａの長手方向に対して幅方向に広がって形成されている。プラットホーム鋳造部１４ｃは、翼本体鋳造部１４ａの長手方向の他方と連通し、翼本体鋳造部１４ａの長手方向に対して幅方向に広がって形成されている。鋳型本体１４には、ＴｉＡｌ合金溶湯をキャビティ１２に注湯するための湯口（図示せず）が設けられている。

鋳型本体１４は、キャビティ側に設けられており、ＴｉＡｌ合金溶湯との反応を抑制するための耐反応性層１６を有している。耐反応性層１６は、ＴｉＡｌ合金溶湯との反応性が低い酸化物等からなる耐火材で形成されている。耐反応性層１６の耐火材は、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）の少なくとも１つを含んでいる。耐反応性層１６の耐火材には、これらの酸化物を単体で用いてもよいし、これらの酸化物を組み合わせて用いるようにしてもよい。耐反応性層１６の厚みは、例えば、０．５ｍｍから２．０ｍｍである。

耐反応性層１６の耐火材には、ＴｉＡｌ合金溶湯との反応性が酸化ジルコニウムより低く、安価である酸化セリウムを主成分として用いることが好ましい。酸化セリウムを用いることで、ＴｉＡｌ合金鋳造品と鋳型１０との焼き付きを抑えることが可能となり、ＴｉＡｌ合金鋳造品の表面平滑性を向上させることができる。

鋳型本体１４は、鋳型形状を保持するために、耐反応性層１６に積層されており、耐火材で形成されるバックアップ層１８を有している。バックアップ層１８の耐火材には、珪酸ジルコニウム、二酸化珪素、酸化アルミニウム、ムライト等の酸化物等を用いることが可能である。バックアップ層１８の耐火材には、これらの酸化物を単体で用いてもよいし、これらの酸化物を組み合わせて用いるようにしてもよい。バックアップ層１８の厚みは、例えば、０．５ｍｍから５．０ｍｍである。

次に、ＴｉＡｌ合金溶湯の鋳型１０への鋳込み方法について説明する。

溶解炉の溶解室で溶解坩堝に入れられたＴｉＡｌ合金を真空溶解し、ＴｉＡｌ合金溶湯を所定温度に維持する。所定温度に予め加熱した鋳型１０を溶解炉の鋳型室に挿入し、真空引きを行う。鋳型室が溶解室と同等の真空雰囲気に到達したら、鋳型室と溶解室との間を仕切るゲートバルブを開き、鋳型１０を溶解室に移動させる。そして、溶解坩堝を傾動し、鋳型１０内にＴｉＡｌ合金溶湯を注湯する。

冷却工程（Ｓ１２）は、鋳型１０に鋳込まれたＴｉＡｌ合金溶湯を冷却して凝固させる工程である。

ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯された鋳型１０を鋳型室に移動し、鋳型室と溶解室との間のゲートバブルを閉じる。ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯された鋳型１０については、鋳型表面温度が１１００℃になるまで鋳型室に真空中で静置して冷却する。

真空中で静置した後に、ＴｉＡｌ合金鋳造品の破断や割れを抑制するために、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満にして冷却する。

後述する実施例で示すように、鋳型強度は、１０００℃から１１００℃で大きくなるので、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃になるまでの冷却中では、鋳型１０に割れ等が生じ難くなり、ＴｉＡｌ合金鋳造品が鋳型１０に拘束され易くなる。また、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃になるまで、鋳型表面の冷却速度を、大気冷却のように２０℃/分の速い冷却速度にして冷却する場合には、ＴｉＡｌ合金鋳造品の温度のばらつきが大きくなる。このため、鋳型１０によるＴｉＡｌ合金鋳造品の拘束と、ＴｉＡｌ合金鋳造品の温度のばらつきが大きくなることによって、ＴｉＡｌ合金鋳造品にはより大きい引張応力が負荷されて、破断や割れが発生し易くなる。

これに対して、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満とすることによって、大気冷却における冷却速度より遅い冷却速度でＴｉＡｌ合金鋳造品が冷却されるので、ＴｉＡｌ合金鋳造品の温度のばらつきが小さくなる。その結果、鋳型１０の拘束によりＴｉＡｌ合金鋳造品に負荷される引張応力が低減されるので、ＴｉＡｌ合金鋳造品の破断や割れが抑制される。

鋳型表面の冷却速度については、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく１６℃/分以下とすることが好ましく、０℃/分より大きく１０℃/分以下とすることがより好ましい。ＴｉＡｌ合金鋳造品の温度のばらつきがより小さくなるので、鋳型１０の拘束によりＴｉＡｌ合金鋳造品に負荷される引張応力が更に低減され、ＴｉＡｌ合金鋳造品の破断や割れを抑制することが可能となるからである。

冷却方法については、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、鋳型１０に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、真空中で冷却する方法を用いることができる。真空中で冷却することにより断熱されて放熱が抑えられるので、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃まで、例えば、１０℃／分とすることが可能となる。鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、鋳型１０に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、真空中で冷却する場合には、例えば、鋳型表面温度が１１００℃になるまで鋳型室に真空中で静置して冷却した後も、そのまま真空中で静置して冷却すればよい。

他の冷却方法については、鋳型表面温度が１１００℃になるまで鋳型室に真空中で静置して冷却した後に、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、鋳型１０に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、金属材料または無機材料で形成された容器で覆って冷却するようにしてもよい。鋳型１０に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を容器で覆って冷却することにより放熱が抑えられるので、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃まで、例えば、１６℃／分とすることが可能となる。また、放熱を更に抑えるために、容器と鋳型１０との隙間に断熱材を設けるようにしてもよい。

別の冷却方法については、鋳型表面温度が１１００℃になるまで鋳型室に真空中で静置して冷却した後に、鋳型１０に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を加熱炉内に入れ、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、鋳型表面の冷却速度を０℃/分より大きく２０℃/分未満、好ましくは０℃/分より大きく１６℃/分以下、より好ましくは０℃/分より大きく１０℃/分以下となるように制御するようにしてもよい。また、加熱炉の炉内については、大気圧で、予め８００℃から１０００℃程度に加熱されていることが好ましい。加熱炉には、例えば、ＰＩＤ制御等で雰囲気温度調節が可能な一般的なものを用いることができる。

図３は、ＴｉＡｌ合金鋳造品であるタービン翼２０の構成を示す図である。タービン翼２０は、翼本体２２と、シュラウド２４と、プラットホーム２６と、から構成されている。タービン翼２０の大きさについては、例えば、長手方向が２００ｍｍから３００ｍｍ、幅方向が５０ｍｍから７０ｍｍ、厚みが３ｍｍから７ｍｍである。鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、鋳型表面の冷却速度を、大気冷却のように２０℃/分の速い冷却速度にして冷却する場合には、タービン翼２０の温度のばらつきが大きくなる。その結果、鋳込み後の冷却過程において、鋳型１０によるタービン翼２０の拘束と、タービン翼２０の温度のばらつきが大きくなることによって、タービン翼２０の長手方向に引張応力が負荷される。このため、翼本体２２とシュラウド２４との間の部位Ａや、翼本体２２とプラットホーム２６との間の部位Ｂ等の熱変形の影響を受け易い部位等で、破断や割れが発生する可能性がある。

これに対して、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満とすることによって、大気冷却における冷却速度より遅い冷却速度でタービン翼２０が冷却されるので、タービン翼２０の温度のばらつきが小さくなる。その結果、熱変形による影響を受けやすい、翼本体２２とシュラウド２４との間の部位Ａや、翼本体２２とプラットホーム２６との間の部位Ｂ等においても、鋳型１０の拘束によりＴｉＡｌ合金鋳造品に負荷される引張応力が低減されるので、タービン翼２０の破断や割れが抑制される。

以上、上記構成によれば、鋳込み後の冷却工程において、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満としたので、ＴｉＡｌ合金鋳造品の温度のばらつきが小さくなり、鋳型の拘束によりＴｉＡｌ合金鋳造品に負荷される引張応力が低減されて、ＴｉＡｌ合金鋳造品の破断や割れを抑制することが可能となる。

鋳込み後の冷却工程において、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃となるまでの冷却方法を変えた３種類の鋳造方法によりＴｉＡｌ合金製のタービン翼を鋳造し、クラックの発生について評価した。まず、２種類の鋳型について、鋳型の高温強度特性を評価した。

（鋳型の製造）
第一の鋳型の製造方法について説明する。ロウ型模型に耐反応性スラリのコーティングと耐反応性スタッコ材のスタッコ処理とを２回繰り返して行い、２層からなる耐反応性スラリ層を形成した。耐反応性スラリには、酸化セリウム粒子と、コロイダルシリカとを混合したスラリを用いた。耐反応性スタッコ材には、酸化セリウム粒子を用いた。耐反応性スラリの酸化セリウム粒子には、＃３２５メッシュ以下のものを使用し、耐反応性スタッコ材の酸化セリウム粒子には、＃１００メッシュ以下のものを使用した。

耐反応性スラリ層の上に、バックアップスラリのコーティングと、バックアップスタッコ材のスタッコ処理とを行った。バックアップスラリには、珪酸ジルコニウム粒子と、溶融シリカ粒子と、コロイダルシリカとを混合したスラリを用いた。珪酸ジルコニウム粒子と、溶融シリカ粒子との混合比については、珪酸ジルコニウム粒子と、溶融シリカ粒子との合計を１００質量％としたとき、珪酸ジルコニウム粒子を７０質量％、溶融シリカ粒子を３０質量％とした。バックアップスタッコ材には、ムライト粒子を用いた。バックアップスラリのコーティングと、バックアップスタッコ材のスタッコ処理とを４回繰り返し、最後にバックアップスラリのコーティングを行って、５層からなるバックアップスラリ層を形成した。バックアップスラリの珪酸ジルコニウム粒子と、溶融シリカ粒子とには、＃３２５メッシュ以下のものを使用し、バックアップスタッコ材のムライト粒子には、＃１００メッシュ以下のものを使用した。

次に、耐反応性スラリ層とバックアップスラリ層とを形成したロウ型模型を、オートクレーブで１８０℃に加熱して脱ロウし、鋳型成形体とした。脱ロウ処理後に、鋳型成形体を焼成炉により１０５０℃で３時間から５時間焼成して、耐反応性スラリ層とバックアップスラリ層とを固めて殻体（シェル）とし、第一の鋳型を形成した。

次に、第二の鋳型の製造方法について説明する。第二の鋳型の製造方法は、第一の鋳型の製造方法と、耐反応性スラリ層の形成方法については同じであり、バックアップスラリ層の形成方法が相違している。そのため、耐反応性スラリ層の形成方法については詳細な説明を省略する。

ロウ型模型に耐反応性スラリのコーティングと耐反応性スタッコ材のスタッコ処理とを２回繰り返し、２層からなる耐反応性スラリ層を形成した。

耐反応性スラリ層の上に、第一のバックアップスラリのコーティングと、第一のバックアップスタッコ材のスタッコ処理とを行った。第一のバックアップスラリには、溶融シリカ粒子と、コロイダルシリカとを混合したスラリを用いた。第一のバックアップスタッコ材には、溶融シリカ粒子を用いた。耐反応性スラリ層の上に、第一のバックアップスラリのコーティングと、第一のバックアップスタッコ材のスタッコ処理とを２回繰り返し、２層からなる第一のバックアップスラリ層を形成した。

次に、第一のバックアップスラリ層の上に、第二のバックアップスラリのコーティングと、第二のバックアップスタッコ材のスタッコ処理とを行った。第二のバックアップスラリには、珪酸ジルコニウム粒子と、溶融シリカ粒子と、コロイダルシリカとを混合したスラリを用いた。珪酸ジルコニウム粒子と、溶融シリカ粒子との混合比については、珪酸ジルコニウム粒子と、シリカ粒子との合計を１００質量％としたとき、珪酸ジルコニウム粒子を７０質量％、溶融シリカ粒子を３０質量％とした。第二のバックアップスタッコ材には、ムライト粒子を用いた。第二のバックアップスラリのコーティングと、第二のバックアップスタッコ材のスタッコ処理とを２回繰り返し、最後に第二のバックアップスラリのコーティングを行って、３層からなる第二のバックアップスラリ層を形成した。なお、第一及び第二のバックアップスラリの珪酸ジルコニウム粒子と、溶融シリカ粒子とには、＃３２５メッシュ以下のものを使用し、第一及び第二のバックアップスタッコ材のムライト粒子には、＃１００メッシュ以下のものを使用した。

次に、耐反応性スラリ層と、第一及び第二のバックアップスラリ層とを形成したロウ型模型を、オートクレーブで１８０℃に加熱して脱ロウし、鋳型成形体とした。脱ロウ処理後に、鋳型成形体を焼成炉により１１００℃で３時間から５時間焼成して、耐反応性スラリ層と、第一及び第二のバックアップスラリ層とを固めて殻体（シェル）とし、第二の鋳型を形成した。

（鋳型の高温強度特性）
第一の鋳型及び第二の鋳型の高温強度特性を評価した。試験片については、各鋳型から切り出して作製した。試験片の形状については、長さ４０ｍｍ（Ｌ）×幅１５ｍｍ（Ｗ）×厚さ約６ｍｍ（ｔ）の矩形状とした。図４は、第一の鋳型及び第二の鋳型の強度試験方法を示す図である。強度試験については、ＩＣＩ（Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）セラミックテストガイドに準拠して行い、抗折強度（ＭＰａ）を測定した。支点間のスパンは４０ｍｍであり、支点の先端角は２Ｒである。試験温度については、第一の鋳型については室温から１４００℃とし、第二の鋳型については室温から１３００℃とした。試験片を試験温度まで加熱して保持した状態で、荷重を負荷して強度試験を行った。

第一の鋳型及び第二の鋳型の高温強度特性について説明する。図５は、第一の鋳型の高温強度特性を示すグラフである。図５のグラフでは、横軸に試験温度（℃）を取り、縦軸に抗折強度（ＭＰａ）を取り、各試験温度における抗折強度を白丸で表している。このグラフから、第一の鋳型の強度は、９００℃から１２００℃で高くなることがわかった。

図６は、第二の鋳型の高温強度特性を示すグラフである。図６のグラフでは、横軸に試験温度（℃）を取り、縦軸に抗折強度（ＭＰａ）を取り、各試験温度における抗折強度を黒丸で表している。このグラフから、第二の鋳型の強度は、１０００℃から１３００℃で高くなることがわかった。

このように、鋳込み後の冷却工程において、ＴｉＡｌ合金鋳造品に破断や割れが発生する鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの温度域では、鋳型の強度が高くなるので、ＴｉＡｌ合金鋳造品が鋳型に拘束され易くなることがわかった。

（ＴｉＡｌ合金の鋳造）
ＴｉＡｌ合金でタービン翼を鋳造してクラックの発生を評価した。ＴｉＡｌ合金を鋳造する鋳型には、上記の第二の鋳型を使用した。ＴｉＡｌ合金の鋳造方法については、鋳込み後の冷却工程において、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃になるまでの冷却方法を変えることにより、実施例１、２及び比較例１の３種類の鋳造方法で行った。なお、冷却方法以外については、いずれも同じ条件で鋳造を行った。

まず、ＴｉＡｌ合金の鋳造方法について説明する。

ＴｉＡｌ合金には、Ｔｉ−４８ａｔ％Ａｌ−２ａｔ％Ｎｂ−２ａｔ％ＣｒからなるＴｉＡｌ合金を使用した。ＴｉＡｌ合金で鋳造されるタービン翼の大きさについては、長手方向が約２５０ｍｍ、幅方向が約６０ｍｍ、厚みが約６ｍｍとした。溶解炉の溶解室で溶解坩堝に入れられたＴｉＡｌ合金を真空溶解し、ＴｉＡｌ合金溶湯を所定温度に維持した。１１００℃から１３００℃に予め加熱した鋳型を溶解炉の鋳型室に挿入し、真空引きを行った。鋳型室が溶解室と同等の真空雰囲気に到達したら、鋳型室と溶解室との間のゲートバルブを開き、鋳型を溶解室に移動させた。溶解坩堝を傾動し、鋳型内にＴｉＡｌ合金溶湯を注湯した。

次に、鋳込み後の冷却方法について説明する。

実施例１の鋳造方法については、ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯された鋳型を鋳型室に移動させてから、真空中で鋳型表面温度が１０００℃になるまで静置して冷却した後、鋳型室を大気開放し、鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を取り出し、常温になるまで放置した。なお、真空冷却時の真空圧については、０．０２ＭＰａより低い圧力とした。

実施例２の鋳造方法については、ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯された鋳型を鋳型室に移動させてから、真空中で約２０分間静置させて冷却し、鋳型表面温度が１１００℃まで下がった後、鋳型室を大気開放し、鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を取り出し、ステンレス鋼製容器で覆って、常温になるまで放置した（キャニング冷却）。ステンレス鋼製容器については、外径が４００ｍｍ、高さが４００ｍｍの円筒状容器を用いた。また、ステンレス鋼製容器の内側には、セラミックファイバで形成された厚みが１２．５ｍｍの断熱材を設けた。

比較例１の鋳造方法については、ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯された鋳型を鋳型室に移動させてから、真空中で約２０分間静置させて冷却し、鋳型表面温度が１１００℃まで下がった後、鋳型室を大気開放し、鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を取り出し、常温になるまで放置した。

また、実施例１、２及び比較例１の鋳造方法では、鋳込み後の冷却工程において、ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯された鋳型の鋳型表面温度を赤外線カメラまたは熱電対で測温し、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの鋳型表面の冷却速度を求めた。

図７は、実施例１の鋳造方法における冷却時間と鋳型表面温度との関係を示すグラフである。図７のグラフでは、横軸に冷却時間を取り、縦軸に鋳型表面温度を取り、実施例１の鋳造方法のデータを白丸で表している。なお、図７のグラフでは、比較のために、鋳込み直後に鋳型室を大気開放して大気冷却した場合の冷却時間と鋳型表面温度との関係を示すデータについても×で表している。鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの鋳型表面の冷却速度については、実施例１の鋳造方法では９（℃／分）であった。また、実施例２及び比較例１の鋳造方法についても同様に鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの鋳型表面の冷却速度を測定した結果、実施例２の鋳造方法では１６（℃／分）であり、比較例１の鋳造方法では２０（℃／分）であった。

次に、クラック発生率の評価方法について説明する。実施例１、２及び比較例１の各鋳造方法について、各々１００個のタービン翼の鋳造を行った。鋳造されたタービン翼について目視や蛍光浸透探傷検査（ザイクロ検査等）を行ってクラックが発生したタービン翼の割合を求めた。

図８は、実施例１、２及び比較例１の鋳造方法と、クラック発生率との関係を示すグラフである。図８のグラフでは、横軸に各鋳造方法における鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの鋳型表面の冷却速度（℃／分）を取り、縦軸にクラック発生率（％）を取り、各鋳造方法のデータを×で表した。

実施例１の鋳造方法では、いずれのタービン翼にもクラックが発生せず、クラック発生率が０％であった。実施例２の鋳造方法では、クラック発生率が１３％であった。これに対して、比較例１の鋳造方法では、クラック発生率が５０％であった。なお、タービン翼のクラック発生については、いずれも鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃の間の冷却中で生じていた。

このように、鋳込み後の冷却工程において、実施例１、２の鋳造方法では、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満としたので、ＴｉＡｌ合金鋳造品の温度のばらつきが小さくなり、鋳型の拘束によりＴｉＡｌ合金鋳造品に負荷される引張応力が低減されて、ＴｉＡｌ合金鋳造品の破断や割れを抑制することができた。

１０ 鋳型、１２ キャビティ、１４ 鋳型本体、１６ 耐反応性層、１８ バックアップ層、２０ タービン翼、２２ 翼本体、２４ シュラウド、２６ プラットホーム。

Claims (5)

1. ＴｉＡｌ合金の鋳造方法であって、
   ＴｉＡｌ合金溶湯を鋳型に注湯して鋳込む鋳込み工程と、
   前記鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金溶湯を冷却して凝固させる冷却工程と、
   を備え、
   前記冷却工程において、鋳型表面の冷却速度を、鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、０℃/分より大きく２０℃/分未満とすることを特徴とするＴｉＡｌ合金の鋳造方法。
2. 請求項１に記載のＴｉＡｌ合金の鋳造方法であって、
   前記冷却工程において、前記鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、前記鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、真空中で冷却することを特徴とするＴｉＡｌ合金の鋳造方法。
3. 請求項１に記載のＴｉＡｌ合金の鋳造方法であって、
   前記冷却工程において、前記鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、前記鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、金属材料または無機材料で形成された容器で覆って冷却することを特徴とするＴｉＡｌ合金の鋳造方法。
4. 請求項１に記載のＴｉＡｌ合金の鋳造方法であって、
   前記冷却工程において、前記鋳型表面温度が１１００℃から１０００℃までの間、前記鋳型に鋳込まれたＴｉＡｌ合金鋳造品を、加熱炉内で冷却することを特徴とするＴｉＡｌ合金の鋳造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載のＴｉＡｌ合金の鋳造方法であって、
   前記鋳型は、有底で形成されており、前記ＴｉＡｌ合金溶湯が注湯されるキャビティを有する鋳型本体を備え、
   前記鋳型本体は、
   キャビティ側に設けられ、酸化セリウム、酸化イットリウム及び酸化ジルコニウムの少なくとも１つを含み、前記ＴｉＡｌ合金溶湯との反応を抑制する耐反応性層と、前記耐反応性層に積層され、耐火材で形成されるバックアップ層と、を有していることを特徴とするＴｉＡｌ合金の鋳造方法。

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