JP2016514054A - セラミックコアの補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造プロセスで使用するのに好適な構造的完全性を有するコアが得られるような欠陥のあるコアを補修する方法を提供すること。【解決手段】鋳造プロセスで使用するよう適合されたセラミックコアの欠陥を補修する方法が提供される。セラミックコアは、液体溶媒中に懸濁された少なくとも１つの耐火性粉体材料を含むスラリーから形成される。本方法は、液体希釈剤と、スラリーの液体溶媒中に懸濁された少なくとも１つの耐火性粉体材料とを含む補修混合物を形成するステップを含む。補修混合物は、少なくとも１つの欠陥を含むセラミックコアの領域に塗布され、次いで、セラミックコアを焼成して、補修混合物中の液体溶媒をバーンオフし、欠陥が閉鎖されたセラミック組成物を形成する。【選択図】 図２

Description

本発明は、全体的に、鋳造プロセス及び鋳造材料に関する。より詳細には、本発明は、コア及び亀裂などの欠陥が形成されたコアの補修プロセスに関する。

多くの合金材料は、様々な鋳造技術によって構成要素に形成することができ、特に注目される実施例は、インベストメント鋳造（ロストワックス）プロセスである。インベストメント鋳造は通常、所望の構成要素のワックス又はプラスチックモデルもしくはパターンをバインダー及び耐火性粒子状物質を含むスラリー中に浸漬してパターン上にスラリー層を形成するステップを伴う。バインダーとしての一般的な材料は、シリカ含有材料、例えば、コロイド状シリカである。耐火性粒子状物質のスタッココーティングは通常、スラリー層の表面に塗布され、その後、スラリー／スタッココーティングを乾燥させる。前述のステップは、ワックスパターンの周りに好適な厚さのシェルモールド（鋳型）を形成するよう複数回繰り返すことができる。次いで、加熱などによりワックスパターンをシェルモールドから取り除くことができ、その後、モールドを焼成して耐火性粒子状物質を焼結し、好適な強度が得られる。

複雑な空気冷却チャネルを有するタービンブレード及びベーンなどの中空の構成要素を生成するためには、１又はそれ以上のコアをシェルモールド内に位置付けて、冷却チャネル及び他の何れかの所要の内部特徴要素を定めることが必要とされる。コアは通常、ダイ又はモールド内に射出成形もしくはトランスファー成型された後に焼成又はベーキングにより硬化される可塑化セラミック混合物を用いて作られる。典型的なセラミック組成物は、シリカ及び／又はアルミナを含有する。例えば、ＭｃＮｕｔｔｙ他に付与された米国特許第７，２８７，５７３号及び第７，７３２，５２６号は、アルケニル及び水素官能基を有するシリコーンモノマー及び／又はオリゴマーを含むシリコーン溶液中に懸濁された、アルミナ、溶融アルミナ、溶融シリカ、マグネシア、ジルコニア、スピネル、ムライト、ガラスフリット、炭化タングステン、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、並びにこれらの混合物などの材料を含むセラミック粉体を有するスラリーから形成されるセラミックコアを開示している。

次いで、１又はそれ以上の焼成コアは、パターンダイキャビティ内に位置付けられ、この中にワックス、プラスチック、又は他の好適な低融点材料が導入されてワックスパターンを形成する。次に、内部コアを有するパターンを用いて、上述のようなシェルモールドを形成することができる。シェルモールドが完成して、パターンがシェルモールド及びコアから選択的に取り除かれると、シェルモールドに溶融金属を充填することができ、その後、固化して所望の構成要素を形成できるようにされる。次に、モールド及びコアが取り除かれて、コアが存在していた場所に１又はそれ以上の内部通路を備えた鋳造構成要素が残る。

上述のようにコアを形成する際に、亀裂及び空隙のような欠陥がコア材料内に生じる可能性がある。欠陥を有するコアは、鋳造中にコアが破断する可能性があり、結果とし鋳造の欠陥をもたらすので、一般的には、構成要素の鋳造プロセスにおいて用いることはできない。通常は、欠陥のあるコアは、特に中空のコアに関してコアの構造的完全性を復元することが難しいので、補修されずに廃棄される。コアを補修する従来の取り組みの実施例は、Ｆｅｒｇｕｓｏｎ他に付与された米国特許第４，８０４，５６２号において報告され、ここでは、コアは、（ａ）コア内の熱可塑性バインダーを軟化させ、（ｂ）バインダーが軟化している間、コアの全体組成と同様の組成を有する遊離セラミック粒子を欠陥に塗布し、（ｃ）バインダーを再度硬化可能にし、（ｄ）コアを加熱してバインダーを揮発させて、セラミック粒子を互いに焼結させることによって補修されている。

上記に照らして、鋳造プロセスで使用するのに好適な構造的完全性を有するコアが得られるような、欠陥のあるコアを補修するのに利用可能な方法が存在すれば望ましいことは理解できる。

米国特許第４，８０４，５６２号明細書 米国特許第７，２８７，５７３号明細書 米国特許第７，７３２，５２６号明細書

本発明は、１又はそれ以上の亀裂及び／又は空隙のような欠陥を有するセラミックコアを補修するのに好適であり、コアが鋳造プロセスで使用するのに好適な十分な構造的完全性を示すことができるようにする方法を提供する。

本発明の第１の態様によれば、鋳造プロセスで使用するよう適合されたセラミックコアの欠陥を補修する方法が提供される。本発明の第１の態様によれば、鋳造プロセスで使用するよう適合されたセラミックコアの欠陥を補修する方法が提供される。セラミックコアは、液体溶媒中に懸濁された少なくとも１つの耐火性粉体材料を含むスラリーから形成される。本方法は、液体希釈剤と、スラリーの液体溶媒中に懸濁された少なくとも１つの耐火性粉体材料とを含む補修混合物を形成するステップを含む。補修混合物は、少なくとも１つの欠陥を含むセラミックコアの領域に塗布され、次いで、セラミックコアを焼成して、補修混合物中の液体溶媒をバーンオフし、欠陥が閉鎖されたセラミック組成物を形成する。

本発明の第２の態様によれば、鋳造プロセスにおいて使用するよう適合されたシリカ含有セラミックコアの欠陥を補修する方法が提供される。シリカ含有セラミックコアは、少なくとも１つの耐火性粉体材料とシロキサンバインダーとを含むスラリーから形成される。本方法は、シロキサン希釈剤と、スラリーの少なくとも１つの耐火性粉体材料及びシロキサンバインダーとを含む補修混合物を形成するステップを含む。補修混合物は、シリカ含有セラミックコアの少なくとも１つの欠陥を含む領域に塗布され、次いで、シリカ含有セラミックコアを焼成して、補修混合物中のシロキサンバインダー及びシロキサン希釈剤をバーンオフし、欠陥を充填したシリカ含有セラミック組成物を形成する。

本発明の技術的効果は、他の場合であれば鋳造プロセスで使用するのに好適ではない欠陥のあるセラミックコアを補修できることである。詳細には、セラミックコアを形成するのに使用されるスラリーと同様の組成の補修混合物を用いて欠陥のあるセラミックコアを補修することにより、補修されたコアは、鋳造プロセスに耐え抜くのに十分な構造的完全性を有するようになると考えられる。加えて、補修混合物をバインダー／希釈剤で希釈することにより、セラミックコアへの補修混合物の接着を向上させることができる。

本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより理解されるであろう。

本発明の１つの態様による方法により補修するのに好適な中空セラミックコアを示す図。 図１の中空セラミックコアの壁の断面を示す図。

本発明は、全体的に、亀裂のような欠陥を有して形成されたコアを補修するプロセスに適用可能である。以下のプロセスでは、シリカ含有材料を含むコアに関して検討するが、他の材料を含むコアでプロセスを実施してもよいことは予期され、従って、本発明の範囲内にある。

図１は、本発明の１つの態様による、限定ではないがタービンブレード、ノズル、又は他の翼形部構成要素を含む、ガスタービンエンジンで使用される構成要素などの中空の構成要素（図示せず）をインベストメント鋳造するのに好適なモールド組立体（図示せず）と共に使用されるセラミックコア１０を示す。コア１０は、液体溶媒中に懸濁された少なくとも１つの耐火性材料を含むスラリーから形成される。好適な耐火性材料は、限定ではないが、シリカ、ジルコニア、アルミナ、ムライト、及び／又は同様のものを含む。例えば、スラリーは、シリカ耐火性粉体、ジルコン耐火性粉体、シロキサンバインダー及びシロキサンバインダーを架橋できる触媒を含むことができる。好ましい実施例は、ＭｃＮｕｔｔｙ他に付与された米国特許第７，２８７，５７３号及び第７，７３２，５２６号（そのスラリー組成及び使用方法に関する内容が本明細書に組み込まれる）にて報告されるような、シロキサンバインダーのシリコーンモノマー及び／又はオリゴマーの架橋をもたらす白金族金属（ＰＧＭ）触媒である。本発明の好ましい態様によれば、セラミックコア１０は、少なくとも５ｗｔ％のシリカ、及びより好ましくは約２５〜約９５ｗｔ％のシリカを含み、残部はジルコン及び任意選択的に他の耐火性材料である。しかしながら、セラミックコア１０は、特定の用途においては、例えば最大で９５ｗｔ％のシリカ以外の耐火性材料を主として含むことができることは予期される。コア１０の好適な組成の別の実施例は、ＭｃＮｕｔｔｙ他に付与された米国特許第７，２８７，５７３号及び第７，７３２，５２６号に記載されている。コア１０を形成することができるプロセスは、当該技術分野で公知であり、ここではこれ以上は検討しない。

図１に示すように、コア１０は、内部キャビティ１４を定める壁１２と、内部キャビティ１４の形成によって生じる開口１６を含む。インベストメント鋳造においてコア１０を使用可能にするために、開口１６は、閉鎖されてシールされるのが好ましい。加えて、１又はそれ以上の亀裂のようなコア１０の何らかの欠陥は、コア１０の構造的完全性を強化し、コア１０が鋳造プロセスに耐え抜くことができるように、鋳造プロセスにおいてコア１０を使用する前に補修される必要がある。

本発明の好ましい態様によれば、コア１０の開口１６及び亀裂は、図１のコア１０の壁２２における亀裂１８を充填するものとして、図２に示される補修混合物２０をコア１０に塗布することによって補修することができる。補修混合物２０は、好ましくは、コア１０が形成された元のスラリーで使用されたものと同様の材料を含み、具体的には、補修混合物２０は、液体溶媒中に懸濁された少なくとも１つの耐火性材料を含有し、好ましい実施形態において、補修混合物２０は、前述のシリカ及びジルコン耐火性粉体材料と、米国特許第７，２８７，５７３号及び第７，７３２，５２６号にて開示されたシロキサンバインダーと、並びに任意選択的に、米国特許第７，２８７，５７３号及び第７，７３２，５２６号で開示された触媒とを含む。一般に、スラリーは、シリカ含有コアに十分には接着されない場合が多い。しかしながら、本発明につながる研究によれば、コア１０への塗布が意図された補修混合物２０は、コア１０への補修混合物２０の接着を促進させるために好適な液体希釈剤を用いてコア１０を製造するのに使用される所定量のスラリーを希釈することにより、コア１０に好適に接着できるようになることが明らかになった。希釈剤は、コア１０を製造するスラリーで使用されていたのと同じバインダーの追加の量の形態とすることができ、この場合、希釈剤は、任意選択の触媒により架橋可能であることが好ましい。好ましくは、希釈剤は、接着強度を向上させると考えられる少なくとも１つのシロキサン（例えば、ＭｃＮｕｔｔｙ他に付与された米国特許第７，２８７，５７３号及び第７，７３２，５２６号にて報告されたもの）を含む。特に好適な希釈剤は、約０．５〜約２．０のモノマー比のテトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサン（Ｄ４Ｖｉ）及びチルハイドロジェンシロキサンの混合物を含む。

補修の構造的完全性を向上させるために、補修混合物２０は、固体物（耐火性粉体材料を含む）の約７０ｖｏｌ．％未満であるように希釈して、亀裂１８に完全に浸潤させる補修混合物２０の能力を向上させるようにすべきであり、残部は、バインダー、希釈剤、及び他の何れかの液体溶媒成分である。好ましくは、補修混合物２０は、容量で、約３０〜約５０ｖｏｌ．％の耐火性粉体材料、約５０〜約７０ｖｏｌ．％のバインダー及び希釈剤混合物、及び任意選択的に最大で約１００ｐｐｍの触媒を含む。上述のように、バインダー及び希釈剤は同じであってもよく、例えば、シロキサンであり、この場合、バインダー及び希釈剤の規定量を単に組み合わせて、補修混合物２０で使用されるシロキサン（又は他のバインダー／希釈剤）の総量を反映させるようにする。

開口１６及び亀裂１８（及び／又は他の何れかの欠陥）は、補修混合物２０の１又はそれ以上の塗布によって充填することができる。本発明の特定の実施形態において、補修混合物２０のより希釈された配合物をコア１０への１又はそれ以上の初期塗布に用いて、補修混合物２０の亀裂２０及び他の欠陥に完全に浸潤する能力を向上させることができる。追加の量の希釈剤は、補修混合物２０の粘度を低下させ、これにより細い亀裂の浸潤が促進されると考えられる。このようなより希釈した補修混合物２０は、容量で、約２０〜約４０ｖｏｌ．％の耐火性粉体材料、約６０〜約８０ｖｏｌ．％のバインダー及び希釈剤混合物、及び任意選択的に最大で約１００ｐｐｍの触媒を含むことができる。

補修混合物２０は、限定ではないが、手動又は電動シリンジを用いたブラッシング又は噴射によるなど当該技術分野で公知の何らかの手段により、表面及びキャビティを含む、コア１０の何れかの補修されることになる領域に塗布することができる。最初に、補修混合物２０を塗布する前に、領域の表面を希釈剤で湿潤させ、補修混合物２０によるコア表面の湿潤を促進させるようにすることができる。コア１０が比較的小さなサイズである場合、補修混合物２０は、触媒を含有しないものを用いることができる。触媒は、補修混合物２０の塗布の間に補修混合物２０の粘度を変化させ、最終的には補修完了の前に固体物になる可能性があることが分かっている。加えて、触媒を含有する補修混合物２０は、耐用年数が短くなり、従って、取り扱い及び貯蔵が難しい場合がある。コア１０が小さい場合、補修混合物２０は、触媒を必要とすることなく小さな欠陥内に充填されて留まることができると考えられる。コア１０が比較的サイズが大きい場合、補修混合物２０は、触媒を含有することが好ましい。触媒は補修混合物２０の架橋結合を促進し、これにより補修の耐久性を向上させると考えられる。補修混合物２０は、コア１０の表面の亀裂１８及び他の何れかの欠陥を充填するのに必要に応じて何度でも塗布することができる。加えて、補修混合物２０（コア１０が小さい場合には触媒なし）又は初期スラリーは、鋳造プロセスにおいてコア１０が使用される前に、中空コア１０内のキャビティに注入され、コア１０の開口１６全てを閉鎖することができる。好ましくは、補修混合物２０は、焼成前に壁１２の厚さが確実に平衡（すなわち、比較的均一）になるようにして塗布される。補修混合物２０を塗布した後、補修領域を乾燥させ、表面が円滑化される。補修混合物２０が触媒を含む場合、必要に応じて補修混合物２０が塗布されたときに、コア１０が固化されてバインダー及び希釈剤を架橋することができる。バインダーが架橋された後、コア１０は、焼成されてバインダー及び希釈剤をバーンオフし、補修混合物２０の耐火性固体物を焼結する。コア１０は、補修混合物２０の固体含有物が完全に焼結して耐火性粉体粒子を互いに且つコア１０の表面に確実に結合するよう、約１０００°Ｃを超える温度で焼成するのが好ましい。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば他の形態を適合させることができる点は理解される。例えば、補修混合物２０がコア１０に塗布される順序及び方法は異なっていてもよく、上述した以外の材料及びプロセスを用いることができる。従って、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるものとする。

１０ セラミックコア
１２ 壁
１４ 内部キャビティ
１６ 開口
１８ 亀裂
２０ 補修混合物
２２ 壁

Claims (20)

1. 鋳造プロセスにおいて使用するよう適合されたセラミックコア（１０）の欠陥を補修する方法であって、前記セラミックコア（１０）が、液体溶媒中に懸濁された少なくとも１つの耐火性粉体材料を含むスラリーから形成され、
   前記方法が、
   液体希釈剤と、前記スラリーの液体溶媒中に懸濁された少なくとも１つの耐火性粉体材料とを含む補修混合物（２０）を形成するステップと、
   前記セラミックコア（１０）の少なくとも１つの欠陥を含む領域に前記補修混合物（２０）を塗布するステップと、
   前記セラミックコア（１０）を焼成して、前記補修混合物（２０）中の液体溶媒をバーンオフし、欠陥が閉鎖されたセラミック組成物を形成するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記少なくとも１つの耐火性粉体材料が、シリカ耐火性粉体とジルコン耐火性粉体とを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記液体溶媒がシロキサンバインダーを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記液体希釈剤がシロキサン希釈剤である、請求項１に記載の方法。
5. 前記液体希釈剤が、追加の量の液体溶媒である、請求項１に記載の方法。
6. 前記補修混合物（２０）が更に、前記液体溶媒と前記液体希釈剤とを架橋可能な触媒を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記補修混合物（２０）が、容量で、約３０〜約５０％の耐火性粉体材料と、約５０〜約７０％のバインダー及び希釈剤混合物を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記補修混合物（２０）が、最大で約１００ｐｐｍの前記液体溶媒と前記液体希釈剤とを架橋可能な触媒を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記補修混合物（２０）を塗布する前に前記領域を前記液体希釈剤で湿潤するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記セラミックコア（１０）が、少なくとも１つのキャビティ（１４）を内部に定める壁（１２）を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記補修混合物（２０）を前記キャビティ内に注入して、焼成の前に前記セラミックコア（１０）の壁（１２，２２）内の少なくとも１つの開口（１６）を閉鎖するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 請求項１に記載の方法によって補修されるセラミックコア（１０）。
13. 鋳造プロセスにおいて使用するよう適合されたシリカ含有セラミックコア（１０）の欠陥を補修する方法であって、前記シリカ含有セラミックコア（１０）が、少なくとも１つの耐火性粉体材料とシロキサンバインダーとを含むスラリーから形成され、
    前記方法が、
    シロキサン希釈剤と、前記スラリーの少なくとも１つの耐火性粉体材料及びシロキサンバインダーとを含む補修混合物（２０）を形成するステップと、
    前記シリカ含有セラミックコア（１０）の少なくとも１つの欠陥を含む領域に前記補修混合物（２０）を塗布するステップと、
    前記シリカ含有セラミックコア（１０）を焼成して、前記補修混合物（２０）中のシロキサンバインダー及びシロキサン希釈剤をバーンオフし、欠陥を充填したシリカ含有セラミック組成物を形成するステップと、
    を含む、方法。
14. 前記補修混合物（２０）が、シロキサンバインダーを架橋可能な触媒を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記シロキサン希釈剤が、前記シロキサンバインダーと同じ組成を有する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記少なくとも１つの耐火性粉体材料が、シリカ耐火性粉体及び／又はジルコン耐火性粉体を含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記シリカ含有セラミックコア（２０）が、少なくとも１つのキャビティ（１４）を内部に定める壁（１２）を含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記補修混合物（２０）を前記キャビティ内に注入して、焼成の前に前記シリカ含有セラミックコア（１０）の壁（１２，２２）内の少なくとも１つの開口（１６）を閉鎖するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記シリカ含有セラミックコア（１０）が、ガスタービンエンジンに設置するための構成要素を鋳造する際に使用するよう適合されている、請求項１３に記載の方法。
20. 前記補修混合物（２０）が、容量で、約３０〜約５０％のシリカ耐火性粉体及びジルコン耐火性粉体の混合物と、約５０〜約７０％のシロキサンバインダー及びシロキサン希釈剤の混合物と、任意選択的に最大で約１００ｐｐｍの前記シロキサンバインダー及び前記シロキサン希釈剤を架橋可能な触媒と、を含む、請求項１３に記載の方法。