JP2017064785A - 鋳造コア装置及び鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融金属合金をセラミックシェルとセラミックコアとの間に画成される金型キャビティ内に導入し、凝固するインスベストメント鋳造法において、容易に浸出することの可能な鋳造コアを除去するための鋳造コア装置及び方法の提供。【解決手段】鋳造用金型装置は、外面（５６）を画成する外側スキン（５８）と、流体をコア（４８）に入れるように構成された複数のボイド（６２）を画成する内部支持構造体（６０）であって、外側スキン（５８）内に配設された内部支持構造体（６０）とを含む、単体のセラミックコア（４８）を含む鋳造コア装置。【選択図】図３

Description

本発明は鋳造方法に関し、より詳細には、鋳造コアを除去するための鋳造コア装置及び方法に関する。

タービン翼形部のようなガスタービンエンジン部品は、一般的に、溶融金属合金をセラミックシェルとセラミックコアとの間に画成される金型キャビティ内に導入し凝固するインベストメント鋳造法を用いて製造され、完成した鋳造物を形成する。
鋳造が終了した後のコアの除去は、製造工程中の時間のかかるステップである。これは、苛性アルカリ溶液（通常、水酸化ナトリウム水溶液又は水酸化カリウム）でセラミック材を浸出することを含む。将来的には、この課題は、イットリウムを含有する合金を用いるようなより高い温度において困難なものとなり、アルミナ−ジルコニア系セラミック等の非反応性の鋳造コア材料が必要になる。これらのコア材料は、現在用いられているシリカ系材料よりもはるかにゆっくりと浸出する。
したがって、容易に浸出可能なコアに対する必要性が残っている。

国際公開第２０１５／００９４４８号パンフレット

この必要性には、浸出剤の輸送を容易にするボイドを含む外側スキン及び内部支持構造体を備えた鋳造コアにより対処する。コアは、追加の製造方法を用いて製造することができる。

本発明は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより、最もよく理解することができる。
ガスタービンエンジンの高圧タービン動翼の概略斜視図である。 図１のタービン動翼の鋳造に用いられる金型の概略断面図である。 図２に示すコアの拡大図である。 別のコア及びタービン動翼の部分的に切り取られた斜視図である。

図面を参照する。ここで、同一の符号は様々な図面全体を通して同じ要素を示し、図１は、例示的なタービン動翼１０を示す。本明細書で説明するのは、タービン動翼１０のような金属部品を鋳造する方法及び装置であり、これは内部の特徴を形成するための内部コアリングを必要とする工程である。タービン動翼１０は、本発明の原理を用いて製造できるこのようなコアリングを必要とする多くのタイプの部品の１例にすぎない。
タービン動翼１０は、従来のダブテール部１２を備えており、これは動作中に回転すると、動翼１０を径方向に保持するロータディスク（図示せず）内のダブテールスロットの相補的なタングをディスクに係合するタングを備える任意の適切な形状を有していてもよい。動翼シャンク１４は、ダブテール部１２から径方向上側に延び、シャンク１４から横方向外側に突出するプラットフォーム１６で終端し、シャンク１４を取り囲む。中空の翼形部１８は、プラットフォーム１６から高温ガス流内に径方向外側に延びる。翼形部は、プラットフォーム１６と翼形部１８の接合部に根底部２０と、その径方向外端に先端部２２を有している。翼形部１８は、前縁２８及び後縁３０で接合された凹面形正圧側壁２４及び凸面形負圧側壁２６を有している。翼形部１８は、高温ガス流からエネルギーを抽出し、ロータディスクの回転を引き起こすのに好適な任意の構成をとることができる。翼形部１８は、複数の後縁冷却孔３２を組み込む、又は、翼形部１８の正圧側壁２４上の多数の後縁ブリードスロット（図示せず）を組み込むことができる。翼形部１８の先端部２２は、翼形部１８と一体化されてもよく、又は、別個に形成して翼形部１８に取り付けられてもよい先端キャップ３４により閉鎖されている。直立スキーラ先端部３６は、先端キャップ３４から径方向外側に延び、組み立てられたエンジン中に固定シュラウド（図示せず）に近接して配置されており、先端部２２を通過する気流損失を最小にする。スキーラ先端部３６は、正圧側先端壁４０に対して間隔をおいた関係で配置された負圧側先端壁３８を備えている。先端壁４０及び３８は、翼形部１８と一体であり、それぞれ正圧側壁２４の延長部及び負圧側壁２６の延長部を形成している。正圧側先端壁４０の外面及び負圧側先端壁３８の外面は、それぞれ正圧側壁２４の外面及び負圧側壁２６の外面と共に連続面を形成している。複数のフィルム冷却孔４４は、翼形部１８の外壁を貫通している。フィルム冷却孔４４は、翼形部１８の中空内部空間（図示せず）に通じており、つづら折りなど、内壁により画成された冷却通路の複雑な配置を含んでいてもよい。
十分なクリープ破断及び疲労強度を有し、高温腐食及び酸化に耐えるために、タービン動翼１０は、従来「超合金」として知られる良好な耐高温クリープ性を有するニッケル系又はコバルト系合金のような材料から製造することができる。
図２を参照すると、タービン動翼１０は、間に金型キャビティ５２を協同して画成するコア４８及びシェル５０を備えて金型４６が組み立てられる鋳造法を用いて形成することができる。コア４８及びシェル５０は、石英ロッド５４又は他の適切な構造を使用して互いに相対的な位置に固定され、間の隙間を埋めても良い。金型４６を用意した後、溶融金属を金型キャビティ５２内に導入し、その後、冷却し凝固できる。続いて、金型４６は、破壊、溶解又は浸出により除去される。一般にコア４８は、破壊のために物理的にアクセス可能ではないため、苛性アルカリ性材料にコアを接触させることによる浸出によって除去できる。苛性アルカリ性材料の非限定的な例には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。
図３は、コア４８をより詳細に示す。コア４８は、所望の部品の形状を画成する外面５６を有する、必須の又は一体の構造である（又は別の言い方をすれば、所望の正の部品のメス型）。この特定の例では、コア４８は一般的に翼形状をなしている。好ましくは、外面５６は、滑らかに表面仕上げされているので、結果として得られる部品の表面の鋳造後の仕上げを殆ど又は全く必要としない。最良の表面仕上げの場合、外面５６は、好ましくは緻密性が高い、すなわち低気孔率を有している。外面５６は、ほぼ１００％の密度であってもよい。例えば、外面は、９０％より高い密度であり得る（すなわち、１０％未満の気孔率）。この工程に適切な１以上の公知のセラミック材は、９５％より高い面密度を有する。約７５％未満の密度では、結果として得られる鋳造品の表面仕上げは著しく粗いが、浸出速度は高くなる。特定の用途によっては、約５０％と低い面密度は、許容可能な表面仕上げをもたらしてもよい。
外面５６から離れたコア４８の内部は、制御されたマクロ多孔質を有している。本明細書で使用する「マクロ多孔質」は、マクロレベルの孔、キャビティ、チャネル、ホール、又は他のボイド６２が存在することを意味する。ボイド６２の目的は、コア除去の間に、流体の苛性アルカリ性浸出剤の浸透を容易にすることである。効果的であるために、浸出剤は、セラミック材に直接接触する必要がある。したがって、コア４８のどの部分も所定の寸法「ｔ」より大きい壁厚がなく、厚さｔが、浸出剤の作用の速度及び浸出工程を完了するのに望ましい時間に基づいて選択されるようにボイド６２を配置してもよい。
コア４８はまた、外側スキン５８及び内部支持構造体６０を有するものとして説明できる。外側スキン５８は、外面５６を画成し、鋳造工程中に歪みや損傷に耐えるのに十分な厚さである。内部支持構造体６０は、外側スキン５８の外周の内側に配置されており、ボイド６２を画成する構造要素を備えている。
図示例では、内部支持構造体６０は、外側スキン５６の内部にまたがり、複数の交差部６６で交わる複数の仕切り又は壁６４として構成されている。この例では、壁６４及びボイド６２は、翼長方向に延び、浸出剤が翼形部１８の根底部２０又は先端部２２に対応する位置に導入され、コア４８の翼長方向範囲全体に流れることを可能にする。
コア４８の内外への液体浸出剤の輸送を容易にすることに加えて、内部支持構造体６０は、鋳造工程中に高い応力を受ける領域に機械的支持を確保することを含むコア４８用の構造的支持を提供し、及び／又は鋳造工程中にコア４８の熱膨張を制御するように構成することができる。内部支持構造体６０は、壁、仕切り、ロッド、支柱、又はビームの２次元又は３次元アレイを含む任意の適切な形状をとることができる。内部支持構造体６０の要素は、格子又は構造的トラスとして配置することができる。図４は、タービン動翼１０’の一部に囲まれたコア４８’の１例を示す。コア４８’は、外側スキン５８'及びボイド６２’を画成する支柱６４’の３次元格子を備える内部支持構造体６０'を備えている。

コア４８は、高温で溶融金属合金に曝された場合に、構造的完全性を維持することが可能な耐火材で構成される。例えば、コア４８は、固体のセラミック材から形成することができる。セラミックの非限定的な例には、シリカ、アルミナ、ジルコニア系のものが挙げられる。アルミナ及びジルコニア系セラミックのような材料は、前述した金属合金と非反応性であると考えられる。
コア４８は、追加の製造工程を使用して構築することができる。「追加の製造」は、階層毎の構成や追加の製作を含む工程（従来の機械加工工程と同様に材料除去とは対照的に）を説明するために本明細書で使用される用語である。そのような方法はまた、「迅速製造工程」と呼ぶことができる。追加の製造工程は、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェット及びレーザジェット等による３Ｄ印刷、マイクロペン堆積、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）、電子ビーム溶解（ＥＢＭ）及びレーザ直接積層（ＬＥＮＳ）を含むが、これに限定されない。これらの工程の中で、ＳＬＡは、特に良好な表面仕上げ、すなわち表面粗さの小さい表面を生成することが知られている。
コア４８の構築工程中に、ボイド６２には、支持材料を充填することができる。例えば、ワックス又は熱可塑性物質等の材料は、セラミック材と同時に又は交互に堆積させることができる。別法として、支持材料は、未硬化のままのセラミック材を備えることができる。いずれの場合も、支持材料は、追加の製造工程が完了した後に、ボイド６２を残して除去される。任意に、コア４８及びシェル５０は、単一の追加の構築サイクルの一部として同時に構築することができる。
上述の装置及び方法は、幾つかの利点を有している。追加の製造方法を使用するコアの直接製造により、密度の変化の制御が可能となる。比較的貧弱な格子状内部を備えた緻密性の高いスキンの提供により、機械的強度と浸出剤の含浸用経路の両方を提供する。鋳造が完了した後、コアの浸出工程を加速することによって、従来技術の方法と比べて処理サイクル時間を著しく低減させる可能性を有している。
上記で鋳造コア装置及び鋳造方法について説明した。本明細書（添付した特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）で開示した特徴のすべて、及び／又は開示した任意の方法もしくは処理のステップのすべては、そのような特徴及び／又はステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組合せることができる。
本明細書（添付した特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）に開示した各特徴は、特に明記しない限り、同一、等価、又は類似の目的を提供する代替的特徴に置き換えることができる。したがって、特に明記しない限り、開示した各特徴は、等価又は類似の特徴の一般的な系列の内の１例にすぎない。
本発明は、上述した実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書（添付した特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）に開示された特徴の内の任意の新規なもの、又は任意の新規な組合せ、あるいは開示した任意の方法もしくは処理のステップの内の任意の新規なもの、又は任意の新規な組合せを拡張する。
［実施態様１］
外面（５６）を画成する外側スキン（５８）と、
外側スキン（５８）内に配設された内部支持構造体（６０）であって、流体をコア（４８）に入れるように構成された複数のボイド（６２）を画成する内部支持構造体（６０）とを含む単体のセラミックコア（４８）を備えた、鋳造用金型装置。
［実施態様２］
コア（４８）の内部支持構造体（６０）が、コア（４８）の熱膨張及び収縮に対応するように構成される、実施態様１に記載の装置。
［実施態様３］
セラミック材がアルミナ又はジルコニア系である、実施態様１に記載の装置。
［実施態様４］
内部支持構造体（６０）が、相互連結した壁（６４）の格子を備える、実施態様１に記載の装置。
［実施態様５］
コア（４８）が、翼形状を有しており、ボイド（６２）が、翼形状に対して翼長方向にコア（４８）を貫通して延びる、実施態様１に記載の装置。
［実施態様６］
外面（５６）の密度が７５％以上である、実施態様１に記載の装置。
［実施態様７］
外面（５６）の密度が９０％である、実施態様１に記載の装置。
［実施態様８］
部品の形状の金型キャビティ（５２）が、シェル（５０）とコア（４８）との間に画成されるように、コアを少なくとも部分的に取り囲んで配置されたセラミック材のシェル（５０）をさらに備えた、実施態様１に記載の装置。
［実施態様９］
追加の製造工程を使用して、外側スキン（５８）及び外側スキン（５８）内に配設された内部支持構造体（６０）を備えるセラミック材の単一のコア（４８）を形成するステップを備える、金属部品の鋳造用金型（４６）の形成方法であって、内部支持構造体（６０）が、流体をコア（４８）に入れるように構成された複数のボイド（６２）を画成する、金属部品の鋳造用金型（４６）の形成方法。
［実施態様１０］
追加の製造工程がステレオリソグラフィを含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１１］
セラミック材がアルミナ又はジルコニアの１種以上を含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１２］
外面（５６）の密度が７５％以上である、実施態様９に記載の装置。
［実施態様１３］
外面（５６）の密度が９０％である、実施態様９に記載の装置。
［実施態様１４］
追加の製造工程中に、ボイド（６２）が、追加の製造工程が完了すると除去される支持材料で充填されている、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１５］
支持材料が未硬化のセラミック材である、実施態様１４に記載の方法。
［実施態様１６］
セラミック材のシェルを形成するステップと、
部品の形状の金型キャビティ（５２）が、シェル（５０）とコア（４８）との間に画成されるように、コア（４８）を少なくとも部分的に取り囲む位置にシェル（５０）を配置するステップとをさらに含む、実施態様９に記載の装置。
［実施態様１７］
金型キャビティ（５２）内に溶融金属合金を導入するステップと、
金属合金を冷却凝固するステップと、
コア（４８）のボイド（６２）内に苛性アルカリ性材料を導入してコアを除去するステップとをさらに含む実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１８］
苛性アルカリ性材料が、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの１種以上を含む、実施態様１７に記載の方法。

１０ タービン動翼
１２ ダブテール
１４ シャンク
１６ プラットフォーム
１８ 翼形部
２０ 根元部
２２ 先端部
２４ 正圧側壁
２６ 負圧側壁
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ 後縁冷却孔
３４ 先端キャップ
３６ スキーラ先端部
３８ 負圧側先端壁
４０ 正圧側先端壁
４４ フィルム冷却孔
４６ 金型
４８ コア
５０ シェル
５２ 金型キャビティ
５４ 石英ロッド
５６ 外面
６２ ボイド
５８ 外側スキン
６０ 内部支持構造体
６４ 壁
６６ 交差部
４８’ コア
１０’ タービン動翼
５８’ 外側スキン
６０’ 内部支持構造体
６４’ 支柱
６２’ ボイド

Claims (10)

1. 外面（５６）を画成する外側スキン（５８）と、
   流体をコア（４８）に入れるように構成された複数のボイド（６２）を画成し、外側スキン（５８）内に配設された内部支持構造体（６０）とを含む単体のセラミックコア（４８）を備えた、鋳造用金型装置。
2. コア（４８）の内部支持構造体（６０）が、コア（４８）の熱膨張及び収縮に対応するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. セラミック材がアルミナ又はジルコニア系である、請求項１に記載の装置。
4. 外面（５６）の密度が７５％以上である、請求項１に記載の装置。
5. 追加の製造工程を使用して、外側スキン（５８）及び外側スキン（５８）内に配設された内部支持構造体（６０）を備えるセラミック材の単一のコア（４８）を形成するステップを備える、金属部品の鋳造用金型（４６）の形成方法であって、内部支持構造体（６０）が、流体がコア（４８）に入れるように構成された複数のボイド（６２）を画成する、金属部品の鋳造用金型（４６）の形成方法。
6. 追加の製造工程がステレオリソグラフィを含む、請求項５に記載の方法。
7. 外面（５６）の密度が７５％以上である、請求項５に記載の装置。
8. セラミック材のシェルを形成するステップと、
   部品の形状の金型キャビティ（５２）が、シェル（５０）とコア（４８）との間に画成されるように、コア（４８）を少なくとも部分的に取り囲む位置にシェル（５０）を配置するステップとをさらに含む、請求項５に記載の装置。
9. 金型キャビティ（５２）内に溶融金属合金を導入するステップと、
   金属合金を冷却凝固するステップと、
   コア（４８）のボイド（６２）内に苛性アルカリ性材料を導入してコアを除去するステップとをさらに含む請求項８に記載の方法。
10. 苛性アルカリ性材料が、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの１種以上を含む、請求項９に記載の方法。