JP3226674B2 - 一体構造の壁厚制御手段付きコアによるインベストメント鋳造法 - Google Patents

一体構造の壁厚制御手段付きコアによるインベストメント鋳造法

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JP3226674B2
JP3226674B2 JP21223993A JP21223993A JP3226674B2 JP 3226674 B2 JP3226674 B2 JP 3226674B2 JP 21223993 A JP21223993 A JP 21223993A JP 21223993 A JP21223993 A JP 21223993A JP 3226674 B2 JP3226674 B2 JP 3226674B2
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
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    • B22C21/12—Accessories
    • B22C21/14—Accessories for reinforcing or securing moulding materials or cores, e.g. gaggers, chaplets, pins, bars
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12292—Workpiece with longitudinal passageway or stopweld material [e.g., for tubular stock, etc.]

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、鋳込部品の内部通路と
外面の間の改良壁厚制御を行う手段を含むコアによる中
空部品の精密インベストメント鋳造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】複雑な中空内部を有する鋳物を製造する
ために、最新のインベストメント鋳造処理法が用いられ
ることが多い。かかる鋳造品の実例には、ガスタービン
エンジンの鋳造タービン・ブレードとベーンがあり、こ
の場合、前記ブレード／ベーンは、高温タービン環境中
で使用される間に冷気をブレード／ベーンを介して伝達
する複雑な中空内部で構成される。このブレード／ベー
ンの中空内部は、タービン中で使用される間に冷却目的
で空気を伝達するように翼形と根元の中に形成される通
路を１つ以上含むことができる。
【０００３】かかる複雑な内部は、適切な形状のセラミ
ックコアをインベストメント鋳造モールドに内設すると
ともに溶融金属を前記モールド中の前記コアの周りに固
化させることによってブレード／ベーン中に形成され
る。このコアは、固化された鋳込材から浸出又はその他
の手段で取り外され、当該コアの形状と一致する中空内
部を有する鋳物が残る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】通常、コアの一端又は
両端には、被鋳造部品又は品目の内壁を区画する原型部
分に突設される「プリント」が設けられ、当該プリント
が、モールド形成作業中に原型／コアに纏着されるセラ
ミック材に埋め込まれるようになっている。このコア
「プリント」は、鋳込材が固化されるモールドキャビテ
ィには内設されない。
【０００５】タービン・ブレード／ベーンの性能要件が
増加するにつれて、冷却要件と、従って、当該部品中に
形成される内部通路の複雑さと、が更に複雑になった。
これによって、更にますます複雑なコアの使用が必要と
なった。
【０００６】原型材が取り外される間、溶融金属をモー
ルド中に鋳込みする前にモールドが予熱される間、及
び、溶融金属をモールド中に鋳込みする間に、モールド
中のコアにずれ又は変位が有る場合、一部のタービンブ
レード／ベーンを鋳造するのに問題があった。例えば、
コアは、鋳造中にコアの長手に沿って温度プロフィール
を呈することがあり、これによって不要なコアずれが生
じる。特に、コアが、原型取外し中、モールド予熱中、
及び／又は、金属鋳込み中に、僅かでも変位すると、中
空鋳造ブレード／ベーンの壁厚に許容不可能なばらつき
が生じること、特に、比較的薄肉のセラミックコアが使
用される場合、及び、特に、単一結晶又は指向性固化鋳
物が、金属鋳込み前に高温で加熱されるとともにこの条
件で溶融金属の固化中に長時間維持されるモールド中に
形成される場合に、斯様な許容不可能なばらつきが生じ
ることが分かった。
【０００７】比較的薄肉の複雑なコアの使用は、かかる
薄肉コアに付随することが多い曲りのため余分な問題を
呈する。特に、コア製造で用いられる焼成作業の間、並
びに、上述のように以後の処理中（例えば、原型取外し
中、モールド予熱中、及び、金属鋳込み中）に、当該コ
アの特定の領域が曲がる。最終的に、かかる曲りによっ
て、当該コアで作られる中空鋳物に許容不可能な壁厚の
ばらつきが生じることがある。
【０００８】インベストメント鋳造モールド中にコアを
正確に支持する手段を提供するために様々な試みがなさ
れた。例えば、米国特許第２，０９６，６９７号に記述
されるような中子押えは、周知の従来のコア支持方法を
代表する。セラミック・モールド／コアに基づく使用の
ために特別に開発された別の方法が、米国特許第３，５
９６，７０３号、第３，６５９，６４５号、第４，４８
７，２４６号、及び、第４，８１１，７７８号に記載さ
れている。当該方法の中には、プラチナ中子押え、ピ
ン、及び、モールド中のコアを位置決めすべくろう型に
貫設されて一端でコアに当接するとともに他端でモール
ド壁に当接する類似の装置を使用する方法がある。但
し、かかる方法によって、中子押え／ピンがモールド壁
に挿入される箇所の鋳肌に不要な金属という問題が生じ
る。実際、モールド中に鋳込みされる溶融金属によっ
て、モールド壁中の中子押え／ピンによって占有される
空間が最終的に充填される。この問題によって、不要な
金属、寸法制御のばらつき、及び、考え得る不要な核生
成／再晶出を研削するために余分な機械仕上げ作業要件
がもたらされる。
【０００９】上記米国特許第３，５９６，７０３号に
は、コアの周りに形成されるろう型に複数の穴が前記コ
アに達するまで穿設される従来のコア位置決め方法が記
述されている。次に、セラミックモールドが、ろう型／
コアのアセンブリに纏着されるので、セラミック材が前
記穿設穴を充填し、次にろう型が抜出されるとモールド
中のコアを支持するセラミックプラグになる。溶融金属
がモールド中に鋳込みされて固化されると、複数の穴
が、セラミック支持プラグが存在した箇所で鋳物に残さ
れ、次に、塞がれるか又は切削される。この方法は、骨
の折れるコスト高なろう型穿設作業と鋳物穴の充填／切
削作業を伴う。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述の不都合を解決すべ
くこの発明は、 ａ）鋳物中の内部鋳造通路を形成するような形状を成す
外面と、成形キャビティに対する基本コア構造体の所定
の関係から焼狂いされやすい前記外面の領域から延出す
る複数の一体成形の突起と、を有するコアを形成するス
テップと、 ｂ）前記コアが前記基本コア構造体と成形キャビティの
間の前記所定の関係にほぼ適合されるように、前記成形
キャビティを区画する堅固な壁に前記突起を係合させる
ことによって前記コアを前記成形キャビティ中に位置決
めするステップと、 ｃ）前記コアが前記成形キャビティに対して前記所定の
関係に位置決めされながら、形成される前記鋳物と一致
する不堅牢な原型を前記コアの前記外面の周りに成形す
ることによって、前記原型の壁厚が前記コアを中心に制
御されるステップと、 ｄ）コア変位が以後のステップ中に発生する場合に前記
突起がセラミックシェルモールドと係合することができ
るように前記セラミックシェルモールドを前記原型と前
記コアに纏着するステップと、 ｅ）前記コアをシェルモールドキャビティ中に位置決め
された状態に保ちながら、前記原型を前記纏着シェルモ
ールドから取り外すステップと、 ｆ）溶融金属を前記シェルモールドキャビティ中の前記
コアの周りに固化させるステップと、から成ることを特
徴としている。
【００１１】
【作用】この発明による内部通路を有する鋳物の製法
は、前記鋳物中の前記通路を形成するような形状を成す
外面と、基本コア構造体から焼狂いされやすい前記外面
の応力領域（例えば、熱応力領域）から延出する複数の
一体成形の突起と、を有するコアを形成するステップ
と、前記コアがあたかも前記基本コア構造体と一致する
かのごとく前記コアが前記基本コア構造体と原型成形キ
ャビティの間の所定の関係及び（又は）実験判定関係に
ほぼ適合されるように、前記成形キャビティを区画する
堅固な壁に前記突起を係合させることによって前記コア
を前記成形キャビティ中に位置決めするステップと、を
伴う。次に、前記コアを前記成形キャビティに対して上
記関係に保持させながら、形成される前記鋳物と一致す
る不堅牢な原型を前記コアの外面の周りに成形させ、こ
れによって、前記原型の壁厚が前記コアを中心に制御さ
れる。次に、前記突起が以後のステップ中のコア変位の
場合にセラミックシェルモールドに係合することができ
るように、前記セラミックシェルモールドが前記原型と
前記コアに纏着される。前記基本コア構造体と前記原型
成形キャビティの間の上記関係に従って、前記コアを、
前記突起によってシェルモールド鋳込キャビティ中に前
記纏着シェルから離間された状態に保ちながら、成形さ
れた原型が前記纏着シェルから選択的に取り外され、こ
れによって、前記シェルモールド鋳込キャビティ中に形
成される鋳物の壁厚が制御される。次に、溶融金属が前
記シェルモールド中の前記コアの周りで固化される。前
記金属が固化された後、この鋳物を解放すべく前記シェ
ルモールドと前記コアが従来の方法によって取り外され
る。この鋳物は、前記突起が以前常駐した箇所で前記内
部通路と連通する複数の穴を前記鋳物の壁に内設するこ
とができる。
【００１２】
【実施例】本発明の方法は、内部通路と外部鋳肌の間の
鋳造壁厚の制御が相当改善されている１つ以上の内部通
路を有する中空鋳物を製造する場合に有用である。特
に、本発明の方法は、図１の実例で示されるように、ガ
スタービンエンジンのタービン部の高温使用環境中のブ
レード又はベーンを冷却すべく付根１４及びこの付根の
翼形１６に貫設される内部冷却通路１２を１つ以上有す
る中空タービンブレード又はベーン１０（以下、翼形１
０）の製造に有用である。この冷却通路１２は、ブレー
ド又はベーンの付根１４（部分的に図示）中の吸気口又
は開口１５を介してコンプレッサエアーを吸入する。中
空翼形ブレード又はベーン１０は、周知の鋳造処理法に
よって、等軸の指向性固化又は単結晶粒微小組織を有す
るように鋳造することができる。
【００１３】周知の鋳込処理法による中空翼形１０の鋳
造において、本発明では、翼形１６の図１の通路１２及
び内部リブ１７を形成するような形状を成す凹凸形の外
面２１ａ、２１ｂ（図２）を有する単一構造又は多重構
造のセラミックコア２０が利用される。このコア２０
は、翼形１６中の冷却通路を形成するとともに、ブレー
ド又はベーンの根元中の冷却通路を形成するように図３
のＡの共通の下部２０ｄで相互連結される、複数の伸長
部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを含むことができる。あるい
は、本発明を実施する場合、根元部で連結されない単独
のコア部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを使用することができ
る。
【００１４】コア部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ中には、冷
気移動（乱気流）を強化する隆起金属区域を内部表面に
形成する長窪み２７が成形されており、これによって冷
気配分が促進される。
【００１５】更に、本発明によると、セラミックコア２
０には、コア外面２１ａ、２１ｂ（即ち、翼形１６中の
通路を区画するコア表面）の一方又は両方の基幹応力領
域から突出する複数の突起又はバンパー２２が含まれ、
当該基幹応力領域でコアの焼狂い又は変位が生じる（即
ち、後述の原型成形キャビティやモールド鋳込キャビテ
ィ等の成形キャビティに対する基本コア構造体の所定の
関係及び（又は）実験判定関係からの許容範囲外の偏差
が生じる）。この所定の関係は、技術図面等の設計プリ
ント上に記載されるコア対原型成形キャビティの関係と
公差を含む。前記実験判定関係は、鋳造壁厚制御の点で
許容できる鋳物を生産するために必要な鋳込試験から判
定されるコア対原型成形キャビティの関係を含む。必要
に応じて、かかる実験判定関係は、許容鋳造ブレード又
はベーン（又はその他の品目）を製造すべく実際の鋳込
試験に基づいて選択される。
【００１６】以下記載の請求項では、「所定の」関係と
いう用語は、上記所定の関係又は上記実験判定関係、あ
るいは、これら両方を意味する。
【００１７】コアの焼狂い又は変位は、グリーン（生）
成形コアが所要のコア強度になるように高温で焼成され
るコア製造工程中に発生することがある。例えば、コア
２０の薄肉領域Ｒ１とＲ３は、グリーンコア２０の焼成
中に曲りやすく、コアの捻れ又は反りとして現れる。ま
た更に、コアの焼狂い又は変位は、最初から焼狂いの無
いコアを使用する場合でも、後述する以後の原型取外し
作業、モールド予熱作業、及び／又は、金属鋳込／固化
作業の間に生じることがある。例えば、前縁通路形成領
域Ｒ２や薄肉後縁形成領域Ｒ３等のその他の領域は、モ
ールドが高鋳込温度に加熱されるモールド予熱作業中に
（曲り等の）焼狂いが生じやすい。コア突起２２は、許
容不可能な壁厚のばらつきをもたらす当該基幹応力領域
の焼狂い又は変位を相殺するために前記基幹応力領域に
設けられる。換言すると、コア突起２２は、壁厚制御の
目的に必要とされるような数と位置に存在する。前縁通
路形成領域Ｒ２では、突起２２は、前記領域Ｒ２の長手
に沿って千鳥状の位置に設けることができる。
【００１８】図２及び図３のＡとＢでは、図１に示され
る翼形１０を構成するコア２０の突起２２の番号、形
状、及び、位置が図示されている。各々の突起２２は、
例えば、４０度の開先角度によって区画される直円錐台
体２３を含むが、但し、本発明を実施する場合、別の角
度を使用することができる。直円錐台体２３は、図４に
示されるように、基端側が半径移行領域（例えば、０．
００７５インチの半径）でコア外面２１と合流するとと
もに、先端側が、例えば、０．００７５インチの交差半
径で区画される半球形状の外端２５の中に達するが、本
発明を実施する場合、別の半径を使用することができ
る。コア外面２１ａ、２１ｂを越える突起２２の範例的
高さは、各々所定の壁の位置における鋳造壁厚要件によ
って抑制される又は決まる。本発明を実施する場合、
０．０１８インチから０．０５５インチまでの鋳造壁厚
に対して０．０２０インチから０．０４５インチまでの
突起高さが使用された。
【００１９】コア２０は、シリカ、ジルコン、アルミナ
等の粒子（例えば、蛍石）を基本コア形状に成形させて
グリーンコアを生成し、次にこのコアを、所要のコア強
度が生じるように高温で焼成する、任意の既知の成形法
（例えば、射出成形法、トランスファー成形、鋳込）に
よって形成される。例えば、本発明の実施に有用な通常
のシリカージルコン・コア２０は、セラミックスラリー
（ろう又はシリコン樹脂バインダー中の重量比８０％の
シリカと重量比２０％のジルコンから成る）を、適切な
形状の射出モールドキャビティ中に華氏１１０度で射出
することによって形成される。本発明を実施するため
に、成形されたコア２０の突起２２を生成すべくモール
ドを適切に改造（機械加工）すると、従来のコア射出モ
ールドツーリングを使用することができる。グリーンコ
アは、射出成形キャビティから取り外された後、所要の
コア強度になるように高温で焼成される。上述のよう
に、グリーンコアを高温焼成することによって、このコ
ア構造体の比較的薄肉の領域Ｒ１が、予め選択された基
本コア構造体からの不要な焼狂いを受けることが多く、
コアの捻れ又は反りが生じる。
【００２０】焼成されたセラミックコア２０は、翼形１
０と一致する形状を有する原型成形キャビティ３０に内
設される。例えば、図５を参照すると、原型成形キャビ
ティ３０は、従来の原型モールド等の原型モールド３２
の半割又はブロックモールド３２ａ、３２ｂの間に形成
される。この焼成コア２０は、単に、成形キャビティ３
０を区画する堅固な壁３３に突起２２を係合させること
によって成形キャビティ３０中に位置決めされるので、
このように形成された（即ち、成形及び焼成された）コ
アは、必要に応じて撓曲され、コア製造工程で現れるあ
らゆる焼狂いに拘らず基本コア構造体と成形キャビティ
３０の間の所定の関係及び（又は）実験判定関係とほぼ
適合するようになっている。これにより、焼成コア２０
を、密閉半割モールド３２ａ、３２ｂの間の原型成形キ
ャビティ３０に内設すると、（複数の）焼狂い領域が基
本コア構造体に整合される。更に従って、コア外面２１
ａ、２１ｂは、あたかも基本コア構造体と一致している
かのごとく、成形キャビティ３０中の壁３３から正確に
離間され、原型材をキャビティ３０中に注入すると直ち
にこの原型材の厚さが正確に制御されるようになってい
る。
【００２１】あるいは、必要に応じて、所要のコア対キ
ャビティの関係を得るべく、コア２０をキャビティ３０
に内設する前に種々のコア部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを
一斉に予めろう引きすることによって、コア２０を成形
キャビティ３０中に実験判定関係で位置決めすることが
できる。
【００２２】焼成コア２０が、図５のように突起２２に
よって原型成形キャビティ３０に対して所定の関係及び
（又は）実験判定関係に支持されながら、被形成鋳物と
一致する図６の不堅牢な（例えば、ろう）翼形状原型４
０が、コア外面２１ａ、２１ｂの周りに成形される。こ
れによって、原型４０の厚さは、図６のようにコア２０
を中心に正確に制御される。多くの場合、このろう型
は、この後にコア焼狂い領域が以前の焼狂い状態に戻ら
ないようにする。万一、何らかのコア焼狂いが生じた場
合は、ろうとコアの焼狂いが一体で伴うので、これによ
って壁厚制御は影響されない。
【００２３】突起２２の外端２５が壁３３に係合されて
いるので、外端２５は、射出された原型４０の外面に対
して露出、又は、僅かに埋没された状態を保つ。
【００２４】通常、溶融状態の原型材（例えば、ろう）
は、成形キャビティ３０中のコア２０の周りに加圧射出
されるとともにコア２０の周りで固化される。
【００２５】次に、コア２０と不堅牢原型４０のアセン
ブリがセラミック材で纏着されて、このアセンブリの周
りにセラミックシェルモールド５０が形成されるように
なっている。図７には、原型４０を取り外した後のセラ
ミックシェルモールド５０が図示されている。このセラ
ミックシェルモールドは、コア／原型のアセンブリがセ
ラミックスラリー中に順次浸漬されるとともに比較的粗
いセラミック粒子で塗布されて、所要の厚さの多重層の
セラミックシェルがコア／原型アセンブリの周りに構築
される、従来のシェルモールド法に基づいて形成され
る。セラミックシェルモールド５０（即ち、内側のモー
ルドキャビティ壁）は、突起２２の露出外端２５と係合
するか又は僅かに隙間がある（即ち、外端２５から離間
されている）。コア／原型アセンブリの周りに形成され
る一般的なセラミックシェルの厚さは、約３／８インチ
の厚さである。シリカ、ジルコン、アルミナ等（但し、
これに限定されない）の粒子を含む種々のセラミック材
料をシェルモールド５０に使用することができる。
【００２６】セラミックシェルモールド５０の形成に続
いて、コア／原型／シェルモールドのアセンブリは、原
型４０を選択的に取り外すために原型取外し作業を受け
る。通常の作業には、原型４０を溶融するとともにこの
溶融原型材を当該纏着アセンブリから排出させるために
前記アセンブリの加熱が含まれる。このアセンブリの加
熱は、適切な炉、蒸気圧力釜、マイクロウエーブユニッ
ト、及びその他妥当な加熱装置で行うことができる。
【００２７】原型４０を取り除くと、コア２０は、コア
２０と成形キャビティ３０の間の上記所定の関係及び
（又は）実験判定関係と同じ所定の関係及び（又は）実
験判定関係でコア外面２０の突起２２のみによって翼形
状シェルモールド５０の中（即ち、シェルモールド鋳込
キャビティ５２の中）に支持されながら正確に位置決め
された状態に保たれる。コア２０とシェルモールド鋳込
キャビティ５２の間の上記相対的位置決めは、明瞭の如
く、コア２０と原型成形キャビティ３０の間の所望の所
定関係及び（又は）実験判定関係にコア２０を適合させ
るため、前回の原型成形作業から生じる。従って、コア
外面２１ａ、２１ｂとセラミックシェルモールド５０の
間の空間は、当該コアに一体成形されるとともにシェル
モールド５０の内壁に係合される突起２２によって正確
に制御される。この空間は、溶融金属で充填されて鋳造
壁厚を形成するので、鋳物壁厚が正確に制御される。
【００２８】原型抜出後、このコア／シェルモールドの
アセンブリは、鋳造に必要なシェル強度が生じるように
妥当な高温で焼成される。この後、コア／シェルモール
ドのアセンブリは、鋳込に備えて、即ち、溶融金属を収
容するために高温に予熱される。ニッケル基超合金を鋳
込みする場合、通常、前記アセンブリは、使用される鋳
込法によって、華氏約１６００度から華氏約２６００度
までの間で予熱される。
【００２９】次に、溶融金属装入物が、コア２０とセラ
ミックシェルモールド５０の間のシェルモールド鋳込キ
ャビティ５２中に導入（例えば、鋳込み）されるととも
に当該キャビティ中のコア２０の周りで固化され、図１
の、内部冷却通路１２を内設する根元１４及び翼形１６
を有する翼形鋳物１０を形成するようになっている。溶
融金属は、上述のように、等軸の指向性固化又は単結晶
粒組織を鋳物中に生成するように固化させることができ
る。本発明は、例示だけに限って言えば、ニッケル基超
合金、コバルト基超合金、ステンレス鋼等のような無数
の既知の合金組成を鋳込みする場合に使用することがで
きる。
【００３０】コア２０は、コア／セラミックシェルモー
ルドのアセンブリ予熱中、及び、溶融金属をキャビティ
５２中に導入して固化させるときの鋳込作業中に、高
温、当該コアの長手方向の熱勾配、及び、溶融金属圧
力、に晒されるが、今までこれによって不要なコア焼狂
い又は変位が生じることがあり、このコア焼狂い又は変
位によって、鋳物の壁厚は、不合格になる程に悪影響を
受けた。更に、モールド５０とコア２０は、異なる割合
で熱膨張することがある。但し、コア２０の突起２２に
よって、かかるコア焼狂い又は変位（コアずれ）は、万
一当該コア焼狂い及び（又は）コアずれが発生する場合
にセラミックシェル５０と係合する前記突起のため、根
絶するか、又は、大幅に減少する。実際、突起２２によ
って、コア２０は、基本コア構造体とシェルモールド鋳
込キャビティ５２の間の所要の所定関係及び（又は）所
要の実験判定関係にほぼ維持される。
【００３１】鋳込材１０が固化された後、この鋳物を解
放すべくコア２０とセラミックシェルモールド５０が従
来の方法で取り外される。例えば、シェル５０は、ウオ
ータブラスチングによって取り外されるとともに、コア
２０は、圧力釜中で高温／圧力苛性処理等の化学的浸出
（溶解）によって取り外される。生成された鋳物１０
は、図１のように、複数の穴１１をこの鋳物の鋳造壁１
０ａに内設することができる。穴１１は、突起２２が以
前常駐していた位置で内部通路１２と連通する。あるい
は、穴１１を、図９に示されるように鋳造壁１０ａの外
面から僅かに埋設させることができる。
【００３２】コア２０を原型成形キャビティ３０中に位
置決めするとともに最終的にコア２０をシェルモールド
鋳込キャビティ５２中に位置決めするためにコア２０の
突起２２を使用することによって、鋳造壁の厚さ制御が
大幅に向上する。更に、コア外面２１ａ、２１ｂに一体
形成される突起２２の使用によって、鋳造壁１０ａに隆
起又は陥没金属が無くなるとともに、これによって、不
要な金属を切削するために鋳造壁１０ａを機械仕上げ
（例えば、当該壁の研削やブラスト又は殴打）したりあ
るいは他の方法で更に処理したりする必要がなくなる。
突起２２の取外しによって鋳造壁中に残る穴１１は、鋳
造性能の点で許容範囲内にあるので処理不要である。あ
る程度の極小気流損失（例えば、全体の２％未満）が、
ガスタービンエンジン中の鋳物使用中に前記穴から発生
するが、かかる損失は、最終気流計算値で補償すること
ができる。
【００３３】本発明は、コア焼成処理のために通常１箇
所以上の応力領域に焼狂い（例えば、曲り）を呈する薄
肉のセラミックコア２０を、許容壁厚制御を行う鋳物製
造に使用することができるという利点がある。また、最
初から焼狂いの無いコアであって、以後高温に晒される
（例えば、モールド予熱や金属鋳込）間に焼狂い又は変
位するコアが、本発明によって所望の関係に維持され
る。これによって、壁厚が制御された鋳物を製造する全
体費用が、本発明によって削減される。更に、鋳物の壁
厚を、今まで達成可能な公差よりも厳しい公差に制御す
ることができる。
【００３４】本発明の次の実施例は、例示目的で記載す
るが、これに限定されるものではない。
【００３５】図３のＡとＢに示される一般的な型のセラ
ミックコア２０を、混合材が７０メッシュからマイナス
３２５メッシュまで跨る粒度分布を有するようにした重
量比８０％のシリカと重量比２０％のジルコンから成る
セラミックスラリーをトランスファー成形（又は射出成
形）することによって形成した。熱硬化性（例えば、シ
リコン樹脂）又は熱可塑性（例えば、ろう基）バインダ
系を前記混合材に添加し、次にこの添加混合材を、コア
外面の所定位置に突起２２が形成されるように機械加工
されたコアモールドキャビティに、華氏７０度から華氏
５００度までの温度で注入した。突起２２は、例えば図
３のＡとＢに示されるように、翼形中の気流通路を区画
するコア２０上の多数の位置に形成された。突起２２
は、上述の寸法を有したとともに、前記多数の位置にお
ける鋳物の所要の壁厚と一致する突起高さを有した。成
形されたコアを、コアモールドキャビティから抜出し、
さらに、前記コアを、前記バインダ系を取り除いて残り
のセラミック成分を焼結するために華氏２０５０度で４
８時間焼成した。バインダ系を除去して残りのセラミッ
ク成分を焼結するために、コアの組成／バインダ系によ
っては、２０時間から６０時間で華氏２０００度から華
氏３０００度までの別の焼成温度と時間を費してコアを
焼成することができる。焼成されたコアを、翼形鋳物１
０と一致するように型削りされた原型成形キャビティに
内設して、ろう型材を、このコアの周りに華氏約１１５
度のろう温度で射出させた。当該コアは、下端でコアプ
リントを含んでいたが、上端では含んでいなかった。
【００３６】この原型が固化すると直ちにコア／原型の
アセンブリを成形キャビティから抜出して、ジルコン／
アルミナを含むセラミックスラリー中に順次浸漬すると
ともに、３／８インチの厚さのセラミックシェルが構築
されるまでアルミナセラミックスタッコ又は粒子（マイ
ナス１４プラス２８メッシュ）で塗布した。前記コア
を、突起２２によって金属鋳込キャビティ中に支持しな
がら離間させただけの状態に保ちながら、前記ろう型を
蒸気脱ろうで取り外した。これで生成したコア／シェル
モールドのアセンブリを、外気中に４時間華氏１７００
度で焼成させた。鋳込み前に、このコア／シェルモール
ドのアセンブリを華氏２８２０度に予熱した。華氏２６
６５度の鋳込温度で装入量３１ポンドのニッケル基超合
金（ＰＷＡ−１４８４ＳＣ−２０００）をシェルモール
ド中のコアの周りに導入して、単結晶鋳物が生成するよ
うに固化させた。このセラミックシェルモールドをウオ
ータブラスチングで取り外すとともに、コアを圧力釜中
で高温／圧力苛性処理によって取り外した。
【００３７】図８には、本発明の別のコア実施例が図示
されており、この場合、複数のコア２０’が、一体で積
重されるとともに、コア２０’の配列から明らかなよう
に、モールド５０’の鋳込キャビティ５２’中に形成さ
れる鋳物の外壁厚だけでなく複数の内壁厚も制御する突
起２２’を有する。
【００３８】本発明は、その特定の実施例で説明した
が、これに限定されるものではなく、むしろ次の請求項
に以下記述される範囲のみに限定される。
【００３９】
【発明の効果】本発明は、内部通路と外部鋳肌の間の改
良壁厚制御で鋳物を製造する方法であって、前記鋳物中
の前記内部通路を形成するような形状を成す外面と、コ
アろう引き／脱ろう、モールド焼成、モールド予熱、及
び、鋳造材鋳込み等の種々の理由により成形キャビティ
に対する基本コア構造体の所定の関係及び（又は）実験
判定関係から焼狂いされやすい前記コア外面の臨界応力
領域（例えば、熱応力領域及び（又は）物理的応力領
域）から延出する複数の一体成形の突起（例えば、バン
パー）と、を有するコアを形成するステップを含む方法
を意図する。前記コア突起は、モールド壁厚制御に必要
とされるような応力領域に存在する。当該コア突起は、
最終鋳物の内部通路表面を形成するコア外面に存在する
が、以後トリミング、あるいは、研削される鋳物領域に
は存在しない。
【００４０】通常、上述した所定の関係は、技術プリン
ト公差に基づくものであり、一方、前記実験判定関係
は、所要のコア対成形キャビティの関係を表す鋳込み試
験に基づく。
【００４１】前記コアは、成形キャビティを区画する堅
固な壁に前記突起を係合させることによって原型成形キ
ャビティ中に位置決めされ、前記コアは、かかる係合に
よって、前記コアの基本コア構造体からの初期焼狂いに
拘らず基本コア構造体と成形キャビティの間の所定の関
係及び（又は）実験判定関係にほぼ適合されるようにな
っている。次に、前記コアが上記関係に合わせて支持さ
れながら、被形成鋳物と一致する不堅牢な原型が前記コ
ア外面の周りに成形され、これによって、前記原型の壁
厚が前記コアを中心に制御される。前記突起の外端は、
当該外端が前記成形キャビティ壁に係合する箇所で成形
済み原型に貫設又は僅かに埋設させることが望ましい。
【００４２】コアずれ（即ち、コアの焼狂い及び（又
は）変位）が発生する場合に前記突起が前記セラミック
シェルモールドに係合することができるように、前記セ
ラミックシェルモールドが前記原型と前記コアに纏着さ
れる。次に、前記コアが、基本コア構造体と原型成形キ
ャビティの間に予め設定された上述関係に従って前記突
起によってシェルモールドキャビティ中に位置決めされ
た状態に保たれながら、成形された原型材が前記纏着シ
ェルモールドから抜出され、これによって、鋳込金属の
壁厚が制御される。次に、溶融金属が、前記シェルモー
ルドキャビティ中に鋳込み、あるいは、導入されるとと
もに、当該キャビティ中の前記コアの周りで固化され
る。通常、前記シェルモールドと前記コアは、鋳造に必
要なシェル強度になるように焼成されるとともに、前記
シェルモールドキャビティ中の溶融金属の鋳造と固化に
備えて高温に予熱される。前記金属が固化された後、前
記シェルモールドと前記コアは、この鋳物を解放すべく
従来の方法で取り外される。前記鋳物は、前記突起が以
前常駐した箇所で前記内部通路と連通する複数の穴を前
記鋳物の壁に内設することができる。当該穴のサイズ
は、コアの突起形状、コアの曲り、及び、コアずれによ
って、（初期焼狂いされてない正確なコアの場合）直径
零インチから直径０．０１２インチ以上まで変えること
ができる。
【００４３】コアを原型成形キャビティ中に位置決めす
るとともにコアをシェルモールドキャビティ中に最終的
に位置決めするために前記コアに一体成形される突起を
使用することによって、被形成鋳物の壁厚制御が相当向
上する。実際、コア突起によって、壁厚公差は、１）先
ず、コアを、原型成形キャビティと、従って被成形原型
と、に対して適正な位置に位置決めすることと、２）原
型取外し、モールド予熱、及び、溶融物鋳込みの間（原
型の周りに形成される）モールドに対するコアずれを最
小限に抑えることと、によって減少する。
【００４４】更に、コアの外面に一体成形される突起を
使用することによって、鋳造壁に隆起金属が無くなると
ともに、これによって、余剰金属を切削するために鋳造
壁を機械仕上げ（例えば、研削、ブラスト、又は、殴
打）する、あるいは、別の方法で更に処理する必要がな
くなる、及び（又は）、大々的に低減する。取り外され
る突起によって鋳造壁中に残される穴は、どれも鋳造性
能の点で許容範囲内である。
【００４５】本発明は、コア製造で用いられるコア硬化
処理の結果、ある程度の焼狂い（例えば、曲り）を１つ
以上の領域でほぼ常時呈する薄肉のセラミックコアを、
許容壁厚制御を行う鋳物製造に使用することができると
いう利点がある。また、モールド／金属の温度や金属流
動等のコア寸法不良に影響するような他の処理要素が、
本発明によって適合される利点がある。上記改良点と利
点の結果、本発明によって、鋳物を製造する全体のコス
トが削減されるとともに、制御壁厚の観点から更に高品
質の鋳物が得られる。前記鋳物の壁厚は、今まで達成可
能な公差よりも更に厳しい公差に制御することができ
る。
【００４６】特に、本発明の方法は、１つ以上の内部冷
却通路を内設するタービン翼形鋳物（例えば、ブレード
又はベーン）の製造に有用である。かかる翼形の製造で
は、焼成セラミックコアは、翼形鋳物中に所望の冷却通
路（複数）を形成するような形状の外面を有するように
形成されるとともに、使用される種々の処理要素のため
基本コア構造体から焼狂いされやすい前記コア外面の薄
肉領域から延出する複数の一体形成の突起を含む。前記
コアは、前記成形キャビティを区画する堅固な壁に前記
突起を係合させることによって、翼形と一致する形状を
有する原型成形キャビティ中に位置決めされ、前記コア
は、前記コアの基本コア構造体からの焼狂いに拘らず前
記基本コア構造体と前記成形キャビティの間の所定の関
係及び（又は）実験判定関係に適合されるようになって
いる。前記コアが前記突起によって上記関係に保持され
ながら、不堅牢な（例えば、ろう）翼形状原型が前記コ
ア外面の周りに成形され、これによって、前記原型の壁
厚が前記コアを中心に制御される。コアずれが生じる場
合に前記突起がセラミックシェルモールドに係合するこ
とができるように、前記セラミックシェルモールドが前
記原型と前記コアに纏着され、次に、前記コアが、前設
定された関係に従って前記突起によって翼形状シェルモ
ールドキャビティ中に位置決めされた状態に保たれなが
ら、前記原型が纏着シェルから抜出される。次に、溶融
金属が、前記シェルモールドキャビティ中に鋳込みされ
るとともに前記キャビティ中の前記コアの周りで固化さ
れ、翼形鋳物が形成される。
【００４７】本発明の１実施例では、コアは、セラミッ
クスラリーを基本コア構造体に造形するとともに、造形
されたコア構造体を、当該構造体に強度を付与すべく高
温で焼成することによって形成される。前記コア構造体
の焼成によって、前記コア構造体の１つ以上の領域が、
前記基本コア構造体からの焼狂いを呈する。前記コアが
原型成形キャビティに内設されると、（複数の）焼狂い
領域が、（コア・ダイ・キャビティ・ブロックに相当す
る）前記基本コア構造体と整合される。
【００４８】本発明の別の実施例では、多重層のシェル
モールドが構築されるようにセラミックスラリーとセラ
ミックスタッコを原型に順次塗布することによって、セ
ラミックシェルが前記原型に纏着される。
【００４９】また、本発明は、内部通路を有する鋳物を
製造するアセンブリと、前記アセンブリを製造する方法
と、を意図するものであり、この場合、前記アセンブリ
は、溶融金属を収容する金属鋳込（モールド）キャビテ
ィを区画するシェルモールドと、前記鋳込キャビティに
内設されるセラミックコアと、を具備するとともに、前
記コアは、前記鋳物中の前記通路を形成するような形状
を成す外面と、コアずれ（コアの焼狂い又は変位）の場
合に前記シェルモールドと係合するとともに鋳造作業中
に前記コアを前記モールド中に位置決めして前記モール
ド中に形成される鋳物の壁厚を制御するために、成形キ
ャビティに対する基本コア構造体の上記所定の関係及び
（又は）実験判定関係から焼狂いされやすい前記外面の
領域から延出する複数の一体形成の突起と、を有する。
【００５０】更に、本発明は、モールドに内設されるセ
ラミックコアを意図するものであり、この場合、前記コ
アは、鋳物中の通路を形成するような形状を成す外面を
含むとともに、鋳造壁厚の制御目的で所定の関係及び
（又は）実験判定関係で鋳造作業中に前記モールド中に
前記コアを位置決めすべく、焼狂いされやすい前記外面
の領域から延出する複数の一体形成の突起を有する。前
記コアは、翼形中の冷気通路を形成するような形状を成
すものが望ましい。
【００５１】更に、本発明は、コアを変位させるモール
ド／金属の温度に晒される、曲りを伴わないセラミック
コアの突起の使用を意図するものである。また、かかる
温度は、比較的厚肉のコア部分の寸法安定性に悪影響を
与えることがある。当該部分の突起によって、かかる条
件下で鋳造壁厚制御が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に基づいて製造される中空鋳
造タービンブレードの略部分側断面図である。
【図２】図１の鋳造ブレードを製造する場合に使用され
る、本発明の１実施例に基づくセラミックコアの概略図
である。
【図３】Ａは、図２のコアの一方側（例えば、凹面側）
の略部分正面図である。Ｂは、図２のコアの他方側（例
えば、凸面側）を示すＡと同様の略部分正面図である。
【図４】鋳物中の内部通路を形成するような形状を成す
コア外面に一体形成されるコア突起又はバンパーの部分
断面図である。
【図５】原型成形キャビティ中に位置決めされるコアの
略横断面図である。
【図６】原型がコアの周りに成形された後の図５と同様
の略横断面図である。
【図７】セラミックシェルモールドがコアに纏着された
後で、且つ、原型が前記シェルモールドから選択的に取
り外された後のコアを示す略断面図である。
【図８】鋳物の外壁厚さ及び複数の内壁厚さを制御す
る、本発明の別のコア実施例を示す略断面図である。
【図９】本発明に基づいて製造される中空鋳造タービン
ブレードの部分縦断面図である。
【符号の説明】
１０ 翼形 １１ 穴 １２ 内部冷却通路 １４ 付根 １５ 開口 １６ 翼形 １７ リブ ２０ コア ２１ａ・２１ｂ 外面 ２２ バンパー（突起） ２３ 直円錐台体 ２５ 外端 ３０ キャビティ ３２ モールド ３３ 壁 ４０ 原型 ５０ モールド ５２ キャビティ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B22C 7/02,9/04,9/10 B22C 9/24,21/14

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）鋳物中の内部鋳造通路を形成するよ
    うな形状を成す外面と、成形キャビティに対する基本コ
    ア構造体の所定の関係から焼狂いされやすい前記外面の
    領域から延出する複数の一体成形の突起と、を有するコ
    アを形成するステップと、 ｂ）前記コアが前記基本コア構造体と成形キャビティの
    間の前記所定の関係にほぼ適合されるように、前記成形
    キャビティを区画する堅固な壁に前記突起を係合させる
    ことによって前記コアを前記成形キャビティ中に位置決
    めするステップと、 ｃ）前記コアが前記成形キャビティに対して前記所定の
    関係に位置決めされながら、形成される前記鋳物と一致
    する不堅牢な原型を前記コアの前記外面の周りに成形す
    ることによって、前記原型の壁厚が前記コアを中心に制
    御されるステップと、 ｄ）コア変位が以後のステップ中に発生する場合に前記
    突起がセラミックシェルモールドと係合することができ
    るように前記セラミックシェルモールドを前記原型と前
    記コアに纏着するステップと、 ｅ）前記コアをシェルモールドキャビティ中に位置決め
    された状態に保ちながら、前記原型を前記纏着シェルモ
    ールドから取り外すステップと、 ｆ）溶融金属を前記シェルモールドキャビティ中の前記
    コアの周りに固化させるステップと、から成る、前記内
    部鋳造通路と外部鋳肌の間の壁厚制御を向上させる方
    法。
  2. 【請求項２】 セラミックスラリーを前記基本コア構造
    体に成形するとともに、成形された前記基本コア構造体
    を、強度が付与されるように高温で焼成することによっ
    て、前記コアが形成される、請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記基本コア構造体の焼成によって前記
    コア構造体の薄肉領域が前記基本コア構造体からの焼狂
    いを呈する、請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 ステップｂ）において、前記形成済みコ
    アを前記成形キャビティ中に位置決めすることによっ
    て、前記焼狂い領域が強制的に前記基本コア構造体に適
    合される、請求項３の方法。
  5. 【請求項５】 ステップｃ）において、ろう型が前記成
    形キャビティ中の前記コアの周りに成形される、請求項
    １の方法。
  6. 【請求項６】 ステップｃ）において、前記原型がター
    ビン翼形の形状に成形されるとともに、前記コアが、前
    記翼形中の冷気通路を形成するような形状を成す、請求
    項１の方法。
  7. 【請求項７】 多重層シェルを構築すべくセラミックス
    ラリーとセラミックスタッコを前記原型に順次塗布する
    ことによって、前記セラミックシェルが前記原型に纏着
    される、請求項１の方法。
  8. 【請求項８】 更にステップｅ）とステップｆ）の間
    に、前記シェルを鋳込温度に予熱するステップを含む、
    請求項１の方法。
  9. 【請求項９】 前記各々の突起は直円錐台体に形成さ
    れ、先端側に半径を画定する半球形状の外端を具備す
    る、請求項１の方法。
  10. 【請求項１０】 ａ）翼形鋳物中の内部鋳造冷却通路を
    形成するような形状を成す翼形状の外面と、成形キャビ
    ティに対する基本コア構造体の所定の関係から焼狂いさ
    れやすい前記外面の領域から延出する複数の一体成形の
    突起と、を有する焼成セラミックコアを形成するステッ
    プと、 ｂ）前記コアが、前記基本コア構造体と、前記翼形と一
    致する形状を有する成形キャビティと、の間の所定の関
    係にほぼ適合されるように、前記成形キャビティを区画
    する堅固な壁に前記突起を係合させることによって前記
    コアを前記成形キャビティ中に位置決めするステップ
    と、 ｃ）前記コアが前記成形キャビティに対して前記所定の
    関係に位置決めされながら、形成される前記鋳物と一致
    する不堅牢な翼形状の原型を前記コアの前記外面の周り
    に成形することによって、前記原型の壁厚が前記コアを
    中心に制御されるステップと、 ｄ）コア変位が以後のステップ中に発生する場合に前記
    突起がセラミックシェルモールドと係合することができ
    るように、前記セラミックシェルモールドを前記原型と
    前記コアに纏着するステップと、 ｅ）前記コアを翼形状シェルモールドキャビティ中に位
    置決めされた状態に保ちながら、前記原型を前記纏着シ
    ェルモールドから取り外すステップと、 ｆ）溶融金属を前記シェルモールドキャビティ中の前記
    コアの周りに固化させるステップと、から成る、前記翼
    形鋳物の前記内部鋳造冷却通路と外部鋳肌の間の壁厚制
    御を向上させる方法。
  11. 【請求項１１】 ステップｂ）で前記形成済みコアを前
    記成形キャビティ中に位置決めすることによって、前記
    コアの焼狂い領域が強制的に前記基本コア構造体に適合
    される、請求項１０の方法。
  12. 【請求項１２】 内部鋳造通路と外部鋳肌の間の改良壁
    厚制御で鋳物を製造するモールド／コアのアセンブリの
    製法であって、 ａ）前記鋳物中の前記通路を形成するような形状を成す
    外面と、成形キャビティに対する基本コア構造体の所定
    の関係から焼狂いされやすい前記外面の領域から延出す
    る複数の一体成形の突起と、を有するコアを形成するス
    テップと、 ｂ）前記コアが前記基本コア構造体と成形キャビティの
    間の所定の関係にほぼ適合されるように、前記成形キャ
    ビティを区画する堅固な壁に前記突起を係合させること
    によって前記コアを前記成形キャビティ中に位置決めす
    るステップと、 ｃ）前記コアが前記成形キャビティに対して前記所定の
    関係に位置決めされながら、形成される前記鋳物と一致
    する不堅牢な原型を前記コアの前記外面の周りに成形す
    ることによって、前記原型の壁厚が前記コアを中心に制
    御されるステップと、 ｄ）コア変位が以後のステップ中に発生する場合に前記
    突起がセラミックシェルモールドと係合することができ
    るように前記セラミックシェルモールドを前記原型と前
    記コアに纏着するステップと、 ｅ）前記コアを前記突起によってシェルモールドキャビ
    ティ中に位置決めされた状態に保ちながら、前記原型を
    前記纏着シェルモールドから取り外すステップと、から
    成る、モールド／コアのアセンブリ製法。
  13. 【請求項１３】 ａ）溶融金属を収容する鋳込キャビテ
    ィを区画するモールドと、 ｂ）鋳物中の内部鋳造通路を形成するような形状を成す
    外面と、コア変位が発生する場合に鋳造作業中前記モー
    ルドシェルに係合するように、前記鋳込キャビティに対
    する基本コア構造体の所定の関係から焼狂いされやすい
    前記外面の領域から延出する複数の一体成形の突起と、
    を有する、前記鋳込キャビティに内設されるセラミック
    コアと、 を具備する、前記鋳物の前記内部鋳造通路と外部鋳肌の
    間の壁厚制御を向上させるアセンブリ。
  14. 【請求項１４】 前記鋳込キャビティがタービン翼形の
    形状を有するとともに、前記コアが、前記翼形中の冷気
    通路を形成するような形状を成す、請求項１３のアセン
    ブリ。
  15. 【請求項１５】 シェルモールド中に形成される鋳物中
    の通路を形成するような形状を成す外面と、前記モール
    ド中に形成される前記鋳物の壁厚を制御するために所定
    の関係で鋳造作業中に前記コア外面の位置を前記モール
    ド中に保持すべく万一コア変位が発生した場合に前記モ
    ールドに係合されるように、成形キャビティに対する基
    本コア構造体の所定の関係から焼狂いされやすい前記外
    面の領域から延出する複数の一体成形の突起と、を有す
    る、前記シェルモールドに内設されるセラミックコア。
  16. 【請求項１６】 翼形中の冷気通路を形成するような形
    状を成す、請求項１５のコア。
  17. 【請求項１７】 請求項１の方法で製造される中空鋳
    物。
  18. 【請求項１８】 請求項１０の方法で製造される中空翼
    形鋳物。
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