JP3794993B2 - 一方向凝固翼成型用鋳型及びこの鋳型を用いた一方向凝固翼製造方法及び一方向凝固翼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン、ジェットエンジンなどのように、高温雰囲気で用いられるタービンに備えられるタービン翼及びその製造方法に関するもので、特に、柱状晶である結晶粒の成長方位が同一方向となる一方向凝固翼及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、タービンの入口ガス温度を高くすることで、タービンの性能向上を図ることができるので、このように入口ガス温度を高くしても使用可能なタービンが研究・開発されている。このような高温度雰囲気にて使用可能な強度を備えるように、タービン翼の材料には、Ｎｉ基超合金やＣｏ基超合金などが用いられる。更に、高温強度の耐久性を向上させるために、応力の生じる方向に結晶成長を制御し、柱状晶が翼長手方向に並んだ一方向凝固翼となるタービン翼が使用される。
【０００３】
この一方向凝固翼となるタービン翼の製造方法において、一般的に、図８のような装置が使用される。図８の装置では、その外周に誘導コイル１０２が巻き付けられた耐火物炉体１０１の内部に、翼成型用鋳型１０５が配置されている。この翼成型用鋳型１０５は、軸１１２によって不図示の昇降機からの動力が伝えられ、上下に移動させられる。又、翼成型用鋳型１０５の底部に、冷却セッターとしての水冷銅板１０８が取り付けられている。
【０００４】
そして、翼成型用鋳型１０５が耐火物炉体１０１の最上部に位置するように昇降機によって移動させられると、耐火物炉体１０１の蓋部中央に開口している注湯口１０４を通じて、翼成型用鋳型１０５内に熔解炉１０６内の溶融金属１０７が供給される。このとき、耐火物炉体１０１の内面に設けられたサセプタ１０３から熱線が放射されて、翼成型用鋳型１０５が輻射エネルギーを受けて加熱される。
【０００５】
そして、この溶融金属１０７が供給された翼成型用鋳型１０５が、所定の速度で下降されると、下方から柱状晶の結晶化が開始し、この柱状晶が下方から上方に徐々に成長する。そして、液相１０９と固相１１０との固液界面１１１が上昇して、一方向凝固柱状晶からなるタービン翼が形成される。即ち、図９のような構成のタービン翼が、チップ部１→プロファイル部２→プラットフォーム部３→セレーション部４の順に結晶化されることで形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図８のような装置を用いて凝固させたとき、最初に凝固が開始するチップ部１においては、図１０のように結晶粒の本数が多い。しかしながら、結晶の＜００１＞方向が翼長手方向と平行でなく幾分ずれている一部の結晶粒１２２は、結晶の＜００１＞方向と翼長手方向が平行である結晶粒１２１と比べて翼長手方向への結晶成長速度が遅くなるため、結晶粒１２１が優先的に成長し、結晶粒１２２は消失してしまう。よって、プロファイル部２から更にプラットフォーム部３になると、更に結晶粒の本数が減少してしまう。
【０００７】
このように、結晶粒の本数が少ないと、タービン翼の強度が低下してしまう問題が生じる。特に、プラットフォーム部３においては、その形状が複雑となるため、最適な結晶粒の本数を保たせることが困難である。又、プラットフォーム部３は、チップ部１やプロファイル部２と比べて、その断面積が広いため、結晶粒の本数を多くする必要がある。このようなことより、大型であり且つ形状が複雑となるタービン翼全体において、最適な結晶本数となるものを製造することは困難であり、製造歩留まりが悪い。
【０００８】
このような問題を鑑みて、本発明は、結晶粒の本数を最適な値に保たせることのできる一方向凝固翼を製造するための一方向凝固翼成型用鋳型を提供することを目的とする。又、この一方向凝固翼成型用鋳型を用いて一方向凝固翼を製造する一方向凝固翼製造方法及び製造された一方向凝固翼を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の一方向凝固翼成型用鋳型は、内面がヒータで覆われた耐火物炉体内部に設置されるとともにその底部に水冷銅板が取り付けられ、前記耐火物炉体の蓋部に設けられた注湯口より溶融金属が流し込まれた後、前記耐火物炉体の底部より前記耐火物炉体外部に出されることによって、翼部とプラットフォーム部とを備えるとともに高温雰囲気で使用される一方向凝固翼を成型する一方向凝固翼成型用鋳型において、前記翼部を成型する翼成型部の上部に設けられる前記プラットフォーム部を成型するプラットフォーム成型部の底部において、前記翼成型部の周囲に、前記一方向凝固翼を構成する複数の結晶粒の主な成長方向と同一方向に突起した結晶核生成部を複数備えることを特徴とする。
【００１０】
このようにすることで、翼長手方向に結晶粒を成長させることによって一方向凝固翼を形成する際、翼長手方向に突起した結晶核生成部に結晶核が生成されて、この結晶核を起点として発生する結晶粒を翼長手方向に成長させることができる。よって、結晶粒の本数が減少するプラットフォーム部において、結晶粒の補充をすることができる。
【００１１】
このとき、請求項２〜請求項４に記載するように、前記結晶核生成部の形状を柱状又は錘状又は半球状にする。前記結晶核生成部の形状を柱状又は球状としたとき、その底面を円又は多角形とする。尚、前記結晶核生成部の形状を四角柱としたときは、核結晶核生成部が辺同士で接することがないように形成される。
【００１２】
又、請求項５に記載するように、前記結晶核生成部の内面に、多結晶生成を促進する接種材を塗布又は含浸して、結晶核が発生しやすくなるようにしても構わない。このとき、前記結晶核生成部が柱状のときは、請求項６のように、前記結晶核生成部における底部の内面に接種材を塗布又は含浸する。又は、前記結晶核生成部が錘状又は半球状のときは、請求項７のように、前記結晶核生成部の高さをｈとするとき、その先端から１／３ｈ〜１／２ｈまでの範囲における内面に接種材を塗布又は含浸する。
【００１３】
請求項８に記載の一方向凝固翼製造方法は、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の一方向凝固翼成型用鋳型を前記耐火物炉体内部に設置し、当該一方向凝固翼成型用鋳型に、前記溶融金属を流し込む工程と、当該一方向凝固翼成型用鋳型を、前記耐火物炉体の底部より前記耐火物炉体外部に出すことによって、前記一方向凝固翼を前記翼部から順に凝固して、前記一方向凝固翼を成型する工程と、成型した前記一方向凝固翼の前記プラットフォーム部表面に形成される前記結晶核生成部による複数の突起部を切断又は切削して除去する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に記載の一方向凝固翼は、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の一方向凝固翼成型用鋳型によって成型された後、前記結晶核生成部によって成型された複数の突起部が除去されることで製造されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における一方向凝固翼となるタービン翼の製造時に利用する翼成型用鋳型の構成を示す外観斜視図である。
【００１６】
図１の翼成型用鋳型１０は、図９のタービン翼におけるチップ部１及びプロファイル部２による翼部を形成するための翼成型部１１と、タービン翼におけるプラットフォーム部３を形成するためのプラットフォーム成型部１２と、タービン翼におけるセレーション部４を形成するためのセレーション成型部１３と、プラットフォーム成型部１３の底部における翼成型部１１が設けられた部分の周囲に設けられた複数の結晶核生成部１４と、を有する。
【００１７】
この翼成型用鋳型１０は、従来と同様、図８と同様の装置に用いられる。即ち、図８における翼成型用鋳型１０５の代わりに、図１の翼成型用鋳型１０が用いられる。このとき、図９のタービン翼のチップ部１から順に凝固させて形成するため、翼成型用鋳型１０の各部分は、下から、翼成型部１１、プラットフォーム成型部１２、セレーション成型部１３の順に構成される。
【００１８】
又、翼成型用鋳型１０の下方向から見た図２の下面図のように、プラットフォーム成型部１２の底面の中心部分に、翼成型部１１が設けられ、この翼成型部１１の周囲全面に、複数の結晶核生成部１４が設けられる。このプラットフォーム成型部１２の底部に設けられる複数の結晶核生成部１４は、その形状が円錐となるように構成されるとともに、その高さ方向が翼長手方向とされる。
【００１９】
このように構成された翼成型用鋳型１０が、図８の装置において、翼成型用鋳型１０５の代わりに用いられたとき、まず、翼成型用鋳型１０が耐火物炉体１０１の最上部に配置されるとともに、注湯口１０４を通じて、溶解炉１０６内の溶融金属１０７が流し込まれる。このとき、翼成型用鋳型１０は、耐火物炉体１０１内面のサセプタ１０３から放射された熱線によって加熱されている。
【００２０】
そして、溶解金属１０７が注ぎ込まれた翼成型用鋳型１０は、翼成型用鋳型１０の底部より水冷銅板１０８によって冷却されるとともに、所定の速度で下降されると、翼成型用鋳型１０の下方から耐火物炉体１０１の外部に出るため、耐火物炉体１０１の外部に出た部分が大気放冷する。よって、翼成型用鋳型１０内に注ぎ込まれた溶解金属１０７は、下方から順に凝固して、翼長手方向の柱状晶の結晶化が開始して、柱状晶である結晶粒が下方から上方に徐々に成長し、液相１０９と固相１１０との固液界面１１１が上昇して、一方向凝固柱状晶からなるタービン翼が形成される。
【００２１】
このように、下方から順に、翼長手方向に成長する結晶粒３１が形成されるとき、図３のタービン翼の断面図のように、結晶の＜００１＞方向と翼長手方向が平行でなく幾分ずれている結晶粒３２も形成される。この結晶粒３２は、結晶粒３１と比べて、翼長手方向への成長速度が遅くなるため、プロファイル部２などで消滅する。このように、翼成型用鋳型１０が下方に移動されると、結晶粒の結晶化が進むとともに、その本数が減少していく。
【００２２】
このように、タービン翼の凝固が進むとともに結晶粒の本数が減少していくが、結晶核生成部１４が耐火物炉体１０１の外部に出て大気放冷されると、結晶核生成部１４の先端部１４ａにおいて、結晶核が形成されて、この形成された結晶核を起点とする結晶粒３３，３４の結晶化が開始する。このとき、結晶粒３３の＜００１＞方向が翼長手方向と平行であり、結晶粒３４の＜００１＞方向が翼長手方向と平行でなく幾分ずれているとする。よって、この結晶粒３４については、結晶粒３２と同様、結晶粒３１，３３と比べて、翼長手方向への成長速度が遅くなるため消滅する。
【００２３】
このように、結晶核生成部１４より新たに柱状晶が生成されるため、プラットフォーム部３においては、結晶粒の本数が増加することとなる。よって、プロファイル部２で粗となった結晶粒の本数を、結晶核生成部１４によって、プラットフォーム部３において密とすることができる。
【００２４】
このようにして、翼成型用鋳型１０を用いてタービン翼が形成されるとき、その形成されたタービン翼が、図４のような構成となる。即ち、セレーション部４の上部に設置されたプラットフォーム部３の表面において、チップ部１を先端にするとともにチップ部１とプロファイル部２で構成される翼部の周囲全面に、円錐状の突起部５が形成される。この複数の突起部５は、切断又は切削されることによって除去し、図９と同一の構成のタービン翼が製造される。
【００２５】
尚、本実施形態において、結晶核生成部１４の形状を円錐状としたが、その底面が多角形となる多角錘状としても構わない。このように多角錘状とした場合においても、先端部を下方とし、多角形の底面をプラットフォーム部３の底部に接するように、結晶核生成部１４が設置される。又、本実施形態において、結晶核生成部１４が互いに接するように構成するようにしても構わない。このとき、プラットフォーム部３の底部に結晶核生成部１４を多数形成することができるので、結晶粒を多く発生させることができ、製造されたタービン翼の強度を高めることができる。
【００２６】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図５は、本実施形態における一方向凝固翼となるタービン翼の製造時に利用する翼成型用鋳型の構成を示す外観斜視図である。尚、図５の翼成型用鋳型において、図２と同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２７】
図５の翼成型用鋳型１０ａは、第１の実施形態における翼成型用鋳型１０（図１）と異なり、結晶核生成部１５の形状が円柱とされる。この結晶核生成部１５以外の部分については、第１の実施形態と同様である。又、この結晶核生成部１５は、図２の結晶核生成部１４と同様、結晶核生成部１５が耐火物炉体１０１から外部に出たとき、結晶核生成部１５の底面１５ａに結晶核が形成される。そして、この結晶核を起点に、柱状晶である結晶粒が発生するため、タービン翼のプラットフォーム部３において、結晶粒の本数を増やすことができる。
【００２８】
このように、図５の翼成型用鋳型１０ａによって形成されたタービン翼には、プラットフォーム部３の表面において、チップ部１及びプロファイル部２による翼部の設置面以外の部分全面に、円柱状の突起部が形成される。よって、プラットフォーム部３の表面に形成された円柱状の突起部が切断又は切削されて除去されることで、図９と同一の構成のタービン翼が製造される。
【００２９】
尚、本実施形態において、結晶核生成部１５の形状を円柱状としたが、その底面が多角形となる多角柱状としても構わない。尚、多角柱のうち、四角柱としたとき、結晶核生成部１５が互いに接することのないように形成するか、又は、頂点同士で接するようにして形成する。これは、辺同士が接するように形成した場合、プラットフォーム成型部１２を厚くしたことと変わりがないためである。又、結晶核生成部１５の形状を四角柱以外の多角柱及び円柱としたとき、結晶核生成部１５が互いに接するように構成するようにしても構わない。
【００３０】
本実施形態のように、結晶核生成部１５を柱状とすることによって、結晶核が発生する底面１５ａの面積が、第１の実施形態の先端部１４ａに比べて広くなるので、結晶核生成部１５で発生する結晶核が増加するとともに、この結晶核を起点とする結晶粒の本数を増加させることができる。よって、第１の実施形態と比べて、プラットフォーム部３における結晶粒の本数を増加させることができる。
【００３１】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態における一方向凝固翼となるタービン翼の製造時に利用する翼成型用鋳型の構成を示す外観斜視図である。尚、図６の翼成型用鋳型において、図２と同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３２】
図６の翼成型用鋳型１０ｂは、第１の実施形態における翼成型用鋳型１０（図１）と異なり、結晶核生成部１６の形状が半球とされる。この結晶核生成部１６以外の部分については、第１の実施形態と同様である。又、この結晶核生成部１６は、図２の結晶核生成部１４と同様、結晶核生成部１６が耐火物炉体１０１から外部に出たとき、結晶核生成部１６の底面１６ａに結晶核が形成される。そして、この結晶核を起点に、柱状晶である結晶粒が発生するため、タービン翼のプラットフォーム部３において、結晶粒の本数を増やすことができる。
【００３３】
このように、図６の翼成型用鋳型１０ｂによって形成されたタービン翼には、プラットフォーム部３の表面において、チップ部１及びプロファイル部２による翼部の設置面以外の部分全面に、半球状の突起部が形成される。よって、プラットフォーム部３の表面に形成された半球状の突起部が切断又は切削されて除去されることで、図９と同一の構成のタービン翼が製造される。
【００３４】
本実施形態のように、結晶核生成部１６を半球状とすることによって、第１の実施形態のような錘状や第２の実施形態のような柱状と比べて、破損を抑えることができるとともに、鋳型作製を容易にすることができる。
【００３５】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図７は、本実施形態における一方向凝固翼となるタービン翼の製造時に利用する翼成型用鋳型の構成を示す断面図である。尚、図７の翼成型用鋳型において、図２と同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３６】
図７の翼成型用鋳型１０ｃは、第１の実施形態における翼成型用鋳型１０（図１）と異なり、結晶核生成部１４内面に、アルミン酸コバルト等の多結晶生成の促進作用がある接種材１７が塗布又は含浸される。このとき、結晶核生成部１４の先端から底面までの高さをｈとすると、結晶核生成部１４の先端から１／３ｈ〜１／２ｈまでの範囲ｄにおいて、接種材１７が塗布又は含浸される。この結晶核生成部１４の内面に塗布又は含浸された接種材１７以外の部分については、第１の実施形態と同様である。
【００３７】
そして、この結晶核生成部１４は、第１の実施形態と同様、耐火物炉体１０１から外部に出たとき、先端部１４ａに結晶核が形成され、この結晶核を起点に、柱状晶である結晶粒が発生する。その後、図７の翼成型用鋳型１０ｃによって形成されたタービン翼において、プラットフォーム部３の表面に形成された錘状の突起部が除去されて、図９と同一の構成のタービン翼が製造される。
【００３８】
本実施形態のように、結晶核生成部１４の内面に接種材１７を塗布又は含浸することによって、結晶核の生成が促進されるため、結晶核生成部１４で発生する結晶核が増加するとともに、この結晶核を起点とする結晶粒の本数を増加させることができる。よって、第１の実施形態と比べて、プラットフォーム部３における結晶粒の本数を増加させることができる。
【００３９】
尚、本実施形態において、結晶核生成部の形状を第１の実施形態と同様の錘状としたが、第２又は第３の実施形態と同様、柱状又は半球状としても構わない。即ち、図５における柱状となる結晶核生成部１５の場合、その底部の内面に、接種材１７を塗布又は含浸する。又、図６における半球状となる結晶核生成部１６の場合、その高さをｈとすると、その先端から１／３ｈ〜１／２ｈまでの範囲の内面に、接種材１７を塗布又は含浸する。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によると、一方向凝固翼を構成する結晶粒の成長方向（翼長手方向）と同一の方向に突起した結晶核生成部がプラットフォーム成型部に設けられるため、この結晶核生成部で生成された結晶核を起点として発生する結晶粒を、一方向凝固翼を構成する結晶粒の成長方向と同一の方向に成長させることができる。よって、結晶粒の本数が減少するプラットフォーム部において、結晶粒の補充をすることができ、結晶粒の本数を増やすことができる。よって、製造された一方向凝固翼の強度を高めることができる。又、接種材を塗布又は含浸ことによって、結晶核の生成を促進することができるため、多くの結晶粒の発生を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態における翼成型用鋳型の構成を示す外観斜視図。
【図２】 第１の実施形態における翼成型用鋳型の構成を示す下面図。
【図３】 図１の翼成型用鋳型を用いて形成されたタービン翼における結晶粒の様子を示す断面図。
【図４】 図１の翼成型用鋳型を用いて形成されたタービン翼の外観斜視図。
【図５】 第２の実施形態における翼成型用鋳型の構成を示す外観斜視図。
【図６】 第３の実施形態における翼成型用鋳型の構成を示す外観斜視図。
【図７】 第４の実施形態における翼成型用鋳型の構成を示す断面図。
【図８】 一方向凝固翼の製造方法に用いる装置の概要を示す断面図。
【図９】 タービン翼の外観斜視図。
【図１０】 従来の翼成型用鋳型を用いて形成されたタービン翼における結晶粒の様子を示す断面図。
【符号の説明】
１ チップ部
２ プロファイル部
３ プラットフォーム部
４ セレーション部
５ 突起部
１０ 翼成型用鋳型
１１ 翼成型部
１２ プラットフォーム成型部
１３ セレーション成型部
１４〜１６ 結晶核生成部
１７ 接種材

Claims (9)

1. 内面がヒータで覆われた耐火物炉体内部に設置されるとともにその底部に水冷銅板が取り付けられ、前記耐火物炉体の蓋部に設けられた注湯口より溶融金属が流し込まれた後、前記耐火物炉体の底部より前記耐火物炉体外部に出されることによって、翼部とプラットフォーム部とを備えるとともに高温雰囲気で使用される一方向凝固翼を成型する一方向凝固翼成型用鋳型において、
   前記翼部を成型する翼成型部の上部に設けられる前記プラットフォーム部を成型するプラットフォーム成型部の底部において、前記翼成型部の周囲に、前記一方向凝固翼を構成する複数の結晶粒の主な成長方向と同一方向に突起した結晶核生成部を複数備えることを特徴とする一方向凝固翼成型用鋳型。
2. 前記結晶核生成部の形状を柱状とすることを特徴とする請求項１に記載の一方向凝固翼成型用鋳型。
3. 前記結晶核生成部の形状を錘状とすることを特徴とする請求項１に記載の一方向凝固翼成型用鋳型。
4. 前記結晶核生成部の形状を半球状とすることを特徴とする請求項１に記載の一方向凝固翼成型用鋳型。
5. 前記結晶核生成部の内面に、多結晶生成を促進する接種材を塗布又は含浸することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の一方向凝固翼成型用鋳型。
6. 前記結晶核生成部における底部の内面に、多結晶生成を促進する接種材を塗布又は含浸することを特徴とする請求項２に記載の一方向凝固翼成型用鋳型。
7. 前記結晶核生成部の高さをｈとするとき、その先端から１／３ｈ〜１／２ｈまでの範囲における内面に、多結晶生成を促進する接種材を塗布又は含浸することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の一方向凝固翼成型用鋳型。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の一方向凝固翼成型用鋳型を前記耐火物炉体内部に設置し、
   当該一方向凝固翼成型用鋳型に、前記溶融金属を流し込む工程と、
   当該一方向凝固翼成型用鋳型を、前記耐火物炉体の底部より前記耐火物炉体外部に出すことによって、前記一方向凝固翼を前記翼部から順に凝固して、前記一方向凝固翼を成型する工程と、
   成型した前記一方向凝固翼の前記プラットフォーム部表面に形成される前記結晶核生成部による複数の突起部を切断又は切削して除去する工程と、
   を備えることを特徴とする一方向凝固翼製造方法。
9. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の一方向凝固翼成型用鋳型によって成型された後、前記結晶核生成部によって成型された複数の突起部が除去されることで製造されることを特徴とする一方向凝固翼。

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