JP4057463B2 - ベースコア、加工物の鋳造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性（耐火性）金属コアおよび、このコアを冷却通路（冷却用通路）を鋳造するために使用する方法に関するものである。より詳しくは、本発明は、可動タブ（移動自在なタブ）およびベースボディからなる耐熱性金属コアを鋳造プロセスに組み込んで、冷却通路を備えた鋳造部品を形状明確に提供する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）を含むいくつかの耐熱性金属は、ニッケルおよびコバルトを基材とする超合金の一般的な鋳造温度を超える融点を有している。これらの耐熱性金属は、鋳造（鋳錬）された薄板で製造でき、あるいはタービンエンジンおよび燃焼器の冷却デザインおよび他の用途において知得された冷却チャネル特性を作るために必要な寸法で形成することができる。薄い耐熱性金属板およびフォイル（箔）は複雑な形状に折り曲げおよび成形するための十分な延性（柔軟性）を具備している。延性を増大するために、薄板およびフォイルは温度が高められる。延性はワキシング（waxing）／シェリング（shelling）／鋳造サイクルを切り抜けることができる強固なデザインを生み出すことができる。
【０００３】
耐熱性金属から形成される冷却チャネルは、この種のチャネルが組み込まれた作動部品における熱の散逸なし発散および／または除去を提供するので、外側または部品の厚さを通って内側から部品の内部に延在する所要パターンの穴を設けることは、これによって適合する冷却用流れにより熱が散逸されるので、多くの場合に好都合である。このような穴のパターンは、冷却穴のレーザドリルを含む後工程での作業において達成される。レーザドリルあるいは放電加工（Electrical Discharge Machining：ＥＤＭ）による冷却チャネル／穴の作り直しないし再鋳造は、早期クラック形成および耐久性低下を助長する。加えて、このような穴開けにより作られた冷却通路の断面形状を変えることは困難である。作動部品の異なる領域は異なる力および熱特性を受けることから、部品の異なる領域内に開けられた冷却通路の断面形状を変えることは好ましいことである。
【０００４】
さらに、多くの部品の複雑な形状は、穴開けにより到達することは困難ないし不可能である領域をもたらすので、現段階においては有意義な冷却を提供することは困難であった。このような領域は、非限定的ではあるが、取付用スタッド／フックと燃焼器のパネルの露出面との間、レール近傍、構成部品端部、およびグロメットが含まれる。
【０００５】
同様に、特別仕様の冷却が望ましい。冷却効率を増大する可能性に加えて、このような特別仕様は、特別仕様の空力的な性能に対する機能を有する。
【０００６】
よって、熱が散逸する冷却チャネルないし穴の表面パターンを持った部品を鋳造するために耐熱性金属コアを使用する方法に対する必要性がある。理想的には、このような穴の断面形状が、穴の熱散逸および空力的な性能の品質）が部品上のそれらの配置の要件ないし要求に略対応するように構成ないし設定可能であるべきである。加えて、このような冷却チャネルを、その形状によって穴開けにより形成できない部品上に配置することに対する必要性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、加工物内に冷却通路を鋳造するための方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、加工物内に冷却通路を鋳造する際に使用されるベースコアを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、加工物を鋳造するための方法は、ベースコアに保護コーティングを施すステップを有してなり、前記ベースコアが略平らな面（平面状の広がり部分）を有してなる金属ストリップと前記金属ストリップ上に所要パターンで配置された複数のタブを有してなり、各前記タブがベース端部と末端部と前記ベース端部から前記末端部に延在するタブ軸部とを有してなり、前記タブのそれぞれが各前記タブの各前記ベース端部の周りで角度的に変位可能であり、前記ベースコアの前記タブの周りに成形材料を注入するステップを有してなり、前記ベースコアをシェル（shell）内に封入ないし包み込むステップを有してなり、前記成形材料を取り除くステップを有してなり、前記ベースコアの周りで鋳造するステップを有してなり、および前記ベースコアを取り除くステップを有してなる。
【０００９】
本発明によれば、加工物内の冷却通路を鋳造する際に使用されるベースコアは、略平らな面（平面状の広がり部分）を有してなる金属ストリップを有してなり、前記金属ストリップ上に所要パターンで配置された複数のタブを有してなり、各前記タブがベース端部と末端部と前記ベース端部から前記末端部に延在するタブ軸部とを有してなり、前記タブのそれぞれが各前記タブの各前記ベース端部の周りで単独ないし独自に角度変位が可能であり、また前記ベースコアが硬いバックコアを形成するために曲げられる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のベースコアは鋳造プロセスにおいて使用される既存の耐熱性金属コアとは、ベースコアが鋳造の予備段階において使用される金型（tooling die）の内面の形状に合致ないし適合していること、およびシェリング／鋳造プロセスの間において構造的な強度および形状を提供する点において異なるものである。さらに、以下により詳細に説明するように、本発明のベースコアは、機械的に湾曲ないし曲がるタブを有してなり、このタブは一体的に鋳造された冷却チャネルないし冷却穴を形成する。
【００１１】
構造的に硬いバックコア（back core）は、耐熱性金属からなる金属フォイルないし金属箔から形成され、切断工程（作業）を受ける。切断工程は、所要デザインのものを、レーザ加工（レーザによる機械加工）、フォトエッチングあるいは化学エッチング、直接的な鋳造または鍛造、従来的な機械加工、あるいはパンチプレスつまり押し抜きないし穴開けにより金属フォイルに切断することを含んでいる。本発明においては、このような金属フォイルから形作られた耐熱性コアは、金型の曲率（湾曲）に合致するように機械的に曲げられる。この金型の内部容積は、非制限的であって以下のものには制限されないが、燃焼器のライナ／パネル／熱シールド／燃料／燃料気化（混合気)システム／タービンエアフォイル／ベーン／空気シール／端壁部／プラットフォーム部、およびガスタービンの排気（排出）部品の形状に対応している。このように金型に一致ないし合致するように形成された耐熱性コアはベースコアを形成する。この初期の曲げプロセスは、切断工程の前、切断作業と共に、あるいは切断作業に続いて行われる。
【００１２】
切断工程の結果、幾何学的に規則正しい形状の小さなタブがベースコア内に切断され、冷却チャネルないし穴の指状のネガ（原板部）が形成される。ベースコアは部品の湾曲部を提供する構造部材として機能する。指状部はベースコアに付いたままであり、ベースコアからのタブないし材料延在部を形成するために機械的に曲げられる。これらの延在部は鋳造された部材において冷却用の通路ないし穴を形成する。好ましい実施形態において、コアのタブはフォイル材料が曲げられた後でベースコアを金型に嵌合させる前に曲げられる。従来のインベストメント鋳造においては、コアは金型内に、ワックス（蝋）のような成形材料を金型内に注入する前に据え付けられる。金型および金型内に組み込まれたコアは次いでシェリングプロセスに置かれる。成形材料は排出されて、シェル内部に空のハウジングが形成され、コアはシェルに取り付けられたままとなる。
【００１３】
鋳造プロセスの最終段階の間、材料が金型ハウジング内でベースコアの周りに注がれ、あるいは注入され、部品が形成される。注入された金属の温度は、ベースコアを部分的に酸化するのに十分な温度である。従って、例えば鋳造の間において、高温において、耐熱性金属コアの溶融および酸化を防止するために、コアのプリフォームつまり予備成形物に保護コーティングが施される。好ましい実施形態において、保護コーティングは、非限定的であるが、セラミックを含む。本発明は、鋳造プロセスの間において金属コアの溶融および酸化を有効に防止するためにいずれかのこの種のコーティングを包含している。このコーティングはまた、部品および冷却通路／穴の表面ないし仕上げ面の品質を提供する。
【００１４】
図１（ａ）〜（ｂ）を参照して、これらの図には本発明のベースコア１０を形成する金属フォイル１９の２つの好ましい実施形態が例示されている。金属フォイル１９は繰り返しパターンで配列された複数のタブ１７を有している。各タブ１７は、ベース端部１１、末端部１３、およびベース端部１１から末端部１３に延在するタブ軸部１５を有している。図１（ａ）のタブ軸部１５は略直角に曲げられており、また図１（ｂ）のタブ１７は略直線状（線状）の構造であり、ベース端部１１から末端部１３に本質的に真っ直ぐに延在している。以下に詳しく説明するように冷却通路を形成するためにタブ１７はそのベース端部１１の周りに角度的に変位させることができるので、タブ１７の形がこれにより形成される冷却通路の形状、および空力学（空気力学）的性能および熱伝導特性を決定する。従って、本実施形態では２つの好ましいタブの形状だけについて例示したが、本発明は、所望の熱伝導特性および空気力的性能を持つ冷却通路を作るために適した何れかのタブ形状をも含むものである。
【００１５】
図１（ｃ）を参照して、この図には、各タブ１７がそのベース端部１１の周りで機械的に変位ないし曲げられた、ベースコア１０の斜視図が示されている。この結果、各タブ軸１５は、略均一な態様で、ベースコア１０の主に平らな表面から離れて延在している。なお、本発明はこのような均一な形態に限定されないことは勿論である。
【００１６】
非限定的であるが、燃焼器のライナパネルおよびタービンの熱セクション構成部品などの鋳造部品を含む、作動部品を形成するために、等軸晶、一方向凝固、および単結晶の、ニッケル超合金およびコバルト超合金が典型的に使用される。従来は、これらの構成部品は、金型内に作られたワックス製のポジ（positive）を使用して、インベストメント鋳造（つまりネガティブ重力鋳造）、あるいは制御された凝固鋳造（controlled-solidification cast）されている。金型は、収縮、ゲートおよび通気が補償された、機械加工されたアルミニウムあるいは他の材料である。金型は密閉され、また部品を形成するために通常はワックスである、成形材料が注入される。金型は次いで取り外され、またワックス部品が続いて予備コーティングおよびシェリング材料／スタッコで組み立てられ、作動部品の周りのシェルが形成される。ワックスはシェルから排出され、金属部品用の金型が形成される。
【００１７】
本発明において、金型は、コーティングされたベースコアに適合するために大きさが変更および増大される。好ましい実施形態において、ベースコアは、金型の内面と略同一面となるように金型内に置かれ、またワックスがベースコアの周りに注入される。配置を正確にする目的で、基準ピンないし穴／取付ピンないし穴を有するように金型を変更してベースコアを金型内に固定するようにしても良い。ワックス部品金型を作る他の方法は、迅速な原型手段を用いる方法も含めて、これらのベースコアに適合するように調整ないし変更できる。従来のコアを、この種のベースコアを一緒に金型内に組み込むこともできる。鋳造プロセスに次いで、コアは、化学的な取り除きないし除去、熱的な浸出（溶脱）、あるいは酸化により取り除かれる。
【００１８】
図２を参照して、この図には金型から取除きおよび続くシェリングプロセスの後であって鋳造の前の、本発明のベースコア１０の断面図が例示されている。例示したように、各タブ１７は角度θでベースコア１０から角度的に変位されている。ベースコア１０の表面には保護コーティング２１が施されている。保護コーティング２１は、金型に合致させるためにベースコア１０に何からの曲げを施す前に、ベースコア１０に施される。保護コーティング２１は、特に鋳造の間において遭遇する高温において、耐熱性金属コア１０の溶融および酸化を防止すると共に、部品に所望の面品質を与えるためのものである。
【００１９】
ベースコア１０は、構造的に硬いバックコアとして機能するために十分な剛性があるものである。本明細書において「硬いバックコア」とは、鋳造プロセスの間において形状および構造的支持を提供する構成部品を意味する。このように、本発明のベースコア１０は、硬いバックコアとして機能する。好ましい実施形態において、ベースコア１０は金型の内面と嵌合し、また成形材料はベースコア１０の内方に対向する面を被覆するように金型内に注入される。好ましい成形材料はワックスであるが、シェリングプロセスの間においてその形状を保て且つその後に取り除くことができるものであれば、いずれの材料でも良い。成形材料は、各タブ１７を囲繞する一方で各タブ１７が成形層２５を通って延在する態様で成形層２５を形成するために注入される。
【００２０】
成形材料が注入され固化した後に、成形材料は金型から取り除かれる。コーティングされたベースコア１０および囲繞する成形層２５は次いで予備コーティング層およびシェリング材料／スタッコ層が施されて作動部品の周りのシェル２３が形成され、その後にシェルは、例えば加熱により硬化される。成形層２５は次いでシェル２３から排出され、作動部品用の金型が形成される。次いで排出済みのシェル２３内に金属が注入され、またシェル２３が取り除かれて、得られた鋳造物では作動部品がベースコア１０と接触しており、複数のタブ１７が突出している。
【００２１】
図３を参照して、この図にはコアを取り除いた後の鋳造後の作動部品の斜視図が例示されている。化学的な取り除き、熱的な浸出（溶脱）、あるいは酸化（あるいはベースコアを取り除くために十分な他の適用可能な手法）などのプロセスによりベースコアが取り除かれたならば、曲げられたタブにより先に占められていた空間の容積は冷却通路を形成し、この冷却通路を経て、熱が分散されおよび冷却剤により取り除かれる。上述したように、ベースコアを形成する時に金属フォイル内に切り入れるタブの形状寸法を変えることで、冷却通路の断面特性を変化させ、および冷却通路の熱伝導特性および空力学的な性能特性を変えることができる。コアの厚さが冷却穴／通路の形状および寸法の特定における他の自由度を提供する。
【００２２】
本発明のコアは特定の部品デザインの性能要求に合致するために合わせることができる。この点において、コアは非常に小さく、薄い形状とでき、またタブは冷却性能を最適化し且つ流量損失／排気効率を制御するために曲げられる。タブは、鋳造部品を冷却する要求に合った密度および向きで、繰り返しの、所定のおよび注文通りの形状で配列される。これにより、冷却要件を低減し、および材料の温度要件を軽減ないし緩和できる。さらに、タブを曲げる手法を採ることで、現在は冷却することが困難である場所でも冷却を行うことが可能になる。このような場所は、非限定的であるが、取付スタッド／フックと燃焼器のパネルの露出面との間、レールの近傍、部品端部、およびグロメットなどである。
【００２３】
鋳造プロセスにコアを直接的に組み込んだ結果、冷却通路が作動部品に固有のものであり、冷却穴のレーザ穴開けを含む後工程操作が不必要ないし簡素化されるという特長が得られる。同様に、クラック形成および耐久性／寿命の低減を引き起こすレーザ穴開けおよびＥＤＭが原因である冷却チャネル／穴の作り直しを省くことができる。
【００２４】
さらに、自動化されたコア形成プロセスで、穴の形状の整合性ないし密度が改善される。最後に、コアはシェリングの間において強度および形状を提供する。この結果、鋳造の間において部品の形状および許容誤差を良好に維持できて、歩留まりが改善され、また鋳造後の部品の補修（再加工）が省ける。
【００２５】
以上の通り、本発明によれば、可動タブを有する耐熱性金属コアを鋳造プロセス内に組み込むことで、上記した各目的、手段および特長を完全に満たす、冷却通路付きの鋳造部品を提供できる。また上記では本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、上記の説明を参照して、他の置き換え、変更、および変形は当業者であれば自明である。従って、添付した特許請求の範囲内のこれら置き換え、変更および変形は本発明の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のコア内に形成されたタブの好ましい繰り返しパターンを示した図式的な説明図、（ｂ）は本発明のコア内に形成されたタブの他の好ましい繰り返しパターンを示した図式的な説明図、（ｃ）は角をなすように変位させたタブを備えた本発明のコアの斜視図である。
【図２】本発明のコアの鋳造前の断面図である。
【図３】本発明のコアの鋳造後の斜視図である。
【符号の説明】
１０ ベースコア
１１ ベース端部
１３ 末端部
１５ タブ軸部
１７ タブ
２１ 保護コーティング
２５ 成形層

Claims (18)

1. 加工物内の冷却通路を鋳造する際に使用されるベースコアであって、
   略平面状の広がりを有してなる金属ストリップを有してなり、
   前記金属ストリップ上に所要パターンで配置された複数のタブを有してなり、
   各前記タブが、前記金属ストリップに接続されたベース端部と、末端部と、前記ベース端部から前記末端部に延在するタブ軸部とを有してなり、
   前記タブのそれぞれが各前記タブの各前記ベース端部において単独で角度的に変位可能であり、また前記ベースコアが硬いバックコアを形成している、ことを特徴とするベースコア。
2. 前記タブ軸部が略直線状に延在している、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
3. 前記タブ軸部が、前記ベース端部の１つから前記末端部の対応するものに非直線状に延在している、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
4. 前記金属ストリップが耐熱性金属よりなる、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
5. 前記耐熱性金属が、モリブデンおよびタングステンからなるグループより選択されたものである、請求項４記載のベースコア。
6. 前記タブがレーザ加工により形成されたものである、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
7. 前記タブがフォトエッチングにより形成されたものである、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
8. 前記タブが化学エッチングにより形成されたものである、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
9. 前記タブが鋳造により直接的に形成されたものである、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
10. 前記タブが機械加工により形成されたものである、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
11. 前記タブがパンチプレスにより形成されたものである、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
12. 前記加工物が、タービン、燃焼器のライナ、パネル、熱シールド、燃料気化システム、タービンエアフォイル、ベーン、空気シール、端壁部、プラットフォーム部、およびガスタービンの排気部品からなるグループより選ばれたものである、ことを特徴とする請求項１記載のベースコア。
13. 加工物を鋳造するための方法であって、
    ベースコアに保護コーティングを施すステップを有してなり、
    前記ベースコアが略平面状の広がりを有してなる金属ストリップと前記金属ストリップ上に所要パターンで配置された複数のタブとを有してなり、各前記タブが前記金属ストリップに接続されたベース端部と末端部と前記ベース端部から前記末端部に延在するタブ軸部とを有してなり、前記タブのそれぞれが各前記タブの各前記ベース端部において角度的に変位可能であり、
    前記ベースコアの前記タブの周りに成形材料を注入するステップを有してなり、
    前記ベースコアをシェル内に封入するステップを有してなり、
    前記成形材料を取り除くステップを有してなり、
    前記ベースコアの周りで鋳造するステップを有してなり、および
    前記ベースコアを取り除くステップを有してなる、方法。
14. 前記成形物質の射出の前に前記ベースコアを金型の表面に合致させるステップ、および
    前記金型を取り除くステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記ベースコアを前記金型の前記表面と同じ面にするために曲げるステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記ベースコアを取付ピンを使用して前記金型の前記面に固定するステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記コアが硬いバックコアを形成する、ことを特徴とする請求項１３記載の方法。
18. 前記加工物が、タービン、燃焼器のライナ、パネル、熱シールド、燃料気化システム、タービンエアフォイル、ベーン、空気シール、端壁部、プラットフォーム部、およびガスタービンの排気部品からなるグループより選ばれたものである、ことを特徴とする請求項１３記載の方法。

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