JP4276403B2 - セラミックコアの処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融した金属材料の鋳造に使用する、未焼成（素地）のセラミックコアを処理する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンのほとんどの製造業者は、翼の内部冷却の効率を改善してより大きなエンジンの推力を可能とし十分な翼の耐用年数を提供する、入り組んだ空気冷却チャネルを含む進歩したインベストメント鋳造のタービン翼（即ちタービン動翼又は静翼）を評価している。内部の冷却通路は、セラミックのシェルモールドに位置決めされた一又は複数の薄い翼の形状をしたセラミックコアを使用して、鋳造翼において形成され、ここで、溶融した金属は、コア周辺の型で鋳造される。溶融した金属が固まった後、型とコアを除去して、コアが存在していた一又は複数の内部通路を備える鋳造翼を残す。
【０００３】
セラミックコアは、典型的には、セラミックの粉、有機熱硬化性及び／又は熱可塑性結合剤、及び様々な添加剤を含む可塑性のセラミック化合物を使用して作られる。セラミック化合物は、コアの金型又は型において、高温で射出成形又はトランスファー成形される。素地（未焼成）のコアが金型又は型から除去されるとき、そのコアは、典型的には、上部及び下部のとちの間に置かれ、コアの仕上げ及び評価並びに高い焼結温度での焼成の前に、周囲温度まで冷却される。
【０００４】
素地のコアは、成形及び／又は自然冷却の操作によって、コアに誘起される応力による歪みを示し得る。歪みは、歪みがちである比較的薄い断面を伴う翼後縁を有するコアの翼領域に関する特有の問題であり得る。結果として、素地のセラミックコアは、コアの生産作業において一つのコアから次のコアへ寸法の変動を示す。更に、コアの生産作業において一つのコアから次のコアへ寸法の変動が起こるように、素地のコアが、上部又は下部のとちと不適切に接触する場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、コアの歪みを減少させて寸法の公差にかなうコアの歩留まりを改善する様式で、未焼成のセラミックコアを処理する方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの実施例において、未焼成のセラミックコアを処理する方法は、成形されたコアの形状を有する未焼成（素地）のセラミックコア及び結合剤を少なくとも一つのとちに置くこと、とち及びその上の素地のセラミックコアをコンベヤーに置くこと、とち及び素地のコアを、加熱オーブンを通じて運搬して、とち及び素地のセラミックコアを、高い超周囲温度（superambient temperature）まで加熱することを含む。この様式における素地のセラミックコアの加熱は、コアをとちの表面に一致させて、コアの歪みを減少させ予め選択された寸法の公差内にコアの歩留まりを改善することを確認する。この為に、好ましくは、とち及び素地のセラミックコアを、成形された素地のコアに存在する結合剤の軟化温度以上の超周囲温度にまで加熱する。複数の素地のセラミックコアにおける各々を、コアをそれぞれのとちに置き、加熱オーブンを通じた輸送用のコンベヤーに各々のコア／とちを続々と又は隣り合わせに置くことによって処理することができる。
【０００７】
本発明の特定の実施例において、加熱オーブンを通るコンベヤーの運行速度は、とち及び素地のセラミックコアを加熱オーブンの出口の開口の最も近くで所望の超周囲温度まで加熱するように、制御される。とち及び素地のセラミックコアが周囲温度まで冷却し得るように、とち及び素地のセラミックコアを、加熱オーブンを出た後に、コンベヤーから除去する。とちが、加熱オーブンを出た後、及び周囲温度まで冷却する間に、素地のセラミックコアに熱を供給することは、加熱オーブンにおいて素地のセラミックコアを加熱する為に必要とされる時間を減少させるのに都合がよい。
【０００８】
本発明の好ましい実施例において、素地のセラミックコアを、上部のとちと下部のとちとの間に置き、上部のとちと下部のとちとの間で加熱オーブンを通じて運搬する。
【０００９】
本発明は、コア成形金型からの除去後、歪みがちである相対的に薄い断面を伴う翼後縁を有する翼領域を含む素地のセラミックコアを処理することに、限定はされないが、有益である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、従来の射出成形、トランスファー成形、又は、可塑性のセラミック化合物をコア金型若しくは型に導入する他のコア形成技術によって作られるセラミックコアの製造にのみ関する説明の目的の為に、以下に記載される。射出又はトランスファー成形されたセラミックコアを、高温のセラミックの粉末（例えば、アルミナ、シリカ、ジルコン、ジルコニア、など、粉）を含むセラミック化合物、有機結合剤（例えば、熱硬化性結合剤材料、熱可塑性又は架橋熱可塑性結合剤材料、及びその混合物）、並びに様々な添加剤を超周囲金型温度の金型へ射出することによって成形し、素地のコアを形成する。セラミック化合物を含む特定のセラミック粉末、有機結合剤、及び添加剤は、この為に使用される入手可能な従来の材料から選択され得、この発明の部分を形成しない。
【００１１】
使用することができる典型的な熱硬化性樹脂の結合剤は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙからＳＲ３６０として入手可能であり、素地のコア１０が高温（例えば、３００度Ｆ）で成形された後、軟化点又は約２００度Ｆより高い温度（例えば約２５０度Ｆ）を有する。すなわち、熱硬化性樹脂の結合剤は、コア金型又は型において成形されたセラミックコアの成形の間に、ある程度架橋し、それによって、在庫品の樹脂結合剤によって示される比較的低い値より上にその軟化温度を上昇させる。成形された素地のコア１０が、引き続き、成形されたセラミックコア１０に存在する結合剤の軟化点又は温度より高く加熱されるとき、結合剤は、素地のコア１０が、対応して内部応力を緩和し、硬質の上部及び下部のとち４０、４２の表面４０ａ、４２ａに対する上部のとち４０の重量の下で、所望のコアの構成に一致することを、可能とすると思われる。しかしながら、高い超周囲温度で軟化する他の有機結合材を、本発明を実践することにおいて使用することができるとき、本発明は、どんな特定の熱硬化性及び／又は熱可塑性樹脂の結合剤にも限定されない。例えば、米国特許第４８３７１８７号は、素地のコアを形成するコア金型への射出用の、熱可塑性ワックス系の結合剤系を含むアルミナ系のコア材料を記載しており、その特許の教唆は、ここでは参照によって組み込まれる。
【００１２】
図１及び１Ａを参照して、上部の硬質のとち４０と下部の硬質のとち４２との間に位置する、コア金型又は型（示してない）から除去された素地のセラミックコア１０を、概略的に示す。素地のコア１０を、それがまだコア金型又は型からの除去に続く高い成形温度（例えば３００度Ｆ）にあるとき、又は素地のコア１０が室温まで冷却された後、とち４０、４２の間に位置させることができる。ニッケル又はコバルトが主成分の超合金のガスタービンエンジン動翼を鋳造することに使用する素地のセラミックコア１０を、図２において説明する。コア１０は、タービン翼の鋳造において形成される内部の冷却通路の構成を有する。コア１０は、根元領域１２及び翼領域１４を含むように説明される。翼領域１４は、翼前縁１６及び歪みがちな相対的に薄い断面を有する翼後縁１８を含む。様々な構成及び寸法の開口又は溝２０を、コア１０を通じて提供し、公知の鋳造タービン翼の内側に、長い壁、曲線的な台座、及び他の特徴を形成することができる。コア１０は、タービン翼のコア技術において公知である凸側面Ｓ１及び反対の凹側面Ｓ２を含む。側面Ｓ１及びＳ２は、典型的には、リブ、台座、攪拌器などのような複雑な表面の特徴を含む。翼後縁１８は、典型的には、そる、若しくはカールするか、又は別の状態に歪む傾向がある非常に薄い縁へ次第に薄くなっている。
【００１３】
硬質の上部及び下部のとち４０、４２は、金属、プラスチック（例えば、Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＲＥＮプラスチック）、セラミック、又は他の相対的に硬質の／堅固な材料を含んでもよい。とちは、素地のセラミックコア１０のそれぞれ最も近い側面Ｓ１、Ｓ２の最も外側のプロファイル又は輪郭に対応すると共に素地のコア１０を受ける為にその側面の間に空洞を定義する、それぞれの内部のコアを受ける面４０ａ、４２ａを含む。輪郭を描いたとちの表面４０ａ、４２ａは、各々均一であり、成形されたコア１０に存在する台座、攪拌器などのような、表面の詳細を含まない。
【００１４】
本発明の方法の実施例を実践することにおいて、成形からまだ熱い間に、又は周囲温度まで冷却した後、素地のセラミックコア１０を、コア金型又は型（示してない）から除去し、下部のとち４２に置く。とちの表面４２ａと接触して、とち４２にコアを適切に位置決めすることを妨げ得るコアの表面又は側面Ｓ２における鋳ばりを削り、とち４２における素地のコアの適切な位置の選定を可能とする。コアの鋳ばりは、コア金型における型割り線に由来し得る。代わりに、下部のとち４２を、全ての位置で取り除き、コア１０に残留する全ての鋳ばりを収容することができる。次に、上部のとち４０を、従来の様式でコア１０の上端に置く。上部のとちの表面と接触してとち４０にコアを適切に位置決めすることを妨げ得るコア表面又は側面Ｓ１の鋳ばりを削り、とち４０における素地のコアの適切な位置の選定を可能とする。とち４０、４２は、図１Ａにおける、互いに一致しする一又は複数の組みの雄型及び雌型位置決めボタンＢ２、Ｂ１を含み、とちを、それらのとちの間のコア１０と共に、互いに対して確実に位置決めする。上部のとちは、この為にクランプ機構（示してない）を使用することができるが、重力によって素地のコア１０上に保持される。とちの重量、とちの材料、クランプ力のようなパラメータを、使用するセラミックコア材料及びコアを処理するパラメータに依存して、選択することができる。
【００１５】
本発明は、上部及び下部のとち４０、４２の両方と共に使用することに限定されない。例えば、コア１０が、少なくとも一つのとち、即ち下部のとち４２に置かれ支持される限り、特にセラミックコア材料が熱可塑性結合剤を含む場合に、上部のとち４０は、オプションであって、省略してもよい。
【００１６】
本発明の実施例を実践することにおいて、間にセラミックコア１０を有するとち４０、４２を、（例えばピザオーブンに類似する）電気抵抗素子加熱対流オーブンのような従来の加熱オーブン５２を通って運行する図１のエンドレスコンベヤー５０において位置決めする。オーブン５２は、図１における矢印Ａによって示されるコンベヤーの動きの方向に一列に整列した入口の開口５２ａ及び出口の開口５２ｂを含む。コンベヤーは、ローラー５３上で回転し、ローラー５３の一つ又は両方を駆動するモーター５５によって駆動される従来のエンドレス金属ベルトコンベヤーを含み得る。
【００１７】
複数の素地のセラミックコア１０における各々を、それぞれのとち４０、４２の間に素地のコアを置き図１に示すように加熱オーブン５２を通じた立て続けの輸送用のコンベヤーに各々のとち４０、４２／コアの組み立て品を置くことによって、処理することができる。とち４０、４２／コア１０を、コンベヤーにおける矢印Ａの方向に離して置き、より不変の加熱、及びコンベヤーベルト上の重量の制御を提供する。例えば、三インチ（又は他の適切な距離）の終端間の間隔を、コンベヤー５０上の隣接するとち４０、４２／コア１０の間に提供することができる。とち４０、４２／コア１０を、この同じ目的の為に、矢印Ａに垂直な横の間隔と共に、コンベヤー上に並べて置くこともできる。オーブン５２は、典型的には、最初に対流オーブンのファンを作動させ、次にコンベヤー５０を予め選択された速さまで作動させ、次にオーブンヒーターを予め選択された時間（例えば１０分）の間作動させて、オペレーターが、動くコンベヤー５０における立て続けのとち４０、４２／コア１０の積載を始める前に、所望のオーブンの内部温度を達成するスケジュールに従って、オペレータによって制御される。
【００１８】
本発明の好ましい実施例において、とち４０、４２、及びそれらのとちの間の素地のセラミックコア１０を、加熱オーブンの出口の開口５２ｂに最も近い成形された素地のセラミックコア１０に存在する、有機結合剤の軟化温度より高い所望の超周囲温度まで加熱するように、加熱オーブン５２を通じたコンベヤー５０の運行速度を、与えられたオーブンの内部温度に対して制御する。
【００１９】
例えば、図３を参照して、とち４０、４２が予め選択されたコンベヤーの速さ（例えば２インチ毎分）及び３００度Ｆのオーブンの内部温度でオーブン５２を通って並んで運搬されるときに、コア１０を受けることになるとち４０、４２の第一及び第二の組みの間にあるキャビティー（空洞）における温度を測定した。一組のとち４０、４２をコンベヤー５０の左手側で位置決めすると共に、別の組みのとち４０、４２をコンベヤー５０の右手側で位置決めした。各組のとち４０、４２の間で定義される空洞における温度を、コンベヤー５０、よってオーブン５２の左手側（黒丸の温度データ点参照）及び右手側（黒四角の温度データ点参照）に位置決めされるそれぞれ第一及び第二の組みのとち４０、４２の間の各空洞に置かれる、それぞれの熱電対によって測定した。図３は、１８分後に３００度Ｆの“ターゲット”温度に到達するまで、とちをオーブン５２を通じて運搬するとき、オーブン５２の出口の開口５２ｂの最も近くに位置するとち４０、４２に対応する、それぞれのとちの組み４０、４２の間にある各空洞における温度が、時間と共に増加することを示す。
【００２０】
与えられたオーブンの内部温度に対して、コンベヤーの速さを制御して、加熱オーブンの出口の開口５２ｂに最も近い素地のコア１０における、所望の超周囲焼きなまし温度を達成する。使用される特定のコンベヤーの速さは、オーブン５２の温度特性に依存すると思われ、コア１０及びとち４０、４２の質量及び熱伝導率を経験的に決定して、加熱オーブンの出口の開口５２ｂの最も近くで、所望の超周囲温度を提供することができる。
【００２１】
上述したとちの間の素地のコア１０に対する３００度Ｆのターゲット温度は、説明の目的の為にのみ提供され、素地のセラミックコアを成形した後に約２００度Ｆ以上の軟化温度（例えば約２５０度Ｆ）を有する上述した熱硬化性樹脂のコア結合剤（即ち、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＳＲ３６０結合剤）に対して選択された。結合剤が、成形された素地のセラミックコアに存在するときに、異なる軟化温度を有する異なる有機結合剤に対しては、他のターゲットなまし温度が選択されるかもしれない。
【００２２】
とち４０、４２／コア１０が開口５２ｂを通じてオーブン５２から出た後、とち４０、４２／コア１０が周囲温度まで冷却し得るように、それらをコンベヤー５０から除去して、テーブル５４に置く。加熱されたとち４０、４２は、テーブル５４においてそれらのとちの間にある素地のセラミックコア１０へ熱を供給する熱供給体として役立つ。とち４０、４２の使用は、コア１０をとちの大部分が冷却するよりも長く高い超周囲温度に保持すると共に、適切な形状に形成することを可能とする。
【００２３】
上述の様式における素地のセラミックコア１０の加熱は、とち４０、４２の表面４０ａ、４２ａに素地のコア１０を一致させることを援助して、コアの歪みを減少させ、コアの内部応力を緩和し、予め選択された寸法の公差内にある素地のコアの歩留まりを実質的に改善する。
【００２４】
本発明は、とち４０、４２／コア１０が加熱オーブンの出口の開口５２ｂの最も近くで所望の超周囲温度まで加熱されることに限定されない。例えば、とち４０、４２／コア１０を、それらがコンベヤー５０においてオーブン５２を通じて運搬されるとき、加熱オーブン５２内の任意の場所又は位置で結合剤の軟化温度より高い超周囲温度まで加熱することができる。しかしながら、加熱オーブンの出口の開口５２ｂの最も近くで所望の超周囲温度までのとち４０、４２／コア１０の加熱は、オーブン５２におけるとち４０、４２／コア１０の滞留時間を減少させることに都合が良く好ましい。
【００２５】
［付記］
付記（１）：結合剤を有する未焼成のセラミックコアを少なくとも一つのとちに置くステップと、前記とちと該とち上の前記素地のセラミックコアとを、加熱オーブンを通じて前記とちと前記素地のセラミックコアとを運搬するコンベヤーに置くステップと、前記加熱オーブンを通じて前記とちと前記素地のセラミックコアとを運搬して、前記とちと前記素地のセラミックコアとを高温の超周囲温度まで加熱するステップと、を含むセラミックコアを処理する方法。
付記（２）：前記とちと前記素地のセラミックコアとを、前記未焼成のコアに存在する前記結合剤の軟化温度より高い超周囲温度まで加熱する付記（１）に記載の方法。
付記（３）：前記とちと前記未焼成のセラミックコアとが前記加熱オーブンの出口の開口の最も近くに位置するとき、前記とちと前記未焼成のセラミックコアとを前記超周囲温度まで加熱するように、前記コンベヤーの運行速度を制御するステップを含む付記（２）に記載の方法。
付記（４）：前記とちと前記素地のセラミックコアとが周囲温度まで冷却し得るように、前記加熱オーブンを出た後に、前記とちと前記未焼成のセラミックコアとを前記コンベヤーから除去するステップを含む付記（１）に記載の方法。
付記（５）：前記とちは、前記加熱オーブンを出た後と周囲温度まで冷却する間とに、前記未焼成のセラミックコアへ熱を供給する付記（４）に記載の方法。
付記（６）：前記未焼成のセラミックコアは、前記超周囲温度まで加熱された後に、前記とちの表面に一致する付記（１）に記載の方法。
付記（７）：前記未焼成のセラミックコアは、上部のとちと下部のとちとの間に置かれ、前記上部のとちと前記下部のとちとの間で前記加熱オーブンを通じて運搬される付記（１）に記載の方法。
付記（８）：前記未焼成のセラミックコアは、翼領域を含む付記（１）に記載の方法。
付記（９）：前記結合剤は、熱硬化性結合剤を含む付記（１）に記載の方法。
付記（１０）：前記結合剤は、熱可塑性結合剤を含む付記（１）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実践する装置の概略の透視図である。
【図１Ａ】間に素地のセラミックコアを有する上部及び下部のとちの拡大図である。
【図２】本発明に従って処理され得る典型的な素地のセラミックコアの透視図である。
【図３】とちが加熱オーブンを通じて運搬されるとき、コンベヤーの右及び左手側における素地のセラミックコアの位置に応じて上部及び下部のとちの間で測定された典型的な温度のグラフである。
【符号の説明】
１０ 素地のセラミックコア
１２ 根元領域
１４ 翼領域
１６ 翼前縁
１８ 翼後縁
２０ 溝
４０ 上部のとち
４０ａ 上部のとちの表面
４２ 下部のとち
４２ａ 下部のとちの表面
５０ コンベヤー
５２ 加熱オーブン
５２ａ 入口の開口
５２ｂ 出口の開口
５３ ローラー
５４ テーブル
５５ モーター
Ａ コンベヤーの動きの方向
Ｂ１ 雌型位置決めボタン
Ｂ２ 雄型位置決めボタン
Ｓ１ 凸側面
Ｓ２ 凹側面

Claims (10)

1. 溶融させられた金属の材料を鋳造する際に用いる成形の後の且つ焼成の前のセラミックコアを処理する方法であって、
   少なくとも一つのとちに成形されたコアの形状を有すると共に有機の結合剤を有する焼成されてないセラミックコアを置くこと、
   加熱オーブンを通じて前記少なくとも一つのとち及び前記焼成されてないコアを搬送するコンベヤーに前記少なくとも一つのとち及びその上の前記焼成されてないセラミックコアを置くこと、
   前記焼成されてないセラミックコアの歪みを低減するために前記結合剤を軟化させることに有効な前記結合剤の軟化温度以上の高温まで前記少なくとも一つのとち及び前記焼成されてないセラミックコアを加熱するように前記加熱オーブンを通じて前記少なくとも一つのとち及び前記焼成されてないセラミックコアを搬送すること、並びに、
   周囲の温度まで冷却するために前記オーブンから前記少なくとも一つのとち及び軟化させられた有機の結合剤を有する前記焼成されてないセラミックコアを取り除くこと
   を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記少なくとも一つのとち及び前記焼成されてないセラミックコアが、それらが、前記加熱オーブンの出口の開口に近接して位置させられるとき、前記高温まで加熱されるようにコンベヤーの運行の速度を制御することを含む、方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   前記少なくとも一つのとちは、前記加熱オーブンからの取り除きの後に、且つ、周囲の温度まで冷却する間に、前記焼成されてないセラミックコアへ熱を供給する、方法。
4. 請求項１に記載の方法において、
   前記焼成されてないセラミックコアは、前記高温まで加熱されることによって、前記少なくとも一つのとちの表面に合致する、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、
   前記焼成されてないセラミックコアは、上部のとちと下部のとちとの間に置かれると共に、前記上部のとちと前記下部のとちとの間において前記加熱オーブンを通じて搬送される、方法。
6. 請求項１に記載の方法において、
   前記焼成されてないセラミックコアは、翼型の領域を含む、方法。
7. 請求項１に記載の方法において、
   前記結合剤は、熱硬化性の結合剤を含む、方法。
8. 請求項１に記載の方法において、
   前記結合剤は、熱可塑性の結合剤を含む、方法。
9. 溶融させられた金属の材料を鋳造する際に用いる成形の後の且つ焼成の前のセラミックコアを処理する方法であって、
   ａ）前記焼成されてないセラミックコアの歪みを低減するために前記結合剤を軟化させることに有効な前記結合剤の軟化温度以上の高温まで加熱オーブンにおいて少なくとも一つのとちにおける成形されたコアの形状を有すると共に有機の結合剤を有する焼成されてないセラミックコアを加熱すること、並びに、
   ｂ）周囲の温度まで冷却するために前記オーブンから前記少なくとも一つのとち及び軟化させられた有機の結合剤を有する前記焼成されてないセラミックコアを取り除くこと
   を含む、方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    前記焼成されてないセラミックコアは、翼型の領域を含む、方法。

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