JP4781625B2 - インベストメント鋳造法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、インベストメント鋳造法及び装置に関する。特に、但し、非限定的に、本発明は、例えば、タービンブレードのような、翼形ブレードを製造するインベストメント鋳造法及び装置に関する。
ガスタービン業界において、タービンブレードは、冷却空気が貫通して流れるための冷却通路を備えるように製造する必要がある。一般に、タービンブレードは、ブレードが単結晶の材料にて製造されるインベストメント鋳造法により製造されている。
インベストメント鋳造法は、タービンブレードのワックス前駆体を提供し得るように母型を使用することを含む。ワックス前駆体は、スラリー中に浸漬させることによりセラミック材料にて覆われ、該セラミック材料は、硬化してインベストメント鋳型を形成する。次に、インベストメント鋳型を加熱してワックスを溶融させ、該ワックスは流れ去る。最後に、タービンブレードを形成するための溶融した金属合金材料をセラミックインベストメント鋳型内に注入し、合金材料が冷却し且つ凝固することを許容する。次に、セラミック材料を適宜な酸を使用して溶解させる。
ブレード内に通路を形成するために、母型には、最初に、ワックスがその周りに注入される冷却通路の形状に相応するセラミック中子が設けられている。ワックスが溶融して去るとき、セラミック中子が所要位置に保持されることを保証するため、白金材料で出来たピン(p−ピンと称される)をワックス前駆体内に挿入し、その端部が中子に係合するようにする。一般に、中子が所要位置に確実に保持されることを保証するため、ピンを互いに対向して対にて挿入する。
ピンが確実に配置されることを保証するため、ピンは、ワックスから突き出し、p−ピンの各々の周りで前駆体には、角錐状ワックスが提供される。
本発明の1つの側面によれば、インベストメント鋳造法にて鋳造部材の前駆体鋳造品を形成する母型が提供され、該母型は、前駆体鋳造品をその内部にて形成することのできる空間を画成する内面を有し、該内面は、前駆体鋳造品上に位置決め突起を提供する位置決め凹部を更に画成し、この前駆体鋳造品内に保持部材を挿入して、内側部材を前駆体鋳造品内に保持することができる。
好ましい実施の形態は、貫通するチャネル又は通路を有する鋳造部材を形成するインベストメント鋳造法にて使用するのに特に適している。かかる鋳造部材の一例は、ガスタービンエンジンのタービン又はコンプレッサのブレードのような翼形部材であり、チャネルは、例えば、翼形部材を冷却する気体が貫通するための導管である。かかる実施の形態において、インベストメント鋳造法にて中子部材を使用することにより空気チャネルを翼形部材に設けることができる。
前駆体鋳造品は、例えば、ワックスのような溶融可能な材料の如き、適宜な第一の除去可能な材料にて形成することができる。内側部材は、セラミック材料のような、溶解可能である適宜な第二の除去可能な材料にて形成することができる。
好ましくは、位置決め凹部は、上記面に対し横断する第一の寸法と、上記面に対しほぼ平行な第二の寸法とを有し、その第一の寸法は第二の寸法よりも小さい。このことは、好ましい実施の形態において、インベストメント鋳造法の最終段階の間、鋳造部材を形成する材料内にて歪みを拡散し、これにより、上記材料が位置決め突起の領域内で再結晶する傾を減少させるという有利な効果を有する。
望ましくは、第一の寸法は、0.2mm乃至5mmの範囲にあり、好ましくは、0.3mm乃至1mmの範囲にあるようにする。より好ましくは、第一の寸法は、実質的に0.4mmとする。
望ましくは、第二の寸法は、1mm乃至30mmの範囲にあり、好ましくは、2mm乃至10mmの範囲にあるようにする。最も好ましくは、第二の寸法は、実質的に3mmである。
1つの実施の形態において、位置決め凹部は全体として円形である。別の実施の形態において、位置決め凹部は全体として空気力学的形態とすることができる。
好ましくは、母型は、対にて配置することのできる上記位置決め凹部を複数、画成するようにする。それぞれ対の凹部の各々は、全体として対向するように配置することができる。
本発明の別の側面によれば、インベストメント鋳造法を行う間、形成すべき鋳造部材の前駆体鋳造品が提供され、該前駆体鋳造品は、鋳造部材の形態をしており、前駆体鋳造品は、主要本体と、該主要本体内の内側部材とを備えており、該主要本体は、その上に位置決め突起が設けられる外面を有し、該外面内に、保持部材を配置して内側部材を前駆体鋳造品内に保持することができ、位置決め突起は、上記面を横断する第一の寸法と、上記面に対しほぼ平行な第二の寸法とを有し、第一の寸法は第二の寸法よりも小さい。
前駆体鋳造品は、例えば、ワックスのような溶融可能な材料の如き適宜な第一の除去可能な材料にて形成することができる。内側部材は、セラミック材料のような適宜な第二の除去可能な材料にて形成することができる。
好ましくは、位置決め突起は、上記外面を横断する第一の寸法と、上記面に対しほぼ平行な第二の寸法とを有し、第一の寸法が第二の寸法よりも小さいようにする。
望ましくは、第一の寸法は、0.2mm乃至5mmの範囲、好ましくは、0.3mm乃至1mmの範囲にあるようにする。より好ましくは、第一の寸法は、実質的に0.4mmとする。
望ましくは、第二の寸法は、1mm乃至30mmの範囲、好ましくは、2mm乃至10mmの範囲にあるようにする。より好ましくは、第二の寸法は、実質的に3mmとする。
1つの実施の形態において、位置決め突起は、全体として円形することができる。別の実施の形態において、位置決め突起は、全体として空気力学的形態とすることができる。
好ましくは、前駆体鋳造品は、対にて配置することのできる上記位置決め突起を複数含んでいる。それぞれの各対の突起は、全体として互いに対向するように配置することができる。
本発明の更なる側面によれば、鋳造部材を形成するインベストメント鋳造法が提供され、該インベストメント鋳造法は、母型を提供することと、該母型を使用して除去可能な材料から前駆体鋳造品を形成することと、を備え、母型は、上記前駆体鋳造品をその内部にて形成することのできる空間を画成する内面を有し、該内面は、保持部材を挿入して、内側部材を保持することができる前駆体鋳造品上に相応する位置決め突起を提供し得るように位置決め凹部を更に画成する。
好ましくは、位置決め凹部は、上記面を横断する第一の寸法と、上記面に対してほぼ平行な第二の寸法とを有し、第一の寸法が第二の寸法よりも小さいようにする。
望ましくは、第一の寸法は、0.2mm乃至5mmの範囲、好ましくは、0,3mm乃至1mmの範囲にあるようにする。より好ましくは、第一の寸法は、実質的に0.4mmであるようにする。
望ましくは、第二の寸法は、1mm乃至30mmの範囲、好ましくは、2mm乃至10mmの範囲にあるようにする。より好ましくは、第二の寸法は、実質的に3mmであるようにする。
好ましくは、位置決め突起は、上記面を横断する第一の寸法と、上記面に対しほぼ平行な第二の寸法とを有し、第一の寸法が第二の寸法よりも小さいようにする。
望ましくは、第一の寸法は、0.2mm乃至5mmの範囲、好ましくは、0.3mm乃至1mmの範囲にあるようにする。より好ましくは、第一の寸法は、実質的に0.4mmであるようにする。
望ましくは、第二の寸法は、1mm乃至30mmの範囲、好ましくは、2mm乃至10mmの範囲にあるようにする。より好ましくは、第二の寸法は、実質的に3mmであるようにする。
この方法は、保持部材を位置決め突起上に位置決めすることと、その後、保持部材を前駆体鋳造品内に挿入して、内側部材と係合するようにすることを更に含むことができる。好ましくは、前駆体鋳造品に複数の位置決め突起が設けられる場合、この方法は、それぞれの保持部材を位置決め突起の各々に位置決めすることと、保持部材の各々を前駆体鋳造品内に挿入して、内側部材と係合するようにすることを含む。
好ましくは、この方法は、前駆体鋳造品を第二の除去可能な材料内に収容して、インベストメント鋳型を形成することを含むようにする。この方法は、保持部材が前駆体鋳造品から外方に突き出し且つ、更なる除去可能な材料によって所要位置に保持されるように、保持部材を配置することを更に含むことができる。
前駆体鋳造品を形成する第一の除去可能な材料は、例えば、加熱することで除去することができる。その後、鋳造材料をインベストメント鋳型内に導入し且つ冷却することを許容することができる。上記冷却後、インベストメント鋳型を除去することができる。インベストメント鋳型は、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムから成る溶液のような、例えば、アルカリの如き適宜な浸出液内に融解させることにより除去することのできるセラミック材料で形成することができる。
次に、本発明の1つの実施の形態を単に一例として、添付図面を参照しつつ説明する。
図面の図1A乃至図1Hを参照すると、ガスタービンエンジンのタービンブレードを製造するときに使用される、インベストメント鋳造法が図示されている。該インベストメント鋳造法は、幾つかのステップを備えており、図1Aに示したように、第一のステップは、前駆体鋳造品12を形成する適宜なスチール材料で出来た母型を提供することである(図1B参照)。該母型10は、3次元的な内部鋳造空間14を画成する内面16を有している。図示した実施の形態において、空間14は、2つのタービンブレードを製造し、また、ブレードの形状に相応する2つの3次元的パターン15A、15Bを画成する。パターン15A、15Bの各々の面16は、前駆体鋳造品12上に、複数の位置決め突起20を形成する複数の位置決め凹部18を画成する。位置決め突起20の目的については、以下に説明する。
位置決め凹部18の各々は、パターン15A、15Bの内面16に対しほぼ垂直な、第一の寸法A、例えば、その深さと、面16に対しほぼ平行な第二の寸法B、例えば、その直径とを有している。図示した実施の形態において、第一の寸法Aは、実質的に0.4mmであり、第二の寸法Bは、実質的に3mmである。
パターン15A、15Bの各々は、セラミック中子17A、17Bの形態をした内側部材が設けられており、この内側部材は、最終のタービンブレードに冷却空気が流れるための通路を提供する。
矢印Aで示すように、溶融したワックス材料を母型内に注入して母型を充填し且つその内部で硬化することを許容する。ワックス材料が硬化した後、ワックス前駆体鋳造品12を母型10から除去し、また、この前駆体鋳造品12は、図2に図示するように、2つのワックス前駆体部材24A、24Bを有しており、これらワックス前駆体の各々は、形成すべきタービンブレードの正確な形状及び寸法である一部分を有する。前駆体部材24A、24Bは、直立の中心軸27に取り付けられたクロス部材25から伸びており、その目的については以下に説明する。
前駆体部材24A、24Bの各々は、主要本体29A又は29Bと、セラミック中子17A、17Bの1つとを備えている。主要本体29A又は29Bの各々は、その外面21上に複数の位置決め突起20を有している。次に、ピン22の形態をした複数の保持部材をワックス前駆体鋳造品12内に挿入するため、ピン止め装置(図示せず)が設けられる。
ピン22は、白金材料で出来ており、一般に、p−ピンと称されている。白金を選んだ理由は、白金がタービンブレードを形成するために使用される金属合金材料内にて融解するからである。ピン22の各々は、それぞれの位置決め突起20の各々のほぼ中央にてワックス前駆体鋳造品12上に配置されている。ピン22は、各々がセラミック中子17A又は17Bに係合する迄、ワックス材料中に挿入する。理解し得るように、位置決め突起20は、前駆体部材24A、24Bの各々の長さに沿って複数対にて設けられている。
ピン22の長さは、次のようにされている、すなわち、ピンが挿入された後、その外端が以下に説明する理由のため、それぞれのワックス前駆体部材24A、24Bから外方に伸びるような長さとされている。
図1Cを参照すると、ピン22を挿入した後、前駆体鋳造品12を容器26内に配置し、次に、インベストメント鋳型28をワックス前駆体鋳造品12の周りに形成する。インベストメント鋳型28は、セラミック材料で出来ており、セラミック材料のスラリーを容器26内に注入し且つワックス前駆体鋳造品12の周りにて硬化することを許容する。容器26内に注入されたセラミック材料は、セラミック中子17A、17Bを形成する材料と同様の材料である。
セラミック材料が硬化したとき、該セラミック材料を加熱し、その後、ワックスは溶融し、図1Dに矢印Bで示すようにセラミックインベストメント鋳型28から注出する。全てのワックスが除去された後、インベストメント鋳型28は、前駆体部材24A、24Bに代わって、インベストメント鋳造空間36A、36Bを画成する。ワックス前駆体鋳造品12内の位置決め突起20は、インベストメント鋳型28内に相応する第二の凹部30を提供する。相応する凹部30は、位置決め突起20と同一の形状及び寸法である。セラミック材料がピン22の端部領域の周りに形成されて、ピン22を所要位置に保持し、これにより、セラミック中子17A、17Bをそのそれぞれの位置に保持する。
クロス部材25及び中心軸27を形成した前駆体鋳造品12の部分は、今や金属合金材料が貫通して流れるための回廊状通路32及び下降導管34を提供する。
図1Eを参照すると、矢印Cで示すように、次に、タービンブレードを形成するための溶融した金属合金材料をセラミックインベストメント鋳型28内に注入する。全体として、これは、材料を下降導管34内に注入することにより行われ、次に、その材料は、回廊状通路32によってインベストメント鋳造空間36A、36Bに分配される。
溶融した金属合金材料は、中央のセラミック中子17A、17Bの各々の周りでインベストメント鋳造空間36A、36Bの各々を充填する。溶融した材料は、ピン22の各々から融解して去り、第二の凹部30とピン22の外端とにより画成された空間を充填し、ピン22の外端と形状、寸法及び位置の点にて相応する再結晶防止突起37を形成する。
図1Fを参照すると、次に、金属合金材料は結晶化することが許容され、これは、単結晶を形成するために行われる。インベストメント鋳型28にて再結晶防止凹部30により提供される、最終製品における突起37の形状は、その領域内で材料の再結晶を阻止する、すなわち、合金材料が凝固するとき、単結晶のみを形成するようにされている。
図1Gを参照すると、材料が冷却し且つ結晶化するのを許容した後、例えば、インベストメント鋳型をアルカリのような適宜な浸出液内で融解させることにより、セラミックインベストメント鋳型28を除去する。このようにして、2つのタービンブレード38A、38Bが形成され、これらのブレードは、直立部材42がそこから伸びるクロス部材40上に取り付ける。クロス部材40及び直立部材42は、回廊状通路及び下降導管34を充填した溶融材料にて形成される。ブレード38A、38Bの各々の頂部には、更なる部材44A、44Bがある。ブレード38A、38Bは、クロス部材40から除去し、更なる部材44A、44Bも除去する。次に、ブレード38A、38Bを仕上げて、不要な材料を除去して、その1つを図1Aに示した最終の仕上げブレードを得る。浸出液は、また、中央中子17A、17Bを融解させ、ブレード38A、38Bの各々に、ブレードが使用されるとき、冷却空気が貫通するための導管46A、46Bを残す。
図2を参照すると、位置決め突起20の領域内でワックス前駆体部材24Aの一部の断面図が図示されている。上述したように、ピン22はそれぞれの位置決め突起20上に配置され且つピン27の一端がセラミック中子17Aと係合する迄、主要本体29A内に挿入する。ピン22の外端領域は、それぞれの位置決め突起20から外方に突き出して、インベストメント鋳型28が形成されたとき、硬化したセラミック材料によって所要位置に保持される。
位置決め突起20の各々は、前駆体鋳造品12の面21に対しほぼ垂直な第一の寸法Aと、前駆体鋳造品12の面21に対しほぼ平行な第二の寸法Bとを有している。寸法A、Bは位置決め凹部18の寸法A、Bと同一である。
図3には、図2に示したワックス前駆体部材24Aの一部分により形成された領域内のインベストメント鋳型28が示してある。インベストメント鋳型28は、鋳造空間36Aを取り巻く(及び鋳造空間36B、回廊状通路32及び下降導管34を取り巻くが、これらは図3に図示されていない)主要部分50を備えている。第二の凹部30に配置されたピン22は、セラミック中子17Aを所要位置に保持する一方、ピン22は、主要部分50のセラミック材料によって所要位置に保持されている。第二の凹部30は、位置決め凹部18及び位置決め突起20の第一の寸法A及び第二の寸法Bと同一である第一の寸法及び第二の寸法を有している。
図4を参照すると、図3に示したインベストメント鋳型の部分により形成された領域内におけるタービンブレード38Aの1つの一部分が図示されている。ブレード38Aは、不要な材料を除去するための仕上げ前の状態で示してある。理解し得るように、再結晶化防止突起37は、インベストメント鋳型28の第二の凹部30に相応する円板形状部材の形態をしている。溶融した合金材料により融解されたピン22の外端領域に相応する突起37、54から細長い伸長部54が伸びている。
ブレード38が使用可能となる前に、細長い伸長部54を除去し、又は細長い伸長部54に加えて再結晶化防止突起37の何れかを除去することが望ましいであろう。このことは、当該技術分野にて既知の任意の適宜な手段によって行うことができる。
ワックス前駆体鋳造品12内の位置決め突起20、インベストメント鋳型28内の再結晶化防止凹部30、及びブレード37A、38Aにおける再結晶化防止突起37の寸法も存在する。
突起37の主要部分52は、円板形状部材として上記に説明した。しかし、突起37の主要部分52は任意のその他の形状とすることができ、また、1つの実施の形態において、突起は、ブレードの面を亙って空気が通るのを助けることのできる空気力学的形状とすることが可能であることが理解されよう。
このように、好ましい実施の形態において、ガスタービンエンジンのタービンブレードを製造する装置であって、製造された後、ワックス前駆体鋳造品上に角錐状の形態物を形成することに関連する従来技術の問題点を解消する装置について説明した。また、全体として、従来技術の方法よりも効率的で且つ経済的な、かかるタービンブレードを製造する方法についても説明した。
本発明の範囲から逸脱せずに、色々な改変例を具体化することができる。例えば、上記の説明において、最終製品をタービンブレードとして説明した。しかし、本発明は、中央通路を提供することが必要であり且つ、全体としてインベストメント鋳造法により形成される、その他の物品を形成するために使用可能であることが理解されよう。かかる製品の一例は、ガスタービンエンジン用のコンプレッサブレードである。また、上記の説明は、2つのタービンブレードを製造する場合にのみ関するものであるが、任意の数のタービンブレード、又はコンプレッサブレード或いは任意のその他の適宜な物品を上述の方法を使用して製造することができることが理解されよう。
上記の説明にて、特に重要であると考えられる本発明の特徴に注意が向けられように努力したが、上記に記載し且つ(又は)図面に示した任意の特許可能な特徴又は特徴の組み合わせに関する当該出願人の請求は、特に強調したか否かを問わずに、上記の説明に基づくものであることを理解すべきである。
1A乃至1Hは、インベストメント鋳造法を概略断面図で示す図である。 1A乃至1Hは、インベストメント鋳造法を概略断面図で示す図である。 1A乃至1Hは、インベストメント鋳造法を概略断面図で示す図である。 1A乃至1Hは、インベストメント鋳造法を概略断面図で示す図である。 1A乃至1Hは、インベストメント鋳造法を概略断面図で示す図である。 1A乃至1Hは、インベストメント鋳造法を概略断面図で示す図である。 1A乃至1Hは、インベストメント鋳造法を概略断面図で示す図である。 1A乃至1Hは、インベストメント鋳造法を概略断面図で示す図である。 前駆体鋳造品の一部分の拡大図である。 インベストメント鋳型の一部分の拡大概略断面図である。 最終製品の一部分の拡大概略図である。
符号の説明
10 母型
12 ワックス前駆体鋳造品
14 内部鋳造空間
15A、15B 3次元的パターン
16 内面
17A、17B セラミック中子
18 位置決め凹部
20 位置決め突起
21 主要本体の面
22 ピン
24A、24B ワックス前駆体部材
25 クロス部材
26 容器
27 中心軸
28 インベストメント鋳型
29A、29B 主要本体
30 第二の凹部/再結晶防止凹部
32 回廊状通路
34 下降導管
36A、36B インベストメント鋳造空間
37 再結晶防止突起
38A、38B タービンブレード
40 クロス部材
42 直立部材
44A、44B 更なる部材
46A、46B 導管
50 インベストメント鋳型の主要部分
52 再結晶防止突起の主要部分
54 細長い伸長部/突起
A 第一の寸法
B 第二の寸法

Claims (9)

  1. インベストメント鋳造法にて単結晶の材料で鋳造される部材の前駆体鋳造品(12)を製造する母型(10)であって、該前駆体鋳造品を内部に形成することのできる空間(14)を画成する内面(16)を有する母型において、前記内面が、保持部材(22)を挿入して内側部材(17A,17B)と係合させることのできる位置決め突起(20)を前駆体鋳造品上に提供する位置決め凹部(18)を更に画成すること、および前記位置決め凹部が、前記位置決め凹部の周囲の前記内面に対しほぼ垂直な第一の寸法(A)と、前記位置決め凹部の周囲の前記内面に対しほぼ平行な第二の寸法(B)とを有し、前記第一の寸法が前記第二の寸法よりも小さいことを特徴とする、母型。
  2. 請求項1に記載の母型において、前駆体鋳造品が、第一の除去可能な材料で製造され、前記内側部材が第二の除去可能な材料で製造されることを特徴とする、母型。
  3. 請求項1に記載の母型において、前記第一の寸法と前記第二の寸法との比が1:5乃至1:10の範囲にあることを特徴とする、母型。
  4. インベストメント鋳造法にて単結晶の材料で鋳造される部材の前駆体鋳造品(12)であって、前記鋳造される部材の形態を有し、主要本体(29A、29B)と、前記主要本体内の内側部材(17A、18B)とを備え、前記主要本体が外面(21)を有する、前駆体鋳造品において、前駆体鋳造品内の前記内側部材に係合するように保持部材(22)を内部に配置することのできる位置決め突起(20)が前記外面に設けられ、前記位置決め突起が、前記位置決め突起の周囲の前記外面に対しほぼ垂直な第一の寸法(A)と、前記位置決め突起の周囲の前記外面に対しほぼ平行な第二の寸法(B)とを有し、前記第一の寸法が前記第二の寸法よりも小さいことを特徴とする、前駆体鋳造品。
  5. 請求項4に記載の前駆体鋳造品において、前記第一の寸法と前記第二の寸法との比が1:5乃至1:10の範囲にあることを特徴とする、前駆体鋳造品。
  6. 請求項4に記載の前駆体鋳造品において、適宜な第一の除去可能な材料で製造され、前記内側部材が第二の除去可能な材料で製造されることを特徴とする、前駆体鋳造品。
  7. 鋳造部材を単結晶の材料で鋳造するインベストメント鋳造法であって、第一の除去可能な材料から前駆体鋳造品(12)を形成する母型(10)を使用して、前記母型が、前記前駆体鋳造品を内部に形成することのできる空間(14)を画成する内面(16)を有し、前記内面が、前駆体鋳造品の内側部材(17A、17B)と係合するよう保持部材(22)を挿入することのできる位置決め突起(20)を前駆体鋳造品上に提供し得るように相応する位置決め凹部(18)を更に画成すること、および前記位置決め凹部が、前記位置決め凹部の周囲の前記内面に対しほぼ垂直な第一の寸法(A)と、前記位置決め凹部の周囲の前記内面に対しほぼ平行な第二の寸法(B)とを有し、前記第一の寸法が前記第二の寸法よりも小さいことを特徴とする、インベストメント鋳造法。
  8. 請求項7に記載のインベストメント鋳造法において、保持部材を位置決め突起に配置することと、その後に、保持部材を前駆体鋳造品内に挿入して内側部材と係合させることとを更に備えることを特徴とする、インベストメント鋳造法。
  9. 請求項7に記載のインベストメント鋳造法において、前駆体鋳造品には、複数の前記位置決め突起が設けられ、それぞれの前記保持部材を前記位置決め突起の各々に配置することと、前記保持部材の各々を前駆体鋳造品内に挿入して前記内側部材と係合するようにすることとを更に備えることを特徴とする、インベストメント鋳造法。
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