JP4903310B2 - 鋳造部品を製造する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【関連出願の相互参照】
本出願は、１９９８年１１月２０日付けで出願され、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、連続番号６０／１０９，２９８の米国仮特許出願の利益を主張するものである。更に、本出願は、１９９９年５月２８日付けで出願され、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、連続番号０９／３２２，８６３の一部継続出願である。
【０００２】
【発明の背景】
本発明は、略、鋳造部品を製造する方法及び装置に関する。より具体的には、本発明の１つの実施の形態において、開始種を保持する精密鋳造用金型内で超合金を指向性凝固することにより単一鋳造結晶構造体が製造される。本発明は、ガスタービンエンジンの部品を鋳造するために開発されたものであるが、この分野以外の特定の用途が可能である。
【０００３】
ガスタービンエンジンの性能は、略、燃焼室から流れる高温の作用流体の作動温度の上昇と共に向上する。作用流体に許容可能な温度を制限するものとしてガスタービンエンジンの設計者が認識する一つの因子は、エンジン部品が高温の作動流体にさらされたとき、劣化しえないようにすることである。ブレード及びベーンのような翼は、エンジンの作動中に高温の熱及び大きい運動荷重にさらされる部品の例である。
【０００４】
ガスタービンエンジン部品にてしばしば利用されている１つの冷却技術は、穴及び通路の内部回路網である。冷却媒体の流れは、部品の内部通路を通って流れ且つ部品の外面に排出される。冷却媒体が内部通路を通ることは、その部品から冷却媒体へ熱伝達されることを可能にする。
【０００５】
高温の薄い肉厚の鋳造構造体の製造について記載され、その内容を参考として引用して本明細書に含めた、米国特許第５，２９５，５３０号に１つの方法及び装置が開示されている。この米国特許第５，２９５，５３０号には、真空加熱炉内で水冷型の冷却プレート上に支持されたセラミック鋳型金型内に溶融金属を注入する方法が記載されている。溶融金属の射出圧力は、その過程中、鋳造用金型の壁が著しく変形しないように、時間と共に変化させることができる。その後、鋳造用金型内の溶融金属を指向性凝固させる。
【０００６】
従来の技術は、内部通路及び穴を有する薄肉厚の鋳造部品を製造することができるが、１つの部品を鋳造するための改良された方法及び装置が依然として、必要とされている。本発明は、新規且つ非自明の仕方にてこの課題及びその他の課題を満足させるものである。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の１つの形態は、溶融金属の指向性凝固により少なくとも１つの結晶を成長させるべく適用可能な金属種を備え、該開始種が溶融金属を受ける部分と、熱伝達媒体が通過し得るようにされた少なくとも１つの内部通路とを有する、装置を対象とするものである。
【０００８】
本発明の別の形態は、溶融金属を製品に凝固するために使用される金属種結晶を対象とするものである。この種結晶は、溶融端部と、基端部とを有し、その端部の間に溶融部分及び非溶融部分が存在する、金属部材を備え、基端部は、部材から熱を伝達し得るように吸熱体に接触し得るようにされた第一の面を画成し、溶融部分は、溶融端部に形成され且つ溶融金属を受け入れ得るようにされ、溶融部分は、第一の面の面積よりも小さい断面積の非溶融状態と、溶融部分が基端部への熱伝達を制限し得ないように第一の面と実質的に等しい断面積を有する溶融状態とを有する。
【０００９】
本発明の別の形態は、溶融金属が指向性凝固する間に、金属開始種と熱交換する装置を対象とする。この装置は、金属開始種を機械的に把持し且つ金属材料が凝固するとき、開始種との熱伝達路を保つ少なくとも１つの部材と、熱を除去すべく少なくとも１つの部材と接続された熱伝達吸熱体とを備えている。
【００１０】
本発明の別の形態は、排出口を有するるつぼと、該るつぼ内で金属材料を溶融させ得るようにるつぼが内部に配置された真空加熱炉と、金属開始種と、開始種を受け入れ得るようにされた開口部及び排出口から排出された溶融金属材料を受け入れる内部キャビティを有する鋳造用金型とを備え、開始種は、開口部内に配置され且つ内部キャビティ内に受け入れられた溶融金属材料が接触可能であり、第一の期間中、開始種に対しエネルギを選択的に付与すべく開始種と接続されたヒータを備え、開始種はキャビティ内に注入した金属に接続され、金属材料がキャビティ内で指向性凝固する間に、熱が開始種から吸引される装置を対象とする。
【００１１】
本発明の別の形態は、溶融金属を注入する装置を対象とする。この装置は、貫通する穴を有する底部壁部材を有するるつぼと、該るつぼ内に配置された第一の直立管であって、穴の周りに配置され且つ底部壁部材に接続された第一の端部と、閉じた他端である、第二の端部とを有し、溶融金属がるつぼから第一の管まで流れるのを許容する少なくとも１つの入口部（ｅｎｔｒａｎｃｅ）を有する第一の直立管と、第一の管内に配置された第二の直立管であって、底部壁部材と接続され且つ穴と流体的に連通した一端と、管からの入口（ｉｎｌｅｔ）を画成する他端とを有し、ある容積の溶融金属を受け入れえるようにされた第一のキャビティを有する第二の直立管と、溶融金属が少なくとも１つの入口部から入口まで流れるため第二の管に沿って伸びる通路とを備えている。
【００１２】
本発明の別の形態は、溶融金属を加熱炉内の鋳造用金型内に注入する方法を対象とする。この方法は、排出穴を有するるつぼであって、該るつぼ内に配置された注入アセンブリを有し、注入アセンブリは、直立の内管の周りに配置された直立の外管を有し、該内管は、排出穴と流体的に連通する前記るつぼを提供することと、溶融材料をるつぼ内で液体状態に溶融させることと、液体状態の金属をるつぼから外管と内管との間に画成されたキャビティ内に流動させることと、液体状態の金属が内管内に流れ且つ内管を充填し得るようにキャビティを過剰充填することと、内管の充填を停止することと、液体状態の金属を内管から排出することとを備えている。
【００１３】
本発明の別の形態は、溶融金属を注入する装置を対象とする。この装置は、底部壁部材、溶融金属を保持し得るようにされた内部容積を有する機械的ハウジングと、内部容積内で溶融金属の表面より下方から溶融金属を受け入れ得るようにされた第一の溶融金属入口（ｉｎｌｅｔ）端、その間に通路を有する第二の溶融金属出口端を有する溶融金属供給部材であって、その少なくとも一部分が機械的ハウジング内に配置された前記溶融金属供給部材とを備え、通路は、第一の通路部分及び第二の通路部分と、溶融金属が流れる方向が変化する湾曲部分とを有し、第一の排出モードにおいて、第一の通路部分内での溶融金属の第一の流動方向が、溶融金属の入口から湾曲部分に向け、また、第二の方向に第二の通路部分を通って湾曲部分から上記出口に向かう。
【００１４】
本発明の更に別の実施の形態は、自由形態に製造されたセラミックシェルであって、溶融金属を受け入れ得るようにされたキャビティを画成する薄い第一の外壁を有する前記セラミックシェルと、内面を有する第二の外壁を有する容器であって、シェルが容器内に配置され且つ内面から隔てられた前記容器と、第一の外壁と内面との間の空間を実質的に充填し且つ上記シェルを補強する少なくとも１つの支持部材とを備える、鋳造用金型を対象とするものである。
【００１５】
本発明の更に別の形態は、溶融金属を内部に受け入れ得るようにされた内部キャビティを有する金型であって、該キャビティが、頂部分と、底部分と、側部分とを有する前記金型を提供することと、上記側部分を通じての熱伝達を最小にすべくセラミックシェルを絶縁することと、金型を環境制御チャンバ内に配置することと、キャビティにより画成された鋳造物を形成し得るようにキャビティに溶融金属を充填することと、鋳造品の一端からエネルギを吸引することにより溶融金属を金型内にて指向性凝固することとを備える方法を対象とするものである。
【００１６】
本発明の更に別の形態は、溶融金属材料を受け入れるキャビティを画成し得るように共に接続された複数の材料層と、キャビティと連通する出口とを有する鋳造用金型を提供することと、鋳造用金型をある勾配にて配向することと、キャビティ内に配置され且つ複数の材料層の１つに結合されていないすべての材料を自由にし得るように鋳造用金型を回転させることと、キャビティ内に配置された材料をキャビティ外に且つ出口通じて流すこととを備える方法を対象とするものである。
【００１７】
本発明の更に別の形態は、自由形態の製造技術により一体型セラミック鋳造鋳型シェルであって、溶融金属を受け入れ得るようにされた内部キャビティを有する鋳造用金型シェルを構成することと、セラミック鋳造用金型シェルを補強することと、セラミック鋳造用金型シェル内に金属開始種を配置し、金属開始種が溶融金属を受け入れ得るようにすることと、内部キャビティを溶融金属にて充填することと、内部キャビティ内で溶融金属を指向性凝固させるべく金属開始種を通じて熱を吸引することとを備える方法を対象とする。
【００１８】
本発明の更に別の形態は、セラミック鋳造用金型装置を製造する方法であって、リザーバ及びエネルギ源を含む立体リソグラフィ装置を提供することと、ガスタービンエンジン部品を表わす鋳造用金型装置の複数の断面を画成するデータファイルを立体リソグラフィ装置に提供することと、セラミック粒子と、モノマーと、光開始剤とから成るセラミック充填樹脂をリザーバ内に配置することと、モノマーを重合化し且つ層のセラミック粒子を共に保持するポリマーバインダから成る実質的に硬化した層を形成すべく鋳造用金型装置の断面をエネルギ源によりセラミック充填樹脂層の上に描くことと、実質的に硬化した層をセラミック充填樹脂の別の層にて覆うことと、モノマーを重合化し且つ別の層のセラミック材料を共に保持するポリマーバインダから成る実質的に硬化した別の層を形成すべく、前記被覆した後、鋳造用金型装置の別の断面をエネルギ源により前記被覆をセラミック充填樹脂の別の層の上に描くことと、複数の実質的に硬化した層を有する鋳造用金型装置を製造し得るように複数の断面の各々に対し被覆すること及び描くこととを繰り返すこととを備える、方法を対象とするものである。
【００１９】
本発明の更に別の形態は、素セラミックの鋳造用金型装置であって、溶融金属材料を受け入れ得るようにされた複雑な形状の容積を画成する内面として形成された実質的に円滑な薄い外壁部材を有するシェルであって、薄い外壁部材がポリマーバインダにより共に接続されたセラミック粒子の層状構造体であるシェルと、容積内に配置され且つ該容積内に受け入れた溶融金属材料から形成された部品内に少なくとも１つの通路を形成し得るようにされたコアであって、有機系ポリマーバインダにより共に接続されたセラミック粒子の層状構造体である前記コアとを備える、鋳造用金型装置を対象とする。
【００２０】
本発明の１つの目的は、鋳造部品を製造する独創的な装置を提供することである。
本発明の関連する目的及び有利な点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００２１】
【好ましい実施の形態の説明】
本発明の原理の理解を促進する目的のため、次に、図面に図示した実施の形態に関して説明し、この説明のため特定の用語を使用する。しかし、これにより本発明の範囲を何ら限定することを意図するものではなく、図示した装置の変更例及び更なる改変例及び図示した本発明の原理の更なる適用例は、本発明が関係する技術分野の当業者に通常、案出されるものと考えられることが理解されよう。
【００２２】
図１を参照すると、航空機の飛行推進エンジンを製造し得るように共に一体化された、ファン部分２１と、コンプレッサ部分２２と、燃焼部分２３と、タービン部分２４とを含むガスタービンエンジン２０が図示されている。この型式のガスタービンエンジンは、一般にターボファンと称されている。ガスタービンエンジンの１つの代替的な形態は、ファン部分を備えずに航空機の飛行推進エンジンを製造し得るように共に一体化された、コンプレッサと、燃焼装置と、タービンとを備えている。航空機という語は、一般的な語であり、ヘリコプター、飛行機、ミサイル、無人宇宙船及びその他の実質的に同様の装置を含む。ガスタービンエンジンの部品を共に連結する多数の方法が存在することを理解することが重要である。コンプレッサ同士を接続するインタークーラーを備える追加的なコンプレッサ及びタービンを追加することができ、また、タービンの間に再加熱燃焼室を追加することもできる。
【００２３】
ガスタービンエンジンは、産業的用途に使用するのにも同様に適している。歴史的に、ガス及び油の輸送管用の圧送装置、発電装置及び軍艦推進用のガスタービンエンジンの広範囲に亙る用途が存在する。
【００２４】
コンプレッサ部分２２は、複数のコンプレッサブレード２６が接続されたロータ２５を備えている。該ロータ２５は、ガスタービンエンジン２０内で回転可能な軸２７に固着されている。複数のコンプレッサベーン２８がブレード２６に対して流体の流れを指向させるようにコンプレッサ部分２２内に配置されている。タービン部分２４は、ロータディスク３１に接続された複数のタービンブレード３０を備えている。ロータディスク３１は、ガスタービンエンジン２０内で回転可能な軸２７に固着されている。燃焼装置部分２３からの高温のガスからタービン部分２４内で抽出されたエネルギは軸２７を通じて伝達されてコンプレッサ部分２２を駆動する。更に、燃焼装置部分２３から出る高温のガス状流れを指向させるべく複数のタービンベーン３２がタービン部分２４内に配置されている。
【００２５】
タービン部分２４は、ファン部分２１を駆動する動力をファン軸３３に提供する。ファン部分２１は、複数のファンブレード３５を有するファン３４を備えている。空気は矢印Ａの方向に向けてガスタービンエンジン２０に入り且つファン部分２１を通ってコンプレッサ部分２２及びバイパス管路３６内に流れる。説明文に特段の記載がない限り、ファンブレード、ファンベーン、コンプレッサブレード、タービンブレード、コンプレッサベーン及びタービンベーンを説明するため翼という語を使用する。従来のガスタービンエンジンの原理及び部品に関する更なる詳細は、当業者に知られていると考えられるから本明細書では説明しない。
【００２６】
図２乃至図７を参照すると、本発明の鋳造用金型装置から製造可能である鋳造部品の一例が図示されている。この開示は、特段の記載がない限り、図２乃至図７に図示した例にのみ限定することを意図するものではない。より具体的には、図２を参照すると、ガスタービンエンジンブレード３０が図示されている。１つの実施の形態において、ガスタービンエンジンブレード３０は、冷却媒体が通るための内部流路を有する単一鋳造製品を画成する。内部冷却路は、複数の熱伝達台座３７が形成された通路を有する。１つの実施の形態において、隔たった一対の壁の間にて複数の台座３７が一体に形成されている。該台座は本発明の鋳造用金型装置により製造可能な細部の型式の代表的なものである。冷却台座の形状、寸法及び分布状態は、熱伝達パラメータ及び設計の特定のパラメータの関数であることが理解される。図３は、以下の寸法を有する台座はより具体的に考えられるものに過ぎないことを示すために利用され、また、通路及び台座の１つの実施の形態の寸法は、表１に記載されている。しかし、その他の台座及び通路の寸法及び幾何学的形態が本明細書にて考えられることが理解されよう。
【００２７】
台座
長さ
０．５０８−１．２７ｍｍ（０．０２０−０．０５０´´）
幅
０．５０８−１．２７ｍｍ（０．０２０−０．０５０´´）
高さ
０．３０４８−０．５０８ｍｍ（０．０１２−０．０２０´´）
通路
長さ
Ｎ／Ａ
幅
０．３０４８−０．５０８ｍｍ（０．０１２−０．０２０´´）
高さ
０．３０４８−０．５０８ｍｍ（０．０１２−０．０２０´´）
表１
図４及び図５を参照すると、本装置により製造可能な単体品の多数壁ガスタービンエンジン部品の１つの実施の形態の断面図が図示されている。更に、図６には、本発明の装置により製造可能な航空機４２の前縁４３が図示されている。図７には、本装置により製造できる型式の鋳造製品の別の例を示す内部流体流れ回路を有する液圧弁体４４が図示されている。図示した製品は、限定的なものであることを意図するものではなく、本発明の装置により他の鋳造製品が製造可能であると考えられ、例えば、非限定的に、宝石、歯科補綴物、一般的な補綴物、特注の金物、ゴルフクラブヘッド、プロペラ、エレクトロニクスの実装品、管、弁及び精密許容公差及び／又は細部のため従来から、インベストメント鋳造されたその他の製品を含む。
【００２８】
本発明の方法及び装置は、一般に、等軸指向性凝固結晶すなわち単結晶の範疇とされる、マイクロ構造体を有する単一体の単一鋳造部品又は多数部品から成る鋳造部品を製造するために利用することができる。本発明の好ましい鋳造用金型装置は、実質的に任意の型式の鋳造金属製品を製造するのに適している。しかし、より好ましい実施の形態において、本発明は、薄い肉厚の単結晶構造体を製造するのに特に有用である。この鋳造構造体は、多くの異なる形状、寸法、形態を有することができ、また、多岐に亙る金属材料にて形成することができる。例えば、本発明の装置は、厚さが約０．７６２ｍｍ（約０．０３インチ）以下の少なくとも１つの壁を有する多数壁構造体を鋳造することを許容する。更に、１つの好ましい実施の形態において、鋳造構造体／部品内に極めて細い通路を形成することができ、また、より好ましい実施の形態において、幅約０．１２７ｍｍ（約０．００５インチ）乃至約０．３８１ｍｍ（約０．０１５インチ）の極めて細い通路を形成することができる。しかし、その他の幅及び／又は寸法及び／又は厚さの肉厚及び通路を有する鋳造品が考えられる。
【００２９】
ガスタービンエンジン部品は、超合金組成材料にて製造することが好ましい。非限定的に、ニッケル系、又はコバルト系組成物のような色々な型式の超合金組成物が存在し、かかる組成物の製造は、略、当該技術分野の当業者に公知である。対象とする殆んどの超合金組成物は、ニッケル、クロム、アルミニウム及びその他の選択した元素の複雑な混合体である。
【００３０】
図８を参照すると、開始種３００から溶融金属の制御された指向性凝固が図示されている。制御された溶融金属の凝固は、柱状粒子又は単結晶のマイクロ構造体を有する製品を製造するために使用することが好ましい。より具体的には、制御された溶融金属の凝固は、溶融金属を指向性凝固することにより実現される。指向性凝固は、溶融金属を充填させた鋳造用金型３０１を通じて境界面を漸進的に動かすことを含む。多くの状況において、成長中の結晶に対し厳密に配向させた結晶学的構造体を付与するため金属開始種３００が使用される。この金属開始種３００は、鋳造用金型３０１内に配置し、溶融金属３０２を金型３０１内に導入することで、開始種は、当初の面３０３から液相境界面３０４として画成された面に溶融して後退する。本発明の１つの形態において、開始種が溶融して後退することは、開始種から液体溶融金属のパドルを形成する。１つの実施の形態において、パドルの深さは約１．２７ｍｍ（約０．０５０インチ）であるが、その他のパドルの深さとすることも考えられる。液相境界面３０４と固相境界面３０６との間に凝固領域３０５が配置されている。熱勾配が金型３０１内で溶融金属３０２を通って垂直方向に移動するに伴い、金属は、樹枝状結晶３０７の成長及びマトリックス材料の凝固を通じて凝固する。単結晶過程において、溶融材料は、種３０２の非溶融部分からエピタクシー的に凝固する。
【００３１】
図９を参照すると、溶融金属を受け入れる一体型金型４５ａが図示されている。１つの実施の形態において、金型４５ａは、略三次元的印刷として知られる自由形態製造技術により形成される。三次元的印刷装置において、直接型セラミック鋳造用金型を形成するためセラミック材料が層状に配置され、層の密度は、配置される材料の１インチ当たりのドット数により変化させることができる。三次元的印刷技術に関する情報は、米国特許第５，３４０，６５０号、米国特許第５，３８７，３８０号及び米国特許第５，２０４，０５５号に開示されている。三次元的印刷用に商業的に利用可能な装置は、カリフォルニア州、ノースリッジのソーリゲン・テクノロジーズ（Ｓｏｌｉｇｅｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）インコーポレーテッドから入手可能である。
【００３２】
一体型金型４５ａは、セラミック材料を層状に印刷し且つ接着することにより形成され、その層の各々は、溶融金属を内部に受け入れるセラミックシェルを形成し得るように隣接する層に接着させる。装置４６ａは、材料及びバインダの層を付着し、設計ファイルに基づいて一体型金型４５ａを形成する。設計ファイルは、部品のコンピュータ支援設計から作製することが好ましい。好ましくは、金型４５ａは、凝固したときに部品を画成し得るように、溶融金属を受け入れる内部キャビティを有する主要本体４７ａを備える薄肉厚のシェルである。内部金属受け入れキャビティの一部分は、参照番号４８ａで示してある。一体型金型４５ａは、複数の薄い壁４８ａと、内部金型コア５０ａと、内部金属受け入れキャビティとを備えている。１つの実施の形態において、薄い壁４９ａは、約０．１２７ｍｍ（約０．００５インチ）乃至約３８．１００ｍｍ（約１．５０インチ）の範囲の厚さを有し、より好ましくは、薄い壁は、約１．０１６ｍｍ（約０．０４０インチ）以下、最も好ましくは、約０．５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）の厚さであるようにする。底部支持部材５１ａ、充填管５２ａ、支持部材５３ａ、壁部材５４ａが主要本体４７ａと一体に形成されている。１つの好ましい実施の形態において、壁部材５４ａは、ウェブ構造体により画成される。その他の一体型金型の型式が考えられ、本発明は、図９の特定の金型の形態及び／又は材料にのみ限定することを意図するものではない。
【００３３】
図１０及び図１１を参照すると、溶融金属を内部に受け入れる鋳造用金型装置４５の１つの実施の形態が図示されている。該鋳造用金型装置４５は、光硬化性セラミック樹脂から一体に製造されたシェル金型及びコアを有する。しかし、本発明は、一体型鋳型金型にのみ限定されるものではない。より具体的には、別の実施の形態において、非一体型の鋳造用金型装置は、光硬化性セラミック樹脂から製造された分離可能なコア及びシェル金型を有している。金型４５は、略、選択的レーザ励起（ＳＬＡ）として知られる、自由形態製造技術により形成される。選択的レーザ励起は、照射エネルギにさらされたとき、凝固する液体樹脂を利用する立体的リソグラフィ方法に基づくものである。本発明において、光硬化性セラミックが充填された樹脂は、セラミック粒子を共に保持するポリマーバインダを形成し得るように照射エネルギにより重合化された少なくとも１つのモノマーを有する。この照射エネルギは、当業者に知られた複数のエネルギ源の任意のものにより供給することができる。好ましくは、この照射エネルギは、電磁放射線により画定し、また、より好ましくは、照射エネルギは、約２６０乃至３８０ナノメートル、最も好ましくは、約３５０ナノメートルの波長を有するレーザ源から発生された紫外線である。しかし、その他の波長の光とすることも考えられる。選択的レーザ励起用の商業的に利用可能な機械は、カリフォルニア州、ヴァレンシアの３Ｄシステムズ（３Ｄ ｓｙｓｔｅｍｓ）から入手可能である。選択的レーザ励起法及び立体的リソグラフィ法に関する更なる情報は、その内容を参考として引用して本明細書に含めた米国特許第５，２５６，３４０号、米国特許第５，５５６，５９０号、米国特許第５，５７１，４７１号、米国特許第５，６０９，８１２号及び米国特許第５，６１０，８２４号に開示されている。
【００３４】
一体型金型４５は、ポリマーバインダにより共に保持されたセラミック粒子の層内でセラミック充填樹脂を光重合化することにより形成される。しかし、本発明は、セラミック充填樹脂にのみ限定されず、１つの代替的な実施の形態は、金属充填樹脂を含むものである。更に、その他のフィラーを利用することも考えられる。１つの実施の形態において、壁部材の層は、概略図的に線４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄとして図示された隣接する複数のセラミック材料の部分により画成される。この場合、１つの層内の隣接する線の数、および図面における層の数は、完全に一例であり、また、本明細書に記載したものにのみ限定することを意図するものではない。好ましくは、壁部材の個々の層は、セラミック樹脂にエネルギビームにより描かれた１乃至５本の線にて形成される。より好ましくは、壁部材の個々の層は、セラミック樹脂にエネルギビームにより描いた２本の線により形成される。しかし、本発明は、１つの層内にその他の数の個々の線を有する個々の層を対象とするものである。
【００３５】
壁部材の層は、線にて形成されるものとして図示したが、代替的な実施の形態において、壁部材は、隔たったドット及び／又は接続したドットの層にて形成されることが理解される。参照番号４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄで図示した線はまた、一連のドットで形成することもできる。一連のドットは、１つの層を画成し得るように互いに対して隔てられ、１つの壁部材を画成し得るように複数の層が配置されている。１つの実施の形態において、壁部材は、鋳造用金型内に注入された溶融金属を保持することのできる隔たったドットから成る格子構造体を有する。更に、別の実施の形態において、格子構造体は、金型の内部キャビティから壁部材を通じてガスを排気することを許容しつつ、溶融金型内に注入した溶融金属を保持することができる。
【００３６】
層を形成する個々の線の幅は、エネルギビームの幅により決定され、より好ましくは、レーザがエネルギビームを画成するようにする。１つの実施の形態において、エネルギビームの幅は約０．１２７ｍｍ（約０．００５インチ）乃至約０．６３５ｍｍ（約０．０２５インチ）の範囲であることが好ましく、約０．２０３２ｍｍ（約０．００８インチ）であることがより好ましい。しかし、約．０２５４ｍｍ（約．００１インチ）の幅を有するエネルギビームは、鋳造用金型装置内で極めて細い細部を形成するために考えられる。更に、命令によりエネルギビームの幅／寸法を変化させる能力を備えることも考えられる。より具体的には、１つの実施の形態において、エネルギビームの寸法は、製品の特定の層内及び／又は層の間で変更可能である。商業的に入手可能な立体リソグラフィ装置（３ＤシステムからのＳＬＡ２５０）において、レーザ源は、セラミック樹脂の表面にて３０ｍワットのパワーを有するＨｅ／Ｃｄレーザである。しかし、異なるレーザ源を有するその他の立体リソグラフィ装置も考えられる。
【００３７】
鋳造用金型装置４５の製造は、鋳造用金型装置の三次元的形状を画定するデータファイルにより制御される。図１２を参照すると、鋳造用金型装置を形成する方法を決定する製造ファイル１００５を作製する装置の１つの実施の形態が図示されている。部品の設計の仕様を規定し得るように部品（例えば、ガスタービンブレード）のパラメータを画定するａｃｔ１０００データが集められ且つ処理される。ａｃｔ１０００からのデータは、コンピュータモデル作製装置を使用して部品の見本を製造するため、ａｃｔ１００１にて利用され、１つの実施の形態において、コンピュータモデル作製装置は、コンピュータビジョン（ＣＶ）製品により画定される。しかし、その他のコンピュータモデル装置も考えられる。鋳造用金型装置の見本を作製するため、金型モデル作製の行動１００２内で行動１００１からのコンピュータ支援設計見本が処理される。１つの好ましい実施の形態において、鋳造用金型装置の見本は、行動１００２内でユニグラフィックス（Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ）装置により作製される。鋳造用金型装置の行動１００２内で製造された金型モデルをＳＴＬ又はＳＬＣのような特定のファイルフォーマットに変換するために、変換行動１００３が使用される。鋳造用金型装置の層及び必要とされる全ての支持体を描くのに適した別個の二次元的スライスを作製するため、行動１００３からの次のファイルを行動１００４内で処理する。行動１００５内で製造ファイルは完成する。このファイルは、立体リソグラフィ装置内のエネルギ源を駆動し且つ鋳造用金型装置を製造する。
【００３８】
１つの好ましい実施の形態において、走査レーザビーム４６ｂは、データファイルを読み取り且つセラミック充填混合体でモノマーを局部的に重合化し得るように、セラミック充填樹脂の量に基づいて三次元的形状の断面を描く命令を発生するコンピュータにより指向される。モノマー混合体をレーザで照射すると、固体のポリマーゲルが形成される。一体型金型４５は、凝固して製品にするため、溶融金属を受け入れる内部キャビティを有する主要本体４７を備える薄いシェルであることが好ましい。内部金属受け入れキャビティの一部は、参照番号４８で示してある。一体型金型４５は、薄い壁４９と、内部金型コア５０と、内部金属受け入れキャビティとを有する。１つの好ましい形態において、薄い壁４９は、約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）以下の厚さを有し、より好ましくは、約０．３８１ｍｍ（約０．０１５インチ）乃至約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）の範囲の厚さを有し、最も好ましくは、約０．５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）の厚さを有するようにする。しかし、その他の壁の厚さを有する鋳造用金型とすることも考えられる。１つの好ましい鋳造用金型において、主要本体４７、底部支持部材５１、充填管５２、支持部材５３及び壁部材５４により形成される。１つの好ましい実施の形態において、壁部材５４は、ウェブ構造体により画成される。図１０に図示した鋳造用金型は、本発明により製造することのできる鋳造用金型の型式の完全な一例である。より具体的には、その他の鋳造用金型の形態が考えられ、本発明は、図１０及び図１１に図示した特定の金型にのみ限定することを意図するものではない。
【００３９】
図１３を参照すると、立体リソグラフィ装置５００により製造される鋳造用金型装置４５が図示されている。該立体リソグラフィ装置５００は、略当業者に知られていると考えられ、鋳造用金型装置を製造する方法の説明を容易にし得るように著しく簡略化して示してある。流体封込めリザーバ５０１、高さ変更部材５０２及びレーザ４６ｃは、立体リソグラフィ装置５００の一部分を構成する。リザーバ５０１には、金型装置４５が製造されるある量の光硬化性セラミック充填樹脂が充填される。
【００４０】
本発明の１つの好ましい形態において、高さ変更部材５０２は、鋳造用金型装置４５のそれ以前に硬化した層をセラミック充填樹脂内の所定の深さまで浸漬させるため、可動の昇降装置を画定する。セラミック充填樹脂は、硬化した最上方層を未硬化のセラミック充填樹脂の層にて再被覆する。より好ましい実施の形態において、昇降装置は、その過程の他の部分と協働して、製造した鋳造用金型をセラミック充填樹脂液浴内で増分的に下降させるコンピュータ制御の装置である。１つの実施の形態において、非硬化の樹脂被覆の公称厚さは、約０．１０１６ｍｍ（約０．００４インチ）乃至約０．２５４ｍｍ（約０．０１０インチ）の範囲、より好ましくは、約０．１０１６ｍｍ（約０．００４インチ）である。しかし、その他の層の厚さとすることも考えられる。更に、個々の層の厚さは、層の間で変更し又は層の間にて実質的に同様の厚さに保つことができる。装置は、かなり低粘度の樹脂に対し実質的に均一な再被覆厚さを保証する措置を備えることが好ましい。樹脂を水平にするため次の技術を利用することが考えられる、すなわち、樹脂が自然に水平となるように時間的遅れをもたせること及び／又は樹脂が水平になるのを支援し得るように超音波処理を行い且つ／又は樹脂が水平になるのを支援し得るように機械的支援過程を行うことである。レーザビーム４６ｂは、三次元的データファイル内のデータにより駆動され、光硬化性セラミック充填樹脂の上で鋳造用金型の断面を描き得るように三次元的データファイル内のデータにより駆動される。この描くこと及び再被覆することとは、セラミック部品が完成するまで続行する。
【００４１】
図１４を参照すると、製造指向角度θにて立体リソグラフィ装置５００内で製造される鋳造用金型装置４５が図示されている。製造指向角度θは、製造すべき所定の平坦面又は略平坦面（又は中実な面の集合体）に対する接線角度が最大になるように選ばれる。製造配向角度θは、セラミック樹脂充填リザーバの面５０３に対して実質的に垂直に伸びる軸線Ｚから測定する。本発明の１つの形態は、セラミック充填樹脂上に比較的大きい妨害されない平坦面を描くのを最小にし得るように断面を配向する。該断面は、軸線Ｚに対して実質的に垂直で且つ樹脂の面５０３に対して実質的に平行に画成され且つ描かれる。製造プラットフォーム５０５は、製造配向角度θにて鋳造用金型装置４５の製造を配向させ得るように角度θにてリザーバ５０１内に形成される。好ましい実施の形態において、製造配向角度θは鋭角な角度であり、より好ましくは、約１０°乃至約４５°の範囲の鋭角な角度とし、最も好ましくは、約４５°とする。
【００４２】
簡単な二次元的形状において、製造配向は、比較的容易に画成され、例えば、複数のリングを互いに製造することにより、中空の円筒体を形成することが好ましい。比較的大きい支持されない天井部を製造する必要がないように複数の矩形の部分を互いの上で製造することにより、中空の矩形の管を形成することが好ましい。ガスタービンエンジンブレード用のコア付き鋳造鋳型装置のような、複雑な形状は、最適な製造配向を計算するため全てのセラミック面を分析することを必要とする。
【００４３】
図１５を参照すると、鋳造用金型装置４５の一部分を画成する複数の硬化層５０６、５０７、５０８、５０９の拡大図が図示されている。好ましいアルミナ充填樹脂の硬化層は、約０．０５０８ｍｍ（約０．００２インチ）乃至約０．２０３２ｍｍ（約０．００８インチ）の範囲の厚さを有し、より好ましくは、約０．１０１６ｍｍ（約０．００４インチ）の厚さを有するようにする。好ましい二酸化ケイ素充填樹脂の硬化層は、約０．０５０８ｍｍ（約０．００２インチ）乃至約０．５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）の範囲の厚さを有し、より好ましくは、約０．１５２４ｍｍ（約０．００６インチ）の厚さを有するようにする。しかし、その他の硬化厚さも本発明にて考えられる。更に、個々の硬化層は、同一又は異なる厚さとすることができる。しかし、個々の硬化層の各々が実質的に均一の厚さを有することが好ましい。
【００４４】
個々のセラミック粒子５１０の粒子寸法は、約２０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、約０．１μｍ乃至約３．０μｍの範囲であるようにする。粒子の寸法を制御することは、セラミック鋳造用金型装置を製造するその他の知られた技術と比較して、より細かい細部及び実質的に円滑な面に製造することを許容する。
【００４５】
鋳造用金型装置は、層状の製造構造体であり、図１４及び図１５は、個々の硬化層を強調するために誇張して示してある。個々の層は、複数のセラミック粒子５１０と、個々の層内に粒子を共に保持するポリマーバインダ５１１とから成っている。１つの実施の形態において、ポリマーバインダ５１１は、硬化層を共に接続し得るように隣接する層の間を伸びている。層５０６、５０７のような一対の隣接する硬化層の各々は、層の線６００にて当接するそれぞれの断面積を有する。１つの好ましい実施の形態において、隣接する層の相補的な面の間には、それぞれの面の各々の約１０％乃至約１００％の範囲の接続部がある。より好ましくは、二酸化ケイ素充填樹脂の１つの実施の形態において、隣接する層の相補的な面の間には、それぞれの面の約１０％の接続部がある。アルミナ充填樹脂の１つの実施の形態において、隣接する層の相補的な面の間には、それぞれの面の約５０％の接続部がある。しかし、幾つかの代替的な実施の形態において、隣接する硬化層はポリマーバインダにより共に連結されていない。これら層は、機械的及び／又は二次的化学反応により互いに対して保持されている。
【００４６】
層の厚さは、再被覆した非硬化層の厚さ及びレーザビームの浸透深さに依存する。より具体的には、硬化深さは、硬化層の厚さプラス過剰硬化深さの値として表示してある。１つの実施の形態において、過剰硬化深さは、硬化する層の真下の硬化厚さ層の約５０％となる。１つの実施の形態において、その後の素層剥離又は層の分離を最小にし得るようにアルミナ充填層を実質的に過剰硬化することが必要とされる。しかし、本発明の実施の形態は、硬化層の約１０％乃至約１５０％の範囲の過剰硬化深さを利用する。しかし、本発明は、上記の硬化深さは限定されるものではなく、本発明にてその他の硬化深さが考えられる。
【００４７】
セラミック充填樹脂は、焼結可能なセラミック材料、光硬化性モノマー、光開始剤、及び分散剤を含む。セラミック充填樹脂は、焼結したときの亀裂に抵抗する素セラミック金型を製造し得るように立体リソグラフィにて特に使用し得るようにされている。充填樹脂は、約４，０００ｃＰｓ以下、より好ましくは、約９０ｃＰｓ乃至約３，０００ｃＰｓの範囲、最も好ましくは、約１００乃至約１０００ｃＰｓの範囲の粘度を有する充填樹脂を提供し得るように成分を混合することにより調合する。形成される充填樹脂は、樹脂中の固体の容積の約４０％乃至約６０％の固体装荷量を有する。更に１つの実施の形態において、充填樹脂は、約１．０乃至約４．０ｇ／ｍｌ、より好ましくは、約１．５乃至２．５ｇ／ｍｌの範囲の密度を有する。
【００４８】
本発明にて使用される焼結可能なセラミック材料は、多岐に亙るセラミック材料から選ぶことができる。具体的な例は、アルミナ、イットリア、マグネシウム、窒化ケイ素、二酸化ケイ素及びその混合体を含む。焼結可能なセラミック材料は充填樹脂の総量に基づいて約５０容積率（容積％）にて充填樹脂中に含まれる。言い換えると、充填樹脂は、焼結可能なセラミック材料の約５０乃至約８５重量％（重量％）、より好ましくは、充填樹脂の総重量に基づいて約６５乃至約８０重量％を含むようにする。
【００４９】
一例において、焼結可能なセラミック材料として二酸化ケイ素が選ばれる。二酸化ケイ素は、本発明に従って硬化した金型を提供し得るように焼結するのに適した平均的粒子寸法を有する乾燥粉体として提供することができる。好ましくは、粉体二酸化ケイ素は約０．５μｍ乃至約２０．０μｍ、より好ましくは、約１．０μｍ乃至約２０．０μｍ、より好ましくは、約１．０μｍ乃至約５．０μｍの平均的粒子寸法を有するように選ぶ。好ましくは、二酸化ケイ素の量は充填樹脂の総重量に基づいて約５０．０重量％乃至約７２．０重量％の範囲とする。
【００５０】
モノマーは、光開始剤の存在下にて照射されたとき、光重合させることのできる任意の適当なモノマーが選ばれる。モノマーの例は、アクリレートエステル及び置換したアクリレートエステルを含む。２つ以上のモノマーの組み合せ体を使用することができる。好ましくは、モノマーの少なくとも１つは、多機能モノマーである。多機能モノマーにより、モノマーは成長するポリマー鎖と結合部を形成することができる２つ以上の官能分子を含むものと理解する。本発明と共に使用可能であるモノマーの具体的な例は、１，６−ヘキサンジオールジアクリレート（ＨＤＤＡ）及び２−フェノキシアクリル酸塩（ＰＯＥＡ）を含む。光硬化性モノマーは充填樹脂の総重量に基づいて約１０乃至約４０重量％、より好ましくは、約１０乃至約３５重量％、最も好ましくは、約２０乃至３５重量％の範囲の量にて存在する。
【００５１】
充填樹脂中にて二酸化ケイ素が均一なコロイド状懸濁状態を保つのに適当な量にて、分散剤が提供される。該分散剤は、多岐に亙る既知の界面活性剤から選ぶことができる。好ましい分散剤は、アンモニア塩、より好ましくは、テトラアルキルアンモニア塩を含む。テトラアルキル基は多岐に亙る置換物質を含むことができる。本発明にて使用される分散剤の具体的な例は、非限定的に、ポリオキシプロピレン−２−ヒドロキシエチルアンモニウム酢酸塩、及びアンモニウム塩化物を含む。好ましくは、分散剤の量は、充填樹脂中のセラミックの総重量に基づいて約１．０重量％乃至約１０重量％の量の範囲とする。
【００５２】
当業者に既知の多数の光開始剤から開始剤を選ぶことができる。光開始剤は、照射されたとき、所望のモノマーの光重合化を生じさせるのに適するように選ばれる。典型的に，光開始剤の選択は、光重合化を生じさせるように使用される放射線の波長により決まる。好ましい光開始剤は、ベンゾフェノン、トリメチルベンゾフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、イソプロピルチオキサントン、２−メチル−１−［４（メチルチオ）フェニル］−２−モルホリンオプロファノン及びその混合体を含む。光開始剤は、充填樹脂が適当な波長の放射線で照射されたとき、モノマーを重合化するのに十分な量にて追加する。好ましくは、光開始剤の量は、充填樹脂中のモノマーの総重量に基づいて、約０．０５乃至約５重量％の範囲とする。
【００５３】
セラミック充填樹脂の１つの代替的な形態において、ある量のモノマーに代えて、ある量の非反応性希釈剤が使用される。好ましくは、置換した非反応性希釈剤の量は、樹脂中のモノマーの約５％乃至約２０％（重量比又は容積比）に等しい。所定のセラミック樹脂組成物の一例は、１００ｇのモノマーを必要とし、このモノマーは、代替的な形態において、約５乃至２０重量％のモノマーを非反応性希釈剤（すなわち、モノマーの９５乃至８０ｇプラス非反応性希釈剤の５乃至２０ｇ）にて約５乃至２０重量％のモノマーを置換する。非反応性希釈剤は、二塩基エステル又はデカヒドロナフタリンを非限定的に含む。二塩基エステルの例は、純粋な形態又は混合体にて入手可能なジメチルコハク酸塩、ジメチルグルタレート及びジメチルアジペートを含む。
【００５４】
充填樹脂は、最初に、モノマー分散剤を焼結可能なセラミックと組み合わせて均一な混合体を形成することにより、提供される。添加順序は、本発明にとって通常、極めて重要ではないが、モノマー及び分散剤を最初に組み合せ、次に、焼結可能なセラミックを添加する。好ましくは、焼結可能なセラミック材料を約５乃至２０容積％の増分量にてモノマー／分散剤の組合わせ体中に添加する。セラミック材料を増分的に添加する間、約５乃至１２０分の間、例えば、ボール粉砕機のような任意な適当な方法により、形成される混合体を完全に混合させる。焼結可能なセラミック材料の全てを添加したとき、形成される混合体は、１０時間以上に亙る更なる時間、混合させる。樹脂は、照射する直前、好ましくは、照射前、約２時間以内に光開始剤を添加し且つ混合体中に混合させる。
【００５５】
１つの好ましい二酸化ケイ素充填樹脂は、約６７．１重量％の二酸化ケイ素、約３１重量％のモノマー、約１．３７重量％の分散剤、及び約０．６１９重量％の光開始剤から成るものとする。重量％は二酸化ケイ素充填樹脂の総重量に基づく。好ましいアルミナ充填樹脂は、約７８．２％のアルミナ、約２０．１重量％のモノマー、約１．５６重量％の分散剤、及び約０．１０１重量％の光開始剤を含む。
【００５６】
表ＩＩを参照すると、好ましい二酸化ケイ素系樹脂及び好ましいアルミナ充填樹脂が記載されている。
表ＩＩ
１つの代替的な実施の形態において、セラミック充填樹脂は二重硬化樹脂として規定される。二重硬化樹脂は、モノマーを光重合化するため、２つの型式の開始剤を利用する。１つの好ましい形態において、紫外線硬化用の１つの光開始剤及び熱硬化用の別の開始剤により形成される。熱硬化用の開始剤の一例は、ベンゾイル過酸化物すなわちＡＩＢＮである。ＡＩＢＮは２−２’−アゾ−ビス−イソブチリルニトリルから成っている。しかし、熱硬化用の開始剤は、当業者に既知の多数のその他の開始剤から選ぶことができる。
【００５７】
図１６を参照すると、薄肉構造体４９の１つの代替的な実施の形態５５が図示されている。複合壁構造体５５は、その間を接続する複数の内壁部材５８を有する隔たった一対の薄い外壁５６、５７を備えている。複数のキャビティ６３が壁構造体５５に形成され、１つの実施の形態において、内部コア構造体５９を有する。１つの好ましい実施の形態において、内部コア構造体５９は、中空であり且つキャビティ６３を画成する壁に一体的に接続されている。
【００５８】
図１７を参照すると、一体型金型４５の薄壁構造体４９の第三の実施の形態６０が図示されている。壁構造体６０は、多孔質内側部材６２と共に形成され且つ該内側部材に接続された隔たった一対の外壁６１を有している。内側部材６２の密度は、外壁６１の密度よりも低いことが好ましい。壁構造体６０、５５、４９は、設計により必要とされるように共に又は別個に使用することができる。壁構造体４９、５５、６０は、本発明の壁構造体の完全に一例であり、本発明を複合的壁構造体のその他の設計に限定することを意図するものではないことが理解される。
【００５９】
図１８及び図１９を参照すると、金型コア５０の一部分の代替的な形態６５、７０がそれぞれ図示されている。金型コア６５は、中空の内部コア構造体６７が形成された一体の薄壁構造体６６を有している。外壁構造体６６と内側の中空コア構造体６７との間には、多孔質構造体６９が形成されている。金型コア７０は、内部中空コア７２が形成された薄壁７１を有している。複数の補強リブ７４が外壁７１と内部中空コア７２との間に形成されている。金型コア５０、６５、７０の形態は限定的であることを意図するものではなく、金型コアのその他の設計も考えられる。
【００６０】
図２０及び図２１を参照すると、素鋳造用金型装置の別の実施の形態が図示されている。鋳造用金型５２５は、上述した鋳造用金型装置４５と実質的に同様であり、より具体的には、鋳造用金型装置５２５は、一体的なセラミックシェル５２６と、セラミックコア５２７とを有している。コアセラミックシェル５２６とコア５２７との間の容積５２８は、溶融金属材料から製造すべき部品を画成する。好ましくは、容積５２８は、溶融金属の受け入れを妨げるように伸びる支持構造体を有しない。より具体的には、より好ましい実施の形態において、断面を描いても容積５２８内の何らかの構造体を描くことにはならない。しかし、本発明の別の実施の形態において、製造過程は、セラミックシェル５２６及び／又はコア５２７を傷付けずに除去することのできる支持構造体を容積５２８内に形成する。１つの好ましい形態において、セラミックシェル５２６の内壁面５２９及び形成されたセラミックコア５２７の外面５３０は、実質的に円滑である。壁面は、複数の当接層の一部分により画成された段付き面として又は単一層の面により画成された平坦面の何れかとして画成される。より具体的には、層状態部品は、約１０μｍ乃至３０μｍの範囲の仕上げにて段付き面に対し形成された面を有し、また、約０．５μｍ乃至約１０μｍの範囲の仕上げにて平坦面に対し形成された面を有する。
【００６１】
鋳造用金型装置５２５の１つ実施の形態において、コア５２７は実質的に中空である。薄い外壁シェル５４０は、該シェルと一体に形成された複数の隔たった内壁部材５４１を有している。中実な形態及び実質的に中空の形態を有するコアは本発明の範囲に属すると考えられる。
【００６２】
図２２を参照すると、図２０の線２２−２２に沿った部分断面図が図示されている。セラミックコア５２７は、溶融金属を受け入れ得るように形成された通路５３２を有している。より具体的には、溶融金属を受け入れ得るようにセラミックコア５２７に形成された複数の隔たった通路５３２が存在する。通路５３２は、部品に細部を鋳造することを許容する。１つの好ましい実施の形態において、通路５３２の各々は、約０．１２７ｍｍ（約０．００５インチ）乃至約０．７６２ｍｍ（約０．０３０インチ）の範囲の幅／直径にて形成され、より好ましくは、約０．５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）以下の幅／直径を画成し、最も好ましくは、約０．２５４ｍｍ（約０．０１０インチ）の幅／直径を画成するようにする。図２３は、一体の多数壁セラミック鋳造用金型装置の別の実施の形態の図である。
【００６３】
図２４を参照すると、加熱炉５５０内に配置された鋳造用金型装置４５が概略図的に図示されている。該加熱炉は、素セラミック鋳造用金型装置からポリマーバインダを実質的に燃焼させ且つセラミック粒子を焼結させるのに必要な熱を提供する。１つの好ましい形態において、鋳造用金型装置は、加熱炉の面５５１に定置する個々の層の数を最小にし得るように加熱炉内で配向されている。素セラミック金型装置用の加熱過程は、加熱炉内で金型を約０．１℃／分乃至約５．０℃／分の速度にて通常の室温から約３００℃乃至約５００℃の第一の温度まで加熱することを含む。その後、約０時間乃至約４時間の時間範囲に亙って、ポリマーバインダを燃焼するため最高温度を保つ。加熱段階の後、低密度となった鋳造用金型装置に焼結過程を行う。この焼結過程は、加熱炉内の温度を約５．０℃／分乃至約１０．０℃／分の速度にて第一の温度から約１３００℃乃至１６００℃の範囲の第二の温度まで上昇させる。鋳造用金型装置は、約０時間乃至約４時間の時間範囲内、第二の温度に保たれる。鋳造用金型装置は、次に、約５．０℃／分乃至１０．０℃／分の速度にて室温まで冷却させる。鋳造用金型装置は、約７０％以上の密度まで焼結することが好ましく、より好ましくは、鋳造用金型装置は、約９０乃至９８％の範囲の密度まで焼結する。最も好ましくは、鋳造用金型装置は、実質的に完全な密度まで焼結する。１つの実施の形態において、焼結したセラミック鋳造用金型装置は、約９９重量％のセラミック粒子であり、より好ましくは、約９９重量％のアルミナである。
【００６４】
アルミナ系素セラミック金型装置用の好ましい加熱過程は、加熱炉内で金型を約１℃／分の速度にて通常の室温から約３００℃の第一の温度まで加熱することと、その第一の温度を約５時間、維持することとを含む。その後、その温度を約１℃／分の速度にて第一の温度から約５００℃の第二の温度まで上昇させる。その第二の温度は約０時間、保つ。約１０℃／分の速度にて第二の温度から約１５５０℃の第三の温度まで温度を上昇させる。その第三の温度を約２時間、維持する。次に、鋳造用金型装置を約５℃／分の速度にて第三の温度から室温まで冷却させる。
【００６５】
二酸化ケイ素系素セラミック金型装置用の１つの好ましい加熱過程は、加熱炉内で金型を約１℃／分の速度にて通常の室温から約３００℃の第一の温度まで加熱することと、その第一の温度を約４時間、維持することとを含む。その後、温度を約１℃／分の速度にて第一の温度から約５００℃の第二の温度まで上昇させる。その第二の温度を約０時間、維持する。その温度を約１０℃／分の速度にて第二の温度から約１５００℃の第三の温度まで上昇させる。その第三の温度を約２時間、維持する。次に、鋳造用金型装置を約５℃／分の速度にて第三の温度から室温まで冷却させる。
【００６６】
一体型鋳造用金型４５、４５ａは、異なる過程にて製造され、これら金型は性質が相違するが、その双方と共に、溶融金属を受け入れるセラミックシェルを形成する。しかしながら、本発明の別の形態において、セラミックシェルは、溶融材料以外のその他の凝固材料を受け入れることができる。三次元的印刷及び選択的レーザ励起によりセラミック金型を製造することに関して説明したが、本発明の鋳造は、特段の記載のない限り、これら型式の金型にのみ限定することを意図するものではない。例えば、セラミックスラリー、樹脂シェル金型又は砂金型に浸漬させることによりシェルが形成されるコア及びパターンを使用する従来技術で製造された金型も対象にすることが考えられる。以下に、鋳造用金型という語は、略、鋳造用金型４５を意味し、また、別の特段の記載がない限り、あらゆる型式のセラミック鋳造用金型を含むことを意図するものである。
【００６７】
図２５を参照すると、一体型鋳造用金型４５の１つの実施の形態が図示されている。完成した一体型金型４５は、基部材５１と、頂部材７７と、該基部材及び頂部材の間を伸びる主要本体４７とを有している。支持部材５３は底部材５１と頂部材７７との間を伸びる一方、充填管５２は、充填入口（ｆｉｌｌ ｉｎｌｅｔ）７８から主要本体４７の底部分４７ａまで伸び且つ金型内部の金属受け入れキャビティと流体的に連通している。好ましくは、基部材５１は、リング構造体により画成されるようにする。通気口７９は、一体型金型４５に形成され且つガス状材料が金型に入り且つ金型から出るのを許容し得るように内部金属受け入れキャビティに開放し、材料の除去及び鋳造の充填を助ける。代替的な実施の形態において、一体型鋳造用金型４５は異なる形態とすることができ、また、基部材及び／又は頂部材のような特徴部を含まなくてよいことが理解される。
【００６８】
１つの実施の形態において、頂部材７７は、容器８０と接触可能な歯付きリング又はディスク構造体のディスクを画成する。好ましくは、一体型金型４５は、該金型の製造に必要な材料の量を最小にし得る設計とされ、このため、その薄いシェルにより、内部で鋳造される製品の輪郭に類似したものとなる。この実施例において、金型４５は、ガスタービンブレードに類似するが、その他の形状とすることも考えられる。更に、一体型金型は、その外面が内部キャビティ内で鋳造される製品／部品の形状に順応しないように形成してもよい。
【００６９】
一体型金型４５を設計し且つ製造するとき、次のものを含む考慮すべき多数のパラメータがある。すなわち、（１）金型の所望の強度及び硬さ、（２）金型の製造速度、（３）金属が凝固するときの金型内のコアの潰れ可能性、（４）鋳造中の加熱／冷却速度、（５）コアの除去／排出速度、（６）凝固後の冷却中の鋳造の制約である。溶融金属が金型の周りで凝固するときの金型の一部の潰れ可能性は、部品の密度、構造及び多孔度を変化させることにより対処することができる。例えば、図１８及び図１９を参照すると、多孔質構造体６８と、溶融金属が内部で凝固するときに部分的に潰れ／溶融する補強ウェブ構造体７４とを有するコア構造体６５、７０が図示されている。
【００７０】
図２６を参照すると、加熱炉８１内に配置された金型容器８０及び一体型金型４５が図示されている。金型容器８０は、一体型金型４５が内部に配置された状態で図示されているが、金型容器８０内にはその他の型式の金型を配置することも可能であることが理解される。金型容器８０は、鋳造過程中、一体型金型４５を保持する設計及び構造とされている。容器８０の外壁部材８２は、金型容器の内面と基部材５１の外面５１ａ及び頂部材７７の外面７７ｂの一部分との間に締まり嵌めを提供し得るような寸法とされた貫通開口部を有する。１つの実施の形態において、金型容器８０は、底部材５１及び頂部材７０の上方でシュリンク嵌めされる厚い肉厚の繊維状セラミック管により画成される。本明細書で使用する管という語は、中空の部材を規定するものであり、特段の記載がない限り、中空の円筒状構造体にのみ限定することを意図するものではない。別の実施の形態における容器は、カップ形状の容器を略画成する一体的な底部壁部材を有する。しかし、本発明にて容器のその他の形状も考えられる。更に、１つの代替的な実施の形態において、容器及び金型は締まり嵌め状態にはない。
【００７１】
１つの好ましい実施の形態において、金型容器８０は、細長い円筒状形状の管により画成される。１つの形態において、外壁部材８２の肉厚は、約０．２５４ｍｍ（約０．０１０インチ）乃至２５．４ｍｍ（１インチ）の範囲とし、より好ましくは、約１２．７ｍｍ（約０．５インチ）とする。しかし、本発明にてその他の肉厚も考えられる。外壁部材８２は、特定の熱伝達条件に合うように選んだセラミック材料にて作られている。１つの実施の形態にて、部材は、取り扱いを容易にし得るようにその外面８２ａから迅速に熱伝達する一方、別の実施の形態において、部材は、一体型金型４５を絶縁し得る設計とされている。非限定的に、外壁部材８２に対し多孔質セラミック、セラミック繊維マット、金属及び熱バリア被覆を有する金属のような材料が考えられる。
【００７２】
少なくとも１つの支持部材８３が外壁８２の内面８４と一体型金型４５の外面４５ａとの間の空間内に配置されている。支持部材は、鋳造過程中、薄い肉厚の一体型金型４５に対する支持体を提供する。補強した金型容器８０は、溶融金属を高圧力にて薄いシェル金型に供給することを許容する。１つの実施の形態において、ニッケルの約７．６２ｃｍ（約３インチ）乃至約６０．９６ｃｍ（約２４インチ）の範囲の溶融金属の圧力は、補強した薄肉厚の一体型金型と共に使用可能であると考えられる。しかし、その他の溶融金属の圧力も可能であると考えられる。
【００７３】
１つの好ましい実施の形態において、支持部材８３は、複数の支持部材により画成され、より好ましくは、複数のセラミック媒体部材により画成される。１つの実施の形態において、約０．２５４ｍｍ（約０．０１０インチ）乃至約２．５４ｍｍ（約０．１００インチ）の範囲内の寸法を有する複数の支持部材が球状体／ボールとして画成される。しかし、その他の寸法も考えられる。複数の支持部材は、金型容器８０内の空間を充填し且つ一体型金型の外面４５ｄに当接する。複数の支持部材の形状は、非限定的に、錠剤状、球状又は繊維状を含むことが理解される。更に、本発明の代替的な実施の形態において、金型容器内の支持部材は、外壁８２の内面８４と一体型金型４５の外面４５ｄとの間に形成された連続的なセラミック材料と、アルミナ、ムライト、二酸化ケイ素、ジルコニア又はジルコンのようなセラミック発泡材により画成することができる。ウェブ構造体５４は、複数の支持部材８３が容器８０から進むのを防止すべく底部壁部材を形成するのに利用される材料の量を最小にする設計及び構造とされている。しかし、非限定的に、中実な壁のようなその他の構造体も考えられる。複数のセラミック支持媒体８３は、再使用及び／又はリサイクルのため容器から容易に除去可能である。
【００７４】
図２７を参照すると、補助的金型ヒータ９１を更に備える金型容器８０が図示されている。補助的金型ヒータ９１は、溶融金属の凝固中及び一体型金型キャビティ内で結晶が成長する間、必要なエネルギを追加し得るように制御される。１つの形態において、補助的金型ヒータ９１は、金型容器８０の外壁８２の内面８４に接続されると共に、金型容器８０の頂部分に配置される。しかし、金型容器に沿ったその他の位置も考えられる。
【００７５】
図２８を参照すると、一体型金型４５が内部に配置された金型容器８０の断面図が図示されている。この断面図は、溶融金属を内部に受け入れる内部キャビティの翼型形成部分に相応する、図２７の線２８−２８に沿ったものである。複数の支持部材８３が外面４５ｄに当接し、キャビティ４８内に溶融金属を注入する間、薄い壁４９を支持する。複数の支持部材８３は、一体型金型４５から外壁８２までの熱伝達を防止する絶縁体として機能する空間９４をその間に有している。更に、複数の支持部材８３は、容器の外壁８２への不連続的な熱伝達路を画成する。複数の部材８３は、一体型金型４５に対し所望の温度を保ち得るように一体型金型４５から輻射される熱を保持する機能を果たす。
【００７６】
図２９を参照すると、一体型鋳造用金型が内部に配置された金型容器８０が図示されている。容器８０の外壁８２と金型４５の外面４５ａとの間に画成された空間内には、一体型金型４５の一部分を加熱し得るように局部的な金型ヒータ９３が配置されている。金型容器内で局部的な金型ヒータ９３を利用することは、金型４５の外面４５ａの任意の部分に隣接し又は近接する位置にて行うことができる。局部的な金型ヒータ９３は、面に沿って連続的とし又は面に沿って不連続とし又は金型の設計に関係するパラメータにより必要とされるように面から隔てることができる。図２９の補助的金型ヒータの図は、限定的なものであることを意図するものではない。
【００７７】
図３０及び図３１を参照すると、一体型金型４５の内部キャビティから非結合材料４００を除去する方法及び装置が図示されている。この過程は、相互に接続された複数の材料層を有する自由形態に製造された金型に関して図示されているが、金属受け入れキャビティ内に配置された非結合粒子を有するその他の金型構造体に対しても有用であると考えられる。非結合材料は、粉体、微粒子及びキャビティ４８内の一体型金型４５の壁に結合されていないその他の材料に関する。１つの形態において、鋳造金属受け入れキャビティ内から非結合材料を除去する過程は、直接セラミック鋳造用金型を形成し得るように粉体の層を印刷し且つ結合することにより製造された金型に関する。別の実施の形態において、一体型金型４５は、キャビティ内の非結合材料を乾燥させ得るように加熱されている。別の形態において、鋳造金属受け入れキャビティから非結合材料を除去する過程は、セラミックシェルを形成し得るように選択的レーザ励起技術により製造された金型に関する。非ゼリー状スラリーを乾燥させ且つ除去するか又は非乾燥状態で除去することができる。
【００７８】
一体型金型４５を有する金型容器８０は傾斜角度θにて配置され且つ軸線Ｚの周りを回転させる。好ましい実施の形態において、角度θは約５乃至９０°の範囲の鋭角な角度であり、より好ましくは、この角度θは約１５°である。しかし、代替的な実施の形態において、角度θは変更可能である。一体型金型４５の回転及び移動により非結合材料４００は、内部キャビティを画成する壁から脱落し且つ内部キャビティと連通する出口開口１０１を通過し、集め箇所１０４に入る。１つの代替的な実施の形態において、一体型金型は、非結合材料４００を内部キャビティから除去した後、出口開口１０１内に挿入される栓（図示せず）を有する。１つの好ましい実施の形態において、出口開口１０１は、特定の結晶学的構造及び／又は迅速な凝固を容易にし得るように鋳造工程中利用される金属開始種を受け入れ得る寸法とされている。
【００７９】
１つの形態において、一体型金型４５のスプロケット７７は、駆動装置１０２と係合する。該駆動装置１０２は、容器が約０．１乃至２回転／分の範囲の速度にて回転し、より好ましくは、約１／３回転／分の速度にて回転するように駆動されるが、その他の速度も考えられる。一体型金型が回転される滞在時間は約１５分乃至約２日の範囲とし、より好ましくは、約２時間とする。しかし、その他の滞在時間も考えられる。容器８０は、軸線Ｚの周りを回転するとき、容器支持体１０３に沿って、矢印Ｐの方向に進む。容器スペーサ１０５が容器同士の接触を防止し得るように対の金型容器８０の間に配置されている。更に、容器８０は、内部キャビティから材料４００を除去し易くするのに必要なように上下逆さにすることができ、また、材料の除去を容易にし得るよう内部キャビティ内に流体洗浄剤を導入することができる。内部キャビティ内の流体の導入は、通常の状態又は上下逆さの状態で行うことができる。
【００８０】
一体型金型４５には、その内部キャビティ内に溶融金属を受け入れる前に熱加工工程が行われる。一体型金型４５は、三次元的印刷により又は選択的レーザ励起方法により形成されるかどうかに関係なく、鋳造過程に十分でない素状態強度を有し、このため、上述したように、加熱されるに伴いその強度を増す。幾つかの金型構造体において、素状態の金型内に存在するポリマー及びその他の材料を燃焼することが必要である。より具体的には、選択的レーザ励起方法により形成された一体型金型の場合、素位相の金型内のポリマーを燃焼する必要がある。三次元的印刷技術により製造された金型は、略、燃焼過程を必要とせず、それは、素状態の一体型金型４５から除去すべき十分な材料が存在しないからである。最後に、金型は、望まれるミクロ構造体の成長を促進し得るように選んだ適当な温度まで予熱しなければならない。柱状粒子構造体の場合、金型を予熱するのに望まれる温度は、約１４８２．２２℃（約２７００°Ｆ）であり、単結晶鋳造の場合、金型の予熱に望まれる温度は、約１５３７．７８℃（約２８００°Ｆ）である。
【００８１】
本発明の１つの形態において、一体型金型４５に対し一貫的な熱加工工程を行うことが望まれる。この一貫的な熱加工は、素状態の金型４５を加熱することと、素状態の金型内の不要な材料を燃焼することと、所望のミクロ構造体を鋳造するのに必要な所望の温度まで金型を予熱することとを含む。金型は、加熱及び焼結工程後、冷却し、検査し、必要に応じて修理し且つ鋳造の準備をする。その後、金型は、金型を予熱するのに望まれる温度まで上昇させる。より好ましい形態において、これらステップの各々は、実質的に連続的な形態にて同一の加熱炉内で行われる。金型の熱サイクルを不要にすることは、精緻／微妙な通路を有する中空構造体を鋳造する能力を向上させることになる。
【００８２】
図３２を参照すると、溶融金属の装荷分１０８を一体型金型４５を有する金型容器８０のような鋳造用金型に供給する鋳造装置４２０の作用図が図示されている。本発明は、実質的な連続的な形態すなわちバッチ加工形態にて機能する鋳造装置を対象とする。鋳造装置と共に利用される鋳造用金型は、特定の金型型式又は構造にのみ限定することを意図するものではない。鋳造装置は、加熱路１０７内に配置された精密溶融金属供給装置１０６を備えている。本発明の１つの好ましい形態において、加熱炉１０７は、二重チャンバ付き真空加熱炉により画成される。しかし、本発明にて空気溶融又は加圧鋳造加熱炉のようなその他の型式の加熱炉も考えられることが理解される。ある量の溶融金属を金型８０に配置する精密溶融金属供給装置は、環境的に制御されたチャンバ１０９内に配置される。溶融金属供給装置１０６は、るつぼ１１１内の溶融金属の表面の下方から溶融金属が供給される。溶融材料１１０の供給分がチャンバ１０９内に進み且つるつぼ１１１内で溶融される。るつぼ内の溶融金属の供給分は超加熱状態に加熱され、このため、鋳造タービンエンジン部品と関係した合金の場合、超加熱は１７６．６６７乃至２０４．４４４℃（３５０乃至４００°Ｆ）の範囲にある。しかし、本発明において、これら合金及びその他の型式の金属に対するその他の超熱温度が考えられることが理解される。
【００８３】
１つの実施の形態において、制御チャンバ１０９には、るつぼ１１１内で溶融金属の表面蒸発を遅くする遮蔽体及び／又は薄膜を形成する不活性ガス１１２が供給される。溶融金属の分配は、溶融金属供給装置１０６と金型８０との間の圧力差によって制御される。１つの実施の形態において、溶融金属の排出は、溶融金属の表面に正圧を付与することで制御される一方、この正圧は、るつぼ１１１からのある量の溶融金属を金型８０内に供給する。金型８０は、真空加熱炉の第二のチャンバ内に配置され且つ溶融金属供給装置１０６よりも低圧である。
【００８４】
図３３及び図３４を参照すると、本発明の鋳造装置の１つの実施の形態１１５が図示されている。鋳造装置１１５は、壁１１４により分離された上方チャンバ１１７及び下方チャンバ１１８を有する二重チャンバ付き真空加熱炉１１６を備えている。チャンバの間に形成された圧力差を利用して溶融金属の装荷分を金型に供給する。金型入口ポート（ｍｏｌｄ ｅｎｔｒｙ ｐｏｒｔ）１１９は、参照番号８０で示したような鋳造用金型容器を導入し且つ下方チャンバ１１８から除去することを可能にする。本発明の１つの形態において、金型入口ポート１１９は、金型容器８０を除去しまた下方チャンバ内に挿入するとき、下方チャンバ１１８内で真空環境を保つことを可能にする流体密のインターロック部を画成する。溶融金属を注入し且つ凝固させる間に、金型８０を保持する回転可能な保持具１２１が下方チャンバ内に配置されている。開始種４２１は、金型容器８０と共に位置決めされ且つ保持具１２１と接続されている。本発明の１つの好ましい形態において、保持具１２１は、金型４５内で溶融金属を指向性凝固させ得るよう開始種からエネルギを吸引すべく開始種４２１と熱伝達可能に連通する熱伝達装置を備えている。
【００８５】
金属材料供給装置１２０は、非溶融金属材料１３７を上方チャンバ１１７内に配置された溶融るつぼ１２２内に導入することを許容する。本発明の１つの形態において、非溶融金属材料１３７は、棒状の形態であり、鋳造装置１１５の作動を妨害せずにるつぼ内に送られる。好ましい実施の形態において、溶融るつぼ１２２は、耐火性るつぼを画成し、この耐火性るつぼ内で、金属材料は誘導ヒータ１２３により誘導的に加熱される。空中浮揚型及び抵抗型のようなその他の形態のヒータは、非限定的に、るつぼ１２２内の金属材料を溶融させ且つその温度を上昇させることが可能であると考えられる。るつぼ１２２は、ある量の溶融金属を保持する設計及び構造とされており、その溶融金属からより少量の溶融金属の装荷分が除去され、個々の金型を充填する。るつぼが保持することのできる溶融金属の量は、約２．２６７９６乃至９０．７１８５ｋｇ（約５乃至２００ポンド）の範囲、より好ましくは、約２２．６７９６ｋｇ（約５０ポンド）の範囲とする。しかし、上述したように、るつぼは、連続的な過程に十分な能力を備えることができ、又は個々の１回の注入にあった寸法とすることができる。１つの実施の形態において、溶融金属のリザーバを保持するるつぼは溶融金属の装荷分の供給及び非溶融金属の材料を溶融のためるつぼ内に導入することに関係する温度変化を少なくする。溶融るつぼ１２２内の溶融金属１２４は、溶融金属分配装置内に進む。１つの実施の形態において、溶融金属分配装置は、ノズル２５３を通じて充填管５２の精密に配置された入口７８まで溶融金属を精密注入する装置を画成する。溶融金属分配装置１２５及び溶融金属をるつぼ１２２から分配する代替的な実施の形態のより詳細な説明を以下に記載する。
【００８６】
本発明の１つの実施の形態において、回転可能な保持具１２１は液体冷却され且つ真空加熱炉の下方チャンバ１１８内に配置される。熱伝達装置が鋳造用金型４５の各々と接続され且つ溶融金属の凝固中、熱伝達路を維持する。回転可能な保持具は、複数の金型容器ホルダ１２９を備えている。図３４の実施の形態において、金型容器ホルダ１２９はスポーク部材であるが、溶融金属で充填され且つ所望の特定のマイクロ構造体となるように凝固するとき金型を保持するその他の構造も考えられる。金型容器８０は、位置１３１まで回転され、この位置において、フィラー管の入口７８は注入ノズル２５３と整合する。
【００８７】
図３５を参照すると、鋳造装置の１つの代替的な実施の形態１３５が図示されている。鋳造装置１３５は、鋳造装置１１５と実質的に同様であり、同様の特徴部は同様の参照番号で表示する。鋳造装置１３５と鋳造装置１１５との間の主要な相違点は、非溶融金属材料１３７が上方チャンバ１１７内に流れるとき、該金属材料に対する流体密のシールを形成するシール１３６を含む点である。１つの好ましい形態において、シール１３６は、非溶融金属材料１３７の外面１３７ａと当接する。金属材料１３７は矢印Ｓの方向に向けて上方チャンバ１１７内に進むと、るつぼ１２２内の溶融合金１２４に作用する圧力が増す。溶融金属１２４に作用する圧力及び／又は力が増加することは、金属材料１３７が溶融金属１２４内に進むこと且つ／又は弁１２６を通じて供給される不活性ガス１２７の圧力を上昇させることに起因する。１つの好ましい形態において、不活性ガスは、アルゴン又はヘリウムで、不活性ガスに関係する圧力差は６０ミリトルである。
【００８８】
図３６を参照すると、本発明の鋳造装置の別の実施の形態１４０が図示されている。鋳造装置１４０は、鋳造装置１３５と実質的に同一であり、同様の特徴部は同様の参照番号で表示してある。鋳造装置１４０は、ノズル２５３を金属充填管５２の入口７８内に位置決めすることを可能にする。ノズルを充填管に接続することは、充填を促進し得るように水頭圧力を増すことを可能にする。更に、１つの形態において、この装置は時間に亙って溶融金属の圧力を制御すべく適用可能である。このため、溶融金属をノズルから排出したとき、溶融合金が充填管５２まで通るための封じ込められた通路が存在する。ノズル２５３が金型容器８０の入口７８と合わさるようにするため、回転可能な保持具１２１は垂直方向に可動である。保持具１２１は、金型交換器１３０から金型容器８０を受け入れ得るように下降させ、次に、溶融金属の装荷分を金型内に注入しようとするとき、金型容器を着座した関係にて位置決めし得るように持ち上げる。
【００８９】
図３７を参照すると、図３３乃至図３６の従来の鋳造装置と実質的に同様である鋳造装置１４５が図示されており、主要な相違点は鋳造装置１４５がより大きい鋳造用金型を取り扱う能力の点である。鋳造装置１４５は、下方チャンバ５２８に隣接する入口（ｄｏｏｒｗａｙ）１４６を通じてより大きい鋳造用金型５２５を導入することを許容する。１つの実施の形態において、溶融金属１２４は、溶融金属分配装置から金型キャビティ５２５の入口（ｉｎｌｅｔ）５２３内に供給される。その後、金型５２２は、昇降装置５４８によりチャンバ５２８に対する注入位置から引き出される。
【００９０】
図３８を参照すると、金属開始種１５１に対する熱伝達を行う熱伝達装置１５０の第一の実施の形態が図示されている。１つの好ましい形態において、種における熱勾配は時間と共に相違する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は核形成の間、小さく、結晶が成長する間、実質的により大きい。１つの形態における熱勾配は、液体対固体の境界面にて約１１．３２９９°C／ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。１つの実施の形態において、開始種１５１は、約０．６３５ｍｍ（約０．２５インチ）乃至約７．６２ｃｍ（約３．００インチ）の範囲の長さ「Ｂ」を有するが、その他の開始種の長さも考えられる。熱伝達装置１５０は、ジョーの面１５４を開始種１５１の本体の両側面（即ち、第１の面）１５１ａと当接する熱伝達配置状態に配置し得るよう通常、機械的に偏倚された一対のジョー１５２を有している。ジョー１５２は、溶融金属が凝固するとき、開始種１５１に対する熱伝達路を維持する。機械的な作動構造体１５３は、通常、面１５４が開始種１５１と接触状態に維持されるよう閉じた位置に向けてばね偏倚された一対の可動アーム１５５を有している。開始種１５１は、アーム１５４、１５５の端部に機械的な力Ｆを加えることにより、熱伝達装置１５０から容易に非接続状態とされる。
【００９１】
対のジョー１５２の各々は、開始種１５１の温度を変化させるべくある量の熱伝達媒体１６１を受け入れる内部冷却通路５３０を有している。熱伝達装置１５０は、能動的な冷却装置を利用するが、本発明は、受動的な冷却装置を採用することも考える。好ましくは、熱伝達媒体１６１は、金属開始種１５１からエネルギ／熱を吸引する冷却剤／吸熱体である。熱は、金型キャビティ内で凝固する溶融金属から伝導により開始種に供給される。その後、冷却媒体がジョー１５２を通ることで、開始種を通じて熱伝達が行われ、金型キャビティ内に溶融金属の熱勾配を生じさせ且つ指向性凝固を生じさせる。更に、多くの型式の冷却媒体を使用することができる。最も簡単な型式は、その熱容量及び／又は相変化の点で魅力のある固体であり、その非限定的な例は、銅である。水及び／又はアルゴンのような流体も冷却媒体を画成することができる。更に、より大きい熱伝達能力又は熱伝達性を有する熱伝達冷却媒体は、アルミニウム、スズ又は水銀のような液体金属を含む。
【００９２】
図３９を参照すると、本発明の熱伝達装置の１つの代替的な実施の形態１６５が図示されている。１つの好ましい形態において、種における熱勾配は、時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成の間、小さく、結晶が成長する間、実質的により大きい。１つの形態における熱勾配は、液体が固体境界面まで凝固するとき、約１１．３２９９°C／ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）よりも大きい。熱伝達装置１６５は、熱伝達装置１５０と実質的に同様であり、相違点は、対のジョー１６６が金属開始種１５１の両側面１５１ａに当接して該金属開始種１５１を局部的に加熱する能力の点である。更に、１つの実施の形態において、開始種を同時に局部的に加熱し且つ冷却することができる。加熱能力は、種と溶融金属との境界面の熱流量を調整するために利用される。熱伝達装置１５０及び熱伝達装置１６５は実質的に同様であるため、同様の特徴部は同一の参照番号で表示する。熱伝達装置１６５の１つの好ましい実施の形態において、ジョー１６６は、導線５３１により電源に接続され、電流がジョー１６６を通って流れる結果、金属開始種１５１が抵抗加熱される。開始種１５１からの結晶構造体の成長を制御するため、金属開始種１５１を局部的に加熱する能力が望まれる。
【００９３】
図４０及び図４１を参照すると、金属開始種１７０に対する熱伝達を行う熱伝達装置の別の実施の形態１７１が図示されている。好ましい形態において、種における熱勾配は時間と共に変化させる。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成中、小さく、結晶が成長する間、実質的により大きい。１つの形態における熱勾配は、約１１．３２９９℃／ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。開始種１７１は、金属開始種１５１と実質的に同様であり、一対の精密位置決め特徴部１７２を更に備えている。金属開始種１７１は、金型容器８０の開口部内に配置され且つ熱受け入れキャビティと連通状態に配置され、溶融金属を注入すると、金属開始種１７１の一部分は、溶融金属を受け入れ且つ部分的に溶融される。精密位置決め特徴部１７２は、一対のジョー１７３の各々の接触端部１７４を受け入れ得る設計及び構造とされている。ジョー１７３の各々の熱除去端部１７５はハウジング１８０内に配置されている。該ハウジング１８０は、冷却媒体が通るための通路１７６を有している。ハウジング１８０を通り且つジョーの熱除去端部１７５を亙って冷却媒体が通ることが矢印で概略図的に図示されている。１つの実施の形態において、局部的なヒータ１７８は、機械的ハウジング１８０に接続されている。ヒータ１７８は、対のジョー１７３と伝導的熱伝達可能な関係にあり、ジョーの接触端部１７４を通じて開始種１７１にエネルギを付与する。局部的ヒータ１７８は、溶融金属と金属開始種との間の境界面の熱流量を調節するように制御される。熱伝達装置のジョー１７３を図４０に図示した位置から開放し、次に、対のジョー１７３を図４１に図示した位置に閉じるため、機械的アクチュエータ１７７が利用される。アクチュエータ１７７は、液圧アクチュエータであることが好ましいが、鋳造環境にて機能するのに必要な性質を持つその他のアクチュエータが考えられる。
【００９４】
図４２を参照すると、溶融金属を受け入れる内部キャビティ１８６を有する金型１８５が図示されている。金型１８６は、内部キャビティ１８６及び開始種受け入れ入口（ｉｎｌｅｔ）１８９に対し且つ該キャビティ及び入口からガス状材料を通し、金属開始種１８８を受け入れ且つ該開始種と緊密に係合するようにする通気端部１８７を有している。金属開始種１８８は、面１８８ａにて溶融金属を受け入れ得るように配置されている。金属開始種は、その他の種の形状が可能であると考えられるため、図４２に図示した種の形状にのみ限定することを意図するものではない。開始種の補助的ヒータ１９５及び補助的金型ヒータ１９６は金型１８５内に配置されている。絶縁体１９０は、金型１８５の下面１８５ａと熱伝達装置１９１との間に配置され鋳造用金型１８５からの熱伝達を最小にする。好ましい形態において、種における熱勾配は時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成の間、小さく、結晶が成長する間、実質的により大きい。１つの形態における熱勾配は液体対固体の境界面にて約１１．３２９９℃／ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。
【００９５】
熱伝達装置１９１は、開始種１８８の面１９８に当接し且つ外面１９８との接触状態を保つ位置まで可動である一対のアーム１９３、１９４を備えている。熱伝達装置１９１と開始種１９９との当接関係は、アーム１９３、１９４が開始種１８８から確実に解放されるまで維持可能である。精密位置決め部材１９２は、溶融金属受け入れキャビティ１８６内で溶融面１８８ａの垂直高さを正確に配置し得るように開始種１８８の底面１８８ｂに接触する。冷却媒体通路１９７は、冷却媒体が通り得るように対のアーム１９３、１９４の各々に形成されている。キャビティ１８５内の溶融金属は、開始種１８８に熱伝達する一方、該開始種は面１９８を通じて冷却した対のアーム１９３、１９４に熱伝達する。通路１９７内を流れる冷却媒体はアーム１９３、１９４から熱を除去する。このように、キャビティ１８６内の溶融金属を指向性凝固させるため開始種１８８を通じて熱勾配が形成される。
【００９６】
図４３を参照すると、熱伝達装置１９１と接続された金型容器２００が図示されている。金型容器２００は、金型容器８０と実質的に同様であり、実質的に同一の特徴部は同様の参照番号で表示する。薄肉厚の一体型金型４５は、頂部分１８６ａ、底部分１８６ｂ及び側部分１８６ｃを有する内部キャビティ１８６を備えている。高温のガス状材料がキャビティ１８６に且つキャビティ１８６から出ることを許容する通気口７９が頂部分１８６ａに近接する位置に配置されている。開始種受け入れ入口１８９は底部分１８６ｂに形成され、側部分１８６ｃは、金型の側壁４９からの熱伝達を最小にし得るよう絶縁されている。１つの好ましい形態において、種における熱勾配は時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は核形成の間、小さく、結晶が成長する間、実質的により大きい。１つの形態における熱勾配は、液体対固体の境界面にて約１１．３２９９℃／ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。溶融金属受け入れキャビティ１８６の形状は、完全に一例であり且つ本発明を限定することを意図するものではない。
【００９７】
図４４を参照すると、鋳造用金型内に配置された開始種を通じて熱を吸引する熱伝達装置の１つの代替的な実施の形態２０１が図示されている。１つの好ましい形態において、種における熱勾配は時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は核形成の間、小さく、結晶が成長する間、実質的により大きい。１つの形態における熱勾配は、液体対固体の境界面にて約１１．３２９９℃／ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。１つの実施の形態において、一体型熱伝達装置２０１は、開始種部分２０２と、精密位置決め面２０３と、貫通路２０４とを備えている。開始種部分２０２は、金型の薄いセラミックシェルの面５５０内に受け入れられ且つ該面５５０と当接する。開始種部分２０２の垂直位置は、精密位置決め部材１９２により固着され、該精密位置決め部材は精密位置決め面２０３と当接する。通路２０４は、熱伝達装置２０１に形成され且つ熱伝達媒体を通す設計とされている。より具体的には、該通路は、熱伝達装置に形成された支承面２０６と強固に係合し且つ整合可能な一対のカプラー２０５（その１つのみを図示）と接続可能な設計とされている。対のカプラー２０５が熱伝達装置２０１と接続され且つ通路２０４と整合された状態で、熱伝達媒体の流れは、カプラー２０５内の通路５５１を通って熱伝達装置２０１の通路２０４内に流れることができる。
【００９８】
支承面２０６及びカプラー２０５の各々における相応する面は、冷却媒体が継手の周りで漏洩するのを防止するよう実質的に流体密のシールを形成する。更に、１つの実施の形態において、支承面２０６は電気的接点を画成し、対のカプラー２０５は熱伝達装置２０１と合わさったとき、回路が接続され且つ電流が熱伝達装置２０１を通って流れ、種部分２０２を加熱するヒータを形成する。熱伝達装置２０１は、開始種部分２０２の局部的な加熱を許容し且つ開始種部分２０２の上で金型内で凝固する溶融金属からエネルギを吸引することを可能にする。
【００９９】
図４５を参照すると、金型の薄いセラミックシェルとの当接関係から除去されたエネルギ伝達装置２０１の１つの実施の形態の斜視図が図示されている。１つの形態において、エネルギ伝達装置２０１は、開始種部分２０２を有する一体的主要本体２０７を有している。開始種部分は、鋳造用金型の種受け入れ部分内に配置し、溶融金属が矢印Ｆの方向に溶融面２０８を横断して流れ得るようにすることが可能である。しかし、本発明は、一体型装置にのみ限定されず、多岐に亙る幾何学的形態及び流路を有する組み立てた装置も含む。
【０１００】
図４６Ａ及び図４６Ｂを参照すると、鋳造用金型２１０の一部分が図示されている。１つの好ましい形態において、鋳造用金型２１０は、選択的レーザ励起又は三次元的印刷により形成されるが、金型はこれら方法により製造された金型に限定することを意図するものではなく、当業者に知られたその他の方法により製造することができる。鋳造用金型２１０は、一体型鋳造用金型２１０内のキャビティ２１２に溶融金属を供給する通路を提供する注入管２１１を備えている。１つの実施の形態において、開始種２１３は、鋳造用金型２１０内に配置され且つディフューザ２１１ａの排出部分２１６に対する所定の位置に開始種２１３の最初の溶融面２１５ａを配置し得るように位置決め部材２１４により配置される。ディフューザ２１１ａは、開始種の最初の溶融面２１５ａを溶融金属にて完全に覆うことを可能にする。ディフューザ部分２１１ａの壁は、１５°乃至４５°の範囲にあることが好ましい角度φにて開放する。開始種本体の一部分が最初に溶融する間、開始種２１３に輸送されるエネルギを増し得るようにディフューザ部分２１１ａは、開始種に亙る溶融金属の動きを遅くする。１つの実施の形態において、最初の溶融面２１５の高さ及びディフューザ部分２１１ａの形態は、種の一部分を溶融させ得るように溶融金属から除去され且つ開始種２１３に輸送される熱の量を最大にし得るように選択される。
【０１０１】
本発明の１つの実施の形態において、溶融可能な部材２２０は、鋳造用金型２１０内に配置し、溶融金属の流れが部材２２０を溶融させ且つ溶融可能な部材から成る材料を溶融金属と共に金型キャビティ２１２内に供給するようにする。溶融可能な部材２２０は、注入管２１１の一部分内に配置される。しかし、溶融可能な部材２２０の位置は、ディフューザ２１１ａのような他の場所とすることができる。１つの好ましい形態において、部材２２０は、溶融金属が充填管２１１を通って流れるのを実質的に妨害せず且つ溶融金属の熱により容易に溶融されるワイヤー又はメッシュである。溶融可能な部材２２０は、溶融し且つ溶融合金と混合し、改良された展性及び／又は酸化抵抗性のような非限定的な性質を鋳造部品に付与する。１つの形態において、溶融可能な部材２２０は、非限定的に希土類金属元素のような反応性金属にて形成される。
【０１０２】
図４７Ａ乃至図４７Ｃを参照すると、溶融金属は溶融面１８８ａを亙って矢印Ｇの方向に流れるとき、開始種１８８の一部分が溶融して後退する状態が図示されている。開始種１８８は、溶融端及び基端２２６を有する金属部材であり、該基端は部材に対し且つ／又は部材から熱を伝達し得るよう熱伝達装置と接触可能である。溶融加速部分２２５が溶融端に形成され且つ参照番号Ｐで示した材料の最初の高さを有する。図４７Ａを参照すると、非溶融状態にある溶融加速部分２２５が図示され、この溶融加速部分２２５は、基端２２６の断面積よりも小さい断面積を有する。溶融金属が面１８８ａを亙って流れる時間の後、溶融加速部分２２５は部分的に溶融して後退する。面１８８ｂ（図４７Ｂ）は、ある時間、溶融金属が通過した後の溶融加速部分２２５のプロファイルを示し、その高さはＱで示してある。図４７Ｃを参照すると、追加的な溶融金属が溶融加速部分２２５を亙って流れるとき、溶融過程が続行し、プロファイルは１８８ｃで示してあり、Ｒで示した高さを有する。溶融加速部分２２５の溶融が続くと、凝固する金属からの熱伝達が生ずる溶融加速部分の表面積は、開始種１８８の基部２２６の表面積と等しい寸法に近づく。１つの実施の形態において、開始種１８８が溶融して後退する状態が完了すると、溶融加速部分２２５は、溶融金属から開始種への熱伝達を制限しないよう基端２２６に実質的に等しい断面積を有する位置まで後退している。
【０１０３】
図４８及び図４９を参照すると、本明細書で可能であると考えられる開始種の他の実施の形態が図示されている。開始種２３０は、半円形の断面である溶融加速部分２３１を有するが、非限定的に、溝付き面及び／又はギザギザ付き面のようなその他の幾何学的形状も考えられる。開始種２３５は、溶融部分２３５ａと、熱伝達媒体が通り得るように形成された通路２３６とを有する。本明細書において、開始種はその他の幾何学的形状が可能であり、また、溶融加速部分２３５ａは備えなくてもよいが、熱伝達材料が流れるための通路を備えるようにしてもよいことが理解される。１つの代替的な実施の形態において、より多くの精緻な冷却通路を形成し得るよう複数の内部通路が考えられる。
【０１０４】
図５０を参照すると、鋳造装置１１５のような鋳造装置から溶融金属を分配する装置の別の実施の形態２３０が図示されている。溶融るつぼ２３１は、溶融金属が底部壁部材の穴を通過しない点を除いて、溶融るつぼ１２２と実質的に同一である。溶融金属供給通路２３２は、供給端部２３３及び排出端部２３４を有する。供給端部２３３は、溶融金属の面の下方から溶融金属が供給され、通路２３２がるつぼ２３１内の溶融金属の柱状部分の高さまで充填される。供給通路２３２から金型容器８０内への溶融金属の排出は、チャンバ１１７とチャンバ１１８との間の圧力差によって制御される。
【０１０５】
溶融金属供給通路２３２は、受動的な溶融金属流れ制御機能を有する。１つの実施の形態において、通路２３２の部分２３２ａは、流れ制御手段として機能する。るつぼ内の溶融金属に十分な圧力が付与されたとき、通路２３２は、溶融金属にて充填される。付与された圧力を解放すると、溶融金属はるつぼに戻り且つるつぼ内の溶融金属の高さに実質的に等しい通路内の高さに保たれる。１つの形態において、溶融金属を部分２３２ａから且つノズル６００外に供給することは、高さ「Ｃ」プラスチャンバ１１７及びチャンバ１１８の間の圧力差により制御される所定の圧力及び速度で行われることになる。通路２３２を充填するのに必要な作動エネルギは「Ｄ」で示してある。
【０１０６】
装置の１つの好ましい形態において、溶融金属の排出は、るつぼ２３１内の溶融金属に対し圧力を付与することで制御される。上述したように、溶融金属に付与された圧力は、金属材料１３７を溶融金属内に前進させること、及び／又は不活性ガスにより溶融金属の表面に圧力を付与することにより形成することができる。溶融金属の表面における圧力が上昇すると、追加的な溶融金属が供給端部２３３及び供給通路２３２を通じて排出端部２３４に付勢される。排出端部２３４にて、溶融金属は、ノズル６００を通って金型容器の入口（ｉｎｌｅｔ）まで流れる。溶融金属に作用する圧力を解放すると、点２３５を超える溶融金属が供給され、通路内の残る溶融金属はその位置に留まり且つ／又はるつぼ２３１に戻される。このため、金型容器８０への溶融金属の供給は、チャンバ１１７、１１８の間の圧力差により制御される。１つの代替的な実施の形態において、金型容器８０への溶融金属の流れは、溶融金属に作用する圧力を上昇させることに代えて、容器の周りの圧力を下降させることにより行うことができる。
【０１０７】
図５１を参照すると、溶融金属を鋳造装置１１５のような鋳造装置から分配する溶融金属の分配装置の１つの代替的な実施の形態２４０が図示されている。より具体的には、溶融金属の分配装置２４０は、上方チャンバ１１７内に配置され、金型８０は、下方チャンバ１１８内に配置されている。るつぼ２４１は、るつぼ１２２と実質的に同様であり且つ金属材料を溶融させ得るようにヒータ１２３により加熱される。るつぼの排出穴２４２がるつぼに形成され且つ壁部材１１４を貫通する通路２４３と整合されている。ストッパロッド２４４が上方チャンバ１１７内に配置されている。該ストッパロッド２４４は、密封面２４５が穴２４２の周りでるつぼの壁に係合し、溶融金属が通過するのを防止する位置と、密封面２４５が穴２４２の周りで壁と当接する関係から除去される別の位置との間にて可動である。重力は、ストッパロッドの密封面２４５をその密封位置から除去したとき、溶融金属が金型８０内に流れるのを許容する。
【０１０８】
図５２を参照すると、溶融金属の分配装置１２５が内部に配置されたるつぼ１２２の拡大図が図示されている。るつぼ１２２は穴７００を有している。溶融金属の分配装置１２５は、互いに且つるつぼ１２２と流体的に連通した外側通路２５０及び内側通路２５１を有している。複数の充填穴２５２は、るつぼ１２２内の溶融金属が装置１２５の外側通路２５０内に流れるのを許容する。外側通路２５０が溶融金属にて充填されると、溶融金属は、内側通路２５１の供給端部２５１ａ内に溢れることができる。内側通路２５１は、排出端部２５１ｂを有し、溶融金属はこの排出端部を通ってノズル２５３まで流れる。ノズル２５３の周りの内側通路２５１の部分２５５は、溶融金属が蓄積するのを許容し、この溶融金属は、ノズル２５３の温度を溶融金属のるつぼの温度近くに保つために使用される。
【０１０９】
１つの実施の形態において、熱遮蔽体及び／又はヒータ２５４は、ノズル２５３から隔てられ且つ該ノズル２５３の周りに配置され、ノズルを機械的に保護し、またノズルからの熱損失を少なくする。ノズル２５３は、るつぼの穴７００を通って伸び且つ溶融金属の流れを集中させ得る設計とされた排出穴を有する。１つの形態において、溶融金属の流れは、実質的に垂直に排出されるが、別の実施の形態において、その流れは他の相対的な方向に排出される。１つの実施の形態において、排出穴は、直径約３．１７５ｍｍ（約０．１２５インチ）であるが、その他の寸法も考えられる。更に、ノズルは、溶融金属の排出が完了する毎にそれ自体でパージする点で自己洗浄型である。より具体的には、１つの実施の形態において、ノズル２５３は尖った端部２５３ａを有する。
【０１１０】
溶融金属の分配装置１２５の構造体は、複数の入口充填穴２５２を有し、内側部材２５６が隔てられた外側部材２５７を備えることが好ましい。内側部材２５６及び外側部材２５７は、アルミナ又はその他の適当なセラミックにて作られることが好ましく、外側部材は、等しく隔てられた４つの入口充填穴２５２を有するが、入口穴のその他の数及び間隔も考えられる。内側部材及び外側部材はるつぼ１２２の基部に接続される。より好ましくは、分配装置１２５は、一端にて閉じられた第一の直立の外管２５７及び内方に隔てられた第二の直立の内管２５６とを画成する。内管２５６及び外管２５７は、るつぼ１２２の底部壁部材７０１に接続され且つ穴７００の周りに配置されている。１つの好ましい実施の形態において、内管２５６は、所定の量の溶融金属を保持する計測量供給キャビティを画成する。
【０１１１】
図５２ａを参照すると、溶融金属の分配装置の１つの代替的な実施の形態が図示されている。溶融金属の分配装置６５０は、機械的ハウジング／るつぼ６５１内に配置されさている。機械的ハウジングは、溶融金属を内部に受け入れ得るようにされた内部容積６５２を有している。溶融金属の分配装置は、通路６５４が形成された部材６５３を備えている。通路６５４の一端には溶融金属入口（ｉｎｌｅｔ）６５５があり、その他端には溶融金属出口がある。１つの代替的な実施の形態において、溶融金属の分配装置の一部分のみが溶融金属が配置された内部容積内に配置される。通路６５４内に湾曲部分６５５が画成されている。溶融金属は、通路６５４に入り且つ通路を通ってハウジング６５１内の溶融金属の高さまで流れる。機械的ハウジング内の溶融金属に圧力を付与したとき、溶融金属は、湾曲部分６５５に駆動され且つ通路６５４を通って溶融金属出口まで流れ且つ排出される。１つの形態において、溶融金属は、矢印Ａで示した第一の方向に流れ、湾曲部分６５５に達し、この湾曲部分６５５から矢印Ｂで示した第二の方向に流れる。溶融金属の入口６５５は、内部容積内の溶融金属の面６７０の下方に配置されている。１つの実施の形態において、溶融金属の分配装置は一体に形成されている。
【０１１２】
溶融金属の分配装置６５０の１つの好ましい実施の形態において、通路は、実質的にＵ字形の通路を形成し得るように湾曲部分と合わさる実質的に直立部分を有する。更に、湾曲部分は機械的ハウジング／るつほ６５１内の溶融金属の高さよりも上方にあることが好ましい。１つの形態において、通路の一部分は、溶融金属の入口と溶融金属の出口との間にて断面積が変化する。より好ましい形態において、通路の少なくとも一部分は湾曲部分の前にテーパーが付けられ、より好ましくは、截頭円錐形の形状の通路を画成するようにする。１つの実施の形態において、通路６５４は、該通路と流体的に連通する状態に配置された通気口７００を有する。しかし、１つの代替的な実施の形態において、通路は該通路に接続された通気口を有しない。通気口は通路を換気し且つ通路を加熱流体で洗浄することを許容するために利用される。本発明は、溶融金属の分配装置の部品に対しその他の幾何学的形状及び寸法とすることも可能と考える。
【０１１３】
図５３Ａ乃至図５３Ｅを参照すると、溶融金属の分配装置１２５の１つの実施の形態から溶融金属を分配する過程が図示されている。非溶融金属材料１３７がるつぼ１２２内に前進すると、その材料は溶融し且つある量の溶融金属１２４を形成する。溶融金属１２４は複数の充填穴２５２を通って装置１２５の外側通路２５０内に流れる。非溶融金属材料１３７がるつぼ内に連続的に進み、その後に、溶融すると、るつぼ１２２内での溶融金属の高さＨは、内側通路２５１の供給端部２５１ａの高さまで上昇する。内側通路／計測量供給チャンバ２５１を溶融金属で充填するため、チャンバ内の溶融金属１２４に追加的な力を付与することが必要となる。
【０１１４】
この追加的な力は、非溶融金属材料１３７をるつぼ内の溶融金属の量内に連続的に進めることで付与することができる。るつぼ内の溶融金属１２４に作用する圧力を増すための第二の方法は、溶融合金の表面に対し加圧した不活性ガスを導入することである。溶融金属に作用する追加的な圧力は溶融金属が充填穴２５２を通って連続的に流れるようにする。その後、溶融金属は外側通路２５０から内側通路の供給端部２５１ａにあふれる。内側通路の充填は、充填穴２５２は比較的迅速な過程であり、それは、充填穴２５２はノズル２５３よりも実質的に大きい材料の流入分が入口通路から排出されるようにすることを許容する寸法とされているからである。内側通路２５１が溶融金属で実質的に充填されたとき、面１２４ａに作用する圧力は除去され、内側通路２５１は最早、外側通路２５０から溶融金属を受け取らず、該内側通路はその溶融金属の装荷分をノズル２５３を通じて集中的な流れにて排出する。
【０１１５】
溶融金属の分配装置の１つの実施の形態において、センサ８００（図５３Ｄ）はノズルからの溶融金属の最初の流れを検出し得るようにノズル２５３に近接して配置されている。ノズル２５３から溶融金属の最初の流れが検出されたとき、センサは、溶融金属の面１２４ａから更なる圧力が除去されるようにする信号を送る。１つの実施の形態において、この信号は、溶融金属への圧力の付与を制御する制御装置に送られる。溶融金属がノズル２５３から排出されたことの早期の表示は、充填穴２５２及びノズル穴の全体寸法の差のため、内側通路２５１の充填の完了と実質的に同時である。１つの実施の形態において、充填穴２５２からの材料の流入は、ノズル穴を通る材料の流出量よりも著しく多い。
【０１１６】
図５４を参照すると、溶融金属の圧力が時間の関数として図示されている。図３６に図示した１つの実施の形態において、ノズル２５３は、充填管５２の入口７８と流体的に連通状態に接続されている。次に、チャンバ１１７内の圧力を上昇させるか又はチャンバ１１８内の圧力を減少させる何れかにより溶融金属の流れを開始させることができる。チャンバ１１８内の圧力の減少は、金型の内部キャビティを真空にし、これにより、残留する粉体のようなルーズな材料を除去すること、及び／又はアルミニウム、チタン及びハフニウムのような反応性元素を保護するため金型のガス量を軽減させることの機能が可能である。更に、チャンバ１１７内の圧力の上昇は、金型キャビティの細部を充填するのに役立つ。多くの材料間の反応を抑制し且つ凝固に起因する収縮を軽減するためチャンバ１１７内でより高圧力を使用することができる。
【０１１７】
図５５を参照すると、その後の鋳造工程が行われるように加熱炉８０１内に配置されたガスタービンエンジンブレード３０が図示されている。単結晶及び／又は柱状粒子鋳造用のこの後鋳造加工工程は、熱等静圧加圧工程、均質化工程及び焼入工程を含む。熱等静圧加圧工程は、部品３０を加熱炉８０１内に配置し且つ部品に対し高温度及び圧力を作用させ、鋳造構造体から空隙を除去する。１つの実施の形態において、熱等静圧加圧は、約１３０１．６７乃至１３１５．５６℃（約２３７５乃至２４００°Ｆ）の温度及び約２０６．８４３ＭＰａ（約３０，０００ｌｂｓ／平方インチ）の圧力にて行われる。この圧力は、アルゴンのような不活性ガスにて供給されることが好ましい。図５５を参照すると、圧力は矢印８０２で示し、温度は矢印８０３で示してある。
【０１１８】
熱等静圧加圧工程後、部品に対し均質化工程を行い、これにより、凝固過程中に分離するであろうし且つ鋳造構造体の初期の融点を上昇させる設計とされた要素間に拡散を生じさせる。均質化サイクルは、部品に対し焼入ステップを行い、その後に、焼鈍し工程を行うことで完了する。
【０１１９】
本発明の１つの実施の形態において、３つの後鋳造工程は、加熱炉８０１内の連続的な過程に組み合わされる。熱等静圧加圧工程は、鋳造品の空隙を少なくし得るようにある時間、加熱炉８０１内の温度及び圧力を上昇させることにより加熱炉８０１内で行われる。その後、加熱炉８０１内の温度は、部品３０を形成する材料の初期融点の約−３．８８９℃（２５°Ｆ）以内の値まで上昇させる。好ましくは、加熱炉８０１内の温度は、ある時間、材料の融点の−１５℃（５°Ｆ）以内まで上昇させる。均質化工程が完了した後、低温の不活性ガスを加熱炉８０１内に高圧力で輸送することにより、焼入工程が行われる。鋳造部品の老化は、所望に応じて真空又は圧力下にて続行させることができる。
【０１２０】
鋳造工程の１つの好ましい形態は、約２５４ｃｍ（約１００インチ）／時の速度、より好ましくは約１５２．４ｃｍ（約６０インチ）／時の速度にて単結晶が成長することを許容する。しかし、その他の成長速度も考えられる。結晶をこれらの速度にて成長させ得ることは、より遅い凝固過程中に生じる合金中の元素の分離を最小にする。合金中の元素の分離の減少により、後鋳造工程の均質化サイクルは、約２４時間以内で行われ、より好ましくは、約２時間で行われるようにする。大きい熱勾配及び比較的短い開始種を利用する結果、加工がより迅速となり、収縮率がより少なく、疲労性質を改良し、また、より大きい応力破断強度を促進する、低分離を生ずる。
【０１２１】
図５６を参照すると、金属柱状粒子の開始種９００が図示されている。開始種９００は、指向性凝固した柱状粒子部品９０１を成長させる設計とされている。開始種９００は、鋳造部品に再現することが望ましい極めて細かい粒子９０２を有している。金属開始種９００のこの精密に配向した結晶学的構造体は鋳造部品にこの構造を付与するために使用される。
【０１２２】
本発明は図面に図示し且つ上記の説明にて詳細に記載したが、これは単に一例でありその性質を限定するものであると見なすべきではなく、好ましい実施の形態のみを図示し且つ説明したものであり、本発明の精神に属する全ての変更及び改変は、保護の対象に含めることを望むものであることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの図である。
【図２】 図１のガスタービンエンジン内のガスタービンエンジンブレードの斜視図である。
【図３】 図２の一部分のガスタービンエンジンブレードを備える、内部冷却通路の１つの実施の形態の平面図である。
【図４】 薄い外壁を有する鋳造翼の１つの実施の形態の断面図である。
【図５】 多数壁鋳造構造体の１つの実施の形態の図である。
【図６】 本発明の１つの面による方法にて製造された前縁を有する雰囲気空気／航空機の１つの実施の形態の図解図である。
【図７】 鋳造弁体の１つの実施の形態の図である。
【図８】 開始種からの樹枝状成長の図である。
【図９】 本発明の１つの実施の形態による鋳造用金型の一部分の図である。
【図１０】 本発明の別の実施の形態による鋳造用金型の一部分の図である。
【図１１】 製造サイクルが実質的に完了したときの図１０の鋳造用金型の図である。
【図１２】 鋳造用金型装置用の製造ファイルを作製する方法の１つの実施の形態のフローチャートである。
【図１３】 立体リソグラフィ法により製造される図１０の鋳造用金型の図である。
【図１４】 層状製造構造体の層を画成する境界を拡大した、図１０の鋳造用金型の図である。
【図１５】 図１４の層状製造構造体の一部分の拡大図である。
【図１６】 図１０の鋳造用金型の一部分を備える壁構造体の１つの代替的な実施の形態の図である。
【図１７】 図１０の鋳造用金型の一部分を備える壁構造体の１つの代替的な実施の形態の図である。
【図１８】 図１０の鋳造用金型の一部分を備えるコアの１つの代替的な実施の形態の図である。
【図１９】 図１０の鋳造用金型の一部分を備えるコアの１つの代替的な実施の形態の図である。
【図２０】 本発明の鋳造用金型の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図２１】 図２０の鋳造用金型の斜視図である。
【図２２】 図２０の鋳造用金型の線２２−２２に沿った断面図である。
【図２３】 本発明の鋳造用金型の別の実施の形態の断面図である。
【図２４】 素セラミック金型を焼結する加熱炉内の鋳造用金型の概略図である。
【図２５】 頂部材を更に備える、本発明の１つの実施の形態である自由形態にて製造した一体型鋳造用金型の図である。
【図２６】 図２５の一体型鋳造用金型が内部に配置された金型容器の部分図である。
【図２７】 加熱リングを更に備える図２６の金型容器の１つの代替的な実施の形態の部分図である。
【図２８】 線２８−２８に沿った図２７の断面図である。
【図２９】 ヒータを更に備える、図２７の金型容器の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図３０】 鋳造用金型から非結合材料を除去する装置の図である。
【図３１】 鋳造用金型から非結合材料を除去する図３０の装置の１つの実施の形態の図である。
【図３２】 本発明の鋳造装置の１つの実施の形態の図である。
【図３３】 本発明の部品を鋳造する鋳造装置の１つの実施の形態の断面図である。
【図３４】 図３３の鋳造装置の概略図である。
【図３５】 本発明の部品を鋳造する鋳造装置の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図３６】 本発明の部品を鋳造する鋳造装置の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図３７】 本発明の部品を鋳造する鋳造装置の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図３８】 開始種にエネルギを伝達する熱伝達装置の１つの実施の形態の斜視図である。
【図３９】 開始種を加熱する電気的手段を更に備える、図３８の熱伝達装置の斜視図である。
【図４０】 鋳造容器内に配置された開始種にエネルギを伝達する熱伝達装置の開始位置か位置にあるときの１つの代替的な断面図である。
【図４１】 閉じた位置にあるときの図４０の熱伝達装置の断面図である。
【図４２】 鋳造用金型内の開始種にエネルギを伝達する熱伝達装置の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図４３】 鋳造用金型内の開始種にエネルギを伝達する熱伝達装置の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図４４】 鋳造用金型から熱を除去する熱伝達装置の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図４５】 図４４の熱伝達装置の斜視図である。
【図４６】 ４６Ａは、金属開始種を有する鋳造用金型の一部分の図である。
４６Ｂは、４６Ａの線４６−４６に沿った断面図である。
【図４７】 ４７Ａは、金属開始種の１つの実施の形態の斜視図である。
４７Ｂは、ある量の溶融金属がその上を通った後の図４７Ａの金属開始種の斜視図である。
４７Ｃは、追加の量の溶融金属がその上を通った後の図４７Ｂの金属開始種の斜視図である。
【図４８】 本発明の開始種の１つの代替的な実施の形態の図である。
【図４９】 貫通路を有する本発明の開始種の図である。
【図５０】 鋳造装置内に配置された溶融金属供給装置の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図５１】 鋳造装置内に配置された溶融金属供給装置の１つの代替的な実施の形態の断面図である。
【図５２】 図３３の溶融金属供給装置の拡大図である。
５２ａは、溶融金属供給装置の１つの代替的な実施の形態の図である。
【図５３】 ５３Ａは、第一の段階における図５２の溶融金属供給装置の図である。
５３Ｂは、第二の段階における図５２の溶融金属供給装置の図である。
５３Ｃは、第三の段階における図５２の溶融金属供給装置の図である。
５３Ｄは、第四の段階における図５２の溶融金属供給装置の図である。
５３Ｅは、第五の段階における図５２の溶融金属供給装置の図である。
【図５４】 装荷圧力が時間と共に変化する過程のグラフである。
【図５５】 ある圧力及び温度環境内の図２のガスタービンエンジンブレードの図である。
【図５６】 溶融金属が指向性凝固した多結晶製品を形成し得るように凝固する指向性凝固した開始結晶の図である。

Claims (28)

1. 鋳造部品（３０）を製造する装置において、
   鋳造鋳型（３０１，４５、５２５）と、
   前記鋳造鋳型（３０１，４５、５２５）の下部に設けられ、該鋳造鋳型（３０１，４５、５２５）内へ流し込まれる溶融金属（１２４）を指向性凝固により少なくとも１つの結晶を成長させるために適用可能な金属開始種（３００、４２１，１５１、１７１、１８８、２０２、２１３、２３０、２３５、９００）であって、溶融金属を受け入れる部分（１８８ａ、２０８、２１５、２２５、２３１、２３５）と、溶融金属の少なくとも一部が凝固する間、熱伝達媒体を通し得るようにされた少なくとも１つの内部通路（２０４、２３６）とを有する前記金属開始種とを備え、
   前記溶融金属が該鋳造鋳型内で、該金属開始種により指向性凝固されて前記鋳造部品（３０）が得られる、鋳造部品を製造する装置。
2. 請求項１の装置において、前記金属開始種が超合金材料にて形成され且つ溶融した超合金材料から結晶を成長させ得るようにされた、装置。
3. 請求項１の装置において、前記通路が、熱伝達媒体を通し得るようにされた複数の通路（２３６）を画成する、装置。
4. 請求項１の装置において、前記開始種が、第一の端部及びその反対側の第二の端部を有し、 前記溶融金属受け入れ部分が、前記第一の端部に形成され、熱状態に応答して固体状態から液体状態に相変化させる溶融加速部分（２２５、２３１、２３５ａ）を備える、装置。
5. 請求項４の装置において、前記溶融加速部分（２２５、２３１、２３５ａ）が、水平方向に切断した断面で見た場合、前記開始種の該溶融加速部分以外の部分に比して減少した断面積を有する部分を画成する、装置。
6. 請求項５の装置において、前記溶融加速部分が略三角形又は半円形形状（２３５ａ）をしている、装置。
7. 溶融金属が凝固して鋳造部品になるときに使用される金属開始種結晶において、
   溶融端部及び基端（２２６）を有する金属部材（１５１、１８８、２３０、２３５）であって、前記基端が前記部材から熱を伝達すべく吸熱体（ｈｅａｔｓｉｎｋ）（１６１、１７６、１９７）に接触し得るようにされた第一の面（１５１ａ、１９８）を画成する前記金属部材を備え、
   前記金属部材（１８８、２３０、２３５）は、前記溶融端部に形成され且つ溶融金属（１２４）を受け入れ得るようにされた溶融加速部分（２２５、２３５ａ）を有し、
   該溶融加速部分（２２５、２３５ａ）が溶融されていないときは、前記金属部材を水平方向に切断した断面で見た場合、前記第一の面（１５１ａ、１９８）を通る水平方向断面積よりも小さい断面積を有し、
   また、前記溶融加速部分（２２５、２３５ａ）が溶融金属（１２４）により溶融されたときは、溶融金属（１２４）から前記基端（２２６）への熱伝達を制限しないように、前記水平方向断面で見た場合、該溶融加速部分は、前記第一の面（１５１ａ、１９８）を通る水平方向断面積と実質的に等しい断面積を有する位置まで溶融される、金属開始種結晶。
8. 請求項７の金属開始種結晶において、前記金属部材が超合金材料にて形成される、金属開始種結晶。
9. 請求項７の金属開始種結晶において、少なくとも１つの内部に形成された通路（２０４、２３６）を更に備え、 該少なくとも１つの内部に形成された通路が、熱伝達媒体を通過し得るようにされた、金属開始種結晶。
10. 請求項７の金属開始種結晶において、前記金属部材が柱状粒子構造体（３０、９００）を有する、金属開始種結晶。
11. 溶融金属を指向性凝固させて鋳造部品を製造する装置において、
    金属開始種（３００、４２１，１５１、１７１、１８８、２０２、２１３、２３０、２３５、９００）が内部に配置され、且つ溶融金属（１２４）が供給されて該金属開始種と熱交換させる鋳造用鋳型（３０１、４５、１８５）と、
    金属開始種を機械的に把持し且つ金属材料が凝固するとき、開始種に対する熱伝達路を維持する少なくとも１つの部材（１５２、１６６、１７３）と、
    熱を除去し得るように前記少なくとも１つの部材と接続された熱伝達吸熱体（ｓｉｎｋ）（１６１、１７６、１９７）とを備える、装置。
12. 請求項１１の装置において、前記少なくとも１つの部材（１５２、１６６、１７３）が、開始種に対して熱伝達可能に当接して配置された一対の機械的部材を画成する、装置。
13. 請求項１１の装置において、前記熱伝達吸熱体が能動的装置である、装置。
14. 請求項１３の装置において、前記少なくとも１つの部材（１５２、１６６、１７３）が通路（５３０）を備え、 前記熱伝達吸熱体が前記熱伝達通路を貫通して通る熱伝達媒体を画成する、装置。
15. 請求項１４の装置において、前記熱伝達媒体が液体金属である、装置。
16. 請求項１１の装置において、前記少なくとも１つの部材が一対の部材（１５２、１６６、１７３）を画成し、 該一対の部材の各々が、開始種と当接し且つ熱伝導可能な関係にあるジョー部分（１５２、１６６、１７３）を有し、 該ジョー部分の各々が、前記熱伝達吸熱体と流体的に連通する熱伝達通路を有する、装置。
17. 請求項１６の装置において、前記熱伝達吸熱体が流体を画成する、装置。
18. 請求項１６の装置において、前記開始種が、時間と共に変化する熱流量と、核形成と関係した第一の熱勾配と、結晶の成長と関係した第二の熱勾配とを有し、該第二の熱勾配が前記第一の熱勾配よりも大きい、装置。
19. 請求項１１の装置において、前記少なくとも１つの部材と接続された熱伝達源（１７８、１９５）を更に備え、 該熱伝達源が、金属開始種を局部的に加熱し得るように前記少なくとも１つの部材にエネルギを伝達し得るようにされた、装置。
20. 請求項１９の装置において、前記熱伝達源が前記少なくとも１つの部材を通じて電流を流す電源を備え、これにより、金属開始種が抵抗加熱される、装置。
21. 請求項１１の装置において、開始種が溶融金属を受け入れ得るようにされた第一の面（１８８ａ、２０８、２１５、１８８ａ−ｃ）を有し、該第一の面を所定の位置にて精密に配置し且つ保持する手段（１８９、５５０）を更に備える、装置。
22. 請求項２１の装置において、開始種が第二の面を有し、 精密に配置し且つ保持する前記手段が、前記第二の面に接触する部材を備える、装置。
23. 請求項２１の装置において、開始種が該開始種の上に形成された精密な配置特徴部（１７２）を備え、 精密に配置し且つ保持する前記手段が、前記少なくとも１つの部材の一部分（１７３）により画成され、 前記一部分が、開始種に形成された前記精密な配置特徴部と相互に係合する、装置。
24. 請求項１１の装置において、前記熱伝達吸熱体が、受動的装置である、装置。
25. 請求項１２の装置において、開始種が該開始種に形成された一対の配置特徴部（１７２）を備え、 該対の機械的部材の各々の一部分が、開始種を所定の位置に配置し得るように前記配置特徴部の１つと係合可能である、装置。
26. 請求項１１の装置において、前記少なくとも１つの部材と接続され且つ金属開始種の局部的な加熱を増し得るようにされた熱伝達源（１７８、１９５）を更に備える、装置。
27. 請求項２６の装置において、前記熱伝達源が、第一のモードにて開始種を通る熱勾配を減少させ得るように調節され、 前記熱伝達吸熱体が、第二のモードにて開始種を通る熱勾配を増大させ得るように調節される、装置。
28. 請求項１１の装置において、前記少なくとも１つの部材（１５２、１６６、１７３）と接続され且つ金属開始種を加熱し得るようにされた熱伝達源を更に備え、前記熱吸熱体及び前記熱源が同時に作動可能である、装置。