JP4906210B2 - 多層中子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は、多層からなる金属鋳物を鋳造する為の多層セラミック中子を製造する方法に関する。
【０００２】
［発明の背景］
多くのガスタービン機関の製造業者は、新型の多数の薄層からなるタービン翼（即ち、タービンブレード又はベーン）を評価している。このタービン翼は、複雑な空気冷却路を含み、この路は、大きな機関噴射及び充分なタービン翼の耐用年数が得られるようタービン翼の内部冷却の効率を改善する。
【０００３】
米国特許第５，２９５，５３０号及び第５，５４５，００３号は、新しい多数の薄層からなるタービンブレード又はベーン設計を説明する。この設計は、上述した目的のための複雑な空気冷却路を含む。
【０００４】
米国特許第５，２９５，５３０号では、多層からなる中子組立体は、第１の薄層セラミック中子を、ロウ又はプラスチックでコーティングし、仮の配置ピンを使用して、同様の第２のセラミック中子をコーティングされた第１のセラミック中子の上に配置し、２つの中子に孔が通され、配置ロッドが形成された孔に挿入され、次に、第２の中子がロウ又はプラスチックでコーティングされて形成される。この手順は必要な回数繰り返され、多層セラミック中子組立体を形成する。
【０００５】
この中子組立手順は、接続ロッド、ピン等と、ロッドを受容するために中子にあけられる孔と、更に、所望される寸法精度で中子部品を組立てるために必要な工具を使用する結果、かなり複雑となり、時間と費用がかかる。
【０００６】
従って、現在の中子製造技術において必要となっている中子構成素子を接続又は配置するロッド、ピン等を必要とせず、中子層間を通す工具制約がされない多層セラミック中子の製造方法が必要である。
【０００７】
本発明はこの必要を満足することを目的とする。
【０００８】
［発明の概要］
本発明は、例示的な実施例を用いて、タービンブレード又はベーンといった翼を鋳造するのに使用する多層セラミック中子の製造方法を提供する。この方法では、中子壁となる空間を間に画成する多数の薄層からなる模型構成素子を有する溶解質の模型が形成され、模型は、所望の中子構成を有する中子成形金型キャビティ内に置かれ、流体のセラミック材料が、その金型キャビティ内において、模型の周りと、模型構成素子の間に注入され、多層セラミック中子が形成され、その後、中子は、金型キャビティから取り外される。溶解質の模型は選択的に中子から取り除かれ、素地の多層中子が得られる。素地の中子は次に、インベストメント鋳造シェルモールドで鋳造するのに必要な中子強度が得られるよう焼成される。模型構成素子は、模型材料をステロリソグラフィック・デポジション（sterolithographic deposition）する、射出成形する、及び他の技術を用いることにより３次元の模型構成に形成することが可能である。
【０００９】
このように形成される多層セラミック中子は、成形される中子の他の一体領域により互いに接続される多数の離間される中子壁を含む。本発明は、中子の組立てにかかる費用を少なくし、中子壁の高い寸法精度及び繰返し性を提供する。
【００１０】
［発明の説明］
図１乃至３を参照するに、本発明は、例示的な実施例により、ガスタービン機関のタービンブレード及びベーンを含む多数の薄層からなる翼（図示せず）を鋳造するのに使用する複数壁のセラミック中子１０を製造する方法を提供する。タービンブレード又はベーンは、周知のニッケル又はコバルト系の超合金といった溶融された超合金を、セラミックインベストメントシェルモールドＭに鋳込むことにより形成され、モールドＭ内に、中子１０が図４に示すように配置される。溶融された超合金は、モールドＭ内において中子１０の周りで周知のように方向性凝固され、それにより、内部にセラミック中子１０を有するコラムグレイン（ｃｏｌｕｍｎａｒ ｇｒａｉｎ）又は単結晶の鋳物が形成される。或いは、溶融された超合金は、モールドＭ内において凝固され、周知のように多結晶グレイン（ｅｑｕｉａｘｅｄ ｇｒａｉｎ）の鋳物を形成する。中子１０は、化学浸出又は他の好適な技術により取り除かれ、以下に説明するように中子壁Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、及びＷ４により占められていた領域にタービン翼壁間の内部路が形成され、複数の壁からなるタービン翼鋳物が残される。
【００１１】
図１を参照するに、例示的な溶解性の中子模型２０は、個々の薄い翼状に形付けされる溶解性の模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３を複数（ここでは、３つ）含み、これらの模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３は、複数の壁を有する模型２０を形成するよう一体に組立てられるか又は成形される。模型構成素子は、凹状及び凸状の側面をそれぞれ有する全体的に翼状の断面形状を有し、先端及び終端は鋳造される翼に相補的であり、このことは当業者には周知である。模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３は、プラスチック、ロウ、又は、他の溶解性の材料から形成され、射出成形、ステロリソグラフィック、及び、他の技術により所望の３次元翼形状にされる。プラスチック又はロウ模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３は、市販されているステロリソグラフィックマシーン（例えば、３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓにより製造されるＳＬＡ５００モデルのステロリソグラフィックマシーン）を用いて翼構成にされることが可能である。このマシーンは、例えば、エポキシ樹脂といったプラスチック材料を連続的な層に堆積し、模型を形成する。個々の模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３は、このような方法により形成され、好適な接着剤により互いに接合され、模型組立体２０に形成される。或いは、模型２０は、射出成形により１つのピースとして形成されることが可能であり、この場合、模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３は、成形される模型の領域において一体となるよう相互接続される。
【００１２】
模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３には、互いに係合し合う凹部２２及び凸部２４といった配置特徴が形成され、これらの配置特徴により、模型は互いに対し３次元的に正確に配置可能となる。模型構成素子には更に、孔又は他の開口２６が形成され、これらは、中子が形成される際にはセラミック材料により充填される。模型構成素子には他の特徴も形成されることが可能であり、それらを以下に示すが、以下に制限されるものではない。例えば、ペデスタル、攪拌器、回転ベーン、及び、タービンブレード及びベーンに使用される類似の特徴を含む。模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３の間に形成される空間Ｓ１及びＳ２と、開口２６とは、最終的には、中子金型キャビティ内で模型２０の周りに外側中子壁が形成される際にセラミック中子材料で充填され、空間Ｓ１及びＳ２は、開口２６を介して、外側中子壁と相互接続された内側中子領域を構成する。
【００１３】
例えば、ガスタービン機関のブレード又はベーンといった超合金からなるタービン翼を鋳造するための中子１０の製造では、模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３は、上述したように、凹状及び凸状の側面と、鋳造される翼に相補的である先端及び終端それぞれ有する全体的に翼状の断面形状を有する。
【００１４】
模型２０は、所望の中子構成を有する中子成形金型キャビティ３０内に配置され、セラミックスラリーといった流体のセラミック材料が、模型２０の周り（外側空間）と模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３の間の空間（内側空間）に注入される。本発明は、この中子形成技術に制限されず、例えば、鋳込み中子成形（ｐｏｕｒｅｄ ｃｏｒｅ ｍｏｌｄｉｎｇ）、スリップキャスト成形、トランスファー成形、及び、他の中子形成技術を使用して実施されることが可能である。米国特許第５，２９６，３０８号は、セラミック中子を射出成形する方法を説明し、この特許は、本願に参照として組込む。
【００１５】
セラミック中子は、シリカ系、アルミナ系、ジルコン系の、ジルコニア系の材料、又は、他の好適な中子セラミック材料と、これらの材料の混合体を含むことが可能であり、このことは当業者には周知である。特定のセラミック中子材料は本発明の一部ではなく、好適なセラミック中子材料は米国特許第５，３９４，９３２号に記載される。中子材料は、以下に説明するように中子の周りに形成される翼の鋳物から化学的に浸出可能であるよう選択される。
【００１６】
中子金型キャビティ内に注入されるのに好適なセラミックスラリーは、ロウ又はシリコン樹脂といった液体ビヒクル及び／又は結合剤を含み、スラリーが中子金型キャビティ３０内において模型構成素子Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３の周りと間を十分に流れ充填しやすくなる。セラミックパウダが、液体ビヒクル、結合剤、及び、触媒に混合され、スラリーを形成する。
【００１７】
セラミックスラリーは、圧力下で中子金型キャビティ３０内に注入され、その内部で硬化され、素地の中子体を形成する。次に、素地の（未焼成の）中子１０は、金型キャビティ３０から取り外され、更なる処理の前に視覚検査され、その際、欠陥のある中子は廃棄される。
【００１８】
夫々の中子金型キャビティ３０から取り除かれた後に、模型２０は、熱溶解、化学溶解、又は、他の模型除去処理により素地の中子から選択的に除去され、複数壁の中子が残される。熱処理には、模型が内部にある素地の中子を、燃焼炉内で高温で加熱し、模型材料を溶融、気化、又は、焼きとることが含まれる。
【００１９】
次に、素地の中子１０は、アルミナといったセラミックパウダ（図示せず）のベッドを含むセラミックセッタサポート、即ち、さや（sagger）上で、高温で焼成される。セラミックセッタサポートは、焼成の際にその上に載っている中子の隣接する表面を支持するよう構成される上部のサポート面を含む。セラミックセッタサポートの底面は、従来のサポート備品上に配置され、それにより多数の中子構成素子を、中子構成素子の特定のセラミック材料に依存する従来の中子焼成パラメータを用いて焼成する従来中子燃焼炉内に装填することができる。
【００２０】
従って、上述のように形成される焼成された多層セラミック中子１０は、間に間隔が置かれる複数の薄層の翼状の中子壁Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、及び、Ｗ４を含み、これらの中子壁は、成形される中子の領域、及び、セラミック材料が開口２６を充填した部分であるポストＰＰにより一体に接合される。
【００２１】
次に、多層セラミック中子１０は更なる処理に使用され、超合金翼を鋳造するのに使用するインベストメントシェルモールドをその周りに形成する。特に、消費してよい模型ロウ、プラスチック、又は他の材料が、模型注入金型キャビティ（図示せず）内にある中子１０の周りと中子壁Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、及び、Ｗ４の間の空間に注入され、中子／模型組立体を形成する。一般的に、中子１０は、上述した目的のための模型金型キャビティ内に配置され、溶融されたロウが中子１０の周りと中子壁の間の空間に注入される。中子／模型組立体は次に、セラミックモールド材料内にインベストされ、これは周知の「ロストワックス法」に準じており、繰返しセラミックスラリーに浸漬し、余剰のスラリーをきり、中子／模型組立体の上に形成されるシェルモールドが所望の厚さとなるまで粗粒のセラミックスタッコがスタッコイングされる。模型は、熱又は化学溶解技術によりシェルモールドＭから選択的に除去され、内部に中子組立体１０を有するシェルモールドＭ（図４参照）が残される。シェルモールドは次に、高温で焼成され、鋳造のためのモールド強度が与えられる。
【００２２】
溶融される超合金は、従来の鋳込み技術を用いて、内部に中子１０を有する焼成されたモールドＭ内に注入される。溶融される超合金は、モールドＭ内において中子１０の周りにおいて方向性凝固されることが可能であり、それによりコラムグレイン又は単結晶の翼の鋳物が形成される。或いは、溶融される超合金は硬化されて、多結晶グレインの翼の鋳物が形成される。モールドＭは、機械的な突き出し動作及びその後に続く１回以上の化学的又は機械的グリット・ブラスト技術により凝固された鋳物から取り除かれる。中子１０は、化学的浸出又は他の従来の中子除去技術によって凝固翼の鋳物から選択的に取り除かれる。中子壁Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、及びＷ４により占められていた空間は、翼鋳物の内部の冷却空気路を含み、一方、中子壁間の空間にある超合金は、冷却空気路を離す翼の内部壁を形成する。
【００２３】
本発明は、セラミック中子が、現在の製造技術において必要となっている中子構成素子を接続又は配置するロッド、ピン等を必要とせず、また、中子層間を通す工具制約がされずに形成されるという利点を有する。
【００２４】
当業者には、本発明の特許請求の範囲内に記載される本発明の目的及び範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施例に対し様々な変更及び変化が可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的な実施例において多層セラミック中子を形成するのに使用する溶解質の模型を示す断面図である。
【図２】 中子成形金型キャビティ内にある模型を示す断面図である。
【図３】 中子金型キャビティ内にある溶解質の模型の周りに形成される多層中子を示す断面図である。
【図４】 ロウ模型が除去されたセラミックインベストメント鋳造シェルモールド内にインベストされる多層中子を示す断面図である。

Claims (19)

1. タービン翼を鋳造するための複数壁セラミック中子を製造する方法であって、
   複数の模型素子を組み合わせて、複数の壁を有する除去可能な模型を形成する段階と、
   中子成形金型キャビティ内に、前記模型を配置する段階であって、前記模型素子は、前記金型キャビティ内に、前記模型と前記金型キャビティの壁の間の外側空間、および前記模型の内部の内側空間を提供する段階と、
   前記金型キャビティ中の前記外側空間および前記内側空間に、流体セラミック材料を導入して、前記模型と複数壁セラミック中子とからなる組立体を構成する段階であって、前記複数壁セラミック中子は、前記外側空間に形成された外側中子壁と、前記内側空間に形成された内側中子領域とを有し、前記外側中子壁は、前記内側中子領域に相互接続される段階と、
   前記金型キャビティから前記組立体を取り外す段階と、
   前記組立体から前記除去可能な模型を選択的に除去する段階と、
   を有する方法。
2. 前記模型素子の少なくとも一つは、複数の開口を有し、該開口は、前記外側空間と内側空間との間で、厚さを貫通して延在し、前記開口は、前記金型キャビティ内においてセラミック材料で充填されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記除去可能な模型は、一緒に組立てられた複数の模型素子を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記除去可能な模型は、一体成形された模型素子を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記除去可能な模型は、ロウおよびプラスチック材料からなる群から選定された材料を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記プラスチック材料は、エポキシ樹脂を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記模型素子は、ステロリソグラフィック・デポジションにより形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記複数壁セラミック中子を、鋳造用の中子強度が得られる温度まで加熱する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 請求項８記載の前記セラミック中子は、インベストメントモールド内に配置され、前記モールド内において、溶融金属材料が前記中子の周りで鋳造されることを特徴とする、タービン翼を鋳造する方法。
10. タービン翼を鋳造するための複数壁セラミック中子を製造する方法であって、
    複数の模型素子を組み合わせて、複数の壁を有する除去可能な模型を形成する段階であって、前記模型素子の少なくとも一つは、厚さを貫通する１または２以上の開口を有する段階と、
    中子成形金型キャビティ内に、前記模型を配置する段階であって、前記模型素子は、前記金型キャビティ内に、前記模型と前記金型キャビティの壁の間の外側空間、および前記模型の内部の内側空間を提供する段階と、
    前記金型キャビティ中の前記模型の前記外側空間、前記内側空間、および前記１または２以上の開口内に、流体セラミック材料を導入して、前記模型と複数壁セラミック中子とからなる組立体を構成する段階であって、前記複数壁セラミック中子は、前記外側空間に形成された外側中子壁と、前記内側空間に形成された内側中子領域とを有し、前記外側中子壁は、前記１または２以上の開口内のセラミック材料により、前記内側中子領域に相互接続される、段階と、
    前記金型キャビティから前記組立体を取り外す段階と、
    前記組立体から前記除去可能な模型を選択的に除去する段階と、
    を有する方法。
11. 前記模型素子の各々は、それぞれの厚さを貫通する複数の開口を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記少なくとも一つの前記模型素子に、厚さを貫通する１または２以上のセラミックロッドを配置する段階を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 複数の模型素子および該複数の模型素子同士の間の、該複数の模型素子が存在しない内部空間を有する除去可能な模型と、複数壁セラミック中子との組立体であって、
    前記模型素子の少なくとも一つは、それぞれの厚さを貫通する１または２以上の開口を有し、
    前記複数壁セラミック中子は、前記模型の周囲に配置された外側中子壁と、前記内部空間に配置された内側中子領域とを有し、
    前記外側中子壁および前記内側中子領域は、前記１または２以上の開口内のセラミック材料によって、一体接続されることを特徴とする組立体。
14. 前記模型素子の各々は、それぞれの厚さを貫通する複数の開口を有することを特徴とする請求項１３に記載の組立体。
15. 前記少なくとも一つの前記模型素子内に、厚さを貫通する１または２以上のセラミックロッドを有することを特徴とする請求項１３に記載の組立体。
16. 複数の模型素子および該複数の模型素子同士の間の、該複数の模型素子が存在しない内部空間を有する除去可能な模型と、複数壁のセラミック中子との組立体であって、
    前記複数壁のセラミック中子は、前記模型の周囲に配置された外側中子壁と、前記内部空間に配置された内側中子領域とを有し、前記外側中子壁は、前記内側中子領域と相互接続されることを特徴とする組立体。
17. 前記模型は、ロウまたはプラスチック材料を含むことを特徴とする請求項１６に記載の組立体。
18. 前記外側中子壁および前記内側中子領域は、厚さを貫通する前記模型内のセラミックロッドにより、相互接続されることを特徴とする請求項１６に記載の組立体。
19. 前記外側中子壁および前記内側中子領域は、１または２以上の前記模型素子内の孔に存在するセラミック材料により、相互接続されることを特徴とする請求項１６に記載の組立体。

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