JP5164479B2 - 単結晶シードの製造と同時に単結晶部品を鋳造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、シェルモールド内での三次元結晶構造の合金の指向性凝固によって、方向づけられた結晶方位を有する部品、特に、単結晶部品を製造する分野に関する。より詳細には、凝固は、スターターシードから実行される。

指向性凝固は、溶融金属をモールドに供給することに、および所定の結晶方位を有する成長軸に沿って凝固を進めることにある。ニッケル超合金では、例えば、＜００１＞方位が支配する。しかし、凝固が第１の凝固軸に垂直な平面に対して位置づけられることをも可能にする凝固モードもある。鋳造部品の主軸に沿って測定された結晶方位は、第１方位と呼ばれ、主軸に垂直な平面における極性方位は、横または第２方位と呼ばれる。

本発明は、＜００１＞第１結晶方位に関係することが必要な単結晶部品に適用する。

本発明は、より詳細には、２つの結晶方位が関係される単結晶部品、すなわち、凝固軸に関して＜００１＞第１結晶方位および＜０１０＞横方位に適用する。

＜００１＞第１方位だけが関係される場合、回転割り出しを有さない単結晶スターターシードが使用され、あるいは、ピグテールまたはシケインタイプの結晶セレクターが使用される。これは、エアフォイルが凝固軸と平行なブレードを動かすＨＰを製造する場合である。この技術を使用する製造工程は、出願人の名前でＦＲ２７３４１８８に記載されている。

第１結晶方位と第２結晶方位との両方が関係されることが望まれる場合、回転割り出しを有するスターターシードが使用される。これは、例えば、出願人の名前でＦＲ２７２４８５７に記載された方法を使用して製造された単結晶ノズルなどの部品に関する場合であり、そのために、エアフォイルは、凝固軸に対して直角である。

高圧タービンノズルまたはＨＰＴＮの製造の場合には、両方の結晶方位を関係させるために、スターターシードが、位置決め具によって、ワックス型の取り付けの間に回転割り出され、あるいはほかに、スターターシード−結晶供給部を含むワックス型全体、ＨＰＴＮワックス型および粗製シードは、モールド内に、ワンピースに射出成形される。

非軍事上および軍事上の航空機エンジン用の単結晶タービンノズルの製造において通常使用される単結晶シードも、ロストワックス鋳造法によって製造される。様々な製造工程は、図１に示すような、スターターシード１、ダイヤフラム２、および得ることが望まれるシードの円筒形状を有するロッド３を含むワックス塊をまず製造することからなる。部品のためのシェルモールド内にそれらを位置させ、得られる部品のデンドライトの結晶方位を保証するために、平面４を有するシードを形成することは、一般的である。

したがって、シードを製造する方法は、以下のとおりである。セラミックシェルが、シード、ダイヤフラムおよびロッドを含むワックス型のまわりに作製される。このシェルは、セラミックスリップに漬け、次いで流動床内の浸漬またはスプレーコーティングによる砂の層を適用することの繰り返される操作によって得られる。各ディッピングおよびセラミック砂適用後、中間層乾燥操作が、実行される。シェルモールドの所望の厚さが得られるまで、この一連の操作が数回繰り返される。これは、次いで、最終乾燥操作を受ける。

次の工程は、シェルモールドからワックスを取り除き、それを焼成することにある。それは、次いで、合金を鋳造する準備である。単結晶シードは、セラミックシェルの基部に、この目的のために設けられた円筒状ハウジング内に置かれており、次いで、セラミックシェルは、指向性凝固用の従来の炉の囲いの内に置かれる。金属は、モールドに注がれ、ワックスを除去することによって残された空間を満たす。合金は、シードと接触し、部分的に溶解する。次いで、凝固は、引き上げることにより進む。引き上げの終わりに、単結晶ロッドが得られる。次いで、シェルは、打ち破られる。ロッドは、所要の寸法に切断され、得られたシードの第１および第２方位を確認するようにチェックされる。これらのシードは、単結晶部品、例えば、タービンノズルの製造のためのスターターシードとして利用可能である。
仏国特許第２７３４１８８号明細書 仏国特許第２７２４８５７号明細書

この特定の製造は、単結晶部品の作製において、さらなる段階を構成し、単結晶部品は、既に、本質的に複雑である。

本発明の目的は、単結晶部品を得る全体のコストを低減する目的で、シードの製造を簡単にすることである。

本発明によれば、この目的は、金属鋳造によって、２つのプラットフォーム間に少なくとも１つの羽根を有する単結晶高圧タービンノズルの製造において、スターターシードとして使用されることができる少なくとも１つの単結晶シードを製造する以下の方法によって達成される。この方法は、以下の事実によって特徴づけられる。

ワックス型が作製され、ワックス型は、単結晶高圧タービンノズルのための型を形成する第１の構成要素と、スターターシードのための型を形成し、結晶方位を限定するための平面を含む第２の構成要素と、少なくとも、結晶方位を限定するための平面を有する粗製シードのための型を組み入れる第３の構成要素とを含み；
セラミックシェルモールドが、上記ワックス型およびスターターシードから形成され、結晶方位を限定するための上記平面を含み、モールドに組み入れられ；
金属が、セラミックシェルモールドに注入され、得られた粗製シードが、部品と同じ結晶構造を有するように、金属は、スターターシードからモールド内で指向性凝固を受け、得られた粗製シードは、スターターシードとしての後の使用のために部品から分離される。

したがって、本発明は、１つまたは複数の単結晶部品が製造される塊からシードの製造を可能とし、上記部品は、第１および第２結晶方位が、大量生産において関係されることを必要とする。したがって、特定のシェルモールドを別々に使用して、シードを製造することはもはや必要ではない。そのような部品から得られるシード数は、例えば、単結晶タービンノズルの製造の場合には、２であってもよい。ノズルが大量生産されるので、他のノズルを製造するのに十分なシードの数が容易に達成される。これは、かなりのコストの低減をもたらす。

金属供給ゲート用の少なくとも１つの構成要素を含む型について、粗製シード型は、上記第３の構成要素を形成する金属供給ゲート用の上記構成要素に組み込まれる。

方法は、粗製シードから作製された部品が、Ｘ線結晶学によってチェックされることを可能にする。粗製シードの結晶方位がチェックされる一方、単結晶部品を仕上げる操作は、並行に実行されてもよい。したがって、部品を作製する製造サイクルは短縮される。さらに、粗製シードとして１つまたは複数の供給ゲートを使用して、単に、供給ゲート内で得られた粗製シードをチェックすることにより、単結晶部品の結晶方位をチェックすることが可能である。

本発明は、スターターシードを形成する構成要素と、部品のための型を形成する第１の構成要素との間に結晶供給部を成形する構成要素を含む型に、特に適用する。

１つの特徴によれば、羽根が第２の凝固軸に、プラットフォームが第１の凝固軸に沿って位置するように、部品は位置されている。より詳細には、型は、溶融金属供給ゲートを形成する２つの構成要素を含み、それぞれは、粗製シードを形成する構成要素を組み込む。

第１の実施形態によれば、型は、ワックスを有するモールド内でワンピース射出成形によって形成されて、上記構成要素をすべて提供する。

別の実施形態によれば、型は、ワックスを有するモールド内で射出成形によって形成されて、第１および第２の構成要素を提供し、第３の構成要素は、別々に作製され、次いで型に取り付けられる粗製シードを形成する。より詳細には、この場合、割り出し手段が、第３の構成要素と型との間に設けられる。

特に、割り出し手段は、型と、粗製シード型を形成する構成要素との間のほぞ穴−ほぞタイプのリンクからなる。

全体的に見て、利点は以下のどおりである。

スターターシードとして連続して使用される粗製シードを得るコストの低減。

作製された部品の結晶方位は、粗製シードの結晶方位を単にチェックすることによりチェックされる。したがって、粗製シードのチェックと並行に部品が仕上げられることは可能であり、それにより、部品のための製造サイクルを短縮し、したがって、コストが削減される。

１方位が凝固軸に対して直角であることを必要とする、および／または２つの結晶方位が関係されることを必要とする配置を有する単結晶部品のうち、ＨＰＴＮ（高圧タービンノズル）の特徴例について言及される。それらは、塊の基部にスターターシードを使用して、ロストワックス鋳造法によって製造される。本発明は、技術、言いかえれば、代わりに単結晶スターターシードとなる生成物に付随する粗製シードを使用することを提案する。

本発明の方法は、ＨＰＴＮの製造にそれを適用することにより以下に説明される。

ワンピースワックス射出法によって粗製シードを製造する１つの方法は、図２を参照して説明される。

ＨＰＴＮと同時の粗製シードの製造における第１の工程は、以下の一連の構成要素から構成された型１０の金属モールド内でのワンピースワックス射出成形からなる。

部品、本明細書ではＨＰＴＮを形成する第１の構成要素１１。このＨＰＴＮ部品は、羽根１１Ｂが間に延在する２つのプラットフォーム１１Ａを含む。

スターターシードをモールドする第２の構成要素１３。この構成要素は、スターターシードが、連続してその部品をモールドする穴に対して割り出されることができることによって、平面１３Ａを有する。

溶融金属供給ゲートを形成する２つの第３の構成要素１４。

スターターシードと部品との間で結晶供給部を形成する第４の構成要素１５。

このワンピース型１０において、プラットフォーム１１Ａが、＜００１＞第１の軸に沿って垂直に置かれるように、部品１１のための型が置かれることが理解されることができ、＜００１＞第１軸は、スターターシードの軸である。スターターシードは、それ自体が円筒形状であり、その主軸は、第１の凝固軸である。このように、羽根１１Ｂは、＜０１０＞または＜１００＞横結晶軸に沿って置かれる。

２つの第３の構成要素１４は、スターターシードと同じ形状の２つの粗製シード１４Ａをそこから解放することができるように形成されている。それらは、平面１４Ａ’を有する円筒状である。

粗製シードは、金属の凝固、仕上げおよび検査後に、次いで、スターターとして使用されてもよい。いくつかのワンピースワックス型が得られた後、これらの様々な型は、供給ゲート、および鋳造中に金属を保持するカップを特に含む塊を形成するためにともに連結される。

したがって、セラミックシェルは、塊をセラミックスリップに漬け、次いで流動床中の浸漬またはスプレーコーティングにより砂の層を適用する交互の操作によって、ワックス型１０のまわりに知られている方法で作製される。各ディッピングおよびセラミック砂の適用後、中間層の乾燥操作が実行される。シェルモールドの所望のセラミックの厚さが得られるまで、この一連の操作が数回繰り返される。セラミックの厚さが、ワックス型のまわりで十分な場合、このように得られたシェルは、その最終乾燥操作を受ける。

次いで、ワックス１０が、シェルモールドから取り除かれ、次いで、焼成される。シェルモールドは、次いで、合金を鋳造するために準備される。

シェルモールドは、指向性凝固のために従来の炉の囲いの内に置かれており、スターターシードは、セラミックシェルの基部に、この目的のために設けられ、型１０の構成要素１３から作製される円筒状ハウジング内に置かれている。

合金は、注がれた後に、シードと接触し、部分的に溶解する。次いで、凝固は、引き上げる、または他の知られている技術により起こる。凝固の終わりに、単結晶ＨＰＴＮ部品および単結晶粗製シードは、シェル内で得られる。次いで、シェルは、取り除かれ、ロッドは、所要の寸法に切断され、得られたシードの第一および第二方位を確認するようにチェックされる。

粗製シードの結晶方位が、ＨＰＴＮ部品の代表であると考えられ、それにより、ＨＰＴＮの結晶方位をチェックしなければならないことをなしで済ます。粗製シードは、スターターシードとして、単結晶部品、例えば、タービンノズルの製造のために連続して使用されることができる。仕上げ操作、すなわち、スターターシードおよび結晶供給部の取り外し、粉砕およびサンドブラスティングの操作は、シードのＸ線結晶検査と並行して実行され、それにより、ＨＰＴＮ部品の全体の製造において時間を節約することを可能にする。

変形例によれば、粗製シードがワンピースワックス射出成形の部品であることを必要とすることなく、粗製シードを製造することが可能である。

ワンピースワックス型の射出成形とは別にシードを作製するために使用されるこの第２のアプローチは、図３および図４で説明され、図２の対応する符号は、１００だけ大きくされている。

図３は、スターターシード１１３を形成する第２の構成要素、結晶供給部１１５、プラットフォーム１１１Ａを有するＨＰＴＮ型１１１および羽根１１１Ｂを形成する第４の構成要素、および金属供給ゲート１１４のための第３の構成要素を示す。これらの構成要素１１４は、プラットフォーム１１１Ａを有するワンピースで射出成形される。粗製シード１１４Ａを形成する構成要素は、射出成形モールド内で別々に製造され、これらの構成要素が組み立てられる位置決め具上に取り込まれている。粗製シード１１４Ａを形成する各構成要素は、部品に対して位置付けされ、ここで、ＨＰＴＮは、回転割り出しされ、それにより、平面１１４Ａ１を位置させ、その結果、粗製シードの第１および第２結晶方位に関係させる。ワックス粗製シード型の下面１１４Ａ２は、部品のプラットフォーム１１１Ａに金属を供給するための供給ゲートを形成する部分のためのワックス型の上面１１４’に接合されている。

割り出し操作のための操作方法の変形例は、図３に対応する符号が同じであるが、１００だけ大きくされる図４で説明されている。粗製シード２１４Ａのワックス型は、ワックス型２１１、より詳細には、ほぞ穴−ほぞタイプのリンクを介して、部品２００に金属を供給するための供給部２１４に関して割り出される。粗製シード２１４Ａのためのワックス型は、切欠き２１４Ａ１を備え、一方、部品２００のためのワックス型は、ほぞ２１４’を備える。

一旦組み立てると、最終ワックス型は、図２のワンピース型と同じ構成要素を含む。

これらの２つの変形例について、方法の次の工程は、ワンピース射出成形されたワックス型からの粗製シードの作製について記述した最初の解決法と同一である。

ロッドから単結晶シードを得るための先行技術のアセンブリを斜視的に示す。 シェルモールドが、ワックス型から構成される前に、粗製シードを形成する２つの型構成要素を有する本発明による単結晶ノズルのためのワックス型を示す。 単結晶ノズルに接合することにより、粗製シードが組み立てられた本発明の変形例による単結晶ノズルのためのワックス型を示す。 ほぞ穴−ほぞアセンブリにより割り出しを有する単結晶ノズルに接合することにより、粗製シードが組み立てられた本発明の別の変形例による単結晶ノズルのためのワックス型を示す。

１０ ワックス型
１１ 第１の構成要素
１１Ａ、１１１Ａ プラットフォーム
１１Ｂ、１１１Ｂ 羽根
１３ 第２の構成要素
１３Ａ １４Ａ’、１１４Ａ１ 平面
１４ 第３の構成要素
１４Ａ、１１４Ａ、２１４Ａ 粗製シード
１５ 第４の構成要素
１１１ ＨＰＴＮ型
１１３ スターターシード
１１４ 金属供給ゲート
１１４Ａ２ 下面
１１４’ 上面
１１５ 結晶供給部
２００ 部品
２１１ ワックス型
２１４ 供給部
２１４Ａ１ 切欠き
２１４’ ほぞ

Claims (5)

1. 金属鋳造による２つのプラットフォーム間に少なくとも１つの羽根を有する単結晶高圧タービンノズルの製造においてスターターシードとして使用することができる少なくとも１つの単結晶シードを製造する方法であって、
   ・ワックス型が作製され、該ワックス型は、
   羽根が前記単結晶の第２の軸に沿って位置するとともにプラットフォームが前記単結晶の第１の軸に沿って位置するように配向された、単結晶高圧タービンノズルのための型を形成する第１の構成要素と、
   スターターシードのための型を形成し、結晶方位を限定する平面を含む第２の構成要素と、
   それぞれが、溶融金属供給ゲートを形成しており、結晶方位を限定する平面を有する粗製シードのための型を組み込んだ、少なくとも２つの第３の構成要素とを備えており、
   ワックス型は、ワックスをモールド内に射出成形することによって形成されて、第１および第２の構成要素を提供し、第３の構成要素は、別途作製された後、前記射出成形によって形成された型に取り付けられる粗製シード型であり、第３の構成要素と前記射出成形によって形成された型との間に、割り出し手段が設けられており、
   ・セラミックシェルモールドが、前記ワックス型から形成され、前記結晶方位を限定する平面を含むスターターシードが、モールドに組み込まれ、
   ・金属が、セラミックシェルモールドに注入され、
   ・得られる粗製シードが部品と同じ結晶構造を有するように、金属が、モールド内でスターターシードから指向性凝固を受け、
   ・得られた粗製シードが、次にスターターシードとして使用するために、部品から分離される、前記方法。
2. ワックス型が、第２の構成要素と第１の構成要素との間で、結晶供給部を形成する第４の構成要素を含む、請求項１に記載の方法。
3. ワックス型が、ワックスをモールド内で射出成形することによって形成されて、前記構成要素のすべてを提供する、請求項１および２のいずれか一項に記載の方法。
4. 割り出し手段が、粗製シード型を形成する第３の構成要素と、第１および第２の構成要素からなる型との間の、ほぞ穴−ほぞタイプのリンクからなる、請求項１に記載の方法。
5. 部品が、粗製シード上で実行されるＸ線結晶学によってチェックされる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

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