JP5450976B2 - ターボ機械ブレードのためのセラミック鋳造コアを製作するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロストワックス鋳造の技術を用いて、複雑な幾何構成の内部キャビティを有する金属のターボ機械ブレードなどのコンポーネント、特に冷却回路を形成するためのコンポーネントの製作に関する。本発明は、これらのコンポーネントのための鋳造コアを成形するための装置に関する。

この技術を用いたブレードの製作は、ワックスまたは別の等価な一時的な材料から構成されるパターンの作製から始まり、鋳造コアを形成し、ブレードにおいてキャビティに対応する内部コンポーネントを備える。パターンを形成するために、コアが配置され、ワックスがその中に注入されるワックス射出成形が用いられる。シェル鋳型を作製するために、得られたワックスパターンは次に、セラミック粒子の懸濁液からなるスリップに複数回漬けられる。ワックスが除去され、シェル鋳型が焼成される。溶融金属をシェル鋳型に注入することによって、上記金属がシェル鋳型の内壁とコアとの間のボイドを占め、ブレードが得られる。適切なシールまたはセレクタおよび制御された冷却のおかげで、金属は、所望の構造に凝固される。合金の性質および成形処理から生じるコンポーネントの期待される特性に応じて、これは、柱状組織を備えた方向性凝固（ＤＳ）、単結晶粒組織を備えた方向性凝固（ＳＸ）または等軸凝固（ＥＸ）であり得る。コンポーネントの最初の２つの系統は、ＨＰタービンブレードのようなターボジェットエンジン内において熱的および機械的に高い応力を受けるコンポーネント向けの超合金に関連する。

一旦、合金が凝固された後、シェルおよびコアは叩き出される。これにより、所望のブレードが得られる。
欧州特許第３２８４５２号明細書 仏国特許第２３７１２５７号明細書 仏国特許第１７８５８３６号明細書 仏国特許出願公開第０６５１６８２号明細書

用いられる鋳造コアは、一般的には多孔質構造を備えたセラミックから構成される。これらは、粒子の形態を有する耐熱性充填剤と、結合剤を形成する比較的複雑な有機留分と、からなる混合物から作製される。組成の例が、ＥＰ３２８４５２、ＦＲ２３７１２５７号またはＦＲ１７８５８３６に記載されている。知られているように、鋳造コアは、たとえば、射出成形機を用いてコアボックスにおいて成形することによって形成される。この形成の後に結合剤除去処理が続き、その結合剤除去処理中に、コアの有機留分は、用いられる材料に応じて、昇華または熱分解などの手段によって除去される。これは、多孔質構造をもたらす。次に、コアは、炉における熱処理によって凝固される。型割線の跡を取り除いて仕上げ、コアの幾何形状を得るために、仕上げ工程が場合によっては必要とされることもある。このために研磨装置が用いられる。また、使用の次のサイクルにおいてコアが損傷するのを防止するために、コアを補強することが必要とされる場合がある。この場合には、コアは、有機樹脂に含浸される。

ガスタービンエンジンの高圧タービンブレードのコアは、薄い後縁領域を有する。さらに、薄い壁部分または領域を有するコンポーネントに対する需要がある。その結果、鋳型の充填限界に達することが多く、さらに多くの流体セラミックスラリの開発または注入変数の改変をもたらす。特に、鋳型のダイを充填するために、使用の従来の条件下でより高い注入流速または圧力が採用される。

しかし、これらの技術には、一定の限界がある。セラミックは、研磨特性を呈し、最新のより厳しい充填状態によって生成されるせん断応力は、装置の薄い領域の早すぎる摩耗の原因となり、作製停止の数および装置を維持するためのコストにおける増大を生じる結果となる。さらに、スラリがコアボックスの機構の中に浸透されるときに、離型処理は、コアの変形を生じる結果となる可能性がある。したがって、コアボックスにおけるこれらのコアの充填状態および離型状態は、亀裂およびバリタイプの兆候の原因であり、取り出されて検査された後、スクラップされることになる大量のコアを結果として生じる。この欠陥はまた、結合剤除去／焼成熱処理の後でのみ発覚する可能性がある。

ダイの充填品質を改善するために、本出願人は、ＦＲ０６５１６８２において、後縁領域におけるコアの歯を厚くし、必要な厚さに戻すために、厚くした歯を機械加工することを提案した。歯は、後縁付近のコアの部分を表し、金属が鋳造された後に、冷却空気を放出するためのチャネルを形成する。

これらの製作に関する問題を克服する別の手段が、ここで本発明によって提案される。前縁および後縁を有するターボ機械ブレードのための鋳造コアを製作するための装置を用いて、コアは、前縁側に厚い部分を、後縁側に薄い部分を備え、鋳型は、成形位置と離型位置との間で、一方向において他方に対して一方を移動することができる第１および第２のダイを備え、ダイに対して移動することができるサブコンポーネントを備える。この装置は、コアの上記薄い部分に対応するダイの部分が、移動可能なサブコンポーネントを含まず、機械的なイジェクタがダイの一方または他方に設けられており、コアが注入された後、薄い部分が、開口部の主要方向に沿って離型が行われるようになっている点で注目に値する。

「薄い領域」なる表現は、０．５ｍｍ未満の厚さを有する領域を意味することを理解されたい。０．１ｍｍ程度の厚さが、想定されている。

２つのダイは好ましくは、開放位置と閉鎖位置との間で、並進するように移動することができる。さらに特に、ダイは、コアにおけるキャビティの形成のために、突出する面装飾を有する。

任意に、コアブランクは場合によっては、設計事務所で設計されたような厚さに対して厚く形成された領域を有する鋳型に形成されてもよく、ブランクが鋳型から引き出された後、上記厚い領域を機械加工してもよい。ブランクを機械加工する処理は、熱処理前または熱処理後に、実行され得る。

本発明はまた、特にターボ機械ブレード用に、少なくとも１つの薄い領域、特に薄い後縁を備える鋳造コアを製作するための工程であって、適切な装置において、セラミック粒子の装填材料および有機結合剤を含む混合物の成形、鋳型からの取り出し、結合剤の除去およびコアの圧密熱処理を含み、上記パッド部分を有するコアブランクが、上記装置で形成され、ブランクが鋳型から取り出された後に、上記パッド部分が、機械加工され、これは、熱処理作業の前または後である工程に関する。

当業者は、低粘度を有する材料の開発または注入変数、特に圧力を忘れることなく流量の改変を行おうとしているが、薄い領域における鋳型およびコアのクリアランスおよび機械的変形を低減することによって、コアの品質を著しく改善することが可能であることが分かっている。本発明のおかげで、移動可能なサブコンポーネントの調整のために、時間のかかる巧妙な調整は、最初と各清浄処理後の両方に行われ、供給されるコアで、０．１ｍｍまで壁の厚さが減少した場合であっても、鋳型の摩耗に関する任意の具体的な進行が未然に防止される。

本発明のおかげで、コアボックスまたは鋳型、結果として鋳造コアを得て処理する際に必要なコストは、このように削減される。薄い後縁を有する鋳型における射出成形によって得られる離型注入亀裂、焼成亀裂および注入バリタイプの兆候を示すコアの量は、数十％に達するが、この解決策は、よりよいレベル品質のコアを急激に得ることを可能にし、コアボックスのサブコンポーネントのクリアランスに関連するバリを削減し、薄い後縁を有するコアの作製における予測の立たない変動を低減する。厚さの所期の限界は、０．１ｍｍまで下がる。

コアを構成する材料は好ましくは、８０から８５％の無機充填剤および１５から２０％の有機結合剤を含む。有利には、この組成は、出願人の特許であるＥＰ３２８４５２に記載された組成の１つに対応する。特に最小の流体組成であり、コアを大量生産するときに、最小の収縮変動も有する。

他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、本発明の工程を実装する方法に関する以下の説明を読めば、明白となるであろう。

以下の説明は、航空機または地上の用途向けのガスタービンエンジンにおける高圧タービンブレードのための鋳造コアの形成に対して本発明を適用することに対応する。この実施例は、限定するものではない。

図１から分かるように、そのようなタービンブレード１は、圧力側ＰＳ、吸い込み側ＳＳ、前縁ＬＥおよび後縁ＴＥを備える。ブレードは、複数の、ここでは７つの内部キャビティ１Ａから１Ｇを備える。キャビティは、仕切り１ＡＢ、１ＢＣなどによって互いに離隔される。後縁は、その長さにわたって、１つの開口部１Ｈまたは複数の開口部を有し、ガスストリームに冷却剤を放出するための互いに平行なチャネル１ＧＨ’を介して、上記開口部は、最後のキャビティ１Ｇから供給される。冷却剤は圧縮機からの抽気エアを含む。

このタイプのブレードが、シェル鋳型に溶融金属を鋳込むことによって製造される場合には、ブレード内に形成されることになっているキャビティのボイドを占めるコアが、上記鋳型に組み込まれなければならない。このコア１０は、図２に概略的に示され、複雑な幾何形状を有する。コアは、エアフォイルのキャビティに対応する部分１０Ａ、ブレード根元部のキャビティに対応する部分１０Ｂおよび製作中にブレードを把持するためのハンドルを形成する部分１０Ｃを備える。エアフォイルの先端に、この分野の業界用語でスクイーラと呼ばれるものに対応する部分１０Ｄもある。この部分は、横断する凹部によって、部分１０Ａからここでは離隔される。この凹部は、鋳造後、スクイーラの底壁を形成する。

特に、コアは、後縁に対応する薄い領域１０Ａ１を備える。図１に示される実施例において、この部分は、部分的に部分１０Ｇおよび部分１０ＧＨおよび１０Ｈを含む。１０Ｇは、ブレードのキャビティ１Ｇを形成するコアの該当する部分である。１０ＧＨは、チャネル１ＧＨに対応するコアの該当する部分であり、１０Ｈは、キャビティ１Ｈに対応する。薄い領域は一般に、後縁に対応するコアの縁から数ミリメートルにわたって延在する。

鋳型は通常、２つのダイ、すなわち一方は下部ダイであり、他方は上部ダイからなり、これらのダイは、鋳造中に互いに対してしっかりと押圧され、次に、鋳造コンポーネントを取り出すことを可能にするように分離されることを想起されたい。鋳型が失われる他の工程（サンド鋳造またはロストワックス鋳造など）とは異なり、注入されるコンポーネントがダイの中に詰め込まれた状態のままでないことと、逆に、注入されたコンポーネントが損傷を受けることなくダイから取り出されることができることを確実にすることが不可欠である。取り出し方向に対して平行な面は、回避される。面は、３から５°で変化し得る「テーパ」と呼ばれる角度だけ上記取り出し方向とは異なる。取り出すことが困難であるある種の部分は、イジェクタと呼ばれる摺動ロッドのシステムを必要とする。さらに、鋳造されることになっているコンポーネントの幾何形状は、逆向きのテーパを含み、離型方向において上部ダイおよび下部ダイを放すように単に移動することによる離型を防止する可能性がある。ダイは次に、これらの逆向きのテーパ部分のために、離型を確実にするために配置された移動可能なサブコンポーネントを含む。

図３は、開放位置においてコア鋳型を形成する注入ボックス３００を示している。注入ボックスは、射出成形機（図示せず）の下部大および上部ダイのそれぞれに固定された下部プラテン３１０および上部プラテン３２０を備える。ボックスのこのタイプは、２つのダイを備え、一方は下部ダイ３３０と呼ばれ、他方は上部ダイ３４０と呼ばれる。ボックスが閉鎖位置にある場合には、スラリ（ポリマーおよびセラミックの混合物）が、注入チャネル３５０を介して注入され、スラリがコアのための空間３６０を満たす。各ダイは、コアの中空部分を確保するための装飾を形成するその内壁にレリーフ要素を有する。

図４は、断面において、タービンブレードコア１０のための従来の鋳型の部分を示している。タービンブレードコアは、仕上げたブレードの仕切りを提供することを意図したキャビティのための装飾３７０を有するダイ３３０および３４０を備える。その弦に沿ったコアの曲率は大きい。後縁に位置しているコアの当該部分の方向は、前縁側に位置するより厚い部分の方向に対して、約４５から６０°の角度をなす。この曲率は、逆向きのテーパ部分を回避することを可能にしないため、移動可能なサブコンポーネントなしでダイを作製することはできない。

通常の技術は、矢印Ｆ１およびＦ２によって示される一定の移動性を有するコア１０の後縁１０Ａ１におけるサブコンポーネント３３０ａおよび３４０ａを用いて、鋳型のダイを設計することにある。通常、コアの中実部分における同一の向きを有する仕切りの数は、後縁における装飾の方向における数より大きい。したがって、従来技術において、移動可能なサブコンポーネントは、後縁アウトレットおよびコアの中実部分における下部ダイおよび上部ダイの直接的な離型のために、逆向きである。本発明によって、装置は、後縁におけるその重要な部分において簡素化され、移動可能なサブコンポーネントは、より厚く、かつ得ることがより簡単である領域において維持される。サブコンポーネント上の装飾３７０ａは、矢印の方向において、先細りになっている。これにより、材料が鋳型に注入された後、コアを取り出すことができるようにする。

上記で説明したように、この領域１０Ａ１への材料の注入は、薄くなればなるほどより巧妙となる。そのためには、圧力を増大することが必要であるが、スラリが移動可能なコンポーネントの間のクリアランスに入り込むことがさらに容易となる。さらに、移動性はまた、コアのこの部分における変形を生じる結果にもなる。

本発明の目的は、注入処理および離型処理中に特にこれらの領域を変形することなく、そのような複雑な構造を有する薄い領域を備えるコアを作製することである。

変形は、薄い領域における亀裂の発生またはコアボックスの機構におけるバリの発生を生じる結果となる。亀裂は、スクラップすることになるコアをもたらす。バリは、コアボックスの摩耗を加速し、作製停止の数を増大させる。コアボックスの摩耗は、その耐用期間を短くする。

本発明によれば、改変された鋳型が構築され、すなわちダイにおいて移動可能であった一定の領域が今では静止状態になる。

そのような鋳型は、射出成形機の２つのプラテン５６０と５８０との間で下部ダイ５３０および上部ダイ５４０を備える（図５）。コア１０は、２つのダイの間に設けられた空間に注入される。装飾５１０は、その中で仕切られたキャビティを確保するように、コアを貫通する。この図において、コア１０の後縁１０Ａ１のみが、見てとれる。イジェクタ５７０は、後縁１０Ａ１の部分の下で、下部ダイ５３０に設けられる。

コアの他の部分は、示されていない。これは、より厚く、この部分におけるダイは、移動可能なサブコンポーネントを有することができる。装飾５１０の軸は、矢印Ｆ’１およびＦ’２によって示される装置の開口部の主要方向に沿って向けられる。後縁における装飾５１０は、矢印の軸に沿って、ここでは垂直方向に摺動する機械的なイジェクタ５７０のおかげで離型される。これらは、鋳型の外側から作動だれる金属ロッドである。それらは、鋳型の下部５３０に位置される。

好ましくは、鋳型は、従来技術とは異なり、蝶番をもはや有していない（図４における参照符号１６０参照）が、図５に示されているように、射出成形機の上部プラテン５８０および下部プラテン５６０に固着されてもよい。

この装置を用いてコアを製作するために、以下のステップが実行される：
２つのダイ５３０および５４０が、型割線Ｐに沿って射出成形機に配置され、
スラリがダイによって開けられた空間に注入され、
スラリが注入され、コア１０が形成された後、上部ダイが、方向Ｆ’１およびＦ’２に沿って下部ダイから分離され、コア１０は下部ダイに接合された状態のままであり、
コアが、コアの部分１０Ａ１に上向きの圧力を印加するイジェクタ５７０を用いて取り出される。

十分な数のイジェクタが決定され、これらは、コアとの接点で低圧を確保するように分散される。複数の低圧としての総圧力のこの分散は、取り出されるときのコアの座屈を防止する。さらに、イジェクタは、離型軸に対して可能な限り平行な方向を維持する。

イジェクタの分散およびコアとの接点の実施例は、図６において示されている。射出成形用鋳型の基部６１は、図の下部に示されている。鋳型の下半分の部分は、その全長にわたってイジェクタを明らかにするために示されていない。コア６２は、コア本体６２ａ、スクイーラ６２ｂ、コアの根元部６２ｃおよび供給湯口６２ｄを備える。イジェクタがコア６２全体にわたって分散されていることと、図においてそれらのうちの７つ、すなわちスクイーラ６２ｂ用に２つのイジェクタ６３、コア本体６２ａ用に１つのイジェクタ６４、根元部／コア本体連結領域用に１つのイジェクタ６５、コア根元部６２ｃ用に２つのイジェクタ６６および注入湯口６２ｄ用に１つのイジェクタ６７があることが、分かる。イジェクタ６３から６７は、セラミックコア６２に上向きの移動を強制して、ダイからコアを持ち上げる。

コアを製作するために、適切な混合物が作製される。これは、特に有機結合剤を組み合わせた無機充填剤である。たとえば、その組成は、ＥＰ３２８４５２の教示によって構成される。コアは、良好な取扱性を有し、その構造は、ミリングカッタ、チップ除去または研磨によって、その上で実行されることになっている作業を可能にする。

後縁が厚くなった歯によって注入される場合には、本出願人によるＦＲ０６５１６８２において報告されているように、以下のステップは、このブランク１０において、鋳型に追加される厚くなった領域を機械加工することにある。

焼成前に、適切である場合には機械加工によって、コアの輪郭が一旦完成されると、鋳造コア製作工程においてそれ自体知られている次の処理が、実行される。結合剤除去、すなわち、有機結合剤の除去に関して、コアは、コアが包含する有機コンポーネントを劣化するほど十分に高い温度まで加熱される。他のステップは、次に、コアを構成するセラミック粒子を焼結するための温度までコアを加熱することにある。さらなる圧密が必要である場合には、コアは、有機樹脂に含浸される。

焼成後に機械加工されるコアの場合には、これらのコアは、仕上げ処理および検査処理に直接送られる。

狭い後縁領域を備えた冷却されたタービンブレードの断面図である。 図１のブレードのコアの斜視図である。 開放したコアボックスの図である。 従来技術によるコアボックス、すなわち、後縁において斜めに移動可能なサブコンポーネントを有するコアボックスの原理を示す断面である。 本発明による薄い領域におけるコアボックスの原理を示す断面である。 セラミックコアにおけるイジェクタの作用の原理を示す。

符号の説明

１ タービンブレード
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ 内部キャビティ
１ＡＢ、１ＢＣ 仕切り
１Ｈ 開口部
１ＧＨ’ チャネル
１０、６２ コア
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｇ、１０ＧＨ、１０Ｈ 部分
１０Ａ１ コアの後縁／薄い領域
６１ 射出整形用鋳型の基部
６２ａ コア本体
６２ｂ スクイーラ
６２ｃ コアの根元部
６２ｄ 湯口
３００ 注入ボックス
３１０、５６０ 下部プラテン
３２０、５８０ 上部プラテン
３３０ａ、３４０ａ サブコンポーネント
３３０、５３０ 下部ダイ
３４０、５４０ 上部ダイ
３５０ 注入チャネル
３６０ 空間
３７０、３７０ａ、５１０ 装飾
５７０、６３、６４、６５、６６、６７ イジェクタ
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ’１、Ｆ’２ 矢印
ＬＥ 前縁
ＰＳ 圧力側
ＳＳ 吸い込み側
ＴＥ 後縁
Ｐ 型割線

Claims (5)

1. 前縁および後縁を有するターボ機械ブレード用の鋳造コアを製作するための装置であって、
   コアは、０．５ｍｍ未満の厚さの、後縁側の薄い部分と、前縁側の、より厚い部分とを備え、前記２つの縁部の方向が、４５°よりも大きな角度を形成し、
   前記装置は、成形位置と離型位置との間で、当該装置の開口主方向において、他方に対して一方を動かすことができるコアの第１および第２のダイを備えるとともに、ダイに対して動かすことができるサブコンポーネントを備え、
   ダイが、コアにおけるキャビティの形成のための装飾を有し、
   後縁側の前記薄い部分のダイは、移動可能なサブコンポーネントを含まず、
   ダイの一方または他方に、機械的なイジェクタが、後縁側のコアの薄い部分の離型が前記開口主方向に沿って行われるように設けられている、装置。
2. ２つのダイが、開放位置と閉鎖位置との間で、並進移動することができる、請求項１に記載の装置。
3. ２つのダイの少なくとも一方が、後縁側のコアの薄い部分に対応するその部分において、注入時における鋳型の充填を局所的に促進するパッド部分が得られるように成形され、これらの部分が、それらの厚さを低減するように機械加工されることが意図されている、請求項１または２に記載の装置。
4. ０．５ｍｍ未満の厚さの、少なくとも後縁側の薄い部分を備える、ターボ機械ブレード用の鋳造コアを製作するための工程であって、
   請求項３に記載の装置において、セラミック粒子の装填材料および有機結合剤を含む混合物の形成、鋳型からの取り出し、結合剤の除去およびコアの圧密熱処理を含み、前記パッド部分を有するコアブランクが、前記鋳型に形成され、さらに、ブランクが鋳型から取り出された後に、前記パッド部分が機械加工され、これが、熱処理作業の前または後である、工程。
5. 前記パッド部分が、ブレードの後縁側の薄い部分を冷却する空気を放出するための少なくとも１つのチャネルに対応する、請求項４に記載の工程。

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