JP5522953B2 - 方向性凝固ブレードを製造するプロセス - Google Patents

Description

本発明は、金属をシェル鋳型の中に注ぎ込むことによって得られるターボ機械のブレードの分野に関し、柱状タイプまたは単結晶タイプの方向性凝固でブレードを製造するプロセスを目的としている。

失ろう鋳造と呼ばれている製造プロセスは、以下に想起される一連のステップを備える。製造されるべき部品の、ろうまたは他の仮設材料で製作された型が作り出される。必要に応じて、部品同士は、同じくろうで製作された中央シャフトのまわりにクラスタとして一緒に接合される。セラミックで製作されたシェルが、液体内にセラミック粒子を懸濁させて備えた適切なスリップの中に連続的に浸漬することと、耐火性砂をコーティングすることとを交互に行うことによって形成される。次いでろう型が取り除かれ、そのようにして形成されたシェル鋳型は加熱によって強固にされる。シェル鋳型に融解金属合金が流し込まれ、金属は、所望の結晶構造に従ってその凝固を導くように冷却される。

凝固後、シェルはそれを叩き出すことによって取り除かれる。最後に、仕上げのステップが実施される。

冷却／凝固のステップは、鋳造物に特定の機械的および物理的特性を与えることが望ましいとき、有利に方向性凝固を有する。このことは、特に鋳造物がターボ機械のブレードであるときに当てはまる。

金属または合金の凝固は、液体相から固体相への移行であることから、方向性凝固は、融解金属槽内の「種結晶」の成長を所与の方向に前進させて、温度勾配および凝固速度を制御することによって新たな種結晶の出現を防止することからなる。方向性凝固は、柱状または単結晶の凝固であってもよい。柱状の方向性凝固は、全ての粒状境界を、それらが亀裂伝播に寄与しないように、同じ方向に配向することからなる。単結晶の方向性凝固は、粒状境界を完全になくすことからなる。

方向性凝固は、柱状または単結晶に関わらず、知られている方式で、シェル鋳型をその下方部分を開けて、冷却されたソール上に配置し、このアセンブリ全体を、流し込まれるべき合金の液相線温度にセラミック鋳型を保つことが可能な加熱器内に置くことによって得られる。一度流し込みが行われると、シェル鋳型の底に製作された開口部内に位置した金属は、冷却されたソールと接触するとほぼ瞬間的に凝固し、１センチメートル程度の限定された高さにわたって「凍結」する。この高さにわたっては、金属は等軸の粒状構造を有する。即ち、この限られた高さにわたる金属の凝固は、優先方向なく自然に起こる。この限られた高さを超えると、外部の強制加熱のために金属は液性状態のままとなる。ソールは、セラミック鋳型を加熱器から引き抜くように、制御速度で下向きに移動され、その結果金属の漸進的な冷却が起こり、金属は引き続き鋳型の下方からその上方部分へと凝固してゆく。

柱状の方向性凝固は、ソールを移動させるこの作業中、液体相／固体相の移行ゾーンにおいて、適切な温度勾配を、大きさおよび方向に関して維持し、これによって、凝固先端で新たな種結晶を生じることになる過冷却を防止することによって得られる。したがって、結晶粒成長を可能にする種結晶は全て、冷却されたソールと接触した凝固等軸ゾーン内に既に存在した種結晶である。このようにして得られた柱状の構造物は、細長く小さな結晶粒のアセンブリからなる。

単結晶の方向性凝固は、鋳造されるべき部品と冷却されたソールとの間に、結晶粒選択器またはバッフルのいずれか、あるいは単結晶種を配置することをさらに備える。温度勾配および凝固速度は、新たな種結晶が凝固先端で作り出されないように制御される。この結果、冷却後に単結晶の鋳造物が生まれる。

この方向性凝固の技法は、柱状または単結晶に関わらず、鋳造物、特にターボ機械のブレードを製造するのに広く使用されている。

さらに、方向性凝固による場合もそれによらない場合も、知られているように、失ろう鋳造のプロセスを実施する際に、製造されるべき鋳造物の端区域内の孔隙欠陥をなくすように、供給部が使用される。実際には、ろう型を製造する際に余剰体積がもたらされ、凝固後に孔隙欠陥を有する傾向にある鋳造物のそうした区域に対して余剰体積が配置される。シェルが製造されると、余剰体積はシェルの内側の追加体積によって明らかになり、シェルの他の部分と同様に、これに融解金属が流し込み中に充填される。供給部は、シェル内の追加体積を充填する凝固金属の貯留部である。孔隙欠陥は、発生すると、供給部の中に移動され、もはや製造済みの鋳造物自体内には位置しない。次いで、一度金属が凝固され、冷却されると、供給部は、例えば機械加工によって、分離によって、または研磨によって鋳造物の仕上げ作業中に取り除かれる。

本出願人の仏国特許第２７２４８５７号明細書で述べられているように、エアフォイルの母線に対して直角である２つのプラットフォームの間の少なくとも１つのエアフォイルからなるタービンノズルの案内静翼などの、単結晶ブレードを製造するためのプロセスも知られている。このプロセスは、鋳型にその上方部分で融解金属が供給されるタイプのものである。方向性凝固は、凝固先端が垂直方向で上向きに進行しながら起こり、鋳型の下方部分内に配置された選択装置によって単結晶の粒が選択され、選択装置の出口には、垂直と一致する所定の配向および方向を有する単結晶の粒が存在する。

このプロセスによると、鋳型のシェルの配置は、プラットフォームが選択された単結晶の方向［００１］に平行な平面内に配向されるように行われ、エアフォイルの母線が、結晶粒選択装置によって選択された単結晶の水平方向［１００］および［０１０］の一方と平行であるように行われ、結晶粒選択装置の出口が、２つのプラットフォームの間で、選択装置をプラットフォームの下方端部に接合する連結部内で現れるように行われ、鋳型にはプラットフォームの上方端部で融解金属が供給されるように行われる。垂直と水平の概念は相対的なものである。垂直は、凝固の伝播と選択装置によって選択された単結晶の成長先端とに一致する方向［００１］によって示される。選択装置によって選択された単結晶は水平方向［１００］および［０１０］を有する。

このプロセスは、完全に単結晶のブレード、即ちエアフォイルとプラットフォームを得ることと、プラットフォーム内の孔隙および微細縮小穴を取り除くことを可能にする。

さらに、エアフォイルとプラットフォームそれぞれの寸法によって、これらがクラスタに構成されたとき、より多くのブレードを同一のクラスタに鋳造することが可能であり、このようにして構成されたエアフォイルの水平方向の寸法は、プラットフォームの寸法よりも小さい。最後に、この配置は、中空のエアフォイルを製造することを目的としたコアが、これを鋳型の壁の中に嵌め込むことによって、極めて容易に配置されることを可能にする。これは、鋳造中にコアが定位置内に保持されることを保証する。

しかし、このプロセスはある種の欠点を有する。現在のところ、シェル鋳型は、前縁が、エアフォイルを形成する体積の下縁に沿うように製造されており、ダクトの２つの分岐部の間の中央ダクトが結晶粒選択装置をプラットフォームに接合している。このようにして、凝固の始まりとなった単結晶粒は、２つのプラットフォームと中央ダクトとに供給するように分離される。この結果、エアフォイル内に結晶粒の連結が存在するようになる。上記連結は、これらの区域の両側で大きな対称性を、したがって機械的な脆弱さを生じる場合があり、したがってこれらの特徴を有したブレード配列を廃却しなければならなくなる。

さらに、前縁に取り付けられた中央ダクトは機械加工によって取り除かれねばならない。現在のところ、この作業は研磨バンドを使用して手作業で実施されている。その結果、この区域内のブレード配置のプロファイルは作業によって修正される場合がある。ある種の事例では、これによって壁の厚みが不適合となる場合がある。そうなると鋳造物は廃却しなければならなくなる。

仏国特許第２７２４８５７号明細書

したがって、鋳造物の冶金学的品質、前縁のプロファイルの品質、前縁の寸法的パラメータの品質の観点からこのタイプのプロセスを改良することが求められている。また、製造コストを削減する目的で、前縁に対して修正および仕上げする作業をなくすことが望ましい。

これらの目的は、本発明によって、エアフォイルを２つのプラットフォームの間に備えた単結晶のターボ機械ノズル案内静翼を、シェル鋳型の中に融解金属を注ぎ込み、続いて方向性凝固を起こすことによって製造するプロセスであって、方向性凝固の先端が、鋳型の下方部分内に配置された単結晶粒供給装置によってもたらされた、所定の配向、即ち垂直と一致した方向［００１］を有した単結晶から垂直方向上向きに前進し、プラットフォームを形成する鋳型の体積が、上記単結晶の方向［００１］と平行な平面内に配向され、エアフォイルを形成する鋳型の体積が下縁を備え、結晶粒を供給する装置が、結晶粒ダクト内に現れて、結晶粒ダクトは上記装置とプラットフォームの下方端部との間の連結を形成し、結晶粒ダクトはプラットフォームに供給する２つの分岐部を備えるように形作られ、上記２つの分岐部とプラットフォームとエアフォイルの下縁との間にウェブ形状の体積が延在し、エアフォイルを形成する体積の上縁は水平方向に対して傾斜されている、プロセスによって達成される。

この構成では、結晶粒はその成長中に分離されず、結晶粒の連結はなく、したがってこの理由から廃却するリスクがない。

好ましい実施形態によると、エアフォイルを形成する鋳型の体積の下縁は、エアフォイルの後縁である。この場合、ウェブは、機械加工作業中に、後縁をワイヤカットすることによって取り除かれる。従来の解決方法と比べて追加のコストがない。供給部としての役割を果たす余剰金属が不要となる。

他の特徴によると、エアフォイルを形成する鋳型の体積の、前縁を構成する上縁は、８°と１４°の間の角度で水平方向に対して傾斜されている。

この角度は、過剰に大きな液体金属の損失水頭を回避する。したがって、孔隙含有量が許容基準未満に保たれる。したがって前縁は鋳造によって得られ、手作業による機械的な修正をもはや必要としない。さらに、機械加工がないことは、再生可能な前縁のブレードのプロファイルおよび壁厚みを得ることを可能にする。

機械加工がないことは、製造コストが削減されることを可能にする。

他の可能な実施形態によると、好ましいわけではないが、エアフォイルを形成する体積の下縁はエアフォイルの前縁である。

単結晶粒を供給する装置は、単結晶の種または他の結晶粒選択装置である。

本発明の他の態様によると、エアフォイルを形成する鋳型の体積の上記下縁は、上記単結晶粒プロバイダ装置によって供給される単結晶の水平主方向［０１０］または［１００］の一方と平行である。

次に、本プロセスを実施する１つの非限定的な方法に対応する本発明が、添付図面を参照して説明される。

従来技術による、シェル鋳型を製造する前のノズル案内静翼用のろう型の横から見た概略図である。 本発明による、シェル鋳型を製造する前の本発明によるターボ機械ノズル案内静翼用のろう型の概略図である。 いくつかのノズル案内静翼を形成するためのろう型のクラスタを示す図である。

図１を参照すると、ろうまたは他の仮設材料で製作された、従来技術によるブレード配置の製造で使用されるタイプの型が、ブレード２を形成する部分を備える。これは、図面の平面の中に配向されたエアフォイル３から構成されている。上記エアフォイルの端部に取り付けられ、図面の平面に対して交わる方向に配向されているのは、２つの垂直プラットフォーム、それぞれ４および５である。プラットフォームは、それらをターボ機械のケーシングに固定する手段を含み、一方はガスストリーム用の内壁を、他方はその外壁を画定する。ブレードは、エアフォイルの後縁３ＴＥが上縁であり、前縁３ＬＥが下縁であるように、型内に配置される。後者は水平方向である。上方の後縁３ＴＥに沿って供給部９も設けられている。

型の下方部分は、単結晶種の型６を備える。単結晶種の型６は、垂直円筒の形態であり、図面では見えない、軸方向の結晶粒を配向する平坦部分を垂直軸のまわりに備える。種結晶の型６は、結晶粒ダクト８によって垂直方向に延長されている。これらの２つの間では、種結晶の型６は、円筒６よりも小さな直径を有した円筒６ａの形態である。

結晶粒ダクトは、ここでは三角形状を有した部分８ａを備え、三角の頂点は円筒６ａ上にあり、この頂点の反対側の他の辺は水平である。他の２つの頂点はそれぞれ、垂直円筒分岐部８ｂと８ｃによって延長され、これらは垂直プラットフォーム４と５の基部に連結されている。円筒状かつ垂直の中央ダクト８ｄは、三角形部分８ａをエアフォイルの前縁３ＬＥに接合している。

鋳造を実施するために、この型は、シャフトのまわりで他の数個の同一の型と組み立てられて供給ボウルと連通したクラスタになっている。シェル鋳型は、このアセンブリのまわりで、セラミック粒子のスリップの中に連続的に浸漬することと、セラミック粉末を塗布することとを交互に行うことによって構築される。シェル鋳型が強固にされ、型が取り除かれた後は、種結晶が鋳型の下方空洞内に配置される。結晶粒は、垂直方向［００１］と、エアフォイルと平行の方向［０１０］または［１００］の一方とに配向される。融解金属がボウルを介して注ぎ込まれる。金属は下向きに種結晶のところまで流れ、これが部分的に溶解する。方向性凝固のステップ中、単結晶は種結晶から形成される。無駄な結晶粒が取り除かれるのを絞り部６ａが可能にする。次いで結晶が徐々に形成され、凝固先端もダクト８ｂ、８ｃ、および８ｄに沿って、次いでブレードの中にプラットフォームの頂部まで伝播する。９の供給部は孔隙がエアフォイル内に形成されずに供給部自体に形成されることを保証する。しかし、エアフォイル内にプラットフォームと平行な結晶粒連結の２つのゾーンが、エアフォイルと中央ダクト８ｄとの間で形成されるのが観察されることがある。

このような欠陥の出現は本発明の解決法によって回避される。

図２は、本発明によって構成された、ろうまたは他の仮設材料で製作された型を示している。

型１０は、エアフォイル１３と２つのプラットフォーム１４および１５とを備えたブレード１２を形成した部分を備える。従来技術のように、プラットフォームは垂直である（融解金属の流し込みの位置で）。しかし、従来技術とは異なって、エアフォイルは反転されており、型のエアフォイル１３の前縁１３ＬＥは上側に、後縁１３ＴＥは下側にあってクラスタの基部に面している。

型の下方部分は、従来技術の型のように、狭窄部分１６ａを備えた種結晶の型１６を備える。この狭窄部分は、横連結要素１８ａと横連結要素１８ａの両側の２つの垂直分岐部１８ｂ、１８ｃとを備えた結晶粒ダクト１８によって延長されている。垂直分岐部１８ｂ、１８ｃはそれぞれ、垂直プラットフォーム１４と１５それぞれの基部に連結されている。従来技術とは異なり、ウェブ１８ｄが、横連結要素１８ａと２つの垂直分岐部１８ｂ、１８ｃと後縁１３ＴＥとの間の空間を充填する。このウェブは垂直結晶粒ダクトよりも小さな厚みを有する。

ブレードを形成する部分は、凝固軸を構成する種結晶の方向［００１］に対して後縁１３ＴＥが垂直になるように、結晶粒ダクトに対して配置されていることに留意されたい。したがって、反対側の前縁１３ＬＥは、ブレードの形状に対応して、この同じ方向に対して８°から１４°分僅かに傾斜されている。

鋳造物を製造するために、このようにして製造された複数の型が、図３に示されたものなどのクラスタに組み立てられる。型１０は、ロッドＴによって支持されながら基部Ｓ上に載っており、種結晶の型１６は上記基部上にのしかかっている。フィードチャネルを形成することを目的としたろう要素Ｃは、プラットフォーム１４と１５の垂直方向に配設された上方部分に配置され、上方部分を、それらの上の持ち上げられた位置のボウルＧに接合している。

シェル鋳型はこのアセンブリのまわりに形成される。ろう型は取り外され、種結晶が、それらを適切に垂直方向［００１］と、後縁に平行な方向の一方［０１０］または［００１］とに配向することによって配置される。

シェル鋳型はろう型と完全に一致する体積を備える。同じ参照符号を使用して、型の両方の部分と、シェル鋳型の様々な体積または部分と、鋳型内への金属の流し込みの部分とを示している。

溶融金属、例えばニッケルを主成分とした超合金が流し込まれた後、知られている方式で方向性凝固が起こる。凝固先端は、種結晶の方向［００１］に沿って、場合によってはエアフォイルの母線と平行な方向［０１０］または［１００］の一方に沿って垂直方向に伝播する。前縁１３ＬＥの傾斜角度は、この区域内の液体金属の水頭損失を防止し、孔隙の出現を回避する。

要約すると、本発明の解決法は、
中央結晶粒ダクト内と前縁プロファイルに対する修正とにおける仕上げ作業をなくすこと、
結晶粒連結の欠陥を解消すること、および
鋳造によって得られた前縁のプロファイルおよび壁厚みに対する、中央ダクト内の再結晶粒を解消すること、を可能にする。

種結晶ではなく、同一の垂直平面内で互いに垂直に位置し、連結要素内に現れる一連の直線通路を有したバッフル装置などの結晶粒選択装置を使用することが可能である。

より詳しくは、バッフルの出口で正確に配向された単結晶が存在することを保証するために、即ち、結晶の軸線［００１］が垂直であり、他方の方向［０１０］または［１００］が水平であってバッフルの平面内にあることを保証するために、装置は少なくとも１つの垂直通路と１つの水平通路とを備える。

連結要素は様々な形状、特にＴ形、Ｙ形、Ｖ形、プリズム形、ロッド形、または中実三角形を有してもよい。

２、１２ ブレード
３、１３ エアフォイル
４、５、１４、１５ プラットフォーム
６、１６ 単結晶種の型
６ａ、１６ａ 絞り部
８、１８ 結晶粒ダクト
８ａ、１８ａ 三角形部分
８ｂ、８ｃ、１８ｂ、１８ｃ 垂直円筒分岐部
８ｄ 中央ダクト
９ 供給部
１０ 型
１３ＬＥ エアフォイル１３の前縁
１３ＴＥ エアフォイル１３の後縁
１８ｄ ウェブ
Ｇ ボウル
Ｃ ろう要素
Ｓ 基部

Claims (6)

1. エアフォイルを２つのプラットフォームの間に備えた単結晶のターボ機械ノズル案内静翼を、シェル鋳型の中に融解金属を注ぎ込み、続いて方向性凝固を起こすことによって製造するプロセスであって、方向性凝固の先端が、鋳型の下方部分内に配置された単結晶粒供給装置によってもたらされた、所定の配向、即ち垂直と一致した方向［００１］を有した単結晶から垂直方向上向きに前進し、プラットフォームを形成する鋳型の体積が、前記単結晶の方向［００１］と平行な平面内に配向され、エアフォイルを形成する鋳型の体積が下縁を備え、単結晶粒を供給する装置が、結晶粒ダクト内に現れて、結晶粒ダクトは前記装置とプラットフォームの下方端部との間の連結を形成し、結晶粒ダクトがプラットフォームに供給する２つの分岐部を備えるように形作られ、前記２つの分岐部とプラットフォームとエアフォイルの下縁との間にウェブ形状の体積が延在し、ウェブが、垂直方向の結晶粒ダクトの厚みより小さな厚みを有し、エアフォイルを形成する体積の上縁が水平方向に対して傾斜されており、上縁の傾斜角度が、８°と１４°の間である、プロセス。
2. エアフォイルを形成する体積の下縁が、エアフォイルの後縁である、請求項１に記載のプロセス。
3. エアフォイルを形成する体積の下縁が、エアフォイルの前縁である、請求項１に記載のプロセス。
4. 単結晶粒を供給する装置が、単結晶の種である、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 単結晶粒を供給する装置が、結晶粒選択装置である、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
6. エアフォイルを形成する体積の前記下縁が、前記単結晶粒供給装置によって供給された単結晶の水平主方向［０１０］または［１００］の一方と平行である、請求項２または３に記載のプロセス。

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