JP6144925B2 - チタン及びチタンアルミナイド合金鋳造用の鋳型及び鋳型の製造方法 - Google Patents
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Description
[鋳造用鋳型組成物]
本発明の態様は、チタン及びチタン合金の優れた部品を形成できるインベストメント鋳造用鋳型の材料の組成物を提供する。本発明の1態様では、カルシウムモノアルミネートをカルシウムアルミネートセメントの形態で供給することができる。カルシウムアルミネートセメントは「セメント」又は「バインダー」ということがある。実施形態によっては、カルシウムアルミネートセメントをアルミナ粒子と混合してキャスタブルインベストメント鋳型混合物(鋳造用鋳型組成物)を形成する。カルシウムアルミネートセメントはキャスタブル鋳型混合物中に約30重量%超えとすることができる。実施形態によっては、カルシウムアルミネートセメントはキャスタブル鋳型混合物中に約30重量%〜約60重量%とする。キャスタブル鋳型混合物中に30重量%超えのカルシウムアルミネートセメントを使用することが本発明の特徴である。適切なカルシウムアルミネートセメント化学の選択及びアルミナ処方が鋳型の上記の性能をもたらす要因である。1態様では、チタン合金との反応をできるだけ少なくするのに十分な量の酸化カルシウムを鋳型組成物中に供給する。
[カルシウムアルミネートセメント組成物]
本発明の態様に用いるカルシウムアルミネートセメントは典型的に、3つの相、即ちカルシウム及びアルミニウムを含む構成要素、具体的にはカルシウムモノアルミネート(CaAl2O4)、カルシウムジアルミネート(CaAl4O7)及びマイエナイト(Ca12Al14O33)を含有する。カルシウムモノアルミネートは、カルシウムアルミナセメントに存在する水硬性鉱物である。カルシウムモノアルミネートの水和はインベストメント鋳型の高い初期強度に寄与する。マイエナイトは、水硬性結合の迅速な形成により鋳型硬化の初期段階に強度をもたらすのでセメントに望ましい。しかし、マイエナイトは通常、鋳造前の鋳型の熱処理時に除去される。
[フェースコート]
実施形態によっては、鋳型は、鋳型のバルクと鋳型穴の間に連続した固有フェースコートを有する。鋳型は、鋳型製造時の鋳型強度を向上する相を含有するように設計され、連続フェースコートは、鋳造時の反応に対する耐性を増加するように設計される。鋳型は、ネットシェイプ鋳造方法に望ましい高圧で鋳造することが可能である。優れた特性をもつ鋳物を提供する鋳造用鋳型組成物、フェースコート組成物及びフェースコート及び鋳型のバルクのための好ましい成分相を見出した。
[鋳型及び鋳造方法]
インベストメント鋳型は、セラミック成分のインベストメント混合物を処方し、混合物を消失模型を含む容器に流し込むことにより形成する。模型上に形成したインベストメント鋳型を完全に硬化させていわゆる「未処理鋳型」を形成する。固有フェースコート及びインベストメント鋳型が模型上で形成され、それらを完全に硬化させてこの未処理鋳型を形成する。典型的に、未処理鋳型の硬化は1時間〜48時間行われる。その後、消失模型を未処理鋳型から溶融、溶解、強熱又はその他の既知の模型除去方法により選択的に除去する。ろう模型除去の典型的な方法には、オーブン脱ろう(150℃未満)、炉脱ろう(150℃超え)、スチームオートクレーブ脱ろう及びマイクロ波脱ろうがある。
[インベストメント鋳型組成物及び処方]
カルシウムアルミネートセメントをアルミナと混合してインベストメント鋳型混合物を形成させ、インベストメント鋳型化学の範囲を試験した。1例では、インベストメント混合物は、70%のアルミナ及び30%のカルシアを含有するカルシウムアルミネートセメント、アルミナ粒子、水及びコロイドシリカから構成された。
実施例1
インベストメント鋳型を製造する典型的なセメントスラリー混合物は、3000グラム(g)のカルシウムアルミネートセメント(約10重量%のマイエナイト、約70重量%のカルシウムモノアルミネート及び約20重量%のカルシウムジアルミネートを含有する)、1500gの、10μm未満の粒径をもつか焼アルミナ粒子、2450gの、0.5mm〜1.0mmの粒径範囲をもつ高純度アルミナ粒子、1650gの脱イオン水及び150gのコロイドシリカで構成された。最終の鋳型混合物の固形物配合量は80%であり、固形物配合量は、混合物中の総固形物を混合物中の液体と固形物の総質量を基準にして正規化し、%で示したものと定義される。
実施例2
インベストメント鋳型を製造するためのスラリー混合物は、3000gのカルシウムアルミネートセメント(約10重量%のマイエナイト、約70重量%のカルシウムモノアルミネート及び約20重量%のカルシウムジアルミネートからなる)、1500gの、10μm未満の粒径をもつか焼アルミナ粒子、2650gの、0.5〜1mmの粒径範囲をもつ高純度アルミナ中空粒子、1650gの脱イオン水及び150gのコロイドシリカで構成された。実施例1で説明したように、混合後、インベストメント混合物を消失ろう模型を含む容器に制御した方法で流し入れた。大スケールアルミナ粒子以外のすべての成分を含有する最初のセメントスラリー混合物の固形物配合量は72%である。最終の鋳型混合物の固形物配合量は80.3%であり、これは実施例1の相当する値に比べてわずかに多い。カルシウムアルミネートセメントの重量分率は42%であり、アルミナの重量分率は58%である。この処方では、直径約120mm及び長さ400mmである鋳型を製造した。
実施例3
インベストメント鋳型を製造するためのスラリー混合物は、600gのカルシウムアルミネートセメント(約10重量%のマイエナイト、約70重量%のカルシウムモノアルミネート及び約20重量%のカルシウムジアルミネートからなる)、300gの、10μm未満の粒径をもつか焼アルミナ粒子、490gの、0.5〜1mmの粒径範囲をもつ高純度アルミナ中空粒子、305gの脱イオン水及び31gのコロイドシリカRemet LP30で構成された。実施例1で説明したように、混合後、インベストメント混合物を消失ろう模型を含む容器に制御した方法で流し入れた。この処方では、直径約120mm及び長さ150mmである、小さい部品用の小さい鋳型を製造した。その後、鋳型を高温で硬化及び焼成した。このように製造した鋳型を用いて良好な表面仕上げをもつチタンアルミナイドタービンブレードを鋳造するのに成功し、具体的にはRaは100未満であり、酸素含量は1600ppm未満であった。
実施例4
インベストメント鋳型を製造するためのスラリー混合物は、2708gのカルシウムアルミネートセメント(約10重量%のマイエナイト、約70重量%のカルシウムモノアルミネート及び約20重量%のカルシウムジアルミネートからなる)、1472gの、0.5〜1mmの粒径範囲をもつ高純度アルミナ中空粒子、1061gの脱イオン水及び96gのコロイドシリカRemet LP30で構成された。実施例1で説明したように、混合後、インベストメント鋳型混合物を消失ろう模型を含む容器に制御した方法で流し入れた。大スケールアルミナ粒子以外のすべての成分を含有する最初のセメントスラリー混合物の固形物配合量は70%である。最終の鋳型混合物の固形物配合量は79%であり、これは実施例1の相当する値よりわずかに少ない。鋳型は、約100μmの厚さをもつ固有フェースコートを形成した。この処方では、小さい部品用の低アルミナ含量の小さい鋳型を製造した。その後、鋳型を高温で硬化及び焼成した。製造した鋳型を用いてタービンブレードなどの含チタンアルミナイド物品を鋳造した。
実施例5
インベストメント鋳型を製造するためのスラリー混合物は、1500gの、商業的にブレンドされた80%カルシウムアルミネートセメントCA25C(Almatis社製)で構成された。製品CA25Cは名目上、70%カルシウムアルミネートセメントをアルミナとブレンドして組成物を80%アルミナに調節したもので構成される。最初の固形物配合量が73.5%であるセメントスラリーを460gの脱イオン水及び100gのコロイドシリカを用いて製造した。スラリーを妥当な粘度まで混合したら、550gの、0.5mm超え〜0.85mm未満の粒径範囲をもつアルミナ中空粒子をスラリーに添加した。Washington Mills社の製品である商品名Duralum ABを用いた。実施例1で説明したように、混合後、インベストメント鋳型混合物を消失ろう模型を含む容器に制御した方法で流し入れた。最終の鋳型混合物の固形物配合量は79.1%であった。これは好ましい範囲の下限である。鋳型混合物を直径4インチ及び長さ6インチの鋳型を製造する器具に流し入れた。
実施例6
1500gのカルシウムアルミネートセメントCA25C、510gの水及び50gのコロイドシリカRemet LP30からなるスラリー混合物を用いて直径4インチ及び長さ6インチの鋳型を以下のように製造した。この混合物処方は、上記の実施例の処方よりコロイドシリカ濃度が低い。鋳型中のバルク組成物のシリカは0.7重量%であった。商業的にブレンドされた80%カルシウムアルミネートセメントCA25Cを用いた。最初の固形物配合量が73.0%であるセメントスラリーを製造した。この時点で、550gの、0.5mm超え〜0.85mm未満の粒径範囲をもつアルミナ中空粒子Duralum ABをスラリーに添加した。最終の鋳型混合物の固形物配合量は80.2%である。実施例1で説明したように、混合後、インベストメント混合物を消失ろう模型を含む容器に制御した方法で流し入れた。鋳型中のバルク組成物のシリカは0.7重量%であった。鋳型は、上記の実施例に比べシリカ含量の低い固有フェースコートを形成した。鋳型、特に、固有フェースコートのシリカ含量を低くすることで、チタン及びチタンアルミナイド合金を鋳造するのに好ましい鋳型を実現する。
実施例7
4512gのカルシウムアルミネートセメントCA25C、1534gの水及び151gのコロイドシリカLP30からなるスラリー混合物を用いて直径100mm及び長さ400mmの鋳型を以下のように製造した。最初の固形物配合量が73.0%であるセメントスラリーを製造した。商業的にブレンドされた80%カルシウムアルミネートセメントCA25Cを用いた。この時点で、2452gの、0.5mm超え〜0.85mm未満の粒径範囲をもつアルミナ中空粒子Duralum ABをスラリーに添加した。実施例1で説明したように、混合後、インベストメント鋳型混合物を消失ろう模型を含む容器に制御した方法で流し入れた。最終の鋳型混合物の固形物配合量は81%である。鋳型は、鋳型のバルク及び鋳型のフェースコートの両方で鋳型の長さ16インチの端から端まで均一な組成物を有した。鋳型中のバルク組成物のシリカは0.6重量%であった。鋳型は、シリカ含量の低い固有フェースコートを形成した。鋳型、特に、固有フェースコートのシリカ含量を低くすることで、チタン及びチタンアルミナイド合金を鋳造するのに好ましい鋳型を実現する。鋳型中のアルミナ中空粒子は35重量%であった。鋳型は厚さ約100μmをもつ固有フェースコートを形成した。焼成時の鋳型の線収縮は1%未満であった。
実施例8
765gの市販カルシウムアルミネートセメントRescor780及びコロイドシリカRemet LP30からなるスラリー混合物を用いて直径100mm及び長さ150mmの鋳型を以下のように製造した。Rescor780はCotronics社製である。最初のセメントスラリーをLP30と混合したところ、最初の固形物配合量は76%であった。最初のスラリーを適当な粘度まで混合したら、1122gのZiralcast95を添加した。最終の鋳型混合物の固形物配合量は81%であった。実施例1で説明したように、混合後、インベストメント混合物を消失ろう模型を含む容器に制御した方法で流し入れた。アルミナキャスタブル耐火物Ziralcast95はZircar Ceramics社製である。Ziralcast95は、溶融アルミナ中空粒子と混合された高純度アルミナセメントである。Ziralcast95は約44重量%のアルミナ中空粒子及び56重量%のアルミナセメントを含有し、アルミナ中空粒子径は上記の実施例で使用されたものより大きく、典型的に1mm超えである。
実施例9
2708gのカルシウムアルミネートセメントSecar80、820gの脱イオン水及び80gのコロイドシリカLP30を用いてスラリー混合物を製造した。セメントSecar80はアルミナ含量が約80%の市販の水硬性セメントである。Secar80は、Kerneos社製であり、以前はLaFargeとして知られていた。カルシウムアルミネートセメントクリンカーは固相反応で製造される。その後、焼結クリンカーを高い表面積アルミナとブレンドして高温強度に寄与できる水硬性セメントを形成する。Secar80の主要な鉱物学的な相は、カルシウムアルミネート(CaAl2O4)、カルシウムジアルミネート(CaAl4O7)及びアルミナ(Al2O3)である。
実施例10
4500gのカルシウムアルミネートセメントCA25C及び1469gの脱イオン水からなるスラリー混合物を用いて直径約100mm及び長さ約400mmの鋳型を以下のように製造した。最初の固形物配合量が75.3%であるセメントスラリーを製造した。商業的にブレンドされた80%のカルシウムアルミネートセメントCA25Cを用いた。この時点で、2445gの、0.5mm超え〜0.85mm未満の粒径範囲をもつアルミナ中空粒子Duralum ABをスラリーに添加した。実施例1で説明したように、混合後、インベストメント鋳型混合物を消失ろう模型を含む容器に制御した方法で流し入れた。最終の鋳型混合物の固形物配合量は81%である。鋳型は、鋳型のバルク及び鋳型のフェースコートの両方で鋳型の長さ16インチの端から端まで均一な組成物を有した。鋳型中のアルミナ中空粒子は35重量%であった。焼成時の鋳型の線収縮は1%未満であった。鋳型は鋳造に適していた。
212 鋳型フェースコート
214 鋳型のバルク
216 鋳型の内部表面
220 カルシウムアルミネートセメント
310 カルシウムアルミネートセメント
320 アルミナ粒子
322 鋳型の内部表面/鋳型穴
324 固有フェースコート領域
510 アルミナ
520 カルシウムモノアルミネート
610 アルミナ
620 カルシウムモノアルミネート
Claims (15)
- 含チタン物品の鋳造用の鋳型であって、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含むカルシウムアルミネートセメントを含んでおり、鋳型が鋳型のバルクと鋳型キャビティとの間に10μm〜250μmの固有フェースコートを有しており、固有フェースコート中のカルシウムモノアルミネートの重量分率が0.10以上である、鋳型。
- フェースコートが連続した固有フェースコートである、請求項1記載の鋳型。
- 鋳型が鋳型のバルク及び固有フェースコートを有し、鋳型のバルクと固有フェースコートとが異なる組成を有していて、固有フェースコートが粒径50μm未満のカルシウムアルミネートを含有する、請求項1又は請求項2記載の鋳型。
- 鋳型が鋳型のバルク及び固有フェースコートを有し、鋳型のバルクと固有フェースコートとが異なる組成を有していて、鋳型のバルクが50μm超のアルミナ粒子を含有する、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の鋳型。
- 固有フェースコートが、鋳型のバルクよりも重量分率で20%以上多いカルシウムモノアルミネートを含有する、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の鋳型。
- 固有フェースコートが、鋳型のバルクよりも重量分率で20%以上少ないアルミナを含有する、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の鋳型。
- 固有フェースコートが、鋳型のバルクよりも重量分率で20%以上多いカルシウムアルミネート、20%以上少ないアルミナ、50%以上少ないマイエナイトを含有する、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の鋳型。
- 固有フェースコート中のカルシウムモノアルミネートの重量分率が0.60超、マイエナイトの重量分率が0.10未満である、請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載の鋳型。
- 鋳型のバルク中のカルシウムモノアルミネートが重量分率0.05〜0.95を有し、固有フェースコート中のカルシウムモノアルミネートが0.10〜0.90である、請求項1乃至請求項8のいずれか1項記載の鋳型。
- 鋳型のバルク中のカルシウムジアルミネートが重量分率0.05〜0.80を有し、固有フェースコート中のカルシウムジアルミネートが0.05〜0.90である、請求項1乃至請求項9のいずれか1項記載の鋳型。
- 鋳型組成物のバルク中のマイエナイトが重量分率0.01〜0.30を有し、固有フェースコート中のマイエナイトが0.001〜0.05である、請求項1乃至請求項10のいずれか1項記載の鋳型。
- さらに、鋳型のバルク中に外形寸法が500μm未満の酸化アルミニウム粒子を含有する、請求項1乃至請求項11のいずれか1項記載の鋳型。
- さらに、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、酸化ケイ素粒子又はこれらの組成物を含有する、請求項1乃至請求項12のいずれか1項記載の鋳型。
- さらに、酸化アルミニウムの中空粒子を含有する、請求項1乃至請求項13のいずれか1項記載の鋳型。
- 請求項1乃至請求項14のいずれか1項記載の鋳型の製造方法であって、
カルシウムアルミネートを液体と混合してカルシウムアルミネートのスラリーを形成し、最初のカルシウムアルミネート/液体混合物中の固形分の割合が70%〜80%であり、スラリーの粘度が50〜150センチポアズであり、
酸化物粒子をスラリーに添加して大スケールの酸化物粒子を含有する最終のカルシウムアルミネート/液体混合物中の固形分が75%〜90%になるようにし、
スラリーを消失模型を含む鋳型キャビティに導入し、
スラリーを鋳型キャビティ中で硬化させて含チタン物品用の鋳型を形成する
工程を含む方法。
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