JP6250056B2 - 熱シールドを有するシェルモールド - Google Patents

Description

本発明は、鋳造の分野、より詳細にはシェルモールド、およびこの種のシェルモールドを製造し使用する方法に関する。

いわゆる「ロストワックス」または「消失パターン」鋳造法は、大昔からずっと知られている。これらは、形状が複雑な金属部品を製造するのに特に適している。したがって、消失パターン鋳造は、特に、タービンエンジンブレードを製造するのに使用される。

消失パターン鋳造においては、第１のステップは、通常、たとえばワックスや樹脂からなどの比較的低い溶融温度を有する材料からパターンを作製するステップと、次いで、モールドをパターンにオーバーモールドするステップとを含む。この種の方法の名前がそこから生じたのであるが、モールドの内側からパターンの材料を除去するステップの後に、それから除去されることによってパターンがモールドの内側に形成されているキャビティを充填するために、溶融金属がモールドに鋳造される。いったん金属が冷却され、凝固されていると、モールドは、パターンの形状を有する金属部品を回収するために開かれ、破壊され得る。

複数の部品を同時に作製することができるように、複数のパターンを単一のアセンブリに結合することができ、そこでは、複数のパターンは、溶融金属用のモールドに鋳造チャネルを形成するツリーによって一緒に接続される。

消失パターン鋳造に使用され得るモールドのさまざまなタイプの中で、いわゆる「シェル」モールドが知られており、このシェルモールドは、パターンまたはパターンのアセンブリをスリップに浸漬するステップと、次いでパターンまたはアセンブリの周りにシェルを形成するためにスリップに被覆されたパターンまたはパターンのアセンブリに耐火砂をダスティングするステップと、次いで、スリップを凝固させ、したがってスリップおよび砂を強化するためにシェルをベーキングするステップとによって形成される。浸漬するステップおよびダスティングするステップのいくつかの連続する操作は、シェルをベーキングするステップよりも前に十分な厚さにシェルを得るように考えられ得る。用語「耐火砂」は、本文脈においては、所望の製造公差を満足させるのに十分小さく、固体の状態であると同時に溶融金属の温度に耐えることができ、かつシェルのベーキング中にスリップによって単一の固体片に強化されることができる粒径の任意の粒状材料を示すのに使用される。

用語「金属」は、本文脈においては、部品を単粒の形で鋳造できるようにするために、純金属と金属合金の両方、および特に、１９７０年代後半以後開発されたものなどの単結晶合金として知られている金属合金を示すのに使用される。従来の金属合金は、等軸多結晶であり、すなわち、それらの固体の状態において、これらは、実質的に同一のサイズ、通常およそ１ミリメートル（ｍｍ）から成るが、幾分ランダムな配向から成る複数の結晶粒を形成する。結晶粒間の境界は、この種の合金から作られる金属部品の欠点を構成する。しかし、これらの粒子間境界を強くするように接着剤を用いると、融点温度を低減するという欠点を有し、これは、特に、このように製造される部品が高温での使用のためである場合には不利である。通常、単結晶合金は、１０モル％（％ｍｏｌ）よりも小さいチタンおよび／またはアルミニウムの濃度を有するニッケル合金である。したがって、凝固後に、これらの合金は、γ第１の相およびγ′第２の相を有する、二相固体を形成する。γ相は、面心立方晶結晶格子を有し、そこでは、ニッケル、アルミニウム、および／またはチタン原子は、任意の位置を占めることができる。対照的に、γ′相においては、アルミニウム、および／またはチタン原子は、立体構成を形成し、立方体の８個のコーナー部を占めるが、ニッケル原子は、立方体の面を占める。

これらの合金のうちの１つは、ＳＮＥＣＭＡおよびＯＮＥＲＡ研究所、パリのＥｃｏｌｅ ｄｅｓ Ｍｉｎｅｓ、ならびにＩＭＰＨＹ ＳＡによって共同で開発されたニッケル合金「ＡＭ１」である。この種の合金で作られる部品は、すべての応力軸に沿って特に高い機械的強度を実現することができるばかりでなく、より強力に一緒に結晶粒を結合するための接着剤が省略され得るので熱抵抗の改善を実現することもできる。したがって、この種の単結晶合金で作られる金属部品は、有利なことに、たとえばタービンの高温部品に使用され得る。

それにもかかわらず、鋳造によって作られる部品の有利な熱機械的特性を得るように単結晶合金の利点を十分に活用するために、金属がモールドにおいて指向性凝固を受けることを確実にすることが望ましい場合がある。用語「指向性凝固」は、本文脈においては、溶融金属が液体状態から固体状態に変化する際に、溶融金属における固体結晶の核生成および成長を通じて制御が加えられるということを意味するのに使用される。この種の指向性凝固の目的は、部品内で粒界の有害な影響を回避することである。したがって、指向性凝固は、柱状または単結晶であることができる。柱状指向性凝固は、これらが亀裂の伝播に寄与することができないように、粒界のすべてを同じ方向に配向することにある。単結晶指向性凝固は、すべての粒界を除去するように、部品が単結晶として凝固することを確実にすることにある。

仏国特許出願公開第２８７４３４０号明細書の公開された明細書は、指向性凝固のある鋳造法を実施するのに特に適応しているシェルモールドを説明している。先行技術のそのシェルモールドは、鋳造カップとベースとの間を主軸に沿って延在する中央シリンダと、中央シリンダの周りにアセンブリとして配置される複数の成形キャビティであり、各々のものが供給チャネルによって鋳造カップに接続される、成形キャビティとを含む。成形キャビティにおいて溶融金属の指向性凝固を可能にするために、これらの各々はまた、バッフルセレクタを介してベースに隣接するスターターに接続される。そのうえ、シェルモールドはまた、前記主軸に実質的に直交する少なくとも１つの熱シールドを含む。

前記シェルモールドを用いた鋳造法においては、鋳造カップを通して溶融金属を鋳造した後に、溶融金属は、ベースから鋳造カップの方へ前記主軸に沿って徐々に冷却される。例示として、これは、ベースを冷却しながら、主軸に沿って、シェルモールドをベースの方へヒータ室から徐々に取り出すことによって行われ得る。

溶融金属はプレートから遠ざかりながら徐々に冷却されるので、第１の固体粒子が、プレートに隣接するスターターに核を形成する。この場合、バッフルセレクタの構成により、各成形キャビティに向かう単粒より以上のものの伝播が防止される。

少なくとも１つの熱シールドを用いる目的は、各成形キャビティにおける結晶化の伝播フロントが主軸に実質的に直交のままであることを確実に期すことである。傾斜伝播フロントにより、不必要な結晶粒が成形キャビティに核を形成するようになりがちであろう。しかし、特に形状が複雑な成形キャビティの場合、この種の傾斜を防止することはそれにもかかわらず困難であることが分かっている。

仏国特許出願公開第２８７４３４０号明細書

本発明は、これらの欠点を克服し、特にシェルモールドの成形キャビティにおいて溶融金属の指向性凝固を確実にすることができるシェルモールドを提供し、かつ一般的な方法でそのようにしようとするものである。

少なくとも１つの実施形態においては、この目的は、少なくとも１つの熱シールドが、前記主軸に実質的に直交する平面において各成形キャビティを完全に取り囲むということによって達せられる。

これらの提供によって、主軸に直交する各平面において各成形キャビティの周縁にわたって実質的に均一な温度を得ることができ、したがって、不必要な結晶粒の形成を回避するように成形キャビティの内側の結晶化の伝播フロントの配向を維持することに寄与する。

各成形キャビティにおいて伝播フロントの配向を維持するために、特にこれらが比較的長い場合には、熱シールドの間のオフセットを第１の方向にして、シェルモールドは、前記第１の方向に実質的に直交する少なくとも２つの熱シールドを備え、各々は、前記主軸に実質的に直交する平面において各前記成形キャビティを完全に取り囲む。シェルモールドの製造を容易にするために、これらの熱シールドは、特に、実質的に同一である、すなわち交換できるように十分に類似していることができる。

少なくとも１つの熱シールドは、シェルモールドの主軸の方向にこれを支持するように、補強材を含むことができる。成形キャビティを適合させるために、少なくとも１つの熱シールドは、各成形キャビティの周りに貫通オリフィスを有することができる。

シェルモールドのベースは、これを支持するための、およびまたシェルモールドの下の冷却されたソールプレートと良好な熱接触を持つシェルモールドに鋳造される金属を提供するための、プレートを形成することができる。次いで、これにより、シェルモールドの内側で溶融金属の指向性凝固を確実にするように、シェルモールドがヒータ室から取り出されると同時に、金属を下から冷却できるようになる。そのうえ、シェルモールドはまた、成形キャビティを鋳造カップの先端に接続する追加の補強材を含むことができる。

また、本発明は、この種のシェルモールドを製造する方法、および特に、ツリーによって一緒に接続される複数のモデルを備える非恒久アセンブリを作製するステップと、アセンブリをスリップに浸漬するステップと、アセンブリの周りにシェルを形成するためにスリップコートされたアセンブリを耐火砂でダスティングするステップと、アセンブリを除去するステップと、シェルをベーキングするステップと、を含む方法を提供する。浸漬するステップおよびダスティングするステップは、シェルの所望の厚さを得るために数回繰り返され得る。非恒久アセンブリは、アセンブリの材料を溶解することによって従来の方法で除去されることができ、前記材料は、比較的低い融点を有する。

特に、各熱シールドを形成することを容易にするために、各熱シールドはまた、たとえばアセンブリと同様に低い融点を有する材料から作られる、非恒久ディスクの周りに形成され得る。

また、本発明は、この種のシェルモールドを使用し、鋳造カップを通して溶融金属をシェルモールドに鋳造するステップと、ベースから鋳造カップの方へ前記主軸に沿って溶融金属を徐々に冷却するステップとを含む、鋳造法に関する。特に、溶融金属を徐々に冷却するステップは、ベースを冷却しながら、主軸に沿って、シェルモールドをプレートの方向にヒータ室から徐々に取り出すことによって行われる。

本発明は、非限定的な実施例として与えられる実施形態の次の詳細な説明を読むと十分に理解されることができ、その利点がより明らかになる。説明は、添付の図面を参照する。

指向性凝固鋳造法において溶融金属を徐々に冷却するステップを示す図である。 図１の連続冷却中に成形キャビティにおける金属の結晶化の伝播フロントの望ましい進行を示す図である。 図１の連続冷却中に成形キャビティにおける金属の結晶化の伝播フロントの望ましくない進行を示す図である。 本発明の一実施形態についてシェルモールドの長手方向断面図である。 図３のシェルモールドの側面図である。 図３および図４のシェルモールドの熱シールドを形成するための非恒久コアの斜視図である。 図３および図４のシェルモールドを形成するのに使用される非恒久アセンブリの斜視図である。

図１は、指向性凝固を得るためにいかに溶融金属の連続冷却が鋳造法で一般的に行われ得るかを示している。この連続冷却ステップにおいては、シェルモールド１の中への溶融金属の鋳造に続いて、冷却された可動の支持体２によって支持される前記シェルモールド１が、主軸Ｘに沿って下方にヒータ室３から取り出される。

シェルモールド１は、鋳造カップ５と板状のベース６との間を主軸Ｘに沿って延在する中央シリンダ４を備える。ヒータ室３からシェルモールド１の除去の間中、このベース６は、支持体２と直接接触している。また、シェルモールド１は、中央シリンダ４の周りにアセンブリとして配置される複数の成形キャビティ７を含む。各成形キャビティ７は、溶融金属が鋳造中に導入された供給チャネル８によって鋳造カップ５に接続される。また、各成形キャビティ７は、ベース６の中により小さなキャビティによって形成されるスターター１０にバッフルセレクタ９を介して底部で接続される。

シェルモールド１は支持体２によってそのベース６を介して冷却されるので、溶融金属の凝固は、スターター１０において開始され、これは、ヒータ室３からのシェルモールド１の連続下方取出しの間に上方へ伝播する。それにもかかわらず、各セレクタ９によって形成されるくびれ部、およびまたそのバッフル形状は、スターター１０の各々に初めに核を形成する結晶粒のうちの１つのみが対応する成形キャビティ７にまで及ぶように続いていることができるということを確実にする働きをする。

図２Ａは、タービンエンジンファンブレードの形状について成形キャビティ７における溶融金属の結晶化の伝播フロント１１の望ましい進行を示している。単結晶タービンエンジンブレードを得るために、前記結晶化は成形キャビティ７の主軸に沿って規則的に前進することが望ましい。対照的に、図２Ｂに比較として示されるように、伝播フロント１１が成形キャビティ７の中で前進しながら傾斜している場合には、成形キャビティ７のある領域において不必要な結晶粒１２を生成する恐れが実質的に増大する。残念ながら、成形キャビティ７の主軸に直交する温度勾配によって、伝播フロント１１は容易にこのように傾斜することになる場合がある。したがって、特に、熱がシェルモールド１のさまざまな要素から放射される方法を制御することが望ましい。

図３および図４は、本発明の一実施形態のシェルモールド１を示している。このシェルモールド１は、中央シリンダ４から出発する主軸Ｘに直交して延在する２つの熱シールド１３を含む。２つの熱シールド１３は、主軸Ｘに沿って長手方向オフセットｄの成形キャビティ７の高さに位置している。２つの熱シールド１３の各々の直径は、これらが各成形キャビティ７の壁よりも先に半径方向に延在するようなものである。したがって、各熱シールド１３は、主軸Ｘに直交する横断面において各成形キャビティ７を完全に取り囲む。しかし、成形キャビティ７の壁と熱シールド１３との間で熱が直接伝導されるのを防ぐために、横断ギャップが、各成形キャビティの周りすべてにおいて、前記横断面において前記壁を各熱シールド１３から分離させることができる。

示される実施形態においては、各熱シールド１３は、図５に示されるディスク１４のような、ワックスで作られるディスク１４の周りに形成された。２つのディスク１４は、実質的に同一であってもよい。示されるディスク１４は、それぞれ成形キャビティ７に対応する複数の貫通オリフィス１５と、位置決めおよび保持スプライン１７を有する中央シリンダと、各熱シールド１３が主軸Ｘに沿って剛体であることを確実にするための補強材を形成するために半径方向に、かつ横断面に直交して延在するウェブ１８とを有する。

シェルモールド１のベース６は、板状である。そのうえ、傾斜支柱の形状の補強材２０は、各成形キャビティ７の頂部を鋳造カップ５のそれに接続する。

シェルモールド１は、いわゆる「ロストワックス」または「消失パターン」法によって製造され得る。この種の方法の第１のステップは、図６に示されるように、ツリー２３によって一緒に接続される複数のパターン２２を備える非恒久アセンブリ２１を作り出すステップである。特に鋳造カップ５、供給チャネル８、補強材２０、セレクタ９、熱シールド１３、およびスターター１０などのシェルモールド１に空洞部を形成するためのツリー２３の部品は、モデリングワックスまたは樹脂などの、低い融点を有する材料で作られる。成形キャビティ７を形成することになるモデル２２は、低い融点を有する材料で作られる。多数の部品を製造することを目的としている場合には、特に、パターニング樹脂またはワックスを恒久鋳型の中に注入することによってこれらの要素を製造することができる。位置決めおよび保持スプライン１７を使って、各ディスク１４は、そのオリフィス１５をモデル２２と位置合わせして、正確に位置決めされ得る。

この実施においては、非恒久アセンブリ２１からシェルモールド１を製造するために、アセンブリ２１は、スリップに浸漬され、次いで耐火砂でダスティングされる。これらの浸漬ステップおよびダスティングステップは、所望の厚さのスリップ含浸砂のシェルがアセンブリ２１の周りに形成されてしまうまで、数回繰り返され得る。

次いで、このシェルで覆われるアセンブリ２１は、アセンブリ２１の低融解温度材料を溶解するように加熱されることができ、シェルの内側からこれを除去する。その後に、より高温のベーキングステップにおいて、スリップが、耐火砂を強化するように凝固され、図３および図４のシェルモールド１を形成する。

次いで、シェルモールド１は、図１に示される方法で次に指向性凝固を受けるように、溶融金属が鋳造カップ５を通してシェルモールド１に初めに鋳造される、鋳造法で使用され得る。この方法で使用するのに適した金属合金は、特にＳｎｅｃｍａによるＡＭ１およびＡＭ３などの単結晶ニッケル合金、ならびにまた、Ｃ−Ｍ ＧｒｏｕｐによるＣＭＳＸ−２（Ｒ）、ＣＭＳＸ−４（Ｒ）、ＣＭＳＸ−６（Ｒ）、およびＣＭＳＸ−１０（Ｒ）、Ｇｅｎｅｒａｌ ＥｌｅｃｔｒｉｃによるＲｅｎｅ（Ｒ）Ｎ５およびＮ６、Ｒｏｌｌｓ−ＲｏｙｃｅによるＲＲ２０００およびＳＲＲ９９、Ｐｒａｔｔ＆ＷｈｉｔｎｅｙによるＰＷＡ １４８０、１４８４、および１４８７などのような他の合金を含む。表１は、これらの合金の組成を要約している。

金属がシェルモールド内で冷却され、凝固された後に、モールドは、金属部品を離すように叩き落とすことができ、次いで、これは、機械加工および／または表面処理法によって仕上げられ得る。

本発明が特定の実施形態を参照して説明されているが、さまざまな改造および変更が、特許請求の範囲に規定されたように本発明の一般的な範囲を越えることなく、それに対して行われ得る。したがって、説明および図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味において考慮されるべきである。

Claims (7)

1. 鋳造カップ（５）とベース（６）との間を主軸（Ｘ）に沿って延在する中央シリンダ（４）と、
   中央シリンダ（４）の周りにクラスタとして配置される複数の成形キャビティ（７）であり、各々のものが、少なくとも１つの供給チャネル（８）によって鋳造カップ（５）に、およびバッフルセレクタ（９）を介してベース（６）のスターター（１０）に接続される、成形キャビティ（７）と、
   前記主軸（Ｘ）に実質的に直交する少なくとも１つの熱シールド（１３）と
   を備える、シェルモールド（１）であって、
   前記少なくとも１つの熱シールド（１３）が、各成形キャビティの周りに貫通オリフィス（１５）を有し、かつ前記少なくとも１つの熱シールド（１３）が、前記主軸（Ｘ）に実質的に直交する平面において各前記成形キャビティ（７）を完全に取り囲むことを特徴とする、シェルモールド（１）。
2. 熱シールド（１３）の間のオフセットを前記主軸（Ｘ）の方向にして、第１の方向に実質的に直交する少なくとも２つの熱シールド（１３）を備え、各々が、前記主軸（Ｘ）に実質的に直交する平面において各前記成形キャビティ（７）を完全に取り囲む、請求項１に記載のシェルモールド（１）。
3. 少なくとも１つの熱シールド（１３）が、補強材（１８）を含み、前記補強材（１８）が、前記主軸に実質的に直交する平面に対して垂直に延在するウェブである、請求項１または請求項２に記載のシェルモールド（１）。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のシェルモールド（１）を製造する方法であって、
   ツリー（２３）によって接続される複数のモデル（２２）を備える非恒久クラスタを含むアセンブリ（２１）を作製するステップを含み、少なくとも１つのディスク（１４）が、モデル（２２）に位置合わせされた複数の貫通オリフィス（１５）を有し、前記方法がさらに、
   アセンブリ（２１）をスリップに浸漬するステップと、
   少なくとも１つのディスク（１４）の周りに少なくとも１つの熱シールド（１３）を含むアセンブリ（２１）の周りにシェルを形成するために、スリップコートされたアセンブリ（２１）を耐火砂でダスティングするステップと、
   クラスタを除去するステップと、
   シェルをベーキングするステップと
   を含む、方法。
5. 少なくとも１つのディスク（１４）が、非恒久でありかつクラスタと同時に除去される、請求項４に記載のシェルモールド（１）を製造する方法。
6. 請求項１から３のいずれか一項に記載のシェルモールド（１）を使用する鋳造方法であって、
   鋳造カップ（５）を通して溶融金属をシェルモールド（１）に鋳造するステップと、
   ベース（６）から鋳造カップ（５）の方へ前記主軸（Ｘ）に沿って溶融金属を徐々に冷却するステップと
   を含む、鋳造方法。
7. 溶融金属を徐々に冷却するステップが、ベース（６）を冷却しながら、主軸（Ｘ）に沿って、シェルモールド（１）をベース（６）の方向にヒータ室（２）から徐々に取り出すことによって行われる、請求項６に記載の方法。

Images