JP6408557B2 - 単結晶鋳造用の型 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造分野に関し、より具体的には鋳造用の型に関し、さらにシェルモールドを製作する方法に関し、そしてこのような型を使用した鋳造法に関する。

下記において、「高い」、「低い」、「水平方向」、及び「鉛直方向」という用語は、金属が型に鋳込まれている間の、このような型の通常の配向によって定義される。

いわゆる「ロスト・ワックス」又は「ロスト・パターン」鋳造法が古くから知られている。これらの方法は、形状が複雑な金属部分を製造するのに特に適している。このようにロスト・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ために使用される。

ロスト・パターン鋳造において、第１の工程は通常、溶融温度が比較的低い材料、例えばワックス又は樹脂からパターンを作成することを含む。パターンはそれ自体、型、それも具体的にはシェルモールド・タイプの型を形成するために耐火材料中でコーティングされる。型内部からパターンの材料を除去又は排除した後（この理由から、このような方法はロスト・パターン鋳造法と呼ばれる）、溶融金属を型内へ鋳込むことによって、キャビティを充填する。このキャビティは、パターンが型から除去又は排除されることによって型内部に形成したものである。金属が冷えて凝固したら、型を開くか又は破壊することによって、パターンの形状を有する金属部分を回収することができる。この文脈において、「金属」という用語は、純粋な金属だけでなく、とりわけ金属合金にも範囲が及ぶものと理解されるべきである。

複数の部分を同時に製造可能にするために、複数のパターンを単一の集成体に統一することが可能である。この集成体において、これらのパターンはツリーによって互いに結合される。ツリーは溶融金属のための型内に鋳造チャネルを形成する。

ロスト・パターン鋳造において使用可能な種々のタイプの型の中でも、いわゆる「シェル」モールドが知られている。シェルモールドは、パターン又はパターン集成体をスリップ中にディッピングし、次いでスリップ中でコーティングされたパターン又はパターン集成体上に耐火性砂をダスティングしてパターン又は集成体の周りにシェルを形成し、次いでシェルを焼成してこれを焼結し、ひいてはスリップ及び砂を圧密化することによって形成される。焼成前に充分な厚さのシェルを得るためにディッピング及びダスティングの数回にわたる連続作業を考えることができる。「耐火性砂」という用語はこの文脈では、粒状材料であって、所望の製造誤差を満たすのに充分に小さい粒度を有し、固体の状態にあるときには溶融金属の温度に耐えることができ、そしてシェルの焼成中には圧密化されて単一片になることができる任意の粒状材料を指定するために使用される。

鋳造によって製造される部分に特に有利な熱機械特性を得るために、金属が型内で指向性凝固を確実に被ることが望ましい場合がある。「指向性凝固」という用語はこの文脈において、溶融金属が液体状態から固体状態になるのに伴って溶融金属中の固体結晶の核生成及び成長が制御されることを意味するために用いられる。このような指向性凝固の目的は、部分内部の粒界に対する不都合な作用を回避することである。従って、指向性凝固は柱状又は単結晶状であってよい。柱状指向性凝固は、粒界の全てを同じ方向に配向して、これらが伝搬亀裂に関与できないようにすることにある。単結晶状指向性凝固は、部分が単結晶として確実に凝固することにより、全ての粒界を排除することにある。

このような単結晶状指向性凝固を達成するために、ある特許文献に開示されているように、型は成形キャビティの下方にスタータ・キャビティを提供し、このスタータ・キャビティは、セレクタ・チャネルによって成形キャビティに接続されるのが典型的である（例えば、特許文献１及び２参照。）。金属が型内で凝固している間、スタータ・キャビティから出発して型を徐々に冷却し、これにより型内で結晶が核生成するようにする。セレクタ・チャネルの役割は、第１に単一結晶粒を優先させること、そして第２に単一結晶粒が、スタータ・キャビティ内で核生成されたこの結晶粒の結晶化フロントから成形キャビティへ向かって前進するのを可能にすることである。

しかしながら、このような形態の欠点は、特に型がいわゆる「シェルモールド」タイプの場合、すなわち、溶融金属を受容することになるキャビティ及びチャネルの周りが比較的薄い壁から形成されるタイプの型である場合、型が機械強度を確実に有さなければならないことにある。それというのも成形キャビティが、通常はより小さなスタータ・キャビティの上方の高い位置を占めるからである。このために、ある特許文献に示されているように、型内に支持ロッドを組み込むことが慣例である（例えば、特許文献３参照。）。

しかしながら、スタータ・キャビティ及び成形キャビティ内に貫入するこのような支持ロッドは、結晶粒の核生成及び伝搬を妨げるおそれがある。

仏国特許第２７３４１８９号 米国特許第４５４８２５５号 米国特許第４９４００７３号

従って、本発明は、成形キャビティと、支持ロッドと、結晶粒の核生成を可能にする形状のスタータ・キャビティとを備えた単結晶鋳造のための型を提案し、そして支持ロッドに適した支持体と、単一結晶粒を成形キャビティへ伝搬させるためにスタータ・キャビティの上部に接続されたセレクタ・チャネルとを提供することにより、上記欠点を取り除こうとする。

少なくとも１つの実施態様において、この目的は、スタータ・キャビティが、逆さまの漏斗の形状を成す少なくとも第１容積部と、第１容積部の底部に配置された、柱脚を形成する区別可能な第２容積部とを含み、第２容積部が、少なくとも１つの水平方向で前記第１容積部に対して知覚可能に突出しているという事実によって、そして支持ロッドがセレクタ・チャネルに対して横方向にオフセットされており、スタータ・キャビティの第２容積部を成形キャビティに結合していることによって、達成される。「逆さまの漏斗の形状」という用語は、第１容積部の最大断面積が第２容積部に隣接して位置し、そして第１容積部の最小断面積が第２容積部から離れて位置するような、収束プロフィールを有する形状を意味するために使用される。この形状は必ずしも円錐形ではなく軸対称でもない。「知覚可能に突出する」という用語は、第１容積部の底縁部と第２容積部の上縁部との水平方向で生じる差を、コンベンショナルな測定手段によって容易に検出できることを意味するために使用される。従って、第２容積部がこのように水平方向に突出することによって、横方向にオフセットされているにもかかわらず、支持ロッドのための安定したベースを提供するのが可能になり、ひいては、漏斗形第１容積部を介してスタータ・キャビティとセレクタ・チャネルとの間を移行する際に選択される粒に対する妨害を回避するのが可能になる。

具体的には、第２容積部は前記第１容積部の全周にわたって水平方向に突出して、これにより第１容積部と第２容積部との不連続性を形成してよい。このような不連続性は結晶粒の選択に関与する。

加えて、前記第１容積部は鉛直方向軸線を中心として軸対称であってよく、こうして円形断面のセレクタ・チャネルに向かう移行を容易にし、これにより妨害粒の核生成リスクを低減し、また型の壁内に弱い個所が生じるリスクを低減する。

さらに、前記第２容積部は鉛直方向軸線を中心として非軸対称であってよく、これにより、型の製作に際してパターン集成体を組み立てるときにスタータ・キャビティのための溶融可能なパターンの位置決めが容易になる。とはいうものの、第２容積部は具体的には、鉛直平面に対して対称であってよく、これにより、パターンを型抜きしやすくすることによって、このキャビティの形成のために使用される溶融可能なパターンを製造するために射出成形を利用しやすくなる。

前記第１容積部内及びセレクタ・チャネル内で特に均一な温度条件を得るために、セレクタ・チャネルに対する支持ロッドの横方向オフセットは、支持ロッドと第１容積部との間の最小距離が、支持ロッドの周りの型の厚さと、第１容積部の周りの型の厚さとの和よりも大きいように設定されてよい。型は具体的には、「ロスト・ワックス」法又は「ロスト・パターン」法によって製造された「シェル」モールド・タイプの型であってよく、これにより、比較的薄い壁を有する型を得ることができる。

具体的には、前記セレクタ・チャネルは、特に単一結晶粒が選択されることを信頼性高く保証する目的で、バッフル形成セレクタ・チャネルであってよい。加えて、前記セレクタ・チャネルは、特にセレクタ・チャネルの周りの型壁の完全性を保証するために、そしてセレクタ・チャネルの鋭い角隅において妨害粒の核生成を回避するために、円形断面を示してよい。

本発明は、また鋳造法であって、少なくとも、例えば「ロスト・ワックス」法又は「ロスト・パターン」法によってこのような型を製作し、型内に溶融金属を鋳込み、スタータ・キャビティから出発する金属の指向性凝固によって金属を冷却し、そして未加工金属鋳物を回収するために型をノックアウトすることを含む、鋳造法を提供する。一例として、この方法は、未加工金属鋳物を仕上げる付加的な工程を含んでもよい。

非限定的な例として挙げた１実施態様の以下の詳細な説明を読めば、本発明をより良く理解することができ、その利点がより明らかになる。この説明は添付の図面を参照する。

図１は、指向性凝固鋳造法の実施を示す概略図である。 図２は、鋳造パターン集成体を示す概略図である。 図３は、本発明の１実施態様におけるスタータ・キャビティを、対応セレクタ・チャネルと、対応成形キャビティの一部と、セラミック支持ロッドとともに示す側面図である。 図４は、図３のスタータ・キャビティのための溶融可能なパターンを示す平面図である。

図１は、指向性凝固を達成するために鋳造法において溶融金属を徐々に冷却する典型的なようすを示している。

この方法に使用されるシェルモールド１は、鋳込みカップ５とプレート形ベース６との間で主軸線Ｘに沿って延びる中心ディセンダ４を含んでいる。シェルモールド１がヒータ・チャンバ３から直接に抜き取られる間、ベース６は底板２と直接に接触している。シェルモールド１はまた、中心ディセンダ４の周りの集成体として配置された複数の成形キャビティ７を有している。それぞれの成形キャビティ７は、供給チャネル８によって鋳込みカップ５に接続されている。溶融金属はこれが鋳込まれるときには、この供給チャネルを通して挿入される。それぞれの成形キャビティ７はまた、底部ではバッフル形セレクタ・チャネル９を介して、ベース６に隣接するより小さなスタータ・キャビティ１０に接続されている。

シェルモールド１はいわゆる「ロスト・ワックス」法又は「ロスト・パターン」法によって製造されてよい。このような方法の第１工程は、図２に示されているように、ツリー１３によって互いに結合された複数のパターン１２を含む非永久的集成体１１を作成することである。パターン１２及びツリー１３は、シェルモールド１内に中空容積部を形成するためのものである。これらは、溶融温度が低い材料、例えば適宜の樹脂又はワックスを使用して得られる。多数の部分を製造しようとする場合、具体的には永久的な型内に樹脂又はワックスを注入することによって、これらのエレメントを製造することができる。各パターン１２を支持するために、耐火材料、例えばセラミックから形成された支持ロッド２０が、モデル１２のそれぞれを集成体１１のベースに結合する。

この実施形において、非永久的集成体１１からシェルモールドを製造するために、集成体１１をスリップ中にディッピングし、次いで耐火性砂でダスティングする。これらのディッピング工程及びダスティング工程は、所望の厚さのスリップ含浸砂から成るシェルが集成体１１の周りに形成されるまで、数回繰り返してよい。

このシェルに覆われた集成体１１を次いで加熱することにより、集成体１１の低溶融温度材料を溶かし、シェル内部からこれを除去することができる。その後、より高温の焼成工程においてシェルを焼結することにより、耐火性砂を圧密化し、そしてシェルモールド１を形成する。

この鋳造法に使用される金属又は金属合金は、溶融されながら鋳込みカップ５を介してシェルモールド１内へ鋳込まれ、そして金属又は金属合金は供給チャネル８を介して成形キャビティ７を充填する。この鋳込み中には、図１に示されているように、シェルモールド１はヒータ・チャンバ３内に保持される。その後、溶融金属を徐々に冷却させるために、冷却された移動可能な支持部材２によって支持されたシェルモールド１は主軸線Ｘに沿ってヒータ・チャンバ３から下方へ向かって抜き取られる。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、溶融金属の凝固がスタータ１０内で引き起こされ、そして図１に示された矢印に沿って、シェルモールド１がヒータ・チャンバ３から徐々に下方へ向かって抜き取られるのに伴って、この凝固は上方へ向かって伝搬する。にもかかわらず、各セレクタ９によって形成された狭窄、及びそのバッフル形状は、スタータ・キャビティ１０のそれぞれの中で最初に核生成した結晶粒のうちの１つだけが、対応成形キャビティ７へ延びるように確実に進み続け得るのに役立つ。

この方法における使用に適した金属合金の中でも、具体的には単結晶ニッケル合金、例えば具体的にはSnecmaのAM1及びAM3、また他の合金、例えば C-M GroupのCMSX-2（登録商標）、CMSX-4（登録商標）、CMSX-6（登録商標）、及びCMSX-10（登録商標）、General ElectricのRene（登録商標） N5及びN6、Rolls-RoyceのRR2000及びSRR99、並びにPratt & WhitneyのPWA 1480、1484及び1487がとりわけ見いだされる。表１はこれらの合金の組成を要約する。
表１：単結晶ニッケル合金（重量％）

金属がシェル型内で冷えて凝固した後、型をノックアウトすることによって、金属部分を解放することができる。次いでこれらの金属部分を機械加工法及び／又は表面処理法によって仕上げることができる。

図３はスタータ・キャビティ１０のうちの１つの形状を、対応セレクタ・チャネル９、及びセレクタ・チャネル９を介してスタータ・キャビティ１０に接続された成形キャビティ７の一部と一緒にさらに詳しく示している。このように、スタータ・キャビティ１０が、上方に向かって収束するプロフィールを含むタイプの第１容積部１０ａ、すなわち逆さまの漏斗の形状を成す第１容積部１０ａと、第１容積部１０ａの底部に位置する区別可能な第２容積部１０ｂとを含む様子を見ることができる。第１容積部の上方に向いた収束形状は、第１容積部の最大断面積が第２容積部に隣接して位置し、そして第１容積部の最小断面積が第２容積部から離れて位置するように形成される。換言すれば、第１容積部１０ａの最大断面積は、図３の配向においてその最小断面よりも低い位置にある。この第２容積部１０ｂは、水平方向に配置されたその断面が、ほぼ一定であり、第１容積部１０ａの全周にわたって第１容積部１０ａに対して横方向に突出するが、しかし主方向においてより大きい規模で突出していると有利である。ロッド２０の底端部は第２容積部１０ｂのこの横方向突出部内に受容される。

図示の実施態様では、ロッド２０のための充分な固着を可能にするために、第２容積部１０ｂの高さｈ_bは少なくとも５ミリメートル（ｍｍ）である。第２容積部１０ｂの上縁部を丸み付けすることによって、シェルモールド１内のこの場所での応力集中、ひいては亀裂を回避する。このような亀裂は、シェルモールド１の壁内に含まれる金属の微細な漏れを招くことがあり、このような亀裂は妨害粒の核生成部位を成すこともある。この丸み付け部分の半径は例えば約０．５ｍｍであってよい。

第１容積部１０ａと第２容積部１０ｂとの間、そして第１容積部１０ａとセレクタ・チャネル９との間の移行部も同じ理由から丸みづけられる。鉛直に延びると想定される平面内で見た、水平面に対する第１容積部１０ａの１つ又は２つ以上の壁の傾斜角α（アルファ）は、例えば４０°〜７０°であってよい。この傾斜角は、最初の粒選択作業が行われるのを可能にし、凝固終了時のひけマーク（shrink marks）を回避する。ひけマークは妨害粒の核生成部位を作るおそれがある。しかしながら、第１容積部１０ａの形状に応じて、他の傾斜角も考えられる。

図示の実施態様ではこの第１容積部１０ａは円錐台形状であるが、上方に向かって減少する水平断面積を有する他の形状、より具体的には軸対称の形状（しかしながら、これに限られない）も同様に考えられる。例えば凸面側が上を向いた半球形状も考えられる。その形状とは無関係に、第１容積部１０ａの高さｈ_aは例えば２ｍｍ〜２０ｍｍであってよい。

セレクタ・チャネル９は、５つの連続するエレメント９ａ〜９ｅを有するバッフルの形態を成している。これらのエレメントは、直径ｄ_cが少なくとも５ｍｍ、好ましくは例えば６ｍｍ〜８ｍｍのほぼ一定の円形断面を備えている。この直径範囲によって、セレクタ・チャネル９のあまりにも小さな直径を回避しつつ、単一結晶粒選択を達成することが可能になる。直径があまりにも小さいと、妨害粒の核生成を促すことになる。同じ理由から、連続するセグメント９ａ〜９ｅ間の結合部が、半径約７ｍｍで丸みづけられる。これらの５つの連続するセグメント９ａ〜９ｅは、ほぼ鉛直方向に延びる第１及び第５のセグメント９ａ及び９ｅと、同様にほぼ鉛直方向に延びるがしかし第１及び第５のセグメント９ａ及び９ｅに対して横方向にオフセットされた第３のセグメント９ｃと、第３のセグメント９ｃの端部をそれぞれ第１及び第５のセグメント９ａ及び９ｅに結合する、傾斜した第２及び第４のセグメント９ｂ及び９ｄとを含む。水平面に対する前記第２及び第４のセグメント９ｂ及び９ｄの傾斜角ベータ（ＢＥＴＡ）は例えば５°〜４５°であってよい。スタータ・キャビティ１０全体とセレクタ・チャネル９との全高ｈは例えば３０ｍｍ〜４０ｍｍであってよい。

成形キャビティ７の底部は図３で見ることもできる。セレクタ・チャネル９と成形キャビティ７との間の移行部を、型１のこのような臨界個所における妨害粒の形成を回避するように提供するために、成形キャビティ７の底縁部は傾斜して丸みづけられている。水平面に対するこれらの縁部の傾斜角γ（ガンマ）も例えば５°〜４５°であってよい。標準曲線がこれらの丸み付け縁部をセレクタ・チャネル９に結合する。この標準曲線は妨害粒の核生成に関与する形状変化を回避するために、縁部の半径に近い半径を有する丸み付け部分によって構成されている。

ロッド２０は成形キャビティ７内に、その丸み付け底縁部のうちの１つを通って貫入する。妨害金属粒の核生成部位を成すかもしれないギャップの形成を回避するために、ロッド２０と成形キャビティ７との結合部２１は、角度半径（angle radius）ができる限り小さいか又はない。このことはロッド２０の周囲全てに当てはまる。支持ロッド２０は耐火材料、例えばセラミック、具体的にはアルミナから形成されていてよく、この断面の直径ｄｔは例えば３ｍｍであってよい。

図４は、スタータ・キャビティ１０を形成するのに使用される溶融可能なパターン１０’を示す平面図である。この溶融可能なパターン１０’の第１及び第２容積部１０’ａ及び１０’ｂの形状は、スタータ・キャビティ１０の第１及び第２容積部１０ａ及び１０ｂの形状に相当する。図面から明らかなように、この溶融可能なパターン１０’の第２容積部１０’ｂは、半径が異なる２つの円弧によって形成された対称的な水平断面を示しており、これらの円弧の端部は直線によって互いに結合されている。この形状は具体的には、集成体１１を組み立てるときにパターン１０’が確実に正しく配向されるのに役立つ。前記円弧のうちの半径Ｒを有する一方の円弧は、溶融可能なパターン１０’の第１容積部１０’ａの中心軸線上にセンタリングされるのに対して、半径Ｒよりもかなり小さい半径ｒを有する他方の円弧は、ロッド２０の中心軸線上にセンタリングされる。ロッド２０とスタータ・キャビティ１０の第１容積部１０ａとの間の最小距離Ｓは、前記ロッド２０の周りの型１の壁厚ｅ_tと、前記第１容積部１０ａの周りの型１の壁厚ｅ_aとの和よりも大きく、これにより、これらの壁のオーバーラップを回避する。それというのも、壁のオーバーラップは、スタータ・キャビティ１０の第１容積部１０ａ内部の温度均一性にとって有害になるからである。

本発明は具体的な実施態様を参照しながら説明されているが、請求項によって定義された本発明の全般的な範囲を逸脱することなしに、この実施態様に改変及び変更を加えることができる。加えて、記載された種々の実施態様の個々の特徴を付加的な実施態様において組み合わせてもよい。従って、説明及び図面は限定的意味ではなく例示的意味で考えられるべきである。

Claims (7)

1. 単結晶鋳造のための型（１）であって、
   該型が少なくとも、成形キャビティ（７）と、スタータ・キャビティ（１０）と、セレクタ・チャネル（９）とを含み、
   該スタータ・キャビティ（１０）が少なくとも第１容積部（１０ａ）と、区別可能な第２容積部（１０ｂ）とを有しており、
   該第１容積部（１０ａ）が逆さまの漏斗の形状を成しており、
   該第２容積部（１０ｂ）が、該第１容積部の底部に柱脚を形成していて、少なくとも１つの水平方向で前記第１容積部に対して知覚可能に突出しており、
   該セレクタ・チャネル（９）が前記スタータ・キャビティ（１０）を前記成形キャビティ（７）に接続しており、
   該型がさらに支持ロッド（２０）を含み、該支持ロッドは前記セレクタ・チャネルに対して横方向にオフセットされており、そして該スタータ・キャビティ（１０）の第２容積部（１０ｂ）を該成形キャビティ（７）に結合しており、
   前記支持ロッド（２０）の底端部が、前記第２容積部（１０ｂ）の前記横方向突出部内に受容されており、
   前記支持ロッド（２０）と前記第１容積部（１０ａ）との間の最小距離が、前記支持ロッド（２０）の周りの型（１）の厚さと、前記第１容積部（１０ａ）の周りの型（１）の厚さとの和よりも大きい、ことを特徴とする、単結晶鋳造のための型。
2. 前記第２容積部（１０ｂ）が前記第１容積部の全周にわたって水平方向に突出している、請求項１に記載の型（１）。
3. 前記第１容積部（１０ａ）が鉛直方向軸線を中心として軸対称である、請求項１又は２に記載の型（１）。
4. 前記第２容積部（１０ｂ）が鉛直方向軸線を中心として軸対称でない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の型（１）。
5. 前記セレクタ・チャネル（９）が、反対方向の連続する少なくとも２つの曲げ部を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の型（１）。
6. 前記セレクタ・チャネル（９）が円形断面を示す、請求項１〜５のいずれか１項に記載の型（１）。
7. 鋳造法であって、少なくとも下記工程、すなわち、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の型（１）を製作する工程と、
   該型（１）内に溶融金属を鋳込む工程と、
   前記スタータ・キャビティ（１０）から出発する金属の指向性凝固によって該金属を冷却する工程と、
   未加工金属鋳物を回収するために該型（１）をノックアウトする工程と
   を含む、鋳造法。

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