JP6526053B2 - 単結晶鋳造用の型 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造分野に関し、より具体的にはロスト・パターン鋳造のためのモデルに関し、また、シェルモールドの製造方法及び前記モデルを使用した鋳造方法に関する。

下記において、「上部」、「下部」、「水平方向」、及び「鉛直方向」という用語は、金属が型内に鋳込まれている間の、このような型の通常の配向に関連して定義される。

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、具体的にはターボ機械翼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モデルを作成することである。モデルはそれ自体、型、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。型内部からこの材料モデルを除去又は排除した後（そのため、このような方法は「ロスト・パターン法」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、モデルが型から除去又は排除された後、型内にモデルによって残されたものである。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、モデル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、及びとりわけ金属合金の両方に範囲が及ぶ。

複数の部分を同時に製造可能にするために、複数のモデルを単一の群に統一することが可能である。この群において、これらのモデルはシャフトによって互いに結合される。シャフト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、モデル又はモデル群をスリップ中にディッピングし、続いてスリップ中で被覆されたモデル又はモデル群に耐火砂をダスティングしてモデル又はモデル群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、これによりシェルを全体として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を数回にわたって連続して行うことを考えることができる。「耐火砂」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る一方、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。この文脈において、「指向性凝固」という用語は、溶融金属が液体状態から変化するのに伴って溶融金属中で固体結晶が制御下でシーディングされ成長させら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、指向性凝固は柱状に行われてよく、あるいは単結晶状であってもよい。それぞれの柱における指向性凝固は、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、型は型キャビティ内に「スタータ」・キャビティを有しており、このスタータ・キャビティは、セレクタ・チャネルを介して型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シーディングされるようにする。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・キャビティ内でシーディングされたこの結晶粒の結晶化フロントから型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。

型キャビティ内の扱いにくい形状が、このような指向性凝固の障害となるおそれがある。従って、大きい水平方向突起、具体的にはターボ機械の翼プラットフォームに相当する突起を有する型キャビティの場合、凝固フロントはほぼ鉛直方向に前進するのを突然止め、突起の方向に前進し始めることがある。このような突然の方向変化は突起の近くに欠陥を、具体的には望まれない結晶粒をもたらす。

これを回避するために、当業者は粒導管を利用する。粒導管は、凝固フロントに型キャビティ内の水平方向突起への代わりの通路を提供し、そして突然の方向変化なしに凝固を行うのに役立つ。とはいえ、このような粒導管の欠点は、これが型をノックアウトするのをより困難にし、そしてとりわけ、粒導管内の金属材料の凝固から生じる金属枝を続いて粗鋳造物から取り除く必要があり、これにより複雑で高価な仕上げ工程を追加しなければならないことである。

仏国特許第２７３４１８９号

本発明は、大きい横方向突起を有する部分を成形するための単結晶鋳造用の型であって、大きい横方向突起を有するにもかかわらず、粗鋳造物の後続処理を容易にする、単結晶鋳造用の型を提案することによって上記欠点を改善しようとする。

少なくとも１つの実施態様では、この目的は、型キャビティを有する型であって、型キャビティが、第１容積部と、第１容積部と連通し、そして第１容積部に対して少なくとも１つの水平方向突起を有する、第１容積部上に配置された第２容積部と、第１容積部に接続された下端部及び第２容積部の前記水平方向突起に隣接する上端部を有する粒導管とを含む型がさらに、型キャビティの前記第２容積部と粒導管の上端部との間に挟まれたセパレータ部材を含むという事実によって達成される。

このような構成によって、水平方向突起内の金属材料が粒導管内の材料と直接に接触することなしに、型キャビティ内の金属材料の冷却、ひいては凝固を、粒導管を通して水平方向突起へ向かって前進させることができ、従って粒導管によって形成された金属枝を粗鋳造物の残りから分離するのをより容易にすることができる。

型キャビティ内の冷却フロントのコンスタントな前進を保証するために、粒導管の上端部の幅が、前記第２容積部の水平方向突起にほぼ等しくてよい。

具体的には、このような型は、ターボ機械の翼を製造するために使用することができ、これは固定案内羽根及び可動翼の両方に適用される。これを目的として、型キャビティの第１容積部はターボ機械の翼本体に相当してよく、そして型キャビティの第２容積部はターボ機械の翼プラットフォームに相当してよい。この文脈において、「ターボ機械」という用語は、流体流と少なくとも一組の翼との間でエネルギーが伝達されるあらゆる機械、例えば圧縮器、ポンプ、タービン、又はこれらのうちの少なくとも２つの組み合わせに範囲が及ぶ。

型キャビティ内の溶融金属材料の指向性凝固を容易にするために、型は型キャビティの下側に、セレクタ・チャネルによって型キャビティに接続されたスタータ・キャビティを有していてもよい。

本発明は、また、このような単結晶鋳造用の型を製造する方法であって、この方法が次の工程、すなわち型キャビティの形状を再現するモデルを形成する工程と、型キャビティを形成するように耐火材料中で前記モデルをコーティングする工程と、型キャビティを空にする工程とを含む、単結晶鋳造用の型を製造する方法に関する。

具体的には、型内にセパレータ部材を組み込むのをより容易にするために、前記セパレータ部材はコーティング工程の前にモデル内に挿入されてよい。具体的には、モデルは、前記耐火材料よりも低い温度で溶融する材料、例えばワックス又は樹脂から形成されてよく、そしていわゆる「ロスト・ワックス」法を用いて、液体状態で型キャビティから除去されてよい。

具体的には、前記コーティング工程は、モデルをスリップ中にディッピングし、モデルに耐火砂をダスティングすることによってモデルの周りにシェルを形成し、そしてシェルを焼結することによりシェルを圧密化し、これによりシェルモールドを形成することによって実施されてよい。

本発明はまた、このような型の使用方法であって、この方法が、金属材料を液体状態で型キャビティ内へ真空鋳込みし、金属材料を、型キャビティの下部から上部へ向かって指向性を有する状態で凝固させ、そして型キャビティの第２容積部と粒導管の上端部との間に挟まれたセパレータ部材を含めて、型をノックアウトすることを含む、型の使用方法を提供する。この文脈において、「真空」という用語は、大気圧よりも著しく低い圧力、具体的には０．１パスカル（Ｐａ）未満〜０．０１Ｐａの圧力を意味するものとして理解されるべきである。型がノックアウトされた後、型キャビティ内部で凝固した金属材料によって形成された粗鋳造物に、具体的には粒導管内で凝固した金属材料枝を分離するために付加的な処理を施すことができる。

非限定的な例として示された一実施態様の以下の詳細な説明を読めば、本発明を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、本発明の一実施態様を成す型を有する単結晶鋳造装置を示す概略図である。 図２は、図１の型を製造するためのモデルを示す概略斜視図である。 図３は、図１の装置内で鋳造法において冷却・凝固フロントを前進させる様子を示す概略図である。 図４は、図１の装置内で鋳造法において冷却・凝固フロントを前進させる様子を示す概略図である。 図５は、図１の装置内で鋳造法において冷却・凝固フロントを前進させる様子を示す概略図である。

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典型的にはどのように徐々に冷却し得るかを示している。

この方法に使用される型１は、鋳込みブシュ５とベース６とを含んでいる。型１がヒータ・チャンバ３から抜き取られる間、ベース６は底板２と直接に接触している。型１はまた型キャビティ７を有している。同じ型内に複数の型キャビティを、群を成した状態で配列することも可能である。型キャビティ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、この供給チャネル内を貫流する。型キャビティ７はまた一般に、下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に設けられたより小さなスタータ・キャビティ１０に接続されている。図示の実施態様の場合、型キャビティ７は、第１容積部７ａと、第１容積部７ａの真上に位置する第２容積部７ｂとを有している。第２容積部７ｂは第１容積部７ａと連通している一方、水平方向平面内で著しく広幅であることにより、第１容積部７ａに対して極めて顕著な少なくとも１つの水平方向突起を有している。より具体的には、図示の実施態様において、型１はターボ機械翼を製造するためのものである。従って、第１容積部７ａは翼本体に相当し、第２容積部７ｂは翼プラットフォームに相当する。

型キャビティ７はまた、第１容積部７ａに直接に接続された下端部４ａと、第２容積部７ｂの水平方向突起に隣接する上端部４ｂとを備えた粒導管４を有している。図示の実施態様では、前記上端部４ｂは、粒導管４の残りよりも広幅であることにより、第２容積部７ｂの全幅Ｌにわたって第２容積部７ｂの前記水平方向突起に隣接している。粒導管４の上端部４ｂと前記第２容積部７ｂとは隣接してはいるものの、直接には連通していない。それというのもこれらはロッド形セパレータ部材１１によって分離されているからである。

一例としては、セパレータ部材１１はセラミック材料から形成されてよい。図示の実施態様では、セパレータ部材１１は円形断面の円筒形ロッドの形態を成していてよいが、しかし状況に応じて、他の横断面及び他の全体形状を代わりに採用することもできる。ロッドの材料の寸法、及び熱伝導率は、粒導管４の上端部４ｂと、型キャビティ７の第２容積部７ｂの隣接する水平方向突起との間に良好な熱接触を提供するように選択されてよい。

型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なモデル１２を作成することである。モデル１２は、型キャビティ７及びスタータ・キャビティ１０と、セレクタ・チャネル９と、鋳込みブシュ５と、供給チャネル８とを形成するためのものであり、これらは全て型１内で中空である。モデルは、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。モデル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内に組み込まれ、型キャビティ７に相当するその主本体７’を、スタータ・キャビティ１０に相当するそのベース（図示せず）に結合する。支持ロッド２０をモデル１２に固定するために、モデル１２の材料の自然の付着を利用するか、又は適宜の接着剤を利用することが可能である。セパレータ部材１１も同様にモデル１２内で、粒導管４の上端部４ｂに相当する主本体７’の容積部と、型キャビティ７の第２容積部７ｂに隣接する水平方向突起に相当する容積部との間に組み込まれてよい。

この実施態様において、非永久的モデル１２から型１を製造するために、モデル１２をスリップ中にディッピングし、次いで耐火砂をモデルにダスティングする。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モデル１２の周りに形成されるまで、数回繰り返すことができる。

このシェル内に被覆されたモデル１２を次いで加熱することにより、支持ロッド２０及びセパレータ部材１１を保存した状態で、モデル１２の低溶融温度材料を溶融し、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、耐火砂を圧密化し、これにより型１を形成する。型１内には、支持ロッド２０及びセパレータ部材１１は組み込まれたままである。

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を介して型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、スタータ・キャビティ１０、セレクタ・チャネル９、及び型キャビティ７とを充填する。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がとりわけ適している。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の組成（重量％）

鋳込み中には、図１に示されているように、型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体２上に支持された型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。型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、溶融金属がスタータ・キャビティ１０内で凝固し始め、そして型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、凝固は型１内でほぼ鉛直方向に上方へ向かって伝搬し、この場合凝固は、図３に示されているようにフロント５０に追従する。にもかかわらず、セレクタ・チャネル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内で最初にシーディングされた結晶粒の中から１つだけが、型キャビティ７へ延び続け得ることを保証する。

図４に示されているように、粒ダクト４の下端部４ａでは、金属の冷却・凝固フロント５０が分岐し、型キャビティ７の第１容積部７ａ内で前進し続け、そして粒導管４内でも前進し続ける。その結果、この冷却・凝固フロント５０は、型キャビティ７の第１容積部７ａと第２容積部７ｂとの界面、及び粒導管４の上端部４ｂにほぼ同時に接近する。こうして、粒導管４の上端部４ｂと型キャビティ７の第２容積部の水平方向突起との間に熱伝導が生じるので、あたかも粒導管４の上端部４ｂが型キャビティ７の第２容積部の水平方向突起と実際に連通しているかのように、冷却・凝固フロント５０は第２容積部７ｂ内で、図５に示されているようにほぼ鉛直の前進方向を維持することができる。このことは、型キャビティ７の容積部７ａ及び７ｂ間の界面の周りに望まれない結晶粒を発生させるおそれのある、第２容積部７ｂ内でのこのような前進の突然の方向変化を回避する。

金属が型１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。型のノックアウト、及び金属部分に対する仕上げ処理の両方は、粒導管４の上端部４ａと型キャビティ７の第２容積部７ｂとを分離することによって、著しく容易にされる。それというのも、金属部分と、粒導管に相当する金属枝とを分離するためには、金属部分と金属枝との単一の結合部を破壊するので充分だからである。

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、この実施態様に種々の改変及び変更を加え得ることは明らかである。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 (9)

1. 型キャビティ（７）を有する単結晶鋳造用の型（１）において、
   該型キャビティ（７）が、
   第１容積部（７ａ）と、
   該第１容積部（７ａ）と連通し、そして該第１容積部（７ａ）よりも水平方向に突出している少なくとも１つの水平方向突起を有する、該第１容積部（７ａ）上に配置された第２容積部（７ｂ）と、
   該第１容積部（７ａ）に接続された下端部（４ａ）及び該第２容積部（７ｂ）の前記水平方向突起に隣接する上端部（４ｂ）を有する粒導管（４）とを含み、
   前記型（１）が、型キャビティ（７）の前記第２容積部（７ｂ）と該粒導管（４）の上端部（４ｂ）との間に挟まれたセパレータ部材（１１）を含むことを特徴とする、単結晶鋳造用の型（１）。
2. 前記粒導管（４）の上端部（４ｂ）の前記セパレータ部材（１１）に隣接した位置における水平方向の幅が、前記第２容積部（７ｂ）の前記水平方向突起の前記セパレータ部材（１１）に隣接した位置における水平方向の幅に等しい、請求項１に記載の型（１）。
3. 前記型キャビティ（７）の第１容積部（７ａ）がターボ機械の翼本体に相当し、前記型キャビティ（７）の第２容積部（７ｂ）がターボ機械の翼プラットフォームに相当する、請求項１又は２に記載の型。
4. 前記型キャビティ（７）の下側に、セレクタ・チャネル（９）によって前記型キャビティ（７）に接続されたスタータ・キャビティ（１０）をさらに有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の型（１）。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の単結晶鋳造用の型（１）を製造する方法において、該方法が、
   少なくとも前記型キャビティ（７）の形状を再現するモデル（１２）を形成する工程と、
   少なくとも前記型キャビティ（７）を形成するように耐火材料中で前記モデル（１２）をコーティングする工程と、
   少なくとも前記型キャビティ（７）を空にする工程とを含む、単結晶鋳造用の型（１）を製造する方法。
6. 前記セパレータ部材（１１）が前記コーティングする工程の前に前記モデル（１２）内に挿入される、請求項５に記載の方法。
7. 前記モデル（１２）が、前記耐火材料よりも低い温度で溶融する材料から形成され、そして液体状態で前記型キャビティ（７）から除去される、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記コーティングする工程が、前記モデル（１２）をスリップ中にディッピングし、該モデルに耐火砂をダスティングすることによって該モデル（１２）の周りにシェルを形成し、そして該シェルを焼結することにより該シェルを圧密化することによって実施される、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の単結晶鋳造用の型（１）の使用において、該使用が、
   金属材料を液体状態で前記型キャビティ（７）内へ真空鋳込みする工程と、
   該金属材料を、該型キャビティ（７）の下部から上部へ向かって指向性を有する状態で凝固させる工程と、
   前記型キャビティの前記第２容積部（７ｂ）と前記粒導管（４）の上端部（４ｂ）との間に挟まれた前記セパレータ部材（１１）を含めて、前記型（１）をノックアウトする工程とを含む、単結晶鋳造用の型（１）の使用。

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