JP6537221B2 - 複合インサートを有するエアフォイル鋳造用セラミックコア - Google Patents
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Description
この出願は、２０１１年５月１０日に出願された米国特許出願第１３／０６８４１３号の一部継続出願であり、その開示全体は引用を以て本願へ記載加入されるものとする。
＜発明の分野＞
本発明は、例えば複数の鋳造壁及び空気冷却効率向上のための複合通路を有するエアフォイルのように、複数壁を有するエアフォイル鋳造品を鋳造するための複合セラミックコアに関し、そのような複数壁を有する複合セラミックコアを製造する方法に関する。
＜発明の分野＞
本発明は、例えば複数の鋳造壁及び空気冷却効率向上のための複合通路を有するエアフォイルのように、複数壁を有するエアフォイル鋳造品を鋳造するための複合セラミックコアに関し、そのような複数壁を有する複合セラミックコアを製造する方法に関する。
＜発明の背景＞
ガスタービンエンジンの製造業者の多くは、複数壁及び薄壁を有する先進型(advanced)タービンエアフォイル(turbine airfoils)(すなわち、タービンブレード又はベーン)を評価する。このエアフォイルは、エンジン推力を大きくし、エアフォイルの十分な使用寿命を確保するべく、エアフォイル内部の冷却効率を向上させるための複雑な空気冷却チャンネルを含んでいる。しかしながら、先進型高推力エアフォイルエンジンの冷却スキームは複雑であり、複数の薄い壁及び非平面的冷却構造を必要とすることが多い。これらの先進型冷却スキームを画定するセラミックコアは、セラミック化合物を鋼製金型の中に押し込むことによって形成されているが、コアの複雑さは、金型の設計／製造の能力によって制限される。それゆえ、複雑な先進型冷却スキームの構築は、焼成後に複数のセラミックコアピースを組み立てることによって行われることが多い。しかしながら、組立ては、専門的な作業を必要とし、組み立てられたコア部品間の不一致によるコア寸法のばらつきが生じる。また、焼成されたコアは脆いため、取扱い時のスクラップ発生が増加する。このため、組立てを考慮すると、先進型冷却スキームに対する妥協が必要となる。
ガスタービンエンジンの製造業者の多くは、複数壁及び薄壁を有する先進型(advanced)タービンエアフォイル(turbine airfoils)(すなわち、タービンブレード又はベーン)を評価する。このエアフォイルは、エンジン推力を大きくし、エアフォイルの十分な使用寿命を確保するべく、エアフォイル内部の冷却効率を向上させるための複雑な空気冷却チャンネルを含んでいる。しかしながら、先進型高推力エアフォイルエンジンの冷却スキームは複雑であり、複数の薄い壁及び非平面的冷却構造を必要とすることが多い。これらの先進型冷却スキームを画定するセラミックコアは、セラミック化合物を鋼製金型の中に押し込むことによって形成されているが、コアの複雑さは、金型の設計／製造の能力によって制限される。それゆえ、複雑な先進型冷却スキームの構築は、焼成後に複数のセラミックコアピースを組み立てることによって行われることが多い。しかしながら、組立ては、専門的な作業を必要とし、組み立てられたコア部品間の不一致によるコア寸法のばらつきが生じる。また、焼成されたコアは脆いため、取扱い時のスクラップ発生が増加する。このため、組立てを考慮すると、先進型冷却スキームに対する妥協が必要となる。
コア形状によっては、共通平面に作用面のない特徴を画定するために複数の消失性(fugitive)コアインサートの形成を必要とするものがある。このコア形状の特徴として、例えば、エアフォイルにおける(1)複数のスキンコアセグメント、(2)トレーリングエッジ(例えば、ペデスタル及び出口)、(3)リーディングエッジ(例えば、クロスオーバー)、(4)エアフォイルの長さに亘って屈曲する特徴、が挙げられる。複数の消失性インサートを形成すること及び該インサートをコアダイの中で組み立てることは、コアの組立てによって生じる問題と同様な問題がある。コアインサートがコアダイの中に装入されたとき、個々のインサートに寸法ばらつきがあるか、又はコアダイ内での位置精度不良のために、インサート間で密接な接触を確実に得られることができない。また、引き続いて行われるセラミックコア材料の成形(molding)では、２つの消失性インサートセグメントの接合部にバリが形成されることがある。バリ発生は、セラミックコア成形に共通する問題であり、標準工程の一部として除去されることはできるが、消失性インサートの周囲又は間にあるバリは、隠れた内部キャビティの中又は複雑な構造の一部として存在するため、検査及び除去ができない。焼成されたコアの中に残っているあらゆるそのようなバリは、鋳造されたブレード又はベーンの空気流れを変えることになる。
米国特許第５２９５５３０号 及び第５５４５００３号は、複数の薄い壁を有する先進型タービンブレード又はベーン構造において、先進型冷却目的を達成するために、複雑な空気冷却チャンネルを含む構造を記載している。
米国特許第５２９５５３０号は、複数の壁を有するコアアッセンブリの製造を記載しており、第１の薄壁セラミックコアをワックス又はプラスチックでコーティングし、第２の同様なセラミックコアが仮の位置決めピンを用いてコーティングされた第１のセラミックコアの上に配置し、位置決めロッドを各ドリル孔の中に挿入し、次に、第２のコアをワックス又はプラスチックでコーティングする。この工程は、複数の壁を有するセラミックコアアッセンブリが構築されるまで必要なだけ繰り返される。
このコアアッセンブリの形成方法は、かなり複雑であり、複数の接続ロッド及び他のロッドを使用し、これらロッドを受ける孔をコアの中にドリル加工せねばならないため、コスト高となる。また、このコアアッセンブリ法は、コアアッセンブリ、ひいてはこのコアアッセンブリを用いて製造されたエアフォイルの寸法精度及び再現性が損なわれる。
このコアアッセンブリの形成方法は、かなり複雑であり、複数の接続ロッド及び他のロッドを使用し、これらロッドを受ける孔をコアの中にドリル加工せねばならないため、コスト高となる。また、このコアアッセンブリ法は、コアアッセンブリ、ひいてはこのコアアッセンブリを用いて製造されたエアフォイルの寸法精度及び再現性が損なわれる。
米国特許第６６２６２３０号は、一体品として又は個々の要素を接着剤で接合ることによって形成した複数の消失性(例えば、ワックス)薄壁模型要素から模型アッセンブリを形成し、これをセラミックダイの中に装入して一体的なコアの成形を行なうことを記載している。
＜発明の要旨＞
本発明は、複数の壁を有するセラミックコアを製造する方法を提供するもので、複数の薄い壁を有し、内部冷却の効率を向上させるための複雑な空気冷却チャンネルを含むことができる先進型エアフォイル(例えば、タービンブレード又はベーン鋳造物)の鋳造に用いられる。
本発明は、複数の壁を有するセラミックコアを製造する方法を提供するもので、複数の薄い壁を有し、内部冷却の効率を向上させるための複雑な空気冷却チャンネルを含むことができる先進型エアフォイル(例えば、タービンブレード又はベーン鋳造物)の鋳造に用いられる。
本発明は一実施態様において、そのような複数壁を有するセラミックコアを製造する方法を提供するもので、複合コアインサートが一連のステップにおいて形成され、該ステップは、少なくとも１つの消失性コアインサートがジョイント形成面に１又は複数の雄型及び／又は雌型ジョイント部(joint features)を有するように予備成形するステップと、ジョイント形成面にて少なくとも１つの予備成形されたコアインサートに隣接して一体に接合することにより少なくとも１つの消失性コアインサートを現場成形するステップとを含んでおり、連結された融合ジョイントの形成により複合コアインサートが形成され、複合コアインサートが除去されると、コアの中に内部通路面が形成されるという特徴を含んでいる。複合コアインサートは、コア成形用ダイキャビティの中に配置され、流体セラミック材料がダイキャビティの中に導入されて、複合コアインサートが組み込まれたコア本体が形成され、次に、該セラミックコア本体はダイキャビティから除去される。
連結され融合されたジョイントは、１又は複数の連結された雄型ジョイント部と、１又は複数の雌型ジョイント部を含んでいる。一実施態様におけるジョイント形成面の雄型ジョイント部は、少なくとも１つの予備成形された消失性コアインサートのジョイント形成面から延びる突出部を有している。突出部は、限定するものではないが、ダブテール(dovetail)型ジョイントの雄型ダブテール部、ダボ型(dowel/hole)ジョイントの雄型ダボ部、さね継ぎ型(tongue and groove)ジョイントの雄型さね(tongue)部、ほぞ穴(mortis)用雄型突起、及び／又はローレット型(knurled)ジョイントの雄型ローレット部がある。
他の実施態様におけるジョイント形成面の雌型ジョイント部は、少なくとも１つの予備成形された消失性コアインサートのジョイント形成面に凹部(recess)を有している。凹部は、限定するものではないが、雌型ダブテール部、ダボ穴部、雌型溝(groove)部、雌型ほぞ穴凹部、及び／又は雌型ローレット部がある。
複合コアインサートは、コア成形用ダイキャビティの中に配置され、流体セラミック材料はダイキャビティの中に導入され、複合コアインサートの周りにコア本体が形成される。コア本体は、ダイキャビティから除去された後、焼成される。この焼成には、コア本体から複合コアインサートを選択的に除去することを含み、複数壁を有する焼成されたセラミックコアが生成される。該セラミックコアの上で、鋳造されるエアフォイルの消失性模型が、ロストワックス工程によりセラミックシェルモールドの中でインベストメント鋳造される。
本発明のさらなる例示的実施態様において、消失性コアインサートの１つは、複合コアインサートが除去されると、そのリーディングエッジ及び／又はトレーリングエッジの近傍にてセラミックコアの中にクロスオーバー通路を形成する。
本発明のさらなる例示的実施態様において、コアインサートの１つは、複合コアインサートが除去されると、セラミックコア中に圧縮側(pressure-side)及び／又は吸引側(suction-side)のスキンコアセグメント表面を形成する。
本発明のさらに追加の例示的実施態様において、コアインサートの１つは、複合コアインサートが除去されると、セラミックコア上にトレーリングエッジ表面(ペデスタル及び／又は出口)を形成する。
本発明の他の実施態様は、ジョイント形成面にスナップ嵌合可能なジョイント部を有するように第１及び第２の消失性コアインサートを予備成形すること、第１及び第２の消失性コアインサートを組み立てて、スナップ嵌合可能なジョイント部をスナップ嵌合させて連結されたジョイントを形成することにより、複合コアインサートを形成することを含んでいる。複合コアインサートは、コア成形用ダイキャビティの中に入れられ、流体セラミック材料がダイキャビティの中に導入され、消失性複合コアインサートが組み込まれたセラミックコア本体が形成される。この実施態様は、セラミックコアの夫々の第１外側部及び第２外側部を画定する比較的大きなコアインサートに有用である。
本発明の実施によってもたらされる利点として、機械的に連結され、融合され、密閉されたコアインサートジョイントの形成により機械的に組み立てられたコアインサート部品間に遊嵌(loose fit)がなくなること、その後のコア成形においてコアダイ中のインサート部品の位置ずれを低減できること、その後のコア成形又は消失性インサートの除去工程時における温度及び圧力で損なわれる接着剤又は他の異種材料の使用を回避できること、一体に接合され(融合され)、密閉された消失性インサートジョイント間にバリが形成されないので、内部壁部の位置制御が向上し、内部の検査及び修理の重要性が低減する。本発明では、コアインサートの位置精度の向上が達成され、コアジョイントにおけるコアのバリ発生がないので、本発明の実施により、簡単に検査又は修理されることができない内部壁を有する複雑なコアの製造を容易に行なうことができる。
本発明の他の利点は、添付の図面に基づく以下の詳細な説明により、さらに明確になるであろう。
＜発明の詳細な説明＞
航空機エンジンのエアフォイルの冷却スキームを最も効果的なものにするために、特に、高圧タービンのブレード及びベーン(以下、エアフォイル)の場合、これら部品の内部通路であるエアフォイル壁を補強し、また内部冷却空気を正確に仕切る必要がある。これは、冷却空気の圧力が制御され、冷却空気がブレード又はベーンの最も必要とされる領域に向けられるようにするためである。コアインサートどうしが互いに融合され機械的に連結された消失性複合コアインサートを用いて本発明を実施することにより、複合的なエアフォイルコア形状を作製することができる。これは、単一又はマルチ平面ツールでは引き抜かれることができない。本発明は、より複雑な形状のエアフォイルコアを作り出すことができる。また、消失性コアインサートは、個々のインサート間に型割線又は当たり確認線が形成されることなく互いに結合され、単一の消失性複合コアインサートとして、コアダイの中に挿入されて射出(injection)が行われる。
航空機エンジンのエアフォイルの冷却スキームを最も効果的なものにするために、特に、高圧タービンのブレード及びベーン(以下、エアフォイル)の場合、これら部品の内部通路であるエアフォイル壁を補強し、また内部冷却空気を正確に仕切る必要がある。これは、冷却空気の圧力が制御され、冷却空気がブレード又はベーンの最も必要とされる領域に向けられるようにするためである。コアインサートどうしが互いに融合され機械的に連結された消失性複合コアインサートを用いて本発明を実施することにより、複合的なエアフォイルコア形状を作製することができる。これは、単一又はマルチ平面ツールでは引き抜かれることができない。本発明は、より複雑な形状のエアフォイルコアを作り出すことができる。また、消失性コアインサートは、個々のインサート間に型割線又は当たり確認線が形成されることなく互いに結合され、単一の消失性複合コアインサートとして、コアダイの中に挿入されて射出(injection)が行われる。
本発明のこの実施態様を説明する前に図１Ａを参照すると、図１Ａは、タービンブレード又はベーンにおける冷却通路スキームを成形するための改良型冷却スキームに必要なセラミックコアＣＣの一部を示している。このコアＣＣは、固体セクションＳＳを含み、該固体セクションは、図１Ａでは見えない位置で相互に接続されており、溶融金属又は合金が鋳造されてコアＣＣの周りで固化(凝固)されると、冷却通路を形成し、コアは次に選択的に除去される。この種の冷却スキームの場合、セラミックコアピースを複数個使用して鋳造用セラミックコアに組み立てることによって形成することは、極めて困難であるか又は不可能である。
図１Ｂは、図１ＡのセラミックコアＣＣを形成するのに必要な仮想上の一体型(one-piece)消失性コアインサートの断面図であるが、内側コア形状が金型(tooling)の引抜き面(pull planes)を塞ぐため、１回の射出工程(injection process)で一体型コアインサートを形成することはできない。
図１Ｂの消失性コアインサートは、図１Ｃに示されるように、別個に形成された２つのピースを組み立てることによって形成されることはできるが、この方法では、小さな消失性(プラスチック又はワックス)のインサートピース(ピース１及び２)を組み立てること及び２つの消失性インサートを強固で精密に接合することは困難であり、また、２つの消失性インサートピースの接合部にバリ(flash)が形成される傾向がある。例えば、図１Ａに示される改良型冷却スキームでは、このコアの隠れた内部構造に接近することができないため、このバリを除去することはできない。このため、バリは薄いものでも発生は防止されなければならない。
図１Ｄ乃至図１Ｆを参照して、本発明の例示的実施態様について説明する。上記の課題を解決するものとして図１ＡのセラミックコアＣＣの形成について説明するが、これは例示であって、限定されるものではない。
図１Ｄに示されるコアインサートダイＤ１は、合せ型となる第１ダイ１ａと第２ダイ１ｂを有しており、第１及び第２ダイは、本発明の例示的実施態様のステップに基づいて図１Ｅに示される消失性コアインサート１を作製するための成形用キャビティＭＣ１を形成する。流体消失性模型材料(溶融プラスチック、ワックス、その他材料)が成形用キャビティＭＣ１の中に注入又は導入されて予備成形され、消失性コアインサート１が形成される。予備成形された消失性コアインサート１は、ワックスが固化すると、１又は複数のダブテールジョイント部(例えば、図１Ｅに示される雌型ダブテールジョイント部Ｆ)が形成されたジョイント形成面ＪＳを有し、予備成形されたコアインサート１は、ダイＤ１から取り除かれる。
図１Ｅは、第２の複合コアダイＤ２を示している。ダイＤ２は、合せ型となる第１ダイ２ａと第２ダイ２ｂを有しており、第１及び第２ダイは、本発明の例示的実施態様のステップに基づいて図１Ｆに示される消失性複合コアインサートＰＰを作製するためのモールドキャビティＭＣ２を形成する。具体的には、モールドキャビティＭＣ２は、図１Ｅに示される予備成形された消失性コアインサート１を受け入れる形状に作られた領域Ｒ２と、複合消失性インサートＰＰの残部を成形する形状に作られた、最初は空の領域Ｒ２’とを含んでいる。領域Ｒ２’は、流体消失性模型材料(例えば、溶融プラスチック又はワックス)を受け入れることができるようにしており、ジョイント形成面ＪＳにて、残りの消失性コアインサート２が予備成形された消失性インサート１の上に形成又はオーバーモールド及び溶融されて、図１Ｆの複合消失性コアインサートが形成される。残りの消失性インサート２は、ダイＤ２内の予備成形された消失性インサート１のジョイント形成面に現場成形(in-situ molding)することにより形成される。オーバーモールドされた消失性材料は、消失性インサートに溶融して緊密なシールを形成するため、強固で、安定して精密に融合した接合部が、相互連結されたダブテールジョイントＪ１で形成され、接合部でのバリの発生もない。相互に連結されたダブテールジョイントＪ１は、コアインサート１の消失性模型材料が溶融したジョイント形成面ＪＳの予備成形された雌型ダブテールジョイント部Ｆ(図１Ｅ及び図５Ｂ)を含んでおり、図５Ａに示されるように、予備成形された消失性コアインサート１のジョイント形成面ＪＳに、ダブテールジョイントＪ１が、密封され、相互連結され、オーバーモールドされて形成される。雌型ダブテールジョイント部に代えて、予備成形された消失性コアインサートのジョイント形成面ＪＳは、図５Ｃに示される１又は複数の雄型ダブテールジョイント部Ｆ’を含むことができる。ダブテールジョイント部(又は後記する他の相互連結ジョイント部)は、公知の拡大鏡又はルーペを用いて、溶融した複合コアインサートの中で観察されることができる。
密封され、相互連結され、オーバーモールドされたジョイントＪ１は、図示のダブテール型ジョイントに限定されない。例えば、ジョイントＪ１は、図６Ａ及び６Ｂに示される本発明の他の実施態様に係るダボ型ジョイントのような他の形態とすることもできる。図６Ｂに示される一実施態様では、雌型ダボ穴ジョイント部Ｆが予備成形されたコアインサート１のジョイント形成面ＪＳに設けられ、モールドキャビティＭＣ２内に消失性材料が満たされて、現場成形され、ジョイント形成面ＪＳに融合されて、ダボ型ジョイントが形成される。図６Ａに示される他の実施態様では、雄型ダボジョイント部Ｆ’が予備成形されたコアインサート１のジョイント形成面ＪＳに配備され、消失性材料で取り囲まれるか又は消失性材料に埋め込まれ、現場成形されて、ジョイント形成面ＪＳに融合されて、ダボ型ジョイントが形成される。
図７Ａ及び７Ｂは、本発明のさらに他の実施態様に係るさね継ぎジョイントの部分図である。図７Ｂに示される一実施態様では、雌型の溝ジョイント部Ｆが予備成形されたコアインサート１のジョイント形成面ＪＳに設けられ、モールドキャビティＭＣ２内に消失性材料が満たされて現場成形され、ジョイント形成面ＪＳに融合されて、さね継ぎジョイントが形成される。図７Ａに示される他の実施態様では、雄型のさね部ジョイント部Ｆ’が予備成形されたコアインサート１のジョイント形成面ＪＳに配備され、消失性材料で取り囲まれるか又は消失性材料に埋め込まれ、現場成形されて、ジョイント形成面ＪＳに融合されて、さね継ぎジョイントが形成される。
図８は、本発明のさらなる例示的実施態様に係るもので、予備成形されたコアインサート１のジョイント形成面ＪＳに、ローレット型表面又はテクスチャー状表面が形成された雄雌ジョイント部Ｆ、Ｆ’の部分図である。ローレット型ジョイント又はテクスチャー型ジョイントは、消失性材料が、モールドキャビティＭＣ２内で現場成形されて連結され、ローレット型ジョイント又はテクスチャー型ジョイントを形成する面ＪＳに融合されて、ローレット型ジョイント又はテクスチャー型ジョイントが形成される。
図９は、本発明のさらなる例示的実施態様に係るもので、予備成形されたコアインサート１のジョイント形成面ＪＳに形成された凹凸型ジョイント部Ｆ、Ｆ’の部分図である。ジョイント形成面ＪＳの凹凸型ジョイント部は、消失性材料が現場成形されて、ジョイント形成面ＪＳで連結されて、凹凸型ジョイントが形成される。これは、モールドキャビティＭＣ２内で、凹状ジョイント部が満たされ、凸状ジョイント部が消失性材料で取り囲まれるか又は消失性材料に埋め込まれ、現場成形され、消失性コアインサート１のジョイント形成面に融合されて、形成される。
図１Ｆを再び参照すると、この図は、溶融プラスチック又はワックスが固化し、ダイＤ２から取り外された後の複合消失性コアインサートＰＰを示している。消失性コアインサートＰＰは、予備成形されたインサート１と、該インサート１のジョイント形成面にオーバーモールディングされて現場成形されたインサート２とを含んでおり、オーバーモールド(溶融)されて連結されたジョイントＪ１にて、一体型の複合消失性インサートＰＰが形成される。
Ｄ２から取り外された複合消失性インサートＰＰは、次に、モールドキャビティＭ３を形成するセクション３ａ、３ｂを有する最終セラミックコアダイＤ３の中に入れられる。流体セラミックコア材料は、例えば、溶融熱可塑性又はワックスバインダーであり、アルミナ、シリカ、ジルコニア、その他適当なセラミック又はそれらの混合物のコアセラミック粒子を含む。この流体セラミックコア材料は、モールドキャビティＭ３内のインサートＰＰの中及び周りに射出又は導入され、単一ピースのグリーン(未焼成)セラミックコアＣＣが形成される。消失性インサートＰＰは、次に、公知の熱又はその他手段により、ダイＤ３から取り外されたグリーンコアＣＣから選択的に除去される。グリーンコアＣＣは、次に、高温で焼成され、焼成されたセラミックコアＣＣ(図１Ａ参照)が形成され、タービンブレード又はベーンの鋳造用セラミックモールドの作製に用いられる。これについては、以下の実施例２においてより詳細に説明する。
限定するものでなく更なる例示を目的として、図２、３及び４を示す。これらの図は、本発明の複合型消失性インサートが上記利点をもたらす異なる３つの追加の実施例を示している。
図２において、予備成形された消失性コアインサート１’は、トレーリングエッジ及び２列のクロスオーバー通路部を有するコアを形成し、現場成形された消失性コアインサート２’は、コア金型によって成形されることができないスキンコアセグメントを形成し、予備成形された消失性コアインサート３’は、リーディングエッジ通路を形成する。
予備成形された消失性コアインサート１’及び３’は別個に形成され、形成には、より単純な金型を用いることができる。例えば、予備成形されたインサート１’は、適当な形状のモールドキャビティを有するコアインサートモールドの中で形成されることができる。溶融プラスチック又はワックス等の消失性材料がインサートモールドの中に注入され、ジョイント形成面ＪＳ上に雌型ジョイント部Ｆ又は雄型突起ジョイント部Ｆ’を有するインサート１’が形成される。同様に、予備成形されたインサート３’が、該インサート用の適当な形状に形成されたモールドキャビティを有する他のコアインサートモールドの中で形成されることができる。溶融プラスチック又はワックス等の消失性材料がインサートモールドの中に注入され、ジョイント形成面ＪＳ上に雄型ジョイント部Ｆ又は雌型溝ジョイント部Ｆ’を有するインサート３’が形成される。
インサート２’は、複合インサートモールドの中で、予備成形されたインサート１’と３’の間に現場成形される。複合インサートモールドの中には、予備成形されたインサート１’及び３’が、インサート２’を形成するための中間モールドキャビティの対向する側となるように配置されている。溶融プラスチック又はワックス材料が中間モールドキャビティの中の予備成形されたインサート１’と３’の間に注入され、溶融プラスチック又はワックス材料が固化すると、予備成形されたインサート１’及び３’に一体に接続され、インサート１’と２’が融合して両者の間でさね継ぎジョイントＪ２’が形成され、インサート２’と３’が融合して両者の間でさね継ぎジョイントＪ１’が形成される。典型的には、溶融プラスチック又はワックスはオーバーモールドされるものである。すなわち、最初の消失性インサート１’及び３’がダイの中に装入され、消失性材料がキャビティの中に注入されて、インサート１’と３’の間の空間を満たし、両インサートを接合(融合)させることにより、コアダイの中に装入する単一の消失性複合インサート１０’が形成される。この方法は、接着剤が不要であるため、インサート除去時における潜在的悪影響がなく、正確な取付けを確実に行なうことができ、コアモールディング時にコアのバリ発生をなくすことができる。
ガスタービンエンジンのエアフォイル(ブレード又はベーン)などの超合金エアフォイルを鋳造するためのセラミックコアの製造において、一体化されたインサート１’、２’、３’によって形成された複合コアインサートは、典型的には、全体がエアフォイルの断面形状を有しており、鋳造されるエアフォイルと相補的な凹面及び凸面と、リーディングエッジ及びトレーリングエッジとを有している。
予備成形されたインサート１’、現場成形されたインサート２’及び予備成形されたインサート３’が一体に接続されて構成される複合消失性コアインサートは、図２に概略的に示されるコアダイキャビティＭ３の中に入れられる。２つのコアダイプル(core die pulls)が示されており、セラミックコアのトレーリングエッジ及び本体リブを形成するのに用いられる。熱可塑性又はワックスバインダー等の流体セラミック材料は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、又は他の適当なセラミック又はそれらの混合物のコアセラミック粒子を含んでおり、コアダイキャビティの中に導入されて、流体セラミック材料が、ダイキャビティの中で固化、凝固、ゲル化及び／又は硬化した後、複合コアインサートと一体化されたセラミックコア本体が形成される。本発明は、セラミック材料の注入によるセラミックコアの形成に限定されるものではなく、注入コア成形(poured core molding)、スリップキャスト成形(slip-cast molding)、トランスファー成形(toransfer molding)又は他のコア成形技術を用いて実施されることもできる。
セラミックコア材料は、当該分野で既知のシリカ基、アルミナ基、ジルコン基、ジルコニア基又は他の適当なコアセラミック材料及びそれらの混合物を含むことができる。特定のセラミックコア材料は、本発明の一部を形成するものではなく、適当なセラミックコア材料は、米国特許第５３９４９３２号に記載されている。コア材料は、既知のように、コアの周囲に形成されたエアフォイル鋳造物から化学的に浸出可能であるものが選択される。
次に、内部に複合コアインサートを有するグリーン(未焼成)セラミックコアが、コアモールドダイキャビティから除去され、溶融金属又は合金の鋳造の使用に適したものにするための焼成(焼結)が行われる。消失性複合コアインサート１０’は、焼成工程の前に、又は焼成工程の途中にコアから選択的に除去されることができる。典型的には、焼成されたセラミックコアは、従来のロストワックスインベストメント鋳造が行われ、鋳造されるエアフォイルの消失性模型がコアに形成される。コアには、模型材料の充満通路が存在し、セラミックシェルモールドの中でコア／模型のインベストメント鋳造を行なった後、模型の除去工程により、鋳造されるエアフォイルの消失性模型が選択的に除去される。これによって残されたセラミックシェルモールドは、焼成され、次に、溶融金属又は合金で鋳造される。例えば、セラミックコアは、セラミックコアのインベストメント鋳造は、セラミックモールド材料の中で、周知の「ロストワックス」工程に基づいて、セラミックスラリーの中に繰り返して浸漬し、過剰のスラリーを排出し、シェルモールドがコア／模型アッセンブリの上に所定厚さに形成されるまで粗粒セラミックスタッコでスタッコイングすることによって行われる。シェルモールドは、次に、シェルモールドは、鋳造に必要なモールド強度を得るために高温で焼成され、模型は熱又は化学溶解によって選択的に除去され、コアアッセンブリを内部に有するシェルモールドが残る。溶融超合金は、次に、従来の鋳造技術を用いて、内部にセラミックコアを有するシェルモールドの中に導入される。溶融超合金は、モールドのコアの周りで方向性凝固され、柱状結晶又は単結晶のエアフォイル鋳造品が形成される。或いはまた、溶融超合金は、等軸晶エアフォイル鋳造品が生成される用に鋳造されることもできる。鋳造モールドは、機械的ノックアウト工程を用いて、凝固鋳造品から除去され、１又は複数の公知の化学浸出又は機械的グリットブラスティングが行われる。コア２０は、化学浸出又は他の公知のコア除去法により、凝固したエアフォイル鋳造品から選択的に除去される。
図３は、本発明の一実施態様に係るセラミックコア２０’’を示しており、内部構造は調べることも修理することもできない。この実施態様において、コアインサート１’’及び３’’が予め成形されており、コアインサート２’’と現場成形されて融合される。前述したように、現場成形中にさね継ぎジョイントＪ１’’及びＪ２’’のように相互連結されて密閉されるので、コアにバリが発生することなく、複合消失性コアインサート１０’’が形成される。複合コアインサートは、次に、コアダイキャビティの中に入れられ、前述したように、複合コアインサートの周りでコア本体が成形される。コアインサート２’’及び３’’は、図示の如く、細長い断面が異なる平面上にある。
図４は、本発明の一実施態様に係るセラミックコア２０’’’を示しており、該セラミックコアは、２つのコアインサート、すなわち予備成形されたコアインサート１’’’と現場成形されたコアインサート３’’’を有しており、インサート１’’’及び２’’’は融合される。前述したように、インサート２’’’の成形中にさね継ぎジョイントＪ１’’’及びＪ２’’’のように相互連結されて密閉されるので、コアにバリが発生することなく、複合消失性コアインサート１０’’が形成されて、インサートの位置精度が向上する。
前述した消失性コアインサートを用いる本発明の実施により、単一又は多平面金型の中では引き出されることができない複雑なコア形状を製造することが可能となる。本発明は、具体的により複雑な追加の形状を作り出すことができる。また、手操作で組み立てられた個々の消失性ピース間に型割線又は当たり確認線が形成されることがなく、互いに結合されて、単一の複合消失性コアインサートとなり、射出を行なうためにコアダイの中に挿入される。
さらに、本発明は、共通平面に作用面のないコア構造を必要とするコア形状を作ることができる。このコア形状として、例えば、エアフォイルにおける(1)複数のスキンコアセグメント、(2)トレーリングエッジ構造(例えば、ペデスタル及び出口)、(3)リーディングエッジ構造(例えば、クロスオーバー)、(4)エアフォイルの長さに亘って屈曲する構造、が挙げられる。
上記の実施態様では、１又は２つの予備成形された消失性コアインサートがオーバーモールドされるが、本発明の実施に際しては、任意数の予備成形されたインサートをオーバーモールドすることにより、消失性複合インサートを形成することができる。
図１０及び１０ａは、さらに他の例示的実施態様を示しており、第１の予備成形された消失性コアインサート１００及び第２の予備成形された消失性コアインサート２００が、協働作用して嵌め合わせられる細長い雌型溝ジョイント部Ｆと、各コアインサートの対向面にて夫々のジョイント形成面ＪＳの長さに沿って延びる細長い雄型リブのスナップ嵌合可能なジョイント部Ｆ’とを含んでいる。図１０ａは、各々の雄型リブのスナップ嵌合可能なジョイントＦ’の周囲に、雌型溝ジョイント部Ｆの入口リム２００ａの直径よりも横方向の寸法が僅かに大きい突出部を有しており、雌型溝ジョイント部Ｆの入口リム２００ａを通るとスナップ嵌合され、入口リム２００ａ通過後も溝ジョイント部Ｆの中に留まる。このようにして、スナップ嵌合によりジョイント部Ｊ１’及びＪ２’が連結され、コアインサート１００と２００がジョイント形成面でスナップ嵌合されると、複合消失性コアインサート３００が形成され、該コアインサートはダイキャビティの中に入れられる。前述したように、ダイキャビティの中に流体セラミック材料が導入され、複合コアインサート１００、２００を含むコア本体ＣＣが形成される。コア本体ＣＣとコアインサート１００、２００の組立体は、ダイキャビティから除去される。その後、消失性コアインサート１００、２００は、熱手段(溶融)、化学手段(溶解)又は他の手段により選択的に除去され、残されたセラミックコア本体ＣＣは、金属又は合金エアフォイルを鋳造するためのモールドの中に入れられる。この実施態様は、図１０に示されるセラミックコアＣＣの第１の外側部及び第２の外側部を画定する比較的大きな消失性コアインサート１００、２００に有用である。
本発明を幾つかの例示的実施態様に関して説明したが、当該分野の専門家であれば、添付の特許請求の範囲に記載された発明から逸脱することなく改良を加えることができることは、明らかであろう。
Claims (18)
- エアフォイルの１又は複数の内部冷却通路を画定する表面を鋳造するのに用いられる、複数壁を有するセラミックコアを製造する方法であって、
ジョイント形成面に雄型及び／又は雌型ジョイント部を有するように少なくとも１つの消失性コアインサートを予備成形すること、
前記少なくとも１つの予備成形された消失性コアインサートを、消失性インサートダイの中に挿入し、消失性材料を消失性インサートダイの中に投入することにより、 前記ジョイント形成面にて、前記少なくとも１つの予備成形されたコアインサートに隣接して一体に接合された少なくとも１つの消失性コアインサートを現場成形することであって、前記現場成形が、雄型ジョイント部と雌型ジョイント部とが連結された融合ジョイントを有する消失性複合コアインサートを形成することを含み、前記複合コアインサートは、該複合コアインサートが除去されると、前記コアの中に内部通路面が形成されるようにしており、
前記複合コアインサートを消失性インサートダイから除去して、前記複合コアインサートをコア成形用ダイキャビティの中に配置すること、
流体セラミック材料をダイキャビティの中及び前記複合コアインサートの周りの少なくとも一部分に導入して、前記複合コアインサートが組み込まれたセラミックコア本体を形成すること、及び
セラミックコア本体をダイキャビティから除去すること、を含んでいる方法。 - 少なくとも２つの予備成形された消失性コアインサートを形成すること、及び、前記少なくとも２つの予備成形された消失性コアインサートの間に、少なくとも１つの消失性コアインサートを現場成形することを含み、前記少なくとも２つの予備成形された消失性コアインサートの間で連結された夫々の融合ジョイントにて、前記少なくとも１つの消失性コアインサートが一体に接続される、請求項１の方法。
- 雄型ジョイント部は、前記少なくとも１つの予備成形された消失性コアインサートのジョイント形成面から延びる突出部を具えている、請求項１の方法。
- 突出部は、雄型ダブテール部、ダボ部、雄型さね部又は雄型ローレット部を含んでいる、請求項３の方法。
- 雌型ジョイント部は、前記少なくとも１つの予備成形された消失性コアインサートのジョイント形成面に凹部を有している、請求項１の方法。
- 凹部は、雌型ダブテール部、ダボ穴部、雌型溝部又は雌型ローレット部を含んでいる、請求項５の方法。
- コアインサートの１つは、複合コアインサートが除去されると、セラミックコアの中にクロスオーバー通路を形成する、請求項１の方法。
- クロスオーバー通路は、セラミックコアのリーディングエッジ及び／又はトレーリングエッジの近傍に形成される、請求項７の方法。
- コアインサートの１つは、複合コアインサートが除去されると、メインコアと一体の圧縮側スキンコアを形成する、請求項１の方法。
- コアインサートの１つは、複合コアインサートが除去されると、セラミックコアに吸引側スキンコアセグメント表面を形成する、請求項１の方法。
- コアインサートの１つは、複合コアインサートが除去されると、セラミックコアにトレーリングエッジ表面を形成する、請求項１の方法。
- 前記少なくとも１つの予備成形された消失性コアインサートは、プラスチック及びワックスからなる群から選択される材料を、コアインサートモールドの中に注入することによって形成される、請求項１の方法。
- 前記少なくとも１つの現場成形された消失性コアインサートは、プラスチック及びワックスからなる群から選択される材料を、前記少なくとも１つの予備成形された消失性コアインサートが存在する複合コアインサートモールドの中に注入することによって形成される、請求項１の方法。
- セラミックコア本体から複合コアインサートを選択的に除去することをさらに含んでおり、複数壁を有するセラミックコアが作成される、請求項１の方法。
- 前記少なくとも１つの消失性コアインサートを予備成形することは、鋳造されるエアフォイルのリーディングエッジの一部分を形成するセラミックコアの一部分に、内部通路面を形成するように行われることを含む、請求項１の方法。
- 前記少なくとも１つの消失性コアインサートを予備成形することは、鋳造されるエアフォイルのトレーリングエッジの一部分を形成するセラミックコアの一部分に、内部通路面を形成するように行われることを含む、請求項１の方法。
- 前記少なくとも１つの消失性コアインサートを予備成形することは、鋳造されるエアフォイルの吸引側の一部分を形成するセラミックコアの一部分に、内部通路面を形成するように行われることを含む、請求項１の方法。
- 前記少なくとも１つの消失性コアインサートを予備成形することは、鋳造されるエアフォイルの圧縮側の一部分を形成するセラミックコアの一部分に、内部通路面を形成するように行われることを含む、請求項１の方法。
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