JP7157295B2 - Unidirectional solidification apparatus and method - Google Patents

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Description

本発明は鋳造技術に関わるものであって、特に多結晶粒から成る柱状デンドライト組織(DS材と称す)、単一粒から成るデンドライト組織(Mono-crystalあるいはSX材と称す)を有する鋳物及びインゴットの製造における改良を図った一方向凝固装置及び一方向凝固方法に関するものである。 The present invention relates to casting technology, and in particular castings and ingots having a columnar dendrite structure composed of polycrystalline grains (referred to as DS material) and a dendrite structure composed of single grains (referred to as Mono-crystal or SX material). The present invention relates to a unidirectional solidification device and a unidirectional solidification method that are intended to improve the production of.

DS材やSX材の典型的な製造方法として従来よりブリッジマン(Bridgeman)法、リキッドメタルクーリング(Liquid Metal Cooling)法、ガスクーリングキャスティング(Gas Cooling Casting)法が知られている。以下、その概要を説明する。 The Bridgeman method, the Liquid Metal Cooling method, and the Gas Cooling Casting method are conventionally known as typical methods for producing the DS material and the SX material. An outline of this will be described below.

Bridgeman法
典型的なBridgeman法(本明細書においてStandard Bridgeman、標準ブリッジマン法と称す)による一方向凝固装置は加熱炉、冷却chamber、鋳型を加熱炉から冷却chamberへ引き出すための引出機構、加熱炉と冷却chamberを分離する断熱バッフル、凝固を開始するための冷却チルから構成される(例えば非特許文献1参照、また本願明細書の図1に示す)。鋳型は抵抗加熱ヒーターあるいは誘導加熱により溶融温度以上に予熱され、溶融金属を鋳込んだ後、所定の速度で冷却chamberへ引出される。鋳型は冷却チル上にセットされチルへの熱伝導により凝固を開始するが、チルによる冷却効果の及ぶ範囲は小さく、大型鋳物になるとほぼセレクタ(図1参照、SX組織を得るための凝固の道筋)の範囲に限られる(例えば、非特許文献2、Konter et al参照)。鋳物は冷却chamberにおける鋳型側面からの輻射冷却によって凝固する。輻射による冷却能はかなり小さくこのためフレックル(マクロ偏析欠陥の一種でタービン翼の早期破損の原因となる)あるいは異方位結晶欠陥(misoriented grain defects)等の鋳造欠陥が生じやすいという欠点がある(例えば非特許文献1のp.321参照)。
Bridgeman Method A typical Bridgeman method (herein referred to as the Standard Bridgeman method) unidirectional solidification apparatus includes a heating furnace, a cooling chamber, a drawing mechanism for drawing the mold from the heating furnace to the cooling chamber, the heating furnace and a cooling chamber, a cooling chill for initiating solidification (see for example, see also FIG. 1 herein). The mold is preheated to a melting temperature or higher by a resistance heater or induction heating, and after pouring the molten metal, it is pulled out to a cooling chamber at a predetermined speed. The mold is set on the cooling chill and solidification is initiated by heat conduction to the chill, but the cooling effect of the chill is limited to a small range, and large castings are mostly selected (see Fig. 1, the solidification route to obtain the SX structure). ) (see, for example, Konter et al.). The casting solidifies by radiation cooling from the side of the mold in the cooling chamber. The cooling capacity of the radiation is rather small, so there is a drawback that casting defects such as freckles (a type of macro segregation defect that causes early failure of turbine blades) or misoriented grain defects (for example, See p.321 of Non-Patent Document 1).

Liquid Metal Cooling法(以下LMC法と称す)
標準ブリッジマン法における上述の欠点を解消するため、冷却領域において放射冷却によるのではなく、低融点材料による溶融金属浴に浸漬することによって冷却する方法(以降Liquid Metal Cooling,略してLMC法と呼ぶ)が考案された。当該LMC法は、鋳型の引出過程において当該鋳型を錫あるいはアルミニウム等の低融点材料による溶融金属浴中に徐々に浸漬させることにより冷却能を高めつつ鋳型冷却を行い、一方向凝固させるものである(図面は省略する)。
Liquid Metal Cooling method (hereinafter referred to as LMC method)
In order to eliminate the above-mentioned drawbacks of the standard Bridgman method, a method of cooling by immersion in a molten metal bath with a low melting point material instead of radiative cooling in the cooling area (hereinafter referred to as Liquid Metal Cooling, abbreviated as LMC method) ) was devised. In the LMC method, the mold is gradually immersed in a molten metal bath containing a low-melting-point material such as tin or aluminum in the process of drawing out the mold, thereby cooling the mold while increasing the cooling capacity, thereby unidirectionally solidifying the mold. (Drawings are omitted).

例えばUS Patent 6,276,433B1(2001)(特許文献1)は冷却金属浴の媒体としてAl共晶合金を用いている。さらにElliottら(非特許文献3)は冷却媒体としてさらに融点の低い溶融Snを用いることにより、凝固時の冷却速度を大きくしNi基合金タービンブレードの品質改善を図ることができることを示した。また、Liuら(非特許文献4及び非特許文献5)は当該LMC法を採用し、結晶組織を微細化し、一方向凝固Ni基超合金の高温クリープ強度を高めることができることを示した(例えば、1050℃、160Mpaのクリープ破断時間が84hrsから131hrsへ約2倍に伸びた。非特許文献5参照)。 For example, US Patent 6,276,433 B1 (2001) uses an Al eutectic alloy as a medium for a cooling metal bath. Further, Elliott et al. (Non-Patent Document 3) showed that by using molten Sn with a lower melting point as a cooling medium, the cooling rate during solidification can be increased and the quality of Ni-based alloy turbine blades can be improved. In addition, Liu et al. (Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5) adopted the LMC method, refined the crystal structure, and showed that the high-temperature creep strength of directionally solidified Ni-based superalloys can be increased (for example, , 1050° C. and 160 Mpa, the creep rupture time increased approximately twice from 84 hrs to 131 hrs (see Non-Patent Document 5).

Gas Cooling Casting法(以下、GCC法と称す)
GCC法は、冷却領域において引出した鋳型の冷却能を高めるべく不活性ガス(アルゴン、ヘリウム等)で冷却するようにしたガス強制冷却方式を採用した技術である(非特許文献2及び特許文献2参照)。すなわち、図1において加熱領域と冷却領域とを熱的に分離するために設けられている断熱バッフルの直下に冷却ガス吹き付け用の冷却ガス噴出ノズルを配置し、一方向凝固の作業期間中、冷却ガスを鋳型に吹き付けて冷却するものである(図面は省略する)。冷却ガスは冷却ガス循環ポンプシステムにより循環・冷却される。上記文献によれば、LMC法に匹敵またはそれ以上の冷却能を得ることができると述べている。
Gas Cooling Casting method (hereinafter referred to as GCC method)
The GCC method is a technology that employs a forced gas cooling method in which inert gas (argon, helium, etc.) is used to cool the mold pulled out in the cooling area (Non-Patent Document 2 and Patent Document 2 reference). That is, in FIG. 1, a cooling gas injection nozzle for blowing cooling gas is arranged immediately below the heat insulation baffle provided for thermally separating the heating region and the cooling region, and during the work period of unidirectional solidification, cooling The mold is cooled by blowing gas onto it (not shown). The cooling gas is circulated and cooled by a cooling gas circulation pump system. According to the above document, it is stated that a cooling capacity equal to or higher than that of the LMC method can be obtained.

しかしながら、LMC法あるいはGCC法においても不可避的に存在する液相及び固液共存相(所謂mushy zone)における有害な液相の流れ(流れの乱れ)を無くすことはできずフレックル等のマクロ偏析あるいは異方位結晶欠陥を完全になくすことは困難である。実際、発電用大型単結晶ブレードの鋳造歩留りは極めて低く実用化されていない。 However, even in the LMC method or the GCC method, the harmful liquid phase flow (flow turbulence) in the liquid phase and solid-liquid coexisting phase (so-called mushy zone) that inevitably exists cannot be eliminated, and macro segregation such as freckles or It is difficult to completely eliminate misorientation crystal defects. In fact, the casting yield of large single-crystal blades for power generation is extremely low and has not been put to practical use.

US Patent 6,276,433B1(2001)US Patent 6,276,433 B1 (2001) US Patent 5921310(Filed Sep.26,1997)US Patent 5921310 (Filed Sep. 26, 1997)

ASM Handbook,Vol.15,Casting(1988),p.320,Fig.3あるいはp.321,Fig.4ASM Handbook, Vol. 15, Casting (1988), p. 320, Fig. 3 or p. 321, Fig. 4 M.Konter,et al:“A Novel Casting Process for Single Crystal Gas Turbine Components”,Superalloy 2000,TMS 2000,p.189M. Konter, et al: "A Novel Casting Process for Single Crystal Gas Turbine Components", Superalloy 2000, TMS 2000, p. 189 A.J.Elliot et al:“Directional Solidification of Large Superalloy Castings with Radiation and Liquid-Metal Cooling”,Metallurgical and Materials Transactions A,Vol.35A,Oct.,2004,pp3221-3231A. J. Elliot et al: "Directional Solidification of Large Superalloy Castings with Radiation and Liquid-Metal Cooling", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 35A, Oct. , 2004, pp3221-3231 Lin Liu,et al:“The Effects of Withdrawal and Melt Overheating Histories on the Microstructure of a Ni-based Single Crystal Superalloy”,TMS Superalloy 2008,pp287-293Lin Liu, et al: "The Effects of Withdrawal and Melt Overheating Histories on the Microstructure of a Ni-based Single Crystal Superalloy", TMS Superalloy 2008, pp287-293

Lin Liu,et al:“High Thermal Gradient Directional Solidification and its Application in the Processing of Ni-based Superalloys”,J.Materials Processing Technology 210(2010),pp159-165Lin Liu, et al: "High Thermal Gradient Directional Solidification and its Applications in the Processing of Ni-based Superalloys", J. Am. Materials Processing Technology 210 (2010), pp159-165 Y.Ebisu:’A Numerical Method of Macrosegregation Using a Dendritic Solidification Model,and Its Applications to Directional Solidification via the use of Magnetic Fields’,Metallurgical and Materials Transactions B,vol.42b(2011),pp341-369Y. Ebisu:’A Numerical Method of Macrosegregation Using a Dendritic Solidification Model,and Its Applications to Directional Solidification via the use of Magnetic Fields’,Metallurgical and Materials Transactions B,vol. 42b (2011), pp341-369 M.C.Flemings:”Solidification Processing”,McGraw-Hill,Inc.,(1974)M. C. Flemings: "Solidification Processing", McGraw-Hill, Inc.; , (1974) P.C.Carman:Trans.Inst.Chem.Eng.,Vol.15(1937),p.150P. C. Carman: Trans. Inst. Chem. Eng. , Vol. 15 (1937), p. 150 Y.Lian,et al:‘Static Solid Cooling:A new directional solidification technique’,J.Alloys and Compounds,Vol.687(2016),pp.674-682Y. Lian, et al: 'Static Solid Cooling: A new directional solidification technique', J. Am. Alloys and Compounds, Vol. 687 (2016), pp. 674-682

DS材あるいはSX材一方向凝固鋳物あるいはインゴットの製造において標準的なBridgeman法に比べて冷却能を高めた上記LMC法あるいはGCC法を適用してもフレックル等のマクロ偏析あるいは異方位結晶などの鋳造欠陥を本質的に解消することは難しい。特にサイズの大きい発電用単結晶ブレードになると鋳造歩留りは極めて低くなり実用化されていないのが現状である。その理由は、後ほど実施例で述べるごとく、液相領域において不可避的に存在する横方向温度勾配によって対流を生じ、凝固界面にヒートパルスをもたらし、固液共存相(mushy zone)の形に影響を及ぼしmushy zoneにおける液相の流動パターン(flow pattern)を乱す。その結果マクロ偏析を生ずる。さらに、デンドライトの枝が分離され異方位結晶の種になる可能性がある。 Even if the LMC method or GCC method, which has a higher cooling capacity than the standard Bridgeman method in the production of DS or SX material unidirectionally solidified castings or ingots, is applied, macro segregation such as freckles or casting of anisotropically oriented crystals It is difficult to eliminate defects essentially. In particular, large-sized single crystal blades for power generation have a very low casting yield and are not put to practical use. The reason for this is that, as will be described later in Examples, the transverse temperature gradient that inevitably exists in the liquid phase region causes convection, heat pulses at the solidification interface, and influences the shape of the solid-liquid coexisting phase (mushy zone). It disturbs the flow pattern of the liquid phase in the mushy zone. As a result, macrosegregation occurs. In addition, dendrite branches may separate and seed misorientated crystals.

これら従来法による上記課題を解決するため、固相領域を強冷することによりマクロ偏析の原因となる固液共存相中の有害な横方向液相流れを軽減することができる。この知見は後述する凝固シミュレーションによって理論的・定量的に初めて裏付けられた現象であり、本発明の重要なポイントとなる。これによりマクロ偏析あるいは不整方位結晶欠陥を低減することができる。 In order to solve the above problems of the conventional methods, the solid phase region is strongly cooled to reduce the harmful lateral liquid phase flow in the solid-liquid coexisting phase that causes macrosegregation. This finding is a phenomenon theoretically and quantitatively supported for the first time by solidification simulations described later, and is an important point of the present invention. This can reduce macro-segregation or misorientation crystal defects.

このための手段として、本明細書において新しい一方向性凝固方法を提案する。その概要を図2に示す。本願発明装置は溶融金属2で満たされた鋳型1、該鋳型の底部に配置された冷却チル3、該鋳型の側面を囲むように定位置に配置された鋳型加熱用の主ヒーターとなる抵抗加熱ヒーター5及び移動式で比較的小領域の範囲を対象にした鋳型加熱用の副ヒーター10及び鋳型1への冷却ガス吹き付け用の移動式冷却ガスノズル15から成る。 As a means for this, a new unidirectional solidification method is proposed herein. The outline is shown in FIG. The apparatus of the present invention comprises a mold 1 filled with molten metal 2, a cooling chiller 3 placed at the bottom of the mold, and a resistance heater serving as the main heater for heating the mold placed at a fixed position surrounding the sides of the mold. It consists of a heater 5 , a mobile sub-heater 10 for heating a relatively small region, and a mobile cooling gas nozzle 15 for blowing cooling gas to the mold 1 .

前記副ヒーター10及び移動式冷却ガスノズル15はリング状であり、これらは一体的に且つ、鋳型1に対して同軸的に、冷却チル3側から上端側へ移動できる構成としてある。前記移動式冷却ガスノズル15は鋳型外周に対して冷却ガスを斜め下方に吹き付けることができる構成である。副ヒーター10と冷却ガスノズル15の間に断熱バッフル13を配置する。前記抵抗加熱ヒーター5は、一例として図2(b)に示すごとく帯状の抵抗加熱体を周方向にほぼ一周巻いては立上げ、逆方向にほぼ一周巻くことを繰り返すことにより成形される。これによりスリット状のギャップが形成され、このギャップを通じて冷却ガス導入パイプ14、断熱バッフル13及び副ヒーター10の上下動を可能にしている。The sub-heater 10 and the movable cooling gas nozzle 15 are ring-shaped, and are integrally and coaxially movable with respect to the mold 1 from the cooling chill 3 side to the upper end side. The movable cooling gas nozzle 15 is configured to blow the cooling gas obliquely downward to the outer circumference of the mold. A heat insulating baffle 13 is arranged between the sub-heater 10 and the cooling gas nozzles 15 . As shown in FIG. 2(b), the resistance heater 5 is formed by winding a belt-like resistance heating element approximately once in the circumferential direction, raising it, and winding it in the opposite direction approximately once. As a result, a slit-shaped gap is formed, through which the cooling gas introduction pipe 14, the heat insulating baffle 13 and the sub-heater 10 can be moved up and down.

加熱ヒーター5は、たとえばカーボングラファイトなどの抵抗発熱体で作られており筒状の断熱スリーブ6の内側に取り付けられる。また、この断熱スリーブ6の外側には抵抗加熱主ヒーター5に繋がる摺動接触端子7が設けられており、最上端の摺動接触端子7と現在位置における摺動接触端子7に摺動接触できるようにしたブラシ8を通じて該ヒーター5に電力を供給できる仕組みとなっている。
本明細書において上記の加熱方法を摺動抵抗加熱法と称する。
The heater 5 is made of a resistance heating element such as carbon graphite, and is attached inside a tubular heat insulating sleeve 6 . Further, a sliding contact terminal 7 connected to the resistance heating main heater 5 is provided outside the heat insulating sleeve 6, and the sliding contact terminal 7 at the uppermost end and the sliding contact terminal 7 at the current position can be brought into sliding contact with each other. Electric power can be supplied to the heater 5 through the brush 8 configured as above.
In this specification, the above heating method is referred to as sliding resistance heating method.

操業開始時、前記ブラシ8は最下端に位置させ、前記抵抗加熱主ヒーター5は上から下まで全領域に亘り発熱・保温することになる。そして、操業の進行とともに前記ブラシ8を前記冷却ガスノズル15及び前記副ヒーター10と同期・所定の速度で上方向に摺動させる。これにより、前記抵抗加熱主ヒーター5は前記ブラシ8の現在位置から上端までの区間が通電区間となり、加熱状態に保持され、前記ブラシ8の現在位置から下端までの区間は、電力を受けられず冷却ゾーンとなる。すなわち、時間の経過とともに加熱・保温領域は縮小し冷却領域は拡大して行く。そして、最終的に加熱領域は消滅し、全てが冷却領域となって操業を終了する。 At the start of operation, the brush 8 is positioned at the lowest end, and the resistance heating main heater 5 heats and retains heat over the entire area from top to bottom. As the operation progresses, the brush 8 is slid upward at a predetermined speed in synchronization with the cooling gas nozzle 15 and the auxiliary heater 10 . As a result, the resistance heating main heater 5 is energized in the section from the current position of the brush 8 to the upper end, and is kept in a heated state, and does not receive power in the section from the current position to the lower end of the brush 8. A cooling zone. That is, the heating/warming area shrinks and the cooling area expands with the lapse of time. Then, the heating area finally disappears, and the entire operation becomes a cooling area, ending the operation.

図3は当該装置を組み込んだ装置全体の概略図である。
9は主ヒーター電源であり上端接触端子とブラシ8を通じて電力を供給する。副ヒーター用銅ケーブル11は、前記副ヒーター用電源12と前記副ヒーター10とを繋いで電力供給するための電源ケーブルである。18は真空ポンプである。
FIG. 3 is a schematic diagram of the entire device incorporating the device.
A main heater power source 9 supplies power through the upper contact terminal and the brush 8 . The sub-heater copper cable 11 is a power cable for connecting the sub-heater power source 12 and the sub-heater 10 to supply power. 18 is a vacuum pump.

冷却ガス循環ポンプシステム17は冷却ガスを冷却ガス導入パイプ14を介して冷却ガスノズル15に供給し、吸込口16は前記加熱炉外筒19内に吹き出された冷却ガスを循環利用するための吸気口であり、冷却ガス循環ポンプシステム17にパイプで繋がっていて炉内部に吹き出された冷却ガスがこの冷却ガス循環ポンプシステム17により吸引/フィルタリング/冷却/供給/吸引と言う経路を辿って循環されて冷却領域での鋳型冷却に供される構成である。尚、誘導溶解炉21を収納する溶解室と鋳型1を収納する鋳型室は分離できる構成となっており、操業終了後両室を分離して鋳型1を取り出せる構造となっている(簡単のため示さず)。
以後、当該一方向凝固法を摺動抵抗加熱-GCC法(Sliding Resistor Heating-Gas Cooling Casting,略して、SRH_GCC法)と称す。
A cooling gas circulation pump system 17 supplies the cooling gas to the cooling gas nozzle 15 through the cooling gas introduction pipe 14, and the suction port 16 is an intake port for circulating the cooling gas blown out into the heating furnace outer cylinder 19. The cooling gas is connected to the cooling gas circulation pump system 17 by a pipe and blown out into the furnace. It is a configuration provided for mold cooling in the cooling zone. The melting chamber containing the induction melting furnace 21 and the mold chamber containing the mold 1 can be separated from each other. not shown).
Hereinafter, the unidirectional solidification method will be referred to as sliding resistance heating-gas cooling casting (SRH_GCC method).

本発明では次のような効果が得られる。
(1)凝固中、固液共存相における横方向の流れが低減される。その結果、マクロ偏析が改善されるとともに、異方位結晶欠陥が生じ難くなる。[mushy zone中の液相流れが軸方向に整流化するとマクロ偏析を生じないことはよく知られている(例えば、非特許文献7のp.252,Fig.7-35参照)]
The present invention provides the following effects.
(1) Lateral flow in the solid-liquid phase is reduced during solidification. As a result, macro segregation is improved, and misorientation crystal defects are less likely to occur. [It is well known that macrosegregation does not occur when the liquid phase flow in the mushy zone is rectified in the axial direction (see, for example, p.252 of Non-Patent Document 7, Fig.7-35)]

(2)また、後述の実施例で述べるごとく、引出速度に対応する摺動ブラシの移動速度を上げることにより生産性を上げることができる。(2) As will be described later in the examples, the productivity can be increased by increasing the moving speed of the sliding brush corresponding to the pull-out speed.

(3)標準ブリッジマン法に比べてはるかに大きい冷却能が得られるので段落0005で述べたごとく微細な結晶組織を得ることが可能となり、Ni基超合金ブレードの溶体化処理に要する加熱時間を大幅に短縮できるという経済的効果を生む。また、クリープ破断強度の高い製品を作ることが可能となる(上述の非特許文献5参照)。(3) Since a much larger cooling capacity can be obtained than the standard Bridgman method, it is possible to obtain a fine crystal structure as described in paragraph 0005, and the heating time required for solution treatment of the Ni-based superalloy blade It produces the economic effect of being able to shorten significantly. In addition, it is possible to produce a product with high creep rupture strength (see Non-Patent Document 5 mentioned above).

図1はブリッジマン法による一方向凝固装置を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a unidirectional solidification apparatus based on the Bridgman method. 図2は本発明の摺動抵抗加熱法による一方向凝固装置の概要を示す図である(SRH_GCC法と称す)。FIG. 2 is a diagram showing an outline of a unidirectional solidification apparatus using the sliding resistance heating method of the present invention (referred to as SRH_GCC method). 摺動抵抗加熱法(SRH_GCC法と称す)の応用例を示す概略図である。真空容器22、誘導溶解炉21、冷却ガス循環システム17を示す。It is a schematic diagram showing an application example of sliding resistance heating method (referred to as SRH_GCC method). A vacuum vessel 22, an induction melting furnace 21, and a cooling gas circulation system 17 are shown. 図4は標準ブリッジマン法及びSRH_GCC法(摺動ブラシ移動速度40cm/h)によるIN718ブレードの偏析標準偏差を示す図である(各元素の標準偏差(表5)をそれぞれの元素の初期濃度で正規化した)。FIG. 4 is a diagram showing the segregation standard deviation of IN718 blades by the standard Bridgman method and the SRH_GCC method (sliding brush moving speed 40 cm / h) (standard deviation of each element (Table 5) is the initial concentration of each element normalized). 図5は標準ブリッジマン法及びSRH_GCC法(摺動ブラシ移動速度40cm/h)によるIN718ブレードのDAS分布を示す図である(横断面中心Z方向)。注:底面ダミーチルの厚さ0.15cm(表4より)。FIG. 5 is a diagram showing the DAS distribution of an IN718 blade by the standard Bridgman method and the SRH_GCC method (sliding brush moving speed 40 cm/h) (cross-sectional center Z direction). Note: Bottom dummy chill thickness 0.15 cm (from Table 4).

図6は標準ブリッジマン法及びSRH_GCC法(摺動ブラシ移動速度40cm/h)によるIN718ブレードのNb分布を示す図である(横断面中心Z方向)。注:底面ダミーチルの厚さ0.15cm(表4より)。FIG. 6 is a diagram showing the Nb distribution of an IN718 blade by the standard Bridgman method and the SRH_GCC method (sliding brush moving speed 40 cm/h) (in the Z direction of the center of the cross section). Note: Bottom dummy chill thickness 0.15 cm (from Table 4). 図7はStatic Solid Cooling法の概略図(非特許文献9参照)である。FIG. 7 is a schematic diagram of the Static Solid Cooling method (see Non-Patent Document 9). 図8は本発明のSRH_GCC法による一方向凝固装置にStatic Solid Cooling法による鋳型を採用した概略図である(ただし、加熱及び冷却手段は本願発明手段による)。FIG. 8 is a schematic diagram of a unidirectional solidification apparatus according to the SRH_GCC method of the present invention employing a mold according to the Static Solid Cooling method (however, heating and cooling means are according to the means of the present invention).

本願発明は標準ブリッジマン法に比べて凝固時の冷却速度を高めることにより凝固組織を微細化するとともに、マクロ偏析あるいは異方位結晶などの鋳造欠陥を低減するようにした。
また、本願発明は、加熱領域、強冷却領域、及び断熱領域を一つのchamber内に収めるようにし、加熱領域を縮小可変できるようにしたことにより、装置を簡略・小型化できるようにした技術であり、制作コスト及びランニングコストを大幅に低減できるものと期待される。すなわち、通常のブリッジマン法の場合(図1参照)、装置全体の高さは鋳型の高さの大略3倍(加熱領域+冷却領域+鋳型引出し装置)となるのに対して本発明の場合装置全体の高さは、大略鋳型の高さに小型化できる。
In the present invention, the cooling rate during solidification is increased compared to the standard Bridgman method, thereby refining the solidified structure and reducing casting defects such as macro segregation and crystals with different orientations.
In addition, the present invention is a technique that allows the apparatus to be simplified and miniaturized by making it possible to store the heating area, the strong cooling area, and the heat insulation area in one chamber, and to make it possible to reduce and change the heating area. It is expected that production costs and running costs can be greatly reduced. That is, in the case of the normal Bridgman method (see FIG. 1), the height of the entire apparatus is approximately three times the height of the mold (heating area + cooling area + mold withdrawal device), whereas in the case of the present invention The height of the entire device can be reduced to approximately the height of the mold.

A.マクロ偏析形成のメカニズムについて
フレックル偏析をはじめとする種々のマクロ偏析は固液共存相における液相の流動に起因することはよく知られている。この流動を生ぜしめる駆動力として、凝固収縮、デンドライト間液相の密度差による対流、電磁力等外部からの力がある。

Figure 0007157295000001
及び温度Tの函数として表されることから
Figure 0007157295000002
で与えられる(表2中の液相密度計算式参照)。A. Mechanism of formation of macrosegregation It is well known that various macrosegregations such as Freckle segregation are caused by liquid phase flow in solid-liquid coexistence phase. External forces such as solidification shrinkage, convection due to the density difference in the interdendritic liquid phase, and electromagnetic force are driving forces that cause this flow.
Figure 0007157295000001
and as a function of temperature T,
Figure 0007157295000002
(See liquid phase density calculation formula in Table 2).

凝固の進行につれてρが減少する合金を浮上型合金、逆にρが増す合金を沈降型合金と呼ぶ。浮上型合金となるかまたは沈降型合金となるかあるいはこれらの混合型合金(液相密度が凝固の進行とともに減少し再び増加するあるいはその逆となる合金)となるかは合金成分によって決まる。Ni-10wt%Alは浮上型合金、IN718は沈降型合金である(非特許文献6のFig.13参照)。マクロ偏析は本来浮上型/沈降型に限らず鋳造条件によって様々な形態を呈するものである。An alloy in which ρL decreases as solidification progresses is called a floating alloy, and an alloy in which ρL increases is called a sedimentation alloy. It depends on the alloy composition whether it is a floating type alloy, a sedimentation type alloy, or a mixed type alloy (an alloy in which the liquidus density decreases and increases again with the progress of solidification, or vice versa). Ni-10wt%Al is a floating type alloy, and IN718 is a sedimentation type alloy (see Fig. 13 of Non-Patent Document 6). Macro segregation is not limited to the floating type/sedimentation type, but shows various forms depending on the casting conditions.

また、対流によるヒートパルスによってデンドライトの溶断・分離(grain multiplication mechanismと呼ばれる。非特許文献7のp.154参照)を生じデンドライト成長が破れ、そこからランダムな方位を有する異方位結晶欠陥を生じやすくなる。 In addition, a heat pulse caused by convection causes dendrite fusing and separation (referred to as grain multiplication mechanism, see p.154 of Non-Patent Document 7), which breaks the growth of dendrites and easily causes misorientation crystal defects having random orientations. Become.

B.凝固解析手段
凝固現象を解析するために本発明者が開発した汎用凝固シミュレーションシステム(システム名CPRO)による数値解析方法の概要を以下に述べる。
凝固現象を記述するための物理変数は温度、凝固中液相及び固相中に再分配される元素の濃度(合金元素数分、n個とする)、温度と固相率の関係を与える液相温度、液相及び固液共存相における液相の流速(3つのベクトル成分)及び圧力によって与えられる。これらを本明細書では巨視的スケールにおける物理変数と呼ぶ。これらn+6個の物理変数に対応する支配方程式を表1に示す。

Figure 0007157295000003
B. Solidification Analysis Means An outline of a numerical analysis method using a general-purpose solidification simulation system (system name CPRO) developed by the present inventor for analyzing solidification phenomena will be described below.
The physical variables for describing the solidification phenomenon are the temperature, the concentration of elements redistributed in the liquid phase and solid phase during solidification (the number of alloying elements is n), and the liquid It is given by the phase temperature, liquid phase flow rate (three vector components) and pressure in the liquid and solid-liquid phases. These are referred to herein as physical variables on a macroscopic scale. Table 1 shows the governing equations corresponding to these n+6 physical variables.
Figure 0007157295000003

固液共存相における流れはDarcyの式(2)によって記述されることが知られている(非特許文献7のp.234参照)。Darcy流れ現象は表1の運動方程式中に流動抵抗項として含まれている。

Figure 0007157295000004
ここに、ベクトルvはデンドライト間の液相流れ速度、μは液相の粘度、gは液相の体積率、Kは透過率、Pは液相の圧力、Xは重力、遠心力等の物体力ベクトルである。Kはデンドライトの幾何学的構造によって決まりKozney-Carmanの式(非特許文献8参照)より次式で与えられる。It is known that the flow in the solid-liquid coexistence phase is described by Darcy's equation (2) (see p.234 of Non-Patent Document 7). The Darcy flow phenomenon is included in the equations of motion in Table 1 as a flow resistance term.
Figure 0007157295000004
Here, vector v is the liquid phase flow velocity between dendrites, μ is the viscosity of the liquid phase, g L is the volume fraction of the liquid phase, K is the permeability, P is the pressure of the liquid phase, and X is the force of gravity, centrifugal force, etc. is the body force vector. K is determined by the geometrical structure of the dendrite and is given by the following equation from the Kozney-Carman equation (see Non-Patent Document 8).

Figure 0007157295000005
はデンドライト結晶の単位体積あたりの表面積(比表面積)であり、デンドライトの成長時における形態解析(本明細書において微視的スケールと呼ぶ)により求められる。すなわち、凝固は液相及び固相における一種の拡散律速過程であることからデンドライトを円柱形の枝及び幹と半円球の先端部からなるモデル化を行い固相及び液相における溶質の拡散方程式を解いて求めた。尚、デンドライトの方向によるKの異方性はないものと仮定した。無次元定数fは多孔質媒体中の流動実験により5の値を持つことがわかっている。
Figure 0007157295000005
Sb is the surface area (specific surface area) per unit volume of the dendrite crystal, and is determined by morphological analysis during the growth of the dendrite (herein referred to as microscopic scale). Since solidification is a kind of diffusion rate-controlled process in the liquid and solid phases, the dendrite is modeled with a cylindrical branch and trunk and a hemispherical tip, and the solute diffusion equation in the solid and liquid phases is I solved it and asked for it. It is assumed that there is no anisotropy of K due to the direction of dendrites. It is known that the dimensionless constant f has a value of 5 from a flow experiment in a porous medium.

以上、巨視的スケールにおける物理変数はすべて相互作用を有しており、さらに微視的スケールにおけるデンドライト成長とも深く関わっている(すなわち連成している)ので繰返し収束計算を行った。本数値解析法については本発明者の論文(非特許文献6)において詳細に記述されている。 As mentioned above, all the physical variables on the macroscopic scale interact with each other, and furthermore, they are deeply related to the dendrite growth on the microscopic scale (that is, they are coupled). This numerical analysis method is described in detail in the present inventor's paper (Non-Patent Document 6).

Figure 0007157295000006
Figure 0007157295000006

実施例:IN718合金短尺ブレード
次に、IN718短尺ブレードに対して標準ブリッジマン法(R=15cm/h)及び摺動抵抗加熱-GCC法(SRH_GCC法)(R=40cm/h)を適用した場合のシミュレーションについて説明する。表2にIN718の物性値、表3に標準ブリッジマン法による鋳造パラメータ、及び表4に本発明のSRH_GCC法による鋳造パラメータを示す。計算の準備として予備的計算を行い、固液共存相(mushy zone)が断熱バッフルとほぼ同じ水平位置になるよう鋳造パラメータを調整した。標準ブリッジマン法の場合引出速度R=15cm/h、SRH_GCC法の場合R=40cm/h(及びHGCC=600W/(m・K))とした。
Example: IN718 alloy short blade Next, when the standard Bridgman method (R = 15 cm / h) and the sliding resistance heating-GCC method (SRH_GCC method) (R = 40 cm / h) are applied to the IN718 short blade will be described. Table 2 shows the physical properties of IN718, Table 3 shows the casting parameters according to the standard Bridgman method, and Table 4 shows the casting parameters according to the SRH_GCC method of the present invention. Preliminary calculations were performed in preparation for the calculations, and the casting parameters were adjusted so that the mushy zone was at approximately the same horizontal position as the insulating baffle. The withdrawal rate was R=15 cm/h for the standard Bridgman method and R=40 cm/h (and H GCC =600 W/(m 2 ·K)) for the SRH_GCC method.

Figure 0007157295000007
Figure 0007157295000008
Figure 0007157295000007
Figure 0007157295000008

Figure 0007157295000009
Figure 0007157295000010
Figure 0007157295000009
Figure 0007157295000010

計算結果
計算結果を表5(a)及び(b)にまとめて示す。

Figure 0007157295000011
Figure 0007157295000012
Calculation Results The calculation results are summarized in Tables 5(a) and (b).
Figure 0007157295000011
Figure 0007157295000012

偏析の程度を表す指標として各合金元素の標準偏差σ(wt%)(各要素の合金濃度と平均濃度値との差の2乗和の平方根)を用いた。σが大きいほど合金元素の変動、すなわちマクロ偏析の程度が大きいことを示す。
表5(a)より、SRH_GCC法では各合金元素の標準偏差は標準ブリッジマン法に比べて半減していることから、凝固界面前方におけるthermal fluctuationはあるものの、固液共存相における液流の整流化がかなり促進されていることがわかる。
表5(b)に標準偏差の最少、最大、及び平均値を示す。SRH_GCC法では最少-最大の幅が小さくなっているのがわかる。
各合金元素の正規化標準偏差(元素間の相対値を見やすくするためσをC0で正規化した)に及ぼすSRH_GCC法の効果を図4に示す。図4より引出し速度を15cm/hから40cm/h(摺動ブラシの移動速度)へ上げ、強冷(Hgcc=600W/m2/K)すると標準偏差は大幅に小さくなる(No.1→No.8への変化)。すなわちマクロ偏析は大幅に改善される。
The standard deviation σ (wt %) of each alloy element (the square root of the sum of squares of the difference between the alloy concentration of each element and the average concentration value) was used as an index representing the degree of segregation. A larger σ indicates a greater degree of variation in the alloying elements, that is, macrosegregation.
From Table 5(a), the standard deviation of each alloying element is halved in the SRH_GCC method compared to the standard Bridgman method. It can be seen that the transformation is greatly accelerated.
Table 5(b) shows the minimum, maximum, and average standard deviations. It can be seen that the minimum-maximum width is reduced in the SRH_GCC method.
FIG. 4 shows the effect of the SRH_GCC method on the normalized standard deviation of each alloying element (σ is normalized by C0 to make it easier to see the relative values between elements). As shown in FIG. 4, when the drawing speed is increased from 15 cm/h to 40 cm/h (moving speed of the sliding brush) and strong cooling (Hgcc=600 W/m2/K), the standard deviation is greatly reduced (No. 1→No. 8). That is, macrosegregation is greatly improved.

凝固界面の移動速度を15cm/hから40cm/hに上げると(No.1とNo.8の比較)、σが減少するのはMushy zone中のflow patternの乱れが減少するためである。しかしながら凝固界面前方のThermal fluctuationはそれぞれ±20℃(No.1)及び±23℃(No.8)のオーダーであり、顕著な対流を生じている(1/2凝固時・肉厚方向中心(Y,Z)断面)。 When the movement speed of the solidification interface is increased from 15 cm/h to 40 cm/h (comparison between No. 1 and No. 8), σ decreases because the disorder of the flow pattern in the mushy zone decreases. However, the thermal flux in front of the solidification interface is on the order of ±20° C. (No. 1) and ±23° C. (No. 8), respectively, and significant convection occurs (1/2 during solidification, at the center in the thickness direction ( Y, Z) cross section).

図5にそれぞれのプロセスに対するDASの比較を示す(XY横断面中心位置におけるZ方向分布)。No.1(標準ブリッジマン法、15cm/h)の場合DAS≒180μに対して、No.8(SRH_GCC法、40cm/h、HGCC=600W/(m・K))、では115~120μへ微細化しており、且つ変動巾も20μmから5μmのオーダーに減少している。FIG. 5 shows a comparison of DAS for each process (Z direction distribution at the center position of the XY cross section). No. 1 (standard Bridgman method, 15 cm/h) for DAS≈180 μ, No. 8 (SRH_GCC method, 40 cm/h, H GCC =600 W/(m 2 ·K)), the fineness is reduced to 115 to 120 μm, and the variation width is also reduced from 20 μm to 5 μm.

図6には当該位置におけるNb分布の比較を示す。No.1に対してNo.8では偏析の変動巾が改善すると同時に初期濃度(4.85wt%)へ近づいており均質性が改善されている。 FIG. 6 shows a comparison of Nb distributions at the positions. No. 1 to No. In No. 8, the range of variation in segregation is improved, and at the same time, the concentration approaches the initial concentration (4.85 wt%), improving homogeneity.

液相のflow patternとマクロ偏析について
段落0037で述べた如く、SRH_GCC法では標準ブリッジマン法に比べて、凝固界面前方におけるthermal fluctuationはあるものの、固液共存相における液流の整流化がかなり促進されていることがわかる。すなわちマクロ偏析はかなり改善される。
As described in paragraph 0037 regarding the liquid phase flow pattern and macro segregation , in the SRH_GCC method, compared to the standard Bridgman method, although there is thermal fluctuation in front of the solidification interface, the rectification of the liquid flow in the solid-liquid coexistence phase is considerably promoted. It can be seen that That is, the macrosegregation is considerably improved.

凝固組織について
結晶組織の微細化及び均一性の向上はクリープ強度を向上させるとともに、Ni基合金において鋳造後に行う溶体化(デンドライトアームスペーシング範囲におけるミクロ偏析あるいはγ’相(gamma prime)、炭化物等の第2相をγ相中に固溶させる熱処理)、及びその後に行う時効処理時間(γ相からγ’相を析出させる熱処理)を短縮できる。例えば、溶体化の際の所要時間は概略DAS/Ds(Dsは固相中の合金元素の拡散係数)に比例するのでDASを1/2に小さくすれば所要時間は1/4へ減少する(非特許文献7のP.332,Eq.(10-6)参照)。
Regarding the solidification structure, the refinement and uniformity of the crystal structure improve the creep strength, and the solution treatment performed after casting in the Ni-based alloy (microsegregation in the dendritic arm spacing range or γ' phase (gamma prime), carbides, etc. The heat treatment for dissolving the second phase in the γ phase) and the subsequent aging treatment time (heat treatment for precipitating the γ' phase from the γ phase) can be shortened. For example, the time required for solution treatment is roughly proportional to DAS 2 /Ds (Ds is the diffusion coefficient of the alloying element in the solid phase), so if DAS is reduced to 1/2, the required time is reduced to 1/4. (See P.332, Eq.(10-6) of Non-Patent Document 7).

本発明の原理
Mushy zoneにおける流れは液相と固相の密度差に基く凝固収縮によって生ずる(mushy zone中の流れの扱いについてここでは凝固収縮に注目して述べる)。すなわち、流れを生ずる駆動力は凝固収縮に伴う吸引力(suction)であり、それはデンドライトの根元から順次先端側に伝わる。従って、固相領域の冷却能を高めmushy zoneの移動速度Rを速くするとこの傾向は強くなり、その結果、flow patternは軸方向への流れが強くなると考えられる。実地例のシミュレーションにおいて、強冷しRを増すと偏析標準偏差σが小さくなるのはflow patternが軸方向に整列化しようとすることを示すものであり上記のメカニズムの妥当性を理論的・定量的に証明するものである。[注:以上の原理は浮上型、沈降型にかかわらず適用される]
Principle of the Present Invention The flow in the mushy zone is caused by solidification contraction based on the density difference between the liquid phase and the solid phase (treatment of the flow in the mushy zone will be described here focusing on solidification contraction). In other words, the driving force that causes the flow is the suction force associated with solidification contraction, which is transmitted from the root of the dendrite to the tip in order. Therefore, if the cooling capacity of the solid phase region is increased and the movement speed R of the mushy zone is increased, this tendency will become stronger, and as a result, the flow pattern will become stronger in the axial direction. In a simulation of an actual example, the fact that the segregation standard deviation σ becomes smaller as R is increased by strong cooling indicates that the flow pattern tries to be aligned in the axial direction, and the validity of the above mechanism is theoretically and quantitatively confirmed. It proves that [Note: The above principles apply to both floating and sinking types]

その他の事項
(1)Static Solid Cooling(SSC)について
最近、Lianら(非特許文献9)は、高熱伝導率及び高熱拡散率を有するPyrolytic Graphite(PG,熱分解グラファイト)鋳型を用いて冷却能を強化する方法を提案している。その概略図を図7に示す。本法は熱伝達層(PG層)と断熱層を交互に積層した固体によって鋳型を囲み、その内側にブレードの形状にフォローアップするよう前記積層固体を配置するものである。鋳型そのものは極薄い塗型を施されている。加熱と冷却はそれぞれ熱伝達層の外周に配された抵抗加熱ヒーター及び水冷により行われる。一方向凝固は加熱-冷却サイクルを電気的ネットワークによって一層ごとに上方に動かすことによって行われる。しかしながら、これら加熱/冷却機能を実際の装置に実装するのは極めて困難と思われる。
Other Matters (1) Static Solid Cooling (SSC)
Recently, Lian et al. (Non-Patent Document 9) proposed a method to enhance the cooling capacity using a Pyrolytic Graphite (PG) mold with high thermal conductivity and high thermal diffusivity. A schematic diagram thereof is shown in FIG. The method encloses the mold with a solid layer of alternating heat transfer layers (PG layers) and thermal insulation layers, inside which the layered solid material is placed to follow up the shape of the blade. The mold itself is coated with an extremely thin coating. Heating and cooling are provided by resistive heaters and water cooling, respectively, disposed around the perimeter of the heat transfer layer. Unidirectional solidification is accomplished by moving the heating-cooling cycle upward layer by layer by means of an electrical network. However, it seems extremely difficult to implement these heating/cooling functions in an actual device.

これに対して本願発明のSRH_GCC法においては摺動抵抗加熱法による加熱方法及びGas cooling冷却法を用いており、上記のSSC法とはそれぞれ加熱方法及び冷却方法において構造が異なるものである。すなわち、SSC法では一層ごとに上方に動かすので温度変化、マクロ偏析を決定する液相の流動パターンの変化が不連続的になるのに対して、SRH_GCC法にでは摺動抵抗加熱により連続的に行うので、温度変化、液相の流動パターンの変化がより連続的(よりなめらか)になると考えられる。 On the other hand, the SRH_GCC method of the present invention uses a sliding resistance heating method and a gas cooling cooling method, and differs from the SSC method in structure in terms of the heating method and cooling method, respectively. That is, in the SSC method, since the layer is moved upward layer by layer, temperature changes and changes in the flow pattern of the liquid phase that determine macrosegregation are discontinuous. Therefore, temperature changes and liquid phase flow pattern changes are considered to be more continuous (smoother).

不連続的な変化は凝固界面の進行速度の変動の度合いをより強くするので合金濃度の変動、すなわちbanding偏析を生じやすくなる(bandingのメカニズムについては非特許文献7のp.39、Figure2-6参照)。これに対して本願によるSRH_GCC法では変化がより連続的(なめらか)になるのでbandingは緩和されると考えられる。当該法による副ヒーター10を実装することにより、さらにこの緩和効果を高めることができる。
以上の如く、SSC法とSRH_GCC法は加熱方法及び冷却方法が異なり、凝固に及ぼす影響も異なるものである。
A discontinuous change makes the degree of fluctuation in the advancing speed of the solidification interface stronger, so that fluctuation in alloy concentration, that is, banding segregation, is likely to occur (for the mechanism of banding, p.39 of Non-Patent Document 7, Figure 2-6 reference). In contrast, with the SRH_GCC method according to the present application, the change is more continuous (smooth), so it is considered that the banding is alleviated. This mitigation effect can be further enhanced by mounting the sub-heater 10 according to this method.
As described above, the SSC method and the SRH_GCC method differ in heating method and cooling method, and have different effects on solidification.

本発明による強冷手段として当該SSC法による鋳型を用いることも可能である。ただし、加熱及び冷却手段は本願発明手段による。本願発明に対してSSC法による鋳型を用いた例を図8に示す。 It is also possible to use a mold according to the SSC method as the strong cooling means according to the present invention. However, the heating and cooling means are according to the means of the present invention. FIG. 8 shows an example of using a template according to the SSC method for the present invention.

(2)加熱手段における副ヒーターの目的は固液共存相の凝固界面温度の温度低下を防ぎ固液共存相の軸方向温度勾配の低下を防ぐとともに温度変化をよりなめらかにするためである。(2) The purpose of the sub-heater in the heating means is to prevent the solidification interface temperature of the solid-liquid coexisting phase from dropping, prevent the axial temperature gradient of the solid-liquid coexisting phase from dropping, and make the temperature change smoother.

(3)一方向凝固における冷却能に関して、明瞭な定義はないが、一例として非特許文献2では単純な熱伝達モデルを仮定し、大型ブレードに対する熱流束Qを概略試算している:すなわち、Bridgeman法の場合Q=60kW/m(弱冷)に対して;溶融錫を用いたLMC法の場合Q=86kW/m;GCC法の場合Q=101kW/m。本明細書ではLMC、GCC、及び前記SSC法鋳型による冷却を強冷と呼ぶこととする。(3) There is no clear definition of the cooling capacity in unidirectional solidification, but as an example, Non-Patent Document 2 assumes a simple heat transfer model and roughly estimates the heat flux Q for a large blade: Bridgeman Q=86 kW/m 2 for the LMC process with molten tin; Q=101 kW/m 2 for the GCC process. In this specification, cooling by the LMC, GCC, and SSC molds is referred to as intense cooling.

(4)その他凝固に及ぼす要因として、鋳物のサイズ・形状(断面の拡大・縮小)、断熱バッフルの厚さ等が指摘される。固液共存相の形はこれらの鋳造条件によって決まるが、出来るだけフラットであることが望ましい。これらの事項についてはCPROシミュレーションを行い凝固界面の移動速度、加熱・冷却条件などを調整すればよい。(4) Other factors affecting solidification include the size and shape of the casting (expansion/reduction of the cross section), the thickness of the heat insulating baffle, and the like. Although the shape of the solid-liquid coexisting phase is determined by these casting conditions, it is desirable that it be as flat as possible. For these items, a CPRO simulation may be performed to adjust the moving speed of the solidification interface, heating/cooling conditions, and the like.

まとめ
本発明によるSRH_GCC法の特徴・メリットをまとめると以下の通りである。
(1)マクロ偏析及び異方位結晶欠陥の低減:固相領域を強冷却するとともに凝固界面の移動速度を速くすることにより、有害な横方向液相流れが抑制され、軸方向への整流化が促進される。これによってマクロ偏析が低減されるとともに、凝固がより安定するので異方位結晶欠陥発生の危険性が減少する。
Summary The features and merits of the SRH_GCC method according to the present invention are summarized below.
(1) Reduction of macro segregation and misorientation crystal defects : By strongly cooling the solid phase region and increasing the movement speed of the solidification interface, harmful lateral liquid phase flow is suppressed and rectification in the axial direction is achieved. Promoted. This reduces macro-segregation and also makes the solidification more stable, thus reducing the risk of misorientation crystal defects.

(2)結晶組織の微細化・均質化:固相領域の強冷により結晶組織を微細且つ均質化することができるので、鋳造後に行う溶体化熱処理時間を大巾に短縮することができる(生産性の向上)。(2) Refinement and homogenization of crystal structure: Since the crystal structure can be refined and homogenized by intense cooling of the solid phase region, the solution heat treatment time after casting can be greatly shortened (production performance improvement).

(3)経済性、生産性の向上:従来の標準ブリッジマン法の引出速度に比べて、凝固界面の移動速度の向上により生産性を上げることができる。(3) Improvement of economic efficiency and productivity : Productivity can be improved by improving the moving speed of the solidification interface compared to the withdrawal speed of the conventional standard Bridgman method.

(4)装置の小型化による経済性の向上:本願発明のSRH_GCC法は、標準ブリッジマン法に比べて装置を簡略・小型化した技術であり、制作コスト及びランニングコストを大幅に低減できるものと期待される。(4) Improvement of economic efficiency by downsizing of equipment : The SRH_GCC method of the present invention is a technology in which the equipment is simplified and downsized compared to the standard Bridgman method, and it is expected that production costs and running costs can be greatly reduced. Be expected.

上記の特徴・メリットは、従来の標準ブリッジマン法に比べて、大きく進歩した改良点であり、本願において初めて明らかにされた知見である。 The above features and merits are improvements that have made great progress compared to the conventional standard Bridgman method, and are findings that have been clarified for the first time in the present application.

本実施例では強冷方法としてGCC法を用いたが、さらに高い冷却能を有するStatic Solid Cooling法による鋳型(ただし、鋳型の加熱/冷却方法が異なる)を用いても同様の効果が得られることは原理的に明らかである。 In this example, the GCC method was used as the strong cooling method, but the same effect can be obtained by using a mold by the static solid cooling method (however, the heating/cooling method of the mold is different) having a higher cooling capacity. is clear in principle.

本発明ではIN718 Ni基超合金について述べたが本発明は凝固過程においてデンドライトあるいはセル組織を生ずる合金系、例えば、Ni基超合金、チタン合金、Co基合金、Fe基合金等に対して同様の凝固現象と効果を発揮することは原理的に明らかである。従ってこれらの合金系は本発明の適用対象となる。 In the present invention, the IN718 Ni-based superalloy has been described, but the present invention is applicable to alloy systems that form dendrites or cellular structures during the solidification process, such as Ni-based superalloys, titanium alloys, Co-based alloys, Fe-based alloys, and the like. It is clear in principle that the coagulation phenomenon and effect are exhibited. These alloy systems are therefore subject to the application of the present invention.

以上の如く、本願発明によればNi基超合金タービンブレード等の各種タービンブレードの品質の向上、鋳造歩留りの向上に資するものである。これら重要部品の安全性、長寿命化及びガスタービンの効率向上による省エネルギー及び温暖化対策に大いに貢献できるようになる。 As described above, the present invention contributes to improving the quality of various turbine blades such as Ni-based superalloy turbine blades and improving the casting yield. It will be possible to greatly contribute to energy saving and global warming countermeasures by increasing the safety and life of these important parts and improving the efficiency of gas turbines.

特に、航空機用ジェットエンジンの分野においては、Ni基超合金単結晶タービンブレードが実用されているが、本願発明を適用することにより鋳造歩留りをさらに向上させることが可能となり、燃料効率、CO2削減に貢献するものである。 In particular, in the field of aircraft jet engines, Ni-based superalloy single-crystal turbine blades are in practical use, and by applying the present invention, it is possible to further improve the casting yield, resulting in fuel efficiency and CO2 reduction. It is a contribution.

1 鋳型
2 鋳物またはインゴット(溶融金属)
3 冷却チル(水冷チル)
4 セレクタ
5 主ヒーター
6 断熱スリーブ
7 主ヒーター摺動接触端子
8 主ヒーターブラシ
9 主ヒーター電源
10 副ヒーター
1 mold 2 casting or ingot (molten metal)
3 Cooling chill (water cooling chill)
4 selector 5 main heater 6 heat insulating sleeve 7 main heater sliding contact terminal 8 main heater brush 9 main heater power source 10 auxiliary heater

11 副ヒーター用銅ケーブル
12 副ヒーター電源
13 断熱バッフル
14 冷却ガス導入パイプ
15 冷却ガスノズル
16 冷却ガス吸込口
17 冷却ガス循環ポンプシステム
18 真空ポンプ
19 外筒
20 断熱上蓋
21 誘導溶解炉
22 真空容器
11 Sub-heater copper cable 12 Sub-heater power supply 13 Heat insulating baffle 14 Cooling gas introduction pipe 15 Cooling gas nozzle 16 Cooling gas inlet 17 Cooling gas circulation pump system 18 Vacuum pump 19 Outer cylinder 20 Heat insulating upper lid 21 Induction melting furnace 22 Vacuum vessel

Claims (6)

単一結晶組織(SX材と称す)または多結晶柱状デンドライト組織(DS材と称す)または前記SXと前記DSの混合組織から成る結晶組織を有する鋳物またはインゴットを製造するための一方向凝固装置において、鋳型を加熱・保温する加熱領域と鋳型を冷却する強冷却領域、及びこれら両域を熱的に分離・遮断する断熱領域を一つのchamber内に収め、このchamber内には、
前記鋳物またはインゴットを鋳造するための前記鋳型と、
前記鋳型の底部に設置され凝固を開始するための冷却チルと、
前記鋳型を加熱・保温するための摺動式抵抗加熱主ヒーターと、
前記主ヒーターを支持し外部への熱放射を遮断するための断熱スリーブと、
前記鋳型を冷却するための鋳型冷却手段としての鋳型冷却ガスノズルと、
前記鋳型冷却手段の上部に近接配置される断熱手段としての断熱バッフルと、
を備え、
前記断熱バッフルと前記鋳型冷却ガスノズルは同期・一体的に上下動できる構成とし、
前記主ヒーターは前記断熱スリーブの内面に取り付けられて支持されており、
また、前記主ヒーターは前記鋳型全体を包含して配されており、
前記主ヒーターと前記断熱スリーブには、前記断熱スリーブの外側に設けた冷却ガス導入パイプと、この冷却ガス導入パイプに繋がり、前記主ヒーターの内側に設けられた前記冷却ガスノズルを上下動させるために必要な通路を設け、
前記主ヒーターに繋がる摺動接触端子を前記主ヒーターの上下方向、各周毎に前記断熱スリーブの外側に設けてあり、また、この前記摺動接触端子に摺動接触する摺動ブラシを設けて、
前記主ヒーターの上端-前記摺動ブラシ間を通電区間とすることにより前記通電区間を可変可能な構成としており、且つこの摺動ブラシは前記断熱バッフルと前記鋳型冷却ガスノズルと同期・一体的に上下動が可能な構成となっており、
操業開始時には前記摺動ブラシと前記断熱バッフルと前記鋳型冷却ガスノズルは前記鋳型の下端に位置させ、前記通電区間に電力を供給して前記鋳型を金属材料の融点以上の所定の温度に加熱・保温し前記金属材料の溶解・鋳造の後、前記断熱バッフルと前記鋳型冷却ガスノズルと同期・一体的に上下動可能な前記摺動ブラシを所定の速度で上方に移動させることにより加熱・保温領域を縮小させつつ、前記断熱バッフル直下に位置する前記鋳型冷却ガスノズルに冷却ガスを供給することにより前記鋳物または前記インゴットの一方向凝固を行う構成とすることを特徴とする一方向凝固装置。
In a directional solidification apparatus for producing castings or ingots having a single crystal structure (called SX material) or a polycrystalline columnar dendrite structure (called DS material) or a crystal structure consisting of a mixed structure of the SX and the DS , a heating area for heating and keeping the mold warm, a strong cooling area for cooling the mold, and a heat insulating area for thermally separating and insulating these areas are housed in one chamber, and in this chamber,
said mold for casting said casting or ingot;
a cooling chill placed at the bottom of said mold to initiate solidification;
a sliding resistance heating main heater for heating and keeping the mold warm;
an insulating sleeve for supporting the main heater and blocking heat radiation to the outside;
a mold cooling gas nozzle as mold cooling means for cooling the mold;
a heat insulating baffle as a heat insulating means arranged close to the upper part of the mold cooling means;
with
The heat insulation baffle and the mold cooling gas nozzle are configured to be able to move up and down synchronously and integrally,
the main heater is attached to and supported by the inner surface of the insulating sleeve;
Further, the main heater is arranged to include the entire mold,
The main heater and the heat insulating sleeve are provided with a cooling gas introduction pipe provided outside the heat insulating sleeve, and connected to the cooling gas introduction pipe for vertically moving the cooling gas nozzle provided inside the main heater. provide the necessary aisles,
Sliding contact terminals connected to the main heater are provided on the outer side of the heat insulating sleeve for each circumference in the vertical direction of the main heater, and sliding brushes are provided for sliding contact with the sliding contact terminals. ,
The energization section is made variable by making the energization section between the upper end of the main heater and the sliding brush, and the sliding brush moves up and down synchronously and integrally with the heat insulation baffle and the mold cooling gas nozzle. It has a configuration that allows movement,
At the start of operation, the sliding brush, the heat insulating baffle and the mold cooling gas nozzle are positioned at the lower end of the mold, and power is supplied to the energizing section to heat and keep the mold to a predetermined temperature above the melting point of the metal material. After melting and casting the metal material, the sliding brush, which can move up and down synchronously and integrally with the heat insulating baffle and the mold cooling gas nozzle, is moved upward at a predetermined speed to reduce the heating and heat retention area. unidirectionally solidifying the casting or the ingot by supplying a cooling gas to the mold cooling gas nozzle positioned immediately below the heat insulating baffle .
請求項1において、前記断熱バッフルの直上、前記加熱・保温領域における下端近傍を加熱・保温することにより、固液共存相の凝固界面温度の温度低下を防ぎ固液共存相の軸方向温度勾配の低下を防ぐとともに温度変化をよりなめらかにするための副ヒーターを設けた構成とすることを特徴とする一方向凝固装置。2. In claim 1, by heating and retaining heat in the vicinity of the lower end of the heating and retaining region just above the heat insulation baffle, the temperature drop of the solid-liquid coexisting phase solidification interface temperature is prevented and the axial temperature gradient of the solid-liquid coexisting phase is reduced. A unidirectional solidification apparatus characterized by comprising a sub-heater for preventing temperature drop and smoothing temperature changes . 請求項1における前記鋳型は高熱伝導性を有するグラファイトと断熱性を有する断熱材の層を高さ方向に交互に積層した構成とすることを特徴とする一方向凝固装置。2. A unidirectional solidification apparatus according to claim 1, wherein said mold has a structure in which layers of graphite having high thermal conductivity and layers of heat insulating material having heat insulating properties are alternately laminated in the height direction . 単一結晶組織(SX材と称す)または多結晶柱状デンドライト組織(DS材と称す)または前記SXと前記DSの混合組織から成る結晶組織を有する鋳物またはインゴットを製造するための一方向凝固方法において、鋳型を加熱・保温する加熱領域と前記鋳型を冷却する強冷却領域、及びこれら両域を熱的に分離・遮断する断熱領域を一つのchamber内に収め、
溶融金属を鋳型に鋳込んで凝固させる過程において、前記鋳型を加熱・保温する方法は前記加熱領域の上端に固定した位置と上下動可能とした下端の間の区間を通電区間として前記加熱領域を抵抗加熱・保温するに際して、前記通電区間を縮小可変するとともに前記強冷却領域に対しては前記鋳型の側面に対し不活性ガスを噴射し冷却するようにし、操業開始時、前記通電区間は前記鋳型の側面全域を囲んで鋳型を所定の温度に加熱・保温し、時間の経過につれて前記通電区間の下端側所定の速度で上端に向けて移動させることにより前記加熱領域を縮小させるとともに、前記断熱領域直下の前記冷却領域を前記強冷却により冷却しつつ前記所定の速度で上端に向けて移動・拡大させることにより、前記鋳型に鋳込んだ溶融金属を凝固させることを特徴とする一方向凝固方法。
In a directional solidification method for producing a casting or an ingot having a crystal structure consisting of a single crystal structure (called SX material) or a polycrystalline columnar dendrite structure (called DS material) or a mixed structure of said SX and said DS , a heating area that heats and retains the mold, a strong cooling area that cools the mold, and an adiabatic area that thermally separates and isolates these areas are housed in one chamber,
In the process of pouring the molten metal into the mold and solidifying it, the method of heating and keeping the mold heats the mold. When resistance heating and heat retention are performed, the energization section is reduced and variable, and the strong cooling region is cooled by injecting inert gas against the side surface of the mold, and at the start of operation, the energization section is Enclosing the entire side surface of the mold, the mold is heated and kept warm to a predetermined temperature, and as time elapses, the lower end side of the energized section is moved toward the upper end at a predetermined speed, thereby reducing the heating area and Unidirectional solidification characterized in that the molten metal cast in the mold is solidified by moving and expanding the cooling region directly under the heat insulation region toward the upper end at the predetermined speed while cooling the cooling region directly under the heat insulation region by the strong cooling. Method.
請求項4において、前記断熱領域の直上に少なくとも一つの副ヒーターを設け、前記加熱・保温領域における下端近傍を加熱・保温することにより、固液共存相の凝固界面温度の温度低下を防ぎ固液共存相の軸方向温度勾配の低下を防ぐとともに温度変化をよりなめらかにするようにしたことを特徴とする一方向凝固方法。5. In claim 4, at least one sub-heater is provided directly above the heat insulating region to heat and keep warm the vicinity of the lower end of the heating/warming region , thereby preventing the solid-liquid coexisting phase from lowering the solidification interface temperature. A unidirectional solidification method characterized by preventing a decrease in temperature gradient in the coexisting phase in the axial direction and making the temperature change smoother . 請求項4における前記鋳型には高熱伝導性を有するグラファイトと断熱性を有する断熱材の層を高さ方向に交互に積層した鋳型を用いることを特徴とする一方向凝固方法。5. A unidirectional solidification method according to claim 4, wherein said mold is a mold in which layers of graphite having high thermal conductivity and layers of heat insulating material having heat insulating properties are alternately laminated in the height direction .
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