JPH0126796B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は鋳造単結晶を作成する方法に関す
る。

鋳造単結晶の製造は、最初は実験室の資料を供
給するために行われたが、最近は改良された且つ
異方性の性質を利用する単結晶タービン羽根のよ
うな目的物を提供するために行なわれている。製
造方法は年と共に変つてきた。最初は実験室目的
のため「種子」法が使われたが、この方法は労働
集約的少量生産には適するが、大量生産又は半自
動化した生産に適するとは考えられない。

別の方法としては、スタータ室の中で溶融金属
を柱状粒形に凝固させ、小さい開口の絞りにより
唯一つの粒のみが鋳型空所に生長するのを可能に
しようとするものがある。この方法は一つの粒を
効果的に選択することができない事がわかり、ス
タータを鋳型空所との間に傾斜通路セレクタを設
けることが提案された。然しながら、面心立方構
造の結晶材料は優先的に＜100＞方向に成長する
ので、通路が単一平面内に延在する場合、＜100＞
方向が通路の平面にあれば、通路は二つ又は三つ
の結晶を生長させる可能性がある。

従つて、この「セレクタ」法の最終的に発展し
たものは一つの粒を除き他の全ての粒が主要鋳型
空所に通行するのを効果的に阻止る螺旋形通路を
利用する事であつた。然しながら、この方法は生
じた結晶の配向が一方向のみ決定されるという欠
点を有する。これは通常鋳型からの熱の流れによ
り決定される結晶の成長方向である。この方向
は、最もありふれた面心立方構造の場合、＜001＞
方向に相当する。この方向に直角な方向には、結
晶を配向はランダムである。

結晶のこのランダムな配向は好ましくない結果
になる事がある。構成部材の振動特性は弾性係数
や剪断弾性係数のような物理的性質により決る。
面心立方構造の単結晶は高度に異方性なので、構
成部材、例えばガスタービン機関用タービン羽根
の振動特性は羽根のスタツク軸まわりの結晶配向
により決ると断定できる。羽根のような或る種の
目的物にとつて、軸まわりの配向による振動特性
のランダムなバラツキはやつかいであり、単結晶
の性質を充分に利用することが妨げられる。

単結晶鋳物を製造するのにセレクタの代りに種
子結晶を使用すると、単結晶の縦及び横の配向は
種子結晶の配向をアレンジすることにより決定さ
れる。種子結晶からのエピタクシー成長を確実に
するためには、核形成が鋳型の壁のような他の部
分から生じないようにる事が必要である。これが
起らないようにするには、鋳型の温度は鋳造金属
の融点以上でなければならず、又明らかに種子結
晶は完全に融解してはならない。過去には、これ
らの相反する要求を製造工程の必要を満足させて
調和させるのが困難であつた。本発明は種子結晶
が使用できると共に、外部からの核形成の危険を
減少する方法を提供するものである。

本発明は、鋳造単結晶を作成する方法におい
て、主要鋳型空所と該主要鋳型空所への入口孔と
を有する鋳型を用意し、該入口孔の中又は該入口
孔に隣接して、かつ、冷却体に直接接触させて種
子結晶を配置し、溶融金属を上記入口孔を通じて
上記主要鋳型空所に注入し、その際、溶融金属が
冷却体に直接接触することなく上記種子結晶を越
えて上記主要鋳型空所へ流れ、該溶融金属が鋳型
および種子結晶の温度を上記溶融金属の融点以上
の温度に上げるのに十分な熱を与えるようにし、
上記溶融金属の漸進的凝固が上記種子結晶から上
記鋳型の反対側へ進むようにすることから成る方
法を提供する。

本発明の方法では、種子結晶は鋳造時に上記溶
融金属融点以上の温度に加熱され、従つて溶融す
るから、単結晶を作ることができるのである（種
子結晶が溶融しなければ樹枝状結晶を生じるのみ
であつて単結晶は鋳造されない）。

次に本発明の実施例を添付図を参照して説明す
る。

第１図の鋳型は公知の且つ精密鋳造技術で広く
使用されている通常のセラミツクシエル鋳型材料
で作られている。鋳型の新規性はその形と鋳型内
の所定位置に配置される種子結晶のための構造に
ある。

鋳型は注入カツプ１０と、ダウンポール１１
と、水平に延在する入口通路１２と、種子結晶室
１３と、主要鋳造空所１４を含む。これらの品目
は鋳型へ注入された溶融金属が流れる順序で列挙
されている。主要鋳造空所１４はガスタービン機
関の羽根を形成するのに必要な形を有するものと
して図示されており、翼形部分１５、内側及び外
側プラツトフオーム部分１６，１７、及びルート
部分１８を有する。ルート部分１８は鋳型の最上
部分を形成し、通気口１９を備えて、金属が主要
空所に上昇できるようにする。主要鋳造空所の他
方の（下方）端部に転移室２０があり、その中に
種子結晶２１が突出している。

種子結晶室１３は下端が開放して、種子結晶が
鋳型を載せている基台に直接接触できるようにす
る。基台は水冷の冷却体２２となつている。種子
結晶は鋳造金属の冷却体と接する唯一の部分であ
る。鋳型の残りの部分は鋳型に充填される金属の
流れが冷却体に接触することがないように構成さ
れている。通路１２やダウンボール１１の底２３
は、スペーサ２４により冷却体から離されて支持
されている。

鋳型のもう１つの特色は種子結晶２１である。
これは長方形断面のものとして図示されている
が、円柱形又は長方形ブロツクのような適宜な形
のものでよい。種子結晶は通常、鋳造される目的
物と同じ材料から形成され、鋳造目的物の配向が
種子結晶の配向と一致するので、種子結晶の配向
は注意深く決定される。これは目的物（この場合
羽根）の縦方向及びその横方向の両方の配向につ
いてそうである。上に説明したように、これによ
り横方向配向が決定され、従つて振動性を精密に
制御する事がでる。

種子結晶の寸法、形及び量は金属流からの超過
熱が種子結晶を完全に再溶融する事なく、部分溶
融を起すのに十分であるように、制御されなけれ
ばならない。

鋳型は第２図から第４図に示した装置の中で使
用される。第２図に示す如く、鋳型はラム２５に
支持された冷却体２２の上に配置されている。ラ
ムには冷却体および鋳型を第２図の位置と第４図
の位置との間で垂直に移動させる。第２図では鋳
型は炉室２６内に保持されているが、第４図では
鋳型は冷却取出し室２７へ下降している。

炉室２６は全く従来のもので、断熱包囲体で形
成され、その中に多数の電気抵抗加熱素子２８が
配置されている。炉室２６は下方注入式溶融装置
３０に連通する上方開口２９と、冷却体２２が通
過する下方孔３１とを有する。ラム２５の上方運
動の上限では第２図に示す如く冷却体２２が下方
孔３１と整合してそれを塞ぐ状態になる。

冷却取出し室２７は炉室２６の下にあり、又全
く従来のものであり、断熱室を形成し、その中に
多数の水冷却管３２が配置れている。ラム２５は
冷却体および鋳型を炉室２６から冷却取出し室２
７へ取出す事ができる。

種子結晶２１を所定位置に備えた鋳型が最初炉
室２６内で冷却体２２の上に保持される（第２
図）。炉室と鋳型の主要部分とは使用される金属
（通常ニツケル基調超合金）の融点以上の温度に
予備加熱される。下方部分は冷却体によりこの温
度以下に冷却される。次に下方注入式溶融装置３
０を作動して、その金属装入物を溶融し且つ下方
の孔２９を通じ、注入カツプ１０へ溶融金属を注
入する。（下方注入式溶融装置の詳細な作動はこ
こでは説明しないが、当業者には、この装置は誘
導コイルを使用してるつぼに金属のインゴツトを
融解し、次に溶融金属がるつぼの底の可溶性のプ
ラグを破り、出口通路から流出する事が理解され
る）。

溶融金属はカツプ１０とダウンボール１１を通
つて通路１２へ流れ、次に転移室２０を通つて上
昇し、主要空所１４を満たす。種子結晶が主要鋳
型空所の下端に配置されているので、空所を満た
す溶融金属が全て種子結晶の上を通る。これによ
り種子結晶が加熱され、溶融金属はその溶解後に
ほとんど冷却を受けていないので、種子結晶の上
方部分を溶融し鋳型シエルを金属の融点以上に加
熱するのに十分な過剰熱を有し、勝手な核形成を
妨げる。注入される溶融金属が全部種子結晶を通
過する事も種子結晶の部分溶融に必要な熱を与え
る事の助けとなる。

鋳型はその途中で種子結晶を部分的に溶解した
溶融金属で満たされる。冷却体２２の作用により
鋳型の下方部分から熱が除去され、同時に鋳型と
冷却体がラム２５の作動により炉室２６から冷却
取出し室２７へ徐々に取出される。

鋳型を充たした溶融金属は種子結晶から上方に
非方向性に凝固しようとするが、種子結晶と溶融
金属とが密に接触しているので、凝固金属は種子
結晶の残存固体部分からエピタクシー成長する。
即ちそれは三次元での配向が種子結晶のものと同
じである単結晶として凝固する。その結果、他の
核形成場所からの外部からの粒成長がない限り、
溶融金属の全部が単結晶として凝固することにな
る。核形成は、例えば種子結晶の不連続な表面、
又は例えば種子結晶の機械加工面に残つた加工物
の再結晶により生じるから、溶融金属に種子結晶
が密に接触していることが必要であり種子結晶の
上部が溶融される事が重要となる。本発明に従つ
て鋳型と金属の流れを構成する事により、この種
子結晶の部分溶融が行われ、それにより反覆性の
ある単結晶凝固の達成が可能となる。

鋳型における金属の凝固が完了すると、鋳型は
従来の方法で取出す事ができ、鋳造された単結晶
目的物は必要に応じ機械加工される（例えば通路
１２へ延びる鋳造部分は除去する必要がある）。

上記の工程により、簡単な単結晶目的物が作ら
れる。本発明の方法が使用できるもつと複雑な
種々の方式がある事は明らかである。心型鋳型を
用いて、空所を有する鋳物を製造する事ができ
る。

上記基本方法を改良する一つの特定の方式が第
５図及び第６図に示される。これら両方の図にお
いて、鋳型は基本的に第１図のものと同様である
が、フイルターを備え、注入された溶融金属はこ
のフイルターを通つて主要空所に入る。第５図で
は気泡セラミツク製のフイルター３５が水平に延
在する通路１２に配置されている。第６図には単
一のダウンポール１１が幾つかの（二つが図示さ
れている）主要鋳型空所に対し溶融金属を供給し
ている構造が示されている。図ではフイルター３
６はダウンポール内に配置されており、従つて単
一のフイルターにより全ての鋳型空所の溶融金属
を過る。もちろん、変形例として単一鋳型空所
がそのダウンポール中にフイルターを持つもの、
或いは多数の鋳型空所がそれぞれの水平通路にフ
イルターを有するものが考えられる。

フイルターは溶融金属を過するのみでなく、
流速を減じ、従つて流れがより滑らかになり、乱
流が少なくなり、鋳型内部が洗い流される。

以上、実施例をニツケル基調合金で鋳造される
ガスタービン機関用の羽根鋳造物の製造に関連し
て説明したが、他の合金が使用でき、又他の目的
の鋳造物ができるのは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法に使用する鋳型の横断面
図、第２図、第３図及び第４図は本発明の方法の
各段階を示す図、第５図及び第６図は本発明に使
用する鋳型の変形例を示す図である。 １０：注入カツプ、１１：ダウンポール、１
２：水平通路、１３：種子結晶室、１４：主要鋳
造空所、２０：転移室、２１：種子結晶、２２：
冷却体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳造単結晶を作成する方法において、主要鋳
   型空所と該主要鋳型空所への入口孔とを有する鋳
   型を用意し、該入口孔の中又は該入口孔に隣接し
   て、かつ、冷却体に直接接触させて種子結晶を配
   置し、溶融金属を上記入口孔を通じて上記主要鋳
   型空所に注入し、その際、溶融金属が冷却体に直
   接接触することなく上記種子結晶を越えて上記主
   要鋳型空所へ流れ、該溶融金属が鋳型および種子
   結晶の温度を上記溶融金属の融点以上の温度に上
   げるのに十分な熱を与えるようにし、上記溶融金
   属の漸進的凝固が上記種子結晶から上記鋳型の反
   対側へ進むようにすることから成る方法。 ２ 特許請求の範囲第１項の方法において、上記
   鋳型を炉から徐々に取出すことにより上記漸進的
   凝固を行う方法。 ３ 特許請求の範囲第２項の方法において、上記
   鋳型を炉から冷却取出し室へ徐々に取出す方法。 ４ 特許請求の範囲第１項の方法において、上記
   溶融金属を上記主要鋳型空所に入る前に過する
   方法。