JPH0910919A - 方向性凝固した鋳造物を製作する方法とこの方法を実施するための装置 - Google Patents

方向性凝固した鋳造物を製作する方法とこの方法を実施するための装置

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JPH0910919A
JPH0910919A JP8152567A JP15256796A JPH0910919A JP H0910919 A JPH0910919 A JP H0910919A JP 8152567 A JP8152567 A JP 8152567A JP 15256796 A JP15256796 A JP 15256796A JP H0910919 A JPH0910919 A JP H0910919A
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Joachim Roesler
レスラー ヨーアヒム
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 本方法は方向性凝固した鋳造物２０の製
作に役立ち、鋳造型１２内に存在する合金を使用する。
鋳造型は加熱室４から冷却室５内へ案内される。加熱室
は合金の液化温度より高い温度に合金を保ち、冷却室は
合金の固化温度より低い温度に合金を保つ。加熱室と冷
却室とは、案内方向に対して直角に向けられていて鋳造
型のための開口７を備えたバッフル３により互いに仕切
られている。方法の実施の際に凝固フロント１９が形成
され、これの下方に方向性凝固した鋳造物が形成され
る。冷却室内に案内された、鋳造型の部分が、不活性ガ
ス流により冷却される。 【効果】 プロセス時間が迅速であるにもかかわらず実
際に欠陥のない鋳造物が製作される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】方向性凝固した鋳造物を製作
するための方法により、複雑に形成され高い熱的及び機
械的な負荷に耐える構成部材、例えばガスタービンの案
内羽根又は回転羽根が製作される。方法に付随する条件
に応じて、この場合には方向性凝固した鋳造物が、単結
晶として形成されるか、又は有利な方向に配向された柱
状結晶により形成される。特に重要なことは、熔融した
素材を受容した鋳造型の冷却される部分と、依然として
熔融している素材との間に著しい熱交換が行われるよう
な条件下で方向性凝固が行われることである。その場
合、方向性凝固する材料に凝固フロントを備えたゾーン
が形成され、この凝固フロントは連続的に熱を奪われな
がら直に凝固した鋳造物を形成しつつ、鋳造型を通って
移動する。
【０００２】欠陥のない鋳造物の製作はこの凝固フロン
トにおける温度勾配の大きさと硬化速度とに著しく依存
する。温度勾配がわずかで、硬化速度が高いと、方向性
凝固した鋳造物は製作できない。ところが、温度勾配が
大きく、硬化速度が低いと、方向性凝固した鋳造物は製
作されるが、しかし、おおくの場合、このような鋳造物
には不所望な欠陥箇所、例えば特に連鎖状に位置して同
軸的に向いた粒状体（フレックレス＝freckles) が形成
される。
【０００３】
【従来の技術】本発明は例えばアメリカ合衆国特許第３
５３２１５５号明細書に開示されている方向性凝固した
鋳造物を製作するための方法とこの方法を実施するため
の装置を先行技術としている。この文献に記載された方
法はガスタービンの回転羽根及び案内羽根の製作に役立
ち、かつ真空にされる炉を使用している。この炉は水冷
される１つの壁により仕切られて互いに上下に配置され
た２つの室を備えており、そのうちの上方の室は加熱可
能に形成されていて加熱室を形成している。この炉はさ
らに注入すべき材料、例えばニッケルをベースとした合
金を収容するための旋回可能な熔融るつぼを備えてい
る。水冷される壁内の開口を介して加熱室に接続された
下方の室は冷却可能に形成されていて冷却室を形成して
おり、かつ通水性の壁を有している。この冷却室の底部
と水冷される壁内の開口とを貫通して案内された駆動ロ
ッドが、加熱室内に存在する鋳造型の底部を形成する通
水性の冷却板を支持している。
【０００４】この方法の実施時に、まず、熔融るつぼ内
の液状の合金が加熱室内に存在する鋳造型内に注入され
る。その際、鋳造型の底部を形成する冷却板の上方には
方向性凝固した合金の薄いゾーンが形成される。冷却室
内へ向けられた鋳造型の降下運動時に、この鋳造型は水
冷される壁内に設けられた開口を通って案内される。方
向性凝固した合金から成るゾーンに境を接している凝固
フロントは方向性凝固した鋳造物を形成しつつ下から上
へ鋳造型全体を通して移動していく。
【０００５】凝固プロセスの開始時には、鋳造型内に注
入された材料がまず冷却板に直に衝突し、かつ熔融物か
ら奪われるべき熱が凝固フロントから凝固した材料の薄
い層を通して熱伝導率αcmで冷却板へ伝達されるため
に、大きな温度勾配と高い硬化速度が得られる。材料が
比較的わずかな比熱伝導度を有する場合には、冷却板と
凝固フロントとの間隔の増大に伴い次第に多量の熱量が
鋳造型の壁を通して熱伝導率αcmd で排出されると共
に、鋳造型表面からも熱伝導率αr で比較的冷えた周囲
空気中に放出される。ニュートンの熱伝導の法則によれ
ば、この場合、鋳造物から奪われる熱量ｑは次の式で表
される。
【０００６】ｑ＝α（Ｔ−Ｔ0） 式中、Ｔは鋳造物の平均温度、Ｔ0 は周囲温度であり、
この温度はほぼ冷却室の水冷される壁により規定され
る。この場合、 １／α＝１／αcm ＋１／αcmd ＋１／αr 。
【０００７】ニッケルをベースとした合金から成る大形
のガスタービン羽根のために、典型的に熱伝導率は次の
値を有している。
【０００８】 αcm ＝ｌａｍｂｄａm/ δ m ＝８１６Ｊ／ｍ2ｓＫ， αcmd ＝ｌａｍｂｄａmd ／δ md ＝２００Ｊ／ｍ2ｓ
Ｋ， 式中、ｌａｍｂｄａm もしくはｌａｍｂｄａmd は合金
もしくはセラミック製の鋳造型の比熱伝導度、δm もし
くはδmd は鋳造型の壁の水冷される壁の下方に位置す
る部分と凝固フロントとの間ですでに凝固した金属層の
厚さ（３０ｍｍとする）もしくは鋳造型の壁の厚さ（１
０ｍｍとする）を表す。さらに、 αr ＝σ（ε1Ｔ1 4−ε2Ｔ0 4）／（Ｔ1−Ｔ0）＝１３０
Ｊ／ｍ2ｓＫ， 式中、σはシュテファン−ボルツマン定数、ε1，Ｔ1も
しくはε2，Ｔ0はそれぞれ鋳造型表面の放射能力及び温
度もしくは周囲空気の吸収能力及び温度を表す（ε1＝
ε2＝０．５；Ｔ1＝１５００Ｋ；Ｔ0＝４００Ｋ）。
【０００９】以上の結果、α＝７２Ｊ／ｍ2ｓＫが得ら
れる。
【００１０】方向性凝固した鋳造物を製作する別の方法
がアメリカ合衆国特許第３７６３９２６号明細書により
公知である。この方法では、熔融された合金により充填
された鋳造型が逐次的かつ連続的にほぼ２６０℃に加熱
された錫浴内に浸漬される。これにより、鋳造型から特
別迅速に熱が奪われる。この方法により形成された方向
性凝固した鋳造物の優れた点は、わずかな不均一しか有
しないミクロ構造が得られることにある。同様に形成さ
れるガスタービン羽根の製作ではこの方法により、アメ
リカ合衆国特許第３５３２１５５号明細書に基づく方法
に比してほぼ２倍大きいα値が得られる。しかし、この
方法は、この方法を実施する際に使用される装置に損傷
を与えるおそれのある、ガスを発生する不都合な反応を
回避するために、特に正確な温度制御を必要とする。そ
の上、鋳造型の壁厚は、アメリカ合衆国特許第３５３２
１５５号明細書に基づく方法に比して大きく選択されな
ければならない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題とすると
ころは、わずかな欠陥個所しか有しない、方向性凝固し
た鋳造物を簡単に製作することのできる方法と、この方
法を実施するのに有利な装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明方法によればこの
課題は、鋳造型内に存在する液状の合金を、加熱室か
ら、開口を備えたバッフルによりこの加熱室から仕切ら
れた冷却室内へ案内し、かつその際、方向性凝固せしめ
る形式の、真空室内で鋳造物を製作するための方法にお
いて、鋳造型をバッフルの下方で外部から付加的にガス
流により冷却することにより解決された。
【００１３】本発明装置によればこの課題は、請求項１
に記載の方法を実施するための装置において、バッフル
の、加熱室とは反対側に、ガス流を発生して案内するた
めの手段が配置されていることにより解決された。
【００１４】
【発明の効果】本発明方法の優れている点は、方向性凝
固してほとんど欠陥個所を有せず、わずか気孔率を有す
る鋳造物が製作されると共に、鋳造物は構造が複雑な場
合でも実際にスプリッタなしに形成される。さらに、本
発明方法は迅速なプロセス時間を可能ならしめ、かつ公
知技術に基づく装置をわずかな費用をかけて装備替えし
ただけの装置により実施可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】次に実施例について本発明を詳細
に説明する。
【００１６】ただ１つの図面である図１に示す装置は真
空機構１を介して真空にされる真空室２を備えている。
この真空室２はバッフル（放射遮蔽体）３により互いに
仕切られ互いに上下に配置された２つの室、要するに上
方の加熱室４及び下方の冷却室５と、合金、例えばニッ
ケルをベースにした超合金を受容するための１つの旋回
可能な熔融るつぼ６とを収容している。バッフル３内に
設けられた開口７を介して上方の加熱室４に接続された
下方の冷却室５はガス流を発生しかつ案内するための装
置を備えている。この装置は、内向きに鋳造型１２へ向
けられた開口もしくはノズル８を備えた中空室と、ガス
流９を発生させる機構とを備えている。開口もしくはノ
ズル８から流出したガスは大体において向心的に案内さ
れている。例えば冷却室５の底部を通して案内された駆
動ロッド１０が、場合により通水性の冷却板１１を支持
しており、この冷却板１１が鋳造型１２の底部を形成し
ている。この鋳造型は駆動ロッド１０に作用する駆動装
置により加熱室４から開口７を通して冷却室５内へ案内
されることができる。
【００１７】鋳造型１２は冷却板１１の上方に薄肉の例
えば１０ｍｍ厚のセラミック部分１３を備えている。こ
のセラミック部分１３は結晶の成長を促進する核及び又
はヘリックスイニシエータを収容することができる。鋳
造型１２は冷却板１１が鋳造型から下方へ離されること
により開放され、もしくは鋳造型が冷却板１１上へ載せ
られることにより閉鎖される。鋳造型１２は上端で開い
ており、熔融るつぼ６から、加熱室４内へ案内された充
填装置１４を介して熔融合金１５により充填されること
ができる。加熱室４内で鋳造型１２を取り囲む電気的な
加熱素子１６が、鋳造型の加熱室側の部分に存在する合
金部分をその液化温度より高い温度に保っている。
【００１８】冷却室５は真空室２から流入したガスの排
除と、排除したガスの冷却及び浄化とのために真空機構
１７の入口に接続されている。
【００１９】方向性凝固した鋳造物の製作のために、ま
ず鋳造型が駆動ロッド１０の上昇運動により加熱室４内
へもたらされる（図中一点鎖線で示されている）。次い
で、熔融るつぼ６内の液状の合金が充填装置１４を介し
て鋳造型１２内へ注入される。この場合、鋳造型の底部
を形成している冷却板１１の上方に方向性凝固した合金
から成る薄いゾーンが形成される（図面には図示されて
いない）。
【００２０】冷却室５内へ向かう鋳造型１２の下降運動
時に、鋳造型１２のセラミック部分１３はバッフル３に
設けられた開口７を通って次第に案内される。方向性凝
固した合金から成るゾーンと境を接する凝固フロント１
９は、方向性凝固した鋳造物２０を形成しつつ下方から
上方へ鋳造型全体にわたり移動していく。
【００２１】凝固プロセスの開始時には、鋳造型内に注
入された材料がまず冷却板１１に直に衝突すると共に、
熔融物から奪うべき熱が、凝固した材料の比較的薄い層
を介して凝固フロントから冷却板１１へ伝達されるため
に、大きな温度勾配と高い硬化速度とが得られる。鋳造
型の、冷却板１１により形成された底部がバッフル３の
下面から測って、例えば５ないし４０ｍｍだけ冷却室５
内へ浸入した際に、開口もしくはノズル８を介して、加
熱された材料と反応しない不活性の圧力ガス、例えばヘ
リウム又はアルゴンなどの高貴ガス、又はその他の不活
性流体が供給される。開口もしくはノズル８から流出す
る不活性ガス流はセラミック部分１３の表面に衝突し、
かつこの表面に沿って下向きに案内される。その際、こ
の不活性ガスは鋳造型１２から、ひいては鋳造型内容物
のすでに方向性凝固した部分から、熱量ｑを奪う。アメ
リカ合衆国特許第３５３２１５５号明細書に基づく公知
技術に相応して、奪われる熱量は次の式で表される。
【００２２】ｑ＝α（Ｔ−Ｔ0 ）， 式中、Ｔは凝固フロントにおける鋳造物の温度、Ｔ0
は、例えば冷却室５もしくは真空室２の壁により規定さ
れる周囲温度を表す。この場合、 １／α＝１／αcm ＋１／αcmd ＋１／αGCC，ここにα
GCC＝αr （放射による熱伝導）＋αcvgas （対流によ
る熱伝導）。
【００２３】複雑に形成された鋳造型での特に高い熱排
出はバッフル３が冷却され、及び又はこのバッフルの開
口７が鋳造型１２に当接したフレキシブルなフィンガ２
１により制限されている場合に生じる。
【００２４】ニッケルをベースとした超合金から成る大
型のガスタービン羽根のための熱伝導率の典型的な値は
次の通りである。
【００２５】 αcm ＝ｌａｍｂｄａm ／δ m＝８１６Ｊ／ｍ2ｓＫ αcmd ＝ｌａｍｂｄａmd ／δ md ＝２００Ｊ／ｍ2ｓ
Ｋ， 式中、ｌａｍｂｄａm もしくはｌａｍｂｄａmd は合金
もしくはセラミック製の鋳造型の比熱伝導度、δm もし
くはδmd は鋳造型の壁（バッフル３の下方に位置す
る）と凝固フロントとの間ですでに凝固した金属層の厚
さ（３０ｍｍとする）もしくは鋳造型の壁の厚さ（１０
ｍｍとする）を表し、かつαGCC ＝８００Ｊ／ｍ2ｓＫ
である。これにより、α＝１３４Ｊ／ｍ2ｓＫとして、
アメリカ合衆国特許第３７６３９２６号明細書に基づく
制御困難な方法に基づく値に相応する熱伝導率が生じ
る。
【００２６】冷却室５内に吹き込まれる不活性ガスは真
空機構１７により真空室２から取り除かれ、冷却され、
濾過され、かつ数バールの圧力まで圧縮されて、開口も
しくはノズル８に連通した導管１８に供給される。
【００２７】熔融金属による次の鋳造型の充填は鋳造型
１２の取り外し後、かつ真空室２を真空にした後に実施
される。
【００２８】次に、アメリカ合衆国特許第３５３２１５
５号明細書、アメリカ合衆国特許第３７６３９２６号明
細書及び本発明に基づいて得られた、ガスタービン羽根
として形成された鋳造物の特性を示す。この羽根はそれ
ぞれ同じジオメトリ的な寸法を有しており（長さはそれ
ぞれ２００ｍｍ）、かつニッケルをベースとした超合金
から成り、この超合金の重量パーセントで表した主成分
は次の通りである。すなわち、Ｃｒ＝６．５；Ｃｏ＝
９．５；Ｍｏ＝０．６；Ｗ＝６．５；Ｔａ＝６．５；Ｒ
ｅ＝２．９；ＡＬ＝５．６；Ｔｉ＝１．０；Ｈｆ＝０．
１；Ｎｉ＝残り。すべての方法において炉のジオメト
リ、加熱温度及び注入温度は同じであった。
【００２９】 方法 ＵＳ特許3532155号 ＵＳ特許3763926号 本発明 羽根の数 ８ ８ ４ 材料 --------- ニッケルをベースとした超合金-------------- 引張速度 3mm/min ブレード ------ 7mm/min ブレード ------- 2mm/min 脚部 -------4mm/min 脚部 破壊前の単結 156mm 178mm 200mm 晶の平均長 羽根8本のうち6本 羽根8本のうち2本 単結晶破壊 さ 単結晶破壊 単結晶破壊 なし うろこきず 1.5 3 1.5 (平均) 最大気孔率 < 0.9 < 0.5 < 0.6 (容積%) フレックレス 脚部領域 なし なし アメリカ合衆国特許第３５３２１５５号明細書及び特に
アメリカ合衆国特許第３７６３９２６号明細書に基づく
方法では、凝固フロントが典型的に凹形状を有してい
る。これに対して本発明に基づく方法では、凝固フロン
トが平らまたは凸形状に形成されている。それゆえ本発
明に基づく方法によれば、タービン羽根の単結晶の凝固
が羽根の内側及び外側に位置する端部の領域内で良好に
調節される。
【００３０】本発明に基づく方法の明らかな利点は、プ
ロセス速度が高いにもかかわらず、その後に製作される
鋳造物が特別大きな単結晶破壊強度、わずかな気孔率を
有し、かつ欠陥個所を有しないことにある。さらに、本
発明に基づく方法の実施時に、ほとんどフレックレス
（freckles)及びうろこきず(sliver) のない鋳造物が製
作される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施する装置の有利な実施例の略
示図である。
【符号の説明】
１ 真空機構、 ２ 真空室、 ３ バッフル（放射遮
蔽体）、 ４ 加熱室、 ５ 冷却室、 ６ 熔融るつ
ぼ、 ７ 開口、 ８ ノズル、 ９ 不活性ガス流、
１０ 駆動ロッド、 １１ 冷却板、 １２ 鋳造
型、 １３ セラミック部分、 １４ 充填装置、 １
５ 熔融した合金、 １６ 加熱素子、１７ 真空機
構、 １８ 導管、 １９ 凝固フロント、 ２０ 鋳
造物、 ２１ フィンガ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨーアヒム レスラー スイス国 ウンターエーレンディンゲン ブリューエル 19 (72)発明者 ウラディミル ペ． ルベネッツ ロシア国 モスコー グリアノヴァ ウリ ッツァ 43−119

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 鋳造型（１２）内に存在する液状の合金
    を、加熱室（４）から、開口（７）を備えたバッフル
    （３）によりこの加熱室（４）から仕切られた冷却室
    （５）内へ案内し、かつその際、方向性凝固せしめる形
    式の、真空室（２）内で鋳造物（２０）を製作するため
    の方法において、鋳造型（１２）をバッフル（３）の下
    方で外部から付加的にガス流により冷却することを特徴
    とする方向性凝固した鋳造物を製作するための方法。
  2. 【請求項２】 ガスとして不活性ガスを使用する請求項
    １記載の方法。
  3. 【請求項３】 鋳造型（１２）の底部を冷却室（５）内
    に挿入した後にガスを案内する請求項１又は２記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 冷却室（５）内でガスを鋳造型（１２）
    の表面へ向けて案内し、次いで真空室（２）から排出す
    る請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】 ガスを鋳造型（１２）の案内方向でポン
    ピングアウトすることにより真空室（２）から排出する
    請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 流出するガスを吸込み、冷却し、濾過
    し、次いで改めて冷却室（５）内へ案内する請求項４又
    は５記載の方法。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の方法を実施するための
    装置において、バッフル（３）の、加熱室（４）とは反
    対側に、ガス流を発生して案内するための手段が配置さ
    れていることを特徴とする方向性凝固した鋳造物を製作
    するための装置。
  8. 【請求項８】 ガス流を発生して案内するための前記手
    段が、鋳造型（１２）へガス流を案内するのに役立つノ
    ズル又は開口（８）を備えている請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 開口が少なくとも１つの多孔壁のパーフ
    ォレーションから成る請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 ガス流を発生して案内するための前記
    手段が、バッフル（３）内に設けられた開口（７）の周
    りに環状に配置されており、かつほぼ半径方向内向きの
    開口又はノズル（８）を備えている請求項７から９まで
    のいずれか１項記載の装置。
  11. 【請求項１１】 ガス流を発生して案内する前記手段が
    水冷されている請求項７から１０までのいずれか１項記
    載の装置。
  12. 【請求項１２】 冷却室（５）及び又はバッフル（３）
    へ作用する付加的な冷却装置が設けられている請求項７
    から１１までのいずれか１項記載の装置。
  13. 【請求項１３】 バッフル（３）が冷却されており、及
    び又は開口（７）内へ案内されていて鋳造型（１２）に
    当接したフレキシブルなフィンガ（２１）により制限さ
    れている請求項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 冷却室（５）が、冷却室（５）からの
    ガスの排出のために、かつ排出されたガスの冷却と浄化
    とのために真空機構（１７）の入口に接続されており、
    この真空機構（17）が、冷却室（５）にガスを再び供給
    する閉じた循環回路の一部を成している請求項７から１
    ３までのいずれか１項記載の装置。
  15. 【請求項１５】 真空機構（１７）の出口が、ノズル又
    は開口（８）へ通じた導管（１８）に接続されている請
    求項１４記載の装置。
JP15256796A 1995-06-20 1996-06-13 方向性凝固した鋳造物を製作する方法とこの方法を実施するための装置 Expired - Lifetime JP3919256B2 (ja)

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