JPS58138554A - 鋳造単結晶を作成する方法および鋳型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、この方法に使用
する鋳型及びこの方法及び鋳型を用いて作られた鋳造目
的＋吻に関する。

鋳造単結晶の製造は最初は実験室の資料の根本として、
又最近はこの型の金属で得られる改良した且つ異方性の
性質を利用する単結晶タービン羽根のような目的物を備
えるのに長年にわたって行なわれてきている。製造方法
は年と共に変ってきた。最初は実験室目的のためシード
技法が使われたが、この技法はこの状況で必要である労
働集約的小規模の製造には適するが。

大規模な構造又は半自動化した製造に適するとは考えら
れない。

最初に考慮された変形例はスタータ室を利用してその中
で溶融金属を柱状粒形に凝固し、且つ小さい開口の絞シ
により唯一つの粒を適当な鋳型の空所に生長するのを可
能にする工程を含む。これは一つの粒を効果的に選択し
ない事がわかシ、スタータと主要の空所の間の傾斜通路
セレクタが提案された。然しなから１面心立法構造の結
晶材料は優先的に（１００）方向に成長するので、（１
００）方向が通路の平面にあれば、単一平面にある握路
は二つ又は三つ以上の結晶が生長しうる可能性がある。

従ってこのセレクタの概念の最終開発は一つを除く全て
の粒が主要鋳型空所に通行するの金主尾よく封鎖する事
がわかったらせん通路を利用する事であった。然しなか
ら、この技法は生じた結晶の配向が一方向にのみ決定さ
れるという欠点を有する。これは通常鋳型から加熱流に
よシ決定される結晶の成長方向である。この方向は最も
通常の面心立方構造の場合、（０，０，１）方向に相当
する。この方向に直角に、結晶の配向は任意である。

この任意性は好ましくない結果になる事がある。かくし
て構成部材の振動特性はずれ弾性係数としての物理的性
質に依存する。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
根のスタック軸周囲の結晶配向に依存すると断定できる
。羽根のような成る種の目的物にとって、軸周囲の配向
による振動特性における任意の振動はやっかいであり、
単結晶性質が全体に開発されるのを妨げる。

単結晶鋳物を製造するのにセレクタの代りにシード結晶
を使用すると、単結晶の縦及び横の配向はシード結晶の
配向をアレンジして決定される。シードからのエビタク
シ−成長をなすのに、核形成が鋳型の壁のような他の特
徴から生じない事が基本でおる。これが起らないように
。

鋳型は金属の融点以上でなければならず、文明らかにシ
ード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決ヲ満
足して調和させるのは困難であった。

本発明はシード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及びこの方法に使用する鋳Ｗ
含提供するものである。

本発明によれば、鋳造単結晶を作る方法は主要＠屋璧所
と該主要鋳型空所への注入孔を有する鋳型を備え、シー
ド結晶を該注入孔の中に又はそれに隣接して設け、適当
な溶融金属の装入物を該注入孔を通して鋳型に注いで、
溶融金属がシード結晶を越えて流れ、該主要空所へ流れ
るようにし、シェルとシード結晶チップを合金の融点以
上にあげるのに十分な熱を与え、該シード結晶から鋳型
の反対端に溶融金属のエピタクシ−成長を引起す工程を
含む。

通常シード結晶は造型の底に、水冷却体に接して設けら
れる。冷却効果によりこの組立体の局部領域は合金融点
以下に留まり、金属流により与えられた熱によ）鋳型と
シードチップの温度を融点以上にあげる。この冷却と共
に鋳型を炉から漸次取出す事により部分的に再加熱され
たシード結晶からのエビタクシ−成長によシ必要となる
漸進的凝固が引起される。

本発明は又鋳造単結晶の製造に使用する鋳型を提供する
もので、この鋳型は主要鋳型空所と。

溶融金属ｔ−Ｓ型空所に通す注入孔と、シード結晶を保
持し、且つ注入孔に又はそれに隣接して位置したシード
結晶空所とを含み、骸シード結□、、（ 晶空所内で鋳型空所に充填する金属がシード結晶を越え
て流れ、ポテンシャル再溶融を確実にする。

次に本発明を添付の図を参照して１例とじて特定的に説
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ックシェ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位置に示されている
シード結晶のための備えにある。

鋳型は注入カップ１０と、ダウンポール１１と、側方延
長ラナー又は注入路１２と、シード結晶室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。本件の場合、
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示されており。

それはエアホイル形部分１５．内側及び外側プラットフ
ォーム部分１６と１７．及びルート部分１８を有する。

ルート１８は鋳型の最上部分を形成し１通口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
空所の他の（下方）端部に転移室２０がアシ、その中に
シード結晶２１が突出している。

その最下端でシード結晶室１６は開放して。

シード結晶が鋳型の立っている基台と接触できるように
する。本件では基台は水冷却体２２を含む。シード結晶
は冷却体と接する唯一の部分である事がわかる。鋳型の
残シは鋳型に充填する金属の流れが冷却体に接しないで
保たれるように構成されている。従ってダウンポール１
１は２３で随意に打抜かれ、２４でポールの残シの部分
はポールの金属支持部分と通路１２を冷却体から離して
支持するスペーサとして作用する。

鋳型の特色の最終条項はシード結晶２１である。これは
断面長方形に示され、実際上筒状又は長方形ブロックの
ような適宜な形をなしている。シード結晶は通常鋳造さ
れる目的物と同じ材料から形成され、鋳造目的物の配向
がシードの配向と一致するので、そ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
その横方向の両方に真の配向である。

上に説明した如く、これによシ横方向配向が決定され、
従って振動性質を密に制御する事ができる。

と・−ド結晶の大きさ、形及び量は金属流からの超過熱
が完全に再溶融する事なく、シード結晶の部分溶融を起
すのに十分であるように、即ち平衡状態が設定され且つ
除去されて、凝固を続けるように制御されなくてはなら
ない事が明らかである。

鋳型は鋳物を製造するのに、第２．第３及び第４図に示
した装置中で使用される。第２図に示す如く、鋳型はラ
ム２５上に支持された冷却体２２上に設けられている。

ラムにより冷却体と鋳型が第２図と第４図に示した位置
の間を垂直に移動しうるようにする。第２図に於て、鋳
型は炉室２６内に保持されているが、第４図ではＡ型は
冷却取出し室２７へ下降して示されている。

炉室２６は全〈従来のもので、絶縁包囲体全含み、その
中に多数の電気抵抗加熱部材２８が位置している。炉は
下方注入装入物溶融装置３０に連通ずる上方開口２９と
、冷却体２２が丁度通過する下方孔６１を有する。事実
、ラム２５の上方運動の先端は第１図に示す如く冷却体
２２が孔５１と整合してそれを塞ぐ状態にする。

取出し室２７は炉室２６の下にあシ、又全〈従来のもの
であり、絶縁室を含み、その中に多数の水冷却管３２が
位置している。ラム２５は冷却体と鋳型を加熱室２６か
ら冷却室２７へと取出す事ができる。

装置の作動によシシード結晶２１ｆ：その場に備えた鋳
型が最初炉２６内の冷却体２２上に保持される（第２図
に見る如く〕。鋳型の炉と主要部分は使用される金属（
通常ニッケル基調超合金）の融点以上の温度に予備ａｎ
熱される。下方部分は冷却体によシこの温度以下に冷却
される。次に下部注入装置６０を作動して、その金属装
入物を溶融し且つ孔２９１ｃ通し、注入カップ１０へそ
れを注入する。（下部注入構造の詳細な作動はここでは
説明しないが、当該技術に精通する者にはこの装置は誘
導コイルを使用してるりぼに金属のインゴットを融解し
１次に溶融金属がるつぼの底の可溶性のプラグを破り、
排出通路を流れる事が理解されるだろう）。

従って溶融金属はカップ１０とダウンポール１１′ｆｔ
通って通路１２へ流れ１次に転移室２０を通って上昇し
、主要空所１４ｔ−満たす。シード結晶が主要鋳型空所
に位置しているので、空所を満たす全金属装入物が結晶
上を通る事がわかる。これにより結晶が加熱され、溶融
金属はそれが溶解したため大きな冷却を受けないので。

それは結晶の上方部分を溶融するのに十分な過剰熱を有
し、シェルを金属の融点以上に加熱し。

不慮の核形成を妨げる。金属の全装入物が結晶上に注入
される事は又シード結晶の部分溶融に必要な熱を備える
事を助長する。

かくして鋳型はその通路でシード結晶″ｆ：部分的に溶
解した溶融金属で満たされる。次に冷却体２２が作動し
て熱を鋳型の下方部分から熱を除去し、同時に鋳型と冷
却体がラム２５の作動により炉２６から水冷却取出し室
２７へ漸次取出される。

これらの工程が合わさって鋳型に充填する金属をシード
結晶から上方に非指向性に凝固させようとする。シード
結晶と金属の溶融装入物は密に接合しているので、凝固
金属はシード結晶の残りの固定部分からエビタクシ−成
長する。

即ちそれは三つのディメンションでの配向がシード結晶
のものと同じである単結晶として凝固する。この事は他
の核形成場所から外部からの粒成長がない限り、溶融金
属の全体質量が単結晶として凝固する可能性がある。こ
のような核形成は例えばシード結晶の表面断続、又は例
えば結晶の加工面における残シの加工物の再結晶により
作用され、溶融金属にシード結晶が密に接合している事
実と必要により結晶の上方部分が溶融される事が重大と
なる。本発明に従って鋳型と金属の流れｔ−構成する事
によシ、この部分溶融が作用され、それによシ単結晶形
式にくり返し可能の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、鋳物、単結晶目的物は要求通シカ
ロエされる〔例えばダウンポール１１と通路１２からの
金属は除去する必要はない〕。

上記の工程に於て、単結晶目的物が作られる。

本発明の方法が使用できる種々のより複雑な方式がある
事は明らかである。従りて石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。

更に、形成完成品が単結晶を含む必要はない。

鋳造製品は当方の出願中の英国特許出願第８１２８５８
２号明細書に記載の如く、その構造を変形するように処
理され、或いは鋳造処理は単結晶形式に鋳造製品の部分
のみを生ずるようになされる。　　　。

上記基本方法を改良する一つの特定の方式が第５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、フィルターを備え、
それを通して溶融金属が主要空所に入る前に注入する。

第５図りこおいてセラミック発泡フィルターのフィルタ
ー６５が側方に延長する通路１２に位置している。

第６図に単一のダウンボール１１が幾つかの（二つが図
示されている）主要鋳型空所を供給している構造が示さ
れている。ここではフィルター６６はダウンボール内に
位置して示されており、従って単一のフィルターで全て
の型の金属装入物を片付ける。明らかにこれら二つの変
形例は単一鋳型空所がそのダウンボール中にフィルター
を持つように、或いは多数の鋳型空所装置が各（ロ）方
通路にフィルターを有するように交換できる。

フィルターは溶融金属をろ過するのみでなく。

流速を減らし、それ放流れがより滑らかになり。

乱流が少なくなシ、鋳型内部が洗い流される。

以上特定的にニッケル基調合金から且つガスタービン機
関に使用する羽根鋳造物の製造に関連して説明し念が、
他の合金が使用でき、又他の目的の鋳造物ができるのは
明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による又本発明の方法に使用する鋳型の
横断面図、第２図、第５図及び第４図は本発明の方法の
連続段階を示す図、第５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：注入カップ、　　１１：ダウンボール。 １２：横方縁邸唾路、１３：シード結晶室、１４：主要
鋳造空所、２０：転移室、 ２１：シード結晶、　２２：冷却体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　主要鋳型空所と該鋳型空所への導入孔を有す
   る鋳型を備え、該導入孔の中又はそれに隣接してシード
   結晶を設け、適当な溶融金属の装入物を該注入孔を通し
   て鋳型に注いで、溶融金属がシード結晶を越えて流れ、
   該主要空所へ流れるようにし、シェルとシード結晶チッ
   プを合金の融点以上にあげるのに十分な熱を与え、且つ
   該シード結晶から鋳型の反対端に溶融金属の漸新的凝固
   を引起す工程を含む鋳造単結晶を作成する方法。 （２、特許請求の範囲第１項記載の方法において。 該シード結晶と咳鋳型の下部を冷却する冷却体を備え、
   該漸進的凝固を助勢するようにした方法。 （３）特許請求の範囲第１項記載の方法において。 該鋳型を炉から徐々に除去する事によシ、該漸進的凝固
   を行なう工程を含む方法。 （４）特許請求の範囲第３項記載の方法において。 該鋳型を該炉から冷却取出し室へ徐々に除去する工程を
   含む方法。 （５）特許請求の範囲第１項記載の方法において。 金属をそれが主要鋳型空所に入る前にろ過する工程を含
   む方法。 （６）鋳造単結晶の製造に使用する鋳型であって。 主要空所と、該主要空所への導入孔と、該導入孔内に又
   はそれに隣接してシード結晶を保持するシード空所と、
   溶融金属が該シード結晶を４えて該鋳型空所に流れるの
   を可能にする通路手段とを含む鋳型。 （力　特許請求の範囲第６項記載の鋳型において。 シード空所が主要鋳型空所の最下端に又はそれに隣接し
   て位置している鋳型。　゛ （８）特許請求の範囲第７項記載の鋳型において。 該導入孔に連通ずる横方向に延長する供給通路を含む鋳
   型。 （９）特許請求の範囲第８項記載の鋳型において。 該供給通路に連通するダウンボールを含む鋳型。 ａ〔特許請求の範囲第９項記載の鋳型において。 多数の鋳型空所と供給通路が唯一の該ダウンボールと連
   通している鋳型。 （ｔｌ）特許請求の範囲第６項記載の鋳型において。 溶融金属の装入物が通過して送シ出されるセラミック発
   泡フィルターを含む鋳型。 ａり　　特許請求の範囲第１１項記載の鋳型において。 核セラミック発泡フィルターが横方向に延長する供給通
   路を越えて延長し、該導入孔に接続する鋳型。 ０３　　特許請求の範囲第１１項記載の鋳凰において。 該セラミック発泡フィルターが横方向に延長する供給通
   路に連通するダウンボールを越えて延長し、該導入孔に
   接続する鋳型。