JPS59207895A - 所定の結晶配向を有する物品の製造方法および装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、単結晶のように所定の結晶配向を有する物品
の製造にオリ用する方法及び装置に関するものである。

従来の技術 タービンブレード及び羽根等の一方向に凝固された物品
を注入成形するための種々の技術か知られている。単結
晶の場合、一般的な方法は、型の底部に、多数の柱状結
晶粒が形成される開始帯域を使用する。「非線形」のあ
るいは横断方向に変位した結晶選別機（例えば、螺旋状
の通路）は、開始帯域を製品キャビィティに連結し、こ
の選別機は、柱状結晶粒のみか製品キャビィティ内に成
長することを保証する。単結晶注型品は、製品キャビィ
ティの底部に垂直な「細長い突起」（即へ直線状あるい
は非横断的に変位した「ネック」じｎｅｃｋ”））を有
する型を使用するか、あるいはブリッジマン（Ｂｒｉｄ
ｇｍａｎ）の米国特許第１，７９３，６７２号に記載さ
れているように種晶を使用して製造することもできる。

伝統的な一方向に凝固された（柱状結晶化多結晶）物品
が所望きれる時には、チャンドリー（Ｇｈａｎｄｌｅｙ
）の米国特許第３，２４８，７６４号、ファースナイダ
ー（Ｖｅｒ　５ｎｙｄｅｒ　）の米国特許第３，２０６
，５０５号、及びビアラ’ｙ　−（Ｐｉｅｒａｃｅｙ　
）の米国特許第３，４９４，７０９号に記載されている
ように、開始帯域は製品キャビィティに直接連絡してい
る（結晶選別機あるいは種晶は存在しない）。

多結晶あるいは単結晶のいずれかの型式の一方向性凝固
物品は、冷却板上に支持された型内で注入成形すること
ができる。凝固中の温度勾配は、型の周囲の１個以上の
加熱コイルに入力される電圧を選択的に制御することに
よって一部達成される。このコイルは、型の垂直軸線に
沿って軸方向に一定の間隔で配置され、型は、冷却板の
位置にある型の底部以外の型内で核形成が起きないよう
に合金の注入温度より高い温度に加熱される。注入成形
操作中に入力される熱及びその他のパラメーターの制御
によって、実質的に一方向の温度勾配が維持され、凝固
は、柱状単結晶あるいは柱状多結晶が型内部で軸線方向
に徐々に成長して起こる。この型式の手順についての議
論は、フイツブスら（Ｐｈｉｐｐｓ　、　ｅｔａｌ　）
の特許第３゜７１２．３６８号及びテイングキストら（
Ｔｉｎｇｇｕｉｓｔ　、ｅｔａｌ）の特許第３，８４１
．３８４号で知ることができる。

第１図と第２図とは、典型的な従来技術の原型と型構造
を図示する。第１図に示された原型１０は、ワックス、
プラスチック、あるいはその他の適尚な材料で形成され
、タービンブレードの製造に利用することができる。こ
の原型は、型内に金属供給通路を形成するのに典型的に
装備されている頂部の延長部１２を有する。原型の底部
のもう１個の延長部１４は、型が形成された後、最終的
には原型材料の除去に使用される型内の通路を形成する
ために設けられている。ルート部分１５が原型の一端に
形成され、囲い板部分１７が他端に形成されている。

第２図は、従来の手段によって形成され得る型１６を示
す。例えば、原型１０をセラミックスラリ−に繰り返し
浸漬して、原型の周囲にセラミック層を形成することに
よって製造することができる。焼成すると、金属供給通
路１８と、下部通路２０と、中間の物品形成キャビィテ
ィ２２とを有する型が得られる。通路２０は、原型材料
、例えば、流動状態にして、型から流出させ得るワック
スあるいはその他の物質からなる原型材料の除去を可能
とする手段として特に有用である。

図示の型式の型が単結晶あるいはその他の一方向に配向
した注型品の形成に使用される場合、型を冷却板２４上
に固定することができる。この集成体は、サセプター２
６によって取り囲むことができ、　誘導加熱コイル２８
も装備されている。

従来の仕方では、型内部での凝固は、冷却板を通すかあ
るいは対流７１）放射のような他の手段によって熱を放
出し、コイルによる熱入力を調節することによって制御
される。注型品は、底部から頂部に向けて、好ましくは
放冷によるか周知の１ノ寸ワーダウン」技術を使用して
、一方向に凝固きれる。

発明か解決しようとする問題点 不規則な設計の物品を注入成形する場合、凝固が起こる
時、開口部、小キャビィティ等が溶融金属で十分に満た
されていないと、問題が生ずる。

冷却すると、収縮空隙が生じ、その結果、強度低下部分
が生じ、注型品は不合格となる。タービンブレード、羽
根等の場合、エアフォイル断面はくルート、囲い板、［
エンジェル　ウィングｊ（”ａｎｇｅｌｗ　ｉ　ｎｇ”
）部分で仕切られていて、これらの部分＋１、収縮空隙
が存在し得る範囲に特有の注入成形領域である。

比較的複雑な形状を有するタービンブレードといった部
品を製造する際、一方向に凝固きれた柱状結晶化あるい
は単結晶の注型品を製造しようとずれば、収縮空隙を生
じ得ることが特に判型している。更に、このような注型
品のル−ト及び囲１．）板部分の末端は、収縮欠陥を極
めて頻繁番こ生じやすい。これらの友陥は、高性能用途
のためｔこ設計される部品については許容されず、この
ような注本発明は一方向に凝固された注型品における収
縮欠陥の発生を回避するための方法及び装置番こ関する
。本発明は、特に、垂直線に関して５°と７５゜との間
で傾斜した中心軸線を有する成形キャビティを１個以上
含む型を設けることを含んでいる。

型は、冷却板上か、あるいは型の内部を通して所望の温
度勾配を維持するのに適した他の何らかの冷却手段とと
もに、記載された位置に配置されている。溶融装填材料
を導入すると、凝固は、開始帯域内の冷却板において、
あるいは型の底部の種晶からエピタキシャルに始まり、
凝固の前端は、冷却板に実質的に直角な「垂直」方向（
熱放出方向に平行）に進行し、実質的に「水平」、即ち
冷却板に平行（熱放出方向に直角）な固液等温線によっ
て特徴づけられる。傾斜させた成形キャビィティと水平
な凝固前端との組み合わせにより、タービンブレードの
囲い板領域におけるような複雑な注入成形領域内で金属
の逐次凝固が制御され、　−液状の金属は、凝固による
体積変化と、その結果生じ易い空隙の生成とを、実質的
に常に補償するのにオリ用することができる。このよう
に、注入成形の凝固前端上に存在する溶融金属の頂部は
、本来ならば空隙が発生する隣接領域内に溶融装填材料
を供給することになる。

本発明はまた、複雑な注入成形の領域の外部先端上に必
要に応じて延長部を設けることを意図している。これら
の外部先端は、型が上述のように傾けられている時、凝
固される最終領域となる。

これらの延長部は、適尚な溶融装填材料が凝固過程中で
潜在的空隙領域を満たすのに使用できることを保証する
ために設けられる。空隙が形成されやすい範囲まで、こ
れらの空隙はそれたけ一層複雑な注入成形領域の延長部
内に形成されるのが好ましく、前記延長部は、注型物品
の保全された状態を損うことなく除去することができる
。

実施例 第３図は、成形キャビィティ３４に連通する成形通路３
２に単結晶３０が配置きれている本発明の一実施態様を
示す。成形キャビィティは、囲い板部分３８、ルート部
分３６．及び金属供給通路４０からなる。

図示のように、成形キャビィティの軸ｉｆｆ！４２は垂
直に配置されたサセプター４６の表面４４に関しである
角度で傾斜している。本発明の実施において、この角度
は、垂直線に関して約５°と約７５°との間で変化させ
ることができ、好ましくは約３０°である。

前記型式の系を操作すると、凝固は、型の底部で通常の
仕方で始まる。更に、冷却＠４８と外周コイル５０とに
よって生ずる温度勾配は、成形キャビィティに関して徐
々に上方に移動する実質的に水平な凝固前端（固液等温
部）を維持する。

第３図に出ている線５２に関して、この配置では、溶融
金属が、？ト部分５４を除いて、ルート部分３６の領域
に供給できることは認識できよう。

紳５２の上方へ凝固前端が移動することによってのみこ
の領域５４が閉塞きれて、収縮空隙を満たすための溶融
金属の供給を妨げるであろう。

図示のように、ルート部分５４は、ルート領域全体のご
く小部分のみを構成する。更に、この部分を延長部によ
り設計して、収縮空隙がこの延長部内で優先的に起こさ
せることができる。型を除去した後、延長部は、囲い叛
領域全体に渡って高度に保全された状態を有する注入成
形材料を残して切り離すことができる。

同様にして、凝固前端が上方に移動すると、囲い板領域
３８の殆んど全部分に溶融金属が適切に供給される。囲
い板の、例えば５６で示した部分か「線供給ｊ　（ｈａ
ｒｄ　−ｔｏ　ｆｅｅｄ　）部分からなり得る程度まで
注型品の外部囲いを、最終囲い板に必要な寸法以上に延
長させることができる。そこで、収縮空隙は注型品のこ
の部分に閉じ込められ、これらの付加的素材部分は仕上
げ操作の一部として機械加工されて除かれる。

本明細書に記載したタービンブレードの形状は本発明の
概念に従って注入成形され得る部品の例示を目的とする
ものであって、これに限定するものではないことは認識
されるだろう。これらには、その他に、羽根、羽根セグ
メント、一体部品、シール、及び構造部品のようなガス
タービンエンジン部品と、少なくともある部分が単結晶
注型品である機械加工された集成装置も含まれる。更に
、形状を変化させることができる。例えば、ルートを図
示の下方部分ではなく上方部分に配置させ、あるいは囲
い板部分を両端に形成するこさができる。加えて、一方
向の凝固に適し、且つ収縮空隙の形成が可能な部分を含
む他の多くの形状物がその他の熱エンジン部品、原子炉
部品、医用補形部品、宇宙用及びミサイル用部品を含め
て、本発明の概念に従って注入成形できる。

第４図に示した本発明の別の態様は、成形キャビィティ
６２の軸線が垂直線に対しである角度で存在し、且つ冷
却板６４に関して傾斜している型６０を有する。棟受台
６６と種６８とは、それらの軸線が１９８２年８月５日
に提出されたミラー（Ｍｉｌｌｅｒ　）らの米国特許出
願第４０５，５５８号に記載されているように、成形キ
ャビィティ６２の軸線と平行となって配向されている。

その出願で述べられているように、図示の配置は、種受
台内の種晶の使用ｌこ伴なう利点を維持しながら、一方
向の凝固注型品の健全性を改良するのに有用である。更
に詳細には、正常の状況下で、部品の［長手方向Ｊ　（
”ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　”）　　軸線は、冷却板
（あるいは他の冷却手段）に実質的に垂直であり、従っ
て熱放出方向に平行である。例えば、＜００１＞ｍを使
用する面心立方金属凝固の場合には、生ずる＜００１＞
結晶は、部品の長手方向軸線と平行に成長する。

本発明の場合には、成形キャビィティ、受台、及び種の
長手方向軸線は、冷却板に関して９０゜以外の角度をな
す。既に説明したように、例えば、約１５°　（垂線か
ら）の選定された傾斜角度は、凝固中に「供給金属」が
接近できるようにすることによって、特に「隅」（“Ｃ
０ｒｎｅｒ、Ｓ”）あるいは本来ならば「不感」（”ｂ
ｌ　ｉｎｄ　”　）の水平面において、注型品の健全性
を改良することができる。特に、図示の種と受台との配
置を使用する場合、受台の配向け「傾斜の付いた」物品
の長手方向軸線と平行である必要はなく、及び／又は物
品キャビィティの傾斜を「補償する」ためにわずかに配
向の異なる種晶を選定することが望ましい。

第３図あるいは第４図に示された型式の型を用いる凝固
中に、前記の利点を達成するために、（垂線からの）角
度は、約１０°と約４０°との間が好ましい。

しかしながら、物品の結晶配向を種の結晶配向と異なる
ようにするために、例えば、約５°から約７５°　（垂
直線に対し）までの選定された傾斜角度の使用も意図さ
れている。例えば、＜００１＞鍾（適当な第２配向を有
１−る）を含む受台を使用して、冷却板に関して約５４
，７°たけ成形キャビィティを傾けることによって＜１
１１＞配向（物品の長手方向軸線に関して）を示す物品
を製造することができる。

本発明の目的には、前述の同時系属出願に記載された種
々の受台が全て、本発明の特徴に関連して使用できるこ
とは理解されよう。更に、垂直タップ、「ピグテール・
コイル」および一方向の粒子の成長を開始するための他
の公知の手段を含めて種々の他の形式が使用できる。

特許請求の範囲を考慮すると、図面に写した種晶と型と
の特定な関係からの種々の変更が可能であることも理解
されよう。例えは、本発明の意図している状況下では、
成形キャビィティは冷■板に垂直な軸に関して５°と７
５°との間でのある第１角度に傾斜し、種キャビィティ
、（あるいは受台）、垂直タップあるいは「ピグテール
・コイル」のも線は冷却板に垂直な軸に関して５°と７
５゜との間でのある第２角度で傾斜している。従ってこ
の両角度は必ずしも等しくない。更に、第２角度は、０
°と５°との間で、且つなお第３図の実施態様の範囲内
にあるどの角度であってもよい。

特許請求の範囲に規定されている精神ｌこ反することな
く、前記の系において本発明の特徴を与える種々の変化
及び変更かできることは理解されるであろう。

以上を要約すると、本発明は、単結晶のように所定の結
晶配向を有する物品の製造に利用する方法及び装置に関
するものである。本技術は、冷却板上に設けたセラミッ
ク型を利用するものであり、このセラミック型は垂直線
に関して約５″と７５゜との間の角度に傾斜したキャビ
ィティを画定している。１個以上の種晶が冷却板に隣接
して保持され、種晶の配向は生じた注型品に所望の配向
を与えるように選定される。本方法により、特に収縮に
起因する欠陥の回避に関して、凝固制御が改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービンプレイドの注入成形に使用される型の
製造に典型的に使用きれる型式の原型の立１面図、第２
図は第１図に示した型式の原型を使用して製造きれ、た
セラミック型の垂直断面図であり、型内での凝固を制御
するためのサセプターと誘導コイルをも図示し、第３図
は冷却板とサセブ裂 ターとの断片とともにセラミックの垂直断面図でである
。 なお図面に用いられた符号において、 ３０・・・・・・・・・・・・単結晶 ３２・・・・・・・・・・・・成形通路３４・・・・・
・・・・・・・成形キャビィティ３６・・・・・・・・
・・・・ルート部３８・・・・・・・・・・・・囲い板
部分４０・・・・・・・・・・・・金属供給通路４４・
・・・・・・・・・・・サセプター表面４６・・・・・
・・・・・・・サセプター４８・・・・・・・・・・・
・冷却板 ５０・・・・・・・・・・・・外周コイルである。 代理人　土星　勝 〃　　常包芳男 二二■；２− ！Ｉヨプこ アメリカ合衆国ミシガン州ノー ス・マスケゴン・シーニク・ド ライブ２８８１ ５３７一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）中心軸線を定めかつ、実質的に一方向の結晶配向を
   有する物品の製造方法であって、前記物品の中心軸線と
   一致する軸線を有する成形キャビィティを少なくとも１
   個含む型を準備すること、溶融装填材料を前記型に導入
   すること、および成形キャビィティの下端部で溶融装填
   材料の凝固が如才り、上方に向かって進行するように温
   度勾配を維持するための手段を準備することを含んでな
   る方法において、前記成形キャビィティの前記軸線を垂
   直線に関して約５〜７５度の角度で傾斜させて前記成形
   キャビィティを配置し、凝固の間は溶融装填材料の凝固
   を実質的に水平に維持することを特徴とする方法。 ２）前記物品がガスタービンエンジン部品からなる特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３）前記物品が医用補形部品からなる特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ４）多結晶柱状結晶粒組織が前記物品を特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ５）前記物品が実質的に単結晶からなる特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ６）溶融ｉ填材料の導入に先立ち、所定の結晶配向を有
   する種晶を、得られる物品の結晶配向が前記種晶の結晶
   配向と一致するように型内に位置決めする工程を含む特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ７）前記種晶を前記型と組合わされた受台に取付ける特
   許請求の範囲第６項記載の方法。 ８）前記成型キャビィティが、成形キャビィティの前記
   軸線と一致する線より上方に配置された成形キャビィテ
   ィの一部に少なくとも１個のキャビィティ延長部を有し
   、物品の同一水平横断面内の他の全ての部分が凝固し終
   るまで、前記延長部に供給された溶融装填材料を凝固さ
   せず、キャビィティ延長部内で凝固した部分の注型品は
   、型から注型品を分離した後に除去する工程を含む特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ９）前記角度が約１０°〜約４０’である特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 １０）前記種晶が実質的に垂直な中心軸線を定める特許
   請求の範囲第６項記載の方法。 １１）前記種晶が垂直線に関１て約５°〜７５°の角度
   で傾斜した中心軸線を定める特許請求の範囲第６項記戦
   の方法。 １２）中心軸線を定め、かつ実質的に一方向の結晶配向
   を有する物品の製造装置であって、前記物品の中心軸線
   と一致する軸線を有する１個以上の成形キャビィティを
   含み、溶融装填材料を保持する型と、溶融装填材料の凝
   固がそれぞれの成形キャビィティの下端部で始まり、上
   方に向がって進行するように、型の長手方向に沿って温
   度勾配を維持するための手段とを含む装置において、成
   形キャビィティの前記軸線が垂直線に関して約５゜と約
   ７５°との間の角度で傾斜していて、凝固の間は溶融装
   填材料の凝固前端が実質的に水平に保たれるように構成
   されていることを特徴とする装置。 １３）前記型が冷却板に固定されている特許請求の範囲
   第１２項記載の装置。 １４）前記型がセラミック製の型からなる特許請求の範
   囲第１３項記載の装置。 １５）前記型が成形キャビィティに隣接する通路と前記
   通路内に位置決めされた受台とを有し、前記物品の結晶
   配向が種晶の結晶配向と一致するように、前記受台か所
   定の結晶配向を有する種晶を含むようにした特許請求の
   範囲第１２項記載の装置。 １６）前記物品がルート、囲い板、あるいは「エンジェ
   ル　ウィング」じａｎｇｅｌ　ｗｉｎｇ”）部分を有す
   るタービンブレードからなる特許請求の範囲第１２項記
   載の装置。 １７）前記物品が囲い板あるいは他の付属部分を有する
   タービン羽根からなる特許請求の範囲第１２項記載の装
   置。 １８）前記成形キャビィティが、成形キャビィティの前
   記軸線と一致する線より上方に位置する型の一部に少な
   くきも１個のキャビィティ延長部を有し、これによって
   、製品の同一水平横断面内の他の全ての部分が凝固し終
   るまで、前記延長部に供給された溶融装填材料が凝固せ
   ず、キャビィティ延長部内で凝固した部分の注型品は、
   型から注型品を分離した後に除去されるようにした特許
   請求の範囲第１２項記載の装置。 １９）前記型が冷却板上に固定されている特許請求の範
   囲第１２項記載の装置。 ２０）所定の結晶配向を有する種晶が前記型内に位置決
   めされている特許請求の範囲第１２項記載の装置。 ２１）前記種晶が実質的に垂直な中心軸線を定める特許
   請求の範囲第２０項記載の装置。 ２２）前記種晶はその中心軸線が垂直線に関して５〜約
   ７５°の角度で傾斜するように定められている特許請求
   の範囲第２０項記載の装置。