JPS6040664A

JPS6040664A - 一方向凝固結晶製造方法

Info

Publication number: JPS6040664A
Application number: JP14670783A
Authority: JP
Inventors: Akira Yoshinari; 明吉成; Shogo Morimoto; 森本　庄吾; Eisuke Niiyama; 英輔新山
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1983-08-12
Filing date: 1983-08-12
Publication date: 1985-03-04

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】〔発明の利用分野〕本発明は一方向凝固結晶の製造法に係シ、特にガスター
ビン動ｇに適用するのに有用な製造方法に関する。

〔発明の背景〕

ガスタービン動翼等の高温部品に柱状結晶もしくは単結
晶ニッケル超合金が好適であることはよく知られておシ
、その製゛造方法として鋳型引出式一方向凝固法がとら
れることが多い。この場合、結晶の品質と生産速度の両
者を確保するためには、鋳型内の金属の凝固界面近傍に
おける未凝固金属溶湯内での温度勾配を可及的に大きく
することが望ましい。このために、従来技術においては
鋳型上部を側方から加熱するとともに、鋳型下部を水冷
定盤によって冷却しておシ、この場合の加熱手段として
多くの場合高周波誘導コイルによって加熱された黒鉛ス
リーブすなわちサセプタからの輻射加熱を利用する方法
をとっている。前述の温度勾配を大きくするためには黒
鉛サセプタの温度を高くすることが望ましいが、これを
過度に高くすると鋳型の温度が耐熱限界を越える。

例えばＮ１合金単結晶製造の場合に関し従来技術につい
てその実際の状況を測定した結果のうち、サセプタの温
度が全体として低い場合（Ａ）と高い場合（Ｂ）を比較
すると、第１図に示すように、サセプタ温度を高くする
と凝固界面の温度勾配が高くなるが、同時に金属及び鋳
型の上方の温度がサセフリ自体の温度とほぼ等しい温度
まで上昇していることがわかる。

Ａの例では鋳型温度は１４００ｒ以下であシ、凝固界面
の温度勾配Ｇは約２５Ｃ／ｃｒｎであるが、この程度の
温度勾配であると、引出速度５　ｃｍ／　ｈ　ｒの条件
においても必ずしも確実に単結晶が得られない。

Ｂの例では温度勾配Ｇが約５７Ｕ／ｍとなっており、こ
のため１０　ｔｙｔｒ／　ｈ　ｒの条件においても単結
晶が形成できたが、サセプタを全体として１５００Ｃに
昇温させたため鋳型上部もほぼ１５００Ｃに加熱され、
その結果として鋳型が割れる或は鋳型と金属が反応する
などの欠点が生じる。

これに対し、高周波コイルのピッチ全下方において特に
密にして加熱スリーブ出口付近で局部増熱する方法が知
られている。たとえば特開昭４８−１８１２１号公報参
照。しかし、温度勾配増大の効果は必ずしも充分でなか
った。具体的に説明すると、この方法は第２図のように
、鋳型」と冷却盤２を組合せて鋳型の中に溶融金端を鋳
込み、サセプタ３で加熱しつつ鋳型全体を下方に引出す
場合、Ｌ２の領域の温度を特に高くする。その結果、第
３図（Ｃ）のように鋳型上方の温度を過度に上げること
なく凝固界面の温度勾配が４０Ｃ／ｃｍと大きくなって
いる。

しかし、この温度勾配は必ずしも充分ではなく、これを
さらに大きくするためにはサセプタ温度を高めなければ
ならない。けれどもサセプタ温度を高めると（Ｄ）に示
すように、＠型上部の温度が上昇し、前述の（Ｂ）と同
様の欠点を生じるだけでなく、金属内部に逆温度勾配を
与え組織の乱れを生じる原因となる。

それゆえ、従来技術によれば局部増熱帯の効果はここで
限界に達する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は鋳型を過度に昇温することなく、しかも
金属の凝固界面近傍の温度勾配を大きくするような加熱
を可能にする一方向凝固結晶製造方法を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

上述のような従来技術の欠点は、増熱帯の熱が上部に不
必要に伝播することに原因がある。本発明はこれに対し
、増熱帯のサセプタと、その上部のサセプタとの間に断
熱層を設けることを特徴としており、これによりサセプ
タ及び鋳型の上部を過熱することなく温度勾配を大きく
することができる。従来技術では上部と増熱帯のサセプ
タは分割されておらず、また両者が熱的に絶縁もされて
いない。

加熱手段として誘導加熱コイルを用い、加熱体としてサ
セプタを用いてもよい。温度制御の手段として光温度計
によって加熱体及び鋳型の温度モニタ装置を用いること
ができる。加熱体上部の低温部に比較し、加熱体下部の
高温部の長さを１／１０又はそれ以下にすると、好適で
ある。誘導加熱コイルを上下２分割して、それぞれ別個
に電流、電圧を制御することができる。この場合、コイ
ルの一方又は両者を上下移動可能にして、加熱帯域の調
節ができるようにするとよい。

加熱手段として、抵抗加熱を採用してもよい。

あるいはアーク熱源のような高輻射熱源を用い、さらに
輻射を集中するため、凹面鏡等の反射体を用いてもよい
。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を第１表及び第４図により説明す
る。用いた金属の化学組成を第１表に示す。第１図にお
いて、セラミック・シェル鋳型１は水冷定盤２の上に固
定され、上部サセプタ３ａによって加熱された後に、溶
融金属４が注入される。金属の凝固に合わせて鋳型は下
方へ引出される。定盤上で金属はまず多結晶部５として
凝固するが、結晶制限回路６によって単結晶部７として
成長する。

さて凝固界面８における温度勾配を大にするために上部
サセプタは上部誘導コイル９によって加熱され、さらに
、熱放散を防ぐため罠上方はふたｌＯによって覆われ、
下方は可撓性セラミックファイバ製の遮熱体１１によっ
て可及的に覆われている。これに加えて増熱帯サセプタ
１２は増熱帯誘導コイル１３によって加熱されるが、こ
のコイル１３は上部コイル９と別の電源で稼動し、かつ
コイル巻き間隔を密にするとともに、サセプタとの距離
を短くシ、加熱効率を高めである。上部サセプタ３ａと
増熱帯サセプタ１２はセラミックファイバよりなる断熱
層１８によって熱的に絶縁されている。コイル１３とコ
イル９とはそれぞれ別個の電源によって制御されておシ
、複数の光温度検出端１４によって鋳型及びサセプタ温
度をモニタすることによシ、制御器１５が作動する。サ
セプタの温度を可及的正確に測定するために、測定対象
部に四部１６を設け、周囲からの輻射の影響を避けるよ
うにした。鋳型温度の測定のためにサセプタに覗き窓１
７を設けた。

サセプタ上部、下部の温度はそれぞれ任意に設定できる
が、上部を最高１４００ｔ、下部を最高１６００Ｃに設
定したときの温度測定結果・を第５図に示す。全長２０
ｍの鋳型の最下部２ｍに対応する位置のサセプタが約１
６００Ｃに加熱されておシ、これに応じてその付近の鋳
型、及び金属の温度が１４００Ｃ近くに引上げられてお
シ、一方、水冷定盤の効果によシ最下部の凝固界面は凝
固温度に保たれているので、結局この付近の温度勾配が
高められる結果となっている。

第５図を第３図と比較すれは、本発明の効果はいっそう
あきらかになる。すなわち、第５図ではコイルを分離し
、特にサセプタを断熱層によシ分離したために増熱帯の
熱は上部に伝播せず、熱絶縁層を隔てて大きな温度差を
保っている。このため鋳型及び金属の温度は凝固界面直
上のみにおいて高められ、他の部分は不必要に昇温しな
い。

この結果、鋳型の最高温度は１４００ｔ：’に抑えられ
ているため、鋳型の割れとか金属との反応はなく、また
溶融金属中の適温度勾配も生じていない。

それにも拘わらず凝固界面の温度勾配は５５　Ｃ／ｌｙ
ｒ。

と高く、これは第１図（Ｂ）の１５００ｔｌｌ’均熱の
場合に匹敵する。この高い温度勾配の下で１０ｃｒ１１
／ｈｒの速度で安定した単結晶成長が可能になった。

要するに、凝固界面直上の温度を引上げることにより界
面の温度勾配を高めるという局部増熱方式の本来の目的
が充分に達せられていなかった従来技術に対して、本発
明は効果的な局部加熱の手段を提供し、上記の本来の目
的の達成を可能にしたものである。

第１表　用いた金属の化学組成（重量％）以上の説明は
Ｎｉ合金の単結晶育成を例にとって詳述したが、本発明
の技術は単結晶に限らず一方向凝固合金に効果的に適用
できることは自明であり、さらに、Ｎｉ合金に限らず、
鋳型引抜方式一方向凝固、もしくはいわゆるブリッヂマ
ンタイプの金属もしくは非金属結晶育成において凝固界
面の温度勾配を大にすることが望まれる場合に有効に適
用できる。

また、以上の説明においては、鋳型加熱方法として！４
コイル及びサセプタを用いる場合を例にとったが、直接
通電抵抗加熱法をとる場合も考え方は同じであって、抵
抗加熱体の温度が上が低く、下が高くなるように制御す
れば本発明の目的を達することができる。その場合は抵
抗体の厚さを下部で薄くするとか、あるいは抵抗体を上
下に分割して別個に制御する、等の手段をとることがで
きる。

また以上の説明は主にサセプタ温度の熱絶縁について述
べたが、サセプタから鋳型への熱輻射に関しても局所化
の工夫を加えることによシ増熱帯の効果はいっそう高め
られる。第６図はこれを模式的に示したもので、増熱帯
サセプタ１２からの輻射熱は断熱層１８及び遮熱体１１
によって上下への発散を防がれ、鋳型の局所に集中され
る。この場合、断熱層１８はサセプタ間の断熱と、サセ
プタから鋳型上部への断熱の両機能を兼ねている。

次に本発明の実施に当って重要なサセプタの局部加熱の
温度と加熱帯長さの適切な選び方についである程度一般
的に説明する。

第２図のようにサセプタ３ｆ、上部の低温部（温度Ｔｉ
ｅ長さＬｔ　）と下部の高温部（温度Ｔｉｔ長さＬ２　
）に分け、Ｌｌ　＋Ｌ２　＝２０ｃｍの場合を例にとる
。定常状態において鋳型上部の温度ははぼサセプタ温度
Ｔ１に近づくので％　Ｔｌ　としては鋳型の耐熱特性か
ら許される可及的高い値ということで選定され、その値
は高々１５００Ｃと考えてよい。ＴＩが決まると、温度
勾配Ｇは局部加熱された高温部のサセプタ温度Ｔ２と、
その長さＬ２に依存する。その状況を理論的にめた結果
を第７図に示す。温度勾配Ｇは長さＬ２が大きいほど大
きく、また、温度ＴｚＫ比例して大きくなる。

図中Ｘ印は、これ以上のＴ２では鋳型白金属の中に逆温
度勾配が生じる限界を示す。すなわち、Ｔ２がこの臨界
値を越えると鋳型上部よシも下部の温度が高くなり、溶
融金属中に熱対流が生じ、単結晶形成にきわめて不都合
になる。

この点から考えるとサセプタの局所加熱長さＬ２が短い
方が、過熱による逆温度勾配発生の危険が少ないことが
第７図かられかる。しかし、その場合には温度Ｔ２を高
くする必要がある。そこで、できるだけ狭い範囲のサセ
プタをできるだけ高温に加熱することが、安全確実に温
度勾配を大きくするための方針となる。この手段として
、（１）前述のように、サセプタの厚さ、鋳型との距離
。

誘導コイルの巻き密度、コイルとサセプタの距離などの
設定、局部加熱用コイルの独立制御を行なうことが望ま
しいが、このｔ＝かに、必要に応じて（２）局部加熱用
コイルを適度に上下移動し、逆温度勾配の対策としてコ
イル下部をサセプタ下端よシも下にはみ出させることも
可能にしておき、これによシ局部加熱域長さを調節する
。（３）局部加熱部のみサセプタを外し、代りに高温ア
ーク電源と凹面鏡の組合わせによる集中的加熱を行なう
、等の工夫を施すことができる。

〔発明の効果〕

本発明の効果は、一方向凝固に局部増熱法を適用する場
合において鋳型及び金属を過度に昇温することなく、凝
固界面の温度勾配を大にすることにアシ、その結果、形
成された結晶の単結晶性。

結晶方向性、その他の内質を改善し、同時に、内質を損
うことなく生産速度を大にすることを可能にするもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術における温度測定例を示す曲線図、第
２図は従来技術の増熱帯を用いた装置の断面図、第３図
は増熱帯を用いた従来技術における温度測定例を示す曲
線図、第４図は本発明の装置の断面図、第５図は本発明
における温度測定例を示す曲線図、ｔｉｇＧ図は本発明
の他の実施例による装置の断面図、第７図は本発明にお
ける加熱温度及び加熱長さの選定基準を説明するグラフ
である。１＋＝・・・セラミックシェル鋳型、２・・・水冷定盤
、３ａ・・・上部サセプタ、４・・・溶融金属、５・・
・多結晶部、６・・・結晶制限回路、７・・・単結晶部
、８・・・凝固界面、９・・・上部誘導コイル、１０・
・・ふた、１１・・・遮熱体、１２・・・増熱帯サセプ
タ、１３・・・増熱帯誘導コイル、１４・・・光温度検
出端、１５・・・制御器、１６・・・サセプタ四部、１
７・・・覗き窓、１８・・・断熱層。特許出願人　工業技術院長　川田裕部第３図折型よ賜り゛らの距難（Ｃ’ｍ）啄　蔚型上掲力゛らのｙ巨碓（ｃｔｎ）第６図／２　（”Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】１、鋳型引出し式一方向凝固結晶製造法において、鋳型
加熱用加熱体を上下方向に複数個に分割して熱的に絶縁
し且つ上部よシも下部が高温度になるように制御するこ
とを特徴とする一方向凝固結晶製造方法。２、特許請求の範囲第１項において、前記鋳型をサセプ
タからの輻射熱を利用して加熱し且つ該サセプタを前記
鋳型加熱用加熱体の分割に合せて熱的に絶縁することを
特徴とする一方向凝固結晶製造方法。