KR20070078778A

KR20070078778A - 박벽 주조를 용이하게 하기 위한 금속 코팅된 코어

Info

Publication number: KR20070078778A
Application number: KR1020060105512A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 제이. 불리드; 조셉 제이. 주니어 파르코스; 죠슈아 이. 펄스키
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2007-08-02
Also published as: US20100276103A1; US7802613B2; JP2007203372A; US20100219325A1; EP1815923A1; CN101011721A

Abstract

인베스트먼트 주조 공정용 코어는, 하나 이상의 세라믹 재료를 포함하는 코어, 및 인베스트먼트 주조 작업 조건 하에서 산화되지 않을 금속 재료의 외층을 구비한다. 내부 통로를 갖는 터빈 엔진 부품을 주조하기 위한 방법은, 적어도 하나의 내부 통로를 갖는 하나 이상의 터빈 엔진 부품을 형성하기 위해 상기 코어중 적어도 하나와 그 각각이 내표면을 갖는 하나 이상의 몰드 섹션을 형성하는 단계, 상기 하나 이상의 몰드 섹션을 조립하는 단계, 상기 하나 이상의 조립된 몰드 섹션에 용융 합금을 도입하는 단계, 및 상기 공정 중에 적어도 하나의 코어의 금속을 소모하는 단계를 포함한다.

세라믹 재료, 내화 금속 코어, 외층, 보호 코팅, 스퍼터링, 몰드 섹션

Description

박벽 주조를 용이하게 하기 위한 금속 코팅된 코어 {METALLIC COATED CORES TO FACILITATE THIN WALL CASTING}

도1은 본 발명의 금속 코팅된 코어의 도시도.

도2는 도1의 금속 코팅된 코어를 채용하는 인베스트먼트 주조 공정의 도시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 코어

12: 외층

본 발명은 인베스트먼트 주조(investment casting)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 박벽 주조에 관한 것이다.

인베스트먼트 주조는 복잡한 형상을 갖는 금속 부품, 특히 중공 부품을 형성하기 위해 일반적으로 사용되는 기술이며, 블레이드와 베인 및 그 중공 에어포일(airfoils)과 같은 초합금 가스 터빈 엔진 부품의 제조에 사용된다.

최신 에어포일 설계는 초박형 금속 벽 및 복잡한 냉각 통로를 갖는다. 주조될 특징부의 크기에 따라서, 이들 냉각 통로는 세라믹 미니-코어로 형성되거나 및/또는 내화 금속 코어로 형성된다. 조합형 특징부는 박벽 영역에서의 금속 양에 관한 세라믹의 큰 표면적으로 인해 냉각 통로를 성공적으로 주조하기가 극히 어렵다. 세라믹 대 용융 금속 접촉은 이러한 접촉과 연관된 높은 표면 장력을 갖는다. 세라믹은 비충진(non-fill) 결함을 쉽게 초래하는 '수침(水浸: wet out)'되지 않는다.

따라서, 인베스트먼트 주조 공정에 있어서의 개선의 여지가 있다.

본 발명에 따르면, 인베스트먼트 주조 공정용 코어는 일반적으로, 하나 이상의 세라믹 재료, 하나 이상의 내화 금속 코어, 또는 상기 세라믹 재료와 상기 내화 금속 코어 양자를 포함하는 코어, 및 주조 재료와 친화적인 금속의 외층을 포함한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 내부 통로를 갖는 터빈 엔진 부품을 주조하기 위한 방법은, 적어도 하나의 내부 통로를 갖는 하나 이상의 터빈 엔진 부품을 형성하기 위해 주조 재료와 친화적인 금속의 층을 포함하는 적어도 하나의 코어 및 그 각각이 내표면을 갖는 하나 이상의 몰드 섹션을 형성하는 단계, 상기 하나 이상의 몰드 섹션을 조립하는 단계, 상기 하나 이상의 조립된 몰드 섹션에 용융 합금을 도입하는 단계, 및 상기 적어도 하나의 코어의 상기 금속의 상기 층을 소모하는 단계를 포함한다.

본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세는 첨부도면 및 하기 설명에 나타나 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 장점은 상세한 설명과 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.

여러 도면에서 유사한 도면부호 및 칭호는 유사한 구성요소를 나타낸다.

<실시예>

본원에 개시된 물품 및 방법은 복잡한 구조적 특징부의 주조를 용이하게 하는 한편 세라믹 대 용융 금속 접촉 사이의 표면 장력으로 인해 '수침'되지 않는 것과 연관된 부품 결함을 감소시키기 위한 것이다. 본 방법은 인베스트먼트 주조 공정의 왁스 분사 작업 이전에 세라믹 코어와 내화 금속 코어를 금속 함유 재료로 코팅하는 것을 포함한다. 금속 코팅은 상기 공정 중에 세라믹 대 용융 금속 접촉을 방지하며, 대신에 세라믹 대 용융 금속 접촉보다 훨씬 낮은 표면 장력이 연관되는 금속 대 금속 접촉을 제공한다. 낮은 표면 장력은 예를 들어 복잡한 냉각 통로와 같은 박벽 특징부의 충진을 용이하게 하며, 부품 변형 및 결함을 감소시킨다.

이제 도1을 참조하면, 인베스트먼트 주조 공정에 사용하기 위한 코어(10)가 도시되어 있다. 코어(10)는 일반적으로, 당업자에게 공지된 하나 이상의 세라믹 재료, 당업자에게 공지된 하나 이상의 RMC(refractory metal core: 내화 금속 코어) 재료, 및 세라믹 재료와 RMC 재료 양자의 조합으로 조성되는 거의 원통형 형상을 갖는다. 예를 들어, 상기 세라믹 재료는 전술한 세라믹 재료 중 적어도 하나를 포함하는 실리카 기초, 알루미나 기초 혼합물 등을 포함하지만 이것에 한정되지는 않는다. 상기 RMC 재료는 몰리브덴, 니오브, 탄탈, 텅스텐 등을 포함할 수 있지만 이것에 한정되지는 않는다. 당업자에게 공지되어 있듯이, 이러한 RMC 재료는 용융 금속에 의한 산화 및 침식을 방지하기 위해 실리카, 알루미나, 지르코니아, 크로미아, 멀라이트, 하프니아와 같은 보호 코팅을 포함할 수 있다.

코어(10)의 외표면 주위에는 금속 재료를 포함하는 외층(12)이 배치될 수 있다. 금속 재료는 일반적으로 인베스트먼트 주조 작업 조건 하에서 산화될 것 같지 않은 금속을 포함한다. 예를 들어, 외층(12)의 금속 재료는 금, 백금과 같은 비제한적인 귀금속, 및 전술한 귀금속 중 적어도 하나를 포함하는 조합체를 포함할 수 있다. 선택되는 금속은 성형 부품을 형성하기 위해 주조되는 용융 금속과 친화적인 것이 바람직하다.

외층(12)은 일반적으로 당업자에게 공지되어 있듯이 바람직한 금속 대 금속 접촉을 제공하기에 충분한 두께를 갖는다. 외층(12)의 금속은 당업자에게 공지된 수많은 증착 기술중 임의의 것에 의해 도포될 수 있다. 예를 들어, 금속은 당업자에게 공지된 임의 개수의 스퍼터링 기술을 사용하여 코어(10) 상에 스퍼터링될 수 있다. 또한, 다른 예에서, 금속은 당업자에게 공지된 임의 개수의 도금 기술을 사용하여 코어(10) 상에 외층(12)을 형성하도록 도금될 수 있다. 당업자에게 공지되어 있듯이, 스퍼터링 기술은 예를 들어 천분의 십 인치 내지 천분의 백 인치 두께의 매우 얇은 층을 제조한다. 도금 기술 역시 비견될 수 있는 두께의 층을 제조할 수 있다. 설명했듯이, 주조 재료와 친화적인 금속은 귀금속 및/또는 Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 71판, p.1-0(1990-91)에 나타나 있는 원소 주기율표의 Ⅷ족, ⅧA족, 및 IB족으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있다. 또한 코 어(10)에 외층(12)을 도포할 때 희가스(noble gas)와 같은 불활성 분위기가 사용될 때 추가 금속이 채용될 수 있을 것으로 생각된다.

전술했듯이, 금속 재료의 외층(12)은 인베스트먼트 주조 공정 중에 세라믹 대 금속 접촉을 방지하고, 대신에 보다 낮은 표면 장력이 연관되는 금속 대 금속 접촉을 제공한다. 낮은 표면 장력은 예를 들어 복잡한 냉각 통로와 같은 박벽 특징부의 충진을 용이하게 하며, 부품 변형 및 결함을 감소시킨다.

금속 코팅된 코어(10)는 당업자에게 공지된 임의의 인베스트먼트 주조 공정에서 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 금속 코팅된 코어(10)는 중공 내부를 갖는 부품이 주조되고 있을 때는 언제나 사용될 수 있다. 도시를 위해서, 비제한적인 의미에서, 도2는 인베스트먼트 주조 공정에서 본원에 개시된 금속 코팅된 코어(10)를 사용하기 위한 예시적인 일련의 단계를 도시한다. 중공 내부를 형성하기 위해 그 안에 배치되는 하나 이상의 금속 코팅된 코어(10)를 갖는 하부 다이 절반부에 베이스 플레이트가 배치되고(20), 하부 다이 절반부와 상부 다이 절반부가 조립된다(22). 층을 형성하기 위해 왁스 또는 유사 재료가 분사된다(24). 상기 왁스는 냉각될 수 있다(26). 상기 다이 절반부가 분리되고(28) 베이스 플레이트는 층이 부착된 상태에서 제거된다(30).

베이스 플레이트의 준비와 병행하여, 상부 플레이트 및 로드(rods)가 준비될 수 있다(32). 이 준비는 주입 원추체(pour cone)를 상부 플레이트에 고정하는 것과, 상부 플레이트 및 로드의 잔여 표면 부분에 왁스 또는 기타 이형제(release agent)의 얇은 층을 도포하여 궁극적으로 코팅으로부터의 이형을 용이하게 하는 것 을 포함할 수 있다. 로드는 상부 플레이트에 사전조립될 수 있거나, 이는 로드가 베이스 플레이트에 고정되는 후속 고정 조립 단계(34)에서 이루어질 수 있다. 층의 부분으로서 예비성형되지(premolded) 않으면, 왁스 스페이서 또는 다른 패턴 설치 특징부가 예를 들어 왁스 웰딩을 통해서 층에 고정될 수 있다(36). 이들 패턴은 이후 (예를 들면, 피더(feeder) 및 임의의 추가적인 왁스 성분과 함께 왁스 웰딩에 의해) 위치설정 및 고정될 수 있다(38). 코팅은 습식 또는 건식 침지(dipping) 및 습식 또는 건식 분사의 조합을 포함하는 하나 이상의 단계에서 적용될 수 있다(40). 코팅 중에, 와이퍼(wiper)는 상부 및 베이스 플레이트 둘레면을 깨끗하게 유지한다. 이는 후속되는 셸로부터의 상부 및 베이스 플레이트 결합해제를 용이하게 한다. 코팅 단계 사이에 건조 단계가 있을 수 있다.

최종 건조 이후에, 상부 플레이트가 제거될 수 있다(42). 왁스는 예를 들어 증기 가압멸균기(autoclave)에서의 탈왁스(dewax) 공정(44)을 통해서 제거될 수 있다. 탈왁스 공정 이후, 베이스 플레이트 및 로드는 하나의 유닛으로서 제거될 수 있으며(46), 그 재사용을 위해 로드는 베이스 플레이트로부터 조립해제될 수 있다. 이후 셸은 (예를 들어, 로드를 커버한 부분을 구비하는 베이스 주변부를 제거하기 위해서 또한 주입 원추체 주위에서 상측 부분을 다듬질하기 위해) 다듬질될 수 있다(48). 셸에 사소한 결함이 있을 경우, 이는 패치될 수 있다(50). 셸 아래쪽은 샌드페이퍼 가공될 수 있다(52). 셸은 강화를 위해 소성될 수 있으며(54), 소정의 결정 방위를 형성하는데 필요하다면 시드(seed)처리될 수 있다(56). 셸은 이후 주조 노(furnace)에 설치될 수 있고(58), 용융 금속이 도입될 수 있다(60). 용융 금 속은 의도된 금속 대 금속 접촉 및 소망의 감소된 표면 장력을 동시에 촉진하는 금속 코팅된 코어(10)의 외부 금속 재료층(14)을 소비한다. 금속의 냉각(62) 이후, 금속 부분은 디셸(deshell)될 수 있다(64). 기계가공(66)은 부품들을 상호 분리시키고, 추가 잉여 재료를 제거하여, 소정의 외부 및 내부 부품 프로파일을 제공할 수 있다. 기계가공 이후 처리(68)는 열처리 또는 화학처리, 코팅 등을 포함할 수 있다.

금속코팅된 코어 및 본원에 개시된 상기 코어의 사용 방법은 비-금속코팅된 코어 및 그 종래의 사용 방법에 비해 상당한 장점을 제공한다. 본원에 개시된 금속 코팅은 인베스트먼트 주조 공정 중에 세라믹 대 용융금속 접촉을 방지하며, 대신에 훨씬 낮은 표면 장력이 연관되는 금속 대 금속 접촉을 제공한다. 낮은 표면 장력은 예를 들어 복잡한 냉각 통로와 같은 박벽 특징부의 충진을 용이하게 하며, 부품 변형 및 결함을 감소시킨다. 인베스트먼트 주조 공정에 금속 코팅된 코어를 사용함으로써, 복잡한 특징부를 갖는 박벽 중공 부품이 일관되게 주조될 수 있으며 이 결과는 재현될 수 있다.

본 발명은, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 모드를 예시할 뿐이고 부품의 형태, 크기, 배치 및 작동 상세가 변형될 수 있는, 본원에 개시 및 도시된 설명에 한정되지 않음을 알아야 한다. 본 발명은 청구범위에 의해 한정되는 그 정신 및 범위에 포함되는 모든 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

인베스트먼트 주조 공정용 코어이며,

하나 이상의 세라믹 재료, 하나 이상의 내화 금속 코어, 또는 상기 세라믹 재료와 상기 내화 금속 코어 양자를 포함하는 코어와,

주조 재료와 친화적인 금속의 외층을 포함하는 코어.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 세라믹 재료는 실리카 기초 세라믹 재료, 알루미나 기초 세라믹 재료, 및 그 조합으로 구성되는 그룹에서 선택되는 코어.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 내화 금속 코어는 몰리브덴, 니오브, 탄탈, 및 텅스텐으로 구성되는 그룹에서 선택되는 코어.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 내화 금속 코어는 실리카, 알루미나, 지르코니아, 크로미아, 멀라이트, 및 하프니아로 구성되는 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 보호 코팅을 구비하는 코어.
제1항에 있어서, 상기 금속은 귀금속을 포함하는 코어.
제1항에 있어서, 상기 금속은 Ⅷ족, ⅧA족, 및 IB족으로 구성되는 그룹에서 선택된 금속을 포함하는 코어.
제1항에 있어서, 상기 금속의 상기 외층은 스퍼터링된 금속 재료의 층인 코어.
제1항에 있어서, 상기 금속의 상기 층은 도금된 금속 재료의 층인 코어.
내부 통로를 갖는 터빈 엔진 부품을 주조하기 위한 방법이며,

적어도 하나의 내부 통로를 갖는 하나 이상의 터빈 엔진 부품을 형성하기 위해 주조 재료와 친화적인 금속의 층을 포함하는 적어도 하나의 코어 및 내표면을 각각 갖는 하나 이상의 몰드 섹션을 형성하는 단계와,

상기 하나 이상의 몰드 섹션을 조립하는 단계와,

상기 하나 이상의 조립된 몰드 섹션에 용융 합금을 도입하는 단계와,

상기 적어도 하나의 코어의 상기 금속의 상기 층을 소모하는 단계를 포함하는 주조 방법.
제9항에 있어서, 상기 용융 합금 도입 단계는 상기 용융 합금을 상기 조립된 하나 이상의 몰드 섹션에 동시에 도입하는 단계를 포함하는 주조 방법.
제9항에 있어서, 상기 조립 단계는 상기 하나 이상의 몰드 섹션을 분배 매니 폴드와 조립하는 단계를 포함하는 주조 방법.
제9항에 있어서, 상기 형성 단계는,

플레이트 위에 희생 터빈 엔진 부품 패턴을 조립하는 단계,

상기 조립된 희생 터빈 엔진 부품 패턴에 셸을 적용하는 단계와,

상기 셸을 가열하여 상기 희생 터빈 엔진 부품 패턴 각각의 적어도 일부를 용융하는 단계를 포함하는 주조 방법.