KR20120106790A

KR20120106790A - 중공 구성 요소용 인베스트먼트 주조 프로세스

Info

Publication number: KR20120106790A
Application number: KR1020127017689A
Authority: KR
Inventors: 개리. 비. 메를릴; 앤드류 제이. 번스; 마이클 피. 어플레비; 라인 에이. 플래저; 존 알. 파울러스
Original assignee: 미크로 시스템즈, 인코포레이티드; 지멘스 에너지, 인코포레이티드
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-09-26
Also published as: US20160167115A1; US20110132563A1; EP2509728B1; US20110132564A1; WO2011070557A2; EP2509726B1; JP5693607B2; WO2011070557A8; KR101440872B1; WO2011070557A3; EP2509726A2; WO2011071975A2; CN102753284B; JP2013512783A; EP2509728A2; US9272324B2; CN102753284A; WO2011071975A3

Abstract

저압의 진동 보조 주조 프로세스를 사용하여 가요성 몰드(24) 내에 주조되는 세라믹 코어(10)를 이용하는 가스 터빈 블레이드와 같은 중공 구성 요소를 위한 인베스트먼트 주조 프로세스가 개시된다. 가요성 몰드는 비교적 낮은 정밀도 가공 프로세스를 사용하여 연성 금속으로부터 가공된 마스터 공구(14)로부터 주조되고, 비교적 높은 정밀도 표면은 마스터 공구 내에 합체된 정밀 성형된 인서트(22)에 의해 형성된다. 복수의 동일한 가요성 몰드가 원하는 부분간 정밀도를 갖고 원하는 비율로 세라믹 코어의 제조를 허용하기 위해 단일 마스터 공구로부터 형성될 수 있다.

Description

중공 구성 요소용 인베스트먼트 주조 프로세스 {INVESTMENT CASTING PROCESS FOR HOLLOW COMPONENTS}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 그대로 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 미국 가특허 출원 제61/267,519호(대리인 문서 번호 2009P22785US)의 2009년 12월 8일 출원일의 이득을 청구한다.

발명의 분야

본 발명은 인베스트먼트 주조(investment casting)의 분야에 관한 것이다.

인베스트먼트 주조는 구리, 청동 및 금과 같은 금속으로부터 상세한 수공예품을 제조하는데 최초로 사용되었던 때로 수천년을 거슬러 올라가는 가장 오래된 알려진 금속 성형 프로세스 중 하나이다. 산업적 인베스트먼트 주조는 세계 2차 대전이 특정화된 금속 합금으로 형성된 정밀한 치수의 부분에 대한 수요를 증가시킬 때였던 1940년대에 더 일반화되었다. 현재, 인베스트먼트 주조는 복잡한 에어포일(airfoil) 형상 및 내부 냉각 통로 기하학 구조를 갖는 블레이드 또는 베인(vane)과 같은 가스 터빈을 제조하기 위해 항공 우주 및 전력 산업에 통상적으로 사용되고 있다.

인베스트먼트 주조 가스 터빈 블레이드 또는 베인의 제조는 에어포일 형상에 대응하는 내부면을 갖는 외부 세라믹 외피(shell)와 에어포일 내에 형성될 내부 냉각 통로에 대응하는 외부 세라믹 외피 내에 위치된 하나 이상의 세라믹 코어를 갖는 세라믹 주조 몰드를 제조하는 것을 수반한다. 용융 합금은 세라믹 주조 몰드 내로 도입되고 이어서 냉각되어 경화되게 된다. 외부 세라믹 외피 및 세라믹 코어(들)는 이어서 기계적 또는 화학적 수단에 의해 제거되어 외부 에어포일 형상 및 세라믹 코어(들)의 형상의 중공 내부 냉각 통로를 갖는 주조 블레이드 또는 베인을 드러낸다.

사출 주조(injection casting)용 세라믹 코어는 먼저 고강도 경화 기계강으로 형성된 정합 코어 몰드 반부들 내로 원하는 코어 형상을 정밀 가공하고, 이어서 원하는 코어 형상에 대응하는 사출 체적을 형성하기 위해 몰드 반부들을 결합하고, 사출 체적 내로 세라믹 성형 재료를 진공 사출함으로써 제조된다. 성형 재료는 세라믹 분말과 결합제 재료의 혼합물이다. 일단, 세라믹 성형 재료가 그린 상태(green state)로 경화되면, 몰드 반부들은 그린 상태 세라믹 코어를 이형하도록 분리된다. 취약한 그린 상태 코어는 이어서 열처리되어 결합제를 제거하고 세라믹 분말을 함께 소결하여 용융 합금의 주조를 생존하는데 필요한 온도 요건을 견딜 수 있는 재료를 생성한다. 완전한 세라믹 주조 용기는 블레이드의 원하는 에어포일 형상에 대응하는 사출 체적을 형성하는 다른 정밀 가공된 경화강 몰드(왁스 패턴 몰드 또는 왁스 패턴 공구라 칭함)의 2개의 결합된 반부 내에 세라믹 코어를 위치시키고, 이어서 세라믹 코어 주위에서 왁스 몰드 내로 용융된 왁스를 진공 사출함으로써 형성된다. 일단 왁스가 경화되면, 왁스 몰드 반부들은 분리되고 제거되어 왁스 패턴 내부에 포위된 세라믹 코어를 드러내고, 왁스 패턴은 이제 에어포일 형상에 대응한다. 왁스 패턴의 외부면은 이어서 예를 들어 침지(dipping) 프로세스에 의해 세라믹 몰드 재료로 코팅되어 코어/왁스 패턴 주위에 세라믹 외피를 형성한다. 외피의 소결 및 왁스의 결과적인 제거시에, 완성된 세라믹 주조 용기는 전술된 바와 같이 인베스트먼트 주조 프로세스에서 용융 합금을 수용하도록 이용 가능하다.

공지의 인베스트먼트 주조 프로세스는 고비용이고 시간 소모적이고, 신규한 블레이드 또는 베인 디자인의 개발은 통상적으로 완성하는데 수개월 및 수십만 달러를 소요한다. 더욱이, 디자인 선택은 이들의 취약성 및 미세한 특징부 또는 큰 크기를 갖는 코어를 위한 허용 가능한 수율을 성취하지 못하는 무능력 때문에 세라믹 코어의 제조시에 프로세스 제한에 의해 제한된다. 금속 성형 산업은 이들 제한을 인식하였고, 미국 특허 제7,438,527호에 설명된 에어포일 후단 에지(trailing edge) 냉각 채널을 주조하기 위한 향상된 프로세스와 같은 적어도 몇몇 증분식 향상(incremental improvement)으로 개발되었다. 시장에서 가스 터빈 엔진으로부터의 더욱 더 높은 효율 및 동력 출력을 요구함에 따라, 현존하는 인베스트먼트 주조 프로세스의 제한이 더욱 더 문제점이 되고 있다.

증분식 향상은 인베스트먼트 주조 기술의 분야에서 제시되어 왔지만, 본 발명자들은 산업이 다수의 분야에서, 예를 들어 연소의 효율을 향상시키기 위해 연소 온도가 계속 증가되고 가스 터빈 고온 가스 경로 구성 요소 크기가 전력 레벨이 상승함에 따라 계속 증가되는 차세대 가스 터빈 엔진에서 계획된 진보를 위한 구성 요소 디자인을 상당하게 억제할 수 있는 기본적인 제한에 직면하고 있다는 것을 인식하고 있다. 가스 터빈 연소 온도는 연소의 효율을 향상시키기 위해 계속 증가되고 있고, 가스 터빈 고온 가스 경로 구성 요소는 동력 레벨이 상승됨에 따라 계속 증가하고 있고, 따라서 길이가 미터를 초과하는 내부 냉각식 제4 스테이지 가스 터빈 블레이드를 설계할 필요가 있다. 어떠한 이러한 블레이드도 지금까지 제조되어 있지 않았고, 또한 이러한 블레이드가 현재의 현존하는 기술로 효과적으로 제조될 수 있다고 고려되지도 않았다. 종래의 터빈에서, 이용 가능한 초합금의 고온 능력에 기인하여 제4 스테이지의 내부 냉각을 위한 요구가 존재하지 않았다. 증가된 연소 온도에 기인하여, 차세대 제4 스테이지 터빈 블레이드는 이들 공지의 합금의 작동 한계를 초과할 것이고 구성 요소의 완전성을 보호하기 위해 능동 내부 냉각 통로를 필요로 할 것이다. 그러나, 이들 신규한 블레이드의 복잡한 냉각 디자인 및 계획된 크기에 기인하여, 이러한 냉각 통로의 인베스트먼트 주조를 위해 필요할 수 있는 세라믹 코어는 현존하는 인베스트먼트 주조 프로세스의 상업적으로 실용적인 능력 밖에 있다. 유사한 제한이 원하는 디자인이 주조 능력을 초과하기 때문에 다른 산업에서 경험될 수 있다.

그 결과, 본 발명자들은 인베스트먼트 주조를 위한 전적으로 새로운 양태를 개발하였고 본 명세서에 개시하고 있다. 이 신규한 양태는 현존하는 능력을 확장하고 세밀화할 뿐만 아니라, 부품 설계자를 위한 신규한 이전에는 이용 불가능했던 디자인 실용성을 제공한다. 그 결과, 본 명세서에 개시된 프로세스는 현재 이용 가능한 기하학 구조보다 크거나 작을 수 있는 특징 기하학 구조를 갖는 주조 금속 합금 구성 요소의 적시의 비용 효율적인 제조를 가능하게 하고, 더 복잡하거나 이전에는 절대 주조될 수 없었던 형상일 수 있고, 이전에는 얻을 수 없었지만 제4 스테이지 내부 냉각식 가스 터빈 블레이드 내의 매우 길고 얇은 냉각 통로에 대해 현재 요구되는 특징 형상비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 본 발명은 예측 가능한 요구를 넘어 주조 기술을 이전하고, 디자인 제한이 있는 것으로부터 주조 프로세스를 제거하고, 이에 의해 설계자가 주조 합금 및 외부에서 도포되는 열 배리어 코팅의 재료 특성의 한계로 디자인을 재차 확장시킬 수 있게 한다.

본 명세서에 설명되는 인베스트먼트 주조 양태는 인베스트먼트 주조 프로세스에서 다수의 단계에서 신규하고 향상된 프로세스를 포함한다. 신규한 양태의 특정 양태가 이하에 더 상세히 설명되고 본 명세서에 청구되지만, 이하의 요약 설명은 개별 단계의 이득 및 이들 사이의 시너지 효과가 이해될 수 있도록 전체 프로세스를 독자에게 주지시키도록 제공되어 있다.

본 명세서에 설명된 양태에 따른 예시적인 인베스트먼트 주조는 연성 금속, 즉 알루미늄 또는 연강과 같은 비교적 연성이고 용이하게 가공되는 저가의 재료(현재 사용되는 고강도 기계강)로부터 가공되는 마스터 몰드를 사용하여 인베스트먼트 주조 몰드용 세라믹 코어의 제조로 시작할 수 있다. 원하는 세라믹 코어 형상의 2개의 대향하는 측면의 각각에 하나씩 대응하는 2개의 마스터 몰드 반부가 형성된다. 각각의 마스터 몰드 내에는 함께 결합될 때 원하는 세라믹 코어 형상에 대응하는 내부 체적을 형성하는 2개의 협동 가요성 몰드 반부를 형성하도록 가요성 몰드 재료가 주조된다. 세라믹 몰드 재료는 이어서 가요성 몰드 내로 주조되고 그린 상태로 경화된다.

마스터 몰드를 제조하는 비용 및 시간은 용이하게 가공되는 재료의 사용에 의해 최소화된다. 그러나, 차세대 가스 터빈 엔진을 위한 진보된 디자인 특징은 이러한 재료에 표준 가공 프로세스를 양호하게 사용하여 이행되지 않을 수 있다. 따라서, 마스터 몰드 반부의 적어도 일부는 정밀하게 성형된 인서트를 수용하도록 설계될 수 있다. 인서트는 모두 미국 버지니아주 샬롯츠빌 소재의 미크로 시스템즈 인크(Mikro Systems, Inc.)에 양도되고 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 미국 특허 제7,141,812호, 제7,410,606호 및 제7,411,204호에 설명되어 있는 토모 프로세스(Tomo process)와 같은 임의의 공지의 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 토모 프로세스는 가요성 유도 몰드를 제조하기 위해 금속 포일 스택 적층 몰드의 사용을 수반하고, 이어서 구성 요소부를 주조하는데 사용된다. 구성 요소 디자인은 디지털 모델로 먼저 구체화되고, 이어서 디지털 방식으로 슬라이스되고, 금속 포일은 포토리소그래피 또는 다른 정밀 재료 제거 프로세스를 사용하여 각각의 슬라이스에 대응하여 형성된다. 2차원 재료 제거 프로세스의 고유의 정밀도는 제3 차원에서 다양한 슬라이스의 두께를 제어하는 설계자의 능력과 조합하여, 표준 몰드 가공 프로세스를 사용하여 이전에 이용 가능하지 않았던 소정 정도의 3차원 제조 공차 정밀도를 제공한다. 포일은 적합한 가요성 성형 재료를 수용하기 위한 적층 몰드를 형성하도록 함께 적층된다. 용어 "가요성"은 본 명세서에서 실온 가황(RTV) 실리콘 고무와 같은 재료 또는 종래의 금속 몰드와 같이 강성이 아니지만 그 내부에 주조된 구조체로부터 몰드의 제거를 용이하게 하기 위한 정도로 몰드가 만곡되고 신장될 수 있게 하는 "가요성 몰드"를 형성하는데 사용될 수 있는 다른 재료를 칭하는데 사용된다. 더욱이, 용어 "가요성 몰드" 및 "가요성 공구"는 자립형 가요성 구조체 뿐만 아니라 강성 코핀 몰드 내에 포함된 가요성 라이너 또는 인서트를 포함하는 것으로 본 명세서에 사용될 수 있다. 구성 요소는 이어서 가요성 몰드 내에 직접 주조된다. 몰드 재료의 가요성은 주조부가 몰드로부터 견인 제거될 때 특징부 주위에서 변형하는 가요성 몰드 재료의 능력에 기인하여 돌출 언더컷(undercut) 및 역단면 테이퍼를 갖는 구성 요소 특징부의 주조를 가능하게 한다.

이 방식으로, 길고 평활한 채널 섹션과 같은 비교적 낮은 레벨의 상세를 갖는 세라믹 코어의 부분이 저가의 표준 가공 프로세스를 사용하여 마스터 몰드 내로 이행될 수 있고, 반면에 마이크로 크기 표면 터뷸레이터(turbulator) 또는 복잡한 통로 형상과 같은 비교적 높은 레벨의 상세를 갖는 세라믹 코어의 다른 부분은 정밀 몰드 인서트를 사용하여 마스터 몰드 내로 이행될 수 있다. 더욱이, 다수의 코어의 사용을 필요로 하는 채널 디자인을 냉각하기 위해, 몰드 인서트는 다수의 코어가 왁스 몰드 내에 공동으로 위치될 때 각각의 코어의 결합 기하학 구조가 기계적으로 상호 체결되어 다수의 코어가 후속의 사출 프로세스 중에 단일 코어로서 기능하게 하도록 다수의 코어의 각각에 정밀한 협동 결합 기하학 구조를 형성하는데 사용될 수 있다.

본 발명이 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명에서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 양태에 따라 제조될 수 있는 바와 같은 세라믹 코어를 도시하고 있는 도면.
도 2는 본 발명의 단계 중에 사용될 수 있는 바와 같은 종래의 전산화 디자인 시스템을 도시하고 있는 도면.
도 3은 정밀 인서트를 구비하는 마스터 공구의 2개의 반부를 도시하고 있는 도면.
도 4는 마스터 공구 내에 주조되는 가요성 몰드를 도시하고 있는 도면.
도 5는 세라믹 코어의 형상에 대응하는 캐비티를 형성하도록 조립되는 가요성 몰드를 도시하고 있는 도면.
도 6은 가요성 몰드 내에 주조되는 세라믹 코어를 도시하고 있는 도면.

도 1 내지 도 6은 인베스트먼트 주조 용례를 위한 세라믹 코어를 제조하기 위한 프로세스의 단계를 도시하고 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 원하는 형상을 갖는 세라믹 코어(10)와 같은 부분의 디지털 모델이 도 2에서와 같이 임의의 공지된 전산화 디자인 시스템(12)을 사용하여 형성된다. 모델은 적어도 2개의 부분으로, 일반적으로 절반으로 디지털식으로 슬라이스되고, 마스터 공구(14)는 전통적인 가공 프로세스 및 알루미늄 또는 연강과 같은 임의의 연성 금속을 포함하는 비교적 저가의 가공이 용이한 재료를 사용하여 디지털 모델로부터 제조된다. 정렬 특징부(16)는 2개의 반부의 후속의 결합을 위해 디지털 모델에 추가될 수 있다. 마스터 공구의 원하는 표면 특징부가 전통적인 가공 프로세스를 사용하여 형성될 수 없으면, 정밀 성형된 인서트(22)는 원하는 표면 특징부를 구비하도록 마스터 몰드 내에 설치될 수 있다. 인서트는 토모 프로세스, 스테레오 리소그래피, 직접 금속 제조 또는 다른 고정밀 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. 전체 툴링 표면은 이어서 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 가공된 표면(18)과 인서트 표면(20)의 혼성(hybrid)이고, 여기서 각각의 마스터 공구 섹션은 정밀 성형된 인서트를 포함한다. 가요성 몰드(24)는 이어서 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 마스터 공구로부터 주조된다. 가요성 몰드는 이어서 동시 정렬되고(co-aligned) 함께 인발되어 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 원하는 코어 형상에 대응하는 캐비티(26)를 형성한다. 캐비티는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 세라믹 주조 재료(28)의 슬러리로 충전된다. 가요성 몰드는 일단 세라믹 주조 재료가 그린 상태로 경화되어 세라믹 코어(10)를 드러내면 분리된다. 세라믹 코어는 복잡한 표면 토포그래피 또는 정밀 성형된 조인트 기하학 구조와 같은 정밀 몰드 인서트 내에 먼저 생성된 표면 특징부를 복제한다. 예를 들어, 더브테일(dovetail) 조인트가 제2 정합 코어 세그먼트 내에 형성된 대응 기하학 구조와 기계적 결합을 위해 2개의 세라믹 코어 세그먼트 중 첫 번째 세그먼트에 형성될 수 있다. 마스터 공구 인서트는 대부분의 코어가 동일하게 유지되지만 대안적인 디자인이 코어의 일 부분을 위해 시험되는 개발 시험 중에 대안적인 디자인 체계의 신속한 원형(prototype) 시험을 위해 또한 유용할 수 있다. 각각의 대안적인 디자인에 대한 완전히 신규한 마스터 공구를 제조하는 대신에, 단지 신규한 인서트만이 형성될 필요가 있다.

종래의 인베스트먼트 주조 프로세스는, 다수의 세라믹 코어가 고압 사출 프로세스를 사용하여 단일의 마스터 공구로부터 직접 주조되기 때문에, 높은 비용의 사용을 필요로 하고 마스터 공구를 위한 경질의 공구강 재료를 가공하기가 어렵다. 높은 비용은 공구가 부분적으로는 다수의 견인 평면 내의 주조 코어로부터 강성 공구를 제거하는 것이 가능할 필요에 기인하여 고도로 가공된 다부분 시스템이기 때문에 발생한다. 경질 공구강이 요구되는데, 이는 세라믹 재료가 고압 사출 프로세스 중에 연마될 수 있기 때문이다. 반대로, 본 발명은 상기에 인용된 미국 특허 제7,141,812호, 제7,410,606호 및 제7,411,204호에 설명된 바와 같이 가요성(예를 들어, 고무) 몰드 재료의 저압 또는 진공 보조 주조를 위해서만 마스터 공구를 사용한다. 따라서, 예를 들어 일 실시예에서 시리즈 7000 알루미늄 합금과 같은 저강도의 비교적 연성의 가공이 용이한 재료가 마스터 공구를 위해 사용될 수 있다. 이는 종래 기술의 프로세스에 비해서 상당한 시간과 비용의 절약을 초래한다.

본 발명에서 이용될 수 있는 다른 기술은 미국 버지니아주 샬롯츠빌 소재의 미크로 시스템즈 인크에 또한 양도되고 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 계류중인 국제 특허 출원 PCT/US2009/58220호에 설명되어 있다. 이 출원은 그 완전히 소결된 상태에서 현존하는 세라믹 코어 성형 재료를 모방하지만, 현존하는 재료와 비교할 때 상당히 향상된 그린 본체 강도를 제공하는 세라믹 성형 조성물을 설명하고 있다. 이러한 향상된 성형 조성물을 현재의 주조 양태에 합체하는 것은 허용 불가능하게 높은 파괴율 없이 이들의 그린 상태에서 이전에 생존하여 취급할 수 없었던 코어 기하학 구조의 생성을 용이하게 한다. 향상된 그린 상태 강도는, 코어 특징부의 형상이 몰드로부터 코어를 제거하기 위해 몰드가 주조 재료 주위에서 변형되어야 하도록 이루어질 때 가요성 몰드로부터 세라믹 코어의 제거 중에 특히 중요하다. 가요성 몰드 내에 주조된 세라믹 재료는 이들이 그린 본체 세라믹 코어의 제거 중에 가요성 몰드의 일부 만곡을 필요로 하는 돌출 언더컷 또는 비평행 견인 평면 특징부를 포함할 때에도 이러한 주조 특징부가 몰드로부터 제거될 수 있게 하기 위한 적절한 그린 본체 강도를 가져야 한다.

국제 특허 출원 PCT/US2009/58220호에 설명된 세라믹 주조 재료는 종래의 세라믹 코어 주조 재료보다 낮은 슬러리로서의 점도를 나타내어, 이에 의해 도 6의 단계가 예를 들어 본 명세서에서 사용을 위해 30 psi(0.2 MPa)(게이지) 이하, 일 실시예에서 10 내지 15 psi(0.07 MPa 내지 0.1 MPa)로서 정의되는 낮은 압력에서 수행될 수 있게 한다. 이러한 낮은 압력은 가요성 몰드 내로 사출에 적합하다. 반대로, 종래의 세라믹 코어 재료 사출은 통상적으로 더 높은 크기의 정도의 압력에서 수행된다. 본 발명자들은 주조 재료의 진동 보조식 사출이 재료의 원활한 유동 및 몰드 캐비티 전체에 걸친 재료의 세라믹 입자의 균일한 분포를 보장하는 것을 도울 수 있다. 몰드의 가요성은 유동 주조 재료 내에 진동을 부여하는 것을 용이하게 한다. 일 실시예에서, 당 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같은 하나 이상의 소형 기계적 진동기(30)가 도 3의 단계에서 몰드의 제조 중에 가요성 몰드 자체 내에 매립된다. 진동기는 이어서 몰드 전체에 걸친 슬러리의 세라믹 입자의 분포 및 재료의 유동을 향상시키는 패턴으로 세라믹 성형 재료의 도 6의 사출 중에 활성화될 수 있다. 예를 들어 임의의 유형의 센서(압력 또는 온도 센서와 같은), 열원 또는 냉각원 및/또는 원격 측정 회로 및/또는 데이터 전송을 위한 안테나와 같은 다른 유형의 능동 디바이스(32)가 가요성 몰드 내에 매립될 수 있다.

일 실시예에서, 세라믹 주조 재료의 에폭시 함량은 실리카계 슬러리 내에서 28 중량%에서 3 중량% 정도까지의 낮은 범위일 수 있다. 상표명 Momentive SR355 또는 Dow 255 하에서 시판되는 것과 같은 실리콘 수지가 상업적으로 입수 가능한 재료일 수 있다. 이 함량은 3 중량%에서 30 중량% 정도까지의 높은 범위일 수 있다. 혼합물은 200 메시 실리카 또는 더욱더 거친 그레인을 사용할 수 있다. 용제 함량은 일반적으로 주조 가능한 슬러리를 허용하기 위해 다른 수지가 감소함에 따라 상승한다. 용제는 높은 온도 없이 실리콘 수지를 용해하고 에폭시와 혼합하는데 사용된다. 소결된 재료의 파괴 계수(MOR)는 연소된 실리카에 대해 표준적으로 통상적으로 3 포인트 시험 리그 상에 10% 크리스토발라이트(cristobalite)를 갖는 1500 내지 1800 psi(10.3 MPa 내지 12.4 MPa)이다. 소결된 재료의 MOR은 크리스토발라이트 함량에 엄격하게 관련이 있는데, 더 많은 크리스토발라이트는 더 약한 실온 강도를 산출한다. 그린 상태 MOR은 고온 열 경화 시스템이기 때문에 에폭시를 경화하는데 사용되는 온도에 의존한다. 경화 온도는 일부 열성형, 즉 재료를 연화시키기 위해 에폭시의 역전 온도를 초과하여 그린 상태 재료를 재가열하고, 이어서 후속의 사용을 위해 요구되는 상이한 형상으로 그 주방(as-cast) 형상으로부터 이를 만곡시키는 것을 허용하도록 선택될 수 있다. 재가열된 재료는 백 내에서 진공을 흡인할 때 부분이 세팅 다이와 합치하여 인발되도록 진공백 내의 세팅 다이 내에 배치될 수 있다. 정렬 특징부는 세팅 다이와 정밀하게 정렬하기 위해 코어 형상으로 주조될 수 있다. 유리하게, 적어도 4,000 psi(27.6 MPa)의 그린 본체 MOR은 코어가 가요성 몰드로부터 제거되어 상당히 감소된 손상의 기회를 갖고 취급될 수 있게 하고, 세팅 다이 내에서 재성형 전 또는 후에 특징부를 추가하거나 재성형하기 위한 표준 가공 작동을 경험하게 하기 위해 그에 적절한 강도를 제공하게 할 수 있다. 이러한 열성형 후에 또는 그 부재(absence)시에, 부가의 경화가 강도를 추가하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 파괴 계수가 이하와 같이 성취되었다.

3시간 동안 110℃에서 경화된 MOR = 4000 psi(27.6 MPa)

상기와 같이 경화되고 이어서 1시간 동안 120℃에서 경화된 MOR = 8000 psi(55.2 MPa).

10% 연소 상태 크리스토발라이트 함량이 목표될 수 있다. 이는 존재하는 미네랄화기 및 연소 스케쥴에 의해 변경될 수 있다. 10% 초기 크리스토발라이트 함량은 코어가 세라믹 몰드 내로 용융 금속을 사출하기에 앞서 가열될 때 적시의 방식으로 실리카의 대부분의 나머지를 크리스토발라이트로 변환하는 것을 보장하기 위해 부분 전체에 걸쳐 결정질 시드 구조를 생성하는데 사용될 수 있다. 이는 또한 실리카가 재차 가열될 때 자체로 계속 소결되는 것을 억제한다.

인베스트먼트 주조 비즈니스에서 다른 관심 파라미터는 다공도이다. 종래의 세라믹 주조 재료는 통상적으로 약 35% 다공도를 갖는다. 전술된 재료는 통상적으로 대략 28% 다공도를 나타낸다. 낮은 다공도의 위험은 주조 금속이 수축되어 냉각됨에 따라 세라믹 코어를 분쇄할 수 없어, 이에 의해 당 기술 분야에서 "고온 인열(hot tear)"이라 칭하는 금속 결정 손상을 생성한다는 것이다. 전술된 재료는 임의의 주조 시도에서 이러한 문제점을 결코 유발하지 않는다.

인베스트먼트 주조 세라믹 코어를 제조하기 위한 전술된 양태는 이하의 표 1에 요약되어 있는 바와 같이 공지의 종래의 프로세스와 적절하게 비교된다.

종래 기술의 특성	본 발명의 특성	종래 기술의 능력	본 발명의 능력
하드 정밀 툴링 (고경도 기계 공구강)	소프트 정밀 툴링 (알루미늄 마스터, 가요성 유도 몰드)	다수의 공구 섹션을 필요로 하는 섹션당 단일의 견인 평면	다수의 견인 평면은 공구 섹션의 수를 감소시키고, 디자인 자유도를 증가시킴
		선형 추출만	곡선형 추출 능력
		단일 단면 견인 평면	다중 단면 견인 평면
		경질 핀이 경질 공구 내에 코어를 위치시킴	가요성 몰드 확장기가 가요성 몰드 내에 코어를 위치시킴
		강성의 내구성 있는(높은 내마모성) 주조 캐비티(HP 및 IP 사출 성형 프로세스를 위한) 제공	저압 진동 보조식 성형을 위한 가요성 소모품 캐비티
코어 재료의 낮은 그린 본체 강도	높은 그린 본체 강도	제한된 형상비	실질적으로 향상된 형상비 능력
		낮은 그린 강도와 관련된 수율 손실	그린 강도 손실이 배제됨
		코어 서브 조립체의 제한된 결합 능력 (맞댐 조인트만)	구조적 조인트 디자인을 통해 향상된 서브조립체의 결합 능력
코어 재료 슬러리의 높은 점도	코어 재료 슬러리의 낮은 점도	분리에 민감한(섹션 두께 민감) 압축 사출 필요	저압 사출(진공 보조), 구조체 전체 걸쳐 입경 균질성 촉진, 섹션 두께 민감
		열 처리 중에 비균일 수축 촉진	열처리 중에 균일 수축 촉진
		프로세스 제한에 적합된 연소된 부분의 치수 공차	연소된 부분의 치수 공차를 잠재적으로 향상시킴
그린 본체 가요성 없음	그린 본체 형성 후에 열 성형 가능	없음	그린 본체는 간단한 형태의 공구를 사용하여 조정/수정될 수 있음
몰드 캐비티를 형성하기 위한 정밀 가공된 공구강 다이	가요성 몰드를 생성하는데 사용되고, 이어서 몰드 캐비티를 형성하는데 사용된 고선명 인서트가 적용된 알루미늄 마스터 공구	매우 높은 비용 및 긴 리드 시간	저비용 및 짧은 리드 시간
		비가요성 공구 세트, 수정이 고가임	저비용 모듈형 수정/변경 허용됨
		고압 사출을 위해 양호한 강성 몰드 캐비티	저압 및 진동 보조식 사출을 위한 가요성 몰드 캐비티
		그린 본체 추출은 향상된 툴링 특징을 필요로 함	몰드의 가요성 성질에 기인하는 다기능 공구 배출

일단 세라믹 코어가 제조되면, 이는 세라믹 주조 용기 내에 합체되고 금속부가 공지의 프로세스를 사용하여 그 내부에 주조된다.

전술된 양태는 주조 산업을 위한 신규한 비즈니스 모델을 가능하게 한다. 종래의 비즈니스 모델은 빠른 사출 및 경화 시간을 갖고 단일 마스터 공구로부터 다수의 세라믹 주조 용기(및 후속 주조 금속부)를 제조하기 위해 매우 고가의, 긴 리드 타임(lead time)의 엄격한 툴링을 이용하였다. 반대로, 본 명세서에 개시된 신규한 양태는 훨씬 더 느린 사출 및 경화 시간을 갖고 세라믹 코어를 제조하기 위해 저가의, 더 신속하게 제조되는 덜 엄격한 마스터 공구 및 마스터 공구로부터 유도된 중간 가요성 몰드를 이용한다. 따라서, 신규한 주조 양태는 종래의 방법보다 훨씬 빠르고 저렴한 최초의 세라믹 코어(및 후속 제조된 주조 금속부)의 생성을 가능하게 하기 때문에 급속한 원형 제작(prototyping) 및 개발 시험을 위해 유리하게 적용될 수 있다. 더욱이, 신규한 양태는 다수의 동일한 가요성 몰드가 단일 마스터 공구로부터 주조될 수 있기 때문에 고체적 제조 용례에서 효과적으로 적용될 수 있어, 이에 의해 저압 사출 및 잠재적으로 더 긴 경화 시간에 기인하여 코어마다 요구되는 더 긴 주조 시간에도 불구하고, 종래의 방법의 제조 능력에 정합하거나 초과하는 것에 병행하여 다수의 동일한 세라믹 코어가 제조될 수 있게 한다. 본 발명의 양태의 시간 및 비용 절약은 마스터 공구를 제조하는 감소된 비용 및 노력 뿐만 아니라, 후단 에지 냉각 구멍을 드릴링하는 것과 같은 종래에 필요한 특정의 후-주조 단계의 배제를 포함하는데, 이는 이러한 특징부가 정밀 인서트로 성취 가능한 정밀도의 정도 및 다수의 견인 평면 내의 가요성 몰드를 제거하는 능력에 기인하여 본 발명에 따라 형성된 세라믹 코어를 사용하여 금속부 내에 직접 주조될 수 있기 때문이다. 본 발명은 가요성 몰드를 경유하여 고정밀 부분을 제조할 뿐만 아니라, 종래의 플렉스 몰드 프로세스에서는 얻을 수 없었던 정도로 부분간 정밀도를 가능하게 한다. 마지막으로, 본 발명의 양태는 이들 비용 및 제조 장점을 제공하면서 동시에 종래 기술의 능력 내에서는 지금까지 존재하지 않았던 디자인 특징부의 주조를 가능하게 하여, 이에 의해 최초로 부품 설계자가 차세대 가스 터빈 디자인 목표를 성취하는데 필요한 하드웨어 특징부를 제조할 수 있게 한다. 예를 들어, 본 발명은 20:1 또는 그보다 큰 전체 외부 포위체 치수 형상비를 갖는 및/또는 30 인치(762 mm) 또는 그보다 긴 전체 길이를 갖는 세라믹 코어의 제조를 용이하게 한다. 따라서, 본 발명은 종래 기술에서는 불가능하였던 차세대 능동 냉각식 제4 스테이지 터빈 블레이드의 상업적인 제조를 허용한다. 냉각이 요구되지 않더라도 중량을 감소시키기 위해 큰 주조 부품 내에 이러한 큰 중공 영역을 통합하는 것이 또한 가능하다.

본 발명의 다양한 실시예가 본 명세서에 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예는 단지 예로서만 제공된 것이라는 것이 명백할 것이다. 수많은 변형, 변경 및 치환이 본 발명으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

10: 세라믹 코어 12: 전산화 디자인 시스템
14: 마스터 공구 16: 정렬 특징부
18: 가공된 표면 20: 인서트 표면
22: 인서트 24: 가요성 몰드
26: 캐비티 28: 세라믹 주조 재료

Claims

중공 금속 구성 요소가 세라믹 코어를 포함하는 세라믹 주조 용기 내에서 주조되는 인베스트먼트 주조 프로세스로서,
가공 프로세스를 사용하여 마스터 공구를 형성하여 상기 세라믹 코어의 비교적 낮은 정밀도 영역을 형성하는 단계와,
정밀 성형된 인서트를 상기 마스터 공구 내에 합체하여 상기 세라믹 코어의 비교적 높은 정밀도 영역을 형성하는 단계와,
상기 마스터 공구 내에 가요성 몰드를 주조하는 단계와,
상기 세라믹 코어 재료를 상기 가요성 몰드 내에 주조하여 세라믹 코어를 형성하는 단계와,
상기 세라믹 코어가 그린 본체 상태에 있는 동안 상기 세라믹 코어로부터 상기 가요성 몰드를 제거하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 세라믹 코어를 형성하는 것을 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 코어 재료를 주조하는 단계는 저압 사출 프로세스에서 상기 가요성 몰드 내로 슬러리 형태의 에폭시 결합제 조성물을 포함하는 세라믹 코어 재료를 사출하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 코어 재료를 주조하는 단계는 상기 가요성 몰드 내의 슬러리의 분포를 지원하기 위해 상기 세라믹 몰드 재료의 저압 사출 중에 상기 가요성 몰드를 진동시키는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 가요성 몰드 내에 능동 디바이스를 합체하고 상기 세라믹 코어 재료의 주조 단계 중에 상기 능동 디바이스를 작동시키는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
2개의 마스터 공구를 형성하고 상기 세라믹 코어의 2개의 각각의 부분을 형성하도록 2개의 가요성 몰드를 주조하는 단계와, 2개의 부분을 함께 결합하여 세라믹 코어를 형성하기 위해 상기 세라믹 코어 내에 조인트 기하학 구조를 합체하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 제거 단계 후에 상기 세라믹 코어 재료의 역전 온도 초과 온도로 그린 본체 상태 코어를 가열하는 단계, 및
역전 온도를 초과하는 동안 상기 그린 본체 상태 코어를 재성형하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 6 항에 있어서,
재성형 정렬 특징부를 포함하도록 세라믹 코어를 형성하는 단계, 및
상기 세라믹 코어의 재성형 정렬 특징부와 협동하는 정렬 특징부를 포함하는 세팅 다이로 재성형 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
정밀 인서트 내에 가공 토포그래피를 형성하는 단계,
상기 가요성 몰드를 통해 상기 세라믹 코어에 상기 가공 토포그래피를 복제하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 코어는 복수의 견인 평면 내에 기하학적 상세를 포함하고, 각각의 견인 평면 내에 상기 세라믹 코어의 기하학적 상세를 보유하기 위해 상기 그린 본체 상태 세라믹 코어에 손상을 유발하지 않고 상기 가요성 몰드를 변형시킴으로써 상기 가요성 몰드로부터 상기 세라믹 코어를 제거하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 마스터 공구 내로의 경화 가능한 몰딩 재료의 저압 사출에 의해 상기 가요성 몰드를 주조하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 마스터 공구를 성형하여 20:1 이상의 전체 외부 포위체 치수 형상비를 갖도록 상기 세라믹 코어를 형성하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 마스터 공구를 성형하여 30 인치 이상의 전체 길이를 갖도록 상기 세라믹 코어를 형성하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 1 항에 있어서,
상기 마스터 공구 내에 복수의 동일한 가요성 몰드를 주조하는 단계,
병렬 프로세스에서 각각의 동일한 가요성 몰드 내에 세라믹 코어 재료를 주조하여 복수의 동일한 세라믹 코어를 형성하는 단계를 더 포함하고,
복수인 가요성 몰드의 수는 사전 결정된 생산율을 성취하기 위해 선택되는
인베스트먼트 주조 프로세스.
중공 금속 구성 요소가 세라믹 코어를 포함하는 세라믹 주조 용기 내에서 주조되는 인베스트먼트 주조 프로세스로서,
30 인치 초과의 길이, 20:1 이상의 형상비를 갖는 기하학적 상세 및 비평행 견인 평면을 형성하는 2개의 기하학적 상세 중 하나 이상을 포함하는 세라믹 코어의 기하학 구조를 형성하는 단계와,
네거티브의 세라믹 코어 기하학 구조를 형성하는 가요성 몰드를 형성하는 단계와,
상기 가요성 몰드 내에 4,000 psi 이상의 그린 본체 상태 파괴 계수를 갖는 세라믹 코어를 주조하는 단계와,
상기 몰드를 형성함으로써 그린 본체 상태에서 상기 가요성 몰드로부터 상기 세라믹 코어를 제거하여 상기 그린 본체 상태 세라믹 코어를 손상시키지 않고 제거를 허용하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 세라믹 코어를 형성하는 것을 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 14 항에 있어서,
가공 프로세스에 의해 형성된 비교적 낮은 정밀도 부분 및 마스터 공구 내에 합체된 정밀 성형된 인서트에 의해 형성된 비교적 높은 정밀도 부분을 포함하는 마스터 공구 내에 상기 가요성 몰드를 주조함으로써 가요성 몰드를 형성하는 단계를 더 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.
제 14 항에 있어서,
단일 마스터 공구로부터 복수의 동일한 가요성 몰드를 형성하는 단계,
병렬 프로세스에서 각각의 동일한 가요성 몰드 내에 세라믹 코어 재료를 주조하여 복수의 동일한 세라믹 코어를 형성하는 단계를 더 포함하고,
복수인 가요성 몰드의 수는 사전 결정된 생산율을 성취하기 위해 선택되는
인베스트먼트 주조 프로세스.
중공 금속 구성 요소가 세라믹 코어를 포함하는 세라믹 주조 용기 내에서 주조되는 인베스트먼트 주조 프로세스로서,
마스터 공구를 성형하여 상기 세라믹 코어의 형상을 형성하는 단계와,
복수의 동일한 가요성 몰드를 상기 마스터 공구 내에 주조하는 단계와,
복수인 가요성 몰드의 수가 사전 결정된 생산율을 성취하기 위해 선택되는 병렬 제조 프로세스에서 저압 사출 프로세스를 사용하여 복수의 가요성 몰드 내에 복수의 동일한 세라믹 코어를 주조하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 세라믹 코어를 형성하는 것을 포함하는
인베스트먼트 주조 프로세스.