JP2006123008A - 鋳造模型の成形方法およびインベストメント鋳造コア - Google Patents

Abstract

【課題】 インベストメント鋳造コアの組立技術を改善する。
【解決手段】 インベストメント鋳造模型は、少なくとも１つのリセスを含む金属製の第１のコア要素を形成することによって形成される。第１のコア要素は、少なくとも１つのはまり合う型要素と第２のコア要素とに係合される。リセスは、はまり合う型要素に対して第１のコア要素を保持するように機能する。型は、組み立てられ、第１のコア要素を少なくとも部分的に埋めるように犠牲材料が型に注入される。リセスは、比較的大きいシート材料から第１のコア要素を切り取る前に予形成可能である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、インベストメント鋳造に関し、特に、インベストメント鋳型を形成するためのコアを含む模型の成形に関する。

インベストメント鋳造は、複雑な形状を有する金属部品、特に中空部品の形成に一般に使用される技術であり、超合金ガスタービンエンジン部品の製造で使用されている。

ガスタービンエンジンは、航空機の推進力、発電、船の推進力、およびポンプに広く使用されている。ガスタービンエンジン用途では、効率が最も重要な目的である。より高温での動作によってガスタービンエンジン効率の向上が得られるが、現在のタービン部における作動温度は、タービン部品に使用されている超合金材料の融点を超えている。よって、空冷を行うことが一般的である。冷却は、一般に、冷却すべきタービン部品内の通路を通してエンジン圧縮機部からの比較的低温の空気を流すことによって提供される。このような冷却は、エンジン効率の関連する費用を伴う。従って、比冷却を向上させること、すなわち所定の冷却空気量から得られる冷却量を最大化することが強く望まれている。これは、正確に配置された微細な冷却通路部によって得ることができる。

ブレード、ベーン、シール、燃焼器、および他の部品などの内部冷却タービンエンジン部品のインベストメント鋳造の技術分野はよく発達している。例示的なプロセスでは、鋳造部品にほぼ対応する形状をそれぞれ有する１つまたは複数の鋳型キャビティを備える鋳型が準備される。鋳型を準備する例示的なプロセスは、部品の１つまたはそれ以上のろう模型を使用することを含む。これらの模型は、部品内の冷却通路のポジティブにほぼ対応するセラミックコア上にろうを成形することによって形成される。シェリングプロセスでは、セラミック製シェルが、周知の方法で１つまたは複数の上記のような模型の周りに形成される。ろうは、オートクレーブ内などで溶融によって除去することができる。シェルは、焼成して硬化することができる。これにより、１つまたは複数の部品を定める区画を有するシェルを含む鋳型が残り、これらの区画が冷却通路を定めるセラミックコアを含む。次に、溶融合金を鋳型に注入して部品を鋳造できる。合金の冷却および凝固の後、シェルおよびコアを鋳造部品から機械的および／または化学的に取り除くことができる。続いて、１つまたは複数の工程において部品を機械加工および／または処理することができる。

セラミックコア自体は、硬化した金型にセラミック粉末とバインダ材料の混合物を注入することによって成形可能である。未焼結のコアは、型から取り除いた後で熱的に後処理してバインダを取り除くとともに、セラミック粉末を焼結するために焼成することができる。より微細な冷却機構を含む傾向は、セラミックコア製造技術に無理な要求をつきつけている。微細な機構を画成するコアは、製造が困難であり、および／または製造後に脆くなるおそれがある。

微細な機構を形成するために種々の鋳造後技術が典型的に使用されてきた。最も基本的な技術は、従来の掘削である。レーザ掘削も他の基本的な技術である。また、放電加工（ＥＤＭ）も使用されている。例えば、一列の冷却孔を機械加工するために、形成する孔と相補的な形状を有する歯を備えるくし状のＥＤＭ電極を使用することが知られている。種々のＥＤＭ技術、電極、および孔の形状が、特許文献１〜７に開示されている。このようなＥＤＭ技術によって形成された孔の形状は、電極挿入の制約によって制限される。

特許文献８は、セラミックおよび高融点金属コアの組合せの例示的な使用を開示している。このような組合せでは、一般にセラミックコアが主要通路などの大きい内部機構を提供し、高融点金属コアが出口通路などのより微細な機構を提供する。複数のセラミックコアを使用する場合などには、セラミックコアや高融点金属コアの組み立て、およびろうのオーバモールド時におけるこれらの空間的な関係の維持は、非常に多くの困難を生じさせる。このような関係の維持に失敗すると、不具合のある部品内部機構が生じるおそれがある。微細な高融点金属コアとセラミックコアとを組み立てるのは困難である。また、組み立てた後は、位置関係を維持することが難しい。高融点金属コアは、取扱中またはオーバモールド型の組立中に損傷を受けるおそれがある。適切な型の組立および注入された模型の取外しを確実に行うには、複雑な型（例えば、種々のＲＭＣに対応するための多数の別々の型部分および別々の引き抜き方向）が必要になりうる。
米国特許第３６０４８８４号明細書 米国特許第４１９７４４３号明細書 米国特許第４８１９３２５号明細書 米国特許第４９２２０７６号明細書 米国特許第５３８２１３３号明細書 米国特許第５６０５６３９号明細書 米国特許第５６３７２３９号明細書 米国特許第６６３７５００号明細書 米国特許第５２９６３０８号明細書

ＲＭＣの開発とは別に、模型および結果的に形成されるシェル内にセラミックコアを配置する種々の技術が開発されている。特許文献９は、ろう模型をオーバモールドするためにセラミックコアを型内に配置するのに、セラミックコアの供給部と一体に形成された小さい突出部を使用することを開示している。このような突出部は、シェリングおよび脱ろう後にシェル内でのコアの位置関係を維持するように作用する。

これにもかかわらず、コア組立技術をさらに改善する余地がある。

本発明の一形態は、インベストメント鋳造模型の成形方法を含む。少なくとも１つのリセスを備える金属製の第１のコア要素が形成される。第１のコア要素は、少なくとも１つのはまり合う型要素と、第２のコア要素（があればこれ）と、に係合される。リセスは、第１のコア要素をはまり合う型要素に対して保持するように機能する。型が組み立てられる。（ろうなどの）犠牲材料が、第１のコア要素を少なくとも部分的に埋めるように型に注入される。

種々の実施例は、第１のコア要素を、反対側に面する第１の面と第２の面とを有するシート材料から形成することを含む。少なくとも１つのリセスは、第１の面に設けられた第１のリセスと、これと位置合わせされた第２の面に設けられた第２のリセスとを含みうる。第１のリセスと第２のリセスとは、細長いチャネルとすることができる。上記の係合は、スロット内のはまり合う型要素の突出部が少なくとも１つのリセスに収容されて、機械的なバックロッキング効果が提供されるように、第１のコアの第１の部分を、はまり合う型要素のスロット内に移動させることを含みうる。第１のコア要素の形成は、上記の少なくとも１つのリセスを含むリセスの規則的なパターンを形成することを含んでもよい。上記の係合により、規則的なパターンの複数のリセスが露出されたままの状態となりうる。規則的なパターンは、平らなシート材料に予形成してもよい。金属製の第１のコア要素は、このようなシート材料から切取りおよび／または形状づけることができる。

本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、添付図面および以下の実施形態に記載されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、実施形態、図面、および請求項より明らかになる。

図１は、インベストメント鋳造用の高融点金属コア（ＲＭＣ）を形成する高融点金属基のシート２０を示している。例示的なシート材料は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＷを、単独または組合せで元素、合金、金属間化合物などの形態で含む。例示的なシート２０は、初期状態では実質的に平らであり、第１の面２２と第２の面２４の間に厚さＴを有する。例示的な厚さＴは、０．２〜５．０ｍｍである。シートは、周辺端部面２６，２８の間に幅Ｗを有し、周辺端部面３０，３２の間に長さＬを有する。例示的な幅および長さは、Ｔよりもかなり大きく、数センチ以上である。

本発明の一形態では、シート２０は、インベストメント鋳造プロセスにおいて１つまたは複数の有用な機能を果たすために表面機構や他の機能強化部（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）を含むように予形成することができる。図１の例示的なシートは、面２２に設けられたチャネルリセス３４の第１の規則的なアレイを含む機能強化部を有する。例示的なリセス３４は、一定の離間距離Ｓで線状に設けられている。例示的なリセス３４は、ほぼ半円形の断面形状を有する。例示的なシートでは、同様のリセス３６の同様のアレイが面２４にも形成されている。例示的なシートでは、リセス３４，３６は、同様の離間距離で設けられているとともに互いに平行でかつ位置合わせされているが、他の構成も可能である。

図１は、面２２，２４の間に延びる貫通孔３８の列のアレイの形態である追加の機能強化部を示している。例示的な貫通孔３８の列は、離間距離Ｓにおいてリセス３４，３６と交互にこれらの間に設けられている。各々の列における孔は、中心間距離Ｓ₂を有する。例示的な貫通孔は、直径Ｄの円形断面を有する。種々の代替例には、（ディンプル４０（図２参照）などの）貫通していないリセスのアレイが含まれる。

機能強化部は、（例えば、フォトエッチング、レーザエッチング、ケミカルミリングなどの）エンボス加工、エングレービング、エッチング、掘削／切削の１つまたは複数を含む種々の手段によって、初期状態の機能強化されていないシートに形成可能である。このように形成した後に、個々のＲＭＣを比較的大きいシートから切り取るとともに、（例えば、スタンピング、曲げ加工、および他の成形／形状づけ技術などによって）選択的にさらに形状づけることができる。

機能強化部は、１つまたは複数の目的を果たしうる。これらの機能強化部は、１つまたは複数の模型成形型、（成形されたセラミックコアなどの）他のコア、および模型上に形成されるインベストメント鋳造シェルの１つまたは複数に対するＲＭＣの位置決めおよび／または係合／保持を提供することができる。また、機能強化部は、最終的な鋳物の機構を提供しうる。例えば、貫通孔は、熱伝達の向上および／または構造的な一体性のためのポストを提供することができる。また、貫通していないリセスは、表面積の増加や乱流の増加などによって熱伝達の向上を提供することができる。

図３は、図１のシート２０から切り取ったＲＭＣ５０を示している。ＲＭＣ５０は、面２２，２４に対応する側面５１，５２を有する。ＲＭＣ５０は、側方周辺部を有する。周辺部の一部は、シート２０の周辺部のそのままの部分としてもよい。ＲＭＣ５０は、（以下でより詳細に説明する型インサート６０などの）ろう成形型の要素に取り付けられる。インサート６０は、第１の面６１に形成されたスロットを有する。このスロットは、底部６２と第１および第２の側面６４，６６を備える。これらの側面に沿って、細長いリブ６８，７０がスロット内に延在している。これらのリブ６８，７０は、関連するリセスの対３４，３６と相補的に設けられており、ダブテール様の係合を提供するようにＲＭＣ５０をスロット内にスライドすることを可能にする。図５は、底部７２と第１および第２の側面７４，７６を備えるスロットを有する代替的なインサート７０を示している。スロットは、（例えば、ＲＭＣ５０の収容部と接触してこれを位置決めする突出部７８などの）機構を含むことができる。突出部７８の周囲におけるスロットとＲＭＣとの間の空間は、ＲＭＣをインサートに固定するためにセラミック製接着剤または他の適合する材料８０で満たすことができる。図５は、ＲＭＣ５０の第２の部分を収容する切り欠かれたセラミックコア８２をさらに示す。第２のコア８２は、ＲＭＣ５０上に成形可能である。また、ＲＭＣ５０は、セラミックコア８２の予形成スロットに配置してから、セラミック製接着剤８４または他の固定材料によって該セラミックコア８２に固定してもよい。

図６は、はまり合う上半部１０２および下半部１０４を含む模型成形型アセンブリ１００を示す。ＲＭＣ５０を保持するインサート６０は、型の上半部１０２の区画１０６に収容されて示されている。型の上半部および下半部の内部面１０８，１１０の組合せとインサートの下面によってろう模型を成形するチャンバが形成される。犠牲模型のろうは、型の半部またはインサート６０の１つまたは複数のポート１１４を通して注入可能である。ろうは、ＲＭＣの上述の突出部および同様に型の内部に露出するセラミックコアや他のコアを埋める。結果的に形成された模型を型から取り除いた後に、（例えば、スラリスタッコイングプロセスである）セラミックシェリングプロセスによって上述のスロットに収容されたＲＭＣ部分が埋め込まれる。脱ろう後、溶融金属がシェルに注入される。金属の硬化後に、ＲＭＣおよび他のコアは、（例えば、化学リーチングによって）鋳物から除去される。

特に、小規模の製造用途では、予め機能強化されたＲＭＣシート材料２０は、上述の有用性を提供するにあたって実質的な費用対効果を有しうる。

上述のＲＭＣと型とのダブテール様の取付部は、他の場合にも再現可能である。例えば、シート２０には、リセスの対３４，３６の規則的なアレイを有する代わりに、端部２６に隣接する単一のリセスの対のみを設けることができ、または他方側に位置合わせされたリセスがない単一のリセスを一方側２２，２４に設けてもよい。（もしあれば）シートの残りの部分にわたる機能強化部は、（例えば、開口部および／またはディンプルのアレイなどの）他の形態とすることができる。個々のＲＭＣは、単一のリセスまたはリセスの対を使用して型とともにダブテール様の相互作用を提供するために、端部２６に対して切り取ることができる。また他の例では、このようなリセスを二次成形してもよい。

図７は、上半部２０２と下半部２０４を有する他の模型成形用型２００を示している。型のインサート２０６がＲＭＣ２０８を保持し、このＲＭＣの突出部が模型のろうを受け入れる型キャビティ２１０内に延在する。インサート２０６は、１つまたは両方の型半部に関連する区画内に収容されるかまたは他の方法でこれらの型半部とはめ合わされる。例示的なＲＭＣ２０８は、第１の端部２２０に隣接して第１および第２の側面２１６，２１８に設けられた単一の位置合わせされたリセスの対２１２，２１４を有する。インサート２０６とＲＭＣ２０８の組立ては、上述した通りとすることができる。例示的な実施例では、面２１６，２１８は、ＲＭＣ２０８の突出部に沿って全体的に弓形であり、対応する型の面２２２，２２４によって模型上に形成されるエアフォイルの負圧面と正圧面との間に位置するように前者は凸状で後者は凹状である。例示的なＲＭＣ２０８は、インサート２０６から離れた第２の（前）端部２３０を有する。例示的な実施例では、面２１６，２１８の間のＲＭＣ２０８の厚さは、端部２３０，２２０の間における位置によって変化する。例えば、エアフォイルと同様に、ＲＭＣ２０８の厚さは、最も厚い点がＲＭＣの前端部側の半部に位置するように、下流方向で比較的急に増加してから比較的緩やかに減少する。ＲＭＣ２０８は、種々の方法によって製造可能である。全体的に一定でない特定の厚さ（すなわち、孔やリセスなどを無視した厚さ）は、（鍛造や押出しなどによって）直接加工するか、一定の厚さのシートから（圧延、スタンピング、ケミカルミリング、エッチング、フォトエッチング、電解加工、放電加工、ウォータジェット加工などによって）間接的に加工することができる。図８は、最終的な鋳造部品のスロット内にポストおよびペデスタルをそれぞれ形成する貫通孔２４０およびディンプル２４２の重なり合う規則的なアレイを（各々の面に）有するＲＭＣ２０８を示している。これらのアレイは、間に配置される個々の開口部およびディンプルが重ならないように位置決めおよび配列されることが有利であるが、他の構成も可能である。例示的な製造シーケンスでは、孔およびディンプルは、厚さプロファイルがＲＭＣプレカーサに形成されるときにリセス２１２，２１４とともに形成される。続いて、プレカーサから複数のこのようなＲＭＣを切り取ることができる。

図７は、複数の追加の例示的犠牲コアを示しており、これらの犠牲コアは、上述のコアと同様に形成されるか、他の方法で形成される金属製コアを含む。一対のＲＭＣ２５０が、型の下半部２０４のスロットに保持される第１の部分と、ＲＭＣ２０８の第２の面２１８に接触してこの第２の面２１８を選択的に支持する第２の部分と、を有する。他のＲＭＣ２６０は、成形されたセラミックコア２６２内に捕捉されるとともにセラミック製接着剤２６４によってこれに固定される第１の部分を有する。ＲＭＣ２６０の一対の第２の部分が、型の上半部２０２に捕捉されている。セラミックコア２６２は、定位置に成形された突出部や他の手段によって、その端部で型に対して保持される。

本発明の１つまたは複数の実施例を説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない範囲で種々の改良を行うことができることは理解されよう。例えば、鋳造される特定の部品の細部が、特定の実施例の詳細に影響を与えうる。さらに、本発明の原理を既存あるいはまだ開発されていない部品の種々の製造プロセスで実施することができる。このようなプロセスや部品の詳細は、あらゆる実施例の詳細に影響を与えうる。よって、請求の範囲には、他の実施例も含まれる。

１つまたは複数のインベストメント鋳造コアを形成する高融点金属基シートの説明図である。 他のシートの部分的な説明図である。 図１のシートから切り取られて模型成形型の部品に係合されたコアの説明図である。 ＲＭＣを収容する図３の部品のスロットの端面図である。 ＲＭＣを収容する他の型部品の説明図である。 模型成形型に設けられたＲＭＣの説明図である。 他の模型成形型に設けられた他のＲＭＣの断面図である。 図７の型のインサートに保持されたＲＭＣの説明図である。

符号の説明

５０…ＲＭＣ
５１，５２…ＲＭＣの側面
６０…インサート
６１…第１の面
６２…スロットの底部
６４，６６…スロットの側面

Claims (24)

1. インベストメント鋳造模型の成形方法であって、
   少なくとも１つのリセスを備える金属製の第１のコア要素を形成し、
   第１のコア要素を少なくとも１つのはまり合う型要素と第２のコア要素とに係合させ、前記リセスは、第１のコア要素をはまり合う型要素に対して保持するように機能し、
   型を組立て、
   第１のコア要素を少なくとも部分的に埋めるように前記型に犠牲材料を注入することを含むことを特徴とするインベストメント鋳造模型の成形方法。
2. 第１のコア要素は、反対側に面する第１の面と第２の面とを有するシート材料から形成され、
   前記少なくとも１つのリセスは、第１の面に設けられた第１のリセスと、これと位置合わせされた第２の面に設けられた第２のリセスとを含むことを特徴とする請求項１記載の鋳造模型の成形方法。
3. 第１のリセスと第２のリセスとは、細長いチャネルであることを特徴とする請求項２記載の鋳造模型の成形方法。
4. 第１のコア要素の形成は、レーザエッチング、フォトエッチング、およびケミカルミリングの少なくとも１つを含むプロセスによって前記少なくとも１つのリセスを設けることを含むことを特徴とする請求項１記載の鋳造模型の成形方法。
5. 前記の係合は、前記はまり合う型要素の突出部が前記少なくとも１つのリセスに収容されて、機械的なバックロッキング効果が提供されるように、第１のコアの第１の部分を、前記はまり合う型要素のスロット内に移動させることを含むことを特徴とする請求項１記載の鋳造模型の成形方法。
6. 前記の係合は、
   第１のコアの第１の部分を前記はまり合う型要素の収容部に配置し、
   鋳込まれた固定材料の突出部が前記少なくとも１つのリセスに収容されて機械的な連結効果が提供されるように、第１の部分と前記収容部との間に固定材料を鋳込むことを含むことを特徴とする請求項１記載の鋳造模型の成形方法。
7. 第１のコア要素の形成により、前記少なくとも１つのリセスを含むリセスの規則的なパターンが形成され、
   前記の係合により、前記規則的なパターンの複数のリセスが露出されたままの状態となることを特徴とする請求項１記載の鋳造模型の成形方法。
8. 前記犠牲材料は、ろうであり、
   ろうを硬化させ、
   前記型からろうを外すことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の鋳造模型の成形方法。
9. 第１の金属製コア要素は、前記型要素に係合しており、
   第２の金属製コア要素が、前記型および前記セラミックコアの少なくとも一方に係合していることを特徴とする請求項１記載の鋳造模型の成形方法。
10. インベストメント鋳造方法であって、
    請求項１の方法に従って模型を成形し、
    前記模型上にシェルを形成し、
    前記シェル内に第１のコアが残るように、該シェルから犠牲材料を取り除き、
    前記シェルに溶融金属を注入し、
    前記溶融金属を硬化させ、
    前記シェルと第１のコアとを取り除くことを含むことを特徴とするインベストメント鋳造方法。
11. 反対側に面する第１の面と第２の面とを有する金属性本体と、
    少なくとも第１の面に設けられた少なくとも１つの細長いリセスと、を含むことを特徴とするインベストメント鋳造コア。
12. 前記少なくとも１つの細長いリセスは、第１の面に設けられた第１のリセスと、これに位置合わせされた第２の面に設けられた第２のリセスと、を含むことを特徴とする請求項１１記載のインベストメント鋳造コア。
13. 前記金属製本体は、主要な重量部が１つまたは複数の高融点金属からなることを特徴とする請求項１１記載のインベストメント鋳造コア。
14. 前記１つまたは複数のリセスに沿って、前記金属製本体に設けられたコーティングをさらに含むことを特徴とする請求項１１記載のインベストメント鋳造コア。
15. 反対側に面する第１の面と第２の面とを有する金属性本体と、
    前記コアを模型成形型要素および第２のコアの少なくとも一方に取り付ける取付手段と、
    鋳造部品に通路面の機能強化部を形成する形成手段と、を含むことを特徴とするインベストメント鋳造コア。
16. 前記の取付手段と形成手段とは、共通の規則的パターンで設けられたリセスにおける１つまたは複数のリセスをそれぞれ含むことを特徴とする請求項１５記載のインベストメント鋳造コア。
17. 前記１つまたは複数のリセスを覆うように前記金属製本体に設けられたコーティングをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載のインベストメント鋳造コア。
18. インベストメント鋳造コアの形成方法であって、
    反対側に面する第１の面と第２の面とを有する金属性シート材料から一片を切り取り、
    前記一片を平らでない形状に変形し、
    レーザエッチング、フォトエッチング、およびケミカルミリングの少なくとも１つによって、第１の面および第２の面の少なくとも一方に１つまたは複数のリセスを形成することを含むことを特徴とするインベストメント鋳造コアの形成方法。
19. 前記の切取りおよび変形は、少なくとも部分的にスタンピング作業と実質的に同時に行われることを特徴とする請求項１８記載のインベストメント鋳造コアの形成方法。
20. 前記リセスの形成によって、第１の面に第１の複数の前記リセスが設けられ、第２の面に第２の複数の前記リセスが設けられることを特徴とする請求項１８記載のインベストメント鋳造コアの形成方法。
21. 前記リセスの形成は、前記の切取りおよび変形の前に行われることを特徴とする請求項１８記載のインベストメント鋳造コアの形成方法。
22. 前記１つまたは複数のリセスは、第１の面に設けられた第１のリセスの規則的なパターンと、第２の面に設けられた第２のリセスの規則的なパターンと、を含むことを特徴とする請求項２１記載のインベストメント鋳造コアの形成方法。
23. 第１のパターンおよび第２のパターンの少なくとも一方は、複数の線状の第１のリセスと、第２のリセスの複数の列と、を含み、第１のリセスは、前記列に平行に延在していることを特徴とする請求項２２記載のインベストメント鋳造コアの形成方法。
24. 第１の規則的なパターンと第２の規則的なパターンとは、それぞれ平行な線状のリセスを含み、前記のリセスおよびパターンは、共に前記コアの全体にわたって延在していることを特徴とする請求項２２記載のインベストメント鋳造コアの形成方法。

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