(57)【要約】      （修正有）【課題】１００ｃｍ以上の長さ及び実質的にフレックル欠陥のない一方向結晶組織を有する大形金属鋳造品を製造できる方法を提供する。【解決手段】加熱ゾーン内の予熱鋳型中に溶融合金を注入する段階と、鋳型を加熱ゾーンから遮熱体を通して冷却ゾーンへと引き出すことによって溶融合金を方向性凝固させる段階と、次いで鋳型を冷却することによって鋳造品及びその一方向結晶組織を生じさせる段階とを含む。遮熱体は加熱ゾーンと冷却ゾーンとの間で熱放射障壁として作用し、鋳型は、遮熱体の併用によって、溶融合金が凝固して約１５０〜約５００μｍの平均間隔を有する一次デンドライトアームを形成する温度勾配が維持される速度で引き出される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的にフレックル欠陥のない一方向結晶組織及び１００ｃｍを超える長さを有する金属鋳造品の製造方法であって、
加熱ゾーン内に配置された予熱鋳型のキャビティに溶融合金を注入する段階であって、キャビティが鋳造品の形状を有する段階と、
鋳型を加熱ゾーンから遮熱体を通して冷却ゾーンへと引き出すことによって溶融合金を方向性凝固させる段階であって、遮熱体が加熱ゾーンと冷却ゾーンとの間で熱放射障壁として作用し、鋳型は、溶融合金を凝固させて約１５０〜約５００μｍの平均間隔を有する一次デンドライトアームを形成するため、遮熱体の併用によって、溶融合金で３５℃／ｃｍ以上の温度勾配が維持される速度で引き出される段階と、
次いで鋳型を冷却することによって、１００ｃｍを超える寸法の鋳造品及びその一方向結晶組織であって実質的にフレックル欠陥のない一方向結晶組織を生じさせる段階と
を含んでなる方法。
【請求項２】
鋳造品が約１８ｋｇ以上の質量を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
温度勾配が８０℃／ｃｍを超える、請求項１記載の方法。
【請求項４】
引出速度が１．２５ｍｍ／分より大きい、請求項１記載の方法。
【請求項５】
温度勾配と引出速度との組合せが２０℃／分以上の冷却速度をもたらす、請求項１記載の方法。
【請求項６】
一次デンドライトアームの平均間隔が約３２５〜約４５０μｍである、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記鋳造品が、約０．７５〜約５．０μｍ／ｃｍの（一次デンドライトアームの平均間隔）／（鋳造品の長さ）の比で特徴づけられる、請求項１記載の方法。
【請求項８】
一方向結晶組織が柱状単結晶ミクロ組織を有する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
一方向結晶組織が柱状多結晶ミクロ組織を有する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記合金がニッケル基超合金及び金属間化合物合金からなる群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
鋳造品がガスタービン用部品である、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記部品が陸用ガスタービンの最終段バケットである、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
請求項１記載の方法で製造される鋳造品。
【請求項１４】
一方向結晶組織が柱状単結晶ミクロ組織を有する、請求項１３記載の鋳造品。
【請求項１５】
一方向結晶組織が柱状多結晶ミクロ組織を有する、請求項１３記載の鋳造品。
【請求項１６】
前記合金がニッケル基超合金及び金属間化合物合金からなる群から選択される、請求項１３記載の鋳造品。
【請求項１７】
一次デンドライトアームの平均間隔が約３２５〜約４５０μｍである、請求項１３記載の鋳造品。
【請求項１８】
当該鋳造品が、約２．２５〜約３．２５μｍ／ｃｍの（一次デンドライトアームの平均間隔）／（鋳造品の長さ）の比で特徴づけられる、請求項１３記載の鋳造品。
【請求項１９】
当該鋳造品が約１８ｋｇ以上の質量を有するガスタービン用部品である、請求項１３記載の鋳造品。
【請求項２０】
前記部品が陸用ガスタービンの最終段バケットである、請求項１９記載の鋳造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して方向性凝固鋳造品を製造するための材料及び方法に関し、具体的にはガスタービン部品その他の高温用途での使用に適した単結晶（ＳＸ）物品及び方向性凝固（ＤＳ）物品として鋳造される合金における欠陥の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
動翼（バケット）、静翼（ノズル）及び燃焼器部品のようなガスタービン部品は、典型的には、タービン作動温度での望ましい機械的性質で特徴付けられるニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金から形成される。ガスタービンの効率はその作動温度に依存するので、さらに高い温度に耐えることのできる部品（特にタービンバケット、ノズル、燃焼器部品その他の高温流路部品）に対する要望が存在する。ガスタービン部品に対する材料要件が増すにつれて、超合金からなる部品の機械的、物理的及び環境的性質を向上させるための様々な処理法及び合金成分が用いられてきた。例えば、要求の厳しい用途で用いられるバケット、ノズルその他の部品は、柱状多結晶又は単結晶製品を生じるように所定の方向の結晶方位又は成長方向で特徴付けられるＤＳ又はＳＸミクロ組織をもつように方向性鋳造法で鋳造されることが多い。
【０００３】
当技術分野で公知の通り、ＳＸ及びＤＳ鋳造品を製造するための方向性鋳造技術では、一般に合金の液相線温度よりも高い温度に保たれたインベストメント鋳型に所望合金の溶湯を注入する。かかる方法の一つでは、ブリッジマン（Bridgman）型の炉を用いて鋳型の周囲に加熱ゾーンを生じさせ、鋳型の底部にチルプレートを使用する。鋳型を加熱ゾーンから冷却ゾーンへと徐々に引き出すことによって鋳型内で溶融合金の凝固が起こるが、冷却ゾーンでは対流及び／又は放射による冷却が起こる。凝固は鋳型の底部から始まり、凝固前面（solidification front）は鋳型の上部に向かって前進する。凝固は、鋳造品に望まれるミクロ組織が得られるように鋳型の底部で開始・制御される。方向性凝固プロセスの際に新たな結晶粒の核生成を防ぐため、凝固前面での高い温度勾配が必要とされる。
【０００４】
当技術分野で公知の通り、デンドライトは溶融金属の凝固時に生じる樹枝状構造である。鋳造品におけるデンドライトアーム間の間隔は鋳造品の凝固条件によって左右され、デンドライトアーム間隔は冷却速度と逆比例して変化する。本明細書で用いる一次デンドライトアーム間隔とは鋳造品における隣接デンドライトコア間の平均間隔を意味し、鋳造品を結晶成長方向と垂直な方向に切開し、断面の一次アームの数を数え、（通例正方形配列と仮定して）平均間隔を計算することによって測定される。二次デンドライトアーム間隔は、結晶成長方向と平行な断面で観察される隣接二次デンドライトアーム間の間隔の平均を求めることによって測定できる。ＳＸ及びＤＳ鋳造品の凝固時に生じるデンドライトは、ある種の合金成分の濃度差によって周囲の材料から識別できる。
【０００５】
ＤＳ及びＳＸ製品の機械的性質は、高角粒界、等軸結晶粒及び方向性凝固プロセスの際のデンドライト樹間偏析に起因する欠陥の回避にある程度依存する。一例として、超合金の特定の化学組成によっては、デンドライト樹間偏析のため不均質性を生じ、埋封粒子及び合金の元素態微量成分などがデンドライト樹間領域に蓄積して鋳造品の強度を低下させることがある。埋封粒子の粒径及び微量成分のプールは、鋳造品の一次デンドライトアーム間隔を減少させることによって大幅に低減できる。デンドライト樹間偏析は表面フレックルの形成をもたらすこともあり、これは凝固時に非常に小さな等軸結晶粒の鎖として生じる。フレックルは疲労寿命を縮め、凝固プロセスで許容できない軸ずれ結晶粒を起こす結晶粒開始源として作用するおそれがある。デンドライト偏析の存在又は作用を最小限に抑制させるために従来用いられてきたアプローチは、固相拡散熱処理又は機械加工のような鋳造後処理を含むものであった。しかし、こうした技術は、ガスタービン部品その他の非常に大形又は複雑な組成物を用いて形成される鋳造品におけるデンドライト偏析に対処するのには適していない。
【０００６】
フレックル形成の傾向は組成に依存することが判明しており、一例は合金中のタンタル及び／又は炭素レベルである。そのため、フレックル形成は、本願出願人に譲渡された米国特許第５１５１２４９号、同第６０９１１４１号及び同第６９０９９８８号に報告されているように超合金組成を慎重に制御又は変更することによって対処されてきた。最近、引出速度、冷却速度及び固液界面位置のような鋳造プロセスパラメータもフレックル形成に影響を及ぼすことが報告されている。本願出願人に譲渡されたＨｕａｎｇ他の米国特許第６２１７２８６号には、長さ４０インチ（約１００ｃｍ）以下の鋳造品におけるフレックル形成を低減させる高勾配鋳造プロセスが開示されている。この米国特許には、十分に均一な一次デンドライトアーム間隔を達成しフレックル形成を低減するため、鋳型と冷却ゾーン（例えば、液体浴又は不活性ガスとの衝突）の間にバッフルを配置することによって凝固前面で高い温度勾配を得ることができることが教示されている。
【０００７】
フレックル形成その他の凝固関連欠陥を低減させようとするＨｕａｎｇ他の努力その他の従来の努力は、主として鋳型強度、炉の大きさなどによる寸法及び重量の制限のため、長さが４０インチ（約１００ｃｍ）を超えない鋳造品に限られていた。方向性凝固に付随するフレックル形成及び寸法／重量の問題のため、陸用ガスタービンの最終段バケットを始めとする特定の用途では、十分な大きさの単結晶鋳造品及び方向性凝固鋳造品の製造及び使用が本質的に妨げられていた。一例は、本願出願人によって製造され発電業界で使用されているＨ及びＦＢクラスのガスタービンの最終段バケットである。これらのバケットは、その長さ（約３０インチ（約７５ｃｍ）以上）、断面及び重量のため、ＳＸ及びＤＳ鋳造品として製造することが非常に難しく、特に熱処理によって所望の機械的性質を得ることができるミクロ組織を達成するのが非常に難しかった。そのため、Ｈ及びＦＢクラスガスタービンの最終段バケットは等軸鋳造品としてしか製造されていなかった。しかし、これらのバケットを欠陥のないＳＸ及びＤＳ鋳造品として製造することができれば、クリープ及び低サイクル疲労（ＬＣＦ）のような機械的性質が大幅に改善され、大形ガスタービンの全体的性能及び効率に極めて有益である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５１５１２４９号明細書
【特許文献２】米国特許第６０９１１４１号明細書
【特許文献３】米国特許第６９０９９８８号明細書
【特許文献４】米国特許第６２１７２８６号明細書
【特許文献５】米国特許第７０１７６４６号明細書
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、一方向結晶組織及び１００ｃｍ以上の長さを有しながらも実質的にフレックル欠陥のない金属鋳造品を製造することのできる方法を提供する。本発明は、かかる方法によって形成される一方向結晶組織を有する金属鋳造品も提供する。
【００１０】
本発明の第１の態様では、本方法は、加熱ゾーン内の予熱鋳型のキャビティに溶融合金を注入する段階と、鋳型を加熱ゾーンから遮熱体を通して冷却ゾーンへと引き出すことによって溶融合金を方向性凝固させる段階と、次いで鋳型を冷却することによって、１００ｃｍを超える寸法の鋳造品及びその一方向結晶組織であって実質的にフレックル欠陥のない一方向結晶組織を生じさせる段階とを含んでいる。本発明の好ましい態様では、遮熱体は加熱ゾーンと冷却ゾーンとの間での熱放射障壁として作用し、鋳型は、溶融合金を凝固させて約１５０〜約５００μｍの平均間隔を有する一次デンドライトアームを形成するため、遮熱体の併用によって、３５℃／ｃｍ以上（例えば、５０℃／ｃｍ以上）の温度勾配が維持される速度で引き出される。２０℃／分以上の高い冷却速度も、望ましい一次デンドライトアーム間隔を達成するための一要因であると考えられる。
【００１１】
鋳造品の一方向結晶組織は＜００１＞の好ましい単結晶方向を有する柱状単結晶ミクロ組織（ＳＸ）であるが、＜００１＞以外の方位を有する結晶組織も本発明の技術的範囲に属し、柱状多結晶ミクロ組織（ＤＳ）についても同様である。本発明で製造できる鋳造品は、バケット、ノズルその他のガスタービン部品のようなガスタービンの部品によく適しており、ニッケル基合金及び金属間化合物（例えば、ニッケルアルミナイド（ＮｉＡｌ）金属間化合物）から形成できる。
【００１２】
本発明の顕著な利点は、本発明の方法で製造される鋳造品が、長さ、断面及び／又は重量の点で従来の鋳造技術で可能であったものをはるかに超えることである。特に、本発明の方法では、陸用ガスタービンの熱処理可能でフレックルのない最終段バケットが単結晶ミクロ組織及び方向性凝固ミクロ組織を有するように製造することができるが、長さが１００ｃｍを超える（それに応じて断面及び重量も増える）最終段バケットその他の鋳造品は従前は不可能であった。したがって、フレックルの発生率の減少は非常に大形のＳＸ及びＤＳ鋳造品で予想されるものよりも大きく、こうした長さ、断面及び重量のＳＸ及びＤＳ鋳造品を従来のプロセス条件下で製造したときに予想されるフレックルは存在しなくなる。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利点については、以下の詳細な説明から理解を深めることができよう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に従って単結晶鋳造品として製造できるタービンバケットを示す。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による大形単結晶タービン動翼の製造のための鋳造作業の一段階を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による大形単結晶タービン動翼の製造のための鋳造作業の別の段階を示す断面図である。
【図４】図４は、米国特許第６２１７２８６号の記載に従って製造した鋳造品で一次デンドライトアーム間隔と鋳造品長さとの関係をプロットしたグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施形態に従って製造した鋳造品で一次デンドライトアーム間隔と鋳造品長さとの関係をプロットしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明では、従来の方向性鋳造技術の能力及び予測を超える方向性凝固鋳造品を製造する能力が得られる。本発明は、長さ４０インチ（約１００ｃｍ）以下の鋳造品において、特定の凝固プロセス条件が、デンドライトアーム間隔によって認められる通り、フレックルを防止できるという米国特許第６２１７２８６号に開示された知見を基礎にしたものである。しかし、本発明で得られる能力は、米国特許第６２１７２８６号の教示内容から明らかな通り、米国特許第６２１７２８６号からは予想し得なかったものである。特に予想外であるのは、フレックル形成が防止される妥当なアーム間隔をもつ一次デンドライトアームを形成することのできる十分な温度勾配を達成及び維持できることである。温度勾配は鋳造プロセスの冷却速度及び凝固速度（引出速度にほぼ等しい）に依存する（この関係を簡単に説明すると、温度勾配は冷却速度を引出速度で除した値にほぼ等しい）ので、本発明では鋳造プロセスの冷却速度及び引出速度を精密に制御することが必要とされる。
【００１６】
本発明は、ＳＸ及びＤＳ鋳造品に望まれる機械的性質、特にバケット（動翼）、ノズル（静翼）その他ガスタービンの高温ガス流路内の大形部品のような用途のための高温強度（耐クリープ性を含む）及び疲労特性を達成しつつ、フレックル形成の傾向を低減させる。特に興味深いのは、陸用ガスタービンの最終段タービンバケットで必要とされる非常に大形の鋳造品であるが、従前は、その長さ（１００ｃｍ超）、断面及び／又は重量のためＳＸ及びＤＳ鋳造品としては製造できなかった。一例として、図１に発電業界で使用されるガスタービンのような陸用ガスタービンの最終段バケット１０を示す。バケット１０は翼形部１２とシャンク１４を有しており、シャンク１４にはバケット１０をタービンディスク（図示せず）に植設するためのダブテール１６が形成されている。具体的用途に応じ、先端シュラウド１８からダブテール１６までのバケット１０の長さは約３０インチ（約７５ｃｍ）以上であり、長さが約５０インチ（約１２５ｃｍ）以上となることもある。さらに、バケット１０の重量（質量）は４０ポンド（約１８ｋｇ）を超えることが多く、５０ポンド（約２３ｋｇ）を超えることもあり、重量が１００ポンド（約４５ｋｇ）以上となることもある。以下の説明はガスタービンバケットに焦点を当てるが、本発明はガスタービンの燃焼セクションの部品を始めとする他の様々な部品にも適用できる。
【００１７】
図１に示すタイプのバケットは、従来は、ＩＮ７３８、Ｒｅｎｅ ７７又はＵｄｉｍｅｔ（商標）５００のような析出硬化型ニッケル基超合金の等軸鋳造品として製造される。第１段及び第２段タービンバケットのように、柱状単結晶（ＳＸ）又は柱状多結晶（ＤＳ）ミクロ組織をもつように一方向鋳造することができれば、バケット１０の性能を大幅に向上させることができる。本発明の利点を、図１に示すバケット１０を参照して説明するが、本発明の教示内容は方向性鋳造による恩恵を受ける他の大型部品にも一般に適用できる。
【００１８】
バケット１０は、先進耐熱材料を用いて鋳造することによっても利益を受ける。特に興味深いのは、ＳＸ及びＤＳ鋳造品の鋳造用に特別に処方された超合金、並びにニッケルアルミナイド（ＮｉＡｌ）金属間化合物材料のような金属間化合物である。使用できる超合金の非限定的な具体例としては、Ｒｅｎｅ Ｎ５（公称組成は重量基準で約７．５％Ｃｏ、７．０％Ｃｒ、６．５％Ｔａ、６．２％Ａｌ、５．０％Ｗ、３．０％Ｒｅ、１．５％Ｍｏ、０．１５％Ｈｆ、０．０５％Ｃ、０．００４％Ｂ、０．０１％Ｙ及び残部のニッケル）、Ｒｅｎｅ Ｎ４（公称組成は重量基準で約９．７５％Ｃｒ、７．５％Ｃｏ、４．２％Ａｌ、３．５％Ｔｉ、１．５％Ｍｏ、６．０％Ｗ、４．８％Ｔａ、０．５％Ｎｂ、０．１５％Ｈｆ、０．０５％Ｃ、０．００４％Ｂ及び残部のニッケル）、ＧＴＤ１１１（公称組成は重量基準で約１４．０５％Ｃｒ、９．５％Ｃｏ、３．０％Ａｌ、４．９％Ｔｉ、１．５％Ｍｏ、３．８％Ｗ、２．８％Ｔａ、０．０１０％Ｃ及び残部のニッケル）並びにＧＴＤ４４４（公称組成は重量基準で約９．７５％Ｃｒ、７．５％Ｃｏ、３．５％Ｔｉ、４．２％Ａｌ、６％Ｗ、１．５％Ｍｏ、４．８％Ｔａ、０．００８％Ｃ、０．００９％Ｚｒ、０．００９％Ｂ及び残部のニッケル）が挙げられる。
【００１９】
当技術分野で公知の通り、フレックルは、方向性凝固プロセスを乱す鋳型内での溶融金属の対流にある程度起因し、ＳＸ及びＤＳ鋳造品表面で等軸結晶の小さな鎖として観察されるむら（irregularities）を生じる。フレックルは、凝固プロセスに際して許容できない軸ずれ結晶粒を起こす結晶粒開始源として作用するおそれがあり、鋳造品の疲労寿命を縮めかねない。本発明の一態様では、長さが１００ｃｍを超える（それに応じた大きさの断面及び重量の）ＳＸ及びＤＳ鋳造品において、かかる鋳造品長さでの一次デンドライトアーム間隔の制御の制度を高めることによって、さらに具体的にはこうしたサイズの鋳造品でデンドライトアーム間隔を微細化して浮力の影響を低減させることによって、外部及び内部フレックルを抑制し、さらにはなくすことができる。デンドライトアーム間隔を微細化は、鋳造品の凝固前面での温度勾配がさらに高まる（例えば、８０℃／ｃｍ以上）ように一方向鋳造プロセスの加熱ゾーンと冷却ゾーンとの熱分離を向上させることによって達成できる。具体的には、米国特許第６２１７２８６号では、１００ｃｍ以下の鋳造品について、１５０μｍ乃至８００μｍ未満、好ましくは約１５０〜約６５０μｍ、さらに好ましくは約１５０〜約３５０μｍの一次デンドライトアーム間隔を得るため約８０℃／ｃｍ以下の温度勾配が用いられている。これらの間隔は、１００ｃｍの鋳造品では約８．０μｍ／ｃｍまでのアーム間隔／鋳造品長さ比にほぼ対応する。これに対して、本発明では、１００ｃｍを超える鋳造品について、一次デンドライトアーム間隔を約１５０〜約５００μｍ、さらに好ましくは約２５０〜約４５０μｍ、最も好ましくは約３２５〜４５０μｍ（約１３〜約１８ミル）の狭い範囲に制限することによってフレックルのないＳＸ鋳造品を達成するが、これらの間隔は、１００ｃｍの鋳造品では５μｍ／ｃｍ以下、好ましくは４．５μｍ／ｃｍ以下の最大アーム間隔／鋳造品長さ比に対応する。比較のため、図４に、米国特許第６２１７２８６号の４〜４０インチ（約１０〜約１００ｃｍ）の鋳造品長さでの好ましい範囲及び最も好ましい範囲をそれぞれライン５０及び４８としてプロットし、図５に、４０インチ（１００ｃｍ）を超える長さの鋳造品について本発明の一次デンドライトアーム間隔の好ましい範囲５２及び最も好ましい範囲５４をプロットした。比較のため、米国特許第６２１７２８６号の好ましい範囲のライン５０を４０インチを超える鋳造品長さにもプロットしたが、米国特許第６２１７２８６号には、これらの条件下で許容レベルを超えるフレックルを生じさせずに４０インチを超える長さの鋳造品を鋳造できることを予想若しくは示唆する記載は認められない。さらに、Ｈｕａｎｇ他が利用することのできたセラミック鋳型のため、Ｈｕａｎｇ他が検討することのできた鋳造品のサイズは限られていた。
【００２０】
以上の点から、本発明の重要な態様及び予想外の結果は、長さが１００ｃｍを超える（それに応じた大きさの断面及び重量の）大形鋳造品を、フレックルを回避するため５００μｍ以下（例えば、約１５０〜約５００μｍ）の微細な一次デンドライトアーム間隔をもつように製造できることである。さらに具体的には、一次デンドライトアーム間隔は最も好ましくは３２５〜４５０μｍである。目標となる間隔は鋳造品の長さと相関していて、約０．７５〜約５．０、さらには約１．６２５〜約４．５μｍ／ｃｍ、さらに好ましくは約２．２５〜約３．２５μｍ／ｃｍの間隔／長さ比に対応する。本発明では、他の潜在的な鋳造欠陥、例えば鋳造品の突出部で生じる傾向のある高角粒界及びミクロ組織に筋（スリバー）を形成する結晶粒も最小限に抑制できる。
【００２１】
図２及び図３に、本発明の単結晶鋳造品の製造に適したタイプのシェル鋳型２０を示す。当技術分野で公知の通り、鋳型２０は好ましくはアルミナ又はシリカのような材料から形成され、タービンバケットで例示される鋳造品３２の所望の形状に対応した内部キャビティ２２を有する。キャビティ２２は翼形部３４とシャンク３６とダブテール３８を有する鋳造品３２が生じるように構成され、鋳造品３２内部の冷却通路を形成するために中子（図示せず）を含んでいてもよい。鋳型２０は、チルプレート２４に固定され、鋳型２０を合金の融点以上の温度、特に合金の液相線温度よりも高い温度に加熱するための加熱ゾーン２６（例えば、ブリッジマン炉）内に配置されている。冷却ゾーン４２を加熱ゾーン２６の直下に位置しているものとして例示するが、加熱ゾーン２６と冷却ゾーン４２の間にバッフル又は遮熱体４４が配置され、それらを隔てている。冷却ゾーン４２は、溶融金属のような液体冷却浴４３を含むタンクであってもよいし、或いは放射冷却タンクであってもよく、放射冷却タンクは脱気してもよいし、周囲温度又は低温ガスを含んでいてもよい。冷却ゾーン４２では、ガスインピンジメント冷却（例えば、Ｂａｌｌｉｅｌ他の米国特許第７０１７６４６号参照）又は流動床（例えば、米国特許第６４４３２１３号参照）も使用できる。冷却浴４３として特に適した液体としては、約２３５〜約３５０℃の温度の溶融スズ及び約７００℃以下の温度の溶融アルミニウムがあり、低い融点と低い蒸気圧の点で溶融スズが特に好適であると思料される。
【００２２】
遮熱体４４は、加熱ゾーン２６の下端及び冷却ゾーン４２と密接に接触するように配置され、冷却浴４３の場合にはその表面に浮遊していてもよい。遮熱体４４の目的は、冷却ゾーン４２を加熱ゾーン２６から遮蔽することであり、特に加熱ゾーン２６からの熱放射に対する障壁を形成して、鋳型２０と冷却浴４３との間に大きな温度勾配を形成することである。遮熱体４４は、流動グラファイトいかだ、耐火性フェルト材料又は高融点金属のような剛性及び／又は可撓性遮熱材料の単層又は多層とし得る。遮熱体４４は、図２に示すように、鋳型２０を加熱ゾーン２６から遮熱体４４を通して液体冷却浴４３へと引き出す際に遮熱体４４が鋳型２０の形状にぴったりと適合できるように可変サイズの開口４５をもつように構成される。
【００２３】
鋳造プロセスは好ましくは真空又は不活性雰囲気中で実施され、鋳型２０は合金の液相線温度より高い温度（例えば約１３７０〜約１６００℃の温度）に予熱される。溶融合金を予熱した鋳型２０に鋳込み、しかる後、鋳型２０の底及びチルプレート２４を一定速度で冷却ゾーン（図示せず）へと下方に引き出すことによって方向性凝固を開始するが、引出作業は、図３に示すように鋳型２０が完全に冷却ゾーン４２に収まるまで続けられる。デンドライトの成長が鋳型２０の下端で始まって凝固前面が鋳型２０内で上方に進行するように、チルプレート２４の温度は好ましくは冷却ゾーン４２の温度又はその近傍に維持される。鋳造品３２は、鋳型２０の底の単結晶シード材料の小ブロック２８の結晶組織及び方位に基づいてエピタキシャル成長し（例えば＜１００＞方位で）、底部の結晶セレクタ３０（例えば、ピグテール選別構造）から単結晶が形成される。キャビティ２２の拡がった部分で、柱状単結晶は大きくなる。実質的に鋳造品３２全体で一方向柱状単結晶が形成されるように、ブリッジ４０で鋳造品３２の突出部分を鋳造品３２の下方部分と接続する。鋳造品３２は、高角粒界（例えば約２０度超）を有していなければ、実質的に柱状単結晶であるとみなされる。
【００２４】
遮熱体４４及び冷却ゾーン４２によって鋳造品３２に強い一方向温度勾配が加わることによって、均一な一次デンドライトアーム間隔が達成される。本発明の好ましい態様では、鋳造品３２の凝固前面での温度勾配は３５℃／ｃｍ超、好ましくは５０℃／ｃｍ超、さらに好ましくは８０℃／ｃｍ超である。５０℃／ｃｍ未満、特に３０℃／ｃｍ未満の温度勾配は、本発明の対象である大形鋳造品で上記一次デンドライトアーム間隔を達成するのには適していないと思料される。数学的関係に基づくと、本発明の温度勾配には、用いる引出速度に対して高い冷却速度も必要とされるが、最大引出速度は２０インチ／時（約８．５ｍｍ／分）以上とすることができる。
【００２５】
当業者には自明であろうが、当業者には自明であろうが、ＤＳ鋳造品も、チルプレート２４に対して開いた鋳型２０の底に成長ゾーンを設け、シード材料２８及び／又は結晶セレクタ３０をなくすなど、鋳型２０に変更を加えることによって、同様に製造できる。
【００２６】
本発明を完成するに至った実験において、図１に示すものと同様の最終段バケットを鋳造した。鋳造品は長さが約３０〜約５０インチ（約７５０〜約１２５０ｍｍ）のものであった。バケットの組成はニッケル基超合金Ｒｅｎｅ Ｎ４及びＧＴＤ４４４であり、いずれもＳＸ及びＤＳ鋳造品用に特別に処方されたものである。単結晶鋳造品は、上記合金の工業生産の慣例、上述の鋳造プロセスに従って用意した。鋳型は各鋳造品よりも約１０インチ（約２５ｃｍ）長く、最大約４００ポンド（約１８０ｋｇ）の溶湯を含むように鋳込んだ。鋳造炉温度は約２７５０°Ｆ（約１５１０℃）であった。冷却は約２４０℃に保温した溶融スズの液体浴によって行い、冷却中の鋳造品における温度勾配は約８５℃／ｃｍであった。対比基準としての鋳造品の製造には通常の約３インチ／時（約１．２５ｍｍ／分）の引出速度を用いたのに対して、他の鋳造品の製造には約６〜１２インチ／時（約２．５〜約５ｍｍ／分の高い実験速度を用いた。これらの値に基づくと、冷却速度は通常の引出速度（３インチ／時）を用いたときは約１０℃／分であり、高い引出速度（６〜１２インチ／時）を用いたときは約２０〜約４０℃／分である。
【００２７】
鋳込み作業の後、鋳造品における一次デンドライトアーム間隔を金属組織検査によって測定し、フレックル形成の形跡は鋳造品表面をマクロエッチングした後で金属組織検査を行うことによって調べた。これらの検査によって、通常の引出速度（約１０℃／分の冷却速度に対応）で製造した鋳造品では結晶粒組織が壊れているのが認められた。さらに、鋳造品はその厚肉部並びに先端シュラウドのように断面積が変化する部分に多数のフレックルを有していた。デンドライトアーム間隔は約２５〜約３０ミル（約６３５〜約７６０μｍ）であり、Ｈｕａｎｇ他で許容される広い範囲内にある。それにもかかわらず、鋳造品は、ミクロ組織での過度の偏析のため部分溶融（incipient melting）を生じ、熱処理を行うことができなかった。
【００２８】
対照的に、高い引出速度（約２０〜約４０℃／分の冷却速度に対応）で製造した試験鋳造品はフレックルを全く含んでいなかった。さらに、結晶粒は真っ直ぐで、結晶粒成長が他の熱抽出方向による影響を受けていないことが明らかであった。デンドライトアーム間隔は約１６〜約２１ミル（約４００〜約５３０μｍ）であり、約０．３２μｍ／ｃｍの最小デンドライトアーム間隔／鋳造品長さ比に対応していた。最後に、重要なことであるが、鋳造品のミクロ組織は、バケットに望まれる機械的性質を得るための熱処理を行うことができるものであった。
【００２９】
これらの結果から、ＳＸ及びＤＳ用に処方された超合金から形成したＳＸ及びＤＳ鋳造品であって、実験で使用した寸法（約７６０ｍｍ（約３０インチ）以上の長さ、４０ポンド（約１８ｋｇ）超の重量、及びそれに応じた大きさの断面）に鋳造したＳＸ及びＤＳ鋳造品は、比較的高い温度勾配（好ましくは８０℃／ｃｍ超、さらに好ましくは約８５℃／ｃｍ以上）による有益な効果を受けるという結論が得られる。高い温度勾配の効果は、引出速度に対して比較的高い冷却速度（１０℃／分超、例えば約２０℃／分以上）を使用することにも依存すると思われる。プロセスでは、１．２５ｍｍ／分超のように比較的高い引出速度（例えば約２．５〜約５ｍｍ／分）を使用することもできるが、それより低い又は高い引出速度も本発明の技術的範囲に属する。
【００３０】
以上、特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者が他の形態を採用し得ることは明らかである。例えば、鋳造品の物理的構成は例示したものと異なっていてもよく、上記以外の材料及びプロセスを使用することもできる。従って、本発明の技術的範囲は専ら特許請求の範囲によって限定される。
【符号の説明】
【００３１】
１０  バケット
１２  翼形部
１４  シャンク
１６  ダブテール
１８  シュラウド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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