(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型に形成された内部空間に活性金属合金の溶湯を注湯し、前記内部空間において前記溶湯を固化させて鋳造品を形成する鋳造方法であって、
前記活性金属合金の液相線温度よりも融点が高く、かつ、前記活性金属合金が含有する金属元素のうち一の金属元素からなる高融点純金属で形成された鋳型を用い、
前記活性金属合金は、ニオブを含有し、
前記高融点純金属は、純ニオブであることを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
前記活性金属合金は、ＴｉＡｌ基合金であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記鋳型は、前記内部空間の内表面において法線方向に窪む微細凹部を複数有し、
前記微細凹部は、前記溶湯を前記内部空間に注湯した場合において、前記溶湯の表面張力で前記溶湯の侵入が阻止される大きさに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造方法。
【請求項４】
前記溶湯を前記内部空間に注湯した場合において、前記鋳型の外表面の少なくとも一部を冷却することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の鋳造方法。
【請求項５】
前記鋳型は、前記内部空間の狭隘部に形成された吸引孔を有し、
前記溶湯を前記内部空間に注湯した場合において、前記内部空間の圧力よりも低い圧力で、前記吸引孔から前記内部空間を負圧吸引することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ロストワックス法等の精密鋳造法は、機械加工の困難な材質及び複雑な形状の部品を高い寸法精度で製造することが可能である。
例えば、比強度、耐熱性及び耐食性に優れたＴｉＡｌ基合金は、航空機エンジンの各種部品やタービン翼等の材質として好適であるが、一般の金属や合金に比べて硬くて脆いために機械加工が困難である。このようなＴｉＡｌ基合金の加工に、上述した精密鋳造法が広く用いられている。
【０００３】
このような精密鋳造法においては、鋳造用具をセラミックスで形成するのが通常であり、アルミナ、ジルコンで形成した鋳型やアルミナ、ジルコニアで形成した坩堝が多く用いられている（例えば、下記特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５０１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術においては、非常に活性で酸素に対する親和性が高い活性金属（Ｔｉ，Ａｌ等）を含有する活性金属合金（例えば、ＴｉＡｌ基合金）を鋳造する場合には、セラミックスに含まれる酸素と活性金属合金とが反応（酸化）してしまって、鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質してしまう、あるいは、活性金属合金中の酸素濃度が高くなってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、活性金属合金で鋳造をした場合に鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、活性金属合金中の酸素濃度が高くなることを抑止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る鋳造方法は、鋳型に形成された内部空間に活性金属合金の溶湯を注湯し、前記内部空間において前記溶湯を固化させて鋳造品を形成する鋳造方法であって、前記活性金属合金の液相線温度よりも融点が高く、かつ、前記活性金属合金が含有する金属元素のうち一の金属元素からなる高融点純金属で形成された鋳型を用い、前記活性金属合金は、ニオブを含有し、前記高融点純金属は、純ニオブであることを特徴とする。
この構成によれば、高融点純金属で形成された鋳型を用いるので、活性金属合金が鋳型に反応することがなく、鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、活性金属合金中の酸素濃度が高くなることを抑止することができる。
また、活性金属合金の液相線温度よりも融点が高い高融点純金属で形成された鋳型を用いるので、溶湯からの伝熱によって鋳型が融解することがない。
また、活性金属合金が含有する金属元素のうち一の金属元素からなる高融点純金属で形成された鋳型を用いるので、鋳型の金属元素が活性金属合金に混入したとしても鋳造品の品質への影響を低く抑制することができる。
さらに、高融点純金属が純ニオブであるので、純チタンよりも更に高い融点を確保することができる。これにより、溶湯温度及び鋳型表面温度を純チタンよりも更に高くすることができ、湯周り性をより良好なものとすると共に、湯周り不良をより確実に防止することが可能となる。
【０００８】
また、活性金属合金は、ＴｉＡｌ基合金であることを特徴とする。
この構成によれば、活性金属合金がＴｉＡｌ基合金であるので、比強度、耐熱性及び耐食性に優れた鋳造品を得ることができる。
【００１１】
また、前記鋳型は、前記内部空間の内表面において法線方向に窪む微細凹部を複数有し、前記微細凹部は、前記溶湯を前記内部空間に注湯した場合において、前記溶湯の表面張力で前記溶湯の侵入が阻止される大きさに形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、内部空間の内表面に、溶湯の表面張力で溶湯の侵入が阻止される微細凹部が形成されているので、微細凹部を形成しない場合に比べて、内表面と溶湯との接触面積が小さくなる。これにより、溶湯から鋳型への伝熱量を少なくすることができるので、溶湯の高温部（湯流れ上流側）において鋳型が局所的に高温になることを防止する一方、溶湯流動先端部（湯流れ下流側）の低温部において溶湯の降温を緩和して湯周り性を向上させることができる。
【００１２】
また、前記鋳型の外表面の少なくとも一部から前記鋳型を冷却する冷却手段を設け、前記溶湯を前記内部空間に注湯した場合において、前記冷却手段で前記鋳型を冷却することを特徴とする。
この構成によれば、鋳型を外部から冷却する冷却部を設けるので、鋳型表面温度の降温を抑えつつ、鋳型の外部側の温度を低下させることができる。これにより、鋳型が高温になり過ぎて破損してしまうことを防止することができる。
【００１３】
また、前記鋳型は、前記内部空間の狭隘部に形成された吸引孔を有し、前記溶湯を前記内部空間に注湯した場合において、前記内部空間の圧力よりも低い圧力で、前記吸引孔から前記内部空間を負圧吸引することを特徴とする。
この構成によれば、吸引孔を介して内部空間を負圧吸引して狭隘部側に溶湯を導くので、狭隘部に溶湯をより確実に導くことができる。特に、比較的に高い粘度の溶湯を、溶湯の溶湯温度を上昇させることなく狭隘部に導くことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る鋳造方法によれば、活性金属合金で鋳造をした場合に鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、活性金属合金中の酸素濃度が高くなることを抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る鋳造方法で用いられる鋳型１及び坩堝１０の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る鋳型１の要部拡大図であって、図１における要部Ｉの拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る鋳型１の要部拡大図であって、図１における要部IIの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る鋳造方法で用いられる鋳型１及び坩堝１０の概略構成図である。本実施形態における鋳造方法は、ＴｉＡｌ基合金（活性金属合金）でタービン翼を金型鋳造するものであって、重力鋳造法を採用したものである。
【００１７】
鋳型１は、その材質が純チタン（高融点純金属）からなっており、機械加工によって形成された複数のブロック状部材で構成されている。鋳型１は、複数のブロック状部材を組み合わせると、溶湯２０を注湯可能な内部空間２が形成されるようになっている。
なお、鋳型１に用いられた純チタンの融点は、１６７０℃である。
【００１８】
図１に示すように、鋳型１の内部空間２は、タービン翼の形状に対応した鋳造スペース３を複数有しており、各鋳造スペース３が注湯口４に連通していると共にツリー状に連通している。
【００１９】
各鋳造スペース３の重力方向下端には、タービン翼の先端のチップシュラウドにおいて先鋭状に延びるシールフィンに対応して、重力方向の上方から下方に向かうに従って漸次狭隘になった狭隘部５が形成されている。
【００２０】
図２は、図１における要部Ｉの拡大断面図である。
図２に示すように、狭隘部５には、最も狭隘となった最下端において吸引孔６が開口している。この吸引孔６は、外部に連通しており、吸引ポンプＰに接続されている。
【００２１】
図３は、図１における要部IIの拡大断面図である。
図３に示すように、鋳型１のうち内部空間２を画定する内表面７においては、それぞれ水平方向に延在する微細溝部（微細凹部）８が複数形成されている。
これら複数の微細溝部８は、各微細溝部８の溝幅ｄが０．５ｍｍに、互いに隣接する二つ微細溝部８の間隔Ｇが０．５ｍｍに形成されている。
【００２２】
図１に示すように、鋳型１の外表面のうち一の側面には、冷却装置１５が配設されている。この冷却装置１５としては、例えば、鋳型１の側面に沿って配管されたチューブ内を冷却水が流通するように構成されたものを用いることができる。
【００２３】
図１に示すように、坩堝１０は、有底筒状に形成されており、ＴｉＡｌ基合金の溶湯２０を貯留可能である。本実施形態においては、液相線温度が１５３２℃のＴｉＡｌ基合金を用いている。
【００２４】
次に、上記の構成からなる鋳型１及び坩堝１０を用いたタービン翼の鋳造法について説明する。
まず、鋳型１の内部空間２を構成する内表面７の鋳型表面温度を約１０００度に昇温させる（鋳型昇温工程）。
【００２５】
次に、鋳型１の内部空間２に、溶湯２０を注湯口４から注湯する（鋳込工程）。本実施形態においては、溶湯２０の溶湯温度を純チタンの融点（＝１６７０℃）以下の１６００℃に設定している。
なお、溶湯２０は、例えば、ＴｉＡｌ基合金のインゴットを収容した坩堝１０を溶解チャンバ内に載置すると共に、坩堝１０内のインゴットを高周波溶解させることで得ることができる。
この鋳込工程の際、吸引孔６に接続された吸引ポンプＰが、内部空間２の圧力よりも低い圧力で狭隘部５を負圧吸引する。また、冷却装置１５が鋳型１の側面を冷却する。
【００２６】
内部空間２における溶湯２０は、図３に示すように、溶湯２０の表面張力によって、鋳型１の内表面７の微細溝部８に溶湯２０が侵入することがない。つまり、溶湯２０は、鋳型１の内表面７のうち微細溝部８が形成された部分を除いた部分に接触することとなる。このため、溶湯２０及び鋳型１間の伝熱量が、微細溝部８を形成しない場合に比べて小さくなり、溶湯２０の高温部（湯流れ上流側）において溶湯２０の熱が鋳型１に供給されることを阻害し、鋳型１の内表面７が局所的に高温になることが緩和される。
【００２７】
鋳型１の内部空間２に注湯された溶湯２０は、各鋳造スペース３に流入していく。
鋳造スペース３の狭隘部５に到達した溶湯２０は、吸引ポンプＰが狭隘部５の最下端に位置する吸引孔６を介して負圧吸引することで、狭隘部５の最下端側（奥隅部側）に導かれる。この際、溶湯２０は、鋳型１の内表面７のうち微細溝部８を除いた部分に接触し、溶湯２０及び鋳型１間の伝熱量が、微細溝部８を形成しない場合に比べて小さくなるために、溶湯２０の流動先端部において溶湯２０の熱が鋳型１に奪われることを阻害し、溶湯２０の降温が緩やかなものとなる。
このようにして、鋳造スペース３に溶湯２０が充填される。
【００２８】
次に、溶湯２０を冷却させることにより、溶湯２０を固化させる（冷却工程）。
最後に、鋳型１を複数のブロック状部材に分割してタービン翼を取り出し（取出工程）、鋳造を終了する。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態に係る鋳造方法によれば、純チタンで形成された鋳型１を用いるので、ＴｉＡｌ基合金が鋳型１から酸素を奪って反応（酸化）をすることがなく、鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金中の酸素濃度が高くなることを抑止することができる。
また、ＴｉＡｌ基合金の液相線温度（＝１５３２℃）よりも融点（＝１６７０℃）が高い純チタンで形成された鋳型１を用いるので、溶湯２０からの伝熱によって鋳型１が融解することがない。
また、ＴｉＡｌ基合金が含有する金属元素のうち一の金属元素であるチタンで形成された鋳型１を用いるので、鋳型１のチタンがＴｉＡｌ基合金に混入したとしても、ＴｉＡｌ基合金のうちチタンの割合が僅かに変化するだけであるためにタービン翼の品質への影響を低くすることができる。
【００３０】
また、鋳型１が純チタンで形成されているので、比較的に高い融点（＝１６７０℃）を確保することができる。これにより、溶湯２０の溶湯温度（＝１６００℃）及び鋳型１の内表面７の鋳型表面温度（＝１０００℃）を比較的に高く設定することができるので、粘性が比較的に高いＴｉＡｌ基合金の溶湯２０の湯周り性を向上させることができ、湯周り不良が生じることを抑制することができる。
【００３１】
また、内部空間２の内表面７に、溶湯２０の表面張力で溶湯２０の侵入が阻止される微細溝部８が形成されているので、微細溝部８を形成しない場合に比べて、内表面７と溶湯２０との接触面積が小さくなる。これにより、溶湯２０から鋳型１への伝熱量を少なくすることができるので、溶湯２０の高温部において鋳型１が局所的に高温になることを防止する一方、溶湯２０の流動先端部等の低温部において溶湯２０の降温を緩和して湯周り性を向上させることができる。
【００３２】
また、鋳型１を外部から冷却する冷却装置１５を設けるので、鋳型表面温度の降温を抑えつつ、外部側の温度を大きく低下させることができる。
【００３３】
また、吸引孔６を介して負圧吸引して最下端側（奥隅部側）に溶湯２０を導くので、最下端側（奥隅部側）に溶湯２０をより確実に導くことができる。
すなわち、狭隘部５においては、周囲の内表面７の抵抗や降温による溶湯２０の粘性の増加により、最下端側まで溶湯２０が到達し難い。しかしながら、吸引ポンプＰの負圧吸引によって溶湯２０の流動が付勢されるために、負圧吸引をしない場合の到達限界位置Ｑ１に比べて最下端側の位置Ｑ２まで溶湯２０が到達する。
特に、ＴｉＡｌ基合金の溶湯２０は、他の一般的な金属に比べて比較的に高い粘度となるが、容易に狭隘部５の最下端側（奥隅部側）に導くことができる。
【００３４】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態においては、鋳型１を純チタンで形成したが、鋳造の対象となる活性金属合金がニオブ（Ｎｂ）を含有することが条件として（例えば、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｂ系合金）、鋳型１を純ニオブ（高融点純金属）で形成してもよい。
すなわち、鋳型１を純ニオブで形成することで、純チタンよりも更に高い融点（＝２４６８℃）を確保することができる。これにより、溶湯２０の溶湯温度を１６００℃以上に設定することが可能となり、鋳型１の内表面７の鋳型表面温度も１０００℃以上に設定することが可能となる。これにより、湯周り性をより良好なものとすると共に、湯周り不良をより確実に防止することが可能となる。また、ニオブを添加することにより、耐酸化・耐クリープ性能が良好な鋳造品を得ることができる。
なお、溶湯２０にニオブが含まれることを条件としたのは、溶湯２０にニオブが含まれていない場合に鋳型１からニオブが混入すると、元来含有していなかった元素が鋳造品に混入することとなり、鋳造品の品質へ影響を及ぼす恐れがあるためである。
【００３５】
また、上述した実施の形態では、微細溝部８を水平方向に延在させる構成としたが、溶湯２０が侵入しない大きさであれば同一方向に延在させる必要はないし、他の凹部形状（例えば、有底孔状）に形成してもよい。また、このような微細凹部を省略する構成としても構わない。
また、上述した実施の形態では、冷却装置１５を設けて鋳型１の一の側面を冷却する構成としたが、他の外表面を冷却してもよいし、省略してもよい。
【００３６】
また、上述した実施の形態では、液相線温度が１５３２℃のＴｉＡｌ基合金を用いたが、他の液相線温度のＴｉＡｌ基合金を用いてもよい。
また、上述した実施の形態では、ＴｉＡｌ基合金を用いたが、他の活性金属合金（例えば、チタンやアルミニウムを含有する合金）に本発明を適用してもよい。
【００３７】
また、上述した実施の形態における鋳型１の内表面７の鋳型内表面温度及び溶湯２０の溶湯温度は一例であって、鋳型の融点未満であることを条件として他の温度にしても構わない。
【００３８】
また、上述した実施の形態では、溶湯２０を重力で鋳型１の内部空間２に充填する重力鋳造法を用いる構成としたが、溶湯２０に圧力を与えて鋳型１の内部空間２に充填する圧力鋳造法を用いても構わない。
【００３９】
また、上述した実施の形態では、タービン翼を鋳造する場合について本発明を適用したが、他の部材や部品を鋳造する場合に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１…鋳型
２…内部空間
５…狭隘部
６…吸引孔
７…内表面
８…微細溝部（微細凹部）
２０…溶湯
【図１】
0005590976.tif 000002
【図２】
0005590976.tif 000003
【図３】
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