(57)【要約】      （修正有）【課題】長さに沿って横断面形状が変化するガスタービンエンジンのブレード又はベーン等のニアネットシェイプ物品を鋳造する方法及び装置を提供する。【解決手段】鋳造される物品の形状に対応する形状のモールドキャビティを有する加熱されたモールドの中に金属溶融物が供給される。溶融物が入れられたモールドＭとモールド加熱炉５０とを相対的に移動させることにより、溶融物を入れられたモールドは、強制冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３を通して取り出され、強制冷却ゾーンでは、冷却ガスがモールドの外部に当たる向きに送られて熱の能動的抽出が行われる。溶融物を入れられたモールドが強制冷却ゾーンを通して取り出されるとき、物品の長さの少なくとも一部に沿って等軸晶ミクロ組織が生成されるように、モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも１つが調節される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニアネットシェイプ物品を鋳造する方法であって、
溶融金属材料を含む溶融物をモールドの中に供給することを含み、前記モールドは、鋳造される物品の形状に対応する形状のモールドキャビティを有し、モールド加熱炉の中で金属材料の固相線温度を超える温度に加熱されており、
溶融物が入れられたモールドとモールド加熱炉とを相対的に移動させることにより、溶融物が入れられたモールドを、加熱炉から強制冷却ゾーンを通して取り出すことを含んでおり、強制冷却ゾーンでは、冷却ガスがモールドの外部に当たる向きに送られ、モールド内の溶融物が凝固するとき、物品の長さの少なくとも一部分に沿って等軸晶ミクロ組織を有するように熱の能動的抽出が行われる、方法。
【請求項２】
物品形状のモールドキャビティの少なくとも１つの特定横断面が強制冷却ゾーンに最も近い時に、進行性凝固が行われて、等軸晶ミクロ組織を有するように、モールドの取出し速度、強制冷却ゾーンへの冷却ガス質量流量及び加熱炉からモールド取出し中のモールド温度のうちの少なくとも１つが調節される請求項１の方法。
【請求項３】
物品形状のモールドキャビティの少なくとも１つの特定横断面が強制冷却ゾーンに最も近い時に、進行性凝固が行われて、等軸晶ミクロ組織を有するように、モールドの取出し速度、強制冷却ゾーンへの冷却ガス質量流量及び加熱炉からモールド取出し中のモールド温度のうちの少なくとも２つを調節することを含んでいる請求項１の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの特定横断面が強制冷却ゾーンに最も近い時を決定するためのモールド取出し位置を決定することを含んでいる請求項１の方法。
【請求項５】
溶融物が入れられたモールドを取り出すことを含んでおり、前記モールドは、第１の強制冷却ゾーンの中を通り、次に１又は複数の追加の強制冷却ゾーンの中を通って、モールド内の溶融物からの熱抽出が継続される請求項１の方法。
【請求項６】
冷却ガスは、強制冷却ゾーンの周囲を画定する複数のノズルから放出される請求項１の方法。
【請求項７】
強制冷却ゾーンは、モールドの取出し方向に沿って配備された複数の冷却ゾーンを含み、各冷却ゾーンは、複数のノズルによって画定されている請求項６の方法。
【請求項８】
冷却ゾーンの１つは、主として乱流のガス流れであり、他の冷却ゾーンは層流のガス流れである請求項７の方法。
【請求項９】
冷却ゾーンの１つは、主として乱流のガス流れであり、他の冷却ゾーンは層流のガス流れである請求項７の方法。
【請求項１０】
ノズルの直径、モールドからの距離、及び種類は、モールドから最大の熱抽出がもたらされるように選択される請求項６の方法。
【請求項１１】
ノズルの垂直方向と水平方向は、モールドから最大の熱抽出がもたらされるように選択される請求項６の方法。
【請求項１２】
複数のノズルは、扇形状、霧状、円錐状又は中空円錐状の冷却ガス流れのパターンを形成する請求項６の方法。
【請求項１３】
冷却ガス圧力又は冷却ガス体積又はその両方は、モールドから最大の熱抽出がもたらされるように制御される請求項１の方法。
【請求項１４】
モールドには、強制冷却ゾーンにおける熱抽出を促進するために、物品のモールドキャビティを画定する比較的薄くて熱伝導性の壁が設けられている請求項１の方法。
【請求項１５】
モールドの壁は、熱膨張係数が異なる複数のセラミック層から構成され、モールドが高温状態のときに最も内側のモールド層に圧縮力が作用するように、外側に熱膨張係数の低いセラミック材料が用いられる請求項１の方法。
【請求項１６】
モールドが炉から取り出される前に、モールド内の溶融物の温度は、モールドキャビティの長さに沿って略一様となるように制御される請求項１の方法。
【請求項１７】
モールドが炉からモールドを取り出される前に、モールド内の溶融物の温度は、モールドキャビティの長さに沿って可変となるように制御される請求項１の方法。
【請求項１８】
モールドが強制冷却ゾーンで進行性冷却されるまで、モールドの中の溶融物の温度を、金属材料の固相線温度を超える温度に制御することを含んでいる請求項１の方法。
【請求項１９】
モールドが強制冷却ゾーンで進行性冷却されるまで、モールドの中の溶融物の温度を、金属材料の液相線温度を超える温度に制御することを含んでいる請求項１の方法。
【請求項２０】
モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも１つは、モールドの熱電対フィードバックループ測定温度を用いて制御される請求項１の方法。
【請求項２１】
モールド取出し速度及び冷却ガス質量流量が制御される請求項２０の方法。
【請求項２２】
モールドは端部が閉じられており、該端部はチルプレートの上に支持される請求項１の方法。
【請求項２３】
モールドは端部が閉じられており、該端部はチルプレートの断熱材料の上に支持される請求項１の方法。
【請求項２４】
モールドは端部が開口しており、該端部はチルプレートの上に支持される請求項１の方法。
【請求項２５】
鋳造される物品は、その長さに沿う横断面の形状が変化しているか又は略一様である請求項１の方法。
【請求項２６】
物品は、タービンブレード又はタービンベーンであり、その横断面形状は長さに沿って変化している請求項１の方法。
【請求項２７】
物品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、チル晶及び柱状晶が存在しない請求項１の方法。
【請求項２８】
物品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、内部に微小孔が存在しない請求項１の方法。
【請求項２９】
物品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、鋳造品の高温での溶体化熱処理を、初期溶融を生じることなく行えるほどに偏析が少ない請求項１の方法。
【請求項３０】
金属材料は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、鉄基超合金又はステンレス鋼である請求項１の方法。
【請求項３１】
長さに沿って横断面形状が変化するニアネットシェイプのガスタービン部品を鋳造する方法であって、
溶融金属材料を含む溶融物を、インベストメントモールドの中に導入することを含み、前記モールドは、その横断面形状が長さに沿って変化し、鋳造される部品の形状に対応する部品形状のモールドキャビティを有し、モールド加熱炉の中で金属材料の固相線温度を超える温度に加熱されており、
溶融物が入れられたモールドとモールド加熱炉とを相対的に移動させることにより、溶融物が入れられたモールドを、加熱炉から強制冷却ゾーンを通して取り出すことを含んでおり、強制冷却ゾーンでは、冷却ガスがモールドの外部に当たる向きに送られて熱の能動的抽出が行われようにしており、
部品の特定した横断面が強制冷却ゾーンに達すると、進行性凝固が行われて、等軸晶ミクロ組織を有するように、モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも１つを調節することを含んでいる、方法。
【請求項３２】
部品の特定横断面が強制冷却ゾーンに達すると、強制冷却ゾーンにおけるモールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも２つを調節することを含んでいる請求項３１の方法。
【請求項３３】
溶融物が入れられたモールドを取り出すことを含んでおり、前記モールドは、第１の強制冷却ゾーンの中を通り、次に１又は複数の追加の強制冷却ゾーンの中を通って、モールド内の溶融物からの熱抽出が継続される請求項３１の方法。
【請求項３４】
冷却ガス圧力又は冷却ガス体積又はその両方は、モールドから最大の熱抽出がもたらされるように制御される請求項３１の方法。
【請求項３５】
部品の特定横断面が強制冷却ゾーンに達する時を決定するために、炉に対するモールド取出し位置を決定することを含んでいる請求項３１の方法。
【請求項３６】
強制冷却ゾーンは、モールドの取出し方向に沿って配備された複数の冷却ゾーンを含み、各冷却ゾーンは、複数のノズルによって画定されている請求項３１の方法。
【請求項３７】
冷却ゾーンの１つは、主として乱流のガス流れであり、他の冷却ゾーンは層流のガス流れである請求項３６の方法。
【請求項３８】
複数のノズルは、扇形状、霧状、円錐状又は中空円錐状の冷却ガス流れのパターンを形成する請求項３６の方法。
【請求項３９】
モールドには、強制冷却ゾーンにおける熱抽出を促進するために、物品のモールドキャビティを画定する比較的薄くて熱伝導性の壁が設けられている請求項３１の方法。
【請求項４０】
モールドの壁は、熱膨張係数が異なる複数のセラミック層から構成され、モールドが高温状態のときに最も内側のモールド層に圧縮力が作用するようにしている請求項３１の方法。
【請求項４１】
モールドが炉から取り出される前に、モールド内の溶融物の温度は、モールドキャビティの長さにそって略一様となるように制御される請求項３１の方法。
【請求項４２】
モールドが強制冷却ゾーンで進行性冷却されるまで、モールドの中の溶融物の温度を、金属材料の固相線温度を超える温度に制御することを含んでいる請求項３１の方法。
【請求項４３】
モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも１つは、モールドの熱電対フィードバックループ測定温度を用いて制御される請求項３１の方法。
【請求項４４】
モールドが強制冷却ゾーンで進行性冷却されるまで、モールドの中の溶融物の温度を、金属材料の液相線温度を超える温度に制御することを含んでいる請求項３１の方法。
【請求項４５】
モールドは端部が閉じられており、該端部はチルプレートの上に支持される請求項３１の方法。
【請求項４６】
モールドは端部が閉じられており、該端部はチルプレートの断熱材料の上に支持される請求項３１の方法。
【請求項４７】
モールドは端部が開口しており、該端部はチルプレートの上に支持される請求項３１の方法。
【請求項４８】
鋳造部品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、チル晶及び柱状晶が存在しない請求項１の方法。
【請求項４９】
部品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、内部に微小孔が存在しない請求項３１の方法。
【請求項５０】
部品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、鋳造品の高温での溶体化熱処理を、初期溶融を生じることなく行えるほどに偏析が少ない請求項３１の方法。
【請求項５１】
部品は、タービンブレード又はタービンベーンである請求項３１の方法。
【請求項５２】
長さに沿ってミクロ組織が変化するニアネットシェイプのガスタービン部品を鋳造する方法であって、
溶融金属材料を含む溶融物を、モールド加熱炉の中で金属材料の固相線温度を超える温度に加熱されたインベストメントモールドのモールドキャビティに導入し、
溶融物が入れられたモールドとモールド加熱炉とを相対的に移動させることにより、溶融物が入れられたモールドを、炉から強制冷却ゾーンを通して取り出すことを含んでおり、強制冷却ゾーンでは、冷却ガスがモールドの外部に当たる向きに送られて熱の能動的抽出が行われようにしており、
モールドが取り出されるとき、部品の長さの少なくとも一部分に沿って柱状晶又は単結晶のミクロ組織が生成されるようにモールドキャビティ内の溶融物を強制冷却ゾーンで凝固させて、
部品の長さの他の部分が強制冷却ゾーンに達すると、モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも１つを調節することにより、部品の長さの他の部分に沿って等軸晶ミクロ組織が生成されるように進行性凝固させることを含んでいる、方法。
【請求項５３】
部品の長さの他の部分が強制冷却ゾーンに達すると、部品の長さの他の部分に沿って進行性凝固され、等軸晶組織が生成されるように、モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも２つを調節することを含んでいる請求項５２の方法。
【請求項５４】
部品の長さの他の部分が強制冷却ゾーンに達する時を決定するために、モールド取出し位置を決定することを含んでいる請求項５２の方法。
【請求項５５】
溶融物が入れられたモールドを取り出すことを含んでおり、前記モールドは、第１の強制冷却ゾーンの中を通り、次に１又は複数の追加の強制冷却ゾーンの中を通って、モールド内の溶融物からの熱抽出が継続される請求項５２の方法。
【請求項５６】
強制冷却ゾーンは、モールドの取出し方向に沿って配備された複数の冷却ゾーンを含み、各冷却ゾーンは、複数のノズルによって画定される請求項５２の方法。
【請求項５７】
冷却ゾーンの１つは、主として乱流のガス流れであり、他の冷却ゾーンは層流のガス流れである請求項５６の方法。
【請求項５８】
複数のノズルは、扇形状、霧状、円錐状又は中空円錐状の冷却ガス流れのパターンを形成する請求項５６の方法。
【請求項５９】
モールドには、強制冷却ゾーンにおける熱抽出を促進するために、物品のモールドキャビティを画定する比較的薄くて熱伝導性の壁が設けられている請求項５２の方法。
【請求項６０】
モールドの壁は、熱膨張係数が異なる複数のセラミック層から構成され、モールドが高温状態のときに最も内側のモールド層に圧縮力が作用するようにしている請求項５２の方法。
【請求項６１】
モールドが炉から取り出される前に、モールド内の溶融物の温度は、モールドキャビティの長さにそって略一様となるように制御される請求項５２の方法。
【請求項６２】
モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも１つは、モールドの熱電対フィードバックループ測定温度を用いて制御される請求項５２の方法。
【請求項６３】
モールドが強制冷却ゾーンで進行性冷却されるまで、モールドの中の溶融物の温度を、金属材料の固相線温度を超える温度に制御することを含んでいる請求項６３の方法。
【請求項６４】
モールドが強制冷却ゾーンで進行性冷却されるまで、モールドの中の溶融物の温度を、金属材料の液相線温度を超える温度に制御することを含んでいる請求項５２の方法。
【請求項６５】
モールドは端部が閉じられており、該端部はチルプレートの上に支持される請求項５２の方法。
【請求項６６】
モールドは端部が閉じられており、該端部はチルプレートの断熱材料の上に支持される請求項５２の方法。
【請求項６７】
モールドは端部が開口しており、該端部はチルプレートの上に支持される請求項５２の方法。
【請求項６８】
鋳造部品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、チル晶及び柱状晶が存在しない請求項５２の方法。
【請求項６９】
部品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、内部に微小孔が存在しない請求項５２の方法。
【請求項７０】
部品の長さの少なくとも一部分に沿う等軸晶ミクロ組織は、鋳造品の高温での溶体化熱処理を、初期溶融を生じることなく行えるほどに偏析が少ない請求項５２の方法。
【請求項７１】
部品は、タービンブレード又はタービンベーンである請求項５２の方法。
【請求項７２】
物品を鋳造する装置であって、
直立した加熱チャンバーを有する炉と、
溶融物を入れるためのモールドキャビティを有するモールドが載置されるモールド支持部材であって、前記モールドキャビティは鋳造される物品の形状に対応する形状を有し、モールドが炉の加熱チャンバー内にあるときにモールドを支持するモールド支持部材と、
モールド支持部材と炉とを相対的に移動させるアクチュエータ手段であって、溶融物を入れられたモールドが、冷却ガスがモールドの外部に当たる向きに送られて熱の能動的抽出が行われる強制冷却ゾーンを通って炉から取り出されることができるようにしたアクチュエータ手段と、
部品の特定した横断面が強制冷却ゾーンに達すると、溶融物が進行性凝固されて、等軸晶ミクロ組織を有するように、モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度のうちの少なくとも１つを調節するための制御手段と、を含んでいる装置。
【請求項７３】
溶融物が入れられたモールドが取り出されるとき、モールド内の溶融物からの熱抽出を継続させる第１の強制冷却ゾーンと、１又は複数の追加の強制冷却ゾーンとを含んでいる請求項７２の装置。
【請求項７４】
強制冷却ゾーンは、モールド取出し径路の周りに設けられた複数のノズルによって画定される請求項７２の装置。
【請求項７５】
モールドは、強制冷却ゾーンにおける熱抽出を促進するために、物品のモールドキャビティを画定する比較的薄くて熱伝導性のモールド壁を含んでいる請求項７２の装置。
【請求項７６】
モールド壁は、熱膨張係数が異なる複数のセラミック層から構成され、モールドが高温状態のときに最も内側のモールド層に圧縮力が作用する請求項７２の装置。
【請求項７７】
炉は加熱チャンバーの中に誘導コイルを含んでおり、モールドが炉から取り出される前に、モールド内の溶融物の温度は、モールドキャビティの長さに沿って略一様となるように制御される請求項７２の装置。
【請求項７８】
制御装置は、モールドが強制冷却ゾーンで進行性冷却されるまで、モールドの中の溶融物の温度が金属材料の固相線温度を超えるように、誘導コイルを制御する請求項７２の装置。
【請求項７９】
制御装置は、モールドが強制冷却ゾーンで進行性冷却されるまで、モールドの中の溶融物の温度が金属材料の液相線温度を超えるように、誘導コイルを制御する請求項７２の装置。
【請求項８０】
モールドは端部が閉じられており、該端部はモールド支持部材の上に支持される請求項８０の装置。
【請求項８１】
モールド支持部材はチルプレートであり、閉じられたモールドの端部はチルプレートの断熱材料の上に支持される請求項８０の装置。
【請求項８２】
モールドは端部が開口しており、該端部はモールド支持部材の上に支持される請求項７２の装置。
【請求項８３】
長さの少なくとも一部分に沿って進行性凝固された等軸晶ミクロ組織を有し、該等軸晶ミクロ組織には、長さ方向に沿ってチル晶及び柱状晶が存在しない、タービン部品鋳造物。
【請求項８４】
長さに沿う等軸晶ミクロ組織は、内部に微小孔が存在しない請求項８３の鋳造物。
【請求項８５】
等軸晶ミクロ組織は、鋳造品の高温での溶体化熱処理を、初期溶融を生じることなく行えるほどに偏析が少ない請求項８３の鋳造物。
【請求項８６】
長さの他の部分に沿って異なるミクロ組織を有する請求項８３の鋳造物。
【請求項８７】
長さの他の部分は、柱状晶又は単結晶のミクロ組織を有する請求項８の鋳造物。
【請求項８８】
長さに沿って横断面形状が変化するタービンブレード又はタービンベーンの鋳造物であって、長さの少なくとも一部分に沿って進行性凝固された等軸晶ミクロ組織を有し、該等軸晶ミクロ組織には、長さ方向に沿ってチル晶及び柱状晶が存在しない、鋳造物。
【請求項８９】
等軸晶ミクロ組織は、長さに沿って内部に微小孔が存在しない請求項８８の鋳造物。
【請求項９０】
等軸晶ミクロ組織は、鋳造品の高温での溶体化熱処理を、初期溶融を生じることなく行えるほどに偏析が少ない請求項１の鋳造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ガスタービンエンジンの他、横断面の形状変化が大きく及び／又は長さ方向に複合ミクロ組織を有する他のタービン部品などの物品の鋳造に関するものであり、また、局部的凝固を制御した結果その長さの少なくとも一部分に沿って改良された等軸晶ミクロ組織を有する鋳造物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶粒が非常に均一で健全な等軸晶鋳物を従来のインベストメント鋳造プロセスによって製造するには、ゲーティング、湯道及び押湯系の設計、並びにその関連する熱パラメータに対して多大な考慮を払う必要がある。このため、金属のモールドへの適切な供給を確実に行うための複雑な堰の構成を必要とし、また、押湯方向への凝固を促進するための大きな押湯系を必要とする。それゆえ、従来法によって鋳造された等軸晶鋳物のゲーティング効率は、通常、４５〜６５％の範囲にすぎない。このように、金属効率が低いため、製造コストの上昇を招いている。従来法では、形状変化の大きな複雑な形状のガスタービン鋳物を成形するのに溶融金属の供給が困難であるため、製造された鋳物に溶接や再加工を行なうためのコストが高くなる問題がある。従来のプロセスでは、ゲートと押湯系は鋳造形状品の一体部品であるため、ゲート及び押湯系を除去するための費用が高く、また、部品をニアネットシェイプ(near  net  shape)に戻すための仕上げコストが高いという問題がある。従来の鋳造プロセスにおける熱伝達の主な形態は、大部分が、高温のモールドからその周囲への受動的熱伝導及び放射によるものである。その結果、熱抽出率が制限される。
【発明の概要】
【０００３】
＜発明の要旨＞
本発明は、ニアネットシェイプ金属物品、例えば、ガスタービンエンジン又は他のタービン部品などの物品について、進行性凝固された(progressively  solidified)等軸晶ミクロ組織(equiaxed  grain  microstructure)を物品の長さの少なくとも一部分に沿って形成するために、制御された強制ガス冷却を行なう鋳造凝固条件下にて鋳造する方法及び装置を提供する。
【０００４】
本発明の例示的な実施形態は、溶融金属材料を含む溶融物を、モールド加熱炉内で金属材料の固相線温度を超える温度に加熱されたモールドの中に供給することを含んでおり、モールドは、鋳造される物品の形状に対応する形状のモールドキャビティを有しており、溶融物が入れられたモールドとモールド加熱炉とを相対的に移動させることにより、溶融物が入れられたモールドを、１又は複数の強制冷却ゾーン(active  cooling  zones)を通じて取り出すことを含んでおり、冷却ガスはモールドの外部に当たる向きに送られて、モールド内の溶融物が進行性凝固されるように熱の能動的抽出が行われることで、物品、その長さの少なくとも一部分に沿って等軸晶ミクロ組織を有するようにしたものである。
【０００５】
本発明の特定の例示的実施形態は、モールドの取出し速度(mold  withdrawal  rate)、強制冷却ゾーンへの冷却ガス質量流量及び加熱炉からモールド取出し中のモールド温度のうちの１又は複数を、具体的物品が強制冷却ゾーンに達した時(即ち、モールドが強制冷却ゾーンに最も近い取出し距離に達した時)の横断面に応じて調節することを含んでおり、物品のモールドキャビティの長さの少なくとも一部分に沿って溶融物の進行性凝固が行われて、等軸晶ミクロ組織を有するようにしたものである。
本発明の他の特定の例示的実施形態は、長さの少なくとも一部分に沿って柱状晶又は単結晶のミクロ組織を有するニアネットシェイプのガスタービン部品を凝固させることを含んでおり、モールドキャビティ内の溶融物を強制冷却ゾーンで凝固させることで、前記部品の長さの少なくとも一部分に沿って柱状晶又は単結晶のミクロ組織を形成し、前記部品の長さの他の部分が強制冷却ゾーンに達すると、モールドの取出し速度、強制冷却ゾーンへの冷却ガス質量流量及び加熱炉からモールド取出し中のモールド温度のうちの１又は複数を、溶融物が進行性凝固されるように調節することで、前記物品の長さの少なくとも一部分に沿って等軸晶ミクロ組織を有するようにしたものである。
【０００６】
本発明の他の例示的実施形態における方法及び装置は、鋳造される物品の形状に対応してその長さに沿って横断面(cross  section)が変化する(variable)か又は一様(uniform)な形状のモールドキャビティを有するモールドの中に溶融金属を導入することを含んでいる。モールド加熱炉内のモールド温度は、モールドが、１又は複数の強制冷却ゾーンにてその長さの少なくとも一部分に沿って進行性及び能動的冷却が行われるまで、金属材料の固相線温度より高いか、又は液相線温度より高い温度に保たれるように制御されることができる。溶融物が入れられたモールドとモールド加熱炉とを相対的に移動させることにより、溶融物が入れられたモールドを、少なくとも１つの強制冷却ゾーンを通じて取り出すことを含んでおり、モールドが強制冷却ゾーンの中を移動すると、冷却ガスがモールドの外部に当たる向きに送られて、進行的で能動的な熱の抽出が行われるようにしたものである。
本発明では、モールドを取り出す際、モールドの取出し速度、強制冷却ゾーンへの冷却ガス質量流量(mass  flow  rate)及び加熱炉からモールド取出し中のモールド温度のうちの１又は複数を、具体的物品が強制冷却ゾーンに最も近い(proximate)位置にある時(即ち、モールドが強制冷却ゾーンに最も近い取出し距離に達した時)の横断面形状に応じて調節することにより、物品のモールドキャビティの長さの少なくとも一部分に沿って溶融物の進行性凝固が行われて、等軸晶ミクロ組織を有するようにしたものである。
【０００７】
本発明の特定の例示的実施形態において、溶融物が入れられたモールドの取出しは、最初は主たる一次強制冷却ゾーンを通じて行ない、次に、１又は複数の追加の(二次)冷却ゾーンを通じて行なうことにより、モールドからの熱抽出を補充する。強制冷却ゾーンは各々が、溶融物が入れられたモールドを炉から取り出す取出し径路の周りに複数のノズルを設けることにより、モールドに対して、冷却用不活性ガス又はその他の非反応性ガスの放出を行なうことができる。
【０００８】
本発明の他の例示的実施形態において、モールドには、物品のモールドキャビティを画定する比較的薄くて熱伝導性の壁を設けることで、強制冷却ゾーンでの熱抽出を促進することができる。モールド壁は、熱膨張係数が異なる複数の層から形成することで、モールドが高温状態のときに最も内側のモールド層に圧縮力を作用させることできる。これらのモールドは、熱膨張係数が内側構造よりも低い外側構造を含むので、熱伝導性が大きい薄肉セラミックモールドの製造に有用である。
【０００９】
本発明のさらに他の例示的実施形態において、炉からモールドを取り出す前に、モールド内の溶融物の温度は、モールドキャビティの長さにそって略一様となるように制御される。なお、モールドの長さに沿う溶融物の温度プロファイルが一様でない場合でも、鋳造される具体的物品の横断面形状によっては、本発明を実施するための用いられることができる。
【００１０】
本発明は、その長さ全体にわたって等軸晶領域を有する鋳造又は凝固物品を製造するのに用いられることができる。本発明はまた、その長さの一部分に沿って等軸晶領域を有する鋳造物品の製造、及び物品の他の長さ又は残りの長さに沿って異なる結晶組織(例えば、柱状晶、単結晶又は異なる大きさの等軸晶組織等)の他の領域を有する鋳造物品を製造するのに用いられることができる。例えば、本発明を実施することにより、その長さに沿って横断面形状が変化するタービンブレード又はタービンベーンの鋳造物などのタービン部品の鋳造物を製造することができる。製造された鋳造物は、その長さ全体又は一部分に沿って進行性凝固された等軸晶ミクロ組織を有しており、等軸晶ミクロ組織は、典型的にはチル晶、柱状晶が含まれず、また内部に微小孔(internal  porosity)は実質的に存在しない(有孔率１％未満)。さらにまた、等軸晶ミクロ組織は、典型的には、ミクロ組織の相偏析が実質的に減少するので、鋳造物は、初期溶融を招くことなく高温での溶体化熱処理を施されることができる。タービンブレード又はタービンベーンの鋳造物の製造については、他の実施形態に基づいて、タービンブレードの基部領域に沿って等軸晶ミクロ組織を得ることもできるし、タービンブレードのエアフォイル領域に沿って柱状晶、単結晶又は異なる大きさの等軸晶などの異なる結晶組織を得ることもできる。
【００１１】
本発明に係る鋳造法が特に有用な物品は、長さの少なくとも一部分に沿って等軸晶ミクロ組織を有し、横断面の形状変化が大きなタービンブレード又はタービン等の物品であって、少なくとも１つの横断面領域(例えば、タービンブレードで２倍以上、典型的には４倍以上の基部領域)と、他の横断面領域(例えばタービンブレードのエアフォイル領域)とを有し、その長さに沿って連続的に変化する物品が挙げられる。本発明に係る鋳造法は、長さに沿って実質的に一様又は一定の横断面を有する等軸晶物品を鋳造するのにも有用である。
【００１２】
本発明の上記利点は、当業者であれば、添付の図面と以下の詳細な説明とから明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、例示的なガスタービンエンジンブレードの斜視図であって、基端部から先端部まで横断面形状が大きく変化するブレードを示している。
【００１４】
【図２】図２は、６つの個々のワックスタービンブレード模型(pattern)が、夫々のワックスゲーティングにより、ワックス注入カップに接続されて構成されるワックス模型アッセンブリの斜視図である。
【００１５】
【図３】図３は、ワックス模型アッセンブリの周囲に破線で表されるセラミックシェルモールドの中に包まれたワックス模型アッセンブリの斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施に用いられるインベストメントモールドの例示的な多層壁の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、モールド壁の肉厚が厚いインベストメントモールドの従来の多層壁の断面図である。
【００１６】
【図４】図４は、本発明の例示的実施形態に基づく等軸晶鋳造装置の模式図であって、複数(例えば、３)の強制冷却ガスゾーンに、共通の冷却ガス供給用マニホルドから冷却ガスが供給される。
【００１７】
【図５】図５は、本発明の例示的実施形態に基づく等軸晶鋳造装置の模式図であって、１つの強制冷却ガスゾーンに、冷却ガス供給用マニホルドから冷却ガスが供給される。
【００１８】
【図６】図６は、リングマニホルドの周囲に間隔をおいて配置された複数の冷却ガス放出ノズルを有する冷却ガスリングマニホルドを含む例示適強制冷却ゾーンの斜視図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図６の部分拡大斜視図である。
【００１９】
【図７Ａ】図７Ａは、種類が異なる冷却ガス放出ノズル(例えば、扇形状、円錐状、霧状)が配備された冷却ガスマニホルドの部分断面模式図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、ガス放出パターンが異なる扇形状冷却ガス放出ノズル(例えば、３０°、５０°及び６５°)が配備された冷却ガスマニホルドの部分断面模式図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、ガス放出ノズルが配備された冷却ガスマニホルドの部分断面模式図であって、ノズルとモールド間の壁距離及びオリフィス径に応じて、モールド壁に対する衝突作用が異なる例(例えば、衝突強さが強、中、低)を示す図である。
【００２０】
【図８】図８は、本発明の他の実施形態に基づいて引き出されるシェルモールドに対して水平方向位置にある冷却ガス放出ノズルの例である。
【００２１】
【図９】図９は、本発明に基づいて生成された等軸晶ミクロ組織(１倍)を示す。
【図１０】図１０は、従来の等軸鋳造法に基づいて生成された等軸晶ミクロ組織(１倍)を示す。
【００２２】
【図１１Ａ】図１１Ａは、低過熱ＭＸプロセスによって生成された等軸晶ミクロ組織(５０倍)を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の方法によって生成された等軸晶ミクロ組織(５０倍)を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、従来の等軸鋳造法によって生成された等軸晶ミクロ組織(５０倍)を示す。
【００２３】
【図１２】図１２は、従来の等軸晶鋳造法、本発明の方法及びＭＸプロセスによって生成された鋳造物について、有孔率(porosity)と凝固速度(solidification  rate)の関係を模式的に示すグラフである。
【００２４】
【図１３Ａ】図１３Ａは、従来の等軸晶鋳造法によって局部的に生成された樹枝状晶の有孔組織(dendritic  porosity)(５０倍)を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の方法によって生成されたもので、微小孔が存在しない組織(lack  of  microporosity)(５０倍)を示す。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、ＭＸプロセスによって生成されたもので、微小孔が分散した組織(dispersed  microporosity)(５０倍)を示す。
【００２５】
【図１４】図１４は、以下に記載する例示的実施例に基づいて作製された等軸晶ガスタービンエンジンバケットの写真である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１４のガスタービンバケットの等軸晶組織を生成するための凝固制御を目的として、略一定のモールド温度のときのモールド取出し速度と冷却ガス質量流量の変化を示すグラフである。
【００２６】
【図１５】図１５は、一端部(例えば基部領域)に等軸晶領域、他端部(例えばエアフォイル領域)に柱状晶又は単結晶領域を含む双晶ミクロ組織(dual  microstructure)を有する鋳造物品の正面模式図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、図１５の鋳造物品の二種組織を生成するための凝固制御を目的として、モールド取出し速度、冷却ガス流量及びモールド温度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
＜発明の詳細な説明＞
本発明による製造が特に有用な物品として、等軸晶金属物品、例えば、タービンブレード、タービンベーン、タービンバケット、タービンノズル、及び物品の横断面(物品の長手方向軸に直交する断面)形状が物品の長さに沿って有意に変化する他の部品が挙げられるが、本発明は、これらの製造に  限定するものではなく、長さに沿う横断面が略一様又は一定の物品の製造にも用いられることができる。鋳造される物品の断面の変化は、物品の長さに沿う質量変化が大きくなり得るし、及び／又は、形状変化によっては、物品の長さに沿う質量変化はほとんど無く、単に寸法変化のみが大きくなるものがある(例えば、拡大されたタービンブレードの突出部又はプラットフォームは質量変化が殆んど無い)。
さらにまた、本発明による製造が特に有用な物品として、限定するものでないが、複合ミクロ組織金属物品、例えば、タービンブレード、タービンベーン、タービンバケット、タービンノズル、及び物品の長さの一部分に沿って等軸晶ミクロ組織を有し、物品の長さの他の部分に沿って柱状晶又は単結晶のミクロ組織等の他のミクロ組織を有する他の部品を挙げることができる。本発明の実施では、受動的伝導冷却及び受動的輻射(radiation)冷却に加えて、能動的対流冷却が加えられて、高温のモールド及び鋳造物からより多くの熱を抽出することにより、溶融金属断面及びモールド断面の変化による熱容量の変動にも拘わらず、凝固速度は略一定に保たれる。
【００２８】
特定の実施形態を説明するためであってこれに限定されるものではないが、本発明は、少なくとも１つの横断面領域が、他の断面領域よりも実質的に大きく(例えば、少なくとも２倍の)、物品の横断面がその長さに沿って連続的に変化する等軸晶鋳造物を作るのに有用である。この種の例示的等軸晶鋳造物は、工業用又は航空機用ガスタービンエンジンブレードを含み、  図１に示されるように、拡大された基部領域(root  region)Ｒ，拡大されたプラットフォーム領域Ｐ、エアフォイル領域Ｆ及びブレードチップＴ(エアフォイル横断面より大きくてもそうでなくてもよい)を有している。また、他のガスタービン部品、例えば、ベーン、バケット、コンプレッサセグメント、ノズルの他、横断面形状の変形が大きい部品又は略一様な他の部品についても、本発明に基づいて製造されることができる。そのようなガスタービンブレード、ガスタービンベーン、ガスタービンバケット、ガスタービンノズル及び他の部品は、典型的にはＧＴＤ１１１、ＩＮ７３８、ＭａｒＭ２４７、Ｕ５００及びＲｅｎｅ１０８等の周知のニッケル基、コバルト基又は鉄基の超合金から作られるが、種々の金属及び合金(以下、金属材料)を鋳造することができる。例えば、Ｃｏ基のノズル用合金及びステンレス鋼の金物用合金についても同様に鋳造されることができる。
【００２９】
本発明を説明するために、等軸晶ニアネットシェイプ超合金ガスタービンエンジンブレードの鋳造に関して説明するが、これに限定されるものではない。なお、ニアネットシェイプとは、アズキャスト形状の表面を有する鋳造物であって、空気流れ及び熱伝達が向上し、鋳造後の機械加工が不要な鋳造物のことである。等軸晶ニアネットシェイプ鋳造ブレードは、制御された強制冷却を含む制御された鋳造条件の下で作製され、ブレードの長さ全体又は一部分に沿って進行性凝固された等軸晶ミクロ組織が形成される。鋳造物の等軸晶ミクロ組織は、鋳造されたブレードの長さに沿ってチル晶(鋳造物表面の非常に微細な結晶粒)、柱状晶(細長い結晶粒)及び内部微小孔が実質的に存在しないことが好ましいが、本発明の他の実施形態では、鋳造されたブレード構造の外側領域の中に柱状晶の局部的な存在は許容され、柱状晶の端部領域をブレードから除去(切断)することにより、部品仕様に適合させることができる。
本発明の他の実施形態は、双晶ミクロ組織を有するタービンエンジンの部品(例えばブレード又はベーン)を含んでおり、本発明の実施によって生成された等軸晶ミクロ組織が長さの一部分に沿って存在すると共に、柱状晶、単結晶又は大きさの異なる等軸晶などの他のミクロ組織が長さの他の部分又は残りの部分に沿って意図的に設けられる。例えば、タービンブレードの鋳造において、基部領域に沿って等軸晶ミクロ組織を有し、エアフォイル領域に沿って柱状晶、単結晶又は大きさの異なる等軸晶ミクロ組織を有するように凝固させられる。
【００３０】
本発明の方法及び装置は、制御された強制冷却を行なう鋳造条件下で、ガスタービンエンジン部品(例えば、ブレード、ベーン、バケット、ノズルなど)等のニアネットシェイプ金属物品を鋳造することを含み、物品の長さの少なくとも一部分に沿って進行性凝固された等軸晶ミクロ組織が形成されるようにしたものである。制御された強制冷却パラメータは、鋳造されるモールドの総熱負荷に応じて決定され、金属又は合金の組成、金属又は合金の含有量及び溶融金属材料の温度、モールド温度及びモールド質量が含まれる。
【００３１】
等軸晶のニアネットシェイプガスタービンエンジンブレードを鋳造するために、本発明は、鋳造されるブレードの長さに対応する長さに沿って横断面が変化する物品の形状をしたモールドキャビティを有する鋳造用モールドを提供する。ガスタービンブレードを製造するために、モールドは、典型的には、周知の如く、セラミックスラリーとセラミック粒子の複数層の中でワックス模型アッセンブリ等の消失模型アッセンブリを包むことによって製造されたインベストメントシェルモールドを含む。シェルモールドが模型アッセンブリの上に形成された後、模型アッセンブリは、蒸気オートクレーブ及び／又は模型材料を溶融する他の加熱技術、又は化学溶解、又は鋳造されるブレードについて所望されるニアネットシェイプのモールドキャビティを有する未焼成のセラミックシェルモールドを残すための他の技術によって選択的に除去される。シェルモールドは次に焼成され、鋳造に適当なモールド強度が得られる。模型の除去プロセスは、モールドの熱処理(焼成)の前に別の工程として行うか、又はモールドの熱処理(焼成)の一部として行うことができる。
【００３２】
説明のためであってこれに限定されるものではないが、図２は、６つのタービンブレードを鋳造するためのワックス模型アッセンブリを示している。ワックス模型アッセンブリは、注入カップ模型２０、タービンブレード模型２２及び各ブレード模型を注入カップ模型に接続するゲーティング模型２４ａ、２４ｂ(幅が狭いリブ形状の領域として示される)を含む。タービンブレード模型は、鋳造されるタービンブレードの形状を複製したもので、基部領域Ｒ、プラットフォーム領域Ｐ、エアフォイル領域Ｆ、及び先端領域Ｔを含んでおり、各模型２２の横断面は、結果としてその長さに沿って著しく変化している。図示のタービンブレード模型２２は、図２では、基部が上、先端部が下となる向きの配置で注入カップに接続されているが、基部が下、先端部が上となる向きの配置で接続されることもできる。しかし、図２に示されるタービンブレード模型は先端部領域よりも基部領域の方が大きく拡大されているので、後者の配置は好ましくない。
模型アッセンブリは、セラミックスラリーに繰り返して浸漬され、過剰なスラリーは取り除かれ、セラミックスラリーに加えられたセラミック粒子でスタッコイングされ、図３に示されるように、シェルモールドアッセンブリＭが模型アッセンブリの上に構築される。シェルモールドは、模型アッセンブリの周囲に破線で表されている。模型アッセンブリは、蒸気オートクレーブ又は他の加熱技術により、シェルモールドアッセンブリから選択的に除去され、次に、シェルモールドアッセンブリは焼成されて、鋳造するのに適したモールド強度が得られる。シェルモールドアッセンブリは、  タービンブレード模型２２の形状に対応する形状を有する６つのモールドキャビティＭＣを含み、各ブレードモールドキャビティは、周知の如く、ゲーティング模型２４ａ、２４ｂを除去することによって形成された夫々のゲーティング通路によって注入カップに接続されている。
【００３３】
本発明は、上記の方法で製造された従来のセラミックインベストメントモールドを用いて実施されることができる。或いはまた、タービンブレード形状のモールドキャビティを画定するインベストメントシェルモールドは、強制冷却ゾーンでの熱抽出を容易にするために、比較的薄く及び／又は熱伝導性のモールドキャビティを有するように作製される。本発明の実施に用いられるインベストメントシェルモールドは、熱膨張係数が異なるようにインベストメント鋳造された複数の層から構成されることにより、例えば単結晶プロセス及び指向性凝固プロセスのように、使用されるモールドが高温のときに、モールドの最も内側層に圧縮力を作用させることができる。例えば、図３Ａは、従来のインベストメントシェルモールドよりもスラリーとスタッコが少ない層を２〜３層含むことにより、薄肉で熱伝導性にすぐれるインベストメントシェルモールドを模式的に示しており、モールドの内側層構造は、熱伝導性が低く熱膨張率が大きいセラミック材料から作られ、外側層構造は、熱伝導性が高く熱膨張率が小さいセラミック材料から作られている。インベストメントシェルモールドは、従来のモールドよりも放射冷却性が３０％以上高く、本発明を実施するのに有用である。インベストメントシェルモールドはまた、モールドの中間層及び／又は外側層を含むこともできる。これらの層は、繊維強化ラップ(fiber  reinforcing  wrap)で形成され、例えば、米国特許第４，９９８，５８１号に開示されたアルミナ又はムライト繊維強化ラップ及び米国特許第６，３６４，０００号に開示された炭素基(例えばグラファイト)繊維強化ラップ等であり、モールドの最も内側層に圧縮力がもたらされる。モールドはまた、中間層にフィラメント又はその他の不連続補強繊維を含むことにより、例えば米国特許第６，６４８，０６０号のように未焼成及び焼成後のモールド引張強度を向上させることができる。
【００３４】
本発明は、１又は複数の強制冷却ゾーンを用いるものであるが、図４では、強制冷却ガスゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３を有する等軸晶鋳造装置を模式的に示しており、上記で説明し、図３に示された種類のシェルモールドアッセンブリＭの中で１又は複数のガスタービンブレードを鋳造するための本発明の例示的な実施形態に基づく装置である。誘導溶解るつぼ４０は、鋳造される超合金の固体装入物を真空溶解し、るつぼ内の溶融物を、鋳造するための所望の過熱温度まで加熱するために配備される。るつぼ４０は、周知の如く、回動させて下にあるモールド加熱炉内のモールドアッセンブリに溶融物を注入することができるし、下部に設けたバルブ付き排出口を通して同じ目的を達成することができる。
【００３５】
図４に示されるシェルモールドアッセンブリＭは、図３に示されるシェルモールドアッセンブリＭのワックス模型を除去し、複数のタービンブレードを一度に鋳造するためのモールド強度が得られるように焼成した後のシェルモールドアッセンブリＭと同様のものである。鋳造されるシェルモールドアッセンブリは、油圧式、電気式その他方式のアクチュエータ６５によって上下動可能なラム６３上の水冷チルプレート６１の上に配置される。シェルモールドアッセンブリは、比較的高温の上ゾーンと比較的低温の下ゾーンの境界を画定する輻射シールド又はバッフル５７に対して移動可能である。図４において、シェルモールドアッセンブリＭは、ブレードのモールドキャビティのモールドの閉じた底部端がチルプレート６１上に載置されるいる状態が模式的に示されている。なお、シェルモールドアッセンブリの閉じた底部端は、チルプレートへの熱伝導を減少させるか又は無くすために、チルプレート６１の断熱部材(図示せず)の上に載置されることもできる。
【００３６】
図５は、本発明を実施するための他の実施形態を示している。図５において、一様な断面を有する単一のモールドＭ’が模式的に示されおり、該モールドの底部端は、チルプレート６１の上に直接載置されているので、モールドが、下部真空冷却チャンバー３０ｂの単一の強制冷却ゾーンＺ１を通り、モールド加熱炉(図示されていないが、上部真空鋳造チャンバー３０ａ内にある図４のモールド加熱炉と同様のもの)のバッフル５７を通過するときに、チルプレート６１に隣接した鋳造物品の下端部に細長い柱状晶が形成される。なお、モールドの底部端は、図４に示されているように、セラミックシェルモールドの薄いセラミック底部壁により閉じられることもできる。この実施形態では、鋳造ブレードの下端に存在する柱状晶を除去する(切断又は他の機械加工により)必要があり、また鋳造物品のこの犠牲部分を考慮してモールドキャビティの形状を設計することも必要である。あるいは、本発明の一実施形態に基づいて、モールドＭ’の中で行われる物品の鋳造を、図示の如く下部領域で柱状晶(又は単結晶)ミクロ組織を有し、上部領域に等軸晶ミクロ組織を有するように意図的に行なうことにより、後記するように、双晶ミクロ組織成分を形成することもできる。また、単結晶の下部領域は、周知の如く、モールドの下端部に隣接する結晶セレクタ及び／又はスタータ(例えば、ピグテール結晶セレクタ及び／又はスタータシード)を配置することによって設けられることもできる。
【００３７】
モールド温度は図４のモールド加熱炉５０によって制御され、モールドアッセンブリが強制冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３でその長さに沿って強制冷却されるまで、モールドの長さに沿って超合金の固相線温度(溶解温度はモールド温度と実質的に同じである)よりも高い温度に維持される。モールド加熱炉５０によって制御されるモールド温度は、モールドアッセンブリが、強制冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３でその長さに沿って強制的に冷却されるまで、モールドの長さに沿って超合金の液相線温度より高い温度に維持されることもできる。具体的なモールド温度の選択は、モールド取出し速度及び下記の１又は複数の強制冷却ゾーンの冷却ガス質量流量に関連して決定され、鋳造タービンブレードの長さの少なくとも一部分に沿って進行性凝固された等軸晶ミクロ組織が形成される。
【００３８】
モールド加熱炉５０は、環状のグラファイトサセプタ５３の周りに環状の断熱スリーブ５１からなる直立壁を含み、サセプタ５３を誘導加熱するための誘導コイル５５が断熱スリーブの周りに配備され、加熱されたサセプタ５３が溶融物を入れられたモールドアッセンブリＭを加熱して、モールド温度、そして溶融物温度が制御される。モールドアッセンブリＭの中の溶融物の温度は、一実施形態におけるモールドキャビティの長さに沿って略一様となるように制御されることができる。或いは、鋳造される具体的物品の横断面によっては、溶融物の温度プロファイルがモールドの長さに沿って一様としなくても、鋳造される物品の長さに沿って所望のミクロ組織を達成することもできる。
【００３９】
モールド加熱炉５０には、開口した底部端に輻射シールド又はバッフル５７が設けられており、シェルモールドアッセンブリＭは、開口した底部端を通して炉５０から下部冷却チャンバー３０ｂの中へ取り出される。
【００４０】
予熱されたシェルモールドアッセンブリの中に溶融物を導入した後、溶融物を入れられたモールドアッセンブリとびモールド加熱炉５０を相対的に移動させることにより、溶融物を入れられたモールドアッセンブリＭ(又は図５のＭ’)は、炉５０からバッフル５７の開口部を通り、その後すぐに複数の強制冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３(又は図５の単一な冷却ゾーンＺ１)を通して取り出される。前記冷却ゾーンでは、冷却ガスがモールドの外部に向けて送られ、熱が強制的に抽出される。図４を参照すると、溶融物が入れられたモールドアッセンブリＭは、典型的にはアクチュエータ６５を用いて、所定の及び／又はフィードバック制御されたモールド取出し速度でラム６３を下降させることにより、炉５０から取り出される。或いはまた、炉５０をモールドアッセンブリＭに関して移動させるか、炉とモールドアッセンブリの両方を違いに移動させることにより、溶融物が入れられたモールドを炉５０から取り出すこともできる。
【００４１】
図４を参照すると、複数の強制冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３は、炉のバッフル５７の直ぐ下に固定された位置にあり、溶融物が入れられたモールドアッセンブリは、ラム６３を下降させることにより、強制冷却ガスゾーンを通って連続して移動可能である。なお、炉が移動可能であるときは、強制冷却ゾーンを径路に沿って移動できるように配備されることもできる。本発明の実施に用いられる冷却ゾーンの数は幾つでも構わない。例示のために記載すると、強制冷却ゾーンＺ１及びＺ２が用いられる場合、第１冷却ガスゾーンＺ１をバッフル５７の下方１インチの位置に配置し、第２冷却ガスゾーンをバッフル５７の下方３インチに配置することができるが、バッフルからのこれらの位置は限定されるものではない。
【００４２】
例示のためであってこれに限定されるものではないが、第１、第２、及び第３強制冷却ガスゾーンＺ１、Ｚ２、及びＺ３は、炉からモールドを取り出す経路の周りに配置された共通の冷却ガス供給リングマニホルドＭ１に連繋されており、溶融物が入れられたモールドアッセンブリがラム６３上を下降するときにマニホルドの中を通る。複数の冷却ガス放出ノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３は、対応する各々の第２縦型管状ガスマニホルドＴ１に取り付けられ、主マニホルドＭ１に連通している。マニホルドＴ１上のノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３は、マニホルドＭ１の円周に間隔をあけて配置されており、モールドアッセンブリが冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３を通過するとき、加圧下の冷却用ガスを、所定の及び／又はフィードバック制御された冷却ガス質量流量で、モールドアッセンブリの外部表面に対して放出する。
本発明は、単一のリングマニホルドＭ１に代えて複数の別個のリングマニホルドを使用することを含み、各マニホルドは、夫々の冷却ガス放出ノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３が直接取り付けられるか、又は各マニホルドに取り付けられた第２ガスマニホルドに取り付けられる。ガス放出ノズルは、例えば、扇形状、霧状、円錐状又は中空円錐状のノズルを挙げられるが、その他にも、ガスをモールドに向けて集中的又は限定的に噴射できるものであればあらゆる適当なノズルであってよい。例えば、図７Ａには、冷却ゾーンＺ１に扇形状ノズル、冷却ゾーンＺ２に円錐状ノズル及び冷却ゾーンＺ３に霧状ノズルが示されているが、これらは例示であって限定されるものではない。本発明において、ガス放出ノズルは、取り出されるモールドの形状に応じて所望の強制冷却効果を達成するために、リングマニホルドＭ１の周りに等間隔又は不等間隔で配置されることができる。同様に、取り出されるモールドの形状に応じて所望の冷却効果を達成するために、マニホルド上のガス放出ノズルは、異なる種類のものを用いたり、異なる配置とすることができる。
【００４３】
本発明は、従来の霧状、扇形状、円錐状、又は中空円錐状のノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３を用いて実施することもできる。この場合、最初に、冷却ガス放出パターンの方向と角度を調節して、次いで調節されたノズル位置を固定する。強制冷却ゾーンの周囲を画定する複数のガス放出ノズルから放出されるガス流れは、第１冷却ゾーンで乱流、第２冷却ゾーンで層流であるか、又はその逆である。なお、鋳造物品の長さに沿って所望の強制冷却効果とミクロ組織を得るために、種類が異なる追加の強制冷却ゾーンを配備することもできる。ノズル配列の典型的な２つの例示的実施態様は、主として衝突冷却又はフィルム冷却に基づいている。ガス放出ノズルは、取り出されるモールドの形状に応じて、マニホルド上に等間隔又は不等間隔で配置されることができるし、その他の配列形態で配置されることができる。
【００４４】
本発明で用いられる冷却ガス放出ノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３は、マニホルドＭ１上の所望の位置／向きに並べられ固定されることができるし、あるいは、個々のモータ、アクチュエータ又は他のノズル移動機構(図示されていない)等によってマニホルドＭ１上を移動可能又は回動可能な構成とし、モールドアッセンブリＭが取り出されるときにモールドアッセンブリＭに対して垂直方向及び水平方向を変えることもできる。
【００４５】
ガス冷却の効率は、モールドＭに対するノズルの距離及び傾き(垂直方向)、特定のモールド形状を冷却するのに用いられるノズルの数及び種類、並びに冷却ガス圧力によって影響され、冷却ガス圧力が高いほど、モールドに対する質量流量及びガス衝突速度が大きくなる。このため、ガス圧力又はガス体積流れの何れか一方又はその両方を制御することにより、熱抽出を最適化することができる。例えば、図７Ｂは、冷却ゾーンＺ１が３０°扇形状ノズル、冷却ゾーンＺ２が５０°扇形状ノズルＮ２、冷却ゾーンＺ３が６５°扇形状ノズルＮ３を例示目的で示している。図７Ｃは、溶融物を入れられたモールドからの熱抽出を最適化する方法として、冷却ゾーンで用いられるガス放出ノズルの距離と直径(さらに種類)を最適化することにより、モールド壁に対する異なる種類の衝突速度作用を示している。すなわち、ノズル−モールド壁間の距離とノズルのオリフィス径を図示の如く変えることにより、高いガス速度衝突効果、中間のガス速度衝突効果、及び低いガス速度衝突効果を示している。冷却ゾーンにおけるノズルの配列と傾きは、典型的には、部品に固有(具体的な鋳造形状に基づく)のもので、必要とされる衝突冷却又はフィルム冷却に応じて変えられる。例えば、衝突冷却が所望される場合、冷却ガス圧力と冷却ガス体積は両方とも高くてよい。フィルム冷却の場合は、圧力は低いが、同じ冷却ガス質量流量を維持するために、冷却ガス体積を増加させることによって補われる。
【００４６】
さらなる例示のためであってこれに限定されるものではないが、図４は、強制冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３における冷却ガス放出ノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３について、取り出されるシェルモールドアッセンブリＭに対する向きの例を示している。
【００４７】
またさらなる例示のためであってこれに限定されるものではないが、図８は、第１冷却ゾーンＺ１における扇形状冷却ガス放出ノズルＮ１とその下の第２強制冷却ゾーンＺ２における霧状冷却ガス放出ノズルＮ２について、本発明の他の実施形態に基づく冷却を最適化するために、取り出されるシェルモールドキャビティＭＣに対する水平方向の向きの例を示している。この実施形態を例示することを目的として、図８において、扇形状又は霧状の冷却ガス放出ノズルＮ１及びＮ２(又は円錐状又は中空等の他のノズル)は、この目的のために取り出されるモールドキャビティＭＣの周囲にて、非円形のパターン又は配列のものが示されている。冷却ガスのパターンは、ノズルＮ１、Ｎ２の楔形状の領域Ｒ１、Ｒ２で示される。冷却ガス放出ノズルが配備された冷却ガスリングマニホルドは、これもまた、ガス冷却される具体的モールド形状に応じて、非円形状に構成することもでき、取付具(金属板)を用いて、ノズル列がリングマニホルドに取り付けられることにより、組立及びモールドに対するノズルの調節を容易に行なうことができる。
【００４８】
冷却ゾーンにおけるガス放出ノズルの水平方向と垂直方向の向きは、溶融物を入れられたモールドからの熱抽出(衝突冷却又はフィルム冷却による)が最大になるように選択される。
【００４９】
強制冷却ゾーンＺ２、Ｚ３等は、強制冷却ゾーンＺ１の熱抽出能力(heat  extraction  capacity)を補助するものである。冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３及び他の追加冷却ゾーン等の冷却ゾーン間距離は、用いられるノズルの垂直角及び数に基づいて変えられることができる。本発明の実施に用いられる複数の強制冷却ゾーンの数はあらゆる数が可能である。
【００５０】
冷却ガスリングマニホルドＭ１には、溶融物と非反応性の冷却ガスが図６のガス供給ライン又は管路Ｃ１から供給される。冷却ガスは、典型的には、アルゴン、ヘリウム及びその混合物などの不活性ガスであるが、その他に、室温又は他の適当な冷却ガス温度で適当な不活性ガスである。冷却ガスを含むメイクアップガスの種類と比率は、用いられるガス放出ノズルの種類、数、配置に基づいて、所望の強制冷却効果を実現できるように選択されることができる。冷却ガスは、質量流量コントローラに接続されたラインは管路Ｃ１を介して、マニホルドＭ１に供給される。なお、該コントローラは図４に示されており、後で詳細に説明する。
【００５１】
溶融物を入れられたモールドアッセンブリは炉５０から取り出され、強制冷却ガスゾーンＺ１及びＺ２に接近する。これは、炉からのモールド取出し距離を検知することによって決定される。このとき、本発明は、モールド取出し速度、ノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３からの冷却ガス質量流量、及びモールド温度のうちの少なくとも１つについて所定の調節又はフィードバック調節を行う。これらは、ブレードのモールドキャビティの特定断面が強制冷却ゾーンに到達すると(すなわち、モールドが強制冷却ゾーンに最も近い取出し距離に達すると)行われ、物品のモールドキャビティ内の溶融物を進行性凝固させてモールドキャビティの長さに沿って等軸晶ミクロ組織が形成するためである。
モールドの取出しを行なう間、可変のモールドの取出し速度、可変の冷却ガス質量流量、及び可変のモールド温度のうちの少なくとも１つの調節は、モールド加熱炉５０からのモールド取出し距離に基づいて、コンピュータ制御装置である温度・電力／アクチュエータコントローラに格納されたプロセスコンピュータプログラムによって予め設定されることができるし、また、モールド取出し経路に沿って配置された１又は複数の熱電対ＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３からのフィードバックに基づいて制御されることもできる。熱電対のうちの１又は複数又は全部が、モールド及び／又は溶融物の温度信号をコンピュータ制御装置に供給する(図４において、Ｔ１は信号を供給するものとして便宜上図示されている)。図４の温度・電力／アクチュエータコントローラは、モールド移動ラムアクチュエータ６５、冷却ガスマニホルドＭ１への質量流量コントローラ、及び誘導コイル５５に接続され、鋳造パラメータを変えることで、鋳造される物品の長さの少なくとも一部分に沿って所望のミクロ組織が得られる。冷却ガス質量流量を変えるには、冷却ガスをマニホルドＭ１に供給する質量流量コントローラにより、及び／又はモールドの特定部分が冷却ゾーンを通過するときに冷却ガスを放出するように作動する冷却ガス放出ノズルの数を変えることによって行なうことができる。質量流量コントローラは、商業的に入手可能な質量流量コントローラであってよい。
【００５２】
調節を行なうには、鋳造ブレードの長さの少なくとも一部分に沿って進行性凝固された所望の等軸晶ミクロ組織を得るためのモールド熱負荷にて、適当な取出し速度及び／又は冷却ガスの流量が決定された実証試験に基づいて行うことができるし、所定のモールド熱負荷に対するモールド温度、取出し速度、及び冷却ガス質量流量が異なる条件下でのモールドキャビティ内の溶融物凝固のコンピュータシミュレーションモデルに基づいて行なうこともできるし、また、上記の熱電対のフィードバックループに基づいて行うこともできる。予め決められた調節を行うための情報は、適当なコンピュータ制御装置である温度・電力／アクチュエータ・電力コントローラに保存された制御アルゴリズムにおいて具体化されることができ、前記温度・電力／アクチュエータ・電力コントローにより、ラムアクチュエータ６５、質量流量コントローラ、及び誘導コイル５５が制御され、鋳造ブレードの長さの少なくとも一部分に沿って進行性凝固した等軸晶ミクロ組織が得られる。また、本発明は、所望により、強制冷却ゾーンに達する特定物品の横断面に応じて、モールド温度及び溶融物の温度を制御することを含んでおり、強制冷却ゾーンに近づいたときのブレードの横断面積が大きいときは、全体の熱含量を減少させるために低温度とし、また、その逆の場合も行われる。モールドの強制冷却ゾーンへの接近は、例えばアクチュエータ６５に連繋されるか又はその一部としてのラム位置センサー６５ａを用いて、モールド加熱炉５０からのモールド取出し距離を検知することにより検出されることができる。コンピュータ制御装置はまた、プログラミングされたスケジュール及び／又は熱電対のフィードバックスケジュールに基づいて、この目的のために誘導コイルを制御することができる。
【００５３】
本発明の実施は、鋳造の条件に応じて、強制冷却ゾーンＺ１、Ｚ２、Ｚ３のうちの１つ又は２つ又は全部を用いて行なうことができる。しかしながら、強制冷却ゾーンＺ１、Ｚ２と共に他の選択的追加冷却ゾーンを用いることが好ましい。その理由は、後の冷却ゾーンＺ２等が、モールドそして溶融物からの熱を抽出し続けることで、モールド取出し中に、既に凝固した溶融物が、その上にある溶融金属の影響を受けて温度上昇する不都合を防ぐことができるからである。
【００５４】
上記したように、本発明を実施することにより、その長さの少なくとも一部分に沿って進行性凝固した等軸晶構造を有し、チル晶(非常に微細な表面粒)や柱状晶が実質的に存在しない鋳造タービンブレードを製造することができる。鋳造タービンブレードはまた、その長さに沿って内部空隙も実質的に存在しないことが好ましい。鋳造ブレードは、ニッケル又はコバルト基超合金からなり、ＡＳＴＭ粒径範囲が１〜３の進行性凝固した等軸晶粒径を有することができる。
【００５５】
タービンブレードの長さに沿って進行性凝固した等軸晶ミクロ組織を得ることにより、ミクロ組織の相分離が実質的に減少する利点があり、その後で行われる鋳造ブレードの溶体化熱処理温度を高温で実施したとしても初期溶融(incipient  melting)を生ずることがない。溶体化熱処理を高温で行なうことにより、熱処理温度からの急冷及びその後の時効において、ニッケル基超合金に大量の微細なガンマプライム析出が促進される。これらの微細析出物は、超合金に必要な機械的特性を付与する。
【００５６】
図９は、本発明に基づいて作製された等軸晶ミクロ組織(１倍)を示しており、図１０は、従来の等軸晶鋳造によって作製された等軸晶ミクロ組織(１倍)を示している。図９において、粒径の一様性の向上は明らかである。
【００５７】
図１１Ａ、１１Ｂ、及び１１Ｃは、５０倍の等軸晶ミクロ組織を示しており、図１１Ａは低過熱ＭＸプロセス(米国特許第５，４９８，１３２号)によって作製され、図１１Ｂは本発明の実施によって作製され、図１１Ｃはニッケル基超合金を従来の鋳造法によって作製されたものである。ＭＸで作製された鋳造物のＡＳＴＭ粒径は、２〜５の範囲である。図１１Ｃにおいて、従来の鋳造法によって作製された等軸晶鋳造物のＡＳＴＭ粒径は、０〜１の範囲である。図１１Ｂにおいて、本発明に基づいて作製された鋳造物の等軸晶ＡＳＴＭ粒径は、０〜３の範囲である。図１１Ａ、１１Ｂ、及び１１Ｃにおいて、鋳造物はニッケル基超合金からなる。
【００５８】
図１２は、従来の等軸晶鋳造(ここで「Ｘ％」は典型的な有孔性レベルを表す)と、本発明のプロセス(ＧＡＰＳ)と、ＭＸプロセスとによって作製された例示的鋳造物について、凝固速度に対する有孔率の関係を模式的にまとめたグラフである。本発明のプロセスで作製された鋳造物の微小孔が最も少ないことが分かる。
【００５９】
図１３Ｃは、低過熱ＭＸプロセスによって作製された鋳造物の組織を５０倍で示すもので、等軸晶ミクロ組織に微小孔が分散している。図１３Ａは、従来の等軸晶鋳造によって作製された鋳造物の組織を５０倍で示すもので、等軸晶ミクロ組織に局部的に樹枝状空隙が存在している。図１３Ｂは、本発明に基づいて作製された鋳造物の組織を５０倍で示すもので、等軸晶ミクロ組織に微小孔は殆んど存在しないか、又は全く存在しない(１％未満)。図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃにおいて、鋳造物はニッケル基超合金からなる。
【実施例１】
【００６０】
図１４に示す工業用ガスタービンエンジンバケットは、本発明の一実施例に係るもので、進行性凝固した等軸晶ミクロ組織を有する。
【００６１】
図４の鋳造装置と同様な鋳造装置は、図４Ａに示される単一タイプのシェルモールドを使用し、また霧状の冷却ガス放出ノズル(傾きが５°で、ノズルからモールドまでの平均距離が２インチ)を有する強制冷却ガスゾーンＺ１と扇形状の冷却ガス放出ノズル(傾きが５°で、ノズルからモールドまでの平均距離が３インチ)を有する下部強制冷却ゾーンＺ２を使用している。シェルモールド壁は、内側モールド層との熱伝導性をもたらすために合計１２層からなる。内側モールド層は、ジルコンディップ及びアルミナディップ(又はジルコニアディップ、ジルコンディップ若しくはムライトディップ)の様々な層からなり、ディップの上にはアルミナ又はジルコンのスタッコが施されており、外側層は、シリカディップからなり、ディップの上にはジルコン又はアルミナのスタッコが施されている。冷却ガスゾーンＺ１及びＺ２は、炉の輻射バッフル５７から、夫々、１インチ及び３インチ下に配置されている。
【００６２】
Ｕ５００ニッケル基超合金において、このモールドとタービンバケットを鋳造するのに用いられた鋳造パラメータは、以下の通りである:
モールド温度＝２５２５Ｆ
溶融物温度＝２６２５Ｆ
モールド取出し速度：１８インチ／時間〜２４インチ／時間
【００６３】
冷却ガス(アルゴンと２０％ヘリウムとの混合物)の質量流量は、毎分８０立方フィート〜毎分３００立方フィート(アルゴンガス圧は１２０ｐｓｉで一定)であり、冷却ガス質量流量は毎分１〜５ポンド(ゾーンＺ１及びＺ２の両方に対して)供給される。
【００６４】
金属を入れられたモールドからの熱抽出により、モールドの長さに沿って等軸晶構造を進行性凝固させるための条件は、コンピュータシミュレーション凝固モデルから得られ、プロセス制御コンピュータに格納された制御アルゴリズムによって制御される。モールド温度をほぼ一定としたときのモールド取出し速度と冷却ガス質量流量の調節は、モールドが炉から取り出されるときのモールド取出し距離(モールド移動ラム６３の位置を用いる)に応じて予めプログラミングされており、図１４Ａに示される。それによって、溶融物中の結晶(結晶粒)の核形成と成長が略一定に維持されるように熱抽出率が制御され、鋳造物には、均一な数の結晶と一定の結晶粒密度が生成された。エアフォイルの凝固パラメータを例にとると、基部領域では、モールド取出し速度を遅く、冷却ガス質量流量は遙かに大きくすることにより、高質量の基部領域に必要な熱抽出を増加させることができる。
【実施例２】
【００６５】
この実施例は、本発明の一実施形態に基づく鋳造物品(タービンブレードをシミュレートした物品)の製造を説明するために提供されるもので、鋳造物品は、図１５に示されるように、指向性凝固(例えば単結晶又は柱状晶)されたエアフォイル領域Ｆと、等軸晶基部領域Ｒとを含む２つのミクロ組織を有する。
【００６６】
ニッケル基超合金物品の鋳造は、タービンブレードシミュレート物品の柱状晶又は単結晶エアフォイル領域Ｆと等軸晶基部領域Ｒとでは異なる鋳造パラメータによって行なった。等軸晶基部領域は、形状変化の大きい横断面が典型的なもみの木形状で、基部には溝がある。図１５のタービンシミュレート物品の形状に相当するモールドキャビティを有するセラミックシェルモールドの鋳造は、エアフォイル領域の開口した先端部をチルプレート(図４のチルプレート６１と同様なもの)の上に載置して行なった。単結晶を選択して、モールドキャビティのエアフォイル領域を通って伝播させるために、開口した先端部には、ピグテール型単結晶セレクタが用いられた。
【００６７】
モールドのエアフォイル領域の初期鋳造パラメータは以下の通りである：
モールド温度：２６００Ｆ超
溶融物温度：２６００Ｆ超
モールド取出し速度：８インチ／時間
【００６８】
冷却ガス(アルゴンと２０％ヘリウムとの混合物)の質量流量は、毎分８０立方フィート〜毎分３００立方フィート(アルゴンガス圧は１２０ｐｓｉで一定)であり、冷却ゾーン１(扇形状ノズルで、傾きが１０°、ノズルからモールドまでの平均距離が２．５インチ)及び冷却ゾーン２(霧状ノズルで、傾きが５°、ノズルからモールドまでの平均距離が２．５インチ)に供給される冷却ガス質量流量は、１ポンド／分である。
【００６９】
次に、モールドの基部領域に対して行われる鋳造の鋳造パラメータは以下の通りであった：
モールド温度：２５５０Ｆ未満
溶融物温度：２６００Ｆ超
モールド取出し速度：２４インチ／時間
【００７０】
モールド温度、ひいては溶融物温度は、モールド加熱炉の誘導コイルの制御により、２８００Ｆ超から２５５０Ｆ未満に下げられた。冷却ガス(アルゴンと２０％ヘリウムとの混合物)質量流量は、ゾーンＺ１及びＺ２の両方とも、毎分３００立方フィート定アルゴンガス圧は１２０ｐｓｉで一定)であった。
【００７１】
モールド取出し速度、冷却ガス質量流量及びモールド温度の調節は、図１５Ａに示されるように、モールドが炉から取り出されるときのモールド取出し距離(モールド移動ラム６３の位置を用いる)に応じて予め設定されたプログラミングに基づいて行われる。等軸晶組織の基部領域では、エアフォイルの指向性凝固(ＤＳ)パラメータと比べて、モールド温度が実質的に低く、モールド取出し速度は遙かに速く、冷却ガス質量流量もまた遙かに大きく、等軸晶ミクロ組織の凝固を促進するのに必要とされる大きな熱抽出がもたらされていることは明らかである。
【００７２】
本発明について、特定の実施形態に基づいて説明したが、本発明をこれらの実施形態に限定することを企図するものではなく、発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図１２】
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【図１４Ａ】
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【図１５】
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【図１５Ａ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【外国語明細書】
2014131816000001.pdf