(57)【要約】      （修正有）【課題】方向性結晶粒組織を有する物品を形成する溶融金属材料の凝固に使用するためのグレインスターター及び実質的にストレイ結晶粒をもたない方向性結晶粒組織を有する物品を凝固する方法の提供。【解決手段】グレインスターター１１３は溶融金属材料内で所定の結晶学的な方向に結晶粒の成長を開始する結晶粒開始材料を含む。結晶粒開始材料は、グレインスターター１１３が溶融材料との接触により変更されないように、物品を形成する金属材料より高い融解温度を有する。グレインスターター１１３はさらに、所定の結晶学的な配向に配向された結晶粒を有する物品を製造するために接触する金属材料の熱伝達特性を変更し、前進する凝固前面のプロフィールを変更する特徴を含む。物品は、所定の結晶学的な方向に配向されないストレイ結晶粒を実質的にもたない。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向性結晶粒組織を有する物品を形成する溶融金属材料の凝固のためのグレインスターターであって、
溶融金属材料内で所定の結晶学的な方向に結晶粒の成長を開始させるグレインスターター
を含んでおり、
当該グレインスターターは、物品の外形の変化する部分で所定の結晶学的な方向への結晶粒の成長を維持するように、グレインスターターと接触する金属材料の熱伝達特性を変更する少なくとも１つの幾何学的特徴を含んでおり、
グレインスターターによる熱伝達特性の変更が、前記外形部分におけるストレイ結晶粒を排除して、所定の金属組織学的配向に配向された結晶粒を有する物品を製造する、グレインスターター。
【請求項２】
グレインスターターが、物品を形成する金属材料の融解温度より高い融解温度を有する予め機械加工された材料である、請求項１記載のグレインスターター。
【請求項３】
熱伝達特性を変更する少なくとも１つの幾何学的特徴が、グレインスターターに取り付けられた外部のフィンを含む、請求項１記載のグレインスターター。
【請求項４】
熱伝達特性を変更する少なくとも１つの幾何学的特徴が、グレインスターターの一体の部分を形成する外部のフィンである、請求項１記載のグレインスターター。
【請求項５】
少なくとも１つの幾何学的特徴がグレインスターターの形状であり、グレインスターターの形状がグレインスターター／物品界面の反対側の断面積より大きいグレインスターター／物品界面における断面積であり、グレインスターターがグレインスターター／物品界面から反対側の断面界面まで弓形に遷移する、請求項１記載のグレインスターター。
【請求項６】
グレインスターターの形状が台形である、請求項５記載のグレインスターター。
【請求項７】
物品を形成する溶融金属材料が、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、鉄基超合金及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１記載のグレインスターター。
【請求項８】
所定の結晶学的な方向が＜００１＞方向である、請求項７記載のグレインスターター。
【請求項９】
グレインスターターが鋳型の下のチルプレート上でその場で形成される、請求項１記載のグレインスターター。
【請求項１０】
結晶粒開始材料を含むグレインスターター、
グレインスターターに取り付けられており、所定の結晶学的な方向に整列した方向性凝固された結晶粒により特徴付けられ、さらに所定の結晶学的な方向に対してある角度をもって配向されるストレイ結晶粒を実質的にもたないことで特徴付けられる物品、及び
グレインスターターから離れる熱を移動する手段であり、グレインスターターからの熱流を変更し、専らグレインスターターの特徴である、グレインスターターから離れる熱を移動する手段
を含む、構造体。
【請求項１１】
グレインスターターから離れる熱を移動する手段が外部のフィンを含む、請求項１０記載の構造体。
【請求項１２】
外部のフィンがグレインスターターに取り付けられている、請求項１１記載の構造体。
【請求項１３】
外部のフィンがグレインスターターの一体の部分を形成している、請求項１１記載の構造体。
【請求項１４】
グレインスターターから離れる熱を移動する手段がグレインスターターの幾何学的形状を含み、グレインスターター形状がグレインスターター／物品界面の反対側の断面積より大きいグレインスターター／物品界面における断面積であり、グレインスターターがグレインスターター／物品界面から反対側の断面界面まで弓形に遷移する、請求項１０記載の構造体。
【請求項１５】
グレインスターターの幾何学的形状が台形である、請求項１４記載の構造体。
【請求項１６】
物品がタービン動翼、ノズル又はシュラウドである、請求項１０記載の構造体。
【請求項１７】
所定の結晶学的な方向が物品の最大応力の方向に対して平行である、請求項１０記載の構造体。
【請求項１８】
方向性凝固された結晶粒を有する物品を形成する方法であって、
鋳型を準備する工程、
グレインスターターから離れる熱を移動する手段を含むグレインスターターを準備する工程、
グレインスターターを鋳型に取り付ける工程、
溶融金属を鋳型に供給する工程、
熱源を準備して鋳型内の溶融金属を所定の温度範囲に維持する工程、
溶融金属を収容する鋳型を熱源から熱源に隣接するコールドゾーン内にゆっくり引き出しつつ、熱が鋳型内の溶融金属から除去されるにつれて溶融金属内に前進する凝固前面を形成する一方で、グレインスターターが所定の冶金学的方向における結晶粒の形成を開始する工程であって、グレインスターターから離れる熱を移動する手段が鋳型内の前進する凝固前面のプロフィールを変える、工程、
グレインスターター及びグレインスターターから離れる熱を移動する手段を介して熱が引き出されるにつれて、形成された結晶粒が所定の冶金学的方向で溶融金属中に進み、前進する凝固前面の前の溶融金属内にストレイ結晶粒の核生成及び成長が実質的に存在しないように、溶融金属を収容する鋳型を熱源からゆっくり引き出し続ける工程、並びに
鋳型内の溶融金属の凝固を完了する工程
を含む方法。
【請求項１９】
さらに、チルプレートを準備し、チルプレートをグレインスターターの底部に取り付ける工程を含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
鋳型を準備する工程がインベストメント鋳造用鋳型を準備することを含む、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にインベストメント鋳造のためのブリッジマン（Bridgman）法に関し、より具体的には前進する凝固界面の冷却速度を制御するためのグレインスターター（grain starter）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブリッジマン法はタービン動翼のような物品をインベストメント鋳造により製造するために使用される。ブリッジマンインベストメント鋳造法を用いて製造された物品は、方向性凝固された単一の結晶粒（グレイン）構造又は方向性凝固された柱状結晶粒によって特徴付けられる。かかる方向性凝固された結晶粒組織を有する物品は、物品にかかる主応力が方向性凝固された結晶粒組織に対して平行である用途に特に適している。
【０００３】
インベストメント鋳造では、ろう型パターンを用いて鋳造される物品を複製する。ろうは、物品の形状にあったキャビティーを有する金属又はプラスチック製鋳型中に注入され得る。ろう型パターンはまた、その物品を形成するために溶融金属を供給するのに使用されるゲーティング／ライザー／ランナー系も複製する。次いでセラミックシェルがろう型パターンの周りに作られる。シェルは、ろう型パターンを１以上のセラミックスラリーに複数回浸漬することによって構築され得る。この１以上のセラミックスラリーは、スラリーをろう型パターンに固定するのを補助するために結合剤／添加剤を含んでいる。もちろん、最初に設けられるセラミック層すなわちフェースコートは、鋳造されたとき物品の表面仕上げを決定するので重要である。改良された表面仕上げを提供するためにこのフェース層を形成するには通常アルミナ／ジルコンセラミック粒子が使用される。
【０００４】
ろう型パターンはセラミック層に複数回、例えば１２層まで浸漬され、このセラミックを乾燥させた後追加のセラミックスラリーを適用する。フェースコートからの距離が増大するにつれて、異なる組成、例えばシリカのより大きいセラミック粒子がその後設けられる層に使用され得る。
【０００５】
インベストメント又はシェルの構築が完了した後、アセンブリを高温のオートクレーブで脱ろうしてセラミックシェルからろうを除去する。次に、鋳型を予熱して結合剤を焼き尽くす間に、鋳型のセラミック壁は鋳造操作に耐えるほどの充分な強度をもつようになる。次いで、シェル鋳型の亀裂及び分離し得る破片を検査する。かかる破砕されたシェル片は鋳造された物品に欠陥をもたらす可能性がある。
【０００６】
セラミックラッピングパッドを所定の位置に当てて金属の供給を改良し得る。その後、鋳型を、鋳型に鋳込んで充填する金属又は合金の鋳込み温度より通常５０−１５０°Ｆ低い温度に予熱する。次に、金属又は合金を鋳型中に注ぎ入れることができる。この金属又は合金は冷却されると物品を形成する。その後、セラミック鋳型は、凝固が完了した後除去され得る。
【０００７】
ブリッジマン法は上記のインベストメント鋳造法と共に使用される。予熱されたセラミック鋳型を鋳造機の鋳型チャンバーに移し、チルプレートに固定する。真空にした後、鋳型を、誘導コイル、抵抗線又はＭｏＳｉ2ロッドにより電気的に加熱されたホットチャンバー内に持ち上げる。ブリッジマン法では、物品を形成することになる金属又は合金を不活性セラミックるつぼ、最も一般的にはジルコニア又はアルミナ製るつぼ内で融解する。タービン動翼は、例えば、ニッケル基（Ｎｉ基）超合金で形成される。これらのＮｉ基超合金をるつぼ内で合金の融解温度より２００−３００°Ｆ高い温度に過熱する。融液温度が安定化したら、溶融金属を鋳型キャビティー内に注ぎ入れる。次に、溶融した合金を充填した鋳型と、鋳型を支持するホットチャンバーの下に配置されたチルプレートを、金属の融点より高温に維持されたホットチャンバーからゆっくり引き出す。溶融した金属又は合金で充填された鋳型がホットチャンバーからコールドチャンバー内に引き出されると、熱がチルプレートを通して鋳型から除かれ、鋳型内において金属結晶の方向性成長がチルプレートで開始され、方向性凝固が溶融金属中に進む。熱は鋳型表面からの輻射によっても散逸され、その結果チルプレートの上方の所与の鋳型高さで鋳型に近い溶融金属は鋳型表面より内側にある溶融金属より早く冷える。加熱された炉チャンバーからの鋳型の引き出し速度は物品の具体的な特徴に依存するが、通常は毎時数インチであり、固化される物品の幾何学的構造に従って変化し得る。凝固が完了した後、シェル及び鋳型中に挿入されている可能性があるコアを取り出すことができる。
【０００８】
ブリッジマン法では、薄い壁の実質的に一定の断面を有する方向性凝固された単結晶物品が首尾よく生成する。一定の断面とは、熱が前進する凝固前面から多かれ少なかれ均一に除去される全ての断面を含み、単結晶又は方向性凝固された柱状結晶粒の物品が生成する。しかしながら、断面がかなり大きい物品の場合、除かなければならない熱の量が急激に増大し、凝固界面の前進が遅くなり、鋳型の面から離れた界面が鋳型に近接する溶融界面よりさらに遅れることになる。
【０００９】
物品断面の急激な増大に付随する熱流の変更の結果、前進する凝固前面の前の溶融金属の領域の過冷却が起こり得る。溶融金属の過冷却は、所望の方向性凝固された結晶粒の方向とは異なる方向に成長するストレイ結晶粒（stray grain）の核を生成し得る。これらのストレイ結晶粒は一般に、所望の柱状結晶粒に対して、及びタービンに設置されたタービンブレードのようなその目的用途に使用したときに物品が受ける主応力に対して実質的に垂直な高傾角粒界を形成する。これらのストレイ結晶粒に伴う粒界は、亀裂開始の元となり、クリープ／疲労寿命に悪影響を及ぼし、物品のクリープ／疲労特性が重要な環境中で方向性凝固された物品の早期の故障を招くことが証明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７００１６７９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
必要とされているのは、ストレイ結晶粒の核を生成する蓋然性が実質的に低減又は排除され、それによりストレイ結晶粒の形成及びかかる結晶粒に伴う有害な高傾角粒界を抑制するように前進する凝固前面を改変する画期的なグレインスターターの設計である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、方向性結晶粒組織を有する物品を形成する溶融した金属材料の凝固のために使用するグレインスターターを包含する。この物品は、その外形が変化することによってさらに特徴付けられ得る。グレインスターターは、前もって選択された所定の結晶学的な方向に配向された結晶粒を有する物品を製造するために、接触する金属材料の熱伝達特性を改変する少なくとも１つの幾何学的特徴を含ませることによって溶融金属材料中で所定の結晶学的な方向の結晶粒の成長を開始させる。製造される物品は、特に物品の外形が変化する部分において、所定の結晶学的な方向に配向されないストレイ結晶粒を実質的にもたない。所望の熱伝達特性を改変し獲得するための少なくとも１つの幾何学的特徴体は専らグレインスターターの特徴であり、物品又は鋳型のものではない。この構造及びこの系の熱伝達特性を改変するための少なくとも１つの幾何学的特徴体は、鋳型内の物品の凝固後グレインスターターを物品から分離することにより除去することができる。
【００１３】
本発明はさらに方向性凝固された結晶粒を有する物品を形成するための方法を含む。この物品は所定の結晶学的な方向に固化された結晶粒を有するが、ストレイ結晶粒を実質的にもたない。この物品を形成する方法は鋳型を準備し、グレインスターターを準備する工程を含み、このグレインスターターはグレインスターターから熱を移動する手段を含む。グレインスターターは鋳型に取り付けられる。溶融金属を鋳型に供給し、熱源を準備して鋳型内の溶融金属を凝固が起こる所定の温度範囲内に維持する。溶融金属が充填された鋳型を、セラミックバッフルにより熱源から熱源に隣接するコールドゾーン内にゆっくり引き出す。グレインスターターが所定の結晶学的な方向における結晶粒の核生成及び成長を開始させ、これらの結晶粒は、鋳型がホットゾーンからコールドゾーン内に引き出されるにつれて、熱が鋳型及び前進する凝固領域を介して溶融金属から除去されると、溶融金属内に前進する凝固前面を形成する。上記のようなブリッジマン法を利用するブリッジマン炉はかかる物品を方向性に凝固させる１つの方法であるが、他の方法も適切であり得る。本発明の方法は標準的なブリッジマン炉を利用し得るが、標準的なブリッジマン法とは異なり、本発明はさらにグレインスターターから熱を移す手段を提供し、熱除去の経路が変更されるので、標準的なブリッジマン法で起こり得るような鋳型内の溶融金属の前進する凝固前面のプロフィールが変更される。その後、溶融金属を収容する鋳型は熱源からゆっくり引き出され続け、グレインスターター及びグレインスターターから熱を移す手段を介して熱が引き出される。形成された結晶結晶粒はグレインスターターにより決定される所定の結晶学的な方向で溶融金属中に前進する。この凝固方法は、前進する凝固前面の前の溶融金属内にストレイ結晶粒の核生成及び成長が実質的に存在しないことで特徴付けられる。このプロセスは鋳型内の溶融金属が完全に凝固するまで続けられ、構造は物品及び取り付けられたグレインスターターを含み、これはその後取り出すことができる。
【００１４】
本発明は、改変された凝固方法を用いてグレインスターターにより形成された構造体を含む。構造体はグレインスターター及びグレインスターターに取り付けられた物品を含む。グレインスターターは結晶粒開始材料を含み、物品は方向性凝固された結晶粒により特徴付けられ、これらの結晶粒は所定の結晶学的な方向に整列される。物品はさらにその所定の結晶学的な方向に対して様々な角度で配向されたストレイ結晶粒が実質的に存在しないことで特徴付けられる。グレインスターターから熱を移す手段が提供される。このグレインスターターから熱を移す手段はグレインスターターからの熱流を変える。グレインスターターから熱を移す手段はグレインスターターの幾何学的特徴であり、物品からの除去を必要とする物品の特徴ではない。
【００１５】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例として図解する添付の図面と併せて好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明を読むことで明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、従来技術のグレインスターターの凝固前面を示す。
【図２】図２は、従来技術のグレインスターターにより形成される図１の凝固前面から得られると予測される結晶粒組織を示す。
【図３】図３は、臨界Ｚ−ノッチ位置において従来技術のグレインスターターで形成される鋳造タービン動翼先端シュラウドの結晶粒組織（エッチングされた）を示す。
【図４】図４は、臨界Ｚ−ノッチにおける使用後に取り出された鋳造タービン動翼先端の断面図であり、臨界Ｚ−ノッチで始まり粒界に沿ったクリープボイドの連結と共に伝播する粒界亀裂を示す。
【図５】図５は、本発明によるグレインスターターの設計を示す。
【図６】図６は、本発明のグレインスターターの凝固前面を示す。
【図７】図７は、臨界Ｚ−ノッチ領域における図５のグレインスターターで形成されるタービン動翼の予測される結晶粒組織を示す。
【図８】図８は、ブリッジマン炉の炉部分に維持されている溶融金属から部分的に引き出された物品を示す垂直ブリッジマン法の一般表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、ブリッジマン法のようなプロセスを利用してインベストメント鋳造するとき、方向性凝固された（ＤＳ）結晶粒又は単結晶（ＳＣ）を有するタービン動翼、シュラウド又はノズルのような物品の凝固を開始させるためにグレインスターターを利用する。このグレインスターターは、凝固を開始させることに加えて、凝固前面が溶融金属中に前進するとき外形の急激な変化のあるところでストレイ結晶粒を排除するように熱除去経路を変更する。熱流経路の変更で前進する凝固前面の前方の溶融金属の過冷却が排除されることにより、ニッケル基超合金の鋳造において＜００１＞方向のような所定の結晶学的な方向から大きく外れた角度で成長し得るストレイ結晶粒の核生成の駆動力が除かれる。本発明のグレインスターターを用いて形成される物品は実質的にストレイ結晶粒をもたない。本明細書で使用する場合、ストレイ結晶粒とは、凝固する際に、外形の変化するところで起こり得るように、物品のより大きい断面の縁及び角で核を生成し、所定の結晶学的な方向から大きく外れた角度で成長し得る結晶粒を意味する。「実質的にストレイ結晶粒をもたない」とは、柱状結晶粒又は単結晶の成長を中断しつつ物品内に欠陥を生じる部位として働く粒界を作り出すストレイ結晶粒が存在しないことを意味する。本明細書で使用する場合、鋳型に取り付けられたとは、鋳型底部に取り付けられているか又は凝固が鋳型底部から起こるときに「その場で」形成されるグレインスターターを含む。また、本明細書で使用する場合、（前もって選択された）所定の結晶学的な方向は、前進する凝固前面から熱を移す結果得られる自然に選択される結晶学的な方向を含む。
【００１８】
図１は、従来技術のグレインスターター１２による典型的な凝固前面を示す。図１で、表示は、通常鋳型キャビティー内の、タービン動翼の翼領域となるであろう部分のグレインスターター１２の上方に位置する暗い領域として領域１４で表されている金属を包囲するセラミック鋳型を含んでいない。グレインスターター１２と溶融金属領域１４の中間に前進する凝固前面１６がある。図１で、前進する凝固前面１６は、凝固前面１６が動翼の翼部分２２の溶融金属領域１４内に前進するときにグレインスターター１２に対して凹形のプロフィールを有する。
【００１９】
図８は、一般的なグレインスターター６が炉からゆっくり引き出される典型的なブリッジマン炉装置を示す。一般的な物品９は炉内の溶融金属８から引き出される。熱は、物品９から、及び前進する凝固前面（図には示してない）から、伝導により垂直下向きにチル７に、また輻射により鋳型表面及びグレインスターターの面を通して側方に伝導する。前進する界面から得られる熱流の方向は物品９を包囲する空気による矢印で示された方向である。このため、溶融金属との界面（すなわち前進する凝固界面）において、冷たい部分の物品／鋳型の界面で最も低く、物品の中心で最も高いという物品の温度プロフィールが生じる。
【００２０】
図１に戻ると、グレインスターター１２は図に示した形状を有する。図８に見られるように、前進する界面の温度プロフィールは冷たい部分にある物品／鋳型の界面が最も低い温度で、中心が最も高い温度である。従って、前進する凝固前面１６が鋳型内の溶融金属１４中に進んで行く期間中、鋳型が炉のコールドゾーン内に引き出されるにつれて凝固前面はグレインスターター１２に対して凹形の形状を有する。
【００２１】
動翼２４の動翼先端シュラウド２０と翼部分２２との間の界面では、断面の急激な変化が前進する凝固前面１６を横切る熱除去をさらに悪化させる。動翼先端シュラウドの縁は前進する凝固前面の前の溶融金属より冷たく冷却され得るので、前進する凝固前面及び関連する等温線はさらにより凹形になる。結果として、図１の先端シュラウド２０のような増大した質量を有する末端の角が過冷却され得るので、結晶粒の不均一な核生成が起こり得、かかる結晶粒核は内向きに急速に成長して下から成長する柱状結晶粒と干渉し得る。かかるストレイ結晶粒又は結晶粒から得られる粒界は動翼の翼長さの方向に対して実質的に垂直である。さらに、動翼先端シュラウド２０のようなより大きい断面部分での多様な核生成事象はより高い傾角粒界を形成し得る。Ｚ−ノッチにおける外形の変化はその外形における局部的な熱の除去にさらに寄与し、外形の変化部における追加の熱除去のために追加の著しい温度差を生じ、ストレイ結晶粒の核生成及び成長の可能性をさらに増大する。
【００２２】
図２は、従来技術のグレインスターター１２により形成される図１の凝固前面から得られる予測される結晶粒組織を示す。図から分かるように、縁から離れてグレインスターター１２で形成される方向性結晶粒３０の大部分は動翼２４の翼部分２２中に続く。しかしながら、動翼先端シュラウド２０のＺ−ノッチ２６では、このより冷たい領域における結晶粒の不均一な核生成のため、方向性凝固された（ＤＳ）結晶粒の＜００１＞方向から外れたストレイ結晶粒が生成する。
【００２３】
ストレイ結晶粒の形成は、従来技術のグレインスターター１２で形成された動翼先端シュラウド２０付近及びＺ−ノッチ２６領域（エッチングされた）における鋳造タービン動翼の結晶粒組織を示す図３でより明白である。少なくとも１つのストレイ結晶粒３２の形成は目立つ大きさまで成長している。Ｚ−ノッチ２６領域に形成される図３に示されているようなストレイ結晶粒３２は有害であり、この領域はタービン運転中高い遠心力及び高温を受けるので動翼２４の弱い領域となる。ＤＳ結晶粒は、通常のタービン運転中に受ける最も高い応力を対処することができるので、これらの最も高い応力に付される方向に形成される。しかしながら、ＤＳ結晶粒に対してある角度で形成されたストレイ結晶粒はこれらの応力に充分に耐えることができない。結果として、使用後に取り出された実際の鋳造タービン動翼先端を通る断面図である図４に示されているように、故障はＺ−ノッチで始まる傾向がある。図４から分かるように、粒界亀裂３４は臨界Ｚ−ノッチ領域で始まり、高エネルギー粒界に沿って形成されるクリープボイドの連結により動翼２４中に伝播する。これらの亀裂の開始及びクリープボイドの連結によるそれらの伝播は早期の亀裂を生じ、タービン動翼における主要な問題である。
【００２４】
ストレイ結晶粒の成長に基づく高傾角粒界はまた、タービン動翼２４の鋳造後の加工処理における困難さも増大し、その結果動翼のＺ−ノッチ領域の破壊及びその後の動翼のスクラップを生じ得る。
【００２５】
本発明は、ストレイ結晶粒の生成を引き起こす傾向がある条件を除去するようなグレインスターターのための新しい設計を提供する。ここで図５を参照すると、本発明によるグレインスターター１１３が示されている。グレインスターター１１３は、グレインスターター１１３に取り付けられているか又は一体となった少なくとも１つの幾何学的特徴体を含む。好ましい実施形態において、幾何学的特徴体はグレインスターター１１３に取り付けられた複数のフィン（ひれ）１２９である。図５はさらにグレインスターター１１３の別の幾何学的特徴体を示す。この図で、グレインスターター１１３は、グレインスターター／物品界面の反対側のそのベース１３７における断面積より大きいグレインスターター／物品界面１３５における断面積を有する幾何学的形状を有している。グレインスターターの形状はグレインスターター／物品界面を反対側の断面界面に接続する弓形の遷移部により画定される。図５で、この形状は台形の台座１３３である１つの実施形態を提供するが、上記形状に制限されない。台形の台座１３３は、グレインスターター／物品界面１３５において物品と同じ断面形状を有するが狭いベース１３７を有しており、狭いベース１３７とグレインスターター／物品界面１３５の中間の角度のついた部分１３９がこれらの特徴体を接続している。ベース１３７は従来技術のグレインスターター１２で見られるベースと比べて「狭い」。台形の台座１３３はその形状のために凝固する物品からの熱の除去を変更し、その縁に沿った熱除去を少なくする一方でチルプレート（図示してない）によりより多くの熱をベース１３７を介して伝導する。台形の台座１３３の形状は従来のグレインスターターと比べて異なる熱除去プロフィールを提供する。さらに、フィン１２９のような幾何学的特徴体の形状、大きさ、数及び位置並びに台形の台座１３３の形状は、前進する凝固前面１６の前の温度がストレイ結晶粒の核生成を引き起こさないようにこれらの幾何学的特徴体がグレインスターターを介する熱の移動を改変する限り、実際の部品の幾何学的形状に依存して変化することが理解されよう。図に示されているようなタービン動翼の場合、「狭い」ベース１３７は約１インチの高さを有し得、所望の配向から外れる殆どの結晶粒を排除するための主要なバリヤとして機能し、台形の台座１３３中に入る結晶粒が＜００１＞結晶学的な方向に極めて近い配向を有するように保証する。
【００２６】
グレインスターター／物品界面の下の台形の台座１３３の形状は熱除去にとって重大である。台形の面と接触するセラミック鋳型材料は固体の金属よりずっと小さい熱伝導率を有するので、台形の台座の設計は、従来技術のグレインスターター１２の単純な長方形の形状と比較して、台形の台座の中間の角度のついた部分１３９の下からチルプレートに向かう軸方向の熱流を大きく変化させる。より重要なことには、台形の断面の段階的な変化は、傾いた面により突き出された領域の上で結晶粒の成長を自然に起こさせる。凝固界面がベース１３９から中間の角度のついた部分１３９の中に進むと、角で核を生成した結晶粒がそれらの側枝を横向きに伸ばして台形の次第に拡がる横の空間を占めることができる。この横方向に延びる成長の自然の作用により、くさび状に突き出た領域、例えば動翼先端シュラウド２０Ｚ−ノッチ領域に近い領域に単一の結晶粒が存在することが確実になる。
【００２７】
台形の台座１３３の実際の設計はインベストメントケース鋳型内の溶融金属に触れることになる。従ってその形状は鋳造物品の局部的な幾何学的形状に依存する。ベース１３７は中間の角度のついた部分１３９によりグレインスターター／物品界面１３５に接続される。中間の角度のついた部分１３９の角度（αi）は台形の台座１３３の横の寸法ΔＸ、高さ（Ｈ）に、或いはひょっとすると製造方法にも密接に関連する。台形の台座の高さは図に示されているタービン動翼２４の場合１〜２”であると提案されている。あらゆる参照情報によると、ベース１３７の最大の長さは台形の上底より〜２ΔＸだけ小さい。
【００２８】
グレインスターターは予め機械加工してもよいし、又はその場で成長させてもよい。いずれの形態でも、グレインスターターは溶融金属材料中で所定の結晶学的な方向の核生成／結晶粒成長を開始させる。グレインスターターが予め機械加工される場合、核生成及び結晶粒の成長がニッケル基超合金において＜００１＞方向のような所定の結晶学的な方向又は配向に起こるように予め機械加工される。グレインスターター材料は、グレインスターターが出発原料との接触により変更されないように、物品を構成する金属材料の融解温度より少し高い融解温度を有するように選択される。グレインスターターはまた、所定の結晶学的な方向に極めて近接して結晶粒の生成を開始するように役立つその場で成長したグレインスターターとして提供することもできる。物品は、凝固の完了時、方向性凝固された柱状結晶粒によって特徴付けられる。方向性凝固された結晶粒は所定の結晶学的な方向に自然に整列する。物品はさらに、所定の結晶学的な方向に対してある角度をもって配向されるストレイ結晶粒を実質的にもたないことを特徴とする。
【００２９】
好ましい実施形態において、グレインスターター１１３に取り付けられた複数のフィン１２９により表される幾何学的特徴体は熱流を制御するための非常に重要な特徴体である。この幾何学的特徴体はグレインスターター１１３に取り付けられて動翼２４の中央付近の熱伝達を改善する。これらのフィンはグレインスターター１１３の縁間の中間点を通る熱伝達を高める一方で、台形の台座１３３の形状に起因して、縁付近の熱伝達を低下させて前進する凝固前面１６の前の溶融金属内により均一な温度分布を提供する。フィン１２９を有する台形の台座１３３は凝固界面の形状を変更して、図６に示されているように凸状にすることができる。フィン１２９又は複数のフィン１２９はグレインスターター１１３に取り付けられ得るか、又はグレインスターター１１３の一部として一体に形成され得る。グレインスターターに対する幾何学的特徴体の配置に関係なく、この幾何学的特徴体の機能はグレインスターター１１３を通る熱流の経路を変更することであり、幾何学的特徴体はそれが位置する付近の熱伝達を改良し、また凝固中溶融金属内の前進する凝固前面を変化させる。
【００３０】
図５の動翼１２５の場合、複数のフィン１２９、図５では２つのフィン１２９は、かかる幾何学的特徴体を含まないと前進する凝固前面が最も遅れると決定されるグレインスターター１１３の中央に対称的に取り付けられる。前進する凝固前面１６が遅れる部分の決定は、コンピュータープログラムの使用、実際の温度測定などにより分析的に、又は鋳造物品上の結晶粒パターンの観察により経験的になされ得る。フィン１２９はチルプレート１１（図６）及びグレインスターター１１３の両方と熱伝達接触して、フィン１２９のような幾何学的特徴体がない場合に前進する凝固前面１６が遅れる部分である前進する凝固前面１６から離れる熱の伝導を改良する。好ましい実施形態において、フィン１２９は、前進する凝固前面１６のあらゆる傾き又は不利な再配向を回避するために対称的に設けられる。
【００３１】
フィン１２９は好ましくは、余分な鋳造後の材料除去が必要とならないように、グレインスターター１１３の全高さより長くない。好ましくは、フィン厚さは台形の台座１３３の局部的な厚さの６０％以下であり、フィン長さはフィン厚さの少なくとも二倍である。ここで、フィン高さとはチルプレート１１に対して実質的に垂直で実質的に垂直な方向に延びるフィンの寸法をいい、フィン長さとは台形の台座１３３から離れて延びるフィンの寸法をいい、フィン厚さとはその高さに沿ったフィンの幅をいい、その高さに沿ったあらゆる点における厚さはチルプレート１１に対して平行である。かかるフィン設計は少なくとも４．０の係数で冷却を少なくとも改善し得る。好ましくは、フィン寸法（高さ、長さ及び幅）は、特定の鋳造／グレインスターター設計が少なくとも１０．０の係数で局部的な移動の改善を提供するように選択される。
【００３２】
ここで図６を参照すると、本発明のグレインスターター１１３の上方の計算された前進する凝固前面１１６が示されている。グレインスターター１１３は一対のフィン１２９を含み、グレインスターターはチルプレート１１に取り付けられている。前進する凝固前面１１６は凝固が進むにつれて溶融金属１４中に移動する。前進する凝固前面１１６を図１の前進する凝固前面１６と比較すると、図６の前進する凝固前面１１６は図１に示した前進する凝固前面１６とは明白に異なるプロフィールを有している。凝固前面１１６のプロフィールは鋳型が炉のコールドゾーン中に引き出されるときグレインスターター１１３に対して凸状であるのに対して、図１の凝固前面１６は鋳型が炉のコールドゾーン中に引き出されるとき従来技術のグレインスターター１２に対して凹形である。これは、グレインスターター１１３のフィン１２９及び台座１３３の台形の形状に起因し得る。フィン１２９は、熱を伝導によってより効率的に除去することができるフィン１２９内に前進する凝固前面１１６から熱が移動するのを可能にするヒートシンクである。前進する凝固前面のプロフィールが変化し、動翼１２５の中心に向かう凝固前面が動翼１２５の縁１３１に沿った凝固前面より前にあるので、（例えばｚ−ノッチのように）縁に沿った、及び角におけるストレイ結晶粒の核生成に駆動力がなく、従って柱状結晶粒は先端シュラウド２０の縁及び角に対して方向性に成長し続ける。この熱伝達機構は、凝固前面がＺ−ノッチ２６を通って前進するときでも方向性成長と共に維持される。これは、より多くの金属質量が動翼先端シュラウド領域２０に存在し、すなわちより多くの溶融金属がフィン１２９によって提供される熱除去の経路を必要とすることを意味するので、重要である。
【００３３】
前進する凝固前面１１６がさらに翼部分２２中に移動すると、前進する凝固前面１１６に対するフィン１２９の効果が低下し、その形状が変化し得る。これには幾つかの理由がある。動翼１２５の翼部分２２では、翼部分はより薄いので、動翼１２５の断面が低減する。薄い断面は金属質量がより少なくなり、鋳型が炉のコールドゾーン内に移動するとより多くの面積がコールドゾーンに曝露される。さらに、前進する凝固ゾーンが動翼先端シュラウド２０及びフィン１２９から離れてさらに移動すると、熱伝達は優先的に翼部分２２の大きい表面積から取り囲むコールドゾーンへかなり急速に起こるので、フィン１２９を介する熱除去はあまり効果的ではなくなり、前進する凝固前面１１６が翼部分２２中に急速に移動するとき結晶粒はこの領域内で容易に方向性に成長する。
【００３４】
図７は、図５のグレインスターター１１３を用いて形成される、先端シュラウド２０の臨界Ｚ−ノッチ領域２６を含むタービン動翼１２５の予測される結晶粒組織を示す。この図で、ほぼ均一な暗い灰色は、結晶学的な成長が実質的に所定の方向に起こることを示している。前進する凝固前面１１６はＺ−ノッチ領域２６を通って前進するとき凸面形状を維持するので、ストレイ結晶粒が縁１３１に向かって核を生成し成長する蓋然性は実質的に排除される。前進する凝固前面１１６の進行を妨げるストレイ結晶粒がないので、前進する凝固前面１１６の後に形成されたグレインスターター１１３により開始された方向性結晶粒は、開始された方向、この例では＜００１＞方向で溶融金属中に進み続ける。重要なことに、臨界Ｚ−ノッチ領域において、単一の柱状結晶粒が存在する。このＺ−ノッチ領域に柱状結晶粒が存在することは、この領域において単一の柱状結晶粒のみの成長を促進する台形の台座１３３の形状の効果であると考えられる。この結果、故障につながる動翼内亀裂の原因であったストレイ結晶粒のこの位置における核生成及び成長が排除される。
【００３５】
本発明のグレインスターター１１３は、前進する凝固前面が溶融金属中を進むときにその凝固前面からの熱流を制御する手段を含む。熱流の制御は、グレインスターター１１３により開始される所定の方向から発散する角度で配向されるストレイ結晶粒の核生成を防止する。上記の例では、この好ましい方向は図１−７に示されたタービン動翼に対する＜００１＞方向であるが、この方向は所望により、例えば＜１１１＞方向又は＜１１０＞方向に結晶粒が開始され成長するように予め選択された配向を有するグレインスターター１１３を機械加工することによって変更し得る。熱流の制御は特に、タービン動翼１２５の外形の変化するところで、かかる制御のない場合にＺ−ノッチ領域２６で起こり得るストレイ結晶粒の生成を防止する。タービン動翼１２５において、Ｚ−ノッチ領域２６は、熱が急速に放散され得る外形の変化を含む。Ｚ−ノッチ領域２６で、タービン動翼１２５はまた断面積も著しい変化を示す。
【００３６】
フィン１２９をグレインスターター１１３に加えて、前進する凝固前面１１６が溶融金属中を進む際の鋳型の熱伝達特性を改変して方向性凝固を制御する。グレインスターター１１３自体は、予め選択された配向を有するように予め機械加工されるか又はその場でチルプレート上に形成され、前もって選択された所定の結晶学的な方向における結晶粒の成長を開始するように提供される。グレインスターター１１３はタービン動翼１２５の一部を形成せず、動翼の凝固後タービン動翼１２５から取り外される。またフィン１２９も、グレインスターターの一部であるのでタービン動翼１２５から取り外される。
【００３７】
グレインスターターは、予め機械加工される場合、溶融金属に対して方向性凝固を付与することができ、方向性凝固された物品を形成するに使用される合金より高い融解温度を有するいかなる金属材料であってもよい。本明細書でタービン動翼はストレイ結晶粒をもたない方向性凝固された結晶粒組織を生成するように凝固プロセスを変更し得るグレインスターター１１３を用いて形成される製品として記載されているが、特定の領域において、特に外形の変化がある部分でストレイ結晶粒の核生成及び成長に起因して欠陥を起こし得る方向性に配向された結晶学的な結晶粒組織を要するあらゆる物品が、ストレイ結晶粒の生成を排除するために本発明のグレインスターターを用いて凝固され得る。タービン動翼は通例高温ニッケル基超合金で形成されるが、本発明は、好ましくは方向性凝固された結晶粒組織を有する鋳造物品を製造するのに使用される利用可能な金属材料の中で、例えば、コバルト基超合金、鉄基超合金、鉄−コバルト−ニッケル基超合金の組合せ、ニッケル基合金、鋼、例えばステンレス鋼及び工具鋼、チタン及びその合金の方向性凝固された物品を形成するのに使用され得る。
【００３８】
好ましい実施形態に関連して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更をなすことができ、その要素に代えて等価物を使用することができる。加えて、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、その本質的な範囲から逸脱することなく多くの改変をすることができる。従って、本発明は、本発明を実施する上で考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、後記特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を包含することが意図されている。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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