(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン含有物品を鋳造するためのモールド組成物であって、
カルシウムモノアルミネート、二アルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを有するアルミン酸カルシウムセメントを含み、
前記マイエナイトが前記アルミン酸カルシウムセメントの０．０１〜０．２の体積分率を含み、前記カルシウムモノアルミネートが前記アルミン酸カルシウムセメントの０．１〜０．８の体積分率を含み、前記二アルミン酸カルシウムが前記アルミン酸カルシウムセメントの０．１〜０．６の体積分率を含み、
前記モールド組成物は、外部寸法が５００ミクロン未満の酸化アルミニウム粒子を更に含み、該酸化アルミニウム粒子が、前記モールド組成物の４０重量％〜６８重量％を含む
チタン含有物品を鋳造するためのモールド組成物。
【請求項２】
酸化物粒子を更に含む、請求項１に記載のモールド組成物。
【請求項３】
前記酸化物粒子が、前記酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、酸化ケイ素粒子、又はこれらの組み合わせを含む、請求項２に記載のモールド組成物。
【請求項４】
前記酸化物粒子が中空酸化物粒子を含む、請求項２又は３に記載のモールド組成物。
【請求項５】
前記中空酸化物粒子が中空アルミナ球体を含む、請求項４に記載のモールド組成物。
【請求項６】
酸化カルシウムを更に含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモールド組成物。
【請求項７】
前記酸化カルシウムが、モールド組成物の１０重量％よりも多く５０重量％よりも少ない、請求項１に記載のモールド組成物。
【請求項８】
前記モールド組成物が、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳造モールド組成物を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のモールド組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
最新のガスタービン又は燃焼タービンは、信頼性、重量、出力、経済性、及び作動耐用寿命に関して最も高い要求を満足しなければならない。このようなタービンの開発においては、とりわけ、材料の選択、新しい好適な材料の探索、並びに新しい製造方法の追求は、各規格に適合し需要を満たす上で重要な役割を果たしている。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンで使用される材料には、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる）、及び高強度鋼を挙げることができる。航空機用エンジンにおいて、圧縮機部品用にはチタン合金が一般的に使用され、航空機エンジンの高温部品にはニッケル合金が好適であり、例えば、圧縮機ハウジング及びタービンハウジングには高強度鋼が使用される。例えば、圧縮機の構成要素のような高荷重又は高応力のガスタービン構成要素は、通常は鍛造部品である。他方、タービン用の構成要素は通常、インベストメント鋳造部品として具現化される。
【０００３】
インベストメント鋳造は新しいプロセスではないが、インベストメント鋳造業界は、より込み入った複雑な部品に対する需要が増えるにつれて成長し続けている。高品質で精密な鋳造物に対する需要が多いことに起因して、より迅速で、効率的で、安価で、高品質にインベストメント鋳造物を製造する新しい方法の開発に対する要求が依然としてある。
【０００４】
溶融石英、クリストバライト、ジプサム、又は同様のものからなり、キャスティングジュエリー及び義歯産業で使用される従来のインベストメントモールド化合物は、一般的には、チタン合金などの反応性合金を鋳造するのには好適ではない。この理由の１つは、モールドチタンとインベストメントモールドとの間で反応があることに起因する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２，９１２，３４１号明細書
【発明の概要】
【０００６】
チタン及びチタンアルミナイド合金とあまり反応しない単純なインベストメントモールドに対する必要性がある。これまでチタン合金鋳造物用には、セラミックシェルモールドを用いた手法が採用されてきた。従来技術の実施例において、従来のインベストメントモールド化合物の限界を軽減するために、幾つかの追加のモールド材料が開発されている。例えば、酸化マグネシウム又はジルコニアが主要な成分として使用され、鋳造金属の固化に起因する収縮を補償するために金属ジルコニウムが主成分として添加された酸化膨張タイプのインベストメント化合物が開発された。従って、金属又は金属合金とあまり反応しないインベストメントモールドからのニアネットシェイプ金属又は金属合金の容易な取り出しを可能にする、簡単で信頼性のあるインベストメント鋳造法に対する要求もある。
【０００７】
本開示の態様は、従来技術の限界を克服した、鋳造モールド組成物、鋳造方法、並びに鋳造物品を提供する。本開示の幾つかの態様は、航空宇宙産業用の構成要素、例えば、エンジンタービンブレードの製造を目的とすることができるが、本開示の態様は、あらゆる産業における何らかの構成要素、特にチタン及び／又はチタン合金を含有する構成要素の製造で利用することができる。
【０００８】
本開示の１つの態様は、カルシウムモノアルミネート、二アルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを有するアルミン酸カルシウムセメントを含む、チタン含有物品を鋳造するためのモールド組成物である。１つの実施形態において、モールド組成物は更に、酸化アルミニウムの中空粒子を含む。本開示の別の態様は、アルミン酸カルシウムを含むチタン含有物品鋳造モールド組成物である。例えば、本開示の１つの態様は、チタン含有及び／又はチタン合金含有物品又は構成要素、例えば、チタン含有タービンブレードを鋳造する方法で用いられるモールド組成物を提供するのに特に好適とすることができる。１つの態様において、鋳造モールド組成物は更に、酸化アルミニウム、例えば、外部寸法が約１００００ミクロン未満の酸化アルミニウム粒子を含むことができる。別の態様において、酸化アルミニウムは、約１０ミクロン（μｍ）〜約１０，０００ミクロンに及ぶ外部寸法を有することができる粒子を含む。
【０００９】
１つの実施形態において、モールド組成物中の酸化アルミニウムは、モールド組成物の約０．５重量％〜約８０重量％を含むことができる。別の態様において、酸化アルミニウムは、鋳造モールド組成物の約４０重量％〜約６０重量％を含むことができる。別の態様において、酸化アルミニウムは、鋳造モールド組成物の約４０重量％〜約６８重量％を含むことができる。更に別の実施形態において、酸化アルミニウムは、酸化アルミニウムの約９９重量％を含む中空粒子の形態であり、約１００００ミクロン以下の外部寸法を有することができる。
【００１０】
１つの実施形態において、鋳造モールド組成物中のアルミン酸カルシウムは、アルミン酸カルシウムセメントの形態で提供することができ、例えば、アルミン酸カルシウムセメントは、カルシウムモノアルミネート、二アルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含む。１つの態様において、カルシウムモノアルミネートの体積分率は０．０５〜０．９５であり、二アルミン酸カルシウムの体積分率は０．０５〜０．８０であり、マイエナイトの体積分率は０．０１〜０．３０である。１つの実施形態において、カルシウムモノアルミネートは約０．１〜約０．８の体積分率を含み、二アルミン酸カルシウムは約０．１〜約０．６の体積分率を含み、マイエナイトは約０．０１〜約０．２の体積分率を含む。更に別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメント中のカルシウムモノアルミネートの体積分率は約０．５よりも大きく、マイエナイトの体積分率は約０．１５よりも小さい。１つの実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは粒径が約５０ミクロン以下である。別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造モールド組成物の３０重量％よりも多い。
【００１１】
１つの実施形態において、鋳造モールド組成物は更に、酸化物粒子、例えば、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、及び／又は酸化ケイ素粒子、又はこれらの組み合わせを含む。別の実施形態において、酸化物粒子は中空酸化物粒子とすることができる。１つの実施形態において、中空酸化物粒子は、中空アルミナ（すなわち、酸化アルミニウム）球とすることができる。１つの実施形態において、鋳造モールド組成物は更に、酸化カルシウムを含むことができる。本開示の１つの実施形態によれば、アルミン酸カルシウムセメント中の酸化カルシウムは、鋳造モールド組成物の約１０重量％よりも多く、約５０重量％未満とすることができる。例えば、酸化カルシウムは、鋳造モールド組成物の約３０重量％よりも多く、約５０重量％未満とすることができ、又は、鋳造モールド組成物の約２５重量％よりも多く、約３５重量％未満とすることができる。
【００１２】
１つの実施形態において、鋳造モールド組成物は、インベストメント鋳造モールドにおいて用いることができ、例えば、本開示の態様は、「ニアネットシェイプ」構成要素、例えばニアネットシェイプチタン含有タービンブレードを提供するインベストメント鋳造モールド組成物等で用いることができる。１つの実施形態において、インベストメント鋳造モールド組成物は、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイド物品、例えば、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイドタービンブレードを鋳造するのに提供される。
【００１３】
本開示の１つの態様は、チタン含有物品を鋳造するための鋳造モールドを形成する方法である。本方法は、通常、アルミン酸カルシウムを水などの液体と組み合わせてアルミン酸カルシウム溶液のスラリーを生成するステップと、当該スラリーを散逸性パターンを含むモールドキャビティに取り込むステップと、スラリーをモールドキャビティ内で硬化可能にしてチタン含有物品のモールドを形成するステップとを含むことができる。１つの実施形態において、本方法は更に、スラリーをモールドキャビティ取り込む前に、酸化物粒子をスラリーに取り込むステップを含むことができる。形成されたモールドは、グリーンモールド、すなわち、未硬化モールドとすることができ、本方法は更に、グリーンモールドを焼成するステップを含むことができる。
【００１４】
別の実施形態において、形成された鋳造モールドは、例えば、チタン含有物品をインベストメント鋳造するためのインベストメント鋳造モールドとすることができる。１つの実施形態において、チタン含有物品は、チタンアルミナイド物品、例えば、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイド物品、例えば、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイドタービンブレードを含む。
【００１５】
加えて、本開示の１つの態様は、本明細書で記載される鋳造モールド組成物から形成されたモールドである。すなわち、１つの実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウムセメントを含む鋳造モールド組成物から形成されたモールドに関する。本開示の別の態様は、上述のモールドで形成されたチタン含有物品に関する。
【００１６】
更に別の実施形態において、物品は、金属物品、例えば、チタン含有金属物品を含む。１つの態様において、物品は、チタンアルミナイドタービンブレードを含む。更に別の実施形態において、物品は、設置前に材料の除去がほとんど又は全く不要なニアネットシェイプ・チタンアルミナイドタービンブレードを含む。
【００１７】
本開示の１つの態様は、アルミン酸カルシウム及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造モールド組成物を得るステップと、インベストメント鋳造モールド組成物を散逸性パターンを含むベッセルに注入するステップと、インベストメント鋳造モールド組成物を硬化するステップと、モールドから散逸性パターンを除去するステップと、モールドをモールド鋳造温度まで予熱するステップと、溶融チタン又はチタン合金を加熱したモールドに注入するステップと、溶融チタン又はチタン合金を固化して固化チタン又はチタン合金鋳造物を形成するステップと、固化チタン又はチタン合金鋳造物をモールドから取り出すステップと、を含む、チタン及びチタン合金の鋳造方法に関する。
【００１８】
１つの実施形態において、モールドから散逸性パターンを除去するステップとモールドをモールド鋳造温度まで予熱するステップとの間に、モールドは、最初に約４５０℃〜約９００℃の温度まで加熱し、次いで、室温まで冷却することができる。１つの実施形態において、硬化ステップは、約３０℃を下回る温度で１時間〜４８時間の間行われる。別の実施形態において、散逸性パターンの除去は、溶融、溶解、着火、オーブンワックス除去、炉ワックス除去、蒸気オートクレーブワックス除去、又はマイクロ波ワックス除去を含む。１つの実施形態において、固化鋳造物がモールドから取り出された後、鋳造物は、Ｘ線又は中性子ラジオグラフィーによって検査することができる。
【００１９】
本開示の１つの態様は、本明細書で記載される鋳造方法によって製造されたチタン又はチタン合金物品に関する。すなわち、１つの実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウム及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造モールド組成物を得るステップと、インベストメント鋳造モールド組成物を散逸性パターンを含むベッセルに注入するステップと、インベストメント鋳造モールド組成物を硬化するステップと、モールドから散逸性パターンを除去するステップと、モールドをモールド鋳造温度まで予熱するステップと、溶融チタン又はチタン合金を加熱したモールドに注入するステップと、溶融チタン又はチタン合金を固化するステップと、固化チタン又はチタン合金鋳造物をモールドから取り出すステップと、を含む、鋳造方法によって製造されるチタン又はチタン合金に関する。
【００２０】
本開示の１つの態様は、チタン又はチタン合金を含み、その表面領域の少なくとも一部に約２０未満の平均粗度Ｒａを有するタービンブレードに関する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】初期アルミン酸カルシウムセメントの種々の酸化カルシウム−酸化アルミニウム組成物範囲を示し、開示された実施形態による組成の特定の酸化アルミニウムの割合及び温度範囲を示した、ｘ軸に酸化アルミニウムの割合を、ｙ軸に温度を示すグラフ。
【図２ａ】高温焼成後のモールドの微細構造の一例を示し、アルミナ粒子の存在が示された、１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像。
【図２ｂ】高温焼成後のモールドの微細構造の一例を示し、アルミン酸カルシウムセメントを示した、１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像。
【図３ａ】高温焼成後のモールド微細構造の一例を示し、アルミン酸カルシウムセメント及び微細スケールアルミナ粒子の存在を示した、１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像。
【図３ｂ】高温焼成後のモールド微細構造の一例を示し、アルミナ粒子を示した、１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像。
【図４ａ】高温焼成後のモールド微細構造の一例を示し、ラージスケールのアルミナ粒子を示した、１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像。
【図４ｂ】高温焼成後のモールド微細構造の一例を示し、カルシウムモノアルミネート粒子を示した、１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像。
【図５】アルミナとカルシウムモノアルミネートを示し、カルシウムモノアルミネートは、アルミナと反応して二アルミン酸カルシウムを形成し、１つの実施例におけるモールドは、焼成されてマイエナイト含有量を最小限にした、高温焼成後のモールド微細構造の実施例を示す図。
【図６】アルミナとカルシウムモノアルミネートを示し、カルシウムモノアルミネートは、アルミナと反応して二アルミン酸カルシウムを形成し、１つの実施例におけるモールドは、焼成されてマイエナイト含有量を最小限にした、高温焼成後のモールド微細構造の実施例を示す図。
【図７ａ】本開示の態様による、チタン含有物品を鋳造するための鋳造モールドを形成する方法を示したフローチャート。
【図７ｂ】本開示の態様による、チタン含有物品を鋳造するための鋳造方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示のこれら及び他の態様、特徴、及び利点は、添付図面を参照しながら、本開示の種々の態様の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００２３】
本発明として見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【００２４】
本開示は、全体的に、モールド組成物、及びモールド製造方法、並びにモールドから鋳造される物品に関し、より具体的には、モールド組成物、及びチタン含有物品を鋳造する方法、並びにそのようにモールドされたチタン含有物品に関する。
【００２５】
インベストメントシェルモールドにおけるチタン及びその合金のインベストメント鋳造によるチタンベースの構成要素の製造は、鋳造物を「ニアネットシェイプ」に鋳造する必要があるという点で問題がある。すなわち、構成要素は、実質的に最終の所要寸法の構成要素に鋳造され、必要な仕上げ処理又は機械加工が僅かに又は無しになる場合がある。例えば、一部の従来の鋳造物は、鋳造物上に存在する何らかのアルファ表面層を除去するための化学研磨作業のみを必要とする場合がある。しかしながら、アルファ表面層の下に位置する何らかの表面下セラミック介在物は、通常は化学研磨作業によっては除去されず、モールド表面コーティングとモールド中の何らかの反応金属（例えば、チタンアルミナイド）との間の反応に起因して形成される場合がある。
【００２６】
本開示は、タービンブレード又は翼形部のようなニアネットシェイプのチタン及びチタンアルミナイドを鋳造する新しい手法を提供する。本開示の実施形態は、例えば、航空宇宙、産業用、及び船舶産業で使用するためのインベストメント鋳造モールド用の物質組成、並びに改善されたチタン及びチタン合金を提供する鋳造方法を提供する。一部の態様において、モールド組成物は、モールド製造中の改善されたモールド強度及び／又は鋳造中の鋳造金属との耐反応性を向上させた相を含むモールドを提供する。本開示の態様によるモールドは、ニアネットシェイプ鋳造法に望ましい高圧での鋳造を可能にすることができる。例えば、アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナ粒子、並びに好ましい構成相を含有するモールド組成は、改善された特性を有する鋳造物を提供することが分かっている。
【００２７】
１つの態様において、モールドの構成相は、カルシウムモノアルミネート  （ＣａＡｌ2Ｏ4）を含む。本発明者らは、少なくとも２つの理由からカルシウムモノアルミネートが望ましいことを明らかにした。第１に、本発者らにより、カルシウムモノアルミネートは、モールド製造の初期段階中のセメント粒子巻の流体結合形成を促進すると考えられ、従って、この流体結合はモールド構築中のモールド強度を提供すると考えられることは理解される。第２に、本発者らにより、カルシウムモノアルミネートは、チタンとカルシウムモノアルミネートベース合金の反応速度が極めて遅くなることが理解される。特定の実施形態において、カルシウムモノアルミネートは、アルミン酸カルシウムセメントの形態で本開示のモールド組成物（例えば、インベストメントモールド）に提供される。１つの態様において、モールド組成物は、アルミン酸カルシウムセメントとアルミナすなわち酸化アルミニウムの混合物を含む。
【００２８】
本開示の１つの態様において、モールド組成物は、鋳造中に合金との最小の反応を提供し、モールドは、必要な成分特性を備えた鋳造物を提供する。鋳造物の外的特性は、形状、幾何形状寸法、及び表面仕上げなどの特徴を含む。鋳造物の内的特性は、機械的特性、微細構造、指定サイズ未満及び許容可能限度内の欠陥（小孔及び介在物など）を含む。
【００２９】
本開示の１つの態様のモールド組成物は、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）タービンブレード、例えば、ＴｉＡｌ低圧タービンブレードの低コスト鋳造物を提供する。モールド組成物は、従来のシェルモールド及びグラビティ（重力）鋳造を用いて作られる部品よりも必要な機械加工及び処理が少ない、ニアネットシェイプを鋳造する能力を提供することができる。本明細書で使用される表現「ニアネットシェイプ」とは、物品の初期生産品が物品の最終（正味）の形状に近く、広範囲な機械加工及び表面仕上げなどの更なる処理の必要性を低減することを意味する。本明細書で使用される用語「タービンブレード」は、蒸気タービンブレード及びガスタービンブレードの両方を指す。
【００３０】
従って、本開示は、チタン及びチタンアルミナイド合金とあまり反応しないモールド（例えば、インベストメントモールド）を製造する課題に対処する。加えて、本開示の一部の態様によれば、モールドの強度及び安定性は、遠心鋳造のような高圧鋳造手法を可能にする。本開示の技術的利点の１つは、１つの態様において、本開示が、例えばアルミン酸カルシウムセメント及びアルミナインベストメントモールドから生成できる正味形状鋳造物の構造的完全性を改善することである。より強度が強くなるほど、例えば、疲労強度が高くなるほど、より軽量の構成要素を製作することが可能になる。加えて、より高い疲労強度の構成要素は、耐久性がより長くなり、従って、製品寿命コストをより低くすることができる。
【００３１】
（鋳造モールド組成物）
本開示の態様は、チタン及びチタン合金の改善された構成要素を提供できるインベストメント鋳造モールド用の物質組成を提供する。本開示の１つの態様において、カルシウムモノアルミネートは、アルミン酸カルシウムセメントの形態で提供することができる。アルミン酸カルシウムセメントは、「セメント」又は「バインダ」と呼ぶことができる。特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、アルミナ粒子状物質と混合されて鋳造性インベストメントモールド混合物を提供する。アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造性モールド混合物中に約３０重量％よりも多いものとすることができる。特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造性モールド混合物中に約３０％と約６０重量％の間である。鋳造性モールド混合物（鋳造モールド組成物）中に約３０重量％よりも多いアルミン酸カルシウムセメントの使用は、本開示の特徴である。アルミン酸カルシウムセメントの適切な化学的性質及びアルミナ配合の選択は、モールド性能の要因である。１つの態様において、チタン合金との反応を最小限にするために、十分な量の酸化カルシウムをモールド組成物中に提供することができる。
【００３２】
１つの態様において、モールド組成物、例えば、インベストメントモールド組成物は、アルミン酸カルシウムセメントとアルミナ粒子の多相混合物を含むことができる。アルミン酸カルシウムセメントは、バインダとして機能することができ、例えば、アルミン酸カルシウムセメントバインダは、モールド構造の主要骨格構造を提供することができる。アルミン酸カルシウムセメントは、モールドにおいて連続相を含み、硬化及び鋳造の間の強度をもたらすことができる。モールド組成物は、アルミン酸カルシウムセメントとアルミナからなることができ、すなわち、アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナは、モールド組成物の実質的に基本化学成分を含むことができ、他の成分は僅かであるか又は存在しない。１つの実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウムを含むチタン含有物品の鋳造モールド組成物を含む。別の実施形態において、鋳造モールド組成物は更に、酸化物粒子、例えば、中空酸化物粒子を含む。本開示の態様によれば、酸化物粒子は、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、酸化ケイ素粒子、 これらの組み合わせ、又はその組成物とすることができる。
【００３３】
鋳造モールド組成物は更に、例えば、中空粒子、すなわち、中空コア、又は酸化物によって実質的に囲まれた実質的に中空コアを有する粒子の形態の酸化アルミニウムを含むことができる。これらの酸化アルミニウム粒子は、約９９％の酸化アルミニウムを含み、約１０ミリメートル（ｍｍ）又はそれ未満の幅又は直径などの外部寸法を有することができる。１つの実施形態において、中空酸化アルミニウム粒子は、約１ミリメートル（ｍｍ）又はそれ未満の幅又は直径などの外部寸法を有する。特定の実施形態において、中空酸化物粒子は、中空アルミナ球体を含むことができる。中空アルミナ球体は、鋳造モールド組成物中に組み込むことができ、該中空球体は、丸い粒子又は不規則凝集体などのある範囲の幾何形状を有することができる。特定の実施形態において、アルミナは、丸い粒子と中空球体の両方を含むことができる。１つの態様において、これらの幾何形状は、インベストメントモールド混合物の流動性を高めることが分かった。流動性の向上は通常、表面仕上げを改善し、並びにモールドから製造された最終鋳造物の表面特徴の忠実度又は精度を向上させることができる。
【００３４】
酸化アルミニウムは、外部寸法が約１０ミクロン〜約１０，０００ミクロンの範囲の粒子を含む。特定の実施形態において、酸化アルミニウムは、例えば、直径又は幅などの外部寸法が約５００ミクロン未満の粒子を含む。酸化アルミニウムは、鋳造モールド組成物の約０．５重量％〜約８０重量％を含むことができる。或いは、酸化アルミニウムは、鋳造モールド組成物の約４０重量％〜約６０重量％を含む。或いは、酸化アルミニウムは、鋳造モールド組成物の約４０重量％〜約６８重量％を含む。
【００３５】
１つの実施形態において、鋳造モールド組成物は更に酸化カルシウムを含む。酸化カルシウムは、鋳造モールド組成物の約１０重量％よりも多く且つ５０重量％未満とすることができる。最終モールドは通常、２グラム／立方センチメートル未満の密度と、５００ポンド／平方インチ［ｐｓｉ］よりも大きい強度を有することができる。１つの実施形態において、酸化カルシウムは、鋳造モールド組成物の約３０重量％よりも多く且つ５０重量％未満である。或いは、酸化カルシウムは、鋳造モールド組成物の約２５重量％よりも多く且つ約３５重量％未満である。
【００３６】
特定の実施形態において、本開示の鋳造モールド組成物は、アルミン酸カルシウムセメントを含む。アルミン酸カルシウムセメントは、カルシウム及びアルミニウム、すなわち、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム  （ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む少なくとも３つの相又は成分を含む。カルシウムモノアルミネートの体積分率は、０．０５〜０．９５の範囲とすることができ、二アルミン酸カルシウムの体積分率は、０．０５〜０．８０の範囲とすることができ、及びマイエナイトの体積分率は、０．０１〜０．３０の範囲とすることができる。別の実施例において、カルシウムモノアルミネートの体積分率は、約０．１〜約０．８の体積分率を含み、二アルミン酸カルシウムは約０．１〜約０．６の体積分率を含み、マイエナイトは約０．０１〜約０．２の体積分率を含む。アルミン酸カルシウムセメントにおけるカルシウムモノアルミネートの体積分率は、約０．５よりも大きいとすることができ、アルミン酸カルシウムセメントにおけるマイエナイトの体積分率は、約０．１５未満とすることができる。別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造モールド組成物の３０重量％よりも多い。
【００３７】
１つの実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、約５０ミクロン以下の粒径を有する。５０ミクロン以下の粒径が好ましいのは、以下の３つの理由による。第１に、微細な粒径は、モールド混合及び硬化中に水和結合の形成を促進すると考えられる。第２に、微細な粒径は、焼成中に粒子間焼結を促進し、これがモールド強度を増大させると理解される。第３に、微細な粒径は、モールド内で製造される鋳造物品の表面仕上げを改善すると考えられている。アルミン酸カルシウムセメントは、粉体として提供することができ、内在的粉体形態か、又はスプレー乾燥凝集体のような凝集形態の何れかで用いることができる。アルミン酸カルシウムセメントはまた、微細スケール（例えば、１０ミクロン未満のサイズ）のアルミナと事前配向することができる。微細スケールアルミナは、高温焼成中の焼結に起因して強度の増大をもたらすと考えられる。場合によっては、ラージスケールのアルミナ（すなわち、１０ミクロンよりも大きいサイズ）もまた、微細スケールアルミナと共に、又は微細スケールアルミナなしで添加することができる。
【００３８】
中空アルミナ粒子は、少なくとも２つの機能を果たし、すなわち、［１］最小の強度低下でモールドの密度及び重量を低減し、約５００ｐｓｉ以上の強度レベルで、密度が約２ｇ／ｃｃ以下、［２］モールドの弾性係数を低減し、鋳造後のモールド及び構成要素の冷却中の弾性コンプライアンスを提供するのを助ける。モールドのコンプライアンス及び粉砕性の増大は、構成要素にかかる引張応力を低減することができる。
【００３９】
（アルミン酸カルシウムセメント組成物）
本開示の態様において使用されるアルミン酸カルシウムセメントは、カルシウム及びアルミニウムの少なくとも３つの相又は成分、すなわち、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム  （ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。カルシウムモノアルミネートは、カルシウムアルミナセメント中に存在する水硬性無機物である。カルシウムモノアルミネートの水和反応は、インベストメントモールドの高い初期強度をもたらす。マイエナイトは、水和結合の早期形成に起因してモールド硬化の初期段階中の強度をもたらすので、セメントにおいて望ましいものである。しかしながら、マイエナイトは通常、鋳造前のモールドの熱処理中に除去される。
【００４０】
アルミン酸カルシウムセメントの早期形成は通常、セメント製造窯中での焼成後に熱力学的平衡時点では存在しない。しかしながら、モールド製造及び高温焼成後、モールド組成物は熱力学的に安定した配置に向かって移動し、この安定性は、後続の鋳造プロセスにおいて有利である。１つの実施形態において、セメント中のカルシウムモノアルミネートの体積分率は、０．５よりも大きく、マイエナイトの体積分率は０．１５よりも小さい。マイエナイトは、速凝結性のアルミン酸カルシウムである理由からモールド中に組み込まれ、早期硬化段階中の強度をモールドに提供すると考えられる。硬化は、散逸性ワックパターンが感温性で、約３５℃を上回る熱暴露に対してその形状及び特性を失うので、例えば１５℃〜４０℃の低温で実施することができる。３０℃を下回る温度でモールドを硬化するのが好ましい。
【００４１】
アルミン酸カルシウムセメントは通常、高純度のアルミナを高純度の酸化カルシウム又は炭酸カルシウムと混合することにより生成することができ、この化合物の混合は通常、高温、例えば炉又は窯内で１０００と１５００℃の間の温度まで加熱されて反応が可能になる。
【００４２】
窯内で生成される、セメント「クリンカー」として当該技術分野で公知の結果として得られる生成物は、次に、破砕、グラインド、及び篩分けされて好ましい粒径のアルミン酸カルシウムセメントを生成する。更に、アルミン酸カルシウムセメントは、最少量のシリカ、ナトリウム、及び他のアルカリなどの最少量の不純物と、酸化鉄とを有するように設計及び処理される。アルミン酸カルシウムセメントの目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の合計が約２重量％未満であることである。１つの実施形態において、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の合計は約０．０５重量％未満である。
【００４３】
本開示の１つの態様において、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）中に３５重量％を上回るバルクアルミナ濃度及び６５重量％を下回る酸化カルシウムを備えたアルミン酸カルシウムセメントが提供される。セメントの最大アルミナ濃度は、約８５％（例えば、約１５％ＣａＯ）とすることができる。１つの実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、高純度のものであり、最大で７０％アルミナを含有する。カルシウムモノアルミネートの体積分率は、鋳造前の焼成モールドにおいて最大になることができる。酸化カルシウムの最少量は、鋳造合金とモールドとの間の反応を最小限にするために必要とすることができる。セメント中に５０％よりも多い酸化カルシウムが存在する場合には、これはマイエナイト及びアルミン酸三カルシウムのような相をもたらす可能性があり、これらは、鋳造中には実施されず、カルシウムモノアルミネートも同様である。酸化カルシウムの好ましい範囲は、約５０重量％未満で約１０重量％よりも多い。
【００４４】
上述のように、モールドにおけるアルミン酸カルシウムセメント／バインダ中の３つの相は、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）である。セメント／バインダ中のカルシウムモノアルミネートは、他のアルミン酸カルシウム相に優る３つの利点を有する。  １）カルシウムモノアルミネートは、速凝結反応（但し、マイエナイトほどではない）である理由からモールド内に組み込まれ、硬化の早期段階中にモールドに強度を提供すると考えられる。モールド強度の急速な生成は、鋳造モールドの寸法安定性をもたらし、この機能は、最終鋳造構成要素の寸法上の一貫性を改善する。
【００４５】
２）カルシウムモノアルミネートは、鋳造中のチタン及びチタンアルミナイド合金に関して化学的に安定している。カルシウムモノアルミネートは、二アルミン酸カルシウム及びより高いアルミナ活量の他のアルミン酸カルシウム相に対して好ましく、これらの相は、鋳造中のチタン及びチタンアルミナイド合金と反応性が高い。
【００４６】
３）カルシウムモノアルミネート及び二アルミン酸カルシウムは、低膨張相であり、硬化、ワックス除去、及び後続の鋳造中にモールドにおける高レベルの応力の形成を阻止すると理解される。カルシウムモノアルミネートの熱膨張挙動は、アルミナと同等である。
【００４７】
（モールド及び鋳造法）
インベストメントモールドは、セラミック成分のインベストメント混合物を配合し、散逸性パターンを含むベッセル内にこの混合物を注入することにより形成される。パターン上に形成されたインベストメントモールドは、完全に硬化されていわゆる「グリーンモールド」を形成することができる。通常、グリーンモールドの硬化は、１時間〜４８時間で実施される。その後、散逸性パターンは、溶融、溶解、着火、ＡＭ他は他の既知のパターン技術によってグリーンモールドから選択的に除去される。ワックスパターン除去の典型的な方法は、オーブンワックス除去（１５０℃未満）、炉ワックス除去（１５０℃超）、蒸気オートクレーブワックス除去、及びマイクロ波ワックス除去を含む。
【００４８】
チタン合金及びチタンアルミナイド並びにその合金の鋳造において、グリーンモールドが６００℃を上回る温度、好ましくは７００〜１４００℃の温度で１時間を超える時間期間、好ましくは２〜１０時間焼成され、鋳造に対するモールド強度を構築し、金属種（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）及び炭素含有種など、モールド中の何らかの望ましくない残留不純物を除去する。モールドの焼成雰囲気は通常、周囲空気であるが、不活性ガス又は還元ガス雰囲気を用いてもよい。
【００４９】
焼成プロセスはまた、モールドから水を除去し、マイエナイトをアルミン酸カルシウムに変換する。モールド焼成手法の別の目的は、鋳造前にモールド中に残存する何らかの遊離シリカを最小限にすることである。他の目的は、高温強度を向上させ、カルシウムモノアルミネート及び二アルミン酸カルシウムの量を増大させることである。
【００５０】
モールドは、室温から最終焼成温度まで加熱され、具体的には、熱履歴が制御される。通常は、焼成温度に達するまでの加熱速度及び焼成後の冷却速度が調節又は制御される。モールドの加熱が速すぎた場合には、内部又は外部もしくはその両方でモールドに亀裂が生じる可能性があり、鋳造前のモールド亀裂形成は極めて望ましくない。加えて、モールドの加熱が速すぎた場合には、モールドの内面が亀裂を生じて剥離する可能性がある。これは、最終鋳造物における望ましくない介在物をもたらし、介在物が存在しない場合でも表面仕上げが不良となる可能性がある。同様に、最大温度に達した後のモールドの冷却が速すぎた場合には、内部又は外部もしくはその両方でモールドに亀裂が生じる可能性がある。
【００５１】
本開示に記載されるモールド組成物は、チタン及びチタンアルミナイド合金に特に好適である。焼成後且つ鋳造前のモールド組成物は、モールド特性、詳細には構成相に関して影響を及ぼす可能性がある。１つの実施形態において、鋳造の目的では、モールド中の高い体積分率のカルシウムモノアルミネートが好ましく、例えば、０．１５〜０．８の体積分率がある。加えて、鋳造の目的では、マイエナイトが感水性であり、鋳造中に水放出及びガス発生の問題をもたらす可能性があるので、マイエナイトの体積分率を最小限にし、例えば、０．０１〜０．２の体積分率を用いることが望ましい。焼成後、モールドはまた、小さな体積分率のアルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムを含むことができる。アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの体積分率の合計は通常、鋳造物とのモールド反応を最小限にするために、５％未満に抑えられる。
【００５２】
特定の実施形態において、本開示の鋳造モールド組成物は、インベストメント鋳造モールド組成物を含む。インベストメント鋳造モールド組成物は、ニアネットシェイプチタン含有材料のインベストメント鋳造モールド組成物を含む。１つの実施形態において、インベストメント鋳造モールド組成物は、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳造モールド組成物を含む。ニアネットシェイプ・チタンアルミナイド物品は、例えば、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイドタービンブレードを含む。
【００５３】
正確なアルミン酸カルシウムセメントの化学的性質及びアルミナ配合の選択は、鋳造中のモールドの性能の要因となっている。アルミン酸カルシウムセメントに関しては、チタン合金との反応を最小限にするために、遊離酸化カルシウムの量を最小限にすることが必要とされる。セメント中の酸化カルシウムの濃度が約１０重量％未満である場合、アルミナ濃度が高すぎるので、合金がモールドと反応し、この反応により、鋳造物中の望ましくない酸素濃度、気泡、及び鋳造製品における表面仕上げの不良が生じる。セメント中の酸化カルシウムの濃度が約５０重量％を上回る場合には、モールドは、環境からの水及び二酸化炭素の取り込みの影響を受けやすくなる。従って、インベストメントモールド中の酸化カルシウムの濃度は通常、５０％未満に抑えられる。１つの実施形態において、インベストメントモールド中の酸化カルシウムの濃度は、１０％と５０重量％の間である。１つの実施形態において、インベストメントモールド中の酸化カルシウムの濃度は、１５％と４０重量％の間である。代替として、インベストメントモールド中の酸化カルシウムの濃度は、２５％と３５重量％の間とすることができる。
【００５４】
二酸化炭素は、処理中及び鋳造前にモールド中に炭酸カルシウムの形成をもたらす可能性があり、炭酸カルシウムは、鋳造工程中に望ましいものではない。従って、モールド中の水及び二酸化炭素は、鋳造品質の不良を生じる可能性がある。吸着された水レベルが高すぎる場合（例えば、０．０５重量パーセント）には、鋳造中に溶融金属がモールドに流入したときに水が放出されて、合金と反応する可能性がある。このことは、表面仕上げの不良、鋳造物中の気泡、高い酸素濃度、及び機械的特性の不良につながる。同様に、二酸化炭素のレベルが高すぎる場合には、モールド中に炭酸カルシウムが生成され、鋳造中に溶融金属がモールドに流入したときに炭酸カルシウムが分解して二酸化炭素を発生し、これが合金と反応する可能性がある。結果として生じる炭酸カルシウムは、モールド中に１重量パーセント未満である。
【００５５】
溶融金属又は合金の鋳造の前に、インベストメントモールドは通常、鋳造されることになる特定の構成要素の幾何形状又は合金に応じたモールド鋳造温度まで予熱される。例えば、典型的なモールド予熱温度は６００℃である。通常は、モールド温度範囲は４５０℃〜１２００℃であり、予熱温度範囲は、４５０℃〜７５０℃、場合によっては５００℃〜６５０℃である。
【００５６】
１つの態様によれば、溶融金属又は合金は、グラビティ、カウンターグラビティ、圧力、遠心力、及び当業者には公知の他の鋳造技術を含むことができる従来の技術を用いてモールド内に注入される。真空又は不活性ガス雰囲気を用いることができる。複雑な形状の薄壁の幾何形状では、高圧を用いる技術が好ましい。固化したチタンアルミナイド又は合金鋳造物は、通常は６５０度を下回るまで、例えば、室温まで冷却された後、モールドから取り出され、グリットブラスティング、水ジェットブラスティング、及び研磨などの従来の方法を用いて仕上げ処理される。
【００５７】
本開示の１つの態様は、チタン及びチタン合金における鋳造方法に関し、本方法は、アルミン酸カルシウム及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造モールド組成物を得るステップと、上記インベストメント鋳造モールド組成物を散逸性パターンを含むベッセルに注入するステップと、上記インベストメント鋳造モールド組成物を硬化するステップと、上記散逸性パターンをモールドから除去するステップと、モールドをモールド鋳造温度まで予熱するステップと、溶融チタン又はチタン合金を加熱モールドに注入するステップと、溶融チタン又はチタン合金を固化するステップと、固化したチタン又はチタン合金をモールドから取り出すステップと、を含む。
【００５８】
散逸性パターンをモールドから除去するステップと、モールドをモールド鋳造温度まで予熱するステップとの間に、モールドは、最初に約４５０℃〜約１２００℃の温度まで加熱され、次いで、室温まで冷却される。１つの実施形態において、硬化ステップが、約３０℃を下回る温度で１時間〜４８時間の間行われる。散逸性パターンを除去するステップは、溶融、溶解、オーブンワックス除去、炉ワックス除去、蒸気オートクレーブワックス除去、又はマイクロ波ワックス除去のステップを含む。１つの実施形態において、チタン又はチタン合金をモールドから取り出すステップの後、鋳造物をグリットブラスティング、水ジェットブラスティング、又は研磨で仕上げ処理することができる。固化した鋳造物がモールドから取り出された後、Ｘ線又は中性子ラジオグラフィーによって検査される。
【００５９】
固化した鋳造物は、鋳造及び仕上げ処理後に表面検査及びＸ線ラジオグラフィーを受け、鋳造物内の何れかの位置にある何らかの表面下介在物粒子を検出する。Ｘ線ラジオグラフィーは、鋳造物の外面の目視検査によって検出できない介在物を検出するのに使用される。チタンアルミナイド鋳造物は、従来のＸ線設備を用いてＸ線ラジオグラフィー（フィルム又はデジタル）を受けてＸ線ラジオグラフを提供し、次いで、このＸ線像を検査又は分析して、何らかの表面下介在物がチタンアルミナイド鋳造物内に存在しないかどうかを判定する。
【００６０】
代替として、又はＸ線ラジオグラフィーに加えて、固化した鋳造物は、他の非破壊試験、例えば、従来の中性子ラジオグラフィーを受けることができる。上述のモールド組成物は、高中性子吸収断面積を有する少量の材料を提供する。１つの態様において、中性子ラジオグラフは、鋳造物品から調製される。チタン合金鋳造物品は中性子に対して実質的に透過性とすることができるので、モールド材料は通常、結果として得られる中性子ラジオグラフにおいて明確に現れることになる。１つの態様において、中性子曝露は、ラジオグラフ上濃い要素の「中性子放射化」をもたらすと考えられる。中性子放射化は、鋳造物のラジオグラフ上濃い元素と中性子線とが相互作用して、モールド組成物のラジオグラフ上濃い元素の放射性同位体の形成を行うことを含む。放射性同位体は、鋳造物品中に存在する何らかのラジオグラフ上濃い元素同位体をカウントするために従来の放射性線検出装置によって検出可能とすることができる。
【００６１】
本開示の別の態様は、チタン含有物品を鋳造するための鋳造モールドを形成する方法である。本方法は、アルミン酸カルシウムを水などの液体と組み合わせてアルミン酸カルシウム溶液のスラリーを生成するステップと、当該スラリーを散逸性パターンを含むベッセルに取り込むステップと、スラリーをモールドキャビティ内で硬化可能にしてチタン含有物品のモールドを形成するステップとを含む。１つの実施形態において、本方法は更に、スラリーをモールドキャビティ取り込む前に、酸化物粒子（例えば、中空酸化物粒子）をスラリーに取り込むステップを含む。
【００６２】
形成されたモールドは、グリーンモールドとすることができ、本方法は更に、グリーンモールドを焼成するステップを含むことができる。１つの実施形態において、鋳造モールドは、例えば、チタン含有物品を鋳造するためのインベストメント鋳造モールドを含む。１つの実施形態において、チタン含有物品は、チタンアルミナイド物品を含む。１つの実施形態において、インベストメント鋳造モールド組成物は、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳造モールド組成物を含む。ニアネットシェイプ・チタンアルミナイド物品は、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイドタービンブレードを含むことができる。１つの実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウムを含むチタン含有物品鋳造モールド組成物から形成されるモールドに関する。本開示の別の態様は、上述のモールドにおいて形成される物品に関する。
【００６３】
本開示の更に別の態様は、鋳造方法によって作られるチタン又はチタン合金鋳造物であり、当該方法は、アルミン酸カルシウム及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造モールド組成物を得るステップと、上記インベストメント鋳造モールド組成物を散逸性パターンを含むベッセルに注入するステップと、上記インベストメント鋳造モールド組成物を硬化するステップと、上記散逸性パターンをモールドから除去するステップと、モールドをモールド鋳造温度まで予熱するステップと、溶融チタン又はチタン合金を加熱モールドに注入するステップと、溶融チタン又はチタン合金を固化して鋳造物を形成するステップと、固化したチタン又はチタン合金鋳造物をモールドから取り出すステップと、を含む。
【００６４】
表面粗度は、鋳造及び機械加工部品の表面完全性を表す重要な指標の１つである。表面粗度は、光学的表面形状測定機によって測定したときの指定領域における中心線平均粗度値「Ｒａ」並びに平均ＰＴＶ距離「Ｒｚ」によって特徴付けられる。粗度値は、輪郭又は表面に対して計算することができる。より一般的であるのは、輪郭粗度パラメータ（Ｒａ、Ｒｑなど）である。粗度パラメータの各々は、表面を記述するための式を用いて計算される。使用する多くの異なる粗度パラメータがあるが、Ｒａが最も一般的である。当該技術分野で公知であるように、表面粗度は、工具摩耗と関連している。通常は、研削及びホーニングによる表面仕上げプロセスは、０．１ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲のＲａを有する表面を生じる。最終コーティングの表面粗度Ｒａ値は、コーティング又はコーティングされた物品の所望の機能に応じて決まる。
【００６５】
平均粗度Ｒａは、高さの単位で表される。インペリアル（英国）単位系では、１Ｒａは通常、１インチの１００万分の１で表される。これはまた、「マイクロインチ」とも呼ばれる。本明細書で示されるＲａ値は、マイクロインチを指す。Ｒａ値７０は、約２ミクロンに相当し、Ｒａ値３５は、約１ミクロンに相当する。通常、タービンブレード、タービンベーン／ノズル、ターボチャージャ、往復動エンジンバルブ、ピストン、及び同様のものなどの高性能物品の表面は、約２０以下のＲａを有する必要がある。本開示の１つの態様は、チタン又はチタン合金を含み、その表面領域の少なくとも一部に１５以下の平均粗度Ｒａを有するタービンブレードである。
【００６６】
溶融金属が高温に加熱されるにつれて、反応性がより高くなる傾向がある（例えば、モールド表面と望ましくない反応を起こす）。このような反応は、金属部品に混入する不純物の形成を招き、種々の有害な結果を生じることになる。不純物が存在すると、金属の組成が変わって、所望の規格に適合しなくなり、これにより対象用途の鋳造部品の使用が認められなくなる場合がある。その上、不純物の存在は、金属材料の機械的特性に悪影響を及ぼす可能性がある（例えば、材料強度を低下させる）。
【００６７】
更に、このような反応は、表面テクスチャリングを生じる可能性があり、鋳造部品の表面に実質的に望ましくない粗度をもたらすことになる。例えば、表面粗度の特徴付けにおいて周知の表面粗度値Ｒａを用いると、ステンレス鋼合金及び／又はチタン合金を利用した鋳造部品は通常、良好な作業条件下で約１００〜２００の間のＲａ値を示す。これらの有害な作用により、モールドの充填においてより低い温度が使用されることになる。しかしながら、溶融金属の温度が十分に加熱されない場合には、鋳造材料の冷却が速すぎる可能性があり、鋳造モールドの充填が不完全な結果となる。
【００６８】
本開示の１つの態様は、アルミン酸カルシウムを含むチタン含有物品を鋳造するモールド組成物に関する。モールド組成物は更に、中空のアルミナ粒子を含む。物品は、金属物品を含む。１つの実施形態において、物品は、チタンアルミナイド含有物品を含む。別の実施形態において、物品は、チタンアルミナイドタービンブレードを含む。更に別の実施形態において、物品は、ニアネットシェイプ・チタンアルミナイドタービンブレードを含む。このニアネットシェイプ・チタンアルミナイドタービンブレードは、設置前に材料の除去がほとんど又は全く不要とすることができる。
【実施例】
【００６９】
概して説明してきた本開示は、以下の実施例を参照することにより更に理解することができ、この実施例は、本開示の特定の態様及び実施形態の単なる例証として含まれ、本開示を限定するものではない、
図１は、アルミナ及びカルシア組成物並びに温度に応じた安定相を示す状態図である。状態図にはまた、本開示の実施形態による、モールドのバルクにおける例示的な組成範囲が示されている。図１は、ｘ軸に酸化アルミニウムの割合を、ｙ軸に温度を示している。第１の例示的な範囲５は、マイエナイト及びカルシウムモノアルミネート（１５）、二アルミン酸カルシウム及びカルシウムモノアルミネート（２０）についての例示的な組成範囲及び相を示す。別の例示的な範囲１０は、二アルミン酸カルシウム及びカルシウムモノアルミネートを主として含む例示的な組成範囲及び相を示す。両方の範囲１５、２０の外側には、二アルミン酸カルシウム及びヘキサアルミン酸カルシウム（２５）がある。
【００７０】
図２ａ及び２ｂは、高温焼成後のモールドの微細構造の一例を示す。１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像が示され、図２ａはアルミナ粒子２１０の存在を示し、図２ｂは、アルミン酸カルシウムセメント２２０を示している。微細スケールのアルミン酸カルシウムセメント２２０は、モールドの骨格構造を提供する。一例において、アルミン酸カルシウムセメントは、カルシウムモノアルミネート及び二アルミン酸カルシウムを含む。
【００７１】
図３ａ及び図３ｂは、高温焼成後のモールド微細構造の一例を示す。１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像が示され、図３は、アルミン酸カルシウムセメント及び微細スケールアルミナ粒子３１０の存在を示し、図３ｂは、アルミナ粒子３２０を示す。
【００７２】
図４ａ及び４ｂは、高温焼成後のモールド微細構造の一例を示す。１０００℃で焼成したモールドの断面の後方散乱電子走査電子顕微鏡画像が示され、図４ａは、ラージスケールのアルミナ粒子４１０を示し、図４ｂは、カルシウムモノアルミネート粒子４２０を示す。顕微鏡写真は、モールド内の微細スケールのアルミン酸カルシウムセメントを示している。アルミン酸カルシウムセメントは、カルシウムモノアルミネート及び二アルミン酸カルシウムを含む。
【００７３】
図５及び６は、高温焼成後のモールド微細構造の２つの実施例であり、アルミナ５１０（図５）、６１０（図６）と、カルシウムモノアルミネート５２０（図５）、６２０（図６）を示しており、カルシウムモノアルミネートは、アルミナと反応して二アルミン酸カルシウムを形成し、１つの実施例におけるモールドは、焼成されてマイエナイト含有量を最小限にする。
【００７４】
インベストメントモールド組成物及びその配合
アルミン酸カルシウムセメントをアルミナと混合してインベストメントモールド混合物を生成し、インベストメントモールドの化学的性質を試験した。一例のインベストメント混合物は、７０％及び３０％カルシアを有するアルミン酸カルシウムセメント、アルミナ粒子、水、及びコロイドシリカからなるものであった。
【００７５】
図７に示すように、本方法は、アルミン酸カルシウムを液体と組み合わせてアルミン酸カルシウム溶液のスラリーを生成するステップ（７０５）を含む。アルミン酸カルシウムスラリーを散逸性パターンを含むモールドキャビティに取り込む（７１０）。スラリーは、モールドキャビティにおいて硬化することができ、チタン物品のモールドを形成する（７１５）。
【００７６】
別の実施例において、図７ｂに示すように、本方法は、アルミン酸カルシウム及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造モールド組成物を得るステップ（７２５）を含む。インベストメント鋳造モールド組成物は、散逸性パターンを含むベッセルに注入される（７３０）。インベストメント鋳造物が硬化され、これによりモールド組成物を鋳造し（７３５）、散逸性パターンがモールドから除去される（７４０）。モールドは、モールド鋳造温度まで予熱され（７４５）、溶融チタン又はチタン合金が加熱されたモールドに注入される（７５０）。溶融チタン又はチタン合金が固化され、固化チタン又はチタン合金鋳造物が形成される（７５５）。最終的に、固化チタン又はチタン合金鋳造物がモールドから取り出される（７６０）。
【００７７】
第１の実施例において、インベストメントモールドを製造するための典型的なスラリー混合物は、３０００グラム（ｇ）のアルミン酸カルシウムセメント（約１０重量％のマイエナイト、約７０重量％のカルシウムモノアルミネート、及び約２０重量％の二アルミン酸カルシウムを含む）と、１０ミクロン未満のサイズの１５００ｇのか焼アルミナ粒子と、０．５〜１ｍｍ直径の粒度範囲を有する２４５０ｇの高純度か焼アルミナ粒子と、１８００ｇの脱イオン水と、１５０ｇのコロイドシリカとからなるものであった。最終モールド混合物の固体充填率が８０％未満であり、この固体充填率は、混合物中の全成分の総質量に占める固体総質量の割合である。
【００７８】
典型的な高純度か焼アルミナ粒子のタイプは、融合、板状、及び粉体状のアルミナを含む。典型的で好適なコロイドシリカには、Ｒｅｍｅｔ  ＬＰ３０、Ｒｅｍｅｔ  ＳＰ３０、Ｎａｌｃｏ  １０３０、Ｌｕｄｏｘが挙げられる。生成したモールドは、良好な表面仕上げを有するタービンブレードなどのチタンアルミナイド含有物品の鋳造に用いた。粗度（Ｒａ）値は、１００マイクロインチ未満であり、酸素含有量は２０００ｐｐｍ未満であった。この配合は、直径約１２０ｍｍで長さが４００ｍｍのモールドを生成した。この配合は、２グラム／立方センチメートル未満の密度を有するモールドを生成した。
【００７９】
モールド混合物は、アルミン酸カルシウムセメント、水、及びコロイドシリカをコンテナ内で混合することにより調製した。高剪断型の混合を用いた。完全に混合されない場合には、セメントがゲル化する可能性がある。セメントを混合物中に完全懸濁状態になると、微細スケールアルミナ粒子を添加した。微細スケールアルミナ粒子がセメントと完全に混合すると、ラージサイズ（例えば、０．５〜１．０ｍｍ）のアルミナ粒子を添加し、セメント−アルミナ配合物と混合した。最終混合物の粘度は別の要因であり、低すぎるか又は高すぎてはならない。加えて、反応促進剤及び遅延剤は、モールド製造プロセスステップ中の選択ポイントにて用いることができる。反応促進剤及び遅延剤を伴う典型的な個々の分散アルミナには、Ａｌｍａｔｉｓ  ＡＤＳ−１、ＡＤＳ−３、及びＡＤＷ−１が挙げられる。
【００８０】
混合後、インベストメント混合物は、制御した方法で散逸ワックスパターンを含むベッセル内に注入した。ベッセルは、モールドの外部幾何形状をもたらし、散逸性パターンは、内部幾何形状をもたらす。正確な注入速度は、別の特徴要素であり、これが速すぎた場合には、モールド中に空気が混入する可能性があり、遅すぎた場合には、セメントとアルミナ粒子状物質の剥離が生じる可能性がある。好適な注入速度は、約１〜約２０リットル／分の範囲である。１つの実施形態において、注入速度は、約２〜約６リットル／分である。特定の実施形態において、注入速度は、約４リットル／分である。
【００８１】
第２の実施例において、インベストメントモールドを製造するための典型的なスラリー混合物は、３０００ｇのアルミン酸カルシウムセメント（約１０重量％のマイエナイト、約７０重量％のカルシウムモノアルミネート、及び約２０重量％の二アルミン酸カルシウムを含む）と、１０ミクロン未満のサイズを有する１５００ｇのか焼アルミナ粒子と、粒度範囲が直径０．５〜１ｍｍの２６５０ｇの高純度か焼発泡アルミナと、１８００ｇの脱イオン水と、１５０ｇのコロイドシリカとからなるものであった。最終モールド混合物の固体充填率は８０％未満であり、ここで固体充填率は、混合物中の全成分の総質量に占める固体総質量の割合である。
【００８２】
アルミナ中空粒子は、低密度のモールドを提供する。アルミン酸カルシウムセメントの重量分率は、４２％であり、アルミナの重量分率は５８％である。この配合は、直径が約１２５ｍｍで長さが４００ｍｍのモールドを生成した。次いで、モールドを硬化し、高温で焼成した。生成したモールドは、良好な表面仕上げを有するタービンブレードなどのチタンアルミナイド含有物品の鋳造に用いた。粗度（Ｒａ）値は、１００未満であり、酸素含有量は２０００ｐｐｍ未満であった。この配合は、１．８グラム／立方センチメートル未満の密度を有するモールドを生成した。
【００８３】
第３の実施例において、インベストメントモールドを製造するための典型的なスラリー混合物は、６００ｇのアルミン酸カルシウムセメント（約１０重量％のマイエナイト、約７０重量％のカルシウムモノアルミネート、及び約２０重量％の二アルミン酸カルシウムを含む）と、１０ミクロン未満のサイズを有する３００ｇのか焼アルミナ粒子と、直径０．５〜１ｍｍの粒度範囲を有する４９０ｇの高純度か焼発泡アルミナと、３０５ｇの脱イオン水と、３１ｇのコロイドシリカとからなるものであった。最終モールド混合物の固体充填率は８０％未満である。この配合は、直径が約１２５ｍｍで長さが１５０ｍｍの小さな構成要素用のモールドを生成した。次いで、モールドを硬化し、高温で焼成した。生成したモールドは、良好な表面仕上げを有するタービンブレードなどのチタンアルミナイド含有物品の鋳造に用いた。粗度（Ｒａ）値は、１００マイクロインチ未満であり、酸素含有量は１６００ｐｐｍ未満であった。
【００８４】
第４の実施例において、インベストメントモールドを製造するための典型的なスラリー混合物は、２７０８ｇのアルミン酸カルシウムセメント（約１０重量％のマイエナイト、約７０重量％のカルシウムモノアルミネート、及び約２０重量％の二アルミン酸カルシウムを含む）と、直径０．５〜１ｍｍの粒度範囲を有する１４７２ｇの高純度か焼発泡アルミナと、１１５５ｇの脱イオン水と、１９６ｇのコロイドシリカとからなるものであった。この配合は、小さな構成要素用の小さなアルミナ含有の小型モールドを生成した。次いで、モールドを硬化し、高温で焼成した。生成したモールドは、タービンブレードなどのチタンアルミナイド含有物品の鋳造に用いた。
【００８５】
コロイドシリカは、水とアルミン酸カルシウム相の反応速度を制御し、硬化中のモールド強度を提供する。水とアルミン酸カルシウム相のこの反応速度は、モールド製造中のインベストメントモールド混合物の作業時間を制御する。この時間は、約２０秒と約１０分の間であった。インベストメントモールド混合物の作業時間が短すぎた場合には、複雑な形状の構成要素の大型モールドを製造するには時間が不十分である。インベストメントモールド混合物の作業時間が長すぎて、アルミン酸カルシウムセメントが十分迅速に硬化しない場合には、微細スケールセメントとラージスケールアルミナとの剥離が生じ、このことは、配合が変化し、結果として得られるモールド特性が均一ではない凝離モールドを生じる可能性がある。
【００８６】
アルミン酸カルシウムセメントの３つの相は、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含み、発明者らは、複数の目的を達成するためにこれを選択した。第１に、これらの相は、溶解又は部分溶解して、後続のインベストメントモールド製造スラリーにおいて凝集相全てを担持する懸濁物を形成しなければならない。第２に、これらの相は、注入後のモールドの凝結又は硬化を促進しなければならない。第３に、これらの相は、鋳造中及び鋳造後にモールドに強度を提供しなければならない。第４に、これらの相は、モールド内に鋳造されるチタン合金と最小の反応を示さなければならない。第５に、モールドは、固化後の冷却中に生成する部品に対する熱応力を最小限にするために、チタン合金鋳造物と一致する好適な熱膨張を有する必要がある。
【００８７】
上記の説明は例証を意図するものであり、限定ではない点を理解されたい。例えば、上述の実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組み合わせて用いることができる。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。本明細書で記載される材料の寸法及びタイプは、種々の実施形態のパラメータを定義することを意図しており、単に例証に過ぎず、限定を意味するものではない。上記の説明を精査すると、多くの他の実施形態があることが当業者には明らかであろう。従って、本発明の種々の実施形態の範囲は、添付の請求項並びに請求項が権利を与えられる完全な範囲の均等物を基準として定められるべきである。添付の請求項において、用語“を含む”及び“であって”は、それぞれ用語「備える」及び「において」の平易な相当語として使用されている。その上、添付の請求項において、「第１の」「第２の」「第３の」等の用語は、単なる標識として用いられ、これの対象に数値的条件を課すものではない。更に、添付の請求項の限定は、ミーンズ・プラス・ファンクションの形式で記載されておらず、かかる請求項の限定が語句「〜するための手段」に続けて他の構造を含まない機能の表明を記載したものでない限り、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されるべきではない。上記で説明した全てのこのような目的又は利点が特定の実施形態によって必ずしも達成できる訳ではない点を理解されたい。すなわち、例えば、本明細書で説明したシステム及び技法は、本明細書で教示又は提案することができる他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する様態で具現化又は実施できることは当業者には理解されるであろう。
【００８８】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【００８９】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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