(57)【要約】【課題】  インベストメント鋳造で使用される複合材コアの製造コストを減少させるとともに、より頑丈な複合材コアを提供する。【解決手段】  インベストメント鋳造プロセス用の複合材コア（１１）であって、このコアは、セラミック部分（１２）と高融点金属部分（１３）との両方を含み、高融点金属部分は、複数の高融点金属要素の機能を実行するように配置されている。特に、セラミック要素の後縁（１７）に取り付けられた高融点金属要素が、セラミック要素の先端平面を超えて延在しており、そうでなければセラミック先端部から延在する高融点金属要素に取って代わる。さらに、高融点金属要素は、蝋成形プロセスにおいてコアの配置および固定が改善されるように、先端方向および後縁方向の両方向において蝋成形体（１４）が占める空間を超えて延在する。【選択図】  図１
2006075901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インベストメント鋳造物において内部キャビティを形成するために使用される複合材コアであって、
平面内に配置された先端縁と後縁とを有するセラミック要素と、
前記セラミック要素の後縁に取り付けられるとともに前記先端縁の平面を通り抜けて延在する高融点金属要素と、を有することを特徴とする複合材コア。
【請求項２】
前記高融点金属要素は、前記先端縁平面だけでなく、最終鋳造時に内部キャビティが配置される空間を通り抜けて延在していることを特徴とする請求項１記載の複合材コア。
【請求項３】
前記高融点金属要素は、前記セラミック要素の後縁に対して実質的に垂直に延在するとともに、最終鋳造時に内部キャビティが配置される空間を通り抜けて延在していることを特徴とする請求項１記載の複合材コア。
【請求項４】
前記高融点金属要素は、前記セラミック要素の後縁に対して実質的に垂直に延在するとともに、最終鋳造時に内部キャビティが配置される空間を通り抜けて延在していることを特徴とする請求項２記載の複合材コア。
【請求項５】
複合材コアが埋設された蝋成形体を形成するインベストメント鋳造プロセスで使用される複合材コアであって、
平面内に配置された先端縁と後縁とを有するセラミック要素と、
前記セラミック要素の後縁に取り付けられるとともに前記先端縁の平面を通り抜けて延在する高融点金属要素と、を有することを特徴とする複合材コア。
【請求項６】
前記高融点金属要素は、前記先端縁平面だけでなく、蝋成形プロセスにおいて複合材コアを配置するためのハンドルを提供するように前記蝋成形体を通り抜けて延在していることを特徴とする請求項５記載の複合材コア。
【請求項７】
前記高融点金属要素は、前記セラミック要素の後縁から実質的に垂直に延在するとともに、蝋成形プロセスにおいて複合材コアを配置するためのハンドルを提供するように前記蝋成形体を通り抜けて延在していることを特徴とする請求項５記載の複合材コア。
【請求項８】
前記高融点金属要素は、前記セラミック要素の後縁から実質的に垂直に延在するとともに、蝋成形プロセスにおいて複合材コアを配置するためのハンドルを提供するように前記蝋成形体を通り抜けて延在していることを特徴とする請求項６記載の複合材コア。
【請求項９】
前記セラミック要素は、第１の部分と第２の部分とを含み、第１の部分は実質的に一方向に延在しており、第２の部分は、これに対して実質的に直交する方向に延在しており、前記高融点金属要素は、実質的にＬ字型でかつ第１の部分および第２の部分の両方を通って延在していることを特徴とする請求項５記載の複合材コア。
【請求項１０】
第１の部分はエアフォイル部であり、第２の部分はプラットフォーム部であることを特徴とする請求項９記載の複合材コア。
【請求項１１】
前記高融点金属要素は、前記複合材コアだけでなく、蝋成形プロセスにおいて複合材コアを配置するハンドルを提供するように前記蝋成形体を通り抜けて延在していることを特徴とする請求項９記載の複合材コア。
【請求項１２】
複合材コアが埋設された蝋成形体を形成するインベストメント鋳造プロセスで使用される複合材コアであって、
実質的に一方向に延在する第１の部分と、これに対して実質的に直交する方向に延在する第２の部分と、を含むセラミック要素と、
第１の部分と第２の部分との両方に取り付けられた単一の高融点金属要素と、を有することを特徴とする複合材コア。
【請求項１３】
前記高融点金属要素は、実質的にＬ字型であることを特徴とする請求項１２記載の複合材コア。
【請求項１４】
第１の部分はエアフォイル部であり、第２の部分はプラットフォーム部であることを特徴とする請求項１２記載の複合材コア。
【請求項１５】
前記高融点金属要素は、第１の部分および第２の部分を通って延在していることを特徴とする請求項１２記載の複合材コア。
【請求項１６】
前記高融点金属要素は、蝋成形プロセスにおいて複合材コアを配置するハンドルを提供するように、さらに前記蝋成形体を通り抜けて延在していることを特徴とする請求項１５記載の複合材コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インベストメント鋳造コアに関し、特に、セラミック要素と高融点金属要素とを含む複合材から形成されるインベストメント鋳造コアに関する。
【背景技術】
【０００２】
インベストメント鋳造は、ガスタービンエンジン用のタービンブレードなどの複雑な形状を有する金属部品の製造に使用される一般的な技術であり、このようなタービンブレードは航空機の推進、発電、および船舶の推進などにおいて広く用いられている。
【０００３】
全てのガスタービンエンジン用途において、効率が最も重要な目標である。ガスタービンエンジン効率の向上は、より高温での運転によって得られる。しかし、現在の運転温度は、タービン部で使用される超合金材料の機械的特性が制限されるレベルにある。よって、ガスタービンエンジンの最も高温部、典型的にタービン部における部品を空冷することが一般に行われている。冷却は、エンジンの圧縮部からの比較的低温の空気を冷却すべきタービン部品の通路を通って流すことによって行われる。冷却は、関連するエンジン効率のコストを伴うので、所定量の冷却空気から得られる冷却量を最大化するために比冷却を高めることが強く求められている。
【０００４】
タービンブレードおよびベーンは、冷却される最も重要な部品の一部であるが、燃焼器チャンバやブレード外側エアシールなどの他の部品も冷却を要し、本発明は冷却される全てのタービンハードウェア、実際には全ての複雑な鋳造物品に適用可能である。
【０００５】
中空キャビティを内部に有するエアフォイルの製造に使用されるコアは、典型的にセラミック材料で形成されるが、このようなセラミックコア、特に最新式のハードウェアに小さい複雑な冷却通路を形成するのに使用される最新式のコアは脆弱である。このようなセラミックコアは製造時および鋳造時に変形や割れを生じるおそれがある。最新式の実験的なブレード設計では、主にコアの破損により鋳造歩留まりが１０％よりも低いものもある。
【０００６】
従来のセラミックコアは、セラミックのスラリと成形型を使用した成形プロセスによって形成される。射出成形およびトランスファ成形のいずれの技術を使用してもよい。模型材料は、最も一般的には蝋であるが、可塑性材料、低融点合金、および尿素などの有機化合物も使用される。シェル鋳型は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、およびケイ酸アルミナとすることができるセラミック粒子を結合させるコロイド状のシリカバインダを使用して形成される。
【０００７】
セラミックコアを使用してタービンブレードを製造するインベストメント鋳造法を簡単に説明すると、まず内部冷却通路の所望の形状寸法を有するセラミックコアを、コアを囲むとともにコアから一様に離間された壁を有する金型内に配置する。金型をろうなどの使い捨ての模型材料で充填する。セラミックコアが蝋模型に埋設された状態で金型が除去される。次に、蝋模型をセラミックスラリに浸漬してから比較的大きい乾燥したセラミック粒子をスラリにふりかけて、外側シェル鋳型を蝋模型の周りに形成する。このプロセスは、スタッコイングと呼ばれる。続いて、コアを含むスタッコイングされた蝋模型を乾燥させ、所望のシェル鋳型壁厚さが得られるまでスタッコイングプロセスを繰り返す。所望の厚さが得られたら、鋳型を十分に乾燥させてから、蝋材料を除去するとともにセラミック材料を強化するために高温まで熱する。
【０００８】
これにより、セラミックコアを含むセラミック鋳型が得られ、これらは共同して鋳型キャビティを画成する。コアの外形が鋳物に形成されるべき通路を定め、シェル鋳型の内部が超合金鋳物の外形寸法を定める。コアとシェルとは、鋳造プロセスに必要だが完成した鋳造部品の一部ではないゲートやライザなどの鋳造部を画成することができる。
【０００９】
蝋を除去した後、シェル鋳型とコアのアセンブリによって画成されるキャビティに溶融超合金材料を鋳込んで凝固させる。続いて、機械的手段とリーチングなどの化学的手段の組合せにより、超合金鋳物から鋳型とコアを取り除く。
【００１０】
上述したように、従来のセラミックコア、特に寸法が小さいコアは、その脆性および許容できる鋳造歩留まりに関する制約のために鋳物の設計を制限する傾向がある。
【００１１】
このような制約を克服するために、高融点金属要素をコアに使用することが採用された。高融点金属要素は、単独でまたは複合材を構成するようにセラミック要素と組み合わせて使用可能である。この方法は、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】米国特許公開公報第２００３／００７５３００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
高融点金属要素の使用によって生じた問題の１つは、高融点金属要素の総数が増加するに従って、これらの要素を位置決めして関連するセラミック要素に取り付ける複雑さも増加したことである。さらに、これらの高融点金属要素には、小さくて脆弱なために、簡単に損傷して歩留まり率を減少させてしまうものもある。
【００１３】
このような複合材コアに関連する他の問題は、金型に蝋を充填する前に複合材コアを金型内に適切に位置決めするとともにその位置を維持することに関する。これまでは、所謂“プリントアウト”すなわちハンドルの使用によってこれが達成されており、このハンドルは、蝋で充填されるキャビティを超えて延在するセラミックコアの延長部であった。一般に、これらのセラミックプリントアウトの数および位置は、必然的に片持式に設けられるセラミック材料の脆性のために非常に制限されていた。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
簡単に言うと、本発明の一形態では、コアに使用される高融点金属要素の数が、複数の高融点金属要素を組み合わせて単一の高融点金属要素とすることによって減少する。これにより、高融点金属要素を個々に配置するとともに関連するセラミック要素に取り付ける必要性がなくなるので、製造コストが実質的に減少する。
【００１５】
本発明の他の形態では、小さくて脆弱な高融点金属要素が、両方の高融点金属要素の目的を達成する位置まで延在する他の高融点金属要素に置き換えられる。１つの実施例では、これは、セラミック要素の先端部に関連する領域内に延在するように高融点金属要素をセラミック要素の後縁において延長することで、セラミック要素の先端部における高融点金属要素を置き換えることによって達成される。
【００１６】
本発明のまた他の形態では、蝋模型を形成する目的で蝋が注入されるキャビティの領域を超えて高融点金属要素を延在することで、高融点金属要素がプリントアウトとして機能しうる。１つの形態では、複数のプリントアウトが隣接する端部内に延在し、蝋成形プロセスにおいて、より確実にコアを定位置に配置および保持する。
【００１７】
図面には好適実施例を示したが、本発明の真の趣旨および範囲から逸脱ぜずに種々の他の変更および他の構成を採用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１を参照すると、本発明は概して符号１０で示されており、セラミック要素１２と高融点金属要素１３を含む複合材コア１１に適用されている。
【００１９】
インベストメント鋳造法で一般的なように、コアは、コアを囲む金型内に配置され、これらの間の空間が蝋で充填される。続いて、金型が除去され、図１に示すように複合材コアは蝋模型１４に埋設される。
【００２０】
図１〜図４に示すように、複合材コア要素１１は、先端縁１６とこれに隣接する後縁１７を有する。図４に示すように、後縁１７にスロット１８が形成されており、このスロットは高融点金属要素１３の前縁１９を受け入れる。高融点金属要素１３の前縁１９は、接着剤などの種々の方法のいずれかでスロット１８内に固定される。図３，図４は、蝋成形プロセス（ｃａｓｔｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）前におけるセラミック要素１２と高融点金属要素１３の組合せを示しており、図１，図２は、蝋成形プロセス後の組合せを示している。
【００２１】
図２に示すように高融点金属要素１３の大部分が蝋模型１４内に配置されるが、蝋模型１４を超えて延在する部分もある。つまり、後縁部２１が、蝋模型１４の後縁２２を超えて延びており、先端部２３が蝋模型１４の先端縁２４を超えて延びている。後縁部２１と先端部２３は、“プリントアウト”と呼ばれ、蝋成形プロセスにおいて複合材コアを定位置に位置決めおよび固定するように使用される。この際、単一の高融点金属要素１３が後縁部２１と先端部２３の両方を提供し、これら２つの部分は、上記の目的で使用するために実質的に直交する方向に延在することに留意されたい。これは、改善された位置決め能力および保持能力を提供するだけでなく、改善された強度を提供する。
【００２２】
図１，図２に示すように、高融点金属要素１３の先端部２３は、蝋模型１４に埋設された部分２６と、蝋模型１４の先端縁２４を超えて延在する他の部分２７と、を含む。非埋設部２７は、上述したようにコアを位置決めおよび保持するように機能する。埋設部２６は、リーチングプロセスなどによって除去されたときに超合金鋳物内にキャビティを形成するセラミックコアの一部として機能する。この埋設部２６の重要性を理解するには、図５に示す従来技術の設計を参照されたい。
【００２３】
図５で示すように、複合材コア２８が蝋模型２９に埋設される。複合材コアは、セラミックコア要素３１と高融点金属要素３２を含む。セラミックコア要素３１は、先端縁３３と後縁３４とを有する。高融点金属要素３２は、図示のようにセラミックコア要素３１にその先端縁３３で取り付けられており、セラミックコア要素３１の後縁３４を超えて片持式に設けられた部分３６を有する。よって、従来技術の設計では、蝋成形プロセスにおいて非常に損傷されやすい脆弱な片持式部分３６が含まれていることが分かる。
【００２４】
再び図１〜図４に示す本発明の設計を参照すると、セラミック要素の先端縁３３に取り付けられて脆弱な片持式部分３６を含んでいた図５の高融点金属要素３２が、本発明の高融点金属要素１３の埋設部２６に置き換えられたことが分かる。この部分２６が、高融点金属要素１３の実質的な本体と、高融点金属要素１３の比較的頑丈な非埋設部２７と、の間に配置された頑丈な部分である。これにより、単一の高融点金属要素１３は、その後縁においてセラミックコア要素の延長部を提供するとともに、セラミック要素１２の先端縁１６を超えて延在しており、そうでなければ先端縁３３から突出する高融点金属要素３２に取って代わっている。
【００２５】
高融点金属要素１３は、ペデスタル、トリップストリップ、ピン、フィン、または他の熱伝達向上特徴部を完成した鋳物に形成するために種々の形状のいずれを使用することもできる。図１〜図３に示すように、この目的のために小型シリンダ３７の列が本体から突出している。
【００２６】
図１〜図３に示すように、高融点金属要素１３の先端部２３は、単一の突出要素である。図６は、先端部２３が一対の離間された延長部３８，３９を含む変型例を示しており、延長部３８，３９は図示のように埋設部および非埋設部をそれぞれ有している。
【００２７】
超合金材料でエアフォイルを形成するプロセスでは、蝋模型を除去して溶融超合金金属で置き換えた後、セラミック要素と高融点金属要素の両方を含む複合材コアがリーチングプロセスなどによって除去される。結果的に得られるエアフォイルが図７に示されており、エアフォイル４１は図示のように先端出口スロット４２を含む。従って、冷却空気は高融点金属要素が占めていた内部キャビティに流入して先端出口スロット４２から流出する。
【００２８】
図８では、図７の８−８線に沿った断面が示されており、エンジンの運転状態において（ブレードとはめ合い面との摩擦接触によるブレードのスミアリングによって）先端出口スロット４２が塞がるおそれを低減するためにカウンタボア型の特徴部が含まれている。
【００２９】
図９〜図１１を参照すると、図示のように複合材コア要素４３がブレード用の蝋模型に組み込まれた本発明の他の実施例が示されており、複合材コア要素４３は、エアフォイル部４４とプラットフォーム部４６とを有する。プラットフォーム部は、勿論、ディスク（図示省略）などの回転部材にブレードを固定する部分である。複合材コア要素４３は、セラミック要素４７と高融点金属要素４８の両方を含む。複合材コア要素４３を構成するこれら２つの要素の組合せが蝋模型４９に埋設されている。
【００３０】
図示のように、セラミックコア要素４７は、エアフォイル部４４とプラットフォーム部４６の両方を含む単一の要素である。さらに、図１０に示すように、エアフォイル部４４とプラットフォーム部４６のそれぞれが個々の高融点金属部分を含む代わりに、単一の高融点金属要素４８がセラミックコア要素４７のエアフォイル部４４を通って延在するとともに、セラミックコア要素４７のプラットフォーム部４６を通るように直交する方向に外向きに延在する。これにより、単一の高融点金属要素４８が、エアフォイル部４４とプラットフォーム部４６の両方において、完成したブレードのプラットフォームガス流路面およびブレードガス流路面にそれぞれ出口スロットが形成されるように機能する。高融点金属要素４８のプラットフォームレッグ部がそのブレード部に連結されるので、プラットフォーム部はセラミックコア要素４７に直接保持されて蝋成形時の安定性が増す。
【００３１】
図１１に示すように、高融点金属要素４８は、一端５２がセラミックコア要素４７のスロット５３内に固定されるとともに、エアフォイル壁となる蝋模型４９を通り、かつ蝋模型４９から突出して延長部５４を形成する。続いて、蝋模型４９が除去されて超合金金属で置き換えられるとともに、高融点金属要素４８がリーチングにより除去されると、冷却空気を流す通路が残る。
【００３２】
本発明を特に図示の好適実施例および変型例に関して開示および説明したが、当業者であれば分かるように、請求項によって定められる本発明の真の趣旨および範囲から逸脱せずに種々の詳細な変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例に係る蝋成形後の複合材コアの説明図である。
【図２】図１の複合材コアの先端縁部と後縁部を示す投影図である。
【図３】蝋成形前の複合材コアの先端縁部と後縁部を示す正面図である。
【図４】図３の複合材コアの上面図である。
【図５】従来技術に係る複合材コアの先端部の説明図である。
【図６】本発明の他の実施例に係る複合材コアの説明図である。
【図７】本発明を使用したエアフォイルの投影図である。
【図８】図７のエアフォイルの８−８線に沿った断面図である。
【図９】本発明のまた他の実施例に係る複合材コアの説明図である。
【図１０】図９の複合材コアの１０−１０線に沿った断面図である。
【図１１】図９の複合材コアの１１−１１線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１…複合材コア
１２…セラミック要素
１３…高融点金属要素
１４…蝋模型
１６…セラミック要素の先端縁
１７…セラミック要素の後縁
２１…高融点金属要素の後縁部
２２…蝋模型の後縁
２３…高融点金属要素の先端部
２４…蝋模型の先端縁
２６…埋設部
２７…非埋設部
【図１】
2006075901.tif 000003
【図２】
2006075901.tif 000004
【図３】
2006075901.tif 000005
【図４】
2006075901.tif 000006
【図５】
2006075901.tif 000007
【図６】
2006075901.tif 000008
【図７】
2006075901.tif 000009
【図８】
2006075901.tif 000010
【図９】
2006075901.tif 000011
【図１０】
2006075901.tif 000012
【図１１】
2006075901.tif 000013
【外国語明細書】
2006075901.tif 000014
2006075901.tif 000015
2006075901.tif 000016
2006075901.tif 000017
2006075901.tif 000018
2006075901.tif 000019
2006075901.tif 000020
2006075901.tif 000021
2006075901.tif 000022
2006075901.tif 000023
2006075901.tif 000024
2006075901.tif 000025
2006075901.tif 000026
【図１】
2006075901.tif 000027
【図２】
2006075901.tif 000028
【図３】
2006075901.tif 000029
【図４】
2006075901.tif 000030
【図５】
2006075901.tif 000031
【図６】
2006075901.tif 000032
【図７】
2006075901.tif 000033
【図８】
2006075901.tif 000034
【図９】
2006075901.tif 000035
【図１０】
2006075901.tif 000036
【図１１】
2006075901.tif 000037