(57)【要約】【課題】本発明は、鋳造鋳型として生成され、反応性非鉄溶融金属、特にチタン合金から、鋳造部品、特にガスタービン部品を製造する工具に関する。本発明によれば、反応性非鉄溶融金属と接触する鋳造鋳型（１０）の少なくとも一領域は、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性非鉄溶融金属、特にチタン合金から、鋳造部品、特にガスタービン部品を製造し、鋳造鋳型として形成される工具であって、反応性非鉄溶融金属と接触する鋳造鋳型（１０）の少なくとも一領域は、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから形成されることを特徴とする工具。
【請求項２】
反応性非鉄溶融金属と接触する鋳造鋳型（１０）の鋳型壁の少なくとも一領域は、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから形成されることを特徴とする、請求項１に記載の工具。
【請求項３】
鋳造鋳型は少なくとも二層から構成され、第１の層（１４）は反応性非鉄溶融金属と接触する鋳型壁領域を形成し、第２の層（１５）は鋳型壁領域に対して裏打ち安定領域を形成することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の工具。
【請求項４】
第１の層（１４）および第２の層（１５）は酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成り、前記第１の層（１４）を裏打ちする前記第２の層（１５）は、前記第１の層よりも酸化イットリウムの含有量が少なく、より粒子が粗いことを特徴とする、請求項３に記載の工具。
【請求項５】
第２の層（１５）は第１の層（１４）よりも壁厚が厚いことを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の工具。
【請求項６】
反応性非鉄溶融金属、特にチタン合金から、鋳造部品、特にガスタービン部品のための鋳造鋳型を製造する方法であって、
（ａ）鋳造鋳型で製造されるべき精密鋳造部品の幾何学的寸法を有する部品用ワックス模型を準備するステップと、
（ｂ）水、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成るスラリー状物で、前記部品用ワックス模型をコーティングするステップと、
（ｃ）前記鋳造鋳型に施したコーティングを乾燥及び硬化させるステップと、
（ｄ）前記鋳造鋳型から前記部品ワックス模型を取り除くステップとを備えることを特徴とする、鋳造鋳型の製造方法。
【請求項７】
ステップ（ｂ）に加えて、スラリー状物は部品用ワックス模型上に多層に塗布されることを特徴とする、請求項６に記載の鋳造鋳型の製造方法。
【請求項８】
スラリー状物は、少なくとも二層の構造を有する鋳造鋳型が生成されるように部品用ワックス模型上に塗布され、鋳造鋳型の第１の層は、反応性非鉄溶融金属と接触する鋳型壁領域を形成し、鋳造鋳型の第２の層は、前記鋳型壁領域を裏打ちする安定領域を形成することを特徴とする、請求項７に記載の鋳造鋳型の製造方法。
【請求項９】
鋳造鋳型の第１の層は、部品用ワックス模型上に、水、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成るスラリー状物を単層または多層に塗布することにより形成され、第２の層は、前記第１の層上に、水、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成るスラリー状物を単層または多層に塗布することにより形成されることを特徴とする、請求項８に記載の鋳造鋳型の製造方法。
【請求項１０】
第１の層を裏打ちする第２の層を形成するためのスラリー状物は、前記第１の層を形成するためのスラリー状物よりも酸化イットリウムの含有量が少なく、より粒子が粗いことを特徴とする、請求項９に記載の鋳造鋳型の製造方法。
【請求項１１】
反応性非鉄溶融金属、特にチタン合金から、鋳造部品、特にガスタービン部品を製造する方法であって、
（ａ）請求項６〜１０までの一項以上に記載された鋳造鋳型を準備するステップと、
（ｂ）前記非鉄溶融金属を前記鋳造鋳型に充填するステップと、
（ｃ）前記非鉄溶融金属を前記鋳造鋳型内で凝固させるステップと、
（ｄ）前記鋳造部品を前記鋳造鋳型から取りはずすステップとを備えることを特徴とする、鋳造部品の製造方法。
【請求項１２】
チタンアルミニウム溶融合金は、ガスタービン部品を製造するために鋳造鋳型に充填されることを特徴とする、請求項１１に記載の鋳造部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求項１の前提部分に記載される、鋳造部品を製造するための工具に関する。また、本発明は、特許請求項６の前提部分に記載される、このような工具の製造方法、および特許請求項１１の前提部分に記載される、鋳造部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、非鉄溶融金属、特にチタンアルミニウム合金、特に鋳造法により金属間相が形成されるアルミニウムが４３〜４８重量％の材料から、部品、特にガスタービン部品を製造することに関する。鋳造時には、鋳型いわゆる鋳造鋳型が用いられ、上記鋳造鋳型は、製造される部品の外郭に対応する内郭を有する。原理上、非永久鋳型を用いた鋳造法と永久鋳型を用いた鋳造法とに区別される。非永久鋳型を用いた鋳造法では、一個の鋳型で一つの部品が製造される。永久鋳型を用いた鋳造法では、鋳型は一回以上使用することができる。中でも精密鋳造法と呼ばれる鋳造法は、非永久鋳型を用いた鋳造法の一つである。また、永久鋳型を用いた鋳造方法の例としては、重力鋳造法が挙げられる。本発明は、特に、精密鋳造法に関する。
【０００３】
精密鋳造法では、高耐火性のセラミックスで生成された最新の鋳型が用いられる。精密鋳造法における鋳型の製造には第１ステップが含まれ、このステップでは主に、後に鋳型で製造されるべき鋳造部品のための模型が準備される。上記模型は、製造されるべき鋳造部品と同じ形状を有するが、鋳造部品の収縮量を考慮して、製造されるべき鋳造部品よりも寸法が大きい。この模型は部品用ワックス模型とも呼ばれる。最新の技術によると、部品用ワックス模型が融解した後、鋳造鋳型がいわゆる小型モールド型、または、いわゆるシェルモールド型のいずれかとして用いられるように、上記部品用ワックス模型は、好ましくは、スラリー状物で数回コーティングおよびサンディングされ、その後、必要であれば裏打ちされる。部品用ワックス模型が融解された後、このようにして形成された一体型の鋳造鋳型は焼成される。そして、製造されるべき鋳造部品の材料であり溶融状態にある金属が、好ましくは熱い鋳造鋳型に注入され、製造された鋳造部品は凝固後、鋳造鋳型から取りはずされる。このようにして鋳造鋳型が取りはずされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、鋳造鋳型は、最新の技術により、二酸化ケイ素を付加した酸化アルミニウム、酸化ジルコン、または酸化イットリウムなどの高耐火性のセラミック材から形成される。最新のスラリー法を用いて、適切なスラリー状物が部品用ワックス模型上に塗布される。しかし、酸化シリコンが付加された鋳造鋳型は反応性を有し、チタン合金、あるいは、チタンアルミニウム合金のように反応性非鉄溶融金属から鋳造部品を製造する間に表面欠陥が生じてしまう。これは製造されるべき鋳造部品に、表面欠陥、寸法誤差、クラック、そしていわゆる収縮巣の形成の原因となる。このように、公知である最新の鋳造鋳型は、反応性非鉄溶融金属には適していない。
【０００５】
このようなことから、本発明は、鋳造部品を製造する新しいタイプの工具、このような工具の製造方法、および、鋳造部品の製造方法を生み出す課題に関連している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題は、上述の工具を特許請求項１の特徴部分に記載の特徴によってさらに発展させることで解決される。
【０００７】
本発明によれば、反応性非鉄溶融金属と接触する鋳造鋳型の少なくとも一領域は、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成る。
【０００８】
本発明をさらに有利に発展させていくと、鋳造鋳型は少なくとも二層で構成され、第１の層は反応性非鉄溶融金属と接触する鋳型壁領域を形成し、第２の層はその鋳型壁部分を裏打ちする安定領域を形成する。第１の層および第２の層は共に、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成っており、第１の層を裏打ちする第２の層は、第１の層よりも酸化イットリムの含有量が少なく、粒子が粗い。
【０００９】
このような工具を製造するために本発明が提供する方法は、独立特許請求項６の特徴により特徴付けられる。また、鋳造部品の製造方法は、特許請求項１１に記載される。
【００１０】
本発明は、従属請求項および以下の記載から、さらに好ましく発展させることができる。ここで、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで、図１を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は、鋳造鋳型１０と、鋳造により製造されたガスタービン翼１１との断面図であり、ガスタービン翼１１は、翼パドル部１２と翼脚部１３とを含む。鋳造により製造されたガスタービン翼１１は鋳造鋳型１０で囲まれている。
【００１２】
本実施形態では、二層で構成される鋳造鋳型が示されている。鋳造鋳型１０の第１の層１４は、製造されるべき鋳造部品の材料である反応性非鉄溶融金属と接触する鋳型壁領域を形成する。鋳造鋳型１０の第２の層１５は、第１の層１４を裏打ちする。
【００１３】
ここで、本発明によれば、少なくとも鋳造鋳型１０の第１の層は、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成り、上記第１の層は、製造されるべきガスタービン翼１１の材料である反応性非鉄溶融金属と接触する。鋳造鋳型１０が上記のように構成されることにより、鋳造鋳型と反応性非鉄溶融金属との反応を少なくとも第１の層１４の領域で防止し、製造されるべき鋳造鋳型、すなわち製造されるべきガスタービン翼１１において寸法誤差やクラックの発生を防止する。
【００１４】
本実施形態においては、鋳造鋳型１０の第１の層１４だけでなく、第２の層１５も酸化イットリム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成る。しかし、裏打ちする第２の層は、製造されるべきガスタービン翼１１の材料である反応性非鉄溶融金属と接触する第１の層よりも、酸化イットリウムの含有量が大幅に少ない。さらに、第２の層１５は、第１の層１４より粒子が粗く、壁厚も厚い。これは、費用面および製造面から、特に有利な点である。
【００１５】
鋳造鋳型を製造するために、本発明では、鋳造鋳型で製造されるべき鋳造部品とほぼ同じ幾何学的寸法を有する部品用ワックス模型が必要であることが記述されている。上記部品用ワックス模型はスラリー状物でコーティングされ、このスラリー状物は、水、酸化イットリウム、および酸化マグネシウムから成る。
【００１６】
本実施形態においては、製造されるべき鋳造鋳型１０は二層を有する。したがって、図１に示す鋳造鋳型１０を製造するために本発明が提供する方法の第１ステップにおいて、部品用ワックス模型は第１の層１４が形成されるように、まずスラリー状物でコーティングされることが好ましい。そして、好ましくは、第２の層１５で第１の層を多層にコーティングし、第１の層１４を第２の層１５で裏打ちする。第１の層１４と第２の層１５とを生成するために適切なスラリー状物が用意され、両者に使用されるスラリー状物は共に、水、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、および酸化カルシウムから成る。しかし、第２の層の形成に用いられるスラリー状物は、第１の層の形成に用いられるスラリー状物よりも、酸化イットリウムの含有量が少なく、より粒子が粗い。
【００１７】
上述のように、酸化イットリウムと酸化マグネシウムは、鋳造鋳型１０により製造されるべき鋳造部品の材料となる非鉄溶融金属が不要に反応することを妨げる。酸化マグネシウムがスラリー状物に含まれる水と混合すると、水が蒸発する間、発熱反応が生じる。これにより、鋳造鋳型１０の層１４および１５の乾燥時間が大幅に減少する。スラリー状物はコンクリートと同じように凝固する機能を有する。また、鋳造鋳型の焼成温度はおよそ１４００℃からおよそ９００℃に下げることができ、鋳造温度もおよそ９００℃である。これにより、素早く、簡単に、かつ低コストで鋳造鋳型を製造することができる。
【００１８】
酸化イットリウムの含有量が多く、より粒子が細かい第１の層１４は、裏打ちとなる第２の層１５よりも壁厚が薄い。薄い第１の層１４は、鋳造鋳型と非鉄溶融金属とが不要に反応し合うことを抑制する。第２の層１５は、鋳造鋳型に対して十分な機械的強度を与えるとともに、鋳造鋳型に高い熱容量をもたらす。それによって鋳造鋳型は、ゆっくりと冷却でき、また、およそ９００℃の鋳造温度での鋳造が可能である。機械的強度は収縮による歪みを最小限にし、高い熱容量は、鋳造される脆い鋳造物に対して微小塑性変形をもたらすので、部品にクラックや破損が生じることがない。
【００１９】
本発明が提供する鋳造鋳型を用いることにより、製造されるべき鋳造部品である反応性非鉄溶融金属を、収縮巣の発生なく凝固させることができる。遠心鋳造法と呼ばれる鋳造法で、鋳造鋳型は充填される。特に、遠心鋳造法が用いられる場合は、マイクロ波放射または誘導結合により加熱できる鋳型を使用できるという利点がある。金属粒子、金属メッシュなどの金属組織、およびグラファイトやケイ素などの半導体または導体非金属を、鋳型の層内に含むことができる。
【００２０】
さらに、本発明の目的は、特に第２の層１５の領域の厚みを変化させた鋳造鋳型１０を提供することである。図１によれば、第２の層１５は、翼パドル部１２の領域よりも翼脚部１３の領域における厚みが著しく大きい。また、翼パドル部１２の上部における鋳型壁を、翼脚部１３と隣接する下部領域よりも薄くすることで、鋳造鋳型の厚みも変えることができる。これにより、非鉄溶融金属は一方向に凝固され、固液境界面を翼脚部の領域にとどめることができる。
【００２１】
本発明が提供する鋳造鋳型は、チタンアルミニウム合金、特にアルミニウムが４３〜４８重量％で金属間化合物層を形成するチタンアルミニウム化合物から製造される翼などのガスタービン部品を製造するのに適している。このために、チタンアルミニウム溶融合金は上述の鋳造鋳型に注入され、凝固後、鋳造部品は鋳造鋳型から取りはずされる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明が提供するガスタービン翼用の鋳型と、鋳造によって製造されたガスタービン翼の断面図
【図１】
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【国際調査報告】
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