(57)【要約】【課題】従来のインサート成形法の接合面の接合不良に係る課題を解決し、内部に複雑な冷却孔を有するタービン翼などの中空構造を有する鋳物の鋳造に用いるセラミック焼結体の製造方法およびセラミック焼結体を提供する。【解決手段】セラミック粉末とバインダを含む成形材料を用いて成形体要素を形成する工程、成形体要素を少なくとも一つ型内に配置し、型内にセラミック粉末とバインダを含む成形材料を射出し、成形体要素にグラフト成形体要素をグラフト成形したセラミック成形体を形成する工程、セラミック成形体を脱脂焼結してセラミック焼結体を形成する工程を含み、グラフト成形する前に、成形体要素の温度を３２℃からバインダの融点よりも５℃以上低い温度の範囲で高めておくセラミック焼結体の製造方法。その製法による、常温曲げの強制破壊形態がグラフト接合面に起因しない破壊形態であるセラミック焼結体。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック粉末とバインダを含む成形材料を用いて成形体要素を形成する工程と、
前記成形体要素を少なくとも一つ射出成形型内に配置し、前記射出成形型内の空間にセラミック粉末とバインダを含む成形材料を射出して、前記成形体要素に対してグラフト成形体要素をグラフト成形したセラミック成形体を形成する工程と、
前記セラミック成形体を脱脂および焼結してセラミック焼結体を形成する工程と、を含み、
前記グラフト成形体要素をグラフト成形する前に、前記成形体要素の温度を３２℃から前記成形体要素に含まれるバインダの融点よりも５℃以上低い温度の範囲で高めておく、セラミック焼結体の製造方法。
【請求項２】
中空構造を備えたタービン翼の鋳造に使用され、前記タービン翼の前記中空構造に対応する形状を備えたセラミック中子の製造方法として適用される、請求項１に記載のセラミック焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記成形体要素の少なくとも一部は、前記タービン翼の翼部の前記中空構造に対応する形状に形成されている、請求項２に記載のセラミック焼結体の製造方法。
【請求項４】
セラミック粉末とバインダを含む成形材料により形成された少なくとも一つの成形体要素と、前記成形体要素に対してグラフト成形されたグラフト成形体要素と、を含むセラミック成形体が脱脂および焼結されたセラミック焼結体であって、常温（２５℃）曲げによる強制破壊形態が前記成形体要素と前記グラフト成形体要素とのグラフト接合面に起因しない破壊形態である、セラミック焼結体。
【請求項５】
前記成形体要素の少なくとも一つは、前記セラミック成形体の所定形状の外周の一部を備えている、請求項４に記載のセラミック焼結体。
【請求項６】
中空構造を備えたタービン翼の鋳造に使用され、前記タービン翼の前記中空構造に対応する形状を備えたセラミック中子に適用される、請求項４または５に記載のセラミック焼結体。
【請求項７】
前記成形体要素の少なくとも一部が、前記タービン翼の翼部の前記中空構造に対応する形状に対応している、請求項６に記載のセラミック焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空構造を有する鋳物を鋳造する際に用いられるセラミック焼結体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、中空構造を有する鋳物は多方面で使用されている。例えば、ガスタービンのタービン翼に設けられている冷却孔は特に、形状が複雑であり、高い寸法精度が必要とされる中空構造として知られている。ある種のタービン翼は、ダブテイル部（継手部）から翼部まで、冷却孔が設けられる。また、大きなタービン翼は、さらにシャンク部（胴部）を有し、ダブテイル部からシャンク部を通って翼部まで、冷却孔が設けられる。このような中空構造を有する鋳物は、ロストワックス精密鋳造法などを適用し、その中空構造に対応する形状のセラミック焼結体を中子に用いて製造することができる。
【０００３】
図１に、中空構造を有する鋳物を鋳造する際に用いられるセラミック焼結体の一例として、タービン翼のダブテイル部（継手部）から翼部に設けられる冷却孔に対応する形状を有するセラミック焼結体（セラミック中子１）を示す。このセラミック中子１は、プラットフォーム部４によって継がる翼部２とダブテイル部３に大別できる。翼部２には、特に薄肉に形成されたピンフィン部５を有し、このピンフィン部５に限らず、曲面や曲線を含む形状やテーパ状の厚みを有する部分が多くある。なお、中空構造を有する鋳物が、シャンク部を有するタービン翼である場合は、そのシャンク部に対応する形状を有するセラミック中子を使用することができる。
【０００４】
このようなタービン翼の冷却孔などの複雑な中空構造に対応する形状を有するセラミック焼結体を、複数の個片を接合して一体に形成する技術が開示されている。例えば、特許第３８０２０９５号公報（特許文献１）には、鋳物が後縁部分と本体部分とを有する中空のガス冷却されるガスエンジンタービンブレイドであって、そのブレイドの後縁部分に対応する第１コア部分と、本体部分に対応する第２コア部分とを接合して一体に形成する技術が開示されている。この第１コア部分と第２コア部分は、一方のコア部分に舌状要素、他方のコア部分に溝要素が設けられ、互いが噛み合うことにより接合される（特許文献１の図２等）。また、第１コア部分と第２コア部分の熱的な特性が略同等である場合は、上述した噛み合い要素を設けずに、熱可塑性バインダを加熱して接着剤として用いて接合できるとされる（特許文献１の請求項１５等）。このようにして接合された第１コア部分と第２コア部分は、そのまま一体で焼結されてセラミック焼結体に形成される。
【０００５】
加えて、特許文献１（請求項１５等）には、接合面に一方の噛み合い要素（例えば舌状要素）を有する第１コア部分を射出成形用型内に載置し、その型内の残余部分に第２コア部分に対応するセラミック材を射出することにより、一体のセラミック成形体に形成する技術（以下、「インサート成形法」という。）が開示されている。このようなインサート成形法によれば、噛合要素の箇所において、第１コア部分に対して後から射出成形した第２コア部分を隙間のない状態で接合することができる。従って、第１コア部分と第２コア部分とが一体に形成された焼結前のセラミック成形体、あるいは焼結後のセラミック焼結体において、第１コア部分と第２コア部分の分離や相対位置の狂いが起こり難くなると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８０２０９５号公報（特開平８−１７４１５０号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、内部に複雑な中空構造（冷却孔）を有するガスタービン用鋳造ブレード（タービン翼）を製造するに際し、図１に示す形状のセラミック焼結体（セラミック中子１）を特許文献１に開示されるインサート成形法を適用して形成する検討を行った。
【０００８】
具体的には、図１に示す形状のセラミック中子を複数の個片に区分して形成するに際し、図２に示すセラミック成形体１０のように、翼部１２のピンフィン部１５を特許文献１の第１コア部分に相当する個片（以下、「ピンフィン部コア１６」という。）と考えて接合面１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ（接合部１１）で区分し、その他の翼部１２、ダブテイル部１３、プラットフォーム部１４を含む残余部分を特許文献１の第２コア部分に相当する部分（以下、「本体部コア１７」という。）と考えた。
【０００９】
ピンフィン部コア１６は、その形状に対応するキャビティを備えた射出成形用型内に、セラミック粉末とバインダを含む成形材料を射出して形成した。その際、図３に示すように、残余部分である本体部コア１７が接合されるピンフィン部コア１６（図３中に斜線で示す）の接合面１１ａに対して噛み合い要素としての舌状の凸部１６ａを形成した。また、図示は略すが、接合面１１ｂに対しても同様な舌状の凸部（以下、便宜上「凸部１６ｂ」とする。）を形成した。また、図４に示すように、ピンフィン部コア１６（図４中に斜線で示す）の接合面１１ｃに対して半球状の凸部１６ｃを形成した。また、図示は略すが、接合面１１ｄに対しても同様な半球状の凸部（以下、便宜上「凸部１６ｄ」とする。）を形成した。
【００１０】
この噛み合い要素を用いた構成により、接合面１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ（接合部１１）において、ピンフィン部コア１６の凸部１６ａと本体部コア１７の凹部１７ａとが、同様に、凸部１６ｂと凹部１７ｂ、凸部１６ｃと凹部１７ｃ、および凸部１６ｄと凹部１７ｄとが、互いに噛み合う構造で一体になる。なお、接合面１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを含むピンフィン部コア１６は、全表面が型のキャビティ面の転写により形成されるため、その表面粗さが射出成形用型としては標準的なＲａで１μｍ以下になっていた。
【００１１】
また、セラミック成形体１０において残余部分である本体部コア１７は、ピンフィン部コア１６を射出成形用型内の所定の位置に配置し、ピンフィン部コア１６と同じ成形材料を用いてインサート成形して形成した。つまり、ピンフィン部コア１６（射出成形用型内に配置されるもの、以下「成形体要素」ともいう）に対して本体部コア１７（成形体要素を配置した射出成形型内に成形材料を射出して形成されるもの、以下「グラフト成形体要素」ともいう）をインサート成形（成形体要素にグラフト成形体要素をインサート成形することを以下、「グラフト成形」ともいう）することにより、ピンフィン部コア１６の凸部１６ａと本体部コア１７の凹部１７ａとが、同様に凸部１６ｃと凹部１７ｃとが、互いに噛み合って接合された構成を有する、図１に示すセラミック中子１に対応する形状を有する一体のセラミック成形体１０を形成した。
【００１２】
次いで、上述のように形成したセラミック成形体１０を、適切と考える処理条件により脱脂および焼結することにより、セラミック焼結体すなわちセラミック中子に形成した。このインサート成形によるセラミック成形体１０の形成から脱脂および焼結のプロセスにおいて問題となったのは、接合面１１ａ，１１ｂに比べて接合面積がかなり小さい接合面１１ｃ、１１ｄの接着不良である。インサート成形後、十分に時間を経たセラミック成形体１０において、見掛け上、接合面１１ｃ、１１ｄは固着して一体に形成されているように見えた。しかし、幾つかのセラミック成形体１０から無作為に選んで常温（２５℃）曲げによる強制破壊を実施したところ、接合面１１ｃ、１１ｄにおいてピンフィン部コア１６と本体部コ１７とが剥離したような破壊形態になった。従って、上述のように形成したセラミック成形体１０には、特に接合面積の小さな接合面１１ｃ、１１ｄ部分に未接着と考えられる接合不良が発生する場合があることが確認された。
【００１３】
本発明の目的は、従来のインサート成形法を適用し、上述した成形体要素とグラフト成形体要素との接合面の未接着と考えられる接合不良に係る課題を解決し、例えば、内部に複雑な冷却孔を有するタービン翼などの中空構造を有する鋳物を鋳造する際に用いるセラミック中子に適用可能な、セラミック焼結体の製造方法およびセラミック焼結体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、セラミック焼結体を常温曲げによって強制破壊し、成形体要素とグラフト成形体要素の接合面が略露出しなかったものについて調査し、グラフト成形体要素を接合する成形体要素の温度を高めておくと機械的強度（接合強度）が高まることを見出し、本発明に想到した。
【００１５】
すなわち本発明のセラミック焼結体の製造方法は、セラミック粉末とバインダを含む成形材料を用いて成形体要素を形成する工程と、前記成形体要素を少なくとも一つ射出成形型内に配置し、前記射出成形型内の空間にセラミック粉末とバインダを含む成形材料を射出して、前記成形体要素に対してグラフト成形体要素をグラフト成形したセラミック成形体を形成する工程と、前記セラミック成形体を脱脂および焼結してセラミック焼結体を形成する工程と、を含み、前記グラフト成形体要素をグラフト成形する前に、前記成形体要素の温度を３２℃から前記成形体要素に含まれるバインダの融点よりも５℃以上低い温度の範囲で高めておく。
【００１６】
本発明のセラミック焼結体の製造方法は、中空構造を備えたタービン翼の鋳造に使用され、前記タービン翼の前記中空構造に対応する形状を備えたセラミック中子の製造方法として適用することができる。その場合、前記成形体要素の少なくとも一部は、前記タービン翼の翼部の前記中空構造に対応する形状に形成されていることが好ましい。
【００１７】
上述した本発明のセラミック焼結体の製造方法により、内部に複雑な冷却孔を有するタービン翼などの中空構造を有する鋳物を鋳造する際に用いるセラミック焼結体を形成することができる。
すなわち、本発明のセラミック焼結体は、セラミック粉末とバインダを含む成形材料により形成された少なくとも一つの成形体要素と、前記成形体要素に対してグラフト成形されたグラフト成形体要素と、を含むセラミック成形体が脱脂および焼結されたセラミック焼結体であって、常温（２５℃）曲げによる強制破壊形態が前記成形体要素と前記グラフト成形体要素とのグラフト接合面に起因しない破壊形態である。
また、前記成形体要素の少なくとも一つは、前記セラミック成形体の所定形状の外周の一部を備えていることが好ましい。
【００１８】
本発明のセラミック焼結体は、中空構造を備えたタービン翼の鋳造に使用され、前記タービン翼の前記中空構造に対応する形状を備えたセラミック中子に適用することができる。また、前記成形体要素の少なくとも一部が、前記タービン翼の翼部の前記中空構造に対応する形状に対応していることが好ましい。
【００１９】
ここで、「グラフト」は「接ぐ物」または「接がれる物」もしくは「肉盛物」の意を含み、本発明でいう「グラフト成形体要素」は、予め形成されている１以上の成形体要素に対して接合される新たに形成される成形体要素を意図する。また、本発明でいう「グラフト成形」は、射出成形用型のキャビティ内に１以上の成形体要素を配置して成形材料を注入することにより、キャビティ内の既存の成形体要素に対して新たな成形体要素（グラフト成形体要素）を付加する射出成形法を意図する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、特に上述したグラフト接合面において接合不良のない複雑な形状を有するセラミック焼結体を得ることができる。よって、本発明を適用し、鋳物の複雑な中空構造に対応する形状を有するセラミック焼結体を得て、これをセラミック中子として用いることにより、例えば内部に複雑な冷却孔を有するタービン翼などの中空構造を有する鋳物を鋳造する際に、セラミック中子の割れや亀裂に起因する凸欠陥などの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】セラミック中子の一例（外観）を模式的に示す図である。
【図２】図１に示すセラミック中子を２つの個片で区分するときの一例（外観）を模式的に示す図である。
【図３】図２中に線分ＡＡで示す箇所の断面において、ピンフィン部コア１６の接合面１１ａ近傍を模式的に示す図である。
【図４】図２中に線分ＡＡで示す箇所の断面において、ピンフィン部コア１６の接合面１１ｃ近傍を模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態（実施例１）によるセラミック成形体の強制破壊形態の一例を示す図（写真）である。
【図６】本発明の比較形態（比較例１）によるセラミック成形体の強制破壊形態の一例を示す図（写真）である。
【図７】本発明の比較形態（比較例２）によるセラミック成形体の強制破壊形態の一例を示す図（写真）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
まず、本発明のセラミック焼結体の製造方法に関して説明する。
本発明のセラミック焼結体は、セラミック粉末とバインダを含む成形材料を用いて成形体要素を形成する工程と、前記成形体要素を少なくとも一つ射出成形型内に配置し、前記射出成形型内の空間にセラミック粉末とバインダを含む成形材料を射出して、前記成形体要素に対してグラフト成形体要素をグラフト成形したセラミック成形体を形成する工程と、前記セラミック成形体を脱脂および焼結してセラミック焼結体を形成する工程と、を含む。
【００２３】
上述した本発明のセラミック焼結体の製造方法における重要な特徴は、少なくとも一つの前記成形体要素に対してグラフト成形体要素をグラフト成形するに際し、前記グラフト成形体要素をグラフト成形する前に、既存の成形体要素側の接合面、すなわちグラフト成形体要素がグラフト成形されるグラフト接合面を加熱することである、具体的には、前記成形体要素の温度を、３２℃から前記成形体要素に含まれるバインダ（以下、簡便のため単に「バインダ」と記載することがある。）の融点よりも５℃以上低い温度の範囲で高めておく。なお、３２℃から前記成形体要素に含まれるバインダの融点よりも５℃以上低い温度の範囲とは、その温度の範囲が３２℃以上「バインダの融点−５℃」以下であることと同意である。
【００２４】
グラフト成形体要素に形成されるセラミック粉末とバインダを含む成形材料は、射出成形型内の空間に射出することができる程度に加熱されて軟化している。そのため、上述したように既存の成形体要素の温度を高めて成形体要素のグラフト接合面を形成しているバインダを軟化することにより、その軟化分だけ成形体要素に対してグラフト成形体要素に形成される前記成形材料が馴染みやすくなる。つまり、既存の成形体要素のグラフト接合面と新たにグラフト成形されるグラフト成形体要素の接合に寄与する実質的なバインダ同士の接着力もしくは粘着力（以下、「接着性」という。）を大きくすることができる。そして、そのグラフト接合面における接着性の増加分だけ成形体要素に対するグラフト成形体要素の接合強度を高めることができる。したがって、成形体要素とグラフト成形体要素の接合面やその端部の接合構造が強固になり、従来のインサート成形法において問題となっていた脱脂体や焼結体における接合面の接合不良の発生を抑制することができる。
【００２５】
（成形体要素形成工程）
本発明のセラミック焼結体の製造方法において、前記「セラミック粉末とバインダを含む成形材料を用いて成形体要素を形成する工程」とは、従来の射出成形法を適用したセラミック成形体の形成プロセスと同等と考えてよい。具体的には、射出成形する個々の前記成形体要素に合せて、所定のセラミック粉末とバインダ原料を準備し、それらを混合して射出成形用の成形材料にするプロセスと、個々の前記成形体要素に対応する形状を有するキャビティを備えた個々の射出成形用型を準備し、そのキャビティ内に加熱して好適に軟化させた所定の前記成形材料を射出（注入）し、型内で固化した成形体を取り出して個々の前記成形体要素を得るプロセスを含む。
【００２６】
この工程において、グラフト成形体要素との接合に寄与する成形体要素のグラフト接合面の表面積をより大きく形成することは好ましく、例えば、成形体要素のグラフト接合面の表面粗さをＲａで２μｍ以上に形成することが好ましい。この際の手段としては、例えば、適切なサンドペーパーや研磨剤を用いて射出成形体の成形肌を研磨する手段は簡易で好ましい。その他、射出成形用型のキャビティ内のグラフト接合面に対応する面を、成形肌への転写を考慮した上で、予め所定の表面粗さに形成しておく手段などの適用が可能である。
【００２７】
また、成形体要素とグラフト成形体要素の接合をより強固にするために、従来のように噛み合い要素としての凸部または凹部を備えることが好ましい。噛み合い要素の形成手段としては、例えば、射出成形体のグラフト接合面に対応する部分を、所定の凸部または凹部の形状に機械加工する手段の適用が可能である。また、予め射出成形用型のキャビティ内のグラフト接合面に対応する部分を、所定の凸部または凹部の形状に形成しておく手段が適用可能であり、個々の射出成形体を機械加工する必要がないため好ましい。
【００２８】
（セラミック成形体形成工程）
本発明のセラミック焼結体の製造方法において、前記「前記成形体要素を少なくとも一つ射出成形型内に配置し、前記射出成形型内の空間にセラミック粉末とバインダを含む成形材料を射出して、前記成形体要素に対してグラフト成形体要素をグラフト成形したセラミック成形体を形成する工程」とは、上述した成形体要素を形成する工程と同様に、所定のセラミック粉末とバインダ原料を準備し、それらを混合して射出成形用の成形材料にするプロセスと、前記セラミック成形体に対応する形状を有するキャビティを備えた射出成形用型を準備し、そのキャビティ内に加熱して好適に軟化させた前記成形材料を注入し、型内で固化した成形体を取り出してセラミック成形体を得るプロセスを含む。この際、キャビティ内の所定の位置に既製の成形体要素を配置し、そのキャビティの残余空間に成形材料を射出（注入）してそのまま固化させた後に取り出すグラフト成形により、既製の成形体要素に対して新たにグラフト成形体要素を接合して一体化し、所定の形状を有するセラミック成形体を得る。
【００２９】
ここで重要になるのは、グラフト成形体要素をグラフト成形する前に、成形体要素の温度を、３２℃以上で、キャビティ内に配置する成形体要素に含まれるバインダの融点よりも５℃以上低い温度に、つまり「バインダの融点−５℃」以下に、予め高めておくことである。キャビティ内に配置する既製の成形体要素の温度を「バインダの融点−５℃」以下に高めておくことにより、その成形体要素に含まれるバインダが常温（２０℃〜２５℃）のときよりも軟化し、グラフト成形するために所定の温度（例えば７０℃）に高められた成形材料に含まれるバインダとの温度差が小さくなる。そのため、上述したように成形体要素に含まれるバインダとグラフト成形される成形材料に含まれるバインダとの接着性が高まり、その接着性が高まった分だけ成形体要素とグラフト成形体要素の接合面やその端部の接合構造がさらに強固になり、接合強度を大きくすることができる。
【００３０】
上述したように成形体要素の温度を予め高めておく場合は、成形体要素に含まれるバインダが膨張し、成形体要素が変形する可能性がある。特に、成形体要素の温度をバインダの融点よりも５℃低い温度を超えて、つまり「バインダの融点−５」℃を超えて高めると、成形体要素に含まれるバインダの軟化による流動性が大きくなるため、成形体要素の保形性が損なわれることがある。一方、成形体要素の温度が常温（２０℃〜２５℃）に近い３２℃未満である場合は、成形体要素に含まれるバインダとグラフト成形に用いる成形材料に含まれるバインダの温度差が小さくならないため、バインダ同士の接着性が不十分になることがある。
【００３１】
また、バインダの種類によっては成形体要素の熱膨張変形を考慮し、上述した成形体要素の温度を決定することが好ましい。例えば、成形体要素の一部またはグラフト接合面を除く全部を露出させてセラミック成形体に形成する場合などにおいて、成形体要素の熱膨張変形の抑制を重視する場合は、上述した成形体要素の温度は３２℃以上「バインダの融点−１０」℃以下の範囲が好ましい。また、成形体要素が熱膨張変形してもセラミック成形体の形状精度への影響が少ない後述する内包成形の場合などにおいては、上述した成形体要素の温度は３２℃以上で、その上限は前記「バインダの融点−１０」℃以下あるいは「バインダの融点−１０」℃を超えて「バインダの融点−５」℃以下であってもよい。なお、上述した成形体要素の温度は、接合面積が大きい場合、接合面に十分な噛み合い構造が形成できる場合、接着性が良好なバインダを使用する場合など、諸条件に応じて選択することができる。
【００３２】
上述した成形体要素の温度を高める方法としては、成形体要素をグラフト成形に使用する射出成形用型内に配置する前に、例えば、熱風や温風、赤外線ヒーター、高周波誘導などの加熱手段を使用することができる。また、適切な温度に高めた状態の射出成形用型内に成形体要素を配置し、適切な時間経過を経て、成形体要素が所定の温度に到達した後にグラフト成形を行う方法であってもよい。なお、成形体要素の温度測定の方法や手段は、成形体要素の目標温度や形状や大きさ、周囲の作業環境などに合せて適宜選択すればよく、例えば、表面温度計を使用することもできるし、射出成形用型に留置した温度センサーを使用することもできる。
【００３３】
また、形成しようとしているセラミック成形体の所定形状の外周の一部を備える成形体要素を使用することが好ましい。つまり、上述した成形体要素形成工程において、成形体要素の少なくとも一部または全部を、セラミック成形体の所定形状の外周の一部を備えるように形成しておくことが好ましい。特に、例えばタービン翼のピンフィン部などのようなセラミック成形体における薄肉部分は、射出成形時に成形材料の不廻りが発生しやすいため、また射出成形後に変形しやすいため、その薄肉部分の一部または全部の形状を備えた成形体要素を使用することが好ましい。
【００３４】
また、成形体要素の外周をセラミック成形体の外周の一部に使用せず、その成形体要素を内部に包み込むように成形体材料を射出（注入）することにより、成形体要素の周りにグラフト成形体要素を形成する（内包成形）ことができる。内包成形の場合は、成形体要素の全周がグラフト接合面になるため、その全周にグラフト成形によりグラフト成形体要素を接合することになる。形成しようとするセラミック成形体に特段の厚肉部分がある場合は、その厚肉部分に気泡が巻き込まれて残留しやすいため、上述した内包成形の適用により、セラミック成形体の厚肉部分を容易に形成することができる。また、そのような肉厚部分は焼結による収縮量が大きく形状精度が低下しやすいため、その厚肉部分にグラフト成形体要素に用いた成形材料よりも収縮量が小さい別の成形材料を用いた成形体要素を予め内包することが好ましい。
【００３５】
（セラミック焼結体形成工程）
本発明のセラミック焼結体の製造方法において、前記「前記セラミック成形体を脱脂および焼結してセラミック焼結体に形成する工程」とは、従来の射出成形法において適用されるセラミック成形体の脱脂プロセスおよび焼結プロセスと同等と考えてよい。但し、グラフト接合部の機械的強度や、成形材料を構成するセラミック粉末やバインダなどの諸元を考慮し、より好適な脱脂条件および焼結条件を見出すことが好ましい。セラミック粉末に係る諸元としては、例えば、セラミック粉末を構成する各種粉末の化学成分やＢＥＴ比表面積、配合比、粒径分布などがある。また、バインダなどに係る諸元としては、例えば、成形材料中のバインダや他の添加剤の配合比、バインダなどの軟化温度、融点、分解温度、熱膨張特性、各種溶媒への可溶性などがある。
【００３６】
この工程において好ましくは、セラミック成形体の脱脂プロセスを、バインダが分解し始めてから所定の目標温度に到達するまでの低温脱脂工程と、この低温脱脂工程よりも高い温度による高温脱脂工程との２段階に分けることである。つまり、まず
その後に目標温度や昇温速度を高めるなどして半脱脂状態のセラミック成形体からバインダの残存分を除去することが好ましい。また、低温脱脂工程からそのまま高温脱脂工程へ移行することや、高温脱脂工程からそのまま焼結工程に移行することもできる。ここで、低温脱脂とは、バインダの分解開始温度を超えて、バインダが着火されず、バインダが容易に分解される目標温度まで雰囲気温度を昇温する過程において、あるいは昇温から目標温度到達後にその温度を保持する過程において、目標温度や昇温速度を抑制してセラミック成形体の形状や寸法を健全に保ちながら該セラミック成形体に含まれるバインダを全含有量の８０％程度まで除去する処理を意図する。また、高温脱脂とは、セラミック粉末が焼結されない範囲で低温脱脂よりも雰囲気温度の目標を高く設定し、その目標温度に昇温する過程において、あるいは前記目標温度に到達後に適正な時間保持する過程において、半脱脂状態のセラミック成形体からバインダの残存分をさらに除去する処理を意図する。
【００３７】
脱脂プロセスにおいて、セラミック成形体に含まれるバインダは、昇温に伴って膨張し、分解温度を超えると急激に膨張しつつ気化し始める。このため、セラミック成形体をバインダの気化温度を超える高温域に急激に昇温すると、セラミック成形体の大きな変形を誘発し、グラフト接合面を含むセラミック成形体が予測外の好ましくない形状に形成される可能性が高まる。この対策として、第１段階の低温脱脂によりセラミック成形体の変形を抑制しながらバインダを融かして半脱脂状態とし、第２段階の高温脱脂により内部に空隙が増えた半脱脂状態からその形状が崩壊しない程度に残存するバインダを気化させて略脱脂状態のセラミック成形体（脱脂成形体）を得ることが好ましいのである。この２段階の脱脂プロセスは、セラミック成形体の寸法が大きくなるほど効果的である。
【００３８】
以上述べた本発明のセラミック焼結体の製造方法は、中空構造を備えたタービン翼の鋳造に使用され、前記タービン翼の前記中空構造に対応する形状を備えたセラミック中子の製造方法として適用することができる。また、この場合、前記成形体要素の少なくとも一部は、前記タービン翼の翼部の前記中空構造に対応する形状に形成されていることが好ましい。上述したタービン翼の翼部または翼部の一部分は特に薄肉部分であるため、その薄肉部分の一部または全部の形状を備える１つ、または複数の成形体要素を使用することにより、インサート成形において不廻りが発生しやすい薄肉部分へのグラフト成形材料の注入を行う必要がなくなる。
【００３９】
次に、本発明のセラミック焼結体に関して説明する。
本発明のセラミック焼結体は、上述したように、セラミック粉末とバインダを含む成形材料により形成された少なくとも一つの成形体要素と、前記成形体要素に対してグラフト成形されたグラフト成形体要素と、を含むセラミック成形体が脱脂および焼結されたセラミック焼結体である。例えば、図２に示すような、１つのビンフィン部コア１６と、これにグラフト成形された本体部コア１７と、を含むセラミック形成体１０が脱脂および焼結されてなるセラミック焼結体である。
【００４０】
本発明における重要な特徴は、常温（２５℃）曲げによるセラミック焼結体の強制破壊形態が、成形体要素とグラフト成形体要素とのグラフト接合面に起因しない破壊形態であることである。ここで、「グラフト接合面に起因しない破壊形態」とは、脱脂後のセラミック成形体（脱脂成形体）やセラミック焼結体における割れや亀裂の起点が成形体要素とグラフト成形体要素とのグラフト接合面やその端部ではない破壊形態であって、その破壊面においてはグラフト接合面が全く露出していないか、あるいはグラフト接合面の一部が露出しているに過ぎない場合であって、グラフト接合面が主体的にその破壊に作用していないため破壊の主原因ではないと解される場合を意図する。
【００４１】
このような「グラフト接合面に起因しない破壊形態」であるセラミック焼結体は、グラフト成形体要素をグラフト成形する前に、３２℃から前記成形体要素に含まれるバインダの融点よりも５℃以上低い温度の範囲で、成形体要素の温度を高めておく、上述した本発明のセラミック焼結体の製造方法により形成することができる。また、このようなセラミック焼結体は、セラミック成形体の段階で内在している接合不良に起因するグラフト接合面からの優先的な破壊が抑制される。このため、本発明のセラミック焼結体を中子に用いた鋳物において、グラフト接合面の接合不良に起因する凸欠陥（差し込み）の発生を抑制することができる。よって、本発明のセラミック焼結体を、形状が複雑であり、高い寸法精度が必要とされる中空構造、例えばガスタービンのタービン翼に設けられている冷却孔などを形成するための中子として使用することにより、健全な中空構造を有するガスタービン用タービン翼などの鋳物を得ることができる。
【実施例】
【００４２】
本発明に係るセラミック焼結体の製造方法およびセラミック焼結体の作用効果を確認するために、ピンフィン部コア１６を成形体要素とし、本体部コア１７をグラフト成形体要素として、グラフト成形による図２に示す２つの個片が接合されたセラミック成形体１０を作製した。このとき、成形体要素となるピンフィン部コア１６は、温度を高めたもの（実施例）と、常温のもの（比較例）とを作製した。この後に、作製した成形体を脱脂および焼結し、必要に応じて仕上げ加工し、図１に示すセラミック中子１（セラミック焼結体）を作製した。以下、具体的に説明するが、本発明の範囲をここに述べる具体例に限定するものではない。
【００４３】
（成形体要素とグラフト成形体要素）
セラミック成形体１０を２つの個片に区分するにあたり、図２に示すように接合部１１（接合面１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）で区分し、翼部１２のピンフィン部１５を含むピンフィン部コア１６を予め形成する１つの成形体要素とした。また、ピンフィン部コア１６以外の本体部コア１７を、つまり、その他の翼部１２、ダブテイル部１３、プラットフォーム部１４を含む残余部分を、グラフト成形によりピンフィン部コア１６に接合するグラフト成形体要素とした。
【００４４】
（成形材料）
ピンフィン部コア１６と本体部コア１７は、本発明の作用効果を明確化するために略同質の成形材料を用いたが、異質の成形材料も使用できる。準備した成形材料は、６８体積％のセラミック粉末と、３２体積％のパラフィンワックスやスチレン系熱可塑性エラストマーを含むバインダ他（バインダの融点は５０℃）からなる射出成形用組成物であって、混合攪拌機を用いて十分に混合して準備した。セラミック粉末は、アルミナ粉末（Ａｌ２Ｏ３）を１ｍｏｌ％（１．５質量％）、ジルコン粉末（ＺｒＳｉＯ４）を７ｍｏｌ％（１８．６質量％）、残部を溶融シリカ粉末（ＳｉＯ２）、さらにカリウム分およびナトリウム分を合計０．１質量％以下に調整する水酸化カリウムおよび水酸化ナトリウムを混合した混合粉である。この混合粉の粒子構成は、粒子の積算体積粒度分布曲線において、粒径が５０μｍを超える粗粉末の累積百分率が１９％、粒径が５μｍ以下の微粉末の累積百分率が２８％、粒径が１μｍ以下の極微粉末の累積百分率が２％未満である。
【００４５】
（成形体要素形成工程）
ピンフィン部コア１６（成形体要素）は、その形状に対応するキャビティ面を備えた射出成形用の常温（２５℃）の型内に、温度を７０℃に高めて流動性を確保し、好適に軟化させた前記成形材料を７ＭＰａ程度の圧力で射出（注入）し、そのまま型内で成形材料を固化して作製した。このとき、ピンフィン部コア１６の本体部コア１７を接合する接合面１１ａ、１１ｂに、図３中に斜線で示すような舌状の凸部１６ａが形成されるようにしておいた。こうして得たピンフィン部コア１６は、そのキャビティ面に対応する形状および表面粗さ（Ｒａで１．０〜１．２μｍ）を有するものになった。
【００４６】
（セラミック成形体形成工程）
セラミック成形体１０は、その形状に対応するキャビティ面を備えた射出成形用型内に、温度を７０℃に高めて流動性を確保し、好適に軟化させた前記成形材料を７ＭＰａ程度の圧力で射出（注入）し、そのまま型内で成形材料を固化して作製した。このとき、型内に配置するピンフィン部コア１６（成形体要素）の温度は、これを形成した際の前記成形材料に含むバインダの融点（５０℃）と比較し、型締め直前に実施した一般的な表面温度計による測定温度で、「バインダの融点−１５℃」に対応する３５℃（実施例１）、「バインダの融点−７℃」に対応する４３℃（実施例２）、「バインダの融点−２５℃」に対応する常温の２５℃（比較例１）、「バインダの融点−２０℃」に対応する３０℃（比較例２）の４条件を選定した。
【００４７】
具体的には、実施例１のピンフィン部コア１６は、目標温度４０℃で昇温した型内に配置した後に十分に保持することによって温度を高めた。また、実施例２および比較例２のピンフィン部コア１６は、予め赤外線ヒーターを用いて加熱することによって温度を高めた後に、常温（２５℃）の型内に配置した。また、比較例１のピンフィン部コア１６は、常温（２５℃）の環境に十分に暴露した後に、常温（２５℃）の型内に配置した。
【００４８】
こうして、予め形成されたピンフィン部コア１６（成形体要素）に対して本体部コア１７（グラフト成形体要素）をグラフト成形することにより、ピンフィン部コア１６の凸部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと本体部コア１７の凹部１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄとがそれぞれ噛み合って接合（接合部１１）されたセラミック成形体１０を得た。なお、実施例１、２および比較例１、２の４条件について、複数のセラミック成形体１０（以下、総称して「セラミック成形体１０」という。）を作製した。このようにして得られた複数のセラミック成形体１０は、いずれも用いたキャビティ面に対応する形状および表面粗さを有するものになっていた。
【００４９】
（セラミック焼結体形成工程）
上述のようにして得たセラミック成形体１０を脱脂および焼結することにより、前記４条件それぞれのセラミック焼結体を得ることができた。具体的には、脱脂および焼結に係る工程は、第１段階として、目標温度を２４０℃とし、セラミック成形体１０に含まれるバインダの除去量が低温脱脂前後の質量比で８０〜９０％の範囲になるように低温脱脂を行った。第２段階として、低温脱脂後の半脱脂成形体を設定温度４００℃で２ｈ保持し、高温脱脂を行った。この後、設定温度１３００℃で２ｈ保持し、セラミック粉末を焼結させることのより、前記４条件それぞれのセラミック焼結体（セラミック中子１）を作製した。得られたセラミック焼結体（セラミック中子１）は、いずれも相対密度が６８〜７２％で焼結され、図１に示すセラミック中子１と同等の外観を有していた。
【００５０】
実施例１、２および比較例１、２について、上述した製造工程の途中段階のピンフィン部コア１６と、グラフト成形後のセラミック成形体１０と、脱脂後の脱脂成形体と、最終的に得られたセラミック焼結体について、目視や拡大鏡を用いて観察可能な全表面を観察し、亀裂や割れの有無を調べた。その結果、接合部１１に対応する箇所において、接合の境界が線状跡のように見える場合や、一部がやや溝状のような線状跡のように見える場合があった。しかし、いずれの場合においても、その外観からはグラフト接合面に対応する箇所において明確な接合不良は確認されなかった。なお、このような線状跡を有するものを最終的にセラミック中子に形成し、これを鋳造に用いても鋳物の中空構造に凸状欠陥（差し込み）を発生させることはない。
【００５１】
（強制破壊形態）
グラフト接合面の接合不良の有無の確認を目的として、セラミック焼結体に形成する前のセラミック成形体１０を試験体として、強制破壊試験を実施した。具体的には、常温（２５℃）において、グラフト接合面である接合部１１（接合面１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）の近傍で破壊されるように試験体を保持し、強制的に曲げて破壊した。そして、それぞれの強制破壊形態について、特に接合面１１ｃ、１１ｄ近傍について、詳細に観察した。図５〜図７に、それぞれ実施例１、比較例１、２のセラミック成形体１０の破壊部分の一例を示す。なお、実施例２の強制破壊形態は、実施例１と同様であることを確認することができたため、図示および説明を略す。
【００５２】
図５は、実施例１のセラミック成形体１０であって、図５（ａ）は接合面１１ｃ近傍、図５（ｂ）は接合面１１ｄ近傍の破壊部分を示す。図中に二点鎖線で示す辺りがグラフト成形による接合境界１８ｃ、１８ｄである。その接合境界１８ｃ、１８ｄ近傍において、隙間、亀裂、割れ、剥離などの接合面１１に起因するような接合不良の発生は確認されなかった。また、実施例１の場合、破壊が本体部コア１７側の断面積が小さい箇所で発生したため、破壊面１９ｃ、１９ｄにおいてはグラフト接合面の露出が全く確認できず、本体部コア１７側の一部が破壊残部１７ｃｓ、１７ｄｓとしてピンフィン部コア１６側に接合された状態で残存する強制破壊形態になった。よって、実施例１のセラミック成形体１０の常温（２５℃）曲げによる強制破壊形態は、グラフト接合面に起因しない破壊形態であり、成形体要素であるピンフィン部コア１６とグラフト成形体要素である本体部コア１７のグラフト成形による接合強度が高いことが確認できた。
【００５３】
図６は、比較例１のセラミック成形体１０であって、図６（ａ）は接合面１１ｃ近傍、図６（ｂ）は接合面１１ｄ近傍の破壊部分を示す。図中に二点鎖線で示す辺りがグラフト成形による接合境界１８ｃ、１８ｄである。その接合境界１８ｃ、１８ｄ近傍において、破壊の痕跡が明確ではない剥離のような接合不良の発生を確認することができた。このことから、比較例１の場合、ピンフィン部コア１６と本体部コア１７の接合面１１ｃ、１１ｄの全領域が未接着（未接合）であったと容易に推測することができる。よって、比較例１のセラミック成形体１０の常温（２５℃）曲げによる強制破壊形態は、グラフト接合面に起因する接合不良による破壊形態であり、成形体要素であるピンフィン部コア１６とグラフト成形体要素である本体部コア１７のグラフト成形による接合強度が低いことが確認できた。
【００５４】
図７は、比較例１のセラミック成形体１０であって、図７（ａ）は接合面１１ｃ近傍、図７（ｂ）は接合面１１ｄ近傍の破壊部分を示す。図中に二点鎖線で示す辺りがグラフト成形による接合境界１８ｃ、１８ｄである。接合面積が接合面１１ｄよりも小さい接合面１１ｃでは、接合境界１８ｃ近傍において破壊の痕跡が明確ではない剥離のような接合不良の発生を確認することができた。一方、接合面１１ｄでは、接合境界１８ｄ近傍において一部に破壊の痕跡を有するものの大部分の領域で剥離のような接合不良の発生を確認することができた。このことから、比較例２の場合、ピンフィン部コア１６と本体部コア１７の接合面１１ｃ、１１ｄは一部の領域を除いて未接着（未接合）であったと推測することができる。よって、比較例２のセラミック成形体１０の常温（２５℃）曲げによる強制破壊形態は、グラフト接合面に起因する接合不良による破壊形態であり、成形体要素であるピンフィン部コア１６とグラフト成形体要素である本体部コア１７のグラフト成形による接合強度が低いことが確認できた。
【００５５】
なお、比較例２の条件ではグラフト接合面の接合強度が不十分であったが、比較例２（バインダの融点−２０℃）は比較例１（バインダの融点−２５℃）よりも接合強度が高まる傾向を示した。これはグラフト成形する前にピンフィン部コア１６の温度を比較例１よりも５℃だけ高めておいた作用効果と考えられる。よって、グラフト成形体要素（本体部コア１７）をグラフト成形する前に、成形体要素（ピンフィン部コア１６）の温度を高めておく本発明の技術思想は有効であるといえる。
【００５６】
以上述べたように、従来のインサート成形法における接合面の未接着と考えられる接合不良に係る課題は、グラフト成形体要素をグラフト成形する前に成形体要素の温度を３２℃から前記成形体要素に含まれるバインダの融点よりも５℃以上低い温度の範囲で高めておくことを含む本発明のセラミック焼結体の製造方法によって解決できた。これにより、タービン翼などの中空構造を有する鋳物の製造に用いるセラミック中子として有用な、常温（２５℃）曲げによる強制破壊形態が成形体要素とグラフト成形体要素とのグラフト接合面に起因しない破壊形態となるセラミック焼結体が得られた。よって、例えば、内部に複雑な冷却孔を有するタービン翼などの中空構造を有する鋳物を鋳造する際に、セラミック中子の割れや亀裂に起因する凸欠陥などの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１．セラミック中子、２．翼部、３．ダブテイル部、４．プラットフォーム部、５．ピンフィン部、１０．セラミック成形体、１１．接合部、１１ａ．接合面、１１ｂ．接合面、１１ｃ．接合面、１１ｄ．接合面、１２．翼部、１３．ダブテイル部、１４．プラットフォーム部、１５．ピンフィン部、１６．ピンフィン部コア、１６ａ．凸部、１６ｃ．凸部、１７．本体部コア、１７ａ．凹部、１７ｃ．凹部、１７ｃｓ．破壊残部、１７ｄｓ．破壊残部、１８ｃ．接合境界、１８ｄ．接合境界、１９ｃ．破壊面、１９ｄ．破壊面
【図１】
2015188916.tif 000003
【図２】
2015188916.tif 000004
【図３】
2015188916.tif 000005
【図４】
2015188916.tif 000006
【図５】
2015188916.tif 000007
【図６】
2015188916.tif 000008
【図７】
2015188916.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月19日(2015.2.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
この工程において好ましくは、セラミック成形体の脱脂プロセスを、バインダが分解し始めてから所定の目標温度に到達するまでの低温脱脂工程と、この低温脱脂工程よりも高い温度による高温脱脂工程との２段階に分けることである。低温脱脂工程からそのまま高温脱脂工程へ移行することや、高温脱脂工程からそのまま焼結工程に移行することもできる。ここで、低温脱脂とは、バインダの分解開始温度を超えて、バインダが着火されず、バインダが容易に分解される目標温度まで雰囲気温度を昇温する過程において、あるいは昇温から目標温度到達後にその温度を保持する過程において、目標温度や昇温速度を抑制してセラミック成形体の形状や寸法を健全に保ちながら該セラミック成形体に含まれるバインダを全含有量の８０％程度まで除去する処理を意図する。また、高温脱脂とは、セラミック粉末が焼結されない範囲で低温脱脂よりも雰囲気温度の目標を高く設定し、その目標温度に昇温する過程において、あるいは前記目標温度に到達後に適正な時間保持する過程において、半脱脂状態のセラミック成形体からバインダの残存分をさらに除去する処理を意図する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
次に、本発明のセラミック焼結体に関して説明する。
本発明のセラミック焼結体は、上述したように、セラミック粉末とバインダを含む成形材料により形成された少なくとも一つの成形体要素と、前記成形体要素に対してグラフト成形されたグラフト成形体要素と、を含むセラミック成形体が脱脂および焼結されたセラミック焼結体である。例えば、図２に示すような、１つのピンフィン部コア１６と、これにグラフト成形された本体部コア１７と、を含むセラミック形成体１０が脱脂および焼結されてなるセラミック焼結体である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
図７は、比較例２のセラミック成形体１０であって、図７（ａ）は接合面１１ｃ近傍、図７（ｂ）は接合面１１ｄ近傍の破壊部分を示す。図中に二点鎖線で示す辺りがグラフト成形による接合境界１８ｃ、１８ｄである。接合面積が接合面１１ｄよりも小さい接合面１１ｃでは、接合境界１８ｃ近傍において破壊の痕跡が明確ではない剥離のような接合不良の発生を確認することができた。一方、接合面１１ｄでは、接合境界１８ｄ近傍において一部に破壊の痕跡を有するものの大部分の領域で剥離のような接合不良の発生を確認することができた。このことから、比較例２の場合、ピンフィン部コア１６と本体部コア１７の接合面１１ｃ、１１ｄは一部の領域を除いて未接着（未接合）であったと推測することができる。よって、比較例２のセラミック成形体１０の常温（２５℃）曲げによる強制破壊形態は、グラフト接合面に起因する接合不良による破壊形態であり、成形体要素であるピンフィン部コア１６とグラフト成形体要素である本体部コア１７のグラフト成形による接合強度が低いことが確認できた。