(57)【要約】【課題】金属または金属合金と大きく反応しないインベストメント型からのニアネットシェイプ金属または金属合金の容易な取り出しを可能とする、単純で信頼性のあるインベストメント鋳造法を提供すること。【解決手段】本開示は、概して、型組成物および成形方法ならびにそのように成形された物品に関する。より具体的には、本開示は、チタン含有物品を鋳造するための型であって、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素は、型の異なる部分に異なる量で存在するように前記型内で段階的であり、炭化ケイ素の最高濃度は、型のバルクと、型穴に対して開いた型表面との間に位置する型に関する。【選択図】図１
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【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型であって、
カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、マイエナイトおよび炭化ケイ素を含み、型内の前記炭化ケイ素の濃度は、炭化ケイ素が型の異なる部分に異なる濃度で存在するように段階的であり、炭化ケイ素の最高濃度は、型のフェイスコート付近にあり、前記フェイスコートは、型のバルクと、型穴に対して開いた型内側表面との間に位置する、型。
【請求項２】
フェイスコートが、連続した固有フェイスコートであり、約５０ミクロン未満の粒子サイズを有するカルシウムモノアルミネートおよびカルシウムジアルミネートを含む、請求項１記載の型。
【請求項３】
フェイスコートが、固有フェイスコートであり、前記固有フェイスコートは、約１０ミクロンから約５００ミクロンの厚さである、請求項１記載の型。
【請求項４】
炭化ケイ素が、約１０重量％から約５０重量％で存在する、請求項１記載の型。
【請求項５】
炭化ケイ素の最低濃度が、フェイスコートから最も離れた箇所にある、請求項１記載の型。
【請求項６】
炭化ケイ素が、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的である、請求項１記載の型。
【請求項７】
型のバルク内にアルミナ粒子をさらに含み、アルミナ粒子は、外形寸法が約５０ミクロン超である、請求項１記載の型。
【請求項８】
型のバルク内に酸化アルミニウム粒子をさらに含み、酸化アルミニウム粒子は、外形寸法が約５００ミクロン未満である、請求項１記載の型。
【請求項９】
フェイスコートが、アルミナをさらに含み、重量分率でのアルミナのレベルが、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも２０パーセント低く、重量分率でのカルシウムモノアルミネートのレベルが、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも２０パーセント高く、重量分率でのマイエナイトのレベルが、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも５０パーセント低い、請求項５記載の型。
【請求項１０】
型内の炭化ケイ素が、フェイスコートから最も離れた型のセクション内で最も少なくなるように段階的である、請求項１記載の型。
【請求項１１】
型のバルク内の前記カルシウムモノアルミネートが、約０．０５から０．９５の重量分率を占め、フェイスコート内の前記カルシウムモノアルミネートが、約０．１から０．９の重量分率を占め；型のバルク内の前記カルシウムジアルミネートが、約０．０５から約０．８０の重量分率を占め、フェイスコート内の前記カルシウムジアルミネートが、約０．０５から０．９０の重量分率を占め；型のバルク内の前記マイエナイトが、約０．０１から約０．３０の重量分率を占め、フェイスコート内の前記マイエナイトが、約０．００１から０．０５の重量分率を占める、請求項１記載の型。
【請求項１２】
カルシウムモノアルミネートおよびカルシウムジアルミネートが、型の２０重量％超を占める、請求項１記載の型。
【請求項１３】
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、またはそれらの組成物をさらに含む、請求項１記載の型。
【請求項１４】
前記酸化アルミニウム粒子は、型の約３０重量％から約６８重量％を占める、請求項１３記載の型。
【請求項１５】
型の約１０重量％から約５０重量％の酸化カルシウムをさらに含む、請求項１記載の型。
【請求項１６】
型内の炭化ケイ素が、フェイスコート付近でより多くなるように軸方向に段階的である、請求項１記載の型。
【請求項１７】
炭化ケイ素が、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的である、請求項１記載の型。
【請求項１８】
チタン含有物品を鋳造するための型であって、
カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素は、型の異なる部分が異なる濃度の炭化ケイ素を有するように前記型内で段階的であり、炭化ケイ素の濃度は、型のフェイスコート付近で最も高く、前記フェイスコートは、型のバルクと、型穴に対して開いた型内側表面との間に位置する型。
【請求項１９】
炭化ケイ素が、型の約１０重量％から約５０重量％で存在する、請求項１８記載の型。
【請求項２０】
型が、型のバルクおよび固有フェイスコートを備え、型のバルクおよび固有フェイスコートは、異なる組成を有し、段階的な炭化ケイ素は、フェイスコートにおいて最も高濃度であり、フェイスコートから最も離れた型のバルクのセクションにおいて最も低濃度である、請求項１８記載の型。
【請求項２１】
型のバルク内に、外形寸法が約５００ミクロン未満である酸化アルミニウム粒子をさらに含む、請求項１８記載の型。
【請求項２２】
フェイスコートが、アルミナをさらに含み、重量分率でのアルミナのレベルが、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも２０パーセント低く、重量分率でのカルシウムモノアルミネートのレベルが、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも２０パーセント高く、重量分率でのマイエナイトのレベルが、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも５０パーセント低い、請求項１８記載の型。
【請求項２３】
型内の炭化ケイ素が、フェイスコート付近でより多くなるように軸方向に段階的である、請求項１８記載の型。
【請求項２４】
炭化ケイ素が、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的である、請求項１８記載の型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、段階化した炭化ケイ素を有する鋳型に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代のガスまたは燃焼タービンは、信頼性、重量、出力、経済性および動作耐用期間に関する最も厳しい要求を満足しなければならない。そのようなタービンの開発において、中でも、材料選択、新しい好適な材料の探求、および新たな製造方法の探求が、標準に適合し要求を満足する上で役割を果たす。
【０００３】
ガスタービンに使用される材料は、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる）および高強度鋼を含み得る。航空機エンジンにおいて、チタン合金は、一般にコンプレッサ部品に使用され、ニッケル合金は、航空機エンジンの高温部品に好適であり、また高強度鋼は、例えばコンプレッサ筐体およびタービン筐体に使用される。高負荷または高応力ガスタービンコンポーネント、例えばコンプレッサ用コンポーネント等は、典型的には鍛造部品である。一方、タービン用のコンポーネントは、典型的にはインベストメント鋳造部品として具現化される。
【０００４】
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市場は、より入り組んだ複雑な部品への需要が増加するに伴い成長し続けている。高品質の精密鋳造に対する大きな需要から、インベストメント鋳造をより迅速、効率的、安価および高品質とするための新たな手法を開発することが、引き続き必要とされている。
【０００５】
宝飾品の鋳造および歯科補綴物産業において使用される、溶融石英、クリストバライト、石膏等からなる従来のインベストメント型化合物は、一般に、チタン合金等の反応性合金の鋳造には好適ではない。１つの理由は、溶融チタンとインベストメント型との間で反応が生じるためである。溶融合金と型との間のいかなる反応も、最終的な鋳造物の特性を大きく劣化させる。劣化は、気泡に起因する表面仕上げの低下という単純なものであることがあり、または、より深刻な場合では、鋳型の化学的性質、微細構造および特性が損なわれる可能性がある。
【０００６】
チタンおよびチタンアルミナイド合金と大きく反応しない単純なインベストメント型が必要とされている。以前には、チタン合金鋳造用のセラミックシェル型を用いたアプローチが採用されていた。以前の例では、従来のインベストメント型化合物の制限を低減するために、いくつかの追加的な型材料が開発された。例えば、酸化マグネシウムまたはジルコニアが主成分として使用され、鋳造金属の固化に起因する収縮を相殺するために金属ジルコニウムが主構成成分に添加された、酸化−膨張型のインベストメント化合物が開発された。さらに、別の例において、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムが主成分として使用され、型の収縮量を低減するために、および固化後の鋳造金属の収縮によりもたらされる寸法誤差を相殺するために、微細金属チタン粉末が添加されたインベストメント化合物が開発された。
【０００７】
しかしながら、上述の先行技術のインベストメント化合物は、大きな制限を有する。例えば、金属ジルコニウムの酸化−膨張により鋳造金属の固化に起因する収縮を相殺することを意図したインベストメント型化合物は、いくつかの理由により、実践するのが困難である。第一に、ジルコニウムを含む新たなインベストメント化合物でろう模型がその表面上でコーティングされ、次いで、コーティングされたろう模型が、ジルコニウムの必要量を可能な限り少なくすることを目的として従来のインベストメント化合物中に埋設されるが、ジルコニウムによるろうのコーティングは非常に困難であり、あまり反復可能ではない。第二に、複雑な形状のコンポーネントのろうは、十分均一な様式でコーティングすることができない。さらに、コーティングされた層および模型の外周にインベストメント型ミックスが設置された場合、コーティングされた層がろうから剥がれ、その結果チタンが外部に設置されたインベストメント型ミックスと反応する可能性がある。
【０００８】
したがって、金属または金属合金と大きく反応しないインベストメント型からのニアネットシェイプ金属または金属合金の容易な取り出しを可能とする、単純で信頼性のあるインベストメント鋳造法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第８２３５０９２号公報
【発明の概要】
【００１０】
本開示の態様は、従来の技術の制限を克服する鋳型組成物、鋳造方法および鋳造物品を提供する。本開示のいくつかの態様は、エンジンタービン翼等のコンポーネントの製造を目的とし得るが、本開示の態様は、多くの産業におけるコンポーネント、特にチタンおよび／またはチタン合金を含有するそのようなコンポーネントの製造に使用されてもよい。
【００１１】
本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための型であって、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、マイエナイトおよび炭化ケイ素を含み、型内の前記炭化ケイ素の濃度は、炭化ケイ素が型の異なる部分に異なる濃度で存在するように段階的であり、炭化ケイ素の最高濃度は、型のフェイスコート付近にあり、前記フェイスコートは、型のバルクと、型穴に対して開いた型内側表面との間に位置する型に関する。
【００１２】
一実施形態において、フェイスコートは、連続した固有フェイスコートであり、約５０ミクロン未満の粒子サイズを有するカルシウムモノアルミネートおよびカルシウムジアルミネートを含む。別の例において、フェイスコートは、固有フェイスコートであり、前記固有フェイスコートは、約１０ミクロンから約５００ミクロンの厚さである。一実施形態において、炭化ケイ素は、約１０重量％から約５０重量％で存在する。一実施形態において、炭化ケイ素の最低濃度は、フェイスコートから最も離れた箇所にある。
【００１３】
一実施形態において、炭化ケイ素は、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的である。一実施形態において、型は、型のバルク内にアルミナ粒子をさらに含み、アルミナ粒子は、外形寸法が約５０ミクロンを超える。別の実施形態において、型は、型のバルク内に酸化アルミニウム粒子をさらに含み、酸化アルミニウム粒子は、外形寸法が約５００ミクロン未満である。
【００１４】
一実施形態において、フェイスコートは、アルミナをさらに含み、重量分率でのアルミナのレベルは、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも２０パーセント低く、重量分率でのカルシウムモノアルミネートのレベルは、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも２０パーセント高く、重量分率でのマイエナイトのレベルは、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも５０パーセント低い。一実施形態において、型内の炭化ケイ素は、フェイスコートから最も離れた型のセクション内で最も少なくなるように段階的である。
【００１５】
一実施形態において、型のバルク内のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５から０．９５の重量分率を占め、フェイスコート内の前記カルシウムモノアルミネートは、約０．１から０．９の重量分率を占め；型のバルク内の前記カルシウムジアルミネートは、約０．０５から約０．８０の重量分率を占め、フェイスコート内の前記カルシウムジアルミネートは、約０．０５から０．９０の重量分率を占め；型のバルク内の前記マイエナイトは、約０．０１から約０．３０の重量分率を占め、フェイスコート内の前記マイエナイトは、約０．００１から０．０５の重量分率を占める。
【００１６】
別の実施形態において、カルシウムモノアルミネートおよびカルシウムジアルミネートは、型の２０重量％超を占める。一実施形態において、型は、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、またはそれらの組成物をさらに含む。一実施形態において、酸化アルミニウム粒子は、型の約３０重量％から約６８重量％を占める。一実施形態において、型は、型の約１０重量％から約５０重量％の酸化カルシウムをさらに含む。
【００１７】
本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための型であって、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素は、型の異なる部分が異なる濃度の炭化ケイ素を有するように前記型内で段階的であり、炭化ケイ素の濃度は、型のフェイスコート付近で最も高く、前記フェイスコートは、型のバルクと、型穴に対して開いた型内側表面との間に位置する型に関する。
【００１８】
一実施形態において、炭化ケイ素は、型の約１０重量％から約５０重量％で存在する。一実施形態において、型は、型のバルクおよび固有フェイスコートを備え、型のバルクおよび固有フェイスコートは、異なる組成を有し、段階的な炭化ケイ素は、フェイスコートにおいて最も高濃度であり、フェイスコートから最も離れた型のバルクのセクションにおいて最も低濃度である。一実施形態において、型は、型のバルク内に、外形寸法が約５００ミクロン未満である酸化アルミニウム粒子をさらに含む。一実施形態において、型内の炭化ケイ素は、フェイスコート付近でより多くなるように軸方向に段階的である。一実施形態において、炭化ケイ素は、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的である。
【００１９】
一実施形態において、型は、型のバルクおよび炭化ケイ素含有フェイスコートを備え、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、異なる組成を有し、段階的な炭化ケイ素は、フェイスコートにおいて最も高濃度であり、フェイスコートから最も離れた型のバルクのセクションにおいて最も低濃度である。一実施形態において、型は、型のバルクおよび炭化ケイ素含有フェイスコートを備え、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、異なる組成を有し、型のバルクは、約５０ミクロンを超えるアルミナ粒子を含む。別の実施形態において、カルシウムアルミネートは、型を作製するために使用される組成物の２０重量％超を占める。別の実施形態において、型は、型組成物の約１０重量％から約５０重量％の酸化カルシウムをさらに含む。
【００２０】
本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための型であって、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素は、型の異なる部分で異なる量となるように前記型内で段階的であり、より高い濃度の炭化ケイ素は、型のバルクと、型穴に対して開いた型の表面との間に存在する型に関する。炭化ケイ素は、型の約１０重量％から約５０重量％で存在し得る。一実施形態において、型は、型のバルクおよび炭化ケイ素含有フェイスコートを備え、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、異なる組成を有し、段階的な炭化ケイ素は、フェイスコートにおいて最も高濃度であり、フェイスコートから最も離れた型のバルクのセクションにおいて最も低濃度である。炭化ケイ素は、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的であってもよい。
【００２１】
本開示のこれらの、および他の態様、特徴および利点は、添付の図面と併せて考慮される以下の本開示の様々な態様の詳細な説明から明らかとなる。
【００２２】
本発明とみなされる主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲において具体的に指摘され、明確に請求される。本開示の上記および他の特徴および利点は、添付の図面と併せて扱われる以下の本発明の態様の詳細な説明から容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】型の長さに沿って炭化ケイ素の軸方向の段階化を有する型の例を示す図である。
【図２】炭化ケイ素の半径方向の段階化を有する型の例を示す図であり、型の半径方向に厚い領域は、型の熱伝導性を増加させるためにより多くの炭化ケイ素を有するように設計され、これは、厚いセクションを有する部品からのより速い熱除去速度を維持するのに役立つ。
【図３】炭化ケイ素の軸方向および半径方向の両方の段階化を有する型の例を示す図である。
【図４】炭化ケイ素の逆軸方向段階化を有する型の例を示す図であり、型は、図４においてシュラウドである充填される第１の領域で高い熱伝導性を有するように、また蟻継ぎ部でより低い熱伝導性を有するように設計される。型は、シュラウドから蟻継ぎ部に柱状粒を成長させるように設計される。
【図５】炭化ケイ素を含む型を用いた標準的な型の硬化プロファイルを示すグラフである。
【図６】型の中心およびシュラウドに向けてより高い濃度の炭化ケイ素が存在する型の画像を示す。
【図７】アルミナおよび炭化ケイ素の熱伝導率および比熱プロファイルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本開示は、概して、型組成物および型作製の方法、ならびにその型から鋳造された物品に関し、より具体的には、型組成物およびチタン含有物品を鋳造するための方法、ならびにそのように成形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型におけるチタンおよびその合金のインベストメント鋳造によるチタン系コンポーネントの製造は、鋳造物が「ニアネットシェイプ」に鋳造されるべきであるという課題を有する。すなわち、コンポーネントは、コンポーネントの実質的に最終的な所望の寸法に鋳造され得、最終処理または機械加工をほとんど、または全く必要としない。例えば、いくつかの従来の鋳造物は、鋳造物上に存在する任意のアルファケースを除去するための化学研磨操作のみを必要とし得る。しかしながら、鋳造物内のアルファケースより下に位置する任意の表面下セラミック含有物は、典型的には化学研磨操作により除去されず、型フェイスコートと型内の任意の反応性金属、例えば反応性チタンアルミナイドとの間の反応に起因して形成され得る。
【００２６】
本開示は、タービン翼またはエーロフォイル等のニアネットシェイプのチタンおよびチタンアルミナイドコンポーネントを鋳造するための新たなアプローチを提供する。本開示の実施形態は、インベストメント鋳型のための組成物、ならびに、例えば航空宇宙産業、工業および海洋産業における使用のための、改善されたチタンおよびチタン合金コンポーネントを提供する鋳造方法を提供する。いくつかの態様において、型組成物は、型作製中の改善された型強度、および／または鋳造中の鋳造金属との反応に対する増加した抵抗性を提供する相を含有する型を提供する。本開示の態様による型は、高圧下で鋳造を行うことができ、これはニアネットシェイプ鋳造法に望ましい。例えば、カルシウムアルミネートセメントおよびアルミナ粒子、ならびに好ましい構成成分相を含有する、改善された特性を有する鋳造物を提供する型組成物が特定されている。
【００２７】
一態様において、型の構成成分相は、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つの理由から望ましいカルシウムモノアルミネートセメントを発見した。第一に、本発明者らは、カルシウムモノアルミネートは、型作製の初期段階中のセメント粒子間の水硬性結合形成を促進すると理解しており、この水硬性結合は、型構築中に型強度を提供すると考えられる。第二に、本発明者らは、カルシウムモノアルミネートは、チタンおよびチタンアルミナイド系合金との非常に低い反応速度を経験すると理解している。あ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、カルシウムアルミネートセメントの形態で、本開示の型組成物、例えばインベストメント型に提供される。一態様において、型組成物は、カルシウムアルミネートセメントおよびアルミナ、すなわち酸化アルミニウムの混合物を含む。
【００２８】
本開示の一態様において、型組成物は、鋳造中に合金との最小限の反応を提供し、型は、必要なコンポーネント特性を鋳造物に提供する。特定の実施形態において、型のフェイスコートは、鋳造中に合金との最小限の反応を提供し、型は、必要なコンポーネント特性を鋳造物に提供する。鋳造物の外部特性は、形状、幾何構造および表面仕上げ等の特徴を含む。鋳造物の内部特性は、機械的特性、微細構造、指定されたサイズ未満ならびに許容され得る限度内の欠陥（例えば細孔および含有物）を含む。
【００２９】
一実施形態において、型は、炭化ケイ素を含有する連続した固有フェイスコートを含有し、この炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、型のバルクと型穴との間に位置する。関連した実施形態において、炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、約１０ミクロンから約５００ミクロンである。ある特定の場合において、炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、約５０ミクロン未満の粒子サイズを有するカルシウムアルミネートを含む。型組成は、型のバルクが、約５０ミクロンを超えるアルミナ粒子を含むような組成であってもよい。ある特定の実施形態において、炭化ケイ素含有フェイスコートは、型のバルクよりも少ないアルミナを有し、炭化ケイ素含有フェイスコートは、型のバルクよりも多いカルシウムアルミネートを有する。
【００３０】
本開示は、タービンエーロフォイル等のネットシェイプチタンおよびチタンアルミナイドコンポーネントを鋳造するための新たな型組成物およびアプローチを提供する。出願人らの知る限り、段階的ＳｉＣを有するカルシウムアルミネートを含有する型は、誰によっても開示されていない。ここで、インベストメント型は、ＴｉＡｌ低圧タービン翼を低コストで鋳造することができる能力を提供する。型は、従来のシェル型および重力鋳造を使用するよりも少ない機械加工を必要とする、ネットシェイプ部品を鋳造する能力を提供する。型の強度および安定性は、遠心鋳造等の高圧鋳造アプローチを可能とする。課題は、チタンおよびチタンアルミナイド合金と大きく反応しない単純なインベストメント型を製造することである。
【００３１】
したがって、本開示は、一例において、チタンおよびチタン合金の改善されたコンポーネントを提供し得る段階的インベストメント鋳型を提供する。本出願の発明者らは、カルシウムアルミネートセメントと組み合わせて選択された割合の炭化ケイ素を含有する型を設計することにより、改善された結果、ならびにチタンおよびチタン合金のより良好なコンポーネントを達成することが可能であることを発見した。１０パーセントから５０パーセントの炭化ケイ素濃度が開示される。構造は、鋳型内のＳｉＣの場所に依存して、鋳型の改善された特性を提供するように段階的である。型は、良好な強度、増加した熱伝導率、および鋳造中の溶融金属との反応に対する良好な抵抗性を有する。反応に対する増加した抵抗性は、型系内のアルミナの炭化ケイ素による置き換え、ならびに、炭化ケイ素によりもたらされる関連したより急速な固化および結果的なより高い熱伝導率によって提供される。
【００３２】
本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための型に関する。型は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、マイエナイトおよび炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素は、型の異なる部分に異なる濃度で存在するように段階的であり、炭化ケイ素の最高濃度は、フェイスコート内にあり、前記フェイスコートは、型のバルクと、型穴に対して開いた型の表面との間に位置する。
【００３３】
本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための型に関する。型は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、マイエナイトおよび炭化ケイ素を含み、型内の炭化ケイ素の濃度は、炭化ケイ素が型の異なる部分に異なる濃度で存在するように段階的であり、炭化ケイ素の最高濃度は、型のフェイスコート付近にある。フェイスコートは、型のバルクと、型穴に対して開いた型内側表面との間に位置する。炭化ケイ素は、段階的であってもよい。一例において、炭化ケイ素は、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的である。型内の炭化ケイ素は、フェイスコートから最も離れた型のセクション内で最も少なくなるように段階的であってもよい。
【００３４】
フェイスコートは、連続した固有フェイスコートであり、約５０ミクロン未満の粒子サイズを有するカルシウムモノアルミネートおよびカルシウムジアルミネートを含んでもよい。フェイスコートは、固有フェイスコートであってもよく、前記固有フェイスコートは、約１０ミクロンから約５００ミクロンの厚さであってもよい。炭化ケイ素は、約１０重量％から約５０重量％で存在し得る。一例において、炭化ケイ素の最低濃度は、フェイスコートから最も離れた箇所にある。
【００３５】
ここで開示されるような革新的技術は、ネットシェイプチタン合金およびチタンアルミナイド合金タービン翼を鋳造するための、低コストの経路を提供する。本開示は、さらに、カルシウムアルミネートセメント、アルミナおよび炭化ケイ素含有セラミックインベストメントミックスから製造され得る型を使用することにより、ネットシェイプ鋳造の構造的完全性を改善する。より高いコンポーネント強度は、より軽量のコンポーネントを可能とし、より高い疲労強度は、より長い寿命を、ひいてはより低いライフサイクルコストを有するコンポーネントを提供する。
【００３６】
本開示の型は、高圧下で鋳造を行うことができ、これはネットシェイプ鋳造法に望ましい。有益な特性を有する鋳造物を提供する型組成物および各構成成分相が特定されている。本開示において、型の配合は、段階的な型内の炭化ケイ素を提供するように設計され、ＳｉＣ粒子サイズもまた、本開示の特徴である。段階化は、例えば、事実上半径方向または軸方向であってもよい。段階化はまた、事実上軸方向および半径方向の両方の組合せであってもよい。
【００３７】
したがって、本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための型に関する。型は、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素は、前記型内で段階的である。炭化ケイ素は、型の異なる部分が異なる濃度の炭化ケイ素を有するように段階的である。炭化ケイ素の濃度は、型のフェイスコート付近で最も高くてもよい。フェイスコートは、型のバルクと、型穴に対して開いた型内側表面との間に位置してもよい。
【００３８】
炭化ケイ素は、型の約１０重量％から約５０重量％で存在し得る。型は、型のバルクおよび固有フェイスコートを備えてもよい。型のバルクおよび固有フェイスコートは、異なる組成を有してもよく、段階的な炭化ケイ素は、フェイスコートにおいて最も高濃度であってもよく、フェイスコートから最も離れた型のバルクのセクションにおいて最も低濃度であってもよい。型は、型のバルク内に、外形寸法が約５００ミクロン未満である酸化物粒子、例えば酸化アルミニウム粒子をさらに含んでもよい。型内の炭化ケイ素は、フェイスコート付近でより多くなるように軸方向に段階的であってもよい。一例において、炭化ケイ素は、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的である。
【００３９】
本開示の別の態様は、チタン含有物品を鋳造するための型であって、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素は、型の異なる部分に異なる量で存在するように前記型内で段階的であり、炭化ケイ素の最高濃度は、型のバルクと、型穴に対して開いた型の表面との間に位置する型に関する。
【００４０】
カルシウムアルミネートは、型を作製するために使用される組成物の２０重量％超を占めてもよい。型は、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、またはそれらの組成物をさらに含んでもよい。一例において、酸化アルミニウム粒子は、型を作製するために使用される組成物の約３０重量％から約６８重量％を占める。別の例において、型は、型組成物の約１０重量％から約５０重量％の酸化カルシウムをさらに含む。カルシウムモノアルミネートおよびカルシウムジアルミネートは、型の２０重量％超を占めてもよい。
【００４１】
最初のカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体、および最終的なカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体のパーセンテージは、本開示の特徴である。一実施形態において、本開示は、固体として、粒子、例えばカルシウムアルミネート、酸化アルミニウムおよび炭化ケイ素に言及する。最初のカルシウムアルミネート−液体セメントミックスは、スラリーを形成するために水と混合された、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、マイエナイト、酸化物粒子および炭化ケイ素を含む。最終的なカルシウムアルミネート−液体型配合物は、大型の酸化物粒子を含む。一例において、最初のカルシウムアルミネートセメントミックスは、均一および一様なスラリーを提供するために水と混合された、微細（例えば５０ミクロン未満、一例において１０ミクロン未満）アルミナを含む。別の例において、最終的なカルシウムアルミネートセメントミックスは、大型（一例において５０ミクロン超、別の例において１００ミクロン超）のアルミナを最初のスラリーに添加し、２分から１５分の間混合して均一なミックスを達成することにより形成される。
【００４２】
一例において、最初のカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体のパーセンテージは、約６０％から約７８％である。一例において、最初のカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体のパーセンテージは、約７０％から約８０％である。別の例において、大型アルミナ（１００ミクロン超）のアルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体は、約７０％から約９５％である。
【００４３】
本開示は、一例において、チタンおよびチタン合金の改善されたコンポーネントを提供し得るインベストメント鋳型の型構造および組成を提供する。型は、型作製中の改善された型強度、および鋳造中の反応に対する増加した抵抗性を提供する、幾何学的構造および相を含有するように設計される。型は、炭化ケイ素を含有する。一例において、型系内のアルミナの炭化ケイ素での置き換えにより、増加した型性能が提供される。炭化ケイ素は、型内のアルミナおよびカルシウムアルミネートセメントよりも硬いため、炭化ケイ素は、改善された特性、例えば耐摩損／耐磨耗性を提供する。型は、高圧下で鋳造を行うことができ、これはネットシェイプ鋳造法に望ましい。型は、タービン翼等の物品を製造するために使用される。本開示において、型の配合は、型内に段階的にＳｉＣを提供するように設計され、使用される粒子のサイズは、本開示の別の特徴である。
【００４４】
本開示の新たな型構造および組成は、チタン合金を鋳造するための改善された特性を提供する炭化ケイ素を含有する。カルシウムアルミネートを含む段階的炭化ケイ素含有インベストメント鋳型は、以前に開示されていない。以前には、チタン合金鋳造用のセラミックシェル型を用いたアプローチが採用されていた。出願人らの知る限り、炭化ケイ素、カルシウムアルミネートセメントおよびアルミナミックスから構築された段階的構造のインベストメント鋳型を用いた、ＴｉＡｌアルミナイド合金への試みはこれまでにはなかった。
【００４５】
炭化ケイ素を含有する型を作製するための方法もまた開示される。特に、本開示は、段階的炭化ケイ素を含む型を使用した鋳造法を教示する。型内のＳｉＣのバルク組成範囲は、約１０〜５０重量パーセントである。インベストメント型は、一例において、カルシウムアルミネートセメント、ＳｉＣ粒子およびアルミナ粒子の多相混合物からなる。カルシウムアルミネートセメントは、結合剤であり、型内の連続相であり、硬化および鋳造中に強度を提供する。カルシウムアルミネートセメントは、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネートおよびマイエナイトの３つの相からなる。型のバルク内のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５から０．９５の重量分率を占め、フェイスコート内の前記カルシウムモノアルミネートは、約０．１から０．９の重量分率を占める。型のバルク内のカルシウムジアルミネートは、約０．０５から約０．８０の重量分率を占め、フェイスコート内の前記カルシウムジアルミネートは、約０．０５から０．９０の重量分率を占める。型のバルク内のマイエナイトは、約０．０１から約０．３０の重量分率を占め、フェイスコート内の前記マイエナイトは、約０．００１から０．０５の重量分率を占める。
【００４６】
本開示の一態様の型組成は、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）タービン翼、例えばＴｉＡｌ低圧タービン翼の低コスト鋳造を提供する。型組成は、従来のシェル型および重力鋳造を使用して作製される部品よりも少ない機械加工および／または処理を必要とする、ニアネットシェイプ部品を鋳造する能力を提供し得る。本明細書において使用される場合、「ニアネットシェイプ」という表現は、物品の最初の製造が、物品の最終的な（ネット）形状に近く、大幅な機械加工および表面仕上げ等のさらなる処理の必要性が低減されることを暗に意味する。本明細書において使用される場合、「タービン翼」という用語は、蒸気タービン翼およびガスタービン翼の両方を指す。
【００４７】
したがって、本開示は、チタンおよびチタンアルミナイド合金と大きく反応しない型、例えばインベストメント型を製造するという課題に対応する。さらに、本開示のいくつかの態様によれば、型の強度および安定性は、遠心鋳造等の高圧鋳造アプローチを可能とする。本開示の技術的利点の１つは、一態様において、本開示が、例えばカルシウムアルミネートセメントおよびアルミナインベストメント型から製造され得るネットシェイプ鋳造の構造的完全性を改善し得るということである。より高い強度、例えばより高い疲労強度は、より軽量のコンポーネントの製造を可能とする。さらに、より高い疲労強度を有するコンポーネントは、より長持ちすることができ、したがってより低いライフサイクルコストを有し得る。
【００４８】
表面粗度は、鋳造および機械加工された部品の表面完全性を表す指標の１つである。表面粗度は、光学的形状測定により測定されるような指定領域における中央平均粗度値「Ｒａ」、および頂部対谷部平均距離「Ｒｚ」により特徴付けられる。粗度値は、プロファイル上で、または表面上で計算され得る。プロファイル粗度パラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、・・・）がより一般的である。粗度パラメータはそれぞれ、表面を説明するための式を使用して計算される。多くの異なる粗度パラメータが使用されているが、断然Ｒaが最も一般的である。当該技術分野において知られているように、表面粗度は、工具の摩損に関連する。典型的には、研削およびホーニングによる表面仕上げプロセスは、０．１ｍｍから１．６ｍｍの範囲内のＲａを有する表面を生成する。最終的なコーティングの表面粗度Ｒａ値は、コーティングまたはコーティングされた物品の所望の機能に依存する。
【００４９】
平均粗度Ｒａは、高さの単位で表現される。ヤードポンド単位（英単位）系において、１Ｒａは、典型的には１インチの「百万分の１」で表現される。これは、「マイクロインチ」とも呼ばれる。本明細書において示されるＲａ値は、マイクロインチを指す。７０のＲａ値は、約２ミクロンに対応し、３５のＲａ値は、約１ミクロンに対応する。典型的には、高性能物品、例えばタービン翼、タービン羽根／ノズル、ターボチャージャー、往復機関弁、ピストン等の表面は、約２０以下のＲａを有することが必要である。本開示の一態様は、チタンまたはチタン合金を含み、その表面領域の少なくとも一部にわたり２０未満の平均粗度Ｒａを有するタービン翼である。
【００５０】
溶融金属がより高温に加熱されるにつれて、それらはより反応性となる（例えば、型表面との望ましくない反応を生じる）傾向がある。そのような反応は、金属部品を汚染する不純物の形成をもたらし、これは、様々な有害な結果を引き起こす。不純物の存在は、金属の組成を、所望の標準に適合し得ないように変化させ、それにより鋳造品の意図される用途への使用が不可能となる。さらに、不純物の存在は、金属材料の機械的特性に悪影響を及ぼし得る（例えば、材料の強度を低下させる）。
【００５１】
さらに、そのような反応は、表面テクスチャリングをもたらす可能性があり、これは、鋳造品の表面上の実質的な望ましくない粗度を引き起こす。例えば、表面粗度を特性決定するための技術分野において知られているように、表面粗度値Ｒａを使用して、ステンレススチール合金および／またはチタン合金を使用した鋳造品は、典型的には、良好な動作条件において約１００から２００の間のＲａ値を示す。これらの悪影響により、型を充填するためにより低い温度を使用することが余儀なくされる。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、鋳造材料が過度に速く冷却され、鋳型の不完全な充填をもたらし得る。
【００５２】
鋳型組成物
本開示の態様は、チタンおよびチタン合金の改善されたコンポーネントを提供し得るインベストメント鋳型の組成を提供する。本開示の一態様において、カルシウムアルミネートセメントの形態のカルシウムモノアルミネートが提供され得る。カルシウムアルミネートセメントは、「セメント」または「結合剤」とも呼ばれ得る。
【００５３】
ある特定の実施形態において、カルシウムアルミネートセメントは、炭化ケイ素およびアルミナ粒子と混合され、鋳造可能なインベストメント型ミックスを提供する。カルシウムアルミネートセメントは、鋳造可能な型ミックス中、約２０重量％超であってもよい。ある特定の実施形態において、カルシウムアルミネートセメントは、鋳造可能な型ミックス中、約３０重量％から約６０重量％の間である。鋳造可能な型ミックス（鋳型組成物）中２０重量％超のカルシウムアルミネートセメントの使用は、本開示の特徴である。適切なカルシウムアルミネートセメント化学、炭化ケイ素およびアルミナ配合の選択は、型の性能における因子である。一態様において、チタン合金との反応を最小限化するために、型組成物中に十分な量の酸化カルシウムが提供され得る。
【００５４】
一態様において、型組成物、例えばインベストメント型組成物は、カルシウムアルミネートセメント、炭化ケイ素、およびアルミナ粒子の多相混合物を含んでもよい。カルシウムアルミネートセメントは、結合剤として機能することができ、例えば、カルシウムアルミネートセメント結合剤は、型構造の主要骨格構造を提供し得る。一例において、カルシウムアルミネートセメントは、型内の連続相を構成し、硬化および鋳造中に強度を提供する。さらなる例における型組成物は、カルシウムアルミネートセメント、炭化ケイ素、およびアルミナからなり、すなわち、アルミナを含む、または含まないカルシウムアルミネートセメント、炭化ケイ素が、型組成物の実質的に唯一の成分を構成し得る。
【００５５】
型は、型のバルクおよび炭化ケイ素含有フェイスコートを備えてもよく、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、異なる組成を有し、段階的な炭化ケイ素は、フェイスコートにおいて最も高濃度であり、フェイスコートから最も離れた型のバルクのセクションにおいて最も低濃度である。一例において、炭化ケイ素は、軸方向、半径方向、または軸方向および半径方向の両方で段階的である。型は、型のバルクおよび炭化ケイ素含有フェイスコートを備えてもよく、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、異なる組成を有し、型のバルクは、約５０ミクロンを超えるアルミナ粒子を含む。一例において、型は、型のバルク内に、外形寸法が約５００ミクロン未満である酸化アルミニウム粒子をさらに含む。
【００５６】
一例において、本開示は、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含むチタン含有物品鋳型組成物を含む。具体的実施形態において、炭化ケイ素は、鋳型内で段階的である。段階化は、型における軸方向または半径方向の位置の関数としての、連続的または断続的な様式での炭化ケイ素の濃度の調節がある場合を意味する。この段階化は、半径方向、軸方向または半径方向および軸方向の両方であってもよい。鋳型組成物は、酸化物粒子、例えば中空酸化物粒子をさらに含んでもよい。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、それらの組合せ、またはそれらの組成物であってもよい。酸化物粒子は、１種または複数種の異なる酸化物粒子の組合せであってもよい。
【００５７】
型は、型のバルク内にアルミナ粒子をさらに含んでもよく、これらのアルミナ粒子は、外形寸法において約５０ミクロン超であってもよい。型は、型のバルク内に酸化アルミニウム粒子をさらに含んでもよく、これらの酸化アルミニウム粒子は、外形寸法において約５００ミクロン未満であってもよい。フェイスコートは、アルミナをさらに含んでもよい。重量分率でのアルミナのレベルは、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも２０パーセント少なくてもよい。重量分率でのカルシウムモノアルミネートのレベルは、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも２０パーセント多くてもよい。重量分率でのマイエナイトのレベルは、型のバルク内に存在するレベルよりもフェイスコート内で少なくとも５０パーセント少なくてもよい。
【００５８】
鋳型組成物は、例えば中空粒子、すなわち、酸化物により実質的に囲まれた中空のコアまたは実質的に中空のコアを有する粒子の形態の酸化アルミニウムをさらに含んでもよい。これらの中空酸化アルミニウム粒子は、約９９％の酸化アルミニウムを含んでもよく、約１０ミリメートル［ｍｍ］以下の直径等の外形寸法を有してもよい。一実施形態において、中空酸化アルミニウム粒子は、約１ミリメートル［ｍｍ］以下の直径等の外形寸法を有する。別の実施形態において、酸化アルミニウムは、約１０ミクロン［μｍ］から約１０，０００ミクロンの範囲の外形寸法を有し得る粒子を含む。あ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（典型的には約１００ミクロン超の外形寸法または直径）を含んでもよい。中空アルミナ球は、鋳型組成物内に組み込まれてもよく、中空球は、丸い粒子または不規則凝集体等のある範囲の幾何構造を有し得る。ある特定の実施形態において、アルミナは、丸い粒子および中空球の両方を含んでもよい。一態様において、これらの幾何構造は、インベストメント型混合物の流動性を増加させることが発見された。とりわけアルミナは、ある特定の先行技術の用途において使用されているシリカまたはケイ酸塩よりも安定であるため、本発明者らはアルミナの使用に想到した。その中空球状アルミナ粒子による向上した流動性は、型から製造された最終的な鋳造物の表面特徴の表面仕上げおよび忠実度または正確性の可能な改善を提供する。
【００５９】
本開示の一実施形態において、炭化ケイ素含有フェイスコートは、アルミナをさらに含み、重量分率でのアルミナのレベルは、型のバルク内に存在するレベルよりも少なくとも２０パーセント低く、炭化ケイ素含有フェイスコートは、型のバルクよりも少なくとも２０パーセント多いカルシウムアルミネート、および少なくとも５０パーセント少ないマイエナイトを有する。具体例において、型内の炭化ケイ素は、フェイスコート内で最も多く、フェイスコートから最も離れた型のセクション内で最も少なくなるように段階的である。
【００６０】
酸化アルミニウムは、外形寸法が約１０ミクロンから約１０，０００ミクロンの範囲の粒子を含む。ある特定の実施形態において、酸化アルミニウムは、外形寸法、例えば直径で約５００ミクロン未満の粒子を含む。酸化アルミニウムは、鋳型組成物の約０．５重量％から約８０重量％を占めてもよい。代替として、酸化アルミニウムは、鋳型組成物の約４０重量％から約６０重量％を占める。代替として、酸化アルミニウムは、鋳型組成物の約３０重量％から約６８重量％を占める。
【００６１】
一実施形態において、鋳型組成物は、酸化カルシウムをさらに含む。酸化カルシウムは、鋳型組成物の約１０重量％超および約５０重量％未満であってもよい。一例における最終的な型は、２グラム／立方センチメートル未満の密度、および５００ポンド／平方インチ［ｐｓｉ］を超える強度を有する。一実施形態において、酸化カルシウムは、鋳型組成物の約３０重量％超および約５０重量％未満である。代替として、酸化カルシウムは、炭化ケイ素含有鋳型組成物の約２５重量％超および約３５重量％未満である。
【００６２】
本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための型であって、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、およびマイエナイトを含むカルシウムアルミネートセメントを含む型であり、型は、型のバルクと型穴との間に約１０ミクロンから約５００ミクロンの炭化ケイ素含有固有フェイスコートを有し、さらに、炭化ケイ素は、型内で段階的である。一実施形態において、フェイスコートは、連続した炭化ケイ素含有固有フェイスコートである。
【００６３】
特定の実施形態において、本開示の鋳型組成物は、カルシウムアルミネートセメントを含む。カルシウムアルミネートセメントは、カルシウムおよびアルミニウムを含む少なくとも３つの相または成分、すなわちカルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、およびマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。
【００６４】
最初のセメント配合物は、典型的には、セメント窯内での焼成後、熱力学的平衡にない。しかしながら、型作製および高温焼成後、炭化ケイ素含有型組成物は、熱力学的に安定な構成に向かって推移し、この安定化は、後の鋳造プロセスに関与する。炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、０．４５超であってもよく、このフェイスコート内のマイエナイトの重量分率は、０．１０未満であってもよい。型のバルク内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、０．５超であってもよく、型のバルク内のマイエナイトの重量分率は、０．１５未満であってもよい。炭化ケイ素の添加は、鋳造中の反応に対してより抵抗性の型を可能とし、その結果、より高い鋳造温度で動作することが可能である。
【００６５】
型のバルク内のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５から０．９５の重量分率を占めてもよく、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートは、約０．１から０．９０である。型のバルク内のカルシウムジアルミネートは、約０．０５から約０．８０の重量分率を占めてもよく、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムジアルミネートは、約０．０５から０．９０である。型組成物のバルク内のマイエナイトは、約０．０１から約０．３０の重量分率を占めてもよく、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のマイエナイトは、約０．００１から０．０５である。
【００６６】
炭化ケイ素は、型のバルクおよびフェイスコートの両方において、異なる量で存在してもよい。例えば、フェイスコートは、型のバルクよりも高い、例えば１０％高い濃度（フェイスコートの単位体積当たり）の炭化ケイ素粒子を含有してもよい。具体的実施形態において、型のバルクおよび固有フェイスコートは、実質的に同様の濃度（単位体積当たり）の炭化ケイ素粒子を有する。しかしながら、本発明者らは、特に段階的様式での、型の異なるセクションにおける異なる量の炭化ケイ素の使用が、鋳造中の反応により抵抗性の型を可能とし、その結果、より高い鋳造温度で動作することが可能であることを発見した。一実施形態において、炭化ケイ素は、１０重量％から５０重量％の間で存在し、炭化ケイ素なしで行われる鋳造と比較して、鋳造中に少なくとも２５％増加した熱伝導率を提供する。本出願の発明者らは、例えば２５％の炭化ケイ素を添加することにより、熱伝導率が５０％超増加することを発見した。一実施形態において、１５％の炭化ケイ素の存在により、熱伝導率が約２５％超増加した。具体例において、２５重量％の炭化ケイ素の存在は、約５０％、約６０％、約７０％、または約８０％の熱伝導率の増加をもたらした。
【００６７】
型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートの厳密な組成は異なり得る。例えば、型のバルク内のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５から０．９５の重量分率を占め、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートは、約０．１から０．９０であり、型のバルク内のカルシウムジアルミネートは、約０．０５から約０．８０の重量分率を占め、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムジアルミネートは、約０．０５から０．９０であり、型組成物のバルク内のマイエナイトは、約０．０１から約０．３０の重量分率を占め、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のマイエナイトは、約０．００１から０．０５である。
【００６８】
カルシウムアルミネートセメント内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、約０．５超であってもよく、カルシウムアルミネートセメント内のマイエナイトの重量分率は、約０．１５未満であってもよい。別の実施形態において、カルシウムアルミネートセメントは、鋳型組成物の２０重量％超である。カルシウムアルミネートセメントは、外形寸法が約５０ミクロン以下の粒子サイズを有してもよい。
【００６９】
型のバルクのセメント内で好適なこれらの相の重量分率は、０．０５から０．９５のカルシウムモノアルミネート、０．０５から０．８０のカルシウムジアルミネート、および０．０１から０．３０のマイエナイトであってもよい。対照的に、型のフェイスコート内のこれらの相の重量分率は、０．１から０．９０のカルシウムモノアルミネート、０．０５から０．９０のカルシウムジアルミネート、および０．００１から０．０５のマイエナイトであってもよい。フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、約０．６超であってもよく、マイエナイトの重量分率は約０．１未満であってもよい。一例において、型のバルクのセメント内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、約０．５超であり、マイエナイトの重量分率は、約０．１５未満である。
【００７０】
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鉱物である。その水和は、インベストメント型の高い初期強度に寄与する。マイエナイトは、水硬性結合の急速な形成により型の硬化の初期段階中に強度を提供するため、セメントにおいて望ましいが、マイエナイトは、鋳造前の型の熱処理時に除去される。
【００７１】
カルシウムアルミネートセメントは、外形寸法が約５０ミクロン以下の粒子サイズを有してもよい。５０ミクロン未満の粒子サイズが、少なくとも以下の３つの理由から使用される：第一に、微細な粒子サイズは、型の混合および硬化中に水硬性結合の形成を促進すると考えられ、第二に、微細な粒子サイズは、焼成中に粒子間焼結を促進し、これによって型の強度が増加され得ると考えられ、第三に、微細な粒子サイズは、型において製造された鋳造物品の表面仕上げを改善すると考えられる。
【００７２】
カルシウムアルミネートセメントは、粉末として生成されてもよく、その固有の粉末形態で、または噴霧乾燥凝集体等の凝集形態で使用され得る。カルシウムアルミネートセメントはまた、微細（例えば、１０ミクロン未満のサイズ）アルミナと事前にブレンドされてもよい。微細アルミナは、高温焼成中の焼結により強度の増加を提供すると考えられる。ある特定の場合において、より大型のアルミナ（例えば、外形寸法が５０ミクロン超のアルミナ）が、微細アルミナ（例えば、外形寸法が５０ミクロン未満のアルミナ）と共に、またはそれなしで添加されてもよい。
【００７３】
最初のカルシウムアルミネート（液体粒子混合物）中の固体、および最終的なカルシウムアルミネート中の固体のパーセンテージは、本開示の特徴である。一例において、最初のカルシウムアルミネート−液体粒子ミックス中の固体のパーセンテージは、約６０％から約８０％である。一例において、最初のカルシウムアルミネート−液体粒子ミックス中の固体のパーセンテージは、約７０％から約８０％である。別の例において、外形寸法が約５０ミクロン未満のカルシウムアルミネート粒子および外形寸法が約７０ミクロン超の大型アルミナ粒子、ならびに外形寸法が約５ミクロンから約１００ミクロンの炭化ケイ素粒子である、最終的なカルシウムアルミネート−液体粒子ミックス中の固体は、約７０％から約９５％である。一例において、最初のカルシウムアルミネート粒子は、約５ミクロンから約５０ミクロンの微細粒子であり、外形寸法が約７０ミクロン超であるアルミナ粒子および約１００ミクロンまでの炭化ケイ素が、水と混合され、均一および一様なスラリーを提供する。いくつかの場合において、最終的なミックスは、徐々に大型のアルミナ粒子、例えば最初に７０ミクロン、次いで１５０ミクロンのアルミナ粒子を最初のスラリーに添加し、２分から１５分の間混合して均一なミックスを達成することにより形成される。
【００７４】
一実施形態において、大型の粒子は、粒子が完全な充填高密度粒子ではない（すなわち、１００％理論密度未満である）ように、粒子内に空間または空気のポケットを有する中空粒子である。この空間／空気の程度は様々であり、中空粒子は、粒子の体積の少なくとも２０％が空気である粒子を含む。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約５％から約７５％が空の空間または空気で構成される粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約１０％から約８０％が空の空間または空気で構成される粒子である。さらに別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約２０％から約７０％が空の空間または空気で構成される粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約３０％から約６０％が空の空間または空気で構成される粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約４０％から約５０％が空の空間または空気で構成される粒子である。
【００７５】
別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約１０％が空の空間または空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約２０％が空の空間または空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約３０％が空の空間または空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約４０％が空の空間または空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約５０％が空の空間または空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約６０％が空の空間または空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約７０％が空の空間または空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約８０％が空の空間または空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約９０％が空の空間または空気で構成される粒子である。
【００７６】
中空粒子、例えば中空アルミナ粒子は、以下の少なくとも２つの機能を果たす：［１］それらは、強度の低減を最小限としながらコアの密度および重量を低減し、約２ｇ／ｃｃ以下の密度で約５００ｐｓｉ以上の強度レベルが得られ；また［２］それらは、型の弾性係数を低減し、鋳造後の型およびコンポーネントの冷却中に柔軟性を提供するのを補助する。増加した型の柔軟性および粉砕性は、コンポーネントに対する引張応力を低減し得る。
【００７７】
カルシウムアルミネートセメントは、外形寸法が約５０ミクロン以下の粒子サイズを有してもよい。外形寸法は、粒子上の２つの点の間の最長距離を指す。粒子が丸い場合、外形寸法は直径を指す。粒子が楕円形状である場合、外形寸法は、楕円粒子の外周上の互いに最も離れた２つの点の間の最長距離を指す。さらに、粒子が不規則形状である場合、外形寸法は、互いに最も離れた不規則形状粒子上の２つの点の間の距離を指す。
【００７８】
段階的炭化ケイ素を含む型
本開示は、とりわけ、チタンおよびチタン合金の改善されたコンポーネントを提供し得るインベストメント鋳型の組成に関する。型は、型のバルクと型穴との間に、炭化ケイ素を含有する連続した固有フェイスコートを含有する。一例において、炭化ケイ素は、型のいくつかのセクションでより高濃度であり、型の他のセクションでより低濃度であるように、型全体で段階的である。外形寸法が約５０ミクロン未満の炭化ケイ素粉末サイズが、型作製プロセスにおいて使用される。本出願の発明者らは、このサイズの炭化ケイ素粉末の使用が、型作製中のフェイスコートへの粒子の偏析を促進することを発見した。したがって、型内の段階的炭化ケイ素の存在は、有益な特性を提供する。型のバルクもまた、炭化ケイ素を含有し得る。
【００７９】
本開示の態様において使用されるカルシウムアルミネートセメントは、典型的には、カルシウムおよびアルミニウムの３つの相または成分、すなわちカルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、およびマイエナイト（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鉱物である。カルシウムモノアルミネートの水和は、インベストメント型の高い初期強度に寄与する。マイエナイトは、水硬性結合の急速な形成により型の硬化の初期段階中に強度を提供するため、セメントにおいて望ましい。しかしながら、マイエナイトは、典型的には、鋳造前の型の熱処理中に除去される。
【００８０】
一態様において、最初のカルシウムアルミネートセメント配合物は、典型的には、セメント製造窯内での焼成後、熱力学的平衡にない。しかしながら、型作製および高温焼成後、型組成物は、熱力学的に安定な構成に向かって推移し、この安定化は、後の鋳造プロセスに有利である。一実施形態において、セメント内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、０．５超であり、マイエナイトの重量分率は、０．１５未満である。マイエナイトは、急速凝結カルシウムアルミネートであり、硬化の初期段階中に型のバルクおよびフェイスコートに強度を提供すると考えられるため、マイエナイトは型のバルクおよびフェイスコートの両方において型内に組み込まれる。消失性のろう模型は温度感受性であり、約３５℃を超える熱曝露でその形状および特性を失うため、硬化は、低温で、例えば摂氏１５度から摂氏４０度の間の温度で行われてもよい。一例において、型は、３０℃未満の温度で硬化される。
【００８１】
カルシウムアルミネートセメントは、典型的には、セメントを高純度アルミナ、炭化ケイ素および高純度酸化カルシウムまたは炭酸カルシウムと混合することにより生成され得、化合物の混合物は、典型的には、炉または窯内で高温に、例えば１０００℃から１５００℃の間の温度に加熱され、反応させられる。
【００８２】
当該技術分野においてセメント「クリンカー」として知られる窯内で得られた生成物は、次いで粉砕、研削、および篩い分けされて、好ましい粒子サイズのカルシウムアルミネートセメントを生成する。さらに、カルシウムアルミネートセメントは、最小限の量の不純物、例えば、最小量のシリカ、ナトリウムおよび他のアルカリ、ならびに酸化鉄を有するように設計および処理される。一態様において、カルシウムアルミネートセメントの目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、およびＴｉＯ2の合計が約２重量パーセント未満となるレベルである。一実施形態において、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、およびＴｉＯ2の合計は、約０．０５重量パーセント未満である。さらに、最終的な型は、最小限の量の不純物、例えば、最小量のシリカ、ナトリウムおよび他のアルカリ、ならびに酸化鉄を有するように設計および処理される。一態様において、最終的な型の目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、およびＴｉＯ2の合計が約２重量パーセント未満となるレベルである。一実施形態において、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、およびＴｉＯ2の合計は、約０．０５重量パーセント未満である。
【００８３】
本開示の一態様において、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）として３５重量％超のバルクアルミナ濃度および６５重量％未満の酸化カルシウムを有するカルシウムアルミネートセメントが提供される。関連する実施形態において、この酸化カルシウムの重量は、５０％未満である。一例において、セメントの最高アルミナ濃度は、約８８％であってもよい（例えば、約１２％のＣａＯ）。一実施形態において、カルシウムアルミネートセメントは、高純度であり、７０％までのアルミナを含有する。カルシウムモノアルミネートの重量分率は、鋳造前の焼成された型において最大化され得る。鋳造合金と型との間の反応を最小限化するには、最小限の量の酸化カルシウムが必要となり得る。本発明者らは、セメント中に５０％超の酸化カルシウムが存在する場合、マイエナイトおよびトリカルシウムアルミネート等の相がもたらされる可能性があり、これらは、鋳造中、カルシウムモノアルミネートほど良好に機能しないことを発見した。一例において、酸化カルシウムの範囲は、約５０重量％未満および約１０重量％超である。
【００８４】
上述のように、型内のカルシウムアルミネートセメント／結合剤中の３つの相は、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、およびマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）である。フェイスコートを生成するセメント中のカルシウムモノアルミネートは、他のカルシウムアルミネート相に勝る次の３つの利点を有する：１）カルシウムモノアルミネートは、急速な凝結反応（但しマイエナイトほど急速ではない）を有し、硬化の初期段階中に型に強度を提供すると考えられるため、型内に組み込まれる。型の強度の迅速な生成は、鋳型の寸法安定性を提供し、この特徴は、最終的な鋳造コンポーネントの寸法的一貫性を改善する。２）カルシウムモノアルミネートは、鋳造されているチタンおよびチタンアルミナイド合金に対して化学的に安定である。カルシウムジアルミネートおよびより高いアルミナ活性を有する他のカルシウムアルミネート相よりも、カルシウムモノアルミネートが使用されるが、それらの相は、鋳造されているチタンおよびチタンアルミナイド合金とより反応性である。３）カルシウムモノアルミネートおよびカルシウムジアルミネートは、低膨張相であり、硬化、脱ろう、およびその後の鋳造中に型内に高レベルの応力が形成されることを防止すると理解されている。カルシウムモノアルミネートの熱膨張挙動は、よりアルミナと一致している。
【００８５】
ある特定の実施形態において、型は、型のバルクと型穴との間に、連続した炭化ケイ素含有固有フェイスコートを含有する。型は、型作製中の改善された型強度を提供する相を含有するように設計され、連続フェイスコートは、増加した熱伝導率および鋳造中の反応に対する増加した抵抗性を提供するように設計される。一例において、型は、さらに、炭化ケイ素が型内で段階的であるように設計される。すなわち、段階的形式で、鋳型の異なる部分が異なる濃度の炭化ケイ素を有する。型は、高圧下で鋳造を行うことができ、これはネットシェイプ鋳造法に望ましい。改善された特性を有する鋳造物を提供する鋳型組成物、特に段階的炭化ケイ素が存在するもの、ならびにフェイスコートおよび型のバルクの構成成分相が特定されている。
【００８６】
フェイスコートは、型内の内側表面、または型穴に隣接する型の領域として定義される。固有フェイスコートは、配合物の元の構成成分から型に提供される種のみを含有するものである。したがって、固有フェイスコートは、元の流し込まれたセラミック配合物に由来しない任意の種を含有しない。対照的に、外来フェイスコートは、別個に適用されるフェイスコートであり、元の配合物の成分中に存在していなくてもよい種を含有する（例えば、別個の操作において生成される）。固有フェイスコートは、一例において、約１００ミクロンの厚さの領域とみなすことができる。炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、約１０ミクロンから約５００ミクロンの厚さであってもよい。炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、約１０ミクロンから約３００ミクロンの厚さであってもよい。炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、約１０ミクロンから約１００ミクロンの厚さであってもよい。炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、約３０ミクロンから約２００ミクロンの厚さであってもよい。具体例において、炭化ケイ素含有フェイスコートは、約５０ミクロン、約１００ミクロン、約１５０ミクロン、約２００ミクロン、約２５０ミクロン、約３００ミクロン、約３５０ミクロン、約４００ミクロン、約４５０ミクロン、または約５００ミクロンの厚さである。フェイスコートは、連続的であってもよい。連続フェイスコートによって、より効果的となることができる。フェイスコートの後ろ、および型穴からより遠く離れた領域は、型のバルクと呼ばれる。
【００８７】
本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するために使用される型の炭化ケイ素含有フェイスコート組成物であって、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、マイエナイトおよび炭化ケイ素を含むフェイスコート組成物であり、フェイスコート組成物は、炭化ケイ素含有固有フェイスコートであり、約１０ミクロンから約５００ミクロンの厚さであり、型のバルクと、型穴に対して開いた型の表面との間に位置する。一例において、型のバルクは、その中に段階的なレベルの炭化ケイ素を有する。一例において、フェイスコートには、最高濃度の炭化ケイ素が存在する。一例において、フェイスコートは、外形寸法が約５０ミクロン未満の粒子サイズのカルシウムアルミネートを含む。型のバルク内のカルシウムアルミネートの粒子サイズは、外形寸法が５０ミクロン超であってもよい。
【００８８】
フェイスコートは、少なくとも、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、および炭化ケイ素の４つの相からなってもよく、炭化ケイ素以外のこれらの相の全ては、最初のカルシウムアルミネートセメント中に存在してもよい。フェイスコートはまた、微細アルミナ粒子を含有してもよい。フェイスコートの後ろの型のバルクは、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、炭化ケイ素、およびアルミナからなる。アルミナは、アルミナ粒子、またはアルミナバブルとして組み込まれてもよい。粒子は、丸い粒子、または不規則凝集体等のある範囲の幾何構造を有し得る。アルミナ粒子サイズは、１０ミクロンまで小さくてもよく、また１０ｍｍまで大きくてもよい。アルミナは、丸い粒子およびバブルの両方からなってもよいが、これは、これらの幾何構造がインベストメント型混合物の流動性を増加させるためである。これらの粒子は、中空であってもよい。典型的には、型のバルク内のアルミナ粒子サイズは、５０ミクロン超である。流動性は、消失模型（ろう等）の周りにインベストメント型ミックスが流し込まれ凝結する間に、消失模型にセメントが分配される様式に影響する。流動性は、型から製造された最終的な鋳造物の表面特徴の表面仕上げおよび忠実度に影響する。一実施形態において、フェイスコート内の粒子のサイズは、５０ミクロン未満であり、型のバルク内の粒子のサイズは、５０ミクロン超である。
【００８９】
本開示はまた、共にチタンおよびチタン合金の改善された鋳造コンポーネントを提供し得る、インベストメント鋳型用の炭化ケイ素含有固有フェイスコート組成物、およびバルク型組成物を提供する。型は、カルシウムアルミネートセメントおよびアルミナ粒子を含み得る。一例において、カルシウムアルミネートセメントは、２つの機能を発揮する。第一に、セメントは、消失模型の除去により生成される型穴内にｉｎ−ｓｉｔｕフェイスコートを生成し、第二に、セメントは、フェイスコートの後ろの型のバルク内のアルミナ粒子間の結合剤として作用する。一例において、フェイスコートは、炭化ケイ素を含有する。一例において、型のバルク組成物は、１０重量パーセントから５０重量パーセントの酸化カルシウムを含有する。一例において、フェイスコート内のＣａＯの組成は、型の２０重量パーセントから４０重量パーセントの間である。最終的な型は、２グラム／立方センチメートル未満の密度および５００ｐｓｉ超の強度を有し得る。
【００９０】
型は、型作製中の改善された型強度を提供する相を含有するように設計され、炭化ケイ素を含有する連続フェイスコートは、増加した熱伝導率および鋳造中の反応に対する増加した抵抗性を提供するように設計される。炭化ケイ素は、鋳造中に増加した熱伝導率を提供するように設計される。この炭化ケイ素は、一例において、増加した熱伝導率および反応に対する増加した抵抗性が必要である、型のある特定の部分（例えば、フェイスコート付近）においてより高濃度で存在し、それほど高温に曝露されず、反応性合金と接触しない、型のある特定の部分（例えば、フェイスコートから最も離れた型のバルク）においてより低濃度で存在する。
【００９１】
一例において、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１ミクロンから約１００ミクロンである。別の例において、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１ミクロンから約５０ミクロンである。具体例において、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０ミクロンから約３０ミクロンである。代替として、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約２０ミクロンから約３０ミクロンであってもよい。具体例において、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約２５ミクロンである。別の例において、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０ミクロン、約１５ミクロン、約２０ミクロン、約２５ミクロン、約３０ミクロン、約３５ミクロン、約４０ミクロン、約４５ミクロン、約５０ミクロン、約６０ミクロン、約７０ミクロン、約８０ミクロン、約９０ミクロン、または約１００ミクロンである。
【００９２】
型は、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートを備えてもよく、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、異なる組成を有し、炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、約５０ミクロン未満の粒子サイズを有するカルシウムアルミネートを含む。型は、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートを備えてもよく、型のバルクおよび固有フェイスコートは、異なる組成を有し、型のバルクは、約５０ミクロンを超えるアルミナ粒子を含む。一例において、型は、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコートを備え、型のバルクは、約５０ミクロンを超えるアルミナ粒子を含み、固有フェイスコートは、約５０ミクロン未満のサイズのカルシウムアルミネート粒子を含む。
【００９３】
本開示において提供されるようなネットシェイプ鋳造アプローチは、Ｘ線、超音波、または渦電流等の非破壊的方法によってより詳細に、およびより低コストで検査され得る部品を可能とする。大き過ぎる厚いセクションにおける検査放射線の減衰および散乱に関連した困難が低減される。より小さい欠陥が解像可能となり得、これは、改善された機械的性能を有する部品を提供し得る。
【００９４】
本開示は、チタンおよびチタン合金の改善されたコンポーネントを提供し得る鋳型組成物および鋳造プロセスを提供する。一実施形態において、型は、カルシウムアルミネートセメント、または結合剤、およびアルミナ粒子を使用して構築される。一実施形態において、型は、型のバルクと型穴との間に、炭化ケイ素含有固有フェイスコートを含有する。フェイスコート内の粒子のサイズは、典型的には、５０ミクロン未満である。型のバルク内の粒子のサイズは、５０ミクロン超であってもよい。型のバルク内の粒子のサイズは、１ｍｍ超であってもよい。フェイスコート内では、粒子のサイズは、５０ミクロン未満であってもよく、型のバルク内の粒子のサイズは、５０ミクロン超であってもよい。一般に、フェイスコートは、連続した炭化ケイ素含有固有フェイスコートであり、それによってより効果的となり得る。
【００９５】
炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、型のバルクよりも、重量分率で少なくとも２０パーセント多いカルシウムアルミネート、少なくとも２０パーセント少ないアルミナ、および少なくとも５０パーセント少ないマイエナイトを有してもよい。炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、０．４５超を有してもよく、マイエナイトの重量分率は、０．１０未満であってもよい。一例において、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートは、０．１から０．９の重量分率を占め、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムジアルミネートは、０．０５から０．９０の重量分率を占め、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のマイエナイトは、０．００１から０．０５の重量分率を占める。炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートの増加した重量分率は、鋳造中の溶融合金と型との反応の速度を低減する。
【００９６】
炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、型のバルクよりも、重量分率で少なくとも２０パーセント多いカルシウムモノアルミネートを有してもよい。炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、型のバルクよりも、重量分率で少なくとも２０パーセント少ないアルミナを有してもよい。一例において、炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、型のバルクよりも、重量分率で少なくとも２０パーセント多いカルシウムアルミネート、少なくとも２０パーセント少ないアルミナ、および少なくとも５０パーセント少ないマイエナイトを有してもよい。
【００９７】
ある特定の実施形態において、フェイスコートの構成成分相、および型のバルクの構成成分相は、鋳造物の特性に関与する。本明細書において開示されるように、型のフェイスコートは、鋳造中に合金との最小限の反応を提供し、その結果、型は、必要なコンポーネント特性を鋳造物に提供する。鋳造物の外部特性は、形状、幾何構造、および表面仕上げ等の特徴を含む。鋳造物の内部特性は、機械的特性、微細構造、および臨界サイズ未満の欠陥（例えば細孔および含有物）を含む。
【００９８】
型のフェイスコートおよび型のバルクの構成成分相に関して、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）は、少なくとも２つの理由から望ましい。第一に、カルシウムモノアルミネートは、型作製の初期段階中のセメント粒子間の水硬性結合形成を促進し、この水硬性結合は、型構築中に型強度を提供する。第二に、カルシウムモノアルミネートは、チタンおよびチタンアルミナイド系合金との非常に低い反応速度を経験する。
【００９９】
一実施形態において、フェイスコートは、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、炭化ケイ素、およびアルミナを含む。一実施形態において、フェイスコート内の粒子のサイズは、外形寸法が５０ミクロン未満である。フェイスコート内では、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）の組み合わせは、５０重量パーセント超であり、アルミナ濃度は、５０重量パーセント未満である。フェイスコート内に２０重量パーセント超のカルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）が存在してもよい。フェイスコートの後ろ、および型穴からより遠く離れた領域は、型のバルクと呼ばれる。一実施形態において、この型のバルクのセクション内では、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）の組み合わせは、５０重量パーセント未満であり、型のバルク内のアルミナ濃度は、５０重量パーセント超である。さらに、一例において、この型のバルクは、その全体にわたり段階的炭化ケイ素を有する。段階的炭化ケイ素は、型内で半径方向に段階的または軸方向に段階的であってもよい。
【０１００】
フェイスコート内の炭化ケイ素の量は変動し得る。例えば、炭化ケイ素の量は、１５重量パーセントから４５重量パーセントまでで変動し得る。本開示の発明者らは、炭化ケイ素が、高温での安定性およびチタン合金の鋳造に対する適合性の点で型およびフェイスコートに優れた特性を提供することができるだけでなく、バルクおよびフェイスコート内のある特定のレベルの炭化ケイ素が最適であることが見出されることを発見した。例えば、フェイスコート内の３５重量パーセントの炭化ケイ素は、良好な結果を提供した。過剰の炭化ケイ素が存在する場合、すなわち、炭化ケイ素のレベルがフェイスコート内で４５重量パーセント以上である場合、鋳造中の炭素取り込みおよび最終的な部品における許容されないレベルの炭素の可能性がある。一方、炭化ケイ素がない、または最小量である場合（例えば約２０重量パーセント未満）、炭化ケイ素が、型の熱伝導率を、炭化ケイ素を含まない型の熱伝導率のレベルを超えて増加させることはない。
【０１０１】
炭化ケイ素含有固有フェイスコートの使用は、外来フェイスコートの使用に勝る大きな利点を有する。チタン合金の鋳造において使用される外来フェイスコートは、典型的には、イットリア系フェイスコート、またはジルコニア系フェイスコートである。具体的には、鋳造に使用される型における外来フェイスコートは、型処理（例えば、消失模型の除去および焼成）ならびに鋳造中に劣化する、亀裂を生じる、および砕ける可能性がある。外来フェイスコートからは剥がれるフェイスコートの一部は、型が溶融金属で充填された際に鋳造物中に混入するか能性があり、セラミックフェイスコートは、最終的な部品中の含有物となる。含有物は、鋳造物から製造されるコンポーネントの機械的性能を低減する。
【０１０２】
宝飾品および歯科補綴物の鋳造において使用される、溶融石英、クリストバライト、石膏等からなる従来のインベストメント型化合物は、チタン合金等の反応性合金の鋳造には好適ではないが、これは、チタンとインベストメント型との間の反応が生じるためである。溶融合金と型との間のいかなる反応も、最終的な鋳造物の特性を劣化させる。劣化は、気泡に起因する表面仕上げの低下という単純なものとなり得、または、より深刻な場合では、鋳型の化学的性質、微細構造、および特性が損なわれる可能性がある。
【０１０３】
課題は、チタンおよびチタンアルミナイド合金と大きく反応しないインベストメント型を製造することであった。これに関して、構造チタンおよびチタンアルミナイド合金の要件に適合する、以前に流し込まれたセラミックインベストメント化合物は、あるとしてもごく僅かである。チタンおよびチタンアルミナイド合金と大きく反応しないインベストメント型が必要とされている。以前のアプローチでは、従来のインベストメント型化合物の制限を低減するために、いくつかの追加的な型材料が開発された。例えば、酸化マグネシウムまたはジルコニアが主成分として使用され、鋳造金属の固化に起因する収縮を相殺するために金属ジルコニウムが主構成成分に添加された、酸化−膨張型のインベストメント化合物が開発された。しかしながら、先行技術のインベストメント化合物は、上記で詳述されるように、制限を有する。
【０１０４】
本開示のカルシウムアルミネートセメントは、セメントまたは結合剤と呼ばれ、一実施形態において、鋳造可能なインベストメント型ミックスを作製するために、炭化ケイ素粒子およびアルミナ粒子と混合される。カルシウムアルミネートセメントは、典型的には、鋳造可能なインベストメント型ミックス中３０重量％超であり、この割合のカルシウムアルミネートセメントの使用は、炭化ケイ素含有固有フェイスコートの形成に有利であるため、本開示の特徴である。出願人らは、正しいカルシウムアルミネートセメント化学の選択およびアルミナ配合が、部分的に型の性能を決定付けることを発見した。一例において、カルシウムアルミネートセメントに関して、出願人らは、チタン合金との反応を最小限化するには、特定量の酸化カルシウム（ＣａＯ）を有することも必要であることを発見した。炭化ケイ素が存在しない場合、熱伝導率は型と同じままである。同様に、炭化ケイ素が少なすぎる（例えば１５重量％未満）場合もまた、熱伝導率は型と同じである。これは、大量の炭化ケイ素（１５〜４５重量パーセント）が存在する場合よりも望ましくない。過剰の炭化ケイ素（例えば４５重量％超）が存在する場合、型内の炭素活性が高過ぎ、鋳造物の炭素汚染が、許容される限界を超えて生じる（例えば５００重量ｐｐｍ）。
【０１０５】
フェイスコートは、約５０ミクロン未満の粒子サイズを有するカルシウムアルミネートセメントを含んでもよい。別の例において、カルシウムアルミネートセメントの粒子サイズは、約１０ミクロン未満であってもよい。一例において、型のバルクは、５０ミクロン超のサイズの粒子を有し、アルミナを含有してもよい。
【０１０６】
フェイスコートは、型のバルクよりも少ないアルミナおよび型のバルクよりも多いカルシウムアルミネートセメントを有する。炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、型のバルクよりも、重量分率で少なくとも２０パーセント多いカルシウムアルミネート、少なくとも２０パーセント少ないアルミナ、および少なくとも５０パーセント少ないマイエナイトを有してもよい。一例において、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートは、０．１から０．９の重量分率を占め、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムジアルミネートは、０．０５から０．９０の重量分率を占め、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のマイエナイトは、０．００１から０．０５の重量分率を占める。炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートおよびジアルミネートの増加した重量分率は、鋳造中の溶融合金と型との反応の速度を低減する。
【０１０７】
最初のセメントスラリーは、３０センチポアズから１５００センチポアズの間の粘度を有するように混合される。一実施形態において、粘度範囲は、５０センチポアズから５００センチポアズの間である。粘度が低過ぎる場合、スラリーは、全ての固体を懸濁状態に維持せず、硬化中により重い粒子の沈降が生じて偏析がもたらされ、炭化ケイ素含有固有フェイスコートが形成されない。すなわち、最終的なスラリーミックスの粘度が低過ぎる場合、硬化中により重い粒子の沈降が生じ、型は、型のバルク全体にわたり必要とされる均一な組成を有さない。粘度が高過ぎる場合、カルシウムアルミネート粒子は消失模型に分配され得ず、固有フェイスコートは形成されない。すなわち、最終的なスラリー／ミックスの粘度が高過ぎる場合、最終的なスラリーミックスは、消失模型の周りに流動せず、型の内側空洞は、最終的な必要とされる部品の鋳造に好適ではなくなる。カルシウムアルミネートセメントおよびアルミナ粒子を含む最終的なスラリーは、約２０００センチポアズから８０００センチポアズの間の粘度を有するように混合される。最終的なスラリーの粘度は、３０００センチポアズから６０００センチポアズの間の範囲であってもよい。
【０１０８】
インベストメント型は、微細（５０ミクロン未満）カルシウムアルミネートセメント粒子、微細（５０ミクロン未満）アルミナ粒子、微細（５０ミクロン未満）炭化ケイ素、およびより大型（１００ミクロン超）のアルミナ粒子の多相混合物からなってもよい。一例において、固有フェイスコートは、５０ミクロン超のいかなるアルミナ粒子も含有しない。水系インベストメントミックス中に懸濁した微細セメント粒子は、型作製中に消失／ろう模型に優先的に分配されるため、炭化ケイ素含有固有フェイスコートが形成され、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、炭化ケイ素、およびアルミナ粒子を含む微細粒子（５０ミクロン未満）に富む固有フェイスコート層を形成する。一実施形態において、フェイスコート内には大型アルミナ粒子（５０ミクロン超）は存在しない。スラリー粘度および固体投入量は、炭化ケイ素含有固有フェイスコートの形成における因子である。固有フェイスコート内に大型（１００ミクロン超）粒子が存在しないことにより、型および得られる鋳造物の表面仕上げが改善される。固有フェイスコート内のカルシウムモノアルミネートおよびジアルミネートの増加した重量分率は、鋳造中の溶融合金と型との反応の速度を低減する。
【０１０９】
炭化ケイ素は、典型的には、１００ミクロン未満のサイズを有する粒子として組み込まれる。本開示において説明されるいくつかの例に使用される炭化ケイ素粉末は、約１０００ミクロンまでの粒子サイズを有していた。アルミナは、アルミナ粒子、または中空アルミナ粒子として組み込まれてもよい。粒子は、丸い粒子、または不規則凝集体等のある範囲の幾何構造を有し得る。アルミナ粒子サイズは、１０ミクロンまで小さくてもよく、また１０ｍｍまで大きくてもよい。一例において、アルミナは、丸い粒子およびバブルまたは中空粒子の両方からなるが、これは、これらの幾何構造がインベストメント型混合物の流動性を増加させるためである。
【０１１０】
流動性は、型から製造された最終的な鋳造物の表面特徴の表面仕上げおよび忠実度を改善する。カルシウムアルミネートセメント粒子は、典型的には、５０ミクロン未満の粒子サイズを有する。５０ミクロン未満の粒子サイズが、以下の３つの理由から使用される：第一に、微細な粒子サイズは、型の混合および硬化中に水硬性結合の形成を促進し、第二に、微細な粒子サイズは、焼成中に粒子間焼結を促進することができ、これによって型の強度が増加され得、第三に、微細な粒子サイズは、型穴の表面仕上げを改善する。
【０１１１】
カルシウムアルミネートセメント粉末は、その固有の形態で、または噴霧乾燥凝集体等の凝集形態で使用され得る。カルシウムアルミネートセメントはまた、より大型のアルミナとの混合前に微細（例えば１０ミクロン未満）アルミナと事前にブレンドされてもよく、微細アルミナは、高温焼成中の焼結により強度の増加を提供し得る。同様に、炭化ケイ素粒子は、典型的には、１００ミクロン未満、好ましくは５０ミクロン未満の粒子サイズを有し、このサイズにおいて、粒子は、カルシウムアルミネートセメント粒子と密に混合され得、フェイスコートの性能に寄与し得る。１００ミクロン未満のサイズを有する炭化ケイ素粒子は、型およびその後の鋳造コンポーネントの表面仕上げを改善し得る。添加される炭化ケイ素の所与の重量分率に対して、炭化ケイ素粒子が大き過ぎる（１００ミクロン超）場合、粒子は、熱伝導率の所望の改善（すなわち増加）をもたらさない。
【０１１２】
型のバルク内では、カルシウムアルミネートセメントは結合剤であり、結合剤は、フェイスコートの後ろの型構造の主要骨格であるとみなされる。これは、型内の連続相であり、硬化および鋳造中に強度を提供する。一実施形態において、型組成物のバルクは、微細（５０ミクロン未満）カルシウムアルミネートセメント粒子、およびより大型（例えば１００ミクロン超）のアルミナ粒子を含む。別の実施形態において、フェイスコート組成物は、カルシウムアルミネートセメントおよび炭化ケイ素を含む。
【０１１３】
フェイスコートを構成するカルシウムアルミネートセメントは、少なくとも３つの相、すなわちカルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、およびマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。一実施形態において、フェイスコートはまた、微細アルミナ粒子を含有してもよい。別の実施形態において、フェイスコートの後ろの型のバルクは、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、炭化ケイ素、およびアルミナを含む。アルミナは、アルミナ粒子、例えば中空アルミナ粒子として組み込まれてもよい。炭化ケイ素およびアルミナ粒子は、丸い粒子、または不規則凝集体等のある範囲の幾何構造を有し得、さらに、これらの粒子は中空であってもよい。アルミナ粒子サイズは、１０ミクロンまで小さくてもよく、また１０ｍｍまで大きくてもよい。
【０１１４】
一実施形態において、アルミナは、丸い粒子および中空粒子の両方からなるが、これは、これらの幾何構造がインベストメント型混合物の流動性を増加させるためである。典型的には、型のバルク内のアルミナ粒子サイズは、５０ミクロン超である。流動性は、消失模型（ろう等）の周りにインベストメント型ミックスが流し込まれ凝結する間に、消失模型にセメントが分配される様式に影響する。流動性は、型から製造された最終的な鋳造物の表面特徴の表面仕上げおよび忠実度に影響する。
【０１１５】
フェイスコートを生成するカルシウムアルミネートセメント粒子は、典型的には、５０ミクロン未満の粒子サイズを有する。５０ミクロン未満の粒子サイズは、以下を含むいくつかの利点を有する：第一に、微細な粒子サイズは、型の混合および硬化中に水硬性結合の形成を促進し、第二に、微細な粒子サイズは、焼成中に粒子間焼結を促進することができ、これによって型の強度が増加され得、第三に、微細な粒子サイズは、型穴の表面仕上げを改善する。カルシウムアルミネートセメント粉末は、その固有の形態で、または噴霧乾燥凝集体等の凝集形態で使用され得る。カルシウムアルミネートセメントはまた、より大型のアルミナとの混合前に微細（例えば１０ミクロン未満）アルミナと事前にブレンドされてもよく、微細アルミナは、高温焼成中の焼結により強度の増加を提供し得る。しかしながら、アルミナ粒子がフェイスコートに分配されると、鋳造特性は低減され得る。
【０１１６】
例えば、炭化ケイ素含有固有フェイスコートが型のバルクよりも多くのアルミナを有するようにアルミナ粒子がフェイスコートに分配される場合、溶融合金は望ましくない様式でアルミナと反応し、表面欠陥および鋳造物自体の内部の欠陥を形成する気泡を生成する。強度および疲労強度等の得られる鋳造物の特性は低減される。ここで開示される方法は、型のバルク内よりも、炭化ケイ素含有固有フェイスコート内において大幅により少ないアルミナを有するフェイスコートの形成を可能にする。
【０１１７】
フェイスコートおよび型の室温から最終焼成温度までの処理、特に熱履歴および湿度プロファイルもまた関与し得る。焼成温度までの加熱速度、および焼成後の冷却速度は、本開示の特徴である。フェイスコートおよび型が過度に急速に加熱された場合、それらは内部もしくは外部、またはその両方で亀裂を生じる可能性があるが、鋳造前のフェイスコートおよび型の亀裂は極めて望ましくなく、少なくとも低品質の表面仕上げをもたらす。さらに、型およびフェイスコートが過度に急速に加熱された場合、型のフェイスコートは亀裂を生じて砕ける可能性があり、これは、最悪の場合、最終的な鋳造物中に望ましくない含有物をもたらす可能性があり、含有物がないとしても、低品質の表面仕上げをもたらす可能性がある。最高型焼成温度に達した後にフェイスコートおよび型が過度に急速に冷却された場合も、フェイスコートまたは型のバルクは、内部もしくは外部、またはその両方で亀裂を生じる可能性がある。
【０１１８】
最初のセメントミックスの固体投入量および最終的な型ミックスの固体投入量は、型構造、および型内に炭化ケイ素含有固有フェイスコートを形成する能力に対する影響を有する。固体投入量のパーセンテージは、ミックス中の全固体を、ミックス中の液体および固体の全質量で除し、パーセンテージとして記述したものと定義される。一実施形態において、最初のカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体のパーセンテージは、約６０パーセントから約７８パーセントである。
【０１１９】
最初のセメントスラリー中の固体投入量が約７０パーセント未満である場合、セメント粒子は懸濁状態を維持せず、型の硬化中、セメント粒子は水から分離し、組成は型全体で均一とはならない。対照的に、セメント中の固体投入量が高過ぎる場合（例えば約７８パーセント超）、大型アルミナを含む最終的なミックスの粘度が過度に高くなり（例えば、添加される大型アルミナ粒子の量、サイズ、および形態に依存して約８５％超）、ミックス中のセメント粒子は、型内の消失模型に分配されることができず、炭化ケイ素含有固有フェイスコートが形成されない。
【０１２０】
大型（例えば約５０ミクロン超、および別の例においては約１００ミクロン超）アルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体のパーセンテージは、約７５パーセントから約９０パーセントであってもよい。大型アルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体のパーセンテージは、約７８パーセントから約８８パーセントであってもよい。別の例において、大型アルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体のパーセンテージは、約７８パーセントから約８４パーセントである。これらのアルミナ粒子は、中空であってもよい。具体的実施形態において、大型アルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体セメントミックス中の固体のパーセンテージは、約８０パーセントである。
【０１２１】
段階的炭化ケイ素型および鋳造方法
インベストメント型は、セラミックコンポーネントのインベストメントミックスを配合し、消失模型を含む容器内にミックスを流し込むことにより形成される。模型上で形成されたインベストメント型は、完全に硬化され、いわゆる「生型」を形成する。炭化ケイ素含有固有フェイスコートおよびインベストメント型は、模型上で形成され、それらが完全に硬化されてこの生型を形成する。典型的には、生型の硬化は、１時間から４８時間の期間行われる。その後、溶融、溶解、点火、または他の知られている模型除去技術により、生型から消失模型が選択的に除去される。ろう模型除去のための典型的な方法は、オーブン内脱ろう（１５０℃未満）、炉内脱ろう（１５０℃超）、蒸気オートクレーブ脱ろう、およびマイクロ波脱ろうを含む。
【０１２２】
チタン合金、ならびにチタンアルミナイドおよびその合金の鋳造の場合、次いで生型を６００℃を超える温度、例えば６００℃から１４００℃の温度で、１時間を超える期間、好ましくは２時間から１０時間焼成し、鋳造のための型の強度を発達させ、型内の任意の望ましくない残留不純物、例えば金属種（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）、および炭素含有種を除去する。一例において、焼成温度は、少なくとも９５０℃である。型を焼成する雰囲気は、典型的には周囲空気であるが、不活性ガスまたは還元ガス雰囲気が使用されてもよい。
【０１２３】
焼成プロセスはまた、型から水を除去し、マイエナイトをカルシウムアルミネートに変換する。型焼成手順の別の目的は、鋳造前にフェイスコートおよび型内に残留する任意の遊離シリカを最小限化することである。他の目的は、水を除去し、高温強度を増加させ、カルシウムモノアルミネートおよびカルシウムジアルミネートの量を増加させることである。
【０１２４】
型は、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。焼成温度までの加熱速度、および焼成後の冷却速度が、典型的には調整または制御される。型が過度に急速に加熱された場合、型は内部もしくは外部、またはその両方で亀裂を生じる可能性があるが、鋳造前の型の亀裂は極めて望ましくない。さらに、型が過度に急速に加熱された場合、型内側表面は亀裂を生じて砕ける可能性がある。これは、最終的な鋳造物中に望ましくない含有物をもたらす可能性があり、含有物がないとしても、低品質の表面仕上げをもたらす可能性がある。同様に、最高温度に達した後に型が過度に急速に冷却された場合も、型は、内部もしくは外部、またはその両方で亀裂を生じる可能性がある。
【０１２５】
型組成の半径方向の段階化を、図２に示す。型組成の半径方向の段階化は、型と同じ長さであり、例えば型キャニスター内に消失模型が設置された後、および型の異なる半径方向の容積内にセラミックＳｉＣ含有型ミックスを流し込む前に型キャニスター内に配置される同心円状のスペーサを使用することにより生成され得る。同心円状のスペーサは、セラミックＳｉＣ含有型ミックスが型キャニスター内に流し込まれた後、およびセラミックＳｉＣ含有型ミックスが硬化される前に型キャニスターから取り出される。
【０１２６】
型組成の軸方向の段階化を図１に示すが、層型構造が形成されている。型組成の軸方向の段階化は、型キャニスター内に消失模型が設置された後に、所定体積の事前に選択されたＳｉＣ含有型ミックスを、型キャニスター内に流し込むことにより生成され得る。このステップは、組成の「層」を生成するが、このステップは、消失模型を含む型キャニスターが設計された組成的段階化で充填されるまで、追加的な所定体積の事前に選択されたＳｉＣ含有型ミックスを用いて繰り返される。
【０１２７】
半径方向および軸方向の段階化の組合せを図３に示す。半径方向および軸方向の段階化の組合せは、上述の２つの技術の組合せを使用して生成され得る。例えば、型組成の半径方向の段階化は、型の全長より短く、例えば型キャニスター内に消失模型が設置された後、および型の異なる半径方向の容積内にセラミックＳｉＣ含有型ミックスを流し込む前に型キャニスター内に配置される同心円状のスペーサを使用することにより生成され得る。同心円状のスペーサは、セラミックＳｉＣ含有型ミックスの層が型キャニスター内に流し込まれた後、および後続の層が流し込まれる前に型キャニスターから取り出される。
【０１２８】
本開示において説明される型組成物は、チタンおよびチタンアルミナイド合金に特に好適である。焼成後および鋳造前の型組成物のフェイスコートおよびバルクは、特に構成成分相に関して、型特性に影響し得る。一実施形態において、鋳造目的のために、型内で高い重量分率、例えば０．１５から０．８の重量分率のカルシウムモノアルミネートが使用される。さらに、マイエナイトは、水感受性であり、鋳造中に水の放出およびガス生成の問題を生じ得るため、鋳造目的のために、型のバルクおよび炭化ケイ素含有固有フェイスコート内のマイエナイトの重量分率を最小限化すること、例えば０．０１から０．２の重量分率を使用することが望ましい。焼成後、型はまた、低重量分率のアルミノケイ酸塩およびアルミノケイ酸カルシウムを含有し得る。アルミノケイ酸塩およびアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計は、型と鋳造物との反応を最小限化するために、典型的には、型のバルク内で５％未満、フェイスコート内で０．５％未満に維持され得る。
【０１２９】
本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための鋳型を形成するための方法である。方法は、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を液体と組み合わせて、カルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップを含み、最初のカルシウムアルミネート／液体混合物中の固体のパーセンテージは、スラリーの約６０重量％から約８０重量％であり、スラリーの粘度は、約３０センチポアズから約１５００センチポアズである。方法は、消失模型を含む型穴内にスラリーを導入するステップと、型穴内でスラリーを硬化させて、チタン含有物品の型を形成するステップとをさらに含む。スラリーを型穴内に加える前に、酸化粒子が添加されてもよく、一例において、中空酸化アルミニウム粒子が添加されてもよい。スラリーの作製前または作製中に、炭化ケイ素がカルシウムアルミネートに添加されてもよい。炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１ミクロンから約１０００ミクロンであってもよい。ある特定の状況において、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約５ミクロンから約１００ミクロンであってもよい。具体例において、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０ミクロンから約５０ミクロンである。一例において、カルシウムアルミネートの粒子サイズは、外形寸法が約５０ミクロン未満である。カルシウムアルミネートセメントは、型を作製するために使用される組成物の２０重量％超を占めてもよい。
【０１３０】
外形寸法は、粒子上の２つの点の間の最長距離を指す。粒子が丸い場合、外形寸法は直径を指す。粒子が楕円形状である場合、外形寸法は、楕円粒子の外周上の互いに最も離れた２つの点の間の最長距離を指す。さらに、粒子が不規則形状である場合、外形寸法は、互いに最も離れた不規則形状粒子上の２つの点の間の距離を指す。
【０１３１】
ある特定の実施形態において、本開示の鋳型組成物は、インベストメント鋳型組成物を含む。インベストメント鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタン含有金属インベストメント鋳型組成物を含む。一実施形態において、インベストメント鋳型組成物は、ニアネットシェイプの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型組成物を含む。ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品は、例えば、ニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン翼を含む。
【０１３２】
正しいカルシウムアルミネートセメント化学およびアルミナ配合の選択は、鋳造中の型の性能における因子である。カルシウムアルミネートセメントに関して、チタン合金との反応を最小限化するために、遊離酸化カルシウムの量を最小限化することが必要となり得る。セメント中の酸化カルシウム濃度が約１０重量％未満である場合、アルミナ濃度が高過ぎるために合金は型と反応し、反応は、鋳造物中の望ましくない酸素濃度レベル、気泡、および鋳造コンポーネントにおける低品質の表面仕上げをもたらす。遊離アルミナは、チタンおよびチタンアルミナイド合金と活発に反応し得るため、型材料においてより望ましくない。
【０１３３】
方法は、酸化粒子をスラリーに添加するステップをさらに含んでもよい。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、およびそれらの組成物からなる群から選択される。酸化物粒子は、酸化アルミニウム（アルミナとしても知られる）であってもよい。酸化アルミニウム粒子は、様々なサイズであってもよく、約５０ミクロン超であってもよい。具体的な場合において、使用されてもよい添加される酸化アルミニウム粒子は、外形寸法が約５００ミクロン未満であってもよい。酸化アルミニウム粒子は、型を作製するために使用される組成物の約３０重量％から約６８重量％を占めてもよい。これらの酸化物粒子は、中空であってもよい。
【０１３４】
セメント中の酸化カルシウム濃度が５０重量％超である場合、型は、環境からの水および二酸化炭素の取り込みに感受性となり得る。したがって、インベストメント型内の酸化カルシウム濃度は、典型的には５０％未満に維持され得る。一実施形態において、インベストメント型のバルク内の酸化カルシウム濃度は、１０重量％から５０重量％の間である。一実施形態において、インベストメント型のバルク内の酸化カルシウム濃度は、１０重量％から４０重量％の間である。代替として、インベストメント型のバルク内の酸化カルシウム濃度は、２５重量％から３５重量％の間であってもよい。一実施形態において、フェイスコート内のＣａＯの組成は、２０重量パーセントから４０重量パーセントの間である。別の例において、型のフェイスコート内の酸化カルシウム濃度は、１５重量％から３０重量％の間である。
【０１３５】
溶融金属または合金を鋳造する前に、インベストメント型は、典型的には、特定のコンポーネントの幾何構造または鋳造される合金に依存する型鋳造温度まで予熱される。例えば、典型的な型予熱温度は、６００℃である。典型的には、型温度範囲は、４５０℃から１２００℃であり、一例において、温度範囲は、４５０℃から７５０℃であり、ある特定の例において、５００℃から６５０℃である。
【０１３６】
一態様によれば、溶融金属または合金は、重力、反重力、圧力、遠心力、および当業者に知られている他の鋳造技術を含み得る、従来の技術を使用して型内に流し込まれる。さらに、真空または不活性ガス雰囲気もまた使用されてもよい。複雑な形状の薄壁幾何構造の場合、高圧を使用する技術が好ましい。固化したチタンアルミナイドまたは合金鋳造物は、典型的には６５０度未満、例えば室温に冷却された後、型から取り外され、グリットブラスト、ウォータージェットブラスト、および研磨等の従来の技術を使用して仕上げられる。
【０１３７】
一態様において、本開示は、チタンおよびチタン合金を鋳造するための方法であって、カルシウムアルミネートおよび大型酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳型組成物を得るステップであって、カルシウムアルミネートおよびアルミナは、液体および炭化ケイ素と組み合わされて、最終的なカルシウムアルミネート／液体混合物スラリーを生成し、最終的な混合物中の固体は、スラリーの約７０重量％から約９５重量％であるステップと、消失模型を含む容器内に前記インベストメント鋳型組成物を流し込むステップと、前記インベストメント鋳型組成物を硬化させるステップと、前記消失模型を型から除去するステップと、型を焼成するステップと、型を型鋳造温度に予熱するステップと、溶融チタンまたはチタン合金を加熱された型内に流し込むステップと、溶融チタンまたはチタン合金を固化させるステップと、固化したチタンまたはチタン合金鋳造物を形成するステップと、固化したチタンまたはチタン合金鋳造物を型から取り出すステップとを含む方法である。一例において、使用される炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０ミクロンから約５０ミクロンである。別の例において、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が１０ミクロンから約１００ミクロンである。炭化ケイ素は、鋳造が炭化ケイ素の非存在下で行われた場合と比較して、鋳造中に熱伝導率を増加させることが判明した。
【０１３８】
一態様において、本開示は、チタンおよびチタン合金の鋳造方法であって、カルシウムアルミネートおよび酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳型組成物を得るステップであって、カルシウムアルミネートは、液体および炭化ケイ素と組み合わされてスラリーを生成し、最終的なカルシウムアルミネート／液体混合物中の固体は、約７５％から約９５％であるステップを含む方法である。方法は、消失模型を含む容器内に前記インベストメント鋳型組成物を流し込むステップと、前記インベストメント鋳型組成物を硬化させるステップと、前記消失模型を型から除去するステップと、型を焼成するステップとをさらに含んでもよい。型の焼成後、方法は、型を型鋳造温度に予熱するステップと、溶融チタンまたはチタン合金を加熱された型内に流し込むステップと、溶融チタンまたはチタン合金を固化させ、固化したチタンまたはチタン合金鋳造物を形成するステップと、固化したチタンまたはチタン合金鋳造物を型から取り出すステップとをさらに含んでもよい。
【０１３９】
炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０ミクロンから約５０ミクロンであってもよい。カルシウムアルミネート粒子は、外形寸法が約５０ミクロン未満の粒子を含んでもよい。酸化アルミニウム粒子は、外形寸法が約５０ミクロンから約１５００ミクロンであってもよい。酸化アルミニウム粒子は、型を作製するために使用されるインベストメント鋳型組成物の約３０重量％から約６８重量％を占めてもよい。カルシウムアルミネートセメントは、型を作製するために使用されるインベストメント鋳型組成物の２０重量％超を占めてもよい。酸化アルミニウム粒子は、中空であってもよい。酸化カルシウムは、インベストメント鋳型組成物の約１０重量％超および約５０重量％未満が酸化カルシウムであるように添加されてもよい。型を作製するために使用される最初のカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固体のパーセンテージは、約６０％から約７８％であってもよい。本開示の一態様は、ここで開示される方法により挙げられるような鋳造方法により作製されるチタンまたはチタン合金物品である。
【０１４０】
本開示の別の態様は、チタンおよびチタン合金の鋳造方法であって、カルシウムアルミネートを含むインベストメント鋳型組成物を得るステップであって、カルシウムアルミネートは、最終的なカルシウムアルミネート／液体混合物中の固体が、約７５％から約９５％となるように、液体中で炭化ケイ素粒子およびアルミナ粒子と組み合わされてスラリーを生成し、得られた型は、炭化ケイ素含有固有フェイスコートを有するステップを含む方法である。一実施形態において、本明細書において教示されるような鋳造方法により作製されるチタンまたはチタン合金物品が請求される。
【０１４１】
消失模型を型から除去するステップと、型を型鋳造温度に予熱するステップとの間で、型はまず、約６００℃から約１４００℃、例えば約９５０℃以上の温度に加熱または焼成され、次いで室温まで冷却される。一実施形態において、硬化ステップは、約３０℃未満の温度で、１時間から４８時間の間行われる。消失模型を除去するステップは、溶融、溶解、点火、オーブン内脱ろう、炉内脱ろう、蒸気オートクレーブ脱ろう、またはマイクロ波脱ろうのステップを含む。一実施形態において、チタンまたはチタン合金を型から取り出すステップの後、鋳造物は、グリットブラストまたは研磨により仕上げられてもよい。一実施形態において、固化した鋳造物が型から取り出された後、鋳造物はＸ線または中性子ラジオグラフィーにより検査される。
【０１４２】
固化した鋳造物は、鋳造および仕上げの後に、鋳造物内の任意の場所における任意の表面下含有物粒子を検出するために、表面検査およびＸ線ラジオグラフィーに供される。Ｘ線ラジオグラフィーは、鋳造物の外側表面の視覚的検査により検出不可能な含有物を発見するために使用される。チタンアルミナイド鋳造物は、従来のＸ線機器を使用したＸ線ラジオグラフィー（フィルムまたはデジタル）に供されて、Ｘ線ラジオグラフが生成され、次いでこれが検査または分析されて、チタンアルミナイド鋳造物中に任意の表面下含有物が存在するか否かが決定される。
【０１４３】
代替として、または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線ラジオグラフィーに供されてもよい。説明された型組成物は、少量の高い中性子吸収断面を有する材料を提供する。一態様において、鋳造物品の中性子ラジオグラフが作成される。チタン合金鋳造物品は、実質的に中性子透過性となり得るため、型材料は、典型的には、得られる中性子ラジオグラフにおいて明確に示される。一態様において、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、型組成物のラジオグラフ上濃い要素の放射性同位体の形成をもたらす、中性子線と鋳造物のラジオグラフ上濃い要素との相互作用が関与する。次いで、放射性同位体は、鋳造物品中に存在する任意のラジオグラフ上濃い要素の同位体を計数する、従来の放射性検出デバイスにより検出可能となり得る。
【０１４４】
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型を形成するための方法である。方法は、カルシウムアルミネートを水等の液体と組み合わせて、液体中のカルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップと、消失模型を含む容器内にスラリーを導入するステップと、型穴内でスラリーを硬化させて、チタン含有物品の型を形成するステップとを含む。一実施形態において、方法は、型穴内にスラリーを導入する前に、酸化物粒子、例えば中空酸化物粒子をスラリーに導入するステップをさらに含む。さらに、一例において、型穴内にスラリーを導入する前に、約１０ミクロンから約１００ミクロンの酸化アルミニウムの中空粒子および炭化ケイ素粒子が添加される。
【０１４５】
形成された型は、生型であってもよく、方法は、生型を焼成するステップをさらに含んでもよい。一実施形態において、鋳型は、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型を含む。一実施形態において、チタン含有物品は、チタンアルミナイド物品を含む。一実施形態において、インベストメント鋳型組成物は、ニアネットシェイプの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型組成物を含む。ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン翼を含んでもよい。一実施形態において、本開示は、本明細書において教示されるように、チタン含有物品鋳型組成物から形成される型に関する。本開示の別の態様は、上述の型において形成された物品に関する。
【０１４６】
本開示のさらに別の態様は、カルシウムアルミネート、炭化ケイ素、および酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳型組成物を得るステップと、消失模型を含む容器内にインベストメント鋳型組成物を流し込むステップと、インベストメント鋳型組成物を硬化させるステップと、消失模型を型から除去するステップと、型を焼成するステップと、型を型鋳造温度に予熱するステップと、溶融チタンまたはチタン合金を加熱された型内に流し込むステップと、溶融チタンまたはチタン合金を固化させて、鋳造物を形成するステップと、固化したチタンまたはチタン合金鋳造物を型から取り出すステップとを含む鋳造法により作製される、チタンまたはチタン合金鋳造物である。一実施形態において、本開示は、本出願において教示される鋳造方法により作製されるチタンまたはチタン合金物品に関する。
【０１４７】
一態様において、本開示は、タービンコンポーネントを製造するための方法である。方法は、カルシウムアルミネート、カルシウムジアルミネート、炭化ケイ素、マイエナイト、および酸化アルミニウムを水と共に混合して、スラリーを形成することにより、型を作製するステップを含む。一例において、炭化ケイ素は、約１５重量％から約４５重量％で存在する。次いで、型は焼成され、溶融チタンまたはチタン合金が型内に流し込まれる。溶融チタンまたはチタン合金が冷却および固化された後、鋳造物が型から取り出される。一例において、炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、約１５重量％から約４５重量％で存在する炭化ケイ素を含む。
【０１４８】
表面粗度は、鋳造および機械加工された部品の表面完全性を表す指標の１つである。表面粗度は、光学的形状測定により測定されるような指定領域における中央平均粗度値「Ｒａ」、および頂部対谷部平均距離「Ｒｚ」により特徴付けられる。粗度値は、プロファイル上で、または表面上で計算され得る。プロファイル粗度パラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、・・・）がより一般的である。粗度パラメータはそれぞれ、表面を説明するための式を使用して計算される。多くの異なる粗度パラメータが使用されているが、断然Ｒaが最も一般的である。当該技術分野において知られているように、表面粗度は、工具の摩損に関連する。典型的には、研削およびホーニングによる表面仕上げプロセスは、０．１ｍｍから１．６ｍｍの範囲内のＲａを有する表面を生成する。最終的なコーティングの表面粗度Ｒａ値は、コーティングまたはコーティングされた物品の所望の機能に依存する。
【０１４９】
平均粗度Ｒａは、高さの単位で表現される。ヤードポンド単位（英単位）系において、１Ｒａは、典型的には１インチの「百万分の１」で表現される。これは、「マイクロインチ」とも呼ばれる。本明細書において示されるＲａ値は、マイクロインチを指す。７０のＲａ値は、約２ミクロンに対応し、３５のＲａ値は、約１ミクロンに対応する。典型的には、高性能物品、例えばタービン翼、タービン羽根／ノズル、ターボチャージャー、往復機関弁、ピストン等の表面は、約２０以下のＲａを有することが必要である。本開示の一態様は、チタンまたはチタン合金を含み、その表面領域の少なくとも一部にわたり２０未満の平均粗度Ｒａを有するタービン翼である。
【０１５０】
溶融金属がより高温に加熱されるにつれて、それらはより反応性となる（例えば、型表面との望ましくない反応を生じる）傾向がある。そのような反応は、金属部品を汚染する不純物の形成をもたらし、これは、様々な有害な結果を引き起こす。不純物の存在は、金属の組成を、所望の標準に適合し得ないように変化させ、それにより鋳造品の意図される用途への使用が不可能となる。さらに、不純物の存在は、金属材料の機械的特性に悪影響を及ぼし得る（例えば、材料の強度を低下させる）。
【０１５１】
さらに、そのような反応は、表面テクスチャリングをもたらす可能性があり、これは、鋳造品の表面上の実質的な望ましくない粗度を引き起こす。例えば、表面粗度を特性決定するための技術分野において知られているように、表面粗度値Ｒａを使用して、ステンレススチール合金および／またはチタン合金を使用した鋳造品は、典型的には、良好な動作条件において約１００から２００の間のＲａ値を示す。これらの悪影響により、型を充填するためにより低い温度を使用することが余儀なくされる。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、鋳造材料が過度に速く冷却され、鋳型の不完全な充填をもたらし得る。
【０１５２】
本開示の一態様は、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含むチタン含有物品を鋳造するための型組成物に関する。炭化ケイ素は、型の異なる部分に異なる濃度および／または異なる粒子サイズで存在するように、型内で段階的であってもよい。例えば、本開示の一態様は、チタン含有物品を鋳造するための型であって、カルシウムアルミネートおよび炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素は、型の異なる部分で異なる量となるように前記型内で段階的であり、より高い濃度の炭化ケイ素は、型のバルクと、型穴に対して開いた型の表面との間にある型に関する。型組成物は、中空アルミナ粒子をさらに含む。物品は、金属物品を含む。一実施形態において、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翼を含む。さらに別の実施形態において、物品は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン翼を含む。このニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン翼は、設置前の材料除去をほとんど、または全く必要としないことが可能である。
【０１５３】
本開示の一態様は、チタンおよびチタン合金を鋳造するためのデバイスに関する。デバイスは、カルシウムアルミネート、炭化ケイ素および酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳型組成物を得るための手段であって、カルシウムアルミネート、炭化ケイ素および酸化アルミニウム粒子は、液体中で混合されてスラリーを生成する手段と、消失模型を含む容器内に前記インベストメント鋳型組成物を流し込むための手段と、前記インベストメント鋳型組成物を硬化させるための手段と、前記消失模型を型から除去するための手段と、型を焼成するための手段と、型を型鋳造温度に予熱するための手段と、溶融チタンまたはチタン合金を加熱された型内に流し込むための手段と、溶融チタンまたはチタン合金を固化させて、固化したチタンまたはチタン合金鋳造物を形成するための手段と、固化したチタンまたはチタン合金鋳造物を型から取り出すための手段とを備える。
【実施例】
【０１５４】
本開示は、概略的に記載してきたが、以下の例を参照することによってより容易に理解することができ、以下の例は、本開示のある特定の態様および実施形態の例示のみを目的として含められ、決して本開示を限定することを意図するものではない。
【０１５５】
第１の例において、約５００ミクロン未満の粒子サイズを有する１９重量％の炭化ケイ素を用いて型を作製した。インベストメント型を作製するための典型的なスラリー混合物は、市販のブレンドされた８０％カルシウムアルミネートセメント５４１６ｇからなっていた。脱イオン水１６４１ｇおよびコロイド状シリカ１８１ｇを使用して、スラリーを生成した。スラリーが許容され得る粘度まで混合されたら、０．８５ｍｍ未満および０．５ｍｍ超のサイズ範囲のアルミナバブル１４７２ｇをスラリーに添加した。スラリーが許容され得る粘度まで混合されたら、５００ミクロン未満および５０ミクロン超のサイズ範囲のＳｉＣ１６２３ｇをスラリーに添加した。混合後、インベストメント型ミックスを、制御された様式で成形容器内に流し込んだ。最終的な型ミックスの固体投入量は、８２．６％であった。型ミックスは、満足のいく粘度およびレオロジーで良好に流し込まれた。
【０１５６】
図１は、型１０の長さに沿って炭化ケイ素の軸方向の段階化を有する型を示す。一例において、型は、軸対称である。一実施形態によれば、型穴のより厚い、またはより硬い領域は、型の熱伝導性を増加させるためにより多くの炭化ケイ素を有し、これは、より均一な熱除去速度を維持するのに役立つ。例えば、蟻継ぎ部および注ぎ用カップの場合等の型穴が大きい場合には、より多くの炭化ケイ素が使用される。エーロフォイルおよびシュラウドの薄いセクションの場合のように型穴がより小さい場合には、より少ない炭化ケイ素が使用される。別の実施形態において、より高い温度に曝される領域は、より高い熱伝導率を有する。
【０１５７】
図１は、型の長さに沿って炭化ケイ素の軸方向の段階化を有する型の例を示す。型は、熱伝導率を増加させ、鋳造物のより厚い断面のセクションからのより効率的な熱除去を提供するために、基部でより高いＳｉＣの重量分率を有するように段階的である。とりわけ、鋳造物はより薄い断面を有し、効率的な熱除去は比較的必要ではないため、型は、上部でより低いＳｉＣの重量分率を有するように段階的である。
【０１５８】
再び図１を参照すると、型１０は、段階的ＳｉＣのいくつかの領域を有し、高から低までの範囲の型の熱伝導率を提供する。型のバルク１５は、物品６０を形成するように構成される。この例において、型のバルク１５は、約４０％等のＳｉＣのより高い平均パーセンテージを有する部分２０を有し、高い熱伝導率を可能としている。約４０％のＳｉＣおよび約６０％のアルミナが存在するそのような例において、高い熱伝導率は、１０ワット／ｍ／ｋ超である。５％未満の炭化ケイ素が存在する一実施形態において、熱伝導率は、５ワット／ｍ／ｋ未満である。ＳｉＣのパーセンテージは減少し、ＳｉＣの平均パーセンテージがより少ない、例えば約３０％である部分３０が存在する。ＳｉＣのパーセンテージは減少し続け、ＳｉＣの平均パーセンテージが約２０％である部分４０が存在する。この例において、事実上型のバルク内にＳｉＣがない部分５０が存在する。そのような領域は、標準的ＣＡ２５セメント系配合物を含んでもよい。
【０１５９】
図２Ａおよび２Ｂは、炭化ケイ素の半径方向の段階化を有する型の例を示す。図２Ｂは、型の中心部での型の横断面を示す。型の中心はＳｉＣを含有せず、型の外側リングは、カルシウムアルミネートおよびＳｉＣの配合物を含有する。型の半径方向に厚い領域は、型の外側部分における型の熱伝導性を増加させるためにより多くの炭化ケイ素を有するように設計され、この特徴は、厚いセクションを有する部品のための型からのより高い熱除去速度を維持するのに役立つ。
【０１６０】
図２Ａおよび２Ｂは、型２００の半径方向の段階化の例を示す。型のバルクは、ＳｉＣ外側部分２１０、およびＣＡ２５セメント系配合物等の内側部分２２０を備える。物品２３０は、半径方向に段階的な型内に形成される。一例において、ＳｉＣ外側部分は、約４０％のＳｉＣを含む。型の直径は、いくつかの理由から、例えばより大型の部品に対応するため、または、遠心鋳造もしくは真空加圧鋳造において使用されるようなより高い鋳造圧力に対応するために、増加されてもよい。しかしながら、鋳型の半径方向の厚さが増加するにつれて、型から熱を除去する能力は減少する。この問題を克服するために、型の外側領域に炭化ケイ素を添加して、型の外側領域の熱伝導性を増加させる。
【０１６１】
一例において、図２Ｂに示されるように、型の半径方向に厚い領域は、型の熱伝導性を増加させるために型がより多くの炭化ケイ素を有するように設計され、これは、厚いセクションを有する部品からのより速い熱除去速度を維持するのに役立つ。
【０１６２】
図３Ａ〜３Ｄは、炭化ケイ素の軸方向および半径方向の両方の段階化を有する型の例を示す。図３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄは、型の長さに沿った３つの軸方向距離における型の横断面を示す。鋳造物セクションがより厚い部分で、より高いＳｉＣ重量分率を含む型配合物が示されている。例えば、大きな直径の型を必要とする大型部品の場合、半径方向の段階化を使用することができる。大きな型穴を必要とする部品のそれらのセクションにおいて、型の軸方向の領域においてより多くの炭化ケイ素を使用して、その軸方向の領域からより多くの熱が除去され得るようにすることができる。
【０１６３】
この例において、軸方向および半径方向の型３００は、段階的なＳｉＣのセクションを有し、様々なセクションに対して様々な長さおよび幅を有する。例えば、より高いパーセンテージ、例えば約５０％のＳｉＣを有する部分が、外側セクション３１０上にある。外側セクションと比較してより低いパーセンテージのＳｉＣを有する内側半径方向部分があり、内側半径方向部分は、約４０％ＳｉＣであってもよい（３２０）。
【０１６４】
図４は、例えば図１に示される段階化とは対照的な、炭化ケイ素の軸方向の段階化を有する型の例を示す。型は、図４においてシュラウドである充填される型の第１の領域（上端部）でより高い熱伝導性を有するように、また型の下端部（蟻継ぎ部）でより低い熱伝導性を有するように設計される。型は、図４に示される方向で、型の上部（シュラウド）から型の下部（蟻継ぎ部）に、鋳造物内で柱状粒を成長させるように設計される。
【０１６５】
図５は、異なるＳｉＣ含有配合物を用いて作製された異なる型の様々な例、ならびに温度および時間効果を示す曲線を示す。型が製造された後の最初の約２４時間の硬化中のこれらの配合物の温度履歴が考慮されている。ＳｉＣを５０重量パーセントに増加させると、硬化中に型において生じる最大温度が低減されることが観察され得る。
【０１６６】
図５において、１つの例は、セメントの６００グリットＳｉＣによる置換の効果、およびバブル置換と比較した発熱に対するより大きな冷却効果を示している。より低い発熱は、５０％少ないＣＡ２５Ｃを有することに起因する。ＣＡ２５Ｃの硬化反応は発熱反応であり、これは型の加熱を引き起こす。より低いピーク温度に対する考えられる説明としては、ＳｉＣのより高い熱伝導率が、型からのより速い熱の移動を助けること、および６００グリットＳｉＣが分裂して、ＣＡ２５Ｃ粉末との間の緩衝剤として作用することが含まれる。これは、単位体積当たり反応中に放出されるエネルギーの量を低下させ、より低いピーク硬化温度をもたらす。以下の表Ａ中の３つの例は、ＳｉＣ置換バブルを示す。
【０１６７】
【表１】
2015229194.tif 000003
さらに、図５は、発熱が２５℃にしか達しなかったため、予測されるように、固体エーロフォイルライザーが型の実施例５の亀裂を引き起こさなかったことを示している。３０グリットＳｉＣによるバブルの置換は、発熱反応にそれほどの影響を有さなかったが、これはおそらく、最大量のセメントがミックス内に残留し、３０グリットＳｉＣ粒子は６００グリットＳｉＣほど分散しなかったためである。
【０１６８】
図６は、２つのセクションに切断された型の写真を示す。まず、下から、型の上部から約５ｃｍの領域まで、長さに沿って型を切った。次に、型の上部から約５ｃｍの部分を横断面に切断した。型の段階的構造が観察され得る。
【０１６９】
図６を参照して、様々な試料が例示されているが、段階的炭化ケイ素含有型の一例の組成に関し、以下の表Ｂ中の表特性に従い作製された。
【０１７０】
【表２】
2015229194.tif 000004
別の例は、以下の表Ｃに示されるような以下の特性を有する。
【０１７１】
【表３】
2015229194.tif 000005
図７Ａ〜７Ｄは、温度の関数としてのアルミナおよび炭化ケイ素の熱伝導率および比熱を示す（先行技術）。溶融物を型内に流し込む間、およびその後の固化の間の型の温度における熱伝導率および比熱の値が、特に考慮される。約摂氏５００度を超える温度でのＳｉＣの大幅に高い熱伝導率が観察された。図７Ａは、アルミナの熱伝導率を示す。図７Ｂは、アルミナの比熱のグラフを示す。図７Ｃにおいて、グラフは、炭化ケイ素の熱伝導率を示す。図７Ｄは、炭化ケイ素の比熱を示す。炭化ケイ素の含有は、炭化ケイ素が存在しない場合と比較して、発熱を低減する効果を有する。例えば、炭化ケイ素が存在する結果、約４０％発熱が低減され得る（グラフを参照されたい）。
【０１７２】
一例において、カルシウムアルミネートセメント、水、およびコロイド状シリカを容器内で混合することにより、型ミックスを調製した。高せん断型混合を使用した。十分に混合しないと、セメントはゲル化する可能性があり、流動性が低減して型ミックスが消失模型を均一に被覆せず、炭化ケイ素含有固有フェイスコートが生成されない。セメントが混合物中に完全に懸濁している時に、アルミナ粒子を添加する。例えば、セメントが混合物中に完全に懸濁した時に、微細アルミナ粒子を添加する。微細アルミナ粒子がセメントと完全に混合したら、微細炭化ケイ素微粒子を添加し、セメントスラリーと混合した。微細炭化ケイ素粒子がセメントと完全に混合したら、より大きなサイズ（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する。最終的なミックスの粘度は、低過ぎても高過ぎてもならないため、高品質炭化ケイ素含有固有フェイスコートの形成のための別の因子である。本開示の別の因子は、セメントミックスの固体投入量および水の量である。さらに、型作製プロセスステップの間、選択された時点で、促進剤および抑制剤が使用されてもよい。
【０１７３】
混合後、インベストメントミックスを、制御された様式で、消失性のろう模型を含む容器内に流し込む。容器は、型の外部幾何構造を提供し、消失模型は内部幾何構造を生成する。正しい流し込み速度はさらなる特徴であり、それが速過ぎる場合、空気が型内に捕捉され得、それが遅すぎる場合、セメントおよびアルミナ微粒子の分離が生じ得る。好適な流し込み速度は、１分当たり約１リットルから約２０リットルの範囲である。一実施形態において、流し込み速度は、１分当たり約２リットルから約６リットルである。具体的実施形態において、流し込み速度は、１分当たり約４リットルである。
【０１７４】
一実施形態において、型配合物は、焼成時に型のフェイスコートおよび型のバルクの両方の線収縮が１パーセント未満であるように設計された。ミックス内に組み込まれる軽量溶融アルミナ中空粒子は、低い熱伝導率を提供する。一例において、大型アルミナ粒子を含まない全ての成分との最初のセメントスラリー混合物の固体投入量は、６０％であり、この値は、型において炭化ケイ素含有フェイスコートを形成し得るセメントスラリーを作製するための所望の限界を下回る。一実施形態において、型は、約１００ミクロンの厚さを有する炭化ケイ素含有固有フェイスコートを形成した。
【０１７５】
アルミナ中空粒子は、低減された密度およびより低い熱伝導率を有する型を提供する。一実施形態において、配合物は、直径約１２０ｍｍおよび長さ４００ｍｍの型を生成した。型を硬化させ、高温で焼成した。生成された型を、良好な表面仕上げを有するタービン翼等のチタンアルミナイド含有物品の鋳造に使用した。粗度（Ｒａ）値は、１００未満であり、酸素含量は２０００ｐｐｍ未満であった。ほとんどの実施形態において、配合物は、立方センチメートル当たり１．８グラム未満の密度を有する型を生成した。一実施形態において、型のバルクの熱伝導率は、全ての温度においてアルミナの熱伝導率よりも実質的に低い。熱伝導率は、熱線白金抵抗温度計技術（ＡＳＴＭ試験Ｃ−１１１３）を使用して測定した。
【０１７６】
一例において、型は、炭化ケイ素含有固有フェイスコートを形成するが、型のバルクの組成、および特にフェイスコートの組成は、過剰のシリカを含有する。型内のシリカのバルク組成は、約１．５重量パーセントである。ミックス中の高濃度のコロイド状シリカは、最終的な焼成された型内の残留結晶シリカ、ならびにケイ酸塩、例えばアルミノケイ酸カルシウムおよびアルミノケイ酸塩をもたらし得る。型、および特にフェイスコートの高シリカ含量は、いくつかの型配合物の２つの制限を提供する。第一に、焼成時に収縮が生じ得、これはフェイスコートにおける亀裂およびコンポーネントの寸法制御等の問題をもたらす。第二に、フェイスコート内の高シリカ含量は、鋳造中に型が充填された時に、溶融チタンおよびチタンアルミナイド合金との反応を引き起こす可能性があり、この反応は、許容されない鋳造品質をもたらす。
【０１７７】
一例において、最終的な型ミックスの固体投入量が８０％以上（例えば８１％）である場合、型は、型のバルク、および型の炭化ケイ素含有固有フェイスコートの両方において、型の１６インチの長さに沿って均一な組成を有する。型内のシリカのバルク組成は、０．６重量パーセントである。型は、低いシリカ含量を有する炭化ケイ素含有固有フェイスコートを形成する。型、および特に炭化ケイ素含有固有フェイスコートの低いシリカ含量は、チタンおよびチタンアルミナイド合金の鋳造に好ましい型を提供する。型内のアルミナ中空粒子の重量パーセントは、約３５パーセントである。型は、約１００ミクロンの厚さを有する炭化ケイ素含有固有フェイスコートを形成する。型は、焼成時、１パーセント未満の線収縮を経験する。型は、鋳造に好適である。
【０１７８】
一実施形態において、生成される型配合物は、いくつかの魅力的な特質を有するが、いくつかの制限を有する。第一に、型における炭化ケイ素含有固有フェイスコートは、所望されるよりも薄く、これは、流し込む前の最終的なミックスの高い固体投入量に起因する。第二に、型ミックス中に過剰のコロイド状シリカが存在する場合、これは、焼成後、型のバルク内および最終的な型の炭化ケイ素含有フェイスコート内に、過剰のシリカ、およびアルミノケイ酸カルシウム等の結果的なケイ酸塩をもたらす。
【０１７９】
型、および特にフェイスコートの高いシリカおよびケイ酸塩含量は、いくつかの例示的な型配合物の２つの制限を提供する。まず、焼成時に収縮が生じ得、これはフェイスコートにおける亀裂およびコンポーネントの寸法制御等の問題をもたらす。第二に、フェイスコート内の高シリカ含量は、鋳造中に型が充填された時に、溶融チタンアルミナイド合金との反応を引き起こす可能性があり、この反応は、許容されない鋳造品質をもたらす。最後に、アルミナ中空粒子サイズが大き過ぎる場合、これは、得られるミックスの流動性を低減する。より低い流動性は、より薄い炭化ケイ素含有固有フェイスコートをもたらし、得られる型は、より低い品質を有する鋳造物を製造する。
【０１８０】
インベストメント型ミックスの作用時間が短過ぎる場合、複雑な形状のコンポーネントの大きな型を作製するための時間が不十分である。インベストメント型ミックスの作用時間が長過ぎる場合、およびカルシウムアルミネートセメントが十分迅速に硬化しない場合、微細セメントおよび大型アルミナの分離が生じ得、これは、配合が変動し、得られる型特性が均一ではない偏析した型をもたらし得る。
【０１８１】
コロイド状シリカは、カルシウムアルミネート相と水との反応の速度に影響し得、また硬化中の型強度にも影響し得る。このカルシウムアルミネート相と水との反応の速度は、型作製中のインベストメント型ミックスの作用時間を制御する。この時間は、約３０秒から約１０分の間であった。インベストメント型ミックスの作用時間が短過ぎる場合、複雑な形状のコンポーネントの大きな型を作製するための時間が不十分であり、連続的な炭化ケイ素含有固有フェイスコートが形成されない。インベストメント型ミックスの作用時間が長過ぎる場合、およびカルシウムアルミネートセメントが十分迅速に硬化しない場合、微細セメントおよび大型アルミナの分離が生じ得、これは、配合が変動し、得られる型組成が均一ではない偏析した型をもたらし得るが、これはまた、連続的ではない、または構成成分および特性が変動する炭化ケイ素含有フェイスコートを有する望ましくない位置をもたらし得る。
【０１８２】
型の連続フェイスコートを構成し、型のバルクの結合剤を提供するセメント中の構成成分相は、本開示の特徴である。カルシウムアルミネートセメント中の３つの相は、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、およびマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含み、本発明者らは、いくつかの目的を達成するためにこの選択を行った。第一に、相は、溶解または部分的に溶解し、その後のインベストメント型作製スラリー中の全ての凝集体相を保持し得る懸濁液を形成しなければならない。第二に、相は、流し込まれた後に型の凝結または硬化を促進しなければならない。第三に、相は、鋳造中および鋳造後に型に強度を提供しなければならない。第四に、相は、型内で鋳造されるチタン合金との最小限の反応を示さなければならない。第五に、型は、固化後の冷却中に生成される部分に対する熱応力を最小限化するために、チタン合金鋳造物と一致する好適な熱膨張率を有さなければならない。
【０１８３】
型内および型のフェイスコート内のカルシウムアルミネートセメント／結合剤中の３つの相は、一例において、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、および炭化ケイ素である。マイエナイトは、急速凝結カルシウムアルミネートであり、硬化の初期段階中に、炭化ケイ素含有固有フェイスコートおよび型のバルクに強度を提供するため、マイエナイトが型内に組み込まれる。消失性のろう模型は温度感受性であり、約３５℃を超える熱曝露でその形状および特性を失うため、硬化は低温で行われなければならない。一例において、型は、３０℃未満の温度で硬化される。
【０１８４】
上記説明は、例示を意図し、限定を意図するものではないことを理解されたい。例えば、上述の実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用されてもよい。さらに、その範囲から逸脱せずに、特定の状況または材料に適応するために様々な実施形態の教示に多くの変更が行われてもよい。本明細書に記載の材料の寸法および種類は、様々な実施形態のパラメータを定義することを意図するが、それらは決して限定的ではなく、単なる例示である。上記説明を検討すれば、多くの他の実施形態が当業者に明らかである。したがって、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照しながら、そのような特許請求の範囲の対象となる均等物の全範囲と共に、決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「ここで（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれ用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の分かりやすい英語の均等物として使用される。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１」、「第２」および「第３」等という用語は、単に標示として使用され、それらの対象物に数字上の要件を付与することを意図しない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズ−プラス−ファンクション形式で記述されておらず、そのような請求項の限定が、「〜のための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」という語句に続いて、さらなる構造を欠いた機能の記述を明示的に使用しない限り、および使用するまでは、米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．）第１１２条第６項に基づき解釈されることを意図しない。必ずしも、上述のような目的または利点の全てが、任意の具体的実施形態に従って達成され得るわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、当業者には、本明細書に記載のシステムおよび技術が、必ずしも本明細書において教示または示唆され得るような他の目的または利点を達成することなく、本明細書において教示されるような１つの利点または利点の群を達成または最適化する様式で、具現化または実行され得ることが理解される。
【０１８５】
限定された数のみの実施形態と関連して本発明を詳細に説明したが、本発明は、そのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、上で説明されていないが本発明の精神および範囲に適合する、任意の数の変形、変更、置換または均等な構成を組み込むように改変することができる。さらに、本発明の様々な実施形態を説明したが、本開示の態様は、説明された実施形態のいくつかのみを含んでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、上記説明により限定されるとはみなされず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【０１８６】
本明細書は、最良の形態を含めて、本発明を開示するために、またいかなる当業者でも、任意のデバイスまたはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含めて、本発明を実践できるようにするために、例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到するその他の例を含み得る。そのようなその他の例は、特許請求の範囲の文字通りの用語と異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの用語からの実質的ではない相違を有する均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１８７】
１０  型
１５  型のバルク
２０  部分
３０  部分
４０  部分
５０  部分
６０  物品
２００  型
２１０  ＳｉＣ外側部分
２２０  内側部分
２３０  物品
３００  型
３１０  外側セクション
３２０  内側半径方向部分
【図１】
2015229194.tif 000006
【図２】
2015229194.tif 000007
【図３】
2015229194.tif 000008
【図４】
2015229194.tif 000009
【図５】
2015229194.tif 000010
【図６】
2015229194.tif 000011
【図７】
2015229194.tif 000012
【外国語明細書】
2015229194000001.pdf