(57)【要約】  本開示は、アルミン酸カルシウム及びＸ線又は中性子線検出性元素を含むチタン含有物品鋳造用鋳型組成物に関する。さらに、アルミン酸カルシウム、該アルミン酸カルシウムよりも放射線写真上濃い元素及び液体を合わせてスラリーを形成するステップと、スラリーから鋳型を形成するステップと、チタンアルミナイド含有金属を放射線写真上濃い元素を有する鋳型に導入するステップと、前記チタンアルミナイド含有金属を固化させて、鋳型中で物品を形成するステップと、固化したチタンアルミナイド含有金属物品を前記鋳型から取り出すステップと、固化したチタンアルミナイド含有金属物品を放射線写真検査にかけて、放射線写真を得るステップと、物品上又は物品中の放射線写真上濃い元素の存在について前記放射線写真を検査するステップとによって、チタン又はチタン合金鋳物中の表面下セラミック介在物を検出する方法を教示する。【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鋳型組成物であって、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含むアルミン酸カルシウムセメントと、Ｘ線又は中性子線検出性元素とを含む鋳型組成物。
【請求項２】
アルミン酸カルシウムセメントが、鋳型組成物が鋳型を形成するときに、約１００ミクロン未満の固有フェースコートを形成する、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項３】
Ｘ線又は中性子線検出性元素が、鋳型内で混合される、請求項２記載の鋳型組成物。
【請求項４】
外来フェースコートを有しない、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項５】
酸化物粒子をさらに含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項６】
前記酸化物粒子が、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、及び酸化チタン粒子の少なくとも１種を含む、請求項５記載の鋳型組成物。
【請求項７】
前記酸化物粒子が、酸化アルミニウム粒子である、請求項５記載の鋳型組成物。
【請求項８】
前記Ｘ線又は中性子線検出性元素が、イッテルビウム、ハフニウム、ガドリニウム、タングステン、トリウム、ウラニウム、イットリウム、ジスプロシウム、エルビウム、セリウム、及びそれらの組成物を含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項９】
前記Ｘ線又は中性子線検出性元素が、鋳型組成物中約１から約４重量パーセントの範囲である、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項１０】
チタン又はチタン合金鋳物中の表面下セラミック介在物を検出する方法であって、
アルミン酸カルシウム、アルミン酸カルシウムよりも放射線写真上濃い少なくとも１種の元素、及び液体を合わせて、スラリーを形成するステップと、
スラリーからアルミン酸カルシウム及び放射線写真上濃い元素を有する鋳型を形成するステップと、
放射線写真上濃い元素を有する鋳型にチタンアルミナイド含有金属を導入するステップと、
チタンアルミナイド含有金属を固化させて、鋳型中で物品を形成するステップと、
固化したチタンアルミナイド含有金属物品を前記鋳型から取り出すステップと、
固化したチタンアルミナイド含有金属物品を放射線写真検査にかけて、放射線写真を得るステップと、
物品上又は物品中の放射線写真上濃い元素の存在について前記放射線写真を調べるステップと
を含む方法。
【請求項１１】
物品から放射線写真上濃い元素を除去するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
物品から放射線写真上濃い元素を除去するステップが、機械加工、研削、研磨、又は溶接の１つ又は複数を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
合わせるステップが、酸化物粒子をスラリーと合わせるステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記酸化物粒子が、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、及び酸化チタン粒子の少なくとも１種を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記酸化物粒子が、酸化アルミニウム粒子である、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
元素が、酸化物粒子よりも放射線写真上濃い、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
酸化物粒子が、中空酸化物粒子を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
中空酸化物粒子が、中空酸化アルミニウム粒子を含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
アルミン酸カルシウムよりも放射線写真上濃い元素が、イッテルビウム、ハフニウム、ガドリニウム、タングステン、トリウム、ウラニウム、イットリウム、ジスプロシウム、エルビウム、セリウム、及びそれらの組成物を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項２０】
チタン含有鋳造物品が、タービンブレードを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項２１】
チタン含有鋳造物品が、チタンアルミナイドタービンブレードを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項２２】
チタンアルミナイド含有鋳造物品中の鋳型材料介在物の存在を最小化するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
【請求項２３】
モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含むアルミン酸カルシウムセメントと、
アルミン酸カルシウムセメントよりも放射線写真上濃い少なくとも１種の元素と
を含む鋳型組成物。
【請求項２４】
酸化物粒子をさらに含む、請求項２３記載の鋳型組成物。
【請求項２５】
放射線写真上濃い元素が、酸化物粒子よりも放射線写真上さらに濃い、請求項２４記載の鋳型組成物。
【請求項２６】
前記酸化物粒子が、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、及び酸化チタン粒子の少なくとも１種を含む、請求項２４記載の鋳型組成物。
【請求項２７】
酸化物粒子が、中空酸化物粒子を含む、請求項２４に記載の鋳型組成物。
【請求項２８】
中空酸化物粒子が、中空酸化アルミニウム粒子を含む、請求項２７記載の鋳型組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して鋳造用鋳型組成物、並びにチタン及びチタン合金を鋳造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代のガスタービン、特に航空エンジンは、信頼性、重量、出力、経済性、及び運転耐用年数に関して最高の要求を満足させなければならない。航空エンジンの開発において、とりわけ、材料選択、新しい適切な材料の探求、及び新しい製造方法の探究は、基準を満たし、要求を満足させる際に重要な役割を果たす。
【０００３】
航空エンジン又は他のガスタービンに使用する材料には、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる）及び高張力鋼が含まれる。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エンジンの高温部品に適しており、高張力鋼は、例えば、コンプレッサ筐体及びタービン筐体に使用される。コンプレッサ用部品などの高負荷又は高応力ガスタービン部品は、例えば、鍛造部品である。他方で、タービン用部品は、典型的にはインベストメント鋳造部品として製作される。
【０００４】
インベストメント鋳造は新しい方法ではないが、より入り組んで複雑な部品に対する需要が増加するにつれてインベストメント鋳造市場は増加し続けている。高品質、精密鋳物に対する大きな需要のために、より迅速に、効率的に、安価に及び高品質のインベストメント鋳物を製造するための新たな方法を開発する必要性が継続してなお存在している。
【０００５】
溶融シリカ、クリストバライト、石膏などからなり、宝石及び歯科補綴物鋳造業界で使用している従来のインベストメント鋳型化合物は、チタン合金などの反応性合金の鋳造に適していない。理由の一つは、成形チタンとインベストメント鋳型との間に反応があるからである。酸素、窒素、及び炭素などの元素に対するチタンの高い親和性のために、チタン及びチタン合金並びに同様の反応性金属をセラミック鋳型中でインベストメント鋳造することは困難である。高温で、チタン及びその合金は、鋳型フェースコートと反応し得る。
【０００６】
溶融合金と鋳型との間になんらかの反応が生じる場合、最終的な鋳物の特性は、大きく劣化する。この劣化の形態は、気泡による表面仕上げ不良を含むことがあり得、又はより深刻な場合には、鋳物の化学、微細構造及び特性が損なわれる。鋳造合金部品の表面上の粗さ及び／又は穴は、例えば、タービンブレード用途における空力性能を低下させ、及び回転又は往復部品用途における磨耗及び摩擦を増加させることがあり得る。したがって、当技術分野において、新規で、実用的及び有用な鋳造用鋳型組成物、並びにチタン合金などの反応性合金中の介在物を検出する方法に対する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０３４７６５Ａ２号
【発明の概要】
【０００８】
本開示の態様は、最新技術の限界を克服する、鋳造用鋳型組成物、鋳造方法、及び鋳造物品を提供することである。本開示の一部の態様は、航空宇宙産業用の部品、例えば、エンジンタービンブレードの製作に向けることができる。さらなる態様は、あらゆる業界における部品、特に、チタン及び／又はチタン合金を含有する部品の製作に使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一態様は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含むアルミン酸カルシウムセメントと、Ｘ線又は中性子線検出性元素とを含む、チタン含有物品を鋳造するための鋳型組成物である。本開示の別の態様は、アルミン酸カルシウム；及びＸ線又は中性子線検出性元素を含む、チタン含有物品鋳造用鋳型組成物である。一実施形態において、鋳型組成物が鋳型を形成する場合、アルミン酸カルシウムセメントは、約１００ミクロン未満の固有フェースコートを形成する。一実施形態において、Ｘ線又は中性子線検出性元素は、鋳型内で混合される。別の実施形態において、Ｘ線又は中性子線検出性元素は、鋳型内で混合され、固有フェースコートの一部になる。一実施形態において、鋳型組成物は、外来フェースコートを有しない。
【００１０】
一実施形態において、鋳型組成物は、酸化物粒子をさらに含む。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、及び酸化チタン粒子の少なくとも１種を含み得る。さらに、場合によっては、酸化物粒子は、中空酸化物粒子を含み、例えば、中空酸化物粒子は、中空酸化アルミニウム粒子を含む。具体的な実施形態において、酸化物粒子は、酸化アルミニウム粒子である。
【００１１】
別の実施形態において、Ｘ線又は中性線検出性元素は、イッテルビウム、ハフニウム、ガドリニウム、タングステン、トリウム、ウラニウム、イットリウム、ジスプロシウム、エルビウム、セリウム、及びそれらの組成物を含む。Ｘ線又は中性子線検出性元素は、鋳型組成物中に約１から約４重量パーセントの範囲であり得る。放射線写真上濃い元素（ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ  ｄｅｎｓｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）は、酸化物粒子よりも放射線写真上濃くあってもよい。一実施形態において、放射線写真上濃い元素は、アルミン酸カルシウムよりも放射線写真上濃く、イッテルビウム、ハフニウム、ガドリニウム、タングステン、トリウム、ウラニウム、イットリウム、ジスプロシウム、エルビウム、セリウム、及びそれらの組成物の１種又は複数種を含む。
【００１２】
本開示の一態様は、チタン又はチタン合金鋳物における表面下セラミック介在物を検出する方法であって、アルミン酸カルシウム、アルミン酸カルシウムよりも放射線写真上濃い少なくとも１種の元素、及び液体を合わせて、スラリーを形成するステップと、スラリーからアルミン酸カルシウム及び放射線写真上濃い元素を有する鋳型を形成するステップと、チタンアルミナイド含有金属を放射線写真上濃い元素を有する鋳型に導入するステップと、前記チタンアルミナイド含有金属を固化させて、鋳型中で物品を形成するステップと、固化したチタンアルミナイド含有金属物品を前記鋳型から取り出すステップと、固化したチタンアルミナイド含有物品を放射線写真検査にかけて、放射線写真を得るステップと、物品上又は物品中の放射線写真上濃い元素の存在について前記放射線写真を調べるステップとを含む方法である。
【００１３】
一実施形態において、この方法は、放射線写真上濃い元素を物品から除去するステップをさらに含む。放射線写真上濃い元素の物品からの除去は、機械加工、研削、研摩、又は溶接の１つ又は複数のステップを含んでもよい。合わせるステップは、酸化物粒子をスラリーと合わせるステップをさらに含んでもよい。一実施形態において、酸化物粒子は、中空酸化物粒子、例えば、中空酸化アルミニウム粒子を含む。
【００１４】
一実施形態において、この方法は、チタンアルミナイド含有鋳造物品中の鋳型材料介在物の存在を最小化するステップを含む。チタン含有鋳造物品は、エンジン若しくはタービン、又はタービンの部品を含んでもよい。例えば、チタン含有鋳造物品は、タービンブレードを含んでもよい。チタン含有鋳造物品は、チタンアルミナイド含有エンジン、チタンアルミナイド含有タービン、又はチタンアルミナイド含有タービンブレードであってもよい。
【００１５】
本開示の一態様は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含むアルミン酸カルシウムセメントと、アルミン酸カルシウムセメントよりも放射線写真上濃い少なくとも１種の元素とを含む鋳型組成物である。本開示の別の態様は、アルミン酸カルシウム及びアルミン酸カルシウムよりも放射線写真上濃い少なくとも１種の元素を含む鋳型組成物である。一実施形態において、鋳型組成物は、酸化物粒子をさらに含む。関連する実施形態において、放射線写真上濃い元素は、酸化物粒子よりも放射線写真上さらに濃い。
【００１６】
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組成物であって、アルミン酸カルシウム；及びＸ線又は中性子線検出性元素を含む鋳型組成物である。例えば、本開示のある態様は、チタン含有及び／又はチタン合金含有物品又は部品、例えば、チタン含有タービンブレードを鋳造するための鋳型において使用する鋳型組成物の提供に比類なく適していることができる。
【００１７】
本開示のこれら及び他の態様、特徴、及び利点は、添付の図面とともに例として挙げる本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から明らかとなる。
【００１８】
本発明と見なされる主題は、本明細書の終わりの特許請求の範囲において特に指摘及び明確に請求される。本開示の前述及び他の特徴及び利点は、添付の図とともに例として挙げられる本開示の態様の以下の詳細な説明から容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、ｘ軸上に酸化アルミニウムの割合及びｙ軸上に温度を表し、アルミン酸カルシウムセメントについて様々な酸化カルシウム−酸化アルミニウム組成範囲を示し、並びに開示される実施形態による組成物について特定の酸化アルミニウム割合及び温度範囲を示す図である。
【図２ａ】図２ａは、高温焼成後の鋳型微細構造の一実施例を示す。１０００℃で焼成した鋳型の断面の後方散乱走査電子顕微鏡画像を示し、図２ａは、存在するアルミナ粒子を指し示す。
【図２ｂ】図２ｂは、高温焼成後の鋳型微細構造の一実施例を示す。１０００℃で焼成した鋳型の断面の後方散乱走査電子顕微鏡画像を示し、図２ｂは、アルミン酸カルシウムセメントを指し示す。
【図３ａ】図３ａは、高温焼成後の鋳型微細構造の一実施例を示す。１０００℃で焼成した鋳型の断面の後方散乱走査電子顕微鏡画像を示し、図３ａは、存在するアルミン酸カルシウムセメント及び微細スケールアルミナ粒子を指し示す。
【図３ｂ】図３ｂは、高温焼成後の鋳型微細構造の一実施例を示す。１０００℃で焼成した鋳型の断面の後方散乱走査電子顕微鏡画像を示し、図３ｂは、アルミナ粒子を指し示す。
【図４ａ】図４ａは、高温焼成後の鋳型微細構造の一実施例を示す。１０００℃で焼成した鋳型の断面の後方散乱走査電子顕微鏡画像を示し、図４ａは、大スケールアルミナ粒子を指し示す。
【図４ｂ】図４ｂは、高温焼成後の鋳型微細構造の一実施例を示す。１０００℃で焼成した鋳型の断面の後方散乱走査電子顕微鏡画像を示し、図４ｂは、モノアルミン酸カルシウム粒子を指し示す。
【図５】図５は、高温焼成後の鋳型微細構造の一実施例を示し、アルミナ及びモノアルミン酸カルシウムを示し、モノアルミン酸カルシウムは、アルミナと反応してジアルミン酸カルシウムを形成し、一実施例における鋳型は、焼成して、マイエナイト含有量を最小化する。
【図６】図６は、高温焼成後の鋳型微細構造の一実施例を示し、アルミナ及びモノアルミン酸カルシウムを示し、モノアルミン酸カルシウムは、アルミナと反応してジアルミン酸カルシウムを形成し、鋳型は、焼成して、マイエナイト含有量を最小化する。
【図７ａ】図７ａは、鋳造チタンアルミナイド物品の平面視におけるＸ線画像を示す。図７ａは、Ｘ線画像を示し、矢印は、表面下介在物及び鋳物空孔を指し示す。
【図７ｂ】図７ｂは、鋳造チタンアルミナイド物品の平面視におけるＸ線画像を示す。図７ｂは、図７ａの拡大図である。図７ｂは、長さが５．４４ｍｍである、鋳型からの表面下介在物の実施例を示す。鋳物空孔も指示し、一実施例では空孔の直径は０．９９ｍｍであると指示する。
【図８ａ】図８ａは、フェースコートを有する鋳型の概略図を示す。図８ａは、約１００ミクロン厚さである固有フェースコートを有する鋳型を示す。概略図は、鋳型キャビティを有する固有フェースコートを示し、アルミン酸カルシウム鋳型の位置も示す。
【図８ｂ】図８ｂは、フェースコートを有する鋳型の概略図を示す。図８ｂは、約１００ミクロン厚さである外来フェースコートを有する鋳型を示す。概略図は、鋳型キャビティを有する外来フェースコートを示し、アルミン酸カルシウム鋳型の位置も示される。
【図９】図９は、本開示の態様によって、フローチャートを示し、チタン又はチタン合金鋳物における表面下セラミック介在物を検出する方法のステップを例示する。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本開示の実施形態は、鋳型、並びに鋳物の外面に及び／又はその下に存在することがあり得る介在物、例えば、表面及び／又は表面下介在物の容易な検出性を与えることによって、高い構造一体性のチタンアルミナイド及びチタンアルミナイド合金鋳物を製造する方法を提供する。これらの介在物は、例えば、インベストメント鋳造の間に、溶融金属から、鋳型製作工程から、及び／又は鋳造工程から生じることがあり得る。一態様において、表面域（ｓｕｒｆａｃｅ  ｚｏｎｅ）は、鋳造の間に、望ましくない介在物を含み得る、当技術分野で「アルファケース（ａｌｐｈａ  ｃａｓｅ）」として知られる硬く脆い層として形成することがあり得る。この層の厚さは、通常は約０．０３ミリメートル［ｍｍ］である。
【００２１】
インベストメントシェルモールドにおけるチタン及びその合金のインベストメント鋳造によるチタン系機体部品の製造は、鋳物が「ニアネットシェイプ（ｎｅａｒ−ｎｅｔ−ｓｈａｐｅ）」に鋳造されなければならないという観点から問題をもたらす。すなわち、部品は、部品の実質的に最終所望寸法に鋳造され、最終の処理又は機械加工をほとんど又はまったく必要としないことができる。例えば、一部の鋳物は、鋳物上に存在するアルファケースをすべて除去するために単にケミカルミリング操作を必要としてもよい。しかしながら、鋳物中のアルファケースより下に位置するいずれの表面下セラミック介在物も、通常はケミカルミリング操作によって除去されない。これらの表面下介在物は、ケミカルミリング後でさえも、鋳物の目視検査後に目に見えず、鋳物においてアルファケース層より下に残存する。これらの介在物は、鋳型フェースコートと、成形媒体（ｍｏｌｄｉｎｇ  ｍｅｄｉｕｍ）中のいずれかの反応性金属、例えば、反応性チタンアルミナイドとの間の反応によって形成することがあり得る。
【００２２】
本開示は、タービンブレード又は航空翼などのニアネットシャイプのチタン及びチタンアルミナイド部品を鋳造するための新規な手法を提供する。本開示の実施形態は、インベストメント鋳造用鋳型のための組成物、及び例えば、航空宇宙産業で用いられる改善されたチタン及びチタン合金部品を与えることができる鋳造方法を提供する。一部の態様において、鋳型組成物は、鋳型製造の間に改善された鋳型強度及び／又は鋳造の間に鋳物金属との反応に対して増加した抵抗性を与える相を含有してもよい鋳型を提供する。本開示の態様による鋳型は、高圧で鋳造することができてもよく、これは、ニアネットシェイプ鋳造法に望ましい。例えば、アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナ粒子、並びに好ましい成分相を含有する鋳型組成物は、改善された特性を有する鋳物を与えることが確認されている。
【００２３】
一態様において、鋳型の成分相は、モノアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）を含む。本発明者らは、モノアルミン酸カルシウムが少なくとも２つの理由で非常に望ましいとわかった。第１に、モノアルミン酸カルシウムは、鋳型製造の初期段階の間にセメント粒子間の水硬性結合の形成を促進すると考えられ、そしてこの水硬性結合は、鋳型構築の間に鋳型強度を与えると考えられると本発明者らは理解する。第２に、モノアルミン酸カルシウムには、チタン及びチタンアルミナイド系合金との非常に低い反応速度が認められると本発明者らは理解する。ある種の実施形態において、モノアルミン酸カルシウムは、モノアルミン酸カルシウムセメントの形態で本開示の鋳型（例えば、インベストメント鋳型）組成物に与えられる。一態様において、鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメントとアルミナ、すなわち、酸化アルミニウムとの混合物を含む。
【００２４】
本開示の一態様において、鋳型組成物は、鋳造の間に合金との最小反応を与え、鋳型は、必要な部品特性を有する鋳物を与える。鋳物の外的特性には、形状、幾何形状、及び表面仕上げなどの特徴が含まれる。鋳物の内的特性には、機械的特性、微細構造、特定のサイズ未満で、許容できる限界内の欠陥（細孔及び介在物など）が含まれる。
【００２５】
本開示の一態様の鋳型組成物は、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）タービンブレード、例えば、ＴｉＡｌ低圧タービンブレードの低コストの鋳物を与える。鋳型組成物は、従来のシェルモールド及び重力鋳造を用いて製造される部品と比べてあまり機械加工及び／又は処理を必要としないニアネットシェイプ部品を鋳造する能力を与えることができる。本明細書で使用される場合、「ニアネットシェイプ」という表現は、物品の初期の製作物が、費用のかかる機械加工及び表面仕上げなどのさらなる処理の必要性を低減して、物品の最終の（ネット）シェイプに近いことを意味する。本明細書で使用する場合、「タービンブレード」という用語は、スチームタービンブレードとガスタービンブレードの両方を指す。
【００２６】
したがって、本発明者らは、チタン及びチタンアルミナイド合金と有意に反応しない鋳型、例えば、インベストメント鋳型を製造する課題に取り組むものである。さらに、本開示の一部の態様によれば、鋳型の強度及び安定性は、高圧鋳造手法、例えば、遠心分離鋳造を可能にする。本開示の態様の技術的利点の一つは、一態様において、本開示が、例えば、アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナインベストメント鋳型から生じることがあり得るネットシェイプ鋳物の構造的一体性を改善することができることである。強度が高ければ高いほど、例えば、疲労強度が高ければ高いほど、より軽い部品を製作することが可能になる。さらに、より高い疲労強度を有する部品は、より長く持続でき、したがって、より低い寿命サイクルコストを示す。
【００２７】
鋳造用鋳型組成物
本開示の態様は、チタン及びチタン合金の改善された部品を与え得るインベストメント鋳造用鋳型のための組成物を提供する。本開示の一態様において、モノアルミン酸カルシウムは、アルミン酸カルシウムセメントの形態で与えることができる。アルミン酸カルシウムセメントは、「セメント」又は「結合剤」と称してもよい。ある種の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、アルミナ粒子と混合されて、鋳造可能なインベストメント鋳型ミックスを与える。アルミン酸カルシウムセメントは、典型的には鋳造可能鋳型ミックス中約３０体積％を超えていてもよい。ある種の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造可能鋳型ミックス中約３０体積％から約６０体積％である。鋳造可能鋳型ミックス（鋳型組成物）中３０体積％超のアルミン酸カルシウムセメントの使用が、本開示の特徴である。適当なアルミン酸カルシウムセメント化学及びアルミナ配合の選択が、鋳型の性能における要因である。一態様において、チタン合金との反応を最小化するために、十分量の酸化カルシウムが鋳型組成物中に与えてもよい。
【００２８】
一態様において、鋳型組成物、例えば、インベストメント鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメントとアルミナ粒子との多相混合物を含んでもよい。アルミン酸カルシウムセメントは、結合剤として機能することができ、例えば、アルミン酸カルシウムセメント結合剤は、鋳型構造の主骨格構造を与えることができる。アルミン酸カルシウムセメントは、鋳型内で連続相を構成し、硬化、及び鋳造の間に強度を与えることができる。鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナからなってもよく、すなわち、アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナは、他の成分をほとんど又はまったく含まずに、鋳型組成物の実質的に唯一の成分を構成してもよい。一実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウムを含むチタン含有物品鋳造用鋳型組成物を含む。別の実施形態において、鋳造用鋳型組成物は、酸化物粒子、例えば、中空酸化物粒子をさらに含む。本開示の態様によれば、酸化物粒子は、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、及び／若しくは酸化シリカ粒子、又はそれらの組合せであってもよい。
【００２９】
鋳造用鋳型組成物は、酸化アルミニウムを、例えば、中空粒子、すなわち、中空のコア又は酸化物に実質的に囲まれた実質的に中空のコアを有する粒子の形態でさらに含むことができる。これらの中空酸化アルミニウム粒子は、酸化アルミニウムの約９９％を構成し、外形寸法で約０．５ミリメートル［ｍｍ］以下の、例えば、幅又は直径を有してもよい。ある種の実施形態において、中空酸化物粒子は、中空アルミナ球体を含んでもよい。中空アルミナ球体は、鋳造用鋳型組成物中に組み入れてもよく、中空球体は、丸粒子、又は不規則凝集体などの一連の幾何形状を有していてもよい。ある種の実施形態において、アルミナは、丸い粒子と中空球体の両方を含んでもよい。一態様において、これらの幾何形状は、インベストメント鋳型混合物の流動性を増加させることがわかった。流動性の向上は、典型的には表面仕上げ、並びに鋳型から作られた最終鋳物の表面外観の忠実度又は正確度を改善することができる。
【００３０】
酸化アルミニウムは、外形寸法で約１０ミクロンから約１０，０００ミクロンの範囲の粒子を含む。ある種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、直径又は幅で約５００ミクロン未満である粒子を含む。酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約０．５重量％から約８０重量％を構成してもよい。代替として、酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約４０重量％から約６０重量％を構成する。
【００３１】
一実施形態において、鋳造用鋳型組成物は、酸化カルシウムをさらに含む。酸化カルシウムは、鋳造用鋳型組成物の約１５重量％超で、約５０重量％未満であってもよい。最終鋳型は、典型的には２グラム／立方センチメートル未満の密度及び１平方インチ当たり５００ポンド［ｐｓｉ］超の強度を有していてもよい。一実施形態において、酸化カルシウムは、鋳造用鋳型組成物の約３０重量％超で、約５０重量％未満である。代替として、酸化カルシウムは、鋳造用鋳型組成物の約２５重量％超で、約３５重量％未満である。
【００３２】
具体的な実施形態において、本開示の鋳造用鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメントを含む。アルミン酸カルシウムセメントは、カルシウム及びアルミニウムを含む少なくとも３つの相又は成分、すなわち、モノアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、ジアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。モノアルミン酸カルシウムの体積分率は、０．０５から０．９５の範囲であってもよく；ジアルミン酸カルシウムの体積分率は、０．０５から０．８０の範囲であってもよく；マイエナイトの体積分率は、０．０１から０．３０の範囲であってもよい。別の実施例において、モノアルミン酸カルシウムの体積分率は、約０．１から約０．８の体積分率からなり；ジアルミン酸カルシウムは、約０．１から約０．６の体積分率からなり；マイエナイトは、約０．０１から約０．２の体積分率からなる。アルミン酸カルシウムセメント中のモノアルミン酸カルシウムの体積分率は、約０．５を超えていてもよく、アルミン酸カルシウムセメント中のマイエナイトの体積分率は、約０．１５未満であってもよい。別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造用鋳型組成物の３０重量％超である。
【００３３】
一実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、約５０ミクロン以下の粒径を有する。５０ミクロン未満の粒径が、３つの理由のために好ましい：第１に、微細粒径は、鋳型混合及び硬化の間に水硬性結合の形成を促進すると考えられる；第２に、微細粒径は、焼成の間に粒子間焼結を促進すると理解され、これは、鋳型強度を増加させ得る；並びに第３に、微細粒径は、鋳造物品の表面仕上げを改善すると考えられる。アルミン酸カルシウムセメントは、粉末として与えられてもよく、その固有の粉末形態、又はスプレー乾燥凝集体などの凝集形態のいずれかで用いることができる。アルミン酸カルシウムセメントは、微細スケール（例えば、サイズで１０ミクロン未満）アルミナと前ブレンドすることもできる。微細スケールアルミナは、高温焼成中の焼結によって強度の増加を与えると考えられる。場合によっては、比較的大きいスケールのアルミナ（すなわち、サイズで１０ミクロンを超える）も、微細スケールアルミナの有無にかかわらず、添加されてもよい。
【００３４】
アルミン酸カルシウムセメント組成物
本開示の態様で用いるアルミン酸カルシウムセメントは、典型的にはカルシウム及びアルミニウムの３つの相又は成分、すなわち、モノアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、ジアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。モノアルミン酸カルシウムは、アルミン酸カルシウムセメント中に存在する水硬性鉱物である。モノアルミン酸カルシウムの水和は、インベストメント鋳型の高い初期強度に寄与する。マイエナイトは、それが水硬性結合の速い形成によって鋳型硬化の初期段階の間に強度を与えるので、セメント中で望ましい。しかしながら、マイエナイトは、通常は鋳造前の鋳型の熱処理中に除去される。
【００３５】
一態様において、初期のアルミン酸カルシウムセメント配合物は、通常はセメント製造キルン中で焼成後に熱力学的平衡にない。しかしながら、鋳型製造及び高温焼成後に、鋳型組成物は、熱力学的に安定な構造に向けて動き、この安定性は、その後の鋳造プロセスに有利である。一実施形態において、セメント中のモノアルミン酸カルシウムの体積分率は０．５を超え、マイエナイトの体積分率は０．１５未満である。マイエナイトは、速い硬化性アルミン酸カルシウムであるので、鋳型に組み入れられ、それは、硬化の初期段階の間にセメントに強度を与えると考えられる。消失性ろう模型は温度の影響を受けやすく、約３５℃を超える熱曝露でその形状及び特性を失うので、硬化は低温、例えば、１５℃から４０℃の温度で行うのがよい。３０℃未満の温度で鋳型を硬化させることが好ましい。
【００３６】
アルミン酸カルシウムセメントは、典型的には高純度アルミナを高純度酸化カルシウム又は炭酸カルシウムと混合することによって生成させてもよく；この化合物の混合物は、典型的には炉又はキルン中高温、例えば、１０００から１５００℃の温度に加熱され、反応させる。
【００３７】
キルン中で生成される、当技術分野でセメント「クリンカー」として知られる、得られた生成物は、次いで、破砕され、粉砕され、篩にかけられて、好ましい粒径のアルミン酸カルシウムセメントを生成する。さらに、アルミン酸カルシウムセメントは、最小量の不純物、例えば、最小量のシリカ、ナトリウム及び他のアルカリ、並びに酸化鉄を有するように設計及び処理される。一態様において、アルミン酸カルシウムセメントの目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の合計が約２重量パーセント未満であることである。一実施形態において、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の合計は、約０．０５重量パーセント未満である。
【００３８】
本開示の一態様において、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）中３５重量％を上回るバルクアルミナ濃度及び６５重量％未満の酸化カルシウムを有するアルミン酸カルシウムセメントが提供される。このセメントの最大アルミナ濃度は、約８５％（例えば、約１５％ＣａＯ）であってもよい。一実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、高純度であり、最大７０％のアルミナを含有する。モノアルミン酸カルシウムの体積分率は、鋳造前の焼成鋳型で最大化されてもよい。酸化カルシウムの最小量は、鋳造合金と鋳型との間の反応を最小化するために必要とされてもよい。セメント中に５０％を超える酸化カルシウムがある場合、これは、マイエナイト及びアルミン酸三カルシウムなどの相をもたらすことができ、これらは、鋳造の間にモノアルミン酸カルシウムと同様には機能しない。酸化カルシウムの好ましい範囲は、約５０重量％未満で、約１５重量％超である。
【００３９】
上述のとおり、鋳型中のアルミン酸カルシウムセメント／結合剤における３つの相は、モノアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、ジアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（ＣａＡｌ14Ｏ33）である。セメント／結合剤中のモノアルミン酸カルシウムは、他のアルミン酸カルシウムの相を上回る３つの利点を有する：１）モノアルミン酸カルシウムは、それが速い硬化応答（ｓｅｔｔｉｎｇ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）（マイエナイトほど速くないが）を示し、硬化の初期段階の間に鋳型に強度を与えると考えられるので、鋳型中に組み入れられる。鋳型強度の迅速な生成は、鋳造用鋳型の寸法安定性を与え、この特徴は、最終鋳造部品の寸法一貫性を改善する。２）モノアルミン酸カルシウムは、鋳造されているチタン及びチタンアルミナイド合金に対して化学的に非常に安定である。モノアルミン酸カルシウムは、ジアルミン酸カルシウム、及び比較的高いアルミナ活性を有する他のアルミン酸カルシウム相（これらの相は、鋳造されているチタン及びチタンアルミナイド合金とより反応性である）と比較して好ましい。３）モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムは、低膨張相であり、硬化、脱ろう、及びその後の鋳造の間に鋳型に高レベルの応力の形成を防止すると理解される。モノアルミン酸カルシウムの熱膨張挙動は、アルミナとほぼ一致している。
【００４０】
改善された検出性を有する鋳造用鋳型組成物
鋳型材料（アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナ）とチタンのＸ線密度の差は小さく、したがって、鋳型に由来する介在物は、検出するのが困難である。この制限に対処するために、介在物のＸ線検出性を増強するためにセラミックインベストメントミックスに化学種を添加することができる。
【００４１】
本開示の一態様は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含むアルミン酸カルシウムセメントと、Ｘ線又は中性子線検出性元素とを含む、チタン含有物品を鋳造するための鋳型組成物である。本開示の別の態様は、アルミン酸カルシウム；及びＸ線又は中性子線検出性元素を含む、チタン含有物品鋳造用鋳型組成物である。一実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳型組成物が鋳型を形成するときに、約１００ミクロン未満の固有フェースコートを形成する。一実施形態において、Ｘ線又は中性子線検出性元素は、鋳型内で混合される。別の実施形態において、Ｘ線又は中性子線検出性元素は、鋳型内で混合され、固有フェースコートの一部になる。
【００４２】
Ｘ線又は中性子線検出性元素を鋳型ミックスと混合し得るいくつかの異なる方法がある。例えば、元素は、鋳型混合工程のいずれの段階でも硝酸塩などの液体として添加することができる。元素は、本明細書で記載されるとおりに、酸化物としても添加することができる。一実施形態において、元素は、鋳型ミックスを生成する前に、溶融形態でアルミナと一緒に、エルビウムアルミニウムガーネット、又はジスプロシウムアルミニウムガーネットなどの酸化物として合わせられる。鋳型中にＸ線又は中性子線検出性元素を導入するために種々の手法を用いることができることを、セラミック鋳型製造の当業者は理解する。一実施形態において、鋳型組成物は、外来フェースコートを有しない。
【００４３】
鋳型組成物は、酸化物粒子をさらに含んでもよい。酸化物粒子は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、及び酸化チタンの少なくとも１種の粒子を含む。具体的な実施形態において、酸化物粒子は、酸化アルミニウム粒子である。チタン含有鋳造物品は、エンジン、タービン、又はタービンブレードであり得る。
【００４４】
鋳型材料（アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナ）のＸ線密度とチタンのＸ線密度の間に小さい差があるだけなので、鋳型に由来する介在物は、検出するのが困難である。ここで、本発明者らは、それらのインベストメントミックスにある種のＸ線検出性元素を添加して、表面下介在物の検出性を増強させた。したがって、本開示の一態様は、チタン又はチタン合金鋳物中の表面下セラミック介在物を検出する方法であって、アルミン酸カルシウム、アルミン酸カルシウムよりも放射線写真上濃い元素、及び液体を合わせて、スラリーを形成するステップと、スラリーからアルミン酸カルシウム及び放射線写真上濃い元素を有する鋳型を形成するステップと、チタンアルミナイド含有金属を放射線写真上濃い元素を有する鋳型に導入するステップと、前記チタンアルミナイド含有金属を固化させて鋳型中で物品を形成するステップと、固化したチタンアルミナイド含有金属物品を前記鋳型から取り出すステップと、固化したチタンアルミナイド含有物品を放射線検査にかけて、Ｘ線写真を得るステップと、物品上又は物品中の放射線写真上濃い元素の存在について前記放射線写真を調べるステップとを含む方法である。一実施形態において、この方法は、チタンアルミナイド含有鋳造物品中の鋳型材料介在物の存在を最小化するステップを含む。
【００４５】
合わせるステップは、酸化物粒子をスラリーと合わせるステップをさらに含む。水、例えば、脱イオン水などの液体をスラリーに添加し、スラリー粘度を調製してもよい。いずれの粘度測定プロトコル又は装置を使用してもよい。典型的には、粘度は、Ｚａｈｎカップ粘度測定技術を用いて決定してセメントスラリー混合について、８〜２０秒、好ましくは９〜１２秒であるように調整され；この技術は、当業者に周知である。スラリー中に存在する水の量は、シェルモールドのグリーン又は焼成強度を低減させないように限定される。ある種の実施形態において、放射線写真上濃い元素は、酸化物粒子よりも放射線写真上濃く、例えば、放射線写真上濃い元素は、酸化カルシウムよりも放射線写真上濃い。ある種の実施形態において、酸化物粒子は、中空酸化物粒子、例えば、中空酸化アルミニウム粒子を含む。
【００４６】
本開示の利点の一つは、通常は目視によって検出できない、鋳物の表面上の、表面に近接した、及び／又は表面の下のいずれかの表面及び／又は表面下介在物の増強された検出性を与える鋳物を製造し得ることである。例えば、チタン系鋳物のアルファケース層の下に位置することができ、且つ鋳造後のケミカルミリング操作又は他の表面処理によって除去されない介在物を、本開示の態様によって検出し得る。さらに、本開示の実施がチタン系鋳物上でアルファケースのさらなる形成を促進しないので、従来のケミカルミリング方式（ｒｅｇｉｍｅ）を、鋳物からアルファケースを除去するために依然として使用することができる。
【００４７】
本開示の一態様は、鋳造中に、例えば、鋳物成形から望ましくなく生じ得る介在物に対する改善されたＸ線又は中性子線検査性を与え得る、鋳造用鋳型、例えば、インベストメント鋳造用鋳型のための組成物を提供する。一実施形態において、これは、鋳造用鋳型組成物よりも放射線写真上濃い、例えば、アルミン酸カルシウムよりも放射線写真上濃い元素を添加することによって達成される。一態様において、本開示は、アルミン酸カルシウム及びＸ線又は中性子線検出性元素を含む、チタン含有物品を鋳造するための鋳型組成物である。チタン含有鋳造物品は、チタンアルミナイドエンジン部品、チタンアルミナイドタービン、又はチタンアルミナイドタービンブレードであり得る。一実施形態において、用いることができるＸ線又は中性子線検出性元素は、イッテルビウム、ハフニウム、ガドリニウム、タングステン、トリウム、ウラニウム、イットリウム、ジスプロシウム、エルビウム、セリウム、及びそれらの組成物の少なくとも１種を含む。これらの元素は、それらがアルミン酸カルシウムよりもＸ線写真上濃いので、一部の場合に用いられる。
【００４８】
本開示の一態様は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含むアルミン酸カルシウムセメントと、アルミン酸カルシウムセメントより放射線写真上濃い少なくとも１種の元素とを含む鋳型組成物である。本開示の別の態様は、アルミン酸カルシウムと、アルミン酸カルシウムより放射線写真上濃い少なくとも１種の元素とを含む鋳型組成物である。エルビウム、ジスプロシウム、及び／又はガドリニウムを有するアルミン酸カルシウムセメントとアルミナインベストメントミックスは、他の元素と比較してエルビウム、ジスプロシウム、及びガドリニウムの比較的高いＸ線検出性の利点を有する。さらなる利点は、エルビウム、ジスプロシウム、及びガドリニウムはまた、鋳造中の溶融チタン及びチタン合金との反応に対して抵抗性であることである。エルビウム、ジスプロシウム、及び／又はガドリニウムを有するインベストメントミックスは、ＴｈＯ2及び他の放射性を有する鋳型組成物と比較して放射性でなく、したがって、一部の実施形態において好ましい。
【００４９】
この鋳型配合物は、鋳型に形成するときに、イットリウムなどの外来フェースコートを形成し得ないが、この配合物は、アルミン酸カルシウム及びアルミナの同種の２相組成物であり得る。インベストメントの混合、鋳込み及び硬化の間、鋳型は、鋳型においてアルミン酸カルシウムの固有フェースコートを形成する。本開示のある態様によれば、鋳型におけるアルミン酸カルシウムの固有フェースコート（典型的には１００ミクロン未満の厚さ）は、鋳型材料内で混合された、放射線写真上濃い元素、例えば、エルビウム及び／又はジスプロシウム及び／又はガドリニウムの粒子も含有する。エルビウム、ジスプロシウム、及びガドリニウムが、他のセラミック成分のものより大きい放射線密度を示すので、インベストメントミックスへのエルビウム、ジスプロシウム及び／又はガドリニウムを有する添加物は、チタンアルミナイド及びチタンアルミナイド合金鋳物を製造するための鋳型に用いられる。放射線写真上濃い元素の一部、例えば、エルビウム、ジスプロシウム、及びガドリニウムは、鋳造操作の間の溶融チタンアルミナイド及びチタンアルミナイド合金との反応に対して許容できる抵抗性も示す。
【００５０】
鋳型、鋳造方法及び表面下介在物の検出
インベストメント鋳型は、そのセラミック成分のインベストメントミックスを配合し、消失性模型を有する容器にそのミックスを鋳込みことによって形成される。模型上で形成されたインベストメント鋳型は、完全に硬化させて、いわゆる「グリーン鋳型」を形成する。典型的には、グリーン鋳型の硬化は、１時間から４８時間の時間行われる。その後、消失性模型は、溶融、溶解、強熱（ｉｇｎｉｔｉｏｎ）、又は他の知られた模型除去技術によってグリーン鋳型から選択的に除去される。ろう模型除去の典型的な方法には、オーブン脱ろう（１５０℃未満）、炉脱ろう（１５０℃超）、スチームオートクレーブ脱ろう、及びマイクロ波脱ろうが含まれる。
【００５１】
チタン合金、並びにチタンアルミナイド及びその合金を鋳造するには、次いで、グリーン鋳型は、６００℃を超える、好ましくは７００から１４００℃の温度で、１時間を超える、好ましくは２から６時間の時間焼成されて、鋳造のための鋳型強度を発現させ、鋳型中の望ましくない残留不純物、例えば、金属種（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）、及び炭素含有種をすべて除去する。鋳型を焼成する雰囲気は、不活性ガス又は還元ガス雰囲気も用いることができるが、典型的には周囲空気である。
【００５２】
焼成プロセスはまた、鋳型からの水を除去し、マイエナイトをアルミン酸カルシウムに転化する。鋳型焼成手順の別の目的は、鋳造前に鋳型内に残る遊離シリカを最小化することである。他の目的は、水を除去し、高温強度を増加させ、並びにモノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムの量を増加させることである。
【００５３】
鋳型は、室温から最終焼成温度に加熱され、具体的には熱履歴及び湿度プロファイルが制御される。焼成温度への加熱速度、及び焼成後の冷却速度は、典型的には調節、即ち制御される。鋳型があまりに急速に加熱される場合、それは、内部若しくは外部で、又は両方で割れることがあり得；鋳造前の鋳型の割れは、非常に望ましくない。さらに、鋳型があまりに急速に加熱される場合、鋳型の内部表面が割れ及び砕け落ちることがあり得る。これは、最終鋳物中に望ましくない介在物をもたらし、介在物がない場合でも表面仕上げ不良をもたらすことがあり得る。同様に、鋳型が、最高温度に到達後にあまりに急速に冷却される場合、鋳型はやはり、内部若しくは外部で、又は両方で割れることがあり得る。
【００５４】
本開示で記載される鋳型組成物は、チタン及びチタンアルミナイド合金に特に適している。焼成後及び鋳造前の鋳型組成物は、特に成分相に関して、鋳型特性に影響を与え得る。一実施形態において、鋳造のために、鋳型中のモノアルミン酸カルシウムの高い体積分率、例えば、０．３から０．８の体積分率が好ましい。さらに、鋳造のために、マイエナイトの体積分率を最小化することが望ましく、例えば、０．０１から０．２の体積分率を用いるが、マイエナイトが、水の影響を受けやすく、それが、鋳造中の水放出及びガス生成の問題を与え得るからである。焼成後、鋳型は、アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの小さい体積分率も有し得る。アルミノケイ酸塩とアルミノケイ酸カルシウムの体積分率の合計は、典型的には鋳型と鋳物の反応を最小化するために５％未満に保たれてもよい。
【００５５】
ある種の実施形態において、本開示の鋳造用鋳型組成物は、インベストメント鋳造用鋳型組成物を含む。インベストメント鋳造用鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタン含有金属のインベストメント鋳造用鋳型組成物を含む。一実施形態において、インベストメント鋳造用鋳型組成物は、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造用鋳型組成物を含む。ニアネットシャ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ブレードを含む。
【００５６】
正しいアルミン酸カルシウムセメント化学及びアルミナ配合の選択は、鋳造中の鋳型の性能の要因である。アルミン酸カルシウムセメントに関して、チタン合金との反応を最小化するために、遊離酸化カルシウムの量を最小化することが必要であり得る。セメント中の酸化カルシウム濃度が、１５重量％未満である場合、アルミナ濃度が高すぎるので、合金は鋳型と反応し、この反応は、鋳物中の望ましくない酸素濃度レベル、気泡、及び鋳造部品における表面仕上げ不良をもたらす。セメント中の酸化カルシウム濃度が５０重量％を超える場合、鋳型は、環境からの水及び二酸化炭素の混入に影響を受けやすいことがあり得る。したがって、インベストメント鋳型中の酸化カルシウム濃度は、典型的には５０％未満に保たれてもよい。一実施形態において、酸化カルシウム濃度は、１５重量％から４０重量％である。代替として、酸化カルシウム濃度は、２５重量％から３５重量％である。
【００５７】
二酸化炭素は、処理中に及び鋳造前に鋳型中に炭酸カルシウムの形成をもたらすことがあり得、炭酸カルシウムは、鋳造操作中に不安定である。したがって、鋳型中の水及び二酸化炭素は、鋳物品質不良をもたらすことがあり得る。吸収された水レベルが高すぎる、例えば、０．０５重量パーセントを超える場合、溶融金属が鋳造中に鋳型に入ると、水が放出され、それは合金と反応し得る。これは、表面仕上げ不良、鋳物中の気泡、高酸素濃度、及び機械特性不良をもたらす。同様に、二酸化炭素レベルが高すぎる場合、炭酸カルシウムが鋳型中で形成し得、溶融金属が鋳造中に鋳型に入ると、炭酸カルシウムが分解して二酸化炭素を発生させ得、これは合金と反応し得る。生じた炭酸カルシウムは、鋳型の重量で１パーセント未満である。
【００５８】
溶融金属又は合金を鋳造する前に、インベストメント鋳型は、典型的には特定の部品幾何形状又は鋳造される合金に依存する鋳型鋳造温度に予熱される。例えば、典型的な鋳型予熱温度は、６００℃である。典型的には、鋳型温度範囲は、４５０℃から１２００℃であり；好ましい温度範囲は、４５０℃から７５０℃であり、場合によっては、それは５００℃から６５０℃である。
【００５９】
一態様によれば、溶融金属又は合金は、重力、逆重力（ｃｏｕｎｔｅｒｇｒａｖｉｔｙ）、圧力、遠心分離、及び当業者に知られた他の鋳造技術を含み得る従来の技術を用いて、鋳型中に鋳込まれる。真空又は不活性ガス雰囲気を用いることができる。複雑な形状の薄肉幾何形状の場合、高圧を使用する技術が好ましい。固化されたチタンアルミナイド又は合金鋳物が、通常は６５０度未満、例えば、室温に冷却された後、それは、鋳型から取り出され、従来の技術、例えば、グリットブラスティング、ウォータジェットブラスティング、及び研磨を用いて仕上げされる。
【００６０】
本開示の一態様は、チタン又はチタン合金鋳物中の表面下セラミック介在物を検出する方法であって、アルミン酸カルシウム、該アルミン酸カルシウムより放射線写真上濃い少なくとも１種の元素、及び液体を合わせて、スラリーを形成するステップと、スラリーからアルミン酸カルシウム及び放射線写真上濃い元素を有する鋳型を形成するステップと、チタンアルミナイド含有金属を該放射線写真上濃い元素を有する鋳型に導入するステップと、前記チタンアルミナイド含有金属を固化させて、鋳型中で物品を形成するステップと、固化したチタンアルミナイド含有金属物品を前記鋳型から取り出すステップと、固化したチタンアルミナイド含有物品を放射線写真検査にかけて、放射線写真を得るステップと、物品上又は物品中の放射線写真上濃い元素の存在について前記放射線写真を調べるステップとを含む方法である。一実施形態において、この方法は、チタンアルミナイド含有鋳造物品中の鋳型材料介在物の存在を最小化するステップを含む。
【００６１】
鋳型からの前記消失性模型の除去と、鋳型鋳造温度への鋳型の予熱との間で、鋳型は、最初に約４５０℃から約９００℃の温度に加熱され、次いで、室温に冷却される。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時間行われる。消失性模型の除去には、溶融、溶解、強熱、オーブン脱ろう、炉脱ろう、スチームオートクレーブ脱ろう、又はマイクロ波脱ろうが含まれる。一実施形態において、鋳型からのチタン又はチタン合金の除去後、鋳物は、グリットブラスティング、ウォータジェットブラスティング、又は研磨によって仕上げされてもよい。固化した鋳物が鋳型から取り出された後、それは、Ｘ線又は中性子放射線写真法により検査される。
【００６２】
本開示の場合、固化した鋳物は、鋳造及び仕上げ後に表面検査及びＸ線写真法にかけて、鋳物内の任意の位置における任意の表面下介在物粒子を検出する。鋳物の外面の目視検査により検出できない介在物を見出すために、Ｘ線写真法を用いる。チタンアルミナイド鋳物は、従来のＸ線装置を用いてＸ線写真法（フィルム又はデジタル）にかけて、Ｘ線写真を得て、次いで、これを検査又は分析して、なんらかの表面下介在物がチタンアルミナイド鋳物内に存在するかどうか決定する。
【００６３】
表面下介在物は、鋳型充填中の鋳型の浸食、反応性溶融金属と鋳型フェースコートとの間の反応、及び／又は鋳型の熱ショックの結果としての機械的破砕の結果として、インベストメント鋳型フェースコート又は鋳型フェースコートから生じ得る。表面下介在物（単数）又は介在物（複数）が、Ｘ線法を用いて見つけられる場合、鋳物は、研削及び溶接修理作業にかけて、好ましくない介在物を除去するために十分な材料を除去及び置き換えることができるか、代替として、介在物（単数又は複数）が鋳物の必要とされる機械的一体性のための指定サイズより大きい場合、鋳物は廃棄することができる。
【００６４】
固化した鋳物は、典型的には鋳造及び仕上げ後に表面検査及びＸ線写真法にかけて、鋳物内の任意の位置における任意のセラミック介在物粒子、例えば、表面下介在物粒子を検出する。エルビウム、ジスプロシウム、及びガドリニウムを有するアルミン酸カルシウムセメント及びアルミナインベストメントミックスが使用される。エルビウムを有するアルミン酸カルシウム及びアルミナインベストメントミックスは、溶融形態、又は他の形態で溶融、か焼又は焼結エルビア（酸化エルビウム）粉末から選択することができる。溶融エルビア粉末は、エルビアスラリー成分として好ましいが、それが、か焼又は焼結エルビア粉末と比べて、より密度が高く、チタンアルミナイド又はチタンアルミナイド合金溶融物との化学反応に対してより抵抗性であるからである。溶融エルビア粉末は、いずれの段階でも、混合中にインベストメント鋳型ミックスに添加することができる。一実施形態において、溶融エルビア粉末は、アルミン酸カルシウムセメントと一緒に添加される。本開示の実施において特に有用な溶融エルビア粉末は、Ｔｒｅｉｂａｃｈｅｒ  Ａｕｅｒｍｅｔ  ＧｍｂＨ（Ａ−９３３０  Ｔｒｅｉｂａｃｈ−Ａｌｔｈｏｆｅｎ、オーストリア国）からＡｕｅｒｃｏａｔ４／３として、粉末粒径−３２５メッシュ（４４ミクロン未満）で入手可能である。本開示の実施において有用なか焼エルビア粉末も、Ｔｒｅｉｂａｃｈｅｒ  Ａｕｅｒｍｅｎｔ  ＧｍｂＨからＡｕｅｒｃｏａｔ４／４として、粒径−３２５メッシュ（４４ミクロン未満）で入手可能である。メッシュサイズは、米国標準ふるい系（Ｕ．Ｓ．Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｓｃｒｅｅｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）を指す。
【００６５】
一実施形態において、この方法は、物品から放射線写真上濃い元素を除去するステップをさらに含む。物品から放射線写真上濃い元素を除去するこのステップは、機械加工、研削、研磨、又は溶接の１つ又は複数のステップによって達成することができる。ケミカルミリングも、物品から放射線写真上濃い元素を除去するために用いることができる。
【００６６】
表面下介在物が鋳造部品中に取り込まれて、それにより、最終鋳物の強度及び耐力性能を低下させる危険があるので、本開示は、鋳物からのこれらの表面下介在物の検出及び除去に向けられて、その結果、鋳物の機械的特性及び性能を最大化する。本開示は、チタンアルミナイドの鋳造中にアルミン酸カルシウムセメント及びアルミナインベストメント鋳型から生じ得る介在物を検出する可能性を増加させることによって、鋳物の構造一体性を改善する方法を提供する。
【００６７】
本開示はまた、比較的大きいＸ線コントラストのために比較的小さい介在物の検出を可能にする。現代のデジタルＸ線法によって介在物の検出の可能性が大きければ大きいほど及び比較的小さい介在物を検出する能力が大きければ大きいほど、チタン合金及びチタンアルミナイド合金の鋳物の強度及び疲労強度が改善される。
【００６８】
記載された鋳型組成物は、高い中性子吸収断面を有する少量の材料を与える。一態様において、中性子放射線写真は、鋳造物品について調製される。チタン合金鋳造物品は、中性子に対して実質的に透過性であり得るので、鋳型材料は、典型的には得られる中性子放射線写真に明確に現れる。一態様において、中性子曝露は、放射線写真上濃い元素の「中性子活性化」をもたらすと考えられる。中性子活性化は、中性子線と鋳物の放射線写真上濃い元素とが相互作用して、鋳型組成物の放射線写真上濃い元素の放射性同位元素の形成をもたらすことを伴う。次いで、放射性同位元素は、鋳造物品中に存在するすべての放射線写真上濃い元素同位元素を計数するために、従来の放射線検出装置によって検出可能であり得る。
【００６９】
熱中性子ビームは、原子炉、臨界前アセンブリ、放射性中性子源、又は加速器を含めて、いくつかの供給源から得ることができる。中性子線（Ｎ−ｒａｙ）により生じた画像は、フィルム上に、例えば、Ｘ線によって記録することができる。これは、一般に画像化される部分を中性子ビーム中に置き、次いで、画像が望まれるそれぞれの角度についてフィルム上に画像を記録することによって行われる。中性子線画像は、現代のデジタル検出装置によってリアルタイムで撮ることもできる。
【００７０】
中性子線は、介在物を画像化するために透過性放射線として中性子を用いる。中性子のエネルギーのすべて、例えば、高速中性子、熱外中性子、熱中性子及び冷中性子は、中性子線画像化のために用いることができる。中性子線画像化は、それにより、対象による放射線ビーム強度変調が用いられて、介在物及び欠陥を特定する過程である。中性子線画像化に必要とされる部品には、高速中性子源、減速材、ガンマ線フィルタ、コリメータ、変換スクリーン（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｓｃｒｅｅｎ）、フィルム画像レコーダ又は他の画像化システム、カセット、並びに適当な生物学的遮蔽及びインターロックシステムが含まれる。
【００７１】
一態様において、現に教示される方法は、中性子の強力な吸収材である、鋳型材料への添加物がある場合、チタンアルミナイド鋳物において使用されてもよい。中性子吸収添加物は、それらが、所望の高い中性子吸収断面を有するので好適である。一般に中性子放射線写真は、熱又は共鳴エネルギーレベルを有する中性子を用いて作成されるので、一般に中性子吸収材料が熱中性子に対して高い吸収断面を有することが好ましい。本開示のチタンアルミナイド鋳物と適合する、高い熱中性子吸収断面を有する材料例には、エルビウム、ジスプロシウム、ガドリニウム、及びそれらの混合物が含まれる。
【００７２】
一般に、添加物の中性子吸収断面が高ければ高いほど、所望の画像化特性を与えるために必要とされる量は少ない。一般に、１０重量パーセント未満が用いられる。例えば、Ｘ線又は中性子線検出性成分は、鋳型組成物中に約０．５から約６重量パーセントの範囲である。コア材料の約１から約４重量パーセントの範囲のエルビウム、ジスプロシウム、又はガドリニウムの酸化物によって良好な結果を得ることができる。ガドリニウムは、非常に高い中性子吸収断面を有し、鋳型中に少量で優れた画像を生じる。一実施形態において、中性子線及びＸ線コントラストを高めるために用いる溶液は、中性子線及びＸ線増強のための元素の硝酸塩、ハロゲン化物、硫酸塩、過塩素酸塩を含む。
【００７３】
一態様において、Ｘ線コントラスト増強及び検出のための好適な鋳型添加物の選択は、造影剤の密度とチタン合金鋳物の密度との差に依存する。介在物の中性子線画像化のための好適な鋳型添加物の選択は、鋳造チタン部分の線形減衰係数又は熱中性子断面に対する及び鋳物の断面全体にわたる、造影添加物の線形減衰係数又は熱中性子断面によって決定される。
【００７４】
本開示の一態様において、本発明者らは、成形金属に対する元素の酸化物の安定性（低い反応速度）、チタンと比較したＸ線密度、及びチタンと比較した中性子線変調、及び利用性／コストを含む要因に基づいて、アルミン酸カルシウムインベストメント鋳型に添加するための中性子線及びＸ線コントラスト増強元素を選択した。これらの基準を考慮して、３つの化学種、すなわち、エルビア、ジスプロシア、及びガドリニアを特定した。ネオジミウム、サマリウム、ヨウロピウム、ホルミウム、イッテルビウム、ルテチウムなどの他のコントラスト増強元素を上記基準に基づいて考慮したが、しかしながら、ガドリニウム、エルビウム及びジスプロシウムが用いられる場合と同じ結果を与えることは、この適用において考えられなかった。一実施形態において、ガドリニア、エルビア及びジスプロシアは、チタン又はチタン合金を鋳造する際にアルミン酸カルシウム鋳型に由来し得る介在物を検出するために好ましい。
【００７５】
介在物のＸ線検出に関して、検出性に影響を与える主要要因には、（１）介在物の密度と比較してチタン合金の密度との差、（２）介在物のサイズ、厚さ、形状及び配向、並びに（３）鋳造チタン合金部品の断面の厚さが含まれる。鋳造材料と介在物の密度の差が小さい（例えば、約０．５ｇ／ｃｃ未満）場合、Ｘ線によって介在物を検出するための十分な画像コントラストがあり得ない。これらの状況において、中性子線が用いられるが、但し、適切な元素が、中性子線コントラスト増強のために添加されることを条件とする。
【００７６】
本開示の一態様において、Ｘ線検出のための好適な造影剤の選択は、造影剤の密度と鋳物の金属又は合金の密度との差に依存する。一例では、介在物の中性子線画像化のための好適な造影剤の選択は、鋳造する金属又は合金の線形減衰係数又は中性子吸収断面に対する、造影剤として用いる材料の線形減衰係数又は中性子吸収断面によって決定される。鋳型の線形減衰係数又は中性子吸収断面と鋳物のそれとの差は、いずれの鋳型介在物も物品の断面にわたって画像化することができるように十分であることを必要とする。
【００７７】
ガドリニウムは、中性子線検出を用いてチタン又はチタン合金鋳物中の介在物を画像化するために、鋳型への好ましい添加物である。ガドリニウムは、非常に高い中性子吸収断面を有する。具体的には、ガドリニウムの中性子吸収断面は、２５９，０００バーンであるが、一方でチタンの中性子吸収断面は約６．１バーンである。他の元素の中性子吸収断面としては、ジスプロシウム（２８４０バーン）、エルビウム（６５９バーン）、イットリウム（１．３バーン）、カルシウム（０．４バーン）、アルミニウム（０．２バーン）が挙げられる。したがって、例えば、カルシウム含有及びアルミニウム含有介在物の中性子線画像化能は非常に低い。（追加の情報として、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｎｅｕｔｒｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈのウェブサイトを参照されたい）。したがって、元素の選択は、本開示の特徴であり、選択された元素の同位元素が用いられてもよい。
【００７８】
一態様において、ガドリニウム若しくはジスプロシウム、又はエルビウムの添加は、チタンに対して中性子吸収能を実質的に増強させることができ、したがって、中性子線画像化の間の介在物の画像化コントラスト性能は、実質的に増強される。ガドリニウム同位元素１５７は、２５９，０００バーンの熱中性子吸収断面を有すると考えられる。チタン又はチタン合金の中性子吸収断面との差は、ガドリニウムを中性子線画像化にとって特に適したものにさせる。チタン以外の金属及び／又は合金の場合、主としてガドリニウムの比較的に大きい中性子吸収断面のために、ガドリニウムはやはり、好ましい造影剤である。
【００７９】
本開示の態様の技術的利点の一つは、それが、アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナインベストメントミックスから生じ得る介在物の改善された検出を可能にすることによって、チタン含有物品の鋳物の構造的一体性を改善することである。本開示はまた、比較的大きいＸ線コントラストのために比較的小さい介在物の検出を可能にする。最も現代のデジタルＸ線法によって介在物の検出の可能性が大きければ大きいほど及び比較的小さい介在物を検出する能力が大きければ大きいほど、チタン合金及びチタンアルミナイド合金の鋳物の強度及び疲労強度が改善される。強度が高ければ高いほど、軽い部品が可能になり、疲労強度が高ければ高いほど、長い寿命、したがって低い寿命サイクルコストを有する部品が提供される。一実施形態において、部品は、チタンアルミナイドタービンブレードを含む。
【実施例】
【００８０】
全般的に説明してきた本開示は、本開示のある種の態様及び実施形態の例証のためにだけ含まれ、且つ本開示を限定することは決して意図されない以下の実施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る。
【００８１】
インベストメント鋳型組成物及び配合物
アルミン酸カルシウムセメントをアルミナと混合して、インベストメント鋳型ミックスを生成させ、インベストメント鋳型化学の範囲を試験した。インベストメント混合物は、７０％アルミナ及び３０％シリカを有するアルミン酸カルシウムセメント、アルミナ粒子、水、並びにコロイドシリカからなった。
【００８２】
第１の実施例において、インベストメント鋳型を製造するための典型的なスラリー混合物は、３０００グラム［ｇ］のアルミン酸カルシウムセメント（約１０重量％のマイエナイト、約７０重量％のモノアルミン酸カルシウム、及び約２０重量％のジアルミン酸カルシウムを含む）、１０ミクロン未満のサイズを有する１５００ｇのか焼アルミナ粒子、０．５〜１ｍｍ直径のサイズ範囲の２４５０ｇの高純度か焼アルミナ粒子、１６５０ｇの脱イオン水、及び１５０ｇのコロイドシリカからなった。
【００８３】
典型的な高純度か焼アルミナ粒子の種類には、溶融、平板状（ｔａｂｕｌａｒ）及び湿式粉砕（ｌｅｖｉｇａｔｅｄ）のアルミナが含まれる。典型的な好適なコロイドシリカには、Ｒｅｍｅｔ  ＬＰ３０、Ｒｅｍｅｔ  ＳＰ３０、Ｎａｌｃｏ１０３０、Ｌｕｄｏｘが含まれる。製造した鋳型は、良好な表面仕上げを有するタービンブレードなどのチタンアルミナイド含有物品を鋳造するために使用した。粗さ（Ｒａ）値は、１００マイクロインチ未満であり、酸素含有量は２０００パーツパーミリオン［ｐｐｍ］未満であった。この配合物により、約１２０ｍｍ直径及び４００ｍｍ長の鋳型を製造した。この配合物により、１立方センチメートル当たり２グラム未満の密度を有する鋳型を製造した。
【００８４】
鋳型ミックスは、アルミン酸カルシウムセメント、水、及びコロイドシリカを容器中で混合することによって調製した。高剪断型混合を用いた。完全に混合されない場合、セメントはゲル化し得る。セメントが混合物中で完全な懸濁液中にあったとき、微細スケールアルミナ粒子を添加した。微細スケールアルミナ粒子をセメントと完全に混合したとき、より大きいサイズ（例えば、０．５〜１．０ｍｍ）のアルミナ粒子を添加し、セメント−アルミナ配合物と混合した。最終ミックスの粘度は、低すぎても、高すぎてもならないので、別の要因である。さらに、促進剤、及び遅延剤を、鋳型製造法のステップ中の選択された時点で用いることができる。促進剤、及び遅延剤と一緒の典型的な個別の分散アルミナには、Ａｌｍａｔｉｓ  ＡＤＳ−１、ＡＤＳ−３、及びＡＤＷ−１が含まれる。
【００８５】
混合後、消失性ろう模型を有する容器中にインベストメントミックスを制御された仕方で注入した。容器は、鋳型の外部幾何性状を与え、消失性模型は、内部幾何形状をもたらす。正確な注入速度はさらなる特徴であり、それが速すぎる場合、空気が鋳型中に取り込まれることがあり得、それが遅すぎる場合、セメントとアルミナ粒子状物質の分離が起こり得る。適切な注入速度は、１分当たり約１から約２０リットルの範囲である。一実施形態において、注入速度は、１分当たり約２から約６リットルである。具体的な実施形態において、注入速度は、１分当たり約４リットルである。
【００８６】
第２の実施例において、インベストメント鋳型を製造するためのスラリー混合物は、３０００ｇのアルミン酸カルシウムセメント（約１０重量％のマイエナイト、約７０重量％のモノアルミン酸カルシウム、及び約２０重量％のジアルミン酸カルシウムを含む）、１０ミクロン未満のサイズを有する１５００ｇのか焼アルミナ粒子、０．５〜１ｍｍ直径のサイズ範囲の２６５０ｇの高純度か焼アルミナ泡状物（ａｌｕｍｉｎａ  ｂｕｂｂｌｅ）、１６５０ｇの脱イオン水、及び１５０ｇのコロイドシリカからなった。
【００８７】
アルミナ中空粒子は、減少した密度を有する鋳型を与える。アルミン酸カルシウムセメントの重量分率は４２％であり、アルミナのそれは５８％である。この配合物により、約１２５ｍｍ直径及び４００ｍｍ長さである鋳型を製造した。次いで、この鋳型を高温で硬化及び焼成した。製造した鋳型は、良好な表面仕上げを有するタービンブレードなどのチタンアルミナイド含有物品を鋳造するために用いた。粗さ（Ｒａ）値は、１００未満であり、酸素含有量は２０００ｐｐｍ未満であった。この配合物により、１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鋳型を製造した。
【００８８】
第３の実施例において、インベストメント鋳型を製造するためのスラリー混合物は、６００ｇのアルミン酸カルシウムセメント（約１０重量％のマイエナイト、約７０重量％のモノアルミン酸カルシウム、及び約２０重量％のジアルミン酸カルシウムを含む）、１０ミクロン未満のサイズを有する３００ｇのか焼アルミナ粒子、０．５〜１ｍｍ直径のサイズ範囲の４９０ｇの高純度か焼アルミナ泡状物、３０５ｇの脱イオン水、及び３１ｇのコロイドシリカからなった。この配合物により、約１２０ｍｍ直径及び１５０ｍｍ長さである比較的小さい部品のための比較的小さい鋳型を製造した。次いで、鋳型を高温で硬化及び焼成した。製造した鋳型は、良好な表面仕上げを有するタービンブレードなどのチタンアルミナイド含有物品を鋳造するために用いた。粗さ（Ｒａ）値は、１００マイクロインチ未満であり、酸素含有量は１６００ｐｐｍ未満であった。
【００８９】
第４の実施例において、インベストメント鋳型を製造するためのスラリー混合物は、２７０８ｇのアルミン酸カルシウムセメント（約１０重量％のマイエナイト、約７０重量％のモノアルミン酸カルシウム、及び約２０重量％のジアルミン酸カルシウムを含む）、０．５〜１ｍｍ直径のサイズ範囲の１４７２ｇの高純度か焼アルミナ泡状物、１０６１ｇの脱イオン水、及び１９６ｇのコロイドシリカからなった。この配合物により、比較的小さい部品のための比較的少ないアルミナ含有量を有する比較的小さい鋳型を製造した。次いで、鋳型を高温で硬化及び焼成した。製造した鋳型は、タービンブレードなどのチタンアルミナイド含有物品を鋳造するために用いた。
【００９０】
コロイドシリカは、アルミン酸カルシウム相と水との反応の速度を制御し、硬化中に鋳型強度を与える。アルミン酸カルシウム相と水とのこの反応の速度は、鋳型製造中のインベストメント鋳型ミックスの作業時間を制御する。この時間は、約３０秒から約１０分の間であった。インベストメント鋳型ミックスの作業時間が短すぎる場合、複雑な形状の部品の大きな鋳型を製造するには時間が不十分である。インベストメント鋳型ミックスの作業時間が長すぎ、且つアルミン酸カルシウムセメントが十分迅速に硬化しない場合、微細スケールセメントと大スケールアルミナとの分離が起こり得、これは、配合物が変化し、且つ得られた鋳型特性が均一でない偏析した鋳型をもたらし得る。
【００９１】
アルミン酸カルシウムセメント中の３つの相は、モノアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、ジアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）からなり、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１に、相は、溶解又は部分的に溶解し、その後のインベストメント鋳型製造用スラリーにおいて凝集相のすべてを支持し得る懸濁液を形成しなければならない。第２に、相は、注入後の鋳型の硬化（ｓｅｔｔｉｎｇ又はｃｕｒｉｎｇ）を促進しなければならない。第３に、相は、鋳造の間及び後に鋳型に強度を与えなければならない。第４に、相は、鋳型中で鋳造するチタン合金と最小反応を示さなければならない。第５に、鋳型は、後固化冷却の間に生じる部品への熱応力を最小化するためにチタン合金鋳物との適切な熱膨張一致を有しなければならない。
【００９２】
Ｘ線画像（図７）は、アルミン酸カルシウム鋳型からの表面下介在物を含む鋳造チタンアルミナイドブレードを示す。これは、非常に大きな介在物（５．４４ｍｍ）であり、デジタル強化技術によって解像することができる。アルミン酸カルシウム鋳型からの比較的小さい低密度介在物は、解像することがより難しい。本開示の一態様において、本発明者らは、介在物検出能を改善するために、鋳型のＸ線密度を増加させる鋳型添加物を用いた。
【００９３】
上記説明は、例証的であって、制限的でないことが意図されることが理解されるべきである。例えば、上記実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組み合わせて用いてもよい。さらに、それらの範囲から逸脱することなく、様々な実施形態の教示に特定の状況又は材料を適合させるために多くの変更を行うことができる。本明細書で記載される材料の寸法及び種類は、様々な実施形態のパラメータを定義することが意図される一方で、それは、決して限定的でなく、単に例示的である。上記説明を検討後に、他の多くの実施形態が当業者に明らかになる。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て、このような特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の完全な範囲とともに、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）」及び「そこで（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「そこで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」というそれぞれの用語のプレインイングリッシュ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の」、「第２の」及び「第３の」などの用語は、単に標示として使用され、それらの対象に数値的要件を課すことは意図されない。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（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｆｏｒｍａｔ）で書かれていず、このような特許請求の範囲の限定が「の手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」という言いまわしを明示的に用いて、その後にさらなる構造がない機能が記載されない限り且つ記載されるまで、米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ）第１１２条、第６項に基づいて解釈されることは意図されない。上記したこのような目的又は利点のすべてが、いずれかの特定の実施形態に従って必ずしも達成し得るとは限らないことが理解されるべきである。したがって、例えば、当業者は、本明細書で記載するシステム及び技術が、本明細書で教示又は示唆し得るように他の目的又は利点を必ずしも達成すると限らずに、本明細書で教示するとおりの一つの利点又は一群の利点を達成又は最適化する仕方で具体化又は実施し得ることを理解する。
【００９４】
本開示を、単に限られた数の実施形態と関連して詳細に説明してきたが、本開示がこ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、本開示は、これまで説明されていないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、改変、置換又は均等な配列を組み入れるように、修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、記載された実施形態の一部のみを含んでもよいことが理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると判断されるべきでなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるだけである。本明細書で挙げた刊行物、特許、及び特許出願のすべては、あたかもそれぞれ個別の刊行物又は特許が参照により組み込まれると具体的且つ個別に示されているかのように、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。矛盾する場合、本明細書におけるすべての定義を含めて、本出願が統制するものとする。
【００９５】
この書面による説明は、ベストモードを含めて、本発明を開示するために、並びにまたいずれの当業者も、いずれかの装置又はシステムを製造及び使用すること並びにいずれかの組み込まれた方法を実施することを含めて、本発明を実施することを可能にするために、実施例を用いる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の実施例を含んでもよい。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有するか、又はそれらが特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含むならば、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【図１】
2014531983.tif 000003
【図２ａ】
2014531983.tif 000004
【図２ｂ】
2014531983.tif 000005
【図３ａ】
2014531983.tif 000006
【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
2014531983.tif 000009
【図５】
2014531983.tif 000010
【図６】
2014531983.tif 000011
【図７ａ】
2014531983.tif 000012
【図７ｂ】
2014531983.tif 000013
【図８ａ】
2014531983.tif 000014
【図８ｂ】
2014531983.tif 000015
【図９】
2014531983.tif 000016
【国際調査報告】
2014531983.tif 000017
2014531983.tif 000018