(57)【要約】【課題】鋳型中の溶融金属から熱を単一方向に除去して柱状結晶粒あるいは単結晶鋳造物を作製する方向性凝固方法および装置を提供する。【解決手段】鋳造加熱炉の一端から溶融物を充填した鋳型を引き出し、鋳型を引き出す際に液体冷却媒体を噴霧して鋳型の外部表面に吹き付け、鋳型外部表面に液体冷却媒体を吹き付けた後に冷却媒体を捕集する方法および装置。前記一端において熱じゃま板より下に複数の噴霧ノズルを配置し、前記冷却媒体の噴霧を放出して前記鋳型外部表面に吹き付ける。前記冷却媒体を前記鋳型外部表面に吹き付けた後、前記冷却媒体を捕集し、再利用する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属溶融物を充填した鋳型と鋳造炉とを相対的に移動させて前記金属溶融物を充填した鋳型を鋳造炉の一端から引き出し、さらに前記鋳型を引き出す際に、液体冷却媒体を噴霧して前記鋳型の外部表面に吹き付けることから成る鋳造方法。
【請求項２】
前記一端において熱じゃま板より下に複数の噴霧ノズルを配置し、前記冷却媒体の噴霧を放出して前記鋳型外部表面に吹き付けることから成る請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷却媒体を前記鋳型外部表面に吹き付けた後、前記冷却媒体を捕集し、再利用することから成る請求項１に記載の方法。
【請求項４】
冷却媒体は、溶融錫と溶融アルミニウムから成るグループから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記鋳型は、前記鋳型が載っている冷却部材を移動させることにより、前記鋳造炉の前記一端から引き出される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
金属溶融物を充填した鋳型と鋳造炉との相対的な移動により真空チャンバー中に配置された鋳造炉の一端から前記金属溶融物を充填した鋳型を引き出し、前記鋳型を引き出す際に液体冷却媒体を噴霧して前記鋳型の外部表面に吹き付け、前記鋳型外部表面上に吹き付けた後に前記真空チャンバー中の前記冷却媒体を捕集することから成る方向性凝固方法。
【請求項７】
前記一端において熱じゃま板より下に複数の噴霧ノズルを配置し、前記冷却媒体の噴霧を放出して前記鋳型外部表面に吹き付けることから成る請求項６に記載の方法。
【請求項８】
捕集した冷却媒体を再利用することから成る請求項６に記載の方法。
【請求項９】
冷却媒体は、溶融錫と溶融アルミニウムから成るグループから選択される請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
開放下端を有する鋳造炉、金属溶融物を充填した鋳型、および前記鋳型が前記鋳造炉から外へ移動する際に液体冷却媒体を噴霧して前記鋳型の外部表面上に吹き付ける手段を備え、前記鋳造炉および前記金属溶融物を充填した鋳型は相対的に移動可能であり前記下端を通って前記鋳造炉の外へ前記金属溶融物を充填した鋳型を引き出す方向性凝固鋳造装置。
【請求項１１】
前記下端において熱じゃま板を備え、前記手段は前記じゃま板より下に配置される請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記手段は、前記下端において熱じゃま板より下に配置されかつ前記冷却媒体の噴霧を放出して前記鋳型外部表面に吹き付ける複数の噴霧ノズルを備える請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記手段は、前記下端において熱じゃま板より下に配置されかつ１つまたはそれ以上のオリフィスを有して前記冷却媒体の１つまたはそれ以上の噴霧を放出して前記鋳型外部表面に吹き付ける輪状のパイプを備える請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記冷却媒体を前記鋳型外部表面に吹き付けた後、前記冷却媒体を捕集する手段を備える請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
冷却媒体は、溶融錫と溶融アルミニウムから成るグループから選択される請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
冷却部材を備え、前記鋳型が前記冷却部材上に配置され、かつ前記冷却部材が前記鋳造炉に対して相対的に移動することにより前記鋳型が前記鋳造炉の前記下端の外に移動する請求項１０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、鋳型中の溶融金属から熱を単一方向に除去して柱状結晶粒あるいは単結晶鋳造物を作製する方向性凝固方法および装置に関する。
【０００２】
ガスタービンエンジン用のニッケル基超合金タービン動翼および静翼などの部品製造においては、従来、方向性凝固（以下、ＤＳという）インベストメント鋳造技術を用い、エンジンのタービン区画で発生する高温における機械的強度を向上させた柱状および単結晶鋳造微細構造を作製していた。
【０００３】
冷却板上にある溶融物を充填したインベストメント鋳型を鋳造炉から引き上げる、公知のＤＳ鋳造「引き上げ」技術を用いるタービン動翼および静翼の製造において、インベストメント鋳型を鋳造炉から引き出す際に、溶融金属または合金中の単一方向の温度勾配を改良するため、固定式の熱じゃま板を鋳造炉の底部近くに用いていた。じゃま板は、鋳型を鋳造炉から引き出す際に、炉および溶融物を充填した鋳型からの熱の放射損失を減らす。
【０００４】
熱勾配を改良する試みとしては、鋳造炉の固定式の熱じゃま板より下に冷却ガスを導入して鋳型から熱を取り去るもの、および／または炉から炉の下方に位置する液体錫のような液体冷却金属浴中に、高温の溶融物を充填したインベストメント鋳型を引き出すものが含まれる。
【０００５】
冷却ガスは熱容量が小さいため、冷却効果を得るには大量のガスが必要となる、さらにじゃま板より下に冷却ガスがあると煙突効果により鋳造炉中の鋳型ヒーターの温度分布に悪影響を及ぼすという点において、不利である。大量の冷却ガスは、鋳造装置に付随する複雑で高価な真空ポンプおよびリサイクルシステムを必要とするばかりでなく、鋳造装置設備の熱遮蔽および冷却を複雑にする。
【０００６】
液体冷却金属浴を用いると、鋳型を高温の循環する冷却媒体中に下げなければならないので、鋳型の設計および引き下げ装置が非常に複雑になる。複雑な浴の循環および液面調節システムが必要である。さらに、液体冷却金属浴は汚染されやすく、また従来の鋳造インベストメント鋳型では浴中への溶融金属の漏れや重大な湯漏れによる反応が起きやすかった。
【０００７】
本発明は、１つの実施例において、鋳型から熱を取り去りかつ鋳型中にある溶融物の温度勾配を改善するように、セラミック製インベストメント鋳型とＤＳ鋳造炉との相対運動によりセラミック製インベストメント鋳型をＤＳ鋳造炉の一端から引き出す際に、溶融物を充填したセラミック製のインベストメント鋳型の外部表面に液体冷却媒体を直接噴霧する、ＤＳ鋳造用の方法および装置を提供する。液体冷却媒体は、鋳型の外部表面に吹き付けられた後、再利用するために好適に捕集される。
【０００８】
本発明の例示的な実施例において、複数の噴霧ノズルは、ＤＳ鋳造炉の下端において熱じゃま板の下に配置する。ノズルは、そこを通してインベストメント鋳型を鋳造炉外に引き下げるじゃま板開口部の周りに間隔を置いて配置する。インベストメント鋳型と鋳造炉との相対運動によりインベストメント鋳型を鋳造炉から引き出す際に、噴霧が鋳型外部表面に直接吹き付けられるように、噴霧ノズルは開口部を通る鋳型の引き出し経路に対して横断する方向に液体金属冷却媒体を噴霧する。
【０００９】
本発明は、冷却ガスおよび／または鋳型を浸漬する液体金属冷却浴を使用することに付随する上記のような不利を生じることなく、溶融物を充填した鋳型から大量の熱を取り去る機能を提供する。添付の図面と関連して、本発明を以下により詳細に説明する。
【００１０】
本発明は、限定ではないが、柱状あるいは単結晶鋳造微細構造を作製するためにニッケル、コバルト、および鉄基超合金の鋳造に特に有益な、ＤＳ鋳造方法および装置を提供する。図１を参照すると、柱状あるいは単結晶鋳造微細構造を作製するニッケル、コバルト、および鉄基超合金のＤＳ鋳造用の本発明の例示的な実施例による鋳造装置は、従来の方法のように、内部に配置される鋳造炉１２を有する真空鋳造チャンバー１０を備える。断熱部材１３ａと１３ｂは囲壁を形成する。誘導コイル１８の付勢により加熱されるサセプタを形成する内部固体グラファイト管状部材１５が、管状断熱部材１３ａの内側に配置される。断熱部材１３ｂは、溶融超合金のような溶融金属または合金（金属溶融物）が従来の方法のように鋳造炉１２の上方のチャンバー１０中にあるるつぼ（図示せず）からそこを通って鋳型２０中に導入される、開口１３ｃを有する。
【００１１】
サセプタ１５の周りに配置された誘導コイル１８は、従来の電源（図示せず）により付勢される。誘導コイル１８は、それの内部に配置された管状グラファイトのサセプタ１５を加熱する。空の鋳型２０を炉１２中に設置した後、サセプタ１５により供給される熱により、金属溶融物を収容するために好適な鋳型温度に鋳型を予備加熱する。
【００１２】
鋳型２０は、一般に、公知のロストワックス工程により形成される従来のセラミック製のインベストメントシェルガングまたはクラスター鋳型を備える。また鋳型２０は、るつぼからの溶融物を受けかつ湯口２０ｂを経由してそれぞれが鋳造される物品の形状をしたキャビティ２２を有する複数のシェル型２１と連通する注入キャップ２０ａを含む。図１には２つのシェル型２１が示され、４つまたはそれ以上のシェル型２１を中柱２０ｄの周りに配置することが可能である。鋳型中にある金属溶融物から単一方向に熱を取り去り、鋳型の長手方向軸に沿って伸びる鋳型において金属溶融物Ｍ中の温度勾配を形成するために、各キャビティ２２は、従来の方法により各キャビティの開放底部端において冷却板２６と連結される。単結晶部品の鋳造において、公知のように、ピグテール路のような種または結晶セレクター（図示せず）は、開放下端の上方で鋳型中に組み入れられ、金属溶融物中に成長する単結晶を選択する。本発明は、複数のシェル型２１を有するガングまたはクラスター鋳型２０を用いることに限定されず、１つまたはそれ以上のキャビティを有する全ての種類の耐火シェル型を用いて実施することができる。
【００１３】
本発明の１つの実施例において、図示されるように、鋳型２０は一体型の鋳型ベース２０ｃおよび冷却板２６上に載る中支持柱２０ｄにより構成される。ベース２０ｃは、従来の方法により、要望に応じてクランプすることができる。冷却板は流体アクチュエータ（図示せず）により上昇または降下するラム２８上にあり、鋳造炉１２中へまたは鋳造炉１２の外へ鋳型２０を移動させる。別法として、本発明は鋳型２０と鋳造炉１２との相対的な運動を利用して炉１２の端部から金属溶融物を充填した鋳型２０を引き出すことを考えている。例えば、別の実施例において、鋳造炉１２とノズル４０が一緒に移動して炉１２の端部から溶融物を充填した鋳型２０を引き出す一方、冷却板２６上の鋳型２０と捕集容器５０を固定位置に配置することができる。
【００１４】
ガスタービン動翼および静翼のＤＳ鋳造において、各キャビティ２２は、動翼や静翼の根元に対応する根元領域２２ａと、鋳造される動翼や静翼のプラットホーム部分に対応する比較的大きなプラットホームキャビティ２２ｂを有する。各キャビティ２２は、鋳造される動翼や静翼の翼部分に対応する比較的小さくかつ狭い翼キャビティ領域２２ｃも有する。
【００１５】
固定式の熱じゃま板３０は、鋳造炉１２の下端に配置され、従来の方法で真空チャンバー１０の壁Ｗに接続される。じゃま板３０は、鋳型引き出し方向（図１の垂直方向）に対して垂直に向き、プラットホーム領域２２ｂとじゃま板３０の内周との間にわずかな隙間（例えば、約１．３ｃｍ（１／２インチ））を作って、そこを通過する比較的大きなプラットホーム領域または溶融物を充填した鋳型２１の輪郭を収容するために選択された断面構成を有する開口部３０ａを備える。じゃま板３０は、他の耐火材料を使用することもできるが、通常グラファイト材料により構成される。
【００１６】
本発明の例示的な実施例によれば、複数の噴霧ノズル４０がＤＳ鋳造炉１２の下端において熱じゃま板３０の下に配置される。ノズル４０は、金属溶融物を充填したインベストメント鋳型２０が鋳造炉の外へそこを通って下方に引き出される、じゃま板開口部３０ａの周囲に等間隔に配置される。鋳型２０が鋳造炉から引き出される際に噴霧Ｓがシェル型２１の外部表面上および周囲に直接吹き付けるように、噴霧ノズル４０は、開口部３０ａを通る鋳型引き下げの垂直経路を横切る一般に水平方向に、複数の液体冷却噴霧Ｓである液体冷却媒体を噴霧するように向けられる。図１において、ノズル４０は水平方向に向いて示され鋳型の外部表面に噴霧させる。別法として、各ノズル４０はブラケット４１上に取り付けられ、この目的のために図１（Ａ）に示されるように、水平方向に対してノズル４０に上向きの角度を付けることができる。ノズル４０は、真空鋳造チャンバー１０中の鋳造炉１２を支持する構造枠Ｆ上に、すべての適切な取付け方法により取り付けられる。
【００１７】
噴霧ノズル４０は、好適には、液体冷却媒体の平らなファン形状の噴霧を作り最も鋭い温度遷移を実現しかつ鋳型表面を冷却するために必要なノズル数を最小にする型のものである。ノズルは、例えば液体錫冷却媒体のような冷却媒体との長時間の接触に耐えることができるすべての適切な材料により構成することができる。
【００１８】
各噴霧Ｓは、シェル型材料と逆反応しないようなシェル型材料に適合する、比較的低融点で比較的高い熱容量の液体金属または合金、あるいは溶融塩や酸化物のような他の液体材料から成る。例示のためであり限定ではないが、溶融錫、溶融アルミニウム、あるいは他の液体冷却金属または合金を用いることができる。液体冷却金属または合金の比較的低融点は、鋳型２１中で鋳造されかつ方向性凝固される液体金属または合金の融点を基準にしてのことである。液体冷却金属または合金の比較的高い熱容量は、過去において鋳型を冷却するために用いられたＡｒや他の不活性ガスのような、冷却ガスにより供給される熱容量を基準にしてのことである。
【００１９】
液体錫を噴霧液体冷却媒体として用いる場合、液体錫の温度は一般に１５０〜２６０℃（３００〜５００（Ｆ）の範囲である。一方、例示目的であるが、鋳型　２１中にある溶融ニッケル基超合金の温度は一般に１５４０〜１２６０℃（２８００〜２３００（Ｆ）の範囲である。液体アルミニウムを噴霧液体冷却媒体とし　て用いる場合、液体アルミニウムの温度は一般に４８０〜７６０℃（９００〜１４００（Ｆ）の範囲である。
【００２０】
図２に示すように、ノズル４０には、ポンプ４４に接続された共通の分配またはマニホールドパイプ４２を経由して液体冷却媒体が供給される。ポンプ４４は、液体冷却金属または合金を収容する加熱された貯蔵タンク４６に接続される。タンク４６は、溶融錫やアルミニウムのような液体金属または合金を所望の使用温度に加熱しかつ使用するために収容する目的に用いられる従来の金属（例えば鋼）またはセラミック製のタンクから成る。ポンプ４４は、液体冷却金属または合金を加圧してノズル４０へ供給し、噴霧Ｓを生成する。ノズル４０へ供給される液体冷却金属または合金の圧力範囲は、使用に選択されるノズル４０の型に依存し、一般には４０〜２５０ｐｓｉの範囲である。ポンプ４４およびタンク４６は、真空チャンバー１０の外側に配置されて、液体冷却金属または合金を分配またはマニホールドパイプ４２へ供給する配管４３によりノズル４０に接続される。
【００２１】
シェル型２１がじゃま板開口部３０ａから引き出される際に液体冷却媒体がシェル型２１に吹き付けられた後、依然として液体である錫またはアルミニウムのような依然として液体である冷却媒体が、重力により鋳型２０から真空チャンバー１０中の捕集容器５０中に落下する。その後、液体冷却媒体は配管５１とポンプ５２を経由して、閉ループ中において調整され再利用するためにタンク４６中へ戻される。タンク４６は、液体冷却媒体を適切な温度へと熱的に調整するためばかりでなく、ノズル４０を塞ぐ可能性のある液体冷却媒体中の汚染物をフィルターし分離するためにも有効である。
【００２２】
動作中において、空の鋳型２０は、ラム２８の上昇運動により炉１２中に位置する。誘導コイル１８が付勢されて、サセプタ１５を通して鋳型２０を、ニッケル基超合金を鋳造する１３７０℃（２５００（Ｆ）以上のような適切な鋳造温度　に予備加熱する。鋳型を、炉の上方のるつぼから鋳造される溶融金属または合金で充填する。その後、例えば、単結晶セレクターまたは種が鋳型中に存在する場合に、柱状結晶粒または単結晶微細構造のいずれかを形成するための鋳型の引き出し中に、シェル型２１中にある溶融物中を上方に向かって進む凝固先端を実現するために、溶融物中に温度勾配を形成するように引き下げ速度を制御してラム２８の降下させることにより（あるいは炉１２と鋳型２０との相対移動により）、金属溶融物を充填した鋳型２０はじゃま板３０を通って炉１２の外へ引き降ろされる。
【００２３】
鋳型２０が下方へ引き出され始めるとすぐに、ノズル４０には液体金属冷却媒体のような液体冷却媒体が供給され、じゃま板３０を通って炉１２の外へ出る際に、シェル型２１の外部表面に吹き付けられる冷却噴霧Ｓを発生する。比較的高い熱容量でかつ比較的低い温度の液体冷却金属または合金が、高温の鋳型外部表面上および周囲に吹き付けられて、熱を取り去りかつ溶融物中を進む凝固先端より上の鋳型２１中にある溶融物の温度勾配を改善する。液体冷却金属または合金がシェル型２１に吹き付けられた後に、依然として液体である冷却金属または合金は真空チャンバー１０中の容器５０に捕集され、調整され再利用するためにポンプ５２によりタンク４６へ戻される。
【００２４】
上記のように複数の個々のノズル４０を使用する代わりに、本発明は、他のノズルまたはオリフィス配列を使用して鋳型外部表面に吹き付ける液体冷却媒体の１つまたはそれ以上の噴霧Ｓを発生することを考える。例えば、図３に示すように、本発明は、鋳型２０に面する内周の周りに間隔を置いて配置された複数のオリフィス４２ａ’を有するマニホールドパイプ４２’を使用して噴霧Ｓを発生する。また、図４に示すように、マニホールドパイプ４２’’は、輪状のスリットまたはスロットオリフィス４２ａ’’を鋳型２０に面する内周上に備え、鋳型外部表面に吹き付けるために環状または他の適切な形状に噴霧Ｓを発生する。
【００２５】
さらに、本発明は、限定するためではなく例示目的に、本発明のある具体的な実施例に関して説明したことを理解すべきである。本発明は、特許請求の範囲に記述された本発明の精神および範囲に反することなく、変形や変更等を行うことが可能であることが想定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施例によるＤＳ鋳造装置の概略断面図である。（Ａ）は、ノズルが水平方向に対して上向き角度に向けられた、他の実施例のＤＳ鋳造装置の部分概略断面図である。
【図２】じゃま板開口部および液体金属供給配管の周りに配置された噴霧ノズルを示す、熱じゃま板底部の図１の線２−２についての概略図である。便宜上、鋳型は断面において概略的かつ部分的に示す。
【図３】本発明の他の実施例によるＤＳ鋳造装置の概略断面図である。
【図４】本発明の他の実施例によるＤＳ鋳造装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１０　チャンバー
１２　鋳造炉
１３ａ，１３ｂ　断熱部材
１５　サセプタ
１８　誘導コイル
２０　鋳型
２２　キャビティ
２６　冷却板
２８　ラム
３０　じゃま板
４０　ノズル
４１　ブラケット
４２　マニホールドパイプ
４３　配管
４４　ポンプ
４６　貯蔵タンク
５０　捕集容器
Ｆ　　構造枠
Ｓ　　噴霧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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