(57)【要約】      （修正有）【課題】溶融金属の鋳造に用いられるセラミックコアの焼成用セッタの変形の少ない製造方法を提供する。【解決手段】セラミック粒子及びバインダーを含む混合物を、成型して、生セラミックセッターを形成する。次に、生セラミックセッターを、通気手段2を有する金属製支持部材の上に載せて、生セラミックセッターの下面にまで空気が流入できるようにする。支持部材に載置された生セラミックセッターを燃焼用フードの中に入れ、生セラミックセッター中のバインダー揮発性成分を生セラミックセッターの両面で燃焼させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックセッターを製造する方法であって、セラミック粒子及びバインダーを含む混合物をセラミックセッターの形状に形成して、生セラミックセッターを作製し、通気手段が設けられた金属支持部材の上に生セラミックセッターを載せて、前記支持部材に隣接するセッターの表面に空気の進入を可能とし、セッターが支持部材の上に載置されている間、生セラミックセッターのバインダーの揮発性性成分を燃焼させる工程を含んでいる方法。
【請求項２】
支持部材は通気手段を含んでいる請求項１の方法。
【請求項３】
通気手段は、支持部材の厚さ部分を貫く複数の孔を含んでいる請求項２の方法。
【請求項４】
通気手段は、支持部材の表面に設けられた少なくとも１つの溝を含んでおり、該溝は、支持部材の表面に生セラミックセッターを載置したときに、空気進入路を形成する請求項２の方法。
【請求項５】
支持部材は、金属の支持プレートを含んでいる請求項１の方法。
【請求項６】
生セラミックセッターは、平らな底面を有しており、該底面が支持部材に載せられる請求項１の方法。
【請求項７】
生セラミックセッターは、上面が、エアフォイル形状を有している請求項１の方法。
【請求項８】
生セラミックセッターを載せる支持部材は、燃焼用フードの中に配備されて、バインダーの揮発性成分を燃焼させる請求項１の方法。
【請求項９】
バインダーは、加水分解したエチルシリケートを含んでいる請求項１の方法。
【請求項１０】
混合物は、加水分解したエチルシリケートを架橋する塩基性触媒を含んでいる請求項９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属材料の鋳造におけるセラミックコアの製造に用いられるセラミックセッターを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの製造者の多くは、インベストメント鋳造によるタービンエアフォイル(例えば、タービンブレードやタービン翼)の進歩を評価している。エアフォイルの内部冷却の効率向上のために、複雑な空気冷却溝を設けることができ、これにより、エンジン推力をより大きくすることができ、エアフォイルの寿命が向上する。１又は２以上の薄いエアフォイル形状のセラミックコアがセラミックのシェルモールドの中に配置され、溶融金属がモールドの中のコアの周りで鋳造され、鋳造エアフォイルの中に、内部冷却通路が形成される。溶融金属が凝固した後、モールドとコアを取り除くと、コアが存在した場所に１又は２以上の内部通路を有する鋳造エアフォイルが残される。
【０００３】
セラミックコアは、一般的には、セラミック粉末、バインダー及び種々の添加剤が含まれるセラミック化合物流動体を用いて作られる。セラミック化合物は、射出鋳造、トランスファー鋳造、又は高温のコア金型又はモールドの中で置注鋳造される。生(green)の、即ち未焼成(unfired)のコアを金型又はモールドから取り除いた後、生コアをセラミックセッターに載置し、雰囲気温度まで冷却する。その後で、コアの仕上加工、寸法測定作業を行ない、高温の焼結温度で焼成する。生セラミックコアは、高められた温度(周囲環境温度より高い温度)のセラミックセッターの上で焼成され、１又は２以上の工程にて焼結して強度が付与される。得られたコアは、ニッケル基又はコバルト基の超合金のような金属材料の鋳造に用いられる。米国特許第６４０３０２０号は、剛性セッターの上に配置されて焼成が行われる生セラミックコアを開示している。米国特許第５０１４７６３号及び第６３４７６６０号は、上セッターと下セッターの間に配置されて焼成が行われる生セラミックコアを開示している。
【０００４】
生セラミックコアの焼成工程では、セッターの形状変形が起こると、コアの寸法公差に悪影響を及ぼすため、セラミックコアの寸法公差を維持するために、硬質のセッターが用いられる。このため、例えば、セッターの形状変形により、生セラミックコアはセラミックセッターと不都合な接触を生じ、製造されたセラミックコアの寸法にばらつきが生じる。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、溶融金属材料の鋳造に用いられるセラミックコアの製造に用いられるセラミックセッターを製造する方法を提供するものである。本発明の一実施例において、セラミック粒子とバインダーの混合物をセラミックセッターの形状に形成し、生セラミックセッターを作製する。次に、生セラミックセッターを金属支持部材の上に載せる。例えば、この金属支持部材には、通気手段が設けられており、載置されたセッターの表面に空気を進入させることができる。セッター表面の外部では、生セッターのバインダーの中のアルコールの如き揮発性成分が燃焼し、揮発性成分の少なくとも一部が燃焼する。これにより、表面のクレージング(crazing)が減少し、セラミックセッターの焼成前強度(green strength)が向上する。
通気手段によって、周囲環境の空気は、支持部材に隣接する生セッターの底面及び上面に達するので、バインダーの揮発性成分の少なくとも一部は、上面と底面の両方で燃焼し、表面のクレージングは減少し、セラミックセッターの焼成前強度は向上する。このように、支持部材を用いることにより、燃焼工程中における生セッターの形状変形は有意的に少なくなる。
【０００６】
本発明の上記及びその他の利点は、図面に基づく以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明について、図１に示すセラミックセッター(10)を置注鋳造(poured molding)によって製造する例について説明するが、この鋳造法は単なる例示であって、本発明を限定するものではない。置注鋳造は、公知の方法であって、流動状態のセラミック化合物が金型又はモールド(図示せず)の中へ導入される。本発明は、置注鋳造によって製造されたセラミックセッターの他に、射出鋳造(injection molding)やトランスファー鋳造によって製造されたセラミックセッターに対しても実施可能であり、これらセッターに限定されるものではない。セッターの置注鋳造は、１種又は２種以上のセラミック粉末(例えば、アルミナ、シリカ、ジルコン、及び／又はジルコニア粉末)と、液体バインダー(例えば、揮発性アルコールを含む触媒硬化型エチルシリケート液体バインダー)と、その他添加剤とを混合し、得られた混合物をセラミックセッターの形状を有するモールド又は金型(die)の中に注ぎ、前記混合物を硬化させて生セラミックセッター(10)を形成し、該セラミックセッターをモールド又は金型から取り除くことを含んでいる。
【０００７】
セラミックセッター(10)を作製するための具体的なセラミック粉末、バインダー及び添加剤については、公知の材料から選択して用いることができるので、本発明の一部を構成するものではない。バインダーとして、揮発性アルコール(例えばイソプロパノール)が含まれる加水分解エチルシリケートの如き有機金属バインダーを挙げることができるが、これに限定されるものではない。そのようなバインダー用触媒として水酸化アンモニウム又はモルホリンを挙げることができる。これらは、加水分解したエチルシリケートと架橋結合してゲル構造体を生成するので、モールド又は金型の中で硬化して、セラミックセッターの形状を有する生セラミックセッターが形成される。
【０００８】
生セラミックセッター(10)は、上向きに傾斜した形状の表面Ｓ１と、平らな底面Ｓ２を有している。表面Ｓ１の形状は、後述するように、生のセラミックコア(40)(図５参照)をセラミックセッター(10)の上で焼成できるように、セラミックコア(40)の形状に合わせて作られる。例えば、図示のセッターの表面Ｓ１は、生のセラミックコア(40)のエアフォイル領域(図５参照)(40a)を収容できる形状が選択されている。セッターの表面Ｓ１は、代表例として、平らな表面形状であり、セラミックコア(40)のエアフォイル領域(40a)に存在するペデスタル、タービュレータなどの表面細部を含んでいない。
【０００９】
本発明の一実施例では、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、生のセラミックセッター(10)を支持部材(20)の上に載せる。なお、支持部材は、図示の板状の形状に限定されるものではない。生セラミックセッター(10)は、一般的には、室温まで冷却した後、金型又はモールドから取り除いた後に、支持部材(20)へ配置されるが、これに限定されるものではない。
図２Ａに示す支持プレート(21)には、その厚さ方向を貫通する複数の孔(21a)が開設されている。孔は、直径が１２.７ｍｍ(０.５インチ)ほどの大きさであり、約５０.８〜１５２.４ｍｍ(２〜６インチ)の中心間距離を有するように設けられる。孔(21a)は、空気の通気手段として供され、燃焼用フード(30)(図４参照)内の雰囲気空気は、これら孔を通って、生のセラミックセッター(10)の底面Ｓ２に達することができる。
【００１０】
図３Ａ及び図３Ｂに示す支持プレート(21)は、孔(21a)の代わりに、複数の溝(21b)が設けられている。溝(21b)は、生セラミックセッターが載置される上表面(21s)にて、エッジ・エッジ間に跨って形成される。なお、セッター(10)の底面Ｓ２に空気の進入が可能となるように構成されている場合、この溝は１つ設けるだけでもよい。溝の一例として、幅９.５２５ｍｍ(３/８インチ)、深さ６.３５ｍｍ(１/４インチ)の大きさで、５０.８ｍｍ(２インチ)間隔に設けたものを挙げることができるが、これに限定されるものではない。溝(21b)は、セッターが支持プレートの上に置かれたとき、セッター(10)と支持プレート(20)の間を空気が通る通路(21c)を構成する。溝(21b)は、燃焼用フード(30)(図４参照)内の雰囲気空気が、生セラミックセッター(10)の底面Ｓ２に到達できるようにするための通気手段を構成する。なお、支持部材(20)に孔(21a)又は溝(21b)を設ける代わりに、又はこれらに加えて、１又は２以上の溝又はその他表面特徴を有するモールド又は金型の中でセラミックセッターを作り、セラミックセッター(10)の底面Ｓ２に１又は２以上の溝又はその他表面特徴を形成し、セッター(10)が支持部材(20)の上に置かれたとき、セッター(10)と支持部材(20)との間に空気進入通路が形成されるようにすることもできる。
【００１１】
支持部材(20)はステンレス鋼(例えば、３０４Ｌステンレス鋼)の金属プレート(21)であることが好ましく、該プレートの少なくとも生のセラミックセッター(10)を支持する側の面(即ち、上表面)に、精密研磨又は切削を施して、精密に平らな形状に形成する。この面精度は、例えば、合計ランアウト(上表面の最も高い位置と最も低い位置との差)は０.５０８ｍｍ(０.０２０インチ)以下である。
支持プレート(21)のサイズとして、幅３５５.６ｍｍ(１４インチ)、長さ７６２ｍｍ(３０インチ)を示すことができるが、これに限定されるものではない。支持部材(21)の厚さは、一般的には、９.５２５〜１９.０５ｍｍ(０.３７５〜０.７５インチ)であるが、その他の寸法を用いることもできる。支持プレート(21)は、金属以外の材料から作ることもできる。これらの材料として、セラミック材料の焼結体の研磨品を示すことができるが、これに限定されるものではない。
【００１２】
生のセラミックセッター(10)を支持部材(20)の上に載置し、次に、図４に示す燃焼用フード(30)の中に入れる。セッター(10)が支持部材(20)に載せられて燃焼用フードに入り、生セッターが火に曝されると、セッターの外表面では、バインダーの揮発性成分が燃焼する。図４に示されるように、生のセラミックセッター(10)は、平らな底面Ｓ２が支持部材(20)の上に置かれている。燃焼用フードは、公知の如く、金属フード(30a)に排気ダクト(30b)が配備されており、バインダーの揮発性成分の燃焼生成物は、前記ダクトを通じて、大気中へ排出される。
【００１３】
生のセラミックセッター(10)が載せられた支持部材(20)は、ローラコンベヤＢに載せられて、燃焼用フード(30)の中に入れられ、燃焼用フード(30)から出て行く。セッター(10)が燃焼用フードの中に入ると、バインダーの揮発性成分は、セッターの外表面の近傍が火に一時的に曝されて燃焼し、バインダーの揮発性アルコールの大部分は所定時間(例えば２０分)の間に燃焼する。その結果、表面のクレージングは減少し、別の炉の中で焼成処理を行なう前の段階での生セラミックセッターの強度は向上する。図４の孔(21a)で示される通気手段により、燃焼用フード(30)内の雰囲気空気は、燃焼用フード内の生セッター(10)の露出した上表面Ｓ１だけでなく、支持部材上にある生セッター(10)の底面Ｓ２にまで達するので、バインダーの揮発性成分の大部分は、生セッターの上表面Ｓ１と底面Ｓ２の両方で燃焼する。支持部材を前述の如く用いると、燃焼工程中におけるセッターの形状変形は有意的に減少する。これは、図５に示すセラミックセッター(10)上で焼成されたセラミックコアの寸法変化を減少させることになる。
【００１４】
本発明に基づいて、燃焼用フード(30)の中での初期燃焼処理でバインダーの揮発性成分を燃焼させた後、生のセラミックセッター(10)を公知のキルン炉の中に入れて、高温での焼成を行なって、セラミックセッター(10)を強化し、次に、金属材料を鋳造するためのセラミックコア(40)(図５参照)の作製に用いられる。生のセラミックセッター(10)は、公知のキルンにて、高温焼成温度で焼成され、セラミックコア粒子と共に焼結され、セッターが強化される。シリカベースの生セラミックセッターの場合、セッターの最高焼成温度は、セッターの組成物に応じて、１６００〜２１００OＦの範囲である。限定するものではないが、例えば、シリカセッターの場合、初期燃焼処理の後、２４時間サイクルで２１００OＦで焼結することができる。焼成は、大気雰囲気のキルン内で行なうことができる。セッター(10)の典型的な焼成条件として、加熱工程、最高焼成温度での保持工程、数時間乃至数日に亘る冷却工程を挙げることができる。最高焼成温度までの加熱速度は、例えばシリカベースのセッターの場合、約１０℃〜約１５０℃／時間を示すことができるが、これに限定されるものではない。
【００１５】
焼成されたセラミックセッター(10)は、図５に示すセラミック製の金属鋳造用コア(40)の焼成に用いることができる。前記コアは、例えば、タービンブレード、タービン翼などのガスタービンエアフォイルのインベストメント鋳造に用いられる。このようなエアフォイルは、一般的には、ニッケル基超合金及びコバルト基超合金を用いてインベストメント鋳造され、等軸粒ミクロ組織となるように、又は柱状粒又は単結晶からなる一方向凝固ミクロ組織となるように鋳造される。セラミックコア(40)は、周知のように、エアフォイルの中に１又は２以上の内部冷却通路を形成する。
【００１６】
図５は、焼成されたセラミックセッター(10)に載置された生セラミックの金属鋳造用コア(40)を示しており、セラミックコア(40)が焼成されると、強度が向上する。焼成されたコアは、公知の如く、セラミックモールド(図示せず)の中に配置され、溶融金属材料の鋳造に用いられる。
【００１７】
当該分野の専門家であれば、発明の実施例について。特許請求の範囲から逸脱することなく種々の変形をなし得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例に基づいて作製され、空気進入路を有する支持プレートに配備されたセラミックセッターの斜視図である。
【図２Ａ】支持プレートの平面図であって、支持プレートを厚さ方向に貫通する空気進入孔を示す図である。
【図２Ｂ】支持プレートに載置されたセッターの正面図であって、支持プレートを厚さ方向に貫通する空気進入孔を示す図である。
【図３Ａ】支持プレートの平面図であって、支持プレートの表面に形成された空気進入溝を示す図である。
【図３Ｂ】支持プレートに載置されたセッターの正面図であって、支持プレートの表面に形成された空気進入溝を示す図である。
【図４】燃焼用フード内のローラコンベヤーに配置された支持プレートと該プレートに載置されたセラミックセッターの断面図である。
【図５】本発明の実施例に基づいて作製された焼成セラミックセッターに配置されたセラミックコアの断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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