(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消失模型鋳造用の模型（１２）であって、模型は、ブレードの主軸に対して実質的に直角なプラットフォーム（２０）の両側に根元（１５）および本体（１４）を備えるタービンエンジンブレードの形状であり、前記ブレード本体（１４）は圧力側（１７）、吸引側（１６）、前縁（１８）、および後縁（１９）を有し、模型（１２）はまた、後縁（１９）に隣接する拡張バー（２１）と、模型（１２）に埋め込まれているが圧力側（１７）および吸引側（１６）の両方において後縁（１９）と拡張バー（２１）との間にそれぞれ同一平面のワニス表面（３１）を有する耐火コア（２３）と、を有し、模型（１２）は、プラットフォーム（２０）と前記拡張バー（２１）との間に延在してその間に自由縁（２５）を有するウェブ（２４）を含み、拡張バー（２１）は、模型の部品外要素であり、後縁（１９）および拡張バー（２１）は、鋳放しにおいて、間隙によって分離されるものであり、拡張バー（２１）は、後縁（１９）にしたがっており、ワニス表面（３１）は、ワニスで覆われ、かつ後縁（１９）と拡張バー（２１）との間で露出した、耐火コア（２３）の表面であることを特徴とする、模型（１２）。
【請求項２】
ウェブ（２４）の自由縁（２５）がプラットフォーム（２０）の一縁（２６）から拡張バー（２１）まで延在している、請求項１に記載の模型（１２）。
【請求項３】
拡張バー（２１）の自由縁（２７）とウェブ（２４）の自由縁（２５）との間に漸進的な形状の変化（２８）を有する、請求項１または２に記載の模型（１２）。
【請求項４】
ウェブ（２４）が拡張バー（２１）の厚さより小さいかまたはこれと等しい厚さである、請求項１から３のいずれか一項に記載の模型（１２）。
【請求項５】
ウェブ（２４）の自由縁（２５）が横断面において丸みを帯びている、請求項１から４のいずれか一項に記載の模型（１２）。
【請求項６】
ブレードの根元（１５）と反対側の末端において本体（１４）を延在させる部品外セグメント（２２）も含み、ウェブ（２４）は、部品外セグメント（２２）を含む本体（１４）の高さの半分以下の高さを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の模型（１２）。
【請求項７】
ウェブ（２４）とプラットフォーム（２０）との間の接合部（２９）が吸引側（１６）とプラットフォーム（２０）との間の接合部（３０）を延在させる、請求項１から６のいずれか一項に記載の模型（１２）。
【請求項８】
ブレード根元（１５）と反対側のブレード本体（１４）の末端に接続されたセレクタチャネル模型（９）を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の模型（１２）。
【請求項９】
ツリー（１３）によって互いに接続されている請求項１から８のいずれか一項に記載の複数の模型（１２）を含む、アセンブリ（１１）。
【請求項１０】
シェル鋳型（１）を製造する方法であって、
請求項１から８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの鋳造模型（１２）をスリップ中に浸漬するステップと、
少なくとも１つの模型（１２）の周りにシェルを形成するために少なくとも１つのスリップ被覆模型（１２）に耐火砂を振りかけるステップと、
少なくとも１つの模型（１２）を取り外すステップと、
シェルを焼成するステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
少なくとも、
請求項１０にしたがってシェル鋳型（１）を製造するステップと、
溶融金属をシェル鋳型（１）の中に投入するステップと、
その指向性凝固を伴って金属を冷却するステップと、
金属鋳放しを回収するためにシェル鋳型（１）を型ばらしするステップと、
鋳放しを仕上げするステップと、
を含む鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋳造の分野に関し、より具体的には消失模型鋳造用の模型、またシェル鋳型を製造する方法、ならびにこのような模型を用いる鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる「ロストワックス」または「消失模型」鋳造法は、古来より知られている。これらは特に、複雑な形状の金属部品を作成するのに適している。このため、消失模型鋳造は、具体的にはタービンエンジンブレードを作成するために使用されている。
【０００３】
消失模型鋳造において、第一ステップは通常、たとえばワックスまたは樹脂など、比較的低い溶融温度を有する材料から模型を作り、その後模型上に鋳型をオーバモールドすることを含む。模型の材料を鋳型の内側から取り外した後、これはこのような方法の名前の由来であるが、そこから取り出されることによって鋳型の内側に模型が形成される空洞を満たすために、鋳型の中に溶融金属が投入される。金属が冷却されて凝固すると、模型の形状を有する金属部品を回収するために、鋳型は開放または破壊されてもよい。本文脈において、用語「金属」は、純金属のみならず、とりわけ金属合金も含むように理解されるべきである。
【０００４】
複数の部品を同時に作ることができるようにするため、溶融金属用の鋳型内に鋳造チャネルを形成するツリーによって模型が互いに接続された単一のアセンブリ内で、複数の模型を結合することが可能である。
【０００５】
消失模型鋳造において使用可能な様々なタイプの鋳型の中でもとりわけ、模型または模型のアセンブリをスリップ中に浸漬し、次に模型またはアセンブリの周りにシェルを形成するために、スリップで被覆された模型または模型のアセンブリ上に耐火砂をダスティングし、次にスリップを凝固させてスリップおよび砂を固めるためにシェルを焼成することによって形成される、いわゆる「シェル」鋳型が知られている。焼成する前に十分な厚みのシェルを得るために、浸漬およびダスティングのいくつかの連続工程が考えられる。用語「耐火砂」は本文脈において、所望の製造公差を満たすため十分に小さい粒径で、固体状態にありながら溶融金属の温度に耐えることが可能であり、シェルの焼成の間にスリップによって固められて単一の固体片になることが可能な、いずれかの粒状物質を指すために使用される。
【０００６】
鋳造によって作成される部品において特に有利な熱機械的特性を得るためには、金属が鋳型内で指向性凝固を経ることを保証するのが、望ましいだろう。用語「指向性凝固」は本文脈において、液体状態から固体状態になるときに溶融金属における固体結晶の核形成および成長が制御されることを意味するために、使用される。このような指向性凝固の目的は、部品内の粒子境界の悪影響を回避することである。このため、指向性凝固は、柱状または単結晶であってもよい。柱状指向性凝固は、割れを伝播するのに寄与することがないように、粒子境界のすべてを同じ方向に配向することにある。単結晶指向性凝固は、すべての粒子境界を排除するように、部品が単一の結晶として凝固することを保証することにある。
【０００７】
指向性凝固は、タービンエンジンブレードなど、高レベルな熱機械的応力に曝されることになる部品を作成するときに、特に望ましい。とは言うものの、このようなブレードの複雑な形状は指向性凝固を妨害して、特にブレードの鋭角コーナーの近傍において、望ましくない粒子を生じる可能性がある。具体的には、ブレードの主軸に対して実質的に直角に延在するプラットフォームの両側に根元および本体を備え、前記本体は圧力側、吸引側、前縁、および後縁を有するタービンエンジンブレードにおいて、ブレードの本体とプラットフォームとの間の急激な変化は、特に後縁の近傍に、このような望ましくない粒子を形成させる可能性がある。
【０００８】
タービンエンジンブレードの重量を減少させるため、とりわけこれらの冷却を可能にするために、非恒久的な模型に耐火コアを埋め込むことは一般的な方式である。このような耐火コアは、模型の材料が取り出された後、および金属が鋳造および冷却された後もシェル鋳型の内側に残り、これによって金属部品に中空容積を形成する。具体的には、後縁の良好な冷却を提供するために、その薄さが特に高温の影響を受けやすいことを考慮して、後縁用の冷却スロットを形成するように、このようなコアを後縁において模型の表面と同一平面にすることが、一般的な方式である。とは言うものの、この場所でのコアの薄さはこれを壊れやすくする。加えて、金属の鋳造および冷却の間、コアをシェル鋳型の内側の正しい位置に保持するために、その熱膨張を案内することが望ましい。この目的のため、模型は、後縁に隣接して、後縁と拡張バーとの間に模型の各側面と同一表面となる耐火コアのワニス表面を有する、案内バーを含んでもよい。これら表面上のワニスは、模型の材料と一緒にシェル鋳型から取り出されるが、この場所におけるコアの膨張をその厚さに対して直角な方向に案内するように、耐火コアとシェル鋳型との間に（数百分の１ミリメートル程度の）わずかな空隙があることを保証する。拡張バーの内側で、コアの厚さはより大きくてもよく、これによりさらに堅牢にする。
【０００９】
とは言うものの、後縁または拡張バーとブレードプラットフォームとの交点の鋳型空洞の形状の間の複雑さは、粒子が発生する危険性を増加させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、特にこれらの不都合を是正しようとするものである。具体的には本発明は、消失模型鋳造方法で模型から作成される際に、後縁または拡張バーとタービンエンジンブレードのプラットフォームとの間の交点の近傍に、望ましくない粒子が形成されるのを回避することを可能にする、模型を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、この目的は、模型が、プラットフォームと前記拡張バーとの間に延在してその間に自由縁を有するウェブも含むということによって、達成される。用語「ウェブ」は本文脈において、非常に細い、すなわち他の寸法よりも著しく小さい厚さの、壁を指すために使用される。とは言うもののウェブの厚さは、必ずしも拡張バーの厚さよりも小さくする必要はない。
【００１２】
これらの提供によって、より緩やかな後縁とプラットフォームとの間の変化を保証して、望ましくない粒子の発生源となり得る鋭角コーナーを回避することが可能である。このような模型を用いる鋳造方法に起因する鋳放しはいずれにせよ拡張バーを除去するために引き続き機械加工されなければならないので、このウェブは、追加工程を生じることなく同じ機械加工ステップにおいて除去されることが可能である。
【００１３】
有利なことに、ウェブの自由縁は、プラットフォームと後縁との間のみならずプラットフォームの縁においても望ましくない粒子が核形成するのを回避するように、プラットフォームの一縁から拡張バーまで延在してもよい。
【００１４】
望ましくない粒子が形成するのをさらに回避するために、模型は拡張バーの自由縁とウェブの自由縁との間に漸進的な変化を有してもよい。加えて、ウェブは拡張バーの厚さより小さいかまたはこれと等しい厚さであってもよく、ウェブの自由縁は横断面において丸みを帯びていてもよい。
【００１５】
模型はまた、具体的にはセレクタチャネルとブレードの本体との間に平滑な変化を提供するために、ブレード根元から離れた末端から本体を延在させる部品外セグメントも含んでもよい。このような状況下で、ウェブは、部品外セグメントと併せた本体の高さの半分以下の高さを有してもよい。
【００１６】
望ましくない粒子を発生する可能性のあるコーナーの数を制限するために、ウェブとプラットフォームとの間の接合部は、圧力側とプラットフォームとの間の接合部を延在させてもよい。
【００１７】
指向性凝固を促進するために、この鋳造模型はまた、ブレード根元の反対側のブレード本体の末端に接続された、セレクタチャネル模型も有してもよい。この鋳造模型の周りに形成された鋳型を用いる鋳造方法では、たとえばバッフル型チャネルなどのセレクタチャネルを介してブレード鋳型空洞に接続されたスタータ空洞から鋳型の内側の溶融金属を漸進的に冷却することによって、スタータ空洞内で核形成した粒子のうちの１つのみがブレード鋳型空洞内に伝播するよう保証することが、可能である。
【００１８】
本発明はまた、複数のブレードを同時に作成することが可能なように、ツリーによって互いに接続された複数の前記鋳造模型を含むアセンブリも、提供する。
【００１９】
本発明はまた、シェル鋳型を製造する方法であって、少なくとも１つのこのような鋳造模型をスリップ中に浸漬するステップと、少なくとも１つの模型の周りにシェルを形成するために少なくとも１つのスリップ被覆模型に耐火砂を振りかけるステップと、少なくとも１つの模型を取り外すステップと、シェルを焼成するステップと、を含む方法も、提供する。加えて本発明はまた、シェル鋳型のこのような製造の後に、溶融金属をシェル鋳型の中に投入するステップと、その指向性凝固を伴って金属を冷却するステップと、金属鋳放しを回収するために型ばらしするステップと、鋳放しを仕上げするステップと、が続く、鋳造方法も提供する。この仕上げするステップは、具体的に、鋳放しから部品外要素を機械加工して離すステップを含んでもよい。
【００２０】
非限定例によって与えられる以下の実施形態の詳細な説明を読むことで、本発明はよく理解されることが可能であり、その利点がわかりやすくなる。説明は、次の添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】指向性凝固鋳造法の実施を示す図である。
【図２】鋳造模型のアセンブリを示す図である。
【図３】実施形態における鋳造模型の側面図である。
【図４】図３の模型の反対側を示す図である。
【図５】線Ｖ−Ｖにおける、図３および図４の模型の断面図である。
【図６】線ＶＩ−ＶＩにおける、図３から図５の模型の断面図である。
【図７】図３から図６に示される模型の一部の、線ＶＩＩ−ＶＩＩにおける長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、指向性凝固を得るための溶融金属の斬新的な冷却が、鋳造方法において通常どのように実行され得るかを示す。
【００２３】
この方法で使用されるシェル鋳型１は、鋳造カップ５とプレート型基部６との間で主軸Ｘに沿って延在する、中央下垂部４を含む。シェル鋳型１が加熱チャンバ３から抜き出されている間、基部６は基礎板２と直接接触している。シェル鋳型１はまた、中央下垂部４の周りにアセンブリとして配置された、複数の鋳型空洞７も有する。各鋳型空洞７は、投入の間そこを通じて溶融金属が挿入される供給チャネル８によって、鋳造カップ５に接続されている。各鋳型空洞７はまた、底部においてバッフル−セレクタチャネル９を介して基部６に隣接するさらに小さい空洞によって形成されたスタータ１０にも接続されている。
【００２４】
シェル鋳型１は、いわゆる「ロストワックス」または「消失模型」方法によって作成されてもよい。このような方法の第一ステップは、図２に示されるように、ツリー１３によって互いに接続された複数の模型１２を含む、非恒久的なアセンブリ１１を作り出すことである。模型１２およびツリー１３はいずれもシェル鋳型１の中に中空容積を形成するためのものであり、そのためこれらは、模型用樹脂またはワックスなど、低溶融温度を有する材料で作られている。多数の部品を作成するように意図されるときは、特に模型用樹脂またはワックスを恒久鋳型に注入することによってこれらの要素を作成することが可能である。
【００２５】
この実施において、非恒久的なアセンブリ１１からシェル鋳型１を作成するために、アセンブリ１１はスリップ中に浸漬され、その後耐火砂でダスティングされる。これらの浸漬およびダスティングステップは、所望の厚さのスリップ含浸砂のシェルがアセンブリ１１の周りに形成されてしまうまで、何回か繰り返されてもよい。
【００２６】
このシェルに覆われたアセンブリ１１はその後、アセンブリ１１の低溶融温度材料を溶融してこれをシェルの内側から取り出すように、加熱されることが可能である。その後、より高温の焼成ステップにおいて、スリップは、耐火砂を固めてシェル鋳型１を形成するように、凝固される。
【００２７】
この鋳造方法で使用される金属または金属合金は、鋳造カップ５を介してシェル鋳型１の中に溶融されながら投入され、供給チャネル８を介して鋳型空洞を満たす。この投入の間、シェル鋳型１は、図１に示されるように、加熱チャンバ３内に保持される。その後、溶融金属を漸進的に冷却させるために、冷却されて移動可能な支持体２によって支持されたシェル鋳型１は、主軸Ｘに沿って下向きに、加熱チャンバ３から取り出される。シェル鋳型１は支持体２によってその基部６を介して冷却されるので、溶融金属の凝固はスタータ１０で開始され、加熱チャンバ３からのシェル鋳型１の漸進的な下向き取り出しの間に上の方へ伝播する。とは言うものの、各セレクタ９によって形成されたくびれ、およびそのバッフル形状は、スタータ１０の各々の中で最初に核形成した粒子のうちの１つのみが、対応する鋳型空洞７まで延在するように連続することが可能であることを保証するのに役立つ。
【００２８】
この方法での使用に適した金属合金の中でもとりわけ、具体的にはＳｎｅｃｍａ（スネクマ）のＡＭ１およびＡＭ３などの単結晶ニッケル合金、ならびにＣ−Ｍ  ＧｒｏｕｐのＣＭＳＸ−２（Ｒ）、ＣＭＳＸ−４（Ｒ）、ＣＭＳＸ−６（Ｒ）、およびＣＭＳＸ−１０（Ｒ）、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（ゼネラルエレクトリック）のＲｅｎｅ（Ｒ）Ｎ５およびＮ６、Ｒｏｌｌｓ−Ｒｏｙｃｅ（ロールスロイス）のＲＲ２０００およびＳＲＲ９９、そしてＰｒａｔｔ＆Ｗｈｉｔｎｅｙ（プラットアンドホイットニー）のＰＷＡ１４８０、１４８４、および１４８７などのその他の合金が、見出される。表１は、これらの合金の組成をまとめたものである。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
金属がシェル鋳型の中で冷却および凝固された後、鋳型は金属部品を解放するように型ばらしされ、これはその後、機械加工および／または表面処理法によって仕上げられる。
【００３１】
成形するための部品が複雑な形状であるとき、それでもなおこれらは、各鋳型空洞７の中の金属の指向性凝固をより複雑にすることになる。具体的には、空洞７の鋭角コーナーは、部品を弱める望ましくない粒子の原因となる可能性がある。このような望ましくない粒子が形成するのを回避するために、この実施形態における模型１２は、鋳型空洞７の中の特定の鋭角を平滑化する、追加要素を受容する。タービンエンジンブレードを作成するためのこのような鋳造模型１２の１つは、図３および図４に示されている。このためこの鋳造模型１２は、ブレード本体１４およびブレードをタービンエンジンロータに締結するためのブレード根元１５を備える、タービンエンジンブレードの形状である。ブレード本体１４は、前縁１８および後縁１９に沿ってつながっている、吸引側１６および圧力側１７を有する。プラットフォーム２０はブレード本体１４とブレード根元１５との間にある。模型１２はまた、部品外要素、具体的には、後縁１９に隣接する拡張バー２１と、ブレード根元１５の反対の末端においてブレード本体１４を延在させる部品外セグメント２２と、を有する。この部品外セグメント２２はセレクタチャネル９に接続するためのものであり、ブレード根元１５は供給チャネル８に接続するためのものであり、シェル鋳型１の中の模型１２によって形成された鋳型空洞７の中で、溶融金属が投入の間はブレードの根元１５からブレード本体１４に向かって流れ、その指向性凝固の間は反対方向に向かって引き続き凝固するようになっている。
【００３２】
模型１２はまた、タービンエンジンブレードの中に空洞を形成することを目的として、耐火性の固体コア２３も有する。模型１２の各側面では、コア２３のワニス表面３１は、図５および図６に示されるように、後縁１９とバー２１との間で模型１２の表面と同一平面になっている。模型１２を浸漬およびダスティングするステップの間、スリップ含浸砂シェルは、コア２３のこれらワニス表面３１を含む、模型１２の露出表面上に形成する。模型の取り出しおよび／またはシェルの焼成の間、これらの表面３１を覆うワニスもまた除去され、これにより、コアのこれらの表面３１とシェル鋳型１の対応する内側表面との間に、通常は２００から３００分の１ミリメートルの範囲にある、わずかな空隙を残す。この場所において、この小さな空隙は、シェル鋳型１に対してコア２３がその厚さに直角に移動できるようにし、これにより金属の投入および冷却の間にコア２３の熱膨張を案内する。とは言うものの、この空隙の小さいサイズは、この場所においてコア２３とシェル鋳型１との間で溶融金属が流れるのを防止する。このため鋳放しにおいて、後縁およびバーは、鋳放しを仕上げる間にバーのその後の機械加工を容易にする間隙によって、分離される。
【００３３】
望ましくない粒子の形成に関して特に危険な場所は、後縁１９とプラットフォーム２０との間の交点の近傍である。複数の鋭角コーナーがこの場所に集まる可能性があり、これによって望ましくない粒子が形成する危険を増大させる。これを回避するために、図示される実施形態において、模型１２はまた、バー２１とプラットフォーム２０との間に細いウェブ２４も有する。ウェブ２４は、バー２１とプラットフォーム２０の縁２６の縁２６ａの末端との間に延在する自由縁２５を有する。ウェブ２４は、隣接するバー２１の厚さｅ２と等しいかまたはこれより小さい厚さｅ１である。ウェブ２４の高さｈ１は、部品外セグメント２２を含むブレード本体１４の実高さｈ２のおよそ半分である。図５および図６に示されるように、ウェブ２４の自由縁２５およびバー２１の外側縁２７が丸みを帯びている限り、その間の変化２８は非常に漸進的である。バー２１およびウェブ２４はいずれも、もしあれば後縁１９の曲率に続く。ウェブ２４とプラットフォーム２０との間の変化２９は、図７に示されるように、長手方向平面において丸みを帯びており、吸引側１７とプラットフォーム２０との間の変化３０の線から続いている。
【００３４】
このような模型から少なくとも１つのタービンエンジンブレードを作成するために使用される鋳造方法において、鋳放しのウェブおよびバーは、鋳放しを仕上げながら機械加工することによって、容易に同時に除去されることが可能である。これにより、ウェブ２４を有していない模型において必要とされるよりも多くの機械加工工程を実行する必要性を伴わずに、きれいな部品を得ることを可能にする。
【００３５】
本発明は特定の実施形態を参照して記載されるものの、請求項によって定義される本発明の全体的な範囲を超えることなく様々な修正および変更がなされてもよいことは、明らかである。加えて、記述の様々な実施形態の個々の特徴は、追加実施形態に組み込まれてもよい。結果的に、明細書および図面は、限定的な意味ではなくむしろ説明的な意味で見なされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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