(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する方法であって、当該方法が、
アルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を液体と混合してスラリーを生成する工程であって、スラリー中の固形分がスラリー重量の６０〜８０重量％であり、スラリーの粘度が３０〜１５００ｃＰである工程と、
スラリーを、消失性模型を有する鋳型キャビティ内に注入する工程と、
スラリーを鋳型キャビティ内で硬化させて、チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する工程と
を含んでおり、炭化ケイ素が１０〜５０μｍの外形寸法の粒子である、方法。
【請求項２】
アルミン酸カルシウムがスラリー重量の２０重量％超をなす、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アルミン酸カルシウムの粒径が、外形寸法で５０μｍ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
スラリーが酸化物粒子をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
酸化物粒子が中空である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
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、酸化チタン粒子、酸化ケイ素粒子及びそれらの組成物からなる群から選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
酸化物粒子が酸化アルミニウム粒子である、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
酸化アルミニウム粒子が、スラリー重量の３０〜６８重量％をなす、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
酸化アルミニウム粒子が、５０〜１５００μｍの外形寸法である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
スラリー重量の１０重量％超で５０重量％未満が酸化カルシウムとなるように添加された酸化カルシウムをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
スラリー中の固形分が６０〜７８％である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
２％未満のシリカをスラリーに添加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する方法であって、当該方法が、
アルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を液体と混合してスラリーを生成する工程であって、スラリー中の固形分がスラリー重量の６０〜８０重量％であり、スラリーの粘度が３０〜１５００ｃＰである工程と、
外形寸法が５０μｍ超の大型中空酸化物粒子をスラリーに添加して、スラリー中の固形分がスラリー重量の７０％〜９５重量％となるように、最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物を形成する工程と、
最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物を、消失性模型を有する鋳型キャビティ内に注入する工程と、
最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物を鋳型キャビティ内で硬化させて、チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する工程と
を含んでおり、炭化ケイ素が１０〜５０μｍの外形寸法の粒子である、方法。
【請求項１４】
チタン及びチタン合金の鋳造方法であって、当該方法が、
アルミン酸カルシウム及び外形寸法が５０μｍ超の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工程であって、最終混合物中の固形分がスラリー重量の７０％〜９５重量％となるように、アルミン酸カルシウム及びアルミナを液体及び炭化ケイ素と混合して、最終アルミン酸カルシウム／液状混合物スラリーを生成させる工程と、
インベストメント鋳型組成物を、消失性模型を収容した容器に注入する工程と、
インベストメント鋳型組成物を硬化させる工程と、
消失性模型を鋳型から除去する工程と、
鋳型を焼成する工程と、
鋳型を鋳型鋳造温度に予熱する工程と、
溶融チタン又はチタン合金を、加熱した鋳型に注入する工程と、
溶融チタン又はチタン合金を凝固させる工程と、
凝固したチタン又はチタン合金鋳物を形成する工程と、
凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出す工程と
を含んでおり、炭化ケイ素が１０〜５０μｍの外形寸法の粒子である、方法。
【請求項１５】
アルミン酸カルシウムの粒径が、外形寸法で５０μｍ未満である、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、鋳型組成物及び成形方法並びに成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代のガス又は燃焼タービンは、信頼性、重量、動力、経済及び運転耐用年数に関して最も高い要求を満たさなければならない。そのようなタービンの開発では、とりわけ、材料の選択、新しい適した材料の追求、並びに新しい製造方法を追求することが、基準に適い要求を満たすのに重要な役割を果たす。
【０００３】
ガスタービンに使用される材料としては、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる）及び強高度鋼を挙げることができる。航空機エンジンに関して、チタン合金は一般に圧縮機部品に使用され、ニッケル合金は航空機エンジンの熱い部分に適し、強高度鋼は、例えば、圧縮機ハウジング及びタービンハウジングに使用される。非常に負荷又は応力のかかるガスタービン部品、例えば圧縮機の部品などは、一般に鍛造部品である。一方、タービン用の部品は、一般にインベストメント鋳造部品として具体化される。
【０００４】
インベストメント鋳造は新しい方法ではないものの、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の市場は増大し続けている。高品質、精密な鋳造に対する需要が大きいため、インベストメント鋳造をより迅速に、効率的に、安価に、高品質にするための新しい方法を開発する必要性が継続的にある。
【０００５】
溶融シリカ、クリストバライト、石膏などからなる装身具の鋳造及び義歯産業で使用される、従来のインベストメント鋳型化合物は、一般に反応性合金、例えばチタン合金などを鋳造するのには適していない。一つの理由は、溶融チタンとインベストメント鋳型との間に反応が存在するためである。溶融合金と鋳型との間のどんな反応も、最終鋳物の性質を大いに劣化させることになる。この劣化は、気泡による不十分な表面仕上のように単純でもあり得るが、より深刻な例では、鋳物の化学、ミクロ構造及び性質が損なわれることがあり得る。
【０００６】
チタン及びチタンアルミナイド合金とあまり反応しない、単純なインベストメント鋳型に対する必要性がある。チタン合金鋳造用のセラミックシェル鋳型を用いるアプローチがこれまでに採用されている。先の例では、従来のインベストメント鋳型化合物の制限を減らすために、いくつかのさらなる鋳型材料が開発された。例えば、酸化マグネシウム又はジルコニアを主成分として用い、鋳造金属の凝固に起因する収縮を補うための主な成分として金属ジルコニウムを添加した、酸化−膨張型のインベストメント化合物が開発された。さらに別の例である酸化マグネシウム及び酸化アルミニウムが主成分として使用されているインベストメント化合物では、鋳型の収縮量を低減するために、かつ凝固の際の鋳造金属の収縮によって生じる寸法誤差を埋め合わせるために、微細な金属チタン粉末が添加される。
【０００７】
しかし、上記の先行技術のインベストメント化合物には、重要な制限がある。例えば、金属ジルコニウムの酸化−膨張によって鋳造金属の凝固に起因する収縮を補償することを意図するインベストメント鋳型化合物は、いくつかの理由で実行することが困難である。第１に、ジルコニウムの必要量をできるだけ少なくするため、ワックス模型はジルコニウムを含む新しいインベストメント化合物でその表面を被覆し、次いで被覆ワックス模型を従来のインベストメント化合物に埋め込むが、ワックスをジルコニウムで被覆するのは非常に困難であり、あまり再現可能でない。第二に、複雑な形状の部品のワックスは、十分に均一な方法で被覆することができない。さらに、インベストメント鋳型混合物を被覆層及び模型の外周囲に置いた場合に、被覆層がワックスからはがれ、その結果チタンが外側に置かれたインベストメント鋳型混合物と反応しかねない。
【０００８】
従って、金属又は金属合金とあまり反応しないインベストメント鋳型からニアネットシェイプ金属又は金属合金を容易に抜き取ることのできる、単純で信頼できるインベストメント鋳造方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】国際公開第２０１３／０６２７８７号
【発明の概要】
【００１０】
本開示の態様は、従来の技法の制限を克服する鋳型組成物、鋳造方法及び鋳造品を提供する。本開示の一部の態様は、部品、例えば、エンジンタービンブレードの製作に関するものであり得るが、本開示の態様は、多くの産業において部品、特に、チタン及び／又はチタン合金を含む部品の製作に使用し得る。
【００１１】
本開示の一態様は、一アルミン酸カルシウム、二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チタン含有物品の鋳造用の鋳型であり、鋳型は、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に約１０〜約５００μｍの内在性炭化ケイ素含有フェースコートを有する。一実施形態では、内在性フェースコートは、連続内在性フェースコートである。一実施形態では、炭化ケイ素は約１５％〜約４５重量％で存在する。一実施形態では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、約１５％〜約４５重量％で存在する炭化ケイ素を含む。一実施形態では、鋳型は炭化ケイ素をさらに含み、この際、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体よりも１０％以上多い炭化ケイ素を有する。別の実施形態では、鋳型は、鋳型組成物の酸化カルシウムに関して約１０重量％超で約５０重量％よりも少ない酸化カルシウムをさらに含む。一実施形態では、述べられる鋳型は、２％未満のシリカ、例えばコロイドシリカをさらに含む。
【００１２】
一例では、鋳型は、鋳型本体及び内在性フェースコートを含み、鋳型本体と内在性フェースコートは異なる組成を有し、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、約５０μｍ未満の粒径のアルミン酸カルシウムを含む。別の実施形態では、鋳型は鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートを含み、鋳型本体と炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは異なる組成を有し、鋳型本体は約５０μｍよりも大きいアルミナ粒子を含む。別の例では、鋳型は、鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートを含み、鋳型本体は約５０μｍよりも大きいアルミナ粒子を含み、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、約５０μｍ未満のサイズのアルミン酸カルシウム粒子を含む。一実施形態では、鋳型は鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートを含み、鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートは異なる組成を有し、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは約５０μｍ未満の粒径のアルミン酸カルシウムを含む。
【００１３】
ある種の実施形態では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体が有するよりも２０％以上多くの一アルミン酸カルシウムを有する。一実施形態では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体が有するよりも２０％以上少ないアルミナを有する。別の実施形態では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体が有するよりも、２０％以上多いアルミン酸カルシウム、２０％以上少ないアルミナ及び５０％以上少ないマイエナイトを有する。一実施形態では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、アルミナをさらに含み、アルミナのレベルは、重量分率で、鋳型本体に存在するよりも２０％以上少ない。別の実施形態では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、アルミナをさらに含み、アルミナのレベルは、重量分率で、鋳型本体に存在するよりも２０％以上少なく、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、鋳型本体が有するよりも、２０％以上多いアルミン酸カルシウム及び５０％以上少ないマイエナイトを有する。
【００１４】
炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、一例では、０．４５よりも大きく、マイエナイトの重量分率は０．１０よりも小さい。一実施形態では、鋳型本体中の一アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜０．９５の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムは、約０．１０〜０．９０である。別の実施形態では、鋳型本体中の二アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜約０．８０の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の二アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜０．９０である。さらに別の実施形態では、鋳型本体の組成中のマイエナイトは、約０．０１〜約０．３０の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中のマイエナイトは、約０．００１〜０．０５である。特定の実施形態では、鋳型本体中の一アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜０．９５の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムは約０．１〜０．９０であり、鋳型本体中の二アルミン酸カルシウムは約０．０５〜約０．８０の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の二アルミン酸カルシウムは約０．０５〜０．９０であり、鋳型本体の組成中のマイエナイトは、約０．０１〜約０．３０の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中のマイエナイトは約０．００１〜０．０５である。
【００１５】
一例では、鋳型は、鋳型本体中に外形寸法が約５００μｍ未満の酸化アルミニウム粒子をさらに含む。一例では、酸化アルミニウム粒子は、鋳型の製造に使用される組成物の約３０重量％〜約６８重量％を構成する。一実施形態では、鋳型は、中空酸化物粒子、例えば、中空酸化アルミニウム粒子をさらに含む。別の実施形態では、アルミン酸カルシウムは、スラリーの２０重量％超（つまり、鋳型の製造に使用される組成物の２０重量％超）を構成する。一実施形態では、鋳型は、鋳型組成物の約１０重量％超で約５０重量％よりも少ない酸化カルシウムをさらに含む。一例では、鋳型は、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、又はその組成物をさらに含む。
【００１６】
鋳型の製造に使用される初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、一例では、約６０％〜約７８％である。別の例では、鋳型の製造に使用される最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物（すなわち大型アルミナを含む）中の固体の百分率は、約７０％〜約９５％である。
【００１７】
本開示の一態様は、本明細書に開示されるような鋳型で形成されたチタン含有物品である。物品は、一例では、チタンアルミナイドを含有するタービンブレードを含む。
【００１８】
本開示の一態様は、一アルミン酸カルシウム、二アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素及びマイエナイトを含む、チタン含有物品の鋳造に使用される鋳型のフェースコート組成物である。該フェースコート組成物は、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートであり、約１０〜約５００μｍの厚さであり、鋳型本体と鋳型キャビティに通じる鋳型の表面との間に位置する。炭化ケイ素を多く含むフェースコートは、一例では、約５０μｍ未満の粒径をもつアルミン酸カルシウムからなる。一実施形態では、炭化ケイ素は組成物の約１５％〜約４５重量％で存在する。一実施形態では、フェースコート組成物は、２％未満のシリカ、例えばコロイドシリカをさらに含む。
【００１９】
一実施形態では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体が有するよりも、２０％以上多いアルミン酸カルシウム、２０％以上少ないアルミナ及び５０％以上少ないマイエナイトを有する。関連する例では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体が有するよりも１０％以上多くの炭化ケイ素を有する。内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、一例では、０．４５よりも大きく、マイエナイトの重量分率は０．１０よりも小さい。一実施形態では、内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムは、０．１０〜０．９０の重量分率からなり、内在性フェースコート中の二アルミン酸カルシウムは、０．０５〜０．９０の重量分率からなり、内在性フェースコート中のマイエナイトは、０．００１〜０．０５の重量分率からなる。一実施形態では、フェースコート組成物は、炭化ケイ素をさらに含み、該炭化ケイ素はフェースコート組成物の約１５％〜約４５重量％で存在する。
【００２０】
一態様では、本開示は、アルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を液体と混合してスラリーを生成する工程であって、該初期アルミン酸カルシウム／液体混合物中の固体の百分率が、スラリー重量の約６０〜約８０重量％であり、スラリーの粘度は、約３０〜約１５００センチポアズ（ｃＰ）である工程と、消失性模型を有する鋳型キャビティ内にスラリーを注入する工程と、スラリーを鋳型キャビティ内で硬化させて、チタン含有物品の鋳型を形成する工程とを含む、チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する方法である。一実施形態では、初期アルミン酸カルシウム液状混合物は、酸化アルミニウムを含まないスラリーであり、又は別の例では、中空酸化物粒子を含まないスラリーであり、さらになお別の例では、中空酸化アルミニウムなどの大型中空酸化物粒子を含まないスラリーである。一実施形態では、スラリーを鋳型キャビティに注入する前に、スラリー中の固形分がスラリー重量の約７０％〜約９５重量％であるように、大型中空酸化物粒子がスラリーに添加されて最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物を形成する。一実施形態では、最終アルミン酸カルシウム液状混合物は、酸化アルミニウムを含むスラリーであり、又は別の例では、中空酸化物粒子を含むスラリーであり、又はさらに別の例では、中空酸化アルミニウムなどの大型（外形寸法が５０μｍよりも大きい）中空酸化物粒子を含むスラリーである。
【００２１】
一実施形態では、炭化ケイ素は、スラリーの製造前又は製造中にアルミン酸カルシウムに添加される。一実施形態では、炭化ケイ素粒子は外形寸法が約１０〜約５０μｍである。一実施形態では、炭化ケイ素粒子は外形寸法が約１〜約１０００μｍである。別の実施形態では、アルミン酸カルシウムの粒径は外形寸法が約５０μｍ未満である。一実施形態では、アルミン酸カルシウムは、スラリー（鋳型の製造に使用される組成物）の２０重量％超を構成する。
【００２２】
一実施形態では、スラリーを鋳型キャビティに注入する前に、酸化物粒子がスラリーに添加される。つまり、一実施形態では、スラリーは酸化物粒子をさらに含む。一実施形態では、これらの酸化物粒子は、中空であってよい。一実施形態では、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、酸化ケイ素粒子及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（アルミナとしても公知）であってよい。酸化アルミニウム粒子は大きさが変動することがあり、約５０μｍより大きいことがある。特定の例では、使用されてよい添加される酸化アルミニウム粒子は外形寸法が約１５００μｍ未満である。一実施形態では、酸化アルミニウム粒子は、外形寸法が約５０〜約１５００μｍである。一実施形態では、酸化アルミニウム粒子は、スラリー（鋳型の製造に使用される組成物）の約３０重量％〜約６８重量％を構成する。
【００２３】
一実施形態では、酸化カルシウムは、スラリーが鋳型キャビティに注入される前にスラリーに添加される。一実施形態では、酸化カルシウムは、鋳型組成物の約１０重量％超〜約５０重量％未満が酸化カルシウムであるように添加される。別の実施形態では、初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約６０〜約７８％である。一実施形態では、大型酸化アルミニウムを含む最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、スラリー重量の約７０％〜約９５重量％である。一実施形態では、初期及び最終アルミン酸カルシウム液体セメント混合物間の違いは、初期混合物は中空酸化物粒子を含まないが、最終混合物は中空酸化物粒子、例えば、大型中空酸化アルミニウム粒子を含む点である。本方法の一実施形態では、２％未満のシリカがスラリーに添加される。一態様では、本開示は、本明細書に開示する方法で製造された鋳型に関する。一実施形態では、本開示は、本明細書に開示する方法で製造された鋳型を用いて製造される、チタンアルミナイドを含有するタービンブレードに関する。
【００２４】
一態様では、本開示は、アルミン酸カルシウム及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工程であって、該アルミン酸カルシウムを液体及び炭化ケイ素と混合してスラリーを生成し、最終アルミン酸カルシウム／大型酸化アルミニウムを含む液体混合物中の固形分がスラリー重量の約７０％〜約９５重量％である、工程と、インベストメント鋳型組成物を、消失性模型を収容した容器に注入する工程と、インベストメント鋳型組成物を硬化させる工程と、消失性模型を鋳型から除去する工程と、鋳型を焼成する工程と、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱する工程と、溶融チタン又はチタン合金を、加熱した鋳型に注入する工程と、溶融チタン又はチタン合金を凝固させる工程と、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を形成する工程と、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出す工程とを含むチタン及びチタン合金の鋳造方法である。この方法の一実施形態では、スラリー中の固形分は、約６０％〜約７８％である。
【００２５】
一実施形態では、本明細書で教示する方法で使用される酸化アルミニウムの粒子は、外形寸法が約５０〜約１５００μｍである。一実施形態では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０〜約１００μｍである。別の実施形態では、鋳造を炭化ケイ素の不在下で実施する場合と比較して、炭化ケイ素は鋳造中に熱伝導率を増加させる。一実施形態では、炭化ケイ素は、１５重量％〜４５重量％存在し、炭化ケイ素なしで実施した鋳造に比べて、鋳造時に２５％以上増大した熱伝導率をもたらす。
【００２６】
一実施形態では、炭化ケイ素粒子は外形寸法が約１０〜約５０μｍである。一実施形態では、アルミン酸カルシウム粒子は、外形寸法が約５０μｍ未満の粒子を含む。別の実施形態では、酸化アルミニウム粒子は、外形寸法が約５０〜約１５００μｍであるか、又は、別の例では、外形寸法が約５０〜約５００μｍである。一実施形態では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０〜約５０μｍである。別の実施形態では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が１〜約１０００μｍである。一実施形態では、酸化アルミニウム粒子は、鋳型の製造に使用されるインベストメント鋳型組成物の約３０重量％〜約６８重量％を構成する。一実施形態では、アルミン酸カルシウムは、鋳型組成物（鋳型の製造に使用されるインベストメント鋳型組成物）の２０重量％超を構成する。本開示の一態様は、本明細書に開示する方法によって述べられる鋳造方法によるチタン又はチタン合金物品である。
【００２７】
本開示の一態様は、一アルミン酸カルシウム、二アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素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を含む、チタン含有物品の鋳造用の鋳型組成物である。一実施形態では、鋳型組成物は、酸化アルミニウムの中空粒子をさらに含む。本開示の別の態様は、アルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を含むチタン含有物品鋳型組成物である。例えば、本開示の一態様は、チタンを含有する、かつ／又はチタン合金を含有する物品又は部品、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使用される鋳型組成物を提供するのに比類なく適していることがある。
【００２８】
一態様では、本開示は、アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳型を用意する工程と、溶融チタン又はチタン合金を鋳型に注入する工程と、溶融チタン又はチタン合金を凝固させる工程と、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を形成する工程と、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出して、タービンブレードを製造する工程とを含む方法で製造されたタービンブレードであって、該タービンブレードは、その表面積の少なくとも一部分で平均粗さＲａが２０未満である。本明細書において教示される範囲での炭化ケイ素の使用は、鋳造が少量（１５重量％未満）の炭化ケイ素とともに、又は炭化ケイ素がない状態で実施される場合と比較して、鋳造中に熱伝導率の増加を提供する。一実施形態では、炭化ケイ素は、外形寸法が約１０〜約１００μｍの粒子で提供される。
【００２９】
本開示の一態様は、アルミン酸カルシウム、二アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素、マイエナイト及び水を含む混合物から鋳型を製造する工程であって、該炭化ケイ素が約１５％〜約４５重量％で存在する工程と、鋳型を焼成する工程と、溶融チタン又はチタン合金を鋳型に注入する工程と、溶融チタン又はチタン合金を凝固させて、凝固した鋳物を形成する工程と、鋳物を鋳型から取り出す工程とを含む、タービン部品の製造方法である。一実施形態では、この方法は、約５０μｍよりも大きい中空酸化アルミニウム粒子（大型アルミナ）をさらに含む。一実施形態では、大型粒子は外形寸法が約５０μｍよりも大きい粒子を含み、小型粒子は外形寸法が５０μｍ未満の粒子を含む。タービン部品は、一実施形態では、タービンブレードである。
【００３０】
本開示のこれら及びその他の態様、特徴及び利点は、添付の図面と併せて、本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００３１】
本発明とみなされる主題は、特に指摘され、明細書の終わりの特許請求の範囲で明確に主張される。本開示の前述の及びその他の特徴及び利点は、以下に説明される添付の図面と併せて、本発明の態様の以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】炭化ケイ素含有フェースコートを含む鋳型の模式図を示す図である。
【図２】硬化中の温度の上昇への、炭化ケイ素の大きさ及び重量分率の影響を示す図である。
【図３】チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する方法を説明する、本開示の態様によるフローチャートを示す図である。
【図４】チタン及びチタン合金の鋳造方法を説明する、本開示の態様によるフローチャートを示す図である。
【図５】本方法で製造されたタービンブレードを説明する、本開示の態様によるフローチャートを示す図である。
【図６】タービン部品の製造方法を説明する、本開示の態様によるフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本開示は、通常、鋳型組成物及び鋳型製造方法及び鋳型から鋳造した物品、並びに、より具体的には、鋳型組成物及びチタン含有物品の鋳造方法及びそうして鋳造されたチタン含有物品に関する。
【００３４】
インベストメントシェル鋳型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部品の製造は、鋳物が「ニアネットシェイプ」に鋳造されるべきであるという見地から問題点を提示する。つまり、部品は、実質的に部品の最終望ましい寸法に鋳造され、最終処理又は機械加工をほとんど又は全く必要としなくてよい。例えば、一部の従来の鋳造は、鋳物に存在するαケースを除去するために、ケミカルミリング操作だけを必要としてよい。しかし、鋳物のαケースの下に位置するどんな表面下のセラミック包含物も、一般的にケミカルミリング操作によって除去されず、鋳型フェースコートと鋳型の中の反応性金属、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る。
【００３５】
本開示は、ニアネットシェイプにチタン及びチタンアルミナイド製部品、例えば、タービンブレード又はエーロフォイルなどを鋳造するための新しいアプローチを提供する。本開示の実施形態は、例えば、航空宇宙産業、工業及び海産業で使用するための改良チタン及びチタン合金部品を提供するインベストメント鋳型用組成物及び鋳造方法を提供する。一部の態様では、鋳型組成物は、鋳型造形時に向上した鋳型強度を提供し、かつ／又は鋳造中に鋳造金属との反応に対する抵抗性を増加させる相を含む鋳型を提供する。本開示の態様に従う鋳型は、高圧で鋳造することができ、ニアネットシェイプ鋳造方法に望ましい。鋳物に改善された性質をもたらす鋳型組成物、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を含有する組成物、並びに好ましい構成相が特定された。
【００３６】
一態様では、鋳型の構成相は、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）を含む。本発明者らは、２以上の理由で一アルミン酸カルシウムセメントが望ましいことを見出した。第一に、発明者らは、一アルミン酸カルシウムが鋳型製造の初期段階中に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いることであり、この水硬性結合は鋳型製造中に鋳型強度を与えると考えられている。第二に、一アルミン酸カルシウムは、チタン及びチタンアルミナイド系合金との反応の速度が非常に遅いと発明者らが理解していることである。特定の実施形態では、一アルミン酸カルシウムは、本開示の鋳型組成物、例えば、インベストメント鋳型に、アルミン酸カルシウムセメントの形態で提供される。一態様では、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、つまり、酸化アルミニウムの混合物を含む。
【００３７】
本開示の一態様では、鋳型組成物は、鋳造中の合金との反応が最小であり、鋳型は、必要な部品の性質を備えた鋳物を提供する。具体的な実施形態では、鋳型のフェースコートは、鋳造中の合金との反応が最小であり、鋳型は、必要な部品の性質を備えた鋳物を提供する。鋳物の外的性質には、形状、形状寸法及び表面仕上などの特徴が含まれる。鋳物の内的性質には、機械的性質、微細構造、指定されたサイズ以下で許容範囲内の欠陥（例えば孔及び包含物など）が含まれる。
【００３８】
一実施形態では、鋳型は、炭化ケイ素を含む連続内在性フェースコートを含んでおり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に位置する。関連する実施形態では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、約１０〜約５００μｍである。特定の例では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、約５０μｍ未満の粒径をもつアルミン酸カルシウムを含む。鋳型組成物は、鋳型本体がアルミナ及び約５０μｍよりも大きい粒子を含むようなものであってよい。特定の実施形態では、炭化ケイ素含有フェースコートは、鋳型本体よりも少ないアルミナを有し、炭化ケイ素含有フェースコートは、鋳型本体よりも多いアルミン酸カルシウムを有する。
【００３９】
初期アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率及び最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、本開示の特徴である。一実施形態では、本開示は、固体としての粒子、例えば、アルミン酸カルシウム、酸化アルミニウム及び炭化ケイ素に関する。初期アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物は、スラリーを形成するために水と混合される、一アルミン酸カルシウム、二アルミン酸カルシウム、マイエナイト、酸化物粒子及び炭化ケイ素を含む。最終アルミン酸カルシウム−液体鋳型配合物は、大型酸化物粒子を含む。一例では、初期アルミン酸カルシウムセメント混合物は、均一かつ均質なスラリーを提供するために水と混合される、微細な（例えば、５０μｍ未満、一例では１０μｍ未満）アルミナを含む。別の例では、最終アルミン酸カルシウムセメント混合物は、大型（一例では５０μｍよりも大きい、別の例では、１００μｍよりも大きい）アルミナを初期スラリーに添加し、２〜１５分間混合して均一な混合物を得ることによって形成される。
【００４０】
一例では、初期アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約６０％〜約７８％である。一例では、初期アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約７０％〜約８０％である。別の例では、大型アルミナ（＞１００μｍ）アルミナ粒子を含む最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体は、約７０％〜約９５％である。
【００４１】
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鋳造を提供する。鋳型組成物は、従来のシェル鋳型及び重力鋳造を用いて製造した部品よりも少ない機械加工及び／又は処理しか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提供することができる。本明細書において、「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（正味の）形状に近く、さらなる処置、例えば、広範囲の機械加工及び表面仕上の必要性を減らすことを意味する。本明細書において、用語「タービンブレード」とは、蒸気タービンブレードとガスタービンブレードの両方をさす。
【００４２】
従って、本開示は、チタン及びチタンアルミナイド合金とあまり反応しない鋳型、例えば、インベストメント鋳型を製造する試みに取り組む。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が、高圧鋳造アプローチ、例えば遠心鋳造などを可能にする。本開示の技術的利点の一つは、一態様では、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成することのできるネットシェイプ鋳物の構造上の完全性を改良することができる点である。強度が高いほど、例えば、疲労強度が高いほど、軽い部品を作製することが可能である。さらに、疲労強度がより高い部品は、より長持ちすることができ、従ってライフサイクルコストがより低い。
【００４３】
表面粗さは、鋳物と機械加工した部品の表面完全性を表す指数の一つである。表面粗さは、中心線平均粗さ値「Ｒａ」、並びに光学プロフィロメトリーによって測定される指定された区域での山から谷までの平均距離「Ｒｚ」によって特徴づけられる。粗さ値は、プロファイルに基づくか、又は表面に基づいて計算することができる。プロフィール粗さパラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、…）の方が一般的である。粗さパラメータの各々は、表面を記述するための式を用いて計算される。多くの異なる粗さパラメータが使用されるが、Ｒaが、断然最も一般的である。当技術分野で公知のように、表面粗さは工具摩耗と相関する。一般的に、研削仕上及びホーニング仕上による表面仕上プロセスは、Ｒａが０．１ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲内の表面をもたらす。最終コーティングの表面粗さＲａ値は、コーティング又は塗装物品の望ましい機能によって決まる。
【００４４】
平均粗さ、Ｒａは、高さの単位で表される。帝国（英国）システムでは、１Ｒａは、一般的にインチの「１００万分の１」で表される。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さす。７０のＲａ値は約２μｍに相当し、３５のＲａ値は約１μｍに相当する。一般的に、高性能物品、例えばタービンブレード、タービンベーン／ノズル、ターボチャージャー、レシプロエンジンのバルブ、ピストンなどの表面は、Ｒａが約２０以下であることが必要とされる。本開示の一態様は、チタン又はチタン合金を含み、その表面積の少なくとも一部分で平均粗さＲａが２０以下であるタービンブレードである。
【００４５】
溶融金属がより高温で加熱されると、それらは反応性がより高くなる（例えば、鋳型表面との不要な反応を受ける）。そのような反応は、金属部品を汚染する不純物の形成を引き起こし、それは様々な有害な結果をもたらす。不純物の存在は、金属の組成を変え、その結果、金属は望ましい基準を満たさず、それによって意図する用途に鋳片を使用することが認められないことがある。さらに、不純物の存在は、金属材料の機械的性質に有害な影響を及ぼし得る（例えば、材料の強度を低下させる）。
【００４６】
さらに、そのような反応は、表面のテクスチャリングをもたらし得、それは鋳片の表面かなりの望ましくない粗さをもたらす。例えば、表面粗さを特徴づけるために当技術分野で公知の表面粗さ値Ｒａを用いて、ステンレス合金鋼及び／又はチタン合金を利用する鋳片は、良好な作業条件下で約１００〜２００の間のＲａ値を一般的に示す。これらの有害な影響により、型の充填にはより低い温度を使用する。しかし、溶融金属の温度が十分に加熱されていない場合、鋳造材料はあまりに速く冷えることになり、鋳型の不完全な充填を招く。
【００４７】
鋳型組成物
本開示の態様は、チタン及びチタン合金の改良部品を提供することのできるインベストメント鋳型用の組成物を提供する。本開示の一態様では、一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提供されることができる。アルミン酸カルシウムセメントは、「セメント」又は「バインダー」と呼ばれることがある。
【００４８】
ある種の実施形態では、アルミン酸カルシウムセメントは炭化ケイ素及び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混合物を提供する。アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造可能な鋳型混合物中で約２０重量％超であってもよい。ある種の実施形態では、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造可能な鋳型混合物中で約３０％〜約６０重量％の間である。鋳造可能な鋳型混合物（鋳型組成物）中で２０重量％超のアルミン酸カルシウムセメント粗使用することは、本開示の一つの特徴である。適切なアルミン酸カルシウムセメント化学、炭化ケイ素及びアルミナ配合物を選択することは、鋳型の性能の要因である。一態様では、チタン合金との反応を最小限にするために、十分な量の酸化カルシウムが鋳型組成物に提供されてよい。
【００４９】
一態様では、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、炭化ケイ素及びアルミナ粒子の多相混合物からなってよい。アルミン酸カルシウムセメントは、バインダー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バインダーは、鋳型構造の主な骨格構造をもたらすことができる。アルミン酸カルシウムセメントは、一例では鋳型において連続相を構成することができ、硬化中及び鋳造中に強度を与えることができる。さらなる例では、鋳型組成物はアルミン酸カルシウムセメント、炭化ケイ素及びアルミナからなる、つまり、アルミン酸カルシウムセメント、炭化ケイ素及びアルミナは、鋳型組成物の実質的に唯一の成分を構成することができる。
【００５０】
一実施形態では、本開示は、アルミン酸カルシウムを含む、チタン含有物品鋳型組成物を含む。別の実施形態では、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、酸化ケイ素粒子、それらの組合せ、又はそれらの組成物であってよい。一実施形態では、酸化物粒子は、１又は複数の異なる酸化物粒子の組合せであってよい。
【００５１】
鋳型組成物は、酸化アルミニウムを、例えば中空粒子、つまり、酸化物によって実質的に囲まれている中空コア又は実質的に中空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％を構成してよく、外形寸法、例えば直径が約１０ミリメートル［ｍｍ］以下である。一実施形態では、中空酸化アルミニウム粒子は、外形寸法、例えば直径が約１ミリメートル［ｍｍ］以下である。別の実施形態では、酸化アルミニウムは、約１０μｍ［μｍ］〜約１０，０００μｍの範囲の外形寸法を有し得る粒子を含む。ある種の実施形態では、中空酸化物粒子は、中空アルミナ球（一般に、外形寸法又は直径が１００μｍよりも大きい）を含んでよい。中空アルミナ球は、鋳型組成物に組み込まれてよく、中空球は、様々な形状寸法、例えば円形の粒子、又は不規則な凝集体などの形をとってよい。ある種の実施形態では、アルミナには、円形の粒子と中空球の両方が含まれてよい。一態様では、これらの形状寸法は、インベストメント鋳型混合物の流動性を向上させるために見出された。発明者らは、とりわけ、アルミナが、ある特定の先行技術用途で使用されるシリカ又はケイ酸塩よりも安定性が高いために、アルミナを使用することを思いついた。中空アルミナ粒子がもたらす強化された流動性は、鋳型から製造した最終鋳物の表面仕上及び表面の特徴の忠実度又は正確さを改善する。
【００５２】
酸化アルミニウムは、外形寸法が約１０μｍ〜約１０，０００μｍである粒子からなる。ある種の実施形態では、酸化アルミニウムは、外形寸法、例えば、直径が約５００μｍ未満の粒子からなる。酸化アルミニウムは、鋳型組成物の約０．５重量％〜約８０重量％を構成してよい。或いは、酸化アルミニウムは、鋳型組成物の約４０重量％〜約６０重量％を構成する。或いは、酸化アルミニウムは、鋳型組成物の約３０重量％〜約６８重量％を構成する。
【００５３】
一実施形態では、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％超であり、約５０重量％よりも少なくてよい。最終鋳型は、一例では２ｇ／ｃｍ3未満の密度及び５００ポンド／平方インチ［ｐｓｉ］よりも大きい強度を有する。一実施形態では、酸化カルシウムは、鋳型組成物の約３０重量％超で、約５０重量％よりも少ない。或いは、酸化カルシウムは、炭化ケイ素を含有する鋳型組成物の約２５重量％超で、約３５重量％よりも少ない。
【００５４】
本開示の一態様は、一アルミン酸カルシウム、二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チタン含有物品の鋳造用の鋳型であり、鋳型は、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に約１０〜約５００μｍの炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを有する。一実施形態では、フェースコートは、連続する炭化ケイ素含有内在性フェースコートである。
【００５５】
具体的な実施形態では、本開示の鋳型組成物は、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には、カルシウム及びアルミニウムを含む３以上の相又は構成成分一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）が含まれる。
【００５６】
初期セメント配合物は、一般的にセメント窯での焼成後に、熱力学的平衡にない。しかし、鋳型製造及び高温焼成後、炭化ケイ素を含有する鋳型組成物は熱力学的に安定な構成に近づき、この安定性はその後の鋳造プロセスに重要である。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、０．４５よりも大きくてよく、このフェースコート中のマイエナイトの重量分率は０．１０よりも小さくてよい。鋳型本体中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、０．５よりも大きくてよく、鋳型本体中のマイエナイト重量分率の重量分率は、０．１５より小さくてよい。炭化ケイ素の添加は、鋳造中の反応に対して抵抗性のより高い鋳型を可能にし、結果として、より高い鋳造温度で操作することが可能である。
【００５７】
鋳型本体中の一アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜０．９５の重量分率からなってよく、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムは約０．１〜０．９０である。鋳型本体中の二アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜約０．８０の重量分率からなってよく、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の二アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜０．９０である。鋳型本体の組成中のマイエナイトは、約０．０１〜約０．３０の重量分率からなってよく、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中のマイエナイトは、約０．００１〜０．０５である。
【００５８】
炭化ケイ素は、鋳型本体とフェースコートの両方に異なる量で存在することがある。例えば、フェースコートは、鋳型本体よりも高い（フェースコートの単位容積あたりの）炭化ケイ素粒子濃度、例えば１０％超、を含むことがある。特定の実施形態では、鋳型本体及び内在性フェースコートは、実質的に同様の（単位容積あたりの）炭化ケイ素粒子濃度を有する。本発明者らは、炭化ケイ素の使用が、鋳造中の反応に対して抵抗性のより高い鋳型を可能にし、結果として、より高い鋳造温度で操作することが可能であることを見出した。一実施形態では、炭化ケイ素は、１５重量％〜４５重量％存在し、炭化ケイ素なしで実施した鋳造に比べて、鋳造時に２５％以上増大した熱伝導率をもたらす。本願の発明者らは、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％超増加したことを見出した。一実施形態では、１５％の炭化ケイ素の存在により、熱伝導率は約２５％超増加した。特定の例では、２５重量％の炭化ケイ素が存在する結果、熱伝導率の約５０％、約６０％、約７０％、又は約８０％の増加がもたらされた。
【００５９】
鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートの正確な組成は異なってよい。例えば、鋳型本体中の一アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜０．９５の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムは約０．１〜０．９０であり、鋳型本体中の二アルミン酸カルシウムは、約０．０５〜約０．８０の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の二アルミン酸カルシウムは約０．０５〜０．９０であり、鋳型本体の組成中のマイエナイトは、約０．０１〜約０．３０の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中のマイエナイトは約０．００１〜０．０５である。
【００６０】
アルミン酸カルシウムセメント中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、約０．５よりも大きくてよく、アルミン酸カルシウムセメント中のマイエナイトの重量分率は約０．１５よりも小さくてよい。別の実施形態では、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳型組成物の２０重量％よりも多い。アルミン酸カルシウムセメントは、外形寸法が約５０μｍ以下の粒径を有してよい。
【００６１】
鋳型本体のセメントにおいて適しているこれらの相の重量分率は、一アルミン酸カルシウムが０．０５〜０．９５、二アルミン酸カルシウムが０．０５〜０．８０、そしてマイエナイトが０．０１〜０．３０である。対照的に、鋳型のフェースコートのこれらの相の重量分率は、一アルミン酸カルシウムが０．１〜０．９０、二アルミン酸カルシウムが０．０５〜０．９０、そしてマイエナイトが０．００１〜０．０５である。フェースコート中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、約０．６よりも大きく、マイエナイトの重量分率は約０．１未満である。一例では、鋳型本体のセメント中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、約０．５よりも大きく、マイエナイトの重量分率は約０．１５未満である。
【００６２】
一アルミン酸カルシウムは、カルシウムアルミナセメント中に存在する重要な水硬性無機質である。その水和は、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、水硬性結合の急速な形成に起因して鋳型硬化の初期段階中に強度をもたらすのでセメントにおいて望ましいが、マイエナイトは、鋳造の前の鋳型の熱処理で除去される。
【００６３】
アルミン酸カルシウムセメントは、外形寸法が約５０μｍ以下の粒径を有してよい。５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒径を使用するのは少なくとも以下の３つの理由からである。第一に、微細な粒径は、混合及び硬化中の水硬性結合の形成を促進すると考えられる。第二に、微細な粒径は焼成中に分子間焼結を促進すると考えられ、これは鋳型強度を増大することができる。第三に、微細な粒径は鋳型で製造された鋳造品の表面仕上を向上させると考えられる。
【００６４】
アルミン酸カルシウムセメントは、粉末として提供されてよく、その固有の粉末形態か、又は凝集形態のいずれかで、例えば噴霧乾燥凝集体などとして、使用することができる。アルミン酸カルシウムセメントは、微細な（例えば、大きさが１０μｍ未満の）アルミナと事前にブレンドすることもできる。微細アルミナは、高温焼成中の焼結によって強度の増大をもたらすと考えられる。特定の例では、より大型アルミナ（例えば、外形寸法が５０μｍよりも大きいアルミナ）は、微細アルミナ（例えば、外形寸法が５０μｍ未満のアルミナ）とともに、又はそれを含まずに添加されてもよい。
【００６５】
初期アルミン酸カルシウム（液状粒子混合物）中の固体及び最終アルミン酸カルシウム中の固体の百分率は、本開示の特徴である。一例では、初期アルミン酸カルシウム−液体粒子混合物中の固体の百分率は、約６０％〜約８０％である。一例では、固体の百分率は、初期アルミン酸カルシウム−液体粒子混合物中の固体の百分率は、約７０％〜約８０％である。別の例では、外形寸法が約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒子と、外形寸法が約７０μｍよりも大きい大型アルミナ粒子及び外形寸法が約５〜約１００μｍである炭化ケイ素粒子である、最終アルミン酸カルシウム−液体粒子混合物中の固体は約７０％〜約９５％である。一例では、初期アルミン酸カルシウム粒子は約５〜約５０μｍの微細スケールであり、約７０μｍよりも大きいアルミナ粒子及び外形寸法が約１００μｍまでの炭化ケイ素を水と混合して、均一かつ均質なスラリーを得る。最終混合物は、次第に大型アルミナ粒子、例えば最初に７０μｍ、その後１５０μｍを初期スラリーに添加し、均一な混合物を実現するために２〜１５分間混合することによって形成される。
【００６６】
一実施形態では、大型粒子は、その粒子が完全な充填高密度粒子でないように、粒子内に空間又は空気のポケットを有する中空粒子である。この空間／空気の程度は変化し、中空粒子には、粒子の体積の２０％以上が空気である粒子が含まれる。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約５％〜約７５％が空の空間又は空気で構成されている粒子である。別の例では、中空粒子は、粒子の体積の約１０％〜約８０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。さらに別の例では、中空粒子は、粒子の体積の約２０％〜約７０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。別の例では、中空粒子は、粒子の体積の約３０％〜約６０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。別の例では、中空粒子は、粒子の体積の約４０％〜約５０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。
【００６７】
別の例では、中空粒子は、粒子の体積の約１０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約２０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約３０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約４０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約５０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約６０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約７０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約８０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。一例では、中空粒子は、粒子の体積の約９０％が、空の空間又は空気で構成されている粒子である。
【００６８】
中空粒子、例えば中空アルミナ粒子は、以下の２以上の機能をもたらす。［１］中子の密度及び重量を低下させ、強度の低下は最小限である。約５００ｐｓｉ以上の強度レベルが得られ、密度は約２ｇ／ｃｃ以下である。［２］鋳型の弾性率を低下させ、鋳造後の鋳型及び部品の冷却中にコンプライアンスをもたらすのに役立つ。鋳型のコンプライアンス及び粉砕性の増加は、部品への引張応力を低下させ得る。
【００６９】
炭化ケイ素を含有するアルミン酸カルシウムセメント
本開示は、とりわけ、チタン及びチタン合金の改良部品を提供することのできるインベストメント鋳型用の組成物に関する。鋳型は、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に炭化ケイ素を含む連続内在性フェースコートを含む。外形寸法が約５０μｍ未満の炭化ケイ素粉末の大きさが、鋳型製造プロセスで用いられる。本願の発明者らは、この大きさの炭化ケイ素粉末を使用することが、鋳型製造中に粒子のフェースコートへの偏析を促進することを見出した。従って、炭化ケイ素が鋳型のフェースコートに存在することは、好ましい性質をもたらす。鋳型本体も炭化ケイ素を含有してよい。
【００７０】
本開示の態様で使用されるアルミン酸カルシウムセメントは、一般的にカルシウム及びアルミニウムの３つの相又は構成成分一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ３３）を含む。一アルミン酸カルシウムは、カルシウムアルミナセメント中に存在する水硬性無機質である。一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、水硬性結合の急速な形成により鋳型硬化の初期段階に強度をもたらすのでセメント中に望ましい。しかし、マイエナイトは、一般的に鋳造の前の鋳型の熱処理中に除去される。
【００７１】
一態様では、初期アルミン酸カルシウムセメント配合物は、一般的にセメント製造窯での焼成後に、熱力学的平衡にない。しかし、鋳型製造及び高温焼成後、鋳型組成物は熱力学的に安定な構成に近づき、この安定性はその後の鋳造プロセスに有利である。一実施形態では、セメント中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、０．５よりも大きく、マイエナイトの重量分率は約０．１５未満である。マイエナイトは、鋳型本体とフェースコートの両方において鋳型に組み込まれる。それは、マイエナイトが急速固化アルミン酸カルシウムであり、硬化の初期段階中に鋳型本体及びフェースコートに強度を与えると考えられるためである。消失性ワックス模型は温度に敏感であり、約３５℃を超える熱にさらされるとその形状及び性質を失うため、硬化は、低温、例えば１５℃〜４０℃の間の温度で実施されてよい。一例では、鋳型は３０℃よりも低い温度で硬化される。
【００７２】
アルミン酸カルシウムセメントは、一般的にセメントと高純度アルミナ、炭化ケイ素及び高純度酸化カルシウム又は炭酸カルシウムを混合することによって生成させることができ、化合物の混合物は、一般的に炉又は窯で高い温度、例えば、１０００〜１５００℃の間の温度に加熱し、反応させる。
【００７３】
その後、窯の中で生成されるセメント「クリンカー」として当技術分野で公知の得られる生成物を、粉砕し、磨砕し、ふるい分けて、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、ナトリウム及びその他のアルカリ及び酸化鉄などを有するように設計され、加工される。一態様では、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％未満であることである。一実施形態では、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3及びＴｉＯ2の合計は、約０．０５重量％未満である。さらに、最終鋳型は、最小量の不純物、例えば、最小量のシリカ、ナトリウム及びその他のアルカリ及び酸化鉄などを有するように設計され、加工される。一態様では、最終鋳型の目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3及びＴｉＯ2の合計が約２重量％未満であることである。一実施形態では、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3及びＴｉＯ2の合計は、約０．０５重量％未満である。
【００７４】
本開示の一態様では、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含むアルミン酸カルシウムセメントが提供される。関連する実施形態では、この酸化カルシウムの重量は５０％未満である。一例では、セメントの最大アルミナ濃度は、約８８％（例えば、約１２％ＣａＯ）であってよい。一実施形態では、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。一アルミン酸カルシウムの重量分率は、鋳造前の焼成鋳型において最大化されてよい。鋳造合金と鋳型との間の反応を最小化するために最小量の酸化カルシウムが必要とされることがある。セメント中に５０％を超える酸化カルシウムが存在する場合、これがマイエナイト及び三アルミン酸カルシウムなどの相を導くことができ、これらは鋳造中に一アルミン酸カルシウムと同様には機能しないことを本発明者らは見出した。一例では、酸化カルシウムの範囲は約５０％未満かつ約１０重量％超である。
【００７５】
上記のように、鋳型におけるアルミン酸カルシウムセメント／バインダーの３つの相は、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）である。フェースコートを生成するセメント中の一アルミン酸カルシウムは、他のアルミン酸カルシウム相よりも有利な３つの点を有する。１）一アルミン酸カルシウムは鋳型に組み込まれる、それは、それが急速な固化応答（マイエナイトほど速くはないが）を有し、硬化の初期段階中に鋳型に強度をもたらすと考えられるためである。鋳型強度の急速な生成は、鋳型の寸法安定性をもたらし、この特徴は最終鋳造部品の寸法一貫性を向上させる。２）一アルミン酸カルシウムは、鋳造されるチタン及びチタンアルミナイド合金に関して化学的に安定している。一アルミン酸カルシウムが、二アルミン酸カルシウム及びより高いアルミナ活性をもつその他のアルミン酸カルシウム相と比較して使用される。これらの相の方が、鋳造されるチタン及びチタンアルミナイド合金と反応性が高い。３）一アルミン酸カルシウム及び二アルミン酸カルシウムは、低膨張相であり、硬化、脱蝋及びその後の鋳造中に鋳型で高レベルの応力が形成されることを防ぐと理解される。一アルミン酸カルシウムの熱膨張挙動は、アルミナとほぼ同一である。
【００７６】
炭化ケイ素含有フェースコート
ある種の実施形態では、鋳型は、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に連続する炭化ケイ素含有内在性フェースコートを含む。鋳型は、鋳型製造時に向上した鋳型強度を提供する相を含むように設計され、連続するフェースコートは、鋳造中に熱伝導率の増加及び反応に対する抵抗性の増加を提供するように設計される。鋳型は、高圧で鋳造することができ、ネットシェイプ鋳造方法に望ましい。性質の改善された鋳物をもたらす鋳型組成物、フェースコート組成物、並びにフェースコート及び鋳型本体に好ましい構成相が特定された。
【００７７】
フェースコートは、鋳型において内面、又は鋳型キャビティに隣接する鋳型の領域として規定される。内在性フェースコートは、配合物の最初の構成要素から鋳型にもたらされる種だけを含むフェースコートである。従って、内在性フェースコートは、最初に注入されたセラミック配合物に由来しないどんな種も含まない。対照的に、外来性（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ）フェースコートは、別々に塗布され、最初の配合物の成分中に存在しないかもしれない（例えば、別々の操作で生成された）種を含むフェースコートである。内在性フェースコートは、一例では、約１００μｍの厚さの領域と考えられ得る。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、約１０〜約５００μｍの厚さであってよい。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、約１０〜約３００μｍの厚さであってよい。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、約１０〜約１００μｍの厚さであってよい。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、約３０〜約２００μｍの厚さであってよい。特定の例では、炭化ケイ素含有フェースコートは、約５０μｍ、約１００μｍ、約１５０μｍ、約２００μｍ、約２５０μｍ、約３００μｍ、約３５０μｍ、約４００μｍ、約４５０μｍ、又は約５００μｍの厚さである。フェースコートは連続的であってよい。連続するフェースコートは、それをより効果的にすることができる。フェースコートの後ろの、鋳型キャビティからさらに離れた領域は、鋳型本体と呼ばれる。
【００７８】
本開示の一態様は、チタン含有物品の鋳造に使用される鋳型の炭化ケイ素含有フェースコート組成物であり、該フェースコート組成物は一アルミン酸カルシウム、二アルミン酸カルシウム及びマイエナイトを含み、該フェースコート組成物は、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートであって、約１０〜約５００μｍの厚さであり、鋳型本体と鋳型キャビティに通じる鋳型の表面との間に位置する。フェースコートは、一例では、外形寸法が約５０μｍ未満の粒径をもつアルミン酸カルシウムを含む。鋳型本体中のアルミン酸カルシウムの粒径は、外形寸法が約５０μｍよりも大きいことがあり得る。
【００７９】
フェースコートは、少なくとも以下の４つの相からなる。一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、炭化ケイ素以外のこれらの相の全ては、初期アルミン酸カルシウムセメントに存在し得る。フェースコートは、微細アルミナ粒子も含むことができる。フェースコートの後ろの鋳型本体は、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、炭化ケイ素及びアルミナからなる。アルミナは、アルミナ粒子、又はアルミナバブルとして組み込むことができる。粒子は、様々な形状寸法、例えば円形の粒子、又は不規則な凝集体などの形をとることができる。アルミナ粒径は、１０μｍと同程度に小さくてもよいし、１０ｍｍと同程度に大きくてもよい。アルミナは円形の粒子とバブルの両方で構成される、それは、これらの形状寸法がインベストメント鋳型混合物の流動性を高めるためである。これらの粒子は中空であってよい。一般的に、鋳型本体中のアルミナの粒径は５０μｍよりも大きい。流動性は、消失性模型の周囲でのインベストメント鋳型混合物の注入及び硬化中に、セメントが消失性模型（例えばワックスなど）に分割する方法に影響を及ぼす。流動性は、鋳型から製造した最終鋳物の表面特徴の表面仕上及び忠実度に影響を及ぼす。一実施形態では、フェースコート中の粒子の大きさは５０μｍよりも小さく、鋳型本体中の粒子の大きさは５０μｍよりも大きい。
【００８０】
本開示はまた、インベストメント鋳型用の炭化ケイ素含有内在性フェースコート組成物及びバルクモールド組成物も提供し、それは共にチタン及びチタン合金の改良鋳造部品を提供することができる。鋳型は、アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナ粒子を含んでよい。一例では、アルミン酸カルシウムセメントは２つの機能を果たす。第一に、消失性模型を除去することによって生成される鋳型のキャビティにおいて、セメントはその場所でフェースコートを生成し、第二に、それはフェースコートの後ろの鋳型本体中のアルミナ粒子間のバインダーとして働く。フェースコートは、一例では、炭化ケイ素を含む。一例では、鋳型のバルク組成物は、１０〜５０重量％の間の酸化カルシウムを含む。一例では、フェースコート中のＣａＯの組成は、鋳型の２０〜４０重量％の間である。最終鋳型は、２ｇ／ｃｍ3未満の密度及び５００ｐｓｉよりも大きい強度を有することができる。鋳型は、鋳型製造時に向上した鋳型強度を提供する相を含むように設計され、炭化ケイ素を含む連続するフェースコートは、鋳造中に熱伝導率の増加及び反応に対する抵抗性の増加を提供するように設計される。炭化ケイ素は、鋳造中に熱伝導率の増加を提供するように設計される。
【００８１】
炭化ケイ素粒子は、一例では、外形寸法が約１〜約１００μｍである。別の例では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１〜約５０μｍである。特定の例では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０〜約３０μｍである。或いは、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約２０〜約３０μｍであってよい。特定の例では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約２５μｍである。別の例では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約３５μｍ、約４０μｍ、約４５μｍ、約５０μｍ、約６０μｍ、約７０μｍ、約８０μｍ、約９０μｍ、又は約１００μｍである。
【００８２】
鋳型は、鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートを含み、鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートは異なる組成を有し、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは約５０μｍ未満の粒径のアルミン酸カルシウムを含んでよい。鋳型は、鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートを含み、鋳型本体と内在性フェースコートは異なる組成を有し、鋳型本体は約５０μｍよりも大きいアルミナ粒子を含んでよい。鋳型は、一例では、鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートを含み、鋳型本体は約５０μｍよりも大きいアルミナ粒子を含み、内在性フェースコートは、約５０μｍ未満のサイズのアルミン酸カルシウム粒子を含む。
【００８３】
本開示において提供されるネットシェイプ鋳造アプローチは、非破壊的な方法、例えばｘ線、超音波、又は渦電流などで、より詳細に、より低コストで検査することのできる部品を可能にする。過大な厚い部分での検査放射線の減衰及び散乱に関連する困難さが減少される。より小さな欠陥は潜在的に解決されることができ、これにより機械的性能の向上した部品をもたらすことができる。
【００８４】
本開示は、チタン及びチタン合金の改良部品をもたらすことのできる鋳型組成物及び鋳造プロセスを提供する。一実施形態では、鋳型は、アルミン酸カルシウムセメント、又はバインダー及びアルミナ粒子を使用して構成される。一実施形態では、鋳型は、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを含む。フェースコート中の粒子の大きさは、一般的に５０μｍ未満である。鋳型本体中の粒子の大きさは、５０μｍよりも大きいことがあり得る。鋳型本体中の粒子の大きさは、１ｍｍよりも大きくてよい。フェースコートにおいて、粒子の大きさは５０μｍ未満であってよく、鋳型本体中の粒子の大きさは５０μｍよりも大きくてよい。一般に、フェースコートは、それをより効果的にすることができる、連続する炭化ケイ素含有内在性フェースコートである。
【００８５】
炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体よりも２０％以上多いアルミン酸カルシウム、２０％以上少ないアルミナ及び５０％以上少ないマイエナイトを有してよい。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムの重量分率は、０．４５よりも大きくてよく、マイエナイトの重量分率は０．１０よりも小さくてよい。一例では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムは、０．１〜０．９の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の二アルミン酸カルシウムは、０．０５〜０．９０の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中のマイエナイトは、０．００１〜０．０５の重量分率からなる。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムの重量分率の増加は、鋳造中の溶融合金と鋳型との反応の速度を低下させる。
【００８６】
炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体よりも２０％以上多くの一アルミン酸カルシウムを有してよい。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体よりも２０％以上少ないアルミナを有してよい。一例では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体が有するよりも、２０％以上多いアルミン酸カルシウム、２０％以上少ないアルミナ及び５０％以上少ないマイエナイトを有してよい。
【００８７】
ある種の実施形態では、フェースコートの構成相、並びに鋳型本体の構成相は、鋳物の性質に重要である。本明細書において開示されるように、鋳型のフェースコートは、鋳造中の合金との反応を最小化し、結果として鋳型は鋳物に必要とされる部品の性質を提供する。鋳物の外的性質には、形状、形状寸法及び表面仕上などの特徴が含まれる。鋳物の内的性質には、機械的性質、微細構造及び臨界寸法以下の欠陥（例えば孔及び包含物など）が含まれる。
【００８８】
鋳型のフェースコート及び鋳型本体の構成相に関して、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）が２以上の理由で望ましい。第一に、一アルミン酸カルシウムは鋳型製造の初期段階中にセメント粒子間の水硬性結合形成を促進し、この水硬性結合は鋳型構製造中に鋳型強度をもたらす。第二に、一アルミン酸カルシウムは、チタン及びチタンアルミナイド系合金との反応の速度が非常に遅い。
【００８９】
一実施形態では、フェースコートは、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、炭化ケイ素及びアルミナを含む。一実施形態では、フェースコート中の粒子の大きさは、外形寸法が５０μｍ未満である。フェースコート中で、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）の組合せは、５０重量％超で、アルミナ濃度は５０重量％未満である。２０重量％よりも多くの一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）がフェースコートに存在してよい。フェースコートの後ろの、鋳型キャビティからさらに離れた領域は、鋳型本体と呼ばれる。この鋳型本体の部分において、一実施形態では、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）の組合せは５０重量％未満であり、鋳型本体中のアルミナ濃度は５０重量％よりも大きい。
【００９０】
フェースコート中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％から４５重量％まで変化し得る。本開示の発明者らは、炭化ケイ素が、高温での安定性及びチタン合金を鋳造する適合性の点で鋳型及びフェースコートに優れた性質を与えることができるだけでなく、本体及びフェースコート中の特定のレベルの炭化ケイ素が最適であると見出されたことを見出した。例えば、提供されるフェースコートの３５重量％が、良好な結果をもたらすことができる。炭化ケイ素が多すぎる場合、つまり、炭化ケイ素のレベルがフェースコートの４５重量％以上である場合は、鋳造中の炭素ピックアップの可能性があり、許容されないレベルの炭素が最終部品に存在する。他方、炭化ケイ素が存在しないか又は少量（例えば約２０重量％未満）存在する場合、炭化ケイ素は炭化ケイ素を含まない鋳型の熱伝導率のレベルを超えて鋳型の熱伝導率を増加させないであろう。
【００９１】
炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを使用することは外来性フェースコートを使用するよりも重要な利点を有する。チタン合金を鋳造する際に使用される外来性フェースコートは、一般的にイットリア系フェースコート、又はジルコニア系フェースコートである。具体的には、鋳造に使用される鋳型の外来性フェースコートは、鋳型の処理加工（例えば消失性模型の除去及び焼成など）及び鋳造中に劣化し、亀裂が入り、剥落しかねない。外来性フェースコートから剥離したフェースコート片は、鋳型に溶融金属を充填する時に鋳物に混入する可能性があり、セラミックフェースコートが最終部品の介在物となる。介在物は、鋳物から生成される部品の機械的性能を低下させる。
【００９２】
装身具及び義歯の鋳造で使用される、溶融シリカ、クリストバライト、石膏などからなる従来のインベストメント鋳型化合物は、反応性合金、例えばチタン合金などを鋳造するのには適していない。それは、チタンとインベストメント鋳型との間に反応が存在するためである。溶融合金と鋳型との間のどんな反応も、最終鋳物の性質を劣化させることになる。この劣化は、気泡による不十分な表面仕上のように単純でもあり得るが、より深刻な例では、鋳物の化学、ミクロ構造及び性質が損なわれることがあり得る。
【００９３】
課題は、チタン及びチタンアルミナイド合金とあまり反応しないインベストメント鋳型を製造することであった。この点で、構造的チタン及びチタンアルミナイド合金に対する要件を満たす、従来の流し込まれたセラミックインベストメント化合物は、たとえあるとしてもほとんど存在しない。チタン及びチタンアルミナイド合金とあまり反応しない、インベストメント鋳型に対する必要性がある。従来のアプローチでは、従来のインベストメント鋳型化合物の制限を減らすために、いくつかのさらなる鋳型材料が開発された。例えば、酸化マグネシウム又はジルコニアを主成分として用い、鋳造金属の凝固に起因する収縮を補うための主な成分として金属ジルコニウムを添加した、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、先行技術のインベストメント化合物には、上に詳述されるような制限がある。
【００９４】
本開示のアルミン酸カルシウムセメントは、セメント又はバインダーと呼ばれ、一実施形態では、それは炭化ケイ素粒子及び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混合物を製造する。アルミン酸カルシウムセメントは、一般的に鋳造可能なインベストメント鋳型混合物の３０重量％超であり、アルミン酸カルシウムセメントは炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートの形成を好むため、アルミン酸カルシウムセメントのこの割合を使用することが本開示の特徴である。本出願者らは、正確なアルミン酸カルシウム粒子化学及びアルミナ配合物の選択が、鋳型の性能を決定づける際に重要であることを見出した。一例では、アルミン酸カルシウムセメントに関して、本出願者らは、チタン合金との反応を最小限にするために、特定の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見出した。炭化ケイ素が存在しない場合、熱伝導率は鋳型と同じままである。同様に、炭化ケイ素があまりに低い場合（例えば、１５重量％未満）も、熱伝導率は鋳型と同じである。これは、十分な炭化ケイ素（１５〜４５重量％）が存在する時よりも望ましくない。炭化ケイ素が多すぎる場合（例えば４５重量％超）、鋳型中の炭素活性があまりに高いので、鋳物の炭素混入が許容限度を上回って生じる（例えば、５００重量ｐｐｍ）。
【００９５】
フェースコートは、約５０μｍ未満の粒径のアルミン酸カルシウムセメントを含んでよい。アルミン酸カルシウムセメントの粒径は、別の例では、約１０μｍ未満であってよい。一例では、鋳型本体は、大きさが５０μｍよりも大きい粒子を有し、アルミナを含有することができる。
【００９６】
フェースコートは、鋳型本体よりも少ないアルミナと多いアルミン酸カルシウムセメントを有する。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、重量分率で、鋳型本体が有するよりも、２０％以上多いアルミン酸カルシウム、２０％以上少ないアルミナ及び５０％以上少ないマイエナイトを有してよい。一例では、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウムは、０．１〜０．９の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の二アルミン酸カルシウムは、０．０５〜０．９０の重量分率からなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中のマイエナイトは、０．００１〜０．０５の重量分率からなる。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウム及び二アルミン酸カルシウムの重量分率の増加は、鋳造中の溶融合金と鋳型との反応の速度を低下させる。
【００９７】
初期セメントスラリーは、３０〜１５００ｃＰの間の粘度になるように混合される。一実施形態では、粘度範囲は、５０〜５００ｃＰの間である。粘度があまりに低いと、スラリーは、懸濁液中の全ての固体を維持することができなくなり、より重い粒子の沈殿が起こり、硬化中の分離をもたらし、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは形成されない。つまり、最終スラリー混合物の粘度があまりに低いと、より重い粒子の沈殿が硬化中に起こり、鋳型は鋳型本体を通して必要とされる均一な組成を有さない。粘度があまりに高いと、アルミン酸カルシウム粒子は、消失性模型に分割することができず、内在性フェースコートは形成されない。つまり、最終スラリー／混合物粘度があまりに高いと、最終スラリー混合物は、消失性模型の周囲に流れず、鋳型の内部のキャビティは最終必要とされる部品の鋳造に適さない。アルミン酸カルシウムセメント及びアルミナ粒子を含む最終スラリーは、約２０００〜８０００ｃＰの間の粘度になるように混合される。最終スラリー粘度は、３０００〜６０００ｃＰの間の範囲であってよい。
【００９８】
インベストメント鋳型は、微細スケール（＜５０μｍ）のアルミン酸カルシウムセメント粒子、微細スケール（＜５０μｍ）のアルミナ粒子、微細スケール（＜５０μｍ）の炭化ケイ素及びより大きいスケール（＞１００μｍ）のアルミナ粒子の多相混合物からなってよい。一例では、内在性フェースコートは、５０μｍよりも大きいアルミナ粒子を含まない。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、水系インベストメント混合物中懸濁液中の微細セメント粒子が鋳型製造中に消失性／ワックス模型に優先的に分割されるために生じ、一アルミン酸カルシウム、二アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素及びアルミナ粒子を含む、微細粒子（＜５０μｍ）に富む内在性フェースコート層を形成する。一実施形態では、フェースコートには大型アルミナ粒子（＞５０μｍ）は存在しない。スラリーの粘度及び固体配合量は、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを形成する際の因子である。大型（＞１００μｍ）粒子が内在性フェースコートに存在しないことにより、鋳型及び結果として得られる鋳物の表面仕上が改善される。内在性フェースコート中の一アルミン酸カルシウム及び二アルミン酸カルシウムの重量分率の増加は、鋳造中の溶融合金と鋳型との反応の速度を低下させる。
【００９９】
炭化ケイ素は、一般的に１００μｍ未満の大きさの粒子として組み込まれる。本開示に記載されるいくつかの例で使用される炭化ケイ素粉末の粒径は、最大約４５μｍであり、記載されるその他の例では約２０μｍ未満であった。アルミナは、アルミナ粒子、又は中空アルミナ粒子として組み込むことができる。粒子は、様々な形状寸法、例えば円形の粒子、又は不規則な凝集体などの形をとることができる。アルミナ粒径は、１０μｍと同程度に小さくてもよいし、１０ｍｍと同程度に大きくてもよい。一例では、アルミナは円形の粒子と泡又は中空粒子の両方で構成される、それは、これらの形状寸法がインベストメント鋳型混合物の流動性を高めるためである。
【０１００】
流動性は、鋳型から製造した最終鋳物の表面特徴の表面仕上及び忠実度を改善する。アルミン酸カルシウムセメント微粒子は、一般的に５０μｍ未満の粒径を有する。５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒径が、３つの理由で使用される。第一に、微細な粒径は、混合及び硬化中の水硬性結合の形成を促進する。第二に、微細な粒径は焼成中に分子間焼結を促進することができ、これは鋳型強度を増大することができる。第三に、微細な粒子サイズは鋳型キャビティの表面仕上を向上させる。
【０１０１】
アルミン酸カルシウムセメント粉末は、その固有の形態か、又は凝集形態のいずれかで、例えば噴霧乾燥凝集体などとして、使用することができる。アルミン酸カルシウムセメントは、大型アルミナと混合する前に、微細な（例えば、＜１０μｍ）アルミナと事前にブレンドすることができる。微細アルミナは、高温焼成中の焼結による強度の増加をもたらすことができる。同様に、炭化ケイ素微粒子は、一般的に１００μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満の粒径を有する。この大きさでそれはアルミン酸カルシウムセメント粒子と均質に混合されることができ、フェースコートの性能に貢献することができる。１００μｍ未満の大きさの炭化ケイ素粒子は、鋳型及びその後の鋳造部品表面仕上を改善することができる。炭化ケイ素粒子が、添加される炭化ケイ素の所与重量分率に対して大きすぎる（１００μｍ超）場合、粒子は熱伝導率の望ましい改善（すなわち増加）をもたらさない。
【０１０２】
鋳型本体において、アルミン酸カルシウムセメントはバインダーであり、バインダーは、フェースコートの後ろの鋳型構造の主骨格とみなされる。これは鋳型において連続する相であり、硬化中及び鋳造中に強度をもたらす。一実施形態では、鋳型本体の組成は、微細な（＜５０μｍ）アルミン酸カルシウムセメント粒子及びより大型（例えば、＞１００μｍ）アルミナ粒子を含む。別の実施形態では、フェースコート組成物は、アルミン酸カルシウムセメント及び炭化ケイ素を含む。
【０１０３】
フェースコートを構成するアルミン酸カルシウムセメントは、３以上の相一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。一実施形態では、フェースコートは、微細アルミナ粒子も含むことができる。別の実施形態では、フェースコートの後ろの鋳型本体は、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）、炭化ケイ素及びアルミナを含む。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むことができる。炭化ケイ素及びアルミナ粒子は、様々な形状寸法、例えば円形の粒子、又は不規則な凝集体などの形をとることができる。さらに、これらの粒子は中空であってよい。アルミナ粒径は、１０μｍと同程度に小さくてもよいし、１０ｍｍと同程度に大きくてもよい。
【０１０４】
一実施形態では、アルミナは円形の粒子と中空粒子の両方で構成される、それは、これらの形状寸法がインベストメント鋳型混合物の流動性を高めるためである。一般的に、鋳型本体中のアルミナの粒径は５０μｍよりも大きい。流動性は、消失性模型の周囲でのインベストメント鋳型混合物の注入及び硬化中に、セメントが消失性模型（例えばワックスなど）に分割する方法に影響を及ぼす。流動性は、鋳型から製造した最終鋳物の表面特徴の表面仕上及び忠実度に影響を及ぼす。
【０１０５】
フェースコートを生成するアルミン酸カルシウムセメント微粒子は、一般的に５０μｍ未満の粒径を有する。５０μｍ未満の粒径には、いくつかの利点があり、それには以下が含まれる。第一に、微細な粒径は、混合及び硬化中の水硬性結合の形成を促進する。第二に、微細な粒径は焼成中に分子間焼結を促進することができ、これは鋳型強度を増大することができる。第三に、微細な粒子サイズは鋳型キャビティの表面仕上を向上させる。アルミン酸カルシウムセメント粉末は、その固有の形態か、又は凝集形態のいずれかで、例えば噴霧乾燥凝集体などとして、使用することができる。アルミン酸カルシウムセメントは、大型アルミナと混合する前に、微細な（例えば、＜１０μｍ）アルミナと事前にブレンドすることができる。微細アルミナは、高温焼成中の焼結による強度の増加をもたらすことができる。しかし、アルミナ粒子がフェースコートに分割された場合、鋳造性は低下し得る。
【０１０６】
例えば、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートが鋳型本体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ースコートに分割された場合、溶融合金が望ましくない方法でアルミナと反応し、表面の欠陥及び鋳物自体の内部の欠陥を製造する気泡を生成するであろう。結果として得られる鋳物の性質、例えば強度及び疲労強度は低下する。本明細書に開示する方法は、鋳型本体よりも炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートにおいて非常に少ないアルミナを有する、フェースコートの形成を可能にする。
【０１０７】
フェースコート及び鋳型の室温から最終焼成温度までの処理、特に熱履歴及び湿度プロフィールも重要であり得る。焼成温度までの加熱速度及び焼成後の冷却速度が本開示の特徴である。フェースコート及び鋳型があまりに急速に加熱されると、それらは内部に又は外部に、或いはその両方で亀裂が入ることがある。鋳造の前のフェースコート及び鋳型の割れは、あまり望ましくなく、それは少なくとも不十分な表面仕上を生じる。さらに、鋳型及びフェースコートがあまりに急速に加熱されると、鋳型のフェースコートは亀裂が入り、剥落し得る。これは、最悪の例では最終鋳物に望ましくない介在物をもたらし得、たとえ介在物がないとしても不十分な表面仕上をもたらし得る。フェースコート及び鋳型が最大鋳型焼成温度に達した後にあまりに急速に冷却されると、フェースコート又は鋳型本体はまた、内部に又は外部に、或いはその両方で亀裂が入り得る。
【０１０８】
初期セメント混合物の固体配合量及び最終鋳型混合物の固体配合量は、鋳型構造及び鋳型内で炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを形成する能力に対する重要な影響を有する。固体配合量の百分率は、混合物中の全固体を混合物中の液体及び固体の全質量で除算したものと定義され、百分率で記載される。一実施形態では、初期アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約６０％〜約７８％である。
【０１０９】
初期セメントスラリー中の固形分配合量が約７０％未満である場合、セメント粒子は懸濁液中にとどまらず、鋳型の硬化中にセメント粒子は水と分離し、組成は鋳型全体を通して均一でなくなる。対照的に、セメント中の固体配合量があまりに高いと（例えば約７８％超）、大型アルミナを含む最終混合物の粘度は高くなりすぎ（例えば、添加される大型アルミナ粒子の量、サイズ及び形態に応じて約８５％超）、混合物中のセメント粒子は、鋳型内部の消失性模型に分割することができなくなり、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートが形成されない。
【０１１０】
大型（例えば、約５０μｍよりも大きい、別の例では約１００μｍよりも大きい）アルミナ粒子を含む最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約７５％〜約９０％であってよい。大型アルミナ粒子を含む最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約７８％〜約８８％であってよい。別の例では、大型アルミナ粒子を含む最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約７８％〜約８４％である。これらのアルミナ粒子は中空であってよい。特定の実施形態では、大型アルミナ粒子を含む最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約８０％である。
【０１１１】
鋳型及び鋳造方法
インベストメント鋳型は、セラミック部品のインベストメント混合物を配合し、混合物を消失性模型を含む容器に注入する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鋳型を完全に硬化させて、いわゆる「生型」を形成する。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート及びインベストメント鋳型は、模型上で形成され、それらを完全に硬化させてこの生型を形成する。一般的に、生型の硬化は１時間〜４８時間実施される。その後、消失性模型は、溶融、溶解、点火、又はその他の公知の模型除去技術によって生型から選択的に除去される。ワックス模型除去の典型的な方法としては、オーブン脱蝋（１５０℃未満）、炉脱蝋（１５０℃超）、蒸気オートクレーブ脱蝋及びマイクロ波脱蝋が挙げられる。
【０１１２】
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ために、次に生型を６００℃を超える温度、例えば６００〜１４００℃で、１時間を超える期間、好ましくは２〜１０時間焼成して、鋳造のための鋳型強度を高め、鋳型中の望ましくない残留不純物、例えば金属種（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）及び炭素含有種を除去する。一例では、焼成温度は少なくとも９５０℃である。鋳型を焼成する雰囲気は、一般的に周囲空気であるが、不活性ガス又は還元ガス雰囲気を使用することができる。
【０１１３】
焼成プロセスはまた、鋳型から水を除去し、マイエナイトをアルミン酸カルシウムに変換する。鋳型焼成手順の別の目的は、鋳造の前にフェースコート及び鋳型に残っている遊離シリカを最小限にすることである。その他の目的は、水を除去し、高温強度を増加させ、一アルミン酸カルシウム及び二アルミン酸カルシウムの量を増加させることである。
【０１１４】
鋳型は、室温から最終焼成温度まで加熱され、特に熱履歴が制御される。焼成温度までの加熱速度及び焼成後の冷却速度は、一般的に管理又は制御される。鋳型があまりに急速に加熱されると、それは内部に又は外部に、或いはその両方で亀裂が入ることがある。鋳造の前の鋳型の割れは、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と、鋳型の内面は亀裂が入り、剥落し得る。これは、最終鋳物の望ましくない包含物及び、例え包含物がないとしても不十分な表面仕上をもたらし得る。同様に、鋳型が最大温度に達した後にあまりに急速に加熱されると、鋳型もまた内部に又は外部に、或いはその両方で亀裂が入り得る。
【０１１５】
本開示に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フェースコート及び鋳型本体の組成は、鋳型の性質、特に構成相に関して影響を及ぼし得る。一実施形態では、鋳造目的には、鋳型中の重量分率の高い、例えば、０．１５〜０．８の重量分率の一アルミン酸カルシウムが使用される。その上に、マイエナイトは水に敏感であり、それが鋳造中の水放出及びガス発生に関する問題をもたらし得るため、鋳造目的には、鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコート中のマイエナイトの重量分率を最小にすること、例えば、０．０１〜０．２の重量分率を用いることが望ましい。焼成後、鋳型は低い重量分率のアルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムも含有し得る。鋳型と鋳物の反応を最小にするために、アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計は、一般的に鋳型本体において５％未満及びフェースコートにおいて０．５％未満に保たれてよい。
【０１１６】
本開示の一態様は、チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する方法である。この方法は、アルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素と液体を合してアルミン酸カルシウムのスラリーを生成する工程とを含み、初期アルミン酸カルシウム／液体混合物中の固体の百分率はスラリー重量の約６０〜約８０重量％であり、スラリーの粘度は約３０〜約１５００ｃＰである。この方法は、消失性模型を有する鋳型キャビティ内にスラリーを注入する工程及び鋳型キャビティ内でスラリーを硬化させてチタン含有物品の鋳型を形成する工程とをさらに含む。スラリーを鋳型キャビティに添加する前に、酸化物粒子が添加されてよく、一例では、中空酸化アルミニウム粒子が添加されてよい。炭化ケイ素は、スラリーの製造前又は製造中にアルミン酸カルシウムに添加されてよい。炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１〜約１０００μｍであってよい。特定の状況では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約５〜約１００μｍであってよい。特定の例では、炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０〜約５０μｍμｍである。一例は、アルミン酸カルシウムの粒径は外形寸法が約５０μｍ未満である。アルミン酸カルシウムセメントは、鋳型の製造に使用される組成物の２０重量％超を構成してよい。
【０１１７】
外形寸法とは、粒子上の２つの点の間の最長距離をさす。粒子が円形である場合、外形寸法は直径をさす。粒子が楕円形である場合、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さす。さらになお、粒子が不規則な形状である場合、外形寸法は、互いに最も離れた不規則な形状の粒子上の２つの点間の距離をさす。
【０１１８】
ある特定の実施形態では、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。一実施形態では、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製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製物品は、例えば、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド製タービンブレードを含む。
【０１１９】
正確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物の選択は、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にするために、遊離酸化カルシウムの量を最小に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約１０重量％未満である場合、アルミナ濃度があまりに高いために合金は鋳型と反応し、この反応が鋳造中の望ましくない酸素濃度レベル、気泡及び鋳造部品の不十分な表面仕上を生成する。遊離アルミナは、チタン及びチタンアルミナイド合金と積極的に反応し得るので、鋳型材料においてあまり望ましくない。
【０１２０】
方法は、酸化物粒子をスラリーに添加することをさらに含んでよい。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、酸化ケイ素粒子及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（アルミナとしても公知）であってよい。酸化アルミニウム粒子は大きさが変動することがあり、約５０μｍより大きいことがある。特定の例では、使用されてよい添加される酸化アルミニウム粒子は外形寸法が約５００μｍ未満である。酸化アルミニウム粒子は、鋳型の製造に使用される組成物の約３０重量％〜約６８重量％を構成してよい。これらの酸化物粒子は中空であってよい。
【０１２１】
セメント中の酸化カルシウム濃度が５０重量％よりも大きい場合、鋳型は環境から水及び二酸化炭素を取り込みに対して感受性が高くなり得る。従って、インベストメント鋳型中の酸化カルシウム濃度は、一般的に５０％よりも低く保たれてよい。一実施形態では、インベストメント鋳型本体中の酸化カルシウム濃度は、１０％〜５０重量％の間である。一実施形態では、インベストメント鋳型本体中の酸化カルシウム濃度は、１０％〜４０重量％の間である。或いは、インベストメント鋳型本体中の酸化カルシウム濃度は、２５％〜３５重量％の間であってよい。一実施形態では、フェースコート中のＣａＯの組成は、２０〜４０重量％の間である。別の例では、鋳型のフェースコート中の酸化カルシウム濃度は、１５％〜３０重量％の間である。
【０１２２】
二酸化炭素は、処理加工中及び鋳造前に鋳型において炭酸カルシウムの形成をもたらし得、炭酸カルシウムは鋳造作業中に不安定である。従って、鋳型中の水及び二酸化炭素は、不十分な鋳造品質をもたらし得る。吸着した水レベルが高すぎる場合、例えば、０．０５重量％よりも高い場合、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。このことは不十分な表面仕上、鋳物中の気泡、高い酸素濃度及び不十分な機械的性質をもたらす。さらに、ある量の水は鋳型が不完全に充填される原因となり得る。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内で生じ得、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、二酸化炭素を発生し得、それは合金と反応し得る。大量の二酸化炭素が放出された場合、気体が鋳型の不完全な充填の原因となり得る。生じる炭酸カルシウムは鋳型の１重量％未満である。
【０１２３】
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、一般的に特定の部品の形状寸法又は鋳造する合金に依存する、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。一般的に、鋳型温度範囲は４５０℃〜１２００℃である。一例では、温度範囲は４５０℃〜７５０℃であり、特定の例ではそれは５００℃〜６５０℃である。
【０１２４】
一態様によれば、溶融金属又は合金は、重力、反重力、圧力、遠心分離機及び当業者に公知のその他の鋳造技法を含み得る従来技法を用いて鋳型に注入される。さらに、真空又は不活性ガス雰囲気を使用することもできる。複雑な形状の薄壁の形状寸法には、高圧を使用する技法が好ましい。凝固したチタンアルミナイド又は合金鋳物を一般的に６５０℃未満に、例えば室温まで冷却した後、それを鋳型から取り出し、従来技法、例えばグリットブラスト、ウォータージェットブラスト及び研磨を用いて仕上げる。
【０１２５】
一態様では、本開示は、アルミン酸カルシウム及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工程であって、該アルミン酸カルシウム及びアルミナを液体及び炭化ケイ素と混合して最終アルミン酸カルシウム／液体混合物スラリーを生成し、最終混合物中の固形分がスラリー重量の約７０％〜約９５重量％である工程と、インベストメント鋳型組成物を、消失性模型を収容した容器に注入する工程と、インベストメント鋳型組成物を硬化させる工程と、消失性模型を鋳型から除去する工程と、鋳型を焼成する工程と、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱する工程と、溶融チタン又はチタン合金を、加熱した鋳型に注入する工程と、溶融チタン又はチタン合金を凝固させる工程と、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を形成する工程と、並びに、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出す工程とを含む、チタン及びチタン合金の鋳造方法である。使用される炭化ケイ素粒子は、一例では、外形寸法が約１０〜約５０μｍである。別の例では、それらは外形寸法が１０〜約１００μｍである。鋳造を炭化ケイ素の不在下で実施する場合と比較して、炭化ケイ素は鋳造中に熱伝導率を増加させることが見出された。
【０１２６】
一態様では、本開示は、アルミン酸カルシウム及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工程であって、該アルミン酸カルシウムを液体及び炭化ケイ素と混合してスラリーを生成し、最終アルミン酸カルシウム／液体混合物中の固形分が約７５％〜約９５％である、工程とを含む、チタン及びチタン合金のための鋳造方法である。この方法は、インベストメント鋳型組成物を、消失性模型を収容した容器に注入する工程と、インベストメント鋳型組成物を硬化させる工程と、消失性模型を鋳型から除去する工程と、鋳型を焼成する工程とをさらに含んでよい。鋳型の焼成後、この方法は、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱する工程と、溶融チタン又はチタン合金を、加熱した鋳型に注入する工程と、溶融チタン又はチタン合金を凝固させ、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を形成する工程と、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出す工程とをさらに含んでよい。
【０１２７】
炭化ケイ素粒子は、外形寸法が約１０〜約５０μｍであってよい。アルミン酸カルシウム粒子は、外形寸法が約５０μｍ未満の粒子を含んでよい。酸化アルミニウム粒子は、外形寸法が約５０〜約１５００μｍであってよい。酸化アルミニウム粒子は、鋳型の製造に使用されるインベストメント鋳型組成物の約３０重量％〜約６８重量％を構成してよい。アルミン酸カルシウムセメントは、鋳型の製造に使用されるインベストメント鋳型組成物の２０重量％超を構成してよい。酸化物粒子は中空であってよい。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〜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よい。鋳型の製造に使用される初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固体の百分率は、約６０％〜約７８％であってよい。本開示の一態様は、本明細書に開示する方法によって述べられる鋳造方法によるチタン又はチタン合金物品である。
【０１２８】
本開示の別の態様は、アルミン酸カルシウムを液体中の炭化ケイ素粒子及びアルミナ粒子と混合して、最終アルミン酸カルシウム／液体混合物の固体が約７５％〜約９５％であるようにスラリーを生成し、得られる鋳型が炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを有する、アルミン酸カルシウムを含むインベストメント鋳型組成物を得る工程とを含む、チタン及びチタン合金のための鋳造方法である。一実施形態では、本明細書において教示される鋳造方法で製造したチタン又はチタン合金物品が特許請求される。
【０１２９】
消失性模型を鋳型から除去する工程と、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱する工程の間に、鋳型はまず約６００℃〜約１４００℃の温度まで、例えば約９５０℃以上に加熱又は焼成され、その後室温まで冷却される。一実施形態では、硬化工程は、約３０℃よりも低い温度で１時間〜４８時間の間実施される。消失性模型を除去する工程には、溶融、溶解、着火、オーブン脱蝋、炉脱蝋、蒸気オートクレーブ脱蝋、又はマイクロ波脱蝋の工程が含まれる。一実施形態では、チタン又はチタン合金を型から取り出した後、鋳物をグリットブラスト又は研磨で仕上げてよい。一実施形態では、凝固した鋳物を鋳型から取り出した後、それはＸ線又は中性子ラジオグラフィによって検査される。
【０１３０】
凝固した鋳物は、鋳物内のどんな位置のどんな表面下の包含粒子も検出するために、鋳造及び仕上後に表面検査及びＸ線ラジオグラフィに供される。Ｘ線ラジオグラフィは、鋳物の外面の外観検査で検出されない包含物を見出すために用いられる。チタンアルミナイド鋳物は、Ｘ線撮影画像を得るために従来のＸ線装置を用いてＸ線ラジオグラフィ（フィルム又はデジタル）に供され、それはその後、表面下の包含物がチタンアルミナイド鋳物の内部に存在するかどうかを判定するために検査又は分析される。
【０１３１】
或いは、又はＸ線ラジオグラフィに加えて、凝固した鋳物は、その他の非破壊試験、例えば、従来の中性子線ラジオグラフィに供されることができる。記載される鋳型組成物は、高い中性子吸収断面を有する少量の材料をもたらす。一態様では、中性子ラジオグラフは鋳造品について製造される。チタン合金鋳造品は中性子に対して実質的に透過性であり得るので、鋳型材料は一般的に結果として得られる中性子ラジオグラフに明確に示されることになる。一態様では、中性子曝露は、ラジオグラフ上で濃い要素の「中性子放射化」をもたらすと考えられる。中性子放射化は、中性子線と鋳物のラジオグラフ上で濃い要素との相互作用を伴い、鋳型組成物のラジオグラフ上で濃い要素の放射性同位体の形成をもたらす。その後、従来の放射性検出装置によって放射性同位体を検出して、鋳造品中に存在するラジオグラフ上で濃い要素の放射性同位体を計数することができる。
【０１３２】
本開示の別の態様は、チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する方法である。この方法には、アルミン酸カルシウムと液体、例えば水などを合して、液体中のアルミン酸カルシウムのスラリーを生成する工程と、スラリーを消失性模型を含む容器に注入する工程と、スラリーを鋳型キャビティ内で硬化させてチタン含有物品の鋳型を形成する工程が含まれる。一実施形態では、この方法は、スラリーを鋳型キャビティに注入する前に、酸化物粒子、例えば中空酸化物粒子をスラリーに注入する工程とをさらに含む。さらに、スラリーを鋳型キャビティに注入する前に、一例では、約１０〜約１００μｍの酸化アルミニウムの中空粒子並びに炭化ケイ素粒子が添加される。
【０１３３】
形成された鋳型は生型であってよく、この方法は、生型を焼成することをさらに含んでよい。一実施形態では、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。一実施形態では、チタン含有物品は、チタンアルミナイド物品を含む。一実施形態では、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製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製物品は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド製タービンブレードを含み得る。一実施形態では、本開示は、本明細書で教示するチタン含有物品鋳型組成物から形成された鋳型に関する。本開示の別の態様は、上述の鋳型で形成された物品に関する。
【０１３４】
本開示のなお別の態様は、アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素及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工程と、インベストメント鋳型組成物を消失性模型を含む容器の中に注入する工程と、インベストメント鋳型組成物を硬化させる工程と、消失性模型を鋳型から除去する工程と、鋳型を焼成する工程と、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱する工程と、溶融チタン又はチタン合金を、加熱した鋳型に注入する工程と、溶融チタン又はチタン合金を凝固させて、鋳物を形成する工程と、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出す工程とを含む鋳造方法で製造したチタン又はチタン合金鋳造品である。一実施形態では、本願において教示される鋳造方法により製造したチタン又はチタン合金物品に関する。
【０１３５】
一態様では、本開示はタービン部品の製造方法である。この方法は、アルミン酸カルシウム、二アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素、マイエナイト及び酸化アルミニウムを一緒に水と混合してスラリーを形成することによって鋳型を製造することを含む。炭化ケイ素は、一例では、約１５％〜約４５重量％で存在する。その後、鋳型を焼成し、溶融チタン又はチタン合金を鋳型に注入する。溶融チタン又はチタン合金を冷却し凝固させた後、鋳物を鋳型から取り出す。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、一例では、約１５％〜約４５重量％で存在する炭化ケイ素を含む。
【０１３６】
表面粗さは、鋳造及び機械加工した部品の表面完全性を表す重要な指数の一つである。表面粗さは、中心線平均粗さ値「Ｒａ」、並びに光学プロフィロメトリーによって測定される指定された区域での山から谷までの平均距離「Ｒｚ」によって特徴づけられる。粗さ値は、プロファイルに基づくか、又は表面に基づいて計算することができる。プロフィール粗さパラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、…）の方が一般的である。粗さパラメータの各々は、表面を記述するための式を用いて計算される。多くの異なる粗さパラメータが使用されるが、Ｒaが、断然最も一般的である。当技術分野で公知のように、表面粗さは工具摩耗と相関する。一般的に、研削仕上及びホーニング仕上による表面仕上プロセスは、Ｒａが０．１ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲内の表面をもたらす。最終コーティングの表面粗さＲａ値は、コーティング又は塗装物品の望ましい機能によって決まる。
【０１３７】
平均粗さ、Ｒａは、高さの単位で表される。帝国（英国）システムでは、１Ｒａは、一般的にインチの「１００万分の１」で表される。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さす。７０のＲａ値は約２μｍに相当し、３５のＲａ値は約１μｍに相当する。一般的に、高性能物品、例えばタービンブレード、タービンベーン／ノズル、ターボチャージャー、レシプロエンジンのバルブ、ピストンなどの表面は、Ｒａが約２０以下であることが必要とされる。本開示の一態様は、チタン又はチタン合金を含み、その表面積の少なくとも一部分で平均粗さＲａが２０以下であるタービンブレードである。
【０１３８】
溶融金属がより高温で加熱されると、それらは反応性がより高くなる（例えば、鋳型表面との不要な反応を受ける）。そのような反応は、金属部品を汚染する不純物の形成を引き起こし、それは様々な有害な結果をもたらす。不純物の存在は、金属の組成を変え、その結果、金属は望ましい基準を満たさず、それによって意図する用途に鋳片を使用することが認められないことがある。さらに、不純物の存在は、金属材料の機械的性質に有害な影響を及ぼし得る（例えば、材料の強度を低下させる）。
【０１３９】
さらに、そのような反応は、表面のテクスチャリングをもたらし得、それは鋳片の表面かなりの望ましくない粗さをもたらす。例えば、表面粗さを特徴づけるために当技術分野で公知の表面粗さ値Ｒａを用いて、ステンレス鋼合金及び／又はチタン合金を利用する鋳片は、良好な作業条件下で約１００〜２００の間のＲａ値を一般的に示す。これらの有害な影響により、型の充填にはより低い温度を使用する。しかし、溶融金属の温度が十分に加熱されていない場合、鋳造材料はあまりに速く冷えることになり、鋳型の不完全な充填を招く。
【０１４０】
本開示の一態様は、アルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を含むチタン含有物品の鋳造用の鋳型組成物に関する。鋳型組成物は、中空アルミナ粒子をさらに含む。物品は金属物品を含む。一実施形態では、物品はチタンアルミナイドを含有する物品を含む。別の実施形態では、物品はチタンアルミナイドタービンブレードを含む。さらに別の実施形態では、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ブレードを含む。このニアネットシェイプのチタンアルミナイド製タービンブレードは、設置の前に材料の除去をほとんど又は全く必要としなくてよい。
【０１４１】
本開示の一態様は、チタン及びチタン合金を鋳造するための装置に関する。装置は、アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素及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、アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素及び酸化アルミニウム粒子が液体に混合されてスラリーを生成する手段と、インベストメント鋳型組成物を、消失性模型を収容した容器に注入するための手段と、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、消失性模型を鋳型から除去するための手段と、鋳型を焼成するための手段と、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱するための手段と、溶融チタン又はチタン合金を、加熱した鋳型に注入するための手段と、溶融チタン又はチタン合金を凝固させ、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を形成するための手段と、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出すための手段とを含む。
【実施例】
【０１４２】
一般的に記載された本開示は、以下の実施例を参照することによって、より容易に理解され得る。それらの実施例は、本開示の特定の態様及び実施形態を説明する目的のためだけに含められるものであって、決して本開示を制限することを意図するものではない。
【０１４３】
図１は、炭化ケイ素含有フェースコートを含む鋳型（１０）の模式図を示す。図１は、例えば、約１００μｍの厚さである炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート（３０）を含む鋳型を示す。この模式図は、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート（３０）と鋳型キャビティ（４０）及び、アルミン酸カルシウム鋳型を含む鋳型本体（２０）を示す。内在性フェースコート（４０）は、配合物の最初の構成要素から鋳型にもたらされる種だけを含むフェースコートである。従って、内在性フェースコートは、最初に注入されたセラミック配合物に由来しないどんな種も含まない。対照的に、外来性フェースコートは、別々に塗布され、最初の配合物の成分中に存在しないかもしれない種を含むフェースコートである。
【０１４４】
図２に示されるように、大型（外形寸法が約５０μｍよりも大きい粒子）中空アルミナ粒子を２０μｍ未満の粒径をもつＳｉＣに置き換えることにより、硬化中の温度上昇が約３０℃から２７℃未満に抑えられた。このグラフは、大型中空アルミナ粒子をＣＡ２５Ｃセメントに置き換えることが、硬化中の温度上昇を約３０℃から２５℃未満に低下させたことを示す。このグラフは、大型中空アルミナ粒子を外形寸法が６００μｍ以下のＳｉＣ粒子に置き換えても硬化中の温度上昇にはほとんど影響がないことを示す。図２は、大型中空アルミナ粒子を外形寸法が１１０μｍ以下のＳｉＣ粒子に置き換えても硬化中の温度上昇にはほとんど影響がないことをさらに示す。
【０１４５】
図３は、チタン含有物品の鋳造用の鋳型を形成する方法（１００）を説明するフローチャートを示す。この方法は、アルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を液体と混合してスラリーを生成する工程であって、該スラリー中の固形分が、スラリー重量の約６０〜約８０重量％であり、スラリーの粘度が約３０〜約１５００ｃＰである工程（１１０）を含む。次に、スラリーを、消失性模型を含む鋳型キャビティに注入し（１２０）、硬化させて鋳型を形成する（１３０）。
【０１４６】
図４は、チタン及びチタン合金の鋳造方法（２００）を説明するフローチャートを示す。この方法は、アルミン酸カルシウム及びアルミナを液体及び炭化ケイ素と混合して最終アルミン酸カルシウム／液体混合物スラリーを生成し、最終混合物中の固形分がスラリー重量の約７０％〜約９５重量％である、アルミン酸カルシウム及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工程（２１０）を含む。次に、このインベストメント鋳型組成物を消失性模型を収容した容器に注入し（１２０）、硬化させる（２３０）。硬化すると、消失性模型を鋳型から除去し（２４０）、鋳型を焼成する（２５０）。焼成後、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱し（２６０）、溶融チタン又はチタン合金を予熱した鋳型に注入する（２７０）。溶融チタン又はチタン合金を凝固形態に形成させ（２８０）、次にこの凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出す（２９０）。
【０１４７】
図５は、本明細書に開示する方法（３００）によって製造されたタービンブレードを説明するフローチャートを示す。この方法はまず、アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳型を準備する（３６０）。この方法は、注入の前に鋳型をまず予熱する、溶融チタン又はチタン合金を鋳型に注入する工程（３７０）及び溶融チタン又はチタン合金鋳物を凝固させて凝固した鋳物を形成する工程（３８０）をさらに含む。最終段階には、凝固したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出してタービンブレードを生成する工程が含まれ、この際、タービンブレードの平均粗さＲａは、その表面積の少なくとも一部分で２０未満である（３９０）。
【０１４８】
図６は、タービン部品の製造方法（４００）を説明するフローチャートである。この方法には、まず、アルミン酸カルシウム、二アルミン酸カルシウム、炭化ケイ素、マイエナイト及び水を含む混合物から鋳型を製造する工程であって、炭化ケイ素が約１５％〜約４５重量％で存在する工程（４２０）が含まれる。さらなる工程には、鋳型を焼成する工程（４３０）及び溶融チタン又はチタン合金を鋳型に注入する工程（４４０）、溶融チタン又はチタン合金を凝固させて凝固した鋳物を形成する工程（４５０）、並びに、その後鋳物を鋳型から取り出す工程（４６０）が含まれる。
【０１４９】
第一の実施例では、鋳型は、名目上ＳｉＣを含まない鋳型中のセメントの半分を２０μｍ未満の大きさのＳｉＣ粒子に置き換えることによって製造された。第１の実施例では、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、１３５４ｇの、商業的にブレンドされた８０％アルミン酸カルシウムセメントＣＡ２５Ｃで構成された。ＣＡ２５Ｃ製品は、名目上、組成を８０％アルミナに合わせるためにアルミナとブレンドされた７０％アルミン酸カルシウムセメントで構成された。ブレンドされたセメントＣＡ２５Ｃの粒径は４５μｍ未満である。初期固体配合量が６１％のセメントスラリーを、８２０．５ｇの脱イオン水及び９０．５ｇのコロイドシリカを使用して製造した。典型的な適したコロイドシリカとしては、Ｒｅｍｅｔ  ＬＰ３０、Ｒｅｍｅｔ  ＳＰ３０、Ｎａｌｃｏ  １０３０が挙げられる。ＬＰ３０をこの実施例で使用した。
【０１５０】
スラリーを許容される粘度（９０〜１５０ｃＰ）に混合したら、約２０μｍ未満の大きさの範囲の炭化ケイ素１３５４ｇをスラリー添加した。炭化ケイ素を添加した混合物の固体配合量は７５．６％であった。スラリーを許容される粘度まで混合すると、大きさの範囲が約０．８５ｍｍ未満及び約０．５ｍｍ超のアルミナバブル１４７２ｇをスラリーに添加した。アルミナに関して、アルミナバブルは溶融アルミナから形成され、嵩密度の低い中空球をもたらす。
【０１５１】
混合後、インベストメント鋳型混合物を制御された方法で容器に注入した。最終鋳型混合物の固体配合量は、８２．７％であった。鋳型混合物は、満足のいく粘度及び流動性で十分に流れ出た。硬化後、混合物は良好な強度（１００ポンド／平方インチ超）及び均一な組成であった。次に、鋳型を１０００℃の温度で４時間焼成した。水を含まない最終鋳型組成物は、３２．２重量％のブレンドされたアルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）、３２．２重量％の炭化ケイ素及び３５重量％のアルミナバブルと、０．６％のシリカを含んだ。鋳型は、従来の鋳型によって教示されるよりも低いアルミナ活性を有した。
【０１５２】
第２の実施例では、最終バブルの半分を、同量の、粒径が２０μｍ未満のＳｉＣに置き換えた。第２の実施例では、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、５４１６ｇの、商業的にブレンドされた８０％アルミン酸カルシウムセメントＣＡ２５Ｃ（Ａｌｍａｔｉｓ社製）で構成された。初期固体配合量が７５．２％のセメントスラリーを、１６６９ｇの脱イオン水及び１８１ｇのコロイドシリカを使用して製造した。スラリーを許容される粘度に混合したら、１４７２ｇの炭化ケイ素をスラリーに添加した。炭化ケイ素を添加した混合物の固体配合量は７９．５％であった。スラリーを許容される粘度まで混合すると、大きさの範囲が０．８５ｍｍ未満及び０．５ｍｍ超のアルミナバブル１４７２ｇをスラリーに添加した。混合後、インベストメント鋳型混合物を制御された方法で容器に注入した。最終鋳型混合物の固体配合量は、８２．４％であった。結果として得られる鋳型は、約１２０ｍｍの直径及び約４００ｍｍの長さを有した。この第２の実施例では、最終アルミナバブルの半分を、同量の、粒径が２０μｍ未満のＳｉＣに置き換えた。鋳型が製造され、それは許容される品質を有することが見出された、そしてブレード鋳物が鋳型から製造された。
【０１５３】
水を含まない最終鋳型組成物は、６４．４重量％のブレンドされたアルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）、１７．５重量％の炭化ケイ素及び１７．５重量％のアルミナバブルと、０．６％のシリカを含んだ。
【０１５４】
鋳型中のＳｉＣの量及びセメントの量は、鋳型の質を向上させる点での要因であることが見出された。セメントがあまりに低い濃度になるならば、鋳型は亀裂を受けやすくなり得る。鋳型内のＳｉＣ粒子の大きさも、鋳型の質、例えば外部亀裂及び内部亀裂などを改善する点で重要であると見出された。例えば、ＳｉＣ粒径があまりに大きい（約１００μｍ超）場合、次の実施例で説明されるように内部亀裂は許容されない。
【０１５５】
重要な要素は鋳型の硬化挙動であり、硬化中に鋳型温度は上昇し得る。図２の結果は、様々な鋳型の硬化中の最大温度上昇を示す。グラフは、大型中空アルミナ粒子（アルミナバブル）を外形寸法が２０μｍ未満の粒径のＳｉＣに置き換えることにより、硬化中の温度上昇が約３０℃から２７℃未満に低下したことを示す。図２は、大型中空アルミナ粒子をＣＡ２５Ｃセメントに置き換えることにより、硬化中の温度上昇が約３０℃から２５℃未満に低下したことを示す。このグラフは、大型中空アルミナ粒子を粒径６００μｍ未満のＳｉＣに置き換えても硬化中の温度上昇にほとんど影響がないことをさらに示す。大型（外形寸法が約５０μｍ超）を外形寸法が１１０μｍ未満のＳｉＣに置き換えても硬化中の温度上昇にほとんど影響がないことをさらに示す。
【０１５６】
鋳型は１０００℃の温度で４時間焼成した。水を含まない最終鋳型組成物は、２４．１％のブレンドされたアルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）、４０．３の炭化ケイ素及び３５％の遊離アルミナバブルと、０．６％のシリカを含んだ。鋳型は、先行技術によって教示されるよりも低いアルミナ活性を有した。
【０１５７】
第３の実施例では、初期ＣＡ２５Ｃセメントの半分を、同量の、粒径が２０μｍ未満のＳｉＣに置き換えた。第３の実施例では、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、商業的にブレンドされた８０％アルミン酸カルシウムセメントＣＡ２５Ｃで構成された。初期固体配合量が６１．０％のセメントスラリーを、１６４１ｇの脱イオン水及び１８１ｇのコロイドシリカを使用して製造した。スラリーを許容される粘度に混合したら、２７０８ｇの炭化ケイ素をスラリーに添加した。炭化ケイ素を添加した混合物の固体配合量は７５．６％であった。スラリーを許容される粘度まで混合すると、大きさの範囲が０．８５ｍｍ未満及び０．５ｍｍ超のアルミナバブル２９４３ｇをスラリーに添加した。混合後、インベストメント鋳型混合物を制御された方法で容器に注入した。最終鋳型混合物の固体配合量は、８２．６％であった。結果として得られる鋳型は、約１２０ｍｍの直径及び約４００ｍｍの長さを有した。この第３の実施例では、初期ＣＡ２５Ｃセメントの半分を、同量の、粒径が２０μｍ未満のＳｉＣに置き換えた。鋳型は製造されたが、それは許容されないレベルの内部亀裂を有することが見出され、その後の鋳物は十分な品質ではなかった。最終配合物中のセメントの濃度はあまりに低かった。
【０１５８】
鋳型は１０００℃の温度で４時間焼成した。水を含まない最終鋳型組成物は、３２．２％のブレンドされたアルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）、３２．２の炭化ケイ素及び３５％の遊離アルミナバブルと、０．６％のシリカを含んだ。鋳型は、先行技術によって教示されるよりも低い遊離アルミナ活性を有した。
【０１５９】
第４の実施例では、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、商業的にブレンドされた８０％アルミン酸カルシウムセメントＣＡ２５Ｃで構成された。初期固体配合量が６１．０％のセメントスラリーを、１６４１ｇの脱イオン水及び１８１ｇのコロイドシリカを使用して製造した。スラリーを許容される粘度まで混合すると、大きさの範囲が０．８５ｍｍ未満及び０．５ｍｍ超のアルミナバブル２９４３ｇをスラリーに添加した。スラリーを許容される粘度に混合したら、７００ｇの、粒径が６００μｍ未満の大型炭化ケイ素をスラリーに添加した。スラリーの粘度は許容されず、許容される品質の鋳型を製造することができなかった。
【０１６０】
典型的な高純度か焼アルミナ粒子の種類には融合、平板状及び水簸したアルミナが含まれる。典型的な適したコロイドシリカとしては、Ｒｅｍｅｔ  ＬＰ３０、Ｒｅｍｅｔ  ＳＰ３０、Ｎａｌｃｏ  １０３０、Ｌｕｄｏｘが挙げられる。製造した鋳型は、良好な表面仕上を備えた鋳造チタンアルミナイド含有物品、例えばタービンブレードなどに使用された。粗さ（Ｒａ）値は、１００マイクロインチ未満であり、酸素含有量は、２０００百万分率［ｐｐｍ］未満であった。配合物は、一般に直径約１２０ｍｍ及び長さ４００ｍｍの鋳型、並びに２ｇ／ｃｍ3未満の密度を有する鋳型を製造した。
【０１６１】
一実施形態では、鋳型は、アルミン酸カルシウム相からなる炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを有し、フェースコートの厚さは約１００μｍであった。そのように製造された鋳型を使用して、良好な表面仕上をもつチタンアルミナイドタービンブレードを鋳造するのに成功した。例えば、Ｒａは１００未満であり、酸素含有量は２０００ｐｐｍ未満であった。この配合物は、２ｇ／ｃｍ3未満の密度を有する鋳型を製造した。
【０１６２】
一例では、鋳型混合物は、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内で混合することによって調製した。高剪断型混合を使用した。完全に混合されない場合、セメントはゲル化され得、流動性が低下するので、鋳型混合物は消失性模型を均一に覆うことができず、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは生成されない。セメントが混合物中で完全な懸濁状態になると、アルミナ粒子を添加する。例えば、セメントが混合物中で完全な懸濁状態になった時、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されると、微細な炭化ケイ素微粒子を添加し、セメントスラリーと混合する。微細な炭化ケイ素粒子がセメントと完全に混合されると、大型（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。最終混合物の粘度は、それは低すぎても高すぎてもならないので、高品質の炭化ケイ素含有内在性フェースコートの形成の別の要因である。本開示の別の要因は、セメント混合物の固体配合量及び水の量である。さらに、促進剤及び抑制剤を、鋳型製造プロセス段階中に選択された時点で使用することができる。
【０１６３】
混合後、インベストメント混合物を、消失性ワックス模型を含む容器に制御された方法で注入する。容器は、鋳型の外的形状寸法をもたらし、消失性模型が内的形状寸法を生成する。正確な注入速度はさらなる特徴であり、それが速すぎると空気が鋳型の中に閉じ込められることがあり、それが遅すぎるとセメントとアルミナ微粒子の分離が起こり得る。適した注入速度は、１分あたり約１〜約２０リットルの範囲である。一実施形態では、注入速度は約２〜約６リットル／分である。具体的な実施形態では、注入速度は約４リットル／分である。
【０１６４】
一実施形態では、鋳型配合物は、焼成による鋳型のフェースコートと鋳型本体の両方の線収縮が１％未満であるように設計された。混合物に組み込まれた軽量溶融アルミナの中空粒子は、低い熱伝導率をもたらす。一例では、大型アルミナ粒子以外の全ての成分を含む初期セメントスラリー混合物の固体配合量は６０％であり、この値は鋳型において炭化ケイ素含有フェースコートを形成することのできるセメントスラリーを製造するために望ましい限界よりも低い。一実施形態では、鋳型は、厚さが約１００μｍの、炭化ケイ素含有内在性フェースコートを形成した。
【０１６５】
アルミナ中空粒子は、密度が低下し、熱伝導率の低い鋳型をもたらす。一実施形態では、配合物は、直径約１２０ｍｍ及び長さ４００ｍｍの鋳型鋳型を製造した。鋳型を硬化させ、高温で焼成した。製造した鋳型は、良好な表面仕上を備えた鋳造チタンアルミナイド含有物品、例えばタービンブレードなどに使用された。粗さ（Ｒａ）値は、１００未満であり、酸素含有量は、２０００ｐｐｍ未満であった。大部分の実施形態では、配合物は、１．８ｇ／ｃｍ3未満の密度を有する鋳型を製造した。一実施形態では、鋳型本体の熱伝導率は、全ての温度でアルミナの伝導率よりもかなり低かった。熱伝導率は、熱線白金抵抗温度計技術（ＡＳＴＭ試験Ｃ−１１１３）を用いて測定した。
【０１６６】
一例では、鋳型は炭化ケイ素含有内在性フェースコートを形成するが、鋳型本体の組成、特にフェースコートの組成は、多すぎるシリカを含む。鋳型内のシリカのバルク組成は約１．５重量％である。混合物中のコロイドシリカの濃度が高いと、最終焼成鋳型中の残留結晶性シリカ及びケイ酸塩、例えばアルミノケイ酸カルシウム及びアルミノケイ酸塩などを導くことがある。鋳型及び特にフェースコートの高いシリカ含有量は、この鋳型配合物の２つの制限をもたらす。第一に、焼成によって収縮が起こり得、それが問題、例えばフェースコートの亀裂及び部品の寸法制御などを導く。第二に、フェースコート中の高いシリカ含有量は、鋳造中に鋳型が充填される際に、溶融チタン及びチタンアルミナイド合金との反応を引き起こし得る。この反応は許容されない鋳造品質をもたらす。
【０１６７】
一例では、最終鋳型混合物の固体配合量が８０％以上（例えば８１％）である場合、鋳型は、鋳型本体及び鋳型の炭化ケイ素含有内在性フェースコートの両方において、鋳型の１６インチの長さに沿って均一な組成を有する。鋳型内のシリカのバルク組成は０．６重量％である。鋳型は、シリカ含有量の低い、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを形成する。低いシリカ含有量の鋳型及び特に炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートは、チタン及びチタンアルミナイド合金を鋳造するのに好ましい鋳型を提供する。鋳型におけるアルミナ中空粒子の重量百分率は約３５％である。鋳型は、厚さが約１００μｍの、炭化ケイ素を含有する内在性フェースコートを形成する。鋳型は、焼成によって１％未満の線収縮を経験する。鋳型は鋳造に適している。
【０１６８】
一実施形態では、製造される鋳型配合物は、いくつかの魅力的な特性を有するが、いくつかの制限を有する。第一に、鋳型の炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、所望の厚さよりも薄い。これは、注入前の最終混合物の高い固体配合量に起因する。第二に、鋳型混合物中に多すぎるコロイドシリカが存在する場合、これは、焼成後の最終鋳型の鋳型本体に、かつ炭化ケイ素含有フェースコートに、過剰のシリカ及び結果として得られるケイ酸塩、例えばアルミノケイ酸カルシウムなどをもたらす。
【０１６９】
鋳型及び特にフェースコートの高いシリカ及びケイ酸塩含有量は、この鋳型配合物の２つの制限をもたらす。第一に、焼成によって収縮が起こり得、それが問題、例えばフェースコートの亀裂及び部品の寸法制御などを導く。第二に、フェースコート中の高いシリカ含有量は、鋳造中に鋳型が充填される際に、溶融チタンアルミナイド合金との反応を引き起こし得る。この反応は許容されない鋳造品質をもたらす。最後に、アルミナ中空粒子の大きさが大きすぎる場合、これは得られる混合物の流動性を低下させる。低い流動性は、薄い炭化ケイ素含有内在性フェースコートをもたらし、結果として得られる鋳型は質の低い鋳物を製造する。
【０１７０】
インベストメント鋳型混合物の加工時間が短すぎる場合、複雑な形状の部品の大きい鋳型を製造するための時間が不十分である。インベストメント鋳型ミックスの加工時間があまりに長く、アルミン酸カルシウムセメントが十分に素早く硬化しない場合、微細なセメントと大型アルミナの分離が起こることがあり、このことは、配合が変動し、結果として得られる鋳型の性質が均一でない、偏析した鋳型をもたらし得る。
【０１７１】
コロイドシリカは、アルミン酸カルシウム相と水の反応の速度に影響を及ぼし得、それは硬化中の鋳型強度にも影響を及ぼし得る。このアルミン酸カルシウム相と水の反応速度は、鋳型製造中のインベストメント鋳型混合物の加工時間を制御する。この時間は約３０秒〜約１０分の間であった。インベストメント鋳型混合物の加工時間が短すぎる場合、複雑な形状の部品の大きい鋳型を製造するための時間が不十分であり、連続する炭化ケイ素含有内在性フェースコートは形成されない。インベストメント鋳型ミックスの加工時間があまりに長く、アルミン酸カルシウムセメントが十分に素早く硬化しない場合、微細なセメントと大型アルミナの分離が起こることがあり、このことは、配合が変動し、結果として得られる鋳型の性質が均一でない、偏析した鋳型をもたらし得る。それはまた、連続しないか又は構成成分及び性質が変動する炭化ケイ素含有フェースコートを有する望ましくない位置ももたらし得る。
【０１７２】
鋳型の連続するフェースコートを構成し、鋳型本体のバインダーを提供する、セメント中の構成相は、本開示の特徴である。アルミン酸カルシウムセメントの３つの相は、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二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。第一に、相は溶解するか又は部分的に溶解して、その後のインベストメント鋳型製造スラリー中の全ての凝集体相を支持することのできる懸濁液を形成しなければならない。第二に、相は注入後の鋳型の固化又は硬化を促進しなければならない。第三に、相は鋳造中及び鋳造後に鋳型に強度を与えなければならない。第四に、相は鋳型内で鋳造されるチタン合金と最小の反応を示さなければならない。第五に、鋳型は、凝固後冷却の間に生成される部品に対する熱応力を最小にするために、チタン合金鋳物に一致する適した熱膨張を有さなければならない。
【０１７３】
鋳型中及び鋳型のフェースコート中のアルミン酸カルシウムセメント／バインダーの３つの相は、一例では、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）及びケイ化炭素である。マイエナイトは、それが急速固化アルミン酸カルシウムであり、硬化の初期段階中に炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート及び鋳型本体に強度を与えるために、鋳型に組み込まれる。消失性ワックス模型は温度に敏感であり、約３５℃を超える熱にさらされるとその形状及び性質を失うため、硬化は低温で実施されなければならない。一例では、鋳型は３０℃よりも低い温度で硬化される。
【０１７４】
上の説明は例証を目的とするものであり、制限を目的とするものでないことは理解されるべきである。例えば、上記の実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組合せて使用してよい。さらに、多くの変更形態を製造して、その範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を様々な実施形態の教示に適合させることができる。本明細書に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ためのものであるが、それらは決して制限ではなく、単なる例示である。多くのその他の実施形態は、上記の説明を検討することによって当業者に明らかとなる。そのため、様々な実施形態の範囲は、添付される特許請求の範囲を、かかる特許請求の範囲によって権利が与られる均等物の完全な範囲とともに参照して決定されるべきである。添付される特許請求の範囲において、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「ここで（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」は、それぞれ用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の平易な英語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、用語「第１」、「第２」及び「第３」などは単にラベルとして使用され、数値的な必要条件をその対象物に課すものではない。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は書かれておらず、そのような特許請求の範囲による限定が、さらなる構造を含めない機能の記述とともに「するための手段」という語句を明示的に使用しない限り、かつ使用するまでは、米国特許法第１１２条第６段落に基づいて解釈されるように意図されない。上に記載される全てのかかる目的又は利点が、任意の特定の実施形態に従って達成されるとは限らないことは理解されるべきである。従って、例えば、本明細書において教示又は示唆されるようなその他の目的又は利点を必ずしも達成しなくても、本明細書で教示する１つの利点又は利点の群を達成又は最適化する方法で、本明細書に記載されるシステム及び技法が具体化又は実行されてよいことを当業者は理解するであろう。
【０１７５】
本発明をほんの限定された数の実施形態に関連して詳細に説明したが、本発明がそのような開示される実施形態に限定されないことは容易に理解されるであろう。むしろ、本発明は、従前に記載されていないが本発明の精神及び範囲と同等の任意の数の変形、変更、置換又は等価配置を組み込むよう変更することができる。さらに、本発明の様々な実施形態が説明されたが、本開示の態様には、説明される実施形態のごく一部しか含まれないことは理解されるべきである。従って、本発明は、前述の説明によって制限されるとみなされるのではなく、添付される特許請求の範囲によってのみ制限される。
【０１７６】
本記載の説明は、本発明を開示するために、最良の形態を含む、また、当業者が本発明を実践することを可能にするために、装置又はシステムを製造及び使用し、組み込まれた方法を実行することを含む、例を使用している。本発明の特許適格性を有する範囲は、特許請求の範囲に規定され、それには当業者の念頭に浮かぶその他の例が含まれてよい。かかるその他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの意味と異ならない構造要素を有する場合、又は、それらが特許請求の範囲の文字通りの意味との実質的な差異のない等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【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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