(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロストワックス鋳造法を使用して、少なくとも１つの細長い形状の空洞を備えた、柱状または単結晶状構造のニッケル合金製金属部品を製造する方法にして、
前記空洞に対応するセラミック芯部（１０）を備えた部品の蝋模型（２０）を作り出すステップであって、セラミック芯部（１０）は長手方向の一方端部に第１保持スパン（１４）と反対端部に第２保持スパン（１６）とを備える、ステップと、
模型（２０）のまわりにシェル型（３０）を作り出すステップであって、シェル型（３０）は基部を備え、芯部の第１スパン（１４）はシェル型（３０）の基部と同じ側にあり、シェル型（３０）の脱蝋作業によって蝋を除去する、ステップと、
シェル型（３０）を炉（１００）に配置するステップであって、基部は炉（１００）の炉床（１０５）上に配置される、ステップと、
溶融合金をシェル型（３０）の中に注ぎ込むステップと、
炉床（１０５）から徐々に伝搬方向に冷却することによって、注ぎ込まれた金属を指向性凝固させるステップであって、冷却の伝搬方向と平行でない第２スパン（１６）の表面（１６Ｂ）は最初に蝋（１８）の溶着部によって覆われる、ステップとを備える方法であって、
芯部（１０）は、芯部の第１スパン（１４）とシェル型（３０）の壁との間に固着させる手段（４０）によってシェル型（３０）に固定され、芯部（１０）の第２スパン（１６）は、シェル型（３０）の壁の上を滑動する保持手段によってシェル型（３０）内に保持され、前記滑動保持手段は、シェル型（３０）を作り出す前に、冷却の伝搬方向と平行な第２スパン（１６）の表面（１６Ａ）に塗布されたワニスの層（１７）であり、芯部（１０）が拡張するとき、芯部（１０）の第２スパン（１６）がシェル型（３０）の壁と接触するのを防止するように、芯部（１０）の第２スパン（１６）とシェル型（３０）の壁との間に自由空間（１７、１８）が作り出されるように、前記ワニスの層（１７）、ならびに冷却の伝搬方向と平行でない第２スパン（１６）の表面（１６Ｂ）を覆う蝋（１８）は、シェル型（３０）の脱蝋作業中に除去されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
固着手段（４０）が、第１スパン（１４）を通過し、型の壁内に埋め込まれる棒を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
棒がセラミック製である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
複数の部品を製造するのに、前記部品の模型がシェル型（３０）内側でクラスタ状にまとめられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
柱状構造を備えた少なくとも１つの金属部品を製造するのに、シェル型（３０）と炉（１００）の炉床（１０５）との間に結晶状構造の核形成要素が設けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
部品がタービンエンジンブレードであり、第１スパンはブレードの羽根部の頂部の延長部内にあり、第２スパンはブレードの根元部の延長部内にある、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
炉床が、金属が溶融される高温領域と金属凝固用の低温領域との間で垂直方向に移動することが可能であり、炉床自体が冷却される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェル型内に金属を鋳込むことによって得られるタービンエンジンブレードなどの金属部品の分野に関し、これらの部品を製造する柱状または単結晶状タイプの指向性凝固を備えた方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロストワックス鋳造によって金属部品を製造する方法は、以下に述べられる一連のステップを備える。製造されるべき部品の模型が最初に蝋または他の一時的な材料で作り出される。適用可能な場合には、模型同士が、これも蝋から作られた中央樽部のまわりにクラスタ状に接合される。次いで、セラミック材料の微粒子の懸濁液を含む適切な組成のスリップ内への連続的な浸漬と、耐火性砂の振り掛けとを交互に行うことによって、そのようにして組み合わされた模型上にセラミック材料製の型が形成される。次いで、このようにして形成されたシェル型を加熱によって固化する間に蝋の模型は除去される。これに続くステップは、溶融金属合金、特にニッケル超合金をシェル型に注ぎ込み、次いで得られた部品を、所望の結晶構造に従ってその凝固を方向付けるように冷却することから成る。凝固後、シェルは、そこから部品を抜き取るべく、叩き落とすことによって除去される。最後に、余分な材料を除去するために仕上げステップが実施される。
【０００３】
したがって、冷却および凝固ステップは制御される。金属合金の凝固は液相から固相への変化であり、指向性凝固は、熱勾配および凝固速度を制御することによって新たな核の出現を回避して、溶融金属槽内で「核」の成長を所与の方向に進行させることから成る。指向性凝固は円柱状または単結晶状であることができる。柱状の指向性凝固は、全ての粒子の接合部を、それらが亀裂の伝搬に寄与しないように同じ方向に配向することから成る。単結晶状の指向性凝固は、粒子の接合部を完全に除去することから成る。
【０００４】
指向性の柱状または単結晶状凝固は、自体が周知の方法で、底部が開いたシェル型を冷却した炉床上に配置し、次いでそのアセンブリを、鋳込まれるべき合金の液相線よりも高い温度にセラミック型を維持する能力のある加熱器具の中に導入することによって、実施される。鋳込みが実施された後は、シェル型の底部に設けられた開口部内に位置付けられた金属は、冷却された炉床と接触してほぼ瞬間的に凝固し、１センチメートル前後の限定高さにわたって凝固される。その高さにわたって金属は等軸の粒状構造を有し、即ち、この限定高さにわたるその凝固は、何ら好まれる方向なく自然に生じる。この限定高さを超えたところでは、金属は晒される外部加熱のために液状のままとなる。炉床は、セラミック型を加熱装置から抜き取るように制御速度で下方に移動されて、金属の徐冷却をもたらす。金属は型の底部からその上部へと凝固し続ける。
【０００５】
柱状の指向性凝固は、この炉床を移動させる作業中に、液体‐固体相変化領域内で量および方向に関して適切な温度勾配を維持することによって得られる。これは、凝固先頭の前で新たな核を生じさせる過剰溶解を防止することを可能にする。このようにして、粒子の成長を許す唯一の核は、冷却炉床に接触して凝固した等軸領域内に既存する核である。このようにして得られた柱状構造は一式の細長い粒子から成る。
【０００６】
単結晶状の指向性凝固は、鋳造されるべき部品と冷却炉床との間に調節板または粒子選択器あるいは単結晶核を挿置することをさらに備える。熱勾配および凝固速度は、凝固先頭の前に新たな核が生み出されないように制御される。その結果、冷却後に単結晶状の鋳造部品ができる。
【０００７】
この指向性凝固の技法は、柱状または単結晶状にせよ、鋳造部品に特定の機械的および物理的特性を与えることが望ましいとき、鋳造部品、特にタービンエンジンブレードを作り出すために通常使用される。これは、鋳造部品がタービンエンジンブレードであるとき特に当てはまる。
【０００８】
さらに、それ自体が知られているように、指向性凝固を伴う場合も伴わない場合も、ロストワックス鋳造法が使用されるとき、製造されるべき部品の端領域内の空隙の欠陥を解消するためにフィーダが使用される。実際には、蝋模型が作り出されるとき余剰体積が与えられ、それらは、凝固後に空隙の欠陥を有する傾向にある部品の領域によせて配置される。シェルが作り出されると、余剰体積は結果的にシェル内側の追加容積となり、鋳込み中、シェルの他の部分と同じようにこれに溶融金属が充填される。フィーダは、シェル内の追加容積を充填する凝固金属の備えとなる。空隙の欠陥は、発生するとフィーダの中に移動され、製造された部品自体にはもはや位置しない。次いで、金属が凝固および冷却された後は、フィーダは、例えば機械加工、切削加工または研磨加工などの部品仕上げ作業中に取り外される。
【０００９】
羽根部の母線に対して横方向の２つのプラットフォームの間の少なくとも１つの羽根部から成るタービンノズルなどの単結晶ブレードを製造する方法も、本出願人名義のフランス特許第２７２４８５７号明細書内で述べられる通り知られている。この方法は、型の上部に溶融金属が供給されるタイプである。指向性凝固が実施され、その先頭は底部から上部へと垂直方向に進み、型の底部に配置された選択装置によって単結晶粒子が選択され、その出口からは所定配向の、垂直方向と合流する方向を備えた単一粒子が出る。
【００１０】
本発明は、少なくとも１つの空洞を有する、セラミック芯部のまわりに蝋模型が成形される部品の製造に関する。この芯部は、溶融金属が注ぎ込まれると、必要な空洞に対応する容積を部品内側に備える。タービンエンジンブレードでは、冷却流体が通過する空洞はこのようにして作り出される。
【００１１】
タービンエンジンブレード用のセラミック芯部は、知られている製造方法によると、２つの保持スパンまたはラグを長手方向端部に１つずつ備える。模型は、セラミック芯部の埋め込みまたは固着が型の上部内で芯部の基部領域に画定されるように用意される。これは、この技法によると、芯部および蝋模型が、基部を上に、頂部を底にして取り付けられることによる。このようにして、セラミックの鋳造作業後には、形成されたセラミックシェルが芯部をこの領域内に固定する。鋳込み中、事前に除去されている蝋によって開放された空洞を溶融金属が充填する。溶融金属は芯部とシェル型の壁との間の空間を占める。次いでシェルが配置された炉の炉床を下方に引くことによって凝固が行われ、いくつかの金属粒子が中で凝固を手始めに凝固が進み、次いでブレードの上部、羽根部、根元部へと連続的に凝固が進む。凝固において、金属は、凝固が始まる部分の端部スパンで芯部の第２の固着を作り出す。すると芯部は両端部で保持され、圧縮下で応力が掛けられる。その結果、芯部は座屈によって変形する。芯部はもはやその理論上の位置を遵守せず、部品上に欠陥が現れる場合がある。金属壁の厚みはもはや遵守されることができず、あるいは芯部が、その両端部の２つの埋め込みという応力の作用下で座屈によってブレードの金属壁に孔を開けてしまう。これら２つの場合には、部品は廃棄されなければならない。
【００１２】
さらに、凝固開始時の埋め込みの位置決めは、生じつつある凝固の先頭を阻害して、寄生性粒子または配向喪失を生じるリスクを伴うという欠点も有する。さらに、単結晶の場合には、埋め込み領域のいずれの側でも成長縁部が再付着するという欠陥のリスクが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】仏国特許発明第２７２４８５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、上記の問題を克服する部品の製造方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
ロストワックス鋳造法を使用して、少なくとも１つの細長い形状の空洞を備えた、柱状または単結晶状構造のニッケル合金製金属部品を製造する本発明による方法は、以下の、前記空洞に対応するセラミック芯部を備えた部品の蝋模型を作り出すステップにおいて、セラミック芯部は長手方向の一方端部に第１保持スパンと反対端部に第２保持スパンとを備える、ステップと、
模型のまわりにシェル型を作り出すステップにおいて、型は基部を備え、芯部の第１スパンは基部と同じ側にある、ステップと、
型を炉内に配置するステップにおいて、基部は炉の炉床上に配置されるステップと、
前記溶融合金をシェル型の中に注ぎ込むステップと、
炉床から徐々に伝搬方向に冷却することによって、注ぎ込まれた金属を指向性凝固させるステップと、を備える方法であって、
芯部は、芯部の第１スパンと型の壁との間に固着させる手段によってシェル型に固定され、芯部の第２スパンは、型の壁の上を滑動する保持手段によって型内に保持されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の解決法は、芯部が固着によってその両端部に保持されないことから、指向性凝固の進行中に芯部が変形することを回避する。このように、芯部は、型と芯部との間の膨張係数の差異に起因する力による圧縮下に置かれない。さらに、寄生性の粒子が発生するリスクまたは主粒子の再付着という欠陥のリスクもない。
【００１７】
本発明の解決法は、部品製造の全段階にわたって、即ち蝋模型から部品の鋳込みおよび凝固まで芯部の位置も保証する。
【００１８】
有利に、固着手段は、第１スパンと型の壁とを通過する棒、より具体的には耐火性セラミック製、例えばアルミナ製の棒を備える。好ましくは、セラミック棒は１ミリメートル前後の小径を有する。棒は蝋模型および芯部を通過するが、それらはこのレベルで引き起こされる応力を回避するために棒の直径よりも僅かに大きな直径で事前に孔が開けられている。
【００１９】
他の特徴によると、滑動保持手段は、スパンと型の壁との間に形成される空間によって形成される。この空間は、模型が作り出されるときスパンの表面上に付着された膨張性ワニスの膜によって得られる。次いでこのワニスは型脱蝋作業中に除去される。ワニスは、例えばマニキュア液タイプの材料であり、一層について１００分の数ミリメートルの厚さを得ることが可能である。この用途に適したワニスには、溶剤、樹脂、ニトロセルロース、および可塑化剤が含まれる。例えば、商標名「Ａｌｌ  ｆｏｒｍｕｌａｅ  Ｐｅｇｇｙ  Ｓａｇｅ  ｎａｉｌ  ｐｏｌｉｓｈ」で販売される「Ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ  ｂａｓｅ」などのワニスが本発明の方法で使用されることが可能である。
【００２０】
この膜は、第２スパンと型の壁との間により精確に挿置される。膜は、シェル型が形成される前に、冷却の進行方向と平行の、即ち可動炉床の場合には、可動炉床を引く方向と平行の第２スパンの表面に塗布される。ワニスのこの膜は、極めて薄い、１００分の３から５ミリメートル前後であることが好ましい。その目的は、第一に型の壁がこの領域で芯部にくっつくことを防止すること、第二に細い自由空間を作り出して、脱蝋後に第２スパンを型に対して長手方向に案内できるようにし、型が芯部上に応力を掛けることを防止することである。
【００２１】
凝固の進行軸、即ち引き下げ軸と平行でない第２スパンの表面は、最初に蝋の付着によって覆われて、脱蝋後に第２スパンの前記表面と型の壁との間に空間をもたらすようにする。この空間は、溶融金属の注ぎ込み中、シェルの壁と芯部の第２スパンとの接触を防止し、凝固中この領域内で芯部に応力が掛かるのを防止する。典型的には、この蝋付着の厚みは、１００から２００ｍｍの長さを有する部品では１ミリメートル前後、即ち部品の長さの約１％である。
【００２２】
本方法は複数の部品を同時に製造することを可能にする。前記部品用の模型はこの場合にはシェル型内側でクラスタ状にまとめられる。
【００２３】
本方法は、柱状構造を備えた少なくとも１つの金属部品を製造するのに適用され、型と炉の炉床との間に結晶状構造を成長させる手段が設けられる。
【００２４】
本方法は単結晶状構造を備えた少なくとも１つの部品を製造するのに適用され、核形成要素と型との間に粒子選択器が設けられる。
【００２５】
本発明は特にタービンエンジンブレードを製造するのに適用され、第１スパンはブレードの羽根部の頂部の延長部内にあり、第２スパンはブレードの根元部の延長部内にある。
【００２６】
本方法は有利には炉を使用し、その炉床は金属が溶融される高温領域と金属凝固用の低温領域との間で垂直方向に移動することが可能であり、炉床自体が冷却される。
【００２７】
非制限的な例としてここに掲げられる本発明の実施形態についての添付図面を参照した以下の説明から、他の特徴および利点が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の方法によって得られることが可能なタービンエンジンブレードを示す図である。
【図２】タービンエンジンブレード用のセラミック芯部の概略図である。
【図３】図２の芯部の側面図である。
【図４】図２の芯部を備えた蝋模型の概略図である。
【図５】シェル型の芯部を通る長手断面図である。
【図６】シェル型内の溶融金属の指向性凝固を可能にする炉の実施例を示す図である。
【図７】図５のシェル型の上端部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、適切な指向性凝固によって柱状または単結晶状の結晶構造を得るように、ニッケル基合金製の金属部品を製造する方法に関する。
【００３０】
本発明は、より具体的には図１で示されるようなタービンエンジンブレードの製造に関する。ブレード１は、羽根部２とタービンディスクにそれを取り付ける根元部５と、適用可能な場合には傾斜角を備えた頂部７とを備える。タービンエンジンの作動温度のために、ブレードには冷却流体、一般的には空気が巡る内部冷却回路が設けられる。根元部と羽根部との間のプラットフォーム６はガス流の半径方向内側壁の一部位を構成する。本明細書で示される部品は可動ブレードであるが、本発明はディストリビュータあるいは芯部を有する任意の他の部品にも適用される。
【００３１】
部品内側の冷却回路の複雑さのために、冷却回路の空洞を形成するためのセラミックの芯部を用いたロストワックス鋳造によって部品を作り出すことが有利である。
【００３２】
図２および図３は、タービンエンジンブレードの内部空洞を形成するのに使用される、セラミック製の簡略化された形態の芯部の概略図である。細長い形状の芯部１０は、１つの枝部１１、あるいは金属を注ぎ込んだ後に空洞同士の間に仕切りを形成するように空間１２によって分離された複数の枝部１１を備える。ここに示された実施例では、芯部は空間１２によって分離された２つの枝部１１を備える。一方端部で、芯部はスパンまたはラグ１４によって延長される。その機能は、部品の製造中に芯部を保持することであるが、部品が仕上げられた後には必ずしもその一部に一致するわけではない。反対端部では、芯部はこれも製造ステップ中に芯部を保持する第２スパン１６を備える。図３で、ここに示された芯部がその長さと比較して比較的細いことが分かる。言うまでもなく、芯部はその長さに対して細い程、座屈に対して敏感になる。
【００３３】
この芯部は蝋模型を製造する型内に配置される。この型の空洞は、得られるべき部品の形状にある。蝋をこの型の中に注入することによって、部品の模型が得られる。芯部を蝋模型内で保持するためにスパン１４および１６が使用される。図４は、破線の芯部１０を備えたこの蝋模型２０の概略図である。模型は、スパン１４を覆うように羽根部の延長部内の第１端部２４に延び、反対端部２６では根元部に延びる。スパン１６の部位１６Ａは蝋で覆われないことに留意されたい。この部位１６Ａは芯部の軸と平行な表面を備え、ワニスで被覆されるが、その機能について以下で説明がなされる。
【００３４】
いくつかの部品を同時に製造するように、一般的にいくつかの模型がクラスタ状に組み合わせられる。模型同士は例えばドラム内で垂直の中央シリンダのまわりに平行に配設され、両端部によって保持される。底部は、結晶状構造の核形成をもたらすことを目的とした要素上に取り付けられる。これに続くステップは、模型（複数）のまわりにシェル型を形成することから成る。この目的のために、これも知られているように、耐火性セラミック微粒子を連続した層内に付着させるようにスリップ内にアセンブリが浸漬される。最後に、型は加熱によって固化され、蝋は脱蝋作業によって除去される。
【００３５】
図５は、単一模型２０に関する芯部１０とシェル３０との間の本発明の配置構成の概略的長手断面図である。
【００３６】
第１スパン１４は、型３０内に、それを通過して型３０の壁の中に延びてそこに埋め込まれる耐火性セラミック棒４０によって保持される。棒４０は、シェル型が作り出される前、模型にスパン１４で孔が開けられた後に取り付けられている。この孔開け部は、棒の直径より僅かに大きな直径を有して、棒とスパンとの間に応力が生じないようにして、棒が模型内の芯部の正確な位置決めを実現できるようにしている。
【００３７】
第１スパンの反対側の第２スパン１６には、最初に、蝋で覆われない芯部の部分１６Ａ上でワニス層１７が被覆され、シェル型の形成後に型の内部壁と直接接触する。型の脱蝋後、図５で分かるように、消滅した層は芯部のスパン１６とシェル型の壁との間に自由空間を残す。符号１７がワニスの層によって残されたこの自由空間を示す。この空間１７は細く、即ち１００分の３から５ミリメートルである。これは、第２スパン１６をシェル３０の壁上で滑動保持する手段を形成する。
【００３８】
さらに、凝固の進行軸と平行でない表面‐本明細書では水平表面１６Ｂ‐は最初に蝋の付着部１８によって覆われる。この蝋の付着部は脱蝋後に同じ符号１８の付いた自由空間を残す。これは芯部が拡張すると芯部のスパン１６がシェルの壁に接触するのを防止する。このようにこれは芯部に応力が掛かるのを防止する。典型的にはこの蝋の付着部の厚みは、１００から２００ｍｍの長さを有する部品で約１ミリメートル、即ち部品の長さの約１％である。
【００３９】
応力が掛けられないことによって、芯部は座屈され難く、型の壁と芯部との間の部品の最初の壁厚みが保たれる。
【００４０】
図５は、枝部１１とスパン１４および１６とを備えた型内側のシェル型３０および芯部１０の部品に沿った断面図である。芯部の断面図は図４の線ＶＶに沿ったものである。体積３０’は模型の蝋に、またはシェルの凝固後には金属によって充填されるべき型の壁と芯部との間の空間に対応する。棒４０が第１スパン１４を通過する。棒４０はシェル型３０の壁内に固着されるのに充分長い。このようにして、芯部１０はシェル型３０内側に位置決めされる。
【００４１】
脱蝋し、固化した後、型は指向性凝固のために備え付けられた炉の炉床上に配置される。このような炉１００が図６に示される。加熱要素１０２が設けられたチャンバ１０１がそこに見られることが可能である。溶融金属を供給するオリフィス１０３が、溶融金属原料を含む坩堝１０４と連通し、これが、傾けることによって、炉の炉床１０５上に配設されたシェル型３０を充填する。炉床は垂直方向に移動することが可能である。矢印を参照されたい。これがそのプレート内側の回路１０６内の水の循環によって冷却される。型は、その基部によって冷却炉床上で支持される。型の底部は核形成部材によって炉床に通じている。
【００４２】
本出願の序文で説明された製造方法は、溶融金属を坩堝１０４から直接型３０の中に注ぎ込むことを備える。型は、チャンバ１０１を加熱する手段１０２によって、金属を溶融された状態に保つように充分な温度に維持される。ここで金属が芯部１０と型３０の壁との間の空隙３０’を充填する。型の基部が核形成要素によって炉床と熱接触することから、金属は凝固して結晶状構造を形成し、これが上方に伝搬する。炉床１０５は連続的に冷却され、加熱されたチャンバの外へ徐々に引き下げられる。単結晶状構造の場合には、それ自体が知られているように核形成と凝固との間に粒子選択器が挿置される。
【００４３】
高度の温度差は、金属を備えた型の様々な領域同士の間で応力を生じる。本発明の配置構成と棒４０とによって、芯部は、第１スパン１４を単独で下方の凝固初期化領域内に固着させることによって保持される。図７で分かるように、芯部は差動的にその長さの方向にシェル３０に対して自由に拡張できるが、これは第１スパンの反対端部で、第２スパン１６が、型の脱蝋中に除去されたワニスの層によって残された自由空間１７によって、型の壁に沿って案内されることによる。
【００４４】
さらに、凝固の進行軸と平行でない第２スパン１６の表面‐本明細書では水平表面１６Ｂ‐は、蝋を付着させることによって形成された自由空間１８のおかげでシェルの壁と接触しない。このようにして、芯部に応力が掛かることが回避される。典型的には、蝋付着部に対応するこの空間の厚みは、１００から２００ｍｍの長さを有する部品では約１ミリメートル、即ち部品の長さの約１％である。応力が掛けられないことによって、芯部は座屈され難く、型の壁と芯部との間の部品の最初の壁厚みが保たれる。
【００４５】
金属が冷却された後は、型は壊され、部品が取り出され、仕上げの作業場に送られる。
【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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【図７】
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