(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン含有製品の鋳造用鋳型であって、当該鋳型が、
一アルミン酸カルシウムと二アルミン酸カルシウムとマイエナイトとを含有するアルミン酸カルシウムセメントを含んでいて、鋳型が、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に位置する厚さ１０μｍ〜５００μｍの炭化ケイ素含有内在性フェースコートを有しており、炭化ケイ素の粒径が１００μｍ未満である、鋳型。
【請求項２】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートが連続内在性フェースコートである、請求項１に記載の鋳型。
【請求項３】
炭化ケイ素が１５重量％〜４５重量％存在する、請求項１に記載の鋳型。
【請求項４】
鋳型が鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを含んでいて、鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとが異なる組成を有し、炭化ケイ素含有内在性フェースコートが粒径５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む、請求項１に記載の鋳型。
【請求項５】
鋳型が鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを含んでいて、鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとが異なる組成を有し、鋳型本体は５０μｍ超のアルミナ粒子を含む、請求項１に記載の鋳型。
【請求項６】
鋳型が鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを含んでいて、鋳型本体が５０μｍ超のアルミナ粒子を含み、炭化ケイ素含有内在性フェースコートが粒径５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む、請求項１に記載の鋳型。
【請求項７】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートが、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上多い一アルミン酸カルシウムを含有する、請求項１に記載の鋳型。
【請求項８】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートがアルミナをさらに含有し、アルミナのレベルが鋳型本体でのレベルよりも重量分率で２０％以上低い、請求項１に記載の鋳型。
【請求項９】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートがアルミナをさらに含有し、アルミナのレベルが鋳型本体でのレベルよりも重量分率で２０％以上低く、炭化ケイ素含有内在性フェースコートが鋳型本体よりも２０％以上多いアルミン酸カルシウムと５０％以上少ないマイエナイトとを含有する、請求項１に記載の鋳型。
【請求項１０】
鋳型が炭化ケイ素をさらに含有し、炭化ケイ素含有内在性フェースコートが鋳型本体よりも重量分率で１０％以上多い炭化ケイ素を含有する、請求項１に記載の鋳型。
【請求項１１】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率が０．４５超であり、マイエナイトの重量分率が ０．１０未満である、請求項１に記載の鋳型。
【請求項１２】
鋳型本体における一アルミン酸カルシウムの重量分率が０．０５〜０．９５であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率が０．１０〜０．９０である、請求項１に記載の鋳型。
【請求項１３】
鋳型本体における二アルミン酸カルシウムの重量分率が０．０５〜０．８０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける二アルミン酸カルシウムの重量分率が０．０５〜０．９０である、請求項１に記載の鋳型。
【請求項１４】
鋳型本体におけるマイエナイトの重量分率が０．０１〜０．３０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率が０．００１〜０．０５である、請求項１に記載の鋳型。
【請求項１５】
チタン含有製品の鋳造用鋳型の炭化ケイ素含有内在性フェースコートのためのフェースコート組成物であって、炭化ケイ素含有内在性フェースコートが、１０μｍ〜５００μｍの厚さであって、鋳型本体と、鋳型キャビティに面した鋳型の表面との間に位置しており、当該フェースコート組成物が、
一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、炭化ケイ素と、マイエナイトとを含んでいて、炭化ケイ素の粒径が１００μｍ未満である、フェースコート組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、炭化ケイ素含有鋳型とフェースコート組成物、並びにチタン及びチタンアルミナイド合金の鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のガス又は燃焼タービンは、信頼性、重量、出力、経済性及び動作耐用年数に関して極めて高い要求を満たすことが求められている。かかるタービンの開発にあたっては、規格への適合及びそのような要求の満足において、なかでも材料選択、新しい好適材料の研究、さらには新しい製造方法の研究が重要な役割を担っている。
【０００３】
ガスタービンに用いられる材料は、チタン合金、ニッケル合金（超合金ともいう）及び高張力鋼を含みうる。航空機エンジンの場合、チタン合金は圧縮機部品に広く使用され、ニッケル合金は航空機エンジンの高温部に適し、高張力鋼は例えば圧縮機ハウジングやタービンハウジングに使用される。例えば圧縮機向けの構成部品等、高い負荷もしくは応力を受けるガスタービン構成部品は、一般に鍛造部品である。他方、タービン向け構成部品は一般にインベストメント鋳造部品である。
【０００４】
インベストメント鋳造は新しい製造法ではないが、より複雑に入り組んだ形状をもつ部品の需要が高まるにつれ、インベストメント鋳造物の市場は成長が続いている。高品質・高精度の鋳造品に対する需要は高いため、インベストメント鋳造の所要時間、効率、安価さ、品質を高める新たな方法を開発することが常に必要とされている。
【０００５】
溶融シリカ、クリストバライト、石膏等で構成され、宝石や義歯の鋳造業界で用いられる従来のインベストメント鋳型混合物は、チタン合金等の反応性合金の鋳造には一般に適していない。ひとつの理由は、形成されるチタンとインベストメント鋳型との間に反応が生じることにある。溶融合金と鋳型との間に反応が生じると、最終的な鋳造物の特性が著しく悪化する。この悪化は、気泡によって表面仕上げが低下する程度のこともあれば、深刻な場合には、鋳造物の化学構成、微構造及び特性が損なわれることもある。
【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が必要とされている。チタン合金の鋳造物に対しては、セラミックシェルモールドを用いた手法が以前から採用されている。これまでの事例では、従来のインベストメント鋳型混合物の限界を緩和するため、追加的な鋳型材料がいくつか開発されている。例えば、主成分として酸化マグネシウム又はジルコニアを使用し、鋳造金属の凝固による収縮分を埋め合わせるために主成分に金属ジルコニウムを添加した、酸化膨張性のインベストメントコンパウンドが開発された。また、別の例、すなわち酸化マグネシウムと酸化アルミニウムを主成分として使用するインベストメントコンパウンドでは、鋳型の収縮量を減らし、凝固時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金属チタンの微粉末が添加される。
【０００７】
しかし、上記従来技術のインベストメントコンパウンドには大きな限界がある。例えば、鋳造金属の凝固による収縮分を金属ジルコニウムの酸化膨張によって埋め合わせようとするインベストメント鋳型混合物は、いくつかの理由によって実用性に欠ける。第１に、ジルコニウムを含有する新しいインベストメントコンパウンドを有するその表面に、ワックス模型がコーティングされた後、被覆ワックス模型は従来のインベストメントコンパウンドの中に埋め込まれる。こうして、必要なジルコニウムの量をできるだけ少なくしている。しかし、ジルコニウムを含むワックスのコーティングは極めて難しく、あまり繰り返し行うことができない。第２に、形状が複雑な構成部品のワックス模型を十分に均一にコーティングすることができない。そのうえ、被覆層及び模型の外周にインベストメント鋳型混合物を注入すると、被覆層がワックスから剥がれ落ちることがあり、その結果、外周に注入したインベストメント鋳型混合物とチタンとの間で反応が起きることになる。
【０００８】
したがって、ニアネットシェイプの金属もしくは金属合金を、その金属もしく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容易に取り出すことができる、単純で信頼性の高いインベストメント鋳造法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２６５９９９４号明細書
【発明の概要】
【００１０】
本開示の諸態様は、従来の技術の限界を克服する鋳造鋳型組成物、鋳造方法及び鋳造品を提供する。本開示のいくつかの態様は、例えばエンジンタービンブレード等の構成部品の製造を対象にしうるが、本開示の諸態様は多くの産業における構成部品、特にチタン及び／又はチタン合金を含有する構成部品の製造に利用しうる。
【００１１】
本開示の一態様はチタン含有製品の鋳造用鋳型であり、鋳型はアルミン酸カルシウムセメントを含有し、アルミン酸カルシウムセメントは一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、マイエナイトとを含有する。ここに、鋳型は、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に約１０μｍ〜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重量％〜約４５重量％存在する。一実施形態では、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、約１５重量％〜約４５重量％の割合で炭化ケイ素を含有する。一実施形態では、鋳型は炭化ケイ素をさらに含有し、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で１０％以上多い炭化ケイ素を含有する。別の実施形態では、鋳型は、酸化カルシウムに関して鋳型組成物の約１０重量％超約５０重量％未満の酸化カルシウムをさらに含有する。一実施形態では、上記の鋳型は２％未満のシリカ、例えばコロイド状シリカをさらに含有する。
【００１２】
鋳型は、一例において、鋳型本体と内在性フェースコートとを備え、鋳型本体と内在性フェースコートとは異なる組成を有し、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、粒径約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む。別の実施形態では、鋳型は鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを含んでいて、鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとが異なる組成を有し、鋳型本体は約５０μｍ超のアルミナ粒子を含む。鋳型は、別の例において、鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを備え、鋳型本体は約５０μｍ超のアルミナ粒子を含み、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは粒径約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む。一実施形態では、鋳型は鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを含んでいて、鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとが異なる組成を有し、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは粒径約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上多い一アルミン酸カルシウムを含有する。一実施形態では、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上少ないアルミナを含有する。別の実施形態では、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上多いアルミン酸カルシウムと、２０％以上少ないアルミナと、５０％以上少ないマイエナイトとを含有する。一実施形態では、炭化ケイ素含有内在性フェースコートはアルミナをさらに含有し、アルミナのレベルは鋳型本体でのレベルよりも重量分率で２０％以上低い。別の実施形態では、炭化ケイ素含有内在性フェースコートはアルミナをさらに含有し、アルミナのレベルは鋳型本体でのレベルよりも重量分率で２０％以上低く、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも２０％以上多いアルミン酸カルシウムと、５０％以上少ないマイエナイトとを含有する。
【００１４】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は、一例において０．４５超であり、マイエナイトの重量分率は０．１０未満である。一実施形態では、鋳型本体における一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜０．９５であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．１０〜０．９０である。別の実施形態では、鋳型本体における二アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜約０．８０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける二アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜０．９０である。さらに別の実施形態では、鋳型本体におけるマイエナイトの重量分率は約０．０１〜約０．３０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率は約０．００１〜０．０５である。ある特定の実施形態では、鋳型本体における一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜０．９５であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．１〜０．９０である。鋳型本体における二アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜約０．８０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける二アルミン酸カルシウムの重量分率は、約０．０５〜０．９０である。ここに、鋳型本体におけるマイエナイトの重量分率は約０．０１〜約０．３０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率は約０．００１〜０．０５である。
【００１５】
一例において、鋳型は、外形寸法が約５００μｍ未満の酸化アルミニウム粒子を鋳型本体内にさらに含有する。一例において、酸化アルミニウム粒子は、鋳型の作製に用いる組成物の約３０重量％〜約６８重量％をなす。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有する。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（すなわち、鋳型の作製に用いる組成物の２０重量％超）をなす。一実施形態では、鋳型は酸化カルシウムに関して鋳型組成物の約１０重量％超約５０重量％未満をさらに含有する。一例において、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れらの組成物をさらに含有する。
【００１６】
鋳型の作製に用いる初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は、一例において、約６０％〜約７８％である。別の例において、鋳型の作製に用いる最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物（すなわち、大粒径のアルミナを含有）における固形物の割合は、約７０％〜約９５％である。
【００１７】
本開示の一態様は、本明細書に開示する鋳型の内部に形成されるチタン含有製品である。このチタン含有製品は、一例において、チタンアルミナイド含有タービンブレードを含む。
【００１８】
本開示の一態様は、チタン含有製品の鋳造に用いられる鋳型のフェースコート組成物であり、フェースコート組成物は、一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、炭化ケイ素と、マイエナイトとを含有する。ここに、フェースコート組成物は炭化ケイ素含有内在性フェースコートであり、約１０μｍ〜約５００μｍ厚であり、鋳型本体と、鋳型キャビティに面した鋳型表面との間に位置する。高濃度の炭化ケイ素を含有するこのフェースコートは、一例において、粒径約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む。一実施形態では、炭化ケイ素は組成物の約１５重量％〜約４５重量％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、例えばコロイド状シリカをさらに含有する。
【００１９】
一実施形態では、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上多いアルミン酸カルシウムと、２０％以上少ないアルミナと、５０％以上少ないマイエナイトとを含有する。関連する例において、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で１０％以上多い炭化ケイ素を含有する。内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は、一例において０．４５超であり、マイエナイトの重量分率は０．１０未満である。一実施形態では、内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は０．１０〜０．９０であり、内在性フェースコートにおける二アルミン酸カルシウムの重量分率は０．０５〜０．９０であり、内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率は０．００１〜０．０５である。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有し、炭化ケイ素はフェースコート組成物の約１５重量％〜約４５重量％存在する。
【００２０】
一態様において、本開示はチタン含有製品の鋳造用鋳型の形成方法を対象とし、この方法は、スラリーを生成するためにアルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を液体と混合する工程であって、初期のアルミン酸カルシウム／液体混合物における固形物の割合がスラリーの約６０重量％〜約８０重量％であり、スラリーの粘度が約３０〜約１５００センチポアズである、工程と；消失性模型を備えた鋳型キャビティにスラリーを導入する工程と；チタン含有製品の鋳型を形成するために鋳型キャビティ内でスラリーを硬化させる工程とを含む。一実施形態では、初期のアルミン酸カルシウム／液体混合物は酸化アルミニウムを含まない、或いは別の例では中空酸化物粒子を含まない、さらに別の例では大粒径の中空酸化物粒子（中空酸化アルミニウム粒子等）を含まない、スラリーである。一実施形態では、鋳型キャビティにスラリーを導入する前に、最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物を形成するために大粒径の中空酸化物粒子がスラリーに添加される。このとき、スラリー内の固形物はスラリーの約７０重量％〜約９５重量％とする。一実施形態では、最終的なアルミン酸カルシウム／液体混合物は、酸化アルミニウムを含有するスラリーであり、また別の例では中空酸化物粒子を含むスラリーであり、またさらに別の例では大粒径の（外形寸法が５０μｍを超える）中空酸化物粒子（中空酸化アルミニウム粒子等）を含有するスラリーである。
【００２１】
一実施形態では、炭化ケイ素はスラリーの生成前もしくは生成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、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１０μｍ〜約５０μｍである。一実施形態では、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１μｍ〜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（鋳型の作製に用いる組成物）の２０重量％超をなす。
【００２２】
一実施形態では、鋳型キャビティにスラリーを導入する前に、スラリーに酸化物粒子が添加される。すなわち、一実施形態では、スラリーは酸化物粒子をさらに含有する。一実施形態では、これらの酸化物粒子は中空である。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（アルミナともいう）である。酸化アルミニウム粒子はさまざまな粒径が可能であり、約５０μｍ超である。具体例では、使用し得る添加酸化アルミニウム粒子の外形寸法は、約１５００μｍ未満である。一実施形態では、酸化アルミニウム粒子の外形寸法は約５０μｍ〜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（鋳型の作製に用いる組成物）の約３０重量％〜約６８重量％をなす。
【００２３】
一実施形態では、酸化カルシウムのスラリーへの添加は、スラリーが鋳型キャビティに導入される前に実施される。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とな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における固形物の割合は約６０％〜約７８％である。一実施形態では、大粒径の酸化アルミニウムを含有する、最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は、スラリーの約７０重量％〜約９５重量％である。一実施形態では、初期と最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物の間の違いは、初期混合物が中空酸化物粒子を含有しないのに対し、最終混合物が中空酸化物粒子、例えば、大粒径の中空酸化アルミニウム粒子を含む点にある。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。一態様において、本開示は、本明細書に開示される方法に従って作製される鋳型を対象とする。一実施形態では、本開示は、本明細書に開示する方法によって作製される鋳型を用いて製造される、チタンアルミナイド含有タービンブレードを対象とする。
【００２４】
一態様において、本開示はチタン及びチタン合金の鋳造方法を対象とし、この方法は、アルミン酸カルシウムと大粒径の酸化アルミニウムとを含有するインベストメント鋳造鋳型組成物を生成する工程であって、アルミン酸カルシウムは液体及び炭化ケイ素と混合されてスラリーを生成し、大粒径の酸化アルミニウムを含有する最終的なアルミン酸カルシウム／液体混合物中の固形物はスラリーの約７０重量％〜約９５重量％である、工程と；消失性模型を備えた容器にインベストメント鋳造鋳型組成物を注入する工程と；インベストメント鋳造鋳型組成物を硬化する工程と；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；予熱した鋳型に溶融チタンもしくはチタン合金を注入する工程と；溶融チタンもしくはチタン合金を凝固させる工程と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を形成する工程と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を鋳型から取り出す工程とを含む。本方法の一実施形態では、スラリーにおける固形物の割合は約６０％〜約７８％である。
【００２５】
一実施形態では、本明細書に教示される方法に用いられる酸化アルミニウムの粒子は、外形寸法が約５０μｍ〜約１５００μｍである。一実施形態では、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１０μｍ〜約１００μｍである。別の実施形態では、炭化ケイ素が存在すると、鋳造中の熱伝導率は炭化ケイ素なしに鋳造する場合に比べて向上する。一実施形態では、炭化ケイ素は１５重量％〜４５重量％存在し、炭化ケイ素の存在により、鋳造中の熱伝導率は炭化ケイ素なしに鋳造を行う場合に比べて２５％以上向上する。
【００２６】
一実施形態では、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１０μｍ〜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の外形寸法は約５０μｍ〜約１５００μｍ、また別の例において約５０μｍ〜約５００μｍである。一実施形態では、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１０μｍ〜約５０μｍである。別の実施形態では、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１μｍ〜約１０００μｍである。一実施形態では、酸化アルミニウム粒子は、鋳型の作製に用いるインベストメント鋳造鋳型組成物の約３０重量％〜約６８重量％をなす。一実施形態では、アルミン酸カルシウムは、鋳造鋳型組成物（鋳型の作製に用いるインベストメント鋳造鋳型組成物）の２０重量％超をなす。本開示の一態様は、本明細書に開示する方法によって説明される鋳造方法で製造される、チタンもしくはチタン合金物品である。
【００２７】
本開示の一態様は、チタン含有製品を鋳造するための鋳型組成物である。この鋳型組成物は、一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、炭化ケイ素と、マイエナイトとを含有するアルミン酸カルシウムセメントを含有する。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有する。本開示の別の態様は、アルミン酸カルシウムと炭化ケイ素とを含有するチタン含有製品鋳造鋳型組成物である。例えば、本開示のある態様は、チタン含有及び／又はチタン合金含有品もしくは構成部品（例えばチタン含有タービンブレード）を鋳造する鋳型に用いる鋳型組成物の提供に対して比類なく好適である。
【００２８】
一態様において、本開示は上記プロセスによって製造されるタービンブレードを対象とし、そのプロセスは、インベストメント鋳造鋳型を提供する工程であって、上記鋳型はアルミン酸カルシウムと、炭化ケイ素と、酸化アルミニウムとを含有する、工程と；溶融チタンもしくはチタン合金を鋳型に注入する工程と；溶融チタンもしくはチタン合金を凝固させる工程と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を形成する工程と；タービンブレードを製造するために、凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を鋳型から取り出す工程であって、タービンブレードは、その表面領域の少なくとも一部にわたって２０未満の平均粗さＲａを有する、工程とを含む。本明細書で想定する範囲で炭化ケイ素を使用することにより、炭化ケイ素がほとんど存在しない（１５重量％未満）、もしくはまったく存在しない条件で実施する鋳造に比べて、鋳造中の熱伝導率が向上する。一実施形態では、炭化ケイ素は外形寸法が約１０μｍ〜約１００μｍの粒子の形態で提供される。
【００２９】
本開示の一態様は、タービン構成部品の製造方法であって、この方法は、一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、炭化ケイ素と、マイエナイトと、水とを含有する混合物から鋳型を作製する工程であって、炭化ケイ素が約１５重量％〜約４５重量％存在する、工程と；鋳型を焼成する工程と；溶融チタンもしくはチタン合金を鋳型に注入する工程と；凝固鋳造物を形成するために溶融チタンもしくはチタン合金を凝固させる工程と；鋳造物を鋳型から取り出す工程とを含む。一実施形態では、上記方法は、約５０μｍより大きい中空酸化アルミニウム粒子（大粒径のアルミナ）をさらに含有する。一実施形態では、大粒径の粒子は外形寸法が５０μｍより大きい粒子を含み、小粒径の粒子は外形寸法が５０μｍ未満の粒子を含む。タービン構成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他の態様、特徴及び効果は、本開示のさまざまな態様に関する以下の詳細な説明を添付の図面と合わせて参照することによって明確になるだワックス。
【００３１】
本発明と見なされる内容は、本明細書の最後に収載する特許請求の範囲に詳細に記載し、明確に規定している。しかし、本開示の上記及び他の特徴並びに効果は、本発明の諸態様に関する以下の詳細な説明を添付の図面と合わせて参照することによって容易に理解されるだワックス。
【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塗布した鋳型の概要を示す図である。
【図２】炭化ケイ素の粒径と重量分率が硬化中の温度上昇に及ぼす影響を示す図である。
【図３】チタン含有製品の鋳造用鋳型の形成方法を示す、本開示の諸態様に関わるフローチャートである。
【図４】チタン及びチタン合金の鋳造方法を示す、本開示の諸態様に関わるフローチャートである。
【図５】提示されるプロセスによって製造されるタービンブレードを示す、本開示の諸態様に関わるフローチャートである。
【図６】タービン構成部品の製造方法を示す、本開示の諸態様に関わるフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本開示は、概して鋳型組成物、鋳型の作製方法及びかかる鋳型から鋳造される物品に関し、より具体的には、チタン含有製品を鋳造するための鋳型組成物及び方法、並びにそれによって形成されるチタン含有製品に関する。
【００３４】
インベストメントシェルモールドを用いたチタンとその合金のインベストメント鋳造によってチタン系構成部品を製造するという手法では、鋳造物を「ニアネットシェイプ」で鋳造する必要があるという点で問題が生じる。すなわち、構成部品は実質的にその構成部品の最終所望寸法となるように鋳造され、最終的な処理もしくは加工がほとんど、或いはまったく必要のない場合がある。例えば、一部の従来鋳造物は、鋳造物に存在するアルファケースの除去のためにケミカルミリング（化学的切削加工）のみを必要としうる。しかし、ケミカルミリング処理では、一般に鋳造物のアルファケースの下にある表面下のセラミック介在物まで取り除くことはできず、鋳型のフェースコートと、鋳型内の反応性金属（例えば、反応性チタンアルミナイド）との反応によって、そのような介在物が形成される可能性がある。
【００３５】
本開示は、ニアネットシェイプのチタン及びチタンアルミナイド構成部品、例えばタービンブレードや翼形部等の鋳造に対して新しいアプローチを提供する。本開示の諸実施形態は、インベストメント鋳造鋳型のための物質の組成物、並びに例えば、航空宇宙、工業及び海洋産業に用いる、チタン及びチタン合金の改良型構成部品を実現する鋳造方法を提供する。いくつかの態様では、鋳型組成物は、鋳型作製時の鋳型強度の向上を実現する及び／又は鋳造時の鋳造金属に対する耐反応性を高める、相を含有する鋳型を提供する。本開示の諸態様に関わる鋳型では、高圧での鋳造が可能になりうる。高圧での鋳造はニアネットシェイプ鋳造法において望ましい。鋳型組成物（例えば、アルミン酸カルシウムセメントとアルミナ粒子及び好ましい構成相を含有するもの）は、優れた特性の鋳造物を実現することが明らかになっている。
【００３６】
一態様において、鋳型の構成相は一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）を含有する。本発明者らは、一アルミン酸カルシウムセメントが２以上の理由によって望ましいことを見出した。１点目として、発明者らの理解によると、一アルミン酸カルシウムは鋳型作製の初期段階においてセメント粒子どうしの水硬性結合の形成を促進する。この水硬性結合によって鋳型製造時に鋳型に強度が与えられると考えられている。２点目として、発明者らの理解によると、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基合金と非常にゆっくりと反応する。ある実施形態では、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対して、アルミン酸カルシウムセメントの形態で提供される。一態様において、鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメントとアルミナ（すなわち酸化アルミニウム）との混合物を含有する。
【００３７】
本開示の一態様において、鋳型組成物は鋳造中に合金との間で最低限の反応を起こすだけであり、鋳造物はこの鋳型によって必要な構成部品特性を獲得する。ある特定の実施形態では、鋳型のフェースコートは鋳造中に合金との間で最低限の反応を起こすだけであり、鋳造物はこの鋳型によって必要な構成部品特性を獲得する。鋳造物の外部特性としては、輪郭、形状、表面仕上げ等の特徴が挙げられる。鋳造物の内部特性としては、機械的性質、微構造、ある指定サイズ未満及び許容限界内の欠陥（細孔や介在物等）が挙げられる。
【００３８】
一実施形態では、鋳型は、炭化ケイ素を含有する連続内在性フェースコートを含有する。この、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備わる。ある関連実施形態では、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは約１０μｍ〜約５００μｍである。いくつかの例において、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、粒径約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウムを含有する。鋳型組成物は、鋳型本体がアルミナ及び約５０μｍより大きい粒子を含むようなものである。ある実施形態では、炭化ケイ素含有フェースコートは鋳型本体より少ないアルミナを含有し、炭化ケイ素含有フェースコートは鋳型本体より多いアルミン酸カルシウムを含有する。
【００３９】
初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合及び最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物は、本開示のひとつの特徴である。一実施形態では、本開示では粒子類、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を固形物と呼ぶ。初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物は、一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、マイエナイトと、酸化物粒子と、炭化ケイ素とを含有し、それらが水と混合してスラリーを形成している。最終的なアルミン酸カルシウム−液体鋳型調合物は大粒径の酸化物粒子を含む。一例において、初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物は、微小径（例えば５０μｍ未満、一例において１０μｍ未満）のアルミナを含有し、それらが水と混合して一様かつ均質なスラリーを提供する。別の例において、最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物は、初期スラリーに大粒径（一例において５０μｍ超、別の例において１００μｍ超）のアルミナを添加した後、２分〜１５分にわたって混合し、一様な混合物を実現することにより、形成する。
【００４０】
一例において、初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は約６０％〜約７８％である。一例において、初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は約７０％〜約８０％である。別の例において、大粒径アルミナ（＞１００μｍ）のアルミナ粒子を含む最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は約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）製タービンブレード（例えばＴｉＡｌ製低圧タービンブレード）の低コスト鋳造を実現する。鋳型組成物は、ニアネットシェイプ部品の鋳造を可能にする。ニアネットシェイプ部品は、従来のシェルモールド鋳造及び重力鋳造で作製する部品に比べ、必要な加工及び／又は処理が少なくて済む。本明細書では、「ニアネットシェイプ」の表現は、物品の最終的な（ネットの）形状に近い製品を最初から製造することを暗黙裏に意味する。それにより、大規模な加工や表面処理などの後続処理の必要性が低減する。また、本明細書にいう「タービンブレード」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指す。
【００４２】
したがって、本開示は、チタン及びチタンアルミナイド合金とはあまり反応しない鋳型（例えばインベストメント鋳型）の製造に関する課題に取り組む。さらに、本開示のいくつかの態様によれば、鋳型の強度と安定性により、遠心鋳造等の高圧鋳造の手法が可能である。本開示の技術的効果のひとつは、一態様において、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形成可能なネットシェイプ鋳造物の構造的な完全性が、本開示によって向上しうることである。強度（例えば、疲労強度）が向上すると、それだけ軽量の構成部品が製造可能になる。さらに、疲労強度が大きい構成部品はそれだけ寿命が延び、したがってライフサイクルコストが低減できる。
【００４３】
表面粗さは、鋳造加工部品の表面完全性を表す指標のひとつである。表面粗さは、光学式プロフィルメータによる方法で測定した、中心線平均粗さの値「Ｒａ」と、ある指定領域における山谷の平均高低差「Ｒｚ」とによって評価される。粗さの値は、断面（プロファイル）について計算するものと、表面について計算するものとがありうる。プロファイル粗さパラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、……）のほうがより一般的である。個々の粗さパラメータは、表面を記述する式を用いて計算される。使用される粗さパラメータには多くのものがあるが、現時点ではＲａが最も一般的である。当該業界で知られるように、表面粗さは工具摩耗と相関する。一般に、研削とホーニングによる表面仕上げ加工ではＲａの範囲は０．１ｍｍ〜１．６ｍｍになる。最終コーティングの表面粗さＲａの値は、コーティングもしくは塗装品に望む機能によって異なる。
【００４４】
平均粗さＲａは高さの単位で表される。英国式の単位系では、１Ｒａは一般に１インチの「百万分の一」の単位で表される。これは「マイクロインチ」ともいう。本明細書中に記載するＲａ値の単位はマイクロインチである。７０のＲａ値は約２μｍに相当し、３５のＲａ値は約１μｍに相当する。高性能品（例えば、タービンブレード、タービン翼／ノズル、ターボチャージャ、ピストン機関の弁、ピストン、等）の表面はＲａが約２０以下であることが一般に必要である。本開示の一態様は、チタンもしくはチタン合金を含有し、その表面領域の少なくとも一部にわたって２０未満の平均粗さＲａを有する、タービンブレードである。
【００４５】
溶融金属は、加熱温度が高いほど反応性が高まる（例えば、鋳型表面との間で無用な反応が起こる）傾向にある。そのような反応は不純物を形成して金属部品を汚染する原因となり、さまざまな有害な結果をもたらす。不純物が存在すると金属の組成が変わって所望の基準を満たさなくなり、その鋳造品を意図した用途に使用できなくなる恐れがある。さらに、不純物の存在は金属材料の機械的性質に悪影響（例えば材料強度の低下）を与える可能性がある。
【００４６】
そのうえ、そのような反応は表面のざらつきを生じ、鋳造品表面に望ましくないかなりの粗さを生じる恐れがある。例えば、表面粗さの評価について業界でよく知られている表面粗さ値Ｒａを用いると、ステンレス鋼合金及び／又はチタン合金を用いる鋳造品は、良好な作業条件のもとで一般に約１００〜２００の間のＲａ値を示す。こうした有害な影響があると、鋳型の充填温度が下げられることになる。しかし、溶融金属の加熱が不十分だと鋳造材料が速く冷めすぎて、鋳造鋳型への充填が不完全なものとなる可能性がある。
【００４７】
［鋳造鋳型組成物］
本開示の諸態様は、チタン及びチタン合金の改良型構成部品を実現できるインベストメント鋳造鋳型のための組成物を提供する。本開示の一態様において、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できる。アルミン酸カルシウムセメントは単に「セメント」もしくは「バインダ」と呼ぶことがある。
【００４８】
いくつかの実施形態では、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造可能なインベストメント鋳型混合物を生成するために炭化ケイ素及びアルミナ粒子と混合される。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において約２０重量％超の割合で存在しうる。いくつかの実施形態では、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において約３０％〜約６０重量％存在する。鋳造可能な鋳型混合物（鋳造鋳型組成物）において２０重量％を超えるアルミン酸カルシウムセメントを使用することは本開示のひとつの特徴である。アルミン酸カルシウムセメントの適切な化学構成（ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、炭化ケイ素及びアルミナ調合物の選択は、鋳型の性能に関わる因子である。一態様において、チタン合金との反応を最小限に抑えるため、鋳型組成物には十分な量の酸化カルシウムが含有されうる。
【００４９】
一態様において、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と炭化ケイ素とアルミナ粒子との多相混合物を含有しうる。アルミン酸カルシウムセメントはバインダの働きをしうる。例えば、アルミン酸カルシウムセメントバインダは、鋳型構造の主要骨格構造を与えうる。アルミン酸カルシウムセメントは、一例において、鋳型内の連続相を含有し、硬化及び鋳造時に強度を与える。鋳型組成物は、さらなる例において、アルミン酸カルシウムセメントと炭化ケイ素とアルミナとからなる。すなわち、実質的にアルミン酸カルシウムセメントと炭化ケイ素とアルミナのみが鋳型組成物の成分を構成する。
【００５０】
一実施形態では、本開示は、アルミン酸カルシウムを含有するチタン含有製品鋳造鋳型組成物を含む。別の実施形態では、鋳造鋳型組成物は酸化物粒子（例えば、中空酸化物粒子）をさらに含有する。本開示の諸態様によれば、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、その組合せ又はそれらの組成物である。一実施形態では、酸化物粒子は１種類以上の異なる酸化物粒子の組合せである。
【００５１】
鋳造鋳型組成物は、酸化アルミニウム（例えば、中空粒子の形態のもの）をさらに含むことができる。中空粒子は、中空の核もしくは実質的に中空の核が酸化物によって囲まれた構造を有する。こ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％を構成しえ、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、外形寸法が約１０μｍ［μｍ］〜約１０，０００μｍの範囲にありうる粒子を含む。いくつかの実施形態では、中空酸化物粒子は中空アルミナ球体（一般に、外形寸法ないし直径が約１００μｍを超える）を含有しうる。中空アルミナ球体は鋳造鋳型組成物に添加されえ、中空の球体はさまざまな形状・形態（丸い粒子又は不規則な凝集体、等）を有しうる。いくつかの実施形態では、アルミナは丸い粒子と中空の球体の両方を含みうる。一態様において、これらの形状・形態はインベストメント鋳型混合物の流動性を高めることが判明した。本発明者らがアルミナの使用を思いついた理由は、中でもアルミナは一部の従来技術の用途に使用されるシリカもしくはケイ酸塩よりも安定的であることによる。中空アルミナ粒子によって流動性が向上することで、鋳型から製造される最終的な鋳造物の表面特徴形状の表面仕上げ及び忠実度もしくは正確さが向上する。
【００５２】
酸化アルミニウムは、外形寸法が約１０μｍ〜約１０，０００μｍの範囲の粒子を含む。いくつかの実施形態では、酸化アルミニウムは外形寸法（例えば直径）が約５００μｍ未満の粒子を含む。酸化アルミニウムは鋳造鋳型組成物の約０．５重量％〜約８０重量％を構成しうる。或いは、酸化アルミニウムは鋳造鋳型組成物の約４０重量％〜約６０重量％を構成しうる。或いは、酸化アルミニウムは鋳造鋳型組成物の約３０重量％〜約６８重量％を構成しうる。
【００５３】
一実施形態では、鋳造鋳型組成物は酸化カルシウムをさらに含有する。酸化カルシウムの含有量は鋳造鋳型組成物の約１０重量％超約５０重量％未満である。最終的な鋳型は、一例において、２グラム／立方センチメートル未満の密度と５００ポンド／平方インチ［ｐｓｉ］超の強度を有する。一実施形態では、酸化カルシウムの含有量は鋳造鋳型組成物の約３０重量％超約５０重量％未満である。或いは、酸化カルシウムの含有量は炭化ケイ素含有鋳造鋳型組成物の約２５重量％超約３５重量％未満である。
【００５４】
本開示の一態様はチタン含有製品の鋳造用鋳型であり、鋳型はアルミン酸カルシウムセメントを含有し、アルミン酸カルシウムセメントは一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、マイエナイトとを含有する。ここに、鋳型は鋳型本体と鋳型キャビティとの間に約１０μｍ〜約５００μｍの炭化ケイ素含有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的な炭化ケイ素含有内在性フェースコートである。
【００５５】
ある特定の実施形態では、本開示の鋳造鋳型組成物はアルミン酸カルシウムセメントを含有する。アルミン酸カルシウムセメントは、カルシウムとアルミニウムとを含有する３以上の相もしくは成分を含有する。すなわち、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。
【００５６】
初期のセメント調合物は、セメントキルンでの焼成後は一般に熱力学的に平衡ではない。しかし、鋳型作製並びに高温焼成の後に、炭化ケイ素含有鋳型組成物は熱力学的に安定な構成に近づく。この安定性は続く鋳造工程において重要である。炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は０．４５超でありえ、このフェースコートにおけるマイエナイトの重量分率は０．１０未満である。鋳型本体における一アルミン酸カルシウムの重量分率は０．５超でありえ、鋳型本体におけるマイエナイトの重量分率は０．１５未満である。炭化ケイ素を添加することで鋳造時の鋳型の耐反応性を高めることができ、その結果、より高い鋳造温度での作業が可能になる。
【００５７】
鋳型本体における一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜０．９５でありえ、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．１〜０．９０である。鋳型本体における二アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜約０．８０でありえ、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける二アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜０．９０である。鋳型本体におけるマイエナイトの重量分率は約０．０１〜約０．３０でありえ、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率は約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おいて異なる量で存在しうる。例えば、フェースコートは鋳型本体より高い（例えば１０％高い）（フェースコートの単位体積あたりの）濃度の炭化ケイ素粒子を含有しうる。ある特定の実施形態では、鋳型本体と内在性フェースコートとは、実質的に同様の（単位体積あたり）濃度の炭化ケイ素粒子を含む。炭化ケイ素を使用することで鋳造時の鋳型の耐反応性を高めることができ、その結果、より高い鋳造温度での作業が可能になることを本発明者らは見出した。一実施形態では、炭化ケイ素は１５重量％〜４５重量％存在し、炭化ケイ素の存在により、鋳造中の熱伝導率は炭化ケイ素なしに鋳造を行う場合に比べて２５％以上向上する。本願発明者らは、例えば２５％の炭化ケイ素を添加することによって熱伝導率が５０％超、向上することを見出した。一実施形態では、炭化ケイ素が１５％存在すると熱伝導率は約２５％超、向上した。ある具体例では、炭化ケイ素が２５重量％存在すると、熱伝導率は約５０％、約６０％、約７０％、又は約８０％向上した。
【００５９】
鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとが正確な組成が異なってもよい。例えば、鋳型本体における一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜０．９５であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．１〜０．９０である。鋳型本体における二アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜約０．８０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける二アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．０５〜０．９０である。また、鋳型本体におけるマイエナイトの重量分率は約０．０１〜約０．３０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率は約０．００１〜０．０５である。
【００６０】
アルミン酸カルシウムセメントにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．５超である。アルミン酸カルシウムセメントにおけるマイエナイトの重量分率は約０．１５未満である。別の実施形態では、アルミン酸カルシウムセメントは鋳造鋳型組成物の２０重量％超である。アルミン酸カルシウムセメントは外形寸法が約５０μｍ以下の粒径を有しうる。
【００６１】
鋳型本体のセメントにおいて好適な、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、マイエナイトが０．０１〜０．３０である。これに対し、鋳型のフェースコートにおけるこれらの相の重量分率は、一アルミン酸カルシウムが０．１〜０．９０、二アルミン酸カルシウムが０．０５〜０．９０、マイエナイトが０．００１〜０．０５である。フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．６超でありえ、マイエナイトの重量分率は約０．１未満である。一例において、鋳型本体のセメントにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は約０．５超であり、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鉱物である。その水和はインベストメント鋳型の早強性に寄与する。マイエナイトがセメントにおいて望ましい理由は、水硬性結合を迅速に形成することにより、鋳型硬化の早い段階で強度を与えることによる。ただし、マイエナイトは鋳造前の鋳型の熱処理において除去される。
【００６３】
アルミン酸カルシウムセメントは外形寸法が約５０μｍ以下の粒径を有しうる。５０μｍ未満の粒径を用いる理由には少なくとも次の３つがある。［１］微小な粒径により、鋳型の混合及び硬化において水硬性結合の形成が促進されると考えられる。［２］微小な粒径により、焼成に際して粒子間焼結が促進され、それによって鋳型強度を高めることができると理解されている。［３］微小な粒径により、鋳型内で形成される鋳造品の表面仕上げが向上すると考えられる。
【００６４】
アルミン酸カルシウムセメントは粒子の形態で提供されえ、本来の粒子形態でも使用できるし、噴霧乾燥した塊状体のように塊状化形態でも使用できる。アルミン酸カルシウムセメントは微小径（例えば粒径１０μｍ未満）のアルミナに事前に混合することもできる。微小径のアルミナは、高温焼成時の焼結によって強度の向上をもたらすと考えられる。いくつかの例において、微小径のアルミナ（例えば、外形寸法が５０μｍ未満のアルミナ）の有無に関係なく、大粒径のアルミナ（例えば、外形寸法が５０μｍ超のアルミナ）も添加してよい。
【００６５】
初期のアルミン酸カルシウム（液体粒子混合物）における固形物の割合及び最終的なアルミン酸カルシウムにおける固形物は、本開示のひとつの特徴である。一例において、初期のアルミン酸カルシウム−液体粒子混合物における固形物の割合は約６０％〜約８０％である。一例において、初期のアルミン酸カルシウム−液体粒子混合物における固形物の割合は約７０％〜約８０％である。別の例において、最終的なアルミン酸カルシウム−液体粒子混合物（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を超える大粒径のアルミナ粒子及び外形寸法が約５μｍ〜約１００μｍの炭化ケイ素粒子）における固形物の割合は、約７０％〜約９５％である。一例において、初期のアルミン酸カルシウム粒子は約５μｍ〜約５０μｍの微小径であり、外形寸法が約７０μｍ超のアルミナ粒子と外形寸法が最大約１００μｍの炭化ケイ素とが水と混合されて一様かつ均質なスラリーを形成する。ある場合において、最終的な混合物は、粒径を段階的に大きくした（例えば最初は７０μｍ、後に１５０μｍの）アルミナ粒子を初期スラリーに添加した後、２分〜１５分にわたって混合し、一様な混合物を実現することにより、形成する。
【００６６】
一実施形態では、上記大粒径の粒子は粒子内部に空間もしくは空気の空洞を有する中空粒子であり、かかる粒子は完全なる、充填された、高密度の粒子ではない。この空間／空洞の度合いはさまざまであり、中空粒子には、粒子体積の２０％以上が空気である粒子が含まれる。一例において、中空粒子は、粒子体積の約５％〜約７５％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子体積の約１０％〜約８０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。さらに別の例において、中空粒子は、粒子体積の約２０％〜約７０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子体積の約３０％〜約６０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子体積の約４０％〜約５０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。
【００６７】
別の例において、中空粒子は、粒子体積の約１０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。一例において、中空粒子は、粒子体積の約２０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。一例において、中空粒子は、粒子体積の約３０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。一例において、中空粒子は、粒子体積の約４０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。一例において、中空粒子は、粒子体積の約５０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。一例において、中空粒子は、粒子体積の約６０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。一例において、中空粒子は、粒子体積の約７０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。一例において、中空粒子は、粒子体積の約８０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。一例において、中空粒子は、粒子体積の約９０％が空き空間もしくは空気で形成された粒子である。
【００６８】
中空粒子（例えば、中空アルミナ粒子）は、少なくとも次の２つの機能を果たす。［１］強度の低下を最小限に抑えながら、核の密度と重さを減らす。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］鋳型の弾性率を下げ、鋳造後の鋳型及び構成部品の冷却時にコンプライアンスを高めるのに役立つ。鋳型のコンプライアンスと粉砕性の向上によって構成部品に対する引張り応力が低下しうる。
【００６９】
［炭化ケイ素含有アルミン酸カルシウムセメント］
本開示は、特に、チタン及びチタン合金の改良型構成部品を実現できるインベストメント鋳造鋳型のための組成物を対象とする。鋳型は、炭化ケイ素を含有する連続内在性フェースコートを、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に備える。鋳型作製プロセスには、外形寸法が約５０μｍ未満の炭化ケイ素粉末が使用される。この大きさの炭化ケイ素粉末を使うと、鋳型作製時にフェースコートへの粒子の偏析が促進されることを本願発明者らは見出した。したがって、鋳型のフェースコート中に炭化ケイ素が存在することは好ましい特性を与える。鋳型本体も炭化ケイ素を含有しうる。
【００７０】
本開示の諸態様に用いられるアルミン酸カルシウムセメントは、一般にカルシウムとアルミニウムによる３つの相もしくは成分を含有する。すなわち、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）と、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）と、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）である。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鉱物である。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早強性に寄与する。セメントにおいてマイエナイトが望ましい理由は、水硬性結合を迅速に形成することにより、鋳型硬化の早い段階で強度を与えることによる。ただし、マイエナイトは一般に鋳造前の鋳型の熱処理時に除去される。
【００７１】
一態様において、初期のアルミン酸カルシウムセメント調合物は、セメント製造キルンで焼成された後は一般に熱力学的に平衡ではない。しかし、鋳型作製並びに高温焼成の後に、鋳型組成物は熱力学的に安定な構成に近づく。この安定性は続く鋳造工程において好都合である。一実施形態では、セメントにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は０．５超であり、マイエナイトの重量分率は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添加される。その理由は、マイエナイトが急速に硬化するアルミン酸カルシウムであること、そして硬化の早い段階で鋳型本体とフェースコートに強度を与えると考えられることにある。硬化は低温、例えば１５℃〜４０℃の温度で実施しうる。これは、ワックスの消失性模型が温度の影響を受けやすく、約３５℃を超える熱暴露によってその形状及び特性を失うことによる。一例において、鋳型は３０℃未満の温度で硬化される。
【００７２】
アルミン酸カルシウムセメントは、セメントを高純度アルミナ、炭化ケイ素及び高純度酸化カルシウムもしくは炭酸カルシウムと混合することによって一般に生成されうる。化合物のこの混合物は、一般に炉もしくはキルンの中で高温（例えば、１０００℃〜１５００℃の温度）に加熱して反応を生じさせる。
【００７３】
次に、キルン内で生成される生成物（この分野ではセメント「クリンカ（ｃｌｉｎｋｅｒ）」という）を破砕・粉砕した後にふるいにかけ、好ましい粒径のアルミン酸カルシウムセメントを得る。さらに、アルミン酸カルシウムセメントは不純物の量ができるだけ少なくなるよう（例えば、シリカ、ナトリウム等のアルカリ及び酸化鉄の量ができるだけ少なくなるよう）に設計及び処理を行う。一態様において、アルミン酸カルシウムセメントに対する目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3及びＴｉＯ2の合計で約２重量％未満である。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、最終的な鋳型は、不純物の量ができるだけ少なくなるよう（例えば、シリカ、ナトリウム等のアルカリ及び酸化鉄の量ができるだけ少なくなるよう）に設計及び処理を行う。一態様において、最終的な鋳型に対する目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3及びＴｉＯ2の合計で約２重量％未満である。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】
本開示の一態様において、アルミナのバルク濃度がアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）において３５重量％超であり、酸化カルシウムが６５重量％未満である、アルミン酸カルシウムセメントが提供される。ある関連実施形態では、酸化カルシウムのこの重量は５０％未満である。一例において、セメントの最大アルミナ濃度は約８８％（例えば、約１２％はＣａＯ）である。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、最大で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に鋳型を焼成することで最大化しうる。鋳造合金と鋳型の反応を最小限に抑えるために最小量の酸化カルシウムが必要である。セメント中に５０％超の酸化カルシウムが存在すると、マイエナイトやアルミン酸三カルシウムのような相が形成されることがあり、かかる相は鋳造時に一アルミン酸カルシウムほど機能しないことを発明者らは見出した。一例において、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、鋳型中のアルミン酸カルシウムセメント／バインダに存在する３つの相は、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）と、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）と、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、アルミン酸カルシウム相と比べて次に示す３つの利点がある。１）一アルミン酸カルシウムが鋳型に添加される理由は、短時間で硬化すること（ただしマイエナイトほど速くはない）及び硬化の早い段階で鋳型に強度を与えると考えられることである。鋳型の強度が短時間で得られることによって鋳造鋳型の寸法安定性がもたらされ、この特徴によって最終的な鋳造構成部品における寸法の整合性が向上する。２）一アルミン酸カルシウムは、鋳造しているチタン及びチタンアルミナイド合金に対して化学的に安定である。一アルミン酸カルシウムは、アルミナ活性がそれより高い二アルミン酸カルシウム及び他のアルミン酸カルシウム相に比べて多く用いられる。それらの相は、鋳造しているチタン及びチタンアルミナイド合金に比べて高い反応性を示す。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、脱ワックス及び後続の鋳造工程において、鋳型内での高レベル応力の発生を防ぐと理解されている。一アルミン酸カルシウムの熱膨張挙動はアルミナにより近い。
【００７６】
［炭化ケイ素含有フェースコート］
いくつかの実施形態では、鋳型は、鋳型本体と鋳型キャビティとの間に連続的な炭化ケイ素含有内在性フェースコートを備える。鋳型は、鋳型作製時に高い鋳型強度を提供する相を含有するように設計されている。連続的なフェースコートは、鋳造時に高い熱伝導率及び高い耐反応性を提供するように設計されている。鋳型は高圧での鋳造が可能である。高圧での鋳造はネットシェイプ鋳造法において望ましい。優れた特性をもつ鋳造物を実現する鋳造鋳型組成物、フェースコート組成物、並びにフェースコートと鋳型本体にとって好ましい構成相が明らかになっている。
【００７７】
フェースコートは、鋳型の内部表面又は鋳型キャビティに隣接する鋳型領域として定義される。内在性フェースコートは、調合物に元から存在する成分から鋳型に供給される化学種のみを含有する。したがって、内在性フェースコートは、最初に注入されたセラミック調合物に由来しない化学種を一切含有しない。これに対し、外来型フェースコートは、個別に塗布され、最初の調合物の成分中に存在しない可能性がある（例えば、個別の処理において生成された）化学種を含有する、フェースコートである。内在性フェースコートは、一例において、約１００μｍ厚の領域であると見なされうる。炭化ケイ素を含有する内在性フェースコート（炭化ケイ素含有内在性フェースコート）は、約１０μｍ〜約５００μｍ厚である。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、約１０μｍ〜約３００μｍ厚である。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、約１０μｍ〜約１００μｍ厚である。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、約３０μｍ〜約２００μｍ厚である。ある具体例では、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厚である。フェースコートは連続的である。連続的なフェースコートによってその効果が向上しうる。鋳型キャビティとは反対側の、フェースコートの下の領域を「鋳型本体」と呼ぶ。
【００７８】
本開示の一態様は、チタン含有製品の鋳造に用いら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、フェースコート組成物は、一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、マイエナイトとを含有する。ここに、フェースコート組成物は炭化ケイ素含有内在性フェースコートであり、約１０μｍ〜約５００μｍ厚であり、鋳型本体と、鋳型キャビティに面した鋳型表面との間に位置する。フェースコートは、一例において、外形寸法が約５０μｍ未満の粒径を有するアルミン酸カルシウムを含有する。鋳型本体におけるアルミン酸カルシウムの粒径は外形寸法が５０μｍ超である。
【００７９】
フェースコートは、少なくとも次に示す４つの相、すなわち、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）からなる。炭化ケイ素を除くこれらの相のすべては、初期のアルミン酸カルシウムセメントに存在することができる。フェースコートは微小径のアルミナ粒子をも含むことができる。フェースコートの下の鋳型本体は、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）と、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）と、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）と、炭化ケイ素と、アルミナとからなる。アルミナはアルミナ粒子又はアルミナバブルの形態で添加することができる。粒子はさまざまな形状・形態（丸い粒子又は不規則な凝集体、等）を有することができる。アルミナの粒径は１０μｍ程度に小さくてもよく、１０ｍｍ程度に大きくてもよい。アルミナは丸い粒子とバブルの両方を含んでもよい。なぜなら、いずれの形状・形態の場合もインベストメント鋳型混合物の流動性が向上するためである。これらの粒子は中空である。一般に、鋳型本体におけるアルミナの粒径は５０μｍを超える。流動性は、インベストメント鋳型混合物を消失性模型（例えば、ワックス）の周りに注入して硬化するときに、セメントが消失性模型から分離する仕方に影響を与える。流動性は、鋳型から製造される最終的な鋳造物の表面特徴形状の表面仕上げ及び忠実度に影響を与える。一実施形態では、フェースコートにおける粒子の粒径は５０μｍ未満であり、鋳型本体における粒子の粒径は５０μｍ超である。
【００８０】
本開示は、インベストメント鋳造鋳型のため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鋳型組成物をも提供する。両組成物をともに用いることで、チタン及びチタン合金の改良型鋳造成分を提供できる。鋳型はアルミン酸カルシウムセメントとアルミナ粒子とを含みうる。一例において、アルミン酸カルシウムセメントは次の２つの機能を果たす。［１］消失性模型を除去することにより、セメントによって鋳型キャビティの本来の位置にフェースコートが形成される。［２］フェースコートの下にある鋳型本体においてアルミナ粒子のバインダの役割を果たす。フェースコートは、一例において炭化ケイ素を含有する。鋳型本体の組成物は、一例において１０重量％〜５０重量％の酸化カルシウムを含有する。フェースコートにおける酸化カルシウムの組成は、一例において鋳型の２０重量％〜４０重量％の間である。最終的な鋳型は２グラム／立方センチメートル未満の密度及び５００ｐｓｉ超の強度を有しうる。鋳型は、鋳型作製時に高い鋳型強度を提供する相を含有するように設計されている。炭化ケイ素を含有する連続的なフェースコートは、鋳造時に高い熱伝導率及び高い耐反応性を提供するように設計されている。炭化ケイ素は鋳造時に高い熱伝導率を提供するように設計されている。
【００８１】
炭化ケイ素粒子の外形寸法は、一例において約１μｍ〜約１００μｍである。別の例において、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１μｍ〜約５０μｍである。ある具体例では、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１０μｍ〜約３０μｍである。或いは、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約２０μｍ〜約３０μｍである。ある具体例では、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約２５μｍである。別の例において、炭化ケイ素粒子の外形寸法は、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】
鋳型は鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを備えうるうえ、この鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとが異なる組成を有し、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは粒径約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウムを含有する。鋳型は鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを備えうるうえ、鋳型本体と内在性フェースコートとは異なる組成を有し、鋳型本体は約５０μｍ超のアルミナ粒子を含む。鋳型は、一例において、鋳型本体と炭化ケイ素含有内在性フェースコートとを備え、鋳型本体は約５０μｍ超のアルミナ粒子を含み、内在性フェースコートは粒径約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む。
【００８３】
本開示で提供されるネットシェイプ鋳造の手法は、Ｘ線、超音波、渦電流等の非破壊的な方法を用いてより詳しく、より安価に検査可能な部品を実現できる。厚みが特に大きい部分において検査用放射が減衰及び散乱することに伴う困難が低減される。小さい欠陥は解決できる可能性が高く、高い機械的特性をもつ部品が実現できる。
【００８４】
本開示は、チタン及びチタン合金の改良型構成部品を実現できる鋳造鋳型組成物及び鋳造法を提供する。一実施形態では、鋳型はアルミン酸カルシウムセメント（もしくはバインダ）とアルミナ粒子とを用いて作製される。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含有内在性フェースコートを有する。フェースコートにおける粒子の粒径は一般に５０μｍ未満である。鋳型本体における粒子の粒径は５０μｍ超とすることができる。鋳型本体における粒子の粒径は１ｍｍ超である。フェースコートにおける粒子の粒径は５０μｍ未満でありえ、鋳型本体における粒子の粒径は５０μｍ超である。一般に、フェースコートは連続的な炭化ケイ素含有内在性フェースコートであり、それによって効果が向上する。
【００８５】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上多いアルミン酸カルシウムと、２０％以上少ないアルミナと、５０％以上少ないマイエナイトとを含有しうる。炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は０．４５超でありえ、マイエナイトの重量分率は０．１０未満である。一例において、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は０．１〜０．９であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける二アルミン酸カルシウムの重量分率は０．０５〜０．９０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率は０．００１〜０．０５である。炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率が高いと、鋳造中の溶融合金と鋳型との反応速度が低下する。
【００８６】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上多い一アルミン酸カルシウムを含有しうる。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上少ないアルミナを含有しうる。一例において、炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上多いアルミン酸カルシウムと、２０％以上少ないアルミナと、５０％以上少ないマイエナイトとを含有しうる。
【００８７】
いくつかの実施形態では、フェースコートの構成相並びに鋳型本体の構成相は、鋳造物の特性にとって重要である。本明細書に開示するように、鋳型のフェースコートは、鋳造中に合金との間で最低限の反応を起こすだけであり、その結果、鋳造物は鋳型によって必要な構成部品特性を獲得する。鋳造物の外部特性としては、輪郭、形状、表面仕上げ等の特徴が挙げられる。鋳造物の内部特性としては、機械的性質、微構造、ある臨界サイズ未満の欠陥（細孔や介在物等）が挙げられる。
【００８８】
鋳型及び鋳型本体のフェースコートの構成相は、少なくとも次の２つの理由によって一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）が望ましい。［１］一アルミン酸カルシウムは鋳型作製の初期段階においてセメント粒子どうしの水硬性結合の形成を促進する。この水硬性結合によって鋳型作製時に鋳型に強度が与えられる。［２］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基合金と非常にゆっくりと反応する。
【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）と、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）と、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）と、炭化ケイ素と、アルミナとを含有する。一実施形態では、フェースコートにおける粒子の粒径は外形寸法が５０μｍ未満である。フェースコートでは、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）と二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）とを合わせた含有量は５０重量％超であり、アルミナ濃度は５０重量％未満である。フェースコートには２０重量％を超える一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）が存在しうる。鋳型キャビティとは反対側の、フェースコートの下の領域を「鋳型本体」と呼ぶ。この鋳型本体部分では、一実施形態では、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）と二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）とを合わせた含有量は５０重量％未満であり、鋳型本体におけるアルミナ濃度は５０重量％超である。
【００９０】
フェースコートにおける炭化ケイ素の含有量は、さまざまな値が可能である。例えば、炭化ケイ素の含有量は１５重量％〜４５重量％の範囲で変動できる。本願発明者らは、炭化ケイ素が高温安定性とチタン合金の鋳造における安定性に関して鋳型及びフェースコートより優れた特性を実現できることを発見しただけでなく、鋳型本体及びフェースコートにおいてあるレベルの炭化ケイ素が最適であることをも発見した。例えば、フェースコートにおける含有量を３５重量％にすると良好な結果が得られる。炭化ケイ素が多すぎる、すなわち、フェースコートにおける炭化ケイ素のレベルが４５重量％以上になると、鋳造中に吸炭が生じ、最終的な部品において炭素レベルが許容範囲を超える可能性がある。他方、炭化ケイ素がまったくないか、又は最小量（例えば、約２０重量％未満）しか存在しない場合、鋳型の熱伝導率は、炭化ケイ素を含まない鋳型の熱伝導率レベルを超えることがない。
【００９１】
炭化ケイ素含有内在性フェースコートの使用は、外来型フェースコートの使用より高い効果がある。チタン合金の鋳造に用いられる外来型フェースコートは、一般にイットリアベースのフェースコートか、又はジルコニアベースのフェースコートである。特に、鋳造に用いられる鋳型の外来型フェースコートは、鋳型の処理（消失性模型の除去や焼成、等）及び鋳造中に縮退、亀裂及びスポーリングが生じることがある。鋳型に溶融金属を充填するときに、外来型フェースコートから剥がれ落ちたフェースコートのかけらが鋳造物に混入する恐れがあり、その場合、セラミックフェースコートが最終的な部品の介在物になる。介在物が存在すると、鋳造物から製造される構成部品の機械的性能が劣化する。
【００９２】
溶融シリカ、クリストバライト、石膏等で構成され、宝石や義歯の鋳造に用いられる従来のインベストメント鋳型混合物は、チタン合金等の反応性合金の鋳造には適していない。なぜなら、チタンとインベストメント鋳型との間に反応が生じるためである。溶融合金と鋳型との間で反応が生じると、最終的な鋳造物の特性が悪化する。この悪化は、気泡によって表面仕上げが低下する程度のこともあれば、深刻な場合には、鋳造物の化学構成、微構造及び特性が損なわれることもある。
【００９３】
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が近年の課題であった。これに関しては、構造的なチタン及びチタンアルミナイド合金に対する要求条件を満たす、注入型のセラミックインベストメントコンパウンドがこれまでほとんど存在しなかった。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が必要とされている。従来の手法では、従来のインベストメント鋳型混合物の限界を緩和するために、追加的な鋳型材料がいくつか開発されている。例えば、主成分として酸化マグネシウム又はジルコニアを使用し、鋳造金属の凝固による収縮分を埋め合わせるために主成分に金属ジルコニウムを添加した、酸化膨張性のインベストメントコンパウンドが開発された。しかし、従来技術のインベストメントコンパウンドには上述したような限界がある。
【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」と呼ばれる。一実施形態では、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造可能なインベストメント鋳型混合物を生成するために炭化ケイ素粒子及びアルミナ粒子と混合される。アルミン酸カルシウムセメントは一般に、鋳造可能なインベストメント鋳型混合物において３０重量％超の割合で含有される。この比率のアルミン酸カルシウムセメントを使用することが本開示のひとつの特徴である。なぜなら、炭化ケイ素含有内在性フェースコートの形成において有利なためである。アルミン酸カルシウムセメントの化学構成及びアルミナ調合物を正しく選択することが鋳型の性能の決定において重要であることを出願者らは見出した。一例において、アルミン酸カルシウムセメントに関し、チタン合金との反応を最小限に抑えるには、ある特定量の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含有することも必要であることを出願者らは見出した。炭化ケイ素が存在しなければ熱伝導率は鋳型の熱伝導率と同じままである。同様に、炭化ケイ素の含有量が低すぎる（例えば、１５重量％未満）と、熱伝導率はやはり鋳型の熱伝導率と同じままである。このような状況は、十分な炭化ケイ素（１５〜４５重量％）が存在するときに比べて望ましくないと考えられる。逆に、炭化ケイ素の含有量が高すぎる（例えば、４５重量％超）と、鋳型内の炭素活性が高すぎ、鋳造物の炭素汚染が許容上限（例えば、 ５００重量ｐｐｍ）を超えて生じる。
【００９５】
フェースコートは粒径約５０μｍ未満のアルミン酸カルシウムセメントを含有しうる。アルミン酸カルシウムセメントの粒径は、別の例において約１０μｍ未満である。一例において、鋳型本体は粒径が５０μｍを超える粒子を含むほか、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少ないアルミナ及び鋳型本体より多いアルミン酸カルシウムセメントを含有する。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、鋳型本体よりも重量分率で２０％以上多いアルミン酸カルシウムと、２０％以上少ないアルミナと、５０％以上少ないマイエナイトとを含有しうる。一例において、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける一アルミン酸カルシウムの重量分率は０．１〜０．９であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける二アルミン酸カルシウムの重量分率は０．０５〜０．９０であり、炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率は０．００１〜０．０５である。炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおける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が高いと、鋳造中の溶融合金と鋳型との間の反応速度が低下する。
【００９７】
初期のセメントスラリーは粘度が３０センチポアズと１５００センチポアズの間になるように混合される。一実施形態では、粘度の範囲は５０センチポアズ〜５００センチポアズの間である。粘度が低すぎると、スラリーはすべての固形物を懸濁状態に維持できず、重い粒子は沈殿して鋳造中に偏析が生じる。そのため炭化ケイ素含有内在性フェースコートが形成されない。すなわち、最終的なスラリー混合物の粘度が低すぎると、鋳造中に重い粒子が沈殿し、鋳型は鋳型本体全体にわたって必要な一様組成を得られなくなる。逆に、粘度が高すぎると、アルミン酸カルシウム粒子は消失性模型から分離できず、内在性フェースコートが形成されない。すなわち、最終的なスラリー／混合物の粘度が高すぎると、最終的なスラリー混合物は消失性模型の周囲を流れることがなく、鋳型の内部キャビティは最終的な必要部品を鋳造するのに適切ではなくなる。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的なスラリーは、粘度が約２０００センチポアズと８０００センチポアズの間になるように混合される。最終的なスラリーの粘度は、３０００センチポアズ〜６０００センチポアズの範囲である。
【００９８】
インベストメント鋳型は、微小径（＜５０μｍ）のアルミン酸カルシウムセメント粒子と、微小径（＜５０μｍ）のアルミナ粒子と、微小径（＜５０μｍ）の炭化ケイ素と、それより大粒径（＞１００μｍ）のアルミナ粒子との多相混合物で構成されうる。一例において、内在性フェースコートは５０μｍより大きいアルミナ粒子を含有しない。炭化ケイ素含有内在性フェースコートが形成されるのは、水性インベストメント混合物中の、懸濁状態にある微小径のセメント粒子が、鋳型作製中に不堅牢／ワックス模型から優先的に分離し、微小径（＜５０μｍ）の粒子（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）を多く含有する内在性フェースコート層を形成することによる。一実施形態では、フェースコートには大粒径（＞５０μｍ）のアルミナ粒子がまったく存在しない。スラリーの粘度及び固形物負荷は、炭化ケイ素含有内在性フェースコートの形成に関わる因子である。内在性フェースコート内に大粒径（＞１００μｍ）の粒子が存在しないと、鋳型並びに得られる鋳造物の表面仕上げが向上する。内在性フェースコートにおける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が高いと、鋳造中の溶融合金と鋳型との反応速度が低下する。
【００９９】
炭化ケイ素は一般に粒径が１００μｍ未満の粒子として添加される。本開示に記載するいくつかの例に使用する炭化ケイ素粉末は粒径が最大約４５μｍであり、記載する別の例では約２０μｍ未満である。アルミナはアルミナ粒子又は中空アルミナ粒子として添加できる。粒子はさまざまな形状・形態（丸い粒子又は不規則な凝集体、等）を有しうる。アルミナの粒径は１０μｍ程度に小さくてもよく、１０ｍｍ程度に大きくてもよい。一例において、アルミナは丸い粒子とバブル（もしくは中空粒子）の両方で構成されていてもよい。なぜなら、いずれの形状・形態の場合もインベストメント鋳型混合物の流動性は向上するためである。
【０１００】
流動性により、鋳型から製造される最終的な鋳造物の表面特徴形状の表面仕上げ及び忠実度が向上する。アルミン酸カルシウムセメントの微粒子は５０μｍ未満の粒径を有する。５０μｍ未満の粒径を用いる理由は次の３つである。［１］微小な粒径により、鋳型の混合及び硬化において水硬性結合の形成が促進される。［２］微小な粒径により、焼成に際して粒子間焼結が促進でき、それによって鋳型強度を高めることができる。［３］微小な粒径により、鋳型キャビティの表面仕上げが向上する。
【０１０１】
アルミン酸カルシウムセメント粉末は本来の粒子形態でも使用できるし、噴霧乾燥した塊状体のように塊状化形態でも使用できる。アルミン酸カルシウムセメントは、大粒径のアルミナと混合する前に微小径（例えば＜１０μｍ）のアルミナと事前に混合することもできる。微小径のアルミナは高温焼成時の焼結によって強度の向上を実現できる。同様に、炭化ケイ素の微粒子は一般に粒径が１００μｍ未満であり、好ましくは５０μｍ未満である。この粒径ではアルミン酸カルシウムセメント粒子と密に混合でき、フェースコートの性能に寄与できる。粒径が１００μｍ未満の炭化ケイ素粒子は、鋳型及びその後の鋳造構成部品の表面仕上げを改善することができる。炭化ケイ素粒子が大きすぎる（１００μｍを超える）と、添加される炭化ケイ素のある所与の重量分率に対し、粒子は所望される熱伝導率の改善（すなわち、向上）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である。このバインダは、フェースコートの下の鋳型構造の主骨格であると考えられる。それは鋳型内の連続相であり、硬化及び鋳造時に強度を与える。一実施形態では、鋳型本体の組成物は、微小径（＜５０μｍ）のアルミン酸カルシウムセメント粒子と、それより大粒径（例えば＞１００μｍ）のアルミナ粒子とを含有する。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と炭化ケイ素とを含有する。
【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、すなわち一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）と、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）と、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）とを含有する。一実施形態では、フェースコートは微小径のアルミナ粒子をも含むことができる。別の実施形態では、フェースコートの下の鋳型本体は、一アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）と、二アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）と、マイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）と、炭化ケイ素と、アルミナとを含む。アルミナはアルミナ粒子（例えば、中空アルミナ粒子）として添加できる。炭化ケイ素及びアルミナ粒子はさまざまな形状・形態（丸い粒子又は不規則な凝集体、等）を有しうる。さらに、これらの粒子は中空である。アルミナの粒径は１０μｍ程度に小さくてもよく、１０ｍｍ程度に大きくてもよい。
【０１０４】
一実施形態では、アルミナは丸い粒子と中空粒子の両方で構成される。これは、いずれの形状・形態の場合もインベストメント鋳型混合物の流動性が向上するためである。鋳型本体内のアルミナの粒径は一般に５０μｍ超である。流動性は、インベストメント鋳型混合物を消失性模型の周りに注入して硬化するときに、セメントが消失性模型（例えば、ワックス）から分離する仕方に影響を与える。流動性は、鋳型から製造される最終的な鋳造物の表面特徴形状の表面仕上げ及び忠実度に影響を与える。
【０１０５】
フェースコートを形成するアルミン酸カルシウムセメント微粒子は、一般に粒径が５０μｍ未満である。５０μｍ未満の粒径にはいくつかの利点がある。［１］微小な粒径により、鋳型の混合及び硬化において水硬性結合の形成が促進される。［２］微小な粒径により、焼成に際して粒子間焼結が促進でき、それによって鋳型強度を高めることができる。［３］微小な粒径により、鋳型キャビティの表面仕上げが向上する。アルミン酸カルシウムセメント粉末は本来の粒子形態でも使用できるし、噴霧乾燥した塊状体のように塊状化形態でも使用できる。アルミン酸カルシウムセメントは、大粒径のアルミナと混合する前に微小径（例えば＜１０μｍ）のアルミナと事前に混合することもできる。微小径のアルミナは高温焼成時の焼結によって強度の向上を実現できる。しかし、アルミナ粒子がフェースコートから分離すると鋳造特性は悪化することがある。
【０１０６】
例えば、もしアルミナ粒子がフェースコートから分離し、炭化ケイ素含有内在性フェースコートのアルミナ含有量が鋳型本体より多くなれば、溶融合金は望ましくない仕方でアルミナと反応し、気泡の発生によって表面欠陥や鋳造物そのものの内部に欠陥を生じることになる。得られる鋳造物の特性（例えば強度や疲労強度等）が低下する。本明細書に開示する方法によれば、炭化ケイ素含有内在性フェースコートのアルミナ含有量が鋳型本体よりかなり少ないフェースコートを形成することができる。
【０１０７】
室温から最終焼成温度に至るまでの、フェースコート及び鋳型の処理も重要である。特に重要なのは、熱履歴と湿度プロファイルである。焼成温度に至るまでの加熱速度と、焼成後の冷却速度は、本開示の特徴である。フェースコートと鋳型の加熱速度が速すぎると、内部もしくは外部或いはその両方において亀裂が生じる恐れがある。鋳造前にフェースコート及び鋳型に亀裂が生じることは極めて望ましくない。少なくとも表面仕上げが悪化することになる。さらに、鋳型及びフェースコートの加熱速度が速すぎると、鋳型のフェースコートに亀裂とスポーリングが生じる恐れがある。その場合、最悪のケースでは最終的な鋳造物内に望ましくない介在物が生じることがあり、また、たとえ介在物が生じなくても表面仕上げが悪化する可能性がある。最高鋳型焼成温度の到達後にフェースコート及び鋳型の冷却速度が速すぎる場合も、フェースコート又は鋳型本体の内部もしくは外部或いはその両方に亀裂が生じる恐れがある。
【０１０８】
初期のセメント混合物の固形物負荷及び最終的な鋳型混合物の固形物負荷は、鋳型構造、並びに炭化ケイ素含有内在性フェースコートを鋳型内に形成する能力に対して重要な影響をもつ。固形物負荷の割合は、混合物中の総固形量を混合物中の液体と固体の総質量で割った値を百分率で示したものとして定義される。一実施形態では、初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は約６０％〜約７８％である。
【０１０９】
初期のセメントスラリーにおける固形物負荷が約７０％未満の場合、セメント粒子は懸濁状態にとどまらず、セメント粒子は鋳型の硬化時に水から離れ、組成は鋳型全体にわたって一様にならない。逆に、セメント内の固形物負荷が高すぎる（例えば約７８％超）と、大粒径アルミナを含有する最終混合物の粘度が高くなりすぎる（添加する大粒径アルミナ粒子の量、粒径及び組織形態に応じて、例えば約８５％超）。また、混合物内のセメント粒子が消失性模型から分離できず、炭化ケイ素含有内在性フェースコートが形成されなくなる。
【０１１０】
大粒径（例えば約５０μｍ超、別の例では約１００μｍ超）のアルミナ粒子を含む最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は、約７５％〜約９０％である。大粒径アルミナ粒子を含む最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は、約７８％〜約８８％である。別の例において、大粒径アルミナ粒子を含む最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメントにおける固形物の割合は、約７８％〜約８４％である。これらのアルミナ粒子は中空である。ある特定の実施形態では、大粒径アルミナ粒子を含む最終的なアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は約８０％である。
【０１１１】
［鋳型と鋳造方法］
インベストメント鋳型は、セラミック成分のインベストメント混合物を調合する工程と、消失性模型を備えた容器に混合物を注入する工程とによって形成される。模型上に形成されるインベストメント鋳型は、完全に硬化することによっていわゆる「グリーンモールド」を形成する。炭化ケイ素含有内在性フェースコート及びインベストメント鋳型が模型上に形成され、完全に硬化することによってこのグリーンモールドを形成する。一般に、グリーンモールドの硬化工程は１時間〜４８時間にわたって実施される。その後、溶融、溶解、点火その他公知の模型除去手法によって、消失性模型がグリーンモールドから選択的に除去される。ワックス模型の一般的な除去方法の例として、オーブンによる脱ワックス（１５０℃未満）、炉による脱ワックス（１５０℃超）、蒸気オートクレーブによる脱ワックス及びマイクロ波による脱ワックスが挙げられる。
【０１１２】
チタン合金及びチタンアルミナイドとその合金を鋳造する場合は、次にグリーンモールドを６００℃超の温度（例えば、６００℃〜１４００度）で１時間を超える時間、好ましくは２時間〜１０時間にわたって焼成し、鋳造用の鋳型強度を与えるとともに、鋳型内に残る望ましくない不純物（例えば、金属化学種（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）及び炭素含有化学種）を除去する。一例において、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に周囲空気だが、不活性ガスや還元性ガス雰囲気を用いることもできる。
【０１１３】
焼成工程では、鋳型からの水の除去及びマイエナイトからアルミン酸カルシウムへの変換も行われる。鋳型焼成工程のもうひとつの目的は、フェースコート及び鋳型内に残留する遊離シリカを鋳造前に最小限に抑えることである。それ以外の目的として、水の除去、高温強度の増強及び一アルミン酸カルシウムと二アルミン酸カルシウムの増量がある。
【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。焼成温度に至るまでの加熱速度と、焼成後の冷却速度は一般に調整もしくは制御される。鋳型の加熱速度が速すぎると、内部もしくは外部或いはその両方において亀裂が生じる恐れがある。鋳造前に鋳型に亀裂が生じることは極めて望ましくない。さらに、鋳型の加熱速度が速すぎると、鋳型の内部表面に亀裂とスポーリングが生じる恐れがある。その場合、最終的な鋳造物内に望ましくない介在物が生じることがあり、また、たとえ介在物が生じなくても表面仕上げが悪化する可能性がある。同様に、最高温度の到達後に鋳型の冷却速度が速すぎる場合も、鋳型の内部もしくは外部或いはその両方に亀裂が生じる可能性がある。
【０１１５】
本開示に記載する鋳型組成物は、チタン及びチタンアルミナイド合金に対して特に好適である。焼成が終わってから鋳造までのフェースコート及び鋳型本体は、鋳型の特性、特に構成相に対して影響を与えうる。一実施形態では、鋳造のために、鋳型には高い重量分率（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。また、鋳造のためには、鋳型本体及び炭化ケイ素含有内在性フェースコートにおけるマイエナイトの重量分率を最小限にする（例えば、重量分率を０．０１〜０．２とする）ことが望ましい。なぜならマイエナイトは感水性があり、鋳造中の水及びガスの発生によって問題が生じる恐れがあるためである。焼成後、鋳型は低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をも含むことができる。鋳型と鋳造物との反応を最小限に抑えるため、アルミノケイ酸塩とアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計は、一般に、鋳型本体では５％未満に、またフェースコートでは０．５％未満に維持されうる。
【０１１６】
本開示の一態様は、チタン含有製品を鋳造する鋳造鋳型の形成方法である。この方法は、アルミン酸カルシウムのスラリーを生成するためにアルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を液体と混合する工程であって、初期のアルミン酸カルシウム／液体混合物における固形物の割合がスラリーの約６０重量％〜約８０重量％であり、スラリーの粘度は約３０〜約１５００センチポアズである、工程を含む。上記方法は、消失性模型を備えた鋳型キャビティにスラリーを導入する工程と、チタン含有製品の鋳型を形成するために鋳型キャビティ内でスラリーを硬化させる工程とをさらに含む。鋳型キャビティにスラリーを注入する前に酸化物粒子を添加してもよい。一例において、中空酸化アルミニウム粒子が添加されうる。炭化ケイ素はスラリーの生成前もしくは生成中にアルミン酸カルシウムに添加されうる。炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１μｍ〜約１０００μｍである。いくつかの状況において、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約５μｍ〜約１００μｍである。ある具体例では、炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１０μｍ〜約５０μｍである。一例において、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、鋳型の作製に用いる組成物の２０重量％超を構成しうる。
【０１１７】
ここでいう外形寸法とは、粒子の２点間の最長距離をいう。粒子が球形の場合、外形寸法は直径である。粒子が卵形の場合、外形寸法は、その卵形粒子の外周上で互いに最も離れた２点間の最長距離である。さらに、粒子が不規則形状の場合、外形寸法は、その不規則形状の粒子上で互いに最も離れた２点間の距離である。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、本開示の鋳造鋳型組成物はインベストメント鋳造鋳型組成物を含む。インベストメント鋳造鋳型組成物は、ニアネットシェイプでチタン含有金属のインベストメント鋳造鋳型組成物を含む。一実施形態では、インベストメント鋳造鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳造鋳型組成物を含む。ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品の例として、例えば、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が挙げられる。
【０１１９】
アルミン酸カルシウムセメントの化学構成及びアルミナ調合物を正しく選択することは、鋳造における鋳型の性能に関わる因子である。アルミン酸カルシウムセメントについては、チタン合金との反応を最小限に抑えるために遊離酸化カルシウムの量をできるだけ少なくする必要がありうる。セメント内の酸化カルシウム濃度が約１０重量％未満の場合、アルミナ濃度が高すぎるために合金が鋳型と反応し、望ましくないレベルの酸素濃度が鋳造物中に生じるほか、鋳造構成部品に気泡や表面仕上げの悪化が生じる。鋳型材料中の遊離アルミナはさらに望ましくない。チタン及びチタンアルミナイド合金と強く反応する可能性があるためである。
【０１２０】
上記方法は、スラリーに酸化物粒子を添加する工程をさらに含みうる。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（アルミナともいう）である。酸化アルミニウム粒子はさまざまな粒径が可能であり、約５０μｍ超である。具体例では、使用し得る添加酸化アルミニウム粒子の外形寸法は約５００μｍ未満である。酸化アルミニウム粒子は鋳型の作製に用いる組成物の約３０重量％〜約６８重量％を構成しうる。これらの酸化物粒子は中空である。
【０１２１】
セメント内の酸化カルシウム濃度が５０重量％超の場合、鋳型は環境中の水と二酸化炭素を吸収しやすくなることがある。そのため、インベストメント鋳型における酸化カルシウム濃度は一般に５０％未満に維持されうる。一実施形態では、インベストメント鋳型本体における酸化カルシウム濃度は、１０重量％と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における酸化カルシウム濃度は、１０重量％と４０重量％の間である。或いは、インベストメント鋳型本体における酸化カルシウム濃度は、２５重量％と３５重量％の間である。一実施形態では、フェースコートにおける酸化カルシウム濃度は、２０重量％と４０重量％の間である。別の例において、鋳型のフェースコートにおける酸化カルシウム濃度は、１５重量％と３０重量％の間である。
【０１２２】
二酸化炭素は、処理中及び鋳造前に鋳型内に炭酸カルシウムが形成される原因になる。しかも、炭酸カルシウムは鋳造工程中は不安定である。そのため、鋳型内に存在する水と二酸化炭素は鋳造品質の悪化の原因になる。吸着される水のレベルが高すぎる（例えば、０．０５重量％超）と、鋳造中に鋳型内に溶融金属が入り込んだときに水が放出され、それが合金と反応する可能性がある。その結果、低質の表面仕上げ、鋳造物内の気泡、高い酸素濃度、そして低レベルの機械的性質がもたらされる。そのうえ、水の存在によって鋳型への注入が不完全になる恐れがある。同様に、二酸化炭素のレベルが高すぎると、鋳型内に炭酸カルシウムが形成される可能性があり、鋳造中に鋳型内に溶融金属が入り込んだときに炭酸カルシウムが分解して二酸化炭素が発生し、それが合金と反応する可能性がある。多量の二酸化炭素が放出されると、そのガスによって鋳型への注入が不完全になる恐れがある。生じる炭酸カルシウムは鋳型において１重量％未満である。
【０１２３】
インベストメント鋳型は、一般に、溶融金属又は合金を鋳造する前に鋳型鋳造温度まで予熱される。鋳型鋳造温度は、構成部品の具体的な形状、或いは鋳造する合金の種類によって異なる。例えば、一般的な鋳型予熱温度は６００℃である。一般に、鋳型温度範囲は４５０℃〜１２００℃であり、一例において４５０℃〜７５０℃であり、いくつかの場合において５００℃〜６５０℃である。
【０１２４】
本開示の一態様によると、溶融金属又は合金は従来の手法を用いて鋳型に注入される。従来の手法としては、重力、反重力、圧力、遠心力及び当業者に知られた他の鋳造法を挙げることができる。さらに、真空もしくは不活性ガス雰囲気も使用できる。複雑な形状をもつ薄壁構造の場合は、高圧を用いる方法が好ましい。凝固したチタンアルミナイドもしくは合金鋳造物は、一般に６５０℃未満（例えば、室温）まで冷却した後、鋳型から取り出し、グリットブラスト、ウォータジェットブラスト及び研磨等の従来の手法を用いて仕上げを行う。
【０１２５】
一態様において、本開示はチタン及びチタン合金の鋳造方法を対象とし、この方法は、アルミン酸カルシウムと大粒径の酸化アルミニウムとを含有するインベストメント鋳造鋳型組成物を生成する工程であって、アルミン酸カルシウムとアルミナとが液体及び炭化ケイ素と混合されて最終的なアルミン酸カルシウム／液体混合物スラリーを生成し、最終的な混合物における固形物はスラリーの約７０重量％〜約９５重量％である、工程と；消失性模型を備えた容器にインベストメント鋳造鋳型組成物を注入する工程と；インベストメント鋳造鋳型組成物を硬化する工程と；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；予熱した鋳型に溶融チタンもしくはチタン合金を注入する工程と；溶融チタンもしくはチタン合金を凝固させる工程と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を形成する工程と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を鋳型から取り出す工程とを含む。使用する炭化ケイ素粒子は、一例において外形寸法が約１０μｍ〜約５０μｍであり、別の例において外形寸法が約１０μｍ〜約１００μｍである。炭化ケイ素が存在すると、鋳造中の熱伝導率は炭化ケイ素なしに鋳造する場合に比べて向上することがわかった。
【０１２６】
一態様において、 本開示はチタン及びチタン合金の鋳造方法を対象とし、この方法は、アルミン酸カルシウムと酸化アルミニウムとを含有するインベストメント鋳造鋳型組成物を生成する工程であって、アルミン酸カルシウムは液体及び炭化ケイ素と混合されてスラリーを生成し、最終的なアルミン酸カルシウム／液体混合物における固形物は約７５％〜約９５％である、工程を含む。上記方法は、消失性模型を備えた容器にインベストメント鋳造鋳型組成物を注入する工程と；インベストメント鋳造鋳型組成物を硬化する工程と；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む。鋳型を焼成した後、上記方法は、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱する工程と；予熱した鋳型に溶融チタンもしくはチタン合金を注入する工程と；溶融チタンもしくはチタン合金を凝固させる工程と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を形成する工程と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を鋳型から取り出す工程とをさらに含みうる。
【０１２７】
炭化ケイ素粒子の外形寸法は約１０μｍ〜約５０μｍである。アルミン酸カルシウム粒子は外形寸法が約５０μｍ未満の粒子を含有しうる。酸化アルミニウム粒子の外形寸法は約５０μｍ〜約１５００μｍである。酸化アルミニウム粒子は、鋳型の作製に用いるインベストメント鋳造鋳型組成物の約３０重量％〜約６８重量％を構成しうる。アルミン酸カルシウムセメントは、鋳型の作製に用いるインベストメント鋳造鋳型組成物の２０重量％超を構成しうる。酸化アルミニウム粒子は中空である。酸化カルシウムは、インベストメント鋳造鋳型組成物の約１０重量％超約５０重量％未満が酸化カルシウムとなるように添加されうる。鋳型の作製に用いる初期のアルミン酸カルシウム−液体セメント混合物における固形物の割合は約６０％〜約７８％である。本開示の一態様は、本明細書に開示する方法に説明される鋳造方法によって製造される、チタンもしくはチタン合金物品である。
【０１２８】
本開示の別の態様は、チタン及びチタン合金の鋳造方法であり、この方法は、アルミン酸カルシウムを含有するインベストメント鋳造鋳型組成物を生成する工程であって、アルミン酸カルシウムは液体中の炭化ケイ素粒子及びアルミナ粒子と混合されてスラリーを生成し、それにより、最終的なアルミン酸カルシウム／液体混合物における固形物は約７５％〜約９５％となり、得られる鋳型は炭化ケイ素含有内在性フェースコートを含有する、工程を含む。一実施形態では、本明細書に教示される鋳造方法によって製造されるチタンもしくはチタン合金物品が提供される。
【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とを実施する間に、鋳型はまず約６００℃〜約１４００℃の温度（例えば、約９５０℃以上）に加熱もしくは焼成し、次に、室温まで冷却する。一実施形態では、硬化する工程は、約３０℃未満の温度で１時間〜４８時間までの範囲で実施する。消失性模型を除去する工程は、溶融、溶解、点火、オーブンによる脱ワックス、炉による脱ワックス、蒸気オートクレーブによる脱ワックス、又はマイクロ波による脱ワックスの工程を含む。一実施形態では、チタンもしくはチタン合金を鋳型から取り出した後、鋳造物をグリットブラスト又は研磨によって仕上げてもよい。一実施形態では、凝固鋳造物を鋳型から取り出した後、鋳造物はＸ線もしくは中性子線の放射線検査によって検査する。
【０１３０】
鋳造と仕上げが終わったら、凝固した鋳造物に対して表面検査とＸ線放射線検査を実施し、鋳造物内部のいずれかの位置に表面下介在物粒子がないか検査する。Ｘ線放射線検査は、鋳造物の外面の目視検査では発見できない介在物を見つけるために実施する。チタンアルミナイド鋳造物には従来のＸ線装置を用いたＸ線放射線検査（フィルム又はデジタル）を実施してＸ線写真を作成し、これを検査もしくは分析することにより、チタンアルミナイド鋳造物の内部に表面下介在物がないか判断する。
【０１３１】
凝固した鋳造物は、Ｘ線放射線検査の代わりに、もしくはそれに加えて、他の非破壊検査（例えば、従来の中性子線放射線検査）を実施することができる。本明細書に記載する鋳型組成物は、中性子吸収断面積の大きい材料を少量提供する。一態様において、鋳造品の中性子線写真が作成される。チタン合金鋳造品は中性子に対して実質的に透明であるため、鋳型材料は一般に、得られる中性子線写真に明瞭に写る。一態様において、中性子照射を行うと、放射線写真に濃く写る元素の「中性子放射化」が起きると考えられる。中性子放射化の過程では、鋳造物のうち放射線写真に濃く写る元素が中性子線と相互作用を起こし、鋳型組成物のうち放射線写真に濃く写る元素の放射性同位体が形成される。この放射性同位体は、鋳造品に存在する放射線写真に濃く写る元素の放射性同位体を計数する、従来の放射線検出器によって検出可能である。
【０１３２】
本開示の別の態様は、チタン含有製品を鋳造する鋳造鋳型の形成方法である。この方法は、アルミン酸カルシウムを水等の液体と混合する工程であって、液体中にアルミン酸カルシウムが存在するスラリーを生成する工程と；消失性模型を備えた容器にスラリーを導入する工程と；チタン含有製品の鋳型を形成するために鋳型キャビティ内でスラリーを硬化させる工程とを含む。一実施形態では、上記方法は、鋳型キャビティにスラリーを導入する前に酸化物粒子（例えば中空酸化物粒子）をスラリーに導入する工程をさらに含む。さらに、鋳型キャビティにスラリーを導入する前に、一例において、酸化アルミニウムの中空粒子、並びに約１０μｍ〜約１００μｍの炭化ケイ素粒子が添加される。
【０１３３】
形成される鋳型はグリーンモールドであってよく、上記方法は、グリーンモールドを焼成する工程をさらに含みうる。一実施形態では、鋳造鋳型は、例えばチタン含有製品を鋳造するための、インベストメント鋳造鋳型を含む。一実施形態では、チタン含有製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造鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳造鋳型組成物を含む。ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品の例として、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が挙げられうる。一実施形態では、本開示は、本明細書において教示される、チタン含有製品の鋳造鋳型組成物から形成される鋳型を対象とする。本開示の別の態様は、上記鋳型中で形成される物品を対象とする。
【０１３４】
本開示のさらに別の態様は、アルミン酸カルシウムと炭化ケイ素と酸化アルミニウムとを含有するインベストメント鋳造鋳型組成物を生成する工程と；消失性模型を備えた容器にインベストメント鋳造鋳型組成物を注入する工程と；インベストメント鋳造鋳型組成物を硬化する工程と；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；予熱した鋳型に溶融チタンもしくはチタン合金を注入する工程と；鋳造物を形成するために溶融チタンもしくはチタン合金を凝固させる工程と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を鋳型から取り出す工程とを含む鋳造方法によって製造される、チタンもしくはチタン合金の鋳造物である。一実施形態では、本開示は本願において教示される鋳造方法によって製造されるチタンもしくはチタン合金物品を対象とする。
【０１３５】
一態様において、本開示はタービン構成部品の製造方法である。この方法は、スラリーを生成するために、アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、炭化ケイ素と、マイエナイトと、酸化アルミニウムとをまとめて水と混合することによって鋳型を作製する工程を含む。炭化ケイ素は、一例において約１５重量％〜約４５重量％存在する。次に鋳型を焼成し、溶融チタンもしくはチタン合金を鋳型に注入する。溶融チタンもしくはチタン合金を冷却して凝固させたら、鋳型から鋳造物を取り出す。炭化ケイ素含有内在性フェースコートは、一例において、炭化ケイ素を約１５重量％〜約４５重量％の割合で含有する。
【０１３６】
表面粗さは、鋳造加工部品の表面完全性を表す重要な指標のひとつである。表面粗さは、光学式プロフィルメータによる方法で測定した、中心線平均粗さの値「Ｒａ」と、ある指定領域における山谷の平均高低差「Ｒｚ」とによって評価される。粗さの値は、断面（プロファイル）について計算するものと、表面について計算するものとがありうる。プロファイル粗さパラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、……）のほうがより一般的である。個々の粗さパラメータは、表面を記述する式を用いて計算される。使用される粗さパラメータには多くのものがあるが、現時点ではＲａが最も一般的である。当該業界で知られるように、表面粗さは工具摩耗と相関する。一般に、研削とホーニングによる表面仕上げ加工ではＲａの範囲は０．１ｍｍ〜１．６ｍｍになる。最終コーティングの表面粗さＲａの値は、コーティングもしくは塗装品に望む機能によって異なる。
【０１３７】
平均粗さＲａは高さの単位で表される。英国式の単位系では、１Ｒａは一般に１インチの「百万分の一」の単位で表される。これは「マイクロインチ」ともいう。本明細書中に記載するＲａ値の単位はマイクロインチである。７０のＲａ値は約２μｍに相当し、３５のＲａ値は約１μｍに相当する。高性能品（例えば、タービンブレード、タービン翼／ノズル、ターボチャージャ、ピストン機関の弁、ピストン、等）の表面はＲａが約２０以下であることが一般に必要である。本開示の一態様は、チタンもしくはチタン合金を含有し、その表面領域の少なくとも一部にわたって２０未満の平均粗さＲａを有する、タービンブレードである。
【０１３８】
溶融金属は、加熱温度が高いほど反応性が高まる（例えば、鋳型表面との間で無用な反応が起こる）傾向にある。そのような反応は不純物を形成して金属部品を汚染する原因となり、さまざまな有害な結果をもたらす。不純物が存在すると金属の組成が変わって所望の基準を満たさなくなり、その鋳造品を意図した用途に使用できなくなる恐れがある。さらに、不純物の存在は金属材料の機械的性質に悪影響（例えば材料強度の低下）を与える可能性がある。
【０１３９】
そのうえ、そのような反応は表面のざらつきを生じ、鋳造品表面に望ましくないかなりの粗さを生じる恐れがある。例えば、表面粗さの評価について業界でよく知られている表面粗さ値Ｒａを用いると、ステンレス鋼合金及び／又はチタン合金を用いる鋳造品は、良好な作業条件のもとで一般に約１００〜２００の間のＲａ値を示す。こうした有害な影響があることから、鋳型の充填温度が下げられることになる。しかし、溶融金属の加熱が不十分だと鋳造材料が速く冷めすぎて、鋳造鋳型への充填が不完全なものとなる可能性がある。
【０１４０】
本開示の一態様は、アルミン酸カルシウムと炭化ケイ素とを含有するチタン含有製品を鋳造するための鋳型組成物を対象とする。鋳型組成物は、中空アルミナ粒子をさらに含有する。チタン含有製品は金属物品を含む。一実施形態では、チタン含有製品はチタンアルミナイド含有品を含む。別の実施形態では、チタン含有製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、チタン含有製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タービンブレードは、設置前の材料除去がほとんど、或いはまったく不要である。
【０１４１】
本開示の一態様は、チタン及びチタン合金を鋳造する装置を対象とする。装置は、アルミン酸カルシウムと炭化ケイ素と酸化アルミニウムとを含有するインベストメント鋳造鋳型組成物を生成する手段であって、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中で混合されてスラリーを生成する、手段と；消失性模型を備えた容器に上記インベストメント鋳造鋳型組成物を注入する手段と；上記インベストメント鋳造鋳型組成物を硬化する手段と；上記消失性模型を鋳型から除去する手段と；鋳型を焼成する手段と；鋳型を鋳型鋳造温度に予熱する手段と；予熱した鋳型に溶融チタンもしくはチタン合金を注入する手段と；溶融チタンもしくはチタン合金を凝固させ、凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を形成する手段と；凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を鋳型から取り出す手段とを含む。
【実施例】
【０１４２】
これまで概説してきた本開示は、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るだワックス。なお、以下に示す実施例は本開示のいくつかの態様及び実施形態を説明するためのものにすぎず、いかなる意味においても本開示を限定するものではない。
【０１４３】
図１は、炭化ケイ素含有フェースコートを施した鋳型（１０）の概略を示す。図１は、例えば約１００μｍ厚の炭化ケイ素含有内在性フェースコート（３０）を施した鋳型を示す。この概略図には、炭化ケイ素含有内在性フェースコート（３０）とともに、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）が示されている。内在性フェースコート（４０）は、調合物に元から存在する成分から鋳型に供給される化学種のみを含有する。したがって、内在性フェースコートは、最初に注入されたセラミック調合物に由来しない化学種を一切含有しない。これに対し、外来型フェースコートは、個別に塗布され、最初の調合物の成分中に存在しない可能性がある化学種を含有する、フェースコートである。
【０１４４】
図２に示すように、大粒径（外形寸法が約５０μｍを超える粒子）の中空アルミナ粒子を粒径が２０μｍ未満のＳｉＣに置き換えると、硬化時の温度上昇は約３０℃〜２７℃未満に低下した。グラフを見ると、大粒径の中空アルミナ粒子をＣＡ２５Ｃセメントに置き換えると、硬化時の温度上昇は約３０℃〜２５℃未満に低下したことがわかる。グラフを見ると、大粒径の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時の温度上昇にはほとんど影響しないことがわかる。さらに、図２からは、大粒径の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時の温度上昇にはほとんど影響しないことがわかる。
【０１４５】
図３は、チタン含有製品の鋳造用鋳型の形成方法（１００）を示すフローチャートである。この方法は、スラリーを生成するためにアルミン酸カルシウム及び炭化ケイ素を液体と混合する工程であって、スラリーにおける固形物の割合がスラリーの約６０重量％〜約８０重量％であり、スラリーの粘度が約３０〜約１５００センチポアズである、工程（１１０）を含む。次に、消失性模型を備えた鋳型キャビティにスラリーを導入し（１２０）、硬化して鋳型を形成する（１３０）。
【０１４６】
図４は、チタン及びチタン合金の鋳造方法（２００）を示すフローチャートである。この方法は、アルミン酸カルシウムと大粒径の酸化アルミニウムとを含有するインベストメント鋳造鋳型組成物を生成する工程であって、アルミン酸カルシウム及びアルミナが液体及び炭化ケイ素と混合されて最終的なアルミン酸カルシウム／液体混合物スラリーを生成し、最終的な混合物における固形物はスラリーの約７０重量％〜約９５重量％である、工程（２１０）を含む。次に、この消失性模型を備えた容器にこのインベストメント鋳造鋳型組成物を注入して（２２０）硬化する（２３０）。硬化したら消失性模型を鋳型から除去し（２４０）、鋳型を焼成する（２５０）。焼成後は鋳型を鋳型鋳造温度に予熱し（２６０）、予熱した鋳型に溶融チタンもしくはチタン合金を注入する（２７０）。溶融チタンもしくはチタン合金を凝固形態とした（２８０）後、この凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造物を鋳型から取り出す（２９０）。
【０１４７】
図５は、本明細書に開示するプロセス（３００）によって製造されるタービンブレードを示すフローチャートである。この方法は、アルミン酸カルシウムと炭化ケイ素と酸化アルミニウムとを含有するインベストメント鋳造鋳型を最初に提供する（３６０）。この方法は、溶融チタンもしくはチタン合金を鋳型に注入する工程であって、鋳型を先に予熱してから注入する工程（３７０）と、溶融チタンもしくはチタン合金の鋳造物を凝固させ、凝固鋳造物を形成する工程（３８０）とをさらに含む。最終段階には、凝固したチタンもしくはチタン合金の鋳造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であって、タービンブレードはその表面領域の少なくとも一部にわたって２０未満の平均粗さＲａを有する、工程（３９０）が含まれる。
【０１４８】
図６は、タービン構成部品の製造方法（４００）を示すフローチャートである。この方法は、一アルミン酸カルシウムと、二アルミン酸カルシウムと、炭化ケイ素と、マイエナイトと、水とを含有する混合物から鋳型を作製する工程であって、炭化ケイ素が約１５重量％〜約４５重量％存在する、工程（４２０）を最初に含む。追加的工程として、鋳型を焼成する工程（４３０）と、溶融チタンもしくはチタン合金を鋳型に注入する工程（４４０）と、凝固鋳造物を形成するために溶融チタンもしくはチタン合金を凝固させる工程（４５０）と、続いて鋳造物を鋳型から取り出す工程（４６０）とがある。
【実施例１】
【０１４９】
第１の実施例では、名目上ＳｉＣを含まない鋳型中のセメントの半分を粒径が２０μｍ未満のＳｉＣ粒子と置き換えることによって鋳型を製造した。第１の実施例において、インベストメント鋳型を作製するためのスラリー混合物は、商業的に製造される８０％アルミン酸カルシウムセメント「ＣＡ２５Ｃ」（製造元Ａｌｍａｔｉｓ社）１３５４ｇで構成された。ＣＡ２５Ｃ製品は名目上、７０％アルミン酸カルシウムセメントをアルミナと混合し、組成が８０％アルミナとなるように調整したものである。混合セメントＣＡ２５Ｃの粒径は４５μｍ未満である。８２０．５ｇの脱イオン水と９０．５ｇのコロイド状シリカとを用いて、初期固形物負荷が６１％のセメントスラリーを作成した。代表的な好適コロイド状シリカとして、Ｒｅｍｅｔ  ＬＰ３０、Ｒｅｍｅｔ  ＳＰ３０、Ｎａｌｃｏ  １０３０が挙げられる。本実施例ではＬＰ３０を使用した。
【０１５０】
スラリーを許容可能な粘度（９０〜１５０センチポアズ）まで混ぜた後に、粒径範囲が約２０μｍ未満の炭化ケイ素１３５４ｇ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形物負荷は７５．６％であった。スラリーを許容可能な粘度まで混ぜた後に、粒径範囲が約０．８５ｍｍ未満、約０．５ｍｍ超のアルミナバブル１４７２ｇをスラリーに添加した。このアルミナについては、溶融アルミナからアルミナバブルが形成され、バルク密度の低い中空の球体が生成される。
【０１５１】
混合後、インベストメント鋳型混合物を管理しながら容器に注入した。最終的な鋳型混合物の固形物負荷は８２．７％だった。鋳型混合物は満足する粘度及び流動性で良好に流入した。硬化後、この混合物は良好な強さ（１００ポンド／平方インチ超）及び一様な組成を有した。次に、１０００℃の温度で４時間にわたって鋳型を焼成した。水分を含まない最終的な鋳型組成物は、３２．２重量％の混合アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）と、３２．２重量％の炭化ケイ素と、３５重量％のアルミナバブルと、さらには０．６％のシリカとを含有した。処理後の鋳型におけるアルミナ活性は、従来の鋳型によって教示されるものよりも低下した。
【実施例２】
【０１５２】
第２の実施例では、最終的なバブルの半分を、粒径が２０μｍ未満の同量のＳｉＣで置き換えた。第２の実施例では、インベストメント鋳型を作製するためのスラリー混合物は、商業的に製造される８０％アルミン酸カルシウムセメント「ＣＡ２５Ｃ」５４１６ｇで構成された。１６６９ｇの脱イオン水と１８１ｇのコロイド状シリカとを用いて、初期固形物負荷が７５．２％のセメントスラリーを作成した。スラリーを許容可能な粘度まで混ぜた後に、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形物負荷は７９．５％であった。スラリーを許容可能な粘度まで混ぜた後に、粒径範囲が０．８５ｍｍ未満、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管理しながら容器に注入した。最終的な鋳型混合物の固形物負荷は８２．４％であった。得られた鋳型は、直径が約１２０ｍｍ、長さが約４００ｍｍであった。この第２の実施例では、最終的なアルミナバブルの半分を、粒径が２０μｍ未満の同量のＳｉＣで置き換えた。鋳型が作製され、それは許容可能な品質を有することがわかった。鋳型からブレード鋳造物を作製した。
【０１５３】
水分を含まない最終的な鋳型組成物は、６４．４重量％の混合アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）と、１７．５重量％の炭化ケイ素と、１７．５重量％のアルミナバブルと、さらには０．６％のシリカとを含有した。
【０１５４】
鋳型におけるＳｉＣの量とセメントの量とが鋳型品質の改善に関わる因子であることが判明した。セメント濃度を低くしすぎると鋳型は亀裂が生じやすくなる。鋳型品質（外部亀裂や内部亀裂等）の改善に関しては鋳型内のＳｉＣ粒子の粒径も重要であることがわかった。例えば、ＳｉＣ粒子の粒径が大きすぎる（約１００μｍ超）と、内部亀裂が許容範囲を超える。これについては次の実施例で説明する。
【０１５５】
重要なひとつの因子は鋳型の硬化挙動であり、硬化中は鋳型の温度が上昇しうる。図２の結果は、ある範囲の鋳型における硬化時の最大温度上昇を示している。グラフからは、大粒径の中空アルミナ粒子（アルミナバブル）を、外形寸法が２０μｍ未満の粒径のＳｉＣに置き換えると、硬化時の温度上昇は約３０℃〜２７℃未満に低下したことがわかる。図２からは、大粒径の中空アルミナ粒子をＣＡ２５Ｃセメントに置き換えると、硬化時の温度上昇は約３０℃〜２５℃未満に低下したことがわかる。グラフからはさらに、大粒径の中空アルミナ粒子を粒径が６００μｍ未満のＳｉＣに置き換えても硬化時の温度上昇にはほとんど影響しないことがわかる。さらに、大粒径（外形寸法が約５０μｍを超える）を外形寸法が１１０μｍ未満のＳｉＣに置き換えても硬化時の温度上昇にはほとんど影響しないことがわかる。
【０１５６】
鋳型を１０００℃の温度で４時間にわたって焼成した。水分を含まない最終的な鋳型組成物は、２４．１％の混合アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）と、４０．３％の炭化ケイ素と、３５％の遊離アルミナバブルと、さらには０．６％のシリカとを含有した。処理後の鋳型におけるアルミナ活性は、従来技術によって教示されるものよりも低下した。
【実施例３】
【０１５７】
第３の実施例では、初期のＣＡ２５Ｃセメントの半分を、粒径が２０μｍ未満の同量のＳｉＣで置き換えた。第３の実施例では、インベストメント鋳型を作製するためのスラリー混合物は、商業的に製造される８０％アルミン酸カルシウムセメント「ＣＡ２５Ｃ」２７０８ｇで構成された。１６４１ｇの脱イオン水と１８１ｇのコロイド状シリカとを用いて、初期固形物負荷が６１．０％のセメントスラリーを作成した。スラリーを許容可能な粘度まで混ぜた後に、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形物負荷は７５．６％であった。スラリーを許容可能な粘度まで混ぜた後に、粒径範囲が０．８５ｍｍ未満、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管理しながら容器に注入した。最終的な鋳型混合物の固形物負荷は８２．６％だった。得られた鋳型は、直径が約１２０ｍｍ、長さが約４００ｍｍであった。この第３の実施例では、初期のＣＡ２５Ｃセメントの半分を、粒径が２０μｍ未満の同量のＳｉＣで置き換えた。鋳型が作製されたが、許容範囲を超える内部亀裂が存在することがわかり、後続の鋳造は十分な品質でなかった。最終的な調合物のセメント濃度が低すぎた。
【０１５８】
鋳型を１０００℃の温度で４時間にわたって焼成した。水分を含まない最終的な鋳型組成物は、３２．２％の混合アルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）と、３２．２％の炭化ケイ素と、３５％のアルミナバブルと、さらには０．６％のシリカとを含有した。処理後の鋳型における遊離アルミナ活性は、従来技術によって教示されるものよりも低下した。
【実施例４】
【０１５９】
第４の実施例では、インベストメント鋳型を作製するためのスラリー混合物は、商業的に製造される８０％アルミン酸カルシウムセメント「ＣＡ２５Ｃ」２７０８ｇで構成された。１６４１ｇの脱イオン水と１８１ｇのコロイド状シリカとを用いて、初期固形物負荷が６１．０％のセメントスラリーを作成した。スラリーを許容可能な粘度まで混ぜた後に、粒径範囲が０．８５ｍｍ未満、 ０．５ｍｍ超のアルミナバブル２９４３ｇをスラリーに添加した。スラリーを許容可能な粘度まで混ぜた後に、粒径が６００μｍ未満の大粒径の炭化ケイ素７００ｇをスラリーに添加した。スラリーの粘度は許容範囲外となり、許容可能な品質の鋳型を作製することができなかった。
【０１６０】
代表的な高純度か焼アルミナ粒子の種類として、溶解、板状及び粒状アルミナが挙げら
れる。代表的な好適コロイド状シリカとして、Ｒｅｍｅｔ  ＬＰ３０、Ｒｅｍｅｔ  ＳＰ３０、Ｎａｌｃｏ  １０３０、Ｌｕｄｏｘが挙げられる。作製された鋳型を用いることで、表面仕上げが良好な、タービンブレード等のチタンアルミナイド含有品を鋳造した。粗さ（Ｒａ）値は１００マイクロインチ未満だった。また、酸素含有量は２０００ｐｐｍ（パーツ・パー・ミリオン）未満であった。調合物から作製された鋳型は、概して直径が約１２０ｍｍ、長さが４００ｍｍ、また密度が２グラム／立方センチメートル未満であった。
【０１６１】
一実施形態では、鋳型は、アルミン酸カルシウム相で構成される炭化ケイ素含有内在性フェースコートを備え、フェースコートの厚さは約１００μｍであった。このように作製された鋳型を用いることで、表面仕上げが良好なチタンアルミナイドタービンブレード（例えば、Ｒａが１００未満で、酸素含有量が２０００ｐｐｍ未満）の鋳造に成功した。この調合物から作製された鋳型は密度が２グラム／立方センチメートル未満であった。
【０１６２】
一実施例において、アルミン酸カルシウムセメントと水とコロイド状シリカとを容器内で混合することによって鋳型混合物を調製した。混合には高せん断成形加工法を用いた。混合が不完全だとセメントがゲル化することがあり、流動性の低下によって鋳型混合物が消失性模型を一様に覆わなくなる。そのため、炭化ケイ素含有内在性フェースコートが生成されない。セメントが混合物内で完全な懸濁状態になったらアルミナ粒子を添加する。例えば、セメントが混合物内で完全な懸濁状態になったら微小径のアルミナ粒子を添加する。微小径のアルミナ粒子がセメントと完全に混ざったら、微小径の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。微小径の炭化ケイ素粒子がセメントと完全に混ざったら、大粒径（例えば０．５〜１．０ｍｍ）のアルミナ粒子を添加し、セメント−アルミナ調合物と混合する。最終混合物の粘度は、高品質の炭化ケイ素含有内在性フェースコートを形成するにあたってのもうひとつの因子である。それは低すぎても高すぎてもいけない。本開示の別の因子はセメント混合物の固形物負荷と水の量である。さらに、鋳型作製過程の諸工程では反応促進剤及び遅延剤を選択した時点で使用することができる。
【０１６３】
混合後、不堅牢ワックス模型を備えた容器にインベストメント鋳型混合物を管理しながら注入する。容器は鋳型の外部形状を決定し、消失性模型は内部形状を与える。適正な注入速度がさらなる特徴である。速すぎると鋳型内に空気が捕捉され、遅すぎるとセメントとアルミナ微粒子とが分離する可能性がある。好適な注入速度は約１〜約２０リットル／分の間である。一実施形態では、注入速度は約２〜約６リットル／分の間である。ある特定の実施形態では、注入速度は約４リットル／分である。
【０１６４】
一実施形態では、鋳型調合物は、鋳型のフェースコートと鋳型本体の両方について焼成時の線収縮が１％未満となるように設計された。混合物に添加される軽量の溶融アルミナ中空粒子は低い熱伝導率をもたらす。一例において、大粒径アルミナ粒子を含まず、すべての成分を含む初期セメントスラリー混合物の固形物負荷は６０％であり、この値は、鋳型内に炭化ケイ素含有フェースコートを形成できるセメントスラリーを生成するための所望限界値を下回る。一実施形態では、厚さが約１００μｍの炭化ケイ素含有内在性フェースコートが鋳型によって形成された。
【０１６５】
アルミナ中空粒子は鋳型の密度及び熱伝導率を下げる。一実施形態では、調合物によって直径が約１２０ｍｍ、長さが４００ｍｍの鋳型を作製した。鋳型は高温で硬化及び焼成した。作製した鋳型を用いることで、表面仕上げが良好な、タービンブレード等のチタンアルミナイド含有品を鋳造した。粗さ（Ｒａ）値は１００未満、酸素含有量は２０００ｐｐｍ未満であった。大半の実施形態では、調合物から作製された鋳型は密度が１．８グラム／立方センチメートル未満であった。一実施形態では、鋳型本体の熱伝導率は、すべての温度においてアルミナの熱伝導率よりもかなり（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）小さい。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】
一例において、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、鋳型本体の組成及び特にフェースコートの組成はあまり多くのシリカを含有しない。鋳型におけるシリカのバルク組成は約１．５重量％である。混合物のコロイド状シリカ濃度が高いと、最終的な焼成鋳型内に結晶シリカ及びアルミノケイ酸カルシウムやアルミノケイ酸塩等のケイ酸塩が残留する可能性がある。鋳型、特にフェースコートのシリカ含有量が高いことにより、この鋳型調合物には２つの限界が生じる。１つめとして、焼成時に収縮が起きる可能性があり、これはフェースコートの亀裂や構成部品の寸法制御等の問題を引き起こす。２つめとして、フェースコートのシリカ含有量が高いと、鋳造時に鋳型に注入を行ったときに溶融チタン及びチタンアルミナイド合金との間で反応が生じうる。この反応は許容されない鋳造品質をもたらす。
【０１６７】
一例において、最終的な鋳型混合物の固形物負荷が８０％以上（例えば８１％）の場合、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インチ長に沿って一様な組成を有する。鋳型におけるシリカのバルク組成は０．６重量％である。鋳型からは、シリカ含有量の低い炭化ケイ素含有内在性フェースコートが形成される。鋳型、特に炭化ケイ素含有内在性フェースコートのシリカ含有量が低いことにより、チタン及びチタンアルミナイド合金の鋳造に好ましい鋳型が実現する。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。鋳型により、厚さが約１００μｍの炭化ケイ素含有内在性フェースコートが形成される。鋳型が焼成時に受ける線収縮は１％未満である。この鋳型は鋳造に適している。
【０１６８】
一実施形態では、生成される鋳型調合物には魅力的な属性がある反面、いくつかの限界がある。１つめとして、鋳型内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薄い。これは、注入前の最終混合物の固形物負荷が高いことによる。２つめとして、鋳型混合物中にコロイド状シリカが多すぎると、シリカの量が多くなりすぎ、焼成後の最終的な鋳型の、鋳型本体及び炭化ケイ素含有フェースコートに、アルミノケイ酸カルシウム等のケイ酸塩が生じることになる。
【０１６９】
鋳型、特にフェースコートのシリカ及びケイ酸塩の含有量が高いことにより、この鋳型調合物には２つの限界が生じる。１つめとして、焼成時に収縮が起きる可能性があり、これはフェースコートの亀裂や構成部品の寸法制御等の問題を引き起こす。２つめとして、フェースコートのシリカ含有量が高いと、鋳造時に鋳型に注入を行ったときに溶融チタンアルミナイド合金との間で反応が生じうる。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粒径が大きすぎると、得られる混合物の流動性が低下する。流動性が低下すると炭化ケイ素含有内在性フェースコートの厚さが薄くなり、得られる鋳型によって製造される鋳造品の品質が低下する。
【０１７０】
インベストメント鋳型混合物の作用時間が短すぎると、複雑な形状の構成部品の大型鋳型を作製するのに時間が足りない。インベストメント鋳型混合物の作用時間が長すぎ、アルミン酸カルシウムセメントの硬化速度が十分に速くない場合、微小径セメントと大粒径のアルミナとが分離する可能性があり、調合物が場所によって異なる偏析型の鋳型になる恐れがある。したがって、得られる鋳型の特性は一様でなくなる。
【０１７１】
コロイド状シリカは、アルミン酸カルシウム相と水との反応の速度に影響を与えうるほか、硬化時の鋳型強度にも影響を与えうる。アルミン酸カルシウム相と水との間のこの反応速度は、鋳型作製時におけるインベストメント鋳型混合物の作用時間を左右する。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作用時間が短すぎると、複雑な形状の構成部品の大型鋳型を作製するのに時間が足りず、連続的な炭化ケイ素含有内在性フェースコートが形成されない。インベストメント鋳型混合物の作用時間が長すぎ、アルミン酸カルシウムセメントの硬化速度が十分に速くない場合、微小径セメントと大粒径のアルミナとが分離する可能性があり、調合物が場所によって異なる偏析型の鋳型になる恐れがある。したがって、得られる鋳型の特性は一様ではなくなる。さらに、成分及び特性が不連続もしくは変動する炭化ケイ素含有フェースコートが生じるという望ましくない局面に至る恐れがある。
【０１７２】
鋳型の連続的なフェースコートを構成し、鋳型本体に対してバインダの役割を果たす、セメント内の構成相は、本開示のひとつの特徴である。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）を含み、発明者らはいくつかの目的を実現するためにこの選択を行った。１つめとして、これらの相が溶解もしくは部分的に溶解して、後続するインベストメント鋳型作製スラリー内のすべての凝集相を支持できる懸濁液を形成する必要がある。２つめとして、これらの相は、注入後に鋳型の凝固ないし硬化を促進する必要がある。３つめとして、これらの相は、鋳造中及び鋳造後に鋳型に強度を与える必要がある。４つめとして、これらの相は、鋳型内で鋳造されるチタン合金との反応が最低限である必要がある。５つめとして、凝固後の冷却時に生成される部分にかかる熱応力を最小限に抑えるため、鋳型の熱膨張はチタン合金の鋳造物とうまく合致する必要がある。
【０１７３】
鋳型内及び鋳型のフェースコート内のアルミン酸カルシウムセメント／バインダにおける３相は、一例において、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）及び炭化ケイ素である。鋳型にマイエナイトが添加される理由は、それが急速に凝固するアルミン酸カルシウムであること及び硬化の早期段階で炭化ケイ素含有内在性フェースコートと鋳型本体とに強度を与えることによる。硬化は低温で行うことが必要である。なぜなら、不堅牢ワックス模型は温度の影響を受けやすく、約３５℃を超えるとその形状及び特性を失うためである。一例において、鋳型は３０℃未満の温度で硬化される。
【０１７４】
これまでの説明は例示であり、限定の意図がないことを理解するべきである。例えば、上述の実施形態（及び／又はその態様）を互いに組合せて用いることができる。また、ある特定の状況もしくは材料が上記さまざまな実施形態の教示に適合するように、その範囲を逸脱することなく多くの変更を行うことができる。本明細書中に記載する材料の寸法及び種類は上記さまざまな実施形態のパラメータを規定することを意図したものだが、それらはあくまで例示であり、限定するものではない。上記の説明を詳細に読めば当業者には他の多くの実施形態が思いつくだワックス。したがって、上記さまざまな実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲、並びにかかる特許請求の範囲に対して認められる均等物の全範囲に基づいて決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「そこにおいて（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」の語は、それぞれ「含有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「ただし（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の語を平易な英語で言い換えたものである。また、下記特許請求の範囲において、「第１の」「第２の」及び「第３の」等の語は単に区別のために用いるものであり、その対象に対して番号上の要件を何ら課すものではない。さらに、下記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書かれてはおらず、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されることを意図しない。ただし、かかる特許請求の範囲の限定が、詳しい構造を書かないまま機能の記述に続いて「する手段」のフレーズを明示的に用いている場合はその限りではない。上述したすべての目的及び効果が必ずしもある１つの実施形態によって達成されうるものでないことを理解するべきである。したがって、例えば、本明細書に記載するシステム及び技術が、本明細書に教示される１つもしくは複数の効果が達成ないし最適化されるように実現・実施される一方で、本明細書に教示もしくは示唆される他の目的ないし効果は必ずしも達成されないということを、当業者は認識するだワックス。
【０１７５】
以上、本発明は限られた数の実施形態に沿って詳述してきたにすぎず、本発明がここに開示する実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ本発明は、これまでに記載していないが本発明の主旨及び範囲と同等の変形、改変、代替、又は等価なアレンジメントをいくつでも盛り込むように変更することができる。また、これまで本発明のさまざまな実施形態について記載してきたが、本開示の各種態様は記載した実施形態の一部しか含まない場合がありうることを理解するべきである。したがって、本発明は上述の説明によって限定されるものと見なしてはならず、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。
【０１７６】
本明細書は、最良の形態を含む例を用いて本発明を開示している。また、装置もしくはシステムの作製と使用、並びに内包される方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように書かれている。本発明の特許可能範囲は特許請求の範囲によって規定されるとともに、当業者が想到する他の例を含みうる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造要素を有する場合、或いは特許請求の範囲の文言と大差のない等価な構造要素を有する場合に、特許請求の範囲の範囲内にあるものと考えられる。
【図１】
0006329636.tif 000002
【図２】
0006329636.tif 000003
【図３】
0006329636.tif 000004
【図４】
0006329636.tif 000005
【図５】
0006329636.tif 000006
【図６】
0006329636.tif 000007