(57)【要約】  本開示は、概してアルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを含む鋳型組成物に関する。本開示はまた、成形方法、及び該鋳型組成物を用いてそのように成形された物品に関する。より具体的には、本開示は、アルミン酸カルシウム／チタン酸カルシウム鋳型組成物、及びチタン含有物品を鋳造する方法、並びにそのように成形されたチタン含有物品に関する。チタン酸カルシウムは、外形寸法で約１００ミクロン未満である粒子を含むことができる。チタン酸カルシウムは、鋳型組成物の約５重量％から約５０重量％を構成することができる。【選択図】  図１
2015534508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン含有物品を鋳造するための鋳型組成物であって、
チタン酸カルシウム；及び
モノアルミン酸カルシウムを含むアルミン酸カルシウムセメント
を含む鋳型組成物。
【請求項２】
前記チタン酸カルシウムが、外形寸法で約１００ミクロン未満である粒子を含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項３】
前記チタン酸カルシウムが、前記鋳型組成物の約５重量％から約５０重量％を構成する、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項４】
酸化アルミニウム粒子をさらに含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項５】
前記酸化アルミニウム粒子が、外形寸法で約１０ミリメートル未満である粒子を含む、請求項４記載の鋳型組成物。
【請求項６】
前記酸化アルミニウム粒子が、前記鋳型組成物の約５重量％から約７０重量％を構成する、請求項４記載の鋳型組成物。
【請求項７】
前記アルミン酸カルシウムセメントが、前記鋳造用鋳型組成物の約２０重量％超を構成する、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項８】
前記アルミン酸カルシウムセメントが、ジアルミン酸カルシウム、マイエナイト、又はジアルミン酸カルシウムとマイエナイトの両方をさらに含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項９】
前記モノアルミン酸カルシウムが、約０．０５から約０．９５の重量分率からなり；前記ジアルミン酸カルシウムが約０．０５から約０．８０の重量分率からなり；且つ前記マイエナイトが約０．０１から約０．３０の重量分率からなる、請求項８記載の鋳型組成物。
【請求項１０】
酸化物粒子をさらに含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項１１】
前記酸化物粒子が、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、又はそれらの組合せを含む、請求項１０記載の鋳型組成物。
【請求項１２】
前記酸化物粒子が、中空酸化物粒子を含む、請求項１０記載の鋳型組成物。
【請求項１３】
前記中空酸化物粒子が、中空アルミナ粒子を含む、請求項１２記載の鋳型組成物。
【請求項１４】
酸化カルシウムをさらに含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項１５】
前記酸化カルシウムが、前記鋳型組成物の約１０重量％超で、約５０重量％未満を構成する、請求項１４記載の鋳型組成物。
【請求項１６】
酸化チタンをさらに含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項１７】
前記酸化チタンが、前記鋳型組成物の約５重量％超で、約５５重量％未満を構成する、請求項１６記載の鋳型組成物。
【請求項１８】
シリカをさらに含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項１９】
前記鋳型組成物が、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品の鋳造のためのインベストメント鋳造用鋳型組成物を含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項２０】
チタン含有物品の鋳造のための鋳造用鋳型を形成する方法であって、
アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを液体と合わせて、前記液体中アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムのスラリーを生成させ；
消失性模型を有する鋳型キャビティに前記スラリーを導入し；
前記スラリーを前記鋳型キャビティ内で硬化させて、前記チタン含有物品の前記鋳造用鋳型を形成する
ことを含む方法。
【請求項２１】
前記スラリーを鋳型キャビティに導入する前に、前記スラリーに酸化物粒子を導入することをさらに含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記酸化物粒子が、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、及びそれらの組合せを含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記酸化物粒子が、中空酸化物粒子を含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記中空酸化物粒子が、中空アルミナ球体を含む、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記アルミン酸カルシウム及び前記チタン酸カルシウムを前記液体と合わせて、前記スラリーを生成させる前に、シリカが、前記アルミン酸カルシウムと混合され、前記シリカは、コロイドシリカ及び／又は粒子状シリカとして供給される、請求項２０記載の方法。
【請求項２６】
前記鋳造用鋳型が、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品の鋳造のためのインベストメント鋳造用鋳型を含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２７】
チタン含有物品が、チタンアルミナイドタービンブレードを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２８】
前記チタン含有物品が、設置前の材料除去をほとんど又はまったく必要としない、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、請求項２０記載の方法。
【請求項２９】
チタン及びチタン合金のための鋳造方法であって、
アルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造用鋳型組成物を得；
消失性模型を有する容器に前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を注入し；
前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を硬化させ；
前記消失性模型を前記鋳型から除去し；
前記鋳型を鋳型鋳造温度に予熱し；
前記加熱した鋳型に溶融チタン又はチタン合金を注入し；
前記溶融チタン又はチタン合金を固化させ、固化したチタン又はチタン合金鋳物を形成し；
前記固化したチタン又はチタン合金鋳物を前記鋳型から取り出すことを含む鋳造方法。
【請求項３０】
前記消失性模型を前記鋳型から除去することと、前記鋳型を鋳型鋳造温度に予熱することとの間に、前記鋳型を約４５０℃から約１２００℃の温度に加熱し、次いで、前記鋳型を約室温に冷却させる、請求項２９記載の鋳造方法。
【請求項３１】
前記消失性模型を前記鋳型から除去することと、前記鋳型を鋳型鋳造温度に予熱することとの間に、前記鋳型を約４５０℃から約１２００℃の温度に加熱し、次いで、前記鋳型を鋳造の間に約４５０℃から約８５０℃の鋳造温度で維持させる、請求項２９記載の鋳造方法。
【請求項３２】
前記消失性模型の除去が、溶融、溶解、強熱、オーブン脱ろう、炉脱ろう、スチームオートクレーブ脱ろう、又はマイクロ波脱ろうの１つ以上を含む、請求項２９記載の鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン酸カルシウム含有鋳型組成物並びにチタン及びチタンアルミナイド合金を鋳造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代のガス又は燃焼タービンは、信頼性、重量、出力、経済性、及び運転耐用年数に関して最高の要求を満足させなければならない。このようなタービンの開発において、とりわけ、材料選択、新しい適切な材料の探求、及び新しい製造方法の探究は、基準を満たし、要求を満足させる際に重要な役割を果たす。
【０００３】
ガスタービンに使用する材料には、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる）及び高張力鋼が含まれてもよい。航空エンジンの場合、チタン合金は、一般にコンプレッサ部品に使用され、ニッケル合金は航空エンジンの高温部品に適しており、高張力鋼は、例えば、コンプレッサ筐体及びタービン筐体に使用される。コンプレッサ用部品などの高負荷又は高応力ガスタービン部品は、例えば、典型的には鍛造部品である。他方で、タービン用部品は、典型的にはインベストメント鋳造部品として具現化される。
【０００４】
インベストメント鋳造は新しい方法ではないが、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市場は増加し続けている。高品質、精密鋳物に対する大きな需要のために、より迅速に、効率的に、安価に及び高品質のインベストメント鋳物を製造するための新たな方法を開発する必要性が継続してなお存在している。
【０００５】
溶融シリカ、クリストバライト、石膏などからなり、宝石及び歯科補綴物鋳造業界で使用している従来のインベストメント鋳型化合物は、概してチタン合金などの反応性合金の鋳造に適していない。理由の１つは、成形チタンとインベストメント鋳型との間に反応があるからである。
【０００６】
チタン及びチタンアルミナイド合金と有意に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。これまでチタン合金鋳物用にはセラミックシェルモールドによる手法が採用されてきた。これまでの例では、従来のインベストメント鋳型化合物の限界を軽減させるために、いくつかの追加の鋳型材料が開発されてきた。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、金属ジルコニウムを主成分に添加して鋳造金属の固化による収縮を相殺する酸化膨張タイプのインベストメント化合物が開発された。したがって、金属又は金属合金と有意に反応しないインベストメント鋳型からのニアネットシェイプ金属又は金属合金の容易な取り出しを可能にする、単純で信頼性のあるインベストメント鋳造法に対する必要性もある。
【０００７】
本開示の態様は、従来技術の限界を克服する、鋳造用鋳型組成物、鋳造方法、及び鋳造物品を提供することである。本開示の一部の態様は、航空産業用の部品、例えば、エンジンタービンブレードの製作に向けられてもよいが、本開示の態様は、あらゆる業界における任意の部品、特に、チタン及び／又はチタン合金を含有する部品の製作に用いられてもよい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"Secar 51 Product data sheet updated", 23 May 2008 (2008-05-23), XPO55091805, Retrieved form the Internet:URL:http://www.laprocure.be/pdf/secar 51#e.pdf[retrieved on 2013-12-05]the whole document
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一態様は、チタン酸カルシウムと、モノアルミン酸カルシウムを含むアルミン酸カルシウムセメントとを含む、チタン含有物品を鋳造するための鋳型組成物である。特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムを含む。別の特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム及びマイエナイトを含む。別の特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含む。
【００１０】
鋳型を製造するために用いられる、初期アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固形物の割合は、一例では、約６０〜約８０％である。別の例では、鋳型を製造するために用いられる、チタン酸カルシウム及び大スケールアルミナとの最終アルミン酸カルシウム−液体セメント混合物中の固形物の割合は、約６５％〜約９０％である。固形物の割合は、パーセントとして記載される、ミックス中の液体及び固形物の全質量で除したミックス中の全固形物として定義され；固形物の割合は、固形物負荷とも称される。
【００１１】
一実施形態において、鋳型組成物中のチタン酸カルシウムは、外形寸法で約１００ミクロン未満である粒子を含む。特定の実施形態において、チタン酸カルシウムは、鋳型組成物の約１５重量％〜約５０重量％を構成する。一実施形態において、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を含む、チタン含有物品鋳造用鋳型組成物である。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おいて使用する鋳型組成物の提供に比類なく適していることができる。一態様において、鋳造用鋳型組成物は、酸化アルミニウム、例えば、外形寸法で約１０，０００ミクロン（即ち、１０ミリメートル、ｍｍ）未満である酸化アルミニウム粒子をさらに含んでもよい。別の実施形態において、酸化アルミニウムは、約１０ミクロン［μｍ］から約１０，０００ミクロン（即ち、１０ｍｍ）の範囲である外形寸法を有してもよい粒子を含む。
【００１２】
一実施形態において、鋳型組成物中の酸化アルミニウムは、鋳型組成物の約０．５重量％から約８０重量％を構成してもよい。特定の実施形態において、鋳型組成物中の酸化アルミニウムは、鋳型組成物の約５重量％から約６０重量％を構成する。別の態様において、酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約１５重量％から約３０重量％を構成してもよい。別の態様において、酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約４０重量％から約６０重量％を構成してもよい。別の態様において、酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約４０重量％から約６８重量％を構成してもよい。さらに別の実施形態において、酸化アルミニウムは、酸化アルミニウムの約９９重量％を構成する中空粒子の形態であり、外形寸法で約１００００ミクロン以下を有してもよい。
【００１３】
一実施形態において、鋳造用鋳型組成物中のアルミン酸カルシウムは、例えば、モノアルミン酸カルシウムを含むアルミン酸カルシウムとして、アルミン酸カルシウムセメントの形態で提供されてもよい。別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムを含み得る。別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム及びマイエナイトを含み得る。別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含み得る。一態様において、モノアルミン酸カルシウムの重量分率は、０．０５〜０．９５であり、ジアルミン酸カルシウムの重量分率は、０．０５〜０．８０であり、マイエナイトの重量分率は、０．０１〜０．３０である。一実施形態において、モノアルミン酸カルシウムは、約０．１から約０．８の重量分率からなり；ジアルミン酸カルシウムは、約０．１から約０．６の重量分率からなり；及びマイエナイトは、約０．０１〜約０．２の重量分率からなる。さらに別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメント中のモノアルミン酸カルシウムの重量分率は、約０．５を超え、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未満である。一実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、約５０ミクロン以下の粒径を有する。別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造用鋳型組成物の３０重量％を超える。
【００１４】
一実施形態において、鋳造用鋳型組成物は、酸化物粒子、例えば、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、及び／若しくは酸化ケイ素粒子、又はそれらの組合せをさらに含む。別の実施形態において、酸化物粒子は、中空酸化物粒子であってもよい。一実施形態において、中空酸化物粒子は、中空アルミナ（即ち、酸化アルミニウム）球体であってもよい。一実施形態において、鋳造用鋳型組成物は、酸化カルシウムをさらに含んでもよい。
【００１５】
本開示の一実施形態によれば、アルミン酸カルシウムセメント中の酸化カルシウムは、鋳造用鋳型組成物の約１０重量％超で、約６０重量％未満であってもよい。例えば、酸化カルシウムは、最終鋳造用鋳型組成物の約３０重量％超で、約５０重量％未満であってもよいか、又は酸化カルシウムは、最終鋳造用鋳型組成物の約２５重量％超で、約３５重量％未満であってもよい。
【００１６】
本開示の一実施形態によれば、鋳型中の酸化チタンは、鋳造用鋳型組成物の約５重量％超で、約５５重量％未満であってもよい。例えば、酸化チタンは、鋳造用鋳型組成物の約１０重量％超で、約４０重量％未満であってもよいか、又は酸化チタンは、鋳造用鋳型組成物の約１５重量％超で、約３５重量％未満であってもよい。
【００１７】
一実施形態において、鋳造用鋳型組成物は、シリカをさらに含む。本明細書で提供される場合、シリカは、コロイドシリカをアルミン酸カルシウムセメントと混合することによって鋳造用鋳型組成物中に組み込むことができる。
【００１８】
一実施形態において、鋳造用鋳型組成物は、インベストメント鋳造用鋳型で使用されてもよく、例えば、本開示の態様は、「ニアネットシェイプ」部品、例えば、ニアネットシェイプのチタン含有タービンブレードなどを供給する鋳型のためのインベストメント鋳造用鋳型組成物で使用されてもよい。一実施形態において、インベストメント鋳造用鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品、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の鋳造のために供給される。
【００１９】
本開示の一態様は、チタン含有物品の鋳造の鋳造用鋳型を形成する方法である。この方法は、典型的には、アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを液体、例えば、水と合わせて、液体中アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムのスラリーを生成させ；消失性模型を有する鋳型キャビティ中にスラリーを導入し；スラリーを鋳型キャビティ内で硬化させて、鋳型、例えば、チタン含有物品の鋳造のための鋳型を形成することを含む。一実施形態において、この方法は、鋳型キャビティ中にスラリーを導入する前に、スラリーに酸化物粒子を導入することをさらに含んでもよい。別の実施形態において、この方法は、アルミン酸カルシウムをチタン酸カルシウムと合わせる前に又はアルミン酸カルシウムをチタン酸カルシウムと合わせるのと実質的に同時に、シリカ（例えば、コロイドシリカ及び／又は粒子状シリカ）をアルミン酸カルシウムと混合することをさらに含んでもよい。形成される鋳型は、グリーン鋳型（ｇｒｅｅｎ  ｍｏｌｄ）、即ち、未硬化鋳型であってもよく、この方法は、グリーン鋳型を焼成することをさらに含んでもよい。カルシア及びチタニアが、チタン酸カルシウムとして、又はカルシアとチタニアの別個の粒子の組合せとして添加され得；これらは、５０ミクロン未満のサイズの微細スケール粒子である。チタン酸カルシウムがカルシアとチタニアの別個の粒子の組合せとして添加される場合、粒子は鋳型焼成サイクルの間に反応して、チタン酸カルシウムを生成し得る。一実施形態において、チタン酸カルシウムは、カルシア及びチタニアとしてではなく、予備配合されたチタン酸カルシウムとして添加される。
【００２０】
別の実施形態において、形成される鋳造用鋳型は、例えば、チタン含有物品をインベストメント鋳造するためのインベストメント鋳造用鋳型であってもよい。一実施形態において、チタン含有物品は、チタンアルミナイド物品、例えば、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品、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を含む。
【００２１】
さらに、本開示の一態様は、本明細書で記載される鋳造用鋳型組成物から形成される鋳型である。即ち、一実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウムセメントを含む鋳造用鋳型組成物から形成される鋳型に関する。本開示の別の態様は、上述の鋳型内で形成されるチタン含有物品に関する。
【００２２】
なおさらなる実施形態において、物品は、金属物品、例えば、チタン含有金属物品を含む。一態様において、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において、物品は、設置前に材料の除去がほとんど又はまったく不要な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。
【００２３】
本開示の一態様は、チタン及びチタン合金のための鋳造方法であって、アルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造用鋳型組成物を得；消失性模型を有する容器に前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を注入し；前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を硬化させ；前記消失性模型を鋳型から除去し；鋳型を鋳型鋳造温度に予熱し；加熱した鋳型に溶融チタン又はチタン合金を注入し；溶融チタン又はチタン合金を固化させ、固化したチタン又はチタン合金鋳物を形成し；固化したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出すことを含む方法に関する。
【００２４】
一実施形態において、前記消失性模型を鋳型から除去することと、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱することとの間で、鋳型は、最初に約４５０℃から約１２００℃の温度に加熱され、次いで、室温に冷却されるか、又は約４５０℃から約８５０℃の鋳造温度で維持されてもよい。一実施形態において、硬化段階は、約３０℃未満の温度で１時間から４８時間行われる。別の実施形態において、消失性模型の除去は、溶融、溶解、強熱、オーブン脱ろう、炉脱ろう、スチームオートクレーブ脱ろう、又はマイクロ波脱ろうを含む。一実施形態において、固化した鋳物が鋳型から取り出された後、鋳物はｘ線又は中性子線写真法により検査されてもよい。
【００２５】
本開示の一態様は、本明細書で記載されるとおりの鋳造方法によって製造されたチタン又はチタン合金物品に関する。即ち、一実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造用鋳型組成物を得；消失性模型を有する容器に前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を注入し；インベストメント鋳造用鋳型組成物を硬化させ；消失性模型を鋳型から除去し；鋳型を鋳型鋳造温度に予熱し；加熱した鋳型に溶融チタン又はチタン合金を注入し；溶融チタン又はチタン合金を固化させ；固化したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出すことを含む鋳造方法によって製造されたチタン又はチタン合金に関する。
【００２６】
本開示の一態様は、チタン又はチタン合金を含み、その表面領域の一部以上にわたって約２０マイクロインチ未満の平均粗さＲａを有するタービンブレードに関する。
【００２７】
本開示のこれら及び他の態様、特徴、及び利点は、添付の図面とともに例として挙げる本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から明らかとなる。
【００２８】
本発明と見なされる主題は、本明細書の終わりの特許請求の範囲において特に指摘及び明確に請求される。本開示の前述及び他の特徴及び利点は、添付の図とともに例として挙げられる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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、ｘ軸上に酸化アルミニウムの割合の関数としてアルミン酸カルシウムセメント中に存在し得る成分相及びｙ軸上に温度を示す、二元カルシア−アルミナ相図である。図１はまた、初期アルミン酸カルシウムセメントの様々な酸化カルシウム−酸化アルミニウム組成範囲を示し、特にその初期セメントの開示された実施形態による組成の酸化アルミニウム割合及び温度範囲を示す。図１は、平衡相図であり、本開示で実施されるとおりの鋳型の製造のために用いて、非平衡アルミン酸カルシウムセメント中に存在する相を検討する手段を与える。
【図２Ａ】図２Ａは、一実施形態において鋳型に用いた、アルミナ、カルシア、及びチタニアの組成範囲を示す。これらのバルク組成範囲は、鋳型を構成するアルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及びアルミナなどの相を与えるように用いたバルク組成を示す。図２Ａは、一実施形態における鋳型組成物のアルミナ、カルシア、及びチタニアの範囲について重量パーセントでバルク三元組成空間を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、一実施形態において鋳型に用いた、アルミナ、カルシア、及びチタニアの組成範囲を示す。これらのバルク組成範囲は、鋳型を構成するアルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及びアルミナなどの相を与えるように用いたバルク組成を示す。図２Ｂは、さらなる一実施形態における鋳型組成物のアルミナ、カルシア、及びチタニアの範囲について重量パーセントでバルク三元組成空間を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、本開示の態様に従って、一実施形態によるチタン含有物品の鋳造のための鋳造用鋳型を形成する方法を例示するフローチャートを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本開示の態様に従って、一実施形態によるチタン及びチタン合金のための鋳造方法を例示するフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本開示は、概して鋳型組成物及び鋳型製造方法、並びに鋳型から鋳造された物品、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、並びにそのように成形されたチタン含有物品に関する。
【００３１】
インベストメントシェルモールド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（ｎｅａｒ−ｎｅｔ−ｓｈａｐｅ）」に鋳造されなければならないという観点から問題をもたらす。即ち、部品は、部品の実質的に最終所望寸法に鋳造され、最終の処理又は機械加工をほとんど又はまったく必要としないことができる。
【００３２】
本開示は、タービンブレード又は航空翼などのニアネットシャイプのチタン及びチタンアルミナイド部品を鋳造するための新規な手法を提供する。本開示の実施形態は、例えば、航空宇宙、エネルギー及び海洋産業における使用のための、インベストメント鋳造用鋳型用の組成物、並びに改善されたチタン及びチタン合金部品を与える鋳造方法を提供する。一部の態様において、鋳型組成物は、鋳型製造の間に鋳型強度の改善及び／又は鋳造の間に鋳造金属との反応に対する抵抗性の増加を与える相を含有する鋳型を提供する。本開示の態様による鋳型は、高圧で鋳造することができ、これは、ニアネットシェイプ鋳造法に望ましい。例えば、アルミン酸カルシウムセメント及びチタン酸カルシウムを含有する、又はアルミナ粒子、及びある種の成分相をさらに含む鋳型組成物は、改善された特性を有する鋳物を与えることが確認されている。
【００３３】
本開示の一態様は、アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを含む、チタン含有物品を鋳造するための鋳型組成物に関する。一例における鋳型組成物は、中空アルミナ粒子をさらに含む。鋳型組成物を用いて鋳造された物品は、金属系物品を含む。一実施形態において、物品は、チタンアルミナイド含有物品を含む。別の実施形態において、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において、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。
【００３４】
特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウムを含む。別の特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムを含む。別の特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム及びマイエナイトを含む。別の特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含む。
【００３５】
一態様において、鋳型のアルミン酸カルシウムセメント態様の成分相は、モノアルミン酸カルシウムを含む。本発明者らは、ある種の実施形態において、モノアルミン酸カルシウムが２つ以上の理由について望ましいことを見出した。第１に、モノアルミン酸カルシウムは、鋳型製造の初期段階の間にセメント粒子間の水硬性結合の形成を促進すると考えられ、そしてこの水硬性結合は、鋳型構築の間に鋳型強度を与えると考えられる。第２に、モノアルミン酸カルシウムには、チタン及びチタンアルミナイド系合金との非常に低い反応速度が認められる。ある種の実施形態において、モノアルミン酸カルシウムは、モノアルミン酸カルシウムセメントの形態で本開示の鋳型（例えば、インベストメント鋳型）組成物に与えられる。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チタン酸カルシウムとの混合物を含む。別の態様において、鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメント、チタン酸カルシウム、及びアルミナ、即ち、酸化アルミニウム、の混合物を含む。別の態様において、鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメント、微細スケール（５０ミクロン未満）チタン酸カルシウム、及び大スケール（５０ミクロン超）アルミナ、即ち、酸化アルミニウム、の混合物を含む。別の態様において、鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメント、微細スケール（５０ミクロン未満）酸化カルシウム、微細スケール（５０ミクロン未満）酸化チタン、及び大スケール（５０ミクロン超）アルミナ、即ち、酸化アルミニウム、の混合物を含む。本明細書で上に記載されたとおり、特定の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、（ｉ）モノアルミン酸カルシウム；（ｉｉ）モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウム；（ｉｉｉ）モノアルミン酸カルシウム及びマイエナイト；又は（ｉｖ）モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含み得る。
【００３６】
本開示の一態様において、鋳型組成物は、鋳造の間に合金との低反応又は最小反応を与え、鋳型は、必要な部品特性を有する鋳物を与える。鋳物の外的特性には、形状、幾何形状、及び表面仕上げなどの特徴が含まれる。鋳物の内的特性には、機械的特性、微細構造、特定のサイズ未満で、許容できる限界内の欠陥（細孔及び介在物など）が含まれる。
【００３７】
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の鋳物を与える。鋳型組成物は、従来のシェルモールド及び重力鋳造を用いて製造される部品と比べてあまり機械加工及び／又は処理を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与えることができる。本明細書で使用される場合、「ニアネットシェイプ」という表現は、物品の初期の製作物が、費用のかかる機械加工及び表面仕上げなどのさらなる処理の必要性を低減して、物品の最終の（ネット）シェイプに近いことを意味する。本明細書で使用する場合、「タービンブレード」という用語は、スチーム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。
【００３８】
従って、本開示は、チタン及びチタンアルミナイド合金と有意に反応しない鋳型、例えば、インベストメント鋳型を作製する課題に対処する。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は、高圧鋳造手法、例えば、遠心分離鋳造を可能にする。この開示の技術的利点の１つは、一態様において、その技術が、例えば、アルミン酸カルシウムセメント及びチタン酸カルシウムのインベストメント鋳型又はアルミン酸カルシウムセメント、チタン酸カルシウム、及びアルミナのインベストメント鋳型から生じさせ得るネットシェイプ鋳物の構造的一体性を改善することである。強度が高ければ高いほど、例えば、疲労強度が高ければ高いほど、より軽い部品を製作することが可能になる。さらに、より高い疲労強度を有する部品は、より長く持続でき、したがって、より低い寿命サイクルコストを示す。
【００３９】
鋳造用鋳型組成物
本開示の態様は、チタン及びチタン合金の改善された部品を与え得るインベストメント鋳造用鋳型のための組成物を提供する。鋳型化学組成物は、チタン酸カルシウム及びアルミン酸カルシウムセメントを含む。より特定の実施形態において、鋳型化学組成物は、チタン酸カルシウム、アルミン酸カルシウムセメント、及びアルミナを含む。本開示の焼成鋳型中の相の重量分率の範囲は、限定することなく、５〜５０重量パーセントのチタン酸カルシウム、２０重量パーセント超のアルミン酸カルシウムセメント（例えば、１５〜３０重量パーセントのモノアルミン酸カルシウム及び１５〜３０重量パーセントのジアルミン酸カルシウム）、及び５〜７０重量パーセントのアルミナ、又はより特には５〜３０重量パーセントのアルミナであり得る。
【００４０】
本開示の一態様において、ある種の実施形態における鋳型組成物についてアルミナ、カルシア、及びチタニアの範囲のバルク三元組成空間を、図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａは、以下のとおり、即ち、１５〜７０重量％におけるアルミナ、５〜６０重量パーセントにおけるカルシア、及び５〜５５重量パーセントにおけるチタニアの、アルミナ、カルシア、及びチタニアの鋳型組成範囲の一実施形態を示す。図２Ｂは、以下のとおり、即ち、１５〜５５重量パーセントにおけるアルミナ、５〜６０重量パーセントにおけるカルシア、及び５〜４５重量パーセントにおけるチタニアの、アルミナ、カルシア、及びチタニアの鋳型組成範囲の別の実施形態を示す。
【００４１】
本開示の一態様において、チタン酸カルシウムは、ＣａＴｉＯ3の形態で与えられる。特定の実施形態において、本技術の鋳型を製造するために用いられるカルシウム粉末は、９８重量パーセントのＣａＴｉＯ3及び２重量パーセントのＴｉＯ2を含む。チタン酸カルシウム粒子は、外形寸法で１００ミクロン未満のサイズを有する粒子として組み込むことができる。特定の実施形態において、本開示の鋳型を製造するために用いられるチタン酸カルシウム粉末は、外形寸法で約５０ミクロンの最大粒径を有し得る。より特定の実施形態において、本開示の鋳型を製造するために用いられるチタン酸カルシウム粉末は、外形寸法で約４３ミクロンの最大粒径を有し得る。チタン酸カルシウムは、石灰（ＣａＯ）及びルチル（ＴｉＯ2）を焼成／焼結することによって生成させ得る。別の態様において、最終鋳型組成物に関して、チタン合金との反応を最小限にするために、十分量のＣａＯ及びＴｉＯ2が用いられる。カルシア及びチタニアは、チタン酸カルシウムとして、又はカルシアとチタニアの別個の粒子の組合せとして添加することができ；これらは、５０ミクロン未満のサイズの微細スケール粒子である。チタン酸カルシウムがカルシアとチタニアの別個の粒子の組合せとして添加される場合、粒子は鋳型焼成サイクルの間に反応して、チタン酸カルシウムを生成し得る。一実施形態において、チタン酸カルシウムは、カルシア及びチタニアとしてではなく、予備配合されたチタン酸カルシウムとして添加される。
【００４２】
本開示の一態様において、モノ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与えることができる。アルミン酸カルシウムセメントは、「セメント」又は「結合剤」と称してもよい。ある種の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、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ミックスを与える。一例におけるアルミン酸カルシウムセメントは、鋳造可能鋳型ミックス中約２０重量％を超える。ある種の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造可能鋳型ミックス中約３０重量％から約６０重量％である。鋳造可能鋳型ミックス（鋳型組成物）中３０重量％超のアルミン酸カルシウムセメントの使用が、本開示の特徴である。適当なアルミン酸カルシウムセメント化学の選択及び配合物中のチタン酸カルシウム粒子及びアルミナ粒子の重量分率は、鋳型の性能の要因である。一態様において、チタン合金との反応を最小化するために、十分量の酸化カルシウムが鋳型組成物中に与えてもよい。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、チタン酸カルシウム粒子、及びアルミナ粒子の多相混合物を含んでもよい。アルミン酸カルシウムセメントは、結合剤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結合剤は、鋳型構造の主骨格構造を与えることができる。アルミン酸カルシウムセメントは、鋳型内で連続相を構成し、硬化、及び鋳造の間に強度を与えることができる。鋳型組成物は、アルミン酸カルシウムセメント、チタン酸カルシウム、及びアルミナを含んでもよく、即ち、実質的にアルミン酸カルシウムセメント、チタン酸カルシウム、及びアルミナだけが、他の成分をほとんど又はまったく含まずに、鋳型組成物の成分を構成してもよい。一実施形態において、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造用鋳型組成物を含む。別の実施形態において、鋳造用鋳型組成物は、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もよい。
【００４３】
鋳造用鋳型組成物は、酸化アルミニウムを、例えば、中空粒子、即ち、中空のコア又は酸化物に実質的に囲まれた実質的に中空の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、外形寸法で約１０ミリメートル［ｍｍ］以下の、例えば、幅又は直径を有してもよい。一実施形態において、中空酸化アルミニウム粒子は、外形寸法で約１ミリメートル［ｍｍ］以下の、例えば、幅又は直径を有する。ある種の実施形態において、中空酸化物粒子は、中空アルミナ球体を含んでもよい。中空アルミナ球体は、鋳造用鋳型組成物中に組み入れてもよく、中空球体は、丸粒子、又は不規則凝集体などの一連の幾何形状を有していてもよい。ある種の実施形態において、アルミナは、丸い粒子と中空球体の両方を含んでもよい。一態様において、これらの幾何形状は、インベストメント鋳型混合物の流動性を増加させることがわかった。流動性の向上は、典型的には表面仕上げ、並びに鋳型から作られた最終鋳物の表面外観の忠実度又は正確度を改善することができる。
【００４４】
酸化アルミニウムは、外形寸法で約１０ミクロンから約１０，０００ミクロンの範囲の粒子を含む。ある種の実施形態において、酸化アルミニウムは、外形寸法、例えば、直径又は幅で約５００ミクロン未満である粒子を含む。酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約０．５重量％から約８０重量％、又はより特には鋳造用鋳型組成物の約５重量％から約６０重量％を構成してもよい。代替として、酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約１５重量％から約３０重量％を構成する。代替として、酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約４０重量％から約６０重量％を構成する。代替として、酸化アルミニウムは、鋳造用鋳型組成物の約４０重量％から約６８重量％を構成する。
【００４５】
本開示の一実施形態によれば、最終鋳型組成物中の酸化カルシウムは、鋳造用鋳型組成物の約１０重量％超で、約６０重量％未満であってもよい。例えば、酸化カルシウムは、最終鋳造用鋳型組成物の約３０重量％超で、約５０重量％未満であってもよいか、又は酸化カルシウムは、最終鋳造用鋳型組成物の約２５重量％超で、約３５重量％未満であってもよい。
【００４６】
本開示の一実施形態によれば、最終鋳型組成物中の酸化チタンは、鋳造用鋳型組成物の約５重量％超で、約５５重量％未満であってもよい。例えば、最終鋳型組成物中の酸化チタンは、鋳造用鋳型組成物の約１０重量％超で、約４０重量％未満であってもよいか、又は酸化チタンは、最終鋳造用鋳型組成物の約１５重量％超で、約３５重量％未満であってもよい。
【００４７】
具体的な実施形態において、本開示の鋳造用鋳型組成物は、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は、モノアルミン酸カルシウムを含み得る。代替として、アルミン酸カルシウムセメントは、モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムを含み得る。代替として、アルミン酸カルシウムセメントは、カルシウム及びアルミニウムを含む少なくとも３つの相又は成分、即ち、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含む。モノアルミン酸カルシウムの重量分率は、０．０５から０．９５の範囲であってもよく；ジアルミン酸カルシウムの重量分率は、０．０５から０．８０の範囲であってもよく；マイエナイトの重量分率は、０．０１から０．３０の範囲であってもよい。別の実施例において、モノアルミン酸カルシウムの重量分率は、約０．１から約０．８の重量分率からなり；ジアルミン酸カルシウムは、約０．１から約０．６の重量分率からなり；マイエナイトは、約０．０１から約０．２の重量分率からなる。アルミン酸カルシウムセメント中のモノアルミン酸カルシウムの重量分率は、約０．５を超えていてもよく、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未満であってもよい。別の実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、鋳造用鋳型組成物の３０重量％超である。
【００４８】
一実施形態において、アルミン酸カルシウムセメントは、約５０ミクロン以下の粒径を有する。５０ミクロン未満の粒径は、３つの理由である種の用途に有用である、即ち、第１に、微細な粒径は、鋳型混合及び硬化の間に水硬結合の形成を促進すると考えられる；第２に、微細な粒径は、焼成の間に粒子間の焼結を促進すると理解され、これは、鋳型強度を増加させ得る；及び第３に、微細な粒径は、鋳型中で作製される鋳造物品の表面仕上げを改善すると考えられる。アルミン酸カルシウムセメントは、粉末として与えられてもよく、その固有の粉末形態、又はスプレー乾燥凝集体などの凝集形態のいずれかで用いることができる。アルミン酸カルシウムセメントは、微細スケール（例えば、サイズで１０ミクロン未満）アルミナと前ブレンドすることもできる。微細スケールアルミナは、高温焼成中の焼結によって強度の増加を与えると考えられる。場合によっては、比較的大きいスケールのアルミナ（即ち、サイズで１０ミクロンを超える）も、微細スケールアルミナの有無にかかわらず、添加されてもよい。同様に、チタンカルシウム微粒子は、典型的には５０ミクロン未満の粒径を有し；このサイズで、それは、アルミン酸カルシウムセメント粒子と十分に混合され得る。より一般的には、チタン酸カルシウム粒子は、１００ミクロン未満のサイズを有し、鋳型及びその後の鋳造部品の表面仕上げの改善をもたらし得る。
【００４９】
中空アルミナ粒子は、２つ以上の機能で働き、即ち、［１］それらは、強度における最小限の減少とともに、鋳型の密度及び重量を減少させ；およそ２ｇ／ｃｃ以下の密度とともに、およそ５００ｐｓｉ以上の強度水準が得られる；及び［２］それらは、鋳型の弾性率を減少させ、鋳型及び鋳造後の部品の冷却の間に弾性コンプライアンスを与えるのに役立つ。鋳型の弾性コンプライアンス及び粉砕性の増加は、部品における引張り応力を減少させ得る。
【００５０】
アルミン酸カルシウムセメント組成物
本開示の態様で用いるアルミン酸カルシウムセメントは、典型的にはカルシウム及びアルミニウムの３つの相又は成分、即ち、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトを含む。モノ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中に存在する水硬性鉱物である。モノ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、それが水硬性結合の速い形成によって鋳型硬化の初期段階の間に強度を与えるので、セメント中で望ましい。しかしながら、マイエナイトは、典型的には鋳造前の鋳型の熱処理の間に減少する。
【００５１】
一態様において、初期のアルミン酸カルシウムセメント配合物は、通常はセメント製造キルン中で焼成後に熱力学的平衡にない。一実施形態において、セメント中のモノアルミン酸カルシウムの重量分率は０．５を超え、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、速い硬化性アルミン酸カルシウムであるので、鋳型に組み入れられ、それは、硬化の初期段階の間に鋳型に強度を与えると考えられる。消失性ろう模型は温度の影響を受けやすく、約３５℃を超える熱曝露でその形状及び特性を失うので、硬化は低温、例えば、１５℃から４０℃の温度で行うのがよい。一例では、鋳型は、３０℃未満の温度で硬化する。
【００５２】
アルミン酸カルシウムセメントは、典型的には高純度アルミナを高純度酸化カルシウム又は炭酸カルシウムと混合することによって生成させてもよく；この化合物の混合物は、典型的には炉又はキルン中高温、例えば、１０００から１５００℃の温度に加熱され、反応させる。
【００５３】
キルン中で生成される、当技術分野でセメント「クリンカー」として知られる、得られた生成物は、次いで、破砕され、粉砕され、篩にかけられて、所望の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、ナトリウム及び他のアルカリ、並びに酸化鉄を有するように設計及び処理される。一態様において、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重量パーセント未満であることである。一実施形態において、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の合計は、約０．０５重量パーセント未満である。
【００５４】
本開示の一態様において、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）中３５重量％を上回るバルクアルミナ濃度及び５０重量％未満の酸化カルシウムを有するアルミン酸カルシウムセメントが提供される。このセメントの最大アルミナ濃度は、約８５％（例えば、約１５％ＣａＯ）であってもよい。一実施形態において、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。モノアルミン酸カルシウムの重量分率は、鋳造前の焼成鋳型で最大化されてもよい。酸化カルシウムの最小量は、鋳造合金と鋳型との間の反応を最小化するために必要とされてもよい。セメント中に５０％を超える酸化カルシウムがある場合、これは、マイエナイト及びアルミン酸三カルシウムなどの相をもたらすことができ、これらは、鋳造の間にモノアルミン酸カルシウムと同様には機能しない。一例では、アルミン酸カルシウムセメント中の酸化カルシウムの範囲は、約５０重量％未満で、約１５重量％超又はより特には２０重量％超である。上述のとおり、鋳型中のアルミン酸カルシウムセメント／結合剤における３つの相は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトである。セメント／結合剤中のモノアルミン酸カルシウムは、他のアルミン酸カルシウムの相を上回る３つの利点を有する：１）モノアルミン酸カルシウムは、それが速い硬化応答（ｓｅｔｔｉｎｇ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）（マイエナイトほど速くないが）を示し、硬化の初期段階の間に鋳型に強度を与えると考えられるので、鋳型中に組み入れられる。鋳型強度の迅速な生成は、鋳造用鋳型の寸法安定性を与え、この特徴は、最終鋳造部品の寸法一貫性を改善する。２）モノアルミン酸カルシウムは、鋳造され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。一例におけるモノアルミン酸カルシウムは、ジアルミン酸カルシウム、及び比較的高いアルミナ活性を有する他のアルミン酸カルシウム相に対して使用され；これらの相は、鋳造されているチタン及びチタンアルミナイド合金とより反応性である。３）モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムは、低膨張相であり、硬化、脱ろう、及びその後の鋳造の間に鋳型に高レベルの応力の形成を防止すると理解される。モノアルミン酸カルシウムの熱膨張挙動は、アルミナとほぼ一致している。
【００５５】
鋳型及び鋳造方法
本開示の一態様は、チタン及びチタン合金並びに物品のための鋳造用鋳型を形成する方法であって、アルミン酸カルシウムを液体と合わせて、アルミン酸カルシウムのスラリーを生成させ、ここで、初期アルミン酸カルシウム／液体混合物中の固形物の割合は約６０％から約８０％であり、スラリーの粘度は約１０から約２５０センチポイズであり；スラリーにチタン酸カルシウム粒子を添加し；大スケール（５０ミクロン超）酸化物粒子と一緒の最終アルミン酸カルシウム／液体混合物中の固形物が約６５％から約９０％であるように、スラリーに酸化物粒子を添加し；消失性模型を有する鋳型キャビティにスラリーを導入し；スラリーを鋳型キャビティ内で硬化させて、チタン及びチタン合金並びに物品を鋳造する際の使用のための鋳型を形成することを含む方法である。固形物の割合は、パーセントとして記載される、ミックス中の液体及び固形物の全質量で除したミックス中の全固形物として定義される。
【００５６】
本開示の一態様は、チタン及びチタン合金並びに物品のための鋳造用鋳型を形成する方法であって、アルミン酸カルシウムを液体と合わせて、アルミン酸カルシウムのスラリーを生成させ、ここで、初期アルミン酸カルシウム／液体混合物中の固形物の割合は約６０％から約８０％であり、スラリーの粘度は約１０から約２５０センチポイズであり；カルシア及びチタニアの組合せを添加し；大スケール（５０ミクロン超）酸化物粒子と一緒の最終アルミン酸カルシウム／液体混合物中の固形物が約６５％から約９０％であるように、スラリー中に酸化物粒子を添加し；消失性模型を有する鋳型キャビティにスラリーを導入し；スラリーを鋳型キャビティ内で硬化させて、チタン及びチタン合金並びに物品を鋳造する際の使用のための鋳型を形成する方法である。
【００５７】
インベストメント鋳型は、そのセラミック成分のインベストメントミックスを配合し、消失性模型を有する容器にそのミックスを鋳込みことによって形成される。模型上で形成されたインベストメント鋳型は、完全に硬化させて、いわゆる「グリーン鋳型」を形成する。典型的には、グリーン鋳型の硬化は、１５から４０℃の温度で１時間から４８時間の間行われる。その後、消失性模型は、溶融、溶解、強熱（ｉｇｎｉｔｉｏｎ）、又は他の知られた模型除去技術によってグリーン鋳型から選択的に除去される。ろう模型除去の典型的な方法には、オーブン脱ろう（１５０℃未満）、炉脱ろう（１５０℃超）、スチームオートクレーブ脱ろう、及びマイクロ波脱ろうが含まれる。
【００５８】
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には、次いで、グリーン鋳型は、６００℃を超える、好ましくは７００から１４００℃の温度で、１時間を超える、好ましくは２から１０時間の時間焼成されて、鋳造のための鋳型強度を発現させ、鋳型中の望ましくない残留不純物、例えば、金属種（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）、及び炭素含有種をすべて除去する。鋳型を焼成する雰囲気は、不活性ガス又は還元ガス雰囲気も用いることができるが、典型的には周囲空気である。焼成プロセスは、鋳型から水を除去する。鋳型焼成操作の別の目的は、鋳造前に鋳型に残存している任意の遊離シリカを最小限にすることである。図２Ａ及び図２Ｂは、ＣａＯ−ＴｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3相組成空間に示されるとおりの検討下の組成範囲を示す線図である。バルク組成範囲は、鋳型を構成するアルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及びアルミナなどの相を与えるように用いたバルク組成を示す。図２Ａは、ある種の実施形態で用いる鋳型組成物のアルミナ、カルシア、及びチタニアの範囲について重量パーセントでバルク三元組成空間を示す。特に、図２Ａに示されるように、一実施形態において、鋳型組成範囲は、１５〜７０重量パーセントにおけるアルミナ、５〜６０重量パーセントにおけるカルシア、及び５〜５５重量パーセントにおけるチタニアである。図２Ｂは、さらなる実施形態による鋳型組成物のアルミナ、カルシア、及びチタニアの範囲についてバルク三元組成空間を示す。特に、図２Ｂに示されるように、一実施形態において、鋳型組成範囲は、１５〜５５重量パーセントにおけるアルミナ、５〜６０重量パーセントにおけるカルシア、及び５〜４５重量パーセントにおけるチタニアである。
【００５９】
組成範囲は、本開示で記載される相組成の範囲を与える。本開示で特許請求される相組成の範囲は、５〜５０重量パーセントのチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ3）、１５〜３０重量％のモノアルミン酸カルシウム、１５〜３０重量パーセントのジアルミン酸カルシウム、及び５〜７０重量パーセントのアルミナである。チタン酸カルシウムは、当初の鋳型ミックスに添加することができるか、又はチタン酸カルシウムは、鋳型焼成の間にカルシアとチタニア粒子の反応により生成させることができる。
【００６０】
焼成プロセスはまた、鋳型からの水を除去し、マイエナイトをアルミン酸カルシウムに転化する。鋳型焼成手順の別の目的は、鋳造前に鋳型内に残る遊離シリカを最小化することである。鋳型焼成プロセスは、任意の残留チタニアをチタン酸カルシウム、アルミノチタン酸カルシウム、又は同様の化合物に変換する働きもする。他の目的は、高温強度を増加させ、モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムの量を増加させることである。
【００６１】
鋳型は、制御された仕方で室温から最終焼成温度に加熱される。焼成温度への加熱速度、及び焼成後の冷却速度は、典型的には調節、即ち制御される。鋳型があまりに急速に加熱される場合、それは、内部若しくは外部で、又は両方で割れることがあり得；鋳造前の鋳型の割れは、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場合、鋳型の内部表面が割れ及び砕け落ちることがあり得る。これは、最終鋳物中に望ましくない介在物をもたらし、介在物がない場合でも表面仕上げ不良をもたらすことがあり得る。同様に、鋳型が、最高温度に到達後にあまりに急速に冷却される場合、鋳型はやはり、内部若しくは外部で、又は両方で割れることがあり得る。
【００６２】
本開示で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鋳型組成物は、特に成分相に関して、鋳型特性に影響を与え得る。一実施形態において、鋳造のために、鋳型中のモノアルミン酸カルシウムの高い重量分率、例えば、０．１５から０．８の重量分率が用いられる。さらに、鋳造目的のために、一実施形態は、マイエナイトが感水性であり、そのことが鋳造の間に水放出及びガス発生の問題をもたらし得るので、一実施形態では、例えば、０．０１から０．２の重量分率を用いて、マイエナイトの重量分率が最小限にされる。焼成後、鋳型は、アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの小さい重量分率も有し得る。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、典型的には鋳型と鋳物の反応を最小化するために５％未満に保たれてもよい。
【００６３】
ある種の実施形態において、本開示の鋳造用鋳型組成物は、インベストメント鋳造用鋳型組成物を含む。インベストメント鋳造用鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタン含有金属のインベストメント鋳造用鋳型組成物を含む。一実施形態において、インベストメント鋳造用鋳型組成物は、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用鋳型組成物を含む。ニアネットシャイプのチタンアルミナイド物品は、例えば、ニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービンブレードを含む。
【００６４】
正しいアルミン酸カルシウムセメント化学及びアルミナ配合の選択は、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化するために、遊離酸化カルシウムの量を最小化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、アルミナ濃度が高すぎるので、合金は鋳型と反応し、この反応は、鋳物中の望ましくない酸素濃度レベル、気泡、及び鋳造部品における表面仕上げ不良をもたらす。セメント中の酸化カルシウム濃度が５０重量％を超える場合、鋳型は、環境からの水の混入に影響を受けやすいことがあり得る。したがって、インベストメント鋳型中の酸化カルシウム濃度は、典型的には６０％未満に保たれてもよい。一実施形態において、インベストメント鋳型中の酸化カルシウム濃度は、１０重量％から６０重量％である。一実施形態において、インベストメント鋳型中の酸化カルシウム濃度は、１５重量％から４０重量％である。代替として、インベストメント鋳型中の酸化カルシウム濃度は、２５重量％から３５重量％である。
【００６５】
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、典型的には特定の部品幾何形状又は鋳造され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。典型的には、鋳型温度範囲は、４５０℃から１２００℃であり；一実施形態において、温度範囲は４５０℃から７５０℃であり、ある特定の場合では、それは５００℃から６５０℃である。
【００６６】
一態様によれば、溶融金属又は合金は、重力、逆重力（ｃｏｕｎｔｅｒｇｒａｖｉｔｙ）、圧力、遠心分離、及び当業者に知られた他の鋳造技術を含み得る従来の技術を用いて、鋳型中に鋳込まれる。真空又は不活性ガス雰囲気を用いることができる。複雑な形状の薄肉幾何形状の場合、高圧を使用する技術が用いられる。固化されたチタンアルミナイド又は合金鋳物が、通常は６５０度未満、例えば、室温に冷却された後、それは、鋳型から取り出され、従来の技術、例えば、グリットブラスティング、ウォータジェットブラスティング、及び研磨を用いて仕上げされる。
【００６７】
本開示の一態様は、チタン及びチタン合金のための鋳造方法であって、アルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造用鋳型組成物を得；消失性模型を有する容器に前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を注入し；前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を硬化させ；前記消失性模型を鋳型から除去し；鋳型を鋳型鋳造温度に予熱し；加熱した鋳型に溶融チタン又はチタン合金を注入し；溶融チタン又はチタン合金を固化させ；固化したチタン又はチタン合金を鋳型から取り出すことを含む方法に関する。
【００６８】
鋳型からの前記消失性模型の除去と、鋳型鋳造温度への鋳型の予熱との間で、鋳型は、最初に約４５０℃から約１２００℃の温度に加熱され、次いで、室温に冷却される。一実施形態において、前記消失性模型を鋳型から除去することと、鋳型を鋳型鋳造温度に予熱することとの間で、鋳型は、最初に約４５０℃から約１２００℃の温度に加熱され、次いで、約４５０℃から約８５０℃の鋳造温度で維持される。
【００６９】
一実施形態において、硬化ステップは、約３０℃未満の温度で１時間から４８時間行われる。消失性模型の除去には、溶融、溶解、強熱、オーブン脱ろう、炉脱ろう、スチームオートクレーブ脱ろう、又はマイクロ波脱ろうが含まれる。一実施形態において、鋳型からのチタン又はチタン合金の除去後、鋳物は、グリットブラスティング、ウォータジェットブラスティング、又は研磨によって仕上げされてもよい。固化した鋳物が鋳型から取り出された後、それは、Ｘ線又は中性子放射線写真法により検査される。
【００７０】
固化した鋳物は、鋳造及び仕上げ後に表面検査及びＸ線写真法にかけて、鋳物内の任意の位置における任意の表面下介在物粒子を検出する。鋳物の外面の目視検査により検出できない介在物を見出すために、Ｘ線写真法を用いる。チタンアルミナイド鋳物は、従来のＸ線装置を用いてＸ線写真法（フィルム又はデジタル）にかけて、Ｘ線写真を得て、次いで、これを検査又は分析して、なんらかの表面下介在物がチタンアルミナイド鋳物内に存在するかどうか決定する。
【００７１】
本開示の別の態様は、チタン含有物品の鋳造のための鋳造用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チタン酸カルシウムを、液体、例えば、水と合わせて、液中アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムのスラリーを生成させ；消失性模型を有する容器にスラリーを導入し；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ことを含む。一実施形態において、この方法は、スラリーを鋳型キャビティに導入する前に、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ことをさらに含む。別の実施形態において、シリカが、アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムと合わせられる。シリカは、コロイドシリカ及び／又は粒子状シリカ（例えば、粉末）として添加され得る。例えば、特定の実施形態において、アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを合わせる前に又はそのことと同時に、コロイドシリカはアルミン酸カルシウムと混合される。別の特定の実施形態において、アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを合わせる前に又はそのことと同時に、粒子状シリカはアルミン酸カルシウムと混合される。別の実施形態において、カルシア及びチタニアは、チタン酸カルシウムとして、又はカルシアとチタニアの別個の粒子の組合せとして添加することができ；これらは、５０ミクロン未満のサイズの微細スケール粒子である。チタン酸カルシウムがカルシアとチタニアの別個の粒子の組合せとして添加される場合、粒子は鋳型焼成サイクルの間に反応して、チタン酸カルシウムを生成し得る。一実施形態において、チタン酸カルシウムは、カルシア及びチタニアとしてではなく、予備配合されたチタン酸カルシウムとして添加される。
【００７２】
形成された鋳型はグリーン鋳型であってもよく、この方法は、グリーン鋳型を焼成することをさらに含んでもよい。一実施形態において、鋳造用鋳型は、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造用鋳型を含む。一実施形態において、チタン含有物品は、チタンアルミナイド物品を含む。一実施形態において、インベストメント鋳造用鋳型組成物は、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用鋳型組成物を含む。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んでもよい。一実施形態において、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造用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、前述の鋳型で形成された物品に関する。
【００７３】
本開示のさらに別の態様は、アルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造用鋳型組成物を得；消失性模型を有する容器に前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を注入し；前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を硬化させ；前記消失性模型を鋳型から除去し；鋳型を鋳型鋳造温度に予熱し；加熱した鋳型に溶融チタン又はチタン合金を注入し；溶融チタン又はチタン合金を固化させて鋳物を形成し；固化したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出すことを含む鋳造方法によって製造されたチタン又はチタン合金鋳物である。
【００７４】
表面粗さは、鋳造及び機械加工部品の表面完全性を表す指標の１つである。表面粗さは、光学的プロフィロメトリ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）により測定した、指定領域における中心線平均粗さ値「Ｒａ」、及び平均ＰＶ距離（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｖａｌｌｅｙ  ｄｉｓｔａｎｃｅ、山から谷の距離）「Ｒｚ」により特徴付けられる。粗さ値は、プロファイル又は表面上のいずれかで計算され得る。プロファイル粗さパラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、・・・）が、より一般的である。粗さパラメータのそれぞれは、表面を表すための式を用いて計算される。多種多様の粗さパラメータが使用されているが、Ｒａがはるかに最も一般的である。
【００７５】
平均粗さＲａは、高さの単位で表される。英単位系では、１Ｒａは、典型的にはインチの「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。本明細書で示されるＲａ値は、マイクロインチを指す。７０のＲａ値は、およそ２ミクロンに相当し；３５のＲａ値は、およそ１ミクロンに相当する。典型的には、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、レシプロエンジンバルブ、ピストンなどの表面は、約２０以下のＲａを有する。本開示の一態様は、チタン又はチタン合金を含み、その表面領域の一部以上にわたって１５未満の平均粗さＲａを有するタービンブレードである。
【００７６】
溶融金属が高く加熱されればされるほど、それは、ますます反応性になる（例えば、鋳型表面との不要な反応を受ける）傾向がある。このような反応は、金属部品を汚染する不純物の形成につながり、これは、様々な有害な結果をもたらす。不純物の存在は、金属の組成を移行させ、その結果、それが望ましい規格を満たさず、それにより、意図された用途のための鋳造部品（ｃａｓｔ  ｐｉｅｃｅ）の使用ができなくなることがある。さらに、不純物の存在は、金属材料の機械的特性に悪影響を及ぼす（例えば、材料の強度を低下させる）ことがあり得る。
【００７７】
さらに、このような反応は、表面テクスチャリング（ｓｕｒｆａｃｅ  ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）に導くことがあり得、これは、鋳造部品の表面にかなりの望ましくない粗さをもたらす。例えば、表面粗さの特徴付けのために当技術分野で知られているような表面粗さ値Ｒａを用いて、ステンレス鋼合金及び／又はチタン合金を用いる鋳造物品は、典型的には良好な作業条件下で約１００から約２００のＲａ値を示す。これらの有害作用は、鋳型の充填により低い温度を使用するようにさせる。しかしながら、溶融金属の温度が十分加熱されない場合、鋳造材料は、あまりに急速に冷却し、鋳造鋳型の不完全な充填に至ることがあり得る。
【００７８】
本開示の一態様は、アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを含む、チタン含有物品を鋳造するため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。一実施形態において、物品は、チタンアルミナイド含有物品を含む。別の実施形態において、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において、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タービンブレードは、設置前に材料の除去をほとんど又はまったく必要としなくてもよい。
【実施例】
【００７９】
全般的に説明してきた本開示は、本開示のある種の態様及び実施形態の例証のためにだけ含まれ、且つ本開示を限定することは決して意図されない以下の実施例を参照することによってより容易に理解することができる。
【００８０】
図１は、アルミナ及びカルシア組成並びに温度の関数として安定なアルミン酸カルシウム相を示す相図である。図１は、開示された実施形態によって、アルミン酸カルシウムセメントについて実施例組成範囲を示す。図１は、ｘ軸上に酸化アルミニウムの割合、及びｙ軸上に温度を示す。一実施例範囲５は、マイエナイト及びモノアルミン酸カルシウム１５、ジアルミン酸カルシウム及びモノアルミン酸カルシウム２０について実施例組成範囲及び相を示す。別の実施例範囲１０は、主としてジアルミン酸カルシウム及びモノアルミン酸カルシウムを含む、実施例組成範囲及び相を示す。両方の範囲５、１０の外側は、ジアルミン酸カルシウム及びヘキサアルミン酸カルシウム２５である。
【００８１】
図２Ａ及び図２Ｂは、本開示の鋳型について用いた、アルミナ、カルシア、及びチタニアの様々な組成範囲を示す。これらのバルク組成範囲は、鋳型を構成するアルミン酸カルシウム、チタンカルシウム、及びアルミナなどの相を与えるように用いたバルク組成を示す。図２Ａは、以下のとおり、即ち、１５〜７０重量パーセントにおけるアルミナ、５〜６０重量パーセントにおけるカルシア、及び５〜５５重量パーセントにおけるチタニアの、アルミナ、カルシア、及びチタニアの範囲を有する鋳型組成物を示す。図２Ｂは、以下のとおり、即ち、１５〜５５重量パーセントにおけるアルミナ、５〜６０重量パーセントにおけるカルシア、及び５〜４５重量パーセントにおけるチタニアの、アルミナ、カルシア、及びチタニアの範囲を有する鋳型組成物を示す。
【００８２】
インベスト鋳型組成物及び配合物
アルミン酸カルシウムセメントを、チタン酸カルシウム及びアルミナと混合して、インベストメント鋳型ミックスを生成させ、インベストメント鋳型化学の範囲を試験した。一実施例におけるインベストメント混合物は、７０％アルミナ及び３０％カルシアを有するアルミン酸カルシウムセメント、チタン酸カルシウム粒子、アルミナ粒子、水、並びにコロイドシリカからなった。
【００８３】
図３Ａに示すように、方法７００は、アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを液体と合わせて、液体中アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムのスラリーを生成させること７０５を含む。消失性模型を有する鋳型キャビティにアルミン酸カルシウムスラリーを導入する７１０。スラリーを鋳型キャビティ内で硬化させて、チタン物品の鋳造のための鋳型を形成する７１５。
【００８４】
図３Ｂに示すように、方法７２０は、アルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造用鋳型組成物を得ること７２５を含む。インベストメント鋳造用鋳型組成物を、消失性模型を有する容器に注入する７３０。インベストメント鋳造用鋳型組成物を硬化させ７３５、消失性模型を鋳型から除去する７４０。次いで、鋳型を焼成し、鋳型鋳造温度に予熱し７４５、加熱した鋳型に溶融チタン又はチタン合金を注入する７５０。溶融チタン又はチタン合金を固化させ、固化したチタン又はチタン合金鋳物を形成する７５５。最後に、固化したチタン又はチタン合金鋳物を鋳型から取り出す７６０。
【００８５】
特定の実施形態において、鋳型ミックスは、セメント、水、及びコロイドシリカを容器中で混合することによって調製する。別の実施形態は、混合の高剪断形態を使用する。適切に混合しないと、セメントはゲル化することがあり得る。セメントが混合物中懸濁状態にあるときに、アルミナ粒子を添加する。微細スケールアルミナ粒子をセメントと十分に混合するとき、チタン酸カルシウム粒子を添加し、セメントスラリーと混合する。微細スケールチタン酸カルシウム微粒子をセメントと完全に混合するとき、より大きなサイズ（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。最終ミックスの粘度は、後に記載されるように、低すぎても、高すぎてもいけない。混合後、消失性ろう模型を有する容器中にインベストメントミックスを制御された仕方で注入する。容器は、鋳型の外部幾何性状を与え、消失性模型は、内部幾何形状をもたらす。正確な注入速度はさらなる特徴であり、それが速すぎる場合、空気が鋳型中に取り込まれることがあり得、それが遅すぎる場合、セメントとアルミナ粒子状物質の分離が起こり得る。
【００８６】
第１の実施例において、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、モノアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ2Ｏ4）、ジアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含有する、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からなった。ＣＡ２５Ｃ製品は名目で、組成物を８０％アルミナに調整す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からなる。８２０．５ｇの脱イオン水、及び９０．５ｇのコロイドシリカ（例えば、Ｒｅｍｅｔ  ＬＰ３０、Ｒｅｍｅｔ  ＳＰ３０、Ｎａｌｃｏ１０３０）を用いて、７５．６パーセントの固形物の初期割合のセメントスラリーを作製した。このスラリーを許容できる粘度まで混合したとき、スラリーに４３ミクロン未満のサイズ範囲の７３６ｇのチタン酸カルシウムＣａＴｉＯ3を添加した。チタン酸カルシウムを添加したミックスの固形物の割合は、７９．１％であった。このスラリーを許容できる粘度まで混合したとき、スラリーに０．８５ｍｍ未満で、０．５ｍｍ超のサイズ範囲の７３６ｇのアルミナバブルを添加した。混合後、最終ミックスの粘度は高かったが、インベストメント鋳型ミックスを容器に制御された仕方で注入し、鋳型を製造した。最終鋳型ミックスの固形物の割合は、８２．６％であった。鋳型を１０００℃の温度で４時間焼成した。２．０５ｇ／ｃｃの密度を有する焼成鋳型を作製した。鋳型は、焼成後に許容できないレベルの亀裂を有した。水を含まない最終鋳型組成物は、６４．８パーセントのブレンドアルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）、１７．６パーセントのＣａＴｉＯ3、及び１７．６パーセントのアルミナバブルを含有した。Ｘ線回折を用いて焼成鋳型を分析し、鋳型は、１９．１パーセントのＣａＴｉＯ3、２０．１パーセントのモノアルミン酸カルシウム、２４．５パーセントのジアルミン酸カルシウム、及び３６．２パーセントのアルミナを含有することがわかった。鋳型は、従来技術により教示されたものからは、より低いアルミナ活性を有した。
【００８７】
第２の実施例において、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からなった。８２０．５ｇの脱イオン水、及び９０．５ｇのコロイドシリカを用いて、７５．６パーセントの固形物の初期割合を有するセメントスラリーを作製した。このスラリーを許容できる粘度まで混合したとき、スラリーに４３ミクロン未満のサイズ範囲の１４７２ｇのチタン酸カルシウム、ＣａＴｉＯ3を添加した。ＣＡ２５Ｃとチタン酸カルシウムと一緒の最終ミックスの粘度は許容できないほど高かったが、インベストメント鋳型ミックスを容器にいくらかの困難を伴って注入して、鋳型を製造した。最終鋳型ミックスの固形物の割合は、８２．６％であった。水を含まない最終鋳型組成物は、６４．８パーセントのアルミン酸カルシウムセメント、及び３５．２パーセントのＣａＴｉＯ3を含有した。焼成後の鋳型品質は許容できなかった。Ｘ線回折を用いて焼成鋳型を分析し、鋳型が３７．３パーセントのＣａＴｉＯ3、２０．１パーセントのモノアルミン酸カルシウム、１８．０パーセントのジアルミン酸カルシウム、及び２４．６パーセントのアルミナを含有することがわかった。焼成鋳型は、実施例１で教示されたものからは、チタン酸カルシウムの増加及びアルミナ活性の減少を有し；それは、より少ないジアルミン酸カルシウム、及び同様量のモノアルミン酸カルシウムも有する。
【００８８】
第３の実施例において、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からなった。８２０．５ｇの脱イオン水、及び９０．５ｇのコロイドシリカを用いて、６１．０パーセントの固形物の初期割合を有するセメントスラリーを作製した。このスラリーを許容できる粘度まで混合したとき、スラリーに４３ミクロン未満のサイズ範囲の２０９０ｇのチタン酸カルシウムＣａＴｉＯ3を添加した。添加したチタン酸カルシウムと一緒のミックスの固形物の割合は、７９．７％であった。ミックスの粘度は高く、ほとんど許容できなかった。この時点で、スラリーに０．８５ｍｍ未満で０．５ｍｍ超のサイズ範囲の７３６ｇのアルミナバブルを添加した。混合後、粘度は高すぎ、インベストメント鋳型ミックスは、制御された仕方で容器に注入することは困難であった。最終鋳型ミックスの固形物の割合は、８２．６％であった。鋳型を焼成し、それは、許容できないレベルの亀裂を有した。２．１ｇ／ｃｃの密度を有する鋳型を作製し；その密度は、前の実施例の鋳型よりも高かった。水を含まない最終鋳型組成物は、３２．４パーセントのブレンドされたアルミン酸カルシウムセメント（ＣＡ２５Ｃ）、５０．０パーセントのチタン酸カルシウム、及び１７．６パーセントのアルミナバブルを含有した。
【００８９】
第４の実施例において、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からなった。８２０．５ｇの脱イオン水、及び９０．５ｇのコロイドシリカを用いて、６１．０パーセントの固形物の初期割合を有するセメントスラリーを作製した。このスラリーを許容できる粘度まで混合したとき、スラリーに１３５４ｇのチタン酸カルシウムＣａＴｉＯ3を添加した。チタン酸カルシウムを添加したミックスの固形物の割合は、７５．６％であった。スラリーは、ミックス中の分散液の均一性が許容できる状態に容易に混合され、粘度はおよそ１００センチポイズであった。このスラリーを許容できる粘度まで混合したとき、スラリーに０．８５ｍｍ未満で０．５ｍｍ超のサイズ範囲の１４７２ｇのアルミナバブルを添加した。インベストメント鋳型ミックスを混合後、最終ミックスは許容できる粘度を有し、それを制御された仕方で容器中に注入した。最終鋳型ミックスの固形物の割合は、８２．６％であり；これは、ミックス中の固形物の割合についての許容範囲の下端に当たる。鋳型を１０００℃で４時間焼成し、それは許容できる品質を有した。１．８５ｇ／ｃｃの密度を有する鋳型を作製し；密度は、前の実施例の鋳型よりも小さかった。水を含まない最終鋳型組成物は、３２．４パーセントのアルミン酸カルシウムセメント、３２．４パーセントのＣａＴｉＯ3、及び３５．２パーセントのアルミナバブルを含有した。
【００９０】
第５の実施例において、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からなった。１６４１ｇの脱イオン水、及び１８１ｇのコロイドシリカを用いて、６１．０パーセントの固形物の初期割合のセメントスラリーを作製した。このスラリーを許容できる粘度まで混合したとき、スラリーに２７０８ｇのチタン酸カルシウムを添加した。チタン酸カルシウムを添加したミックスの固形物の割合は、８２．６％であった。このスラリーを許容できる粘度まで混合したとき、スラリーに０．８５ｍｍ未満で０．５ｍｍ超のサイズ範囲の２９４３ｇのアルミナバブルを添加した。混合後、インベストメント鋳型ミックスを容器に制御された仕方で注入した。最終鋳型ミックスの固形物の割合は、８２．６％であった。この配合物は、およそ１２５ｍｍの直径及び４００ｍｍの長さである鋳型をもたらした。次いで、鋳型を硬化させ、高温で焼成した。鋳型はその長さに沿って均一であった。１．８５ｇ／ｃｃの密度を有する鋳型を作製した。水を含まない最終鋳型組成物は、３２．４パーセントのアルミン酸カルシウムセメント、３２．４パーセントのチタン酸カルシウム、及び３５．２パーセントのアルミナバブルを含有した。
【００９１】
鋳型中の非常に低いシリカ含有量は、鋳造中に鋳型が充填されるときに、溶融チタン及びチタンアルミナイド合金との反応を律速することができる。鋳型中のシリカのバルク組成は、０．６重量パーセントであった。鋳型の低いシリカ含有量は、チタン及びチタンアルミナイド合金の鋳造に使用される鋳型を与える。そのように作製された鋳型は、焼成直後に１パーセント未満の線収縮を受けた。
【００９２】
一実施例における鋳型製造中のインベストメント鋳型ミックスの作業時間は、３０秒間から１０分間であるべきである。インベストメント鋳型ミックスの作業時間が短すぎる場合、複雑な形状の部品の大きな鋳型を製造するには時間が不十分である。インベストメント鋳型ミックスの作業時間が長すぎ、且つアルミン酸カルシウムセメントが十分に急速に硬化しない場合、微細スケールアルミン酸カルシウムセメント、チタン酸カルシウム、及び大スケールアルミナの分離が起こることがあり得、これは、配合が変化し、得られた鋳型特性が均一でない分離鋳型をもたらすことがあり得る。
【００９３】
アルミン酸カルシウムセメント、又は結合材中の３つの相は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、及びマイエナイトであり、それらは、いくつかの理由のために選択される。第１に、相は、溶解又は部分的に溶解し、その後のインベストメント鋳型製造用スラリーにおいて凝集相のすべてを支持し得る懸濁液を形成する。第２に、相は、注入後の鋳型の硬化（ｓｅｔｔｉｎｇ又はｃｕｒｉｎｇ）を促進する。第３に、相は、鋳造の間及び後に鋳型に強度を与える。第４に、相は、鋳型中で鋳造するチタン合金と最小反応を示す。第５に、鋳型は、後固化冷却の間に生じる部品への熱応力を最小化するためにチタン合金鋳物との適切な熱膨張一致を有する。
【００９４】
モノアルミン酸カルシウム及びジアルミン酸カルシウムは、低膨張相であり、硬化、脱ろう、及びその後の鋳造の間の鋳型における高レベルの応力の形成を防止する。モノアルミン酸カルシウムの熱膨張挙動は、アルミナとほとんど同じに一致しており、それは、チタン及びチタンアルミナイド合金鋳物と比較的良く一致している。チタン酸カルシウムの熱膨張挙動は、アルミナとほとんど同じに一致しており、それは、チタン及びチタンアルミナイド合金鋳物と比較的良く一致している。
【００９５】
マイエナイトは、鋳型中に組み込まれるが、それが速硬化性アルミン酸カルシウムであり、且つそれが硬化の初期段階の間に強度を有するセメントを与えるからである。一実施形態における硬化は、消失性ろう模型が感温性であり、且つ約３５℃を超える熱曝露でその形状及び特性を失うので、低温で行う。一実施例において、鋳型は３０℃未満の温度で硬化させる。
【００９６】
上記説明は、例証的であって、制限的でないことが意図されることが理解されるべきである。例えば、上記実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組み合わせて用いてもよい。さらに、それらの範囲から逸脱することなく、様々な実施形態の教示に特定の状況又は材料を適合させるために多くの変更を行うことができる。本明細書で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ことが意図される一方で、それは、決して限定的でなく、単に例示的である。上記説明を検討後に、他の多くの実施形態が当業者に明らかになる。したがって、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、このような特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の完全な範囲とともに、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「そこで（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「そこで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」というそれぞれの用語のプレインイングリッシュの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、「第１の」、「第２の」及び「第３の」などの用語は、単に標示として使用され、それらの対象に数値的要件を課すことは意図されない。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（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｆｏｒｍａｔ）で書かれていず、このような特許請求の範囲の限定が「の手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」という言いまわしを明示的に用いて、その後にさらなる構造がない機能が記載されない限り且つ記載されるまで、米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ）第１１２条、第６項に基づいて解釈されることは意図されない。上記したこのような目的又は利点のすべてが、いずれかの特定の実施形態に従って必ずしも達成し得るとは限らないことが理解されるべきである。したがって、例えば、当業者は、本明細書で記載するシステム及び技術が、本明細書で教示又は示唆し得るように他の目的又は利点を必ずしも達成すると限らずに、本明細書で教示するとおりの１つの利点又は一群の利点を達成又は最適化する仕方で具体化又は実施し得ることを理解する。
【００９７】
本発明を、単に限られた数の実施形態と関連して詳細に説明してきたが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、これまで説明されていないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、改変、置換又は均等な配列を組み入れるように、修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本開示の態様は、記載された実施形態の一部のみを含んでもよいことが理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると判断されるべきでなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるだけである。
【００９８】
この書面による説明は、ベストモードを含めて、本発明を開示するために、並びにまたいずれの当業者も、いずれかの装置又はシステムを製造及び使用すること並びにいずれかの組み込まれた方法を実施することを含めて、本発明を実施することを可能にするために、実施例を用いる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の実施例を含んでもよい。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有するか、又はそれらが特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含むならば、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【図１】
2015534508.tif 000003
【図２Ａ】
2015534508.tif 000004
【図２Ｂ】
2015534508.tif 000005
【図３Ａ】
2015534508.tif 000006
【図３Ｂ】
2015534508.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年4月14日(2015.4.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン含有物品を鋳造するための鋳型組成物であって、
チタン酸カルシウム；及び
モノアルミン酸カルシウムを含むアルミン酸カルシウムセメント
を含む鋳型組成物。
【請求項２】
前記チタン酸カルシウムが、外形寸法で約１００ミクロン未満である粒子を含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項３】
前記チタン酸カルシウムが、前記鋳型組成物の約５重量％から約５０重量％を構成する、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項４】
前記アルミン酸カルシウムセメントが、前記鋳造用鋳型組成物の約２０重量％超を構成する、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項５】
酸化物粒子をさらに含み、前記酸化物粒子が、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、又はそれらの組合せを含む、請求項１記載の鋳型組成物。
【請求項６】
前記酸化物粒子が、中空酸化物粒子を含む、請求項５記載の鋳型組成物。
【請求項７】
チタン含有物品の鋳造のための鋳造用鋳型を形成する方法であって、
アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムを液体と合わせて、前記液体中アルミン酸カルシウム及びチタン酸カルシウムのスラリーを生成させ；
消失性模型を有する鋳型キャビティに前記スラリーを導入し；
前記スラリーを前記鋳型キャビティ内で硬化させて、前記チタン含有物品の前記鋳造用鋳型を形成する
ことを含む方法。
【請求項８】
前記スラリーを鋳型キャビティに導入する前に、前記スラリーに酸化物粒子を導入することをさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記酸化物粒子が、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、及びそれらの組合せを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記酸化物粒子が、中空酸化物粒子を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記中空酸化物粒子が、中空アルミナ球体を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記アルミン酸カルシウム及び前記チタン酸カルシウムを前記液体と合わせて、前記スラリーを生成させる前に、シリカが、前記アルミン酸カルシウムと混合され、前記シリカは、コロイドシリカ及び／又は粒子状シリカとして供給される、請求項７記載の方法。
【請求項１３】
チタン及びチタン合金のための鋳造方法であって、
アルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造用鋳型組成物を得；
消失性模型を有する容器に前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を注入し；
前記インベストメント鋳造用鋳型組成物を硬化させ；
前記消失性模型を前記鋳型から除去し；
前記鋳型を鋳型鋳造温度に予熱し；
前記加熱した鋳型に溶融チタン又はチタン合金を注入し；
前記溶融チタン又はチタン合金を固化させ、固化したチタン又はチタン合金鋳物を形成し；
前記固化したチタン又はチタン合金鋳物を前記鋳型から取り出すことを含む鋳造方法。
【請求項１４】
前記消失性模型を前記鋳型から除去することと、前記鋳型を鋳型鋳造温度に予熱することとの間に、前記鋳型を約４５０℃から約１２００℃の温度に加熱し、次いで、前記鋳型を約室温に冷却させる、請求項１３記載の鋳造方法。
【請求項１５】
前記消失性模型を前記鋳型から除去することと、前記鋳型を鋳型鋳造温度に予熱することとの間に、前記鋳型を約４５０℃から約１２００℃の温度に加熱し、次いで、前記鋳型を鋳造の間に約４５０℃から約８５０℃の鋳造温度で維持させる、請求項１３
記載の鋳造方法。
【国際調査報告】
2015534508.tif 000008