(57)【要約】【課題】シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有する、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアが提供される。【解決手段】第一の実施態様では、被覆は、少なくとも一つの酸化物とケイ素含有材料とを含む。第二の実施態様では、被覆は、カルシア、マグネシア、アルミナ、ジルコニア、クロミア、イットリア、シリカ、ハフニア、およびこれらの混合物から成る群より選択される酸化物を含む。第三の実施態様では、被覆は、窒化ケイ素、サイアロン、窒化チタン、およびこれらの混合物から成る群より選択される窒化物を含む。他の被覆の実施態様は、開示内に説明される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造システムに使用するための耐熱金属コアであって、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有し、この被覆は、少なくとも一つの酸化物とケイ素含有材料の一方または両方を含むことを特徴とする耐熱金属コア。
【請求項２】
前記被覆は、ケイ酸アルミナを含むことを特徴とする請求項１記載の耐熱金属コア。
【請求項３】
前記ケイ素含有材料は、ケイ化物から形成された層を含むことを特徴とする請求項１記載の耐熱金属コア。
【請求項４】
前記ケイ素含有材料は、ケイ酸ジルコニウムを含むことを特徴とする請求項１記載の耐熱金属コア。
【請求項５】
前記酸化物は、アルミナを含むことを特徴とする請求項１記載の耐熱金属コア。
【請求項６】
前記コアは、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン、これらの合金、およびこれらの金属間化合物から成る群より選択される材料から形成されることを特徴とする請求項１記載の耐熱金属コア。
【請求項７】
前記コアは、モリブデンから形成されることを特徴とする請求項１記載の耐熱金属コア。
【請求項８】
鋳造システムに使用するための耐熱金属コアであって、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有し、この被覆は、カルシア、マグネシア、アルミナ、ジルコニア、クロミア、イットリア、シリカ、ハフニア、およびこれらの混合物から成る群より選択される酸化物を含むことを特徴とする耐熱金属コア。
【請求項９】
前記被覆は、クロミアを含有し、さらに、このクロミアを形成するように被覆されたクロム被覆を含むことを特徴とする請求項８記載の耐熱金属コア。
【請求項１０】
前記被覆は、シリカを含有し、さらに、このシリカを形成するように被覆されたケイ化物被覆を含むことを特徴とする請求項８記載の耐熱金属コア。
【請求項１１】
鋳造システムに使用するための耐熱金属コアであって、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有し、この被覆は、窒化ケイ素、サイアロン、窒化チタン、およびこれらの混合物から成る群より選択される窒化物を含むことを特徴とする耐熱金属コア。
【請求項１２】
鋳造システムに使用するための耐熱金属コアであって、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有し、この被覆は、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タンタル、およびこれらの混合物から成る群より選択される炭化物を含むことを特徴とする耐熱金属コア。
【請求項１３】
鋳造システムに使用するための耐熱金属コアであって、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有し、この被覆は、セラミック被覆と、耐熱金属コアを形成する耐熱金属とセラミック被覆との間の少なくとも一つの層とを含むことを特徴とする耐熱金属コア。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの層は、ニッケル、白金、クロム、ケイ素、これらの合金、およびこれらの混合物から成る群より選択される金属から形成されることを特徴とする請求項１３記載の耐熱金属コア。
【請求項１５】
前記少なくとも一つの層は、ＮｉＡｌ、ＭＣｒＡｌＹ、ＭｏＳｉ2、およびこれらの混合物から成る群より選択される金属間化合物から形成されることを特徴とする請求項１３記載の耐熱金属コア。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの層は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｓｉ3Ｎ4、およびこれらの混合物から成る群より選択される材料から形成されることを特徴とする請求項１３記載の耐熱金属コア。
【請求項１７】
前記セラミック被覆は、酸化物材料を含むことを特徴とする請求項１３記載の耐熱金属コア。
【請求項１８】
モリブデンから形成され、エッチング面を有し、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアであって、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有し、この被覆は、化学蒸着されたアルミナを含むことを特徴とする耐熱金属コア。
【請求項１９】
鋳造システムに使用するための耐熱金属コアであって、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する基部被覆を有し、さらに基部被覆を覆うトップコートを有することを特徴とする耐熱金属コア。
【請求項２０】
前記トップコートは、セラミック材料と、金属製材料と、金属間化合物材料とのうちの少なくとも一つから形成されることを特徴とする請求項１９記載の耐熱金属コア。
【請求項２１】
前記トップコートは、アルミナ、クロミア、イットリア、およびこれらの混合物から成る群より選択される材料から形成されることを特徴とする請求項２０記載の耐熱金属コア。
【請求項２２】
前記トップコートは、ニッケル、クロム、白金、これらの合金、およびこれらの混合物から成る群より選択される材料から形成されることを特徴とする請求項２０記載の耐熱金属コア。
【請求項２３】
前記トップコートは、アルミナイド、ケイ化物、およびこれらの混合物から成る群より選択される材料から形成されることを特徴とする請求項２０記載の耐熱金属コア。
【請求項２４】
鋳造システムに使用するための耐熱金属コアであって、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有し、この被覆は、アルミナと、ＴｉＣＮおよびジルコニアから成る群より選択される材料との交互の層を含むことを特徴とする耐熱金属コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェル焼成（ｓｈｅｌｌ  ｆｉｒｅ）時の酸化から、また、鋳造処理時の反応／溶解から、耐熱金属コアを保護するように耐熱金属コアに被覆される被覆に関する。
【背景技術】
【０００２】
インベストメント鋳造は、複雑な形状寸法を有する金属部品、特に中空部品を形成するために一般に使用される技術であり、超合金ガスタービンエンジン部品を製作するのに使用される。本発明は、超合金鋳造物の製造に関して説明するが、本発明はそれに限定されないことは理解されるであろう。
【０００３】
インベストメント鋳造技術に使用されるコアは、壊れやすいセラミック材料から製作され、特に、先進のガスタービンエンジンハードウェア内に小さな入り組んだ冷却通路を製作するのに使用される先進のコアがそうである。これらのセラミックコアは、作成時および鋳造時に反ったり、割れたりし易い。
【０００４】
従来のセラミックコアは、セラミックスラリーと成形加工されたダイを用いる成形方法により製造される。パターン材料は、最も一般には、ワックスであるが、プラスチック、および尿素など有機化合物も利用されてきた。シェルモールドは、コロイド状シリカバインダー（結合剤）を用いてセラミック粒子を互いに結合して形成され、このセラミック粒子は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ケイ酸アルミニウムなどとすることができる。
【０００５】
セラミックコアを用いてタービンブレードを製造するのに使用されるインベストメント鋳造方法は、以下の通りである。内部冷却通路に望まれる形状寸法を有するセラミックコアを、金属ダイの壁が取り囲むがコアから通常間隔を置くように、金属ダイの中に配置する。ワックスなどの使い捨てパターン材料でダイを満たす。ダイを取り外し、セラミックコアをワックスパターン内に埋め込んだままにする。次に、ワックスパターンをセラミックスラリー中に浸し、その後、スラリーに、より大きな乾燥セラミック粒子を付着させることによって、ワックスパターンの周りに外部シェルモールドを形成する。この工程は、スタッコ塗りと呼ばれる。コアごとスタッコ塗りしたワックスパターンを次に乾燥し、さらに、このスタッコ塗りを繰り返して所望する壁厚のシェルモールドを得る。この時点で、モールドを完全に乾燥してグリーン（素地）強度を得るとともに、高圧水蒸気を施すことによってワックスを除去し、この高圧水蒸気は、セラミックシェルの内部のワックスの大部分を除去する。次にモールドは、高温で焼成して、残留するワックスの残りを取り除くとともに、鋳造操作のためにセラミックス材料を強化する。
【０００６】
結果として得られるのは、セラミックコアを含むセラミックモールドであり、これらは組み合わさってモールドキャビティを形成する。コアの外面が、鋳造物内に形成される通路を規定し、シェルモールドの内面が、作成される超合金鋳造物の外部寸法を規定することは、理解されるであろう。コアおよびシェルは、コアを安定させるコアサポート、あるいは鋳造部品内へ金属を流し込むように機能する他のゲートなどの他の形状部も形成し得る。これらの形状部のいくつかは、仕上がり鋳造部品の一部にはならないが、良好な鋳造物を得るために必要である。
【０００７】
ワックスを取り除いた後に、シェルモールドおよびコアアッセンブリによって形成されたキャビティ内へ溶融した超合金材料を注ぎ込み、凝固させる。次にモールドおよびコアは、機械的および化学的手段の組み合わせによって、超合金鋳造物から取り除く。
【０００８】
向上した機械的特性、より薄い厚み、向上した耐熱衝撃性、および新しい形状寸法および形状部を有する、インベストメント鋳造のためのコアを提供する試みが行われてきた。そのような試みの一つは、米国特許出願公開第２００３／００７５３００号に示されており、参照することによって本願に組み込まれる。これらの努力は、埋め込まれた耐熱金属部材を有するセラミックコアを提供するものであった。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／００７５３００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
被覆が、耐熱金属コアの特性を向上させるのに望ましいことは認められていたが、特に有用な被覆を形成する必要性が残されている。現在、主に利用の可能性および溶融ニッケル超合金とのアルミナの優れた適合性に起因して、酸化アルミニウム（アルミナ）の化学蒸着が、基準の方法／組成物である。熱膨張率（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）（ＣＴＥ）の大きな不一致が、耐熱金属／アルミナの間に存在し、それによって、微小亀裂の入った被覆が生じる。その微小亀裂が入る条件では、基準の被覆は、インベストメントのシェル焼成時に完全には耐酸化性ではない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、低減した微小亀裂が生じる傾向を有する耐熱コア部材のための被覆を提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、向上した耐酸化性を有する耐熱コア部材のための被覆を提供することである。
【００１２】
上述の目的は、本発明の被覆によって達成される。
【００１３】
第一の実施態様では、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアは、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有する。被覆は、少なくとも一つの酸化物とケイ素含有材料の一方または両方、あるいは安定な酸化物形成剤（ｆｏｒｍｅｒ）を含む。
【００１４】
第二の実施態様では、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアは、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有する。被覆は、マグネシア、アルミナ、カルシア（ｃａｌｃｉａ）、ジルコニア、クロミア（ｃｈｒｏｍｉａ）、イットリア、シリカ、ハフニア（ｈａｆｎｉａ）、およびこれらの混合物から成る群より選択される酸化物を含む。
【００１５】
第三の実施態様では、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアが提供され、耐熱金属コアは、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有する。被覆は、窒化ケイ素、サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）、窒化チタン、およびこれらの混合物から成る群より選択される窒化物を含む。
【００１６】
第四の実施態様では、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアが提供され、耐熱金属コアは、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有する。被覆は、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タンタル、およびこれらの混合物から成る群より選択される炭化物を含む。
【００１７】
第五の実施態様では、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアが提供され、耐熱金属コアは、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有する。被覆は、セラミック被覆と、耐熱金属コアを形成する耐熱金属とセラミック被覆との間の少なくとも一つの層とを含む。
【００１８】
第六の実施態様では、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアが提供され、耐熱金属コアは、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有する。耐熱金属コアは、モリブデンから形成され、エッチング面を有する。エッチング面は、当業技術内で知られる任意の適切な技術を用いて形成できる。被覆は、化学蒸着されたアルミナを含む。
【００１９】
第七の実施態様では、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアが提供され、耐熱金属コアは、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する基部（ｂａｓｅ）被覆を有し、さらに、基部被覆を覆うトップコート（ｔｏｐ  ｃｏａｔ）を有する。
【００２０】
第八の実施態様では、鋳造システムに使用するための耐熱金属コアが提供され、耐熱金属コアは、シェル焼成時の耐酸化性と、鋳造時の反応／溶解に対する保護とを提供する被覆を有する。被覆は、アルミナと、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、およびジルコニアから成る群より選択される材料との交互の層を含む。
【００２１】
耐熱金属コア被覆の他の詳細、さらにはそれに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明に述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
耐熱金属コアは、鋳造部品内に入り組んだ冷却通路を作成するための、延性に基づくコアシステムである。入り組んだ金属コアは、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン、これらの合金、およびこれらの金属間化合物から成る群より選択される耐熱金属から形成される。耐熱金属コアのための好ましい材料は、モリブデンおよびその合金である。
【００２３】
耐熱金属コアの高い歩留まりに対する鍵となる構成要素の一つは、耐熱金属コアに施された強固な酸化、溶解／反応障壁被覆である。被覆は、シェル焼成時の酸化から、および、鋳造処理時の反応／溶解から耐熱金属を保護する。合金（通常、ニッケル基超合金）および条件（等軸、ＤＳ、ＳＸ）に依存して、溶融金属は、かなり長い時間（ＳＸ）、耐熱金属コアと接触し得るか、あるいは、急速（等軸）とし得る。被覆の種類／特性は、さまざまな条件に対して変わり得る（すなわち、ＳＸ鋳造物は、等軸よりかなり効果的な耐熱金属コア溶解障壁を必要とする）。
【００２４】
使用される被覆組成および被覆方法の選択は、多くの要因に基づいている。処理条件における耐熱金属と鋳造合金の両方との化学的適合性は、そのような要因の一つである。例えば、耐熱金属とのいくらかの反応は、良好な付着にとって望ましいものとなり得るが、大規模な反応は、浸出性を制限しあるいは脆化し得る。また、活性合金付加物は、より不活性な被覆を必要とする。
【００２５】
別の要因は、物理特性の一致である。例えば、耐熱金属の熱膨張率（ＣＴＥ）に近い熱膨張率を有する被覆が、処理時に不一致による亀裂発生を低減するのに望ましい。被覆の歪みコンプライアンスまたは多孔度は、考慮され得る別の物理特性である。
【００２６】
さらに別の要因は、視線でない方法（ｎｏｎ−ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ  ｐｒｏｃｅｓｓ）にとって有利である、鋳造形状部を保持するための薄くかつ均一な被覆方法の必要性である。浸出性に関しては、被覆は、基部金属の損傷なしに鋳造物から取り除くことができるのが望ましい。
【００２７】
耐熱金属コアに施す有用な被覆の一つは、混合酸化物、すなわち、ケイ酸アルミナ組成であり、ケイ酸アルミニウムは、ムライトとすることができる。そのような被覆は、耐熱金属のＣＴＥに、よりよく一致するので、有利である。被覆は、よりよい付着性のために基体のより近くにケイ素に富む層と、活性合金付加物とのよりよい適合性のためにアルミナに富む外面とを含み得る。ケイ酸ジルコニウム（ジルコン）が、使用できる別の混合酸化物である。それは、適合可能なＣＴＥを有する。混合酸化物被覆は、限定される訳ではないが、化学蒸着、電気泳動法、プラズマ溶射技術、その他を含む広範囲の被覆方法を用いて被覆できる。
【００２８】
別の有用な被覆としては、ジルコニア、イットリア、ハフニア、およびこれらの混合物などの酸化物から形成されるセラミック被覆が挙げられる。代替として、被覆としては、窒化ケイ素、サイアロン、窒化チタン、およびこれらの混合物などの窒化物を挙げることができる。なおさらには、被覆としては、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タンタル、およびこれらの混合物などの炭化物を挙げることができる。また、被覆は、二ケイ化モリブデンなどのケイ化物とすることができる。
【００２９】
耐熱金属コアに施す被覆を向上させるのに使用できる技術の一つは、モリブデン上にＣＶＤ堆積されるアルミナの機械的結合を増加させる蒸気噴射（ｖａｐｏｒ  ｈｏｎｉｎｇ）／酸エッチングおよび陽極（ａｎｏｄｉｃ）エッチングを含む。
【００３０】
一つまたは複数の中間層が、セラミック被覆の付着性を向上させること、および耐酸化性を向上させることを助けるのに使用され得る。モリブデンなどの耐熱金属とセラミックの間に一つまたは複数の層が、めっきまたは他の被覆手段によって施され得る。一つまたは複数の層は、ニッケル、白金、クロム、ケイ素、これらの合金、およびこれらの混合物を含む群から選択される金属から形成できる。代替として、一つまたは複数の層は、ＮｉＡｌ、ＭＣｒＡｌＹ、ＭｏＳｉ2などの金属間化合物から形成できる。ＴｉＣ、ＴｉＮ、およびＳｉ3Ｎ4などの炭化物および窒化物が、耐熱金属／酸化物被覆の間に、または直接、モリブデン／酸化物の間に使用され得る。
【００３１】
本発明の被覆のなおさらなる実施態様では、耐熱金属コアの耐酸化性は、基部被覆にオーバーコーティングすることにより向上させることができる。オーバーコーティングは、多層のアルミナ、クロミア、イットリア、およびこれらの混合物などのセラミックと、ニッケル、クロム、白金、これらの合金、およびこれらの混合物などの金属と、アルミナイド（ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）、ケイ化物、およびこれらの混合物などの金属間化合物とのうちの少なくとも一つとすることができる。オーバーコート（保護膜）は、めっき、化学蒸着、または他の被覆方法によって施すことができる。
【００３２】
さらに別の実施態様では、本発明の被覆は、積層（ｌａｍｉｎａｔｅ）被覆を含み得る。この被覆では、複数交互層の被覆が、付着性の向上と、ＣＴＥ不一致の低減と、より均一な構造の核生成（ｎｕｃｌｅａｔｅ）とのうちの少なくとも一つを助けるのに使用され得る。例としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ／アルミナ、およびジルコニア／アルミナが挙げられる。
【００３３】
なおさらなる実施態様では、本発明の被覆は、シェル焼成時に溶解障壁を形成する、耐酸化性のために施された熱成長被覆とすることができる。例としては、クロムめっき（ｐｌａｔｅ）からクロミア、アルミナイドからアルミナ、およびケイ化物からシリカが挙げられる。
【００３４】
多数のさまざまな方法が、本発明の被覆を耐熱金属コアに被覆するのに使用され得る。これらの方法は、電気泳動（ＥＰＤ）法、すなわち、セラミック、金属、または金属間化合物とすることができる粉末ベースの被覆を堆積させる電気化学的方法を含む。これは、化学、構造、および層において柔軟性を与える、視線でない方法である。また、ＥＰＤ法は、水性でかつ低費用とすることができる。
【００３５】
別の方法は、ゾル−ゲルを用いる、あるいは好ましくはフィルムを生成する高固形物生成被覆（ｈｉｇｈ  ｓｏｌｉｄｓ  ｙｉｅｌｄ  ｃｏａｔｉｎｇ）を用いる浸漬被覆技術である。浸漬被覆は、視線の問題を低減する。
【００３６】
物理蒸着法も使用できる。この方法は、ＥＢ−ＰＶＤ、陰極アーク、プラズマ溶射、およびスパッタリングを含む広範囲の被覆方法を含む。
【００３７】
拡散被覆技術も使用できる。拡散被覆は、アルミナイド化、ケイ化物化、クロム化、およびこれらの組み合わせなどの方法を含む。イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、その他などの酸素活性元素と白金などの貴金属が、よりよく持続する酸化物スケール（ｓｃａｌｅ）を形成するように組み込まれ得る。被覆処理の後に、酸化物スケールを形成するように制御された酸化を行うことができる。
【００３８】
酸化物被覆が、加熱サイクルを短くするように真空炉内にＤＳ／ＳＸモールドを入れる前に１０００℃までの空気炉内でのＤＳ／ＳＸモールドの予熱時に耐熱金属コア上に形成され得る。
【００３９】
本発明に従って、上述した目的、手段、および利点を十分に満足する耐熱金属コア被覆が提供されたことは明らかである。本発明は、その特定の実施態様の文脈において説明したが、他の代替例、変更例、および変形例が、上述の説明を読んだ当業者には明らかとなるであろう。従って、添付の特許請求の範囲に含まれるように、これらの代替例、変更例、および変形例を含むことが意図されている。