(57)【要約】【課題】例えばタービン等の鋳造品に複雑張出し形状を簡易に付与することができる単結晶積層方法  を提供する。【解決手段】予め形成された単結晶体本体（母材）１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１を当接し、その後、前記形状付与鋳型１０１内に溶融池１１０を加熱源１１１により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層し、その後鋳型１０１を外し、母材と同一の単結晶の張出し部１０２を有する製品本体を得る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶体本体に張出し単結晶積層部を形成する単結晶積層方法であって、
単結晶体本体に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型を当接し、その後前記形状付与鋳型内に結晶を制御しながら単結晶体本体と同一の単結晶を積層することを特徴とする単結晶積層方法。
【請求項２】
単結晶体本体に張出し単結晶積層部を形成する単結晶積層方法であって、
単結晶体本体の一部に凸部を形成し、前記単結晶体本体に形成された凸部に形状付与鋳型を当接し、その後前記形状付与鋳型内に結晶を制御しながら単結晶体本体と同一の単結晶を積層することを特徴とする単結晶積層方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記形状付与鋳型を徐々に積層させつつ結晶成長させることを特徴とする単結晶積層方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記形状付与鋳型を徐々に積層させる際、鋳型に代えて接合材を積層させつつ結晶成長させることを特徴とする単結晶積層方法。
【請求項５】
請求項１又は２において、
前記単結晶体本体に単結晶の一次積層部を形成した後、次いで一次積層部に単結晶の二次積層部を形状することを特徴とする単結晶積層方法。
【請求項６】
請求項１又は２において、
前記形状付与鋳型内の熔融池を鋳型全体に広げながら連側的に結晶積層させることを特徴とする単結晶積層方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一つにおいて、
前記形状付与鋳型を除去することを特徴とする単結晶積層方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一つの単結晶積層方法により形成されてなる単結晶積層体。
【請求項９】
単結晶体本体に張出し単結晶積層部を形成する単結晶積層装置であって、
単結晶体本体に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に設置した形状付与鋳型と、該鋳型内に溶化材を供給する材料供給手段と、供給された溶化材を加熱する加熱源とを具備してなり、鋳型内に結晶を制御しながら単結晶体本体と同一の単結晶の張出し部を積層してなることを特徴とする単結晶積層装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記形状付与鋳型が単結晶体本体に形成された凸部に嵌合してなることを特徴とする単結晶積層装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０において、
前記形状付与鋳型が移動可能であることを特徴とする単結晶積層装置。
【請求項１２】
請求項９又は１０において、
前記形状付与鋳型が積み上げ可能であることを特徴とする単結晶積層装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばタービン等の鋳造品に複雑張出し形状を簡易に付与することができる単結晶積層方法、単結晶積層体及び単結晶積層装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、航空機用ジェットエンジンのタービンの動翼や静翼に、単結晶ブレードが使用されている。単結晶鋳造に用いる合金は、結晶粒界が無いことを前提に開発されており、Ｃ、Ｂ、Ｚｒ等の結晶粒界強化元素を含んでいないので、単結晶合金中に結晶粒界が生じるとその部分が非常に弱くなり、鋳物の一部でも単結晶になっていないとブレードとして使用することができない。従って、単結晶ブレードをガスタービンの翼として用いるためには、鋳物全体を単結晶化することが必要である。
【０００３】
単結晶鋳物は、一般に一方向凝固法で製造されており、この方法は、加熱した炉の中から鋳型を下方に引出し、鋳型中の溶融金属を下端から上方に漸次凝固させる方法である（特許文献１、２）。
【０００４】
一方、発電用ガスタービンに用いる翼は、航空機用ジェットエンジンの翼に比べて非常に大きく、またシャンク部の側面に突設された、プラットホーム部やシール部など凝固進行方向に対して、横方向に大きく張り出した部分があり、鋳物全体を単結晶化することが容易でなかったので、鋳型内に結晶成長促進路を形成し、張り出し部を一体成形した後、該結晶成長促進部を除去するようにしていた（特許文献３）。
【０００５】
この方法の概略を図１６に示す。
図１６に示すように、ヒータ１０内に設けられた鋳型１１には結晶成長促進路１２が形成されており、この鋳型１１内に熔融金属を流しこみ、徐々に鋳型１１を下方に引き下げて水冷プレート１３により凝固させている。
その後、鋳型１１から製品本体１４を取り出し、張出し部であるプラットホーム部１６と製品本体１４から結晶成長促進部１７を除去するようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特公昭５１−４１８５１号公報
【特許文献２】
特公告平１−２６７９６号公報
【特許文献３】
特開平７−２４７８０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した図１６に示す方法では、鋳造の引下げ速度を低速にする必要があるとともに、製品から不要品である結晶成長促進部を除去する必要がある、という問題がある。
【０００８】
このため、図１７に示すように、張出し部２１を有する鋳型２２を用いて鋳造する場合には、張出し部２１内において、多結晶部２３が発生し、製品２４の歩留まりが悪いという問題がある。
【０００９】
また、溶接による接合や形状付与を行う場合には、結晶制御が不可能であり、単結晶積層体を形成することは困難であるという問題がある。
【００１０】
本発明は、前記問題に鑑み、簡易な方法でしかも迅速に張出し部を形成することができる単結晶積層方法、単結晶積層体及び単結晶積層装置を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する第１の発明は、単結晶体本体に張出し単結晶積層部を形成する単結晶積層方法であって、単結晶体本体に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型を当接し、その後前記形状付与鋳型内に結晶を制御しながら単結晶体本体と同一の単結晶を積層することを特徴とする単結晶積層方法にある。
【００１２】
第２の発明は、単結晶体本体に張出し単結晶積層部を形成する単結晶積層方法であって、単結晶体本体の一部に凸部を形成し、前記単結晶体本体に形成された凸部に形状付与鋳型を当接し、その後前記形状付与鋳型内に結晶を制御しながら単結晶体本体と同一の単結晶を積層することを特徴とする単結晶積層方法にある。
【００１３】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記形状付与鋳型を徐々に積層させつつ結晶成長させることを特徴とする単結晶積層方法にある。
【００１４】
第４の発明は、第３の発明において、前記形状付与鋳型を徐々に積層させる際、鋳型に代えて接合材を積層させつつ結晶成長させることを特徴とする単結晶積層方法にある。
【００１５】
第５の発明は、第１又は２の発明において、前記単結晶体本体に単結晶の一次積層部を形成した後、次いで一次積層部に単結晶の二次積層部を形状することを特徴とする単結晶積層方法にある。
【００１６】
第６の発明は、第１又は２の発明において、前記形状付与鋳型内の熔融池を鋳型全体に広げながら連側的に結晶積層させることを特徴とする単結晶積層方法にある。
【００１７】
第７の発明は、第１乃至６のいずれか一つにおいて、前記形状付与鋳型を除去することを特徴とする単結晶積層方法にある。
【００１８】
第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの単結晶積層方法により形成されてなる単結晶積層体にある。
【００１９】
第９の発明は、単結晶体本体に張出し単結晶積層部を形成する単結晶積層装置であって、単結晶体本体に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に設置した形状付与鋳型と、該鋳型内に溶化材を供給する材料供給手段と、供給された溶化材を加熱する加熱源とを具備してなり、鋳型内に結晶を制御しながら単結晶体本体と同一の単結晶の張出し部を積層してなることを特徴とする単結晶積層装置にある。
【００２０】
第１０の発明は、第９の発明において、前記形状付与鋳型が単結晶体本体に形成された凸部に嵌合してなることを特徴とする単結晶積層装置にある。
【００２１】
第１１の発明は、第９又は１０の発明において、前記形状付与鋳型が移動可能であることを特徴とする単結晶積層装置にある。
【００２２】
第１２の発明は、第９又は１０の発明において、前記形状付与鋳型が積み上げ可能であることを特徴とする単結晶積層装置にある。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２４】
図１を参照して本発明にかかる単結晶積層方法について説明する。
本発明にかかる単結晶積層方法は、図１に示すように、単結晶体本体に張出し単結晶積層部を形成する単結晶積層方法であって、予め単結晶体本体を結晶積層して単結晶体本体１００を製造しておき、次いで単結晶体本体１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１を当接し、その後、前記形状付与鋳型１０１内に結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層するものである。その後鋳型１０１を外し、張出し部１０２を有する製品本体を取り出すようにしている。
【００２５】
本実施の形態にかかる単結晶積層装置は、図２に示すように、単結晶体本体１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に設置した形状付与鋳型１０１と、該鋳型１０１内に溶化材を供給する材料供給手段である溶化材ガイド１１２と、供給された溶化材を加熱する加熱源１１１とを具備してなり、鋳型１０１内に結晶を制御しながら単結晶体本体と同一の単結晶の張出し部１０２を積層してなるものである。
【００２６】
ここで、単結晶体本体１００は通常に製造された単結晶物又は一方向凝固物である。
また、鋳型１０１は例えばセラミック材であり、液体金属と濡れ性の良好なものが好ましい。濡れ性が良好な材質を選定することで、鋳型面からの別の結晶の発生を防止することができる。
【００２７】
また、鋳型をセラミック材とすることで、張出し部１０２を積層した後、破壊することが容易である。
【００２８】
結晶を制御しながら積層させる方法は、例えばレーザ等の加熱手段により、結晶を制御して積層する公知の方法を用いることができる。
また、溶化材は粉末、ワイヤ等の公知の材料を用いることができる。
また、製品本体と同一の単結晶を積層させる解析手段としては例えば特開２００３−３３８６４号公報等に掲載されている公知の解析手段を用いることができる。
【００２９】
本発明を用いて製造する対象物は鋳造物に所望の張出し形状を付与する場合であれば、いずれの場合にも適用することができ、例えば図１５に示すようなタービンの動翼２００のプラットホーム部２０１、タービンの静翼２１０のシュラウド部２１１等の張出し部を母材と同一の単結晶で形成することができる。
【００３０】
以下、本発明にかかる種々の実施の形態について説明するが、製品本体１００の全体部分は一部省略し、張出し部の積層個所の図面に基づき内容を説明する。
【００３１】
［第１の実施の形態］
図２は本発明にかかる第１の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
そして、図２に示すように、従来と同様に予め鋳造法により形成された単結晶体本体（母材）１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１を当接し、その後、前記形状付与鋳型１０１内に溶融池１１０を加熱源１１１により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層するものである。その後鋳型１０１を外し、母材と同一の単結晶の張出し部１０２を有する製品本体を取り出すようにしている。
【００３２】
これにより、簡易な方法でしかも迅速に母材と同一の単結晶からなる張出し部を形成することができる。また、従来においては、結晶成長促進路に単結晶を成長させるので、その引下げ速度を遅くしていたが、本実施の形態では、引下げ速度を速くすることができるので、製造効率の向上を図ることができる。
【００３３】
図３（ａ）は、本実施の形態の変形例であり、鋳型１０１の開口部を上方にいくにつれて広げるようにしたものである。これにより、一部及び全周をテーパ状に積層させることもできる。また、鋳型は複数の形状の異なるものを徐々に積層させることで、張出し部の形状の自由度が向上する。
【００３４】
また、図２に示す実施の形態においては、単結晶体本体１００と張出し部１０２の積層方向が直行する方向としていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図３（ｂ）に示すように、単結晶体本体１００と張出し部１０２の積層方向が異なるようにしてもよい。これにより、積層方向の自由度が向上し、種々の張出し部を形成することができる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
図４は本発明にかかる第２の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
図４に示すように、単結晶体本体（母材）１００に凸部１００ａを一体に形成したものを予め用意する。該凸部１００ａは張出し部１０２の基礎となる部分である。次いで、該単結晶体本体１００の凸部１００ａに形状付与鋳型１０１を嵌合し、その後、前記形状付与鋳型１０１内に溶融池１１０を加熱源１１１により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層するものである。
なお、上記凸部１００ａの高さは単一結晶の歩留まりが良好な高さとすればよく、凸部の大きさ又は形状により適宜設定されるが、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは１〜２ｍｍとするのがよい。
【００３６】
これにより、図４中、符号Ｘで囲んだ部分における他の結晶の発生を防止できる。これにより、簡易な方法でしかも迅速に母材と同一の単結晶からなる張出し部を形成することができる。
【００３７】
［第３の実施の形態］
図５本発明にかかる第３の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
図５に示すように、予め形成された単結晶体本体（母材）１００を用意し、該単結晶体本体１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１―１を当接し、その後、形状付与鋳型１０１−１内に溶融池１１０を加熱源１１１により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層する。この際、鋳型１０１−１、１０１−２、１０３−１・・・と複数鋳型を用いて徐々に積層高さを高くしている。
このように、鋳型を積層高さに応じて、溶融池１１０が鋳型高さよりも高くならない程度に適宜積み上げながら、積層するので、溶加材供給ガイド１１２と鋳型との干渉を防ぐことができる。
【００３８】
また両者の干渉が少なくなるので、図６に示すような斜めに鋳型を積層させつつ傾斜した張り出し部１０２を積層することが容易となる。また、鋳型が個別となっているので、鋳型への熱の逃げを抑え、結晶制御を容易することができ、より安定した単結晶積層が可能となる。
また、鋳型を複数積層するので、加熱源からの距離は常に一定とすることができ、また積層段数を増やすことで積層高さを任意とすることができる。
【００３９】
［第４の実施の形態］
図７は本発明にかかる第４の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
図７に示すように、予め形成された単結晶体本体（母材）１００を用意し、該単結晶体本体１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１―１を当接し、その後、形状付与鋳型１０１−１内に溶融池１１０を加熱源１１１により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層する。その後、該鋳型１０１−１を上方（積層方向）に移動させ、次の単結晶積層を行うようにしている。
【００４０】
このように、鋳型を徐々に移動させるので、第３の実施の形態と同様に溶加材ガイド１１２と鋳型の干渉を防ぐことができる。また、鋳型への熱の逃げを抑え、結晶制御を容易にすることができる。また、鋳型の移動に伴い、鋳型の下側を冷却することができ、熱が逃げるので、結晶制御が容易となる。
【００４１】
［第５の実施の形態］
図８本発明にかかる第５の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
図８に示すように、予め形成された単結晶体本体（母材）１００を用意し、該単結晶体本体１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１―１を当接し、その後、形状付与鋳型１０１−１内に溶融池１１０を加熱源１１１により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層する。その後、該鋳型１０１−１を上方（積層方向）に接合材１２０を載置させ、次の単結晶積層を行うようにしている。この接合材１２０を鋳型の代わりに設置することで、張出し部１０２にさらに、別の形状の接合材を接合することができる。なお、この接合材は母材と同一の単結晶である。
このように、鋳型の代わりに接合材を用いることで、凹凸のある形状を積層することができる。
【００４２】
［第６の実施の形態］
図９は本発明にかかる第６の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
図９に示すように、予め形成された単結晶体本体（母材）１００を用意し、該単結晶体本体１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１を当接するとともに、鋳型１０１の内部にさらに鋳型１０１ａを配置させている。その後、形状付与鋳型１０１、１０１ａ、１０１内に溶融池１１０を加熱源１１１により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層する。
このように、鋳型１０１の内部にさらに鋳型１０１ａを設置することにより、溝、ネジ穴等の凹部を形成することができる。
【００４３】
［第７の実施の形態］
図１０は本発明にかかる第７の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
図１０に示すように、先ず、第１の実施の形態等の方法により、単結晶体本体（母材）１００に対し、一次の張出し部１０２を形成する。その後一次の張出し部１０２の単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１を当接する。その後、形状付与鋳型１０１内に溶融池１１０を加熱源１１１により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００及び一次張出し部１０２−１と同一の単結晶を積層させ、二次張出し部１０２−２を形成する。
このように、一次張出し部１０２−１にさらに二次張出し部１０２−２を形成することで、三次元の複雑な形状を容易に形成することができる。
【００４４】
［第８の実施の形態］
図１１は本発明にかかる第８の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
図１１に示すように、予め形成された単結晶体本体（母材）１００を用意し、該単結晶体本体１００に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型１０１を当接し、その後、前記形状付与鋳型１０１内に溶融池１１０を加熱源１１１により鋳型１０１の全面に亙って形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層するものである。全面に溶融池１１０を広げるには例えばマルチビームによる加熱源１１１を用いるようにしている。
【００４５】
これにより、積層速度の向上を図ることができる。
【００４６】
［第９の実施の形態］
図１２は本発明にかかる第９の実施の形態の単結晶積層方法を実施する概略図である。
図１２に示すように、第１の実施の形態と同様に操作して、鋳型内には単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層させる。通常はその後鋳型１０１を外しているが、本実施の形態ではこの鋳型を残し、複合材（例えば表面改質材）としている。
【００４７】
これにより、機械的密着性に優れた強度の高い複合材を得ることができる。
【００４８】
なお、一体化による強度を向上させるために、鋳型１０１の内部に細かな凹凸を形成するようにしてもよい。
【００４９】
［第１０の実施の形態］
図１３は本実施の形態の単結晶積層方法の全体を実施する概略図である。
先ず、図１３に示すように、従来と同様に、（ａ）溶解・鋳造を行い（図１３（ａ）参照）、（ｂ）結晶制御凝固をし（図１３（ｂ）参照）、（ｃ）型をばらし（図１３（ｃ）参照）、（ｄ）その後、不要品を除去して単結晶体本体１００を得ている（図１３（ｄ）参照）。そして、上述した第２の実施の形態と同様に、凸部１００ａに形状付与鋳型１０１を嵌合・当接し、その後、前記形状付与鋳型１０１内に溶融池１１０を加熱源１１１であるレーザ加熱により出力をコントロールしつつ結晶を制御しながら単結晶体本体１００と同一の単結晶を積層凝固するものである。その後鋳型１０１を外し、母材と同一の単結晶の張出し部１０２を有する製品本体を取り出すようにしている。
【００５０】
［第１１の実施の形態］
図１４は本発明にかかる第１１の実施の形態の単結晶積層方法を実施する装置の概略図である。
図１４に示すように、本実施の形態にかかる積層装置は、クランプ３００を有する姿勢制御装置３０１と、クランプ３００に把持された翼２１０のシュラウド２１１に設けられた鋳型１０１を加熱する加熱源である加熱ヘッド３０２と溶化材を供給する材料供給装置３０３とを備えたマニュピュレータ３０４と、これらを集中制御する制御装置３０５とから構成されている。
【００５１】
そして、この装置を用い、制御装置３０５及びマニュピュレータ３０４の操作により、鋳型１０１内に同一の単結晶を積層させ、張出し部を形成するようにしている。
なお、制御方法は集中制御方式のほかに、ここの装置を個別に制御するようにしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、予め形成された単結晶体本体（母材）に対し、張出し単結晶積層部を形成させる場所に形状付与鋳型を当接し、その後、前記形状付与鋳型内に溶融池を加熱源により形成しつつ結晶を制御しながら単結晶体本体と同一の単結晶を積層するので、簡易・迅速に母材と同一の単結晶からなる張出し部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単結晶積層方法の概略図である。
【図２】第１の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図３】第１の実施の形態にかかる他の単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図４】第２の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図５】第３の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図６】第３の実施の形態にかかる他の単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図７】第４の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図８】第５の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図９】第６の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図１０】第７の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図１１】第８の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図１２】第９の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図１３】第１０の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する工程図である。
【図１４】第１１の実施の形態にかかる単結晶積層方法を実施する概略図である。
【図１５】タービンの動翼と静翼の斜視図である。
【図１６】従来の単結晶積層方法を実施する工程図である。
【図１７】従来の単結晶積層方法を実施する概略図である。
【符号の説明】
１００  単結晶体本体（母材）
１０１  形状付与鋳型
１１０  溶融池
１１１  加熱源
１１２  溶融材供給ガイド
２００  動翼
２１０  静翼
【図１】
2005021923.tif 000003
【図２】
2005021923.tif 000004
【図３】
2005021923.tif 000005
【図４】
2005021923.tif 000006
【図５】
2005021923.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005021923.tif 000009
【図８】
2005021923.tif 000010
【図９】
2005021923.tif 000011
【図１０】
2005021923.tif 000012
【図１１】
2005021923.tif 000013
【図１２】
2005021923.tif 000014
【図１３】
2005021923.tif 000015
【図１４】
2005021923.tif 000016
【図１５】
2005021923.tif 000017
【図１６】
2005021923.tif 000018
【図１７】
2005021923.tif 000019