(57)【要約】【課題】  イットリア基中子の除去が比較的迅速でしかも鋳造品の品質に悪影響を与えずに中子を除去できるニオブ基部品の製造システム及び方法の提供。【解決手段】  ニオブ基部品（５０）からイットリア基中子（７８）を除去するに当たり、イットリア基中子（７８）を、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸、硫酸及び酢酸からなる群から選択される１種以上の酸を含む組成物の有効量に接触させる。イットリア基中子材料（７８）は、部品（５０）の性質又は表面に悪影響を与えずに、ニオブ基部品（５０）から迅速に除去される。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ基部品（５０）からイットリア基中子（７８）を除去する方法であって、
イットリア基中子（７８）を、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸、硫酸及び酢酸からなる群から選択される１種以上の酸を含む組成物の有効量に接触させる段階を含んでなる方法。
【請求項２】
さらに、前記組成物をイットリア基中子（７８）を溶解するのに有効な温度に加熱する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記温度が選択した圧力での酸組成物の沸点である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
さらに、酸を含む組成物とイットリア基中子（７８）との界面を攪拌する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
ニオブ基部品（５０）がケイ化ニオブ材料からなる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
イットリア基中子（７８）が、イットリア並びにイットリアとマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、ニオブ、ケイ素、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、ランタニド系列の希土類金属及びこれらの組合せの１種以上の酸化物との混合物からなる群から選択される材料からなる、請求項１記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記組成物の温度を約５０℃と組成物の沸点付近との間に維持する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
イットリア基中子（７８）を、濃度約５〜約９１％の硝酸、濃度約２〜約３７％の塩酸（ＨＣｌ）、濃度約５０〜約８５％のリン酸、濃度約５〜約３０％の硫酸、及び濃度約３０〜約９０％の酢酸の１種以上で溶解する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記ニオブ基部品（５０）がタービン構成部品である、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
さらに、約５０〜約１００％の密度を有するようにイットリア基中子（７８）を形成する段階を含む、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にタービン部品に関し、さらに具体的には、内部に鋳造形成された通路を有する鋳造部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンの運転に付随する苛酷な環境のため、タービンエンジンの部品はタービンエンジンの運転中に生じる流体速度、温度及び応力に耐え得る材料からなるものでなければならない。タービン部品、特にブレードは、耐酸化性、中間温度粉状化耐性、破壊靭性、耐疲労性及び耐衝撃性に関する最低条件を満足するように構築しなければならない。自明であろうが、これらは選択した材料からなる部品の運転性能を決定するために検討される多くの設計上の考慮事項のほんの一部にすぎない。さらに、タービンエンジンの組立てに関する精密性のため、鋳造性能、製造可能性及び機械加工性も部品材料の選択において重要な考慮事項である。
【０００３】
タービンの作動温度がタービンの作動効率の一側面であることはよく理解されている。最新のタービンエンジン設計では、エンジン性能の向上を達成するため、高温化の一途をたどる作動温度に耐え得る材料で形成された部品が必要とされている。高融点金属の金属間化合物インサイチュ複合材料（例えば、ニオブ基及びモリブデン基ケイ化物）は、有用な範囲の機械的性質（例えば、低温靭性並びに高温強度及び耐クリープ性）を有している。自明であろうが、これらの合金はタービン部品の増大し続ける材料要件、機械的要件及び熱的要件を満たすことが判明している耐火性金属のわずか２例にすぎない。
【０００４】
タービン運転に伴う高い温度及び圧力に加えて、タービンは一般に比較的複雑な形状の複数の部品を備える。例えば、タービンは概して各々翼形断面を有する複数の鋳造ブレード、フィン及び／又はベーンを含むことが多い。タービンの運転に伴う温度のため、これらの部品は通常は鋳造によって部品内部に一体に形成された冷却通路を備えていることが多い。一体冷却通路を有する部品を鋳造するには、部品の鋳造時に通路が形成されるように鋳型及び中子を用意する必要がある。鋳型から部品を取り出した後、中子材料を冷却通路から除去しなければならない。鋳造部品からの中子材料の除去に際しては、幾つかの考慮事項を検討しなければならない。
【０００５】
鋳造部品からの中子材料の除去法では、鋳造部品を苛性アルカリ浴に付すことが多い。即ち、部品がニッケル基及び／又は他の「超合金」材料からなる場合、かかる部品の鋳造に用いられる中子は、アルミナ、ジルコン及び／又はシリカを始めとするセラミック系材料から形成されることが多い。これらの中子材料は、鋳造プロセスに際して部品の材料と実質的に反応せず、形成される部品の品質に悪影響を及ぼさない。鋳造部品の材料が凝固して冷えた後、部品から中子を除去するため中子を化学的に溶解して部品の通路から排出する。
【０００６】
中子の化学的除去に要する時間は、プロセス効率に多大な影響を与える。これらの中子を酸性溶液で除去するのに要する時間は長すぎて動的加工処理環境では実現不可能であることが多い。さらに、ある種の酸性溶液で中子を除去すると、部品の品質が悪影響を受けかねないことも判明している。ニッケル基及び／又は他の超合金製の部品の品質に悪影響を与えずにセラミック系中子材料を溶解するには、苛性アルカリ溶液（特にＫＯＨ及びＮａＯＨ）が特に有効であることが判明している。
【０００７】
高融点金属の金属間化合物インサイチュ複合材料（例えば、ニオブ基及びモリブデン基ケイ化物）から鋳造した部品は、耐酸化性、中間温度粉状化耐性、破壊靭性、耐疲労性及び耐衝撃性に関して望ましい特性を有することが判明している。したがって、かかる材料で部品を製造すると、これらの部品を備えた装置の作動可能域が増す。しかし、ニッケル基その他の超合金部品の鋳造に使用できるシリカ、アルミナ及び／又はジルコン製のセラミック系中子は鋳造プロセスに際してこれらのニオブ基材料と反応して鋳造部品の品質に悪影響を及ぼす。そのため、ニオブ基部品を鋳造する場合には、シリカ、アルミナ及び／又はシリカのセラミック系中子材料以外の中子材料を使用しなければならない。さらに、中子材料の除去は部品の経済的な生産が可能となるように迅速でなければならず、しかも鋳造部品の性質に悪影響を与えずに達成されなければならない。
【特許文献１】米国特許第４０８２５６６号明細書
【特許文献２】米国特許第４１４１７８１号明細書
【特許文献３】米国特許第５３３２０２３号明細書
【特許文献４】米国特許第６６７６３８１号明細書
【非特許文献１】ＧＥＳＳＮＥＲ  Ｇ．ＨＡＷＬＥＹ，ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  ｏｆ  “ａｚｅｏｔｒｏｐｉｃ  ｍｉｘｔｕｒｅ（ａｚｅｏｔｒｏｐｅ）”  ａｎｄ  “ｃｏｎｓｔａｎｔ−ｂｏｉｌｉｎｇ  ｍｉｘｔｕｒｅ”，Ｔｈｅ  Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ，Ｎｉｎｔｈ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９７７，ｐｇ．２２５，Ｌｉｔｔｏｎ  Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，Ｉｎｃ．
【非特許文献２】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｅｍｂａｒ．ｃｏｍ／ｎｉｏｂｉｕｍ．ｈｔｍ，ＲＥＭＢＡＲ  Ｎｉｏｂｉｕｍ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｉｎｆｏ，ｐｐ．１−７．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、中子の除去が比較的迅速でしかも部品の品質に悪影響を与えずに中子を除去することができるニオブ基材料部品の製造システム及び方法を設計できれば望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ニオブ基材料から部品を製造するシステム及び方法であって、上述の問題を解決するシステム及び方法を提供する。かかるシステム及び方法は、酢酸、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸、硫酸及び／又はこれらの任意の組合せを用いてニオブ基部品からイットリア基中子を除去することを含む。イットリア基中子材料はニオブ基部品から迅速に除去され、中子の除去プロセスは部品の品質に悪影響を及ぼさない。
【００１０】
本発明の一態様では、ニオブ基部品からイットリア基中子を除去する方法について開示する。かかる方法は、イットリア基中子を、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸、硫酸及び酢酸からなる群から選択される１種以上の酸を含む有効量の組成物と接触させる段階を含む。
【００１１】
本発明の別の態様は、部品の鋳造方法を包含する。部品の鋳造方法は、鋳型の内部にイットリア基中子を配置する段階と、溶融ニオブ基合金を鋳型内に導入して部品を鋳造する段階と、酢酸、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸及び硫酸からなる群から選択される１種以上の酸でイットリア基中子を溶解する段階とを含む。
【００１２】
本発明のさらに別の態様は、タービンブレードの形成方法を包含する。タービンブレードの形成方法は、ニオブ基材料を鋳型内に注入することによって、イットリア基材料からなる中子で画成される１以上の通路を有するブレードを鋳造する段階と、中子を、酢酸、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸及び硫酸からなる群から選択される１種以上の酸を含む酸と接触させることによってブレードから中子を除去する段階とを含む。
【００１３】
本発明のその他様々な特徴、目的及び利点は、以下の詳しい説明及び図面から明らかとなろう。図面は、現時点で想定される本発明の好ましい実施の形態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明によって鋳造した複数の部品を有するタービンエンジン又はタービン１０の例を示す。タービン１０は吸気端１４及び排気端１６を備える。ハウジング又はシュラウド１８がタービン１０の外側２０の周囲に配設され、それらの間にシュラウド冷却通路２１が形成される。矢印２２で示す空気の流れが吸気端１４からタービン１０に入り、第一圧縮機段又はファン２４を通過する。ファン２４は、ハブ２８の周囲に半径方向に配設された複数のブレード２６を備える。空気の流れ２２がファン２４を通過すると、空気の流れ２２の第一の部分３０は圧縮機３２へと案内され、空気の流れ２２の第二の部分（バイパス流３４ともいう。）は多孔板３６及びシュラウド通路２１を通して案内され、タービン１０の残りの作動用構成部品をバイパスする。
【００１５】
圧縮機３２は、交互に並んだステーターハブ４０及びローターハブ４２に据付けられた複数のフィン又はブレード３８を備える。タービン１０の運転中、各ローターハブ４２に据付けられたブレード３８は、隣接ステーターハブ４０のブレード３８のそばを回転する。ブレード３８の配置、隣接ハブに対する個々のハブの回転速度及びブレードの形状は、空気の流れ３０の圧力及び速度の増大が所望の値となるように選択される。この具体的なハブ構成／配置は例示的なものにすぎず、その他のハブ構成も想定され、本発明の技術的範囲に属する。
【００１６】
圧縮機３２から排出される高度に加圧され速度の増加した空気の流れ３０は、次いで燃焼器４４へと案内される。燃焼器４４は空気流３０に好ましくは高度に霧化された燃料を導入する。次いで、空気流３０はタービンエンジン１０のタービン段４６へと導かれる。タービン段４６は複数のハブ４８を備えていて、各ハブ４８は複数のベーン又はブレード５０を備える。空気流３０が各ハブ４８の隣接ブレード５０間を通過する際に、空気流３０の圧力及び速度の一部は各ハブ４８の回転に利用される。図示した航空機エンジンでは、１以上のハブ４８が同心軸を介して連結され、圧縮機３２のファン２４及びローターハブ４２を駆動する。タービン１０のタービン段４６から排出される空気流３０は、ファン２４で発生した空気流３４の推力を高め、排気端１６の周囲に設けられたノズル５２を通してタービン１０から排出される。
【００１７】
当業者には明らかであろうが、タービンの構成部品はタービンの所期の用途に応じて大きく変わる。即ち、航空機用タービンエンジンは、水力発電、地熱発電その他の用途に特有のタービンエンジン／発電機とは異なる構成の構成部品及び部品を有することがある。具体的には、タービンの構造は一般に、タービンを通過する流体、タービンの作動環境、及びタービンの所期の用途に合わせてあつらえられる。例えば、発電用のタービンは、圧縮機のローターの回転に利用される一組のハブを有するタービン段と、事業用発電機の駆動に利用される別の組のハブとを備えていることがある。タービンの所期の用途にかかわらず、タービンの各ブレードはタービン作動に付随する運動、圧力及び温度に耐えるように構成しなければならない。本明細書で用いるタービン部品又は構成部品という用語には、特に限定されないが、バケット、ノズル、ブレード、ローター、ベーン、ステーター、シュラウド、燃焼器及びブリスクを始めとするタービンのあらゆる構成部品が包含される。
【００１８】
図２は、タービン１０から取り外したブレード５０を示す。ブレード５０は、ニオブ基材料から鋳造した本体５２を含む。好ましくは、ブレード５０はケイ化ニオブ基複合材から鋳造される。ニオブ基複合材は、低温靭性、高温強度及び耐クリープ性に関して、タービンブレードの製造に望ましい性質を示す。さらに、ニオブ基材料でブレード５０を製造すると、鉄基、ニッケル基、チタン基その他の「超合金」材料から製造したブレードよりも高温でブレードを作動させることができる。ニオブ基材料でブレード５０を製造すると他の材料からなるブレードよりも高温でブレードを作動させることができるが、ブレードの内部冷却によって作動温度をさらに高めることができる。
【００１９】
ブレード５０の本体５２はその内部に一体に鋳造された通路５４を備える。通路５４は、矢印５９で示す流れがブレード５０の本体５２内部を通過できるように入口５６と出口５８とを備える。自明であろうが、通路５４の配置並びに入口５６と出口５８の相対的位置は例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。図３を参照してさらに詳しく説明する通り、通路５４は、鋳型のキャビティ内に中子を配置し、鋳型内で中子の周囲にブレード５０を鋳造することによってブレード５０の鋳造時に形成される。
【００２０】
通路５４によって、タービン１０のブレード５０の本体５２内部に流れ５９が流入して通過できるようになる。流れ５９はタービン１０の作動に伴う熱をブレード５０から除去し、内部に通路をもたないが同じ形状及び同じ材料からなるブレードよりもブレード５０の耐用作動温度を高めることができる。ブレード５０で達成できるタービン作動温度の向上は、ブレード５０を備えるエンジンの作動効率を高める。つまり、タービン１０の効率はその作動温度に直接関係する。したがって、ブレード５０はタービン作動温度を高めてタービン１０の作動効率を向上させる。
【００２１】
ブレード５０からはシャンク部６４が延びている。シャンク６４は、図１に示すように、ブレード５０をハブ４８に迅速かつしっかりと据付けることができるように構成される。図２に示すように、シャンク６４は、タービン１０のハブにシャンク６４を滑合させることができる幾何学的断面６６を有していて、タービン１０の運転に伴う回転力に耐えるようにブレード５０をハブにしっかりと据付ける。ブレード５０は、ニオブ基合金の材料特性と略同様又は同一の低温靭性、高温強度及び耐クリープ性を有する溶湯を鋳型内に注入することによって形成される。
【００２２】
図３に示すように、鋳型６８は、内部に形成されたキャビティ７０を有する本体からなる。キャビティ７０は、ブレード５０の形状と実質的に一致又はその正味形状に近い形状７２を有する。キャビティ７０の内部には中子７８が延びており、鋳造プロセスの際に部品のニオブ基材料で包み込まれる。中子はイットリア基材料で形成される。なお、イットリア基材料は純イットリア材料であってもよいし、或いはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、ニオブ、ケイ素、ハフニウム、チタン、ジルコニウム、ランタニド系列の希土類金属、及び／又はこれらの組合せからなる酸化物を含んだイットリア材料であってもよく、本発明の技術的範囲に属することは明らかであろう。少なくとも、イットリア基中子の組成は、鋳造プロセスの際に中子が部品のニオブ基材料と非反応性であるように選択される。
【００２３】
中子材料７８は、鋳造プロセスに伴う温度に耐え、しかも所望の中子形状に形成できるように選択される。中子材料７８はさらに、中子の除去に用いられる手段による鋳造部品への支障が最小限又は無視できる程度に鋳造部品から除去できるように選択される。即ち、イットリア基材料は、図５及び図６を参照してさらに詳しく説明する通り、中子を有効量の酸に付すことによって部品から除去される。今回、イットリア基材料は、酢酸、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸、硫酸又はこれらの組合せのいずれかによって、ニオブ基部品の品質に悪影響を与えずに容易に溶解できることが判明した。自明であろうが、ニオブ基部品からイットリア基中子材料を除去するに当たっては、選択した酸とイットリア基中子との反応速度、選択した酸の濃度、プロセスの実施温度及び圧力、並びに酸と部品との反応を始めとする幾つかの考慮事項を検討しなければならない。換言すれば、酸は単にイットリア基中子を十分に溶解するというだけでは選択できず、製造すべき部品に悪影響を与えないものでなければならない。好ましくは、酸はイットリア基材料との反応性並びに部品の材料との比較的非反応性に基づいて選択される。
【００２４】
また、ある酸は他の酸よりも市販品の入手が容易である。自明であろうが、かかる考慮事項は、所望の結果を与える一群の酸からの酸の選択と関連する。例えば、硝酸は一般に濃度９１％以下で市販されており、濃度約５〜約９１％で満足すべき性能を示す。なお、本明細書に記載の酸の濃度は酸の重量％濃度をいう。
【００２５】
好ましくは、中子材料の除去に硝酸を使用する場合、その濃度は約２０〜７０％に維持される。さらに硝酸は、約１２０．５℃に保つと硝酸と水との酸溶液が６８％の濃度に落ち着くという共沸性を有している。硝酸溶液の共沸性によって、溶液の濃度を溶液の沸騰（及び蒸発）時にも比較的一定に保つことができる。自明であろうが、選択した各々の酸は所望の濃度を有するが、それは必ずしも他の利用可能な酸と同じでない。塩酸は約２〜３７％濃度で十分な性能を示し、好ましくは約１０〜約２０％濃度に維持される。リン酸は約５０〜約８５％で十分な性能を示し、好ましくは約６５〜約７０％濃度に維持される。硫酸は約５〜約３０％で十分な性能を示し、好ましくは約１０〜約２０％濃度に維持される。酢酸は約３０〜約９０％で十分な性能を示す。自明であろうが、これらの範囲は例示にすぎず、系の他の変数を操作すれば、明示した濃度範囲を超える濃度の酸で有益な結果を得ることもできよう。さらに、硝酸／リン酸のような酸混合物の酸濃度は、部品の材料に悪影響を与えずに酸混合物が中子材料を十分に溶解する範囲に調整されることも明らかであろう。自明であろうが、中子除去プロセスにおける濃度、圧力及び温度は選択した酸に合わせて調整する必要があろう。
【００２６】
図３を参照すると、鋳造プロセスに際して、溶融ニオブ基鋳造材料をキャビティ７０内に導入すると、鋳造材料は中子７８全体を包み込む。鋳型本体６９を鋳造部品から取り除くと、中子７８はキャビティ７０と鋳型６９との界面７６で示される鋳造品の外面よりも概して内部に位置するので、中子７８は鋳造部品内に残る。かかる鋳造プロセスでは、鋳造部品の内面は鋳造部品の材料とは異なる材料にすることができる。鋳造部品から中子７８を除去すると、図２に示すような通路５４が鋳造部品を貫通して形成される。中子７８は鋳造部品を貫通した通路を形成するように構成されているが、中子部材を完全に鋳造部品の内部に設けることや、鋳造部品に設けられる開口を１箇所にするなど、その他の中子形状及び配置も想定され、本発明の技術的範囲に属する。
【００２７】
図４に示すように、図３に示す鋳型６８と同様の鋳型から鋳造ブレード５０を取り出した。ブレード５０の形状８２は、断面で示してあるが、鋳型６８のキャビティ７０の形状７２と実質的に一致する。図３に示す中子７８をブレード５０から除去すると、ブレード５０内に形成された通路５４が開通する。通路５４は、ブレード５０の本体５２内部の冷却通路を与える。流れ５９は入口５６から通路５４に入り、概して蛇行しながらブレード５０内を通過し、ブレード５０を冷却して作動時の熱を取り除く。自明であろうが、ブレードの作動時にブレード５０の表面冷却が行えるように、ブレード５０内に表面通路を形成して通路５４と流体連通してもよい。
【００２８】
中子７８は、その形状を問わず、ブレード５０の中子７８を酸に付すことによってブレード５０から除去される。酸は、酸と部品のニオブ基材料とが最小限又は無視できる程度にしか反応せず、酸が中子のイットリア基材料を容易に溶解又は反応できるように選択される。自明であろうが、数種類の酸が想定され、本発明の技術的範囲に属する。好ましくは、中子除去物質／溶液は、中子のイットリア基材料との反応性は非常に高いが、ブレードのケイ化ニオブ基材料とは実質的に反応しない。かかる関係によって、ブレード５０からの中子７８の除去の際に鋳造部品の所望の品質及び製造効率を維持することができる。
【００２９】
また、酸処理プロセスの条件が所望部品の製造に合わせて調整されることは自明であり、本発明の技術的範囲に属する。即ち、酸の温度は概して約５０〜約１２０℃の範囲内の温度に維持される。好ましくは、上限温度は概して選択した酸の沸点で定義される。当業者には明らかであろうが、沸点は定沸点で表されることもあり、硝酸や塩酸のように水と共沸混合物を形成する酸もある。共沸混合物は組成を変えずに沸騰する。各々の酸及び／又は酸の組合せは特有の沸点を有するので、使用する特定の酸及び／又は酸の組合せについて上限温度を選択できる。自明であろうが、プロセスの作業圧力を操作すると酸の沸点に影響を与えるので、オートクレーブなどの装置の使用によって作業温度をさらに高くすることができる。オートクレーブを使用すると、１２０℃よりも高い温度を達成できるが、これも本発明の技術的範囲に属する。さらに、酸と中子材料との界面を攪拌してそれらの相互作用を操作してもよいが、必須ではない。かかる攪拌としては、攪拌作用を生じるように部品及び／又は酸を物理的に操作すること、酸と中子との界面の音波攪拌、間欠的な沸騰攪拌をもたらすように温度操作すること、或いはプロセスの間欠的な沸騰攪拌をもたらすようにオートクレーブの圧力調節などによって圧力を操作することが挙げられる。自明であろうが、かかる攪拌は中子と酸との相互作用を促進するが、それらの望ましい反応を担保する上で必須ではない。さらに、溶解及び／又は緩んだ中子材料又は残渣を、水洗、ガス吹込みなどの技術で除去できることも明らかであろう。
【００３０】
硝酸溶液はブレードのニオブ基材料に実質的影響を与えずに約２４時間後に中子のイットリア基材料を溶解することが判明した。自明であろうが、酸の温度、圧力及び濃度並びに中子及び／又は鋳造部品の酸暴露時間は、中子の除去速度及び鋳造部品に対する酸の作用の両方に影響する。ニオブ基合金の材料特性と概ね同様の低温靭性、高温強度及び耐クリープ性を有する材料で鋳造した部品に関しては、酢酸、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸、硫酸及び／又はこれらの組合せのような酸がイットリア基中子材料を十分に除去し、鋳造部品に対する影響は最小限又は無視できる程度であることが判明した。
【００３１】
自明であろうが、イットリア基中子を除去するための酸の選択に際しては、ニオブ基部品材料の具体的組成、ニオブ基材料と酸との相互作用の許容レベル、部品の酸暴露温度及び時間、酸及び／又はその成分の入手性及びコスト、イットリア基中子材料の具体的組成、並びに中子の密度を始めとする幾つかのパラメーターを考慮する必要がある。自明であろうが、これらは実施可能な中子材料除去プロセスを実現するために検討しなければならない多くの考慮事項のほんの一部にすぎない。
【００３２】
図５及び図６は、複数の酸についてそれぞれイットリア基中子材料及びニオブ基部品材料の溶解性を対比したグラフである。図５に示すように、２０％塩酸（ＨＣｌ）は９５℃で２時間後に密度６９％のイットリア基中子を完全にとはいえなくてもほぼ完全に溶解する。密度６９％のイットリア基中子材料の除去に塩酸を使用する場合、鋳造部品の材料に対する酸の作用を最小限に抑えるため、濃度を２０ｗｔ％未満、好ましくは１〜１０ｗｔ％に保つのが好ましい。対照的に、２０％及び７０％リン酸並びに５０％硫酸は、同じパラメーターに保つとイットリア基中子の除去をほとんど示さなかった。即ち、図５は複数の酸を用いてイットリア基中子の除去を達成できることをグラフで示す。
【００３３】
一方、図６は部品のニオブ基材料に対する標記の酸の有害な作用を示す。例えば、硝酸は部品のニオブ基材料を最小限しか侵食しなかったのに対して、５０％硫酸はニオブ基材料の除去速度が大幅に増した。好ましくは、イットリア基中子を激しく溶解するが、部品のニオブ基材料に対しては最小限又は無視できる程度にしか作用しない酸が選択される。これらの基準を満足する酸の選択によって、高品質のニオブ基部品の効率的な製造が可能となる。
【実施例】
【００３４】
実施した複数の実施例の一部を以下に示すが、これらは選択した酸の有効性を示す。以下に挙げる具体的な実施例は例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００３５】
第一の例では、タービンエンジンにおける材料として用いられる組成及び密度を有する同じ寸法のイットリア基棒材及びＮｂＳｉ合金をオートクレーブに入れた。オートクレーブは２０ｗｔ％ＮａＯＨ溶液を含んでいた。オートクレーブを２９０℃に加熱し、その温度に２．５時間保った。これらの条件に暴露した後、イットリア基棒材は依然としてほぼ無傷であったが、膨潤して寸法が大きくなった。ＮｂＳｉ合金はほとんど溶解し、合金からの残留反応生成物が容器の底に複数のフレークとして存在していた。かかるプロセスはＮｂＳｉ合金がイットリア棒材よりも速く溶解したことを実証しており、ＮａＯＨの苛性アルカリ溶液はニオブ基部品からのイットリア基中子の除去には実用できないことを示している。
【００３６】
別の例では、いずれもタービンエンジンにおける材料としての使用に望ましい組成及び密度を有する同じ寸法のイットリア基棒材及びＮｂＳｉ合金片を、以下の表に示す通り、濃度２０ｗｔ％及び６９ｗｔ％の硝酸中に浸漬した。イットリア棒材は９５℃で２時間後に実質的に溶解したのに対して、９５℃で２４時間後に観察されたＮｂＳｉ合金への侵食はごく限られていた。相対溶解速度はイットリアでは高く、合金では低かった。硝酸は、合金をさほど侵食せずにイットリアを除去するのに有用である。自明であろうが、他の濃度、温度及び圧力パラメーターも想定され、本発明の技術的範囲に属する。
【００３７】
【表１】
2007210032.tif 000003
別の例では、いずれもタービンエンジンにおける材料としての使用に望ましい組成及び密度を有する同じ寸法のイットリア基棒材及びＮｂＳｉ合金片を、以下の表に示す通り、濃度６９ｗｔ％の硝酸中に浸漬した。イットリア棒材は１１５℃で１時間後に実質的に溶解したのに対して、１１５℃で２４時間後に観察されたＮｂＳｉ合金への侵食はごく限られていた。上記の９５℃での例に比べると、イットリア基材料の溶解速度は実質的に増加したのに対して、合金の溶解速度はさほど変化しなかった。相対溶解速度はイットリア基材料では高く、合金では低かったが、これは硝酸が合金をさほど侵食せずにイットリア基材料を除去するのに有用であることを示している。自明であろうが、他の濃度、温度及び圧力パラメーターも想定され、本発明の技術的範囲に属する。
【００３８】
【表２】
2007210032.tif 000004
さらに別の例では、いずれもタービンエンジンで有用な組成及び密度を有する同じ寸法のイットリア基棒材及びＮｂＳｉ片を、以下の表に示す通り、濃度１０ｗｔ％及び２０ｗｔ％の塩酸中に浸漬した。イットリア基棒材は９５℃で２時間後に実質的に溶解したのに対して、９５℃で２４時間後に観察されたＮｂＳｉ合金への侵食はごく限られていた。塩酸が１０ｗｔ％のとき、相対溶解速度はイットリア基中子材料では高く、合金部品材料では低かった。２０ｗｔ％の高い酸濃度では、合金の溶解速度は増加したが、それでもイットリア基中子材料の溶解速度よりも格段に低かった。１０ｗｔ％の塩酸は、ニオブ基合金材料にさほど作用せずにイットリア基中子材料を除去するのに特に有用である。部品の寸法が小さく、接触時間を短縮すると、２０ｗｔ％の高い濃度でも部品のニオブ基材料をさほど侵食せずにイットリア基中子材料を効果的に除去した。１０ｗｔ％及び２０ｗｔ％の酸濃度は例示にすぎず、本発明はこれらの濃度に限定されない。
【００３９】
【表３】
2007210032.tif 000005
さらに別の例では、いずれもタービンエンジンの製造に一般に用いられる組成及び密度を有する同じ寸法のイットリア基中子材料棒材及びＮｂＳｉ合金部品材料片を、以下の表に示す通り、濃度２０ｗｔ％及び７０ｗｔ％の１：１リン酸／硝酸混合物中に浸漬した。イットリア基中子材料棒材は９５℃で２時間後に実質的に溶解したのに対して、９５℃で２４時間後に観察されたＮｂＳｉ部品材料への侵食はごく限られていた。１：１リン酸／硝酸含有量が７０ｗｔ％のとき、相対溶解速度はイットリア基材料では高く、合金では低かった。２０ｗｔ％の低い酸濃度ではイットリア基材料の溶解速度は減少したが、溶解速度が低いとはいっても、イットリア基材料の除去速度は部品材料の合金の溶解速度よりも数桁高かった。７０ｗｔ％の１：１リン酸／硝酸混合物は、部品材料の合金をさほど侵食せずにイットリア基中子材料を除去するのに特に有用であることが分かる。部品からの中子材料の除去時間がほとんど或いは全く問題にならない場合には、２０ｗｔ％の低い濃度も部品材料をさほど侵食せずにイットリア基材料を除去するのに有効に使用できる。自明であろうが、２０ｗｔ％及び７０ｗｔ％の酸濃度並びに混合物の１：１リン酸／硝酸比は例示のためのものであり、本発明を限定するものではない。
【００４０】
【表４】
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さらに別の例では、いずれもタービンエンジンにおける材料としての使用に有用な組成及び密度を有する同じ寸法のイットリア基中子材料棒材及びＮｂＳｉ合金部品材料片を、以下の表に示す通り、濃度２０ｗｔ％及び７０ｗｔ％のリン酸中に浸漬した。密度６９％のイットリア基棒材は９５℃で２時間後に実質的に無傷であったのに対して、ＮｂＳｉ合金は９５℃で２４時間後に実質的に侵食された。高密度イットリアの溶解速度は、合金の溶解速度よりも数桁高かった。濃度７０ｗｔ％のリン酸は、高密度（密度６９％）のイットリア基材料の溶解作用は低かったが、低密度（密度５６％）のイットリア棒材の除去には有用であることが判明した。７０ｗｔ％の酸を９５℃で２４時間使用したときの低密度イットリア基材料の溶解速度は合金の溶解速度よりも数桁高かった。したがって、部品の寸法が部品の酸暴露時間を短縮できるほど十分に小さい場合には、７０ｗｔ％のリン酸は合金をさほど損なわずに低密度イットリアを除去するのに有効に使用できる。自明であろうが、他の酸濃度、イットリア基材料密度並びに作業温度及び圧力も想定され、本発明の技術的範囲に属する。
【００４１】
【表５】
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【００４２】
【表６】
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別の例では、タービンに関する組成及び密度を有する同じ寸法の部材であるイットリア基中子材料とＮｂＳｉ合金部品材料を、以下の表に示す通り、濃度２０ｗｔ％及び５０ｗｔ％の硫酸に付した。２０ｗｔ％の硫酸を使用したとき、イットリア基中子材料は９５℃で２時間後に部分的に溶解したのに対して、９５℃で２４時間後に観察されたＮｂＳｉ部品材料への侵食は限られていた。部材を２０ｗｔ％の硫酸に付したときのイットリア基材料及び部品材料の溶解速度は中程度であった。２０ｗｔ％の酸濃度では、イットリア基材料の溶解速度はＮｂＳｉの溶解速度よりも依然数桁高かった。部品の酸暴露時間を短縮すると、２０ｗｔ％濃度は合金をさほど侵食せずにイットリア基材料を除去するのに有効に使用できる。
【００４３】
５０ｗｔ％の硫酸は９５℃で２４時間後にＮｂＳｉ部品材料を顕著に侵食したのに対して、イットリア基材料は９５℃で２時間後に実質的に未溶解のままであった。５０ｗｔ％の硫酸濃度では、相対溶解速度はイットリアでは低く、合金では高かった。イットリア基材料の溶解速度は、合金の溶解速度よりも数桁低かった。
【００４４】
【表７】
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さらに別の例では、ジェットエンジン用タービンブレードの製造に有用なニッケル基超合金を９５℃の６８ｗｔ％硝酸中に９９時間浸漬した。試料を酸から取り出して、研磨切片を調製して、試料の表面粗さを走査電子顕微鏡で検査して未処理の合金試料と比較した。酸処理表面は激しく点食され、通常のジェットエンジン構造には不適格であった。
【００４５】
当業者には明らかであろうが、以上の実施例は例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。自明であろうが、上記に明示したものとは異なる酸及び異なる濃度の酸も想定される。さらに、酸の組成は、部品材料の組成、中子材料の組成、中子材料の除去に伴う温度及び圧力、酸の入手性、並びにこれらに付随するコストによって決定／選択される。自明であろうが、部品及びプロセスの変更はこれらのパラメーターのいずれかの相対的重要性に影響を与える。例えば、接触時間を長くすると、低い酸濃度及び／又は低い処理温度を補償し得る。したがって、本明細書に挙げた実施例は本発明の技術的範囲を限定するものではない。さらに、本明細書に明示したものとは異なる部品材料、中子材料及び酸の組合せ及び組成も想定され、本発明の技術的範囲に属する。
【００４６】
したがって、本発明の一実施形態では、ニオブ基部品からイットリア基中子を除去する方法は、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸、硫酸及び酢酸からなる群から選択される１種以上の酸を含む組成物の有効量にイットリア基中子を接触させる段階を含む。
【００４７】
本発明の別の実施形態は、鋳型の内部にイットリア基中子を配置する段階と、溶融ニオブ基合金を鋳型内に導入して部品を鋳造する段階と、酢酸、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸及び硫酸からなる群から選択される１種以上の酸でイットリア基中子を溶解する段階とを含んでなる部品の鋳造方法を包含する。
【００４８】
本発明のさらに別の実施形態は、ニオブ基材料を鋳型内に注入することによって、イットリア基材料からなる中子で画成される１以上の通路を有するブレードを鋳造する段階と、中子を、酢酸、塩酸、硝酸、リン酸、硝酸／リン酸及び硫酸からなる群から選択される１種以上の酸を含む酸と接触させることによってブレードから中子を除去する段階とを含んでなるタービンブレードの形成方法である。
【００４９】
以上、好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、明示したもの以外の均等、代替及び修正も可能であり、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る複数の鋳造部品を有するタービンの部分断面斜視図。
【図２】図１に示すようなタービンで使用できる鋳造ブレードの斜視図。
【図３】図２に示すような鋳造部品の製造のための鋳型の断面の立面図。
【図４】図２に示す鋳造部品の矢視４−４部分断面図。
【図５】本発明による各種の酸及び酸濃度に暴露したときのイットリア基中子材料の減量を示すグラフ。
【図６】本発明による各種の酸及び酸濃度に暴露したときのニオブ基材料の除去速度を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５１】
５０  ニオブ基部品
７８  イットリア基中子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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