(57)【要約】【課題】  インベストメント鋳造法におけるコア形成工程で耐火金属ベースの金属板からコア原型をレーザ切断する際に生じるリキャスト（ｒｅｃａｓｔ）部分は、亀裂の原因となり、鋳造された中空コンポーネントの寸法精度に欠陥を生じさせる。【解決手段】  耐火金属コア２０のレーザ切断開口部２２に、レーザ切断の加熱によって生じたリキャスト部２４が割れやすい層状の構造として存在している。また大気中での加熱処理により酸化物の層２６が２つのコア面の各々に沿って存在している。酸化物の成長後、リキャスト部はケミカルミリングなどの化学的処理により実質的に除去される。リキャスト部の除去後、酸化物が除去されてコアが形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐火金属ベースの金属板からパターン化したコア中間体を切断し、この切断により切断面に沿ってリキャスト部が形成され、
非リキャスト領域に酸化物を成長させ、
実質的に酸化物を残して前記リキャストを実質的に化学的に除去し、
前記コア中間体の形状加工を行うことを備えてなるインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項２】
前記切断が、レーザ切断を備えることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項３】
前記中間体の重量の大部分がモリブデンであることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項４】
前記成長が、熱的な成長を備えることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項５】
前記成長が、基本的に大気圧下における、空気中での加熱を特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項６】
前記リキャスト部を実質的に化学的に除去することが、２５〜４５秒のケミカルミリングによることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項７】
前記リキャスト部を実質的に化学的に除去することが、２０〜６０秒のケミカルミリングによることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項８】
前記リキャスト部を実質的に化学的に除去することが、２０〜３０秒のケミカルミリングによることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項９】
前記酸化物の化学的な除去をさらに行うことを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項１０】
前記酸化物の化学的な除去が、塩基性洗浄液による洗浄を行うことを特徴とする請求項９に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項１１】
ニッケルベースもしくはコバルトベースの超合金を前記コア上に鋳造し、
前記コアを前記超合金から化学的に除去することをさらに備えてなる請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項１２】
前記コアをタービンエアフォイルに冷却通路を形成する犠牲コアとして用いることを特徴とする請求項１に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項１３】
耐火金属板からパターン化したコア中間体を切断し、この切断により切断面に沿ってリキャスト部が形成され、
非リキャスト領域に酸化物を成長させ、
実質的に酸化物を残して前記リキャスト領域を除去することを特徴とするインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項１４】
前記コアをタービンエアフォイルに冷却通路を形成する犠牲コアとして用いることをさらに特徴とする請求項１３に記載のインベストメント鋳造コア形成方法。
【請求項１５】
耐火金属板からパターン化したコア中間体を切断し、この切断により切断面に沿ってリキャスト部が形成され、
非リキャスト領域に酸化物を成長させ、
実質的に酸化物を残して前記リキャスト領域を除去し、
前記コア中間体の形状加工を行うことを備えてなるコア形成方法。
【請求項１６】
前記酸化物を除去するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のコア形成方法。
【請求項１７】
ニッケルベースもしくはコバルトベースの超合金を前記コア上に鋳造し、
前記コアを前記超合金から化学的に除去することをさらに備えてなる請求項１５に記載のコア形成方法。
【請求項１８】
耐火金属ベースの材料からパターン化したコア中間体を切断し、この切断により切断面に沿ってリキャスト部が形成され、
前記リキャスト部を優先的に除去し、
前記コア中間体の形状加工を行うことを備えてなるコア形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインベストメント鋳造法に関する。特に本発明は超合金鋳造物の内側の構造を形成する耐火金属コアに関する。
【背景技術】
【０００２】
インベストメント鋳造法は特に中空コンポーネントといった複雑な形状を持つ金属コンポーネントの形成に一般的に用いられる技術であり、超合金ガスタービンエンジンコンポーネントの製造に用いられる。
【０００３】
ガスタービンエンジンは航空機推進力、発電、および船舶推進力に広く用いられている。ガスタービンエンジン用途では、効率が最重要課題である。高温で運転することにより改善されたガスタービンエンジン効率が得られるが、現在のタービンセクションにおける動作温度はタービンコンポーネントに用いられる超合金材料の融点を超える。したがって、空気冷却を行うことが一般的な方法となっている。冷却はエンジンのコンプレッサセクションからの比較的低温な空気をタービンコンポーネント内の経路を通して冷却するように流すことにより供給される。こうした冷却にはエンジン効率に関連する不利益が付きまとう。したがって、一定の冷却空気から得られる冷却効果量を最大限に活用する、特定の冷却を強化することが強く望まれる。これは精密かつ正確に配置された冷却通路セクションにより得られる。
【０００４】
ブレードやベーンといった内部冷却タービンエンジン部品のインベストメント鋳造に関する分野は非常に発達している。一例の過程では、一つもしくは複数のキャビティをもつ鋳型が準備され、このキャビティの各々が概ね鋳造される部品に対応する形状を有する。鋳型を準備する過程の一例には一つもしくは複数の部品のワックスパターン（ろう型）の使用が含まれる。ワックスパターンは部品内部の冷却通路の形状に概ね対応するセラミック・コア上にろうを成形することにより形成される。シェル型形成工程では、周知の方法によりセラミック・シェルがこの一つもしくは複数のワックスパターンの周りに形成される。ろうはオートクレーブ内で溶解させることなどにより除去される。シェルは焼成されて硬化される。これにより一つもしくは複数の部品を画定するキャビティを持つシェルからなる鋳型が残り、そしてこのキャビティの中には冷却通路を画定する（複数の）セラミック・コアを含んでいる。その後溶融合金が（複数の）部品を鋳造するように鋳湯される。合金が冷却され凝固された後、シェルおよびコアが（複数の）鋳造部品から機械的もしくは化学的に除去される。その後一つもしくは複数の段階で機械加工され処理される。
【特許文献１】米国特許第６，６３７，５００号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３０２，４１４号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３６５，０２８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１９７，１７８号明細書
【特許文献５】米国特許第５，６１６，２２９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セラミック・コア自体はセラミック粉末とバインダとの混合物を硬質の金型に注入して成形することにより形成される。金型から取り除いた後、未焼結のコアは結合材を除去するように熱処理されてセラミック粉末を焼結するように焼成される。より優れた冷却特性を得ようとすることに伴い、コア製造技術の負担が大きくなっている。精密な構造（特徴部）の製造は困難であり、またいったん製造されても脆弱性が見つかることもある。同一出願人によるＳｈａｈらの特許文献１には特にインベストメント鋳造における耐火金属コアの一般的な利用が開示されている。しかしながら、種々の耐火金属は、例えばシェルを焼成する際の温度や溶融超合金の温度付近といった高温では酸化されやすい。したがって、シェルの焼成は実質的に耐火金属コアを劣化させ、場合によっては不都合な部品内部構造を生み出すおそれがある。耐火金属コア基体の高温による酸化を防ぐべく基体の保護コーティングの利用が必要となる。
【０００６】
耐火金属コアを用いる場合でさえ精密な構造（特徴部）を形成することは困難を伴う。製造技術においては特定の不利な相乗作用が存在する。とりわけ、レーザ切断は薄い耐火金属板に精密な特徴部を形成するのに優れた技術である。しかしながら、レーザ切断により生み出される加熱により切断面に沿って割れやすいリキャスト層（ｒｅｃａｓｔ  ｌａｙｅｒ）をもたらしやすい。リキャスト層に発生した亀裂は、その後の加工や取り扱いの間に母材内へ、そしてこの母材を通して伝播しうる。結果として精密なコアの分枝部において割れが起こりうる。こうした亀裂を制御するようにリキャスト部を除去することが望ましい。しかしながら、一般的な化学手段はこの切断面に沿って除去されたリキャスト部の深さとほぼ同じ深さの母材を切断面から除去してしまう傾向がある。これにより寸法精度に欠陥を生じさせるおそれがあり、これは予測精度や整合性への悪影響を含む。したがって、優先的にリキャスト部を除去することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明の一つの態様は、インベストメント鋳造コアの形成方法を含み、この方法は、耐火金属ベースの金属板からパターン化したコア中間体のカッティングを行う。カッティングにより切断面に沿ってリキャスト部が形成される。リキャスト部でない領域（非リキャスト領域）に酸化物を成長させる。リキャスト部は実質的に化学的に除去される（例えば、化学手段は他の手段と比較して信頼性が高い。）。除去の際に実質的に酸化物は残される（例えば、大部分、概ね９０％以上）。その後コア中間体は所定形状に加工される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は耐火金属コア（ＲＭＣ）の製造およびその使用の実施例の工程を示す（説明図として概略化）。（複数の）コア中間体はレーザ切断を含む工程により形成される。例えば、レーザはすべてのカッティングにもちいられうる（すなわち、より大きな金属板からの中間体のカッティングと、その後の大小の特徴部両方のカッティング）。一方、より精密な、小さい特徴部（例えば、冷却出口をつくるコア脚部）はレーザ切断とし、その前の金属板素材からの打ち抜きといったおおまかなカッティングは機械的手段によるものでもよい。実施例の金属板材料は本質的に純モリブデンである。レーザ切断によりリキャスト物質が切断面に沿って形成される。
【０００９】
リキャスト部を除去する前段階として、酸化物を非リキャスト領域に成長させる。化学的に成長する酸化物も可能であるが、実施例の酸化物は熱により成長する。実施例の酸化工程は空気循環オーブン内での加熱を含む。加熱時間および温度は、酸化モリブデンが被覆物（ｍａｓｋａｎｔ）として十分に作用するが寸法公差に悪影響を及ぼさない程度に形成されるように設定される。実施例の時間および温度は、６０±５分で７００±２５°Ｆ（３５７〜３８５℃）である。部品は予熱されたオーブンに入れられ、かつ空気中に放置されて冷却される。実施例の酸化物生成厚さは２５μｍ未満（１〜１２．５μｍ）である。種々の酸化モリブデンはこの工程の間に形成される。
【００１０】
図２はレーザ切断開口部２２を有するモリブデンコア２０を示す。実施例のコアは厚さ約０．３５ｍｍの金属板素材でつくられる（例えば、０．１０〜０．２０インチ（０．２５〜０．５１ｍｍ））。リキャスト部２４が開口部の外周に沿って存在している。酸化層２６が２つのコア面の各々に沿って示されわずかな厚さの増加をもたらしている（例えば、約０．３８ｍｍ）。リキャスト部２４は割れやすい層状の構造として発生している。
【００１１】
酸化物の成長後、リキャスト部は実質的に除去される。実施例の除去は化学的で、酸性ミリングのようなケミカルミリングによる。実施例の酸は、水、硝酸および硫酸の混合物である（例えば、５０％（体積％）硝酸、５％硫酸、４５％水）。実施例の除去は基本的に周囲条件で行われる（大気圧で６５〜７５°Ｆ（１８〜２４℃））。除去は浸漬および機械的攪拌を含みうる。実施例の浸漬時間は４５±５秒である。溶液組成や時間はリキャスト部除去の条件を満たすように変化しうる。
【００１２】
リキャスト部の量はレーザ強度により変化する。実施例のリキャスト部の厚さは２．５〜１２．５μｍである。実施例の除去は、限界曲げ領域におけるリキャスト部の少なくとも９０％を非リキャスト領域に実質的に影響を及ぼすことなく除去する。
【００１３】
任意選択的ではあるが、リキャスト部の除去後、酸化物が実質的に除去される。実施例の除去は化学的で、アルカリ性ミリングのようなケミカルミリングによる。部品は塩基性水溶液に浸漬される。実施例の浸漬は大気圧下でかつわずかに高い温度で行われる。実施例の溶液、時間および温度のパラメータは、ｐＨ１０〜１２、１０秒以内で、１４０±１０°Ｆ（５４〜６６℃）である。実施例の塩基性水溶液はコネチカット州ウエストヘイブンのエンソーン社よりＥＮＰＲＥＰ３５の商標で入手可能である。
【００１４】
実施例の除去は酸化物の少なくとも９０％、望ましくは実質的にすべてを除去する。母材の全損失量は酸化物の存在量に依存する。酸化物は母材が転換したものであり、その分だけ金属板材料の損失がもたらされる。実施例の数値は約５〜１５μｍである。レーザ切断部（例えば、穴など）における材料損失はリキャスト部の厚さ（例えば、２．５〜１２．５μｍ）に本質的に等しい。図３はリキャスト部が実質的に取り除かれた外周部３０を有するコア開口部を示す。
【００１５】
切断されたコア中間体は所望の部品の鋳造に比較的入り組んだ形状を提供するように加工される（例えば、曲げ加工）。加工の前あるいは後に、保護コーティングが選択的に適用される。実施例のコーティングが金属性のものもある。実施例のコーティング工程は物理的もしくは化学的コーティング工程でもよい。実施例の物理的コーティング工程はイオン蒸着法（ＩＶＤ）やコールドスプレーコーティングである。イオン蒸着法やコールドスプレーコーティング技術の例は、各々米国軍用規格  Ｍｉｌ−Ｃ−８３４８８（純アルミニウム用）およびＡｌｋｈｉｍｏｖらによる特許文献２に開示されている。実施例の化学的工程は電解メッキを含む。その後、被膜層は少なくとも部分的に酸化される。実施例の酸化は陽極処理、ハードコーティング（一群の高電圧陽極処理工程）、およびマイクロアーキング酸化といった化学工程による。マイクロアーキング工程の例は特許文献３、特許文献４、および特許文献５に開示されている。その他のコーティングの例はセラミックである。
【００１６】
その後、耐火金属コアは他のコアと組み合わせられる（例えば、他の耐火金属コアや（複数の）セラミック・フィード・コア）。実施例のセラミック・フィード・コアは別に（例えばシリコンベースの材料の型成形により）形成され、もしくはコアアセンブリの一部として（例えば、耐火金属コア上の一部を覆ってセラミック・コアを成形することにより）形成される。またこの組立ては、少なくとも部分的にコアを埋め込むようにコアアセンブリをろうもしくはろう状の材料でオーバーモールドするための金型の組立ての際にも行われうる。オーバーモールドによりワックスパターンがつくられ、後にこれをシェル処理する（例えば、シリカベースのシェルをつくる多段階のスタッコイング工程により）。このろう材料は脱ろうされる（例えば、蒸気オートクレーブにより）。その他の鋳型の準備（例えば、トリミング、焼成、組立て）の後、鋳造工程により一つもしくは複数の溶融金属を鋳込み、この金属を凝固させる。その後シェルが除去される（例えば、機械的手段により）。その後、コアアセンブリが除去される（例えば、化学的手段により）。さらにこの鋳放し鋳造品は機械加工されて次の仕上げ処理（例えば、機械的処理、熱処理、化学処理およびコーティング処理）に送られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】耐火金属コアを製造し使用する工程のフローチャート。
【図２】酸化後の、リキャスト部を有したモリブデンコアのレーザ切断開口部の写真。
【図３】リキャスト部および酸化物の除去後のモリブデンコアのレーザ切断開口部の写真。
【符号の説明】
【００１８】
２０…耐火金属コア
２２…レーザ切断開口部
２４…リキャスト部
２６…酸化層
【図１】
2007083306.tif 000003
【図２】
2007083306.tif 000004
【図３】
2007083306.tif 000005