(57)【要約】【課題】  インベストメント鋳造による耐火金属鋳造コアをセラミック鋳造コアに取り付ける方法を提供する。【解決手段】  鋳造コアアセンブリの固定具２０４はセラミック鋳造コア２１０およびこれと結合する耐火金属コア２１２を固定する機能をもつ。固定具２０４は、耐火金属コア２１０を固定するための複数のツーリングボール２２２、クランプ２２４、および回動式固定バー２３０を含み、耐火金属コア２１２を支えるためのクランプ２４０を含む。コアの取り付け後、ジルコンと水溶性コロイドシリカとを含んでなるスラリがコアの結合部に導入され、固定具が取り付けられた振動台の振動によりこのスラリが結合部に浸透する。【選択図】図３
2007090434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属鋳造コアの挿入部位をセラミック鋳造コアの受入部位に挿入し、
前記金属鋳造コアと前記セラミック鋳造コアとの間にスラリを導入することを備えてなる金属鋳造コアのセラミック鋳造コアへの結合方法。
【請求項２】
前記金属鋳造コアが、耐火金属ベースの基体を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の結合方法。
【請求項３】
タービンブレードコアアセンブリもしくはタービンベーンコアアセンブリの製造に用いられることを特徴とする請求項１に記載の結合方法。
【請求項４】
前記スラリを硬化するように前記スラリを加熱することをさらに備えてなる請求項１に記載の結合方法。
【請求項５】
前記導入中に前記金属鋳造コアと前記セラミック鋳造コアを振動させることをさらに備えてなる請求項１に記載の結合方法。
【請求項６】
前記挿入が、前記セラミック鋳造コアが未焼成の段階で行われることを特徴とする請求項１に記載の結合方法。
【請求項７】
前記スラリが、ジルコンと水溶性コロイドシリカとを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の結合方法。
【請求項８】
前記スラリが、ジルコン含有量の２０〜３０％（重量％）の水溶性コロイドシリカを含有することを特徴とする請求項６に記載の結合方法。
【請求項９】
前記スラリが、界面活性剤を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の結合方法。
【請求項１０】
前記スラリが、
２．８７〜２．９６ｇ／ｃｍ3の密度と、
９〜１０．５（ｐＨ）の水素イオン濃度と、
２５±２センチポイズ（ｃＰ）の粘度と、
を持つことを特徴とする請求項１に記載の結合方法。
【請求項１１】
前記スラリが、
２．８７〜２．９６ｇ／ｃｍ3の密度と、
９〜１０．５（ｐＨ）の水素イオン濃度と、
１８〜２７センチポイズ（ｃＰ）の粘度と、
を持つことを特徴とする請求項１に記載の結合方法。
【請求項１２】
金属鋳造コアをセラミック鋳造コアに固定するようにジルコンと水溶性コロイドシリカとを備えたスラリを使用することを備えてなる結合方法。
【請求項１３】
前記スラリを硬化するように前記スラリを加熱することをさらに備えてなる請求項１２に記載の結合方法。
【請求項１４】
セラミック鋳造コアを支持する手段と、
前記セラミック鋳造コアの受入部位に差し込まれた挿入部位をもつ金属鋳造コアを支持する手段と、
前記セラミック鋳造コアと前記金属鋳造コアとを振動させる手段と、
を備えてなる装置。
【請求項１５】
前記セラミック鋳造コアと、
前記金属鋳造コアと、
前記金属鋳造コアと前記セラミック鋳造コアとの間のジルコンと水溶性コロイドシリカとを備えてなるスラリであって、振動手段によって振動されるスラリと、
を組み合わせてなる請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記金属鋳造コアを支持する手段が、前記セラミック鋳造コアと前記金属鋳造コアとの相対的な位置を調節する手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【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に関する。さらに詳しくは、本発明はインベストメント鋳造コアアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
インベストメント鋳造は航空宇宙産業に一般的に用いられている。様々な例がガスタービンエンジン部品の鋳造に関係している。部品の例としては様々なブレード、ベーン、シール、および燃焼室パネルを含む。こうした多くの部品には冷却経路が鋳造される。経路は犠牲鋳造コアにより形成されうる。
【０００３】
コアの例としてはセラミックコア、耐火金属コア（ＲＭＣ）、およびこれらの組み合わせを含んでなる。一例の組み合わせでは、セラミックコアが供給経路を形成するのに対し、耐火金属コアは供給経路から部品の内壁を通して延びる冷却経路を形成する。コアは互いが組み立てられてセラミック接着剤で固定されうる。一例のセラミック接着剤はアルミナベースのものである。例えば、接着剤はアルミナ粉末およびコロイドシリカのようなバインダを備えうる。
【０００４】
部品（例えば、ニッケルもしくはコバルトベースの超合金からの）の最初の鋳造後、鋳造シェルやコアが壊されるようにして取り除かれる。一例のシェルの除去は主に機械的である。一例のコアの除去は主に化学的である。例えば、コアは化学的浸出により除去される。一例の浸出はオートクレーブでのアルカリ性溶液の使用を含む。一例の浸出技術は特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている。
【特許文献１】米国特許第４，１４１，７８１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２４１，０００号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７３９，３８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の一つの態様は金属鋳造コアをセラミック鋳造コアに取り付ける方法を含む。金属鋳造コアの挿入部位がセラミック鋳造コアの差込部位に挿入される。スラリが金属鋳造コアとセラミック鋳造コアとの間に導入される。
【０００６】
種々の実施例では、金属鋳造コアは耐火金属ベースの基体（例えば、任意選択的にコーティングされた）を含みうる。この方法はタービンブレードコアアセンブリもしくはタービンベーンコアアセンブリを形成するのに用いられる。スラリが硬化されるように加熱される。金属鋳造コアとセラミック鋳造コアはスラリの導入中に振動される。部品の挿入はセラミック鋳造コアが未焼成の段階で行われる。スラリはジルコンおよび水溶性コロイドシリカを備える。
【０００７】
本発明のもう一つの態様は鋳造コアアセンブリを製造する装置を含む。装置はセラミック鋳造コアを固定する手段をもつ。装置はセラミック鋳造コアの受入部位に差し込まれた挿入部位をもつ金属鋳造コアを固定する手段をもつ。装置はセラミック鋳造コアと金属鋳造コアを振動させる手段をもつ。
【０００８】
種々の実施例では、固定する手段がセラミック鋳造コアと金属鋳造コアの相対的な位置を調節する手段を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
様々な製造状況において、セラミック接着剤のバインダは耐火金属コアのような付加的な部材と拒絶反応を示しうる。別の方法として、シェル化に用いるスラリを基にしてコアを固定するように特殊なスラリが開発されている。実施例のスラリは本質的に重量比で７９：２１のジルコンと水溶性コロイドシリカと、界面活性剤と、所望の粘度を達成するように十分な添加水と、の組み合わせよりなる。ジルコンのコロイドシリカに対する比率の実施例の範囲は７０：３０〜８０：２０である。
【００１０】
実施例の界面活性剤は、テキサス州ヒューストンのソルベイ・ケミカルズ社よりＡＮＴＡＲＯＸ  ＢＬ  ２２５の商標で入手可能な、本質的に直鎖状アルコールがベースの界面活性剤である。実施例の界面活性剤の量は０．０５〜０．１５％（体積％）で、より厳密には、例えば０．０７〜０．０９％といった、０．１％未満である。任意選択的な添加剤は、少量（例えば、０．００５〜０．０１５％（体積％））のポリジメチルシロキサン（ニュージャージー州ウェインのハイドロラブズ社よりＢＵＲＳＴ  ＲＳＤ−１０の商標で入手可能）で、気泡の破壊に役立つ。実施例のスラリは、２．８７〜２．９６ｇ／ｃｍ3の範囲の密度をもつ。実施例のスラリは、９．０〜１０．５（ｐＨ）の範囲の水素イオン濃度をもつ。実施例のスラリは、２５±２センチポイズ（ｃＰ）の粘度をもつ。しかしながら、特定の状況、特にさらに薄いスラリには、その他の粘度（例えば、１８〜２５センチポイズ）が適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１はインベストメント鋳造モールド成形の実施例の方法２０を示す。さまざまな先行技術の方法やまだ開発されていない方法を含む、その他の方法が考えられる。一つもしくは複数の金属コア部材が形成（ステップ２２）され（例えば、モリブデンやニオブのような耐火金属からなり、薄板金からのスタンピングもしくはそれ以外ではカッティングにより）、コーティング（ステップ２４）される。適切なコーティング材料は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、クロミア、ムライトおよびハフニアを含む。望ましくは、耐火金属とコーティングの熱膨張係数（ＣＴＥ）はほぼ同じである。コーティングはあらゆる適切な目視による方法（ｌｉｎｅ‐ｏｆ‐ｓｉｇｈｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）もしくは非目視の方法（ｎｏｎ‐ｌｉｎｅ‐ｏｆ‐ｓｉｇｈｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）により適用される（例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）、プラズマ溶射法、電気泳動法、およびゾル−ゲル法）。個々の層は通常０．１〜１ミル（ｍｉｌ）の厚さである。Ｐｔ、その他の貴金属、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ、Ａｌ、もしくはその他の非金属材料の層が、溶融金属による侵食や溶解から保護するためのセラミックコーティングと組み合わされて、酸化から保護するように金属コア部材へ被覆される場合もある。
【００１２】
また一つもしくは複数のセラミックコアが形成される（ステップ２６）（例えば、成形および焼成工程により、もしくはこの工程でシリカを含有させることにより）。一つもしくは複数のコーティングされた金属コア部材（以下、耐火金属コア（ＲＭＣ））が一つもしくは複数のセラミックコアに組み合わされる（ステップ２８）。上記のように、アセンブリは以下で述べるセラミックスラリの使用も含む。その後コアアセンブリは、天然もしくは合成のろうのような、犠牲しやすい材料でオーバーモールドされる（ステップ３０）（例えば、アセンブリを金型（ろう鋳型）内に配置して、その周りにろうを成形することにより）。複数のアセンブリが一つの特定の金型（ろう鋳型）に含まれることもある。
【００１３】
オーバーモールドされたコアアセンブリ（もしくは一群のアセンブリ）は主に鋳造される部品の内部形状に対応する外部形状をもつ鋳造パターン（模型）を形成する。その後このパターンはシェル化の固定具に取り付けられる（ステップ３２）（例えば、固定具の端板の間にろう付けすることにより）。その後このパターンがシェル化される（ステップ３４）（例えば、スラリ浸漬、スラリスプレーなどの一つもしくは複数の段階により）。シェルが形成されたのち、乾燥される（ステップ３６）。乾燥により、シェルに少なくとも十分な強度もしくはその他の物理的整合性の特性が提供されてその後の工程が可能となる。例えば、インベストメント鋳造コアアセンブリを含むシェルがシェル化の固定具から完全もしくは部分的に取り外されて（ステップ３８）、脱ろう装置（例えば、蒸気オートクレーブ）へと送られる（ステップ４０）。脱ろう装置では、蒸気脱ろう工程（ステップ４２）によりろうの大部分が除去されてシェル内部に固定されたコアアセンブリが残る。シェルおよびコアアセンブリはおおかた最終的な鋳型を形成する。しかしながら、脱ろう工程では通常シェル内部やコアアセンブリ上にろうや副生成物の炭化水素残留が残る。
【００１４】
脱ろう後、シェルは炉（例えば、空気もしくはその他の酸化性雰囲気を含む）へと送られ（ステップ４４）、ここで加熱されて（ステップ４６）シェルが強化され、あらゆるろう残留物が除去され（例えば、蒸発により）、炭化水素残留物が炭素に転換される。雰囲気中の酸素は炭素と反応して二酸化炭素を生成する。炭素の除去は金属鋳造における有害な炭化物の形成を軽減もしくは排除するのに有益である。炭素の除去により作業の次の段階で使用される減圧ポンプの閉塞の可能性を軽減する付加的な利益がもたらされる。
【００１５】
鋳型がこの雰囲気炉から取り出され、冷却されて検査される（ステップ４８）。鋳型中に金属結晶種を置くことにより鋳型がシード添加されて（ステップ５０）一方向凝固鋳造もしくは単結晶鋳造の最終的な結晶構造が設定される。なお、他の技術がその他の一方向凝固および単結晶の鋳造技術（例えば、シェルの形状が結晶粒の選別手段となる）もしくはその他の微細構造の鋳造に適用されることもある。鋳型は鋳造炉（例えば、炉内の冷硬プレート（チルプレート）の上に置かれた）へと送られる（ステップ５２）。鋳造炉は真空に減圧もしくは非酸化性雰囲気（例えば、不活性ガス）を充填されて（ステップ５４）鋳造合金の酸化が防止される。鋳造炉が加熱されて（ステップ５６）鋳型を予熱する。この予熱は二つの目的に役立つ。すなわち、シェルをさらに硬化させて強化する、そして溶融合金の鋳湯のためにシェルを予熱して合金の熱衝撃や早すぎる凝固を防ぐことである。
【００１６】
予熱後のまだ減圧されている状態の間に、溶融合金を鋳型に鋳湯し（ステップ５８）、この鋳型を冷却して合金を凝固させる（ステップ６０）（例えば、炉の高温域からの取り出し後）。凝固後、減圧が開放されて（ステップ６２）冷硬された鋳型が鋳造炉から取り出される（ステップ６４）。シェルは脱シェル工程（ステップ６６）で除去される（例えば、シェルの機械的破壊）。
【００１７】
コアアセンブリが脱コア工程（ステップ６８）で除去されて鋳造品（例えば、最終的な部品の金属の原型）が残る。本発明による多段階脱コア工程を以下に示す。鋳造品が機械加工（ステップ７０）され、化学的もしくは熱的処理の少なくとも一方により処理（ステップ７２）され、そしてコーティング（ステップ７４）されて最終的な部品が形成される。機械加工、あるいは化学的もしくは熱的処理のうちいくつかもしくは全てが脱コアの前に行われる。
【００１８】
図２はコア組立ての装置２００の詳細を示す。装置はアセンブリを振動させる振動台２０２を含む。各々のアセンブリは振動台の上の固定具２０４により固定されている。実施例のアセンブリ（図３）は鋳造セラミックフィードコア（ｃｅｒａｍｉｃ  ｆｅｅｄｃｏｒｅ）２１０と耐火性板金製の後縁スロットの耐火金属コア２１２よりなる。図３はさらに実施例の固定具２０４の詳細を示す。固定具は振動台に取り付ける基部２２０を含む。
【００１９】
固定具は関連するフィードコア２１０を固定する機能を含む。これらの機能はフィードコア２１０と係合するように基部に正確に固定された複数のツーリングボール２２２を含む。クランプ２２４はフィードコアがツーリングボールに配置された後このフィードコアと係合するように基部に取り付けられる。回動式固定バー２３０はフィードコアを定位置に固定するためフィードコアの根元部に係合するように配置されている。
【００２０】
固定具はフィードコアに対して対応する耐火金属コア２１２を固定する機能を含む。実施例の固定では、耐火金属コアの先端部分がフィードコアの後縁側の脚部の溝内に挿入されている。耐火金属コアを支える機能は、この耐火金属コアの後端部分をつかむクランプ２４０を含む。クランプはガントリー構造体２４２に取り付けられる。実施例のガントリー構造体は方向５００に沿って動くようにスライド可能なように取り付けられている。ガントリー（したがって耐火金属コア）の位置はマイクロメータ装置２５０により調節されている。実施例のマイクロメータ装置はガントリーをフィードコアの根元部に押し付けてフィードコアに沿った耐火金属コアの位置の精密な調節を行う。
【００２１】
コアの取り付けおよび位置決め（ステップ３００）（図４）後、スラリのビードが結合部に適用（ステップ３０２）される。振動台の振動（ステップ３０４）によりスラリが結合部に浸透する。浸透後、スラリは乾燥される（ステップ３０６）。スラリの適用はフィードコアが未焼成の段階で行われる。その後コアアセンブリは取り外されて（ステップ３０８）フィードコアを硬化させるように焼成される（ステップ３１０）。また焼成によってスラリがさらに硬化されてコアを一層強力に結合させる。焼成は前述のシェル焼成とは別もしくは同時でもよい。
【００２２】
都合のよいことに、スラリは、振動により助長されるスラリの結合部内への浸透を容易にするように効果的な粘度をもつ。しかしながら、乾燥による収縮は機械的破損のおそれのあるほど大きくさせるべきではない。また熱膨張係数は、焼成および鋳造に伴う加熱中、結合を維持するように効果的であるべきである。上記の実施例の特性および構成は特に効果的であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例のインベストメント鋳造工程を示すフローチャート。
【図２】コア組立て装置の斜視図。
【図３】インベストメント鋳造コアを結合させる間、これを固定する図2の装置のうちの一つの固定具の斜視図。
【図４】実施例のコア結合工程を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００２４】
２０４…固定具
２１０…セラミック鋳造コア
２１２…耐火金属鋳造コア
２２２…ツーリングボール
２２４…クランプ
２３０…回動式固定バー
２４０…クランプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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