(57)【要約】【課題】  摩耗性、高温、応力、浸食環境又はこれらの１以上を含む組合せの耐性のような、特定の物理的特性を改善するために成形品の目標とする補強を提供すること。【解決手段】  鋳造プリフォームが提供され、鋳造プリフォームアセンブリ及び複数の幾何学的賦形体を含み、複数の幾何学的賦形体は、鋳造プリフォームアセンブリを形成するように配置又は相互結合される。また、方法が提供され、複数の幾何学的賦形体を有する鋳造プリフォームアセンブリを含む鋳造プリフォームを形成する段階と、鋳造プリフォームを鋳型の外面に係止する段階と、流体鋳造材料を鋳型に導入する段階と、鋳型に遠心力を加える段階と、成形品を形成する段階とを含み、成形品の表面の少なくとも一部は複数の幾何学的賦形体で強化される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造プリフォームアセンブリと、
複数の幾何学的賦形体と
を含む鋳造プリフォームであって、複数の幾何学的賦形体同士が、鋳造プリフォームアセンブリを形成するように配置又は相互接続されている、鋳造プリフォーム。
【請求項２】
複数の幾何学的賦形体が、立方形、六角形、円筒形、球形、三角形、多角形又は幾何学的形状の１つの組合せである、請求項１記載の鋳造プリフォーム。
【請求項３】
複数の幾何学的賦形体は、セラミック材料又は金属材料又はこれらの材料の１種以上を含む組合せである、請求項１記載の鋳造プリフォーム。
【請求項４】
複数の幾何学的賦形体が、鋳造プリフォームアセンブリ全体で周期的に繰り返される、請求項１記載の鋳造プリフォーム。
【請求項５】
複数の幾何学的賦形体が、鋳造プリフォームアセンブリ全体で非周期的に繰り返される、請求項１記載の鋳造プリフォーム。
【請求項６】
複数の幾何学的賦形体が、約１μｍ〜約１ｃｍの平均直径を有する、請求項１記載の鋳造プリフォーム。
【請求項７】
複数の幾何学的賦形体が、立方状構造体を形成するロッド及びバーを備え、ロッドは、鋳型の表面に直交して配置される、請求項１記載の鋳造プリフォーム。
【請求項８】
複数の幾何学的賦形体を有する鋳造プリフォームアセンブリを含む鋳造プリフォームを形成する段階と、
鋳造プリフォームを鋳型の外面に係止する段階と、
流体鋳造材料を鋳型に導入する段階と、
鋳型に遠心力を加える段階と、
成形品を形成する段階と
を含み、
成形品の表面の少なくとも一部は複数の幾何学的賦形体で強化される方法。
【請求項９】
複数の幾何学的賦形体の各々は、成形品の表面の一部に均一に分布される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
成形品は、鋳造プリフォームがない成形品に比べて、高い耐摩耗性、引張強さ、クリープ強度、疲労耐性、又はこれらの組合せを有する、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
複数の幾何学的賦形体は、立方形、六角形、円筒形、球形、三角形、多角形又は幾何学的形状の１つの組合せである、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
複数の幾何学的賦形体は、セラミック材料又は金属材料又はこれらの材料の１種以上を含む組合せである、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
複数の幾何学的賦形体は、鋳造プリフォームアセンブリ全体で周期的に繰り返される、請求項８記載の方法。
【請求項１４】
複数の幾何学的賦形体は、鋳造プリフォームアセンブリ全体で非周期的に繰り返される、請求項８記載の方法。
【請求項１５】
複数の幾何学的賦形体は、約１μｍ〜約１ｃｍの平均直径を有する、請求項８記載の方法。
【請求項１６】
複数の幾何学的賦形体は、立方状構造体を形成するロッド及びバーを備え、ロッドは、鋳型の表面に直交して配置される、請求項８記載の方法。
【請求項１７】
鋳型遠心力を加える段階は、約２０Ｇ〜約８０Ｇの加速度で実行される、請求項８記載の方法。
【請求項１８】
請求項８の方法を用いて成形した物品。
【請求項１９】
ガスタービンエンジンの部品である、請求項１８記載の物品。
【請求項２０】
物品は、ガスタービンダイアフラム、ピストン、シリンダ、ベアリング、ブレード、ベーンシュラウド、ライナ、燃焼器、トランジションピース、ロータ部品、排気フラップ、シール、又は燃料ノズルである、請求項１９記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造プリフォーム及びその使用方法に関し、詳細には、幾つかの物理的特性を向上させるため成形品に所期の増強をもたらす鋳造プリフォーム並びに鋳造プリフォームの使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳造は、セラミック、ポリマー又は金属材料のような材料を、流体の状態にあるときに、固体物品へと成形するプロセスである。鋳造は、所望又は複雑な形状の成形品を作り出すための効率的で経済的な商業生産プロセスを提供する。鋳造プロセスにおいて、液体物質は、所望の形状のキャビティを含む鋳型に注入又は導入され、冷却段階で液体物質は凝固する。新しく形成された固体は「鋳造物」と呼ばれる。凝固すると鋳造物は鋳型から取り出され、切り離され、又は取り除かれる、成形プロセスを繰り返して複数の成形品を作り出すことができる。特に、金属、セラミック、又はプラスチックは鋳型鋳造で用いる最も一般的な材料である。
【０００３】
成形品は、使用時又は運転時に種々の物理的応力を受ける。成形品が受ける物理的応力は、使用される特定の用途に応じて様々である。例えば、成形品をガスタービンエンジンの部品として使用する場合、摩耗、疲労、引張及びクリープ応力に悩まされる高温又は回転運動に晒される。これらの物理的応力は、物品の性能に悪影響を与え、保守管理の必要性及び定期保守整備の頻度が増えて、物品を交換するまでの製品寿命が短くなる。この保守管理及び交換は、実質的な経済費用を呈する。
【０００４】
鋳造による成形品を強化する１つの方法は鋳造プリフォームを使用することである。鋳造プリフォーム、又はインサートは、自立体であり、鋳造プロセス時に流体鋳造物質に取り込まれるので、強化された金属マトリクスを形成する。鋳造プリフォームは、成形品の構造的補強及び物理的強化をもたらす。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ADELAKIN, Tunde Kinglsey, et al, "Influence of Centrifugal Casting Preocessing Parameters of the Distribution of Reinforcing Particles In Aluminum Matrix Composites, Supplemental Proceedings: Volume 2, pgs. 99-104, 2008, PR China
【非特許文献２】NIU, Libin et al, "Preparation of in situ-formed WC/Fe composite on gray cast iron subtrate by a centrifugal casting process", Journal of Material Processing Technology 210 (210) 1986-1990, Elsevier B.V., pgs.1-5, July 12, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、摩耗性、高温、応力、浸食環境又はこれらの１以上を含む組合せの耐性のような、特定の物理的特性を改善するために成形品の目標とする補強を提供して、結果的に部品の保守管理期間又は寿命を延ばす、鋳造プリフォーム及びその使用方法に関するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様では、鋳造プリフォームは、鋳造プリフォームアセンブリ及び複数の幾何学的賦形体を含み、複数の幾何学的賦形体は、鋳造プリフォームアセンブリを形成するように配置又は相互結合される。
【０００８】
本発明の別の態様では、本方法は、複数の幾何学的賦形体を有する鋳造プリフォームアセンブリを含む鋳造プリフォームを形成する段階と、鋳造プリフォームを鋳型の外面に係止する段階と、流体鋳造材料を鋳型に導入する段階と、鋳型に遠心力を加える段階と、成形品を形成する段階とを含み、成形品の表面の少なくとも一部は複数の幾何学的賦形体で強化される。
【０００９】
上記その他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記その他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】鋳造プリフォームの断面図
【図２】流体鋳造材料を溶浸した鋳造プリフォームの断面図
【図３】中空体構造を含む鋳造プリフォームの断面図
【図４】切断点に隣接してその間に配置される補強セグメントを含む鋳造プリフォームの断面図
【図５】溶解可能リンケージに隣接してその間に配置される補強セグメントを含む鋳造プリフォームの断面図
【図６】個別の鋳型を備える遠心鋳造構成の概略図
【図７】個別の鋳型を備え、物理的特性の目標とする増強が個別の鋳型の外側領域にもたらされる遠心鋳造構成の概略図
【図８】一体の鋳型を備える遠心鋳造構成の概略図
【図９】一体の鋳型を備え、物理的特性の目標とする増強が一体の鋳型の外側領域にもたらされる遠心鋳造構成の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【００１３】
本明細書に説明する実施形態は、全体的には鋳造プリフォーム及びその使用方法に関し、詳細には、特定の物理的特性を改善するために成形品の目標とする補強をもたらす鋳造プリフォーム、及び鋳造プリフォームの使用方法に関する。
【００１４】
図１を参照すると、成形具１００は、鋳型１１０及び鋳造プリフォーム１２０を含む。鋳造プリフォーム１２０は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０と複数の幾何学的賦形体１４０とを含んでおり、複数の幾何学的賦形体１４０は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０を形成するように配置又は相互結合される。鋳造プリフォーム１２０は、鋳型１１０の外側領域１５０の内部に配置される。鋳型１１０の外側領域１５０は、鋳型１１０から形成される成形品の外側領域、外側領域の少なくとも一部又は表面に対応する。鋳造プリフォーム１２０は、鋳型１１０の内側に適合するように形作られる。鋳造プリフォームアセンブリ１３０は、所定の鋳型１１０に望まれる形状又はパターンに形成される。複数の幾何学的賦形体１４０は、鋳型１１０の外側領域１５０の少なくとも一部と相補的な、鋳造プリフォームアセンブリ１３０の全体的形状をなすように配置又は相互結合される。
【００１５】
鋳造プリフォーム１２０は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０を鋳型１１０に係止することで、鋳型１１０の外側領域１５０内の静止位置に配置される。鋳造プリフォームアセンブリ１３０を鋳型１１０に係止することで、鋳型１１０を用いて形成する成形品の目標とする又は特定の場所での所望の物理的特性を増強することができる。一実施形態では、鋳造プリフォーム１２０は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０を鋳型１１０の外側領域１５０と相補的な形状に形成することで、静止位置に配置される。別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０を鋳型１１０に固定することで静止位置に配置又は固定される。例えば、特定の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０は、チャプレット（図示せず）を用いて鋳造プリフォームアセンブリ１３０を鋳型１１０に固定することで静止位置に配置できる。チャプレットは、所望の用途又は特性に応じて鋳造プリフォームと同じ又は異なる材料で作ることができる。鋳造プリフォーム１２０は、流体鋳造材料を導入する前に鋳型１１０内に挿入される。
【００１６】
鋳型１１０は、所望の成形品を鋳造するのに適する任意の形状及び材料である。鋳型１１０は、永久的な鋳型又は非永久的な鋳型、つまりインベストメント鋳造又は砂型鋳造である。鋳型１１０は、所望の成形品を作る際の溶融温度その他の鋳造条件に耐える、鋳造に適する任意の材料から作ることができる。
【００１７】
図２を参照すると、鋳造プリフォーム１２０を鋳型１１０に挿入した後、流体鋳造材料１６０を鋳型１１０に導入する。流体鋳造材料１６０は、鋳造に適した任意の方法で鋳型１１０に導入される。一実施形態では、流体鋳造材料１６０は、鋳型１１０に鋳込まれる。別の実施形態では、流体鋳造材料１６０は、鋳型１１０に注入される。流体鋳造材料１６０は、鋳造に適する任意の流体材料である。適切な流体鋳造材料１６０としては、特に限定されないが、溶融した金属、鋼及び鋳鉄、超合金、ステンレス鋼、銅合金、コバルト合金、チタン合金又はこれらの１種以上を含む組合せが挙げられる。
【００１８】
流体鋳造材料１６０を鋳型１１０に導入すると、流体鋳造材料１６０は、鋳造プリフォーム１２０の鋳造プリフォームアセンブリ１３０と相互作用して溶浸する、詳細には鋳造プリフォームアセンブリ１３０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々の間又はこれを取り囲む空隙を満たす。鋳造プリフォームアセンブリ１３０は、流体鋳造材料１６０に取り込まれ、流体鋳造材料−鋳造プリフォームアセンブリのマトリクスを形成する。一実施形態では、鋳造プリフォームアセンブリ１３０を形成する複数の幾何学的賦形体１４０は、例えば、鋳型１５０の外側領域内を始めとする流体鋳造材料１６０の一部全体に均一に分布する。別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０は流体鋳造材料１６０と反応する。さらに別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０は、流体鋳造材料１６０と反応しない。
【００１９】
特定の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０は、流体鋳造材料１６０に一部又は全てが溶解されて、流体鋳造材料−鋳造プリフォームアセンブリマトリクス内に微細分散質を形成する。本実施形態の態様において、無傷の鋳造プリフォームアセンブリ１３０、つまり、溶解されていない部分に加えて、微細分散質は、成形品に対して、特に限定されないが高い引張強さを含む、物理的特性の追加の増強をもたらす。本実施形態の別の態様において、分散質はその場で流体鋳造材料１６０と反応して、特に限定されないが、炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、金属間化合物のような混合物又はこれらの１種以上を含む組合せを含む、新しい混合物を形成する。例えば、特定の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０は、溶解されるとその場で流体鋳造材料１６０と反応してチタン炭化物を形成するようになった分散質を形成するチタンを含む。
【００２０】
複数の幾何学的賦形体１４０の組成物及びその鋳造プリフォームアセンブリ１３０内での配置は、増強される所望の物理的特性及び成形品が使用される特定の用途に応じて選択される。成形品を形成するために鋳造プリフォーム１２０を用いて増強される物理的特性は、任意の所望の物理的特性である。鋳造プリフォーム１２０を用いて付与又は増強される物理的特性としては、特に限定されないが、耐摩耗性、引張強さ、クリープ強度、耐酸化性、疲労耐性、高い熱安定性又はこれらの１以上を含む組合せが挙げられる。また、一実施形態では、鋳造プリフォームアセンブリ１３０の材料は、特に限定されないが、耐摩耗性、耐擦り傷性、耐酸化性、摩擦改善、潤滑添加剤又はこれらの１種以上を含む組合せを含む添加剤を含む。
【００２１】
一実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｇ−７７（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒａｎｋｉｎｇ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｔｏ  Ｓｌｉｄｉｎｇ  Ｗｅａｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｂｌｏｃｋ−ｏｎ−Ｒｉｎｇ  Ｗｅａｒ  Ｔｅｓｔ）で測定して、約５％〜約３０％増大した耐摩耗性を有する。別の実施形態では、明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｇ−７７で測定して、約１０％〜約２５％増大した耐摩耗性を有する。さらに別の実施形態では、明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｇ−７７で測定して、約１０％〜約２０％増大した耐摩耗性を有する。
【００２２】
一実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｅ−４６６（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｆｏｒｃｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ａｘｉａｌ  Ｗｅａｒ  Ｔｅｓｔｓ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）で測定して、約５％〜約３０％増大した疲労耐性を有する。別の実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｅ−４６６で測定して、約１０％〜約２５％増大した疲労耐性を有する。さらに別の実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｅ−４６６で測定して、約１０％〜約２０％増大した疲労耐性を有する。
【００２３】
一実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｅ−８（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｔｅｎｓｉｏｎ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）で測定して、約５％〜約３０％増大した引張強さを有する。別の実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｅ−８で測定して、約１０％〜約２５％増大した引張強さを有する。さらに別の実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＡＳＴＭ  Ｅ−８で測定して、約１０％〜約２０％増大した引張強さを有する。
【００２４】
一実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＳＴＭ  Ｅ−１３９（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｃｒｅｅｐ，  Ｃｒｅｅｐ−Ｒｕｐｔｕｒｅ，  ａｎｄ  Ｓｔｒｅｓｓ−Ｒｕｐｔｕｒｅ  Ｔｅｓｔｓ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）で測定して、約５％〜約３０％増大したクリープ強度を有する。別の実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＳＴＭ  Ｅ−１３９で測定して、約１０％〜約２５％増大したクリープ強度を有する。さらに別の実施形態では、本明細書の鋳造プリフォームを使用する成形品鋳造物は、鋳造プリフォームを使用せずに作った成形品に比べて、ＳＴＭ  Ｅ−１３９で測定して、約１０％〜約２０％増大したクリープ強度を有する。
【００２５】
鋳造プリフォームアセンブリ１３０を形成する複数の幾何学的賦形体１４０は、安定（つまり不活性）、高弾性、高強度、高硬度、固相もしくは半固相材料又はこれらの１種以上を含む組合せからなる２次元（２Ｄ）又は３次元（３Ｄ）構造体又は足場材である。一実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０は固相材料で形成される。特定の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０は粉体の形態である。鋳造プリフォーム１２０は、特に限定されないが、粉末加工、焼結、レーザ焼結、３Ｄプリンティング、製織、ハニカム成形、泡加工、射出成形、スリップ鋳造、並びに押出、溶接、ろう付けなどの慣用製造プロセス並びにこれらの１以上のプロセスの組合せを始めとする、任意の適切なプロセスで形成される。
【００２６】
例えば、一実施形態では、２Ｄ又は３Ｄ鋳造プリフォームアセンブリ１３０は、泡加工法を用いて形成したセラミック足場材である。セラミック足場材の泡加工は、セラミックスラリーが含浸される基質としてスポンジ又はポリマー発泡体前駆体の使用を含む。スポンジ基材は、所望の形状にカットして複数の幾何学的賦形体１４０を形成するようになっており、チャプレット形成も可能にする。スポンジ基材には、基材をセラミックスラリーに浸漬することでセラミック材が含浸する。乾燥後、スポンジ基材を燃やしてセラミック足場材を高温で燃焼させて強度を与える。得られる鋳造プリフォームは、次に、鋳造プリフォーム処理時に形成されるその場のチャプレットの助けを借りて鋳型に配置する。鋳型を加熱して流体鋳造材料を充填して、増強された物品を作る。
【００２７】
別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０は、レーザ焼結を用いて形成する。レーザ焼結において、所望の鋳造プリフォームアセンブリ１３０又は足場材モデルは、ＣＡＤプログラムを用いて生成し、ＣＡＤモデルを、必要に応じて金属、金属間化合物、金属及び炭化物、窒化物、ホウ化物、又は酸化物材料の混合物粉体とすることができる粉体が装荷された３Ｄレーザ焼結／プリンティングマシンに移送する。３Ｄレーザ焼結で作った適切な金属支持構造体は、複数の幾何学的賦形体１４０の基材として使用して、鋳造プリフォームアセンブリ１３０又は足場材を基本的に３Ｄプリンティング技術を利用して段階的に作る。３Ｄプリンティングにおいて、任意の種類の粉体金属、セラミック、又はこの組合せをＣＡＤモデル及び適切なバインダを使用してプリントする。３Ｄ足場材又は鋳造プリフォームアセンブリ１３０が完成すると、バインダは燃やされて、得られる鋳造プリフォーム１２０は、高温で焼結及び／又は燃焼させて最大強度を得る。複数の幾何学的賦形体１４０の形状、寸法、形態、組成物、及びアセンブリは、成形品の特定の用途、成形品を形成するために使用する流体鋳造材料１６０、及び成形品の所望の物理的特性に応じて選択する。
【００２８】
図１及び図２には、複数の幾何学的賦形体１４０の各々を六角形のものとして示してあるが、個々の賦形体の具体的な形状は、鋳造プリフォーム１２０を形成する任意の適切な形状であればよい。複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、２次元又は３次元又はこれらの１以上を含む組合せである。複数の幾何学的賦形体１４０の適切な幾何学的形状は、特に限定されないが、３次元の、球形、立方形、又は立方形又は六角形ハニカム、六角形、矩形、多角形、円筒形、及び三角形（又はピラミッド形）のような多角形である。複数の幾何学的賦形体１４０の他の適切な幾何学的形状は、特に限定されないが、４面体、８面体、４面体−８面体ハニカム、２０面体、１２面体、楕円、及び球体の六角形パッキングである。一実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、同じタイプの一様な形状である。別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、少なくとも２つの異なる形状タイプを有する。別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、中空体構造を有する。
【００２９】
一実施形態では、鋳造プリフォームアセンブリ１３０又は足場材を形成する複数の幾何学的賦形体１４０は、所望の湿潤性を有し、湿潤性は、鋳造プリフォームアセンブリと流体鋳造材料の境界面の改善された良好な結合、及び安定した流体鋳造材料−鋳造プリフォームアセンブリのマトリクス混合物の形成を助ける。鋳造プリフォームアセンブリ１３０の湿潤性の特性は、鋳造プリフォーム材料及び流体鋳造材料の物理的及び化学的特性を調整するために種々の方法で制御できる。これらの方法としては、特に限定されないが、鋳造プリフォームの化学的組成物の選択、流体鋳造材料の化学的組成物の選択、流体鋳造材料の加速増大、流体鋳造材料への湿潤剤の付加、又はこれらの組合せが挙げられる。例えば、一実施形態では、鋳造プリフォーム又は流体鋳造材料に一方又は両方の化学的組成物は、流体鋳造材料を鋳型に導入した際に鋳造プリフォーム又は流体鋳造材料と選択的に反応するＴｉ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ又はこれらの１種以上を含む組合せを始めとする、１種以上の反応性成分を追加して改質できる。遠心鋳造又は高圧鋳造によって流体鋳造材料を加速する場合、流体鋳造材料の前面に形成される酸化物層は、加速、及び鋳型と未使用−流体鋳造材料との衝突によって破壊され、鋳造プリフォームを濡らし、鋳造プリフォームをフラックスで被覆して酸化物の形成を軽減する。
【００３０】
一般に、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１ｎｍ〜約１ｃｍの平均直径を有する。一実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１μｍ〜約５００μｍの平均直径を有する。別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１μｍ〜約３００μｍの平均直径を有する。さらに別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１μｍ〜約２００μｍの平均直径を有する。さらに別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１０μｍ〜約１００μｍの平均直径を有する。
【００３１】
別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１ｎｍ〜約１０００ｎｍの平均直径を有する。別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１ｎｍ〜約５００ｎｍの平均直径を有する。さらに別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約２０ｎｍ〜約２００ｎｍの平均直径を有する。さらに別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍの平均直径を有する。
【００３２】
一実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１ｎｍ〜約１０００ｎｍの均一なサイズを有する。別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１ｎｍ〜約５００ｎｍの均一なサイズを有する。さらに別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１ｎｍ〜約３００ｎｍの均一なサイズを有する。さらに別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍの均一なサイズを有する。別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、均一ではないサイズ分布を有する。鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０の全体に均一に又は不均一に分布される。特定の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０の全体に均一に分布される。別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０の全体に周期的に繰り返される。別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０の全体に非周期的に繰り返される。
【００３３】
鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、鋳造プリフォームアセンブリ１３０全体を形成するために配置又は相互接続される。一実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、キャビティ又は空隙が各賦形体を分離するように配置される。特定の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、選択されたパッケージング密度に応じて配置される。特定の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、最大パッケージング密度を実現するように配置される。別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、特に限定されないが、少なくとも２つの隣接する各賦形体が共有する共通の壁又はロッドを含む、共通要素によって相互結合される。
【００３４】
複数の幾何学的賦形体１４０の各々を形成するために使用する材料は、鋳造に適する任意の材料である。選択される特定の材料は、特に限定されないが、成形品の用途、増強される成形品の所望の物理的特性、成形プロセスの種類、及び条件又はこれらの１以上を含む組合せを含む種々の要因に依存する。
【００３５】
複数の幾何学的賦形体１４０の各々に対する最適な材料は、特に限定されないが、金属、金属合金、金属合金混合物、金属マトリクス混合物（ＭＭＣ）、金属間化合物、セラミック、セラミック−セラミック混合物又はこれらの１種以上を含む組合せが挙げられる。最適な材料の例は、特に限定されないが、アルミニウム、アルミナ、カルシウム、炭素、ガラス、グラファイト、銅、鉄、ニッケル、マイカ、珪灰石、モリブデン、シリコン、クロム、ジルコニウム、セリウム、イットリウム、マグネシウム、マンガン、バナジウム、ハフニウム、タンタル、ボロン、コバルト、タングステン、チタン、炭化物、ホウ化物、これらの任意の酸化物又は窒化物又はこれらの１種以上を含む組合せが挙げられる。一実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々の材料は、セラミック、金属、及び前述の少なくとも１つを含む組合せから成るグループから選択され、複数の幾何学的賦形体１４０の各々の形状は、球形、立方形、六角形、及びこれらの組合せから成るグループから選択される。特定の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０に使用する材料は、ＷＣ−Ｃｏ又はＷＣ−Ｃｏを含む組合せである。別の特定の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０に使用する材料は、ニッケル、ホウ化物、例えばＴｉＢ2、コバルト、例えばＳｔｅｌｌｉｔｅ（商標）−６、−Ｔ４００、又は−Ｔ８００又はこれらの１種以上を含む組合せである。さらに別の実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０に使用する材料は、Ｃｒ2Ｃ3−Ｎｉ又はＣｒ2Ｃ3−Ｎｉを含む組合せである。
【００３６】
図１〜図３を参照すると、一実施形態では、複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、中空体構造を有する。中空体構造は２−３次元の形態である。複数の幾何学的賦形体１４０の中空体構造は、任意の所望の形状であり、特に限定されないが、立方体、六角形、又は球形の形状等又はこれらの１以上を含む組合せである。特定の実施形態では、中空体構造は、立方体セル１７０の形態である。
【００３７】
一実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１μｍ〜約１ｃｍの平均直径のロッド１８０及びバー１９０を備える中空体構造を有する。別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約１００μｍ〜約１ｃｍの平均直径のロッド１８０及びバー１９０を備える中空体構造を有する。さらに別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約２００μｍ〜約８００μｍの平均直径のロッド１８０及びバー１９０を備える中空体構造を有する。さらに別の実施形態では、鋳造プリフォーム１２０の複数の幾何学的賦形体１４０の各々は、約３００μｍ〜約６００μｍの平均直径のロッド１８０及びバー１９０を備える中空体構造を有する。
【００３８】
別の実施形態では、ロッド又はバーの一方又は両方は管体である。さらに別の実施形態では、ロッド１８０は、鋳型１５０の外側領域と直交する位置、詳細には、鋳型１１０を用いて鋳造される物品の表面に直交するに配置される。さらに別の実施形態では、立方体セル１７０は、鋳型１５０及び鋳造プリフォーム１２０を用いて作られる成形品のクリープ強度を高くする。
【００３９】
図２及び図４を参照すると、一実施形態では、鋳造プリフォーム１２０は、切断点２１０に隣接してその間に配置される増強セグメント２００を備え、これにより１以上の増強セグメント２００を鋳造プリフォームアセンブリ１３０全体から分離できる。増強セグメント２００は、複数の幾何学的賦形体１４０を含む。鋳造プロセス時、切断点２１０は、流体鋳造材料１６０と相互作用して、結果的に１以上の増強セグメント２００を鋳造プリフォームアセンブリ１３０から分離する。切断点２１０は、ある時間にわたって流体鋳造材料１６０と接触すると又はこれに晒されると溶解又は溶融する。
【００４０】
図２及び図５を参照すると、別の実施形態では、増強セグメント２００は、ある時間にわたって流体鋳造材料（図示せず）と接触すると又はこれに晒されると溶解又は溶融するリンケージ２２０、つまり、柱に隣接してその間に配置される。別の実施形態では図４の切断点２１０又は図５のリンケージ２２０により、増強セグメント２００が流体鋳造材料よりも高密度で遠心力が加わる場合、増強セグメント２００は、鋳型（図示せず）の外側領域の流体鋳造材料１６０の一部に均一に分布される。さらに別の実施形態では、増強セグメントは、切断点、リンケージ又はこれらの１以上の組合せに隣接してその間に配置される。
【００４１】
図６を参照すると、一実施形態では、成形品を形成するために利用する鋳造プロセスの種類は、遠心鋳造又はダイカスト鋳造である。特定の実施形態では成形品を形成するために利用する鋳造プロセスの種類は、遠心鋳造である。本実施形態の態様において、成形品を形成する段階は、複数の幾何学的賦形体を有する鋳造プリフォームアセンブリを含む鋳造プリフォームを形成する段階と、鋳造プリフォームを鋳型の外面に係止する段階と、流体鋳造材料を鋳型に導入する段階と、鋳型に遠心力を加える段階と、成形品を形成する段階とを含み、成形品の表面の少なくとも一部は複数の幾何学的賦形体で強化される。
【００４２】
一実施形態では、成形具１００は回転テーブル２３０を備える。鋳型１１０は、回転テーブル２３０の中又その上に配置される。特定の実施形態では、鋳型１１０は、回転テーブル２３０に対して垂直構成で配置される。各鋳型１１０は、流体鋳造材料供給チャンバ２４０を備える。流体鋳造材料（図示せず）は、流体鋳造材料  供給チャンバ２４０から鋳型１１０へ供給される。各鋳型１１０は、他の鋳型とは独立しており、個々の成形品を別々に鋳造できる。
【００４３】
図７を参照すると、鋳造プリフォーム（図示せず）は鋳型１１０に配置され流体鋳造材料（図示せず）が続く。回転テーブル２３０に遠心力が加わると、遠心力は流体鋳造材料を回転テーブル２３０に対して外側方向に押し出すので、結果的に流体鋳造材料は鋳造プリフォームアセンブリ１３０に浸透する。流体鋳造材料１６０が凝固、つまり冷えると、複数の幾何学的賦形体（図示せず）は、成形品の外側区域、又は鋳型１５０の外側領域の位置に留まる。これによって、増強された物理的特性が望まれる成形品の表面又は一部の表面に対応する、鋳型１５０の外側領域の目標とする物理的特性の増強がもたらされる。
【００４４】
図８及び図９を参照すると、別の実施形態では、各部品又は成形品を個々に鋳造する代わりに、別の構成において、回転テーブル２３０は、部品が大型の一体鋳造物に組み合わされるように構成される。鋳型１１０は、鋳型コネクタ２５０で相互に連結される。鋳型コネクタにより、流体鋳造材料１６０は、各鋳型１１０の間を自由に流れることができる。鋳型１１０及び鋳型コネクタの形状は、所望の一体成形品を作るための所望の任意の形状である。
【００４５】
図６、図７、図８及び図９において回転テーブル２３０の回転方向は時計回りであるが、一実施形態では、回転テーブルの回転方向は時計回り又は反時計回りである。
【００４６】
特定の鋳造条件は、使用する鋳造プリフォームの種類、鋳造する成形品の種類、及び使用する流体鋳造材料の種類で様々に選択される。流体鋳造材料１６０の温度の選択は、使用する特定の流体鋳造材料に依存する。一実施形態では、流体鋳造材料は、約１００°Ｆ及び約５００°Ｆの流体鋳造材料１６０の液化温度、つまり液相温度以上の過熱温度で鋳型１１０に導入されるが、詳細には、約１２０〜約２１０°Ｆ、さらに詳細には、１４０〜約１９０°の液化温度である。
【００４７】
選択される特定の回転速度は、使用する鋳造プリフォームの種類、成形品の種類（つまり、鋳造する成形品の複雑性又は特徴部の詳細）、及び使用する流体鋳造材料も種類で様々である。一実施形態では、回転テーブル２３０は、約５０Ｇ〜約１３０Ｇの遠心力を発生する速度で回転する。別の実施形態では、約７０Ｇ〜約１２０Ｇの遠心力を発生する速度で回転する。さらに別の実施形態では、約８０Ｇ〜約１１０Ｇの遠心力を発生する速度で回転する。
【００４８】
回転テーブル２３０に加わる遠心力の加速度により、流体鋳造材料１６０の鋳造プリフォーム（図示せず）への浸透をもたらす充填圧力が生じる。特定の加速度又は選択範囲は、鋳型１１０の形状及びサイズで様々である。一実施形態では、加速度は約２０Ｇ〜約８０Ｇである。別の実施形態では、加速度は約３０Ｇ〜約７０Ｇである。さらに別の実施形態では、加速度は約４０Ｇ〜約６０Ｇである。特定の実施形態では、加速度の選択範囲によって、鋳造プリフォームアセンブリ（図示せず）の複数の幾何学的賦形体（図示せず）の各々が、鋳型１５０の外側領域又は外側領域の一部における目標とする場所で均一に分布されように、流体鋳造材料１６０は鋳造プリフォーム１２０に浸透できる。結果として得られる鋳造プリフォームアセンブリ−流体鋳造材料マトリクスは、鋳造プロセスで作る成形品の表面又は表面の一部に対応する。
【００４９】
本明細書が提供する鋳造プリフォーム及び方法は、成形品に対する目標とする１以上の物理的特性の増強をもたらす。目標とする増強箇所は、物理的特性の増強が望まれる  成形品の表面又は表面の一部に対応する。本明細書の鋳造プリフォーム又は方法を用いて増強される物理的特性は、高い耐摩耗性、引張強さ、支圧強度、クリープ強度、耐酸化性、疲労耐性、高い熱安定性、又はこれら１以上の物理的特性の組合せを含む。増強される物理的特性によって、成形品の性能が改善され、保守サービスの期間が長くなり、成形品を使用する全体の寿命が延びる。
【００５０】
本明細書の鋳造プリフォーム及び方法を用いて作った成形品の種類は、目標とする物理的特性の増強が望まれる任意の種類の成形品に使用できる。本明細書の鋳造プリフォーム及び方法を用いて作った成形品の種類は、特に限定されないが、ガスタービンエンジンの部品、ガスタービンダイアフラム、ピストン、シリンダ、ベアリング、ブレード、ベーンシュラウド、ライナ、燃焼器、トランジションピース、ロータ部品、排気フラップ、シール、又は燃料ノズルである。
【００５１】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００５２】
１００  成形具
１１０  鋳型
１２０  鋳造プリフォーム
１３０  鋳造プリフォームアセンブリ
１４０  複数の幾何学的賦形体
１５０  鋳型の外側領域
１６０  流体鋳造材料
１７０  立方体セル
１８０  ロッド
１９０  バー
２００  補強セグメント
２１０  切断点
２２０  リンケージ
２３０  回転テーブル
２４０  流体鋳造材料供給チャンバ
２５０  鋳型コネクタ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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