(57)【要約】【課題】ガスタービン翼などの内部冷却用の中空構造を有する鋳物に関し、冷却効率の一層の向上に寄与することができる鋳物、並びにかかる鋳物の製造に用いる中子およびその製造方法を提供する。【解決手段】無機粉末焼結体を用いて形成され、表面に網目形態の毛細溝を有する中子とする。そのような中子は、無機粉末とバインダを含んで形成された成形体を用いて無機粉末焼結体を形成する焼結体形成工程と、前記無機粉末焼結体の表面にゾルを被覆して乾燥するゾル被覆工程と、前記ゾル被覆工程を経た無機粉末焼結体から残留水分を加熱して除去する加熱工程とを含む製造方法により作製できる。こうした中子を用いて、内部冷却孔用の中空構造の壁面に網目形態の狭幅な稜線を有する鋳物とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機粉末焼結体を用いて形成され、表面に網目形態の毛細溝を有することを特徴とする中子。
【請求項２】
鋳物の内部冷却用の中空構造の形成に用いることを特徴とする請求項１に記載の中子。
【請求項３】
無機粉末とバインダを含んで形成された成形体を用いて無機粉末焼結体を形成する焼結体形成工程と、前記無機粉末焼結体の表面にゾルを被覆して乾燥するゾル被覆工程と、前記ゾル被覆工程を経た無機粉末焼結体から残留水分を加熱して除去する加熱工程と、を含むことを特徴とする中子の製造方法。
【請求項４】
前記ゾルは、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアのうちの１種以上からなるゾル生成粒子を含む、ことを特徴とする請求項３に記載の中子の製造方法。
【請求項５】
内部冷却孔用の中空構造の壁面に網目形態の稜線を有することを特徴とする鋳物。
【請求項６】
タービン翼であることを特徴とする請求項５に記載の鋳物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中子、中子の製造方法および鋳物に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温環境下で使用されるガスタービン翼などの鋳物には、内部冷却用に冷却媒体となる流体を流すための中空構造を有するものがある。中空構造を有する鋳物を作製する場合、その中空構造（空間）に対応する形状を有する中子を含む鋳型を作製し、中空構造の壁面（鋳物の内壁面）を形成する方法が一般的に行われている。こうした鋳物の表面（鋳肌）は、その鋳物の作製方法において可能な限り平滑であることが一般的に望まれている。従って、中子の表面（中子肌）の転写により形成される中空構造の壁面もまた平滑であることが望まれるため、中子の表面もできる限り平滑に形成されることが一般的に行われている。
【０００３】
近年、上述したガスタービン翼では、ガスタービンの発電効率の一層の向上のために燃焼温度の高温化が検討される中で、冷却効率の一層の向上が求められている。こうした冷却効率の向上に関し、例えば、上述したガスタービン翼に係る特許文献１、２には、鋳物の中空構造の壁面の肌荒れ（表面性状の悪化）が冷却媒体（流体）の流れを阻害し、冷却効率を低下させる問題が指摘されている。そして、その問題の解決法として、鋳物の中空構造の壁面の表面粗さを小さくするための中子の改良技術が提案されている。例えば、特許文献１には、中子の全表面に酸化物被膜層を形成することにより、鋳物の中子と接した鋳肌の表面粗さを例えばＲｍａｘ値で４．３μｍなどに低減できることが記載されている。また、特許文献２には、溶湯との反応性が低い成分系を用いて中子を形成することにより、鋳物の中子と接した鋳肌の表面粗さを例えばＲｍａｘ値で６．２μｍなどに低減できることが記載されている。なお、特許文献１、２が記載する表面粗さＲｍａｘは、最新のＪＩＳ−Ｂ６００１：２０１３では最大高さＲｚとして規定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３２００２９号公報
【特許文献２】特開平１１−３４２４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１によれば、通常の中子を作製した後、真空蒸着などの方法を用いて中子の全表面に酸化物被膜層を形成するため、一般的な中子量産では使用されない新たな製造設備などが必要になる。また、複雑な翼形状を有するガスタービン翼の全表面に対して均一な厚さで酸化物被膜層を形成することは容易でなく、中子の寸法不良が発生しやすい。その結果、所定の中空構造を形成することができなくなる。従って、ガスタービン翼（鋳物）の高コスト化を助長することになるため好ましくない。
【０００６】
また、上述した特許文献２によれば、中子の一般的な主原料である二酸化ケイ素（シリカ）に対し、酸化バリウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化ベリリウム、酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化トリウム、ケイ酸ハフニウム、およびケイ酸ジルコニウムの中から１種以上を選んで新たに配合する必要がある。これら新たな配合原料の中には、配合原料として一般的なアルミナやジルコンよりも特段に高価なもの、好ましい粒度分布で入手し難いもの、好ましい焼結性を有さないものなどがあり、一般的な中子の製造工程で採用し難いため好ましくない。
【０００７】
本発明の目的は、上述したガスタービン翼などの内部冷却用の中空構造を有する鋳物に関し、冷却効率の一層の向上に寄与することができる鋳物、並びにかかる鋳物の製造に用いる中子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上述したガスタービン翼などの鋳物の内部冷却用の中空構造の壁面の性状と、これに接する冷却媒体の挙動などを鋭意検討した結果、冷却媒体の流れを阻害することなく乱流を発生させることにより、上述した課題が解決できることを見出し、本発明に想到した。
すなわち、本発明の中子は、無機粉末焼結体を用いて形成され、表面に網目形態の毛細溝を有することを特徴とする。また、本発明の中子は、鋳物の内部冷却用の中空構造の形成に用いることが好ましい。
【０００９】
上述した本発明の中子は、無機粉末とバインダを含んで形成された成形体を用いて無機粉末焼結体を形成する焼結体形成工程と、前記無機粉末焼結体の表面にゾルを被覆して乾燥するゾル被覆工程と、前記ゾル被覆工程を経た無機粉末焼結体から残留水分を加熱して除去する加熱工程と、を含む製造方法により作製することができる。また、前記ゾルは、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアのうちの１種以上からなるゾル生成粒子を含むものであることが好ましい。
【００１０】
上述した本発明の中子を用いて、内部冷却孔用の中空構造の壁面に網目形態の稜線を有する、本発明の鋳物を作製することができる。また、前記鋳物は、タービン翼であってよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の中子は、鋳物の中空構造の壁面に網目形態の稜線を形成することができる。鋳物の中空構造の壁面に形成された網目形態の稜線は、これに接した冷却媒体の流れに乱流を発生させる。加えて、壁面に稜線が存在する分だけ冷却媒体が接する表面積が大きくなるため、その表面積が増えた分だけ鋳物からの抜熱が助勢される。よって、鋳物の冷却効率が従来よりも一層向上される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の中子の表面の一例を示す図である。
【図２】図１に示す中子の表面の一部を拡大して示す図である。
【図３】従来の製造方法を用いた一般的な中子の表面の一例を示す図である。
【図４】図３に示す中子の表面の一部を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明における重要な特徴は、中子の表面に網目形態の毛細溝を有することであり、また、かかる中子を用いて作製される鋳物の内部冷却孔用の中空構造の壁面に網目形態の稜線を有することである。一般に、中子により形成された鋳物の中空構造の表面（鋳肌）には、その中子の表面（中子肌）の性状が実質的に転写される。例えば、中子肌が平滑であればそれに対応するように平滑な鋳肌が形成されるし、中子肌が粗ければ鋳肌もまた粗くなる。本発明においては、この性質を利用し、かかる中子の表面を網目形態の毛細溝を有するものとし、かかる中子肌を鋳物の中空構造の壁面に実質的に転写させるのである。なお、毛細溝とは、毛細状の非常に幅の狭い溝のことを言う。この溝の幅としては、１０μｍ〜３０μｍを主体とする数μｍから数十μｍ例えば３μｍ〜５０μｍであることが好ましい。
【００１４】
鋳物の中空構造の壁面が網目形態の稜線であると、その網目形態の稜線に接した冷却媒体の前記壁面近傍の流れに乱流が発生し、その乱流によって鋳物からの抜熱が助勢される。また、前記壁面が網目形態の稜線であると、従来のように壁面が平滑であるよりも冷却媒体との接触面積が増えるため、その接触面積の増分によって鋳物からの抜熱が助勢される。従って、内部冷却孔用の中空構造の壁面に網目形態の稜線を有する鋳物は、前記壁面近傍の乱流の発生と接触面積の増分とが相俟って、従来よりも冷却効率が一層向上される。それ故、本発明の中子は、鋳物の内部冷却用の中空構造の形成に用いることが好ましいのである。なお、稜線は、中子の網目形態の毛細溝に対応したものであり、非常に幅が狭いものである。この幅としては、５μｍ〜３０μｍを主体とする数μｍから数十μｍ例えば３μｍ〜５０μｍであることが好ましい。以後、狭幅な稜線とも言う。
【００１５】
本発明の中子は、無機粉末焼結体を用いて形成される。その無機粉末焼結体は、無機粉末とバインダを用いる成形体形成工程により成形体を作製し、その成形体を焼成する焼結体形成工程により作製することができる。成形体は、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシアなどの無機粉末原料から用途に応じて適種かつ適量が配合された無機粉末（粉体）と、バインダと、他の添加剤などが必要に応じて配合された成形原料を用いて、例えば射出圧力を１ＭＰａ〜２００ＭＰａとした射出成形法により作製できる。無機粉末焼結体は、その成形体から例えば５００℃〜６００℃で１ｈ〜１０ｈの保持を行うことを含む脱脂工程によりバインダなどを除去し、残る無機粉末を例えば１２００℃〜１４００℃で１ｈ〜１０ｈの保持を行って焼結することを含む焼結工程を経ることにより作製できる。
【００１６】
かかる無機粉末焼結体は、主成分がシリカであり、そのシリカ１００質量％中に非結晶性シリカを９０質量％以上含み、さらに、アルミナを０．１〜１５．０質量％と、カリウム、ナトリウム、またはカリウムとナトリウムの組合せのいずれかを０．００５〜０．１質量％含み、６０％〜８０％の相対密度を有することが好ましい。より好ましくは、さらに適量のジルコニア粉末を含むことである。このような無機粉末焼結体は、ガスタービン翼などに多く適用されるＮｉ基耐熱合金系の溶融金属と反応し難く、耐熱性、鋳造時の寸法安定性、アルカリ溶液による溶出性に優れ、例えば、室温（２５℃）で１０ＭＰａ以上、１５５０℃で５ＭＰａ以上の曲げ強度を有することができる。
【００１７】
かかる無機粉末焼結体を用いる本発明の中子は、その無機粉末焼結体の表面にゾルを被覆して乾燥するゾル被覆工程と、前記ゾル被覆工程を経た無機粉末焼結体から残留水分を加熱して除去する加熱工程と、を含む製造方法により作製することができる。
かかるゾル被覆工程は、液体分散媒のコロイドであるゾルを作製する工程と、そのゾルの中に無機粉末焼結体を浸漬する方法や、そのゾルを無機粉末焼結体に塗布または噴き付ける方法などにより、無機粉末焼結体の表面にゾルを被覆する工程と、そのゾルの被膜を乾燥する工程と、を含み、無機粉末焼結体の表面にゾル組成の被膜層を形成することを目的とする。なお、前記ゾルは市販品でもよい。
【００１８】
かかるゾルは、水、アルコール、有機溶剤などの液体を分散媒とするコロイドであり、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアのうちの１種以上からなるゾル生成粒子を含むものであることが好ましい。かかるゾル生成粒子は、上述した液体分散媒との混合によりゾルを生成し、一般的にはメジアン径ｄ５０が１００ｎｍ以下の微粉である。例えば、コロイダルシリカは水とシリカ微粉を含むシリカゾル、コロイダルアルミナは水とアルミナ微粉を含むアルミナゾル、コロイダルジルコニアは水とジルコニア微粉を含むジルコニアゾル、コロイダルチタニアは水とチタニア微粉を含むチタニアゾルである。こうしたゾルは、１種のみで使用することもできるし、１種以上を混合して使用することもできる。上述したコロイダルシリカ、コロイダルアルミナ、コロイダルジルコニア、コロイダルチタニアなどは、鋳物を鋳造する際の鋳型の原料などに多く使用されているため、比較的安価で入手しやすく、利便性が高い。
【００１９】
また、かかるゾルは、さらにメジアン径ｄ５０が０．１μｍ以上である粗粉、例えば、アルミナ粒子、ジルコニア粒子、シリカ粒子、チタニア粒子などを含むことができる。こうした粗粉を含むゾル（スラリーと呼ばれることもある）は、ゾルの全質量に対する粗粉の全質量の割合が８０％以下であることが好ましい。これは、中子の表面に粗粉による凹凸が多くなることで鋳肌が凹凸になり、鋳肌に網目形態の狭幅な稜線が形成されなる可能性が高まるからである。また、ゾルにより中子の表面に形成される被覆層が厚くなり寸法精度が低下する可能性が高まるからである。
【００２０】
かかるゾルを構成する分散媒に対する分散質の含有割合（分散質の濃度）や、かかる分散質を構成する微粉や粗粉などの種類、配合割合、粒度などを変えることにより、あるいは、かかるゾルによる被覆層の厚さを変えることにより、後述する網目形態の毛細溝を溝状に見せている微細な被膜片の平均的な大きさ（網目サイズ、メッシュサイズ）や、毛細溝による凹凸の大きさ（表面粗さ）を変化させることができる。なお、ゾルに含まれる粗粉の割合が小さい程、中子の表面に網目形態の毛細溝が均一に形成される傾向がある。
【００２１】
また、前記加熱工程は、表面に前記被膜層が形成された無機粉末焼結体を加熱し、前記被膜層や無機粉末焼結体に含まれる残留水分を除去する工程を含み、その後に冷却を行う。こうした加熱工程をゾル組成の被覆層に課すことが重要である。かかる加熱工程において、前記被覆層に含まれるゾルの分散質である微粉や粗粉などが乾燥や焼結により収縮し、これにより前記被覆層に無数の毛細状の亀裂が発生し、最終的に無機粉末焼結体の表面全体に網目形態の無数の毛細溝を形成することができる。
【００２２】
こうして、表面に網目形態の毛細溝を有する無機粉末焼結体、すなわち本発明の中子を作製することができる。前記加熱は、前記被覆層を構成するゾル組成や原料粉末の性質に応じて選択することができるが、例えば８００℃〜１６００℃で保持して収縮や焼結を促すことが好ましい。
【００２３】
次に、上述した製造方法を用いて作製した中子の表面（中子肌）について具体例を挙げて、図面や表を参照して説明する。なお、本発明の範囲を、ここに挙げた本発明例に限定するものではない。
【００２４】
本発明の製造方法により作製した、本発明の実施形態である中子（以下、「本発明例」という。）の表面の観察像を図１に示し、その一部の拡大像を図２に示す。また、比較のために従来の製造方法により作製した、上述したゾル組成の被膜層がない一般的な中子（以下、「比較例」という。）の表面の観察像を図３に示し、その一部の拡大像を図４に示す。なお、各図に示す観察像やその拡大像は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によるものである。
【００２５】
本発明例の中子は、比較例の中子（無機粉末焼結体）の中から無作為に選び、上述したアルミナゾルを表面に被覆して乾燥し、残留水分を加熱して除去する加熱工程を経て作製したものである。また、比較例の中子（無機粉末焼結体）は、上述したシリカを主成分とする無機粉末とバインダなどの混合物を用いた射出成形により作製した成形体を、脱脂処理後に１３００℃で２ｈの保持を行って焼結して作製したものである。
【００２６】
図１に示すように、本発明例の中子の表面は、多数の被膜片２で覆われており、隣接する被覆片２の間が微細な溝状（毛細溝１）に見えるとともに、毛細溝１の繋がりにより表面全体が網目形態に見える。この毛細溝１の幅は、５μｍ〜３０μｍが主体であった。また、図２に示す拡大図では、多数の被覆片２の間の毛細溝１の底部に無機粉末焼結体を構成する多数の粒子３が確認される。なお、この倍率の観察像では、被覆片２を構成するアルミナ微粉（アルミナゾルの分散質）の粒子形状は確認されない。これに対し、従来の製造方法により作製された比較例の中子の表面は、図３や図４（拡大図）に示すように、図２に示す本発明例のような被覆片２や毛細溝１が見られず、無機粉末焼結体を構成する多数の粒子３が確認されるのみであり、表面形態が明らかに異なることが確認できる。
【００２７】
次に、無作為に選んだ本発明例と比較例のそれぞれの中子を用い、ロストワックス鋳造法により中子形状に対応する中空構造を有する鋳物を作製した。具体的には、まず、中子を位置決め支持した射出成形型のキャビティ内に消失性材料を充填し、中子を含む消失性模型を作製した。続いて、中子を含む消失性模型の周りに耐火性材料であるスラリーとスタッコとを交互に積層して多重化し、十分な乾燥を経てからオートクレーブ処理により消失性材料を除去し、残る耐火性材料を焼成することにより、中子を内包する鋳型を作製した。次いで、その鋳型内に所定の温度の溶融金属（溶湯）を充填し、十分な冷却を経てから鋳型を解砕して中子を含む鋳物を取り出し、その鋳物からアルカリ水溶液を用いて中子を溶出して除去した。こうした方法により、転写により中子の表面（網目形態の毛細溝を有する中子肌）に対応する壁面（網目形態の狭幅な稜線を有する鋳肌）が形成された中高構造を有する鋳物を作製した。
【００２８】
本発明例の中子を用いて上述した方法により作製した鋳物の中空構造の壁面は、図１に示す多数の被膜片２による網目形態の毛細溝１を有する中子肌に対応する表面形態、すなわち網目形態の狭幅な稜線を有する鋳肌に形成されていた。これに対し、ゾル組成の被覆層を形成していない比較例の中子を用いて同様な方法により作製した鋳物の中空構造の壁面は、図３に示す無機粉末焼結体の多数の粒子３が露出する表面（無機粉末焼結肌）に対応する表面形態、すなわち転写により多数の粒子３に対応する凹凸を有する鋳肌に形成されていた。従って、本発明例の中子を用いた鋳物は、中空構造の壁面が中子肌に対応して形成された網目形態の狭幅な稜線を有し、この構成により、冷却媒体の流れに乱流を発生させることができるとともに、冷却媒体との接触面積を増やすことができるため、抜熱が助勢されて従来よりも冷却効率が一層向上される。
【符号の説明】
【００２９】
１    毛細溝
２    被覆片
３    粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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