(57)【要約】【課題】本開示は、概して、第１の金属部品と、第１の金属部品の周囲で熱間等方圧加圧された第２の金属部品とを含む鋳造コアの少なくとも一部を包囲する鋳造シェルを備えている、鋳型に関するものである。【解決手段】一態様では、第１の金属部品は第２の金属部品より低融点であってもよい。別の態様では、第２の金属部品はいくつかの金属粉末粒子構造を保持していてもよい。【選択図】図４
2017159362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属部品と、第１の金属部品の周囲で熱間等方圧加圧された第２の金属部品とを含む鋳造コアの少なくとも一部を包囲する鋳造シェルであって、
第１の金属部品は第２の金属部品より低融点であり、第２の金属部品はいくつかの金属粉末粒子構造を保持している鋳造シェルを備えている、鋳型。
【請求項２】
第１の金属部品はアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、金、金合金、銀、又は銀合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の鋳型。
【請求項３】
第２の金属部品はタングステン、タングステン合金、モリブデン、又はモリブデン合金を含む、請求項１又は特許請求の範囲２のいずれかに記載の鋳型。
【請求項４】
鋳造シェルはセラミックを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の鋳型。
【請求項５】
交互積層により、鋳造シェル又は第１の金属部品のうちの少なくとも１つを形成している、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の鋳型。
【請求項６】
鋳造部品の製造方法であって、
鋳造シェルの内部空間に金属粉末を添加する工程であって、金属粉末が、鋳造シェルの内部空間に配置された第１の金属部品を少なくとも部分的に包囲するものである、工程と、
金属粉末を熱間等方圧加圧にかけ、粉末を第２の金属部品へと圧密化する工程と、
鋳造シェルと第１の金属部品とを第２の金属部品から除去する工程であって、
第１の金属部品は第２の金属部品より低融点である工程と
を含む方法。
【請求項７】
第１の金属部品はアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、金、金合金、銀、又は銀合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
第２の金属部品はタングステン、タングステン合金、モリブデン、又はモリブデン合金を含む、請求項６又は７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
鋳造シェルはセラミックを含む、請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
鋳造シェルを除去する工程は破壊する工程を含む、請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
第１の金属部品を除去する工程は溶解する工程を含む、請求項６乃至請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
鋳造シェル又は第１の金属部品のうちの少なくとも１つを交互積層により積層造形することによって、鋳造シェル又は第１の金属部品のうちの少なくとも１つを形成している工程をさらに含む、請求項６乃至請求項１１のいずれか１項に記載の方法であって、当該方法が、
（ａ）粉末床に粉末の層を注入して、溶融領域を形成する工程と、
（ｂ）粉末床上に後続の粉末層を設ける工程と、
（ｃ）少なくとも鋳造シェル又は第１の金属部品に対応する少なくとも２種類の粉末組成物を使用して、工程（ａ）及び（ｂ）を繰り返し、鋳造コアの少なくとも一部を形成する工程と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、鋳造コア（中子）部品、及びこれらのコア部品を使用するプロセスに関する。本発明のコア部品は、熱間等方圧加圧法を使用して第１の金属部品の周囲に形成された、第２の金属部品を含み得る。第１の金属部品は、第２の金属部品より低融点の金属を含み得る。これらの第１の金属部品及び第２の金属部品は、ジェット航空機エンジン又は発電タービン部品用のタービンブレードを製造する際に使用する超合金の鋳造のような鋳造作業に、有用な特性を提供している。
【背景技術】
【０００２】
最近のエンジン及び次世代タービンエンジンの多くは、入り組んでいて複雑な形状を有する部品及び部位を要し、これによって新しいタイプの材料及び製造技術が必要とされている。エンジン部位及び部品を製造するための従来の技術は、インベストメント鋳造又はロストワックス鋳造における面倒なプロセスを伴うものである。インベストメント鋳造の一例としては、ガスタービンエンジンに使用する代表的な回転ブレードの製造が挙げられる。タービンブレードは通常、ブレードの翼長に沿って延在する半径方向流路を備えており、かつエンジン作動中に加圧冷却空気を受け取る少なくとも１つ以上の流入口を有する、中空の翼形部を含んでいる。ブレードにおける種々の冷却通路の中には、前縁と後縁との間で翼形部の中間において配置される蛇行流路が含まれている。翼形部は通常、ブレードを通過する、加圧冷却空気を受け取るための流入口を含んでおり、これらの流入口は、翼形部の加熱された側壁とブレード内部の冷却空気との間の熱伝達を促進する短いタービュレータリブ又はピンのような局所的な特徴を含んでいる。
【０００３】
このようなタービンブレードは、通常高強度の超合金金属材料から製造され、これには数多くの工程が含まれている。まず、精密セラミックコアを、タービンブレード内部に要する入り組んだ冷却通路に適合するように製造する。さらに、精密金型又は鋳型を製造し、これは翼形部と、プラットフォームと、一体型ダブテールとを含むタービンブレードの正確な３次元外面を画成している。セラミックコアを２つの金型半体内部に組み込んでおり、これらの金型半体は相互間に空間又は空隙を形成し、これにより、ブレード内に生じる金属部分を画成している。組み立てた金型内にワックスを注入して空隙を充填し、かつそこに内包されたセラミックコアを包囲する。２つの金型半体を分割し、かつ成形ワックスからこれらを取り出す。この成形ワックスは所望のブレードに沿った形状となり、次いでセラミック材料をこれに塗工して、セラミックコアを包囲するセラミックシェルを形成する。その後、ワックスが溶融し、セラミックシェルと内部のセラミックコアとの間に残された空隙又は空間を残存させつつ、シェルからこれを除去する。次いで、シェルに溶融超合金金属を注ぎ込んでそこに存在する空隙を充填し、シェルに入ったセラミックコアを再度封入する。溶融金属を冷却してこれを固化させ、次いで内部の冷却通路が存在する所望の金属タービンブレードを残存させつつ、外側シェルと内部コアとを好適に除去する。
【０００４】
その後、鋳造されたタービンブレードは、内部に送られる冷却空気用に流出口を設けることが必要となるため、翼形部の側壁を通る適当なフィルム冷却孔の列を穿設する工程が一例として挙げられるが、これに限定されない付加的な鋳造後の修正の工程を受けてもよく、次いで、これによってガスタービンエンジン作動中に翼形部の外部表面上に保護作用を有する冷却空気膜又は冷却空気ブランケットが形成され得る。しかしながら、こうした鋳造後修正は限定的であり、タービンエンジンが絶えず複雑化しており、タービンブレード内部に設けられる特定の冷却回路に関して、その高い効率が認識されている現状を考慮すると、より複雑で入り組んだ内部形状に対応する要求が高まっている。インベストメント鋳造でこれらの部品を製造することができるが、製造に際し、こうした従来の製造プロセスを使用すると、位置精度や入り組んだ内部形状の複雑化が問題になる。したがって、入り組んだ内部空隙を有する３次元部品のための改良された鋳造方法を提供することが望ましい。
【０００５】
高融点金属とセラミック鋳造部品との組合せを利用したハイブリッドコア部品を使用する精密金属鋳造が、当技術分野で知られている。ハイブリッドコアは、高融点金属及びセラミック材料の一部を含むように製造されている。一例として、米国特許出願公開第２０１３／０２６６８１６号明細書“Ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｏｆ  ｈｙｂｒｉｄ  ｃｏｒｅ．”を参照されたい。本出願において開示された、ハイブリッドコアの製造に使用する技術は、従来の粉末床技術を利用したものである。ハイブリッドコアは、例えばジェット航空機エンジンに使用するタービンブレードの鋳造等の超合金の鋳造に対して、付加的な柔軟性を提供しているが、より高度なインベストメント鋳造コアの技術が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／０２０３４１１号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、第１の金属部品と、第１の金属部品の周囲で熱間等方圧加圧された第２の金属部品とを含む鋳造コアの少なくとも一部を包囲する鋳造シェルを備えている、新規の鋳型に関するものである。一態様では、第１の金属部品は第２の金属部品より低融点であってもよい。別の態様では、第２の金属部品はいくつかの金属粉末粒子構造を保持していてもよい。
【０００８】
一実施形態では、第１の金属部品（例えば、非高融点金属部品）はアルミニウム、銅、銀、及び／又は金を含み得、、第２の金属部品（例えば、高融点金属部品）は、モリブデン、ニオブ、タンタル及び／又はタングステンを含み得る。第１の金属部品及び／又は第２の金属部品は、どちらも合金を含み得る。
【０００９】
第１の金属部品及び／又は第２の金属部品のうちの１つ以上は、数ある構造体の中でも特に、後縁冷却流路、又はマイクロ流路を、鋳造部品冷却孔内に画成するように適合されていてもよい。また、第１の金属部品及び／又は第２の金属部品は、コア支持構造体、プラットフォームコア構造体、又は先端フラグ構造体を設けるように適合されていてもよい。第１の金属部品及び／又は第２の金属部品のうちのいくつかの金属部品を、単一の鋳造コアに使用してもよいが、或いはこれらを単独で、又はセラミック鋳造コアアセンブリにおける他の鋳造部品と共に使用してもよい。
【００１０】
また、本発明は、鋳造シェルの内部空間に金属粉末を添加する工程であって、金属粉末が、鋳造シェルの内部空間に配置された第１の金属部品を少なくとも部分的に包囲するものである、工程と、金属粉末を熱間等方圧加圧にかけ、粉末を第２の金属部品へと圧密化する工程と、鋳造シェルと第１の金属部品とを第２の金属部品から除去する工程とを備えている鋳造部品の製造方法に関する。一態様では、第１の金属部品は第２の金属部品より低融点であってもよい。
別の態様では、第１の金属部品と第２の部品とを鋳型及び／又はシェル内で組立てていてもよく、、鋳造コアを形成するに際しセラミックスラリーを投入していてもよい。
【００１１】
一実施形態例では、鋳造シェル又は第１の金属部品のうちの少なくとも１つを交互積層により積層造形するプロセスによって、鋳造シェル又は第１の金属部品のうちの少なくとも１つを形成していてもよく、プロセスは、（ａ）照射接着剤射出によって圧密し、かつ／又は粉末床に粉末の層を焼結して、溶融／焼結領域を形成する工程と、（ｂ）粉末床上に後続の粉末層を設ける工程と、（ｃ）少なくとも鋳造シェル又は第１の金属部品に対応する少なくとも２種類の粉末組成物を使用して、工程（ａ）及び（ｂ）を繰り返し、鋳造コアの少なくとも一部を形成する工程とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る鋳造部品の形成方法を示している。
【図２】本発明の一実施形態に係る鋳造部品の形成方法を示している。
【図３】本発明の一実施形態に係る鋳造部品の形成方法を示している。
【図４】本発明の一実施形態に係る鋳造部品の形成方法を示している。
【図５】本発明の一実施形態に係る鋳造部品の形成方法を示している。
【図６】本発明の一実施形態に係る鋳造部品の形成方法を示している。
【図７】本発明において使用することができる、様々な形状を有する鋳造シェルを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付図面に関連して以下に記載した詳細な説明は、種々の構成を説明するものとして意図され、本明細書に記載した概念を実施することができる唯一の構成を表すことを意図するものではない。この詳細な説明は、種々の概念に対する十分な理解をもたらす目的で、具体的な詳細事項を含んでいる。しかし、これらの具体的な詳細事項なしでもこうした概念を実施できることが、当業者には明らかであろう。
【００１４】
図面を参照すると、種々の図を通じて同一の参照符号が同一の要素を示しているが、図１から６は、本開示のいくつかの態様に係る鋳造部品１１０の形成方法１００を示している。
【００１５】
図１に示すように、第１の金属部品１０２を、鋳造部品１１０の形成方法１００において使用してもよい。第１の金属部品１０２は、アルミニウム、ニッケル、銅、金、及び／又は銀のうちの少なくとも１つ、又はこれらの組合せ、もしくはこれらの合金を含むが、これらに限定されない低融点金属及び／又は合金を含み得る。加えて、第１の金属部品１０２は、高融点金属ではない金属を含み得る。ただし、第１の金属部品１０２は、第２の金属部品１１０より低融点である任意の金属を含み得る。一実施形態例では、所望のかつ／又は入り組んだ形状を形成するために、積層造形技術を使用して、第１の金属部品１０２を形成することができる。
【００１６】
図２を参照すると、鋳造シェル１０４を、第１の金属部品１０２を包囲するように形成することができる。一態様では、鋳造シェル１０４はセラミックを含み得る。図２で、鋳造シェル１０４をＵ字状に図示しているが、鋳造部品１１０の所望の形状に依存して、本発明の範囲を逸脱することなく、鋳造シェル１０４を任意の形状及び／又は構造を有するように形成し得ることを、当業者なら理解するであろう。一例として、より入り組んだ構造を有する鋳造シェル２００を図７に示している。
【００１７】
一実施形態例では、鋳造シェル又は第１の金属部品のうちの少なくとも１つを交互積層により積層造形するプロセスによって、鋳造シェル又は第１の金属部品のうちの少なくとも１つを形成していてもよく、プロセスは、（ａ）粉末床に粉末の層を注入して、溶融／焼結領域を形成する工程と、（ｂ）粉末床上に後続の粉末層を設ける工程と、（ｃ）少なくとも鋳造シェル又は第１の金属部品に対応する少なくとも２種類の粉末組成物を使用して、工程（ａ）及び（ｂ）を繰り返し、鋳造コアの少なくとも一部を形成する工程とを備えている。
【００１８】
図３に示すように、第１の金属部品１０２の少なくとも一部を金属粉末１０６が包囲するように、金属粉末１０６を鋳造シェル１０４の内部空間に添加することができる。一態様では、金属粉末１０６はモリブデン、ニオブ、タンタル及び／又はタングステンのうちの少なくとも１つ、又はこれらの組合せ、もしくはこれらの合金を含み得るが、これらに限定されない。ただし、金属粉末１０６は、本発明の範囲を逸脱することなく、第１の金属部品１０２より高い融点を有する任意の金属粉末を含み得る。
【００１９】
一態様では、金属粉末１０６を昇温１０８と加圧１０８（例えば、等方圧加圧）とにかけ、図４に示すように金属粉末１０６を第２の金属部品１１０へと圧密化することができる。一実施形態例では、第１の金属部品１０２と金属粉末１０６とを含む鋳造シェル１０４を、格納容器（図示せず）内に配置することができる。この格納容器を、内部で圧力が上昇するように加熱することができる。さらに、所望の圧力レベルを実現するために、不活性ガス（例えば、アルゴン等）を格納容器に圧送することができる。例えば、圧密する金属に依存して、５０ＭＰａから３５０ＭＰａまで圧力を上昇させることができる。また、圧密する金属粉末に依存して、４５０℃から１，４００℃まで格納容器内の温度を上昇させることができる。
【００２０】
熱間等方圧加圧法を使用して第２の金属部品１１０を形成することにより、熱間等方圧加圧法を使用して形成しなかった金属部品の構造的特性とは異なる、特定の構造的／物理的特性を有するように、第２の金属部品１１０を形成することができる。例えば、熱間等方圧加圧法を使用して形成した金属部品においては、他のプロセスを使用して形成した金属部品より内部空隙及び／又は微細気孔が減少し得る。加えて、熱間等方圧加圧法を使用することにより、金属部品の構造的特性をも改善することができる。例えば、熱間等方圧加圧法を使用することにより、第２の金属部品１１０の耐疲労性を改善することができる。
【００２１】
図５を参照すると、金属粉末１０６をひとたび第２の金属部品１１０へと圧密化すると、第１の金属部品１０２と第２の金属部品１１０とから、鋳造シェル１０４を除去することができる。例えば、鋳造シェル１０４を破壊によって除去することができる。
【００２２】
図６を参照すると、第１の金属部品１０２を溶解することにより、これを除去することができる。一実施形態例では、第１の金属部品１０２に関して、その融点が第２の金属部品１１０の融点より低くなるものを選択することができる。このようにして、第２の金属部品１１０の溶解、及び／又はこれにおける損傷発生を伴うことなく、第１の金属部品１０２を溶解することができる。
【００２３】
上記の例では、タービンブレードを形成するロストワックスプロセスにおけるワックスに類似した使い捨てパターン材料として、第１の金属部品１０２を使用している。加えて、ロストワックスプロセスにおける第２の金属部品１１０と共に、第１の金属部品１０２を使用することができる。この場合、双方の金属は鋳造コアの一部を形成している。次いで、この鋳造コアをワックスで包囲した後、セラミックシェルで包囲している。ワックスを除去した後、さらに、ワックスを除去する際に使用する工程と同一か、又はこれと異なる加熱工程において、第１の金属部品１０２を溶解している。鋳造プロセスにおいて、溶解後、後の成形材料としての用途を提供するゲート材料として、第１の金属部品１０２を使用することができる。
【００２４】
本明細書は、好適な実施形態を含む実施例を使用して本発明を開示し、任意の装置又はシステムを製造かつ使用すること、及び取り入れた任意の方法を実行することを含む本発明の実施を、当業者が行うのを可能にしている。本開示の特許され得る範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含み得る。このような他の実施例が、特許請求の範囲の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、又は、それらが特許請求の範囲の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。本明細書に記載した種々の実施形態におけるいくつかの態様を、このような各態様に関する他の公知の均等物と同様に、当業者が混合かつ適合させて、本出願の原理によるさらなる実施形態及び技術を構築することができる。
［実施態様１］
第１の金属部品（１０２）と、第１の金属部品（１０２）の周囲で熱間等方圧加圧された第２の金属部品（１１０）とを含む鋳造コアの少なくとも一部を包囲する鋳造シェル（１０４、２００）であって、
第１の金属部品（１０２）は第２の金属部品（１１０）より低融点であり、第２の金属部品（１１０）はいくつかの金属粉末（１０６）粒子構造を保持している鋳造シェル（１０４、２００）を備えている、鋳型。
［実施態様２］
第１の金属部品（１０２）はアルミニウム、ニッケル、銅、金、又は銀のうちの少なくとも１つを含む、実施態様１に記載の鋳型。
［実施態様３］
第１の金属部品（１０２）は合金を含む、実施態様１に記載の鋳型。
［実施態様４］
第２の金属部品（１１０）はタングステン又はタングステン合金を含む、実施態様１に記載の鋳型。
［実施態様５］
第２の金属部品（１１０）はモリブデン又はモリブデン合金を含む、実施態様１に記載の鋳型。
［実施態様６］
鋳造シェル（１０４、２００）はセラミックを含む、実施態様１に記載の鋳型。
［実施態様７］
交互積層により、鋳造シェル（１０４、２００）又は第１の金属部品（１０２）のうちの少なくとも１つを形成している、実施態様１に記載の鋳型。
［実施態様８］
鋳造シェル（１０４、２００）の内部空間に金属粉末（１０６）を添加する工程であって、金属粉末（１０６）が、鋳造シェル（１０４、２００）の内部空間に配置された第１の金属部品（１０２）を少なくとも部分的に包囲するものである、工程と、
金属粉末（１０６）を熱間等方圧加圧にかけ、粉末（１０６）を第２の金属部品（１１０）へと圧密化する工程と、
鋳造シェル（１０４、２００）と第１の金属部品（１０２）とを第２の金属部品（１１０）から除去する工程であって、
第１の金属部品（１０２）は第２の金属部品（１１０）より低融点である工程とを備えている、鋳造部品（１１０）の製造方法（１００）。
［実施態様９］
第１の金属部品（１０２）は、アルミニウム、ニッケル、銅、金、又は銀のうちの少なくとも１つを含む、実施態様８に記載の方法（１００）。
［実施態様１０］
第１の金属部品（１０２）は合金を含む、実施態様９に記載の方法（１００）。
［実施態様１１］
第２の金属部品（１１０）はタングステン又はタングステン合金を含む、実施態様８に記載の方法（１００）。
［実施態様１２］
第２の金属部品（１１０）はモリブデン又はモリブデン合金を含む、実施態様８に記載の方法（１００）。
［実施態様１３］
鋳造シェル（１０４、２００）はセラミックを含む、実施態様８に記載の方法（１００）。
［実施態様１４］
鋳造シェル（１０４、２００）を除去する工程は破壊する工程を含む、実施態様８に記載の方法（１００）。
［実施態様１５］
第１の金属部品（１０２）を除去する工程は溶解する工程を含む、実施態様８に記載の方法（１００）。
［実施態様１６］
鋳造シェル（１０４、２００）又は第１の金属部品（１０２）のうちの少なくとも１つを交互積層により積層造形することによって、鋳造シェル（１０４、２００）又は第１の金属部品（１０２）のうちの少なくとも１つを形成している工程をさらに含む、実施態様８に記載の方法（１００）であって、方法は、
（ａ）粉末床に粉末の層を注入して、溶融領域を形成する工程と、
（ｂ）粉末床上に後続の粉末層を設ける工程と、
（ｃ）少なくとも鋳造シェル（１０４、２００）又は第１の金属部品（１０２）に対応する少なくとも２種類の粉末組成物を使用して、工程（ａ）及び（ｂ）を繰り返し、鋳造コアの少なくとも一部を形成する工程と
を含む、方法（１００）。
【符号の説明】
【００２５】
１００  形成方法
１０２  第１の金属部品
１０４  鋳造シェル
１０６  金属粉末
１１０  第２の金属部品
１１０  鋳造部品
２００  鋳造シェル
【図１】
2017159362.tif 000003
【図２】
2017159362.tif 000004
【図３】
2017159362.tif 000005
【図４】
2017159362.tif 000006
【図５】
2017159362.tif 000007
【図６】
2017159362.tif 000008
【図７】
2017159362.tif 000009
【外国語明細書】
2017159362000001.pdf