(57)【要約】  混合容器を有する混合装置は、混合容器に延入した単軸撹拌器を有する。駆動軸（６２０）の端部においては、混合容器の底部の少し上に回転子本体（６１０）が配置されている。回転子本体は、複数の混合翼（２２０、２３０）を備えており、これらの翼は、一例において、星状であるとともに互いに適所に固定されている。駆動軸の第１の端部がモータに結合され、駆動軸の第２の端部が混合容器に延入するように構成されており、駆動軸（６２０）の第２の端部に翼が取り付けられている。一例において、翼は、少なくとも１つのナイフエッジ翼（２２０）が上向きとなるように、少なくとも２つの同期ナイフエッジ翼（２２０、２３０）を具備する。一例において、混合装置は、アルミン酸カルシウム含有スラリーの混合に用いられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミン酸カルシウム含有スラリー（９４０）を混合する混合装置であって、
内側底面および内側壁を有する混合容器（８１０、１４２０、１５５０）であり、前記スラリー（９４０）を含むように構成された、混合容器（８１０、１４２０、１５５０）と、
モータ制御の駆動軸（６２０、７１０、１５３０）であり、第１の端部がモータ（１４１０）に結合され、第２の端部が前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）に延入するように構成された、駆動軸（６２０、７１０、１５３０）と、
前記駆動軸（６２０、７１０、１５３０）の前記第２の端部に取り付けられた翼システム（３００）であり、少なくとも１つが上向きとなるように少なくとも２つの同期ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）を具備し、前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）が前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）中で上方または下方に移動可能であり、前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）の回転速度が５００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍとなるように調整可能である、翼システム（３００）と、
を備えた、装置。
【請求項２】
前記翼システム（３００）が、前記２つの同期ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）に垂直な第３のナイフエッジ翼を具備した、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記駆動軸（６２０、７１０、１５３０）の前記第２の端部が、被覆されるとともに、実質的に前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）の内側である、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）が、ステンレス鋼製ならびに／またはクロムもしくはクロム含有合金被覆である、請求項１記載の装置。
【請求項５】
アルミン酸カルシウムおよび酸化物粒子含有スラリー（９４０）を混合する方法であって、
アルミン酸カルシウムを含む第１の混合物を混合容器（８１０、１４２０、１５５０）に追加するステップと、
モータ（１４１０）に結合された第１の端部および翼システム（３００）に結合された第２の端部を含むモータ制御の駆動軸（６２０、７１０、１５３０）であり、前記翼システム（３００）が前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）の内側底部からおよそ１０ｍｍとなるように前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）に挿入された、駆動軸（６２０、７１０、１５３０）を展開するステップであり、前記翼システム（３００）が、互いに同期した少なくとも２つの翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）を有する、ステップと、
前記モータ（１４１０）をオンにして、前記翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）の回転速度がおよそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍとなるように前記翼システム（３００）の速度を調整するステップと、
十分に混ざるまで、前記第１の混合物を混合するステップと、
前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）の前記内側底部からおよそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍとなるように前記翼システム（３００）の位置を調整するとともに、前記翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）の前記回転速度がおよそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍとなるように前記翼システム（３００）の回転速度を調整するステップと、
酸化物粒子を含む第２の混合物を前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）に追加するステップと、
前記第１の混合物および前記第２の混合物を前記同じ混合容器（８１０、１４２０、１５５０）内で混合するステップであり、前記翼システム（３００）が、半径方向および回転方向に回転および混合を行う、ステップと、
を含む、方法。
【請求項６】
前記酸化物粒子が、中空のアルミナ球を含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記第１の混合物が、外形寸法がおよそ５０ミクロン未満のアルミン酸カルシウムの粒子を含み、前記第２の混合物が、外形寸法がおよそ１００ミクロン〜１０００ミクロンの実質的に中空の粒子である酸化物粒子を含む、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記翼システム（３００）が、半径方向および回転方向に互いに同期して位置決めされた少なくとも２つのナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）を備え、前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）のサイズが異なっており、前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）のうちの少なくとも１つが上向きである、請求項５記載の方法。
【請求項９】
前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）が、前記第１および第２の混合物を前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）に追加する粉末供給漏斗（９２０）をさらに備え、前記漏斗（９２０）が、前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）と接触した場合に平坦となる一面（１１４０）を有し、前記平坦面（１１４０）が、前記混合容器（８１０、１４２０、１５５０）との同一平面状態を維持する、請求項５記載の方法。
【請求項１０】
前記混合中にトロイドを生成するステップをさらに含む、請求項５記載の方法。
【請求項１１】
半径方向および回転方向に互いに同期して位置決めされた少なくとも２つのナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）を備え、前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）のサイズが異なっており、前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）のうちの少なくとも１つが上向きである、翼システム（３００）であって、さらに回転可能軸（６２０、７１０、１５３０）に取り付けられており、前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）が、アルミン酸カルシウム含有スラリー（９４０）の混合に用いられる、翼システム（３００）。
【請求項１２】
前記２つの同期ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）に垂直な第３のナイフエッジ翼をさらに備えた、請求項１１記載の翼システム（３００）。
【請求項１３】
前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）が、半径方向、回転方向、および軸方向のうちの少なくとも２つで動作する、請求項１１記載の翼システム（３００）。
【請求項１４】
前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）が、被覆された、請求項１１記載の翼システム（３００）。
【請求項１５】
前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）が、ステンレス鋼製ならびに／またはクロムもしくはクロム含有合金被覆である、請求項１１記載の翼システム（３００）。
【請求項１６】
前記ナイフエッジ翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）が、星状である、請求項１１記載の翼システム（３００）。
【請求項１７】
各翼（１０、４０、２００、２２０、２３０、１４３０）が、上面、底面、および２つの羽根を有する、請求項１１記載の翼システム（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合装置、混合翼、およびアルミン酸カルシウム含有スラリーの混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
容器を介した流体の移動は、その粘度を特徴とするが、これは一種の「内部摩擦」または流体の形態変化に対する抵抗と考えられる。粘度が高くなるほど、流体の移動は遅くなる。粘度は、流体の温度の上昇に伴って低下する傾向にあるため、流体は、高温で高速に流れる傾向にある。
【０００３】
流体は通常、２つの一般型の一方として分類可能である。ニュートン流体は、移動物体の通過に対する抵抗がすべて、粘性効果に起因する。すなわち、物体の速度に厳密に比例する。水およびほとんどの油は、ニュートン流体である。非ニュートン流体は、移動物体の通過に対する抵抗がその速度に厳密には比例しない。通常、このような流体は、「ゲル状」特性を有し、低レベルの剪断応力では固体として、高レベルの剪断応力では液体として振る舞う。一般的な例は、ゼリーおよび水に溶かしたセメントである。
【０００４】
通例、１平方フィート当たりのポンド数（ｐ．ｓ．ｆ）または１平方メートル当たりのキログラム数（ｋｇ／ｍ2）で測定されるゲル強度は、ある特定の均一な速度で硬化混合体により翼等の物体を移動させるのに必要な力であって、等しい粘度の非硬化すなわちニュートン混合体による移動に必要な力を上回る。通例は、２つ以上の翼から成る回転アセンブリが用いられ、ゲル強度は、翼アセンブリの回転モーメントに対する粘度補正した軸トルクの比で与えられる。
【０００５】
温度および圧力が均一な条件では、通常、ゲル強度が時間とともに高くなって、「Ｓ」字曲線に従う。混合直後の変化がほとんどない期間の後、おおよそ指数関数的にあるピークまたはプラトー値まで増加して、ここでゲル強度が再び安定する。このプロセスのタイミングは、バッチ組成に大きく依存しており、微量の不純物であっても強い影響を示す場合がある。このため、プロセスを最適化するには、新たな各バッチがある特定のゲル強度に達するのに要する時間を綿密に監視することが必要になる場合がある。
【０００６】
ゲル強度の測定が複雑なのは、機械的擾乱によってゲル化プロセスが混乱する傾向にあるためである。水に溶かしたセメントをミキサー車で硬化させずに何時間にもわたって搬送できるのは、このためである。したがって、ゲル強度を正確に測定するには、翼の運動を可能な限り遅くする必要がある。翼の速度を低くすることによって、粘性効果も最小限に抑えられるため、一般的には、測定したゲル強度を補正せずに使用可能である。
【０００７】
別の複雑化要因として、回転翼アセンブリは、ゲル強度のある中間値において、硬化混合物からの「プラグ切り離し」の傾向がある。翼アセンブリの周りには剪断帯が生じるため、翼と同じ外半径の円筒状の混合「プラグ」が外側混合質量体から離脱する。プラグおよび外側質量体において硬化が継続する間は、剪断帯におけるゲル化が滑脱によって中断される。
【０００８】
したがって、当技術分野においては、たとえばガスタービンエンジン翼の作製プロセスにおいて鋳型の作製に用いられるスラリーの成分の混合に使用できるように、粘性スラリーの効果的な混合に使用可能な改良された装置および翼システムが求められている。
【０００９】
本開示の目的は、ガスタービンエンジンの翼を改良することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第２０１３／２６４４０４号
【発明の概要】
【００１１】
本開示は、チタンおよびチタンアルミナイド合金等の鋳型の作製に用いられるセラミック混合体を少なくとも２段階混合する混合装置および混合方法に関する。
【００１２】
一態様において、本開示は、アルミン酸カルシウム含有スラリーを混合する混合装置であって、内側底面および内側壁を有する混合容器であり、スラリーを含むように構成された、混合容器と、モータ制御の駆動軸であり、第１の端部がモータに結合され、第２の端部が前記混合容器に延入するように構成された、駆動軸と、駆動軸の前記第２の端部に取り付けられた翼システムであり、少なくとも１つが上向きとなるように少なくとも２つの同期ナイフエッジ翼を具備し、ナイフエッジ翼が混合容器中で上方または下方に移動可能であり、ナイフエッジ翼の回転速度が５００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍとなるように調整可能である、翼システムと、を備えた、装置である。一実施形態において、翼システムの最も低い翼は、混合容器の内側底面から、およそ５０ｍｍ未満である。一実施形態において、翼システムは、前記２つの同期ナイフエッジ翼に垂直な第３のナイフエッジ翼を具備する。別の実施形態において、駆動軸は、被覆されるとともに、実質的に混合容器の内側である。一実施形態において、翼システムは、被覆されている。
【００１３】
一実施形態において、翼は、ステンレス鋼またはチタン被覆ステンレス鋼製である。一実施形態において、翼は、ステンレス鋼製ならびに／またはクロムもしくはクロム含有合金被覆である。別の実施形態において、混合容器に対する駆動軸の角度は、およそ９０°である。すなわち、駆動軸は、混合容器の底部に対して、実質的に垂直である。
【００１４】
一実施形態において、翼システムは、混合容器の底部から、およそ１０ｍｍである。別の実施形態において、モータの動作中、翼の回転速度は、およそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍである。一実施形態において、翼システムは、混合容器の底部から、およそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍである。一実施形態において、翼システムは、混合容器の底部から、およそ６ｃｍ〜およそ１２ｃｍである。一実施形態において、大型中空粒子の第２の混合物の混合前に、翼システムは、混合容器の底部からおよそ１１ｃｍに持ち上げられる。一実施形態において、モータの動作中、翼の回転速度は、およそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍである。
【００１５】
一態様において、本開示は、混合方法に関し、たとえばアルミン酸カルシウムおよび酸化物粒子含有スラリーを混合する方法であって、アルミン酸カルシウムを含む第１の混合物を混合容器に追加するステップと、モータに結合された第１の端部および翼システムに結合された第２の端部を含むモータ制御の駆動軸であり、翼システムが混合容器の内側底部からおよそ１０ｍｍとなるように前記混合容器に挿入された、駆動軸を展開するステップであり、翼システムが、互いに同期した少なくとも２つの翼を有する、ステップと、モータをオンにして、翼の回転速度がおよそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍとなるように翼システムの速度を調整するステップと、十分に混ざるまで、前記第１の混合物を混合するステップと、混合容器の内側底部からおよそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍとなるように翼システムの位置を調整するとともに、翼の回転速度がおよそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍとなるように翼システムの回転速度を調整するステップと、酸化物粒子を含む第２の混合物を混合容器に追加するステップと、第１の混合物および第２の混合物を同じ混合容器内で混合するステップであり、翼システムが、半径方向および回転方向に回転および混合を行う、ステップと、を含む、方法に関する。
【００１６】
一実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウムスラリーを混合する方法であって、アルミン酸カルシウムを含む第１の混合物を混合容器に投入するステップと、モータおよび翼システムを備えた駆動軸を前記混合容器に展開するステップと、を備え、翼システムが、互いに同期した少なくとも２つの翼を有しており、翼が第１の混合物と接触するとともにモータがオンにされた場合、翼システムが回転して、アルミン酸カルシウムスラリーが半径方向および回転方向に混合される、方法に関する。一実施形態において、第１の混合物は、アルミン酸カルシウムを含む。別の実施形態においては、駆動軸の展開前に、第２の混合物が混合容器に追加される。一実施形態において、モータは、駆動軸に対して動作可能に取り付けられている。一実施形態において、モータがオンの場合、翼システムの毎分回転数は、ダイヤルを介して制御可能である。
【００１７】
一実施形態において、前記第２の混合物は、中空の大型酸化物粒子を含む。中空酸化物粒子は、中空アルミナ球を含んでいてもよい。一実施形態においては、駆動軸の展開前に、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、またはこれらの組み合わせを含む第２の混合物が混合容器に追加される。一実施形態においては、駆動軸の展開前に、アルミン酸カルシウム、ヘキサアルミン酸カルシウム、ジルコニア、またはこれらの組み合わせ等のセラミックを含む第２の混合物が混合容器に追加される。
【００１８】
一実施形態において、動作時、翼システムは、およそ２０センチポアズ〜およそ１５０センチポアズの粘度まで剪断力を付与する。別の実施形態において、翼システムは、互いに同期した少なくとも２つの翼を有しており、モータがオンで翼が回転している場合は、第１の混合物が半径方向および回転方向に混合される。一実施形態において、アルミン酸カルシウムは、微細なアルミン酸カルシウムの形態であり、アルミン酸カルシウムには、大型中空粒子を含む第２の混合物が追加される。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、およびマイエナイトの粒子を含む。
【００１９】
別の実施形態において、第１の混合物は、外形寸法がおよそ５０ミクロン未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む。一実施形態において、この方法は、第２の混合物をアルミン酸カルシウムに追加するステップをさらに含む。別の実施形態において、第１の混合物は、外形寸法がおよそ５０ミクロン未満のアルミン酸カルシウムの粒子を含み、第２の混合物は、外形寸法がおよそ１００ミクロン〜１０００ミクロンの実質的に中空の粒子である酸化物粒子を含む。
【００２０】
一実施形態において、翼システムは、本開示の方法で用いられる。一実施形態において、翼システムは、半径方向および回転方向に互いに同期して位置決めされた少なくとも２つのナイフエッジ翼を備え、ナイフエッジ翼のサイズが異なっており、ナイフエッジ翼のうちの少なくとも１つが上向きである。一実施形態において、駆動軸は、実質的に混合容器の内側に配置されており、駆動軸に取り付けられた翼は、混合容器の内側底面に近い。一実施形態において、混合容器は、第１および第２の混合物を混合容器に追加する粉末供給漏斗をさらに備え、前記漏斗が、混合容器と接触した場合に平坦となる一面を有し、前記平坦面が、混合容器との同一平面状態を維持する。別の実施形態において、漏斗は、およそ２０ｃｍ〜およそ４０ｃｍの開口を有し、第１の混合物を混合容器に追加するおよそ７ｃｍの開口を備えた吐出口を有する。一実施形態において、モータの動作中、回転する翼システムは、スラリー中にトロイドを生成する。
【００２１】
本開示の一態様は、半径方向および回転方向に互いに同期して位置決めされた少なくとも２つのナイフエッジ翼を備え、ナイフエッジ翼のサイズが異なっており、ナイフエッジ翼のうちの少なくとも１つが上向きである、翼システムであって、さらに回転可能軸に取り付けられており、ナイフエッジ翼が、アルミン酸カルシウム含有スラリーの混合に用いられる、翼システムに関する。一例においては、ナイフエッジ翼のうちの少なくとも１つの上にナット鋲が溶接されていてもよい。一実施形態において、翼システムは、前記２つの同期ナイフエッジ翼に垂直な第３のナイフエッジ翼をさらに備える。一実施形態において、ナイフエッジ翼は、半径方向ｒ、回転方向θ、および軸方向ｚに動作する。一実施形態において、翼システムは、被覆されている。一実施形態において、翼は、ステンレス鋼製ならびに／またはチタンもしくはチタン含有合金被覆である。一実施形態において、ナイフエッジ翼は、星状である。たとえば、ナイフエッジ翼は、星状多角形の構成で配置されている。別の実施形態において、翼システムの各翼は、上面、底面、および２つの羽根を有する。一実施形態において、翼システムは、混合容器の上から当該混合容器に延入する軸に取り付けられている。別の実施形態において、翼システムを備えた軸は、混合容器の底部から当該混合容器に延入している。翼システムおよび／または軸は、被覆されていてもよい。一実施形態において、ナイフエッジ翼は、半径方向、回転方向、および軸方向のうちの少なくとも２つで動作する。
【００２２】
本開示の上記および他の態様、特徴、および利点については、添付の図面と併せた本開示の種々態様に関する以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【００２３】
本開示の上記および他の特徴および利点については、添付の図面と併せた本開示の態様に関する以下の詳細な説明によって、容易に了解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本システムの混合器で用いられる代表的な翼の形状を示した図であって、左側（図１Ａ）には角度付き翼、右側（図１Ｃ）には直線翼を示しており、図１Ｂおよび図１Ｄにはそれぞれ、角度付き翼および直線翼の投影側面を示しており、図１Ｅは、翼の模式的なプロファイルであって、翼の厚さおよびナイフエッジの形状を示している。
【図２】２つの角度付き翼および１つの直線翼から成る翼アセンブリの側面斜視図である。
【図３】ナイフエッジのプロファイルであって、アルミン酸カルシウムセメント中の塊の分散に効果的な翼プロファイルを含む翼アセンブリの上面斜視図である。
【図４】翼アセンブリの底面斜視図である。
【図５】翼アセンブリの別の斜視図である。
【図６Ａ】混合容器への挿入に先立って混合軸に取り付けられた翼アセンブリの側面斜視図であって、翼アセンブリの３つの翼をさらに示している。
【図６Ｂ】近距離での翼アセンブリの別の側面斜視図である。
【図７】混合容器への挿入に先立って、スラリーの堆積防止に役立つテフロン被覆を施した混合軸に取り付けられた翼アセンブリを示した図である。
【図８】混合軸に取り付けられ、ステンレス鋼の混合容器に挿入された翼アセンブリを示した図である。
【図９】混合軸に取り付けられ、ステンレス鋼の混合容器に挿入された翼アセンブリを示しており、混合器によって水およびコロイド状シリカを混合している図である。
【図１０Ａ】混合軸に取り付けられ、水およびコロイド状シリカを混合する翼アセンブリを示すとともに、アルミン酸カルシウムセメントの混合体への供給に用いられる漏斗を示した図である。
【図１０Ｂ】混合軸に取り付けられ、アルミン酸カルシウムセメント、水、およびコロイド状シリカから成るスラリーを混合する翼アセンブリを示した図である。
【図１１】図１１Ａ−１１Ｃは、混合容器への成分の導入に用いられる漏斗供給装置を混合アセンブリとの位置関係で示した図である。
【図１２】図１２Ａがコールズ翼の形状を示し、図１２Ｂが駆動軸に取り付けられたコールズ翼を示した図である。
【図１３】図１３Ａが混合容器に挿入された駆動軸に取り付けられたコールズ翼を示し、図１３Ｂが、アルミン酸カルシウムおよび水の混合物が追加され、コールズ翼が作動した後の図１３Ａを示しており、混合容器の対称軸から本例の軸がオフセットした状態の図である。
【図１４Ａ】ブレンダの混合容器の内側を示した図であって、オープンナイフ翼システムが駆動軸に取り付けられ、混合容器の底部から当該混合容器に導入されたブレンダを示している。
【図１４Ｂ】ブレンダの混合容器の内側を示した図であって、駆動軸に取り付けられ、混合容器の底部から当該混合容器に導入されたコールズ翼を示している。
【図１４Ｃ】ブレンダの混合容器全体を示した図である。
【図１５Ａ】囲繞上部モータおよび軸直列高剪断混合器を示した図である。
【図１５Ｂ】混合容器の底部における回転子−固定子取り付けを示した図である。
【図１５Ｃ】モータ過負荷による混合中断後の回転子−固定子取り付けを示した図である。
【図１６】図１６Ａは囲繞直列高剪断混合器取り付けの拡大側面図であり、図１６Ｂは囲繞直列高剪断混合器取り付けの拡大底面図である。
【図１７】上部モータおよび軸が設定された囲繞回転子−固定子翼によって生じたスラリー混合物であって、多くの気泡が形成されたスラリーを示した図である。
【図１８】アルミン酸カルシウムおよび酸化物粒子含有スラリーを混合する方法のステップを列挙した表である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の説明の文脈（特に、以下の特許請求の範囲の文脈）における用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」、ならびに類似表現の使用は、本明細書における別段の指定または文脈上の明確な矛盾がない限り、単数形および複数形の両者を網羅するものと解釈される。量に関して用いられる修飾語句「およそ（ａｂｏｕｔ）」は、表記値を含み、文脈により指定された意味を有する（たとえば、特定量の測定と関連付けられた誤差の程度を含む）。本明細書に開示のすべての範囲は、端点を含み、これらの端点は、独立して互いに組み合わせ可能である。
【００２６】
本開示は、チタンおよびチタンアルミナイド合金の鋳型の作製に用いられるセラミック混合体を少なくとも２段階混合する混合装置および混合方法に関する。
【００２７】
一態様において、本開示は、アルミン酸カルシウム含有スラリーを混合する混合装置である。この混合装置は、混合容器と、モータ制御の駆動軸であり、第１の端部がモータに結合され、第２の端部が混合容器に延入するように構成された、駆動軸とを備える。また、この装置は、駆動軸の第２の端部に取り付けられた翼システムを備える。翼システムは、少なくとも１つが上向きとなるように少なくとも２つの同期ナイフエッジ翼を具備しており、ナイフエッジ翼は、混合容器中で少なくとも上方または下方に移動可能である。一例において、翼システムの最も低い翼は、混合容器の内側底面から５０ｍｍ未満まで延びており、ナイフエッジ翼の回転速度は、５００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍとなるように調整可能である。翼システムは、前記２つの同期ナイフエッジ翼に垂直な第３のナイフエッジ翼を具備していてもよい。駆動軸は、実質的に混合容器の内側であってもよい。一例において、翼システムは、被覆されている。翼は、ステンレス鋼製ならびに／またはクロムもしくはクロム合金被覆構成要素であってもよい。混合容器に対する駆動軸の角度は、およそ±５°である。
【００２８】
特に、一態様において、本開示は、アルミン酸カルシウム含有スラリーを混合する混合装置であって、内側底面および内側壁を有する混合容器であり、スラリーを含むように構成された、混合容器を備えた、装置である。この混合装置は、モータ制御の駆動軸であり、第１の端部がモータに結合され、第２の端部が前記混合容器に延入するように構成された、駆動軸と、駆動軸の前記第２の端部に取り付けられた翼システムであり、少なくとも１つが上向きとなるように少なくとも２つの同期ナイフエッジ翼を具備し、ナイフエッジ翼が混合容器中で上方または下方に移動可能であり、最も低い翼が混合容器の内側底面からおよそ５０ｍｍ未満であり、ナイフエッジ翼の回転速度が５００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍとなるように調整可能である、翼システムと、をさらに備える。
【００２９】
別の態様において、本開示は、混合方法に関する。たとえば、本開示は、アルミン酸カルシウムおよび酸化物粒子含有スラリーを混合する方法に関する。この方法は、アルミン酸カルシウムを含む第１の混合物を混合容器に追加するステップと、モータに結合された第１の端部および翼システムに結合された第２の端部を含むモータ制御の駆動軸を、翼システムが混合容器の底部からおよそ１０ｍｍとなるように、混合容器に展開するステップと、を含む。翼システムは、互いに同期した少なくとも２つの翼を有する。この方法は、モータをオンにして、翼の回転速度がおよそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍとなるように翼システムの速度を調整するステップと、第１の混合物を混合するステップと、をさらに含む。第１の混合物が混ざったら、混合容器の底部からおよそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍとなるように翼システムの位置を調整するとともに、翼速度がおよそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍとなるように翼システムの速度を調整する。翼システムがこの高い位置で低速となったら、酸化物粒子を含む第２の混合物を混合容器に追加する。このアルミン酸カルシウムおよび酸化物粒子を含む第１および第２の混合物は、同じ混合容器内で混合する。一例においては、翼システムが回転して、アルミン酸カルシウムスラリーを半径方向および回転方向に混合する。
【００３０】
一例において、この方法は、第１の混合物を混合容器に投入するステップを含む。第１の混合物が混合容器内となったら、モータを含む駆動軸を混合容器に展開する。翼を備えた翼システムは、駆動軸に取り付けられており、翼が第１の混合物に接触してこれを混合するように、モータによって駆動可能である。第１の混合物は、アルミン酸カルシウムであってもよい。駆動軸の展開前に、第２の混合物が混合容器に追加されるようになっていてもよい。第２の混合物は、中空の酸化物粒子を含む大型粒子であってもよい。
【００３１】
特定の一例において、本開示は、アルミン酸カルシウムおよび酸化物粒子含有スラリーを混合する方法であって、アルミン酸カルシウムを含む第１の混合物を混合容器に追加するステップと、モータに結合された第１の端部および翼システムに結合された第２の端部を含むモータ制御の駆動軸であり、翼システムが混合容器の内側底部からおよそ１０ｍｍとなるように前記混合容器に挿入された、駆動軸を展開するステップであり、翼システムが、互いに同期した少なくとも２つの翼を有する、ステップと、モータをオンにして、翼の回転速度がおよそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍとなるように翼システムの速度を調整するステップと、十分に混ざるまで、前記第１の混合物を混合するステップと、混合容器の内側底部からおよそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍとなるように翼システムの位置を調整するとともに、翼の回転速度がおよそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍとなるように翼システムの回転速度を調整するステップと、酸化物粒子を含む第２の混合物を混合容器に追加するステップと、第１の混合物および第２の混合物を同じ混合容器内で混合するステップであり、翼システムが、半径方向および回転方向に回転および混合を行う、ステップと、を含む、方法に関する。
【００３２】
中空酸化物粒子は、中空アルミナ球を含んでいてもよい。場合によっては、駆動軸の展開前に、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、またはこれらの組み合わせを含む第２の混合物が混合容器に追加される。混合容器には、アルミン酸カルシウム、ヘキサアルミン酸カルシウム、ジルコニア、またはこれらの組み合わせ等のセラミックを含む第２の混合物が追加されるようになっていてもよい。
【００３３】
混合器の設計は、駆動軸に取り付けられた複数の翼システムから成る。駆動軸は、モータに接続されており、混合器の設計は、混合容器をさらに含む。混合翼および混合容器は、粉末供給システムとの併用により、最初の流体へのセラミック粉末の所望の供給速度および軌道を確保する。この混合装置は、１０ｒｐｍ〜１０，０００ｒｐｍの混合速度で動作可能である。
【００３４】
セラミックの混合は、少なくとも２つの異なる段階で行われる。第１の段階は、セラミックセメントの混合を伴い、第２の混合段階は、大型セラミック粒子／粒団の追加を伴う。両段階とも、同じ機器により同じ混合器で行われる。混合翼は通常、主段階および副段階の両者の後のセラミック混合体の混合特性ごとに異なる混合速度で動作する。一例において、混合翼は、混合容器中にトロイドを生成する。生成されるトロイドの特性としては、最適剪断速度、回転速度、および軸速度があり、アルミン酸カルシウムセメント等の微細なセラミック中の粒団の分解を促進するとともに、セラミック混合体のあらゆる体積要素の十分な混合を保証する。
【００３５】
混合は、混合体の均一性を促進するとともに、チタンおよびチタンアルミナイド合金のセラミック鋳型を作製するレベルまで粘度を低下させる。混合器の翼は、少なくとも２つの羽根を備える。一実施形態において、翼は、少なくとも３つの羽根（たとえば３つ、４つ、５つ、または６つの羽根）を備える。一実施形態において、第１の２つの羽根は、互いに同期しており、第３の羽根は、その他２つの羽根に垂直である。一例において、羽根は、運動量を回転軸から流体に伝える。本明細書において、羽根という用語は、プロペラまたはタービン等の機械または装置の一部を押圧および形成する回転軸または車輪に取り付けられた翼を表す。
【００３６】
混合装置が作動し、モータがオンとなった場合、翼システムは、およそ２０センチポアズ〜およそ１５０センチポアズの粘度まで剪断力を付与する。翼システムは、互いに同期した少なくとも２つの翼を有しており、モータがオンで翼が回転している場合は、第１の混合物が半径方向および回転方向に混合される。微細なアルミン酸カルシウムは、第１の混合物を含んでいてもよく、第２の混合物は、大きな中空粒子を含んでいてもよく、これらの大型粒子が第１の混合物に追加される。アルミン酸カルシウム粒子は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、およびマイエナイトの粒子を含む。
【００３７】
第１の混合物は、外形寸法がおよそ５０ミクロン未満のアルミン酸カルシウム粒子を含む。この方法は、第２の混合物を第１の混合物に追加するステップをさらに含み、第１の混合物は、外形寸法がおよそ５０ミクロン未満のアルミン酸カルシウム粒子を含み、第２の混合物は、実質的に中空の酸化物粒子を含み、前記大型粒子は、外形寸法がおよそ１００ミクロン〜およそ１０００ミクロンの中空粒子を含む。
【００３８】
駆動軸は、被覆されていてもよく、実質的に混合容器の内側に配置されており、駆動軸に取り付けられた翼は、混合容器の底部に近い。混合容器は、第１および第２の混合物を混合容器に導入する粉末供給漏斗をさらに備え、漏斗が、混合器と接触した場合に平坦となる一面を有し、この平坦面が、混合器との同一平面状態を維持する。漏斗は、およそ２０ｃｍ〜およそ４０ｃｍの開口を有し、第１の混合物を混合容器に追加するおよそ７ｃｍの開口を備えた吐出口を有する。一例において、翼システムは、混合容器の上から当該混合容器に延入する軸に取り付けられている。一実施形態において、翼システムは、半径方向および回転方向に互いに同期して位置決めされた少なくとも２つのナイフエッジ翼を備え、ナイフエッジ翼のサイズが異なっており、ナイフエッジ翼のうちの少なくとも１つが上向きである。別の例において、翼システムを備えた軸は、混合容器の底部から当該混合容器に延入している。一例において、翼の直径は、翼がスラリーを混合する容器の高さにおいて、容器の直径の少なくとも６０％である。特定の一実施形態において、翼の先端と混合容器の壁の内側表面との間の間隙は、およそ１５ｍｍ未満である。別の実施形態において、この距離は、およそ３０ｍｍ未満である。翼の先端と混合容器の壁の内側表面との間の間隙がおよそ３０ｍｍ超のように大きい場合は、混合が効果的ではなくなり、第１および第２の混合物が適正に混合されなくなる可能性がある。したがって、本開示の１つの特徴として、翼の先端と混合容器の壁の内側表面との間は、およそ３０ｍｍ未満等の小さな距離である。混合時には、トロイドが生成されるようになっていてもよい。
【００３９】
一態様において、本開示は、半径方向および回転方向に互いに同期して位置決めされた少なくとも２つのナイフエッジ翼を備え、ナイフエッジ翼のサイズが異なっており、ナイフエッジ翼のうちの少なくとも１つが上向きである、翼システムであって、さらに回転可能軸に取り付けられた、翼システムに関する。ナイフエッジ翼は、アルミン酸カルシウム含有スラリーの混合に用いられるようになっていてもよい。
【００４０】
本開示の一態様は、翼システムに関する。翼システムは、半径方向および回転方向に互いに同期して位置決めされた少なくとも２つのナイフエッジ翼を備え、ナイフエッジ翼のサイズが異なっており、ナイフエッジ翼のうちの少なくとも１つが上向きである。翼システムは、当該翼システムを回転可能軸に取り付ける取り付け手段をさらに備える。翼システムは、当業者に公知の任意の手段によって、回転可能軸に取り付けられていてもよい。一例においては、ナイフエッジ翼のうちの少なくとも１つの上にナット鋲が溶接されている。翼システムは、前記２つの同期ナイフエッジ翼に垂直な第３のナイフエッジ翼をさらに備えていてもよい。ナイフエッジ翼は、半径方向ｒ、回転方向θ、および軸方向ｚに動作するようになっていてもよい。また、翼システムは、被覆されていてもよい。翼は、ステンレス鋼製ならびに／またはチタンもしくはチタン含有合金被覆であってもよい。ナイフエッジ翼は、星状であってもよい。一例において、翼システムの各翼は、上面、底面、および２つの羽根を有する。
【００４１】
混合装置は、酸化物（一例においては、酸化アルミニウム）の中空粒子を有するアルミン酸カルシウムセメントの混合に用いられる。アルミン酸カルシウムセメントの粒子は、酸化アルミニウムの大きな粒子よりも相当小さい。酸化アルミニウムが実質的に中空である特定の例において、出願人らは、２つの異なるサイズの粒子を悪影響なく効果的に混合可能な混合装置を考案した。たとえば、出願人らは、翼のうちの１つを主に、高剪断混合すなわちアルミン酸カルシウムセメントの混合中に使用可能であると考えた。この混合段階において、本発明者らは、およそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍの回転速度によって満足のいく結果が得られることを発見した。すなわち、この第１の混合段階において、速度のｒｐｍ値が高過ぎると、不要な空気がセメントと混ざり合い、スラリーおよび最終製品に問題が生じて低品質になることを発見した。一方、この第１の段階において、速度のｒｐｍが低過ぎると、アルミン酸カルシウムセメントを分解して効果的に混合するのに必要な剪断を翼システムが生成できない。
【００４２】
一例において、第２の混合段階では、酸化アルミニウムの実質的に中空の大きな粒子を追加した。本開示の発明者らは、翼システムの異なる翼によって、アルミン酸カルシウム粒子を有するアルミナをより緩やかかつ効果的に混合可能であることを発見した。さらに、本発明者らは、この第２の混合段階（酸化物粒子の混ぜ合わせ）における翼システムの回転について、翼システムの速度のｒｐｍをおよそ５００〜１５００ｒｐｍまで低下させる方が良いことを発見した。大きな中空のアルミナ粒子をアルミン酸カルシウム混合物に追加するこの段階において、速度のｒｐｍが高過ぎると（たとえば、３０００ｒｐｍ）、不要な空気がシステムに導入され、大きな中空粒子が損傷を受けて分解されることを発見した。ただし、一方において、速度のｒｐｍが５００ｒｐｍを十分に下回っている場合、アルミナの大きな中空粒子は、第１の混合物と効果的に混ざり合わず、十分な混合物が得られないことが分かった。これにより、本開示の発明者らは、この段階において、およそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍでかなり望ましい結果が得られることを見出した。
【００４３】
翼の性質および翼の動作速度は、本開示の特徴である。特に、一例において、混合物中に生じた粒団の分解には、水平翼が主に用いられ、非水平翼は、混合物の軸流を与える。翼システムの動作によってトロイド（３Ｄトーラス）が生じるが、トロイド内には、大きな剪断力が存在する。翼システム自体は、混合容器の底部から、およそ１０ｍｍとすることができる。このようにするのは、第１の混合物を混合するとともに高剪断混合が必要なモータの動作中である。この段階においては、およそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍの翼回転速度が必要であることが分かった。
【００４４】
大型の中空アルミナ粒子を追加する第２の混合段階においては、翼システムが混合容器の底部からおよそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍとなるように軸を持ち上げた。この混合段階における翼の回転速度は、およそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍにて最も効果的であることが分かった。一例においては、モータの動作中、トロイド内の大きな剪断力ひいては混合物（たとえば、第１の混合物）の効果的な混合を可能とするトロイドが形成される。翼自体は、軸自体と同様に、被覆されていてもよい。たとえばテフロン（登録商標）含有成分による軸の被覆によって、混合プロセスの最中または直後の軸への材料の堆積が大幅に抑えられた。
【００４５】
翼は、半径方向ｒ、回転方向θ、および軸方向ｚに回転し、これらの方向に混合体を流して、結果的に、セメント塊の分解に用いられる混合剪断を生成する。また、これにより、アルミン酸カルシウムの主混合段階および大型粒子を伴う副混合段階という両混合段階において、セラミック混合体のあらゆる要素が十分に混合される。
【００４６】
この混合方法では、第１に、微細な（５０ミクロン未満）アルミン酸カルシウムを所望の粘度になるまで混合し、第２に、大型の（５０ミクロン超）セラミック粒団を最初のセメント混合体に追加する。一構成においては、５０ミクロン未満のサイズのアルミン酸カルシウムセメントを約１００センチポアズの粘度となるまで混合した後、５０ミクロン超（通常、５００〜１０００ミクロン）のアルミナ粒子を追加して、セラミック混合体を許容レベルの均一性となるまで混合した後、これを用いて鋳型を作製する。
【００４７】
本開示には、新規な混合装置と、チタンおよびチタンアルミナイド合金を鋳造する新たな混合方法とを含む。新たな混合器の設計は、駆動軸およびモータに取り付けられた複数の翼システムと、混合容器とから成る。混合翼および混合容器は、粉末供給システムとの併用により、移動流体中の指定箇所において、最初の流体へのセラミック粉末の所望の供給速度を確保する。
【００４８】
セラミックの混合は、少なくとも２つの段階で行われ、第１の段階は、セラミックセメントの混合を伴い、第２の混合段階は、大型セラミック粒子／粒団を伴う。両段階とも、同じ機器により同じ混合器で行われるが、混合翼を異なる混合速度で動作させることにより、両段階後のセラミック混合体の十分な特性が確保される。
【００４９】
第１の混合物は、外形寸法がおよそ５０ミクロン未満のアルミン酸カルシウム粒子を含んでいてもよい。本開示の方法は、第２の混合物をアルミン酸カルシウムに追加するステップをさらに含んでおり、第１の混合物は、外形寸法がおよそ５０ミクロン未満のアルミン酸カルシウムの粒子を含み、第２の混合物は、外形寸法がおよそ１００ミクロン〜１０００ミクロンの実質的に中空の粒子である酸化物粒子を含む。
【００５０】
一例に係る動作において、混合翼は、第１および第２の混合物と接触して、混合体のトロイドを混合容器中に生成する。生成されるトロイドの特性は、本開示の特徴であって、トロイドは、高剪断速度、高回転速度、および軸速度を有することにより、アルミン酸カルシウムセメント等の微細なセラミック中の粒団の分解を促進するとともに、混合体のあらゆる体積要素の十分な混合を保証する。アルミン酸カルシウムは、微細なアルミン酸カルシウムの形態であってもよく、アルミン酸カルシウム（第１の混合物）には、大型中空粒子を含む第２の混合物が追加される。一例において、アルミン酸カルシウム粒子は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、およびマイエナイトの粒子を含む。
【００５１】
一例において、翼システムは、およそ２０センチポアズ〜およそ１５０センチポアズの粘度が実現されるように、剪断力を第１の混合物（アルミン酸カルシウムおよび水）に与える。別の例において、翼システムは、およそ２０センチポアズ〜およそ５０００センチポアズの粘度が実現されるように、剪断力を第２の混合物（アルミン酸カルシウム、水、および酸化物粒子）に与えることができる。一例において、翼システムは、互いに同期した少なくとも２つの翼を有しており、モータがオンで翼が回転している場合は、第１の混合物が半径方向および回転方向に混合される。一例において、混合翼は、少なくとも２つの羽根から成る。一例において、翼は、３つの羽根から成る。第１の２つの羽根は、半径方向および回転方向に互いに同期しており、第３の羽根は、その他２つの羽根に垂直である。
【００５２】
一例に係る翼の設計を図１および図２に示す。上述の通り、翼システムは、一例において、対応する特性および寸法を有する直線翼および角度付き翼を有する。
【００５３】
図１Ａに示す一実施形態によれば、翼システムの角度付き翼１０は、直線翼部２０および角度付き翼部３０を有する。本例において、角度付き翼１０の寸法には、角度付き翼部および直線翼部それぞれについて、角度付き翼１０の点からの距離を規定する第１の寸法ｘおよび第２の寸法ｙがある。一例においては、説明のため、ｘが４．２０インチ、ｙが４．３８インチである。本例において、上記点で測定される角度付き翼１０の角度形状θは、およそ２８°である。角度付き翼１０の寸法は、翼によって材料を混合する容器のサイズを含む用途および混合環境等の要因によって決まり得る。
【００５４】
図１Ｂは、本例に係る角度付き翼１０の投影側面を示している。本例における距離ｄは、１．６４インチであり、本例における投影の角度（α）は、およそ１８°である。
【００５５】
別の例において、図１Ｃに示す直線翼４０は、異なる寸法ｘ’およびｙ’を有する。直線翼４０は、直線翼部５０および角度付き翼部６０を具備する。一例においては、寸法ｘ’が４．３８インチ、寸法ｙ’が４．２インチである。本例において、翼の内側寸法（ｖ）は、０．８８インチである。図１Ｄは、本例に係る直線翼４０の投影側面を示している。本例において、距離ｄ’は、１．７３インチである。直線翼４０の寸法は、翼によって材料を混合する容器のサイズを含む用途および混合環境等の要因によって変化し得る。
【００５６】
前縁翼のプロファイルを図１Ｅに示すが、本例においては、翼厚（ｔ）がおよそ０．０５０インチ、ナイフエッジプロファイル長（ａ）がおよそ０．１６５インチであることを示している。
【００５７】
図２を参照して、この斜視図は、２つの角度付き翼２２０および直線翼２３０に固定されたナット２１０を示す一実施形態に係る混合翼２００を示している。
【００５８】
図３は、翼システム３００の上部、特に、ナイフエッジ翼の傾斜３１０を示している。図４は、翼システムの底部を示しており、一実施形態に係る動作において、混合容器における翼の下側の任意の澱み領域を除去する。
【００５９】
図６Ａを参照して、これは、３つの翼を有し、混合容器への挿入に先立って混合軸６２０に取り付けられた翼アセンブリ６１０の側面斜視図である。矢印６３０は、反時計回りの方向で軸６２０に翼がねじ込まれて締め付けられることを示している。矢印６４０は、混合時に翼および軸が時計回りに回転することを示している。図６Ｂは、近距離での翼アセンブリの別の側面斜視図である。
【００６０】
図７を参照して、翼アセンブリは、テフロン（登録商標）被覆混合軸７１０により、混合容器への挿入に先立って当該混合軸に取り付けられた状態を示している。被膜は、混合軸へのスラリーの堆積を防止するのに役立つとともに、混合軸の一部または全部を覆い得る。
【００６１】
図８は、混合軸に取り付けられ、ステンレス鋼の混合容器８１０に挿入された翼アセンブリを示している。本例において、混合容器の直径は、混合を改善するため、混合翼の寸法よりもかなり大きくはなっていない。
【００６２】
図９を参照して、翼アセンブリは、混合軸に取り付けられ、ステンレス鋼の混合容器に挿入された状態を示しており、混合器によって水およびコロイド状シリカ９１０を混合している。
【００６３】
図１０Ａは、混合軸に取り付けられ、水およびコロイド状シリカ９１０を混合する翼アセンブリを示すとともに、アルミン酸カルシウムセメント９３０の混合体への供給に用いられる漏斗９２０を示している。
【００６４】
図１０Ｂは、混合軸に取り付けられ、アルミン酸カルシウムセメント、水、およびコロイド状シリカから成るスラリー９４０を混合する翼アセンブリを示している。
【００６５】
図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して、漏斗供給装置１１１０は、混合アセンブリとの位置関係で示しており、混合容器への成分の導入に用いられる漏斗部１１２０および吐出口１１３０を有する。一例において、漏斗部１１２０は、長円状であり、およそ３５センチメートルの漏斗幅（ＦＷ）およびおよそ２６センチメートルの漏斗高さ（ＦＨ）を有する。吐出口１１３０の寸法は、渦中へのセメントの正確な進入を可能とするものであるが、目詰まりを防止するのに十分な大きさである。本例において、漏斗部は、混合システムとの結合時に漏斗を適所に維持するのに役立つ平坦部１１４０を具備する。
【００６６】
翼の半径方向ｒ、回転方向θ、および軸方向ｚへの運動によって、これらの方向に混合体が流れ、結果的に、セメント塊の分解に用いられる混合剪断が生じるとともに、セメントの主混合段階および大型セラミック粒子／粒団を伴う副混合段階という両混合段階において、セラミック混合体のあらゆる要素が十分に混合される。
【００６７】
翼システムは、翼のうちの１つの上に溶接されたナット鋲をさらに備えていてもよい。翼システムの２つの同期翼は、同じサイズでなくてもよい。翼システムの翼は、ステンレス鋼またはチタン被覆ステンレス鋼製であってもよい。翼システムは、たとえばクロムまたはクロム含有合金で被覆されていてもよい。翼システムの翼は、星状構成となるように配置されていてもよい。翼システムの各翼は、上面、底面、および２つの羽根を有していてもよい。一例において、翼システムが動作している場合、翼の運動は、半径方向ｒ、回転方向θ、および軸方向ｚである。混合容器に対する駆動軸の角度は、およそ９０°であってもよい。すなわち、駆動軸は、混合容器の水平底面に対して、実質的に垂直である。
【００６８】
翼システムは、混合容器の底部から、およそ１０ｍｍであってもよい。モータの動作中、翼の回転速度は、およそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍであってもよい。この範囲は、たとえば最初のアルミン酸カルシウムスラリーの混合に用いられる。翼システムは、混合容器の底部から、およそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍであってもよい。一例において、翼システムは、混合容器の底部から、およそ６ｃｍ〜およそ１２ｃｍであってもよい。別の例において、大型中空粒子の第２の混合物の混合前に、翼システムは、混合容器の底部からおよそ１１ｃｍに持ち上げられる。モータの動作中、翼の回転速度は、およそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍであってもよい。この範囲は、たとえば第１および第２の混合物（中空の酸化物粒子を有するアルミン酸カルシウム）の混合に用いられる。一実施形態によれば、混合翼と混合容器の底部との間の距離がおよそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍである場合に、混合プロセスが改善され、渦が生じる。
【００６９】
本開示の態様は、新規な装置を用いた鋳造方法を提供する。本開示の一部の態様は、たとえばエンジンタービン翼等、航空宇宙産業用の構成要素の作製に関していてもよいが、本開示の態様は、任意の産業の任意の構成要素、特に、チタンおよび／またはチタン合金を含む構成要素の作製に採用されるようになっていてもよい。
【００７０】
大型粒子は、外形寸法がおよそ５０ミクロン超の粒子を含んでいてもよい。たとえば、大型粒子は、外形寸法がおよそ５０ミクロン〜およそ３００ミクロンの粒子を含んでいてもよい。一例において、アルミン酸カルシウムの少なくとも５０％は、外形寸法がおよそ１０ミクロン未満である。別の例において、アルミン酸カルシウム粒子は、外形寸法が最大およそ５０ミクロンの粒子を含み、大型粒子は、外形寸法がおよそ７０〜およそ３００ミクロンの粒子を含む。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ２０％超かつおよそ８０％未満である。別の実施形態において、大型粒子の重量分率は、およそ２０％〜およそ６５％である。
【００７１】
本開示の別の態様は、中空のチタン含有品を鋳造する鋳型の作製方法である。この方法は、アルミン酸カルシウム粒子、大型粒子、および液体を組み合わせて、液体中のアルミン酸カルシウム粒子および大型粒子のスラリーを作製するステップと、一過性パターンを含む型穴にスラリーを導入するステップと、型穴中でスラリーを硬化させて、チタン含有品の型を形成するステップと、を含む。一実施形態においては、実質的に中空の大型粒子と併せて、微細なアルミン酸カルシウム粒子を使用する。
【００７２】
この方法は、型穴へのスラリーの導入前に、酸化物粒子をスラリーに導入するステップをさらに含む。この教示方法に用いられる酸化物粒子は、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、またはこれらの組み合わせを含む。一実施形態において、この教示方法に用いられる酸化物粒子は、中空の酸化物粒子を含む。特定の一例において、酸化物粒子は、中空アルミナ球を含む。
【００７３】
大型粒子は、たとえば酸化アルミニウムを含み得る。一例において、大型粒子は、中空粒子である。これらの中空粒子は、およそ９９％の酸化物（たとえば、酸化アルミニウム）を含むとともに、幅または直径等の外形寸法がおよそ１０ミリメートル［ｍｍ］以下であってもよい。一実施形態において、中空酸化物粒子は、幅または直径等の外形寸法がおよそ１ミリメートル［ｍｍ］以下である。別の実施形態において、酸化物は、外形寸法としておよそ７０ミクロン［μｍ］〜およそ１０，０００ミクロンの幅を有することが可能な粒子を含む。別の実施形態において、酸化物は、外形寸法としておよそ７０ミクロン［μｍ］〜およそ３００ミクロンの幅を有することが可能な粒子を含む。
【００７４】
本開示の実施形態は、たとえば航空宇宙産業および海洋産業に用いられる中空のチタンおよびチタン合金構成要素を与えるセラミック組成物および鋳造方法を提供する。いくつかの態様において、型は、型作製時の型強度の向上および／または鋳造時の鋳造金属との反応に対する抵抗の増大を可能とする。本開示の態様に係る型は、ニアネットシェイプ鋳造方法に望ましい高圧での鋳造が可能であってもよい。鋳造の特性を改善する、たとえばアルミン酸カルシウム粒子およびアルミナ粒子を含有する型組成物ならびに構成相が特定されている。
【００７５】
以上から、本開示は、チタンおよびチタンアルミナイド合金と大きく反応しない型（たとえば、インベストメント型）を作製する課題に対処する。また、本開示のいくつかの態様によれば、型の強度および安定性によって、遠心鋳造等の高圧鋳造手法が可能となる。本開示の技術的利点の１つとして、一態様においては、たとえばアルミン酸カルシウム粒子およびアルミナインベストメント型から生成可能なネットシェイプ鋳物の構造的完全性を本開示が改善可能である。強度（たとえば、疲労強度）が高くなるほど、軽量な構成要素の作製が可能となる。また、より高い疲労強度を有する構成要素ほど、長期間持ちこたえ得るため、ライフサイクルコストが低くなる。
【００７６】
この方法に用いられるアルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、本開示の特徴である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ２０％〜およそ８０％である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ２０％〜およそ６０％である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ２０％〜およそ４０％である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ４０％〜およそ６０％である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ５５％〜およそ６５％である。
【００７７】
一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ４０％である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ５０％である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ６０％である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ７０％である。一実施形態において、アルミン酸カルシウム粒子の重量分率は、およそ８０％である。
【００７８】
一例において、アルミン酸カルシウムの粒子サイズは、およそ５０ミクロン未満である。別の例において、アルミン酸カルシウムの平均粒子サイズは、およそ１０ミクロン未満である。一実施形態において、粒子サイズは、粒子の外形寸法として測定される。アルミン酸カルシウム粒子は、外形寸法をおよそ５ミクロン〜およそ５０ミクロンとすることができる。
【００７９】
一態様において、型組成物（たとえば、インベストメント型組成物）は、アルミン酸カルシウム粒子およびアルミナ粒子の混合物を含んでいてもよい。アルミン酸カルシウム粒子は、バインダとして機能するようになっていてもよい。たとえば、アルミン酸カルシウム粒子は、型の主骨格構造およびコア構造を与えるようにしてもよい。アルミン酸カルシウム粒子は、型中に連続相を含むとともに、硬化および鋳造時に強度を与えるようにしてもよい。第２の混合物は、微細なアルミン酸カルシウム粒子および大型の中空アルミナ粒子から成っていてもよい。すなわち、アルミン酸カルシウムおよび大型アルミナ粒子は、第２の混合物の成分のみを実質的に含み、他の成分をほとんどまたは一切含んでいなくてもよい。
【００８０】
一例において、大型粒子の粒子サイズは、外形寸法がおよそ７０ミクロン〜およそ３００ミクロンである。これらの大型粒子は、中空酸化物粒子を含んでいてもよい。大型粒子は、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、またはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。大型粒子としては、アルミン酸カルシウム、ヘキサアルミン酸カルシウム、ジルコニア、またはこれらの組み合わせ等のセラミックが可能である。一実施形態において、酸化物粒子は、１つまたは複数の異なる酸化物粒子の組み合わせであってもよい。特定の一例において、大型粒子は、中空酸化物粒子であり、関連する一例において、これらの大型粒子は、中空の酸化アルミニウム球または泡を含む。一実施形態において、本開示は、アルミン酸カルシウムを含む中空のチタン含有品鋳型組成物を含む。別の実施形態において、鋳型組成物は、酸化物粒子（たとえば、中空酸化物粒子）をさらに含む。
【００８１】
特定の実施形態において、中空酸化物粒子は、中空アルミナ球（通常、直径が１００ミクロン超）を含んでいてもよい。中空アルミナ球は、鋳型に取り込まれてもよく、中空球は、円形粒子または不規則粒団等のさまざまな形状を有していてもよい。特定の実施形態において、アルミナは、円形粒子および中空球の両者を含んでいてもよい。一態様においては、これらの形状によって、インベストメント型混合物の流動性が大きくなることが分かった。通常は、流動性の向上によって、表面仕上げおよび忠実度または型で作製される最終鋳物の表面形状の精度が向上する場合がある。
【００８２】
表面粗さは、鋳造物および機械加工部品の表面完全性を表す指標の１つである。表面粗さは、光学的形状測定によって測定される指定領域中の中心線平均粗さ値「Ｒａ」および十点平均粗さ「Ｒｚ」を特徴とする。粗さ値は、プロファイル上または表面上で計算可能である。プロファイル粗さパラメータ（Ｒａ、Ｒｑ、・・・）がより一般的である。粗さパラメータはそれぞれ、表面を記述する式を用いて計算される。多くの異なる粗さパラメータが用いられているが、これまでのところは、Ｒａが最も一般的である。当技術分野において公知の通り、表面粗さは、工具摩耗と相関する。通常、研削およびホーニングによる表面仕上げプロセスによれば、Ｒａが０．１ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲の表面が得られる。最終的な被膜の表面粗さＲａ値は、被膜または被覆品の所望の機能によって決まる。
【００８３】
平均粗さＲａは、高さを単位として表される。大英帝国（英国）単位系において、１Ｒａは通常、１インチの「１００万分の１」で表される。これは、「マイクロインチ」とも称する。本明細書に示すＲａ値は、マイクロインチを表す。Ｒａ値７０は、約２ミクロンに相当する。Ｒａ値３５は、約１ミクロンに相当する。通常、タービン翼、タービン羽根／ノズル、ターボチャージャ、往復機関バルブ、ピストン等の高性能品の表面は、Ｒａがおよそ２０以下である必要がある。本開示の一態様は、クロムまたはクロム合金を含み、その表面領域の少なくとも一部における平均粗さＲａが２０未満のタービン翼である。
【００８４】
さらに、本開示は、中空のチタン含有品を鋳造する鋳型の作製方法を教示する。この方法は、アルミン酸カルシウム粒子、大型粒子、および液体を組み合わせてスラリーを作製するステップと、一過性パターンを含む型穴にこのスラリーを導入するステップと、型穴中でスラリーを硬化させるステップと、を含む。この方法は、型穴へのスラリーの導入前に、酸化物粒子をスラリーに導入するステップをさらに含んでいてもよい。
【００８５】
これらの大型粒子は、中空であることから、粒子内に空気の空間またはポケットを有することにより、完全に充填された高密度粒子ではない（すなわち、理論密度が１００％未満）と考えられる。この空間／空気の程度は変動し、中空粒子は、その体積の少なくとも２０％が空気である粒子を含む。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ５％〜およそ９５％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。別の例において、中空粒子は、その体積のおよそ１０％〜およそ９０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。さらに別の例において、中空粒子は、その体積のおよそ２０％〜およそ８０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。別の例において、中空粒子は、その体積のおよそ３０％〜およそ７０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。別の例において、中空粒子は、その体積のおよそ４０％〜およそ６０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。
【００８６】
別の例において、中空粒子は、その体積のおよそ１０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ２０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ３０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ４０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ５０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ６０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ７０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ８０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。一例において、中空粒子は、その体積のおよそ９０％が隙間すなわち空気で構成された粒子である。
【００８７】
本開示の一態様は、中空のチタン含有品を鋳造する鋳型を形成する方法であって、アルミン酸カルシウムを液体と組み合わせてアルミン酸カルシウムのスラリーを作製するステップであり、最初のアルミン酸カルシウム／液体混合物中の固体の割合がおよそ７０％〜およそ８０％であり、スラリーの粘度がおよそ５０〜およそ１５０センチポアズである、ステップと、大型（およそ７０ミクロン超）の酸化物粒子を有する最終的なアルミン酸カルシウム／液体混合物中の固体がおよそ７５％〜およそ９０％となるように、大型の中空酸化物粒子をスラリーに追加するステップと、一過性パターンを含む型穴にスラリーを導入するステップと、型穴中でスラリーを硬化させて、中空のチタン含有品の型を形成するステップと、を含む方法である。
【００８８】
そして、固化した中空のチタンまたはチタン合金鋳物を型から取り外す。一実施形態においては、チタンまたはチタン合金を型から取り外した後、鋳物がグリットブラストまたは研磨によって仕上げられるようになっていてもよい。一実施形態において、固化した鋳物は、型から取り外した後、Ｘ線または中性子ラジオグラフィによる検査を受ける。また、本開示は、本明細書に教示の鋳造方法により作製されたチタンまたはチタン合金品（たとえば、タービン翼）を教示する。
【００８９】
第２の混合物は、微細なアルミン酸カルシウムおよび大型粒子を含んでいてもよい。大型粒子は、中空とすることができる。アルミン酸カルシウム粒子は、モノアルミン酸カルシウム、ジアルミン酸カルシウム、およびマイエナイトの粒子を含んでいてもよい。アルミン酸カルシウム粒子の正しい化学的性質およびアルミナ製剤の選択は、この教示方法の性能の要因である。一実施形態において、第１の混合物は、酸化カルシウムをさらに含む。混合物のアルミン酸カルシウム粒子に関しては、自由な酸化カルシウムの量を最小化することにより、チタン合金との反応を最小限に抑えることが必要になる場合がある。
【００９０】
一例において、第２の混合物は、大型の中空酸化物粒子を含む。中空酸化物粒子は、中空アルミナ球を含んでいてもよい。第２の混合物は、混合容器に追加され、第１の混合物と混合されるようになっていてもよい。この第２の混合物は、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、またはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。混合容器には、アルミン酸カルシウム、ヘキサアルミン酸カルシウム、ジルコニア、またはこれらの組み合わせ等のセラミックを含む第２の混合物が追加されるようになっていてもよい。
【００９１】
酸化カルシウムの濃度がおよそ１０重量％未満の場合は、アルミナ濃度が高過ぎるため、合金が型と反応し、この反応によって、鋳物の酸素濃度が望ましくないレベルとなり、気泡が発生するとともに、鋳造構成要素の表面仕上げが不十分となる。自由なアルミナは、チタンおよびチタンアルミナイド合金と積極的に反応し得るため、型材料において望ましくない。一実施形態において、鋳型の酸化カルシウム濃度は、１０重量％〜５０重量％である。一実施形態においては、１０重量％〜５０重量％の酸化カルシウムを含む第３の混合物が混合容器に追加される。
【００９２】
本開示は、チタンおよびチタン合金の改良された構成要素、特に、中空のチタンタービン翼を提供可能な鋳型組成物および鋳造プロセスを提供する。鋳物の外部特性としては、形状、表面形状、および表面仕上げ等の特徴が挙げられる。鋳物の内部特性としては、機械的特性、微細構造、および一定サイズを下回る欠陥（細孔および含有物等）が挙げられる。
実施例
上記概説した本開示は、以下の実施例を参照することによって、より容易に理解可能であるが、これらは、本開示の特定の態様および実施形態の説明を目的としているに過ぎず、本開示を何ら制限するものではない。
【００９３】
本開示の態様は、従来技術の限界を打破するセラミックコア組成物、鋳造方法、および鋳造品を提供する。本開示の一部の態様は、たとえばエンジンタービン翼等、航空宇宙産業用の構成要素の作製に関していてもよいが、本開示の態様は、任意の産業の任意の構成要素、特に、チタンおよび／またはチタン合金を含む構成要素の作製に採用されるようになっていてもよい。
【００９４】
一例において、インベストメント型を作製するスラリー混合物は、５４１６ｇの微細なアルミン酸カルシウムセメント、サイズ範囲が０．５〜１ｍｍの直径である２９４３ｇの高純度アルミナバブル、１６４１ｇの脱イオン水、およびＲｅｍｅｔの１８１ｇのコロイド状シリカＬＰ３０から成るものとした。ブレンダカップは、高さが３８１ｍｍ、上部開口が２８０ｍｍ、底部直径が１２７ｍｍのものを使用した。また、使用した混合翼の幅は、およそ１１２ｍｍであった。
【００９５】
この混合方法では、第１に、微細な（５０ミクロン未満）セメントを正しい粘度になるまで混合し、第２に、高純度アルミナバブルの大型の（５０ミクロン超）セラミック粒団を最初のセメント混合体に追加する。第１の混合段階においては、図２および図８に示す混合容器および混合翼を用いることにより、３０００ｒｐｍの回転速度で水およびコロイド状シリカを混合した。基底部の混合容器の上方の混合翼の高さは、１０ｍｍに設定した。水およびコロイド状シリカを十分に混合した後、制御された様態で微細なセメントを追加することによって、固体含量が約７０％のスラリーを生成した。
【００９６】
スラリーは、約６分間にわたって混合したが、この時点での粘度は、およそ１００センチポアズであった。この時点で、混合翼の回転速度を１０００ｒｐｍまで落とし、制御された様態で、アルミナバブルをスラリーに追加した。基底部の混合容器の上方の混合翼の高さは、１１ｃｍに設定した。２９４３ｇの高純度アルミナバブルをスラリーに追加した後、完全なセラミック混合体を１０００ｒｐｍで１分間にわたって混合することにより、アルミン酸カルシウム含有スラリーおよびアルミナバブルを十分に混合した。
【００９７】
混合後、実施例１に記載の通り一過性ろう型を含む容器に、制御された様態でインベストメント型混合体を注ぎ込む。大型のアルミナ粒子以外のすべての成分を有する最初のセメントスラリー混合物の固体含量は、７０％である。最終的な型混合体の固体含量は、およそ８２％である。そして、型を硬化させ、高温度で焼成した。得られた型を用いて、タービン翼等のチタンアルミナイド含有品を鋳造した。
【００９８】
翼材料は、ステンレス鋼であった。翼厚は、１．２５ミリメートル±０．０５ミリメートル（鋭利なナイフエッジを除く）であった。翼の表面粗さは、５Ｒａ値未満であり、翼の硬度は、およそ５０超のロックウェル硬度Ｃであった。
【００９９】
いくつかの例においては、炭化タングステン被膜を利用した。このような例において、被膜は、およそ６０ミクロン〜およそ８０ミクロン厚（±２０ミクロン）であり、硬度は、およそ７０〜およそ７５のロックウェル硬度Ｃであった。
【０１００】
一例において、翼の被膜は、厚さがおよそ１００μｍ〜およそ８００μｍ、表面粗さ（Ｒａ）が約０．２μｍ（機械再仕上げ）〜３０μｍ、硬度が５３〜７０ロックウェル硬度Ｃという特性を有していた。
【０１０１】
一実施形態において、混合軸は、テフロン（登録商標）被膜を有していた。この被膜は、軸への型混合体の堆積を防止するものである。軸は、各サイクル後に湿った布できれいに拭った。
セラミック型製剤混合装置の例
以下の実施例では、チタンアルミナイド系合金等のチタン合金の鋳型を作製するセラミック型混合体の作製に用いた一連の混合装置を説明する。各混合装置は、以下の表１に示すように、一連の基準に対して評価を行った。実施例１〜５は、さまざまな試験条件下の装置および対応する有効性を示している。
【実施例１】
【０１０２】
オープンナイフ翼の下側モータおよび軸
一例においては、図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、下側モータおよび軸を備えたセラミック型製剤混合機を開発した。モータは、混合容器１４２０下方の下側モータアセンブリ１４１０に位置決めされており、下側モータアセンブリ１４１０は、混合容器１４２０を受容して保持するように構成されている。混合機１４００は、下側モータアセンブリ１４１０内の駆動モータおよび軸と、混合容器１４２０の基部上の駆動ギアに接続された連結器とから成る。駆動ギアは、混合容器の基部を介して、セラミック型製剤の混合に用いられる混合翼１４３０、１４４０まで駆動モータのトルクを伝える軸に接続されている。混合容器の基部における駆動結合および封止構成は、本開示の特徴である。駆動軸は、セラミックスラリーが容器の基部から漏れないように、連結器で封止されている。図１４Ａは、オープンナイフ翼設計１４３０を示しており、一方、図１４Ｂは、コールズ翼設計１４４０を示している。
【０１０３】
図１４Ａに示すような一例に係る動作においては、軸および翼を備えた下側モータ混合器アセンブリ１４１０を最大３０００ｒｐｍ超の回転速度で動作させた。これにより、混合する流体の混合トーラスが混合容器内に発生し、スラリー内の流体速度および剪断力が大きくなる。
【０１０４】
混合容器１４２０の形状ならびにオープン混合翼１４３０および生成される混合トーラスの形状は、セラミック型製剤のあらゆる体積要素を十分に混合するとともに、混合中のセラミック型製剤における再循環／澱み領域の可能性を最小限に抑えるように選択される。
【０１０５】
翼システム１４３０は、駆動軸に取り付けたが、少なくとも１つが上向きとなるように、少なくとも２つの同期ナイフエッジ翼を具備するものとした。一実施形態において、翼システムは、２つの同期ナイフエッジ翼に垂直な第３のナイフエッジ翼を具備するものとした。
【０１０６】
混合トーラスへの粉末供給は、真っ直ぐであり、混合トーラスに対する自由なアクセスが確保されている。一実施形態においては、粘度が一貫した均一な混合体が生成され、目に見える残留粒団は存在せず、気泡の量は最小限である。
【０１０７】
下側モータの種類の混合の１つの利点として、混合機により、セメント塊の許容範囲のサイズ低減および許容範囲のスラリー粘度が得られた。混合機は、最小限の空気をスラリー混合体に導入する。混合トーラスに対する制御された粉末追加は、露出混合軸がない場合の混合体に対する自由なアクセスによって容易化される。この種の混合の別の利点として、不完全な混合または混合体中の許容範囲外の塊を生じ得る翼への飛沫の堆積がない。この種の混合のさらに別の利点として、混合容器の形状および混合翼の形状は、セラミック型製剤のあらゆる体積要素を十分に混合するとともに、任意の再循環／澱み領域の可能性を最小限に抑えるように選択される。混合機は、高速かつ効率的であり、混合容器は、容易に洗浄可能である。
【０１０８】
下側モータの種類の混合の１つの不都合として、混合翼の下のモータからの熱により、混合体の温度が上昇する可能性があり、その後の型の硬化において望ましくないものとなる可能性がある。一例において、セメントスラリーの温度は、３０℃未満に保たれる。この種の混合の別の不都合として、微細なセメント粉末の侵入により、軸連結性能および混合容器の基部における封止の性能が損なわれ得る。粉末は、軸および封止を摩耗させる可能性があり、その結果、セメントスラリーが混合容器の底部から漏れる可能性がある。これは、混合翼の基部と混合容器の底部との間の領域におけるオープンナイフ翼の下の高い流体速度の結果である。この種の混合のさらに別の不都合として、翼位置および混合容器形状が固定された状態で、最初のアルミン酸カルシウムセメントとバブルとを２段階混合するのは困難である。混合容器の基部の上方に翼の高さが固定された状態では、混合体の粘度および体積が大きくなると、大型の粒団をセメントスラリーに効果的に混ぜ合わせるのが難しい。混合容器の基部に翼があると、翼および混合容器の洗浄がより困難となるため、この手法の不都合の１つとなる。
【０１０９】
以下の製剤および混合方法によって、型を作製した。インベストメント型を作製するスラリー混合物は、５４１６ｇの微細なアルミン酸カルシウムセメント、サイズ範囲が０．５〜１ｍｍの直径である２９４３ｇの高純度アルミナバブル、１６４１ｇの脱イオン水、およびＲｅｍｅｔの１８１ｇのコロイド状シリカＬＰ３０から成るものとした。混合容器は、高さが３８１ｍｍ、上部開口が２８０ｍｍ、底部直径が１２７ｍｍのものを使用した。また、使用した混合翼の幅は、オープンナイフ翼設計のため、およそ１１２ｍｍであった。
【０１１０】
この混合方法では、第１に、微細な（５０ミクロン未満）アルミン酸カルシウムセメントを水およびコロイド状シリカとともに正しい粘度になるまで混合し、第２に、高純度アルミナバブルの大型の（５０ミクロン超）セラミック粒団を最初のセメントスラリー混合体に追加した。第１の混合段階においては、混合容器および混合翼を用いることにより、３０００ｒｐｍの回転速度で水およびコロイド状シリカを混合した。基底部の混合容器の上方の混合翼の高さは、２０ｍｍに設定した。これは、使用した容器連結封止の場合の最大値である。水およびコロイド状シリカを十分に混合した後、制御された様態で微細なセメントを追加することによって、固体含量が約７０％のスラリーを生成した。
【０１１１】
スラリーは、約６分間にわたって混合したが、この時点での粘度は、およそ１００センチポアズであった。この時点で、セメントスラリーを第２の低速混合器に移し、大型アルミナ粒団をセラミック混合体に混ぜ合わせた。第２の低速混合器においては、混合翼の回転速度を１０００ｒｐｍ未満まで落とし、制御された様態で、アルミナバブルをスラリーに追加した。２９４３ｇの高純度アルミナバブルをスラリーに追加した後、完全なセラミック混合体を混合することにより、アルミン酸カルシウム含有スラリーおよびアルミナバブルを十分に混合する一方、大きなアルミナ粒子の如何なる消耗も回避した。
【０１１２】
混合後、制御された様態で、一過性ろう型を含む容器にインベストメント型混合体を注ぎ込んだ。大型のアルミナ粒子以外のすべての成分を有する最初のセメントスラリー混合物の固体含量は、７０％である。最終的な型混合体の固体含量は、およそ８２％である。そして、型を硬化させ、高温度で焼成した。得られた型を用いて、タービン翼等のチタンアルミナイド含有品を鋳造した。このように作成した型は、十分な品質であり、これらを用いて、チタンアルミナイド系合金を鋳造した。
【実施例２】
【０１１３】
オープンコールズ翼の下側モータおよび軸
別の例においては、図１４Ｂに示すように、コールズ翼１４４０ならびに下側モータおよび軸を備えたセラミック型製剤下側モータ混合機１４１０を開発した。コールズ翼設計は、流体への粉末の混合に用いられることが多く、当産業分野において広く受け入れられている設計である。この翼は、流体への微細粉末の分散に用いられることが多く、分散翼と称する場合もある。コールズ翼は、粉末の湿潤、微細固体の分散、および乳剤の作成等の混合用途において粉末塊を分解する高い剪断レベルを生成するように設計されている。
【０１１４】
下側混合機１４１０は、駆動モータおよび軸と、混合容器の基部上の駆動ギアに接続された連結器とから成る。駆動ギアは、混合容器１４２０の基部を介して、セラミック型製剤の混合に用いられる混合翼まで駆動モータのトルクを伝える軸に接続されている。混合容器の基部における駆動結合および封止構成は、本開示の１つの特徴である。駆動軸は、セラミックスラリーが容器の基部から漏れないように、連結器で封止されている。コールズ翼１４４０は、容器の基部を介して動作する軸に取り付けた。また、コールズ翼は、混合容器の基部の上方で２０ｍｍの固定距離に設定した。
【０１１５】
混合機は、最大３０００ｒｐｍ超の回転速度で動作させた。これにより、混合トーラスが混合容器内に発生し、スラリー内の流体速度および剪断力が大きくなる。混合容器の形状およびオープン混合翼の形状は、セラミック型製剤のあらゆる体積要素の十分な混合を促進するとともに、混合中のセラミック型製剤における任意の再循環／澱み領域の可能性を最小限に抑えるように選択した。
【０１１６】
この種の混合機および方法の１つの利点として、コールズ翼は、市販されている構成要素である。ただし、コールズ翼１４４０および混合機では、オープンナイフ翼１４３０ほど良好なスラリーは得られなかった。コールズ翼では、セメント塊のサイズをいく分小さくすることができた。スラリーの粘度およびスラリー混合体中の空気量は、オープンナイフ翼による実施例１ほど良好ではなかった。この種の混合機および方法の別の利点としては、翼への飛沫の堆積が最小限に抑えられる。飛沫は、不完全な混合または混合体中の許容範囲外の塊を生じ得る。
【０１１７】
この種の混合機および方法の１つの不都合として、コールズ翼１４４０は、実施例１のオープンナイフ翼１４３０ほど十分には機能しない。下側モータの種類の混合機および方法の別の不都合として、混合翼の下のモータからの熱により、混合体の温度が上昇する可能性があり、その後の型の硬化において望ましくないものとなる可能性がある。セメントスラリーの温度は、３０℃未満に保たれる。下側モータの種類の混合機および方法の別の不都合として、微細なセメント粉末の侵入により、軸連結性能および混合容器の基部における封止の性能が損なわれ得る。粉末は、軸および封止を摩耗させる可能性があり、その結果、セメントスラリーが混合容器の底部から漏れる可能性がある。翼の形状および混合容器形状における位置によって、最初のアルミン酸カルシウムセメントとバブルとを２段階混合するのは困難である。また、コールズ翼は実際、大きな粒子／バブルを分解して、バブルの全体サイズを小さくする可能性がある。その結果、最終的な型においては、大きな粒子／バブルがその役割を十分に果たせない。
【０１１８】
以下の製剤および混合方法によって、セラミック型混合体を作製した。インベストメント型を作製するスラリー混合物は、５４１６ｇの微細なアルミン酸カルシウムセメント、サイズ範囲が０．５〜１ｍｍの直径である２９４３ｇの高純度アルミナバブル、１６４１ｇの脱イオン水、およびＲｅｍｅｔの１８１ｇのコロイド状シリカＬＰ３０から成るものとした。混合容器は、高さが３８１ｍｍ、上部開口が２８０ｍｍ、底部が１２７ｍｍのものを使用した。また、使用した混合翼の幅は、オープンナイフ翼設計のため、およそ１１２ｍｍであった。
【０１１９】
この混合方法では、第１に、微細な（５０ミクロン未満）アルミン酸カルシウムセメントを水およびコロイド状シリカとともに正しい粘度になるまで混合した。第１の混合段階においては、図１〜図３および図６〜図８に示す混合容器および混合翼を用いることにより、３０００ｒｐｍの回転速度で水およびコロイド状シリカを混合した。基底部の混合容器の上方の混合翼の高さは、２０ｍｍに設定した。水およびコロイド状シリカを十分に混合した後、制御された様態で微細なセメントを追加することによって、固体含量が約７０％のスラリーを生成した。
【０１２０】
本実施例で採用した下側混合機、コールズ翼、および混合方法では、鋳型を作製するのに十分な特性を有するアルミン酸カルシウムセメント系のセラミックスラリーを生成できなかった。スラリーは、セメントの分散に関して十分に均一ではなく、また、気泡が多過ぎた。
【実施例３】
【０１２１】
囲繞直列翼の上側モータおよび軸
さらに別の例においては、上側駆動モータと、混合容器に延入可能な駆動軸と、混合容器と、駆動軸に取り付けられた囲繞翼システムであって、密嵌合筐体（シュラウド）内で高速回転する翼を具備した、翼システムと、を備えたセラミック型製剤混合機を開発した。囲繞システムは、その便益として、スラリーを微細な粒子と混ぜ合わせるのに有効な高剪断の局所領域を生成可能である。本実施例においては、翼−シュラウドアセンブリを「混合ヘッド」と称する場合がある。別の便益としては、混合ヘッドの翼の背後の領域に生成される真空の結果として、翼−シュラウドアセンブリに粉末が直接供給される。囲繞直列翼を備えた上側モータおよび軸のこれら特徴の特定の利点を調べたので、その成果を図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１６Ａ、図１６Ｂ、および図１７と併せて以下にまとめる。
【０１２２】
図１５Ａ〜図１５Ｃを参照して、「混合ヘッド」１５１０は、混合容器の底部に位置決めされている。図１５Ｂおよび図１５Ｃには、混合容器と併せて構成された混合ヘッド取り付けを示している。図１５Ｂは、混合容器中の水との混合開始時における混合容器中の混合ヘッドを示している。図１５Ｃは、セメントの部分的混合後の混合ヘッドを示しており、混合容器中には、粉末供給管も見られる。囲繞混合ヘッド１５１０は、複数の支持軸１５２０に支えられており、駆動軸１５３０は、これら支持軸の中心で動作する。本実施例には、３つの支持軸１５２０が存在する。
【０１２３】
図１５Ａ〜図１５Ｃは、３．５ガロンの混合容器１５５０中で試行された二重混合の一例を示している。この混合器構成においては、回転によって、混合容器中で混合ヘッドに接続された管１５４０を介して粉末を引き込み可能な真空が生成される。図１５Ｂは、図１５Ａと同じ設定を示しているが、仰角視点から、混合容器１５５０の内側に駆動軸１５３０が見られる。粉末（たとえば、アルミン酸カルシウム）は、取り付け管１５４０を介して、液体スラリーを混合する混合容器１５５０に直接供給した。また、粉末は、混合体にゆっくりと挿入した。このシステムにおいては、粉末の追加が遅すぎたため、真空は、システムの目詰まりなく粉末を引っ張るのに十分な強さではなかった。この混合器構成は、最も高い出力定格であっても、この用途に有効ではなかった。混合体の温度は、およそ３４℃であり、多くのバブルが生じていた。この高い混合体温度およびバブルの形成は、望ましくない。図１５Ｃは、この混合設定のヘッドを示しており、これらの条件および設定においては、スラリーの粘度が非常に高く、混合は完了できなかった。
【０１２４】
また、図１６Ａおよび図１６Ｂを参照して、粉末供給管１５４０は、混合ヘッド１５１０の後部につながって、粉末を混合ヘッドに直接送達する。図１６Ａおよび図１６Ｂは、混合ヘッド１５１０の側面および基部を示している。図１６Ｂにおいては、混合翼、シュラウド（または、固定子）１６０５、および回転子／翼１６２０が見られる。図１６Ａに示すように、シュラウド１６０５は、混合ヘッドに対するスラリーの流入および流出を促進するため、スロット１６１０も含んでいる。粉末は、固定子１６０５のこれらのスロット１６１０を介して、混合体に進入可能である。回転子１６２０は、固定子１６０５に対してセメントを押圧および剪断する。直列粉末供給口１６３０によって、回転子の回転時に、粉末が混合体に進入可能となる。囲繞混合翼は、高速回転すると、この管を介して粉末／セメントを引き込み、混合ヘッドおよび液体／スラリーに供給可能な真空を生成する。本実施例の動作において、翼は一般的に、高い局所剪断を与えるものの、混合体積が小さく、混合体全体は、十分に均一ではなかった。
【０１２５】
図１７は、部分的に混合されたスラリーを示している。混合が十分に効果的ではないため、スラリーの粘度は非常に高かった。図１７に見られるように、採用した混合体製剤に関して、混合ヘッドは、スラリーを許容範囲の粘度まで混合できなかった。また、混合体には、大量の空気が存在する。この混合器構成による混合試行に採用したコロイド状シリカおよびセメントに対する水の比率は、実施例１と同じであった。
【０１２６】
図１７は、動作中の図１５の設定を示している。図から分かる通り、粉末の追加および混合においては、大量の空気が混合物に取り込まれ、スラリー中の気泡１７１０となっていた。セメントは、回転子−固定子翼に対して、摩耗が大き過ぎることが判明した。また、４つの軸および真空管は、各運転後に洗浄する必要があった。
【０１２７】
混合機および方法の上側モータおよび囲繞直列翼付き軸の１つの利点として、混合モータが混合体の上方にあり、モータからの熱により混合体の温度が実質的に上昇することがなく、温度の上昇は、その後の型の硬化において望ましくないものとなる可能性がある。この種の混合機および方法の別の利点として、囲繞混合ヘッドは、粒子の分解において有効となり得る高い剪断を与えることができる。この種の混合機および方法のさらに別の利点として、囲繞混合翼は、高速回転すると、この管を介して粉末／セメントを引き込み、混合ヘッドおよび液体／スラリーに供給可能な真空を生成する。
【０１２８】
この上側モータおよび囲繞直列翼付き軸ならびに方法の１つの不都合として、混合機により、セメント塊の許容範囲のサイズ低減が得られず、スラリーの粘度は、許容範囲ではなかった。この種の混合機および方法の別の不都合として、混合翼およびシュラウドシステムに存在する再循環および澱み領域があまりに多く、均一性が許容範囲外の混合体が生成される。この種の混合機および方法の別の不都合としては、図１７に見られるように、混合機が大量の空気をスラリー混合体に取り込む。この種の混合機および方法のさらに別の不都合として、囲繞翼により、最初のアルミン酸カルシウムセメントとバブルとを２段階混合するのは困難である。囲繞翼システムは、大きな粒子を摩滅させ、サイズを小さくして、効果を弱くすることができる。最後に、翼および軸は、洗浄が非常に難しい。完全に除去されない任意の残留物は、後続サイクルの汚染源となり得るため、この手法のさらに別の不都合である。
【実施例４】
【０１２９】
オープンコールズ翼の上側モータおよび軸
さらに別の例において、本発明者らは、混合容器と、混合容器上方のモータと、モータに取り付けられた駆動軸であって、混合容器に延入可能である、駆動軸と、駆動軸に取り付けられたコールズ翼システムとを備えた混合装置を構築した。翼設計は、実施例２の記載と同様である。コールズ翼は、混合翼の平面および歯を示す一連の図である図１２および図１３に見られる。
【０１３０】
コールズ翼は、粉末の湿潤、微細固体の分散、および乳剤の作成等の混合用途において粉末塊を分解する高い剪断レベルを生成するように設計されている。図１２Ａは、コールズ翼を示すとともに、翼に関する回転を示していた。図１２Ｂは、駆動軸に取り付けられたコールズ翼１２１０および対応する回転を示す。一例において、コールズ翼は、真空供給能力のないオープン翼設定で動作する。このようなシステムにおいては、最大７０００ｒｐｍを実現可能である。ただし、コールズ翼は、本明細書に記載のオープンナイフ翼よりもはるかに高価である。たとえば、コールズ翼は、オープンナイフ翼を備えた本開示の翼システムよりも約１０倍高価である。
【０１３１】
混合軸に結合されたコールズ翼は、図１３Ａの混合容器に挿入される。図１３Ｂは、アルミン酸カルシウムおよび水の混合物を混合するコールズ翼を示している。本実施例における軸は、混合容器の対称軸からオフセットした状態で示している。
【０１３２】
コールズ翼は、セラミック粉末／粒団の追加の場合に、混合容器に対して軸をより開くことができるように、容器の対称軸外で動作させた。軸外位置は、混合の均一性の観点では望ましくないことが分かった。ただし、混合容器の対称軸上に翼がある類似の容器においても、混合を実行した。混合の質は、依然として許容範囲ではなかった。
【０１３３】
採用した混合体製剤に関して、コールズ混合ヘッドは、スラリーを許容範囲の粘度まで混合できなかった。また、混合体には、大量の空気が存在した。この混合器構成による混合試行に採用したコロイド状シリカおよびセメントに対する水の比率は、実施例１と同じであった。
【０１３４】
オープンコールズ翼を備えた上側モータおよび軸ならびに方法の１つの利点として、混合翼上方のモータからの熱により混合体の温度が上昇することがなく、温度の上昇は、その後の型の硬化において望ましくないものとなる可能性がある。この種の混合機および方法の別の利点としては、翼は、供給業者から容易に入手可能である。この種の混合機および方法のさらに別の利点としては、混合翼への飛沫の堆積が最小限に抑えられる。飛沫は、不完全な混合または混合体中の許容範囲外の塊を生じ得る。
【０１３５】
オープンコールズ翼を備えた上側モータおよび軸ならびに方法の１つの不都合として、コールズ翼は、実施例１のオープンナイフ翼ほど十分には機能しない。この種の混合機および方法の別の不都合として、コールズ翼形状により、最初のアルミン酸カルシウムセメントとバブルとを２段階混合するのは困難である。コールズ翼は実際、大きな粒子／バブルを分解して、バブルの全体サイズを小さくする可能性がある。その結果、最終的な型においては、大きな粒子／バブルがその役割を十分に果たせない。
【０１３６】
一実施形態において、コールズ翼は、容器の底部から導入される。すなわち、混合容器は、駆動軸が容器に進入する進入孔を容器の底部に有し、この駆動軸の端部にコールズ翼がある。図１４は、混合容器の底部を介して軸が上に延びた状態のモータ上に置かれた容器を示している。軸は、モータがオンとなった場合に回転するように、モータに対して動作可能に接続されている。軸の回転速度は、所望の速度ｒｐｍを実現できるように調整可能である。このシステムにおいて、軸／軸受システムは、セメントに直接曝露されるため、急速に擦り減る。テーパ状容器において、単混合を複数回試行した。翼／モータが３０００ｒｐｍで回転し、モータが急速に熱くなるため、このシステムは、多数回の連続運転には適さない。混合体は、３０〜３４℃に達する（これは、高温である。一例においては、２６℃未満を使用する）。
【実施例５】
【０１３７】
オープンナイフ翼の上側モータおよび軸
さらに別の例において、本発明者らは、混合容器と、混合容器上方のモータと、前記モータに取り付けられた駆動軸であって、前記混合容器に延入可能である、駆動軸と、前記駆動軸に取り付けられた翼システムとを備え、翼システムが、少なくとも１つが上向きとなるように少なくとも２つの同期ナイフエッジ翼を具備する、混合装置を構築した（図７〜図１０参照）。この翼設計は、オープンナイフ翼設計と称する。翼設計は、実施例１の記載と同様である。一実施形態において、翼システムは、前記２つの同期ナイフエッジ翼に垂直な第３のナイフエッジ翼を具備する。別の実施形態において、駆動軸は、実質的に混合容器の内側である。一実施形態において、翼システムは、被覆されている。
【０１３８】
混合容器内のさまざまな粘度および流れ特性の混合体に対応する翼の高さを調整する能力は、この特定の機械設計および動作の一要素である。たとえば、アルミン酸カルシウムセメントをセラミックスラリーに混ぜ合わせる一実施形態において、翼システムは、混合容器の上部から、混合容器の底部からおよそ１０ｍｍまで降下する。セメントは、およそ１０００ｒｐｍ〜およそ４０００ｒｐｍの翼の回転速度を用いることにより、流体への混合によってスラリーが作製される。このモータ混合／容器混合翼構成を用いることにより、アルミン酸カルシウムセメントは、チタン合金およびチタンアルミナイド系合金を鋳造するセラミック型の作製に適したセラミックスラリーに混ぜ合わされる。また、このモータ混合／容器混合翼構成は、最初のアルミン酸カルシウムセメント含有セラミックスラリーへの大型セラミック粉末の混合に使用可能である。たとえば、アルミン酸カルシウムセメントをセラミックスラリーに混合した後の一実施形態においては、中空のアルミナ粒子（たとえば、アルミナバブル）をスラリーに混ぜ合わせて、セラミック型を作製する場合の許容範囲の粘度、流動性、および均一性のセラミック型混合体を作製した。
【０１３９】
別の実施形態においては、混合容器の底部からおよそ３０ｍｍ〜およそ２００ｍｍの高さに翼システムを上昇させて、大型のセラミック粒子を最初のスラリーに混ぜ合わせた。たとえば、大型中空粒子の第２の混合物を最初のスラリーに混合する前に、翼システムを混合容器の底部からおよそ１１０ｍｍに持ち上げる。翼の回転速度は、最初のセラミックセメントスラリー用の約３０００ｒｐｍの速度から、最終的なスラリーを大型セラミック粒子と混ぜ合わせるためのおよそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍに低下させる。
【０１４０】
混合機および混合方法は、所望の均一性の混合体を作製可能である。混合機は、如何なる澱み領域または再循環領域をも最小化するように構成可能である。この混合機構成におけるオープンナイフ翼は、微細なアルミン酸カルシウムセメントを最初の流体に追加して許容範囲の粘度および均一性のセラミックスラリーを作製可能な渦を生成することができる。アルミン酸カルシウムセメント塊は、非常に効果的に分解して、サラリー中に分散させることにより、許容範囲の粘度を生成可能である。混合渦は、粉末追加の時間を通して安定したままとなるように設定可能である。この条件によって、均一特性のスラリーの生成が容易化される。
【０１４１】
また、この混合機構成におけるオープンナイフ翼は、大型セラミック粒子をアルミン酸カルシウムセメント含有セラミックスラリーに混ぜ合わせて、大型セラミック粒子の逆分解を一切伴うことなく、許容範囲の粘度および均一性のセラミック型混合体を作製可能な渦を生成することができる。
【０１４２】
本実施例は、混合容器と、モータ制御の駆動軸であって、前記混合容器に延入可能である、駆動軸と、前記駆動軸に取り付けられた翼システムとを採用しており、翼システムは、少なくとも１つが上向きとなるように少なくとも２つの同期ナイフエッジ翼を具備する。混合容器に対する駆動軸の角度は、およそ±５°である。駆動軸は通常、混合容器の対称軸上に位置決めされているが、混合容器の対称軸外のある距離に駆動軸を位置決めすることも可能である。
【０１４３】
この種の混合機および方法の１つの利点として、アルミン酸カルシウムセメントおよび大型セラミック粉末は、重力供給システム等の供給システムを用いた導管または漏斗システムによって、混合渦中に容易に供給可能である。この種の混合機および方法の別の利点として、この混合機構成におけるオープンナイフ翼は、アルミン酸カルシウムセメントを流体に追加して許容範囲の粘度および均一性のセラミックスラリーを作製可能な渦を生成することができる。アルミン酸カルシウムセメント塊の追加は、非常に効果的に分解して、サラリー中に分散させることにより、許容範囲の粘度を生成可能である。一例において、渦は、粉末追加の時間を通して安定したままであった。この種の混合機および方法の別の利点として、この混合機構成におけるオープンナイフ翼は、大型セラミック粒子をアルミン酸カルシウムセメント含有セラミックスラリーに混ぜ合わせて、大型セラミック粒子を不都合に分解することが一切なく、許容範囲の粘度および均一性のセラミック型混合体を作製可能な渦を生成することができる。この種の混合機および方法のさらに別の利点として、混合機および混合方法は、所望の均一性の混合体を作製可能であり、混合機は、澱み領域または再循環領域を最小化するように構成可能である。この種の混合機および方法の別の利点として、混合機および混合方法は、混合サイクルの最後に気泡をほとんどまたは一切含まない混合体を作製することができる。
【０１４４】
一例においては、動作中に、スラリーの混合箇所から混合モータを取り除くことによって、混合翼上方のモータからの熱が混合体の温度に及ぼす影響が最小限に抑えられる。その結果、モータからの熱によって混合体の温度が上昇することがなく、温度の上昇は、その後の型の硬化において望ましくないものとなる可能性がある。混合翼および混合容器は、下側モータ搭載翼混合機よりも容易に洗浄可能である。
【０１４５】
この種の混合機および方法の１つの不都合として、軸は、混合容器への粉末の送達を妨害し得る。したがって、軸の位置、角度、および長さは、粉末送達機構の十分なアクセスが可能となるように選択可能である。また、混合翼軸は、ある混合の軸上の飛沫／残渣が後続の混合に持ち越されることのないように、清浄に保つものとする。
【０１４６】
実施例５の場合は、以下の製剤および方法によって、型を作製した。インベストメント型を作製するスラリー混合物は、５４１６ｇの微細なアルミン酸カルシウムセメント、サイズ範囲が０．５〜１ｍｍの直径である２９４３ｇの高純度アルミナバブル、１６４１ｇの脱イオン水、およびＲｅｍｅｔの１８１ｇのコロイド状シリカＬＰ３０から成るものとした。混合容器は、高さが３８１ｍｍ、上部開口が２８０ｍｍ、底部が１２７ｍｍのものを使用した。また、上部搭載混合モータの軸の底部に使用した混合翼の幅は、およそ１１２ｍｍであった。
【０１４７】
この混合方法では、第１に、微細な（５０ミクロン未満）アルミン酸カルシウムセメントを正しい粘度になるまで混合し、第２に、高純度アルミナバブルの大型の（５０ミクロン超）セラミック粒団を最初のアルミン酸カルシウムセメント混合体に追加した。第１の混合段階においては、図２および図８に示す混合容器および混合翼を用いることにより、３０００ｒｐｍの回転速度で水およびコロイド状シリカを混合した。基底部の混合容器の上方の混合翼の高さは、１０ｍｍに設定した。水およびコロイド状シリカを十分に混合した後、制御された様態で微細なアルミン酸カルシウムセメントを追加することによって、固体含量が約７０％のスラリーを生成した。
【０１４８】
スラリーは、約６分間にわたって混合したが、この時点での粘度は、およそ１００センチポアズであった。この時点で、混合翼の回転速度を１０００ｒｐｍまで落とし、制御された様態で、アルミナバブルをスラリーに追加した。基底部の混合容器の上方の混合翼の高さは、１１ｃｍに設定した。２９４３ｇの高純度アルミナバブルをスラリーに追加した後、完全なセラミック混合体を１０００ｒｐｍで１分間にわたって混合することにより、アルミン酸カルシウム含有スラリーおよびアルミナバブルを十分に混合した。
【０１４９】
混合後、制御された様態で、タービン翼用のパターン等の一過性ろう型を含む容器にインベストメント型混合体を注ぎ込んだ。大型のアルミナ粒子以外のすべての成分を有する最初のセメントスラリー混合物の固体含量は、約７０％であった。最終的な型混合体の固体含量は、約８２％であった。そして、型を硬化させ、高温度で焼成した。得られた型を用いて、タービン翼等のチタンアルミナイド含有品を鋳造した。
【０１５０】
図１８に示すように、一例において、本開示は、アルミン酸カルシウムおよび酸化物粒子含有スラリーを混合する方法に関する（１８００）。この方法は、アルミン酸カルシウムを含む第１の混合物を混合容器に追加するステップ（１８１０）と、モータに結合された第１の端部および翼システムに結合された第２の端部を含むモータ制御の駆動軸を展開するステップと、を含む。駆動軸は、翼システムが混合容器の内側底部からおよそ１０ｍｍとなり、翼システムが互いに同期した少なくとも２つの翼を有するように、前記混合容器に挿入する（１８２０）。この方法は、モータをオンにして、翼がおよそ１５００ｒｐｍ〜およそ３５００ｒｐｍの速度で回転するように翼システムの速度を調整するステップをさらに含む（１８３０）。第１の混合物を混合し（１８４０）、混合容器の内側底部からおよそ３０ｍｍ〜およそ５０ｍｍとなるように、翼システムの位置を調整する。また、翼の回転速度がおよそ５００ｒｐｍ〜およそ１５００ｒｐｍとなるように、翼システムの回転速度を調整する（１８５０）。そして、酸化物粒子を含む第２の混合物を混合容器に追加し（１８６０）、第１および第２の混合物を同じ混合容器内で混合する（１８７０）。翼システムは、半径方向および回転方向に回転および混合を行う。
【０１５１】
【表１】
2017514669.tif 000003
上記説明は、例示を意図したものであり、何ら限定的ではないことが了解されるものとする。たとえば、上記実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用可能である。また、多くの改良によって、種々実施形態の教示内容の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を適応させることができる。本明細書に記載の材料の寸法および種類は、種々実施形態のパラメータの規定を意図しているが、何ら制限を課すものではなく、ほんの一例に過ぎない。当業者であれば、上記説明の精査により、その他多くの実施形態が明らかとなるであろう。したがって、種々実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲が権利付与された均等物の全範囲と併せて、このような特許請求の範囲を参照することにより決まるものとする。添付の特許請求の範囲において、用語「具備する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「ｉｎ  ｗｈｉｃｈ」はそれぞれ、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」の平易な英語の同等物として使用している。さらに、以下の特許請求の範囲において、用語「第１（ｆｉｒｓｔ）」、「第２（ｓｅｃｏｎｄ）」、および「第３（ｔｈｉｒｄ）」等は、単に標識として使用しており、それぞれの物体に数的要件を課すことを意図したものではない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズ−プラス−ファンクション形式で記載しておらず、別の構造の機能空間の記述が後続する表現「〜する手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」をこのような特許請求の範囲の限定が明示的に使用しておらず、また、明示的に使用するまでは、米国特許法第１１２条第６項に基づく解釈を意図したものではない。上記のようなすべての目的または利点は、任意特定の実施形態によって必ずしも実現され得ないことが了解されるものとする。したがって、たとえば当業者であれば、本明細書に教示または提示し得る他の目的または利点を必ずしも実現することなく、本明細書に教示の利点または利点群を実現または最適化するように、本明細書に記載のシステムおよび技術を実施または実行可能であることが認識されよう。
【０１５２】
以上、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たが、本発明は、このような開示の実施形態に限定されないことが容易に了解されるものとする。本発明はむしろ、以上に記載していないものの、本発明の主旨および範囲に相応する任意数の変形、変更、置換、または均等構成を包含するように改良可能である。また、種々実施形態を説明したが、本開示の態様は、上記実施形態のうちの一部のみを含んでいてもよいことが了解されるものとする。したがって、本発明は、上記説明によって制限されるものとは見なされず、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。
【０１５３】
本明細書では、例を用いることにより、最良の形態を含めて本発明を開示するとともに、任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の採用された方法の実行等、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、当業者が想到し得る他の例を含んでいてもよい。このような他の例は、特許請求の範囲の逐語的な表現と異ならない構造的要素を有する場合または特許請求の範囲の逐語的な表現とのわずかな差異を含む均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれることになる。
【符号の説明】
【０１５４】
１０  角度付き翼
２０  直線翼部
３０  角度付き翼部
４０  直線翼
５０  直線翼部
６０  角度付き翼部
２００  角度付き翼
２１０  ナット
２２０  角度付き翼
２３０  直線翼
３００  翼システム
３１０  傾斜
６１０  翼アセンブリ
６２０  混合軸
６３０  矢印
６４０  矢印
７１０  テフロン被覆混合軸
８１０  混合容器
９１０  コロイド状シリカ
９２０  漏斗
９３０  アルミン酸カルシウムセメント
９４０  スラリー
１１１０  漏斗供給装置
１１２０  漏斗部
１１３０  吐出口
１１４０  平坦部
１２１０  コールズ翼
１４００  混合機
１４１０  下側モータアセンブリ
１４２０  混合容器
１４３０  混合翼（オープンナイフ翼）
１４４０  混合翼（コールズ翼）
１５１０  囲繞混合ヘッド
１５２０  支持軸
１５３０  駆動軸
１５４０  取り付け管
１５５０  混合容器
１６０５  シュラウド（固定子）
１６１０  スロット
１６２０  回転子（翼）
１６３０  直列粉末供給口
１７１０  気泡
【図１】
2017514669.tif 000004
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
2017514669.tif 000010
【図７】
2017514669.tif 000011
【図８】
2017514669.tif 000012
【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2017514669.tif 000015
【図１１】
2017514669.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
2017514669.tif 000018
【図１４Ａ】
2017514669.tif 000019
【図１４Ｂ】
2017514669.tif 000020
【図１４Ｃ】
2017514669.tif 000021
【図１５Ａ】
2017514669.tif 000022
【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
2017514669.tif 000024
【図１６】
2017514669.tif 000025
【図１７】
2017514669.tif 000026
【図１８】
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【国際調査報告】
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