(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部品の鋳造に使用されるセラミック製中子（３２）の製造方法であって、
ａ）中空部品の内部通路に対応する形状を持つセラミック製中子を作るための所定の幾何学的形状を持つダイを用意する工程、
ｂ）前記部品の内部通路に対応する前記ダイの１つ以上の内部領域の中に細長の補強部材（６４，６６）を挿入する工程であって、前記補強部材（６４，６６）が、セラミック中子によって形成すべき内部通路部分（３４，３６，３８，４０，４２，４４）のほぼ全長にわたって延在し、かつアルミナ、石英、モリブデン、タングステンおよび炭化タングステンからなる群から選択される材料からなる工程、
ｃ）前記補強部材を完全に取り囲むようにセラミックのスラリを前記ダイの中に注入する工程、および
ｄ）前記セラミックのスラリを焼成して、硬化したセラミック製中子を形成する工程
を含む方法。
【請求項２】
前記補強部材（６４，６６）がアルミナで構成されている、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ダイが、タービン動翼またはノズルにおける内部冷却通路に対応する形状のセラミック製中子（３２）を与えるように構成されている、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記補強部材が、２６００°Ｆ（１４２７℃）より高い温度で構造的安定性を有する材料で構成されている、請求項１記載の方法。
【請求項５】
上記補強部材（６４，６６）の一端または両端に蝋の延長部が設けられている、請求項２記載の方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法で製造される、高温中空部品鋳造プロセスで使用するためのセラミック製中子であって、
中空部品の内部通路に対応する幾何学的形状を持つセラミック本体、および
前記セラミック本体内部に完全に取り囲まれていて、２６００°Ｆ（１４２７℃）より高い温度で構造的安定性を有する、アルミナ、石英、モリブデン、タングステンおよび炭化タングステンからなる群から選択される材料で構成されている少なくとも１本の細長の棒または管を有することを特徴とするセラミック製中子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に鋳造プロセスで用いられるセラミック製中子の構成に関するものであり、更に詳しくは内部冷却通路を持つガスタービン羽根およびノズルの鋳造の際に用いられるセラミック製中子に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
セラミック製中子はガスタービンの高温部分内に使用される動翼（ｂｕｃｋｅｔ）およびノズルの翼（ａｉｒｆｏｉｌ）部分の中の空洞部および通路を形成するために使用される。典型的には、例えばタービン第１段の動翼内の冷却通路は、ときには第２段の動翼内の冷却通路も、蛇行する幾何学的形状を有する。この蛇行する幾何学的形状は、翼の根元部および先端部の両方に１８０°の方向変換部を含む。翼の先端部における１８０°の方向変換部は一般に翼の外側で支持されている。他方、翼の根元部における方向変換部は、一般に小さな円錐形または同様な幾何学的形状のクロスタイ（ｃｒｏｓｓ−ｔｉｅ）によって支持されており、クロスタイはその一端が根元部の方向変換部に取り付けられ、反対側の端がタービン動翼シャンク内の冷却材供給通路および／または出口通路に取り付けられている。従って、セラミック製中子は、本質的に、動翼の複雑な内部冷却通路に一致する形状を有する固体である。中子は鋳型の中に配置され、その後、動翼を形成するために溶融金属が鋳型の中へ注入される。中子を保持している鋳型は、その中に溶融金属を入れるセラミック製シェルで構成され、このシェルは部品の外面形状を形成し、且つ鋳造している部分内にセラミック製中子を固定する。
【０００３】
セラミック製中子を形成するには、冷却通路の幾何学的形状を持つダイ（ｄｉｅ）を製作し、そのダイの中に所望の組成物のスラリを注入する。次いで、この「グリーン」材料すなわち未焼結の材料を焼成して、セラミックをキュアし、安定で頑丈な中子を作る。勿論、セラミック製中子の幾何学的形状および該中子が鋳型内で曝される条件は、中子の構造的安定性を維持するための重要な考慮事項である。例えば、ある特定のガスタービンノズルおよび動翼用の翼の長さはほぼ６インチ乃至１２インチ以上の範囲にあり、その翼に対する冷却用の幾何学的形状では中子の安定性が要求される。典型的には、セラミック製中子の組成物は、長期間にわたって中位の高温下で構造的完全性を達成するように定められる。しかしながら鋳造の際、セラミック製中子は２７００°Ｆもの高温になることのある溶融金属に曝される。例えば柱状または単結晶粒組織のいずれかを生じる金属の方向性凝固では、炉からの引出し速度を非常に遅くすることが必要である。この遅い速度では、セラミック製中子が長時間にわたって非常に高い温度に曝されることになる。これらの条件下では、セラミック製中子はその構造的安定性を失う傾向があり、それ自身の重みにより変形する。この現象はスランプ（ｓｌｕｍｐｉｎｇ）と呼ばれており、鋳型と中子との間の最終製品壁厚に望ましくない変化を生じさせる。この問題は、より高温の注湯温度およびより長い引出し温度が必要な最新のニッケル基超合金を使用する場合にも関係する。
【０００４】
セラミック組成物には、非可逆相変化時に非常に硬く且つ安定な構造を生じるものがあり、これは鋳造の際のスランプが最小である。しかし、これらの組成物に伴う問題は、通常の中子除去プロセスがうまく働かないことである。リーチング（ｌｅａｃｈｉｎｇ）が利用できる唯一の非破壊中子除去技術であるので、鋳物から硬くて安定な中子を取り除くための実行可能なプロセスはない。
【特許文献１】
米国特許第３１６０９３１号明細書
【特許文献２】
英国特許第１５４９８１９号明細書
【特許文献３】
米国特許第４９０５７５０号明細書
【特許文献４】
英国特許出願公開第２１０２３１７号明細書
【特許文献５】
欧州特許出願公開第０１０５６０２号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、翼または翼形部品（具体的には、必ずしもこれに限定されないが、タービン動翼およびノズル）内のセラミック製中子の効果的な補強を達成し、しかもコスト有効度の高い中子除去法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セラミック製中子の内部に補強部材が設けられ、該補強部材は、ガスタービン高温部分用部品に用いられる合金を溶融させる高温（２６００°Ｆより高い温度）で且つ金属の所望の結晶構造を得るのに必要な時間にわたって構造的安定性を有する材料で作られる。補強部材の幾何学的形状は、鋳造プロセスが完了した後で部品内の利用可能な開口から取り除くことの出来るほどに小さくされる。
【０００７】
補強部材は任意の適当な断面形状を有する補強棒で構成でき、補強棒には、セラミックへの付着をよくするために又補強部材自身の支持をよくするために（コンクリートを補強するための「鉄筋」と同様に）外部リッジ（ｒｉｄｇｅ）を設けてもよい。インベストメント鋳造法において部品の蝋複製品を作るために中子が蝋注入ダイの中に配置されるのと同様なやり方で、補強棒は中子用ダイの中に配置され、そしてセラミックのスラリが注入される。
【０００８】
補強部材または補強棒は断面が所望の形状の通路よりも小さく、且つ動翼の先端部の開口よりも小さい。これは、補強部材の周りに通常のセラミック組成物を注入するため、および開口を介しての物理的除去または化学的リーチングを含む従来の除去技術を使用した中子除去プロセスが完了した後の補強部材の除去を容易にするためである。
【０００９】
前に述べたように、補強部材は、溶融金属注入温度で構造的剛性を維持する材料で作られる。適当な材料としては、アルミナ、石英、モリブデン、タングステン、または炭化タングステンが挙げられる。
本発明の一面では、中空のタービン部品の鋳造に使用されるセラミック製中子の構造的安定性を改善する方法が提供される。該方法は、ａ）タービン部品の内部空間に対応する形状を持つセラミック製中子を作るための所定の幾何学的形状を持つダイを用意する工程、ｂ）前記タービン部品の内部空間に対応する前記ダイの１つ以上の内部領域の中に細長の補強部材を挿入する工程、ｃ）前記補強部材を実質的に取り囲むようにセラミックのスラリを前記ダイの中に注入する工程、およびｄ）前記セラミックのスラリを焼成して、硬化したセラミック製中子を形成する工程を有する。
【００１０】
本発明の別の一面では、高温ガスタービン部品鋳造プロセスで使用されるセラミック製中子が提供される。該セラミック製中子は、ガスタービン部品の内部通路に対応する幾何学的形状を持つセラミック本体、および前記セラミック本体の中に組み込まれた少なくとも１本の細長の補強部材（棒または管）を有し、前記補強部材（棒または管）は約２６００°Ｆより高い温度で構造的安定性を有する材料で構成されている。
【００１１】
本発明の更に別の一面では、ガスタービン部品の内部通路に対応する形状を持つセラミック製中子を鋳造用ダイの中に挿入し、該ダイの中に溶融金属を注入し、該溶融金属を凝固させて、前記セラミック製中子を取り除くことを含む、内部通路を有するガスタービン部品を鋳造する方法が提供される。該方法では、溶融金属を注入し凝固させる際の中子の構造的安定性を改善するために、セラミック製中子の中に少なくとも１つの補強部材を組み込むことを含む。
【００１２】
本発明のその他の目的および利点は、以下の説明から明らかになろう。
【００１３】
【発明の最良の実施の形態】
図１には、公知の構成のタービン動翼１０が示されている。タービン動翼１０は、シャンク１６をタービン流路の高温ガスから封止するプラットフォーム１４に取り付けられた翼１２を含む。シャンク１６は一体の前側カバープレート１８および後側カバープレート２０によって覆われている。いわゆる天使のウイング２２、２４および２６が翼車の空洞部の封止を行う。動翼は通常のダブテール２８によってタービン・ロータ・ディスク（図示していない）に取り付けられる。動翼の用途によっては、ダブテールの底部突起の下に、空気または蒸気のような冷却材を進入および排出するための付属手段が使用される。上述の動翼は典型的な第１段のガスタービン動翼であるが、第１段のノズル、第２段のノズル、第２段の動翼などの他の部品も本発明によるセラミック製中子を利用できることが理解されよう。
【００１４】
ここで図２を参照すると、製造途中の動翼が簡略化して示されている。図中の外側の破線３０は鋳型の内部表面を表し、またセラミック製中子が参照数字３２で指示されている。セラミック製中子は完成した動翼内の冷却通路を画成し、またセラミック製中子の種々の部分と鋳型との間の残りの空間は動翼の鋳造の際に溶融金属で充たされることが理解されよう。セラミック製中子によって画成される内部冷却通路は一般的に蛇行した構成を有し、流れが内向きおよび外向きの半径方向通路部分３４、３６、３８、４０、４２および４４を含んでいる。通路３４および３６は、翼部分の先端部に位置するＵ字形湾曲部４６によって連結されている。翼の内側および外側部分には同様なＵ字形湾曲部４８、５０、５２および５４が形成されている。セラミック製中子のいわゆる根元の方向変換部（４８および５２）は、最終的に冷却材の翼内部への入口通路または出口通路を形成する中子の部分６０および６２まで延在する（従って、該部分に接続された）クロスタイ５６および５８によって支持されている。クロスタイ５６および５８は大体砂時計の形状を有するものとして図示されているが、その他の断面形状を有するものも同様に用いることが出来る。
【００１５】
図２はまた、セラミック製中子の部分３６および３８のほぼ全長にわたって延在する一対の補強部材すなわち中実の棒６５および６６を示している。図３に示されるように、これらの棒の内の１つは長方形の横断面を有しているが、他の形状も利用することができる。図２には図面を簡単にするためにただ２本の補強部材しか示していないが、例えば、図３に示されているように、補強部材６５および６６の他に補強部材６８、７０、７２および７４を追加して、セラミック製中子の各々の部分３４、３６、３８、４０、４２および４４に１つずつ補強部材を設けることが出来ることに留意されたい。補強部材の横断面形状は通路毎に変えてもよく、図３では補強部材は横断面が長方形のものと円形のものが示されている。
【００１６】
図２には更に、クロスタイ５６および５８の中にそれぞれ延在する付加的な補強部材７６および７８が示されている。この様に、特定の動翼および／またはノズルの用途に応じて、上述したような補強部材を、セラミック製中子の任意のまたは全ての蛇行する冷却通路部分および／または中子のクロスタイ５６および５８に設けることができる。
【００１７】
前に述べたように、補強部材は高い溶融金属注入温度で構造的安定性を維持する材料で作るべきであり、その材料としては、アルミナ、石英、モリブデン、タングステンまたは炭化タングステンが適しており、現時点ではアルミナが最も好ましい材料である。
補強部材は中空の管で構成してもよく、強度を増すために、モリブデン、炭化タングステンまたは鋳造プロセスの際に相変化を受けて硬くなる他のセラミック組成物を管の内部に充填することができる。勿論、中空の補強部材を使用する場合、中子用ダイの中にセラミック材料を注入する前に補強部材の両端を封止する。
【００１８】
セラミック製中子の形成の際に、セラミック製中子形成用のダイの中に上述の補強部材を配置して保持するやり方は、当業者に知られた方法を用いればよく、従ってここでは詳しく説明しない。中子形成用のダイの中にセラミックのスラリを注入した後、その材料を焼成してセラミックをキュアすることにより、安定で頑丈な中子が作られる。このセラミック製中子を鋳型の中に配置すれば、動翼を形成するために溶融金属材料を注入するための準備が整う。
【００１９】
補強部材として利用されるアルミナを含む特定の材料では、補強部材の熱膨張によってはセラミック製中子に亀裂が生じるという問題がある。この問題を軽減するために、高い溶融金属注入温度の下で補強部材が軸方向に膨張できるように、補強部材の一端または両端に蝋の延長部を設けることができる。高熱の下では、蝋の延長部は溶融して補強部材の軸方向膨張のためのスペースを提供する。棒または管の補強部材を用いるとき、補強部材をも除去するように化学的リーチング浴を変更することができる。その代わりに、補強部材の大きさおよび位置によっては、動翼中の開口を介して補強部材を物理的に取り除くことができる。
【００２０】
本発明をガスタービン動翼およびノズルの用途に関連して説明してきたが、本発明はセラミック製中子の補強が望ましい他の部品を形成する用途にも適用できる。従って、本発明を現在最も実用的で好ましい実施態様と考えられるもの（ガスタービン動翼およびノズル）に関連して説明したが、本発明は開示した実施態様に限定されず、むしろ特許請求の範囲に記載の精神および範囲内に含まれる種々の変更および等価な構成を包含するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンに使用されるタービン動翼の斜視図である。
【図２】本発明に従って補強部材を組み込んだセラミック製中子が未だ残っている状態の、鋳造後のタービン動翼を示す断面図である。
【図３】図２の線４−４に沿って取った横断面図である。
【符号の説明】
１０    タービン動翼
１２    翼
１４    プラットフォーム
１６    シャンク
２８    ダブテール
３２    セラミック製中子
３４、３６、３８、４０、４２、４４    半径方向通路部分
４６、４８、５０、５２、５４    Ｕ字形湾曲部
５６、５８    クロスタイ
６４、６６、６８、７０、７２、７４    補強部材
【図１】
0004344787.tif 000002
【図２】
0004344787.tif 000003
【図３】
0004344787.tif 000004