(57)【要約】  本開示は、概して、コア組成物及び成形方法及びそのように成形された物品に関する。より具体的には、本開示は、コア組成物及び中空チタン含有物品を鋳造するための方法、並びにそのように成型された中空チタン含有物品に関する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含むセラミックコア組成物。
【請求項２】
組成物が、微細カルシウムアルミネートを含み、大型粒子が、中空である、請求項１記載の組成物。
【請求項３】
カルシウムアルミネート粒子が、カルシウムモノアルミネートの粒子を含む、請求項１記載の組成物。
【請求項４】
カルシウムアルミネート粒子が、カルシウムモノアルミネート及びカルシウムジアルミネートの粒子を含む、請求項１記載の組成物。
【請求項５】
カルシウムアルミネート粒子が、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトの粒子を含む、請求項１記載の組成物。
【請求項６】
約５０μｍ未満の粒子サイズを有するカルシウムアルミネートをさらに含む、請求項１記載の組成物。
【請求項７】
大型粒子が、中空酸化物粒子を含む、請求項１記載の組成物。
【請求項８】
大型粒子が、中空であり、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、又はそれらの組合せを含む、請求項１記載の組成物。
【請求項９】
大型粒子が、セラミック、例えばカルシウムアルミネート、カルシウムヘキサアルミネート、ジルコニア、又はそれらの組合せを含む、請求項１記載の組成物。
【請求項１０】
中空酸化物粒子が、中空アルミナ球を含む、請求項７記載の組成物。
【請求項１１】
大型粒子が、外側寸法で約７０μｍ超の粒子を含む、請求項１記載の組成物。
【請求項１２】
大型粒子が、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む、請求項１記載の組成物。
【請求項１３】
カルシウムアルミネート粒子の５０％以上が、外側寸法で約１０μｍ未満である、請求項１記載の組成物。
【請求項１４】
カルシウムアルミネート粒子が、外側寸法で約５０μｍ以下の粒子を含み、大型粒子が、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む、請求項１記載の組成物。
【請求項１５】
請求項１記載のコア組成物から形成される鋳造コア。
【請求項１６】
請求項１５記載の鋳造コアを使用して形成される中空チタンアルミナイド含有物品。
【請求項１７】
中空チタンアルミナイドタービン翼を含む、請求項１６記載の中空チタンアルミナイド含有物品。
【請求項１８】
カルシウムアルミネート粒子の重量分率が、約２０％超及び約８０％未満である、請求項１記載の組成物。
【請求項１９】
大型粒子の重量分率が、約２０％〜約６５％である、請求項１記載の組成物。
【請求項２０】
コアの密度が、約０．８ｇ／ｃｃ〜約３ｇ／ｃｃである、請求項１記載の組成物。
【請求項２１】
コア組成物が、約７００℃〜１４００℃で約１時間の焼成後に、約１％を超えて収縮しない、請求項１記載の組成物。
【請求項２２】
セラミックコア組成物が焼結された後に、コアがシリカを実質的に含まない、請求項１記載の組成物。
【請求項２３】
コア組成物の焼結前に、セラミックコアが中空アルミナ粒子を含み、焼結後に、コアが約０．５重量％以下（コアの総重量を基準として）の遊離シリカを含む、請求項１記載の組成物。
【請求項２４】
カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含む焼結セラミックコア。
【請求項２５】
微小カルシウムアルミネート粒子及び大型中空粒子を含む、請求項２４記載のコア。
【請求項２６】
カルシウムアルミネート粒子が、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトの粒子を含む、請求項２４記載のコア。
【請求項２７】
大型粒子が、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、又はそれらの組合せを含む、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項２８】
焼結後に、コアがシリカを実質的に含まない、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項２９】
焼結前に、セラミックコアが中空アルミナ粒子を含み、焼結後に、コアが約０．５重量％以下（コアの総重量を基準として）の遊離シリカを含む、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３０】
焼結前に、セラミックコアが中空アルミナ粒子を含み、焼結後に、コアが約０．５重量％以下（コアの総重量を基準として）の遊離シリカを含む、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３１】
焼成後、型が約２．０重量％以下（型の総重量を基準として）の遊離シリカを含む、請求項２４記載のコアを含有するセラミック型。
【請求項３２】
カルシウムアルミネート粒子の重量分率が、約２０％超及び約８０％未満である、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３３】
大型粒子の重量分率が、約２０％〜約６５％である、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３４】
カルシウムアルミネート粒子の５０％以上が、外側寸法で約１０μｍ未満である、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３５】
カルシウムアルミネート粒子が、外側寸法で約５０μｍ以下の粒子を含み、大型粒子が、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３６】
コアの密度が、約０．８ｇ／ｃｃ〜約３ｇ／ｃｃである、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３７】
コア組成物が、約７００℃〜１４００℃で約１時間の焼成後に、約１％を超えて収縮しない、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３８】
コアが、中空チタンアルミナイド含有物品を形成するために使用される、請求項２４記載のセラミックコア。
【請求項３９】
カルシウムアルミネート粒子及び中空大型粒子を含む焼結セラミックコア。
【請求項４０】
セラミックコアが、中空チタンアルミナイド含有物品を形成するために使用される、請求項３９記載のコア。
【請求項４１】
カルシウムアルミネートセラミックコアを含む中空チタンアルミナイド含有物品であって、セラミックコアは、中空チタンアルミナイド含有物品を形成するために使用されるカルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含む、中空チタンアルミナイド含有物品。
【請求項４２】
中空チタン含有物品を鋳造するための組成物であって、
ａ）カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、及びマイエナイトを含むカルシウムアルミネート粒子と；
ｂ）請求項１記載のセラミックコアと
を含む組成物。
【請求項４３】
型の別個のキャビティ内に１つ以上のセラミックコアを含む鋳型であって、セラミックコアは、カルシウムアルミネート粒子及び中空大型粒子を含む鋳型。
【請求項４４】
コアを有する型が、中空チタンアルミナイド含有物品を形成するために使用される、請求項４３記載の鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックコア組成物、コアを作製するための方法、中空チタン含有物品を鋳造するための方法、及び中空チタン含有物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代のガス又は燃焼タービンは、信頼性、重量、出力、経済性、及び動作耐用期間に関する最も厳しい要求を満足しなければならない。そのようなタービンの開発において、中でも、材料選択、新しい好適な材料の探求、及び新しい製造方法の探求が、標準に適合し要求を満足する上で役割を果たす。
【０００３】
ガスタービンに使用される材料は、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる）及び高強度鋼を含み得る。航空機エンジンにおいて、チタン合金は、一般にコンプレッサ部品に使用され、ニッケル合金は、航空機エンジンの高温部品に好適であり、高強度鋼は、例えばコンプレッサ筐体及びタービン筐体に使用される。高負荷又は高応力ガスタービンコンポーネント、例えばコンプレッサ用コンポーネント等は、典型的には鍛造部品である。一方、タービン用のコンポーネントは、典型的にはインベストメント鋳造部品として具現化される。
【０００４】
インベストメント鋳造は新しいプロセスではないが、インベストメント鋳造市場は、より入り組んだ複雑な部品の需要が増加するに伴い成長し続けている。高品質の精密鋳造の大きな需要から、インベストメント鋳造をより迅速、効率的、安価、及び高品質とするための新たな手法を開発することが、引き続き必要とされている。
【０００５】
宝飾品の鋳造及び歯科補綴物産業において使用される、溶融石英、クリストバライト、石膏等からなる従来のインベストメント型化合物は、一般に、チタン合金等の反応性合金の鋳造には好適ではない。１つの理由は、溶融チタンとインベストメント型との間で反応が生じるためである。
【０００６】
チタン及びチタンアルミナイド合金と大きく反応しない単純なインベストメント型が必要とされている。以前には、チタン合金鋳造用のセラミックシェル型を用いたアプローチが採用されていた。以前の例では、従来のインベストメント型化合物の制限を低減するために、いくつかの追加的な型材料が開発された。例えば、酸化マグネシウム又はジルコニアが主成分として使用され、鋳造金属の固化に起因する収縮を相殺するために金属ジルコニウムが主構成成分に添加された、酸化−膨張型のインベストメント化合物が開発された。したがって、金属又は金属合金と大きく反応しないインベストメント型からのニアネットシェイプ金属又は金属合金の容易な取り出しを可能とする、単純で信頼性のあるインベストメント鋳造法もまた必要とされている。
【０００７】
従来技術の非金属複合材タービン翼は、一般に、非冷却固体型である。例えば、Ｂａｉｌｅｙらに対する米国特許第５，０１８，２７１号（１９９１）を参照されたい。このクラスの材料の高い熱伝導率のため、翼の周囲の流路から支持翼ロータ及びディスク構造に伝達された熱に対する複雑な解決策が必要とされる。これらの設計上の解決策は複雑であり、翼及び支持ディスク構造に追加的な重量を付加する。上述に加えて、現在の金属翼設計と比較して、冷却可能でより軽量な翼が、上記の従来技術の欠点を克服するために望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０６２７８７号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の１つの目的は、ガスタービンエンジンの翼に対する改善を提供することである。
【００１０】
本開示の態様は、従来の技術の制限を克服する鋳型組成物、鋳造方法、及び鋳造物品を提供する。本開示のいくつかの態様は、エンジンタービン翼等の航空宇宙産業用のコンポーネントの製造を目的とし得るが、本開示の態様は、任意の産業における任意のコンポーネント、特にチタン及び／又はチタン合金を含有するそれらのコンポーネントの製造に使用されてもよい。
【００１１】
本開示の一態様は、カルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含むセラミックコア組成物に関する。一実施形態では、組成物は、微細カルシウムアルミネートを含み、大型粒子は、中空である。別の実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトの粒子を含む。一例において、組成物は、約５０μｍ未満の粒子サイズのカルシウムアルミネートをさらに含む。
【００１２】
一実施形態では、大型粒子は、中空酸化物粒子を含む。別の実施形態では、大型粒子は、中空であり、それらは、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、又はそれらの組合せを含む。別の実施形態では、大型粒子は、セラミック、例えばカルシウムアルミネート、カルシウムヘキサアルミネート、ジルコニア、又はそれらの組合せを含む。一実施形態では、中空酸化物粒子は、中空アルミナ球又はバブルを含む。
【００１３】
粒子の具体的なサイズは、本開示の特徴である。特に、組成物の大型粒子は、外側寸法で約７０μｍ超の粒子を含む。一実施形態では、大型粒子は、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む。一実施形態では、５０％以上のカルシウムアルミネート粒子が、外側寸法で約１０μｍ未満である。別の実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約５０μｍ以下の粒子を含み、大型粒子は、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む。
【００１４】
本開示の１つの態様は、カルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含むセラミックコア組成物から形成される鋳造コアに関する。本開示の別の態様は、カルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含むセラミックコア組成物から形成される鋳造コアを使用して形成される、中空チタンアルミナイド含有物品に関する。一実施形態では、中空チタンアルミナイド含有物品は、中空チタンアルミナイドタービン翼を含む。
【００１５】
一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約２０％超及び約８０％未満である。別の実施形態では、大型粒子の重量分率は、約２０％〜約６５％である。
【００１６】
一実施形態では、コアの密度は、約０．８ｇ／ｃｃ〜約３ｇ／ｃｃである。別の実施形態では、コア組成物は、約７００℃〜１４００℃で約１時間の焼成後に、約１％を超えて収縮しない。一実施形態では、セラミックコア組成物が焼結された後に、セラミックコアはシリカを実質的に含まない。一実施形態では、コア組成物の焼結前に、セラミックコアは中空アルミナ粒子を含み、焼結後に、コアは約０．５重量％以下（コアの総重量を基準として）のシリカを含む。
【００１７】
本開示の一態様は、チタン含有物品の鋳造における使用のための焼結セラミックコアであって、カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含むコアに関する。一実施形態では、コアは、微小カルシウムアルミネート粒子及び大型中空粒子を含む。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトの粒子を含む。一実施形態では、焼結後に、コアはシリカを実質的に含まない。別の実施形態では、焼結前に、セラミックコアは中空アルミナ粒子を含み、焼結後に、コアは約０．５重量％以下（コアの総重量を基準として）の遊離シリカを含む。
【００１８】
一実施形態では、セラミックコアのカルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約２０％超及び約８０％未満である。別の実施形態では、セラミックコア内の大型粒子の重量分率は、約２０％〜約６５％である。一実施形態では、セラミックコア内のカルシウムアルミネート粒子の５０％以上は、外側寸法で約１０μｍ未満である。別の実施形態では、セラミックコア内のカルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約５０μｍ以下の粒子を含み、セラミックコア内の大型粒子は、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む。
【００１９】
本開示の一態様は、カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含む焼結セラミックコアである。一実施形態では、セラミックコアは型内に包含され、型とは異なる組成を有する。一実施形態では、コアは、中空チタンアルミナイド含有物品を形成するために使用される。一実施形態では、２つ以上のコアが鋳型内に存在する。一実施形態では、鋳型は、それぞれがその中にコアを有する、２つ、３つ又は４つの異なるキャビティの位置を有する。２つ以上のコアが使用される一実施形態では、コアは、コアを収容する２つ以上のキャビティを接続するチャネルを介して互いに接続されてもよい。２つ以上のコアが使用される一実施形態では、コアは別個であり、それぞれ定められた場所内にあり、いかなる他のコアとも接触していない。２つ以上のコアが使用される別の実施形態では、コアのそれぞれの組成は、異なっていてもよい。２つ以上のコアが使用される別の実施形態では、全てのコアが互いに同じ組成を有する。
【００２０】
本開示の一態様は、カルシウムアルミネート粒子及び中空大型粒子を含む焼結セラミックコアであって、中空チタンアルミナイド含有物品を形成するために使用されるセラミックコアである。本開示の別の態様は、カルシウムアルミネートセラミックコアを含む中空チタンアルミナイド含有物品であって、セラミックコアは、中空チタンアルミナイド含有物品を形成するために使用されるカルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含む、中空チタンアルミナイド含有物品である。
【００２１】
一実施形態では、コアの密度は、約０．８ｇ／ｃｃ〜約３ｇ／ｃｃである。別の実施形態では、コア組成物は、約７００℃〜１４００℃で約１時間の焼成後に、約１％を超えて収縮しない。本開示の一態様は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、及びマイエナイトを含むカルシウムアルミネート粒子と；本明細書において教示されるようなセラミックコアとを含む、中空チタン含有物品を鋳造するための型組成物である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、カルシウムモノアルミネートの粒子を含む。別の実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、カルシウムモノアルミネート、及びカルシウムジアルミネートの粒子を含む。
【００２２】
一態様において、本開示は、型のキャビティ内にセラミックコアを含む鋳型であって、セラミックコアは、カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含む鋳型である。一実施形態では、大型粒子は、中空であり、コア及び鋳型は、異なる組成を有する。別の実施形態では、鋳型の別個のキャビティ内に１つ以上のセラミックコアが存在してもよく、セラミックコアは、カルシウムアルミネート粒子及び中空大型粒子を含む。別の実施形態では、コアを有する型は、中空チタンアルミナイド含有物品を形成するために使用される。
【００２３】
本開示の別の態様は、中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型を作製するための方法である。方法は、カルシウムアルミネート粒子、大型粒子及び液体を組み合わせて、液体中のカルシウムアルミネート粒子及び大型粒子のスラリーを生成し；消失模型を含む容器内にスラリーを導入し（容器の内側寸法は、型の外形寸法を画定する）；容器内でスラリーを硬化させ、チタン含有物品を鋳造するための型を形成することを含む。一実施形態では、実質的に中空である大型粒子と共に、微細カルシウムアルミネート粒子が使用される。
【００２４】
別の実施形態では、方法は、型を作製するための容器内にスラリーを導入する前に、スラリーに酸化物粒子を導入することをさらに含む。本明細書において教示される方法で使用される酸化物粒子は、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、又はそれらの組合せを含む。一実施形態では、本明細書において教示される方法で使用される酸化物粒子は、中空酸化物粒子を含む。具体例において、酸化物粒子は、中空アルミナ球を含む。
【００２５】
本明細書において教示される方法で使用される粒子のサイズは、本明細書において教示される方法の特徴である。したがって、一実施形態では、本明細書において教示される方法で使用されるカルシウムアルミネート粒子の５０％以上は、外側寸法で約１０μｍ未満である。本明細書において教示される方法の一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約５０μｍ以下の粒子を含み、大型粒子は、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む。
【００２６】
本開示の一態様は、本明細書において教示されるような中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型を作製するための方法であって、鋳型は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳型を含む方法である。
【００２７】
本開示の一態様は、本明細書において教示されるような中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型における使用のための鋳造コアを作製するための方法であって、鋳型は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳型を含む方法である。
【００２８】
本開示の一態様は、中空チタン及びチタン合金の鋳造方法である。方法は、カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含むインベストメント鋳型組成物を得；消失模型を含む容器内にインベストメント鋳型組成物を流し込み；インベストメント鋳型組成物を硬化させ；消失模型を型から除去し；型を型鋳造温度に予熱し；溶融チタン又はチタン合金を加熱された型内に流し込み；溶融チタン又はチタン合金を固化させて、固化した中空チタン又はチタン合金鋳造物を形成し；固化した中空チタン又はチタン合金鋳造物を型から取り出すことを含む。
【００２９】
鋳造方法の一実施形態では、実質的に中空である大型粒子と共に、微細カルシウムアルミネート粒子が使用される。鋳造方法の別の実施形態では、消失模型を型から除去し、型を型鋳造温度に予熱した後、型を約４５０℃〜約１４００℃の温度に加熱し、次いで型をほぼ室温まで冷却する。一実施形態では、消失模型を除去することは、溶融、溶解、点火、オーブン内脱ろう、炉内脱ろう、蒸気オートクレーブ脱ろう、又はマイクロ波脱ろうの少なくとも１つを含む。固化したチタン又はチタン合金鋳造物を型から取り出した後、一例において、鋳造物は、Ｘ線ラジオグラフィーで検査される。
【００３０】
本開示の別の態様は、本明細書において教示されるような鋳造方法により作製されるチタン又はチタン合金物品である。一例において、物品は、チタンアルミナイド含有タービン翼を含む。
【００３１】
本開示の一態様は、セラミックコアを作製する方法であって、カルシウムアルミネート粒子を大型粒子及び液体と組み合わせて、スラリーを形成し；スラリーをダイ内に導入して、物品形状体の未処理生成物を生成し；セラミックコアを形成するのに十分な条件下で未処理生成物を加熱することを含む方法である。セラミックコアを作製するために、一実施形態では、実質的に中空である大型粒子と共に、微細カルシウムアルミネート粒子が使用される。
【００３２】
セラミックコアを作製する方法は、一例において、スラリーをダイ内に導入して、物品形状体を生成する前に、酸化物粒子をスラリーに導入することを含む。これらの酸化物粒子は、一例において、中空酸化物粒子を含む。一実施形態では、セラミックコアは、中空アルミナ球を含む中空酸化物粒子を使用して作製される。
【００３３】
別の実施形態では、コアは、カルシウムアルミネート粒子を使用して作製され、カルシウムアルミネート粒子の５０％以上は、外側寸法で約１０μｍ未満である。具体的実施形態では、コアは、外側寸法で約５０μｍ以下の粒子を含むカルシウムアルミネート粒子、及び外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む大型粒子を使用して作製される。
【００３４】
本開示の一態様は、中空タービンコンポーネントを鋳造するための方法であって、（ｉ）ａ）カルシウムアルミネート粒子を大型粒子及び液体と組み合わせて、スラリーを生成し；ｂ）スラリーをダイ内に導入して、物品形状体の未処理生成物を生成し；ｃ）焼結されたセラミックコアを形成するのに十分な条件下で未処理生成物を加熱することによって、セラミックコアを作製し；（ｉｉ）セラミックコアを型内の事前に選択された位置に配置し；（ｉｉｉ）溶融チタン又はチタン合金含有材料を型内に導入し；（ｉｖ）溶融材料を冷却して、型内でタービンコンポーネントを形成し；（ｖ）タービンコンポーネントから型を分離し；（ｖｉ）中空タービンコンポーネントを形成するために、タービンコンポーネントからコアを除去することを含む方法である。一実施形態では、鋳造されているタービンコンポーネントは、タービン翼である。
【００３５】
本開示のこれらの及び他の態様、特徴及び利点は、添付の図面と併せて考慮される以下の本開示の様々な態様の詳細な説明から明らかとなる。
【００３６】
本発明とみなされる主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲において具体的に指摘され、明確に請求される。本開示の上記及び他の特徴及び利点は、添付の図面と併せて考慮される以下の本発明の態様の詳細な説明から容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本開示のコア組成物を開発するために使用された典型的なスラブ鋳造物を示す図である。スラブは、鋳込みカップ及び固化収縮を許容するための押湯を有する単純な幾何構造である。図１は、示されたように製造された、清浄化及び切断されたスラブ鋳造物の両方を示す。図は、横断セクションを検査してコアとチタン合金鋳造物との間の任意の反応の程度を調査するために切断された、典型的なスラブ鋳造物を示す。
【図２】鋳造物におけるキャビティ及び白金ピンの配設の一部を示す図である。鋳造物を切断し、鋳造物内のコアを部分的に除去して、鋳造物の内側表面の状態を検査したが、コアの残りもまた鋳造物の内側に観察され得る。写真において、白金ピンは、キャビティを横切るように観察され得る。白金ピンは、鋳造の間、コアを所定位置に保持する。鋳造後、白金ピンは鋳造物内に埋め込まれる。
【図３】鋳造物におけるキャビティ及び白金ピンの配設の一部を示す図である。コアが除去された領域において、白金ピンは、添付された写真ではキャビティを横切るように観察され得る。
【図４】本発明のコア技術の開発のための、得られるスラブの内側にコアが位置付けられたスラブを作製するためのワックスの調製を示す図である。コア形成スラブを作製するために、従来のスラブワックスを生成し、スラブの端部におけるワックスのセクションを除去した。次いで、スラブの端部表面を、スラブの端部に接合されたシートワックスを使用して再構成し、スラブワックスの端部表面を露出したままとした。次いで、シートワックスを通してキャビティを横切るように白金ピンをスラブの側面に対して垂直に挿入した。スラブワックスの両側を貫通するように白金ピンを配設し、各側でシートワックスによりキャビティ内に支持した。スラブワックスの上の赤いワックスは、スラブ鋳造物内の固化収縮に対応するために使用される押湯である。
【図５−６】ワックスの配設及びワックス内のコアのためのキャビティの配置を示す図である。さらなる詳細は、図４を参照されたい。
【図７ａ−７ｂ】カルシウムアルミナイド含有コアを含むチタンアルミナイド合金鋳造物の横断セクションの切断表面を示す図である。図７ａにおいて、鋳造物とカルシウムアルミナイド含有コアとの間に本質的に反応がないことが観察され得る。コアは、部分的に除去されている。
【図８】型内にコアを有する型を使用して製造されたチタン合金（チタンアルミナイド）スラブ鋳造物を示す図である。カルシウムアルミナイド含有コアが直接観察され得る横断セクションを示す、スライスされたコアスラブが示されている。コアは、グリットブラストにより部分的に除去されており、鋳造物の内部表面が観察され得る。部分的に除去されたコアを有する鋳造物の領域が観察され得る。コアにより生成された鋳造物の内部表面は、高品質であるように観察され得る。表面は滑らかであり（１００未満のＲａ値の表面粗度を有していた）、鋳造操作中のコア材料との反応の証拠は、あるとしても最小限であることを示している。
【００３８】
部分的に除去されたコアは、より高い倍率で観察され得、鋳造物の内部表面は、より詳細に観察され得る。また、本発明者らが型内のコアを支持するために使用した白金ピンの１つを観察することも可能である。白金ピンは、鋳造中、完全には除去されなかった。鋳造物は、鋳造直後の状態で観察され、いかなる熱処理にも供されていない。カルシウムアルミネート含有コアにより製造された鋳造物の内部表面の状態は、優良である。コア及び鋳造物の様々なセクションが、この特定のコア配合物におけるコアの完全性、及び、あるとしてもコアと鋳造物との間の非常に低い反応の両方を示している。
【図９−１２】鋳造物のコア形成セクションからの横断スライスの写真である。横断スライスは側面に沿って切断され、スライスは二等分された。これにより、残留コアを除去することができ、中空鋳造物の内部表面を検査することができた。鋳造物の内側表面は、コアが完全に除去され、グリットブラストされた領域を示し、表面仕上げは優良であった。鋳造物の内部表面の画像はまた、コアが完全には除去されなかった領域も示し、これにより、コアと鋳造物との間の相互作用のレベルを評価することができる。鋳造物上には、ごく薄いカルシウムアルミネート含有コアの薄片しか存在せず、この薄片は、グリットブラスト、ワイヤブラシ仕上げ、柑橘系洗浄、化学的清浄化、又は当該技術分野において周知の他の手段によって非常に容易に除去され得る。これらの評価は、カルシウムアルミネート含有コアが、中空チタン合金及びチタンアルミナイド合金コンポーネントの鋳造に好適な技術であることを示している。
【図１３】白金ピンが型内に懸架されたコアを保持している、コアを含むスラブ型のボアスコープ写真である。
【図１４】鋳型内にカルシウムアルミネート含有コアを支持している白金ピンを示す図である。図は、白金ピンが型内に懸架されたコアを保持している、コアを含むスラブ型のボアスコープ写真を示す。
【図１５】鋳型内にカルシウムアルミネート含有コアを支持している編組白金ピンを示す図である。編組ピンは、例えば、２つのより小さいワイヤ同士を巻き付けることにより形成された。図は、編組白金ピンが型内に懸架されたコアを保持している、コアを含むスラブ型のボアスコープ写真を示す。
【図１６】内部にカルシウムアルミネート含有コアを有するように製造された翼を示す図である。
【図１７Ａ】中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型を作製するための方法を示す、本開示の態様によるフローチャートである。
【図１７Ｂ】中空チタン及びチタン合金の鋳造方法を示す、本開示の態様によるフローチャートである。
【図１８Ａ】セラミックコアを作製する方法を示す、本開示の態様によるフローチャートである。
【図１８Ｂ】中空タービンコンポーネントを鋳造するための方法を示す、本開示の態様によるフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の説明の文脈において（特に以下の特許請求の範囲の文脈において）、用語「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」の使用並びに同様の言及は、本明細書において別段の指定がない限り、又は文脈により明らかに矛盾しない限り、単数及び複数の両方を対象とするものと解釈されるべきである。数量に関連して使用される「約」という修飾語句は、示された値を含み、文脈により決定される意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関連した誤差の程度を含む）。本明細書において開示された全ての範囲は、端点を含み、端点は独立して互いに組み合わせ可能である。
【００４０】
本開示は、概して、セラミックコア組成物、鋳造コア及びコアを作製する方法、並びに関連する鋳造物品に関し、より具体的には、コア組成物、コアを含む型、及び中空チタン含有物品を鋳造するための方法、並びにそのように成型された中空チタン含有物品に関する。
【００４１】
インベストメントシェル型におけるチタン及びその合金のインベストメント鋳造によるチタンベースコンポーネントの製造は、鋳造物が「ニアネットシェイプ」に鋳造されるべきであるという点で問題を有する。すなわち、コンポーネントは、コンポーネントの実質的に最終的な所望の寸法に鋳造され得、最終処理又は機械加工をほとんど、又は全く必要としない。例えば、いくつかの従来の鋳造物は、鋳造物上に存在するアルファケース等の任意の表面汚染を除去するための化学研磨操作のみを必要とし得る。しかしながら、鋳造物内のアルファケースより下に位置する任意の表面下セラミック含有物は、典型的には化学研磨操作により除去されず、型と型内の任意の反応性金属、例えば反応性チタンアルミナイドとの間の反応に起因して形成され得る。
【００４２】
本開示は、中空タービン翼又はエーロフォイル等のニアネットシェイプの中空チタン及びチタンアルミナイドコンポーネントを鋳造するための新たなアプローチを提供する。本開示の実施形態は、セラミックコア組成物、並びに、例えば航空宇宙産業、工業及び海洋産業における使用のための中空チタン及びチタン合金コンポーネントを提供する鋳造方法を提供する。いくつかの態様において、組成物は、型作製中の改善された型強度、及び／又は鋳造中の鋳造金属との反応に対する増加した抵抗性を提供する型を提供する。本開示の態様による型及びコアは、高圧下で鋳造を行うことができ、これはニアネットシェイプ鋳造法に望ましい。例えば、カルシウムアルミネート粒子及びアルミナ粒子、並びに好ましい構成成分相を含有する、改善された特性を有する鋳造物を提供する型及びコア組成物が特定されている。
【００４３】
一態様において、本発明者らは、大型粒子と組み合わせたカルシウムアルミネート粒子が、中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型を作製するために使用されるセラミックコア組成物、及び関連する鋳造方法を提供し得ることを発見した。コア組成物の構成成分相は、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）を含む。本発明者らは、少なくとも２つの理由から望ましいカルシウムモノアルミネートを発見した。第一に、カルシウムモノアルミネートは、型作製の初期段階中の粒子間の水硬性結合形成を促進することが、本発明者らにより理解され、この水硬性結合は、型構築中に型強度を提供すると考えられる。第二に、カルシウムモノアルミネートは、チタン及びチタンアルミナイドベース合金との非常に低い反応速度を経験することが、本発明者らにより理解される。ある特定の実施形態では、カルシウムモノアルミネートは、カルシウムアルミネート粒子の形態で、本開示のコア組成物に提供される。一態様において、コア組成物は、カルシウムアルミネート粒子及びアルミナ、例えば中空酸化アルミニウムの混合物を含む。
【００４４】
本開示の一態様において、コア組成物は、鋳造中に合金との最小限の反応を提供し、型は、必要なコンポーネント特性を中空鋳造物に提供する。鋳造物の外部特性は、形状、幾何構造、及び表面仕上げ等の特徴を含む。鋳造物の内部特性は、機械的特性、微細構造、指定されたサイズ未満及び許容され得る限度内の欠陥（例えば細孔及び含有物）を含む。
【００４５】
最初のカルシウムアルミネート（液体粒子混合物）中の固体、及び最終的なカルシウムアルミネート中の固体のパーセンテージは、本開示の特徴である。一例において、最初のカルシウムアルミネート−液体粒子ミックス中の固体のパーセンテージは、約６５％〜約８０％である。一例において、最初のカルシウムアルミネート−液体粒子ミックス中の固体のパーセンテージは、約７０％〜約８０％である。別の例において、外側寸法で約５０μｍ未満のカルシウムアルミネート粒子及び約７０μｍ超である大型アルミナ粒子である、最終的なカルシウムアルミネート−液体粒子ミックス中の固体は、約７５％〜約９０％である。最初のカルシウムアルミネート粒子は、一例において約５μｍ〜約５０μｍの微細粒子であり、約７０μｍ超のアルミナ粒子が水と混合されて、均一及び一様なスラリーを提供する。いくつかの場合において、最終的なミックスは、徐々に大型となるアルミナ粒子、例えば最初に７０μｍ、次いで１５０μｍのアルミナ粒子を最初のスラリーに添加し、２分から１５分の間混合して均一なミックスを達成することにより形成される。
【００４６】
本開示の一態様の組成物は、中空チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）タービン翼、例えばＴｉＡｌ低圧タービン翼の低コスト鋳造を提供する。組成物は、従来のシェル型及び重力鋳造を使用して作製される部品よりも少ない機械加工及び／又は処理を必要とする、ニアネットシェイプ部品を鋳造する能力を提供し得る。本明細書において使用される場合、「ニアネットシェイプ」という表現は、物品の最初の製造が、物品の最後の（ネット）形状に近く、大幅な機械加工及び表面仕上げ等のさらなる処理の必要性が低減されることを暗に意味する。本明細書において使用される場合、「タービン翼」という用語は、蒸気タービン翼及びガスタービン翼の両方を指す。
【００４７】
本出願の発明者らは、中空チタン合金及びチタンアルミナイド合金鋳造物を製造するための技術を発見した。本開示は、中でも、チタン合金のインベストメント鋳型用のコアを製造するための組成物、並びに、チタン及びチタン合金の中空コンポーネントを提供し得る鋳造プロセスを提供する。本開示の技術的利点の１つは、一態様において、本開示が、例えばカルシウムアルミネート粒子及びアルミナインベストメント型及びコアを含むそのような型から製造され得るネットシェイプ鋳造物の構造的完全性を改善し得るということである。より高い強度、例えばより高い疲労強度は、より軽量の中空コンポーネントの製造を可能とする。さらに、より高い疲労強度を有するコンポーネントは、より長持ちすることができ、したがってより低いライフサイクルコストを有し得る。
【００４８】
本開示は、チタン合金のインベストメント鋳型用のコア組成物、コアを作製するための方法、コアを含む鋳型、及び、コアを使用してタービン翼を含む中空チタン合金コンポーネントを鋳造するための方法を提供する。コア組成物は、一例において、カルシウムアルミネート及びアルミナ粒子、例えば中空アルミナ粒子を含む。カルシウムアルミネート粒子は、セラミックと溶融チタン合金との反応に耐える能力を、コアに提供する。
【００４９】
中空アルミナ粒子は、柔軟性及び粉砕性をコアに提供するが、これらは、固化後の冷却中にコアが鋳造物に対し過度の引張応力を印加しないことが必要であるため、望ましい特性である。典型的には、コア材料は、金属より低い熱膨張係数を有し、金属は、セラミックより急速に冷える。コアが強過ぎる場合、固化後の冷却中に部品がコアよりも急速に収縮するため、コアは部品に引張応力を印加する。したがって、本開示の特徴は、部品に過度の引張応力を印加せず、引張りによる裂け、亀裂、及び欠陥を生成しないように、冷却中に粉砕されるコアである。結果は、白金ピンが型内に懸架されたコアを保持している、コアを含むスラブ型を示している（図１３〜１５を参照されたい）。
【００５０】
コアが最終的なスラブワックスの内側に位置するスラブを作製するために、ワックスがまず調製される。評価試験用のコア形成スラブを作製するために、従来のスラブワックスを生成し、スラブの端部におけるワックスのセクションを除去した。次いで、スラブの端部表面を、スラブの端部に接合されたシートワックスを使用して再構成し、スラブワックスの端部表面を露出したままとした。スラブワックスの上の赤いワックスは、スラブ鋳造物内の固化収縮に対応するために使用される押湯である。
【００５１】
次いで、シートワックスを通してキャビティを横切るように白金ピンをスラブの側面に対して垂直に挿入した。スラブワックスの両側を貫通するように白金ピンを配設し、各側でシートワックスによりキャビティ内に支持した。キャビティ及び白金ピンの配設は、例えば図２、５及び６において示されている。一例において、白金ピンは、キャビティを横切るように観察され得る。次いで、カルシウムアルミネート含有コア材料をキャビティに加え、硬化させた。白金ピンは、鋳造の間、コアを所定位置に保持する。鋳造後、白金ピンは鋳造物内に埋め込まれる。
【００５２】
ワックス模型を調製した後、鋳型を作製した。鋳型は、約２４時間の期間硬化させた。硬化後、ワックスを除去した。型を硬化させ、ワックスを除去した後、スラブ内のコアは型キャビティ内に懸架されたままであり、白金ピンにより支持されていた。次いで、コアを有する生型を、６００℃を超える温度で、１時間を超える期間、一例においては２時間から６時間の期間焼成し、鋳造に十分なコア及び型強度を発達させ、コア及び型内の任意の望ましくない残留不純物を除去した。一例において、焼成温度は６００℃であり、期間は約４時間である。一実施形態では、コアは別個に焼成され、次いで、型用のワックスに組み付けられてもよく、次いで、型がセラミックミックス配合物を使用してインベストメント鋳造され得る。
【００５３】
図１は、型内にコアを有する型を使用して製造された最終的なチタン合金（チタンアルミナイド）スラブ鋳造物を示す。部分的に除去されたコアを有する鋳造物の領域は、図２及び３において観察され得る。コアにより生成された鋳造物の内部表面は、図３において観察され得る。鋳造物のこの内部表面は、高品質であることが示され、すなわち内部表面の表面は滑らかであり（１００未満のＲａ値の表面粗度を有していた）、鋳造操作中のコア材料との激しい反応の証拠をほとんど示さなかった。型作製及び鋳造中にコアを支持するために使用された白金ピンもまた、いくつかの写真において観察され得る（図２、５及び１３を参照されたい）。図７及び８は、翼の長手方向軸に対して横断方向に切断された後の鋳造物を示す。内部にカルシウムアルミネート含有コアを有する翼もまた製造された。チタンアルミナイド翼鋳造物の一例は、図１６に示される。
【００５４】
コアを支持している白金ピンの直径は、本開示の１つの特徴である。本出願の発明者らは、ピンの直径が小さ過ぎる場合（正確には約２ｍｍ未満が必要）、及び支持されていない長さが長過ぎる場合、ピンは焼成中に変形し、型内のコアの位置が維持されないことを発見した。コアの位置が型内で移動する場合、鋳造コンポーネント内の中空キャビティの寸法が正確に制御されず、部品は不合格となる。ある特定の実施形態では、白金ピンの直径は、約０．１ｍｍ〜約４ｍｍの範囲となり得る。
【００５５】
一方、ピンの直径が大き過ぎる場合（約２ｍｍ超）、それらは熱処理後に最終的な鋳造物中の欠陥として残留し、コンポーネントの耐疲労特性を低減させる。本開示の発明者らは、鋳造前及び型充填中に型内のコアを安定化するには、白金ピン、又は白金合金ピンが好ましいことを発見した。白金は、その強度及び耐酸化性のために好ましい。鋳造及び熱処理の後、ピンは、機械的特性の要件が維持又は改善されるように、構造内に一様化される。したがって、白金ピンは、一例において直径約２ｍｍである。一例において、本発明者らは、１つの長さ２０ｍｍの白金ピンで型を固定した（図１４を参照されたい）。別の例において、本発明者らは、２つの長さ１３ｍｍの白金ピンをねじり合わせ、これを使用して型を固定した（図１５を参照されたい）。したがって、一例において、長さ約１０ｍｍ〜約３０ｍｍ、及び直径約２ｍｍの白金又は白金合金ピンが使用される。１つ以上の白金ピンが使用されてもよい。別の例において、例えば白金ピンを交差又は平行構成等の様々な構成で設置する等、白金ピンは、型内のコアの安定性を最大化するために設置される。
【００５６】
コア内のカルシウムアルミネート粒子の重量分率は、本開示の特徴である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約２０％〜約８０％である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約２０％〜約６０％である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約２０％〜約４０％である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約４０％〜約６０％である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約５５％〜約６５％である。
【００５７】
一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約４０％である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約５０％である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約６０％である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約７０％である。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子の重量分率は、約８０％である。
【００５８】
コア配合物中に使用されるカルシウムアルミネート粒子の粒子サイズは、中空鋳造物の内部表面の表面仕上げ及びコアの強度に大きく影響するため、これは本開示のさらに別の特徴である。一例において、カルシウムアルミネート粒子の粒子サイズは、約５０μｍ未満である。別の例において、カルシウムアルミネート粒子の平均粒子サイズは、約１０μｍ未満である。一実施形態では、粒子サイズは、粒子の外側寸法として測定される。カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約５μｍ〜約５０μｍであってもよい。
【００５９】
本開示の発明者らは、有益な特性を有するコア組成物が作製され得ること、及びコアのための微細カルシウムアルミネート粒子と大型中空粒子との組合せが、改善された結果を提供することを発見した。カルシウムアルミネートのこれらの微細粒子は、外側寸法で約２μｍ〜約４０μｍであってもよい。一例において、コア組成物中に使用されるカルシウムアルミネート粒子は、約１０μｍ〜約３０μｍであってもよい。別の例において、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約２０μｍ〜約４０μｍである。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約５μｍである。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約１０μｍである。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約２０μｍである。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約３０μｍである。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約４０μｍである。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約５０μｍである。
【００６０】
コアには、約５０μｍ未満のカルシウムアルミネート粒子サイズが、以下の３つの理由から好ましい：第一に、微細な粒子サイズは、硬化中に水硬性結合の形成を促進すると考えられ、第二に、微細な粒子サイズは、焼成中に粒子間焼結を促進し、これによって型の強度が増加され得ると考えられ、第三に、微細な粒子サイズは、型内で製造された鋳造物品の表面仕上げを改善すると考えられる。カルシウムアルミネート粒子は、粉末として提供されてもよく、その固有の粉末形態で、又は噴霧乾燥凝集体等の凝集形態で使用され得る。カルシウムアルミネート粒子はまた、一例において、大型（例えば、約７０μｍ超のサイズ）アルミナと事前にブレンドされてもよい。アルミナは、高温焼成中の焼結により強度の増加を提供すると考えられる。ある特定の場合において、微細アルミナ（すなわち５０μｍ未満のサイズ）もまた、大型アルミナと共に、又はそれなしで添加されてもよい。一実施形態では、カルシウムアルミネート粒子は、高純度であり、また７０％までのアルミナを含有する。
【００６１】
カルシウムアルミネート粒子は、最小限の量の不純物、例えば、最小量のシリカ、ナトリウム及び他のアルカリ、並びに酸化鉄を有するように設計及び処理される。一態様において、カルシウムアルミネート粒子の目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の合計が約２重量％未満となるレベルである。一実施形態では、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の合計は、約０．０５重量％未満である。
【００６２】
一態様において、型組成物、例えばインベストメント型組成物、又はコア組成物は、微細カルシウムアルミネート粒子及び大型中空アルミナ粒子の混合物を含んでもよい。カルシウムアルミネート粒子は、結合剤として機能することができ、例えば、カルシウムアルミネート粒子は、型及びコア構造の主要骨格構造を提供し得る。カルシウムアルミネート粒子は、型及びコア内の連続相を構成し、硬化及び鋳造中に強度を提供し得る。コア組成物は、微細カルシウムアルミネート粒子及び大型中空アルミナ粒子から構成されてもよく、すなわち、カルシウムアルミネート及び大型アルミナ粒子は、コア組成物の実質的に唯一の成分を構成し、他の成分がほとんど、又は全くなくてもよい。
【００６３】
コア内の大粒子、例えばアルミナバブル（又は中空アルミナ粒子）の重量分率は、柔軟性及び粉砕性を決定付けるため、これは本発明の別の特徴である。一実施形態では、大型粒子の重量分率は、２０％以上である。別の実施形態では、大型粒子の重量分率は、約２０％〜約６５％である。これらの大型粒子は中空であってもよく、例えば、外側寸法で７０μｍ超の中空アルミナ粒子であってもよい。代替として、大型粒子の重量分率は、約２０％〜約４５％である。一実施形態では、大型粒子の重量分率は、約２０％〜約３５％である。一実施形態では、大型粒子の重量分率は、約２０％〜約３０％である。一実施形態では、大型粒子の重量分率は、約３０％〜約５０％である。別の例において、大型粒子の重量分率は、約２０％である。一実施形態では、大型粒子の重量分率は、約３０％である。一実施形態では、大型粒子の重量分率は、約４０％である。一実施形態では、大型粒子の重量分率は、約５０％である。一実施形態では、大型粒子の重量分率は、約６０％である。本開示において使用される大型粒子は、一例において、アルミナの中空粒子である。
【００６４】
コア配合物中に使用される大型粒子の粒子サイズは、本開示のさらに別の特徴である。一例において、大型粒子の粒子サイズは、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍである。別の例において、大型粒子の平均粒子サイズは、７０μｍ超である。一実施形態では、粒子サイズは、粒子の外側寸法として測定される。大型粒子は、外側寸法で約７０μｍ〜約２００μｍであってもよい。本開示の発明者らは、有益な特性を有するコア組成物が作製され得ること、及び微細カルシウムアルミネート粒子と大型中空粒子との組合せが、優れた結果を提供することを発見した。
【００６５】
これらの大型粒子は、外側寸法で約７０μｍ〜約１５０μｍであってもよい。一例において、コア組成物中に使用される大型粒子は、約１００μｍ〜約２００μｍであってもよい。別の実施形態では、大型粒子は、外側寸法で約１５０μｍ〜約１０００μｍである。一実施形態では、大型粒子は、外側寸法で約１００μｍである。一実施形態では、大型粒子は、外側寸法で約１５０μｍである。一実施形態では、大型粒子は、外側寸法で約２００μｍである。一実施形態では、大型粒子は、外側寸法で約１０００μｍである。
【００６６】
これらの大型粒子は、中空酸化物粒子を含んでもよい。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、又はそれらの組合せを含んでもよい。大型粒子は、セラミック、例えばカルシウムアルミネート、カルシウムヘキサアルミネート、ジルコニア、又はそれらの組合せであってもよい。一実施形態では、酸化物粒子は、１種以上の異なる酸化物粒子の組合せであってもよい。具体例において、大型粒子は、中空酸化物粒子であり、関連する例において、これらの大型粒子は、中空酸化アルミニウム球又はバブルを含む。一実施形態では、本開示は、カルシウムアルミネートを含む中空チタン含有物品鋳型組成物を含む。別の実施形態では、鋳型組成物は、酸化物粒子、例えば中空酸化物粒子をさらに含む。
【００６７】
ある特定の実施形態では、中空酸化物粒子は、中空アルミナ球（一例において、直径１００μｍ超、例えば約１０００μｍ）を含んでもよい。中空アルミナ球は、鋳型又はコア組成物中に組み込まれてもよく、中空球は、丸い粒子又は不規則凝集体等の一連の幾何構造を有し得る。ある特定の実施形態では、アルミナは、丸い粒子及び中空球の両方を含んでもよい。一態様において、これらの幾何構造は、インベストメント型混合物の流動性を増加させることが判明した。向上した流動性は、典型的には、型から製造された最終的な鋳造物の表面仕上げ及び表面特徴の忠実度又は精度を改善し得る。
【００６８】
コア組成物は、例えば中空粒子の形態の酸化アルミニウムをさらに含んでもよい。一例において、これらの粒子は、酸化物により実質的に包囲された中空コア又は実質的に中空のコアを有する。これらの中空酸化アルミニウム粒子は、約９９％の酸化アルミニウムを含んでもよく、約１０ｍｍ以下の幅又は直径等の外側寸法を有してもよい。一実施形態では、中空酸化アルミニウム粒子は、約１ｍｍ以下の幅又は直径等の外側寸法を有する。別の実施形態では、酸化アルミニウムは、約７０μｍ〜約１０，０００μｍの範囲の外側寸法を有し得る粒子を含む。別の実施形態では、酸化アルミニウムは、約７０μｍ〜約１０００μｍの範囲の外側寸法を有し得る粒子を含む。
【００６９】
粒子の具体的なサイズは、本開示の特徴である。カルシウムアルミネートの微細又は微小粒子及び中空大型粒子の組合せは、本開示の１つの特徴である。カルシウムアルミネート粒子は、外側寸法で約５０μｍ以下の粒子を含んでもよく、これらの微細粒子は、外側寸法で約７０μｍ〜約１０００μｍの粒子を含む大型粒子と組み合わされる。一例において、５０％以上のカルシウムアルミネート粒子が、外側寸法で約１０μｍ未満である。一例において、５０％以上のカルシウムアルミネート粒子が、外側寸法で約２５μｍ未満である。
【００７０】
カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子、例えばアルミナバブル／大粒子の両方の粒子サイズ分布は、本開示の１つの特徴であり、焼成後の線収縮の制御において役割を果たす。さらに、カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子、例えばアルミナ粒子の特徴、並びに焼成サイクル（例えば、温度、時間、湿度）を含む因子もまた、本開示の特徴である。
【００７１】
コアの密度は、本開示の特徴である。密度は、コアの強度／粉砕性、及び、浸出、具体的には優先的浸出等の方法によりコアが中空鋳造物から除去される能力に影響する。優先的浸出は、鋳造物自体を除去せずに鋳造物からセラミックコアを除去することを含む。一実施形態では、コアの密度は、約０．８ｇ／ｃｃ〜約３ｇ／ｃｃである。一実施形態では、コアの密度は、約１．５ｇ／ｃｃである。本発明者らは、コアの密度が低過ぎる場合、コアは、型作製及び鋳造中に応力に耐えるのに十分な強度を有さないことを発見した。コアの密度が高過ぎる場合、鋳造物からのコアの除去は困難である。
【００７２】
焼成後のコアの収縮は、コア寸法の制御において役割を果たす。微細カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子、例えばアルミナ粒子の重量分率の選択された比により、コア収縮は、いくつかの実施形態では、約１．０％未満まで低減され得る。改善された配合物により、大型粒子の低い焼結特性のため、約３０％超の大型粒子の重量パーセンテージを使用して、焼成後のコアの収縮は、約０．７５％未満まで低減され得る。
【００７３】
また、本開示は、セラミックコアを作製する方法を教示する。コアは、乾式プレス（それに続く焼結、射出成型（ワックス又はポリマー等の結合剤と共に））、ゲル鋳造、又はスラリー鋳造を含む、一連の成型方法により作製され得る。一例において、本開示は、コアを作製するための３つの手法を提供する。第一に、微細カルシウムアルミネート及び大型アルミナの粉末を混合し、圧密ダイ及び焼結を使用して粉末混合物を乾式プレスする。第二に、微細カルシウムアルミネート及び大型アルミナの混合粉末を、結合剤／滑沢剤としてのワックスと共に射出成型する。第三に、微細カルシウムアルミネート及び大型アルミナのスラリーを、以下でより詳細に説明されるようにダイ内に流し込む。
【００７４】
セラミックコアは、カルシウムアルミネート粒子を大型粒子及び液体と組み合わせてスラリーを形成し、次いでこのスラリーをダイ内に導入して物品形状体の未処理生成物を製造することにより作製される。その後、セラミックコアを作製するために未処理生成物が加熱される。セラミックコアを作製するために、微細カルシウムアルミネート粒子は、実質的に中空である大型粒子、例えば、外側寸法で約７０μｍ超の酸化アルミニウムの大型中空粒子と共に使用され得る。
【００７５】
セラミックコアを作製する方法は、スラリーを物品形状体内に導入する前に、酸化物粒子をスラリーに導入することを含んでもよい。これらの酸化物粒子は、一例において、中空酸化物粒子を含む。セラミックコアは、中空酸化物粒子及び／又は中空アルミナ球を使用して作製され得る。これらの大型粒子は、中空又は実質的に中空であってもよい。
【００７６】
最初のスラリーは、５０センチポアズから１５０センチポアズの間の粘度を有するように混合される。一実施形態では、粘度範囲は、８０センチポアズから１２０センチポアズの間である。粘度が低過ぎる場合、スラリーは、全ての固体を懸濁状態に維持せず、硬化中により重い粒子の沈降が生じて偏析がもたらされる。粘度が高過ぎる場合、カルシウムアルミネート粒子は消失模型に分配され得ない。カルシウムアルミネート粒子及び中空大型粒子（例えば中空アルミナ粒子）を含む最終的なスラリーは、約２０００センチポアズから８０００センチポアズの間の粘度を有するように混合される。一実施形態では、この最終的なスラリーの粘度範囲は、３０００センチポアズから６０００センチポアズの間である。最終的なスラリー／ミックスの粘度が高過ぎる場合、最終的なスラリーミックスは、消失模型の周りに流動せず、型の内部キャビティは、最終的な必要とされる部品の鋳造に好適ではなくなる。最終的なスラリーミックスの粘度が低過ぎる場合、硬化中により重い粒子の沈降が生じ、型は、コア全体にわたり必要とされる均一な組成を有さず、得られる鋳造物の品質が低下する。
【００７７】
最初のスラリーの固体投入量及び最終的な型ミックスの固体投入量は、コア構造に影響する。固体投入量のパーセンテージは、ミックス中の全固体を、ミックス中の液体及び固体の全質量で除し、パーセンテージとして記述したものと定義される。一実施形態では、最初のカルシウムアルミネート−液体ミックス中の固体のパーセンテージは、約７１％から７８％である。
【００７８】
最初のカルシウムアルミネートスラリー中の固体投入量が約７０％未満である場合、粒子は懸濁状態を維持せず、型の硬化中、粒子は水から分離し、組成は型全体で均一とはならない。対照的に、セメント中の固体投入量が多過ぎる場合（例えば約７８％超）、大型アルミナを含む最終的なミックスの粘度が過度に高くなり（例えば、添加される大型アルミナ粒子の量、サイズ、及び形態に依存して約８５％超）、ミックス中のカルシウムアルミネート粒子は、型内の消失模型に分配され得ない。
【００７９】
一実施形態では、大型（約７０μｍ超を意味する）アルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体ミックス中の固体のパーセンテージは、約７５％〜約９０％である。一実施形態では、大型アルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体ミックス中の固体のパーセンテージは、約７８％〜約８８％である。別の実施形態では、大型アルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体ミックス中の固体のパーセンテージは、約７８％〜約８４％である。具体的実施形態では、大型アルミナ粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート−液体ミックス中の固体のパーセンテージは、約８０％である。
【００８０】
アルミナは、アルミナ粒子、例えば中空アルミナ粒子として組み込まれてもよい。粒子は、丸い粒子、又は不規則凝集体等の一連の幾何構造を有し得る。アルミナ粒子サイズは、１０μｍまで小さくてもよく、また１０ｍｍまで大きくてもよい。一実施形態では、アルミナは、丸い粒子及び中空粒子の両方からなってもよいが、これは、これらの幾何構造がインベストメント型混合物の流動性を増加させるためである。
【００８１】
流動性は、消失模型（ワックス等）の周りにインベストメント型ミックスが流し込まれ凝結する間に、消失模型にカルシウムアルミネート粒子が分配される様式に影響する。流動性は、型から製造された最終的な鋳造物の表面特徴の表面仕上げ及び忠実度に影響する。
【００８２】
中空とは、これらの大型の粒子が、粒子が完全な充填高密度粒子ではないように、粒子内に空間又は空気のポケットを有する粒子であることが企図される。この空間／空気の程度は様々であり、中空粒子は、粒子の体積の２０％以上が空気である粒子を含む。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約５％〜約７５％が空の空間又は空気で構成される粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約１０％〜約８０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。さらに別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約２０％〜約７０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約３０％〜約６０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約４０％〜約５０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。
【００８３】
別の例において、中空粒子は、粒子の体積の約１０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約２０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約３０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約４０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約５０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約６０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約７０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約８０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。一例において、中空粒子は、粒子の体積の約９０％が空の空間又は空気で構成される粒子である。
【００８４】
中空粒子、例えば中空大型アルミナ粒子は、以下の少なくとも２つの機能を果たす。［１］それらは、強度の低減を最小限としながらコアの密度及び重量を低減し、約２ｇ／ｃｃ以下の密度で約５００ｐｓｉ以上の強度レベルが得られ；［２］それらは、型の弾性係数を低減し、鋳造後の型及びコンポーネントの冷却中に柔軟性を提供するのを補助する。増加した型の柔軟性及び粉砕性は、コンポーネントに対する引張応力を低減し得る。
【００８５】
図２、３、７及び８は、スラブ鋳造物のセクションを示す。このセクションにより、カルシウムアルミネート含有コアを直接観察することができ、鋳造物及びコアの一連の異なるセクションが観察され得る。コアは、乾式プレス（それに続く焼結、射出成型（ワックス又はポリマー等の結合剤と共に））、ゲル鋳造、又はスラリー鋳造を含む一連の成型方法により作製され得る。
【００８６】
ここで、本発明者らは、チタン含有物品の鋳造における使用のための焼結セラミックコアを教示する。コアは、カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含む。カルシウムアルミネート粒子は、微小であり、大型粒子は、中空であってもよい。コアは、焼結された後にシリカを実質的に含まない。一例において、焼結前に、セラミックコアは中空アルミナ粒子を含み、焼結後に、コアは約０．５重量％以下（コアの総重量を基準として）の遊離シリカを含む。
【００８７】
図８において、コアは、グリットブラストにより部分的に除去されており、鋳造物の内部表面が観察され得る。図７ａにおいて、部分的に除去されたコアは、より高い倍率で観察され得、鋳造物の内部表面は、より詳細に観察され得る。また、型内のコアを支持するために使用された白金ピンの１つを観察することも可能である。白金ピンは、鋳造中、完全には除去されなかった。鋳造物は、鋳造直後の状態で観察され、いかなる熱処理にも供されていない。
【００８８】
カルシウムアルミネート含有コアにより生成された鋳造物の内部表面の状態は、許容され得ることが示された。グリットブラストされた状態では、Ｒａ値は、さらなる調整なしに約１０〜約５０であった。図７及び８は、コア及び鋳造物の様々なセクションを示しているが、コアの完全性は維持され、コアと鋳造物との間の反応はほとんど、又は全くなかった。
【００８９】
表面粗度は、鋳造及び機械加工された部品の表面完全性を表す指標の１つである。表面粗度は、光学的形状測定により測定されるような指定領域における中央平均粗度値「Ｒａ」、及び平均ピーク対谷距離「Ｒｚ」により特徴付けられる。粗度値は、プロファイル上で、又は表面上で計算され得る。プロファイル粗度パラメーター（Ｒａ、Ｒｑ、・・・）がより一般的である。粗度パラメーターはそれぞれ、表面を説明するための式を使用して計算される。多くの異なる粗度パラメーターが使用されているが、断然Ｒaが最も一般的である。当該技術分野において知られているように、表面粗度は、工具の摩損に関連する。典型的には、研削及びホーニングによる表面仕上げプロセスは、０．１ｍｍから１．６ｍｍの範囲内のＲａを有する表面を生成する。最終的なコーティングの表面粗度Ｒａ値は、コーティング又はコーティングされた物品の所望の機能に依存する。
【００９０】
平均粗度Ｒａは、高さの単位で表現される。ヤードポンド単位（英単位）系において、１Ｒａは、典型的には１インチの「百万分の１」で表現される。これは、「マイクロインチ」とも呼ばれる。本明細書において示されるＲａ値は、マイクロインチを指す。７０のＲａ値は、約２μｍに対応し、３５のＲａ値は、約１μｍに対応する。典型的には、高性能物品、例えばタービン翼、タービン羽根／ノズル、ターボチャージャー、往復機関弁、ピストン等の表面は、約２０以下のＲａを有することが必要である。本開示の一態様は、チタン又はチタン合金を含み、その表面領域の少なくとも一部にわたり２０未満の平均粗度Ｒａを有するタービン翼である。
【００９１】
溶融金属がより高温に加熱されるにつれて、それらはより反応性となる（例えば、型表面との望ましくない反応を生じる）傾向がある。そのような反応は、金属部品を汚染する不純物の形成をもたらし、これは、様々な有害な結果を引き起こす。不純物の存在は、金属の組成を、所望の標準に適合し得ないように変化させ、それにより鋳造品の意図される用途への使用が不可能となる。さらに、不純物の存在は、金属材料の機械的特性に悪影響を及ぼし得る（例えば、材料の強度を低下させる）。
【００９２】
さらに、そのような反応は、表面テクスチャリングをもたらす可能性があり、これは、鋳造品の表面上の実質的な望ましくない粗度を引き起こす。例えば、表面粗度を特性決定するための技術分野において知られているように、表面粗度値Ｒａを使用して、ステンレススチール合金及び／又はチタン合金を使用した鋳造品は、典型的には、良好な動作条件において約１００から２００の間のＲａ値を示す。これらの悪影響により、型を充填するためにより低い温度を使用することが余儀なくされる。しかしながら、溶融金属の温度が十分に加熱されない場合、鋳造材料が過度に速く冷却され、鋳型の充填が不完全となり得る。
【００９３】
本開示はまた、カルシウムアルミネート粒子と、本明細書において教示されるようなセラミックコアとを含む、中空チタン含有物品を鋳造するための型組成物に関する。コア組成物のカルシウムアルミネート粒子は、３つの相、すなわちカルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。コア組成物中のカルシウムアルミネート粒子中のカルシウムモノアルミネートは、他のカルシウムアルミネート相に勝る次の３つの利点を有する。１）カルシウムモノアルミネートは、急速な凝結反応（但しマイエナイトほど急速ではない）を有し、硬化の初期段階中にコアに強度を提供すると考えられるため、コア内に組み込まれる。コアの強度の迅速な生成は、鋳造コアの寸法安定性を提供し、この特徴は、最終的な鋳造コンポーネントの寸法的一貫性を改善する。２）カルシウムモノアルミネートは、鋳造されているチタン及びチタンアルミナイド合金に対して化学的に安定である。カルシウムジアルミネート及びより高いアルミナ活性を有する他のカルシウムアルミネート相に比べて、カルシウムモノアルミネートが好ましいが、それらの相は、鋳造されているチタン及びチタンアルミナイド合金とより反応性である。３）カルシウムモノアルミネート及びカルシウムジアルミネートは、低膨張相であり、硬化、脱ろう、及びその後の鋳造中に型及びコア内に高レベルの応力が形成されることを防止すると理解されている。カルシウムモノアルミネートの熱膨張挙動は、アルミナに極めて近い。
【００９４】
さらに、本開示はまた、中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型及び鋳造コアを作製するための方法を教示する。方法は、カルシウムアルミネート粒子、大型粒子及び液体を組み合わせてスラリーを生成し、消失模型を含む型を作製するための容器内にこのスラリーを導入し、容器内でそれを硬化させることを含む。一実施形態では、型キャビティを横切る白金を型キャビティが有するように、白金ピンは、型キャビティを生成するワックスにわたるように位置付けられる。硬化及び消失模型の除去後、型は、チタン含有物品の形を成す（図１７Ａを参照されたい）。一例において、実質的に中空である大型粒子と共に、微細カルシウムアルミネート粒子が使用される。
【００９５】
方法は、型を作製するための容器内にスラリーを導入する前に、スラリーに酸化物粒子を導入することをさらに含んでもよい。本明細書において教示される方法で使用される酸化物粒子は、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、又はそれらの組合せを含む。本明細書において教示される方法で使用される酸化物粒子は、中空酸化物粒子を含んでもよい。具体例において、酸化物粒子は、中空酸化アルミニウム（アルミナ）球を含む。
【００９６】
図９〜１２は、鋳造物のコア形成セクションからの横断スライスを示す。横断スライスは側面に沿って切断され、スライスは二等分された。これにより、残留コアを除去することができ、中空鋳造物の内部表面を検査することができた。鋳造物の内側表面の図は、コアが完全に除去され、グリットブラストされた領域を示し、表面仕上げは許容され得ることが示された。
【００９７】
鋳造物の内部表面の画像はまた、コアが完全には除去されなかった領域も示し、これにより、コアと鋳造物との間の相互作用のレベルを計測することができる。観察されるように、鋳造物上には、ごく薄いカルシウムアルミネート含有コアの薄片しか存在せず、この薄片は、グリットブラスト、ワイヤブラシ仕上げ、柑橘系洗浄、化学的清浄化、又は当該技術分野において周知の他の手段によって容易に除去され得る。本開示の発明者らは、これらの調査の結果を使用して、微細カルシウムアルミネート及び大型中空粒子を含有するコアが、中空チタン合金及びチタンアルミナイド合金コンポーネントの鋳造に好適な技術であることを着想することができた。
【００９８】
型へのコアの組込みを含む型作製、及び鋳造プロセスに関する本開示の詳細を、以下でさらに詳しく説明する。コアは、典型的には、その後の鋳造物に、特定レベルの精度まで鋳造物の必要な領域内に中空セクションを提供するために、ワックス内の好適な位置でワックス模型内に設置される。これらの技術は、コンポーネントの仕様により典型的に要求される位置の０．４ｍｍ未満以内の中空キャビティの位置精度を提供し得る。典型的には、鋳造物内の中空キャビティの位置は、０．４ｍｍ未満の許容差まで制御されるが、中空キャビティ位置に対する許容差は、ワックス内のコアの位置を制御することにより制御され、好適に設計された工具及び消耗性又は非消耗性のコア支持体、例えば白金ピンの使用もまた、本開示の別の特徴である。
【００９９】
本開示の一態様は、中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型を形成するための方法であって、カルシウムアルミネートを液体と組み合わせて、カルシウムアルミネートのスラリーを生成し（最初のカルシウムアルミネート／液体混合物中の固体のパーセンテージは、約７０％〜約８０％であり、スラリーの粘度は、約５０センチポアズ〜約１５０センチポアズである）；大型（約７０μｍ超及び約１０００μｍ未満）酸化物粒子を含む最終的なカルシウムアルミネート／液体混合物中の固体が約７５％〜約９０％であるように、大型中空酸化物粒子をスラリー中に添加し；消失模型を含む型を作製するための容器内にスラリーを導入し；型を作製するための容器内でスラリーを硬化させ、中空チタン含有物品を鋳造するための型を形成することを含む方法である。
【０１００】
インベストメント型は、セラミックコンポーネントのインベストメントミックスを配合し、消失模型を含む容器内にミックスを流し込むことにより形成された。インベストメント型は、ワックス模型上に形成され、完全に硬化されて、いわゆる生型を形成した。一実施形態では、硬化する段階は、１時間〜約４８時間、例えば約３０℃未満の温度で行われる。
【０１０１】
次いで、溶融、溶解、点火、オーブン内脱ろう、炉内脱ろう、蒸気オートクレーブ脱ろう、若しくはマイクロ波脱ろう、又は他の知られている模型除去技術により、生型から消失模型が選択的に除去された。ワックス模型除去のための典型的な方法は、オーブン内脱ろう（１５０℃未満）、炉内脱ろう（１５０℃超）、蒸気オートクレーブ脱ろう、及びマイクロ波脱ろうを含む。結果は、その後の鋳造のための正しい位置に型キャビティ内に位置付けられたコアを有する型であった。
【０１０２】
本開示は、鋳型キャビティ内の単一のコアの使用を教示しているが、異なる幾何構造の複数のコアを使用して、鋳型内の異なる場所に必要に応じて異なるキャビティを生成することが可能である。例えば、一実施形態では、鋳型は、それぞれがその中にコアを有する、２つ、３つ又は４つの異なるキャビティの位置を有する。２つ以上のコアが使用される一実施形態では、コアは、コアを収容する２つ以上のキャビティを接続するチャネルを介して互いに接続されてもよい。２つ以上のコアが使用される一実施形態では、コアは別個であり、それぞれ定められた場所内にあり、いかなる他のコアとも接触していない。２つ以上のコアが使用される別の実施形態では、コアのそれぞれの組成は、異なっていてもよい。コアの強度、コアの柔軟性、及びコアの粉砕性等の特性は、型の特定の場所に対する鋳造要件に従って調節され得る。２つ以上のコアが使用される別の実施形態では、全てのコアが互いに同じ組成を有する。
【０１０３】
コア及び型の室温から最終焼成温度までの処理、特に熱的条件及び湿度プロファイルもまた、本開示の１つの特徴である。焼成温度までの加熱速度、及び焼成後の冷却速度は、本開示の他の特徴である。焼成プロセスはまた、型から水を除去し、カルシウムアルミネート粒子中のマイエナイトをカルシウムアルミネートに変換する。型焼成手順の別の目的は、鋳造前にコア及び型内に残留する任意の遊離シリカを最小限化することである。他の目的は、水を除去し、高温強度を増加させ、カルシウムモノアルミネート及びカルシウムジアルミネートの量を増加させることである。
【０１０４】
中空チタン又はチタン合金含有コンポーネントを鋳造するには、生型を、６００℃を超える温度、例えば６００℃〜１４００℃の温度で、１時間を超える期間、好ましくは２時間から１０時間焼成し、鋳造のための型の強度を発達させ、型内の任意の望ましくない残留不純物、例えば金属種（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）、及び炭素含有種を除去する。一例において、焼成温度は、９５０℃以上である。型を焼成する雰囲気は、典型的には周囲空気であるが、不活性ガス又は還元ガス雰囲気が使用されてもよい。
【０１０５】
内部にコアを有する型は、室温から最終焼成温度まで加熱され、具体的には熱履歴が制御される。焼成温度までの加熱速度、及び焼成後の冷却速度が、典型的には調整される。型が過度に急速に加熱された場合、型は内部若しくは外部、又はその両方で亀裂を生じる可能性があるが、鋳造前の型の亀裂は極めて望ましくない。さらに、型が過度に急速に加熱された場合、型の内側表面は亀裂を生じて砕ける可能性がある。これは、最終的な鋳造物中に望ましくない含有物をもたらす可能性があり、含有物がないとしても、低品質の表面仕上げをもたらす可能性がある。さらに、型及びコアアセンブリが過度に急速に加熱された場合、コアは亀裂を生じる可能性があり、その後の鋳造コンポーネントがその内部に設計された中空キャビティを有さなくなる。同様に、最高温度に達した後に型が過度に急速に冷却された場合も、型は、内部若しくは外部、又はその両方で亀裂を生じる可能性がある。
【０１０６】
本開示はまた、中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型を作製するための方法を教示する。鋳型は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳型を含む。ある特定の実施形態では、本開示の鋳型組成物は、コアを含むインベストメント鋳型組成物を含む。コアを含むインベストメント鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタン含有金属インベストメント鋳型組成物を含む。一実施形態では、インベストメント鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳型組成物を含む。ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品は、例えば、ニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン翼を含む。このニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン翼は、設置前の材料除去をほとんど、又は全く必要としないことが可能である。
【０１０７】
本開示において提供されるようなネットシェイプ鋳造アプローチは、Ｘ線、超音波、又は渦電流等の非破壊的方法によってより詳細に、及びより低コストで検査され得る部品を可能とする。大き過ぎる厚いセクションにおける検査放射線の減衰及び散乱に関連した困難が低減される。より小さい欠陥が解像可能となり得、これは、改善された機械的性能を有する部品を提供し得る。
【０１０８】
さらに、本開示はまた、中空チタン及びチタン合金のための鋳造方法を教示する。方法は、カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含むインベストメント鋳型組成物を得、消失模型を含む容器内にこの組成物を流し込み、それを硬化させ、消失模型を型から除去し、型を型鋳造温度に予熱することを含む。その後、溶融チタン又はチタン合金が加熱された型内に流し込まれ、固化されて、固化した中空チタン又はチタン合金鋳造物を形成する（図１７Ｂを参照されたい）。
【０１０９】
次いで、固化した中空チタン又はチタン合金鋳造物は、型から取り出される。一実施形態では、チタン又はチタン合金を型から取り出した後、鋳造物は、グリットブラスト又は研磨により仕上げられてもよい。一実施形態では、固化した鋳造物が型から取り出された後、鋳造物はＸ線ラジオグラフィーにより検査される。本開示はまた、本明細書において教示されるような鋳造方法により作製されたチタン又はチタン合金物品、例えばタービン翼を教示する。
【０１１０】
固化した鋳造物は、鋳造及び仕上げの後に、鋳造物内の任意の場所における任意の表面下含有物粒子を検出するために、表面検査及びＸ線ラジオグラフィーに供される。Ｘ線ラジオグラフィーは、鋳造物の外側表面の視覚的検査により検出不可能な含有物を発見するために使用される。チタンアルミナイド鋳造物は、従来のＸ線機器を使用したＸ線ラジオグラフィー（フィルム又はデジタル）に供されて、Ｘ線ラジオグラフが生成され、次いでこれが検査又は分析されて、チタンアルミナイド鋳造物中に任意の表面下含有物が存在するか否かが決定される。
【０１１１】
本開示の別の態様は、中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型を形成するための方法である。形成された型は、生型であってもよく、方法は、生型を焼成することをさらに含んでもよい。一実施形態では、鋳型は、例えば中空チタン含有物品を鋳造するためのインベストメント鋳型を含む。一実施形態では、インベストメント鋳型組成物は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳型組成物を含む。ニアネットシェイプのチタンアルミナイド物品は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン翼を含んでもよい。一実施形態では、本開示は、本明細書において教示されるように、中空チタン含有物品鋳型組成物から形成される型に関する。本開示の別の態様は、上述の型内で形成された中空物品に関する。
【０１１２】
本開示において説明される新たなコア組成物は、チタン及びチタンアルミナイド合金に特に好適である。本開示は、中でも、カルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含むセラミックコア組成物に関する。組成物は、微細カルシウムアルミネート及び大粒子を含む。大型粒子は、中空であってもよい。カルシウムアルミネート粒子は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、及びマイエナイトの粒子を含んでもよい。カルシウムアルミネート粒子は、カルシウムモノアルミネート及びカルシウムジアルミネートの粒子を含んでもよい。本開示はまた、カルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含むセラミックコア組成物から形成される鋳造コアを教示する。本開示はまた、カルシウムアルミネート粒子及び１種以上の大型粒子を含むセラミックコア組成物から形成される鋳造コアを使用して形成される、中空チタンアルミナイド含有物品に関する。中空チタンアルミナイド含有物品の一例は、中空チタンアルミナイドタービン翼である。
【０１１３】
焼成後及び鋳造前のコア及び型組成物は、特に構成成分相に関して本開示の特徴である。鋳造目的のために、コア及び型内の比較的高い重量分率のカルシウムモノアルミネートが好ましい（全型重量の２５重量％以上）。さらに、マイエナイトは水感受性であり、鋳造中に水の放出及びガス生成の問題を生じ得るため、鋳造目的のために、型内のマイエナイトの体積分率を最小限化することが望ましい。さらなる詳細を、表１に示す。
【０１１４】
【表１】
2016532566.tif 000003
さらに、コア内のマイエナイトの体積分率を最小限化することが望ましく、添付の表中に記載されるように、コア内で型内よりも低いレベルのマイエナイトを維持する必要がある。焼成後、型及びコアは、低い重量分率のアルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムを含有してもよく、型と鋳造物との反応を最小限化するためには、アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計が、型内及びコア内で約５％未満に維持されることが望ましい。一例において、アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計は、型内及びコア内で約３％未満である。別の例において、アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計は、型内及びコア内で約１％未満である。
【０１１５】
【表２】
2016532566.tif 000004
正しいカルシウムアルミネート粒子化学及びアルミナ配合物の選択は、本開示の特徴である。それらは、鋳造中の型の性能の決定因子である。
【０１１６】
本開示の態様において使用されるカルシウムアルミネート粒子は、典型的には、カルシウム及びアルミニウムの３つの相又は成分、すなわちカルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。カルシウムモノアルミネートの水和は、インベストメント型の高い初期強度に寄与する。マイエナイトは、水硬性結合の急速な形成により型の硬化の初期段階中に強度を提供するため望ましい。しかしながら、マイエナイトは、典型的には、鋳造前の型の熱処理中に除去される。
【０１１７】
マイエナイトは、急速凝結カルシウムアルミネートであり、硬化の初期段階中に型に強度を提供すると考えられるため、マイエナイトは型及びコアの両方において、型内に組み込まれる。消失性のワックス模型は温度感受性であり、約３５℃を超える熱曝露でその形状及び特性を失うため、硬化は、低温で、例えば１５℃〜４０℃の間の温度で行われてもよい。３０℃未満の温度で型を硬化させることが好ましい。
【０１１８】
正しいカルシウムアルミネート粒子化学及びアルミナ配合の選択は、鋳造中のコアの性能における因子である。一実施形態では、鋳型組成物は、酸化カルシウムをさらに含む。別の実施形態では、鋳造コア組成物は、酸化カルシウムをさらに含む。カルシウムアルミネート粒子に関して、チタン合金との反応を最小限化するために、遊離酸化カルシウムの量を最小限化することが必要となり得る。酸化カルシウム濃度が約１０重量％未満である場合、アルミナ濃度が高過ぎるために合金は型及びコアと反応し、反応は、鋳造物中の望ましくない酸素濃度レベル、気泡、及び鋳造コンポーネントにおける低品質の表面仕上げを生じさせる。遊離シリカは、チタン及びチタンアルミナイド合金と活発に反応し得るため、型及びコア材料においてより望ましくない。また、溶融合金が型内に流し込まれた後に、溶融合金と接触する遊離アルミナの量を最小限化することが望ましい。
【０１１９】
最終的な型は、典型的には、２グラム／立方センチメートル未満の密度、及び５００ポンド／平方インチ［ｐｓｉ］超の強度を有し得る。最終的なコアは、典型的には、３．５グラム／立方センチメートル未満の密度、及び１５０ポンド／平方インチ［ｐｓｉ］超の強度を有し得る。
【０１２０】
鋳型組成物及びコア組成物は、異なってもよい。例えば、型内のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５から０．９５の重量分率を構成し、コア内のカルシウムモノアルミネートは、約０．１から０．９０である。別の実施形態では、型内のカルシウムジアルミネートは、約０．０５から０．８０の重量分率を構成し、コア内のカルシウムジアルミネートは、約０．０５から０．９０である。さらに別の実施形態では、型組成物内のマイエナイトは、表１に示されるように、約０．０１〜約０．３０の重量分率を構成し、コア内のマイエナイトは、約０．００１から０．０５である。
【０１２１】
一実施形態では、型において好適であるこれらの相の重量分率は、０．０５から０．９５のカルシウムモノアルミネート、０．０５から０．８０のカルシウムジアルミネート、及び０．０１から０．３０のマイエナイトである。一方、一例において、コア組成物中のこれらの相の重量分率は、０．１から０．９０のカルシウムモノアルミネート、０．０５から０．９０のカルシウムジアルミネート、及び０．００１から０．０５のマイエナイトである。別の実施形態では、コア内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、約０．６超であり、マイエナイトの重量分率は、約０．１未満である。一実施形態では、型内のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、約０．５超であり、マイエナイトの重量分率は、約０．１５未満である。
【０１２２】
溶融金属又は合金を鋳造する前に、インベストメント型及びコアは、特定のコンポーネント幾何構造又は鋳造される合金に依存する型鋳造温度まで予熱されてもよい。例えば、型及びコア予熱温度は、６００℃である。一実施形態では、型及びコア温度は、約４５０℃〜約１２００℃の範囲である。別の例において、この範囲は、約４５０℃〜約７５０℃である。具体的実施形態では、型温度は、約５００℃〜約６５０℃の範囲である。
【０１２３】
溶融金属又は合金は、重力、反重力、圧力、遠心力、及び当業者に知られている他の鋳造技術を含み得る従来の技術を使用して、コアを含む型内に流し込まれる。真空又は不活性ガス雰囲気が使用され得る。複雑な形状の薄壁幾何構造の場合、高圧を使用する技術が好ましい。固化したチタンアルミナイド又は合金鋳造物は、６５０℃未満（典型的には室温）に冷却された後、型から取り出され、グリットブラスト、ウォータージェットブラスト、及び研磨等の従来の技術を使用して仕上げられる。コアはまた、優先的浸出技術により除去され得る。
【０１２４】
特に、本開示はまた、一例において、中空タービンコンポーネントを鋳造するための方法を教示する。図１８Ｂに示されるように、方法は、カルシウムアルミネート粒子を大型粒子及び液体と組み合わせてスラリーを形成し、スラリーをダイ内に導入して、物品形状体の未処理生成物を生成し、焼結セラミックコアを形成するのに十分な条件下で未処理生成物を加熱することにより、セラミックコアを作製する（１８２２）ことを含む。セラミックコアを作製したら（１８２２）、次いでセラミックコアは、型内の事前に選択された位置に配置される（１８２４）。次いで、溶融チタン又はチタン合金含有材料が型内に導入され（１８２６）、型内で冷却されてタービンコンポーネントを形成する（１８２８）。次いで、型がタービンコンポーネントから分離され（１８３０）、中空タービンコンポーネントを形成するためにコアがタービンコンポーネントから除去される（１８３２）。鋳造されているタービンコンポーネントは、タービン翼であってもよい。
【０１２５】
コア組成物は、一例において、約７００℃〜１４００℃で約１時間の焼成後に、約１％を超えて収縮しない。コア組成物は、別の例において、約７００℃〜１４００℃で約１時間の焼成後に、約５％を超えて収縮しない。コア組成物は焼結されてもよく、セラミックコア組成物が焼結された後に、形成されるセラミックコアは、シリカを実質的に含まない。セラミックコアは、焼結前に、中空アルミナ粒子を含んでもよく、焼結後に、コアは、一例において、約０．５重量％以下（コアの総重量を基準として）の遊離シリカを含む。
【０１２６】
鋳造方法において、実質的に中空である大型粒子と共に、微細カルシウムアルミネート粒子が使用されてもよい。消失模型を型から除去し、型を型鋳造温度に予熱した後、一例において、型は、約４５０℃〜約１４００℃の温度に加熱され、次いでほぼ室温まで冷却される。消失模型は、溶融、溶解、点火、オーブン内脱ろう、炉内脱ろう、蒸気オートクレーブ脱ろう、又はマイクロ波脱ろうの少なくとも１つにより除去され得る。固化したチタン又はチタン合金鋳造物を型から取り出した後、鋳造物は、Ｘ線ラジオグラフィーで検査されてもよい。
【０１２７】
特に、固化した鋳造物はまた、鋳造及び仕上げの後に、鋳造物内の任意の場所にある任意の表面下セラミック含有物粒子を検出するために、表面検査及びＸ線ラジオグラフィーに供される。チタンアルミナイド合金鋳造物は、従来のＸ線機器を使用したＸ線ラジオグラフィー（フィルム又はデジタル）に供されて、Ｘ線ラジオグラフが生成され、次いでこれが検査又は分析されて、チタンアルミナイド合金鋳造物中に任意の表面下含有物が存在するか否かが決定されてもよい。
【０１２８】
カルシウムアルミネート粒子は、セラミックコアと溶融チタン合金との反応に耐える能力を、コアに提供する。中空アルミナ粒子は、柔軟性及び粉砕性をコアに提供するが、これらは、固化後の冷却中にコアが鋳造物に対し過度の引張応力を印加しないことが必要であるため、本開示の特徴である。コアは、金属より低い熱膨張係数を有してもよく、金属は、セラミックより急速に冷える。
【０１２９】
コアが強過ぎる場合、固化後の冷却中に部品がコアよりも急速に収縮するため、コアが部品に引張応力を印加することから、コアの強度が決定される。本出願の発明者らは、部品に過度の引張応力を印加せず、引張りによる裂け、亀裂、及び欠陥を生成しないように、冷却中に粉砕されるコアを着想した。
【０１３０】
コアの粉砕性は、引張応力が鋳造物内に１ｍｍ超の亀裂を生成しないように設計される。粉砕性は、例えば、大型中空アルミナ粒子等の大型粒子の重量分率、及びコアの密度を調節することにより影響される。より低い密度を有するコアは、より高い粉砕性を有し、それらは鋳造物により低い応力を印加する。より低い密度は、大型中空アルミナ粒子のより高い重量分率又はコア内のより高い空隙率により影響され得る。
【０１３１】
コアの粉砕性は、引張応力が鋳造物内に１ｍｍ超の亀裂を生成しないように設計される。コアの粉砕性は、一例において、引張応力が鋳造物内に０．５ｍｍ超の亀裂を生成しないように設計される。一例において、コアの粉砕性は、引張応力が鋳造物内に０．１ｍｍ超の亀裂を生成しないように設計される。
【０１３２】
白金ピンの直径、長さ、及び位置は、型処理及び鋳造中に鋳造コアの移動を最小限化するように選択される。鋳造コアは、鋳造物からコアを除去する前に、最終的な鋳造物内のコアの好ましい位置から１２５μｍを超えて移動しないことが好ましい。鋳造コアは、鋳造物からコアを除去する前に、最終的な鋳造物内のコアの好ましい位置から７５μｍを超えて移動しないことが好ましい。一例において、鋳造コアは、鋳造物からコアを除去する前に、最終的な鋳造物内のコアの好ましい位置から２５μｍを超えて移動しない。
【０１３３】
本開示は、Ｘ線、超音波、又は渦電流等の非破壊的方法によってより詳細に、及びより低コストで検査され得るネットシェイプ中空鋳造物を提供し得るコア及び型を提供する。大き過ぎる厚いセクションにおける検査放射線の減衰及び散乱に関連した困難が、ネットシェイプ鋳造物により低減される。より小さい欠陥が解像可能となり得、これは、改善された機械的性能を有する部品を提供し得る。
【０１３４】
中空チタン含有物品を鋳造するための型組成物は、本明細書に記載のようなカルシウムアルミネート粒子及びセラミックコアを含んでもよい。本開示において説明されるセラミックコア組成物は、中空チタン及びチタンアルミナイド合金に特に好適である。焼成後及び鋳造前の型及びコア組成物は、特に構成成分相に関して、型特性に影響し得る。一実施形態では、鋳造目的のために、型内の高い重量分率、例えば０．１５から０．８の重量分率のカルシウムモノアルミネートが好ましい。さらに、マイエナイトは水感受性であり、鋳造中に水の放出及びガス生成の問題を生じ得るため、鋳造目的のために、例えば、０．０１から０．２の重量分率を使用して、マイエナイトの重量分率を最小限化することが望ましい。
【０１３５】
焼成後、型及びコアはまた、低い重量分率のアルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムを含有し得る。アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計は、型と鋳造物との反応を最小限化するために、典型的には、型内で５％未満に維持され得る。アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計は、コアと鋳造物との反応を最小限化するために、典型的には、コア内で５％未満に維持され得る。
【０１３６】
本開示は、チタン及びチタン合金の改善されたコンポーネント、特に中空チタンタービン翼を提供し得る鋳型組成物及び鋳造プロセスを提供する。鋳造物の外部特性は、形状、幾何構造、及び表面仕上げ等の特徴を含む。鋳造物の内部特性は、機械的特性、微細構造、及び特定サイズ未満の欠陥（例えば細孔及び含有物）を含む。
【０１３７】
実施例
概略的に説明されている本開示は、本開示のある特定の態様及び実施形態の例示のみを目的として含められ、決して本開示を限定することを意図しない以下の例を参照することによって、より容易に理解されるだろう。
【０１３８】
本開示の態様は、従来の技術の制限を克服するセラミックコア組成物、鋳造方法、及び鋳造物品を提供する。本開示のいくつかの態様は、エンジンタービン翼等の航空宇宙産業用のコンポーネントの製造を目的とし得るが、本開示の態様は、任意の産業における任意のコンポーネント、特にチタン及び／又はチタン合金を含有するそれらのコンポーネントの製造に使用されてもよい。
【０１３９】
微細カルシウムアルミネート粒子を、大型アルミナと、一例においては大型中空アルミナ粒子と混合して、インベストメント型ミックスを生成し、一連のインベストメント型化学を試験した。一例におけるインベストメント混合物は、８０％アルミナ及び２０％カルシアを含むカルシウムアルミネート粒子、アルミナ粒子、水、及びコロイド状シリカからなっていた。
【０１４０】
さらに、本開示はまた、中空チタン含有物品を鋳造するための鋳型を作製するための方法を教示する。図１７Ａに示されるように、方法は、カルシウムアルミネート粒子、大型粒子及び液体を組み合わせて、スラリーを生成する（１７０５）ことを含む。次いで、液体中のカルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含有するこのスラリーは、消失模型を含む型を作製するための容器内に導入され（１７０７）、型を作製するための容器内で硬化されて、チタン含有物品の型を形成する（１７０９）。一例において、実質的に中空である大型粒子と共に、微細カルシウムアルミネート粒子が使用される。具体例において、最初の微細カルシウムアルミネート及び液体の混合物中の固体のパーセンテージは、約６０％〜約８０％であり、スラリーの粘度は、約３０センチポアズ〜約１５０センチポアズである。一例において、最終的なカルシウムアルミネート及び大型酸化物粒子（７０μｍ超）の液体混合物中の固体が約７５％〜約９０％であるように、酸化物粒子がスラリー中に添加される（１７０５）。カルシウムアルミネートスラリーは、消失模型を含む型を作製するための容器内に導入され（１７０７）、型を作成するための容器内で硬化されて、チタン又はチタン含有物品の型を形成する（１７０９）。
【０１４１】
別の例において、本開示は、中空チタン及びチタン合金のための鋳造方法を教示する。図１７Ｂに示されるように、方法は、カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含むインベストメント鋳型組成物を得る（１７２２）ことを含む。鋳造方法はまた、セラミックコアを含む。一例において、カルシウムアルミネートは、液体と組み合わされて、カルシウムアルミネートのスラリーを生成し、大型アルミナを含む最終的なカルシウムアルミネート／液体混合物中の固体は、約７５％〜約９０％である。
【０１４２】
次いで、このインベストメント鋳型組成物は、消失模型を含む容器内に流し込まれ（１７２４）、硬化される（１７２６）。容器は、得られる型の外形寸法を制御する。次いで、消失模型は、型から除去され（１７２８）、型は、型鋳造温度に予熱される（１７３０）。その後、溶融チタン又はチタン合金が加熱された型内に流し込まれ（１７３２）、固化されて、固化した中空チタン又はチタン合金鋳造物を形成する（１７３４）。次いで、固化した中空チタン又はチタン合金鋳造物は、型から取り出される（１７３６）。本開示はまた、本明細書において教示されるような鋳造方法により作製されたチタン又はチタン合金物品を教示する。物品は、チタンアルミナイド含有タービン翼であってもよい。
【０１４３】
本出願者らはまた、本明細書において、セラミックコアを作製する方法を開示する。図１８Ｂに示されるように、方法は、カルシウムアルミネート粒子を大型粒子及び液体と組み合わせて、スラリーを形成する（１８０５）ことを含む。次いで、このスラリーは、ダイ内に導入されて、物品形状体の未処理生成物を生成し（１８０７）、次いで、未処理生成物は、セラミックコアを形成するのに十分な条件下で加熱される（１８０９）。セラミックコアを作製するために、実質的に中空である大型粒子と共に、微細カルシウムアルミネート粒子が使用されてもよい。
【０１４４】
本開示はまた、中空タービンコンポーネントを鋳造するための方法を教示する。図１８Ｂに示されるように、方法は、カルシウムアルミネート粒子を大型粒子及び液体と組み合わせて、スラリーを形成し、スラリーを物品形状体のダイ内に導入し、焼結セラミックコアを形成するのに十分な条件下で未処理生成物を加熱することにより、セラミックコアを作製する（１８２２）ことを含む。セラミックコアを作製したら（１８２２）、次いでセラミックコアは、型内の事前に選択された位置に配置される（１８２４）。次いで、溶融チタン又はチタン合金含有材料が型内に導入され（１８２６）、型内で冷却されてタービンコンポーネントを形成する（１８２８）。次いで、型がタービンコンポーネントから分離され（１８３０）、中空タービンコンポーネントを形成するためにコアがタービンコンポーネントから除去される（１８３２）。鋳造されているタービンコンポーネントは、タービン翼であってもよい。
【０１４５】
一例において、スラリーをダイ内に導入して、物品形状体の未処理生成物を生成する前に、カルシウムアルミネートが液体及び大型粒子と組み合わされて、カルシウムアルミネート及び中空大型粒子のスラリーが生成され、混合物中の固体は、約７５％〜約９０％である。コアを作製するための追加的な方法は、射出成型を含む。例えば、方法は、カルシウムアルミネート粒子を大型粒子及びワックスと組み合わせて、射出成型配合物を形成し、必要とされるコアの物品形状体の形状を表すダイ内に配合物を導入することにより、セラミックコアを作製する（１８２２）ことを含む。配合物は、６０℃〜１２０℃の範囲内の温度でダイ内に射出され、次いで冷却されてから、ダイから取り出される。次いで、コアは、ワックスを除去し、焼結セラミックコアを形成するのに十分な条件下で加熱される。セラミックコアを作製したら、次いでセラミックコアは、鋳造用の型内の事前に選択された位置に配置される。
【０１４６】
別の例において、６５重量％のカルシウムアルミネートセメント及び３５重量％の中空アルミナバブルからなるコア配合物を試験するために、中空スラブ鋳造物を製造した。図４は、本発明のコア技術の開発のための、得られるスラブの内側にコアが位置付けられたスラブを作製するためのワックスの調製を示す。シートワックスを通してキャビティを横切るように白金ピンをスラブの側面に対して垂直に挿入した。スラブワックスの両側を貫通するように白金ピンを配設し、各側でシートワックスによりキャビティ内に支持した。コアは、示されるようにスラブワックスの端部に設置した。白金ピンは、ワックス及びその後の型内のコアの位置を安定化するために使用された。
【０１４７】
スラブワックスの周囲に型を製造するために、インベストメント型を作製するためのスラリー混合物は、市販のブレンドされた８０％カルシウムアルミネートセメント５４１６ｇからなっていた。カルシウムアルミネートセメントは、通常、組成物を８０％アルミナに調節するためにアルミナとブレンドされた７０％のカルシウムアルミネートセメントからなる。脱イオン水１６４１ｇ及びコロイド状シリカ１８１ｇを使用して、セメントスラリーを生成した。スラリーが許容され得る粘度まで混合されたら、外側寸法で０．８５ｍｍ未満及び０．５ｍｍ超のサイズ範囲の実質的に中空のアルミナ（バブル）２９４３ｇをスラリーに添加した。ミックスの固体投入量は、７０％超であった。混合後、インベストメント型ミックスを、制御された様式で成形容器内に流し込んだ。最終的な型ミックスの固体投入量は、約８３％であった。型ミックスは、満足のいく粘度及びレオロジーで良好に流し込まれた。
【０１４８】
硬化後、成型部品は、良好な強度及び均一な組成であった。型を、１０００℃の温度で４時間焼成した。この配合物は、直径約１２０ｍｍ及び長さ４００ｍｍの型を生成した。型配合物は、焼成後の型の線収縮が１％未満であるように設計された。生成された型は、立方センチメートル当たり約２グラム未満の密度を有していた。
【０１４９】
焼成後、型を使用して、カルシウムアルミネート含有コアにより生成された中空セクションをスラブの端部に有するスラブを鋳造した。図１は、本開示のコア組成物を開発するために使用された典型的なスラブ鋳造物を示す。スラブは、鋳込みカップ及び固化収縮を許容するための押湯を有する単純な幾何構造である。図８は、型内にコアを有する型を使用して製造されたチタン合金（チタンアルミナイド）スラブ鋳造物を示す。カルシウムアルミナイド含有コアが直接観察され得る横断セクションを示す、スライスされたコアスラブが示されている。コアは、グリットブラストにより部分的に除去されており、鋳造物の内部表面が観察され得る。部分的に除去されたコアを有する鋳造物の領域が観察され得る。コアにより生成された鋳造物の内部表面は、高品質であるように観察され得る。コアにより生成された中空セクションの表面仕上げは、約１００Ｒａであった。
【０１５０】
カルシウムアルミネート粒子、水、及びコロイド状シリカを容器内で混合することにより、型ミックスを調製した。高せん断型混合を使用した。十分に混合しないと、粒子はゲル化する可能性があり、流動性が低減して型ミックスが消失模型を均一に被覆しない。微細カルシウムアルミネート粒子が完全に懸濁したら、中空大型アルミナ粒子を添加する。いくつかの例において、約２時間の期間にわたり、約７０μｍ〜約１００μｍの徐々に大きなサイズとなる中空アルミナ粒子を添加した。大型アルミナ粒子が微細カルシウムアルミネート粒子と完全に混合されたら、より大きなサイズ（例えば、３００μｍから１０００μｍ）のアルミナ粒子を添加し、微細カルシウムアルミネート−中空アルミナ配合物と混合した。
【０１５１】
最終ミックスの粘度は、低過ぎても高過ぎてもいけないため、その粘度はコア組成物の別の因子である。本開示の別の因子は、粒子ミックスの固体投入量及び水の量である。混合後、インベストメントミックスを、制御された様式で、消失性のワックス模型を含む容器内に流し込んだ。容器の寸法は、得られる型の外形寸法を制御する。容器は、型の外部幾何構造を提供し、消失模型は内部幾何構造を生成する。正しい流し込み速度はさらなる特徴であり、それが速過ぎる場合、空気が型内に捕捉され得、それが遅過ぎる場合、セメント及びアルミナ微粒子の分離が生じ得る。好適な流し込み速度は、１分当たり約１リットル〜約２０リットルの範囲である。一実施形態では、流し込み速度は、１分当たり約２リットル〜約６リットルである。具体的実施形態では、流し込み速度は、１分当たり約４リットルである。
【０１５２】
最終型ミックスの固体投入量は、８０％超であったが、固体投入量は、パーセンテージとして表現される、ミックス中の液体及び固体の全質量に対して正規化されたミックス中の全固体として定義される。
【０１５３】
型配合物は、焼成後の型のフェイスコート及び型の両方の線収縮が１％未満であるように設計された。ミックス内に組み込まれる軽量溶融アルミナ中空粒子は、低い熱伝導率を提供する。
【０１５４】
アルミナ中空粒子は、十分緻密なアルミナと比較して低減された密度、及び十分緻密なアルミナと比較して低い熱伝導率を有するコア組成物を提供する。この例において、コアは、３５重量％の中空アルミナ粒子を有する。
【０１５５】
この配合物は、直径約１２０ｍｍ及び長さ４００ｍｍのコア組成物及び型を生成した。次いで、型を硬化させ、高温で焼成した。組成物を、良好な表面仕上げを有するタービン翼等のチタンアルミナイド含有物品の鋳造に使用した。粗度（Ｒａ）値は、１００未満であり、酸素含量は２０００ｐｐｍ未満であった。この配合物は、立方センチメートル当たり１．８グラム未満の密度を有する型を生成した。コアの熱伝導率は、全ての温度において、アルミナの熱伝導率より実質的に低い。熱伝導率は、熱線白金抵抗温度計技術（ＡＳＴＭ試験Ｃ−１１１３）を使用して測定した。
【０１５６】
別の例において、内側にカルシウムアルミネートコアを有する低圧タービン翼を製造した。カルシウムアルミネートセメント５４０ｇ、大型アルミナ粒子２９２ｇ、脱イオン水１６４ｇ、及びコロイド状シリカ１８１ｇからなる配合物でコアを作製した。カルシウムアルミネートセメント、脱イオン水、及びコロイド状シリカを使用して、セメントスラリーを生成した。スラリーが許容され得る粘度まで混合されたら、外側寸法で０．８５ｍｍ未満及び０．５ｍｍ超のサイズ範囲のアルミナ粒子２９４ｇをスラリーに添加した。次いでスラリーを、最終鋳造コンポーネントにおいて必要とされる中空キャビティの形状の逆であるキャビティ内に流し込んだ。
【０１５７】
コアを、キャビティ内で２１℃の温度及び２０％の湿度レベルで２４時間硬化させた。コアを硬化させ、白金ピンでタービンエーロフォイルワックス内の適所に設置した。白金ピンの直径は０．５ｍｍであり、白金ピンの間に３５ｍｍの最大間隔があった。ピン及びコアに対するその構成を使用して、型硬化、型脱ろう、型焼成、及び鋳造中のセラミックコアの位置を制御した。使用したコア配合物は、６５重量％のカルシウムアルミネートセメント及び３５重量％のアルミナ粒子からなっていた。コア配合物は、焼成後に１％未満の線収縮を経験した。
【０１５８】
この例において、６５重量％のカルシウムアルミネートセメント及び３５重量％の中空アルミナバブルからなるコア配合物を試験するために、中空鋳造物を製造した。
【０１５９】
エーロフォイルワックスの周囲に型を製造するために、市販のブレンドされた８０％カルシウムアルミネートセメント５４１６ｇ及びアルミナ２９４３ｇからなる、インベストメント型を作製するためのスラリー混合物を使用した。セメント５４１６ｇ、脱イオン水１６４１ｇ及びコロイド状シリカ１８１ｇを使用して、セメントスラリーを生成した。スラリーが許容され得る粘度まで混合されたら、外側寸法で０．８５ｍｍ未満及び０．５ｍｍ超のサイズ範囲の中空のアルミナ（バブル）２９４３ｇをスラリーに添加した。
【０１６０】
次いで、内部にコアが設置されたタービンエーロフォイル翼ワックスを、容器内に位置付けて、翼ワックスの周囲に型を製造した。混合後、インベストメント型ミックスを、制御された様式で容器内に流し込み、型を製造した。最終的な型ミックスの固体投入量は、約８３％であった。型を、１０００℃の温度で４時間焼成した。型及びコアを一緒に焼成した。この配合物は、直径約１２０ｍｍ及び長さ４００ｍｍの型を生成した。型配合物は、焼成後の型及び型のバルクの線収縮が１％未満であるように設計された。焼成後、型を使用して、カルシウムアルミネート含有コアを使用することにより生成された中空セクションを有するタービンエーロフォイルを鋳造した。
【０１６１】
型内のシリカの重量％は、２％未満であり、コア内のシリカの重量％は、０．５重量％未満であった。ミックス中の高濃度のシリカは、最終的な焼成された型及びコア内の残留結晶シリカ、並びにケイ酸塩、例えばアルミノケイ酸カルシウム及びアルミノケイ酸塩をもたらし得る。型及びコアの高シリカ含量は、型及びコアの鋳造に対し２つの制限をもたらし得る。第一に、焼成後に収縮が生じる可能性があり、これが亀裂等の問題をもたらす。第二に、高シリカ含量は、鋳造中に型、及び型とコアとのアセンブリが充填された時に、溶融チタン及びチタンアルミナイド合金との反応を引き起こす可能性があり、この反応は、許容されない鋳造品質をもたらす。反応を防止し、鋳造エーロフォイル内の内部キャビティの寸法の改善された制御を提供するために、コアのシリカレベルは、型内のシリカレベルより低い。
【０１６２】
具体例において、ＤｕｒａｌｕｍＡＢアルミナ中空粒子が使用され得る。ある特定の態様において、本開示は、低シリカ含量で形成されたコア組成物を教示する。コアの低シリカ含量は、チタン及びチタンアルミナイド合金の鋳造に好ましい型を提供する。一例において、型内のアルミナ中空粒子の重量パーセンテージは、約３５％であり、型は、焼成後に１％未満の線収縮を経験した。
【０１６３】
インベストメント型ミックスの作用時間が長過ぎる場合、及びカルシウムアルミネート粒子が十分迅速に硬化しない場合、微細粒子及び大型アルミナの分離が生じ得、これは、配合が変動し、得られる型組成が均一ではない偏析した型をもたらし得る。
【０１６４】
型及びコアの結合剤を提供するカルシウムアルミネート粒子内の構成成分相は、本開示の特徴である。カルシウムアルミネート粒子の３つの相は、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）、及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）を含む。本発明者らは、いくつかの目的を達成するためにこの選択を行った。第一に、相は、溶解又は部分的に溶解し、その後のインベストメント型作製スラリー中の全ての凝集体相を保持し得る懸濁液を形成しなければならない。第二に、相は、流し込まれた後に型の凝結又は硬化を促進しなければならない。第三に、相は、鋳造中及び鋳造後に型に強度を提供しなければならない。第四に、相は、型内で鋳造されるチタン合金との最小限の反応を示さなければならない。第五に、型は、固化後の冷却中に生成される部分に対する熱応力を最小限化するために、チタン合金鋳造物と一致する好適な熱膨張率を有さなければならない。
【０１６５】
マイエナイトは、急速凝結カルシウムアルミネートであり、硬化の初期段階中に型に強度を提供するため、マイエナイトが型及びコア内に組み込まれる。消失性のワックス模型は温度感受性であり、約３５℃を超える熱曝露でその形状及び特性を失うため、硬化は低温で行われなければならない。一例において、型は、３０℃未満の温度で硬化される。一実施形態では、コア内にマイエナイトは存在しない。
【０１６６】
上記説明は、例示を意図し、限定を意図するものではないことを理解されたい。例えば、上述の実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組み合わせて使用されてもよい。さらに、その範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料に適応するために様々な実施形態の教示に多くの変更が行われてもよい。本明細書に記載の材料の寸法及び種類は、様々な実施形態のパラメーターを定義することを意図するが、それらは決して限定的ではなく、単なる例示である。上記説明を検討すれば、多くの他の実施形態が当業者に明らかである。
【０１６７】
したがって、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲を、そのような特許請求の範囲の対象となる均等物の全範囲と共に参照して決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「ここで（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれの用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の分かりやすい英語の均等物として使用される。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１」、「第２」、及び「第３」等という用語は、単に標示として使用され、それらの対象物に数字上の要件を付与することを意図しない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、手段プラス機能（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）形式で記述されておらず、そのような請求項の限定が、「〜のための手段」という語句に続いて、さらなる構造のない機能の記述を明示的に使用しない限り、及び使用するまでは、米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．）第１１２条、第６項に基づき解釈されることを意図しない。必ずしも、上述のような目的又は利点の全てが、任意の具体的実施形態に従って達成され得るわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、当業者には、本明細書に記載のシステム及び技術が、必ずしも本明細書において教示又は示唆され得るような他の目的又は利点を達成することなく、本明細書において教示されるような１つの利点又は利点の群を達成又は最適化する様式で、具現化又は実行され得ることが理解される。
【０１６８】
限定された数のみの実施形態と関連して本開示を詳細に説明したが、本開示は、そのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、上で説明されていない任意の数の変形、変更、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、それらは、本発明の趣旨及び範囲に適合する。さらに、本発明の様々な実施形態を説明したが、本開示の態様は、説明された実施形態のいくつかのみを含んでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、上記説明により限定されるとはみなされず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【０１６９】
本明細書は、最善の形態を含めて、本発明を開示するために、またいかなる当業者でも、任意のデバイス又はシステムの作製及び使用、並びに任意の組み込まれた方法の実行を含めて、本発明を実践できるようにするために、例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が思い付くその他の例を含み得る。そのようなその他の例は、特許請求の範囲の文字通りの言葉とは異ならない構造的要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文字通りの言葉からの実質的でない相違を有する均等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１７０】
１７０５  カルシウムアルミネート粒子、大型粒子及び液体を組み合わせてスラリーを生成する、酸化物粒子がスラリー中に添加される
１７０７  スラリーは、消失模型を含む型を作製するための容器内に導入される
１７０９  型を作製するための容器内で硬化されて、チタン含有物品の型を形成する、型を作成するための容器内で硬化されて、チタン又はチタン含有物品の型を形成する
１７２２  カルシウムアルミネート粒子及び大型粒子を含むインベストメント鋳型組成物を得る
１７２４  インベストメント鋳型組成物は、消失模型を含む容器内に流し込まれる
１７２６  インベストメント鋳型組成物は、硬化される
１７２８  消失模型は、型から除去される
１７３０  型は、型鋳造温度に予熱される
１７３２  溶融チタン又はチタン合金が加熱された型内に流し込まれる
１７３４  溶融チタン又はチタン合金が固化されて、固化した中空チタン又はチタン合金鋳造物を形成する
１７３６  固化した中空チタン又はチタン合金鋳造物は、型から取り出される
１８０５  カルシウムアルミネート粒子を大型粒子及び液体と組み合わせて、スラリーを形成する
１８０７  スラリーは、ダイ内に導入されて、物品形状体の未処理生成物を生成する
１８０９  未処理生成物は、セラミックコアを形成するのに十分な条件下で加熱される
１８２２  セラミックコアを作製する
１８２４  セラミックコアは、型内の事前に選択された位置に配置される
１８２６  溶融チタン又はチタン合金含有材料が型内に導入される
１８２８  溶融チタン又はチタン合金含有材料が型内で冷却されてタービンコンポーネントを形成する
１８３０  型がタービンコンポーネントから分離される
１８３２  コアがタービンコンポーネントから除去される
【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５−６】
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【図７ａ−７ｂ】
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【図８】
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【図９−１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【国際調査報告】
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