JPH03352B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は鋳造の分野に係り、一層詳細には、溶
融金属の向性凝固による単結晶物品の鋳造に係
る。 方向性凝固は、制御された冷却により、溶融金
属で満たされた鋳型を通つて凝固界面を漸進的に
運動させる鋳造方法である。この技術的に非常に
高度な鋳造方法により単結晶物品が鋳造される。
有用な形状の単結晶鋳物の成形を可能とする幾つ
かの方法がある。これらの方法の全てに共通する
こととして、所望の結晶構造を有する凝固フロン
トが溶融金属内で最初に生ぜしめられなければな
らない。しばしば、米国特許第1793672号及び第
4015657号明細書に示されているように、非常に
小さく且局限された箇所を有する鋳型が用いられ
る。多数の結晶粒が隣接する柱状結晶粒として成
長する時、鋳物の長手方向に沿う凝固フロントの
運動につれて幾つかの結晶粒の漸進的な押退けが
行われる。従つて、もし鋳型の直径が十分に小さ
く且つその長さが十分に大きければ、極く少数の
結晶粒または単一の結晶粒しか残存しないことに
なる。米国特許第3494709号及び第3536121号明細
書には、改良された方法として、鋳型内にジグザ
グ通路を設けて多数の柱状結晶粒からの単一な結
晶粒の迅速なセレクシヨンを可能にする方法が示
されている。一層改良された方法では、米国特許
第4111252号明細書に示されているように、螺旋
状通路が設けられており、この方法が広く商業的
に用いられている。 しかし、上記の方法には、二次結晶方位（結晶
粒の成長がｚ軸に沿つている時のｘ−ｙ平面内の
結晶方位）を制御するための手段が存在しない。
加えて、結晶粒成長のｚ軸方向に沿う結晶方位の
みが自然に優先的に選択される結晶方位となる
（面心立方結晶ニツケル超合金の場合には＜001＞
である）。 従つて、結晶方位を制御し且鋳型構造を簡単化
するため、凝固フロントを最初に生じさせるのに
シード結晶がしばしば用いられる。典型的にシー
ド結晶は冷却され得る箇所である鋳型の底部に置
かれる。鋳型に注入された溶融金属がシード結晶
と接触し、部分的にそれを溶融させる。その後、
シード結晶からのエピタキシヤル凝固が生ぜしめ
られる。シード結晶の使用は良く知られており、
例えば米国特許第3763926号及び第3857436号明細
書に記載されている。多くの場合、シード結晶か
らの凝固が好ましく、本発明もシード結晶からの
凝固による鋳造に関する。一般には、シード結晶
を使用する場合にはジグザクまたは螺旋状通路を
設ける必要はないとされている。場合によつて
は、シード結晶の上側で鋳型を狭くしておくこと
が必要とされている。例えば、1981年３月30日付
米国特許出願第250521号明細書には、エピタキシ
ヤル凝固を可能にするのに十分なシード結晶の溶
融を特殊な形状の鋳型により容易にし得ることが
記載されている。余剰溶融金属がシード結晶を横
切つて流され、その後にそれを包囲する。こうし
て、シード結晶の周縁の周りに外来核生成が生ず
る。上記米国特許出願によれば、鋳型はシード結
晶の上側に狭隘部分を設けられている。本質的
に、凝固フロントが伝播する横断面積は、狭隘部
分のすぐ下側に置かれるシード結晶の横断面積よ
りも小さい面積に減ぜられている。それにより、
非エピタキシヤル結晶成長の物品キヤビテイ内へ
の垂直伝播が阻止される。 以上に記載した方法は商業的に有用な単結晶鋳
物を鋳造するのに有効である。本明細書に於て、
“単結晶鋳物”という用語は当分野に於ける慣用
語であり、厳密な学術用語ではない。単結晶鋳物
は鋳物の性質を測定することにより機能的に定義
され、完全に均一な結晶構造を有していなくても
良い。結晶方位の偏差は、鋳物の機械的性質が理
想的に均一の結晶構造の鋳物の機械的性質に比べ
て実質的に劣つていなければ許容され得る。1981
年12月23日付米国特許出願第333600号明細書（そ
の内容を参照によりここに組入れたものとする）
に記載されている方法では、単結晶鋳物が互いに
間隔をおいた二つのシード結晶からの同時凝固に
より成型される。上記明細書に記載されているよ
うに。単一のシード結晶から成型される鋳物内で
は、凝固フロントが鋳物に沿つて運動するにつれ
て結晶品質が漸進的に劣化することが見出されて
いる。従つて、シード結晶から遠い鋳物内の箇所
ではシード結晶に近い鋳物内の箇所に比べて結晶
構造の偏差が大きいことが見出されている。シー
ド結晶から遠い鋳物内の箇所の周縁に近い部分で
は正規の結晶方位からの結晶方位の偏差が著しく
なる。この現象及びその重要性は最近の研究開発
により認識されたものである。 通常、結晶構造の偏差は大きな横方向寸法を有
する鋳物内に生ずる場合を除けば問題とはならな
い。また、このような問題は上記の米国特許出願
第333600号明細書に記載されている方法により克
服され得る。しかし、一層理想に近い鋳物を鋳造
することは依然として要望されている。 更に、シード結晶の製造に関する問題がある。
幾つかの場合には、鋳造を終つた鋳物からシード
結晶を取り除いて、次回の鋳造の再び使用するこ
とができる。しかし、多くの場合には、シード結
晶は鋳物と溶着しており、その回収は困難であ
る。従つて、シード結晶は独立に鋳物としての鋳
造とそれに続く機械加工とにより製造されてき
た。しかし、このような過程は費用が嵩み、改良
された方法の開発が望まれる。 本発明によれば、溶融金属を注入される鋳型
は、シード結晶が保持される部分と単結晶物品が
成型される部分との間に設けられた特殊な形状の
くびれまたはセレクタセクシヨンを有する。セレ
クタセクシヨンは、凝固界面または凝固フロント
がセレクタセクシヨンを通つて、ｚ軸に沿い運動
するにつれて、その速度ベクトルをｘ−ｙ平面内
で少くとも90゜回転させるように形成にされてい
る。セレクタセクシヨンとして、速度ベクトルを
約290〜540゜回転させるような約0.8〜1.5ターンの
螺旋状通路が設けられることは好ましい。ジグザ
グ通路及び他の傾斜通路もセレクタセクシヨンと
して用いることができる。 速度ベクトルの適当な回転により結晶構造の偏
差が実質的に減ぜられることが見出されている。
例えば、螺旋状通路が設けられている場合、結晶
構造に±3゜の偏差を有するシード結晶を用いて、
底部で±0.8゜の偏差また上部で±1゜の偏差を有す
る物品を鋳造することができる。これらの偏差の
値はそれぞれ直線状の狭隘部分が設けられている
場合の偏差の値±2゜及び±3.5゜に比較して減ぜら
れている。 従つて、鋳型内に螺旋状通路を設けることによ
り、第一シードから鋳造される物品の頂部に第二
シードを同時に鋳造することが可能になる。次い
で第二シードが、螺旋状通路が設けられていない
場合に比べて結晶構造の偏差の小さい第二の物品
を鋳造するに用いられ得る。その結果、単結晶物
品の品質が改良され、且鋳造の費用が減ぜられ
る。 本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、
好ましい実施例及び添付図面について以下に説明
する中で一層明らかになろう。 セラミツクシエル鋳型内で溶融金属を凝固させ
ることによりニツケル超合金の単結晶物品を鋳造
する場合について本発明を説明する。しかし、本
発明は種々の方向性凝固及び他の金属にも応用さ
れ得ることは勿論である。 米国特許第4116723号及び第4209348号明細書に
開示されているような面心立方結晶ニツケル超合
金が溶融され、例えば主としてジルコンからなる
耐熱セラミツクシエル鋳型の中に注入される。鋳
型は炉の中で金属の融点以上の温度に保たれ、ま
た冷たいし冷し金の上に置かれる。炉、鋳型及び
冷し金装置は鋳物内に金属の漸進的凝固を生じさ
せるように構成されている。方向性凝固の一般的
な方法に関しては米国特許第3494709号、第
3542120号、第3915761号及び第4190094号明細書
を参照されたい。シード結晶は冷し金と接触せし
められる鋳型の底部の中に保持されている。シー
ド結晶の部分的溶融は、本願と同一日付で出願さ
れた米国特許出願第 号明細書に記載されて
いるように制御される。 シード結晶の製造費用を減ずるため、以前か
ら、鋳型の頂部にシード結晶の形状のキヤビテイ
を置き、所望の物品を鋳造すると同時に、その後
の物品鋳造の際に用いるべき新しいシード結晶を
製造することが望ましいとされている。このよう
な製造過程による場合、鋳造収率の漸進的悪化が
観察された。鋳造収率は、結晶構造が合格基準を
満足するように凝固した単結晶物品の百分率とし
て定義されている。合格基準の一例として、米国
特許第3494709号明細書によるタービンブレード
としての単結晶物品は長手方向ｚ軸に対する
［001］結晶軸のアラインメントが20゜以内でなけ
ればならないとされている。一層良好なアライメ
ントが必要とされる場合もある。他の例として、
前記米国特許出願第333600号明細書には、鋳物内
の結晶方位の偏差は或る値以下に保たれなければ
ならないことが示されている。物品鋳造と同時に
シード結晶を製造する場合に観察される主要な問
題は結晶の一次または平均方位のミスアラインメ
ントである。しかし、“±”値として表される結
晶方位の偏差も重要な問題であり、これは相次ぐ
鋳造の際に大きく増大し、また鋳物内の場所によ
つて所望の結晶方位からの偏差を増大する。本発
明はこれらの問題点について研究し、その解決策
を提案するものである。 第１図は［001］結晶軸をｚ軸と平行にするよ
うに凝固界面をｚ軸に沿つて運動させることによ
り単結晶として鋳造された直径1.2cm、長さ20cm
のロツド20のミクロ組織を示す写真である。バー
はそのｚ軸に沿つて切られ、そのミクロ組織を表
すようにエツチング処理された。エツチング処理
により表されるミクロ組織は暗い色のマトリツク
ス内の明るい色の樹脂枝状成長組織である。結晶
方位はラウエ法によりＸ線回折のように原子平面
の位置に確認する方法によつてのみ直接的に測定
可能である。しかし、樹枝状方位は結晶方位の反
映である。ニツケル超合金の棒（米国特許第
4116723号明細書によるもの）では、樹枝状成長
は［001］結晶軸に沿つて優先的に生じる。従つ
て、結晶方位は樹枝状成長の方位によ示唆され
る。第１図から、凝固が最初に生ずるバーの底部
２２はｚ軸に対するアラインメントが良好な組織
を有することが解る。凝固が最後に生ずる部分で
ある鋳物の頂部２４では、結晶構造の規則性が乏
しいことが解る。頂部の左側及び右側では、結晶
構造がｚ軸から両方向に偏差していることが解
る。平均方位とｚ軸とのアラインメントが良好で
ないことが解る。第２図にはシードからエピタキ
シヤルに凝固したニツケル合金スラブ物品２６の
形状が、シード２８及び移行セクシヨン３０を付
けた物品キヤビテイの状態で示されている。
［001］結晶軸方向のエピタキシヤル結晶成長がシ
ード２８で開始され、ｚ軸に沿つて垂直に上方に
進められ、線Ｂ−Ｂと一致する平面に到達するま
で移行セクシヨン３０の中で横方向に広がり、次
いでバー２６のボデイを通つて上方に進められ続
けた。結晶方位がバーの中の線Ｌ−Ｌ、Ｚ−Ｚ及
びＲ−Ｒにより表されている三つの横方向位置に
対してＰ−Ｐに於けるデータ基準平面からの種々
の距離Ｄで測定された。線Ｌ−Ｌと線Ｒ−Ｒとの
間の距離は約3.8cm、またデータ基準平面Ｐ−Ｐ
の上側のバーの長さは10cm余りであつた。 第３図及び第４図には、第２図に示されている
ｘまたはｙ軸との完全なアラインメントからのず
れ角度としての平均結晶方位が示されている。第
３図に示されているように、Ｚ位置では、［001］
結晶方位はバーに沿つてその全長に互りｚ軸と実
質的に一致している。しかし、Ｌ及びＲ位置で
は、［001］結晶軸の平均方位とｘ軸との間には平
行関係からのずれが見られる。同様に、第４図に
は、ｙ軸方向に［001］結晶軸のずれが示されて
いる。しかし、この場合、Ｌ位置に於けるずれは
Ｒ位置に於けるずれよりも大きく、またＺ位置に
於ても若干のずれが存在する。漸進的なずれに関
する追加的なデータは前記米国特許出願第333600
号明細書に示されている。 鋳物の長手方向に沿つて観察される結晶構造の
偏差の増大の基礎となる正確な物理的原因は完全
に理解されていない。鋳物を通つて運動する凝固
界面は一般に非閉面状であり、このことが結晶構
造に或る影響を与えることは確かである。恐ら
く、鋳物の長手方向に沿つて凝固界面の形状及び
速度に小さな変化が存在する。更に、熱勾配が物
品のｚ軸と正確には一致していないことも考えら
れる。 第５図には、他の構造バー物品３２がその凝固
後の状態で、またシード３６及びゲーテイング３
８がまだ付いたままの状態で、部分的に切欠かれ
て図示されているセラミツク鋳型３４と共に示さ
れている。物品３２の最上端には、凝固界面が鋳
型の物品部分から出て鋳型のゲーテイング部分へ
向つて進む時に成形された第二シード４０が付い
ている。第二シード４０はその後の鋳造に使用す
る目的で、参照符号４２，４２′を付されている
平面に沿い切断することにより物品及びゲーテイ
ングから分離される。最初に用いられたシード３
６は鋳造過程で生じた外来結晶粒を伴つている可
能性があるので、それを再使用することは望まし
くない。このことについては本願と同日日付で出
願された前記米国特許出願第 号明細書を参
照されたい。第一シード３６が保持される鋳型の
スタータセクシヨン４４のすぐ上側には鋳型のセ
レクタセクシヨン４６が設けられている。これは
第一シード３６の上側に同心に位置する円筒状通
路である。 第６図には円筒状セレクタセクシヨンの機能が
一層詳細に示されている。第一シード３６は冷し
金４８の上に乗つており、それにより冷却され
る。鋳造前にシードは垂直ｚ軸に沿つて破線５０
により示されている面までの長さを有していた。
方向性凝固界過程で、鋳型の温度が高められ、過
熱温度の溶融金属が鋳型の中に注入される。それ
によりシードは溶融して、破線５２により示され
ている面まで下がる。その後、溶融金属はシード
の溶解していない部分からエピタキシヤルに凝固
して物品３２を形成する。しかし、この過程で特
にシードの周縁の周りの点及び鋳型のスタータセ
クシヨン４４のセラミツク壁に新しい結晶粒の核
生成が生じ易い。図面には、このような異常結晶
成長が領域５４，５６により示されている。シー
ドの中心部分に乗つている溶融金属がエピタキシ
ヤルに凝固する時、外来核生成による結晶粒が局
部的なエピタキシヤル結晶５４，５６を生ずる。
図面から解るように、円筒状通路５８のほぼすぐ
下側のシードの中心部分と一致する結晶構造を生
ぜしめる凝固フロントのみが、ｚ軸に沿つての凝
固フロントの運動の際、物品キヤビテイ３２の中
に入ることを許される。物品３２内に得られる結
晶構造は、移行セクシヨン３７の出口であり且物
品の底部である線Ｂにより示されている平面に於
ける結晶成長の品質を測定することによりほぼ確
認可能である。 実験では、結晶構造は第５図中に線Ａ、Ｂ及び
Ｃにより示されている平面位置で測定された。第
７図は、円筒状セレクタセクシヨンの代わりに本
発明により螺旋状セレクタセクシヨン６０が用い
られている場合についての第５図に相当する図で
あり、螺旋状セレクタセクシヨン６０以外の部分
には、第５図中の参照符号に添字ａを添えた参照
符号が示されている。 第１表には、比較的大量のデータを要約した形
態で、本発明の有用性を示すデータが示されてい
る。第１表のデータは、第５図または第７図の構
造の鋳型で直径約1.2cmのシードを用いて鋳造さ
れた直径約2.5cm及び長さ約10〜12cmのバーで得
られたデータである。欄Ｅ及びＧ内のデータは実
際に測定されたデータであり、他方欄Ｆ及びＨ内
のデータは計算されたデータ、但し実際の経験と
一致するデータである。ｚ軸に対してｘ及びｙ方
向に測定された［001］結晶方位が幾何学的に組
合され且ノーマライズされている。各データは位
置Ａ、ＢまたはＣに於ける特定平面と一致する平
均方位を示しており、また“±”の後の数字は結
晶構造がその平面を横切つて有する平均方位から
の偏差を示している。欄Ｅは第５図に示されてい
る構造の鋳型で鋳造された鋳物で観察された結晶
方位を示している。平面Ｂに於ける結晶構造はシ
ードに比べて減ぜられた偏差を有することが解
る。この結果は、シードが全平面５２を横切つて
有する結晶方位偏差を物品キヤビテイの底部の中
へ伝播させないようにセレクタセクシヨンが作用
することにより得られている。狭隘部分がシード
中心からの偏差の狭い範囲のみの伝播を許してい
る。欄Ｅは、平面Ｃ（物品の頂部）では平面Ａ若
しくはＢに比べて平均方位のずれ及び偏差の双方
が大きいことを示している。欄Ｆには、欄Ｅにデ
ータを示されている鋳造の際に製造された第二シ
ード４０を用いて鋳造された鋳物に於ける結晶方
位が示されている。第二シードは本質的に平面Ｃ
に於ける結晶構造を有し、そのミスアラインメン
トは2.6゜である。第５図の鋳型が用いられる時、
平面Ｂに於ける偏差は同様に減ぜられている。し
かし、勿論、平均方位の2.6゜のミスアラインメン
トは変化していない。平面Ｃに於てはミスアライ
ンメントは5゜の範囲に増大しており、また偏差も
増大している。データは示されていないが、もし
欄Ｆの鋳物の鋳造の際に製造された第二シードを
用いて更に鋳造を行えば、平均方位のミスアライ
ンメントは更に大きくなるであろう。こうしてミ
スアラインメントが塁増する。従つて、従来の方
法が第一シードからの物品の鋳造と同時に第二シ
ードを製造するのに適していない理由が理解され
る。そのため、物品とは別にシードを製造する
か、望ましくはないけれども第一シードを再使用
するかの何れかが必要となる。 第１表中の欄Ｇには、本発明に従つて第７図の
構造の鋳型を用いて鋳造された鋳物のデータが示
されている。シードは欄Ｅの鋳物の鋳造に用いら
れたシードと同一の初期結晶方位及び偏差を有す
る。しかし、平面Ｂ即ち物品の底部に於ける鋳物
の品質は遥かに改善されていることが解る。一次
方位は0゜から変化していないが、偏差は±3゜から
約±0.8゜に減ぜられている。平面Ｃでは、1.3゜の
ミスアラインメントが一次方位に生じており、偏
差も±1゜に増大している。それにも拘らず、この
結果は円筒状セレクタセクシヨンを用いた時の偏
差が±3.5゜であるのに比較して非常に良好であ
る。また、一次方位のミスアラインメントも2.6゜
に比較して1.3゜に減ぜられている。従つて、欄Ｆ
の鋳物から分離された第二シードをその後の鋳造
に有利に用いることができる。 この第二シードを用いて鋳造された鋳物のデー
タが欄Ｈに示されている。同様に、平面Ｂに於け
る偏差は減ぜられており、他方平均方位は変化し
ていない。平面Ｃでは平均方位も偏差も共に大き
くなつている。しかし、この結果は欄Ｇに示され
ている結果と比較して顕著に良好である。 経験によれば、順次に第二シードを用いる鋳造
を続けると結晶品質は低下する。従つて、本発明
による場合にも、“第二シード”は或る回数しか
良好に製造され得ない。この制限回数は、結晶方
位の許容限度に従つて、実験により定めることが
できる。 本発明のキーポイントは、結晶方位の偏差を実
質的に減少するように螺旋状通路として機能する
セレクタセクシヨンを含む鋳型を用いることであ
る。柱状晶の成長を単結晶の成長に変換するのに
螺旋状通路が有効であることは先に知られてい
る。これについては本願と譲受人を同じくする前
記米国特許第3625275号、第3690368号及び第
3627015号明細書に記載されており、これらの開
示内容を参照によりここに組入れたものとする。
“ジグザグ”坂道状の構造が用いられている。こ
れについては米国特許第3536121号明細書を参照
されたい。一般に、これらの公知の構造がシード
と共に本発明に於て用いられ得る。本発明に於け
る好ましい螺旋形状は、円形横断面を有し長手方
向ｚ軸の周りに少くとも１ターンの回転をしてい
るものである。本質的に、螺旋状通路は曲つた管
である。ニツケル超合金の鋳造の際の経験から、
螺旋状通路に対して最適な形態が存在することが
見出された。第８図には、スタータキヤビテイ６
４を移行セクシヨン６６及びそのぐ上側の物品セ
クシヨンと接続する螺旋状通路６２が一層詳細に
示されている。好ましくは、通路直径Ｋは約５mm
であり、また螺旋半径Ｓは約６mmである（第８図
に図示されている寸法とは若干異る）。螺旋は、
螺旋状通路の長さに沿う有効熱勾配を余りに低く
する可能性のある外来核生成を避けるため、凝固
フロントのｚ軸方向の運動を維持するのに十分な
ピツチを有するべきである。好ましくは、ピツチ
Ｐ（ねじピツチと同一の仕方で計られたピツチ）
は約２cmであり、また螺旋は約１〜1.5ターンを
含んでいる。後記のように、ターンをもつと少く
することも許容され、一般に実際的な最小ターン
は約0.8ターンであると考えられる。もつとター
ンの多い螺旋、例えば２ターンの螺旋も用いられ
得る。しかし、ターンを多くすれば螺旋の全長も
長くなり、このときは鋳型全体の高さを増す点で
不利である。 第９図は、第８図に示されている螺旋状通路の
中心線Ｑをｚ軸に対して垂直なｘ−ｙ平面に投影
した図である。第８図に示されている螺旋状通路
に対しては、ｘ−ｙ平面への投影の接線は約450゜
回転しており、約1.25ターンであることを表して
いる。換言すれば、接線方向が連続的に変針して
いる。 本発明の目的を達成するため、螺旋状通路と同
様に機能する他のセレクタセクシヨン形状も用い
られ得る。本質的に、物品の横方向寸法に比較し
て狭い横断面を有する通路が好ましい、セレクタ
セクシヨン通路の主要な必要条件は、スタータキ
ヤビテイと物品キヤビテイとの間で直接的なｚま
たは他の軸方向の成長が存在しないことである。
本発明で有効に用いられるセレクタセクシヨンは
凝固界面を横方向に転じさせなければならない。
これはｚ軸の周りに回転運動させることにより実
現されるのが好ましい。 螺旋は本発明の最も好ましい実施態様である。
勿論、螺旋は短い一連の直線通路を繋ぐことによ
り置換えられ得る。しかし、その場合には角及び
鋭い転向箇所に外来核生成を生じ易いので、連続
的な螺旋曲線の方が好ましい。螺旋の機能、一般
的モード及び本発明の制限についての理解を助け
るため、簡単化された直線通路セレクタセクシヨ
ンが第１０図乃至第１４図に示されている。第１
０図乃至第１２図には、スタータキヤビテイ７０
を移行セクシヨン７２と接続する通路６８が示さ
れてる。セレクタセクシヨン通路６８は二つの直
線部分７４，７６からなつている。通路部分７４
はｚ軸に対してその下端から横方向にずれた上端
を有する。同様に、通路部分７６もその下端から
横方向にずれた上端を有する。部分７４を通る凝
固界面または凝固フロントの運動はシンボル７８
により表されており、その矢印は平均運動と一致
しておりまた短い線は部分７４を通過中に現れる
凝固界面を表している。一般に、凝固界面は等温
線と一致しており、またｘ−ｙ平面に対して平行
である。（通路の各部分に於ける熱勾配は本発明
の説明範囲からは外れる種々の因子による乱され
得る。従つて、ここに示されている凝固界面の空
間的位置は、実質的に正確と考えられる仮定に基
くものである。）凝固界面は部分７４の上端に到
達してから部分７６に入る際に、第１１図及び第
１２図から明らかなように、運動方向を90゜転じ
なければならない。通路の二つの部分７４，７６
の機能は以下のように理解され得る。第１０図に
示されているように、ｘ軸に沿つて右方への部分
７４の延長は、通路入口８０で開始するエピタキ
シヤル成長の右側からのみ結晶構造が部分７４の
中に伝播され得ることを意味する。同様に、第１
１図に示されているように、部分７４の左側に於
ける部分７６の入口８２の位置は、部分７４の左
側にある結晶構造のみが部分７６の中へ伝播され
得ることを意味する。こうしてエピタキシヤル結
晶成長フロントの比較的小さなサンプルが選択さ
れることにより、結晶方位の偏差が減ぜられる。
螺旋状通路は同一の目的を、不連続点に於てでは
なく、連続的な方向変換により達成する。 第１３図及び第１４図には、本発明の一般的モ
ードを説明する目的で、他の通路構造が示されて
いる。この通路構造は特に実際的なものではない
が、本発明の範囲を説明するのに役立つものであ
る。第１４図は第１２図に類似の図である。通路
の第一の部分８４は上記の部分７４に類似してお
り、ｘ軸に沿つて下端入口８８から距離Ｔだけず
れた上端出口８６を有する。通路の第二の部分９
０はｘ軸に対して角度αで部分８４に接続してい
る。部分９０への入口９２は部分８４の側で接続
している。部分９０の出口９４はｚ軸に沿い垂直
方向にずれておりまた入口から距離Ｕだけｕ軸に
沿い横方向にずれている。部分８４，９０からな
る通路内で、入口８８と出口９４との間が直線状
には結ばれてはいない。このことが本発明にとつ
て必要な条件である。角度αは種々に選択されて
良く、その際に角度αが小さい場合には部分９０
の長さを大きくする必要があることは理解されよ
う。（勿論、部分９０はｘ−ｙ平面に対して両方
にも傾けられており、結晶成長の制御に有効なの
は角度αではなくｘ−ｙ平面内に投影された部分
９０の角度である。しかし、図面を簡単にするた
め、このことは図示されていない。） 従つて、一般化すれば、セレクタセクシヨン通
路はｙ軸に沿つている端部を有する第一の部分と
ｙ軸に沿つている端部を有する第二の部分とを有
していなければならない。組合された部分の入口
と出口との間は直線状に結ばれていてはならな
い。本質的に、通路の形状は、ｚ軸に沿つて運動
を開始する凝固界面に、物品キヤビテイへの到達
以前に、ｚ軸に対して横方向の第一のｘ軸方向へ
の運動を行わせ、その後にｘ−ｙ平面内で計つて
第一の方向に対して少くとも90゜の成分を有する
第二の方向に運動を行わせるように選定されてい
なければならない。換言すれば、通路形状のｘ−
ｙ平面への投影は、凝固界面がセレクタセクシヨ
ンを通つて運動するにつれて速度ベクトルが少く
とも90゜回転するように選定されていなければな
らない。実際には、速度ベクトルの投影が更に
90゜回転し、合計して出口に於ける速度ベクトル
の投影が入口に於ける速度ベクトルの投影に対し
て少くとも180゜回転していることが最も望まし
い。前記のように１〜1.5ターンの螺旋状通路及
び他の通路に対して、回転が360〜540゜の範囲内
にあることは一層好ましい。回転の角度を大きく
すれば、通路の入口と出口との間の非直線状連結
が確実に行われ、従つて結晶構造の改善が確実に
行われる。 以上の説明及び図面中の種々の箇所で、物品セ
クシヨンの下側に移行セクシヨンが設けられてい
るものとされてきた。本発明の対象となる実際上
全ての物品では、通路の開口が物品の横断面より
も小さいので、移行セクシヨンを設けることが必
要とされる。しかし、物品そのものが移行セクシ
ヨンを有する形状である場合もある。移行セクシ
ヨンは、本発明の意味に於て、結晶構造に有利な
影響を与えない。移行セクシヨン内では、垂直及
び横方向の結晶成長により結晶構造が僅かに悪化
することが観察されている。従つて、通路または
セレクタセクシヨンと移行セクシヨンとの関係に
ついて延べたことは通路またはセレクタセクシヨ
ンと物品セクシヨンとの関係についても同様に当
てはまる。従つて、特許請求の範囲では、移行セ
クシヨンの存在は要件とされていない。 螺旋状通路を用いる本発明の最も望ましい実施
態様では、第８図に示されているようにスタータ
キヤビテイと実際の螺旋状通路との間に直線セク
シヨン９６が設けられるべきである。それによ
り、スタータキヤビテイの頂部に於ける開口の横
方向寸法が減ぜられ、従つてシードから出発する
エピタキシヤル凝固フロントの小さな部分の選択
が一層良好に行われ得る。また、セレクタセクシ
ヨンの頂部即ち螺旋状通路と物品キヤビテイとの
間にも直線セクシヨン９８を追加することが望ま
しく且実際的であることが見出されている。勿
論、これまでに述べたセレクタセクシヨンの機能
が見られる限り、螺旋状通路またはそれに類似の
通路と組合せて種々の形状の部分を含むセレクタ
セクシヨン通路が用いられ得る。 以上には、単結晶物品の鋳造に用いるシードは
単結晶であるものとして説明してきた。このこと
は確かに好ましいが、完全には単結晶でないシー
ドも本発明に於て使用され得る。通路内へのエピ
タキシヤル凝固が開始される上面に於て所望の結
晶構造を有していることのみがシードの必要条件
である。セレクタセクシヨン通路に入るエピタキ
シヤル成長と境を接しないシードの部分に完全な
単結晶構造でない部分が存在することは許され得
る。 本発明の最良の用途の一つは、前記のように、
第二シードを製造することにある。第二シードを
物品キヤビテイの頂部に位置させることは、鋳型
の幅を減じ炉の容量を増すことができる点で好ま
しい。しかし、他の実施態様では、シードが物品
セクシヨンに対して鋳型内の種々の位置で製造さ
れ得る。その場合、第二シードから出発する結晶
成長を受入れる第二シードキヤビテイが設けられ
る。 本発明をその好ましい実施態様について図示し
説明してきたが、本発明の範囲内でその形態及び
細部に種々の変更が行われ得ることか当業者によ
り理解されよう。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳造されたニツケル超合金バーのエツ
チング処理されたミクロ組織を示す写真である。
第２図はシードを用いて方向性凝固により鋳造さ
れたバーを、物品とシードとの間に移行セクシヨ
ンがまだ付いている状態で示す図である。第３図
及び第４図は第２図に示されているバーの長さに
沿う結晶方位の変化を示す図である。第５図は凝
固フロントをシードから直線円筒状セレクタセク
シヨンを経て物品キヤビテイの中へ運動させるよ
うな構造の鋳型とそれにより鋳造された鋳物と
を、鋳型は部分的に切欠いて、示す図である。第
６図は第５図の下側部分の詳細図である。第７図
は第５図に相当し、但し本発明に従つてシードと
物品との間に螺旋状のセレクタセクシヨンが設け
られている場合を示す図である。第８図はシード
とそれから鋳型の螺旋状通路を通つて物品キヤビ
テイの底部へ成長した金属鋳物の一部分とを示す
図である。第９図は第８図に示されているｘ−ｙ
平面への螺旋状通路中心線Ｑの投影を示す図であ
る。第１０図乃至第１２図は接続された直線部分
が90゜の角度を有する通路に於て凝固界面速度ベ
クトルが回転する仕方を説明するためのセレクタ
セクシヨンの付近のシード及び金属鋳物を種々の
方向から見た図である。第１３乃至第１４図は第
８図乃至第１０図に相当し、但し通路のターンが
90゜よりも小さい場合についての図である。 ２０……鋳造されたロツド、２２……底部、２
４……頂部、２６……鋳造されたバー、２８……
シード、３０……移行セクシヨン、３２……鋳造
されたバー、３４……鋳型、３６……シード、３
８……ゲーテイング、４０……第二シード、４
２，４２′……切断平面、４４……スタータセク
シヨン、４６……セレクタセクシヨン、４８……
冷し金、５８……円筒状通路、６０……螺旋状セ
レクタセクシヨン、６２……螺旋状通路、６４…
…スタータキヤビテイ、６６……移行セクシヨ
ン、６８……セレクタセクシヨン通路、７９……
スタータキヤビテイ、７２……移行セクシヨン、
７４，７６……直線部分、９６，９８……直線部
分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シード結晶を保持するためのスタータセクシ
   ヨンと物品を成形するための物品セクシヨンとを
   有する鋳型を用い、前記スタータセクシヨン内に
   シード結晶を入れ、前記鋳型内に溶融金属を注入
   し、前記溶融金属の凝固界面が前記シード結晶よ
   り出発し前記物品セクシヨンの中心軸線に沿つて
   進行するエピタキシヤル結晶成長により単結晶物
   品を鋳造する方法にして、前記凝固界面が前記ス
   タータセクシヨンより前記物品セクシヨンへ移動
   する間に前記凝固界面の移動の速度ベクトルを前
   記中心軸線に垂直な平面への該速度ベクトルの投
   影で見て少くとも90゜回転させることを特徴とす
   る方法。 ２ シード結晶を保持するためのスタータセクシ
   ヨンと物品を成形するための物品セクシヨンとを
   有する鋳型を含み、前記スタータセクシヨン内に
   シード結晶を入れられ、前記鋳型内に溶融金属を
   注入され、前記溶融金属の凝固界面が前記シード
   結晶より出発し前記物品セクシヨンの中心軸線に
   沿つて進行するエピタキシヤル結晶成長により単
   結晶物品を鋳造するための装置にして、前記スタ
   ータセクシヨンに開口する一端より前記物品セク
   シヨンに開口する他端まで延在し、その延在の経
   路に沿うベクトルを前記軸線に垂直な平面に投影
   したとき、該ベクトルの接線方向成分が前記平面
   内にて少くとも90゜回転する如きセレクタセクシ
   ヨンを有することを特徴とする装置。