JPH0437040B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、単結晶のように所定の結晶配向を有
する物品の製造に利用する方法及び装置に関する
ものである。

従来の技術 タービンブレード及び羽根等の一方向に凝固さ
れた物品を注入成形するための種々の技術が知ら
れている。単結晶の場合、一般的な方法は、型の
底部に、多数の柱状結晶粒が形成される開始帯域
を使用する。「非線形」のあるいは横断方向に変
位した結晶選別機（例えば、螺旋状の通路）は、
開始帯域を製品キヤビイテイに連結し、この選別
機は、柱状結晶粒のみが製品キヤビイテイ内に成
長することを保証する。単結晶注型品は、製品キ
ヤビイテイの底部に垂直な「細長い突起」（即ち、
直線状あるいは非横断的に変位した「ネツク」
（“neck”））を有する型を使用するか、あるいは
ブリツジマン（Bridgman）の米国特許第
1793672号に記載されているように種晶を使用し
て製造することもできる。

伝統的な一方向に凝固された（柱状結晶化多結
晶）物品が所望される時には、チヤンドリー
（Chandley）の米国特許第3248764号、フアース
ナイダー（Ver Snyder）の米国特許第3206505
号、及びピアラシー（Pieracey）の米国特許第
3494709号に記載されているように、開始帯域は
製品キヤビイテイに直接連絡している（結晶選別
機あるいは種晶は存在しない）。

多結晶あるいは単結晶のいずれかの型式の一方
向性凝固物品は、冷却板上に支持された型内で注
入成形することができる。凝固中の温度勾配は、
型の周囲の１個以上の加熱コイルに入力される電
圧を選択的に制御することによつて一部達成され
る。このコイルは、型の垂直軸線に沿つて軸方向
に一定の間隔で配置され、型は、冷却板の位置に
ある型の底部以外の型内で核形成が起きないよう
に合金の注入温度より高い温度に加熱される。注
入成形操作中に入力される熱及びその他のパラメ
ーターの制御によつて、実質的に一方向の温度勾
配が維持され、凝固は、柱状単結晶あるいは柱状
多結晶が型内部で軸線方向に徐々に成長して起こ
る。この型式の手順についての議論は、フイツプ
スら（Phipps、etal）の特許第3712368号及びテ
イングキストら（Tingguist、etal）の特許第
3841384号で知ることができる。

第１図と第２図とは、典型的な従来技術の原型
と型構造を図示する。第１図に示された原型１０
は、ワツクス、プラスチツク、あるいはその他の
適当な材料で形成され、タービンブレードの製造
に利用することができる。この原型は、型内に金
属供給通路を形成するのに典型的に装備されてい
る頂部の延長部１２を有する。原型の底部のもう
１個の延長部１４は、型が形成された後、最終的
には原型材料の除去に使用される型内の通路を形
成するために設けられている。ルート部分１５が
原型の一端に形成され、囲い板部分１７が他端に
形成されている。

第２図は、従来の手段によつて形成され得る型
１６を示す。例えば、原型１０をセラミツクスラ
リーに繰り返し浸漬して、原型の周囲にセラミツ
ク層を形成することによつて製造することができ
る。焼成すると、金属供給通路１８と、下部通路
２０と、中間の物品形成キヤビイテイ２２とを有
する型が得られる。通路２０は、原型材料、例え
ば、流動状態にして、型から流出させ得るワツク
スあるいはその他の物質からなる原型材料の除去
を可能とする手段として特に有用である。

図示の型式の型が単結晶あるいはその他の一方
向に配向した注型品の形成に使用される場合、型
を冷却板２４上に固定することができる。この集
成体は、サセプター２６によつて取り囲むことが
でき、誘導加熱コイル２８も装備されている。従
来の仕方では、型内部での凝固は、冷却板を通す
かあるいは対流か放射のような他の手段によつて
熱を放出し、コイルによる熱入力を調節すること
によつて制御される。注型品は、底部から頂部に
向けて、好ましくは放冷によるか周知の「パワー
ダウン」技術を使用して、一方向に凝固される。

発明が解決しようとする問題点 不規則な設計の物品を注入成形する場合、凝固
が起こる時、開口部、小キヤビイテイ等が溶融金
属で十分に満たされていないと、問題が生ずる。
冷却すると、収縮空隙が生じ、その結果、強度低
下部分が生じ、注型品は不合格となる。タービン
ブレード、羽根等の場合、エアフオイル断面は、
ルート、囲い板、「エンジエル ウイング」
（“angel wing”）部分で仕切られていて、これら
の部分は、収縮空隙が存在し得る範囲に特有の注
入成形領域である。

比較的複雑な形状を有するタービンブレードと
いつた部品を製造する際、一方向に凝固された柱
状結晶化あるいは単結晶の注型品を製造しようと
すれば、収縮空隙を生じ得ることが特に判明して
いる。更に、このような注型品のルート及び囲い
板部分の末端は、収縮欠陥を極めて頻繁に生じや
すい。これらの欠陥は、高性能用途のために設計
される部品については許容されず、このような注
型品は、不合格品とされる。

問題点を解決するための手段 本発明は一方向に凝固された注型品における収
縮欠陥の発生を回避するための方法及び装置に関
する。本発明は、特に、垂直線に関して5゜と75゜
との間で傾斜した中心軸線を有する成形キヤビテ
イを１個以上含む型を設けることを含んでいる。

型は、冷却板上か、あるいは型の内部を通して
所望の温度勾配を維持するのに適した他の何らか
の冷却手段とともに、記載された位置に配置され
ている。熔融装填材料を導入すると、凝固は、開
始帯域内の冷却板において、あるいは型の底部の
種晶からエピタキシヤルに始まり、凝固の前端
は、冷却板に実質的に直角な「垂直」方向（熱放
出方向に平行）に進行し、実質的に「水平」、即
ち冷却板に平行（熱放出方向に直角）な固液等温
度によつて特徴づけられる。傾斜させた成形キヤ
ビイテイと水平な凝固前端との組み合わせによ
り、タービンブレードの囲い板領域におけるよう
な複雑な注入成形領域内で金属の逐次凝固が制御
され、液状の金属は、凝固による体積変化と、そ
の結果生じ易い空隙の生成とを、実質的に常に補
償するのに利用することができる。このように、
注入成形の凝固前端上に存在する溶融金属の頂部
は、本来ならば空隙が発生する隣接領域内に溶融
装填材料を供給することになる。

本発明は、複雑な注入成形の領域の外部先端上
に延長部を設けることを意図している。これらの
外部先端は、型が上述のように傾けられている
時、凝固される最終領域となる。これらの延長部
は、適当な溶融装填材料が凝固過程中で潜在的空
隙領域を満たすのに使用できることを保証するた
めに設けられる。空隙が形成されやすい範囲ま
で、これらの空隙はそれだけ一層複雑な注入成形
領域の延長部内に形成されるのが好ましく、前記
延長部は、注型物品の保全された状態を損うこと
なく除去することができる。

実施例 第３図は、成形キヤビイテイ３４に連通する成
形通路３２に単結晶３０が配置されている本発明
の一実施態様を示す。成形キヤビイテイは、囲い
板部分３８、ルート部分３６、及び金属供給通路
４０からなる。

図示のように、成形キヤビイテイの軸線４２は
垂直に配置されたサセプター４６の表面４４に関
してある角度で傾斜している。本発明の実施にお
いて、この角度は、垂直線に関して約5゜と約75゜
との間で変化させることができ、好ましくは約
30゜である。

前記型式の系を操作すると、凝固は、型の底部
で通常の仕方で始まる。更に、冷却板４８と外周
コイル５０とによつて生ずる温度勾配は、成形キ
ヤビイテイに関して徐々に上方に移動する実質的
に水平な凝固前端（固液等温部）を維持する。

第３図に出ている線５２に関して、この配置で
は、溶融金属が、小部分５４を除いて、ルート部
分３６の領域に供給できることは認識できよう。
線５２の上方へ凝固前端が移動することによつて
のみこの領域５４が閉塞されて、収縮空隙を満た
すための溶融金属の供給を妨げるであろう。

図示のように、ルート部分５４は、ルート領域
全体のごく小部分のみを構成する。更に、この部
分を延長部により設計して、収縮空隙がこの延長
部内で優先的に起こさせることができる。型を除
去した後、延長部は、囲い板領域全体に渡つて高
度に保全された状態を有する注入成形材料を残し
て切り離すことができる。

同様にして、凝固前端が上方に移動すると、囲
い板領域３８の殆んど全部分に溶融金属が適切に
供給される。囲い板の、例えば５６で示した部分
が「難供給」（hard−to feed）部分からなり得る
程度まで注型品の外部囲いを、最終囲い板に必要
な寸法以上に延長させることができる。そこで、
収縮空隙は注型品のこの部分に閉じ込められ、こ
れらの付加的素材部分は仕上げ操作の一部として
機械加工されて除かれる。

本明細書に記載したタービンブレードの形状は
本発明の概念に従つて注入成形され得る部品の例
示を目的とするものであつて、これに限定するも
のではないことは認識されるだろう。これらに
は、その他に、羽根、羽根セグメント、一体部
品、シール、及び構造部品のようなガスタービン
エンジン部品と、少なくともある部分が単結晶注
型品である機械加工された集成装置も含まれる。
更に、形状を変化させることができる。例えば、
ルートを図示の下方部分ではなく上方部分に配置
させ、あるいは囲い板部分を両端に形成すること
ができる。加えて、一方向に凝固に適し、且つ収
縮空隙の形成が可能な部分を含む他の多くの形状
物がその他の熱エンジン部品、原子炉部品、医用
補綴品、宇宙用及びミサイル用部品を含めて、本
発明の概念に従つて注入成形できる。

第４図に示した本発明の別の態様は、成形キヤ
ビイテイ６２の軸線が垂直線に対してある角度で
存在し、且つ冷却板６４に関して傾斜している型
６０を有する。種受台６６と種６８とは、それら
の軸線が1982年８月５日に提出されたミラー
（Miller）らの米国特許出願第405558号に記載さ
れているように、成形キヤビイテイ６２の軸線と
平行となつて配向されている。

その出願で述べられているように、図示の配置
は、種受台内の種晶の使用に伴なう利点を維持し
ながら、一方向の凝固注型品の健全性を改良する
のに有用である。更に詳細には、正常の状況下
で、部品の「長手方向」（“longitudinal”）軸線
は、冷却板（あるいは他の冷却手段）に実質的に
垂直であり、従つて熱放出方向に平行である。例
えば、〈001〉種を使用する面心立方金属凝固の場
合には、生ずる〈001〉結晶は、部品の長手方向
軸線と平行に成長する。

本発明の場合には、成形キヤビイテイ、受台、
及び種の長手方向軸線は、冷却板に関して90゜以
外の角度をなす。既に説明したように、例えば、
約15゜（垂線から）の選定された傾斜角度は、凝固
中に「供給金属」が接近できるようにすることに
よつて、特に「隅」（“corners”）あるいは本来な
らば「不感」（“blind”）の水平面において、注型
品の健全性を改良することができる。特に、図示
の種と受台との配置を使用する場合、受台の配向
は「傾斜の付いた」物品の長手方向軸線と平行で
ある必要はなく、及び／又は物品キヤビイテイの
傾斜を「補償する」ためにわずかに配向の異なる
種晶を選定することが望ましい。

第３図あるいは第４図に示された型式の型を用
いる凝固中に、前記の利点を達成するために、
（垂像からの）角度は、約10゜と約40゜との間が好
ましい。

しかしながら、物品の結晶配向を種の結晶配向
と異なるようにするために、例えば、約5゜から約
75゜（垂直線に対し）までの選定された傾斜角度の
使用も意図されている。例えば、〈001〉種（適当
な第２配向を有する）を含む受台を使用して、冷
却板に関して約54.7゜だけ成形キヤビイテイを傾
けることによつて〈111〉配向（物品の長手方向
軸線に関して）を示す物品を製造することができ
る。

本発明の目的には、前述の同時系属出願に記載
された種々の受台が全て、本発明の特徴に関連し
て使用できることは理解されよう。更に、垂直タ
ツプ、「ピグテール・コイル」および一方向の粒
子の成長を開始するための他の公知の手段を含め
て種々の他の形式が使用できる。

特許請求の範囲を考慮すると、図面に写した種
晶と型との特定な関係からの種々の変更が可能で
あることも理解されよう。例えば、本発明の意図
している状況下では、成形キヤビイテイは冷却板
に垂直な軸に関して5゜と75゜との間でのある第１
角度に傾斜し、種キヤビイテイ、（あるいは受
台）、垂直タツプあるいは「ピグテール・コイル」
の各線は冷却板に垂直に軸に関して5゜と75゜との
間でのある第２角度に傾斜している。従つてこの
両角度は必ずしも等しくない。更に、第２角度
は、0゜と5゜との間で、且つなお第３図の実施態様
の範囲内にあるどの角度であつてもよい。

特許請求の範囲に規定されている精神に反する
ことなく、前記の系において本発明の特徴を与え
る種々の変化及び変更ができることは理解される
であろう。

以上を要約すると、本発明は、単結晶のように
所定の結晶配向を有する物品の製造に利用する方
法及び装置に関するものである。本技術は、冷却
板上に設けたセラミツク型を利用するものであ
り、このセラミツク型は垂直線に関して約5゜と
75゜との間の角度に傾斜したキヤビイテイを画定
している。１個以上の結晶が冷却板に隣接して保
持され、種晶の配向は生じた注型品に所望の配向
を与えるように選定される。本方法により、特に
収縮に起因する欠陥の回避に関して、凝固制度が
改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービンブレイドの注入成形に使用さ
れる型の製造に典型的に使用される型式の原型の
立面図、第２図は第１図に示した型式の原型を使
用して製造されたセラミツク型の垂直断面図であ
り、型内での凝固を制御するためのサセプターと
誘導コイルをも図示し、第３図は冷却板とサセプ
ターとの断片とともにセラミツク型の垂直断面図
であり、すべて本発明に従つて変更されており、
第４図は本発明のセラミツク型の変形例の垂直断
面図である。 なお図面に用いられた符号において、３０……
単結晶、３２……成形通路、３４……成形キヤビ
イテイ、３６……ルート部、３８……囲い板部
分、４０……金属供給通路、４４……サセプター
表面、４６……サセプター、４８……冷却板、５
０……外周コイルである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中心軸線を定めかつ、実質的に一方向の結晶
   配向を有する物品の製造方法であつて、前記物品
   の中心軸線と一致する軸線を有し、かつ成形キヤ
   ビイテイの軸線を横断する横断平面部分を定める
   成形キヤビイテイを少なくとも１個含む型を準備
   すること、熔融装填材料を前記型に導入するこ
   と、および成形キヤビイテイの下端部で熔融装填
   材料の凝固が始まり、凝固前端に沿つて上方に向
   かつて進行するように温度勾配を維持するための
   手段を準備することを含んでなる方法において、
   前記成形キヤビイテイの前記軸線を垂直線に関し
   て約５〜75度の角度で傾斜させて前記成形キヤビ
   イテイを配置し、凝固の間は熔融装填材料の凝固
   前端を実質的に水平に維持することにより、前記
   成型キヤビイテイの前記横断平面部分が垂直線に
   対する成形キヤビイテイの軸線の角度に実質的に
   相当する前記凝固前端面に対する角度に位置させ
   られ、前記成形キヤビイテイが、成形キヤビイテ
   イの前記軸線と一致する線より上方に配置された
   成形キヤビイテイの一部に少なくとも１個のキヤ
   ビイテイ延長部を有し、物品の同一水平横断面内
   の他のすべての部分が凝固し終わるまで、前記延
   長部に供給された熔融装填材料を凝固させず、キ
   ヤビイテイ延長部内で凝固した部分の注型品は、
   型から注型品を分離した後に除去することを特徴
   とする方法。 ２ 中心軸線を定めかつ、実質的に一方向の結晶
   配向を有する物品の製造装置であつて、前記物品
   の中心軸線と一致する軸線を有し、かつ成形キヤ
   ビイテイの軸線を横断する横断平面部分を定める
   １個以上の成形キヤビイテイを含み、熔融装填材
   料を保持する型と、熔融装填材料の凝固がそれぞ
   れの成形キヤビイテイの下端部で始まり、凝固前
   端に沿つて上方に向かつて進行するように、型の
   長手方向に沿つて温度勾配を維持するための手段
   とを含む装置において、成形キヤビイテイの前記
   軸線が垂直線に関して約５〜75度の角度で傾斜し
   ていて、凝固の間は熔融装填材料の凝固前端が実
   質的に水平に保たれるように構成されていること
   により、前記成形キヤビイテイの前記横断平面部
   分が垂直線に対する成形キヤビイテイの軸線の角
   度に実質的に相当する前記凝固前端面に対する角
   度に位置させられ、前記成形キヤビイテイが、成
   形キヤビイテイの前記軸線と一致する線より上方
   に位置する型の一部に少なくとも１個のキヤビイ
   テイ延長部を有し、これによつて、製品の同一水
   平横断面内の他のすべての部分が凝固し終わるま
   で、前記延長部に供給された熔融装填材料が凝固
   せず、キヤビイテイ延長部内で凝固した部分の注
   型品は、型から注型品を分離した後に除去される
   ようにしたことを特徴とする装置。