JPS58181790A - 単結晶物品及びその鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
方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
された鋳型を通っ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＾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型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１，７９３，６７２号及び第４．０１５．６５７号
明細塵に示されているように、異常に小さく口局限され
た箇所を有する鋳型が用いられる。多数の結晶粒が１ｍ
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。従って、もし鋳型の直径が十分に
小さく且その長さが十分に大きければ、極く少数の結晶
粒または申−の結晶粒しか残存しないことになる。米国
特許第３．４９４゜７０９号及び第３．５３６．１２１
号明輪姦には、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
迅速なセレクショ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４，１１１．２５
２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２軸に沿っている時の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ｌ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
ニッケル超合金の場合には〈ＯＯｌ〉である）。

従って、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。鋳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ャル凝固が生
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３，７６３，９２６号及び第３゜８５７
．４３６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グまた
は螺旋状通路を設ける必要はないとされている。場合に
よっては、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
の米国特許出願筒２５０゜５２１号明輪姦には、エビ５
１１２ｖＡ／凝固なり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って流され、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ｒ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、非エピタキシャル
結晶成長の物品キャビティ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
べて実質的に劣っ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３３３．６ＯＯ月明細
Ｉ（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
沿っ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。従って、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１しくなる。この現象及
び（の重要性は最近の研究開発により認識されたちのぐ
ある。

通常、結晶構造の偏差は大きな横り内寸法を有する鋳物
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３３３．６００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Ｊ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、鋳造を終った鋳物からシード結晶を
取り除いて、次回の鋳造に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ＷＩＩＩ
シており、その回収は困難である。

従って、シード結晶は独立の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
クションを有する。セレクタセクションは、凝固界面ま
たは凝固フロントがセレクタセクションを通って２軸に
沿い運動するにつれて、ギの速度ベクトルをｘ−ｙ平面
内で少くとも９０″回転させるような形状にされている
。

セレクタセクションとして、速度ベクトルを約２９０〜
５４０°四転させるような約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ョ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、代部で±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。

従って、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。

セラミックシェル鋳型内で溶融金属を凝固させることに
よりニッ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４．１１６，７２３号及び第４，２０９．３
４８号明１ＩＩに開示されているような面心立方結晶ニ
ッケル超合金が溶融され、例えば主としてジルコンから
なる耐熱セラミックシェ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洩に保たれ、また冷たい
冷し金の土に置かれる。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３．４
９４．７０９号、第３，５４２，１２０号、第３．９１
５，７６１号及び第４，１９０，０９４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再溶
融は、本願と同一日付で出願された米国特許出願第　　
　　　　月明ｌＩＡ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するため、以前から、鋳型の
頂部にシード結晶の形状のキャビティを置き、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自分率として
定義されている。合格基準の一例として、米国特許第３
，４９４，７０９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ｌ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。−ｍ−良好なアライン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３３
３．６００号明細書には、鋳物内の結晶方位の偏差は成
る値以下に保たれな（ｊ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１１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って所望の結晶
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７軸と平行にするように
凝固界面をｌ軸に沿っ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のロッド
２０のミクロ組織を示す写真である。バーはそのｌ軸に
沿って切られ、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４＠
織は暗い色のマトリックス内の明るい色の樹枝状成長組
織である。結晶方位はラウェ法によりＸ線回折のように
原子平面の位置を確認する方法によってのみ直接的に測
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。ニッケル超合金の棒（米国特許第４．１１６．７
２３号明細書によるもの）では、樹枝状成長は［００１
’］結晶軸に沿って優先的に生じる。従って、結晶方位
は樹枝状成長の方位により示唆される。第１図から、凝
固が最初に生ずるバーの底部２２はｌ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２軸から両方向に偏差していることが解る。平
均方位とｌ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ャルに凝固したニ
ッケル合金スラブ物品２６の形状が、シード２８及び移
行セクション３０を付けた物品キャじティの状態で示さ
れている。［００１１結晶軸方向のエピタキシャル結晶
成長がシード２８で開始され、ｌ軸に沿って垂直に上方
に進められ、線Ｂ−８と一致する平面に到達するまで移
行セクション３０の中で横方向に広がり、次いでバー２
６のボディを通って１方に進められ続けた。結晶方位が
バーの中の線［−Ｌ　’ｔ　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りで測定された。線し
−Ｌと線Ｒ−Ｒとの閣の距離は約３．８ｃ＋ａ、またデ
ータ！準平面Ｐ−Ｐの上側のバーの長さは１０ｃ−余り
であった。

第３図及び第４図には、第２図に示されているＸまたは
ｌ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、２位置では、［００１］結晶方位はバーに沿って
その全長に亙り７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、ｌ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、し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２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６なデー
タは前記米国特許出願第３３３，６００号明細書に示さ
れている。

鋳物の長手方向に沿９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は理解されて
いない。鋳物を通って運動する凝固界面は一般に非平面
状であり、このことが結晶構造にｇゝる影響を与えるこ
とは確かである。恐らく、鋳物の長手方向に沿って凝固
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ｌ軸と正確には一致していないことも考え
られる。

第５図１は、他の鋳造バー物品３２がその凝固後の状態
で、またシード３６及びゲーティング３８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
ミック鋳型３４と共に示されている。物品３２の最上端
には、２凝固界面が鋳型の物品部分から出て鋳型のゲー
ティング部分へ向って進む時に成形された第二シード４
０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′を付されている型面
に沿い切断することにより物品及びゲーティングから分
離される。最初に用いられたシード３６は鋳造過程で生
じた外来結晶粒を伴っ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　　　　
　　輪姦細塵を参照されたい。第一シード３６が保持さ
れる鋳型のスタータセクション４４のすぐ上側には鋳型
のセレクタセクション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ョ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
っており、それにより冷却される。

鋳造前にシードは垂直ｌ軸に沿って破線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５
２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ャルに凝
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ョン４
４のセラミッ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っている溶融
金属がエピタキシャルに凝固する時、外来核生成による
結晶粒が局部的なエピタキシャル結晶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、ｌ軸に沿っての凝固フロントの運
動の際、物品キャビティ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、移行セクション３
７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
セレクタセクションの代わりに本発明により螺旋状セレ
クタセクション６０が用し為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ョン
６０以外の部分には、第５図中の参照符号に添字ａを添
えた参照符号が付されている。

第１表には、比較的大優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．
２０−のシードを用いて鋳造された直径約２．５０−及
び長さ約１０〜１２Ｃ１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−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。ｌ軸に対して×
及びｙ方向に測定された［００１１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−結晶構造がそ
の平面を横切っ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を横切っ
て有する結晶方位偏差を物品キャビティの底部の中へ伝
播させないようにセレクタセクショ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。−Ｆ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。−Ｆには
、−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ｌ
ｉ！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シこうしてミスア
ラインメントが累増する。

従って、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−Ｇには、本発明に従って第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−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。−次方位は０″から変化していないが、偏差は
±３１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ョンを用いた時の偏差が
±３８５６であるのに比較して非常に良好である。また
、−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。従って、−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−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太き、　　くなっている。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。従って、本発明による場合にも
、′第二シード′°は成る回数しか良好に製造され得な
い。この制限回数は、結晶方位の許容限変に従って、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づるセレクタセクシ
ョ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３．・６２５，２７５号、第３．６９０゜３６８号及
び第３，６２７．０１５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３，５３６．１２１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ｌ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
は曲った管である。ニッ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、スタータキャビティ６４を移行セクション
６６及びそのすぐ上側の物品セクションと接続する螺旋
状通路６２が一層詳細に示されている。好ましくは、通
路直径には約５蒙鋤であり、また螺旋半径Ｓは約６−で
ある（第８図に図示されている寸法比とは若干異る）。

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７軸方向の運動を維持するのに十分なピッチを有
するべきである。好ましくは、ピッチＰ（ねじピッチと
同一の仕方で計られたピッチ）は約２ＣＩ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（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
のこと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７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１．２
５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ョン形状も用も）られ得る。本
質的に、物品の横方向」法に比較して狭い横断面を有す
る通路が好ましい、セレクタセクション通路の主要な必
要条件は、スタータキャビティと物品キャビティとの間
で直接的なｌ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ョン番よ凝固
界面を横方向に転じさせなければならない。

これはｌ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
レクタセクションが第１０図乃至第１４図に示されてい
る。第１０図乃至第１２図には、スタータキャビティ７
０を移行セクション７２と接続する通路６８が示されて
る。セレクタセクション通路６８は二つの直線部分７４
．７６からなっている。通路部分７４はｌ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。従って、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軸に沿って右方への部分７４の延長は、通路入口
８０′ｃ開始するエピタキシャ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１１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ャル結晶成長フロン
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、本発明の詳細な説
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
に類似しておリ、×軸に沿って下端人口８８から距離Ｔ
だ４Ｊずれた上端出口８６を有する。通路の第二の部分
９０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の龍ｒ接続している。

部分９０の出口９４は２軸←二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との闇がぬ線状には結ばれてはいない。このことが
本発明にとっ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　
×−■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。） 従って、−膜化すれば、セレクタセクション通路はｌ軸
に沿っている端部を有する第一の部分とｌ軸に沿ってい
る端部を有する第二の部分とをｆｌ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、ｌ軸に沿って運動を開始する
凝固界面に、物品キャビディへの到達以前に、ｌ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平面的で計って第一の方向に対して少くとも９
０°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ョ
ンを通って運動するにつれて速度ベクトルが少くとも９
０″′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’＠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−１従っ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←クション
の下側に移行セクションが設′けられてい全ての物品で
は、通路の開口が物品の横断面、よりも小さいので、移
行セクショ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ョンを有する形状である場合も
ある。移行セクションは、本発明の意味に於て、結晶構
造に有利な影響を与えない。移行セクション内では、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。従って、Ａ路またはセレクタ
セクションと移行セクショ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ョンと物品セクションと
の関係についても同様に当てはまる。従って、特許請求
の範囲では、移行セクショ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ャビティと
実際の螺旋状通路との間に直線セクション９６が設けら
れるべきである。それにより、スタータキャビティの頂
部に於ける開口の横方向寸法が減ぜられ、従ってシード
から出発するエピタキシャ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
ョンの頂部即ら螺旋状通路と物品キャビティとの間にも
直線セクション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
セレクタセクショ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ョ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■ビタキシャ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」ン通路に入るＩ
ピタキシャ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ャビティ
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ョ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ャビティが設けられ
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。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳造されたニッ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。 １２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、物品とシードとの開に移行セクションがまだ付い
ている状蝦で示す図である。 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
セクションを経て物品キャビティの中へ運動させるよう
な構造の鋳型とイれにより鋳造された鋳物とを、鋳型は
部分的に切欠いて、示づ図である。 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、但し本発明に従ってシードと
物品との間に螺旋状のセレクタセクションが設けられて
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って物
品キャビティ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セレクタセクションの付近のシー
ド及び金属鋳物を種々の方向から見た図である。 第１３図乃至第１４図は第８図乃至第１０図に場合につ
いての図である。 Ａ、シード Ｂ、物品の Ｃ３物品の 説明： ４９９− 第１表 種々の鋳物で得られた結晶方位 鋳型とシードとの組合せに対するノーマライズされ０±
３　　２．６±３．５　　０±３　　１．３±１底部　
　０±２　　２．６±２．５０±０．８　　１．３±０
．８頂部　２．６±３．５　　　％−Ａ５±４１．３±
１３±１Ｅ−第５図の鋳型からの鋳物 Ｆ−１１Ｅからの第二シードを用いた第５図の鋳型から
の鋳物 Ｇ−第７図の鋳型からの鋳物 Ｈ−１１Ｇからの第二シードを用いた第７図の鋳型から
の鋳物 ２０・・・鋳造されたロッド、２２・・・底部、２４・
・・頂部、２６・・・＃ａ造されたバー、２８・・・シ
ード、３０・・・移行セクション、３２・・・鋳造され
たバー、３４・・・鋳型、３６・・・シード、３８・・
・ゲーティング。 ４０・・・第二シード、４２．４２′・・・切断平面、
４４・・・スタータセクション、４６・・・セレクタセ
クション、４８・・・冷し金、５８・・・円筒状通路、
６０・・・螺旋状セレクタセクション、６２・・・螺旋
状通路。 ６４・・・スタータキャビティ、６６・・・移行セクシ
ョン、６８・・・セレクタセクション通路、７９・・・
スタータキャビティ、７２・・・移行セクション、７４
．７６・・・蟲線部分、９６．９８・・・直線部分特許
出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレイ
ション 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　毅ｆ”／Ｇ　θ ２ ＦＩＧ、　１０　　　　　　　　　　　　　　ＦＩＧ、
　／１ｎＧ、　／／ × ｆ”／Ｇ、　／４ （方　式） ％式％ 、発明の名称　単結晶物品及びその鋳造方法、補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　アメリカ合衆国コネチカット州、ハートフォ
ード、フィナンシャル・ブラザ　− 名　称　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレイ
ション、代理人 居　所　　〒１０４東京都中央区新川１丁目５番１９号
昭和５８年４月６日（昭和５８年４月２６日発送）、補
正の対象　願−１委任状訳文、明細書（第３１頁〜第３
５員）、シャ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ャピテイ
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ョ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ャピテイが設けられ
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。 種々の鋳物で得られた結晶方位 鋳型とシードとの組合せに対するノーマライズされＡ、
シーｔ’　　　　　０＋３　　　２．６＋３．５　　　
０＋３　　　１．３４：１Ｂ、物品の底部　　０±２　
　２．６±２．５　　０±０．８　　１．３土０．８Ｃ
８物Ｍノｌ１ａｌｌ　　２．８±３．５　　　φ５＋４
　　　１．３１−１　　　　３＋１説　明　二　Ｅ−第
５図の鋳型からの鋳物Ｆ−ＩＲＥからの第二シードを用
いた第５図の鋳型からの鋳物 Ｇ−第７図の鋳型からの鋳物 ）１−ＷＩＧからの第二シードを用いた第７図の鋳型か
らの鋳物 ４、図面の簡単な説明 第１図は鋳造されたニッ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実である。 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ョンがまだ付い
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艮ざに
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
セクションを経て物品キャピ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、但し本発明に従ってシードと
物品との１にｗＡｗＬ状のセレクタセクションが設けら
れている場合を示す図である。 １８図はシードとそれから鋳型の螺旋状通路を通って物
品キャビティの底部へ成長した金属鋳物の一部分と４Ｌ
承す図である。 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セレクタセクションの付近のシー
ド及び金属鋳物を種々の方向から見た図である。 第１３図乃至第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・・・鋳造されたロッド、２２・・・底部、２４・
・・頂部、２６・・・鋳造されたバー、２８・・・シー
ド、３０・・・移行セクション、３２・・・鋳造された
バー、３４・・・鋳型、３６・・・シード、３８・・・
ゲーティング。 ４０・・・第二シード、４２．４２′・・・切断平面、
４４・・・スタータセクション、４６・・・セレクタセ
クション、４８・・・冷し金、５８・・・円筒状通路、
６０・・・螺旋状セレクタセクシ」ン、６２・・・螺旋
状通路。 ６４・・・スタータキャビティ、６６・・・移行セクシ
ョン、６８・・・セレクタセクション通路、７９・・・
スタ−タキャビテイ、７２・・・移行セクション、７４
．７６・・・直線部分、９６．９８・・・直線部分特許
出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレイ
ション

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融金属で満たされ、物品を成型するための物品
   セクションと、シード結晶を保持するためのスタータセ
   クションとを軸線に沿って含む鋳型を用いて、鋳型の軸
   線に沿い凝固界面を運動させることにより鋳造されたｘ
   ｌｙ及びｌ軸（ここにｌ軸は鋳型の軸線と一致）を有す
   る単結晶物品に於て、凝固界面がスタータセクシ」ンか
   ら物品セクションへ運動するにつれて、凝固界面の速度
   ベクトルを、ｌ軸に対して垂直なｘ−ｙ平面への速度ベ
   クトルの投影で見て、少くとも９０°回転させることを
   含む鋳造方法により鋳造され、凝固界面の速度ベクトル
   を回転させることを含まない鋳造方法により鋳造された
   物品に比べて、×及びｙ軸に対する平均結晶方位及びそ
   れからの結晶方位偏差が減ぜられていることを特徴とづ
   る単結晶物品。
2. （２）溶融金属で満たされ、物品を成型するための物品
   セクションと、シード結晶を保持するためのスタータセ
   クションとを軸線に沿って含んでいる鋳型を用いて、鋳
   型の軸線に沿う凝固界面の運動により単結晶物品を鋳造
   する方法に於て、凝固界面がスタータセクションから物
   品セクションへ運動するにつれて、凝固界面速度ベクト
   ルを、鋳型軸線に対して垂直な平面への速度ベクトルの
   投影で見て、少くとも９０°回転させることを特徴とす
   る単結晶物品の鋳造方法。
3. （３）シード結晶を保持するスタータセクションと物品
   セクションとを含む鋳型からなり、シード結晶からのエ
   ピタキシャル成長により物品セクション内の溶融金属に
   方向性凝固を生じさせて単結晶物品を鋳造する装瞳に於
   て、物品セクションとスタータセクションとを結ぶ軸線
   上で物品セクションに通ずる一方の側の開口とスタータ
   セクションに通ずる他りの側の開［ｌど壱ｆ１する通路
   とし−（形成されたセレクタセクションを含んでおり、
   前記通路は両側の開口の間で１線状ではなく、前記軸線
   に対して垂直な平面への前記通路の投影で見て、少くと
   も９０°回転する接線方向を有することを特徴とする単
   結晶物品の鋳造装置。