JPS6356021B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に翼を有する金属物品の製造方
法に関し、特にハブ又はベースと結合される予め
形成された翼を有する金属物品の製造方法に関す
る。

ハブから外側へ延びる翼を有するタービンエン
ジン構成部品は、以前には翼の形状に一致する輪
郭をもつワツクス型を作ることにより形成されて
きた。このワツクス型は液状セラミツク鋳型材料
の濡れた被覆で覆われる。セラミツク鋳型材料が
乾燥した後、ワツクス型が除去されてワツクス型
の輪郭に一致する輪郭を有する鋳型空洞を与え
る。次に、溶けた金属が鋳型空洞内へ注入されて
ハブと翼を形成する。タービンエンジン構成部品
を形成するこの公知の方法は米国特許第3669177
号に開示されている。

タービンエンジン構成部品が上述の方法で形成
されるとき、翼とハブは同時に同じ金属から一体
的に鋳造される。ハブから独立に翼を形成するこ
とから生ずる利益を得るために、２種の金属から
成る鋳造方法が提案されてきた。これらの２種の
金属から成る鋳造方法に於ては、金属予備形成品
が鋳型空洞内に位置決めされ、引き続いて溶けた
金属が鋳型空洞内へ注入される。公知の２種の金
属から成る鋳造方法は米国特許第4008052号に開
示されている。この公知の方法は翼又は他の予備
形成品とは独立に鋳型を形成することを要求す
る。

タービン車を形成する方法が米国特許第
1005736号に開示されている。この特許の中に開
示されている鋳造方法に於ては、複数のバケツ又
は羽根が円形整列をなして砂型の中に配置され
る。砂は羽根の周りに詰込まれてオーブンの中で
焼き固められる。タービン車のハブに一致する輪
郭を有する砂の鋳型頂部とドラツグが、次に、焼
き固められた芯型と結合される。この特許は比較
的困難な砂型鋳造方法を利用していること及びセ
ラミツク鋳型と共に用いるのに役立たないことに
注意すべきである。

セラミツク鋳型を用いて２種金属鋳造製品を形
成する際に遭遇した問題の１つは、セラミツク鋳
型材料の熱膨張係数が金属予備形成品の熱膨張係
数と実質的に相異することである。それ故、砂を
金属予備形成品の周りに詰込むという米国特許第
1005736号の方法に類似の方法で、もしもセラミ
ツク鋳型が金属予備形成品の周りで形成されるな
らば、鋳型と予備形成品とが製品の鋳造前に予熱
されるとき、金属予備形成品の比較的高い熱膨張
率が鋳型に損傷を生じさせるであろう。

本発明はベース又はハブと結合される１個以上
の翼を有する金属物品を形成する方法を提供す
る。ハブから外側に延びる複数の翼をもつ物品を
鋳造するためにこの方法が用いられることになる
場合、分離した金属翼のブレード部位がワツクス
の薄い被膜で覆われる。次に翼は円形をなして配
列され、セラミツク鋳型材料の濡れた被覆で覆わ
れる。セラミツク鋳型材料は乾燥して、翼の輪郭
に一致する輪郭をもつ凹所を有する環状鋳型壁部
分を形成する。ワツクス被覆は、次に、セラミツ
ク鋳型材料を焼成することにより凹所から除去さ
れる。それらが冷えるとき、翼と翼を内設した鋳
型凹所の側壁との間に空間の形成を生じさせる。
鋳型組立体は、次に、頂部と底部の鋳型壁部分と
翼を内設している環状鋳型壁部分とを結合するこ
とにより完成される。

溶けた金属を鋳型組立体へ注入する前に、鋳型
組立体は比較的高温度に予熱される。鋳型組立体
と金属翼とが加熱されるとき、翼はその上に横た
わるセラミツク鋳型材料よりも大きい程度まで膨
張する。金属翼のより高い膨張係数の故に、鋳型
組立体が鋳造前に予熱されたとき、金属翼はそれ
を内設している凹所を完全に満す。本発明はハブ
から外側へ延びる複数の翼を有する物品を鋳造す
るために有利に用いられるけれども、本発明の特
徴は他のタイプの物品を作るのに用いられること
が期待される。

従つて、本発明の目的はハブから外側へ延びる
複数の翼を有する金属物品を形成する新しい改良
された方法を提供することであり、この方法は、
物品の形状に対応した形状の空洞と、複数の金属
翼を受け入れる部分とを有する鋳型を形成するス
テツプからなり、該ステツプが複数の金属翼を準
備して複数の金属翼を受け入れる鋳型の部分を形
成することを含む、ハブから外側へ延びた複数の
翼を有する金属物品を形成する方法において、複
数の金属翼を準備するステツプと、上記金属翼を
ワツクス層で被覆するステツプと、上記金属翼を
円形に配列するステツプと、上記円形配列された
金属翼を液状セラミツク鋳型材料の濡れた被覆で
被い、このステツプが上記ワツクスの層の上にセ
ラミツク鋳型材料の湿つた被覆を塗ることを含む
ステツプと、上記セラミツク鋳型材料の湿つた被
覆を乾燥させて、円形壁の中心から外側へ延びた
円形配列の凹所を持つた該円形壁を形成し、該凹
所の各々が上記金属翼の一つを含んでいて、該凹
所が上記金属翼の形状に対応した形状を有するよ
うにするステツプと、金属翼の外側表面域とセラ
ミツク鋳型材料との間の凹所の各々からワツクス
層を取り除くステツプと、凹所内の各金属翼を加
熱し、金属翼がそれらを配置された凹所を少なく
ともほぼ満たすように熱膨張させるステツプと、
上記凹所内に金属翼を持つた鋳型空洞に溶融金属
を注ぎ込み、円形配列の金属翼と相互結合したハ
ブを形成するステツプとを包含する。

本発明の前述の目的と他の目的及び特徴は、添
付図面と関連してなされる以下の説明の考察に基
いてより明らかとなるであろう。

タービンエンジン構成部品１０（第１図）は
略々円形のハブ１２と半径方向外側に延びる複数
の翼１４を包含する。翼１４とハブは異なる金属
で形成するのが有利である。かくして、或る特殊
な場合には翼はNi Ta Ｃ―13であり、他方ハブ
１２はIN―792の金属であつた。加うるに、ター
ビンブレードは電気化学的機械仕上方法により有
利に形成され、電気研磨された。勿論、ハブとブ
レードはもしも望むならば異なる金属で形成する
ことができ、異なる方法で形成することができ
る。例えば、翼１４はもしも望むならば方向性凝
固鋳造方法により形成することができる。

タービンエンジン構成部品１０を形成する際に
は、ハブ１２は鋳型組立体２２（第２図参照）を
用いて翼１４の付け根端部（第２図及び第３図参
照）の周りで有利に製造される。鋳型組立体２２
はセラミツクの環状壁部２４を包含し、その中に
は円形整列をなして配列された複数の凹所２６が
あり、予め形成された金属翼１４は壁部２４内の
凹所２６の各々の中に配置される。

略々円形の鋳型空洞を設け、その中でタービン
エンジン構成部品１０のハブ１２を翼１４の付け
根２０の周りで鋳造するために、鋳型組立体２２
は適当な接合剤３４により鋳型壁部２４の円形フ
ランジ３２と結合されている円形底部壁を包含す
る。加うるに、立上り部分又は頂部鋳型部分３８
は接合剤４２の円形体により鋳型壁部２４の上部
フランジ４０と結合される。上部鋳型部分３８と
下部鋳型部分３０は鋳型壁部２４と協働して鋳型
空洞４６を形成し、複数の金属翼１４の付け根端
部が鋳型空洞４６の中へ延びる。溶けた金属は鋳
型空洞４６内へ注入されて空洞を満し、翼１４の
付け根を相互結合する。

金属翼１４は壁部２４を形成するセラミツク鋳
型材料よりも高い熱膨張率を有する。金属翼１４
の膨張を順応させるために、翼１４と凹所２６の
表面との間に空間があり、鋳型壁部２４と翼が室
温状態にあるときに翼を凹所２６内に配置する。
鋳型壁部２４と翼１４は鋳造前に約932゜ないし
1038℃に予熱されるので、翼は膨張して第３図に
示す方法で凹所２６を完全に満す。翼の各々のた
めの膨張空間が存在しないときは、翼の熱膨張に
より加えられる応力が壁部２４を形成する比較的
脆いセラミツク鋳型材料の破損を引き起すことが
ありうる。室温状態にある翼１４の各々と凹所２
６の側壁との間の空間は、翼が熱膨張して凹所２
６の表面ときつちりした当接係合をすることがで
き、第３図に示す方法で凹所を完全に満す様な大
きさである。

翼１４と鋳型壁部２４が共に室温状態にあると
き鋳型壁部２４が周りで動かされることが期待さ
れる。鋳型壁部２４のこの取扱いの間、翼１４の
各々をその関連する凹所２６内に維持することが
望ましい。加うるに、鋳型壁部２４と翼が予熱さ
れるとき、翼の各々が凹所２６の端面５２に当接
する翼１４の先端部５０とその関連する凹所に対
して所定の方向にあるような方法で、ゆるい翼１
４をそれらの凹所２６の中に位置決めするのが望
ましい。

翼１４を凹所２６内に保持するために、及び翼
１４と鋳型壁部２４とが共に室温状態にあるとき
凹所に対して翼を正しく方向付けるために、同一
の翼は翼を適所に保持するための鋳型壁部２４と
係合する複数の突出部を備えている。かくして、
各翼１４は（第３図に見られるように）上方に延
びるフツク又は突出部５６を有し、突出部５６は
同様に形づくられた凹所２６の部分へ延びてい
る。ゆるい翼１４と鋳型壁部２４が室温状態にあ
るとき、突出部５６は翼が半径方向内側へ（即ち
第３図に見るように左の方へ）動かないように保
持する。同様に、翼１４の先端５０に形成された
半径方向に延びる突出部又は鼻部６０は、同様に
形づくられた凹所２６の突出部の中へ延びて（第
３図に見るように）凹所内で翼を垂直に位置決め
する。翼１４上の突出部５６，６０と鋳型壁部２
４との係合の故に、翼の加熱が翼の熱膨張を生じ
させて第３図に示す方法で凹所２６を満す様な位
置に、ゆるい翼１４が凹所２６内で保持される。

本発明の特徴に従つて、全く同じ金属翼１４が
セラミツク鋳型壁部２４の形成の間型の一部とし
て用いられる。翼１４を型として使用するため
に、翼の付け根端部２０は先ず第４図に示す方法
でワツクスで覆われる。次に、翼のブレード部分
６４が熱いワツクスの中へ浸漬されて翼のブレー
ド上に薄い被覆を形成する。

翼が液状セラミツク鋳型材料内に浸漬される
間、ワツクスで被覆された翼１４は第６図に示す
方法で浸漬取付具内で円形整列を成して保持され
る。翼の上にあるセラミツク鋳型材料の濡れた被
覆が乾燥される。鋳型壁部が比較的高温度で火に
当てられることにより硬化されるとき、ブレード
６４と翼の付け根２０との上のワツクス被覆が溶
かされて鋳型壁部から除去される。結果として生
じる環状鋳型壁部２４と関連凹所２６から半径方
向内側に突出する翼１４とが、前に説明した方法
で上部鋳型部３８及び下部鋳型部３０を用いて結
合することができる。

翼１４の付け根部分２０の上を覆うワツクスの
形成の準備をするために、翼はダイ６８（第４図
参照）の中に位置決めされる。金属ダイ６８は上
方に延びる部位をもつ空洞７０を有し、翼１４の
フツク部位５６が空洞内の上方へ延びる部位に受
入れられる。同様に、ダイ空洞７０は（第４図に
見られるように）右側へ突出する部位を包含し、
その中へ翼１４の鼻部６０が受入れられる。一対
の位置決め部材７４，７６が翼１４の付け根端部
２０に形成された切欠き７８，８０と係合して、
空洞７０内での翼の正確な位置決めを与える。

ゴムのシート又はシール８４が翼１４のブレー
ド部位６４の周囲を囲んでこれをしつかりとつか
み、ブレード６４が内設されているダイ空洞の部
分からダイ空洞７０の付け根部分８６をシールす
る。熱いワツクスが圧力下でブレード空洞７０の
付け根部分８６へ射出される。この熱いワツクス
が翼１４の付け根端部２０の上に被覆９０を形成
する。

翼１４の付け根の上のワツクス被覆９０は一対
の正確に配置された円筒形ボタン９２，９４を有
し、円筒形ボタン９２，９４は翼１４の対向側か
ら外側に延びる。ワツクス突出部又はボタン９
２，９４は翼１４に関して正確に配置され、引き
続いて第６図の浸漬固定具内に翼を位置決めする
ために用いられる。位置決めボタン９２，９４
（第４図）に加えて、ワツクス被覆９０は実質的
に均一な厚さの主要部分９８を包含し、翼１４の
付け根２０を完全に包む。ワツクス被覆９０は天
然に生ずるワツクス又はポリスチレンのような合
成重合材料の何れからも形成し得ること、及びこ
こで用いられているワツクスという用語は天然に
生ずるワツクスと多くの異なる合成物からなる合
成ワツクスの双方を含むことが意図されているこ
とに留意すべきである。

ワツクス被覆９０が翼１４の付け根端部２０の
周りで凝固した後、翼はダイ６８から除去され
る。この時に、翼１４の付け根端部２０のみがワ
ツクスで覆われ、ブレード６４の金属表面が露出
される。

鋳型凹所２６（第３図）内での翼１４のブレー
ド６４の熱膨張を補償するために、翼のブレード
６４は熱い液状ワツクスの本体内へブレードを浸
漬することによりワツクスの薄い被覆で覆われ
る。これが翼１４のブレード部分６４上に比較的
薄い被覆（第５図参照）を生じさせる。或る特殊
な場合には、薄いワツクス被覆１０４は約0.0762
mmの厚さを有した。薄いワツクス被覆１０４はダ
イ６８（第４図参照）の中の翼１４の付け根部分
２０へ加えられたワツクス被覆９０まで延びてこ
れと一体的に形成されるようになる。このように
して、翼１４のブレード部分６４が浸漬されて薄
い被覆１０４を形成した後、翼１４は殆ど完全に
ワツクスで覆われる。

複数の翼１４が前述の方法でワツクスで覆われ
た後、翼は浸漬固定具１１０（第６図参照）内に
円形整列を成して取付けられる。浸漬固定具１１
０は、翼がセラミツク鋳型材料のスラリーの中に
浸漬されて翼のブレード部位６４上にセラミツク
鋳型材料の濡れた被覆を形成する間、翼１４を保
持するために利用される。このセラミツク被覆は
乾燥されて火に当てられ、環状鋳型壁部２４（第
２図参照）を形成する。

浸漬固定具１１０は一対の円形のアルミニウム
円盤１１２，１１４を包含し、アルミニウム円盤
１１２，１１４はアルミニウムスペーサー部材１
１６（第６図参照）により分離されている。円盤
１１２，１１４はその周辺側面に隣接して円形整
列を成して配置されている円筒形孔１２０，１２
２を備えている。円盤内の孔１２０，１２２は正
確に配置され、翼１４の付け根端部２０に於てワ
ツクス９０の本体内に形成されたワツクスボタン
９２，９４を受入れる。孔は翼１４を相互に正確
に位置決めするために用いられる。翼の付け根端
部２０の周りに形成されるワツクス本体９０は、
翼１４が円盤１１２，１１４の周辺の周りで円形
整列をなして配置されるとき、ワツクス本体が当
接係合をなして配置されるような寸法に作られ
る。

一度翼１４が円盤１１２，１１４の周辺のまわ
りで円形整列をなして取付けられたならば、一対
の環状ワツクス本体１２６，１２８は翼１４の付
け根端部２０を取囲むワツクス本体９０の周りに
射出成型される。環状ワツクス本体１２６，１２
８は円盤１１２，１１４の端面領域１３０，１３
２の上に横たわる。

円形鋳型壁部２４（第２図及び第３図参照）を
形成するために、浸漬固定具１１０が液状セラミ
ツク鋳型材料のスラリーの中に浸漬される。多く
の異なるタイプのセラミツク鋳型材料のスラリー
を利用しうるけれども、１つの例示的スラリーは
溶けたシリカ、ジルコン、及び他の耐火性材料を
膠結剤と組合せて包含する。硅酸エチル、硅酸ナ
トリウム、及びコロイド状シリカの様な化学的膠
結剤を利用することができる。加うるに、スラリ
ーは、粘性を制御するためのアルジネートの様な
適当なフイルム形成剤及び流れ特性と型の濡れ易
さを制御するための湿潤剤を包含することができ
る。

普通のプラクテイスに従つて、型に加えられる
最初のスラリー被覆は、正確な表面仕上を作るた
めに微細に分割された耐火性材料を包含する。最
初の被覆のための典型的なスラリーは約29％のコ
ロイド状シリカ懸濁液を20％乃至30％の濃度の形
態に包含することができる。71％の量の粒子寸法
３２５メツシユ以下の溶けたシリカを１乃至10重
量％未満の湿潤剤と共に用いることができる。一
般に、セラミツク鋳型材料のスラリーの比重は
1.75乃至1.80の程度とすることができ、華氏75度
乃至85度で５番ツアーンカツプを用いて測定した
ときに40秒乃至60秒の粘性を有する。最初の被覆
を加えた後、その表面は60乃至200メツシユの程
度の粒度をもつ耐火性材料を用いてしつくいを途
られる。

浸漬被覆の各々の間で、ワツクス材料１２６，
１２８（第６図参照）の本体上の環状表面領域１
３８，１４０が拭かれ、これらの表面から濡れた
セラミツク鋳型材料を除去する。これが鋳型固定
具１１０の上にある濡れたセラミツク被覆の中に
一対の環状切れ目を生じさせる。切れ目は濡れた
セラミツク被覆を３つの不定領域に分離する。即
ち、翼１４の上にある中央領域又は主要領域及び
アルミニウム円盤１１２，１１４の円形の大きい
方の側面１４２，１４４の上にある一対の円形端
面である。セラミツク鋳型材の被覆が、続いて乾
燥されるとき、アルミニウム円盤１１２，１１４
の側面１４２，１４４の上にある被覆の部位が捨
てられ、翼１４の上にある中央部位が環状鋳型壁
部２４となる。

所望の厚さのセラミツク鋳型材料の被覆が翼１
４の上で作り上げられた後、被覆は乾燥され、次
に約1038℃で１時間火に当てられて鋳型部分を徹
底的に硬化させる。焼成の最初の部分の間に生ず
る比較的に低い温度で翼を取囲むワツクスが溶
け、翼のブレード部分６４を収容している凹所２
６から流出することに注意すべきである。これが
翼のブレード部分と凹所の内側表面との間に空間
を与える。

翼１４の上にあるセラミツク被覆が一度焼成さ
れて硬くなり、ワツクスが流出したならば、鋳型
部分２４は鋳型組立体２２（第２図参照）の上部
３８及び下部３０と結合される用意ができる。鋳
型部分を相互結合する方法は、1976年１月29日に
ウイリアム エス ブラチエツク等により出願さ
れた“鋳型組立体及びそれを作る方法”と題する
米国特許出願第653383号に開示されている方法と
同様である。従つて、これらの鋳型部分を相互連
結する方法は、説明の冗長を避けるためにここに
はこれ以上述べない。

物品１０の形成は溶けた金属を鋳型空洞内へ注
入することにより完成される。この溶けた金属は
円形の鋳型壁２４内の凹所２６に配置された翼の
各々の付け根部分２０の周りを流れて翼を相互結
合する。鋳型空洞４６内の溶けた金属が一度凝固
してハブ１２を形成すると、鋳型組立体２２は鋳
造製品から取外されて適当な仕上作業を施され
る。

前述の説明の見地から、本発明はベース又はハ
ブ１２と結合される１個以上の翼を有する金属物
品１０を形成する方法を提供することが明らかで
ある。ハブ１２から外側に延びる複数の翼１４を
有する物品を鋳造するためにこの方法を用いるこ
とになるときは、分離した金属翼１４のブレード
部分６４がワツクスの薄い被覆１０４で覆われ
る。翼１４は次に円形に配列されてセラミツク鋳
型材料の濡れた被覆で覆われる。セラミツク鋳型
材料は乾燥して、翼１４の輪郭に一致する輪郭を
もつ凹所２６を有する環状鋳型壁部２４を形成す
る。ワツクス被覆１０４は、次に、セラミツク鋳
型材料に火を当てることにより凹所２６から除去
される。これらが冷却するとき、これは翼１４と
翼を内設する鋳型凹所２６の側壁との間に空間の
形成を生じさせる。鋳型組立体２２は、次に、上
部鋳型壁部３８及び下部鋳型壁部３０を翼１４を
内設する環状鋳型壁部２４と結合することにより
完成される。

鋳型組立体２２へ溶けた金属を注入する前に、
鋳型組立体は比較的高温度に予熱される。鋳型組
立体２２と金属翼１４が加熱されるとき、翼１４
はその上にあるセラミツク鋳型材料よりも大きな
程度に膨張する。金属翼のより高い膨張係数の故
に、鋳型組立体が鋳造前に予熱されたとき、金属
翼１４はそれを内設している凹所２６を完全に満
す。本発明はハブ１２から外側に延びる複数の翼
１４を有する物品１０を鋳造するために有利に用
いられるけれども、本発明の特徴は他のタイプ、
例えば内側にハブがあり、外側にリングがあり、
これらの間に放射方向に向けて複数の翼を配置し
た物品を作るのに用いられることが期待される。

本発明の１つの特殊な好ましい実施態様を説明
した。

【図面の簡単な説明】

第１図はハブから外側へ延びる複数の翼を有す
るタービンエンジン構成部品の若干簡略化した図
である。第２図は第１図のタービンエンジン構成
部品が鋳造される鋳型組立体の一部の部分断面図
である。第３図は第２図の鋳型組立体の一部の拡
大部分断面図で、金属翼とそのブレード部位を内
設する凹所との間の関係を示す。第４図はワツク
スが金属翼の付け根端部の周りに射出される間金
属翼をダイ空洞内に保持する方法を示す断面図で
ある。第５図は、第４図のダイ空滴内の翼の付け
根部分の周りのワツクスと、翼のブレード部位へ
後で加えられる比較的薄いワツクスの被覆、との
間の関係を示す拡大部分断面図である。第６図
は、翼がセラミツク鋳型材料の濡れた被覆で覆わ
れるとき、翼のワツクスで覆われた付け根を保持
する方法を示す部分断面図である。 １０……金属物品、１２……ハブ、１４……
翼、２０……付け根端部、２２……鋳型組立体、
２４……鋳型壁部、２６……鋳型凹所、３０……
下部壁部分、３８……上部壁部分、５０……翼の
先端部、５２……凹所の端面、５６，６０……突
出部、６４……ブレード部分、７０……空洞、７
４，７６……位置決め部材、９２，９４……円筒
状ボタン、９０……ワツクス被覆。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物品の形状に対応した形状の空洞と、複数の
   金属翼を受け入れる部分とを有する鋳型を形成す
   るステツプからなり、該ステツプが複数の金属翼
   を準備して複数の金属翼を受け入れる鋳型の部分
   を形成することを含む、ハブから外側へ延びた複
   数の翼を有する金属物品を形成する方法におい
   て、 複数の金属翼を準備するステツプと、 上記金属翼をワツクス層で被覆するステツプ
   と、 上記金属翼を円形に配列するステツプと、 上記円形配列された金属翼を液状セラミツク鋳
   型材料の濡れた被覆で被い、このステツプが上記
   ワツクスの層の上にセラミツク鋳型材料の湿つた
   被覆を塗ることを含むステツプと、 上記セラミツク鋳型材料の湿つた被覆を乾燥さ
   せて、円形壁の中心から外側へ延びた円形配列の
   凹所を持つた該円形壁を形成し、該凹所の各々が
   上記金属翼の一つを含んでいて、該凹所が上記金
   属翼の形状に対応した形状を有するようにするス
   テツプと、 金属翼の外側表面域とセラミツク鋳型材料との
   間の凹所の各々からワツクス層を取り除くステツ
   プと、 凹所内の各金属翼を加熱し、金属翼がそれらを
   配置された凹所を少なくともほぼ満たすように熱
   膨張させるステツプと、さらに 上記凹所内に金属翼を持つた鋳型空洞に溶融金
   属を注ぎ込み、円形配列の金属翼と相互結合した
   ハブを形成するステツプと からなることを特徴とする複数の金属翼を有する
   金属物品を形成する方法。