JPS6358669B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶融金属を方向性凝固する装置に係
り、更に詳細には制御された結晶方向を有する単
結晶物品を製造する装置に係る。

柱状晶或いは単結晶を有する物品を製造する一
方向鋳造法により金属構造体の性能を大きく改善
し得ることは良く知られている。例えばかかる技
術が米国特許第3260505号及び同第3494709号に開
示されている。従来技術の装置、方法、及び物品
の主要な目的は、その物品の主要軸線に沿う特性
が向上された、即ち凝固成長軸線或いは凝固界面
の移動軸線がその物品の主要軸線と同一であるよ
うな構造体を提供することであつた。

金属が方向性凝固される場合には、その金属は
その性質上一つの結晶方向に他の結晶方向よりも
早く凝固或いは結晶成長することが多い。例えば
ニツケル基超合金に於いては、〈001〉方向が優先
方向であることが解つている。従つて前述の米国
特許第3494709号に開示された手段により形成さ
れる単結晶鋳造物品は結晶成長軸線に沿う〈001〉
方向を有している。従つて主要凝固軸線に沿う他
の結晶方向を得る為には、特殊な方法が使用され
なければならない。また凝固軸線に垂直な平面に
対する結晶の方向は制御されなければ方向性凝固
された物品であつても殆どの場合不規則である。
鋳造物品の主要軸線に沿つて測定された結晶方向
は一次方向と呼ばれ、主要軸線に垂直な平面に於
ける一つの極軸方向は二次方向と呼ばれる。

柱状晶材料或いは単結晶材料の如き材料の特性
はその結晶方向により影響を受ける。例えば多く
の合金に於いてその弾性率は大きく変化し、従つ
て応力や歪の存在する条件の下ではその部材の性
能に影響する。従つて進歩した材料をより高度の
用途に適用する場合には、一次方向及び二次方向
を制御することが益々重要なものとなつている。
材料の結晶方向は従来の非破壊試験法により求め
られる。例えばロー（Laue）法による放射線回
折が最も有用である。更に結晶組織の変化は従来
の結晶粒腐食により容易に確認することができ
る。或る部材の或る位置に於ける方向が解れば、
介在的な結晶粒界が存在しないならば他の領域に
於いても結晶方向が同一であり、今問題にしてい
る範囲を越える微細な結晶変化は存在しない。

鋳造物品の結晶組織を制御する有用な方法は、
所要の組織を有する予め形成された金属種を使用
することである。種よりエピタキシヤル成長させ
て物品を鋳造し得るならばその物品内にも種の結
晶組織が再現される。

勿論種より結晶を成長させて物品を形成するこ
とは良く知られている。例えば米国特許第
1793672号及び他の出版物に開示されたエピタキ
シヤル成長により単結晶物品を製造するブリツジ
マン（Bridgman）法は1920年代に開発されたも
のである。米国特許第2791813号には制御された
結晶方向を有する構造体が開示されており、この
特許に於いては所要の結晶方向を得る為に種結晶
が使用される。又米国特許第3759310号には、消
費型電極にて単結晶物品を製造する装置及び電気
アーク法が開示されており、この特許に於いては
モールドの底面に配置される種結晶が使用され
る。より最近のものでは、単結晶物品を製造する
改良された方法及び装置が米国特許第3857436号
に開示されている。この特許には急峻な過冷却条
件が発生される円錐形の下室に於いて結晶化を開
始する手段及び方法が開示されている。またこの
米国特許第3857436号には更に詳細な事柄が記載
されている。また米国特許第3598169号には、楔
形の種を使用し末広がり状に凝固を進行させるこ
とにより比較的平坦な物体を鋳造することが開示
されている。

前述の米国特許第3759310号を除き、上述の全
ての特許の方法は溶融金属を導入する前にモール
ドを予め加熱するようになつている。また従来技
術の方法に於いては加熱中にも種がモールド内に
配置された状態にある。従つて状況によつては種
の配置位置によつては加熱の度合が小さくはなる
が種もモールドと共に比較的高い温度にまで過熱
される。加熱された溶融金属がモールド内に導入
されその中に貯容され、その溶融金属は加熱され
た種と接触し且つその種を部分的に溶融する。勿
論少なくとも部分的にしかし極く部分的に種を溶
融する必要があり、従つて初期条件及び過渡的条
件の期間に亘つて種、モールド、溶融金属、及び
他の因子を制御する必要がある。

従来技術の多くは実験的方法を反映しているも
のであり、大量生産に適したものではない。現在
では柱状晶及び単結晶ガスタービン翼部の如く制
御された結晶組織を有する物品を商業的に使用す
る傾向が増大している。このことは多量の物品を
経済的に製造する自動化された鋳造法の開発を促
進した。米国特許第3895672号に開示された方法
の一つによれば、加熱されたモールドがそのモー
ルド内に溶融金属を導入する直前に冷温のチルプ
レート上にクランプされる。種結晶が使用される
場合には、その種結晶はチルプレートに取付けら
れ、従つてその種結晶は冷温である。高温のモー
ルドと冷温のチルプレートとを結合する際の僅か
な時間の間にはその種の温度を上昇する時間は殆
ど与えられない。これと同様の困難が従来技術の
装置及び方法の或るものにも存在する。種があま
りにも冷温過ぎると充分な溶融が発生せずまたエ
ピタキシヤル成長も発生しない。このことを克服
する一つの方法は大きく溶融金属を過熱すること
である。しかしかかる方法は過熱により時間やコ
ストが増大し、要素の望ましからざる蒸発を惹起
し、またモールドの劣化が増大する等の原因とな
ることが多いので好ましくない。また種を別個に
加熱し或は従来技術の方法に倣つてモールドが加
熱されている時にそのモールド内に種を入れるこ
とは、機械的にも製造上も複雑であるので、また
種が過度に酸化されたりまたは汚染されたりする
ことがあるので、好ましくない。

制御された一次及び二次結晶方向を有する物品
を製造する際に考慮しなければならない他の一つ
の点は、製造後種の方向が適当な検査法によりま
ず正確に確定され、次いで鋳造されている物品の
軸線に対し正確に制御されなければならないとい
うことである。従つて鋳造用の種を用意すること
はかなり高価なものとなることがある。従つて物
品が形成された後種が鋳造プロセスより回収さ
れ、もし可能ならば再使用されるのが望ましい。
しかし種が鋳造行程中にかなり溶融され或いは異
質の方向を有する多量の凝固金属により囲繞され
ている場合には、再使用すべく回収するのは困難
である。

本発明の目的は、既知の結晶方向を有する種よ
りエピタキシヤル成長させることにより制御され
た結晶方向を有する鋳造物品を製造する改良され
た方法、装置、及びモールドを提供することであ
る。本発明の他の一つの目的は、種の保存、回
収、再使用を行なうことである。

本発明によれば、溶融金属は、その一部が種の
上を流れてその一部を加熱し且つ溶融しまた存在
するかもしれない望ましからざる汚染膜を除去す
る態様にて、方向性凝固モールド内に導入され
る。チルプレートと組合わせて使用される場合に
は、モールドは種を収容するに十分な容積であり
且つその種の上を流れる溶融金属を受けるに十分
な容積を有するスタータキヤビテイを郭定するよ
うな形状に形成される。種は溶融金属がその周り
を流れ且つその種を加熱し得るようスタータキヤ
ビテイ内に突出していてよい。再使用すべく種を
凝固した異質金属鋳造物より除去するものを容易
にするために、セラミツク被覆の如き障壁層が種
の選択された部分上に設けられていてよい。一つ
の実施例に於いては、スタータキヤビテイ内に於
ける制御されていない方向の溶融金属の凝固を遅
らせ且つ種よりエピタキシヤル凝固した金属が物
品内に存在するのを保証するため、熱的絶縁層が
種に近接した部分に於いてチルプレート上に配置
されている。

本発明の一つの実施例に於いては、モールドは
セレクタセクシヨンによりスタータセクシヨンに
接続された物品セクシヨンを有している。スター
タセクシヨンは種を収容し且つ種の周りを流れて
それを加熱し且つ溶融する溶融金属の一部を受け
ることができる容積を与えるよう構成されてい
る。セレクタセクシヨンはスタータセクシヨンの
うち種を受けることができる領域に真近に近接し
て配置されており、種よりエピタキシヤル凝固し
つつある金属の凝固界面のみが物品セクシヨン内
に通過するのを許す働きをなす。一つの好ましい
実施例に於いては、モールドは物品セクシヨンを
経て溶融金属を受けるよう構成されており、セレ
クタセクシヨンよりスタータセクシヨンへの溶融
金属の移動はその溶融金属が種の表面に衝突しこ
れによりその種を有効に加熱し且つ溶融するよう
制御される。

本発明は種より製造し得る任意の所要の制御さ
れた組織にて任意の合金より鋳造物品を製造する
のに好適である。なかんずく、重要な用途はニツ
ケル超合金の柱状晶或は単結晶構成要素を製造す
ることである。

本発明は種を適当に溶融させてその種より所要
のエピタキシヤル成長が行なわれるのを保証し、
これにより種が十分には溶融されない場合或は汚
染層が十分には除去されない場合に製造されるこ
とがある欠陥のある鋳造物品の発生を回避するも
のである。更に本発明によれば、溶融金属がモー
ルド内に導入される前には実質的に加熱されるこ
とがない種結晶を使用することができる。また一
つの好ましい実施例に於いては、凝固した鋳造物
品より容易に回収可能であり且つその後再使用可
能とすることにより種のコストが更に低減され
る。種の使用がより経済的となつており、従つて
種を使用せずに成長させる場合よりも便利であ
り、一次方向及び二次方向を制御することによつ
て利益が得られる。単結晶モールドの設計が単純
化され、初期の凝固速度が増大され、これにより
製造量を増大することができる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
ましい実施例について詳細に説明する。

本発明による好ましい実施例を、前述の米国特
許第3895672号の開示内容の範囲内にて使用され
るよう構成され一体型の単結晶ニツケル合金鋳造
物を製造する為のモールドについて説明するが、
この実施例はかかる用途に限定されるものではな
い。

単結晶物品を形成するのに好適なセラミツク材
料にて形成されたモールド２０が第１図に図示さ
れている如く鋼製のチルプレート２２上に配置さ
れる。このモールドは物品キヤビテイ２４を郭定
するセクシヨンを含んでおり、前記物品キヤビテ
イ２４は第２図に示されている如く、ガスタービ
ンエンジンの翼部（本発明は特にその製造に適し
ている）の形状に形成されている。またモールド
２０は溶融金属を受け且つそれを物品キヤビテイ
内へ導く第一の端部２６とチルプレートに接触す
るよう構成された第二の端部３３とを有してい
る。

或る予め定められた結晶方向を有する種２８が
チルプレート２２に形成されたリセス３０内に装
着されている。この種２８はチルプレートと密に
接触しておりチルプレートにより冷却されるよう
になつている。モールドの第二の端部３３即ちス
タータセクシヨンとチルプレート２２とにより郭
定されたスタータキヤビテイ３２が種２８を囲繞
している。セレクタセクシヨン３４がスタータキ
ヤビテイ３２と物品キヤビテイ２４とを接続して
いる。セレクタセクシヨン３４は種結晶用のキヤ
ビテイ（スタータキヤビテイ）３２或いは物品キ
ヤビテイ２４の何れよりも実質的に小さな断面積
を有している。

図示の好ましい実施例に於いては、種、スター
タキヤビテイ、セレクタセクシヨンは断面円形で
あるが、他の断面形状であつても同様に機能す
る。

夫々の要素の相対的な大きさは一定ではなく以
下の例によつて概略の概念が与えられるような相
対関係にあるものであつて良い。例えば高さが10
〜25cmのガスタービンエンジンの翼部の如きニツ
ケル超合金物品を製造する場合には、超合金の種
は直径が２〜2.5cmであり高さがこれとほぼ同一
の長さであるのが好ましい。またスタータキヤビ
テイの直径は約５cmでありセレクタセクシヨンへ
の入口は種の上面より約0.5〜1.0cmの位置に位置
するのが好ましい。かくしてスタータキヤビテイ
はその中に含まれる種の体積の５倍以上の容積を
有することとなる。以下に述べる如く、この容積
は種を加熱し且つその種よりエピタキシヤル凝固
を開始させる為に溶融金属を受けるのに使用可能
である。

スタータセクシヨンの端部３３は溶融金属の漏
洩を阻止すべくチルプレートの表面３６上に液密
的に配置されている。第３図に於いてボルトとし
て図示されたクランプ手段がモールドとチルプレ
ートとを良好に接触した状態に維持する為に使用
されている。溶融金属の流路以外に配置され且つ
高温度となるモールドを保持し得るよう構成され
ている限り、他の機械的締結手段或いは固定手段
も同様に使用可能である。勿論大量生産に於いて
は、かかるクランプ手段を選択する場合の基準は
その取付或いは取外しの容易さ及び速さである。

モールド及びチルプレートが互いに強固にクラ
ンプされると、かくして得られた組立体は方向性
凝固する為の従来技術の種々の装置内に配置され
得るようになる。溶融金属が導入され、鋳造物を
方向性凝固せしめるべくそのモールドに所要の温
度勾配が与えられる。装置の使用態様は以下の如
くである。溶融金属が受け取り端部（第一の端
部）２６を経てモールド２０内へ導入され、その
端部より物品セクシヨン及びセレクタセクシヨン
を通過して種２８の表面３８上に衝突し且つそれ
を横切つて流れる。種の表面３８に与える溶融金
属の作用はその種を加熱し且つその種を溶融し、
撹拌によりその種の表面に付着している付着物や
膜を除去するのを促進することである。種の表面
を横切つて流れた溶融金属は種に近接したスター
タキヤビテイ３２内に溜る。かくしてスタータキ
ヤビテイは種を加熱する為に使用される溶融金属
の為の受取リザーバとして機能する。かかる受取
リザーバはもし必要ならば種を収容するキヤビテ
イとは別の位置に配置されても良い。また米国特
許第3915761号に開示されている如く分離ゲート
により金属を導入するようにされても良い。かか
る場合にはスタータキヤビテイは溶融金属が貫流
し得るような形状に形成されなければならない。
各要素は第１図の好ましい実施例に於いては図示
の如き形状に形成されているので、溶融金属が種
の表面を越えて通過した後には溶融金属は種の側
部を囲繞しこれにより更にその種に熱を与える。

モールドは溶融金属にて充填されると、周知の
方法によりチルプレート及びモールドの壁部を経
て熱を除去することにより、溶融金属はモールド
の主要軸線に沿つて即ち垂直方向に徐々に凝固せ
しめられる。スタータセクシヨン内の金属がまず
凝固する。勿論種の主要部分は終始固体として存
在する。セレクタセクシヨン３４は種２８の上方
にその中心が整合した状態にて配置されているの
で、種の表面上にてエピタキシヤル凝固する金属
の凝固界面はまずセレクタセクシヨン３４に到達
しそのセクシヨンを通過する。セレクタセクシヨ
ン３４を通過しつつ凝固する金属は種結晶よりエ
ピタキシヤル凝固するので、その凝固金属は種結
晶と同一の結晶方向を有することとなる。同様に
物品キヤビテイ２４内に形成される物品もセレク
タセクシヨン内にて既に凝固した材料よりその結
晶組織を踏襲するので同様の結晶方向を有するこ
ととなる。

第３図はスタータセクシヨンに於ける本発明の
重要な要素の配列をより詳細に示す解図的断面図
である。所要の二次方向を得る為には、種結晶が
物品キヤビテイ２４に対し或る予め定められた態
様にて配向されることが必要である。このことは
種及びモールドをチルプレート２２に対し一定の
関係に配向することによつて達成される。第３図
に図示されている如く、モールドはボルト３７に
よりチルプレート２２に固定的に配向されてお
り、ボルト３７は溶融金属が漏洩しないようモー
ルドをチルプレートにクランプする機能をも有し
ている。特に大量生産に於いては、チルプレート
及びモールドをそれらの接触点に於いて特定の形
状に形成することにより方向の特定を行なつたり
或いは適当な指針を有する電気光学センサを使用
する等の如き他の配向手段も勿論使用可能であ
る。種をチルプレートに対し正確に配向する手段
が第４図により詳細に図示されている。垂直或い
は一次軸線に沿う配向はチルプレートの表面上に
種を配置する確実な手段により達成される。主軸
線の周りの二次方向或いは主軸線に垂直な方向は
互いに係合する溝とキーにより制御される。図示
の如く種結晶はその直径方向に存在する単純な溝
４１を有しており、チルプレートは一体的なキー
４８を有している。他の機械的拘束手段や位置決
め手段及び他の方向特定法も採用されて良い。

種２８の周縁を囲繞するセラミツクシールド４
０が第３図及び第４図に図示されている。このシ
ールド４０は種の表面３８を越えて流れスタータ
キヤビテイ３２内に導入された溶融金属が種の周
縁４２に付着するのを阻止する衝壁層である。こ
のシールド４０は種の周縁４２が溶融するのを阻
止し、またスタータキヤビテイ内の溶融金属が種
の周縁４２に付着するのを阻止する。従つてスタ
ータキヤビテイ３２内の金属が凝固し且つその鋳
造物全体がモールドより取出された後には、その
鋳造物を表面３８の平面を横切る方向に切断可能
であり、これによりその鋳造物のスタータセクシ
ヨンより容易に種を取外すことができ、殆ど手を
加えることなくその種を再利用することができ
る。

第５図は種と共にチルプレート内に嵌込まれた
セラミツクシールド４０の他の一つの実施例を示
している。このシールドは、それが凝固前に溶融
金属に曝されている短い時間の間溶融金属の作用
に抗し得るセラミツク材料或いは他の任意の物質
より構成されて良い。従つてかかるシールドは上
述した如き必須の耐熱性及び耐食性を有し更に溶
融金属の作用の下に於いても暖くなることがない
ほどの機械的強度を有する材料にて形成されれば
充分である。勿論本発明の目的を達成する為に
は、種の周縁の周りの衝壁層が独立した物理的要
素である必要はなく、種上に施された被覆であつ
ても良い。第６図は、種がシールド４０と共にチ
ルプレートの表面の凹状領域と同一の高さ位置に
装着された本発明の更に他の一つの実施例を示し
ている。この実施例に於いては種に近接したチル
プレートの表面３６上に載置された環状セラミツ
クデイスク４４が含まれている。このデイスク４
４はチルプレートによる冷却の度合い従つて種に
近接した溶融金属の凝固速度を、かかるデイスク
が設けられていない場合の値よりも小さな値に低
減する機能を有している。本来チルプレートの表
面３６より凝固する金属は種の持つ所要の結晶方
向を有するようにはならない。スタータキヤビテ
イが特定の形状に形成されている場合には、デイ
スク４４の存在により、種の表面３８よりエピタ
キシヤル凝固している金属がセレクタセクシヨン
３４に到達する前に望ましからざる結晶方向を有
する金属がセレクタセクシヨン３４に到達するこ
とがないようにされる。第６図に於いてはデイス
ク４４はスタータキヤビテイ３２内に露呈された
チルプレートを覆う独立の要素として図示されて
いる。しかしスタータキヤビテイの周縁に於いて
チルプレートの表面の一部が露呈されるよう、例
えばデイスク４４の直径を低減することなどによ
り覆いの直径方向の範囲が変化されて良い。チル
プレートを覆う範囲の変化は物品の所要の凝固を
達成する為スタータキヤビテイ３２内の金属より
熱を除去する度合を制御可能に変化する。更にデ
イスク４４は第３図に図示されている如くシール
ド４０と一体的に形成されても良い。更にまたデ
イスク４４はモールド２０と一体的に形成されて
も良く、この場合デイスク部の内径は熱の抽出を
制御し得るよう変化されて良い。デイスク４４は
チルプレート上の被覆として形成されても良く、
この場合デイスクの機能はその材料の厚さや熱的
特性により変化される。

本明細書に開示された装置や方法は単一の部材
或いは数個の部材を製造する為に使用可能であ
る。勿論方向性凝固された精密鋳造物を大量生産
する場合に一般に行なわれている如く、第１図に
図示された如き型式のモールドを複数個組立体と
して配列することにより複数個の鋳造物品を製造
することができる。或いは米国特許第3857436号
に開示されている如くセレクタセクシヨンの真上
に於いてモールドを分枝することにより単一の種
結晶より一つ以上の部材が形成されても良い。

以上に於いては本発明を単結晶鋳造物品を製造
する好ましい実施例について説明したが、柱状晶
鋳造物や他のエピタキシヤル凝固した鋳造構造体
を製造することも本発明の範囲内に属するもので
ある。また本発明はそれに適したモールドを製造
することができる任意の鋳造合金について実施可
能なものである。更に以上に於いては本発明をそ
の幾つかの実施例について詳細に説明したが、本
発明はこれらの実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて種々の修正並びに省略が
可能であることは当業者にとつて明らかであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図はチルプレート上に配置された種を含む
モールドを示す解図的断面図である。第２図は第
１図に図示されたモールドの物品キヤビテイの横
断面を示す解図的断面図である。第３図はチルプ
レート上のモールドの種キヤビテイ（スタータキ
ヤビテイ）を示す部分断面図である。第４図は種
の配置状態を示す解図的拡大部分断面図である。
第５図はその周縁の周りに衝壁層を有する種を示
す解図的部分断面図である。第６図は種及びチル
プレートの衝壁層の他の一つの実施例を示す解図
的部分断面図である。 ２０……モールド、２２……チルプレート、２
４……物品キヤビテイ、２６……第一の端部、２
８……種、３０……リセス、３２……スタータキ
ヤビテイ、３３……第二の端部、３４……セレク
タセクシヨン、３６……表面、３７……ボルト、
３８……表面、４０……シールド、４１……溝、
４２……周縁、４４……デイスク、４６……溝、
４８……キー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融金属を制御された結晶方向を有する物品
   に凝固させる装置にして、 モールドと、溶融金属が方向性凝固をしている
   間該溶融金属を冷却するチルプレートと、 物品に望まれるエピタキシヤル凝固を開始させ
   るための既知の結晶方向を有する種と、 前記種より前記チルプレートへ熱が伝達し得る
   状態にまた前記種が前記チルプレートより突出た
   状態にあるように前記モールド内に前記チルプレ
   ートに近接して前記種を予め定められた方向に保
   持する手段と、 前記モールドが前記種に対して或る予め定めら
   れた方向をなすよう前記チルプレートに対し前記
   モールドを保持する手段とを有し、 前記モールドは物品セクシヨンとスタータセク
   シヨンとその間に位置するセレクタセクシヨンと
   を有し、前記スタータセクシヨンは前記チルプレ
   ートに接し該チルプレートと共に前記種の前記チ
   ルプレートより突出た部分と前記種の周りに或る
   所定量の溶融金属とを受入れることのできる容積
   を定めていることを特徴とする装置。