中空部品のためのインベストメント鋳造プロセス
低圧振動支援鋳造プロセスを使用して柔軟なモールド（２４）内で成型されるセラミックコア（１０）を利用するガスタービンブレードなどの中空部品のためのインベストメント鋳造プロセス。柔軟なモールドは、比較的低い精度の機械加工プロセスを使用して柔軟な材料から機械加工されるマスターツール（１４）から成型され、比較的高い精度の表面がマスターツールに組み込まれる精密成形挿入体（２２）によって規定される。所望の部品間精度をもって所望の速度でセラミックコアを形成できるようにするために複数の同一の柔軟なモールドが単一のマスターツールから形成されてもよい。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
この出願は、参照することによってその全体が本願に組み入れられる米国仮出願第６１／２６７，５１９（代理人整理番号２００９Ｐ２２７８５ＵＳ）の２００９年１２月８日の出願日の利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
この発明はインベストメント鋳造の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
インベストメント鋳造は、銅、青銅、および、金などの金属からきめ細かい手工芸品を形成するためにそれが最初に使用されたときにまで数千年遡る最も古い既知の金属成形プロセスのうちの１つである。工業用インベストメント鋳造は、第二次世界大戦が特殊な金属合金から形成される正確に寸法付けられた部品に対する需要を増大させた１９４０年代では更に一般的となった。今日、インベストメント鋳造は、航空宇宙産業や電力産業において、複雑な翼形状と内部冷却通路の幾何学的形態とを有するブレードまたはベーンなどのガスタービン部品を形成するために一般に使用される。
【０００４】
インベストメント鋳造されるガスタービンブレードまたはベーンの形成は、翼形状に対応する内面を有する外側セラミックシェルと、外側セラミックシェル内に配置されて翼内に形成されるべき内部冷却通路に対応する１つ以上のセラミックコアとを有するセラミック鋳造モールドを形成することを伴う。溶融合金がセラミック鋳造モールド内へ導入され、その後、溶融合金を冷却して硬化できる。その後、外側セラミックシェルおよびセラミックコアが機械的または化学的な手段によって除去されて、外側翼形状とセラミックコアの形状を成す中空内部冷却通路とを有する鋳造されたブレードまたはベーンがあらわになる。
【０００５】
射出鋳造のためのセラミックコアは、高強度硬化機械鋼から形成される互いに嵌め合うコアモールド半体へ所望のコア形状を最初に精密機械加工し、その後、モールド半体同士を接合して、所望のコア形状に対応する射出容積を規定し、セラミック成形材料を射出容積内へ真空射出することによって製造される。成形材料は、セラミック粉末と結合材料との混合物である。セラミック成形材料が未焼結状態まで硬化されたら、モールド半体が分離されて、未焼結状態セラミックコアが解放される。その後、脆弱な未焼結状態コアが熱処理され、それにより、結合剤が除去されるとともに、セラミック粉末が互いに焼結されて、溶融合金の鋳造を切り抜けるために必要な温度要件に耐えることができる材料が形成される。完全なセラミック鋳造容器は、ブレードの所望の翼形状に対応する射出容積を画定する他の精密機械加工された硬化鋼モールド（蝋パターンモールドまたは蝋パターンツールと称される）の２つの接合された半体内にセラミックコアを位置決めし、その後、溶融した蝋をセラミックコアの周囲で蝋モールド内へ真空射出することによって形成される。蝋が硬化したら、蝋モールド半体が分離されて除去され、それにより、蝋パターンの内側に入れられたセラミックコアがあらわになる。このとき、蝋パターンは翼形状に対応している。その後、蝋パターンの外表面は、例えば浸漬プロセスによってセラミック成形材料でコーティングされ、それにより、コア／蝋パターンの周囲にセラミックシェルが形成される。シェルの焼結時、および、結果として起こる蝋の除去時、前述したように、インベストメント鋳造プロセスで溶融合金を受けるために、完成したセラミック鋳造モールドを利用できる。
【０００６】
既知のインベストメント鋳造プロセスは、高価であるとともに、多大な時間を必要としており、そのため、新たなブレードまたはベーン形態の開発は、一般に、完成までに多くの月日と数十万ドルとを要する。また、設計選択は、セラミックコアの脆性と微細な特徴または大きなサイズを有するコアのための許容できる歩留まり率を達成できないこととに起因するセラミックコアの生産におけるプロセス限界によって制限される。金属成形業界は、これらの限界を認識してきており、また、米国特許第７，４３８，５２７号明細書に記載される翼後縁冷却チャネルを鋳造するための改良されたプロセスなど、少なくとも幾つかの漸進的な改善を生み出してきた。市場は、ガスタービンエンジンからかなり高い効率および出力を求めているため、既存のインベストメント鋳造プロセスの限界は更に一層問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，４３８，５２７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
漸進的な改善がインベストメント鋳造技術の分野で与えられてきたが、本発明者等は、多くの分野で、例えば次世代のガスタービンエンジンにおいて計画的進歩のための部品設計を著しく妨げる本質的限界に業界が直面していることを認識した。ガスタービン焼成温度は、燃焼効率を高めるために増大され続けており、また、ガスタービン高温ガス経路部品サイズは、出力レベルが上昇されるにつれて増大し続け、そのため、今では、長さが１メートルを超える内部冷却第４ステージガスタービンブレードを設計する必要がある。そのようなブレードはこれまで製造されておらず、また、今日の既存の技術を用いてそのようなブレードを効果的に製造できるとは思われていない。従来技術のタービンでは、利用できる超合金の高温性能に起因して、第４ステージの内部冷却の必要性がなかった。次世代第４ステージタービンブレードは、高い焼成温度に起因して、これらの既知の合金の動作限界を超え、部品の完全性を保護するために能動的な内部冷却通路を必要とする。しかしながら、これらの新たなブレードの複雑な冷却形態および突き出たサイズに起因して、そのような冷却通路のインベストメント鋳造のために必要なセラミックコアは、既存のインベストメント鋳造プロセスの商業的に実際に役立つ性能を超える。望まれる設計が鋳造性能を超えるにつれて、他の産業で同様の限界に直面する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
結果として、本発明者等は、インベストメント鋳造のための全く新しい形態を開発して本明細書中で開示している。この新たな形態は、既存の性能を伸ばして改善するだけでなく、これまで利用できなかった新たな設計実用性を部品設計者に与える。結果として、本明細書中に開示されるプロセスは、現在利用できる形状よりも大きく或いは小さく、より複雑であり或いは以前は決して成形され得なかった形状であり、これまで達成できなかったが今では第４ステージ内部冷却ガスタービンブレードにおける非常に長くて細い冷却通路のために必要とされるアスペクト比を有する場合がある形状を有する鋳造金属合金部品の適時な費用効率の高い製造を可能にする。本発明は、鋳造技術が予見できるニーズを乗り越えるようにするとともに、鋳造プロセスが設計限界とならないようにし、それにより、設計者が再び設計を鋳造合金および外的に塗布される遮熱コーティングの材料特性の限界にまで及ばせることができるようにする。
【００１０】
本明細書中に記載されるインベストメント鋳造形態は、インベストメント鋳造プロセスの複数のステップで新たな改良されたプロセスを組み入れる。新たな形態の特定の態様については以下で更に詳しく説明されて特許請求の範囲に記載されるが、以下の概要は、個々のステップおよびこれらのステップ間の相乗効果の利点が十分に理解され得るようにプロセス全体を読者に慣れ親しませるために与えられる。
【００１１】
本明細書中に記載される形態に係る典型的なインベストメント鋳造プロセスは、軟質金属、すなわち、（現在使用される高強度機械鋼と比べたときに）比較的軟質な容易に機械加工される安価な材料、例えばアルミニウムまたは軟鋼から機械加工されるマスターモールドを使用することによりインベストメント鋳造モールドのためのセラミックコアを製造することから始まってもよい。２つのマスターモールド半体が形成され、そのうちの一方のマスターモールド半体は、所望のセラミックコア形状の２つの対向する側のそれぞれに対応する。それぞれのマスターモールド内には柔軟な成形材料が流し込まれ、それにより、互いに接合されるときに所望のセラミックコア形状に対応する内部容積を規定する２つの協働する柔軟なモールド半体が形成される。その後、セラミック成形材料が柔軟なモールド内へ流し込まれ、セラミック成形材料を未焼結状態まで硬化できる。
【００１２】
マスターモールドを形成するためのコストおよび時間は、容易に機械加工される材料の使用によって最小限に抑えられる。しかしながら、そのような材料において標準的な機械加工プロセスを使用しても、次世代のガスタービンエンジンのための先進の設計をうまく変換することはできない。したがって、マスターモールド半体の少なくとも一部が精密成形挿入体を受けるように設計される場合がある。挿入体は、米国特許第７，１４１，８１２号明細書および７，４１０，６０６および７，４１１，２０４に記載されるＴｏｍｏプロセスなどの任意の既知のプロセスによって形成されてもよく、前記特許の全ては、バージニア州のシャーロッツビルのＭｉｋｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ社に譲渡されており、参照することにより本願に組み入れられる。Ｔｏｍｏプロセスは、柔軟な誘導モールドを形成するために金属箔積層モールドを使用し、前記誘導モールドは、その後、構成部品を成形するために使用される。部品形状は、最初にデジタルモデルで具現化された後にデジタル処理でスライスされ、また、フォトリソグラフィまたは他の精密材料除去プロセスを使用して、それぞれのスライスに対応して金属箔が形成される。三次元の様々なスライスの厚さを制御できる設計者の能力と相まった二次元材料除去プロセスの固有の精度は、標準的なモールド機械加工プロセスを使用してこれまで利用できなかった三次元製造公差精度を与える。箔は、適した柔軟な成形材料を受けるための積層モールドを形成するために互いに積層される。「柔軟な」という用語は、本明細書中では、室温加硫（ＲＴＶ）シリコンゴムまたは従来技術の金属モールドのように硬質ではないが鋳造構造物からのモールドの除去を容易にするためにモールドをある程度まで曲げて引き伸ばすことができるようにする「柔軟なモールド」を形成するために使用され得る他の材料などの材料を示すために使用される。また、用語「柔軟なモールド」および「柔軟なツール」は、本明細書中では、柔軟な自立構造および硬質コフィンモールド内に収容される柔軟なライナーまたは挿入体を含むように使用される場合がある。この場合、柔軟なモールド内へ構成要素が直接に流し込まれる。モールド材料の柔軟性は、鋳造部品がモールドから引き出されるにつれて特徴形態の周囲で変形できる柔軟なモールド材料の能力に起因して、突出するアンダーカットおよび逆断面テーパーを有する部品形態の鋳造を可能にする。
【００１３】
このように、比較的低いレベルの細部を有するセラミックコアの部分、例えば長い滑らかなチャネル部は、安価な標準的な機械加工プロセスを使用してマスターモールドへと移され得る。一方、比較的高いレベルの細部を有するセラミックコアの他の部分、例えばミクロサイズの表面撹拌器または複雑な通路形状は、精密成形挿入体を使用してマスターモールドへと移され得る。また、複数のコアの使用を必要とする冷却チャネル設計の場合、成形挿入体は、複数のコアのそれぞれにおいて精密協働接合形状を規定するために使用されてもよく、それにより、複数のコアが蝋モールド内に一緒に配置されると、それぞれのコアの接合形状が機械的に連結され、その結果、複数のコアは、その後の射出プロセス中に単一のコアとして機能する。
【００１４】
以下の説明では図面を考慮して本発明を詳しく述べる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の態様にしたがって形成され得るセラミックコアを示す。
【図２】本発明のステップ中に使用され得る従来技術のコンピュータ化された設計システムを示す。
【図３】精密挿入体を組み込むマスターツールの２つの半体を示す。
【図４】マスターツールで成型される柔軟なモールドを示す。
【図５】セラミックコアの形状に対応するキャビティを規定するように組み立てられる柔軟なモールドを示す。
【図６】柔軟なモールドで成形されるセラミックコアを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図６は、インベストメント鋳造用途におけるセラミックコアを製造するためのプロセスのステップを示す。図１に示されるような所望の形状を有するセラミックコア１０などの部品のデジタルモデルは、図２にあるような任意の既知のコンピュータ化された設計システム１２を使用して形成される。そのモデルは、デジタル処理で、少なくとも２つの部分へと、通常は半分にスライスされ、また、それらのデジタルモデルから、従来の機械加工プロセスを使用して比較的低コストで容易にアルミニウムまたは軟鋼などの任意の軟質金属を含む材料を機械加工することにより、マスターツール１４が形成される。２つの半体をその後に接合するために、アライメント形態部１６がデジタルモデルに加えられてもよい。従来の機械加工プロセスを使用してマスターツールの所望の表面形態を形成できない場合には、所望の表面形態を組み入れるために精密成形挿入体２２がマスターモールドに組み込まれてもよい。挿入体は、Ｔｏｍｏプロセス、ステレオ、リソグラフィ、ダイレクトメタルファブリケーション、または、他の高精度プロセスを使用して形成されてもよい。このとき、ツール表面全体は、図３に示されるように機械加工表面１８と挿入体表面２０との混成体であり、それぞれのマスターツール断面は精密成形挿入体を含む。その後、図４に示されるように、柔軟なモールド２４がマスターツールから成型される。その後、柔軟なモールドは、図５に示されるように、互いに位置合わせされて引き寄せられ、それにより、所望のコア形状に対応するキャビティ２６が規定される。キャビティは、図６に示されるように、セラミック鋳造材料２８のスラリーで満たされる。柔軟なモールドは、セラミック鋳造材料が未焼結状態まで硬化してセラミックコア１０が形成されると、分離される。セラミックコアは、複合表面トポグラフィーまたは精密成形接合形状などの最初に精密成形挿入体で形成された表面形状が複製される。例えば、２つのセラミックコアセグメントのうちの第１のコアセグメントには、第２の相手側のコアセグメントに形成される対応する形状との機械的な接合のために蟻形接合部が形成されてもよい。マスターツール挿入体は、コアの大部分が同じままであるがコアの１つの部分に関して代替設計として検討されている開発試験中の代替設計方式の迅速なプロトタイプ試験においても役立つ場合がある。完全に新しいマスターツールをそれぞれの代替設計ごとに製造する代わりに、新たな挿入体だけを形成すれば済む。
【００１７】
従来技術のインベストメント鋳造プロセスは、マスターツールのためにコストが高い、機械加工が難しい、硬質な工具鋼材料の使用を必要とする。これは、高圧射出プロセスを使用して複数のセラミックコアが単一のマスターツールから直接に成形されるからである。高いコストは、部分的には、硬質ツールを複数の引き面（ｐｕｌｌ ｐｌａｎｅ）内で鋳造コアから除去できる必要性に起因してツールが非常に工学的な多物品システムであるがために生じる。硬質な工具鋼は、高圧射出プロセス中にセラミック材料がツールを擦り減らすがために必要とされる。一方、本発明は、先に挙げた米国特許第７，１４１，８１２号明細書および７，４１０，６０６および７，４１１，２０４に記載されるように、柔軟な（例えばゴム）モールド材料の低圧鋳造または真空支援鋳造のためにマスターツールだけを使用する。したがって、低強度の、比較的軟らかい、機械加工が容易な材料、例えば１つの実施形態では７０００系アルミニウム合金がマスターツールのために使用されてもよい。これは、従来技術のプロセスと比べると、時間およびコストのかなりの節減をもたらす。
【００１８】
本発明において利用され得る他の技術は、参照することにより本願に組み入れられるバージニア州のシャーロッツビルにあるＭｉｋｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ社に譲渡された係属中の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／５８２２０号明細書に記載されている。その出願は、既存のセラミックコア成形材料のその完全焼結状態に良く似ているが既存の材料と比べたときにかなり高い素地体（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）強度を与えるセラミック成形組成体について記載する。そのような改良された成形組成体をこの鋳造形態に組み入れることにより、許容できないほど高い欠陥率を伴わなければそれらの未焼結状態での取り扱いをこれまで切り抜けられなかったコア形状の形成が容易になる。未焼結状態強度の向上は、コアをモールドから除去するために鋳造材料の周囲でモールドを変形させなければならないようにコア形態部の形状がなっているときの柔軟なモールドからのセラミックコアの除去中に特に重要である。柔軟なモールドへ流し込まれるセラミック材料は、そのような鋳造形態部が素地体セラミックコアの除去中に柔軟なモールドの何らかの曲げを必要とする突出アンダーカットまたは非平行引き面形態部を含むときであっても鋳造形態部をモールドから除去できるようにするための適した素地体強度を有していなければならない。
【００１９】
国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／５８２２０号明細書に記載されるセラミック鋳造材料は、従来技術のセラミックコア鋳造材料よりも、スラリーとしての低い粘性を示し、それにより、図６のステップを、ここでの使用のために３０ｐｓｉ（ゲージ）を超えないように規定される低圧で、１つの実施形態では例えば１０〜１５ｐｓｉの低圧で行うことができる。そのような低い圧力は柔軟なモールドへの射出に適している。一方、従来技術のセラミックコア材料射出は、一般に、更に高い大きさの圧力で行われる。本発明者等は、材料の滑らかな流れとモールドキャビティ全体にわたる材料のセラミック粒子の均一な分布とを確保するために鋳造材料の振動支援射出が役立つことを見出した。モールドの柔軟性は、流れる鋳造材料へ振動を与えるのを容易にする。１つの実施形態では、図３のステップにおけるモールドの製造中に当該技術分野において知られるような１つ以上の小型の機械的な振動器３０が柔軟なモールド自体に埋め込まれる。この場合、振動器は、セラミック成形材料の図６の射出中に、材料の流れとモールド全体にわたるスラリーのセラミック粒子の分布とを向上させるパターンで作動されてもよい。他のタイプの能動デバイス３２、例えば任意のタイプのセンサ（圧力センサまたは温度センサなど）、熱源、または、冷却源、および／または、遠隔測定回路、および／または、データ送信用のアンテナが柔軟なモールドに埋め込まれてもよい。
【００２０】
１つの実施形態では、セラミック鋳造材料のエポキシ含有量をシリカ系スラリーで２８重量％から３重量％程度の低い量までの範囲にすることができる。シリコン樹脂は、Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ ＳＲ３５５またはＤｏｗ ２５５の名前で販売されるような市販の材料であってもよい。この含有量は、３重量％から３０重量％程度の高い量までの範囲にすることができる。混合物は、２００メッシュシリカ或いは更にそれを超える粗い粒子を使用してもよい。溶媒含有量は、一般に、成型できるスラリーを可能にするために他の樹脂が減少するにつれて増大する。溶媒は、多くの温度を伴うことなくシリコン樹脂を溶解してエポキシと混合するために使用される。焼結材料の破断係数（ＭＯＲ）は、焼成シリカのための基準に基づき、一般的には、３点試験装置で１０％クリストバライトを伴って１５００〜１８００ｐｓｉである。焼結材料ＭＯＲはクリストバライト含有量に厳格に関連付けられ、クリストバライトが多ければ多いほど、室温強度が弱くなる。未焼結状態ＭＯＲは、エポキシを硬化するために使用される温度によって決まる。それが高温熱硬化系だからである。硬化温度は、何らかの熱成形を可能にするように、すなわち、材料を軟化させるためにエポキシの復帰温度を超える温度まで未焼結状態材料を再加熱した後、それをその鋳放し形状からその後の使用のために望ましい異なる形状へと曲げることができるように選択されてもよい。再加熱された材料は、真空バッグ内のセッティング金型へ配置され、それにより、真空バッグ内を真空引きする際に一部がセッティング金型と適合する状態へと引き込まれるようになっていてもよい。アライメント形態部は、セッティング金型との正確な位置合わせのためにコア形状へと成型されてもよい。少なくとも４０００ｐｓｉの素地体ＭＯＲにより、破損の機会をかなり減らしてコアを柔軟なモールドから除去して取り扱うことができるとともに、セッティング金型を再形成する前または後のいずれかにおいてアライメント形態部を加える或いは再形成するための標準的な機械加工工程を受けるのに適する強度をコアに与えることができ有益である。そのような熱成形後、または、熱成形がない場合において、強度を付加するために更なる硬化が使用されてもよい。１つの実施形態では、得られた破壊係数が以下の通りであった。
【００２１】
１１０℃で３時間にわたって硬化されたＭＯＲ＝４０００ｐｓｉ
上記のように硬化された後に１２０℃で１時間にわたって硬化されたＭＯＲ＝８０００ｐｓｉ
１０％焼成時クリストバライト含有量が目標とされてもよい。これは、鉱化剤の存在および焼成スケジュールによって変えられてもよい。１０％初期クリストバライト含有量は、その部分の全体にわたって結晶シード構造を形成して、溶融金属をセラミックモールドへ注ぐ前にコアが加熱されるときにシリカの残りの大部分がクリストバライトへとタイムリーに変換するようにするために使用されてもよい。また、１０％初期クリストバライト含有量は、シリカが再び加熱するときにそれ自体へと焼結し続けないようにする。
【００２２】
インベストメント鋳造分野にかかわる他のパラメータは気孔率である。従来技術のセラミック鋳造材料は一般に約３５％の気孔率を有する。前述した材料は一般に約２８％の気孔率に達する。低気孔率の危険は、鋳造金属がそれが収縮して冷えるにつれてセラミックコアを押しつぶすことができず、それにより、当該技術分野において「熱間亀裂」と称される金属結晶破損が引き起こされるということである。前述した材料は、どのような鋳造試行においてもそのような問題を決して引き起こさなかった。
【００２３】
インベストメント鋳造セラミックコアを形成するための前述した形態は、以下の表１に要約されるように、既知の従来技術のプロセスよりも勝る。
【００２４】
【表１】
【００２５】
セラミックコアが形成されると、セラミックコアがセラミック鋳造容器に組み込まれ、該鋳造容器内で金属部品が既知のプロセスを使用して成形される。
【００２６】
前述した形態は、鋳造工業のための新たなビジネスモデルを可能にする。従来技術のビジネスモデルは、急速な射出時間および硬化時間を伴って単一のマスターツールから複数のセラミック鋳造容器（および、その後に鋳造金属部品）を形成するために非常に高価な準備期間が長い頑丈なツールを利用する。一方、本明細書中に開示される新たな形態は、かなりゆっくりとした射出時間および硬化時間を伴ってセラミックコアを形成するために、安価な、より迅速に形成される、あまり頑丈でないマスターツールと、マスターツールから得られる中間の柔軟性のモールドとを利用する。したがって、新たな鋳造形態は、第１の種類のセラミックコア（および、その後に形成される鋳造金属部品）を従来技術の方法よりもかなり速く安価に形成できるため、急速プロトタイプ製造および開発試験用途において有利に適用できる。また、新たな形態は、低圧射出に起因するコアごとに必要とされる長い鋳造時間と場合により長い硬化時間とにもかかわらず、従来技術の方法の生産能力に一致する或いは該生産能力を超えるべく、単一のマスターツールから複数の同一の柔軟なモールドを成型でき、それにより、複数の同一のセラミックコアを同時に形成できるため、大量生産用途において効果的に適用され得る。本形態の時間およびコストの節減は、マスターツールを製造するコストおよび労力の低減を含むだけでなく、後縁冷却穴の穿孔などの従来技術において必要な特定の鋳造後ステップの排除も含む。これは、そのような形態部が、精密挿入体を用いて得ることができる精度と複数の引き面内で柔軟なモールドを除去できる能力とに起因して本発明にしたがって形成されるセラミックコアを使用して金属部品に直接に成形できるからである。本発明は、柔軟なモールドによって高精度部品を形成するだけでなく、従来技術の屈曲成形プロセスを用いて達成できなかった程度まで部品間精度も可能にする。最後に、本形態は、これらのコスト利点および製造利点を与えると同時に、これまで従来技術の性能の範囲内でなかった設計特徴形態の鋳造を可能にし、それにより初めて、次世代ガスタービン設計目標を達成するために必要なハードウェア特徴を部品設計者が形成できるようにする。例えば、本発明は、２０：１以上の全外殻寸法アスペクト比を有するおよび／または３０インチ以上の全長を有するセラミックコアの製造を容易にする。したがって、本発明は、従来技術によっては不可能である次世代の能動的に冷却される第４ステージタービンブレードの商業生産を可能にする。また、ここでは、そのような大きな中空領域を大型鋳造部品に組み入れて、冷却が要件でない場合であっても重量を減らすこともできる。
【００２７】
本発明の様々な実施形態を図示してここで説明してきたが、そのような実施形態が単なる一例として与えられていることは言うまでもない。本発明から逸脱することなく多くの変形、変更、および、置き換えを行ってもよい。
【関連出願の相互参照】
【０００１】
この出願は、参照することによってその全体が本願に組み入れられる米国仮出願第６１／２６７，５１９（代理人整理番号２００９Ｐ２２７８５ＵＳ）の２００９年１２月８日の出願日の利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
この発明はインベストメント鋳造の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
インベストメント鋳造は、銅、青銅、および、金などの金属からきめ細かい手工芸品を形成するためにそれが最初に使用されたときにまで数千年遡る最も古い既知の金属成形プロセスのうちの１つである。工業用インベストメント鋳造は、第二次世界大戦が特殊な金属合金から形成される正確に寸法付けられた部品に対する需要を増大させた１９４０年代では更に一般的となった。今日、インベストメント鋳造は、航空宇宙産業や電力産業において、複雑な翼形状と内部冷却通路の幾何学的形態とを有するブレードまたはベーンなどのガスタービン部品を形成するために一般に使用される。
【０００４】
インベストメント鋳造されるガスタービンブレードまたはベーンの形成は、翼形状に対応する内面を有する外側セラミックシェルと、外側セラミックシェル内に配置されて翼内に形成されるべき内部冷却通路に対応する１つ以上のセラミックコアとを有するセラミック鋳造モールドを形成することを伴う。溶融合金がセラミック鋳造モールド内へ導入され、その後、溶融合金を冷却して硬化できる。その後、外側セラミックシェルおよびセラミックコアが機械的または化学的な手段によって除去されて、外側翼形状とセラミックコアの形状を成す中空内部冷却通路とを有する鋳造されたブレードまたはベーンがあらわになる。
【０００５】
射出鋳造のためのセラミックコアは、高強度硬化機械鋼から形成される互いに嵌め合うコアモールド半体へ所望のコア形状を最初に精密機械加工し、その後、モールド半体同士を接合して、所望のコア形状に対応する射出容積を規定し、セラミック成形材料を射出容積内へ真空射出することによって製造される。成形材料は、セラミック粉末と結合材料との混合物である。セラミック成形材料が未焼結状態まで硬化されたら、モールド半体が分離されて、未焼結状態セラミックコアが解放される。その後、脆弱な未焼結状態コアが熱処理され、それにより、結合剤が除去されるとともに、セラミック粉末が互いに焼結されて、溶融合金の鋳造を切り抜けるために必要な温度要件に耐えることができる材料が形成される。完全なセラミック鋳造容器は、ブレードの所望の翼形状に対応する射出容積を画定する他の精密機械加工された硬化鋼モールド（蝋パターンモールドまたは蝋パターンツールと称される）の２つの接合された半体内にセラミックコアを位置決めし、その後、溶融した蝋をセラミックコアの周囲で蝋モールド内へ真空射出することによって形成される。蝋が硬化したら、蝋モールド半体が分離されて除去され、それにより、蝋パターンの内側に入れられたセラミックコアがあらわになる。このとき、蝋パターンは翼形状に対応している。その後、蝋パターンの外表面は、例えば浸漬プロセスによってセラミック成形材料でコーティングされ、それにより、コア／蝋パターンの周囲にセラミックシェルが形成される。シェルの焼結時、および、結果として起こる蝋の除去時、前述したように、インベストメント鋳造プロセスで溶融合金を受けるために、完成したセラミック鋳造モールドを利用できる。
【０００６】
既知のインベストメント鋳造プロセスは、高価であるとともに、多大な時間を必要としており、そのため、新たなブレードまたはベーン形態の開発は、一般に、完成までに多くの月日と数十万ドルとを要する。また、設計選択は、セラミックコアの脆性と微細な特徴または大きなサイズを有するコアのための許容できる歩留まり率を達成できないこととに起因するセラミックコアの生産におけるプロセス限界によって制限される。金属成形業界は、これらの限界を認識してきており、また、米国特許第７，４３８，５２７号明細書に記載される翼後縁冷却チャネルを鋳造するための改良されたプロセスなど、少なくとも幾つかの漸進的な改善を生み出してきた。市場は、ガスタービンエンジンからかなり高い効率および出力を求めているため、既存のインベストメント鋳造プロセスの限界は更に一層問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，４３８，５２７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
漸進的な改善がインベストメント鋳造技術の分野で与えられてきたが、本発明者等は、多くの分野で、例えば次世代のガスタービンエンジンにおいて計画的進歩のための部品設計を著しく妨げる本質的限界に業界が直面していることを認識した。ガスタービン焼成温度は、燃焼効率を高めるために増大され続けており、また、ガスタービン高温ガス経路部品サイズは、出力レベルが上昇されるにつれて増大し続け、そのため、今では、長さが１メートルを超える内部冷却第４ステージガスタービンブレードを設計する必要がある。そのようなブレードはこれまで製造されておらず、また、今日の既存の技術を用いてそのようなブレードを効果的に製造できるとは思われていない。従来技術のタービンでは、利用できる超合金の高温性能に起因して、第４ステージの内部冷却の必要性がなかった。次世代第４ステージタービンブレードは、高い焼成温度に起因して、これらの既知の合金の動作限界を超え、部品の完全性を保護するために能動的な内部冷却通路を必要とする。しかしながら、これらの新たなブレードの複雑な冷却形態および突き出たサイズに起因して、そのような冷却通路のインベストメント鋳造のために必要なセラミックコアは、既存のインベストメント鋳造プロセスの商業的に実際に役立つ性能を超える。望まれる設計が鋳造性能を超えるにつれて、他の産業で同様の限界に直面する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
結果として、本発明者等は、インベストメント鋳造のための全く新しい形態を開発して本明細書中で開示している。この新たな形態は、既存の性能を伸ばして改善するだけでなく、これまで利用できなかった新たな設計実用性を部品設計者に与える。結果として、本明細書中に開示されるプロセスは、現在利用できる形状よりも大きく或いは小さく、より複雑であり或いは以前は決して成形され得なかった形状であり、これまで達成できなかったが今では第４ステージ内部冷却ガスタービンブレードにおける非常に長くて細い冷却通路のために必要とされるアスペクト比を有する場合がある形状を有する鋳造金属合金部品の適時な費用効率の高い製造を可能にする。本発明は、鋳造技術が予見できるニーズを乗り越えるようにするとともに、鋳造プロセスが設計限界とならないようにし、それにより、設計者が再び設計を鋳造合金および外的に塗布される遮熱コーティングの材料特性の限界にまで及ばせることができるようにする。
【００１０】
本明細書中に記載されるインベストメント鋳造形態は、インベストメント鋳造プロセスの複数のステップで新たな改良されたプロセスを組み入れる。新たな形態の特定の態様については以下で更に詳しく説明されて特許請求の範囲に記載されるが、以下の概要は、個々のステップおよびこれらのステップ間の相乗効果の利点が十分に理解され得るようにプロセス全体を読者に慣れ親しませるために与えられる。
【００１１】
本明細書中に記載される形態に係る典型的なインベストメント鋳造プロセスは、軟質金属、すなわち、（現在使用される高強度機械鋼と比べたときに）比較的軟質な容易に機械加工される安価な材料、例えばアルミニウムまたは軟鋼から機械加工されるマスターモールドを使用することによりインベストメント鋳造モールドのためのセラミックコアを製造することから始まってもよい。２つのマスターモールド半体が形成され、そのうちの一方のマスターモールド半体は、所望のセラミックコア形状の２つの対向する側のそれぞれに対応する。それぞれのマスターモールド内には柔軟な成形材料が流し込まれ、それにより、互いに接合されるときに所望のセラミックコア形状に対応する内部容積を規定する２つの協働する柔軟なモールド半体が形成される。その後、セラミック成形材料が柔軟なモールド内へ流し込まれ、セラミック成形材料を未焼結状態まで硬化できる。
【００１２】
マスターモールドを形成するためのコストおよび時間は、容易に機械加工される材料の使用によって最小限に抑えられる。しかしながら、そのような材料において標準的な機械加工プロセスを使用しても、次世代のガスタービンエンジンのための先進の設計をうまく変換することはできない。したがって、マスターモールド半体の少なくとも一部が精密成形挿入体を受けるように設計される場合がある。挿入体は、米国特許第７，１４１，８１２号明細書および７，４１０，６０６および７，４１１，２０４に記載されるＴｏｍｏプロセスなどの任意の既知のプロセスによって形成されてもよく、前記特許の全ては、バージニア州のシャーロッツビルのＭｉｋｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ社に譲渡されており、参照することにより本願に組み入れられる。Ｔｏｍｏプロセスは、柔軟な誘導モールドを形成するために金属箔積層モールドを使用し、前記誘導モールドは、その後、構成部品を成形するために使用される。部品形状は、最初にデジタルモデルで具現化された後にデジタル処理でスライスされ、また、フォトリソグラフィまたは他の精密材料除去プロセスを使用して、それぞれのスライスに対応して金属箔が形成される。三次元の様々なスライスの厚さを制御できる設計者の能力と相まった二次元材料除去プロセスの固有の精度は、標準的なモールド機械加工プロセスを使用してこれまで利用できなかった三次元製造公差精度を与える。箔は、適した柔軟な成形材料を受けるための積層モールドを形成するために互いに積層される。「柔軟な」という用語は、本明細書中では、室温加硫（ＲＴＶ）シリコンゴムまたは従来技術の金属モールドのように硬質ではないが鋳造構造物からのモールドの除去を容易にするためにモールドをある程度まで曲げて引き伸ばすことができるようにする「柔軟なモールド」を形成するために使用され得る他の材料などの材料を示すために使用される。また、用語「柔軟なモールド」および「柔軟なツール」は、本明細書中では、柔軟な自立構造および硬質コフィンモールド内に収容される柔軟なライナーまたは挿入体を含むように使用される場合がある。この場合、柔軟なモールド内へ構成要素が直接に流し込まれる。モールド材料の柔軟性は、鋳造部品がモールドから引き出されるにつれて特徴形態の周囲で変形できる柔軟なモールド材料の能力に起因して、突出するアンダーカットおよび逆断面テーパーを有する部品形態の鋳造を可能にする。
【００１３】
このように、比較的低いレベルの細部を有するセラミックコアの部分、例えば長い滑らかなチャネル部は、安価な標準的な機械加工プロセスを使用してマスターモールドへと移され得る。一方、比較的高いレベルの細部を有するセラミックコアの他の部分、例えばミクロサイズの表面撹拌器または複雑な通路形状は、精密成形挿入体を使用してマスターモールドへと移され得る。また、複数のコアの使用を必要とする冷却チャネル設計の場合、成形挿入体は、複数のコアのそれぞれにおいて精密協働接合形状を規定するために使用されてもよく、それにより、複数のコアが蝋モールド内に一緒に配置されると、それぞれのコアの接合形状が機械的に連結され、その結果、複数のコアは、その後の射出プロセス中に単一のコアとして機能する。
【００１４】
以下の説明では図面を考慮して本発明を詳しく述べる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の態様にしたがって形成され得るセラミックコアを示す。
【図２】本発明のステップ中に使用され得る従来技術のコンピュータ化された設計システムを示す。
【図３】精密挿入体を組み込むマスターツールの２つの半体を示す。
【図４】マスターツールで成型される柔軟なモールドを示す。
【図５】セラミックコアの形状に対応するキャビティを規定するように組み立てられる柔軟なモールドを示す。
【図６】柔軟なモールドで成形されるセラミックコアを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図６は、インベストメント鋳造用途におけるセラミックコアを製造するためのプロセスのステップを示す。図１に示されるような所望の形状を有するセラミックコア１０などの部品のデジタルモデルは、図２にあるような任意の既知のコンピュータ化された設計システム１２を使用して形成される。そのモデルは、デジタル処理で、少なくとも２つの部分へと、通常は半分にスライスされ、また、それらのデジタルモデルから、従来の機械加工プロセスを使用して比較的低コストで容易にアルミニウムまたは軟鋼などの任意の軟質金属を含む材料を機械加工することにより、マスターツール１４が形成される。２つの半体をその後に接合するために、アライメント形態部１６がデジタルモデルに加えられてもよい。従来の機械加工プロセスを使用してマスターツールの所望の表面形態を形成できない場合には、所望の表面形態を組み入れるために精密成形挿入体２２がマスターモールドに組み込まれてもよい。挿入体は、Ｔｏｍｏプロセス、ステレオ、リソグラフィ、ダイレクトメタルファブリケーション、または、他の高精度プロセスを使用して形成されてもよい。このとき、ツール表面全体は、図３に示されるように機械加工表面１８と挿入体表面２０との混成体であり、それぞれのマスターツール断面は精密成形挿入体を含む。その後、図４に示されるように、柔軟なモールド２４がマスターツールから成型される。その後、柔軟なモールドは、図５に示されるように、互いに位置合わせされて引き寄せられ、それにより、所望のコア形状に対応するキャビティ２６が規定される。キャビティは、図６に示されるように、セラミック鋳造材料２８のスラリーで満たされる。柔軟なモールドは、セラミック鋳造材料が未焼結状態まで硬化してセラミックコア１０が形成されると、分離される。セラミックコアは、複合表面トポグラフィーまたは精密成形接合形状などの最初に精密成形挿入体で形成された表面形状が複製される。例えば、２つのセラミックコアセグメントのうちの第１のコアセグメントには、第２の相手側のコアセグメントに形成される対応する形状との機械的な接合のために蟻形接合部が形成されてもよい。マスターツール挿入体は、コアの大部分が同じままであるがコアの１つの部分に関して代替設計として検討されている開発試験中の代替設計方式の迅速なプロトタイプ試験においても役立つ場合がある。完全に新しいマスターツールをそれぞれの代替設計ごとに製造する代わりに、新たな挿入体だけを形成すれば済む。
【００１７】
従来技術のインベストメント鋳造プロセスは、マスターツールのためにコストが高い、機械加工が難しい、硬質な工具鋼材料の使用を必要とする。これは、高圧射出プロセスを使用して複数のセラミックコアが単一のマスターツールから直接に成形されるからである。高いコストは、部分的には、硬質ツールを複数の引き面（ｐｕｌｌ ｐｌａｎｅ）内で鋳造コアから除去できる必要性に起因してツールが非常に工学的な多物品システムであるがために生じる。硬質な工具鋼は、高圧射出プロセス中にセラミック材料がツールを擦り減らすがために必要とされる。一方、本発明は、先に挙げた米国特許第７，１４１，８１２号明細書および７，４１０，６０６および７，４１１，２０４に記載されるように、柔軟な（例えばゴム）モールド材料の低圧鋳造または真空支援鋳造のためにマスターツールだけを使用する。したがって、低強度の、比較的軟らかい、機械加工が容易な材料、例えば１つの実施形態では７０００系アルミニウム合金がマスターツールのために使用されてもよい。これは、従来技術のプロセスと比べると、時間およびコストのかなりの節減をもたらす。
【００１８】
本発明において利用され得る他の技術は、参照することにより本願に組み入れられるバージニア州のシャーロッツビルにあるＭｉｋｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ社に譲渡された係属中の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／５８２２０号明細書に記載されている。その出願は、既存のセラミックコア成形材料のその完全焼結状態に良く似ているが既存の材料と比べたときにかなり高い素地体（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）強度を与えるセラミック成形組成体について記載する。そのような改良された成形組成体をこの鋳造形態に組み入れることにより、許容できないほど高い欠陥率を伴わなければそれらの未焼結状態での取り扱いをこれまで切り抜けられなかったコア形状の形成が容易になる。未焼結状態強度の向上は、コアをモールドから除去するために鋳造材料の周囲でモールドを変形させなければならないようにコア形態部の形状がなっているときの柔軟なモールドからのセラミックコアの除去中に特に重要である。柔軟なモールドへ流し込まれるセラミック材料は、そのような鋳造形態部が素地体セラミックコアの除去中に柔軟なモールドの何らかの曲げを必要とする突出アンダーカットまたは非平行引き面形態部を含むときであっても鋳造形態部をモールドから除去できるようにするための適した素地体強度を有していなければならない。
【００１９】
国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／５８２２０号明細書に記載されるセラミック鋳造材料は、従来技術のセラミックコア鋳造材料よりも、スラリーとしての低い粘性を示し、それにより、図６のステップを、ここでの使用のために３０ｐｓｉ（ゲージ）を超えないように規定される低圧で、１つの実施形態では例えば１０〜１５ｐｓｉの低圧で行うことができる。そのような低い圧力は柔軟なモールドへの射出に適している。一方、従来技術のセラミックコア材料射出は、一般に、更に高い大きさの圧力で行われる。本発明者等は、材料の滑らかな流れとモールドキャビティ全体にわたる材料のセラミック粒子の均一な分布とを確保するために鋳造材料の振動支援射出が役立つことを見出した。モールドの柔軟性は、流れる鋳造材料へ振動を与えるのを容易にする。１つの実施形態では、図３のステップにおけるモールドの製造中に当該技術分野において知られるような１つ以上の小型の機械的な振動器３０が柔軟なモールド自体に埋め込まれる。この場合、振動器は、セラミック成形材料の図６の射出中に、材料の流れとモールド全体にわたるスラリーのセラミック粒子の分布とを向上させるパターンで作動されてもよい。他のタイプの能動デバイス３２、例えば任意のタイプのセンサ（圧力センサまたは温度センサなど）、熱源、または、冷却源、および／または、遠隔測定回路、および／または、データ送信用のアンテナが柔軟なモールドに埋め込まれてもよい。
【００２０】
１つの実施形態では、セラミック鋳造材料のエポキシ含有量をシリカ系スラリーで２８重量％から３重量％程度の低い量までの範囲にすることができる。シリコン樹脂は、Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ ＳＲ３５５またはＤｏｗ ２５５の名前で販売されるような市販の材料であってもよい。この含有量は、３重量％から３０重量％程度の高い量までの範囲にすることができる。混合物は、２００メッシュシリカ或いは更にそれを超える粗い粒子を使用してもよい。溶媒含有量は、一般に、成型できるスラリーを可能にするために他の樹脂が減少するにつれて増大する。溶媒は、多くの温度を伴うことなくシリコン樹脂を溶解してエポキシと混合するために使用される。焼結材料の破断係数（ＭＯＲ）は、焼成シリカのための基準に基づき、一般的には、３点試験装置で１０％クリストバライトを伴って１５００〜１８００ｐｓｉである。焼結材料ＭＯＲはクリストバライト含有量に厳格に関連付けられ、クリストバライトが多ければ多いほど、室温強度が弱くなる。未焼結状態ＭＯＲは、エポキシを硬化するために使用される温度によって決まる。それが高温熱硬化系だからである。硬化温度は、何らかの熱成形を可能にするように、すなわち、材料を軟化させるためにエポキシの復帰温度を超える温度まで未焼結状態材料を再加熱した後、それをその鋳放し形状からその後の使用のために望ましい異なる形状へと曲げることができるように選択されてもよい。再加熱された材料は、真空バッグ内のセッティング金型へ配置され、それにより、真空バッグ内を真空引きする際に一部がセッティング金型と適合する状態へと引き込まれるようになっていてもよい。アライメント形態部は、セッティング金型との正確な位置合わせのためにコア形状へと成型されてもよい。少なくとも４０００ｐｓｉの素地体ＭＯＲにより、破損の機会をかなり減らしてコアを柔軟なモールドから除去して取り扱うことができるとともに、セッティング金型を再形成する前または後のいずれかにおいてアライメント形態部を加える或いは再形成するための標準的な機械加工工程を受けるのに適する強度をコアに与えることができ有益である。そのような熱成形後、または、熱成形がない場合において、強度を付加するために更なる硬化が使用されてもよい。１つの実施形態では、得られた破壊係数が以下の通りであった。
【００２１】
１１０℃で３時間にわたって硬化されたＭＯＲ＝４０００ｐｓｉ
上記のように硬化された後に１２０℃で１時間にわたって硬化されたＭＯＲ＝８０００ｐｓｉ
１０％焼成時クリストバライト含有量が目標とされてもよい。これは、鉱化剤の存在および焼成スケジュールによって変えられてもよい。１０％初期クリストバライト含有量は、その部分の全体にわたって結晶シード構造を形成して、溶融金属をセラミックモールドへ注ぐ前にコアが加熱されるときにシリカの残りの大部分がクリストバライトへとタイムリーに変換するようにするために使用されてもよい。また、１０％初期クリストバライト含有量は、シリカが再び加熱するときにそれ自体へと焼結し続けないようにする。
【００２２】
インベストメント鋳造分野にかかわる他のパラメータは気孔率である。従来技術のセラミック鋳造材料は一般に約３５％の気孔率を有する。前述した材料は一般に約２８％の気孔率に達する。低気孔率の危険は、鋳造金属がそれが収縮して冷えるにつれてセラミックコアを押しつぶすことができず、それにより、当該技術分野において「熱間亀裂」と称される金属結晶破損が引き起こされるということである。前述した材料は、どのような鋳造試行においてもそのような問題を決して引き起こさなかった。
【００２３】
インベストメント鋳造セラミックコアを形成するための前述した形態は、以下の表１に要約されるように、既知の従来技術のプロセスよりも勝る。
【００２４】
【表１】
【００２５】
セラミックコアが形成されると、セラミックコアがセラミック鋳造容器に組み込まれ、該鋳造容器内で金属部品が既知のプロセスを使用して成形される。
【００２６】
前述した形態は、鋳造工業のための新たなビジネスモデルを可能にする。従来技術のビジネスモデルは、急速な射出時間および硬化時間を伴って単一のマスターツールから複数のセラミック鋳造容器（および、その後に鋳造金属部品）を形成するために非常に高価な準備期間が長い頑丈なツールを利用する。一方、本明細書中に開示される新たな形態は、かなりゆっくりとした射出時間および硬化時間を伴ってセラミックコアを形成するために、安価な、より迅速に形成される、あまり頑丈でないマスターツールと、マスターツールから得られる中間の柔軟性のモールドとを利用する。したがって、新たな鋳造形態は、第１の種類のセラミックコア（および、その後に形成される鋳造金属部品）を従来技術の方法よりもかなり速く安価に形成できるため、急速プロトタイプ製造および開発試験用途において有利に適用できる。また、新たな形態は、低圧射出に起因するコアごとに必要とされる長い鋳造時間と場合により長い硬化時間とにもかかわらず、従来技術の方法の生産能力に一致する或いは該生産能力を超えるべく、単一のマスターツールから複数の同一の柔軟なモールドを成型でき、それにより、複数の同一のセラミックコアを同時に形成できるため、大量生産用途において効果的に適用され得る。本形態の時間およびコストの節減は、マスターツールを製造するコストおよび労力の低減を含むだけでなく、後縁冷却穴の穿孔などの従来技術において必要な特定の鋳造後ステップの排除も含む。これは、そのような形態部が、精密挿入体を用いて得ることができる精度と複数の引き面内で柔軟なモールドを除去できる能力とに起因して本発明にしたがって形成されるセラミックコアを使用して金属部品に直接に成形できるからである。本発明は、柔軟なモールドによって高精度部品を形成するだけでなく、従来技術の屈曲成形プロセスを用いて達成できなかった程度まで部品間精度も可能にする。最後に、本形態は、これらのコスト利点および製造利点を与えると同時に、これまで従来技術の性能の範囲内でなかった設計特徴形態の鋳造を可能にし、それにより初めて、次世代ガスタービン設計目標を達成するために必要なハードウェア特徴を部品設計者が形成できるようにする。例えば、本発明は、２０：１以上の全外殻寸法アスペクト比を有するおよび／または３０インチ以上の全長を有するセラミックコアの製造を容易にする。したがって、本発明は、従来技術によっては不可能である次世代の能動的に冷却される第４ステージタービンブレードの商業生産を可能にする。また、ここでは、そのような大きな中空領域を大型鋳造部品に組み入れて、冷却が要件でない場合であっても重量を減らすこともできる。
【００２７】
本発明の様々な実施形態を図示してここで説明してきたが、そのような実施形態が単なる一例として与えられていることは言うまでもない。本発明から逸脱することなく多くの変形、変更、および、置き換えを行ってもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空金属部品がセラミックコアを含むセラミック鋳造容器内で成形されるインベストメント鋳造プロセスであって、改良点は、
前記セラミックコアの比較的低い精度の領域を規定するために機械加工プロセスを使用してマスターツールを形成するステップと、
前記セラミックコアの比較的高い精度の領域を規定するために精密成形挿入体を前記マスターツールに組み込むステップと、
前記マスターツール内で柔軟なモールドを成型するステップと、
前記セラミックコアを形成するために柔軟な前記モールド内へセラミックコア材料を流し込むステップと、
前記セラミックコアが素地体状態にある間に柔軟な前記モールドを前記セラミックコアから除去するステップと、
を備えるプロセスによって前記セラミックコアを形成することを含むインベストメント鋳造プロセス。
【請求項２】
セラミックコア材料を流し込む前記ステップは、スラリー状のエポキシ結合組成体を備えるセラミックコア材料を低圧射出プロセスで柔軟な前記モールド内へ射出することを更に含む請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項３】
セラミックコア材料を流し込む前記ステップは、セラミック成形材料の低圧射出中に柔軟な前記モールドを振動させて、柔軟な前記モールド内でのスラリーの分配を助けることを更に含む請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項４】
能動デバイスを柔軟な前記モールドに組み込んで、セラミックコア材料を流し込む前記ステップ中に前記能動デバイスを動作させるステップを更に含む請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項５】
前記セラミックコアの２つのそれぞれの部分を規定するために、２つのマスターツールを形成して、２つの柔軟なモールドを成型するステップと、
前記２つの部分を互いに接合して前記セラミックコアを形成するために接合形状を前記セラミックコアに組み入れるステップと、
を更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項６】
除去する前記ステップの後にセラミックコア材料の復帰温度を上回るまで素地体状態コアを加熱するステップと、
素地体状態にあるセラミックコアをそれが復帰温度を上回る状態で再形成するステップと、
を更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項７】
再形成アライメント形態部を含むように前記セラミックコアを形成するステップと、
前記セラミックコアの前記再形成アライメント形態部と協働するアライメント形態部を備えるセッティング金型を用いて再形成する前記ステップを行うステップと、
を更に備える請求項６のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項８】
工学的トポグラフィーを前記精密挿入体に形成するステップと、
前記工学的トポグラフィーを柔軟な前記モールドを介して前記セラミックコアに複製するステップと、
を更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項９】
前記セラミックコアが複数の引き面内に幾何学的細部を含み、前記セラミックコアの幾何学的細部をそれぞれの前記引き面内に保持するために素地体状態セラミックコアに破損を引き起こすことなく柔軟な前記モールドを変形させることにより柔軟な前記モールドから前記セラミックコアを除去するステップを更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１０】
前記マスターツール内への硬化可能成形材料の低圧射出によって柔軟な前記モールドを成型するステップを更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１１】
少なくとも２０：１の全外殻寸法アスペクト比を有するように前記セラミックコアを規定するべく前記マスターツールを形成するステップを更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１２】
少なくとも３０インチの全長を有するように前記セラミックコアを規定するべく前記マスターツールを形成するステップを更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１３】
複数の同一の柔軟なモールドを前記マスターツールで成型するステップと、
複数の同一のセラミックコアを形成するためにセラミックコア材料を同一の柔軟な前記モールドのそれぞれへ並行プロセスで流し込むステップと、
を更に備え、
複数の柔軟な前記モールドの数が所定の生産速度を達成するように選択される請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１４】
中空金属部品がセラミックコアを含むセラミック鋳造容器内で成形されるインベストメント鋳造プロセスであって、改良点は、
３０インチを超える長さ寸法、少なくとも２０：１のアスペクト比を有する幾何学的細部、および、非平行な引き面を規定する２つの幾何学的細部のグループのうちの少なくとも１つを備える前記セラミックコアの幾何学的形態を規定するステップと、
セラミックコアの幾何学的形態のネガを規定する柔軟なモールドを形成するステップと、
少なくとも４０００ｐｓｉの素地体状態破断係数を有するセラミックコアを柔軟な前記モールド内で形成するステップと、
素地体状態セラミックコアを破損させることなく除去できるように前記モールドを変形させることによって前記セラミックコアを柔軟な前記モールドから素地体状態で除去するステップと、
を備えるプロセスによって前記セラミックコアを形成することを含むインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１５】
柔軟な前記モールドをマスターツール内で成型することによって柔軟な前記モールドを形成するステップであって、前記マスターモールドが、機械加工プロセスによって規定される比較的低い精度の部分と、マスターツールに組み込まれる精密成形挿入体によって規定される比較的高い精度の部分とを備えるステップを更に備える請求項１４のプロセス。
【請求項１６】
単一のマスターツールから複数の同一の柔軟なモールドを形成するステップと、
複数の同一のセラミックコアを形成するためにセラミックコア材料を同一の柔軟な前記モールドのそれぞれへ並行プロセスで流し込むステップと、
を更に備え、
複数の柔軟な前記モールドの数が所定の生産速度を達成するように選択される請求項１４のプロセス。
【請求項１７】
中空金属部品がセラミックコアを含むセラミック鋳造容器内で成型されるインベストメント鋳造プロセスであって、改良点は、
前記セラミックコアの形状を規定するようにマスターツールを形成するステップと、
前記マスターツール内で複数の同一の柔軟なモールドを成型するステップと、
並行生産プロセスで低圧射出プロセスを使用して複数の柔軟な前記モールド内で複数の同一のセラミックコアを形成するステップであって、複数の柔軟な前記モールドの数が所定の生産速度を達成するように選択されるステップと、
を備えるプロセスによって前記セラミックコアを形成することを含むインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１】
中空金属部品がセラミックコアを含むセラミック鋳造容器内で成形されるインベストメント鋳造プロセスであって、改良点は、
前記セラミックコアの比較的低い精度の領域を規定するために機械加工プロセスを使用してマスターツールを形成するステップと、
前記セラミックコアの比較的高い精度の領域を規定するために精密成形挿入体を前記マスターツールに組み込むステップと、
前記マスターツール内で柔軟なモールドを成型するステップと、
前記セラミックコアを形成するために柔軟な前記モールド内へセラミックコア材料を流し込むステップと、
前記セラミックコアが素地体状態にある間に柔軟な前記モールドを前記セラミックコアから除去するステップと、
を備えるプロセスによって前記セラミックコアを形成することを含むインベストメント鋳造プロセス。
【請求項２】
セラミックコア材料を流し込む前記ステップは、スラリー状のエポキシ結合組成体を備えるセラミックコア材料を低圧射出プロセスで柔軟な前記モールド内へ射出することを更に含む請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項３】
セラミックコア材料を流し込む前記ステップは、セラミック成形材料の低圧射出中に柔軟な前記モールドを振動させて、柔軟な前記モールド内でのスラリーの分配を助けることを更に含む請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項４】
能動デバイスを柔軟な前記モールドに組み込んで、セラミックコア材料を流し込む前記ステップ中に前記能動デバイスを動作させるステップを更に含む請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項５】
前記セラミックコアの２つのそれぞれの部分を規定するために、２つのマスターツールを形成して、２つの柔軟なモールドを成型するステップと、
前記２つの部分を互いに接合して前記セラミックコアを形成するために接合形状を前記セラミックコアに組み入れるステップと、
を更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項６】
除去する前記ステップの後にセラミックコア材料の復帰温度を上回るまで素地体状態コアを加熱するステップと、
素地体状態にあるセラミックコアをそれが復帰温度を上回る状態で再形成するステップと、
を更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項７】
再形成アライメント形態部を含むように前記セラミックコアを形成するステップと、
前記セラミックコアの前記再形成アライメント形態部と協働するアライメント形態部を備えるセッティング金型を用いて再形成する前記ステップを行うステップと、
を更に備える請求項６のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項８】
工学的トポグラフィーを前記精密挿入体に形成するステップと、
前記工学的トポグラフィーを柔軟な前記モールドを介して前記セラミックコアに複製するステップと、
を更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項９】
前記セラミックコアが複数の引き面内に幾何学的細部を含み、前記セラミックコアの幾何学的細部をそれぞれの前記引き面内に保持するために素地体状態セラミックコアに破損を引き起こすことなく柔軟な前記モールドを変形させることにより柔軟な前記モールドから前記セラミックコアを除去するステップを更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１０】
前記マスターツール内への硬化可能成形材料の低圧射出によって柔軟な前記モールドを成型するステップを更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１１】
少なくとも２０：１の全外殻寸法アスペクト比を有するように前記セラミックコアを規定するべく前記マスターツールを形成するステップを更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１２】
少なくとも３０インチの全長を有するように前記セラミックコアを規定するべく前記マスターツールを形成するステップを更に備える請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１３】
複数の同一の柔軟なモールドを前記マスターツールで成型するステップと、
複数の同一のセラミックコアを形成するためにセラミックコア材料を同一の柔軟な前記モールドのそれぞれへ並行プロセスで流し込むステップと、
を更に備え、
複数の柔軟な前記モールドの数が所定の生産速度を達成するように選択される請求項１のインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１４】
中空金属部品がセラミックコアを含むセラミック鋳造容器内で成形されるインベストメント鋳造プロセスであって、改良点は、
３０インチを超える長さ寸法、少なくとも２０：１のアスペクト比を有する幾何学的細部、および、非平行な引き面を規定する２つの幾何学的細部のグループのうちの少なくとも１つを備える前記セラミックコアの幾何学的形態を規定するステップと、
セラミックコアの幾何学的形態のネガを規定する柔軟なモールドを形成するステップと、
少なくとも４０００ｐｓｉの素地体状態破断係数を有するセラミックコアを柔軟な前記モールド内で形成するステップと、
素地体状態セラミックコアを破損させることなく除去できるように前記モールドを変形させることによって前記セラミックコアを柔軟な前記モールドから素地体状態で除去するステップと、
を備えるプロセスによって前記セラミックコアを形成することを含むインベストメント鋳造プロセス。
【請求項１５】
柔軟な前記モールドをマスターツール内で成型することによって柔軟な前記モールドを形成するステップであって、前記マスターモールドが、機械加工プロセスによって規定される比較的低い精度の部分と、マスターツールに組み込まれる精密成形挿入体によって規定される比較的高い精度の部分とを備えるステップを更に備える請求項１４のプロセス。
【請求項１６】
単一のマスターツールから複数の同一の柔軟なモールドを形成するステップと、
複数の同一のセラミックコアを形成するためにセラミックコア材料を同一の柔軟な前記モールドのそれぞれへ並行プロセスで流し込むステップと、
を更に備え、
複数の柔軟な前記モールドの数が所定の生産速度を達成するように選択される請求項１４のプロセス。
【請求項１７】
中空金属部品がセラミックコアを含むセラミック鋳造容器内で成型されるインベストメント鋳造プロセスであって、改良点は、
前記セラミックコアの形状を規定するようにマスターツールを形成するステップと、
前記マスターツール内で複数の同一の柔軟なモールドを成型するステップと、
並行生産プロセスで低圧射出プロセスを使用して複数の柔軟な前記モールド内で複数の同一のセラミックコアを形成するステップであって、複数の柔軟な前記モールドの数が所定の生産速度を達成するように選択されるステップと、
を備えるプロセスによって前記セラミックコアを形成することを含むインベストメント鋳造プロセス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１３−５１２７８３（Ｐ２０１３−５１２７８３Ａ）
【公表日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４３２２６（Ｐ２０１２−５４３２２６）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９３８０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７１９７５
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５９９０７８７０５）シーメンス エナジー インコーポレイテッド (57)
【出願人】（５１２１５１６０９）マイクロ システムズ インコーポレイテッド (3)
【氏名又は名称原語表記】ＭＩＫＲＯ ＳＹＳＴＥＭＳ，ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】１１８０ Ｓｅｍｉｎｏｌｅ Ｔｒａｉｌ， Ｓｕｉｔｅ ２２０， Ｃｈａｒｌｏｔｔｅｓｖｉｌｌｅ， Ｖｉｒｇｉｎｉａ ２２９０１ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９３８０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７１９７５
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５９９０７８７０５）シーメンス エナジー インコーポレイテッド (57)
【出願人】（５１２１５１６０９）マイクロ システムズ インコーポレイテッド (3)
【氏名又は名称原語表記】ＭＩＫＲＯ ＳＹＳＴＥＭＳ，ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】１１８０ Ｓｅｍｉｎｏｌｅ Ｔｒａｉｌ， Ｓｕｉｔｅ ２２０， Ｃｈａｒｌｏｔｔｅｓｖｉｌｌｅ， Ｖｉｒｇｉｎｉａ ２２９０１ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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