JP2002178101A - 鋳造部分を製作するための方法ならびに該方法で使用するための模型型およびセラミックス挿入体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳造部分の鋳型を鑞模型とセラミックス挿入
体とによって製作し、この場合、セラミックス挿入体に
設けられた突出部によって鋳造部分に形成された切欠き
の形状係数が低減されるようにする。 【解決手段】 鋳造部分６に切欠き５をセラミックス挿
入体２の突出部３によって製作し、この場合、突出部３
が、該突出部３の中心線１０と外縁部との間に３０゜よ
りも小さな角度α，βを有しているようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、公知の鋳造法によ
って熱的なターボ機械の鋳造部分を製作するための方法
であって、鑞模型を、模型型と、該模型型内に位置する
セラミックス挿入体とによって製作し、この場合、セラ
ミックス挿入体の外側に、鋳造部分の壁厚さ許容誤差を
維持するための突出部が位置しており、セラミックス製
の鋳型を、鑞模型と、該鑞模型内に位置するセラミック
ス挿入体とによって製作し、鋳造部分を、セラミックス
製の鋳型によって製作する形式の、鋳造部分を製作する
ための方法に関する。さらに、本発明は、前記方法で使
用するための模型型であって、セラミックス挿入体と、
該セラミックス挿入体に位置する突出部とが設けられて
おり、セラミックス挿入体が、鋳造法の間に当該模型型
内に配置されている形式のものに関する。さらに、本発
明は、前記方法で使用しかつ前記模型型内で使用するた
めのセラミックス挿入体であって、当該セラミックス挿
入体に位置する突出部が設けられている形式のものに関
する。

【０００２】

【従来の技術】熱的なターボ機械の鋳造部分は公知の鋳
造法によって製作される。このような鋳造法に用いられ
る鋳造炉は、たとえばヨーロッパ特許出願公開第７４９
７９０号明細書またはアメリカ合衆国特許第３７６３９
２６号明細書またはアメリカ合衆国特許第３６９０３６
７号明細書に基づき公知である。

【０００３】鋳型によってガスタービンの複雑な部分を
製作するための方法は、たとえばアメリカ合衆国特許第
５２９６３０８号明細書に基づき公知である。鋳造した
い中空の部分の鑞模型が模型型とセラミックス挿入体と
によって製作される。その後、模型型が除去され、鑞模
型の周りにセラミックス製の鋳型がスラリによって成形
される。鑞が完全に燃焼された後、鋳造部分が、上述し
た鋳造法によって製作され得る。前記アメリカ合衆国特
許第５２９６３０８号明細書では、セラミックス挿入体
に突出部を設けることが提案される。これによって、一
方では、鋳造したい部分の壁厚さが、ある程度の許容誤
差範囲内にあることが達成されるようになっている。他
方では、鋳造法の間に鋳型内にセラミックス挿入体を位
置決めすることが保証され得る。前述した目的のために
突出部を使用することは一般的であると分かった。

【０００４】しかし、突出部は、ほとんど有利とならな
い付随現象も有している。鋳造部分の壁に突出部によっ
て切欠きが形成される。従来、この切欠きの形状係数は
比較的大きくなっている。したがって、不都合にも、こ
の切欠きは、構成部分表面の、規定された領域にしか配
置することができない。なぜならば、運転の間に構成部
分に作用する応力が場合によっては過度に大きい恐れが
あり、これによって、該当する構成部分に亀裂が生ぜし
められ得るからである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、公知
の鋳造法によって熱的なターボ機械の鋳造部分を製作す
るための方法を改善して、鋳造部分の鋳型を鑞模型とセ
ラミックス挿入体とによって製作し、この場合、セラミ
ックス挿入体に設けられた突出部によって鋳造部分に形
成された切欠きの形状係数が低減されるようにすること
である。さらに、本発明の課題は、本発明による方法に
用いられる模型型およびセラミックス挿入体を改良する
ことである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の方法では、鋳造部分に切欠きをセラミックス
挿入体の突出部によって製作し、この場合、突出部が、
該突出部の中心線と外縁部との間に３０゜よりも小さな
角度を有しているようにした。さらに、この課題を解決
するために本発明の模型型では、セラミックス挿入体の
突出部が、該突出部の中心線と外縁部との間に３０゜よ
りも小さな角度を有しているようにした。さらに、この
課題を解決するために本発明のセラミックス挿入体で
は、当該セラミックス挿入体の突出部が、該突出部の中
心線と外縁部との間に３０゜よりも小さな角度を有して
いるようにした。

【０００７】

【発明の効果】本発明によって、鋳造部分に形成された
切欠きの形状係数が有利に低減される。この形状係数
は、突出部の中心線と外縁部との間の角度が１５゜より
も小さく設定されている場合にさらに一層低減される。
突出部は、鋳造部分の、運転の間に増大される応力に基
づき従来は配置することが不可能であった箇所に配置す
ることができる。突出部のより高い密度を得ることがで
きる。突出部の、改善された分配もしくは増加された数
によって、鋳造プロセスの間の模型型もしくはセラミッ
クス製の鋳型内でのセラミックス挿入体の位置決めが改
善されている。別の構成に相応して、角度が、突出部の
種々異なる側で、種々異なる大きさに設定されている、
すなわち、種々異なる値を有していることが可能とな
る。

【０００８】本発明の有利な構成では、突出部が模型型
内に突入している。第１に、切欠きの縁部のより明瞭な
輪郭が得られる。鋳造部分の壁に対して平行な方向での
セラミックス挿入体の運動はある程度の枠内で可能とな
る。これによって、場合によっては、鋳造法の間にセラ
ミックス挿入体に作用する熱応力によるこのセラミック
ス挿入体の破損を阻止することができる。模型型に設け
られた、平らな底部を備えた、突出部が突入する切欠き
の構成によって、この目的は改善されて達成される。

【０００９】形状係数をさらに低減させるためには、鋳
造部分に突出部によって形成された切欠きが、鋳造部分
の外側から部分的に円錐形状にまたは円筒形状に研削さ
れるかまたは侵食されると有利である。鋳造部分の切欠
き内には、円筒形、円錐形または円形のピンが取り付け
られる。このピンは、たとえばはんだ付けされ得るかま
たは溶接され得る。切欠きの閉鎖は冷却空気の流出を阻
止している。この閉鎖の別の利点は、切欠きの縁部の局
所的な過熱が阻止されるという点にある。このことは、
被覆された羽根の、たとえばアーク洗浄による洗浄時に
得ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、熱的なターボ機械の、
熱で負荷される鋳造部分を製作するための方法に関す
る。この鋳造部分は、個々には、たとえばガスタービン
のまたは燃焼器部分の案内羽根または回転羽根であって
よい。以下に、鋳造部分および該鋳造部分を製作するた
めの本発明による方法を図面につき詳しく説明する。図
面には、本発明の主要な構成部分しか示されていない。
種々異なる図面において同一の構成部分には同じ符号が
付してある。

【００１１】鋳造部分は、公知先行技術に基づき一般的
に公知の鋳造炉によって製作される。このような鋳造炉
によって、複雑に形成された、熱的なかつ機械的な高い
負荷にさらすことができる構成部分を製作することがで
きる。一般的に、熱的なターボ機械の鋳造部分は、単結
晶性の構成部分（ＳＸ）または一方向凝固された構成部
分（ＤＳ）である。しかし、本発明は、この構成部分の
形式に制限されるものではない。むしろ、本発明は、一
方向凝固されていない、つまり多結晶性の構成部分（Ｃ
Ｃ）であってもよい。

【００１２】図１には、鋳造したいタービン羽根の鑞模
型１が示してある。この鑞模型１は、スラリとも呼ばれ
る液状のセラミックス材料内に浸漬される。この場合、
鑞模型１の周りに、鋳造部分の、後続のセラミックス製
の鋳型が形成される。次いで、セラミックス材料が乾燥
させられ、これによって、鋳造部分を製作する鋳型が形
成される。スラリの乾燥工程の後、鑞４が適切な熱処理
によって除去される、すなわち完全に燃焼される。この
方法ステップでは鋳型も燃焼される。すなわち、こうし
て、鋳型は強度を獲得する。鋳造部分は、このように形
成された鋳型によって、公知先行技術に基づき公知の鋳
造炉により自体公知の形式で製作される。その後、セラ
ミックス製の鋳型が適切な形式で、たとえば酸またはア
ルカリ溶液によって除去される。

【００１３】図１の鑞模型１から製作されるタービン羽
根は中空室を有している。この中空室内には、ターボ機
械の運転の間、冷却空気が導入され得る。図１から知る
ことができるように、鑞模型１の内部には、鋳型の製作
工程の間、セラミックス中子とも呼ばれるセラミックス
挿入体２が位置している。このセラミックス挿入体２は
中空室の幾何学的形状を表している。鑞模型１は、図１
には示していない別の模型型９によって製作される。こ
の場合、液状の鑞４が、模型型９と、この模型型９内に
位置するセラミックス挿入体２との間に注入される。そ
の後、鑞４が凝固される。

【００１４】図２には、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った、
鑞模型１とセラミックス挿入体２との断面図が示してあ
る。このセラミックス挿入体２には、本発明による突出
部３が設けられている。この突出部３は鑞模型１の鑞４
内に突入している。

【００１５】図３，図４および図５には、本発明による
突出部３と、この突出部３によって鋳造部分６に形成さ
れた切欠き５とが示してある。図３ａから分かるよう
に、本発明によれば、突出部３の中心線１０と突出部３
の外縁部との成す角度α，βが３０゜よりも小さくなる
突出部３を製作することが提案される。これによって、
突出部３により鋳造部分６に形成された切欠き５（図４
および図５参照）の形状係数が有利に低減される。した
がって、突出部３は、鋳造部分６の、運転の間に増大さ
れる応力に基づき従来は配置することが不可能であった
箇所にも配置することができる。表面における突出部３
のより高い密度も得ることができる。これによって、突
出部３の、改善された分配もしくは増加された数が可能
となる。結果的に、鋳造プロセスの間の模型型９もしく
はセラミックス製の鋳型内でのセラミックス挿入体２の
位置決めが改善されている。特別な構成では、突出部３
の中心線１０と外縁部との間の角度α，βが１５゜より
も小さくさえ設定されている。これによって、形状係数
がさらに一層低減される。図３ａの実施例に相応して、
角度α，βが、突出部３の種々異なる側で、種々異なる
大きさに設定されている、すなわち、種々異なる数値を
有していることも可能である。

【００１６】本発明による突出部３の図３ｂの構成は、
突出部３が鑞模型１の表面を越えて模型型９の凹部１１
内に張り出していることによって特徴付けられている。
この凹部１１は約１〜２ｍｍの長さを有している。この
ような配置形式は有利である。なぜならば、完全な鋳造
部分６に設けられた切欠き５の縁部の、より明瞭な仕切
り部が得られるからである。図３ａに示した突出部３で
は、肉薄の鋳肌または「裂開された（ａｕｓｇｅｆｒａ
ｎｓｔ）」縁部が鋳造部分６の外側に形成され得る。こ
れによって、形成された切欠き５の付加的な後加工が必
要となる。

【００１７】さらに、図３ｂに示した、張り出した突出
部３を備えた構成は、模型型９を除去した後に突出部３
を外部から観察することができ、これによって、形成さ
れた切欠き５をより容易に発見することができるという
利点を有している。したがって、後続の方法ステップが
より簡単にかつ的確に実施可能となる。

【００１８】このような構成によって、すでに上述し
た、鋳造法の間の鋳造部分６の壁に対して平行なまたは
垂直な方向でのセラミックス挿入体２の位置決めが改善
されている。壁に対して垂直な方向での運動は、もはや
極めて制限されてしか可能でないのに対して、壁に対し
て平行な方向での運動は、まだある程度の枠内で可能で
ある。これによって、鋳造部分６の壁厚さの、改善され
たコントロール（Ｋｏｎｔｒｏｌｌｅ）が得られ、場合
によっては、セラミックス挿入体２に作用する熱応力に
よるこのセラミックス挿入体２の破損を阻止することが
できる。突出部３の周りには同じく鑞４が充填されてい
る。その後、この箇所に鋳造法の間に形成された材料
が、付加的な方法ステップで除去され得る。上述した、
壁に対して平行なまたは垂直な運動を可能にするかもし
くは阻止するために、模型型９に設けられた凹部１１が
以下のように、すなわち、突出部３に相補的な形状を提
供する代わりに、平らな底部を有する凹部１１が提供さ
れるように形成されていると有利である。このことは、
図３ｂに見ることができる。

【００１９】図４ａおよび図４ｂに見ることができるよ
うに、鋳造部分６を完全に鋳造した後、切欠き５が、鋳
造部分６の外側の表面から切欠き８によって完全にまた
は部分的に研削されるかまたは侵食される。このこと
は、一般的に、円筒形状（図４ａ参照）でまたは円錐形
状（図４ｂ参照）で行うことができる。図３ａの構成に
よって形成された鋳肌または「裂開された縁部」はこの
ような形式で除去される。これによって、切欠き５の形
状係数が低減される。切欠き８は少なくとも０．１ｍｍ
の深さを有していることが望ましい。一般的には、１〜
２ｍｍの深さが選択される。

【００２０】図５ａおよび図５ｂには、完全な鋳造部分
６に設けられた切欠き５を処理するために、どのような
付加的な方法ステップが必要になるのかが示してある。
切欠き８がピン７によって閉鎖される。このピン７は、
円形、円錐形または円筒形に形成されていてよく、種々
異なる長さを有していてよい。ピン７は、鋳造部分６に
はんだ付けまたは溶接することができるかまたは別の適
切なプロセスによって取り付けることができる。ピン７
は切欠き８の長さに相当しているが、より長く形成され
ていてもよいし、より短く形成されていてもよい。図５
ａでは、円錐状の切欠き８は球体によって閉鎖される。
長い溶接時間を回避するために、この球体は抵抗スポッ
ト溶接法によって切欠き８の接触面に溶着される。その
後、球体は構成部分表面と同一平面を成すように研削さ
れ得るので、残りの部分がピン７として切欠き８を塞い
でいる。さらに、切欠き８の閉鎖は冷却空気の消費を減
少させる。なぜならば、流出が阻止されるからである。
閉鎖の別の利点は、切欠き５の縁部の局所的な過熱が阻
止される点にある。このことは、被覆された羽根の、た
とえばアーク洗浄による洗浄時に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】タービン羽根の、挿入体を備えた鑞模型を示す
図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

【図３ａ】図２の部分ＩＩＩに示した本発明による突出
部の構成を示す図である。

【図３ｂ】図３ａの改良形を示す図である。

【図４ａ】外側の表面から別の切欠きが設けられた完全
な鋳造部分を示す図である。

【図４ｂ】図４ａの改良形を示す図である。

【図５ａ】完全な鋳造部分に本発明による突出部によっ
て形成された切欠きと、この切欠きの、ピンによる閉鎖
部とを示す図である。

【図５ｂ】図５ａの改良形を示す図である。

【符号の説明】

１ 鑞模型、 ２ セラミックス挿入体、 ３ 突出
部、 ４ 鑞、 ５ 切欠き、 ６ 鋳造部分、 ７
ピン、 ８ 切欠き、 ９ 模型型、 １０ 中心線、
１１ 凹部、 α 角度、 β 角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルベルト ブランドゥル ドイツ連邦共和国 ヴァルツフート−ティ ーンゲン シュッツェンマットヴェーク 34 (72)発明者 アレキサンダー ホッフス スイス国 フィルナッヒェルン オーバー ドルフシュトラーセ 18 (72)発明者 ローラント ミュッケ スイス国 ヴィンディッシュ ヨッゲルア ッカー ５ (72)発明者 セルゲイ リャツァンチェフ ロシア国 モスクワ ビー ガルシュキナ ストリート 18 Ｆターム(参考） 4E093 GA02 GA09 GB03 GC12

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 公知の鋳造法によって熱的なターボ機械
   の鋳造部分（６）を製作するための方法であって、鑞模
   型（１）を、模型型（９）と、該模型型（９）内に位置
   するセラミックス挿入体（２）とによって製作し、この
   場合、セラミックス挿入体（２）の外側に、鋳造部分
   （６）の壁厚さ許容誤差を維持するための突出部（３）
   が位置しており、セラミックス製の鋳型を、鑞模型
   （１）と、該鑞模型（１）内に位置するセラミックス挿
   入体（２）とによって製作し、鋳造部分（６）を、セラ
   ミックス製の鋳型によって製作する形式の、鋳造部分を
   製作するための方法において、 鋳造部分（６）に切欠き（５）をセラミックス挿入体
   （２）の突出部（３）によって製作し、この場合、突出
   部（３）が、該突出部（３）の中心線（１０）と外縁部
   との間に３０゜よりも小さな角度（α，β）を有してい
   ることを特徴とする、鋳造部分を製作する方法。
2. 【請求項２】 鋳造部分（６）に切欠き（５）をセラミ
   ックス挿入体（２）の突出部（３）によって製作し、こ
   の場合、突出部（３）が、該突出部（３）の中心線（１
   ０）と外縁部との間に１５゜よりも小さな角度（α，
   β）を有している、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 鋳造部分（６）に切欠き（５）をセラミ
   ックス挿入体（２）の突出部（３）によって製作し、こ
   の場合、突出部（３）が、種々異なる側で突出部（３）
   の中心線（１０）と外縁部との間に種々異なる角度
   （α，β）を有している、請求項１または２記載の方
   法。
4. 【請求項４】 鋳造部分（６）に切欠き（５）をセラミ
   ックス挿入体（２）の突出部（３）によって製作し、こ
   の場合、突出部（３）が、鋳造法の間に模型型（９）内
   に突入している、請求項１または２記載の方法。
5. 【請求項５】 鋳造法の間に、張り出した突出部（３）
   を取り囲むように鋳造部分（６）の表面に形成された突
   出した材料を除去する、請求項３記載の方法。
6. 【請求項６】 鋳造部分（６）に突出部（３）によって
   形成された切欠き（５）を鋳造部分（６）の外側から部
   分的に円錐形状にまたは円筒形状に完全にまたは部分的
   に研削するかまたは侵食し、これによって、鋳造部分
   （６）の外側に切欠き（８）を形成する、請求項１から
   ４までのいずれか１項記載の方法。
7. 【請求項７】 鋳造部分（６）の外側に設けられた切欠
   き（８）内に円筒形、円錐形または円形のピン（７）を
   取り付け、特にはんだ付けするかまたは溶接し、こうし
   て、切欠き（８）を鋳造部分（６）の外側から閉鎖す
   る、請求項５記載の方法。
8. 【請求項８】 請求項１から７までのいずれか１項記載
   の方法で使用するための模型型（９）であって、セラミ
   ックス挿入体（２）と、該セラミックス挿入体（２）に
   位置する突出部（３）とが設けられており、セラミック
   ス挿入体（２）が、鋳造法の間に当該模型型（９）内に
   配置されている形式のものにおいて、 セラミックス挿入体（２）の突出部（３）が、該突出部
   （３）の中心線（１０）と外縁部との間に３０゜よりも
   小さな角度（α，β）を有していることを特徴とする、
   模型型。
9. 【請求項９】 セラミックス挿入体（２）の突出部
   （３）が、該突出部（３）の中心線（１０）と外縁部と
   の間に１５゜よりも小さな角度（α，β）を有してい
   る、請求項８記載の模型型。
10. 【請求項１０】 前記角度（α，β）が、突出部（３）
    の種々異なる側で、種々異なる大きさに設定されてい
    る、請求項８または９記載の模型型。
11. 【請求項１１】 セラミックス挿入体（２）の突出部
    （３）が、鋳造したい鋳造部分（６）の外側の表面を越
    えて、当該模型型（９）に配置されている凹部（１１）
    内に突入している、請求項８または９記載の模型型。
12. 【請求項１２】 当該模型型（９）に配置された、突出
    部（３）を収容する凹部（１１）が、平らな底部を有し
    ている、請求項９記載の模型型。
13. 【請求項１３】 請求項１から７までのいずれか１項記
    載の方法で使用しかつ請求項８から１２までのいずれか
    １項記載の模型型（９）内で使用するためのセラミック
    ス挿入体（２）であって、当該セラミックス挿入体
    （２）に位置する突出部（３）が設けられている形式の
    ものにおいて、 当該セラミックス挿入体（２）の突出部（３）が、該突
    出部（３）の中心線（１０）と外縁部との間に３０゜よ
    りも小さな角度（α，β）を有していることを特徴とす
    る、セラミックス挿入体。
14. 【請求項１４】 当該セラミックス挿入体（２）の突出
    部（３）が、該突出部（３）の中心線（１０）と外縁部
    との間に１５゜よりも小さな角度（α，β）を有してい
    る、請求項１３記載のセラミックス挿入体。
15. 【請求項１５】 前記角度（α，β）が、突出部（３）
    の種々異なる側で、種々異なる大きさに設定されてい
    る、請求項１３または１４記載のセラミックス挿入体。