JP2010005698A - 保護層を有する合金鋳造品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造品の表面に保護層が設けられた合金鋳造品を提供する。
【解決手段】鋳造品１２の表面１６に連続自然酸化物層を設け、液体金属の攻撃に対して耐性であり、かつ保護層１４は合金中に存在する元素の酸化物としてクロミア、ニオビア、チタニア、タンタラ、シリカ、ジルコン、イットリア又はこれらの組合せを含む鋳型内側皮膜を形成し、合金鋳造品の表面に保護層を形成する方法を提供する。この方法は、鋳型に合金を配置し、合金の元素を酸化して鋳造品の表面に保護層を形成することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に合金鋳造品の分野に関し、具体的には液体冷却された合金鋳造品及びその製造方法に関する。

一般に、超合金鋳造品は、約７００℃より高い高温で溶融金属を鋳型に注入することによって鋳型内で形成される。通例、鋳型を液体金属浴に入れて、鋳型を冷却すると共に溶融体の凝固を促進する。液体金属浴中の金属は、比較的低い密度、低い融点（７００℃未満）及び低い価格を有するのが望ましい。通例金属浴に使用される金属として、リチウム（１８６℃）、ナトリウム（９８℃）、マグネシウム（６５０℃）、アルミニウム（６６０℃）、カリウム（６３℃）、亜鉛（４１９℃）、インジウム（１５６℃）、スズ（２３２℃）、アンチモン（６３０℃）、セシウム（２８℃）、テルル（４５０℃）などがある。リチウム、ナトリウム、カリウム及びセシウムのような金属は融解温度が低いが、非常に可燃性であるため安全上の問題を引き起こす。一方、亜鉛やアンチモンのような金属は蒸気圧が低く、そのためこれらの金属は蒸発して鋳造合金を汚染する危険がある。水銀のようなその他の金属の幾つかは毒性がある。アルミニウム及びスズは液体金属浴用として一般に好ましい金属である。アルミニウムはスズより融点が高い。すぐ分かるように、鋳造品と冷却剤（液体金属浴）との間の熱伝達は温度差の関数であり、従って、液体スズはその融点が低いことから、通例、鋳造品から熱を除去する点で液体アルミニウムより好ましい。

鋳造プロセスには非常に高い温度が関与するため、鋳型は亀裂を生じ易い。例えば、鋳型と鋳型の内部の超合金との間の熱膨張率の不一致の結果鋳型に亀裂が生じ得る。一端亀裂が生じると、液体スズが鋳型中に浸透し鋳造品を汚染する可能性がある。液体スズは鋳造品の表面を攻撃し、鋳造品の表面にピットを生成する。すぐ分かるように、ピットは鋳造品の表面から芯に向かって延びる欠陥である。ピットの生成はスズと超合金の成分との反応に起因し、その結果スズ化合物が生成する。

かかる鋳造品におけるピットの生成を回避するためのもっともらしい解決策は、亀裂を生じることがなく、従って液体金属が鋳造品表面と接触するのを防止する鋳型を製造することである。しかし、かかる鋳型を製造することは今まで可能ではなかった。さらに、かかる強固な鋳型は、鋳造品と鋳型との間の熱膨張の不一致に起因して鋳造品に亀裂を生じることがある。

従って、鋳造品に対して液体金属の攻撃に耐性の層をもたらして、鋳造品におけるピットの生成を低減又は排除することによって、鋳造品の表面仕上げを改良する必要性がある。

本技術の１つの態様では、鋳造品の表面に保護層が設けられた合金鋳造品を提供する。保護層は、液体金属の攻撃に対して耐性であり、合金中に存在する元素の酸化物を含む。

本技術の別の態様では、鋳造品の表面に連続自然酸化物層が設けられたニッケル基合金の鋳造品を提供する。自然酸化物層は液体金属の攻撃に対して耐性である。

本技術のさらに別の態様では、合金の鋳造品の表面に保護層を形成する方法を提供する。この方法では、鋳型に合金を配置し、合金の元素を酸化して鋳造品の表面に保護層を形成する。

本技術の別の態様では、鋳造品上に酸化アルミニウム層を形成する方法を提供する。この方法は、鋳型の内面に内側皮膜が設けられた鋳型を準備し、鋳型に合金を配置することを含んでおり、合金中のアルミニウムの少なくとも一部分が、内側皮膜中の成分の一部分を還元して酸化アルミニウムを形成する。

本技術のさらに別の態様では、鋳造品上に酸化アルミニウム層を形成する方法を提供する。この方法では、鋳型を準備し、鋳型に合金を配置して鋳造品を形成し、鋳型に酸化性雰囲気を提供して合金中に存在するアルミニウムの少なくとも一部分を酸化する。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによって、さらに良く理解されるであろう。図面全体を通して、類似の文字・符号は類似の部分を表す。

図１は、本技術の幾つかの実施形態に従う保護層を有する合金鋳造品の透視図である。 図２は、本技術の幾つかの実施形態に従う保護層を有する鋳造品を形成する方法を説明するフローチャートである。 図３は、図２を参照して記載した代表的な方法による保護層を有する合金鋳造品を形成するための装置の断面側面図である。 図４は、本技術の幾つかの実施形態に従って合金鋳造品上に保護層を形成する代わりの方法を説明するフローチャートである。 図５は、本技術の幾つかの実施形態に従って合金鋳造品上に保護層を形成する代わりの方法を説明するフローチャートである。

本明細書には、液体金属の攻撃に対して耐性である保護層を有する合金鋳造品及びその製造方法が記載されている。図１は、合金材料を含む合金鋳造品１２及び保護層１４の透視図である。本明細書で用いる「合金」という用語には、高温及び高い応力（引張、熱的、振動及び衝撃）に耐えることができる合金である超合金が包含される。幾つかの実施形態では、合金は、ニッケル、コバルト、鉄、チタン又はこれらの組合せを含み得る。合金はまた、比較的に少ない量の１種以上のモリブデン、タングステン、ニオブ又はその他の耐火性金属を含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、合金はアルミニウムを含む。

幾つかの実施形態では、本技術は鋳造合金部品の表面仕上げの改良を容易にする。液体金属冷却鋳造法で製造された合金部品の従来の鋳造品は、合金と液体のスズ冷却剤との間の反応に起因するピットを含有する。本技術は、実質的に不透過性の保護層１４を合金鋳造品１２の表面１６上に設けることによって、合金鋳造品１２の表面１６と液体金属冷却剤との間の反応を排除するか又は少なくとも低減する。幾つかの実施形態では、この保護層１４は合金中に存在する元素の酸化物を含む。一例では、保護層１４は酸化アルミニウムを含み得る。一実施形態では、ニッケル基合金は、鋳造品１２の表面に設けられた酸化アルミニウム層のような連続自然酸化物層を含む。この実施形態では、自然酸化物層は液体金属の攻撃に対して耐性である。保護層１４は、合金中のアルミニウムと反応性であるように選択された鋳型の内面の内側皮膜（フェースコート）と合金との反応によって又は合金のアルミニウムに対して酸化性であるが、合金のニッケル、コバルト又は耐火性金属に対しては比較的に反応性が低い雰囲気中で鋳造品を製造することによって、創成することができる。

幾つかの実施形態では、保護層１４は液体金属の攻撃に対して耐性である酸化物層を含み得る。この実施形態では、保護層１４は、液体金属が合金を汚染したり合金の金属と反応したりするのを防止する。保護層１４は自然酸化物、すなわち合金中に存在する１種以上の元素の酸化物を含み得る。幾つかの実施形態では、酸化アルミニウムは酸化物層１４の大部分を構成する。合金中の元素の１つとしてクロムが存在する場合、酸化クロムのような他の酸化物も形成され得る。

通例、保護層１４は、底面（鋳型の底部に近い方の面）及び鋳型側壁に隣接する側壁上に形成される。保護層１４は鋳造品１２の表面１６全体で実質的に連続である。本明細書で用いる「実質的に連続」という用語は、鋳造品１２の表面１６の一部にしか保護層１４が設けられていない可能性がある場合を具現化している。一部とは、数ミクロンの範囲であり得る。かかる不連続性は鋳造プロセス中制御され得ない幾つかの要因に基づいて起こり得る。例えば、不連続性は、酸化物を形成する酸素又は（酸化されることになる）金属がうまく利用できないことによって生じ得る。酸化物層の厚さは合金鋳造品の表面全体で均一であってもなくてもよい。鋳造品上の保護層の厚さは約０．５〜約５０μｍの範囲でよい。一実施形態では、保護層の少なくとも一部分は溶融体の鋳造と同時に形成される。一実施形態では、合金鋳造品は鋳造品の表面に連続自然酸化物層が設けられたニッケル基合金を含む。

幾つかの実施形態では、本技術の合金鋳造品はガスタービン用の翼形部、ガスタービン用の構造部品、ケーシング、リング、排気管及び燃焼部品、機体用の航空機構造物及び部品、自動車産業向けのターボチャージャーインペラー及びホイール、並びにその他の「高応力」部品に使用できる。

幾つかの実施形態では、合金鋳造品の表面に保護層を形成する方法を提供する。図２は、保護層を有する合金鋳造品を製造する代表的な方法を示すフローチャート１８の図である。ブロック２０で、合金を鋳型に注入する。ブロック２２では、合金の元素を酸化して鋳造品の表面に保護層を形成する。図２に関連して記載した方法を実施するための代表的な装置は図３に示す。

図３に示されているように、装置２４は液体金属浴２８内に入れた鋳型２６を含む。装置２４は通例制御された雰囲気を有する容器内に入れられる。例えば、容器は炉を含んでいてもよい。鋳型２６は、矢印３２で示すように鋳型に注入される合金３０を受容するようになっている。

鋳型２６はセラミック鋳型であり得る。例えば、鋳型２６はジルコニア、ジルコン、シリカ、アルミナ又はこれらの組合せから製造される。鋳型２６は合金３０の高温に程良く耐えるように構成されている。すなわち、セラミック鋳型２６は、１以上の小さい亀裂を生じる（図示してない）ことを除いて、合金３０を受容する際に多かれ少なかれ一体化されたままでいる。合金３０が凝固して鋳造品３６を形成するプロセスは鋳型２６内で底部３８から頂部４０に向かって進行する。鋳型に亀裂が生じた場合、亀裂を通って液体金属３４が合金鋳造品中に浸透してこれを汚染する可能性がある。液体金属３４の侵入による鋳造品３６の汚染を防止するために、本技術の幾つかの実施形態では、鋳造品３６の表面４４上に保護層４２を設置又は形成する。保護層４２は、最初は鋳造品の底面４６において生成し始め、鋳造品３６の側壁４８に沿って徐々に前進する。図４に関して詳細に説明するように、幾つかの実施形態では、鋳型２６は、鋳型２６の内面に皮膜５０を含む。これらの実施形態では、合金３０の１種以上の元素が鋳型２６の内側皮膜５０の１種以上の成分を還元して鋳造品３６の表面４６及び４８上に保護層４２を形成し得る。或いは、図５に関して詳細に述べるように、保護層４２は、鋳造品３６の凝固の直前、凝固中又は凝固後に酸化性雰囲気を鋳造品３６に提供することによって形成することができる。こうして形成される鋳造品３６は、主として鋳造品３６に結合した保護層４２を含む。しかし、幾つかの例においては、保護層４２の一部分が鋳型２６に結合していてもよい。鋳造品３６の温度が低下するにつれて、鋳造品３６は収縮し、保護層４２の少なくとも一部分と共に鋳型壁から離れることがある。一実施形態では、保護層４２の少なくとも一部分は鋳型２６の表面に結合していない。

図４は、鋳造品上に保護層を設けるためのフローチャート５４を図解する。ブロック５６で、鋳型の内面に皮膜が設けられた鋳型を準備する。内側皮膜は合金の１種以上の元素に対して反応性であり得る。さらに、内側皮膜は合金のその他の元素に対して不活性又は非反応性であり得る。幾つかの実施形態では、内側皮膜はクロミア、ニオビア、チタニア、タンタラ、シリカ、ジルコン、イットリア又はこれらの組合せを含み得る。ブロック５８において、鋳型に合金を配置する。一例では、合金中に存在するアルミニウムの一部分が内側皮膜中に存在する酸化ケイ素（シリカ）のような成分の少なくとも一部分を還元して、鋳造品の表面に酸化アルミニウム層を形成する。酸化アルミニウムに加えて、クロミアのような他の酸化物が酸化物層内に存在してもよい。

図５は、鋳造品上に保護層を形成する代表的な方法を表すフローチャート６０を図解する。ブロック６２で、先に述べたように鋳型を準備するが、この鋳型はセラミック鋳型であり得る。ブロック６４において、鋳型に合金を配置して鋳造品を形成する。ブロック６６で、酸化性雰囲気を鋳型に導入して、合金中に存在するアルミニウムの少なくとも一部分を酸化する。酸化性雰囲気は、合金が凝固する直前、その間又はその後に導入し得る。一実施形態では、酸化性雰囲気は不活性キャリアで希釈された酸素源を含む。酸素源の非限定例としては、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、湿気又はこれらの組合せを挙げることができる。一例では、不活性キャリアはアルゴンを含み得る。一実施形態では、酸化性雰囲気は酸素源と不活性キャリアの混合物の総量の約２〜約２０％をなす。一例では、酸化性雰囲気は約１０％の一酸化炭素と約９０％のアルゴンを含有する。

以下の実施例で使用したセラミック鋳型はインベストメント鋳造産業で普通に行われている鋳型構築法を用いて実験室で製造した。鋳型を構築するのに用いたアルミナ、ジルコニア、ジルコン及びシリカのような成分はＢｒｅｎｎｔａｇ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ社（米国ニュージャージー州サウス・プレインフィールド、クーリッジ・ストリート１０００）及びＮｏｒｔｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社（米国マサチューセッツ州ウースター、ニュー・ボンド・ストリート１）のようなセラミック粉末供給業者から入手した。アルゴン、ＣＯ及びＣＯ₂ガスはＡｉｒｇａｓ Ｅａｓｔ社（米国コネティカット州チェシャー、マッカンズランド・コート３２５）から入手した。方向性凝固炉はＡＬＤ Ｖａｃｕｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社（ドイツ連邦共和国ハーナウ、ヴィルヘルム・ローン・シュトラッセ３５）から入手した。

実施例１
アルミナ系内面（フェースコート）を有するセラミック鋳型を使用した。鋳型の内面は、コロイド状シリカ中にアルミナ粉末を混合することによって調製したスラリーから調製した。暫定パターン（例えばワックス）をスラリー中に浸漬した後、この浸漬したてのパターン上に乾燥アルミナ粒子を篩い分け(sieving)して鋳型内面を形成した。スラリー浸漬とその後のアルミナ篩い分けの工程を二回繰り返した。これら２つの内面層の後、スラリー浸漬とそれに続くアルミナ篩い分けの工程をさらに１０回繰り返したが、これらのバックアップ層にはより大きいアルミナ粒子を使用した。この際、スラリーと粒子の各コートを空気乾燥した後にその後のコートを設けた。蒸気オートクレーブを用いて暫定パターンを鋳型から除去した。その後、鋳型を約１０００℃の温度で、鋳型を安定化するのに有効な時間焼成した。次に、このアルミナ系鋳型を、殊に鋳造中追加の冷却のための液体スズのポットを備えた方向性凝固炉内に入れた。方向性凝固炉において、鋳型を、最初にヒーター内で真空中約１５００〜約１５５０℃の範囲の温度に予熱した。別途、投入量のニッケル基超合金をるつぼ内で溶融させ、この溶融した合金を、予熱した鋳型に真空雰囲気中で入れた。超合金は、７．５重量％のＣｏ、９．７５重量％のＣｒ、４．２重量％のＡｌ、７．５重量％のＴｉ、０．５重量％のＮｂ、４．８重量％のＴａ、１．５重量％のＭｏ、６重量％のＷ、０．１５重量％のＨｆ、０．０８重量％のＣ、０．００９重量％のＢを含み、残部がＮｉであった。次に、溶融した超合金で満たした鋳型をヒーターから引き出し、同様に真空雰囲気内で溶融したスズのポット中に浸漬した。引き出しの完了時に、液体スズで冷却された鋳型をスズポットから取り出した時、鋳型に亀裂が生じ鋳型に内部にスズが侵入している徴候を示していた。次いで、この鋳型を機械的に叩いて緩め、凝固した超合金鋳造品を露出させた。鋳造品はスズで覆われていたが、これは液体スズで増強された凝固プロセス中に鋳型に侵入した。その後、超合金鋳造品の回りのスズ材料を機械的手段と化学的洗浄によって除去した。スズ材料の化学的洗浄後、超合金鋳造品の表面を目視又は低い倍率の顕微鏡で検査して、表面ピットの形態にあるスズと金属表面の反応の程度を決定した。

この実施例では、真空雰囲気中での鋳造にアルミナ系の内面を有する鋳型を使用したが、超合金鋳造品の表面には高度のスズピットが見られた。高度の表面ピットは望ましくないと考えられる。

実施例２
この実施例では、実施例１と同様なアルミナ系内面を有するセラミック鋳型を液体スズ冷却方向性凝固実験に使用した。しかし、この第２の実施例では、鋳型予熱、超合金溶融、鋳型引き出し及びスズ浸漬の工程は、実施例１で用いたような真空中ではなくアルゴンと１０％のＣＯを含む流動ガス混合物中で行った。アルゴン＋１０％ＣＯ混合物の流量は５立方フィート／時に設定した。

アルゴン＋１０％ＣＯガス混合物を用いて得られた鋳造品も、超合金鋳造品の表面に高度のスズピットの生成を示すことが判明した。すなわち、この第２の実施例は、アルミナ系内面を有するセラミック鋳型を液体スズ冷却方向性凝固プロセスに使用した場合アルゴン＋１０％ＣＯガス雰囲気を使用しても超合金鋳造品の表面品質が改良されなかったことを示していた。

実施例３
この実施例では、ケイ酸ジルコニウム（ジルコン）系内面（フェースコート）を有するセラミック鋳型を使用した。この実施例で用いた鋳型の内面は、コロイド状シリカ中にジルコン粉末を混合することによって形成されたスラリーから調製した。暫定パターンをスラリー中に浸漬した後乾燥アルミナ粒子を浸漬したてのパターン上に篩い分けして鋳型内面を形成した。スラリー浸漬とその後のアルミナ篩い分けの工程を二回繰り返した。２つの内面層の形成後、実施例１に記載した工程を使用して追加の１０のバックアップ層を構築した。次に、この鋳型を約１０００℃の温度で鋳型を安定化するのに有効な時間焼成した。

このように、この実施例で使用したセラミック鋳型は、実施例１及び実施例２で用いたものとは内面の構成の点でのみ異なっていた。鋳型の内面はジルコン＋コロイド状シリカ混合物を含んでいたが、実施例１及び実施例２で用いた鋳型の内面はアルミナ＋コロイド状シリカ混合物を含んでいた。

ジルコン系内面を有するこの鋳型を、実施例１に記載した手順を用いて方向性凝固実験に使用した。得られた超合金鋳造品は、鋳造品の表面に中間の度合のスズピットを示すことが判明した。すなわち、この実施例は、ジルコン系鋳型を使用すると、液体スズ冷却方向性凝固プロセスを真空中で行った場合、超合金鋳造品の表面品質が中程度に改良されたことを示していた。

この実施例で生成した超合金鋳造品の表面の検査によって、超合金鋳造品の表面に幾らか連続的な酸化物層が形成したことが判明した。鋳造された超合金の表面に形成された酸化物層は、特に超合金材料と隣接する領域の、主としてアルミナであることが判明した。超合金鋳造品の表面に形成されたアルミナ系酸化物が、超合金鋳造品の表面で観察された低減したレベルのスズピットの原因であると結論された。

実施例４
この実施例では、実施例３と同様なジルコン系内面を有するセラミック鋳型を液体スズ冷却方向性凝固実験に使用した。また、鋳型予熱、超合金溶融、鋳型引き出し及びスズ浸漬の工程は、真空中ではなくアルゴンと１０％のＣＯを含む流動ガス混合物中で行った。アルゴン＋１０％ＣＯ混合物の流量は５立方フィート／時に設定した。

アルゴン＋１０％ＣＯガス混合物を用いて得られた鋳造品は、鋳造品の表面に低度のスズピットの生成を示すことが判明した。すなわち、この実施例は、アルゴン＋１０％ＣＯガス雰囲気を使用すると、液体スズ冷却方向性凝固プロセスでジルコン系内面を有するセラミック鋳型を使用した場合、超合金鋳造品の表面品質がさらに改良されたことを示していた。

この実施例で生成した超合金鋳造品の表面の検査によって、超合金鋳造品の表面に連続的な酸化物の層が形成されたことが判明した。また、鋳造した超合金の表面に形成された酸化物層も、実施例３と同様に主としてアルミナであることが判明した。しかし、鋳造した超合金の表面に形成された酸化アルミニウム層は、前の実施例で見られた表面酸化物と比較してこの試料ではより連続的であることが分かった。このより連続的なアルミナ表面酸化物は、この実施例で観察されたより低いレベルのスズピットの原因であると結論された。

連続的なアルミナ層は、スズ侵入と鋳造した超合金表面との直接の接触を防止し、従って金属表面のピット欠陥の形成の原因であるスズ−金属反応を防止するか又は少なくとも実反応の速度を低減するバッフル（邪魔板）として機能した。

実施例５
この実施例では、実施例３及び実施例４と同様なジルコン系内面を有するセラミック鋳型を液体スズ冷却方向性凝固実験に使用した。しかし、この実施例では、鋳型予熱、超合金溶融、鋳型引き出し及びスズ浸漬の工程を、前の実施例に記載したような真空中又はアルゴン＋１０％ＣＯの混合物中ではなく、アルゴンと５％のＣＯ₂を含む流動ガス混合物中で行った。アルゴン＋５％ＣＯ₂混合物の流量は５立方フィート／時に設定した。

得られた鋳造品は、鋳造品の表面に低度のスズピットの生成を示すことが判明した。すなわち、この実施例は、アルゴン＋５％ＣＯ₂ガス雰囲気を使用したときも、ジルコン系内面を有するセラミック鋳型を液体スズ冷却方向性凝固プロセスに使用した場合、超合金鋳造品の表面品質が大きく改良されたことを示していた。このように、ここで観察されたアルゴン＋５％ＣＯ₂の混合物の有益な効果は、実施例４で観察されたアルゴン＋１０％ＣＯの混合物の効果と同様であった。

実施例６
この実施例では、実施例３〜５と同様なジルコン系内面を有するセラミック鋳型を液体スズ冷却方向性凝固実験に使用した。しかし、この実施例では、鋳型予熱、超合金溶融、鋳型引き出し及びスズ浸漬の工程は、真空中でも、実施例４に記載したアルゴン＋１０％ＣＯの流動混合物でも又は実施例５に記載した流動アルゴン＋５％ＣＯ₂混合物中でもなく、ＣＯ₂の流動ガス中で行った。

ＣＯ₂ガスを用いて得られた鋳造品は、鋳造品の表面に高度のスズピットの生成を示すことが判明した。すなわち、この実施例は、実施例５の場合のようなキャリアとしてのアルゴンガスを使用しないＣＯ₂ガス雰囲気を使用すると、液体スズ冷却方向性凝固プロセスでの鋳造にジルコン系内面を有するセラミック鋳型を使用した場合でも、超合金鋳造品の表面品質を改良するのに有効でなかったことを示していた。

実施例７
この実施例では、実施例１及び実施例２と同様なアルミナ系内面を有するセラミック鋳型を使用したが、鋳造の前に鋳型の内面を処理する追加の手順を使用した。具体的には、この実施例で使用した鋳型は、最初に、実施例１に記載した鋳型の構築及び焼成手順を用いてアルミナ系内面を創成するように調製した。しかし、鋳型を実際に鋳造に使用する前に、この鋳型内面を、鋳物産業で「洗浄」として知られる追加の手順でさらに処理した。本明細書で用いる「洗浄」という用語は、様々に選択されたセラミック粒子を懸濁した水系溶液で鋳型の内面を濯ぐための手順をいう。本実施例では、アルミナ系内面を有する鋳型を、約１０体積％のイットリア粒子を含有する溶液で洗浄した。その後、このイットリアで洗浄した鋳型を、液体スズで冷却される方向性凝固炉内での鋳造に使用する前に１０００℃で焼成した。この実施例は鋳造は実施例１と同様に真空雰囲気中で行った。

この実施例では、イットリアで洗浄したアルミナ系内面を有する鋳型を真空雰囲気における液体スズ冷却方向性凝固表面での鋳造に使用したが、得られた鋳造品は中間の度合のスズピットの生成を有することが判明した。すなわち、本実施例は、実施例１の結果と比較して、アルミナ系内面を有するイットリアで洗浄した鋳型を使用することに起因する超合金鋳造品の表面品質の改良を示していた。

実施例８
この実施例でも、実施例７と同様なイットリアで洗浄したアルミナ系内面を有するセラミック鋳型を液体スズ冷却方向性凝固実験に使用した。しかし、本実施例では、鋳型予熱、超合金溶融、鋳型引き出し及びスズ浸漬の工程を、実施例７で使用したような真空中ではなく、アルゴンと１０％ＣＯからなる流動ガス混合物中で行った。アルゴン＋１０％ＣＯ混合物の流量は５立方フィート／時に設定した。

アルゴン＋１０％ＣＯガス混合物を用いて得られた鋳造品は、超合金鋳造品の表面に低度のスズピットの生成を示すことが判明した。すなわち、本実施例は、アルゴン＋１０％ＣＯガス雰囲気を使用すると、イットリアで洗浄したアルミナ系内面を有するセラミック鋳型を液体スズ冷却方向性凝固プロセスに使用した場合、超合金鋳造品の表面品質がさらに改良されることを示していた。

以下の表に、上に詳細に記載した実施例１〜８の結果をまとめて示す。

表１から分かるように、実施例１及び実施例２の結果は、アルミナ系内面を有するセラミック鋳型が液体スズ冷却方向性凝固プロセスに使用するのに望ましいタイプの鋳型ではないことを示している。アルミナ系内面を有するセラミック鋳型を用いて得られる鋳造品は高度の表面ピット欠陥を有する傾向があり、これは生産上容認できないと思われる。アルミナ系内面を有するセラミック鋳型は合金鋳造品をスズ侵入との反応から保護することができない。アルミナ系内面を有する鋳型を使用して生成する高度の表面ピットは、真空中又はアルゴンと１０％ＣＯガスの流動混合物中のいずれの鋳造でも改良することはできない。

これに反して、実施例３及び実施例４の結果は、ジルコン系内面を有するセラミック鋳型の方が液体スズ冷却方向性凝固プロセスに使用するのに望ましいことを示している。ジルコン系内面を有する鋳型は、鋳造プロセスを真空中で行う場合中程度の度合のスズピットを伴う超合金鋳造品を生成することができる。ジルコン系内面を有する鋳型は鋳造プロセスをアルゴン＋１０％ＣＯガスの流動混合物中で実施すると低度のスズピットを伴う超合金鋳造品を生成することができる。すなわち、アルゴンと１０％ＣＯガスの流動混合物は、鋳造品の表面ピットを形成する傾向を低減することによって鋳造した表面の品質をさらに改良する雰囲気を創成する。

実施例５及び実施例６の結果は、鋳造中の炉雰囲気の効果に関するさらなる教示を提供する。アルゴン＋５％ＣＯ₂の混合物はアルゴン＋１０％ＣＯの混合物と同様な有益な効果を有する。

実施例７及び実施例８の結果は、鋳型内面化学の効果に関するさらなる情報を提供する。アルミナ系内面を有する鋳型は実施例１及び実施例２に示されているように望ましくないが、イットリア洗浄による処理によって、アルミナ系内面を有する鋳型で調製した鋳造品の鋳造表面のスズ反応の度合を大幅に低減することができる。この改良は、イットリアで洗浄したをアルミナ系鋳型をアルゴンとＣＯの雰囲気と組み合わせて液体スズ冷却方向性凝固プロセスに使用した場合特に顕著である。従って、イットリア洗浄は、セラミック系を完全に変更することなく鋳型内面を修正するための代わりの方法を提供する。

本明細書では本発明の幾つかの特徴のみを例示し記載して来たが、多くの修正と変更が
当業者には明らかであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の思想内に入るかかる修正と変更を全て包含するものであると了解されたい。

１２ 鋳造品
１４ 保護層
１６ 鋳造品
１８ フローチャート
２０〜２２ フローチャート１８のの表面方法に関与する工程
２４ 保護を有する鋳造品を形成するための装置
２６ 鋳型
２８ 液体金属浴
３０ 合金
３２ 矢印
３４ 液体金属
３６ 鋳造品
３８ 鋳型の底部
４０ 鋳型の頂部
４２ 保護層
４４ 鋳造品の表面
４６ 鋳造品の底面
４８ 鋳造品の側壁
５０ 鋳型の内面の皮膜
５４ フローチャート
５６〜５８ フローチャート５４の方法に関与する工程
６０ フローチャート
６２〜６６ フローチャート６０の方法に関与する工程

Claims (25)

1. 鋳造品の表面に保護層が設けられた合金鋳造品であって、該保護層が液体金属の攻撃に対して耐性であり、かつ該保護層が合金中に存在する元素の酸化物を含んでなる合金鋳造品。
2. 前記合金がニッケル又はコバルト又はチタン又は鉄又はこれらの組合せを含む、請求項１記載の合金鋳造品。
3. 前記合金がアルミニウムを含む、請求項１記載の合金鋳造品。
4. 前記酸化物が酸化アルミニウムを含む、請求項１記載の合金鋳造品。
5. 前記保護層が鋳造品の表面全体で実質的に連続的である、請求項１記載の合金鋳造品。
6. 前記保護層の厚さが約０．５〜約５０μｍの範囲である、請求項１記載の合金鋳造品。
7. 前記鋳造品がガスタービンエンジンの翼形部に使用される、請求項１記載の合金鋳造品。
8. 鋳造品の表面に連続自然酸化物層が設けられたニッケル基合金の鋳造品であって、該自然酸化物層が液体金属の攻撃に対して耐性である鋳造品。
9. 合金の鋳造品の表面に保護層を形成する方法であって、
   鋳型に合金を配置し、
   合金の元素を酸化して、鋳造品の表面に保護層を形成する
   ことを含んでなる方法。
10. 前記鋳型が、合金の１種以上の元素に対して反応性であって他の元素に対しては比較的に反応性が低いか又は不活性である内側皮膜を含む、請求項９記載の方法。
11. 前記鋳型の内側皮膜が、クロミア、ニオビア、チタニア、タンタラ、シリカ、ジルコン、イットリア又はこれらの組合せを含む、請求項９記載の方法。
12. 前記保護層の少なくとも一部分が鋳造品の表面に結合している、請求項９記載の方法。
13. 前記酸化が、鋳型の内側皮膜に由来する１種以上の物質を合金中に存在するアルミニウムと反応させることを含む、請求項９記載の方法。
14. 前記酸化が、合金又は鋳造品を酸化性雰囲気に暴露して、合金中に存在するアルミニウム金属の酸化を促進するを含む、請求項９記載の方法。
15. 前記酸化性雰囲気が不活性キャリアで希釈された酸素源を含む、請求項１４記載の方法。
16. 前記酸素源が一酸化炭素、酸素、二酸化炭素、湿気又はこれらの組合せを含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記不活性キャリアがアルゴンを含む、請求項１５記載の方法。
18. 前記酸化性雰囲気が、酸素源及び不活性キャリアの混合物の総量の約２〜約２０％の範囲の酸素源を含む、請求項１５記載の方法。
19. 前記酸素源が約１０％の一酸化炭素及び約９０％のアルゴンを含む、請求項１５記載の方法。
20. 前記保護層の厚さが約０．５〜約５０μｍの範囲である、請求項９記載の方法。
21. 前記鋳型がジルコニア、ジルコン、シリカ、アルミナ又はこれらの組合せを含む、請求項９記載の方法。
22. 前記保護層の少なくとも一部分を合金の鋳造品と同時に形成する、請求項９記載の方法。
23. 前記保護層の少なくとも一部分が鋳型の表面と結合していない、請求項９記載の方法。
24. 鋳造品上に酸化アルミニウム層を形成する方法であって、
    鋳型の内面に皮膜が設けられた鋳型を準備し、
    鋳型に合金を配置する
    ことを含んでなり、合金中のアルミニウムの少なくとも一部分が皮膜中の成分の一部分を還元して酸化アルミニウムを形成する方法。
25. 鋳造品上に酸化アルミニウム層を形成する方法であって、
    鋳型を準備し、
    鋳型に合金を配置して鋳造品を形成し、
    鋳型に酸化性雰囲気を供給して合金中に存在するアルミニウムの少なくとも一部分を酸化する
    ことを含んでなる方法。

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