JPS6174754A - 複雑な中空製品の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は複雑な形状の中空部を有する製品を鋳造する方
法に関するものである。

〔発明の背景〕

複雑な形状の中空部を有する製品を鋳造することは、各
檻の機器、例えばガスタービンのタービン翼を生産する
場合に必要である。

ガスタービンのタービン翼は、非常に高温な燃焼ガスに
直接さらされるため、高温強度・耐食性に優れた耐熱合
金を翼材として採用すると共に、中空化した内部に冷却
流体を導入し冷却する構造が採用されている。このよう
な冷却翼の製造は、一般にセラミック中子を用いたロス
トワックス鋳造法によシ行われている。そのコストワッ
クス鋳合法では、内部冷却流路（製品の中空部）に相当
する形状のセラミック中子を中子用金型に射出成型して
作り、次に翼外形と同一形状のワックス層を中子の周囲
に専用金型で成型してワックス模型とし、さらにその外
周にセラミックシェルを外Ｎ鋳型として形成する。その
後、ワックスを溶解除去して内部量＠裏品の中実部に相
当を出処させ、その空隙に金属の溶湯を圧入・冷却・凝
固させて製品を形成し、最後に製品の内外からセラミッ
ク材を除去し仕上げることが行われる。しかしながら、
以上の方法により複雑な内部冷却流路を翼に形成しよう
とする場合、可能な流路形状について次のような制約が
ある。すなわち上記の中子用金型は半割りないし数分割
された金型片から組立てられる構造をもっておシ、成型
後に金型を分離する際に、セラミック中子を破損するこ
となく金型片の離型が可能でなければならない。従って
セラミック中子の形状として、型接合部に向って中子外
表面が離型方向と直角に凹んだ部分を持っているものや
、離型方向への貫通孔以外の空洞を中子内部に持つもの
Ｖｉ製作できない。言い換えれば、翼の内部冷却流路の
形状としては、入内面から翼厚さ方向に延在する突起・
隔壁のうち離型方向と直角に突出個所をもつものや、流
路の中央に翼弦方向に延在する突起・隔壁をもつものは
、セラミック中子を用いたロストワックス鋳造方法（以
下、従来の方法と呼ぶ）では成形できなかった。

ガスタービン翼の冷却流路の形成に関連し、従来の方法
を改良したものとして、特開昭５７−１７１５４２号公
報で示されたものがある。これは後縁噴射穴・フィルム
冷却穴などの「翼内から外部へ通ずる穴」の成製性向上
を意図したもので、上記の穴と同形の穴を有する「使い
捨て片」で補強しながらセラミック中子を成捜すること
にょシ、中子用金型からの離型工程や金属溶湯の圧入工
程での中子の破損を防止しようとするものである。

しかし、この方法の適用部分は「翼内から外部へ通ずる
穴」に限られており、従来の方法で成型不可能な内部冷
却流路形状にまで適用できるものではない。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、複雑な形
状の中空部を有する製品を容易に鋳造することができ、
特に、ガスタービン冷却翼の鋳造に好適で、従来の方法
では成型不可能であった複雑な内部冷却流路を有するガ
スタービン冷却翼の鋳造を可能ならしめる鋳造方法を提
供しようとするものである。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明の鋳造方法は、ａ、上
記の中実部分と同形の中心材を作る工程と、ｂ、上記の
中心材の周囲に中空部に相当する形状のセラミック中子
を成形する工程と、 Ｃ６前記セラミック中子の中から前記の中心材を除去す
る工程と、 ｄ、前記セラミック中子の内部をワックスで埋めるとと
もに、その外部に製品の外形と同形のワックス模型を成
型する工程と、 ｅ、上記のワツクス模形の外周にセラミックシェルを成
型する工程と、 ｆ、上記セラミックシェルの内部からワックスを溶解除
去する工程と、 ｇ、前記セラミックシェルからワックスを除去した空隙
に金属の溶湯を圧入、冷却、凝固せしめる工程と、 ｈ、前記のセラミック中子及びセラミックシェルを除去
する工程と、 を有することを特徴とする。

上に述べ九本発明の鋳造方法を従来の方法と比較して、
その差異の概要を述べると、従来の方法における最初の
工程であるところの「セラミック中子の成型」を、前記
ａの［中子材の製作Ｊ、ｂの「中心材の周囲へのセラミ
ック中子の成型」およびＣの「中心材の除去」と置き換
えた形になっている。

上記の中心材は、鋳造された製品において中実部として
使るので、従来技術に比して中空部の形状を複雑にする
ことが容易に可能となる。

例えばガスタービン用冷却翼においては、その内部の冷
却剤流路に対して翼内面から翼厚さ方向に延在する突起
・隔壁のうち離型方向と直角に突出個所をもつものや、
流路の中央Ｋｇ弦方向に延在する突起・隔壁をもつもの
も本発明の適用によって跋造可能となる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の１実施例を説明する。

第３図は中心材の製作工程を示す。本実施例に２いては
、中心材１は半割り構造の中心材用金型２．３内に中心
材料を射出することで成型されている。中心材用金型２
，３の接合面以外の内面は、中心材１の外形に一致する
よう型彫シされておシ、その面上の数個所に＃ｉ型方向
矢印４，５へ突出した隔壁部６（突起でもよい）と、図
示しないが中心材材料を圧入する通路が設けられている
。射出後の材料の硬化過程では、中心材材料が熱可塑性
なら射出条件よシ冷却し、熱硬化性なら加熱することに
なる。材料を硬化させてから中心材用金型２．３を離型
方向矢印４．５に分離すれば、第２図に示す中心材１が
得られる。必要に応じ、バリや不要部分を除く仕上げ処
理を行えばよい。以上の例では中心材を射出成型によシ
製作しているが、機械加工などの他の方法やそれらの組
合せによってもよい。

第１凶にはセラミック中子の成型工程を示している。前
工程で製作された中心材１は分割式の中子用金型７．８
内の空洞の所定位置に保持され、中子の外形に等しく型
彫りされた金型内面との間に、中子の材料であるセラミ
ックスラリ−を圧入する空隙を形成する。中子用金型７
．８内での中心材１の位置決めは、中心材の隔壁部６を
金型内面の相当くぼみ部に嵌め込むことでなされ、また
金型内にはスラリー圧入用通路も加工されている（図示
なし）。この状態の金型内部にセラミックスラリ−を射
出し、中心材１の周囲にセラミック層を形成し、スラリ
ーの性質に応じた処理を行って硬化を進行させる。硬化
が完了した時点で中子用金型７．８金離型方向４．５に
分離すれば、第４．５図のように、中心材１とセラミッ
ク中子８の複合体が得られる。それらの正面図である第
５図によれば、この実施例の製品が背・腹側に２流路が
並行するリターン７０一方式の冷却翼で、１）、ナラミ
ンク中子８の翼高さ中央部分はその内部冷却流路と同形
になっていることが理解されよう。

また中子の先端と根元の延長部分には中子保持部９．１
０があシ、模型の成型・製品の鋳造などの後続の工程に
おいて中子を保持する役割を果たす。

次の段階はセラミック中子８内から中心材１を除去する
工程である。ここでは中子を残し中心材が完全に消失す
るように、中子の材料に影響を及ぼさないならば加熱溶
解・焼失・化学的溶出などの任意の方法で中心材を除去
してよい。この工程の終わりにセラミック中子８を焼成
する過程を行って（中心材の除去と兼ねてもよい）、第
６図のような内部に中空部を有するセラミック中子８が
完成する。

第７図にはワックス模型の成型工程を示す。前工程で完
成されたセラミック中子８は、模型用金型１１．１２内
に先端と根元の保持部が支えられ、製品である冷却翼の
外形が型彫シされた内面との間に翼最外層の厚さに相当
する空隙１３を形成している。模型用金型１１．１２に
はワックス圧入用通路が設けられており、そこから上記
の空隙１３とセラミツク中子８内部の空洞に溶かしたワ
ックスを射出し充満させる。それらを冷却・凝固させ、
金型を分離して取出せば、セラミック中子８を内部に鋳
ぐるみした状態で外部は其処形状をしたワックス部１４
をもつワックス模型が得られる。

第８図ではセラミックシェルの形成工程を示す。

ここでは、ワックス模型の外表面にセラミックスラリ−
の塗付・セラミックパウダーの付着過程が繰返され、十
分な厚さのセラミックシェル１５が保持部も含めた全面
をコーティングする状態になる。

第９図がセラミックシェルからワックスを溶解除去する
工程である。ワックスは加熱により容易に流出させるこ
とができる。必要であれば、引き続きセラミックシェル
の焼成過程を行ってもよい。

この工程後には、製品の中実部に相当する空隙１６を内
部に有する、セラミック中子８とセラミックシェル１５
から成る中望鋳型が完成する。

次の工程は、上記の中空鋳型内に金属溶湯を圧入・冷却
・凝固させて製品を成型する工程である。

各過程は所定の温度（予熱・冷却）・雰囲気条件で行わ
れ、最終的に第９図の空隙１６は製品の金属材で満たさ
れる。

全工程の最後に、上記の製品内外からセラミック材を除
去し仕上げ処理する工程が行われる。セラミック材の除
去は、サンドブラストなどの機械的方法ｆ１金属材と反
応しない溶出液による化学的溶出法などによシ行われる
。仕上げ処理の過程では、不要部品の切断・表面の研磨
仕上げ・熱処理などが行われ、第１０．１１図のような
製品が完成する。

本発明のこの実施例での製品は、既に述べたように、背
・腹側に２流路が並行するリターンフロ一方式の冷却翼
である。第１０図の断面図に示すように、各冷却流路、
すなわち前縁冷却流路１７・背側冷却流路１８・腹側冷
却流路１９・後縁冷却流路２０は其処表面付近に配置さ
れている。それらのうち前記３流路は、翼最外層２１と
翼内中実部２２との中間に位置し、翼厚さ方向に延在す
る隔壁２３で区切られている。第１１図の縦断面図に示
すように、冷却流体２４は各流路へ根元部から導入され
る。前縁冷却流路１７は先端へ一方向に向かい吹出し孔
２５から外部に噴出する形式であり、背・腹側冷却流路
１８．１９は導入時に分岐された両流路が並行しながら
翼高さ方向に往復する形式をとシ、共に翼内面にリプ２
６を設置し冷却流体による対流冷却効果の増大をはかつ
ている。背・腹側冷却流路１８．１９を出た冷却流体は
、根元から導入された別の冷却流体と合流して後縁冷却
流路２０に流入する。後縁冷却流路２０では、これらの
冷却流体は翼高さ上向きから後縁方向く次第に偏向して
流れ、内面に設けられたりプやピンフィン２７で効果的
な対流冷却作用を行いながら、最終的に後縁から外部へ
排出される。この冷却翼では、本発明の鋳造方法により
翼中央を翼内中実部２２にすると共に、後縁以外の各冷
却流路１７〜１９を具外表面近傍に沿った偏平な形状に
できた。その結果、中実部がない流路形状（従来の方法
で可能）に比べて冷却流体２４が冷却すべき翼内面に集
中されるため、高い冷却性能を得ることができる。以上
のように本発明のこの実施例によれば、従来の方法で成
を不可能な第１０．１１図のように複雑な（冷却性能の
良い）内部冷却流路をもった冷却翼を鋳造することが可
能となる。

本発明の他の実施例として、第１２．１３図に示す内部
冷却構造をもつ冷却翼の鋳造方法を考える。この冷却翼
は前記の実施例のものと基本構造はほぼ同じであるが、
各冷却流路１７〜１９内に翼内面のリプ２６の他に翼内
中実部２２からの対向リプ２８を突出させ、冷却流体２
４の流れを更に乱し、高い冷却効果を得ることを意図し
ている。

このような内部冷却構造は、前記の実施例と同様に従来
の方法では訪造不可能であるが、本発明の鋳造方法によ
れば可能となる。それには表面に翼厚さ方向隔壁・対向
リプに相当する突出部分２３′。

２８′を備えた中心材１を最初の工程で製作し、以後の
工程は前記の実施例と同一に行えばよい。

従って本発明の他の実施例によれば、従来の方法で成型
不可能な第１２．１３図のように複雑な内部冷却流路を
もつ冷却翼も鋳造することができる。

第１４図は本実施例における中心材の斜視図である。

本発明のさらに他の実施例として、第１５゜１６図のよ
うな内部冷却構造をもつ冷却翼の鋳造方法を考える。こ
の冷却翼では、翼弦方向に延在する翼内中実部２２が翼
高さ方向に不連続であシ、背・腹側冷却流路１８．１９
は流路途中で連通した構造となっている。このように不
連続な翼内中実部２２の作用により、冷却流体２４はリ
プ２６が付設された翼内面に沿って流れると共に、翼内
中実部２２の後流域で両側の流体交換と大きな乱れを発
生する。従って、このような内部冷却構造によっても扁
い冷却性能を得ることができる。このような冷却翼は従
来技術では鋳造できないが、本発明の方法を適用すると
次に述べるようにして鋳造が可能となる。

第１７図に示すように、翼高さ方向に不連続な翼内中実
部２２の各要素と同形に中心材１を製作し、セラミック
中子（外形２９）の金型内の定位置に固定して中子を成
聾し、以後の工程は前記２つの実施列と同一に行えばよ
い。従って本発明のさらに他の実施例によれば、従来の
方法で成型不可能なＪ１５．１６図のように複雑な内部
冷却流路をもつ冷却翼も鋳造することができる。

本発明の別の実施例として、第１８．１９図のような内
部冷却構造をもつ冷却翼の鋳造方法を考える。この冷却
翼の翼内中実部の形状は、前記３つの実施例と異なり、
翼厚さ方向に延在する隔壁２３の翼中央部分に翼弦方向
の突出要素３０が多数付設されたものとなっている。こ
のような内部冷却構造を採用すれば、前記３つの実施例
と同様に、後縁以外の各冷却流路１７〜１９は其処表面
付近に偏平に形成できる。さらにこの冷却翼に特有な効
果として、隔壁からの突出要素３０が、前縁冷却流路１
７では本発明のさらに他の実施例（第１２．１３図）の
対向リプと同様な作用をし、背・腹側冷却流路１８．１
９では両流路を連通ずる中央流路３１を蛇行させること
により、結局それぞれの流路の流れを乱して冷却性能を
効果的に向上させることがいえる。このような内部冷却
構造の形成は、従来の方法では不可能であるが、本発明
の鋳造方法によれば次のようにして可能となる。すなわ
ち第２０図に示すように、隔壁・突出要素に相当する突
出部分２３’、３０’をもつ３種類の中心材を別々に製
作し、セラミック中子（外形２９）の金把内に定置して
中子を成型し、以後の工程は前記３つの実施例と同様に
行えばよい。このような本発明の別の実施例によれば、
従来の方法で成型不可能な第１８．１９図のように複雑
な内部冷却流路をもつ冷却翼も鋳造することができる。

本発明の、Ａ遣方法は、冷却翼の製造において、従来の
方法で成型不可能な内部冷却構造に適用するばかりでな
く、従来の方法で成型可能な内部冷却構造であっても、
複雑化や製作を容易化する場合にも当然適用できるもの
である。

以上の説明はガスタービン用冷却翼を特別にとシ上げて
行ったが、本発明の鋳造方法の適用範囲はこれに限定さ
れることなく、一般のよシ複雑な中空製品を対象として
いることはもちろんのことである。

〔発明の効果〕　　・ 以上詳述したように本発明の鋳造方法を適用すれば、複
雑な形状の中空部を有する製品を容易に鋳造することが
でき、特に、従来技術では鋳造が不可能であった複雑な
内部流路を有するガスタービン冷却翼の鋳造に好適でめ
る。

【図面の簡単な説明】

添付の図面は本発明の１実施例を示し、第１図は本発明
の鋳造方法の１実施例におけるセラミック中子の成型工
程を説明するための、成型金型の断面図である。第２図
は上記実施例において成型された中心材の斜視図、第３
図は同じく中心材の成型金型の断面図である。第４図は
成型されたセラミック中子の断面図、第５図はその正面
図、第６図は中心材を除去した後のセラミック中子の断
面図、第７図はワックス４に型を成型する金型（ワック
ス射出前）の断面図、８８図はワックス模型にセラミッ
クシェルを形成した状態の断面図、第９図は第８図の状
態からワックスを溶解除去した中空鋳型の断面図、第１
０図は上記の工程を経て完成した冷却ｊ（の断面図、第
１１図はその翼中央に沿った縦断面図である。第１２図
は本発明の他の実施例で′Ａ造される冷却翼の断面図、
第１３図は第１２図のＡ−Ａ断面図、第１４図は前記の
鋳造で用いる中心材の斜視図である。第１５図は本発明
のさらに他の実施例で鋳造される冷却翼の断面図、第１
６図は第１５図のＡ　／−Ａ／断面図、第１７図は上記
の鋳造で用いられる中心材の斜視図である。第１８図は
本発明の別の実施例で鋳造される冷却翼の断面図、第１
９図は第１８図の翼中央に沿った縦断面図、第２０図は
上記の鋳造で用いられる中心材の斜視図である。 １・・・中心材、２，３・・・中心材用金型、４，５・
・・離型方向、６・・・突出した隔壁部、７，８・・・
中子用金型、９，１０・・・保持部、１１．１２・・・
模型用金型、１３・・・（模を用金型の）空隙、１４・
・・ワックス部、１５・・・セラミックシェル、１６・
・・（中空鋳型の）空隙、１７・・・前縁冷却流路、１
８・・・背側冷却流路、１９・・・腹側冷却流路、２０
・・・後縁冷却流路、２１・・・ＪＫ最外層、２２・・
・翼内中実部、２３・・・（翼厚さ方向）隔壁、２４・
・・冷却流体、２５・・・吹出し孔、２６・・・リプ、
２７・・・ピンフィン、２８・・・対向リプ、２９・・
・中子の外形、３０・・・突出要素、３１・・・中央流
路、２３′・・べ隔壁に相当する）突出部分、２８′、
・・べ対向リプて相当する）突出部分、３０′・・値突
出部て相当する）突出部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中空部と、上記の中空部に対して突出した中実部分
   とを有する製品を鋳造する方法において、ａ、上記の中
   実部分と同形の中心材を作る工程と、 ｂ、上記の中心材の周囲に中空部に相当する形状のセラ
   ミツク中子を成形する工程と、 ｃ、前記セラミツク中子の中から前記の中心材を除去す
   る工程と、 ｄ、前記セラミツク中子の内部をワツクスで埋めるとと
   もに、その外部に製品の外形と同形のワツクス模型を成
   型する工程と、 ｅ、上記のワツクス模形の外周にセラミツクシエルを成
   型する工程と、 ｆ、上記セラミツクシエルの内部からワツクスを溶解除
   去する工程と、 ｇ、前記セラミツクシエルからワツクスを除去した空隙
   に金属の溶湯を圧入、冷却、凝固せしめる工程と、 ｈ、前記のセラミツク中子及びセラミツクシエルを除去
   する工程と、 を有することを特徴とする複雑な中空製品の鋳造方法。