開発した空冷鋳造法を用いた、工業条件下における単結晶ブレードの方向性凝固（1）

本論文では、ガス冷却が～の微細組織の微細化に及ぼす影響について、 単結晶ブレード DGCCガス冷却鋳造法によって製造された鋳造品について検討を行った。一次デンドライトアーム間隔（PDAS）は、エアフォイル部で最大値を示し、ブレードプラットフォーム部で最小値を示した。しかし、ブリッジマン法を用いると、PDASの値はブレードに沿って逆の方向に変化する。 DGCCガス冷却鋳造法では、従来の輻射冷却と比較して、ブレードプラットフォームにおけるPDAS値が約100 μm減少した。.

ニッケル基超合金の指向性凝固プロセスにおいて、一次デンドライトアーム間隔（PDAS）を縮小し、凝固前線における軸方向の温度勾配を増加させることでデンドライト組織を微細化し、単結晶ブレードの動作温度および機械的特性を向上させる。 ブリッジマン法では、ワークピースと炉との間の放射熱伝達が金型シェルの冷却効果を著しく制限するため、温度勾配が低下し、デンドライト組織の微細化には不向きである。 そのため、単結晶の品質とプロセス歩留まりを向上させるために、液体金属冷却（LMC）、ガス冷却鋳造（GCC）、下向き方向性凝固（DWDS）、流動化炭素床冷却法（FCBC）など、方向性凝固の代替手法が開発されてきた。.

前述の各手法では、放射冷却に加え、主に対流冷却を用いて鋳型外殻表面の熱除去効率を向上させている。液体金属冷却（LMC）および流動炭層冷却（FCBC）法では、鋳型外殻をそれぞれ冷却槽および流動層に浸漬する。 ガス冷却鋳造（GCC）および下向き方向凝固（DWDS）法では、鋳物が炉の加熱ゾーンから移動する際に、鋳型表面にガスを吹き付けて冷却する。 不活性冷却ガスを用いたブレード製造法の継続的な開発は、LMC（液体金属冷却）法に比べてコストが比較的低く、ブリッジマン法に比べてワークピースの微細組織が改善されることから、これらの手法の大きな可能性を示している。 Konterらは、不活性冷却ガスを用いた大型ガスタービン（IGT）ブレードの製造法を実証し、一方、Wangらはこの方法を用いて小型航空機用タービンブレードを製造した。これは、不活性冷却ガスの使用が、温度勾配を効果的に改善し、デンドライト構造を微細化する有効な手段であることを証明するのに十分である。 これらの方法は有効であるものの、特に複雑な鋳型ケース内に複数の鋳物が同時に配置されるような場合、工業規模でのブレード製造における適用範囲は極めて限定的となる可能性がある。.

多くの構成要素からなる複雑なシェルを使用すると、熱シールドとシェルの外形との適合が非常に複雑になる可能性があります。これにより、構成要素の間でガスが上方へ流れる可能性があり、これは炉内の加熱室にある金型シェルの冷却には不向きです。 一方、ノズルを水冷リングの方向へ下方へ再配置することで、不活性ガスの流れが鋳物のペースト領域の凝固に及ぼす熱的影響を低減できる。公表された論文の分析によれば、冷却ガスを用いた方向性凝固法には大きな可能性が示されている。 しかし、複数の構成要素からなる複雑なセラミック鋳型を用いたタービンブレードの製造への本手法の適用に関する情報は、現時点では存在しない。そこで、Sikovokは、不活性ガス冷却鋳型シェルを用いたニッケル基超合金のタービンブレード向け産業規模の方向性凝固技術の開発を試み、これを「Developed Gas Cooling Casting（DGCC）」と呼ばれる先進的なガス冷却鋳造法と名付けた。 本研究では、ヒートシールドの下部に配置された複数のノズルから、超音速で不活性ガスを噴射することにより、鋳型シェルを冷却した。可変角度ノズルを使用することで、複数の鋳造部を有する複雑な形状のシェルの表面に、不活性ガスの流れを正確に導くことが可能である。 本研究により、ガス冷却を採用することで、ブリッジマン法における従来の放射冷却と比較して、単結晶ブレードプラットフォームにおいて冷却速度の向上と一次デンドライトアーム間隔（PDAS）の低減に寄与することが明らかになった。 予備的な結果によると、DGCCガス冷却鋳造法は、航空機エンジン用の高品質な単結晶超合金ブレードを生産するために、工業規模の生産において適用可能であることが示されている。.

CMSX-4ニッケル基超合金の試験鋳造では、標準的なブリッジマン法およびDGCCガス冷却鋳造法を用いて方向性凝固を行い、模擬ブレードを製造した。この目的のために、セラミック鋳型シェルの製作基盤となる2種類のワックス鋳型部品が製作された［図1(f)および(g)］。 これらのワックス鋳型アセンブリには、直径250 mmの冷却プレートモデル、注湯システム、注湯カップ、8個の模擬ブレード、および結晶取り出し器とリフターが含まれている。.

ブレードは図1(f)に示すように配置する。その後、部品をセラミックスラリーに浸漬し、続いて流動層内でアルミナ粒子を散布して、金型シェルの第1層の被膜を形成した。第2層にはムライトを使用した。 上記の2つの工程を繰り返し、計9層の被膜を形成した。シェル壁の平均厚さは約7 mmであった［図1(g)］。.

800℃に予熱された鋳型シェルの内部から、蝋型が溶けていきます。 準備した鋳型シェルを、炉内の冷却室のコールドプレートに取り付けます [図 1(b)]。単結晶ブレードの方向性凝固の最初のステップは、JetCaster 真空誘導溶解炉で DGCC ガス冷却鋳造法によって行われ、鋳型の冷却を強化するためにアルゴンガスが添加されました。 この炉は、加熱室と冷却室、所定の速度で動く鋳型シェル引き込みシステムで構成されており、冷却室に不活性ガスを流し込むことができるシステムが備わっています [図 1(a) ～ (c)]。 金型シェルは冷却プレート上に設置され、炉内の加熱室へと移動する。加熱室は、出力125kwの2ゾーン誘導ヒーターを用いて1520℃に予熱されている。 その後、加熱された金型に、同温度の CMSX-4 溶融ニッケル基超合金を充填し、炉の加熱ゾーンから冷却ゾーンへと、異なる速度で引き出します。 引き抜き速度は、スターター部およびセレクター部では 3 mm/min、ブレード部では 12 mm/min です [図 1(k)]。連続ゾーン（セパレーターからブレードへの移行ゾーン）では、引き抜き速度が徐々に増加します。.

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