JP6191076B2

JP6191076B2 - 中子の製造方法、及び該中子の製造方法によって中子を取得するタービン部材の製造方法

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Publication number: JP6191076B2
Application number: JP2014049227A
Authority: JP
Inventors: 宏介藤原; 幸郎下畠; 一剛森; 英隆小熊; 岡田　郁生; 郁生岡田; 上村　好古; 好古上村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: KR20160103099A; CN105828976B; US20170028461A1; DE112015001183T5; WO2015137232A1; CN105828976A; KR101946129B1; JP2015171725A; US10245636B2

Description

本発明は、中子の製造方法、及び該中子の製造方法によって中子を取得するタービン部材の製造方法に関する。

ガスタービン用の動翼、静翼などの部品を製造する際に用いられる精密鋳造用中子（中子材）は、セラミックス等を用いて精密鋳造法によって形成される。このような精密鋳造法としては、スリップキャスト法や射出成形法等がある。スリップキャスト法は、石膏型にセラミックスの粉末を水などに混ぜたスラリーを流し込んで乾燥させることで中子を成形する。また、射出成形法は、金型を作成し、セラミックス等から作成したペレット状の射出成形用原料を射出成形機によって加熱して金型に流し込む。そして、その金型を冷却することで中子を成形する。

さらに、中子の製造方法としては、他にも積層造形法が挙げられる。積層造形法では、層状に配置されたセラミックス等の材料粉末に対してレーザを照射して、その層の中から必要な部分のみを選択的に固化させる。その後、レーザを照射した層を第一層として、この上に新たな材料粉末を配置して第二層を形成する。そして、この第二層に対してもレーザを照射して必要な部分のみを選択的に固化させつつ、第一層で固化させた部分と接合させる。このような工程を繰り返すことで、積層造形法では、一層ずつ積層しながら目的とする三次元形状を有する中子を形成する

例えば、特許文献１に記載では、このような積層造形法で形成したセラミックコアをセラミック強化液に含浸させてから焼結することで中子を製造する。そして、この中子を用いて、射出成形を行うことで所望の鋳造品を製造している。

特開２００４−３３０２８０号公報

しかしながら、積層造形法では、一般的な金型等の型を用いて成形する方法に比べて強度が弱いという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、積層造形法によって成形しつつ、強度を向上させた中子を製造することが可能な中子の製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一の態様における中子の製造方法は、シリカを含む大粒子からなる大粒子群に有機バインダを添加して、前記大粒子の表面に前記有機バインダをコーティングするコーティング工程と、該コーティング工程の後に、前記大粒子群と、シリカを含み前記大粒子よりも粒径の小さい小粒子からなる小粒子群とを混合する混合工程と、該混合工程の後に、前記大粒子群と前記小粒子群との混合物を用いた積層造形法によって成形体を形成する積層造形工程と、該積層造形工程の後に、前記成形体を焼結する焼結工程と、を含み、前記大粒子の粒径が１０μｍ以上５０μｍ以下である。

このような構成によれば、積層造形工程や焼結工程等で熱を加えることで有機バインダが熱硬化し、有機バインダを介して大粒子同士を互いに結合させることができる。したがって、有機バインダによって粒子同士の結合強度を向上することができる。さらに、有機バインダがコーティングされた大粒子の大粒子群に、粒径の小さい小粒子を混合している。そのため、隣接する大粒子の間に粒径の小さい小粒子が入り込み、混合体として緻密な構造を形成することができる。そのため、粒子同士の結合強度をより向上することができる。加えて、小粒子には有機バインダでコーティングしないことで、小粒子の粒径をより小さいままとすることができ、小粒子を大粒子に対して中心位置が近づくように結合させることができる、そのため、より高密度にすることができ、粒子同士の結合強度をより一層向上させることができる。そして、このような混合物を用いて積層造形工程にて成形し、焼結工程で焼結することで、複雑な三次元形状の中子を容易に製造することができる。即ち、粒子同士の結合強度を高めて、複雑な形状を成形しながら強度を向上させた中子を製造することが容易にできる。

また、上記中子の製造方法では、前記積層造形工程と前記焼結工程との間に、前記成形体に含浸剤を含浸させる含浸工程を含んでもよい。

このような構成によれば、焼結工程の前に含浸工程で、成形体を含浸剤で含浸することで、成形体の内部に含まれている空気を含浸剤によって置換し、成形体をより一層緻密な構造とすることができる。したがって、粒子同士の結合強度をより一層向上させることができる。

また、本発明の他の態様におけるタービン部材の製造方法は、前記中子の製造方法によって中子を取得する工程と、該中子と鋳型との間に供給した溶融金属を凝固させた後に、前記中子を除去することで中空部を有するタービン部材を取得する工程と、を含む。

このような構成によれば、容易にタービン部材を製造することができる。

本発明の中子の製造方法によれば、有機バインダがコーティングされた大粒子群と、小粒子群との混合体を用いることで、積層造形法によって成形しつつ、強度を向上させることができる。

本発明の実施形態における中子の製造方法の工程を説明するフローチャートである。本発明の実施形態における事前混合工程後の第一大粒子と第二大粒子とを説明する模式図である。本発明の実施形態におけるコーティング工程後の第一大粒子と第二大粒子とを説明する模式図である。本発明の実施形態における混合工程後の混合物を説明する模式図である。本発明の実施形態における積層造形装置を説明する模式図である。本発明の実施形態における焼結工程後の混合物の状態を説明する模式図である。

以下、本発明に係る実施形態について図１から図６を参照して説明する。
中子の製造方法Ｓ１は、積層造形法を用いて鋳造部品等を作成する際に使用する中子を製造する方法である。本方法によって製造された中子は、タービン静翼、タービン動翼、分割環、燃焼器部品等のタービン部材を製造する製造方法に用いられる。具体的には、このタービン部材の製造方法では、本方法によって製造された中子を取得する工程と、鋳型とその内部に設置される中子との間に供給した溶融金属を凝固させた後に、中子を除去することで中空部を有するタービン部材を取得する工程と、を含む。即ち、タービン部材の製造方法では、鋳型との間に溶融金属を供給した後で、中子を除去することによって、この中子に対応する中空部を有するタービン部材を製造する。

中子の製造方法Ｓ１は、積層造形法を用いて鋳造部品等を作成する際に使用する中子を製造する方法である。本実施形態における中子の製造方法Ｓ１は、図１に示すように、複数の粒径を有する大粒子からなる中子砂を混合して大粒子群１０を生成する事前混合工程Ｓ１０と、事前混合工程Ｓ１０の後で大粒子群１０に有機バインダ２０をコーティングするコーティング工程Ｓ２０と、コーティング工程Ｓ２０の後で大粒子群１０と大粒子よりも粒径の小さい小粒子３１からなる中子砂の小粒子群３０とを混合する混合工程Ｓ３０とを含む。さらに、本実施形態における中子の製造方法Ｓ１は、混合工程Ｓ３０の後で混合された大粒子群１０と小粒子群３０との混合物４０を用いた積層造形法によって成形体４１を形成する積層造形工程Ｓ４０と、積層造形工程Ｓ４０の後に成形体４１に含浸剤５０を含浸させる含浸工程Ｓ５０と、含浸工程Ｓ５０の後に、成形体４１を焼結する焼結工程Ｓ６０とを含む。

事前混合工程Ｓ１０は、シリカを含む大粒子として粒径の異なる複数の種類の中子砂を混合することで、大粒子からなる大粒子群１０を生成する。ここで、本実施形態における大粒子とは、粒径が１０μｍ以上５０μｍ以下の中子砂のことであり、好ましくは粒径が２０μｍ〜４０μｍの球状の中子砂である。本実施形態に事前混合工程Ｓ１０では、二種類の中子砂として第一大粒子１１と第二大粒子１２とを混合することで、図２に示すような大粒子群１０を生成する。具体的には、本実施形態に事前混合工程Ｓ１０では、第一大粒子１１として粒径３８μｍ程度の溶融シリカの粉末と、第二大粒子１２として粒径２０μｍ程度のアルミナの粉末とをボールミルを用いて混合し、これらが混合された混合粉末として大粒子群１０を生成する。

なお、生成されるシリカを含む大粒子からなる大粒子群１０は、本実施形態の組み合わせに限定されるものではなく、シリカを含んでいれば他の材料を用いてもよい。例えば、大粒子群１０は、混合する大粒子の中子砂として、溶融シリカ、アルミナの一部又は全てをクリストバライトとしてもよい。

コーティング工程Ｓ２０は、事前混合工程Ｓ１０で生成されたシリカを含む大粒子群１０からなる大粒子群１０に有機バインダ２０を添加して、大粒子の表面にこの有機バインダ２０をコーティングする。本実施形態では、有機バインダ２０として、フェノール樹脂と芳香族アミン類を含む有機物が使用される。本実施形態のコーティング工程Ｓ２０では、例えば、ホットマーリング法等を用いてコーティングを実施する。具体的には、コーティング工程Ｓ２０では、回転ドラム内に大粒子群１０を投入し、回転ドラムを回転させながら液状にした有機バインダ２０を大粒子群１０に向かって噴射して添加する。その後、コーティング工程Ｓ２０では、有機バインダ２０が噴射された大粒子群１０を冷却し、図３に示すように、第一大粒子１１及び第二大粒子１２の表面に有機バインダ２０をコーティングする。

混合工程Ｓ３０は、コーティング工程Ｓ２０で有機バインダ２０がコーティングされた大粒子群１０と大粒子よりも粒径の小さい小粒子３１からなる小粒子群３０とを混合する。ここで、本実施形態における小粒子３１とは、粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下の中子砂であり、好ましくは、粒径が０．３μｍ〜０．５μｍの球状の中子砂である。具体的には、本実施形態に混合工程Ｓ３０では、有機バインダ２０がコーティングされた溶融シリカ及びアルミナで構成される大粒子群１０の粉末と、小粒子３１の中子砂として第一大粒子１１や第二大粒子１２と同じ材料で粒径の異なる粒子の粉末とを混合し、図４に示すように、第一大粒子１１と第二大粒子１２との間に小粒子３１が混在する粉状の混合物４０を生成する。

積層造形工程Ｓ４０は、混合物４０を用いた積層造形法によって成形体４１を形成する。本実施形態の積層造形工程Ｓ４０は、図５に示すようなレーザを用いた積層造形装置１を用いて粉末焼結積層造形法によって成形体４１を成形する。

積層造形装置１は、粉状の材料を供給する供給エリア２と、成形体４１を形成する造形エリア３と、供給エリア２から造形エリア３に材料を送るローラ４と、造形エリア３の材料にレーザ本体５から供給されるレーザを任意の位置に照射する走査機構６と、供給エリア２を上下させる供給ピストン７と、造形エリア３を上下させる造形ピストン８とを有する。

具体的には、本実施形態の積層造形工程Ｓ４０では、この積層造形装置１を用いて、材料として粉状の混合物４０が投入された供給エリア２から、ローラ４によって造形エリア３に一層ずつこの混合物４０が送られる。ここでいう一層とは、レーザ本体５から走査機構６を介して出射されるレーザによって混合物４０を固化することが可能な所定の深さである。その後、積層造形工程Ｓ４０では、造形エリア３に送られた混合物４０に対して成形する成形体４１の形状に応じて必要な範囲に走査機構６を介してレーザ本体５から出射したレーザが照射される。レーザが照射された部分の混合物４０は溶けて固まる。レーザの照射が終了すると、一層分に対応する深さだけ造形ピストン８を下降させるとともに、同じ一層分の深さだけ供給ピストン７を上昇させる。そして、再びローラ４で混合物４０を一層分だけ供給エリア２から造形エリア３に送り、造形エリア３に二層目となる混合物４０を配置する。積層造形工程Ｓ４０では、これらの工程を繰り返すことで、積層造形装置１によって混合物４０が固化されて任意の形状の成形体４１を形成して取得する。

含浸工程Ｓ５０は、積層造形工程Ｓ４０と焼結工程Ｓ６０との間に実施され、形成した成形体４１に含浸剤５０を含浸させて、成形体４１をさらに硬化させる。本実施形態の含浸工程Ｓ５０は、含浸剤５０としてセラミックが含まれたスラリーを使用して減圧容器内で成形体４１を含浸させ、成形体４１の内部に含まれている空気を抜いて含浸剤５０を圧入する。ここで用いられる含浸剤５０には、例えば、シリカゾルとシリカの混合物やシリカゾルとアルミナの混合物が挙げられる。

焼結工程Ｓ６０は、含浸剤５０を含浸させた成形体４１を焼結させて、成形体４１を硬化させる。本実施形態の焼結工程Ｓ６０は、焼結することで、図６に示すように、成形体４１の混合物４０の各粒子が結合して中子が製造される。具体的には、例えば、焼結工程Ｓ６０は、１２００℃で１５時間にわたって実施される。

上記のような中子の製造方法Ｓ１によれば、事前混合工程Ｓ１０で二種類の大粒子である第一大粒子１１と第二大粒子１２とを混合した大粒子群１０に、コーティング工程Ｓ２０で液状の有機バインダ２０をコーティングすることで、第一大粒子１１及び第二大粒子１２の表面を有機バインダ２０で覆うことができる。この状態で、積層造形工程Ｓ４０や焼結工程Ｓ６０等で熱を加えることで有機バインダ２０が熱硬化し、有機バインダ２０を介して第一大粒子１１及び第二大粒子１２や第一大粒子１１同士や第二大粒子１２同士を互いに結合させることができる。したがって、液状の有機バインダ２０によって粒子同士の結合強度を向上することができる。

さらに、本実施形態では、有機バインダ２０がコーティングされた第一大粒子１１と第二大粒子１２との大粒子群１０に、粒径の小さい中子砂として小粒子３１を混合している。そのため、隣接する第一大粒子１１と第二大粒子１２との間に粒径の小さい小粒子３１が入り込み、混合体として緻密な構造を形成することができる。具体的には、粒子の大きい第一大粒子１１と第二大粒子１２とを混合しても、各粒子間には隙間が生じてしまう。そのため、大粒子よりも粒径の小さい小粒子３１を混合することで、小粒子３１がこの隙間に対して埋め込むように配置され、第一大粒子１１や第二大粒子１２に結合することとなる。その結果、生成された混合体は、各粒子間の隙間が非常に小さくなり、密度の高い緻密な構造を有した状態で各粒子が結合することができる。そのため、粒子同士の結合強度をより向上することができる。

加えて、小粒子３１に対して有機バインダ２０でコーティングしないことで、小粒子３１の粒径を小さいままとすることができ、小粒子３１を第一大粒子１１及び第二大粒子１２に対してその中心位置が近づくように近接させて結合させることができる。そのため、混合体をより高密度に形成することができ、粒子同士の結合強度をより一層向上させることができる。

そして、このような混合物４０を用いて積層造形工程Ｓ４０によって成形し、焼結工程Ｓ６０で焼結することで、複雑な三次元形状の中子を容易に製造することができる。即ち、第一大粒子１１や第二大粒子１２や小粒子３１である中子砂同士の結合強度を高めて、複雑な形状を成形しながら強度を向上させた中子を製造することが容易にできる。即ち、有機バインダ２０がコーティングされた大粒子群１０と、小粒子群３０との混合体を用いて積層造形工程Ｓ４０を実施することで、積層造形法によって成形しつつ、強度を向上させることができる。

また、焼結工程Ｓ６０の前に含浸工程Ｓ５０で、成形体４１を含浸剤５０で含浸することで、成形体４１の内部に含まれている空気をセラミック等のスラリーによって置換し、成形体４１をより一層緻密な構造とすることができる。したがって、粒子同士の結合強度をより一層向上させることができ、より強度を向上させた中子を製造することができる。

さらに、このような方法で作成した中子を用いて鋳造を行うことで、タービン部材を容易に形成することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

Ｓ１…中子の製造方法Ｓ１０…事前混合工程１１…第一大粒子１２…第二大粒子１０…大粒子群Ｓ２０…コーティング工程２０…有機バインダＳ３０…混合工程３０…小粒子群３１…小粒子４０…混合物４１…成形体Ｓ４０…積層造形工程１…積層造形装置２…供給エリア３…造形エリア４…ローラ５…レーザ本体６…走査機構７…供給ピストン８…造形ピストンＳ５０…含浸工程５０…含浸剤Ｓ６０…焼結工程

Claims

シリカを含む大粒子からなる大粒子群に有機バインダを添加して、前記大粒子の表面に前記有機バインダをコーティングするコーティング工程と、
該コーティング工程の後に、前記大粒子群と、シリカを含み前記大粒子よりも粒径の小さい小粒子からなる小粒子群とを混合する混合工程と、
該混合工程の後に、前記大粒子群と前記小粒子群との混合物を用いた積層造形法によって成形体を形成する積層造形工程と、
該積層造形工程の後に、前記成形体を焼結する焼結工程と、
を含み、
前記大粒子の粒径が１０μｍ以上５０μｍ以下である中子の製造方法。
前記小粒子の粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１に記載の中子の製造方法。
前記小粒子の粒径が０．３μｍ以上０．５μｍ以下である請求項１に記載の中子の製造方法。
前記積層造形工程と前記焼結工程との間に、前記成形体に含浸剤を含浸させる含浸工程を含む請求項１から請求項３の何れか一項に記載の中子の製造方法。
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の中子の製造方法によって中子を取得する工程と、
該中子と鋳型との間に供給した溶融金属を凝固させた後に、前記中子を除去することで中空部を有するタービン部材を取得する工程と、を含むタービン部材の製造方法。