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KR100801970B1 - 주조 구성요소의 생산을 위한 도구, 그 도구를 생산하는방법 및 주조 구성요소의 생산 방법 - Google Patents

주조 구성요소의 생산을 위한 도구, 그 도구를 생산하는방법 및 주조 구성요소의 생산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주조 구성물질을 생산하기 위한 도구에 관한 것이다. 본 발명에 따라서 용해된 반응 비철금속 물질과 접촉상태가 되는 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘 산화물로 만들어지는 적어도 하나의 주조 형틀 영역이 발견된다.
주조 구성물질, 주조 형틀, 슬러리 물질

Description

주조 구성요소의 생산을 위한 도구, 그 도구를 생산하는 방법 및 주조 구성요소의 생산 방법 {TOOL FOR PRODUCING CAST COMPONENTS, METHOD FOR PRODUCING SAID TOOL, AND METHOD FOR PRODUCING CAST COMPONENTS}
본 발명은 청구항 제 1항에 정의된 바와 같이, 주조 구성요소(Casting Components)를 생산하기 위한 도구에 관한 것이다. 또한 본 발명은 청구항 제 11항의 전제부에 의해 정의된 바와 같은 주조 구성요소의 생산을 위한 방법뿐만 아니라, 제 6항의 전제부에 의해 정의된 주조 구성요소 생산을 위한 도구를 생산하는 방법과도 관련되어 있다.
본 발명은, 비철 용융 금속 특히, 티타늄 알루미늄 합금, 특히 주조 방법에 의해 금속간 상을 형성하는 43~48중량%의 알루미늄을 함유한 물질로부터, 특히 가스 터빈 구성요소와 같은 구성요소의 생산에 관한 것이다. 소위 주조 형틀이라고 부르는 형틀은 주조하는 동안에 사용되고, 여기에서 주조 형틀은, 생산되는 구성요소의 외부 윤곽과 상응하는 내부 윤곽을 갖게 된다. 기본적으로, 비영구적 주조 형틀을 사용하는 주조 방법과 영구적인 주조 형틀을 사용하는 주조 방법 사이에는 차이점이 있다. 비영구적 주조 형틀을 사용하는 주조 방법으로는 하나의 주조 형틀로 단지 하나의 구성요소만을 생산할 수 있다. 영구적인 주조 형틀을 사용하는 주조 방법으로는 주조 형틀을 한번 이상 사용할 수 있다. 소위 정밀 주조는 비영구적 주조 형틀을 사용하는 주조 방법 중의 하나이다. 참고로 영구적인 주조 형틀을 사용하는 주조 방법의 예로 중력주조가 있다. 특히 본 발명은 소위 정밀 주조에 관한 것이다.
정밀 주조는 종래 기술에 따라 고-내화성 세라믹으로 만들어지는 주조 형틀을 사용한다. 정밀 주조를 위한 주조 형틀의 생산은 제 1공정으로서 후에 주조형틀로 생산되는 주조구성요소용 모델이 제공되며 상기 모델은, 대략 생산되는 주조 구성 요소와 유사한 모양을 하지만, 주조 물질의 수축률을 측정할 수 있도록 더 큰 치수를 가진다. 이 모델은 또한 구성요소 왁스 모델(component wax model)이라고 부른다. 종래기술에 의해 정의된 바와 같이 이 구성물질 왁스 모델은 되도록이면 사포로 닦을 뿐 아니라 여러 차례 슬러리 물질로 코팅되고, 만약에 필요하다면 후속하여 메우는 작업(backfilling)을 통해 주조 형틀을 구성요소 왁스 모델을 용융시켜낸 후에, 소위 외피 형틀(shell mold)이나 압축 형틀(compact mold)에서 이용가능하게 한다. 구성물질 왁스 모델을 용융시킨 후에 만들어지는 하나의 주조 형틀을 불로 처리한다. 생산된 주조 구성요소의 용융 금속이, 바람직하게 뜨거운 주조 형틀에 부어지는데 여기에서 생산되는 주조 구성요소는 경화된 후에 주조 형틀로부터 분리된다. 주조 형틀은 여기에서 제거된다.
상기한 바와 같이, 주조 형틀은 이산화 규소 첨가와 함께 알루미늄 산화물, 지르콘 산화물 또는 이트륨산화물과 같은 고-내화성 세라믹 물질로부터 종래기술에 따라 제조된다. 적합한 슬러리 물질은 종래 슬러리 방식을 이용하여 구성요소 왁스 모델 위에 도포된다. 그러나 이산화규소 첨가제를 포함하는 주조 형틀은 반응성이 있어서 티타늄 합금이나 티타늄 알루미늄 합금과 같은 반응성 비철 용융금속으로부터 주조 구성요소를 생산하는 동안 표면 결을 야기시킨다. 이것은 표면결함, 치수의 변형, 균열이나 소위, 생산되는 주조 구성요소 상에 수축공 형성을 유발한다. 그러므로 종래의 주조 형틀은 반응성 비철용융금속에는 적합하지 않다.
이러한 가정을 바탕으로, 본 발명은 주조 구성요소를 생산하기 위한 새로운 형태의 도구, 생산 시의 문제, 그러한 도구를 생산하기 위한 방법 및 주조 구성요소의 생산방법과 관련되어 있다.
이 문제는 상기 도구가, 청구항 제 1항의 특징으로 더욱 개발된다는 점에서 해결될 수 있다.
본 발명에 따르면 반응성 비철 용융금속과 접촉하는 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘 산화물로 구성되는 주조형틀의 적어도 하나의 영역이 존재한다.
본 발명의 바람직한 추가적 개행에 따르면, 주조 형틀은 적어도 두 개의 층 구조를 갖는데, 그 제 1층은 반응성 비철 용융금속과 접촉하는 형틀 벽 영역을 형성하고, 제 2층은 형틀 벽 영역을 메워 안정화 시키는 영역을 형성한다. 제 1 및 제 2층의 두 층은 모두 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘 산화물로 구성되고, 여기에서 제 1층을 메우는 제 2층은, 제 1층보다 이트륨 산화물이 적제 함유되고 보다 조립질이다.
상기 도구를 생산하기 위한 발명에 의해 제공되는 방법은, 독립항 제 6항의 특징과 같다. 주조 구성요소를 비철금속 물질과 접촉하게 되는 형틀 벽 영역을 형성한다. 주조 형틀의 제 2층(15)는 제 1층(14)를 메우도록 형성된다.
실시예는 두 층 구조의 주조 형틀을 보여준다. 주조 형틀의 제 1층(14)는 생산되는 주조 구성요소의 반응성 비철용융금속과 접촉하는 형틀 벽 영역을 형성한다. 주조형틀의 제 2층(15)는 제 1층(14)를 메우도록 형성된다.
본 발명의 의미에서, 적어도 생산되는 가스 터빈 블레이드(blade)(11)의 반응성 비철용융금속과 접촉하는 주조 형틀(10)의 제 1층(14)가 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘 산화물로 구성된다. 주조 형틀(10)의 이러한 조성으로, 주조 형틀과 반응성 비철용융금속 사이의 반응은, 적어도 제 1층(14)영역에서는 회피될수 있어서 치수의 변형이나, 소위, 생산되는 가스 터빈 블레이드(blade)(11)과 같은 주조 구성요소에서의 균열은 피할 수 있다.
본 실시예에서, 제 1층(14)뿐 아니라 주조 형틀(10)의 제 2층(15)도 또한 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘 산화물로 구성된다. 그러나 메우는 역할을 하는 제 2층(15)는 생산되는 가스 터빈 블레이드(blade)(11)의 반응성 비철용융금속과 접촉하는 제 1층(14)보다 현저하게 낮은 함량의 이트륨 산화물을 포함한다. 게다가 제 2층(15)는 제 1층(14)보다 조립질이고, 더 두꺼운 벽을 갖는다. 비용과 생산을 고려했을 때 이것은 특히 장점이 된다.
주조 형틀을 생산하기 위해서, 본 발명에 의하면 주조 형틀로 생산되는 주조 구성요소처럼 기하학상 대략 같은 치수인 구성요소 왁스 모델이 제공되어야 한다. 구성물질 왁스 모델은 슬러리 물질로 코팅되고 여기에서 슬러리 물질은 물, 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘 산화물로 구성된다.
본 실시예에서, 생산되는 주조 형틀(10)은 두 개의 층을 가진다. 따라서, 도 1에서 보이는 바와 같이 주조 형틀(10)의 생산을 위한 발명에 의해 제공되는 첫 번째 단계에서, 구성요소 왁스 모델은 먼저 바람직하게는 주조형틀의 제 1층(14)가 형성되도록 슬러리 물질로 코팅된다. 그 후에 바람직하게는 제 2층(15)와 함께 제 1층(14)의 다층 코팅이 이루어지고, 여기에서 제 2층(15)는 제 1층을 메우는 기능을 수행한다. 적합하게 적용된 슬러리 물질은 제 1층(14)와 제 2층(15)를 생산하는데 제공되고, 여기에서 이 두 슬러리 물질은 물, 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘 산화물로 구성된다. 그러나 제 2층을 형성하기 위한 슬러리 물질은, 제 1층(14)를 형성하기 위한 슬러리 물질보다 낮은 이트륨 산화물을 가지고, 보다 조립질이다.
상기와 같이 이트륨산화물 및 마그네슘 산화물은 주조 형틀(10)으로 생산되는 주조 구성요소의 반응성 비철용융금속의 원하지 않은 반응을 막아준다. 슬러리 물질의 물과 함께 마그네슘 산화물은 발열 반응을 일으키며 이에 의해 수분이 증발한다. 이것은 주조 형틀(10)의 층(14)(15)의 건조시간을 현저하게 감소시킨다. 슬러리 물질은 콘크리트가 굳는 것과 비슷하게 굳는다. 주조 형틀을 굽는 온도는 대략 1400℃에서 900℃로 낮아지는데, 여기에서 주조 온도 또한 대략 900℃이다. 이러한 점으로 주조 형틀을 신속하고, 간단하며, 저렴하게 생산할 수 있다.
이트륨 함량이 더 높고 보다 미립질인 제 1층(14)는 메움기능을 제공하는 제 2층(15)보다, 얇은 벽을 가진다. 얇은 제 1층(14)는 주조 형틀과 비철용융금속 사이의 원치 않는 반응들을 막는다. 제 2층(15)는 충분한 기계적 강도를 주조 형틀에 제공하여, 주조 형틀이 천천히 냉각되도록 높은 열용량을 제공하며 대략 900℃정도의 주조온도를 허락한다. 기계적 강도는 수축으로 인한 뒤틀림을 최소화하고, 높은 열용량은 주조되어 질 다른 깨지기 쉬운 물질에 미소가스성(micro plastic)인 연성을 제공해서 구성물질에 균열 또는 깨지는 현상이 발생하지 않게 한다.
본 발명에서 주조 형틀의 도움으로, 생산되는 주조 구성요소의 반응성 비철용융금속의 수축 공이 없는 고체화가 가능하다. 주조 형틀은 소위 원심 주조로 채워진다. 특히 원심 주조가 사용되면 마이크로파 조사나 유도 결합으로 가열될 수 있는 형틀을 사용하는데 유리하다. 반전도성 및 전도성 비금속들, 특히 흑연 또는 실리콘 뿐 만 아니라 금속 입자, 금속 구조, 특히 금속 망이 형틀의 층(들)에서 함입 될 수 있다. 또한 두께 변화 특히, 제 2층(15)의 영역에서 두께변화를 가지는 주조 형틀(10)을 제공하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다. 도 1은 블레이드 풋(blade foot)(13) 영역에서의 제 2층(15)가, 블레이드 패들(blade paddle)(12) 영역에서보다 두껍다는 것을 보여준다. 게다가 블레이드 패들(blade paddle)(12) 상부에서, 주조 형틀의 벽을 블레이드 풋(blade foot)(13) 에 인접하는 하부 영역에서보다 얇게 만듦으로써, 주조 형틀의 두께를 다양하게 할 수 있다. 이것은 비철용융금속이 방향성 있게 고화되고, 고체-액체의 계면이 블레이드 풋 영역에서 끝나도록 한다.
본 발명에 의한 주조 형틀은, 특히 티타늄-알루미늄 합금 금속간 상을 형성하는 43~48중량%의 알루미늄을 가진 티타늄 알루미나이드로부터 만들어지는 블레이드(blade)와 같은 가스 터빈 구성물질의 생산에 적합하다. 이를 위해 이러한 티타늄 알루미늄 용융합금을 상기 주조 형틀에 붓고, 주조 구성요소는 고체화 후에 주조 형틀로부터 제거된다.
상기 본 발명의 바람직한 추가개량은 하위 종속항과 다음의 설명에서 도출되어진다. 본 발명에 의한 실시예는 이제 도면을 통해서 자세하게 설명될 것이다. 도면은:
도 1은, 주조에 의해 생산되는 가스터빈 블레이드(blade)와 가스 터빈 블레이드(blade)를 위한 발명으로 제공되는 주조 형틀의 횡단면이다.
본 발명은 도 1을 통해서 더욱 자세하게 설명될 것이다. 도 1은, 주조에 의해 생산되는 가스 터빈 블레이드(blade)(11) 과 주조 형틀(10)의 횡단면으로서, 가스 터빈 블레이드(blade)(11)이 블레이드 패들(blade paddle)(12) 와 블레이드 풋(blade foot)(13)을 둘러싸고 있다. 주조에 의해 생산되는 가스 터빈 블레이드(11)은 주조 형틀(10)에 의해 둘러싸인다.

Claims (12)

  1. 티타늄 합금으로부터 주조구성요소를 생산하기 위한 주조형틀에 있어서, 제1층은 티타늄 합금과 접촉하는 형틀 벽영역을 형성하고, 제2층은 상기 형틀 벽영역을 메꾸는 안정화 영역을 형성하는, 적어도 2층 구조를 가지고, 상기 제1층 및 상기 제2층은 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘산화물로 구성되며, 상기 제1층을 메꾸는 상기 제2층은 이트륨 산화물 함량이 적고, 보다 조립질인 것을 특징으로 하는 주조형틀.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2층은 상기 제1층보다 두꺼운 벽을 가지는 것을 특징으로 하는 주조형틀.
  6. 티타늄 합금으로부터 주조구성요소용 주조형틀의 제조방법에 있어서,
    a) 주조 형틀로 생산되어 질 정밀 주조 구성요소와 동일한 형상 및 치수를 가지는 구성요소 왁스 모델을 준비하는 단계;
    b) 구성요소 왁스 모델을 물, 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물 및 칼슘 산화물로 구성되고, 주조형틀의 제1층이 티타늄 합금과 접촉하는 형틀벽 영역을 형성하며, 주조형틀의 제2층이 상기 형틀벽 영역을 메우는 안정화 영역을 형성하는 적어도 2층 구조의 주조 형틀이 만들어지도록 구성요소 왁스모델 상에 다층으로 도포 되어지는 슬러리 물질로 코팅하는 단계;
    c) 주조 형틀을 위한 상기 코팅을 건조하고 경화시키는 단계; 및
    d) 주조형틀로부터 구성요소 왁스모델을 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 제1층을 메우는 상기 제2층의 형성을 위한 슬러리 물질은 상기 제1층의 형성을 위한 슬러리 물질보다 이트륨산화물의 함량이 적고 보다 조립질인 것을 특징으로 하는 주조 형틀의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 티타늄 합금으로부터 주조구성요소의 제조방법에 있어서,
    a) 제6항의 방법에 의해 제조되는 주조 형틀을 준비하는 단계;
    b) 티타늄 합금을 상기 주조형틀에 채우는 단계;
    c) 상기 주조형틀에서 상기 티타튬 합금을 고체화시키는 단계;
    d) 주조형틀로부터 주조 구성요소를 분리하는 단계를 포함하고,
    티타늄 알루미늄 용융합금을 상기 주조형틀에 채우는 것을 특징으로 하는 주조구성요소의 제조방법.
  12. 삭제
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