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JPS6132109B2 - - Google Patents
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JPS6132109B2 - - Google Patents

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JPS6132109B2
JPS6132109B2 JP51151835A JP15183576A JPS6132109B2 JP S6132109 B2 JPS6132109 B2 JP S6132109B2 JP 51151835 A JP51151835 A JP 51151835A JP 15183576 A JP15183576 A JP 15183576A JP S6132109 B2 JPS6132109 B2 JP S6132109B2
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JP
Japan
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preform
alloy
metal
cast
cast metal
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Application number
JP51151835A
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Japanese (ja)
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JPS5376128A (en
Inventor
Bishunebusukii Konsutanchin
Donarudo Gurahamu Roorensu
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Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
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TRW Inc
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Publication date
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  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は2つの別個の鋳造作業によつて作られ
た単一の鋳造物である複鋳造(バイキヤスト)製
品を製造する方法の改良に関し、更に詳細にのべ
ると、予め所定の形状に形成された予成型物(以
下プレフオームという)を型内に位置決めし、こ
のプレフオームに結合される金属をプレフオーム
の選択された部分のまわりに鋳造することにより
複鋳造製品を製造する方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an improvement in the method of manufacturing bicast products, which are a single casting made by two separate casting operations, and more particularly, A method of producing a duplicative cast product by positioning a preform formed into a predetermined shape in a mold and casting metal to be bonded to the preform around selected portions of the preform. It is related to.

従来、バイメタル鋳造方法自体は種々の文献お
よび特許に記載されて周知となつている。概略を
のべると、この方法はプレフオームとそのまわり
に鋳造される金属との間に治金結合部を形成する
ことを目的とするものである。この方法の従来技
術の例が米国特許第3279005号および第3342564号
に記載されている。これらの特許には真空下で注
入された部分に所望の特性を有する金属物質を融
解し、該融解した金属物質を受けるようにした空
所を有しこの空所に中実の金属物体をその物体の
表面の少くとも一部分を空所内で露出して真空下
に位置決めた耐火性の型を加熱し、不活性雰囲気
を保持しつつ融解金属を注入することにより複合
金属体を製造することが記載されている。固化し
た融解金属とプレフオームとの間に存在する結合
部はプレフオームと注入した金属とを互いに合金
にして治金的に結合した領域を形成することによ
るものである。しかしながら、治金結合は2部分
を合わせてバイメタル製品を作るには有効な手段
ではあるが、このようにして形成した結合部は信
頼できかつ再成できるようにして形成することが
容易でないという欠点があつた。事実、界面領域
に結合程度を減少する汚染物が生成するのを防止
するため非常に高い真空度またはその他の不活性
雰囲気を使用する必要がある。既存部分と融解金
属との温度は十分な合金を妨げることによる結合
部の強度を減少する注入金属の過度の急冷または
当初の中実部分全体を融解させる過度に遅い冷却
が生じないようにするにとどまる。結合される両
物質間に生じる物理的接触は融解金属が当初の中
実の部分における顕微鏡的凹所でも満たすことが
できるばかりでなくまた注入した融解金属が固化
し当初の中実の物質よりもかなり高い温度からそ
の後冷却することにより生じる比較的に大きな収
縮により助けられて非常に近接していることが特
徴である。その結果による物理的接触は全体的に
分離する場合を除いてバイメタル製品の結合部の
品質を点検するのに結合部を破壊せずには行えな
いという欠点があつた。
Conventionally, bimetal casting methods themselves have been described in various documents and patents and are well known. Broadly speaking, this method aims to form a metallurgical bond between a preform and the metal being cast around it. Prior art examples of this method are described in US Pat. Nos. 3,279,005 and 3,342,564. These patents involve melting a metallic material having desired properties in the injected part under vacuum, having a cavity to receive the molten metallic material, and inserting a solid metallic object into the cavity. Describes the production of composite metal bodies by heating a refractory mold positioned under vacuum with at least a portion of the surface of the body exposed in a cavity and injecting molten metal while maintaining an inert atmosphere has been done. The bond that exists between the solidified molten metal and the preform is due to the preform and the injected metal alloying together to form a metallurgically bonded region. However, while metallurgical bonding is an effective means of joining two parts together to create a bimetallic product, the disadvantage is that the bonds formed in this way are not easy to form in a reliable and reproducible manner. It was hot. In fact, it is necessary to use very high vacuum or other inert atmospheres to prevent the formation of contaminants in the interfacial region that would reduce the degree of bonding. The temperature of the existing part and the molten metal should be adjusted to avoid excessively rapid cooling of the injected metal which would reduce the strength of the joint by preventing sufficient alloying or too slow cooling which would melt the entire initially solid part. Stay. The physical contact that occurs between the two materials being bonded not only allows the molten metal to fill even the microscopic recesses in the originally solid part, but also allows the injected molten metal to solidify and form a larger area than the original solid material. It is characterized by close proximity, aided by the relatively large shrinkage caused by subsequent cooling from a fairly high temperature. The resulting physical contact has the disadvantage that the quality of the joints in bimetallic products cannot be inspected without destroying the joints, unless the parts are completely separated.

型を予熱することと複鋳造(バイキヤスト)製
品を作るための鋳造条件とは治金結合を示す領域
と治金結合されない領域とが共に取付け個所に存
在することが判つた。もし使用の際満足に作用す
るような製品の構造が特に治金結合部に依存する
場合には、不十分な結合の検出できない個所は一
層破損してしまう。文献(1971年1月発行の高温
タービンに関するアガード会議々事録73号アガー
ドCP―73―71、表題:試験的の冷却されたラジ
アル・タービン)に記載の従来技術を参照する
と、この文献には先に鋳造したニツケルをベース
とした超合金の刃の刃元のまわりにニツケルをベ
ースとして超合金のハブをバイキヤストすること
によりガス・タービンローターを製造することが
記載されている。この構造はある機械的支持体を
形成するため数個所の凹所が設けられた治金結合
を行うことに基いていた。刃元は凹所や治金結合
部のない場合に刃をハブ部分から制約を受けずに
取外せるようテーパが設けてある。しかしながら
実際には、アタツチメントを形取つた鋳造物を使
用する従来技術の制御された試験に基いて真空予
熱と注入条件とを使用すると、治金結合が刃元個
所の1つの領域に限られてしまうという結果にな
つた。このためバイメタル部品は治金的に十分結
合されていない個所で結合が離れることによつて
破損し易いという欠点があつた。
It has been found that the preheating of the mold and the casting conditions for making a bicast product result in both areas exhibiting metallurgical bonding and areas not being metallurgically bonded at the attachment location. If the construction of the product to function satisfactorily in use is particularly dependent on metallurgical joints, undetectable locations of poor joints are even more susceptible to failure. Referring to the prior art described in the literature (Proceedings of the Agard Conference on High Temperature Turbines No. 73 Agard CP-73-71, January 1971, Title: Experimental Cooled Radial Turbine), this document states that It is described that a gas turbine rotor is manufactured by bicasting a nickel-based superalloy hub around the cutting edge of a previously cast nickel-based superalloy blade. This construction was based on making a metallurgical bond with several recesses to form a certain mechanical support. The blade base is tapered to allow unrestricted removal of the blade from the hub portion in the absence of recesses or metallurgical joints. However, in practice, the use of vacuum preheating and pouring conditions based on prior art controlled testing using molded attachments has shown that the metallurgical bond is limited to one area at the root. The result was that I put it away. For this reason, bimetallic parts have the disadvantage that they are easily damaged when the bond separates at a location where the bond is not metallurgically sufficient.

治金学的意味において必要な一体性を得るため
に必要な結合度は、局部的相互融解または拡散に
より合金領域が結合部を弱くする成分を含む不連
続界面なしに生じる程度である。僅かに約
0.00254mm(0.00001インチ)またはそれ以下の厚
味を有する弱くする成分の薄いフイルムが存在し
ていても結合を防げるに十分である。ある金属と
合金とでは、機械的強度と延性とが著しく減少す
るのは粒子間の僅か数原子層の厚味のフイルムに
より生じる。これらは組成内の不純物、不適当な
金属加工または鋳造手順、熱処理またはこれらの
種々の組合わせから生じる。
The degree of bonding necessary to obtain the necessary integrity in a metallurgical sense is such that the alloy regions, by local intermelting or diffusion, occur without discontinuous interfaces containing components that weaken the bond. slightly approx.
The presence of a thin film of weakening component having a thickness of 0.00001 inch or less is sufficient to prevent bonding. For some metals and alloys, significant reductions in mechanical strength and ductility result from thick films of only a few atomic layers between grains. These result from impurities in the composition, improper metal processing or casting procedures, heat treatment, or various combinations thereof.

本発明の目的は上気の如き従来技術の欠点を解
消した複鋳造製品の製造方法を提供することにあ
る。
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing double cast products that overcomes the drawbacks of the prior art, such as upper air.

本発明の方法では、異方性の治金特性を有する
翼の如き中実の金属プレフオームがホウ素の如き
1つまたはそれ以上の数の少量のエレメントが存
在しているため融解点が引下げられた合金で被覆
される。被覆用に使用する合金はプレフオームか
それに結合される鋳造金属かいづれの融点以下の
融点を有している。この理由はプレフオームや鋳
造金属を溶融しないようにして合金を結合のため
に有効に溶融させるためである。例えば合金がプ
レフオームを同じ溶融点を有すると、プレフオー
ムの所望の治金特性を破壊する。即ちプレフオー
ムの粒子構造がばらばらになつてしまう。この被
覆はプレフオームを丁度融解させる程度の温度に
おいて真空かまたはその他の適当な保護的環境の
下でプレフオームの合金と互いに合金しないよう
に最少時間で施される。
In the method of the present invention, a solid metal preform, such as an airfoil, having anisotropic metallurgical properties has a lower melting point due to the presence of one or more minor elements, such as boron. Coated with alloy. The alloy used for the coating has a melting point below the melting point of either the preform or the cast metal to which it is bonded. The reason for this is to effectively melt the alloy for bonding without melting the preform or cast metal. For example, if the alloy has the same melting point as the preform, it will destroy the desired metallurgical properties of the preform. That is, the grain structure of the preform becomes disjointed. The coating is applied under a vacuum or other suitable protective environment at a temperature just to melt the preform and for a minimum amount of time so as not to mutually alloy with the alloy of the preform.

次いで、被覆されたフオームはそれに結合され
る鋳造金属に所望の形状にした鋳造空所を有する
型内に位置決めされる。型は被覆の表面が汚損さ
れない真空環境において注入する準備として加熱
される。融解金属は真空の下に鋳造空所に注入さ
れ結合部が所望のプレフオームの部分のまわりで
固化する。被覆を鋳造中、被覆は比較的に厚い鋳
造金属がプレフオームに熱を伝達するのである程
度融解する。従つて、これら2つの物質間の結合
は比較的に低い融解点の被覆が存在しているため
向上される。鋳造に引続いて、プレフオームとそ
の上に鋳造した金属とそれらの中間にある被覆と
から成るバイキヤスト製品は被覆領域における再
融解点引下げエレメントの一部分を被覆から結合
される隣接した合金中に拡散することと、他のエ
レメントとを被覆中にか被覆外に拡散させること
とを組合わせて複合物の均質性を改善することに
より更に結合を行うよう高温熱処理される。この
工程において、被覆領域の融解点は含まれる融解
点引下げエレメントの量を減少することにより可
成り引上げられる。中間領域を有する被覆は熱処
理後の結合部が周囲の金属のものに近い機械的特
性を有するように組成的に周囲の金属に非常に似
たものになるよう選択できる付け材として機能す
る。
The coated foam is then positioned in a mold having a casting cavity of the desired shape in the cast metal to which it will be bonded. The mold is heated in preparation for pouring in a vacuum environment where the surface of the coating is not contaminated. Molten metal is injected into the casting cavity under vacuum and the joint solidifies around the desired preform portions. During casting of the cladding, the cladding undergoes some melting as the relatively thick cast metal transfers heat to the preform. Therefore, the bond between these two materials is improved due to the presence of the relatively low melting point coating. Following casting, a bicast product consisting of a preform, metal cast thereon, and a cladding therebetween diffuses a portion of the remelting point reduction element in the cladding area from the cladding into the adjacent alloy being bonded. This is combined with the diffusion of other elements into or out of the coating to improve the homogeneity of the composite, thereby providing further bonding. In this step, the melting point of the coated area is raised significantly by reducing the amount of melting point lowering elements included. The coating with the intermediate region serves as a filler material that can be selected to be compositionally very similar to the surrounding metal such that the bond after heat treatment has mechanical properties similar to those of the surrounding metal.

本発明の方法は特に熱抵抗合金で作つたガス・
タービン・エンジン用の部品の製造、特にこれら
部品が異方性治金特性を有している場合に応用で
きる。
The method of the invention is particularly applicable to gas
It has application in the production of parts for turbine engines, especially when these parts have anisotropic metallurgical properties.

「異方性治金特性」という用語は部品が主応力
軸線に平行に高い強度特性を有しているという意
味である。翼の形状の場合には、この種の構造体
は翼の主軸線に平行に並んだ円柱状の粒子を形成
するよう鋳造物を指向性を有するよう固化させる
ことにより製造されていた。このように粒子を指
向させると高温度における粒子間の割れに対する
抵抗を増大し、従つてクリープ強度と延性および
特に熱疲労抵抗を高める。
The term "anisotropic metallurgical properties" means that the part has high strength properties parallel to the principal stress axis. In the case of airfoils, such structures have been manufactured by directionally solidifying the casting to form cylindrical grains aligned parallel to the main axis of the airfoil. Orienting the grains in this manner increases resistance to interparticle cracking at high temperatures and thus increases creep strength and ductility and especially thermal fatigue resistance.

異方性治金特性を示す別の物質はフアイバーで
補強した金属マトリツクス複合物である。ホウ
素、ホウ素―珪素または黒鉛の如きフアイバーは
薄い層の形状のアルミニウムの如き金属マトリツ
クスに埋込まれこの層は所望の翼形状に置かれて
フアイバーを主応力軸線の方向に延ばして拡散に
より結合される。この複合物は高い指向性、すな
わち、異方性特性を示しまた熱抵抗物質の組合わ
せを使用して製造することもできる。
Another material that exhibits anisotropic metallurgical properties is fiber reinforced metal matrix composites. Fibers such as boron, boron-silicon or graphite are embedded in a metal matrix such as aluminum in the form of a thin layer and this layer is placed in the desired wing shape to extend the fibers in the direction of the principal stress axis and bond by diffusion. Ru. The composite exhibits highly directional, ie, anisotropic, properties and can also be fabricated using a combination of thermally resistive materials.

異方性治金特性を示す更に他の例は指向性を有
して固化した共晶合金である。共晶合金は比較的
に強い桿または板状物質が弱いマトリツクスを補
強するフアイバーで補強した複合物に似た薄層状
または桿状構造体に固化する。著しい微細構造お
よび異方性の機械的特性を示す治金構造体の別の
例がある。いわゆる機械的合金方法か加工した材
料ほ指向的再結晶方法により強化した金属粉で作
つた高温合金の非常に細長く長さ方向に並べた粒
子がまた、本発明の方法において使用される異方
性治金構造体の別の例である。
Yet another example exhibiting anisotropic metallurgical properties are directionally solidified eutectic alloys. Eutectic alloys solidify into laminar or rod-like structures similar to composites in which a relatively strong rod or plate material reinforces a weaker matrix with fibers. There are other examples of metallurgical structures that exhibit significant microstructure and anisotropic mechanical properties. Highly elongated longitudinally aligned particles of high temperature alloys made of metal powders strengthened by so-called mechanical alloying methods or processed material directional recrystallization methods are also used in the anisotropic metallurgy used in the method of the invention. This is another example of a structure.

このような異方性構造体を有する製品の製造に
あたり断面の変化に伴う固有の問題がある。たと
えば、ガス・タービンに使用される高温プレー
ド、すなわち、羽根を鋳造する際に、幾何学形状
が大きく変化すると指向性固化方法により必要製
品を製造する際に可成りの困難が生じる。最も急
激で面倒な変化が翼部分とより強固なアタツチメ
ント、すなわち、ブレードの根元個所、すなわ
ち、いわゆる羽根のおおいとの結合部に生じる。
これらの個所は鋳造業で凝固収縮による穴と称さ
れている内部欠点の傾向を示すかまたは固化率の
変化により組成が変化するかもしくはその両方が
生じる。更にまた、根元個所がおおいにより形成
される稜が包装物またはドロスの如き非金属の不
純物用のトラツプとして作用する。
There are inherent problems associated with changes in cross section in manufacturing products having such anisotropic structures. For example, when casting hot blades used in gas turbines, large variations in geometry create considerable difficulties in producing the required product by directional solidification methods. The most rapid and troublesome changes occur at the junction of the wing section with a more rigid attachment, namely at the root of the blade, ie the so-called vane cover.
These locations exhibit a tendency for internal defects, referred to in the foundry industry as holes due to solidification shrinkage, or change in composition due to changes in solidification rate, or both. Furthermore, the ridge formed by the canopy at the base acts as a trap for non-metallic impurities such as packaging or dross.

ブレードと羽根の場合には、指向性を有して並
べられた異方性鋳造構造体は一般に最もきびしい
温度と応力との環境にさらされる個所である製品
部分に望ましい。しかしながら、鋳造方法は製品
全体が複合部品に対しては、使用条件が要求する
機能的要件に合致するために必要な製品を製造す
るための困難度を非常に増す指向性固化方法によ
り鋳造されるという性質を有している。
In the case of blades and vanes, directionally aligned anisotropically cast structures are generally desirable for product parts that are exposed to the most severe temperature and stress environments. However, casting methods are not suitable for composite parts, where the entire product is cast by a directional solidification method that greatly increases the difficulty of producing the product needed to meet the functional requirements demanded by the conditions of use. It has this property.

更に他の形状に指向性を有して固化した翼部分
の製造が容易でない幾何学的形状を制的される場
合である。1例はリムに複数の翼を支持するデイ
スクまたはハブから成る一体の鋳造したタービ
ン・ホイールに見られる。このようなホイールは
被覆鋳造方法を利用して等軸鋳造粒状構造体を有
する鋳造方式で製造できる。その結果による製品
は必然的に翼とデイスク部分とにおいて鋳造粒子
構造体を示しまた特性は多少異方性である。粒子
寸法は幾分変化することもできるが、翼の長さ方
向には好ましい整列または異方性は存在しない。
商業的に実施する場合には、指向性を有して固化
された翼を有するホイールを製造する際の問題は
一般に鋳造方法により形成された等軸粒子を有す
る個別に製造したデイスクのリムに機械的に取付
けた個別の鋳造ブレードを組立てることにより解
決される。デイスクのリムに機械加工で設けたス
ロツトは個々のブレードの根元を係止する作用を
行う。こ種の組合わせ体は一体の鋳造物と比較し
て非常に高価である。しかしながら、その商業的
用途は異方治金構造体を選択的に使用することと
タービン・ホイールの如き総体的製品に他の治金
構造体と組合わせることが望ましいということを
例示するのに役立つ。
Furthermore, the production of solidified wing sections with directionality in other shapes may be constrained by geometries that are not easy to manufacture. One example is found in a one-piece cast turbine wheel consisting of a disk or hub supporting a plurality of blades on the rim. Such wheels can be manufactured in a casting process using a coated casting process and having an equiaxed cast granular structure. The resulting product necessarily exhibits a cast grain structure in the wing and disk sections and is somewhat anisotropic in properties. Although the grain size may vary somewhat, there is no preferred alignment or anisotropy along the length of the wing.
In commercial practice, the problem in manufacturing wheels with directional solidified wings is generally the mechanical process of molding the rims of individually manufactured discs with equiaxed grains formed by casting methods. The solution is to assemble individual cast blades that are mounted on the blade. Slots machined into the rim of the disc serve to lock the roots of the individual blades. This type of combination is very expensive compared to monolithic castings. However, its commercial use serves to illustrate the desirability of selectively using anisotropic metallurgical structures and combining them with other metallurgical structures into a complete product such as a turbine wheel. .

本発明の1つの好ましい型式においては、プレ
フオームが異方性治金特性を有して作られ次いで
このプレフオームの鋳造金属に結合される部分が
プレフオームとその上に鋳造される合金とに相対
的に融解点を引下げるためホウ素を含んでいる合
金被覆でおおわれ、この合金被覆はプレフオーム
と固化した融解金属とに融和できるものである。
本発明の方法により行う治金結合に必要な強度如
何により、被覆合金の組成はプレフオームか固化
した金属かにおけるよりも可成り大なホウ素の量
を除いてプレフオームと鋳造金属との組成に関連
して変えることができる。
In one preferred version of the invention, the preform is made with anisotropic metallurgical properties such that the portion of the preform to be bonded to the cast metal has a melting point relative to the preform and the alloy cast thereon. It is coated with a boron-containing alloy coating that is compatible with the preform and the solidified molten metal to reduce the molten metal.
Depending on the strength required for the metallurgical bond made by the method of the present invention, the composition of the coating alloy will be related to the composition of the preform and cast metal, except for the amount of boron that is significantly greater than that in the preform or solidified metal. can be changed.

たとえば、もしほぼ超合金組成物のほぼ同様な
2種類の物質が結合部に必要な高度の強度をもつ
てそれぞれプレフオームと鋳造金属部分とに使用
されるとすれば、被覆合金組成物は隣接した合金
の組成に非常に似た組成のものを選択する必要が
ある。しかしながら、治金結合部の強度がプレフ
オームか鋳造金属の強度に非常に近いものである
必要のない場合には、たとえば、使用中に比較的
に軽い荷重をかけられる成分の場合には、僅かな
種類の主要な化学的成分で結合される合金に似た
比較的に単純な合金が好ましい。いずれの場合に
も、被覆の主成分は結合される金属の少くとも1
つの主成分と同じものにする必要がある。
For example, if two substantially similar materials of substantially superalloy composition are used in a preform and a cast metal part, respectively, with the high degree of strength required for the joint, the coating alloy composition It is necessary to choose one with a composition very similar to that of the alloy. However, if the strength of the metallurgical joint does not need to be very close to that of the preform or cast metal, e.g. in the case of components that are subjected to relatively light loads during use, a slight Relatively simple alloys similar to alloys that are bonded with major chemical components of the type are preferred. In either case, the main component of the coating is at least one of the metals to be bonded.
The two main components must be the same.

1例として、プレフオームとそれに結合される
固化金属とが共にニツケルをベースとした合金の
場合には、大部分のニツケル組成分と、5ないし
25%のクロムと、0.05ないし0.2%の炭素と融解
点を下げるための約1ないし4%のホウ素とから
成る合金を使用することが望ましい。成分と同じ
にするのは合金がプレフオーム等となじみ易く、
結合能力が有効に行われるからである。特に好ま
しいホウ素含有合金は約15%のクロムと、約3.5
%のホウ素と、約0.1%の炭素と残りがニツケル
である合金である。この合金は結合される2種類
の合金のいづれのものより低い約1070℃(1930
〓)の融解点を有している。たとえば、ニツケル
をベースとした超合金は約1232ないし1650℃
(2250ないし3000〓)の融解点を有している。
As an example, if the preform and the solidified metal to which it is bonded are both nickel-based alloys, a preform with a predominant nickel content and a
It is preferred to use an alloy consisting of 25% chromium, 0.05 to 0.2% carbon, and about 1 to 4% boron to lower the melting point. Making the ingredients the same makes it easier for the alloy to blend in with the preform, etc.
This is because the binding ability is effectively performed. A particularly preferred boron-containing alloy has about 15% chromium and about 3.5% chromium.
% boron, approximately 0.1% carbon, and the balance nickel. This alloy is approximately 1070°C (1930°C) lower than either of the two alloys being combined.
It has a melting point of 〓). For example, nickel-based superalloys have temperatures of about 1232 to 1652°C.
It has a melting point of (2250 to 3000〓).

ホウ素含有合金は電着、蒸着またはスプレイ、
粉末またはプラスチツクの型式で被覆するかして
種々の方法でプレフオームに被覆できる。もし最
後に述べた2種類の方法のいずれかを利用すると
すれば、合金はホウ素含有合金の連続状フイルム
を形成するよう被覆される個所に融着させる必要
がある。被覆を行うにはそれがプレフオームに結
合するのを助けるため真空またはその他の保護的
環境の下に行うことが好ましい。この特定の環境
はプレフオームの合金と被覆との組成の要件に合
致するよう変えることができ、たとえば、真空に
加えてある場合には水素の雰囲気またはアルゴ
ン・ガスを含むこともできる。炉ろう付け技術に
精通した者には被覆の融解に不適当な環境を選択
するとプレフオームの流れと濡れとが容易に視覚
できる程度に不十分となり手順を適当に改めるよ
う変えることを示唆することが明らかになる。
Boron-containing alloys can be deposited by electrodeposition, vapor deposition or spraying,
The preforms can be coated in a variety of ways, either in powder or plastic form. If either of the last two methods is used, the alloy must be fused to the area to be coated to form a continuous film of boron-containing alloy. The coating is preferably applied under vacuum or other protective environment to aid in bonding it to the preform. This particular environment can be varied to meet the requirements of the preform alloy and coating composition, and can include, for example, an atmosphere of hydrogen or argon gas in some cases in addition to vacuum. Those familiar with the art of furnace brazing will know that choosing an unsuitable environment for melting the coating will result in easily visible insufficient flow and wetting of the preform, suggesting that the procedure be modified accordingly. It becomes clear.

同様に、被覆の融解温度も被覆合金の種類如何
により変えることができる。前記した特定の被覆
合金に対しては、被覆を5秒間で所望程度融解さ
せプレフオームに接着させるには真空環境と併用
して約1066℃(1950〓)であることが判つた。一
般に被覆合金はその組成如何にかかわらずできる
だけ低い温度でできるだけ短時間でプレフオーム
に被覆されプレフオームへの融着によりそのホウ
素含有量を減少し被覆の融解温度を高めないよう
にする必要がなる。合金はプレフオームの表面に
溶かし込まれ、この溶かし込みは僅かに行われ
る。この理由は合金の低融点状態を保持するため
である。もし合金がプレフオームに大幅に溶かし
込まれると、合金内のホウ素はプレフオームの中
に拡散され合金の融解点はその接合能力を減少す
る。即ちプレフオームの表面の合金がきわめて高
い溶解温度になりプレフオームの治金特性を破壊
して鋳造金属にプレフオームを結合させることが
不可能になつてしまうからである。融解後の被覆
帯域の寸法はその堆積技術の性質により小さくな
り勝ちである。この被覆厚さを例えば0.005イン
チ(0.12mm)にするが好ましい。
Similarly, the melting temperature of the coating can be varied depending on the type of coating alloy. For the particular coating alloy described above, it has been found that a temperature of about 1066°C (1950°C) in conjunction with a vacuum environment is sufficient to cause the coating to melt and adhere to the preform to the desired extent in 5 seconds. In general, the coating alloy, regardless of its composition, must be coated onto the preform at as low a temperature as possible and in as short a time as possible to reduce its boron content by fusion to the preform without increasing the melting temperature of the coating. The alloy is melted into the surface of the preform, and this melting is done slightly. The reason for this is to maintain the low melting point state of the alloy. If the alloy is significantly dissolved into the preform, the boron within the alloy will diffuse into the preform and the melting point of the alloy will reduce its bonding ability. That is, the alloy on the surface of the preform reaches a very high melting temperature, destroying the metallurgical properties of the preform and making it impossible to bond the preform to the cast metal. The dimensions of the coated zone after melting are likely to be small due to the nature of the deposition technique. Preferably, the coating thickness is, for example, 0.005 inches (0.12 mm).

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に
説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図において、符号10は総体的に異方性治
金特性を有するプレフオームを示し、このプレフ
オームはこの例では主応力軸線に沿つて延びた総
体的に符号11で示した円柱状粒子を有する翼か
ら成つている。翼の両端部には1対の延長部1
2,13が設けてあり、これら延長部は治金結合
によりその後に付着される金属鋳物に翼10を係
止するように配置されている。ホウ素含有被覆が
翼10に予め付着される個所は延長部12,13
を包囲する符号14,15で示した個所である。
In FIG. 1, reference numeral 10 designates a preform having generally anisotropic metallurgical properties, which in this example is derived from an airfoil having cylindrical grains, generally referenced 11, extending along the principal stress axis. It is completed. A pair of extensions 1 at each end of the wing
2, 13 are provided, these extensions being arranged to lock the wing 10 to a subsequently applied metal casting by means of a metallurgical connection. The locations where the boron-containing coating is pre-applied to the blade 10 are the extensions 12, 13.
These are the parts indicated by numerals 14 and 15 surrounding the area.

次に第2図に示してあるように消去性の原型の
組合立体が組立てられる。翼10は囲いの2つの
レプリカ16,17間に支持される。原型はワツ
クス、ポリスチレンまたはそれらの混合物で作る
ことができる。囲い原型16,17は押湯形成部
分18,19にそれぞれ接続され、これら押湯形
成部分18,19は消去性原型の材料ですべてが
作られている湯道形成部分20から供給される。
The erasable master assembly is then assembled as shown in FIG. The wing 10 is supported between two replicas 16, 17 of the enclosure. The prototype can be made of wax, polystyrene or a mixture thereof. The enclosure masters 16, 17 are connected to riser forming parts 18, 19, respectively, which are fed from a runner forming part 20 made entirely of erasable master material.

前にも述べたように、翼10は異方性治金特性
を有する任意適当な材料で作ることができる。こ
の目的にはニツケルとコバルトの指向性を有して
固化した合金が特に有用である。これら合金の化
学的性質は多年にわたり研究されているので本発
明の特定の特徴をなすものではない。ニツケルと
コバルトとをベースとする超合金の化学的性質と
その他の特性とについては、ジヨルム・ウイルキ
イ・アンド・ソンが出版した著作の付録第1表に
掲載した「超合金」と題する記事を参照された
い。
As previously mentioned, the airfoil 10 may be made of any suitable material having anisotropic metallurgical properties. Orientally solidified alloys of nickel and cobalt are particularly useful for this purpose. The chemistry of these alloys has been studied for many years and does not form a specific feature of the present invention. For the chemical properties and other properties of superalloys based on nickel and cobalt, see the article entitled ``Superalloys'' in Appendix Table 1 of the work published by Georgem Willkie and Son. I want to be

この第1表の第596ないし597頁には多くの商業
用ニツケルおよびコバルトをベースとした超合金
が表にして示してありこの記事が本明細書に参照
してある。
Pages 596-597 of this Table 1 tabulates a number of commercial nickel and cobalt based superalloys and this article is incorporated herein by reference.

次に第2図に示した原型の組立体が通常の押流
しモールド製造工程に付される。この型式の外殻
型を作るにはいくつかの方法があるが、特に米国
特許第2932864号明細書を参照すると、この特許
明細書に記載した方法では、再製される製品の容
易に破壊できる型(ダイ)はそれを耐火性粒子と
バインダとを含む水性スリラーに浸漬することに
より室温で被覆が施される。次いで、この被覆を
型の温度が一定のままになるように等温的に乾燥
される。この乾燥は被覆を施された型に湿気を制
御された空気を通過させることにより行われ、こ
の空気は型の当初の温度とほぼ同じほぼ一定した
湿球温度を保持するに十分な湿気を含み湿球温度
より少くとも10〓高い乾球温度を有している。次
いで、型は追加の水性耐火性スリラーに順次に浸
漬されて順次の層がその上に形成される。順次の
層のそれぞれは原型の温度をほぼ一定に保持しつ
つ前記したと同じ方法で等温的に乾燥される。最
後に、原型はそれを炉かオートクレーブ中かで融
解することにより取除かれる。
The prototype assembly shown in FIG. 2 is then subjected to a normal flow mold manufacturing process. There are several ways to make this type of shell mold, but with particular reference to U.S. Pat. The (die) is coated at room temperature by immersing it in an aqueous chiller containing refractory particles and a binder. This coating is then dried isothermally so that the temperature of the mold remains constant. This drying is accomplished by passing moisture-controlled air through the coated mold, the air containing sufficient moisture to maintain a nearly constant wet bulb temperature approximately equal to the original temperature of the mold. It has a dry bulb temperature that is at least 10 mm higher than the wet bulb temperature. The mold is then sequentially immersed in additional aqueous refractory chiller to form successive layers thereon. Each successive layer is dried isothermally in the same manner as described above while maintaining the temperature of the original approximately constant. Finally, the master is removed by melting it either in a furnace or autoclave.

その結果作られた型が第3図に示してある。こ
の型は1対の押湯部分22,23に送給する湯道
部分21を含み、これら押湯部分は次いで翼の囲
いを形成するようにした1対の鋳造空所24,2
5に送給する。
The resulting mold is shown in FIG. This mold includes a runner section 21 feeding a pair of riser sections 22, 23 which in turn form a pair of casting cavities 24, 2 which form the enclosure of the blades.
5.

本発明の好ましい具体例では、被覆されたプレ
フオームを収容した型は鋳造以前に真空下で約
871℃(1600〓)の温度に予熱され型は融解され
注入された鋳造金属を真空下に収容するばかりに
なる。本発明の特徴の1つは、融解金属が比較的
に低い温度、すなわち、通常では機械的結合を生
じる条件下で融解金属が注入されるということ
で、その理由はホウ素含有被覆の融解はこの段階
では必要でないからである。
In a preferred embodiment of the invention, the mold containing the coated preform is placed under vacuum prior to casting.
Preheated to a temperature of 871°C (1600°C), the mold is ready to contain the melted and injected cast metal under vacuum. One of the features of the invention is that the molten metal is injected at relatively low temperatures, conditions that would normally result in mechanical bonding, since the melting of the boron-containing coating is This is because it is not necessary at this stage.

鋳造金属が固化した後、バイキヤスト製品は型
から取出されてプレフオームと固化した融解金属
との間に中間層からのホウ素を移動させた十分な
熱処理にかけられる。一般に、熱処理は約1010な
いし1232℃(1850ないし2250〓)の範囲の温度で
行われる。好ましいのは約1121ないし1212℃
(2050ないし2175〓)の温度範囲である。このよ
うな範囲の温度で熱処理をするのはプレフオーム
と固化した金属との間にホウ素を有効に移動(拡
散)させることができるからである。好熱処理は
10ないし15ミクロン程度の不活性条件の下で行わ
れる。熱処理時間は可成り広範囲で変化でき、1/
2時間の如き短時間から20時間またはそれより長
い時間でも良い。この処理時間中、中間層からホ
ウ素が移動することにより中間層の融解温度を高
める。ホウ素が拡散するとまた結合を高める作用
も行う。
After the cast metal has solidified, the bicast product is removed from the mold and subjected to a sufficient heat treatment to transfer boron from the intermediate layer between the preform and the solidified molten metal. Generally, the heat treatment is carried out at a temperature in the range of about 1010 to 1232°C (1850 to 2250°C). Preferably about 1121 to 1212°C
(2050 to 2175〓) temperature range. The reason for performing the heat treatment at a temperature in this range is that boron can be effectively transferred (diffused) between the preform and the solidified metal. Thermophilic treatment is
It is carried out under inert conditions of about 10 to 15 microns. The heat treatment time can vary over a fairly wide range and can vary from 1/
The duration may be as short as 2 hours to as long as 20 hours or longer. During this treatment time, boron migrates from the interlayer, thereby increasing the melting temperature of the interlayer. When boron diffuses, it also acts to enhance bonding.

中間層を分析した結果中間層にわたり急激な組
成の変化が生じず、従つて、中間層は周囲帯域の
組成に非常に似た物理的特性を有していることが
判り、特にホウ素含有被覆の組成が結合される合
金の組成に非常に似たものを選択した場合には然
りである。
Analysis of the interlayer shows that no abrupt compositional changes occur across the interlayer, and therefore the interlayer has physical properties very similar to the composition of the surrounding zone, especially for boron-containing coatings. This is true if the composition is chosen to be very similar to that of the alloy to be combined.

また中間層との界面の中間付近での鋳造が比較
的に冷たいプレフオームにより熱が抽出されるの
で2種の超合金間の界面の対して垂直な比較的に
小さい柱状粒子を示すことが観察された。
It is also observed that casting near the middle of the interface with the intermediate layer exhibits relatively small columnar grains perpendicular to the interface between the two superalloys as heat is extracted by the relatively cold preform. Ta.

ホウ素は結合を良くするための特に好ましい拡
散剤であるが、中間層に約2ないし8%の範囲の
可成りの量の珪素を混入することもできる。しか
しながら、珪素は周囲の金属にやや緩慢に拡散す
る。1ないし4%の燐もまた結合層の1成分とし
て使用することもできるが、ホウ素程の効果は得
られない。
Although boron is a particularly preferred diffusing agent to improve bonding, significant amounts of silicon, ranging from about 2 to 8%, can also be incorporated into the interlayer. However, silicon diffuses into surrounding metals rather slowly. 1 to 4% phosphorus can also be used as a component of the tie layer, but is not as effective as boron.

上記の如く、本発明の方法によれば、治金結合
を行うため鋳造中に界面融解に依存する必要もな
く治金結合を改善することができる。又熱処理条
件の下にホウ素が拡散すると、界面を安定した組
成状態にしその結果結合帯域と隣接した中実のプ
レフオームとその上の鋳造部分との間を可成り相
似させることになり、従つて、結果としての結合
部は結合される超合金に似た治金特性を示すこと
ができるという実益がある。
As described above, the method of the present invention provides improved metallurgical bonding without the need to rely on interfacial melting during casting to effect metallurgical bonding. Diffusion of boron under heat treatment conditions also results in a stable compositional state at the interface resulting in significant similarity between the bonding zone and the adjacent solid preform and the overlying cast portion, thus A practical benefit is that the resulting joint can exhibit metallurgical properties similar to the superalloy to which it is joined.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の方法により2つの囲いに結合
される翼の形状にしたプレフオームの斜視図、第
2図は第1図のプレフオームが焼流し鋳造の型を
製造するためワツクスの原型組立体に第1図のプ
レフオームを収容する方法を示す立面図、第3図
は型のまわりに焼流し鋳造型が形成され融解金属
を収容するため原型が取除かれた組立体の図であ
る。 10……プレフオーム、11……円柱状粒子、
12,13……延長部。
1 is a perspective view of a preform in the shape of an airfoil which is joined to two enclosures by the method of the invention, and FIG. 2 shows a prototype assembly of the preform of FIG. 1 in wax for producing a mold for investment casting. 1 is an elevation view showing how the preform of FIG. 1 is accommodated, and FIG. 3 is a view of the assembly with an investment casting mold formed around the mold and the master removed to accommodate molten metal. 10... preform, 11... cylindrical particles,
12, 13...extension part.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ニツケルをベースとした金属プレフオームを
溶融鋳造金属が収容されるようにした型の内部に
位置決めし、前記鋳造金属が凝固したときに前記
プレフオームの一部が前記鋳造金属と結合できる
ように前記プレフオームの一部が型から露出され
た複鋳造製品の製造方法において、鋳造段階に先
立ち前記プレフオームの露出部分を1〜4%のホ
ウ素と5〜15%のクロムと0.05〜0.2%の炭素と
残りがニツケルとを含みプレフオーム又は鋳造金
属の溶融点以下の溶融点を有する合金で被覆し、
該被覆合金を前記プレフオームに固着せしめるよ
うに溶融鋳造金属を型の中に流し込み、鋳造金属
をプレーフオームに凝固させ、プレーフオームを
凝固した鋳造金属で結合して一体になるように
1010〜1232℃(1850〜2250〓)の温度で加熱して
前記固着した被覆合金のホウ素をプレフオーム及
び凝固した鋳造金属の中に拡散することから成る
複鋳造製品の製造方法。 2 被覆合金の被覆が約0.13mm(0.005インチ)
よりも小さい厚さで行われる特許請求の範囲第1
項の方法。
[Scope of Claims] 1. A nickel-based metal preform is positioned inside a mold containing molten cast metal, and when the cast metal solidifies, a portion of the preform joins the cast metal. A method of manufacturing a double cast product in which a portion of the preform is exposed from the mold for bonding, wherein the exposed portion of the preform is treated with 1-4% boron, 5-15% chromium, and 0.05-0.2% prior to the casting step. % carbon and the balance nickel, coated with an alloy having a melting point below the melting point of the preform or cast metal,
A molten cast metal is poured into a mold so as to fix the coating alloy to the preform, the cast metal is solidified into a preform, and the preform is joined by the solidified cast metal so as to become one piece.
A method of manufacturing a double cast article comprising heating at a temperature of 1010 DEG to 1232 DEG C. (1850 DEG to 2250 DEG C.) to diffuse the boron of the fixed coating alloy into the preform and solidified cast metal. 2 The coating of the coating alloy is approximately 0.13 mm (0.005 inch)
Claim 1 made with a thickness smaller than
Section method.
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