本發(fā)明涉及鑄模及其制造方法以及TiAl合金鑄造產(chǎn)品及其鑄造方法，特別是，涉及鑄造TiAl(鈦鋁)合金的鑄模及其制造方法以及TiAl合金鑄造產(chǎn)品及其鑄造方法。

背景技術(shù)：

作為鈦和鋁的金屬間化合物的TiAl合金，由于其高溫區(qū)域的比強度等優(yōu)異，因此應(yīng)用于噴氣引擎的渦輪葉片等。對于在鑄造這樣的TiAl合金制的渦輪葉片等的鑄模，使用與鑄造鈦合金的鑄模相同的鑄模。

專利文獻(xiàn)1中，記載了如下方案：在鈦合金用鑄模中，構(gòu)成鑄模的鑄模本體的模腔表面的至少第一層由漿料的燒成物形成，所述漿料由以氧化鈰為主成分的骨料和至少以氧化鋯溶膠為主成分的粘合劑構(gòu)成。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2007-69246號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

另外，TiAl合金為金屬間化合物，因此是脆性材料，由于在澆鑄后的冷卻過程(1100℃至1000℃)中收縮，有時TiAl合金鑄造產(chǎn)品產(chǎn)生斷裂、裂紋。更詳細(xì)地，在澆鑄后的冷卻時，鑄模拘束TiAl合金鑄造產(chǎn)品，并且由于TiAl合金鑄造產(chǎn)品與鑄模的熱膨脹差，使得TiAl合金鑄造產(chǎn)品的收縮量變得大于鑄模的收縮量，因此TiAl合金鑄造產(chǎn)品承受拉伸應(yīng)力，有可能產(chǎn)生斷裂、裂紋。

在此，本發(fā)明的目的在于，提供能夠抑制TiAl合金鑄造產(chǎn)品的斷裂、裂紋的鑄模及其制造方法以及TiAl合金鑄造產(chǎn)品及其鑄造方法。

用于解決課題的方法

本發(fā)明所涉及的鑄模是鑄造TiAl合金的鑄模，其特征在于，具備：以有底的方式形成且具有用于澆注TiAl合金熔融液的模腔的鑄模本體；所述鑄模本體具有耐反應(yīng)性層以及形成于所述耐反應(yīng)性層上的支持層，所述耐反應(yīng)性層設(shè)置于模腔側(cè)且由含有氧化鈰、氧化釔和氧化鋯的至少一種的耐火材料形成，并且抑制與所述TiAl合金熔融液的反應(yīng)，所述支持層具有使鑄模強度降低的弱化層以及保持鑄模形狀的保形層，所述弱化層由包含二氧化硅材料80質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料形成，所述二氧化硅材料含有方英石26質(zhì)量％以上34質(zhì)量％以下且余部由熔融二氧化硅構(gòu)成，所述保形層由耐火材料形成。

本發(fā)明所涉及的鑄模中，其特征在于，形成所述弱化層的耐火材料含有所述二氧化硅材料90質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下。

本發(fā)明所涉及的鑄模中，其特征在于，形成所述弱化層的耐火材料由所述二氧化硅材料構(gòu)成。

本發(fā)明所涉及的鑄模中，其特征在于，所述弱化層直接在所述耐反應(yīng)性層上形成。

本發(fā)明所涉及的鑄模的制造方法為用于鑄造TiAl合金的鑄模的制造方法，特征在于，具備如下工序：將用于形成以有底的方式形成且具有用于澆注TiAl合金熔融液的模腔的鑄模本體的蠟?zāi)ＤＰ统尚偷南災(zāi)３尚凸ば?；在所述蠟?zāi)ＤＰ蜕贤扛矊趸?、氧化釔和氧化鋯中的至少一種的耐火材料粒子以及粘合劑混合而成的耐反應(yīng)性漿料，對由包含氧化鈰、氧化釔和氧化鋯中的至少一種的耐火材料粒子構(gòu)成的耐反應(yīng)性灰泥材料進(jìn)行灰泥處理，形成耐反應(yīng)性漿料層的耐反應(yīng)性漿料層形成工序；在所述耐反應(yīng)性漿料層上形成支持漿料層的支持漿料層形成工序；對形成了所述耐反應(yīng)性漿料層和所述支持漿料層的蠟?zāi)ＤＰ图訜徇M(jìn)行脫蠟，成型鑄模成型體的脫蠟工序；在1000℃以上1100℃以下加熱所述鑄模成型體而進(jìn)行燒成的燒成工序；在所述支持漿料層形成工序中，涂覆將含有熔融二氧化硅80質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料粒子與粘合劑混合而成的弱化漿料，對由含有熔融二氧化硅80質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料粒子構(gòu)成的弱化灰泥材料進(jìn)行灰泥處理而形成弱化漿料層，對將耐火材料粒子與粘合劑混合而得的保形漿料以及包含耐火材料粒子的保形灰泥材料進(jìn)行灰泥處理而形成保形漿料層，從而形成所述支持漿料層。

本發(fā)明所涉及的鑄模的制造方法的特征在于，在所述支持漿料層形成工序中，涂覆將含有熔融二氧化硅90質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料粒子與粘合劑混合而得的弱化漿料，對由含有熔融二氧化硅90質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料粒子構(gòu)成的弱化灰泥材料進(jìn)行灰泥處理而形成所述弱化漿料層。

本發(fā)明所涉及的鑄模的制造方法的特征在于，在所述支持漿料層形成工序中，涂覆將由熔融二氧化硅構(gòu)成的耐火材料粒子與粘合劑混合而得的弱化漿料，對由熔融二氧化硅構(gòu)成的耐火材料粒子的弱化灰泥材料進(jìn)行灰泥處理而形成所述弱化漿料層。

本發(fā)明所涉及的鑄模的制造方法的特征在于，在所述支持漿料層形成工序中，直接在所述耐反應(yīng)性漿料層上形成所述弱化漿料層。

本發(fā)明所涉及的TiAl合金鑄造產(chǎn)品的特征在于，通過所述鑄模中的任一種來鑄造。

本發(fā)明所涉及的TiAl合金鑄造產(chǎn)品的鑄造方法的特征在于，將所述鑄模中的任一種加熱到1100℃至1300℃，向鑄模內(nèi)澆注TiAl合金熔融液來鑄造。

發(fā)明的效果

根據(jù)上述構(gòu)成，在用于鑄造TiAl合金的鑄模中，設(shè)置有使鑄模強度降低的弱化層，因此在澆鑄后的冷卻過程(1100℃至1000℃)中，從弱化層產(chǎn)生鑄模的裂紋。由此，鑄模對TiAl合金鑄造產(chǎn)品進(jìn)行的拘束被釋放，因而能夠抑制TiAl合金鑄造產(chǎn)品的斷裂、裂紋。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實施方式中，表示鑄造TiAl合金的鑄模的構(gòu)成的截面圖。

圖2為本發(fā)明的實施方式中，表示鑄造TiAl合金的鑄模的制造方法的流程圖。

圖3為本發(fā)明的實施方式中，用于說明鑄造TiAl合金的鑄模的制造方法中的各工序的截面圖。

圖4為本發(fā)明的實施方式中，表示作為TiAl合金鑄造產(chǎn)品的渦輪葉片的構(gòu)成的圖。

圖5為本發(fā)明的實施方式中，表示鑄模的強度試驗方法的圖。

圖6為本發(fā)明的實施方式中，表示實施例1至3、比較例1的鑄模的高溫強度特性的圖表。

圖7為本發(fā)明的實施方式中，表示比較例2的鑄模的高溫強度特性的圖表。

圖8為本發(fā)明的實施方式中，表示實施例1、4、5、6的鑄模的高溫強度特性的圖表。

圖9為本發(fā)明的實施方式中，表示實施例2和比較例1的鑄模的截面組織觀察結(jié)果的照片。

圖10為本發(fā)明的實施方式中，表示生坯(グリーン體)的高溫強度特性的圖表。

圖11為本發(fā)明的實施方式中，表示在二氧化硅制鑄模中的常溫強度與方英石量的比率的關(guān)系的圖表。

具體實施方式

以下使用附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1為表示鑄造TiAl合金的鑄模10的構(gòu)成的截面圖。圖1所示的鑄模10表示用于鑄造作為TiAl合金鑄造產(chǎn)品的渦輪葉片的鑄模。

鑄模10具備以有底的方式形成且具有用于澆注TiAl合金熔融液的模腔12的鑄模本體14。鑄模本體14具有鑄造葉片本體的葉片本體鑄造部14a、鑄造圍帶(Shroud)的圍帶鑄造部14b以及鑄造平臺的平臺鑄造部14c。鑄模本體14中，設(shè)置有用于向空洞的模腔12澆注TiAl合金熔融液的澆注口(未圖示)。

鑄模本體14具有設(shè)置在模腔側(cè)切且用于抑制與TiAl合金熔融液的反應(yīng)的耐反應(yīng)性層16。耐反應(yīng)性層16由包含與TiAl合金熔融液的反應(yīng)性低的氧化物等的耐火材料形成。耐反應(yīng)性層16的耐火材料包含氧化鈰(CeO₂)、氧化釔(Y₂O₃)和氧化鋯(ZrO₂)中的至少一種而構(gòu)成。耐反應(yīng)性層16的耐火材料中，這些氧化物可以單獨使用，也可將這些氧化物進(jìn)行組合來使用。耐反應(yīng)性層16的厚度為例如0.5mm至2.0mm。

耐反應(yīng)性層16的耐火材料中，優(yōu)選使用與TiAl合金熔融液的反應(yīng)性低于氧化鋯且低價的氧化鈰作為主成分。通過使用氧化鈰，能夠抑制TiAl合金鑄造產(chǎn)品和鑄模10的燒蝕(焼き付き)，能夠提高TiAl合金鑄造產(chǎn)品的表面平滑性。

鑄模本體14具有形成于耐反應(yīng)性層16上的由耐火材料形成的支持層18。支持層18由使鑄模強度降低的弱化層18a和保持鑄模形狀的保形層18b構(gòu)成。

弱化層18a由含有二氧化硅材料80質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料形成，所述二氧化硅材料含有方英石(Cristobalite)26質(zhì)量％以上34質(zhì)量％以下且余部由熔融二氧化硅構(gòu)成。弱化層18a的厚度為例如0.5mm至2.0mm。

形成弱化層18a的耐火材料中所含有的二氧化硅材料包含方英石。方英石在200℃至300℃的溫度范圍內(nèi)，在β型(β-方英石)與α型(α-方英石)之間產(chǎn)生相變。因該相變而產(chǎn)生體積變化，在弱化層18a中產(chǎn)生裂紋(微裂紋)，能夠降低鑄模強度。

二氧化硅材料的方英石量的比率為26質(zhì)量％以上34質(zhì)量％以下，優(yōu)選為34質(zhì)量％。這是因為，若二氧化硅材料的方英石量的比率小于26質(zhì)量％，則弱化層18a的裂紋(微裂紋)變少，澆鑄后的冷卻過程(1100℃至1000℃)中的鑄模10的高溫強度變高。還因為，如果二氧化硅材料的方英石量的比率為34質(zhì)量％，則弱化層18a的裂紋(微裂紋)增多，因而這是為了使?jié)茶T后的冷卻過程(1100℃至1000℃)中的鑄模10的強度降低而充分的量。

之所以耐火材料中所含有的二氧化硅材料的含有率為80質(zhì)量％以上，是因為若二氧化硅材料的含有率少于80質(zhì)量％，則鑄模10在1000℃至1100℃的高溫強度變高。弱化層18a優(yōu)選由含有上述二氧化硅材料(包含方英石26質(zhì)量％以上34質(zhì)量％以下且余部由熔融二氧化硅構(gòu)成的二氧化硅材料)90質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料形成。這是因為在該情況下，能夠進(jìn)一步使鑄模10的1000℃至1100℃的高溫強度降低。此外，形成弱化層18a的耐火材料可為上述二氧化硅材料(即，100質(zhì)量％的包含方英石26質(zhì)量％以上34質(zhì)量％以下且余部由熔融二氧化硅構(gòu)成的二氧化硅材料)。

形成弱化層18a的耐火材料的余部中，可使用硅酸鋯(ZrSiO₄)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化鎂(MgO)、莫來石(Al₆Si₂O₁₃)等氧化物中的至少一種。

保形層18b的耐火材料中，可使用硅酸鋯(ZrSiO₄)、二氧化珪素(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、莫來石(Al₆Si₂O₁₃)等的氧化物。在保形層18b的耐火材料中，這些氧化物可單獨使用，也可將這些氧化物進(jìn)行組合來使用。保形層18b的厚度為例如0.5mm至5.0mm。

關(guān)于支持層18的形成，可以直接在耐反應(yīng)性層16上形成弱化層18a，在弱化層18a上形成保形層18b，也可以直接在耐反應(yīng)性層16上形成保形層18b，在保形層18b上形成弱化層18a。此外，也可以交替地形成弱化層18a和保形層18b來構(gòu)成支持層18。

弱化層18a優(yōu)選直接在耐反應(yīng)性層16上形成。這是因為，由于弱化層18a設(shè)置于更靠近TiAl合金鑄造產(chǎn)品處，從而鑄模10容易產(chǎn)生裂紋。

接著，對鑄造TiAl合金的鑄模10的制造方法進(jìn)行說明。

圖2是表示鑄造TiAl合金的鑄模10的制造方法的流程圖。鑄造TiAl合金的鑄模10的制造方法具備：蠟?zāi)３尚凸ば?S10)、耐反應(yīng)性漿料層形成工序(S12)、支持漿料層形成工序(S14)、脫蠟工序(S16)以及燒成工序(S18)。

圖3為用于說明鑄造TiAl合金的鑄模10的制造方法中的各工序的截面圖，圖3(a)為用于說明蠟?zāi)３尚凸ば?S10)的截面圖，圖3(b)為用于說明耐反應(yīng)性漿料層形成工序(S12)的截面圖，圖3(c)和圖3(d)為用于說明支持漿料層形成工序(S14)的截面圖。

蠟?zāi)３尚凸ば?S10)為如下工序：如圖3(a)所示，將用于形成以有底的方式形成且具有澆注TiAl合金熔融液的模腔12的鑄模本體14的蠟?zāi)ＤＰ?2成型的工序。用蠟材料將用于形成鑄模本體14的蠟?zāi)ＤＰ?2成型。蠟?zāi)ＤＰ?2利用射出成型等向金屬模具內(nèi)注入蠟材料，使蠟材料固化后，從金屬模具取出而成型。

耐反應(yīng)性漿料層形成工序(S12)為如下工序：如圖3(b)所示，在蠟?zāi)ＤＰ?2上涂覆將包含氧化鈰、氧化釔和氧化鋯中的至少一種的耐火材料粒子與粘合劑混合而得的耐反應(yīng)性漿料，對由包含氧化鈰、氧化釔和氧化鋯中的至少一種的耐火材料粒子構(gòu)成的耐反應(yīng)性灰泥材料進(jìn)行灰泥處理而形成耐反應(yīng)性漿料層24的工序。

首先，在蠟?zāi)ＤＰ?2上涂覆耐反應(yīng)漿料。耐反應(yīng)性漿料包含與TiAl合金熔融液的反應(yīng)性低的耐火材料粒子以及粘合劑而構(gòu)成。作為耐反應(yīng)性漿料的耐火材料粒子，使用包含氧化鈰、氧化釔和氧化鋯中的至少一種的耐火材料粒子。耐反應(yīng)性漿料的耐火材料粒子中，這些氧化物可以單獨使用，也可將這些氧化物進(jìn)行組合來使用。此外，耐反應(yīng)性漿料的耐火材料粒子中，可使用例如#325目的耐火材料粒子。

粘合劑中，可使用膠體二氧化硅等二氧化硅溶膠、氧化鋯溶膠、氧化釔溶膠、酚醛樹脂等有機粘合劑。粘合劑中，這些材料可以單獨使用，也可以將這些材料進(jìn)行組合來使用。此外，在使用二氧化硅溶膠作為粘合劑的情況下，為了抑制TiAl合金熔融液與二氧化硅溶膠的反應(yīng)，優(yōu)選在耐火物粒子中使用氧化鈰。

作為耐反應(yīng)性漿料的涂覆方法，可使用浸漬法、噴涂法、涂布法，但由于能夠比蠟?zāi)ＤＰ?2更均勻地涂覆，因此優(yōu)選為浸漬法。

接著，對于涂覆有耐反應(yīng)性漿料的蠟?zāi)ＤＰ?2，通過對耐反應(yīng)性灰泥材料進(jìn)行灰泥處理來進(jìn)行干燥。耐反應(yīng)性灰泥材料中，可使用例如包含#60至#160目的氧化鈰、氧化釔和氧化鋯中至少一種的耐火材料粒子。這樣，對蠟?zāi)ＤＰ?2進(jìn)行耐反應(yīng)性漿料的涂覆和耐反應(yīng)性灰泥材料的灰泥處理，在蠟?zāi)ＤＰ?2上形成耐反應(yīng)性漿料層24。予以說明的是，為了以預(yù)定的厚度形成耐反應(yīng)性漿料層24，耐反應(yīng)性漿料的涂覆和耐反應(yīng)性灰泥材料的灰泥處理可以反復(fù)進(jìn)行多次。

支持漿料層形成工序(S14)為如圖3(c)和圖3(d)所示那樣在耐反應(yīng)性漿料層24上形成支持漿料層26的工序。在耐反應(yīng)性漿料層24上，形成由弱化漿料層26a和保形漿料層26b構(gòu)成的支持漿料層26。

首先，如圖3(c)所示，在耐反應(yīng)性漿料層24上涂覆弱化漿料。弱化漿料通過將含有熔融二氧化硅80質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料粒子與粘合劑混合來構(gòu)成。構(gòu)成弱化漿料的耐火材料粒子優(yōu)選含有熔融二氧化硅90質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下。此外，構(gòu)成弱化漿料的耐火材料粒子也可為熔融二氧化硅(熔融二氧化硅100質(zhì)量％)。

構(gòu)成弱化漿料的耐火材料粒子的余部中，可使用硅酸鋯(ZrSiO₄)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化鎂(MgO)、莫來石(Al₆Si₂O₁₃)等氧化物中的至少一種。予以說明的是，對于弱化漿料的耐火材料粒子，可使用例如#325目的耐火材料粒子。對于粘合劑，可使用與耐反應(yīng)性漿料同樣的二氧化硅溶膠等的粘合劑，優(yōu)選使用膠體二氧化硅等二氧化硅溶膠。

接著，對涂覆了弱化漿料的面，用弱化灰泥材料進(jìn)行灰泥處理，并進(jìn)行干燥。對于弱化灰泥材料，可使用含有熔融二氧化硅80質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料粒子。對于弱化灰泥材料，優(yōu)選使用含有熔融二氧化硅90質(zhì)量％以上100質(zhì)量％以下的耐火材料粒子。此外，構(gòu)成弱化灰泥材料的耐火材料粒子，也可為熔融二氧化硅(熔融二氧化硅100質(zhì)量％)。

構(gòu)成弱化灰泥材料的耐火材料粒子的余部中，可使用硅酸鋯(ZrSiO₄)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化鎂(MgO)、莫來石(Al₆Si₂O₁₃)等耐火材料粒子。予以說明的是，對于弱化灰泥材料的耐火材料粒子，可使用例如#60至#160目的耐火材料粒子。

關(guān)于弱化漿料的涂覆和弱化灰泥材料的灰泥處理，直到弱化漿料層26a達(dá)到預(yù)定的厚度為止，例如，也可反復(fù)進(jìn)行2次至5次。

接著，如圖3(d)所示，在弱化漿料層26a上涂覆保形漿料。保形漿料由耐火材料粒子與粘合劑的混合來構(gòu)成。對于保形漿料的耐火材料粒子，可使用硅酸鋯(ZrSiO₄)、二氧化珪素(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、莫來石(Al₆Si₂O₁₃)等氧化物中的至少一種。對于粘合劑，可使用與耐反應(yīng)性漿料同樣的二氧化硅溶膠等粘合劑。予以說明的是，對于保形漿料的耐火材料粒子，可使用例如#325目的耐火材料粒子。

接著，對涂覆了保形漿料的面，用保形灰泥材料進(jìn)行灰泥處理，并進(jìn)行干燥。對于保形灰泥材料，可使用硅酸鋯(ZrSiO₄)、二氧化珪素(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、莫來石(Al₆Si₂O₁₃)等氧化物中的至少一種耐火材料粒子。予以說明的是，對于保形灰泥材料的耐火材料粒子，可使用例如#60目至#160目的耐火材料粒子。關(guān)于保形漿料的涂覆和保形灰泥材料的灰泥處理，例如也可反復(fù)進(jìn)行2次至5次，直到保形漿料層26b達(dá)到預(yù)定的厚度為止。

這樣，在耐反應(yīng)性漿料層24上形成由弱化漿料層26a和保形漿料層26b構(gòu)成的支持漿料層26。關(guān)于支持漿料層26的形成，可以直接在耐反應(yīng)性漿料層24上形成弱化漿料層26a，并且在弱化漿料層26a上形成保形漿料層26b，也可以直接在耐反應(yīng)性漿料層24上形成保形漿料層26b，并且在保形漿料層26b上形成弱化漿料層26a。此外，也可以交替地形成弱化漿料層26a和保形漿料層26b來構(gòu)成支持漿料層26。此外，為了直接在耐反應(yīng)性層16上形成弱化層18a，弱化漿料層26a優(yōu)選直接在耐反應(yīng)性漿料層24上形成。

脫蠟工序(S18)為將形成有耐反應(yīng)性漿料層24和支持漿料層26的蠟?zāi)ＤＰ?2加熱而進(jìn)行脫蠟，成型鑄模成型體的工序。通過使蠟?zāi)ＤＰ?2熔融而將其去除，從而成型鑄模成型體。將形成有耐反應(yīng)性漿料層24和支持漿料層26的蠟?zāi)ＤＰ?2放入高壓反應(yīng)釜等，在100℃至180℃、4氣壓(0.4MPa)至8氣壓(0.8MPa)下進(jìn)行加熱、加壓處理，從而進(jìn)行脫蠟。蠟?zāi)ＤＰ?2通過該脫蠟處理而熔出，從而能夠得到鑄模成型體(生坯)。

燒成工序(S16)為在1000℃以上1100℃以下的燒成溫度加熱鑄模成型體來進(jìn)行燒成的工序。通過用燒成爐等在1000℃至1100℃加熱鑄模成型體，進(jìn)行燒成，從而耐反應(yīng)性漿料層24被燒結(jié)而成為耐反應(yīng)性層16，由弱化漿料層26a和保形漿料層26b構(gòu)成的支持漿料層26被燒結(jié)而成為由弱化層18a和保形層18b構(gòu)成的支持層18，成為殼體(shell)以形成鑄模10。在蠟?zāi)ＤＰ?2熔出后的部位形成模腔12。關(guān)于燒成時間，例如為1小時至10小時。

在1000℃以上1100℃以下的燒成溫度加熱后，在冷卻至室溫的過程中，由弱化漿料層26a所含的熔融二氧化硅生成的方英石從β型(β-方英石)相變至α型(α-方英石)，從而產(chǎn)生體積變化，在弱化層18a中產(chǎn)生裂紋(微裂紋)。由此，能夠使弱化層18a的強度降低。予以說明的是，關(guān)于加熱后的冷卻，可以是爐冷或空冷，但為了在弱化層18a中使更多的裂紋(微裂紋)產(chǎn)生，優(yōu)選為空冷。

此外，在燒成溫度為1000℃以上1100℃以下的情況下，弱化層18a所含有的由熔融二氧化硅和方英石構(gòu)成的二氧化硅材料的方英石量的比率為26質(zhì)量％以上34質(zhì)量％以下。

之所以燒成溫度為1000℃以上，是因為若燒成溫度低于1000℃，則弱化層18a所含的二氧化硅材料的方英石量的比率變得小于26質(zhì)量％，從而在弱化層18a中產(chǎn)生的裂紋(微裂紋)減少，鑄模強度變高。

之所以燒成溫度為1100℃以下，是因為若燒成溫度為1100℃，則弱化層18a中所含的二氧化硅材料的方英石量的比率成為34質(zhì)量％，從而能夠在弱化層18a中充分地產(chǎn)生裂紋(微裂紋)，使鑄模強度降低。此外，是因為若燒成溫度高于1100℃，則生產(chǎn)效率降低。予以說明的是，燒成溫度優(yōu)選為1100℃。

接著，對使用了鑄模10的TiAl合金鑄造產(chǎn)品的鑄造方法進(jìn)行說明。

在熔化爐的熔化室中，將置于熔化坩堝中的TiAl合金真空熔化，將TiAl合金熔融液維持于預(yù)定溫度。將預(yù)先加熱至預(yù)定溫度的鑄模10插入熔化爐的鑄模室，進(jìn)行抽真空。關(guān)于鑄模溫度，優(yōu)選為1100℃至1300℃。這是因為，在鑄模溫度與1100℃相比為低溫的情況下，由于液體流動不良等而容易產(chǎn)生鑄造缺陷。還因為，在鑄模溫度與1300℃相比為高溫的情況下，結(jié)晶粒容易粗大化。當(dāng)鑄模室達(dá)到與熔化室等同的真空氣氛時，打開鑄模室與熔化室之間的閘閥，使鑄模10移動至熔化室。使熔化坩堝傾斜，向鑄模內(nèi)澆注TiAl合金熔融液。關(guān)于澆鑄溫度，優(yōu)選為TiAl合金的熔點+30℃至熔點+160℃。這是因為在澆鑄溫度低于TiAl合金的熔點+30℃的溫度的情況下，由于液體流動不良等而容易產(chǎn)生鑄造缺陷。還因為，在澆鑄溫度為高于TiAl合金的熔點+160℃的溫度的情況下，有由于鑄造設(shè)備的限制等而變得難以加熱的情況，結(jié)晶粒容易粗大化。

接著，將澆注有TiAl合金熔融液的鑄模10移動至鑄模室，關(guān)閉閘閥。關(guān)于移動至鑄模室的鑄模10，在真空中靜置預(yù)定時間。靜置后，鑄模室向大氣中開放，取出將TiAl合金澆鑄后的鑄模10，載置于砂臺車(砂臺車)，放置直至成為常溫。

圖4為表示作為TiAl合金鑄造產(chǎn)品的渦輪葉片30的構(gòu)成的圖。渦輪葉片30由葉片本體32、圍帶34、平臺36構(gòu)成。關(guān)于渦輪葉片30的大小，例如為長度方向為200mm至300mm、寬度方向為50mm至70mm、厚度為3mm至7mm。由作為脆性材料的TiAl合金鑄造渦輪葉片30的情況下，在澆鑄后的冷卻過程(1100℃至1000℃)中，渦輪葉片30被鑄模拘束，在渦輪葉片30的長度方向上承受拉伸應(yīng)力。因此，以往的鑄模中，有可能在葉片本體32與圍帶34之間的部位A、葉片本體32與平臺36之間的部位B產(chǎn)生斷裂、裂紋。

對此，在鑄模10中設(shè)有弱化層18a的情況下，渦輪葉片30的收縮量大于鑄模10的收縮量，但當(dāng)渦輪葉片30收縮時，鑄模10承受壓縮應(yīng)力，從鑄模10的弱化層18a產(chǎn)生裂紋。由此，由鑄模10進(jìn)行的渦輪葉片30的拘束被釋放，抑制渦輪葉片30的斷裂、裂紋。

以上，根據(jù)上述構(gòu)成，由于鑄模具有降低鑄模強度的弱化層，因此在TiAl合金熔融液的澆鑄后的冷卻過程(1100℃至1000℃)中，從鑄模的弱化層產(chǎn)生裂紋。由此，鑄模對TiAl合金鑄造產(chǎn)品的拘束被釋放，抑制TiAl合金鑄造產(chǎn)品的斷裂、裂紋。

實施例

鑄造TiAl合金制的渦輪葉片，對龜裂的產(chǎn)生進(jìn)行評價。首先，進(jìn)行鑄模的高溫強度特性的評價。

1.鑄模的制造

對實施例1至6的鑄模的制造方法進(jìn)行說明。予以說明的是，在實施例1至3的鑄模的制造方法中，弱化漿料和弱化灰泥材料中的、耐火材料粒子所含的熔融二氧化硅的比例不同。在實施例4至6的鑄模的制造方法中，弱化漿料層的厚度不同。以下，對各鑄模的制造方法的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行說明。

實施例1至6的鑄模中，對于任一種鑄模，都將耐反應(yīng)性漿料的涂覆和耐反應(yīng)性灰泥材料的灰泥處理對蠟?zāi)ＤＰ头磸?fù)進(jìn)行2次，形成由2層構(gòu)成的耐反應(yīng)性漿料層。對于耐反應(yīng)性漿料，使用由氧化鈰粒子和膠體二氧化硅混合而成的漿料。對于耐反應(yīng)性灰泥材料，使用了氧化鈰粒子。對于耐反應(yīng)性漿料的氧化鈰粒子，使用#325目的粒子，對耐反應(yīng)性灰泥材料的氧化鈰粒子，使用#100目的粒子。

在耐反應(yīng)性漿料層上，進(jìn)行弱化漿料的涂覆和弱化灰泥材料的灰泥處理，形成弱化漿料層。

實施例1的鑄模中，使用將由熔融二氧化硅粒子構(gòu)成的耐火材料粒子(熔融二氧化硅粒子為100質(zhì)量％)和膠體二氧化硅混合而成的弱化漿料。實施例2的鑄模中，使用將含有熔融二氧化硅粒子90質(zhì)量％和硅酸鋯粒子10質(zhì)量％的耐火材料粒子以及膠體二氧化硅混合而成的弱化漿料。實施例3的鑄模中，使用將含有熔融二氧化硅粒子80質(zhì)量％和硅酸鋯粒子20質(zhì)量％的耐火材料粒子以及膠體二氧化硅混合而成的弱化漿料。實施例4至6的鑄模中，使用與實施例1的鑄模的弱化漿料相同的漿料。對于弱化漿料的耐火材料粒子，使用#325目的粒子。

實施例1的鑄模中，使用由熔融二氧化硅粒子構(gòu)成的弱化灰泥材料(熔融二氧化硅粒子為100質(zhì)量％)。實施例2的鑄模中，使用含有熔融二氧化硅粒子90質(zhì)量％和硅酸鋯粒子10質(zhì)量％的弱化灰泥材料。實施例3的鑄模中，使用含有熔融二氧化硅粒子80質(zhì)量％和硅酸鋯粒子20質(zhì)量％的弱化灰泥材料。實施例4至6的鑄模中，使用與實施例1的鑄模的弱化灰泥材料相同的材料。對于弱化灰泥材料，使用#100目的材料。

實施例1至3的鑄模中，將弱化漿料的涂覆和弱化灰泥材料的灰泥處理在耐反應(yīng)性漿料層上反復(fù)進(jìn)行2次。形成由2層構(gòu)成的弱化漿料層。實施例4的鑄模中，將弱化漿料的涂覆和弱化灰泥材料的灰泥處理在耐反應(yīng)性漿料層上進(jìn)行1次，形成由1層構(gòu)成的弱化漿料層。實施例5的鑄模中，將弱化漿料的涂覆和弱化灰泥材料的灰泥處理在耐反應(yīng)性漿料層上反復(fù)進(jìn)行3次，形成由3層構(gòu)成的弱化漿料層。實施例6的鑄模中，將弱化漿料的涂覆和弱化灰泥材料的灰泥處理在耐反應(yīng)性漿料層上反復(fù)進(jìn)行5次，形成由5層構(gòu)成的弱化漿料層。

接著，在弱化漿料層上，進(jìn)行保形漿料的涂覆以及保形灰泥材料的灰泥處理，形成保形漿料層。對于保形漿料，使用將包含熔融二氧化硅粒子30質(zhì)量％和硅酸鋯粒子70質(zhì)量％的耐火材料粒子以及膠體二氧化硅混合而成的漿料。對于保形灰泥材料，使用莫來石粒子。予以說明的是，實施例1至6的鑄模中，均使用相同的保形漿料和保形灰泥材料。對于保形漿料的耐火材料粒子，使用#325目的粒子，對于保形灰泥材料，使用#100目的材料。

實施例1至3的鑄模中，將保形漿料的涂覆和保形灰泥材料的灰泥處理在弱化漿料層上反復(fù)進(jìn)行2次，最后進(jìn)行保形漿料的涂覆，形成由3層構(gòu)成的保形漿料層。實施例4的鑄模中，將保形漿料的涂覆和保形灰泥材料的灰泥處理在弱化漿料層上反復(fù)進(jìn)行3次，最后進(jìn)行保形漿料的涂覆，形成由4層構(gòu)成的保形漿料層。實施例5的鑄模中，將保形漿料的涂覆和保形灰泥材料的灰泥處理在弱化漿料層上進(jìn)行1次，最后進(jìn)行保形漿料的涂覆，形成由2層構(gòu)成的保形漿料層。實施例6的鑄模中，在弱化漿料層上進(jìn)行保形漿料的涂覆，形成由1層構(gòu)成的保形漿料層。

由此，在耐反應(yīng)性漿料層上形成由弱化漿料層和保形漿料層構(gòu)成的支持漿料層。

接著，用高壓反應(yīng)釜對形成了耐反應(yīng)性漿料層和支持漿料層的蠟?zāi)ＤＰ图訜嶂?80℃，進(jìn)行脫蠟，得到鑄模成型體(生坯)。進(jìn)行脫蠟后，利用燒成爐在1100℃將鑄模成型體燒成3小時至5小時，使耐反應(yīng)性漿料層和支持漿料層固化而作為殼體(shell)，形成實施例1至6的鑄模。予以說明的是，關(guān)于脫蠟處理條件和燒成條件，在實施例1至6的鑄模中均設(shè)為相同條件。

接著，對比較例1至2的鑄模的制造方法進(jìn)行說明。

比較例1的鑄模中，弱化漿料和弱化灰泥材料與實施例1至3的鑄模不同。比較例1的鑄模中，代替實施例1至3的鑄模的弱化漿料，使用了將包含熔融二氧化硅粒子70質(zhì)量％和硅酸鋯粒子30質(zhì)量％的耐火材料粒子以及膠體二氧化硅混合而成的漿料。此外，比較例1的鑄模中，代替實施例1至3的鑄模的弱化灰泥材料，使用了將熔融二氧化硅粒子70質(zhì)量％和硅酸鋯粒子30質(zhì)量％混合而成的灰泥材料。由于其他內(nèi)容與實施例1至3的鑄模的制造方法相同，因此省略詳細(xì)的說明。對于漿料用的熔融二氧化硅粒子和硅酸鋯粒子，使用#325目的粒子。對于灰泥材料，使用#100目的材料。

比較例2的鑄模中，在不形成弱化漿料層這點上，與實施例1至6的鑄模不同。即，比較例2的鑄模中，在耐反應(yīng)性漿料層上涂覆將包含熔融二氧化硅粒子30質(zhì)量％和硅酸鋯粒子70質(zhì)量％的耐火材料粒子以及膠體二氧化硅混合而成的漿料，對由莫來石粒子構(gòu)成的灰泥材料進(jìn)行灰泥處理。將該漿料的涂覆和該灰泥材料的灰泥處理反復(fù)進(jìn)行4次后，最后涂覆該漿料，形成由5層構(gòu)成的漿料層。此外，比較例2的鑄模中，將脫蠟處理后的燒成溫度設(shè)為1050℃。關(guān)于其他內(nèi)容，由于與實施例1至6的鑄模的制造方法相同，因此省略詳細(xì)的說明。對于漿料用的熔融二氧化硅粒子和硅酸鋯粒子，使用#325目的粒子。對于灰泥材料，使用#100目的材料。予以說明的是，比較例2的鑄模是與以往的鑄造鈦合金的鑄模相同的鑄模。

2.鑄模的高溫強度特性

評價實施例1至6、比較例1至2的鑄模的高溫強度特性。關(guān)于試驗片，從各鑄模切出而制作。關(guān)于試驗片的形狀，設(shè)為長度40mm(L)×寬度15mm(W)×厚度約6mm(t)的矩形狀。圖5為表示鑄模的強度試驗方法的圖。關(guān)于強度試驗，遵循熔模鑄造協(xié)會(ICI(Investment Casting Institute))的陶瓷試驗指南來進(jìn)行，測定抗折強度(MPa)。將支點之間的跨度設(shè)為40mm，支點的前端角設(shè)為2R。在將試驗片加熱至試驗溫度并保持的狀態(tài)下，負(fù)載荷重，進(jìn)行強度試驗。

首先，對實施例1至3、比較例1、2的鑄模的高溫強度特性進(jìn)行說明。關(guān)于試驗溫度，對于實施例1至3、比較例1的鑄模設(shè)為1000℃至1500℃，對于比較例2的鑄模設(shè)為常溫至1400℃。

圖6為表示實施例1至3、比較例1的鑄模的高溫強度特性的圖表。圖6的圖表中，將橫軸設(shè)為試驗溫度、縱軸設(shè)為抗折強度，用白圓形表示實施例1的鑄模的抗折強度，用白四方形表示實施例2的鑄模的抗折強度，用白菱形表示實施例3的鑄模的抗折強度，用×表示比較例1的鑄模的抗折強度。

在1000℃至1100℃的溫度范圍內(nèi)，實施例1至3的鑄模的高溫強度低于比較例1的鑄模的高溫強度。此外，在1000℃至1100℃的溫度范圍內(nèi)，實施例1、2的鑄模的高溫強度與實施例3的鑄模的高溫強度相比更降低。

圖7為表示比較例2的鑄模的高溫強度特性的圖表。圖7的圖表中，將橫軸設(shè)為試驗溫度、縱軸設(shè)為抗折強度，用白圓形表示在各試驗溫度下的抗折強度。若將圖6和圖7的圖表進(jìn)行比較，則在1000℃至1100℃的溫度范圍內(nèi)，比較例2的鑄模的高溫強度大于實施例1至3的鑄模的高溫強度。由此可知，在以往的鑄造鈦合金的鑄模中，鑄模強度在TiAl合金鑄造產(chǎn)品的澆鑄后的冷卻過程(1100℃至1000℃)中變大，鑄模難以產(chǎn)生裂紋。

接著，對實施例1、4、5、6的鑄模的高溫強度特性進(jìn)行說明。關(guān)于試驗溫度，設(shè)為常溫至1300℃。

圖8為表示實施例1、4、5、6的鑄模的高溫強度特性的圖表。圖8的圖表中，將橫軸設(shè)為試驗溫度，縱軸設(shè)為抗折強度，用白圓形表示實施例1的鑄模的抗折強度，用黑圓形表示實施例4的鑄模的抗折強度，用黑四方形表示實施例5的鑄模的抗折強度，用白四方形表示實施例6的鑄模的抗折強度。

可知在任意的試驗溫度中，關(guān)于鑄模強度，實施例6的鑄模的強度最小，實施例4的鑄模的強度最大，具有實施例6＜實施例5＜實施例1＜實施例4的關(guān)系。由此可明確，弱化層越薄則高溫強度越大，弱化層越厚則高溫強度越降低。

3.鑄模的截面組織觀察

對在強度試驗前的實施例2和比較例1的鑄模，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行截面組織觀察。圖9為表示實施例2和比較例1的鑄模的截面組織觀察結(jié)果的照片，圖9(a)為表示比較例1的鑄模的截面組織觀察結(jié)果的照片，圖9(b)為表示實施例2的鑄模的截面組織觀察結(jié)果的照片。此外，關(guān)于對鑄模進(jìn)行截面組織觀察的部位，對于實施例2的鑄模為弱化層，對于比較例1的鑄模為與實施例2的鑄模的弱化層對應(yīng)的、由包含熔融二氧化硅粒子70質(zhì)量％和硅酸鋯粒子30質(zhì)量％的耐火材料粒子形成的層。

由圖9(a)和圖9(b)的照片可明確，比較例1的鑄模中裂紋(微裂紋)少，而相對于此，實施例2的鑄模中裂紋(微裂紋)大量產(chǎn)生。

4.燒成的影響

為了評價脫蠟處理后的燒成的影響，針對實施例1的鑄模中的脫蠟處理后且燒成前的生坯進(jìn)行高溫強度特性的評價。關(guān)于試驗片，從生坯切出而制作。關(guān)于試驗片的尺寸、強度試驗方法，遵循上述ICI(Investment Casting Institute)陶瓷試驗指南來進(jìn)行。

圖10為表示生坯的高溫強度特性的圖表。圖10的圖表中，將橫軸設(shè)為試驗溫度、縱軸設(shè)為抗折強度，用黑圓形表示在各試驗溫度下的抗折強度。若將圖6所示的實施例1的鑄模的高溫強度與圖10所示的生坯的高溫強度進(jìn)行比較，則在1000℃至1200℃的溫度范圍內(nèi)，生坯的高溫強度更大。由此可知，鑄模強度通過燒成而降低。

為了評價相對于鑄模的強度降低的、燒成溫度和方英石量的關(guān)系，制作由熔融二氧化硅形成的二氧化硅制鑄模。首先，對二氧化硅制鑄模的制作方法進(jìn)行說明。

在蠟?zāi)ＤＰ蜕贤扛矊⑷廴诙趸枇Ｗ雍湍z體二氧化硅混合而成的二氧化硅漿料，對由熔融二氧化硅粒子構(gòu)成的二氧化硅灰泥材料進(jìn)行灰泥處理。對于二氧化硅漿料和二氧化硅灰泥材料，使用與實施例1的鑄模的弱化漿料、弱化灰泥材料相同的物質(zhì)。

將二氧化硅漿料的涂覆和二氧化硅灰泥材料的灰泥處理反復(fù)進(jìn)行6次后，最后進(jìn)行二氧化硅漿料的涂覆，形成7層的二氧化硅漿料層。接著，將形成了二氧化硅漿料層的蠟?zāi)ＤＰ陀酶邏悍磻?yīng)釜加熱至180℃，進(jìn)行脫蠟處理。在脫蠟處理后，利用燒成爐，分別在800℃、900℃、940℃、970℃、1000℃、1050℃以及1100℃燒成，使二氧化硅漿料層固化而制成殼體(shell)，形成二氧化硅制鑄模。

接著，對二氧化硅制鑄模，評價強度特性。關(guān)于試驗片，從二氧化硅制鑄模切出而制作。關(guān)于試驗片的尺寸、強度試驗方法，遵循上述ICI(Investment Casting Institute)陶瓷試驗指南來進(jìn)行。予以說明的是，關(guān)于強度試驗，在常溫實施。

此外，關(guān)于用各燒成溫度燒成的二氧化硅制鑄模，通過X射線衍射法來測定方英石量的比率，進(jìn)行方英石量的定量。方英石量的比率是指方英石相對于熔融二氧化硅和方英石的合計的比例。對于X射線衍射裝置，使用株式會社理學(xué)制的試樣水平型多目的X射線衍射裝置UltimaIV。關(guān)于方英石的定量，通過以硅為標(biāo)準(zhǔn)試樣的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)法來進(jìn)行，基于預(yù)先制成的石英與方英石的強度標(biāo)準(zhǔn)曲線算出。關(guān)于X射線衍射測定，將X射線管球設(shè)為Cu、加速電壓設(shè)為40kV、電流設(shè)為40mA、掃描速度設(shè)為1度/分、方英石的測定角度設(shè)為21.0度至22.3度、硅的測定角度設(shè)為27.9度至29.0度。

圖11為表示二氧化硅制鑄模的常溫強度與方英石量的比率的關(guān)系的圖表。圖11的圖表中，將橫軸設(shè)為燒成溫度、左縱軸設(shè)為抗折強度、右縱軸設(shè)為方英石量的比率，用黑圓形表示抗折強度，用白圓形表示方英石量的比率。

可知二氧化硅制鑄模的強度從燒成溫度900℃開始下降，在燒成溫度1000℃至1100℃以下最降低。關(guān)于二氧化硅制鑄模的方英石量的比率，在燒成溫度900℃為11質(zhì)量％，在燒成溫度1000℃為26質(zhì)量％，在燒成溫度1100℃為34質(zhì)量％。由此可知，就二氧化硅制鑄模的強度與方英石量的比率的關(guān)系而言，可知二氧化硅制鑄模的強度在方英石量的比率為26質(zhì)量％以上34質(zhì)量％以下時最降低。

5.龜裂產(chǎn)生率的評價

接著，用實施例1的鑄模制造TiAl合金制的渦輪葉片，評價渦輪葉片的龜裂產(chǎn)生率。

對于鑄造渦輪葉片的鑄模，使用實施例1的鑄模和比較例2的鑄模。對于TiAl合金，使用由Ti-48at％Al-2at％Nb-2at％Cr構(gòu)成的TiAl合金。關(guān)于渦輪葉片的大小，將長度方向設(shè)為約250mm、寬度方向設(shè)為約60mm、厚度設(shè)為約6mm。在熔化爐的熔化室中使放入熔化坩堝的TiAl合金真空熔化，將TiAl合金熔融液維持于預(yù)定溫度。將預(yù)先加熱到1100℃至1300℃的鑄模插入熔化爐的鑄模室，進(jìn)行抽真空。在鑄模室達(dá)到與熔化室等同的真空氣氛后，打開鑄模室與熔化室之間的閘閥，將鑄模移動至熔化室。使熔化坩堝傾斜，向鑄模內(nèi)澆注TiAl合金熔融液。此外，關(guān)于澆鑄溫度，設(shè)為TiAl合金的熔點+30℃至熔點+160℃。

接著，將澆注有TiAl合金熔融液的鑄模移動至鑄模室。關(guān)于移動至鑄模室的鑄模，在真空中靜置約20分鐘。靜置后，將鑄模室大氣開放，取出澆鑄好TiAl合金的鑄模，載置于砂臺車上，放置直至常溫。此外，用紅外線攝像機測定鑄模表面溫度。

用實施例1和比較例2的鑄模，各制造100個渦輪葉片，求出龜裂產(chǎn)生率，結(jié)果在比較例2的鑄模的情況下為82％，而相對于此，在實施例1的鑄模的情況下為50％。由此，通過在鑄模中設(shè)置弱化層，從而能夠使龜裂產(chǎn)生率減少32％。予以說明的是，關(guān)于產(chǎn)生了龜裂的渦輪葉片，均在澆鑄后的冷卻過程中，鑄模表面溫度為1100℃至1000℃時產(chǎn)生龜裂。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明能夠抑制TiAl合金鑄造產(chǎn)品的斷裂、裂紋，因此對渦輪葉片等TiAl合金鑄造產(chǎn)品的鑄造有用。