チタン合金製のインペラやガイドホイールは、どのように鋳造されるのでしょうか？

溶融チタンはガスや多くの鋳型材料と反応しやすいため、チタン合金製インペラとガイドホイールは、溶解・鋳型充填を保護した真空環境で鋳造します。インペラには精密鋳造用グラファイトシェルと遠心注湯を、ガイドホイールには処理済みグラファイト鋳型と真空遠心充填を使用します。ここではTi-6Al-4V鋳造チタン合金とTi-5Al-2.5Sn鋳造チタン合金を取り上げ、代表的なTi-6Al-4Vの組成と特性を以下に示します。

Ti-6Al-4V鋳造チタン合金の組成と特性

注： また、この合金には通常、微量のC、O、N、Hが含まれており、残りはチタンで構成されています。.

チタン合金の鋳造は困難を伴います。融点は一般的に1700°C以上であり、チタンは反応性が非常に高い金属です。500°C以上では多くの物質と反応し、溶融チタンはほぼすべての耐火物や、酸素、水素、窒素と反応する可能性があります。また、流動性も乏しいのが特徴です。 したがって、鋳型材料、溶解方法、および鋳型への充填には、特別な管理が必要となる。鋳型材料には高い耐火性と熱的安定性が求められ、溶融金属と反応してはならない。現在の鋳型システムには、突き固め黒鉛鋳型、ロストワックス鋳造用シェル、セラミック鋳型、およびジルコン砂鋳型などがある。.

この反応性のため、消耗電極を用いたインゴット溶解およびチタン鋳造は、強制冷却式るつぼ内で、真空または不活性ガス雰囲気下で行う必要があります。生産現場では、一般的に真空式スカル溶解炉が使用されています。.

黒鉛シェル精密鋳造によるチタン製インペラ

このインペラは、インベストメントシェルを採用しています。このシェルシステムでは、結合材としてフェノール樹脂を使用し、耐火性充填材およびスタッコとして、粒子径の異なるグラファイト粉末と砂を使用しています。シェルの強度は5.7～6.8 MPaに達します。 インペラおよびファンロータの鋳型は、外形寸法が350 mm × 350 mm × 350 mmである。鋳型は、垂直型遠心鋳造機のターンテーブル中央に配置され、真空チャンバーを密閉して排気および溶融を行う。.

溶融後、スカル炉は自動的に傾き、鋳込みが行われます。鋳込み時の金型回転数は200～400 r/minです。これにより得られる鋳造品の肉厚は最小1.5～2 mm、表面粗さはRa 3.2～6.3 μmとなります。.

黒鉛鋳型で鋳造するチタン製ガイドホイール

ガイドホイールの最大直径は363.5 mmで、18枚のブレードが均等に配置されています。 ブレード先端部の肉厚は4 mm、ブレードの厚さ公差は0.2 mm未満、ブレードの円弧誤差は0.15 mm未満です。ブレード表面の表面粗さはRa 6.3 μmが要求され、機械加工されたガイドホイールの表面には2～3 mmの加工余裕が設けられています。.

単一の環状コアがすべてのブレードを形成し、ブレードの寸法や位置の制御に役立ちます。ブレードコア、上下の輪郭コア、および注湯カップ部は、外型内で組み立てられます。 完成した黒鉛製金型やコアには、しばしば水分が含まれているため、高温処理が必要となります。金型を真空炉に入れ、真空引きを行った後、950°Cまでゆっくりと加熱し、約4時間保持してから、炉とともに冷却します。ガス再吸収を抑えるため、処理済みの金型はできるだけ早く鋳造に使用してください。.

鋳込みは、真空下での遠心充填を行う真空式消耗電極式頭蓋炉で行います。平均半径に基づき、重力係数 G を 15、鋳型回転数を 350 r/min と設定します。鋳込み後は、真空下で鋳物を冷却してください。.