【手続補正書】
【提出日】平成16年10月18日(2004.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレフォームを製造する方法であって、
金属物質の消耗電極を用意し、
前記消耗電極を溶融及び精製して、溶融精製された物質を用意し、
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を、前記溶融精製された物質が周囲空気中の酸素による汚染から保護される通路に通し、
前記通路からの前記溶融精製物質の流れにガスを衝突させて前記溶融精製物質の液滴スプレーを形成し、ここで、前記ガスは、溶融精製された物質を基準とする単位質量当たりのガスの単位質量が１未満の比率で、前記溶融精製された物質の流れに供給され、そして
前記溶融精製物質の液滴スプレーを鋳型内で堆積及び凝固させてプレフォームを形成する、
以上の工程を含む方法。
【請求項２】
前記消耗電極を溶融及び精製する工程は、
前記消耗電極をエレクトロスラグ再溶解して、前記溶融精製された物質を用意する工程、及び
前記消耗電極を真空アーク再溶解して、前記溶融精製物質を用意する工程、
のいずれか一つを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記消耗電極をエレクトロスラグ再溶解する工程は、
スラグを収容する開放有底容器を用意し、
前記開放有底容器内で前記消耗電極を前記スラグと接触させ、
前記消耗電極、前記スラグ、及び前記容器を含む回路に電流を流して、前記スラグを抵抗加熱し、これにより前記スラグと電極の接点において前記消耗電極からの物質を溶解させ、その結果、溶融物質の液滴が形成され、そして
前記溶融物質の液滴が前記加熱されたスラグを通過するようにする、
以上の工程を含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記消耗電極をエレクトロスラグ再溶解する工程は、
前記容器中への前記消耗電極の送出を制御して、前記電極と前記加熱されたスラグとの間の接触を維持する工程を更に含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記消耗電極を真空アーク再溶解する工程は、
前記消耗電極を部分真空の下でＤＣアークと接触させて前記電極を加熱し、これによって溶融物質の液滴を形成する工程を含む、請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を通路に通す工程は、
冷却誘導ガイドを用意し、
前記冷却誘導ガイド内に前記溶融精製された物質を集め、そして
前記溶融精製物質の少なくとも一部を前記冷却誘導ガイド内の通路に通し、それと同時に前記溶融精製物質を前記通路内で誘導加熱する、
以上の工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記冷却誘導ガイドは、
溶融物質捕集領域、
オリフィスで終結する通路を含む移送領域、
前記移送領域と結合している少なくとも１つの導電性コイル、および
前記移送領域と結合している少なくとも１つの冷却液循環通路を含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を通路に通す工程は、
前記溶融精製物質を前記溶融物質収集領域内に受け入れ、そして
前記溶融精製物質の少なくとも一部を前記移送領域の通路に通し、それと同時に前記導電性コイルを通る電流を維持し、そして前記冷却液循環通路に冷却液を通す工程を含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を通路に通す工程は、
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を、耐熱材料で内張りされた側壁を有していてそして誘導加熱源を有していない通路に通す工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記液滴スプレーを堆積及び凝固させる工程は、
前記溶融精製物質の液滴と前記衝突ガスとの衝突によって、前記プレフォームの表面に乱流領域を発生させる工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記液滴スプレーを堆積及び凝固させる工程は、
部分真空及び／又は保護ガス雰囲気の下で前記溶融精製物質の前記液滴スプレーを鋳型内で堆積及び凝固させる工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記金属に対するガスの質量比は０.３未満である、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
液滴スプレーを形成するとき、溶融精製された物質の液滴は、平均で各液滴の５〜４０容量パーセントが固体であるような部分的固体である、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記金属物質はニッケル基超合金、チタン合金、鋼、及びコバルト基合金のうちの１種である、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記金属物質は合金７０６、合金７１８、合金７２０、及びＲｅｎｅ８８から成る群から選ばれるニッケル基超合金である、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記金属物質はＴｉ（６-４）及びＴｉ（１７）から成る群から選ばれるチタン合金である、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記プレフォームは直径が少なくとも１２インチである、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
プレフォームを製造する方法であって、
エレクトロスラグ再溶解装置及び真空アーク再溶解装置から選択される溶融精製装置、オリフィスで終結する通路を含む移送装置であって前記溶融精製装置と流体で連絡する移送装置、および鋳型を含む核化鋳造装置であって前記移送装置と流体で連絡する核化鋳造装置を含む装置を用意し、
金属物質の消耗電極を用意し、
前記消耗電極を前記溶融精製装置内で溶融及び精製して、溶融精製された物質を用意し、
前記溶融精製物質を前記移送装置に通し、
前記溶融精製物質を前記核化鋳造装置に供給し、そして
前記通路からの前記溶融精製物質の流れにガスを衝突させて前記溶融精製物質の液滴スプレーを形成し、ここで、前記ガスは、溶融精製された物質を基準とする単位質量当たりのガスの単位質量が１未満の比率で、前記溶融精製物質の流れに供給され、そして、
前記溶融精製物質の液滴スプレーを鋳型内で堆積及び凝固させてプレフォームを形成する、以上の工程を含む方法。
【請求項１９】
金属物質のプレフォームを用意する装置であって、
エレクトロスラグ再溶解装置及び真空アーク再溶解装置から選択される溶融精製装置、
オリフィスで終結する通路を含む移送装置であって前記溶融精製装置と流体で連絡する移送装置、および
前記移送装置と流体で連絡する核化鋳造装置、
を含む装置。
【請求項２０】
前記エレクトロスラグ再溶解装置は、その中に開口を有する開放有底容器、前記容器に接触する電源、前記容器内の導電性スラグ、および前記容器内に消耗電極を供給するのに適合する供給手段を含む、請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記真空アーク再溶解装置は、真空室、前記真空室内の開放有底容器であってその中に開口を有する開放有底容器、および前記真空室に結合する電源を含む、請求項１９記載の装置。
【請求項２２】
前記移送装置は冷却誘導ガイドを含む、請求項１９記載の装置。
【請求項２３】
前記移送装置は、
前記開放有底容器の前記開口と流体で連絡する溶融物収集領域、
オリフィスで終結する通路を含む移送領域、
前記移送領域に結合する少なくとも１つの導電性コイル、および
前記移送領域に結合する少なくとも１つの冷却液循環通路、
を含む冷却誘導ガイドを有する、請求項２０または２１記載の装置。
【請求項２４】
前記移送装置は、耐熱材料で内張りされた側壁を有していてそして誘導加熱源を有していない通路を含み、この通路はオリフィスで終結している、請求項１９記載の装置。
【請求項２５】
前記核化鋳造装置は、
前記オリフィスと流体で連絡する噴霧ノズル、
前記ノズルと流体で連絡する噴霧ガス供給体、および
側壁及び前記噴霧ノズルの下に設けられた基部を含む鋳型であって、前記噴霧ノズルに対する前記基部の一部が調節可能である鋳型、
を含む、請求項１９記載の装置。
【請求項２６】
金属物質の消耗電極を用意し、
前記消耗電極を溶融及び精製して、溶融精製された物質を用意し、
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を、大気との接触から保護される通路に通し、
前記通路からの前記溶融精製物質の流れにガスを衝突させて前記溶融精製物質の液滴スプレーを形成し、ここで、前記ガスは、溶融精製された物質を基準とする単位質量当たりのガスの単位質量が１未満の比率で、前記溶融精製された物質の流れに供給され、そして、
前記溶融精製物質の液滴スプレーを鋳型内で堆積及び凝固させる、
以上の工程を含む方法によって製造された製品。
【請求項２７】
前記消耗電極を溶融及び精製する工程は、
前記消耗電極をエレクトロスラグ再溶解して、前記溶融精製された物質を用意する工程、および
前記消耗電極を真空アーク再溶解して、前記溶融精製物質を用意する工程、のいずれか一つを含む、請求項２６記載の製品。
【請求項２８】
前記消耗電極をエレクトロスラグ再溶解する工程は、
スラグを収容する開放有底容器を用意し、
前記開放有底容器内で前記消耗電極を前記スラグと接触させ、
前記消耗電極、前記スラグ、及び前記容器を含む回路に電流を流して、前記スラグを抵抗加熱し、これにより前記スラグと電極との接点において前記消耗電極からの物質を溶解させ、その結果、溶融物質の液滴が形成され、そして
前記溶融物質の液滴を前記加熱されたスラグに通す、
以上の工程を含む、請求項２７記載の製品。
【請求項２９】
前記消耗電極をエレクトロスラグ再溶解する工程は、
前記容器中への前記消耗電極の送出を制御して、前記電極と前記加熱スラグとの間の接触を維持する工程をさらに含む、請求項２８記載の製品。
【請求項３０】
前記消耗電極を真空アーク再溶解する工程は、
前記消耗電極を真空下でＤＣアークと接触させて前記電極を加熱し、これによって溶融物質の液滴を形成する工程を含む、請求項２７記載の製品。
【請求項３１】
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を通路に通す工程は、
冷却誘導ガイドを用意し、
前記冷却誘導ガイド内に前記溶融精製された物質を集め、そして、
前記溶融精製物質の少なくとも一部を前記冷却誘導ガイド内の通路に通し、それと同時に前記溶融精製物質を前記通路内で誘導加熱する、
以上の工程を含む、請求項２６記載の製品。
【請求項３２】
前記冷却誘導ガイドは、
溶融物質捕集領域、
オリフィスで終結する通路を含む移送領域、
前記移送領域に結合する少なくとも１つの導電性コイル、および
前記移送領域に結合する少なくとも１つの冷却液循環通路を含む、請求項３１記載の製品。
【請求項３３】
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を通路に通す工程は、
前記溶融精製物質を前記溶融物質収集領域内に受け入れ、そして
前記溶融精製物質の少なくとも一部を前記移送領域の通路に通し、それと同時に前記導電性コイルを通る電流を維持し、そして前記冷却液循環通路に冷却液を通す、
以上の工程を含む、請求項３２記載の製品。
【請求項３４】
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を通路に通す工程は、
前記溶融精製された物質の少なくとも一部を、耐熱材料で内張りされた側壁を有していてそして誘導加熱源を有していない通路に通す工程を含む、請求項２６記載の製品。
【請求項３５】
前記液滴スプレーを堆積及び凝固させる工程は、
前記溶融精製物質の液滴と前記衝突ガスとの衝突によって、前記プレフォームの表面に乱流領域を発生させる工程を含む、請求項２６記載の製品。
【請求項３６】
前記液滴スプレーを堆積及び凝固させる工程は、
部分真空および保護ガス雰囲気のうちのいずれかの下で前記溶融精製物質の前記液滴スプレーを鋳型内で堆積及び凝固させる工程を含む、請求項２６記載の製品。
【請求項３７】
前記金属に対するガスの質量比は０.３未満である、請求項２６記載の製品。
【請求項３８】
液滴スプレーを形成するとき、溶融精製された物質の液滴は、平均で各液滴の５〜４０容量パーセントが固体であるような部分的固体である、請求項２６記載の製品。
【請求項３９】
前記金属物質はニッケル基超合金、チタン合金、コバルト基合金、および鋼のうちの１種である、請求項２６記載の製品。
【請求項４０】
前記金属物質は合金７０６、合金７１８、合金７２０、及びＲｅｎｅ８８から成る群から選ばれるニッケル基超合金である、請求項２６記載の製品。
【請求項４１】
前記金属物質はＴｉ（６−４）及びＴｉ（１７）から成る群から選ばれるチタン合金である、請求項２６記載の製品。
【請求項４２】
前記製品は直径が少なくとも１２インチのプレフォームである、請求項２６記載の製品。
【請求項４３】
前記溶融精製物質の液滴スプレーを鋳型内で堆積および凝固させてプレフォームを形成し、さらにこのプレフォームを加工して航空タービン及び地上タービンのうちの一種に使用するのに適する回転部材を形成する工程を含む方法によって製造された、請求項２６記載の製品。
【請求項４４】
エレクトロスラグ再溶解装置及び真空アーク再溶解装置から選択される溶融精製装置、オリフィスで終結する通路を含む移送装置であって前記溶融精製装置と流体で連絡する移送装置、および鋳型を含む核化鋳造装置であって前記移送装置と流体で連絡する核化鋳造装置を含む装置を用意し、
金属物質の消耗電極を用意し、
前記消耗電極を前記溶融精製装置内で溶融及び精製して、溶融精製された物質を用意し、
前記溶融精製物質を前記移送装置に通し、
前記溶融精製物質を前記核化鋳造装置に供給し、そして
前記通路からの前記溶融精製物質の流れにガスを衝突させて前記溶融精製物質の液滴スプレーを形成し、ここで、前記ガスは、溶融精製された物質を基準とする単位質量当たりのガスの単位質量が１未満の比率で、前記溶融精製物質の流れに供給され、そして、
前記溶融精製物質の液滴スプレーを鋳型内で堆積及び凝固させる、
以上の工程を含む方法によって用意された製品。
【請求項４５】
前記製品は、直径が少なくとも１２インチのプレフォームと、航空タービン及び地上タービンのうちの１つに使用するのに適する回転部材とのうちの１種である、請求項４４記載の製品。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】精製と鋳造を行う装置およびその方法
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属及び金属合金のインゴット及び他のプレフォーム（preform）を精製（refine）し鋳造するための装置及びその方法に関する。本発明は特に、鋳造を行う間に偏析しやすい金属及び金属合金からなる大きな直径のインゴットやその他のプレフォームを精製し鋳造するのに有用な装置及び方法に関し、その装置及び方法により形成されたプレフォームは最少の偏析を示し、そして溶融に関連する著しい欠陥がない。本発明の装置及び方法は、例えば、合金７０６及び合金７１８のような複合ニッケル基超合金、並びに在来の最新技術の方法により鋳造された場合に偏析しやすい特定のチタン合金、鋼、及びコバルト基合金の精製及び鋳造に特定の用途を有する。また、本発明は、本発明の方法及び／又は装置によって製造されたプレフォーム及び他の製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の重要な用途に関して、部材は、最少の偏析を示す大きな直径の金属又は金属合金のプレフォームであって、白点（white spots）及びフレックル（freckles）のような溶融物に関連する欠陥が実質的にないプレフォームから製造される必要がある（理解を容易にするために、本明細書においては、合金でない金属及び金属合金を総称的に意味するものとして“金属物質”あるいは“金属材料”という用語が使用される）。これらの重要な用途としては、航空又は地上のタービンにおける回転部材及び金属欠陥が部材の重大な損傷を生じさせる他の部材がある。従って、これらの部材が製造されるプレフォームは有害な非金属の介在物がないものであり、この溶融金属物質はプレフォームに鋳造される前に適切に清浄化又は精製される必要がある。これらの用途に使用される金属物質が鋳造により偏析する傾向がある場合、これらは順次に真空誘導溶解（ＶＩＭ）、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）、及び真空アーク再溶解（ＶＡＲ）を組合わせる“三重の溶融技術”によって一般的に精製される。しかしながら、偏析しやすい金属物質は、偏析を最少限に抑えるのに十分な冷却速度を得ることが困難であるため、前記三重の溶融の最後の工程であるＶＡＲ溶解によって大直径に製造することが困難である。凝固のミクロ偏析は鋳造したインゴットに長時間の均質化処理を実施することによって最少にできるが、このような処理は全体として有効でなく、コスト高になる。更に、ＶＡＲはしばしば白点、フレックル、中心偏析のような大きな欠陥をインゴット中に導入する。場合によっては、大直径のインゴットは単一の部材に加工されるので、ＶＡＲにより導入された欠陥は、部材の形成の前に選択的に除去できない。従って、インゴット全体またはインゴットの一部を廃棄しなければならない。従って、三重の溶融技術の欠点は、収量損失が大きく、サイクル時間が長く、材料の加工費が高く、そして許容できる金属性能を有する偏析しやすい金属材料の大きな寸法のインゴットを製造できないことである。
【０００３】
偏析しやすい金属物質の溶融物から高品質のプレフォームを製造する一つの公知の方法は溶射成形（spray forming）であって、これは例えば、米国特許５,３２５,９０６号及び５,３４８,５６６号に一般的に記述される。溶射成形は“鋳型のない”方法であって、ガス噴霧を用いて、溶融金属流から液体金属の液滴スプレーを形成する。このスプレー形成技術の方法のパラメーターは、噴霧された液滴内の固体の平均比率が、コレクター表面に衝突する時点において所望の形状寸法を形成しそして維持できる高粘度の堆積物を生成できるほど十分に高くなるように、調節される。プレフォームを適切に凝固するのに重要な熱収支を維持するために、金属に対するガスの高い質量比率（１又はそれ以上）が求められる。
【０００４】
溶射成形は、大直径のプレフォームを形成する場合に問題を生じる数多くの欠点がある。溶射成形に避けられない副作用は、過剰のスプレーであって、この場合、スプレーされた金属物質は成形中のプレフォームを全く外れるか、又はプレフォームに付着しないで飛行中に凝固する。溶射成形の過剰スプレーに基づく平均的収量損失は、２０〜３０％であろう。また、コレクター又は成形中のプレフォームとの衝突に基づいて液滴内に適切な固体比率を生じるのに必要な重要な熱収支を維持するために比較的高いガス対金属の比率が求められるため、衝突後に物質は急速に凝固して、噴霧ガスを取り込みやすくなり、その結果、プレフォーム内にガスの気孔が生成する。
【０００５】
偏析しやすい金属物質からプレフォームを溶射成形する場合の重要な制限は、限られた最大直径のプレフォームのみが、ミクロ構造及びマクロ構造に悪影響を与えることなく成形できることである。許容できる品質の大きなプレフォームを溶射成形で製造するためには、スプレーの局部温度を十分に制御して、半液体スプレー表面層が常に維持されることが求められる。例えば、比較的冷たいスプレーがプレフォームの中心部近傍では望ましく、これに対し、スプレーが外側の速く冷却されるプレフォームの領域に接近する場合に、漸進的に温められたスプレーが望ましい。また、プレフォームの有効な最大直径は溶射成形プロセスの物理的過程によっても制限される。単一ノズルを使用するときに可能な最大限のプレフォームは約１２〜１４インチの最大直径を有する。この寸法の制限は、プレフォームの直径が増大するにつれて、プレフォーム表面の回転速度が増大し、これにより前記半液体層に生じた遠心力が増大するという事実に基づいて経験的に確立した。プレフォームの直径が１２インチの範囲に接近するにつれて、前記半液体層に加えられた遠心力が増大し、その結果、この半液体層はプレフォーム表面から振り落とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、偏析しやすい金属物質からプレフォーム、特に大直径のプレフォームを精製及び鋳造するのに適用される特定の公知の技術には、重大な欠点がある。従って、偏析しやすい金属及び金属合金を精製及び鋳造する改良された装置と方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、本発明は、金属物質の消耗電極を用意し、前記消耗電極を溶融及び精製して、溶融精製された物質を用意する工程を含む、プレフォームを精製及び鋳造する方法を提供する。前記溶融精製された物質の少なくとも一部は、周囲空気中の酸素との接触による汚染から保護される通路を通過する。この通路は、好ましくは前記溶融精製物質と反応しない材料から構成される。前記溶融精製物質の液滴スプレーは、前記通路から出てくる前記溶融精製物質の流れにガスを衝突させることによって形成される。この液滴スプレーは鋳型内に堆積し、凝固して、プレフォームになる。このプレフォームは、加工されて、例えば、航空又は地上のタービンの回転に適用される部材のような、所望の製品を提供する。
【０００８】
前記消耗電極を溶融及び精製する工程は、前記溶融精製物質を用意するために、前記消耗電極をエレクトロスラグ再溶解する工程及び前記消耗電極を真空アーク再溶解する工程の少なくとも１つから構成されてもよい。前記溶融精製物質が次に通過する通路は冷却誘導ガイド（cold induction guide）を通って形成された通路であってもよい。前記溶融精製合金の少なくとも一部が前記冷却誘導ガイドを通過し、そしてこの通路内で誘導加熱される。厳しくない用途の場合、例えば、合金中に少ないレベルの酸化物汚染物が許容されるような用途の場合、冷却誘導ガイドを使用する必要はない。このような厳しくない用途に使用される部材としては、例えば、航空機タービンエンジンの静止部材がある。冷却誘導ガイドが使用されない場合、通路は大気から保護されて、耐火材料から構成された壁を含む加熱されない通路であってもよい。通路は望ましくない不純物から溶融精製物質を保護するように構成できる。次いで、前記通路から出た溶融精製物質は凝固して、上述のようにプレフォームを形成する。
【０００９】
本発明は合金を精製し鋳造する装置を用意することによって、上述の課題に対応する。この装置は、エレクトロスラグ再溶解装置及び真空アーク再溶解装置の少なくとも１つを含む溶融精製装置；移送装置（例えば、冷却誘導ガイドのような）であって、前記溶融精製装置と流体で連絡する移送装置；そして、前記移送装置と流体で連絡する核化（nucleated）鋳造装置を含む。前記溶融精製装置内に導入された金属物質の消耗電極は、溶融及び精製され、そして、この溶融精製された物質は、前記移送装置によって形成された通路を経由して前記核化鋳造装置に通される。前記移送装置が冷却誘導ガイドである場合、前記精製された物質の少なくとも一部は、前記冷却誘導ガイドを通過中に誘導加熱によって溶融状態に維持される。
【００１０】
本発明の方法の特定の態様によって金属物質を鋳造する場合、金属物質は、溶融るつぼに使用される酸化物の耐火物及び従来の鋳造法に使用される注入ノズルに接触する必要はない。従って、スポーリング、エロージョン、及びこのような耐火物材料の反応に基づいて生じる酸化物の汚染は回避できる。
【００１１】
本発明の精製及び鋳造装置の一部である前記エレクトロスラグ再溶解装置は、その中に開口を有する容器、前記容器に接触する電源、そして金属物質がエレクトロスラグ再溶解過程を通じて消耗電極から溶融するにつれて消耗電極を前記容器中に進めるように構成された電極供給装置を含む。真空アーク再溶解装置は、消耗電極が部分真空下でＤＣアークの手段によって容器内で溶融し、そして溶融した合金の液滴がスラグと最初に接触することなく本発明の装置の移送装置に移動するという点において、エレクトロスラグ再溶解装置と相違する。真空アーク再溶解はエレクトロスラグ再溶解の程度まで微小規模の介在物を除去しないが、これは溶解ガスを除去し、そして電極物質中の高い蒸気圧の微量元素を最少限に抑える利点を有する。
【００１２】
本発明の鋳造及び精製装置の一部である前記冷却誘導ガイドは、前記溶融精製装置の容器の前記開口と直接又は間接的に流体で連絡する溶融物収集領域を含む。また、この冷却誘導ガイドはオリフィスを終端としている通路を画定している移送領域を含む。少なくとも１つの導電性コイルが前記移送領域に結合して、前記通路を通過する物質を誘電加熱するために使用できる。また、１又はそれ以上の冷却液循環通路が前記移送領域に結合して、前記誘導コイルと前記通路に隣接する壁を冷却できる。
【００１３】
本発明の鋳造及び精製装置の前記核化鋳造装置は、前記移送装置の通路と直接又は間接的に流体で連絡する噴霧ノズルを含む。噴霧ガス供給物が前記ノズルと連絡し、そして前記移送装置から受けた溶融物流から液滴スプレーを形成する。前記プレフォームが適合する基部と側壁を含む鋳型は、前記噴霧ノズルに隣接して配置され、そして前記噴霧ノズルに対する鋳型の基部の位置は調節可能である。
【００１４】
本発明の方法及び装置は、金属物質の精製された溶融物を溶融又は半溶融の形態で核化鋳造装置に移送させ、そして酸化物又は固体不純物による溶融物の再汚染の可能性を実質的に減少させる。この核化鋳造技術により、実質的に偏析のない、そして他の鋳造方法で生じる溶融物に関係する欠陥のない細粒プレフォームを形成できる。本発明の精製と鋳造の特徴を前記移送装置によって結合することにより、大きな又は複数の消耗電極をエレクトロスラグ再溶解又は真空アーク再溶解して、精製された溶融物質の連続流を形成し、これを核発生鋳造（nucleation cast）して、結晶粒が微細なプレフォームを形成できる。このようにして、大きな直径のプレフォームを、他の方法では鋳造が困難である偏析しやすい金属物質から容易に鋳造することができる。また、大きな電極及び／又は消耗電極を用いて本発明の方法を実施することにより、大きなプレフォームを連続的に鋳造できる。
【００１５】
従って、本発明は、本発明の方法及び／又は装置によって製造されたプレフォームに関し、また、例えば、本発明の前記プレフォームを加工することにより製造された航空又は地上のタービンの部材のような製品に関する。また、本発明は、直径が１２インチ以上の偏析しやすい合金のプレフォーム及びインゴットに関し、これらは溶融物に関連する著しい欠陥がない。このような本発明のプレフォーム及びインゴットは、本発明の方法及び装置で製造することができ、同じ材料から成る小さな直径のＶＡＲ又はＥＳＲインゴットの偏析特性のレベルを有する。このような偏析しやすい合金としては、例えば、合金７０６、合金７１８、合金７２０、及びＲｅｎｅ８８、及び他のニッケル基超合金がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の上述の詳細及び利点は、以下の本発明の詳細な態様を検討することにより、また本発明を実施又は使用することにより、理解できるであろう。
一つの態様において、本発明は金属物質を精製し、そしてこの金属物質をプレフォームに鋳造する新規な方法を提供する。このプレフォームは加工処理されて最終製品になる。本発明の方法は、金属物質を溶融及び精製し、次いで核化（nucleated）鋳造技術によって前記物質をプレフォームに鋳造する。金属物質の溶融及び精製は、例えば、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）又は真空アーク再溶解（ＶＡＲ）によって達成できる。また、本発明の方法は、溶融精製された物質を、これを汚染から保護する通路を通して核化鋳造装置に移送する工程を含む。この通路は、冷却誘導ガイド（cold induction guide）（ＣＩＧ）又はその他の移送装置によって形成された通路でもよい。
【００１７】
また、本発明は、金属物質を溶融及び精製する装置、溶融精製された物質から核化鋳造によってプレフォームを製造する装置、そして前記溶融精製装置から前記溶融精製物質を前記核化鋳造装置に移送する移送装置を組合わせた装置を提供する。以下に説明するように、本発明の装置及び方法は、鋳造を通じて偏析しやすい金属物質から大直径で高純度のプレフォームの製造に使用されると、特に有利である。例えば、実質的に溶融物に関係する欠陥がなく、そして最少の偏析を示す本発明の装置と方法によって、大きな直径（１２〜１４インチ以上）のプレフォームを、偏析しやすく、鋳造が困難である金属物質から製造できる。
【００１８】
本発明の装置と方法の一つの実施態様を図１に示す。初めの工程において、金属物質の消耗電極はＥＳＲに供されて、このとき、電極及び精製容器内に配置されて前記電極に接触する導電性スラグに電流が通じることによって金属物質の精製熱が生じる。前記消耗電極から溶融した液滴は、移送され、導電性スラグで精製され、精製容器で収集され、そして次に下流の装置に移送されてもよい。ＥＳＲ装置の主な構成要素は、典型的に電源装置、電極供給装置、水冷された銅製の精製容器、及びスラグを含む。使用される特定のスラグの種類は精製される特定の物質に依存する。
【００１９】
ＥＳＲ法はよく知られ、そして広く使用されており、また特定の電極の種類と寸法に必要な操作パラメーターは当業者によって容易に確認できる。従って、ＥＳＲ装置の組立て方法又は操作方法又は、特定の材料及び／又は電極の種類及び寸法のために使用される特定の操作パラメーターに関する更に詳細な説明は不必要である。
【００２０】
更に、図１に示すように、この実施態様は、ＥＳＲと直接又は間接的に流体で連絡するＣＩＧを含む。このＣＩＧはＥＳＲで生成した精製溶融物を核化鋳造装置に移送するために使用される。ＣＩＧはＥＳＲで生成した溶融精製物質を核化鋳造装置への移送を通じて溶融状態に維持する。またＣＩＧは、溶融物を大気から保護し、そして溶融物を通常のノズルの使用に基づいて生じる再汚染から保護することによって、ＥＳＲによって達成された溶融物の純度を維持する。また、精製された溶融物を大気から良好に保護し、これによって酸化物が生成して溶融物を汚染することを防止するために、ＣＩＧはＥＳＲ装置と核化鋳造装置の両方に直接に結合しているのが好ましい。また、適切に組み立てられることによって、ＣＩＧは、ＥＳＲ装置から核化鋳造装置への溶融精製物質の流れを計量するために使用できる。また、ＣＩＧの組立て及び使用方法は、コールドフィンガー（cold finger）又は冷却壁誘導ガイド（cold wall induction guide）と種々に呼ばれているように、この技術分野で公知であり、例えば、ここに挙げられる米国特許５,２７２,７１８号、５,３１０,１６５号、５,３４８,５６６号及び５,７６９,１５１号の全内容が参照される。ＣＩＧは一般に、溶融物を収容する溶融物容器を含む。この溶融物容器は孔が形成されている底壁を含む。ＣＩＧの移送領域は、一般的にじょうご形状の通路を含むように構成されて、溶融物容器の孔からの溶融物質を収納する。従来のＣＩＧの一つの構造では、じょうご形状の通路の壁は多数の流体冷却金属部分から形成され、そしてこの流体冷却部分は、移送領域の入口端部から出口端部の方向に断面積が概ね減少する通路の内側の輪郭を形成する。１又はそれ以上の導電性コイルがじょうご形状の通路の壁に結合され、そして電源が導電性コイルと選択的に電気接続する。
【００２１】
溶融精製された物質がＣＩＧの溶融物容器からＣＩＧの通路を通って流れている期間を通じて、電流が溶融物質を誘導加熱してこれを溶融状態に維持するのに十分な強度で誘導コイルに流される。溶融物質の一部がＣＩＧのじょうご形状の通路の冷却された壁に接触し、その結果、凝固してスカル（skull：凝固殻）を生成し、このスカルは、ＣＩＧを通って流れる溶融物の残部が壁に接触することを防止する。壁を冷却してスカルを生成させると、溶融物は、ＣＩＧの内壁を形成する金属又は他の構成成分で汚染されなくなる。この技術分野で公知のように、ＣＩＧのじょうご形状の部分の領域におけるスカルの厚さは、冷却液の温度、冷却液の流量、及び／又は誘導コイル中の電流強度を適切に調節して、ＣＩＧを通る溶融物の流れを制御するか、又は完全に遮断することにより、制御できる。スカルの厚さが増大するにつれて、移送領域を通る溶融物の流れは相応して減少する。この特徴に関しては、例えば、ここに引用される米国特許５,６４９,９９２号の全内容が参照される。
【００２２】
ＣＩＧ装置は種々の形態で提供できるが、これは典型的に下記の事項を含む。即ち（１）通路は溶融物を導くために重力を利用して与えられる。（２）通路の壁の少なくとも一つの領域がこの壁上に溶融物のスカルを形成できるように冷却される。そして（３）導電性コイルが通路の少なくとも一部と結合されて、通路を通過する溶融物質を誘導加熱する。当業者は、更なる検討を要することなく、本発明に従って構成された装置で使用するために、上記３種類の特徴の一つ又は全てを有する適切に設計されたＣＩＧを容易に提供できる。
【００２３】
このＣＩＧは、核化鋳造装置と直接又は間接的に流体で連絡し、そして精製溶融物質をＥＳＲ装置から鋳造装置に移送する。核化鋳造はこの技術分野において公知であり、例えば、参照用に引用される、米国特許５,３８１,８４７号及び D. E. Tylerと W. G. Watsonの“第２国際溶射成形会議の議事録”（Olin 金属研究所、１９９６年９月）に記述される。核化鋳造において、金属物質の液体流は、ガス流の衝突によって、円錐状の噴霧された液滴に分裂又は破壊される。生じた円錐状の液滴は底部及び側壁を有する鋳造型内に案内され、ここで液滴は堆積して、鋳型に従う形状を有するプレフォームを形成する。核化鋳造法で液滴を発生させるために使用されるガスの流速は、個々の液滴内に（溶射成形に比べて）比較的低い固体の割合を与えるために調節される。これにより、鋳型内に堆積する低粘度の物質が得られる。この低粘度の半固体物質は充満して、鋳型の輪郭に適合する。前記衝突ガス及び衝撃液滴は、鋳物が堆積するにつれて、鋳物の半固体表面に乱流を発生させ、これにより鋳型内の鋳物の均一な堆積が促進される。半固体物質が堆積する場合、この物質の表面上にガスを流しながら、この物質を鋳型内に堆積させることによって、この物質の凝固速度が増大して、微細な結晶粒を有する構造体が生じる。
【００２４】
溶融／精製装置及び移送装置と共に本発明で使用される場合、核化鋳造装置は比較的大きな鋳造プレフォーム、即ち、直径が１６インチ以上のプレフォームを形成するために使用できる。本発明の装置によって鋳造される消耗性の供給電極は、大容量の溶融物質を核化鋳造装置に長時間にわたって供給するために、移送装置の出口から出た溶融物質の連続流を提供するのに適する寸法を有する。核化鋳造法により良好に鋳造できるプレフォームは偏析しやすい合金を含み、例えば、合金７０６、合金７１８、合金７２０、及びＲｅｎｅ８８のような複合ニッケル基超合金、チタン合金（例えば、Ｔｉ（６-４）及びＴｉ（１７））、特定の鋼、および特定のコバルト基合金である。鋳造により偏析しやすいその他の金属物質は当業者に容易に理解されるであろう。このような金属物質のプレフォームは、白点、フレックル、ベータ斑点（beta flecks）および中心偏析のような鋳造に関係する欠陥を生じることなく核化鋳造によって大直径に形成できる。もちろん、本発明の装置は偏析する傾向がない金属物質のプレフォームを鋳造するのにも使用できる。
【００２５】
ＥＳＲ及びＣＩＧと同様に、核化鋳造はこの技術分野で公知であり、そして当業者は、過度の実験をすることなく、本発明の説明を検討した後に、核化鋳造装置を作製できるか、又は既存の装置を本発明のように移送装置からの溶融物を収納できるように適応させることができる。核化鋳造及び溶射成形は共に、溶融流を噴霧化して多数の溶融合金の液滴を形成するために、ガスを使用するが、この２つの方法は基本的な点が相違する。例えば、それぞれの方法に使用される、金属に対するガスの質量比率（これは、ガスのキログラム／金属のキログラム、として測定できる）が相違する。本発明で使用される核化鋳造方法においては、衝撃の前に、鋳型の捕集表面又は各液滴の約３０容量パーセントまで形成されている鋳物の表面が凝固できるように、金属対ガスの質量比率及びフライト距離（flight distance）が選択される。これに対して、典型的な溶射成形法において捕集表面を衝撃する液滴は、例えば、米国特許５,３１０,１６５号およびヨーロッパ出願０２２５７３２号に記述されるように、約４０〜７０容量パーセントの固体を含有する。約４０〜７０容量パーセントのスプレー液滴が固体であることを確保するために、スプレー形成において液滴スプレーの生成に使用される金属対ガスの質量比率は典型的に１以上である。堆積した液滴が鋳型に適合して、空隙が鋳物内に保持されないようにするために、核化鋳造において、固体の比率を低くすることが選択される。溶射成形法に使用される４０〜７０容量パーセントの固体比率は、自立性のプレフォームを成形するために選択され、そして核化鋳造法には適合しないであろう。
【００２６】
溶射成形の別の特徴は、溶射成形及び核化鋳造の両方とも噴霧液滴が集まって固体プレフォームになるが、溶射成形において、プレフォームは堆積物質が適合する側壁を欠く回転コレクター上に堆積する。このような捕集方法に基づく重大な欠点は、ガスの捕捉によってプレフォーム内に気孔が生じ、また過剰な溶射によって大きな収量損失が生じることである。溶射成形されたインゴットの気孔は熱温加工を通じて減少するが、この気孔は後の高温熱処理を通じて再び現われる。この現象の一例は超合金中のアルゴンの閉じ込めから生じる気孔であって、これは熱誘導された多孔性試験（ＴＩＰ）を通じて発生し、そして低サイクル疲労破壊の核形成部位として作用する。
【００２７】
また、溶射成形は、大直径のプレフォームを成形する場合、有用性が制限される。このような場合、常に満足な鋳物を得るためには、溶射表面上に半液体層を維持する必要がある。このためには、溶射成形される表面のいかなる部分も、溶射コーンを出て、コレクターの回転軸の周りをコレクターと共に回転し、そして溶射コーンに再度入る過程を通じて、凝固してはならない。（遠心力により与えられる回転速度の制限と組合される）この制限によって、溶射成形可能なプレフォームの直径が限定されていた。例えば、単一のスプレーノズルを備える溶射成形装置のみが約１２インチ未満の直径を有するプレフォームを成形できる。本発明において、発明者は、核化鋳造を使用すると、溶融精製装置及び移送装置を組合わせて調製した溶融金属物質から形成される鋳物の寸法が大幅に増大することを発見した。溶射成形に比べて、核化鋳造法は鋳型に供給した液滴を均一に分布させることができ、それに続いて凝固が急速に起こるため、残留の酸化物及び炭窒化物は少なくなって、プレフォームの微細組織中に細かく分散する。核化鋳造法において、液滴の均一な分布は、例えば、一又はそれ以上の液滴スプレーノズルを走査する（rastering）ことによって、及び／又は鋳型を液滴スプレーに対して適当なパターンで平行移動及び／又は回転させることによって、達成できる。
【００２８】
本発明に従って作製された精製鋳造装置の概略を図２に示す。装置１０は、ＥＳＲ装置２０の形式の溶融し精製する装置、ＣＩＧ４０の形式の移送装置、そして核化鋳造装置６０を包含する。ＥＳＲ装置２０は鋳造される金属物質からなる消耗電極２４と電気接触する電源装置２２を備える。消耗電極２４は、例えば、銅又は他の適当な材料で構成されて底部が開放した水冷容器２６内に配置されたスラグ２８と接触する。電源装置２２は高アンペア数の低電圧電流を、消耗電極２４、スラグ２８及び容器２６を含む回路に供給する。電源装置２２は交流又は直流電流の電源装置であってもよい。電流が回路に流れると、スラグ２８の電気抵抗加熱によって、スラグ２８と接触する消耗電極２４の端部を溶融するのに十分な高さまで温度が増大する。消耗電極２４の溶融が始まると、溶融物質の液滴が形成され、そして電極供給装置（図示しない）が、電極の溶融に応じて電極２４をスラグ２８中に進めるために使用される。溶融物質の液滴が加熱されたスラグ２８を通過し、そしてこのスラグ２８は酸化物の介在物及び他の不純物を溶融物質から除去する。スラグ２８を通過した後、精製された溶融物質３０が前記容器２６の底に溜まる。次いで、精製された溶融物質３０の貯留物は重力によりＣＩＧ４０内の通路４１に入る。
【００２９】
ＣＩＧ４０はＥＳＲ装置２０と密接に結合し、例えば、ＣＩＧ４０の上端部はＥＳＲ装置２０の下端部と直接に連結できる。装置１０において、容器２６はＥＳＲ装置２０の下端部とＣＩＧ装置４０の上端部との両方を形成する。従って、本発明の精製鋳造装置において、溶融精製装置、移送装置、及び核化鋳造装置は、一又はそれ以上の構成要素を共用できることが、理解される。ＣＩＧ装置は電流搬送コイル４２で囲まれたじょうご形状の移送部分４４を含む。電流が交流電源（図示しない）からコイル４２に供給される。コイル４２は誘導加熱コイルとして作用し、そして移送部分４４を通過する精製溶融物質３０を選択的に加熱するために使用される。コイル４２は、移送部分４４に結合した導管を通して、水のような適当な冷却液を循環させることにより冷却される。冷却液の冷却効果によって、凝固物質のスカル（図示しない）が移送部分４４の内壁に形成される。移送部分４４の加熱及び／又は冷却は、ＣＩＧ４０を通る溶融物質３０の流れの速度を制御するか、又は溶融物質の流れを完全に中断するために、使用されてもよい。好ましくは、ＣＩＧ４０は、ＥＳＲ装置２０を出る溶融精製物質が大気から保護され、そして例えば酸化されないように、ＥＳＲ装置２０と密接に結合される。
【００３０】
溶融物質はＣＩＧ４０の底部オリフィス４６を出て、核化鋳造装置６０に入る。核化鋳造装置６０において、適度に不活性な噴霧ガス６１が噴霧ノズル６２に供給される。噴霧ノズル６２を出るガス６１の流れは溶融物質３０の流れに衝突し、この流れを破壊して、液滴６４を形成する。生じた円錐状の液滴６４は側壁６６及び基部６７を含む鋳型６５に導入される。溶融物質が鋳型６５内に堆積するときに、基部６７が回転して、液滴を均一に堆積できる。装置１０で製造される液滴６４は従来の溶射鋳造で製造されるものよりも大きい。大きな液滴６４は、これらが低い酸素含量を示し、そして噴霧用のガス消費量が少ないことにおいて、従来の溶射鋳造よりも優れている。また、核化鋳造装置６０によって製造される液滴のガス対金属の比率は、溶射成形で従来使用された比率の２分の１より小さくてもよい。鋳型６６内に所望の固体対液体の比率を有する半固体物質を提供するために、ガス６１の流量及び液滴６４の飛距離が調節される。液体に対する固体の所望の比率は、容量対容量で、５％〜４０％の範囲である。比較的低い固体分比率の液滴を鋳型６６に導入すると、それが満たされたときに、鋳型６６の形状に適合する低粘度の半固体物質６８の堆積が形成される。
【００３１】
液滴６４のスプレーの衝突によって、プレフォーム７２の上面７０に乱流帯域が形成される。この乱流帯域の深さは噴霧ガス６１の速度及び液滴６４の寸法と速度に依存する。液滴６４が凝固するとき、所定の物質の格子構造の特徴を有する固体の細粒が液体中に形成される。次いで、各液滴中に形成し始める固体の細粒は、近傍の他の原子がこれらに付着する傾向を示す核として作用する。液滴６４の凝固を通じて、多くの核が種々の位置で独立して生成し、そしてランダムな結晶方位を示す。原子が次々と繰り返し付着することにより、結晶が互いに交わり始めるまで、それぞれの核から外側に伸びる同じ基本的なパターンの結晶が成長する。本発明では、それぞれの液滴６４中に十分な核が微細な樹枝状構造物として存在するため、生じるプレフォーム７２は均一な等軸晶粒から構成される。
【００３２】
鋳型６５内に堆積した物質中に所望の固体比率を維持するために、噴霧点とプレフォーム７２の上面７０との間の距離が制御される。従って、本発明の装置１０は、鋳型６５の基部６７に取付けられた伸縮自在の支軸（stalk）７５を含む距離調節装置を具備できる。物質が堆積して、側壁６６に適合するにつれて、基部６７が連続的に下方に引き込まれ、これによって、噴霧ノズル６２とプレフォーム７２の表面７０との間の距離が維持される。基部６７を下方に引き込むと、凝固したプレフォームの壁の一部が鋳型６５の壁６６の下方に露出する。
【００３３】
ＣＩＧと核化鋳造装置との単一の組合わせだけが装置１０に含まれるように示されているが、多重の噴霧スプレー装置が含まれるか又は溶融精製装置（ＥＳＲ装置のような）と一つの鋳型に供給する噴霧スプレー装置との多重の組合わせが含まれてもよい。例えば、単一のＥＳＲ装置の下流に多重移送装置／噴霧ノズルの組合わせを使用する装置は、多重の噴霧スプレーが鋳型の広い領域を被覆できるため、大きな直径のインゴットを製造できる。また、処理速度が増大し、そしてコストが低下する。あるいは、単一又は多重のＥＳＲ又は他の溶融精製装置は、この溶融精製装置に設けられた単一の供給電極から複数のプレフォームを形成するために、いくつかの鋳型に向けられた複数の噴霧ノズルを有していても良い。
【００３４】
本発明の上述の装置１０に対する他の可能な変更は下記を含む。即ち、核化鋳造されるプレフォーム７２を処理を通じて回転させるために、広い表面に液滴スプレーがより均一に分散できるように核化鋳造装置６０を配置する。また、多重噴霧ノズルを単一の鋳型に適用する。また、１又はそれ以上の噴霧ノズルが往復できるように装置１０を配置する。上述のように、ＶＡＲ装置は、消耗電極２４を溶融するＥＳＲ装置２０の代わりに使用できる一つの溶融精製装置である。ＶＡＲにおいて、消耗電極はＤＣ電流の印加により溶融し、そして導電性スラグを通過しない。
【００３５】
本発明の装置１０に対するその他の可能な変更は、セラミック又は他の適当な耐火材料の壁で構成された通路を有する部材を、ＣＩＧ４０の代わりに移送装置として採用して、ＥＳＲ装置２０（又は他の溶融精製装置）で溶融した物質を核化鋳造装置６０に移送することである。このような場合には、移送装置内の通路は、通過する物質を加熱する手段を必要としないため、核化鋳造装置６０への溶融物質の流れを調節する上での柔軟性は少ないであろう。
【００３６】
また、装置１０は、プレフォーム７２の回収方法を変更して、プレフォーム７２の許容できる表面仕上げを維持できるようにしてもよい。例えば、装置１０は、鋳型６５が往復運動し（即ち、鋳型が上下動し）、鋳型６５が振動し、及び／又はプレフォーム７２が従来の連続鋳造技術で使用されているような方法で往復運動するように、構成されてもよい。装置１０のその他の可能な変更は、１又はそれ以上の噴霧ノズルがスプレーを走査させる（raster）ように運動して、プレフォームの表面上の被覆範囲が増大するように、装置を変更することである。装置は１又はそれ以上の噴霧ノズルが適当なパターンで動くようにプログラムされてもよい。
【００３７】
また、プレフォームの気孔度を最小に維持するために、核化鋳造が行われるチャンバーを、例えば、１／３〜２／３気圧のような部分真空に維持してもよい。このチャンバーを部分真空に維持すると、鋳造される物質の純度を良好に維持できる利点もある。また、この物質の純度は、鋳造を保護ガス雰囲気中で実施することにより維持されてもよい。適当な保護ガスとしては、例えば、アルゴン、ヘリウム、水素、及び窒素がある。
【００３８】
上述の鋳造装置１０においては、ＥＳＲ装置２０、移送装置（ＣＩＧ４０）、及び核化鋳造装置６０は、連続して組合わされた相対的に分離した装置として説明されているが、装置１０は必ずしもこのように構成される必要はないことが理解されるであろう。個々の分離可能な溶融／精製装置、移送装置、及び鋳造装置から構成される以外にも、装置１０は、これらの分離し、そしてそれぞれ独立して動作できる装置に分解されることなく、これらの装置のそれぞれの特徴を組み込むことができる。従って、溶融精製装置、移送装置、及び核化鋳造装置に対する添付の特許請求の範囲の記述は、実施可能性を失うことなく、これらの個々の装置群が本発明の装置において分離できることを意味すると解釈されるべきではない。
【００３９】
下記のコンピュータシミュレーション及び実施例によって、本発明の装置及び方法によって与えられる利点が確認される。
実施例１−コンピュータシミュレーション
コンピュータシミュレーションは、本発明の装置によって製造されたプレフォームは従来の方法で製造されたインゴットよりも著しく速く冷却することを示す。図３（鋳造機に対する質量流量が０．０６５ｋｇ／秒、又は約８．５ポンド／分）及び図４（鋳造機に対する質量流量が０．１９５ｋｇ／秒）は、下記の表１に示されたパラメーターを使用して、本発明の装置１０により鋳造されたプレフォームの温度及び液体体積分率に基づく計算された効果を示す。
【００４０】
【表１】
2004523359.tif 000001
【００４１】
図３及び図４のグラフで与えられた等温データは、シミュレーションにより得られたプレフォームの表面温度が合金の液相線温度以下であることを示す。図３及び図４に対して計算された最高のプレフォーム温度は、それぞれ１５５２°Ｋ及び１６００°Ｋである。従って、スプレーの下のプールは半固体であり、そしてこのプールの半固体の性質は図３及び図４のグラフで示される液体比率のデータにより示される。
【００４２】
下記の表２はコンピュータシミュレーションの特定の結果を前記脚注１で報告された類似の寸法のプレフォームのＶＡＲ鋳造の典型的な結果と比較する。表２は、本発明の装置１０により作製されたプレフォームの表面上の物質のプールは半固体であるが、これに対し、従来のＶＡＲ処理により製造されたものは表面下６インチまで完全に液体であることを示す。従って、特定のプレフォームの寸法に関して、本発明に従って作製された装置により鋳造されたプレフォームの凝固領域から除去される潜熱は実質的に少ない。これは、プールの半固体の性質と相まって、ミクロ偏析、及びフレックル生成の可能性、中心偏析、及び有害なマクロ偏析の生成を最少に抑えるであろう。また、本発明は、白点欠陥の生成、ＶＡＲ法に固有の欠陥の可能性を完全に除去する。
【００４３】
【表２】
2004523359.tif 000002
【００４４】
実施例２−試験的鋳造
本発明に従って作製された装置を使用して試験的鋳造を実施した。装置１００が図５に示され、そしてその大きさを理解するために、全体の高さは約３０フィートであった。装置は、一般にＥＳＲヘッド１１０、ＥＳＲ炉１１２、ＣＩＧ１１４、核化鋳造装置１１６、そして、鋳造を実施する鋳型１２０をつかんで動かす材料運搬装置１１８を備える。また、装置１００は１２４として示される電極を溶融する電力を供給するＥＳＲ電源１２２、及びＣＩＧ１１４の誘導加熱コイルに電力を供給するＣＩＧ電源１２６を備える。
【００４５】
ＥＳＲヘッド１１０はＥＳＲ炉１１２内の電極１２４の動きを制御する。ＥＳＲ炉１１２は典型的な構造であって、長さが約４フィートで直径が１４インチの電極を保持できるように構成した。試験的鋳造に使用される合金の場合、このような電極の重量は約２５００ポンドであった。ＥＳＲ炉１１２はのぞき窓１２８及び１３０を有する中空の円筒形銅製容器１２６を含む。のぞき窓１２８及び１３０はスラグ（１３２で示す）を添加し、そしてＥＳＲ炉１１２内の温度を評価するために使用した。ＣＩＧ１１４は約１０インチの縦の長さを有し、そして冷却液循環通路を含む銅壁によって囲まれて、溶融物質を通す中心孔を含む標準的な構造からなる。この銅壁は、ＣＩＧ１１４を通過する物質の温度を制御するための誘導加熱コイルによって囲まれる。
【００４６】
核化鋳造装置１１６は鋳型１２０を囲むチャンバー１３６を備える。チャンバー１３６は鋳造が実施される保護窒素雰囲気中で鋳型１２０を囲む。チャンバー１３６の壁は、図５において、鋳型１２０及びチャンバー１３６内に組み込まれた器具が見えるように、透明で示される。鋳型１２０は材料運搬装置１１８のロボットアーム１３８の端部に保持される。ロボットアーム１３８は、核化鋳造装置１１６のノズルから放射される１４０で示される溶融物質のスプレーに対して、鋳型１２０を支持して平行移動させるように、設計される。しかしながら、この試験的鋳造においては、ロボットアーム１３８は鋳造を通じて鋳型１２０を平行移動しない。チャンバー１３６の他の利点は鋳造を通じて生じた過剰のスプレーを集めることである。
【００４７】
供給された溶融物用の加工素材は鋳造物であって、表面が研削された１４インチ直径のＶＩＭ電極であり、表３に示した取鍋の化学的組成を有する。この電極を図５の装置１００を用いて３３ポンド／分の供給速度でエレクトロスラグ再溶解した。ＥＳＲ炉１１２で使用したスラグは、次の組成、即ち、重量パーセントで５０％ＣａＦ2、２４％ＣａＯ、２４％Ａｌ2Ｏ3、２％ＭｇＯを有する。ＥＳＲ処理で精製した溶融物をＣＩＧ１１４を通じて核化鋳造装置１１６に移送した。ＣＩＧ１１４は、ガスと水を再循環させて作動させ、ＣＩＧ１１４内の溶融物質の温度を制御した。アルゴンガスの噴霧を実施して、核化鋳造装置１１６内に液滴スプレーを生成させた。核化鋳造装置１１６内に組み込まれた噴霧ノズルを用いて達成される最低の０.３のガス対金属比率を採用した。噴霧された液滴を鋳型１２０の中央に堆積させた。この鋳型は１６インチ直径、８インチの深さ（内部の寸法で）を有する冷却されない１インチ厚さの鋼鋳型であって、この鋳型の基部の板は Kawool 絶縁物で被覆されている。上述のように、鋳型１２０は、プレフォームが鋳造されるとき、走査されず、また円錐形のスプレーも走査されなかった。
【００４８】
鋳造されたプレフォームから中心線での板材を切り出して、分析した。また、中央半径（mid-radius）位置の部分から切り出された２.５×２.５×５インチの切断片を５インチから１.７インチの高さまで１９５０°Ｆでアプセット鍛造して、マクロ偏析に対するエッチング検査性を向上させた。二つの位置における鋳造プレフォームの化学組成を表３に示す。
【００４９】
【表３】
2004523359.tif 000003
【００５０】
液相線のプールの深さの指標を付けるために、１５分のスプレー運転の１４分の時点において溶融したＥＳＲプールにスズの添加が行われた。堆積した後の０．２５インチ毎にスズの含有量が測定された。液相線と固相線の各々の境界の間の測定された距離は４〜５インチと見積もられた。これは、実施例１に記載されたモデルによって予測される浅い溶融したプールを確証するものである。プレフォームの目視検査によって、鋳型の全体を満たすためには堆積される材料は更なる流動性を必要とすることを示す特定の欠陥が明らかになった。ガス対金属の比率を低下させることによって、すなわち噴霧化を行うことなく金属材料の流れを注ぐことによってプレフォームを ”ホットトップ”するための試みは行われなかった。プレフォームの内部に欠陥が形成されるのを防ぐために堆積の工程に対して適当な調整を行うことができるだろう。
【００５１】
上記の核化鋳造プロセスによって製造されたプレフォームのスプレーされた後の組織および同じ材料からなる直径２０インチのＶＡＲインゴットからの鋳造後のものの顕微鏡写真をそれぞれ図６と図７に示す。核化鋳造（ＮＣ）されたプレフォーム（図６）は、結晶粒界に存在するラーベス相を伴う均一な等軸晶のＡＳＴＭ４.５結晶粒組織を有する。幾つかの結晶粒界にδ相も現れているが、しかしこれはおそらく、鋳造されたプレフォーム材料に対して行われた機械焼鈍（machining anneal）の間に析出したものである。ＶＡＲインゴットは大きな結晶粒サイズと大きなラーベス相の容積を有していて、スプレー鋳造された材料よりも大きなラーベス粒子を有する（ＶＡＲについて４０μｍ超、スプレー鋳造について２０μｍ未満）。
【００５２】
白点やフレックルのような巨視的な偏析に関係する欠陥はプレフォームには観察されなかった。結晶粒組織を改良し、また欠陥の発見を容易にするためにマルト（mult）がアプセット鍛造された。鍛造によって得られた大型プレートは、いかなる巨視的な偏析の欠陥も示さなかった。プレフォーム材料の酸化物と炭化物の分散はＶＡＲインゴット材料よりも改質され、それは溶射成形された材料において見いだされるものに類似していた。プレフォームにおいて、炭化物のサイズは２μｍ未満であり、酸化物のサイズは１０μｍ未満であった。典型的に、従来のＶＡＲによって鋳造された７１８合金の直径２０インチのプレフォームは、顕微鏡組織において６〜３０μｍの炭化物と１〜３μｍから３００μｍまでの酸化物を有する。本発明によって鋳造された材料において見いだされる炭化物と酸化物は溶射成形において見いだされるものに典型的なものであるが、しかしそれらは、ＶＡＲのような他の溶融プロセスにおいて見いだされるものよりも微細である（小さい）。これらの観察によって、本発明の方法は典型的にＶＡＲよりもずっと大きい鋳造速度を用いるとしても、本発明の方法においては同等の大きさのインゴットを得る従来のＶＡＲインゴット溶融物におけるよりも速い凝固が起こることが確証される。
【００５３】
表３に示される化学分析は、いかなる元素成分も示さない。特に、プレフォームにおいてニオブ成分は検出されない。ニオブは特に重要である。というのは、溶射成形されたインゴットにおいてはプレフォームの表面から中心へのこの成分の移動が検出されたからである。表３は、取鍋の化学組成とプレフォームについてのインゴットの化学組成の間の差異を論証する。これらの差異の原因は、化学組成の実際の差異というよりもむしろ、ＸＲＦ操作において用いられるプレフォーム試料の内部の気孔の存在にある。
【００５４】
試験的鋳造の結果に基づけば、鋳型の充填性を向上させて気孔の問題を防止するためには、より低いガス対金属の比率が望ましい。より流動性の高いスプレーの使用はミクロ偏析をある程度増大させるかもしれないが、しかしＶＡＲに関する試行において示される広い有益な範囲はそのようないかなる増大も許容するはずである。流動性が増大するのに伴って結晶粒のサイズも増大するかもしれないが、しかし新しい液滴の定常的な衝突は高密度の結晶粒核の部位を提供し、それによってプレフォームの内部での大きな結晶粒や柱状晶の形成が防がれる。より大きなスプレー流動性は液滴が鋳型を充填する能力を著しく向上させ、また流動性の高い衝突領域は側壁に再結合する堆積を低減させるだろう。より流動性の高い衝突領域のさらなる利点は、噴霧化ガスが材料から容易に逃散して、その結果気孔が低減することであろう。プレフォームの表面からの噴霧化ガスの脱ガスを促進するために、鋳造を部分真空（例えば１/２大気）下で行ってもよい。ガス対金属の比率を低下させることから生じる炭化物と酸化物のサイズの増大はわずかであろう。従って、液滴のスプレーの流動性の効果的な増大は、結晶粒の組織と第二相の分散にはほとんど影響を及ぼさないだろう。
【００５５】
従って、本発明の装置と方法は、偏析を生じさせやすい合金から直径の大きいプレフォームを鋳造する現行の方法の顕著な欠陥を解消する。この溶融精製装置は、有害な酸化物が実質的に存在しない精製された溶融合金の供給源を与える。移動装置は、精製された溶融合金を、酸化物の再汚染の可能性を低下させながら核化鋳造装置へ移動させる方法を提供する。この核化鋳造装置は、ＶＡＲ及び／またはスプレー鋳造に伴う鋳造欠陥を生じさせることなく、偏析を生じさせやすい合金から結晶粒が小さくて大直径のインゴットを有利に製造するのに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に従う精製及び鋳造方法の一つの態様のブロック図である。
【図２】本発明に従って作製された精製及び鋳造装置の一つの態様の概略図である。
【図３】合金７１８の溶融物から成るシミュレートされた鋳物に対して計算されたパラメーターを示すグラフであって、この場合、図２で概略的に示されたように構成された精製鋳造装置が使用され、そして８.５ポンド／分の質量流量で作動させた。
【図４】合金７１８の溶融物から成るシミュレートされた鋳物に対して計算されたパラメーターを示すグラフであって、この場合、図２で概略的に示されたように構成された精製鋳造装置が使用され、そして２５.５ポンド／分の質量流量で作動させた。
【図５】実施例２の試験的鋳造で使用された本発明の装置の態様を示す。
【図６】本発明に従って作製された装置を用いて鋳造されたインゴットのスプレーされたままの中央部縦方向の顕微鏡写真（約５０倍の倍率）であって、ＡＳＴＭ４.５の等軸結晶粒組織を示す。
【図７】２０インチ直径のＶＡＲインゴットから得た鋳造したままの顕微鏡写真（約５０倍の倍率）である。