(57)【要約】本発明は、冷壁誘導るつぼから連続的及び準連続的なビレット引き抜きによって、金属合金インゴット及び金属間合金インゴットを製造する方法に関する。この方法は、合金材料が、プリ均質化された溶解状態で冷壁誘導るつぼに連続的又は準連続的に供給されることを特徴とする。
2005508758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷壁誘導るつぼからの連続的又は準連続的なビレット引き抜きによって、金属合金インゴット及び金属間合金インゴットを製造する方法において、
合金材料が、プリ均質化された溶解状態で、連続的または準連続的に冷壁誘導るつぼに供給されることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、金属間のγ-ＴｉＡｌ基の合金インゴットが製造されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法において、
合金が和の公式、ＴｉｘＡｌｙ（Ｃｒ，Ｍｎ，Ｖ）ｕ（Ｚｒ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｉ）ｖ（Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｙ）ｗで記述され、
合金構成要素の濃度が、
ｘ＝１００−ｙ−ｕ−ｖ−ｗ
ｙ＝４０〜４８、好ましくは４４〜４８
ｕ＝０．５〜５
ｖ＝０．１〜１０
ｗ＝０．０５〜１
の範囲（原子％）内にあることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載のどんな直径も調節可能な、高い均質性と低い多孔率の金属合金インゴット及び金属間合金インゴットを製造する方法において、
上記方法が、
（ａ）選択した出発材料を従来通り混合、圧縮することにより電極を製造し
（ｂ）ステップ（ａ）で得られた上記電極を従来の融解-冶金プロセスで少なくとも一度再溶解し
（ｃ）ステップ（ａ）及び（ｂ）で得られた上記電極を高周波数コイルで誘導的に溶解し
（ｄ）ステップ（ｃ）で得られたプリ均質化された溶解材料を冷壁誘導るつぼで均質化し
（ｅ）ステップ（ｄ）の上記冷壁誘導るつぼから、冷却によって固まった溶解物を、自由に調節可能な直径及び長さの固まったインゴットの形状で引き抜く
という順序に基づくことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、
上記方法が、
（ａ）選択した出発材料を従来通り混合、圧縮することにより電極を製造し
（ｂ）ステップ（ａ）で得られた上記電極を従来の融解-冶金法によって少なくとも一度溶解し
（ｃ）冷るつぼプラズマ炉で溶解することにより、ステップ（ｂ）で得られた電極材料のプリ均質化された溶解材料を製造し
（ｄ）ステップ（ｃ）で得られた上記プリ均質化された溶解材料を冷壁誘導るつぼで均質化し
（ｅ）ステップ（ｄ）の上記冷壁誘導るつぼから、冷却によって固まった溶解物を、自由に調節可能な直径及び長さの円柱状インゴットの形状で引き抜く
という順序に基づくことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１〜４に記載の方法において、上記プリ均質化された溶解材料を製造するための溶解プロセスが、７０〜３００ｋＨｚの範囲の周波数の高周波数フィールドで行われる事を特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１〜４に記載の方法において、上記プリ均質化された溶解材料の温度が１４００〜１６００℃の範囲であることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜４に記載の方法において、誘導コイルを用いて上記プリ均質化された溶解材料を製造するために用いられる電極（ｃ）が、好ましくは２〜５ｒｐｍの速度で回転することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜４に記載の方法において、誘導溶解の場合、インゴットは冷壁誘導るつぼから同時に引き抜かれるのに対し、上記方法が準連続的に供給される一つ又は幾つかの電極によって準連続的に実行されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜４に記載の方法において、ステップ（ｄ）における冷壁誘導るつぼでの均質化が１４００〜１７００℃の温度で行われることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１〜４に記載の方法において、ステップ（ｄ）における冷壁誘導るつぼでの均質化が４〜２０ｋＨｚの周波数範囲で行われることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１〜４に記載の方法において、ステップ（ｄ）におけるインゴット引き抜きの際、水冷銅セグメントを用いて上記溶解物の冷却が行われることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１〜４に記載の方法において、ステップ（ｄ）で引き抜かれた上記インゴットの直径が４０〜３５０ｍｍの範囲にあることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３に従って製造されるγ-ＴｉＡｌ基の合金インゴットにおいて、
（ａ）長さの直径に対する比＞１２
（ｂ）最大で±０．５原子％のアルミニウム及びチタンの局所的な巨視的変動に関連する均質性；最大で±０．２原子％の別な金属性合金構成要素；最大で±０．０５原子％の非金属性合金添加物（ホウ素、炭素、珪素）
を特徴とする合金インゴット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い化学的及び構造的均質性の金属合金インゴット及び金属間合金インゴット、特にγ-ＴｉＡｌのインゴットを低コストで製造する新規な融解−冶金学的方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空学、宇宙航行学及びモーターレースでは、２０００年以降、γ-ＴｉＡｌ基の金属間合金が実験室の発展段階から産業上の使用にまで発展してきた。有利には、耐熱特性と低重量特性を結び付けることによって、それらは航空学及び宇宙航行学で用いられる。耐熱性及び耐食性によって、その材料は、エンジンの素早く動く構成部品、例えば燃焼機関のバルブやガスタービンの刃に用いるのに勧められる。この材料の特性は、今のところ構造用材料では知られていない程化学的及び構造的均質性に依存する。従って、対応する高品質のインゴットを製造することは、技術的に非常に複雑でコストがかかる。均質なインゴットは、出発材料としてＴｉＡｌの別な半製品や構成部品を製造するために、様々な工程経路で必要である（非特許文献１、非特許文献２及び非特許文献３参照）。
【０００３】
現在用いられるγ-ＴｉＡｌ基の技術的な合金は多相構造であり、典型的に５〜１５体積％の割合で整列した六方晶のα２Ｔｉ３Ａｌを含み、さらに主な相として整列した正方晶のγ-ＴｉＡｌを含む。合金元素のような耐熱金属により、準安定の体心立方（ｂｃｃ）相が形成される。この相は、β相（整列していない）かＢ２相（整列している）のどちらかとして現れる。これらの合金添加物は、耐酸性化及びクリープ強度を改善する。少量のＳｉ、Ｂ及びＣが鋳造組織の強度増加のために働く（非特許文献４、非特許文献５及び非特許文献６参照）。対応するＣの含量により析出硬化が引き起こされる（非特許文献７）。さもなければ、合金元素Ｃｒ、Ｍｎ及びＶは、非常にもろいＴｉＡｌの室温の延性を増加させる。使用する分野によるが、合金の発展により、以下に詳しく記述する多数の合金のバリエーションがもたらされた。
【０００４】
ＴｉＡｌ合金は通常、真空アーク炉（図１）で複数の再溶解によってインゴットとして製造される（ＶＡＲ−真空アーク再溶解）。合金構成要素を全て含む加圧された電極（electrode）が溶解され、直径が拡大する。基本的な問題は、γ-ＴｉＡｌインゴットの合金組成における不均質性の発生から生じる。二度又は三度溶解したγ-ＴｉＡｌインゴット材料におけるＡｌ含量の比較により、±２原子％の範囲のＡｌ含量の局所的揺らぎが、二度溶解したγ-ＴｉＡｌインゴットでまだ観測されることが明らかである（図２参照）。ＶＡＲミルで三度溶解することが十分な合金の均質性を得るために必要である（非特許文献７、非特許文献８、非特許文献９参照）。
【０００５】
チタン合金（インゴットの直径は１．５ｍになる）と異なり、γ-ＴｉＡｌの場合、実現可能な直径は制限された成形性のために明らかに制限される。現在、市場では約２００ｍｍの直径のインゴットだけに圧倒的な需要がある。
【０００６】
ＶＡＲ技術を用いることにより、溶解作業につき約４０ｍｍの直径にまで増加する。約２００ｍｍの最終的な直径を目指す際、これは、プロセスが４０％台の気孔率で最大直径約６０ｍｍの加圧された電極から進まなければならないことを意味する。小さな直径は、加圧された電極の強度を、従って場合によっては使用する長さを約１．５ｍ（これは、約１８ｋｇの全質量に一致する）に制限する。材料は溶解サイクルにつき少ししか溶解されないので、初めに加圧された電極の直径が小さければ小さいほど、製造コストは高くなる。直径１８０ｍｍで、長さ１０００ｍｍの三度再溶解されたＶＡＲインゴットは−先行技術の産業形態に応じて−１０の溶解作業（６つの第一溶解作業、３つの第二溶解作業、１つの第三溶解作業）の全部を必要とし、これには幾らかコストがかかる。現在、インゴットにつき材料のロス（ひけ巣など）は３５％である。さらに、慣例の製造方法はインゴットの直径選択において少しも適応性がない。
【０００７】
チタン合金インゴットの製造の可能な選択は、冷ハース電子ビーム溶解とプラズマアーク冷ハース溶解（ＰＡＣＨＭ）である。電子ビーム溶解（図３の上参照）が純粋な合金でないチタンのためのみに用いられてきた一方、ＰＡＣＨＭ法（図３の下参照）は、チタン合金の製造とγ-ＴｉＡｌインゴットの製造のためにも用いられる。この場合、出発材料はプラズマトーチによって冷るつぼ（cold crucible）で溶解され、液体溶解物は、プラズマトーチで熱されたチャネルシステムを介して、一様にプラズマ加熱されたビレット放出部に供給される。この方法は、不十分な合金の均質性をもたらし、それはその方法の限界によるものである（非参照文献１０参照）。プラズマ加熱されたビレット放出部における溶解物の均質性の改善のために誘導コイルを加えても、所望の結果は見られなかった（非特許文献１１、非特許文献１２、非特許文献１３及び非特許文献１４参照）。
【０００８】
さらに、冷壁誘導やプラズマ炉からのインゴット鋳造を用いたγ-ＴｉＡｌ基の合金、又は冷壁るつぼからの不活性ガススプレーを用いたγ-ＴｉＡｌ基の合金から、γ-ＴｉＡｌ粉末を製造し粉末冶金加工することが技術的に実現されている。今のところ、これらの可能な選択は不十分な微細構造（インゴット鋳造による多孔率）と過度のコスト（粉末冶金）になっている。
ＶＡＲ技術の代わりに、米国の特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４が示されている。
【特許文献１】US4923508
【特許文献２】US5003551
【特許文献３】US5014769
【特許文献４】DE-A-4102101
【特許文献５】DE-A-19631582
【特許文献６】US5892790
【特許文献７】US6144690
【特許文献８】DE-A-19852747
【特許文献９】DE-A-19650856
【特許文献１０】DE-A-19631583
【特許文献１１】DE-A-19631584
【非特許文献１】H. Clemens and H. Kestler (2000), Advanced Engineering Materials 9, 551
【非特許文献２】Y.-W. Kim (1994), JOM 46 (7), 30
【非特許文献３】P.A. Bartolotta and D.L. Krause (1999) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, D.M. Dimiduk and M.H. Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999), 3-10
【非特許文献４】B. Inkson and H. Clemens (1999), MRS Symp. Proc.552, KK3.12
【非特許文献５】S. Huang, E. Hall, D. Shuh (1991), ISIJ International 31 (10), 1100
【非特許文献６】Y.-W. Kim and D.M. Dimiduk (1991), JOM 8, 40
【非特許文献７】V. Guether, A. Otto, H. Kestler and H. Clemens, (1999) in Gamma Titanium Aluminides, ed. Y.-W. Kim, D.M. Dimiduk and M.H. Loretto, (TMS Warrendale, PA, USA 1999), 225-230
【非特許文献８】V. Guether, Properties, processing and applications of γ-TiAl, Proc. 9th Ti World Conference, 08-11.06.1999
【非特許文献９】St. Petersburg and V. Guether, H. Kestler, H. Clemens and R. Gerling, Recent Improvements in γ-TiAl Ingot Metallurgy, Proc. of the Aeromat 2000 Conference and Exhibition, (Seattle, WA, June 2000)
【非特許文献１０】W. Porter, Proceedings of 3rd Int. Symp. Structural Intermetallics, ed. K.J. Hemker et al., TMS Warrendale 2001, page 201
【非特許文献１１】M.Loretto, Titanium 95, Science and Technologies
【非特許文献１２】A.L. Dowson et al., in Gamma Titanium Aluminides (1995), ed. Y.-W. Kim, R. Wagner and M. Yamaguchi (TMS Warrendale, PA, USA 1995), 467-474
【非特許文献１３】M. Volas, Industrial Initiatives in Wrought Orthorhombic and Gamma TiAl Mill Products
【非特許文献１４】Proc. of the Aeromat 2000 Conference and Exhibition, Seattle, WA, June 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高い化学的な均質性を備えほとんど多孔率のないγ-ＴｉＡｌインゴットを複製可能に製造する方法を具体化することである。これは、上で明らかにした所望の高い均質性と低い多孔率を得るために多数の溶解ステップが必要なＶＡＲ法よりも、より簡単かつより低コストで実現される。さらには、その方法は、上で明らかにしたＶＡＲ法の制限の回避中に、技術的に合理的な範囲で、任意に合金インゴットの寸法を決める可能性を提供することを意図する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、合金材料を有する冷壁誘導るつぼから連続的及び準連続的なビレット放出によって、金属合金及び金属間合金を製造する方法で達成される（図４参照）。この合金材料は、溶融状態又はプリ均質化された状態であり、冷壁誘導るつぼに連続的又は準連続的に供給される。高い均質性で低い多孔率の金属合金インゴット及び金属間合金インゴットを製造するための連続的な鋳造方法は、以下の時系列のステップで記述される。
（ａ）選択した出発材料を通常通り混合し圧縮することにより電極を製造する
（ｂ）従来の融解−冶金学的プロセスによって、ステップ（ａ）で得た電極を少なくとも一度再溶解する
（ｃ）ステップ（ａ）と（ｂ）で得た電極を高周波数コイルで誘導的に溶解する
（ｄ）ステップ（ｃ）で得た溶解物を冷壁誘導るつぼで均質化する
（ｅ）ステップ（ｄ）の冷壁誘導るつぼから、冷却によって溶解物を自由に調節可能な寸法の固まったインゴットの形状で引き抜く
【００１１】
もう一つの選択肢として、高い均質性で低い多孔率の金属合金インゴット及び金属間合金インゴットを製造するための連続的な鋳造方法において、以下の順序が実行される（図５参照）。
（ａ）選択した出発材料を従来通り混合し圧縮することにより電極を製造する
（ｂ）従来の融解−冶金学的方法によって、ステップ（ａ）で得た電極を少なくとも一度再溶解する
（ｃ）冷るつぼプラズマ炉で溶解することにより、ステップ（ｂ）で得られた電極材料から、プリ均質化された溶解材料を製造する
（ｄ）ステップ（ｃ）で得られた溶解物を冷壁誘導るつぼで均質化する
（ｅ）ステップ（ｄ）の冷壁誘導るつぼから、冷却によって固まった溶解物を自由に調節可能な直径と長さの円柱状インゴットの形状で引き抜く
【００１２】
方法は好ましくは、金属間のγ-ＴｉＡｌ基の合金インゴットの製造のために用いられる。合金は一般的に、以下の和の公式で記述される。
ＴｉｘＡｌｙ（Ｃｒ，Ｍｎ，Ｖ）ｕ（Ｚｒ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｉ）ｖ（Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｙ）ｗ
【００１３】
合金構成要素の濃度は通常、以下の範囲内である（原子％）。
Ｘ＝１００−ｙ−ｕ−ｖ−ｗ
ｙ＝４０〜４８、好ましくは４４〜４８
ｕ＝０．５〜５
ｖ＝０．１〜１０
ｗ＝０．０５〜１
【００１４】
ステップ（ｃ）における電極の誘導溶解は、好ましくは７０〜３００ｋＨｚ、特に７０〜２００ｋＨｚの周波数の高周波数帯で、好ましくは１４００℃〜１７００℃、特に１４００℃〜１６００℃の温度で生じる。一様な落下を得るために、電極は毎分４回転で回転する。電極の引き抜き速度は、０〜２００ｍｍ／ｍｉｎの間で連続的に変わる。
【００１５】
誘導溶解の場合、本方法は、準連続的に供給される一つ又は幾つかの電極によって準連続的に実行されるのが好ましい。一方、インゴットは冷壁誘導るつぼから同時に引き抜かれる。
【００１６】
ステップ（ｄ）の冷壁誘導るつぼの溶解物の均質化は、１０〜１００Ｋで（好ましくは４０〜６０Ｋで）過熱することにより行うのが好ましい。合金の組成に依存するが、これは１４００℃〜１７５０℃、好ましくは１４５０℃〜１７００℃の温度に対応する。コイルの周波数範囲は４〜２０ｋＨｚ、好ましくは４〜１２ｋＨｚである。
【００１７】
ステップ（ｅ）でインゴットを引き抜く際の溶解物の冷却は、水で冷やされた銅セグメントを用いて行うのが好ましい。インゴットの直径は、４０〜３５０ｍｍの範囲、特に好ましくは１４０〜２２０ｍｍの範囲である。
【００１８】
引き抜き速度は、５〜１０ｍｍ／ｍｉｎの間で調節可能である。引き抜き速度は、５０ｋｇ／ｈの範囲である落下速度（ステップｃ）に適応しなければならない。
【００１９】
本発明に従う方法により、一方で大きさの新規な組み合わせに優れ、他方で均質性に優れた、新規な金属間のγ-ＴｉＡｌ基の合金インゴットを製造することができる。ゆえに、本発明は以下の（ａ）と（ｂ）を特徴とする、金属間のγ-ＴｉＡｌ基の合金インゴットにも関連する。
（ａ）長さの直径に対する比＞１２
（ｂ）±０．５原子％よりも小さいアルミニウムとチタンの局所的な変動に関連する均質性；別な金属合金構成要素：±０．２原子％；非金属合金添加物（ホウ素、炭素、珪素）：±０．０５原子％
【００２０】
本発明に従う方法の要点は、合金材料がプリ均質化された溶解物を冷壁誘導るつぼ（ＫＩＴ）に連続的又は準連続的に供給することにある。本発明の範囲内では、驚くべきことに、金属合金インゴット及び金属間合金インゴットを製造するために働く電極材料を溶解することにより材料がかなり均質化されることが分かった。それで、これら二つのステップによって、ＶＡＲ法において比較的多数の再溶解ステップによってのみ達成される均質化の程度をできるだけ得るために、冷壁誘導るつぼでは後の一回の均質化のステップで用が足りる。従って、本発明に従う方法は実質的に、今のところ用いられるＶＡＲ法よりも複雑でなく、コストもかからない。
【００２１】
ＫＩＴには、主要な従来技術の機能、すなわちＫＩＴに常に固体状で供給される材料を溶解する機能がない。本発明に従う方法の本質的な利点は、材料がＫＩＴに液状で達するので、最終材料の不均質性を原因とする分離現象が生じないことにある。多層構造の固体合金がＫＩＴで溶解される時、この現象は常に観測される。
【００２２】
別な利点は、溶けた合金の均質化のための好ましい誘導コイルの周波数範囲が、固体合金を溶解するための好ましい周波数範囲より大きいことにある。驚くべきことに、これが、ＫＩＴで固まる溶解物から引き抜かれたインゴットの表面の多孔率をかなり減少させるのに役立ち、インゴットの質を改善する。
【００２３】
本発明に従う方法の特別な利点は、必要とされる合金インゴットのどんな大きさも、技術的に合理的な範囲内で自由に選択可能な冷壁誘導るつぼの大きさによって実現できることにある。これは、ＶＡＲ技術では保障されていない。
【００２４】
真空又は保護ガスによる方法の実行が好ましく、汚れていない製造廃棄物はプロセスに戻される。本発明によれば、材料のロスは従来のＶＡＲ技術の３５％に比べて１２％になる。
【００２５】
本発明に従う方法により、±０．５原子％よりも小さい主な合金要素（アルミニウムとチタン）の局所的な（巨視的な）変動がインゴット全体にわたって実現する。別な金属合金構成要素：±０．２原子％；強度増加要素（ホウ素、炭素、珪素）：±０．０５原子％。
【００２６】
本発明の範囲は、本質的に知られた従来技術のサブプロセスの新規な組み合わせも有する。このサブプロセスにより、ＫＩＴから連続的又は準連続的にビレットを引き抜くために、プリ均質化された液体材料の連続的又は準連続的な冷壁誘導るつぼへの供給が保障される。
【００２７】
これは特に、合金ロッドや合金電極のために誘導的に加熱された溶解装置（誘導落下溶解）の組み合わせと、ビレット引き抜き装置を備えたＫＩＴと、加熱されたチャネルシステムを備えたプラズマ冷壁炉及びスカル状のオーバーフロー部の組み合わせとに関連する。オーバーフロー部は上記ＫＩＴと上記ビレット引き抜き装置を有する。本発明に従う方法の両方の組み合わせを例示の実施形態と共に以下に詳しく示す。
【００２８】
電極の誘導溶解、ＰＡＣＨＭ法、冷壁誘導るつぼにおける合金の融解、及びセラミックや冷壁誘導るつぼからの合金ビレットの引き抜きのような、本発明に従う方法のこれらの組み合わせの重要なステップは、明らかに変化する境界条件、目的及び材料に伴って知られ、用いられている。
【００２９】
金属の誘導溶解は、例えば特許文献１、２及び３に記述されている。さらには電極を誘導溶解することも、いわゆるＥＩＧＡ法（電極誘導溶解ガスアトマイズ法）（特許文献４、特許文献５参照）によって、チタン合金粉末の製造と関連付けて記述されている。この方法では、合金電極が、アークオーバーに抗してセラミックスによって絶縁されたＨＦコイルに浸される。この場合のように、電極は表面溶解プロセスによって完全に溶解される。しずくが霧状にされるガスジェットで溶解物の別な処理が行われる。この方法は専ら粉末の製造に役立つが、インゴットの製造には役立たない。この記述では、ビレット引き抜き（インゴットの製造）の前に溶解物はＫＩＴでさらに均質化されることがある。
【００３０】
冷壁誘導るつぼにおける材料の溶解に関連する全ての従来技術に関して、特許文献６と特許文献７に記述されている。どちらの特許も、特許文献８と特許文献９と完全に異なるインゴットの製造を扱うわけではない。特許文献８及び特許文献９と、本発明の決定的な違いは材料の供給にある。本発明では、プリ均質化された溶解材料がＫＩＴに供給されるのに対し、上述の特許では固体材料がＫＩＴに与えられる。これは次のことを意味する。つまり、本発明では、ＫＩＴへのエネルギー入力が専らさらなる均質化と材料の液体維持の働きをする一方で、上述の特許では、溶解、均質化及び固体化が同じ場所（ＫＩＴ）で起こる。これにより分離の可能性が増す。
【００３１】
インゴットの引き抜き、特にセラミックるつぼからの引き抜きも従来の技術から知られている。従来技術の特許は圧倒的に非鉄金属（Ｃｕ、真鍮）のインゴットの引き抜きに関する。しかしながら、上で述べた特許文献８と特許文献９は冷壁誘導るつぼからのインゴットの引き抜きを有し、材料はプリ均質化された溶解材料でなく、インゴットが引き抜かれるＫＩＴに固体状で与えられる。これにより、上で述べたようにインゴットとして引き抜かれる材料の均質性が異なることになる。
【００３２】
電極製造は、粉末状の又は粒状化された合金構成要素を加圧及び／又は焼結することによって行われるのが好ましい（特許文献５、８、１０及び１１参照）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
結論として、本発明に従う方法は、化学的かつ構造的に均質な合金インゴット、特に鋳造順路のためのインゴット材料としてのγ-ＴｉＡｌインゴット又は鋳造順路のための再溶解ストックを製造するための融解−冶金学的技術を扱う。該技術は以下の組み合わせを有する。
−ＨＦコイルでの誘導溶解やＰＡＣＨＭ法によって、プリ均質化された溶解材料を製造する。どちらの場合でも、出発材料は合金構成要素の合計を有する。しかしながら、構成要素は不十分に均質に分散しているだけである；
−溶解材料を冷壁誘導るつぼに供給する；
−液体の（溶解された）材料を冷壁誘導るつぼ（ＫＩＴ）でさらに均質化する；
−好ましくはＫＩＴから連続的に引き抜く。
【００３４】
本発明のそれぞれのステップを以下に詳しく記述する。
先ず電極の製造が行われる。従来の融解−冶金学的方法、例えばＶＡＲ技術によって、全ての合金構成要素（Ｔｉスポンジ、Ａｌ顆粒、プリアロイ顆粒）を含む加圧された電極が、直径の拡大によって溶解され、例えば直径１５０ｍｍのロッドを形成する。これらは化学的な均質性が低く、ある多孔率を有するロッドである。それらは、後のビレットの引き抜きのための電極として役立つ。
【００３５】
第一の技術的なステップは、二つの内のどちらかの方法−誘導溶解かＰＡＣＨＭ法で説明される。どちらの方法も、プリ均質化された溶解材料の製造を目的とする。
【００３６】
誘導溶解の場合、通常の方法で溶解された電極が、ＨＦコイル（ＥＩＧＡ法に従って）（特許文献４と５参照）を用いてＫＩＴで誘導溶解される。コイル／落下材料のシステムとコイルの形状は密接に相互作用する。溶解速度とインゴットの直径に対する最小の要求に従えば、外部発振回路の周波数範囲は７０〜３００ｋＨｚになる。高周波誘導場が用いられる時、明白なスキン効果が溶解電極で生じると期待できる。熱伝導率の比較的低いチタンアルミナイドと併用すると、この効果により境界層で局所的な過熱が生じ、従って定量的には感知できないアルミニウムの蒸発が生じる。表皮層（skin layer）の顕著な電流の流れは高周波交流フィールドの本質的な特徴であり、ゆえに避けられないので、アルミニウムの蒸発を減少させる可能性が電磁場における材料の滞留時間を減少させることにあるだけである。合金の融解点より下の温度まで誘導加熱（約５００Ｈｚ〜４ｋＨｚの平均周波数）することによって、落とすための電極を一様に予熱することにより、すでに入力されたエネルギー量で溶解するのに場で必要なエネルギーと容量が減少する。これにより、個々のボリューム要素の交流場での滞留時間が、そして合計で落下する電極全体の交流場での滞留時間が減少する。その結果、溶解性能の増加や、低めのＨＦコイルの全容量が必要である。説明された要件と結果により、外部発振回路のデザイン及び寸法と、ＨＦ周波数が、構成された電極の予熱容量と密接に相互作用することにのみ意味があることが示される。電極供給率は、電極の直径が１５０ｍｍの場合、少なくとも５０ｋｇ／ｈの質量流量に対応する落下速度を可能にする範囲内で調節されなければならない。
【００３７】
ＰＡＣＨＭ法の場合、溶解プロセスはプラズマトーチによって実行される。プラズマトーチは、出発材料を溶かし、インゴットの放出の間周囲条件を一定に保つ二つの機能を有する。機械的に粉砕された合金成形体の形状の出発材料は、油圧台（platform）を介して溶解チャンバーに連続的に装入される。最後に、材料は水冷壁銅るつぼでプラズマトーチを用いて溶かされる。冷壁るつぼ（冷ハース）は、望んでいない溶解物の高密度（炉底の）含有物及び低密度含有物（フローティングスラグ）を削除するための計器として、またるつぼ／インゴット引き抜きシステムの溶解材料を供給するためのタンクとして働く。冷ハースの上のプラズマトーチのアンペア数は２７５〜５５０Ａの範囲であるが、用いられるプラズマトーチのタイプと数によって変わる。
【００３８】
後のステップでは、溶解物は冷壁誘導るつぼに供給される。可動な底を備えたＫＩＴでは、比較的多量の、ほぼ一定に保たれ溶けた体積の溶解物の均質性が電磁場の攪拌効果によってさらに改善される。るつぼの中の溶解物の滞留時間は約２０〜４５分になる。冷壁誘導るつぼ（ＫＩＴ）におけるスカル溶解は、長年産業的に確立されてきた技術である。水冷銅るつぼにおける電磁誘導により、材料を加熱し溶解するのに用いられる場が作られる。同時に、発生するローレンツ力の一部がるつぼ壁の溶解物を圧搾し、その結果、溶解物中に溶解相を見事に混合する循環流れを確立する。るつぼ底の付近とるつぼ壁の底部分では、特有な固体スカルが発達し、電磁場の形状（フォーム）によって調整される。ローレンツ力で作られる自由面と組み合わせて、このスカルが、溶解物がるつぼに直接触れることを妨げ、溶解全体にわたってどんな汚れの危険をも排除し、ミルの安全性を保障する。
【００３９】
誘導溶解の場合、一度に幾つかの電極を置ける接続された電極置き場によって、ＫＩＴへの溶解物の連続供給が保障される。次いで、電極は連続的に溶かされる。ＰＡＣＨＭ法の場合、機械的に粉砕され、プリアロイされた材料のリチャージが油圧台によって起こる。
【００４０】
誘導場のフォームに直接依存する底のスカル、厚さ及び外見（Habitus）が、半製造の可能性の出発点を提供する。底がプロセス中に低くされると、新しい平衡状態が先の底のスカル上で成長する別な層によって形成するようにシステムは反応する。連続的に底を低くすることにより、安定して適応する平衡状態のシステムがもたらされ、その結果底の層がほとんど連続的に成長する。底のスカルのベースはるつぼの底によって定められるので、別な層の成長は半製品（鋳造）を発生させることになる。しかしながら、ＫＩＴからの塊の安定排出も別な溶解材料の供給を必要とする。
【００４１】
インゴット引き抜きの際の溶解物の冷却は、水冷銅セグメントを用いて行うのが好ましい。
ＫＩＴからのインゴット引き抜きにより、化学的に均質で、ほぼ非多孔質のインゴットが作られる。この方法では、ＫＩＴの直径はかなりの程度自由に選択可能であり、様々なインゴットの直径の選択を提供する。引き抜き速度は０〜５０ｍｍ／ｍｉｎの範囲が好ましい。
【００４２】
本発明に従って製造される製品は様々な目的で用いられる。主に、半製品がそれらから変形（押し出し）の第一ステップで作られる。次いで半製品は、変形順路（鍛造、圧延）でさらに加工されるのに用いられる。構造的に化学的に高品質なインゴットが、変形順路を介するγ-ＴｉＡｌ基の構成要素の製造のために必要である。これら構成要素は例えば、優れた品質と最高の要件の要求に従わなければならないバルブやタービンの刃である。
【００４３】
さらに、本発明による製品は、精密鋳造と遠心鋳造によって未加工鋳造品を製造するために再溶解ストックとしても役立つ。再溶解ストックは、精密及び遠心鋳造順路のために出発材料として必要である。インゴットとは反対に材料は再び溶かされるので、化学的、構造的品質は重要でない。ゆえに、本発明に従う方法ではステップ（ｂ）は省略でき、加圧された電極はそれぞれ誘導的に直接溶解され、プリミックスされた成形体がＰＡＣＨＭ法で溶解される。精密鋳造順路は、複雑なデザインと複雑な要件の構成要素を製造するために役立つ。ここで、商品化されたγ-ＴｉＡｌ基のターボ過給機が例を用いて述べられる。遠心鋳造は、簡単なデザインと要件の構成要素（例えばバルブ）を大量に低コストで製造する方法である。本発明に従う方法で再溶解ストックを製造することにより、対応する先行技術の製品よりも明らかにより均質な製品になり、インゴット引き抜きにより、どんな円柱の寸法も製造できる。一方で、今のところ用いられる方法は手に入る鋳型の寸法に依存する。本発明に従う方法によって、再溶解ストックの直径と長さが自由に選択可能になる。これは、顧客の要求を直接考慮する簡単な方法である。
【００４４】
本発明の具体的な実施形態の後続する例は説明を介して与えられる。
例１（図４参照）：
例は、直径１８０ｍｍで長さ２６００ｍｍを有するＴｉ-４６．５Ａｌ-４（Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂ）（原子％で示す）の組成のγ-ＴｉＡｌ基合金の鋳造インゴットの連続的な製造を示す。
【００４５】
第一ステップは、Ｔｉスポンジ状の合金構成要素と、Ａｌ顆粒と、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ及びＢのための適切なプリアロイとを全て含む加圧された電極から、直径１５０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの一度ＶＡＲ溶解された電極を四つ製造することにある。まだ均質でないロッドは、ＨＦコイルで誘導溶解によってプリ均質化された溶解材料を製造するための電極として働く。電極は最下部では円錐形であり、設定角度は約４５度である。
【００４６】
誘導溶解の際、電極は、四つの電極全てを保持する貯蔵所から円錐形デザインと同様のＨＦ溶解コイルに供給され、誘導的に溶解される。溶解は円錐の全表面で始まり、円錐の先端に集まり、溶解物ストリームになる。そこで材料はプリ均質化される。重力により、溶解物は、溶解コイルの下に位置する冷壁誘導るつぼに達する。溶解コイルの外側発振回路の周波数は８０．６ｋＨｚである。溶解コイルの上に設けられた補助コイルを用いて、誘導加熱（平均周波数約５００Ｈｚ〜１ｋＨｚ）により、落下電極を合金の融解点（約１３００℃）より低い温度まで一様に予熱することによって、５０ｋｇ／ｈ以上の増加した溶解容量を得られる。電極は４ｒｐｍの速度で回転し、引き抜き速度は約１２ｍｍ／ｍｉｎである。
【００４７】
プリ均質化された溶解材料は、下方に引き出た底を有する冷壁誘導るつぼに落ちる。るつぼの直径は１８０ｍｍである。溶解物はるつぼの底領域で固まり、連続的に下方へ引き出される。インゴット引き抜きの際の溶解物の冷却は水冷銅セグメントによって起こる。引き抜き速度は約１ｍｍ／ｍｉｎになる。均質化のための、溶解物の冷壁誘導るつぼにおける平均滞留時間は、約１６０ｍｍの浴の高さに対応する約２０分である。浴の温度は１５８０℃程度であり、るつぼを囲む誘導コイルの周波数は１２ｋＨｚになる。
【００４８】
いったん第一の電極が溶解されると、第二の電極が必要な位置に動かされ、溶解のために加熱される。この間、ビレット引き抜きは中断される。貯蔵所の四つの電極全てが溶解されるまで、プロセスは今述べたように続く。
【００４９】
この方法の保護ガスでの実行だけでなく、真空も考えられる。
得られたインゴットは約１８０ｍｍの直径と２６００ｍｍの全長を有し、優れた化学的かつ構造的な均質性に秀でている。局所的なアルミニウム及びチタンの変動は±０．５原子％よりも小さい。元素Ｃｒ、Ｎｂ及びＴａの変動は±０．２原子％より小さく、Ｂの変動は±０．０５原子％よりも小さい。
【００５０】
例２（図５参照）：
例２は、溶解材料の製造及びＫＩＴへの供給の種類と方法において、例１と異なる。このプロセスは、Ｈｅ保護ガスの下で実行される。ＰＡＣＨＭプロセス（プラズマアーク冷ハース溶解）は誘導溶解の代わりを提供する。この実施形態では、例１に対応する一度ＶＡＲ溶解された電極の形の出発材料が、水冷銅るつぼでＨｅプラズマトーチ（１５０ｋＷ）によって溶解され、同様にＨｅプラズマトーチ（１５０ｋＷ）で加熱される水冷チャネルを介して案内される。冷ハース上のプラズマトーチのアンペア数は約５００Ａである。液体合金溶解物は、ＫＩＴの上のオーバーフロー部まで適切な材料のスカルの中を流れ、そこからそれはＫＩＴに連続的に流れる。出発材料は、油圧式で始動するスロープを介して連続的にリチャージされる。冷るつぼは二つの主な機能を有する。すなわち、プリ均質化された溶解材料のタンクとして働くことに加えて、それは不必要な高密度のセラミックの含有物の貯蔵所として役立つ。
【００５１】
プロセスは例１と同様にして続く。
例で与えられた技術データは、決して本発明の範囲を制限しない。特に、プラズマトーチの数とタイプと容量、冷るつぼ材料、誘導コイルの容量及び周波数範囲、ＫＩＴの直径、ＫＩＴにおける溶解物の浴の高さ、供給速度、及び引き抜き速度は、本発明になんらの負の影響を及ぼさずに、従来技術の範囲で変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】多重に再溶解されたγ-ＴｉＡｌインゴットのためのＶＡＲプロセスを示す図である。ここで、（１）電極供給部、（２）炉室、（３）空冷電流供給部、（４）ケーブル集合ダクト、（５）電極ガイド、（６）水冷るつぼ、（７）真空装置の一部、（８）ＸＹ_付属具、（９）圧力ピックアップである。
【図２】二重（黒色）及び三重（灰色）のＶＡＲ再溶解の後、インゴットの縦方向のＡｌ含量の偏移を示す図である。
【図３】冷壁電子ビーム溶解（上）と冷壁プラズマ溶解（下）の概略図である。
【図４】様々な大きさの化学的に均質なγ-ＴｉＡｌインゴットを製造するための、本発明に従う方法（例１）の図である。ここで、（１）回転電極、（２）誘導ＨＦコイル、（３）冷壁誘導るつぼ、（４）冷却装置とインゴット引き抜きである。
【図５】様々な大きさの化学的に均質なγ-ＴｉＡｌインゴットを製造するための、本発明に従う方法（例２）の図である。（１）供給スロープ、（２）プラズマトーチ、（３）冷ハース、（４）冷壁誘導るつぼ（ＫＩＴ）、（５）冷却装置、（６）インゴットの引き抜き。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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【国際調査報告】
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