(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ランタノイド系列酸化物及びこれらの組合せからなる群から選択される酸化物からなる１以上のフェースコート層（１８）を含むフェースコート（１６）と、
１以上のバッキング層（２４）を含むバッキング（２２）と、
フェースコート層（１８）、バッキング層（２４）又はこれらの組合せの１つ以上の少なくとも一部分に適用された１以上の補強要素（１４）と
を備えるチタン合金溶融用強化るつぼ（８）であって、前記補強要素（１４）が、セラミック組成物、金属組成物及びこれらの組合せから選択される１以上の組成物を含有していて、連続ファイバ、テープ、メッシュ、細断ファイバ及びこれらの組合せからなる群から選択される形態であり、バッキング層（２４）が、酸化アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、二酸化ケイ素及びこれらの組合せから選択される耐火物をコロイドシリカ懸濁液に混入したバッキング用スラリーから形成される、チタン合金溶融用強化るつぼ（８）。
【請求項２】
前記補強要素（１４）が、イットリア、アルミナ、サファイア、ＹＡＧ、炭化ケイ素、ケイ素アルミニウム酸窒化物、ムライト、ジルコニア、ジルコン及びこれらの組合せからなる群から選択される１以上のセラミック組成物を含有する、請求項１記載のるつぼ（８）。
【請求項３】
前記補強要素（１４）が、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、レニウム、これらの合金及びこれらの組合せからなる群から選択される１以上の金属組成物を含有する、請求項１又は請求項２記載のるつぼ（８）。
【請求項４】
フェースコート層（１８）、バッキング層（２４）又はこれらの組合せのいずれかの少なくとも一部分に適用された粒度１００μｍ超のセラミック粒子からなるスタッコ層（２０）を備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のるつぼ（８）。
【請求項５】
１以上の補強要素（１４）がすべてのフェースコート層（１８）、バッキング層（２４）、スタッコ層（２０）又はこれらの組合せに適用されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のるつぼ（８）。
【請求項６】
２種以上の形態の補強要素（１４）が、隣接配向、積み重ね配向、又はこれらの組合せから選択される態様で適用されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のるつぼ（８）。
【請求項７】
フェースコート層（１８）、バッキング層（２４）及びスタッコ層（２０）の２つ以上が補強要素（１４）を含む、請求項４又は請求項５記載のるつぼ（８）。
【請求項８】
補強要素（１４）の適用状態が、るつぼ（８）の異なる領域（３０，３２，３４，３６，３８）に存在する特定の応力を支持するように調整されている、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のるつぼ（８）。
【請求項９】
さらに、コロイドシリカ、コロイドイットリア及びこれらの組合せから選択されるコロイドを含有するコロイド懸濁物中に酸化イットリウム粉末を含有するコロイドスラリーから形成されたトップコート（２８）を備える、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のるつぼ（８）。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のるつぼ（８）の製造方法であって、
模型（１０）に、１以上のフェースコート層（１８）を含むフェースコート（１６）を適用し、次いで１以上のバッキング層（２４）を含むバッキング（２２）を適用することによって、つぼモールド（２６）を作製する工程であって、フェースコート層（１８）、バッキング層（２４）又はこれらの組合せの１つ以上の少なくとも一部分に１以上の補強要素（１４）を適用することを含む工程と、
るつぼモールド（２６）から模型を除去する工程と、
るつぼモールド（２６）を焼成する工程と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般にチタン合金の溶融に適当な強化るつぼに関し、特にチタンアルミナイドなどの高反応性チタン合金の溶融に適当な強化耐火物るつぼに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジン設計者は、エンジンを軽量化し、エンジン運転温度を高くするために、優れた特性を有する新しい材料を求め続けている。チタン合金、特にチタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）系合金は、室温延性及び靱性などの低温機械特性と、高い中間温度強度及び耐クリープ性とを有望な組合せで合わせもつ。このような理由で、ＴｉＡｌ系合金は、現在多数のタービンエンジン部品の作製に用いられているニッケル系超合金に取って代わる可能性をもっている。
【０００３】
真空誘導溶融は、翼形部などのタービンエンジン部品を作製するのにしばしば用いられる方法であり、この方法では一般に、非伝導性高融点合金酸化物製のるつぼ内で金属を、るつぼ内の金属装填物が溶融して液体形態になるまで、加熱する。チタン又はチタン合金のような高反応性金属を溶融する場合、代表的にはコールドウォールもしくはグラファイトるつぼを用いる真空誘導溶融を採用する。その理由は、セラミックるつぼからの溶融及び鋳込み（キャスティング）はるつぼに有意な熱応力を導入し、それがるつぼの割れにつながるおそれがあるからである。このような割れは、るつぼ寿命を短くし、鋳込み部品中の内包物の原因となるおそれがある。
【０００４】
さらに、ＴｉＡｌのような高反応性合金を溶融する場合、溶融が起こるのに必要な温度で合金中の元素が反応性であるため、難問が生じる。前述したように、大抵の真空誘導溶融システムは誘導炉内のるつぼ用に高融点合金酸化物を用いるが、ＴｉＡｌのような合金は高反応性であるため、それらがるつぼ内に存在する高融点合金を攻撃する可能性があり、結果としてチタン合金が汚染される。例えば、セラミックるつぼを避けるのが代表的で、それは、高反応性ＴｉＡｌ合金はそのようなるつぼを破壊し、チタン合金を酸化物からの酸素と高融点合金両方で汚染するおそれがあるからである。同様に、グラファイトるつぼを使用すると、チタンアルミナイドはるつぼからの多量の炭素をチタン合金中に溶解し、その結果汚染を生じる。このような汚染があると、チタン合金の機械的特性が低下する。
【０００５】
さらに、コールドるつぼ溶融には、上述した高反応性合金を加工する際に冶金学的利点があるが、低い過熱、スカル形成による収率低下、大きな電力必要量などの多数の技術的及び経済的制約もある。これらの制約により実用性が限定される。
【特許文献１】米国特許第５，４０７，００１号
【特許文献２】米国特許第５，４６４，７９７号
【特許文献３】米国特許第６，０２４，１６３号
【特許文献４】米国特許第４，７８７，４３９号
【特許文献５】米国特許第４，７０３，８０６号
【特許文献６】米国特許第４，９６６，２２５号
【特許文献７】米国特許第５，２９９，６１９号
【特許文献８】米国特許第４，７４０，２４６号
【特許文献９】米国特許第４，９６６，１７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、鋳込み工程中に発生する熱応力に対してより抵抗性であり、合金を汚染するおそれの少ない、高反応性合金の溶融に用いる強化るつぼが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態のチタン合金溶融用強化るつぼは、１以上のフェースコート層を含むフェースコートと、１以上のバッキング層を含むバッキングと、フェースコート層、バッキング層又はこれらの組合せの１つ以上の少なくとも一部分に適用された１以上の補強要素とを備え、前記補強要素が、セラミック組成物、金属組成物及びこれらの組合せから選択される１以上の組成物を含有する。
【０００８】
本発明の別の実施形態のチタン合金溶融用強化るつぼは、１以上のフェースコート層を含むフェースコートと、１以上のバッキング層を含むバッキングと、フェースコート層又はバッキング層の１以上に適用されたスタッコ層と、フェースコート層、バッキング層、スタッコ層又はこれらの組合せの１つ以上の少なくとも一部分に適用された１以上の補強要素とを備え、前記補強要素が、連続ファイバ、テープ、メッシュ、細断ファイバ及びこれらの組合せからなる群から選択される有形物を含む。
【０００９】
本発明の他の実施形態のチタン合金溶融用強化るつぼは、少なくともベース領域、移行領域、下方領域、及び連続ファイバ、テープ、メッシュ、細断ファイバ及びこれらの組合せからなる群から選択される複数の補強要素有形物を備え、メッシュの補強要素有形物がベース領域及び移行領域の少なくとも一部分のまわりに配置され、連続ファイバの補強要素有形物が下方領域の少なくとも一部分のまわりに配置されている。
【００１０】
上記その他の特徴、観点及び利点は以下の説明を読むことで、当業者に明らかになる。
【００１１】
本明細書は本発明の構成要素を指摘しその範囲を明確に規定する特許請求の範囲を結論とするが、本発明の実施形態は、添付の図面と関連した以下の詳細な説明から十分に理解することができる。図面中同一要素は同じ記号で示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態は、チタン合金を溶融するのに適当な耐火物るつぼに関する。本発明の一実施形態によるチタン合金溶融用の強化耐火物るつぼは、１以上のフェースコート層を含むフェースコートと、１以上のバッキング層を含むバッキングと、フェースコート層、バッキング層又はこれらの組合せの１つ以上の少なくとも一部分に適用された１以上の補強要素とを備え、前記補強要素が、セラミック組成物、金属組成物及びこれらの組合せから選択される１以上の組成物を含有する。
【００１３】
ここで説明する実施形態は、ニアネット形状（ｎｅａｒ  ｎｅｔ  ｓｈａｐｅ）翼形部を作製するのに用いるＴｉＡｌを溶融するのに適当な強化るつぼに焦点を当てているが、説明はこれらに限定されない。当業者であれば、本実施形態が、あらゆるニアネット形状ガスタービン部品を作製するのに用いるチタン合金を溶融するのに適当であることが理解できるはずである。
【００１４】
図１を参照すると、この実施形態はチタン合金の溶融に適当な耐火物るつぼ８に関する。るつぼ８は内部９を有し、以下の説明にしたがって製造できる。まず最初にるつぼモールドを作製する。ここで用いる「モールド」は、適当な条件下で焼成されると図１のるつぼ８を形成する未焼成素体を指す。るつぼモールドを製造するには、図２に示すような模型１０を用意する。模型１０はるつぼモールドから除去することのできる任意の材料から構成できるが、一実施形態では、模型１０はワックス、プラスチック又は木材から構成でき、また中空でも中実でもよい。さらに、模型１０はどのような形状とすることもでき、るつぼの所望の内部を生成するのに必要な寸法を有し、取り扱いを容易にするためにハンドル１２又は同様の機構を備える。
【００１５】
図３及び図４に示すように、模型１０に、１以上のフェースコート層１８を含むフェースコート１６と、所望に応じて１以上のスタッコ層２０を適用することができる。本明細書で用いる用語「１以上」は、１つ又は２つ以上の対象物（層）が存在することを意味し、特定の層を、例えば、「第１フェースコート層」、「第２フェースコート層」などと記述する。フェースコート層８は溶融処理中にＴｉＡｌに露出されるので、フェースコート層１８は、溶融中に合金を劣化したり汚染したりすることがないように、反応性ＴｉＡｌに不活性でなければならない。したがって、一実施形態では、フェースコート層１８は酸化物を含有することができる。ここで用いる用語「酸化物」は、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ランタノイド系列酸化物、及びこれらの組合せからなる群から選択される組成物を指す。さらに、ランタノイド系列酸化物（「希土類」組成物ともいう）は、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化プロメチウム、酸化サマリウム、酸化ユーロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロシム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウム及びこれらの組合せからなる群から選択される酸化物を含有する。
【００１６】
フェースコート層１８は、上記酸化物の粉末をコロイド状懸濁液に混合して得たフェースコート用スラリーから構成できる。酸化物粉末は、粒度が一実施形態では約７０μｍ未満、別の実施形態では約０．００１μｍ〜約５０μｍ、他の実施形態では約１μｍ〜約５０μｍである微粒子粉末とすることができる。コロイドは、ゲル化過程が制御されており、ＴｉＡｌに不活性なコロイドであれば、いずれでもよく、例えばコロイドシリカ、コロイドイットリア、コロイドアルミナ、コロイド酸化カルシウム、コロイド酸化マグネシウム、コロイド二酸化ジルコニウム、コロイドランタノイド系列酸化物又はこれらの混合物とすることができる。フェースコート層１８のフェースコート用スラリーを作るのに上に列記した酸化物のいずれも使用できるが、一実施形態では、フェースコート用スラリーは酸化イットリウム粒子をコロイドシリカ懸濁液に混入したものとすることができ、また別の実施形態では、フェースコート用スラリーは酸化イットリウム粒子をコロイドイットリア懸濁液に混入したものとすることができる。フェースコート用スラリーの組成は広い範囲から選択できるが、一般に、フェースコート用スラリーは約４０重量％〜約１００重量％の酸化物及び約０重量％〜約６０重量％のコロイドを含有することができる。
【００１７】
普通の粒子を用いてフェースコート層１８のフェースコート用スラリーを調製した後、浸漬、スプレー及びこれらの組合せから選択される方法により、模型１０をフェースコート用スラリーに曝露することができる。塗工後、フェースコート層１８の厚さは、通常約５０μｍ〜約５００μｍ、一実施形態では約１５０μｍ〜約３００μｍ、そして他の実施形態では約２００μｍとすることができる。
【００１８】
まだ濡れているうちに、所望に応じて、図３及び図４に示すように、フェースコート層８をスタッコ層２０で被覆することができる。ここで用いる用語「スタッコ」は、粒度が通常約１００μｍ超え、一実施形態では約１００μｍ〜約５０００μｍである粗いセラミック粒子を示す。スタッコ２０を各フェースコート層に適用してるつぼ壁の厚さを造成していき、強度を増すことができる。スタッコ層２０として用いるのに種々の材料が適当であるが、一実施形態では、スタッコは耐火物、例えばアルミナ又はアルミノケイ酸塩を、前述したような酸化物との組合せで含有できるが、これらに限らない。スタッコ層２０中の耐火物対酸化物の比は広い範囲から選択できるが、一実施形態ではスタッコ層２０は約０重量％〜約６０重量％の耐火物及び約４０重量％〜約１００重量％の酸化物を含有する。スタッコ層２０をフェースコート層１８に適用する方法は、任意の適当な方法、例えばダスティング（乾式散布）とすることができる。スタッコ層２０の厚さは、通常約１００μｍ〜約２０００μｍ、一実施形態では約１５０μｍ〜約３００μｍ、他の実施形態では約２００μｍとすることができる。
【００１９】
フェースコート層１８及び任意のスタッコ層２０を空気乾燥した後、所望に応じて追加のフェースコート層及びスタッコ層を上記方法で適用して、フェースコート１６を完成することができる。図３及び図４に示す実施形態では、第１及び第２フェースコート層１８及び交互のスタッコ層２０が存在するが、当業者であれば、フェースコート１６は任意の数のフェースコート層及びスタッコ層から構成できることが理解できるはずである。各フェースコート層１８は異なる酸化物／コロイド混合物から構成できるが、一実施形態では、各フェースコート層１８を同じ酸化物／コロイド混合物から構成する。所望の数のフェースコート層１８及びスタッコ層２０を設層した後、バッキング２２を適用することができる。
【００２０】
バッキング２２は完成るつぼ８に追加の強度と耐久性を付与するのに役立つ。そのため、バッキング２２は図４に示すように１以上のバッキング層２４からなり、バッキング層は、酸化アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、二酸化ケイ素及びこれらの組合せから選択される耐火物をコロイドシリカ懸濁液に混入したバッキング用スラリーから構成できる。本明細書では、特定の層を「第１バッキング層」、「第２バッキング層」などと表示する。例えば、一実施形態では、バッキング層２４は、酸化アルミニウム粒子をコロイドシリカ懸濁液に混入してなるバッキング用スラリーから構成できる。バッキング用スラリーの組成は広い範囲から選択できるが、一般に、バッキング用スラリーは約１０重量％〜約４０重量％の耐火物及び約６０重量％〜約９０重量％のコロイドを含有することができる。フェースコート層と同様、図４に示すように、各バッキング層２４にスタッコ層２０を付着してもよく、そのスタッコ層２０はフェースコート層を形成するのに以前に用いたスタッコと同じでも異なってもよい。各バッキング層２４は、スタッコ層を含めて、厚さが約１５０μｍ〜約４０００μｍ、一実施形態では約１５０μｍ〜約１５００μｍ、他の実施形態では約７００μｍとすることができる。
【００２１】
フェースコート層と同様、各バッキング層２４は浸漬、スプレー及びこれらの組合せから選択される方法により適用することができる。任意の数のバッキング層２４を適用することができるが、一実施形態では、２〜４０層のバッキング層を設ける。各バッキング層２４は、耐火物及びコロイドの同一組成物から構成しても、それぞれ異なっても、全体がそれらの中間の適当な組合せであってもよい。所望の数のバッキング層及び任意のスタッコ層を設層した後、得られるるつぼモールド２６をさらに加工することができる。
【００２２】
なお、場合によっては、スタッコ層を塗工するたびに、粒度、層厚及び／又は組成を変えることにより、スタッコ層に勾配もしくは分布を付けるのが望ましい。ここで、用語「勾配」及びそのすべての形態は、例えば、スタッコ材料の粒度を増加するか、スタッコ層の厚さを増加するか、スタッコ層として次第に強度が高くなる耐火物／コロイド組成物を使用するか、これらの組合せにより、後から適用されるスタッコ層の強度を徐々に増加することを示す。このような勾配を付ければ、スタッコ層を挟む種々のフェースコート層及びバッキング層の熱膨張及び化学的特性の差を埋め合わせるようにスタッコ層を調整できる。さらに具体的には、スタッコ層に勾配を付けることにより、気孔率を異ならせ、るつぼのモジュラスを調節し、これらが相まって、前述したように熱膨張の差を埋め合わせるのに役立つ。
【００２３】
るつぼモールドの作製中のいつでも、１以上の補強要素１４を、フェースコート層１８、バッキング層２４又はそれらのスタッコ層２０の１つ以上の少なくとも一部分に適用することができる。図３、図４、図５及び図８の実施形態では、補強要素１４がフェースコート１６のスタッコ層２０に適用した状態で示されている。しかし、当業者であれば、この実施形態は例示のためだけで、本発明の範囲を限定するものではないことが理解できるはずである。
【００２４】
補強要素は、このような補強要素のないるつぼと比較して、完成るつぼの強度及び耐熱亀裂性を増加できるものであればいずれでもよい。ここで用いる用語「補強要素」は、るつぼモールドの層中に存在する酸化物、耐火物及び／又はコロイドではなくて、作製中にるつぼモールドの１つ以上の層に適用される組成物を示し、この組成物は後述するようにるつぼモールドの焼成時に反応して補強材料を形成する。
【００２５】
補強要素１４は多数の組成物から形成することができるが、一実施形態では補強要素１４は、セラミック組成物、金属組成物及びこれらの組合せから選択される組成物を含有することができる。さらに特定すると、補強要素１４は、イットリア、アルミナ、サファイア、窒化物、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素アルミニウム酸窒化物（例えばＳｉＡｌＯＮ（登録商標））、シリカ、ムライト（例えばＮＥＸＴＥＬ（登録商標））、ジルコニア、ジルコン、ジルカー（ｚｉｒｃａｒ）及びこれらの組合せからなる群から選択される１以上のセラミック組成物、又はタングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、レニウム、これらの合金及びこれらの組合せからなる群から選択される１以上の金属組成物を含有することができる。さらに、補強要素１４はセラミック組成物と金属組成物との組合せ（サーメットという）から構成することもでき、このような組合せにはアルミナ−５０容量％モリブデン、アルミナ−９０容量％モリブデン、アルミナ−５０容量％タングステン、及びアルミナ−９０容量％タングステンがあるが、これらに限らない。
【００２６】
補強要素１４は、完成るつぼに高い強度及び耐熱亀裂性を付与できる有形物であればいずれを含有してもよい。一実施形態では、補強要素１４は、連続ファイバ、テープ、メッシュ、細断ファイバ及びこれらの組合せから選択される有形物（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を有する。この有形物の寸法、例えば幅、厚さ、織目などは、補強要素に求められる特徴によって広い範囲で変えることができる。しかし、補強要素の厚さは、一実施形態では約２０００μｍ未満、別の実施形態では約１００μｍ〜約１０００μｍとすることができる。
【００２７】
さらに、単一有形物を適用してもよいし、るつぼモールドの同じ層又は異なる層に２つ以上の有形物を適用してもよい。２つ以上の有形物を同一層に適用する場合、その複数の補強要素を、後述するように、隣接配向、積み重ね配向又はこれらの適当な組合せにて適用することができる。例えば、図５に示す実施形態では、連続ファイバ要素とメッシュ要素の両方を同一層に隣接配向で適用している。図６に示す別の実施形態では、メッシュ要素と細断ファイバ要素を異なる層に適用している。図７に示す他の実施形態では、テープ要素と細断ファイバ要素を同一層に積み重ね配向で適用している。
【００２８】
さらに、補強要素１４、その組成及びその有形物は、るつぼの異なる領域、例えば、図５に概略を示すように、ベース領域３０、移行領域３２（即ち、ベース領域３０を下方領域３４に接続する部分）、下方領域３４（即ち、鋳込み時にチタン溶融物を収容する側面）、上方領域３６（即ち、鋳込み時のチタン溶融物より上の側面）、注ぎ口領域３８に存在する特定の応力を支持するように選択することができる。特に、ベース領域３０、移行領域３２及び注ぎ口領域３８では曲げ応力が大きいので、図５に示すようにこれらの領域に少なくともメッシュ補強要素１４を利用するのが望ましい。同様に、るつぼの側面（即ち、上方領域３６及び下方領域３４）では、通常フープ応力が主要な関心事であり、したがって図５に示すようにこのような領域に少なくとも連続ファイバ補強要素１４を利用するのが望ましい。補強要素をるつぼの特定領域に合わせて調整することにより、耐熱応力性を最適化することができ、こうしてるつぼが加熱、溶融、注入及び冷却相の間終始その一体性を維持することを確実にする。
【００２９】
補強要素１４の組成又は有形物に関わりなく、補強要素１４の適用は通常同一の手順で行う。スラリーがまだ湿潤状態にある間に、１以上の補強要素１４を選択した層（１つ又は複数）のまわりに適用できる。選択した層がまだ湿潤状態にある間に補強要素１４を適用することで、補強要素１４がるつぼモールド２６に固着される。さらに具体的には、るつぼモールド２６の選択された層が乾燥するにつれて、補強要素１４がそこに密着する。補強要素１４の適用には、図５及び図７に示すように、るつぼモールド２６の選択された層のまわりに補強要素１４を巻き付けるか包む方法、また細断ファイバの場合、図６及び図７に示すようにるつぼモールド２６の選択された層のまわりの所望位置に補強要素１４を押圧するか散布する方法があるが、これらの方法に限定されない。２つ以上の補強要素を用いる場合、また積み重ね配向を選択する場合（例えば図７）、上述した方法を用いて１つの補強要素の上につぎの補強要素を適用することができる。当業者であれば、補強要素をるつぼモールドの選択された層の少なくとも一部分のまわりに、あるいはるつぼモールドの選択された層全体のまわりに選択的に配置できることが理解できるはずである。
【００３０】
つぎにるつぼモールド２６を慣例の方法で乾燥し、模型１０を除去することができる。るつぼモールド２６から模型１０を除去するのに種々の方法を採用できる。前述したように、模型１０は例えばワックス製であり、この場合るつぼモールド２６を炉、スチームオートクレーブ、マイクロ波装置その他の同様の装置に入れ、模型１０を溶融することにより、模型１０を除去することができ、こうして図８に示しようにるつぼモールド２６内に開放内部９を残す。るつぼモールド２６から模型１０を溶融するのに必要な温度は通常低く、一実施形態では約４０℃〜約１２０℃の範囲とすることができる。
【００３１】
つぎに、所望に応じて、るつぼモールド２６の内部９をコロイドスラリーで洗浄し、図８に示すようにトップコート２８を形成することができる。洗浄は通常、るつぼの焼成前に、スプレーなど当業者に周知の方法を用いてるつぼの内部にコーティングを施す工程を含む。トップコート２８はどのような厚さでもよいが、トップコート２８の厚さは一実施形態では約５００μｍ以下、別の実施形態では約２０μｍ〜約４００μｍである。トップコート２８は、イットリアをコロイドイットリア懸濁液に混入したもの、イットリアをコロイドシリカ懸濁液に混入したもの及びこれらの組合せから選択されるコロイドスラリーを含有することができる。このトップコートは、るつぼが溶融中にチタン合金に対して不活性に留まることを確実にするのに有効である。
【００３２】
つぎに、中空るつぼモールド２６を高温で焼成することができる。るつぼモールド２６の焼成は、完成るつぼに追加の強度を付与するのに有効である。なぜなら、この加熱工程の間、フェースコート層、スタッコ及びバッキング層を構成する材料が相互拡散し、相互焼結するからである。初期には、るつぼモールドを約８００℃〜約１４００℃の温度で、一実施形態では約９００℃〜約１１００℃の温度で、別の実施形態では約１０００℃で焼成することができる。この初期焼成は、残存材料を焼尽（脱脂）し、かつるつぼのセラミック成分間にある程度の相互拡散を達成するのに必要な長さの時間行われ、焼成時間は一実施形態では約０．５時間〜約５０時間、別の実施形態では約１時間〜約３０時間、他の実施形態では約２時間とすることができる。つぎに、るつぼモールドを約１４００℃〜約１８００℃の温度、一実施形態では約１５００℃〜約１８００℃の温度、他の実施形態では約１６００℃〜約１７００℃の温度で焼成することができる。この第２焼成は、セラミック成分の相互拡散を実質的に完了し、かつフェースコート酸化物中に存在するコロイドの反応を起こさせるのに必要な長さの時間行われ、焼成時間は一実施形態では約０．５時間〜約５０時間、別の実施形態では約１時間〜約３０時間、他の実施形態では約２時間とすることができる。例えば、コロイドシリカがケイ酸塩を形成する一方、コロイドイットリアがフェースコートのスラリー中に存在するイットリア粒子と焼結する。
【００３３】
焼成の完了後、得られるるつぼはチタン合金の溶融に用いるのに適当である。るつぼ８のある特性を所望の用途に応じて変更もしくは修正することができるが、るつぼ８の、すべてのフェースコート層、スタッコ層、バッキング層を含めての全体壁厚さは、一実施形態では約３ｍｍ以上、別の実施形態では約６ｍｍ以上、他の実施形態では約６．５ｍｍ〜約４０ｍｍとすることができる。壁厚さが約４０ｍｍを超えると、高温加熱時間が長くなり、望ましくない。同様に、バッキング対フェースコートの厚さ比は一実施形態では約６．５：１〜約２０：１とすることができる。上記と同様、この厚さ比が約２０：１を超えると、アルミナバッキング層が厚くなるため、高温加熱時間が長くなり、望ましくない。
【００３４】
特定の構成に関わりなく、るつぼ８は、格子間レベルが低くセラミック内包物含量が低いチタン合金の溶融に用いることができる。特に、当業者に周知の普通の溶融及び鋳込み法を用いて、本発明のるつぼ内でＴｉＡｌを溶融することができる。本発明のるつぼは、フェースコートの形成に用いた材料が反応性ＴｉＡｌに不活性であるので、このような高反応性合金に用いることができる。言い換えると、フェースコートが溶融時にＴｉＡｌに曝露されても、その合金を劣化したり汚染したりすることはない。さらに、本発明のるつぼは、真空誘導溶融サイクルの溶融、注入、鋳込み及び冷却段階のいずれかで、急速加熱しても、割れを生じない。
【００３５】
この優れたるつぼ性能の最終的な結果として、るつぼが一層耐熱応力性であり、るつぼ内で溶融されるＴｉＡｌが高純度に保たれ、優れた疲労寿命を有する。ここで「高純度」とは、合金が酸素含量約１２００ｐｐｍ未満、溶融プロセス中にるつぼから発生するイットリウムもしくはケイ素汚染物の含量約５００ｐｐｍ未満であることを意味する。この優れた純度のため、ＴｉＡｌから製造した部品は、現行方法を用いたＴｉＡｌから製造した部品より、割れが少なく、欠陥が少ない。
【００３６】
以上、当業者が本発明を実施、利用できるように、最良の形態を含む本発明の実施形態を説明した。本発明の要旨は、特許請求の範囲に定義の通りであり、当業者に想起できる他の例も包含する。このような他の例は、請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有するか、請求の範囲の文言からの相違が実質的でない均等な構造要素を含む限りで、本発明の範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態によるるつぼの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に用いる模型の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態によるるつぼモールドの断面図である。
【図４】図３のるつぼモールドの断面の一部分の拡大図である。
【図５】本発明の一実施形態にしたがって補強要素を隣接配向で配置したるつぼモールドの正面図である。
【図６】本発明の一実施形態にしたがって２つの補強要素をそれぞれ異なる層に設けたるつぼモールドの正面図である。
【図７】本発明の一実施形態にしたがって補強要素を積み重ね配向で配置したるつぼモールドの正面図である。
【図８】本発明の一実施形態によるるつぼモールドを、模型を除去し、トップコートを適用した状態で示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
８  るつぼ
９  内部
１０  模型
１４  補強要素
１６  フェースコート
１８  フェースコート層
２０  スタッコ層
２２  バッキング
２４  バッキング層
２６  るつぼモールド
２８  トップコート
３０  ベース領域
３２  移行領域
３４  下方領域
３６  上方領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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