(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原材料を溶融するためのシステムであって、前記システムは、
電気伝導性材料から作製された容器であって、前記容器は、前記原材料がその中に導入されて溶融されるように構成されて寸法を合わせられている、容器と、
前記原材料が前記容器内に配置されると、前記原材料の少なくとも一部を溶融し、それによって、溶融材料の部分を生成するように位置付けられているプラズマアークトーチと、
電力を前記プラズマアークトーチに供給し、それによって、前記プラズマアークトーチが前記原材料を溶融することができるように構成されている電力供給源であって、前記電力供給源は、直流電流電力供給源であり、前記プラズマアークトーチは、前記原材料を溶融するために、直流電流を使用するように構成されている、電力供給源と、
前記容器に隣接して物理的に配置されたインダクタであって、前記インダクタは、動作中に前記容器と直列に電気的に配置されるように構成されており、前記インダクタは、いずれの付加的電源にも接続されず、前記インダクタは、動作中に前記プラズマアークトーチの電流と相互作用することによって、前記溶融材料の電磁撹拌をもたらすように構成されている、インダクタと
を備える、システム。
【請求項２】
第１の構成と第２の構成との間で前記システムを切り替えるように構成されたスイッチをさらに備え、
前記第１の構成では、前記インダクタが前記容器と直列であり、
前記第２の構成では、前記インダクタが電気的にバイパスされ、前記インダクタが前記容器と直列ではなく、前記プラズマアークトーチへの電力が中止されない、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電力供給源は、直流電流電力供給源および交流電流電力供給源を備え、前記プラズマアークトーチは、前記原材料を溶融するために、直流電流および交流電流の組み合わせを同時に使用するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記容器は、第１の位置と第２の位置との間で傾斜可能であり、前記第１の位置は、前記原材料を受け取り、前記原材料を前記容器の中で溶融させるための位置であり、前記第２の位置は、前記溶融材料の少なくとも一部を前記容器から傾注するための位置である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記溶融材料を前記容器から受け取るように構成されて寸法を合わせられた受器をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記受器は、金型であり、
前記金型は、
前記溶融材料を溶融形態に維持するように構成された第２の熱源を備える加熱された上側部分と、
前記溶融材料が固化し、それによって、インゴットを形成する温度に維持されるように構成された下側部分と
を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記容器は、銅で形成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記容器は、冷却される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記容器は、水冷される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記プラズマアークトーチは、前記容器内に配置された前記溶融材料を金型の中に傾注することに役立つように位置付けられている、請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
前記原材料を前記容器に送給するためのフィーダをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記フィーダは、バーフィーダ、バルクフィーダ、ホッパ、キャニスタから成る群から選択される部材を備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の位置と前記第２の位置との間で前記容器を傾斜させるように構成されたアクチュエータをさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項１４】
前記システムは、第１のバッチにおいて前記原材料が前記容器の中に送給され、第２のバッチにおいて前記溶融材料が前記容器から傾注されるように構成されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項１５】
原材料を溶融する方法であって、前記方法は、
前記原材料を電気伝導性容器の中に送給することと、
プラズマアークトーチを用いて前記電気伝導性容器内の原材料の少なくとも一部を溶融し、それによって、溶融材料を生成することと、
前記プラズマアークトーチの電流と、前記電気伝導性容器に隣接して物理的に配置され、かつ、前記電気伝導性容器と直列に電気的に配置されたインダクタによって生成される電磁場との相互作用を使用することによって、前記溶融材料を電磁的に撹拌することと、
第１の構成と第２の構成との間で切り替えるようにスイッチを動作させることであって、前記第１の構成では、前記インダクタが前記電気伝導性容器と直列であり、前記第２の構成では、前記インダクタが電気的にバイパスされ、前記インダクタが前記電気伝導性容器と直列ではなく、前記原材料の少なくとも一部の溶融が維持される、ことと
を含む、方法。
【請求項１６】
前記インダクタは、いずれの付加的電源にも接続されない、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記プラズマアークトーチを用いて前記原材料を溶融することは、直流電流を前記プラズマアークトーチに供給することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記プラズマアークトーチを用いて前記原材料を溶融することは、交流電流を前記プラズマアークトーチに供給することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記プラズマアークトーチを用いて前記原材料を溶融することは、直流電流および交流電流の組み合わせを前記プラズマアークトーチに同時に供給することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記電気伝導性容器を第２の位置に傾斜させ、それによって、前記溶融材料を前記電気伝導性容器から傾注することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記溶融材料を前記電気伝導性容器から傾注することは、前記溶融材料を受器の中に傾注することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記受器は、金型であり、
前記方法は、
前記金型内の前記溶融材料の上部部分を溶融状態に維持することと、
前記金型の下側部分内の前記溶融材料を固化し、それによって、インゴットを生成することと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気伝導性容器を冷却することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記金型の底部近傍において前記金型の一部を冷却することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記金型の上部近傍において前記金型の一部を加熱することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記原材料は、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、ならびにそれらの組み合わせおよび合金から成る群から選択される部材を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
前記原材料は、前記原材料の圧縮円板、円柱、ブロック、箔に包装されたばら材料、非包装ばら材料、スクラップ片から成る群から選択される部材を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
前記プラズマアークトーチを用いて、前記電気伝導性容器内に配置された前記溶融材料を金型の中に傾注することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記原材料を前記電気伝導性容器の中に送給することは、第１のバッチにおいて前記原材料を送給することを含み、前記電気伝導性容器を傾斜させ、前記溶融材料を前記電気伝導性容器から傾注することは、第２のバッチにおいて前記溶融材料を傾注することを含む、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／７０２，７２６号（２０１２年９月１８日出願）に基づく優先権およびその利益を主張し、それにより、その開示は、参照によって援用される。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、反応性金属（例えば、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、およびそれらの合金等）の原材料を溶融するシステムおよび方法に関する。溶融材料は、続いて、インゴットまたは鋳物を形成するために使用されることができる。本発明は、現在、小断面インゴット、および／または粉末の各細粒の均質性が特に重要である粉末に後に変換されるインゴットまたは鋳物を形成するために、特に有用であると見なされる。
【背景技術】
【０００３】
これらの金属の小断面バーおよび鋳物は、航空宇宙産業、自動車産業、エネルギー産業、および医療産業全体を通して使用される。それらは、任意の数の形状に機械加工または鍛造されることができる。それらは、ワイヤ中に取り込まれる供給材料としても使用され得る。
【０００４】
そのようなバーは、典型的には、より大きなインゴットから作製され、高温まで徐々に加熱され、次いで、所望のサイズに鍛造される。鍛造プロセスは、著しい収率損失につながり得る。使用可能金属の６０〜７０％収率が、典型的である。これは、主に、いくつかの鍛造ステップ後のインゴットの端部の変形によるものである。加えて、インゴットが鍛造される順番が回ってくるまで数ヶ月かかり得る。さらに、大きなインゴットの比較的に小さな表面積対体積比および関連付けられた冷却率のため、最終生成物の粒度は、所望より大きくなり得る。
【０００５】
これら全ての理由から、その所望の最終断面サイズにより近づけてインゴットを鋳造することが望ましく、これは、今まで小断面インゴットに対して達成されていない偉業である。
【０００６】
また、インゴットは、当業者に明白である理由から、可能な限り均質であることを確実にすることが望ましい。
【０００７】
さらに、粉末状金属から作製される部品が、ますます一般的となっている。粉末は、通常、溶融材料から鋳造されたインゴットまたは鋳物を粉砕または再溶融および噴霧することによって形成される。部品は、次いで、直接最終形状か、後で機械加工される予成形物かのいずれかに、粉末を固めることによって生産されることができる。ほとんどの用途では、通常、各粉末粒子が同一の組成であることが非常に重要である。これは、粉末が形成される金属インゴットまたは鋳物が均質であることを確実にすることによってのみ達成されることができ、これは、ひいては、インゴットまたは鋳物が作製される溶融金属が均質である場合のみ達成されることができる。
【０００８】
溶融金属中の均質性を確実にする最も一般的な方法は、溶融金属を撹拌することである。本明細書の出願人に譲渡された１９９９年１２月２８日付けのＨａｕｎらの米国特許第６，００６，８２１号に記載される別の方法は、誘導コイルを使用する。その中に開示される誘導コイルは、付加的電源を使用して、プラズマアークトーチから別個に給電されることに留意されたい。Ｈａｕｎらの米国特許第６，００６，８２１号は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００９】
チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、およびそれらの合金等の金属は、誘導炉を作製するために使用される酸化耐火物によって汚染され得る。したがって、これらの金属は、典型的には、関連付けられた誘導コイルおよびその別個の電源を伴う、区画化された水冷銅容器内で溶融される。しかしながら、本溶融技法は、約２５％熱的に効率的なだけである。
【００１０】
金属を溶融し、それによってインゴットを形成する他の方法も、当技術分野において公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，００６，８２１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（発明の簡単な概要）
原材料が、電気伝導性容器の中に送給される。プラズマアークトーチが、容器内の原材料の少なくとも一部を溶融し、それによって、溶融材料を生成する。容器に隣接して物理的に配置され、動作中の容器と直列に電気的に配置されるインダクタが、プラズマアークトーチの電流と相互作用することによって、溶融材料の電磁撹拌をもたらす。
【００１３】
いくつかの実施形態では、インダクタは、いずれの付加的電源にも接続されない。
【００１４】
スイッチがさらに、提供され、インダクタが容器と直列である第１の構成と、インダクタが電気的にバイパスされ、容器と直列ではない第２の構成との間でシステムを切り替えるように動作可能であってもよい。
【００１５】
電力供給源は、直流電流電力供給源、交流電流電力供給源、またはその両方であってもよい。プラズマアークトーチは、材料を溶融するために、直流電流、交流電流、または両方の同時組み合わせを使用してもよい。
【００１６】
アクチュエータが、原材料を受け取り、それを容器の中で溶融させるための第１の位置と、溶融材料の少なくとも一部を容器から傾注するための第２の位置との間で容器を傾斜させるために提供されてもよい。溶融材料は、金型等の受器の中に傾注されてもよい。金型は、溶融材料が溶融形態で維持される加熱された上側部分と、溶融材料が固化し、それによって、インゴットを形成する温度に維持される下側部分とを含んでもよい。
【００１７】
原材料は、バッチにおいて容器の中に送給され、付加的バッチにおいて容器から傾注されてもよい。原材料は、バーフィーダ、バルクフィーダ、ホッパ、またはキャニスタ等のフィーダを用いて、容器の中に送給されてもよい。
【００１８】
原材料は、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、あるいはそれらの組み合わせまたは合金等の反応性金属であってもよく、原材料の圧縮円板、円柱、ブロック、箔に包装されたばら材料、非包装ばら材料、またはスクラップ片の形態であってもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
原材料を溶融するためのシステムであって、前記システムは、
電気伝導性材料から作製された容器であって、前記容器は、前記原材料がその中に導入されて溶融されるように構成されて寸法を合わせられている、容器と、
前記原材料が前記容器内に配置されると、前記原材料の少なくとも一部を溶融し、それによって、前記材料の溶融部分を生成するように構成されているプラズマアークトーチと、
電力を前記プラズマアークトーチに供給し、それによって、前記プラズマアークトーチが前記原材料を溶融することができるように構成されている電力供給源と、
前記容器に隣接して物理的に配置されたインダクタであって、前記インダクタは、動作中の前記容器と直列に電気的に配置されるように構成され、動作中の前記プラズマアークトーチの電流と相互作用することによって、前記溶融材料の電磁撹拌をもたらすように構成されている、インダクタと
を備える、システム。
（項目２）
前記インダクタは、いずれの付加的電源にも接続されない、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記インダクタが前記容器と直列である第１の構成と、
前記インダクタが電気的にバイパスされ、前記容器と直列ではない第２の構成と
の間で前記システムを切り替えるように構成されたスイッチをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記電力供給源は、直流電流電力供給源であり、前記プラズマアークトーチは、前記材料を溶融するために、直流電流を使用するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記電力供給源は、交流電流電力供給源であり、前記プラズマアークトーチは、前記材料を溶融するために、交流電流を使用するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記電力供給源は、直流電流電力供給源および交流電流電力供給源を備え、前記プラズマアークトーチは、前記材料を溶融するために、直流電流および交流電流の組み合わせを同時に使用するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目７）
前記容器は、前記原材料を受け取り、前記原材料を前記容器の中で溶融させるための第１の位置と、前記溶融材料の少なくとも一部を前記容器から傾注するための第２の位置との間で傾斜可能である、項目１に記載のシステム。
（項目８）
前記溶融材料を前記容器から受け取るように構成されて寸法を合わせられた受器をさらに備える、項目７に記載のシステム。
（項目９）
前記受器は、金型である、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
前記金型は、
前記溶融材料を溶融形態に維持するように構成された第２の熱源を備える加熱された上側部分と、
前記溶融材料が固化し、それによって、インゴットを形成する温度に維持されるように構成された下側部分と
を備える、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
前記容器は、銅を含む、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
前記容器は、冷却される、項目１に記載のシステム。
（項目１３）
前記容器は、水冷される、項目１２に記載のシステム。
（項目１４）
前記プラズマアークトーチは、前記溶融材料を前記容器から外へ指向するのに役立つように構成されている、項目７に記載のシステム。
（項目１５）
前記原材料を前記容器に送給するためのフィーダをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目１６）
前記フィーダは、バーフィーダ、バルクフィーダ、ホッパ、およびキャニスタから成る群から選択される部材を備える、項目１５に記載のシステム。
（項目１７）
前記第１の位置と第２の位置との間で前記容器を傾斜させるように構成されたアクチュエータをさらに備える、項目７に記載のシステム。
（項目１８）
前記システムは、前記原材料が第１のバッチにおいて前記容器の中に送給され、前記溶融材料が第２のバッチにおいて前記容器から傾注されるように構成されている、項目７に記載のシステム。
（項目１９）
原材料を溶融する方法であって、前記方法は、
前記原材料を電気伝導性容器の中に送給することと、
プラズマアークトーチを用いて前記容器内の原材料の少なくとも一部を溶融し、それによって、前記材料の溶融部分を生成することと、
前記プラズマアークトーチの電流と、前記容器に隣接して物理的に配置され、前記容器と直列に電気的に配置されたインダクタによって生成される電磁場との相互作用を使用することによって、前記溶融材料を電磁的に撹拌することと
を含む、方法。
（項目２０）
前記インダクタは、いずれの付加的電源にも接続されない、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記インダクタが前記容器と直列である第１の構成と、
前記インダクタが電気的にバイパスされ、前記容器と直列ではない第２の構成と
の間で前記システムを切り替えるためのスイッチを動作させることをさらに含む、項目１９に記載の方法。
（項目２２）
前記プラズマアークトーチを用いて前記材料を溶融することは、直流電流を前記プラズマアークトーチに供給することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２３）
前記プラズマアークトーチを用いて前記材料を溶融することは、交流電流を前記プラズマアークトーチに供給することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２４）
前記プラズマアークトーチを用いて前記材料を溶融することは、直流電流および交流電流の組み合わせを前記プラズマアークトーチに同時に供給することを含む、項目１９に記載の方法。
（項目２５）
前記容器を第２の位置に傾斜させ、それによって、前記溶融材料を前記容器から傾注することをさらに含む、項目１９に記載の方法。
（項目２６）
前記溶融材料を前記容器から傾注することは、前記溶融材料を受器の中に傾注することを含む、項目２５に記載の方法。
（項目２７）
前記受器は、金型である、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
前記金型内の前記溶融材料の上部部分を溶融状態に維持することと、
前記金型の下側部分内の前記溶融材料を固化し、それによって、インゴットを生成することと
をさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目２９）
前記容器を冷却することをさらに含む、項目１９に記載の方法。
（項目３０）
前記金型の底部近傍において前記金型の一部を冷却することをさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目３１）
前記金型の上部近傍において前記金型の一部を加熱することをさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目３２）
前記原材料は、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、ならびにそれらの組み合わせおよび合金から成る群から選択される部材を含む、項目１９に記載の方法。
（項目３３）
前記原材料は、前記原材料の圧縮円板、円柱、ブロック、箔に包装されたばら材料、非包装ばら材料、およびスクラップ片から成る群から選択される部材を含む、項目１９に記載の方法。
（項目３４）
前記プラズマアークトーチを用いて、前記溶融材料を前記容器から外へ指向することをさらに含む、項目２５に記載の方法。
（項目３５）
前記原材料を前記容器の中に送給することは、第１のバッチにおいて前記原材料を送給することを含み、前記容器を傾斜させ、前記溶融材料を前記容器から傾注することは、第２のバッチにおいて前記溶融材料を傾注することを含む、項目２５に記載の方法。
【００１９】
例示的実施形態が、付随の図面を参照して、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、溶融原材料を溶融するためのシステムの概略図である。
【図２】図２は、送給／溶融位置における容器を伴う、インゴットの生産のためのシステムの概略図である。
【図３】図３は、図２に類似するが、傾注位置に容器を示す。
【図４】図４は、容器の部分的上面図である。
【図５】図５は、水冷される銅溶融容器の一実施形態の種々の概略図を含む。
【図６】図６は、本発明の一例示的実施形態に従って製造された５５ｍｍ外径チタンアルミナイドインゴットの写真であり、横方向切断を示す。
【図７】図７は、図６のインゴットのいくつかの断面の写真である。
【図８】図８は、図６のインゴットの微細構造の写真である。
【図９】図９は、本発明の別の例示的実施形態に従って製造された５５ｍｍ外径Ｔｉ  ６Ａｌ  ４Ｖインゴットの断面の写真である。
【図１０】図１０は、２つのアルミニウムバンドのうちの一方を伴う鋼鉄金型半体の写真であり、アルミニウムバンドは、金型の上部および底部に近接して半体をともに保持するために使用され得る。
【図１１】図１１は、加熱されていない鋼鉄金型の中で鋳造されたチタンアルミナイドインゴットの縦方向断面を示す写真であり、断面の上部および底部近傍における大量の収縮孔を強調する。上部インゴット上の左側の欠けは、鋸によって生じたものである。
【図１２】図１２は、加熱された鋼鉄金型の中で鋳造されたチタンアルミナイドインゴットの表面仕上げを示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（発明の詳細な説明）
本発明の例示的実施形態は、固体形態における原材料から均質溶融物を生産するためのシステムおよび方法を提供する。原材料は、容器の中に送給される。プラズマアークトーチが、容器内の原材料の少なくとも一部を溶融し、それによって、溶融された少なくとも一部分を生成する。容器の周囲または下方に提供される誘導コイルは、プラズマアークと直列であり、それによって、別個の電源を必要とせずに、溶融金属の電磁撹拌を提供する。本撹拌は、同種の公知のシステムより優れた均質性につながる。
【００２２】
本発明の例示的実施形態はまた、固体形態における原材料から、小断面積インゴット等のインゴットまたは鋳物を生産するためのシステムおよび方法を提供する。一例示的実施形態では、これは、最初に、前述のように、材料を溶融し、次いで、溶融材料を金型等の任意の所望の受器に傾注することによって達成される。傾注は、任意の所望の様式において行われてもよい。
【００２３】
別の例示的実施形態では、原材料は、実質的に直立の位置において、傾斜可能容器の中に送給される。プラズマアークトーチは、容器内の原材料の少なくとも一部を溶融し、それによって、溶融された部分を生成する一方、容器の周囲または下方に提供される誘導コイルは、別個の電源を必要とせずに、金属の電磁撹拌を提供する。容器は、次いで、傾斜され、溶融材料の一部を金型等の受器の中に傾注し、それによって、鋳物またはインゴットを形成する。
【００２４】
本発明は、特に、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、ならびにそれらの組み合わせおよび合金に特に好適であると見なされる。
【００２５】
図１を参照すると、原材料を溶融するためのシステム１００が、示される。最初に、原材料が、その組成が所望の混合物または合金に対する許容可能限界内にあるように、不連続量に調製される。原材料の一般的形態として、所望の金属、金属の混合物、または合金の圧縮円板、円柱、ブロック、ボールを形成するように箔に包装されたばら材料、非包装ばら材料、およびスクラップ片が挙げられる。しかしながら、原材料は、任意の好適な形態であってもよい。原材料は、次いで、任意の適切な方法、例えば、バーフィーダによって押動される、バルクフィーダによって落下される、またはばら材料の場合、ホッパまたはスプーン型キャニスタを通して送給され、次いで、容器１０の中に落下されること等によって、容器１０に進入する。
【００２６】
容器１０に入ると、原材料は、プラズマアーク１４を生成し、電源１６によって給電されるように図式的に示される不動または可動プラズマアークトーチ１２によって溶融される。
【００２７】
チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、およびそれらの合金等の金属は、セラミック内張容器内で溶融されることができないことが理解されている。溶融材料は、セラミックと反応し、使用不能となるまで汚染される。したがって、一例示的実施形態では、容器１０は、これらの金属を溶融するための溶融受器としてより好適であると見なされる銅から作製される。しかしながら、本発明と併用され得る金属のいくつかと比較して、銅の相対的融点のため、銅容器を冷却することが有利であり得る。したがって、一例示的実施形態では、容器１０は、水冷される（または、他の流体で冷却される）銅容器である。典型的には、容器の底部表面および側面が、水冷される。したがって、容器内の材料の上部部分が、溶融されている間、ある量の材料は、再固化し（または、ある場合には、そもそも、溶融しない）、容器の底部に固体スカルを形成し得る。スカルは、望ましくないと見なされ得るが、大量の材料の場合、全体的処理材料のわずかな割合を構成するにすぎない。本明細書の発明者らによって報告されるように、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、およびそれらの合金等の金属を溶融するとき、材料の全てが溶融状態に維持されることができるわけではないが、これは、時として、固有の効率損失にもかかわらず、有利であり得る。任意の適切なサイズおよび形状にされた容器が、システム１００の制約に応じて、使用され得る。
【００２８】
合金インゴットまたは他の鋳物が所望される、それらの事例では、原材料の正しい溶融および混合が、重要である。容器１０の体積は、したがって、溶融の間、原材料の別個の断片を保持し、かつ合金を効果的に予混合し、断片毎の原材料に固有のいかなるわずかな組成のばらつきも均一化するために十分に大きくあるべきである。これはさらに、容器を定期的に意図的に空にし、最小量のスカルを残し、より高い溶点元素、成分、または合金の蓄積を回避することによって達成され得る。現在好ましい実施形態では、容器は、合金を精製するために使用されず、したがって、比較的に長い滞留時間は、要求されない。
【００２９】
また、図１に図式的に示されるのは、容器１０の下、容器１０の周囲、またはその両方に提供される、インダクタンスコイル（単数または複数）１８である。コイル（単数または複数）１８は、プラズマアークトーチ１２と事実上直列であり、別個の電力供給源に接続される必要がない。使用時、プラズマアークトーチ１２からの戻り電流は、溶融される（少なくとも幾分、伝導性の）材料、銅容器１０、および誘導コイル１８を通って流動し、したがって、誘導コイル１８と関連付けられた別個の電源を必要とせずに、金属の効率的撹拌をもたらす。より詳細には、プラズマアーク１４によって搬送される電流と、インダクタンスコイル１８と関連付けられた電磁場との間に相互作用が存在する。公知のシステムでは、電磁場は、典型的には、コイルと関連付けられた別個の電力供給源によって発生させられる。しかしながら、本発明者らは、別個の電源が必要ではなく、そのような効果が、プラズマアークトーチ１２からの電流が、溶融金属、容器１０、コイル１８を通って、それから、ユーティリティメイン（図の右下に接地として図１に図式的に図示される）まで通過するように、コイル（単数または複数）１８を適切に配置および構成することによって達成されることができることを発見した。言い換えると、典型的な先行技術と異なり、コイル（単数または複数）１８が、プラズマアーク１４と直列に提供される。
【００３０】
用語「インダクタ」は、多くの場合、ＡＣ回路内のインダクタを指すために使用されるが、本用語は、そのように限定されるように意図されない。現在好ましい実施形態では、電力供給源１６は、ＤＣ電力供給源であり、プラズマアークトーチ１２は、直流電流を使用して、材料を溶融するように構成される。本観点から、インダクタ１８は、インダクタではなく、「ＤＣコイル」と呼ばれてもよい。これらの用語は、交換可能と見なされるべきである。他の実施形態では、電力供給源１６は、ＡＣ電力供給源である、またはＡＣおよびＤＣ電力供給源の両方を備える。好適なプラズマアークトーチ１２は、使用される電力供給源１６に基づいて選択されてもよいが、発明者らは、インダクタ１８が、任意のＡＣ、ＤＣ、または組み合わせシステム内で交換可能に使用されてもよいことに気付いた。
【００３１】
スイッチ２０もまた、電磁撹拌をオンおよびオフにするために提供されてもよい。その最も単純な形態では、示されるように、スイッチ２０は、単極単投スイッチであってもよい。図示されるように、スイッチが開放されると、誘導コイル１８は、容器１０およびプラズマアークトーチ１２と事実上直列となる。スイッチ２０が閉鎖されると、容器１０は、直接、接地に接続され、撹拌がオフにされる。
【００３２】
図２を参照すると、小断面インゴットを生産するためのシステムが、示される。例証を容易にするために、本システムは、撹拌コイルを含まない、原材料を溶融するためのサブシステムの別の実施形態を使用する。図１に示されるような溶融システム１００は、所望に応じて、このより大きなシステムの中に組み込まれ得ることを理解されたい。原材料は、図１を参照して前述のように、任意の適切な方法によって、容器に進入してもよい。図２は、例示的目的のために、バーフィーダによって押動されることによって容器に進入する材料を図示する。容器に入ると、原材料は、不動または可動プラズマアークトーチによって溶融される。後者が、図２に示される。また、図５を参照すると、図示される実施形態では、容器は、水冷される（または、他の流体で冷却される）銅容器である。図５は、図２−４に図示されるものと形状が異なる、水冷される銅容器の一実施形態を示す。任意の適切なサイズおよび形状にされた容器が、システムの制約に応じて、使用されることができる。
【００３３】
ここで図３を参照すると、容器は、傾斜位置に図示される。十分な量の材料が溶融され、容器の上部に収集されると、容器は、任意の適切なアクチュエータによって、図３の位置に傾斜され、所望の量の溶融材料を金型の中に傾注する。材料は、以下に説明される理由から、不連続量またはバッチとして傾注される。また、図２および図３の容器の上面図を図示する、図４を参照すると、容器は、傾注切り欠きまたは噴出口を含んでもよく、それを通して材料は、金型の中に傾注される。傾注切り欠きまたは噴出口は、サイズが金型の上部における断面積と同等であってもよい。可動プラズマアークトーチまたは他の熱源が、噴出口を通して金型の中に溶融材料を指向するのに役立てるために使用されてもよい。いったん所望の量の溶融材料が、金型の中に傾注されると、容器は、図２に示されるその直立位置に逆傾斜され、さらなる原材料が、その中に送給され、プロセスは、再び、開始する。
【００３４】
合金インゴットが所望される、それらの事例では、原材料の正しい溶融および混合が、重要である。容器の体積は、したがって、溶融の間、原材料の別個の断片を保持し、かつ合金を効果的に予混合し、断片毎の原材料に固有のいかなるわずかな組成のばらつきも均一化するために十分に大きくあるべきである。これはさらに、容器を定期的に意図的に空にし、最小量のスカルを残し、より高い溶点元素、成分、または合金の蓄積を回避することによって達成され得る。容器は、合金を精製するために使用されず、したがって、比較的に長い滞留時間は、要求されない。容器自体の傾斜傾注は、原材料の高速回転を可能にし、それによって、略均質の液体を生成し、これは、次いで、金型に送達される。
【００３５】
ここで、金型を参照すると、金型は、所望の物品に応じて、多くの異なる可能性な形状を有し得る。任意の好適な閉鎖底部または開放底部金型が、使用されてもよい。
【００３６】
金型は、特定の部品（単数または複数）、あるいは部品（単数または複数）に変形され得る任意の予成形形状を生成するために成形されてもよい。この場合、金型は、開放上部および閉鎖底部を有してもよい。代替として、金型は、半連続インゴット生産のために成形されてもよい。この場合、金型は、開放上部および開放底部を有してもよい。任意の数の金型が、半連続方式で、鋳造位置へ、および鋳造位置から移動されてもよい。
【００３７】
一例示的開放底部金型が、説明される。前述のように、溶融材料は、不連続量またはバッチとして金型の中に送給される。図２および図３を参照すると、可動プラグが、第１の量の材料を支持するために提供されてもよい。各量が傾注された後、インゴットは、下向きに移動され、次の量の溶融材料がその中に送給されるために、金型の上部にさらなるオープンスペースを提供する。言い換えると、インゴットは、液圧シリンダ、可動クランプ、または駆動ロール等の任意の好適な機構を用いて、金型の底部からインゴットの固化された部分を引張することによって、継続的にまたは徐々にのいずれかで、金型内で降下される。
【００３８】
金型は、区分化された温度制御システムを有してもよく、すなわち、底部で冷却され、溶融材料が送給される上部で加熱される。これは、任意の所与の時間において固化プロセス中の材料の部分の上方の溶融材料の特定の深度を維持する。本溶融上層部によって生成される圧力は、多孔および固化収縮空隙等の他の欠陥がない、インゴットの形成を確実にする。加えて、加熱器によって生成される一定混合は、化学的に均質の溶融プールを確実にし、それによって、インゴットの長さ全体を通じた化学的均質性を確実にする。固化された材料の一部はまた、溶融上層部によって再溶融され、それと混合され、さらに均質性を追加してもよい。金型内の冷却は、例えば、水冷であってもよく、加熱器は、例えば、誘導加熱器であってもよい。金型のための例示的材料は、銅である。
【００３９】
金型は、小断面積金型であってもよい。例えば、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、あるいはそれらの組み合わせまたは合金等の金属の場合、従来、約７．１平方インチまたはそれより小さい断面積を伴うインゴット（例えば、約３．０インチまたはそれより小さい直径を伴う円形断面インゴット）を生成することは、非常に困難であった。本サイズの金型の場合、プラズマアークトーチが、金型の上部部分における材料を加熱するために使用される場合、プラズマアークの直径は、金型自体を破壊するために十分に大きいであろう。したがって、誘導コイル等の代替熱源が、金型内の材料の上部部分をその溶融状態に維持するために使用されてもよい。
【００４０】
加えて、または代替として、用語「小断面積」は、以下の効果のうちの任意の１つ以上を達成するための任意の適切なサイズの金型を指すことができる。
−最終インゴットにおける亀裂を回避すること。
−最終生成物へのさらなる加工の間に処理されるとき、インゴットの亀裂を回避すること。
−インゴットが固化する間、制御された冷却を可能にすること。
−比較的に小さな粒径（例えば、１００マイクロメートル以下）等、任意の所望の粒径を伴うインゴットを生産すること。
【００４１】
例えば、金型は、約７．１平方インチまたはそれより小さい断面積を有してもよい。例示的インゴットサイズは、２  １／８インチ直径×１２０インチ以上の長さである。これは、所望の最終サイズに非常に近似し、インゴットが固化および冷却する方法に関連する望ましくない鋳放し特徴を除去するために、少量の機械加工のみを要求し得る。さらに、より高い表面積対体積比および関連付けられた冷却のため、ならびに、区画化（加熱／冷却）された金型によってインゴット内に確立された温度勾配のため、チタン合金インゴットの典型的な鋳放し粒径は、１００マイクロメートル以下である。
【００４２】
しかしながら、金型は、円形断面に限定されず、多角形、丸角を伴う多角形、または任意の他の所望の形状の断面を有してもよい。さらに、金型は、一定断面サイズまたは形状に限定されない。金型は、先細にされてもよく、または他の非一定断面形状を有してもよい。そのような実施形態では、「小断面積」金型は、任意の断面にわたって、約７．１平方インチまたはそれより小さい断面積を伴う金型、または代替として、いくつかの断面にわたって、約７．１平方インチそれより小さい断面積を伴い、他の断面にわたって、より大きい断面積を伴う金型と見なされ得る。
【実施例】
【００４３】
実施例１：チタンアルミナイド合金インゴットを作製するためのサンプル動作パラメータ
図６−８は、実施例１に従って製造される、５５ｍｍ外径チタンアルミナイドインゴットを図示する。４インチ直径成形体を、要素材料、すなわち、市販の純チタンスポンジ、ニオブ−アルミニウムマスタ合金、アルミニウム−モリブデン−チタンマスタ合金、アルミニウム−チタン−ホウ素マスタ合金、およびアルミニウムペレットから作製した。成形体を、１５０トン液圧プレスを使用して作製した。各成形体を、成分が正確な最終合金組成を形成するように計量した。各成形体の質量は、１．０５０ｋｇであった。約７つの成形体を、Ｒｅｔｅｃｈ  ＰＡＭ−５（プラズマアーク溶融）システムのフィーダ内に置いた。４つの成形体を、スカルを生成するように容器内に置いた。チャンバを、５ｍＴｏｒｒ／分未満の上昇率で５０ｍＴｏｒｒ圧力未満まで減圧した。チャンバを、ヘリウムで約６００Ｔｏｒｒまで逆充填し、プラズマアークトーチを、容器内に置かれた成形体に対して始動させた。容器内の内容物を、６００〜７００Ａｍｐトーチ電流を使用して溶融し、次いで、プラズマアークトーチを依然として動作させながら、容器を傾注位置に移動させた。容器の溶融内容物を、５５ｍｍ内径水冷銅区画化金型の中に傾注した。中に機械加工されたありつぎ溝を伴う水冷却銅プレートが、金型の底部を形成した。金型の中に傾注される溶融材料を、ありつぎ内で固化させ、それによって、後続傾注に応じて、固化されたインゴットを金型から引張するための手段を生成した。ありつぎの初期鋳造が完了すると、金型への誘導電力供給源を、約８０ｋＷでオンにした。容器からの第２の傾注を、行い、溶融プールが誘導電力を使用して維持され得るレベルまで金型を充填した。容器を、送給位置に移動させ、成形体を、フィーダから容器の中に押動した。本成形体を、プラズマアークトーチによって急速に溶融した。いったん成形体が完全に溶融されると、容器を、再び、傾注位置に移動させ、インゴットを、金型内で引き下げ、別の傾注を金型の中に行った。本サイクルは、フィーダ内の成形体が全て溶融されるまで、完了されなかった。
【００４４】
結果として生じるインゴットは、約５０ｃｍ長であった。インゴットの上部および底部ならびに中央近傍において、インゴットを横切る横方向切断を行った。図６を参照されたい。インゴットの断面全体が、中実であった。図７を参照されたい。非常に小さい空隙が、インゴットの外径近傍に見られた。インゴットの中心には、空隙がなかった。他の横方向切断も、着目されるインゴットに沿った種々の場所の化学分析および金属組織学的分析を行うために行った。金属組織学的サンプルを、研磨およびエッチングした。
【００４５】
代表的顕微鏡写真を、微粒子微細構造を示すために撮影した。図８を参照されたい。本タイプのチタンアルミナイドの典型である、３相微細構造が、見られた。大きな空隙または鋳造欠陥の証拠は、インゴット断面にわたって見られなかった。１００〜３００マイクロメートルの範囲内の中間サイズの欠陥が、典型的には、インゴット外径近傍に見られた。これらは、外側表面の機械加工の間に除去されるであろう。１０〜２０マイクロメートルの範囲内の小空隙が、断面全体を通して所々に見られた。
【００４６】
実施例２：Ｔｉ  ６Ａｌ  ４Ｖ合金インゴットを作製するためのサンプル動作パラメータ
図９は、実施例２に従って製造された５５ｍｍ外径Ｔｉ  ６Ａｌ  ４Ｖ合金インゴットを図示する。以前に溶融されたスクラップ８インチ直径インゴット断片を、帯鋸を使用して切断した。ＰＡＭ−５フィーダの内側に適合するように断片のサイズを合わせた。他の断片も、スカルを形成するように容器内に置いた。チャンバを、５ｍＴｏｒｒ／分の上昇率で５０ｍＴｏｒｒ未満まで減圧した。チャンバを、約６００Ｔｏｒｒまで逆充填し、プラズマアークトーチを容器内で始動させた。容器内の内容物を、６００−７００Ａｍｐトーチ電流を使用して溶融した。次いで、プラズマアークトーチを依然として動作させながら、容器を傾注位置に移動させた。容器の溶融内容物を、５５ｍｍ内径水冷銅区画化金型の中に傾注した。その中に機械加工されたありつぎ溝を伴う水冷却銅プレートが、金型の底部を形成した。金型の中に傾注される溶融材料を、ありつぎ内で固化させ、それによって、後続傾注に応じて、固化されたインゴットを金型から引張するための手段を生成した。ありつぎの初期鋳造が完了すると、金型への誘導電力供給源を、約８０ｋＷでオンにした。容器からの第２の傾注を、行い、溶融プールが誘導電力を使用して維持され得るレベルまで金型を充填した。容器を、送給位置に移動させ、切断片を、フィーダから容器の中に押動した。本片を、プラズマアークトーチによって急速に溶融した。いったん片が完全に溶融されると、容器を、再び、傾注位置に移動させ、インゴットを、金型内に引き下げ、別の傾注を金型の中に行った。本サイクルは、フィーダ内のスクラップ片が全て溶融されるまで、完了されなかった。結果として生じるインゴットは、約５０ｃｍ長であった。インゴットの上部および底部ならびに中央近傍において、インゴットを横切る横方向切断を行った。図９を参照されたい。インゴットの断面全体が、中実であった。
【００４７】
実施例３
チタン−アルミナイド（ＴｉＡｌ）合金の鋳造は、鍛造方法よりコスト効果的となる潜在性を伴う、新興産業である。鋼鉄金型鋳造が、鋳造後、機械加工または鍛造され得る、あるいは粉砕または再溶融および噴霧されて粉末形態にされ得るインゴットにＴｉＡｌ合金を処理するための可能性として考えられる技法として提案されている。本プロセスは、良好な表面仕上げ、より高い寸法公差、および再使用可能金型を可能にするであろう。チタンアルミナイド合金を用いて、試験を、行った。高温勾配は、インゴットまたはスカルを激しく破砕させ得る。本温度感度は、ＴｉＡｌ合金の処理および抽出をより困難にする。加えて、安全対策が、損傷および傷害を防止するために講じられなければならない。ヘリウム（Ｈｅ）ガスを、プラズマトーチのために使用した。
【００４８】
（実験手技）
約６．５ｋｇのＴｉＡｌ合金を、プラズマアーク溶融システム１００の傾斜可能炉床１０の中に装填し、ヘリウムガスを使用して、プラズマトーチ１２によって溶融した。ＤＣ撹拌コイル１８を、使用し、炉床１０内で溶融金属の元素を混合し、均質組成を確実にした（図１参照）。２つの撹拌コイル１８が、相互に直列に提供され、図１に図示されるように、一方を他方の上方に配置した。
【００４９】
撹拌機能は、撹拌コイル１８をバイパスする短絡を生成する切替シリンダ２０を使用して、溶融プロセスを停止せずに、オンおよびオフに変えられることが可能である。溶融物が混合された後、炉床１０を、傾斜位置に置き、トーチ１４を、炉床１０の後方に、かつ傾斜炉床１０によって衝打されることを回避するために十分に離れた距離に向けた。炉床１０を、全液体内容物が傾注されるまで傾斜させた。単回傾注によって、鋼鉄金型が完全に充填され、次いで、プロセスは、終了し、インゴットを、冷却後、抽出した。
【００５０】
図１は、一方が、撹拌コイル１８に接続し、他方が、炉床１０を接地に短絡させることによって、撹拌コイル１８を「接続を断つ」切替シリンダ２０上のプレートに接続する、２つの回路を特徴とするＤＣ撹拌コイルの概略であることに留意されたい。炉床は、高電位であり、炉床１０が封入される図示されないチャンバが、接地としての役割を果たしてもよい。２つのコイルは、それぞれ、００ゲージワイヤを用いて５回巻回され、炉床の下に設置される。コイルのうちの一方は、他方のすぐ上方にある。
【００５１】
鋼鉄金型（図１に図示せず）は、２インチの内径および２０インチの長さを有していた。アルミニウムバンドを、図１０に見られるように、２つの金型半体をともに保持するために使用した。金型の内部表面仕上げは、１２５μｉｎであった。金型は、中央区分において３１／６４インチの厚さ、１インチ底部、および１９／６４インチ厚の漏斗を有していた。試験を、加熱されていない鋼鉄金型および加熱された鋼鉄金型を用いて行った。トーチに印加されるアンペア数および電圧、撹拌にかかった時間、および金型への誘導電力を、後の比較のために記録した（表１）。
【００５２】
【表１】
0006289474.tif 000002
【００５３】
抽出されたインゴットを、電鋸を使用して、縦方向に切断した。区分化後、インゴットの表面仕上げおよび縦方向断面を、検査し、撮影した。インゴットの縦方向断面は、インゴットの中心に沿って、収縮孔を呈した（図１１）。多孔の大部分は、インゴットの上部および底部近傍に見られ得る。第２のＴｉＡｌ合金インゴットを、加熱された金型の中に傾注した。インゴットの表面は、上部および中央区分にいくつかのホットラッピングを有していた（図１２）。
【００５４】
当業者によって理解されるように、本発明は、その本質的特性から逸脱することなく、他の特定の形態において具現化されてもよい。多くの他の実施形態が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、可能性として考えられる。これらの他の実施形態は、以下の請求項に記載の本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【図１】
0006289474.tif 000003
【図２】
0006289474.tif 000004
【図３】
0006289474.tif 000005
【図４】
0006289474.tif 000006
【図５Ａ】
0006289474.tif 000007
【図５Ｂ】
0006289474.tif 000008
【図５Ｃ】
0006289474.tif 000009
【図５Ｄ】
0006289474.tif 000010
【図５Ｅ】
0006289474.tif 000011
【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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