(57)【要約】  るつぼ組成物、及びるつぼ組成物を用いてチタン及びチタン合金を溶融する方法を提供する。具体的には、チタン含有物品の鋳造において使用するためのチタン及びチタン合金の溶融に効果的な内的フェースコートを有するるつぼ組成物、るつぼ組成物中で溶解されるチタン及びチタン合金から製造されるチタン含有物品、るつぼ硬化装置及びその使用の方法を提供する。また、本発明の１つである、チタン及びチタン合金を溶融するためのるつぼ（１００）は、カルシウムモノアルミネートを含むカルシウムアルミナセメント（１２０）を含むバルク（２００）と、内部でチタン及びチタン合金を溶融するための空隙（３００）とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルシウムモノアルミネートを含むカルシウムアルミナセメント（１２０）を含むバルク（２００）と、
内部でチタン及びチタン合金を溶融するための空隙（３００）と
を含む、チタン及びチタン合金を溶融するためのるつぼ（１００）。
【請求項２】
カルシウムモノアルミネートを含むカルシウムアルミナセメント（１２０）を含む、前記バルク（２００）と前記空隙（３００）との間に約１０ミクロン〜約４５０ミクロン配される内的フェースコート（４００）を更に含む請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項３】
前記内的フェースコート（４００）が、連続的な内的フェースコート（４００）又は非連続的な内的フェースコート（４００）を含む請求項２に記載のるつぼ（１００）。
【請求項４】
前記カルシウムアルミナセメント（１２０）が、カルシウムジアルミネート、マイエナイト、又はカルシウムジアルミネートとマイエナイトの両方を更に含む請求項２に記載のるつぼ（１００）。
【請求項５】
前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）及び前記内的フェースコート（４００）が、異なる組成物を有し、及び前記内的フェースコート（４００）が、約５０ミクロン未満の粒径のカルシウムアルミネートを含む請求項２に記載のるつぼ（１００）。
【請求項６】
前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）及び前記内的フェースコート（４００）が、異なる組成物を有し、及び前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）が、約５０ミクロンより大きなアルミナ粒子（１１０）を含む請求項２に記載のるつぼ（１００）。
【請求項７】
前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）が、約５０ミクロンより大きなアルミナ粒子（１１０）を含み、及び前記内的フェースコート（４００）が、サイズが約５０ミクロン未満のカルシウムアルミネート粒子を含む請求項２に記載のるつぼ（１００）。
【請求項８】
前記内的フェースコート（４００）が、前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）よりも重量分率で少なくとも２０パーセント多くカルシウムモノアルミネートを有する請求項２に記載のるつぼ（１００）。
【請求項９】
前記内的フェースコート（４００）が、前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）よりも重量分率で少なくとも２０パーセント少なくアルミナを有する請求項２に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１０】
前記内的フェースコート（４００）が、前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）よりも重量分率で少なくとも２０パーセント多くカルシウムモノアルミネートを有し、少なくとも２０パーセント少なくアルミナを有し、及び少なくとも５０パーセント少なくマイエナイトを有する請求項４に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１１】
前記内的フェースコート（４００）中のカルシウムモノアルミネートの重量分率が、０．６０を超え、及びマイエナイトの重量分率が、０．１０未満である請求項４に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１２】
前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）中の前記カルシウムモノアルミネートが、約０．０５〜０．９５の重量分率を備え、及び前記内的フェースコート（４００）中の前記カルシウムモノアルミネートが、約０．１０〜０．９０である請求項２に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１３】
前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）中の前記カルシウムジアルミネートが、約０．０５〜約０．８０の重量分率を備え、及び前記内的フェースコート（４００）中の前記カルシウムジアルミネートが、約０．０５〜０．９０である請求項４に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１４】
前記るつぼ組成物の前記バルク（２００）中の前記マイエナイトが、約０．０１〜約０．３０の重量分率を備え、及び前記内的フェースコート（４００）中の前記マイエナイトが、約０．００１〜０．０５である請求項４に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１５】
前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）中の前記カルシウムモノアルミネートが、約０．０５〜０．９５の重量分率を備え、及び前記内的フェースコート（４００）中の前記カルシウムモノアルミネートが、約０．１〜０．９であり、前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）中の前記カルシウムジアルミネートが、約０．０５〜約０．８０の重量分率を備え、及び前記内的フェースコート（４００）中の前記カルシウムジアルミネートが、約０．０５〜０．９０であり、前記るつぼ組成物の前記バルク（２００）中の前記マイエナイトが、約０．０１〜約０．３０の重量分率を備え、及び前記内的フェースコート（４００）中の前記マイエナイトが、約０．００１〜０．０５である請求項４に記載の前記るつぼ組成物。
【請求項１６】
前記るつぼ（１００）の前記バルク（２００）中に外形寸法が約５００ミクロン未満の酸化アルミニウム粒子を更に含む請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１７】
前記カルシウムアルミナセメント（１２０）が、前記るつぼ（１００）を製造するのに用いられる前記組成物の３０重量％を超えて構成する請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１８】
酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、酸化ケイ素粒子、又はこれらの組成物を更に含む請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項１９】
前記酸化アルミニウム粒子が、前記るつぼ（１００）を製造するのに用いられる前記組成物の約４０重量％〜約６８重量％を構成する請求項１８に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２０】
酸化アルミニウムの中空粒子を更に含む請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２１】
前記るつぼ組成物の約１０重量％を超え、及び約５０重量％未満の酸化カルシウムを更に含む請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２２】
前記るつぼ（１００）を製造するのに用いられる初期のカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントが約６０〜約８０％の請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２３】
前記るつぼ（１００）を製造するのに用いられる、大規模なアルミナを伴う前記最終的なカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントが、約６５％〜約９０％である請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２４】
前記るつぼ（１００）が、シリカを更に含む請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２５】
前記るつぼ（１００）が、チタン含有物品を形成する型内での使用のためのチタン又はチタン合金の溶融に関する耐熱衝撃性要件を満たす請求項１に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２６】
前記チタン又はチタン合金の溶融に関する前記耐熱衝撃性要件が、１５００℃を超え、及び１７００℃までの温度で、少なくとも１秒間である請求項２５に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２７】
前記チタン含有物品が、チタンアルミナイド含有タービン動翼を含む請求項２５に記載のるつぼ（１００）。
【請求項２８】
前記初期のカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物のパーセントが、約６０％〜約８０％であり、カルシウムアルミネートを液体と合わせて、粘度が約５０〜約１５０センチポアズであるカルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップと、
前記大規模な酸化物粒子を伴う前記最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の前記固形物が約６５％〜約９０％であるように酸化物粒子を前記スラリーに加えるステップと、
前記スラリーをるつぼ型（６０）空隙（６０ａ）に導入するステップと、
前記導入ステップの前、又は前記導入ステップの後のいずれかで前記るつぼ型（６０）空隙内（６０ａ）に挿入される除去可能なるつぼ空隙模型（７０）の周りで前記スラリーを硬化させるステップを含む、前記スラリーを前記るつぼ型（６０）空隙内（６０ａ）で硬化させて、チタン含有物品の製造において有用なチタン及びチタン合金の溶融において使用するためのるつぼ（１００）を形成するステップと
を含むチタン含有物品の製造において有用なチタン及びチタン合金を溶融するためのるつぼ（１００）を形成するための方法。
【請求項２９】
前記形成したるつぼ（１００）を焼成するステップを更に含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
請求項２８に記載の方法により製造されるるつぼ（１００）を提供するステップと、
前記るつぼ（１００）を予熱するステップと、
前記加熱したるつぼ（１００）内でチタン又はチタン合金を溶融して、溶融したチタン又は溶融したチタン合金を生成するステップと
を含むチタン及びチタン合金を溶融するための方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法を実施して、溶融したチタン又は溶融したチタン合金を得るステップと、
前記溶融したチタン又は前記溶融したチタン合金をインベストメント型に流し込むステップと、
前記溶融したチタン又は前記溶融したチタン合金を凝固させて、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を形成するステップと、
前記凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を前記インベストメント型から取り出すステップと
を含むチタン及びチタン合金のための鋳造方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の鋳造方法によって製造されるチタン又はチタン合金物品。
【請求項３３】
請求項３１に記載の方法を実施して、溶融したチタン又は溶融したチタン合金を得るステップと、
前記溶融したチタン又は前記溶融したチタン合金をインベストメント型に流し込むステップと、
前記溶融したチタン又は前記溶融したチタン合金を凝固させて、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を形成するステップと、
前記凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を前記インベストメント型から取り出すステップと
を含むチタン及びチタン合金のための鋳造方法。
【請求項３４】
内部のるつぼ型（６０）を保持するためのチャンバ（５０）を含むベース（４０）と、
前記るつぼ空隙模型（７０）を終端に取り外し可能に結合するためのアダプター部分（３５）を含む、除去可能なるつぼ空隙模型（７０）を前記チャンバ（５０）の中に挿入及び外に除去するためのエフェクターアーム（３０）と、
前記エフェクターアーム（３０）を前記チャンバ（５０）の上方の所望の場所に支持及び配置するための支持体（２０）と
を含み、
チタン含有物品の形成において使用するためのチタン又はチタン合金を溶融するための必要な耐熱衝撃性を満たするつぼ（１００）を生成するのに効果的である、
るつぼ硬化装置（１０）。
【請求項３５】
請求項３４に記載のるつぼ硬化装置（１０）を提供するステップと、
るつぼ型（６０）空隙（６０ａ）を含むるつぼ型（６０）を、前記るつぼ硬化装置（１０）の前記チャンバ（５０）内に配置するステップと、
カルシウムアルミネートのスラリーを、前記チャンバ（５０）内に配置された前記るつぼ型（６０）の前記るつぼ型（６０）空隙（６０ａ）に導入するステップと、
前記導入ステップの前、又は前記導入ステップの後のいずれかで前記るつぼ型（６０）空隙内（６０ａ）に挿入される前記除去可能なるつぼ空隙模型（７０）の周りで前記スラリーを硬化させるステップを含む、前記スラリーを前記るつぼ型（６０）空隙内（６０ａ）で硬化させて、チタン含有物品を形成するためのチタン及びチタン合金の溶融において使用するためのるつぼ（１００）を形成するステップと
を含むチタン含有物品の形成において使用するためのチタン又はチタン合金を溶融するためのるつぼ（１００）を生成するための方法。
【請求項３６】
前記スラリーが、
前記初期のカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物のパーセントが、約６０％〜約８０％であり、カルシウムアルミネートを液体と合わせて、粘度が約５０〜約１５０センチポアズであるカルシウムアルミネートのスラリーを生成する工程と、
前記大規模な酸化物粒子を伴う前記最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の前記固形物が約６５％〜約９０％であるように酸化物粒子を前記スラリーに加える工程と
によって生成される請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、るつぼ及びフェースコート組成物、並びにチタン及びチタンアルミナイド合金を溶融するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代のガス又は燃焼タービンは、信頼性、重量、能力、経済性及び有効動作寿命に関する最も高い要求を満足させなければならない。このようなタービンの開発では、基準を満たし、要求を満足させる上で、材料選択、新しい適した材料の探求、並びに新しい生産方法の探求が、とりわけ重要な役割を果たす。
【０００３】
ガスタービンに用いられる材料には、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる。）及び高強度鋼が含まれることがある。航空機エンジンでは、チタン合金は一般に、圧縮機部品に使用され、ニッケル合金は、航空機エンジンの高温部品に適しており、高強度鋼は、例えば、圧縮機ハウジング及びタービンハウジングに使用される。高負荷又は高応力ガスタービン部品、例えば、圧縮機用部材などは通常、鍛造部品である。一方、タービン用の部材は通常、インベストメント鋳造部品として取り入れられる。
【０００４】
インベストメント鋳造は新しいプロセスではないが、更に入り組んだ複雑な部品の需要が増加しているため、インベストメント鋳造の市場は成長し続けている。高品質、高精度の鋳物の需要が大きいため、更に迅速に、効率よく、安価に、より高品質のインベストメント鋳造を製造する新しい方法を開発することが継続して必要とされている。
【０００５】
従来のるつぼは、チタン合金などの反応性合金の鋳造に適していない。１つの理由は、溶融したチタンとるつぼとの間で反応があるためである。溶融した合金とるつぼとの間のどのような反応も、最終的な鋳物の特性を悪化させることになる。悪化には、気泡による劣った表面仕上げのように単純なものがあり、更に深刻な場合は、鋳物の化学的性質、ミクロ組織及び特性が損なわれる恐れがある。
【０００６】
課題とされてきたのは、チタン及びチタンアルミナイド合金と著しく反応しないるつぼの生成である。この点に関して、構造用チタン及びチタンアルミナイド合金に関する要件を満たす従来の流し込みセラミックインベストメント化合物は、存在するとしてもわずかである。したがって、チタン及びチタンアルミナイド合金と著しく反応しないセラミックのるつぼが必要とされている。これまで、チタン合金を溶融するために、セラミックシェルるつぼを用いた手法が採用されてきた。従来の例では、従来のインベストメントるつぼ化合物の制約を減らすために、別のるつぼ又は型材料がいくつか開発されてきた。例えば、酸化マグネシウム又はジルコニアを主成分として用い、金属ジルコニウムを主成分に加えて鋳造金属の凝固による収縮を補う酸化膨張タイプの型インベストメント化合物が開発された。したがって、金属又は金属合金と著しく反応しないインベストメントるつぼ内での金属又は金属合金の容易な溶融を可能にする、単純且つ信頼性の高い溶融及びインベストメント鋳造方法も必要とされている。
【０００７】
誘導溶融は一般に、非導電性の耐熱合金酸化物から作られたるつぼ内で、るつぼ内の金属の装填物が液状に溶解するまで金属を加熱するものである。チタン又はチタン合金などの反応性が高い金属を溶融するとき、酸化物ベースのセラミックのるつぼよりはむしろ、コールドウォール又はグラファイトるつぼを用いる真空誘導溶解が通常利用される。
【０００８】
チタン合金などの反応性が高い合金を溶融するとき、溶融に必要な温度での合金中の元素の反応性の結果として、困難が生じる可能性がある。ほとんどの誘導溶融システムでは、誘導炉内のるつぼに耐熱合金酸化物を使用するが、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）などの合金は反応性が高いので、るつぼを侵し、チタン合金を汚染する可能性がある。例えば、アルミナ、マグネシア及びシリカを含有するるつぼなど、セラミックのるつぼは通常避けられ、その理由は、反応性が高い合金は、るつぼと反応し、酸素でチタン合金を汚染する可能性があるためである。同様に、グラファイトるつぼが利用される場合、チタン及びチタンアルミナイドの両方をベースとする合金は、るつぼから大量の炭素をチタン合金中に溶解させ、それによって汚染につながる可能性がある。このような汚染は、チタン合金の機械的特性が失われる結果となる。
【０００９】
コールドクルーシブル溶解には、先述の反応性が高い合金の加工に関して冶金学的な利点があるが、これにも又、低い過熱度、スカル形成による収量低下、高い所要電力、限られた溶融能力を含む技術的及び経済的な制約がいくつかある。これらの制約により、その商業化が制限される可能性がある。
【００１０】
したがって、現在の応用例よりも汚染されにくく、技術的及び経済的な制約が少ない、反応性が高い合金の溶融において使用するためのセラミックのるつぼはまだ必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／１３９５５０号明細書
【発明の概要】
【００１２】
るつぼ組成物、溶融の方法、鋳造の方法、及び従来の技術の制約を克服する鋳造物品を提供する本システムの態様が開示されている。本明細書のいくつかの態様は、航空宇宙産業向けの部品、例えば、エンジンタービン動翼の製作を対象としてもよいが、本システムの態様は、任意の産業における任意の部品、特にチタン及び／又はチタン合金を含む部品の製作において用いてもよい。
【００１３】
１つの実施形態は、カルシウムモノアルミネートを含むカルシウムアルミナセメントを含むバルク、及び内部でチタン及びチタン合金を溶融するための空隙を含む、チタン及びチタン合金を溶融するためのるつぼである。別の実施形態では、るつぼは更に、バルクと空隙との間に約１０ミクロン〜約４５０ミクロン配される内的フェースコート（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｆａｃｅｃｏａｔ）を含むことができて、ここで、上記内的フェースコートは、カルシウムモノアルミネートを含むカルシウムアルミナセメントを含む。別の実施形態では、カルシウムアルミナセメントは更に、カルシウムジアルミネート、マイエナイト、又はカルシウムジアルミネートとマイエナイトの両方を含むことができる。
【００１４】
１つの実施形態は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含むカルシウムアルミナセメントを含む、チタン及びチタン合金を溶融するためのるつぼであり、ここで、るつぼは、るつぼのバルクとるつぼ空隙との間に約１０ミクロン〜約４５０ミクロンの内的フェースコートを有する。別の実施形態では、フェースコートは、連続的な内的フェースコートである。フェースコートは、るつぼ内の内部表面、すなわち、るつぼ空隙に隣接するるつぼの領域として定義される。より効果的であるために、フェースコートは連続的である。フェースコートの背後、且つるつぼ空隙から更に離れた領域をるつぼのバルクと呼ぶ。別の実施形態では、記載のるつぼは更に、シリカ、例えば、コロイド状シリカを含む。
【００１５】
るつぼは、１つの例では、るつぼのバルク及び内的フェースコートを含み、るつぼのバルク及び内的フェースコートは、異なる組成物を有し、且つ、内的フェースコートは、約５０ミクロン未満の粒径のカルシウムアルミネートを含む。別の実施形態では、るつぼは、るつぼのバルク及び内的フェースコートを含み、ここで、るつぼのバルク及び内的フェースコートは、異なる組成物を有し、且つ、ここで、るつぼのバルクは、約５０ミクロンより大きなアルミナ粒子を含む。るつぼは、別の例では、るつぼのバルク及び内的フェースコートを含み、ここで、るつぼのバルクは、約５０ミクロンより大きなアルミナ粒子を含み、且つ、内的フェースコートは、サイズが約５０ミクロン未満のカルシウムアルミネート粒子を含む。
【００１６】
特定の実施形態では、内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも重量分率で少なくとも２０パーセント多くカルシウムモノアルミネートを有する。１つの実施形態では、内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも重量分率で少なくとも２０パーセント少なくアルミナを有する。別の実施形態では、内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも重量分率で少なくとも２０パーセント多くカルシウムアルミネートを有し、少なくとも２０パーセント少なくアルミナを有し、且つ、少なくとも５０パーセント少なくマイエナイトを有する。
【００１７】
内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、１つの例では、０．６０を超え、且つ、マイエナイトの重量分率は、０．１０未満である。１つの実施形態では、るつぼのバルク中のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５〜０．９５の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートは、約０．１０〜０．９０である。別の実施形態では、るつぼのバルク中のカルシウムジアルミネートは、約０．０５〜約０．８０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のカルシウムジアルミネートは、約０．０５〜０．９０である。更に別の実施形態では、るつぼ組成物のバルク中のマイエナイトは、約０．０１〜約０．３０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のマイエナイトは、約０．００１〜０．０５である。特定の実施形態では、るつぼのバルク中のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５〜０．９５の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートは、約０．１〜０．９０であり、るつぼのバルク中のカルシウムジアルミネートは、約０．０５〜約０．８０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のカルシウムジアルミネートは、約０．０５〜０．９０であり、ここで、るつぼ組成物のバルク中のマイエナイトは、約０．０１〜約０．３０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のマイエナイトは、約０．００１〜０．０５である。
【００１８】
１つの例では、るつぼは更に、るつぼのバルク中に外形寸法が約５００ミクロン未満の酸化アルミニウム粒子を含む。１つの例では、酸化アルミニウム粒子は、るつぼを製造するのに用いられる組成物の約４０重量％〜約６８重量％を構成する。これらの酸化アルミニウム粒子は、中空であってもよい。別の実施形態では、カルシウムアルミナセメントは、るつぼを製造するのに用いられる組成物の３０重量％を超えて構成する。１つの実施形態では、るつぼは更に、るつぼ組成物の約１０重量％を超え、且つ約５０重量％未満の酸化カルシウムを含む。
【００１９】
１つの例では、るつぼは更に、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、酸化ケイ素粒子、又はこれらの組成物を含む。
【００２０】
るつぼを製造するのに用いられる初期のカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、１つの例では、約６０〜約８０％である。別の例では、大規模なアルミナを伴い、るつぼを製造するのに用いられる最終的なカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、約６５％〜約９０％である。固形物のパーセントは、混合物中の全固形物を混合物中の液体及び固形物の全質量で割り、パーセントで表したものと定義される。
【００２１】
本システムの１つの態様は、るつぼ内で溶解されたチタン又はチタン合金から形成されるチタン含有物品である。物品は、１つの例では、チタンアルミナイド含有タービン動翼を含む。１つの態様では、本物品は、本明細書に記載のるつぼであり、ここで、るつぼは、チタン含有物品を形成するチタン又はチタン合金を溶融するのに用いられる。１つの関連する実施形態では、チタン含有物品は、チタンアルミナイド含有タービン動翼を含む。
【００２２】
１つの態様は、チタン含有物品の鋳造において使用するためのチタン合金を溶融するために用いられるるつぼのフェースコート組成物であり、フェースコート組成物は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含み、ここで、フェースコート組成物は、内的フェースコートであり、厚さ約１０ミクロン〜約４５０ミクロンであり、且つ、るつぼのバルクとるつぼ空隙の方に向いているるつぼの表面との間に位置している。内的フェースコートは、１つの例では、約５０ミクロン未満の粒径のカルシウムアルミネートを含む。１つの実施形態では、内的フェースコート組成物は更に、シリカ、例えば、コロイド状シリカを含む。
【００２３】
１つの例では、内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも重量分率で少なくとも２０パーセント多くカルシウムアルミネートを有し、少なくとも２０パーセント少なくアルミナを有し、且つ、少なくとも５０パーセント少なくマイエナイトを有する。内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、１つの例では、０．６０を超え、且つ、マイエナイトの重量分率は、０．１０未満である。１つの実施形態では、内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートは、０．１０〜０．９０の重量分率を備え、内的フェースコート中のカルシウムジアルミネートは、０．０５〜０．９０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のマイエナイトは、０．００１〜０．０５の重量分率を備える。
【００２４】
本技術の１つの態様は、チタン含有物品の鋳造において有用なチタン及びチタン合金を溶融するための溶融るつぼを形成するための方法であり、方法は、初期のカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物のパーセントが約６０％〜約８０％であり、且つ、スラリーの粘度が約１０〜約２５０センチポアズである、カルシウムアルミネートを液体と合わせて、カルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップと、大規模な（５０ミクロンを超える）酸化物粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物が約６５％〜約９０％であるように酸化物粒子をスラリーに加えるステップと、消失模型を含むるつぼ型空隙にスラリーを導入するステップと、るつぼ型空隙内でスラリーを硬化させて、チタン含有物品の製造において有用なチタン及びチタン合金の溶融において使用するためのるつぼを形成するステップとを含む。
【００２５】
別の態様は、チタン及びチタン合金のための溶融方法であり、カルシウムアルミネートを液体と合わせてカルシウムアルミネートのスラリーを生成し、且つ、大規模なアルミナを伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物が約６５％〜約９０％であり、且つ、得られるるつぼが内的フェースコートを有する、カルシウムアルミネート及び酸化アルミニウムを含む溶融るつぼ組成物を得るステップと、消失模型を含む容器に溶融るつぼ組成物を流し込むステップと、溶融るつぼ組成物を硬化させるステップと、消失模型を容器から除去して、るつぼを得るステップと、るつぼを予熱するステップと、加熱したるつぼ内でチタン又はチタン合金を溶融して、溶融したチタン又は溶融したチタン合金を生成するステップとを含む。
【００２６】
別の例は、チタン及びチタン合金のための鋳造方法であり、カルシウムアルミネートを液体と合わせてカルシウムアルミネートのスラリーを生成し、且つ、大規模なアルミナを伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物が約６５％〜約９０％であり、且つ、得られるるつぼが内的フェースコートを有する、カルシウムアルミネート及び酸化アルミニウムを含む溶融るつぼ組成物を得るステップと、消失模型を含む容器に溶融るつぼ組成物を流し込むステップと、溶融るつぼ組成物を硬化させるステップと、消失模型を容器から除去して、るつぼを得るステップと、るつぼを予熱するステップと、加熱したるつぼ内でチタン又はチタン合金を溶融して、溶融したチタン又は溶融したチタン合金を生成するステップと、溶融したチタン又は溶融したチタン合金を型に流し込むステップと、溶融したチタン又はチタン合金を凝固させて、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を形成するステップとを含む。次いで、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物は、型から取り出すことができる。１つの実施形態では、この方法は、溶融したチタン又はチタン合金をるつぼから鋳型内へ送る前に、型を焼成するステップを含むことができる。１つの実施形態では、本明細書において教示される溶融及び鋳造方法によって製造されるチタン又はチタン合金物品が提供される。
【００２７】
本システムの１つの態様は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含むカルシウムアルミナセメントを含む、チタン又はチタン合金を溶融するためのるつぼ組成物である。１つの実施形態では、るつぼ組成物は更に、酸化アルミニウムの中空粒子を含む。別の態様は、カルシウムアルミネートを含むチタン含有物品溶融−るつぼ組成物である。例えば、本システムの態様は、チタン含有及び／又はチタン合金含有物品、或いは部品、例えば、チタン含有タービン動翼の鋳造において使用するためのチタン又はチタン合金を溶融するためのるつぼ内で用いられるるつぼ組成物の提供に固有に適していてもよい。
【００２８】
別の態様は、内部のるつぼ型を保持するためのチャンバを含むベースと、るつぼ空隙模型をエフェクターアームの終端に取り外し可能に結合するためのアダプター部分を含む、除去可能なるつぼ空隙模型をチャンバの中に挿入及び外に除去するためのエフェクターアームと、エフェクターアームをチャンバの上方の所望の場所に支持及び配置するための支持体とを含むるつぼ硬化装置であり、ここで、上記るつぼ硬化装置は、チタン含有物品の形成において使用するためのチタン又はチタン合金を溶融するための必要な耐熱衝撃性をもたらするつぼを生成するのに効果的である。１つの実施形態では、チタン又はチタン合金の溶融は、１５００℃を超え、１７００℃までの温度で、少なくとも１秒間、５分までの時間、特定の実施形態では、約５〜３０秒の間にすることができる。
【００２９】
本明細書において用いられるとき、用語「除去可能なるつぼ空隙模型」は、硬化したるつぼの空隙を形成するのに用いられる任意の模型を指す。用語「除去可能なるつぼ空隙模型」は、本明細書において、用語「消失模型」、「ワックス模型」及び同種のものと同義で用いられる。
【００３０】
溶融るつぼの重要な性質は、溶融サイクル中に、るつぼ内のるつぼ及び合金装填物を加熱する間の温度勾配に耐えるその能力であり、この性質は、耐熱衝撃性と呼ぶことができる。るつぼの壁を通じて軸方向及び半径方向に生じる温度勾配、及び溶融サイクル中の時間に応じたこれらの温度勾配の変化は、るつぼの割れにつながる恐れがある応力をるつぼの壁内に発生させる。るつぼの壁内に割れが発生するとき、溶融物がるつぼから漏れ出る恐れがあり、更に、これが鋳造不良につながる恐れがある。
【００３１】
１つの実施形態では、るつぼの肉厚は、３０パーセントを超えて変化しないように構成され、その理由は、肉厚が、るつぼの熱性能に影響を与えるためである。具体的には、るつぼの壁の肉厚、並びに弾性率、強度、熱伝導率及び熱膨張係数などの特性が、るつぼの耐熱衝撃性を支配する。るつぼの肉厚が、るつぼの壁全体にわたって均一でない場合は、るつぼの壁は、均一に昇温されず、このことは、るつぼの壁内の望ましくない熱応力につながる恐れがあり、又、これらの応力が、鋳造前の溶融中のるつぼの割れ、及びるつぼからの溶融物の漏れにつながる恐れがある。
【００３２】
るつぼの肉厚が、るつぼの壁全体にわたって均一でない場合は、るつぼの壁の弾性剛性及び破壊応力が変化し、又、溶融中にるつぼが受ける熱サイクルに対する、るつぼの壁の機械的な反応が変化するが、このことは、るつぼの壁内の望ましくない熱応力につながる恐れがあり、又、これらの応力が、鋳造前の溶融中のるつぼの割れ、及びるつぼからの溶融物の漏れにつながる恐れがある。
【００３３】
述べた通り、１つの実施形態では、るつぼの肉厚は、るつぼの全体積にわたって３０パーセントを超えて変化しない。特定の実施形態では、るつぼの肉厚は、るつぼの全体積にわたって２０パーセントを超えて変化しない。別の特定の実施形態では、るつぼの肉厚は、るつぼの全体積にわたって１５パーセントを超えて変化しない。
【００３４】
別の態様は、チタン含有物品の形成において使用するためのチタン又はチタン合金を溶融するためのるつぼを生成するための方法であって、上記方法は、るつぼ硬化装置を提供するステップと、るつぼ硬化装置のチャンバ内に、るつぼ型空隙を含むるつぼ型を配置するステップと、カルシウムアルミネートのスラリーを、チャンバ内に配置されたるつぼ型のるつぼ型空隙に導入するステップと、るつぼ型空隙内でスラリーを硬化させて、チタン含有物品を形成するためのチタン及びチタン合金の溶融において使用するためのるつぼを形成するステップとを含み、ここで、上記硬化させるステップは、上記導入ステップの前、又は上記導入ステップの後のいずれかでるつぼ型空隙内に挿入される除去可能なるつぼ空隙模型の周りでスラリーを硬化させるステップを含む。１つの実施形態では、スラリーは、以下の工程によって生成される。：初期のカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物のパーセントが約６０％〜約８０％であり、且つ、スラリーの粘度が約５０〜約１５０センチポアズである、カルシウムアルミネートを液体と合わせて、カルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップ、及び大規模な酸化物粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物が約６５％〜約９０％であるように酸化物粒子をスラリーに加えるステップ。
【００３５】
本発明の上記及びその他の態様、特徴及び利点は、添付図面と共に取り入れた本発明の種々の態様の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００３６】
本発明と見なされる主題を、本明細書の末尾の特許請求の範囲に詳細に示し、明確に記載する。本発明の前述及びその他の特徴及び利点は、次の添付図面と共に取り入れた以下の本発明の態様の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】本明細書の記載によるるつぼの１つの実施形態の概略断面図である。バルク及び空隙を有するるつぼの断面図である。
【図１Ｂ】本明細書の記載によるるつぼの１つの実施形態の概略断面図である。バルク、空隙及び内的フェースコートを有するるつぼの断面図である。
【図２Ａ】本明細書の記載によるるつぼの種々の実施形態のミクロ組織の断面図の顕微鏡写真（倍率５０倍。バーの印は１００ミクロンを示す。）である。１０００℃で焼成したるつぼの断面の走査型電子顕微鏡像（後方散乱電子像）であり、高温焼成後のるつぼのミクロ組織の例として顕微鏡写真を挙げた。るつぼ中に含まれるアルミナ粒子１１０、るつぼの内的フェースコート１１２、るつぼのバルク１１４、るつぼの内部表面１１６、及びるつぼ中に含まれる微細規模のカルシウムアルミナセメント１２０を示している。
【図２Ｂ】本明細書の記載によるるつぼの種々の実施形態のミクロ組織の断面図の顕微鏡写真（倍率５０倍。バーの印は１００ミクロンを示す。）である。１０００℃で焼成したるつぼの断面の走査型電子顕微鏡像（後方散乱電子像）であり、高温焼成後のるつぼのミクロ組織の例として顕微鏡写真を挙げた。るつぼ中に含まれるアルミナ粒子１１０、るつぼの内的フェースコート１１２、るつぼのバルク１１４、るつぼの内部表面１１６、及びるつぼ中に含まれる微細規模のカルシウムアルミナセメント１２０を示している。
【図３】本明細書の記載によるるつぼの実施形態のミクロ組織の断面図の顕微鏡写真（倍率２５０倍。バーの印は１００ミクロンを示す。）である。１０００℃で焼成したるつぼの断面の走査型電子顕微鏡像（後方散乱電子像）であり、高温焼成後のるつぼのミクロ組織の例として顕微鏡写真を挙げた。図３は、るつぼの内的フェースコート１１２中に含まれるアルミナ粒子１１０ａ及び微細規模のカルシウムアルミナセメント１２０を示している。図３は、るつぼの内部表面１１６も示している。
【図４Ａ】本明細書に記載の態様による種々の方法を示すフローチャートである。チタン含有物品を鋳造するためのチタン及びチタン合金を溶融するためのるつぼを形成するための方法を示す、本開示の態様によるフローチャートを示している。
【図４Ｂ】本明細書に記載の態様による種々の方法を示すフローチャートである。チタン及びチタン合金を溶融するためにるつぼを用いるチタン及びチタン合金のための鋳造方法を示す、本開示の態様によるフローチャートを示している。
【図５】本発明のるつぼの１つの実施形態の種々の図の例示である。
【図６】本発明のるつぼを生成するのに用いられるるつぼ型の１つの実施形態の図の例示である。示したるつぼ型は、本発明により製造されたポリウレタン型のものである。図６に示したるつぼ型は、るつぼ硬化装置のチャンバ内に収まるように構成されている（図７Ａから図７Ｃ参照）。
【図７Ａ】本発明のるつぼ硬化装置の１つの実施形態の態様の種々の図の例示である。るつぼ硬化装置のベース、ベースのチャンバ、エフェクターアーム、及びエフェクターアームの支持体を示す図である。
【図７Ｂ】本発明のるつぼ硬化装置の１つの実施形態の態様の種々の図の例示である。内部に挿入されたるつぼ型を有するチャンバ、並びにチャンバ及びるつぼ型の上方に配置されたエフェクターアームの近景である。
【図７Ｃ】本発明のるつぼ硬化装置の１つの実施形態の態様の種々の図の例示である。チャンバ及びるつぼ型の上方に配置されたエフェクターアームを備え、装置のベースのチャンバに挿入されたるつぼ型を有するるつぼ硬化装置の図である。エフェクターアームの位置によって、るつぼ型空隙内の模型の位置を制御する。るつぼ型空隙内の模型の位置によって、るつぼの肉厚、及びるつぼの壁の厚さの均一性を制御する。１つの実施形態では、るつぼの肉厚は、３０パーセントを超えて変化しないが、その理由は、肉厚が、るつぼの熱性能に影響を与えるためである。具体的には、るつぼの壁の肉厚、並びに弾性率、強度及び熱膨張係数などの特性が、るつぼの耐熱衝撃性を支配する。
【図８Ａ】除去可能なるつぼ空隙模型の挿入、並びにチャンバ及びるつぼ型からの除去の間の、るつぼ硬化装置の１つの実施形態の例示である。るつぼ硬化装置のベースのチャンバ内に入れたるつぼ型に部分的に挿入されている、エフェクターアームの端部に取り付けられた除去可能なるつぼ空隙模型を示す図である。
【図８Ｂ】除去可能なるつぼ空隙模型の挿入、並びにチャンバ及びるつぼ型からの除去の間の、るつぼ硬化装置の１つの実施形態の例示である。るつぼ硬化装置のベースのチャンバ内に入れたるつぼ型に部分的に挿入されている、エフェクターアームの端部に取り付けられた除去可能なるつぼ空隙模型を示す図である。
【図８Ｃ】除去可能なるつぼ空隙模型の挿入、並びにチャンバ及びるつぼ型からの除去の間の、るつぼ硬化装置の１つの実施形態の例示である。るつぼ硬化装置のベースのチャンバ内に入れたるつぼ型に完全に挿入された除去可能なるつぼ空隙模型を示す図である。
【図８Ｄ】除去可能なるつぼ空隙模型の挿入、並びにチャンバ及びるつぼ型からの除去の間の、るつぼ硬化装置の１つの実施形態の例示である。るつぼ硬化装置のベースのチャンバ内に入れたるつぼ型に完全に挿入された除去可能なるつぼ空隙模型を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本システム及び技術は概して、るつぼ組成物、並びにるつぼ、及びるつぼ内で溶解した合金から鋳造された物品を製造する方法に関し、更に具体的には、るつぼ組成物、及びチタン含有物品を溶融及び鋳造するための方法に関し、並びにチタン含有物品に関する。
【００３９】
本システムは、タービン動翼又はエーロフォイルなどのチタン及びチタンアルミナイド部品を溶融するための新しい手法を提供する。実施形態は、例えば、航空宇宙、工業及び海産業において使用するための、溶融るつぼのための物質の組成物、並びに改善されたチタン及びチタン合金部品を提供する溶融方法を提供する。いくつかの態様では、るつぼ組成物は、るつぼ製造中のるつぼ強度を改善し、且つ／又は溶融中の金属との反応に対する耐性を向上する相を含むるつぼを提供する。本システムの態様によるるつぼは、ニアネットシェイプ鋳造方法に望ましい高圧での鋳造において使用するための溶融したチタン又はチタン合金を調製することが可能である。改善された特性を備えたるつぼを提供する、例えば、カルシウムアルミナセメント及びアルミナ粒子、並びに好ましい成分相を含むるつぼ組成物を明らかにした。
【００４０】
１つの態様では、るつぼの成分相は、カルシウムモノアルミネートを含む。カルシウムモノアルミネートは、少なくとも２つの理由で望ましいことを見出した。第１に、カルシウムモノアルミネートは、るつぼ製造の初期段階の間にセメント粒子間の水硬性結合の形成を促進し、又、この水硬性結合は、るつぼ製造中にるつぼ強度をもたらすと考えられる。第２に、カルシウムモノアルミネートは、チタン及びチタンアルミナイドベースの合金との非常に速度の遅い反応を受ける。特定の実施形態では、カルシウムモノアルミネートは、本システムのるつぼ組成物、例えば、インベストメントるつぼに、カルシウムアルミナセメントの形態で提供される。１つの態様では、るつぼ組成物は、カルシウムアルミナセメントとアルミナの混合物、すなわち、酸化アルミニウムを含む。
【００４１】
１つの態様では、るつぼ組成物は、溶融中、合金との反応を最小限に抑え、又、るつぼは、鋳物に必要な部品特性を与える。鋳造品の外部特性には、形状、幾何形状、表面仕上げなどの特徴が含まれる。鋳造品の内部特性には、機械的特性、ミクロ組織、特定のサイズ未満及び許容限度内の（空孔及び介在物などの）欠陥が含まれる。
【００４２】
本開示のるつぼは更に、フェースコートを含むことができるが、このようなフェースコートを含む必要はない。とりわけ、フェースコートは、外的フェースコート（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ  ｆａｃｅｃｏａｔ）とは対照的に、内的フェースコートであってもよい。本明細書において用いられるとき、用語「内的フェースコート」は、親るつぼ配合と共通の少なくとも１つの成分を含むことができるるつぼのフェースコートを指す。対比するために、用語「外的フェースコート」は、親るつぼ配合の一部ではない成分を含むフェースコートを指す。本明細書でより詳しく論じる通り、るつぼの内的フェースコートは、連続的、実質的に連続的、又は非連続的であってもよい。
【００４３】
１つの実施形態では、るつぼは、るつぼのバルクとるつぼ空隙との間に、連続的な内的フェースコートを含む。関連する実施形態では、内的フェースコートは、約５０ミクロン〜約４５０ミクロンである。特定の例では、内的フェースコートは、約５０ミクロン未満の粒径のカルシウムアルミネートを含む。るつぼ組成物は、るつぼのバルクが、約５０ミクロンより大きなアルミナ粒子を含むようにしてもよい。特定の実施形態では、内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも少ないアルミナを有し、ここで、フェースコートは、るつぼのバルクよりも多いカルシウムアルミネートを有する。
【００４４】
初期のカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセント、及び最終的なカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物が特徴である。１つの例では、初期のカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、約６０％〜約８０％である。別の例では、大規模なアルミナ粒子（＞１００ミクロン）を伴う最終的なカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物は、約７５％〜約９０％である。初期のカルシウムアルミナセメント及び微細規模（１０ミクロン未満）のアルミナを水と混合し、均一且つ均質なスラリーを生成し、大規模な（１００ミクロンを超える）アルミナを初期のスラリーに加え、均一な混合物にするために２〜１５分間混合することにより、最終的なるつぼ混合物を生成する。
【００４５】
１つの態様のるつぼ組成物によって、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）タービン動翼、例えば、ＴｉＡｌ低圧タービン動翼の低コストの溶融及び鋳造が実現する。るつぼ組成物は、従来のシェルるつぼ及び重力鋳造技術を用いて製造された部品よりも少ない機械加工及び／又は処理を必要とするニアネットシェイプ部品を鋳造する能力を提供してもよい。本明細書において用いられるとき、「ニアネットシェイプ」という表現は、物品の初期の製造物が、物品の最終的な（ネット）形状に近く、広範な機械加工及び表面仕上げなど、さらなる処理の必要性が減っていることを示唆している。本明細書において用いられるとき、用語「タービン動翼」は、蒸気タービン動翼及びガスタービン動翼の両方を指す。
【００４６】
したがって、本システムは、チタン及びチタンアルミナイド合金と著しく反応しないるつぼ、例えば、インベストメントるつぼの生成の課題に対処する。更に、いくつかの態様によれば、るつぼの強度及び安定性によって、遠心鋳造などの高圧鋳造の手法が可能になる。技術面での利点の１つは、１つの態様では、本システムによって、例えば、カルシウムアルミナセメント及びアルミナインベストメントるつぼから生成することができるネットシェイプ鋳造の構造健全性を改善できることである。部品強度が高いほど、例えば、疲労強度が高いほど、より軽い部品の製作が可能になる。更に、より高い疲労強度を有する部品は、更に長持ちするため、ライフサイクルコストが低くなる。
【００４７】
溶融るつぼ組成物
本開示の態様は、チタン及びチタン合金の改善された部品を提供することができるるつぼのための物質の組成物を提供する。１つの態様では、カルシウムモノアルミネートは、カルシウムアルミナセメントの形態で提供することができる。カルシウムアルミナセメントは、「セメント」又は「バインダー」と呼ぶことがある。特定の実施形態では、カルシウムアルミナセメントをアルミナ微粒子と混合して、キャスタブルインベストメントるつぼ混合物を生成する。カルシウムアルミナセメントは、キャスタブルるつぼ混合物中において、約３０重量％を超えてもよい。特定の実施形態では、カルシウムアルミナセメントは、キャスタブルるつぼ混合物中において約３０重量％〜約６０重量％の間である。キャスタブルるつぼ混合物（溶融るつぼ組成物）中において、３０重量％を超えるカルシウムアルミナセメントを使用することが、別の特徴である。適切なカルシウムアルミナセメントの化学的性質及びアルミナの配合の選択が、るつぼの性能における要因である。１つの態様では、チタン合金との反応を最小限に抑えるために、十分な量の酸化カルシウムをるつぼ組成物中に供給してもよい。
【００４８】
１つの態様では、るつぼ組成物、例えば、インベストメントるつぼ組成物は、カルシウムアルミナセメント及びアルミナ粒子の多相混合物を含んでもよい。カルシウムアルミナセメントは、例えば、バインダーとして機能してもよく、カルシウムアルミナセメントバインダーは、るつぼ構造の主骨格構造を形成してもよい。カルシウムアルミナセメントは、るつぼ内の連続相を含んでもよく、又、硬化、焼成及び溶融の間に強度を与えてもよい。るつぼ組成物は、カルシウムアルミナセメント及びアルミナからなっていてもよく、すなわち、カルシウムアルミナセメント及びアルミナは、実質的にるつぼ組成物の成分のみを、他の成分はほとんど又は全く伴わずに含んでいてもよい。１つの実施形態では、本システムは、カルシウムアルミネートを含むチタン含有物品溶融−るつぼ組成物を含む。別の実施形態では、溶融−るつぼ組成物は更に、酸化物粒子、例えば、中空酸化物粒子を含む。他の態様によれば、酸化物粒子は、酸化アルミニウム粒子、酸化マグネシウム粒子、酸化カルシウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化チタン粒子、酸化ケイ素粒子、これらの組み合わせ、又はこれらの組成物でもよい。１つの実施形態では、酸化物粒子は、１つ又は複数の異なる酸化物粒子の組み合わせでもよい。
【００４９】
溶融−るつぼ組成物は更に、酸化アルミニウムを、例えば、中空粒子、すなわち、酸化物によって実質的に取り囲まれた中空のコア、又は実質的に中空のコアを有する粒子の形態で含むことができる。これらの中空の酸化アルミニウム粒子は、約９９％の酸化アルミニウムを含んでもよく、又、幅又は直径などの外形寸法が約１０ミリメートル［ｍｍ］以下でもよい。１つの実施形態では、中空の酸化アルミニウム粒子は、幅又は直径などの外形寸法が約１ミリメートル［ｍｍ］以下である。別の実施形態では、酸化アルミニウムは、約１０ミクロン［μｍ］〜約１０ミリメートル［ｍｍ］の範囲の外形寸法を有してもよい粒子を含む。特定の実施形態では、中空酸化物粒子は、（通常、直径が１００ミクロンを超える）中空アルミナ球を含んでもよい。中空アルミナ球は、溶融−るつぼ組成物中に取り込まれてもよく、又、中空球は、円形粒子、又は不規則な凝集体など、様々な幾何形状を有してもよい。特定の実施形態では、アルミナは、円形粒子及び中空球の両方を含んでもよい。１つの態様では、これらの幾何形状が、インベストメントるつぼ混合物の流動性を高めることを見出した。酸化アルミニウムは、外形寸法が約１０ミクロン〜約１０，０００ミクロンの範囲の粒子を含む。特定の実施形態では、酸化アルミニウムは、外形寸法、例えば、直径又は幅が約５００ミクロン未満の粒子を含む。酸化アルミニウムは、約０．５重量％〜約８０重量％の溶融−るつぼ組成物を含んでもよい。或いは、酸化アルミニウムは、約４０重量％〜約６０重量％の溶融−るつぼ組成物を含む。或いは、酸化アルミニウムは、約４０重量％〜約６８重量％の溶融−るつぼ組成物を含む。
【００５０】
１つの実施形態では、溶融−るつぼ組成物は更に、酸化カルシウムを含む。酸化カルシウムは、溶融−るつぼ組成物の約１０重量％を超えてもよく、且つ、約５０重量％未満でもよい。最終的なるつぼは、通常、２グラム／立方センチメートル未満の密度、及び５００ポンド／平方インチ［ｐｓｉ］を超える強度を有してもよい。１つの実施形態では、酸化カルシウムは、溶融−るつぼ組成物の約３０重量％を超え、且つ、約５０重量％未満である。或いは、酸化カルシウムは、溶融−るつぼ組成物の約２５重量％を超え、且つ、約３５重量％未満である。
【００５１】
１つの態様は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含むカルシウムアルミナセメントを含む、チタン含有物品を溶融するためのるつぼであり、ここで、るつぼは、るつぼのバルクとるつぼ空隙との間に約１０ミクロン〜約４５０ミクロンの内的フェースコートを有する。１つの実施形態では、フェースコートは、連続的な内的フェースコートである。
【００５２】
特定の実施形態では、溶融−るつぼ組成物は、カルシウムアルミナセメントを含む。カルシウムアルミナセメントは、カルシウム及びアルミニウムを含む少なくとも３つの相又は成分、すなわち、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含む。内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、０．６０を超えてもよく、且つ、マイエナイトの重量分率は、０．１０未満でもよい。１つの実施形態では、るつぼのバルク中のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５〜０．９５の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートは、約０．１〜０．９０である。別の実施形態では、るつぼのバルク中のカルシウムジアルミネートは、約０．０５〜約０．８０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のカルシウムジアルミネートは、約０．０５〜０．９０である。更に別の実施形態では、るつぼ組成物のバルク中のマイエナイトは、約０．０１〜約０．３０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のマイエナイトは、約０．００１〜０．０５である。
【００５３】
るつぼのバルク及び内的フェースコートの厳密な組成物は異なっていてもよい。例えば、るつぼのバルク中のカルシウムモノアルミネートは、約０．０５〜０．９５の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートは、約０．１〜０．９０であり、るつぼのバルク中のカルシウムジアルミネートは、約０．０５〜約０．８０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のカルシウムジアルミネートは、約０．０５〜０．９０であり、ここで、るつぼ組成物のバルク中のマイエナイトは、約０．０１〜約０．３０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のマイエナイトは、約０．００１〜０．０５である。
【００５４】
カルシウムアルミナセメント中のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、約０．４を超えてもよく、且つ、カルシウムアルミナセメント中のマイエナイトの重量分率は、約０．１５未満でもよい。別の実施形態では、カルシウムアルミナセメントは、溶融−るつぼ組成物の３０重量％を超える。１つの実施形態では、カルシウムアルミナセメントは、約５０ミクロン以下の粒径を有する。
【００５５】
１つの実施形態では、るつぼのバルクのセメント中において適したこれらの相の重量分率は、カルシウムモノアルミネートの０．０５〜０．９５、カルシウムジアルミネートの０．０５〜０．８０、マイエナイトの０．０１〜０．３０である。１つの実施形態では、るつぼのフェースコート中におけるこれらの相の重量分率は、カルシウムモノアルミネートの０．１〜０．９０、カルシウムジアルミネートの０．０５〜０．９０、マイエナイトの０．００１〜０．０５である。別の実施形態では、フェースコート中のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、約０．６を超え、且つ、マイエナイトの重量分率は、約０．１未満である。１つの実施形態では、るつぼのバルクのセメント中のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、約０．５を超え、且つ、マイエナイトの重量分率は、約０．１５未満である。
【００５６】
１つの実施形態では、カルシウムアルミナセメントは、約５０ミクロン以下の粒径を有する。５０ミクロン未満の粒径は、３つの理由で好ましい。第１に、微粒子サイズは、るつぼの混合及び硬化の間の水硬性結合の形成を促進すると考えられる。第２に、微粒子サイズは、焼結中に粒子間の焼結を促進すると理解されており、これにより、るつぼ強度を向上させることができる。第３に、微粒子サイズは、るつぼの表面仕上げを改善すると考えられ、これが、るつぼからの溶融物の送り出しに役立つ。カルシウムアルミナセメントは、粉末として提供されてもよく、又、その内在的な粉末形態、又は噴霧乾燥凝集体などの凝集形態のいずれかで用いることができる。カルシウムアルミナセメントは、微細規模（例えば、サイズが１０ミクロン未満）のアルミナとプレブレンドすることもできる。微細規模のアルミナは、高温焼成中の焼結により、強度を向上させると考えられる。特定の例では、より大規模な（すなわち、サイズが１０ミクロンを超える）アルミナを、微細規模のアルミナあり、又はなしで加えてもよい。特定の実施形態では、約８０％のカルシウムアルミナセメントは、約１０ミクロン未満の粒径を有する。
【００５７】
中空のアルミナ粒子は、少なくとも２つの機能を果たす。［１］中空のアルミナ粒子は、強度の低下を最小限に抑えつつ、るつぼの密度及び重量を低減し、約２ｇ／ｃｃ以下の密度で、約５００ｐｓｉ以上の強度レベルが得られる。［２］中空のアルミナ粒子は、るつぼの弾性率を低減し、又、溶融サイクル中にるつぼを加熱する間、コンプライアンスを増加させるのに役立つ。
【００５８】
カルシウムアルミナセメント組成物
本明細書に記載の通り、カルシウムアルミナセメントは、カルシウムモノアルミネートを含む。１つの実施形態では、カルシウムアルミナセメントは、カルシウムモノアルミネート及びカルシウムジアルミネートを含むことができる。別の実施形態では、カルシウムアルミナセメントは、カルシウムモノアルミネート及びマイエナイトを含むことができる。
【００５９】
特定の実施形態では、特定の態様で用いられるカルシウムアルミナセメントは通常、カルシウム及びアルミニウムの３つの相又は成分、すなわち、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含むことができる。カルシウムモノアルミネートは、カルシウムアルミナセメント中に存在する水硬性鉱物である。カルシウムモノアルミネートの水和は、インベストメントるつぼの高い早期強度に寄与する。マイエナイトは、水硬性結合の急速な形成により、るつぼ硬化の初期段階に強度をもたらすため、セメントにおいて望ましい。しかし、マイエナイトは通常、溶融前のるつぼの焼成／熱処理中に除去される。
【００６０】
１つの態様では、初期のカルシウムアルミナセメントの配合は通常、セメント製造キルン内での焼成後、熱力学的平衡にない。しかし、るつぼ製造及び高温焼成の後、るつぼ組成物は、熱力学的に安定な構造へと進み、この安定性は、その後の溶融工程に有利である。１つの実施形態では、セメント中のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、０．５を超え、且つ、マイエナイトの重量分率は、０．１５未満である。マイエナイトは、るつぼ内でるつぼのバルク及びフェースコートの両方の中に取り込み、その理由は、マイエナイトが、急速硬化するカルシウムアルミネートであり、又、硬化の初期段階に、るつぼのバルク及びフェースコートに強度をもたらすと考えられるためである。硬化は、低温、例えば、１５℃〜４０℃の温度で実施されてもよく、その理由は、消失ワックス模型が、温度の影響を受けやすく、又、約３５℃を上回る熱暴露により、その形状及び特性を損なうためである。るつぼは、３０℃未満の温度で硬化するのが好ましい。
【００６１】
カルシウムアルミナセメントは通常、高純度アルミナを高純度酸化カルシウムと混合することによって生成されてもよい。化合物の混合物は通常、炉又はキルン内で高温、例えば、１０００〜１５００℃の温度まで加熱して反応させる。
【００６２】
更に、カルシウムアルミナセメントは、最小限の量のシリカ、ナトリウム、及び他のアルカリ、並びに酸化鉄など、最小量の不純物を有するように設計及び加工する。これらの不純物の値を最小限にして、るつぼによる溶融物の汚染を最小限に抑えるようにする。１つの態様では、カルシウムアルミナセメントに対する目標レベルは、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3及びＴｉＯ2の合計を約２重量パーセント未満にすることである。１つの実施形態では、Ｎａ2Ｏ、ＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3及びＴｉＯ2の合計は、約０．０５重量パーセント未満である。
【００６３】
１つの態様では、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）で３５重量％を上回るバルクアルミナ濃度、及び６５重量％未満の酸化カルシウムを備えるカルシウムアルミナセメントを提供する。関連する実施形態では、酸化カルシウムのこの重量は、５０％未満である。１つの例では、セメントの最大アルミナ濃度は、約８５％（例えば、約１５％のＣａＯ）でもよい。１つの実施形態では、カルシウムアルミナセメントは高純度であり、最大７０％のアルミナを含む。カルシウムモノアルミネートの重量分率は、溶融前の焼成るつぼにおいて最大になってもよい。溶解する合金とるつぼとの間の反応を最小限に抑えるために、最小限の量の酸化カルシウムが必要になることがある。セメント中に５０％を超える酸化カルシウムがある場合、マイエナイト、トリカルシウムアルミネートなどの相につながる可能性があり、これらは、溶融中にカルシウムモノアルミネートと同様には機能しない。酸化カルシウムの好ましい範囲は、約１０重量％を超え、且つ約５０％未満である。
【００６４】
上で述べたように、るつぼ内のカルシウムアルミナセメント／バインダー中の３つの相は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトである。フェースコートを生成するセメント中のカルシウムモノアルミネートは、他のカルシウムアルミネート相と比べて３つの利点を有する。１）カルシウムモノアルミネートは、るつぼ内に取り込まれ、その理由は、カルシウムモノアルミネートが、速い硬化応答を有し（但し、マイエナイトほど速くない。）、又、硬化の初期段階に、るつぼに強度をもたらすと考えられるためである。るつぼ強度が迅速に発生することにより、溶融るつぼの寸法安定性がもたらされる。２）カルシウムモノアルミネートは、溶解しているチタン及びチタンアルミナイド合金に対して化学的に安定である。カルシウムモノアルミネートは、カルシウムジアルミネート、及びより高いアルミナ活性を持つ他のカルシウムアルミネート相と比べて好ましい。これらの相は、鋳造しているチタン及びチタンアルミナイド合金との反応性がより高い。３）カルシウムモノアルミネート及びカルシウムジアルミネートは、低膨張相であり、又、硬化、脱ろう、及びその後の溶融の間のるつぼ内の高いレベルの応力の発生を低減すると理解される。
【００６５】
フェースコート
特定の実施形態では、るつぼは更に、るつぼのバルクとるつぼ空隙との間に配される内的フェースコートを含む。内的フェースコートは、連続的な内的フェースコート又は非連続的なフェースコートのいずれかにすることができる。るつぼは、るつぼ製造中のるつぼ強度が改善される相を含むよう設計し、又、フェースコートは、溶融中の反応に対する耐性が向上するよう設計する。改善された特性を備えた鋳物を生成するためのチタン及びチタン合金を溶融するのに用いることができる改善された特性を備えたるつぼを提供する、溶融るつぼ組成物、フェースコート組成物、及びフェースコート及びるつぼのバルクのための好ましい成分相を明らかにした。
【００６６】
フェースコートは、るつぼ内の内部表面、すなわち、るつぼ空隙に隣接するるつぼの領域として定義される。１つの実施形態では、フェースコートは一般に、厚さ約１００ミクロンの領域と見なされる。より効果的であるために、フェースコートは連続的である。フェースコートの背後、且つるつぼ空隙から更に離れた領域をるつぼのバルクと呼ぶ。
【００６７】
１つの態様は、チタン含有物品を溶融及び鋳造するために用いられるるつぼのフェースコート組成物であり、フェースコート組成物は、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含み、ここで、フェースコート組成物は、内的フェースコートであり、厚さ約１０ミクロン〜約４５０ミクロンであり、且つ、るつぼのバルクとるつぼ空隙の方に向いているるつぼの表面との間に位置している。特定の実施形態では、るつぼのフェースコートは、厚さ約１０ミクロン〜約２００ミクロンの間にすることができる。フェースコートは、１つの例では、約５０ミクロン未満の粒径のカルシウムアルミネートを含む。
【００６８】
内的フェースコートの使用は、外的フェースコートの使用と比べて、利点を有する。具体的には、イットリア又はジルコンのフェースコートなど、鋳造のために用いられる型内の外的フェースコートは、型加工及び鋳造、特に高圧鋳造中に、劣化したり、割れたり、砕けたりする可能性がある。外的フェースコートは、例えば、るつぼ又は型を除去可能な模型の周りに形成する前に、除去可能な模型に施す。溶融中に外的フェースコートから剥離したフェースコートの破片は、るつぼを排出して、型を溶融した金属で満たしたときに、鋳造品内に混入する恐れがあり、セラミックのフェースコートが、最終的な部品内の介在物となる。介在物は、鋳造品から生成される部品の機械的性能を低下させる。
【００６９】
１つの実施形態では、溶融るつぼのための内的フェースコート組成物、及びバルクるつぼ組成物は、チタン及びチタン合金の改善された鋳造部品を共に提供する。１つの実施形態では、るつぼは、カルシウムアルミナセメント及びアルミナ粒子を含む。１つの例では、カルシウムアルミナセメントは、２つの機能を果たす。第１に、セメントは、消失模型の除去により生成されるるつぼの空隙内に内的フェースコートを生成し、第２に、セメントは、フェースコートの背後のるつぼのバルク中のアルミナ粒子間のバインダーとして働く。１つの実施形態では、るつぼ中のＣａＯのバルク組成物の範囲は、１０〜５０重量パーセントの間である。１つの実施形態では、フェースコート中のＣａＯの組成物は、１５〜４０重量パーセントの間である。
【００７０】
るつぼは、るつぼのバルク及び内的フェースコートを含んでもよく、るつぼのバルク及び内的フェースコートは、異なる組成物を有し、且つ、内的フェースコートは、約５０ミクロン未満の粒径のカルシウムアルミネートを含む。るつぼは、るつぼのバルク及び内的フェースコートを含んでもよく、ここで、るつぼのバルク及び内的フェースコートは、異なる組成物を有し、且つ、ここで、るつぼのバルクは、約５０ミクロンより大きなアルミナ粒子を含む。るつぼは、１つの例では、るつぼのバルク及び内的フェースコートを含み、ここで、るつぼのバルクは、約５０ミクロンより大きなアルミナ粒子を含み、且つ、内的フェースコートは、サイズが約５０ミクロン未満のカルシウムアルミネート粒子を含む。
【００７１】
本開示は、チタン及びチタン合金の改善された部品を提供することができる溶融るつぼ組成物、並びに溶融及び鋳造工程を提供する。１つの実施形態では、るつぼは、カルシウムアルミナセメント、すなわちバインダー、及びアルミナ粒子を用いて造る。実施形態では、るつぼは、るつぼのバルクとるつぼ空隙との間に内的フェースコートを含む。内的フェースコート中の粒子のサイズは通常、５０ミクロン未満である。るつぼのバルク中の粒子のサイズは、５０ミクロンより大きくすることができる。１つの実施形態では、るつぼのバルク中の粒子のサイズは、１ｍｍを超える。１つの実施形態では、内的フェースコート中の粒子のサイズは、５０ミクロン未満であり、且つ、るつぼのバルク中の粒子のサイズは、５０ミクロンを超える。一般に、フェースコートは連続的な内的フェースコートであり、それによってより効果的になる。
【００７２】
フェースコートは、るつぼのバルクよりも少ないアルミナを有してもよく、又、るつぼのバルクよりも多いカルシウムアルミナセメントを有してもよい。内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも重量分率で少なくとも２０パーセント多くカルシウムモノアルミネートを有してもよい。内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも重量分率で少なくとも２０パーセント少なくアルミナを有してもよい。内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも重量分率で少なくとも５０パーセント少なくマイエナイトを有してもよい。１つの実施形態では、内的フェースコートは、るつぼのバルクよりも重量分率で少なくとも２０パーセント多くカルシウムモノアルミネートを有してもよく、少なくとも２０パーセント少なくアルミナを有してもよく、且つ、少なくとも５０パーセント少なくマイエナイトを有してもよい。内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートの重量分率は、０．６０を超えてもよく、且つ、マイエナイトの重量分率は、０．１０未満でもよい。１つの例では、内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートは、０．１〜０．９の重量分率を備え、内的フェースコート中のカルシウムジアルミネートは、０．０５〜０．９０の重量分率を備え、且つ、内的フェースコート中のマイエナイトは、０．００１〜０．０５の重量分率を備える。内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネートの重量分率が増加すると、溶融中の溶融した合金とるつぼとの反応の速度が低下する。別の実施形態では、内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネート及びジアルミネートの重量分率が増加すると、溶融中の溶融した合金とるつぼとの反応の速度が低下する。
【００７３】
特定の実施形態では、フェースコートの成分相並びにるつぼのバルクの成分相は、鋳造のために生成される溶融物の特性にとって重要である。本明細書に開示されている通り、るつぼのフェースコートは、溶融中、合金との反応を最低限に抑え、その結果、るつぼは、鋳物に必要な部品特性を与える。鋳造品の外部特性には、形状、幾何形状、表面仕上げなどの特徴が含まれる。鋳造品の内部特性には、機械的特性、ミクロ組織、及び限界サイズ未満の（空孔及び介在物などの）欠陥が含まれる。
【００７４】
るつぼ及びるつぼのバルクのフェースコートの成分相に関して、カルシウムモノアルミネートは、少なくとも２つの理由で望ましい。第１に、カルシウムモノアルミネートは、るつぼ製造の初期段階の間にセメント粒子間の水硬性結合の形成を促進し、又、この水硬性結合は、るつぼ製造中にるつぼ強度をもたらす。第２に、カルシウムモノアルミネートは、チタン及びチタンアルミナイドベースの合金との非常に速度の遅い反応を受ける。
【００７５】
１つの実施形態では、フェースコートは、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイト、並びにアルミナを含む。１つの実施形態では、フェースコート中の粒子のサイズは、５０ミクロン未満である。フェースコート中において、カルシウムモノアルミネートとカルシウムジアルミネートを組み合わせたものは、５０重量パーセントを超え、且つ、アルミナ濃度は、５０重量パーセント未満である。１つの実施形態では、フェースコート中に３０重量パーセントを超えるカルシウムモノアルミネートがある。フェースコートの背後、且つるつぼ空隙から更に離れた領域をるつぼのバルクと呼ぶ。るつぼのバルク中において、１つの実施形態では、カルシウムモノアルミネートとカルシウムジアルミネートを組み合わせたものは、５０重量パーセント未満であり、且つ、るつぼのバルク中のアルミナ濃度は、５０重量パーセントを超える。別の実施形態では、内的フェースコート中の粒子のサイズは、５０ミクロン未満である。
【００７６】
カルシウムアルミナセメントは、セメント又はバインダーと呼び、１つの実施形態では、カルシウムアルミナセメントをアルミナ微粒子と混合して、キャスタブルインベストメントるつぼ混合物を製造する。カルシウムアルミナセメントは通常、キャスタブルインベストメントるつぼ混合物中において、３０重量％を超える。カルシウムアルミナセメントをこの割合で使用することが、本システムの特徴であり、その理由は、るつぼと溶融物との間の相互作用のレベルの低減に有利であるためである。出願人らは、適正なカルシウムアルミナセメントの化学的性質及びアルミナの配合の選択が、るつぼの性能の決定に重要であることを見出した。
【００７７】
１つの実施形態では、フェースコートは、約５０ミクロン未満の粒径のカルシウムアルミナセメントを含む。別の実施形態では、カルシウムアルミナセメントの粒径は、約１０ミクロン未満である。１つの例では、るつぼのバルクは、サイズが５０ミクロンを超える粒子を有し、又、アルミナを含むことができる。
【００７８】
初期のセメントスラリーは、５０〜１５０センチポアズの粘度を有するように混合する。１つの実施形態では、粘度範囲は、８０〜１２０センチポアズである。粘度が低すぎる場合、スラリーは、すべての固形物を懸濁した状態で維持することができず、硬化中に、より重い粒子が沈降して、偏析につながり、内的フェースコートは形成されない。粘度が高すぎる場合、カルシウムアルミネート粒子は、消失模型に分配することができず、内的フェースコートは形成されない。カルシウムアルミナセメント及びアルミナ粒子を伴う最終的なスラリーを混合して、約１０００〜８０００センチポアズの粘度を有する。１つの実施形態では、この最終的なスラリーの粘度範囲は、２０００〜６０００センチポアズである。最終的なスラリー／混合物の粘度が高すぎる場合、最終的なスラリー混合物は消失模型の周りを流れず、るつぼの内部の空隙は、最終的な必要な部品を溶融するのに適したものにならない。最終的なスラリー混合物の粘度が低すぎる場合、より重い粒子の沈降が硬化中に起こり、るつぼは、るつぼのバルク全体にわたって均一な必要な組成物を有しない。
【００７９】
インベストメントるつぼは、微細規模（＜５０ミクロン）のカルシウムアルミナセメント粒子、微細規模（＜５０ミクロン）のアルミナ粒子、及び、より大規模（＞１００ミクロン）なアルミナ粒子の多相混合物を含むことができる。内的フェースコートは、５０ミクロンを超えるどのようなアルミナ粒子も含まない。内的フェースコートは、５０ミクロンを超えるどのようなカルシウムアルミナセメント粒子も含まない。水性インベストメント混合物中の懸濁した状態の微細規模のセメント粒子は、るつぼ製造中、消失／ワックス模型に優先的に分配し、又、微細規模のカルシウムアルミナセメント粒子（＜５０ミクロン）及びアルミナ粒子に富む内的フェースコート層を形成するため、内的フェースコートが形成されると考えられる。１つの実施形態では、内的フェースコート中に、大規模なアルミナ粒子（＞５０ミクロン）はない。スラリーの粘度及び固形物のパーセントは、内的フェースコートの形成における要因である。内的フェースコート中に大規模（＞１００ミクロン）な粒子がないと、るつぼの表面仕上げが改善される。内的フェースコート中のカルシウムモノアルミネート及びジアルミネートの重量分率が増加すると、溶融中の溶融した合金とるつぼとの反応の速度が低下する。
【００８０】
るつぼのバルク中において、カルシウムアルミナセメントはバインダーであり、又、バインダーは、バルク、又はフェースコートの背後のるつぼ構造の主骨格と考えられる。カルシウムアルミナセメントは、るつぼ内の連続相であり、又、硬化及び溶融中に強度をもたらす。１つの実施形態では、るつぼ組成物のバルクは、微細規模（＜５０ミクロン）のカルシウムアルミナセメント粒子、及び、より大規模（＞１００ミクロン）なアルミナ粒子を含む。別の実施形態では、フェースコート組成物は、微細規模のカルシウムアルミナセメント（＜５０ミクロン）を含む。
【００８１】
内的フェースコートを構成するカルシウムアルミナセメントは、少なくとも３つの相、すなわち、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート及びマイエナイトを含む。１つの実施形態では、フェースコートは、微細規模（＜５０ミクロン）のアルミナ粒子を含むこともできる。別の実施形態では、フェースコートの背後のるつぼのバルクは、カルシウムモノアルミネート、カルシウムジアルミネート、マイエナイト及びアルミナを含む。アルミナは、アルミナ粒子、例えば、中空のアルミナ粒子として取り込むことができる。粒子は、円形粒子、又は不規則な凝集体など、様々な幾何形状を有することができる。アルミナの粒径は、１０ミクロンほどに小さく、又、１０ｍｍほどに大きくすることができる。
【００８２】
１つの実施形態では、アルミナは、円形粒子及び中空粒子の両方を含み、その理由は、これらの幾何形状は、インベストメントるつぼ混合物の流動性を高めるためである。通常、るつぼのバルク中のアルミナの粒径は、５０ミクロンを超える。流動性は、消失模型の周りへのインベストメントるつぼ混合物の流し込み及び硬化中における、セメントの消失模型（ワックスなど）への分配の仕方に影響を与える。初期のセメント混合物の粘度が低すぎる場合、スラリーは、すべての固形物を懸濁した状態で維持することができず、硬化中に、より重い粒子が沈降して、偏析につながり、内的フェースコートは形成されない。初期のセメント混合物の粘度が高すぎる場合、カルシウムアルミネート粒子は、消失模型に分配することができず、内的フェースコートは形成されない。最終的な混合物の粘度が高すぎる場合、最終的なスラリー混合物は消失模型の周りを流れず、空気が、スラリー混合物及び模型、並びにるつぼの内部の空隙の間に閉じ込められる。最終的なスラリー混合物の粘度が低すぎる場合、より重い粒子の沈降が硬化中に起こり、るつぼは、るつぼのバルク全体にわたって均一な必要な組成物を有せず、得られるるつぼの品質は損なわれる。
【００８３】
フェースコートを生成するカルシウムアルミナセメント微粒子は通常、５０ミクロン未満の粒径を有する。５０ミクロン未満の粒径には、次を含むいくつかの利点がある。第１に、微粒子サイズは、るつぼの混合及び硬化の間の水硬性結合の形成を促進する。第２に、微粒子サイズは、焼結中に粒子間の焼結を促進することができて、これにより、るつぼ強度を向上させることができる。第３に、微粒子サイズは、るつぼ空隙の表面仕上げを改善する。カルシウムアルミナセメントの粉末は、その内在的な形態、又は噴霧乾燥凝集体などの凝集形態のいずれかで用いることができる。カルシウムアルミナセメントは、より大規模なアルミナと混合する前に、微細規模（＜１０ミクロン）のアルミナとプレブレンドすることもできて、微細規模のアルミナは、高温焼成中の焼結により、強度を向上させることができる。しかし、アルミナ粒子が内的フェースコートに分配する場合、るつぼの耐熱特性が低下する恐れがある。
【００８４】
例えば、内的フェースコートがるつぼのバルクよりも多くアルミナを有するように、アルミナ粒子が内的フェースコートに分配する場合、溶融した合金は、望ましくない形でアルミナと反応して、表面欠陥、及び鋳造品自体の内部の欠陥を生み出す気泡を発生させる。得られる物品の特性（強度、疲労強度など）は低減する。本発明に開示されている方法は、るつぼのバルク中よりも、内的フェースコート中のアルミナが大幅に少ない内的フェースコートの形成が可能になる。
【００８５】
室温から最終的な焼成温度までのフェースコート及びるつぼの処理、具体的には、熱履歴及び湿度プロファイルも重要になることがある。焼成温度への加熱速度、及び焼成後の冷却速度が非常に重要である。フェースコート及びるつぼは、あまりに急激に加熱されると、内部又は外部、或いは両方で割れる恐れがある。鋳造前のフェースコート及びるつぼの割れは非常に望ましくなく、その後の鋳造において欠陥を発生させる。更に、るつぼ及びフェースコートは、あまりに急激に加熱されると、るつぼのフェースコートが割れたり、剥落する恐れがあり、これは、最悪の場合、最終的な鋳物中の望ましくない介在物につながり、介在物がない場合でも、劣った表面仕上げにつながる恐れがある。フェースコート及びるつぼは、最高るつぼ焼成温度に達した後、あまりに急激に冷却されると、やはりフェースコート又はるつぼのバルクは、内部又は外部、或いは両方で割れる恐れがある。
【００８６】
初期のセメント混合物の固形物のパーセント、及び最終的なるつぼ混合物の固形物のパーセントは、以下の段落で説明する通り、るつぼ構造、及びるつぼ内に内的フェースコートを形成する能力に対して重要な影響を持つ。固形物のパーセントは、混合物中の全固形物を混合物中の液体及び固形物の全質量で割り、パーセントで表したものと定義される。１つの実施形態では、初期のカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、約６０パーセント〜８０パーセントである。
【００８７】
初期のセメントスラリー中の固形物のパーセントが約６０パーセント未満の場合は、セメント粒子は、懸濁した状態のままにはならず、るつぼの硬化中、セメント粒子は水から分離し、組成物は、るつぼ全体にわたって均一にならない。一方、固形物のパーセントがセメント中で高すぎる（例えば、約７８パーセントを超える）場合、大規模なアルミナを伴う最終的な混合物の粘度は、高くなりすぎ（例えば、約８５％を超える場合であるが、加える大規模なアルミナ粒子の量、サイズ及び形態による。）、混合物中のセメント粒子は、るつぼ内の消失模型に分配することができなくなり、内的フェースコートは形成されない。
【００８８】
１つの実施形態では、大規模な（１つの実施形態では、約５０ミクロンを超えることを意味し、別の実施形態では、約１００ミクロンを超えることを意味する。）アルミナ粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、約７５パーセント〜約９０パーセントである。１つの実施形態では、大規模なアルミナ粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、約７８パーセント〜約８８パーセントである。別の実施形態では、大規模なアルミナ粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、約７８パーセント〜約８４パーセントである。特定の実施形態では、大規模なアルミナ粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート−液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、約８０パーセントである。
【００８９】
るつぼ並びに溶融及び鋳造方法
本明細書に記述される通り、１つの態様は、チタン及びチタン合金を溶融するためのるつぼである。１つの実施形態では、るつぼは、バルク、及び内部でチタン及びチタン合金を溶融するための空隙を含み、ここで、バルクは、本明細書に記載のカルシウムアルミナセメントを含み、特に、カルシウムモノアルミネートを含むカルシウムアルミナセメントを含む。別の実施形態では、るつぼは、バルクと空隙との間に約１０ミクロン〜約４５０ミクロン配される内的フェースコートを含み、内的フェースコートは、カルシウムモノアルミネートを含むカルシウムアルミナセメントを含む。
【００９０】
図１Ａ及び図１Ｂは、上述のるつぼの実施形態の概略図である。１つの実施形態では、図１Ａに示す通り、るつぼ１００は、バルク２００及び空隙３００を含む。別の実施形態では、図１Ｂに示す通り、るつぼ１００ａは、バルク２００、空隙３００、及びバルク２００と空隙３００との間に配される内的フェースコート４００を含む。図１Ａ及び図１Ｂは、互いに対して特定の幅を有するバルク部分（例えば、壁）及びフェースコートを示しているが、特定の幅は、図１Ａ及び図１Ｂに示す相対的な幅に限定されることを意図しない。肉厚とるつぼの直径の比は、限定することなしに、１：５ほどに小さい比、及び１：７５ほどに大きな比を含むことができる。例えば、肉厚とるつぼの直径の比は、限定することなしに、約１：１０の比を含むことができる。フェースコートの厚さと肉厚の比は、限定することなしに、１：６ほどに小さい比、及び１：７５ほどに大きな比を含むことができる。例えば、フェースコートの厚さと肉厚の比は、限定することなしに、約１：５０の比を含むことができる。
【００９１】
図１Ａ及び図１Ｂの両方の実施形態では、除去可能なるつぼ空隙模型を用いて空隙３００を形成することができる。別の態様、特性、及び「除去可能なるつぼ空隙模型」を使用する方法は、本開示の他の場所に説明されている。
【００９２】
インベストメントるつぼは、セラミック成分のインベストメント混合物を配合し、消失模型を含む容器に混合物を流し込むことによって形成する。模型上に形成したインベストメントるつぼを完全に硬化させて、いわゆる「未加工るつぼ（ｇｒｅｅｎ  ｃｒｕｃｉｂｌｅ）」を形成する。内的フェースコート及びインベストメントるつぼを模型上に形成し、完全に硬化させて、この未加工るつぼを形成する。通常、未加工るつぼの硬化は、１時間〜４８時間実施する。引き続き、消失模型は、溶融、溶解、強熱、又は他の既知の模型除去技術により、未加工るつぼから選択的に除去する。ワックス模型除去のための通常の方法には、オーブン脱ろう（１５０℃未満）、炉脱ろう（１５０℃超）、スチームオートクレーブ脱ろう及びマイクロ波脱ろうが含まれる。
【００９３】
次いで、チタン合金、並びにチタンアルミナイド及びその合金を溶融するために、未加工るつぼを６００℃を上回る温度、例えば、６００〜１６５０℃で、１時間を超える時間、好ましくは２〜１０時間焼成して、鋳造のためのるつぼ強度を発現させ、且つ、金属種（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）、炭素含有種など、るつぼ内のあらゆる望ましくない残留不純物を除去する。１つの例では、焼成温度は、少なくとも９５０℃である。るつぼを焼成する雰囲気は、不活性ガス又は還元ガス雰囲気を用いることができるが、通常、周囲の空気である。
【００９４】
焼成工程では又、るつぼから水を除去し、又、マイエナイトをカルシウムアルミネートに転化する。るつぼ焼成手順の別の目的は、溶融前に、フェースコート及びるつぼのバルク中に残るあらゆる遊離シリカを最小限に抑えることである。他の目的は、高温強度を高め、カルシウムモノアルミネート及びカルシウムジアルミネートの量を増やすことである。
【００９５】
るつぼは、熱履歴を制御するように、室温から最終的な焼成温度まで加熱する。焼成温度への加熱速度、及び焼成後の冷却速度は通常調節、すなわち制御される。るつぼは、あまりに急激に加熱されると、内部又は外部、或いは両方で割れる恐れがある。溶融前のるつぼの割れは、非常に望ましくない。更に、るつぼは、あまりに急激に加熱されると、るつぼの内部表面が割れたり、剥落する恐れがある。これは、最終的な鋳物中の望ましくない介在物につながり、介在物がない場合でも、劣った表面仕上げにつながる恐れがある。同様に、るつぼは、最高温度に達した後、あまりに急激に冷却されると、やはりるつぼは、内部又は外部、或いは両方で割れる恐れがある。
【００９６】
本明細書に記述されるるつぼ組成物は、チタン及びチタンアルミナイド合金に特に適している。焼成後及び溶融前のフェースコート及びるつぼ組成物のバルクは、るつぼの特性、特に成分相に関して影響を与える可能性がある。１つの実施形態では、溶融のために、るつぼ内のカルシウムモノアルミネートの高い重量分率、例えば、０．１５〜０．８の重量分率が好ましい。更に、溶融のために、マイエナイトの重量分率を、例えば、０．０１〜０．２の重量分率を適用して最小限に抑えるのが望ましく、その理由は、マイエナイトは、水の影響を受けやすく、溶融中に、水の放出及び気体の発生を伴う問題を引き起こす恐れがあるためである。焼成後、るつぼは、重量分率の小さいアルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムを含むこともできる。アルミノケイ酸塩及びアルミノケイ酸カルシウムの重量分率の合計は通常、溶融中のるつぼの反応を最小限に抑えるために、るつぼのバルク中で５％未満に、且つフェースコート中で０．５％未満に保ってもよい。
【００９７】
１つの態様は、チタン含有物品を溶融及び鋳造するための溶融るつぼを形成するための方法であり、方法は、初期のカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物のパーセントが約６０％〜約８０％であり、且つ、スラリーの粘度が約５０〜約１５０センチポアズである、カルシウムアルミネートを液体と合わせて、カルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップと、大規模な（５０ミクロンを超える）酸化物粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物が約７５％〜約９０％であるように酸化物粒子をスラリーに加えるステップと、消失模型を含むるつぼ型空隙にスラリーを導入するステップと、るつぼ型空隙内でスラリーを硬化させて、チタン含有物品のるつぼを形成するステップとを含む。
【００９８】
特定の実施形態では、溶融−るつぼ組成物は、インベストメント溶融−るつぼ組成物を含む。溶融−るつぼ組成物は、ニアネットシェイプのチタン含有金属の溶融るつぼ組成物を含む。１つの実施形態では、溶融−るつぼ組成物は、ニアネットシェイプチタンアルミナイド物品を鋳造するための溶融るつぼ組成物を含む。ニアネットシェイプチタンアルミナイド物品は、例えば、ニアネットシェイプチタンアルミナイドタービン動翼を含む。
【００９９】
適正なカルシウムアルミナセメントの化学的性質及びアルミナの配合の選択は、溶融中のるつぼの性能における要因である。カルシウムアルミナセメントの観点から、チタン合金との反応を最小限に抑えるために、遊離酸化カルシウムの量を最小限に抑えることが必要なこともある。セメント中の酸化カルシウム濃度が約１０重量％未満の場合、アルミナ濃度が高すぎるため、合金はるつぼと反応し、又、反応によって、鋳造品中には望ましくない酸素濃度レベル、気泡が発生し、又、鋳造部品においては劣った表面仕上げになる。遊離アルミナは、るつぼ材料において望ましいものではないが、その理由は、溶融中に、チタン及びチタンアルミナイド合金と激しく反応する可能性があるためである。
【０１００】
セメント中の酸化カルシウム濃度が５０重量％を超える場合、るつぼは、環境からの水及び二酸化炭素の吸収の影響を受けやすい恐れがある。したがって、インベストメントるつぼ中の酸化カルシウム濃度は通常、５０％未満に保ってもよい。１つの実施形態では、インベストメントるつぼのバルク中の酸化カルシウム濃度は、１０％〜５０重量％である。１つの実施形態では、インベストメントるつぼのバルク中の酸化カルシウム濃度は、１０％〜４０重量％である。或いは、インベストメントるつぼのバルク中の酸化カルシウム濃度は、２５％〜３５重量％でもよい。１つの実施形態では、フェースコート中のＣａＯの組成物は、２０〜４０重量パーセントである。別の実施形態では、るつぼのフェースコート中の酸化カルシウム濃度は、１５％〜３０重量％である。
【０１０１】
吸着水のレベルが高すぎる場合、例えば、０．０５重量パーセントを超える場合、溶融中に溶融金属がるつぼ内に生成するとき、水が放出されて、合金と反応する恐れがある。これは、劣った表面仕上げ、鋳造品中の気泡、高い酸素濃度、及び劣った機械的特性につながる。
【０１０２】
１つの態様によれば、溶融金属又は合金は、重力、逆重力（ｃｏｕｎｔｅｒｇｒａｖｉｔｙ）、圧力、遠心、及び当業者に周知の他の鋳造技術を含むことができる従来の技術を用いて、型に流し込む。真空又は不活性ガス雰囲気を用いることができる。複雑な形状の薄肉の幾何形状については、高圧を用いる技術が好ましい。凝固したチタンアルミナイド又は合金の鋳物を、通常は６５０度未満まで、例えば、室温まで冷却した後、鋳物を型から取り出し、グリットブラスト、研磨などの従来の技術を用いて仕上げる。
【０１０３】
１つの態様は、チタン及びチタン合金のための溶融及び鋳造方法であり、カルシウムアルミネートを液体と合わせてカルシウムアルミネートのスラリーを生成し、且つ、大規模なアルミナを伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物が約７５％〜約９０％であり、且つ、得られるるつぼが内的フェースコートを有する、カルシウムアルミネート及び酸化アルミニウムを含むインベストメント溶融るつぼ組成物を得るステップと、消失模型を含む容器にインベストメントるつぼ組成物を流し込むステップと、インベストメント溶融るつぼ組成物を硬化させるステップと、消失模型をるつぼから除去するステップと、るつぼを焼成するステップと、型を型鋳造温度まで予熱するステップと、溶融したチタン又はチタン合金を加熱した型に流し込むステップと、溶融したチタン又はチタン合金を凝固させて、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を形成するステップと、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を型から取り出すステップとを含む。１つの実施形態では、本明細書において教示される鋳造方法によって製造されるチタン又はチタン合金物品が記載されている。
【０１０４】
１つの態様は、チタン及びチタン合金のための溶融及び鋳造方法を対象とし、カルシウムアルミネート及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造−るつぼ組成物を得るステップと、消失模型を含む容器にインベストメント鋳造−るつぼ組成物を流し込むステップと、インベストメント鋳造−るつぼ組成物を硬化するステップと、消失模型をるつぼから除去するステップと、るつぼを焼成するステップと、型を型鋳造温度まで予熱するステップと、溶融したチタン又はチタン合金をるつぼから加熱した型に流し込むステップと、溶融したチタン又はチタン合金を凝固させるステップと、凝固したチタン又はチタン合金を型から取り出すステップとを含む。
【０１０５】
１つの実施形態では、硬化ステップは、３０℃未満の温度で１時間〜４８時間実施する。消失模型の除去には、溶融、溶解、強熱、オーブン脱ろう、炉脱ろう、スチームオートクレーブ脱ろう、又はマイクロ波脱ろうのステップが含まれる。
【０１０６】
別の態様は、チタン含有物品を鋳造するための溶融るつぼを形成するための方法である。方法は、カルシウムアルミネートを水などの液体と合わせて、液体のカルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップと、消失模型を含む容器にスラリーを導入するステップと、るつぼ型空隙内でスラリーを硬化させて、チタン含有物品のるつぼを形成するステップとを含む。１つの実施形態では、方法は更に、スラリーをるつぼ型空隙に導入するステップの前に、酸化物粒子、例えば、中空酸化物粒子をスラリーに導入するステップを含む。
【０１０７】
１つの実施形態では、焼成ステップは、約８００℃〜約１７００℃の温度で１時間〜４８時間実施する。約１０００℃〜約１７００℃の温度範囲が更に好ましく、又、最終的な焼成温度での１時間〜８時間の保持時間が更に好ましい。
【０１０８】
既に述べた通り、るつぼの種々の実施形態の例示的な例を図５Ａ及び図５Ｂに記載している。るつぼを製造するのに用いられるるつぼ硬化装置、るつぼ型、及び除去可能なるつぼ空隙模型の実施形態を図６、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｄに例示している。
【０１０９】
図６に示す通り、１つの実施形態では、るつぼの外面を定めるのに用いることができる容器として役目を果たするつぼ型が提供される。特定の実施形態では、るつぼ型は、るつぼ硬化装置のチャンバ内に収まることができて、且つ、収容又は保持されることができるように構成される。型の特定の形状が図６に示されているが、型は、このような形状に限定されない。更に、本システムは、チタン又はチタン合金を溶融するための空隙部分を有するるつぼを生成するであろう任意の形状の型の使用を意図している。１つの実施形態では、型は、ポリウレタン及び同種のものを含む材料で製造することができるが、これらに限定されない。
【０１１０】
図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示す通り、るつぼ硬化装置１０は、るつぼのためのるつぼ型６０（図７Ｂ及び図７Ｃ参照）を補完するように働くチャンバ５０を含むように提供される。とりわけ、図７Ａから図７Ｃは、内部のるつぼ型６０を保持するためのチャンバ５０と、除去可能なるつぼ空隙模型７０をエフェクターアーム３０の終端に取り外し可能に結合するためのアダプター部分３５を含む、除去可能なるつぼ空隙模型７０をチャンバ５０の中に挿入及び外に除去するためのエフェクターアーム３０と、エフェクターアーム３０をチャンバ５０の上方の所望の場所に支持及び配置するための支持体２０とを含む、ベース４０を有するるつぼ硬化装置１０を示しており、ここで、上記るつぼ硬化装置１０は、チタン含有物品の形成において使用するためのチタン又はチタン合金を溶融するための耐熱衝撃性を満たするつぼを生成するのに効果的である。図７Ｂに示す通り、るつぼ型６０は、るつぼを硬化するために、るつぼ組成物を内部に流し込むことができるるつぼ型空隙を含む。
【０１１１】
エフェクターアームの位置によって、るつぼ型空隙内の模型の位置を制御する。るつぼ型空隙内の模型の位置によって、るつぼの肉厚、及びるつぼの壁の厚さの均一性を制御する。肉厚は、るつぼの熱性能に影響を与えるので、１つの実施形態では、エフェクターアームは、るつぼの肉厚が２０パーセントを超えて変化しないように、模型の配置を助ける。具体的には、るつぼの壁の肉厚、並びに弾性率、強度、熱伝導率及び熱膨張係数などの特性が、るつぼの耐熱衝撃性を支配する。
【０１１２】
るつぼの肉厚が、るつぼの壁全体にわたって均一でない場合は、るつぼの壁は、均一に昇温されないと思われ、このことは、るつぼの壁内の望ましくない熱応力につながる恐れがあり、又、これらの応力が、鋳造前の溶融中のるつぼの割れ、及びるつぼからの溶融物の漏れにつながる恐れがある。
【０１１３】
るつぼの肉厚が、るつぼの壁全体にわたって均一でない場合は、るつぼの壁の弾性剛性及び破壊応力が変化し、又、溶融中にるつぼが受ける熱サイクルに対する、るつぼの壁の機械的な反応が変化するが、このことは、るつぼの壁内の望ましくない熱応力につながる恐れがあり、又、これらの応力が、鋳造前の溶融中のるつぼの割れ、及びるつぼからの溶融物の漏れにつながる恐れがある。
【０１１４】
１つの実施形態では、るつぼの肉厚は、るつぼの全体積にわたって３０パーセントを超えて変化しない。別の実施形態では、るつぼの肉厚は、るつぼの全体積にわたって２０パーセントを超えて変化しない。別の実施形態では、るつぼの肉厚は、るつぼの全体積にわたって１５パーセントを超えて変化しない。
【０１１５】
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｄは、動作中のるつぼ硬化装置１０の種々の図を示している。図８Ａ及び図８Ｂを見ると、エフェクターアーム３０に取り外し可能に結合された除去可能なるつぼ空隙模型７０を有するるつぼ硬化装置１０が示されている。るつぼ型６０は、るつぼ硬化装置１０のベース４０のチャンバ５０内に収容されて（例えば、保持されて）示されている。図８Ａ及び図８Ｂに示す通り、示す通りの工程における段階で、除去可能なるつぼ空隙模型７０は、るつぼ型６０の空隙内６０ａに部分的に挿入されているのみである。図８Ｃ及び図８Ｄに示す通り、るつぼのスラリー組成物をるつぼ型６０に加え、且つ、除去可能なるつぼ空隙模型７０をチャンバ５０及びるつぼ型６０内に完全に挿入すると、硬化段階中に、エフェクターアーム３０を、除去可能なるつぼ空隙模型７０から切り離すことができる。
【０１１６】
別の態様は、チタン含有物品の形成において使用するためのチタン又はチタン合金を溶融するためのるつぼを生成するための方法であって、上記方法は、本発明のるつぼ硬化装置を提供するステップと、るつぼ硬化装置のチャンバ内に、るつぼ型空隙を含むるつぼ型を配置するステップと、カルシウムアルミナセメントを含むスラリーを、チャンバ内に配置されたるつぼ型のるつぼ型空隙に導入するステップと、るつぼ型空隙内でスラリーを硬化させて、チタン含有物品を形成するためのチタン及びチタン合金の溶融において使用するためのるつぼを形成するステップとを含み、ここで、上記硬化させるステップは、上記導入ステップの前、又は上記導入ステップの後のいずれかでるつぼ型空隙内に挿入される除去可能なるつぼ空隙模型の周りでスラリーを硬化させるステップを含む。図８Ａから図８Ｄは、この方法の種々の態様を示している。
【０１１７】
述べた通り、１つの実施形態では、チャンバ内に収容されるるつぼ型内にスラリーを加える前に、除去可能なるつぼ空隙模型をるつぼ硬化装置のチャンバ内に導入することができる。本実施形態において、除去可能なるつぼ空隙模型を含むエフェクターアームは、るつぼのスラリーをるつぼ型に流し込むことが依然としてできる位置まで下げる。１つの実施形態では、スラリーを含むカルシウムアルミネートを、型と除去可能なるつぼ空隙模型との間の環状の隙間に供給する。或いは、別の実施形態では、除去可能なるつぼ空隙模型は、そこを通じてるつぼのスラリーを流し込むための入口ポートを含むことができて、これにより、除去可能なるつぼ空隙模型を実質的に、又は完全にるつぼ型内に挿入できる。るつぼのスラリーを流し込む間に、るつぼ型内に含まれるどのような気体も逃がすことができるように、除去可能なるつぼ空隙模型又は型も、るつぼのスラリーが流し込まれるときに、このような気体をるつぼ型から逃がすための排気ポートを含むことができる。
【０１１８】
るつぼ硬化装置と共に使用するためのるつぼのスラリーのインベストメント混合物は、本明細書に記述されている通りである。１つの実施形態では、スラリーは、以下の工程によって生成される。：初期のカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物のパーセントが約６０％〜約８０％であり、且つ、スラリーの粘度が約５０〜約１５０センチポアズである、カルシウムアルミネートを液体と合わせて、カルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップ、及び大規模な酸化物粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物が約６５％〜約９０％であるように酸化物粒子をスラリーに加えるステップ。
【０１１９】
本明細書に記述されている除去可能なるつぼ空隙模型のためのアダプターとして機能することができるエフェクターアームは、どのような材料で製造することもできる。エフェクターアームに適した材料には、限定することなしに、金属、セラミック、金属又はポリマー複合材、及び同種のものを含むことができる。るつぼ型内でのるつぼの硬化中に、るつぼのスラリーと接触するときに溶融に耐えることができる消失模型又は模型として機能することができる除去可能なるつぼ空隙模型は、どのような材料で製造することもできる。除去可能なるつぼ空隙模型は、本明細書に記述されているサイズ及び形状のるつぼを生成するのに適した位置で、るつぼ硬化装置のチャンバ内に挿入することができる。るつぼ型、除去可能なるつぼ空隙模型及びるつぼ硬化模型は、肉厚を確実に制御する目的で、るつぼの内面及び外面の同心度を得るために効果的に共に働くツーリング（ｔｏｏｌｉｎｇ）システムを含む。
【０１２０】
特に、除去可能なるつぼ空隙模型が、チャンバハウジングるつぼ型の中、又はすぐ上方の所望の位置に置かれると、るつぼ組成物混合物をるつぼ型に流し込むことができて、次いで、本明細書に記述されている通り、十分な条件下で硬化させて、るつぼ組成物を硬化させることができる。硬化後、除去可能なるつぼ空隙模型は、本明細書に記載の通り、るつぼ型から取ることができて、且つチタン及びチタン合金を溶融するために用いられるるつぼから出しながら、チャンバから引くことができる。別の特定の実施形態では、るつぼ組成物は、除去可能なるつぼ空隙模型をるつぼ型空隙に挿入する前に、るつぼ型に流し込むことができる。このような実施形態では、るつぼ組成物をるつぼ型に流し込んだ後、エフェクターアームは、除去可能なるつぼ空隙模型を下方に下げて、所望の位置まで制御されてるつぼ型に入れるように、操作することができる。除去可能なるつぼ空隙模型をるつぼ組成物（例えば、るつぼのスラリー）と接触させて、その中に沈めるとき、るつぼ混合物は、除去可能なるつぼ空隙模型とるつぼ型空隙との間の隙間に押し出されて戻り、過剰なるつぼ組成物は、除去可能なるつぼ空隙模型が、るつぼ型内の所望の深さ及び場所に位置するまで、この物理的な力によってるつぼ型から移動する。次いで、除去可能なるつぼ空隙模型は、硬化工程が完了するまで、その位置で保つ。
【０１２１】
本発明の範囲を制限しようとするものではないが、動作によって、１つの実施形態では、るつぼ硬化装置は、金属型、除去可能なポリウレタンるつぼ型ライナー、及び除去可能なるつぼ空隙模型の相対的な位置を定めるツーリング組立品を提供する。ツーリング組立品により、型及び除去可能なるつぼ空隙模型の対称軸のアラインメント、並びに除去可能なるつぼ空隙模型のベース及びポリウレタンるつぼ型ライナーの相対的なｚ軸の位置を制御する。軸対称のるつぼ幾何形状に関して、得られるるつぼの側面及びベースでの肉厚を制御するために、組立品ツーリングは、ツーリングの本体内の中心にるつぼ空隙を保つのに効果的である。除去可能なるつぼ空隙模型は、ｘ、ｙ、ｚ座標に関して配置され、又、軸対称の幾何形状に関して、用途に対して許容範囲内で均一な肉厚を備える軸対称のるつぼを製造するために、除去可能な模型の対称軸は、るつぼ型空隙／除去可能なポリウレタンるつぼ型ライナーの対称軸と許容範囲内で正しくそろえられる。
【０１２２】
形成したるつぼは、未加工るつぼでもよく、又、方法は更に、未加工るつぼを焼成するステップを含んでもよい。１つの実施形態では、溶融るつぼは、例えば、チタン含有物品を鋳造するための、インベストメント鋳造るつぼを含む。１つの実施形態では、チタン含有物品は、チタンアルミナイド物品を含む。１つの実施形態では、インベストメント鋳造−るつぼ組成物は、ニアネットシェイプチタンアルミナイド物品を鋳造するためのインベストメント鋳造−るつぼ組成物を含む。ニアネットシェイプチタンアルミナイド物品は、ニアネットシェイプチタンアルミナイドタービン動翼を含んでもよい。１つの実施形態では、システムは、本明細書において教示される、チタン含有物品鋳造−るつぼ組成物から形成されるるつぼを対象とする。別の態様は、上述のるつぼを用いて形成される物品を対象とする。
【０１２３】
更に別の態様は、以下を含む鋳造方法によって製造されるチタン又はチタン合金鋳物である。：カルシウムアルミネート及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造るつぼ組成物を得るステップと、消失模型を含む容器にインベストメント鋳造−るつぼ組成物を流し込むステップと、インベストメント鋳造−るつぼ組成物を硬化するステップと、消失模型をるつぼから除去するステップと、るつぼを焼成するステップと、型を型鋳造温度まで予熱するステップと、るつぼ内のチタン又はチタン合金を溶融するステップと、溶融した合金をるつぼから型に流し込むステップと、溶融したチタン又はチタン合金を凝固させて、鋳造品を形成するステップと、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を型から取り出すステップ。１つの実施形態では、本システムは、本出願において教示される溶融及び鋳造方法によって製造されるチタン又はチタン合金物品を対象とする。
【０１２４】
溶融金属は、ますます高温に加熱されるにつれて、ますます反応性が高くなる傾向がある（例えば、るつぼ表面との望ましくない反応を受ける）。このような反応は、金属部品を汚染する不純物の形成につながり、様々な害をもたらす結果となる。不純物が存在すると、金属の組成物が変わり、したがって、所望の基準を満たさなくなる恐れがあり、それによって、鋳造部品を所期の用途に使用できなくなる。更に、不純物が存在すると、金属材料の機械的特性に悪影響を及ぼす可能性がある（例えば、材料の強度を低下させる）。
【０１２５】
１つの態様は、カルシウムアルミネートを含む、チタン含有物品を溶融及び鋳造するためのるつぼ組成物を対象とする。るつぼ組成物は更に、中空のアルミナ粒子を含む。物品は、金属物品を含んでもよい。１つの実施形態では、物品は、チタンアルミナイド含有物品を含む。別の実施形態では、物品は、チタンアルミナイドタービン動翼を含む。更に別の実施形態では、物品は、ニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン動翼を含む。このニアネットシェイプのチタンアルミナイドタービン動翼は、ガスタービン又は航空機エンジンなどの用途の実施における取り付けの前に、材料を除去する必要がほとんど、又は全くないこともある。
【実施例】
【０１２６】
概要を説明してきた本発明は、以下の実施例を参照することによって更に容易に理解することができる。実施例は、単に本発明の特定の態様及び実施形態の例示のために記載されており、いかなる意味においても本発明を限定するためのものではない。
【０１２７】
図２Ａ及び図２Ｂは、高温焼成後のるつぼのミクロ組織の一例を示している。１０００℃で焼成したるつぼの断面の走査型電子顕微鏡像（後方散乱電子像）を示しており、ここで、図２Ａ及び図２Ｂは、存在する中空のアルミナ粒子１１０、るつぼの内的フェースコート１１２、るつぼのバルク１１４、及びるつぼ空隙に向かって開いているるつぼの内部表面１１６を示している。又、図２Ａ及び図２Ｂは、カルシウムアルミナセメント１２０、とりわけ、フェースコート及びるつぼのバルクの骨格構造を形成する微細規模のカルシウムアルミナセメント１２０も示している。一例では、カルシウムアルミナセメントは、カルシウムモノアルミネート及びカルシウムジアルミネートを含む。
【０１２８】
図３は、高温焼成後のるつぼのフェースコートのミクロ組織の一例を示している。１０００℃で焼成したるつぼの断面の走査型電子顕微鏡像（後方散乱電子像）を示しており、ここで、図３は、内的フェースコート１１２のミクロ組織の一部として存在しているカルシウムアルミナセメント１２０を示している。又、図３では、微細規模（５０ミクロン未満）のアルミナ粒子１１０ａは大規模なアルミナとは異なるため、これらも示しており、又、るつぼ／るつぼ空隙の内部表面１１６並びに内的フェースコート１１２の領域も示している。
【０１２９】
図４Ａに示す通り、方法は、カルシウムアルミネートを液体と合わせて、液体のカルシウムアルミネートのスラリーを生成するステップ７０５を含む。初期のカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物のパーセントは、約７０％〜約８０％であり、且つ、スラリーの粘度は、約５０〜約１５０センチポアズである。１つの実施形態では、大規模な（５０ミクロンを超える）酸化物粒子を伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物が約７５％〜約９０％であるように、酸化物粒子をスラリーに加える（ステップ７０７）。カルシウムアルミネートのスラリーを、消失模型を含むるつぼ型空隙に導入する（ステップ７１０）。るつぼ型空隙内でスラリーを硬化させて、るつぼを形成する。
【０１３０】
図４Ｂに示す通り、方法は、カルシウムアルミネート及び酸化アルミニウムを含むインベストメント鋳造るつぼ組成物を得るステップ７２５を含む。一例では、カルシウムアルミネートを液体と合わせてカルシウムアルミネートのスラリーを生成し、ここで、大規模なアルミナを伴う最終的なカルシウムアルミネート／液体セメント混合物中の固形物は、約７５％〜約９０％である。インベストメント鋳造−るつぼ組成物を、消失模型を含む容器に流し込む（ステップ７３０）。インベストメント鋳造るつぼを硬化し、それによって、鋳造るつぼ組成物を形成する（ステップ７３５）。消失模型をるつぼから除去し（ステップ７４０）、るつぼを焼成する。鋳型を型鋳造温度に予熱し（ステップ７４５）、溶融したチタン又はチタン合金を、加熱した型に流し込む（ステップ７５０）。溶融したチタン又はチタン合金を凝固させ、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を形成する（ステップ７５５）。最後に、凝固したチタン又はチタン合金の鋳物を型から取り出す（ステップ７６０）。
【０１３１】
カルシウムアルミナセメントをアルミナと混合してインベストメントるつぼ混合物を生成し、様々なインベストメントるつぼの化学的性質を試験した。インベストメント混合物は、一例では、７０％のアルミナ及び３０％のカルシアを有するカルシウムアルミナセメント、アルミナ粒子、水並びにコロイド状シリカからなっていた。他の例では、試験したインベストメント混合物は、８０％のアルミナ及び２０％のカルシアを有するカルシウムアルミナセメント、アルミナ粒子、水並びにコロイド状シリカからなっていた。
【０１３２】
第１の例では、るつぼを製造するためのインベストメント混合物を製造するための典型的なスラリー混合物を製造し、これは、８０％のカルシウムアルミナセメント１２００ｇ、直径０．５〜１ｍｍの範囲のサイズの高純度アルミナ粒子６５２ｇ、脱イオン水４０８ｇ、及びコロイド状シリカ（Ｒｅｍｅｔ  ＬＰ３０）４０ｇからなっていた。他の実施形態で用いた、その他の適したコロイド状シリカには、Ｒｅｍｅｔ  ＳＰ３０、Ｎａｌｃｏ  １０３０、Ｌｕｄｏｘが含まれていた。この配合を用いて、およそ内径６０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、肉厚８ｍｍの２つのるつぼを生成した。るつぼを硬化、脱ろう及び焼成した。このように生成したるつぼを用いて、酸素含有量が５０００ｐｐｍ未満のチタンアルミナイド部品の鋳造に成功した。又、るつぼは、２グラム／立方センチメートル未満の密度を有していた。低い密度により、溶融時の熱衝撃に対する耐性を改善することができる。
【０１３３】
るつぼを製造するためのセラミック混合物を、セメント、水及びコロイド状シリカを容器内で混合することにより調製した。高剪断型の混合の使用が好ましい。適切に混合されない場合、セメントはゲル化する恐れがあり、混合物を使用できなくなる。セメントが混合物中で懸濁しているとき、より大きなサイズのアルミナ粒子（例えば、０．５〜１．０ｍｍ）を加え、セメント−アルミナの配合物と混合した。最終的な混合物の粘度が非常に重要であり、後に説明する通り、低すぎても、高すぎてもいけない。
【０１３４】
混合した後、通常、例えばワックスから調製される消失模型を含む容器にインベストメント混合物を制御して流し込んだ。容器は、るつぼの外部の幾何形状を与え、又、消失模型は、内部の幾何形状を作り出した（るつぼの調製に用いたツーリング及び型に関しては、図７Ａから図７Ｃ及び図８Ａから図８Ｄを参照）。適正な流し込みの速度が重要であり、速すぎる場合、空気がるつぼ内に閉じ込められる恐れがあり、遅すぎる場合、セメントとアルミナ微粒子の分離が起こる恐れがある。
【０１３５】
肉厚とるつぼの直径の比は、約１：１０であった。内的フェースコートの厚さと肉厚の比は、１：５０であった。内的フェースコートの厚さは、約１００ミクロンであった。
【０１３６】
第２の例では、より小さな２つのるつぼを、８０％のカルシウムアルミナセメント１２００ｇ、直径０．５〜１ｍｍの範囲のサイズの高純度アルミナ発泡体（ａｌｕｍｉｎａ  ｂｕｂｂｌｅ）６５２ｇ、脱イオン水４０８ｇ、及びＲｅｍｅｔ  ＬＰ３０（コロイド状シリカ）４０ｇからなるスラリー混合物を用いて生成した。アルミナ発泡体は、るつぼの密度を低減し、耐熱衝撃性を改善する。カルシウムアルミナセメントの重量分率は６５％、アルミナ発泡体の重量分率は３５％である。２つのるつぼは、内径約５０ｍｍ、長さ９０ｍｍであった。次いで、るつぼを硬化して、１６００℃の温度で１時間焼成した。るつぼは、カルシウムアルミネート相からなる内的フェースコートを持ち、フェースコートの厚さは約１００ミクロンであった。このように生成したるつぼを用いて、機械的特性測定で良好な表面仕上げを示すチタンアルミナイドスラブ鋳物の溶融に成功した。
【０１３７】
カルシウムアルミネート相の水との反応の速度により、るつぼ製造中のインベストメント混合物の作業時間を制御する。この時間は、３０秒〜１０分であるべきである。インベストメントるつぼ混合物の作業時間が短すぎる場合、薄肉の幾何形状を持つ大きなるつぼを製造するのに時間が不十分である。インベストメントるつぼ混合物の作業時間が長すぎて、カルシウムアルミナセメントが十分速やかに硬化しない場合、微細規模のセメントと大規模なアルミナの分離が起こる恐れがあり、これは、配合物がばらつき、得られるるつぼの特性が均一でない偏析したるつぼになる恐れがある。
【０１３８】
るつぼの連続的な内的フェースコートを構成し、又、るつぼのバルクのためのバインダーを提供するセメント中の成分相は、本システムの特徴である。カルシウムアルミナセメント中の３つの相は、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）であり、本発明者らは、いくつかの目的を達成するためにこの選択を行った。第１に、相は、溶解、又は部分的に溶解して、その後のインベストメントるつぼ製造スラリー中ですべての凝集体の相を支持することができる懸濁液を生成しなければならない。第２に、相は、流し込み後のるつぼの硬化（ｓｅｔｔｉｎｇ又はｃｕｒｉｎｇ）を促進しなければならない。第３に、相は、硬化、焼成及び溶融の間に、るつぼに強度を与えなければならない。第４に、相は、るつぼ内で鋳造されるチタン合金との最低限の反応を示さなければならない。るつぼ内のカルシウムアルミナセメント／バインダー中、及び、るつぼのフェースコート中の３つの相は、カルシウムモノアルミネート（ＣａＡｌ2Ｏ4）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ4Ｏ7）及びマイエナイト（Ｃａ12Ａｌ14Ｏ33）である。マイエナイトは、るつぼ内に取り込み、その理由は、マイエナイトが、急速硬化するカルシウムアルミネートであり、又、硬化の初期段階に、フェースコート及びるつぼのバルクに強度をもたらすためである。硬化は、低温で実施すべきであり、その理由は、消失ワックス模型が温度の影響を受けやすく、又、〜３５℃を上回る熱暴露により、その形状及び特性を損なうためである。るつぼは、３０℃未満の温度で硬化するのが好ましい。
【０１３９】
上述の説明は、例示するためのものであって、制限するためのものではないと理解されるべきである。例えば、上記の実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組み合わせて用いてもよい。更に、種々の実施形態の教示に特定の状況又は材料を適合させるために、それらの範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。
【０１４０】
本明細書に記述される材料の寸法及びタイプは、種々の実施形態のパラメータを定義するためのものであるが、それらは、決して限定的でなく、単に例示的である。他の多くの実施形態は、上述の説明を検討することで、当業者には明らかになるであろう。したがって、種々の実施形態の範囲は、添付された特許請求の範囲を参照して、このような特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の範囲すべてと共に決定されるべきである。
【０１４１】
添付された特許請求の範囲において、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「そこで（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「そこで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」というそれぞれの用語のプレイン・イングリッシュの均等物として使用される。更に、以下の特許請求の範囲において、「第１の」、「第２の」、「第３の」などの用語は、単に標示として使用され、それらの対象に数値的要件を課するものではない。更に、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、このような特許請求の範囲の限定が、「の手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」という言い回しを明示的に用いて、その後にさらなる構造がない機能が記載されていない限り、又、記載されるまで、米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．）第１１２条第６項に基づいて解釈されるものではない。
【０１４２】
上述のこのような目的又は利点のすべてが必ずしも、いずれかの特定の実施形態にしたがって達成されるとは限らないと理解されるべきである。したがって、例えば、本明細書に記述されるシステム及び技術は、本明細書において教示又は示唆されうる他の目的又は利点を必ずしも達成せずに、本明細書において教示される１つの利点又は１群の利点を達成又は最適化する方法で具体化又は実施することができることを当業者は理解されよう。
【０１４３】
限られた数の実施形態についてのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明が、このような開示した実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明を変更して、これまで説明していないが本発明の趣旨及び範囲に相応する任意の数の変形形態、改変、置換又は均等な配置を取り入れることができる。
【０１４４】
更に、本発明の種々の実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、記載した実施形態の一部のみを含んでもよいと理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると理解されるべきでなく、添付された特許請求の範囲によってのみ限定される。
【０１４５】
この書面による説明では、最良の形態を含めて本発明を開示するために例を用いており、又、任意のデバイス又はシステムの製造及び使用、並びに任意の組み込まれた方法の実施を含め、当業者なら誰でも本発明を実施できるよう例を用いている。本発明の特許を受けることができる範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が思いつく他の実施例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【０１４６】
１０  るつぼ硬化装置
２０  支持体
３０  エフェクターアーム
３５  アダプター部分
４０  ベース
５０  チャンバ
６０  るつぼ型
６０ａ  空隙内
７０  除去可能なるつぼ空隙模型
１００  るつぼ
１１０  アルミナ粒子
１１０ａ  アルミナ粒子
１１２  内的フェースコート
１１４  るつぼのバルク
１１６  内部表面
１２０  カルシウムアルミナセメント
２００  バルク
３００  空隙
４００  内的フェースコート
７０５  ステップ
７０７  ステップ
７１０  ステップ
７２５  ステップ
７３０  ステップ
７３５  ステップ
７４０  ステップ
７４５  ステップ
７５０  ステップ
７５５  ステップ
７６０  ステップ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【国際調査報告】
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