(57)【要約】      （修正有）【課題】鋳型内で溶融超合金組成物から少なくとも１つのフィラメントを鋳造する。【解決手段】第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０を含み、第１チャンバが第２チャンバから隔離される鋳造装置を用意する。第１チャンバに存在するるつぼに超合金組成物を投入するステップと、るつぼ内の超合金組成物を溶融して溶融超合金組成物を形成するステップとを含む。第１チャンバに正圧を加えて第１チャンバ圧力を発生させるステップと、第２チャンバを真空に付して第２チャンバ圧力を発生させるステップであって、第１チャンバ圧力は第２チャンバ圧力よりも大きいステップとを含む。また、複数のフィラメントの鋳造装置も提供される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１チャンバ（１１０）及び第２チャンバ（１２０）を含み、第１チャンバ（１１０）が第２チャンバ（１２０）から隔離される鋳造装置（１００）を用意するステップと、
第１チャンバ（１１０）に存在するるつぼ（１３０）に超合金組成物を投入するステップと、
るつぼ内の超合金組成物を溶融して溶融超合金組成物（１５０）を形成するステップと、
第２チャンバ（１２０）に存在する鋳型（１４０）に溶融超合金組成物（１５０）を放出するステップと、
第２チャンバ（１２０）を真空に付して第２チャンバ圧力を発生させるステップと、
第１チャンバ（１１０）に正圧を加えて第１チャンバ圧力を発生させるステップであって、第１チャンバ圧力は第２チャンバ圧力よりも大きいステップと、
鋳型（１４０）内で溶融超合金組成物から少なくとも１つのフィラメントを鋳造するステップと
を含む方法。
【請求項２】
フィラメントが約４０を超える範囲のアスペクト比を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１チャンバ（１１０）は封止放出出口（１３４）を備え、第２チャンバ（１２０）は第１チャンバ（１１０）の封止放出出口（１３４）と整列する放出入口（１４４）を備える、請求項１記載の方法。
【請求項４】
封止放出出口（１３４）は、超合金組成物の溶融温度以上の溶融温度を有する材料からなる気密シール（１３６）を備える、請求項３記載の方法。
【請求項５】
封止放出出口（１３４）は、超合金組成物からなる気密シール（１３６）を備える、請求項３記載の方法。
【請求項６】
溶融超合金組成物（１５０）の鋳型（１４０）への放出の開始を検出して、溶融超合金組成物（１５０）の鋳型（１４０）への放出の開始時に正圧が第１チャンバ（１１０）にかけられるようになっているステップを更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
第１チャンバ圧力と第２チャンバ圧力との間の圧力差が約２気圧よりも大きい、請求項１記載の方法。
【請求項８】
鋳造ステップは、鋳型（１４０）内で溶融超合金組成物から複数のフィラメントを鋳造することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
超合金組成物は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金又はそれらの組合せからなる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
るつぼ（１３０）と、封止放出出口（１３４）とを備える第１チャンバ（１１０）と、
超合金組成物の複数のフィラメントを鋳造するためのマルチフィラメント鋳型（１４０）と、第１チャンバ（１１０）の封止放出出口（１３４）と整列する放出入口（１４４）とを備える第２チャンバ（１２０）と、
第１チャンバ（１１０）に正圧を加えるための第１ポート（１６０）と、
第２チャンバ（１２０）を真空に付すための第２ポート（１７０）とを備えており、
封止放出出口（１３４）は、超合金組成物の溶融温度以上の溶融温度を有する材料からなる気密シール（１３６）を備える、鋳造装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超合金フィラメントの鋳造方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、高圧差動加熱炉鋳型システムを用いて超合金フィラメントを鋳造する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
しばらくの間稼働していた航空機コンポーネントの修理には、一般的に溶接ワイヤが必要とされる。航空機コンポーネントの修理に利用される溶接ワイヤには、例えば、Ｒｅｎｅ１４２、ＲｅｎｅＮ４、又はＲｅｎｅＮ５等の高性能合金又は超合金が含まれる。これらの単結晶超合金材料は、一方向に凝固しており、従来の合金と比較して強度の増加及び高い耐酸化性をもたらす。しかし、超合金材料は一般的に多数の合金元素又は金属を含んでおり、このことがこれらの材料を加工処理して溶接ワイヤとして利用される小直径のフィラメントにするのを困難にする。従って、一般的には、従来の鋳造技術及びシステムを用いて、０．２インチ以下の最小直径を有する超合金インゴットが生成される。更に、従来の鋳造技術を用いて鋳造された超合金インゴットには、一般的にシュリンケージ、コールドシャット、又はコールドラップ等の欠陥がある。
【０００３】
これらのインゴットはそれから、押出加工及びスエージ加工等の熱機械処理を用いて更に処理することができる。続いて、研削加工或いは他の何らかの形式の仕上げ加工又は機械加工が行なわれる。しかし、熱機械処理方法は費用がかかり、サイクル時間が長く、高度な熱機械処理装置を必要とする場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６５３９６２０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、超合金フィラメント又は溶接ワイヤの費用効果的で必要に応じた製造を可能にする方法及び装置を提供することが必要である。更に、欠陥が最小限である小直径且つ高アスペクト比の超合金フィラメント又は溶接ワイヤを形成するための方法及び装置を提供することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、上記及びその他の要求を満たすために提供される。一実施形態は方法に関する。本方法は、第１チャンバ及び第２チャンバを含み、第１チャンバが第２チャンバから隔離される鋳造装置を用意するステップを含む。本方法は、第１チャンバに存在するるつぼに超合金組成物を投入するステップと、るつぼ内の超合金組成物を溶融して溶融超合金組成物を形成するステップとを含む。本方法は、第２チャンバに存在する鋳型に溶融超合金組成物を放出するステップと、第１チャンバに正圧を加えて第１チャンバ圧力を発生させるステップと、第２チャンバを真空に付して第２チャンバ圧力を発生させるステップであって、第１チャンバ圧力は第２チャンバ圧力よりも大きいステップとを含む。本方法は、鋳型内で溶融超合金組成物から少なくとも１つのフィラメントを鋳造するステップを更に含む。
【０００７】
別の実施形態もまた方法に関する。本方法は、第１チャンバ及び第２チャンバを含み、第１チャンバが第２チャンバから隔離される鋳造装置を用意するステップを含む。本方法は、第１チャンバに存在するるつぼに超合金組成物を投入するステップと、るつぼ内の超合金組成物を溶融して溶融超合金組成物を形成するステップとを含む。本方法は、第２チャンバを真空に付して第２チャンバ圧力を発生させるステップと、第２チャンバに存在するマルチフィラメント鋳型に溶融超合金組成物を放出するステップと、第１チャンバに正圧を加えて第１チャンバ圧力を発生させるステップであって、第１チャンバ圧力は第２チャンバ圧力よりも大きいステップとを含む。本方法は、溶融超合金組成物の鋳型への放出の開始を検出して、放出の開始時に正圧が第１チャンバにかけられるようになっているステップを更に含む。本方法は、マルチフィラメント鋳型内で溶融超合金組成物から複数のフィラメントを鋳造するステップを更に含む。
【０００８】
更に別の実施形態は装置に関する。鋳造装置は、第１チャンバ及び第２チャンバを含む。第１チャンバは、るつぼと、封止放出出口とを含む。第２チャンバは、超合金組成物の複数のフィラメントを鋳造するための鋳型を含む。第２チャンバは、第１チャンバの封止放出出口と整列する放出入口を更に含む。鋳造装置は、第１チャンバに正圧を加えるための第１ポートと、第２チャンバを真空に付すための第２ポートとを更に含む。封止放出出口は、超合金組成物の溶融温度以上の溶融温度を有する材料からなる気密シールを含む。
【０００９】
本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るフィラメントの鋳造方法のフローチャートを示す。
【図２】本発明の一実施形態に係るフィラメントの鋳造方法のフローチャートを示す。
【図３】本発明の一実施形態に係るフィラメントの鋳造装置の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るフィラメントの鋳造装置の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るマルチフィラメント鋳型の拡大側面図の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に詳細に述べるように、本発明の幾つかの実施形態は超合金フィラメントの形成方法及び装置を提供する。フィラメントは小直径（約０．１インチ未満）且つ高アスペクト比（約４０を超える）を有し、タービン部品の修理用の溶接ワイヤとして使用することができる。本方法及び装置は、溶接ワイヤとして使用するのに適した所要寸法（直径及びアスペクト比）を有するフィラメントへの大直径インゴット（一般的に１インチ径を超える）の直接変換を可能にする。更に、溶接ワイヤは、業者や彼らの製造計画に依存しなければならないのではなく、部品の修理工場において寸法決めして必要に応じて製造することができる。更にまた、本発明の方法及び装置は、高価な超合金溶接ワイヤの低コストの製造を可能にする。
【００１２】
本明細書及び特許請求の範囲全体を通じてここで用いられる近似表現は、関連する基本機能に変化をもたらすことなく、許容的に変動し得る任意の定量的表現を修飾するために適用することができる。従って、「約」のような用語によって修飾された値は、指定された厳密な値に限定されるものではない。場合によっては、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応することがある。
【００１３】
以下の本明細書及び特許請求の範囲において、単数形（「１つの（ａ，ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」）には、文脈から別途明らかでない限り、指示対象が複数存在する場合も含まれる。
【００１４】
本明細書で用いる「してもよい（ｍａｙ）」及び「であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」等の用語は、一連の状況下で発生する可能性や、指定の特性、特徴、又は機能の所有を表し、且つ／又は適格とされた動詞に関する１つ以上の能力、性能、又は可能性を表現することによって別の動詞も適格とする。従って、「してもよい」及び「であってもよい」等の使用によって、修飾された用語が指示された性能、機能、又は用法に関して明らかに適切、可能、又は好適であることを示しているが、状況によっては、修飾された用語が適切でも、可能でも、好適でもないことがあることを考慮されたい。例えば、ある状況では、ある事象又は性能が期待されるが、別の状況ではその事象又は性能が起こり得ず、この区別が「してもよい」及び「であってもよい」等によって表現される。
【００１５】
以下に詳細に述べるように、本発明の幾つかの実施形態はフィラメントの鋳造方法に関する。本明細書で用いる「フィラメント」という用語は、略均一直径及び約４０を超えるアスペクト比を有するスレッド又はワイヤを意味する。本明細書で用いるアスペクト比という用語は、フィラメント長さのフィラメント直径に対する比を意味する。一実施形態では、図１及び３を参照して鋳造方法１０を説明しており、本方法は、第１チャンバ１１０及び第２チャンバ１２０を含む鋳造装置１００を用意するステップ１２を含む。図３に示すように、第１チャンバ１１０はるつぼ１３０を更に含み、第２チャンバ１２０は鋳型１４０を含む。図３に示すような鋳型１４０は、複数の構成部品、例えば、図５において更に示すように、マルチフィラメント鋳型１４０を形成する複数のフィラメント鋳型を更に含んでもよい。一部の実施形態では、第１チャンバは、るつぼ１３０を第１チャンバ１１０に出し入れするための第１開口部１１２を更に含む。一部の実施形態では、第２チャンバは、鋳型１４０を第２チャンバ１２０に出し入れするための第２開口部１２２を更に含む。
【００１６】
一実施形態では、第１チャンバ１１０は、鋳造プロセスの１つ以上のステップの間、第２チャンバ１２０から隔離される。一実施形態では、第１チャンバ１１０は、超合金材料の流れに関して第２チャンバ１２０から隔離される。つまり、１つ以上の鋳造プロセスステップの間、第１チャンバ１１０から第２チャンバ１２０への超合金材料の移動がない。別の実施形態では、第１チャンバ１１０は圧力に関して第２チャンバから隔離される。つまり、第１チャンバは第２チャンバ内のチャンバ圧力とは異なるチャンバ圧力を有することになる。更に別の実施形態では、第１チャンバ１１０は、温度に関して第２チャンバから隔離される。つまり、第１チャンバは第２チャンバのチャンバ温度と異なる温度を有することになる。一実施形態では、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とが、ステップ１２において超合金材料の流れ、圧力及び温度に関して互いに隔離される。一実施形態では、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とは、図３に１８０で示すように、ゲート、弁又はそれらの組合せを用いて互いに隔離することができる。
【００１７】
図１及び３に示すように、本方法は、第１チャンバ１１０に存在するるつぼ１３０の内部容積１３２に超合金組成物を投入するステップ１４を更に含む。一部の実施形態では、第１チャンバの第１開口部１１２を介して超合金組成物を内部容積１３２に投入することができる。本明細書で用いる「超合金」又は「高性能合金」という用語は、高温での機械的強度、耐クリープ性、表面安定性、耐食性及び耐酸化性が向上した合金を意味する。超合金は、高温で、特にガスタービンの高温域において使用可能である金属材料である。そのような材料が高温に耐えることによって、タービンがより効率的に作動することができる。
【００１８】
一実施形態では、超合金組成物は、１つ以上のベース合金金属、例えばニッケル、コバルト、ニッケル鉄等を含む。超合金組成物は、１つ以上の追加の金属、半金属、又は非金属を更に含む。適切な金属、半金属、又は非金属の非限定的な例としては、クロム、コバルト、モリブデン、タングステン、タンタル、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、レニウム、炭素、硼素、バナジウム、ハフニウム、イットリウム、レニウム及びそれらの組合せが挙げられる。
【００１９】
一実施形態では、超合金組成物は、タービン部品の修理用の溶接ワイヤとしての使用に適した材料を含む。特定の実施形態では、超合金組成物はニッケル基である。一実施形態では、ニッケル基超合金組成物は、炭素、ハフニウム、タンタル、コバルト、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、レニウム、硼素、ジルコニウム、又はチタンの１つ以上を更に含む。特定の実施形態では、超合金組成物として、ゼネラルエレクトリックから市販されているＲｅｎｅ超合金、例えば、Ｒｅｎｅ４１、Ｒｅｎｅ８０、Ｒｅｎｅ９５、Ｒｅｎｅ１０４、Ｒｅｎｅ１４２、ＲｅｎｅＮ４及びＲｅｎｅＮ５等が挙げられる。
【００２０】
一実施形態では、るつぼ１３０に投入される超合金組成物は、ロッド又はインゴットの形態である。一実施形態では、るつぼ１３０に投入される超合金組成物は、約１インチを超える範囲の直径を有するインゴットの形態である。一実施形態では、インゴットは、るつぼ１３０内に直接入れられる。代替的実施形態では、インゴットは、超合金組成物をるつぼ１３０に投入する前に、部分溶融等の１つ以上の処理ステップを受ける。先に説明したように、投入ステップ１４の間、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とは互いに隔離される。一実施形態では、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とは、図３に１８０で示すように、ゲート、弁又はそれらの組合せを用いて互いに隔離することができる。
【００２１】
一実施形態では、本方法は、図１及び３に示すように、るつぼ１３０内の超合金組成物を溶融して溶融超合金組成物１５０を形成するステップ１６を更に含む。一実施形態では、第１チャンバ１１０は誘導加熱システム（図示せず）を更に含み、るつぼ１３０内の超合金組成物を溶融するステップ１６は、誘導加熱システムを用いて超合金組成物を加熱することを含む。一実施形態では、誘導加熱システムは、るつぼ１３０及び超合金組成物を加熱するのに利用される誘導加熱コイルを含むことができる。一実施形態では、誘導加熱システムは、るつぼ１３０の壁及びるつぼ１３０の基部の気密シール１３６から離れた溶融超合金組成物の部分浮上を可能にすることができる。一実施形態では、誘導加熱システムは、るつぼ材料からの汚染を伴わずに超合金組成物の急速且つ効果的な加熱及び溶融を可能にすることができる。先に説明したように、溶融ステップ１６の間、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とは互いに隔離される。一実施形態では、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とは、図３に１８０で示すように、ゲート、弁又はそれらの組合せを用いて互いに隔離することができる。
【００２２】
一実施形態では、るつぼ１３０内の超合金組成物を溶融するステップは、超合金組成物を約１０００℃から約１６００℃までの範囲の温度に加熱することを含む。別の実施形態では、るつぼ１３０内の超合金組成物を溶融するステップは、超合金組成物を約１２００℃から約１５００℃までの範囲の温度に加熱することを含む。更に別の実施形態では、るつぼ１３０内の超合金組成物を溶融するステップは、約１３００℃から約１５５０℃までの範囲の温度に加熱することを含む。先に説明したように、超合金組成物は、従来の鋳造金属、例えば、金、銀、又は白金と比べて高い溶融温度を有する合金を含む。従って、一部の実施形態では、本発明の方法及び装置によって超合金の高温溶融及びフィラメントへの鋳造が可能になる。
【００２３】
一実施形態では、るつぼ１３０は、超合金組成物の溶融温度に耐えることができる材料を含む。更に、一実施形態では、るつぼ１３０は、超合金組成物と十分に無反応である材料を含む。一実施形態では、るつぼ１３０は耐火材料を含む。耐火材料としては、少なくとも１０００℃を上回る環境にさらされる構造、又はシステムの構成部品として適用できる化学的及び物理的特性を有する非金属材料がある。一実施形態では、るつぼ１３０は、黒鉛、アルミナ、希土類金属又はそれらの組合せを含む。特定の実施形態では、アルミナ基るつぼ１３０が超合金組成物を溶融するのに用いられる。
【００２４】
図３に示すように、第１チャンバ１１０及びるつぼ１３０は、封止放出出口１３４を更に含む。一実施形態では、封止放出出口１３４は、図３に示すように、第２チャンバ１２０に存在する放出入口１４４と整列する。封止放出出口１３４は、溶融ステップの間と超合金組成物が完全に溶融された後、第１チャンバ１１０から第２チャンバ１３０への超合金組成物の流れを防止する。
【００２５】
一実施形態では、封止放出出口は気密シール１３６を用いて封止される。一実施形態では、気密シール１３６は、プラグ、ボタン、又はペニーの形態である。一実施形態では、気密シール１３６は、るつぼ１３０から鋳型１４０への溶融超合金組成物１５０の放出の制御を可能にする。一実施形態では、気密シールは超合金組成物の溶融温度以上の溶融温度を有する材料を含む。従って、気密シール１３６は溶融投入の最後の要素であり、溶融超合金組成物１５０を鋳型１４０に注入する前に第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０との間の最終シールを形成する。
【００２６】
一実施形態では、気密シール１３６は、超合金組成物の溶融温度よりも高い溶融温度を有する材料を含む。代替的実施形態では、気密シール１３６は、超合金組成物の溶融温度と同程度の溶融温度を有する材料を含む。一実施形態では、気密シールは、約１３００℃から約１６００℃までの範囲の溶融温度を有する材料を含む。特定の実施形態では、気密シール１３６は、超合金組成物と同じ組成物を有する材料を含む。
【００２７】
一実施形態では、本方法は、図１及び４に示すように、第２チャンバ１２０に存在する鋳型１４０の内部容積１４２に溶融超合金組成物１５０を放出するステップ１８を更に含む。先に説明したように、投入ステップ１４及び溶融ステップ１６の間、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とは互いに隔離される。一実施形態では、第２チャンバ１２０から第１チャンバ１１０を隔離するゲート又は弁１８０は、溶融超合金組成物１５０を鋳型１４０に放出する前に開放される。図４に矢印で示すように、ゲート又は弁１８０が開放されると、第１チャンバと第２チャンバとが互いに流体連通する。
【００２８】
先に説明したように、るつぼ１３０は、るつぼ１３０と鋳型１４０との間の最終シールとして機能する気密シール１３６を含む。従って、一部の実施形態では、気密シールが溶融して破損すると、溶融超合金組成物１５０が鋳型１４０に放出される。鋳型１４０に放出された溶融超合金組成物１５０はそれに応じて、一実施形態では、溶融気密シール１３６組成物を更に含む。図４は鋳造装置１００を示しており、るつぼ１３０から溶融超合金組成物１５０の一部が鋳型１４０の内部容積１４２に放出される。従って、一実施形態では、鋳型１４０はフィラメント組成物１５２を含んでおり、フィラメント組成物は、溶融超合金組成物１５０及び溶融気密シール材料１３６を含む。
【００２９】
一実施形態では、本方法は、溶融超合金組成物１５０を鋳型１４０に放出する前に、鋳型１４０を第２チャンバ１２０に入れるステップを更に含む。別の実施形態では、本方法は、るつぼ１３０に超合金組成物１５０を投入する前又はるつぼ１３０内の超合金組成物１５０を溶融する前に、鋳型１４０を第２チャンバ１２０に入れるステップを更に含む。一部の実施形態では、鋳型１４０は、第２チャンバに存在する第２開口部１２２を介して第２チャンバ１２０に入れることができる。
【００３０】
一部の実施形態では、鋳型１４０は、鋳型１４０を第２チャンバ１２０に入れる前に予熱される。一部の他の実施形態では、鋳型１４０は、鋳型１４０を第２チャンバ１２０に入れた後且つ溶融超合金組成物１５０を鋳型１４０に放出する前に加熱される。一実施形態では、第２チャンバ１２０は、鋳型ヒータ（図示せず）を更に含む。一実施形態では、鋳型１４０は、溶融超合金組成物の鋳型１４０への放出の開始前に、約９００℃よりも高い範囲の温度に加熱される。
【００３１】
先に説明したように、溶融超合金組成物は、１つ以上の反応金属を含む。従って、一実施形態では、鋳型１４０は、溶融超合金組成物と無反応である材料を含む。一実施形態では、鋳型１４０は、アルミナ、シリカ、ムライト及びそれらの組合せからなる群から選択された材料を含む。
【００３２】
一実施形態では、本方法は、図１及び４に示すように、第２ポート１７０を介して第２チャンバ１２０を真空に付して第２チャンバ圧力を発生させるステップ２０を更に含む。一部の実施形態では、溶融超合金組成物の鋳型１４０への放出の開始前に、第２チャンバ１２０と鋳型１４０とに真空がかけられる。一実施形態では、第２チャンバ１２０と鋳型１４０とは、真空ポンプ（図示せず）を用いて排気してもよい。一実施形態では、ステップ１８で鋳型１４０に充填するステップの間、第２チャンバ１２０と鋳型１４０とが継続的に真空状態にさらされることになる。一部の他の実施形態では、溶融超合金組成物の鋳型１４０への放出の開始時に第１チャンバ１２０と鋳型１４０とに真空がかけられる。
【００３３】
一実施形態では、本方法は、図１及び４に示すように、ポート１６０を介して第１チャンバ１１０に正圧を加えて第１チャンバ圧力を発生させるステップ２２を更に含む。一部の実施形態では、例えば、アルゴン又はヘリウム等の不活性ガスの流れを用いて正圧を加えることができる。一部の実施形態では、第１チャンバ圧力が第２チャンバ圧力よりも大きいため、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０との間に圧力差が生じる。一実施形態では、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０との間の圧力差は、約２気圧よりも大きい。別の実施形態では、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０との間の圧力差は、約２．５気圧よりも大きい。
【００３４】
いかなる理論にも縛られるものではないが、るつぼ１３０と鋳型１４０との間の高い圧力差によって鋳型１４０の非常に急速な充填がもたらされると考えられている。鋳型の急速な充填（一般的に２秒未満）は、フィラメント製品の体積に対する表面積の比が大きいことから望ましいことになる。体積に対する表面積の比が大きいと、フィラメントの非常に急速な冷却及び凝固がもたらされ、急速冷却が、望ましくないシュリンケージ、コールドシャット、又はコールドラップ等の欠陥の発生につながることがある。更に、フィラメントの体積に対する表面積の比が大きいと、フィラメントの急速冷却及び凝固につながることがあり、急速冷却によって、フィラメント空洞が実際に充填される前に鋳型空洞が詰まったり、凍って塞がったりするようになる。一実施形態では、高い圧力差の利用によってフィラメントの急速充填及び凝固が提供され、そのことが欠陥の最小化につながると共に、鋳型の詰まりの可能性を減少させることになる。
【００３５】
一実施形態では、図２に示すように、本方法は、第１チャンバ１１０に正圧を加えるステップ２２の前に、溶融超合金組成物の鋳型１４０への放出の開始を検出するステップ２６を更に含む。放出の開始とは、気密シール１３６が完全に溶融され、溶融超合金組成物１５０がるつぼ１３０に存在する放出出口１３４から流れ始める瞬間を意味する。一実施形態では、溶融超合金組成物１５０の鋳型１４０への放出の開始時に、第１チャンバ１１０に正圧がかけられる。一実施形態では、るつぼ１３０からの溶融超合金組成物の流れの開始は、光電セルを用いて検出することができ、更に第１チャンバ１１０への正のガス圧力の付加を引き起こすことになる。
【００３６】
一実施形態では、溶融超合金組成物を放出するステップ１８、第２チャンバを真空に付すステップ２０及び第１チャンバに正圧を加えるステップ２２は、順番に実施されることになる。別の実施形態では、溶融超合金組成物を放出するステップ１８、第２チャンバを真空に付すステップ２０及び第１チャンバに正圧を加えるステップ２２は、同時に実施してもよい。
【００３７】
ある特定の実施形態では、ステップ１８における、るつぼ１３０からの溶融超合金組成物１５０の放出及び鋳型１４０の充填の間、第２チャンバ１２０は真空状態で維持され、第１チャンバ１１０は鋳型１４０を急速に充填するための正圧を受ける。一実施形態では、溶融超合金組成物１５０を鋳型１４０に放出する継続時間は、約０．０５秒から約１２０秒の範囲である。別の実施形態では、溶融超合金組成物１５０を鋳型１４０に放出する継続時間は、約０．０５秒から約２０秒の範囲である。特定の実施形態では、溶融超合金組成物１５０を鋳型１４０に放出する継続時間は、約０．０５秒から約２秒の範囲である。
【００３８】
いかなる理論にも縛られるものではないが、溶融超合金組成物を鋳型の空洞に圧入するためのガス圧力の付加のタイミングは、鋳造プロセスと形成されるフィラメントの特性とに影響を及ぼす可能性があると考えられている。一実施形態では、投入物が完全に溶融した場合に超合金組成物に正圧がかけられる。投入物が完全に溶融しておらず、過熱制御されている場合、鋳型は完全には充填されない。或いは、投入物が溶融状態で余りに長く維持される場合、溶融超合金組成物がるつぼと反応したり、大気汚染による汚染物質の影響を受けやすくなったりすることがあり、そのことが鋳造されるフィラメントの特性に悪影響を与える可能性がある。
【００３９】
一実施形態では、鋳造装置は、るつぼ１３０から鋳型１４０への溶融超合金組成物の放出の開始を監視及び検出するための制御装置に接続された１つ以上の接続ラインを更に含むことができる。制御装置による放出の開始の検出の際、不活性ガスをチャンバに導入することによって第１チャンバ１１０に正圧を加えて、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０との間の所望の圧力差を維持することができる。第１チャンバに対する正圧の付加は、手動で行なっても自動的な方法で行なってもよい。第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０との間の圧力差は、鋳型が溶融超合金組成物で完全に充填されるまで維持することができ、適切な検出機構を用いてそのことを更に検出することができる。
【００４０】
一実施形態では、図１及び３に示すように、本方法は、鋳型１４０内でフィラメント組成物１５２から少なくとも１つのフィラメントを鋳造するステップ２４を更に含む。先に説明したように、一実施形態では、フィラメントは、約４０よりも大きな範囲のアスペクト比を有する。別の実施形態では、フィラメントは、約１００よりも大きな範囲のアスペクト比を有する。別の実施形態では、フィラメントは、約２００よりも大きな範囲のアスペクト比を有する。更に別の実施形態では、フィラメントは、約４０から約４００までの範囲のアスペクト比を有する。
【００４１】
一実施形態では、フィラメントは、約０．２インチ未満の範囲の平均直径を有する。特定の実施形態では、フィラメントは、約０．１インチ未満の範囲の平均直径を有する。従って、本発明の方法及び装置によって、有利なことに、大直径のインゴット（約１インチを超える直径）から直接超合金材料の薄ゲージフィラメントの鋳造が可能になる。これらの直径及びアスペクト比の超合金材料のフィラメントは、従来の鋳造技術を用いては商業化を可能にすることはできない。
【００４２】
ある特定の実施形態では、鋳型１４０には、図５に拡大図で示すように、複数のフィラメントの同時鋳造を可能にするマルチフィラメント鋳型が含まれる。図５では、４つの異なるフィラメント鋳型が例として図示されているが、一部の他の実施形態では、マルチフィラメント鋳型は４つ以上の鋳型を含むことができる。一実施形態では、第１チャンバ１１０内の単一の気密シール１３６を用いて複数のフィラメントを鋳造することができる。代替的実施形態では、複数の気密シール１３６を用いてマルチフィラメント鋳型１４０内で複数のフィラメントを鋳造することができ、複数のシールの各々が別個のフィラメント鋳型につながっている。一実施形態では、本方法は、鋳型１４０内で溶融超合金組成物１５０から少なくとも２つのフィラメントを鋳造するステップ２４を含む。一実施形態では、本方法は、鋳型１４０内で溶融超合金組成物１５０から少なくとも４つのフィラメントを鋳造するステップ２４を含む。一実施形態では、本方法は、鋳型１４０内で溶融超合金組成物１５０から少なくとも１０本のフィラメントを鋳造するステップ２４を含む。
【００４３】
一部の実施形態では、鋳造されたフィラメントは、気孔や空隙等の内部欠陥を最小限に抑えるために後処理ステップを更に受けることができる。後処理は、例えば、押出加工、熱間等圧処理（ＨＩＰ）、熱処理などといった適切な技術を用いて行なうことができる。一部の実施形態では、鋳型１４０内で鋳造された複数のフィラメントは、第２チャンバ１２０の第２開口部１２２を介して取り出すことができる。
【００４４】
一実施形態では、フィラメントは、タービン部品の修理用の溶接ワイヤとして使用することができる。一部の実施形態では、フィラメント又は溶接ワイヤを用いて修理することができるタービン部品としては、タービンブレード、ベーン、又はシュラウドの１つ以上が挙げられる。一実施形態では、超合金インゴットを、本発明の方法及び装置を現場で有利に用いて、所要寸法（直径及びアスペクト比）を有する溶接ワイヤに直接変換することができる。従って、溶接ワイヤは、業者や彼らの製造計画に依存しなければならないのではなく、部品の修理工場において寸法決めし必要に応じて製造することができる。一部の他の実施形態では、修理部位から遠く離れた場所で溶接ワイヤを製造することができる。
【００４５】
一実施形態では、方法が提供される。図２を参照すると、方法１０は、第１チャンバ及び第２チャンバを含み、第１チャンバが第２チャンバから隔離される鋳造装置を用意するステップ１２を含む。本方法は、第１チャンバに存在するるつぼに超合金組成物を投入するステップ１４と、るつぼ内の超合金組成物を溶融して溶融超合金組成物を形成するステップ１６とを含む。本方法は、第２チャンバを真空に付して第２チャンバ圧力を発生させるステップ２０と、第２チャンバに存在するマルチフィラメント鋳型に溶融超合金組成物を放出するステップ１８と、第１チャンバに正圧を加えて第１チャンバ圧力を発生させるステップ２２であって、第１チャンバ圧力は第２チャンバ圧力よりも大きいステップ２２とを含む。本方法は、溶融超合金組成物の鋳型への放出の開始を検出して、放出の開始時に正圧が第１チャンバにかけられるようになっているステップ２６を更に含む。本方法は、マルチフィラメント鋳型内で溶融超合金組成物から複数のフィラメントを鋳造するステップ２４を更に含む。
【００４６】
一実施形態では、図３に示すような鋳造装置が提供される。鋳造装置１００は、第１チャンバ１１０を含む。第１チャンバ１１０は、るつぼ１３０と、封止放出出口１３４とを含む。鋳造装置は、第２チャンバ１２０を更に含む。第２チャンバ１２０は、超合金組成物の複数のフィラメントを鋳造するための鋳型１４０を含む。第２チャンバ１２０は、第１チャンバ１１０の封止放出出口１３４と整列する放出入口１４４を更に含む。鋳造装置は、第１チャンバ１１０に正圧を加えるための第１ポート１６０と、第２チャンバ１２０を真空に付すための第２ポート１７０とを更に含む。封止放出出口１３４は、超合金組成物の溶融温度以上の溶融温度を有する材料からなる気密シール１３６を含む。
【００４７】
更に、図３に示すように、一部の実施形態では、第１チャンバは、るつぼ１３０を第１チャンバ１１０に出し入れするための第１開口部１１２を更に含む。一部の実施形態では、第２チャンバは、鋳型１４０を第２チャンバ１２０に出し入れするための第２開口部１２２を更に含む。
【００４８】
一実施形態では、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とは、弁、ゲート又はそれらの組合せを介して互いに更に接続される。図３に示すように、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とは、弁１８０を介して接続される。先に説明したように、弁１８０は、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とを互いに隔離しなければならない時、例えば、るつぼ１３０に超合金組成物を入れる間、閉鎖されることになる。弁１８０は、第１チャンバ１１０と第２チャンバ１２０とを互いに接続しなければならない時、例えば、図４に矢印で示すように、溶融超合金組成物の鋳型１４０への放出の間、開放されることになる。
【００４９】
添付の特許請求の範囲は、想起される広い範囲の本発明を特許請求するものとし、本明細書で提示された実施例は、多数の全ての実施可能な実施形態から選択された実施形態を例証する。従って、添付の特許請求の範囲が発明の特徴を例証するのに利用される実施例の選択によって限定されないことは、出願人の意図するところである。特許請求の範囲で使用される用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及びその文法的な変形はまた、論理的に、例えばそれに限定されないが、「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」及び「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」などの様々な異なる範囲の語句を範囲として定め且つこれらを含む。必要に応じて、幾つかの範囲が提供されるが、それらの範囲は、それらの間の全ての部分範囲を包含する。当業者には、これらの範囲の変形形態が想起されると考えられ、これらの変形形態は、一般公衆に未だ開放されていない場合には、可能であれば添付の特許請求の範囲によって保護されるとみなされるべきである。また、科学技術の進歩は、表現が不正確であるという理由で現在は企図されない同等物及び置換が可能になることも予想され、これらの変形形態はまた、可能な限り添付の特許請求の範囲によって保護されるとみなされるべきである。
【符号の説明】
【００５０】
１０  方法
１２  方法のステップ
１４  方法のステップ
１６  方法のステップ
１８  方法のステップ
２０  方法のステップ
２２  方法のステップ
２４  方法のステップ
２６  方法のステップ
１００  鋳造装置
１１０  第１チャンバ
１１２  第１開口部
１２０  第２チャンバ
１２２  第２開口部
１３０  るつぼ
１３２  内部容積
１３４  放出出口
１３６  気密シール
１４０  鋳型
１４４  放出入口
１５０  溶融超合金組成物
１５２  フィラメント組成物
１６０  第１ポート
１７０  第２ポート
【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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【外国語明細書】
2012210655000001.pdf