(57)【要約】合金を溶解し、精錬する方法は出発材料を真空誘導溶解して真空誘導溶解された合金を提供することを含む。真空誘導溶解された合金の少なくとも一部がエレクトロスラグ再溶解されてエレクトロスラグ再溶解された合金を提供する。真空アーク再溶解された合金の少なくとも一部を真空アーク再溶解して単回真空アーク再溶解された合金を提供する。単回真空アーク再溶解された合金の少なくとも一部を真空アーク再溶解して二重に真空アーク再溶解された合金を提供する。種々の実施形態では、真空誘導溶解された合金の組成は主としてバナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金の１つを含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金の溶解及び精錬方法であって、前記方法が、
出発材料を真空誘導溶解して真空誘導溶解された合金を提供することと、
前記真空誘導溶解された合金の少なくとも一部をエレクトロスラグ再溶解してエレクトロスラグ再溶解された合金を提供することと、
前記エレクトロスラグ再溶解された合金の少なくとも一部を真空アーク再溶解して単回真空アーク再溶解された合金を提供することと、
前記真空アーク再溶解された合金の少なくとも一部を真空アーク再溶解して二重に真空アーク再溶解された合金を提供することとを含む、前記溶解精錬方法。
【請求項２】
前記真空誘導溶解された合金が主として、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金の１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記真空誘導溶解された合金がニッケル基合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記真空誘導溶解された合金が合金７１８の組成を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記真空誘導溶解された合金が、合金総重量に基づく重量比率で、５０．０〜５５．０のＮｉ；１．０までのＣｏ；１７．０〜２１．０のＣｒ；０．３５までのＭｎ；２．８〜３．３のＭｏ；４．７５〜５．５０のＮｂ；０．６５〜１．１５のＴｉ；０．２〜０．８のＡｌ；０．３５までのＳｉ；０．０８までのＣ；０．００６までのＢ；及びＦｅを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記真空誘導溶解された合金が合金７２０の組成を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記真空誘導溶解された合金が、合金総重量に基づく重量比率で、５０．０〜５５．０のＮｉ；１．０までのＣｏ；１７．０〜２１．０のＣｒ；０．３５までのＭｎ；２．８〜３．３のＭｏ；４．７５〜５．５０のＮｂ；０．６５〜１．１５のＴｉ；０．２〜０．８のＡｌ；０．３５までのＳｉ；０．０８までのＣ；０．００６までのＢ；及びＦｅを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記真空誘導溶解された合金がＲｅｎｅ６５合金の組成を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記真空誘導溶解された合金が、合金総重量に基づく重量比率で、１２．５〜１３．５のＣｏ；１５．５〜１６．５のＣｒ；０．７５〜１．２０のＦｅ；３．８〜４．２のＭｏ；３．８〜４．２のＷ；０．６〜０．８のＮｂ；３．５５〜３．９０のＴｉ；１．９５〜２．３０のＡｌ；０．０３〜０．０６のＺｒ；０．００５〜０．０１１のＣ；０．０１〜０．０２のＢ；及びＮｉを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記真空誘導溶解された合金がニッケル−コバルト基合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記真空誘導溶解された合金がＭＰ３５Ｎ合金の組成を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記真空誘導溶解された合金が、合金総重量に基づく重量比率で、３３．０〜３７．０のＮｉ；１９．０〜２１．０のＣｒ；１．０までのＦｅ；０．１５までのＭｎ；９．０〜１０．５のＭｏ；１．０までのＴｉ；０．１５までのＳｉ；０．０２５までのＣ；及びＣｏを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記真空誘導溶解された合金がコバルト基合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記真空誘導溶解された合金がニッケル−クロム−モリブデン合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記真空誘導溶解された合金がＣ−２２合金の組成を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記真空誘導溶解された合金が、合金総重量に基づく重量比率で、２．５までのＣｏ；２０．０〜２２．５のＣｒ；２．０〜６．０のＦｅ；０．５０までのＭｎ；１２．５〜１４．５のＭｏ；２．５〜３．５のＷ；０．０８までのＳｉ；０．０１５までのＣ；及びＮｉを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
真空アーク再溶解することが坩堝にて真空アーク再溶解されたインゴットを形成することを含み、前記真空アーク再溶解工程の少なくとも１つにて、前記坩堝と前記インゴットとの間の間隙に不活性気体が導入される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
合金の溶解及び精錬方法であって、前記方法が、
出発材料を真空誘導溶解して合金を提供することと、
前記合金の少なくとも一部をエレクトロスラグ再溶解して第１のインゴットを提供することと、
前記第１のインゴットの少なくとも一部を真空アーク再溶解して第２のインゴットを提供することと、
前記第２のインゴットの少なくとも一部を真空アーク再溶解することとを含む、前記溶解精錬方法。
【請求項１９】
前記合金が主としてバナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金の１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記合金がニッケル基合金である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記合金が合金７１８の組成を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記合金が、合金総重量に基づく重量比率で、５０．０〜５５．０のＮｉ；１．０までのＣｏ；１７．０〜２１．０のＣｒ；０．３５までのＭｎ；２．８〜３．３のＭｏ；４．７５〜５．５０のＮｂ；０．６５〜１．１５のＴｉ；０．２〜０．８のＡｌ；０．３５までのＳｉ；０．０８までのＣ；０．００６までのＢ；及びＦｅを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記合金が合金７２０の組成を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記合金が、合金総重量に基づく重量比率で、５０．０〜５５．０のＮｉ；１．０までのＣｏ；１７．０〜２１．０のＣｒ；０．３５までのＭｎ；２．８〜３．３のＭｏ；４．７５〜５．５０のＮｂ；０．６５〜１．１５のＴｉ；０．２〜０．８のＡｌ；０．３５までのＳｉ；０．０８までのＣ；０．００６までのＢ；及びＦｅを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記合金がＲｅｎｅ６５合金の組成を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記合金が、合金総重量に基づく重量比率で、１２．５〜１３．５のＣｏ；１５．５〜１６．５のＣｒ；０．７５〜１．２０のＦｅ；３．８〜４．２のＭｏ；３．８〜４．２のＷ；０．６〜０．８のＮｂ；３．５５〜３．９０のＴｉ；１．９５〜２．３０のＡｌ；０．０３〜０．０６のＺｒ；０．００５〜０．０１１のＣ；０．０１〜０．０２のＢ；及びＮｉを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記合金がニッケル−コバルト基合金である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
前記合金がＭＰ３５Ｎ合金の組成を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２９】
前記合金が、合金総重量に基づく重量比率で、３３．０〜３７．０のＮｉ；１９．０〜２１．０のＣｒ；１．０までのＦｅ；０．１５までのＭｎ；９．０〜１０．５のＭｏ；１．０までのＴｉ；０．１５までのＳｉ；０．０２５までのＣ；及びＣｏを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記合金がコバルト基合金である、請求項１８に記載の方法。
【請求項３１】
前記合金がニッケル−クロム−モリブデン合金である、請求項１８に記載の方法。
【請求項３２】
前記合金がＣ−２２合金の組成を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項３３】
前記真空誘導溶解された合金が、合金総重量に基づく重量比率で、２．５までのＣｏ；２０．０〜２２．５のＣｒ；２．０〜６．０のＦｅ；０．５０までのＭｎ；１２．５〜１４．５のＭｏ；２．５〜３．５のＷ；０．０８までのＳｉ；０．０１５までのＣ；及びＮｉを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項３４】
真空アーク再溶解することが坩堝にて真空アーク再溶解されたインゴットを形成することを含み、前記真空アーク再溶解工程の少なくとも１つにて、前記坩堝と前記インゴットとの間の間隙に不活性気体が導入される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は超合金及び他の合金を溶解し、精錬するための多段階法に関する。本開示はまた、本明細書に記載されている多段階溶解精錬法を用いて調製され、精錬される合金、と同様に該合金を含む素材製品及び工業製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
合金が、問題のある混入、偏析及び他の欠陥から好適に免れるように超合金を溶解し、精錬するために種々の技法が知られている。種々の新たに出現した技法はさらに大きな且つさらに膨大な合金形態を必要とし、既存の溶解精錬技法に対してさらに大きな要求を突きつけるであろう。たとえば、タービンディスクコンポーネントのための超合金を製造するのに使用される現在の溶解精錬技法は、最終部品のコストに著しい影響を与えないで合金の処理の間の中間段階で超音波探傷に対応できるようにする。たとえば、ＧＥ９０及びＧＥｎｘのタービンエンジンのような著しく大きなターボ装置の出現に伴って、非常に大きなディスクコンポーネントにとって十分なサイズのかなり大きな超合金ビレットが必要とされる。これらの超合金ビレットは１０００ｌｂを超える重量を有してもよく、開発中のタービンエンジンは３０００ｌｂまでの超合金ビレットを必要とし得る。既存の溶解精錬技法は、たとえば、超音波検査をすることができない物質としての実質的な歩留まり損失のゆえにコスト効率の基準ではこのサイズの超合金ビレットを製造することができない可能性があり、他の非破壊検査は取りやめられる。
【０００３】
従って、超合金及び他の合金を製造するための改善された溶解精錬法を開発する必要性がある。
発明の概要
【０００４】
本開示の非限定態様の１つによれば、合金を溶解し、精錬する方法は、真空誘導溶解（ＶＩＭ）工程、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）工程、及び第１と第２の真空アーク再溶解（ＶＡＲ）工程を含む。出発材料を真空誘導溶解し、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金のいずれかである主成分（重量比率に基づく）を含む真空誘導溶解された合金を提供する。言い換えれば、真空誘導溶解された合金には重量比率基準で真空誘導溶解された合金の他の成分よりも多い「主」成分が存在する。真空誘導溶解された合金の少なくとも一部はエレクトロスラグ再溶解されてエレクトロスラグ再溶解されたインゴットを提供する。エレクトロスラグ再溶解されたインゴットの少なくとも一部は第１の真空アーク再溶解操作において再溶解されて真空アーク再溶解されたインゴットを提供する。真空アーク再溶解されたインゴットの少なくとも一部は第２の真空アーク再溶解操作において真空アーク再溶解されて二重真空アーク再溶解された合金のインゴットを提供する。
【０００５】
本開示の別の非限定態様によれば、合金を溶解し、精錬する方法は、出発材料を真空誘導溶解して真空誘導溶解された合金を提供することと、真空誘導溶解された合金の少なくとも一部をエレクトロスラグ再溶解してエレクトロスラグ再溶解された合金を提供することと、エレクトロスラグ再溶解された合金の少なくとも一部を真空アーク再溶解して単回真空アーク再溶解された合金を提供することと、単回真空アーク再溶解された合金の少なくとも一部を真空アーク再溶解して二重真空アーク再溶解された合金を提供することとを含む。方法の種々の実施形態では、真空誘導溶解された合金は主としてバナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金の１つを含む。
【０００６】
本開示のさらに別の非限定態様によれば、合金を溶解し、精錬する方法は、出発材料を真空誘導溶解して合金を提供することと；合金の少なくとも一部をエレクトロスラグ再溶解して第１のインゴットを提供することと；第１のインゴットの少なくとも一部を真空アーク再溶解して第２のインゴットを提供することと；第２のインゴットの少なくとも一部を真空アーク再溶解することとを含む。方法の種々の実施形態では、合金は主としてバナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金の１つを含む。
【０００７】
本明細書に記載されている方法、システム、及び合金物品の特徴及び利点は添付の図面を参照することによってさらに良好に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ＶＩＭのみを用いた、及びＶＩＭ−ＥＳＲとＶＩＭ−ＥＳＲ−ＶＡＲ（三重溶解）の系列を用いた合金７１８における電子線ボタン溶解試験についての単位質量当たりの酸化物面積を説明するグラフである。
【図２】ＶＩＭのみ、ＶＩＭ−ＥＳＲ、及びＶＩＭ−ＶＡＲのルートについての合金７１８におけるボタン溶解試験での酸化物の量（ｐｐｍ）を説明するグラフである。
【図３】本開示に従って合金を溶解し、精錬する方法の非限定実施形態のフローチャートを示す。
【０００９】
読者は、本開示に係る方法及びシステムの特定の非限定実施形態の以下の詳細な説明を考察する際、前述の詳細と同様にその他について十分に理解するであろう。読者はまた、本明細書に記載されている方法及びシステムを使用する際、特定のそのような追加の詳細も理解することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施例またはさもなければ指示されている場合以外の非限定実施形態の本記載において及びクレームにおいて、成分及び製品、処理条件等の量または特徴を表現する数はすべて、あらゆる場合で用語「約」によって修飾されていると理解されるべきである。従って、反対に指示されない限り、以下の記載及び添付のクレームにて示される任意の数的パラメータは、本開示に係る方法、システム、及び物品にて得るように求められる所望の特性に応じて変化してもよい近似値である。少なくとも、且つクレームの範囲と同等物の原理の適用を限定する試みとしてではなく、各数的パラメータは、報告される有効数字の数の観点で、且つ普通の四捨五入法を適用することによって少なくとも解釈されるべきである。
【００１１】
参照によって本明細書に組み入れられると言われる任意の特許、刊行物、または他の開示事項は全体としてまたは一部として、組み込まれる事項が本開示で示される既存の定義、言明、または他の開示事項と矛盾しない範囲内で本明細書に組み入れられる。そのようなものとして、且つ必要な程度まで、本明細書で示される本開示は参照によって本明細書に組み入れられた矛盾する事項に優先する。参照によって本明細書に組み入れられると言われるが、本明細書で示される既存の定義、言明、または他の開示事項と矛盾する任意の事項またはその一部は、組み入れられる事項と既存の開示事項との間で矛盾が生じない範囲内で組み入れられる。
【００１２】
タービンコンポーネント及び他の高性能部品で使用されるニッケル基超合金を溶解し、精錬する現在の従来法は、真空誘導溶解（ＶＩＭ）操作と、その後の真空アーク再溶解（ＶＡＲ）操作またはエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）操作とを組み入れる。タービンコンポーネント用のニッケル基超合金を製造するのに使用される代わりの溶解精錬法は、真空誘導溶解（ＶＩＭ）とその後のエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）、次いでその後の真空アーク再溶解（ＶＡＲ）の工程から成る。このＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲの処理ルートは一般に工業界では三重溶解法と呼ばれる。三重溶解法は、充填材料の基本的な溶解及び精錬のためのＶＩＭ操作と、酸化物の混入を低減するＥＳＲ操作と、合金化元素の偏析を出来るだけ抑える最終のＶＡＲ操作とを組み合わせる。ニッケル基超合金である合金７１８（ＵＮＳ  Ｎ０７７１８）を精錬することにおけるＶＩＭ−ＥＳＲ、ＶＩＭ−ＶＡＲ、及びＶＩＭ−ＥＳＲ−ＶＡＲ（三重溶解）の系列の相対的な有効性は図１及び図２で見ることができ、それはＭｏｙｅｒら、「Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｔｒｉｐｌｅ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ」（１９９４）に登場する。図１は、ＶＩＭのみ及びＶＩＭ−ＥＳＲ及びＶＩＭ−ＥＳＲ−ＶＡＲ（三重溶解）の系列を用いた合金７１８における電子線ボタン溶解試験についての単位質量当たりの酸化物面積をプロットしている。図１は、ＶＩＭ−ＥＳＲの系列に比べて三重溶解の系列で５０％を超える酸化物含量の低下を示している。図２は、ＶＩＭのみ、ＶＩＭ−ＥＳＲ、及びＶＩＭ−ＶＡＲのルートについての合金７１８におけるボタン溶解試験での酸化物量（ｐｐｍ）をプロットし、ＥＳＲ操作が合金７１８における酸化物混入の発生を減らすことにおいてＶＡＲよりも著しく有効であることを示している。
【００１３】
最終のＶＡＲ操作の間で、ＥＳＲ溶解の間に合金滴に捕捉されるようになる、またはＶＡＲ溶解の間に坩堝の内面にたまり、合金に落ち込む単離酸化物は固化の間に捕捉されるようになり得る。これらの酸化物の偏析物により、合金はタービンディスクコンポーネント及び他の高性能部品の製作に不向きとなり得る。場合によっては、偏析物が、合金における界面を形成し、それをビレット変換ののち超音波検査の間に検出することができる。他の場合では、偏析物は最終部品に入ることがあり、最終部品の検査の間でコンポーネントの拒絶の原因になり得る。次いでその欠陥のあるビレットまたは完成部品は廃棄され、歩留まりが減り、製造コストが上昇する。
【００１４】
極度に高い清浄度を要求する特定の合金鋼の製造では、ＶＩＭ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列による溶解精錬法が使用されている。合金鋼を再溶解する場合、合金の高い融点は成形しているＶＡＲインゴットの上で相対的に深い溶融プールを生じる。これによって、溶解した材料の滞留時間が追加され、ベース合金との密度差の結果として酸化物の混入物を表面に浮上させる。ＶＩＭ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列はニッケル基超合金との使用には適合していない。ニッケル基超合金は合金鋼と比べると一般にＶＡＲ溶解の間、浅い溶融プールを有する。ニッケル基超合金の成形しているＶＡＲインゴットの表面における溶融プールは相対的に浅いので、滞留時間及びＬｏｒｅｎｚ力は、再溶解手順の間に酸化物の混入物を溶融プールの外面に浮上させ、移動させるのに十分ではない可能性がある。中間のＥＳＲ操作は、浮上のための深いプールと、異なる組み合わせの相対的に大量の残留金属酸化物を減らすための反応性スラグとを提供する有効な手段を提供する。従って、ＶＩＭ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列はＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲの系列に比べるとニッケル基超合金にとって劣っている。
【００１５】
そうであっても、酸化物はニッケル基超合金で実施されるＥＳＲ操作で残存し得ることが観察されており、酸化物の混入物は三重溶解系列（ＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲ）の最終再溶解操作に運ばれることもある。本発明の目的は、残留酸化物と同様に、たとえば、ニッケル基超合金における坩堝混入物に関連する炭化物及び炭窒化物の凝塊形成の発生を減らすことである。
【００１６】
特定のチタン合金の製造では、複数のＶＡＲ操作を適用して、一次溶解または再溶解の操作の間にチタン合金に由来する窒化物を含む高密度の混入物の有害作用を取り除いている。しかしながら、複数のＶＡＲ操作の系列はニッケル基超合金の精錬には適用されていなかったと考えられる。チタン合金の場合での一次溶解を行うことにより、複数のＶＡＲ工程がチタン合金に適用されているが、ニッケル合金にはこれまで適用されていなかった理由について若干の見識が得られる。従来のチタン溶解法における一次工程はスポンジ材料及び廃品材料の溶接された電極を利用する。この一次電極は機械加工で使用されるＴｉＮの完成バイトのような、チタンまたは溶融混入物を用いて容易に形成される窒化物を含有することができる。チタン製造における一次溶解工程は通常、この複合電極のＶＡＲ操作なので、そのような混入物は固化するプールで捕捉することができる。複数の溶解工程を利用して、操作が進行する間に、保持された材料を徐々に溶解する。逆に、チタンは溶体に酸化物を取り込み易く、多くの場合、それを合金強化剤として利用することができる。ニッケル基合金の製造では、最初の溶解は、一次溶解操作の間に窒化物を溶体に入れる真空誘導溶解である。酸化物は通常スラグを形成するか、または注入する間に溶解流に捕捉され得る。従って、ニッケル基合金の製造における再溶解操作は酸化物を溶体に入れるのではなく酸化物を物理的に取り除くことに向けられる。
【００１７】
本開示の態様によれば、ニッケル基合金は、ＶＩＭ操作とそれに続くＥＳＲ操作、次いで２回の順次ＶＡＲ操作を含む改善された溶解及び精錬の系列によって製造される。図３はこの系列を模式的に説明するフローチャートである。系列は、縮めた表現、ＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲによって言及されてもよく、本明細書では「四重溶解」法と呼ばれてもよく、その用語は二重溶解系列と同様に三重溶解系列と根本的に対比している。四重溶解法の最後の（最終の）真空アーク再溶解操作は、合金における酸化物、炭化物、及び炭窒化物の偏析物の発生をさらに減らし得る。ベース合金との密度差ならびに溶解内での熱流及び電磁流による分離に供されるこれらの偏析物は固化しているインゴット表面に向けられ、ＶＡＲインゴット材料のその後の処理の間に取り除くことができる。たとえば、本開示に係る四重溶解系列を用いて作製されるニッケル基超合金は、酸化物、炭化物、及び炭窒化物の偏析物の発生の低下を示すことが観察されており、たとえば、タービンディスクコンポーネントのような重要なコンポーネントで使用することができる。
【００１８】
四重溶解系列の最終ＶＡＲ溶解操作は、酸化物のような二次相のクラスター、及び前の溶解操作の間にインゴット生成物に捕捉されるようになり得る炭化物及び炭窒化物のクラスターを取り除く手段を提供する。酸化物及び二次相のクラスターは通常小さく、稀である。最終ＶＡＲ操作のための電極としてＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲの系列によって調製されたインゴットを利用することにより、最終ＶＡＲ操作の間にさらに精錬される冶金学上相対的に清浄な出発ストックを提供する。また、相対的に低い蒸気圧を有する元素の含量が制御されるように最終ＶＡＲ操作が実施されてもよい。そのような元素には、たとえば、マグネシウム、及びその後の形成操作及び最終の適用の双方で重要な材料特性を持つ合金を提供し得る、考えられる他の元素が挙げられる。複数の真空溶解操作を含む従来の精錬系列では、低い蒸気圧を有する合金化元素の含量は悪影響を及ぼし得る。従って、本開示に係る四重溶解法は生成物の最終的な完全性を改善することができ、インゴットの化学的偏析を損なうことなく合金化学を精錬することができる。
【００１９】
図３は、四重溶解系列の非限定実施形態１００を説明している。図３を参照して、四重溶解系列１００のＶＩＭ操作１０２には、その後のＥＳＲ操作について電極として使用されてもよい部分的に精錬された合金を提供する充填材料を誘導溶解することを含む。当業者に知られるような従来の方法でＶＩＭ操作を実施して、求められる合金仕様の範囲の中で、且つ安定な再溶解操作を可能にする十分な構造的完全性を有する鋳放しの電極を製造し得る。ＶＩＭ操作は誘導コイルを使用して耐熱内張りの坩堝内で原料充填物を溶解する。特定の非限定実施形態では、充填材料には、たとえば、且つ、限定しないで、たとえば、鉱体を精錬することによって製造される相対的に純度の高い（たとえば、９９＋％）元素材料のような最上級の材料、及び、たとえば、残留切削液の浄化された機械加工の旋削による戻り屑のような再利用される材料の双方が挙げられ得る。原料を選択し、様々な割合で組み合わせて得られるヒートが所望の合金の仕様に確実に従うようにする。ＶＩＭ操作は通常、合金の仕様が低蒸気圧の元素要件を含む場合、１００ミクロン未満の真空下で、または部分的に不活性気体の雰囲気下で実施される。特定の実施形態では、ＶＩＭ法は、電極を中央湯口を介して下注することができ、ランナ系または各電極を、個々に上注することができる注入操作で完了する。ＶＩＭ後の操作には通常、固化ののち金型から電極を抜き出すための剥離操作が含まれ、また使用されるその後の再溶解方法に応じて平面研削操作が含まれてもよい。
【００２０】
再び図３を参照して、四重溶解系列１００のＥＳＲ操作１０４には、ＶＩＭ操作１０２で調製された合金の電極をエレクトロスラグ再溶解することを含む。ＥＳＲ操作は一般に当業者に知られているような従来の方法で実施されてもよい。ＶＩＭの電極は、存在するならば緩んだ表面スケールを取り外すためにＥＳＲ操作の前に研削を必要としてもよい。操作の特定の非限定実施形態では、合金の電極は、たとえば、ＥＳＲ炉から少なくとも２０ｋＷの電気エネルギーを伝達することができる合わせ面を含む非消耗性のスタブに溶接されてもよい。ＥＳＲ法は融剤を介して電流を通し、融剤を溶解する。当業者は、特定のＥＳＲ操作に好適な融剤の組成を容易に決定することができる。特定の実施形態では、融剤は、たとえば、相当のＣａＯ（１０〜４０ｗｔ％）及びＡｌ２Ｏ３（１０〜４０ｗｔ％）の成分も含むＣａＦ２系の融剤であってもよい。追加の酸化物が低濃度で融剤に含まれて再溶解する電極との融剤化合物の相溶性を確保し、融剤との反応性の元素の増減を出来るだけ抑えることができる。融剤で使用され得る他の酸化物にはＬａ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、及びＺｒＯ２が挙げられる。電極を溶解したＥＳＲ融剤に浸し、それが電極先端を溶解するのに十分な熱を移動させる。電極を融剤に浸す深さは通常６〜１２ｍｍであり、たとえば、抵抗振幅または電圧振幅の自動制御ループのいずれかを介して従来の方法で制御される。制御ループは、設定点からの抵抗振幅または電圧振幅の補正値を測定することができ、適当な方向で電極の位置を調整して浸す深さに相当する所望の設定点を維持することができる。特定の非限定実施形態では、ＥＳＲの第２の制御ループは、定電流の設定点で溶解する、またはロードセルを利用して単位時間当たりの溶解速度を測定する。溶解速度の制御を行う場合、適用される電流を調整して所望の溶解速度の設定点を維持することができる。
【００２１】
再び図３を参照して、四重溶解系列１００の第１のＶＡＲ操作１０６にはＥＳＲ操作１０４で調製した合金の電極を真空アーク再溶解することを含む。第１のＶＡＲ操作１０６は一般に当業者に知られているような従来の方法で実施することができる。ＶＡＲの電極は最表面層に捕捉されたＥＳＲ融剤を取り除くために研削を必要とし得る。特定の非限定実施形態では、電極は、たとえば、ＶＡＲ炉から少なくとも１５ｋＷの電気エネルギーを伝達することができる合わせ面を含む非消耗性のスタブに溶接されてもよい。ＶＡＲ法は電極と、以下で直接形成されて得られる溶解インゴットとの間に電流を通す。方法の開始は、たとえば、水冷銅ベースプレートのようなベースプレートに直接電流を通す。その高い熱伝導性が、得られた熱エネルギーを迅速に冷却水に送るために銅ベースプレートは溶解しないので、ベースプレートの温度は銅の溶解温度を超えない。ＶＡＲ法は通常、たとえば、電極先端と溶解インゴットの上部との間での６〜１２ｍｍの相対的に一定の且つ従来のスタンドオフ距離（アークギャップ）を維持する。種々の実施形態では、スタンドオフ距離の制御ループは電圧を自動的に測定し、適当な方向で電極の位置を調整して所望のスタンドオフ距離に相当する設定点を維持する。特定の実施形態では、ＶＡＲの第２の制御ループは、定電流の設定点で溶解し、またはロードセルを利用して単位時間当たりの溶解速度を測定する。制御ループが溶解速度制御を行う場合、適用された電流を調整して所望の溶解速度の設定点を維持する。
【００２２】
再び図３を参照して、四重溶解系列１００の第２のＶＡＲ操作１０８には、第１のＶＡＲ操作１０６で調製された合金の電極を真空アーク再溶解することを含む。第２のＶＡＲ操作１０８は一般に当業者に知られているような従来の方法で実施することができる。特定の非限定実施形態では、たとえば、第２のＶＡＲ操作は第１のＶＡＲ操作と同じ方法で実施される。第１のＶＡＲインゴットの平面研削は、第１のＶＡＲ操作の間に蓄積された表面上及びその近傍に存在する酸化物を取り除くために必要とされ得る。種々の実施形態では、同じ制御ループ及び方法が第２のＶＡＲの工程に適用されてスタンドオフ及び溶解電流及び／または溶解速度を制御する。合金の組成は偏析傾向を決定づけ、それは結果として、有害相を回避するのに必要とされる固化条件を限定する。有害相には、たとえば、炭化物沈殿の異常に高い割合のゾーン、及び／または材料の局所展延性を低下させる応力集中体として一般に作用する位相的最密（ＴＣＰ）相の沈殿のゾーンが挙げられ得る。アークギャップと溶解速度との組み合わせは最小範囲及び最大範囲の範囲内で制御されてもよく、それは合金の組成に依存し、有害相を過剰な割合で含まない構造を生成する範囲内で固化速度を制御する。当業者は、過度の努力及び実験を必要としないでＶＡＲ操作のための有利な操作パラメータを容易に決定することができる。所与の溶解速度及びアークギャップにて固化速度を高めるには、種々の非限定実施形態では、ＶＡＲインゴットの固化と冷却に関連した収縮により生じる銅坩堝とＶＡＲインゴットとの間の間隙に不活性気体を導入してもよい。不活性気体の熱伝導度は、それとは別に空隙に存在する真空の熱伝導度よりも何桁も大きくなり得る。
【００２３】
本四重溶解法は、その基本元素または主成分がバナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金のいずれかである合金を用いて使用され得る。（本明細書で使用されるとき、元素の重量比率が合金の各他の元素のものを上回れば、元素は合金の「主成分」である）。本開示の四重溶解法を用いて処理されてもよい特定の商業上重要な合金の非限定のリストには、たとえば、合金７１８（ＵＮＳ  Ｎ０７７１８）、合金７２０（ＵＮＳ  Ｎ０７７２０）、及びＲｅｎｅ６５合金を含むニッケル基合金及び超合金；たとえば、Ｌ６０５合金（ＵＮＳ  Ｒ３０６０５）を含むコバルト基合金及び超合金；たとえば、ＭＰ３５Ｎ合金（ＵＮＳ  Ｒ３００３５）を含むニッケル−コバルト基合金；ならびに、たとえば、Ｃ−２２合金（ＵＮＳ  Ｎ０６０２２）を含むニッケル−クロム−モリブデン合金が挙げられる。それら合金のそれぞれの組成は周知であり、以下の表にて提供されている（合金は偶然の不純物も含み得る）。
【表１】
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【００２４】
本開示に係る方法の実施形態は合金の清浄度を改善して、微細構造の不連続性が弊害をもたらす特性性能の上昇を導くことができる。疲労破壊への耐性は改善された合金の清浄度から恩恵が得られるであろう機械的特性の例である。改善された合金の清浄度により、亀裂の発生及び／または既存の亀裂の伝播に対する耐性を高めることによって疲労特性が改善し得る。腐食は、微細構造の不連続性の割合が低くなることで向上し得るもう１つの特性である。市販の７１８、７２０、及びＲｅｎｅ６５の合金は現在、ＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲの三重溶解法によって処理されて、たとえば、エンジンディスクとして航空宇宙のタービンエンジンのコアにおいて材料を提供している。本発明者らは、本開示の方法に従って処理される場合、これら合金の疲労性能を高めることができ、合金で作られたエンジンコンポーネントのさらに長い耐用年数を可能にし、または現在の耐用年数を維持しながら、さらに軽い重量部品を可能にすると考えている。合金の清浄度の向上により合金の性能を改善することができたＣ−２２合金及びＭＰ３５Ｎ合金のような合金は、極端な腐食環境で利用されることが多い。これは、特に、微細構造の不連続性により腐食反応を開始し得る腐食作用に対抗するためになされるものである。
【００２５】
合金７１８を溶解し、精錬するための本開示の方法の非限定の一実施形態によれば、方法にはＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列を含む。最初のＶＩＭ工程は好ましくは１００ミクロン未満の圧力の真空レベルのもとで従来の方法で実施されて、最小限の大気汚染を可能にし、窒素の過剰な捕捉を抑制しまたは防止する。ＶＩＭ工程で製造される電極を研削して表面の酸化物含量を低減させる。電極を用いたＥＳＲ操作は従来の方法で実施されて１分当たり６〜２０ポンドの溶解速度の範囲を提供する。ＥＳＲ工程で製造されるインゴットは、第１のＶＡＲ工程に進む前に、インゴットの表面からＥＳＲ融剤を取り除くために研削することによって調整される。第１のＶＡＲ工程は好ましくは、２０ミクロン未満の圧力の真空レベルで実施することを理想とし、最小限の大気汚染、６〜１２ｍｍの範囲でのアークギャップ、及び１分当たり６〜２０ポンドの範囲での溶解速度を可能にする。この工程で製造される第１のＶＡＲインゴットは、インゴット内部よりも高い酸化物含量を含有するインゴットの表面層を取り除くために研削することによって調整されてもよい。第１のＶＡＲインゴットは第２のＶＡＲ工程のための電極として使用される。第２のＶＡＲ工程は好ましくは、２０ミクロン未満の圧力の真空レベルで実施されて、最小限の大気汚染、６〜１２ｍｍの範囲でのアークギャップ、及び１分当たり６〜２０ポンドの範囲での溶解速度を可能にする。方法の好ましい実施形態では、さらに大きな直径のインゴット（たとえば、先のインゴットよりも直径が２〜４インチ大きい）は、ＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列の各連続段階で製造されて産業上の効率を最大化するが、機器制限を受け入れる必要がある場合、段階間に鍛造戻しが使用されてもよい。鍛造戻しは、適当なさらに小さい直径に鍛造する前に、たとえば、２１７５°Ｆ（１１９０℃）で最低２４時間、前のインゴットを均質にするであろう。本方法の非限定の一例では、合金７１８は、１４インチのＶＩＭインゴット、１７インチのＥＳＲインゴット、２０インチのＶＡＲ（第１のＶＡＲ工程）インゴット、及び次いで２２インチのＶＡＲ（第２のＶＡＲ工程）インゴットを提供するような方法によって製造され得る。たとえば、発電用の陸上ガスタービンの部品のような、さらに大きな重量部品が所望であれば、合金７１８は、３６インチのＶＩＭインゴット、４０インチのＥＳＲインゴット、次いで中間の鍛造戻し工程、３６インチのＶＡＲ（第１のＶＡＲ工程）インゴット、及び次いで４０インチのＶＡＲ（第２のＶＡＲ工程）インゴットを提供するような方法の非限定の一実施形態によって製造されて得る。
【００２６】
合金７２０を溶解し、精錬するための本開示の方法の非限定の一実施形態によれば、方法にはＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列を含む。最初のＶＩＭ工程は好ましくは１００ミクロン未満の圧力の真空レベルのもとで従来の方法で実施されて、最小限の大気汚染を可能にし、窒素の過剰な捕捉を抑制しまたは防止する。ＶＩＭ工程で製造される電極を研削して表面の酸化物含量を低減させる。ＥＳＲは、１分当たり６〜２０ポンドの溶解速度の範囲を用いてＶＩＭ操作から製造された電極を用いて従来の方法で実施される。ＥＳＲ工程で製造されたインゴットはインゴットの表面からＥＳＲ融剤を取り除くために研削することによって調整され、次いでインゴットは第１のＶＡＲ工程に供される。第１のＶＡＲ工程は好ましくは、２０ミクロン未満の圧力の真空レベルで実施されて最小限の大気汚染、６〜１２ｍｍの範囲のアークギャップ、及び１分当たり６〜２０ポンドの範囲の溶解速度を可能にする。第１のＶＡＲインゴットは、酸化物が高いインゴットの表面層を取り除くために研削することによって調整されてもよく、次いで第２のＶＡＲ工程のための電極としてインゴットを使用する。第２のＶＡＲ操作は好ましくは、２０ミクロン未満の圧力の真空レベルで実施されて最小限の大気汚染、６〜１２ｍｍの範囲のアークギャップ、及び１分当たり６〜９ポンドの範囲の溶解速度を可能にする（合金７２０は合金７１８よりも高い偏析傾向を有する）。方法の好ましい実施形態では、さらに大きな直径のインゴット（たとえば、先のインゴットよりも直径が２〜４インチ大きい）は、ＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列の各連続段階で製造されて産業上の効率を最大化するが、機器制限を受け入れる必要がある場合、段階間に鍛造戻しが使用されてもよい。鍛造戻しは、適当なさらに小さい直径に鍛造する前に、たとえば、２１７５°Ｆ（１１９０℃）で最低２４時間、前のインゴットを均質にするであろう。本方法の非限定の一例では、合金７２０は、１８インチのＶＩＭインゴット、２０インチのＥＳＲインゴット、２２インチのＶＡＲ（第１のＶＡＲ工程）インゴット、及び次いで２４インチのＶＡＲ（第２のＶＡＲ工程）インゴットを提供するような方法によって製造され得る。たとえば、発電用の陸上ガスタービンの部品のような、さらに大きな重量部品が所望であれば、非限定の一実施形態では、合金７２０は、２４インチのＶＩＭインゴット、２６インチのＥＳＲインゴット、次いで中間の鍛造戻し工程、２４インチのＶＡＲ（第１のＶＡＲ工程）インゴット、及び次いで２６インチのＶＡＲ（第２のＶＡＲ工程）インゴットを提供するような方法によって製造され得る。
【００２７】
ＭＰ３５Ｎ合金を溶解し、精錬するための本開示の方法の非限定の一実施形態によれば、方法にはＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列を含む。最初のＶＩＭ工程は好ましくは１００ミクロン未満の圧力の真空レベルのもとで従来の方法で実施されて、最小限の大気汚染を可能にし、窒素の過剰な捕捉を抑制し、または防止し、ＶＩＭ工程で製造される電極を研削して表面の酸化物含量を低減させる。ＶＩＭ工程で製造された電極を、１分当たり６〜２０ポンドの溶解速度の範囲を用いたＥＳＲに供する。インゴットの表面からＥＳＲ融剤を取り除くために、ＥＳＲ工程で製造されたインゴットを表面研削し、次いでインゴットを第１のＶＡＲ工程に供する。第１のＶＡＲ工程は好ましくは、２０ミクロン未満の圧力の真空レベルで実施されて大気汚染、６〜１２ｍｍの範囲のアークギャップ、及び１分当たり６〜２０ポンドの範囲の溶解速度に限定する。第１のＶＡＲインゴットは、酸化物が高いインゴットの表面層を取り除くために研削することによって調整されてもよく、インゴットは第２のＶＡＲ工程のための電極として使用され、それは好ましくは２０ミクロン未満の圧力の真空レベルで実施されて、最小限の大気汚染、６〜１２ｍｍの範囲でのアークギャップ、及び１分当たり６〜１５ポンドの範囲での溶解速度を可能にする（ＭＰ３５Ｎ合金は合金７１８よりも高い偏析傾向を有する）。方法の好ましい実施形態では、さらに大きな直径のインゴット（たとえば、先のインゴットよりも直径が２〜４インチ大きい）は、ＶＩＭ＋ＥＳＲ＋ＶＡＲ＋ＶＡＲの系列の各連続段階で製造されて産業上の効率を最大化するが、機器制限を受け入れる必要がある場合、段階間に鍛造戻しが使用されてもよい。鍛造戻しは、適当なさらに小さい直径に鍛造する前に、たとえば、２１７５°Ｆ（１１９０℃）で最低２４時間、前のインゴットを均質にするであろう。本方法の非限定の一例では、ＭＰ３５Ｎ合金は、１８インチのＶＩＭインゴット、２０インチのＥＳＲインゴット、２２インチのＶＡＲ（第１のＶＡＲ工程）インゴット、及び次いで２４インチのＶＡＲ（第２のＶＡＲ工程）インゴットを提供するような方法によって製造され得る。
【００２８】
前述の記載は必然的に限定された数の実施形態を提示しているが、当業者は、本明細書で記載され、説明されている実施例の方法及びシステムならびに他の詳細において種々の変更が当業者によって為されてもよく、且つそのような修正すべてが本明細書で表現されるような本開示の及び添付のクレームにおける原理及び範囲の範囲内にとどまることを十分に理解するであろう。たとえば、本開示は、加熱パターン及び熱源速度の限定された数の実施形態しか必然的に提示していないが、本開示及び関連するクレームはそのように限定されないことが理解されるであろう。当業者は、追加の加熱パターンを容易に特定するであろうし、本明細書で議論されている必然的に限られた数の実施形態に沿って、且つその範囲内で追加の熱源速度を使用してもよい。従って、本発明は本明細書で開示されている、または本明細書に組み込まれている特定の実施形態に限定されないが、クレームによって定義されるような本発明の原理及び範囲の中にある修正を対象にするように意図されることが理解される。その広い発明の概念から逸脱することなく実施形態に対して変更が行われ得ることも当業者によって理解されるであろう。
【図１】
2018525518.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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