(57)【要約】金属、合金、および超合金を溶融かつ鋳造するための炉システムならびに関連方法。炉システムの溶融チャンバは、少なくとも２つの溶融ボックスを含むように構成および配列され、それによって、単一炉加熱サイクルの間、溶融物にされ得る合金装入物の体積を増加させる。故に、溶融ボックスの数に等しい数のセラミック鋳造金型が、単一炉加熱サイクルに続いて鋳造物を形成するために使用されることができる。セラミック鋳造金型は、炉システムの金型または装填チャンバに導入される前に、外部オーブン内で予熱されることができる。炉システムのスループットは、合金装入物溶融サイクルあたり１つを上回る鋳造物を傾注する能力によって増加される。
2017533099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空導入鋳造装置であって、
鋳造金型を受容するように構成される、装填チャンバと、
第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスを同時に格納するように構成される、溶融チャンバと、
前記装填チャンバおよび前記溶融チャンバの両方に機械的に結合される、連動装置と、
前記鋳造金型を前記連動装置を通して前記溶融チャンバの内外に移動させ、鋳造位置に持って来るように構成される、装填機構と、
前記溶融チャンバおよび前記装填チャンバの両方に結合される、真空システムと、
を備える、装置。
【請求項２】
前記装填機構は、前記鋳造金型を前記連動装置を通して垂直に往復移動させるように構成される、装填エレベータである、請求項１に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項３】
前記装填機構は、前記鋳造金型を前記連動装置を通して水平に往復移動させるように構成される、プラテンである、請求項１に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項４】
前記溶融チャンバと結合され、前記第１の溶融ボックスおよび前記第２の溶融ボックスの一方もしくは両方内の１つまたはそれを上回る溶融装入物の温度を測定するように構成される、装入物温度センサシステムをさらに備える、請求項１に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項５】
前記溶融チャンバと結合され、前記鋳造金型内の金型の温度を測定するように構成される、金型温度センサシステムをさらに備える、請求項１に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項６】
前記真空システムは、前記溶融チャンバおよび前記装填チャンバ内の圧力を別個に制御する、請求項１に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項７】
前記真空システムはさらに、大気によって相互から分離する第１の真空システムおよび第２の真空システムを備え、前記第１の真空システムは、前記溶融チャンバに結合され、前記第２の真空システムは、前記装填チャンバに結合される、請求項１に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項８】
前記装置はさらに、前記溶融チャンバが、前記溶融チャンバの外側の位置における装填機構と同時に、合金装入物を前記第１の溶融ボックスおよび前記第２の溶融ボックスの一方または両方の中に装填することを可能にするように構成される、請求項１に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項９】
第３の溶融ボックスをさらに備える、請求項１に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項１０】
第４の溶融ボックスをさらに備える、請求項９に記載の真空導入鋳造装置。
【請求項１１】
鋳造物を形成する方法であって、
第１の合金装入物を炉システムの溶融チャンバ内の第１の溶融ボックスの中に、第２の合金装入物を第２の溶融ボックスの中に装填するステップと、
溶融されるべき前記第１の溶融ボックスおよび前記第２の溶融ボックス内の前記第１ならびに第２の合金装入物を溶融するステップと、
初期鋳造金型を予熱し、後続鋳造金型を予熱するステップと、
前記初期鋳造金型を前記炉システムの装填チャンバの中に装填するステップと、
前記初期鋳造金型を前記溶融チャンバ内の鋳造位置に移動させるステップと、
溶融された第１の合金装入物を前記第１の溶融ボックスから前記初期鋳造金型の中に傾注するステップと、
前記初期鋳造金型を前記溶融チャンバから移動させ、前記初期鋳造金型を前記炉システムから除去するステップと、
前記後続鋳造金型を前記炉システムの装填チャンバの中に装填するステップと、
前記後続鋳造金型を前記溶融チャンバ内の鋳造位置に移動させるステップと、
溶融された第２の合金装入物を前記第２の溶融ボックスから前記後続鋳造金型の中に傾注するステップと、
前記後続鋳造金型を前記溶融チャンバから移動させ、前記後続鋳造金型を前記炉システムから除去するステップと、
を含む、方法。
【請求項１２】
前記溶融チャンバ内の圧力を低下させるステップと、
前記装填チャンバ内の圧力を低下させるステップと、
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記溶融チャンバ内の圧力を約５ｍＴｏｒｒまで低下させるステップと、
前記装填チャンバ内の圧力を約１００ｍＴｏｒｒまで低下させるステップと、
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記初期鋳造金型および前記後続鋳造金型はそれぞれ、約８００℃〜約１，０００℃の温度まで予熱される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記溶融チャンバは、約１，３００℃の温度まで上昇され、前記第１の溶融ボックスおよび前記第２の溶融ボックス内の前記第１および第２の合金装入物の一方または両方を溶融させる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記炉システムから除去される鋳造金型は、前記鋳造金型内の鋳造物が等軸構造を有するように冷却させられることが可能にされる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記初期鋳造金型または前記後続鋳造金型のいずれかが前記溶融チャンバから移動された後、合金装入物を前記第１の溶融ボックスおよび前記第２の溶融ボックスの一方または両方の中に再装填するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
第３の合金装入物を前記炉システムの溶融チャンバ内の第３の溶融ボックスの中に装填するステップと、
前記第３の合金装入物を溶融されるべき前記第１および第２の合金装入物とともに溶融するステップと、
第３の鋳造金型を予熱するステップと、
前記後続鋳造金型の除去後、前記第３の鋳造金型を前記炉システムの装填チャンバの中に装填するステップと、
前記第３の鋳造金型を前記溶融チャンバ内の鋳造位置に移動させるステップと、
前記溶融された第３の合金装入物を前記第３の溶融ボックスから前記第３の鋳造金型の中に傾注するステップと、
前記第３の鋳造金型を前記溶融チャンバから移動させ、前記第３の鋳造金型を前記炉システムから除去するステップと、
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
第４の合金装入物を前記炉システムの溶融チャンバ内の第４の溶融ボックスの中に装填するステップと、
前記第４の合金装入物を溶融されるべき前記第１および第２の合金装入物とともに溶融するステップと、
第４の鋳造金型を予熱するステップと、
前記第３の鋳造金型の除去後、前記第４の鋳造金型を前記炉システムの装填チャンバの中に装填するステップと、
前記第４の鋳造金型を前記溶融チャンバ内の鋳造位置に移動させるステップと、
前記溶融された第３の合金装入物を前記第４の溶融ボックスから前記第４の鋳造金型の中に傾注するステップと、
前記第４の鋳造金型を前記溶融チャンバから移動させ、前記第４の鋳造金型を前記炉システムから除去するステップと、
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１４年１０月３０日に出願され、”ＤＵＡＬ  ＶＡＣＵＵＭ  ＩＮＤＵＣＴＩＯＮ  ＭＥＬＴＩＮＧ  ＆  ＣＡＳＴＩＮＧ”と題された、米国仮出願第６２／０７２，６３５号に対する優先権およびその利益を主張するものであり、該仮出願の開示は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
本開示は、真空導入溶融を使用するもの等の制御された大気環境内で金属を溶融および鋳造するシステム、装置、および方法に関する。本システム、装置、および方法は、特に、ニッケル−クロム合金等の航空機産業において使用される合金を含む、高温金属、合金、および超合金のために有用である。
【背景技術】
【０００３】
金属、合金、および超合金部品の鋳造は、多くの場合、具体的制御可能な温度および圧力要件を用いたプロセスを要求する。超合金は、概して、長暴露時間にわたって高温（例えば、６５０℃およびそれを上回る）でその構造強度を保つ高性能を要求する、ターボ過給機、航空機タービンエンジン、ガスタービン、ロケットエンジン、化学、および石油工場において使用される合金群を指す。超合金の多用途性は、高強度と良好な低温延性および優れた表面安定性の組み合わせに由来する。金属、合金、および超合金を金型の中に溶融ならびに鋳造し、それによって、対応する部品を作製するための装置は、複雑であって、したがって、鋳造を遂行するために最小時間量を要求し得る。
【０００４】
典型的には、産業では、スループットを増加させるために、鋳造スループットおよび容量を２倍またはさらに増加させることは、第２の完全炉の設置を要求し、これはさらに、限定ではないが、敷板、溶融チャンバ、金型チャンバ、真空システム、水冷システム、制御システム、および同等物を含む、その独自のサポート機器を要求する。さらに、付加的外部金型取扱経路も、第２の炉のために要求されるであろう。故に、産業において公知のような金属、合金、および超合金を溶融ならびに鋳造するための装置およびプロセスは、スループットおよび生産量が限定され得る、または付加的完全炉の使用に関連してさらなるコストおよび複雑性を被り得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下は、本発明の基本理解を提供するために、本発明のいくつかの実施形態の簡略化された概要を提示する。本概要は、本発明の網羅的概要ではない。本発明の重要または決定的要素を識別すること、もしくは本発明の範囲を線引きすることを意図するものではない。その唯一の目的は、後に提示される発明を実施するための形態の前置きとして、本発明のいくつかの実施形態を簡略化された形態で提示することである。
【０００６】
少なくとも、前述の理由から、公知の装置およびプロセスと比較して増加されるスループットまたは生産量を有する、金属、合金、ならびに超合金のための溶融および鋳造装置を設計することが望ましい。さらに、溶融金属または合金の加熱ならびに金型の加熱を制御し、全体的溶融および鋳造装置設計をより効果的にすることが望ましく、その偉業は、従来、産業における公知の炉床を用いて遂行されなかった。
【０００７】
実施形態では、本開示は、鋳造金型を受容するように構成される装填チャンバと、第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスを同時に格納するように構成される、溶融チャンバと、装填チャンバおよび溶融チャンバの両方に機械的に結合される、連動装置と、鋳造金型を連動装置を通して溶融チャンバの内外に移動させ、鋳造位置に持って来るように構成される、装填機構と、溶融チャンバおよび装填チャンバの両方に結合される、真空システムとを含むことができる、真空導入鋳造装置を提供する。
【０００８】
いくつかの側面では、装填機構は、鋳造金型を連動装置を通して垂直に往復移動させるように構成される、装填エレベータであることができる。他の側面では、装填機構は、鋳造金型を水連動装置を通して平に往復移動させるように構成される、プラテンであることができる。さらなる側面では、真空導入鋳造装置はさらに、溶融チャンバと結合され、第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスの一方または両方内の１つまたはそれを上回る溶融装入物の温度を測定するように構成される、装入物温度センサシステムを含むことができる。いくつかの実装では、真空導入鋳造装置はさらに、溶融チャンバと結合され、鋳造金型内の金型の温度を測定するように構成される、金型温度センサシステムを含むことができる。いくつかの側面では、真空システムは、溶融チャンバおよび装填チャンバ内の圧力を別個に制御する。他の側面では、真空システムはさらに、大気によって相互から分離する第１の真空システムおよび第２の真空システムを含むことができ、第１の真空システムは、溶融チャンバに結合され、第２の真空システムは、装填チャンバに結合される。さらなる側面では、真空導入鋳造装置はさらに、溶融チャンバが、溶融チャンバの外側の位置における装填機構と同時に、合金装入物を第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスの一方または両方の中に装填することを可能にするように構成される。さらなる実施形態では、真空導入鋳造装置は、第３の溶融ボックスおよび／または第４の溶融ボックスを含むことができる。
【０００９】
実施形態では、本開示は、第１の合金装入物を炉システムの溶融チャンバ内の第１の溶融ボックスの中に、第２の合金装入物を第２の溶融ボックスの中に装填するステップと、溶融されるべき第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックス内の第１ならびに第２の合金装入物を溶融するステップと、初期鋳造金型を予熱し、後続鋳造金型を予熱するステップと、初期鋳造金型を炉システムの装填チャンバの中に装填するステップと、初期鋳造金型を溶融チャンバ内の鋳造位置に移動させるステップと、溶融第１の合金装入物を第１の溶融ボックスから初期鋳造金型の中に傾注するステップと、初期鋳造金型を溶融チャンバから移動させ、初期鋳造金型を炉システムから除去するステップと、後続鋳造金型を炉システムの装填チャンバの中に装填するステップと、後続鋳造金型を溶融チャンバ内の鋳造位置に移動させるステップと、第２の合金装入物を第２の溶融ボックスから後続鋳造金型の中に傾注するステップと、後続鋳造金型を溶融チャンバから移動させ、後続鋳造金型を炉システムから除去するステップとを含む、鋳造物を形成する方法を提供する。
【００１０】
いくつかの実装では、本方法はさらに、溶融チャンバ内の圧力を低下させるステップと、装填チャンバ内の圧力を低下させるステップとを含む。いくつかの具体的側面では、本方法は、溶融チャンバ内の圧力を約５ｍＴｏｒｒまで低下させるステップと、装填チャンバ内の圧力を約１００ｍＴｏｒｒまで低下させるステップとを含むことができる。他の実装では、初期鋳造金型および後続鋳造金型はそれぞれ、約８００℃〜約１，０００℃の温度まで予熱されることができる。さらなる実装では、溶融チャンバは、約１，３００℃の温度まで上昇され、第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックス内の第１および第２の合金装入物の一方または両方を溶融させることができる。いくつかの側面では、鋳造金型は、炉システムから除去され、鋳造金型内の鋳造物が等軸構造を有するように冷却させられることができる。他の側面では、本方法は、初期鋳造金型または後続鋳造金型のいずれかが溶融チャンバから移動された後、合金装入物を第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスの一方または両方の中に再装填するステップを含むことができる。さらなる実施形態では、本方法は、処理サイクルの一部として、第３および／または第４の鋳造金型の鋳造を可能にするために、第３の溶融ボックスおよび／または第４の溶融ボックスの使用を含むことができる。
【００１１】
本発明の性質および利点のより完全な理解のために、続く発明を実施するための形態および付随の図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
例証的側面および実施形態は、以下の図面を参照して以下に詳細に説明される。
【００１３】
【図１】図１は、本開示のいくつかの実施形態による、二重溶融ボックス溶融チャンバと組み合わせて、金属または合金金型を鋳造するためのプロセスを図示する、フロー図である。
【図２】図２は、本開示のいくつかの実施形態による、大気および真空制御システムと結合される、接続された金型チャンバおよび溶融チャンバの概略図である。
【図３】図３は、本開示のいくつかの実施形態による、接続された金型チャンバおよび溶融チャンバを有する、炉システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
説明の目的のために、本説明全体を通して、多数の具体的詳細が、本明細書に開示される多くの実施形態の完全理解を提供するために記載される。しかしながら、多くの実施形態は、これらの具体的詳細のうちのいくつかを伴わずに実践され得ることが、当業者に明白となるであろう。他の事例では、周知の構造およびデバイスは、説明される実施形態の基礎原理を曖昧にすることを回避するために、略図または概略形態で示される。
【００１５】
本開示の実施形態は、金属、合金、および超合金部品を効率的かつ効果的に鋳造するための真空導入溶融および鋳造システムならびに関連方法を提供する。真空導入鋳造（代替として、真空圧力鋳造と称される）は、インベストメント鋳造またはロストワックス鋳造の亜種と見なされることができ、インベストメント鋳造によって生産されたセラミック金型（代替として、インベストメント、シェル、または鋳造金型と称される）は、溶融チャンバ内に載置され、チャンバ内の圧力は、真空（または十分に低圧）まで低下され、金属または合金が、セラミック金型の中に傾注される。金属または合金を真空（もしくは十分に低圧）で鋳造することによって、鋳造物の多孔率は、低減されることができ、鋳造物の全体的強度が、改良される。いったん金属または合金の鋳造物が冷却されると、セラミック金型は、直接物理的力（例えば、ハンマー攻撃）、媒体ブラスト、振動、水ジェット切断、または化学溶媒によって鋳造物から離型される。鋳造物または湯口の任意の過剰部分は、鋳造物から切断または別様に除去されることができる。
【００１６】
インベストメント鋳造は、マスタパターンを生産し、マスタパターンに基づいて、マスタダイ（代替として、金型または鋳型と称される）を形成し、マスタダイに基づいて、二次パターン（ワックス、ポリマー、凍結水銀、または産業において公知の他の材料から作製されることができる）を生産することを伴う。他の二次パターンと組み合わせられることができる、二次パターンは、次いで、セラミックを二次金型の周囲にコーティング、漆喰仕上げ、および硬化し、それによって、セラミック金型を形成することによって形成される、インベストメントのためのベースとして使用される。コーティング、漆喰仕上げ、および硬化サイクルは、セラミック金型が所望の寸法となるまで、必要に応じて繰り返される。セラミック金型は、次いで、乾燥および／または加熱され、セラミック金型上に残っている微量の二次パターン材料を除去し、セラミック金型を焼結させることができる。セラミック金型は、次いで、本明細書に開示される真空プロセスに従って鋳造するために使用されることができる。
【００１７】
本開示の実施形態は、真空導入プロセスを通して、金属、合金、または超合金をセラミック金型内で鋳造するためのスループット、生産、および収率を改良することができる。特に、真空導入プロセスは、２つの溶融ボックスを伴う溶融チャンバを有する炉を使用することができる。産業において公知のような炉溶融チャンバは、典型的には、サイズ、溶融ボックス形状、および溶融チャンバ内の溶融ボックスを傾斜または移動させるための装置の制限に起因して、溶融チャンバあたり単一溶融ボックスを有する。側面では、本開示の炉は、２つの独立溶融ボックスおよびるつぼ傾斜アセンブリを単一溶融チャンバ内で利用し、両溶融ボックスは、単一金型装填チャンバから受容された金型の中に鋳込みする。本設計は、限定ではないが、金型鋳造のための時間サイクルスケジューリングの柔軟性および改良を提供することと、炉のための時間サイクルスケジューリングの柔軟性および改良を提供することと、全体的設備占有面積を低下させる（すなわち、同等スループットを達成するために必要とされる炉の数を減少させる）ことと、炉を稼働させるオペレータの利用のための柔軟性を提供することと、炉および任意の関連サブアセンブリのアイドル時間を減少させることとを含む、利点を提供することができる。
【００１８】
炉の単一溶融チャンバ内に２つの溶融ボックスを有する炉の構成は、本質的に、炉の空間の同一占有面積を留保しながら、炉の出力を増加させる。炉の溶融チャンバは、装填チャンバに機械的に結合され、隔離弁が２つのチャンバを接続する。いくつかの実施形態では、溶融チャンバおよび装填チャンバは、相互に対して垂直に配列されることができ、装填チャンバ内のエレベータが、金型を溶融チャンバの溶融ボックスの下方の鋳造位置に昇降または別様に移動させることができる。他の実施形態では、溶融チャンバおよび装填チャンバは、相互に対して水平に配列されることができ、プラテンが、金型を溶融チャンバの溶融ボックスの下方の鋳造位置に偏移、摺動、または別様に移動させることができる。炉のスループットは、合金の装入物を溶融するために要求される持続時間が、インベストメントを炉の装填チャンバ内に装填するために要求される時間より長く、溶融合金をインベストメントの中に傾注するために要求される時間より長いため、部分的に増加される。故に、所与の加熱サイクルのために、傾注するために利用可能な溶融合金の量は、任意の所与の鋳造のために、またはいくつかの側面では、複数の鋳造のために増加される。
【００１９】
超合金は、概して、ＶＩＩＩＢ群元素系であって、通常、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、およびクロム（Ｃｒ）、ならびにより少量のタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、またはアルミニウム（Ａｌ）の種々の組み合わせから成る。加えて、他の元素も、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）を含む、粒界成分として、超合金内で使用されることができる。３つの主要なクラスの超合金は、ニッケル、鉄、およびコバルト系合金である。本開示による炉は、金属、合金、または超合金から成る成分を鋳造することができ、いくつかの側面では、超合金鋳造物は、限定ではないが、ニッケル−クロム合金、鉄系合金、コバルト系合金、ジルコニウムドープ合金、マグネシウムドープ合金、および同等物を含むことができる。
【００２０】
真空導入溶融および鋳造システムと併用される金型は、鋳造されることが所望される物品に応じて、多くの異なる可能性として考えられる形状を有してもよい。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、開放上部および底部を有してもよい。任意の数の金型が、回収ポートを通して連続方式で鋳造位置の内外に移動されてもよい。代替として、任意の好適な閉鎖または開放底部金型が、使用されてもよい。金型は、具体的部品もしくは複数の部品、または部品もしくは複数の部品に変換され得る、任意の予成形形状を生成するように成形されてもよい。そのような場合、金型は、開放上部および閉鎖底部を有してもよい。
【００２１】
図１は、二重溶融ボックス溶融チャンバと組み合わせて、金属または合金金型を鋳造するためのプロセスを図示する、フロー図である。フロー図は、インベストメント鋳造プロセス、具体的には、炉鋳造サイクルの一部を表し、その間、セラミック金型が、合金を制御された大気環境内で鋳造するために使用され、これは、いくつかの側面では、超合金の鋳造であり得る。制御システムは、炉と結合される、具体的には、炉内に位置するセンサ（温度センサ等）および作動要素（チャンバドア、傾斜アセンブリ、またはエレベータ等）と電子通信することができる。制御システムは、炉内に位置するセンサからのデータを受信および／または処理するように部分的に構成される、非一過性コンピュータ可読媒体と、マイクロプロセッサとを含むことができる。いくつかの側面では、制御システムはさらに、ユーザインターフェースを含み、オペレータが、炉の機能を監視および／または改変することを可能にすることができる。他の側面では、制御システムは、コンピュータ実行可能命令またはアルゴリズムを含み、炉内の機械的要素を作動させ、鋳造プロセスを制御することができる。制御ユニットはさらに、他のローカルまたは遠隔非一過性コンピュータ可読媒体（図示せず）に電子的に結合され、データもしくは動作命令を伝送または受容することができる。
【００２２】
本開示の実施形態では、２つのセラミック鋳造金型が、炉鋳造サイクル毎に使用され、２つの鋳造金型は、同じであることができるが、任意の所与の鋳造サイクルに対して、鋳造金型は、初期鋳造金型および後続鋳造金型と称される。ステップ１００において、初期鋳造金型が、炉装填チャンバの外部の予熱オーブン内で予熱される。初期鋳造金型は、インベストメント鋳造または産業において公知の他の手段によって形成されることができる。初期鋳造金型は、約８００℃〜約１，０００℃の温度まで予熱され、セラミック金型を調製または熱プライミングし、溶融合金を８００℃または約その温度〜約１，０００℃またはそれを上回る温度で受容することができる。いくつかの側面では、セラミック金型を熱プライミングすることは、潜在的に、溶融合金とセラミック鋳造物との間の界面における比較的に急峻な温度勾配から生じる、鋳造または形成効果への任意の熱衝撃の低減に部分的に起因して、金型の中に傾注される溶融合金から最終的に形成される鋳造物の構造品質を増加させることができる。ステップ１０２において、初期鋳造金型は、炉の装填チャンバ（金型チャンバとも称される）に移送され、その中に載置される。ステップ１０４において、装填チャンバの圧力は、大気圧から低下され、これは、装填チャンバに接続される機械的真空ポンプおよび拡散ポンプの一方または両方によって遂行されることができる。いくつかの側面では、装填チャンバは、その内部圧力を約１００ミリトル（１００ｍＴｏｒｒ）まで低下させることができる。
【００２３】
予熱された鋳造金型を炉の装填チャンバの中に装填することと同時に、連続して、または並行して、炉の溶融チャンバも、調製されることができ、合金が、鋳造のために溶融されることができる。ステップ１０６において、１つまたはそれを上回る合金の装入物が、溶融チャンバの二重溶融ボックスの中に装填される。合金の装入物は、同一合金、異なる比率の成分金属を伴う類似合金、または異なる合金であることができる。ステップ１０８において、溶融チャンバの圧力が、大気圧から低下され、これは、溶融チャンバに接続される拡散ポンプおよび機械的真空ポンプの一方または両方によって遂行されることができる。いくつかの側面では、溶融チャンバは、その内部圧力を約５ミリトル（５ｍＴｏｒｒ）まで低下させることができる。ステップ１１０および１１０’において、溶融チャンバ内の温度が、溶融チャンバ内の第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスの両方における合金の装入物が溶融合金にされるように上昇される。溶融チャンバは、所与の合金を溶融するために必要な任意の所与の温度まで上昇されることができる。例えば、７１８等のニッケル−クロム合金の装入物を溶融するために、溶融チャンバは、約１，３００℃またはそれを上回る温度まで上昇されることができる。多くの合金に関して、溶融チャンバ内の合金の装入物の溶融は、約５〜１０分かかり得る。合金の装入物は、合金の溶融温度を上回るが、合金の沸騰温度を上回らない、温度まで上昇される。（産業では、合金をそのような温度まで上昇させることは、「超加熱」と称され得る。これは、沸騰遅延または沸騰遅れに関連する超加熱の従来の物理学の定義によると、正確な用語の使用ではない。）
【００２４】
溶融チャンバ内には、二重溶融ボックスが、鋳造金型が位置付けられ得る場所の両側に配列または配向されることができる。いくつかの側面では、各溶融ボックスは、相互に独立して、または相互に連動して動作され得る、独立傾斜アセンブリを有することができる。他の側面では、溶融ボックスは、独立して、交互または連続順序において、各溶融ボックスを傾け得る、単一傾斜アセンブリを共有することができる。溶融ボックス毎の傾斜アセンブリまたは複数の傾斜アセンブリは、溶融チャンバの同一側に位置付けられ、単一アクセス点からの溶融チャンバ内の傾斜アセンブリまたは複数の傾斜アセンブリへのアクセスを可能にし、傾斜アセンブリまたは複数の傾斜アセンブリの効率的除去、置換、または保守を提供することができる。
【００２５】
ステップ１１２において、隔離弁（いくつかの側面では、フラッパ弁であることができる）が、開放され、それによって、装填チャンバおよび溶融チャンバを相互と連通させた状態にする。装填チャンバと溶融チャンバとの間の圧力は、平衡となるように釣り合いがとられることができる。ステップ１１４において、初期鋳造金型は、装填機構によって、鋳造位置に移動されることができる。いくつかの側面では、溶融チャンバおよび装填チャンバは、相互に対して垂直に配列されることができ、初期鋳造金型の移動は、エレベータ機構を用いて、初期鋳造金型を装填チャンバから溶融チャンバの中に持ち上げ、鋳造位置に持って来ることができる。他の側面では、溶融チャンバおよび装填チャンバは、相互に対して水平に配列されることができ、プラテン機構が、金型を溶融チャンバの溶融ボックスの下方の鋳造位置に偏移、摺動、または別様に移動させることができる。第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスの両方は、同一鋳造位置において傾斜ならびに傾注するように構成および配列されることができる。ステップ１１６において、第１の溶融ボックスまたは第２の溶融ボックスのうちの一方からの溶融合金は、初期鋳造金型の中に傾注される。第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスはそれぞれ、個々の傾斜るつぼを有し、傾注作用を遂行する。いくつかの側面では、ステップ１１６における溶融合金の傾注は、約２〜３秒かかり得る。さらなる側面では、セラミック金型を装填チャンバ内に載置し（ステップ１０２）、装填チャンバ大気を排気し（ステップ１０４）、隔離弁を開放し（ステップ１１２）、セラミック金型を鋳造位置に位置付け（ステップ１１４）、溶融合金をセラミック金型の中に傾注する（ステップ１１６）ために要求される時間量は、約４５秒かかり得る。
【００２６】
ステップ１１８において、現時点では、溶融合金の鋳造物を保持している、初期鋳造金型が、鋳造位置から回収され、溶融チャンバから回収される。ステップ１２０において、溶融チャンバと装填チャンバとの間の隔離弁が、閉鎖される。ステップ１２２において、装填チャンバは、大気圧に戻され、これは、いくつかの側面では、約３０秒かかり得る。ステップ１２４において、鋳造合金を伴う初期鋳造金型が、装填チャンバから除去される。鋳造物は、大気圧において、冷却および固化させられる。鋳造物を大気圧で冷却させることによって、鋳造物は、金属の粒が、約等サイズを有し、鋳造物を横断して、かつそれを通して全方向に無作為に配向され得るように、等軸粒構造を有することができる。
【００２７】
決定ステップ１２６において、溶融チャンバ内の溶融ボックスのうちの少なくとも１つが、依然として、合金の装入物を保持するかどうかの判定が行われることができ、装入物は、溶融または固体状態のいずれかであることができる。溶融チャンバ内の溶融ボックスのうちの少なくとも１つが、依然として、合金の装入物を保持する場合、第２の鋳造が、溶融ボックスを再装填し、さらなる溶融チャンバ加熱サイクルを進める前に行われることができる。故に、溶融チャンバ内の溶融ボックスのうちの少なくとも１つが、依然として、合金の装入物を保持する場合、プロセスは、ステップ１０２に戻り、プロセスにおいて使用するための後続予熱鋳造金型を得る。（代替として、プロセスは、ステップ１００に戻り、新しいセラミック金型を外部予熱オーブン内で予熱することができる。）後続鋳造金型は、ステップ１０２において、装填チャンバ内に載置され、装填チャンバは、再び、ステップ１０４において、真空システムを用いて排気され、必要に応じて、装填チャンバ内に残っている合金の装入物は、溶融状態に溶融される。装填チャンバと溶融チャンバとの間の隔離弁は、再び、ステップ１１２において開放される。後続鋳造金型は、ステップ１１４において、鋳造位置に移動される。ステップ１１６において、依然として溶融合金を保持する第１の溶融ボックスおよび第２の溶融ボックスのいずれかから、溶融合金が、後続鋳造金型の中に傾注される。
【００２８】
ステップ１１８において、現時点では、溶融合金の鋳造物を保持する、後続鋳造金型が、鋳造位置から回収され、溶融チャンバから回収される。ステップ１２０において、溶融チャンバと装填チャンバとの間の隔離弁は、閉鎖される。ステップ１２２において、装填チャンバは、大気圧に戻される。ステップ１２４において、鋳造合金を伴う後続鋳造金型は、装填チャンバから除去され、鋳造は、大気圧において冷却および固化させられる。
【００２９】
いくつかの実装では、鋳造サイクルの間、鋳造金型が溶融チャンバから回収される、ステップ１１８後、溶融ボックスの一方または両方は、合金装入物で再装填される（または「再装入される」）ことができる。装填チャンバ内の鋳造物が大気圧に戻される、および／または装填チャンバから除去されるにつれて、システムが溶融チャンバ内の溶融ボックスを再装入することを可能にすることは、全体的システムの効率およびスループットをさらに増加させることができる。
【００３０】
初期鋳造金型のためにステップ１１６において使用するための溶融ボックスの選択は、プログラマブル選択プロセス、オペレータ制御、または溶融チャンバのある領域において感知もしくは計算された温度に基づくことができる。いくつかの側面では、初期鋳造金型のために使用される溶融ボックスは、炉鋳造サイクル間で交互することができる。他の側面では、同一溶融ボックスが、各炉鋳造サイクルのための初期鋳造金型毎に使用されることができる。
【００３１】
決定ステップ１２６において、溶融チャンバ内の溶融ボックスのいずれも、依然として、合金の溶融装入物を保持していない場合、プロセスは、ステップ１２８に進み、炉鋳造サイクルを終了する。さらなる炉鋳造サイクルを用いた鋳造物の生産の継続は、溶融ボックスを合金装入物で再装填することを要求し、さらなるセラミック金型の中に傾注するために、合金装入物を溶融形態に溶融するための別の持続時間を要求する。
【００３２】
図２は、大気および真空制御システムと結合される、接続された金型チャンバおよび溶融チャンバの概略図である。溶融チャンバ２０２は、隔離弁２０６を介して、金型チャンバ２０４（すなわち、装填チャンバ）に結合される。溶融チャンバは、ドアを有し、それを通して、合金装入物は、溶融チャンバ２０２内の１つまたはそれを上回る溶融ボックスの中に装填されることができる。同様に、金型チャンバ２０４も、ドアを有し、それを通して、セラミック鋳造金型は、装填されることができる。溶融チャンバ２０２は、ポペット弁構造２０８および拡散ポンプ２１０を含むことができる、第１の真空システムに結合され、アクティブであるとき、溶融チャンバ２０２内の圧力を大気圧を下回って低下させるように動作させる。金型チャンバ２０４は、乾燥ポンプおよび送風機を含むことができる、第１の真空システム２１２に結合され、アクティブであるとき、金型チャンバ２０４内の圧力を大気圧を下回って低下させるように動作させる。
【００３３】
溶融チャンバ２０２はさらに、第１の通気システム２１４に結合されることができ、これは、溶融チャンバ２０２を開放し、大気に戻すことができる。同様に、金型チャンバ２０４はさらに、第２の通気システム２１６に結合されることができ、これは、金型チャンバ２０４を開放し、大気に戻すことができる。保持ポンプ２１８および溶融チャンバポンプパッケージ２２０はさらに、ポペット弁構造２０８および拡散ポンプ２１０に結合されることができる。保持ポンプ２１８および溶融チャンバポンプパッケージ２２０の一方または両方は、補助として、すなわち、拡散ポンプ２１０と上流で直列に配列される。故に、拡散ポンプ２１０が動作状態にあるとき、保持ポンプ２１８および溶融チャンバポンプパッケージ２２０の一方または両方は、溶融チャンバ２０２および全体的システム内の所望の圧力を補助、支持、および／または維持することができる。特に、溶融サイクルの間、拡散ポンプ２１０は、溶融チャンバポンプパッケージ２２０によって補助および／または支持される。
【００３４】
水平バーフィーダ２２２が、合金装入物を溶融チャンバ２０２の中に送達することができ、いくつかの実施形態では、１つを上回る水平バーフィーダ２２２は、溶融チャンバ２０２に結合されることができる。装入物温度センサシステム２２４が、溶融チャンバ２０２と結合され、各溶融ボックス内の溶融装入物の温度を測定するように構成される。金型温度センサシステム２２６は、溶融チャンバ２０２と結合され、溶融チャンバ内の金型鋳造物の温度を測定するように構成される。装入物温度センサシステム２２４および金型温度センサシステム２２６は両方とも、制御システムと電子結合され、温度データをオペレータまたは処理デバイスに中継することができる。
【００３５】
制御システム２２８は、全体的金型チャンバ、溶融チャンバ、および真空システム装置に近接して、またはその遠隔に位置することができる。制御システム２２８は、装置の制御可能システムに電子的かつ動作可能に結合され、さらに、オペレータによる制御のためのユーザインターフェースを提供することができる。前述のように、制御システム２２８は、炉内に位置するセンサからのデータを受信および／または処理するように部分的に構成される、非一過性コンピュータ可読媒体およびマイクロプロセッサを含むことができる。
【００３６】
図３は、接続された溶融チャンバ３０２および金型チャンバ３０４を有する、炉システム３００の概略図である。図示されるように、溶融チャンバ３０２は、金型チャンバ３０４の上方に位置付けられる。水平バーフィーダ３０６、３０６’は、溶融チャンバ３０２に結合し、その中に給送し、装填されるべき合金装入物を溶融チャンバ３０２内の２つの溶融ボックス３０８、３０８’の中に提供することができる。いくつかの側面では、隔離弁溶融ボックス３０７、３０７’は、それぞれ、水平バーフィーダ３０６、３０６’と溶融ボックス３０８、３０８’との間に提供されることができる。多くの側面では、溶融ボックス３０８、３０８’はそれぞれ、溶融合金を鋳造位置３１６において傾注するように整合された傾斜るつぼを有する。
【００３７】
回収アセンブリ３１０は、鋳造金型支持体３１２の下方に位置付けられることができ、回収アセンブリ３１０は、鋳造金型支持体３１２を隔離またはフラッパ弁３１４を通して溶融チャンバ３０２の中に上方に移動させることができる、エレベータである。回収アセンブリ３１０は、溶融ボックス３０８、３０８’の両方が傾注し得る（異なる時間に）、鋳造位置３１６に、鋳造金型支持体３１２を位置付けることができる。いったん鋳造物が鋳造位置３１６に位置する鋳造金型の中に傾注されると、回収アセンブリ３１０は、溶融チャンバ３０２から隔離またはフラッパ弁３１４を通して後退することができる。鋳造金型支持体３１２は、鋳造物および鋳造金型が金型チャンバ３０４から取り出され得る、金型冷却ポート３１８の隣に位置付けられることができる。
【００３８】
加えて、図３にオフセットとして図示されるように、金型チャンバ３０４’は、フラッパ弁３１４’を開放構成と閉鎖構成の位置およびその間に伴って示され、さらに、金型チャンバ３０４’およびフラッパ弁３１４’が収容し得る、金型３１３の最大サイズを図示する。オフセットとしてさらに図示されるのは、炉システム３００に結合され、それと通信する、ポペット弁および拡散ポンプアセンブリ３２２である（そうでなければ、図３における炉システム３００によって閉塞された位置に位置する）。示されるように、ポペット弁および拡散ポンプアセンブリ３２２は、溶融チャンバ３０２ならびに接続された動作構成要素と比較したポペット弁および拡散ポンプアセンブリ３２２の相対的サイズを示すように提示される。
【００３９】
さらなる実施形態では、３つの溶融ボックスが、単一溶融チャンバ内に配列され、炉システムの鋳造のスループットをさらに増加させることができる。なおもさらなる実施形態では、４つまたはそれを上回る溶融ボックスが、単一溶融チャンバ内に配列され、炉システムの鋳造のスループットをさらに増加させることができる。
【００４０】
本明細書に提供されるように、溶融チャンバおよび金型チャンバの両方のための温度ならびに大気制御を含む、炉システムは、センサおよびゲージを伴う器具類インターフェースと電子結合され、炉システム内のセンサデータを測定することができる。そのような器具類システムおよびインターフェースは、有線または無線手段によって、マイクロプロセッサ（または他のそのような非一過性コンピュータ可読媒体）に電気的に結合され、それによって、撮像データ信号をマイクロプロセッサに送信することができる。結合されたマイクロプロセッサは、センサデータを炉から収集することができ、さらに、収集された情報を他の非一過性コンピュータ可読媒体に中継する、および／または収集されたデータに計算を実行し、計算された結果をユーザ操作可能および／またはユーザ可読ディスプレイに中継することができる。炉システムによって捕捉されたセンサデータは、マイクロプロセッサを制御する（ハードウェアまたはソフトウェアのいずれかを通して）コンピュータプログラム命令に従って評価され、具体的センサデータを分析する、またはその計算を基礎とし、いくつかの側面では、処理パラメータに従って、温度または圧力制御を調節することができる。さらなる側面では、オペレータは、センサデータを監視し、処理パラメータに従って、温度または圧力制御を手動で調節することができる。
【００４１】
マイクロプロセッサを含み得る、器具類はさらに、器具類の動作、特に、炉の溶融および鋳造パラメータのための熱または圧力設定点を制御する、処理デバイスの構成要素であることができる。処理デバイスは、バスを介して、不揮発性メモリデバイスに通信可能に結合されることができる。不揮発性メモリデバイスは、電源がオフにされると、記憶された情報を留保する、任意のタイプのメモリデバイスを含んでもよい。メモリデバイスの非限定的実施例は、電気的に消去可能なプログラマブル読取専用メモリ（「ＲＯＭ」）、フラッシュメモリ、または任意の他のタイプの不揮発性メモリを含む。いくつかの側面では、メモリデバイスの少なくともいくつかは、処理デバイスが命令を読み取ることができる、非一過性媒体またはメモリデバイスを含むことができる。非一過性コンピュータ可読媒体は、電子、光学、磁気、または処理デバイスにコンピュータ可読命令もしくは他のプログラムコードを提供可能な他の記憶デバイスを含むことができる。非一過性コンピュータ可読媒体の非限定的実施例は、磁気ディスク、メモリチップ、ＲＯＭ、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、ＡＳＩＣ、構成されるプロセッサ、光学記憶、および／またはコンピュータプロセッサが命令を読み取ることができる任意の他の媒体を含む（但し、限定ではない）。命令は、例えば、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｐｅｒｌ、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標）等を含む、任意の好適なコンピュータプログラミング言語で書かれたコードからコンパイラおよび／またはインタープリタによって生成されたプロセッサ特有の命令を含んでもよい。
【００４２】
前述の説明は、例証であって、制限ではなく、本開示の精査に応じて、当業者に明白となるであろうように、本発明は、その本質的特性から逸脱することなく、他の具体的形態で具現化されてもよい。例えば、前述の側面のいずれかは、１つまたはいくつかの異なる構成に組み合わせられてもよく、それぞれ、側面のサブセットを有する。さらに、前述の説明全体を通して、説明目的のために、多数の具体的詳細が、本発明の完全理解を提供するために記載された。しかしながら、これらの実施形態が、これらの具体的詳細のうちのいくつかを伴わずに実践されてもよいことは、当業者に明白となるであろう。これらの他の実施形態は、本発明の精神および範囲内に含まれることが意図される。故に、本発明の範囲は、したがって、前述の説明を参照して判定されるべきではなく、代わりに、以下の係属中の請求項とともに、その均等物の全範囲を参照して判定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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