JP2010523337A - 遠心鋳造による精密鋳造物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、以下のステップを含む、遠心鋳造による精密鋳造物の製造に関する。
ａ）るつぼ（８）に以下の構成物の融解物を提供し、
Ｔｉ45-52 at.%、Ａｌ45-50 at.%、Ｘ１1-3 at.%、Ｘ２2-4 at.%、Ｘ３0-1 at.%
Ｘ１：Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、
Ｘ２：Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、
Ｘ３：Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、
ｂ）遠心力によって、前記融解物を前記るつぼ（８）から鋳型（４）に押し込み、
ｃ）前記鋳型内において融解物を凝固することにより、層状微細構造を有するチタン合金からなる鋳造物を生成し、
ｄ）共晶温度よりも高く、かつ前記構成物のα変態温度よりも低い温度で、６０〜１５０時間の間、前記鋳造物を再加熱する。
ａ）るつぼ（８）に以下の構成物の融解物を提供し、
Ｔｉ45-52 at.%、Ａｌ45-50 at.%、Ｘ１1-3 at.%、Ｘ２2-4 at.%、Ｘ３0-1 at.%
Ｘ１：Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、
Ｘ２：Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、
Ｘ３：Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、
ｂ）遠心力によって、前記融解物を前記るつぼ（８）から鋳型（４）に押し込み、
ｃ）前記鋳型内において融解物を凝固することにより、層状微細構造を有するチタン合金からなる鋳造物を生成し、
ｄ）共晶温度よりも高く、かつ前記構成物のα変態温度よりも低い温度で、６０〜１５０時間の間、前記鋳造物を再加熱する。
Description
本発明は、遠心鋳造による精密鋳造物の製造方法に関する。その方法は、特に、チタンや、例えばチタンアルミナイドなどの多量のチタンを含む合金で作られる精密鋳造物の製造方法に関する。
特に、チタンアルミナイドは、低密度で、比較的に高温で、ニッケル超合金に比べて比強度が高く、耐腐食性が高いことから、様々な応用領域において最適の物質と考えられる。しかしながら、チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）または純チタングレード２などの、固相と液相線温度の間の範囲が狭い物質は、成形することが非常に難しく、それを形成するための唯一の実践的な方法が、鋳造である。
ＴｉＡｌ合金からなる融解物は、固相と液相線温度の間の範囲が狭く、約５℃である。そのような融解物は、例えば遠心鋳造により、すぐに鋳型に押し込まれてしまう。特に、シュラウド付きタービン翼やターボ過給機のホイールなどの薄肉鋳造物を製造する際、融解物は鋳型の内壁にぶつかると急速に凝固する。遠心鋳造によって製造されたＴｉＡｌ合金鋳造物は、他の方法によって製造された比較可能なＴｉＡｌ合金部品より強度が低い。
米国特許第６，２３１，６９９Ｂ１号は、γチタンアルミナイド合金物の製造方法を開示している。その物の空隙率を抑えるために、熱間静水圧加圧によって物を凝固することが提案されている。さらに、その後、微細構造を精錬するために、α変態温度未満で物を熱処理することが提案されている。
米国特許第５，６３４，９９２号には、γチタン合金物の製造方法が開示されている。その方法は、内部の空隙を低減するために、共析晶より高い温度で凝固するγチタンアルミナイド合金鋳造片から始める。γチタンアルミナイド合金片の凝固は、熱間静水圧加圧によって行う。その後、凝固した物は、約１１５０℃〜１２００℃で最低８時間熱処理される。その後、コロニー構造の効果的な粒子サイズを小さくするために、再び約９８０〜１１００度で約８時間熱処理する。
上記のいずれの方法も、γチタンアルミナイドの凝固片から始める。凝固のために、その断片を、共析晶より高い温度に加熱する必要がある。さらに、加熱した断片に静水圧加圧を行う必要がある。凝固したγチタンアルミナイド断片から始める上記提案の凝固ステップは、熱間静水圧加圧装置の設置が必要となるため、コストも時間もかかる。さらに、熱間静水圧加圧は、物質の内部の孔の分布が一様でないため、鋳造物に好ましくない変形が生じることがよくある。そのような予測できない変形は、特に、飛行機用のタービン翼などを製造する場合には許容できない。さらに、熱間静水圧加圧は、層状の微細構造に局部的なひび割れを引き起こす。そのようなひび割れは、物質の強度にマイナスの影響を与える。
本発明は、先行技術の欠点を取り除くことを目的とする。本発明は、ＴｉＡｌ合金製で、改良された強度を有する鋳造物の製造を可能にする方法を提供することに向けられている。さらに、本発明は、歪みによる損傷無く、複雑な形状寸法を有する鋳造物を製造できる方法を提供することに向けられている。
この目的は、請求項１の特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態は、請求項２〜１８の特徴に記載されている。
本発明によれば、以下のステップを含む遠心鋳造による精密鋳造物の製造方法が提供される。
ａ）るつぼに以下の構成物の融解物を提供し、
Ｔｉ45-52 at.%、Ａｌ45-50 at.%、Ｘ１1-3 at.%、Ｘ２2-4 at.%、Ｘ３0-1 at.%
Ｘ１：Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、
Ｘ２：Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、
Ｘ３：Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、
ｂ）遠心力によって、前記融解物を前記るつぼから鋳型に押し込み、
ｃ）前記鋳型内において融解物を凝固することにより、層状微細構造を有するチタン合金からなる鋳造物を生成し、
ｄ）共晶温度よりも高く、かつ前記構成物のα変態温度よりも低い温度で、６０〜１５０時間の間、前記鋳造物を再加熱する。
ａ）るつぼに以下の構成物の融解物を提供し、
Ｔｉ45-52 at.%、Ａｌ45-50 at.%、Ｘ１1-3 at.%、Ｘ２2-4 at.%、Ｘ３0-1 at.%
Ｘ１：Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、
Ｘ２：Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、
Ｘ３：Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、
ｂ）遠心力によって、前記融解物を前記るつぼから鋳型に押し込み、
ｃ）前記鋳型内において融解物を凝固することにより、層状微細構造を有するチタン合金からなる鋳造物を生成し、
ｄ）共晶温度よりも高く、かつ前記構成物のα変態温度よりも低い温度で、６０〜１５０時間の間、前記鋳造物を再加熱する。
本発明の意味において、「るつぼ」のもとに、十分な耐熱性を有し、損傷無く、かつ融解物と反応せずに、融解物を融解する容器であるという一般的な理解がある。本発明の意味において、「るつぼ」は、任意の適切な形状であってもよい。特に、底部が丸く凹面状である円筒状であってもよい。しかしながら、本発明の意味において、「るつぼ」は、リング状のチャネルとして形成されてもよい。「るつぼ」の製造に適した物質は、アルミナ、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア、石英ガラス、黒鉛などである。
「α変態温度」の説明と、その決定の可能性に関して、米国特許第６，２３１，６９９Ｂ１号に言及されている。α変態温度は、一般的には１３５０℃の範囲内である。従って、ステップｄ）における温度の上限を、１２５０℃または１１５０℃に固定してもよい。
上記提案の構成物、ならびにステップｂ）およびｃ）の遠心鋳造方法を用いることにより、平均粒子径が３０〜１００μｍの微細結晶からなる鋳造物を生成することができ、各粒子は、完全な層状微細構造を呈する。
当技術分野において知られているものと比べて、驚くべきことに、共晶温度よりも高く、かつ構成物のα変態温度よりも低い温度にて、鋳造物を６０〜１５０時間再加熱することにより、鋳造物の強度を著しく向上できることが分かっている。また、鋳造物の機械加工は、ステップｄ）により、著しく向上している。さらに、驚くべきことに、ステップｄ）に基づいて鋳造物を再加熱すると、脆性・延性遷移温度（ＢＤＴＴ）が約１０５０℃から９５０℃に低下することが確認された。ステップｄ）により層状微細構造が保護されることは、注目すべきである。特に、二重微細構造が形成されない。ステップｄ）により、微細構造内において実質的には凍結している歪みが減少していると考えられる。
例えば、チタン合金は、３０〜４５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、１．５〜６重量％のニオブ（Ｎｂ）、ならびに残分としてチタン（Ｔｉ）および不可避的不純物を含んでもよい。チタン合金はさらに、１つ以上のさらなる成分を含んでもよい。すなわち、０．５〜３．０重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．１〜０．５重量％のホウ素（Ｂ），１．５〜３．５重量％のクロム（Ｃｒ）。さらにチタン合金は、０〜１４００ｐｐｍの量の酸素（Ｏ2）、０〜１０００ｐｐｍ、好ましくは８００〜１２００ｐｐｍの量の炭素（Ｃ），１００〜１０００ｐｐｍの量のニッケル（Ｎｉ）、および０〜１０００ｐｐｍの量の窒素（Ｎ）を含んでもよい。
本発明のさらなる実施形態によると、融解物は、ステップａ）の間において、構成物の融解温度よりも５０℃〜１５０℃高い温度に加熱される。この方法により、融解物の熱エネルギーが増加する。そのように過熱された融解物を用いると、厚肉部、すなわち０．５ｍｍの範囲の厚さを有する部分を有する鋳造物用の鋳型において、好ましくないコールドランの形成を避けられる。
更に有利な特徴によると、鋳型は、ステップｂ）の前に予熱される。予熱の温度は、５０℃〜１１００℃の範囲、好ましくは１００℃〜８５０℃の範囲でよい。その予熱温度は、特にタービン翼を製造する際に有用である。例えば、ターボ過給機のホイールの製造の場合、５０℃〜５００℃の範囲の予熱温度を用いるのが有利であることが証明されている。鋳型の予熱温度は、鋳造物の形状寸法および融解物の熱容量に依存し、形状寸法ごとに決定されるべきである。さらに、予熱温度への加熱もまた、融解物の熱容量に依存し、それぞれの熱容量ごとに決定されるべきである。
鋳型の予熱は、例えば、遠心鋳造を行う前に炉内で行ってもよく、鋳型は、その炉から遠心鋳造装置のロータに移される。しかし、遠心鋳造装置に、特にロータに備えられた適切な加熱装置で鋳型を予熱することもできる。鋳型を予熱することにより、鋳型の中に融解物の好ましくない焼入れが生じることを避けられる。鋳造物の表面品質が向上する。
更なる実施形態によると、鋳造物は、ステップｃ）の後で、かつステップｄ）の前に、１５０℃より低い温度に冷却され、好ましくは、１時間に５０℃〜５００℃の冷却率で冷却される。鋳造物を室内温度条件にて冷却することにより、簡単に高い冷却率を達成できる。低い冷却率は、適切な熱的分離特性を有する鋳型を用いることにより実現できる。適切な熱的分離特性を持たない鋳型の場合は、所定の冷却温度範囲内の温度に予熱した炉に配置してもよい。鋳型を炉に移した後に、前述の冷却率を実現するように、炉の発熱体を制御することにより、炉内において鋳型を冷却してもよい。また、上記提案の鋳型の制御冷却により、鋳造物における熱間亀裂の形成が抑えられる。
本発明の更なる実施形態によると、ステップａ）〜ｃ）の間、融解物は、真空下、またはシールドガス下にある。特に、真空を用いると有利であり、なぜならば真空により、ガスが充満した孔の形成およびチタンアルミナイドの酸化を抑えることができるからである。特に、気体が充満した孔の形成を抑えるために、１０-1〜１０-3バールの真空を用いるのが適切であることが証明されている。
更なる実施形態によると、ステップｄ）にて、再加熱の温度は、１０００℃〜１２５０℃の範囲、好ましくは１０５０℃〜１１５０℃の範囲である。有利には、再加熱は、実質的に無酸素雰囲気で行われる。鋳造物は、特に、シールドガス下にて再加熱され、好ましくは、アルゴン雰囲気下、または真空下にて再加熱される。前述の方法により、鋳造物の好ましくない酸化が抑えられる。
さらに有利な実施形態によると、ステップｃ）の間において、凝固する融解物の温度が、１３００℃〜８００℃の範囲内の所定の冷却温度に達するまで、融解物に圧力を加えてもよく、その圧力は、鋳型が完全に充填された時点において融解物に作用する遠心力の１．０〜５．０係数倍に相当し、またその圧力は、凝固する融解物の温度が所定の冷却温度より低くなると低下する。
上記提案の方法は、特に、鋳型が完全に充填された後に融解物に圧力が加えられるという点で、従来の方法とは異なる。その圧力は、所定の冷却温度が１３００℃〜８００℃の範囲に到達するまで融解物に加えられる。所定の冷却温度は、使用する金属合金に依存する。所定の冷却温度は、有利には、使用する合金の脆性・延性遷移温度よりも低く設定される。「脆性・延性遷移温度」という用語のもとに、金属間層の結合が金属結合から原子結合に変化する温度と理解される。脆性・延性遷移温度を超える温度では、金属間層は、金属結合によって結合する。そのような温度では、金属間層は、超塑性である。脆性・延性遷移温度未満の温度では、金属間層はその特性が変化し、もろくなる。所定の冷却温度は、例えば、脆性・延性遷移温度より低い２０℃〜２００℃に設定してもよい。
鋳型が完全に充填された後に融解物に加えられる圧力量は、鋳型が完全に充填された時点において融解物に作用する遠心力の１．０〜５．０係数倍に相当する。
遠心力は、例えば、ロータの回転速度、軸から鋳型までの第１半径、および融解物の質量に依存する。「第１半径」という用語のもとに、軸と鋳型の入口開口部の間の距離と理解される。鋳型が完全に充填された後に融解物に加わる圧力は、鋳型が完全に充填された時点における遠心力の、１．０〜５．０の範囲から選んだ係数倍に相当する。この関係から、軸から別の第１半径に配置された鋳型への融解物に対して、また鋳型に取り込まれるいかなる質量の金属融解物に対して、加えられるべき適切な圧力を算出することができる。上記の関係から分かるように、鋳型が完全に充填された後に融解物に加わる圧力は、鋳型の充填中よりも高い。
更なる有利な特徴によると、所定の冷却温度は、１０５０℃〜８００℃の範囲である。この範囲から選択された所定の冷却温度は、通常、チタンアルミナイドの脆性・延性遷移温度より低い。上記提案の範囲から冷却温度を選択し、選択された所定の冷却温度に達するまで融解物に圧力をかけると、優れた品質のチタンアルミナイド製の鋳造物を製造できる。
一実施形態によると、鋳型が充填された後、好ましくは一定の割合で、所定の期間において圧力を増加し、その後、一定の圧力を融解物に加えてもよい。所定の期間とは、１〜２５秒の範囲、好ましくは５〜２０秒の範囲である。一定圧力の期間は、１〜６分の範囲、好ましくは４〜６分の範囲である。
所定の冷却温度より高い温度を有し、凝固している融解物に、上記提案の圧力を加えることにより、鋳造物における孔、空隙、シュリンクホールなどの形成を著しく抑えることができる。特に、高圧圧縮により鋳造物を再加工する必要はない。特に有利な点は、シュラウド付きタービン翼やベーンクラスタなどの複雑な形状寸法の鋳造物を製造する場合でも、歪みによる損傷の形成を防ぐことができる。
本発明の実施形態によると、るつぼは、軸から第２半径方向距離においてロータに収容され、第２半径方向距離は、第１半径方向距離より短い。第２半径方向距離は、るつぼの出口開口部から軸までと算出してもよい。通常、第２半径方向距離は、るつぼの直径より大きい。るつぼと対応する鋳型をロータの軸に対して離心的に収容すると、同じ回転速度でも、融解物に作用する遠心力を高めることができる。したがって、鋳型は、すぐに充填され、コールドランの形成を防ぐことができる。更にこれにより、孔、空隙、シュリンクホールが形成されにくくなるという点において鋳造物の品質は向上する。
ロータが静止した状態で、すなわちロータが回転していない状態で、るつぼにて融解物を生成できる。この場合、るつぼ内のインゴットを誘導的に加熱することにより、融解物を生成することができる。また、マイクロ波でインゴットを加熱する、またはインゴットの加熱を支援することもできる。上記提案の加熱方法により、インゴットを数分で融解できる。
別の方法で、圧力を融解物に加えることができる。簡単な実施形態によると、ロータの回転により、融解物に圧力を加える。この場合、圧力は、融解物に作用する遠心力によって形成される。しかし、例えば加圧ガスにより、融解物に圧力を加えることもできる。この場合、ガスとしては、好ましくはアルゴンなどの不活性ガスを用いる。
有利な実施形態によると、ロータが回転している間に、融解物をるつぼに流し込んでもよい。この方法により、融解物のるつぼへの流し込みが急激に加速され、高速で鋳型に押し込むことができる。その結果、鋳型には、比較的高温の融解物が充填され、そして融解物の一定の流動性が保証される。従って、ステップｃ）において融解物に加えられる圧力は、コールドランに対して、また孔を減らすために、有効に利用できる。
るつぼは、ロータの中央に収容されたリング状チャネルの形状を有することが適切であることが証明されており、その外周は、軸からの第２半径方向距離にあり、その第２半径距離は、第１半径方向距離より短い。この特徴によると、融解物は、軸に対して半径方向距離に位置するリング状のチャネルに流し込まれる。その結果、融解物に遠心力が作用し、そのためこの用法によって、鋳型に融解物を移す速度が向上する。
本発明によれば、ＴｉＡｌ合金製で、改良された強度を有する鋳造物の製造を可能にする方法を提供することができる。また、歪みによる損傷無く、複雑な形状寸法を有する鋳造物を製造できる方法を提供することができる。
本発明の実施形態を、添付の図を参照して詳細に説明する。図１は、軸Ａを中心として回転可能なロータ１を示す。ロータ１は、中空の管状アーム２を２本備える。各アーム２の外側端部には、ピストン３が取り外し可能に、好ましくは気密に取り付けられる。ピストン３には、軸Ａを向いた、じょうご状の入口開口部５を有する鋳型４が収容されている。
各アーム２の外側端部付近には、例えば、石英ガラスなどの耐熱性物質で作られた第１るつぼ６が備えられる。第１るつぼ６は、アーム２の底部に、好ましくは気密に取り付けられる。
第１るつぼ６は、実質的に縦方向に移動可能な誘導コイル７に囲まれている。誘導コイル７の下方位置（図示せず）では、第１るつぼ６がロータ１と共に軸Ａの周りを回転するように、誘導コイル７は第１るつぼ６を囲んでいない。第１るつぼ６内には、鋳型４の入口開口部５に対向して位置する出口開口部９を有する第２るつぼ８が収容されている。
第２るつぼは、例えばアルミナ、Ｙ2Ｏ3、黒鉛などの耐熱物質で作られる。本発明の好ましい実施形態によると、第２るつぼ８は、アルミナや、マグネシアなどで作られる。黒鉛で作られた第３のるつぼ（ここでは図示せず）を備えて、第２るつぼ８の内部に配置してもよい。第３のるつぼを用いることにより、るつぼ内に取り込まれたインゴットの誘導融解が加速する。
第２るつぼ８の底部と対向して、窓１０が設置され、窓１０を通してインゴットの融解をカメラ１１で観察してもよい。
ロータ１から縦に伸びる中空のシャフト１２は、電気モータ（ここでは図示せず）によって駆動される。
本発明の実施形態において、例えば真空ポンプなどの真空源が設置され、その真空源は、従来の密封剤を用いて中空のシャフト１２に接続され、この場合では気密に設計されたロータ１内に、真空を形成する。
本発明の第２実施形態において、ロータ１は、貫通孔１３を有してもよい。ロータ１は、気密なハウジング１４によって囲まれてもよい。真空源は、気密なハウジング１４に接続され、その内部およびロータ１内に真空を形成する。
本発明の他の実施形態において、真空源の代わりに、アルゴンなどのシールドガス源を備え、そのシールドガス源により、遠心鋳造プロセス中に、ロータ１が取り囲む中空構造が満たされる。
図１から分かるように、鋳型は、第１半径方向距離ｒ１においてロータ１に収容され、融解物１５を取り入れる第２るつぼ８は、第２半径方向距離ｒ２においてアーム２内に収容される。第１半径方向距離のもとに、入口開口部５と軸Ａの間の距離と理解され、第２半径方向距離のもとに、出口開口部５と軸Ａの間の距離と理解される。図１から分かるように、第１半径方向距離は、第２半径方向距離より長い。さらに、第２るつぼは、円筒形状を有し、第２半径はるつぼの直径より長い。すなわち、第２るつぼ８は、ロータ１内において、軸Ａに対して離心的に配置されている。
ロータ１は、２本以上のアーム２、例えば、４本、６本、８本、またはそれ以上のアームを備えてもよいと理解される。ロータ１はまた、円盤状であってもよい。
更なる実施形態によると、ロータ１内に、リングチャネル状に形成された第１るつぼおよび第２るつぼを収容してもよい。これらのリング状チャネルもまた、例えば、石英ガラス、アルミナ、黒鉛などの耐熱セラミックで作られる。リンクチャネル状に形成された第２るつぼに取り入れる１つ以上のインゴットもまた、誘導コイルによって加熱され、その誘導コイルは、同様にリンクチャネル状に形成され、かつリンクチャネル状の第２るつぼを収容する第１るつぼの内径および外径を取り囲む。
リングチャネル状の第２るつぼは、数個の出口開口部を有してもよい。各出口開口部に向かい合うように、入口開口部を有するそれぞれ対応する鋳型が半径方向に収容される。
図２は、アルミナ、Ｙ2Ｏ3などで作られた第４るつぼ１６を中心に収容するロータ１の第２装置を示す。第４るつぼ１６の第２開口部９に対して鋳型２が設置され、その入口開口部５は、出口開口部９に向かい合って配置されている。入口開口部５も同様に、軸Ａから第１半径方向距離ｒ１の位置に配置される。
第４のるつぼ１６は、軸Ａを中心に配置される。中心に開口部１８が配置された蓋１７が第４るつぼ１６を覆う。第５るつぼ１９を管２０を介して開口部１８に接続し、融解物を第５るつぼ１９から開口部１８を通して第４るつぼ１６に注ぎ込む。
第１装置を用いて、以下のように精密鋳造物を製造することができる。
第２るつぼ８に、チタンアルミナイドのインゴットを配置する。それぞれのチタンアルミナイド合金は、例えば以下の構成物の１つを含む。
ａ）３１重量％のＡｌ、５重量％のＮｂ、１．５重量％のＭｎ、０．３重量％のＢ、ならびに残分としてＴｉおよび不可避的不純物。
ｂ）４３重量％のＡｌ、２重量％のＮｂ、ならびに残分としてＴｉおよび不可避的不純物。
ｃ）３３重量％のＡｌ、５重量％のＮｂ、２．５重量％のＣｒ、ならびに残分としてＴｉおよび不可避的不純物。
ａ）３１重量％のＡｌ、５重量％のＮｂ、１．５重量％のＭｎ、０．３重量％のＢ、ならびに残分としてＴｉおよび不可避的不純物。
ｂ）４３重量％のＡｌ、２重量％のＮｂ、ならびに残分としてＴｉおよび不可避的不純物。
ｃ）３３重量％のＡｌ、５重量％のＮｂ、２．５重量％のＣｒ、ならびに残分としてＴｉおよび不可避的不純物。
内側接触面をＹ2Ｏ3で覆ったセラミックで作られた鋳型は、炉内において２００℃〜１０００℃で予熱される。鋳型の製造に適切な材料は、例えばＷＯ２００５／０３９８０３ Ａ２に示される。
２００℃〜１０００℃の温度で予熱された鋳型４は、アーム２に設置され、アーム２に対して気密に取り付けられたピストン３で覆われる。ロータ１に設置されたアーム２の数に応じて、多数の鋳型４をロータ１に設置できる。その後、アーム内に１０-1〜１０-3バールの範囲で真空を形成する。
インゴットは、誘導コイル７を用いて電流を誘導することにより融解される。融解物が、１４００℃〜１７００℃の範囲、好ましくは１４５０℃〜１６５０℃の範囲の温度に達すると、ロータ１は、０．５〜２．０秒以内に、好ましくは１．０秒未満で加速され、回転速度が１１０〜２６０ｒｐｍ、好ましくは１００〜１６０ｒｐｍとなる。この場合、第２半径ｒ２は、３００〜４００ｍｍに、好ましくは約３５０ｍｍに設定される。融解物は、遠心力により、第２るつぼ８から鋳型４に押し込まれる。
その後、鋳型４には、融解物が充填され、ロータ１は、有利なことに、さらに１１０〜２６０ｐｒｍの、好ましくは少なくとも１６０ｒｐｍの回転速度で、少なくとも６０秒間、好ましくは１２０〜３００秒間回転し続ける。ロータ１が更に回転している間、回転速度は、一定割合で増加し、例えば１１０〜１６０ｒｐｍの範囲から選択された初期の回転速度から、１８０〜２６０ｒｐｍの範囲から選択された回転速度に増加し、鋳型４内で凝固する融解物が１３００℃〜８５０℃の範囲の所定の冷却温度に達する。
所定の冷却温度に達するとすぐに回転は停止する。鋳造物は、真空下において、４００℃〜６００℃の範囲、好ましくは４８０℃〜５３０℃の範囲内の温度に達するまで、更に５〜５０分間、好ましくは５〜１５分間冷却される。
鋳型４内で凝固する融解物の温度は、例えば熱電対などを用いた従来の温度測定技術によって測定されてもよい。そのように測定された温度値は、従来の方法で適切なアルゴリズムに基づいて修正されてもよい。
その後、鋳型４を、アーム２から取り外す。鋳型４は、室内温度条件下において更に冷却される。あるいは、鋳型４を約１０００℃の温度で予熱した炉内に置いてもよい。鋳型４は、１時間当たり５０℃〜１００℃の割合で、炉内で冷却される。
ステップａ）において、それぞれの構成物のインゴットをるつぼ内で加熱することにより、融解物が形成される。しかし、それぞれの構成物の融解物をるつぼに流し入れることも可能である。
上記実施形態によると、第２るつぼ８内でインゴットを融解する前に、ロータ１を真空にする。ロータ１内の真空は、１０-1〜１０-3バールの範囲内である。代わりに、インゴットを融解する前に、例えばアルゴンなどのシールドガスでロータ１を満たしてもよい。
第２装置を用いて、以下のように遠心鋳造により精密鋳造物を製造することができる。
鋳型４は、上記と同様に、炉内にて１０００℃までに予熱され、ロータ１内に備えられた適切な保持装置に設置される。
ロータ１は、１１０〜２６０ｒｐｍの範囲内の回転速度で加速される。融解物が１４５０℃〜１６５０℃の範囲の所定の温度に達するとすぐに、第５のるつぼ１９に取り入れられた融解物は、第４のるつぼ１６に流し込まれる。融解物は、その後第４のるつぼ１６が備える出口開口部９から向かい合って配置された鋳型４に押し込まれる。
その後、ロータ１は、上記と同様に更に回転し続ける。回転停止後、鋳型４をロータ１から取り外し、上記の通り冷却する。
図３ａおよび３ｂは、ロータの回転速度を経時的に示すグラフである。図３ａは、回転開始から１２秒間におけるロータの加速度を示す。図３ｂは、回転開始から回転停止までのロータの回転速度を示す。
第１装置を用いた場合、インゴットは第２るつぼ８内にて融解する。融解物が所定の温度に達するや否や、ロータ１は、１秒以内に約１４０ｒｐｍの回転速度に加速される。観察によると、ロータ１の回転開始１秒後に融解物が完全に鋳型に押し込まれることが分かった。図３ａから分かるように、上記の１秒後に、約１４０ｒｐｍから２００〜２８０ｒｐｍ2、好ましくは２４０ｒｐｍ2の一定割合で、ロータ１の回転速度を増加するのが好ましく、それにより回転開始から１４秒後に、回転速度が約２２０〜２４０ｒｐｍに達している。２００〜２５０ｒｐｍの範囲の所定の最大回転速度に達すると、ロータは、一定の回転速度で更に回転し続ける。図３ｂから分かるように、この回転速度は、２２０〜２４０ｒｐｍの範囲にあり、特に約２２５ｒｐｍである。ロータ１の回転開始から約２２０〜２４０秒後に回転が停止する。
図２に示す第２装置を用いた場合、ロータ１の回転開始から例えば約０．５〜１．０秒後に、例えばロータが約１４０ｒｐｍで回転している時点で、融解物が第５のるつぼ１９から第４のるつぼ１６に流し込まれる。その後、ロータ１の回転速度は、図３ａに示すように、ロータ１が２００〜２４０ｒｐｍの範囲の回転速度に達するまで、一定の割合で増加する。その後、ロータ１は、約２〜４分間、２００〜２５０ｒｐｍの範囲の一定速度で回転する。
その後、鋳造物は、有利には更に鋳型に取り込んでもよく、実質的に無酸素雰囲気で、例えばアルゴン雰囲気下で再加熱される。再加熱は、好ましくは５０℃〜２００℃、より好ましくは８０℃〜１２０℃の加熱率で行われる。再加熱ステップは、６０〜１５０時間、好ましくは６０時間以上続く。ステップｄ）にて鋳造物を７０〜１３０時間、好ましくは８０〜１１０時間、最も好ましくは約１００時間の間再加熱する事は、有利であることが分かっている。再加熱温度は、１０００℃〜１１５０℃の範囲、好ましくは約１０５０℃である。再加熱ステップの後、鋳造物は、１時間当たり５０℃〜２００℃の範囲の冷却率で室温に冷却される。
上記提案の再加熱ステップにより、驚くべきことに鋳造物の強度は著しく向上する。更に、鋳造物の機械加工が向上する。
以下の表は、「打ち出し」サンプル、すなわち再加熱無しのサンプルと、「ＨＴ」サンプル、すなわち温度に応じてステップｄ）に従って再加熱したサンプルの間における最大抗帳力（ＵＴＳ）と極限歪み（Ｅ）の結果の比較を示す。
打ち出し ＨＴ
温度 ＵＴＳ Ｅ ＵＴＳ Ｅ
９００°Ｃ ３０９Ｍｐａ ０．２％ ４１９ＭＰａ ０．８％
９５０°Ｃ − − ３６７ＭＰａ １．％
１０００°Ｃ ２７３Ｍｐａ １．３％ ３２０ＭＰａ ２．１％
−−−−−− −−−−−− −−−−−− −−−−−− −−−−−−
１１００°Ｃ １８８ＭＰａ １５．８％ １８５ＭＰａ ２８．０％
温度 ＵＴＳ Ｅ ＵＴＳ Ｅ
９００°Ｃ ３０９Ｍｐａ ０．２％ ４１９ＭＰａ ０．８％
９５０°Ｃ − − ３６７ＭＰａ １．％
１０００°Ｃ ２７３Ｍｐａ １．３％ ３２０ＭＰａ ２．１％
−−−−−− −−−−−− −−−−−− −−−−−− −−−−−−
１１００°Ｃ １８８ＭＰａ １５．８％ １８５ＭＰａ ２８．０％
上記表からわかるように、上記提案のステップｄ）に基づく熱処理により、９００℃〜１０００℃の温度における強度が著しく増加している。１０００℃以上の温度においては、脆性・延性遷移温度（ＢＤＴＴ）を超えるため、サンプルの強度は明らかに減少している。
強度の増加は、再加熱ステップｄ）による内部応力の減少の結果であると考えられる。さらに、上記結果から、ステップｄ）に基づく上記提案の再加熱により、脆性・延性遷移温度（ＢＤＴＴ）もまた低下すると考えられる。
Claims (18)
- 遠心鋳造により、精密な鋳造物を製造する方法であって、
ａ）るつぼ（８）に以下の構成物の融解物を提供し、
Ｔｉ45-52 at.%、Ａｌ45-50 at.%、Ｘ１1-3 at.%、Ｘ２2-4 at.%、Ｘ３0-1 at.%
Ｘ１：Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、
Ｘ２：Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、
Ｘ３：Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、
ｂ）遠心力によって、前記融解物を前記るつぼ（８）から鋳型（４）に押し込み、
ｃ）前記鋳型内において融解物を凝固することにより、層状微細構造を有するチタン合金からなる鋳造物を生成し、
ｄ）共晶温度よりも高く、かつ前記構成物のα変態温度よりも低い温度で、６０〜１５０時間の間、前記鋳造物を再加熱するステップからなる方法。 - 前記チタン合金は、３０〜４５重量％のアルミニウム（Ａｌ）、１．５〜６重量％のニオブ（Ｎｂ）、ならびに残分としてチタン（Ｔｉ）および不可避的不純物を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記チタン合金は、０．５〜３．０重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．１〜０．５重量％のホウ素（Ｂ）、および１．５〜３．５重量％のクロム（Ｃｒ）の成分の１つ以上を補足的に更に含む、請求項１または２に記載の方法。
- 前記チタン合金は、０〜１０００ｐｐｍの量の酸素（Ｏ2）、０〜１４００ｐｐｍの量、好ましくは８００〜１２００ｐｐｍの量の炭素（Ｃ）、１００〜１０００ｐｐｍの量のニッケル（Ｎｉ）、および０〜１０００ｐｐｍの量の窒素（Ｎ）を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
- ステップａ）において、前記融解物が、前記構成物の融解温度より５０〜１５０℃高い温度に加熱される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記鋳型は、ステップｂ）の前に予熱される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記予熱温度は、５０〜１０００℃の範囲、好ましくは１００℃〜８５０℃の範囲である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記鋳造物は、ステップｃ）の後でかつステップｄ）の前に、好ましくは１時間につき５０℃〜５００℃の冷却率で、１５０℃未満の温度に冷却される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
- ステップａ）からｃ）の間において、前記融解物が真空下またはシールドガス下にある、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
- ステップｄ）において、再加熱温度は、１０００℃〜１２５０℃の範囲、好ましくは１０５０℃〜１１５０℃の範囲である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
- 前記鋳造物は、実質的に無酸素雰囲気において再加熱される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
- 前記鋳造物は、シールドガス下、好ましくは、アルゴン雰囲気下、または真空下において再加熱される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
- ステップｃ）の間において、凝固する前記融解物の温度が１３００℃〜８００℃の範囲の所定の冷却温度に達するまで、前記融解物に圧力を加え、
前記圧力は、前記鋳型が完全に充填された時点において前記融解物に作用する遠心力の１．０〜５．０係数倍に相当し、
前記圧力は、凝固する前記融解物の温度が、前記所定の冷却温度より低くなると緩和される、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。 - 前記所定の冷却温度は１０５０℃〜８００℃の範囲である、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記融解物に加わる前記圧力は一定の、または増加する圧力である、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記圧力は、前記融解物に１〜６分間加えられる、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
- 遠心鋳造装置のロータを軸（Ａ）を中心に回転させることにより、前記圧力が融解物に加わり、
前記るつぼ（８）は、前記ロータ（１）に収容され、前記鋳型（４）は、前記るつぼ（８）に対応づけられて、前記軸（Ａ）から第１半径方向距離（ｒ１）に収容される、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の方法。 - 前記ロータ（１）は、ステップｃ）の間において、同一の速度、あるいは漸増する速度で回転する、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
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