JP2020516464A - 反重力式金型充填方法および装置 - Google Patents

Abstract

金型を静止状態に保持し、坩堝を溶融チャンバから重力に関して金型の下に位置決めされた充填チャンバまで全体として側方に動かす反重力式鋳造方法および装置。鋳造チャンバが重力に関して全体として充填チャンバの上方に配置されている。反重力式鋳造方法および装置は、溶融および鋳造のために別々のチャンバを利用し、溶融金属を金型中に導入するために各チャンバ内の圧力を互いに対して変化させることができる。

Description

本発明は、一般に、金属鋳造のための方法および装置に関する。特に、本発明は、反重力式鋳造装置および方法に関する。さらに、本発明は、単結晶（ＳＸ）、方向性凝固（ＤＳ）および等軸多結晶法を用いて鋳造物を製造する反重力式鋳造装置および方法の使用に関する。

単結晶の方向性凝固部品を鋳造するために用いられる合金、例えば高レニウム含有合金は、極めて高価となる場合がある。従来型の鋳造システムでは、溶融合金を頂部からスプルー（湯口）通路中に注ぎ込みまたは注入することによって溶融合金を金型に導入する。凝固中における縮みにより生じる鋳造部品の欠陥を最小限に抑えるため、方向性凝固を用いるのが良く、この場合、部品の凝固部分に生じる縮みにまだ凝固していない部品の一部分から合金を埋めるとともにスプルー中の溶融合金を埋め、それにより縮みを満たすために用いられる材料が補充される。これら従来型鋳造システムでは、合金は、スプルー内で凝固するのでかかる合金を完成部品から除去して破棄しまたは再利用しなければならない。

高コスト合金の場合、鋳造プロセスに続き、スプルー中に残存している材料を最小限に抑えまたは減少させることが有利である。この要望に取り組む反重力式プロセスがヒッチナ・マニュファクチャリング・カンパニー（Hitchiner Manufacturing Company）によって最初に開発され、この反重力式プロセスは、米国特許第３，８６３，７０６号明細書に開示されており、この米国特許を参照により引用し、その開示内容を本明細書の一部とする。この米国特許に開示された反重力式プロセスでは、スプルーを底部から充填し、鋳造部品の凝固に続き、スプルー中の溶融金属が下方に流れ出て次の鋳造プロセスのために再び捕捉されるようになり、それにより鋳造部品１個当たりの総原価が減少する。部品１個当たりのコストのそれ以上の減少は、鋳造のためのサイクル時間を短縮することによって達成可能である。

米国特許第３，８６３，７０６号明細書

反重力式金型充填プロセスおよび方法は、従来型鋳造方法および装置と比較して改良技術であるが、これまで、これらプロセスを実施するための設備は、垂直に差し向けられており、かかる設備は、４０フィート（１２．２ｍ）以上にわたり上方に延びる場合がある。このために、これらプロセスは、延長された垂直空間を有する適当な場所でまたは設備の一部分を収容するためのピットが形成されている場所でしか実施できない。

したがって、効率を向上させ、コストを減少し、設置場所の広い選択においてプロセスの使用を可能にし、しかもこれら方法および装置の使用を単結晶鋳造で実施できるようにするための技術改良が依然として必要とされている。

上述の要望は、改良型反重力式金型充填方法および装置の諸観点が提供される本発明によって大いに満たされる。

一観点では、本発明の方法および装置は、鋳造のスプルー内で凝固する合金を減少させるために反重力式成形を利用する。本発明の方法および装置はまた、凝固中における金型の振動を減少させた状態で反重力式鋳造物の方向性凝固を可能にし、それにより単結晶鋳造中における擬似結晶粒成長を減少させる。本発明の一観点によれば、鋳造および方向性凝固中、金型を静止状態に維持する反重力式鋳造方法が提供される。この方法は、金属を溶融チャンバ内の坩堝内で溶融するステップと、坩堝を溶融チャンバから鋳造チャンバに動かすステップとを含む。坩堝を溶融位置から鋳造位置に動かすステップは、坩堝を溶融チャンバから充填チャンバに側方に動かすステップおよび溶融金属を充填管に接触させるステップを含む。次に、坩堝を動かして溶融金属を充填管に接触させる。充填管を通って金型中に溶融金属を上方に導入する。次に、溶融金属を充填管から排出して坩堝に戻し、そして坩堝を充填管から遠ざける。次に、サセプタを金型に対して動かして金型内における溶融金属の方向性凝固が生じるようにする。このプロセスは、反応性の高いＳＸ／ＤＳ合金を鋳造するのに好適である。

本発明の別の観点では、鋳造および凝固中、金型を静止状態に維持する反重力式鋳造方法が提供される。この方法は、金属を溶融チャンバ内の坩堝の中で溶融するステップおよび坩堝を溶融チャンバから鋳造チャンバに動かすステップを含む。次に、坩堝を動かして溶融金属を充填管に接触させる。充填管から金型中に溶融金属を上方に導入する。次に、溶融金属を充填管から排出して坩堝に戻し、そして坩堝を充填管から遠ざける。次に、サセプタを金型に対して動かして金型内での溶融金属の等軸多結晶凝固を生じさせる。このプロセスは、他の合金に加えて超合金を鋳造するのに好適である。

本発明の別の観点では、反重力式鋳造装置が提供され、この反重力式鋳造装置は、溶融チャンバと、溶融チャンバに隣接して位置しかつ重力に関して溶融チャンバの全体として側方にずらされて位置する充填チャンバと、全体として重力に関して充填チャンバの上方に位置決めされた鋳造チャンバとを有する。充填管が充填チャンバ内に位置決めされ、プランジャが鋳造チャンバ内に配置された金型を定位置に固定するために位置決めされている。

本発明の第１の観点に従って鋳造作業の実行に先立って、坩堝、サセプタ、およびプランジャを示す反重力装置の部分切除斜視図である。 鋳造作業を実施する前に坩堝を中間位置で示す図１の反重力式鋳造装置の部分切除斜視図である。 鋳造作業を実施するためにプランジャを定位置で示す図１の反重力式鋳造装置の部分切除斜視図である。 鋳造作業を実施するために坩堝を定位置で示す図１の反重力式鋳造装置の部分切除斜視図である。 鋳造作業の実施中、サセプタを部分上昇位置で示す図１の反重力式鋳造装置の部分切除斜視図である。 鋳造作業の実施に続き、サセプタおよびプランジャを完全上昇位置で示すとともに坩堝を中間位置で示す図１の反重力式鋳造装置の部分切除斜視図である。 鋳造のために坩堝に金属を再装填するために坩堝がその初期位置にもたらされた状態を示す図１の反重力式鋳造装置の部分切除斜視図である。 本発明の第１の観点に従って図１の反重力式鋳造装置で使用される金型の斜視図である。 本発明の別の観点に従って図１の反重力式鋳造装置で用いられる金型の斜視図である。 本発明のさらに別の観点に従って図１の反重力式鋳造装置で用いられる金型の斜視図である。 本発明のさらに別の観点に従って図１の反重力式鋳造装置で用いられる金型の斜視図である。

次に、図を参照すると、同一の参照符号が図全体を通じて同一の要素を指しており、図１には、本発明の第１の観点による反重力式鋳造装置１０が示されている。反重力式鋳造装置は、４つの主要なチャンバ、すなわち、溶融チャンバ１２、重力に対して全体として溶融チャンバの側方に配置された充填チャンバ１４、充填チャンバに隣接してかつ全体として重力に関して充填チャンバの上方に配置された鋳造チャンバ１６、および重力に関して全体として鋳造チャンバの上方に配置されたサセプタチャンバ１８で構成されている。以下に説明するように、動くことができる可動インターロック２０が鋳造プロセスの互いに異なる段階の間、溶融チャンバ１２を充填チャンバ１４から分離するために設けられている。インターロック２０の一機能は、溶融プロセス中における溶融チャンバ１２の断熱である。充填チャンバ１４は、ベースプレート２２によって鋳造チャンバ１６から隔てられており、このベースプレートにより、以下に説明するように、充填チャンバ１４と鋳造チャンバ２０との間に圧力差を生じさせることができる。

図示のように、反重力式鋳造装置１０は、溶融チャンバ１２と充填チャンバ１４との間で並進するキャリジ２４を有する。坩堝２８をキャリジ２４上に設けられた坩堝２８を昇降させるリフト２６がキャリジ２４に結合されている。坩堝２８は、好ましくは、金属、例えばアルミナで作られたセラミック坩堝である。溶融コイル３０が坩堝を加熱して坩堝内に配置されている鋳造合金を溶融し、それにより鋳造のために溶融金属３２を生じさせるよう坩堝２８を包囲している。エンクロージャ３４が坩堝２８を包囲しており、以下に説明するように、入口３６を通ってエンクロージャ３４内の圧力を増減することができる。キャリジ２４に取り付けられた案内ロッド３８がエンクロージャ３４および坩堝２８を上昇させているときにこれらを案内する。

図１に示されているように、充填チャンバは、充填管４０を有する。また、図１に示されているように、鋳造チャンバ１６は、方向性凝固を促進するようベースプレート２２の頂部上に配置されたチルプレート４２を有する。本発明の好ましい観点では、チルプレート４２は、銅またはこのような他の熱伝導性材料で作られた水冷式チルプレートである。中央スプルーまたは湯口４４が充填管４０の頂部上に載っており、中央スプルー４４と充填管４０は、チルプレート４２およびベースプレート２２を貫通して連結されている。セラミックマウントおよびシール４６が中央スプルー４４を充填チャンバ１４と鋳造チャンバ１６との間に封止可能に取り付けることができるよう設けられており、その結果、充填チャンバ１４内の圧力を鋳造チャンバ１６内の圧力に対して変化させることができるようになっている。

１つまたは２つ以上の金型４８が以下に説明する１つまたは２つ以上のコンポーネントおよび方法を用いて反重量式鋳造を可能にするよう中央スプルーに流体結合されている。本発明の一観点では、金型４８は、円筒形中央スティック４４を有し、鋳造されるべき部品は、スティック上で適当な結晶セレクタと組み立てられる。ある特定の単結晶多結晶幾何学的形状の場合、結晶粒セレクタは、既知の配列を備えた結晶である。

サセプタコイル５２が巻き付けられたサセプタ５０が中央スプルー４４および金型キャビティ４４を包囲している。サセプタ５０は、任意適当な材料、例えば黒鉛で構成できる。サセプタ５０は、頂部に穴が設けられた状態で示されており、この穴の上には、プランジャ５４が設けられ、このプランジャの機能については以下において説明する。ハウジング５６が反重力式充填装置１０を包囲するとともに溶融チャンバ１２、充填チャンバ１４、鋳造チャンバ１６およびサセプタチャンバ１８を形成している。本発明のある特定の観点では、このハウジング内には金型４８を挿入したり取り出したりするとともに鋳造チャンバを封止する出入り口５８が設けられている。また、ガスを導入したりまたはガスをチャンバから取り出したりするための入口６０，６２，６４がハウジングに設けられている。

次に、図１〜図１１を参照して反重力式鋳造装置１０の作動方法について説明する。図１に示されているように、坩堝２８は、溶融チャンバ１２内で始動し、この溶融チャンバ内で溶融コイル３０が坩堝を加熱して鋳造のために溶融金属３２を生じさせる。金属を溶融すると、インターロック２０を開いてキャリジ２４が図２に示されているように充填チャンバ１４中に並進することができるようにする。図示されていないが、容易に認識されることとして、ヒンジを中心にして回転によってさせることによってインターロック２０を開くことができまたはこのインターロックをハウジング５６に設けられた開口部中に通すことができる。坩堝２８が充填チャンバ内にあるとき、坩堝２８を充填管４０の下に整列させる。

図３に示されているように、プランジャ５４を下方に伸長させてサセプタ５０に設けられている穴に通し、このプランジャは、中央スプルー４４の頂部上に載り、それにより、中央スプルー４４および金型４８を固定する。このように、金型は、プランジャ５４によって鋳造および冷却プロセス中、静止状態に保持される。プランジャ５４は、中央スプルー４４およびサセプタ５０内の溶融金属の熱に耐えるようセラミック製の端部分６４を有する。図示されていないが、容易に理解されることとして、プランジャ５４は、油圧アクチュエータがハウジング５６の頂部上に固定された状態でハウジング５６の頂部に設けられた開口部を通って下方に延びる伸縮式ピストンラムであるのが良い。

図４に示されているように、坩堝２８を坩堝が充填管４０の下を通る状態で溶融チャンバ１２から充填チャンバ１４の側方に動かす。坩堝２８をリフト２６によって上昇させて溶融金属３２を充填管４０に接触させるとともに坩堝２８の頂部リップをベースプレート２２の底部に設けられているＯリング（図示せず）に封止接触させる。容易に理解されるように、坩堝２８を充填管の下で下方に動かしているときに充填管４０の底部と坩堝エンクロージャ３４との間に最小限の隙間を提供することによって、装置１０の全体的高さを減少させることができる。本発明の好ましい観点では、充填管４０と坩堝エンクロージャ３４との間の隙間は、エンクロージャの高さの１／３未満である。この好ましい開示内容では、単結晶／方向性凝固金型を鋳造する標準の手法の場合におけるようなピットの必要はない。これにより、設備の全体的高さが減少する。次に、入口６２を通って充填チャンバ１４を加圧し、入口６０を通って鋳造チャンバ１６内に真空を作ることにより、またはこれらの両方を行うことによって充填チャンバ１４と鋳造チャンバ１６との間に差圧を生じさせる。容易に理解されるように、充填チャンバ１４内の圧力は、充填管４０を通って金型中に溶融金属を上方に導入させるよう鋳造チャンバ１６内の圧力よりも高くなければならない。

図５に示されているように、金型を充填した後であってかつ結晶粒セレクタのある特定の部分の凝固させた後、充填チャンバ１４と鋳造チャンバ１６との差圧を減少させて中央スプルー４４内に残っている溶融金属が出て坩堝２８中に戻るようにすることができる。図６に示されているように、次に、プランジャ５４を引っ込める。坩堝２８を下降させてこれを図７に示されているように鋳造チャンバ１６に戻すのが良く、その結果、坩堝２８に合金を補充することができる。次に、サセプタ５０およびサセプタコイル５２をサセプタチャンバ１８中に上昇させて鋳造物の冷却を可能にする。インターロック６６を閉めて鋳造チャンバ１６をサセプタチャンバ１８から遮断し、それにより鋳造物が冷えてこれが鋳造チャンバ１６から取り出されている間、サセプタ５０の冷却を最小限に抑える。

容易に理解されるように、インターロック６６は、２つまたは３つ以上の区分の状態で設けられるのが良く、各区分に設けられた部分凹部によりインターロックをプランジャ５４周りで閉じることができ、それにより鋳造チャンバ１６をサセプタチャンバ１８から封止することができる。この構成により、充填チャンバ１４と鋳造チャンバ１６とサセプタチャンバ１８との間の圧力をそれぞれ独立の入口６２，６４，６０経由で別々に制御することができる。

坩堝２８を下降させ、そしてこれに合金を補充するために図７に示されているように鋳造チャンバ１２に戻す。容易に理解されるように、サセプタ５０およびサセプタコイル５２を上昇させる速度は、鋳造中の合金によって定められ、この速度は、方向性凝固を達成するよう選択される。容易に理解されるように、サセプタ５０およびサセプタコイル５２を上昇させることは、任意の従来手段によって達成でき、かかる手段としては、サセプタ５０をプランジャ５４にインターロックしまたはサセプタに固定された別個のピストンを提供することが挙げられる。好ましい観点では、プランジャ５４は、中央スプルー４４の頂部上に載るようサセプタ５０の穴を通過する内側伸縮式ラムを含む。プランジャ５４の外側スリーブの形態をした第２のラムがサセプタ５０に係合し、この第２のラムを用いてサセプタ５０を上昇させる。

図７に示されているように、サセプタ５０を完全に上昇させるとともに所望の方向性凝固を達成すると、反重力式鋳造装置１０からの取り出しのために出入り口５８を通って金型４８への接近を可能にする。出入り口５８は、鋳造プロセス中、鋳造チャンバ１６の加圧を可能にするよう封止可能なドア６８を備えている。

また、溶融金属を金型４８中に導入するための４つの好ましい機構体が図８〜図１１に示されている。図８に示された第１の機構体では、溶融金属を管７０に通して導入し、この管は、中央スプルー４４の着座部分４６を通って充填管４０に流体結合されている。充填管７０を通って溶融金属を金型４８中に直接引き込む。結晶粒セレクタ７２が金型４８の底部のところに設けられており、この結晶粒セレクタは、チルプレート４２上に載っている結晶粒セレクタブロック７４に連結されており、それにより単結晶の方向性凝固が可能であるように金型４８と結晶粒セレクタブロック７４との流体結合が可能である。金型を上述の仕方により非乱流方式で底部充填することによって混入の減少を達成することができる。

図９に示された別の機構体では、充填管７０を通って溶融金属を結晶粒セレクタブロック７４中に引き込む。結晶粒セレクタ７２が金型４８の底部のところに設けられており、この結晶粒セレクタは、チルプレート４２上に載っている結晶粒ブロック７４に連結されており、それにより単結晶の方向性凝固が可能であるよう金型４８と結晶粒セレクタブロック７４の流体結合が可能である。この実施形態では、金型４８に結晶粒セレクタブロック７４および結晶粒セレクタ７２を通過した溶融金属を充填する。

図１０に示されている別の実施形態では、充填管７０を通って溶融金属を金型４８の頂部中に引き込む。金型は、方向性凝固または単結晶粒を生じさせるよう構成されている。さらに別の機構体では、溶融金属は、中央スプルー４４を通って上昇して図１１に示されているように下側供給枝部７６を通って金型の底部で金型４８に入る。金型は、等軸多結晶粒を生じさせるよう構成されている。上側供給枝部７８を通って追加の溶融金属を金型４８の頂部中に導入して縮みを埋める。金型を上述の仕方により非乱流方式で底部充填することによって混入の減少を達成することができる。加うるに、金型を加熱するようサセプタ５０の使用に起因して得られる一貫した金型温度制御は、欠陥、例えば縮みによる巣（収縮孔）、気体発生、非充填部発生および冷え止まりを減少させるとともに鋳造物の品質を向上させることができる。

溶融チャンバ１２、充填チャンバ１４、鋳造チャンバ１６およびサセプタチャンバ１８は、入口６０，６２，６４によって不活性ガスタンク（図示せず）に連結されている。代表的には、超高純度アルゴンが用いられる。本発明の一観点では、ガス不浸透性および浸透性セラミック金型の真空溶融およびアルゴン支援充填が採用される。

本発明の一観点では、チルプレート４２およびベースプレート２２は、中心に直径が１インチ（２．５４ｃｍ）〜５インチ（１２．７ｃｍ）の凹み穴を有する。厚さが約０．０４０インチ（１．０１６ｍｍ）〜０．１２０インチ（３．０４８ｍｍ）でありかつ凹みチルプレート穴の直径よりも僅かに大きい内径を有するガスケットが凹み穴上に配置されている。好ましくはセラミックで作られて最高２１００°Ｆ（１１４８．９℃）までの温度まで予熱され、凹み穴の外径よりも僅かに小さい外径を備えた充填管４０をチルプレート４２の穴中に挿入する。次に、ガスケットを充填管のカラーの頂部上に配置する。一般に用いられる材料、例えばアルミナで作られてセラミックカラー作られている予熱状態のセラミック金型をガスケット上に配置する。代表的には、セラミック金型を最高２１００°Ｆ（１１４８．９℃）までの温度まで予熱し、その後これをチルプレート４２上に移送する。

本発明の一観点では、ケーシングまたは金型チャンバ１６内のサセプタ５０は、チルプレート４２の直径よりも僅かに大きい内径を有する。サセプタ５０を予熱金型４８上に下降させる。金型チャンバドア６８を閉じ、真空を金型チャンバ１６に引く。１０ミリトル未満の真空レベルが金型チャンバ内でいったん達成されると、サセプタ５０をオンに切り換える。単結晶方向性凝固鋳造物を作る際に用いられる任意の標準技術を用いてサセプタ５０を加熱する。合金を溶融するとともにサセプタ５０を用いて金型を鋳造温度まで加熱している間、溶融チャンバ１２、充填チャンバ１４および鋳造チャンバ１６を１０ミルトル未満の真空下に保持する。

本発明の一観点では、鋳造または金型チャンバ１６内のサセプタ５０は、チルプレート４２の直径よりも僅かに大きな内径を有する。サセプタ５０を最高２１００°Ｆ（１１４８．９℃）の温度まで予熱する。予熱された金型４８をサセプタ５０の下に配置する。金型チャンバドア６８を閉め、真空を金型チャンバ１６上に引く。１０ミリトル未満の真空レベルが金型チャンバ内でいったん達成されると、金型チャンバ１６とサセプタチャンバ１８との間のインターロックを取り外し、サセプタ５０をオンに切り換え、サセプタ５０を予熱金型４８上に下降させる。単結晶方向性凝固鋳造物を作る際に用いられる任意の標準技術を用いてサセプタ５０を加熱する。合金を溶融するとともにサセプタ５０を用いて金型を鋳造温度まで加熱している間、溶融チャンバ１２、充填チャンバ１４、鋳造チャンバ１６およびサセプタチャンバ１８を１０ミルトル未満の真空下に保持する。

本発明の一観点では、金型４８がいつでも鋳造できる状態にあるとき、坩堝２８を中間位置まで上方に動かし、その結果、これがベースプレート２２の底部に設けられているＯリングに圧接されるようにする。このようにする際、充填管４０を溶融状態の合金３２中に挿入する。次に、アルゴンを鋳造チャンバ１６内ではなくて充填チャンバ１４中に圧送することによって溶融金属に加わる圧力を２〜６秒で最高１気圧までの上昇速度（ＲＯＲ）と呼ばれる所定の速度で増大させる。充填チャンバ１４と鋳造チャンバ１６との圧力差により、溶融金属がセラミック充填管４０を経て金型内に導入される。圧力を増大させ、ついには金型キャビティ４８全体が充填されるようにする。

金型キャビティ４８をいったん充填すると、圧力を最高６００秒間一定に保つ。金型充填中、液体金属に圧力を加えた結果として、鋳造物表面上に複雑な細部が良好に入れられる。本発明の上記観点において説明した方法は、単結晶および方向性凝固部品例えば動翼と静翼を鋳造するために用いられるニッケルを主成分とする超合金を鋳造する際に有用である。乱流から生じる酸化物を濾過除去するために伝統的な方向性凝固を単結晶鋳造プロセスで用いられるフィルタを用いることなく、このプロセスを実行することができる。ＲＯＲを制御することによって、このプロセスは、乱流およびそれ故に酸化物を減少させることができる。

本発明の一観点では、サセプタ５０を垂直方向に上方に動かすことによってサセプタ５０からの金型取り出しのプロセスが達成される。チルプレート４２に接触した溶融金属３２は、凝固して金型キャビティ４８中に成長する所要の種結晶粒を生じさせる。本発明の一観点では、結晶粒ブロックおよび結晶粒セレクタが凝固して単結晶方向性凝固部品を作った後、充填チャンバおよび鋳造チャンバ内の圧力を等しくする。本発明の別の観点では、金型内の液体金属が凝固して等軸多結晶部品を作った後、充填チャンバおよび鋳造チャンバ内の圧力を等しくする。

サセプタ５０が充填管７０の頂部を通り過ぎると、坩堝２８内の圧力を抜き、坩堝２８を下降させ、そして並進させてその初期位置に戻す。図１０に示されているような場合、金型４８内に液体金属を充填するやいなや、坩堝２８内の圧力を抜き、坩堝２８を下降させ、そして並進させてその初期位置に戻す。充填チャンバ１４と溶融チャンバ１２との間のインターロック２０を閉じ、坩堝２８に合金を再装填し、坩堝２８に真空を引き、その後、次の金型を鋳造するために装填物を溶融する。取り出しサイクルをいったん完了させると、鋳造チャンバ１６を開き、凝固金型を次の処理のためにチルプレートから取り出す。

高反応性単結晶方向性凝固合金を鋳造するのに好適な本発明の別の観点では、溶融チャンバ１２、充填チャンバ１４、鋳造チャンバ１６およびサセプタチャンバ１８を入口６０，６２，６４経由で真空ポンプに連結するとともに不活性ガスタンクに連結する。代表的には、超高純度アルゴンを用いる。本発明のこの観点では、黒鉛サセプタ５０を予熱金型４８上に下降させ、金型チャンバドア６８を閉める。真空を金型チャンバ１６上に引き、１０ミリトル未満の真空レベルが金型チャンバ１６内でいったん達成されると、サセプタ５０をオンに切り換える。単結晶方向性凝固鋳造物を作る際に用いられる任意の標準技術を用いてサセプタ５０を加熱する。合金３２を溶融するとともにサセプタ５０を用いて金型４８を鋳造温度まで加熱している間、溶融チャンバ１２、充填チャンバ１４、鋳造チャンバ１６および坩堝チャンバ１８を１０ミルトル未満の真空下に保持する。

本発明の一観点では、金型がいつでも鋳造できる状態にあるとき、坩堝２８を中間位置まで上方に動かし、その結果、これがベースプレート２２の底部に設けられているＯリングに圧接されるようにする。そのようにする際、充填管４０を溶融合金３２中に挿入する。金型チャンバ１６と坩堝チャンバ１２，１４の両方を最高１気圧の圧力までアルゴンで加圧する。全てのチャンバ内でこの圧力にいったん到達すると、アルゴンを金型チャンバ１６から２秒〜６０秒で最高１気圧までの速度で取り出し、かくして、金型チャンバ１６内に真空を生じさせ、この真空は、液体金属を坩堝２８から引いて充填管４０経由で金型キャビティ４８を充填する。金型キャビティをいったん充填すると、真空を最高８００秒間一定に保つ。

次に、サセプタ５０を垂直方向に上方に動かすことによって金型４８をサセプタ５０から取り出す。チルプレート４２に接触した溶融合金３２が凝固することになる。坩堝２８を下降させて中間位置に戻し、そして並進させて溶融チャンバ１２内のその初期位置に戻す。サセプタ５０が鋳造中の部品の頂部を通り過ぎると、金型チャンバ内の圧力を１気圧まで増大させる。サセプタ５０の上昇を続行し、坩堝チャンバ１２，１４の２つの部品相互間のインターロック２０を閉じ、坩堝２８に合金を再装填し、真空を坩堝２８上に引き、そして次の金型４８を鋳造するために装填物を溶融させる。取り出しサイクルがいったん完了すると、金型チャンバ１６を開き、凝固した金型を次の処理のためにチルプレート４２から取り出す。

容易に理解されるように、上述の方法およびシステムの結果として、流し込みカップが不要なので、シェル金型の全高が減少する。その結果、シェル金型を構築するのに必要なシェル材料の量が少なくなり、それにより金型を製作するコストが減少するとともに鋳造プロセスによって生じる屑材が減少する。本発明の諸観点では、フィーダ長さは、伝統的な重力式注型方法よりも短く、かくして使用する金属が少ない。上述のことに加えて、本発明の種々の観点において達成される別の利点は、金型が静止状態に保たれるので、単結晶部品に関する取り出しサイクル中における擬似結晶粒が減少することにある。金型充填中、プランジャを用いて金型を定位置に保持することにより、金型の持ち上がりを回避するために金型底部に設けられるクランプを用いる必要性がなくなる。

理解されるように、上記説明は、開示したシステムおよび技術の実施例を提供している。しかしながら、本発明の他の具体化例が細部において上記実施例とは異なる場合のあることが想定される。本発明またはその実施例の参照は全て、その時点において説明されている特定の実施例を参照することを意図しており、本発明の範囲一般に関する任意の制限を示唆するものではない。ある特定の特徴に関する差別的記載および軽視的な記載は全て、かかる特徴について優先性がないことを示すものであるが、別段の指定がなければ、本開示内容の範囲からかかる特徴を完全に除外するものではない。

本明細書において値の範囲を記載していることは、別段の指定がなければ、その範囲に含まれる別々の値の各々を個別的に参照する簡単な方法として役立つことが意図されているに過ぎず、別々の値は各々、これが本明細書において個別的に記載されているかのように本明細書中に組み込まれる。本明細書において説明した全ての方法を本明細書において別段の指定がなければまたは文脈上明らかに矛盾していなければ、任意適当な順序で実施できる。

Claims (20)

1. 鋳造および方向性凝固中に金型を静止状態に維持する反重力式鋳造方法であって、
   金属を坩堝内で溶融するステップを含み、
   前記坩堝を溶融位置から鋳造位置に動かすステップを含み、前記坩堝を動かす前記ステップは、
   前記坩堝を溶融チャンバから充填チャンバに側方に動かすステップ、および
   前記溶融金属を充填管に接触させるステップを含み、
   前記溶融管を通って前記溶融金属を前記金型中に上方に導入するステップを含み、
   溶融金属を前記充填管から排出して前記坩堝に戻すステップを含み、
   前記坩堝を前記溶融位置に動かすステップを含み、
   サセプタを前記金型に対して動かして前記金型内における前記溶融金属の方向性凝固を生じさせるステップを含む、反重力式鋳造方法。
2. プランジャを下降させて前記プランジャを前記金型の中央スプルーに係合させて前記金型を定位置に固定するステップをさらに含む、請求項１記載の反重力式鋳造方法。
3. 前記坩堝内における前記金属の前記溶融ステップの実施中、インターロックを閉じて前記溶融チャンバを前記鋳造チャンバから分離するステップをさらに含む、請求項１記載の反重力式鋳造方法。
4. 前記充填管を通って前記溶融金属を前記金型中に引き込むステップの実施に先立って、インターロックを閉じて前記溶融チャンバを前記鋳造チャンバから分離するステップをさらに含む、請求項１記載の反重力式鋳造方法。
5. 前記充填管を通って前記溶融金属を前記金型中に引き込む前に前記金型を固定するステップと、前記坩堝内における前記金属の前記溶融ステップの実施中、前記インターロックを閉じて前記溶融チャンバを前記充填チャンバから分離するステップとをさらに含む、請求項２記載の反重力式鋳造方法。
6. 前記充填管を通って前記溶融金属を前記金型中に引き込むステップの実施に先立って、インターロックを閉じて前記溶融チャンバを前記充填チャンバから分離するステップをさらに含む、請求項５記載の反重力式鋳造方法。
7. 前記サセプタを前記金型に対して動かして前記金型内で前記溶融金属の方向性凝固を生じさせる前記ステップは、前記サセプタを制御されたペースで上昇させるステップを含む、請求項６記載の反重力式鋳造方法。
8. 前記坩堝を動かして前記溶融金属を充填管に接触させる前記ステップは、前記坩堝を上昇させて前記溶融金属を前記充填管に接触させるステップを含む、請求項１記載の反重力式鋳造方法。
9. 前記充填管を通って前記金型中に前記溶融金属を上方に導入する前記ステップは、充填チャンバと鋳造チャンバとの間に差圧を生じさせるステップをさらに含む、請求項１記載の反重力式鋳造方法。
10. 差圧を生じさせる前記ステップは、前記鋳造チャンバ内に真空状態を生じさせるステップを含む、請求項９記載の反重力式鋳造方法。
11. 結晶粒ブロックおよび結晶粒セレクタが凝固した後、前記充填チャンバおよび前記鋳造チャンバ内の圧力を等しくするステップをさらに含む、請求項１０記載の反重力式鋳造方法。
12. 前記金型内の液体溶融物が凝固した後、前記充填チャンバおよび前記鋳造チャンバ内の圧力を等しくするステップをさらに含む、請求項１０記載の反重力式鋳造方法。
13. 反重力式鋳造装置であって、
    溶融チャンバと、
    前記溶融チャンバに隣接して位置しかつ重力に関して前記溶融チャンバの全体として側方にずらされて位置する充填チャンバと、
    全体として重力に関して前記充填チャンバの上方に位置決めされた鋳造チャンバと、
    前記充填チャンバ内に位置決めされた充填管とを有する、反重力式鋳造装置。
14. 前記鋳造チャンバ内に配置された金型を定位置に固定するよう位置決めされたプランジャをさらに有する、請求項１３記載の反重力式鋳造装置。
15. 前記鋳造チャンバ内に配置されたサセプタをさらに有する、請求項１４記載の反重力式鋳造装置。
16. サセプタチャンバをさらに有し、前記サセプタは、前記鋳造チャンバと前記サセプタチャンバとの間で動くことができる、請求項１５記載の反重力式鋳造装置。
17. 前記溶融チャンバと前記充填チャンバとの間に位置するインターロックをさらに有する、請求項１６記載の反重力式鋳造装置。
18. 前記鋳造チャンバと前記サセプタチャンバとの間に位置するインターロックをさらに有する、請求項１７記載の反重力式鋳造装置。
19. 前記充填チャンバと前記鋳造チャンバとの差圧を制御するための加圧入口をさらに有する、請求項１８記載の反重力式鋳造装置。
20. 坩堝を前記溶融チャンバから前記充填チャンバまで並進させるためのキャリジをさらに有する、請求項１９記載の反重力式鋳造装置。

Images