JP7173152B2 - チタン合金鋳塊の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、チタン合金鋳塊の製造方法および製造装置に関する。

チタンは、その溶融温度では激しく空気酸化される活性な金属であるため、鉄鋼材料の溶解時のように耐火物製るつぼを用いて大気雰囲気下で溶解することは難しい。このため、チタン合金鋳塊の製造では、水冷銅ハースを用い、真空もしくは不活性ガス雰囲気下で溶融と凝固を行う場合がある。この場合に用いられる技術として、高電圧加速した電子線を被溶解材の表面に照射することにより得られる衝撃熱を利用する電子ビーム溶解(EBM : Electron Beam Melting)技術や、非消耗電極としてプラズマトーチを用いた溶解法であるプラズマ溶解(PAM : Plasma Arc Melting)技術を挙げることができる。

電子ビーム溶解技術では、チタンの溶解が真空雰囲気下で行われ、またチタン合金の融点が高いことから、チタンの溶解温度が高く、かつ溶解時間も長い。プラズマ溶解技術においても、チタンの溶解がＡｒ等の不活性ガス雰囲気下で行われる点以外は、電子ビーム溶解技術の場合と同様である。

特許文献１には、チタンまたはチタン合金の電子ビーム溶解に際し、溶解すべき原料を、複数個のフィーダーにより供給速度をそれぞれ独立に調整してハースに供給しながら、ハース内で溶解して鋳型に注入することにより、チタンまたはチタン合金の化学組成を調整する発明が開示されている。

特許文献２には、金属間化合物を用いるチタン－アルミニウム合金と工業用純チタンとを電子ビーム溶解することにより、化学組成の変動を抑制しながらチタン合金鋳塊を製造する発明が開示されている。

特許文献３には、チタン合金からなる熱間圧延用チタン鋳片において、圧延面となる表面に、α相安定化元素等を含有する層を形成することで、チタン鋳片の表面性状を向上させる発明が開示されている。

特許文献４，５には、チタンまたはチタン合金の鋳塊の製造に際して、原料をコールドハース内に投入し、このコールドハースを通過した溶湯を鋳型に供給する発明が開示されている。

特許文献６には、チタン合金を電子ビーム溶解する際に、ハース内の溶融プールの中央部の表面温度を、チタン合金の融点よりも５０℃高い温度から２０００℃までの範囲とする発明が開示されている。この発明では、予め設定したハース内の溶融プールの中央部の表面温度と合金成分の蒸発率との関係に基づいてチタン合金鋳塊の化学組成を制御する。

特許文献７には、チタン合金鋳塊を製造する発明が開示されている。具体的には、アルミニウムを含有するチタン合金スクラップに、目標アルミニウム含有量の１０～１００質量％に相当する過剰量のアルミニウムを、純アルミニウムとして加える発明が開示されている。また、特許文献７では、上記純アルミニウムを加える構成に代えて、予め上記のチタン合金スクラップのアルミニウム量を調整して溶解用電極材を作製し、この溶解用電極材を電子ビームコールドハースリメルティングにより溶解した後に鋳型に注入する発明も開示されている。

さらに、特許文献８には、溶製用金属原料と、溶解法で製造された添加材とから構成される、金属の電子ビーム溶解に用いる原料が開示されている。この原料は、添加材の純度：９９．９質量％以上、かつ炭素、酸素、および窒素の合計濃度：１００ｐｐｍ以下、さらに、添加材の粒度：３～２００ｍｍ以下である。添加元素を原料貯蔵容器に収容し、フィーダーを用いてハースに供給する際に、フィーダー内で撹拌状態にある添加元素が自己崩壊して偏在することになるが、特許文献８により開示された原料によれば、自己崩壊を抑制することができ、化学組成が均一な溶湯を製造できるとしている。

特開平０２－６６１２９号公報 特開２００５－２３５６号公報 特許第６０７５３８７号明細書 特許第６２３４８４１号明細書 特開２０１５－４８５０１号公報 特開平０４－１２４２２９号公報 特開平０４－１５８９５５号公報 特開２０１４－３１５５１号公報

周知の通り、チタンの溶解温度は高い。このため、チタン合金の化学成分を構成する元素、例えば蒸気圧の高いアルミニウムおよびスズといった添加金属は、チタンの溶解中に激しく蒸発する。添加金属の蒸発は、製造されるチタン合金鋳塊の化学組成を変動させうるため、添加金属の蒸発量を抑制することが望ましい。

また、溶湯から蒸発した添加金属は、チャンバー内壁に付着する。チャンバーの内壁に付着した添加金属の厚さは溶解時間の経過とともに厚くなり、時として付着した添加金属の塊が内壁から脱落する。脱落した金属塊がハース内の溶湯に混入すると、溶湯の添加金属の濃度を変動させ、あるいは脱落した塊が元となって鋳塊における欠陥部分となりうる。この観点からも、添加金属の蒸発量を抑制することが望ましい。

このように、良好な品質を有するチタン合金鋳塊を製造するには、チタン溶解時にチタン合金における添加金属の濃度を一定に保つとともに、溶解時における添加金属の蒸発量を減らすことが重要である。

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、鋳型と、原料供給用フィーダーの原料投入部との距離が、何れの原料供給用フィーダーにおいても実質的に同じである。すなわち、鋳型からチタン投入部までの距離と、鋳型から添加材投入部までの距離と、が実質的に同じである。このため、添加材の溶融物である添加金属は、ハースにおいて鋳型に到達するまでに大量に蒸発してしまう。よって、鋳型で鋳造されたチタン合金鋳塊における添加金属の濃度が、規格範囲に収まらなくなってしまう。

特許文献２により開示された発明は、鋳造時間とともに溶湯中の添加金属が蒸発することを考慮していない。このため、チタン合金鋳塊の添加金属の濃度を一定に保つことは難しい。

特許文献３により開示された発明は、チタン鋳片の表面性状の改質を目的としており、チタン合金の鋳造中に添加金属が蒸発することに対する言及はされていない。

特許文献４，５により開示された発明は、チタン合金の溶湯がハースを流れているときに添加金属が蒸発することに対して、添加材をハースに添加する位置を工夫する構成は、何ら開示されていない。

特許文献６により開示された発明を実施して所望の化学成分を有するチタン合金鋳塊を製造するためには、溶湯の温度および各化学成分の蒸発率に加えて、ハース内における溶湯の滞留時間を把握する必要がある。しかし、特許文献６により開示された発明は、この滞留時間を考慮していないため、チタン合金鋳塊の化学組成を所望の値にすることは困難である。

特許文献７により開示された発明によりチタン合金鋳塊を製造する際には、溶湯からアルミニウムが蒸発して溶湯中のアルミニウム濃度が不可避的に変化する。このため、予めアルミニウムの濃度を予測してアルミニウムを添加することにより所望のアルミニウム濃度のインゴットを製造することは困難である。

さらに、特許文献８により開示された発明では、添加した金属粒の形状を有する元素の、鋳造時間に対する変化を考慮しておらず、単にハース内に添加すると記載されるだけでハース内の溶湯金属の流れを考慮していない。このため、均一な化学組成を有する溶湯を鋳型内に供給することは困難である。

本発明は、従来の技術が有する上記課題に鑑みてなされたものであり、化学組成がより正確かつ均一なチタン合金鋳塊の製造方法および製造装置を提供することを課題とする。

チタン合金鋳塊の化学組成のばらつきを抑制し、塊状のアルミニウムまたはスズ等の添加材に起因した割れなどの欠陥を抑制するためには、溶湯から蒸発する添加金属量を低減することが不可欠である。上述したように、チタン合金の溶解では、チタン合金の融点が高く、鋳造時間も長いことから、チタンの蒸気圧よりも高い蒸気圧を有する添加金属の蒸発が激しい。

さらに、ハースを用いて高真空下で行われるチタン合金の電子ビーム溶解、または、ハースを用いて不活性ガス雰囲気下で行われるプラズマ溶解では、チャンバー内で溶解と鋳造が行われるため、蒸気圧の高い上記添加金属の蒸発はさらに激しくなる。

本発明者らは、チャンバー内に置かれたハース、特に複数のハースの内の１つのハースで、電子ビームまたはプラズマを用いてチタン含有原料を溶解して得られた溶湯を、鋳型で鋳造する構成に着目した。この構成において、チタンを主成分とする原料をハースで溶解した後、ハース内のうちハース出口寄りに到達した溶湯、または、鋳型のキャビティ内の溶湯に添加材を添加することを想到した。これにより、溶湯から蒸発する添加金属量を低減でき、その結果、化学組成がより正確かつ均一なチタン合金鋳塊を製造できるとの結論に至った。

本発明は、これらの新規な知見に基づいてなされたものであり、以下に列記の通りである。

（１）チタン含有原料の溶融物を含む溶湯が排出される溶湯出口、を含み、前記溶湯が前記溶湯出口へ向かう所定の主流れ方向に沿って流れるように構成されたハースにおける、前記主流れ方向の上流側領域に設定された原料供給位置へ、前記チタン含有原料を供給するチタン含有原料供給工程と、
前記溶湯が前記原料供給位置から前記溶湯出口まで進行する過程で、前記溶湯を精錬する精錬工程と、
前記精錬された溶湯を、前記溶湯出口から排出して鋳型に充填する充填工程と、
前記ハースおける前記溶湯、および、前記鋳型における前記溶湯の少なくとも一方に、アルミニウム、および、スズの少なくとも一方を含む添加材を供給する添加材供給工程と、
前記添加材供給工程により前記添加材が供給された、前記鋳型における前記溶湯を冷却し、チタン合金鋳塊とする鋳造工程と、
を含み、
前記添加材供給工程において、前記ハースにおける前記溶湯への添加材供給位置が、前記主流れ方向において前記上流側領域よりも下流の領域としての、前記ハースの下流側領域に設定され、この下流側領域は、前記主流れ方向に関して、前記ハースにおける前記溶湯の経路の上流側端部を始点とし前記溶湯出口を終点としたとき、前記始点から前記ハースにおける前記溶湯の経路長の５０％離隔した位置から前記終点までの間の領域である、
チタン合金鋳塊の製造方法。

（２）前記（１）に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
前記ハースは、
前記チタン含有原料が投入される第１ハースと、
前記溶湯出口を含み、前記第１ハースから流入した前記溶湯の一部を凝固させることでスカルを形成し、前記溶湯の残部を前記溶湯出口へ流す第２ハースと、
を含み、
前記添加材供給位置は、前記第２ハースに設定されている。

（３）前記（１）または（２）に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
前記添加材供給工程では、前記添加材供給位置の前記溶湯へ前記添加材のワイヤーを送り出す。

（４）前記（３）に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
前記添加材供給工程では、前記溶湯の上面から前記ワイヤーを添加することにより、前記溶湯に、前記添加材供給位置から前記溶湯の深層に向かう成分を含む対流を形成する。

（５）前記（１）～（４）の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
前記精錬工程では、前記ハースにおける前記溶湯のうち前記添加材供給位置を避けた位置へ温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射する。

（６）前記（１）～（５）の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
前記添加材供給工程では、前記添加材へ電子ビームまたはプラズマを照射することで前記添加材を溶融状態で前記溶湯へ向けて落下させる。

（７）前記（１）～（６）の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
前記添加材供給工程では、前記ハースから前記鋳型への前記溶湯の供給速度に応じた添加速度で前記添加材を添加する。

（８）前記（１）～（７）の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
前記添加材供給工程では、前記鋳型における前記溶湯に前記添加材を供給し、
前記鋳造工程では、前記鋳型に供給された前記溶湯を電磁的に攪拌する。

（９）チタン含有原料を供給するチタン含有原料供給部と、
前記チタン含有原料供給部から供給された前記チタン含有原料の溶融物を含む溶湯が排出される溶湯出口を含み、前記溶湯が前記溶湯出口へ向かう所定の主流れ方向に沿って流れるように構成され、前記主流れ方向の上流側領域に設定された原料供給位置から前記チタン含有原料供給部によって前記チタン含有原料を供給されるように構成され、且つ、前記溶湯が前記溶湯出口まで進行する過程で前記溶湯を精錬するハースと、
前記精錬された溶湯が充填される鋳型と、
前記ハースにおける前記溶湯、および、前記鋳型における前記溶湯の少なくとも一方に、アルミニウム、および、スズの少なくとも一方を含む添加材を供給する添加材供給部と、
を備え、
前記ハースにおける前記溶湯への添加材供給位置が、前記主流れ方向において前記上流側領域よりも下流の領域としての、前記ハースの下流側領域に設定され、この下流側領域は、前記主流れ方向に関して、前記ハースにおける前記溶湯の経路の上流側端部を始点とし前記溶湯出口を終点としたとき、前記始点から前記ハースにおける前記溶湯の経路長の５０％離隔した位置から前記終点までの間の領域である、チタン合金鋳塊の製造装置。

（１０）前記（９）に記載のチタン合金鋳塊の製造装置であって、
前記添加材供給部は、前記添加材供給位置の前記溶湯へ前記添加材のワイヤーを送り出す。

（１１）前記（１０）に記載のチタン合金鋳塊の製造装置であって、
前記添加材供給部は、前記溶湯の上面から前記ワイヤーを添加することにより、前記溶湯に、前記添加材供給位置から前記溶湯の深層に向かう成分を含む対流を形成する。

（１２）前記（９）～（１１）の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造装置であって、
前記ハースにおける前記溶湯のうち前記添加材供給位置を避けた位置へ温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射する溶湯温度調整部をさらに備える。

（１３）前記（９）～（１２）の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造装置であって、
前記添加材供給部は、前記ハースから前記鋳型への前記溶湯の供給速度に応じた添加速度で前記添加材を添加する。

本発明により、化学組成がより正確かつ均一なチタン合金鋳塊を製造することができる。

図１は、本発明に係るチタン合金鋳塊の製造装置を模式的に示す説明図である。 図２（Ａ）は、図１の第２ハースにおける添加材付近の一部断面図である。図２（Ｂ）は、図１の鋳型における添加材付近の一部断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るチタン合金鋳塊の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図４（Ａ）は、図１の第２ハースにおける添加材付近の変形例の一部断面図である。図４（Ｂ）は、図１の鋳型における添加材付近の変形例の一部断面図である。

図１を参照しながら、本発明を説明する。以降の説明では、化学組成に関する「％」は特に断りがない限り「質量％」を意味する。
１．本発明に係る製造装置

図１は、本発明に係るチタン合金鋳塊５２の製造装置１を模式的に示す説明図である。図２（Ａ）は、図１の第２ハース６における添加材５４付近の一部断面図である。図２（Ｂ）は、図１の鋳型８における添加材５４付近の一部断面図である。

図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して説明する。製造装置１は、原料供給部２と、電子ビームまたはプラズマ照射部（以下、単に「照射部」という）３，９，１０と、第１ハース４、湯道５および第２ハース６を有するハース７と、鋳型８と、添加材供給部１１，１２と、を有している。

照射部３，９，１０が電子ビームを照射する構成の場合、製造装置１の各部２～１２は、真空雰囲気下に置かれ、これらの照射部３，９，１０は、電子ビームガン等の公知の電子ビーム発生装置を有している。また、照射部３，９，１０がプラズマを照射する構成の場合、製造装置１の各部２～１２は、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下に置かれ、これらの照射部３，９，１０は、公知のプラズマ発生装置を有している。

ハース７は、原料５０の溶湯５１が排出される溶湯出口７ａを有している。ハース７は、この溶湯出口７ａへ向けて溶湯５１を流すように構成されている。ハース７は、溶湯５１が溶湯出口７ａまで進行する過程で溶湯５１を精錬する。溶湯５１は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）において、ドットハッチングで示されている。

原料供給部２は、チタン源である原料５０（チタン含有原料）を供給する。原料供給部２は、原料５０が載せ置かれる台座２ａと、この台座２ａから原料５０を第１ハース４へ投入する投入装置２ｂと、を有している。この投入装置２ｂは、原料５０を押し出すこと等により、原料５０を第１ハース４に投入する。原料５０を、照射部３による原料５０の溶解速度に応じた供給速度で供給することが好ましい。

原料５０はチタンブリケットであることが望ましいが、チタンのスクラップ等を混在させてもよい。なお、チタンブリケットとは、スポンジチタン等のチタン原料をプレス加工して、特定の形状に成型したものである。

原料供給部２および照射部３は、原料５０を第１ハース４の上方から第１ハース４に連続的に供給しながら電子ビームまたはプラズマで連続的に溶解し、第１ハース４へ、チタン含有原料の溶融物を含む溶湯５１を供給することが好ましい。これにより、第１ハース４における溶湯５１の温度をチタン合金鋳塊５２の製造時に安定させることができる。その結果、第２ハース６に供給される溶湯５１の温度もチタン合金鋳塊５２の製造時に安定させることができる。なお、原料供給部２は、原料５０を間欠的に第１ハース４へ供給してもよい。また、照射部３は、原料５０に電子ビームまたはプラズマを間欠的に照射してもよい。原料５０は、照射部３によって溶解されずに溶湯５１へ投入されてもよい。原料５０の化学成分は、必ずしも工業用純チタンである必要はなく、アルミニウムやアルミニウム以外の合金元素を含んでいてもよい。

原料供給部２は、原料５０を、照射部３による原料５０の溶解速度に応じた供給速度で、供給することが望ましい。原料供給部２から第１ハース４への原料供給位置Ａ１の詳細は、後述する。

照射部３は、前述したように、第１ハース４へ供給された原料５０に電子ビームまたはプラズマを照射することにより原料５０を溶解する。照射部３に加えて、照射部９が設けられていることが好ましい。照射部９は、第１ハース４、および、第２ハース６を流れる溶湯５１の上面５１ａに、溶湯５１の温度調整用の電子ビームまたはプラズマを走査しながら照射するために設けられる。本実施形態では、第１ハース４に向けて電子ビームまたはプラズマを照射する照射部９が１基配置されている。また、第２ハース６に向けて電子ビームまたはプラズマを照射する照射部９が、２基配置されている。

照射部９により電子ビームまたはプラズマを照射された原料５０が溶解されることで形成された溶湯５１は、第１ハース４に収容される。この溶湯５１が一定量以上第１ハース４に満たされると、溶湯５１は湯道５を介して第２ハース６に注がれる。第２ハース６は、第１ハース４から流入する溶湯５１の一部を冷却し、この第２ハース６の底部３５にスカル５３を形成しながら、残部の溶湯５１を鋳型８へ流す。

このように、溶湯５１は、第１ハース４、湯道５、第２ハース６の順に流れ、第２ハース６の溶湯出口７ａから鋳型８へ流入する。

第１ハース４は、平面視で細長い矩形状に形成されており、当該第１ハース４における溶湯５１の主流れ方向Ｄの一種である第１主流れ方向Ｄ１を長手方向として細長く延びている。第１ハース４は、原料５０が投入され原料５０を溶解する溶解ハースとして設けられている。

第１ハース４は、上流壁２１と、下流壁２２と、一対の第１側壁２３，２４と、底部２５と、を有している。

上流壁２１は、ハース７における溶湯５１の主流れ方向Ｄの上流側端部に配置された、鉛直方向に延びる壁である。下流壁２２は、上流壁２１と間隔をあけて平行に延び且つ鉛直方向に延びる壁であり、第１ハース４における第１主流れ方向Ｄ１の下流型端部に配置されている。

一対の第１側壁２３，２４は、第１主流れ方向Ｄ１に沿って互いに平行に延びており、且つ、鉛直方向に延びる壁である。各第１側壁２３，２４は、上流壁２１および下流壁２２に接続されている。他方の第１側壁２４のうち、下流壁２２に隣接する箇所は、上端側の一部が切り欠かれた形状を有しており、この切り欠かれた部分が、湯道５を形成している。

底部２５は、水平に延びる壁であり、上流壁２１、下流壁２２、および、一対の第１側壁２３，２４の下端部に接続されており、これら上流壁２１、下流壁２２、および、一対の第１側壁２３，２４と協働して、溶湯５１が溜められる第１溶湯プールを形成している。

湯道５は、溶湯５１を第１ハース４から第２ハース６へ送るために設けられている。本実施形態では、湯道５は、他方の第１側壁２４の切り欠き部分における一側面２４ｂおよび下面２４ｃと、この一側面２４ｂに対向する箇所における下流壁２２の内側面２２ａと、によって形成されている。湯道５の出口における溶湯５１の主流れ方向Ｄは、他方の第１側壁２４の内側面２４ｂと、下面２４ｃと、下流壁３２の内側面２２ａと、によって規定されている。この主流れ方向Ｄは、本願実施形態では、内側面２２ａ，２４ｂが延びる方向と平行な方向であり、主流れ方向Ｄの一種としての第２主流れ方向Ｄ２である。

第２ハース６は、第１ハース４から流入した溶湯５１の一部を冷却凝固させることで溶湯５１の下方にスカル５３（溶湯５１が急冷されて直ちに凝固した薄い凝固層）を形成し、溶湯５１の残部を溶湯出口７ａへ流す精錬ハースとして設けられている。第２ハース６は、第１ハース４からの流入した溶湯５１を鋳型８に供給する機能を有する。

第２ハース６は、平面視で細長い矩形状に形成されており、当該第２ハース６における溶湯５１の主流れ方向Ｄの一種である第３主流れ方向Ｄ３を長手方向として細長く延びている。本実施形態では、第１ハース４の長手方向（第１主流れ方向Ｄ１）と第２ハース６の長手方向（第３主流れ方向Ｄ３）とは、平行である。

第２ハース６は、上流壁３１と、下流壁３２と、一対の第２側壁３３，３４と、底部３５と、溶湯出口７ａと、を有している。

上流壁３１は、第２ハース６における溶湯５１の主流れ方向Ｄの上流側端部に配置され、第２主流れ方向Ｄ２と平行な方向および鉛直方向に延びる壁である。上流壁３１の内側面３１ａは、本実施形態では、湯道５の内側面２４ｂと同一平面上に配置されている。下流壁３２は、上流壁３１と間隔をあけて平行に延び且つ鉛直方向に延びる壁であり、第２ハース６における主流れ方向Ｄ（第３主流れ方向Ｄ３）の下流型端部に配置されている。

一対の第２側壁３３，３４は、第３主流れ方向Ｄ３に沿って互いに平行に延びており、且つ、鉛直方向に延びる壁である。一方の第２側壁３３は、上流壁３１および下流壁３２に接続されている。この一方の第２側壁３３のうち、主流れ方向Ｄの上流側端部は、下流壁２２の一部であるとともに他方の第１側壁２４の一部でもあり、湯道５に接続されている。また、一方の第２側壁３３のうち、第３主流れ方向Ｄの下流側端部に溶湯出口７ａが設けられている。他方の第２側壁３４は、上流壁３１および下流壁３２に接続されている。

溶湯出口７ａは、本実施形態では、一方の第２側壁３３と下流壁３２との接続部付近に形成されている。この溶湯出口７ａは、例えば、一方の第２側壁３３の上端部の一部を切り欠くようにして形成されている。溶湯出口７ａは、一方の第２側壁３３の切り欠き部分の一側面３３ｂと、切り欠き部分の上面３３ｃと、下流壁３２の内側面３２ａと、によって形成されている。溶湯５１は、溶湯出口７ａから、第２方向Ｄ２とは平行で且つ第２方向Ｄ２とは反対の第４方向Ｄ４に向けて流れることで、鋳型８のキャビティに導入される。

底部３５は、概ね水平に延びる壁であり、上流壁３１、下流壁３２、および、一対の第２側壁３３，３４のそれぞれの下端部に接続されている。底部３５は、これら上流壁３１、下流壁３２、および、一対の第２側壁３３，３４と協働して、溶湯５１が溜められる第２溶湯プールを形成している。

上記の構成により、溶湯５１は、湯道５から第２方向Ｄ１に沿って流動することで、第２ハース６に流入する。この溶湯５１は、第２ハース６の他方の第２側壁３４の内側面３４ａへ向かって流れ、この内側面３４ａに受けられる。これにより、溶湯５１の主流れ方向Ｄは、第２ハース６の長手方向、すなわち、第２方向Ｄ２と直交（交差）する第３方向Ｄ３に変わる。第３方向Ｄ３へ向きを変えた溶湯５１は、第３方向Ｄ３に沿って下流壁３３に向けて進む。そして、下流壁３３付近に到達した溶湯５１は、第４方向Ｄ４へ向きを変えて流れ、溶湯出口７ａ、すなわち鋳型８への供給口に向かって流れる。

上記の構成により、ハース７には、溶湯領域１３が形成されている。溶湯領域１３とは、平面視においてハース７に溶湯５１が存在している領域をいう。溶湯領域１３は、本実施形態では、平面視においてハース７の内側面によって形成されており、より具体的には、第１ハース４の４つの側壁２１～２４の内側面２１ａ～２４ａと、湯道５の一対の側面２２ａ，２４ｂと、第２ハース６の４つの側壁３１～３４の内側面３１ａ～３４ａと、溶湯出口７ａの一対の側面３２ａ，３３ｂと、によって形成されている。

なお、本実施形態では、溶湯領域１３は、第１ハース４の上流壁２２の内側面２１ａにまで形成されているけれども、この通りでなくてもよい。例えば、第１ハース４の底部２５が、第１主流れ方向Ｄ１と反対方向に下流壁２２から上流壁２１側に進むに従い上方に向かうように（溶湯５１の深さが浅くなるように）構成されていてもよい。この場合、溶湯５１は、上流壁２１まで到達せず、上流壁２１の付近では底部２５が平面視で溶湯５１から露呈している場合がある。この場合、底部２５が露呈している領域は、溶湯領域１３ではない。

ハース７の溶湯領域１３において、溶湯５１は、溶湯出口７ａへ向かう所定の主流れ方向Ｄに沿って、溶湯出口７ａまで流れる。主流れ方向Ｄとは、溶湯５１が溶湯出口７ａへ向かうための流れ方向をいい、例えば、溶湯５１が局所的に渦を巻いているときのこの渦の流れ方向は含まないことを意味している。

本実施形態では、主流れ方向Ｄは、前述した第１主流れ方向Ｄ１と、第２主流れ方向Ｄ２と、第３主流れ方向Ｄ３と、第４主流れ方向Ｄ４と、を含んでいる。

第１主流れ方向Ｄ１は、第１ハース４において、溶湯５１が上流壁２１から下流壁２２へ流れるときの流れ方向をいう。第１主流れ方向Ｄ１は、一対の第１側壁２３，２４の内側面２３ａ，２４ａと平行な方向である。

第２主流れ方向Ｄ２は、湯道５における溶湯５１の流れ方向である。湯道５における溶湯５１の流れ方向は、湯道５の一対の側壁２２ａ，２４ｂと平行な方向であり、この方向が、第２主流れ方向Ｄ２である。第２主流れ方向Ｄ２は、本実施形態では、第１ハース４の下流壁２２の内側面２２ａと平行であるとともに、第２ハース６の上流壁３１の内側面３１ａと平行である。溶湯５１は、第１ハース４の下流壁２２付近、および、第２ハース６の上流壁３１付近のそれぞれにおいて、第２主流れ方向Ｄ２に沿って流れる。

第３主流れ方向Ｄ３は、第２ハース６において、溶湯５１が上流壁３１から下流壁３２へ向かって流れるときの流れ方向をいう。第３主流れ方向Ｄ３は、一対の第２側壁３３，３４の内側面３３ａ，３４ａと平行な方向である。

第４主流れ方向Ｄ４は、溶湯出口７ａにおける溶湯５１の流れ方向である。溶湯出口７ａにおける溶湯５１の流れ方向は、溶湯出口７ａの一対の側壁２２ａ，２４ｂと平行な方向であり、この方向が、第４主流れ方向Ｄ４である。第４主流れ方向Ｄ４は、本実施形態では、第２ハース６の下流壁２２の内側面２２ａと平行である。溶湯５１は、第２ハース６の下流壁３２付近、および、溶湯出口７ａのそれぞれにおいて、第４主流れ方向Ｄ４に沿って流れる。

本実施形態では、溶湯領域１３における溶湯５１の経路長Ｂ（図示はせず）は、ハース７における代表的な経路Ｃ（中心経路）での溶湯５１の移動量で定義される。具体的には、経路Ｃは、第１領域Ｃ１と、第２領域Ｃ２と、第３領域Ｃ３と、第４領域Ｃ４と、を有している。

第１領域Ｃ１は、第１ハース４において、第１主流れ方向Ｄ１に沿って溶湯５１が流れる領域であり、且つ、第１側壁２３，２４の内側面２３ａ，２４ａ間の中央位置の領域である。本実施形態では、第１領域Ｃ１の一端（起点）は、上流壁２１の内側面２１ａにおける中央位置（内側面２３ａ，２４ａから等距離の位置）に配置されている。第１領域Ｃ１の下流端（終点）は、第２領域Ｃ２との接続点、すなわち、第２領域Ｃ２の上流端に配置されている。第２領域Ｃ２は、第２主流れ方向Ｄ２に沿って溶湯５１が流れる領域であり、一対の内側面２２ａ，２４ｂ間の溶湯５１の中央位置の領域、および、当該領域から第２主流れ方向Ｄ２に延びた領域である。第２領域Ｃ２の一端（上流端）は、第１領域Ｃ１のうち第１主流れ方向Ｄ１の下流端に接続されている。また、第２領域Ｃ２の他端（下流端）は、第３領域Ｃ３のうち第３主流れ方向Ｄ３の上流端に接続されている。

第３領域Ｃ３は、第２ハース６において、第３主流れ方向Ｄ３に沿って溶湯５１が流れる領域であり、且つ、第２側壁３３，３４の内側面３３ａ，３４ａ間の中央位置の領域である。第４領域Ｃ４は、第４主流れ方向Ｄ４に沿って溶湯５１が流れる領域であり、溶湯出口７ａ付近における一対の側面３２ａ，３３ｂ間の中央位置の領域、および、当該領域から第４主流れ方向Ｄ４に延びた領域である。第４領域Ｃ４の一端（上流端）は、第３領域Ｃ３のうち第３主流れ方向Ｄ３の下流端に接続されている。また、第４領域Ｃ４の他端（下流端）は、第４主流れ方向Ｄ４における溶湯出口７ａの先端に位置している。

なお、ハース７における溶湯５１の移動速度は、毎時数百ｍｍ程度の極めて小さな値である。ここでは、各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の互いの接続部は、図１に示すように直角であると仮定した。実際の溶湯５１の流れは、直角ではなく緩やかなカーブとなるが、溶湯５１の流速が遅いため、溶湯５１の流れる方向は各部分において付近の側面と平行に近くなる。よって、領域Ｃ１から領域Ｃ４を経て終点に至る経路Ｃは、実際の溶湯５１の流れとそれほど大きな乖離はないといえる。

上述の構成において、溶湯領域１３では、主流れ方向Ｄの上流側領域１４、および、下流側領域１５が規定されている。

上流側領域１４および下流側領域１５は、主流れ方向Ｄに関して、ハース７における溶湯５１の経路Ｃの上流側端部を始点Ｃｓとし経路Ｃの下流側端部（溶湯出口７ａ）を終点Ｃｅとしたときの経路Ｃに沿った経路長Ｂを基準に設定されている。始点Ｃｓは、主流れ方向Ｄ（第１主流れ方向Ｄ１）における溶湯領域１３の最も上流側端部の位置である。終点Ｃｅは、主流れ方向Ｄ（第４主流れ方向Ｄ４）における溶湯領域１３の最も下流側端部の位置である。経路長Ｂは、経路Ｃに沿って始点Ｃｓから終点Ｃｅまで進んだときの距離であるともいえる。

上流側領域１４は、主流れ方向Ｄに関して、始点Ｃｓから、ハース７における溶湯５１の経路長Ｂの５０％の位置までの間の領域である。図１に示した例においては、上流側領域１４は、溶湯領域１３のうちの第１ハース４内の領域にすべて含まれる。下流側領域１５は、主流れ方向Ｄに関して、始点Ｃｓから経路長Ｂの５０％離隔した位置から終点Ｃｅまでの間の領域である。下流側領域１５は、溶湯領域１３のうち、第１ハース４のうち下流壁２４ａ付近の領域と、湯道５の全領域と、第２ハース６の全領域と、を含んでいる。

本実施形態では、上流側領域１４に、原料供給部２から原料５０を供給される原料供給位置Ａ１が設定されている。原料供給位置Ａ１は、始点Ｃｓから経路Ｃに沿って経路長Ｂの例えば１０％進んだ位置に設定されている。原料供給位置Ａ１において、原料５０は、原料供給部２から固体のままで、または、照射部３から電子ビームまたはプラズマ照射されて液状となって、溶湯領域１３に供給される。通常は、原料供給位置Ａ１は、第１ハース４内の経路長Ｂを長く確保するために始点Ｃｓに近い位置であることが望ましい。

製造装置１は、ハース７のうち、第２ハース６を流れる溶湯５１、および、鋳型８に供給された溶湯５１の少なくとも一方に、添加材５４を添加する添加材供給部１１，１２を有している。

添加材５４は、チタンに添加されチタン合金鋳塊５２の一部を構成する金属元素を含む。添加材５４は主として、チタンの蒸気圧よりも高い蒸気圧を有する金属元素を含んでいる。具体的には、添加材５４は、アルミニウム、および、スズの少なくとも一方を含んでいる。添加材５４がアルミニウムを含む場合、チタン合金鋳塊５２として、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖのチタン合金鋳塊を例示できる。添加材５４がアルミニウム、および、スズの双方を含んでいる場合、チタン合金鋳塊５２として、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ－２Ｓｎのチタン合金鋳塊を例示できる。また、添加材５４がスズを含む場合、チタン合金鋳塊５２として、Ｔｉ－１１．５Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎのチタン合金鋳塊を例示できる。本実施形態では、断面多角形形状または断面円形状のワイヤーに形成された添加材５４が、溶湯５１に添加される。添加材５４が溶湯５１に添加されて溶解されることで、添加材５４は、添加金属となる。

本実施形態では、チタン合金鋳塊５２における添加金属元素の割合は、数％程度と比較的大きく、鉄（Ｆｅ）の精錬におけるアルミニウム等の添加量（数～数百ｐｐｍ程度）と比べて極めて大きい。よって、本製造装置１における添加材５４の添加の態様は、鉄の精錬における添加材の添加の態様とは大きく異なる。

添加材供給部１１は、溶湯領域１３の下流側領域１５に設定された添加材供給位置Ｂ１に添加材５４を送り出す。添加材供給部１２は、鋳型８のキャビティ８ａに設定された添加材供給位置Ｂ２に添加材５４を送り出す。

添加材供給部１１は、下流側領域１５内に設定された添加材供給位置Ｂ１に、添加材５４を供給する。添加材供給部１１は、溶湯５１へ、添加材５４を連続的に添加することが好ましい。

添加材供給位置Ｂ１が上流側領域１４であると、添加材５４が投下されてから溶湯が鋳型８に流入するまでの時間が長く、添加金属の蒸発量が増加してしまう。より具体的には、ハース７における溶湯５１の温度は、約１７００度と極めて高温であり、大気圧でのチタンの融点に近い温度である。一方、大気圧でのアルミニウムの融点は約６６０度、大気圧でのスズの融点は約２３２度と、添加材５４の融点は相対的に低い値である。そして、ハース７における溶湯５１の温度は、チタンの融点より僅かに高い程度のためチタンの蒸気圧は比較的低く、チタンはあまり蒸発しない。一方、ハース７における溶湯５１の温度は、アルミニウムおよびスズのそれぞれの融点から大きく離れた温度であるので、添加金属がアルミニウムおよびスズの場合、添加金属の蒸気圧が高く、添加金属が蒸発し易い。特に真空雰囲気下では添加金属の蒸発が進む。よって、溶湯５１の上流側領域１４で添加材５４を添加すると、ハース７における溶湯５１からの添加金属の蒸発量が多くなってしまう。本実施形態では、ハース７への添加材供給位置Ｂ１を下流側領域１５に設定することにより、添加材５４が添加されてからの溶湯５１の流路を短くすることで、添加金属の蒸発量を抑制している。

本実施形態においては、添加材５４の代表的な例として、工業用純アルミニウム等を用いる。工業用純アルミニウムとして、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｈ ４０００（２０１４）およびＪＩＳ Ｈ ４０４０（２０１５）では純度９９．０％以上のものが工業用純アルミニウムとして規定されている。本発明を実施するうえでは、添加材５４の純度が高いほうが望ましいが、純度が高い添加材５４は価格も高く、コスト増につながりうる。一般的には、添加目的である金属元素を８５%以上含むものであれば、本実施形態の添加材５４として利用することができる。これは、アルミニウムを添加する場合のみならず、スズを添加する場合にもあてはまる。

例えば、原料５０に添加金属が含まれていてもよい。この場合であっても、添加材供給部１１，１２からの添加材５４の供給量を調整することで、チタン合金鋳塊５２における添加金属の割合を所望の値にすることができる。

本実施形態では、ハース７への添加材供給位置Ｂ１は、第２ハース６に設定されている。添加材供給位置Ｂ１は、主流れ方向Ｄが第２主流れ方向Ｄ２から第３主流れ方向Ｄ３へ移行を完了した位置に設置されていることが好ましい。すなわち、第２ハース６のうち、溶湯５１の主流れ方向Ｄが第２主流れ方向Ｄ２から第３主流れ方向Ｄ３へ変化する流れ方向変化領域を避けた位置に添加材供給位置Ｂ１を設定することが、好ましい。これにより、第３領域Ｃ３の周囲の溶湯５１について、一方の第２側壁３３側の部分および他方の第２側壁３４側の部分のそれぞれにおける添加金属の拡散の度合いを、より均等にできる。

また、本実施形態では、鋳型８への添加材供給位置Ｂ２は、鋳型８のキャビティのうち、平面視で略中央の位置に設定されている。これにより、鋳型８のキャビティ内の溶湯５１のうち、最も熱量の高い箇所に添加金属を供給することができる。よって、添加金属を、鋳型８内の溶湯５１の各部へより均等に拡散できる。

なお、本実施形態では製造装置１は添加材供給部１１および１２の両方を備えるが、本発明はこれに限られない。添加材供給部１１のみを備え、ハース７にのみ添加材５４を供給する製造装置、および、添加材供給部１２のみを備え、鋳型８にのみ添加材５４を供給する製造装置、のいずれも本発明に含まれる。さらに、添加材供給部１１，１２は、添加材５４を同時に、対応するハース７および鋳型８へ供給してもよい。

添加材供給部１１は、例えば、ワイヤー状の添加材５４を巻き付けたリール１１ａと、リール回転用のモーター１１ｂと、リール１１ａの回転速度を測定する速度計（図示せず）と、を有している。また、添加材供給部１２は、例えば、添加材５４を巻き付けたリール１２ａと、リール回転用のモーター１２ｂと、リール１２ｂの回転速度を測定する速度計（図示せず）と、を有している。このように、添加材供給部１１，１２は、添加材供給位置Ｂ１，Ｂ２の溶湯５１へ添加材５４をワイヤーとして送り出すワイヤー送出部である。

なお、本実施形態では、ワイヤーの添加材５４を用いる形態を例に説明するけれども、この通りでなくてもよい。添加材５４の形状として、塊状、板状、片状、箔状、棒状、および、管状を例示できる。

リール１１ａ，１２ａは、それぞれ、例えば、水平な軸線回りを回転可能にブラケット（図示せず）等によって回転可能に支持されており、上記軸線回りの一方向に回転することで、添加材５４を溶湯５１へ向けて送り出す。モーター１１ｂ，１２ｂは、電動モーターまたは油圧モーター等のモーターであり、リール１１ａ，１２ａを上記軸線回りに回転駆動する。上記の速度計は、例えば、レゾルバ等のモーター回転位置検出素子を含んでいる。モーター１１ｂ，１２ｂおよび速度計は、ＣＰＵ等の演算装置を含む図示しない制御部に接続されている。リール１１ａ、１２ｂからの添加材５４の添加速度（供給速度）は、鋳型８への溶湯５１の単位時間当たりの供給速度に合わせた値となるよう、制御部（図示せず）の制御などによって設定される。この添加速度は、鋳型８における溶湯５１の添加金属濃度が所定の値を維持されるように、決定される。このように、添加材供給部１１，１２は、ハース７から鋳型８への溶湯５１の供給速度に応じた添加速度で添加材５４を溶湯５１へ添加する。

なお、リール１１ａ，１２ａからの添加材５４の添加速度は、制御部によってリアルタイムで制御されてもよいし、シーケンス回路によって事前に設定されていてもよい。

前述したように、照射部９は、第２ハース６を流れている溶湯５１に電子ビームまたはプラズマを照射する。この照射部９は、本発明の「溶融温度調整部」の一例であり、ハース７における溶湯５１のうち、添加材供給位置Ｂ１を避けた位置へ、温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射することが好ましい。すなわち、本実施形態では、照射部９は、添加材５４へは電子ビームまたはプラズマを照射しないように構成されている。

添加材供給部１１，１２は、溶湯５１の上面５１ａからワイヤーの添加材５４を添加する。これにより、添加材５４は、リール１１ａ，１２ａの回転速度に応じた速度で溶湯５１内に進入する。その結果、溶湯５１に、添加材供給位置Ｂ１，Ｂ２から溶湯５１の深層に向かう成分Ｅ１を含む対流Ｅが形成される。この対流Ｅは、溶湯５１の底部側から上面５１ａ側に向かう成分Ｅ２も含んでいる。これにより、添加材供給位置Ｂ１，Ｂ２の周囲において、溶湯５１内を上下に循環する対流Ｅが形成される。この対流Ｅは、添加材５４が固体または略固体の状態で溶湯５１に投入されることで溶湯５１を機械的に撹拌できることで生じ、また、溶湯５１の温度と比べて低温の添加材５４が溶湯５１に投入されることによる溶湯５１内での温度差によっても生じる。

また、添加材５４が固体または略固体の状態で溶湯５１に投入されることで、溶湯５１内へ蒸発することなく投入される添加材５４の割合をより多くできる。これにより、チタン合金鋳塊５２の成分調整をより正確にできる。

上述の説明では、第２ハース６を流れる溶湯５１への添加材５４の添加位置は、１箇所である構成を説明したけれども、この通りでなくてもよい。例えば、添加材供給部１１を複数設け、添加材供給位置Ｂ１を複数箇所としてもよい。また、添加材供給部１２を複数設け、鋳型８のキャビティ内の溶湯５１への添加材供給位置Ｂ２を複数箇所としてもよい。これにより、溶湯５１へ添加金属をより均等に拡散することができる。

照射部１０は、前述した、鋳型８のキャビティ８ａ内における溶湯５１へ電子ビームまたはプラズマを照射する。この照射部１０は、電子ビーム１０ａを照射するとともに、電子ビーム１０ａを鋳型８のキャビティ８ａ内における溶湯５１の上面５１ａで走査することが好ましい。このとき、電子ビーム１０ａは、鋳型８内の溶湯５１の上面５１ａ上で所定の軌跡を描くように走査される。これにより、鋳型８に供給された溶湯５１に対流が生じ、この対流によって溶湯５１が撹拌される。なお、鋳型８のキャビティ８ａに、添加材供給部１２により添加材５４を添加する場合には、溶湯５１の成分の均質化のために電磁撹拌が望ましい。本実施形態においては、製造装置１が添加材供給部１２を備える場合には、製造装置１は、電磁撹拌部１６も併せて備える。

鋳型８は、第２ハース６から供給される溶湯を冷却して例えば円柱状のチタン合金鋳塊５２（インゴット）とする。

２．チタン合金鋳塊製造方法
図３は、本発明の一実施形態に係るチタン合金鋳塊５２の製造方法の一例を示すフローチャートである。図１～図３を参照して、チタン合金鋳塊５２の製造方法は、以下の工程を有する。

第１の工程は、チタン含有原料５０を供給するチタン含有原料供給工程（ステップＳ１）である。この工程では、ハース７における、上流側領域１４に設定された原料供給位置Ａ１へ、原料供給部２が原料５０を供給する。原料供給部２は、原料５０を、照射部３による原料５０の溶解速度に応じた供給速度で供給することが好ましい。チタン含有原料供給工程では、照射部３は、供給された原料５０に電子ビームまたはプラズマを照射することにより原料５０を溶解する。例えば、チタン含有原料供給工程で原料５０を連続して供給し、第２の工程（精錬工程）で原料５０を連続して溶解する構成が例示される。

第２の工程は、精錬工程（ステップＳ２）である。この精錬工程では、溶湯５１は、原料供給位置Ａ１から溶湯出口７ａまで進行する過程で精錬される。精錬工程では、第２ハース６は、第１ハース４から流入する溶湯５１の一部を冷却凝固し、第２ハース６の底部３５にスカル５３を形成しながら、残部の溶湯５１を流す。この精錬工程において、照射部９は、ハース７における溶湯５１のうち添加材供給位置Ｂ１を避けた位置へ温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射することにより、溶湯５１の温度を調整する。

製造装置１が添加材供給部１１を備える場合、精錬工程の中で、添加材供給工程Ａ（ステップＳ４Ａ）が行われる。なお、本実施形態では、添加材５４を供給する工程については、フローチャートでの位置にかかわらず、ステップＳ４（Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂ）として説明する。添加材供給工程Ａでは、第２ハース６での溶湯の流速に応じた添加速度で添加材５４が添加されることが好ましい。この添加材供給工程Ａでは、ハース７おける溶湯５１に、添加材供給部１１から、添加材供給位置Ｂ１へ、ワイヤーの添加材５４が供給される。添加材供給工程Ａでは、溶湯５１の上面５１ａから溶湯５１内へ添加材５４を添加する。これにより、溶湯５１に、添加材供給位置Ｂ１から溶湯５１の深層に向かう成分Ｅ１を含む対流Ｅが形成される。なお、後述するステップＳ４Ｂが行われる場合、ステップＳ４Ａは、省略されてもよい。

この精錬工程の後、精錬された溶湯５１が、溶湯出口７ａから排出されて鋳型８に充填される。すなわち、充填工程（ステップＳ３）が行われる。

製造装置１が添加材供給部１２を備える場合、充填工程に続いて、添加材供給工程Ｂ（ステップＳ４Ｂ）が行われる。添加材供給工程Ｂでは、第２ハース６から鋳型８への溶湯５１の供給速度に応じた添加速度で添加材５４が添加されることが好ましい。この添加材供給工程Ｂでは、鋳型８における溶湯５１に、添加材供給部１２から、添加材供給位置Ｂ２へ、ワイヤーの添加材５４が供給される。添加材供給工程Ｂでは、溶湯５１の上面５１ａから溶湯５１内へ添加材５４を添加する。これにより、溶湯５１に、添加材供給位置Ｂ２から溶湯５１の深層に向かう成分Ｅ１を含む対流Ｅが形成される。さらに添加材供給工程Ｂでは、鋳型８に併設された電磁撹拌部１６により、溶湯５１を電磁的に撹拌する。なお、ステップＳ４Ａが行われる場合、ステップＳ４Ｂは、省略されてもよい。

充填工程（ステップＳ３）および添加材供給工程Ｂ（ステップＳ４）に続いて、鋳造工程（ステップＳ５）が行われる。鋳造工程では、添加材５４が供給されたことで添加金属を含む、鋳型８における溶湯５１を冷却し、チタン合金鋳塊５２（インゴット）を形成する。

以上説明した、ハース７を用いたチタン合金鋳塊５２の製造にあたっては、チタン材料（原料５０）が溶解してから鋳型８で固化するまで、例えば１０時間以上の長時間を要するため、添加金属の蒸発量が多くなりやすい。さらに、原料５０の溶解から固化までの時間が一定でないために、チタン原料５０へ添加材５４を混入する手法の場合、添加金属の蒸発量を織り込んで添加材５４の添加量を調整したとしても、チタン合金鋳塊５２の組成の適正化および均質化は難しい。しかしながら、本実施形態では、添加金属の蒸発量を抑制するだけでなく、製造工程の進捗に合わせた添加量の調整を可能とすることで、チタン合金鋳塊５２における化学組成の適正化および均質化を実現できる。

また、本実施形態によると、ハース７の下流側領域１５における溶湯５１、および、鋳型８における溶湯５１の少なくとも一方に、添加材５４が供給される。このような構成によると、チタンと比べて溶湯５１内において蒸発し易い材料としての添加材５４を、溶湯５１から大量に蒸発する前に、チタン合金鋳塊５２に含ませることができる。これにより、溶湯５１から蒸発する添加金属量を低減でき、その結果、化学組成がより正確かつ均一なチタン合金鋳塊５２を製造できる。

また、本実施形態によると、ハース７における添加材供給位置Ｂ１は、第２ハース６に設定されている。この構成によると、精錬工程にある溶湯５１に、添加材５４を添加できる。精錬工程では、第２ハース６の底部３５に形成されるスカル５３が、ＷＣ等の高比重介在物(ＨＤＩ(High Density Inclusion))をトラップする。また、ＴｉＮ等の低比重介在物(ＬＤＩ(Low Density Inclusion))を、スカル５３のうち溶湯５１の上面５１ａの近傍部分がトラップする。さらに精錬工程では、溶湯上面５１ａに照射される電子ビームがＬＤＩを溶解する。添加材５４の添加された後の溶湯５１をさらに精錬することにより、ＨＤＩおよびＬＤＩ等の介在物がより少なく、且つ、添加金属の濃度のばらつきの少ないチタン合金鋳塊５２を得ることができる。

また、本実施形態によると、添加材５４は、ワイヤーの状態で溶湯５１へ向けて供給される。この構成によると、添加材５４を溶解させ易い態様で、溶湯５１へ供給できる。

また、本実施形態によると、溶湯５１の上面５１ａからワイヤーの添加材５４を溶湯５１へ添加することにより、溶湯５１に、添加材供給位置Ｂ１，Ｂ２から溶湯５１の深層に向かう成分Ｅ１を含む対流Ｅが形成される。この構成によると、添加材供給位置Ｂ１，Ｂ２の付近において、添加金属とチタンとの撹拌が促進され、溶湯５１において添加金属をより均等に拡散できる。

また、本実施形態によると、照射部９は、ハース７における溶湯５１のうち添加材供給位置Ｂ１を避けた位置へ温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射する。これにより、添加材５４は、ワイヤーの状態のまま溶湯５１へ進入することができる。このようにすることで、添加材５４を溶解して液体で溶湯５１に添加した場合に比べ、対流Ｅを強く形成することができ、添加金属の拡散を促進することができる。

また、本実施形態によると、ハース７から鋳型８への溶湯５１の供給速度に応じた添加速度で、添加材５４が溶湯５１へ添加される。この構成によると、溶湯５１中の添加金属の濃度変動を抑制できる。その結果、チタン合金鋳塊５２における添加金属の濃度のばらつきをより確実に抑制できる。

また、本実施形態によると、鋳型８のキャビティ８ａ内へ添加材供給位置Ｂ２から添加材５４が供給される場合、照射部１０の電子ビーム１０ａによって、キャビティ８ａ内の溶湯５１が電磁的に撹拌される。この構成によると、鋳型８のキャビティ８ａ内へ添加された添加金属を、ハース７における溶湯５１の流動作用を利用することなく、溶湯５１へより均等に拡散できる。

以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明は、請求の範囲に記載の範囲内において、種々の変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では、照射部９，１０が、添加材供給位置Ｂ１，Ｂ２を避けた位置へ温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射する形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。例えば、変形例の主要部を示す図４（Ａ）および図４（Ｂ）を参照して、添加材供給工程Ａ，Ｂ（ステップＳ４）において、添加材供給位置Ｂ１，Ｂ２の少なくとも一方において、添加材５４へ電子ビームまたはプラズマを照射することで、添加材５４を溶融させて添加金属の状態で溶湯５１へ向けて落下させてもよい。

この場合、対応する照射部９，１０からの電子ビームまたはプラズマは、添加材５４のうち、対応するリール１１ａ，１２ａから送り出された先の箇所Ｂ１１，Ｂ２１（溶湯５１の上方の箇所Ｂ１１，Ｂ２１）へ照射される。これにより、添加材５４が溶湯５１に接触する直上で、添加材５４を液滴状態（溶融した添加金属の状態）で溶湯５１に向けて落下させることができる。溶湯５１の上方の箇所Ｂ１１，Ｂ２１として、溶湯５１の上面５１ａからの鉛直方向距離Ｆ１，Ｆ２が０～５ｍｍの位置を例示できる。

この変形例によると、添加材５４を液滴の状態で溶湯５１に添加すると、添加金属が溶湯５１へ迅速に拡散し、添加材５４の添加に起因する溶湯５１の温度低下を抑制できる。さらに、溶湯５１へ添加された添加金属が溶湯５１の上面５１ａ（湯面）で薄皮状に存在すること（皮張り）を防止できる。このため、化学組成がより正確且つ均一なチタン合金鋳塊５２をより確実に製造できる。

本発明の効果を確認するため、図１に示す製造装置１を用いて、以下に示す試験を実施して、その結果を評価した。

（１）溶解および鋳造条件
溶湯成分：Ｔｉ－６．４％Ａｌ－４．２％Ｖ
溶湯温度：１７００℃（第２ハース６内の溶湯温度）
鋳型８の寸法：内径６５０ｍｍ
溶解量：１００００ｋｇ

溶解速度：１０００ｋｇ／時間
ハース：第１ハース４および第２ハース６の２種類
第１ハース４の寸法：幅５００ｍｍ×長１５００ｍｍ×深１００ｍｍ
第２ハース６の寸法：幅５００ｍｍ×長１０００ｍｍ×深１００ｍｍ

溶解原料５０：スポンジチタン（工業用純チタン）またはチタン合金の直径１００ｍｍ×長２００ｍｍのブリケット
溶解原料５０の溶解方法：ブリケットを溶解速度に合わせて連続供給

照射部３：原料５０の溶解用１基
照射部９：第１ハース４用１基、第２ハース６用２基、
照射部１０：鋳型８用１基
照射部３，９，１０の合計５基
添加材５４：工業用純アルミニウムのワイヤー

アルミニウムの添加方法：
添加材５４の添加に際しては、添加材供給部１１，１２を使用。チタン合金鋳塊５２におけるアルミニウム濃度が６．４％になるように、添加材５４の添加速度を変化させた。

添加材５４の供給位置：
比較例１：添加材供給部１１，１２による添加材５４の添加無し。原料５０に、６．４％のアルミニウムを添加した。
比較例２：添加材供給部１１により、第１ハース４のうち経路長Ｂの０％の位置（始点Ｃｓ）にて添加材５４を添加。
比較例３：添加材供給部１１により、主流れ方向Ｄにおける第１ハース４の略中央である経路長Ｂの２５％の位置にて添加材５４を添加。
実施例１：添加材供給部１１により、主流れ方向Ｄにおける第１ハース４の下流側部分である経路長Ｂの５０％の位置にて添加材５４を添加。
実施例２：添加材供給部１１により、主流れ方向Ｄにおける第２ハース６の上流側部分である経路長Ｂの７０％の位置にて添加材５４を添加。
実施例３：添加材供給部１１により、主流れ方向Ｄにおける第２ハース６の略中央部分である経路長Ｂの８０％の位置にて添加材５４を添加。
実施例４：添加材供給部１１により、主流れ方向Ｄにおける第２ハース６の下流側部分である経路長Ｂの９０％の位置にて添加材５４を添加。
実施例５：添加材供給部１１により、主流れ方向Ｄにおける第２ハース６の略中央部分である経路長Ｂの８０％の位置に添加材５４を添加。さらに添加材供給部１２により、鋳型８のキャビティ８ａにて添加材５４を添加。鋳型８内部では、電磁撹拌を行う。
実施例６：添加材供給部１２により、鋳型８のキャビティ８ａにて添加材５４を添加。鋳型８内部では、電磁撹拌を行う。
実施例７：添加材供給部１２により、鋳型８のキャビティ８ａにて添加材５４を添加。鋳型８内部での電磁撹拌を行わない。
実施例８：添加材供給部１１により、主流れ方向Ｄにおける第２ハース６の略中央部分である経路長Ｂの８０％の位置にて添加材５４を添加。電子ビームは、添加材供給位置Ｂ１を避けておらず、添加材ワイヤーがビーム照射により添加直前に溶解されることがある。

（２）評価
チタン合金鋳塊５２におけるアルミニウムの濃度を分析した。具体的には、約７０００ｍｍ長のチタン合金鋳塊５２の下端から１００ｍｍ間隔でチタン合金鋳塊５２の上端までのそれぞれの高さ位置において、鋳塊表面から３０ｍｍ進んだ位置から切粉を採取した。これらの約７０の分析結果におけるアルミニウム濃度について、平均値と、平均値からの差の最大値と、を求めた。

これらの値に対して、目標値６．４％に対する比を平均比、誤差比として算出した。なお、平均比は、添加歩留まりに相当し、平均比が１．００の場合、歩留まりが１００％になる。誤差比が０．１００の場合、平均値からもっとも離れたサンプルにおいて、アルミニウムの濃度は平均値の１０％離れていることを示す。
表１に試験結果を示す。

表１に示すように、比較例１～比較例３は、何れも、平均比が０．９０未満であり、歩留まりが低く、正確な組成を実現できているとはいえない。さらに、誤差比（アルミニウム濃度のばらつき）が０．０１０を超えており大きく、部位毎の組成の変動が大きい。

一方、実施例１～８では、何れも平均比が０．９５を超えており、歩留まりが極めて高く、正確な組成を実現できている。さらに、誤差比（アルミニウム濃度のばらつき）が０．０１０以下であり、極めて小さく、部位毎の組成の変動が小さい。比較例３と実施例１とを比較すると明らかなように、添加材供給位置Ｂ１が経路長Ｂの２５％と５０％のときとで、誤差比に明確な差が生じている。すなわち、添加材供給位置Ｂ１を経路長Ｂの５０％以上の位置とする（下流側領域１５とする）ことが、チタン合金鋳塊５２における組成の正確さを高くできるとともに、アルミニウム濃度のばらつきを低減することに明確に有効であると実証された。なお、添加材５４をスズとした場合についても、添加材５４をアルミニウムとしたときと同様の傾向を示すことは、容易に想定できる。

実施例７は、実施例６と同じ位置で同量の添加材５４を投入したが、鋳型８内での電磁撹拌を行わなかった例である。実施例７での結果は、（比較例１～３に比べると良好な結果であるが）実施例６の結果に比べるとアルミニウム濃度の誤差比が大きい。この結果は、鋳型８内での添加材５４の投入を行う場合には、電磁撹拌と組み合わせることでよりよい結果が得られることを示している。

実施例８は、実施例３と同じ位置で同量の添加材５４を投入したが、電子ビームの照射エリアが添加材供給位置Ｂ１を避けるように設定されていなかった（すなわち、照射エリアが添加材供給位置Ｂ１を含む）例である。実施例８での結果は、実施例３に比べるとアルミニウム濃度の誤差比が大きい。これは、ハース７内の溶湯５１への添加材５４の投入を行う場合には、ハース７における溶湯５１のうち添加材供給位置Ｂ１を避けた位置へ温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射することで、よりよい結果を得られることを示している。

１ 製造装置
２ チタン含有原料供給部
４ 第１ハース
６ 第２ハース
７ ハース
７ａ 溶湯出口
８ 鋳型
９ 照射部（溶湯温度調整部）
１１，１２ 添加材供給部
１４ 上流側領域
１５ 下流側領域
５０ 原料
５１ 溶湯
５１ａ 溶湯の上面
５２ チタン合金鋳塊
５３ スカル
５４ 添加材
Ａ１ 原料供給位置
Ｂ１，Ｂ２ 添加材供給位置
Ｃ 経路
Ｃｓ 始点
Ｃｅ 終点
Ｄ 主流れ方向
Ｅ 対流
Ｅ１ 溶湯の深層に向かう成分

Claims (13)

1. チタン含有原料の溶融物を含む溶湯が排出される溶湯出口、を含み、前記溶湯が前記溶湯出口へ向かう所定の主流れ方向に沿って流れるように構成されたハースにおける、前記主流れ方向の上流側領域に設定された原料供給位置へ、前記チタン含有原料を供給するチタン含有原料供給工程と、
   前記溶湯が前記原料供給位置から前記溶湯出口まで進行する過程で、前記溶湯を精錬する精錬工程と、
   前記精錬された溶湯を、前記溶湯出口から排出して鋳型に充填する充填工程と、
   前記ハースおける前記溶湯、および、前記鋳型における前記溶湯の少なくとも一方に、アルミニウム、および、スズの少なくとも一方を含む添加材を供給する添加材供給工程と、
   前記添加材供給工程により前記添加材が供給された、前記鋳型における前記溶湯を冷却し、チタン合金鋳塊とする鋳造工程と、
   を含み、
   前記添加材供給工程において、前記ハースにおける前記溶湯への添加材供給位置が、前記主流れ方向において前記上流側領域よりも下流の領域としての、前記ハースの下流側領域に設定され、この下流側領域は、前記主流れ方向に関して、前記ハースにおける前記溶湯の経路の上流側端部を始点とし前記溶湯出口を終点としたとき、前記始点から前記ハースにおける前記溶湯の経路長の５０％離隔した位置から前記終点までの間の領域である、
   チタン合金鋳塊の製造方法。
2. 請求項１に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
   前記ハースは、
   前記チタン含有原料が投入される第１ハースと、
   前記溶湯出口を含み、前記第１ハースから流入した前記溶湯の一部を凝固させることでスカルを形成し、前記溶湯の残部を前記溶湯出口へ流す第２ハースと、
   を含み、
   前記添加材供給位置は、前記第２ハースに設定されている、チタン合金鋳塊の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
   前記添加材供給工程では、前記添加材供給位置の前記溶湯へ前記添加材のワイヤーを送り出す、チタン合金鋳塊の製造方法。
4. 請求項３に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
   前記添加材供給工程では、前記溶湯の上面から前記ワイヤーを添加することにより、前記溶湯に、前記添加材供給位置から前記溶湯の深層に向かう成分を含む対流を形成する、チタン合金鋳塊の製造方法。
5. 請求項１～請求項４の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
   前記精錬工程では、前記ハースにおける前記溶湯のうち前記添加材供給位置を避けた位置へ温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射する、チタン合金鋳塊の製造方法。
6. 請求項１～請求項５の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
   前記添加材供給工程では、前記添加材へ電子ビームまたはプラズマを照射することで前記添加材を溶融状態で前記溶湯へ向けて落下させる、チタン合金鋳塊の製造方法。
7. 請求項１～請求項６の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
   前記添加材供給工程では、前記ハースから前記鋳型への前記溶湯の供給速度に応じた添加速度で前記添加材を添加する、チタン合金鋳塊の製造方法。
8. 請求項１～請求項７の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造方法であって、
   前記添加材供給工程では、前記鋳型における前記溶湯に前記添加材を供給し、
   前記鋳造工程では、前記鋳型に供給された前記溶湯を電磁的に攪拌する、チタン合金鋳塊の製造方法。
9. チタン含有原料を供給するチタン含有原料供給部と、
   前記チタン含有原料供給部から供給された前記チタン含有原料の溶融物を含む溶湯が排出される溶湯出口を含み、前記溶湯が前記溶湯出口へ向かう所定の主流れ方向に沿って流れるように構成され、前記主流れ方向の上流側領域に設定された原料供給位置から前記チタン含有原料供給部によって前記チタン含有原料を供給されるように構成され、且つ、前記溶湯が前記溶湯出口まで進行する過程で前記溶湯を精錬するハースと、
   前記精錬された溶湯が充填される鋳型と、
   前記ハースにおける前記溶湯、および、前記鋳型における前記溶湯の少なくとも一方に、アルミニウム、および、スズの少なくとも一方を含む添加材を供給する添加材供給部と、
   を備え、
   前記ハースにおける前記溶湯への添加材供給位置が、前記主流れ方向において前記上流側領域よりも下流の領域としての、前記ハースの下流側領域に設定され、この下流側領域は、前記主流れ方向に関して、前記ハースにおける前記溶湯の経路の上流側端部を始点とし前記溶湯出口を終点としたとき、前記始点から前記ハースにおける前記溶湯の経路長の５０％離隔した位置から前記終点までの間の領域である、チタン合金鋳塊の製造装置。
10. 請求項９に記載のチタン合金鋳塊の製造装置であって、
    前記添加材供給部は、前記添加材供給位置の前記溶湯へ前記添加材のワイヤーを送り出す、チタン合金鋳塊の製造装置。
11. 請求項１０に記載のチタン合金鋳塊の製造装置であって、
    前記添加材供給部は、前記溶湯の上面から前記ワイヤーを添加することにより、前記溶湯に、前記添加材供給位置から前記溶湯の深層に向かう成分を含む対流を形成する、チタン合金鋳塊の製造装置。
12. 請求項９～請求項１１の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造装置であって、
    前記ハースにおける前記溶湯のうち前記添加材供給位置を避けた位置へ温度調整用の電子ビームまたはプラズマを照射する溶湯温度調整部をさらに備える、チタン合金鋳塊の製造装置。
13. 請求項９～請求項１２の何れか１項に記載のチタン合金鋳塊の製造装置であって、
    前記添加材供給部は、前記ハースから前記鋳型への前記溶湯の供給速度に応じた添加速度で前記添加材を添加する、チタン合金鋳塊の製造装置。
    

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