JPH04124229A - チタン合金の電子ビーム溶解方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、チタン合金の電子ビーム溶解において、鋳塊
の成分コントロールを行うための方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

電子ビーム溶解炉における主な溶解方法としては、第１
図（ａ）に示すような電子ビーム１により棒状の原料か
らなるロッド２を溶融し、鋳型３内に溶滴を滴下させる
ロッド溶解法、第１１図（ｂ）に示すようなハース４と
称する予備溶解装置に粉９粒。

塊状の原料をフィーダー５により装入しつつ溶解し、溶
湯をオーバーフローさせ鋳型３内に注湯するハース溶解
の２種類がある。

チタン合金の電子ビーム溶解は、ハース４における介在
物除去効果が得られることから、ハース溶解法が主流で
ある。

ところで電子ビーム溶解は、高温・高真空による不純元
素の蒸発除去が可能であり、鋳塊の高純化、高清浄化が
達成できるという大きな長所があるものの、有価金属の
蒸発が激しいために成分調整か困難であるという欠点を
もつ。特にＴｉ合金の場合、合金元素であるＡＩ、Ｃｒ
の蒸発量か非常に大きいために、成分コントロールが困
難こ゛あった。

従来の電子ビーム溶解炉では、各炉毎に特性値として蒸
発量を把握しているにすきない。

例えば、ｒＴｉｔａｎｉｕｍ　１９８６　ｊ　、　Ｐ、
　９０４に記載されているように、成分蒸発量は定性的
に把握されているのみであり、十分な成分コントロール
方法は確立されていないのか現状である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の電子ビーム溶解法では成分蒸発量か定量的な形で
表わされていなかったことから、狙い成分を精度よく適
中させることが困難であった。このため蒸発量が非常に
大きいＡｌ、Ｃｒ等の合金元素を有するチタン合金は、
規格範囲を満足する鋳塊の安定製造は困難であった。

本発明は、チタン合金の電子ビーム溶解において成分蒸
発量をコントロールし、鋳塊の成分を狙い値に適中させ
ることを目的とする電子ビーム溶解方法を提供する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、チタン合金の電子ビーム溶解法において、ハ
ース内溶融プール中央部の表面温度を前記チタン合金の
融点よりも５０℃高い温度から２０００℃の範囲とし、
かつ溶解真空度を５　Ｘ　１０−’〜１×１０　’Ｔｏ
ｒｒの範囲とし、予め設定したリース内溶融プール中央
部の表面温度と合金成分蒸発率との関係により鋳塊の成
分コントロールを行うことを特徴とする。

し作　用〕 以下本発明を、作用とともに詳述する。

電子ビーム溶解における成分蒸発量は、成分の蒸発のし
易さの指数である蒸気圧、溶融プール表面温度及び溶解
真空度により決まるが、特に蒸気圧と溶融プール表面温
度の影響が大きい。なお蒸気圧と溶融プール表面温度の
関係は各成分毎に固有の関係があり、チタン合金の成分
としては特にｉの蒸気圧が高く、問題になる。

第２図にＴｉ−Ａ１−Ｖ系合金の電子ビームハース溶解
において、溶融プール表面積を、ハース内で５４５ｃｉ
、鋳型内で２２５ｃｎｒ、ｌ’４料供給速度を３５ｋｇ
／ｈ。

溶湯滞留時間をハース内で８．５ｍ１ｎ、鋳型内で３．
１ｍ１ｎ　、溶融プール表面温度を鋳型内申央部で１７
００℃という条件のもとで、第３図に示すハース４内の
電子ビーム照射位置の内側（以下、溶融プール中央部と
いう）の表面温度を変えた場合の１蒸発率を示す。

チタン合金の融点である約１６５０℃に対し、１７００
℃〜２０００℃の範囲では溶融プール中央部の表面温度
とＡＡ蒸発率が直線関係で表わされる。このため溶融プ
ール中央部の表面温度をコントロールすることによりＡ
Ｉ蒸発量をコントロールすることが可能である。

一方１７００℃以下の領域では、材料の溶解を円滑に行
えないため、及びビーム照射部と非照射部の温度差が大
きいため、蒸発率が直線関係から外れ、バラツキが大き
くなったと考えられる。また２０００℃以上の領域では
、Ｔｉの蒸発が活発になるため、及び蒸発量が飽和して
（るために直線関係から外れたと考えられる。従って溶
融プール中央部の表面温度としては、Ｔｉ合金の融点よ
りも５０℃高い温度から２０００℃の範囲に調整するこ
とが必要である。

なおハース内の溶湯プール表面温度の測定は、放射温度
計を用いて行うことが望ましい。放射温度計を用いた場
合は、放射率を設定することか必要である。

この放射率は、原料の溶融開始時点での放射温度計の測
温値がＴｉ合金の融点になるように放射率を調整するこ
と、及び熱電対により直接測温した値と放射温度計の測
温値とが等しくなるように、放射率を調整することによ
り求めることができる。

チタン合金の場合は融点（約１６５０℃）近傍での放射
率、及び熱電対により直接測温した値（約１９５０℃）
との対応により、放射率０．２０とした。熱電対による
測温では、応答に時間がかかる点、及び電子ビーム溶解
のような高温では１回しか使用できないことが多い点か
ら、放射温度計を用いることが望ましい。

第３図にハース溶解方法におけるビーム照射位置及び測
温位置を示しているか、放射温度計による測温は、電子
ビーム照射位置７の内側である溶融プール中央部８を狙
って実施する。一方電子ビーム照射位置は、溶融プール
の表面温度を均一に維持するため、及びフィーダー５よ
り落下する原料６に直接電子ビームか照射した場合に発
生するスプラッシュ防止のために、ハース４及び鋳型３
の内周部に照射している。鋳型３の内壁及びハース４の
内壁と電子ビーム照射位置との距離ｐは、本発明者の実
験によると５０ｍｍ以下にすることが望ましい。これに
よって、ハース４内の表面温度が均一化でき、溶融プー
ル中央部８での測温結果が溶融プール表面温度の平均値
と考えてよいと推察される。

電子ビーム溶解において、溶解状態を支配する要因とし
ては溶解真空度も考慮する必要かある。

第４図にＴｉ−Ａｌ−Ｖ系合金の電子ビーム溶解におけ
るＡＩ：！蒸発率と溶解真空度の関係を、溶融プール中
央部の表面温度１７５０℃，１９００℃別に示す。溶解
真空度か５Ｘ１０’〜Ｉ　Ｘ　１０３Ｔｏｒｒの範囲で
は、蒸発率がほぼ一定で安定している。このため、この
範囲であれば蒸発率に及はす溶解真空度の影響を考慮す
る必要はない。溶解真空度５　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ以
下及びＩ　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ以上の領域では、ビー
ムの収束性か悪いためにビームの照射か安定せず、蒸発
率のバラツキか大きくなると考えられる。

Ｃ「等他成分についての第２図、４図の関係は、蒸発率
自体は各合金元素により異なるが、臨界点は前記数値と
同じである。

以−ヒのことより成分蒸発量を精度よくコントロールす
るためには、ハース内の溶融プール中央部の、表面温度
をチタン合金の融点より５０℃高い温度から２０００℃
の範囲とし、かつ溶解真空度を５×１０−５〜１　ｘ　
１０−”Ｔｏｒｒとして溶解することが必要である。

鋳塊の成分コントロールを行う具体的方法は、チタン原
料と合金原料との配分率を調整するか、又はハース内溶
融プール中央部の表面温度を調整する。

チタン原料と合金原料との配分率を調整する場合は、ハ
ース内溶融プール中央部の表面温度を融点よりも５０℃
高い温度１７００℃〜２０００℃の間の任意の値に設定
する。例えは該表面温度を１９００℃に設定した場合、
Ａｌの蒸発率は第２図から４８％であるから、Ａｌ蒸発
分として合金原料中のＡｌ量×（１−０，４，８）たけ
チタン原料と合金原料との配分率を調整する。

ハース内溶融プール中央部の表面温度を調整する場合は
、Ａｌ蒸発率を任意の値、例えば４８％に設定し、合金
原料中のＡｌ量Ｘ　Ｃ１，−０，４８）、だけＡｎ量が
多（なるように前記配分率を設定し、かつ該表面温度を
１９００℃に調整する。

次に作用について説明すると、本発明ではまず第２図に
示したようなハース内溶融プール中央部の表面温度と、
成分蒸発率の関係を求める。次に合金元素含有量が目標
値となるようにハース内溶融プール中央部の表面温度を
設定し、チタン原料と合金原料の添加量の配分率を調整
するか、又は前記配合割合を設定し、ハース内溶融プー
ル中央部の表面温度を調整することにより成分調整を行
溶解に際しては、まずハース内の溶融プール中央部の表
面温度が設定温度になるように、電子ビーム出力あるい
はハース内溶融プールと鋳型的溶融プールとの電子ビー
ム照射比率及び電子ビーム照射位置を調整する。また溶
解中の真空度は、原料の状態（粉状又は塊状など）９合
金元素の蒸発量によって低下の度合が異なるが、］、　
Ｘ　１０”Ｔｏｒｒ程度で溶解を開始し７、真空度が低
下しても５×ＩＱ−”Ｔｏｒｒより悪いレベルにならな
いようにする。

〔実施例〕

Ｔｉ−６Ａ６−４Ｖ　、Ｔｉ−３Ａ１−３Ｃｒ系チタン
合金の電子ビーム・ハース溶解において、第２図に示し
たような成分蒸発率と溶融プール中央部の表面温度の関
係より成分蒸発率を求め、鋳塊の合金元素含有量が目標
値になるように、前記表面温度ヲ１７００℃〜２０００
℃の間の任意値に設定し、チタン原料と合金原料の配分
率を調整するか又は該配分率を任意値に設定し、ハース
内溶融プール中央部の表面温度を調整することにより成
分コントロールを行ない、１００　ｋｇの鋳塊を得た。

第１表に八β、Ｃｒのコントロールについて示す。なお
成分連中率は、下記の（１）式で求められる適中率の平
均値とした。

η：ｉ成分の適中率 Ｍｆ：鋳塊のｊ成分組成 Ｍｏ：狙い組成 第１表に示すように、本発明の範囲内に電子ビーム溶解
条件を調整することにより、成分蒸発率のコントロール
が可能であり、狙い組成に対して精度よく連中させるこ
とが可能となる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明は、チタン合金の電子ビーム・
ハース溶解において、鋳塊の成分を狙い値に高精度で連
中させることを可能にすることにより、所定特性の鋳塊
を安定して得るとともに、成分外れによる再溶解を回避
し得る。このため電子ビーム・ハース溶解における操業
能率の向上及び鋳塊品質の安定化に貢献する。

【図面の簡単な説明】

第１図は（ａ）、　（ｂ）は電子ビーム溶解における２
種類の主な溶解方法を示す略側面図、第２図は、本発明
におけるＡＩ！成分蒸発率と溶融プール中央部の表面温
度の関係を示す図面、第３図は電子ビーム溶解炉の放射
温度計による測温位置と電子ビーム照射位置の関係を示
す図面、第４図は成分蒸発率と溶解真空度の関係を示す
図面である。 １・・・電子ビーム、２・・・ロッド、３・・・鋳型、
４・・・ハース、５・・・フィーダー、６・・・原料、
７・・・電子ビーム照射位置、８・・・溶融プール中央
部（ｄ） 図 第２図 ５容融プ一ル中央部の表面温度（℃） 第３図 ８看象ｔル中央部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタン合金の電子ビーム溶解方法において、ハー
   ス内溶融プール中央部の表面温度を前記チタン合金の融
   点よりも５０℃高い温度から２０００℃の範囲とし、か
   つ溶解真空度を５×１０＾−＾５〜１×１０＾−＾３Ｔ
   ｏｒｒの範囲とし、予め設定したハース内溶融プール中
   央部の表面温度と合金成分蒸発率との関係により鋳塊の
   成分コントロールを行うことを特徴とするチタン合金の
   電子ビーム溶解方法。
2. （２）チタン原料と合金原料との配分率を調整すること
   によって鋳塊の成分コントロールを行うことを特徴とす
   る請求項（１）記載のチタン合金の電子ビーム溶解方法
   。
3. （３）ハース内溶融プール中央部の表面温度を調整する
   ことによって鋳塊の成分コントロールを行うことを特徴
   とする請求項（１）記載のチタン合金の電子ビーム溶解
   方法。