JPH0421727A - チタン鋳塊の製造方法および装置 - 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〕 この発明は純チタン又はチタン合金の鋳塊を製造する方
法及び装置に関する。特に、航空機の分野において要求
されている、極めて純度が高く組織が均一なチタン鋳塊
、あるいは合金成分が均一に混ざり合ったチタン合金の
鋳塊の製造方法及び装置に関する。向上記純チタンは外
部胴板や内部桁材用であり、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖ合金は
エンジンの耐熱部品用であり、Ｔｉ−５ＡＩ−２，５Ｓ
ｎ合金は３００℃以下で用いられる板や桁材用である。

〔従来の技術〕

上記のような鋳塊の製造は、例えば第５図に示されるプ
ロセスで行なわれている。即ち、先ず粒状のチタン原料
５１をプレス機５２でブリケット５３状に圧縮成形する
。圧縮成形された複数のブリケット５３を不活性雰囲気
に維持した密閉室５４の中でＴ！Ｇまたはプラズマ溶接
機により溶接して連結させ、柱状物５５（次工程の電極
となるため電極という）とする、得られた柱状物５５を
真空アーク炉５６の消耗電極として用い、真空下におい
て水冷モールド５７内でアーク加熱により溶解し、電極
５５の消耗に゛従って水冷モールド内に鋳塊５８が積層
するやり方で溶解鋳造する。得られた鋳塊５８は、成分
の均一化、不純物の除去、内部の緻密化、表面の円滑化
のため、再びこれを消耗電極５８として真空アーク炉５
９で再溶解する。航空機用チタン、チタン合金鋳塊の製
造では高度な品質水準をクリヤするため真空アーク炉５
９による溶解を合計３回以上繰返して、即ち多重溶解を
行なって最終鋳塊６０を得る。

〔発明が解決しようとする課題〕

この従来の方法では、原料にタングステン等の重密度不
純物が含まれていると、その不純物は最後まで残って製
品の品質を低下させる問題点がある。また上記不純物は
上記溶接工程において混入する可能性のある問題点もあ
る。

上記のような問題点の解決を目差して、発明者は上記原
料をハース内において電子ビームで熔解する手段を試み
たが、原料としてスポンジチタンを用いると放出ガス量
が多くて安定な操業が困難となる為、解決策としては利
用が困難であるという問題点があった。

本発明は上記従来技術の問題点（技術的課Ｈ）を解決す
る為になされたもので、チタン原料をプラズマアークに
より前辺って溶解させることによリ、原料としてスポン
ジチタンの利用を可能にできると共に、ハース内での電
子ビームによる溶解が可能となって、重密度不純物が除
去されしかも均質なチタン鋳塊を製造すことができるよ
うにしたチタン鋳塊の製造方法および装置を提供するこ
とを目的とするものである。

〔課題を解決する為の手段〕

上記目的を達成する為に、本願発明は前記請求の範囲記
載の通りの手段を講じたものであって、その作用は次の
通りである。

〔作用〕

粒状のチタン原料は先ずプラズマアークにより熔解され
る。この溶解により上記原料中のガスとなる成分が除去
される。次に上記溶解の工程を経たものは、ハース内に
おいて電子ビームにより溶解される。この溶解により均
質な溶湯が得られると共に、重密度不純物はハースの下
層に沈降する。

上記ハース内の上層の溶湯がモールド内に受けられてそ
こで凝固されることより、均質でしかも重密度不純物が
除去された高品質なチタン鋳塊が得られる。

〔実施例〕

以下本願の実施例を示す図面について説明する。

第１図にはチタン鋳塊の製造工程のうちの第１の工程、
即ちプラズマアークにより粒状のチタン原料を溶解させ
る工程の実施の為に用いられるプラズマ積層凝固溶解炉
Ａが示される。プラズマ積層凝固溶解炉Ａは水冷の中空
の炉体１を有する。炉体１には複数のプラズマトーチ２
が取付けである。

これらのプラズマトーチ２は例えばタングステン製の非
消耗電極を有する耐久性の高いものである。

炉体１にはまたチタン原料を投入する為のホッパ３が取
付けてあり、該ホッパ３には原料フィーダ４がシュート
５を介して接続しである。向原料フィーダ４は密閉容器
６内にコンベア７を備えて構成され、上記密閉容器６が
シュート５を介してホッパ３に接続されている。従って
炉体ｌの内部空間の圧力（例えば減圧状態）を崩すこと
なく原料８の供給を行うことができる。上記炉体１の下
部には水冷モールド１０が連結されている。該モールド
】０はその下部に鋳塊引下機構１１を備えている。

このようなプラズマ積層凝固溶解炉へによる上記第１の
工程の実施は以下の通りである。炉体１の内部空間１ａ
を２０〜２５０Ｔｏｒｒ程度のアルゴンの減圧雰囲気乃
至は大気圧にした状態においてプラズマトーチ２が作動
される。一方チタン原料８はコンベア７の作動によりシ
ュート５に投入され、そのシュート５を介してホッパ３
に送られる。ホッパ３内に送り込まれた上記原料８はそ
のホッパからモールド１０内に投入される。投入された
原料はプラズマトーチ２からのプラズマアーク２ａによ
り溶解され、モールド１０内において溶湯１２ａとなる
。

上記原料８は、海綿状で粒状のチタン原料（スポンジチ
タンと称される）やチタンの切削屑等である。上記スポ
ンジチタンはチタン鉱石（丁１０２）を塩素化して塩化
チタンとした後、マグネシウム又はナトリウムで還元し
て得られる精製された原料である。尚アルミニウムやバ
ナジウム等の含まれるチタン合金の鋳塊を製造する場合
には、上記チタン原料の他に上記合金を作る為の粒状金
属片が添加される。

上記原料８の溶解の過程においてはチタン原料に含まれ
るマグネシウムや塩素等のガスとなる成分の多くが放出
され、上記溶湯１２ａに対するそれらの混入量は少なく
なる。又炉体１内の空間１ａの圧力が比較的高い為、上
記原料に合金の為の金属が含まれている場合、それらの
蒸発は生じないと共に、上記溶湯１２ａにおいてはそれ
らの金属がチタンと良好に混じり合う。

上記のような原料８の供給とその溶解が順次継続すして
モールド１０内の溶湯が増えるに従い、下層の溶湯はモ
ールド１０に熱を奪われ冷えて凝固する。

鋳塊引下機構１１はその凝固したものを順次引き下げる
。その結果柱状の鋳塊１２ができあがる。

次に第２図にはチタン鋳塊の製造工程のうちの第２の工
程即ち上記第１の工程を経たものを電子ビームにより溶
解させる工程と、第３の工程即ち電子ビームにより溶解
された溶湯をモールド内で凝固させて鋳塊にする工程の
実施の為に用いることのできる電子ビーム溶解炉Ｂが示
される。この溶解炉Ｂは水冷の炉体１５を有し、その内
部には水冷のハース１６が備わっている。／％−ス１６
の上方の炉体１５には上記鋳塊１２を原料として吊り下
げ状に支持する為の支持装置１７が備わっている。この
支持装置１７は上記鋳塊１２を順次下降させ得るように
構成しである。またハース１６の上方の炉体１５には電
子銃１８が取付けである。電子銃１８は極めて高エネル
ギー密度の電子ビームを走査のｗ４御性良く照射するこ
とができる。炉体１５内においては、上記ハース１６に
隣接させて水冷モールド２０が備わっている。該モール
ド２０は下部に鋳塊引下機構２１を備える。モールド２
０の上方における炉体１５には電子銃２２が取付けであ
る。

上記電子ビーム溶解炉Ｂによる上記第２の工程及び第３
の工程の実施は以下の通りである。炉体１５の内部空間
１５ａが高真空状態例えば１０−３〜１Ｏ−４Ｔｏｒｒ
乃至はそれよりも高真空の状態にされ、その状態におい
て電子銃１８．２２が作動される。支持装置１７によっ
て吊り下げ状に支持された鋳塊１２は電子銃１８からの
電子ビーム１８ａにより溶解され、ノ１−ス１６内に溶
１１１２４としてたまる。尚電子ビーム１８ａは上記鋳
塊１２の下端部並びにハース１６内の溶湯２４に向くよ
う走査される。従って、上記鋳塊１２の溶解とハース１
６内の溶湯２４の加熱とが並行的に行われる。ハース１
６内においては、高エネルギー密度でしかも走査の制御
性の良い電子ビーム１８ａの照射により、ハース１６内
の溶湯２４は極めて均質に溶解される。また内部空間１
５ａが高真空であるが故に、溶湯に含まれる酸素や窒素
等の不純物が能率良く除去される。更に、例えばタング
ステンのような重密度不純物は、密度が太き（、又溶融
温度がチタンとは異なる為、ハース１６内の下層に沈降
する。従って溶湯２４のうち上層の部分は上記重密度不
純物が除かれたものとなる。上記鋳塊１２の溶解が進ん
でハース１６内の溶湯２４の量が増えると、不純物が除
去されしかも均質となった上層の溶湯２４ａは、ハース
１６をオーバーフローしてモールド２０内に流れ込む。

モールド２０内においては、溶湯の場面の全域（モール
ド２０のきわまで）に電子銃２２からの電子ビーム２２
ａが照射されて均一な溶融状態に維持されると共に、溶
湯のうち下層に至ったものから順にモールド２０に熱を
奪われて凝固する。鋳塊引下機構２１はモールド２０内
の溶湯が増えるにしたがい上記凝固したものを順次引き
下げる。

その結果柱状のチタン鋳塊２５ができあがる。

このチタン鋳塊２５は上記のようにノ＼−ス１６内にお
いて重密度不純物や酸素或いは窒素等の不純物が除去さ
れている為、極めて純度の高いものであり、又ハース１
６内において上記のように再溶解されその後凝固された
ものである為、均質化が進んでいる。更に又、モールド
２０内においても電子ビーム２２ａの照射によりその場
面を溶融状態に保った状態において下層から順に凝固さ
せたものである為、上記均質性はより一層良好なものと
なっている。

上記のようにして得られたチタン鋳塊２５は、溶解炉Ｂ
において真空状態での溶解が既に１回なされている為、
その後前記の如き真空アーク炉５９による再溶解が例え
ば２回以上行われて最終製品の鋳塊６０となる。

次に第３図にはチタン鋳塊の製造装置Ｃが示される。こ
の製造装置Ｃは内部の密封及び減圧が可能な溶解炉３１
を有する。溶解炉３１はその中間部に仕切部材の一例と
して示す開閉自在の仕切扉３２を備え、この仕切扉３２
によって溶解炉３１の内部空間が第１溶解室３３と、第
２溶解室３４に区分されている。第１溶解室３３は前記
第１の工程を実施する為のもので、内部にはるつぼ３５
が備わっている。このるつぼ３５は傾動装置３６により
支持体３７を中心に傾動可能となっている。該傾動装置
３６は第１溶解室３３内の溶湯を第２溶解室３４内のハ
ース１６ｅに移す為の手段として機能する。向上配装Ｗ
ＩＣが有するその他の部材は、機能上前記第１．２図の
ものと同−又は均等構成と考えられるものである為、そ
れらには第１．２図と同一の符号にアルファベットのｅ
を付して重複する説明を省略する。（また次回のものに
おいても同様の考えでアルファベットのｒを付して重複
説明を省略する。）上記構成の製造装置ｃにおいては、
第１溶解室３３内を２０Ｔｏｒｒ程度の減圧乃至は大気
圧のアルゴン雰囲気にした状態において、原料８ｅがホ
ッパ３ｅからるつぼ３５内に投入され、そこにおいてプ
ラズマアーク２ａｅにより溶解される。溶解されてでき
た溶湯３８は仕切ｊ１３２を開き、傾動装置３６により
るつぼ３５を傾動させることによってハース１６ｅ内に
移送される。

第２溶解室３４ではそこを１０−４Ｔｏｒｒ前後乃至は
それ以上の高真空にした状態で、電子ビーム１８ａｅを
ハース１６ｅ内に移された溶湯に照射して加熱及び溶解
が行われる。そして溶解が進んだ溶湯２４ｅのうちの上
層の溶湯２４ａｅがモールド２Ｏｅ内に流し込まれて鋳
塊２５ｅとなる。

上記溶湯の移送が行われる場合の操作を更に詳しく説明
する。先ずプラズマトーチ２ｅの作動が停止される。そ
の後第１溶解室３３内が第２溶解室３４と同程度まで減
圧される。次に仕切１３２が開かれる。

然る後るつぼ３５が傾動されて、溶湯３８がるつぼ３５
における排出口３５ａからハース１６ｅ内においてモー
ルド２０ｅとは離れた場所の側に静かに流し込まれる。

この流し込みにより、ハース１６ｅ内において既に溶解
が進んだ溶湯２４ｅのうち上層の溶湯２４ａｅがハース
１６ｅをオーバーフローしてモールド２０ｅ内に流れ込
む、上記るつぼ３５からハース１６への溶湯の流し込み
が終了するとるつぼ３５は元に戻され、仕切扉３２が閉
じられ、第１溶解室３３は再び元の圧力に戻されて原料
の投入並びにその投入された原料のプラズマアーク２ａ
ｅによる溶解が行われる。上記の過程において電子銃１
８ｅ、２２ｅからの電子ビームの照射は継続して行われ
る。尚ハース１５ｅＦｉ傾動装置３９によって傾動させ
得るようにしても良い、そうすることによって、ハース
１６ｅ内において充分に溶解がなされた上層の溶湯２４
ａｅをモールド２０ｅに流出させる操作を、上記溶ｊ１
３８の流し込みとは独立して行うことができる。

次に第４図には第３図とは異なる構造のチタン鋳塊の製
造装置りが示される。この製造装置りは内部の密封及び
減圧が可能な溶解炉４１を有する。

溶解炉４１はその中間部に仕切部材の他の例として示す
隔壁４２を備え、この隔壁４２によって溶解炉４１の内
部空間が第１溶解室３３ｆと、第２溶解室３４ｆに区分
されている。上記隔壁４２はその下部に透孔４５を有し
ており、その透孔４５を貫通してノ＼−ス４６が第１溶
解室３３ｆ及び第２溶解室３４ｆに跨がって設けられて
いる。上記隔壁４２における透孔４５の上縁は堰４７と
なっている。この堰４７はハース４６の深さ方向の中程
度の高さに位置している。

上記構成のものにあっては、第２溶解室３４ｆ内は高真
空（１０−４Ｔｏｒｒ前後乃至それ以上）にされる為、
溶湯２４ｆは図示の如く吸い上げられて場面が高くなっ
た状態となる。上記第２溶解室３４ｆの高真空と第１溶
解室３３ｆの比較的高い圧力（例えば２０〜２５０Ｔｏ
ｒｒ乃至大気圧）との圧力差は、第１溶解室３３ｆの溶
湯を第２ｉ９解室３４ｆのノ１−ス１６ｆ内に移す為の
手段として機能する。

溶解中においては、第１溶解室３３ｆ側の／Ｓ−ス４６
ａ内での原料８ｆの溶解が進んで溶湯４８の量が順次多
くなるに従い、その溶湯４８は透孔４５を通って第２溶
解室３４ｆ側のハース４６　ｂ　　（１６ｆ）に流れ込
む。

この場合、堰４７がある為、上記溶湯４８は第２溶解室
３４ｆ側のハース４６ｂ内において既に溶解が進んだ溶
湯２４ｆの下層部分に混入する。この流れ込みにより上
記ハース４６ｂ内における上層の溶湯２４ａｆはハース
４６ｂをオーバーフローしてモールド２０ｆに流入する
。

〔発明の効果〕

以上のように本願発明にあっては、粒状のチタン原料８
をプラズマアーク２ａにより熔解させ、上記プラズマア
ークによる溶解の行程が済んだ原料をハース１６内にお
いて電子ビーム１８３により溶解させ、上記ハース１６
内の上層の溶湯２４ａをモールド２０内に受けてそこで
凝固させて、チタン鋳塊２５を製造できるは勿論のこと
、 上記のようにして得られる鋳塊２５は、上記ハース１６
ａ内での溶解によって重密度不純物は沈降させ、重密度
不純物の無い上層の溶湯２４ａをモールド２０に受けて
凝固させたものであるから、高品質のものとなる効果が
ある。

しかも本願発明は、チタン原料を先ず一度溶解してガス
を放出させてしまい、その工程を経たものを、高真空雰
囲気下で作動する電子ビーム１８ａにより溶解させるも
のであるから、溶解を行う場所を高真空の状態にして溶
解作業を行い得る特長がある。このことは、高真空であ
るが故に溶湯から酸素や窒素等の不純物を除去できてチ
タンの純度を高め得ると共に、走査の制御性が高くエネ
ルギー密度の高い電子ビームにより溶湯を隅々まで良好
に加熱できて溶湯を均質にすることができ、極めて良品
質の溶湯２４ａを次のモールド２０に供給できて、鋳塊
の品質を高め得る効果がある。

その上本願発明は上記の如く電子ビーム１８ａによる溶
解によって品質の高い溶湯を得ようとするものであって
も、電子ど一ム１８ａによる溶解の為にチタン原料８を
前辺って溶解する場合は、プラズマアーク２ａによって
それを行うから、そのプラズマアーク２ａによる溶解の
場所を比較的高い圧力にして溶解作業を行い得る特長が
ある。このことはチタン原料８としてスポンジチタンの
利用を可能にできる（ガスの放出が多（でも溶解作業に
支障を来すことがない）効果があると共に、チタン合金
の鋳塊を製造する場合、合金成分の蒸発を防止できて所
定の成分を確保できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本願の実施例を示すもので、第１図はプラズマ積
層凝固溶解炉の略示縦断面図、第２図は電子ビーム溶解
炉の略示縦断面図、第３図はチタン鋳塊の製造装置の一
例を示す略示縦断面図、第４図はチタン鋳塊の製造装置
の他の例を示す略示縦断面図、第５図は従来のチタン鋳
塊の製造プロセスを示す図。 ２ａ・・・プラズマアーク、８・・・粒状のチタン［Ｌ
４．１６・・・ハース、１８ａ・・・電子ビーム、２０
・・・モールド、２５・・・チタン鋳塊。 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、粒状のチタン原料をプラズマアークにより溶解させ
   る工程と、上記プラズマアークによる溶解の工程を経た
   原料をハース内において電子ビームにより溶解させる工
   程と、上記ハース内の上層の溶湯をモールド内に受けて
   そこで凝固させて鋳塊にする工程とを有することを特徴
   とするチタン鋳塊の製造方法。 ２、中空の溶解炉の内部空間は、仕切部材によって第１
   溶解室と第２溶解室とに区分されており、上記第１溶解
   室には、粒状のチタン原料をプラズマアークにより溶解
   させる為のプラズマトーチが備えられ、上記第２溶解室
   には、溶湯を上層から排出させ得るようにしたハースと
   、上記ハース内において原料を電子ビームにより溶解さ
   せる為の電子銃と、上記ハースから排出した溶湯を凝固
   させて鋳塊にする為のモールドとが備えられ、更に上記
   第１溶解室内で溶解された溶湯を上記第２溶解室内のハ
   ース内に移す為の手段を備えることを特徴とするチタン
   鋳塊の製造装置。 ３、仕切部材が隔壁であり、ハースは上記隔壁に設けた
   透孔を貫通して両溶解室に跨がって設けてあり、上記透
   孔の上縁となっている隔壁は、第１溶解室におけるハー
   ス内の溶湯と第２溶解室におけるハース内の上層の溶湯
   との間を遮る為の堰を構成していることを特徴とする請
   求項２記載のチタン鋳塊の製造装置。 ４、仕切部材が開閉自在の仕切扉であり、第１溶解室に
   は溶湯を入れる為のるつぼが傾動自在でしかも傾動によ
   って溶湯を上記仕切扉を通して第２溶解室に流出させう
   るよう上記仕切扉の上方の位置に設けられており、一方
   第２溶解室におけるハースは上記るつぼから流出された
   溶湯を受け得るよう上記仕切扉の下方の位置に設けられ
   ていることを特徴とする請求項２記載のチタン鋳塊の製
   造装置。 ５、請求項２記載のチタン鋳塊の製造装置を用いてチタ
   ン鋳塊を製造する方法において、上記方法は、第１溶解
   室内を２０〜２５０Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気にした状
   態において、チタン原料を上記プラズマトーチからのプ
   ラズマアークにより溶解させ、次にその溶解によって出
   来た溶湯を第２溶解室内のハース内に移すと共に、第２
   溶解室を１０＾−＾４Ｔｏｒｒ前後の高真空状態にした
   状態において、上記ハース内の溶湯を電子銃からの電子
   ビームによって溶解させ、次に上記ハース内における上
   層の溶湯をモールド内にとって凝固させて鋳塊にするこ
   とを特徴とするチタン鋳塊の製造方法。 ６、プラズマトーチが取付けられた中空の炉体の下部に
   、鋳塊引下機構を備えるモールドが連結されているプラ
   ズマ積層凝固溶解炉と、中空の炉体内に、溶湯を上層か
   ら排出可能なハースと、ハースの上方において鋳塊を支
   える為の支持装置と、電子ビームを照射可能な電子銃と
   、ハースから排出した溶湯を凝固させて鋳塊にする為の
   モールドとが備えられている電子ビーム溶解炉とを準備
   し、粒状のチタン原料を上記プラズマ積層凝固溶解炉に
   おいてプラズマトーチからのプラズマアークにより溶解
   させた後その溶湯を該炉におけるモールドにより凝固さ
   せて鋳塊にし、然る後その鋳塊を上記電子ビーム溶解炉
   における支持装置により支えた状態において、上記電子
   銃からの電子ビームにより溶解させて上記ハース内に溶
   湯を形成し、次に上記ハース内における上層の溶湯を該
   炉における上記モールドにとって凝固させ鋳塊にするこ
   とを特徴とするチタン鋳塊の製造方法。 ７、溶湯をモールドに受けて凝固させ鋳塊とする工程の
   後、その鋳塊を真空アーク炉における消耗電極として用
   いて再溶解させ再び凝固させて鋳塊とする工程を、複数
   回繰り返すことを特徴とする請求項１記載のチタン鋳塊
   の製造方法。