JPH05192747A - 電子ビームによって融解された金属材料をインゴットとして鋳造するための方法および装置 - Google Patents

電子ビームによって融解された金属材料をインゴットとして鋳造するための方法および装置

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JPH05192747A
JPH05192747A JP4144154A JP14415492A JPH05192747A JP H05192747 A JPH05192747 A JP H05192747A JP 4144154 A JP4144154 A JP 4144154A JP 14415492 A JP14415492 A JP 14415492A JP H05192747 A JPH05192747 A JP H05192747A
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JP4144154A
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Robert D Lillquist
ロバート・デビット・リルクイスト
Charles B Adasczik
チャールス・バーナード・アダスクジック
Gordon B Hunter
ゴードン・ブルース・ハンター
Richard G Menzies
リチャード・ゴードン・メンズィーズ
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11Treating the molten metal
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
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  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】合金鋳造時の凝固を制御するための方法及び装
置の提供。 【構成】溶融金属材料がインゴット鋳型28内に導入さ
れると共に、鋳型内に位置する溶融プール22表面の温
度および温度分布が撮像放射計48によって測定され
る。この撮像放射計は、鋳型を包囲する真空室30の外
部において、覗き窓46を通して溶融プール表面を観察
するように配置されている。少なくとも1個の電子ビー
ムガン42を用いて溶融プール表面に電子の流れが照射
される。かかる電子の流れの強度および照射位置を選択
的に調節して、溶融プール表面に所定の温度および温度
分布が維持され、それによって凝固したインゴット中に
所望の金相学的組織が得られることになる。撮像放射計
から出力として得られる画像信号を画像分析器64およ
び画像モニタ66に伝送して、溶融プール表面の温度お
よび温度分布を表わす画像を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明は、電子ビーム融解(EBM)お
よびインゴット鋳造操作時における合金(特にニッケル
基超合金)の凝固を制御するために使用される方法およ
び装置に関するものである。ある種の用途、とりわけニ
ッケル基超合金のインゴットが常用される航空宇宙用途
にとっては、組織上の欠陥を含まないインゴットが望ま
しい。ここで言う「欠陥」とは、割れや不均一な機械的
性質の原因となるラップ、湯境、ザク巣、粒度の不整お
よび化学的偏析を意味するが、それらのみに限定される
わけではない。電子ビーム融解法は、凝固するインゴッ
トへの熱入力を制御することにより、インゴット組織を
調整しかつ欠陥を低減もしくは排除するための手段を提
供する。かかるインゴットのもう1つの望ましい特徴
は、それらが完成部品の結晶粒度よりも大きい酸化物介
在物を含まないことである。なぜなら、このような介在
物は該部品の低サイクル疲労特性に悪影響を及ぼすから
である。一部の電子ビーム融解法においては、酸化物介
在物が溶融金属と共にインゴット鋳型内に入る前に該介
在物を溶融金属から浮揚させることが可能である。
【0002】合金インゴットを製造するための電子ビー
ム融解法としては、基本的に2種の方法が広く使用され
ている。それらは電子ビーム融解炉法および電子ビーム
融解滴下法である。一般的に述べれば、これらの方法に
よって製造される最終製品は鋳型内において溶融金属を
凝固させて得られるインゴットである。電子ビーム融解
滴下法は供給原料電極を使用するものであって、該電極
が電子ビームによって融解され、そして溶融金属の液滴
が鋳造されつつあるインゴットの上部表面に落下する。
他方、電子ビーム融解炉法はやはり電子ビームによって
融解された供給原料を使用するものであるが、溶融金属
は水平に配置された炉内に集められる。るものである。
この場合、炉内の溶融金属はそれの表面に追加の電子ビ
ームを照射することによって液体状態に維持される。次
いで、かかる溶融金属が注ぎ口からインゴット鋳型内に
導入される。いずれの方法においても、凝固しつつある
インゴットの冷却状態を制御するため、電子ビームを用
いて鋳型内の金属の表面を更に加熱することは当業界に
おいて公知である。なお、インゴットにおいて所望の凝
固組織および表面状態を得るためには、インゴットを適
正に冷却することが必要である。
【0003】電子ビーム融解滴下法に従って一様な微細
粒度のインゴットを製造するための方法がこれまでに提
唱されている。その一例として、インゴットの上部表面
温度が合金の液相線温度よりも低くかつ溶融金属の液滴
とインゴット表面との冶金的結合を促進する温度よりも
高いレベルに維持されるような連続鋳造法が挙げられ
る。この方法においては、滴下速度および堆積パターン
を制御する際に役立つインゴットの表面温度を測定する
ための手段は使用されていない。この方法においてはま
た、インゴットの上部表面に対して熱入力を加えること
は一般に望ましくないものと見なされている。その理由
は、恐らく、滴下速度および堆積パターンを制御するた
めに役立つ表面温度の直接測定を行う手段が存在しない
ことにあると思われる。合金の液相線温度以下の温度が
使用されることを考えると、得られる製品は真の鋳造品
ではなく、むしろ冶金的に結合した凝固粒子の集合体で
ある。このような製品は気孔を含むばかりでなく、組織
中に捕捉された(酸化物介在物のごとき)汚染物をも含
んでいる。
【0004】また、所望の内部組織および満足すべき表
面状態を有するインゴットを電子ビーム融解炉法に従っ
て製造するための方法もこれまでに提唱されている。と
は言え、これらの方法は完全な成功を収めたとは言えな
い。一般に、かかる従来の方法においては溶融プール表
面の目視観察および二色高温計による特定位置の温度測
定が行われていた。このような情報を使用しながら、操
作員は電子ビームの出力および照射パターンを手動的に
調節し、それによってインゴット中に所望の凝固組織を
得る目的で所望の溶融プール表面温度を維持するように
努めていたのである。今日では、このようなプロセス監
視方法は電子ビームの出力および照射パターンを調節し
てインゴット中に所望の凝固組織を得るために必要な精
度を達成する目的にとって不適当であることが判明して
いる。
【0005】電子ビーム融解炉法に従ってインゴットを
鋳造するための従来の一方法においては、溶融プールの
中心部における温度が合金の液相線温度よりも僅かに低
いレベルに維持される一方、溶融プールの周辺部におけ
る温度は合金の液相線温度よりも僅かに高いレベルに維
持されていた。前者の温度はインゴットの凝固を開始さ
せるための「種晶」として役立つ固体の微結晶を生成さ
せるために選定されたものであり、また後者の温度はイ
ンゴットの周辺部に湯境またはラップが形成されるのを
防止するために選定されたものであった。このような方
法は、温度が実際に合金の液相線温度よりも低いことを
示す視覚的指標が微結晶の形成によって与えられる結
果、溶融プールの中心部における温度を視覚的に監視し
得るという利点を有している。しかしながら、上記のご
とく、溶融プール表面温度の目視観察および手動制御は
所望の凝固組織を有するインゴットを製造するために必
要な制御精度を与えるものではない。
【0006】このような方法はまた、溶融プール表面に
生じた温度勾配が溶融プール中に極めて急速な対流を引
起こすという欠点をも有している。かかる急速な対流
は、望ましくない酸化物介在物を表面から取込んで凝固
しつつあるインゴット中に捕捉する可能性を有する。そ
の上、かかる方法において溶融プール表面に生じた温度
勾配は凝固後のインゴット中に不均一な顕微鏡組織をも
たらす。このような方法に関連して認められた更にもう
1つの欠点は、使用する溶融プールの温度が液相線温度
よりも低い場合、形成される溶融プールが非常に浅くな
ることである。その結果、生成される凝固組織は電子ビ
ームとして供給されるエネルギーの微小な変化に極めて
敏感となり、そのためにかかる方法を適切に実施しかつ
制御することはなお一層困難となる。
【0007】それ故に本発明の主たる目的は、凝固過程
を正確に制御することによってインゴット中に所望の凝
固組織を生成させ得るような、溶融金属材料をインゴッ
トとして鋳造するための装置を提供することにある。本
発明のもう1つの目的は、溶融プール表面の温度を測定
しかつ該表面内における温度分布に関連した画像を形成
するように配置された撮像放射計を電子ビーム融解炉装
置または電子ビーム融解滴下装置と共に使用することに
ある。
【0008】本発明の更にもう1つの目的は、溶融プー
ル表面の温度を正確に測定して監視し、かつ電子の流れ
を溶融プール表面に照射して溶融プール表面のほぼ全域
にわたって実質的に一様な温度を維持する工程を含むよ
うな、溶融金属材料をインゴットとして鋳造するための
方法を提供することにある。本発明の更にもう1つの目
的は、溶融プール表面の温度が撮像放射計によって測定
され、該表面内における温度分布に関連した画像が撮像
放射計によって形成され、かつこの画像を用いて溶融プ
ール表面に向けて照射された電子の流れの強度および照
射位置を調節することによって溶融プール表面の全域に
わたって実質的に一様な温度が維持されるような、溶融
金属材料をインゴットとして鋳造するための方法を提供
することにある。
【0009】
【発明の概要】本発明の上記およびその他の目的は、電
子ビーム融解炉法または電子ビーム融解滴下法に従って
溶融金属材料をインゴットとして鋳造するための装置を
提供することによって達成される。かかる装置において
は、撮像放射計を用いて鋳型内に位置する溶融プール表
面の温度を測定することにより、該表面における温度分
布に関連した画像またはかかる温度分布を表わす信号が
得られる。かかる装置にはまた、溶融プール表面に電子
の流れを照射することによって溶融プール表面に所定の
温度分布を維持するために役立つ電子ビームガンが装備
されている。このような温度分布は上記の撮像放射計に
よって監視されかつ確認される。
【0010】本発明の別の側面においては、電子ビーム
融解炉法または電子ビーム融解滴下法に従って溶融金属
材料をインゴットとして鋳造するための方法が提供され
る。かかる方法は、溶融プール表面の温度分布を測定す
ると共に、溶融プール表面に照射される電子の流れの強
度を調節することによって溶融プール表面に所定の温度
分布を維持する工程を含んでいる。かかる方法の重要な
特徴の1つは、溶融プール表面のほぼ全域にわたって実
質的に一様な温度分布が維持されることである。その場
合の温度は、インゴットとして鋳造すべき金属材料の液
相線温度よりも僅かに高いレベルに維持されることが好
ましい。
【0011】本発明の装置および方法のもう1つの特徴
は、装置の運転に際して撮像放射計の較正精度の定期的
点検および覗き窓の透過率の低下の測定を可能にするた
め、鋳型内の溶融プール表面に隣接して配置された黒体
基準放射源が使用されることである。更にまた、電子の
流れを溶融プール表面の所望の区域に照射しかつ電子の
流れの強度を調節するために使用される電子ビームガン
制御装置が撮像放射計の出力回路に機能的に接続されて
いる。この場合、測定された温度分布を表わす画像を使
用しながら、操作員は電子の流れを溶融プール表面の特
定の区域に照射し、それによって所定の温度分布を維持
することができる。あるいはまた、出力信号を受信する
ための手段並びに電子の流れの照射位置および強度を自
動的な制御するための手段を介して撮像放射計の出力回
路と電子ビームガン制御装置とを機能的に接続すること
もできる。
【0012】本発明の上記およびその他の特徴並びにそ
れらに付随する利点は、添付の図面を参照しながら好適
な実施の態様に関する以下の詳細な説明を読むことによ
り、当業者には一層明確に理解されよう。なお、全ての
図面を通じ、同じ構成要素は同じ参照番号によって表わ
されている。
【0013】
【詳細な説明】先ず図1を見ると、本発明を実施するた
めに適した電子ビーム融解炉装置の代表例が略示されて
いる。炉10は、水またはその他の冷却液を循環させる
ことのできる冷却管14を含んだ炉床12を有してい
る。この場合の炉床12は、後記に一層詳しく説明され
るごとく、溶融した金属材料をインゴット鋳型28内に
移送するための手段を成している。炉10の入口側の端
部においては、精製しかつインゴットに鋳造すべき合金
棒16が公知の方法に従って矢印Aの方向に連続的に送
り込まれる。炉10内に供給される原料は、インゴット
に鋳造すべき材料の小片または圧縮粉のごとき粒状物で
あってもよい。
【0014】炉10の上方には、好ましくは通常の電子
ビームガン18から成る第1の方向制御可能なエネルギ
ー入力装置18が配置されている。このエネルギー入力
装置18によって炉床12の上方に突き出た合金棒16
の端部が加熱されかつ融解される結果、溶融金属材料の
流れ20が炉床12内に流入して溶融金属材料のプール
22を形成する。冷却液を流すための冷却管14が炉床
12内に設けられている目的は、炉床12の内面上に金
属材料の固形スカル24を形成することにより、溶融金
属材料が炉床12を劣化させるのを防止すると共に、炉
床12からの汚染物が溶融金属材料中に混入する可能性
を低減させることにある。
【0015】また、金属材料を溶融状態に保つと共に、
鋳型28への供給のために所望される特定の温度にそれ
を維持するため、電子ビームガン26によって代表され
る追加の方向制御可能なエネルギー入力装置を使用する
こともできる。合金棒16を融解しかつ溶融金属材料の
プールを維持するためのエネルギー供給源として電子ビ
ームガン18および26が使用されるので、図1に示さ
れた炉床12および鋳型28は当業界において公知のご
とくにして真空室30内に収容されていることに注意さ
れたい。
【0016】合金棒16の融解が行われる側とは反対の
側に位置する炉10の端部には、炉壁の開口から成る注
ぎ口32が設けられている。かかる注ぎ口32は溶融金
属材料を炉10から鋳型28内に流し込むために役立
つ。鋳型28内においては、表面からの放射冷却および
鋳型28による伝導の結果、溶融金属材料は凝固してイ
ンゴット34を形成する。なお、鋳型28は水のごとき
冷却液を流すための冷却管36を有することが好まし
い。インゴット34は鋳型28の下端に設けられた開口
29を通し、公知の方法に従って矢印Bの方向に引抜か
れる。かかる引抜きは実質的に一様な速度で連続的に行
うことが好ましく、また引抜き速度はインゴットの凝固
前端が鋳型28の表面に向かって上方に移動する速度と
ほぼ同じであることが好ましい。
【0017】前述のごとく、炉10から鋳型28内に流
入する溶融金属材料の温度は合金の液相線温度よりも高
い温度(たとえば、液相線温度よりも30〜100℃だ
け高い温度)にまで過熱されていることが好ましい。ま
た、注ぎ口32の位置における溶融金属材料の温度を監
視するため、当業界において公知のごとくにして高温計
が設けられていることが好ましい。こうして得られた温
度の読みを使用することにより、必要に応じ、電子ビー
ムガン18および26を手動的または自動的に制御する
ことができる。自動制御の場合には、たとえば、高温計
および電子ビームガン用の制御器に対して機能的に接続
された自動制御装置を使用すればよい。
【0018】注ぎ口32から鋳型28内に供給された溶
融金属材料38は、鋳型28の上部に溶融金属材料のプ
ール(以後は溶融プールと呼ぶ)40を形成する。鋳型
28の内面に隣接した部分は、鋳型28中に設けられた
冷却管36のため、溶融プール40の中心部よりも急速
に凝固する傾向を示す。溶融プール40の表面温度を調
節するため、電子ビームガン42および44によって表
わされるような1個以上の方向制御可能なエネルギー入
力装置が設けられている。かかるエネルギー入力装置
は、インゴットの凝固速度を調節することにより、イン
ゴット中に所望の凝固組織を生成させるために役立つ。
これまでに記載された限りでは、電子ビーム融解用の
方法および装置は実質的に先行技術に基づくものであ
る。次に、図2を参照しながら図1の電子ビーム融解炉
の鋳型部分が一層詳しく説明される。図1にも示された
通り、かかる鋳型部分は真空室30内に収容されてい
る。真空室30の上部には2個の電子ビームガン42お
よび44が配置されていて、それらは溶融プール40の
表面に電子ビームを照射するために役立つ。
【0019】真空室30の上部には、撮像放射計48を
用いて鋳型28内の金属材料の上面を観察するために覗
き窓46が設けられている。覗き窓は電子ビーム融解炉
においてこれまでにも使用されてきたのであって、それ
の内部にはX線防御用の鉛ガラスおよびパイレックス、
石英または類似の耐熱性窓材料を含まれていることが好
ましい。撮像放射計48は本発明の場合と同じ譲受人に
譲渡された米国特許第4687344号明細書中に開示
されたような種類のものであることが好ましいが、それ
の細部は後記に記載される。撮像放射計48は覗き窓4
6の外部に配置されているが、それの位置は光の反射お
よびその他の有害な影響を制限するために撮像放射計4
8の入射光路が溶融プール40の表面と直角に交わるよ
うになっていることが好ましい。なお、撮像放射計を用
いた溶融温度制御装置は本発明の場合と同じ譲受人に譲
渡された米国特許第4656331号明細書中に既に開
示されている。
【0020】真空室30内の鋳型28に隣接した位置に
は、黒体基準放射源50が撮像放射計48の視野の内部
に配置されている。かかる基準放射源50として使用す
るためには、運転中の電子ビーム融解炉内において動作
し得るようにミクロン・インストルメンツ(Mikron Inst
ruments)社製のモデル・ブラックボディ(Model Blackbo
dy) を改造したものが適している。かかる基準放射源5
0は、撮像放射計48の較正精度を定期的に点検するた
めの手段を提供すると共に、炉の運転中における覗き窓
46の透過率の変化を検出して補正するための手段を撮
像放射計48に提供する。このような透過率の変化は凝
縮またはその他の損失機序によって引起こされることが
ある。また、合金の放射率のスポット較正を可能にする
位置に浸漬熱電対52が配置されていることが好まし
い。図2中には、かかる熱電対52が降下した動作位置
にある状態が示されている。熱電対52は合金を汚染す
る恐れがあるから、熱電対52による較正は、溶融加工
操作の開始または終了時あるいは試料の採取時のみに行
うことが好ましい。いずれにせよ、撮像放射計48の使
用によって表面全体の温度を連続的に測定することがで
きるから、熱電対52を頻繁に使用する必要はない。
【0021】図2に示された好適な実施の態様において
は、電荷注入素子(CID)型のシリコン検出器列54
が使用されている。所定の波長範囲(たとえば、700
〜1100ナノメートルの波長範囲)に応答するよう
に、かかる検出器列54の外部には分光帯域フィルタ5
6が設けられている。上記のごとき波長範囲は覗き窓4
6を構成する材料の分光透過特性に応じて選定すること
ができ、また使用可能な撮像放射計の種類は可視または
近赤外波長領域内において動作するものに制限すること
ができる。撮像放射計48の応答範囲を拡大するため、
分光帯域フィルタ56の前方に近赤外中性フィルタ58
が配置されていることが好ましい。また、撮像放射計4
8に対してレンズ60が設けられている。所望に応じ、
溶融プール40の表面からの反射を制限するため、レン
ズ60と覗き窓46との間に偏光フィルタ62が配置さ
れる。
【0022】溶融プール40の表面に焦点を合わせた撮
像放射計48からは、検出された放射率情報に対応した
画像信号が出力される。米国規格(たとえば、EIA
RS−170)または欧州規格に適合した画像信号は、
直接に表示することもできるし、あるいは更に処理を施
すこともできる。図2に示された実施の態様において
は、画像信号は直接に表示されるのではなく画像分析器
64に送られる。画像分析器64は、画像モニタ66上
に信号強度(すなわち、対象物の温度および温度分布)
を連続的に表示するものであることが好ましい。画像分
析器64は、必要に応じ、撮像放射計48によって測定
された対象物の放射強度(すなわち、溶融40の放射強
度)と、画像分析器のグラフ表示用出力信号との間に直
接の対応が得られるように較正されなければならない。
画像モニタ66は、溶融プール40の表面全域にわたる
温度分布を無彩色または疑似色で示す全視野像67を使
用すると共に、測定された実際の温度のグラフ表示69
を使用することにより、温度および温度分布を表示する
ものであることが好ましい。
【0023】本発明において使用するのに特に適した画
像分析器は、アメリカ合衆国コロラド州ボールダー市所
在のコロラド・ビデオ(Colorado Video)社製のモデル3
21・ビデオ・アナライザ(Model 321 Video Analyzer)
である。かかる画像分析器はまた、画像モニタ66上に
表示された画像に重ねて1対の(水平方向および垂直方
向の)カーソルを移動させて画像中の任意の点の輝度
(温度測定値)を抽出し、かつ抽出された輝度に比例し
た電圧を1種以上の所定の外部装置に供給するための手
動的な外部手段としても役立つことが好ましい。図2に
示された実施の態様においては、電子ビームガン制御計
算機70が設けられている。この計算機70は画像分析
器64に接続されていて、画像分析器64の出力チャネ
ル72を通して特定の点の輝度に対応した電圧信号を受
信する。画像分析器64はまた、図2中に示されたチャ
ネル線路74および76によって代表されるような追加
の入出力チャネルを有することが好ましい。これらのチ
ャネル線路74および76は、計算機70のごとき外部
装置にカーソルのアドレス信号を送信すると共に、やは
り計算機70のごとき外部装置からカーソルの位置決め
信号を受信するために役立つ。
【0024】図2に示された構成においては画像分析器
64を通過する画像信号を更に処理するため、画像カラ
ー量子化器78を設けることができる。かかる画像カラ
ー量子化器78は、ユーザによって設定された無彩色ス
ケールの個々の輝度レベルを画像モニタ66上において
段階的に変化する疑似色として表示するために使用され
る。一般に、画像分析器64が生み出す無彩色表示は対
象物における微細な空間的差異を一層明確化するために
役立つ一方、画像カラー量子化器78が生み出す輝度対
応の疑似色表示は電子ビームガンの制御によって溶融プ
ール表面のより多くの区域を共通の温度に調整する場合
に有用である。この場合、共通の温度は画像モニタ66
上において単一の一様な色によって表わされることにな
る。本発明において使用するのに適した市販の画像カラ
ー量子化器としては、コロラド・ビデオ社製のモデル6
06が挙げられる。
【0025】更にまた、操作員が電子ビームガンのパラ
メータ(たとえば、出力または強度および照射パター
ン)を制御して溶融プール40の表面における所定の温
度分布を維持する際に使用するために制御卓80が設け
られている。電子ビーム融解炉を厳格な自動方式で運転
することが意図されるならば、かかる装置から制御卓8
0を省くこともできる。制御卓80は電子ビームガン制
御計算機70に接続されていて、それを介して制御卓8
0からの指令が電子ビームガン42および44に伝達さ
れる。その結果、操作員が制御装置を操作して指令を与
えることにより、電子ビームの出力または強度を調節す
ると共に、溶融プール表面に対するビーム照射パターン
を変化させることができる。
【0026】次に、溶融金属材料をインゴットとして鋳
造するための本発明方法を実施する際に使用し得る装置
の動作を説明しよう。一般的に述べれば、かかる方法は
金属材料を加熱融解しかつインゴットを引抜くための開
口を下端に有する鋳型内に溶融金属材料を導入する工程
を含んでいる。かかる方法はまた、撮像放射計を用いて
溶融プール表面の温度および温度分布を測定し、少なく
とも1個の電子ビームガンから溶融プール表面に照射さ
れる電子の流れの位置および強度を選択的に調節するこ
とによって溶融プール表面に所定の温度および温度分布
を維持し、かつ凝固したインゴットを鋳型から取出す工
程をも含んでいる。上記のごとき所定の温度および温度
分布は、凝固したインゴット中に所望の金相学的組織が
得られるように選定される。
【0027】金属材料の加熱、融解および移送は、電子
ビーム融解炉法の分野においては公知である。また、そ
の点に関する限りでは、電子ビーム融解滴下法を用いて
本発明を実施することもできる。本発明の要点は、凝固
しつつあるインゴットの溶融プール表面の温度を制御す
ることによってインゴット中に所望の金相学的組織を得
るため、図2に関連して記載されたような撮像放射計お
よびそれの関連部品が使用されることである。好適な実
施の態様に従えば、溶融金属材料をインゴットとして鋳
造するための本発明方法は主としてニッケル基超合金の
インゴットの製造のために適用されるが、チタン基合
金、ジルコニウム基合金、ニオブ基合金、コバルト基合
金、鉄基合金およびアルミナイド金属間化合物を含むそ
の他の金属材料に関して本発明方法を実施することもで
きる。
【0028】本発明方法の重要な特徴の1つは、溶融プ
ール40の表面全域にわたって実質的に一様な温度が維
持されることである。本発明に従えば、鋳型28内の溶
融プール40の表面における温度の変動は凝固速度の差
に原因する凝固組織の変化をもたらすばかりでなく、溶
融プール40内における過度の対流の結果としてインゴ
ット中に酸化物やその他の望ましくない介在物の混入を
ももたらすことが認められた。すなわち、酸化物は溶融
プール表面上に浮揚するのが通例であるが、溶融プール
内に過度の対流が存在する場合にはそれが表面下に引込
まれて捕捉されることがあるのである。
【0029】本発明のもう1つの重要な特徴は、溶融プ
ール40の表面の温度がインゴットとして鋳造すべき合
金の液相線温度よりも高いレベルに維持されるのが望ま
しいことである。表面温度が液相線温度よりも高いレベ
ルに維持されれば、溶融金属材料およびインゴットの凝
固前端は実質的に一様な表面温度を維持するために電子
ビームガンから供給されるエネルギーまたは熱の影響を
遥かに受け難くなるのである。
【0030】溶融プール表面の全域にわたって実質的に
一様な温度を維持することが望ましいとは言え、鋳型の
周辺部において僅かに高い温度を維持することが必要と
なる場合もある。このような温度分布は湯境の形成を低
減もしくは排除するために役立つと共に、溶融金属材料
が溶融プールの周辺に位置する鋳型表面上で凝固して鋳
造作業に伴うインゴット全体の一様な引抜きを妨げる場
合に起こるインゴット表面の亀裂を防止するためにも役
立つ。溶融プールの中心部における温度は合金の液相線
温度よりも0〜10℃だけ高いレベルに維持されること
が好ましいが、合金の液相線温度よりも最高30℃もし
くはそれ以上だけ高い溶融プール温度を用いて本発明方
法を実施することも可能である。溶融プールの周辺部に
おける温度は、中心部における温度よりも低くないレベ
ルに維持されることが好ましい。とは言え、溶融プール
の中心部と周辺部との間の温度差は過度の対流を防止す
るのに十分な程度に小さくなるようにすべきである。
【0031】撮像放射計48は上記のごとき2つの重要
な特徴の実現を可能にする。すなわち、撮像放射計48
は溶融プール表面を連続的に監視し、そして無彩色また
は疑似色で表わされた溶融プール表面全体の画像を画像
モニタ上に形成する。撮像放射計48は近赤外波長範囲
(約700〜1100ナノメートル)内にある合金から
の放射を検出するから、溶融プール表面の温度および温
度分布の測定に際して視覚的な判定条件に依存すること
がない。従来公知の方法は操作員によって監視される視
覚的指標に依存していたため、該方法において使用され
る溶融プール温度は一般に合金の液相線温度よりも低い
ことが必要とされていたのである。
【0032】本発明方法においては、溶融プール表面の
温度分布の自動制御または手動制御を使用することがで
きる。手動的に制御される電子ビーム融解炉において
は、所望の溶融プール温度および実質的に一様な温度分
布を達成しかつ維持するのに際し、操作員は画像モニタ
66を使用しながら電子ビームガン42および44の動
作パラメータ(主として電子ビームの出力または強度お
よび照射パターン)を調節する。
【0033】電子ビーム融解炉にはまた、計算機70お
よび実時間センサ(図示せず)を用いて電子ビームガン
42および44を自動的に制御する能力を付与すること
もできる。自動運転モードにおいては、撮像放射計から
成るセンサ系は観察された視野内の任意に選ばれた位置
における放射強度(温度)に関連した信号を電子ビーム
ガン制御装置に供給する能力を有していなければならな
い。これは、出力チャネル72を通して画像分析器64
から計算機70に送られる信号と同様な信号によって達
成することができる。この場合には、撮像放射計48に
よって検出された情報を自動的または選択的に走査する
ことにより、観察された視野内の特定の位置における放
射強度信号を得るようにすればよい。
【0034】このように、電子ビームの出力または強度
および照射パターンを手動または自動運転モードで調節
することによってほぼ一様な表面温度が得られることに
なる。一般に、放射の結果として溶融プールから失われ
る熱を補償するために多少の熱入力が常に必要である。
インゴットの凝固前端において放出される融解熱は、イ
ンゴットに沿った伝導によって失われる熱を補償するの
に十二分なものである。水冷式の鋳型28を通しての伝
導によって失われる熱は、溶融プール40の周辺部に向
かってビームの分布を高めることによって補償すること
ができる。また、前述のごとく、鋳型からのインゴット
の引抜き時における湯境の形成およびインゴット表面の
亀裂を低減もしくは防止するために周辺部の温度を僅か
に高く維持することが望ましい場合もある。溶融プール
表面の温度および温度分布を制御する際におけるもう1
つの考慮事項は、電子ビーム融解炉装置を使用する場
合、鋳型内に注入される溶融金属材料が溶融プールの他
の部分よりも概して高い温度を有するようにすることで
ある。そうすれば、注入区域において要求される電子ビ
ームの出力が少なくて済む。
【0035】本発明方法の実施によって製造されるイン
ゴットは、ばらつきの少ない再現性のある内部組織およ
び表面品質を有している。かかる方法においてニッケル
基合金を使用した場合に得られる望ましい金相学的組織
の実例としては、樹枝状の微細等軸結晶粒組織、樹枝状
の柱状結晶粒組織、および樹枝状の微細等軸結晶粒組織
を有する領域と樹枝状の柱状結晶粒組織を有する領域と
を含む組織が挙げられる。また、チタン基合金を使用し
た場合に得られる好適な金相学的組織としては、等軸結
晶粒組織、柱状結晶粒組織、および等軸結晶粒組織の領
域と柱状結晶粒組織の領域との組合せが挙げられる。
【0036】本発明の装置および方法においてはまた、
電子ビーム融解法に適合した波長範囲内において動作し
かつこの種の装置において使用される覗き窓材料との適
合性を有するものであれば、その他の市販または特注の
撮像放射計も使用し得ることを理解すべきである。2〜
14マイクロメートルの中間赤外波長範囲またはそれの
一部分に対して感受性を有する検出器を用いた市販の撮
像放射計も、好適とは言えないにせよ、本発明において
使用することができる。また、可視波長範囲内において
動作する電荷結合素子、電荷注入素子、ビジコン、およ
びその他のソリッドステート型または真空管型テレビジ
ョンカメラを用いたセンサも上記のごとき好適な撮像放
射計の代りに使用するのに十分な感度を有し得る。
【0037】更にまた、上記のごとき撮像放射計センサ
系に含まれる画像分析器および画像カラー量子化器によ
って達成される機能はビデオ・フレーム・グラバ(すな
わち、内部フレーム記憶能力を有するビデオAD変換
器)によっても達成し得るし、また画像処理用の計算機
において動作する適当なソフトウェアあるいはプロセス
制御計算機中に組込まれた適当なソフトウェアによって
も達成し得ることが理解されよう。
【0038】上記の説明中には本発明の好適な実施の態
様が詳細に記載されているが、これはもっぱら例示を目
的としたものであることを理解すべきである。それ以外
にも、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに
様々な変更態様が可能であることは当業者にとって自明
であろう。それ故、本発明の範囲は前記特許請求の範囲
によって規定されるものと解すべきである。
【0039】上記の説明中には本発明の好適な実施の態
様が詳細に記載されているが、これはもっぱら例示を目
的としたものであることを理解すべきである。それ以外
にも、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに
様々な変更態様が可能であることは当業者にとって自明
であろう。それ故、本発明の範囲は前記特許請求の範囲
によって規定されるものと解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づく電子ビーム融解炉装置の代表例
を示す概略断面図である。
【図2】本発明の好適な実施の態様に基づく電子ビーム
融解炉装置の鋳型部分、撮像放射計および関連部品の略
図である。
【符号の説明】
10 炉 12 炉床 14 冷却管 16 合金棒 18 電子ビームガン 20 溶融金属材料の流れ 22 溶融金属材料のプール 24 スカル 26 電子ビームガン 28 インゴット鋳型 30 真空室 32 注ぎ口 34 インゴット 36 冷却管 42 電子ビームガン 44 電子ビームガン 46 覗き窓 48 撮像放射計 50 黒体基準放射源 52 浸漬熱電対 60 レンズ 62 偏光フィルタ 64 画像分析器 66 画像モニタ 70 電子ビームガン制御計算機 72 出力チャネル 78 画像カラー量子化器 80 制御卓
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01J 5/10 C 8909−2G (72)発明者 チャールス・バーナード・アダスクジック アメリカ合衆国、ノース・カロライナ州、 マチュース、クリケットウッド・コート、 2116番 (72)発明者 ゴードン・ブルース・ハンター アメリカ合衆国、オハイオ州、ラブラン ド、ストックトン・ドライブ、1713番 (72)発明者 リチャード・ゴードン・メンズィーズ アメリカ合衆国、オハイオ州、ワイオミン グ、ウエスト・ヒル・レーン、15番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a) 内部に導入された溶融金属材料を閉
    込めるために役立つと共に、前記溶融金属材料を冷却凝
    固させてインゴットを形成するための手段を有し、かつ
    前記インゴットを徐々に取出すための開口を下端に有す
    る鋳型、(b)前記鋳型の上部を視野の範囲内に収めるよ
    うな所定の位置に配置され、かつ前記鋳型の上部に位置
    する前記溶融金属材料の溶融プール表面の温度および温
    度分布を測定することのできる撮像放射計、(c) 前記溶
    融プール表面に電子の流れを照射するために役立つと共
    に、前記電子の流れの強度を調節するための手段および
    前記電子の流れを前記溶融プール表面の特定の区域に導
    くための手段を含む少なくとも1個の電子ビームガン、
    (d) 前記電子の流れの強度を調節するための前記手段を
    選択的に制御しかつ前記電子の流れを前記溶融プール表
    面の特定の区域に導くための前記手段を選択的に制御す
    るために役立つと共に、前記撮像放射計によって測定さ
    れた前記温度分布と予め設定された温度分布との差に応
    答して信号を発生するための手段を含む制御手段、並び
    に(e) 前記鋳型および前記鋳型内に前記溶融金属材料を
    導入するための手段を収容するために役立つと共に、壁
    面に設けられた少なくとも第1の覗き窓を有し、かつ前
    記電子ビームガンの有効な動作のために適した所定の内
    圧を維持することのできる真空室の諸要素から成ること
    を特徴とする、溶融金属材料をインゴットとして鋳造す
    るための装置。
  2. 【請求項2】 前記撮像放射計が前記溶融プール表面の
    温度分布を表わす画像信号を発生すると共に、前記制御
    手段が前記画像信号を受信しかつ前記温度分布を表わす
    画像を画像モニタ上に形成するための画像分析器を含む
    請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】 前記撮像放射計が前記真空室の外部に配
    置されていて、前記撮像放射計は前記真空室に設けられ
    た前記第1の覗き窓を通して前記溶融プール表面の温度
    分布を測定する請求項1記載の装置。
  4. 【請求項4】 前記溶融金属材料を前記鋳型の位置にま
    で移送しかつ前記溶融金属材料を前記鋳型内に導入する
    ために役立つ炉が追加包含される請求項1記載の装置。
  5. 【請求項5】 前記装置の運転に際して前記撮像放射計
    を定期的に較正するための手段が追加包含されていて、
    前記較正手段は黒体基準放射源から成る請求項1記載の
    装置。
  6. 【請求項6】 (a) インゴットを形成するための鋳型内
    に溶融金属材料を導入し、(b) 前記溶融金属材料の溶融
    プール表面の温度および前記溶融プール表面の全域にわ
    たる温度分布を表わす放射率を測定し、(c) 前記溶融プ
    ール表面に対する電子の流れの照射位置および強度を同
    時に選択的に調節することにより、前記溶融プール表面
    の温度を所定の温度に維持すると共に前記溶融プール表
    面の温度分布を所定の温度分布に維持し、それによって
    前記インゴット中に特定の金相学的組織を生成させ、
    (d) 前記鋳型から熱を除去することによって前記溶融金
    属材料をインゴットとして凝固させ、次いで(e) 前記鋳
    型から前記インゴットを徐々に取出す諸工程から成るこ
    とを特徴とする、溶融金属材料をインゴットとして鋳造
    するための方法。
  7. 【請求項7】 前記所定の温度が前記金属材料液相線温
    度よりも高い温度である請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記所定の温度分布が前記溶融プール表
    面の全域にわたって実質的に一様な温度を有するような
    ものである請求項6記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記所定の温度分布が前記溶融プール表
    面の中心部において実質的に一様な温度を有しかつ前記
    溶融プール表面の周辺部においてそれよりも高い温度を
    有するようなものであって、前記溶融プール表面の前記
    中心部と前記周辺部との温度差は前記溶融プール内にお
    ける過度の対流を防止するのに十分な程度に小さいもの
    である請求項6記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記金属材料がニッケル基合金、チタ
    ン基合金、ジルコニウム基合金、ニオブ基合金、コバル
    ト基合金、鉄基合金またはアルミナイド金属間化合物で
    ある請求項6記載の方法。
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