JPH059482B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 (1) 発明の分野 本発明は合金粉末の製造に関するものであつ
て、更に詳しく言えば、不純物含量の低減を特徴
とする超合金粉末の製造に関する。

先行技術の説明 冶金業界においては様々な合金粉末製造方法お
よび装置が知られている。たとえばFe、Co、
Ni、Tiまたはそれらの組合せを基材とするよう
な耐熱合金および超合金に関して述べれば、現行
の粉末製造方法では、先ず真空電子ビーム加熱、
真空アーク加熱、真空誘導加熱または真空プラズ
マ加熱技術の使用により高真空度の炉室内におい
て合金成分を融解してインゴツトが製造される。
合金インゴツトの製造後、現行の粉末製造方法で
は、粉末製造に必要な溶融金属流を得るために一
次融解用のセラミツク製炉床をセラミツク製の堰
鉢およびノズルと共に使用しながらガス噴霧法、
回転噴霧法または真空噴霧法のごとき方法によつ
て合金インゴツトが粉末化される。

ガスタービンエンジンの場合、高温下かつ高応
力下で動作するある種の部分（たとえばタービン
円板）の製造に際しては粉末金属が使用される。
目的部品の最終形状にほぼ等しくなるように粉末
金属予備成形物を製造することにより、製造費を
低減させることができる。しかしながら、粉末金
属の清浄度が不十分である場合、特にそれが現在
使用されている粉末製造方法において導入された
セラミツク粒子に由来する場合には、完成部品に
おいて低サイクル疲れのごとき機械的性質の顕著
な低下の起こり得ることが認められている。この
ような低下は、低サイクル疲れ破損の開始部位と
して作用する欠陥が合体粉末金属円板中に存在す
ることに原因する。かゝる用途のためのほとんど
全ての超合金粉末金属は、現在のところ、先ずイ
ンゴツトを用意し、そのインゴツトを融解し、次
いでガス噴霧法によつて粉末化するという手順に
従つて製造されている。かゝる噴霧法ではセラミ
ツク製の融解および注出装置が使用されるのであ
つて、これらの装置は望ましくないセラミツク包
有物をかなりの割合で導入することが判明してい
る。なお、本発明は出発原料がかゝるセラミツク
包有物をほとんど含まない場合に特に有用であり
得ることを理解すべきである。

発明の概要 本発明の主たる目的は、セラミツク部材との接
触なしに融解が行われかつ溶融合金から直接に粉
末が製造されるような改良された合金粉末の製造
方法を提供することにある。

また、セラミツク部材との接触なしに合金の金
属材料を融解する手段の使用によつて改良された
合金粉末の製造装置を提供することも本発明の目
的の１つである。

上記およびその他の目的や利点は、好適な実施
の態様に関する以下の詳細な説明および添付の図
面から一層明確に理解されるはずである。なお、
以下の説明や図面はいずれも本発明の実施を例示
するためのものであつて、決して本発明の範囲を
制限するものではない。

本発明方法の一態様に従つて簡単に述べれば、
液冷された壁を有する融解用炉床が用意され、そ
してその中に合金組成を規定する金属材料が配置
される。次いで、金属材料が炉床内において融解
される。特定の実施の一態様に従えば、金属材料
および炉床にプラズマ熱源を向けて掃射して実質
的に一様な熱を金属材料に供給することにより、
金属材料の融解が開始実行される。融解の実行
中、炉床の壁の中には冷えた炉床の壁に隣接した
溶融金属材料を再凝固させるのに十分なだけの冷
却液が供給される。その結果、炉床内には冷却壁
に沿つて金属材料から成る炉床外殻が形成される
一方、余分の溶融合金は炉床外殻の内部に溶融合
金溜りとして維持されることになる。次いで、余
分の溶融合金は炉床から粉末金属製造器内に導入
される。

本発明装置の一態様は、金属材料を収容するた
めの液冷された炉床および炉床内の金属材料を融
解して溶融合金溜りを生成させるためのプラズマ
熱源から成る金属材料融解手段、粉末金属製造
器、並びに溶融合金溜りから粉末金属製造器内に
溶融合金を導入するための手段を組合わせて成る
ものである。実施の一態様に従えば、上記の金属
材料融解手段は炉床に向けて配置された可動式の
プラズマ熱源を含んでいて、運転時にはそのプラ
ズマ熱源で炉床内の金属材料の表面全域を掃射す
ることによつて実質的に一様な熱が金属材料に供
給される。

好適な実施の態様の説明 最新の航空機ガスタービンエンジンの発達に伴
い、一層高い温度下で大きな応力に耐え得る高温
動作用材料が要求されるに至つている。他方、部
品設計の複雑性並びに粉末冶金加工や合金組成決
定における進歩の結果、経済的な製造という観点
から見て粉末金属の使用が魅力あるものとなつて
いる。その上、粉末金属を使用すれば、高温動作
特性と並んで低サイクル疲れ抵抗性のごとき望ま
しい性質を達成することも可能となる。

このように強度の極めて大きい耐熱材料を要求
する部品の代表例としては、最新のガスタービン
エンジンのタービン部分において使用される回転
円板が挙げられる。時には、圧縮機部分において
たとえばTi基合金から成るその他のエンジン部
品が使用されることもある。ところで、望ましい
低サイクル疲れ特性を達成するためには、かゝる
加工に際して使用される粉末金属からある種の不
純物を排除しなければならないことが認められて
いる。

上記のごとき円板に欠陥をもたらす主要な不純
物はセラミツクであつて、それの起源は最初の出
発原料あるいは合金から粉末を製造するために必
要な加工工程にあることが知られている。かゝる
欠陥が存在すると、円板の低サイクル疲れ特性が
高温および高応力条件下で要求されるレベル以下
に低下することがある。

たとえばFe、Co、Niまたはそれらの組合せを
基材とする超合金から粉末金属を製造するための
ガス噴霧法においては、セラミツク製の融解およ
び注出装置が使用される。かゝるセラミツク構造
物はセラミツク不純物をかなりの割合で導入する
のであつて、粉末冶金技術により製造された完成
部品中においてはその不純物が低サイクル疲れ破
損の開始部位として作用する欠陥を構成するので
ある。

本発明においては、セラミツク部材との接触な
しに金属材料を融解し、次いで得られた溶融合金
を粉末金属製造器内に導入することにより、セラ
ミツク部材と粉末製造用合金との接触が回避され
る。実施の一態様に従えば、粉末金属製造器内へ
の導入に先立つて合金の材料を融解するための融
解室または融解装置において、液冷された融解用
炉床と可動式であつてもよいプラズマ熱源とを併
用することによつてそれが達成される。液冷され
た炉床は、炉床の壁に隣接した炉床内の溶融金属
材料の再凝固をもたらす。その結果、金属材料か
ら成る炉床外殻が炉床の材料とその中に残存する
溶融合金との間の障壁として形成されることにな
る。

たとえば１個以上の可動式プラズマトーチから
成るような可動式のプラズマ熱源を使用すれば、
粉末化すべき合金の組成を規定する材料の迅速か
つ均一な加熱および融解が達成される。その上、
炉床内の金属材料の表面全域を掃射することの可
能なかゝる可動式の一次プラズマ熱源の使用によ
り、粉末金属製造器内への導入のため十分に実用
的な温度まで溶融合金を過熱することも容易とな
る。

本発明装置の一態様を添付の図面に示す。融解
室１０内において金属材料を融解するための改良
された手段は、液冷された炉床１２を含んでい
る。かゝる炉床１２の壁１３の中には冷却液通路
１４が設けられ、そして水のごとき冷却液の供給
源（図示せず）に連結されている。なお、本明細
書中で使用される「壁」という用語は、所望に応
じ、対象となる部材の側壁ばかりでなく底部をも
含むことがある。融解室１０は、たとえばアルゴ
ンのごとき不活性ガスをガス入口１６から導入す
ることによつて所望の雰囲気または圧力条件を設
定したり、あるいはガス出口１８を通して排気し
たりすることが可能である。現在使用されている
各種の方法に応じ、融解室１０内の雰囲気を調節
するためにその他適宜の手段を使用し得ることは
当業者にとつて自明であろう。炉床１２の上方に
は炉床１２に向けて配置された複数のプラズマト
ーチから成るものとして図示されたプラズマ熱源
２０が配置されているが、このプラズマ熱源２０
は可動式のものであつてよい。炉床１２内に金属
材料２２を導入した後、プラズマ熱源２０を用い
てかゝる金属材料の融解を開始進行させることが
できる。可動式の場合には、プラズマ熱源２０で
金属材料の表面全域を掃射することにより、実質
的に一様な熱を金属材料に供給することができ
る。

上記のごとき改良された融解手段の運転に際し
ては、合金組成を規定する金属材料２２が炉床１
２内に配置される。かゝる導入は、バツチ方式で
行つてもよいし、あるいはまた当業者において周
知の形式の補助的な金属供給装置を用いながら連
続または半連続方式で行つてもよい。たとえば
1973年７月10日付のボンバーガー・ジユニア
（Bomberger、Jr.）等の米国特許第3744943号明
細書中に記載された形式のシユート供給機構を使
用することができる。なお、この特許明細書の内
容は引用によつて本明細書中に併合されるものと
する。

水のごとき冷却液を冷却液通路１４内に循環さ
せながら、たとえば１組の可動式プラズマトーチ
から成るプラズマ熱源２０が作動される。かゝる
実施の態様に従えば、トーチを移動させて炉床１
２内の金属材料２２の表面全域を掃射することに
よつて金属材料が融解される。溶融金属材料が炉
床１２の冷却された内壁に接触すると、それは再
凝固して炉床外殻２４を形成し、そしてかゝる炉
床外殻２４が炉床の壁と炉床内に維持された余分
の溶融合金との間の障壁または緩衝層として働く
ことになる。このようにして、炉床材料が炉床内
の溶融合金中に混入することは防止され、従つて
異物を実質的に含まない溶融合金溜りが得られる
ことになる。

所望の程度の融解および過熱が達成された後、
矢印２８によつて示されるごとく、傾斜手段また
は機構の使用によつて炉床１２がたとえばピボツ
ト２６の回りに傾斜させられる。再凝固による炉
床外殻２４の形成後において炉床１２内に残存す
る溶融合金は、好ましくは炉床リツプ３０から炉
床１２外へ排出または注出され、それによつて溶
融合金流３２が得られる。図示の場合には、実施
例の実施の一態様に従つて、溶融合金流３２は補
助的な取扱い目的に役立つ液冷された堰鉢３４か
ら成る金属流調節装置内に注ぎ込まれる。とは言
え、当業者にとつて周知であるその他各種の金属
流調節装置中の任意のものに溶融合金流３２を導
入してもよいし、あるいは粉末金属製造器内に溶
融合金流３２を直接に導入してもよいことは勿論
である。

本発明の図示された実施の態様においては、溶
融合金流３２は液冷された堰鉢３４から成る金属
流調節装置内に導入される。かゝる堰鉢３４には
冷却液通路３６が設けられ、そして当業界におい
て周知の方法により水のごとき冷却液の供給源
（図示せず）に連結されている。炉床１２と同様
に、堰鉢３４も溶融合金の流れを容易にするため
の堰鉢リツプ３８を具備することができる。

運転に際しては、冷却液通路３６内に冷却液を
循環させながら、炉床１２から溶融金属流３２と
して供給された溶融合金を堰鉢３４が受容する。
かゝる溶融合金が堰鉢３４の冷却された壁に接触
すると、溶融合金の一部分が凝固することによつ
て炉床外殻３４と同様な堰鉢外殻４０が形成され
る。かゝる堰鉢外殻４０は、同様に、堰鉢の壁と
堰鉢外殻の形成後に堰鉢内に維持された余分の溶
融合金との間の障壁または緩衝層として働くこと
になる。堰鉢内に存在する余分の溶融合金を溶融
状態に維持するため、図示のごとくにたとえばプ
ラズマトーチ４２から成る二次プラズマ熱源が必
要となることもある。運転に際しては、再凝固に
よる堰鉢外殻４０の形成後において堰鉢３４内に
残存する余分の溶融合金に向けて二次プラズマ熱
源４２が作動される。最後に、溶融合金流４４は
堰鉢３４から粉末金属製造器４６内に流れ込む。

かゝる粉末金属製造器は、当業界において周知
である各種形式の装置、たとえば粉末金属製造用
の噴霧型またはその他の砕解型装置であり得る。
図面中に略示されているのはガス噴霧型の装置で
ある。この装置は溶融金属入口５０を有する冷却
塔４８を含んでいて、溶融金属入口５０の周囲に
はそれを通つて冷却塔４８に入る溶融合金流４４
中にアルゴン、窒素、ヘリウムなどのごとき噴霧
ガスを噴射するための噴霧ガス噴射手段５２が配
置されている。かゝる噴霧ガスは加圧ガス源（図
示せず）から導管５４を通して供給される。こう
して溶融合金流中に導入された噴霧ガスは、溶融
合金流を小さな粒子に分散させる。かゝる粒子は
凝固して冷却塔４８の底に落下し、そして粉末金
属収集器５６内に蓄積する。図面中に示されるご
とく、かゝる粉末金属製造器と共に排気装置５８
を設置すれば好都合である。一般的に言えば、排
気装置５８はたとえば当業界において周知である
サイクロン型の集塵器６０を含んでいる。

融解室１０内には、所望ならば、たとえば炉床
リツプ３０および堰鉢リツプ３８の一方または両
方に向けて配置された補助熱源を使用することも
できる。そうすれば、溶融合金流３２および４４
を所望の溶融状態または過熱状態で注出すること
が容易となる。

本発明の改良された融解室または金属材料融解
手段の評価の一例を述べれば、0.06（重量）％の
Ｃ、13（重量）％のCr、８（重量）％のCo、3.5
（重量）％のMo、3.5（重量）％のCb、0.05（重量）
％のZr、2.5（重量）％のTi、3.5（重量）％のAl、
0.01（重量）％のＢ、3.5（重量）％のＷおよび残
部のNiと付随不純物とから成る公称組成を有し
かつルネ（Ren′e）95として市販されているニツ
ケル基超合金を使用した。この評価例では、一次
プラズマ熱源２０を構成する３個のプラズマトー
チを水冷された銅製融解用炉床１２に集中させ
た。また、図面中に示されるごとく、二次プラズ
マ熱源４２を構成する追加のプラズマトーチを水
冷された銅製の注出用堰鉢３４に集中させた。な
お、炉床１２内での融解に関する別の評価例にお
いては、３個より少ない数のプラズマトーチも使
用した。一次プラズマ熱源を構成する炉床加熱用
のプラズマトーチは互いに直交する３つの方向に
沿つて移動可能である一方、二次プラズマ熱源を
構成する堰鉢加熱用のプラズマトーチは鉛直方向
および一水平方向に沿つて移動可能であつた。装
置の側面およびプラズマトーチの支持体は断熱材
によつて保護されていた。数回の評価試験の結
果、液冷された炉床と可動式であつてもよいプラ
ズマ熱源とを併用し、そして金属流調節装置とし
ての堰鉢を組合わせて使用すれば、溶融合金の流
れを調節して溶融合金がセラミツク部材と接触す
ることがないように粉末金属製造器に導入できる
ので、欠陥部位として作用することのあるセラミ
ツク不純物を実質的に増加させることなく合金粉
末を製造するために役立つ改良された金属材料融
解手段の得られることが判明した。

本発明装置の使用により、特にFe、Co、Ni、
Tiまたはそれらの組合せを基材とする耐熱合金
または超合金から成る合金粉末の改良された製造
方法が得られる。この方法は、欠陥をもたらすセ
ラミツク不純物の増加が実質的に回避されること
を特徴とする。

以上、特定の実施の態様に関連して本発明を説
明した。とは言え、前記特許請求の範囲によつて
規定された本発明の範囲から逸脱することなしに
様々な改変や変更が可能であることは当業者にと
つて容易に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

図面は、改良された融解室および粉末金属製造
器を含む本発明装置の一態様を示す部分断面略図
である。 図中、１０は融解室、１２は炉床、１３は炉床
の壁、１４は冷却液通路、１６はガス入口、１８
はガス出口、２０は一次プラズマ熱源、２２は金
属材料、２４は炉床外殻、２６はピボツト、３０
は炉床リツプ、３２は溶融合金流、３４は堰鉢、
３６は冷却液通路、３８は堰鉢リツプ、４０は堰
鉢外殻、４２は二次プラズマ熱源、４４は溶融合
金流、４６は粉末金属製造器、４８は冷却塔、５
０は溶融金属入口、５２は噴霧ガス噴射手段、５
６は粉末金属収集器、５８は排気装置、そして６
０は集塵器を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (A)液冷された壁を有する融解用炉床を用意
   し、(B)合金組成を規定する金属材料を前記炉床内
   に配置し、(C)前記炉床内の前記金属材料に向けて
   プラズマ熱源を動作させて前記金属材料を融解す
   る一方、前記炉床の壁に隣接した溶融金属材料を
   再凝固させるのに十分な冷却液を前記炉床の壁の
   中に供給することにより前記炉床の内部に前記金
   属材料の一部分から成る炉床外殻を冷却壁に沿つ
   て形成すると同時に、前記炉床外殻内に存在する
   余分の溶融合金を溶融合金溜りとして維持し、次
   いで(D)前記余分の溶融合金を前記炉床から粉末金
   属製造器内に導入する諸工程から成る合金粉末の
   製造方法であつて、前記余分の溶融合金が金属流
   調節装置を介して前記粉末金属製造器内に導入さ
   れ、液冷された壁を有する堰鉢が前記金属流調節
   装置として使用され、前記余分の溶融合金を前記
   炉床から前記堰鉢内に注ぎ込む一方、前記堰鉢の
   壁に隣接した前記余分の溶融合金を再凝固させる
   のに十分な冷却液を前記堰鉢の壁の中に供給する
   ことにより前記堰鉢の内部に前記余分の溶融合金
   の一部分から成る堰鉢外殻を形成し、次いで余分
   の溶融合金を前記堰鉢から前記粉末金属製造器内
   に注ぎ込み、前記堰鉢内の余分の溶融合金に向け
   て二次プラズマ熱源を動作させる合金粉末の製造
   方法。 ２ 前記プラズマ熱源で前記金属材料の表面全域
   を掃射することによつて実質的に一様な熱が前記
   金属材料に供給される特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ３ 前記二次プラズマ熱源で前記堰鉢内の余分の
   溶融合金の表面全域を掃射することによつて実質
   的に一様な熱が前記余分の溶融合金に供給される
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 溶融合金から粉末を生成する粉末金属製造器
   を含む合金粉末製造装置において、(a)合金組成を
   規定する金属材料を収容しかつ前記金属材料を融
   解して溶融状態の合金を生成するための液冷され
   た炉床、(b)前記炉床に向けて配置されかつ前記金
   属材料を融解して溶融合金を生成するプラズマ熱
   源、および(c)前記溶融合金を前記粉末金属製造器
   内に導入するための金属流調節装置を組合わせて
   成り、前記金属流調節装置が前記炉床内において
   生成された溶融合金を受容しかつ前記溶融合金の
   少なくとも一部分を溶融合金から粉末を生成する
   ための前記粉末金属製造器内に導入する液冷され
   た堰鉢を有し、前記堰鉢に向けて配置されかつ前
   記堰鉢内の溶融合金を溶融状態に維持する二次プ
   ラズマ熱源を含む合金粉末製造装置。 ５ 運転中、前記炉床内の前記金属材料の表面を
   掃射することによつて実質的に一様な熱を前記金
   属材料に供給する前記プラズマ熱源を配置した特
   許請求の範囲第４項記載の装置。