JPWO2007126114A1 - Casting method and apparatus - Google Patents
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Abstract
本発明は一方向凝固鋳物あるいはESR、VAR等の再溶融法によるインゴットの製造において、凝固中における固液共存相内の液相の流動現象に着目し、固液共存相全体に対して強磁場を印加することによりマクロ偏析形成の原因となるデンドライト間極低速液相流動を抑制し、これによりフレックル等のマクロ偏析欠陥を抑制できることを明らかにした。本発明はそのようなマクロ偏析欠陥のない高品質鋳造品を製造するための鋳造技術を提供しようとするものである。The present invention pays attention to the flow phenomenon of the liquid phase in the solid-liquid coexisting phase during solidification in the production of an ingot by unidirectional solidification casting or remelting method such as ESR, VAR, etc. It has been clarified that the application of can suppress the very low-speed liquid phase flow between dendrites, which causes the formation of macrosegregation, thereby suppressing the macrosegregation defects such as fleckle. The present invention seeks to provide a casting technique for producing a high-quality cast product free from such macro-segregation defects.
Description
本発明は鋳造技術分野に属し、多結晶粒から成る柱状デンドライト組織(DS材と称す)及び単一粒から成るデンドライト組織(Mono−crystalあるいはSX材と称す)を有する一方向凝固鋳物、及びエレクトロスラグ再溶融法(ESR)、真空アーク再溶融法(VAR)等の再溶融法によるインゴットの製造において主としてマクロ偏析欠陥を改善するための鋳造技術に係る。 The present invention belongs to the field of casting technology, and is a unidirectionally solidified casting having a columnar dendrite structure (referred to as a DS material) composed of polycrystalline grains and a dendrite structure composed of a single grain (referred to as a Mono-crystal or SX material), and electro The present invention relates to a casting technique mainly for improving macro segregation defects in ingot production by remelting methods such as slag remelting (ESR) and vacuum arc remelting (VAR).
〔一方向凝固鋳物〕
本発明の技術分野である一方向凝固鋳物の典型的な例として航空機用ジェットエンジン、発電用ガスタービン等に用いられるタービンブレード材が挙げられる。第1図(a)に現在用いられている典型的な一方向凝固装置の概要を示す。冷却チル底台上にセットされたセラミック鋳型(実際の鋳型は複雑な3次元形状)に溶融金属を鋳込んだ後、鋳型を高温保持された加熱炉から重力の方向に相対的に引抜き順次凝固させることにより多結晶柱状デンドライト組織(DS材と称す)あるいは単一デンドライト組織(SX材と称す)を有する鋳物が得られる。図には引抜き途中の液相、固液共存相(mushy zone)及び固相を示す。鋳込装置、真空容器等の実際の装置の詳細は示さない。タービンブレードは過酷な条件下で使用されるため、高温強度等耐熱性に優れたNi基超合金が主要な材料として用いられている。しかしながらこれらタービンブレードにはフレックルと呼ばれるチャンネル偏析、不整方位結晶粒(misoriented grain defects)、ミクロポロシティ等の鋳造欠陥を生じ製品歩留まりを低下させる要因となっている(例えば文献1のp.321参照)。
フレックルの成因に関して現在定性的に以下のごとく考えられている。Ni基超合金の特徴の一つは合金素地であるγ相に整合的に析出するγ’相(ガンマプライムと呼ばれるNi3(Al,Ti)を基本組成とする金属間化合物)を有することであり、一般にγ’の体積率が増すほど高温強度は上昇する。しかしながら、Niよりも軽いAl、Ti、W等を含む合金においては、凝固の進行につれてこれらの元素が濃化するデンドライト間液相の密度は小さくなる。従って、このような合金を重力の方向と逆向きに凝固させる場合、固液共存相底部すなわちデンドライト根元の液相の密度は固液共存相と液相の境界すなわちデンドライト先端の液相の密度に比べて相対的に小さくなる。[このような合金を本明細書では対流に対して‘溶質不安定’と呼ぶこととする。]一方、温度分布はデンドライトの根元の方が先端よりも低く従って密度も大きいので対流を引き起こさない。すなわち、‘熱的に安定’である。溶質不安定度が熱的安定度よりも大きい場合、密度逆転層が形成され固液共存相における液相はこの密度差に基因する上昇流を生じフレックル(freckle)と呼ばれるチャンネル偏析を生じやすい。また、デンドライト成長が破れ不整方位結晶を生じやすくなる。[このような合金を本明細書では‘浮上型合金’と呼ぶこととする。]Ni基超合金ブレードに生ずるフレックルはこのような密度差に基づく上昇流によって生ずるものと理解されている。
現在、これら鋳造欠陥を低減させるため加熱保持温度、引抜き速度、輻射冷却能等の鋳造条件の改善あるいはNiよりも重いTa等の元素を添加し成分調節を行う等多大な試行錯誤的改良努力が払われているが未だ不充分である。従ってこのような鋳造欠陥を解消する技術が強く要望されているのが現状である。
[再溶融法によるインゴット製造]
エレクトロスラグ再溶融法(ESR)、真空アーク再溶融法(VAR)等の再溶融法によるインゴット製造においては液相プール及び固液共存相の深さは比較的浅いという特徴を持っている。前記一方向凝固法においては側面からの凝固は抑制されているが、これら再溶融法では鋳型(通常水冷銅鋳型が用いられる)からの抜熱により側面からも凝固が進行する点が異なる。ESRあるいはVARによるNi基超合金の製造においてフレックル(チャンネル偏析)をはじめとするマクロ偏析が生ずることはよく知られている(例えば文献2参照)。これらの再溶融法においては前述の浮上型合金はもちろんその逆の沈降型合金(すなわち凝固の進行とともにデンドライト間溶質濃化液相の密度が大きくなる合金)においても上記偏析欠陥を生ずる。これらの鋳造欠陥を低減させるため、液相プール深さをできるだけ浅くするような(特に沈降型合金に対して有効)あるいは冷却速度を増すような冷却条件、溶解速度等の鋳造条件の設定あるいは化学成分調整を行っているが、インゴットの断面積が大きくなると上記偏析欠陥の生成は避けられない。このため、前記Ni基超合金タービンディスク、Fe基合金発電用タービンローター等に用いられるインゴットの製造においてできるだけ径が大きく偏析の少ないインゴットを安定して製造する技術が強く要望されている。[Unidirectional solidified casting]
Typical examples of the unidirectionally solidified casting, which is the technical field of the present invention, include turbine blade materials used in aircraft jet engines, power generation gas turbines, and the like. FIG. 1 (a) shows an outline of a typical unidirectional solidification apparatus currently used. After casting the molten metal into a ceramic mold (actual mold is a complicated three-dimensional shape) set on the bottom of the cooling chill, the mold is drawn from the furnace maintained at high temperature in the direction of gravity and solidified sequentially. By doing so, a casting having a polycrystalline columnar dendrite structure (referred to as DS material) or a single dendrite structure (referred to as SX material) is obtained. The figure shows the liquid phase in the middle of drawing, the solid-liquid coexisting phase, and the solid phase. Details of the actual apparatus such as the casting apparatus and the vacuum vessel are not shown. Since the turbine blade is used under severe conditions, a Ni-base superalloy excellent in heat resistance such as high-temperature strength is used as a main material. However, in these turbine blades, casting segregation such as channel segregation, misaligned grain defects, microporosity, and the like called freckle is caused, and this is a factor that lowers the product yield (see, for example, page 321 of Document 1). .
The origin of Fleckle is currently considered qualitatively as follows. One of the characteristics of the Ni-base superalloy is that it has a γ ′ phase (intermetallic compound based on Ni3 (Al, Ti) called gamma prime) that precipitates consistently with the γ phase that is the alloy base. Generally, the higher the volume fraction of γ ′, the higher the high temperature strength. However, in an alloy containing Al, Ti, W, etc. that is lighter than Ni, the density of the liquid phase between dendrites where these elements are concentrated decreases as the solidification progresses. Therefore, when solidifying such an alloy in the direction opposite to the direction of gravity, the density of the liquid phase at the bottom of the solid-liquid coexisting phase, that is, the dendritic root, is the density of the liquid phase at the boundary between the solid-liquid coexisting phase and the liquid phase, that is, the tip of the dendrite. It becomes relatively small compared. [Such alloys are referred to herein as 'solute instability' with respect to convection. On the other hand, the temperature distribution does not cause convection because the dendritic root is lower than the tip and therefore has a higher density. That is, it is “thermally stable”. When the solute instability is higher than the thermal stability, a density inversion layer is formed, and the liquid phase in the solid-liquid coexisting phase tends to cause an upward flow due to this density difference, and easily causes channel segregation called freckle. In addition, the dendrite growth is broken and an irregularly oriented crystal is likely to be formed. [Such alloys are referred to herein as 'floating alloys'. It is understood that the freckle generated in the Ni-base superalloy blade is caused by the upward flow based on such a density difference.
At present, in order to reduce these casting defects, a great amount of trial and error improvement efforts such as improvement of casting conditions such as heating and holding temperature, drawing speed, radiation cooling ability, etc. or addition of elements such as Ta heavier than Ni are carried out. It has been paid, but it is still insufficient. Accordingly, there is a strong demand for a technique for eliminating such casting defects.
[Ingot production by remelting method]
In ingot production by remelting methods such as electroslag remelting (ESR) and vacuum arc remelting (VAR), the depth of the liquid phase pool and the solid-liquid coexisting phase is relatively shallow. In the unidirectional solidification method, solidification from the side surface is suppressed, but in these remelting methods, solidification proceeds from the side surface due to heat removal from the mold (usually a water-cooled copper mold is used). It is well known that macrosegregation such as freckle (channel segregation) occurs in the production of Ni-base superalloys by ESR or VAR (see, for example, Reference 2). In these remelting methods, the above-mentioned segregation defects are generated not only in the above-mentioned floating type alloy but also in the opposite sedimentary type alloy (that is, an alloy in which the density of the solute-rich liquid phase between dendrites increases with the progress of solidification). In order to reduce these casting defects, the casting conditions such as cooling conditions, melting speeds, etc. are set or chemistry that makes the liquid phase pool depth as shallow as possible (especially effective for precipitated alloys) or increases the cooling rate. Although component adjustment is performed, the generation of the segregation defect is inevitable when the cross-sectional area of the ingot increases. Therefore, there is a strong demand for a technique for stably producing an ingot having a diameter as large as possible and having little segregation in producing an ingot used for the Ni-base superalloy turbine disk, the Fe-base alloy power generation turbine rotor, and the like.
本発明は一方向凝固鋳物及びESR、VAR等の再溶融法によるインゴットの鋳造プロセスにおいて、主として固液共存相内の液相の流動によって生ずるフレックル等のマクロ偏析欠陥のない高品質鋳造品を製造するための鋳造技術を提供しようとするものである。
本発明は前記鋳造プロセスにおいて、特に固液共存相における液相の流動現象に着目し、前記固液共存相全域に対して強磁場を印加することによって当該相内におけるデンドライト間極低速液相流れを抑制できることをはじめて明らかにし、これによってフレックル等のマクロ偏析を解消するものである。The present invention manufactures high-quality castings that are free from macrosegregation defects such as fleckle and the like caused by the flow of the liquid phase in the solid-liquid coexisting phase in the ingot casting process by re-melting methods such as unidirectionally solidified castings and ESR and VAR. It intends to provide a casting technique for doing this.
The present invention focuses on the flow phenomenon of the liquid phase in the solid-liquid coexisting phase, particularly in the casting process, and applies a strong magnetic field to the entire solid-liquid coexisting phase, thereby causing an extremely low-speed liquid phase flow between dendrites in the phase. It is clarified for the first time that macro segregation such as freckle is eliminated.
第1図は具体例1における一方向凝固法の概要を示す図であり、図(a)は従来の製法による概要を、図(b)は本発明に係る製法の概要を示す。
第2図はNi−10wt%Al合金及びIN718合金の凝固中における温度と固相体積率の関係である(IN718に関して文献10のFigure1参照)。
第3図はNi−10wt%Al合金の凝固中における液相溶質濃度変化を示す図である。
第4図はIN718合金の凝固中における液相溶質濃度変化を示す図である(文献10のFigure2参照)。
第5図はNi−10wt%Al合金及びIN718合金の凝固中における液相密度変化を示す図である。
第6図は具体例1におけるNi−10wt%Al合金丸一方向凝固インゴットのフレックル偏析に及ぼす軸方向印加磁場Bzの効果を示すAl濃度等高線図である。図(a)はBz=0、図(b)はBz=5(Tesla)、図(c)はBz=10(Tesla)の場合であり図(d)はこれらのインゴットのRR’断面(底面より91.9mm)におけるBzの効果を示す。
第7図は第6図と同じインゴットの凝固途中(18分後)の固相率分布を示す図である。図(a)は全断面を、図(b)は外周部の拡大図を示す。
第8図は第6図と同じインゴットの凝固途中(18分後)における液相流れを示す図である。図(a)はBz=0、図(b)はBz=10(Tesla)の場合である。
第9図は具体例2におけるNi−10wt%Al合金角一方向凝固インゴットのフレックル偏析を示すAl濃度等高線図である。図(a)は横断面(底面より86.6mm)及び図(b)は縦断面(Y方向端面)におけるフレックルを示す。
第10図は第9図と同じインゴットのY方向末端縦断面における20分後の(a)Alのフレックル偏析及び固相率分布、(b)固液共存相及び液相における流れ場及び固相率分布を示す。図中の等高線は固相率0.2、0.4、0.6及び0.8を表す。背景の上部灰色は液相、薄い灰色は固液共存相及び下部の濃い灰色は固相を表す。速度ベクトルはnormalizeされている。
第11図は具体例2におけるNi−10wt%Al合金角一方向凝固インゴットのフレックル偏析に及ぼす軸方向磁場Bzの効果を示すAl濃度等高線図である。図(a)はBz=0、図(b)はBz=3Tesla、図(c)はBz=5Teslaの場合を示す。図(d)はXX’断面(底面より91.9mm、Y方向端面)における偏析抑制効果を示す。
第12図は具体例2におけるNi−10wt%Al合金角一方向凝固インゴットのフレックル偏析に及ぼすY方向磁場(By=3Tesla)の効果を示すAl濃度等高線図である。図(a)はXX’横断面(底面より91.9mm)、及び図(b)はY方向端面における偏析を示す。
第13図は具体例3におけるNi−10wt%Al合金薄板一方向凝固鋳物のフレックル偏析に及ぼす縦方向磁場の効果を示すAl濃度等高線図である。図(a)はBz=0、図(b)はBz=1Tesla、図(c)はBz=2Teslaの場合である。それぞれの図において縦断面はY方向端面、横断面はXX’横断面(底面より91.9mm)を示す。
第14図は具体例4におけるIN718合金再溶融プロセスインゴットの中心部フレックル偏析に及ぼす軸方向磁場Bzの効果を示すNb濃度等高線図である。図(a)はBz=0、図(b)はBz=5Tesla、及び図(c)はBz=10Teslaの場合である。
第15図は第14図において磁場なしのときのRR’断面(底面より1068.8mm)における各合金元素の偏析分布を示す図である。
第16図は第14図RR’断面(底面より1068.8mm)におけるNbの偏析抑制効果を示す図である。
第17図は再溶融プロセスにおける本発明の適用例を示す図である。図(a)はESRプロセスへの適用例、及び図(b)はVARとスラグ精錬と静磁場を組合わせた適用例である。
第18図は本発明に係るDCコイル5のいくつかの例を示す図である。図(a)はソレノイド型、図(b)は1ユニットコイル、図(c)は2ユニットコイル(ヘルムホルツ型またはこれに順ずる型)を示す。図(d)は重力の方向に交差する方向に磁場を印加する場合のレーストラック型1ユニットコイル、及び図(e)はレーストラック型2ユニットコイルを示す。
第19図は具体例3におけるNi−10wt%Al合金薄板一方向凝固において磁場を印加しない場合のAl濃度分布を示す。図(a)はストレート、126mm長、図(b)はテーパー付き126mm長、図(c)はストレート、252mm長の場合である。
第20図は第19図(b)テーパー付き薄肉インゴットの引出し開始から1005sec後(底面より45mm)におけるmushy zone内の流れ場及び固相率(0.2から1.0まで0.2キザミ)分布を示す。右端のlegendは速度範囲を示す。
第21図は第19図(b)テーパー付き薄肉インゴット一方向凝固に対して軸方向磁場を印加したときのマクロ偏析抑制効果を示す。図(a)はBz=0.5Tesla、図(b)は3Tesla、図(c)は5Teslaの場合である。横断面は位置XX’における分布図である。FIG. 1 is a diagram showing an outline of a unidirectional solidification method in Example 1, FIG. 1 (a) shows an outline of a conventional production method, and FIG. 1 (b) shows an outline of the production method according to the present invention.
FIG. 2 shows the relationship between the temperature during solidification of the Ni-10 wt% Al alloy and the IN718 alloy and the volume fraction of the solid phase (see FIG. 1 of Reference 10 for IN718).
FIG. 3 is a diagram showing a change in liquid phase solute concentration during solidification of a Ni-10 wt% Al alloy.
FIG. 4 is a diagram showing a change in liquid phase solute concentration during solidification of the IN718 alloy (see FIG. 2 in Reference 10).
FIG. 5 is a graph showing changes in liquid phase density during solidification of Ni-10 wt% Al alloy and IN718 alloy.
FIG. 6 is an Al concentration contour map showing the effect of an axially applied magnetic field Bz on the freckle segregation of a Ni-10 wt% Al alloy round unidirectionally solidified ingot in Example 1. Fig. (A) shows the case of Bz = 0, Fig. (B) shows Bz = 5 (Tesla), and Fig. (C) shows the case of Bz = 10 (Tesla), and Fig. (D) shows the RR 'cross section (bottom surface) of these ingots. The effect of Bz at 91.9 mm) is shown.
FIG. 7 is a view showing a solid phase ratio distribution during solidification (after 18 minutes) of the same ingot as in FIG. The figure (a) shows the whole cross section, and the figure (b) shows an enlarged view of the outer periphery.
FIG. 8 is a view showing a liquid phase flow during solidification (after 18 minutes) of the same ingot as in FIG. The figure (a) is a case where Bz = 0 and the figure (b) is a case where Bz = 10 (Tesla).
FIG. 9 is an Al concentration contour diagram showing the freckle segregation of a Ni-10 wt% Al alloy unidirectionally solidified ingot in Example 2. The figure (a) shows the freckle in a cross section (86.6 mm from the bottom face) and the figure (b) in a vertical section (Y direction end face).
FIG. 10 shows (a) fleckle segregation and solid phase distribution of Al after 20 minutes in the Y-direction end longitudinal section of the same ingot as in FIG. 9, (b) flow field and solid phase in solid-liquid coexistence phase and liquid phase. The rate distribution is shown. Contour lines in the figure represent solid phase ratios of 0.2, 0.4, 0.6, and 0.8. The upper gray in the background represents the liquid phase, the light gray represents the solid-liquid coexisting phase, and the dark gray in the lower portion represents the solid phase. The velocity vector is normalized.
FIG. 11 is an Al concentration contour diagram showing the effect of the axial magnetic field Bz on the freckle segregation of a Ni-10 wt% Al alloy unidirectionally solidified ingot in Example 2. The figure (a) shows the case of Bz = 0, the figure (b) shows the case of Bz = 3 Tesla, and the figure (c) shows the case of Bz = 5 Tesla. The figure (d) shows the segregation suppressing effect in the XX ′ cross section (91.9 mm from the bottom surface, end face in the Y direction).
FIG. 12 is an Al concentration contour map showing the effect of a Y-direction magnetic field (By = 3 Tesla) on the freckle segregation of a Ni-10 wt% Al alloy unidirectionally solidified ingot in Example 2. The figure (a) shows XX 'cross section (91.9 mm from the bottom face), and the figure (b) shows segregation at the end face in the Y direction.
FIG. 13 is an Al concentration contour map showing the effect of a longitudinal magnetic field on the freckle segregation of a Ni-10 wt% Al alloy sheet unidirectionally solidified casting in Example 3. The figure (a) is a case where Bz = 0, the figure (b) is a case where Bz = 1 Tesla, and the figure (c) is a case where Bz = 2 Tesla. In each figure, the longitudinal section shows the end face in the Y direction, and the transverse section shows the XX ′ transverse section (91.9 mm from the bottom).
FIG. 14 is an Nb concentration contour diagram showing the effect of the axial magnetic field Bz on the center freckle segregation of the IN718 alloy remelting process ingot in Example 4. The figure (a) is a case where Bz = 0, the figure (b) is a case where Bz = 5 Tesla, and the figure (c) is a case where Bz = 10 Tesla.
FIG. 15 is a diagram showing the segregation distribution of each alloy element in the RR ′ cross section (1068.8 mm from the bottom surface) when there is no magnetic field in FIG.
FIG. 16 is a view showing the effect of suppressing segregation of Nb in the cross section of FIG. 14 RR ′ (1068.8 mm from the bottom).
FIG. 17 is a diagram showing an application example of the present invention in the remelting process. Fig. (A) shows an application example to the ESR process, and Fig. (B) shows an application example in which VAR, slag refining, and a static magnetic field are combined.
FIG. 18 is a diagram showing some examples of the DC coil 5 according to the present invention. Fig. (A) shows a solenoid type, Fig. (B) shows a 1 unit coil, and Fig. (C) shows a 2 unit coil (Helmholtz type or a similar type). Fig. (D) shows a racetrack type 1 unit coil when a magnetic field is applied in a direction crossing the direction of gravity, and Fig. (E) shows a racetrack type 2 unit coil.
FIG. 19 shows the Al concentration distribution when no magnetic field is applied in unidirectional solidification of a Ni-10 wt% Al alloy thin plate in Example 3. Figure (a) is straight, 126 mm long, figure (b) is 126 mm long with taper, and figure (c) is straight, 252 mm long.
FIG. 20 shows the flow field and the solid phase ratio in the mushy zone after 1005 sec (45 mm from the bottom) from the start of drawing of the tapered thin ingot in FIG. 19 (b) (0.2 kneading from 0.2 to 1.0) Show the distribution. The legend at the right end indicates the speed range.
FIG. 21 (b) shows the macrosegregation suppressing effect when an axial magnetic field is applied to the thin-walled ingot unidirectionally solidified in FIG. 19 (b). The figure (a) is a case where Bz = 0.5 Tesla, the figure (b) is 3 Tesla, and the figure (c) is 5 Tesla. The cross section is a distribution diagram at the position XX ′.
1.エレクトロード(消耗電極)
2.溶融スラグ
3.断熱性耐火物スリーブ
4.ヒーター
5.軸方向静磁場または横方向静磁場を印加するためのDCコイル
6.水冷鋳型
7.インゴット
8.水冷底台
9.受台
10.真空または不活性ガス雰囲気
11.磁気シールド
A.マクロ偏析形成のメカニズムについて
フレッケル偏析をはじめとする種々のマクロ偏析は固液共存相における液相の流動に起因することはよく知られている。この流動を生ぜしめる駆動力として、凝固収縮、デンドライト間液相の密度差による対流、電磁力等外部からの力等があるが、本発明においては密度差による対流が特に重要である。先に定義した浮上型合金となるかまたは沈降型合金となるかあるいはこれらの混合型合金(液相密度が凝固の進行とともに減少し再び増加するあるいはその逆となる合金)となるかは合金成分によって決まり、鋳造プロセスによって特有のマクロ偏析を生ずる。
B.磁場による流動抑制効果
静磁場による流動抑制の原理について以下簡単に述べる。
電磁流体に関するオームの法則よりベクトル表記すると
σは導電性溶融金属の導電率(1/Ωm)、vは溶融金属の流速ベクトル(m/s)、Bは外部印加磁束密度ベクトル(Tesla)、Eは誘導電場の強さベクトル(V/m)及びJは誘導電流密度ベクトル(A/m2)である。電流場に関する連続条件より
電位をφ(V)とすると
JとBによって生ずる電磁力(Lorentz力)f(N/m3)は次式で与えられる。
上記の式はいずれもよく知られた式である。
(1)式及び(3)式を(2)式に代入すると(5)式が得られる。
(5)式を解いてφを求め、(1)及び(3)式よりJを求め、続いて(4)式よりLorentz力fすなわち電磁制動力を算出できる。ただしvは運動方程式を含む後述の数値解析により計算する必要があり、流れ場と電磁場は高度な連成関係を有している。
C.凝固解析手段
凝固現象を解析するために本発明者が開発した汎用凝固シミュレーションシステム(システム名CPRO)による数値解析方法の概要を以下に述べる。
凝固現象を記述するための物理変数は温度、凝固中液相及び固相中に再分配される元素の濃度(合金元素数分、n個とする)、温度と固相率の関係を与える液相温度、液相及び固液共存相における液相の流速(3つのベクトル成分)及び圧力によって与えられる。これらを本明細書では巨視的スケールにおける物理変数と呼ぶ。これらn+6個の物理変数に対応する支配方程式を表1に示す。
ここに、ベクトルvはデンドライト間の液相流れ速度、μは液相の粘度、gLは液相の体積率、Kは透過率、Pは液相の圧力、Xは重力、遠心力等の物体力ベクトルである。なお、Xは本発明において導入される電磁制動力も含むことに留意されたい。Kはデンドライトの幾何学的構造によって決まりKozney−Carmanの式(文献4参照)より次式で与えられる。
Sbはデンドライト結晶の単位体積あたりの表面積(比表面積)であり、無次元定数fは多孔質媒体中の流動実験により5の値を持つことがわかっている。透過率Kはデンドライトの成長時における形態解析(本明細書において微視的スケールと呼ぶ)により求められる。凝固は液相及び固相における一種の拡散律速過程であることからデンドライトを円柱形の枝及び幹と半円球の先端部からなるモデル化を行い固相及び液相における溶質の拡散方程式を解いて求めた。なお、デンドライトの方向によるKの異方性はないものと仮定した。
以上、巨視的スケールにおける物理変数はすべて相互作用を有しており、さらに微視的スケールにおけるデンドライト成長とも深く関わっているので繰返し収束計算を行った。本数値解析法については本発明者出願の文献5:日本国特許第3747216号ならびにUS Patent 6241004B1において詳細に記述されている。さらに、前記磁場による電磁制動力の影響を当該数値解法に組み入れた。これにより電磁制動力の効果を考慮に入れた凝固現象を完全に記述することができる。ただし、固液共存相における固相は動かないものと仮定した。1. Electrode (consumable electrode)
2. Molten slag 2. Insulating refractory sleeve 4. 4. Heater 5. DC coil for applying axial or transverse static magnetic field Water-cooled mold Ingot 8. Water-cooled base 9 Receiving base 10. 10. Vacuum or inert gas atmosphere Magnetic shield A. About the mechanism of macrosegregation formation It is well known that various macrosegregations such as Freckle segregation are caused by liquid phase flow in a solid-liquid coexisting phase. The driving force that causes this flow includes solidification shrinkage, convection due to the density difference between the dendritic liquid phases, external force such as electromagnetic force, etc. In the present invention, convection due to the density difference is particularly important. Whether it is a floating type alloy or a sedimentary type alloy as defined above or a mixed type alloy (an alloy whose liquid phase density decreases and increases again as solidification progresses or vice versa) is an alloy component And a unique macrosegregation is produced by the casting process.
B. Flow suppression effect by magnetic field The principle of flow suppression by a static magnetic field is briefly described below.
According to Ohm's law for electromagnetic fluid,
σ is the conductivity of the conductive molten metal (1 / Ωm), v is the flow velocity vector (m / s) of the molten metal, B is the externally applied magnetic flux density vector (Tesla), E is the strength vector (V / m) and J are induced current density vectors (A / m 2 ). From continuous conditions for current fields
If the potential is φ (V)
The electromagnetic force (Lorentz force) f (N / m 3 ) generated by J and B is given by the following equation.
All of the above formulas are well known.
Substituting Equations (1) and (3) into Equation (2) yields Equation (5).
Equation (5) is solved to obtain φ, J is obtained from equations (1) and (3), and then Lorentz force f, that is, electromagnetic braking force, can be calculated from equation (4). However, it is necessary to calculate v by a numerical analysis described later including an equation of motion, and the flow field and the electromagnetic field have a highly coupled relationship.
C. Solidification analysis means An outline of a numerical analysis method by a general solidification simulation system (system name CPRO) developed by the present inventor in order to analyze a solidification phenomenon will be described below.
The physical variables for describing the solidification phenomenon are the temperature, the liquid phase during solidification, the concentration of the elements redistributed in the solid phase (the number of alloy elements is n), and the liquid that gives the relationship between the temperature and the solid fraction. It is given by the liquid phase flow rate (three vector components) and pressure in the phase temperature, liquid phase and solid-liquid coexisting phase. These are referred to herein as physical variables on a macroscopic scale. Table 1 shows the governing equations corresponding to these n + 6 physical variables.
Where v is the liquid phase flow velocity between the dendrites, μ is the viscosity of the liquid phase, g L is the volume fraction of the liquid phase, K is the permeability, P is the pressure of the liquid phase, X is the gravity, centrifugal force, etc. It is an object force vector. Note that X includes the electromagnetic braking force introduced in the present invention. K is determined by the geometric structure of the dendrite and is given by the following equation from the Kozney-Carman equation (see Reference 4).
S b is the surface area per unit volume of the dendrite crystals (specific surface area), the dimensionless constants f are found to have a value of 5 by the flow experiments in a porous medium. The transmittance K is determined by morphological analysis (referred to herein as a microscopic scale) during dendrite growth. Since solidification is a kind of diffusion-controlled process in liquid and solid phases, dendrites are modeled by cylindrical branches and trunks and hemispherical tips to solve solute diffusion equations in solid and liquid phases. I asked. It was assumed that there was no anisotropy of K due to the direction of dendrite.
As described above, all the physical variables on the macroscopic scale have an interaction, and are also deeply related to the dendrite growth on the microscopic scale. This numerical analysis method is described in detail in Document 5: Japanese Patent No. 3747216 and US Patent 624004B1 filed by the present inventor. Furthermore, the influence of the electromagnetic braking force by the magnetic field was incorporated into the numerical solution. This makes it possible to completely describe the solidification phenomenon taking into account the effect of the electromagnetic braking force. However, the solid phase in the solid-liquid coexisting phase was assumed not to move.
A.具体例1:Ni−10wt%Al合金丸インゴットの一方向凝固におけるマクロ偏析
第1図(a)に一般的な一方向凝固装置の概略図を示す。誘導コイルによりサセプタを加熱し輻射熱によりセラミックモールドを加熱保温する一方、水冷チルでインゴットを冷却しながら鋳型を下方へ引出すことにより一方向凝固させる(あるいは鋳型を固定し、加熱炉を上昇させてもよい)。GiameiとKear(文献6参照)は浮上型Ni基超合金mono−crystal丸インゴットにおいて外周部にフレックル(freckle)と呼ばれるチャンネル偏析を生ずることを示し(同文献のFig.1〜4参照)、丸インゴットの径が大きくなるに従いフレックルが多く発生する、すなわちサイズ効果のあることを明らかにした(同文献のTableII参照)。さらに、同じく浮上型Ni−10wt%Al合金の1.5インチ(38.1mm)径mono−crystalインゴットにおいて外周部にフレックルを生ずることを示した。これらのデータを参考にして、計算に用いたインゴットのサイズ及び鋳造条件を表2に示すごとく設定した。また、化学成分及び物性値を表3に示す。なお、同文献に照らしてインゴット外周部にフレックルが生じるようデンドライト比表面積Sbの補正係数α=0.4に調整した。
ここでデンドライト間液相密度は液相中の合金濃度C1 L,C2 L,・・・、及び温度Tの函数として表されることから(表3中のρL式参照)
(8)式を用いて凝固中におけるNi−10wt%AlのρLを計算した結果を第5図に示す。同図より当該合金は“浮上型”であることがわかる。
計算に用いたインゴットの要素数は半径方向29x軸方向71=2059である。計算結果を第6〜8図に示す。第6図(a)〜(c)はマクロ偏析の分布状態を等高線表示した図であり、第6図(d)はRR’位置(底面より91.9mm)における半径方向分布を示す。第6図(a)より磁場を印加しない通常のインゴットにおいて外周部にフレックルを生じている。マクロ偏析の程度をC/Coにより評価する(Cは計算濃度(wt%)及びCoは初期濃度(wt%))。C/Co>1は正偏析、C/Co<1は負偏析を示す(Co=10wt%である)。フレックル部においてC/Co最大値=1.14の正偏析を生じている。また、フレックル近傍において濃度の減少が認められる(第6図(d)参照)。磁場は軸方向に一様な強度の磁場を印加した。これらの図より、Bz=3(Tesla)以下では偏析低減効果はなく(結果示さず)、5(Tesla)でC/Co最大値=1.08と約半減し、10(Tesla)でC/Co最大値=1.015と実質的に偏析はなくなった。
上記磁場を印加しないインゴットに生ずるフレックルは固液共存相における液相の流動パターンに基因するものである。18分後の液相及び固液共存相(mushy zone)における流動パターンを第8図(a)に示す(凝固時間は29.2分)。外面からの抜熱によりmushy zoneの形が影響を受けていることがわかる。mushy zone中の流れは高固相率側(下側)の低密度液相の“浮力”の影響を受け全体として中心部から外周へ向かっており、外周において上昇流を生じている。すなわち、外周においては温度の低い高溶質濃度の液相が上側のより高温低溶質濃度部へ流動する結果、(たとえ再溶解までに至らなくとも)凝固が遅れ、液相が通りやすくなる(透過率Kが小さくなる。(7)式参照)。すなわち液相の通路、チャンネルが形成される。第7図の外周部において固相率が内側よりも低下しているのはこのためである。[チャンネル偏析形成のメカニズムに関しては前記文献3のp.249に詳しく書かれている]。このようなチャンネル部では一方向デンドライト組織はブレークダウンして等軸晶となり、内側よりも凝固が遅れるので凝固収縮によるポロシティを伴う。
軸方向磁場の強度を増していくと、半径方向の流れは抑制され外周部のチャンネル流れがなくなる結果、偏析は生じない。Bz=10(Tesla)の流動パターンを第8図(b)に示す。外周においてわずかに上昇流が認められるが流れは極めて弱く、半径方向の流れはほぼ完全に抑制され軸方向のみの流れ(凝固収縮流)となっている。このように、凝固収縮による液相補給を保持しつつ、チャンネル偏析を形成するような重力方向以外の流れ(対流あるいは局所的に乱れた流れ)のみが抑制されるという現象は興味深い。ここでは紙面の節約のため示さないが、この現象は重力の方向と直角な水平一方向凝固あるいは重力方向と同じ向きの一方向凝固(上から下への凝固)の場合においても認められた。また、液相において見られた顕著な対流が抑制される結果mushy zoneの幅が広がっている。静磁場印加によるこれらの特徴はDS材、そして特にSX材の製造に有利に働く。すなわち、デンドライト不整方位結晶欠陥の発生が抑えられる効果を生み安定成長を促進する。
B.具体例2:Ni−10wt%Al合金角インゴットの一方向凝固におけるマクロ偏析
フレックル生成に及ぼす印加磁場の方向の影響を調べるため角インゴットについて計算した。角断面の寸法は具体例1と等価な断面積を有する60mm角とした。他の鋳造パラメータはすべて丸インゴットの場合と同じである(表2参照)。計算は対称性を考慮し1/4断面について行った。インゴットの要素数はX方向18xY方向18xZ方向71=23004。
磁場を印加しない通常のインゴットのマクロ偏析を第9〜11図に示す。第9図(a)及び(b)に示すごとく、フレックルは外周部において縦方向に生じており、ほぼ等間隔に並んでいる。C/Co最大値は約1.18である。凝固途中の20分後における偏析形成状況を第10図(a)及び(b)に示す(凝固時間は28.5分)。具体例1と同様、mushy zoneにおいてフレックル近傍の液相が流入しチャンネルに沿って上昇し(第10図(b)参照)、凝固の遅れを生じている(同図中の等固相率線参照)。この上昇流によりフレックルを生じる(第10図(a)参照)。軸方向磁場による偏析抑制効果を第11図に示す。第11図(a)、(b)及び(c)はY方向端面における縦断面マクロ偏析を、第11図(d)は図(a)におけるXX’(底面から91.9mm)に沿うAl濃度分布を示す。これらの図からBz=1(Tesla)では効果は小さく、Bz=3(Tesla)以上で偏析は実質的になくなる。mushy zoneにおける流動パターンも具体例1と同様横方向の流れは抑制され、すべて軸方向下向きとなった(簡単のため図示せず)。
次にY方向(水平方向)に一様な磁場を印加した場合の一例を第12図に示す(By=3Tesla)。Bz=3(Tesla)と比べてわずかに効果的であるが実質的に同じと言ってよい。このことからmushy zone中の流動抑制挙動は磁場の方向に依らず実質的に同じであることがわかった。ただし、インゴットと鋳型境界の電気的境界条件は絶縁とした。
C.具体例3:Ni−10wt%Al薄板インゴットの一方向凝固におけるマクロ偏析
背景技術で述べたタービンブレードは薄肉部を有する複雑な形状をしている(例えば文献1のp.320、Fig.1及びp.321、Fig.5参照)。この点を考慮し、本具体例においては肉厚6mm、巾60mm及び長さ126mmの薄板一方向凝固について磁場の効果を検討した。鋳造条件を表2に示す。側面からの凝固を防止するため前記丸及び角インゴットに比べて側面からの抜熱速度を1/10に落とす以外同じ条件に設定した。
計算は対称性を考慮し1/4横断面について行った。インゴットの要素数はX方向18xY方向5xZ方向71=6390。第13図に計算結果を示す。磁場を印加しない通常のインゴットの場合、巾方向端面、特にコーナー部にフレックルを生じている(第13図(a)参照)。軸方向磁場を1、2及び3(Tesla)印加したところ、2(Tesla)で実質的に偏析はなくなった(第13図(b)、(c)参照)。図より、Bz=0のときC/Co最大値=1.13、1(Tesla)でC/Co最大値=1.022となり1(Tesla)で充分効果がある。
また、巾方向(X方向)及び肉厚方向(Y方向)にそれぞれ一様磁場を印加したところ軸方向印加とほとんど差は認められなかった(簡単のため示さず)。
次に、鋳造条件及びブレードの形状を変化させてこれらの影響について調べた。
鋳造条件については引出し速度を表2の5mm/minから1.667mm/minへ落し、凝固速度温度区間の温度勾配が約45℃/cm(ブレード長の中間位置)となるようサセプタ温度=1773K、ε(放射率)=0.05、輻射冷却領域のε(放射率)=0.02、底面のh(熱伝達率)=0.001に設定した(以上の鋳造条件は実際に行われている範囲に入っており、ここでは計算の便宜上設定したものである)。上記一定速度で引出した場合、温度勾配は凝固の前半で約50℃/cm、後半で約25℃/cmへ低下する。なお、SX材の製造に必要なセレクタ部などは省略している。
実際のブレードの横断面形状は曲面でありブレード肉厚内部に中子を含むなど、厚さも一様でないことを考慮し、横断面にテーパーを付けた(以降テーパー材と呼ぶ。テーパーなしはストレート材と呼ぶ)。ただし、ここでは肉厚変化の影響を概略検討することを目的として横断面中央部で厚さ6mm、両端で3mmとし、1/4対称断面を計算領域とした。従って実際のブレード断面形状とは異なる。中子は無視した。また、ブレード長さを2倍にした(252mm長)場合についても計算した。以上3種類のブレードについてストレート、126mm長ブレード(要素数6390)及びテーパー、126mm長ブレード(要素数5751)に対して上記鋳造条件を適用する一方、ストレート、252mm長ブレード(要素数12780)に対しては輻射冷却のε=0.01とする以外他の条件は同じ値に設定した。
計算結果を第19図〜第21図に示す。第19図に磁場を印加しない通常の一方向凝固における凝固完了後のAl濃度分布を示す。縦断面図は肉厚中央部、及び横断面図はXX’位置における分布図である。いずれのインゴットにおいても具体例1(丸インゴット、第6図参照)及び具体例2(角インゴット、第9図参照)に見られる外周部ではなくむしろインゴット内部にフレックルを生じている。これはサセプタからの加熱によりインゴットの表面と内部でほとんど温度差がなくなったためと考えられる(外周部がわずかに高い)。また具体例1及び2ではフレックルが上端まで長く伸びているのに比べて、かなり短くなっている。テーパー、126mmインゴットでは内部、特に肉厚の厚い部分により顕著にフレックルを生じている。引出し開始から1005sec後の縦断面中央部におけるmushy zoneの形状及び樹枝晶間流れを第20図に示す(mushy zone内の流動パターンのみ示す)。図中の横線は固相率0.2から1.0まで0.2間隔の等固相率線である。フレックル発生位置(底面より45mm)における流速は3x10−2cm/s、横方向流速は10−3cm/sのオーダーである。中心肉厚部から端面薄肉部に向ってmushy zoneが若干傾いており、樹枝晶間液相流れは端面から中心に向い、フレックルを生ずる部分で強い上昇流を生じているのが認められる。また、等固相率分布よりフレックル部では凝固が周囲より遅れることがわかる。ブレード長を2倍にしたストレート、252mmインゴットではフレックルはより顕著に現れる(第19図(c))。フレックルもより長くなる。
以上3種類のインゴットに対して軸方向にBz=0.5、1.0、3.0及び5.0(Tesla)の磁場を印加したところ、いずれのインゴットにおいても0.5(Tesla)でフレックルは消滅し、3(Tesla)で引けを生ずるインゴット上端及びセレクタあるいは種結晶につながる下端を除く製品部のマクロ偏析はAl=9.95〜10.04(wt%)へと実質的に問題ないレベルまで改善した。第21図にテーパー、126mmインゴットについてBz=0.5、3及び5Tの磁場を印加したときの効果を示す。いずれのインゴットにおいてもフレックルの生成はなく、薄肉側(右端)の負偏析が磁場の増加とともに減少しているのがわかる。これは第20図に示したような横方向極低速流れが抑制されるためである。
以上のごとく、フレックルの生成する場所及び形態は加熱・冷却条件、引出し速度等の鋳造条件、ブレードの形状などにより変化するがどのような場合であれ強磁場を印加することにより無くすことができる。
D.具体例4:IN718Ni基超合金の再溶融プロセスにおけるマクロ偏析
計算に用いた本合金の化学成分及び物性値を表3に示す。化学成分、及び多元系平衡状態における温度−液相及び固相濃度の関係については文献10のFig.1〜3より再生した。従って温度と固相率の関係(第2図参照)、凝固中の液相溶質濃度変化(第4図)の計算結果は同文献10と同じである。また前記(8)式による液相密度の変化を第5図に示す。第5図より当該合金は“沈降型”合金であることがわかる。
Van Den Avyleらは前記文献2においてIN718及びこれに似たAlloy 625 Ni基超合金の再溶融プロセスにおいてそれぞれ半径方向中間部にフレックル及び中心部に“中心”フレックル偏析を生ずることを報告している。これらの再溶融プロセスにおいては側面からの抜熱によりmushy zoneの形状が中心に向かって深くなるためIN718のような沈降型の場合でもチャンネル偏析を生ずる。本明細書で用いたIN718の化学成分は同文献2のIN718よりもむしろ、近似的にAlloy 625と見なされる。同文献2を参考に、インゴットのサイズ及び鋳造パラメータを表2に示すごとく設定した。鋳造方法は静置した鋳型に一定の溶解速度で鋳造する方式とした。実際の操業ではインゴットと水冷銅鋳型境界における熱移動はエアギャップの生成等により大きく影響されるので熱的境界条件を精度良く設定することは難しい。そこで、計算の便のため、インゴットの底面及び側面に仮想的なhot plate及びhot sleeveを設け(熱物性値はインゴットと同じと仮定する)、上記文献2を参考に液相プールの形状等実際の凝固状況に近づけるようこれら鋳型外面からの熱伝達係数を調整した。また、同文献2のフレックル発生状況を参考にしてデンドライト比表面積Sbの補正係数α=0.6に設定した。インゴットの要素数は半径方向40x軸方向120=4800である。
計算結果を第14〜16図に示す。第14及び16図はNbの濃度等高線を、第15図は磁場を印加しない場合の各元素の半径方向濃度分布を示す(底面より1068.8mmの位置)。第14図(a)に示すごとく、上記文献2のAlloy 620に発生する中心フレックルを生じている。なお、本具体例のIN718では半径方向中間における通常のフレックルは生じなかった。これらの結果は同文献2の見解とよく一致しており、本明細書で述べた数値解法の妥当性を示すのものである。第15図より1より小さい平衡分配係数も持つAl、Ti、Nbと1より大きい分配係数のCr、Feではそれぞれ正及び負の偏析を生じる。軸方向磁場をBz=3〜10(Tesla)に変化させて計算した結果、Bz=10(Tesla)で問題ないレベルまで偏析を抑制できることがわかる(第14及び16図)。
以上の具体例1〜4においてマクロ偏析は固液共存相におけるデンドライト間液相流れによって生じるものであり、その流動パターンが最も重要であることを具体的に示した。さらに本発明者は固液共存相全体に対して強磁場を印加することによりマクロ偏析形成の原因となるデンドライト間極低速液相流動を抑制することができることを初めて示し、これによりフレックル等のマクロ偏析を抑制できることを明らかにした。このように溶融金属に対する電磁制動現象は古くから知られているがマクロ偏析を解消できることを示した例は本発明者の知る限り見当たらない。
以下、本発明による電磁ブレーキ効果の考察及び本発明の要点について述べる。
(1)今、重力の方向と直角な横方向(X方向とする)に一様な速度vで流れる電磁流体を考える。この状態にv及び重力方向に対して直角方向の磁場Bを印加したときの電磁制動力はfχ=−σB2νで与えられる。ただし、金属の場合電気伝導率σが大きいので前記(1)式中のE=0と見なした。このとき運動方程式は次式で表される。
上式を積分して時刻t=0のとき初期速度v=v0とすると次式が得られる。
ここに単位系はv(m/s)、σ(1/Qm)、B(Tesla)、ρ(Kg/m3)及びt(sec)である。(10)式よりvは時間tの経過とともにexponential曲線減衰し、σの大きい、ρの小さい合金程大きくなることがわかる。例として本明細書の10Al−Ni合金に対してσ=106、ρ=7300及びB=0.1とするとv/v0=exp(−0.14t)となる。
これからt=2.15秒後にv/v0=0.5、さらにt=4.3秒後にはv/v0=0.25まで減速する。また、Al合金に対してσ=5x106,ρ=2700,及びB=0.1とするとv/v0=exp(−1.9t)となり、t=0.15秒後にv/v0=0.5、さらに0.3秒後にv/v0=0.25まで減速する。以上の概算よりB=0.1(Tesla)程度の低い磁場でも液相プール内の流速を抑制させるに充分な効果のあることがわかる。
次に、(6)式においてXを電磁制動力fとし、Darcy流れ抵抗力vμgL/K((6)式の両辺をK/μgLで割って得られる)との比をπと定義すると、
ここにπはmushy zone中のデンドライト間液相流れに対する制動効果を表す無次元数である。fは(1)及び(4)式よりf=σ(−▽φ+vxB)xBで与えられる。考察の便のため、上述の場合同様、mushy zone中の横方向一様流れに電磁制動力を印加する場合を考えると、(6)式は次式に帰着する。
上式よりv>0の流れに対して電磁制動力(−σB2v)は流れと逆方向(圧力勾配により液相に働く体積力−∂P/∂χ(>0)と逆方向)に作用する、すなわち、制動力として働くことがわかる(v<0の場合も同様制動)。(12)式よりvについて解くと次式が得られる。
上式よりBを印加しない場合の速度をv0としvとv0の比を取ると、(11)式で定義したπを用いて
流速はπの増加とともに双曲線的に減衰する。実際の鋳造プロセスにおいてはK及びgLは場所及び時刻により変化するが前記具体例1〜4において大略平均的な値を用い、フレックル等の偏析が抑制されるときのBの値に対してπを計算した結果を表4に示す(σB2の単位換算;1T2/Ωm=10−3dyn・sec/cm4に注意)。
Bz=5(Tesla)の場合π=1.25となりv/v0=0.44へ減速され、また
Bz=10(Tesla)の場合π=5.0となりv/v0=0.17へ減速される。
表4より偏析を抑制するπの値に開きがあり、また次項(2)で述べるごとく偏析の形態及びその程度は個々のケースによって異なるので偏析抑制に必要な無次元数πの値を決定することは困難であるが有意義な目安となるものである。1(Tesla)以下の磁場の場合π<<1となり、偏析抑制効果はほとんどないことが理解できる。
(2)実際の鋳造プロセスにおいてmushy zone内の液相のflow patternを決定する主たる要因は次の3つである。
I.mushy zone内の液相の密度差△ρLによる浮力(△ρLgr、grは重力の加速度)
II.mushy zoneの形(特に重力方向に対する勾配及び範囲)
III.デンドライトの形態により決定される透過率K((7)式参照)
△ρLgrはmushy zone内において対流を引き起こす駆動力であり合金成分により決まる。これには浮上型、沈降型あるいはこれらの混合型がある。要因II及びIIIは種々の鋳造プロセスにおいて冷却条件によって決まる。このように多種多様なケースが存在する。2、3の例を挙げると、浮上型合金のタービンブレード一方向凝固においてはフレックル発生の最重要因子は△ρLgrであり、△ρLあるいは△ρL/ρLがある値以上になると発生する。これに比べ要因II及びIIIの寄与は小さい。また、沈降型合金の再溶融法によるインゴット製造において、もしmushy zoneの形がフラットであれば(凹がない、)要因I及びIIIにかかわらず偏析は生じない。すなわち、具体例4の中心部の偏析はmushy zoneの形が重力方向に対して勾配を生じており要因I(△ρLによる沈降)が作用して生じたものである。この場合でもインゴットの径が小さくなりKが小さくなると偏析は生じない。[Kはデンドライトアームスペーシング(DAS)が小さいほど小さくなる。一般に冷却速度が大きくDASが小さくなると要因Iによる対流が生じなくなりフレックル等のチャンネル偏析は生じない。]
以上より、電磁制動力の効果を評価する別の無次元数として浮力に対する制動力の比を取るのは有意義である。すなわち
平均的な概略値v及び所要磁場Bに対してφを算出した結果を表4に示す(σB2の単位換算に注意)。
上記項目(1)及び(2)の考察より、液相領域における高速流(再溶融プロセスにおいては一般的に約10cm/sのオーダー)を抑制するためには1Tesla以下(例えば0.1Tesla)の磁場で充分であるが、mushy zoneにおける極低速流(約10−2〜10−4cm/sのオーダー)を抑制するためには強磁場を必要とすることがわかる。この強磁場の強さを概略評価する目安として(14)式あるいは(15)式による無次元数πあるいはφが有意義である。すなわち、個々の合金系並びに凝固プロセスに即して経験的に偏析抑制に必要な限界値πCあるいはφCを知り、π≧πCあるいはφ≧φCを満足するようにBを決めればよい。πCあるいはφCはスケールダウンした小規模実験により決めるのがより経済的であり、本明細書で述べた数値解析法が極めて有力な道具となる。以上の具体例より薄肉部を有する比較的サイズの小さいタービンブレードの場合、約0.5(Tesla)以上の磁場でフレックル、不整方位結晶等の欠陥の低減に有効である。[凝固界面の形態はG/R(Gは界面における液相温度勾配、Rは界面の進行速度)の値が小さくなるにつれて平滑界面からセルへ、さらにデンドライトへと遷移することはよく知られており、SX材の場合ある値以下になると単一結晶成長が破れ、そこから異結晶すなわち不整方位結晶を生じると考えられている(例えば文献15参照)。一方、凝固中磁場を印加すると結晶粒が粗大化することが一般に知られている。すなわち、不整方位結晶が生じ難くなる。これは、磁場の印加により液相の流動が抑制され安定な単一結晶成長を促進するためと考えられる。]サイズの大きい再溶融プロセスインゴットの場合、少なくとも約1(Tesla)以上の磁場が必要であろう。ただし、これらの下限値は鋳造条件を最適化したうえでの大雑把な目安であり個々のケースにより変化するのはすでに述べた通りである。また、品質に対する要求度によって左右される。
(3)mushy zoneにおける液相流動抑制効果は磁場の方向に依存しない。従って、鋳造プロセスに最適の印加方法を採用すればよい。ただし、前記すべての具体例において電気的境界条件としてインゴットと鋳型は絶縁した。計算では一様磁場を適用したが、厳密に均一にする必要はない。
(4)一方向凝固に静磁場を印加する場合の概要図を第1図(b)に示す。典型的な一方向凝固装置は、背景技術の項で述べたごとく、チル冷却装置、鋳型加熱炉、引抜装置、真空装置等の基本要素から構成されるが、これら以外に様々なバリエーションがある。例えば一度凝固させたインゴットを最初に少量溶かし、この溶融帯を一方の端から他端に向けてゆっくりと移動させるzone melting法(例えば文献3のp.2参照)を応用するバリエーションが可能である。要するに本発明は鋳物あるいはインゴットにおいて固相、固液共存相及び液相領域を形成させこれらの領域を一方の端から他端へ向けて一方向制御凝固させる方法及び装置を対象とするものであり、これら全ての一方向凝固プロセスに適用されることは原理的に明らかである。実際の一方向凝固タービンブレードは複雑な形状を有する。文献11にはブレード部を単一デンドライト組織(SX)とし土台部を多結晶柱状デンドライト組織(DS)とする技術が述べられているが、本発明はこのような混合組織に対しても適用できる。また、重力の方向と直角な水平一方向凝固あるいは重力方向と同じ向きの一方向凝固(上から下への凝固)の場合に対しても、すでに述べたごとく、本発明は適用可能である。本発明に用いられるDCコイル5のいくつかの例を第18図に示す。固液共存相に対して垂直方向に磁場を発生させる場合、ソレノイド型(図a)、1ユニットコイル(図b)、2ユニットコイル(図c、ヘルムホルツ型またはこれに順ずる型)等がある。重力の方向に交差する方向に印加する場合はレーストラック型1ユニットコイル(図d)、レーストラック型2ユニットコイル(図e)等がある。これらのコイルには超電導コイルを用いることが推奨される。実際様々なコイル設計が可能であり、鋳物の形状、凝固の方向、所要磁場の強さ等に最適の設計を行えばよい。
(5)VAR(真空アーク再溶融法)、ESR(エレクトロスラグ再溶融法)等の再溶融プロセスでは一般にmushy zoneに強い電流が流れており、外部からの強印加磁場との相互作用により電磁力を発生するので好ましくない。従って、インゴットに通電しない方式を採用する必要がある。そのような方式の最も望ましい一つの例を第17図に示す。第17図(a)はESRプロセスに本発明による強磁場を適用した場合を示す。符号5は強磁場を発生させるためのDCコイルであり横方向あるいは縦方向に印加する構成とする。コイルの機構は前記(4)項で述べたとおりであり、超電導コイルを用いることが推奨される。エレクトロード1は磁場の影響を受けないようコイルから離して配置されている。エレクトロード間を流れる電流によるジュール熱により溶融スラグ相が加熱され、これによりエレクトロードが溶解される。溶融スラグ相は断熱性の耐火物スリーブ3の外周に配置したヒーター4により加熱保温される。エレクトロードから生ずる溶融液滴はスラグ相を通って水冷銅鋳型6に落下し凝固する。インゴット7は水冷銅鋳型でできた底台によって底面より冷却しつつ伸縮可能な受台9により下方へ引出される。鋳型6とインゴット7の境界には溶融スラグ3が介在し、通常エアギャップが生ずるので(図示せず)、側面からの冷却能は比較的小さい。第17図(b)はVARとスラグ精錬と本発明による強磁場を組合わせた最も望ましい一つの例を示す。空間10は真空または不活性ガス雰囲気とする。エレクトロード1は高電流アーク(通常DC)により溶解される。VAR及びスラグ精錬による両者のメリット(よく知られているので述べない)にさらに本発明による強磁場を加えることにより高清浄かつ偏析のない高品質インゴットの製造が可能となる。これらのプロセスでは、エレクトロード電極部近傍の電流場を磁場から隔離するため磁気シールド11を施す。第17図の例から明らかなごとく種々の組合せが可能である。
すなわち、
ESR+強磁場
VAR+強磁場
VAR+スラグ精錬+強磁場
等が可能である。
(6)合金の凝固中における固液界面の形状は組成的過冷理論に基づく前述のパラメータG/Rによって決まることはよく知られている(Gは界面における液相温度勾配、Rは界面の進行速度)。真の意味の単結晶(例えば半導体Si)の製造においては(Bridgeman法であれCzochralski法であれ)GとRをそれぞれ独立にコントロールしGを大きくRを小さく(すなわちG/Rを大きく)することにより平滑界面(安定界面)凝固を実現している。[一般にこれらの単結晶に含まれる合金量は極微量であり、固液共存相は存在せず(また生成させてはならない)、本明細書において定義した固液共存相を有するデンドライト組織(DS材あるいはSX材)とは根本的に異なる。]
単結晶の成長方向における合金濃度分布は平滑界面前方における液相の対流の状態によって大きく変化することが知られている(例えば文献3のp.42、Figure2−9参照)。文献12は半導体の単結晶育成過程において不可避的に存在する液相の対流の影響により単結晶の長手方向(育成方向)に生じる大きな溶質濃度変化を小さくするため、前もって組成を変えた原料を作成し、この原料を用いて一方向成長させることにより濃度変化を小さくしようとするものである。さらに一度成長凝固した結晶をもう一度逆方向に成長させる、あるいは磁場(0.2Tesla程度)を印加することにより対流を抑制し、より均一な組成の単結晶を製造しようとするものである。すなわち当該文献技術はmushy zoneの無い単結晶育成過程において平滑界面前方の液相の対流を抑制しようとするものであり本発明とは異なる。
文献13はBridgeman法による単結晶製造において、液相−固相変化に伴う融点での磁気帯磁率の変化量が正(すなわち固相の磁気帯磁率の方が液相のそれより大きい)の材料を用い、結晶成長中磁場を印加することにより、結晶核形成のエネルギー障壁を高くすることにより単結晶化率の向上を図り、できるだけ結晶の数の少ない良い単結晶を作ろうとする単結晶育成技術であり本発明技術とは異なる。
G/Rを小さくして行くと安定界面型成長は破れ界面から固相が突起し始めセル組織が形成される。さらにG/Rを小さくしていくとデンドライト組織が形成される。セル型成長の場合固液共存相はセル結晶と液相が共存するので本発明の原理が応用できる。すなわち強磁場を印加することによりセル間液相流れを抑制し偏析の無い安定したセル結晶組織を得ることができる。
(7)連続鋳造の分野において文献14はAl合金の連続鋳造の際、液相プールに対して最大で0.15Teslaの静磁場を印加することによりマクロ偏析を低減する技術を開示している。[連続鋳造においては液相プール内の流動速度は10〜100cm/sのオーダーであり、前記(1)及び(2)で述べたごとく、このような高速流に対しては0.1Tesla程度の低磁場で充分な制動効果があるが、mushy zoneにおける極低速流に対しては制動効果はない。]当該文献14ではマクロ偏析が低減されるメカニズムについては言及しておらず、また同文献の実施例においてはいずれも結晶粒微細化剤を添加している。この点は注目に値する。当該文献14の場合の偏析抑制効果に関し本発明者は以下のように推察する。静磁場による液相プール内の流動抑制効果により磁場のない場合に比べて微細化効果が増しより微細な粒状晶組織となり中心領域の偏析が小さくなったと考えられる。[一般に結晶微細化剤を添加する理由はより細かい粒状晶組織とすることにより偏析を小さくすることが目的の一つとなっている。しかしながら液相プール内の活発な対流により結晶粒微細化剤の凝集・合体・粗大化の頻度が増し微細化効果を低下させる。そこで磁場を印加すると液相プール内の対流が抑制され結晶粒微細化剤の凝集・合体の頻度が小さくなり微細化効果を阻害しなくなるのではないかと推察される。]すなわち、当該文献14の技術は結晶粒微細化剤を用いることが必須条件であり、磁場印加による微細化効果を増し、その結果として間接的に偏析を低減させる効果を生じたものと推察される。結晶微細化剤を添加しない場合に対して中途半端な強度の磁場を印加すると液相プールにおける流動が抑制される結果、粗大柱状晶が発達しやすくなり逆に中心領域の偏析が大きくなる可能性がある。
これに対し本発明の本質は一方向凝固(本来の目的から言って結晶微細化剤を使用してはならない)あるいは再溶融法プロセスにおいてmushy zone全体に対し、フレックル等のマクロ偏析の原因となるmushy zone内の極低速液相流動を抑制するに必要な強さの磁場を印加することにより前記マクロ偏析を抑制しようとするものであり、当該文献14とは着眼点を異にし、鋳造プロセス、磁場の印加領域及び磁場強度において異なるものである。
A. Example 1: Macro segregation in unidirectional solidification of Ni-10 wt% Al alloy round ingot
FIG. 1 (a) shows a schematic view of a general unidirectional solidification apparatus. While the susceptor is heated by an induction coil and the ceramic mold is heated and kept warm by radiant heat, it is solidified in one direction by pulling down the mold while cooling the ingot with a water-cooled chill (or even if the mold is fixed and the heating furnace is raised) Good). Giamei and Kear (see reference 6) show that in a floating Ni-based superalloy mono-crystal round ingot, channel segregation called “freckle” occurs in the outer periphery (see FIG. 1 to 4 of the same document). It has been clarified that as the diameter of the ingot becomes larger, more freckle occurs, that is, there is a size effect (see Table II in the same document). Further, it was also shown that a freckle is generated in the outer peripheral portion of a 1.5 inch (38.1 mm) diameter mono-crystal ingot of a floating type Ni-10 wt% Al alloy. With reference to these data, the size and casting conditions of the ingot used for the calculation were set as shown in Table 2. In addition, Table 3 shows chemical components and physical property values. It should be noted that the dendrite specific surface area S so that a fleck is generated on the outer periphery of the ingot in light of the same document.bThe correction coefficient α was adjusted to 0.4.
Here, the liquid phase density between dendrites is the alloy concentration C in the liquid phase.1 L, C2 L, ..., and as a function of temperature T (ρ in Table 3)LSee formula)
(8) ρ of Ni-10 wt% Al during solidification using the formulaLFIG. 5 shows the result of calculating. The figure shows that the alloy is “floating”.
The number of elements of the ingot used for the calculation is radial direction 29x axial direction 71 = 2059. The calculation results are shown in FIGS. FIGS. 6 (a) to 6 (c) are graphs showing the distribution state of macrosegregation in contour lines, and FIG. 6 (d) shows the radial distribution at the RR 'position (91.9 mm from the bottom surface). As shown in FIG. 6 (a), in an ordinary ingot to which a magnetic field is not applied, a fleck is generated on the outer peripheral portion. The degree of macrosegregation is evaluated by C / Co (C is the calculated concentration (wt%) and Co is the initial concentration (wt%)). C / Co> 1 indicates positive segregation, and C / Co <1 indicates negative segregation (Co = 10 wt%). Positive segregation of C / Co maximum value = 1.14 occurs in the freckle part. Further, a decrease in density is observed in the vicinity of the freckle (see FIG. 6 (d)). A magnetic field having a uniform strength was applied in the axial direction. From these figures, there is no segregation reducing effect at Bz = 3 (Tesla) or less (results not shown), C / Co maximum value = 1.08 at 5 (Tesla), and about C / Co at 10 (Tsla). Co maximum value = 1.015 and segregation substantially disappeared.
The flecks generated in the ingot to which the magnetic field is not applied are based on the flow pattern of the liquid phase in the solid-liquid coexisting phase. FIG. 8 (a) shows the flow pattern in the liquid phase and the solid-liquid coexisting phase (mushy zone) after 18 minutes (the solidification time is 29.2 minutes). It can be seen that the shape of the mushy zone is affected by heat removal from the outer surface. The flow in the mushy zone is influenced by the “buoyancy” of the low-density liquid phase on the high solid fraction side (lower side) as a whole from the center to the outer periphery, and an upward flow is generated at the outer periphery. That is, at the outer periphery, the liquid phase having a high solute concentration at a low temperature flows to the higher temperature, low solute concentration portion on the upper side, and as a result, solidification is delayed (even if it does not reach re-dissolution), and the liquid phase easily passes (permeation). The rate K becomes smaller (see equation (7)). That is, a liquid phase passage or channel is formed. This is the reason why the solid phase ratio is lower than the inner side in the outer peripheral portion of FIG. [Regarding the mechanism of channel segregation formation, p. 249).] In such a channel portion, the unidirectional dendrite structure breaks down to become equiaxed crystals, and solidification is delayed more than the inside, which is accompanied by porosity due to solidification shrinkage.
As the strength of the axial magnetic field is increased, the radial flow is suppressed and the channel flow in the outer peripheral portion is eliminated, so that segregation does not occur. The flow pattern of Bz = 10 (Tesla) is shown in FIG. 8 (b). A slight upward flow is recognized on the outer periphery, but the flow is very weak, the flow in the radial direction is almost completely suppressed, and the flow is only in the axial direction (solidification contraction flow). Thus, the phenomenon that only the flow (convection or locally turbulent flow) other than the gravity direction that forms the channel segregation is suppressed while the liquid phase replenishment by the coagulation shrinkage is maintained is interesting. Although not shown here to save space, this phenomenon was also observed in the case of horizontal unidirectional solidification perpendicular to the direction of gravity or unidirectional solidification (solidification from top to bottom) in the same direction as the direction of gravity. In addition, as a result of suppressing the remarkable convection seen in the liquid phase, the width of the Mushy zone is widened. These features due to the application of a static magnetic field favor the production of DS materials, and in particular SX materials. That is, the effect of suppressing the generation of dendrite irregular orientation crystal defects is produced, and the stable growth is promoted.
B. Specific Example 2: Macro segregation in unidirectional solidification of Ni-10 wt% Al alloy square ingot
In order to investigate the effect of the direction of the applied magnetic field on the freckle generation, a square ingot was calculated. The dimension of the square cross section was a 60 mm square having a cross sectional area equivalent to that of Example 1. All other casting parameters are the same as for the round ingot (see Table 2). The calculation was performed for a ¼ section in consideration of symmetry. The number of elements of the ingot is X direction 18xY direction 18xZ direction 71 = 23044.
Macro segregation of a normal ingot without applying a magnetic field is shown in FIGS. As shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), the flecks are generated in the vertical direction at the outer peripheral portion and are arranged at almost equal intervals. The maximum C / Co value is about 1.18. The segregation formation situation after 20 minutes during solidification is shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b) (solidification time is 28.5 minutes). As in Example 1, the liquid phase in the vicinity of the freckle flows in the mushy zone and rises along the channel (see FIG. 10 (b)), causing a delay in coagulation (equal solid fraction line in the figure). reference). This upward flow causes freckle (see FIG. 10 (a)). FIG. 11 shows the effect of suppressing segregation by the axial magnetic field. FIGS. 11 (a), (b) and (c) show the longitudinal cross-sectional macrosegregation at the end face in the Y direction, and FIG. 11 (d) shows the Al concentration along XX '(91.9mm from the bottom) in FIG. Show the distribution. From these figures, the effect is small at Bz = 1 (Tesla), and segregation is substantially eliminated at Bz = 3 (Tesla) or more. As for the flow pattern in the mushy zone, the flow in the horizontal direction was suppressed as in the first specific example, and all were downward in the axial direction (not shown for simplicity).
Next, an example when a uniform magnetic field is applied in the Y direction (horizontal direction) is shown in FIG. 12 (By = 3 Tesla). Although it is slightly effective compared with Bz = 3 (Tesla), it may be said that it is substantially the same. From this, it was found that the flow suppression behavior in the mushy zone is substantially the same regardless of the direction of the magnetic field. However, the electrical boundary condition between the ingot and the mold boundary was insulation.
C. Example 3: Macro segregation in unidirectional solidification of Ni-10 wt% Al thin plate ingot
The turbine blade described in the background art has a complicated shape having a thin wall portion (see, for example, p.320, FIG.1 and p.321, FIG.5 of Document 1). Considering this point, in this specific example, the effect of a magnetic field was examined on the unidirectional solidification of a thin plate having a thickness of 6 mm, a width of 60 mm, and a length of 126 mm. Table 2 shows the casting conditions. In order to prevent solidification from the side surface, the same conditions were set except that the heat removal rate from the side surface was reduced to 1/10 compared to the round and square ingots.
The calculation was performed on a ¼ cross section in consideration of symmetry. The number of ingot elements is X direction 18 × Y direction 5 × Z direction 71 = 6390. FIG. 13 shows the calculation results. In the case of a normal ingot to which a magnetic field is not applied, a fleck is generated at the end face in the width direction, particularly at the corner (see FIG. 13 (a)). When an axial magnetic field was applied 1, 2 and 3 (Tesla), segregation substantially disappeared at 2 (Tesla) (see FIGS. 13B and 13C). From the figure, when Bz = 0, C / Co maximum value = 1.13, 1 (Tesla), C / Co maximum value = 1.22, and 1 (Tesla) is sufficiently effective.
Further, when a uniform magnetic field was applied in each of the width direction (X direction) and the thickness direction (Y direction), there was almost no difference from the axial direction application (not shown for simplicity).
Next, these influences were investigated by changing the casting conditions and the shape of the blade.
As for casting conditions, the drawing speed was lowered from 5 mm / min in Table 2 to 1.667 mm / min, and the susceptor temperature = 1773 K so that the temperature gradient in the solidification speed temperature section was about 45 ° C./cm (intermediate position of the blade length). ε (emissivity) = 0.05, ε (emissivity) of the radiation cooling region = 0.02, h (heat transfer coefficient) of the bottom surface = 0.001 (the above casting conditions were actually performed) This is set for convenience of calculation). When drawn at the above-mentioned constant speed, the temperature gradient decreases to about 50 ° C./cm in the first half of solidification and to about 25 ° C./cm in the second half. Note that a selector unit and the like necessary for manufacturing the SX material are omitted.
The actual cross-sectional shape of the blade is a curved surface, and the cross-section is tapered in consideration of the fact that the thickness is not uniform, including the core inside the blade thickness (hereinafter referred to as taper material. Called material). However, here, for the purpose of roughly examining the influence of the change in thickness, the thickness is 6 mm at the center of the cross section, 3 mm at both ends, and a 1/4 symmetric cross section is used as the calculation region. Therefore, it differs from the actual blade cross-sectional shape. I ignored him. Moreover, it calculated also about the case where a blade length was doubled (252 mm length). For the above three types of blades, the above casting conditions are applied to straight, 126 mm long blade (element number 6390) and taper, 126 mm long blade (element number 5751), while straight, 252 mm long blade (element number 12780) The other conditions were set to the same value except that ε = 0.01 for radiation cooling.
The calculation results are shown in FIGS. FIG. 19 shows the Al concentration distribution after completion of solidification in normal unidirectional solidification without applying a magnetic field. The vertical cross-sectional view is a distribution diagram at the central portion of the thickness, and the horizontal cross-sectional view is a distribution diagram at the position XX ′. In any of the ingots, a fleck is generated in the inside of the ingot rather than the outer peripheral portion seen in the specific example 1 (round ingot, see FIG. 6) and the specific example 2 (square ingot, see FIG. 9). This is presumably because the temperature difference between the surface and the inside of the ingot almost disappeared due to heating from the susceptor (the outer peripheral portion was slightly higher). Moreover, in the specific examples 1 and 2, the fleckle is considerably shorter than that extending to the upper end. In the taper and 126 mm ingot, a fleckle is remarkably generated due to the inside, particularly the thick part. FIG. 20 shows the shape of the mushy zone and the flow between dendrites at the center of the longitudinal section 1005 sec after the start of drawing (only the flow pattern in the mushy zone is shown). The horizontal lines in the figure are equal solid phase rate lines with 0.2 intervals from the solid phase rate of 0.2 to 1.0. The flow velocity at the position where the freckle is generated (45 mm from the bottom) is 3 x 10-2cm / s, lateral flow rate is 10-3The order is cm / s. It is recognized that the mushy zone is slightly inclined from the central thick part toward the thin end face, and that the interdendritic liquid phase flow is directed from the end face toward the center, and a strong upward flow is generated at the part where the freckle is generated. Further, it can be seen from the equisolid phase ratio distribution that the solidification is delayed from the surroundings in the freckle portion. In a straight and 252 mm ingot with double the blade length, the freckle appears more prominently (FIG. 19 (c)). The fleckle also becomes longer.
When a magnetic field of Bz = 0.5, 1.0, 3.0, and 5.0 (Tesla) is applied in the axial direction to the above three types of ingots, 0.5 (Tesla) is obtained in any ingot. The fleckle disappears and the macro segregation of the product part excluding the upper end of the ingot that causes a contraction at 3 (Tesla) and the lower end connected to the selector or seed crystal is substantially a problem of Al = 9.95 to 10.04 (wt%). Improved to no level. FIG. 21 shows the effect when a magnetic field of Bz = 0.5, 3 and 5T is applied to a tapered, 126 mm ingot. In any of the ingots, no flecks are generated, and it can be seen that the negative segregation on the thin wall side (right end) decreases as the magnetic field increases. This is because the lateral extremely low speed flow as shown in FIG. 20 is suppressed.
As described above, the place and form in which the freckle is generated varies depending on the heating / cooling conditions, the casting conditions such as the drawing speed, the shape of the blade, etc., but in any case, it can be eliminated by applying a strong magnetic field.
D. Example 4: Macrosegregation in remelting process of IN718Ni-base superalloy
Table 3 shows the chemical composition and physical properties of the alloy used in the calculation. For the relationship between the chemical components and the temperature-liquid phase and solid phase concentrations in the multi-component equilibrium state, see FIG. Reproduced from 1-3. Therefore, the calculation results of the relationship between the temperature and the solid fraction (see FIG. 2) and the change in the concentration of the liquid phase solute during solidification (FIG. 4) are the same as in the literature 10. FIG. 5 shows the change in liquid phase density according to the equation (8). FIG. 5 shows that the alloy is a “sedimentation type” alloy.
Van Den Avey et al. Reported in reference 2 above that in the remelting process of IN718 and similar Alloy 625 Ni-base superalloys, respectively, a freckle in the middle in the radial direction and a “central” freckle segregation in the center are reported. . In these remelting processes, the shape of the mushy zone becomes deeper toward the center due to heat removal from the side surface, so that channel segregation occurs even in the case of a sedimentation type such as IN718. The chemical component of IN718 used herein is approximately regarded as Alloy 625, rather than IN718 of the same document. With reference to the literature 2, the ingot size and casting parameters were set as shown in Table 2. The casting method was a method of casting at a constant dissolution rate on a stationary mold. In actual operation, the heat transfer at the boundary between the ingot and the water-cooled copper mold is greatly affected by the formation of an air gap, etc., so it is difficult to set the thermal boundary condition with high accuracy. Therefore, for convenience of calculation, hypothetical hot plates and hot sleeves are provided on the bottom and side surfaces of the ingot (assuming that the thermophysical property values are the same as those of the ingot). The heat transfer coefficients from the outer surfaces of these molds were adjusted so as to approach the solidification state of the mold. Also, the dendrite specific surface area S with reference to the flecking state in the literature 2bThe correction coefficient α was set to 0.6. The number of elements of the ingot is 40 in the radial direction and 120 in the axial direction = 4800.
The calculation results are shown in FIGS. 14 and 16 show the Nb concentration contours, and FIG. 15 shows the radial concentration distribution of each element when a magnetic field is not applied (at a position of 1068.8 mm from the bottom). As shown in FIG. 14 (a), the central freckle generated in the Alloy 620 of the above-mentioned document 2 is generated. In addition, in IN718 of this specific example, a normal freckle in the middle in the radial direction did not occur. These results are in good agreement with the view of the literature 2 and show the validity of the numerical solution described in this specification. From FIG. 15, Al, Ti, Nb having an equilibrium distribution coefficient smaller than 1 and Cr and Fe having a distribution coefficient larger than 1 cause positive and negative segregation, respectively. As a result of calculation by changing the axial magnetic field to Bz = 3 to 10 (Tesla), it can be seen that segregation can be suppressed to a level where there is no problem at Bz = 10 (Tesla) (FIGS. 14 and 16).
In the above specific examples 1 to 4, the macrosegregation is caused by the liquid phase flow between dendrites in the solid-liquid coexisting phase, and it is specifically shown that the flow pattern is the most important. Furthermore, the present inventor has shown for the first time that by applying a strong magnetic field to the entire solid-liquid coexisting phase, extremely low-speed liquid phase flow between dendrites, which causes macrosegregation formation, can be suppressed. It was clarified that segregation can be suppressed. Thus, although the electromagnetic braking phenomenon with respect to the molten metal has been known for a long time, no example has been found as far as the present inventor knows that macro segregation can be eliminated.
Hereinafter, consideration of the electromagnetic brake effect according to the present invention and the main points of the present invention will be described.
(1) Consider an electromagnetic fluid that flows at a uniform velocity v in a lateral direction (X direction) perpendicular to the direction of gravity. In this state, when a magnetic field B perpendicular to the direction of v and gravity is applied, the electromagnetic braking force is fχ= -ΣB2It is given by ν. However, in the case of metal, since electric conductivity σ is large, E = 0 in the above formula (1) was considered. At this time, the equation of motion is expressed by the following equation.
When the above equation is integrated and time t = 0, initial speed v = v0Then, the following equation is obtained.
Here, the unit system is v (m / s), σ (1 / Qm), B (Tesla), ρ (Kg / m3) And t (sec). From the equation (10), it can be seen that the exponential curve decays with the passage of time t, and v becomes larger as the alloy has a larger σ and a smaller ρ. As an example, for 10Al-Ni alloy herein, σ = 106, Ρ = 7300 and B = 0.1, v / v0= Exp (-0.14t).
V / v after t = 2.15 seconds0= 0.5, and v / v after t = 4.3 seconds0= Decelerate to 0.25. Also, for Al alloy, σ = 5 × 106, Ρ = 2700, and B = 0.1, v / v0= Exp (-1.9t) and v / v after t = 0.15 seconds0= 0.5, v / v after another 0.3 seconds0= Decelerate to 0.25. From the above estimation, it can be seen that a magnetic field as low as about B = 0.1 (Tesla) has an effect sufficient to suppress the flow velocity in the liquid phase pool.
Next, in Equation (6), X is the electromagnetic braking force f, and the Darcy flow resistance force v μgL/ K (both sides of equation (6) are K / μgLDefined as π,
Here, π is a dimensionless number representing the braking effect on the inter-dendritic liquid phase flow in the mushy zone. f is given by f = σ (− ▽ φ + vxB) × B from the equations (1) and (4). For convenience of consideration, as in the case described above, considering the case where the electromagnetic braking force is applied to the uniform horizontal flow in the mushy zone, equation (6) results in the following equation.
From the above equation, the electromagnetic braking force (-σB for the flow of v> 02v) acts in the opposite direction to the flow (volume force acting on the liquid phase due to the pressure gradient-opposite to ∂P / ∂χ (> 0)), that is, it acts as a braking force (when v <0 As well as braking). Solving for v from equation (12) yields:
From the above equation, the speed when B is not applied is v0V and v0Using the π defined in equation (11)
The flow velocity decays hyperbola as π increases. K and g in the actual casting processLTable 4 shows the result of calculating π with respect to the value of B when segregation such as fckle is suppressed, using roughly average values in the specific examples 1 to 4. σB2Unit conversion of 1T2/ Ωm = 10-3dyn · sec / cm4Note).
When Bz = 5 (Tesla), π = 1.25 and v / v0= 0.44, and
When Bz = 10 (Tesla), π = 5.0 and v / v0= 0.17.
From Table 4, there is a gap in the value of π that suppresses segregation, and as described in the next section (2), the form and degree of segregation vary depending on the individual case, so the value of the dimensionless number π necessary for suppressing segregation is determined. This is a difficult but meaningful guide. In the case of a magnetic field of 1 (Tesla) or less, π << 1, and it can be understood that there is almost no segregation suppressing effect.
(2) In the actual casting process, there are the following three main factors that determine the flow pattern of the liquid phase in the mushy zone.
I. density difference of liquid phase in mushy zoneLBuoyancy due to (△ ρLgr, GrIs the acceleration of gravity)
II. the shape of the mushy zone (especially the gradient and extent to the direction of gravity)
III. Transmittance K determined by dendritic form (see equation (7))
△ ρLgrIs a driving force that causes convection in the mushy zone and is determined by the alloy composition. These include a floating type, a sinking type, or a mixed type thereof. Factors II and III depend on cooling conditions in various casting processes. There are many different cases. To give a few examples, the most important factor for the occurrence of fleckle in unidirectional solidification of a floating alloy turbine blade is Δρ.Lgr△ ρLOr △ ρL/ ΡLOccurs when exceeds a certain value. Compared with this, the contribution of factors II and III is small. In addition, in the production of an ingot by a remelting method of a sedimentation type alloy, if the shape of the mushy zone is flat (no depression), no segregation occurs regardless of the factors I and III. That is, the segregation at the center of Example 4 is caused by the fact that the shape of the mushy zone has a gradient with respect to the direction of gravity, and the factor I (ΔρLCaused by the action of sedimentation). Even in this case, segregation does not occur when the diameter of the ingot decreases and K decreases. [K decreases as the dendrite arm spacing (DAS) decreases. In general, when the cooling rate is high and the DAS is small, convection due to the factor I does not occur, and channel segregation such as freckle does not occur. ]
From the above, it is meaningful to take the ratio of braking force to buoyancy as another dimensionless number for evaluating the effect of electromagnetic braking force. Ie
The results of calculating φ with respect to the average approximate value v and the required magnetic field B are shown in Table 4 (σB2Note the unit conversion).
From the consideration of the above items (1) and (2), in order to suppress high-speed flow in the liquid phase region (generally on the order of about 10 cm / s in the remelting process), it is 1 Tesla or less (for example, 0.1 Tesla). A magnetic field is sufficient, but very slow flow in a mushy zone (about 10-2-10-4It can be seen that a strong magnetic field is required to suppress (order of cm / s). As a guideline for roughly evaluating the strength of the strong magnetic field, the dimensionless number π or φ according to the equation (14) or (15) is significant. In other words, the limit value π necessary to suppress segregation empirically in accordance with the individual alloy system and solidification process.COr φCΠ ≧ πCOr φ ≧ φCB should be determined so as to satisfy πCOr φCIt is more economical to decide on a scaled-down small-scale experiment, and the numerical analysis method described in this specification is an extremely effective tool. In the case of a turbine blade having a relatively small size and having a thin wall portion as compared with the above specific example, it is effective in reducing defects such as flackles and irregularly oriented crystals with a magnetic field of about 0.5 (Tesla) or more. [It is well known that the form of the solidification interface changes from a smooth interface to a cell and then to a dendrite as the value of G / R (G is the temperature gradient of the liquid phase at the interface, R is the rate of progress of the interface) decreases. In the case of the SX material, it is considered that the single crystal growth is broken when it becomes a certain value or less, and a different crystal, that is, an irregularly oriented crystal is generated therefrom (see, for example, Reference 15). On the other hand, it is generally known that crystal grains become coarse when a magnetic field is applied during solidification. That is, irregularly oriented crystals are less likely to occur. This is presumably because the flow of the liquid phase is suppressed by applying a magnetic field and stable single crystal growth is promoted. For large remelt process ingots, a magnetic field of at least about 1 (Tesla) or more will be required. However, these lower limits are rough guidelines when optimizing the casting conditions, and have already been changed according to individual cases. Moreover, it depends on the degree of demand for quality.
(3) The liquid phase flow suppression effect in the mushy zone does not depend on the direction of the magnetic field. Therefore, an optimum application method for the casting process may be employed. However, in all the specific examples, the ingot and the mold were insulated as electrical boundary conditions. Although a uniform magnetic field was applied in the calculation, it need not be strictly uniform.
(4) FIG. 1 (b) shows a schematic diagram when a static magnetic field is applied to unidirectional solidification. As described in the background art section, a typical unidirectional solidification apparatus includes basic elements such as a chill cooling apparatus, a mold heating furnace, a drawing apparatus, and a vacuum apparatus, but there are various variations besides these. For example, it is possible to apply a zone melting method (for example, refer to page 2 of Document 3) in which a small amount of an ingot that has been solidified is first melted and then the molten zone is slowly moved from one end to the other end. . In short, the present invention is directed to a method and apparatus for forming a solid phase, a solid-liquid coexisting phase, and a liquid phase region in a casting or ingot and unidirectionally controlling and solidifying these regions from one end to the other end. It is clear in principle that it applies to all these unidirectional solidification processes. An actual unidirectionally solidified turbine blade has a complex shape. Reference 11 describes a technique in which the blade part is a single dendrite structure (SX) and the base part is a polycrystalline columnar dendrite structure (DS), but the present invention can also be applied to such a mixed structure. . As described above, the present invention can also be applied to the case of horizontal unidirectional solidification perpendicular to the direction of gravity or unidirectional solidification (solidification from top to bottom) in the same direction as the direction of gravity. FIG. 18 shows some examples of the DC coil 5 used in the present invention. When a magnetic field is generated in a direction perpendicular to the solid-liquid coexisting phase, there are a solenoid type (Fig. A), a 1 unit coil (Fig. B), a 2 unit coil (Fig. C, Helmholtz type or a similar type), etc. . When applied in a direction crossing the direction of gravity, there are a racetrack type 1 unit coil (FIG. D), a racetrack type 2 unit coil (FIG. E), and the like. It is recommended to use superconducting coils for these coils. Actually, various coil designs are possible, and an optimum design may be performed for the shape of the casting, the direction of solidification, the strength of the required magnetic field, and the like.
(5) In remelting processes such as VAR (vacuum arc remelting method) and ESR (electroslag remelting method), a strong current generally flows through the mushy zone, and electromagnetic force is generated by the interaction with a strong applied magnetic field from the outside. Is not preferable. Therefore, it is necessary to adopt a method that does not energize the ingot. One most desirable example of such a scheme is shown in FIG. FIG. 17 (a) shows a case where a strong magnetic field according to the present invention is applied to the ESR process. Reference numeral 5 denotes a DC coil for generating a strong magnetic field, which is configured to be applied in the horizontal direction or the vertical direction. The coil mechanism is as described in the above section (4), and it is recommended to use a superconducting coil. The electrode 1 is arranged away from the coil so as not to be affected by the magnetic field. The molten slag phase is heated by the Joule heat generated by the current flowing between the electrodes, thereby melting the electrodes. The molten slag phase is heated and kept warm by a heater 4 disposed on the outer periphery of the heat-insulating refractory sleeve 3. The molten droplets generated from the electrodes fall through the slag phase to the water-cooled copper mold 6 and solidify. The ingot 7 is drawn downward by a base 9 that can be extended and contracted while being cooled from the bottom by a bottom made of a water-cooled copper mold. Since the molten slag 3 is interposed at the boundary between the mold 6 and the ingot 7 and an air gap is usually generated (not shown), the cooling ability from the side surface is relatively small. FIG. 17 (b) shows a most desirable example in which VAR, slag refining, and a strong magnetic field according to the present invention are combined. The space 10 is a vacuum or an inert gas atmosphere. Electrode 1 is melted by a high current arc (usually DC). By adding a strong magnetic field according to the present invention to the merits of both VAR and slag refining (not described since well known), it is possible to produce a high-quality ingot that is highly clean and free from segregation. In these processes, the magnetic shield 11 is applied to isolate the current field near the electrode electrode portion from the magnetic field. As is apparent from the example of FIG. 17, various combinations are possible.
That is,
ESR + strong magnetic field
VAR + strong magnetic field
VAR + slag refining + strong magnetic field
Etc. are possible.
(6) It is well known that the shape of the solid-liquid interface during solidification of the alloy is determined by the aforementioned parameter G / R based on the compositional supercooling theory (G is the liquid phase temperature gradient at the interface, R is the interface temperature) Progress speed). In the production of a true single crystal (for example, semiconductor Si) (whether the Bridgeman method or Czochralski method), G and R are controlled independently to increase G and decrease R (that is, increase G / R). This realizes smooth interface (stable interface) solidification. [In general, the amount of alloys contained in these single crystals is extremely small, there is no solid-liquid coexisting phase (and it must not be generated), and the dendrite structure (DS Material or SX material). ]
It is known that the alloy concentration distribution in the growth direction of the single crystal varies greatly depending on the convection state of the liquid phase in front of the smooth interface (see, for example, p. 42 of FIG. 3, FIG. 2-9). Reference 12 prepares raw materials with different compositions in advance in order to reduce large changes in solute concentration in the longitudinal direction (growth direction) of the single crystal due to the influence of liquid phase convection that is unavoidable in the process of growing a semiconductor single crystal. However, it is intended to reduce the concentration change by unidirectional growth using this raw material. Further, the crystal once grown and solidified is once again grown in the opposite direction, or a magnetic field (about 0.2 Tesla) is applied to suppress convection and to produce a single crystal having a more uniform composition. That is, the technique in the literature is different from the present invention because it tries to suppress the convection of the liquid phase in front of the smooth interface in the process of growing a single crystal without a mushy zone.
Reference 13 describes a material in which the amount of change in magnetic susceptibility at the melting point accompanying the liquid-solid phase change is positive (that is, the magnetic susceptibility of the solid phase is greater than that of the liquid phase) in the production of a single crystal by the Bridgeman method. Single crystal growth technology to improve the single crystallization rate by increasing the energy barrier for crystal nucleation by applying a magnetic field during crystal growth and to make good single crystals with as few crystals as possible And different from the technology of the present invention.
When G / R is decreased, stable interface type growth is broken, and a solid phase begins to protrude from the interface, and a cell structure is formed. When G / R is further decreased, a dendrite structure is formed. In the case of cell type growth, the principle of the present invention can be applied to the solid-liquid coexisting phase because the cell crystal and the liquid phase coexist. That is, by applying a strong magnetic field, the liquid phase flow between cells can be suppressed and a stable cell crystal structure free from segregation can be obtained.
(7) In the field of continuous casting, Document 14 discloses a technique for reducing macro segregation by applying a maximum static magnetic field of 0.15 Tesla to the liquid phase pool during continuous casting of an Al alloy. [In continuous casting, the flow velocity in the liquid phase pool is on the order of 10 to 100 cm / s, and as described in (1) and (2) above, for such a high-speed flow, about 0.1 Tesla. Although there is a sufficient braking effect at low magnetic fields, there is no braking effect for very low velocity flows in the mushy zone. The document 14 does not mention a mechanism for reducing macrosegregation, and in the examples of the document, a crystal grain refining agent is added. This point is noteworthy. The present inventor infers the segregation suppressing effect in the case of Document 14 as follows. It is considered that the effect of suppressing the flow in the liquid phase pool by the static magnetic field increased the refining effect compared to the case without a magnetic field, resulting in a finer granular crystal structure and less segregation in the central region. [In general, the reason for adding a crystal refining agent is to reduce segregation by forming a finer grain structure. However, active convection in the liquid phase pool increases the frequency of agglomeration, coalescence, and coarsening of the grain refiner and reduces the refinement effect. Therefore, it is presumed that when a magnetic field is applied, convection in the liquid phase pool is suppressed, and the frequency of agglomeration and coalescence of the crystal grain refining agent is reduced, so that the refinement effect is not hindered. That is, it is inferred that the technique of the reference 14 requires the use of a crystal grain refiner, which increases the refinement effect by applying a magnetic field and, as a result, indirectly reduces segregation. The Applying a magnetic field with a half-pitch strength compared to the case where no crystal refining agent is added results in the suppression of flow in the liquid phase pool, resulting in the tendency for coarse columnar crystals to develop and conversely increase the segregation in the central region. There is.
On the other hand, the essence of the present invention is to cause macro segregation such as fleckle to the entire mushy zone in the unidirectional solidification (for the original purpose, do not use the crystal refiner) or the remelting process. The macrosegregation is intended to be suppressed by applying a magnetic field having a strength necessary for suppressing the extremely low-speed liquid phase flow in the mushy zone. The magnetic field application region and the magnetic field strength are different.
以上の具体例1〜3から明らかなごとく、本発明による強磁場を印加することにより現在実用化されている浮上型Ni基超合金のDSあるいはSX鋳物に生成するフレッケル等の偏析を無くすことができる。さらに、より浮力(mushy相内における液相の密度差によるΔρLgr)が大きくなり鋳造不能となる合金に対しても本発明は有効である。このことは合金選択の自由度が増す、あるいはさらに高温強度の高い合金開発の可能性が開けることを意味する(例えばγ’体積率を極限まで増せる)。
具体例4の再溶融プロセスにおいて沈降型合金(IN718)に対して本発明が有効であることを示したが、一般の浮上型合金に対しても有効であることは具体例1〜3により明らかである。従って、本発明を適用することにより従来は鋳造不能であったより口径の大きい浮上型合金インゴットの再溶融プロセスによる製造が可能となる。
以上のごとく、本発明の効果をまとめると次のごとくなる。
Ni基超合金タービンブレード等の一方向凝固鋳物の製造に関し、
1.フレックル等のマクロ偏析を完全に無くすことができる。
2.対流によるデンドライトの溶断・分離をなくすことができ、これにより不整方位
結晶粒(misoriented grain defects)のない完全なmono−crystalを得ることができる。
3.フレックル等のマクロ偏析を完全に無くすことによりγ’の体積率を極限まで増加するための新合金開発が可能となる。
また、再溶融プロセスによるインゴットの製造に関し、沈降型合金はもちろん従来は鋳造不能であった浮上型合金(一般に沈降型よりも密度が小さい)の鋳造が可能となる。
このように本発明によれば高品質タービンブレード等の一方向凝固鋳物あるいは再溶融インゴットの製造を可能にし、実用化により重要部品の安全性及びガスタービンの効率向上による省エネルギーに大いに貢献するものである。超電導技術の最近の進歩により強磁場が比較的安価に手に入る状況を考えると本発明の実現を阻む要因は見当たらず、産業的価値は極めて高い。本明細書では二種類のNi基合金インゴットについて具体例を示したが、すべてのNi基合金はもちろん、今後発展が期待されるTiAl合金一方向凝固ブレード、低合金鋼等全ての合金製造に対しても同様の効果が得られることは原理的に明らかである。
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(8)P.N.Quested and M.MacLean:“Solidification Morphologies in Directionally Solidified Superalloys”,Materials Science and Engineering,Vol.65(1984),pp.171−184
(9)M.C.Schneider,J.P.Gu,C.Beckermann,W.J.Boettinger and U.R.Kattner:“Modeling of Micro− and Macrosegregation and Freckle Formation in Single−Crystal Nickel−Base Superalloy Directional Solidification”,Metallurgical and Materials Transactions A,Vol.28A(1997),pp.1517−1531
(10)W.J.Boettinger,U.R.Kattner and S.R.Coriell,Y.A.Chang,and B.A.Mueller:“Development of Multicomponent Solidification Micromodels Using a Thermodynamic Phase Diagram Database”,Modelling of Casting,Welding and Advanced Solidification Processes VII,Edited by M.Cross and J.Campbell,The Minerals,Metals and Materials Society(1995),pp.649−656
(11)特開平7−145703
(12)特開平9−227268
(13)特開平6−48882
(14)US Patent 5246060及びUS Patent 5375647
(15)T.M.Pollock and W.H.Murphy:“The Breakdown of Single−Crystal Solidification in High Refractory Nickel−Base Alloys”,Metallurgical and Materials Transactions A(1996),Vol.27A,pp.1081−1094As is clear from the above specific examples 1 to 3, the application of the strong magnetic field according to the present invention can eliminate segregation such as freckle generated in DS or SX casting of the floating Ni-base superalloy currently in practical use. it can. Furthermore, the present invention is also effective for an alloy that becomes more buoyant (Δρ L g r due to the liquid phase density difference in the mushy phase) and cannot be cast. This means that the degree of freedom in alloy selection is increased, or the possibility of developing an alloy having higher high-temperature strength is opened (for example, the γ ′ volume fraction can be increased to the limit).
In the remelting process of Example 4, it was shown that the present invention is effective for a sedimentation type alloy (IN718), but it is clear from Examples 1 to 3 that it is also effective for a general floating type alloy. It is. Therefore, by applying the present invention, it becomes possible to manufacture a floating type alloy ingot having a larger diameter than the conventional casting impossible by a remelting process.
As described above, the effects of the present invention are summarized as follows.
Regarding the production of unidirectionally solidified castings such as Ni-base superalloy turbine blades,
1. Macrosegregation such as fleckle can be completely eliminated.
2. It is possible to eliminate fusing / separation of dendrites due to convection, thereby obtaining a complete mono-crystal having no misoriented crystal defects.
3. By completely eliminating macrosegregation such as fleckle, new alloys can be developed to increase the volume fraction of γ 'to the limit.
In addition, regarding the manufacture of ingots by a remelting process, it is possible to cast a floating type alloy (generally having a lower density than the settled type), which is conventionally impossible to cast, as well as a settled type alloy.
As described above, according to the present invention, it is possible to manufacture a unidirectionally solidified casting such as a high-quality turbine blade or a remelted ingot, and the practical application greatly contributes to the safety of important parts and the energy saving by improving the efficiency of the gas turbine. is there. Considering the situation where a strong magnetic field can be obtained relatively inexpensively due to recent advances in superconducting technology, there are no factors impeding the realization of the present invention, and the industrial value is extremely high. In this specification, specific examples of two types of Ni-based alloy ingots have been shown. However, not only all Ni-based alloys but also TiAl alloy unidirectionally solidified blades and low-alloy steels that are expected to develop in the future. However, it is apparent in principle that the same effect can be obtained.
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(11) JP-A-7-145703
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(14) US Patent 5246060 and US Patent 5375647
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