KR100667997B1 - 다이 캐스트 티탄 합금 제품 및 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품 - Google Patents

Abstract

티탄 합금으로 구성된 다이 캐스트 제품이 개시되어 있으며, 이 제품은 바람직하게는 변태된 베타 마이크로조직, 미세한 평균 입도, 및 유선의 부재를 특징으로 한다. 전형적인 합금으로는 Ti 6Al-4V 및 Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo이 포함된다. 상기 제품의 예로는 기체 가스 터빈 엔진 부품이 포함된다. 상기 제품은 상응하는 단조 제품 대신 사용할 수 있으며, 적어도 필적할만한 기계적 특성을 갖는다.

Description

다이 캐스트 티탄 합금 제품 및 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품 {DIE CAST TITANIUM ALLOY ARTICLES AND DIE CAST GAS TURBINE ENGINE COMPONENT}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원에 개시된 물질의 일부는 동일자로 출원되고 본원에 명백하게 참조되어 있는 발명의 명칭이 "Method Of Making Die Cast Articles of High Melting Temperature Materials"인 동시계류중인 출원에 기술되고 청구되어 있다.

본 발명은 일반적으로 티탄으로부터 제조된 제품, 보다 구체적으로 티탄 합금으로부터 제조된 제품에 관한 것이다.

티탄 및 티탄 합금은 경량 및 높은 강도-중량비를 요구하는 용도에 사용된다. 이들 합금은 우수한 내식성을 나타내고, 일반적으로 비교적 고온, 예컨대 약 1200℉(650℃) 이하에서 유용하다. 광범위하게, "티탄 합금"이란 용어는 약 25원자% 이상의 티탄으로 구성된 합금을 포함함을 의미한다.

예컨대 가스 터빈 엔진에서, 티탄 합금은 중간 및 압축기 케이스 및 압축기 디스크와 같은 구조적 구성요소 뿐만 아니라 블레이드 및 베인과 같은 에어호일을 포함하나 이로 제한되지 않는 엔진의 압축기 구획에서 사용된다. 가스 터빈 엔진에 널리 사용되는 티탄 합금은 Al(알루미늄) 약 6w/o(중량%) 및 V(바나듐) 약 4w/o을 포함하고 나머지가 일반적으로 티탄이며 약 600℉ 이하의 환경에서 사용되는 Ti 6-4이다.

고온 용도의 경우, 예컨대 약 1200℉(650℃) 이하의 환경에서 그리고 개선된 크리프 특성 및 다른 고온 특성이 필요한 경우, Ti 6-2-4-2가 사용될 수 있고, 이것은 Al 약 6w/o, Sn(주석) 약 2w/o, Zr(지르코늄) 약 4w/o 및 Mo(몰리브덴) 약 2w/o을 포함하고 나머지가 일반적으로 티탄이다. 또한, Al 약 8w/o, Mo 1w/o 및 V 1w/o를 포함하고 나머지가 일반적으로 티탄인 Ti 8-1-1 뿐만 아니라, 대체로 TiAl 및 TiAl₃과 같은 화학양론적 양의 티탄 및 알루미늄으로 구성된 티탄 알루미나이드와 같은 다른 티탄계 합금이 사용될 수 있다. 상기 논의된 특성 외에, 이들 물질은 적어도 에어호일과 같은 비교적 복잡한 3차원 형상으로 형성될 수 있어야 하고, 특히 승온에서 내산화성이어야 한다.

티탄 및 티탄 합금(티탄 알루미나이드 제외)은 과거에 전형적으로 미세한 평균 입도, 및 고강도, 저중량 및 내구성 또는 높은 순환 내피로성의 조화를 갖는 부품을 제조하기 위해 정밀 단조되었다. 가스 터빈 엔진 산업에서, 단조는 블레이드 및 베인과 같은 복잡한 3차원 형상을 갖는 부품을 제조하는데 사용되는 바람직한 방법이다. 적당하게 제조되는 경우, 단조 부품은 고강도, 저중량 및 내구성의 조화를 나타낸다.

간단하게, 에어호일과 같은 부품을 단조하기 위해, 재료의 주괴를 강편 형태로, 전형적으로는 블레이드 및 베인의 경우 원통형으로 전환시키고, 이어서 재료를 목적하는 구성요소 형상으로 가소적으로 변형시키기 위해, 예컨대 다이 및/또는 해머 사이에서 수차례 가열 및 스탬핑함으로써 열기계적으로 가공하여 목적하는 형상과 점진적으로 유사한 형상을 갖게 한다. 단조 다이는 전형적으로 가열시킬 수 있다. 각각의 구성요소는 전형적으로 목적하는 특성, 예컨대 경화/강화, 응력 완화, 균열 성장에 대한 내성 및 특정 수준의 HCF 내성을 얻기 위해 열처리되고, 또한 구성요소에 정밀한 형상, 치수 및/또는 표면 특징을 제공하는 것이 필요한 경우, 예컨대 기계 가공, 화학-밀링 및/또는 매질 마무리처리된다.

단조에 의한 구성요소의 제조는 비용 및 시간이 많이 들기 때문에, 실온 및 승온 둘 다에서, 예컨대 고강도, 저중량 및 내구성과 같은 특성의 특별한 조화가 요구되는 구성요소에 대해서만 전형적으로 허용된다. 단조용 물질을 얻는다는 점에서, 특정 물질은 긴 조달 시간을 요구한다. 단조는 전형적으로 일련의 조작을 포함하고, 각각은 분리 다이 및 관련 장치를 요구한다. 단조 후 마무리처리 조작, 예컨대 블레이드의 루트부를 기계 가공하고 적당한 표면 마무리처리를 제공하는 것은 단조 부품의 전체 제조 비용의 상당 부분을 차지하고, 폐기되어야 하는 부품도 상기 비용의 상당 부분을 차지한다.

구성요소의 단조도중, 다량의 원료 물질(단조의 크기에 따라 약 85% 이하)이 제거되고 마무리처리된 구성요소의 일부를 형성하지 못하고, 예컨대 낭비된다. 제조된 구성요소의 형상이 복잡해지면 단지 구성요소의 제작에 요구되는 노력 및 비 용이 증가되고, 이는 특히 복잡한 형상을 갖는 가스 터빈 엔진 부품에 있어서 보다 큰 고려사항이 된다. 티탄 합금은 또한 다소 탄력성(springback)일 수 있고, 예컨대 물질은 탄성이며, 탄력성은 단조도중 고려되어야 하는데, 즉 부품은 전형적으로 "과단조"되어야 한다. 상기 나타낸 바와 같이, 마무리처리된 구성요소는 여전히 광범위한 단조 후 가공을 요구할 수 있다. 더구나, 컴퓨터 유체 동력학을 적용하여 보다 공기역학적으로 효과적인 에어호일 형상을 분석하고 생성하는데 컴퓨터 소프트웨어가 사용되기 때문에, 이러한 에어호일 및 구성요소는 훨씬 복잡한 3차원 형상을 갖는다. 예컨대, 부분적으로는 많은 물질이 단조도중 나타내는 약간의 탄성으로 인해 티탄 합금을 이들 진보된 보다 복잡한 형상으로 정밀하게 단조하는 것은 더욱 어렵거나 불가능하고, 이것은 구성요소의 비용을 추가로 부담시키거나 구성요소를 더욱 비싸게 만들어서 엔진 기술에서 특정한 진보를 성취하거나 일부 구성요소에 특별한 합금을 사용하는 것이 경제적으로 실행할 수 없게 된다.

단조된 구성요소는 검사하기 어려운 경향이 있는 단조 결함을 함유할 수 있다. 더구나, 정밀한 재생성이 또한 관심사인데, 단조로는 부품들 간에 정밀하게 동일한 치수를 갖는 구성요소를 생성시키지 못한다. 검사 후, 많은 부품은 여전히 재작업되어야 한다. 대개, 단조 부품은 스크레이핑되거나 약 20%의 시간동안 상당히 재작업되어야 한다. 더구나, 보다 신규하고 진보된 티탄계 합금은 단조하기가 점점 어려워지고(불가능하지 않더라도) 이에 따라 단조 비용이 더 많이 소요될 것이다. 더욱 복잡한 3차원 에어호일 기하학이 사용됨에 따라 이러한 관심사항은 증대될 것이다.

캐스트가 비교적 거의 마무리처리된 형상의 제품을 제조하는데 광범위하게 사용되었다.

용융된 금속이 캐스트되는 제품의 형상의 공동을 갖는 세라믹 쉘에 주입되는 인베스트먼트 캐스트법이 이러한 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러나, 인베스트먼트 캐스트법은 극히 큰 입자, 예컨대 ASTM 1 또는 (단조에 의해 얻을 수 있는 작은 평균 입도에 비해) 보다 큰 입자를 생성시키고, 일부의 경우에서는 전체가 단일 입자로 구성된다. 더구나, 개별 주형이 각각의 부품에 대해 제조되기 때문에, 이 공정은 비용이 많이 든다. 부품들 간의 매우 정밀한 치수의 재생성은 달성하기 어렵다. 또한, 용융된 물질은 전형적으로 공기 또는 다른 기체에서 용융되고 주입되고/되거나 고화되고, 이로 인해 특히 티탄 또는 알루미늄과 같은 반응성 원소를 함유한 물질의 경우 내포물 및 다공성과 같은 바람직하지 못한 특성을 갖는 부품을 생성시킬 수 있다.

또한, 용융된 물질이 다중 부품인 재사용가능한 주형에 주입되고 중력하에서만 주형으로 유동되는 영구 주형 캐스트법이 부품을 일반적으로 캐스트하는데 사용되었다. 예컨대, 콜빈(Colvin)의 미국 특허 제 5,505,246 호를 참조한다. 그러나, 영구 주형 캐스트법은 여러 결점을 갖는다. 에어호일과 같은 박형 캐스트의 경우, 중력은 특히 높은 용융 온도의 물질 및 적은 과열이 사용되는 경우 물질을 더 얇은 구획으로 넣기에 불충분하고, 따라서 주형은 일정하게 충전되지 않고 부품은 스크레이핑되어야 한다. 치수 공차는 비교적 커야 하고, 이에 따라 더 많은 캐스트 후 작업이 요구되며, 이를 반복적으로 행하는 것은 어렵다. 또한, 영구 주형 캐스트법은 표면 마무리처리가 상대적으로 불량하여 더 많은 캐스트 후 작업을 요구한다.

용융된 금속이 가압하에서 재사용가능한 다이로 사출되는 다이 캐스트법은 비교적 낮은 용융 온도, 예컨대 약 2000℉(1095℃) 미만을 갖는 물질로부터 제품을 형성하는데 이전부터 성공적으로 사용되어 왔다. 제시된 바와 같이, 예컨대 미국 특허 제 2,932,865 호, 제 3,106,002 호, 제 3,532,561 호 및 제 3,646,990 호에서, 통상적인 다이 캐스트기는 다중 부품 다이, 예컨대 함께 다이 공동을 한정하는 고정식 및 이동식 플래튼(platen)을 포함하는 2-부품 다이중 하나의(전형적으로 고정식) 플래튼에 장착된 숏 슬리브(shot sleeve)를 포함한다. 숏 슬리브는 수평으로, 수직으로 배향되거나 수평과 수직 사이에서 경사져 있다. 슬리브는 다이의 러너와 연통하고, 슬리브상에 개구를 포함하여 이를 통해 용융된 금속이 주입된다. 플런저는 슬리브에서 이동되도록 위치하고, 구동 메카니즘은 플런저를 이동시켜 용융된 금속을 슬리브로부터 다이로 가압시킨다. "냉각 챔버"형 다이 캐스트기에서, 숏 슬리브는 전형적으로 수평으로 배향되고 가열되지 않는다. 캐스트는 일반적으로 대기 조건하에서 수행된다. 즉, 장치는 진공 챔버 또는 불활성 분위기와 같은 비반응성 환경에 위치되지 않는다.

또한, 이러한 기계의 결점, 특히 높은 융점의 물질을 캐스트하기 위해 이러한 기계를 사용할 수 없는 것과 관련하여 크로스(Cross)의 미국 특허 제 3,646,990 호 및 제 3,791,440 호에 논의되어 있다. 통상적인 기계에서, 숏 슬리브의 분위기는 진공이 아니고, 플런저는 또한 슬리브로부터 다이로 공기를 가압하여 다이 캐스 트 제품의 다공성을 생성시키는데, 이는 특히 제품이 항공우주산업 부품과 같은 요구되는 용도에 사용되는 경우 바람직하지 않고 허용될 수 없는 상태이다. 따라서, 기포가 용융된 물질과 함께 사출되는 것을 피하기 위해, 숏 슬리브는 가능한 완전하게 충전되거나, 용융된 물질중의 어떠한 공기도 사출 전에 다이로부터 빠져나가도록 기울어져 있어야 한다. 더구나, 숏 슬리브가 가열되지 않기 때문에, 용융된 금속의 스킨 또는 "캔(can)"은 숏 슬리브의 내부에서 고화되고, 플런저를 슬리브를 통해 이동시켜 용융된 금속을 다이로 사출시키기 위해, 플런저는 고화된 금속의 저항을 극복하여 슬리브로부터 스킨을 스크레이핑함으로써 "캔을 분쇄"시켜야 한다. 그러나, 캔은 예컨대 슬리브에 의해 지지되는 원통형의 구조적으로 강한 부재를 형성하고, 플런저 및/또는 플런저의 이동을 위한 관련 구조체가 플런저 이동에 대한 저항으로 인해 손상되거나 파괴될 수 있다. 플런저가 열에 비틀려지고 슬리브 형상에 맞지 않게 되거나 슬리브가 열에 비틀려져서 슬리브와 플런저의 간극이 변화되는 경우, 플런저와 슬리브 사이에 통로("블로우백(blowback)")가 생성될 수 있고/있거나 플런저를 결합시킬 수 있는데, 이들은 모두 생성된 제품에 악영향을 준다. 또한, 파란티(Parlanti) 등의 미국 특허 제 3,533,464 호를 참조한다.

많은 노력에도 불구하고, 종래의 "냉각 챔버" 다이 캐스트 장치는 티탄 합금 및 초합금과 같은 높은 용융 온도의 물질로 구성된 제품을 제조하는데 성공적으로 사용되지 못하고 있다. 본원에 사용된 초합금은 일반적으로 고강도를 특징으로 하고 고온에서 고강도를 유지하는 물질을 지칭한다. 이러한 물질은 또한 비교적 높은 융점을 특징으로 한다. 티탄 합금 및 초합금과 같은 높은 용융 온도의 물질을 다이 캐스트하기 위한 과거의 시도는 다이 캐스트기를 작동할 수 없게 할 뿐만 아니라, 불순물, 과다한 다공성 및 비교적 불량한 강도 및 피로 특성과 같은 열악한 품질을 특징으로 하는 제품을 생성하였다.

본 발명의 목적은 티탄 합금과 같은 높은 용융 온도의 물질로 구성된 다이 캐스트 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은 상당한 함량의 티탄 및 알루미늄과 같은 반응성 원소를 갖는 합금으로 구성된 고품질의 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상응하는 단조 제품에 필적할만한 특성을 갖는 다이 캐스트 티탄 합금 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 보다 구체적인 목적은 상응하는 단조 티탄 합금 제품에 필적할만한 강도, 내구성 및 내피로도를 갖는 티탄 합금 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단조가 불가능하지는 않지만 어려운 복잡한 3차원 형상을 갖는 제품(예를 들면, 가스 터빈 엔진 블레이드 및 베인)을 제공하는 것이다.

추가의 목적은 다음의 개시 내용 및 도면을 기초로 하여 당해 분야의 숙련자에게 명백할 것이다.

발명의 요약

본 발명의 하나의 양태에 따라, 다이 캐스트 티탄 합금 제품이 개시되어 있다. 제품, 예컨대 가스 터빈 엔진용 에어호일은 변태된 베타 마이크로조직(transformed beta microstructure)을 갖고 바람직하게는 캐스트 제품에 대해 미세한 평균 입도, 예컨대 ASTM 1 이하의 입도를 갖고 유선이 없다. 티탄 합금의 예는 Ti 6Al-4V(Al 약 4 내지 8w/o 및 V 3 내지 5w/o를 포함하고 나머지는 일반적으로 티탄인 조성) 또는 Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Al 약 5.5 내지 6.5w/o, Sn(주석) 약 1.75 내지 2.25w/o, Zr 약 3.5 내지 4.5w/o 및 Mo 약 1.8 내지 2.2w/o를 포함하고 나머지는 일반적으로 티탄인 조성)를 포함한다. Ti 8Al-1Mo-1V 및 티탄 알루미나이드와 같은 다른 티탄 합금을 또한 성공적으로 다이 캐스트하였다.

본 발명의 제품은 실온 및 승온 둘 다에서 동일한 물질로 구성된 단조 부품에 적어도 필적할만한 항복 강도 및 인장 강도(ultimate tensile strength)를 모두 갖고, 또한 유사한 피로 특성을 갖는다.

본 발명은 특수 재단된 강편 재료를 제조하기 위한 임의의 필요성을 제거하는데 유리하다. 따라서, 주괴로부터 마무리처리된 부품으로 부품을 제조하는데 요구되는 시간이 상당히 단축된다. 다이 캐스트는 대체로 다중 단조 조작과는 다른 단일 조작으로 수행될 수 있다. 다이 캐스트에서, 다중 부품은 단일 캐스트로 제조될 수 있다. 다이 캐스트는 단조에서보다 더욱 복잡한 3차원 형상을 갖는 부품을 제조할 수 있어서 새로운 소프트웨어 디자인 기술이 가스 터빈 엔진과 같은 분야에서 적용되고 이용될 수 있고 보다 공기역학적으로 효과적인 에어호일 및 다른 구성요소를 제조할 수 있게 한다. 다이 캐스트는 이러한 형상으로 단조하기가 어렵거나 불가능한 물질을 사용하여 이러한 제품을 제조할 수 있게 한다. 다이 캐스트 부품은 거의 마무리처리된 형상으로 제조되고, 월등한 마무리처리된 표면을 갖 기 때문에 형성 후 마무리처리 조작을 최소화시키고 이러한 부품의 제조 비용을 절감시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 다이 캐스트 티탄 합금 제품을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 다이 캐스트 Ti 6-4로 구성된 에어호일의 마이크로조직을 나타낸 현미경사진이다.

도 3은 본 발명에 따른 다이 캐스트 Ti 6-4로 구성된 시험 바의 마이크로조직을 나타낸 현미경사진이다.

도 4는 단조 Ti 6-4로 구성된 에어호일의 마이크로조직을 나타낸 현미경사진이다.

도 5 및 6은 본 발명에 따른 다이 캐스트 Ti 6-4 및 단조 Ti 6-4에 대한 특성의 비교를 나타낸다.

도 7 및 8은 다이 캐스트 Ti 6-4 및 상응하는 단조 제품의 피로 특성을 나타낸다.

도 9는 본 발명에 따른 다이 캐스트 Ti 6-2-4-2로 구성된 에어호일의 마이크로조직을 나타낸 현미경사진이다.

도 10은 본 발명에 따른 다이 캐스트 Ti 6-2-4-2로 구성된 시험 바의 마이크로조직을 나타낸 현미경사진이다.

도 11은 단조 Ti 6-2-4-2로 구성된 에어호일의 마이크로조직을 나타낸 현미경사진이다.

도 12는 본 발명에 따른 다이 캐스트 Ti 6-2-4-2 및 단조 Ti 6-2-4-2에 대한 특성의 비교를 나타낸다.

도 13은 다이 캐스트 Ti 8-1-1로 구성된 제품의 마이크로조직을 나타낸 현미경사진이다.

도 14 및 15는 본 발명에 따른 다이 캐스트기의 개략도이다.

도 16은 본 발명에 따른 높은 용융 온도의 물질의 다이 캐스트 공정을 나타낸 플로우 다이아그램이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다이 캐스트 티탄 합금 제품은 일반적으로 참조 번호(10)로 지시되어 있다. 예시된 실시 양태에 있어서, 제품은 가스 터빈 엔진용 압축기 블레이드(10)이며, 에어호일(12), 플랫폼(14) 및 루트(16)를 포함한다. 본 발명은 대체로 다양한 용도로 사용되는 티탄 합금에 적용가능하며, 가스 터빈 엔진 부품에 한정되는 것은 아니다.

항공우주산업 용도(및 많은 다른 용도에 사용되기도 함)에 폭넓게 사용되고 있는 티탄 합금중 하나는 Ti-6Al-4V("Ti 6-4")이며, 이는 대체로 Al 약 4 내지 8w/o(중량%) 및 V 3 내지 5w/o를 포함한다. 또한, Ti 6-4는 전형적으로는 약간의 불순물을 포함하며, 그의 예로는 Fe 약 0.5w/o 이하, O 약 0.25w/o 이하, C 약 0.20w/o 이하, N 약 0.1w/o 이하, H 약 0.02w/o 이하, Y 약 0.01w/o 이하 및 기타 원소 약 0.4w/o 이하를 포함할 수 있다.

보다 높은 온도에서 적용하기 위하여는, 개선된 고온 특성이 요구되는데, 이경우 Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo("Ti 6-2-4-2")가 사용되고 있으며, 이는 대체로 Al 약 5 내지 7w/o, Sn(주석) 약 1.5 내지 2.5w/o, Zr 약 3.0 내지 5.0w/o, Mo 약 1.5 내지 2.5w/o를 포함한다. 또한, Ti 6-2-4-2는 전형적으로는 약간의 불순물을 포함하며, 그의 예로는 Si 약 0.05 내지 0.15w/o, Fe 약 0.2w/o 이하, O 약 0.25w/o 이하, Cu 약 0.15w/o 이하, N 약 0.1w/o 이하, H 약 0.02w/o 이하, Y 약 0.010w/o 이하 및 기타 원소 약 0.4w/o 이하를 포함할 수 있다.

다른 Ti 합금은 Ti 8-1-1 및 티탄 알루미나이드를 포함하며, 이는 화학양론적양의 티탄 및 알루미늄으로 구성된다. Ti 8-1-1은 대체로 Al 약 7 내지 8.5w/o, Mn 0.5 내지 1.5w/o 및 V 0.5 내지 1.5w/o를 포함하며, 나머지는 일반적으로 티탄이다. 또한, Ti 8-1-1은 전형적으로 약간의 불순물을 포함하며, 그의 예로는 Si 약 0.22w/o 이하, Fe 약 0.4w/o 이하, O 약 0.15w/o 이하, C 약 0.1w/o 이하, Sn 약 0.25w/o 이하, Cu 약 0.15w/o 이하, N 약 750ppm 이하, H 약 200ppm 이하, B 약 50ppm 이하, Y 약 75ppm 이하 및 미량의 기타 원소를 포함할 수 있다.

대체로, 티탄 알루미나이드는 주로 화학양론적양의 티탄 및 알루미늄으로 구성되며, TiAl 및 TiAl₃와 같은 조성을 갖는다. 티탄 알루미나이드는, 예컨대 블랙번(Blackburn) 등의 미국 특허 제 4,294,615 호 및 제 4,292,077 호에 논의되어 있으며, 이들은 본원에 참고로 인용된다.

본 발명에 따르면, 본 발명에 따라 제조된 제품은 지금까지 단조 티탄 제품에서 전형적으로 생성된 알파 플러스 베타 마이크로조직에 비해 안정하고 두드러지게 변태된 베타 마이크로조직인 것을 특징으로 한다. 인베스트먼트 캐스트 제품은 또한 전형적으로 변태된 베타 마이크로조직을 나타내나, 이러한 마이크로조직은 전형적으로 본 발명의 다이 캐스트 제품보다 큰 입자 및 보다 조악한 알파/베타 래드(lath)로 구성된다. 특히, 바람직한 평균 입도 및 최대 허용가능 입도는 부품의 용도 및 횡단면 두께에 따를 것이며, 예컨대 제품이 다른 용도에 대비하여 가스 터빈 엔진에 사용되는지, 비회전용 부품에 대비하여 회전용 부품에 사용되는지, 고온 환경 조작에 대비하여 저온 조작에 사용되도록 의도되었는지의 여부에 따를 것이다. 압축기 블레이드 및 베인과 같은 가스 터빈 엔진 부품에서는, 평균 입도가 ASTM 1 이하, 보다 바람직하게는 ASTM 3 이하이어야 한다.

본 발명에 따른 블레이드 및 베인과 같은 티탄 합금 제품은 바람직하게는 유선이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다. 제품은 경우에 따라 캐스트된 후 열기계적으로 가공될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 달리 말하면, 다이 캐스트 제품은 후속적으로 단조 조작에 사용하기 위한 예비성형품으로서의 역할을 할 수 있다. 본 발명과 관련된 비용 절감을 극대화시키기 위하여, 본 발명자들은 다이 캐스트 제품을 망상에 가깝게 캐스트하여, 캐스트 후 작업 및 제품에 소요되는 관련 비용을 최소화시키고자 한다.

또한, 다이 캐스트 제품을 가공하여 고온 이소스태틱 프레싱(hot isostatic pressing; HIP)과 같은 이소스태틱 프레싱 조작에 의한 것과 같이, 존재할 수 있는 임의의 잔류 캐스트 다공성을 가열할 수 있다. 온도, 압력 및 시간과 같은 HIP 파라미터의 신중한 선택이 미세 입자, 변태된 베타 마이크로조직을 변화시키지 않으면서 임의의 다공성을 회복시키는데 필요하다. 온도는 압력하에서 다공성을 밀폐시킬 수 있도록, 예컨대 크리프 가능하도록 충분하게 높아야 하나, 물질의 재결정화가 가능할 정도로 높지는 않아야 하며, 예컨대 티탄 합금의 베타 변환 온도보다 낮아야 한다.

Ti 6-4의 경우에 있어서, HIP 온도는 바람직하게는 1750℉(950℃)를 초과해서는 안되며, 보다 바람직하게는 약 1550 내지 1650℉(845 내지 900℃)이다. Ti 6-4는 또한 비반응성 환경에서, 바람직하게는 아르곤 또는 진공에서 HIP 조작 후 2 시간 이상 동안 약 1550℉에서 어닐링시킬 수 있다. Ti 6-2-4-2의 경우에 있어서, HIP 온도는 1850℉(1010℃)를 초과해서는 안되며, 보다 바람직하게는 약 1650 내지 1750℉(900 내지 950℃)이다. Ti 6-2-4-2는 비반응성 환경에서, 바람직하게는 아르곤 또는 진공에서 8 시간 이상 동안 약 1100℉(595℃)에서 열처리시킬 수 있다. 표면 오염물질을 제거하기 위한 표면의 화학적 밀링, 표면 마무리처리를 개선시키기 위한 매질 가공 및 기계적 특성의 특별한 균형을 얻기 위한 추가의 열 순환과 같은 추가의 캐스트 후 가공을 수행할 수 있다. 이러한 추가의 가공은 합금 조성 및 목적하는 특성과 같은 인자들에 따라 다양할 것이다.

Ti 6-4로 구성된 다이 캐스트 제품은 하기에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이 본 발명에 따라 제조되었다. 이 제품들은 압축기 에어호일 및 시험 바를 포함하며, 또한 상기의 캐스트 후 가공을 포함하였다. 시험 바 및 에어호일의 예시적인 마이크로조직은 도 2 및 3에 예시되어 있다. 단조 Ti 6-4로 구성된 상응하는 에어호일의 마이크로조직은 도 4에 예시되어 있다.

제품을 시험하여 그의 특성들이 상응하는 단조 제품의 특성에 필적한다는 사실을 입증하였다. 필요로 하는 특별한 특성은 임의의 특별한 다이 캐스트 제품의 용도에 따라 다르지만, 단조 제품 대신 사용되는 다이 캐스트 제품은 상응하는 단조 제품의 특성에 적어도 필적하는 특성을 가져야 한다.

하기의 수치는 대형 시험 바로부터 기계 가공된 표준 시료를 시험하여 얻어진 것이다. 다이 캐스트 제품으로부터의 결과는 상응하는 단조 제품으로부터 기계 가공된 시료로부터의 결과에 필적하며, 이 결과는 도 5, 6, 7 및 8에 도시되어 있다. 도 5 및 6에 제시된 바와 같이, 다이 캐스트 제품은 실온 및 약 300℉(150℃)에서 필적하는 0.2% 항복 강도, 인장 강도, 파단 신도 및 충격 강도를 특징으로 한다.

압축기 에어호일의 경우에 있어서, 다이 캐스트 에어호일은 적어도 상응하는 단조 제품이 나타내는 것과 동등한 강도 및 충격 특성을 갖는다. Ti 6-4로 구성된 압축기 에어호일은 실온에서 100ksi(700MPa) 이상, 보다 바람직하게는 110ksi(770MPa) 이상, 가장 바람직하게는 125ksi(875MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 가져야 하고, 300℉(150℃)에서 90ksi(630MPa) 이상, 보다 바람직하게는 100ksi(700MPa) 이상, 가장 바람직하게는 105ksi(735MPa) 이상의 항복 강도를 가져야 한다. 이러한 제품은 실온에서 110ksi(770MPa) 이상, 보다 바람직하게는 125ksi(875MPa) 이상, 가장 바람직하게는 135ksi(945MPa) 이상의 인장 강도를 가지며, 300℉(150℃)에서 100ksi(700MPa) 이상, 보다 바람직하게는 110ksi(770MPa), 가장 바람직하게는 120ksi(840MPa) 이상의 인장 강도를 갖는다. 실온에서의 파단 신도(4D에서)는 바람직하게는 10% 이상, 보다 바람직하게는 15% 이상이고, 300℉(150℃)에서는 바람직하게는 13% 이상, 보다 바람직하게는 15% 이상이다. 실온에서의 충격 강도는 15ft-lbs(2.1㎏-m) 이상, 보다 바람직하게는 17ft-lbs(2.35㎏-m) 이상이고, 300℉(150℃)에서는 15ft-lbs(2.1㎏-m) 이상, 보다 바림직하게는 22ft-lbs(3.04㎏-m) 이상이다.

또한, 이러한 부품들은 피로 강도와 같은 동등한 내구성, 특히 높은 순환 피로 성능을 갖는다. 또한, 다이 캐스트 Ti 6-4와 상응하는 단조 부품에 대해 피로 시험을 비교하였더니, 도 7 및 8에 제시된 바와 같이 다이 캐스트 제품은 단조 제품에 필적하는 평탄하고 노치 피로 수명을 나타낸다. 상기의 수치는 AMS 4928(Rev. N, 1993년 4월)에 따라서 상응하는 단조 제품에 적어도 필적한다. 다른 관련된 세부사항은 AMS 4967, 4965 및 4930을 포함하고, 이들 모두는 본원에 참고로 인용된다. 또한, 특정한 필요 수치는 제품의 특정 용도에 따라 상이할 것이다.

또한, Ti 6-2-4-2로 구성된 다이 캐스트 제품을 하기 보다 상세하게 기술한 바와 같이 본 발명에 따라 제조하였다. 상기 제품은 압축기 에어호일 및 시험 바를 포함하고, 또한 상기 캐스트 후 가공을 포함하였다. 시험 바 및 에어호일의 마이크로조직이 도 9 및 10에 예시되어 있다. 단조 Ti 6-2-4-2로 구성된 상응하는 에어호일의 마이크로조직이 도 11에 예시되어 있다.

도 12를 참조하면, 압축기 에어호일로서 사용되는 Ti 6-2-4-2로 구성된 다이 캐스트 제품은 본 출원을 위해 제조한 상응하는 단조 제품이 나타내는 특성과 적어도 동등한 강도 및 충격 특성을 갖는다. Ti 6-2-4-2로 구성된 압축기 에어호일은 900℉(480℃)에서 55ksi(385MPa) 이상, 보다 바람직하게는 65ksi(455MPa), 가장 바람직하게는 72ksi(504MPa) 이상의 항복 강도를 가져야 한다. 이러한 제품은 900℉(480℃)에서 75ksi(525MPa) 이상, 보다 바람직하게는 85ksi(595MPa), 가장 바람직하게는 95ksi(665MPa) 이상의 인장 강도를 가져야 한다. 900℉(480℃)에서의 파단 신도(4D에서)는 바람직하게는 10% 이상, 보다 바람직하게는 13% 이상이다.

또한, 이러한 구성요소들은 피로 강도와 같은 동등한 내구성, 특히 높은 순환 피로 성능을 가져야 한다. 또한, 다이 캐스트 Ti 6-2-4-2와 상응하는 단조 부품에 대해 피로 시험을 비교하였더니, 도 12에 나타낸 바와 같이 다이 캐스트 제품이 단조 제품에 필적할만한 특성을 나타낸다. 이러한 수치는 AMS 4976(Rev. E, 1994년 7월)에 따라 상응하는 단조 제품에 필적하고, 다른 관련된 세부사항은 AMS 4975를 포함하며, 이들은 모두 본원에 참고로 인용된다.

상기 예는 다이 캐스트를 사용하여 광범위한 티탄 합금 조성으로 구성된 제품을 제조할 수 있음을 지지하고 예시한다. 추가로, 제품은 Ti 8-1-1로부터 다이 캐스트되었다. 다이 캐스트 Ti 8-1-1의 마이크로조직은 도 13에 예시되어 있다. 다이 캐스트 Ti 8-1-1과 상응하는 단조 부품을 비교한 피로 시험 결과는 다이 캐스트 제품이 단조 제품에 필적할만한 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 상기 수치는 제품의 특정 용도에 따라 달라질 것이다. 상기 수치는 AMS 4973(Rev. D, 1990년 10월)에 따라 상응하는 단조 제품에 필적하고, 다른 관련된 세부사항은 AMS 4972를 포함하며, 이들은 모두 본원에 참고로 인용된다.

도 14, 15 및 16을 참조하면, 본 발명자들은 본 발명에 따라 제품을 제조하기 위해 가열되지 않은 숏 슬리브("냉각 챔버")를 갖는 형태의 다이 캐스트기(도 14 및 15)를 사용하는 것을 선호한다. 일반적으로, 충전 물질을 준비하고(도 16의 단계 44), 다이 캐스트되는 물질을 장치(18)에서 용융시킨다(도 16의 단계 46). 일반적으로 공지되어 있는 바와 같이, 용융된 티탄은 공격성 물질이며, 용융되는 물질을 공격한다. 따라서, 본 발명자들은, 예컨대 캐스트되는 하나의 충전 물질을 신속하고 완전하게 용융시킬 수 있는(예컨대, 물질 약 25파운드 이하) 미국 뉴저지주 란코카스 소재의 콘삭 코포레이션(Consarc Corporation)에서 시판중인 형태의 유니트에서 유도 스컬 재용융(induction skull remelting; ISR) 또는 용융(24)에 의해 상기 티탄을 용융시키는 것을 선호한다. ISR에서, 물질은 서로 인접한 위치에서 보유되는 다수의 금속(전형적으로 구리) 핑거로 한정된 도가니에서 용융된다. 상기 도가니는 전원(26)에 연결된 유도 코일에 의해 둘러싸여 있다. 핑거는 물 공급원(도시되어 있지 않음)을 통해 냉각수가 순환되도록 하는 통로를 포함하여 핑거가 용융되는 것을 방지한다. 코일에 의해 발생된 장은 도가니중에 위치한 물질을 가열하여 용융시킨다. 상기 장은 또한 용융된 금속을 진탕시키거나 교반시키는 작용을 한다. 물질, 예컨대 티탄의 박층은 도가니 벽에서 냉동되어 스컬을 형성함으로써, 도가니를 공격하는 용융된 티탄의 능력을 최소화시킨다. 도가니 및 코일, 및 코일에 인가된 전력 수준 및 주파수를 적절히 선택함으로써, 도가니로부터 용융 된 물질을 방출시키고, 또한 용융된 물질에 의한 도가니 벽의 공격을 감소시킬 수 있다. 용융된 합금을 갖는 대형 용기를 유지시키기보다는 하나의 충전물만을 용융시킴으로써, 전체적으로 합금에 비해 비교적 융점이 낮은 구성요소가 캐스트전에 증발 및 분실되지 않도록 한다.

티탄 및 알루미늄과 같은 반응성 물질 및 이러한 물질을 함유하는 합금을 캐스트하는 경우, 생성된 제품의 품질에 불리하게 작용할 수 있는 반응, 오염 또는 다른 조건을 방지하기 위해 비반응성 환경하에서 상기 물질을 용융시키는 것이 중요하다. 용융 환경중 임의의 기체가 용융된 물질에 침투되어 다이 캐스트 제품에 과도한 다공성을 생성시킬 수 있으므로, 본 발명자들은 불활성 환경, 예컨대 아르곤 환경보다는 진공 환경하에서 상기 물질을 용융시키는 것을 선호한다. 더욱 바람직하게는, 상기 물질은 챔버를 100㎛ 미만, 바람직하게는 50㎛ 미만의 압력에서 유지시킨 진공 공급원(22)에 연결된 용융 챔버(20)에서 용융된다.

본 발명자들은 ISR 유니트를 이용한 티탄 충전물 단독 또는 소량을 용융시키는 것을 선호하지만, 용융되는 물질이 상당히 오염되지 않는다면, 진공 유도 용융(vacumn induction melting; VIM) 및 전자 빔 용융과 같은 다른 방식에 의해 상기 물질을 용융시킬 수 있다. 더구나, 본 발명자들은 진공 환경하에서 벌크 물질, 예컨대 동시에 수개의 충전 물질을 용융시켜, 다이로 사출하기 위해 용융된 하나의 충전물을 숏 슬리브로 옮기는 것을 배재하지 않는다. 그러나, 물질은 진공하에서 용융되므로, 용융된 물질을 수송시키는데 사용되는 임의의 장비는 전형적으로 고온에 내성이고 진공 챔버에 위치될 수 있어야 하며, 결과적으로 챔버는 비교적 커야 한다. 추가의 장비는 비용을 부가시키고, 상응하게 대형 진공 챔버를 진공하는데 시간이 더 걸리므로 순환 시간에 영향을 끼친다.

물질 용융과 용융된 물질의 다이로의 사출 사이에 일부의 시간이 반드시 경과되므로, 한정된 과열(즉, 물질이 사출될 때까지 실질적으로 용융된 상태로 적어도 유지시키기에 충분히 높은 온도이나, 작은 입자를 형성시킬 수 있는 사출시에 신속한 고화를 일으키고 다이 캐스트 장치(특히 용융된 금속과 접촉하는 장치의 일부분)에 대한 열 부하량을 최소화시키기에 충분히 낮은 온도)로 상기 물질을 용융시킨다. 본 발명자들은 제어된 한정된 과열로 티탄 합금을 용융시켰는데, 예컨대 본 발명자들은 바람직하게는 유도 스컬 용융 유니트와 같은 세라믹이 없는 용융 시스템을 사용하여, 합금의 용융 온도보다 높은 약 100 내지 200℉(37 내지 95℃), 보다 바람직하게는 약 50 내지 100℉(10 내지 37℃)의 과열을 성공적으로 이용하였다. 상기 물질을 충분히 과열시켜 주형에 사출할 때까지 용융이 유지되도록 보장하지만, 과열 정도는 사출 후에 용융된 물질이 신속하게 고화될 수 있도록 충분히 낮다. 이어서, 용융된 합금을 진공 환경하에 바람직하게 위치된 기계의 수평 숏 슬리브로 수송시켜, 용융된 물질을 재사용가능한 주형으로 가압하에서 사출시킨다. 본 발명자들은 1 또는 2초내에 용융된 물질을 주입 및 사출시키는 공정이 가열되지 않은 숏 슬리브를 갖는 다이 캐스트기에서 잘 수행됨을 밝혀냈다.

용융된 물질을 도가니로부터 장치의 숏 슬리브(30)로 수송시키기 위해(도 16의 단계 48), 도가니는 이동용으로(도 15의 화살표 31), 또한 주입축에 대해 주축 이동용으로(도 14의 화살표 33) 설치되고, 도가니를 회전시키기 위한 모터(도시되 어 있지 않음)에 설치되어 용융된 물질이 도가니로부터 숏 슬리브(30)의 주입 홀(32)을 통해 주입된다. 도가니의 수송은 물질이 용융되는 용융 챔버(20)와 숏 슬리브가 위치한 별도의 진공 챔버(34)내 위치 사이에서 일어난다. 주입 챔버(34)를 또한 비반응성 환경, 바람직하게는 100㎛ 미만, 보다 바람직하게는 50㎛ 미만의 압력 수준을 갖는 진공 환경으로서 유지시킨다. 용융 챔버(20) 및 주입 챔버(34)를 게이트 밸브 또는 다른 적합한 수단(도시되어 있지 않음)에 의해 분리시켜, 하나의 챔버가 대기에 노출되는 경우, 예컨대 특정 챔버내 구성요소에 근접하는 경우 진공 손실을 최소화시킨다. 예시된 양태는 별도의 용융 및 주입 챔버를 포함하지만, 용융 및 주입을 하나의 챔버에서 수행시킬 수도 있다. 본 발명자들은 주어진 구성요소를 대기에 노출시켜야 하는 경우, 예컨대 용융 유니트 또는 숏 슬리브를 제공하거나 캐스트를 제거해야 하는 경우, 진공 환경의 손실을 최소화시키기 위해 별도의 챔버를 사용하는 것을 선호한다.

전술한 바와 같이, 용융된 물질은 도가니(24)로부터 주입 홀(34)을 통해 숏 슬리브(30)로 수송된다. 숏 슬리브(30)는 다이 공동(38)을 한정하는 다중 부품인 재사용가능한 다이(36)에 연결된다. 충분한 양의 용융된 물질을 숏 슬리브에 주입하여 하나의 부품 또는 하나보다 많은 부품을 포함할 수 있는 다이 공동을 충전시킨다. 본 발명자들은 예컨대 12개의 공동 다이를 사용하여 단독 숏에서 12개의 부품을 성공적으로 캐스트하였다.

예시된 다이(36)는, 예컨대 가스 터빈 엔진용 압축기 블레이드 또는 베인의 형태로, 함께 다이 공동(38)을 한정하는 2개의 구획(36a 및 36b)(보다 많은 구획을 포함할 수 있음)을 포함한다. 다이(36)는 또한 바람직하게는 진공 공급원에 바로 연결되고, 숏 슬리브를 통해서도 연결되어, 다이를 진공시킨 다음 용융된 금속을 사출시킬 수 있다. 다이는 진공 챔버내에 위치될 수 있고, 그대신 또는 추가로 진공 공급원에 바로 연결될 수 있다. 다이의 2개의 구획(36a 및 36b)중 한 구획은 전형적으로 고정되어 있지만, 다른 부품은 예컨대 수압 조립체(도시되어 있지 않음)에 의해 하나의 구획에 대해 이동될 수 있다. 다이는 바람직하게는 이젝터핀(도시되어 있지 않음)을 포함하여 고화된 물질을 다이로부터 용이하게 방출시킨다. 다이는 또한 캐스트 물질을 다이로부터 제거하기 위한 스트리퍼 메카니즘(도시되어 있지 않음)을 포함하여(그러나, 상기 물질은 여전히 고온이다) 다이에 대한 열 부하량을 추가로 감소시킨다.

다이는 다양한 물질로 구성될 수 있고, 양호한 열 전도성을 가져야 하며, 용융된 물질의 사출에 의한 부식 및 화학적 공격에 비교적 내성이어야 한다. 가능한 물질의 포괄적인 목록은 매우 광범위하고, 금속, 세라믹, 흑연, 세라믹 매트릭스 혼성물 및 금속 매트릭스 혼성물과 같은 물질을 포함한다. 다양한 다이 물질은 각각 상이한 용도에 대해 바람직하도록 하는 속성, 예컨대 기계 가공의 용이, 승온에서의 강도 및 이들 둘의 절충을 갖는다. 티탄의 경우, 본 발명자들은 최근에는 저비용 및 기계 가공의 용이함으로 인해 저탄소강으로 구성된 다이, 예컨대 1018을 사용하는 것을 선호한다. 장치 성능 및 생성 부품의 품질을 향상시키기 위해 피복 및 표면 처리를 이용할 수 있다. 또한, 다이를 물과 같은 냉각제 공급원 또는 오일과 같은 열 공급원(도시되지 않음)에 부착하여 조작중에 다이 온도가 열적으로 조절되게 할 수 있다. 추가로, 다이 윤활제를 다이 및 다이 캐스트 장치중 하나 이상의 선택된 부품에 적용할 수 있다. 임의의 윤활제는 일반적으로 생성된 캐스트 제품의 품질을 향상시켜야 하고, 더욱 특히 사출된 물질을 오염시키지 않도록 열 파괴에 내성이어야 한다.

이어서, 용융된 금속은 도가니로부터 숏 슬리브로 수송된다. 충분한 양의 용융된 금속을 숏 슬리브에 주입하여 슬리브를 부분적으로 충전시킨 다음, 다이를 충전시킨다. 바람직하게는, 슬리브는 50% 미만, 더욱 바람직하게는 약 40% 미만, 가장 바람직하게는 30% 미만으로 충전된다.

플런저(40)와 같은 사출 장치를 숏 슬리브(30)와 통합하고 수압 또는 다른 적합한 조립체(도시되지 않음)로 플런저를 화살표(42) 방향으로 구동시켜 실선으로 도시된 위치와 점선으로 지시된 위치 사이에서 이동시킴으로써 용융된 금속을 가압하에서 슬리브(30)로부터 다이 공동(38)으로 사출한다(단계 50 - 도 15). 실선으로 도시된 위치에서, 플런저와 슬리브는 사출되는 용융된 금속의 양보다 실질적으로 큰 체적을 함께 한정한다. 바람직하게는, 체적은 사출될 물질의 체적의 2배 이상, 보다 바람직하게는 3배 이상이다. 따라서, 도가니로부터 슬리브로 수송된 용융된 물질의 체적은 슬리브 체적의 1/2 미만, 가장 바람직하게는 약 1/3 미만을 충전한다. 슬리브의 일부만이 충전되므로, 슬리브상에서 고화되는 임의의 물질 또는 스킨은 단지 부분적인 원통, 예컨대 개방형 아치 표면을 형성하고, 금속 사출중에 용이하게 스크레이핑되거나 분쇄되며, 용융된 물질로 재혼합된다. 사출에 대해서, 본 발명자들은 30 내지 300in/s(ips)의 플런저 속도를 사용하였고(숏 슬리브는 약 3in의 내경을 가짐), 최근에는 약 50 내지 175in/s(ips)(1.2 내지 4.5m/s)의 플런저 속도를 선호한다. 플런저는 전형적으로는 1200psi(8.4MPa) 이상, 더욱 바람직하게는 1500psi(10.5MPa) 이상의 압력에서 이동된다. 다이 공동이 충전될 때 플런저가 그의 스트로크(stroke)의 말단에 접근하므로, 플런저는 압력을 금속에 전달하기 시작한다. 주형 공동의 완전한 충전을 보장하기 위해서 압력을 강화하는 것이 바람직할 수 있고, 특정한 강화 파라미터는 목적하는 결과에 좌우될 것이다. 압력 강화는 냉각중에 다공성을 최소화하고 물질 수축을 줄이거나 없애기 위해 수행된다. 본 발명자들은 1500psi(10.5MPa)보다 큰 압력 강화를 사용하여 만족스러운 결과를 얻었다. 다이내 물질의 고화를 보장하기 위해 충분한 시간이 경과한 후에, 이젝터핀(도시되지 않음)을 작동시켜 다이로부터 부품을 방출시켰다(단계 52, 도 16).

당해 분야에 공지된 바와 같이, 캐스트 제품은 전형적으로 약간, 일반적으로는 몇% 이하의 다공성을 포함한다. 따라서, 특히 상기 제품이 가스 터빈 엔진용 압축기 에어호일과 같이 요구되는 용도에 사용되는 경우, 다공성을 줄이고 바람직하게 제거하며 그렇지 않을 경우 요구되는 대로 처리할 필요가 있다(단계 54, 도 16). 그러므로 부품들을 바람직하게는 고온 이소스택틱 프레싱(HIP)시켜 전술한 바와 같이 캐스트 부품에서 다공성을 줄이고 실질적으로 제거한다. 티탄 합금 제품에서는, 본 발명자들은 일반적으로 약 1500 내지 1600℉(815 내지 870℃)의 온도에서(및 존재하는 베타 상태로 유지하기를 바라는 경우 약 1850℉(1010℃)의 베타 변환 온도 미만에서), 14ksi(98Mpa) 이상, 더욱 바람직하게는 14.5ksi(101.5MPa)보 다 큰 압력하에 2 시간 이상동안 HIP하는 것을 선호한다.

이어서, 경우에 따라 제품을 열처리할 수 있다. 전술한 바와 같이, 다이 캐스트 Ti-64로 구성된 에어호일에 대해서는, 제품은 불활성 환경, 예컨대 아르곤 또는 진공중에서 2 시간 이상동안 약 1500 내지 1600℉(815 내지 870℃)의 온도로 가열될 수 있다. 다이 캐스트 Ti 6-2-4-2로 구성된 에어호일에 대해서는, 제품은 바람직하게는 불활성 환경, 예컨대 아르곤 또는 진공중에서 8 시간 이상동안 약 1000 내지 1200℉, 더욱 바람직하게는 약 1100℉(590℃)의 온도로 가열된다. 실제 열처리 및 HIP 파라미터는 제품의 목적하는 용도 및 공정의 목표 순환 시간에 따라 변할 수 있으나, HIP도중 온도, 압력 및 시간은 캐스트 제품중의 모든 다공성을 실질적으로 제거하기에 충분해야 하지만, 입자가 상당히 성장하고 변태된 베타 마이크로조직중의 임의의 알파상 및 베타상이 조악해지는 것을 허용하지 않아야 한다.

부품을 통상적인 검사 방법을 사용하여, 예컨대 형광 침투 검사(FPI), 방사선 검사, 육안 검사에 의해 검사하고(단계 56 - 도 16), 검사 통과 후에 부품을 사용하거나 또는 필요시에는 추가로 처리 또는 재처리할 수 있다(단계 58 - 도 16).

티탄 합금을 이용한 작업 결과로서, 양질의 캐스트 제품을 생산하기 위해서는 몇가지 조건이 중요하다고 생각된다. 특히 티탄 합금과 같은 반응성 물질에서 물질의 용융, 주입 및 사출은 비반응성 환경에서 수행되어야 하며, 본 발명자들은 상기 조작을 바람직하게는 100㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 50㎛ 미만의 압력이 유지되는 진공 환경에서 수행하는 것을 선호한다. 과열 정도는 물질이 주입될 때부터 사출될 때까지 실질적으로 및 완전히 용융되도록 충분해야 하지만, 또한 신속한 냉각 및 사출시의 작은 입자의 형성이 가능하도록 해야 한다. 비교적 낮은 과열로 인해, 용융된 금속 수송 및 사출은 금속 고화전에 일어나기에 충분히 신속해야 한다. 입도와 같은 생성된 마이크로조직은 사용된 다이 물질 및 사용된 과열뿐만 아니라 캐스트되는 부품의 구획 두께에 상응하는 것으로 보인다. 즉, 얇은 구획은 작은 입자를 포함하는 경향이 있으며 두꺼운 구획(특히 두꺼운 구획 내부)은 큰 입자를 포함하는 경향이 있다. 높은 열 전도성의 다이 물질은 낮은 과열을 사용할 때와 마찬가지로 작은 입자를 갖는 제품을 생성한다. 본 발명자들은 상기 결과가 상대적인 냉각 속도로부터 초래된 것이라고 생각한다. 비록 다이 물질 뿐만 아니라 게이트의 디자인도 사출 속도와 함께 작용할 수 있지만, 플런저의 이동 속도, 및 물질이 주형에 사출되는 상응하는 속도가 캐스트 제품의 표면 마무리처리에 영향을 주는 것으로 보인다.

다이 캐스트는 단조보다 우수한 다른 중요한 이점을 제공한다. 요구되는 장비의 관점에서, 단조는 새로운 부품을 제조하기 위해 상당한 비용이 드는 다수의 다이의 생산을 필요로 한다. 반면에, 다이 캐스트에서는 부품당 단지 1개의 다이 세트가 필요하여, 단조에 비해 상당히 비용을 절감할 수 있다. 특수 재단된 강편 재료를 제조할 필요가 없고 대체로 캐스트가 하나의 단계로 수행되기 때문에, 다수의 단조 조작과는 반대로 주괴로부터 마무리처리된 부품을 제조하는데 소요되는 시간이 상당히 줄어든다. 다이 캐스트에서는, 다수의 부품이 1회의 캐스트로 제조된다. 다이 캐스트는 복잡한 3차원 형상을 갖는 부품을 제조할 수 있게 하며, 따라서 가스 터빈 엔진과 같은 분야에 새로운 소프트웨어 디자인 기술이 적용되고 이용 될 수 있게 하며 보다 효율적인 에어호일 및 다른 구성요소를 제조할 수 있게 한다. 본 발명자들은 다이 캐스트가 복잡한 형상으로 단조되기 어렵거나 불가능한 물질을 사용하여 복잡한 형상을 갖는 제품을 제조할 수 있게 한다고 생각한다. 더욱이, 다이 캐스트 부품은 마무처리된 형상에 더욱 가깝게, 형성 후 마무리처리 조작을 최소화시키는 우수한 표면 마무리로 제조될 수 있으며, 이들 모두는 상기 부품의 제조 비용을 절감시킨다.

본 발명은 상기에서 일부 상세하게 기술되었으나, 다수의 변형 및 대체가 본 발명의 취지 또는 하기 청구의 범위의 범주를 벗어나지 않고서 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 예시에 의해 기술되었으나 한정하기 위해서가 아님을 이해해야 한다.

Claims (35)

1. Al 5 내지 7w/o, Sn(주석) 1.5 내지 2.5w/o, Zr 3.0 내지 5.0w/o 및 Mo 1.5 내지 2.5w/o을 포함하고, 나머지가 티탄인, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
2. 제 1 항에 있어서,

   변태된 베타 마이크로조직임을 특징으로 하는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
3. 제 1 항에 있어서,

   유선이 없는 마이크로조직임을 특징으로 하는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
4. 제 1 항에 있어서,

   가스 터빈 엔진 부품을 포함하는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
5. 제 4 항에 있어서,

   압축기 부품인, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
6. 제 1 항에 있어서,

   ASTM 0 미만의 평균 입도를 갖는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
7. 제 6 항에 있어서,

   입도가 ASTM 3 미만인, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
8. 제 1 항에 있어서,

   티탄 25원자% 이상으로 구성된, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 8 항에 있어서,

    120ksi(840MPa) 이상의 인장 강도 및 110ksi(770MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
12. 제 11 항에 있어서,

    135ksi(945MPa) 이상의 인장 강도 및 125ksi(875MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
13. 삭제
14. 제 1 항에 있어서,

    Al 5.5 내지 6.5w/o, Sn(주석) 1.75 내지 2.25w/o, Zr 3.5 내지 4.5w/o, Mo 1.8 내지 2.2w/o, Fe 0.2w/o 이하, C 0.15w/o 이하, O 0.25w/o 이하, N 0.1w/o 이하, H 0.02w/o 이하 및 Y 0.01w/o 이하를 포함하고, 나머지가 티탄인, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
15. 제 1 항에 있어서,

    900℉(480℃)에서 75ksi(525MPa) 이상의 인장 강도를 갖는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
16. 제 15 항에 있어서,

    900℉(480℃)에서 95ksi(665MPa) 이상의 인장 강도를 갖는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
17. 제 1 항에 있어서,

    Al 7 내지 8.5w/o, Mo 0.5 내지 1.5w/o 및 V 0.5 내지 1.5w/o를 포함하고, 나머지가 티탄인, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
18. 제 1 항에 있어서,

    Al 7.35 내지 8.35w/o, Mo 0.75 내지 1.25w/o, V 0.75 내지 1.25w/o, Si 0.15w/o 이하, Fe 0.4w/o 이하, O 0.15w/o 이하, C 0.1w/o 이하, Sn 0.25w/o 이하, Cu 0.15w/o 이하, N 750ppm 이하, H 200ppm 이하, B 50ppm 이하 및 Y 75ppm 이하를 포함하고, 나머지가 티탄 및 기타 미량 원소인, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
19. 제 18 항에 있어서,

    실온에서 115ksi(805MPa) 이상의 인장 강도 및 100ksi(770MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖고, 800℉(425℃)에서 75ksi(525MPa) 이상의 인장 강도 및 60ksi(420MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
20. 제 19 항에 있어서,

    실온에서 125ksi(875MPa) 이상의 인장 강도 및 110ksi(770MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖고, 800℉(425℃)에서 80ksi(560MPa) 이상의 인장 강도 및 70ksi(490MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
21. 유선이 없는 변태된 베타 마이크로조직의 티탄 합금으로 구성된 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
22. 제 21 항에 있어서,

    압축기 부품인 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
23. 제 22 항에 있어서,

    평균 입도가 ASTM 3 미만인 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
24. 제 21 항에 있어서,

    Al 4 내지 8w/o 및 V 3 내지 5w/o를 포함하고, 나머지가 Ti인 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
25. 제 24 항에 있어서,

    120ksi(840MPa) 이상의 인장 강도 및 110ksi(770MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖는 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
26. 제 24 항에 있어서,

    135ksi(945MPa) 이상의 인장 강도 및 125ksi(875MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖는 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
27. 제 21 항에 있어서,

    Al 5 내지 7w/o, Sn(주석) 1.5 내지 2.5w/o, Zr 3.0 내지 5.0w/o, Mo 1.5 내지 2.5w/o을 포함하고, 나머지가 티탄인 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
28. 제 27 항에 있어서,

    900℉(482℃)에서 75ksi(525MPa) 이상의 인장 강도를 갖는 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
29. 제 21 항에 있어서,

    Al 7 내지 8.5w/o, Mo 0.5 내지 1.5w/o 및 V 0.5 내지 1.5w/o를 포함하고, 나머지가 티탄인 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
30. 제 29 항에 있어서,

    실온에서 115ksi(805MPa) 이상의 인장 강도 및 100ksi(700MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖고, 800℉(425℃)에서 75ksi(525MPa) 이상의 인장 강도 및 60ksi(420MPa) 이상의 0.2% 항복 강도를 갖는 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
31. 제 1 항에 있어서,

    재료가 화학량론적 양의 티탄 및 알루미늄으로 이루어지고, TiAl 및 TiAl₃로 구성되는, 다이 캐스트 티탄 합금 제품.
32. 제 21 항에 있어서,

    재료가 화학량론적 양의 티탄 및 알루미늄으로 이루어지고, TiAl 및 TiAl₃로 구성되는 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
33. 제 24 항에 있어서, 가스 터빈 엔진 부품이 AMS 4928에 따르는 단조 부품의 강도 및 내피로도 값을 갖는, 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
34. 제 27 항에 있어서, 가스 터빈 엔진 부품이 AMS 4976에 따르는 단조 부품의 강도 및 내피로도 값을 갖는, 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.
35. 제 29 항에 있어서, 가스 터빈 엔진 부품이 AMS 4973에 따르는 단조 부품의 강도 및 내피로도 값을 갖는, 다이 캐스트 가스 터빈 엔진 부품.

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