KR101177963B1

KR101177963B1 - 티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니

Info

Publication number: KR101177963B1
Application number: KR1020080039791A
Authority: KR
Inventors: 버나드 패트릭 베우레이; 브리안 마이클 엘리스; 마이클 프란시스 사비어 기글리오티; 토마스 조셉 켈리; 모하메드 라흐만; 스테펜 프란시스 루트코우스키; 마이클 제임스 웨이머; 조셉 칼 우크시크
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2012-08-28
Also published as: EP1990593B1; EP1990593A1; TW200912232A; JP5475961B2; KR20080097138A; TWI404901B; US8048365B2; JP2008275307A; US20080290569A1

Abstract

본 발명은, 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란탄계 산화물 및 이들의 조합물로부터 선택된 산화물을 함유하는 하나 이상의 페이스코트(facecoat) 층(18)을 포함하는 페이스코트(16), 및 하나 이상의 백킹(backing) 층(24)을 포함하는 백킹(22)을 갖고, 6.5:1 내지 20:1의 백킹(22) 대 페이스코트(16) 두께 비율을 갖는, 티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니(8)에 관한 것이다.

Description

티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니{CRUCIBLES FOR MELTING TITANIUM ALLOYS}

본원에 기재된 실시양태들은 일반적으로 티탄 합금을 용융시키기에 적합한 도가니에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본원의 실시양태들은 일반적으로 고도의 반응성 티탄 합금, 예컨대 티탄 알루미나이드를 용융시키기에 적합한 내화성 도가니를 기재하고 있다.

터빈 엔진 디자이너들은 엔진 중량을 감소시키고 더욱 높은 엔진 작동 온도를 얻기 위해 개선된 성질들을 갖는 신규 물질을 계속적으로 찾고 있다. 티탄 합금, 구체적으로 티탄 알루미나이드(TiAl)계 합금은, 저온 기계적 성질들의 유망한 조합, 예컨대 실온 내구성과 인성, 및 높은 중간 온도 강도와 크립(creep) 저항성을 갖는다. 이들 이유로 인해, TiAl계 합금은 니켈계 초합금을 대체할만한 잠재력을 가지고 있으며, 이는 현재 여러 터빈 엔진 구성요소들을 제조하는데 사용되고 있다.

진공 유도 용융(vacuum induction melting)은 터빈 엔진 구성요소들, 예컨대 에어포일을 제조하는데 흔히 사용되는 방법이며, 일반적으로 부전도의 내화성 합금 산화물로부터 제조된 도가니 내의 금속을 상기 도가니 내의 금속의 충전물이 액체 형태로 용융될 때까지 가열하는 것을 포함한다. 고도의 반응성 금속, 예컨대 티탄 또는 티탄 합금을 용융시키는 경우, 차가운 벽(cold wall) 또는 그래파이트(graphite) 도가니를 사용하는 진공 유도 용융이 전형적으로 사용된다. 이는 세라믹 도가니로부터의 용융과 캐스팅이 도가니 균열이 생성될 수 있는 도가니에 대한 유의적인 열 응력을 유도할 수 있기 때문이다. 이러한 균열은 도가니 수명을 감소시키고 구성요소 내의 함유물을 캐스팅시킬 수 있다.

더욱이, 고도의 반응성 합금, 예컨대 TiAl을 용융시키는 경우, 용융에 필요한 온도에서 합금 내의 원소들의 반응성으로 인해 어려움들이 발생할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 유도 노에서 도가니를 위한 대부분의 진공 유도 용융 시스템은 내화성 합금 산화물을 사용하지만, 합금, 예컨대 TiAl은 너무 고도의 반응성이어서 이들이 도가니 내에 존재하는 내화성 합금을 침범하여 티탄 합금을 오염시킬 수 있다. 예를 들면, 세라믹 도가니는 전형적으로 피하는데, 이는 고도의 반응성 TiAl 합금이 도가니를 파괴하고 티탄 합금을 산소, 및 산화물로부터의 내화성 합금으로 오염시킬 수 있다. 유사하게, 그래파이트 도가니가 사용된다면, 티탄 알루미나이드는 도가니로부터의 다량의 탄소를 티탄 합금 내에 용해시키며, 이로 인해 오염이 발생될 수 있다. 이러한 오염은 티탄 합금의 기계적 성질의 상실을 초래한다.

또한, 차가운 도가니 용융이 전술된 고도의 반응성 합금의 가공에 대해 야금학적 이점들을 제공할 수 있지만, 이 또한 스컬(skull) 형성 및 높은 동력 요건들로 인해 낮은 과열, 수율 손실을 비롯한 다수의 기술적 경제적 한계들을 갖는다. 이들 한계는 상업적 생존성을 제한할 수 있다.

이와 같이 합금을 덜 오염시키고 현 적용분야보다 덜 기술적 경제적 한계를 갖는, 고도의 반응성 합금을 용융시키는데 사용하기 위한 세라믹 도가니에 대해 요구되고 있다.

본원의 실시양태들은 일반적으로, 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란탄계 산화물 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함하는 하나 이상의 페이스코트 층을 포함하는 페이스코트, 및 하나 이상의 백킹 층을 포함하는 백킹을 포함하고, 약 6.5:1 내지 약 20:1의 백킹 대 페이스코트 두께 비율을 갖는, 티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니에 관한 것이다.

또한, 본원의 실시양태들은 일반적으로, 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란탄계 산화물 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함하는 하나 이상의 페이스코트 층을 포함하는 페이스코트, 및 하나 이상의 백킹 층을 포함하는 백킹을 포함하고, 약 6.5 내지 약 40mm의 전체 벽 두께를 갖는, 티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니에 관한 것이다.

또한, 본원의 실시양태들은 일반적으로, 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란탄계 산화물 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함하는 하나 이상의 페이스코트 층을 포함하는 페이스코트; 산화알루미늄, 지르코늄 실리케이트, 이산화규소 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 내화성 물질을 콜로이드성 실리카 현탁액 중에 포함하는 백킹 슬러리로부터 제조된 하나 이상의 백킹 층을 포함하는 백킹; 및 각각의 페이스코트 층 및 각각의 백킹 층에 적용된 치장벽토(stucco) 층을 포함하고, 약 50 내지 약 500 마이크론의 페이스코트 층 두께를 갖고, 약 6.5:1 내지 약 20:1의 백킹 대 페이스코트 두께 비율을 갖는, 티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 도가니 내의 합금이 종래 방법보다 더욱 순수하게 잔존하고 개선된 피로 수명을 가지며, 종래 방법의 것들보다 상기 합금으로부터 제조되는 것이 적은 균열과 적은 결함들을 나타낸다.

이들 및 다른 특징들, 양태들 및 이점들은 이하 개시내용으로부터 당해 분야의 숙련자에게 분명해질 것이다.

본원이 발명을 구체적으로 지적하고 분명하게 청구하는 특허청구범위에서 결론을 맺고 있지만, 본원에 개시된 실시양태들이 동일 번호가 동일 요소를 지칭하는 이하 설명 및 첨부된 도면들로부터 더욱 잘 이해될 것으로 생각된다.

본원에 기재된 실시양태들 일반적으로 티탄 합금을 용융시키기에 적합한 내화성 도가니에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본원에 기재된 실시양태들은 일반적으로, 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란탄계 산화물 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함하는 하나 이상의 페이스코트 층을 포함하는 페이스코트, 및 하나 이상의 백킹 층을 포함하는 백킹을 포함하는, 티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니에 관한 것이다. 본원의 실시양태들이 일반적으로 거의 순수 형태의 에어포일을 제조하는데 사용하기 위해 TiAl을 용융시키는 것에 집중되고 있지만, 이러한 것에 설명이 국한되어서는 안된다. 당해 분야의 숙련자라면 본 발명의 실시양태들이 거의 순수 형태의 가스 터빈 구성요소를 제조하는데 사용하기 위해 임의의 티탄 합금을 용융시키는데 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

도 1에서, 본원의 실시양태들은 티탄 합금을 용융시키기에 적합한 내화성 도가니(8)에 관한 것이다. 도가니(8)는 내부구조물(9)을 가질 수 있고, 이하 본원 설명에 따라 제조될 수 있다. 우선, 도가니 주형이 제조될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "주형"은 적합한 조건 하에서 연소하는 경우 도 1의 도가니(8)를 형성하는 비연소된 구성요소들을 지칭한다. 도가니 주형을 제조하기 위해, 형체(form)(10)가 도 2에 제시된 바와 같이 제공될 수 있다. 형체(10)가 도가니 주 형으로부터 제거될 수 있는 임의의 물질을 포함할 수 있지만, 한 실시양태에서, 형체(10)는 왁스, 플라스틱 또는 목재를 포함할 수 있고, 속이 빈 형태(hollow) 또는 속이 찬 형태(solid)일 수 있다. 더욱이, 형체(10)는 임의의 형상을 취할 수 있고, 도가니의 목적하는 내부구조물를 제조하는데 필요한 치수를 가질 수 있고, 핸들(12), 또는 취급하기 용이한 유사 기구를 포함할 수 있다.

도 3에 제시된 바와 같이, 하나 이상의 페이스코트 층(18) 및 선택적으로 하나 이상의 치장벽토 층(20)을 포함하는 페이스코트(16)는 형체(10)에 적용될 수 있다. 본원 전반에서 사용된 바와 같이, "하나 이상의"라는 것은 "제 1 페이스코트 층", "제 2 페이스코트 층" 등으로서 본원 전반에서 지정되는 특정 층이 하나 이상으로 존재할 수 있음을 의미한다. 페이스코트 층(18)이 용융 공정 동안 TiAl에 노출될 수 있기 때문에, 페이스코트 층(18)은 용융 도중 합금을 분해 및 오염시키지 않도록 반응성 TiAl에 대해 불활성이어야 한다. 따라서, 한 실시양태에서, 페이스코트 층(18)은 산화물을 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "산화물"은 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란탄계 산화물 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 조성물을 지칭한다. 더욱이, 란탄계 산화물("희토류" 조성물로서도 공지됨)은 산화란탄, 산화세륨, 산화프라세오디뮴, 산화네오디뮴, 산화프로메튬, 산화사마륨, 산화유로퓸, 산화가돌리늄, 산화테르븀, 산화디스프로슘, 산화홀뮴, 산화에르븀, 산화이테르븀, 산화루테튬 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함할 수 있다.

페이스코트 층(18)은 콜로이드성 현탁액 중에 혼합된 산화물의 분말로부터 제조된 페이스코트 슬러리를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 산화물 분말은 약 70 마이크론 미만, 다른 실시양태에서, 약 0.001 내지 약 50 마이크론, 또 다른 실시양태에서 약 1 내지 약 50 마이크론의 크기를 갖는 작은 입자 분말일 수 있다. 콜로이드는 제어된 방식으로 겔화되는 임의의 콜로이드일 수 있으며, TiAl, 예컨대 콜로이드성 실리카, 콜로이드성 이트리아, 콜로이드성 알루미나, 콜로이드성 산화칼슘, 콜로이드성 산화마그네슘, 콜로이드성 산화지르코늄, 콜로이드성 란탄계 산화물 및 이들의 혼합물에 대해 불활성이다. 앞서 열거된 임의의 산화물들은 페이스코트 층(18)의 페이스코트 슬러리를 제조하는데 사용될 수 있지만, 한 실시양태에서, 페이스코트 슬러리는 콜로이드성 실리카 현탁액 중의 산화이트륨 입자들을 포함할 수 있고, 다른 실시양태에서, 페이스코트 슬러리는 콜로이드성 이트리아 현탁액 중의 산화이트륨 입자들을 포함할 수 있다. 그러나, 페이스코트 슬러리의 조성은 변할 수 있는데, 일반적으로 페이스코트 슬러리는 약 40 내지 약 100중량%의 산화물 및 약 0 내지 약 60중량%의 콜로이드를 포함할 수 있다.

페이스코트 층(18)의 페이스코트 슬러리가 통상의 관행에 따라 제조된다면, 형체(10)는 침지, 분무 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 페이스코트 슬러리에 노출될 수 있다. 일반적으로, 일단 적용되면, 페이스코트 층(18)은 약 50 내지 약 500 마이크론, 한 실시양태에서 약 150 내지 약 300 마이크론, 또 다른 실시양태에서 약 200 마이크론의 두께를 가질 수 있다.

여전히 젖어 있으면서, 페이스코트 층(18)은 도 3에 제시된 바와 같이 치장 벽토 층(20)으로 선택적으로 코팅될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "치장벽토"는 일반적으로 약 100 마이크론 초과, 한 실시양태에서 약 100 내지 약 5000 마이크론의 크기를 갖는 거친 세라믹 입자들을 지칭한다. 치장벽토(20)는 도가니 벽의 두께를 구성하고 추가 강도를 제공하는데 도움이 되도록 각각의 페이스코트 층에 적용될 수 있다. 그러나, 치장벽토 층(20)으로서 다양한 물질이 적합할 수 있는데, 한 실시양태에서, 치장벽토는 내화성 물질, 예컨대 비제한적으로 본원에 정의된 바와 같이 산화물과 조합되는 알루미나 또는 알루미노실리케이트를 포함할 수 있다. 그러나, 치장벽토 층(20) 내의 내화성 물질 대 산화물의 비율은 변할 수 있는데, 한 실시양태에서, 치장벽토 층(20)은 약 0 내지 약 60중량%의 내화성 물질 및 약 40 내지 약 100중량%의 산화물을 포함할 수 있다. 치장벽토 층(20)은 임의의 허용 가능한 방식, 예컨대 더스팅(dusting)으로 페이스코트 층(18)에 적용될 수 있다. 일반적으로, 치장벽토 층(20)은 약 100 내지 약 2000 마이크론, 한 실시양태에서 약 150 내지 약 300 마이크론, 또 다른 실시양태에서 약 200 마이크론의 두께를 가질 수 있다.

페이스코트 층(18) 및 선택적 치장벽토 층(20)은 공기-건조될 수 있고, 추가의 페이스코트 층들 및 치장벽토 층들은 필요하다면 앞서 기재된 방식으로 적용되어 페이스코트(16)를 완료시킬 수 있다. 도 3 및 도 4에 제시된 실시양태에서, 제 1 및 제 2 페이스코트 층들(18) 및 교호적 치장벽토 층들(20)이 존재하지만, 당해 분야의 숙련자라면, 페이스코트(16)가 임의 수의 페이스코트 층들과 치장벽토 층들을 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 각각의 페이스코트 층(18)이 여러 산화물/콜 로이드 혼합물을 포함할 수 있지만, 한 실시양태에서, 각각의 페이스코트 층(18)은 동일한 산화물/콜로이드 혼합물을 포함한다. 일단 목적하는 수의 페이스코트 층들(18) 및 치장벽토 층들(20)이 적용되면, 페이스코트(16)가 완료되며, 백킹(22)이 적용될 수 있다.

백킹(22)은 마무리된 도가니(8)에 대한 추가 강도와 내구성을 제공하는데 도움이 될 수 있다. 이와 같이, 백킹(22)은 도 4에 제시된 바와 같이 하나 이상의 백킹 층(24)으로 이루어질 수 있으며, 이는 산화알루미늄, 지르코늄 실리케이트, 이산화규소 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 내화성 물질을 콜로이드성 실리카 현탁액 중에 포함하는 백킹 슬러리를 포함할 수 있다. 특정 층들은 본원 전반에 걸쳐 "제 1 백킹 층", "제 2 백킹 층" 등으로서 지정될 수 있다. 일례로서, 한 실시양태에서, 백킹 층(24)은 콜로이드성 실리카 현탁액 중의 산화알루미늄 입자들로부터 제조된 백킹 슬러리를 포함할 수 있다. 백킹 슬러리의 조성은 변할 수 있는데, 일반적으로 백킹 슬러리는 약 10 내지 약 40중량%의 내화성 물질 및 약 60 내지 약 90중량%의 콜로이드를 포함할 수 있다. 페이스코트 층들과 유사하게, 각각의 백킹 층(24)은 도 4에 제시된 바와 같이 그에 접착된 치장벽토 층(20)을 선택적으로 포함할 수 있으며, 이는 페이스코트를 제조하기 위해 앞서 사용된 치장벽토와 동일하거나 또는 이와 상이할 수 있다. 치장벽토를 포함하는 각각의 백킹 층(24)은 약 150 내지 약 4000 마이크론, 한 실시양태에서 약 150 내지 약 1500 마이크론, 또 다른 실시양태에서 약 700 마이크론의 두께를 가질 수 있다.

페이스코트 층들과 유사하게, 각각의 백킹 층(24)은 침지, 분무 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 임의 수의 백킹 층들(24)이 적용될 수 있지만, 한 실시양태에서, 2 내지 40개의 백킹 층들이 존재할 수 있다. 각각의 백킹 층(24)은 동일한 조성의 내화성 물질과 콜로이드를 포함할 수 있거나, 서로 다를 수 있거나, 또는 이들은 그들 사이의 일부 조합을 포함할 수 있다. 목적하는 수의 백킹 층들 및 선택적 치장벽토 층들을 적용한 후, 생성된 도가니 주형(26)이 추가로 가공될 수 있다.

일부 경우, 치장벽토 층들은 입자 크기, 층 두께 및/또는 조성을 이들이 적용됨에 따라 변형시킴으로써 등급을 조정하는 것이 바람직할 수 있음을 주지해야 한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "등급 또는 등급 조정" 및 이들의 모든 형태들은 후속적으로 적용되는 치장벽토 층들의 강도를 점진적으로 증가시키는 것, 예를 들면 치장벽토 물질의 입자 크기를 증가시키는 것, 치장벽토 층의 두께를 증가시키는 것, 및/또는 치장벽토 층으로서 점점 더 강한 내화성 물질/콜로이드 조성물을 이용하는 것을 지칭한다. 이러한 등급 조정에 의해, 적용되는 다양한 페이스코트 층들과 백킹 층들의 열 팽창과 화학적 성질에서의 차이에 기인하여 그에 따라 치장벽토 층들이 조정될 수 있게 된다. 더욱 특히는, 치장벽토 층들의 등급 조정은 여러 다공성을 제공하고, 도가니의 계수를 조정할 수 있으며, 이것들은 함께 앞서 논의된 열 팽창에서의 차이를 설명하는데 도움이 될 수 있다.

그 다음, 도가니 주형(26)은 통상의 관행에 따라 건조될 수 있고, 형체(10)는 제거될 수 있다. 다양한 방법들을 사용하여 도가니 주형(26)으로부터 형체(10)를 제거할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 형체(10)는 왁스를 포함할 수 있으 며, 따라서 도 5에 제시된 바와 같이 도가니 주형(26)을 노, 스팀 오토클레이브, 마이크로파 또는 다른 유사 장치 내에 위치시키고, 형체(10)를 용융시켜 도가니 주형(26) 내에 개방된 내부구조물(9)을 남김으로써 제거될 수 있다. 도가니 주형(26)으로부터 형체(10)를 용융시키는데 요구되는 온도는 일반적으로 낮을 수 있는데, 한 실시양태에서는 약 40 내지 약 120℃일 수 있다.

그 다음, 선택적으로, 도가니 주형(26)의 내부구조물(9)은 도 5에 제시된 바와 같이 콜로이드성 슬러리로 세척되어 탑코트(28)를 형성할 수 있다. 세척은 일반적으로 도가니를 연소시키기 전에 당해 분야의 숙련자에게 공지되어 있는 임의의 방법, 예컨대 분무를 사용하여 도가니의 내부구조물에 코팅을 적용시키는 것을 포함할 수 있다. 탑코트(28)는 임의의 목적하는 두께를 가질 수 있지만, 한 실시양태에서, 탑코트(28)는 약 500 마이크론 이하, 다른 실시양태에서 약 20 내지 약 400 마이크론의 두께를 갖는다. 탑코트(28)는 콜로이드성 이트리아 현탁액 중의 이트리아, 콜로이드성 실리카 현탁액 중의 이트리아 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 콜로이드성 슬러리를 포함할 수 있다. 이 탑코트는 도가니가 용융 도중 티탄 합금에 대해 불활성이게 잔존하도록 하는데 또한 도움이 될 수 있다.

그 다음, 속이 빈 도가니 주형(26)은 더욱 높은 온도까지 연소될 수 있다. 도가니 주형(26)의 연소는 마무리된 도가니에게 추가 강도를 제공하는데 도움이 될 수 있는데, 이는 이 가열 공정 동안 페이스코트 층들, 치장벽토 및 백킹 층들을 구성하는 물질이 서로 상호 확산되어 함께 소결될 수 있기 때문이다. 초기에, 도가 니 주형은 약 800 내지 약 1400℃, 한 실시양태에서 약 900 내지 약 1100℃, 한 실시양태에서 약 1000℃의 온도까지 연소될 수 있다. 이 제 1 연소는 임의의 잔존 형체 물질을 태워 제거하고 도가니의 세라믹 구성성분들 사이의 제한된 정도의 상호 확산을 제공하는데 도움을 주는데 필요한 임의의 시간 동안 발생할 수 있으며, 이는 한 실시양태에서 약 0.5 내지 약 50 시간, 다른 실시양태에서 약 1 내지 약 30 시간, 또 다른 실시양태에서 약 2 시간일 수 있다. 그 다음, 도가니 주형은 약 1400 내지 약 1800℃, 한 실시양태에서 약 1500 내지 약 1800℃, 또 다른 실시양태에서 약 1600 내지 약 1700℃의 온도까지 연소될 수 있다. 이 제 2 연소는 세라믹 구성성분들의 상호 확산을 실질적으로 완료시키고 페이스코트 산화물 중에 존재하는 콜로이드의 반응을 유도하는데 필요한 임의의 시간 동안 발생할 수 있으며, 이는 한 실시양태에서 약 0.5 내지 약 50 시간, 다른 실시양태에서 약 1 내지 약 30 시간, 또 다른 실시양태에서 약 2 시간일 수 있다. 예를 들면, 콜로이드성 실리카는 실리케이트를 형성할 수 있지만, 콜로이드성 이트리아는 페이스코트의 슬러리 중에 존재하는 이트리아 입자들로 소결시킬 수 있다.

일단 연소가 완료되면, 생성된 도가니는 티탄 합금을 용융시키는데 사용하기 적합할 수 있다. 도 6에서, 'A'는 이트리아 및 이트륨 실리케이트를 포함하는 제 1 페이스코트 층이고, 'B'는 이트리아 치장벽토 층이고, 'C'는 이트리아 및 이트륨 실리케이트를 포함하는 제 2 페이스코트 층이고, 'D'는 제 2 페이스코트 층과 후속적 치장벽토 층(각각 C 및 E)의 상호작용으로부터 생성되는 이트륨 알루미네이트 및 이트륨 실리케이트를 포함하고, 'E'는 알루미나 치장벽토이고, 'F'는 알루미나 및 알루미늄 실리케이트를 포함하는 백킹 층이고, 'G'는 알루미나 치장벽토 층이다.

도가니(8)의 특정의 특징부들이 목적하는 용도에 따라 변경 또는 개질될 수 있지만, 한 실시양태에서, 모든 페이스코트 층들, 치장벽토 층들 및 백킹 층들을 포함하는 도가니(8)는 약 3mm 이상, 다른 실시양태에서 약 6mm 이상, 또 다른 실시양태에서 약 6.5 내지 약 40mm의 총 벽 두께를 가질 수 있다. 약 40mm 초과의 벽 두께는 바람직하지 않게 긴 높은 가열 시간을 초래할 수 있다. 유사하게, 백킹 대 페이스코트의 두께 비율은 한 실시양태에서 약 6.5:1 내지 약 20:1일 수 있다. 상기한 바와 같이, 약 20:1 초과의 두께 비율은 알루미나 백킹 층들의 두께로 인해 바람직하지 않게 긴 높은 가열 시간을 초래할 수 있다.

특정 구조와 관계없이, 도가니(8)는 낮은 간질성(interstitial) 수준 및 낮은 세라믹 함유물 함량을 갖는 티탄 합금을 용융시키는데 사용될 수 있다. 특히, TiAl은 당해 분야에 공지되어 있는 통상의 용융 및 캐스팅 기술들을 사용하여 본원에 기재된 도가니 내에서 용융될 수 있다. 본원에 기재된 도가니는 이러한 고도의 반응성 합금과 함께 사용될 수 있는데, 이는 페이스코트를 제조하는데 사용되는 물질이 반응성 TiAl에 대해 불활성이기 때문이다. 즉, 페이스코트는 용융 도중 합금을 분해 및 오염시키지 않고서 TiAl에 노출될 수 있다. 더욱이, 본원의 도가니는 진공 유도 용융 사이클의 용융, 붓기, 캐스팅 및 냉각 단계 중 임의의 단계 동안 균열 없이 신속하게 가열될 수 있다.

이 개선된 도가니 성능에 대한 순수 결과는, 그 안에 용융된 TiAl이 더욱 순수하게 잔존하고 개선된 피로 수명을 갖는다는 것이다. 본원에서 사용된 바와 같이, "순수한"이란 합금이 약 1200 중량ppm 미만의 산소 함량을 갖고, 용융 공정 동안 도가니에 의해 생성된 이트륨 또는 규소 오염물을 약 500 중량ppm 미만으로 포함하는 것을 의미한다. 이 개선된 순도로 인해, TiAl로부터 제조된 구성요소들은 현행 방법들을 사용하는 TiAl로부터 제조된 것들보다 적은 균열과 적은 결함들을 나타낸다.

이 설명에서는 발명을 개시하고자 가장 우수한 모드를 비롯한 예들을 들고 있으며, 또한 이는 당해 분야의 숙련자에게 발명을 실시 및 사용할 수 있게 한다. 발명의 특허 가능한 범위는 특허청구범위에서 정의되며, 당해 분야의 숙련자에게 가능한 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은 이들이 특허청구범위의 자구와 상이하지 않은 구조적 요소들을 갖거나 또는 이들이 특허청구범위의 자구와 박약한 차이를 갖는 동등한 구조적 요소들을 포함한다면 특허청구범위 내에 속하는 것이다.

도 1은 본원의 설명에 따른 도가니의 한 실시양태의 개략적 투시도이다.

도 2는 본원의 설명에 따른 형체의 한 실시양태의 개략적 투시도이다.

도 3은 본원의 설명에 따른 도가니 주형의 한 실시양태의 개략적 단면도이다.

도 4는 도 3의 도가니 주형의 실시양태의 일부 단면에 대한 개략적 확대도이다.

도 5는 본원의 설명에 따라 형체가 제거되고 탑코트가 적용된 후 도가니 주형의 한 실시양태의 개략적 단면도이다.

도 6은 본원의 설명에 따라 2차 연소 후 도가니 단면의 한 실시양태의 소정 규모의 현미경 사진이다.

* 도면 부호의 간단한 설명

8 - 도가니 9 - (도가니의) 내부구조물

10 - 형체 12 - 핸들

16 - 페이스코트 18 - 페이스코트 층

20 - 치장벽토 층 22 - 백킹

24 - 백킹 층 26 - 도가니 주형

28 - 탑코트

Claims

산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란탄계 산화물 및 하나 이상의 전술된 성분들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함하는 하나 이상의 페이스코트(facecoat) 층을 포함하는 페이스코트, 및

산화알루미늄, 지르코늄 실리케이트, 이산화규소 및 하나 이상의 전술된 성분들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 내화성 물질을 포함하는 하나 이상의 백킹(backing) 층을 포함하는 백킹

을 포함하고, 백킹 대 페이스코트 두께 비율이 6.5:1 내지 20:1인, 티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니.
제 1 항에 있어서,

란탄계 산화물이, 산화란탄, 산화세륨, 산화프라시오디뮴, 산화네오디뮴, 산화프로메튬, 산화사마륨, 산화유로퓸, 산화가돌리늄, 산화테르븀, 산화디스프로슘, 산화홀뮴, 산화에르븀, 산화이테르븀, 산화루테튬 및 하나 이상의 전술된 성분들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함하는, 도가니.
제 1 항에 있어서,

하나 이상의 페이스코트 층이 40 내지 100중량%의 산화물을 포함하는, 도가니.
제 1 항에 있어서,

하나 이상의 페이스코트 층이, 콜로이드성 현탁액 중의 산화물 분말을 포함하는 페이스코트 슬러리로부터 제조되되,

상기 콜로이드성 현탁액이, 콜로이드성 실리카, 콜로이드성 이트리아, 콜로이드성 알루미나, 콜로이드성 산화칼슘, 콜로이드성 산화마그네슘, 콜로이드성 란탄계 산화물 및 하나 이상의 전술된 성분들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 콜로이드를 포함하는, 도가니.
제 1 항에 있어서,

하나 이상의 백킹 층이, 산화알루미늄, 지르코늄 실리케이트, 이산화규소 및 하나 이상의 전술된 성분들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 내화성 물질을 콜로이드성 실리카 현탁액 중에 포함하는 백킹 슬러리로부터 제조되는, 도가니.
제 1 항에 있어서,

페이스코트가 2개 이상의 페이스코트 층을 포함하는, 도가니.
제 6 항에 있어서,

각각의 페이스코트 층이 동일한 산화물을 포함하는, 도가니.
제 4 항에 있어서,

페이스코트 슬러리가 콜로이드성 현탁액 중의 산화이트륨 분말을 포함하되,

상기 콜로이드성 현탁액이, 콜로이드성 실리카, 콜로이드성 이트리아, 콜로이드성 알루미나, 콜로이드성 산화칼슘, 콜로이드성 산화마그네슘, 콜로이드성 란탄계 산화물 및 하나 이상의 전술된 성분들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 콜로이드를 포함하는, 도가니.
제 1 항에 있어서,

각각의 페이스코트 층에 적용된 치장벽토(stucco) 층을 추가로 포함하되,

상기 치장벽토 층이 내화성 물질과 조합된 산화물을 포함하는, 도가니.
제 1 항에 있어서,

콜로이드성 현탁액 중의 산화이트륨 분말을 포함하는 탑코트를 추가로 포함하되,

상기 콜로이드성 현탁액이, 콜로이드성 실리카, 콜로이드성 이트리아, 콜로이드성 알루미나, 콜로이드성 산화칼슘, 콜로이드성 산화마그네슘, 콜로이드성 란탄계 산화물 및 하나 이상의 전술된 성분들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 콜로이드를 포함하는, 도가니.