KR102077416B1 - 금속 재료들을 주조하기 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

Abstract

용융 및 주조 장치의 특정 실시예들은 용융 노상; 용융 노상과 유체 연통하는 정제 노상; 정제 노상과 유체 연통하는 수신 용기로서, 수신 용기는 제 1 용융 재료 경로를 정의한 제 1 유출 영역, 및 제 2 용융 재료 경로를 정의한 제 2 유출 영역을 포함하는, 수신 용기; 및 성기 수신 용기를 향해 에너지를 전달하며 제 1 용융 재료 경로 및 제 2 용융 재료 경로를 따라 용융 재료의 흐름의 방향을 조절하도록 적응된 적어도 하나의 용융 전원을 포함한다. 금속 재료를 주조하기 위한 방법들이 또한 개시된다.

Description

금속 재료들을 주조하기 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR CASTING METALLIC MATERIALS}

본 발명은 야금(metallurgy) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 티타늄 합금들 및 다른 금속 재료들의 제조를 위한 개선된 주조 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

티타늄 및 그 합금들은 군사 계약, 건함(naval construction), 항공기 제조, 및 다른 항공 우주 애플리케이션들을 포함한, 다수의 부담이 큰 애플리케이션들에서 사용된 매우 중요한 고성능 재료들이다. 애플리케이션들에 사용된 제조물들이 겪는 극한 상태들 및 이들 애플리케이션들의 중요성을 고려해볼 때, 물품들이 만들어지는 금속들 및 금속 합금들(여기에 총괄하여 "금속 재료들"로서 지칭되는)의 기계적 및 다른 특성들은 상당히 중요하다. 이들 애플리케이션들에 사용된 금속 재료들의 특성들에서의 변화는 거의 허용되지 않는다. 예를 들면, 고성능 티타늄 합금들로부터 주조 잉곳(cast ingot)들을 생산하는 종래의 실시는 주조 잉곳들로부터 이물질(inclusion)들 및 특정한 다른 주조 결함들을 검출 및 제거하기 위한 시간 소모적이고 값비싼 기술들을 포함한다.

일반적으로, 이물질들은 주조 금속 재료의 금속 매트릭스에 서스펜드된(suspended) 외떨어진 입자(isolated particle)들이다. 많은 경우들에서, 이물질들은 주위 재료의 밀도와 상이한 밀도를 가지며 주조 재료의 전체 무결성에 상당히 유해한 영향을 미칠 수 있다. 결국, 이것은 재료로 이루어진 구성요소가 균열 또는 파열하게 하고, 가능하게는 크게 실패하게 할 수 있다. 불운하게도, 주조 금속 재료들에서의 이물질들은 일반적으로 인간의 눈에 가시적이지 않으며, 그러므로 제조 공정 동안 및 최종 구성요소에서 검출하기 매우 어렵다. 일단 이물질이 검출되면, 이물질의 특징 및/또는 최종 구성요소의 기계적 요건들은 주조 재료의 모두 또는 상당한 부분이 폐기된다는 것을 서술할 수 있다. 다른 경우들에서, 이물질의 별개의 구역(area)은 분쇄 또는 다른 가공 동작들에 의해 제거될 수 있거나, 또는 재료는 보다 덜 요구적인 애플리케이션들로 격하될 수 있다. 주조 고성능 티타늄 합금들 및 다른 주조 금속 재료들에서의 이물질들을 검출 및 제거하는 공정은 상당한 시간을 요구하고, 매우 값비쌀 수 있으며, 수율을 상당히 감소시킬 수 있다.

주조 잉곳에서의 이물질들의 존재는 재료가 주조되는 방식에 의해 영향을 받는다. 예를 들면, 이물질들은 제조 동안 부적당하거나 또는 부적절한 가열 또는 혼합에 의해 야기될 수 있다. 이와 같이, 티타늄 합금들 및 다른 금속 재료들의 잉곳들을 주조하는 방법 및 이를 위한 장비에서의 개선들은 주조물들 내에서 문제가 있는 이물질들의 발생 정도를 감소시키거나 또는 제거할 수 있다.

본 개시의 일 양상은 용융 노상(melting hearth), 용융 노상과 유체 연통하는(fluidly communicating) 정제 노상, 및 정제 노상과 유체 연통하는 수신 용기를 포함한 용융 및 주조 장치에 관한 것이다. 수신 용기는 제 1 용융 재료 경로를 정의한 제 1 유출 영역, 및 제 2 용융 재료 경로를 정의한 제 2 유출 영역을 포함한다. 적어도 하나의 전자 빔 건은 수신 용기를 향해 전자들을 전달하며 제 1 용융 재료 경로 및 제 2 용융 재료 경로를 따라 용융 재료의 흐름의 방향을 조절하도록 적응된다.

본 개시의 부가적인 양상은 용융 노상, 용융 노상과 유체 연통하는 정제 노상, 및 정제 노상과 유체 연통하는 수신 용기를 포함한 용융 및 주조 장치에 관한 것이다. 수신 용기는 제 1 용융 재료 경로를 정의한 제 1 유출 영역, 및 제 2 용융 재료 경로를 정의한 제 2 유출 영역을 포함한다. 적어도 하나의 용융 전원(power source)은 수신 용기를 향해 에너지를 전달하며 제 1 용융 재료 경로 및 제 2 용융 재료 경로를 따라 용융 재료의 흐름의 방향을 조절하도록 적응된다.

본 개시의 추가 양상은 금속 재료를 주조하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 용융 금속 재료를 제공하는 단계 및 상이한 용융 재료 경로들을 정의한 적어도 두 개의 유출 영역들을 포함한 수신 용기를 따라 용융 금속 재료를 유동시키는 단계로서, 각각의 유출 영역은 상이한 주조 위치와 연관되는, 유동 단계를 포함한다. 방법은 적어도 두 개의 유출 영역들 중 하나 상에서 금속 재료를 선택적으로 가열시키고, 그에 의해 가열된 유출 영역에 의해 정의된 흐름 경로를 따라 유동하도록 용융 금속 재료를 전달하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 적용 가능성의 추가 부문들은 이후 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 특정 실시예들을 표시하면서, 여기에서의 상세한 설명 및 임의의 특정 예들은 단지 예시의 목적들을 위해 의도되며 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

본 발명은 반드시 일정한 비율인 것은 아닌, 첨부한 도면들 및 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 제 1 관점으로부터 보여지는, 본 개시에 따른 주조 시스템의 비-제한적인 실시예의 개략적인 묘사이다.
도 2는 제 2 관점으로부터 보여지며 주조 잉곳을 도시한, 도 1에 도시된 주조 시스템의 개략적인 묘사이다.
도 3은 도 2의 관점으로부터 보여지는, 도 1에 도시된 주조 시스템의 개략적인 묘사이지만, 여기에서 주조 챔버의 벽 및 연관된 챔버들과 경로들은 주조 챔버의 내부를 노출시키기 위해 뒤로 이동된다.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 주조 시스템의 주조 챔버 및 용융 챔버의 내부를 개략적으로 묘사한 상면도들이며, 여기에서 수신 용기로부터 대안적인 도가니들로의 대안적인 용융 재료 흐름 경로들이 표시된다.
도 5는 도 1에 도시된 주조 시스템의 정면도이며 여기에서 속 바닥(subfloor) 통로 내의 개개의 주조 금형들이 도시된다.
도 6은 도 1에 도시된 주조 시스템의 측면도이며, 여기에서 속 바닥 통로 내의 개개의 주조 금형이 도시된다.
도 7a 내지 도 7e는 본 개시에 따른 수신 용기 구성들의 다양한 대안적인 실시예들의 상면도들을 개략적으로 묘사한다.

여기에 일반적으로 사용되는 바와 같이, 관사, 부정관사("a", "an"), 및 정관사("the")는 달리 표시되지 않는다면, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 나타낸다.

여기에 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어들("포함시키는" 및 "갖는")은 "포함한"을 의미한다.

여기에 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어("약")는 측정의 특징 또는 정확성을 고려해볼 때, 측정된 양에 대한 허용가능한 정도의 오류를 나타낸다. 통상적인 오류의 대표적인 정도들은 주어진 값 또는 값들의 범위의 20%, 10%, 또는 5% 내에 있을 수 있다.

여기에 서술된 모든 숫자로 나타낸 양들은 달리 표시되지 않는다면 용어("약")에 의해 모든 사례들에서 수정된 바와 같이 이해될 것이다. 여기에 개시된 숫자로 나타낸 양들은 근사적이며 각각의 수치 값은 나열된 값 및 값을 둘러싸는 기능적으로 등가의 범위 양쪽 모두를 의미하도록 의도된다. 적어도, 및 청구항들의 범위로의 균등론들의 적용을 제한하기 위한 시도로서가 아닌, 각각의 수치 값은 적어도 보고된 유효 숫자들의 수를 고려하여 및 보통의 반올림 기술들을 이용함으로써 구성되어야 한다. 여기에 서술된 숫자로 나타낸 양들의 근사들에도 불구하고, 실제 측정된 값들의 특정 예들에 설명된 숫자로 나타낸 양들은 가능한 한 정확하게 보고된다.

여기에 서술된 모든 수치 범위들은 그 안에 포함된 모든 서브-범위들을 포함한다. 예를 들면, "1 내지 10"의 범위는 그 사이에서의 모든 서브-범위들을 포함하며 1의 열거된 최소 값 및 10의 열거된 최대 값을 포함하도록 의도된다. 여기에 열거된 임의의 최대 수치 제한은 모든 보다 낮은 수치 제한들을 포함하도록 의도된다. 여기에 열거된 임의의 최소 수치 제한은 모든 보다 높은 수치 제한들을 포함하도록 의도된다.

다음의 설명에서, 특정 세부사항들이 여기에 설명된 물품들 및 방법들의 다양한 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 이 기술분야의 숙련자는 여기에 설명된 실시예들이 이들 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 사례들에서, 물품들 및 방법들과 연관된 잘 알려진 구조들 및 방법들은 여기에 설명된 실시예들의 설명들을 불필요하게 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 상세히 도시되거나 또는 설명되지 않을 것이다. 또한, 이러한 개시는 물품들 및 방법들의 다양한 실시예들의 다양한 특징들, 양상들, 및 이점들을 설명한다. 그러나, 본 개시는 이 기술분야의 숙련자가 유용하다고 발견할 수 있는 임의의 조합 또는 서브-조합으로 여기에 설명된 다양한 실시예들의 다양한 특징들, 양상들, 및 이점들 중 임의의 것을 조합함으로써 달성될 수 있는 다수의 대안적인 실시예들을 포괄한다는 것이 이해된다.

예를 들면, 티타늄 합금 및 특정의 다른 고성능 합금들의 잉곳들의 주조는 제조 동안 존재하는 극한의 상태들 및 합금들에 포함된 재료들의 특징을 고려해볼 때 값비싸고 절차적으로 어려울 수 있다. 현재 이용가능한 많은 냉 노상 주조 시스템들에서, 예를 들면, 비활성 대기에서의 플라즈마 아크 용융 또는 진공 용융 챔버 내에서의 전자 빔 용융이 원하는 합금을 제조하기 위해 재활용된 고철, 모 합금들(master alloys), 및 다른 출발 재료들을 용융 및 혼합하기 위해 사용된다. 이들 주조 시스템들의 모두는 고 밀도 또는 저 밀도 이물질들을 포함할 수 있는 재료들을 이용하며, 이것은 결국 보다 낮은 품질 및 잠재적으로 사용가능하지 않은 열처리(heat) 또는 잉곳을 야기할 수 있다. 사용가능하지 않은 것으로 고려된 주조 재료는 종종 용해되고 재사용될 수 있지만, 이러한 재료는 통상적으로 품질이 덜한 것으로 고려되며 시장에서 보다 낮은 가격을 받을 것이다. 그 결과, 합금 제조자들은 플라즈마 및 전자 빔 주조 시스템들로의 예상된 입력 재료에 기초하여 각각의 열처리/잉곳에 대한 상당한 금전 위험을 추정한다.

플라즈마 아크 용융 또는 전자 빔 용융을 이용한 주조 시스템들에서, 토치 또는 건 전력의 부적절한 적용은 열-부족 또는 과열을 야기할 수 있으며 이물질들이 용융된 제품에 살아남을 수 있는 상태들을 생성할 수 있다. 이들 이물질들의 특정 유형들은 비 합금 재료와 대기 가스들(예로서, 질소 및 산소) 사이에서의 접촉의 결과이다. 전자 빔 냉 노상 주조 시스템들은 이들 이물질들이 최종 용융 제품에 살아남을 가능성을 감소시키기 위해 개발되었다.

전자 빔 냉 노상 주조 시스템들은 통상적으로 노상의 온도를 구리 재료의 용융 온도 아래의 온도로 제한하기 위해 유체-기반 냉각 시스템을 통합한 구리 노상을 이용한다. 물-기반 냉각 시스템들이 가장 보편적이지만, 아르곤-기반 냉각 시스템들과 같은, 다른 시스템들이 냉 노상에 통합될 수 있다. 냉 노상 시스템들은 적어도 부분적으로 노상 내에 상주하는 용융 재료로부터 이물질들을 제거함으로써 용융 금속 재료를 정제하기 위해 중력을 사용한다. 비교적 저 밀도 이물질들은 재료가 혼합되고 냉 노상 내에서 흐르는 것처럼 용융 재료의 최상부 상에서 잠시 부유하며, 노출된 이물질들은 주조 시스템의 전자 빔들 중 하나 이상에 의해 재용융되거나 또는 기화될 수 있다. 비교적 고 밀도 이물질들은 용융 재료의 최하부에 가라앉으며 구리 노상에 가깝게 침전한다. 냉 노상과의 접촉하는 용융 재료가 노상의 유체-기반 냉각 시스템의 동작을 통해 냉각되는 바와 같이, 재료들은 노상의 최하부 표면상에서 고체 코팅 또는 "스컬(skull)"을 형성하기 위해 동결된다. 스컬은 노상 내에서의 용융 재료로부터 노상의 표면들을 보호한다. 스컬 내에서의 이물질들의 포획은 용융 재료로부터 이물질들을 제거하여, 보다 높은 순도의 주조물을 야기한다.

전자 빔 냉 노상 주조 시스템들은 많은 이점들을 제공하지만, 이러한 시스템들은 단지 한 번에 용융 재료의 하나의 런(run) 또는 잉곳만을 생성할 수 있다. 일단 회수 길이가 용융 시스템의 주조 금형 내에 도달한다면, 런은 완료되며 주조 시스템은 라인을 벗어나서 다음 런 및 잉곳을 위해 준비된다. 다음 주조 런을 위한 준비는 도가니로의 용융 재료의 흐름을 중단하는 것 및 주조 금형 시스템으로부터 잉곳을 완전히 추출하기 이전에 잉곳을 냉각 및 고형화하는 것을 포함한다. 주조 런들 사이에서의 내부 용융 시스템의 냉각 동안, 내부 용융 챔버 벽들 상에 형성된 침전물들은 풀려서 노상으로 떨어질 수 있다. 이들 침전물들은 후속 런들에서 노상에 존재하는 용융 재료에 통합될 수 있으며 이들 런들에서 생성된 잉곳들로 통합될 수 있다. 이것은 용융 시스템 사이클 내에서 후속 용융 런들/잉곳들에서 상당한 품질 제어 문제를 제기한다.

잘-혼합된 용융 합금은 보다 조성적으로 균일한 최종 주조 제품을 제조한다. 또한, 현재의 플라즈마-가열 시스템들과 같이, 용융 사이클들 사이에 또는 그동안 주조 프로세스를 중단하는 것은 후속 런들/열처리들에서의 조성 주조의 화학적 성질에서의 가변성에 도움이 되는 상태들을 야기할 수 있다. 예를 들면, 종래의 전자 빔 주조 시스템들의 동작에서의 중단들은 티타늄 합금 주조물들의 제조 동안 진공 용융 챔버 내에서의 보다 차가운 표면상에서 알루미늄 응축물(condensate)들의 침전 및 알루미늄 기화를 촉진시킬 수 있다. 응축물들은 용융 재료로 다시 떨어질 수 있으며, 잠재적으로 최종 주조물에서의 알루미늄-풍부 이물질들을 야기한다.

본 개시에 따른 전자 빔 냉 노상 주조 시스템들의 실시예들은 종래의 전자 빔 냉 노상 주조 시스템들과 연관된 결함들을 다룬다. 본 개시의 비-제한적인 실시예에 따르면, 주조 시스템은: 용융 챔버; 용융 챔버 내에 배치되며 출발 재료들이 용융되는 용융 노상; 냉 노상일 수 있으며, 용융 노상과 유체 연통하는 정제 노상; 정제 노상과 유체 연통하는 수신 용기; 적어도 하나의 용융 전원; 진공 발생기; 유체-기반 냉각 시스템; 복수의 주조 금형들; 및 전원 공급 장치를 포함한다. 본 개시의 비-제한적인 일 실시예에서, 주조 시스템은: 용융 챔버; 용융 챔버 내에 배치되며 출발 재료들이 용융되는 용융 노상; 바람직하게는 냉 노상이며, 용융 노상과 유체 연통하는 정제 노상; 정제 노상과 유체 연통하는 수신 용기; 복수의(즉, 둘 이상) 전자 빔 건들; 진공 발생기; 유체-기반 냉각 시스템; 복수의 주조 금형들; 및 전원 공급 장치를 포함한다. 용융 노들 및 주조 시스템들의 설계 및 여기에 개시된 다양한 관련된 구성요소들이 임의의 적절한 제공자로부터 얻어낼 수 있지만, 가능한 제공자들은 여기에서의 주제의 본 설명을 판독할 때 숙련자들에게 명백할 것이다.

이하에 설명되고 첨부한 도면들 중 특정한 것에 예시된 본 개시에 따른 주조 시스템의 다음의 비-제한적인 실시예는 하나 이상의 전자 빔 건들을 통합하지만, 다른 용융 전원들이 재료 가열 디바이스들처럼 주조 시스템에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 본 개시는 또한 활성 플라즈마(energetic plasma)를 발생시키고 발생된 플라즈마와 재료를 접촉시킴으로써 주조 시스템 내에서의 금속 재료를 가열하는 하나 이상의 플라즈마 발생 디바이스들을 사용한 주조 시스템을 고려한다.

숙련자들에게 알려진 바와 같이, 전자 빔 주조 시스템의 용융 노상은 용융 재료 흐름 경로를 통해 시스템의 정제 노상과 유체 연통한다. 출발 재료들은 용융 챔버 및 그 안에서의 용융 노상으로 도입되며, 하나 이상의 전자 빔들이 충돌하며 재료들을 그것들의 용융점들로 가열한다. 하나 이상의 전자 빔 건들의 적절한 동작을 허용하기 위해, 적어도 하나의 진공 발생기가 용융 챔버와 연관되며 챔버 내에서 진공 상태들을 제공한다. 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 유입 구역(intake area)은 또한 이를 통해 출발 재료들이 용융 챔버로 도입될 수 있고 용융되며 초기에 용융 노상 내에 배치되는 용융 챔버와 연관된다. 유입 구역은 예를 들면, 재료들을 용융 노상으로 수송하기 위한 컨베이어 시스템을 포함할 수 있다. 이 기술 분야에 알려진 바와 같이, 주조 시스템의 용융 챔버로 도입되는 출발 재료들은 예를 들면, 루스(loose) 입자상 물질(예로서, 스펀지, 칩들, 및 모 합금) 또는 바(bar) 또는 다른 적절한 형태로 용접되는 벌크(bulk) 고체와 같은 다수의 형태들일 수 있다. 따라서, 유입 구역은 주조 시스템에 의해 이용될 것으로 예상되는 특정한 출발 재료들을 처리하도록 설계될 수 있다.

일단 출발 재료들이 용융 노상에서 용융된다면, 용융 재료는 완전한 용융 및 균질성을 보다 더 보장하기 위해 시간 기간 동안 용융 노상에 남아있을 수 있다. 용융 재료는 용융 재료 경로를 통해 용융 노상으로부터 정제 노상으로 이동한다. 정제 노상은 용융 챔버 또는 또 다른 진공 엔클로저 내에 있을 수 있으며 정제 노상과 연관된 하나 이상의 전자 빔 건들의 적절한 동작을 허용하기 위해 진공 시스템에 의해 진공 상태들 하에 유지된다. 중력-기반 이동 메커니즘들이 사용될 수 있지만, 기계적 이동 메커니즘들이 또한 용융 노상으로부터 정제 노상으로 용융 재료의 수송을 돕기 위해 사용될 수 있다. 용융 재료가 정제 노상에 배치된다면, 재료는 재료를 수용 가능하게 정제하기 위해 충분한 시간 동안 적어도 하나의 전자 빔 건에 의해 적절히 높은 온도들에서 연속적인 가열을 받게 된다. 하나 이상의 전자 빔 건들은 다시 정제 노상에서 재료를 용융 상태에 유지하기에 전력이 충분하며, 또한 용융 재료의 표면상에 나타나는 이물질들을 기화시키거나 또는 용융시키기 위해 전력이 충분하다.

용융 재료는 재료로부터 이물질들을 제거하거나 또는 그 외 정제하기 위해 충분한 시간 동안 정제 노상에 유지된다. 정제 노상 내에서 비교적 길거나 또는 짧은 상주 시간들은 예를 들면, 용융 재료에서의 이물질들의 출현 및 조성에 의존하여 선택될 수 있다. 숙련자들은 주조 동작들 동안 용융 재료의 적절한 정제를 제공하기 위해 적절한 상주 시간들을 쉽게 알아낼 수 있다. 바람직하게는, 정제 노상은 냉 노상이며, 용융 재료에서의 이물질들은 노상의 최하부로 떨어지고 스컬에 동반되어짐으로써, 및/또는 용융 재료의 표면상에서의 전자 빔들의 동작에 의해 기화됨으로써, 용융 재료에서의 용해를 포함한 공정들에 의해 제거될 수 있다. 특정 실시예들에서, 정제 노상을 향해 전달된 전자 빔 건들은 혼합 동작을 생성하기 위해 미리 결정된 패턴에서 용융 재료의 표면에 걸쳐 래스터(raster)된다. 하나 이상의 기계적 이동 디바이스들은 선택적으로 혼합 동작을 제공하기 위해 또는 전자 빔들을 래스터함으로써 발생된 혼합 동작을 보완하기 위해 제공될 수 있다.

일단 적절히 정제된다면, 용융 재료는 용융 재료의 열을 견딜 재료들로부터 제조된 수신 용기로 용융 재료 경로를 따라 기계적 수단에 의해 및/또는 중력을 통해 이동한다. 하나의 비-제한적인 배열에서, 수신 용기는 용융 노상 및 정제 노상을 둘러싸는 진공 챔버 내에 있으며 주조 동안 진공 상태들 하에 유지된다. 대안적인 실시예에서, 수신 용기는 별개의 주조 챔버 내에 있으며 진공 상태들 하에 유지된다. 수신 용기는 그 자신의 진공 발생기에 의해 진공 상태들 하에 유지될 수 있거나 또는 용융 노상 및/또는 정제 노상을 에워싸는 챔버에 진공 상태들을 제공하는 하나 이상의 진공 발생기들에 의해 발생된 진공에 의존할 수 있다. 하나 이상의 전자 빔 건들은 수신 용기를 둘러싸는 엔클로저 상에 위치되며 수신 용기에서의 용융 재료상에 전자 빔들을 충돌시키고, 그에 의해 수신 용기에서의 재료를 용융 상태로 유지한다. 이상에서 언급된 바와 같이, 예를 들면, 플라즈마 발생 디바이스들과 같은 대안적인 용융 전원들이 활성 플라즈마의 적용에 의해 금속 재료를 가열 및/또는 정제하기 위해 재료 가열 디바이스들로서 주조 시스템에서 사용될 수 있다는 것이 고려된다.

설명된 요소들의 배열은, 본 개시에 따른 주조 시스템(10)의 비-제한적인 실시예를 개략적으로 묘사하는, 도 1 내지 도 3에 대한 참조에 의해 보다 양호하게 이해될 수 있다. 주조 시스템(10)은 용융 챔버(14)를 포함한다. 전자 빔 건들(16)의 형태인 복수의 용융 전원들은 용융 챔버(14) 주위에 위치되며 용융 챔버(14)의 내부로 전자 빔들을 전달하도록 적응된다. 진공 발생기(18)는 용융 챔버(14)와 연관된다. 주조 챔버(28)는 용융 챔버(14)에 인접하여 위치된다. 여러 개의 전자 빔 건들(30)이 주조 챔버(28) 상에 위치되며 주조 챔버(28)의 내부로 전자 빔들을 전달하도록 적응된다. 예를 들면, 고철 재료, 벌크 고체들, 모 합금들, 및 분말들의 형태일 수 있는, 출발 재료들이 챔버의 내부에 액세스를 제공하는 하나 이상의 유입 구역들을 통해 용융 챔버(14)로 도입될 수 있다. 예를 들면, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 유입 챔버들(20, 21)의 각각은 액세스 해치(access hatch)를 포함하며 용융 챔버(14)의 내부와 연통한다. 주조 시스템(10)의 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 유입 챔버(20)는 용융 챔버(14)로의 입자상 및 분말의 출발 재료의 도입을 허용하도록 적절히 적응될 수 있으며, 유입 챔버(21)는 용융 챔버(14)로의 바-형태 및 다른 벌크 고체 출발 재료의 도입을 허용하도록 적절히 적응될 수 있다. (유입 챔버들(20, 21)은 첨부한 도면들을 간소화하기 위해 단지 도 1 내지 도 3에만 도시된다.)

도 3에 도시된 바와 같이, 주조 챔버(28)의 이동 가능한 측벽(32)이 주조 챔버(28)로부터 분리될 수 있으며 주조 시스템(10)으로부터 멀어져, 주조 챔버(28)의 내부를 노출시킨다. 용융 노상(40), 정제 노상(42), 및 수신 용기(44)는 이동 가능한 측벽(32)에 연결되며, 따라서 이동 가능한 측벽(32), 용융 노상(40), 정제 노상(42), 및 수신 용기(44)의 전체 집합은 주조 시스템(10)으로부터 멀어질 수 있어서, 주조 챔버(28)의 내부를 노출시킨다. 용융 노상(40), 정제 노상(42), 및 수신 용기(44)의 배열이 도 3, 뿐만 아니라 도 4a 및 도 4b에서 보여질 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 주조 시스템(10)에서의 제위치의 이동 가능한 측벽(32) 및 연관된 용융 노상(40), 정제 노상(42), 및 수신 용기(44)를 가진 용융 챔버(14) 및 주조 챔버(28)의 내부를 도시한 상면도들이다. 이동 가능한 측벽(32)은 예를 들면 용융 노상(40), 정제 노상(42), 및 수신 용기(44) 중 임의의 것으로의 액세스를 허용하기 위해, 및 용융 챔버(14) 및 주조 챔버(28)의 내부를 액세스하기 위해 주조 챔버(28)로부터 멀어질 수 있다. 또한, 하나 이상의 주조 런들 후에, 이동 가능한 측벽, 융용 노상, 정제 노상, 및 수신 용기의 특정한 집합은 이들 요소들의 상이한 집합으로 대체될 수 있다.

도 4a 및 도 4b를 특별히 참조할 때, 용융 재료는 수신 용기(44)로부터 "A" 및 "B"로 라벨링되고, 수신 용기(44)의 대향되는(opposed) 측면들 상에 위치된, 두 개의 주조 금형들(48) 중 하나 또는 다른 하나로 흐른다. 따라서, 수신 용기(44)는 정제 노상(42)으로부터 용융 재료를 "수신"하며 그것을 선택된 주조 금형(48)으로 운반한다. 바람직하게는, 수신 용기(44)는, 하나 또는 다른 하나의 측면으로 기울어지도록 적응된 수신 용기가 부가적인 마모를 야기하며, 그러므로 보다 빈번한 유지 보수를 요구할 수 있다는 것이 관찰되어 왔기 때문에, "기울어진(tilting)" 용기라기보다는, 정지되거나 또는 정제 노상(42)에 대하여 고정된다. 특정의 비-제한적인 실시예들에서, 수신 용기(44)는 스플래싱 및 유출을 보다 양호하게 방지하기 위하여, 두 개의 대향적으로 위치된 주입 주둥이들(pour spouts)(46)뿐만 아니라 높은 측벽들을 포함한다. 주조 동작들 동안, 각각의 주둥이(46)는 용융 재료를 잉곳 또는 다른 주조품으로 주조하기 위해 하강식 금형(withdrawal mold) 또는 또 다른 유형의 주조 금형 또는 도가니의 개구 위에 위치된다. 하나의 가능한 비-제한적인 배열에서, 적어도 하나의 전자 빔 건은 수신 용기(44) 위에 위치되고, 특정 실시예들에서, 대체적으로 각각의 주입 주둥이(46) 및 수신 용기(44)의 중심 사이에서 등거리이며, 따라서 두 개의 전자 빔 건들의 각각에 의해 방출된 전자 빔은 수신 용기(44)의 절반 상에서의 재료에 충돌할 수 있다.

용융 노상(40), 정제 노상(42), 및 수신 용기(44)의 하나의 가능한 비-제한적인 배열이 도 4a 및 도 4b에 도시되며, 부분적으로 도 3에 도시된다. 정제 노상(42)은 수신 용기(44)의 측면의 중심 영역과 유체 연통한다. 수신 용기(44)는 그것의 대향되는 단부들의 각각에서의 주입 주둥이(46)를 포함하며, 주조 금형(48)은 각각의 주둥이(46) 아래에 위치될 수 있다. 수신 용기(46)에 대한 정제 노상(42)의 배향(orientation)은 대체적으로 위로부터 보여질 때 "T" 형태를 형성한다. 도 4a 및 도 4b의 비-제한적인 실시예에 도시된 바와 같이, 주조 금형들(48)은 금형들(48)이 금형들(48)에 도달하기 위해 수신 용기(44)에 대해 젖혀질(tip) 것을 요구하지 않고 수신 용기(44)로부터 용융 재료를 수신하도록 수신 용기(44) 다음에 위치될 수 있다. 특정의 비-제한적인 실시예들에서, 주조 금형들(48)은 하나의 특정한 주조 금형(48)에서 주조되도록 의도된 용융 또는 부분적 용융 재료가 다른 주조 금형으로 스플래싱하는 것을 방지하기 위해 선택되는 떨어진 거리에 위치된다. 이러한 배열은 주조 동안 잉곳 또는 다른 주조품에서의 열 분배 및 화학적 성질의 보다 양호한 제어를 허용한다. 주둥이들(46)이 수신 도가니(46)의 대향되는 단부들 상에 있는, 정제 노상(42) 및 수신 도가니(44)의 대체적으로 T-형인 배열은 주조 금형들(48)이 하나의 주조 금형(48)을 위해 의도된 스플래싱된 용융 또는 부분 용융 재료가 다른 주조 금형(48)에 들어가지 않음을 보다 양호하게 보장하는 거리로 이격되도록 허용한다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 용융 재료는 하나 또는 다른 용융 재료 흐름 경로를 선택함으로써 주조 금형들(48)의 하나 또는 다른 하나로 흐를 수 있다. 도 4a는 수신 용기(44)의 우측 영역 상에서의 주입 주둥이(46)로부터 주조 금형(A)으로 흐르도록 용융 노상(40)으로부터 정제 노상(42)으로, 수신 용기(44)로, 및 그 후 수신 용기(44)의 우측 영역(도면에서 배향된 바와 같이)에 의해 정의된 제 1 유출 영역을 따른 용융 재료 경로를 예시한다. 대안적인 용융 재료 흐름 경로가 도 4b에 도시되며, 여기에서 용융 재료는 수신 용기(44)의 좌측 영역 상에서의 주입 주둥이(46)로부터 주조 금형(B)으로 흐르도록 용융 노상(40)으로부터, 정제 노상(42)으로, 수신 용기(44)로, 및 그 후 수신 용기(44)의 좌측 영역(도면에 배향된 바와 같이)에 의해 정의된 제 2 유출 영역을 따라 흐른다.

주조 시스템(10)은 용융 재료가 특정한 원하는 흐름 경로(A 또는 B)를 따라 하나의 또는 다른 하나의(좌측 또는 우측) 주입 주둥이(46)로 단지 하나의 원하는 흐름 경로를 따라 흐를 것이다. 주조 챔버(28) 내에서의 전자 빔 건들(30)은 활성화될 때, 방출된 전자 빔이 여기하고 그에 의해 흐름 경로(A)만을, 흐름 경로(B)만을 또는 양쪽 흐름 경로들 모두를 개방하는, 수신 용기(44)의 하나 또는 다른 하나의 측면 상에서만 또는 양쪽 측면들 모두 상에서의 재료를 가열하고 용융 상태에서 유지하도록 배열된다. 바람직하게는, 하나의 전자 빔 건이 활성이며 수신 용기(44) 상에서 하나의 흐름 경로를 따라 재료를 가열할 때, 다른 전자 빔 건은 비활성이며 수신 용기(44) 상에서 다른 흐름 경로를 따라 재료를 가열하지 않는다. 활성 전자 빔에 의해 가열되지 않는 수신 용기(44)의 측면 상에서의 용융 재료는 냉각되고 고형화되어, 가열되지 않은 흐름 경로를 따라 용융 재료의 흐름을 방지하는 댐(dam)을 생성한다. 따라서, 용융 재료는 전자 빔에 의해 활성적으로 가열되는 수신 용기(44)의 측면을 향해 및 수신 용기의 측면을 가로지르는 유일한 흐름 경로를 따라 인접한 주조 금형(48)으로 흐르도록 전달된다. 물론, 재료 용융 디바이스들로서 전자 빔 건들 이외의 용융 전원들(예를 들면, 플라즈마 발생 디바이스들과 같은)을 통합하는 본 개시에 따른 주조 시스템이 용융 재료로 하여금 단지 특정한 원하는 흐름 경로를 따라 흐르도록 허용하기 위해 수신 용기의 영역 상에 재료를 선택적으로 가열하기 위해 재료 가열 디바이스로서 특정한 용융 전력을 이용함으로써 동일한 방식으로 동작할 수 있다.

조작자는 제 1 흐름 경로 및, 그 후 나중에, 특정한 주조 런 동안 제 2 흐름 경로를 선택할 수 있으며, 그에 의해 하나의 주조 런이 예를 들면 제 1 주조 금형(도 4a에서 "A"로 라벨링된 주조 금형(48)과 같은)에서의 제 1 잉곳 또는 다른 주조품의 주조, 이어 이윽고 제 2 주조 금형(도 4b에서 "B"로 라벨링된 주조 금형(48)과 같은)에서의 제 2 잉곳 또는 다른 주조품의 주조를 포함하도록 허용한다. 이러한 동작은 제 1 주조 금형, 제 2 주조 금형 등에서 연속적인 잉곳들 또는 다른 주조품들의 주조 동안 작동하지 않는 주조 시스템(10)을 취할 필요 없이, 연속적일 수 있다.

또한, 주조 금형들 중 단지 하나가 둘 이상의 잉곳들 또는 다른 주조품들의 이러한 연속적인 주조 런 동안 임의의 시간에 사용될 것임을 고려해볼 때, 현재 사용되지 않는 하나 이상의 주조 금형들은 다른 주조 금형이 사용중인 동안 용융 재료를 수신할 준비가 될 수 있다. 주조 시스템(10)의 이러한 특징은 또한 단일 주조 런에서 둘 이상의 잉곳들 또는 다른 주조 형태들의 주조를 허용한다. 이러한 방식으로 주조하는 것을 허용하기 위해, 하나의 주조 금형은 또 다른 주조 금형이 사용 중인 동안 용융 재료를 수신할 준비가 될 수 있다. 또 다른 가능한 배열에서, 둘 이상의 주조 금형들은 사용을 위해 이용가능할 수 있으며 주조 런 동안 수신 용기(44)의 하나 또는 다른 하나의 주둥이(46) 아래에 연속하여 위치된다. 하나의 가능한 비-제한적인 배열은 주조 장치(10)와 관련되어 도 5 및 도 6에 개략적으로 묘사된다. 도 5는 두 개의 이동 가능한 하강식(withdrawal) 금형들(50A, 50B)이 바닥 표면(64) 아래에서의 속 바닥(sub-floor) 통로(52) 내에 배치되는 것으로 도시되는 주조 시스템(10)의 정면도이다. 통로(52)가 또한 도 3에 도시된다. 잉곳 금형들(50A, 50B)은 속 바닥 통로(52) 내에서의 레일 시스템(54)을 따라 이동할 수 있다. 이동 가능한 주조 챔버 벽(32)은 주조 및 용융 챔버들(14, 28)의 내부 및 그 안에서의 용융 노상(40), 정제 노상(42), 및 수신 용기(44)를 드러내기 위해 도 5에 없다. 도 5에서, 하강식 금형(50A)은 주조 포트(58)를 통해, 수신 용기(44)의 우측 영역을 따라 및 합금 잉곳(56A)을 형성하기 위해 하강식 금형(50A)으로 흐르는 용융 재료를 수신하기 위해 위치되는 것으로 도시된다. 숙련자들은 여기에서의 추가 설명에 대한 요구 없이 하강식 금형의 동작의 일반적인 설계 및 모드를 쉽게 이해할 것이다.

다시 도 3, 도 5, 및 도 6을 참조하면, 특정한 하강식 금형이 용융 재료로 채워지면, 하강식 금형은 용융 재료가 수신 용기(44)로부터 하강식 금형으로 흐르게 되는 주조 챔버(28)에서의 특정한 주조 포트(58)(도 3 참조)로부터 떨어진 레일 시스템(54) 상에서 이동될 수 있다. 주조 잉곳은 그 후 하강식 금형으로부터 주조 잉곳을 연장(extend)함으로써와 같이, 하강식 금형으로부터 제거될 수 있으며, 금형은 다시 용융 재료를 수신하고 부가적인 잉곳을 주조하기 위해 주조 포트(58) 아래에 재-위치되도록 준비될 수 있다. 도 3, 도 5, 및 도 6에서, 예를 들면, 하강식 금형(50B)이 주조 포트(58)로부터 떨어져 레일 시스템(54)을 따라 속 바닥 영역(52)의 측면 구역으로 이동되어, 주조 잉곳(56B)으로 하여금 속 바닥 통로(52)의 천장을 형성하는 바닥 표면(64)에서의 잉곳 추출 포트(65)를 통해 하강식 금형(50B)으로부터 제거되도록 허용하는 것이 도시된다.

단일 주조 런에서 둘 이상의 잉곳들 또는 다른 주조 형태들을 주조하는 가능성은 연속적인 방식으로 주조 시스템(10)을 동작시키는 것이 비작동 시간(dowm time)을 감소시키며 주조 수율 및 품질을 개선할 수 있다는 점에서 특히 유리하다. 주조 런 동안 설명에서 고려된 방식으로 주조 금형들의 연속된 사용은 주조 시스템을 정지시키고 재시작하는 것을 초래하는 장비 온도에서의 변화들을 통해 발생하는 불리한 열 사이클링에서의 감소를 허용한다. 예를 들면, 열 사이클링을 감소시키는 것은 예를 들면, 알루미늄-함유 티타늄 합금 또는 또 다른 알루미늄-함유 합금을 주조할 때 알루미늄 기화를 상당히 감소시킬 수 있다. 기화된 알루미늄은 주조 시스템의 용융 및 주조 챔버들 내에서의 보다 차가운 표면들 상에서 응축할 수 있으며, 알루미늄 응축물들은 용융 재료 뒤로 물러나서, 최종 주조 제품에서의 문제가 있는 변화들을 생성할 수 있다. 연속된 방식으로 여기에 설명된 주조 시스템을 구동하기 위한 능력은 고온이 보다 긴 시간 기간 동안 용융 및 주조 챔버들의 내부에서 유지되도록 허용하여, 내부 표면들의 냉각 및 이들 표면들 상에서의 알루미늄 및 다른 응축물들의 형성을 보다 양호하게 방지한다. 결국, 응축물들은 주조 잉곳의 화학적 조성에 대해 문제가 있는 것처럼 최종 주조물들로 통합될 가능성이 적다. 또한, 주조 챔버의 내부는 보다 짧은 주조 런을 허용하는 시스템들만큼 빈번하게 액세스될 필요가 없기 때문에, 주조 시스템의 보다 생산적인 동작이 존재한다.

이전에 논의된 바와 같이, 특정 실시예들의 설명은 금속 재료를 용융시키고 정제하기 위해 및 수신 용기 가능한 흐름 경로들을 따라 용융 재료의 흐름을 조절하기 위해 용융 전원들로서 전자 건들을 이용하는 주조 시스템을 설명하지만, 다른 용융 전원들이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 주조 시스템(10)과 관련되어 논의된 전자 건들은 활성 플라즈마가 재료를 향하게 함으로써 주조 시스템에서의 재료를 가열하고 및/또는 정제하기 위해 플라즈마 발생 디바이스들로 대체될 수 있거나, 다른 적절한 용융 전원들이 재료 가열 디바이스들로서 사용될 수 있다. 숙련자들은 금속 재료들을 가열하고 정제하기 위해 플라즈마 발생 디바이스들 및 다른 대안적인 용융 전원들의 가능한 사용을 익히 알고 있다.

수신 용기의 정제 실시예의 특정한 대체적으로 T-형인 배열이 도면들에 묘사되고 본 개시에 따른 주조 시스템의 특정의 비-제한적인 실시예들의 설명에 논의되지만, 수신 용기는 다양한 흐름 경로들을 따라 재료의 가열을 선택적으로 제어하는 둘 이상의 가능한 흐름 경로들 중 하나 이상의 선택을 허용하는 임의의 형태 및 구성을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 개시에 따른 수신 용기의 가능한 비-제한적인 대안적인 형태들은 다양한 대체적으로 Y-형인 수신 용기들(예를 들면, 도 7a 및 도 7b), 십자-형인 수신 용기들(예를 들면, 도 7c), 및 포크-형인 수신 용기들(예를 들면, 도 7d 및 도 7e)을 포함한다. 도 7a에 예시된 대체적으로 Y-형인 비-제한적인 실시예들은 두 개의 가능한 흐름 경로들("A" 및 "B")을 제공하는 반면, 도 7c 내지 도 7e에 도시된 비-제한적인 실시예들은 3개의 가능한 흐름 경로들("A", "B", "C")을 제공한다. 주조 시스템에서 재료 가열 디바이스들로서 사용된 특정한 용융 전원들은, 전자 빔 건들, 플라즈마 발생 디바이스들, 또는 기타에 상관 없이, 재료를 가열하고 용융 재료로 하여금 선택된 흐름 경로(들)를 따라 및 인접한 주조 금형으로 흐르도록 허용하기 위해 이들 수신 용기 실시예들 중 임의의 것의 흐름 경로들 중 하나 이상에서 선택적으로 활성화되고 훈련되며 그 외 이를 가열하도록 적응될 수 있다. 예를 들면, 도 7c 내지 도 7e에 도시된 비-제한적인 수신 용기 실시예들과 연관된 주조 시스템은 3개의 유출 경로들("A", "B", "C")의 각각에 인접한 주조 금형 위치를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 배열에서, 예를 들면, 흐름 경로들("A", "B")로부터 용융 재료를 수신하도록 위치되거나 또는 위치될 주조 금형들은 용융 재료가 흐름 경로("C")에 위치된 주조 금형에서 주조되는 동안 준비될 수 있다. 예를 들면, 특정한 주조 시스템 또는 주조 런에서, 주조로의 용융 재료의 흐름이 중단된 후 주조 금형으로부터 잉곳 또는 다른 주조를 제거하는데 상당한 시간이 소요된다면, 주조 금형으로 하여금 일단 금형이 채워진다면 용융 재료를 수신할 준비가 되도록 항상 허용하기 위해 3개 이상의 주조 위치들 및 연관된 주조 금형들을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 경우에, 수신 용기는 3개 이상의 주조 위치들의 각각에 흐름 경로를 제공하도록 설계되며 연관된 용융 전원들은 여러 개의 흐름 경로들을 따라 용융 재료의 흐름을 조절할 것이다.

본 개시를 판독할 때, 숙련자는 본 개시에 따른 주조 시스템의 수신 용기가 임의의 적절한 수의 흐름 경로들을 포함하도록 설계될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 용융 재료가 주조 금형에 부주의하게 들어가거나 또는 사용하지 않는 주조 위치에 충돌하는 것을 방지하기 위해 공간적으로 유출 경로들을 분리하는 것에 대한 이점들이 존재할 수 있다는 것을 고려해볼 때, 및 부가적인 주조 위치들을 포함하는 것과 연관된 비용을 추가로 고려해볼 때, 본 개시에 따른 주조 시스템은 2 또는 3개의 주조 위치들 및 각각의 이러한 주조 위치에 대한 흐름 경로를 허용하기 위해 형성된 수신 용기를 포함할 가능성이 높다.

본 개시에 따른 주조 시스템의 실시예들은 다양한 금속들 및 금속 합금들의 주조를 위해 적응될 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 주조 시스템들의 실시예들은: 공업용 순(commercially pure; CP) 티타늄 등급들; 예를 들면, 티타늄-팔라듐 합금들 및 Ti-6Al-4V 합금, Ti-3Al-2.5V 합금, 및 Ti-4Al-2.5V 합금과 같은 티타늄-알루미늄 합금들을 포함한 티타늄 합금들; 니오븀(niobium) 합금들; 및 지르코늄(zirconium) 합금들의 주조에 적응될 수 있다. 본 개시에 따른 주조 시스템들 및 연관된 주조 방법들에 의해 가공될 수 있는 하나의 특정한 Ti-4Al-2.5V 합금은 미국 펜실베이니아, 피츠버그, 앨러게니 테크놀러지스 인코포레이티드(Allegheny Technologies Incorporated)로부터의 ATI^® 425^® 로서 상업적으로 이용가능하다.

본 개시는 또한 금속 재료를 주조하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 용융 금속 재료를 제공하는 단계, 및 상이한 용융 재료 경로들을 정의한 적어도 두 개의 유출 영역들을 포함한 수신 용기를 따라 용융 금속 재료를 유동시키는 단계를 포함한다. 수신 용기의 상이한 유출 영역들의 각각은 주조 장치가 용융 금속 재료를 주조하기 위해 위치될 수 있는 상이한 주조 위치와 연관된다. 적어도 두 개의 유출 영역들 중 하나에서의 금속 재료는 선택된 유출 영역 상에서 금속 재료를 용융시키고 및/또는 선택된 유출 영역 상에서의 금속 재료를 용융 상태에 유지하기 위해 선택적으로 가열되어, 그에 의해 가열된 유출 영역에 의해 정의된 흐름 경로를 따라 흐르도록 용융 금속 재료를 전달한다. 특정 실시예들에서, 방법은 용융 금속 재료의 원하는 조성을 제공하기 위해 선택된 출발 재료들을 가열하는 단계를 포함한다. 언급된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 금속 재료는 공업용 순 티타늄 등급, 티타늄 합금, 티타늄-팔라듐(palladium) 합금, 티타늄-알루미늄 합금, Ti-6Al-4V 합금, Ti-3Al-2.5V 합금, Ti-4Al-2.5V 합금, 니오븀 합금, 및 지르코늄 합금으로부터 선택된 조성을 가진다. 본 개시에 따른 방법의 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 수신 용기는 적어도 3개의 유출 영역들을 포함하며, 방법은 적어도 3개의 유출 영역들 상에 배치된 금속 재료를 선택적으로 가열하며, 그에 의해 가열된 유출 영역에 의해 정의된 흐름 경로를 따라 흐르도록 용융 금속 재료를 전달하는 단계를 포함한다.

본 개시에 따른 방법의 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 용융 금속 재료를 제공하는 단계는 용융 금속 재료의 원하는 조성을 제공하기 위해 선택된 출발 재료들을 가열하는 단계를 포함한다. 본 개시에 따른 방법의 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 용융 금속 재료를 제공하는 단계는 용융 금속 재료를 정제하는 단계를 더 포함한다. 본 개시에 다른 방법의 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 각각의 용융 재료 경로는 수신 용기 이외에, 용융 노상 및/또는 정제 노상을 포함한다. 본 개시에 따른 방법의 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 수신 용기의 선택된 유출 영역 상에서 금속 재료를 선택적으로 가열하는 단계는 전자 빔 건 및 플라즈마 발생 디바이스 중 적어도 하나를 갖고 금속 재료를 가열하는 단계를 포함한다. 그러나, 다른 적절한 용융 전원들이 재료 가열 디바이스들로서 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 개시에 따른 방법의 특정한 비-제한적인 실시예들은 가열된 유출 영역과 연관된 주조 위치에서 주조 장치에서의 용융 금속 재료를 주조하는 부가적인 단계를 포함한다. 특정 실시예들에서, 주조 장치는 하강식 금형이다.

본 개시에 따라 금속 재료를 주조하기 위한 방법의 하나의 특정한 실시예는: 용융 금속 재료이 원하는 조성을 제공하기 위해 선택된 출발 재료들을 가열하는 단계; 용융 금속 재료를 정제하는 단계; 상이한 용융 재료 경로들을 정의한 적어도 두 개의 유출 영역들을 포함한 수신 용기를 따라 용융 금속 재료를 유동시키는 단계로서, 각각의 유출 영역은 상이한 주조 위치와 연관되는, 유동시키는 단계; 및 전자 빔 건 및 플라즈마 발생 디바이스 중 적어도 하나를 갖고 적어도 두 개의 유출 영역들 중 하나 상에서 금속 재료를 선택적으로 가열하고, 그에 의해 가열된 유출 영역에 의해 정의된 흐름 경로를 따라 흐르도록 용융 금속 재료를 전달하는 단계를 포함한다. 방법의 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 용융 금속 재료는 공업용 순 티타늄 등급, 티타늄 합금, 티타늄-팔라듐 합금, 티타늄-알루미늄 합금, Ti-6Al-4V 합금, Ti-3Al-2.5V 합금, Ti-4Al-2.5V 합금, 니오븀 합금, 및 지르코늄 합금으로부터 선택된 합금의 조성을 가진다.

본 발명은 광범위한 유틸리티 및 애플리케이션을 허용한다는 것이 이 기술분야의 숙련자들에 의해 쉽게 이해될 것이다. 여기에 설명된 것들 외의 다른 본 발명의 많은 실시예들 및 적응화들, 뿐만 아니라 많은 변화들, 수정들 및 등가 배열들이 본 발명의 본질 또는 범위로부터 벗어나지 않고, 본 발명 및 앞서 말한 설명으로부터 명백하거나 또는 그것에 의해 합리적으로 제안될 것이다. 따라서, 본 발명은 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명되지만, 이러한 개시는 단지 본 발명에 대해 예시적이고 대표적이며 단지 본 발명의 완전하고 가능하게 하는 개시를 제공하기 위해 이루어진다는 것이 이해된다. 앞서 말한 개시는 본 발명을 제한하거나 또는 그 외 임의의 이러한 다른 실시예들, 적응화들, 변화들, 수정들 및 등가 배열들을 배제하도록 의도되거나 또는 해석되지 않아야 한다.

Claims (39)

1. 용융 및 주조 장치에 있어서,
   용융 노상;
   2 개의 짧은 단부 및 2 개의 긴 측면을 포함하는 세장형 형상을 포함하는 정제 노상 - 상기 정제 노상은 상기 정제 노상의 2 개의 긴 측면 중 하나에서 상기 용융 노상과 유체 연통함 - ;
   2 개의 짧은 측면 및 2 개의 긴 측면을 포함하는 세장형 형상을 포함하는 수신 용기 - 상기 수신 용기는 상기 수신 용기의 2 개의 긴 측면들 중 하나 및 상기 정제 노상의 2 개의 짧은 단부들 중 하나에서 상기 정제 노상과 유체 연통하여, 정제 노상과 수신 용기 사이에 대체로 T 자형 배향을 형성하고, 상기 정제 노상의 긴 측면은 상기 수신 용기의 긴 측면에 대해 수직이 아닌 각도를 형성함 - ; 및
   상기 수신 용기를 향해 전자를 지향시키고, 상기 수신 용기의 2 개의 짧은 측면 중 제 1 짧은 측면을 통해 제 1 용융 재료 경로를 따라 그리고/또는 상기 수신 용기의 2 개의 짧은 측면 중 제 2 짧은 측면을 통해 제 2 용융 재료 경로를 따라 용융 재료의 흐름의 방향을 조절하도록 구성되는 적어도 하나의 전자 빔 건
   을 포함하는, 용융 및 주조 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 용융 노상, 상기 정제 노상 및 상기 수신 용기는 진공 상태 하에 유지될 수 있는 엔클로저 내에 배치되는, 용융 및 주조 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 용융 재료 경로를 따라 흐르는 용융 재료를 수신하도록 배치 가능한 제 1 주조 금형을 더 포함하는, 용융 및 주조 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 2 용융 재료 경로를 따라 흐르는 용융 재료를 수신하도록 배치 가능한 제 2 주조 금형을 더 포함하는, 용융 및 주조 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 주조 금형 및 상기 제 2 주조 금형은, 상기 주조 금형들이 상기 수신 용기로부터 용융 재료를 수신할 수 있는 위치들로 그리고 위치들로부터 이동 가능한(translatable), 용융 및 주조 장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   적어도 하나의 전자 빔 건은 상기 수신 용기 위에 위치되며, 전자 빔이 상기 적어도 하나의 전자 빔 건에 의해 방출될 때 상기 용융 재료의 흐름을 허용하는, 용융 및 주조 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 수신 용기의 위치는 상기 정제 노상에 대하여 고정되는, 용융 및 주조 장치.
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 수신 용기는, 용융 재료가 상기 적어도 하나의 전자 빔 건의 위치 및 전력 레벨에 의존하여 상기 수신 용기로부터 상기 제 1 주조 금형 또는 상기 제 2 주조 금형으로 흐를 수 있도록 위치되는, 용융 및 주조 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 수신 용기의 2 개의 짧은 측면은 2 개의 대향되는(opposed) 짧은 측면을 포함하며, 주둥이(spout)가 각각의 대향되는 짧은 측면에 제공되는, 용융 및 주조 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 용기는 상기 수신 용기의 긴 측면 중 하나를 통해 제 3 용융 재료 경로를 포함하는, 용융 및 주조 장치.
11. 삭제
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 용기를 향해 전자를 지향시키고, 상기 제 1 용융 재료 경로를 따라 용융 재료의 흐름을 조절하도록 구성된 제 1 전자 빔 건; 및
    상기 수신 용기를 향해 전자를 지향시키고, 상기 제 2 용융 재료 경로를 따라 용융 재료의 흐름을 조절하도록 구성된 제 2 전자 빔 건
    을 포함하는, 용융 및 주조 장치.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융 재료에 혼합 작용을 생성하도록 배치되고 선택적으로 활성화될 수 있는 복수의 전자 빔 건을 더 포함하는, 용융 및 주조 장치.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전자 빔 건은 2 개의 짧은 측면 중 제 1 짧은 측면과 수신 용기의 중심 사이에서 등거리에 있는, 용융 및 주조 장치.
15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 전자 빔 건은 2 개의 짧은 측면 중 제 2 짧은 측면과 수신 용기의 중심 사이에서 등거리에 있는, 용융 및 주조 장치.
16. 제 1 항에 있어서,
    용융 챔버 - 상기 용융 노상은 상기 용융 챔버 내에 위치됨 - ; 및
    주조 챔버 - 상기 수신 용기는 상기 주조 챔버 내에 위치됨 -
    를 더 포함하고,
    상기 정제 노상은 상기 용융 챔버와 상기 주조 챔버 사이에서 연장되는, 용융 및 주조 장치.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 용융 챔버의 제 1 측벽을 통해 상기 용융 챔버 내로 출발 재료를 도입하는 제 1 유입 챔버; 및
    상기 용융 챔버의 제 2 측벽을 통해 상기 용융 챔버 내로 출발 재료를 도입하는 제 2 유입 챔버
    를 더 포함하고,
    상기 제 1 측벽은 상기 제 2 측벽에 대해 수직으로 위치되는, 용융 및 주조 장치.
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