KR20020003358A - 고융점 물질의 다이 캐스팅 - Google Patents

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KR20020003358A
KR20020003358A KR1020017008058A KR20017008058A KR20020003358A KR 20020003358 A KR20020003358 A KR 20020003358A KR 1020017008058 A KR1020017008058 A KR 1020017008058A KR 20017008058 A KR20017008058 A KR 20017008058A KR 20020003358 A KR20020003358 A KR 20020003358A
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쉬라존죠셉
앤더슨데이비드윌리암
마신존죠셉주니어
사무엘슨제프리윌리암
투존서밍
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레비스 스테픈 이
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Abstract

다이 캐스팅기(18)은 용융 유니트(24), 용융 유니트(24)로부터 용융 티탄을 수용하기 위한 다이 공동(36)와 유체 연통된 수평의 발사 슬리브(30), 및 발사 슬리브(30)으로부터 다이 공동(36)로 용융 물질에 힘을 가하기 위해서 발사 슬리브(30)와 밀봉되면서도 운동가능하게 맞물려져 있는 플런저를 포함한다. 용융 유니트(24), 발사 슬리브(30) 및 다이 공동(36)는 비반응성 분위기하에서 유지된다. 물질을 예를 들어 약 200℉(95℃)의 낮은 과열에 의해 용융시켰다. 그다음, 용융 물질을 용융 유니트(24)로부터 발사 슬리브(30)으로 이동시켜 발사 슬리브 체적의 약 ½ 이하를 충전시켰다. 다이 공동(36)내에서의 고화를 위해서 용융 물질을 슬리브(30)으로부터 다이 공동(36)으로 투입하였다. 생성된 제품은 미세한 평균 그레인 미세구조를 가지고 유동선의 존재하지 않음을 특징으로 한다.

Description

고융점 물질의 다이 캐스팅{DIE CASTING OF HIGH TEMPERATURE MATERIAL}
본원에서 개시한 일부 물질은 본원에서 참고로 인용되고 본원과 같은 날짜에 출원된 "다이 캐스팅 티탄 및 티탄 합금 제품(Die cast Titanium and Titanium Alloy Article)"이라는 제목의 동시계류중인 출원에 기재되어 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "고융점 물질"이라는 용어는 2000℉(1093℃) 이상의 융점을 갖는 물질을 포함한다. 고융점 물질은, 예를 들어 티탄 및 티탄 합금(융점이 전형적으로 약 3000℉(1650℃) 보다 큼), 및 니켈계 및 코발트계 초합금(융점이 전형적으로 약 2400℉(1315℃) 보다 큼), 및 철계 초합금(융점이 전형적으로 약 2200℉(1200℃) 보다 큼)을 들 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "반응성 합금"은 공기, 또는 산소를 함유하는 다른 분위기에 노출되는 경우 반응하고 전형적으로는 승온된 온도에서 매우 빠르게 반응하는 원소, 예를 들어 티탄, 알루미늄 및 철과 같은 원소를 포함한다.
티탄 및 티탄 합금은 가벼운 중량 및 높은 강도-중량 비율을 요구하는 용도에 사용된다. 이러한 합금은 우수한 내식성을 나타내고, 일반적으로 합금 조성에 따라서 1200℉(650℃)까지의 비교적 고온에서 강도를 유지한다. "티탄 합금"이라는 용어는 광범위하게는 약 25 at% 티탄 이상으로 구성된 합금을 의미한다.
가스 터빈 엔진에서, 예를 들어 티탄 합금은 엔진의 압축기 구간내에서 사용되며, 예를 들어 블레이드 및 날개와 같은 에어호일(airfoil) 뿐만 아니라 중간체 및 압축기 케이스 및 압축기 디스크와 같은 요소에 사용될 수 있지만, 이로서 한정되는 것은 아니다. 가스 터빈 엔진에서 폭넓게 사용되는 티탄 합금은 Ti 6Al-4V(조성은 하기에서 추가로 기술함)이고, 약 600℉(315℃) 이하의 분위기에서 사용된다. 고온의 용도, 예를 들어 약 1200℉(650℃) 이하이고 개선된 크리이프(creep) 및 다른 고온 특성이 요구되는 용도에서, Ti 6Al-2Sn-4Zr-2Mo(조성은 하기에서 추가로 설명함)이 사용된다. 약 500 내지 1000℉(260 내지 538℃)에서 우수한 강도를 나타내는 다른 티탄계 합금, 예를 들어 Ti 8Al-1Mo-1V(조성은 하기에서 추가로 설명함)이 사용될 수도 있다. 티탄 알루미나이드도 사용될 수 있고, 티탄 알루미나이드가 화학양론적인 양의 티탄 및 알루미늄으로 구성될 수 있으며, 예를 들면 TiAl 및 TiAl3을 들 수 있다.
니켈계 및 코발트계 초합금은 전형적으로 가스 터빈 엔진의 터빈 구간 및 압축기 구간의 후반 단계에서의 일부 엔진, 예를 들어 블레이드 및 날개 뿐만 아니라중간체의 케이스와 디스크 및 터빈의 케이스와 디스크와 같은 요소에 전형적으로 사용된다. 가스 터빈 엔진에서 사용되는 전형적 니켈계 초합금은 인코넬(Inconel) 718(IN 718)이고, 넓은 의미에서 약 0.01 내지 0.05중량%의 탄소(C), 13 내지 25 중량%의 크롬(Cr), 2.5 내지 3.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 5.0 내지 5.75 중량%의 (콜럼븀(Cb)[종종 니오븀(Nb)으로 지칭됨]+탄탈륨(Ta)), 0.7 내지 1.2 중량%의 티탄(Ti), 0.3 내지 0.9 중량%의 알루미늄(Al), 21 중량% 이하의 철(Fe), 일반적으로 나머지량의 Ni의 조성을 갖는다. 다른 합금, 예를 들어 본원에서 참고로 인용하는 공동-소유의 미국 특허 제 4,574,015 호 및 미국 특허 제 5,120,373 호에서 개시하고 있는 IN 713 및 와스프알로이, B-1900(문헌[Sims and Hagel, The superalloys, (Wiley & Sons) 1972, pp 596-7] 참고) 및 MAR-M-509와 같은 코발트계 알로이(상기 문헌 참고)를 들 수 있다.
IN 939은 약 1500℉(815℃) 이하에서 유용한 다른 니켈계 합금이고, 약 22.5 중량%의 Cr, 19 중량%의 Co, 6 중량%의 Mo, 2 중량%의 Al, 3.7 중량%의 Ti, 2 중량%의 W, 3.3 중량%의 (Cb+Ta), 0.15 중량%의 C, 0.005 중량%의 B, 및 일반적으로 나머지량의 니켈의 공칭 조성을 갖는다. IN 939는 불가능한 것은 아니지만 단조하기 어렵다. 가토라이징 와스프알로이(Gatorized Waspaloy)는 종래의 와스프알로이에 비해 개선된 강도 및 온도 성능을 제공하도록 개발된 개선된 와스프알로이 조성물이다[미국 특허 제 4,574,015 호 및 미국 특허 제 5,120,373 호 참조]. 이것은 15.00 내지 17.00 중량%의 크롬, 12.00 내지 15.00 중량%의 코발트, 3.45 내지 4.85 중량%의 몰리브덴, 4.45 내지 4.75 중량%의 티탄, 2.00 내지 2.40 중량%의알루미늄의 일반 조성을 갖는다. 가토르 와스프알로이(Gator Waspaloy)는 다른 원소를 소량 함유할 수 있다.
전술한 특성과 함께 가스 터빈 엔진에서 사용하기 위해서, 이러한 물질은 적어도 비교적 복잡한 3차원 형태, 예를 들어 에어호일을 형성할 수 있어야만 하고, 특히 승온된 온도에서의 산화에 대해 내성을 보유해야만 한다. 전술한 합금은 과거에 전형적으로 정밀 단조화되어 미세한 평균 그레인 크기 및 고도의 강도, 낮은 중량 및 견고성 또는 고도의 사이클 피로 내성의 균형을 갖는 부품을 제조하여 왔다. 가스 터빈 엔진 산업에서, 단조화는 복잡한 3차원 형태, 예를 들어 블레이드 및 날개를 갖는 부품을 제조하기 위해서 사용되는 바람직한 방법이다. 적당하게 제조되는 경우, 이러한 부품은 고도의 강도, 낮은 중량 및 견고성의 균형을 나타낸다.
간단하게 말하면, 에어호일과 같은 부품을 단조하기 위해서, 물질의 주괴를 강판 형태로 전환시키며(전형적으로, 블레이드 및 날개의 경우에는 원통형임), 그다음 목적하는 요소의 형태로 물질을 가소적으로 변형시키기 위해서, 열기계적으로 가공하고, 예를 들어 가열하고, 목적하는 형태와 유사하게 성형된 헤머와 다이 사이에서 수회 틀로 찍어낸다. 단조화 다이는 전형적으로 가열될 수도 있다. 각각의 요소는 전형적으로 열처리되어 목적하는 특성, 예를 들어 경화/강화, 응력 경감, 크래킹 성장에 대한 내성 및 특징적인 수준의 HCF 내성을 달성할 수 있고, 또한 필요한 경우 정확한 형태, 크기 및/또는 표면 특징을 갖는 요소를 제공하도록 마무리처리, 예를 들어 기계화, 화학적 밀링화(chem-milling) 및/또는 매질 마무리처리한다.
단조화에 의한 요소의 제조는 값비싸고, 시간 소모적 공정이고, 또한 상기 요소의 제조는 상온 및 승온된 온도에서 전형적으로 특성, 예를 들어 높은 강도, 낮은 중량 및 견고도의 균형을 요구하는 요소를 전형적으로 보장한다. 단조화를 위한 물질을 수득한다는 점에서, 특정 물질은 장기간을 요구한다. 단조화는 전형적으로 각각 개별적인 다이 및 결합 장치를 요구하는, 일련의 공정을 포함한다. 단조화 이후의 마무리 공정, 예를 들어 블레이드의 꼬리 부분의 기계화 및 적당한 표면 마무리처리를 제공하는 것은, 단조화된 부품을 제공하는 전체 비용의 상당한 부분 및 폐기해야만 하는 상당한 부분을 포함한다.
요소의 단조화 동안, 다량의 원료 물질(단조화의 크기에 따라 약 85% 이하)은 제거되어, 마무리처리된 요소의 부품을 형성하지 않는다. 예를 들어, 이는 산업 폐기물이다. 제조된 요소의 형태의 복잡성은, 요소를 제조하는데 요구되는 비용 및 노력을 증가시키고, 이는 특히 복잡한 형태를 갖는 가스 터빈 엔진 요소에서 특히 많이 고려된다. 일부 합금은 또한 단조 동안에 탄성 특성을 나타낼 수도 있어서, 단조하는 동안에 고려되어야 한다. 즉, 부품이 "완전히 단조화" 되어야만 한다. 전술한 바와 같이, 마무리처리된 요소는 여전히 값비싼 단조화 이후의 공정을 요구할 수도 있다. 게다가, 컴퓨터 소프트 웨어를 사용하여 컴퓨터화된 유체 동력을 분석하고 결과를 산출시키기 때문에, 에어호일 및 요소와 같은 보다 공기역학적으로 효율적인 에어호일 형태가 더욱 복잡한 3차원 형태를 갖는다. 티탄 합금을 정확하고 개선되고 보다 복잡한 이러한 형태로 단조화하는 것은 보다 어렵거나불가능하며, 이것은 요소의 비용에 추가되거나 요소를 너무 비싸게 하여, 엔진 기술에 있어서 특정 발전을 도모하거나 일부 성분 형태에 대한 특정 합금을 사용하는 것을 경제적으로 실행불가능하게 한다.
단조화된 요소는 점검하기 어려운 단조화 결함을 포함할 수도 있다. 게다가, 정확한 재현성도 중요하다-단조화는 서로 완전히 동일한 크기를 갖는 요소를 형성하지 못한다. 점검 후, 다수의 부품이 여전히 재-작업화되어야 한다. 일반적으로, 단조화된 부품은 20%의 경우 폐기되거나 상당히 재-작업화되어야 한다. 게다가, 새로운 것일수록, 보다 개선되거나 보다 고도의 합금화 물질이 점차적으로 단조화하기에 어려워지고(가능한 경우), 상응하게는 단조화하는데 보다 많은 비용이 들 것이다. 보다 복잡한 3차원 에어호일의 구조가 사용되기 때문에, 이러한 관계는 보다 강해진다.
캐스팅은 비교적 정밀한 마무리처리된 성형 제품을 제조하는데 광범위하게 사용되고 있다.
캐스팅될 제품의 형태내 공동을 갖는 세라믹 쉘에 용융 물질을 주입하는 피복형 캐스팅이 상기 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러나, 피복형 캐스팅은 과도하게 큰 그레인, 예를 들어 ASTM 0 이상(단조화에 의해 획득가능한 작은 평균 그레인 크기와 비교함)을 형성하고, 일부 경우에 전체 부품이 하나의 그레인을 포함한다. 게다가, 개별적인 몰드가 각각의 부품을 위해서 제조되기 때문에, 이러한 공정은 값비싸다. 서로 매우 정밀한 크기를 재현하는 것도 달성하기 어렵다. 기체의 존재하에서 물질을 용융하고 주입하고/붓거나 고화하는 경우, 부품은 특히 티탄 또는 알루미늄과 같은 반응성 원소를 함유하는 물질에 있어서 함유물 및 공극과 같은 바람직하지 못한 특성을 보유할 수도 있다. 함유물 및 불순물의 존재에 의해 세라믹 쉘이 파쇄될 수도 있다.
용융 물질을 다수의 부품용 재사용가능한 몰드에 주입하고 중력하에서 몰드로 흐르게하는 영구 몰드 캐스팅도, 일반적으로 부품을 캐스팅하는데 사용되고 있다(콜빈(Colvin)의 미국 특허 제 5,505,246 호 참조) 그러나, 영구 몰드 캐스팅은 여러가지 단점을 갖는다. 에어호일과 같은, 가는 캐스팅에 있어서, 중력은 물질을 보다 가는 구획으로 몰아가기에는 불충분하고, 특히 고융점 물질 및 낮은 과열이 사용되는 경우, 그러하며, 결과적으로 몰드가 일관되게 충전되지 않아서 부품을 폐기하게 된다. 크기 허용오차도 비교적 커서, 이에 상응하도록 캐스팅 이후의 작업이 요구되고, 반복적으로 달성되기 어렵다. 또한, 영구 몰드 캐스팅은 비교적 불량한 표면 마무리화를 유발하여, 이것 또한 상당한 캐스팅 이후의 작업을 요구한다.
용융된 금속이 가압하에서 재사용가능한 다이에 투입되는 다이 캐스팅은, 과거에 비교적 낮은 융점, 예를 들어 약 2000℉(1093℃) 이하의 융점을 갖는 물질로부터 제품을 성형하는데 성공적으로 사용되었다. 전술한 바와 같이, 예를 들어 미국 특허 제 2,932,865 호, 미국 특허 제 3,106,002 호, 미국 특허 제 3,532,561 및 미국 특허 제 3,646,990 호에서, 종래의 다이 캐스팅기는 다수의 부품용 몰드의 한쪽(전형적으로 고정된) 압반상에 탑재한 발사 슬리브(shot sleeve), 예를 들어 다이 공동을 정의하도록 보조하는 고정되고 이동가능한 압반을 포함하는 2부분으로나뉘어진 다이를 들 수 있다. 발사 슬리브는 수평적으로, 수직적으로, 또는 수평과 수직 사이에 경사지도록 배치된다. 슬리브는 전형적으로 단지 한쪽의 단부에서만 다이에 의해서 압박된다. 예를 들어 슬리브는 물질의 블록에 끼워넣어있지는 않다. 슬리브는 다이의 러너(runner)와 연통되고, 용융 금속을 주입할 수 있는 슬리브상의 개구부를 포함한다. 플런저(plunger)는 슬리브내에서의 이동을 위해서 배치되며, 드라이빙 기작이 플런저를 이동시키고 용융 금속을 슬리브로부터 다이로 힘을 가한다. "냉각 챔버" 타입의 다이 캐스팅기에서, 발사 슬리브는 전형적으로 수평적으로 배치되며, 가열되지 않는다. 캐스팅은 일반적으로 대기압 상태에서 수행되고, 즉 기기가 진공 챔버 또는 불활성 분위기와 같은 비반응성 분위기내에 배치되지 않는다.
이러한 기기의 단점은, 특히 고융점 물질을 캐스팅하기 위해서 이러한 기기를 사용할 수 없다는 점과 관련하여, 크로스(Cross)의 미국 특허 제 3,646,990 호 및 미국 특허 제 3,791,440 호에 개시되어 있다. 종래의 기기에서, 발사 슬리브내의 대기는 배기되지 않고, 플런저는 또한 임의의 공기를 슬리브로부터 다이로 힘을 가해서, 다이 캐스팅 제품의 공극을 유발하며, 이러한 상태는 상기 제품이 우주선의 요소와 같은 용도를 요구하는데 사용되는 경우 특히 바람직하지 않고 허용할 수 없다. 따라서, 용융 물질과 함께 거품이 투입되는 것을 피하기 위해서, 발사 슬리브는 가능한 완전하게 충전되거나 또는 용융 물질내의 임의의 공기라도 투입전에 다이로부터 나오도록 기울여야만 한다. 게다가, 발사 슬리브가 가열되지 않기 때문에, 용융 금속의 얇은 막 또는 "캔(can)"이 발사 슬리브의 내부에서 고화되어,용융 금속을 다이에 투입하여 슬리브를 통해서 플런저를 이동시키는 경우, 플런저는 고화된 금속의 저항을 극복하고 슬리브로부터 벗겨진 얇은 막을 폐기하고 "캔"을 눌러 부숴야만 한다. 그러나, 캔은 구조적으로 강한 부재를, 예를 들어 슬리브에 의해 지지되는 원통을 형성하기 때문에, 플런저 및/또는 플런저를 이동시키기 위한 관련 구조물이 플런저 이동에 대한 저항으로 인하여 손상을 입거나 파괴될 수도 있다. 플런저가 열적으로 일그러져 슬리브 형태에 맞지 않거나 슬리브가 열적으로 일그러져 슬리브와 플런저 사이에 틈을 변형시키는 경우, 플런저와 슬리브 사이의 금속의 경로("블로우 백(blowback)")가 발생하고/발생하거나 플런저를 가두게 되며, 이 모든 것이 생성된 제품에 악영향을 미친다(파란티(Parlanti) 등의 미국 특허 제 3,533,464 호 참고).
과도한 노력에도 불구하고, 종래의 "냉각 챔버" 다이 캐스팅기는 티탄 합금 및 초합금과 같은 고융점 물질로 구성된 제품을 성공적으로 제조하는데 사용되지 못하고 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 초합금은 일반적으로 고도의 강도로 특징지워지고 고온에서도 고도의 강도를 유지하는 물질을 지칭한다. 이러한 물질은 또한 비교적 높은 용점으로 특징지워진다. 티탄 합금 및 초합금과 같은 고융점 물질을 다이 캐스팅하는 과거의 시도는, 실행불가능한 다이 캐스팅기 뿐만 아니라 불순물, 과도한 공극 및 비교적 불량한 강도 및 피로 특성과 같은 열등한 특성으로 특징지워진 제품을 유발하였다.
본 발명의 목적은 고융점 물질, 예를 들어 Tm이 2000℉(1093℃) 보다 큰 물질로 구성된 제품을 다이 캐스팅하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 상응하는 단조화 제품에 필적할 만한 특성을 갖는 다이 캐스팅 티탄 합금 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 상응하는 단조화 제품에 필적할만한 강도, 견고성 및 피로 내성을 갖는 티탄 합금을 다이 캐스팅하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 보다 구체적인 목적은 상응하는 단조화 티탄 제품에 필적할 정도의 강도, 견고성 및 피로 내성을 갖는 합금 제품을 다이 캐스팅하는 방법을 제공한다.
본 발명의 여전히 다른 목적은 불가능하지는 않지만 단조화하기에 어려운, 복잡한 3차원 형태를 갖는 제품을 제공하는 것이다.
부가적인 목적은, 하기 설명 및 도면을 기초로 하여 당 분야의 숙련자에게 명백할 것이다.
발명의 요약
본 발명의 한가지 양태에 따르면, 냉각 챔버 타입의 다이 캐스팅기내에서 고융점 물질(Tm이 2000℉(1093℃) 이상임) 및/또는 반응성 합금으로 구성된 다이 캐스팅 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 기기는 다이 공동을 정의하는 재사용가능한, 다수의 부품용 다이를 들 수 있고, 다이에 커플링되어 있는 일반적으로 수평형인 발사 슬리브, 발사 슬리브로부터 다이로 용융 물질을 투입하기 위한 플런저 조립체, 적어도 금속 충전물을 용융시키기 위한 용융 유니트, 및 용융 금속을 용융유니트로부터 발사 슬리브로 이동시키기 위한 이동 장치를 포함한다. 상기 방법은 비반응성(바람직하게는 진공) 분위기하에서 용융 유니트, 발사 슬리브 및 다이 공동을 유지하고; 비반응성 분위기하에서 용융 유니트내에서 합금을 용융시키고(여기서, 용융 물질은 약 100℃ 미만의 과열에 의해 용융됨); 완전한 발사 슬리브 체적 미만으로 충전시키기 위해서 충분량의 용융 티탄을 용융 유니트로부터 발사 슬리브로 이동시키고; 슬리브를 통해서 플런저를 움직여서 용융 티탄을 다이 공동에 빠르게 투입하고; 다이 공동내에서 용융 물질을 고화하는 단계를 포함한다. 생성된 제품은 캐스트 제품에 있어서 미세한 평균 그레인 크기 및 유동선의 부재에 의해 특징화된다. 예시적인 높은 융점 합금은 티탄 합금 및 코발트계 및 니켈계 초합금을 들 수 있다. 예시적인 반응성 합금은 티탄 합금 및 철계 초합금을 들 수 있다.
본 발명은, 전술한 기기에 대한 요구 및 특별히 정합되도록 한 물질의 강판을 제조하기 위한 임의의 요구를 미연에 방지한다는 점에서 바람직하다. 요구된 기기의 기준으로부터, 단조화는 상당한 비용으로 새로운 부품을 제조하는 다수의 부품용 다이의 제조를 요구한다. 대조적으로, 단조화에 비해 상당히 저렴한 비용으로 단지 1개의 단일 다이 세트가 부품 1개당 요구된다. 따라서, 주괴부터 마무리처리된 부품까지 부품을 제조하는데 요구되는 시간이, 상당히 감소된다. 다이 캐스팅은 다중 단조화 공정과는 대조적으로 단일 공정으로 수행될 수 있다. 다이 캐스팅에서, 다수의 부품이 단일 캐스팅에서 제조될 수 있다. 다이 캐스팅은 단조화보다 보다 복잡한 3차원 형태를 갖는 부품을 제조할 수 있어서, 따라서 가스 터빈 엔진과 같은 분야에서 개발되어 적용될 수 있는 신규한 소프트웨어 디자인 기법을 가능하게 하고 보다 공기역학적으로 효율적인 에어호일 및 다른 요소를 제조할 수 있도록 한다. 다이 캐스팅은 단조화가 어렵거나 불가능한 물질을 사용하여 이러한 제품을 제조할 수 있도록 한다. 다이 캐스팅 부품은 이들의 최종 형태와 유사하도록 제조되고, 뛰어난 표면 마무리처리로 인해 성형 이후의 마무리 공정을 최소화하고, 이러한 부품의 제조 비용을 감소시킨다.
본 발명은 일반적으로 높은 융점의 합금 및/또는 반응성 합금으로부터 제조된 제품에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 다이 캐스팅에 의한 이러한 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다이 캐스팅 티탄 합금 제품의 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 다이 캐스팅기의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고융점 물질의 다이 캐스팅 공정을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다이 캐스팅 Ti 6-4으로 구성된 에어호일의 미세구조를 설명하는 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 다이 캐스팅 Ti 6-4로 구성된 시험용 바의 미세구조를 설명하는 사진이다.
도 7은 단조화 Ti 6-4로 구성된 에어호일의 미세구조를 설명하는 사진이다.
도 8 및 9는 본 발명에 따른 다이 캐스팅 Ti 6-4 및 단조화 Ti 6-4의 특성을 비교한 것이다.
도 10 및 도 11은 다이 캐스팅 Ti 6-4 및 상응하는 단조화 제품의 피로 특성을 설명한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 다이 캐스팅 Ti 6-2-4-2로 구성된 에어호일의 미세구조를 설명한 사진이다.
도 13은 본 발명에 따른 다이 캐스팅 Ti 6-2-4-2로 구성된 시험용 바의 미세구조를 설명하는 사진이다.
도 14는 단조화 Ti 6-2-4-2로 구성된 에어호일의 미세구조를 설명하는 사진이다.
도 15은 본 발명에 따른 다이 캐스팅 Ti 6-2-4-2 및 단조화 Ti 6-2-4-2에 대한 특성을 비교한 것이다.
도 16은 다이 캐스팅 Ti 8-1-1으로 구성된 제품의 미세구조를 설명하는 사진이다.
도 1에서, 본 발명에 따른 고융점 물질로 구성된 다이 캐스팅 제품(예시된 양태에서는 티탄 합금임)은 참조번호(10)으로 일반적으로 제시되어 있다. 설명된 양태에서, 제품은 가스 터빈 엔진을 위한 압축기 블레이드(10)이고, 에어호일(12), 플랫폼(14) 및 루트(16)을 포함하지만 날개 또는 이러한 엔진을 위한 구조적 요소일 수도 있다. 예시된 양태는 본 발명을 가스 터빈 엔진 부품으로 제한하고자 하는 것은 아니다. "고융점 물질"이라는 용어는, 융점이 2000℉(1093℃) 이상, 전형적으로 2500 내지 3000℉(1370 내지 1650℃)의 온도를 갖는 물질을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "반응성 합금"이라는 용어는 공기 또는 산소를 함유하는 다른 분위기에 노출되는 경우 반응하는 원소, 예를 들어 티탄, 알루미늄 및 철을 포함하고, 전형적으로 승온된 온도에서 보다 빠르게 반응한다.
본 발명에 따른 제품 및 공정(도 4)는 하기에서 보다 상세하게 기술되어 있다. 수평적으로 배치되고 일반적으로 미가열된 타입의 냉각 챔버 타입의 몰드 캐스팅기(도 2 및 3)에서, 본 발명에 따른 일반적으로 미가열된 발사 슬리브를 사용하는 것이 바람직하고, 이는 이러한 기기가 쉽게 구할 수 있고 비교적 저렴하고 필요한 경우 쉽게 수리가능하기 때문이다. 간단하게 말하면, 적어도 단일 분량의 티탄 합금은 오염을 최소화하는 방식으로 용융된다. 따라서, 합금은 비반응성, 예를 들어 불활성 또는 바람직하게는 진공 대기하에서 가열되고 용융된다. 또한, 합금을 가열하여 조절하고, 합금이 몰드에 투입될 때까지 용융된 상태로 유지되지만 투입 후에 용융 물질이 빠르게 고화되지 않도록, 제한되고 한정된 과열 상태까지 합금을 가열한다. 그다음, 용융 합금을 바람직하게는 진공 분위기하에 위치한 기기의 수평 발사 슬리브로 이동시키고, 용융 물질을 재사용가능한 몰드로 가압하에서 투입한다. 용융 물질을 주입하고 투입함을 포함하는 과정은 수 분을 넘지 않아야 하며, 투입은 바람직하게는 1초 또는 2 초 미만내에서 미가열된 발사 슬리브를 갖는 다이 캐스팅기내에서 수행된다.
도 2, 3 및 4에 있어서, 본 발명에 다른 제품을 제조하기 위해서 미가열된 발사 슬리브("냉각 챔버")를 갖는 타입의 다이 캐스팅기(도 2 및 3)를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 일정량의 물질을 준비하고(도 4의 (44) 단계), 다이 캐스팅될 물질을 기기(18)내에서 용융시킨다(도 4의 (46) 단계). 일반적으로 공지되어 있는 바와 같이, 용융 티탄은 활동적인 물질이고, 이들이 융용되어 있는 물질을 공격한다. 따라서, 미국 뉴저지주 란코카스 소재의 콘삭스 코포레이션(Consarc Corporation)에서 제조하고 캐스팅될 단일 분량의 물질(약 25 파운드 이하의 물질)을 빠르고 깨끗하게 용융시킬 수 있는 유니트에서, 유도 스컬(skull) 재용융 또는 용융(ISP)(24)에 의해 티탄을 용융시키는 것이 바람직하다. ISP에서, 바로 옆에 위치하는 다수의 금속(전형적으로 구리) 핑거(finger)를 한정하는 도가니에서 물질을 용융한다. 도가니는 동력원(26)에 커플링된 유동 코일로 둘레가 싸여있다. 핑거는 물 공급원으로부터 시작하여 물 공급원까지(제시하지는 않음) 냉각수의 순환을 위한 경로를 포함하여 핑거가 용융되는 것을 방지한다. 필드는 코일 열 및 도가니내에 위치한 용융 물질에 의해 발생한다. 필드는 용융 금속을 진탕하거나 교반하는 역할을 한다. 물질의 얇은 층이 도가니 벽 위에서 응고되고, 스컬을 형성하여, 용융 물질이 도가니를 공격하는 것을 최소화한다. 도가니와 코일 및 코일에 적용되는 동력의 수준 및 빈도수를 적당하게 선택함으로써, 용융 물질을 도가니로부터 빠져나가게 하고 용융 물질에 의한 도가니 벽의 공격을 감소시킬 수 있다. 용융 합금의 큰 용기를 유지하기 보다는 단일 분량을 용융함으로써, 전체적으로 합금에 비해 비교적 낮은 융점을 갖는 성분이 캐스팅 이전에 증기화되어 손실되지 않는 것을 보장한다.
티탄과 알루미늄 및 이들 물질을 함유하는 합금과 같은 반응성 물질을 캐스팅할 경우에는, 생성되는 제품의 품질에 해로운 영향을 미칠 수 있는 반응, 오염 또는 기타 상태를 방지하기 위해 상기 반응성 물질을 비반응성 분위기에서 용융시키는 것이 중요하다. 용융 환경하의 가스는 어떤 것이든지 용융 물질내에 포획되어 다이 캐스팅 제품에서 과다한 공극을 초래하므로, 상기 물질을 불활성 분위기, 예컨대 아르곤보다는 진공 분위기에서 용융시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 물질을 진공 공급원(22)에 연결된 용융 챔버(20)에서 용융시키는데, 이때 상기 용융 챔버는 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 50 ㎛ 미만의 압력으로 유지된다.
ISR 유니트를 사용하여 티탄 물질의 단일 또는 소량 충전물을 용융시키는 것이 바람직하지만, 용융되는 물질이 현저히 오염되지 않는 한 상기 물질을 진공 도입 용융(vaccum induction melting; VIM) 및 전자빔 용융과 같은 다른 방법으로 용융시킬 수도 있다. 또한, 벌크 물질, 예컨대 몇 개의 물질 충전물을 진공 분위기에서 동시에 용용시키고, 이어서 용융 물질의 단일 충전물을 다이내로의 투입을 위해 발사 슬리브내로 이동시키는 것을 제외시키는 것은 아니다. 그러나, 상기 물질은 진공에서 용융되므로, 용융 물질을 이동시키는데 사용되는 임의의 장치는 전형적으로 고온에 견딜 수 있어야 하며 진공 챔버내에 위치해야 하고, 결과적으로 진공 챔버가 비교적 커야 한다. 추가 장치는 비용을 부가시키고, 그에 따라 대형화된 진공 챔버는 진공을 만드는데 시간이 더 오래 걸려 순환 시간에 영향을 미친다.
물질의 용융과 용융 물질의 다이내로의 투입 사이에는 반드시 약간의 시간이 경과하게 되므로, 물질이 투입될 때까지는 물질이 적어도 실질적으로 용융된 상태로 확실히 유지되도록 하기에 충분할 만큼 높지만, 투입시 신속한 고체화가 일어나서 작은 그레인을 확실히 형성시킬 수 있고 또한 다이 캐스팅 장치(특히, 용융된금속과 접촉하게 되는 다이 캐스팅 장치의 부분)위에 걸리는 열 부하를 최소화하기에 충분할 만큼 낮은 제한된 과열에 의해 물질을 용융시킨다. 상기 물질은 몰드내로 투입될 때까지 용융된 상태로 확실히 유지되도록 충분히 과열되지만, 과열의 양은 용융 물질이 투입후 신속히 고체화될 수 있도록 하기에 충분할 만큼 낮다. IN 718과 같은 초합금의 경우에는 제어된 과열이 특히 중요하다. 본 발명자들은 티탄 합금 및 IN 718을 제어되고 제한된 과열에 의해 용융시켰다. 예컨대 본 발명자들은 바람직하게는 유도형 스컬(inducto-skull) 용융 유니트와 같은 세라믹 프리 용융 시스템을 사용하여 상기 합금의 용융 온도보다 높은 약 100 내지 200 ℉(37 내지 95 ℃), 더욱 바람직하게는 약 50 내지 100 ℉(10 내지 37 ℃)내의 과열을 성공적으로 이용하였다.
이어서, 용융 합금을 기기의 수평식 발사 슬리브(바람직하게는 진공 분위기에 위치함)로 이동시키고, 용융 물질을 재사용가능한 몰드내로 압력하에 투입한다. 본 발명자들은 용융 물질을 미가열된 발사 슬리브를 갖는 다이 캐스팅기에서 1 또는 2초 동안 주입하여 투입하는 방법을 발견하였다.
용융 물질을 도가니로부터 장치의 발사 슬리브(30)로 이동시키기 위해(단계 48 - 도 4), 도가니는 병진 운동(도 3의 화살표 31)하고 또한 주입축 둘레에서 피벗 운동(도 2의 화살표 33)하도록 장착되고, 용융 물질을 도가니로부터 발사 슬리브(30)의 주입구(32)를 통해 주입하기 위해 도가니를 회전시키기 위한 모터(제시하지 않음)에 장착된다. 도가니의 병진 운동은 물질이 용융되는 용융 챔버(20)와, 발사 슬리브가 위치하는 별개의 진공 챔버(34)내의 위치 사이에서 일어난다. 주입챔버(34)는 또한 비반응성 분위기, 바람직하게는 압력 레벨 100 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 50 ㎛ 미만의 진공 분위기으로 유지된다. 용융 챔버(20) 및 주입 챔버(34)는 예컨대 한 챔버내의 요소에 접근하기 위해 그 특정 챔버가 대기에 노출되는 경우에 진공의 손실을 최소화하기 위해, 게이트 밸브 또는 다른 적합한 수단(제시하지 않음)에 의해 분리되어 있다. 예시된 양태는 별개의 용융 챔버 및 주입 챔버를 포함하지만, 용융 및 주입을 단일 챔버에서 수행하는 것도 또한 가능하다. 예컨대 용융 유니트 또는 발사 슬리브를 설치하거나 캐스팅물을 제거하기 위해 소정의 요소를 대기에 노출시켜야 하는 경우에 진공 분위기의 손실을 최소화하기 위해 별개의 챔버를 사용하는 것이 바람직하다.
상기에 나타낸 바와 같이, 용융 물질은 도가니(24)로부터 주입구(34)를 통해 발사 슬리브(30)로 이동된다. 발사 슬리브(30)는 다이 공동(38)를 형성하는 다수의 부품용 재사용가능한 다이(36)에 커플링되어 있다. 충분량의 용융 물질을 발사 슬리브에 주입하여 다이 공동을 충전시키는데, 다이 공동은 부품 한개 이상을 포함할 수 있다. 본 발명자들은 예컨대 12개의 공동 다이를 사용하여 단 한번의 발사(shot)으로 12개의 부품을 성공적으로 캐스팅하였다.
예시된 다이(36)는 2개의 구획(36a, 36b)을 포함하고(그러나 더 많은 구획을 포함할 수도 있음), 이들은 협동하여 예컨대 가스 터빈 엔진용 압축기 블레이드 또는 날개의 형태로 다이 공동(38)를 형성한다. 상기 다이(36)는 또한 바람직하게는 진공 공급원에 역시 발사 슬리브를 통해 직접 연결되어, 용융된 금속의 투입전에 다이를 진공으로 만드는 것을 가능하게 한다. 다이는 진공 공급원에 직접 연결되는 대신에 또는 그에 더하여 진공 챔버내에 위치할 수도 있다. 다이의 2개 구획(36a, 36b)중 한 구획은 전형적으로 고정되어 있는 한편, 다른 구획은 예컨대 유압 조립체(제시하지 않음)에 의해 한 구획에 대해 이동가능하다. 다이는 바람직하게는 고체화된 물질을 다이로부터 방출시키는 것을 용이하게 하기 위해 배출용 핀(제시하지 않음)을 포함한다. 다이는 또한 캐스팅 물질이 여전히 뜨거운 동안 캐스팅 물질을 다이로부터 제거하여 다이 위의 열 부하를 더욱 감소시키기 위한 스트리퍼 기구(제시하지 않음)를 포함할 수도 있다.
다이는 다양한 재료로 구성될 수 있고, 양호한 열전도성을 가져야 하며, 용융 물질의 투입로 인한 화학적 공격 및 부식에 대해 비교적 내성이어야 한다. 가능한 재료의 포괄적 목록은 아주 많을 것이며, 그 목록에는 금속, 세라믹, 흑연, 세라믹 매트릭스 복합체 및 금속 매트릭스 복합체와 같은 재료가 포함된다. 다양한 다이 재료 각각은 예컨대 그 재료를 여러 용도에 바람직하게 하는, 기기가공의 용이성, 승온에서의 강도 및 이들 두가지의 절충과 같은 특징을 갖는다. 티탄의 경우, 현재로서는 연강, 예컨대 1018로 구성된 다이를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 저가이고 기기가공하기 용이하기 때문이다. 장치 성능 및 생성되는 부품의 품질을 향상시키기 위해 코팅 및 표면 처리가 이용될 수도 있다. 다이는 또한 조작중에 다이 온도를 열적으로 조절하기 위해 물과 같은 냉각액 공급원 또는 오일과 같은 열 공급원(제시하지 않음)에 부착될 수도 있다. 또한, 다이 윤활제가 다이 및 다이 캐스팅 장치의 하나 이상의 선택된 부분에 도포될 수도 있다. 일반적으로 어떤 윤활제든지 생성되는 캐스팅 제품의 품질을 향상시켜야 하며, 더욱 구체적으로는 투입되는 물질을 오염시키지 않도록 열적 파단에 대해 내성이어야 한다.
이어서, 용융된 금속을 도가니로부터 발사 슬리브로 이동시킨다. 충분량의 용융된 금속을 발사 슬리브에 주입하여 발사 슬리브를 부분적으로 충전시키고, 계속해서 다이를 충전시킨다. 바람직하게는 슬리브를 50% 미만으로 충전시키고, 더욱 바람직하게는 약 40% 미만, 가장 바람직하게는 30% 미만으로 충전시킨다.
플런저(40)와 같은 투입 장치는 발사 슬리브(30), 및 상기 플런저를 화살표(42) 방향으로 구동시키는 유압장치 또는 다른 적합한 조립체(제시하지 않음)와 협동하여, 실선으로 예시된 위치와 대시선으로 표시된 위치 사이에서 플런저를 이동시키고, 이로써 용융된 금속을 압력하에 슬리브(30)로부터 다이 공동(38)내로 투입시킨다(단계 50 - 도 4). 실선으로 예시된 위치에서 플런저와 슬리브는 협동하여, 투입될 용융 물질의 양보다 실질적으로 더 큰 부피를 형성한다. 바람직하게는, 슬리브 부피는 투입될 물질의 부피의 2배 이상, 바람직하게는 3배 이상이다. 따라서, 도가니로부터 슬리브로 이동된 용융 물질의 부피는 슬리브 부피의 2분의 1 미만, 가장 바람직하게는 약 3분의 1 미만을 차지한다. 슬리브는 단지 부분적으로만 충전되므로, 슬리브상에서 고체화되는 임의의 물질 또는 스킨은 단지 부분 원통형, 예컨대 개방된 아치형 표면만을 형성하고, 금속 투입중에 용이하게 폐기 또는 분쇄되어 용융 물질내로 재혼입된다. 투입을 위해, 본 발명자들은 약 30 내지 300 ips(인치/초)(0.77 내지 7.7 m/s)의 플런저 속도를 사용하였으며(약 3 인치(7.6 cm)의 내부 직경을 갖는 발사 슬리브를 사용), 현재로서는 약 50 내지 175 ips(1.28 내지 4.5 m/s)의 플런저 속도를 사용하는 것이 바람직하다. 플런저는 전형적으로 1200 psi(8.4 MPa), 더욱 바람직하게는 1500 psi(10.5 MPa)의 압력으로 이동된다. 다이 공동을 충전시킬 때 플런저가 그의 스트로크 끝에 접근함에 따라, 플런저는 압력을 금속으로 전달하기 시작한다. 이때 몰드 공동의 완전한 충전을 보장하기 위해 압력을 증압시키는 것이 바람직할 수 있고, 특정 증압 변수는 원하는 결과에 좌우된다. 증압은 공극률을 최소화하고, 냉각중의 임의의 물질 수축을 감소시키거나 제거하도록 수행된다. 본 발명자들은 1500 psi보다 높은 증압을 이용하여 만족스러운 결과를 얻었다. 충분한 기간이 경과되어 다이내의 물질이 확실히 고체화된 후, 배출용 핀(제시하지 않음)을 작동시켜 다이로부터 부품을 방출시킨다(단계 52 - 도 4).
당업계에 공지되어 있는 바와 같이, 전형적으로 캐스팅 제품은 약간의 공극을 일반적으로 몇 퍼센트 이하로 포함한다. 따라서, 특히 상기 제품이 가스 터빈 엔진용 압축기 에어포일과 같은 보다 엄격한 용도에 사용되는 경우에는, 기공을 감소시키고 바람직하게는 제거시키며, 필요에 따라 달리 처리할 필요가 있다(단계 54 - 도 4). 따라서 부품들을 바람직하게는 상기한 바와 같은 고온 아이소택틱 프레스(HIP)하여 캐스팅된 부품내의 공극을 감소시키고 실질적으로 제거시킨다. 티탄 합금 제품의 경우에는, 일반적으로 HIP를 약 1500 내지 1600 ℉(815 내지 871 ℃)보다 높은(그러나 존재하는 베타 상을 유지시키기를 원하는 경우에는 약 1850 ℉(1010 ℃)보다 낮은) 온도에서 14 ksi(98 MPa) 이상, 더욱 바람직하게는 14.5 ksi(101.5 MPa)보다 높은 압력에서 2시간 이상 동안 HIP를 수행하는 것이 바람직하다.
원한다면, 이어서 상기 제품을 열처리할 수도 있다. 실제의 열처리 및 HIP 변수는 제품의 원하는 용도 및 공정에 대한 목표 순환 시간에 따라 달라질 수 있지만, HIP중에 사용되는 온도, 압력 및 시간은 캐스팅 제품내의 모든 공극을 실질적으로 제거하지만 현저한 그레인 성장을 허용하지 않기에 충분해야 한다.
상기에 나타낸 바와 같이, 다이 캐스팅된 Ti 6-4로 구성된 에어포일의 경우에는, 제품을 불활성 분위기, 예컨대 아르곤 또는 진공하에서 2시간 이상 동안 약 1500 내지 1600 ℉(815 내지 871 ℃)의 온도로 가열할 수 있다. 다이 캐스팅된 Ti 6-2-4-2로 구성된 에어포일의 경우에는, 제품을 바람직하게는 불활성 분위기, 예컨대 아르곤 또는 진공하에서 8시간 이상 동안 약 1000 내지 1200 ℉(538 내지 650 ℃), 더욱 바람직하게는 1100 ℉의 온도로 가열할 수 있다.
부품들을 통상적인 검사 기법을 사용하여, 예컨대 형광 침투 검사(fluorescent penetrant inspection; FPI), 방사선 사진, 시각을 이용하여 검사하고, 검사를 통과한 후에 사용하거나 필요에 따라 추가로 처리/재처리할 수 있다(단계 58 - 도 4).
본 발명에 따르면, 본 발명에 따라 제조된 제품은 안정되고 미세한 그레인 미세구조를 특징으로 한다. 특정한 바람직한 평균 그레인 크기 및 최대 허용가능 그레인 크기는 부품의 용도 및 단면 두께, 예컨대 제품을 가스 터빈 엔진에 사용하고자 하는지 다른 용도에 사용하고자 하는지 여부, 회전 부품인지 비회전 부품인지 여부, 저온 분위기에서 조작하는지 고온 분위기에서 조작하는지 여부에 따라 다를 수 있다. 압축기 블레이드 및 날개와 같은 가스 터빈 엔진 요소의 경우, 평균 그레인 크기는 전형적으로 ASTM 0 이하, 더욱 바람직하게는 ASTM 3 이하이지만, 구체적 크기는 특정 부품에 좌우된다.
본 발명에 따른 블레이드 또는 날개와 같은 제품은 바람직하게는 유동선이 존재하지 않음을 특징으로 한다. 제품은 원한다면 캐스팅후에 고온가공 열처리될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 다시 말하면, 다이 캐스팅 제품은 이후에 단조 조작에 사용하기 위한 예비성형체로서 기능할 수 있다. 본 발명과 관련된 비용 절감을 최대화하기 위해서는 다이 캐스팅 제품을 거의 망상조직 형상으로 캐스팅하여 후캐스팅 작업 및 제품에 드는 관련 비용을 최소화하는 것이 바람직하다.
또한, 다이 캐스팅 제품은 이소스택틱 가압 작업, 예를 들면 고열 이소스택틱 가압공정(hot isostatic pressing, HIP)에 의해 가공하여서 존재가능한 임의의 잔여 캐스팅 공극을 가열시킬 수 있다. β-미세구조로 (미리) 변형된 미세한 그레인을 변형시키지 않고도 임의의 공극을 복구하는데 있어서는 온도, 압력 및 시간과 같은 HIP 변수들을 조심스레 선택할 필요가 있다. 온도는 가압하에서 공극의 패쇄가 가능할 정도, 예컨대 크리핑이 가능할 정도로 충분히 높지만, 물질의 재결정화가 가능할 정도, 예컨대 티탄 합금의 β-트랜서스(transus) 온도 이하 정도로 높지는 않아야 한다.
Ti 6-4의 경우, HIP 온도는 바람직하게는 1750 ℉(950 ℃)를 초과하지 않고, 더욱 바람직하게는 약 1550 내지 1650 ℉(843 내지 900 ℃)를 초과하지 않아야 한다. Ti 6-4는 또한 HIP 수행 후 2 시간 이상 동안 비반응성 분위기, 바람직하게는 아르곤 또는 진공하에서 약 1550 ℉(843 ℃)에서 어닐링될 수 있다. Ti 6-2-4-2의경우, HIP 온도는 바람직하게는 1850 ℉(1010 ℃)를 초과하지 않고, 더욱 바람직하게는 약 1650 내지 1750 ℉(900 내지 950 ℃)를 초과하지 않아야 한다. Ti 6-2-4-2는 8 시간 이상 동안 비반응성 분위기, 바람직하게는 아르곤 또는 진공하에서 약 1100 ℉(595 ℃)에서 열처리될 수 있다.
표면의 화학적 밀링을 수행하여 표면 오염물을 제거하고, 매질 가공을 수행하여 표면 마무리처리를 개선시키고, 추가의 열 순환을 수행하여 기계적 성질의 특정 균형에 도달하는 것과 같은 추가의 캐스팅 이후의 가공이 수행될 수 있다. 이러한 추가적인 가공은 합금 조성 및 목적하는 성질과 같은 요인들에 따라 변할 것이다.
Ti 6-4로 구성된 다이 캐스팅 제품은 본 발명에 따라 아래에 상세히 논의되는 바와 같이 제조되었다. 상기 제품들은 압축기 에어호일 및 시험용 막대기를 포함하며, 또한 상기 캐스팅 이후의 가공을 포함하였다. 시험용 막대기와 에어호일의 미세구조의 예는 도 5 및 6에 도시되고 있다. 단조화 Ti 6-4로 구성된 상응하는 에어호일의 미세구조는 도 7에 도시되고 있다. 상기 제품들의 시험에서는 성질들이 상응하는 단조화 제품들에 필적할만한지를 확인하였다. 필수 특정 성질들이 주입되는 임의의 특정 다이 캐스팅 제품의 용도에 따라 달라질 것이지만, 단조화 제품 대신에 사용되는 다이 캐스팅 제품은 상응하는 단조화 제품에 필적할만한 성질들을 갖는다.
다이 캐스팅 제품으로부터의 시험 결과를 상응하는 단조화 제품으로부터 기계적으로 처리된 표본으로부터의 결과와 비교하고, 그 결과는 도 8, 9, 10 및 11에나타낸다.
항공우주 산업에 사용되는 티탄 합금은 Ti-6Al-4V("Ti 6-4")이며, 이는 광범위하게는 약 4 내지 8 w/o(중량%)의 Al, 3 내지 5 w/o의 V, 나머지는 일반적으로 티탄 및 소량의 기타 원소들을 포함한다.
개선된 크리핑성이 요구되는 고온 적용에서, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo("Ti 6-2-4-2")가 사용될 수 있으며, 이는 광범위하게는 약 5 내지 7 w/o의 Al, 약 1.5 내지 2.5 w/o의 Sn(주석), 약 3.0 내지 5.0 w/o의 Zr, 약 1.5 내지 2.5 w/o의 Mo, 나머지는 일반적으로 티탄 및 소량의 기타 원소들을 포함한다.
다른 Ti 합금으로는 Ti 8-1-1 및 티탄 알루미나이드가 포함된다. Ti 8-1-1은 광범위하게는 약 7.35 내지 8.35 w/o의 Al, 약 0.75 내지 1.25 w/o의 Mo 및 0.75 내지 1.25 w/o의 V, 나머지는 일반적으로 티탄 및 소량의 기타 원소들을 포함한다.
광범위하게는, 티탄 알루미나이드는 주로 화학량론적인 양의 티탄과 알루미늄으로 구성되며, 이는 TiAl 및 TiAl3과 같은 조성을 갖는다. 일반적으로, 다이 캐스트 티탄늄 알루미나이드는, 다양한 적용에 사용하는 경우, 낮은 밀도 및 보통의 강도가 요구되고, 적용 온도가 약 500 내지 1700 ℉/260 내지 925 ℃로 보통이고, 통상 고려되는 적용으로는 덮개판 및 열 차단막이 포함되는 것으로 알려져 있다.
압축기 에어호일의 경우, 다이 캐스트 에어호일은 상응하는 단조화 제품에 의해 나타내는 것에 비교하여 상당한 강도와 충격성을 갖는다. 또한, 이러한 요소들은 상당한 내구성(예: 피로 강도) 및 특히 높은 사이클 피로 성능을 갖는다. 피로도 시험에서, 또한 다이 캐스트 Ti 6-4와 상응하는 단조화 부품을 비교하였고, 도 10 및 11에 나타낸 바와 같이, 다이 캐스팅 제품은 단조화 제품에 필적할만하게 스무쓰 피로(smooth fatigue) 활성 및 노칭 피로(notched fatigue) 활성을 나타낸다. 또한, 상기 값은 주입되는 제품의 특정 용도에 따라 달라질 것이다.
Ti 6-2-4-2로 구성된 다이 캐스팅 제품은 또한 본 발명에 따라 하기에 더욱 상세히 논의되는 바와 같이 제조되었다. 상기 제품들은 블레이드, 날개 및 시험용 막대기를 포함하고, 또한 상기 캐스팅 이후의 가공을 포함한다. 시험용 막대기와 에어호일의 미세구조의 예는 도 12 및 13에 도시되고 있다. 단조화 Ti 6-2-4-2로 구성된 상응하는 에어호일의 미세구조는 도 14에 도시되고 있다.
일반적으로 도 15를 언급하면, 압축기 블레이드 및 날개로서 사용되는 Ti 6-2-4-2로 구성된 다이 캐스팅 제품은, 상기 용도로 제조된 상응하는 단조화 제품에 의해 나타내는 것에 필적할만한 강도와 충격성을 갖는다. 또한, 이러한 요소들은 상당한 내구성(예: 피로 강도) 및 특히 높은 사이클 피로 성능을 갖는다. 피로도 시험에서, 또한 다이 캐스트 Ti 6-2-4-2와 상응하는 단조화 부품을 비교하면, 다이 캐스팅 제품이 상응하는 단조화 제품과 유사한 성질을 갖는 것으로 나타났다.
상기 예들은 다이 캐스팅이 광범위한 티탄 합금 조성물로부터 제품을 제조하는데 사용될 수 있음을 지지하며 예시하고 있다. 상기 예들은 다이 캐스팅이 광범위한 티탄 합금 조성물로 구성된 제품을 제조하는데 사용될 수 있음을 지지하며 예시하고 있다. 추가로 지지되는 점으로는, 제품이 또한 Ti 8-1-1로부터 다이 캐스팅되었다는 점이다. 다이 캐스트 Ti 8-1-1의 미세구조의 예는 도 13에 도시된다. 다이 캐스트 Ti 8-1-1과 상응하는 단조화 부품을 비교하는 피로도 시험에서는, 다이 캐스팅 제품이 단조화 제품에 필적할 만한 성질을 나타내는 것으로 기대된다.
다양한 니켈계 및 코발트계 초합금으로 구성된 제품이 또한 본 발명의 방법에 따라 제조되었다.
니켈계 초합금으로는 인코넬(Inconel) 718(IN 718)이 있으며, 이는 광범위하게는 약 0.01 내지 0.05 중량%의 탄소(C), 약 0.4 중량% 이하의 망간(Mn), 약 0.2 중량% 이하의 규소(Si), 13 내지 25 중량%의 크롬(Cr), 약 1.5 중량% 이하의 코발트(Co), 2.5 내지 3.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 5.0 내지 5.75 중량%의 (콜럼븀(Cb) + 탄탈륨(Ta)), 0.7 내지 1.2 중량%의 티탄(Ti), 0.3 내지 0.9 중량%의 알루미늄(Al), 약 21 중량% 이하의 철(Fe), 나머지는 본질적으로 Ni으로 구성된다. 다른 합금이 또한 사용될 수 있는데, 그 예로는 약 0.025 중량% 이하의 탄소(C), 약 0.4 중량% 이하의 망간(Mn), 약 0.4 중량% 이하의 규소(Si), 12 내지 16 중량%의 크롬(Cr), 3 내지 6 중량%의 몰리브덴(Mo), 0.8 내지 3.5 중량%의 (콜럼븀(Cb) + 탄탈륨(Ta)), 0.7 내지 1.3 중량%의 티탄(Ti), 5.25 내지 6.75 중량%의 알루미늄(Al), 약 1 중량% 이하의 철(Fe), 나머지는 본질적으로 Ni 및 코발트(Co)로 구성된 공칭 조성을 갖는 IN 713이 있다.
와스프알로이는 이러한 적용들에 유용한 다른 물질이고, 예컨대 공동-소유된 미국 특허 제 4,574,015 호 및 제 5,120,373 호에 개시되어 있으며, 이는 특별히 본원에 참고로 인용되고 있다. 일반적으로, 와스프알로이는 약 0.02 내지 0.15 중량%의 탄소(C), 12 내지 20 중량%의 크롬(Cr), 10 내지 20 중량% 이하의 코발트(Co), 2 내지 5.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 3 내지 7 중량%의 티탄(Ti), 1.2 내지 3.5 중량%의 알루미늄(Al), 0.01 내지 0.15 중량%의 지르코늄(Zr), 0.002 내지 0.05 중량%의 붕소(B), 나머지는 본질적으로 Ni로 구성된 조성을 갖는다.
다른 합금으로는 B-1900이 있으며, 이는 약 8 중량%의 Co, 6 중량%의 Mo, 4 중량%의 Ta, 6 중량%의 Al, 1 중량%의 Ti, 0.1 중량%의 C, 0.015 중량%의 B 및 0.1 중량%의 Zr으로 구성된 공칭 조성을 갖는다. 예를 들면, 심스(Sims) 및 하겔(Hagel)의 문헌[The Superalloys, (Wiley & Sons 1972), pp. 596-7]을 참고한다. 코발트계 합금(예: MAR-M-509)도 또한 고온 적용에 사용된다. MAR-M-509는 약 23.5 중량%의 크롬(Cr), 10 중량%의 니켈(Ni), 7 중량%의 텅스텐(W), 3.5 중량%의 탄탈륨(Ta), 0.2 중량%의 티탄(Ti), 0.5 중량%의 지르코늄, 나머지는 본질적으로 코발트로 구성된 공칭 조성을 갖는다. 예를 들면, 심스 및 하겔의 문헌을 참고한다.
IN 939는 약 1500 중량% 이하의 F을 갖는 것이 유용한 다른 니켈계 합금이며, 이는 약 22.5 중량%의 Cr, 19 중량%의 Co, 6 중량%의 Mo, 2 중량%의 Al, 3.7 중량%의 Ti, 2 중량%의 W, 3.3 중량%의 (Cb + Ta), 0.15 중량%의 C, 0.005 중량%의 B, 나머지는 일반적으로 니켈로 구성된 공칭 조성을 갖는다. IN 939는 단조가 불가능하지 않은 경우라면 사용하기 어렵다. 가토라이징 와스프알로이는 통상의 와스프알로이보다 개선된 강도와 온도 용량을 제공하도록 개발된 발전된 와스프알로이 조성물이다. 미국 특허 제 4,574,015 호 및 제 5,120,373 호를 참고한다. 이는 15.00 내지 17.00 중량%의 크롬, 12.00 내지 15.00 중량%의 코발트, 3.45 내지 4.85 중량%의 몰리브덴, 4.45 내지 4.75 중량%의 티탄, 2.00 내지 2.40 중량%의 알루미늄으로 구성된 일반적인 조성을 갖는다. 가토르 와스프알로이는 또한 소량의 기타 원소들을 가질 수 있다.
이들 합금을 사용하는 발명자들의 연구의 결과에서, 발명자들은 몇몇 조건들이 우수한 품질의 캐스팅을 제조하는데 있어 중요한 것으로 생각한다. 물질, 특히 반응성 물질(예: 티탄 합금)의 용융, 주입 및 투입은 비반응성 분위기에서 수행되어야 하며, 발명자들은 이러한 작업이 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 50 ㎛ 미만의 압력에서 유지되는 진공 분위기에서 수행되는 것을 선호한다. 과열 정도는 상기 물질이 주입되어 투입되기 전까지 실질적으로 완전히 용융된 상태로 유지하지만, 또한 한번 투입되면 신속하게 냉각되어 작은 그레인이 형성하는 것을 보장하기에 충분해야 한다. 비교적 낮은 과열을 사용하면, 용융 금속은 금속이 고체화되기 전에 충분히 신속하게 전달되고 투입되어야 한다. 생성된 미세구조(예: 그레인 크기)는 캐스트와 다이 물질이 이용되고 과열이 사용된 부품 부분의 두께에 상응하게 나타난다. 즉, 더욱 얇은 부분은 더욱 작은 그레인을 포함하고, 더욱 두꺼운 부분(특히 더욱 두꺼운 부분의 내부)은 더욱 큰 그레인을 포함한다. 더욱 높은 열 전도성 다이 물질은 더욱 낮은 과열을 사용함에 따라 더욱 작은 그레인을 갖는 제품을 생성시킨다. 발명자들은 이런 점이 상대 냉각 속도에 따른 것이라고 생각한다. 플런저가 이동되는 속도, 및 이에 상응하게는, 물질이 몰드내로 투입되는 속도는, 게이팅(gating)의 디자인과 다이 물질 또한 투입 속도와 함께 중요한 역할을 하지만, 캐스트와 같은 물질의 표면 마무리처리에 영향을 미치는 것으로 나타난다.
다이 캐스팅의 고융점의 물질은 단조화 보다 상당한 다른 이점들을 제공한다. 필요한 장비의 측면에서 보면, 단조화는 새로운 부품을 제조하는데 다수의 다이의 제조가 필요하며, 이는 상당한 비용을 필요로 한다. 반면, 부품마다 오직 단일 다이 세트만이 필요하며, 이는 단조화에 비해 상당히 감소된 비용이 지출된다. 주괴로부터 마무리처리된 부품을 제조하는데 필요한 시간이 상당히 감소되는데, 이는 물질의 특별히 제조된 강편을 제조할 필요가 없으며 다수의 단조화 작업과 상반되게 단일 단계로 캐스팅을 광범위하게 수행할 수 있기 때문이다. 다이 캐스팅에서, 다수의 부품은 단일 캐스팅으로 제조할 수 있다. 다이 캐스팅은 더욱 복잡한 3차원 형태를 갖는 부품을 제조할 수 있으며, 이로 인해 새로운 소프트웨어 디자인 기술을 가스 터빈 엔진과 같은 분야에 적용하여 이용할 수 있게 하고, 더욱 효율적인 에어호일과 기타 요소의 제조를 가능케한다. 발명자들은 다이 캐스팅이 임의의 형태으로의 단조화가 어렵거나 불가능한 물질을 이용하여 복잡한 형태를 갖는 제품을 제조할 수 있다고 생각한다. 더구나, 다이 캐스트 부품은 그들의 마무리처리된 형태에 근접하게 제조될 수 있고, 형성 이후의 마무리처리 작업을 최소화하는 우수한 표면 마무리처리로 제조될 수 있으며, 이들 모두는 또한 이러한 부품의 제조 비용을 감소시킨다.
본 발명이 상세히 전술되고 있지만, 발명의 취지 또는 하기 청구의 범위의 범주를 벗어나지 않고도 다수의 변형되거나 대체된 형태가 가능하다. 따라서, 본발명은 예시적인 목적으로 기술되고 있는 것이지 제한하려는 것이 아님이 명백하다.

Claims (45)

  1. 고융점 물질 또는 반응성 물질을 용융시키기 위한 용융 유니트, 일반적으로 원통형이고 수평적이면서 다중의 부품과 유체 연통된 발사 슬리브, 용융 물질을 용융 유니트로부터 슬리브로 이동시키기 위한 이동 유니트, 용융 물질을 수용하기 위한 다이-공동-한정 다이, 및 용융 물질을 발사 슬리브로부터 다이 공동으로 압송하기 위한 슬리브와 밀봉되면서도 운동가능하게 맞물려져 있는 플런저를 포함하되, 상기 슬리브가 플런저와 슬리브에 의해 슬리브 충전 체적이 한정되는 제 1 위치와, 물질이 다이로 투입되는 물질 주입 위치 사이에서 이동가능하게 된 다이 캐스팅기에서 고융점 물질 또는 반응성 물질을 제조하는 방법으로서,
    용융 유니트, 발사 슬리브(shot sleeve) 및 다이 공동를 비반응성 분위기로 유지하는 단계;
    물질을 용융 유니트에서 용융시키되, 용융 물질이 약 200℉(95℃) 미만의 과열에 의해 용융되는 단계;
    물질을 용융 유니트로부터 발사 슬리브로 이동시켜 전체 슬리브를 그 충전 체적보다 적게 충전시키는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 위치 사이로 플런저(plunger)를 이동시켜 용융 물질을 다이 공동으로 투입하고, 다이 공동내에서 용융 물질을 고화시키고, 이로써 제품이 변형된 베타 미세구조를 가지고 유동선을 갖지 않도록 하는 단계를 포함하는, 다이 캐스팅기에서 고융점 물질 또는 반응성 물질을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    유지 단계가 약 100㎛ 미만의 저압 분위기로 용융 유니트, 발사 슬리브 및 다이 공동을 유지함을 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    유지 단계가 약 50㎛ 미만의 저압 분위기로 용융 유니트, 발사 슬리브 및 다이 공동을 유지함을 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    유지 단계가 비반응성 분위기로 용융 유니트, 발사 슬리브 및 다이 공동을 개별적으로 유지함을 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    용융 단계가 물질을 2000℉(1093℃) 이상으로 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    용융 단계가 물질을 2500℉(1373℃) 이상으로 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    용융 단계가 물질을 3000℉(1653℃) 이상으로 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    용융 단계가 약 4 내지 8 중량%의 Al, 약 3 내지 5 중량%의 V 및 일반적으로 나머지량의 Ti의 조성을 갖는 물질을 용융시킴을 포함하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    용융 단계가 약 5 내지 7 중량%의 Al, 약 1.5 내지 2.5 중량%의 Sn(주석), 약 3.0 내지 5.0 중량%의 Zr, 약 1.5 내지 2.5 중량%의 Mo 및 일반적으로 나머지량의 티탄의 조성을 갖는 물질을 용융시킴을 포함하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    용융 단계가 약 7 내지 8.5 중량%의 Al, 약 0.5 내지 1.5 중량%의 Mo, 약 0.5 내지 1.5 중량%의 V 및 일반적으로 나머지량의 티탄의 조성을 갖는 물질을 용융시킴을 포함하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    물질이 티탄 합금, 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 철계 초합금 및 이들의 혼합물로 본질적으로 구성된 군중에서 선택되는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    물질이 약 0.05 중량% 이하의 탄소(C), 약 0.4 중량% 이하의 망간(Mn), 약 0.2 중량% 이하의 규소(Si), 13 내지 25 중량%의 크롬(Cr), 약 1.5 중량% 이하의 코발트(Co), 2.5 내지 3.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 5.0 내지 5.75 중량%의 (콜럼븀(Cb)+탄탈륨(Ta)), 0.7 내지 1.2 중량%의 티탄(Ti), 0.3 내지 0.9 중량%의 알루미늄(Al), 21 중량% 이하의 철(Fe), 일반적으로 나머지량의 Ni으로 구성되는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    물질이 약 0.025 중량% 이하의 탄소(C), 약 0.4 중량% 이하의 망간(Mn), 약 0.4 중량% 이하의 규소(Si), 12 내지 16 중량%의 크롬(Cr), 약 3 내지 6 중량% 이하의 몰리브덴(Mo), 0.8 내지 3.5 중량%의 (콜럼븀(Cb)+탄탈륨(Ta)), 0.7 내지 1.3 중량%의 티탄(Ti), 5.25 내지 6.75 중량%의 알루미늄(Al), 1 중량% 이하의 철(Fe), 일반적으로 나머지량의 Ni 및 코발트(Co)로 구성되는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    물질이 약 0.15 중량% 이하의 탄소(C), 약 12 내지 20 중량%의 크롬(Cr), 약 10 내지 20 중량%의 코발트(Co), 2 내지 5.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 3 내지 7 중량%의 티탄(Ti), 1.2 내지 3.5 중량%의 알루미늄(Al), 0.01 내지 0.15 중량%의 지르코늄(Zr), 0.002 내지 0.05 중량%의 붕소(B), 일반적으로 나머지량의 Ni으로구성되는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    물질이 약 8 중량%의 Cr, 10 중량%의 Co, 6 중량%의 Mo, 4 중량%의 Ta, 6 중량%의 Al, 1 중량%의 Ti, 0.1 중량%의 C, 0.015 중량%의 B 및 0.1 중량%의 Zr으로 구성되는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    물질이 약 23.5 중량%의 크롬(Cr), 10 중량%의 니켈(Ni), 7 중량%의 텅스텐(W), 3.5 중량%의 탄탈륨(Ta), 0.2 중량%의 티탄(Ti), 0.5 중량%의 지르코늄, 본질적으로 나머지량의 코발트로 구성되는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    이동 단계가 슬리브 체적의 약 ½ 미만을 충전시킴을 포함하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    이동 단계가 슬리브 체적의 약 ⅓ 미만을 충전시킴을 포함하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    생성된 제품이 가스 터빈 엔진 요소를 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    생성된 제품이 압축기 요소를 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    생성된 제품이 본질적으로 블레이드 및 날개로 구성된 군중에서 선택되는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    투입 단계가 약 30 내지 250 인치/초(0.77 내지 6.4 m/초)의 속도로 슬리브를 통해서 플런저를 이동시킴을 포함하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    투입 단계가 약 500 내지 1500 psi(3.5 내지 10.5 Mpa)의 압력으로 슬리브를 통해서 플런저를 이동시킴을 포함하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    투입 단계가 플런저 스트로크의 말단에서 압력을 증가시킴을 포함하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    투입 및 고화 단계에서 평균 그레인 크기가 ASTM 0 미만인 제품을 형성하는 방법.
  26. 제 1 항에 있어서,
    몰드에 투입된 용융 물질을 약 2 초 미만 동안 고화시키도록 다이의 온도를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  27. 제 1 항에 있어서,
    다이로부터 고화된 제품을 방출하는 단계; 및
    제품내의 임의의 공극을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  28. 제 30 항에 있어서,
    공극을 제거하는 단계가,
    제품을 약 1400℉(760℃) 이상으로 가열하고 약 14 ksi/98MPa 이상의 압력을 제품에 가하는 단계; 및
    약 2 시간 이상 동안 상기 열 및 압력을 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    후속적으로 약 2 시간 이상 동안 비반응성 분위기에서 약 1500℉(815℃) 이상의 온도로 제품을 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  30. 티탄 합금을 용융시키기 위한 용융 유니트, 일반적으로 원통형이고 수평적이면서다수의 부품과 유체 연통된 발사 슬리브, 용융 티탄 합금을 용융 유니트로부터 슬리브로 이동시키기 위한 이동 유니트, 용융 티탄 합금을 수용하기 위한 다이-공동-한정 다이, 및 용융 티탄 합금을 발사 슬리브로부터 다이 공동으로 압송하기 위한 슬리브와 밀봉되면서도 운동가능하게 맞물려져 있는 플런저를 포함하되, 상기 슬리브가 플런저와 슬리브에 의해 슬리브 충전 체적이 한정되는 제 1 위치와, 용융 티탄 합금이 다이로 투입되는 위치 사이에서 이동가능하게 된 다이 캐스팅기에서 티탄 합금 제품을 제조하는 방법으로서,
    용융 유니트, 발사 슬리브 및 다이 공동내에서 비반응성 분위기로 유지하는 단계;
    용융 유니트에서 단일 분량의 티탄 합금을 용융시키는 단계;
    용융 유니트로부터 발사 슬리브로 충분량의 용융 티탄 합금을 이동시켜 전체 발사 슬리브를 그 체적보다 적게 충전시키는 단계; 및
    슬리브를 통해서 플런저를 이동시켜 용융 티탄을 다이 공동으로 빠르게 투입하고, 다이 공동내에서 용융 티탄 합금을 고화하는 단계를 포함하는, 다이 캐스팅기에서 티탄 합금 제품을 제조하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    미세구조물이 추가로 유동선을 갖지 않고 변형된 베타 미세구조를 특징으로 하는 방법.
  32. 제 30 항에 있어서,
    약 100㎛ 미만의 압력하에서 진공 분위기하에서 용융 유니트, 발사 슬리브 및 다이 공동을 유지함을 포함하는 방법.
  33. 제 33 항에 있어서,
    유지 단계가 비반응성 분위기하에서 개별적으로 용융 유니트, 발사 슬리브 및 다이 공동을 유지함을 포함하는 방법.
  34. 제 30 항에 있어서,
    용융 단계가 약 4 내지 8중량%의 Al, 3 내지 5 중량%의 V, 및 본질적으로 나머지량의 Ti의 조성을 갖는 물질을 용융시킴을 포함하는 방법.
  35. 제 30 항에 있어서,
    용융 단계가 약 7 내지 8.5 중량%의 Al, 0.5 내지 1.5중량%의 Mo, 0.5 내지 1.5 중량%의 V, 및 본질적으로 나머지량의 Ti의 조성을 갖는 물질을 용융시킴을 포함하는 방법.
  36. 제 30 항에 있어서,
    용융 단계는 화학량론적 양으로 티탄 및 알루미늄으로 구성된 물질을 용융시키고, 이로써 생성된 제품이 TiAl 및 TiAl3으로 구성되는 방법.
  37. 제 30 항에 있어서,
    용융 단계가 약 7 내지 8.5 중량%의 Al, 0.5 내지 1.5 중량%의 Mo, 0.5 내지 1.5 중량%의 V 및 일반적으로 나머지량의 티탄의 조성을 물질을 용융시킴을 포함하는 방법.
  38. 제 30 항에 있어서,
    이동 단계가 슬리브 체적의 약 ½ 미만으로 충전시킴을 포함하는 방법.
  39. 제 30 항에 있어서,
    투입 및 고화 단계가 ASTM 0 미만의 평균 그레인 크기를 갖는 제품을 형성하는 방법.
  40. 제 30 항에 있어서,
    다이로부터 제품을 방출하는 단계; 및
    제품내의 임의의 공극을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  41. 제 30 항에 있어서,
    공극을 제거하는 단계가
    제품을 약 1000℉(537℃)로 가열하고 약 14 ksi/98MPa 이상의 압력을 제품에 가하는 단계; 및
    약 2 시간 이상동안 열 및 압력을 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  42. 티탄 합금을 용융시키기 위한 용융 유니트, 일반적으로 원통형이고 수평적이면서 다수의 부품과 유체 연통된 발사 슬리브, 용융된 티탄 합금을 다이 공동으로 용융 유니트로부터 슬리브로 이동시키기 위한 이동 유니트, 용융 티탄 합금을 수용하기 위한 다이-공동-한정 다이, 및 용융 티탄 합금을 발사 슬리브로부터 다이 공동까지 압송하기 위한 슬리브와 밀봉되면서도 운동가능하게 맞물려져 있는 플런저를 포함하되, 상기 슬리브가 플런저와 슬리브에 의해 슬리브 충전 체적이 한정되는 제 1 위치와, 용융 티탄 합금이 다이로 투입되는 위치 사이에서 이동가능하게 된 다이 캐스팅기에서 1종 이상의 반응성 원소로 구성된 제품을 제조하는 방법으로서,
    용융 유니트, 발사 슬리브 및 다이 공동을 비반응성 분위기로 유지되는 단계;
    용융 유니트에서 단일 분량의 물질을 용융하되, 용융 물질이 약 200℉(95℃) 미만의 과열에 의해 용융되는 단계;
    용융 유니트로부터 발사 슬리브로 용융 합금을 이동시키는 단계; 및
    슬리브를 통해서 플런저를 이동시켜 용융 합금을 빠르게 투입하고, 다이 공동에서 용융 티탄 합금을 고화하는 단계를 포함하는, 다이 캐스팅기에서 1종 이상의 반응성 원소로 구성된 제품을 제조하는 방법.
  43. 제 42 항에 있어서,
    용융 단계가 약 100℉(37℃) 미만의 과열에 의해 물질을 용융시킴을 포함하는 방법.
  44. 제 42 항에 있어서,
    용융 단계가 약 50℉(37℃) 미만의 과열에 의해 물질을 용융시킴을 포함하는 방법.
  45. 제 42 항에 있어서,
    용융 단계가 티탄 합금, 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 철계 초합금 및 이들의 혼합물로 구성된 군중에서 선택되는 방법.
KR1020017008058A 1998-12-23 1999-12-22 고융점 물질의 다이 캐스팅 KR20020003358A (ko)

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