KR20090054916A

KR20090054916A - 고 반응성 티타늄 금속을 원심분리적으로 주조하는 방법

Info

Publication number: KR20090054916A
Application number: KR1020080117904A
Authority: KR
Inventors: 토마스 조셉 켈리; 마이클 제임스 웨이머
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2009-06-01
Also published as: US20110094705A1; EP2067547A1; JP2009125811A; TW200930479A

Abstract

본 발명은 복수의 유도 코일 및 제거가능한 바닥 판을 가진 냉각벽 유도 도가니를 제공하는 단계, 전력 공급원을 사용하여 상기 유도 도가니 내의 티타늄 금속 충전물을 가열함으로써 용융된 금속을 수득하는 단계, 제2 도가니를 예열하고 예열된 제2 도가니를 원심분리 주조기 내에 넣는 단계, 제2 도가니를 가진 원심분리 주조기를 상기 유도 도가니 아래에 배치하는 단계, 상기 유도 도가니의 바닥 판을 회수하고 상기 유도 도가니로의 전력 공급원을 끔으로써 상기 용융된 금속이 상기 유도 도가니로부터 상기 제2 도가니 내로 떨어지게 하는 단계, 및 상기 제2 도가니를 가속화하여 상기 용융된 금속이 원심분리력에 의해 주조 주형 내로 들어가게 함으로써 주조 구성요소를 생성하는 단계를 포함하는, 고 반응성 티타늄 금속을 원심분리적으로 주조하는 방법을 제공한다.

Description

고 반응성 티타늄 금속을 원심분리적으로 주조하는 방법{METHODS FOR CENTRIFUGALLY CASTING HIGHLY REACTIVE TITANIUM METALS}

본원의 실시양태는 일반적으로 고 반응성 금속을 원심분리적으로 주조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원의 실시양태는 일반적으로 고 반응성 티타늄 합금, 특히 티타늄 알루미나이드 합금을 원심분리적으로 주조하는 방법에 관한 것이다.

터빈 엔진 디자이너는 엔진 중량을 감소시키고 더 높은 엔진 작동 온도를 얻기 위한 개선된 성질을 가진 새로운 재료를 계속 찾고 있다. 티타늄 합금(Ti 합금), 특히 티타늄 알루미나이드 기재 합금(TiAl 합금)은 저온 기계적 성질, 예컨대, 실온 연성 및 강성뿐만 아니라 고온 강도 및 내변형성(creep resistance)을 모두 겸비하고 있을 것으로 기대된다. 이러한 이유로, TiAl 합금은 많은 터빈 엔진 구성요소를 만드는 데 현재 사용되는 니켈-기재 초합금을 대체할 수 있는 잠재력을 가진다.

진공 아크(Arc) 재-용융(Vacuum Arc Re-melting; VAR)은 Ti 합금을 용융시키는 데 통상적으로 사용되는 한 기법이다. VAR은 일반적으로 티타늄 합금 전극과 수냉(water-cooled) 구리 도가니 내에 배치된 티타늄 합금(예를 들어, 전극 단부) 사이에서 아크를 발생시키는 단계를 포함한다. 용융된 풀이 확립되고 전극이 점진적으로 용융된다. 충분히 용융된 금속이 이용가능한 경우, 전극을 제거하고 도가니를 기울여 금속을 구성요소 주조용 주형 내로 붓는다.

VAR 기법은 여러 단점을 가질 수 있다. VAR 공정에서 사용되는 티타늄 전극은 인증된 스크랩 또는 복구 재료로부터 전극을 생성시키는 데 수반되는 고가의 티타늄 강편/단조품 및 많은 인건비 때문에 고가일 수 있다. 또한, 예비-합금된 전극에 대한 요건 때문에 비-표준 합금을 생성하는 것이 어렵고 비용이 소요될 수 있다. 게다가, 수냉 도가니를 사용할 필요성이 상기 금속에서 달성할 수 있는 초열도(degree of superheat)를 제한할 수 있고, 초열도의 제한은 유동성에 영향을 미쳐 박벽 주형을 충전시키는 것을 어렵게 할 수 있다. 나아가, 상기 아크가 상기 금속에 충돌하는 경우 온도가 최대가 되며 용융된 금속에서 고온 구배가 존재한다. 이것은 주형의 충전에도 영향을 미칠 수 있고 고화되는 주물의 불충분한 온도 구배를 설정한다.

전술한 VAR 기법의 문제점에 비추어, Ti 합금을 용융시킬 때 사용할 수 있는 또 다른 방법은 진공 유도 용융(Vacuum Induction Melting; VIM)이다. VIM은 용융되어 공기 중에서 주조될 수 없는 반응성 원소, 예컨대, 티타늄 및 알루미늄을 함유하는 특수 외래 합금을 가공하기 위해 개발되었다. 이러한 합금의 사용이 계속 증가하기 때문에, VIM은 결과적으로 더욱 통상적인 방법이 되고 있다.

VIM은 일반적으로 비-전도성 내화 합금 산화물로 만들어진 도가니 내의 금속 충전물이 액체 형태로 용융될 때까지 상기 도가내 내에서 금속을 가열하는 단계를 포함한다. 이 기법에서, 고체 티타늄 합금 조각은 통상적으로 구리로 만들어진 냉각된 금속 노 내에 배치되고 매우 강한 열 공급원, 예컨대, 아크 또는 플라즈마를 사용하여 불활성 대기 중에서 용융된다. 용융된 풀은 구리 노의 경계 벽에 인접한 티타늄이 고체로 남아있는 동안 티타늄 충전물의 내면 및 상면 상에서 먼저 형성될 것이다. 발달하는 이 고체 티타늄 "스컬(skull)"은 오염되지 않은 액체 티타늄 금속을 함유한다. 냉각벽 유도 용융의 일반적인 논의에 대해서는 로우(Rowe)에게 허여된 미국 특허 제4,654,858호를 참조한다.

전술한 바와 같이, 구리 도가니는 많은 이유로 고 반응성 합금의 냉각벽 유도 용융에 가장 빈번히 사용된다. 예를 들어, 세라믹 도가니로부터의 용융 및 주조는 도가니 분열을 발생시킬 수 있는 도가니 상에의 유의한 열적 스트레스를 유도할 수 있다. 이러한 분열은 도가니 수명을 감소시킬 수 있고 구성요소 내의 함유물이 주조되게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 고 반응성 TiAl 합금은 세라믹 도가니를 분열시킬 수 있고 티타늄 합금을 산소 및 산소로부터의 내화 합금 둘다로 오염시킬 수 있다. 유사하게, 그래파이트 도가니가 사용되는 경우, 티타늄 알루미나이드는 상기 도가니로부터 다량의 탄소를 티타늄 합금으로 용해시킴으로써 오염을 초래할 수 있다. 이러한 오염은 티타늄 합금의 기계적 성질을 상실시킬 수 있다.

구리는 세라믹 및 그래파이트 도가니와 관련된 전술한 문제점을 덜 나타내는 경향이 있는데, 이는 냉각벽 유도 용융을 이용하여 고 반응성 금속 합금을 용융시키는 경우 구리 도가니가 전형적으로 사용되는 이유이다.

그러나, 구리 도가니 내에서의 냉각벽 도가니 용융이 전술한 고 반응성 합금의 가공에 야금술적 이점을 제공할 수 있지만, 저 초열, 스컬 형성으로 인한 수율 손실 및 고전력 요구를 비롯한 많은 기술적 및 경제적 한계를 가질 수도 있다. 구체적으로, 냉각벽 유도 도가니는 상기 도가니에의 전력 공급이 종결되고 금속이 주형의 수냉 구리 면에 대해 뚝 떨어지게 되는 경우 열 손실을 겪는다.

진공 유도 용융에서 발생되는 전술한 문제점을 해결하기 위해 이용된 한 방법이 노즐을 통한 냉각 노 용융 시스템으로부터의 바닥 붓기이다. 로우(Rowe)에게 허여된 미국 특허 제4,546,858호 및 왕 등(Wang et al.)에게 허여된 미국 특허 제5,164,097호를 참조한다. 전형적으로 사용되는 노즐 재료는 우수한 열 전도 물질인 것으로 간주되는 구리 또는 청동이다. 그래파이트 및 열적 절연 물질도 노즐 재료로서 사용될 수 있는 것으로 언급되고 있다.

노즐의 사용은 다른 통상적인 방법에 비해 많은 이점을 제공할 수 있지만 곤란한 문제점을 일으킬 가능성이 전혀 없는 것은 아니다. 예를 들어, 냉각 노 용융 및 티타늄과 같은 반응성 금속의 바닥 붓기는 노즐 내의 바람직하지 못한 용융물 결빙을 초래할 수 있다. 또한, 많은 도가니/노즐 시스템이 액체 유동 속도의 필수적 조절의 제공, 노즐 부식의 최소화 및 용융물 오염의 최소화에 직면할 수 있다.

진공 유도 용융에서 발생하는 전술한 문제점을 해결하기 위해 사용되고 있는 또 다른 방법이 부유 용융인데, 이 방법은 일반적으로 유도 코일로부터의 에너지를 사용하여 용융된 금속을 전자기적으로 부유시키는 단계를 포함한다. 부유 용융에 대한 일반적인 논의에 대해서는 피쉬만 등(Fishman et al.)에게 허여된 미국 특허 제5,275,229호를 참조한다. 그러나, 자기 유도장은 금속을 가열할 수 있을 뿐만 아니라 용융된 금속을 도가니 내의 공간에 부유된 상태로 유지시킬 수 있고, 일단 이 시스템에 대한 전력 공급원이 꺼지면, 금속이 수냉 도가니 내로 다시 미끄러져 떨어질 수 있고 금속이 부어질 수 있기 전에 다시 냉각될 수 있다. 이것은 주형의 불완전한 충전을 초래할 수 있다.

따라서, 전술한 바와 같은 진보에도 불구하고, 붓는 과정 동안 고 반응성 금속 합금, 예컨대, TiAl이 용융된 상태로 남아있게 하면서도 통상적인 용융 공정과 관련된 문제점의 발생을 감소시키는 상기 합금의 개선된 용융 방법이 필요하다.

본원의 실시양태는 일반적으로, 복수의 유도 코일 및 제거가능한 바닥 판을 가진 냉각벽 유도 도가니를 제공하는 단계, 전력 공급원을 사용하여 상기 유도 도가니 내의 티타늄 금속 충전물을 가열함으로써 용융된 금속을 수득하는 단계, 제2 도가니를 예열하고 예열된 제2 도가니를 원심분리 주조기 내에 넣는 단계, 제2 도가니를 가진 원심분리 주조기를 상기 유도 도가니 아래에 배치하는 단계, 상기 유도 도가니의 바닥 판을 회수하고 상기 유도 도가니로의 전력 공급원을 끔으로써 상기 용융된 금속이 상기 유도 도가니로부터 상기 제2 도가니 내로 떨어지게 하는 단계, 및 상기 제2 도가니를 가속화하여 상기 용융된 금속이 원심분리력에 의해 주조 주형 내로 들어가게 함으로써 주조 구성요소를 생성하는 단계를 포함하는, 고 반응성 티타늄 금속을 원심분리적으로 주조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본원의 실시양태는 복수의 유도 코일 및 제거가능한 바닥 판을 가진 냉각벽 유도 도가니를 제공하는 단계, 전력 공급원을 사용하여 상기 유도 도가니 내의 티타늄 금속 충전물을 가열함으로써 용융된 금속을 수득하는 단계, 제2 도가 니를 예열하고 예열된 제2 도가니를 원심분리 주조기 내에 넣는 단계, 상기 유도 도가니 아래에 깔때기를 배치하는 단계, 상기 제2 도가니를 가진 원심분리 주조기를 상기 깔때기 아래에 배치하는 단계, 상기 유도 도가니의 바닥 판을 회수하고 상기 유도 도가니로의 전력 공급원을 끔으로써 상기 용융된 금속이 상기 깔때기를 통해 상기 유도 도가니로부터 상기 제2 도가니로 떨어지게 하는 단계, 및 상기 제2 도가니를 가속화시켜 용융된 금속이 원심분리력에 의해 주조 주형 내로 들어가게 함으로써 주조 구성요소를 생성하는 단계를 포함하는, 고 반응성 티타늄 금속을 원심분리적으로 주조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본원의 실시양태는 복수의 유도 코일 및 슬라이딩식으로 제거가능한 바닥 판을 가진 냉각벽 유도 도가니를 제공하는 단계, 전력 공급원을 사용하여 상기 유도 도가니 내의 티타늄 알루미나이드 충전물을 가열함으로써 용융된 티타늄 알루미나이드를 수득하는 단계, 제2 도가니를 예열하고 예열된 제2 도가니를 원심분리 주조기 내에 넣는 단계, 니오븀 깔때기를 상기 유도 도가니 아래에 배치하는 단계, 상기 제2 도가니를 가진 원심분리 주조기를 상기 니오븀 깔때기 아래에 배치하는 단계, 상기 유도 도가니의 바닥 판을 슬라이딩식으로 제거하고 상기 유도 도가니로의 전력 공급원을 끔으로써 상기 용융된 티타늄 알루미나이드가 상기 니오븀 깔때기를 통해 상기 유도 도가니로부터 상기 제2 도가니 내로 떨어지게 하는 단계, 용융된 티타늄 알루미나이드가 제2 도가니 내로 떨어진 후 약 0.5 내지 약 2초 동안 상기 제2 도가니를 정지 상태로 유지하는 단계, 및 상기 제2 도가니를 약 1 내지 약 2초 동안 약 100 내지 약 600 rpm으로 가속화하여 용융된 티타늄 알루미나이 드가 원심분리력에 의해 주조 주형 내로 들어가게 함으로써 주조 저압 터빈 블레이드(turbine blade)를 생성하는 단계를 포함하는, 고 반응성 티타늄 알루미나이드를 원심분리적으로 주조하는 방법에 관한 것이다.

이들 특징, 다른 특징, 양태 및 이점은 하기 상세한 개시내용으로부터 당업자에게 자명해질 것이다.

본 발명의 주조 방법은 붓는 과정 동안 고 반응성 금속 합금, 예컨대, TiAl이 용융된 상태로 남아있게 하면서도 통상적인 용융 공정과 관련된 문제점의 발생을 감소시킨다.

본 명세서에 기재된 실시양태는 고 반응성 금속, 특히 티타늄 합금 및 티타늄 알루미나이드 합금을 그물형 구성요소로 원심분리적으로 주조하는 방법에 관한 것이지만, 하기 설명으로 한정되어서는 안된다.

본 명세서의 하기 설명에 따라, 본체(12)를 가진 냉각벽 유도 도가니(10)가 도 1에 도시된 바와 같이 제공될 수 있다. 본체(12)는 우수한 열 및 전기 전도성을 가진 임의의 금속, 예컨대, 구리로 만들어질 수 있다. 본체(12)는 상기 도가니의 가열 과정 동안에 구리가 용융되는 것을 방지하도록 수냉될 수 있다. 보다 구체적으로, 구리는 일반적으로 약 1900℉(약 1038℃)에서 용융되고 TiAl은 약 2600 ℉(약 1427℃)에서 용융되며, 도가니 내의 구리는 티타늄과 같은 낮은 융점을 형성할 수 있다. 수냉 도가니는 이것이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 수냉 입구(24) 및 출구(26)는 본체(12) 주변에 배치된 복수의 채널(28)을 통해 냉각수를 순환시키는 데 사용될 수 있다. 본체(12)가 유도 용융에서 사용될 수 있는 원하는 임의의 형태를 가질 수 있지만, 한 실시양태에서, 본체(12)는 일반적으로 중공 실린더로서 성형될 수 있다. 본체(12)는 전력 공급원(21)을 사용하여 가열시킬 수 있는, 그 자신 주변에 배치된 복수의 유도 코일(14)을 가질 수 있다. 본 명세서에서 후술하는 바와 같이, 코일(14)은 상기 도가니 내에 배치된 금속 충전물을 용융시키고 그의 용융된 상태를 유지하기 위한 열 공급원으로서 작용할 수 있다.

도가니(10)는 도 1에 도시된 제거가능한 바닥 판(16)을 가질 수도 있다. 도가니(10)와 마찬가지로, 바닥 판(16)은 우수한 열 및 전기적 전도성을 가진 임의의 금속을 포함할 수 있고, 한 실시양태에서, 구리를 포함할 수 있다. 바닥 판(16)은 수냉될 수도 있고 그 자신 아래에 배치된 복수의 유도 코일(14)을 가짐으로써 상기 도가니(10) 내에 배치된 금속 충전물의 용융을 보조하고 그의 용융 상태를 유지할 수 있다. 추가로, 전기적 절연 판(19)이 바닥 판(16)을 둘러싸 도가니(10)의 바닥에서 열을 유지할 수 있다. 본 명세서에서 후술하는 바와 같이, 바닥 판(16)을 슬라이딩(도 2 및 3에 도시됨), 회전, 낙하 등을 포함하나 이들로 한정되지 않는 다양한 방식으로 본체(12)로부터 제거할 수 있다.

사용에 있어서, 고 반응성 합금을 포함하는 금속 충전물(18)은 도 1에 도시된 바와 같이 도가니(10)의 본체(12) 내부에 배치될 수 있다. 한 실시양태에서, 금속 충전물(18)은 티타늄 합금, 보다 구체적으로 티타늄 알루미나이드 합금을 포함할 수 있고, 덩어리, 주괴, 과립, 판, 분말 및 이들의 혼합물을 포함하나 이들로 한정되어서는 안되는 임의의 허용가능한 형태를 취할 수 있다. 당업자라면 도가니(10) 내로 배치된 금속 충전물(18)의 양이 목적 용도에 따라 달라질 수 있지만, 한 실시양태에서 약 1 파운드(약 454 g) 내지 약 3.5 파운드(약 1588 g), 또 다른 실시양태에서 약 1.25 파운드(약 567 g) 내지 약 3.3 파운드(약 1497 g)의 금속 충전물(18)이 본 명세서에서 후술하는 바와 같이 그물형 저압 터빈 블레이드를 만드는 데 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

일단 금속 충전물(18)이 도가니(10) 내부에 배치되면, 한 실시양태에서 도가니(10)와 동일한 재료로 만들어질 수 있는 덮개(20)를 본체(12)의 상부에 배치하여 덮개 고리(22)와 함께 고정시켜 도가니(10)가 확실히 밀봉되게 할 수 있다. 전력 공급원(21)은 켜질 수 있고 금속 충전물(18)은 한 실시양태에서 약 2700 내지 약 2835℉(약 1480 내지 약 1557℃)일 수 있는 적절한 온도가 달성되는 경우 용융될 수 있다. 당업자는 유도 코일에 의해 발생된 전자기장이 금속 충전물 내의 전류에 의해 발생된 내열성으로 인해 금속 충전물이 저절로 내부적으로 가열되게 함을 이해할 것이다. 금속 충전물(18)이 용융되기 시작함에 따라, 전력이 도가니(10)에 공급되는 한 용융된 금속(30)은 도가니(10)의 본체(12) 내에 부유하게 됨으로써 본체(12)의 내부와 접촉하지 않을 수 있다. 용융된 금속(30)의 이 부유는 스컬의 형성을 방지할 수 있다.

유도 도가니(10) 내에서 금속 충전물을 용융시킴과 동시에, 제2 도가니(32) 또는 다른 유사 보유 장치를 임의의 허용가능한 수단, 예컨대, 마이크로파 또는 방사 에너지(이들로 한정되지 않음)를 사용하여 예열할 수 있다. 제2 유도관은 그래파이트 또는 세라믹으로 만들어질 수 있고, 경우에 따라 예를 들어 니오븀과 같은 금속 라이너(liner)를 가질 수 있다. 제2 도가니(32)는 유도 도가니(10) 내에서의 유도 용융 과정 동안에 발생된 용융된 금속 내의 초열을 전혀 상실하지 않으면서 용융된 금속을 주조 주형으로 전달하는 데 도움이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 도가니(32)는 약 1832℉(약 1000℃) 이상, 한 실시양태에서 약 1832 내지 약 2200℉(1000 내지 약 1200℃)로 예열될 수 있고, 제2 도가니(32)가 니오븀을 포함하는 경우 약 1980℉(약 1082℃)로 예열될 수 있고, 한 실시양태에서 제2 도가니가 세라믹을 포함하는 경우 약 1980 내지 약 2400℉(1082 내지 약 1316℃)로 예열될 수 있다. 예열은 제2 도가니(32)의 열 충격 및 분열을 방지하는 것을 도와 상기 도가니의 재사용을 가능하게 할 수 있다. 그 다음, 도 3에 일반적으로 도시된 바와 같이, 예열된 제2 도가니(32)를 원심분리 주조기(36)의 회전팔(34) 내에 넣고 유도 도가니(10) 아래에 배치할 수 있다. 임의의 통상적인 원심분리 주조기, 예를 들어, 린 하이-텀 티탄캐스트(Linn High-Therm Titancast) 700(독일 제품) 또는 SEIT 수퍼캐스트(Supercast)(이탈리아 제품)가 본 발명에서 사용될 수 있다.

그 다음, 제거가능한 바닥 판(16)을 전술한 바와 같이 도가니(10)의 본체(12)로부터 회수할 수 있다. 도 2 및 3에 도시된 실시양태에서, 바닥 판(16)은 임의의 허용가능한 기작, 예컨대, 트랙(track) 또는 가이드(guide)(이들로 한정되지 않음)를 이용하여 도가니(10)으로부터 슬라이딩식으로 제거될 수 있다. 바닥 판(16)이 제거되더라도, 유도 코일(14)에 의해 발생된 전자기장은 도 2에 도시된 바와 같이 용융된 금속(30)을 추가 가공 시까지 도가니(10)의 본체(12) 내에서 부유 상태로 유지할 수 있다.

전력 공급원(21)이 꺼진 경우, 용융된 금속(30)은 니오븀 깔때기(33)를 통해 유도 도가니(10)로부터 예열된 제2 도가니(32) 내로 떨어질 수 있고, 상기 제2 도가니(32)는 용융된 금속(30)이 제2 도가니(32)로 완전히 전달되기에 충분한 시간(한 실시양태에서, 약 0.5 내지 약 2초일 수 있음) 동안 주조기(36) 내에서 정지 상태를 유지할 수 있다. 일단 용융된 금속(30)의 전달이 완료되면, 제2 도가니(32)는 약 100 내지 약 600 rpm일 수 있는 최대 속도로 신속히 (약 1 내지 약 2초 이내에) 가속화될 수 있다. 주조기(36)는 용융된 금속(30)이 원심분리력에 의해 제2 도가니(32) 외부로 나와 하나 이상의 슬릿, 구멍, 튜브 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있는 출입구(40)를 통해 주조 주형(38) 내로 들어가게 할 수 있다. 제2 도가니(32)로부터 주조 주형(38)으로의 신속한 전달은 이들 둘 사이의 접촉 시간이 약 5초 미만이 되게 한다. 이 짧은 접촉 시간은 열 손실을 유의하게 감소시킬 뿐만 아니라 용융된 금속과 제2 도가니(32)의 제작에 사용된 그래파이트 또는 세라믹 사이의 원치않는 반응이 없게 보장하는 데 도움이 된다.

주조 주형(38)은 불활성 면 코트 및 열적 절연 백킹 재료를 공급하는 임의의 세라믹 외층 주조 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 주조 주형(38)은 산화물을 포함하는 면 코트를 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 산화물은 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란타나이드 계열 산화물, 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된 조성물을 지칭한다. 나아가, 란타나이드 계열 산화물("희토류" 조성물로도 공지되어 있음)은 산화란타늄, 산화세륨, 산화프라세오디뮴, 산화네오디뮴, 산화프로메튬, 산화사마륨, 산화유로퓸, 산화가돌리늄, 산화테르븀, 산화디스프로슘, 산화홀뮴, 산화에르븀, 산화이테르븀, 산화루테튬 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된 산화물을 포함할 수 있다. 주조 주형(38)은 산화알루미늄, 지르코늄 실리케이트, 이산화규소 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된 내화 물질을 콜로이드 실리카 현탁액의 형태로 포함하는 백킹을 포함할 수 있다.

일단 용융된 금속이 주조 주형(38) 내로 실질적으로 전달되면, 원심분리 주조기(36)는 꺼질 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 한 실시양태에서 저압 터빈 블레이드(42)일 수 있는 생성된 구성요소는 통상적인 관용법을 이용하여 주조 주형(38)으로부터 제거할 수 있다. 원심분리 주조의 이용 때문에 블레이드(42)는 주조-후 가공을 거의 필요로 하지 않는다. 주조기(36)에 의해 발생된 원심분리력은 주형의 얇은 절편의 충전을 개선시켜 주조 주형(38)의 최적화된 충전을 제공함으로써 그물형 구성요소를 제공한다.

뿐만 아니라, 냉각벽 도가니를 이용하여 금속 충전물을 용융시키기 때문에, 도가니에 대한 열적 스트레스가 덜하고, 이에 따라 도가니 분열이 덜하다. 이것은 도가니의 재사용을 가능하게 하고 주조 구성요소 내의 함유물이 더 적게 할 수 있다. 또한, 용융된 금속과 제2 도가니 사이의 접촉이 제한되기 때문에, 용융된 금속이 도가니의 분열로 인해 오염될 가능성이 감소된다. 보다 적은 오염은 티타늄 합금의 기계적 성질을 개선시킬 수 있다.

본 명세서에 기재된 설명은 예를 통해 최적 실시양태를 비롯한 본 발명을 개시하고 당업자라면 누구나 본 발명을 완성하여 이용할 수 있게 한다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해 정해지고 당업자에게 도출될 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 이 예가 특허청구범위의 문언과 상이하지 않는 구성요소를 갖거나 특허청구범위의 문헌과 실질적으로 상이하지 않은 균등한 구성요소를 포함하는 경우 본 특허청구범위에 포함된다.

도 1은 본원의 설명에 따라 금속 충전물이 배치되어 있는 냉각벽 유도 도가니의 한 실시양태의 개략적 횡단면도이고;

도 2는 본원의 설명에 따라 바닥 판이 제거되어 있고 용융된 금속이 부유되어 있는 냉각벽 유도 도가니의 한 실시양태의 개략적 횡단면도이고;

도 3은 본원의 설명에 따른 원심분리 주조 시스템의 한 실시양태의 개략적 횡단면도이고;

도 4는 본원의 설명에 따라 주조될 수 있는 구성요소, 즉 저압 터빈 블레이드의 한 실시양태의 개략적 투시도이다.

도면에서 사용된 번호는 하기와 같은 의미를 가진다:

10: 냉각벽 유도 도가니

12: 본체

14: 유도 코일

16: 제거가능한 바닥 판

18: 금속 충전물

19: 전기 절연 판

20: 덮개

21: 전력 공급원

22: 덮개 고리

24: 수냉 입구

26: 수냉 출구

28: 채널

30: 용융된 금속

32: 2차 도가니

33: 깔때기

34: 회전팔

36: 주조기

38: 주조 주형

40: 출입구

42: 저압 터빈 블레이드

Claims

복수의 유도 코일 및 제거가능한 바닥 판을 가진 냉각벽 유도 도가니를 제공하는 단계;

전력 공급원을 사용하여 상기 유도 도가니 내의 티타늄 금속 충전물을 가열함으로써 용융된 금속을 수득하는 단계;

제2 도가니를 예열하고 예열된 제2 도가니를 원심분리 주조기 내에 넣는 단계;

제2 도가니를 가진 원심분리 주조기를 상기 유도 도가니 아래에 배치하는 단계;

상기 유도 도가니의 바닥 판을 회수하고 상기 유도 도가니로의 전력 공급원을 끔으로써 상기 용융된 금속이 상기 유도 도가니로부터 상기 제2 도가니 내로 떨어지게 하는 단계; 및

상기 제2 도가니를 가속화하여 상기 용융된 금속이 주조 주형 내로 원심분리력에 의해 들어가게 함으로써 주조 구성요소를 생성하는 단계

를 포함하는, 고 반응성 티타늄 금속을 원심분리적으로 주조하는 방법.
제1항에 있어서,

티타늄 금속 충전물이 티타늄 알루미나이드 합금을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,

슬라이딩(sliding), 회전 및 낙하로 구성된 군으로부터 선택된 방법을 이용하여 유 도 도가니의 바닥 판을 회수하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

주조 구성요소가 저압 터빈 블레이드(low pressure turbine blade)를 포함하는, 방법.
제2항에 있어서,

유도 도가니의 유도 코일을 이용하여 금속 충전물을 약 1480 내지 약 1557℃의 온도로 가열하여 용융된 금속을 수득하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

용융된 금속이 유도 도가니 내에 부유하게 되는, 방법.
제2항에 있어서,

제2 도가니가 니오븀을 포함하는 경우 상기 제2 도가니를 약 1000℃ 이상의 온도로 예열하고, 제2 도가니가 세라믹을 포함하는 경우 상기 제2 도가니를 약 1082℃ 이상의 온도로 예열하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

용융된 금속이 제2 도가니 내로 떨어진 후 상기 제2 도가니를 약 0.5 내지 약 2초 동안 정지 상태로 유지한 다음, 상기 제2 도가니를 약 1 내지 약 2초 이내에 약 100 내지 약 600 rpm까지 가속화하여 상기 용융된 금속이 원심분리력에 의해 주조 주형 내로 들어가게 하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

주조 주형이 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 란타나이드 계열 산화물 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된 산화물을 포함하는, 방법.
복수의 유도 코일 및 제거가능한 바닥 판을 가진 냉각벽 유도 도가니를 제공하는 단계;

전력 공급원을 사용하여 상기 유도 도가니 내의 티타늄 금속 충전물을 가열함으로써 용융된 금속을 수득하는 단계;

제2 도가니를 예열하고 예열된 제2 도가니를 원심분리 주조기 내에 넣는 단계;

깔때기를 상기 유도 도가니 아래에 배치하는 단계;

상기 제2 도가니를 가진 원심분리 주조기를 상기 깔때기 아래에 배치하는 단계;

상기 유도 도가니의 바닥 판을 회수하고 상기 유도 도가니로의 전력 공급원을 끔으로써 용융된 금속이 상기 깔때기를 통해 상기 유도 도가니로부터 상기 제2 도가니 내로 떨어지게 하는 단계; 및

상기 제2 도가니를 가속화시켜 용융된 금속이 원심분리력에 의해 주조 주형 내로 들어가게 함으로써 주조 구성요소를 생성하는 단계

를 포함하는, 고 반응성 티타늄 금속을 원심분리적으로 주조하는 방법.
제10항에 있어서,

티타늄 금속 충전물이 티타늄 알루미나이드 합금을 포함하는, 방법.
제10항에 있어서,

슬라이딩, 회전 및 낙하로 구성된 군으로부터 선택된 방법을 이용하여 유도 도가니의 바닥 판을 회수하는 단계를 포함하는 방법.
제10항에 있어서,

주조 구성요소가 저압 터빈 블레이드를 포함하는, 방법.
제11항에 있어서,

유도 도가니의 유도 코일을 이용하여 금속 충전물을 약 1480 내지 약 1557℃의 온도로 가열하여 용융된 금속을 수득하는 단계를 포함하는 방법.
제10항에 있어서,

용융된 금속이 유도 도가니 내에 부유하게 되는, 방법.
제11항에 있어서,

제2 도가니가 니오븀을 포함하는 경우 상기 제2 도가니를 약 1000℃ 이상의 온도로 예열하고, 제2 도가니가 세라믹을 포함하는 경우 상기 제2 도가니를 약 1082℃ 이상의 온도로 예열하는 단계를 포함하는 방법.
제10항에 있어서,

용융된 금속이 제2 도가니 내로 떨어진 후 제2 도가니를 약 0.5 내지 약 2초 동안 정지 상태로 유지한 다음, 상기 제2 도가니를 약 1 내지 약 2초 이내에 약 100 내지 약 600 rpm까지 가속화하여 상기 용융된 금속이 원심분리력에 의해 주조 주형 내로 들어가게 하는 단계를 포함하는 방법.
복수의 유도 코일 및 슬라이딩식으로 제거가능한 바닥 판을 가진 냉각벽 유도 도가니를 제공하는 단계;

전력 공급원을 사용하여 상기 유도 도가니 내의 티타늄 알루미나이드 충전물을 가열함으로써 용융된 티타늄 알루미나이드를 수득하는 단계;

제2 도가니를 예열하고 예열된 제2 도가니를 원심분리 주조기 내에 넣는 단계;

니오븀 깔때기를 상기 유도 도가니 아래에 배치하는 단계;

상기 제2 도가니를 가진 원심분리 주조기를 상기 니오븀 깔때기 아래에 배치하는 단계;

상기 유도 도가니의 바닥 판을 슬라이딩식으로 제거하고 상기 유도 도가니로의 전력 공급원을 끔으로써 용융된 티타늄 알루미나이드가 상기 니오븀 깔때기를 통해 상기 유도 도가니로부터 상기 제2 도가니 내로 떨어지게 하는 단계;

용융된 티타늄 알루미나이드가 상기 제2 도가니 내로 떨어진 후 약 0.5 내지 약 2초 동안 상기 제2 도가니를 정지 상태로 유지하는 단계; 및

상기 제2 도가니를 약 1 내지 약 2초 이내에 약 100 내지 약 600 rpm까지 가속화하여 용융된 티타늄 알루미나이드가 원심분리력에 의해 주조 주형 내로 들어가게 함으로써 주조 저압 터빈 블레이드를 생성하는 단계

를 포함하는, 고 반응성 티타늄 알루미나이드를 원심분리적으로 주조하는 방법.
제18항에 있어서,

유도 도가니의 유도 코일을 이용하여 금속 충전물을 약 1480 내지 약 1557℃의 온도로 가열하여 용융된 금속을 수득하는 단계를 포함하는 방법.
제19항에 있어서,

제2 도가니가 니오븀을 포함하는 경우 상기 제2 도가니를 약 1000℃ 이상의 온도로 예열하고, 제2 도가니가 세라믹을 포함하는 경우 상기 제2 도가니를 약 1082℃ 이상의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 방법.