KR20090054921A - Systems for centrifugally casting highly reactive titanium metals - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서애 기술된 실시예는 대체로 고 반응성 금속(highly reactive metal)을 원심 주조하는 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 명세서 기술된 실시예는 대체로 고 반응성 티타늄 합금, 특히 티타늄 알루미나이드(aluminide) 합금을 원심 주조하는 시스템을 기술한다. Embodiments described herein relate generally to systems for centrifugally casting highly reactive metals. More specifically, the embodiments described herein describe a system for centrifugally casting highly reactive titanium alloys, in particular titanium aluminide alloys.
터빈 엔진 설계자는 엔진 중량을 감소시키고 보다 높은 엔진 작동 온도를 얻기 위해 개선된 특성을 갖는 새로운 재료를 계속하여 찾고 있다. 티타늄 합금(Ti 합금), 특히 티타늄 알루미나이드계 합금(TiAl 합금)은 높은 중간 온도 강도 및 크립(creep) 저항뿐만 아니라, 실온 연성 및 인성과 같은 저온 기계적 특성의 유망한 조합을 갖고 있다. 이러한 이유로, TiAl 합금은 수 많은 터빈 엔진 부품을 제조하기 위해 현재 사용되는 니켈계 초합금을 대체할 잠재력을 갖는다.Turbine engine designers are constantly looking for new materials with improved properties to reduce engine weight and achieve higher engine operating temperatures. Titanium alloys (Ti alloys), in particular titanium aluminide-based alloys (TiAl alloys), have a promising combination of low temperature mechanical properties such as room temperature ductility and toughness, as well as high medium temperature strength and creep resistance. For this reason, TiAl alloys have the potential to replace the nickel-based superalloys currently used to fabricate numerous turbine engine components.
진공 아크 재용융(Vacuum Arc Re-melting; VAR)은 Ti 합금을 용융시키기 위 해 보통 사용되는 하나의 기술이다. VAR은 일반적으로 티타늄 합금 전극과 수냉식(water-cooled) 구리 도가니 내에 배치된 동일한 합금의 소재(예를 들어, 전극 단부) 사이에 아크를 일으키는 단계를 포함한다. 용융된 풀(pool)이 형성되고 전극은 점차 용융된다. 충분한 용융 금속이 이용가능하면, 전극은 분리될 수 있고 도가니는 기울어져 부품 주조용 몰드(mold) 내로 금속을 붓는다.Vacuum Arc Re-melting (VAR) is one technique commonly used to melt Ti alloys. VARs generally include causing an arc between a titanium alloy electrode and a material of the same alloy (eg, electrode end) disposed in a water-cooled copper crucible. A molten pool is formed and the electrode gradually melts. If enough molten metal is available, the electrodes can be separated and the crucible is tilted to pour the metal into the mold for casting parts.
VAR 기술은 몇몇 단점을 가질 수 있다. VAR 공정에서 사용되는 티타늄 전극은 티타늄 빌릿(billet)/단조의 높은 가격과, 증명된 작은 조각 또는 리버트 재료(revert material)로부터 전극을 형성하는 것과 관련된 높은 인건비 때문에 비쌀 수 있다. 또한, 예비 합금 전극에 대한 요건은 비표준 합금을 생산하는 것을 어렵게 하고 비싸게 할 수 있다. 더욱이, 수냉식 도가니를 사용하여야 하는 필요성은 금속에서 달성될 수 있는 과열의 정도를 제한할 수 있고, 이것은 유동성에도 영향을 미칠 수 있어, 얇은 벽 주물을 충전하는 것이 어려워지는 원인이 된다. 또한, 금속에 아크를 일으키는 가장 높은 온도가 존재하고, 높은 온도 구배(gradient)가 용융 금속 내에 존재한다. 이것은 또한 몰드의 충전에 영향을 미칠 수 있고 응고 주물에 열등한 온도 구배를 형성한다.VAR technology can have some disadvantages. Titanium electrodes used in the VAR process can be expensive due to the high price of titanium billets / forgings and the high labor costs associated with forming electrodes from proven scrap or revert materials. In addition, the requirements for prealloy electrodes can make it difficult and expensive to produce non-standard alloys. Moreover, the need to use water-cooled crucibles can limit the degree of overheating that can be achieved in metals, which can also affect flowability, which makes it difficult to fill thin wall castings. In addition, there is the highest temperature that causes arcing in the metal, and a high temperature gradient exists in the molten metal. This can also affect the filling of the mold and create an inferior temperature gradient in the solidification casting.
VAR 기술과 관련된 전술의 문제의 면에서, Ti 합금을 용융시킬 때 채용될 수 있는 다른 방법은 진공 유도 용융(Vacuum Induction Melting; VIM)이다. VIM은 공기 중에서는 용융 및 주조될 수 없는 티타늄 및 알루미늄과 같은 반응성 요소를 포함하는 특수 합금 및 신종 합금을 처리하기 위해 개발되었다. 그러한 합금의 사용이 계속하여 증가하기 때문에, VIM은 그 결과로서 보다 평범하게 되고 있다.In view of the foregoing problems associated with VAR technology, another method that may be employed when melting the Ti alloy is Vacuum Induction Melting (VIM). VIM has been developed to handle specialty alloys and new alloys containing reactive elements such as titanium and aluminum that cannot be melted and cast in air. As the use of such alloys continues to increase, VIM is becoming more common as a result.
진공 유도 용융은 일반적으로 도가니 내의 금속 장입물이 액체 형태로 용융될 때까지 비전도 내화성 산화 합금으로 제조된 도가니 내의 금속을 가열하는 단계를 포함한다. 이 기술에서, 고형 티타늄 합금의 소재가 보통 구리로 제조된 냉각 금속 노(hearth) 내에 배치되고, 아크 또는 플라즈마와 같은 아주 강렬한 열원을 사용하여 비활성 대기에서 용융된다. 용융 풀이 초기에 티타늄 장입물의 내부 및 최상면 상에 형성될 것이고, 구리 노의 인접 벽 부근의 티타늄은 고형으로 남아 있는다. 발생된 고형 티타늄의 이 "스컬(skull)"은 오염물이 없는 액체 티타늄 금속을 포함한다. 냉벽(cold wall) 유도 용융의 일반적 논의에 대해서는 로웨(Rowe)에게 허여된 미국 특허 제 4,654,858 호를 참조하길 바란다. Vacuum induction melting generally involves heating the metal in the crucible made of a non-conductive refractory oxide alloy until the metal charge in the crucible melts in liquid form. In this technique, a solid titanium alloy material is placed in a cold metal hearth, usually made of copper, and melted in an inert atmosphere using a very intense heat source such as an arc or plasma. The melt pool will initially form on the inside and top surfaces of the titanium charge and the titanium near the adjacent wall of the copper furnace remains solid. This "skull" of solid titanium produced includes liquid titanium metal free of contaminants. For a general discussion of cold wall induced melting, see US Pat. No. 4,654,858 to Rowe.
전술된 바와 같이, 구리 도가니는 여러 이유로 고 반응성 합금의 냉벽 유도 용융에 가장 자주 채용된다. 예를 들어, 세라믹 도가니로부터의 용융 및 주조는 도가니 상에 상당한 열 응력을 발생시킬 수 있고, 이것은 도가니 갈라짐으로 귀결될 수 있다. 그러한 갈라짐은 도가니 수명을 감소시키고 주조되는 부품 내에 함유물을 유발할 수 있다. 또한, 고 반응성 TiAl 합금은 세라믹 도가니를 파손시킬 수 있고, 산화물로부터의 산소와 내화성 합금으로 티타늄 합금을 오염시킬 수 있다. 유사하게, 만약 흑연 도가니가 채용된다면, 티타늄 알루미나이드는 도가니로부터의 다량의 탄소를 티타늄 합금 내로 분해시킬 수 있고, 이것에 의해 오염으로 귀결된다. 그러한 오염은 티타늄 합금의 기계적 특성의 손실로 귀결될 수 있다. 구리는 세라믹과 흑연 도가니와 관련된 전술의 문제를 덜 나타낼 것 같은데, 이것이 고 반응성 금속 합금을 용융시키기 위해 냉벽 유도 용융을 사용할 때 구리 도가니가 전 형적으로 채용되는 이유이다. As mentioned above, copper crucibles are most often employed for cold wall induction melting of highly reactive alloys for several reasons. For example, melting and casting from a ceramic crucible can generate significant thermal stress on the crucible, which can result in crucible cracking. Such cracking can reduce crucible life and cause inclusions in the part being cast. In addition, highly reactive TiAl alloys can break ceramic crucibles and contaminate titanium alloys with oxygen and refractory alloys from oxides. Similarly, if a graphite crucible is employed, titanium aluminide can break down a large amount of carbon from the crucible into the titanium alloy, which results in contamination. Such contamination can result in a loss of mechanical properties of the titanium alloy. Copper is less likely to present the aforementioned problems associated with ceramic and graphite crucibles, which is why copper crucibles are typically employed when using cold wall induction melting to melt highly reactive metal alloys.
그러나, 구리 도가니 내에서의 냉각 도가니 용융이 전술된 고 반응성 합금의 처리에 야금학적 이점을 제공할 수 있는 반면, 낮은 과열, 스컬 형성으로 인한 양품률 손실 및 고 전력 요건을 비롯한 다수의 기술적 및 경제적 한계를 가질 수도 있다. 특히, 냉벽 유도 도가니는 도가니로의 전력 공급이 종결되고 금속이 몰드의 수냉 구리측을 향해 떨어지게 되었을 때 열 손실을 입는다.However, while cooling crucible melting in copper crucibles can provide metallurgical advantages in the treatment of the highly reactive alloys described above, many technical and economical factors, including low overheating, loss of yield due to skull formation, and high power requirements. May have limitations. In particular, the cold wall induction crucible suffers heat loss when the power supply to the crucible is terminated and the metal falls towards the water-cooled copper side of the mold.
진공 유도 용융과 관련한 전술의 문제점을 다루기 위해 채용된 하나의 발달은 냉각 노 용융 시스템으로부터 노즐을 통해 바닥에서 붓는 것이다. 로웨에게 허여된 미국 특허 제 4,546,858 호 및 왕(Wang) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,164,097 호를 참조하길 바란다. 전형적으로 채용된 노즐 재료는 양호한 열 전도 재료로 고려되는 구리 또는 황동이었다. 흑연 및 열 절연 재료는 또한 노즐 재료로서의 사용을 위해 언급되었다. One development employed to address the above problems with vacuum induced melting is pouring from the bottom through a nozzle from a cooling furnace melting system. See US Pat. No. 4,546,858 to Loewe and US Pat. No. 5,164,097 to Wang et al. The nozzle material typically employed was copper or brass, considered a good heat conducting material. Graphite and thermal insulation materials have also been mentioned for use as nozzle materials.
노즐의 사용은 다른 보통의 수단에 비해 많은 이익을 제공할 수 있지만, 노즐의 사용은 문제의 소지가 전혀 없는 것은 아니다. 예를 들어, 냉각 노 용융 및 티타늄과 같은 반응성 재료를 바닥에서 붓는 것은 노즐 내의 바람직하지 않은 용융물 굳음으로 귀결될 수 있다. 추가하여, 많은 도가니/노 시스템은 액체 유량의 필수적인 제어를 제공하고, 노즐의 부식을 최소화하며, 용융물 오염을 최소화하기 위해 어려움을 겪을 수 있다. The use of nozzles can provide many benefits over other common means, but the use of nozzles is not without problems at all. For example, cold furnace melting and pouring of reactive materials such as titanium at the bottom can result in undesirable melt hardening in the nozzle. In addition, many crucible / furnace systems can struggle to provide the necessary control of liquid flow rate, minimize nozzle corrosion, and minimize melt contamination.
진공 유도 용융과 관련된 전술의 문제를 다루기 위해 채용된 다른 발달은 부양 용융(levitation melting)이고, 이것은 일반적으로 유도 코일로부터의 에너지를 사용하여 용융되고 있는 금속을 전자기적으로 뜨게 하는 단계를 포함한다. 부양 용융의 일반적인 논의에 대해서는 피시맨(Fishman) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,275,229 호를 참조하길 바란다. 그러나, 자기 유도 자장은 금속을 가열하고 도가니 내의 공간에 떠 있는 용융 금속을 유지하는 양자를 할 수 있지만, 일단 시스템용 전력원이 꺼지면, 금속은 수냉된 도가니 내로 다시 미끄러져 들어가 부어질 수 있기 전에 다시 냉각될 수 있다. 이것은 몰드의 불완전한 충전으로 귀결될 수 있다.Another development employed to address the foregoing problems associated with vacuum induction melting is levitation melting, which generally involves electromagnetically floating the metal being melted using energy from the induction coil. For a general discussion of flotation melting, see US Pat. No. 5,275,229 to Fishman et al. However, the magnetic induction magnetic field can both heat the metal and keep the molten metal floating in the space within the crucible, but once the power source for the system is turned off, the metal can slide back into the water-cooled crucible before it can be poured. Can be cooled again. This can result in incomplete filling of the mold.
따라서, 그러한 진전에도 불구하고, 합금이 붓는 동안 용융 상태를 유지하게 하고, 또한 종래의 용융 공정과 관련한 문제의 발생을 감소시키는, TiAl과 같은 고 반응성 금속 합금을 용융하기에 유용한 개선된 시스템에 대한 필요성이 남아 있다.Thus, despite such advances, improved systems are useful for melting high reactive metal alloys, such as TiAl, which allow the alloy to remain molten during pouring and also reduce the incidence of problems associated with conventional melting processes. There remains a need.
본 명세서에서 실시예는 대체로 티타늄 금속 장입물(metal charge)을 수용하고, 복수의 유도 코일 및 제거가능한 바닥 플레이트를 갖는 냉벽(cold wall) 유도 도가니와, 상기 유도 도가니 내의 티타늄 금속 장입물을 가열하여 용융 금속을 얻는 전력원과, 상기 제거가능한 바닥 플레이트가 분리되고 상기 전력원이 꺼진 후에, 상기 용융 금속이 상기 유도 도가니로부터 낙하할 때 상기 용융 금속을 포획하는 사전가열된 제 2 도가니와, 상기 제 2 도가니를 유지하고 가속시켜 주형 몰드 내로 상기 용융 금속에 원심방향으로 힘을 가하여 주조 부품을 생산하는 원심 주조 기계를 포함하는 고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템에 관한 것이다.Embodiments herein generally receive a titanium metal charge, and a cold wall induction crucible having a plurality of induction coils and a removable bottom plate, and a titanium metal charge in the induction crucible by heating A preheated second crucible that captures the molten metal when the molten metal falls from the induction crucible after the power source obtaining the molten metal and the removable bottom plate are separated and the power source is turned off; A system for centrifugally casting a highly reactive titanium metal comprising a centrifugal casting machine for holding and accelerating a crucible to apply centrifugal force to the molten metal into a mold mold to produce a cast part.
본 명세서에서 실시예는 또한 대체로 티타늄 금속 장입물을 수용하고, 복수의 유도 코일 및 제거가능한 바닥 플레이트를 갖는 냉벽 유도 도가니와, 상기 유도 도가니 내의 티타늄 금속 장입물을 가열하여 용융 금속을 얻는 전력원과, 상기 제거가능한 바닥 플레이트가 분리되고 상기 전력원이 꺼진 후에, 상기 용융 금속이 상기 유도 도가니로부터 낙하할 때 상기 용융 금속을 포획하는 사전가열된 제 2 도 가니와, 상기 용융 금속을 상기 유도 도가니로부터 상기 제 2 도가니로 이동시키는 깔때기부(funnel)와, 상기 제 2 도가니를 유지하고 가속시켜 주형 몰드 내로 상기 용융 금속에 원심방향으로 힘을 가하여 주조 부품을 생산하는 원심 주조 기계를 포함하는 고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템에 관한 것이다. Embodiments herein also generally include a cold wall induction crucible having a titanium metal charge and having a plurality of induction coils and a removable bottom plate, a power source for heating the titanium metal charge in the induction crucible to obtain a molten metal; A preheated second crucible that captures the molten metal when the molten metal falls from the induction crucible after the removable bottom plate is separated and the power source is turned off, and the molten metal from the induction crucible A highly reactive titanium comprising a funnel moving to the second crucible and a centrifugal casting machine for holding and accelerating the second crucible to apply a centrifugal force to the molten metal into a mold mold to produce a cast part. A system for centrifugal casting a metal.
실시예는 또한 대체로 티타늄 알루미나이드 장입물을 수용하고, 복수의 유도 코일 및 슬라이딩가능하게 제거가능한 바닥 플레이트를 갖는 냉벽 유도 도가니와, 상기 유도 도가니 내의 티타늄 알루미나이드 장입물을 가열하여 용융된 티타늄 알루미나이드를 얻는 전력원과, 상기 제거가능한 바닥 플레이트가 분리되고 상기 전력원이 꺼진 후에, 상기 용융된 티타늄 알루미나이드가 상기 유도 도가니로부터 낙하할 때 상기 용융된 티타늄 알루미나이드를 포획하는 사전가열된 제 2 도가니와, 상기 용융된 티타늄 알루미나이드를 상기 유도 도가니로부터 상기 제 2 도가니로 이동시키는 니오브 깔때기부(funnel)와, 상기 용융된 티타늄 알루미나이드가 상기 제 2 도가니 내로 낙하한 후에 상기 제 2 도가니를 약 0.5초 내지 약 2초 동안 정지 상태로 유지하고, 그 후 상기 제 2 도가니를 약 1초 내지 약 2초 내에서 약 100rpm 내지 약 600rpm까지 가속하여 주조 몰드 내로 상기 용융된 티타늄 알루미나이드에 원심방향으로 힘을 가하여 주조 부품을 생산하는 원심 주조 기계를 포함하는 고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템에 관한 것이다. The embodiment also generally includes a cold wall induction crucible containing a titanium aluminide charge and having a plurality of induction coils and a slidably removable bottom plate, and molten titanium aluminide by heating the titanium aluminide charge in the induction crucible. And a preheated second crucible that captures the molten titanium aluminide when the molten titanium aluminide falls from the induction crucible after the removable bottom plate is separated and the power source is turned off. A niobium funnel for moving the molten titanium aluminide from the induction crucible to the second crucible, and the second crucible about 0.5 after the molten titanium aluminide falls into the second crucible. From stationary for seconds to about 2 seconds, and And a centrifugal casting machine for accelerating the second crucible from about 1 second to about 2 seconds to about 100 rpm to about 600 rpm to apply a centrifugal force to the molten titanium aluminide into a casting mold to produce a cast part. A system for centrifugally casting highly reactive titanium metals.
이들 및 다른 특징, 실시형태 및 이점이 이하의 개시 내용으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. These and other features, embodiments, and advantages will become apparent to those skilled in the art from the following disclosure.
본 발명의 고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템에 따르면, 합금이 붓는 동안 용융 상태를 유지하게 하고, 또한 종래의 용융 공정과 관련한 문제의 발생을 감소시킬 수 있다. According to the system for centrifugally casting the highly reactive titanium metal of the present invention, it is possible to keep the alloy in a molten state during pouring, and also to reduce the occurrence of problems associated with conventional melting processes.
본 명세서에 기술된 실시예는 대체로 고 반응성 금속, 특히 티타늄 합금 및 티타늄 알루미나이드 합금을 정밀 정형 부품(net shape component)으로 원심 주조하는 시스템에 관한 것이지만, 이하의 기재는 그것에 제한되어서는 안된다. While the embodiments described herein relate generally to systems for centrifugally casting highly reactive metals, particularly titanium alloys and titanium aluminide alloys, into net shape components, the following description should not be limited thereto.
이하의 본 명세서의 기재에 따르면, 본체(12)를 갖는 냉벽 유도 도가니(10)가 도 1에 도시된 바와 같이 제공될 수 있다. 본체(12)는 예를 들어 구리와 같은 양호한 열 전도율 및 전기 전도율을 갖는 임의의 금속으로 제조될 수 있다. 본체(12)는 도가니의 가열 동안 구리가 용융되는 것을 방지하기 위해 수냉(water-cooling)될 수 있다. 보다 구체적으로, 구리는 대체로 약 1,900℉(약 1,038℃)에서 용융되고, TiAl은 약 2,600℉(약 1,427℃)에서 용융되며, 도가니 내의 구리는 티타늄과 함께 낮은 공융점(melting eutectic)을 형성할 수 있다. 도가니를 수냉시킴으로써 이것이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 수냉 입구(24) 및 출구(26)가 본체(12) 둘레에 위치된 복수의 채널(28)을 통해 냉각수를 순환시키기 위해 사용될 수 있다. 본체(12)는 유도 용융에서의 사용을 위해 요구되는 그리고 적합한 임의의 형상일 수 있지만, 본체(12)는 대체로 중공형 실린더로 형성될 수 있다. 본 체(12)는 그 둘레에 위치된 복수의 유도 코일(14)을 가질 수 있고, 복수의 유도 코일(14)은 전력원(21)을 사용하여 가열될 수 있다. 코일(14)은 이하에 기재되는 바와 같이 도가니 내에 배치된 금속 장입물(metal charge)을 용융시키고 용융 상태를 유지하는 열원(heat source)으로서 작용할 수 있다. According to the description herein below, a cold
도가니(10)는 또한 도 1에 도시된 바와 같이 가동형 바닥 플레이트(16)를 가질 수 있다. 도가니(10)와 마찬가지로, 바닥 플레이트(16)는 양호한 열 전도율 및 전기 전도율을 갖는 임의의 금속을 포함할 수 있고, 일 실시예에서 구리를 포함할 수 있다. 바닥 플레이트(16)는 또한 수냉될 수 있으며, 그 아래에 배치되어 또 한편 도가니(10) 내에 배치된 금속 장입물을 용융시키고 용융 상태를 유지하는 것을 돕는 복수의 유도 코일(14)을 가질 수 있다. 추가로, 전기 절연 플레이트(19)가 바닥 플레이트(16)를 둘러싸 도가니(10) 바닥의 열을 유지하는 것을 도울 수 있다. 이하에 기재되는 바와 같이, 바닥 플레이트(16)는 (도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은) 슬라이딩, 회전 및 낙하(dropping) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 방식으로 본체(12)로부터 분리될 수 있다.
사용시, 고 반응성 합금을 포함하는 금속 장입물(18)이 도 1에 도시된 바와 같이 도가니(10)의 본체(12) 내측에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 금속 장입물(18)은 티타늄 합금, 보다 구체적으로 티티늄 알루미나이드 합금을 포함할 수 있고, 럼프(lump), 잉곳(ingot), 작은 알갱이(granule), 플레이트, 분말 및 그것의 혼합물을 포함할 수 있지만 이에 한정되어서는 안 되는 임의의 적합한 형태를 취할 수 있다. 당업자는 도가니(10) 내에 배치되는 금속 장입물(18)의 양이 의도된 용 도에 따라 변할 수 있지만, 일 실시예에서 약 1 파운드(약 454그램) 내지 약 3.5파운드(약 1,588그램), 다른 실시예에서 약 1.25파운드(약 567그램) 내지 약 3.3파운드(약 1,497그램)의 금속 장입물(18)이 이하에 기재되는 바와 같이 정밀 정형 저압 터빈 블레이드를 제조하기 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.In use, a
일단 금속 장입물(18)이 도가니(10) 내측에 배치되면, 일 실시예에서 도가니(10)의 재료와 동일한 재료로 제조될 수 있는 커버(20)가 본체(12)의 최상부(top) 상에 위치되고 커버 링(22)에 의해 적소에 유지되어 도가니(10)가 밀봉되는 것을 확실하게 할 수 있다. 전력원(21)이 켜질 수 있고, 일 실시예에서 약 2,700℉ 내지 약 2,835℉(약 1,480℃ 내지 약 1,557℃)일 수 있는 적합한 온도가 달성될 때 금속 장입물(18)이 용융될 수 있다. 당업자는 유도 코일에 의해 발생된 전자계가 금속 장입물이 금속 장입물 내의 전류에 의해 유발된 저항 가열로 인해 내부적으로 스스로를 가열하게 한다는 것을 이해할 것이다. 금속 장입물(18)이 용융되기 시작함에 따라, 결과로서 생기는 용융 금속(30)이 도가니(10)의 본체(12) 내에서 뜨게 되어, 분말이 도가니(10)로 공급되고 있는 한 용융 금속(30)은 본체(12)의 내측과 접촉하지 않게 된다. 용융 금속(30)의 이러한 부유(suspension)는 스컬(skull)의 형성을 방지할 수 있다. Once the
유도 도가니(10) 내에서 금속 장입물을 용융시키는 것과 동시에, 장치를 유지하는 제 2 도가니(32) 등이 비제한적으로 마이크로파 또는 방사 에너지와 같은 임의의 적합한 수단을 사용하여 사전가열될 수 있다. 제 2 도가니는 흑연 또는 세라믹으로 제조될 수 있고, 선택적으로 예를 들어 니오브와 같은 금속 라이너를 가 질 수 있다. 제 2 도가니(32)는 유도 도가니(10) 내에서의 유도 용융 동안 발생된 용융 금속의 과열을 전혀 잃지 않고 주조 몰드(casting mold)로의 용융 금속의 운반에 도움을 줄 수 있다. 보다 구체적으로, 제 2 도가니(32)는 적어도 약 1,832℉(약 1,000℃)까지, 일 실시예에서 제 2 도가니(32)가 니오브를 포함할 때 약 1,832℉ 내지 약 2,200℉(약 1,000℃ 내지 약 1,200℃)까지 사전가열될 수 있고, 그리고 적어도 약 1,980℉(약 1,082℃)까지, 일 실시예에서 제 2 도가니가 세라믹을 포함할 때 약 1,980℉ 내지 약 2,400℉(약 1,082℃ 내지 약 1,316℃)까지 사전가열될 수 있다. 사전가열하는 것은 제 2 도가니(32)의 열 충격 및 갈라짐을 방지하는 것을 도울 수 있고, 이것은 제 2 도가니의 재사용을 가능하게 할 것이다. 사전가열된 제 2 도가니(32)는 그 다음에 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 원심 주조 기계(36)의 회전 아암(arm)(34)에 배치되고 유도 도가니(10) 아래에 위치될 수 있다. 예를 들어 린 하이-섬 티탄캐스트 700(Linn High-Therm Titancast 700; 독일) 또는 에스이아이티 슈퍼캐스트(SEIT Supercast; 이탈리아)와 같은 임의의 종래의 원심 주조 기계가 여기에 사용하기에 적합하다. At the same time as melting the metal charge in the
제거가능한 바닥 플레이트(16)는 그 다음 전술한 바와 같이 도가니(10)의 본체(12)로부터 분리될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서, 바닥 플레이트(16)는 비제한적으로 트랙 또는 가이드와 같은 임의의 적합한 기구를 사용하여 도가니(10)로부터 활주가능하게 분리될 수 있다. 비록 바닥 플레이트(16)가 분리되었지만, 유도 코일(14)에 의해 발생된 전자계가 추가의 공정 때까지 도 2에 도시된 바와 같이 용융 금속(30)을 도가니(10)의 본체(12) 내에서 떠있는 상태로 유지 할 수 있다. The
전력원(21)이 꺼지면, 용융 금속(30)은 니오브 깔때기부(funnel)(33)를 통해 유도 도가니(10)로부터 그리고 사전 가열된 제 2 도가니(32) 내로 떨어지게 되고, 제 2 도가니(32)는 용융 금속(30)이 제 2 도가니(32) 내로의 이동을 완료하기에 충분히 오랫동안 주조 기계(36) 내에서 정지 상태를 유지할 수 있으며, 일 실시예에서 약 0.5초 내지 약 2초일 수 있다. 일단 용융 금속(30)의 이동이 완료되면, 제 2 도가니(32)는 약 100rpm 내지 약 600rpm일 수 있는 최대 속도로 신속하게(약 1초 내지 약 2초) 가속될 수 있다. 주조 기계(36)는 제 2 도가니(32)로부터 포트(40)를 통한 주조 몰드(38) 내로 용융 금속(30)에 원심방향으로 힘을 가할 수 있고, 포트(40)는 슬릿, 구멍, 튜브 또는 그것의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 2 도가니(32)로부터 주조 몰드(38)로의 이 신속한 운반은 양자 간의 약 5초 미만의 접선 시간으로 귀결된다. 이 짧은 접선 시간은 열 손실을 상당히 감소시킬 뿐만 아니라, 용융 금속과 제 2 도가니(32)를 구성하기 위해 사용된 흑연 또는 세라믹 사이의 바람직하지 않은 반응이 존재하지 않는 것을 확실히 하는 데에 또한 도움을 준다.When the
주조 몰드(38)는 비활성 면 코트(inert face coat) 및 열 절연 백킹 재료(thermal insulating backing material)를 제공하는 임의의 세라믹 정밀 주조 시스템을 포함할 수 있다. 예로서, 일 실시예에서, 주조 몰드(38)는 산화물을 포함하는 면 코트를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "산화물"은 산화스칸듐, 산화이트륨, 산화하프늄, 산화란탄족 및 그것의 조합으로 이루어진 군으 로부터 선택된 합성물을 말한다. 또한, ["희토류(rare earth)" 합성물로도 알려진] 산화란탄족은 산화란탄, 산화세륨, 산화프라세오디뮴, 산화네오디뮴, 산화프로메툼, 산화사마륨, 산화유러퓸, 산화가돌리늄, 산화테르븀, 산화디스프로슘, 산화홀뮴, 산화에르븀, 산화이테르븀, 산화루테튬 및 그것의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함할 수 있다. 주조 몰드(38)는 콜로이드 실리카 현탁액 내에 산화알루미늄, 규산염지르코늄, 이산화실리콘 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 내화 물질을 포함하는 백킹(backing)을 포함할 수 있다. The casting
일단 용융 금속이 주조 몰드(38) 내로 충분히 이동되면, 원심 주조 기계(36)는 꺼질 수 있다. 일 실시예에서 도 4에 도시된 바와 같이 저압 터빈 블레이드(42)일 수 있는 결과적인 부품이 종래의 수단을 사용하여 주조 몰드(38)로부터 제거될 수 있다. 원심 주조의 사용 때문에, 블레이드(42)는 주조후 처리를 거의 필요로 하지 않는다. 주조 기계(36)에 의해 발생된 원심력은 몰드의 얇은 섹션의 충전을 향상시킴으로써 주조 몰드(38)의 최적화된 충전을 제공하고, 그것에 의해 정밀 정형 부품을 제공한다.Once the molten metal has been sufficiently moved into the casting
더욱이, 냉벽 도가니가 금속 장입물을 용융시키기 위해 사용되기 때문에, 도가니 상에 열 응력이 거의 없고, 따라서 도가니 갈라짐이 거의 없다. 이것은 도가니의 재사용과 주조 부품 내의 보다 적은 함유물 양자를 가능하게 한다. 추가로, 용융 금속과 제 2 도가니 사이의 접촉이 제한되기 때문에, 도가니의 파손으로부터 용융 금속이 오염될 개연성이 감소된다. 보다 덜한 오염은 티타늄 합금의 향상된 기계적 특성으로 귀결될 수 있다. Moreover, since the cold wall crucible is used to melt the metal charge, there is little thermal stress on the crucible, and therefore there is little crucible cracking. This allows for both reuse of the crucible and less inclusions in the cast part. In addition, since the contact between the molten metal and the second crucible is limited, the probability that the molten metal will be contaminated from breakage of the crucible is reduced. Less contamination can result in improved mechanical properties of the titanium alloy.
본 명세서는 최상의 실시예를 비롯한 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 당업자가 본 발명을 실시 및 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 예를 사용하였다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구의 범위에 의해 규정되고, 당업자가 생각하는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 청구의 범위의 문언과 상이하지 않은 구성 요소를 갖고 있다면, 또는 청구의 범위의 문언과 사실상 차이가 없는 동등한 구성 요소를 포함한다면, 청구의 범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.This specification uses examples to disclose the invention, including the best embodiments, and to enable any person skilled in the art to make or use the invention. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they have components that do not differ from the words of the claims, or if they include equivalent components that are substantially indistinguishable from those of the claims.
도 1은 본 명세서의 기재에 따른 내부에 배치된 금속 장입물을 갖는 냉벽 유도 도가니의 일 실시예의 개략적인 횡단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of a cold wall induction crucible with a metal charge disposed therein according to the description herein.
도 2는 본 명세서의 기재에 따른 제거된 바닥 플레이트와 내부에 떠있는 용융 금속을 갖는 냉벽 유도 도가니의 일 실시예의 개략적인 횡단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of a cold wall induction crucible having a removed bottom plate and molten metal floating therein according to the description herein.
도 3은 본 명세서의 기재에 따른 원심 주조 시스템의 일 실시예의 개략적인 횡단면도이다.3 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of a centrifugal casting system according to the disclosure herein.
도 4는 본 발명의 기재에 따라 주조될 수 있는 부품인 저압 터빈 블레이드의 일 실시예의 개략적인 사시도이다. 4 is a schematic perspective view of one embodiment of a low pressure turbine blade that is a part that can be cast in accordance with the teachings of the present invention.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
10 : 냉벽 유도 도가니 12 : 본체10: cold wall induction crucible 12: body
14 : 코일 16 : 제거가능한 바닥 플레이트14
18 : 금속 장입물 19 : 전기 절연 플레이트18: metal charge 19: electrical insulation plate
20 : 커버 21 : 전력원20: cover 21: power source
22 : 커버 링 24 : 수냉 입구22: cover ring 24: water cooling inlet
26 : 수냉 출구 28 : 채널26: water cooling outlet 28: channel
30 : 용융 금속 32 : 제 2 도가니30
33 : 깔때기부 34 : 회전 아암33: funnel portion 34: rotating arm
36 : 주조 기계 38 : 주조 몰드36: casting machine 38: casting mold
40 : 포트 42 : 저압 터빈 블레이드40: port 42: low pressure turbine blade
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