WO2023182413A1 - ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法、ＴｉＡｌ合金鋳造材、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイール - Google Patents
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- B22D21/04—Casting aluminium or magnesium
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Definitions
- the present invention relates to a method for producing a TiAl alloy casting material, a TiAl alloy casting material, a rotor blade for a jet engine, and a turbine wheel.
- Ni-based superalloys have been used as materials for moving blades for jet engines, turbine wheels for turbochargers for passenger cars, and the like.
- TiAl alloy has attracted attention as a new material for use in these members.
- TiAl alloy has a density about 1/2 that of Ni-based superalloy. Therefore, even if the parts are large, the weight is small, and the weight reduction greatly contributes to improving engine efficiency and reducing fuel consumption and carbon dioxide emissions.
- the impurity concentration in the TiAl alloy forming the member is naturally regulated.
- oxygen which is most likely to be mixed as an impurity
- the content in the TiAl alloy is specified to be, for example, 0.12% by mass or less.
- jet engine rotor blades and turbine wheels made of TiAl alloy use TiAl alloy cast material manufactured using a casting method.
- metal element raw materials such as sponge titanium and Al grains, and/or master alloy ingots (cast ingots) made using these metal element raw materials are used.
- the following manufacturing method is used to obtain a product with a sufficiently low oxygen content that meets the TiAl alloy composition regulations. ing. That is, a method of melting raw materials in a vacuum or an inert gas atmosphere using a vacuum melting furnace prevents oxygen from entering the melted raw materials from the atmosphere. Furthermore, the method of melting the raw materials in a water-cooled copper crucible prevents oxygen from entering the molten metal.
- oxide ceramic crucibles are generally used.
- the TiAl alloy has an active molten metal, when it is melted in an oxide ceramic crucible, oxygen is mixed into the molten metal from the crucible, increasing the oxygen concentration in the cast material.
- raw materials with low oxygen content are used to obtain products with sufficiently low oxygen content that meet the composition regulations for TiAl alloys. It is being Specifically, a master alloy ingot (cast ingot) with a low oxygen content is used, which is created using a metal element raw material with a low oxygen content and/or a metal element raw material with a low oxygen content.
- Master alloy ingots with low oxygen content are usually produced using the casting method shown below. That is, a method is used in which the raw material of the master alloy ingot is melted in a water-cooled copper crucible installed in a vacuum melting furnace in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere.
- Patent Document 1 describes a method for producing a TiAl alloy ingot by melting Ti and Al, which are melting raw materials, by high-frequency induction melting in a ceramic crucible, and casting a molten metal into a mold. Furthermore, Patent Document 1 describes that by using yttria (Y 2 O 3 ), which is the most chemically stable compound, as a material for a ceramic crucible, the amount of oxygen generated when the ceramic crucible is decomposed during melting is suppressed. It is described that the concentration of oxygen mixed into the TiAl alloy can be suppressed.
- yttria Y 2 O 3
- Patent Document 2 states that among the alloy raw materials, the oxygen content of the Ti raw material is 800 ppm or less, the oxygen content of the Al raw material is 100 ppm or less, and when other alloy components are Cr, V, and Nb, the oxygen content of those A method for producing an ingot of a TiAl-based alloy is described in which the oxygen content is 2000 ppm or less, and when the other alloy component is Mn, the oxygen content is 3000 ppm or less.
- Patent Document 2 describes that after melting an alloy raw material, a melt base material made of a primary ingot whose composition has been adjusted in advance by solidifying it is melted in a water-cooled copper crucible. Further, Patent Document 2 describes storing the alloy material in an inert gas atmosphere so that it is not affected by surface oxidation or the like.
- Patent Document 3 discloses that high-purity Ti with an oxygen content of 200 ppm or less and high-purity Al with a purity of 99.99% by weight or more are used as base materials, and the oxygen content is reduced to 0.03% or less. , a method for producing a high-purity TiAl-based intermetallic compound that is cast and then annealed is described. Patent Document 3 describes that melting and solidification are repeated multiple times on a copper hearth.
- Patent Document 4 describes a method for melting a TiAl-based intermetallic compound alloy by melting a raw material consisting of 48 to 70 at % titanium and 30 to 52 at % aluminum in a calcia crucible. Further, Patent Document 4 describes that titanium raw materials are heated in vacuum in advance and degassed, and then titanium and aluminum raw materials are charged into the crucible and melted by a vacuum induction melting method.
- Non-Patent Document 1 describes that deoxidation was performed by induction melting a Ti alloy in a water-cooled copper crucible and adding a Ca alloy thereto. Furthermore, in Non-Patent Document 1, as a result of analyzing an ingot obtained by deoxidizing a TiAl master alloy containing 0.16% by mass of oxygen using an AlCa alloy as a deoxidizing agent, it was found that Ca ⁇ 0.3% and O It is stated that deoxidation was achieved to 0.02%.
- Japanese Patent Application Publication No. 2011-36877 A) Japanese Patent Application Publication No. 2009-113060 (A) Japanese Patent Application Publication No. 3-193839 (A) Japanese Patent Application Publication No. 3-199330 (A)
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a highly versatile method for producing a TiAl alloy cast material, which allows the production of a TiAl alloy cast material with a sufficiently low oxygen content and allows the use of a variety of equipment and raw materials.
- the object of the present invention is to provide a jet engine rotor blade and a turbine wheel made of a TiAl alloy cast material having an oxygen content of 0.12% by mass or less, and a TiAl alloy casting material having an oxygen content of 0.12% by mass or less.
- the melting step is a step of dissolving the raw material in an oxide ceramic crucible
- the deoxidizing material addition step is a step of adding the deoxidizing material together with the raw material into the oxide ceramic crucible; Either or both of the steps of adding the deoxidizing material to the molten metal placed in the oxide ceramic crucible, and in the deoxidizing step, the step of adding the deoxidizing material to the molten metal placed in the oxide ceramic crucible.
- the deoxidizing material addition step is a step of putting the deoxidizing material together with the raw materials into an oxide ceramic crucible installed in a vacuum melting furnace, and the melting step is performed after the deoxidizing material addition step. , a step of melting the raw material in the oxide ceramic crucible installed in the vacuum melting furnace set in an Ar atmosphere, and in the deoxidation step installed in the vacuum melting furnace set in the Ar atmosphere.
- the oxide ceramic crucible is installed in an atmospheric melting furnace with an air atmosphere, and the melting process is performed using the wide opening of the funnel-shaped mold so as to cover the opening of the oxide ceramic crucible.
- the acid material addition step includes a step of adding the deoxidizing material together with the raw material into the oxide ceramic crucible, and adding the deoxidizing material to the molten metal placed in the oxide ceramic crucible via the funnel-shaped mold.
- the deoxidizing step heating and melting the molten metal containing the deoxidizing material in the oxide ceramic crucible whose opening is covered with the funnel-shaped mold;
- the fumes in the oxide ceramic crucible are discharged through the funnel-shaped mold, and after the deoxidation step, the atmospheric melting furnace is moved up and down with the oxide ceramic crucible and the funnel-shaped mold integrated.
- a rotor blade for a jet engine comprising the TiAl alloy cast material according to [7] or [8].
- a turbine wheel comprising the TiAl alloy cast material according to [7] or [8].
- the method for producing a TiAl alloy casting material of the present invention includes a melting step of melting a raw material containing Ti and Al to obtain a molten metal, and a step of adding a deoxidizing agent containing Ca to either or both of the raw material and the molten metal. a deoxidizing material addition step of adding the deoxidizing material so that the Ca concentration in the total mass of the raw material and the deoxidizing material is 0.2% by mass to 1.0% by mass;
- the method includes a deoxidation step in which oxygen in the molten metal is removed by heating the molten metal containing the material and maintaining the molten state to generate fume containing a reaction product between oxygen and Ca in the molten metal. Therefore, by pouring the molten metal after the deoxidation process into a mold and cooling it, a TiAl alloy cast material with a sufficiently low oxygen content can be obtained.
- a TiAl alloy cast material with a sufficiently low oxygen content can be produced without using special equipment or special raw materials with a low oxygen content. can be obtained and a variety of equipment and raw materials can be used. For example, even if the raw materials contain inferior raw materials with a high oxygen content, or if the molten metal contains oxygen mixed in from the oxide ceramic crucible and/or the atmosphere, By using the manufacturing method described above, a TiAl alloy cast material having a sufficiently low oxygen content can be obtained.
- FIG. 2 is a process chart for explaining an example of a method for manufacturing a TiAl alloy casting material according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a process chart for explaining an example of a method for manufacturing a TiAl alloy casting material according to the present embodiment.
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- FIG. 2 is a process chart for explaining an example of a method for manufacturing a TiAl alloy casting material according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a process chart for explaining an example of a method for manufacturing a TiAl alloy casting material according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a process chart for explaining an example of a method for manufacturing a TiAl alloy casting material according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a process chart for explaining an example of a method for manufacturing a TiAl alloy casting material according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a process chart for explaining an example of a method
- an oxide ceramic crucible which is commonly used when melting metal materials such as iron-based and Ni-based alloys, is used instead of a water-cooled copper crucible. is possible.
- an oxide ceramic crucible the amount of molten metal that can be melted can be increased and the superheating temperature of the molten metal can be increased compared to when using a water-cooled copper crucible.
- the molten TiAl alloy is very active. Therefore, when a raw material containing Ti and Al is melted in an oxide ceramic crucible, oxygen derived from the material of the oxide ceramic crucible is mixed into the melted raw material. As a result, the TiAl alloy cast material obtained after casting ends up having a high oxygen content. For this reason, conventionally, it has not been possible to use an oxide ceramic crucible when manufacturing a TiAl alloy casting material with a sufficiently low oxygen content.
- TiAl alloy scrap it is required to use TiAl alloy scrap as a raw material for TiAl alloy casting material.
- TiAl alloy scrap it is possible to use TiAl alloy cutting chips and/or TiAl alloy casting scrap.
- TiAl alloy cutting chips include cutting chips generated when manufacturing members such as jet engine rotor blades from TiAl alloy casting materials.
- examples of TiAl alloy casting scrap include casting scrap consisting of parts of TiAl alloy casting materials that do not become products, such as runners generated during precision casting of TiAl alloy using lost wax casting.
- TiAl alloy scrap has a high oxygen content. Specifically, organic substances such as coolant and cutting oil adhere to the TiAl alloy cutting chips. Since organic substances are firmly attached to the TiAl alloy cutting chips, it is difficult to sufficiently reduce the oxygen content even if the TiAl alloy cutting chips are cleaned using an organic solvent or the like. Further, TiAl alloy casting scrap usually contains oxygen mixed in due to the reaction between the oxide ceramic mold and the molten raw material. Therefore, TiAl alloy casting scrap also has a high oxygen content. For these reasons, with conventional techniques, it has been difficult to produce a TiAl alloy cast material with a sufficiently low oxygen content using a raw material containing TiAl alloy scrap.
- the present inventors solved the above problem by developing not only a special device for melting raw materials using a water-cooled copper crucible installed in a vacuum melting furnace in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere.
- TiAl alloys with sufficiently low oxygen content can be produced using a variety of equipment, such as equipment with an oxide ceramic crucible installed in an atmospheric melting furnace or in a vacuum melting furnace, and with a variety of raw materials, such as TiAl alloy scrap.
- a highly versatile manufacturing method for TiAl alloy casting materials that can yield casting materials, we focused on deoxidizing materials for melted raw materials and conducted intensive studies.
- a deoxidizing material is added to either or both of the raw material or the molten metal so that the Ca concentration in the total mass of the raw material and the deoxidizing material containing Ca is 0.2% by mass to 1.0% by mass. It has been found that after adding the deoxidizing material, the molten metal containing the deoxidizing material can be heated to maintain the molten state. Ca is an element that is more easily bonded to oxygen than Ti and Al. Therefore, by heating the molten metal and maintaining the molten state, Ca in the molten metal reacts with oxygen in the molten metal to generate reaction products such as CaO, CaTiO 3 and CaAl 2 O 4 . These reaction products are discharged from the molten metal as fumes. As a result, oxygen in the molten metal is removed together with Ca.
- the present inventors added a deoxidizing material containing Ca so that the Ca concentration in the total mass of the raw material and the deoxidizing material was within the above range.
- the present invention was conceived after confirming that a TiAl alloy cast material with sufficiently low oxygen content and excellent impact resistance properties can be obtained without using special raw materials with low concentrations. Specifically, by using a method of adding a deoxidizing agent containing Ca to the above concentration, as shown in the examples below, a general-purpose material commonly used when melting metal materials can be obtained.
- a TiAl alloy cast material with a sufficiently low oxygen content can be obtained by using an apparatus using a conventional melting furnace and an oxide ceramic crucible, or by using a raw material containing TiAl alloy scrap with a high oxygen concentration.
- FIGS. 1 to 7 are process diagrams for explaining an example of the method for manufacturing the TiAl alloy casting material of this embodiment.
- reference numeral 1 indicates an atmospheric melting furnace
- reference numeral 2 indicates an oxide ceramic crucible.
- the atmospheric melting furnace 1 As the atmospheric melting furnace 1, a known one can be used. In this embodiment, an inverted furnace (rollover furnace) type is used as the atmospheric melting furnace 1. As shown in FIG. 1, the atmospheric melting furnace 1 has a generally cylindrical housing portion 1a that is open at the top. The atmospheric melting furnace 1 includes a furnace wall 1b and a high frequency coil 4 that is installed within the furnace wall 1b and heats the oxide ceramic crucible 2. As shown in FIG. 1, an oxide ceramic crucible 2 is installed in the housing portion 1a.
- an inverted furnace (rollover furnace) type is used as the atmospheric melting furnace 1.
- the atmospheric melting furnace 1 has a generally cylindrical housing portion 1a that is open at the top.
- the atmospheric melting furnace 1 includes a furnace wall 1b and a high frequency coil 4 that is installed within the furnace wall 1b and heats the oxide ceramic crucible 2.
- an oxide ceramic crucible 2 is installed in the housing portion 1a.
- the oxide ceramic crucible 2 As the oxide ceramic crucible 2, a known one can be used. As the material for the oxide ceramic crucible 2, it is preferable to use a chemically stable oxide ceramic. Specifically, it is preferable to use calcia or yttria. It is more preferable to use it. By using a crucible made of calcia or yttria as the oxide ceramic crucible 2, the amount of oxygen mixed into the melted raw material 3a (molten metal) from the oxide ceramic crucible 2 can be suppressed. Therefore, even if the amount of the deoxidizer containing Ca added to the raw material 3 or the melted raw material 3a is small, the oxygen content in the TiAl alloy cast material obtained after casting can be sufficiently reduced.
- the method for manufacturing a TiAl alloy casting material of this embodiment includes a melting step.
- the raw material 3 is melted to form a melted raw material 3a (molten metal).
- a raw material 3 is melted in an oxide ceramic crucible 2 installed in an atmospheric melting furnace 1 in an air atmosphere.
- the raw material 3 is melted after the opening of the oxide ceramic crucible 2 is covered with the funnel-shaped mold 5 and the inside of the oxide ceramic crucible 2 is made into an argon atmosphere.
- Argon can be supplied into the oxide ceramic crucible 2 using, for example, a gas supply pipe 7 inserted into the oxide ceramic crucible 2 through the funnel-shaped mold 5, as described later.
- the melting step as shown in FIG. 1, a portion of the raw material 3 is placed in an oxide ceramic crucible 2. Furthermore, after adding the entire amount of the deoxidizing material containing Ca to the oxide ceramic crucible 2, the raw material 3 is melted.
- Raw material 3 contains Ti and Al. In addition to Ti and Al, the raw material 3 contains one or more additive elements selected from, for example, Nb, Cr, Mo, V, Mn, W, Fe, Si, C, and B. You can use whatever you have.
- the composition of the raw material 3 can be determined as appropriate depending on the use of the TiAl alloy cast material obtained after casting.
- the raw material 3 includes, for example, 31.9% to 34.2% by mass of Al, 4.0% to 5.4% by mass of Nb, 2.3% to 3.0% by mass of Cr, and oxygen. It is possible to use a material containing 0.1% to 0.5% by mass of Ti, with the remainder consisting of Ti and impurities.
- the raw material 3 contains impurities at a concentration within a range that does not interfere with the intended use of the manufactured TiAl alloy cast material.
- the impurities contained in the raw material 3 are, for example, when casting TiAl alloy casting materials for jet engine rotor blades and turbine wheels.
- the content is preferably within a range that satisfies the specifications.
- the composition of the raw material 3 does not match the composition of the TiAl alloy cast material obtained after casting.
- a deoxidizing agent containing Ca an element that increases when mixed into the molten raw material 3a from the atmosphere, is added to the oxide ceramic crucible 2 in contact with the molten raw material 3a. This is because some elements increase as a result of this, while others decrease as they become fume and are discharged from the melted raw material 3a.
- Ti and Al which are the main elements of the TiAl alloy, are hardly mixed into the equipment or atmosphere or discharged during the manufacturing process. Therefore, there is almost no increase or decrease in the amount of Ti due to the manufacturing process of the TiAl alloy cast material. Therefore, the mass of Ti used as the raw material 3 and the mass of Ti contained in the TiAl alloy cast material obtained after casting can be considered to be the same.
- the amount of Al increases due to the use of AlCa alloy as a deoxidizing agent containing Ca in the manufacturing process of TiAl alloy casting material, and is discharged from the molten metal in the form of fume such as CaAl 2 O 4 in the deoxidizing process. It decreases due to this.
- Nb and Cr which may be included in the raw material 3 as additive elements, may also be mixed in from the equipment or atmosphere, or may be mixed in during the production process, similar to Ti. It is rarely ejected. Therefore, there is almost no increase or decrease in the amount of Nb and Cr due to the manufacturing process of the TiAl alloy cast material. Therefore, the masses of Nb and Cr used as the raw material 3 can be considered to be the same as the masses of Nb and Cr contained in the TiAl alloy cast material obtained after casting.
- the composition of the raw material 3 is, for example, 31.9% to 34.2% by mass of Al, 4.0% to 5.4% by mass of Nb, 2.3% to 3.0% by mass of Cr, When containing 0.1% by mass to 0.5% by mass of oxygen and the remainder consisting of Ti and impurities, after casting, 31.9% by mass to 34.2% by mass of Al and 4.0% by mass of Nb 5.4% by mass, 2.3% to 3.0% by mass of Cr, 0.04% to 0.12% by mass of oxygen, 0.01% to 0.07% by mass of Ca, A TiAl alloy casting material in which the remainder is Ti and impurities is easily obtained, which is preferable. TiAl alloy casting material with such a composition has excellent impact resistance properties, as well as good machinability, tensile strength, and creep strength, making it suitable as a material for jet engine rotor blades and turbine wheels. Can be used.
- the content of Al contained in the raw material 3 can be, for example, 31.9% by mass to 34.2% by mass, and preferably 32.9% by mass to 33.8% by mass. This is because the TiAl alloy cast material obtained after casting has better impact resistance, tensile strength, and creep strength.
- the content of Nb contained in the raw material 3 can be, for example, 4.0% by mass to 5.4% by mass, and preferably 4.4% by mass to 5.0% by mass. This is because the TiAl alloy cast material obtained after casting has good oxidation resistance.
- the content of Cr contained in the raw material 3 can be, for example, 2.3% by mass to 3.0% by mass, and preferably 2.5% by mass to 2.8% by mass. This is because the TiAl alloy cast material obtained after casting has good ductility.
- raw material 3 contains 4.4% to 5.0% by mass of Nb and 2.5% to 2.8% by mass of Cr in addition to Ti and Al, more excellent impact resistance properties can be obtained.
- a TiAl alloy casting material having the above-mentioned characteristics and superior machinability, tensile strength and creep strength can be obtained.
- the shape of the raw material 3 is not particularly limited, and may be, for example, a metal element raw material such as titanium sponge, Al grains (pellets), Nb flakes, or Cr grains, and/or a matrix made using these metal element raw materials.
- a metal element raw material such as titanium sponge, Al grains (pellets), Nb flakes, or Cr grains, and/or a matrix made using these metal element raw materials.
- An alloy ingot (cast ingot) or the like can be used.
- the raw material 3 may include TiAl alloy scrap.
- TiAl alloy scrap include TiAl alloy cutting chips and TiAl alloy casting scrap.
- TiAl alloy cutting chips include cutting chips generated when manufacturing members such as jet engine rotor blades from TiAl alloy casting materials.
- TiAl alloy casting scrap include casting scrap consisting of parts of TiAl alloy casting materials that do not become products, such as runners generated during precision casting of TiAl alloy using lost wax casting.
- the coolant and cutting oil that are stuck to the TiAl alloy cutting chips are used. It is preferable to use the organic substance after washing it with an organic solvent such as acetone.
- an organic solvent such as acetone.
- a known method for cleaning the TiAl alloy cutting chips using an organic solvent a known method such as a method using an ultrasonic cleaner can be used, for example.
- Deoxidizing material containing Ca As the deoxidizing material containing Ca, for example, Ca in an elemental state may be used, or a compound containing Ca such as an AlCa alloy, CaF2 , CaCl2 , etc. may be used. As the deoxidizing material containing Ca, it is preferable to use an AlCa alloy because it is solid and therefore easy to handle, does not require special considerations for storage, and does not require any special considerations for safety. As the AlCa alloy, it is preferable to use an AlCa alloy with a Ca content of 3% by mass to 20% by mass, since there is little variation in Ca content during the manufacturing process of the AlCa alloy and it can be manufactured stably. It is more preferable to use one with a Ca content of 10% by mass or 5% by mass, and even more preferably one with a Ca content of 5% by mass.
- the deoxidizing material containing Ca is added so that the Ca concentration in the total mass of the raw material 3 and the deoxidizing material is 0.2% by mass to 1.0% by mass.
- the amount of the deoxidizer containing Ca to be added is within the above range, depending on the composition of the raw material 3, the composition range of the target TiAl alloy casting material, the atmosphere, temperature and time for heating the molten raw material 3a containing the deoxidizer. It can be determined as appropriate depending on the conditions.
- the Ca concentration in the total mass of the raw material 3 and the deoxidizing material is set to be 0.2% by mass or more, so the effect of adding the deoxidizing material is is sufficiently obtained, and the oxygen content of the TiAl alloy cast material obtained after casting is 0.12% by mass or less.
- the Ca concentration in the total mass of the raw material 3 and the deoxidizing material is set to be 1.0% by mass or less, the Ca content remaining in the TiAl alloy cast material obtained after casting is 0.07 mass%. % or less.
- the deoxidizing material containing Ca may be added so that the Ca concentration in the total mass of the raw material 3 and the deoxidizing material is 0.4% by mass to 0.8% by mass.
- oxygen can be removed after casting.
- a TiAl alloy cast material containing 0.04% by mass to 0.10% by mass and 0.01% by mass to 0.03% by mass of Ca and having better impact resistance properties can be obtained.
- the deoxidizing material containing Ca may be added so that the Ca concentration in the total mass of the raw material 3 and the deoxidizing material is 0.55% by mass to 0.65% by mass.
- the wide opening of the funnel-shaped mold 5 is directed toward the oxide ceramic crucible 2 so as to cover the opening of the oxide ceramic crucible 2, and the furnace wall of the atmospheric melting furnace 1 is 1b (mold installation process).
- the wider opening of the funnel-shaped mold 5 functions as a sprue for pouring the molten raw material 3a into the funnel-shaped mold 5 in a casting process to be described later.
- the funnel-shaped mold 5 it is preferable to use one whose internal volume is larger than the volume of the raw material 3.
- the funnel-shaped mold 5 one made of a known material used in manufacturing TiAl alloy casting materials can be used.
- the funnel-shaped mold 5 is made of cast iron, carbon steel, or the like, and has a bisected structure whose inner surface is coated with ceramic such as zircon to prevent reaction with the molten raw material 3a. be able to.
- a metal mold is used as the funnel-shaped mold 5 has been described as an example, but lost wax casting is performed using a ceramic mold made of alumina, silica, mullite, zirconia, etc. as the funnel-shaped mold 5. It's okay. By performing lost wax casting, a TiAl alloy cast material having a shape close to that of the final product can be obtained.
- a simple sealing material 6 made of cement or the like at the contact portion between the funnel-shaped mold 5 and the furnace wall 1b of the atmospheric melting furnace 1. This makes it possible to suppress air from entering the oxide ceramic crucible 2 from the contact portion between the funnel-shaped mold 5 and the furnace wall 1b of the atmospheric melting furnace 1.
- the gas supply pipe 7 is inserted into the narrow opening of the funnel-shaped mold 5, and Ar gas is supplied into the oxide ceramic crucible 2 through the gas supply pipe 7 (atmosphere replacement step).
- Ar gas is heavier than air. Therefore, when Ar gas is supplied into the oxide ceramic crucible 2, the Ar gas accumulates from the bottom of the oxide ceramic crucible 2, and air is discharged through the funnel-shaped mold 5.
- the inside of the funnel-shaped mold 5 and the inside of the oxide ceramic crucible 2 are replaced with an Ar atmosphere, and contact between the melted raw material 3a obtained by melting the raw material 3 and air can be avoided.
- the oxide ceramic crucible 2 is heated using the high frequency coil 4 installed in the atmospheric melting furnace 1, and as shown in FIG. 3, the raw material 3 is melted into a melted raw material 3a (heating step).
- the lid 5a is placed in the narrow opening of the funnel-shaped mold 5 (see FIG. 5). It is preferable to continuously supply Ar gas into the oxide ceramic crucible 2. By this, it is possible to effectively suppress the mixing of oxygen in the air into the melted raw material 3a, and it is possible to further reduce the oxygen content in the TiAl alloy cast material obtained after casting.
- the melting step of this embodiment it is preferable to melt the raw material 3 while observing the inside of the oxide ceramic crucible 2 through the narrow opening of the funnel-shaped mold 5 visually or using a camera. This makes it possible to check the state of dissolution of the raw material 3 and whether or not all of the raw material 3 has been dissolved.
- the funnel 8 is installed in the narrow opening of the funnel-shaped mold 5, and the remaining raw material is 3 is added to the oxide ceramic crucible 2 once or in multiple doses.
- a part of the raw material 3 is put into the oxide ceramic crucible 2 and melted to form a molten metal, and then the remaining raw material 3 is divided into one or more times.
- the explanation has been given using the case where the raw material 3 is added to the oxide ceramic crucible 2 as an example, but the raw material 3 may be melted after all of the raw material 3 is put into the oxide ceramic crucible 2, or a part of the raw material 3 may be oxidized.
- the remaining raw material 3 may be added to the oxide ceramic crucible 2 in one or more portions while being put in the oxide ceramic crucible 2 and melted.
- a different raw material 3 may be added each time, some of the times may be the same, or each time.
- the same material may be added, and can be determined as appropriate depending on the composition and shape of the raw material 3.
- the entire amount of the deoxidizing material containing Ca was put into the oxide ceramic crucible 2 together with the raw material 3, but the melted raw material 3a ( A deoxidizing material containing Ca may be added to the molten metal via the funnel-shaped mold 5.
- the deoxidizing agent containing Ca may be added to the raw material 3 and/or the melted raw material 3a in multiple portions.
- the deoxidizing material containing Ca is put into the oxide ceramic crucible 2 together with the raw material 3, and the remaining deoxidizing material containing Ca is placed in the funnel-shaped mold 5 into the molten raw material 3a put in the oxide ceramic crucible 2. It may be added once or in multiple times.
- the melted raw material 3a containing the deoxidizing material is placed in the oxide ceramic crucible 2 whose opening is covered with a funnel-shaped mold 5. is heated to melt and maintain the molten state. This homogenizes the components contained in the melted raw material 3a. At the same time, a fume containing a reaction product between oxygen and Ca in the melted raw material 3a is generated and discharged through the funnel-shaped mold 5, thereby removing oxygen in the melted raw material 3a.
- the time for heating and holding the molten raw material 3a containing the deoxidizing material in a molten state is, for example, 2 minutes to 10 minutes after all of the raw material 3 has been melted to form the molten raw material 3a containing the deoxidizing material.
- the time is preferably 3 minutes to 5 minutes, and more preferably 3 minutes to 5 minutes.
- the TiAl alloy cast material obtained after casting will not have any hindrance to the productivity of the TiAl alloy cast material. It is possible to reduce the amount of oxygen absorbed.
- the temperature at which the melted raw material 3a containing the deoxidizing material is heated and maintained in a molten state is preferably 1650°C to 1750°C, more preferably 1675°C to 1725°C. If the temperature at which the dissolved raw material 3a containing the deoxidizing material is maintained in a molten state is 1650°C or higher, the reaction between oxygen and Ca in the dissolved raw material 3a is promoted, and the generation of fumes containing reaction products is promoted. Therefore, the effect of removing oxygen in the melted raw material 3a becomes even more remarkable. It is preferable that the temperature at which the molten raw material 3a containing the deoxidizing material is heated and maintained in a molten state is 1750° C. or lower because the reaction between the oxide ceramic crucible 2 and the molten raw material 3a is suppressed.
- the raw material 3 in the oxide ceramic crucible 2 is heated using the high frequency coil 4, and the raw material 3 put in the oxide ceramic crucible 2 is melted to form a melted raw material 3a containing a deoxidizing agent. It is preferable to carry out the deoxidation step by continuing to heat the melted raw material 3a to maintain the melted state of the melted raw material 3a. By this, a TiAl alloy casting material can be manufactured efficiently.
- a lid 5a is installed in the narrow opening of the funnel-shaped mold 5, as shown in FIG.
- the lid 5a may be made of, for example, cast iron or carbon steel, and may have its inner surface coated with ceramic such as zircon to prevent reaction with the molten raw material 3a.
- the atmospheric melting furnace 1 is turned upside down with the oxide ceramic crucible 2 and the funnel-shaped mold 5 integrated, and the funnel-shaped mold is removed from the oxide ceramic crucible 2.
- the melted raw material 3a is poured into 5 and cooled (casting process).
- a TiAl alloy cast material 3b is obtained.
- the TiAl alloy cast material 3b is removed from the funnel-shaped mold 5 and cut to form a product part 3c consisting of a part that will become a product, and a re-cast part 3c consisting of a part that will not become a product due to the formation of shrinkage cavities 3d. It is divided into a usage part 3e.
- the reusable portion 3e is TiAl alloy casting scrap, and can be reused as the raw material 3 for the TiAl alloy casting material 3b.
- the method for manufacturing a TiAl alloy casting material of this embodiment is not limited to the above-described embodiment.
- the case where an apparatus including an oxide ceramic crucible 2 installed in an atmospheric melting furnace 1 shown in FIG. 1 is used is used as an example of the method for manufacturing a TiAl alloy casting material.
- a vacuum melting furnace may be used instead of the atmospheric melting furnace.
- the vacuum melting furnace a known one can be used, for example, a general vacuum induction melting furnace (VIM furnace) can be used.
- the deoxidizing material addition step the entire amount of the deoxidizing material is placed together with the raw material into an oxide ceramic crucible installed in a vacuum melting furnace. Then, by making the inside of the vacuum melting furnace evacuated and then supplying Ar gas, the inside of the vacuum melting furnace is replaced with an Ar gas atmosphere. Then, in the melting step, the entire amount of the raw material is melted into a molten metal in an oxide ceramic crucible installed in a vacuum melting furnace with an Ar atmosphere.
- the raw material 3 When using a vacuum melting furnace, the raw material 3 is melted while observing the inside of the oxide ceramic crucible 2 through a quartz window installed in the vacuum induction melting furnace using a camera installed at the top of the vacuum induction melting furnace. is preferred. This makes it possible to check the state of dissolution of the raw material 3 and whether or not all of the raw material 3 has been dissolved. After that, in the deoxidation process, oxygen in the molten metal is removed by heating the molten metal containing the deoxidizing agent and maintaining the molten state in an oxide ceramic crucible installed in a vacuum melting furnace with an Ar atmosphere. do.
- the method for manufacturing a TiAl alloy casting material of the present embodiment includes adding a deoxidizing agent containing Ca to either or both of a raw material 3 containing Ti and Al and various additional elements and a molten raw material 3a obtained by melting the raw material 3.
- the steps include a deoxidizing material addition step in which the deoxidizing material is added so that the Ca concentration in the total mass of the raw material 3 and the deoxidizing material is 0.2% by mass to 1.0% by mass;
- fume containing a reaction product between oxygen and Ca in the dissolved raw material 3a is generated, and oxygen in the dissolved raw material 3a is removed. and an acid step. Therefore, the TiAl alloy cast material obtained by performing the above-mentioned casting process after the deoxidation process contains 0.04% to 0.12% by mass of oxygen and 0.01% to 0.07% by mass of Ca. % by mass, and has excellent impact resistance properties.
- TiAl alloy casting material with a sufficiently low oxygen content can be produced without using special equipment or special raw materials with a low oxygen content. wood is obtained.
- the method for producing a TiAl alloy casting material of this embodiment uses various devices such as a device including an oxide ceramic crucible 2 installed in an atmospheric melting furnace 1 or a vacuum melting furnace, and a TiAl alloy cutting method.
- Various raw materials such as chips, TiAl alloy scrap with high oxygen content such as TiAl alloy casting scrap, etc. can be used without restriction.
- TiAl alloy casting material contains 0.04% by mass to 0.10% by mass of oxygen and 0.01% by mass to 0.03% by mass of Ca.
- the TiAl alloy cast material of the present embodiment has an oxygen content of 0.10% by mass or less and a Ca content of 0.03% by mass or less, so it has excellent impact resistance properties. Furthermore, since the oxygen content is 0.04% by mass or more, the amount of the deoxidizing agent containing Ca used can be suppressed when manufacturing using the method for manufacturing a TiAl alloy cast material of the present embodiment. As a result, the Ca content in the TiAl alloy cast material can be 0.03% by mass or less.
- the Ca content is 0.01% by mass or more, a sufficient amount of usable Ca-containing deoxidizing material is ensured when manufacturing using the TiAl alloy casting material manufacturing method of this embodiment.
- the deoxidizing effect obtained by adding the deoxidizing material can be sufficiently obtained. Therefore, it is possible to use various devices such as a device equipped with an oxide ceramic crucible 2 installed in an atmospheric melting furnace 1 or a vacuum melting furnace, and various raw materials such as TiAl alloy cutting chips and TiAl alloy casting scraps. can.
- the TiAl alloy casting material of this embodiment contains 31.9% to 34.2% by mass of Al, 4.0% to 5.4% by mass of Nb, and 2.3% to 3.0% by mass of Cr. %, oxygen in the range of 0.04% by mass to 0.12% by mass, Ca in the range of 0.01% by mass to 0.07% by mass, with the remainder consisting of Ti and impurities.
- Such a TiAl alloy casting material has excellent impact resistance properties, as well as good machinability, tensile strength, and creep strength, so it can be suitably used as a material for jet engine rotor blades and turbine wheels. can.
- the TiAl alloy casting material of this embodiment contains 32.9% to 33.8% by mass of Al, 4.4% to 5.0% by mass of Nb, and 2.5% to 2.8% by mass of Cr. %, oxygen in the range of 0.04% by mass to 0.12% by mass, Ca in the range of 0.01% by mass to 0.07% by mass, with the remainder consisting of Ti and impurities.
- Such TiAl alloy castings have better impact resistance properties, as well as better machinability, tensile strength, and creep strength, making them particularly suitable as materials for jet engine rotor blades and turbine wheels. be.
- the TiAl alloy casting material of this embodiment is manufactured using the above-described manufacturing method of the TiAl alloy casting material of this embodiment, and the composition of the raw material 3, the type and usage amount of the deoxidizing agent containing Ca, and the deoxidizing agent are determined. It can be manufactured by appropriately changing the conditions such as the atmosphere, temperature, and time for heating the melted raw material 3a.
- the jet engine rotor blade and turbine wheel of this embodiment are made of the Al alloy cast material of this embodiment. Therefore, it has excellent impact resistance properties.
- the jet engine rotor blade and turbine wheel of this embodiment can be manufactured by, for example, cutting the Al alloy cast material of this embodiment using a known method. TiAl alloy cutting chips generated when cutting the TiAl alloy casting material are casting scraps, and can be reused as the raw material 3 of the TiAl alloy casting material 3b.
- Example 1 An oxide ceramic crucible 2 made of calcia was installed in the atmospheric melting furnace 1 using an inverted furnace (rollover furnace) type atmospheric melting furnace 1 shown in FIG.
- Each metal element consists of sponge titanium (product name: TST-1; manufactured by Toho Titanium Co., Ltd.), Al grains (pellets) (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.), Nb flakes (manufactured by Rare Metallic Co., Ltd.), and Cr grains (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) Prepared raw materials. Further, as a deoxidizing material containing Ca, an AlCa alloy having a Ca content of 5% by mass was prepared.
- each of the metal element raw materials mentioned above was weighed, and the raw materials were 33.4% by mass of Al, 4.8% by mass of Nb, 2.7% by mass of Cr, and the balance was Ti and impurities.
- An acid material was added to obtain a deoxidizing material-containing raw material of Experimental Example 1 containing 0.10% by mass of Ca. That is, the Al content in the deoxidizer-containing raw material of Experimental Example 1 is the ratio of the total amount of Al particles contained in the deoxidizer-containing raw material and the amount of A1 in the AlCa alloy. Then, 500 g of the deoxidizing agent-containing raw material of Experimental Example 1 was placed in the oxide ceramic crucible 2.
- the wide opening of the funnel-shaped mold 5 is directed toward the oxide ceramic crucible 2 so as to cover the opening of the oxide ceramic crucible 2, and the furnace wall of the atmospheric melting furnace 1 is 1b (mold installation step).
- a mold having a two-part structure made of carbon steel and having an inner surface coated with zircon paint (trade name: Oka Paint 308; manufactured by Okazaki Ei Products Co., Ltd.) was used.
- a sealing material 6 made of cement was installed at the contact portion between the funnel-shaped mold 5 and the furnace wall 1b of the atmospheric melting furnace 1.
- a gas supply pipe 7 was inserted into the narrow opening of the funnel-shaped mold 5, and Ar gas was supplied into the oxide ceramic crucible 2 through the gas supply pipe 7 (atmosphere replacement step). Ar gas was continuously supplied into the oxide ceramic crucible 2 until just before the lid 5a was installed in the narrow opening of the funnel-shaped mold 5 (see FIG. 5). Thereafter, the oxide ceramic crucible 2 is heated using the high frequency coil 4 installed in the atmospheric melting furnace 1, and as shown in FIG. ).
- the inside of the oxide ceramic crucible 2 was observed using a camera from the narrow opening of the funnel-shaped mold 5, and it was confirmed that all of the deoxidizing agent-containing raw material had been dissolved. After that, by continuing to heat the oxide ceramic crucible 2, the molten state of the melted raw material 3a containing the deoxidizing agent after all of the deoxidizing agent-containing raw material had been melted was maintained at 1700°C for 3 minutes (deoxidizing process). Thereafter, as shown in FIG. 5, a lid 5a was placed in the narrower opening of the funnel-shaped mold 5.
- the lid 5a used was one made of carbon steel and whose inner surface was coated with zircon paint (trade name: Oka Paint 308; manufactured by Okazaki Ei Seishin Co., Ltd.).
- the atmospheric melting furnace 1 is turned upside down with the funnel-shaped mold 5 and the atmospheric melting furnace 1 integrated, and the melted raw material 3a is transferred from the oxide ceramic crucible 2 to the funnel-shaped mold 5. It was poured and cooled (casting process). As a result, the TiAl alloy cast material 3b of Experimental Example 1, which was a substantially cylindrical ingot with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, was obtained.
- Example 2 to experiment example 5" The same raw material as in Experimental Example 1 was weighed, and the same deoxidizing agent containing Ca as in Experimental Example 1 was added to the raw material to obtain a deoxidizing agent-containing raw material containing Ca in the content (added amount) shown in Table 1. Other than this, TiAl alloy casting materials 3b of Experimental Examples 2 to 5, which were approximately cylindrical ingots with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, were obtained in the same manner as in Experimental Example 1.
- Experimental Example 6 which is a substantially cylindrical ingot with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, was prepared in the same manner as Experimental Example 1, except that the raw material of Experimental Example 1 was used instead of the deoxidizing agent-containing raw material in Experimental Example 1. A TiAl alloy cast material 3b was obtained.
- Example 7 TiAl alloy cutting chips and TiAl alloy casting scraps having the same content of Ti, Al, Nb, and Cr as the raw material in Experimental Example 1 were prepared.
- the TiAl alloy cutting chips were used after performing ultrasonic cleaning using acetone.
- the TiAl alloy casting scrap used had its surface pickled.
- Example 8 to experiment example 11 The same raw material as in Experimental Example 7 was weighed, and the same deoxidizing agent containing Ca as in Experimental Example 1 was added to the raw material to obtain a deoxidizing agent-containing raw material containing Ca in the content (added amount) shown in Table 1. Other than this, TiAl alloy castings 3b of Experimental Examples 8 to 11, which were approximately cylindrical ingots with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, were obtained in the same manner as in Experimental Example 7.
- Experimental Example 12 which is a substantially cylindrical ingot with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, was prepared in the same manner as Experimental Example 7, except that the raw material of Experimental Example 7 was used instead of the deoxidizing agent-containing raw material in Experimental Example 7. A TiAl alloy cast material 3b was obtained.
- Example 13 A vacuum induction melting furnace (VIM furnace) was used instead of the atmospheric melting furnace 1 shown in FIG. 1, and an oxide ceramic crucible 2 made of calcia similar to that in Experimental Example 1 was installed in the vacuum induction melting furnace. Then, in the same manner as in Experimental Example 1, 500 g of the deoxidizing material-containing raw material of Experimental Example 1 was placed in the oxide ceramic crucible 2.
- VIM furnace vacuum induction melting furnace
- the inside of the vacuum melting furnace was evacuated and then Ar gas was supplied to replace the inside of the vacuum melting furnace with an Ar atmosphere.
- Ar gas was supplied to replace the inside of the vacuum melting furnace with an Ar atmosphere.
- the deoxidizing agent-containing raw material was heated and melted in the oxide ceramic crucible 2 to form a melted raw material 3a (heating step).
- the inside of the oxide ceramic crucible 2 was observed through the quartz window installed in the vacuum induction melting furnace, and it was confirmed that all of the raw materials containing the deoxidizer were melted. confirmed.
- the molten state of the melted raw material 3a containing the deoxidizing agent after all of the deoxidizing agent-containing raw material had been melted was maintained at 1700°C for 3 minutes (deoxidizing process).
- the melting raw material 3a was poured from the oxide ceramic crucible 2 into a mold having a cylindrical inner surface installed in a vacuum melting furnace and cooled (casting process).
- a TiAl alloy cast material 3b of Experimental Example 13 which was a substantially cylindrical ingot with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, was obtained.
- Example 14 to experiment example 17 The same raw material as in Experimental Example 1 was weighed, and the same deoxidizing agent containing Ca as in Experimental Example 1 was added to the raw material to obtain a deoxidizing agent-containing raw material containing Ca in the content (added amount) shown in Table 2. Other than this, TiAl alloy casting materials 3b of Experimental Examples 14 to 17, which were approximately cylindrical ingots with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, were obtained in the same manner as in Experimental Example 13.
- Experimental Example 18 which is a substantially cylindrical ingot with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, was made in the same manner as Experimental Example 13, except that the raw material of Experimental Example 1 was used instead of the deoxidizing agent-containing raw material in Experimental Example 1. A TiAl alloy cast material 3b was obtained.
- Example 19 A TiAl alloy cast material 3b of Experimental Example 19, which is a substantially cylindrical ingot with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, was obtained in the same manner as in Experimental Example 13, except that the deoxidizing agent-containing raw material of Experimental Example 7 was used. .
- Example 20 to experiment example 23 The same raw material as in Experimental Example 7 was weighed, and the same deoxidizing agent containing Ca as in Experimental Example 1 was added to the raw material to obtain a deoxidizing agent-containing raw material containing Ca in the content (added amount) shown in Table 2. Other than this, TiAl alloy casting materials 3b of Experimental Examples 20 to 23, which were approximately cylindrical ingots with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, were obtained in the same manner as in Experimental Example 13.
- Experimental Example 24 which is a substantially cylindrical ingot with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, was made in the same manner as Experimental Example 13, except that the raw material of Experimental Example 7 was used instead of the deoxidizing agent-containing raw material in Experimental Example 7. A TiAl alloy cast material 3b was obtained.
- Tables 1 and 2 show the type of melting furnace used during production, the material of the crucible, the atmosphere inside the crucible while heating the crucible, and the amount of Ca added for the TiAl alloy cast materials of Experimental Examples 1 to 24. (Ca concentration in raw material containing deoxidizing material), amount of TiAl alloy cutting chips added (content in raw material containing deoxidizing material excluding deoxidizing material), and amount of added casting scrap of TiAl alloy (deoxidizing material excluding deoxidizing material) content in raw materials). Furthermore, Tables 1 and 2 show the classification of the TiAl alloy casting materials of Experimental Examples 1 to 24 into invention examples and comparative examples.
- a TiAl alloy casting material which will become a conventional rotor blade for a jet engine, was manufactured by the method shown below. That is, a raw material consisting of 33.4% by mass of Al, 4.8% by mass of Nb, 2.7% by mass of Cr, 0.08% by mass of oxygen, and the balance being Ti and impurities was placed in a vacuum atmosphere. It was melted using a method of melting using a water-cooled copper crucible installed in a melting furnace, poured into the same mold as Experimental Example 13 installed in a vacuum melting furnace, and cooled. As a result, three TiAl alloy casting materials for evaluation, which were approximately cylindrical ingots with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, were manufactured.
- All of the alloy casting materials had an oxygen content of 0.12% by mass or less, which is the specified value (in-house regulation), and a Ca content within the range of 0.01% by mass to 0.07% by mass.
- all of the TiAl alloy cast materials of the invention examples have a Charpy impact value of 2.0 J/cm 2 or more, which is the evaluation standard value, and are equal to or higher than the TiAl alloy cast materials used as conventional jet engine rotor blades. It was confirmed that it had impact resistance properties.
- the oxygen content of the TiAl alloy cast materials (Experimental Examples 6, 12, 18, 24) manufactured without adding a deoxidizer is within the range of 0.175% by mass to 0.284% by mass.
- the deoxidizing material is added so that the Ca concentration in the total mass of the raw material and the deoxidizing material is 0.2% by mass to 1.0% by mass
- oxygen It was confirmed that a TiAl alloy cast material containing 0.04% by mass to 0.10% by mass of Ca and 0.01% by mass to 0.03% by mass of Ca could be obtained.
- the deoxidizing material should be added so that the Ca concentration in the total mass of the raw material and the deoxidizing material is 0.2% by mass to 1.0% by mass.
- a variety of devices and raw materials are available, including a method of manufacturing using a device equipped with a ceramic crucible 2 and creating an Ar atmosphere inside the crucible while heating the crucible, and a method of using raw materials including TiAl alloy cutting chips and TiAl alloy casting scraps. It was confirmed that it can be used.
- a TiAl alloy cast material with a sufficiently low oxygen content can be obtained without using special equipment, special materials, etc.
- Atmospheric melting furnace 1a Storage section 1b Furnace wall 2 Oxide ceramic crucible 3 Raw material 3a Melting raw material 3b TiAl alloy cast material 3c Product section 3d Shrinkage cavity 3e Reuse section 4 High frequency coil 5 Funnel-shaped mold 5a Lid 6 Sealing material 7 Gas supply tube 8 funnel
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Abstract
ＴｉおよびＡｌ含む原料を溶解して溶湯とする溶解工程と、前記原料と前記溶湯のいずれか一方または両方にＣａを含む脱酸材を添加する工程であって、前記原料と前記脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように前記脱酸材を添加する脱酸材添加工程と、前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融状態を保持することにより、前記溶湯中の酸素とＣａとの反応生成物を含むヒュームを発生させて、前記溶湯中の酸素を除去する脱酸工程とを含むＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法とする。
Description
本発明は、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法、ＴｉＡｌ合金鋳造材、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールに関する。
本願は、２０２２年３月２５日に、日本に出願された特願２０２２－０５０４５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０２２年３月２５日に、日本に出願された特願２０２２－０５０４５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、ジェットエンジン用動翼、乗用車用ターボチャージャーのタービンホイールなどの材料としては、Ｎｉ基超合金が使用されてきた。近年、これらの部材に使用する新規材料として、ＴｉＡｌ合金が注目されている。ＴｉＡｌ合金は、密度がＮｉ基超合金の約１／２である。このため、部材が大きくても重量が少なくて済み、軽量化によるエンジン効率の向上および燃料消費量、二酸化炭素排出量の削減に大きく寄与する。
ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールとして実用化されているＴｉＡｌ合金からなる部材においては、当然のことながら部材を形成しているＴｉＡｌ合金中の不純物濃度が規定されている。不純物として最も混入しやすい酸素については、ＴｉＡｌ合金中の含有量は、例えば０．１２質量％以下にすることが規定されている。ＴｉＡｌ合金中の酸素含有量が０．１２質量％を超えると、ＴｉＡｌ合金からなる部材の耐衝撃特性が低下し、使用中に部材が破壊するなどの問題が生じやすくなる。
通常、ＴｉＡｌ合金からなるジェットエンジン用動翼およびタービンホイールは、鋳造法を用いて製造されたＴｉＡｌ合金鋳造材を使用している。鋳造に使用する原料としては、スポンジチタン、Ａｌ粒などの金属元素原料、および／またはこれらの金属元素原料を用いて作成した母合金インゴット（鋳塊）が用いられている。
現在、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールとなるＴｉＡｌ合金鋳造材を鋳造する際には、ＴｉＡｌ合金の成分規定を満たす酸素含有量の十分に少ない製品を得るため、以下に示す製造方法が用いられている。すなわち、真空溶解炉を用いて、真空中または不活性ガス雰囲気中で原料を溶解する方法により、溶解した原料中に雰囲気中から酸素が混入することを防止している。さらに、原料を水冷銅ルツボ中で溶解する方法により、溶湯中に酸素が混入することを防止している。
鉄基、Ｎｉ基合金などの金属材料を溶解する場合には、一般的に、酸化物セラミックルツボが使用されている。しかし、ＴｉＡｌ合金は、溶湯が活性であるため、酸化物セラミックスルボ中で溶解すると、ルツボから溶湯中に酸素が混入し、鋳造材中の酸素濃度が高くなる。
また、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールとなるＴｉＡｌ合金鋳造材を鋳造する際には、ＴｉＡｌ合金の成分規定を満たす酸素含有量の十分に少ない製品を得るため、酸素含有量の少ない原料が用いられている。具体的には、酸素含有量の少ない金属元素原料、および／または酸素含有量の少ない金属元素原料を用いて作成した酸素含有量の少ない母合金インゴット（鋳塊）が用いられている。
酸素含有量の少ない母合金インゴットは、通常、以下に示す鋳造方法を用いて製造されている。すなわち、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された水冷銅ルツボ中で、母合金インゴットの原料を溶解する方法を用いる。
特許文献１には、セラミックルツボ内において、溶解原料であるＴｉ及びＡｌを高周波誘導溶解によって溶解させて得た溶湯を鋳型に鋳湯することによりＴｉＡｌ合金インゴットを製造する方法が記載されている。また、特許文献１には、最も化学的に安定な化合物であるイットリア（Ｙ２Ｏ３）をセラミックルツボの材料として用いることにより、溶解中にセラミックルツボが分解されて発生する酸素の量を抑制でき、ＴｉＡｌ合金中に混入する酸素の濃度を抑制できることが記載されている。
特許文献２には、合金原料のうち、Ｔｉ原料の酸素含有量を８００ｐｐｍ以下、Ａｌ原料の酸素含有量を１００ｐｐｍ以下とすると共に、他の合金成分がＣｒ、Ｖ、Ｎｂの場合はそれらの酸素含有量を２０００ｐｐｍ以下、他の合金成分がＭｎの場合はその酸素含有量を３０００ｐｐｍ以下とするＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法が記載されている。特許文献２では、合金原料を溶解した後、凝固させて事前に成分調整した一次鋳塊で成る溶解母材を、水冷銅製るつぼ内で溶解することが記載されている。また、特許文献２には、合金材料が表面酸化などの影響を受けないように、不活性ガス雰囲気中で保管することが記載されている。
特許文献３には、酸素含有量２００ｐｐｍ以下の高純度Ｔｉと純度９９．９９重量％以上の高純度Ａｌとを母材として用い、酸素含有量を０．０３％以下に低減させて溶製し、鋳造した後、焼鈍する高純度ＴｉＡｌ基金属間化合物の製造方法が記載されている。特許文献３には、複数回にわたって銅製ハース上で溶解・凝固を繰り返すことが記載されている。
特許文献４には、チタン４８～７０原子％、アルミニウム３０～５２原子％からなる原料をカルシアるつぼで溶解し、ＴｉＡｌ基金属間化合物合金を溶製する方法が記載されている。また、特許文献４には、あらかじめチタン原料を真空中で加熱し脱ガス処理を行った後にチタン及びアルミニウム原料を上記るつぼに装入し、真空誘導溶解法で溶解することが記載されている。
非特許文献１には、水冷銅るつぼ内でＴｉ合金を誘導溶融し、これらにＣａ合金を添加することにより、脱酸を行ったことが記載されている。また、非特許文献１には、酸素を０．１６質量％含有するＴｉＡｌ母合金を、脱酸材としてＡｌＣａ合金を用いて脱酸したインゴットを分析した結果、Ｃａ≧０．３％で、Ｏ＝０．０２％まで脱酸されたことが記載されている。
柴田智樹、出向井登、ＴｉＡｌの脱酸、電気製鋼、第６４巻、第１号、１９９３年２月、ｐ．３２－３９
従来の技術では、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材を製造する場合には、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された水冷銅ルツボを使用して原料を溶解する特殊な装置を用いる方法、および／または、酸素含有量の少ない特別な原料を用いる方法を用いる必要があった。このため、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材を製造する際に使用できる装置および原料の選択肢を多くすることが要求されている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、酸素含有量の十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材が得られ、多様な装置および原料を使用できる汎用性の高いＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法、酸素含有量が０．１２質量％以下のＴｉＡｌ合金鋳造材、酸素含有量が０．１２質量％以下のＴｉＡｌ合金鋳造材からなるジェットエンジン用動翼およびタービンホイールを提供することを目的とする。
［１］ ＴｉおよびＡｌ含む原料を溶解して溶湯とする溶解工程と、前記原料と前記溶湯のいずれか一方または両方にＣａを含む脱酸材を添加する工程であって、前記原料と前記脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように前記脱酸材を添加する脱酸材添加工程と、前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融状態を保持することにより、前記溶湯中の酸素とＣａとの反応生成物を含むヒュームを発生させて、前記溶湯中の酸素を除去する脱酸工程とを含むことを特徴とするＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。
［２］ 前記脱酸材が、ＡｌＣａ合金であることを特徴とする［１］に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。
［３］ 前記溶解工程が、酸化物セラミックルツボ中で前記原料を溶解する工程であり、前記脱酸材添加工程が、前記酸化物セラミックルツボに前記原料とともに前記脱酸材を入れる工程と、前記酸化物セラミックルツボに入れられた前記溶湯に前記脱酸材を添加する工程のいずれか一方または両方であり、前記脱酸工程において、前記酸化物セラミックルツボに入れられた前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融させることを特徴とする［１］または［２］に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。
［４］ 前記脱酸材添加工程が、真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボに前記原料とともに前記脱酸材を入れる工程であり、前記溶解工程が、前記脱酸材添加工程の後、Ａｒ雰囲気とされた前記真空溶解炉内に設置された前記酸化物セラミックルツボ中で、前記原料を溶解する工程であり、前記脱酸工程において、Ａｒ雰囲気とされた前記真空溶解炉内に設置された前記酸化物セラミックルツボ中で、前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融させることを特徴とする［１］または［２］に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。
［５］ 前記酸化物セラミックルツボが、空気雰囲気とされた大気溶解炉内に設置され、前記溶解工程が、前記酸化物セラミックルツボの開口部を覆うように、漏斗状鋳型の広い方の開口部を前記酸化物セラミックルツボに向けて設置する鋳型設置工程と、前記酸化物セラミックルツボ内にＡｒガスを供給する雰囲気置換工程と、前記酸化物セラミックルツボを加熱する加熱工程とを有し、前記脱酸材添加工程が、前記酸化物セラミックルツボに前記原料とともに前記脱酸材を入れる工程と、前記酸化物セラミックルツボに入れられた前記溶湯に前記漏斗状鋳型を介して前記脱酸材を添加する工程のいずれか一方または両方であり、前記脱酸工程において、前記漏斗状鋳型に開口部を覆われた前記酸化物セラミックルツボ中で、前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融させ、前記漏斗状鋳型を介して前記酸化物セラミックルツボ内の前記ヒュームを排出し、前記脱酸工程の後、前記酸化物セラミックルツボと前記漏斗状鋳型とを一体化した状態で前記大気溶解炉を上下反転させて、前記酸化物セラミックルツボから前記漏斗状鋳型に前記溶湯を流し込んで冷却する鋳造工程を行うことを特徴とする［３］に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。
［６］ 前記原料が、ＴｉＡｌ合金切削切粉とＴｉＡｌ合金鋳造スクラップのいずれか一方または両方を含むことを特徴とする［１］～［５］のいずれかに記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。
［７］ 酸素を０．０４質量％～０．１０質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０３質量％含有することを特徴とするＴｉＡｌ合金鋳造材。
［８］ Ａｌを３１．９質量％～３４．２質量％、Ｎｂを４．０質量％～５．４質量％、Ｃｒを２．３質量％～３．０質量％、酸素を０．０４質量％～０．１２質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０７質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなることを特徴とするＴｉＡｌ合金鋳造材。
［８］ Ａｌを３１．９質量％～３４．２質量％、Ｎｂを４．０質量％～５．４質量％、Ｃｒを２．３質量％～３．０質量％、酸素を０．０４質量％～０．１２質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０７質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなることを特徴とするＴｉＡｌ合金鋳造材。
［９］ ［７］または［８］に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材からなることを特徴とするジェットエンジン用動翼。
［１０］ ［７］または［８］に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材からなることを特徴とするタービンホイール。
［１０］ ［７］または［８］に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材からなることを特徴とするタービンホイール。
本発明のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法は、ＴｉおよびＡｌ含む原料を溶解して溶湯とする溶解工程と、原料と溶湯のいずれか一方または両方にＣａを含む脱酸材を添加する工程であって、前記原料と前記脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように前記脱酸材を添加する脱酸材添加工程と、脱酸材を含む溶湯を加熱して溶融状態を保持することにより、溶湯中の酸素とＣａとの反応生成物を含むヒュームを発生させて、溶湯中の酸素を除去する脱酸工程とを含む。このため、脱酸工程後の溶湯を鋳型に流し込んで冷却することにより、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
したがって、本発明のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法によれば、特殊な装置を用いたり、酸素含有量の少ない特別な原料を用いたりしなくても、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材が得られ、多様な装置および原料を使用できる。例えば、原料中に酸素量の多い粗悪な原料が含まれていたり、酸化物セラミックルツボおよび／または雰囲気中から混入した酸素が溶湯中に含まれていたりしても、本発明のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法を用いることにより、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
本発明者らは、上記課題を解決すべく、以下に示すように、鋭意検討を行った。
すなわち、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材を得るために、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された水冷銅ルツボを使用して原料を溶解する特殊な装置を用いる場合、初期設備投資額および運転コストが高額となる。しかも、水冷銅ルツボを用いているため、溶解できる溶湯量が少なく、１バッチで鋳造できる鋳造材の数が少なく、生産性が不十分である。また、水冷銅ルツボを用いる場合、溶湯の過熱温度が小さいため、鋳造の際に湯周り不良を起こしやすく、良品歩留まりが低くなりやすい。
すなわち、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材を得るために、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された水冷銅ルツボを使用して原料を溶解する特殊な装置を用いる場合、初期設備投資額および運転コストが高額となる。しかも、水冷銅ルツボを用いているため、溶解できる溶湯量が少なく、１バッチで鋳造できる鋳造材の数が少なく、生産性が不十分である。また、水冷銅ルツボを用いる場合、溶湯の過熱温度が小さいため、鋳造の際に湯周り不良を起こしやすく、良品歩留まりが低くなりやすい。
水冷銅ルツボを用いる場合の問題を解決するために、水冷銅ルツボに代えて、鉄基、Ｎｉ基合金などの金属材料を溶解する際に一般的に使用されている酸化物セラミックルツボを用いることが考えられる。酸化物セラミックルツボを用いる場合、水冷銅ルツボを用いる場合と比較して、溶解できる溶湯量を多くできるし、溶湯の過熱温度も大きくできる。
しかしながら、ＴｉＡｌ合金の溶湯は非常に活性である。このため、酸化物セラミックルツボ中でＴｉおよびＡｌを含む原料を溶解すると、酸化物セラミックルツボの材料に由来する酸素が溶解原料に混入する。その結果、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材は、酸素含有量の多いものとなってしまう。このため、従来、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材を製造する場合に、酸化物セラミックルツボを用いることはできなかった。
また、初期設備投資額および運転コストを低減するために、真空溶解炉に代えて、大気溶解炉を用いることが考えられる。しかしながら、大気溶解炉を用いる場合、大気中の酸素が溶解原料に混入する。その結果、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材は、酸素含有量の多いものとなってしまう。
また、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材を得るために、酸素含有量の少ない特別な原料を用いる場合、原料が高価であるし、原料を保管するために特別な装置が必要である。また、酸素含有量の少ない原料として、酸素含有量の少ない母合金インゴットを製造する場合には、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された水冷銅ルツボを使用して原料を溶解する特殊な装置を用いる必要がある。
一方、ＴｉＡｌ合金鋳造材の原料として、ＴｉＡｌ合金スクラップを利用することが要求されている。ＴｉＡｌ合金スクラップとしては、ＴｉＡｌ合金切削切粉および／またはＴｉＡｌ合金鋳造スクラップを用いることが考えられる。ＴｉＡｌ合金切削切粉としては、例えば、ＴｉＡｌ合金鋳造材からジェットエンジン用動翼などの部材を製造する際に発生する切削切粉などが挙げられる。また、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップとしては、ロストワックス鋳造を用いたＴｉＡｌ合金の精密鋳造を行う際に発生する湯道など、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製品とならない部位からなる鋳造スクラップが挙げられる。
しかし、ＴｉＡｌ合金スクラップは、酸素含有量が多い。具体的には、ＴｉＡｌ合金切削切粉には、クーラント、切削油などの有機物が固着している。有機物は、ＴｉＡｌ合金切削切粉に強固に固着しているため、有機溶媒などを用いてＴｉＡｌ合金切削切粉を洗浄しても、酸素含有量を十分に少なくすることは困難である。また、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップ中には、通常、酸化物セラミックからなる鋳型と溶解した原料とが反応することにより混入した酸素が含まれている。このため、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップも、酸素含有量が多い。これらのことから、従来の技術では、ＴｉＡｌ合金スクラップを含む原料を用いて、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材を製造することは困難であった。
近年、ＴｉＡｌ合金からなる部材の生産量が急速に拡大している。特に、ＴｉＡｌ合金からなるジェットエンジン用動翼の利用が世界的に拡大しており、その生産量が増加している。しかしながら、現在のＴｉＡｌ合金からなるジェットエンジン用動翼のコストは、Ｎｉ基超合金からなるジェットエンジン用動翼の数倍である。このことから、ジェットエンジン用動翼となるＴｉＡｌ合金鋳造材のコストを削減することが強く求められている。
そこで、本発明者らは、上記課題を解決し、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された水冷銅ルツボを使用して原料を溶解する特殊な装置だけでなく、大気溶解炉内または真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボを備える装置などの多様な装置、およびＴｉＡｌ合金スクラップなどの多様な原料を使用しても、酸素含有量の十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる汎用性の高いＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法を実現すべく、溶解原料の脱酸材に着目し、鋭意検討を行った。
その結果、原料または溶湯のいずれか一方または両方に、原料とＣａを含む脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように脱酸材を添加してから、脱酸材を含む溶湯を加熱して溶融状態を保持すればよいことを見出した。Ｃａは、ＴｉおよびＡｌと比較して、酸素と結びつきやすい元素である。このため、溶湯中のＣａは、溶湯を加熱して溶融状態を保持することにより、溶湯中の酸素と反応し、ＣａＯ、ＣａＴｉＯ３、ＣａＡｌ２Ｏ４などの反応生成物を生成させる。これらの反応生成物は、ヒューム（fume、蒸気）となって溶湯から排出される。その結果、溶湯中の酸素がＣａとともに除去される。
さらに、本発明者らは、Ｃａを含む脱酸材を、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が上記範囲内となるように添加することにより、特殊な装置を用いたり、酸素濃度が少ない特別な原料を用いたりしなくても、酸素含有量が十分に少なく、優れた耐衝撃特性を有するＴｉＡｌ合金鋳造材が得られることを確認し、本発明を想到した。
具体的には、Ｃａを含む脱酸材を上記の濃度となるように添加する方法を用いることにより、後述する実施例に示すように、金属材料を溶解する際に一般的に使用される汎用的な溶解炉および酸化物セラミックルツボを用いた装置、あるいは酸素濃度の高いＴｉＡｌ合金スクラップを含む原料を用いても、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
具体的には、Ｃａを含む脱酸材を上記の濃度となるように添加する方法を用いることにより、後述する実施例に示すように、金属材料を溶解する際に一般的に使用される汎用的な溶解炉および酸化物セラミックルツボを用いた装置、あるいは酸素濃度の高いＴｉＡｌ合金スクラップを含む原料を用いても、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
以下、本発明のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法、ＴｉＡｌ合金鋳造材、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態のみに限定されるものではない。
［ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法］
本実施形態では、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法の一例として、大気溶解炉１内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置を用いる場合を例に挙げて説明する。
図１～図７は、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法の一例を説明するための工程図である。図１～図６において、符号１は、大気溶解炉を示し、符号２は、酸化物セラミックルツボを示す。
本実施形態では、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法の一例として、大気溶解炉１内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置を用いる場合を例に挙げて説明する。
図１～図７は、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法の一例を説明するための工程図である。図１～図６において、符号１は、大気溶解炉を示し、符号２は、酸化物セラミックルツボを示す。
大気溶解炉１としては、公知のものを用いることができる。本実施形態においては、大気溶解炉１として反転炉（ロールオーバー炉）方式のものを用いる。大気溶解炉１は、図１に示すように、上方が開口された略円筒状の収容部１ａを有する。大気溶解炉１は、炉壁１ｂと、炉壁１ｂ内に設置され、酸化物セラミックルツボ２を加熱する高周波コイル４とを有する。図１に示すように、収容部１ａ内には、酸化物セラミックルツボ２が設置されている。
酸化物セラミックルツボ２としては、公知のものを用いることができる。酸化物セラミックルツボ２の材料としては、化学的に安定な酸化物セラミックを用いることが好ましく、具体的には、カルシアまたはイットリアを用いることが好ましく、介在物が混入しにくい材料であるためカルシアを用いることがより好ましい。酸化物セラミックルツボ２として、カルシアまたはイットリアからなるものを用いることにより、酸化物セラミックルツボ２から溶解原料３ａ（溶湯）に混入する酸素の量を抑制できる。したがって、原料３または溶解原料３ａに添加するＣａを含む脱酸材の添加量が少なくても、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材中の酸素含有量を十分に少なくできる。
［溶解工程］［脱酸材添加工程］
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法は、溶解工程を含む。溶解工程では、原料３を溶解して溶解原料３ａ（溶湯）とする。本実施形態では、空気雰囲気とされた大気溶解炉１内に設置されている酸化物セラミックルツボ２中で原料３を溶解する。後述するように、原料３の溶解は、酸化物セラミックルツボ２の開口部を漏斗状鋳型５によって覆い、酸化物セラミックルツボ２内をアルゴン雰囲気としてから行う。酸化物セラミックルツボ２内へのアルゴンの供給は、後述するように、例えば、漏斗状鋳型５を介して、酸化物セラミックルツボ２内に挿入したガス供給管７などを用いて行うことができる。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法は、溶解工程を含む。溶解工程では、原料３を溶解して溶解原料３ａ（溶湯）とする。本実施形態では、空気雰囲気とされた大気溶解炉１内に設置されている酸化物セラミックルツボ２中で原料３を溶解する。後述するように、原料３の溶解は、酸化物セラミックルツボ２の開口部を漏斗状鋳型５によって覆い、酸化物セラミックルツボ２内をアルゴン雰囲気としてから行う。酸化物セラミックルツボ２内へのアルゴンの供給は、後述するように、例えば、漏斗状鋳型５を介して、酸化物セラミックルツボ２内に挿入したガス供給管７などを用いて行うことができる。
溶解工程では、図１に示すように、原料３のうち一部を酸化物セラミックルツボ２中に入れる。さらに、酸化物セラミックルツボ２にＣａを含む脱酸材の全量を添加してから、原料３を溶解する。
（原料）
原料３は、ＴｉおよびＡｌを含む。原料３としては、ＴｉおよびＡｌの他に、添加元素として、例えば、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｂから選ばれる１種または２種以上を含有しているものを用いてもよい。原料３の組成は、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材の用途などに応じて、適宜決定できる。
原料３としては、例えば、Ａｌを３１．９質量％～３４．２質量％、Ｎｂを４．０質量％～５．４質量％、Ｃｒを２．３質量％～３．０質量％、酸素を０．１質量％～０．５質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるものを用いることができる。
原料３は、ＴｉおよびＡｌを含む。原料３としては、ＴｉおよびＡｌの他に、添加元素として、例えば、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｂから選ばれる１種または２種以上を含有しているものを用いてもよい。原料３の組成は、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材の用途などに応じて、適宜決定できる。
原料３としては、例えば、Ａｌを３１．９質量％～３４．２質量％、Ｎｂを４．０質量％～５．４質量％、Ｃｒを２．３質量％～３．０質量％、酸素を０．１質量％～０．５質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるものを用いることができる。
原料３中には、目的物である製造後のＴｉＡｌ合金鋳造材の用途に支障を来すことのない範囲の濃度で、不純物が含まれている。原料３中に含まれる不純物は、例えば、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールとなるＴｉＡｌ合金鋳造材を鋳造する場合には、製造後のＴｉＡｌ合金鋳造材がＴｉＡｌ合金の成分規定（各製品の材料スペック）を満たす含有量の範囲内であることが好ましい。
原料３の組成は、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材の組成とは一致しない。具体的には、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造工程において、溶解原料３ａと接する酸化物セラミックルツボ２、雰囲気中などから溶解原料３ａ中に混入して増加する元素、Ｃａを含む脱酸材を添加することによって増加する元素、ヒュームとなって溶解原料３ａから排出されて減少する元素などがあるためである。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法では、ＴｉＡｌ合金の主要元素であるＴｉおよびＡｌが、装置および雰囲気中から混入したり、製造過程で排出されたりすることはほとんどない。したがって、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造工程に伴うＴｉ量の増減はほとんどない。よって、原料３として使用したＴｉの質量と、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材に含まれるＴｉの質量とは、同じであるとみなすことができる。一方、Ａｌ量は、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造工程において、Ｃａを含む脱酸材としてＡｌＣａ合金を用いることにより増加し、脱酸工程においてＣａＡｌ２Ｏ４などのヒュームとなって溶湯から排出されることにより減少する。
また、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法では、添加元素として原料３に含まれていてもよいＮｂおよびＣｒについても、Ｔｉと同様に、装置および雰囲気中から混入したり、製造過程で排出されたりすることはほとんどない。したがって、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造工程に伴うＮｂ量およびＣｒ量の増減はほとんどない。よって、原料３として使用したＮｂおよびＣｒの質量と、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材に含まれるＮｂおよびＣｒの質量とは、同じであるとみなすことができる。
原料３の組成が、例えば、Ａｌを３１．９質量％～３４．２質量％、Ｎｂを４．０質量％～５．４質量％、Ｃｒを２．３質量％～３．０質量％、酸素を０．１質量％～０．５質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなる場合、鋳造後に、Ａｌを３１．９質量％～３４．２質量％、Ｎｂを４．０質量％～５．４質量％、Ｃｒを２．３質量％～３．０質量％、酸素を０．０４質量％～０．１２質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０７質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるＴｉＡｌ合金鋳造材が得られやすく、好ましい。このような組成を有するＴｉＡｌ合金鋳造材は、優れた耐衝撃特性を有し、しかも機械加工性、引張強度およびクリープ強度が良好であるため、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールの材料として好適に用いることができる。
原料３に含まれるＡｌの含有量は、例えば、３１．９質量％～３４．２質量％とすることができ、３２．９質量％～３３．８質量％であることが好ましい。これは、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材の耐衝撃性、引張強度およびクリープ強度がより良好なものとなるためである。
原料３に含まれるＮｂの含有量は、例えば、４．０質量％～５．４質量％とすることができ、４．４質量％～５．０質量％であることが好ましい。これは、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材の耐酸化性が良好となるためである。
また、原料３に含まれるＣｒの含有量は、例えば、２．３質量％～３．０質量％とすることができ、２．５質量％～２．８質量％であることが好ましい。これは、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材の延性が良好となるためである。
原料３が、ＴｉおよびＡｌの他に、Ｎｂを４．４質量％～５．０質量％含み、かつＣｒを２．５質量％～２．８質量％含む場合、より優れた耐衝撃特性を有し、しかも機械加工性、引張強度およびクリープ強度がより優れているＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
また、原料３に含まれるＣｒの含有量は、例えば、２．３質量％～３．０質量％とすることができ、２．５質量％～２．８質量％であることが好ましい。これは、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材の延性が良好となるためである。
原料３が、ＴｉおよびＡｌの他に、Ｎｂを４．４質量％～５．０質量％含み、かつＣｒを２．５質量％～２．８質量％含む場合、より優れた耐衝撃特性を有し、しかも機械加工性、引張強度およびクリープ強度がより優れているＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
原料３の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、スポンジチタン、Ａｌ粒（ペレット）、Ｎｂ薄片、Ｃｒ粒などの金属元素原料、および／またはこれらの金属元素原料を用いて作成した母合金インゴット（鋳塊）などを用いることができる。
原料３は、ＴｉＡｌ合金スクラップを含んでいてもよい。ＴｉＡｌ合金スクラップとしては、例えば、ＴｉＡｌ合金切削切粉およびＴｉＡｌ合金鋳造スクラップが挙げられる。ＴｉＡｌ合金切削切粉としては、例えば、ＴｉＡｌ合金鋳造材からジェットエンジン用動翼などの部材を製造する際に発生する切削切粉などが挙げられる。また、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップとしては、ロストワックス鋳造を用いたＴｉＡｌ合金の精密鋳造を行う際に発生する湯道など、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製品とならない部位からなる鋳造スクラップが挙げられる。
原料３として、ＴｉＡｌ合金切削切粉を用いる場合には、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材に含まれる酸素含有量をより一層少なくするため、ＴｉＡｌ合金切削切粉に固着しているクーラント、切削油などの有機物を、アセトンなどの有機溶媒を用いて洗浄してから使用することが好ましい。有機溶媒を用いてＴｉＡｌ合金切削切粉を洗浄する方法としては、例えば、超音波洗浄機を用いる方法など公知の方法を用いることができる。また、原料３として、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップを用いる場合には、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材に含まれる酸素含有量をより一層少なくするため、表面を酸洗処理してから使用することが好ましい。
（Ｃａを含む脱酸材）
Ｃａを含む脱酸材としては、例えば、単体状態のＣａを用いてもよいし、ＡｌＣａ合金、ＣａＦ２、ＣａＣｌ２などのＣａを含む化合物を用いてもよい。Ｃａを含む脱酸材としては、固体であるため取り扱いが容易であるし、保管に特別の配慮は必要なく、安全上も特別な配慮は必要ないことから、ＡｌＣａ合金を用いることが好ましい。
ＡｌＣａ合金としては、ＡｌＣａ合金の製造過程におけるＣａ含有量の変動が少なく、安定して製造できるため、ＡｌＣａ合金中のＣａ含有量が３質量％～２０質量％であるものを用いることが好ましく、Ｃａ含有量が１０質量％または５質量％のものを用いることがより好ましく、５質量％のものを用いることがさらに好ましい。
Ｃａを含む脱酸材としては、例えば、単体状態のＣａを用いてもよいし、ＡｌＣａ合金、ＣａＦ２、ＣａＣｌ２などのＣａを含む化合物を用いてもよい。Ｃａを含む脱酸材としては、固体であるため取り扱いが容易であるし、保管に特別の配慮は必要なく、安全上も特別な配慮は必要ないことから、ＡｌＣａ合金を用いることが好ましい。
ＡｌＣａ合金としては、ＡｌＣａ合金の製造過程におけるＣａ含有量の変動が少なく、安定して製造できるため、ＡｌＣａ合金中のＣａ含有量が３質量％～２０質量％であるものを用いることが好ましく、Ｃａ含有量が１０質量％または５質量％のものを用いることがより好ましく、５質量％のものを用いることがさらに好ましい。
Ｃａを含む脱酸材は、原料３と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように添加する。Ｃａを含む脱酸材の添加量は、上記範囲内で、原料３の組成、目的物であるＴｉＡｌ合金鋳造材の組成範囲、脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱する雰囲気、温度および時間などの条件などに応じて、適宜決定できる。Ｃａを含む脱酸材を、原料３と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が上記範囲内となるように添加することにより、鋳造後に、酸素を０．０４質量％～０．１２質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０７質量％含有し、優れた耐衝撃特性を有するＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法では、原料３と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が０．２質量％以上となるようにするので、脱酸材を添加したことによる効果が十分に得られ、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材の酸素含有量が０．１２質量％以下となる。また、原料３と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が１．０質量％以下となるようにするので、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材中に残留するＣａ含有量が０．０７質量％以下となる。
また、Ｃａを含む脱酸材は、原料３と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．４質量％～０．８質量％となるように添加してもよい。Ｃａを含む脱酸材の添加量を上記範囲内とし、原料３の組成、脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱する雰囲気、温度および時間などの条件を適宜調整することにより、鋳造後に、酸素を０．０４質量％～０．１０質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０３質量％含有し、より優れた耐衝撃特性を有するＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
Ｃａを含む脱酸材は、原料３と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．５５質量％～０．６５質量％となるように添加してもよい。
Ｃａを含む脱酸材は、原料３と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．５５質量％～０．６５質量％となるように添加してもよい。
次に、図２に示すように、酸化物セラミックルツボ２の開口部を覆うように、漏斗状鋳型５の広い方の開口部を酸化物セラミックルツボ２に向けて、大気溶解炉１の炉壁１ｂ上に設置する（鋳型設置工程）。漏斗状鋳型５の広い方の開口部は、後述する鋳造工程において、漏斗状鋳型５に溶解原料３ａを流し込む湯口として機能する。漏斗状鋳型５としては、内部の体積が、原料３の体積よりも大きいものを用いることが好ましい。
漏斗状鋳型５としては、ＴｉＡｌ合金鋳造材を製造する際に使用される公知の材料からなるものを用いることができる。具体的には、漏斗状鋳型５として、鋳鉄、炭素鋼などからなり、溶解原料３ａとの反応を防止するために、内面にジルコンなどのセラミックが塗布された二つ割り構造を有する金型などを用いることができる。
本実施形態では、漏斗状鋳型５として金型を用いる場合を例に挙げて説明したが、漏斗状鋳型５として、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニアなどからなるセラミック鋳型を用いてロストワックス鋳造を行ってもよい。ロストワックス鋳造を行うことで、最終製品に近い形状を有するＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
本実施形態では、漏斗状鋳型５として金型を用いる場合を例に挙げて説明したが、漏斗状鋳型５として、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニアなどからなるセラミック鋳型を用いてロストワックス鋳造を行ってもよい。ロストワックス鋳造を行うことで、最終製品に近い形状を有するＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。
また、図２に示すように、漏斗状鋳型５と大気溶解炉１の炉壁１ｂとの接触部分には、セメントなどからなる簡易的なシール材６を設置することが好ましい。このことにより、漏斗状鋳型５と大気溶解炉１の炉壁１ｂとの接触部分から、酸化物セラミックルツボ２内に空気が入り込むことを抑制できる。
次に、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部からガス供給管７を差し込み、ガス供給管７を介して、酸化物セラミックルツボ２内にＡｒガスを供給する（雰囲気置換工程）。Ａｒガスは、空気よりも重い気体である。このため、酸化物セラミックルツボ２内にＡｒガスを供給すると、酸化物セラミックルツボ２の底部からＡｒガスが溜まっていき、空気が漏斗状鋳型５を介して排出される。このことにより、漏斗状鋳型５内および酸化物セラミックルツボ２内がＡｒ雰囲気に置換され、原料３を溶解してなる溶解原料３ａと空気との接触を避けることができる。
その後、大気溶解炉１に設置された高周波コイル４を用いて、酸化物セラミックルツボ２を加熱し、図３に示すように、原料３を溶解して溶解原料３ａとする（加熱工程）。 本実施形態では、漏斗状鋳型５内および酸化物セラミックルツボ２内がＡｒ雰囲気に置換された後も、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部に蓋５ａを設置する（図５参照）直前まで、酸化物セラミックルツボ２内へのＡｒガスの供給を継続的に行うことが好ましい。このことにより、溶解原料３ａ中に空気中の酸素が混入することを効果的に抑制でき、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材中の酸素含有量をより一層少なくできる。
本実施形態の溶解工程においては、酸化物セラミックルツボ２内を、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部から、目視またはカメラを用いて観察しながら、原料３を溶解することが好ましい。このことにより、原料３の溶解状況および原料３のすべてが溶解したか否かを確認できる。
次に、本実施形態の溶解工程においては、図４に示すように、漏斗８を漏斗状鋳型５の狭い方の開口部に設置し、漏斗８および漏斗状鋳型５を介して、残りの原料３を１回または複数回に分けて、酸化物セラミックルツボ２に添加する。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法では、原料３のうち一部を酸化物セラミックルツボ２中に入れて溶解して溶湯としてから、残りの原料３を１回または複数回に分けて、酸化物セラミックルツボ２に添加する場合を例に挙げて説明したが、原料３の全てを酸化物セラミックルツボ２中に入れてから原料３を溶解してもよいし、原料３の一部を酸化物セラミックルツボ２中に入れて溶解しながら、残りの原料３を１回または複数回に分けて、酸化物セラミックルツボ２に添加してもよい。
原料３を複数回に分けて酸化物セラミックルツボ２に添加する場合、原料３として毎回異なるものを添加してもよいし、複数回のうち一部の回が同じであってもよいし、毎回同じものを添加してもよく、原料３の組成および形状などに応じて適宜決定できる。
原料３を複数回に分けて酸化物セラミックルツボ２に添加する場合、原料３として毎回異なるものを添加してもよいし、複数回のうち一部の回が同じであってもよいし、毎回同じものを添加してもよく、原料３の組成および形状などに応じて適宜決定できる。
また、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法では、酸化物セラミックルツボ２に原料３とともにＣａを含む脱酸材の全量を入れたが、酸化物セラミックルツボ２に入れられた溶解原料３ａ（溶湯）に、漏斗状鋳型５を介してＣａを含む脱酸材を添加してもよい。
また、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法では、Ｃａを含む脱酸材を複数回に分けて原料３および／または溶解原料３ａに添加してもよい。すなわち、酸化物セラミックルツボ２に原料３とともにＣａを含む脱酸材の一部を入れ、残りのＣａを含む脱酸材を、酸化物セラミックルツボ２に入れられた溶解原料３ａに漏斗状鋳型５を介して１回または複数回に分けて添加してもよい。
また、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法では、Ｃａを含む脱酸材を複数回に分けて原料３および／または溶解原料３ａに添加してもよい。すなわち、酸化物セラミックルツボ２に原料３とともにＣａを含む脱酸材の一部を入れ、残りのＣａを含む脱酸材を、酸化物セラミックルツボ２に入れられた溶解原料３ａに漏斗状鋳型５を介して１回または複数回に分けて添加してもよい。
［脱酸工程］
本実施形態では、原料３のすべてが溶解したことを確認した後、脱酸工程において、漏斗状鋳型５に開口部を覆われた酸化物セラミックルツボ２中で、脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱して溶融させ、溶融状態を保持する。このことにより、溶解原料３ａ中に含まれる成分を均質化する。それとともに、溶解原料３ａ中の酸素とＣａとの反応生成物を含むヒュームを発生させて、漏斗状鋳型５を介して排出し、溶解原料３ａ中の酸素を除去する。
本実施形態では、原料３のすべてが溶解したことを確認した後、脱酸工程において、漏斗状鋳型５に開口部を覆われた酸化物セラミックルツボ２中で、脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱して溶融させ、溶融状態を保持する。このことにより、溶解原料３ａ中に含まれる成分を均質化する。それとともに、溶解原料３ａ中の酸素とＣａとの反応生成物を含むヒュームを発生させて、漏斗状鋳型５を介して排出し、溶解原料３ａ中の酸素を除去する。
脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱して溶融状態で保持する時間は、例えば、原料３の全てが溶解して脱酸材を含む溶解原料３ａとされてから、２分間～１０分間であることが好ましく、３分間～５分間であることがより好ましい。脱酸材を含む溶解原料３ａを溶融状態で保持する時間が２分間以上であると、溶解原料３ａ中の酸素とＣａとの反応が十分に進行する。その結果、溶解原料３ａ中の酸素とＣａとの反応生成物を含むヒュームの発生が促進され、溶解原料３ａ中の酸素を除去する効果がより一層顕著となる。脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱して溶融状態で保持する時間が１０分間以下であると、ＴｉＡｌ合金鋳造材の生産性に支障をきたすことなく、鋳造後に得られるＴｉＡｌ合金鋳造材に含まれる酸素含有量を少なくできる。
脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱して溶融状態で保持する温度は、１６５０℃～１７５０℃であることが好ましく、１６７５℃～１７２５℃であることがより好ましい。脱酸材を含む溶解原料３ａを溶融状態で保持する温度が１６５０℃以上であると、溶解原料３ａ中の酸素とＣａとの反応が促進されて、反応生成物を含むヒュームの発生が促進されるため、溶解原料３ａ中の酸素を除去する効果がより一層顕著となる。脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱して溶融状態で保持する温度が１７５０℃以下であると、酸化物セラミックルツボ２と溶解原料３ａとの反応が抑制されるため好ましい。
本実施形態では、高周波コイル４を用いて酸化物セラミックルツボ２中の原料３を加熱し、酸化物セラミックルツボ２に入れられた原料３を溶解して脱酸材を含む溶解原料３ａとした後、溶解原料３ａの加熱を継続して溶解原料３ａの溶融状態を保持することにより、脱酸工程を行うことが好ましい。このことにより、効率よくＴｉＡｌ合金鋳造材を製造できる。
本実施形態では、脱酸工程の後、図５に示すように、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部に蓋５ａを設置する。蓋５ａとしては、例えば、鋳鉄、炭素鋼などからなり、溶解原料３ａとの反応を防止するために、内面にジルコンなどのセラミックが塗布されたものを用いることができる。
その後、本実施形態では、図６に示すように、酸化物セラミックルツボ２と漏斗状鋳型５とを一体化した状態で大気溶解炉１を上下反転させて、酸化物セラミックルツボ２から漏斗状鋳型５に溶解原料３ａを流し込み、冷却する（鋳造工程）。このことにより、ＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂが得られる。
その後、図７に示すように、漏斗状鋳型５からＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを取り外して切断し、製品となる部位からなる製品部３ｃと、引け巣３ｄが形成されて製品とならない部位からなる再利用部３ｅとに分ける。再利用部３ｅは、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップであり、ＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂの原料３として再利用できる。
その後、図７に示すように、漏斗状鋳型５からＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを取り外して切断し、製品となる部位からなる製品部３ｃと、引け巣３ｄが形成されて製品とならない部位からなる再利用部３ｅとに分ける。再利用部３ｅは、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップであり、ＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂの原料３として再利用できる。
（他の例）
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態では、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法の一例として、図１に示す大気溶解炉１内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置を用いる場合を例に挙げて説明したが、大気溶解炉に代えて真空溶解炉を用いてもよい。真空溶解炉としては、公知のものを用いることができ、例えば、一般的な真空誘導溶解炉（ＶＩＭ炉）を用いることができる。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態では、ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法の一例として、図１に示す大気溶解炉１内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置を用いる場合を例に挙げて説明したが、大気溶解炉に代えて真空溶解炉を用いてもよい。真空溶解炉としては、公知のものを用いることができ、例えば、一般的な真空誘導溶解炉（ＶＩＭ炉）を用いることができる。
真空溶解炉を用いる場合、以下に示す方法を用いることが好ましい。すなわち、脱酸材添加工程において、真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボに原料とともに脱酸材の全量を入れる。そして、真空溶解炉内を真空にしてからＡｒガスを供給することにより、真空溶解炉内をＡｒガス雰囲気に置換する。そして、溶解工程において、Ａｒ雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボ中で原料の全量を溶解して溶湯とする。
真空溶解炉を用いる場合、真空誘導溶解炉の上部に設置されたカメラを用いて、真空誘導溶解炉に設置された石英窓を通じて酸化物セラミックルツボ２内を観察しながら、原料３を溶解することが好ましい。このことにより、原料３の溶解状況および原料３のすべてが溶解したか否かを確認できる。
その後、脱酸工程において、Ａｒ雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボ中で脱酸材を含む溶湯を加熱して溶融状態を保持することにより、溶湯中の酸素を除去する。
その後、脱酸工程において、Ａｒ雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボ中で脱酸材を含む溶湯を加熱して溶融状態を保持することにより、溶湯中の酸素を除去する。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法は、ＴｉおよびＡｌならびに各種添加元素を含む原料３と、原料３を溶解した溶解原料３ａのいずれか一方または両方にＣａを含む脱酸材を添加する工程であって、原料３と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように脱酸材を添加する脱酸材添加工程と、脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱して溶融状態を保持することにより、溶解原料３ａ中の酸素とＣａとの反応生成物を含むヒュームを発生させて、溶解原料３ａ中の酸素を除去する脱酸工程とを含む。このため、脱酸工程の後、上述した鋳造工程を行うことにより得られるＴｉＡｌ合金鋳造材は、酸素を０．０４質量％～０．１２質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０７質量％含有し、優れた耐衝撃特性を有するものとなる。
したがって、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法によれば、特殊な装置を用いたり、酸素含有量の少ない特別な原料を用いたりしなくても、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材が得られる。具体的には、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法は、大気溶解炉１内または真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置などの多様な装置、およびＴｉＡｌ合金切削切粉、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップなどの酸素量が多いＴｉＡｌ合金スクラップなどの多様な原料を制限なく使用できる。
［ＴｉＡｌ合金鋳造材］
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材は、酸素を０．０４質量％～０．１０質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０３質量％含有する。本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材は、酸素含有量が０．１０質量％以下であり、かつＣａ含有量が０．０３質量％以下であるので、優れた耐衝撃特性を有する。また、酸素含有量が０．０４質量％以上であるので、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法を用いて製造する場合に、使用するＣａを含む脱酸材の使用量を抑制できる。その結果、ＴｉＡｌ合金鋳造材中のＣａ含有量を０．０３質量％以下とすることができる。また、Ｃａ含有量が０．０１質量％以上であるので、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法を用いて製造する場合に、使用可能なＣａを含む脱酸材の量を十分に確保でき、脱酸材を添加したことによる脱酸効果が十分に得られる。このため、大気溶解炉１内または真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置など多様な装置、およびＴｉＡｌ合金切削切粉、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップなどの多様な原料を用いることができる。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材は、酸素を０．０４質量％～０．１０質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０３質量％含有する。本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材は、酸素含有量が０．１０質量％以下であり、かつＣａ含有量が０．０３質量％以下であるので、優れた耐衝撃特性を有する。また、酸素含有量が０．０４質量％以上であるので、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法を用いて製造する場合に、使用するＣａを含む脱酸材の使用量を抑制できる。その結果、ＴｉＡｌ合金鋳造材中のＣａ含有量を０．０３質量％以下とすることができる。また、Ｃａ含有量が０．０１質量％以上であるので、本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法を用いて製造する場合に、使用可能なＣａを含む脱酸材の量を十分に確保でき、脱酸材を添加したことによる脱酸効果が十分に得られる。このため、大気溶解炉１内または真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置など多様な装置、およびＴｉＡｌ合金切削切粉、ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップなどの多様な原料を用いることができる。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材は、Ａｌを３１．９質量％～３４．２質量％、Ｎｂを４．０質量％～５．４質量％、Ｃｒを２．３質量％～３．０質量％、酸素を０．０４質量％～０．１２質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０７質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるものであってもよい。このようなＴｉＡｌ合金鋳造材は、優れた耐衝撃特性を有し、しかも機械加工性、引張強度およびクリープ強度が良好であるため、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールの材料として好適に用いることができる。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材は、Ａｌを３２．９質量％～３３．８質量％、Ｎｂを４．４質量％～５．０質量％、Ｃｒを２．５質量％～２．８質量％、酸素を０．０４質量％～０．１２質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０７質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるものであってもよい。このようなＴｉＡｌ合金鋳造材は、より優れた耐衝撃特性を有し、しかも機械加工性、引張強度およびクリープ強度がより優れているため、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイールの材料として特に好適である。
本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材は、いずれも上述した本実施形態のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法を用いて、原料３の組成、Ｃａを含む脱酸材の種類および使用量、脱酸材を含む溶解原料３ａを加熱する雰囲気、温度および時間などの条件を適宜変更することにより製造できる。
［ジェットエンジン用動翼］［タービンホイール］
本実施形態のジェットエンジン用動翼およびタービンホイールは、本実施形態のＡｌ合金鋳造材からなる。したがって、優れた耐衝撃特性を有する。
本実施形態のジェットエンジン用動翼およびタービンホイールは、本実施形態のＡｌ合金鋳造材を、例えば、公知の方法を用いて切削加工することにより製造できる。ＴｉＡｌ合金鋳造材を切削加工する際に発生したＴｉＡｌ合金切削切粉は、鋳造スクラップであり、ＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂの原料３として再利用できる。
本実施形態のジェットエンジン用動翼およびタービンホイールは、本実施形態のＡｌ合金鋳造材からなる。したがって、優れた耐衝撃特性を有する。
本実施形態のジェットエンジン用動翼およびタービンホイールは、本実施形態のＡｌ合金鋳造材を、例えば、公知の方法を用いて切削加工することにより製造できる。ＴｉＡｌ合金鋳造材を切削加工する際に発生したＴｉＡｌ合金切削切粉は、鋳造スクラップであり、ＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂの原料３として再利用できる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
「実験例１」
図１に示す反転炉（ロールオーバー炉）方式の大気溶解炉１を用い、大気溶解炉１内にカルシアからなる酸化物セラミックルツボ２を設置した。
スポンジチタン（商品名：ＴＳＴ－１；東邦チタニウム社製）、Ａｌ粒（ペレット）（フルウチ化学社製）、Ｎｂ薄片（レアメタアリック社製）、Ｃｒ粒（フルウチ化学社製）からなる各金属元素原料を用意した。また、Ｃａを含む脱酸材として、Ｃａ含有量が５質量％であるＡｌＣａ合金を用意した。
図１に示す反転炉（ロールオーバー炉）方式の大気溶解炉１を用い、大気溶解炉１内にカルシアからなる酸化物セラミックルツボ２を設置した。
スポンジチタン（商品名：ＴＳＴ－１；東邦チタニウム社製）、Ａｌ粒（ペレット）（フルウチ化学社製）、Ｎｂ薄片（レアメタアリック社製）、Ｃｒ粒（フルウチ化学社製）からなる各金属元素原料を用意した。また、Ｃａを含む脱酸材として、Ｃａ含有量が５質量％であるＡｌＣａ合金を用意した。
上記各金属元素原料をそれぞれ秤量し、Ａｌを３３．４質量％、Ｎｂを４．８質量％、Ｃｒを２．７質量％、残部がＴｉおよび不純物からなる原料とし、原料にＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを０．１０質量％含む実験例１の脱酸材含有原料とした。
すなわち、実験例１の脱酸材含有原料中のＡｌ含有量は、脱酸材含有原料に含まれるＡｌ粒とＡｌＣａ合金中のＡ１量との合計量の割合である。
そして、実験例１の脱酸材含有原料５００ｇを酸化物セラミックルツボ２に入れた。
すなわち、実験例１の脱酸材含有原料中のＡｌ含有量は、脱酸材含有原料に含まれるＡｌ粒とＡｌＣａ合金中のＡ１量との合計量の割合である。
そして、実験例１の脱酸材含有原料５００ｇを酸化物セラミックルツボ２に入れた。
次に、図２に示すように、酸化物セラミックルツボ２の開口部を覆うように、漏斗状鋳型５の広い方の開口部を酸化物セラミックルツボ２に向けて、大気溶解炉１の炉壁１ｂ上に設置した（鋳型設置工程）。漏斗状鋳型５としては、炭素鋼からなり、内面にジルコンペイント（商品名；オカペイント３０８；岡崎鑛産物社製）が塗布された二つ割り構造を有する金型を用いた。
次に、図２に示すように、漏斗状鋳型５と大気溶解炉１の炉壁１ｂとの接触部分に、セメントからなるシール材６を設置した。
次に、図２に示すように、漏斗状鋳型５と大気溶解炉１の炉壁１ｂとの接触部分に、セメントからなるシール材６を設置した。
次に、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部からガス供給管７を差し込み、ガス供給管７を介して、酸化物セラミックルツボ２内にＡｒガスを供給した（雰囲気置換工程）。酸化物セラミックルツボ２内へのＡｒガスの供給は、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部に蓋５ａを設置する（図５参照）直前まで継続的に行った。
その後、大気溶解炉１に設置された高周波コイル４を用いて、酸化物セラミックルツボ２を加熱し、図３に示すように、脱酸材含有原料を溶解して溶解原料３ａとした（加熱工程）。
その後、大気溶解炉１に設置された高周波コイル４を用いて、酸化物セラミックルツボ２を加熱し、図３に示すように、脱酸材含有原料を溶解して溶解原料３ａとした（加熱工程）。
酸化物セラミックルツボ２内を、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部からカメラを用いて観察し、脱酸材含有原料のすべてが溶解したことを確認した。その後も継続して酸化物セラミックルツボ２を加熱することにより、脱酸材含有原料のすべてが溶解した後の脱酸材を含む溶解原料３ａの溶融状態を１７００℃で３分間保持した（脱酸工程）。
その後、図５に示すように、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部に蓋５ａを設置した。蓋５ａとしては、炭素鋼からなり、内面がジルコンペイント（商品名；オカペイント３０８；岡崎鑛産物社製）でコーティングされたものを用いた。
その後、図５に示すように、漏斗状鋳型５の狭い方の開口部に蓋５ａを設置した。蓋５ａとしては、炭素鋼からなり、内面がジルコンペイント（商品名；オカペイント３０８；岡崎鑛産物社製）でコーティングされたものを用いた。
その後、図６に示すように、漏斗状鋳型５と大気溶解炉１とを一体化した状態で大気溶解炉１を上下反転させて、酸化物セラミックルツボ２から漏斗状鋳型５に溶解原料３ａを流し込み、冷却した（鋳造工程）。このことにより、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例２～実験例５」
実験例１と同じ原料を秤量し、原料に実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを表１に示す含有量（添加量）で含む脱酸材含有原料とした。このこと以外は、実験例１と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例２～実験例５のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例１と同じ原料を秤量し、原料に実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを表１に示す含有量（添加量）で含む脱酸材含有原料とした。このこと以外は、実験例１と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例２～実験例５のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例６」
実験例１における脱酸材含有原料に代えて、実験例１の原料を用いたこと以外は、実験例１と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例６のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例１における脱酸材含有原料に代えて、実験例１の原料を用いたこと以外は、実験例１と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例６のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例７」
実験例１における原料と、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｃｒの含有量が同じであるＴｉＡｌ合金切削切粉およびＴｉＡｌ合金鋳造スクラップを用意した。ＴｉＡｌ合金切削切粉は、アセトンを用いて超音波洗浄を行ってから使用した。ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップは、表面を酸洗処理したもの使用した。
実験例１における原料と、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｃｒの含有量が同じであるＴｉＡｌ合金切削切粉およびＴｉＡｌ合金鋳造スクラップを用意した。ＴｉＡｌ合金切削切粉は、アセトンを用いて超音波洗浄を行ってから使用した。ＴｉＡｌ合金鋳造スクラップは、表面を酸洗処理したもの使用した。
そして、実験例１の原料に使用した上記各金属元素原料のうち、２５質量％をＴｉＡｌ合金切削切粉とし、２５質量％をＴｉＡｌ合金鋳造スクラップとし、実験例７の原料とした。実験例７の原料に、実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを０．１０質量％含む実験例７の脱酸材含有原料としたこと以外は、実験例１と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例７のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例８～実験例１１」
実験例７と同じ原料を秤量し、原料に実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを表１に示す含有量（添加量）で含む脱酸材含有原料とした。このこと以外は、実験例７と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例８～実験例１１のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例７と同じ原料を秤量し、原料に実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを表１に示す含有量（添加量）で含む脱酸材含有原料とした。このこと以外は、実験例７と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例８～実験例１１のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例１２」
実験例７における脱酸材含有原料に代えて、実験例７の原料を用いたこと以外は、実験例７と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１２のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例７における脱酸材含有原料に代えて、実験例７の原料を用いたこと以外は、実験例７と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１２のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例１３」
図１に示す大気溶解炉１に代えて、真空誘導溶解炉（ＶＩＭ炉）を用い、真空誘導溶解炉内に、実験例１と同様のカルシアからなる酸化物セラミックルツボ２を設置した。そして、実験例１と同様にして、実験例１の脱酸材含有原料５００ｇを酸化物セラミックルツボ２に入れた。
図１に示す大気溶解炉１に代えて、真空誘導溶解炉（ＶＩＭ炉）を用い、真空誘導溶解炉内に、実験例１と同様のカルシアからなる酸化物セラミックルツボ２を設置した。そして、実験例１と同様にして、実験例１の脱酸材含有原料５００ｇを酸化物セラミックルツボ２に入れた。
次に、真空溶解炉内を真空にしてからＡｒガスを供給することにより、真空溶解炉内をＡｒ雰囲気に置換した。
その後、真空誘導溶解炉に設置された誘導加熱装置を用いて、酸化物セラミックルツボ２中で脱酸材含有原料を加熱して溶解し、溶解原料３ａとした（加熱工程）。そして、真空誘導溶解炉の上部に設置されたカメラを用いて、真空誘導溶解炉に設置された石英窓を通じて酸化物セラミックルツボ２内を観察し、脱酸材含有原料のすべてが溶解したことを確認した。その後も継続して酸化物セラミックルツボ２を加熱することにより、脱酸材含有原料のすべてが溶解した後の脱酸材を含む溶解原料３ａの溶融状態を１７００℃で３分間保持した（脱酸工程）。
その後、真空誘導溶解炉に設置された誘導加熱装置を用いて、酸化物セラミックルツボ２中で脱酸材含有原料を加熱して溶解し、溶解原料３ａとした（加熱工程）。そして、真空誘導溶解炉の上部に設置されたカメラを用いて、真空誘導溶解炉に設置された石英窓を通じて酸化物セラミックルツボ２内を観察し、脱酸材含有原料のすべてが溶解したことを確認した。その後も継続して酸化物セラミックルツボ２を加熱することにより、脱酸材含有原料のすべてが溶解した後の脱酸材を含む溶解原料３ａの溶融状態を１７００℃で３分間保持した（脱酸工程）。
その後、真空溶解炉内に設置した円柱状の内面を有する鋳型に、酸化物セラミックルツボ２から溶解原料３ａを流し込み、冷却した（鋳造工程）。このことにより、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１３のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例１４～実験例１７」
実験例１と同じ原料を秤量し、原料に実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを表２に示す含有量（添加量）で含む脱酸材含有原料とした。このこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１４～実験例１７のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例１と同じ原料を秤量し、原料に実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを表２に示す含有量（添加量）で含む脱酸材含有原料とした。このこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１４～実験例１７のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例１８」
実験例１における脱酸材含有原料に代えて、実験例１の原料を用いたこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１８のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例１における脱酸材含有原料に代えて、実験例１の原料を用いたこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１８のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例１９」
実験例７の脱酸材含有原料を用いたこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１９のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例７の脱酸材含有原料を用いたこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例１９のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例２０～実験例２３」
実験例７と同じ原料を秤量し、原料に実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを表２に示す含有量（添加量）で含む脱酸材含有原料とした。このこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例２０～実験例２３のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例７と同じ原料を秤量し、原料に実験例１と同じＣａを含む脱酸材を添加して、Ｃａを表２に示す含有量（添加量）で含む脱酸材含有原料とした。このこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例２０～実験例２３のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
「実験例２４」
実験例７における脱酸材含有原料に代えて、実験例７の原料を用いたこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
実験例７における脱酸材含有原料に代えて、実験例７の原料を用いたこと以外は、実験例１３と同様にして、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂを得た。
表１および表２に、実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材について、製造時に使用した溶解炉の種類、ルツボの材料、ルツボを加熱している間のルツボ内の雰囲気、Ｃａ添加量（脱酸材含有原料中におけるＣａ濃度）、ＴｉＡｌ合金切削切粉添加量（脱酸材を除く脱酸材含有原料中の含有量）およびＴｉＡｌ合金鋳造スクラップ添加量（脱酸材を除く脱酸材含有原料中の含有量）を示す。
また、表１および表２に、実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材について、発明例と比較例の区分を記載する。
また、表１および表２に、実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材について、発明例と比較例の区分を記載する。
［酸素含有量およびＣａ含有量の測定］
このようにして得られた実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂについて、赤外線吸収装置（商品名：ＥＭＧＡ－９３０；ＨＯＲＩＢＡ社製）を用いて分析を行い、酸素含有量を求めた。また、実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂについて、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析装置（商品名：ＩＣＰ－ＯＥＳ：ＨＯＲＩＢＡ社製）を用いて分析を行い、Ｃａ含有量を求めた。その結果を表１および表２に示す。
このようにして得られた実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂについて、赤外線吸収装置（商品名：ＥＭＧＡ－９３０；ＨＯＲＩＢＡ社製）を用いて分析を行い、酸素含有量を求めた。また、実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂについて、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析装置（商品名：ＩＣＰ－ＯＥＳ：ＨＯＲＩＢＡ社製）を用いて分析を行い、Ｃａ含有量を求めた。その結果を表１および表２に示す。
［シャルピー衝撃試験］
実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂに対して、それぞれ１２００℃で４時間加熱する熱処理を行った。この熱処理条件は、ＴｉＡｌ合金からなるジェットエンジン用動翼を製造する際に行う熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）において、通常実施される条件である。その後、各ＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂの中心部から、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの正方形の断面形状を有する長さ５５ｍｍの試験片を採取し、室温でシャルピー衝撃試験を実施した。その結果を表１および表２に示す。
実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂに対して、それぞれ１２００℃で４時間加熱する熱処理を行った。この熱処理条件は、ＴｉＡｌ合金からなるジェットエンジン用動翼を製造する際に行う熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）において、通常実施される条件である。その後、各ＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂの中心部から、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの正方形の断面形状を有する長さ５５ｍｍの試験片を採取し、室温でシャルピー衝撃試験を実施した。その結果を表１および表２に示す。
シャルピー衝撃試験においては、測定誤差が小さくなるように容量７．５Ｊの小型試験機（商品名：ｍｐａｃｔ Ｔｅｓｔｅｒ；東洋精機社製）を用いた。また、試験片にノッチを入れると、すべての実験例の衝撃値が非常に小さい値となり、各実験例の差異を明確に評価することが困難となる。このため、試験片にはノッチを入れなかった。
（評価基準値）
実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂのシャルピー衝撃値においては、２．０Ｊ／ｃｍ２以上（評価基準値）であるものを良品と見なす。
ＴｉＡｌ合金鋳造材のシャルピー衝撃値の評価基準値は、以下に示す試験結果に基づいて決定した。
実験例１～実験例２４のＴｉＡｌ合金鋳造材３ｂのシャルピー衝撃値においては、２．０Ｊ／ｃｍ２以上（評価基準値）であるものを良品と見なす。
ＴｉＡｌ合金鋳造材のシャルピー衝撃値の評価基準値は、以下に示す試験結果に基づいて決定した。
従来のジェットエンジン用動翼となるＴｉＡｌ合金鋳造材を、以下に示す方法により製造した。
すなわち、Ａｌを３３．４質量％、Ｎｂを４．８質量％、Ｃｒを２．７質量％、酸素を０．０８質量％、残部がＴｉおよび不純物からなる原料を、真空雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された水冷銅ルツボを使用して溶解する方法を用いて溶解し、真空溶解炉内に設置した実験例１３と同じ鋳型に流し込み、冷却した。このことにより、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである評価用ＴｉＡｌ合金鋳造材を３個製造した。
すなわち、Ａｌを３３．４質量％、Ｎｂを４．８質量％、Ｃｒを２．７質量％、酸素を０．０８質量％、残部がＴｉおよび不純物からなる原料を、真空雰囲気とされた真空溶解炉内に設置された水冷銅ルツボを使用して溶解する方法を用いて溶解し、真空溶解炉内に設置した実験例１３と同じ鋳型に流し込み、冷却した。このことにより、直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略円柱状のインゴットである評価用ＴｉＡｌ合金鋳造材を３個製造した。
得られた３個の評価用ＴｉＡｌ合金鋳造材に対して、それぞれ実験例１と同様にして、シャルピー衝撃試験を実施した。その結果、シャルピー衝撃値は２．０Ｊ／ｃｍ２～２．５Ｊ／ｃｍ２の範囲内であった。
このことから、ＴｉＡｌ合金鋳造材のシャルピー衝撃値が２．０Ｊ／ｃｍ２以上であれば、従来のジェットエンジン用動翼となるＴｉＡｌ合金鋳造材と同等の耐衝撃特性を有していると評価できる。よって、本実験例におけるＴｉＡｌ合金鋳造材のシャルピー衝撃値の評価基準値を２．０Ｊ／ｃｍ２以上とした。
このことから、ＴｉＡｌ合金鋳造材のシャルピー衝撃値が２．０Ｊ／ｃｍ２以上であれば、従来のジェットエンジン用動翼となるＴｉＡｌ合金鋳造材と同等の耐衝撃特性を有していると評価できる。よって、本実験例におけるＴｉＡｌ合金鋳造材のシャルピー衝撃値の評価基準値を２．０Ｊ／ｃｍ２以上とした。
表１および表２に示すように、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように脱酸材を添加した発明例のＴｉＡｌ合金鋳造材は、いずれも酸素含有量が規定（社内規定）値である０．１２質量％以下であり、Ｃａ含有量が０．０１質量％～０．０７質量％の範囲内であった。また、発明例のＴｉＡｌ合金鋳造材は、いずれもシャルピー衝撃値が、評価基準値とした２．０Ｊ／ｃｍ２以上であり、従来のジェットエンジン用動翼となるＴｉＡｌ合金鋳造材と同等以上の耐衝撃特性を有していることが確認できた。
このことから、脱酸材を添加しないで製造したＴｉＡｌ合金鋳造材（実験例６、１２、１８、２４）の酸素含有量が０．１７５質量％～０．２８４質量％の範囲内となる原料を用い、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように脱酸材を添加したことのみ異なる製造方法を用いることで、酸素を０．０４質量％～０．１０質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０３質量％含有するＴｉＡｌ合金鋳造材が得られることが確認できた。
また、実験例１～実験例２４の結果から、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように脱酸材を添加することにより、大気溶解炉１内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置を用い、ルツボを加熱している間のルツボ内をＡｒ還流雰囲気として製造する方法、真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボ２を備える装置を用い、ルツボを加熱している間のルツボ内をＡｒ雰囲気として製造する方法、ＴｉＡｌ合金切削切粉およびＴｉＡｌ合金鋳造スクラップを含む原料を用いる方法など多様な装置および原料を使用できることが確認できた。
より詳細には、実験例１および実験例１３は、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が０．１重量%であるため、Ｃａによる脱酸効果が不足して、酸素含有量が規定値超となった。その結果、シャルピー衝撃値が、評価基準値とした２．０Ｊ／ｃｍ２未満の値であった。
実験例５および実験例１７は、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が１．１重量%であるため、酸素濃度は少ないものの、Ｃａの含有量が多い。その結果、シャルピー衝撃値が、評価基準値とした２．０Ｊ／ｃｍ２未満の値であった。
実験例５および実験例１７は、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が１．１重量%であるため、酸素濃度は少ないものの、Ｃａの含有量が多い。その結果、シャルピー衝撃値が、評価基準値とした２．０Ｊ／ｃｍ２未満の値であった。
また、ＴｉＡｌ合金切削切粉およびＴｉＡｌ合金鋳造スクラップを含む原料を用いた実験例７および実験例１９においても、実施例１および実験例１３と同様に、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が０．１重量%であるため、Ｃａによる脱酸効果が不足して、酸素含有量が規定値超となった。その結果、シャルピー衝撃値が、評価基準値とした２．０Ｊ／ｃｍ２未満の値であった。
また、ＴｉＡｌ合金切削切粉およびＴｉＡｌ合金鋳造スクラップを含む原料を用いた実験例１１および実験例２３においても、実験例５および実験例１７と同様に、原料と脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が１．１重量%であるため、酸素濃度は少ないものの、Ｃａの含有量が多い。その結果、シャルピー衝撃値が、評価基準値とした２．０Ｊ／ｃｍ２未満の値であった。
特殊な装置、特別な材料等を使用することなく、酸素含有量が十分に少ないＴｉＡｌ合金鋳造材を得ることができる。
１ 大気溶解炉
１ａ 収容部
１ｂ 炉壁
２ 酸化物セラミックルツボ
３ 原料
３ａ 溶解原料
３ｂ ＴｉＡｌ合金鋳造材
３ｃ 製品部
３ｄ 引け巣
３ｅ 再利用部
４ 高周波コイル
５ 漏斗状鋳型
５ａ 蓋
６ シール材
７ ガス供給管
８ 漏斗
１ａ 収容部
１ｂ 炉壁
２ 酸化物セラミックルツボ
３ 原料
３ａ 溶解原料
３ｂ ＴｉＡｌ合金鋳造材
３ｃ 製品部
３ｄ 引け巣
３ｅ 再利用部
４ 高周波コイル
５ 漏斗状鋳型
５ａ 蓋
６ シール材
７ ガス供給管
８ 漏斗
Claims (10)
- ＴｉおよびＡｌ含む原料を溶解して溶湯とする溶解工程と、
前記原料と前記溶湯のいずれか一方または両方にＣａを含む脱酸材を添加する工程であって、前記原料と前記脱酸材との合計質量中におけるＣａ濃度が、０．２質量％～１．０質量％となるように前記脱酸材を添加する脱酸材添加工程と、
前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融状態を保持することにより、前記溶湯中の酸素とＣａとの反応生成物を含むヒュームを発生させて、前記溶湯中の酸素を除去する脱酸工程とを含むことを特徴とするＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。 - 前記脱酸材が、ＡｌＣａ合金であることを特徴とする請求項１に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。
- 前記溶解工程が、酸化物セラミックルツボ中で前記原料を溶解する工程であり、
前記脱酸材添加工程が、前記酸化物セラミックルツボに前記原料とともに前記脱酸材を入れる工程と、前記酸化物セラミックルツボに入れられた前記溶湯に前記脱酸材を添加する工程のいずれか一方または両方であり、
前記脱酸工程において、前記酸化物セラミックルツボに入れられた前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。 - 前記脱酸材添加工程が、真空溶解炉内に設置された酸化物セラミックルツボに前記原料とともに前記脱酸材を入れる工程であり、
前記溶解工程が、前記脱酸材添加工程の後、Ａｒ雰囲気とされた前記真空溶解炉内に設置された前記酸化物セラミックルツボ中で、前記原料を溶解する工程であり、
前記脱酸工程において、Ａｒ雰囲気とされた前記真空溶解炉内に設置された前記酸化物セラミックルツボ中で、前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。 - 前記酸化物セラミックルツボが、空気雰囲気とされた大気溶解炉内に設置され、
前記溶解工程が、前記酸化物セラミックルツボの開口部を覆うように、漏斗状鋳型の広い方の開口部を前記酸化物セラミックルツボに向けて設置する鋳型設置工程と、前記酸化物セラミックルツボ内にＡｒガスを供給する雰囲気置換工程と、前記酸化物セラミックルツボを加熱する加熱工程とを有し、
前記脱酸材添加工程が、前記酸化物セラミックルツボに前記原料とともに前記脱酸材を入れる工程と、前記酸化物セラミックルツボに入れられた前記溶湯に前記漏斗状鋳型を介して前記脱酸材を添加する工程のいずれか一方または両方であり、
前記脱酸工程において、前記漏斗状鋳型に開口部を覆われた前記酸化物セラミックルツボ中で、前記脱酸材を含む前記溶湯を加熱して溶融させ、前記漏斗状鋳型を介して前記酸化物セラミックルツボ内の前記ヒュームを排出し、
前記脱酸工程の後、前記酸化物セラミックルツボと前記漏斗状鋳型とを一体化した状態で前記大気溶解炉を上下反転させて、前記酸化物セラミックルツボから前記漏斗状鋳型に前記溶湯を流し込んで冷却する鋳造工程を行うことを特徴とする請求項３に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。 - 前記原料が、ＴｉＡｌ合金切削切粉とＴｉＡｌ合金鋳造スクラップのいずれか一方または両方を含むことを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか一項に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法。
- 酸素を０．０４質量％～０．１０質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０３質量％含有することを特徴とするＴｉＡｌ合金鋳造材。
- Ａｌを３１．９質量％～３４．２質量％、Ｎｂを４．０質量％～５．４質量％、Ｃｒを２．３質量％～３．０質量％、酸素を０．０４質量％～０．１２質量％、Ｃａを０．０１質量％～０．０７質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなることを特徴とするＴｉＡｌ合金鋳造材。
- 請求項７または請求項８に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材からなることを特徴とするジェットエンジン用動翼。
- 請求項７または請求項８に記載のＴｉＡｌ合金鋳造材からなることを特徴とするタービンホイール。
Applications Claiming Priority (2)
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| JP2022050457 | 2022-03-25 | ||
| JP2022-050457 | 2022-03-25 |
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|---|---|
| WO2023182413A1 true WO2023182413A1 (ja) | 2023-09-28 |
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ID=88101666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/011444 WO2023182413A1 (ja) | 2022-03-25 | 2023-03-23 | ＴｉＡｌ合金鋳造材の製造方法、ＴｉＡｌ合金鋳造材、ジェットエンジン用動翼およびタービンホイール |
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|---|---|
| WO (1) | WO2023182413A1 (ja) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05140669A (ja) * | 1991-11-15 | 1993-06-08 | Kobe Steel Ltd | 低酸素Ｔｉ−Ａｌ系合金およびその製造方法 |
| WO2021157628A1 (ja) * | 2020-02-03 | 2021-08-12 | 株式会社神戸製鋼所 | Ｔｉ－Ａｌ系合金の製造方法 |
-
2023
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05140669A (ja) * | 1991-11-15 | 1993-06-08 | Kobe Steel Ltd | 低酸素Ｔｉ−Ａｌ系合金およびその製造方法 |
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| SAKAMOTO KOICHI, KATSUYUKI YOSHIKAWA, TATSUHIKO KUSAMICHI, TOSHIO ONOYE: "Changes in OxygenContents of Titanium Aluminides Induction, Cold Crucible Induction and Electron Beam by Vacuum Melting", ISIJ INTERNATIONAL, vol. 32, no. 5, 15 May 1992 (1992-05-15), pages 616 - 624, XP093095027, DOI: 10.2355/isijinternational.32.616 * |
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