KR20090054921A

KR20090054921A - 고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템

Info

Publication number: KR20090054921A
Application number: KR1020080118018A
Authority: KR
Inventors: 토마스 조지프 켈리; 마이클 제임스 웨이머
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2009-06-01
Also published as: JP2009125810A; US20090133850A1; TW200940208A; EP2067546A1

Abstract

본 발명은 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 시스템을 개시하고 있다.

Description

고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템{SYSTEMS FOR CENTRIFUGALLY CASTING HIGHLY REACTIVE TITANIUM METALS}

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이들 및 다른 특징, 실시형태 및 이점이 이하의 개시 내용으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 1은 본 명세서의 기재에 따른 내부에 배치된 금속 장입물을 갖는 냉벽 유도 도가니의 일 실시예의 개략적인 횡단면도이다.

도 2는 본 명세서의 기재에 따른 제거된 바닥 플레이트와 내부에 떠있는 용융 금속을 갖는 냉벽 유도 도가니의 일 실시예의 개략적인 횡단면도이다.

도 3은 본 명세서의 기재에 따른 원심 주조 시스템의 일 실시예의 개략적인 횡단면도이다.

도 4는 본 발명의 기재에 따라 주조될 수 있는 부품인 저압 터빈 블레이드의 일 실시예의 개략적인 사시도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 냉벽 유도 도가니 12 : 본체

14 : 코일 16 : 제거가능한 바닥 플레이트

18 : 금속 장입물 19 : 전기 절연 플레이트

20 : 커버 21 : 전력원

22 : 커버 링 24 : 수냉 입구

26 : 수냉 출구 28 : 채널

30 : 용융 금속 32 : 제 2 도가니

33 : 깔때기부 34 : 회전 아암

36 : 주조 기계 38 : 주조 몰드

40 : 포트 42 : 저압 터빈 블레이드

Claims

고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템에 있어서,

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 금속 원심 주조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 티타늄 금속 장입물이 티타늄 알루미나이드 합금을 포함하는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 유도 도가니의 바닥 플레이트가 슬라이딩, 회전 및 낙하(dropping)로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 분리되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 주조 부품이 저압 터빈 블레이드를 포함하는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 유도 도가니의 유도 코일은 상기 용융 금속을 얻기 위해 상기 금속 장입물을 약 1,480℃ 내지 약 1,557℃의 온도까지 가열하기 위해 사용되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 용융 금속은 상기 유도 도가니 내에서 떠있게 되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 제 2 도가니는 상기 제 2 도가니가 니오브를 포함할 때 적어도 약 1,000℃의 온도까지, 그리고 상기 제 2 도가니가 세라믹을 포함할 때 적어도 약 1,082℃의 온도까지 가열되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 원심 주조 기계는 상기 용융 금속이 상기 제 2 도가니 내로 낙하한 후에 상기 제 2 도가니를 약 0.5초 내지 약 2초 동안 정지 상태로 유지하고,

그 후 상기 원심 주조 기계는 상기 제 2 도가니를 약 1초 내지 약 2초 내에서 약 100rpm 내지 약 600rpm로 가속하여 상기 주조 몰드 내로 상기 용융 금속에 원심방향으로 힘을 가하여 상기 주조 부품을 생산하는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템에 있어서,

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 도가니와,

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 금속 원심 주조 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 티타늄 금속 장입물이 티타늄 알루미나이드 합금을 포함하는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 유도 도가니의 바닥 플레이트가 슬라이딩, 회전 및 낙하로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 분리되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 주조 부품이 저압 터빈 블레이드를 포함하는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 유도 도가니의 유도 코일은 상기 용융 금속을 얻기 위해 상기 금속 장입물을 약 1,480℃ 내지 약 1,557℃의 온도까지 가열하기 위해 사용되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 용융 금속은 상기 유도 도가니 내에서 떠있게 되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 제 2 도가니는 상기 제 2 도가니가 니오브를 포함할 때 적어도 약 1,000℃의 온도까지, 그리고 상기 제 2 도가니가 세라믹을 포함할 때 적어도 약 1,082℃의 온도까지 가열되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 원심 주조 기계는 상기 용융 금속이 상기 제 2 도가니 내로 낙하한 후에 상기 제 2 도가니를 약 0.5초 내지 약 2초 동안 정지 상태로 유지하고,

그 후 상기 원심 주조 기계는 상기 제 2 도가니를 약 1초 내지 약 2초 내에서 약 100rpm 내지 약 600rpm으로 가속하여 상기 주조 몰드 내로 상기 용융 금속에 원심방향으로 힘을 가하여 상기 주조 부품을 생산하는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
고 반응성 티타늄 금속을 원심 주조하는 시스템에 있어서,

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 깔때기부와,

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 600rpm으로 가속하여 주조 몰드 내로 상기 용융된 티타늄 알루미나이드에 원심방향으로 힘을 가하여 주조 부품을 생산하는 원심 주조 기계를 포함하는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 유도 도가니의 유도 코일은 상기 용융 금속을 얻기 위해 상기 금속 장입물을 약 1,480℃ 내지 약 1,557℃의 온도까지 가열하기 위해 사용되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 제 2 도가니는 상기 제 2 도가니가 니오브를 포함할 때 적어도 약 1,000℃의 온도까지, 그리고 상기 제 2 도가니가 세라믹을 포함할 때 적어도 약 1,082℃의 온도까지 가열되는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 주조 부품이 저압 터빈 블레이드를 포함하는

고 반응성 티타늄 금속 원심 주조 시스템.