KR20090056923A - 열 응력을 관리할 수 있고 고 반응성 합금의 용융에 적합한내화성 도가니 - Google Patents

열 응력을 관리할 수 있고 고 반응성 합금의 용융에 적합한내화성 도가니 Download PDF

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마이클 프란시스 사비어 기글리오티
모하메드 라흐만
토마스 조셉 켈리
마이클 제임스 웨이머
사이람 선다람
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

열 응력을 관리할 수 있고 고 반응성 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니(8)는 페이스코트(16), 백킹(22), 및 상기 도가니(8)의 상기 백킹(22)의 일부 이상의 둘레에 적용된, 전도성 물질, 비-전도성 물질 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 조성물을 포함하는 하나 이상의 지지 링(30)을 포함한다.

Description

열 응력을 관리할 수 있고 고 반응성 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니{REFRACTORY CRUCIBLES CAPABLE OF MANAGING THERMAL STRESS AND SUITABLE FOR MELTING HIGHLY REACTIVE ALLOYS}
본 발명은 일반적으로 열 응력을 관리할 수 있는 도가니에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 열 응력을 관리하기 위한 하나 이상의 지지 링(retaining ring)을 갖고 티타늄 알루미나이드와 같은 고 반응성 티타늄 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니에 관한 것이다.
터빈 엔진 디자이너들은 엔진 중량을 감소시키고 보다 높은 엔진 작동 온도를 수득하기 위한 개선된 특성을 갖는 새로운 물질을 계속 찾고 있다. 티타늄 합금, 구체적으로 티타늄 알루미나이드(TiAl)계 합금은 실온 연성 및 인성과 같은 저온 기계적 특성과 중간 온도의 높은 강도 및 내-크리프성(creep resistance)의 가능한 조합을 갖는다. 이러한 이유로, TiAl계 합금은, 현재 다수의 터빈 엔진 부품을 제조하는 데 사용되는 니켈계 초합금을 대체할 잠재력을 갖는다.
진공 유도 용융법(vacuum induction melting)은 터빈 엔진 부품, 예를 들어 에어호일을 제조하는 데 종종 사용되는 방법이며, 일반적으로 비-전도성 내화성 산화 합금으로 제조된 도가니에서, 도가니 내 금속 충전물이 액상으로 용융될 때까지, 금속을 가열하는 단계를 포함한다. 티타늄 또는 티타늄 합금과 같은 고 반응성 금속을 용융하는 경우, 냉벽 도가니(cold wall crucible) 또는 흑연 도가니를 사용하는 진공 유도 용융법이 전형적으로 사용된다. 이는, 세라믹 도가니로부터의 용융 및 주조가 도가니에 상당한 열 응력을 부여하여, 도가니의 균열을 초래할 수 있기 때문이다. 이러한 균열은 도가니의 수명을 단축시키고 주조할 성분에 내포물(inclusion)을 유발할 수 있다.
더구나, 용융 발생에 필요한 온도에서 합금 내 원소들의 반응성으로 인해, 고 반응성 합금을 용융하는 것이 어려울 수 있다. 전술한 바와 같이, 대부분의 진공 유도 용융 시스템은 유도 로(induction furnace) 내 도가니용으로 내화성 산화 합금을 사용하지만, TiAl과 같은 합금은 너무 고 반응성이어서 도가니에 존재하는 내화성 합금을 공격하고 티타늄 합금을 오염시킬 수 있다. 예를 들어, 고 반응성 TiAl 합금은 도가니를 파손시킬 수 있고, 산소, 및 산화물로부터의 내화성 합금에 의해 티타늄 합금이 오염될 수 있기 때문에, 세라믹 도가니는 전형적으로 회피된다. 유사하게, 흑연 도가니가 사용되는 경우, 티타늄 알루미나이드는 다량의 탄소를 도가니로부터 티타늄 합금으로 용해시키므로, 오염을 유발할 수 있다. 이러한 오염은 티타늄 합금의 기계적 특성을 잃어버리게 한다.
추가로, 냉 도가니 용융법은 전술한 고 반응성 합금의 가공에 대해 야금학적 이점을 제공할 수 있지만, 이는 낮은 과열, 스컬(skull) 형성으로 인해 수율 손실, 및 고전력 조건을 비롯한 다수의 기술적 및 경제적 한계를 갖는다. 게다가, 바람직하지 않은 열 응력이 용융 및 주조 공정 중에 도가니에 축적되어, 도가니를 손상시키고 균열시킬 수 있다. 더욱 구체적으로, 도가니의 여러 영역이 용융 및 주조 공정 중에 상이한 열 응력을 경험할 수 있다.
예를 들어, 유도 결합(induction coupling)으로 인해 도가니의 외측이 전형적으로는 도가니의 내측보다 더 빨리 가열되며, 또한 주입(pouring) 후에는 도가니의 외측이 도가니의 내측보다 더 빨리 냉각된다. 이러한 온도차는 최대 응력 지점을 도가니의 내측으로부터 도가니의 벽 쪽으로 이동시켜 벽을 통한 균열을 유발한다. 다른 예로서, 용융 동안, 전형적으로, 도가니의 상부 둘레에는 열 응력이 덜 발생하는데, 이는 이 영역에 용융 물질이 거의 없기 때문이다. 그러나, 주입 중에, 용융 금속이 도가니의 상부와 접촉하기 때문에 도가니의 상기 영역에서의 열 응력은 증가할 것이다. 전술한 바와 같이, 이러한 열 응력 및 열 응력의 변화는 도가니의 균열을 유발하고, 상기 균열은 도가니의 수명을 단축시키며, 도가니의 성능에 부정적인 영향을 미친다.
따라서, 고 반응성 티타늄 합금을 주조하는 동안 발생하는 열 응력을 관리할 수 있는 내화성 도가니가 요구된다.
본 발명은, 열 응력을 관리하고 고 반응성 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니로서, 페이스코트(facecoat), 백킹(backing) 및 상기 백킹의 일부 이상의 둘레에 적용된 하나 이상의 지지 링을 포함하되, 상기 지지 링이 전도성 물질, 비-전도성 물질 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 조성물을 포함하는 내화성 도가니에 관한 것이다.
본 발명은, 또한 일반적으로 열 응력을 관리하고 고 반응성 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니에 관한 것으로, 페이스코트, 백킹 및 상기 백킹의 둘레에 적용된 다수의 지지 링을 포함하되, 각각의 지지 링이 약 1 mm 내지 약 50 mm의 두께 및 약 1 mm 내지 약 200 mm의 폭을 포함하는 기하구조를 갖는 내화성 도가니에 관한 것이다.
본 발명은, 또한 일반적으로 열 응력을 관리하고 고 반응성 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니에 관한 것으로, 기저부(base) 영역, 전이 영역, 저부(lower) 영역, 상부 영역, 주입구(pour lip) 영역, 및 도가니의 상이한 영역에 존재하는 특정 열 응력을 관리하기 위한, 도가니의 적어도 둘 이상의 영역에 적용된 다수의 지 지 링을 포함하는 내화성 도가니에 관한 것이다.
이와 같은 특징 및 다른 특징, 양태 및 이점은 하기 설명으로부터 당업자에게 더욱 명백해질 것이다.
본원은 청구범위에 의해 본 발명을 구체적이고 명료하게 청구하고 있지만, 후술하는 실시양태는, 유사 구성요소에 대해 유사 참조번호로 표시한, 첨부된 도면과 함께 하기 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것으로 생각된다.
본원에서 기술하고 있는 실시양태는, 일반적으로 고 반응성 티타늄 합금의 주조 동안 발생하는 열 응력을 관리할 수 있는 내화성 도가니에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본원에서 기술하고 있는 실시양태는, 열 응력을 관리할 수 있고 고 반응성 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니로서, 페이스코트, 백킹 및 상기 백킹의 적어도 일부 둘레에 적용된 하나 이상의 지지 링을 포함하되, 상기 지지 링이 전도성 물질, 비-전도성 물질 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 조성물을 포함하는 내화성 도가니에 관한 것이다.
본원의 실시양태는 일반적으로 준정형(near net shape) 에어호일의 제조에 사용하기 위한 TiAl의 용융에 적합한 도가니에 집중되고 있지만, 이로 한정하는 것은 아니다. 당업계의 숙련자라면, 본 발명의 실시양태가 열 응력이 문제시되는 임의의 준정형 가스 터빈 부품을 제조하는 데 유용한 임의의 티타늄 합금의 용융에 적합할 수 있음을 알 것이다.
도 1를 살펴보면, 본 발명의 실시양태는 고 반응성 합금, 구체적으로 티타늄 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니(8)에 관한 것이다. 도가니(8)는 내부(9)를 포함하며, 하기 설명에 따라 제조될 수 있다. 우선, 도가니 몰드(mold)가 제조될 수 있다. 본원에서 "몰드"라는 표현은, 적당한 조건하에서 도 1의 도가니(8)를 형성하는 비-소성된(unfired) 부품을 지칭한다. 도가니 몰드를 제조하기 위해, 도 2에서 도시한 바와 같이, 폼(form)(10)이 제공될 수 있다. 폼(10)은 하나의 실시양태에서는 도가니 몰드로부터 제거할 수 있는 임의의 물질을 포함하는 반면, 폼(10)은 왁스, 플라스틱 또는 목재를 포함할 수 있고, 중공형(hollow)이거나 고형(solid)일 수 있다. 게다가, 폼(10)은 도가니의 목적하는 내부를 제조하는 데 필요한 임의의 형태 및 임의의 치수를 가질 수 있고, 취급의 용이성을 위해 핸들(12) 또는 기타 유사 기계 부품을 포함할 수 있다.
도 3 및 4에 도시한 바와 같이, 하나 이상의 페이스코트 층(18) 및 선택적으로 하나 이상의 스투코 층(stucco layer; 20)을 포함하는 페이스 코트(16)를 폼(10)에 적용할 수 있다. 본원 전반에 걸쳐서, "하나 이상"이란, 하나 또는 하나보다 많음을 의미하고, 구체적인 층은 "제 1 페이스코트 층", "제 2 페이스코트 층" 등으로 표시될 수 있다. 페이스코트 층(18)은 용융 공정하에서 TiAl에 노출될 수 있기 때문에, 용융 동안 합금을 열화 및 오염시키지 않도록 하기 위해서는 페이스코트 층(18)이 반응성 TiAl에 대해 불활성이어야만 한다. 따라서, 하나의 실시양태에서, 페이스코트 층(18)은 산화물을 포함할 수 있다. 본원 전반에 걸쳐서, "산화물"이란 산화 스칸듐, 산화 이트륨, 산화 하프늄, 산화 란탄류 및 이들의 조합 으로 구성된 군 중에서 선택된 조성물을 지칭한다. 추가로, 산화 란탄류("희토류" 조성물로 공지되어 있음)은 산화 란탄, 산화 세륨, 산화 프라세오디뮴, 산화 네오디뮴, 산화 프로메튬, 산화 사마륨, 산화 유로퓸, 산화 가돌리늄, 산호 테르븀, 산화 디스프로슘, 산화 홀뮴, 산화 에르븀, 산화 이테르븀, 산화 류테튬 및 이들의 조합물로 구성된 군 중에서 선택된 산화물을 포함할 수 있다.
페이스코트 층(18)은 콜로이드성 현탁액 내로 혼합된 산화물의 분말로 만든 페이스코트 슬러리를 포함할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 산화 분말은 약 70 ㎛ 미만의 크기, 다른 실시양태에서는 약 0.001 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 크기, 또 다른 실시양태에서는 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 크기를 갖는 소립자 분말일 수 있다. 콜로이드는 제어된 형태로 겔화된 임의의 콜로이드일 수 있고, TiAl, 예를 들어 콜로이드성 실리카, 콜로이드성 이트리아, 콜로이드성 알루미나, 콜로이드성 산화 칼슘, 콜로이드성 산화 마그네슘, 콜로이드성 이산화 지르코늄, 콜로이드성 산화 란탄류 및 이들의 혼합물에 불활성이다. 임의의 전술한 산화물은, 하나의 실시양태를 따라, 페이스코트 층(18)의 페이스코트 슬러리를 제조하는 데 사용될 수 있고, 상기 페이스코트 슬러리는 콜로이드성 실리카 현탁액 내에 산화 이트륨 입자를 포함할 수 있는 반면, 다른 실시양태에서 상기 페이스코트 슬러리는 콜로이드성 이트리아 현탁액 내에 산화 이트륨 입자를 포함할 수 있다. 그러나, 페이스코트 슬러리의 조성은 변할 수 있다. 일반적으로 페이스코트 슬러리는 약 40중량% 내지 약 100중량%의 산화물 및 약 0중량% 내지 약 60중량%의 콜로이드를 포함할 수 있다.
페이스코트 층(18)의 페이스코트 슬러리가 통상적인 공정을 사용하여 제조되 는 경우, 폼(10)은 침지법, 분무법 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 방법을 사용하여 페이스코트 슬러리에 노출될 수 있다. 일반적으로, 일단 적용되면, 페이스코트 층(18)은 약 50 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 하나의 실시양태에서는 약 150 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 또 다른 실시양태에서는 약 200 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
여전히 습윤된 상태 동안, 도 3 및 도 4에서 도시한 바와 같이, 페이스코트 층(18)은 선택적으로 스투코 층(20)으로 코팅될 수 있다. 본원에 사용된, "스투코(stucco)"란 일반적으로 약 100 ㎛ 초과의 크기, 하나의 실시양태에서는 약 100 ㎛ 내지 약 5000 ㎛의 크기를 갖는 조질의 세라믹 입자를 지칭한다. 스투코 층(20)은 각각의 페이스코트 층에 적용되어 도가니 벽의 두께의 증축을 보조하고 부가적인 강도를 제공할 수 있다. 다양한 물질이 스투코 층(20)의 용도를 위해 적당할 수 있지만, 하나의 실시양태에서 스투코 층은 내화성 물질, 예를 들어 이로 한정하는 것은 아니지만 본원에서는 산화물과 조합된, 알루미나 또는 알루미노실리케이트를 포함할 수 있다. 내화성 물질 대 스투코 층(20) 내 산화물의 비는 변할 수 있지만, 하나의 실시양태에서, 스투코 층(20)은 약 0중량% 내지 약 60중량%의 내화성 물질 및 약 40중량% 내지 약 100중량%의 산화물을 포함할 수 있다. 스투코 층(20)은 임의의 수용가능한 방식, 예를 들어 더스팅법(dusting)으로 페이스코트 층(18)에 적용될 수 있다. 일반적으로, 스투코 층(20)은 약 100 ㎛ 내지 약 2000 ㎛의 두께, 하나의 실시양태에서는 약 150 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 두께, 또 다른 실시양태에서 약 200 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
페이스코트 층(18) 및 선택적인 스투코 층(20)은 공기-건조될 수 있고, 필요 한 경우, 부가적인 페이스코트 층 및 스투코 층이 전술한 방식으로 도포되어 페이스코트(16)를 완성할 수 있다. 도 3 및 도 4에서 도시한 실시양태에서는, 제 1 및 제 2 페이스코트 층(18) 및 교번적인 스투코 층(20)이 존재하지만, 당업계의 숙련자라면 페이스코트(16)가 임의의 수의 페이스코트 층 및 스투코 층을 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 각각의 페이스코트 층(18)은, 하나의 실시양태에서, 상이한 산화물/콜로이드성 혼합물을 포함할 수 있는 반면, 각각의 페이스코트 층(18)은 동일한 옥사이드/콜로이드성 혼합물을 포함한다. 바람직한 수의 페이스코트 층(18) 및 스투코 층(20)이 일단 적용되면, 이어서 백킹(22)이 적용될 수 있다.
백킹(22)은 마무리처리된 도가니(8)에 부가적인 강도 및 내구성을 제공하는 것을 보조할 수 있다. 이와 같이, 백킹(22)은 도 4에서 도시한 바와 같이 하나 이상의 백킹 층(24)으로 구성될 수 있으며, 여기서 상기 백킹은 콜로이드성 실리카 현탁액 내에 산화 알루미늄, 지르코늄 실리케이트, 이산화규소 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 내화성 물질을 포함하는 백킹 슬러리를 포함할 수 있다. 구체적인 층은 본원 전반에 걸쳐서 "제1 백킹 층", "제2 백킹 층" 등으로 지정될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 백킹 층(24)은 콜로이드성 실리카 현탁액 내 산화 알루미늄 입자로 구성된 백킹 슬러리를 포함할 수 있다. 백킹 슬러리의 조성은 변할 수 있지만, 일반적으로 백킹 슬러리는 약 10중량% 내지 약 40중량%의 내화성 물질 및 약 60중량% 내지 약 90중량%의 콜로이드를 포함할 수 있다. 페이스코트 층과 유사하게, 도 4에 도시한 바와 같이, 각각의 백킹 층(24)은 선택적으로 이들에 부착된 스투코 층(20)을 포함할 수 있으며, 상기 스투코 층은 페이 스코트를 제조하기 위해 사용된 스투코와 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 스투코를 포함하는 각각의 백킹 층(24)은 약 150 ㎛ 내지 약 4000 ㎛의 두께, 하나의 실시양태에서는 약 150 ㎛ 내지 약 1500 ㎛의 두께, 다른 하나의 실시양태에서는 약 700 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
페이스코트 층과 유사하게, 각각의 백킹 층(24)은 침지법, 분무법 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 임의의 개수의 백킹 층(24)이 적용될 수 있지만, 하나의 실시양태에서, 2 내지 40개의 백킹 층으로 구성될 수 있다. 각각의 백킹 층(24)은 각각 상이할 수 있는 내화성 물질 및 콜로이드의 동일한 조성물을 포함할 수 있거나, 이들 간의 일부 조합물을 포함할 수 있다. 바람직한 수의 백킹 층 및 선택적인 스투코 층을 적용한 후, 생성된 도가니 몰드(26)를 추가로 가공할 수 있다.
일부 경우, 상기 스투코 층에 적용되는 입자 크기, 층 두께 및/또는 조성을 변화시켜 상기 스투코 층을 등급화하는 것이 바람직할 수 있음에 주목하여야 한다. 본원에 사용된, 용어 "등급(grade)"은, 예를 들어 스투코 물질의 입자 크기를 증가시키고/시키거나, 스투코 층의 두께를 증가시키고/시키거나, 점점 더 강한 내화성 재료/콜로이드 조성물을 스투코 층에 적용함으로써 연이어 적용된 스투코 층의 강도를 점점 증가시키는 것을 지칭한다. 이러한 등급화는 여러 페이스코트 층 및 백킹 층의 열 팽창 및 화학적 물성 차에 맞도록 스투코 층을 제조할 수 있도록 한다. 더욱 구체적으로, 상기 스투코 층의 등급화는 다공도의 차별화를 제공하고 도가니의 모듈러스를 조절할 수 있으므로, 이들을 함께 조합하면, 앞서 논의한 열 팽창의 차이를 조절하는 데 도움을 줄 수 있다.
이어서, 도가니 몰드(26)를 통상적인 방법을 사용하여 건조할 수 있고, 폼(10)을 제거할 수 있다. 여러 방법을 사용하여 도가니 몰드(26)로부터 폼(10)을 제거할 수 있다. 전술한 바와 같이, 폼(10)은 왁스를 포함할 수 있으므로, 도가니 몰드(26)를 로, 증기 오토클레이브, 마이크로파 또는 기타 유사 장치 내에 위치시키고, 폼(10)을 용융시켜, 도 5에 보인 바와 같이, 도가니 몰드(26) 내에 열린 내부(9)를 형성함으로써 제거될 수 있다. 도가니 몰드(26)로부터 폼(10)을 용융하는 데 필요한 온도는 일반적으로 낮으며, 하나의 실시양태에서는, 약 40℃ 내지 약 120℃일 수 있다.
이어서, 선택적으로, 도가니 몰드(26)의 내부(9)를 콜로이드성 슬러리로 세척하여, 도 5에 보인 바와 같은, 상부 코트(28)를 형성할 수 있다. 세척은 일반적으로 당업계 숙련자들에게 공지된 임의의 방법, 예를 들어 분무법을 사용하여 도가니의 내부를 코팅한 후, 상기 도가니를 소성(firing)시키는 것을 포함한다. 상부 코트(28)는 임의의 필요한 두께를 가질 수 있지만, 하나의 실시양태에서는, 약 500 ㎛ 이하의 두께를 갖고, 또 다른 실시양태에서는, 약 20 ㎛ 내지 약 400 ㎛의 두께를 갖는다. 상부 코트(28)는 콜로이드성 이트리아 현탁액 내 이트리아, 콜로이드성 실리카 현탁액 내 이트리아 및 이들의 조합물로 구성된 군 중에서 선택되는 콜로이드성 슬러리를 포함할 수 있다. 이러한 상부 코트는, 상기 도가니가, 용융 중인 티타늄 합금에 대하여 불활성으로 존재함을 더욱 확인시켜 줄 수 있다.
이어서, 중공형 도가니 몰드(26)는 더 높은 온도로 소성될 수 있다. 소성된 도가니 몰드(26)은 마무리처리된 도가니에 추가의 강도를 제공할 수 있는데, 이는, 이러한 가열 공정 중에, 상기 페이스코트 층, 스투코 및 백킹 층을 구성하는 재료가 서로 상호확산하여 함께 소결될 수 있기 때문이다. 초기에, 상기 도가니 몰드는 약 800℃ 내지 약 1400℃, 하나의 실시양태에서는 약 900℃ 내지 1100℃, 다른 실시양태에서는 약 1000℃의 온도로 소성될 수 있다. 이러한 1차 소성은 잔류하는 임의의 폼 재료를 연소시킬 뿐만 아니라 도가니의 세라믹 성분 간의 제한된 상호확산 정도를 제공하는 데 필요한 임의의 시간 동안 수행될 수 있으며, 하나의 실시양태에서는 약 0.5시간 내지 약 50시간이고, 다른 실시양태에서는 약 1시간 내지 약 30시간이며, 또 다른 실시양태에서는 약 2시간이다. 다음으로, 상기 도가니 몰드는 약 1400℃ 내지 약 1800℃, 다른 실시양태에서는 약 1500℃ 내지 약 1800℃, 또 다른 실시양태에서는 약 1600℃ 내지 약 1700℃의 온도로 소성될 수 있다. 이러한 2차 소성은 세라믹 성분 간의 상호확산을 실질적으로 완결할 뿐만 아니라 페이스코트 산화물에 존재하는 콜로이드의 반응을 유발하는 데 필요한 임의의 시간 동안 수행될 수 있으며, 하나의 실시양태에서는 약 0.5시간 내지 약 50시간이고, 다른 실시양태에서는 약 1시간 내지 약 30시간이며, 또 다른 실시양태에서는 약 2시간이다. 예를 들어, 콜로이드성 실리카는 실리케이트를 형성할 수 있는 반면, 콜로이드성 이트리아는 페이스코트의 슬러리 내에 존재하는 이트리아 입자들과 소결될 수 있다.
도가니(8)의 구체적인 특징은 필요한 용도에 따라 변경 또는 변형될 수 있지만, 하나의 실시양태에서는, 도가니(8)는 페이스코트 층, 스투코 층 및 백킹 층을 포함하는 전체 벽 두께가 약 3 mm 이상일 수 있고, 다른 실시양태에서는 약 6 mm 이상일 수 있으며, 또 다른 실시양태에서는 약 6.5 mm 내지 약 40 mm일 수 있다. 벽 두께가 약 40 mm를 초과하면, 고온 가열 시간이 길어져 바람직하지 않을 수 있다. 유사하게, 백킹 대 페이스코트의 두께 비는, 하나의 실시양태에서, 약 6.5:1 내지 약 20:1일 수 있다. 위와 같이, 두께 비가 약 20:1을 초과하면, 알루미나 백킹 층의 두께로 인해 고온 가열 시간이 길어져 바람직하지 않을 수 있다.
이어서, 도가니(8)는 하나 이상의 지지 링(30), 하나의 실시양태에서는, 각각 도 6 및 7에 나타낸 바와 같이, 다수의 지지 링으로 피팅(fitting)될 수 있다. 링(30)은 도가니(8)가 주조 공정의 가열, 용융, 주입 및 냉각 단계에 걸쳐 열 응력을 견딜 수 있도록 도가니(8)의 영역(들)에 압축성 응력을 부과할 수 있다. 링(들)(3)의 개수, 위치, 조성 및 기하구조는 도가니의 여러 영역, 예를 들어 기저부 영역(32), 전이 영역(34)(즉, 기저부 영역(32)과 저부 영역(36)을 연결하는 부분), 저부 영역(36)(즉, 주조 중의 티타늄 용융물을 함유하는 측면), 상부 영역(38)(즉, 주조 중의 티타늄 용융물 위 측면) 및 주입구 영역(40)에 존재하는 특정 열 응력을 관리하도록 제조될 수 있다.
더욱 구체적으로, 일부 경우, 도가니의 여러 영역에 존재하는 응력을 관리하기 위해서는, 도 7에 보인 바와 같이, 하나 이상의 링(30)을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 상부 영역(38) 내 후프(hoop) 응력은 링(30)의 존재로 혜택을 받을 수 있다. 하나 이상의 링(30)을 사용하게 되면, 각각의 링(30)은, 본원에서 하기에 설명되는 바와 같이, 서로 다른 조성, 위치 및 기하구조를 가질 수 있음 을 당업계의 숙련자는 알 것이다.
또한, 링(30)의 조성물은 다양한 전도성 재료, 비-전도성 재료 및 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이는 필요한 물성에 따라 선택될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 링(30)은 흑연, 탄화 규소, 세라믹 산화물, 질화물(예: 하프늄 질화물 및 티타늄 질화물) 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택되는 내화성 조성물을 포함할 수 있으며, 이러한 조성물은 링(30)이 의도한 대로 작동하는 데 필요한 정확한 열팽창계수를 가질 수 있다.
또한, 링(30)은, 도 7에 보인 바와 같이, 다양한 기하구조를 가질 수 있으며, 바람직한 정도의 압축 응력을 제공하도록 제조될 수 있다. 본원에 사용된, "기하구조(geometry)"란 지지 링(30)의 두께 및 폭을 지칭한다. 일반적으로, 링(30)의 두께 및 폭이 증가할수록, 링(30)에 가해지는 압축 응력의 정도 역시 증가한다. 링(30)은 임의의 필요한 두께(T) 및 폭(W)을 포함할 수 있지만, 하나의 실시양태에서 링(30)은 두께(T)가 약 1 mm 내지 약 50 mm, 다른 실시양태에서는 약 1 mm 내지 약 20 mm, 또 다른 실시양태에서는 약 5 mm 내지 약 20 mm일 수 있으며, 폭(W)은 약 1 mm 내지 약 200 mm, 다른 실시양태에서는 약 1 mm 내지 약 100 mm, 또 다른 실시양태에서는 약 2 mm 내지 약 50 mm, 또 다른 실시양태에서는 약 3 mm 내지 약 15 mm일 수 있다. 도가니의 특정 영역에 대한 링(들)(30)의 개수, 위치, 조성 및 기하구조를 구체적으로 적합화함으로써, 열 응력 저항을 최적화하여 상기 도가니가 가열, 용융, 주입 및 냉각 단계에 걸쳐 그의 완전성(integrity)이 유지되도록 할 수 있다.
지지 링(30)의 개수, 위치, 조성 또는 기하구조에 관계없이, 그의 적용은 일반적으로 동일한 과정을 밟는다. 링(30)을 가열하여 그 내부 직경을 확장하고, 필요한 영역에서 도가니의 둘레에 맞게 피팅시킬 수 있다. 링(30)을 가열하기 위한 정확한 온도는 조성 및 기하구조에 따라 변할 수 있지만, 일반적으로는, 링을 약 23℃(73℉) 내지 약 1400℃(2550℉)의 온도, 하나의 실시양태에서는 약 100℃(212℉) 내지 약 1400℃의 온도로 가열할 수 있다. 가열은 당업계 숙련자들에게 공지되어 있는 임의의 적합한 방법 또는 장치를 사용하여 수행할 수 있으며, 예를 들면 로, 가스 버너, 유도 시스템 등을 포함하나, 이들로 제한되지 않는다. 일단 가열된 링은 도가니의 필요한 영역 둘레로 적용될 수 있다. 가열된 링은 실온으로 냉각됨에 따라 도가니 둘레로 수축-피팅(shrink-fit)됨으로써, 상기 도가니의 선택된 영역 둘레에 압축 응력 상태를 부여한다. 하나 이상의 링을 사용하는 경우, 동일한 과정을 이용하여 도가니에 각각의 링을 적용할 수 있다. 또한, 하나 이상의 지지 링을 사용하는 경우, 지지 링 모두는 동일할 수 있거나(즉, 동일한 조성 및 기하구조를 가질 수 있거나), 각각의 지지 링이 다를 수 있거나(즉, 각각의 지지 링이 다른 조성 및 기하구조를 가질 수 있거나), 또는 이들의 조합을 가질 수 있다(즉, 지지 링이 조성은 같아도 기하구조가 다르거나, 기하구조는 같아도 조성이 다를 수 있다).
링(들)이 적소에 위치된 도가니를 사용하여 당업계 숙련자들에게 공지되어 있는 통상적인 용융 및 주조 기술을 사용하여 티타늄 합금, 특히 TiAl을 용융시킬 수 있다. 본원에 개시된 도가니는 주조 공정의 가열, 용융, 주입 및 냉각의 임의 의 단계 중 균열 없이 급속 열처리될 수 있다.
이러한 개선된 도가니 성능은 도가니 둘레에 지지 링(들)의 적용 때문일 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 링은, 달리 도가니 균열을 유발할 수 있는 열 응력의 축적을 감소시킬 수 있는 도가니 상의 잔류 압축 응력 상태를 부여한다. 그 결과, 도가니 성능뿐만 아니라 도가니 수명도 향상된다. 또한, 도가기 내 균열이 더욱 적어질 수 있기 때문에, 통상적인 흑연 또는 세라믹 도가니에서 용융된 TiAl과 비교하였을 때, 용융 공정 중 TiAl의 오염 가능성은 감소된다. 합금의 오염이 감소되면, 상기 합금으로 제조된 부품은 현행 방법을 사용하여 TiAl로 제조된 것보다 균열 및 결함이 더 적을 수 있다.
이상 개시내용은 베스트 모드를 비롯한 실시예를 사용하여 본 발명을 기술하고 당업자가 실시하고 이용할 수 있도록 한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 정의되며, 당업자에 의해 추고될 수 있는 다른 실시예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예들이 청구범위의 문구와 상이하지 않는 구조적 요소를 갖거나 청구범위의 문구와 비본질적 부분만 다른 균등론적 구조적 요소들을 포함하는 경우, 이는 본 발명의 특허청구범위 영역에 포함된다.
도 1은 본 발명에 따른 도가니의 하나의 실시양태의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폼의 하나의 실시양태의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 도가니 몰드의 하나의 실시양태의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3의 도가니 몰드의 실시양태의 일부 단면의 개략적인 확대도이다.
도 5는 본 발명에 따른 폼이 제거된 이후에 상부코팅이 적용된 도가니 몰드의 하나의 실시양태의 개략적인 단면도이다.
도 6는 본 발명에 따른 지지 링을 갖는 도가니의 하나의 실시양태의 개략적인 사시도이다.
도 7는 본 발명에 따른 상이한 기하구조의 하나 이상의 지지 링을 갖는 도가니의 하나의 실시양태의 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
8 도가니
9 (도가니)의 내부
10 폼
12 핸들
16 페이스코트
18 페이스코트 층
20 스투코 층
22 백킹
24 백킹 층
26 도가니 몰드
28 상부 코트
30 지지 링
32 기저부 영역
34 전이 영역
36 저부 영역
38 상부 영역
40 주입구 영역

Claims (8)

  1. 열 응력을 관리할 수 있고 고 반응성 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니(8)로서,
    페이스코트(16);
    백킹(22); 및
    상기 도가니(8)의 상기 백킹(22)의 일부 이상의 둘레에 적용된, 전도성 물질, 비-전도성 물질 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 조성물을 포함하는 하나 이상의 지지 링(30)
    을 포함하는, 내화성 도가니(8).
  2. 열 응력을 관리할 수 있고 고 반응성 합금의 용융에 적합한 내화성 도가니(8)로서,
    기저부 영역(32), 전이 영역(34), 저부 영역(36), 상부 영역(38) 및 주입구 영역(40) 중 임의의 영역; 및
    상기 도가니(8)의 상이한 영역에 존재하는 특정 열 응력을 관리하기 위한, 상기 도가니(8)의 둘 이상의 영역(32, 34, 36, 38, 40) 둘레에 적용된 다수의 지지 링(30)
    을 포함하는, 내화성 도가니(8).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 각각의 지지 링(30)이 흑연, 탄화 규소, 세라믹 산화물 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택되는 조성물을 포함하는, 도가니(8).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 지지 링(30)이 1 mm 내지 50 mm의 두께(T)를 포함하는 기하구조를 포함하는, 도가니(8).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기하구조가 1 mm 내지 200 mm의 폭(W)을 추가로 포함하는, 도가니(8).
  6. 제 1 항에 있어서,
    다수의 지지 링(30)이 상기 도가니(8) 둘레에 적용된, 도가니(8).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 지지 링(30)이 상기 도가니의 상이한 영역에 존재하는 특정 열 응력을 관리하기 위해 적용된, 도가니(8).
  8. 제 2 항, 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 지지 링(30)의 모두가 동일한 조성물 및 기하구조를 포함하는, 도가니(8).
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Patent event date: 20140513

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PJ02011S01I

Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal

Appeal identifier: 2014101005041

Request date: 20140813

AMND Amendment
PB0901 Examination by re-examination before a trial

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20140912

Patent event code: PB09011R02I

Comment text: Request for Trial against Decision on Refusal

Patent event date: 20140813

Patent event code: PB09011R01I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20140304

Patent event code: PB09011R02I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20131205

Patent event code: PB09011R02I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20131011

Patent event code: PB09011R02I

B601 Maintenance of original decision after re-examination before a trial
PB0601 Maintenance of original decision after re-examination before a trial
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20140813

Effective date: 20150224

PJ1301 Trial decision

Patent event code: PJ13011S01D

Patent event date: 20150224

Comment text: Trial Decision on Objection to Decision on Refusal

Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal

Request date: 20140813

Decision date: 20150224

Appeal identifier: 2014101005041

J2X1 Appeal (before the patent court)

Free format text: APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL

PJ2001 Appeal

Patent event date: 20150224

Comment text: Trial Decision on Objection to Decision on Refusal

Patent event code: PJ20011S01I

Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal

Decision date: 20150507

Appeal identifier: 2015201002761

Request date: 20150427

J302 Written judgement (patent court)

Free format text: JUDGMENT (PATENT COURT) FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20150427

Effective date: 20150507

PJ1302 Judgment (patent court)

Patent event date: 20150507

Comment text: Written Judgment (Patent Court)

Patent event code: PJ13021S01D

Request date: 20150427

Decision date: 20150507

Appeal identifier: 2015201002761

Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal

J122 Written withdrawal of action (patent court)
PJ1202 Withdrawal of action (patent court)

Patent event code: PJ12021R01D

Patent event date: 20150508

Comment text: Written Withdrawal of Action

Decision date: 20150507

Request date: 20150427

Appeal identifier: 2015201002761

Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal