KR20170116169A - 합금 잉곳을 형성 및 가공하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

합금 잉곳을 제조, 가공 및 열간 가공하기 위한 공정과 방법이 개시된다. 내부 잉곳 코어 및 해당 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 합금 잉곳이 형성된다. 본 공정과 방법은 열간 가공 중에 합금 잉곳의 표면 크랙의 발생이 저감되는 것을 특징으로 한다.

Description

합금 잉곳을 형성 및 가공하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR FORMING AND PROCESSING ALLOY INGOTS}
본 개시는 합금 잉곳(alloy ingot)을 형성하기 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 개시는 또한 합금 잉곳을 가공하기 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 명세서에 설명된 바와 같이 형성되고 가공된 합금 잉곳 및 그 밖의 물품에 관한 것이다.
금속 합금 제품은 예컨대 잉곳 야금 작업에 의해 제조될 수 있다. 잉곳 야금 작업은 합금 공급 원료의 용융과 잉곳을 형성하기 위한 용융물의 주조를 수반한다. 잉곳 야금 작업의 비제한적 실시예는 세 개의 용융 작업, 즉 (1) 공급 원료로부터 바람직한 합금 조성물을 제조하는 진공 유도 용융(vacuum induction melting: VIM), (2) 예컨대 산소 함유 개재물의 수준을 저감할 수 있는 일렉트로슬래그 정련(electroslag refining: ESR) 및 (3) ESR 후, 고화 중에 발생할 수 있는 휘발성 합금 성분 및 조성 편석의 수준을 저감할 수 있는 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting : VAR)을 포함하는 "3중 용융" 기술이다.
잉곳 야금 작업에 의해 형성된 합금은 다른 합금 제품을 제조하기 위해 열간 가공(hot work)될 수 있다. 예컨대, 합금 잉곳을 형성하기 위한 고화 후, 잉곳은 해당 잉곳으로부터 빌릿(billet) 또는 다른 합금 물품을 성형하기 위한 단조 및/또는 압출 공정을 거칠 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시형태는 합금 잉곳을 형성하기 위한 공정에 관한 것이다. 본 공정은 진공 아크 재용융 장치용 도가니에 합금 라이너를 배치하는 단계를 포함한다. 합금 전극은 진공 아크 재용융 장치에서 재용융된다. 합금 전극은 도가니의 합금 라이너 내로 진공 아크 재용융된다. 이런 식으로, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 합금 잉곳이 형성된다.
다른 실시형태는 합금 잉곳을 가공하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 방법은 합금 잉곳에 힘을 인가하여 합금 잉곳을 변형시키는 단계를 포함한다. 합금 잉곳은 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함한다. 외층은 내부 잉곳 코어를 포함하는 합금보다 높은 연성의 합금을 포함한다. 외층은 합금 잉곳에 대한 힘의 인가 중에 합금 잉곳의 표면 크랙의 발생을 저감한다.
물론, 본 명세서에 개시되고 설명되는 발명은 본 요약부에 개시된 실시형태에 제한되지 않는다.
본 명세서에 개시되고 설명된 비제한적 실시형태의 다양한 특성은 첨부 도면을 참조함으로써 더욱 잘 이해될 수 있다.
도 1은 진공 아크 재용융(VAR) 장치를 도시하는 개략도;
도 2는 해당 장치의 도가니에 배치되는 합금 라이너를 가지는 VAR 장치를 도시하는 개략도;
도 3은 해당 장치의 도가니에 배치되는 합금 라이너를 가지는 진공 아크 이중 전극 재용융 장치를 도시하는 개략도;
도 4a 및 도 4b는 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가지는 원통형 합금 잉곳의 개략도; 도 4a는 잉곳의 단부; 도 4b는 하부의 내부 잉곳 코어 표면을 드러내기 위해 외층이 부분적으로 제거된 잉곳의 사시도;
도 5a는 합금 잉곳을 대상으로 수행되는 신선 단조 작업을 도시하는 개략도; 도 5b는 단조 후 도 5a에 도시된 잉곳의 단면의 개략도; 도 5c는 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가지는 합금 잉곳을 대상으로 수행되는 신선 단조 작업을 도시하는 개략도; 도 5d는 단조 후, 도 5c에 도시된 잉곳의 단면의 개략도;
도 6a는 합금 잉곳을 대상으로 수행되는 업셋 단조 작업을 도시하는 개략도; 도 6b는 단조 후 도 6a에 도시된 잉곳의 단면의 개략도; 도 6c는 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가지는 합금 잉곳을 대상으로 수행되는 업셋 단조 작업을 도시하는 개략도; 도 6d는 단조 후 도 6c에 도시된 잉곳의 단면의 개략도;
도 7은 잉곳의 내부 매크로 구조를 보여주는 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가지는 잉곳의 매크로 에칭된 단면의 사진;
도 8a는 도 7에 도시된 잉곳의 외층의 광학 현미경 사진; 도 8b는 외층과 내부 잉곳 코어 사이의 계면의 바로 내측을 촬영한 도 7에 도시된 잉곳의 내부 잉곳 코어의 광학 현미경 사진; 도 8c는 잉곳 내부의 중간 반경 지점을 촬영한 도 7에 도시된 잉곳의 내부 잉곳 코어의 광학 현미경 사진; 도 8d는 도 7에 도시된 잉곳의 외층과 내부 잉곳 코어 사이의 계면의 광학 현미경 사진;
도 9는 도 7 및 도 8a 내지 도 8d에 도시된 잉곳의 외층과 내부 잉곳 코어 사이의 계면에 대한 SEM 현미경 사진.
본 개시에 따른 다양한 비제한적 실시형태에 대한 다음의 상세한 설명을 자세히 검토함으로써 전술한 세부사항 및 다른 사항이 분명히 이해될 것이다. 본 명세서에 설명된 실시형태를 구현 또는 사용함으로써 추가적인 세부사항 또한 이해될 수 있다.
물론, 개시된 실시형태에 대한 다양한 설명은 개시된 실시형태의 분명한 이해와 관련이 있는 특징, 양태, 특성 등만을 명시할 수 있도록 단순화된 동시에, 명료성을 위해 다른 특징, 양태, 특성 등은 생략되었다. 당업자라면 개시된 실시형태에 대한 본 설명의 검토를 통해 다른 특징, 양태, 특성 등이 개시된 실시형태의 특정한 구현 또는 적용에 바람직할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나 이런 다른 특징, 양태, 특성 등은 개시된 실시형태에 대한 본 설명의 검토를 통해 당업자가 쉽게 확인 및 구현할 수 있는 것이며, 따라서 개시된 실시형태를 완전히 이해하는 데 불필요한 까닭에, 이런 특징, 양태, 특성 등에 대한 설명은 본 명세서에 제공되지 않았다. 이에 따라, 본 명세서에 작성된 설명은 단지 개시된 실시형태의 예시 및 예증에 지나지 않으며 오직 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않았음이 이해되어야 한다.
본 개시에서는, 달리 명시되지 않는 한, 양 또는 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약(about)"이 전치되어 이를 수식하는 것으로 이해되어야 한다. 이에 따라, 달리 명시되지 않는 한, 다음의 설명 부분에 작성된 임의의 수치 변수는 본 개시에 따른 실시형태에서 얻고자 하는 바람직한 물성에 따라 달라질 수 있다. 적어도, 특허청구범위에 대한 균등론의 적용을 제한하려는 시도는 아닌 것으로, 본 설명에 기술된 각각의 수치 변수는 적어도 보고된 유효 숫자의 수효에 대한 고려와 보통의 반올림 기법의 적용에 의해 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 기재된 임의의 숫자 범위는 거기에 포섭되는 일체의 하위 범위(sub-range)를 포함하도록 의도되어 있다. 예컨대, "1 내지 10"의 범위는 기재된 최소값 1과 기재된 최대값 10 사이, 즉 1 이상의 최소값과 10 이하의 최대값을 가지는 일체의 하위 범위를 포함하도록 의도되어 있다. 본 명세서에 기재된 임의의 최대 수치 한계는 거기에 포섭되는 더 낮은 일체의 숫자 한계를 포함하도록 의도되어 있고, 본 명세서에 기재된 임의의 최소 수치 한계는 거기에 포섭되는 더 높은 일체의 수치 한계를 포함하도록 의도되어 있다. 따라서, 출원인은 본 명세서에 명시적으로 기재된 범위 내에 포섭되는 임의의 부분 범위를 명시적으로 기재하기 위해 특허청구범위를 포함하여 본 개시를 보정할 권리를 보유한다. 이런 일체의 범위는, 임의의 이런 부분 범위를 명시적으로 기재하기 위한 보정이 미국특허법(35 U.S.C.) 제112조, 제1항 및 미국특허법 제132(a)조의 요건을 충족시킬 수 있도록 본 명세서에 내재적으로 개시되게끔 의도되어 있다.
본 명세서에 사용되는 단수표현은 달리 명시되지 않는 한, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 포함하도록 의도되어 있다. 따라서 관사는 본 명세서에서는, 하나 이상(즉, 적어도 하나)의 관사의 문법적 객체를 지칭하기 위해 사용된다. 예를 들어, "구성요소"는 하나 이상의 구성요소를 의미하며, 따라서 어쩌면 둘 이상의 구성요소가 설명된 실시형태의 구현에 있어 고려되어, 채택되거나 사용될 수 있다.
본 명세서에 원용되는 것으로 언급된 임의의 특허, 공개 또는 다른 개시 자료는 달리 명시되지 않는 한 그 전체 내용이 본 명세서에 원용되지만, 이는 원용된 자료가 본 개시에 명시적으로 제시된 기존의 정의, 진술 또는 다른 개시 자료와 상충되지 않는 한도 내에서 이루어진다. 이에 따라, 필요한 한도 내에서, 본 명세서에 기재된 명시적인 개시 내용은 본 명세서에 원용되는 임의의 상충되는 자료를 대체한다. 본 명세서에 원용되는 것으로 언급되어 있지만, 본 명세서에 명시적으로 기재된 현존하는 정의, 진술 또는 다른 개시 자료와 상충되는 임의의 자료 또는 그 일부는 원용된 자료와 기존 개시 자료 간에 어떤 상충도 발생하지 않는 한도 내에서만 원용된다. 출원인은 본 명세서에 원용된 임의의 발명 요지 또는 그 일부를 명시적으로 기재하기 위해 본 개시를 보정할 권리를 보유한다.
본 개시는 다양한 비제한적 실시형태에 대한 설명을 포함한다. 물론, 본 명세서에 설명된 모든 실시형태는 예시적이고 예증적이며 비제한적이다. 따라서 본 발명은 다양한 예시적, 예증적, 비제한적 실시형태에 대한 설명에 의해 제한되지 않는다. 더 정확히 말하자면, 본 발명은 본 개시에 명시적 또는 내재적으로 설명되거나, 아니면 다른 방식으로 본 개시에 의해 명시적 또는 내재적으로 뒷받침되는 임의의 특징을 기재할 목적으로 보정될 수 있는 특허청구범위에 의해서만 한정된다. 그러므로 임의의 이런 보정은 미국특허법 제112조, 제1항 및 미국특허법 제132(a)조의 요건을 충족시킨다.
본 명세서에 개시되고 설명된 다양한 비제한적 실시형태는 본 명세서에 다양하게 설명된 바와 같은 특징, 양태, 특성, 한계 등을 포함하거나 그 구성요소로 삼거나 기본적인 구성요소로 삼을 수 있다. 본 명세서에 개시되고 설명된 다양한 비제한적 실시형태는, 기술분야에 공지되어 있거나, 실제로 구현된 다양한 비제한적 실시형태에 달리 포함될 수 있는 추가적 또는 선택적 특징, 양태, 특성, 한계 등을 포함할 수 있다.
다양한 합금은 크랙 민감성으로 특징될 수 있다. 크랙 민감성 합금은 가공 작업 중에 크랙을 형성하는 경향이 있다. 크랙 민감성 합금 잉곳은 예컨대 크랙 민감성 합금 잉곳으로부터 합금 물품을 제조하기 위해 사용되는 열간 가공 작업 중에 크랙을 형성할 수 있다. 예컨대, 합금 빌릿은 단조 변환에 의해 합금 잉곳으로부터 성형될 수 있다. 다른 합금 물품은 압출 또는 다른 가공 작업에 의해 합금 빌릿 또는 합금 잉곳으로부터 성형될 수 있다. 열간 가공 작업에 의해 크랙 민감성 합금 잉곳으로부터 성형되는 합금 물품(예컨대, 합금 빌릿)의 생산 수율은 열간 가공(예컨대, 단조 또는 압출) 중에 합금 잉곳의 표면 크랙의 발생으로 인해 낮을 수 있다. 생산 수율은 연삭 또는 다른 방법으로 가공된 잉곳에서 표면 크랙을 제거할 필요성으로 인해 감소될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 용어 "열간 가공"은 상온보다 높은 온도에서 가공물에 힘을 인가하여, 인가된 힘이 가공물을 소성 변형시키는 공정을 지칭한다.
예컨대, 단조 또는 압출과 같은 열간 가공 중에, 대기로의 열 손실에 의한 합금 잉곳 표면의 냉각으로 인해 자연적인 온도 구배가 형성된다. 또한, 가공 작업을 거친 합금 잉곳의 온도는 잉곳 표면에 기계적으로 힘을 인가하기 위해 사용되는 다이의 온도보다 높을 수 있다. 이로써 결과되는 잉곳 표면과 잉곳 내부 간의 열 구배 오프셋은 열간 가공 중에, 잉곳, 특히 예컨대 니켈계, 철계, 니켈-철계 및 코발트계 합금 및 초합금과 같은 크랙 민감성 합금으로부터 형성된 잉곳의 표면 크랙을 초래한다.
열간 가공 중에 합금 잉곳 표면의 크랙 형성을 저감하는 한 방법은 열간 가공 전에 합금 잉곳을 합금 캔(can) 내부에 배치하는 것이다. 예컨대, 원통형 잉곳의 경우, 합금 캔의 내경은 합금 잉곳의 외경보다 약간 크며, 이에 의해 잉곳이 캔 내부에 삽입될 수 있다. 캔은 잉곳을 헐겁게 둘러싸고, 이로써 공극(air gap)과 복사 밀폐를 이용하여 열을 유지한다. 가공 작업 중에, 다이는 내부의 잉곳을 적어도 부분적으로 봉입하는 외부의 캔과 접촉된다. 이런 식으로, 캔은 적어도 부분적으로 봉입된 잉곳의 표면을 단열하고 기계적으로 보호할 수 있으며, 이에 의해 가공 중에 잉곳의 표면 크랙의 발생을 저감할 수 있다.
잉곳의 캐닝(canning) 작업은 다양한 난점을 초래할 수 있다. 캔의 외면과 가공 다이 간의 기계적 접촉은 캔을 파손시킬 수 있다. 예컨대, 캐닝된 잉곳의 업셋-신선 단조 시, 캔이 신선 작업 중에 파손될 수 있다. 이런 경우, 다중 업셋-신선 단조 작업의 각각의 업셋-신선 사이클 사이에 잉곳을 재차 캐닝할 필요가 생김으로 인해, 공정 복잡성 및 비용을 증가시킨다. 또한, 캔의 존재는, 작업기사가 가공 작업 중에 크랙 및 가공으로 인한 여타의 결함을 찾기 위해 캐닝된 잉곳의 표면을 육안으로 모니터하는 데 방해가 된다.
본 명세서에 개시된 실시형태는 합금 잉곳을 형성하기 위한 공정과 합금 잉곳을 가공하기 위한 방법에 관한 것이다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 잉곳을 형성하기 위한 공정은 진공 아크 재용융(VAR) 장치용 도가니에 합금 라이너를 배치하는 단계를 포함한다. 합금 전극은 진공 아크 재용융 장치에서 진공 아크 재용융될 수 있다. 합금 전극은 도가니의 합금 라이너 내로 진공 아크 재용융될 수 있다. 이런 식으로, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 합금 잉곳이 형성될 수 있다. 외층은 라이너(라이너 합금)를 처음에 포함하는 합금을 포함한다. 내부 잉곳 코어는 VAR 전극(전극 합금)을 처음에 포함하는 합금을 포함한다.
진공 아크 재용융은 청정도를 개선하고 합금 잉곳의 구조체를 정련하기 위해 사용되는 잉곳 야금 작업이다. VAR 작업에서, 재용융 대상 합금 잉곳은 합금 전극으로 지칭될 수도 있다. VAR 작업에서 재용융되는 합금 전극은 예컨대, (예컨대, 전기로(electric arc furnace: EAF) 내에서 수행되는) 공기 용융, 진공 용융(예컨대, 진공 유도 용융(VIM)), 일렉트로슬래그 정련(ESR), 화상(hearth) 용융 공정, 분무 성형 공정 및/또는 다른 용융 주조 또는 잉곳 형성 작업에 의해 형성될 수 있다. VAR은 진공 하의 전기 아크에 의한 소모성 합금 전극의 연속 재용융을 포함할 수 있다. 직류(DC) 전원이 합금 전극과 VAR 장치의 도가니의 기부판에 전기적으로 연결될 수 있다. DC 전원은 합금 전극의 자유단과 도가니의 기부판 사이에 전기 아크를 발생시킨다. 전기 아크를 통해 방출된 에너지에 의해 발생된 열은 전극의 자유단을 용융한다. VAR은 예컨대, 본 명세서에 참고로 포함된 문헌[Donachie et al., Superalloys: A Technical Guide, ASM international, 2002]에 개괄적으로 설명되어 있다.
도 1은 VAR 장치(10)의 비제한적 실시형태를 도시하는 개략도이다. VAR 장치(10)는 기부판(14)을 가지는 도가니(12)를 포함한다. 도가니(12)는 워터 자켓(16)에 의해 수냉식(water-cooled)으로 냉각된다. 워터 자켓(16)은 물 흐름이 도가니(12)의 외면을 지나도록 하는 물 유입구와 물 배출구를 포함한다. 도가니(12)를 지나는 물 흐름은 도가니(12)의 열을 제거하고, 다음으로 도가니(12) 내부의 용융 합금 풀(42)의 열을 제거하여, 용융 합금 풀(42)이 진공 아크 재용융 잉곳(40)으로 고화되는 것을 촉진한다. 진공 아크 재용융 잉곳(40)은 도가니(12)의 내면에 의해 몰딩된다. 도가니(40)를 지나는 물 흐름은 또한 잉곳의 열을 제거한다. 도가니(12)는 밀봉된 노(furnace) 챔버(22)를 형성하기 위해 VAR 헤드(20)와 결합된다. VAR 헤드(20)는 진공 노 챔버(22) 내에 진공이 야기되도록 허용하는 진공 포트(24)를 포함한다.
합금 전극(30)의 일 단부는 VAR 장치(10)의 노 챔버(22) 내로 연장되는 램(ram)(32)에 연결된다. 램(32)은 전극(30)의 자유단을 도가니(12)의 개방 체적 내로 이동시킨다. 합금 전극(30)이 용융되어 용융 합금(36)이 전극 아크 간극(46)을 거쳐 잉곳(40) 상면의 용융 합금 풀(42) 내로 낙하하는 동안, 램(32)은 합금 전극(30)을 도가니(12) 내에 수직하게 배치한다. 이런 식으로, 램(32)은 합금 전극(30)을 이동시키고 전극 아크 간극(46)을 작동 공차 내로 비교적 일정하게 유지할 수 있도록 기부판(14)을 향하여 진행될 수 있다. 램(32)은 VAR 작업 중에 노 챔버(22) 내에 진공이 유지될 수 있도록 VAR 헤드(20)의 밀봉된 개구(38)를 통해 이동 가능하게 배치된다.
합금 전극(30)은 전극(30)의 자유단과 도가니의 기부판(14) 사이에서 처음 형성되는 전기 아크를 통해 방출되는 에너지에 의해 발생되는 열로 인해 용융된다. 전극(30)과 기부판(14)은 전원(26)에 전기적으로 연결된다. 전기 아크는 처음에는 전극 아크 간극(46)에 걸쳐 전극(30)의 자유단과 기부판(14) 사이에 형성된다. 램(32)의 수직 배치 작동에 의해, 전극 아크 간극(46)과, 용융 합금이 기부판(14)을 덮어 도가니(12) 내의 개방 체적을 채우기 시작하는 시점 이후에 전극(30)의 자유단과 고화 잉곳(40) 사이에 형성되는 전기 아크가 유지된다.
도 2는 VAR 장치(50)의 비제한적 실시형태를 도시하는 개략도이다. VAR 장치(50)는 기부판(54)을 가지는 도가니(52)를 포함한다. 합금 라이너(90)는 도가니(52) 내에 배치된다. 도 2는 양측 대향 단부가 개방된 합금 라이너(90)를 도시하고 있지만, 다양한 대안적 실시형태에서, 합금 라이너(90)는 VAR 장치의 기부판에 인접한 단부에서 부분적 또는 전체적으로 폐쇄될 수도 있다. 도가니(52)는 워터 자켓(56)에 의해 수냉식으로 냉각된다. 워터 자켓(56)은 물 흐름이 도가니(52)의 외면을 지나도록 하는 물 유입구와 물 배출구를 포함한다. 도가니(52)를 지나는 물 흐름은 도가니(52)의 열을 제거하고, 다음으로 합금 라이너(90) 및 해당 합금 라이너(90) 내부의 용융 합금 풀(82)의 열을 제거하여, 용융 합금 풀(82)이 진공 아크 재용융 잉곳(80)으로 고화되는 것을 촉진한다. 이런 식으로, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 합금 잉곳이 형성된다. 외층은 합금 라이너(90)를 처음에 포함하는 재료를 포함하고, 내부 잉곳 코어는 합금 전극(70)을 처음에 포함하는 재료를 포함한다. 도가니(52)는 밀봉된 노 챔버(62)를 형성하기 위해 VAR 헤드(60)와 결합된다. VAR 헤드(60)는 진공 노 챔버(62) 내에 진공이 야기되도록 허용하는 진공 포트(64)를 포함한다.
합금 전극(70)의 일 단부는 VAR 장치(50) 내의 램(72)에 연결된다. 램(72)은 합금 라이너(90) 내부의 개방 공간 내로 전극(70)의 자유단을 이동시킨다. 합금 전극(70)이 용융되어 용융 합금(76)이 전극 아크 간극(86)을 거쳐 용융 합금 풀(82) 내로 적하되는 동안, 램(72)은 합금 전극(70)을 합금 라이너(90) 내에 수직 배치한다. 이런 식으로, 램(72)은 전극 아크 간극(86)을 작동 공차 내에서 비교적 일정하게 유지하도록 제어될 수 있다. 램(72)은 VAR 작업 중에 노 챔버(62) 내에 진공이 유지될 수 있도록 VAR 헤드(60)의 밀봉된 개구(78)를 통해 이동 가능하게 배치된다.
합금 전극(70)은 전극(70)의 자유단과 도가니의 기부판(54) 사이에 처음 형성되는 전기 아크를 통해 방출되는 에너지에 의해 발생되는 열로 인해 용융된다. 전극(70)과 기부판(54)은 전원(66)에 전기적으로 연결된다. 전기 아크는 처음에는 전극 아크 간극을 통해 전극(70)의 자유단과 기부판(54) 사이에 형성된다. 램(72)의 수직 배치 작동에 의해, 전극 아크 간극(86)과, 용융 합금이 기부판(54)을 덮어 합금 라이너(90) 내의 체적을 채우기 시작하는 시점 이후에 전극(70)의 자유단과 고화 잉곳(80) 사이에 형성되는 전기 아크가 유지된다. 이런 식으로, 합금 전극(70)은 진공 아크 재용융 장치(50)의 도가니(52) 내에 배치되는 합금 라이너(90) 내로 진공 아크 재용융된다.
본 명세서에 사용되는 용어 "진공 아크 재용융" 및 "VAR"은 예컨대 진공 아크 이중 전극 재용융(vacuum arc double electrode remelting : VADER)과 같은 VAR의 변형예를 포함한다. 도 3은 VADER 장치를 포함하는 VAR 장치(150)의 비제한적 실시형태를 도시하는 개략도이다. VAR 장치(150)는 기부판(154)을 가지는 도가니(152)를 포함한다. 합금 라이너(190)는 도가니(152) 내에 배치된다. 도 3은 양측 대향 단부가 개방된 합금 라이너(190)를 도시하고 있지만, 다양한 대안적 실시형태에서, 합금 라이너(190)는 VAR 장치의 기부판에 인접한 단부에서 부분적 또는 전체적으로 폐쇄될 수도 있다. 도가니(152)는 워터 자켓(156)에 의해 수냉식으로 냉각된다. 워터 자켓(156)은 물 흐름이 도가니(152)의 외면을 지나도록 하는 물 유입구와 물 배출구를 포함한다. 도가니(152)를 지나는 물 흐름은 도가니(152)의 열을 제거하고, 다음으로 합금 라이너(190) 및 해당 합금 라이너(190) 내부의 용융 합금 풀(182)의 열을 제거하여, 용융 합금 풀(182)이 진공 아크 이중 전극 재용융 내부 잉곳 코어(180)로 고화되는 것을 촉진한다. 이런 식으로, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 합금 잉곳이 형성된다. 외층은 합금 라이너(190)를 처음에 포함하는 재료를 포함하고, 내부 잉곳 코어는 두 개의 합금 전극(170)을 처음에 포함하는 재료를 포함한다. 도가니(152)는 밀봉된 노 챔버(162)를 형성하기 위해 VAR 헤드(160)와 결합된다. VAR 헤드(160)는 진공 노 챔버(162)내에 진공이 야기되도록 허용하는 진공 포트(164)를 포함한다.
합금 전극(170)의 일 단부는 VAR 장치(150) 내의 램(172)에 연결된다. 램(172)은 전극(170)의 자유단을 서로를 향해 이동시키고 전극 아크 간극(186)을 유지한다. 합금 전극(170)이 용융되어 용융 합금(176)이 용융 합금 풀(182) 내로 적하되는 동안, 램(172)은 합금 전극(170)을 서로에 대하여 수평 배치한다. 이런 식으로, 램(172)은 전극 아크 간극(186)을 작동 공차 내로 비교적 일정하게 유지하도록 제어될 수 있다.
합금 전극(170)은 각각의 전극(170)의 자유단 사이에 형성되는 전기 아크를 통해 방출되는 에너지에 의해 발생되는 열로 인해 용융된다. 전극(170)은 전원(미도시)에 전기적으로 연결된다. 아크는 전극 아크 간극(186)에 걸쳐 전극(170)의 자유단 사이에 형성된다. 램(172)의 수평 배치 작동에 의해, 전극 아크 간극(186)과, 전극(170)의 자유단 사이에 형성되는 전기 아크가 유지된다. 이런 식으로, 합금 전극(170)은 VAR 장치(150)의 도가니(152) 내에 배치되는 합금 라이너(190) 내로 진공 아크 재용융된다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 잉곳을 형성하기 위한 공정은 진공 아크 재용융 공정을 포함할 수 있다. 진공 아크 재용융 공정은 진공 아크 재용융 장치의 도가니 내로 합금 라이너를 배치하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 합금 전극이 진공 아크 재용융 장치의 도가니 내에 배치된 합금 라이너 내로 진공 아크 재용융될 수 있다. 용융 전극 합금 액적이 합금 전극에서 합금 라이너 내에 배치된 용융 풀 내로 용융되는 동안, 그 열로 인해 용융 풀에 인접한 영역의 합금 라이너가 부분적으로 용융될 수 있다. 용융 전극 합금과 적어도 부분적으로 용융된 라이너 합금이 도가니 내에서 고화되는 동안, 합금 라이너와 고화 전극 합금이 융합되어 야금학적으로 접합되며, 이에 의해 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 합금 잉곳이 형성된다. 잉곳의 외층은 라이너 합금을 포함한다. 잉곳의 내부 잉곳 코어는 전극 합금을 포함한다.
도 4a 및 도 4b는 본 명세서에 설명된 다양한 비제한적 실시형태에 따라 형성된 합금 잉곳(200)의 개략도이다. 합금 잉곳(200)은 내부 잉곳 코어(203)에 야금학적으로 접합된 외층(202)을 포함한다. 외층(202)과 내부 잉곳 코어(203) 사이의 계면(205)은 외층(202)을 포함하는 라이너 합금과 내부 잉곳 코어(203)를 포함하는 전극 합금 사이에 형성되는 야금학적 접합을 포함한다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 야금학적 접합은 외층(202)을 포함하는 라이너 합금과 내부 잉곳 코어(203)를 포함하는 전극 합금의 금속간 융합 또는 유착(coalescence)을 포함한다. 예컨대, 합금 전극이 합금 라이너 내로 재용융될 때, 용융 전극 합금은 합금 라이너의 내면에 융합될 수 있고, 이에 의해 (라이너 합금을 포함하는) 외층과 (전극 합금을 포함하는) 내부 잉곳 코어 사이에 야금학적으로 접합된 계면을 형성할 수 있다. 용융 전극 합금에 의해 운반되는 열에너지는 합금 라이너의 내면을 적어도 부분적으로 용융시켜 그것이 용융 전극 합금과 부분적으로 유착될 수 있게 함으로써, 고화시 외층과 내부 잉곳 코어 사이에 야금학적으로 접합된 계면을 형성할 수 있다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 야금학적 접합은 잉곳의 조성물이 전극 합금 조성물에서 라이너 합금 조성물까지의 구배를 따라 변이되는 합금 구배 영역을 포함할 수 있다. 합금 구배는 합금 구배 영역에서의 전극 합금과 라이너 합금의 혼합으로 인해 형성될 수 있다. 합금 전극이 합금 라이너 내로 용융될 때, 용융 전극 합금은, 합금 라이너 내의 용융 풀 내로 용융되는 용융 전극 합금 액적의 열에너지로 인해 적어도 부분적으로 용융될 수 있는, 용융된 라이너 합금의 적어도 일부와 적어도 부분적으로 혼합될 수 있다. 이런 식으로, 라이너 합금으로부터 형성되는 외층, 전극 합금으로부터 형성되는 내부 잉곳 코어, 및 전극 합금과 라이너 합금의 혼합물에 의해 형성되는 합금 구배 영역을 포함하되, 혼합물은 합금 구배 영역 내의 전극 합금에서 라이너 합금까지 변이되는 것을 특징으로 하는, 잉곳이 형성될 수 있다.
다양한 실시형태에서, (라이너 합금을 포함하는) 외층과 (전극 합금을 포함하는) 내부 잉곳 코어는 서로 야금학적으로 접합되지 않는다. 예컨대, 라이너 합금의 융점 온도가 전극 합금의 융점 온도보다 훨씬 높다면, 합금 라이너가 용융 또는 다른 방식으로 고화 내부 잉곳 코어에 융합됨이 없이 용융 전극 합금이 합금 라이너 내부에 고화될 것이다. 이런 식으로, 합금 라이너는, 외층과 야금학적으로 접합되지 않고 물리적으로 결부된 내부 잉곳 코어 내로 전극 합금의 고화가 이루어지는 몰드로서 기능하게 된다.
야금학적으로 접합된 실시형태에서, 라이너 합금과 전극 합금의 유착 또는 혼합의 정도, 그리고 이어서 외층과 내부 잉곳 코어 사이의 계면 영역의 체적은 예컨대, 특정한 융점 온도를 가지는 합금을 각각 선택함으로써 제어될 수 있다. 예컨대, 라이너 합금의 융점 온도가 전극 합금의 융점 온도보다 충분히 높다면, 용융 합금 전극은 합금 라이너의 내면에 야금학적으로 융합되고, 이는 비교적 작은 계면 영역으로 귀결될 것이다.
그러나 라이너 합금의 융점 온도가 전극 합금의 융점 온도보다 훨씬 낮다면, 라이너 합금이 전부 용융되어 용융 전극 합금과 혼합될 수 있다. 이는, 생성된 잉곳의 내부 잉곳 코어의 화학 성분이 상당히 변화될 수 있음으로 해서 명세 범위를 벗어난 전극 합금으로 귀결될 수 있기 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 외층과 내부 잉곳 코어 간에 견고한 야금학적 접합을 야기하지만, 또한 용융 전극 합금과 접촉될 때 과도하게 용융되지 않는 라이너 합금이 주어진 전극 합금에 맞게 선택될 수 있다. 이런 식으로, 내부 잉곳 코어를 포함하는 합금이 명세 범위 내에서 유지될 수 있다.
다양한 비제한적 실시형태에서, (내부 잉곳 코어를 나중에 포함하는) 전극 합금은 크랙 민감성 합금을 포함할 수 있다. 예컨대, 다양한 니켈계, 철계, 니켈-철계, 코발트계 합금 및 초합금은 특히 열간 가공 작업 중에 크랙에 민감할 수 있다. 합금 전극은 이런 크랙 민감성 합금 및 초합금으로부터 형성될 수 있다. 크랙 민감성 합금 전극은 Alloy 718, Alloy 720, Rene 41(상표명) 합금, Rene 88(상표명) 합금, Waspaloy(등록상표) 합금, Inconel(등록상표) 100 합금을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 합금 또는 초합금으로부터 형성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 실시형태는 열간 가공 온도에서 비교적 낮은 연성을 가지는 것을 특징으로 하는 임의의 합금에 일반적으로 적용될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 용어 "합금"은 통상적인 합금 및 초합금을 포함하되, 초합금은 비교적 우수한 표면 안정성, 내식성 및 내산화성, 고강도, 및 고온에서의 높은 내크리프성을 나타낸다.
(외층을 나중에 포함하는) 라이너 합금은, 사용되는 특정 가공 온도에서 전극 합금(및 나중에는 하부의 내부 잉곳 코어)보다 연성 및/또는 가단성이 높은 합금일 수 있다. 라이너 합금은, 형성된 잉곳을 열간 가공할 때 사용되는 특정 가공 온도에서, 합금 전극(및 하부의 내부 잉곳 코어)을 포함하는 합금에 비해 보다 높은 인성 및/또는 보다 낮은 경도를 나타내는 합금일 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 외층은 하부의 내부 잉곳 코어를 대기 노출 및/또는 열간 가공 다이와의 접촉으로부터 차단함으로써, 내부 잉곳 코어를 포함하는 전극 합금이 취화되어 열간 가공 중에 더욱 쉽게 균열될 수 있는 온도까지 하부의 내부 잉곳 코어가 냉각되는 것을 방지한다.
라이너 합금(및 외층)은 내산화성 합금을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 외층은 열간 가공 또는 다른 공정 중에 두드러질 정도까지 산화되지는 않는다. 외층은 비교적 높은 강성(예컨대, 비교적 낮은 탄성 계수)을 나타내는 합금을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적 실시예에서, 외층은(예컨대, 하나 이상의 다이에 의한 힘의 인가에 의해 비교적 낮은 강성의 합금이 하부의 내부 잉곳 코어 상에 박막화되는) 열간 가공 중에 대체로 박막화되지 않는다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 라이너(및 외층)를 포함하는 합금과, 합금 전극(및 하부의 내부 잉곳 코어)을 포함하는 합금은 동일한 모재를 포함할 수 있다. 예컨대, 합금 전극(및 내부 잉곳 코어)이 니켈계 합금 또는 초합금(예컨대, Alloy 718, Alloy 720, Rene 88(상표명) 합금, Waspaloy(등록상표) 합금)을 포함한다면, 합금 라이너(및 외층) 또한 예컨대 Alloy 625와 같은 니켈계 합금을 포함할 수 있다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 라이너(및 외층)를 포함하는 합금과, 합금 전극(및 하부의 내부 잉곳 코어)을 포함하는 합금은 상이한 모재를 포함할 수 있다. 예컨대, 합금 전극(및 내부 잉곳 코어)이 니켈계 합금 또는 초합금(예컨대, Alloy 718, Alloy 720, Rene 88(상표명) 합금, Waspaloy(등록상표) 합금)을 포함한다면, 합금 라이너(및 외층) 또한 예컨대 Type 304 스테인레스강과 같은 철계 합금을 포함할 수 있다.
합금 라이너의 벽두께는, 하부의 내부 잉곳 코어를 접촉되는 다이의 표면으로부터 보호하여 하부의 표면이 열간 가공 중에 보다 쉽게 균열될 수 있는 온도까지 하부의 내부 잉곳 코어가 냉각되는 것을 방지하기에 충분한 두께를 가지는 외층이 형성될 수 있도록 선택될 수 있다. 이런 식으로, 보다 높은 열간 가공 온도는 일반적으로 보다 큰 외층 두께와 상관관계에 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 라이너는 0.25 인치(0.635 ㎝) 내지 0.5 인치(1.27 ㎝)의 벽두께를 가질 수 있다.
합금 전극은 잉곳 야금 작업 또는 분말 야금 작업에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 전극은 VIM에 의해 형성될 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 전극은 VIM-ESR에 의해 형성될 수 있다. 이런 식으로, 다양한 비제한적 실시형태에 따른 3중 용융 공정은, VAR 작업이 VAR 장치의 도가니 내에 배치되는 합금 라이너 내로 합금 전극을 용융시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 VIM-ESR-VAR을 포함한다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 분발 야금 작업은 용융 합금을 분무화하고, 고화 야금 분말을 전극 내로 포집 및 압밀하는 단계를 수반할 수 있다. 분말 야금 작업의 비제한적 실시예는, (1) 공급 원료로부터 바람직한 합금 조성물을 제조하기 위한 VIM 단계, (2) 합금 분말로 고화되는 용융 합금 액적(3)으로 용융 합금을 분무화하는 단계, (3) 개재물을 저감하기 위해 합금 분말을 체가름(sieving)하는 단계, (4) 일정량의 합금 분말의 캐닝 및 탈기(degassing) 단계, (5) 합금 분말을 합금 전극 내로 압밀하기 위한 합금 분말의 압착 단계를 포함한다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가지는 합금 잉곳의 적어도 일 단부 상에 단부층이 증착될 수 있다. 예컨대, 원통형 합금 전극이 관상 합금 라이너 내로 재용융되어 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 원통형 합금 잉곳이 형성된 후에, 내부 잉곳 코어가 원통형 잉곳의 일측 또는 양측 대향 단부에 노출된 상태로 남아있을 수 있다. 잉곳의 일측 또는 양측 대향 단부에 노출된 내부 잉곳 코어의 적어도 일부 상에 합금재 층이 증착될 수 있다. 이런 식으로, 원통형 잉곳의 내부 잉곳 코어는 외주층 및 원통형 잉곳의 일측 또는 양측 단부 상의 하나 또는 두 개의 단부층 내에 봉입될 수 있다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 잉곳의 일측 또는 양측 대향 단부에 합금 단부층이 증착되거나 야금학적으로 접합될 수 있다. 예컨대, 합금 단부층은 잉곳의 단부면에 용착물(weld deposit)로 증착될 수 있다. 용착물은, 금속 불활성 가스(metal inert gas : MIG) 용접. 텅스텐 불활성 가스(tungsten inert gas : TIG) 용접, 플라즈마 용접, 서브머지드 아크 용접 및 전자빔 용접을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 용접 작업에 의해 단부면의 적어도 일부 영역에 야금학적으로 접합될 수 있다.
합금 단부층은, 사용되는 특정 가공 온도에서 하부의 내부 잉곳 코어의 합금보다 연성 및/또는 가단성이 높은 합금재를 포함할 수 있다. 합금 단부층은, 사용되는 특정 가공 온도에서 하부의 내부 잉곳 코어의 합금에 비해 보다 높은 인성 및/또는 낮은 경도를 나타내는 합금재를 포함할 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 단부층은 하부의 내부 잉곳 코어 표면을 접촉되는 다이의 표면으로부터 차단함으로써, 그 표면이 취성이 되어 열간 가공 중에 더욱 쉽게 균열될 수 있는 온도까지 하부의 표면이 냉각되는 것을 방지한다.
합금 단부층은 내산화성 합금재를 포함할 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 단부층은 열간 가공 또는 다른 공정 중에 산화되지 않는다. 합금 단부층은 비교적 높은 강성(예컨대, 비교적 낮은 탄성 계수)을 나타내는 합금재를 포함할 수 있다. 다양한 비제한적 실시예에서, 합금 단부층은 (예컨대, 하나 이상의 다이에 의한 힘의 인가에 의해 비교적 낮은 강성의 금속재가 하부의 잉곳 표면 상에 박막화되는) 열간 가공 중에 실질적으로 박막화되지 않는다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 단부층을 형성하는 합금과, 하부의 내부 잉곳 코어를 형성하는 합금은 동일한 모재를 포함할 수 있다. 예컨대, 내부 잉곳 코어가 니켈계 합금 또는 초합금(예컨대, Alloy 718, Alloy 720, Rene 88(상표명) 합금, Waspaloy(등록상표) 합금)을 포함한다면, 단부층의 합금재 또한 예컨대 니켈계 용접 합금(예컨대, Techalloy Compony/Central Wire으로부터 이용가능한 Techalloy 606(상표명) 합금)과 같은 니켈계 합금을 포함할 수 있다. 합금 단부층은, 하부의 내부 잉곳 코어 표면을 접촉되는 다이 표면으로부터 차단함으로써 하부의 표면이 열간 가공 중에 보다 쉽게 균열될 수 있는 온도까지 하부의 표면이 냉각되는 것을 방지하기에 충분한 두께까지 증착될 수 있다. 이런 식으로, 보다 높은 열간 가공 온도는 일반적으로 보다 큰 금속재층 두께와 상관관계에 있을 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 금속재층은 합금 잉곳 표면의 적어도 일부 영역 상에 0.25 인치 내지 0.5 인치의 두께까지 증착될 수 있다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 단부층을 형성하는 합금재와, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 외주층을 형성하는 합금재는 동일한 모재를 포함할 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 단부층을 형성하는 합금재와, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 외주층을 형성하는 합금재는 동일한 합금일 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 단부층을 형성하는 합금재와, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 외주층을 형성하는 합금재는 상이한 합금일 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 단부층을 형성하는 합금재와, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 외주층을 형성하는 합금재는 상이한 모재를 포함할 수 있다.
내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층(및 선택적으로, 내부 잉곳 코어의 대향 단부에 야금학적으로 접합되는 하나 또는 두 개의 단부층)을 포함하는 잉곳의 형성 후에, 합금 잉곳은 열처리될 수 있다. 예컨대, 다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 잉곳은 합금 조성물과 내부 잉곳 코어의 내부조직을 균질화하기 위해 고온에 노출될 수 있다. 고온은 내부 잉곳 코어를 포함하는 합금의 재결정화 온도를 초과할 수 있지만 외층과 내부 잉곳 코어를 포함하는 합금의 융점 온도 미만일 수 있다. 다양한 실시형태에서, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층(및 선택적으로, 내부 잉곳 코어의 대향 단부에 야금학적으로 접합되는 하나 또는 두 개의 단부층)을 포함하는 잉곳은, 균질화 또는 다른 열처리 도중이나 그 이후에 내부 잉곳 코어로부터 외층(및/또는 하나 또는 두 개의 단부층)이 분리(de-bonding)되는 현상을 나타내지 않는다.
본 명세서에 개시된 다양한 비제한적 실시형태는 또한, 열간 가공 작업 중에 합금 잉곳의 표면 크랙의 발생이 저감되는 것을 특징으로 하는 잉곳 가공 방법과 열간 가공 공정에 관한 것이다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 설명된 방법과 공정은 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가지는 합금 잉곳을 형성하는 단계를 포함한다. 외층은 합금 잉곳에 대한 힘의 인가 중에 합금 잉곳의 표면 크랙의 발생을 저감할 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 합금 잉곳은 해당 합금 잉곳에 힘을 인가함으로써 열간 가공될 수 있다. 힘은 합금 잉곳이 외층에 인가될 수 있다. 인가된 힘은 합금 잉곳을 변형시킬 수 있다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 열간 가공 작업은 단조 작업 및/또는 압출 작업을 포함할 수 있다. 예컨대, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 합금 잉곳은 업셋 단조 및/또는 신선 단조될 수 있다.
업셋-신선 단조 작업은 업셋 단조 작업의 하나 이상의 순서와 신선 단조 작업의 하나 이상의 순서를 포함할 수 있다. 업셋 작업 중에는, 잉곳의 단부면이 잉곳의 길이를 압축하고 잉곳의 단면을 증가시키는 힘을 잉곳에 인가하는 단조 다이와 접촉될 수 있다. 신선 작업 중에는, 측면(예컨대, 원통형 잉곳의 원주면)이 잉곳의 단면을 압축하고 잉곳의 길이를 증가시키는 힘을 잉곳에 인가하는 단조 다이와 접촉될 수 있다.
도 5a 및 도 5c는 신선 단조 작업을 도시한다. 단조 다이(280/280')는 잉곳(220/220')에 힘을 인가한다. 힘은 화살표(285/285')에 의해 표시된 바와 같이, 잉곳(220/220')의 장축(201/201')에 대체로 수직하게 인가된다. 단조 다이(280/280')는 화살표(287/287')에 의해 표시된 바와 같이, 잉곳(220/220')의 장축(201/201')에 대체로 평행하게 이동됨으로써 대체로 잉곳(220/220')의 전체 길이를 따라 잉곳(220/220')에 힘을 인가한다. 도 5a는 외층이 없는 잉곳(220)을 도시한다. 잉곳(220)의 원주면이 단조 다이(280)와 접촉된다(도 5a). 도 6c는 내부 잉곳 코어(223')에 야금학적으로 접합된 외층(222)을 가지는 잉곳(220')을 도시한다. 잉곳(220')의 외층(222)이 단조 다이(280')와 접촉된다(도 5c).
도 5b 및 도 5d는 도 5a 및 도 5c에 도시된 바와 같은 신선 단조 후의 잉곳(220, 220')의 다이-접촉면을 각각 도시한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 잉곳(220)의 다이-접촉면(290)은 표면 크랙을 나타낸다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 내부 잉곳 코어(223)에 야금학적으로 접합된 외층(222)을 포함하는 잉곳(220')의 다이-접촉면(290')은 표면 크랙을 나타내지 않는다. 외층(222)은, 이런 외층이 결여된 것 외에는 동일한 단조 합금 잉곳에 비해 단조 합금 잉곳의 표면 크랙의 발생을 저감한다.
도 6a 및 도 6c는 업셋 단조 작업을 도시한다. 단조 다이(380/380')는 잉곳(320/320')에 힘을 인가한다. 힘은 화살표(385/385')에 의해 표시된 바와 같이, 잉곳(320/320')의 장축(301/301')에 대체로 평행하게 인가된다. 도 6a는 외층이 없는 잉곳(320)을 도시한다. 잉곳(320)의 단부가 단조 다이(380)와 접촉된다(도 6a). 도 6c는 내부 잉곳 코어(323)에 야금학적으로 접합된 외층(322)을 가지는 잉곳(320')을 도시한다. 외층(322)은 내부 잉곳 코어(323)의 원주면을 따라 대체로 원통형인 내부 잉곳 코어(323)에 야금학적으로 접합된다. 외층(322)은 또한 내부 잉곳 코어(323)의 양측 대향 단부에도 야금학적으로 접합된다. 외층(322)이 단조 다이(380')와 접촉된다(도 6c).
도 6b 및 도 6d는 도 6a 및 도 6c에 도시된 바와 같은 업셋 단조 후, 각각의 잉곳(320, 320')의 다이-접촉면을 각각 도시한다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 잉곳(320)의 다이-접촉면(390)은 표면 크랙을 나타낸다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 내부 잉곳 코어(323)에 야금학적으로 접합된 외층(322)을 포함하는 잉곳(320')의 다이-접촉면(390')은 표면 크랙을 나타내지 않는다. 외층(322)은, 이런 외층이 결여된 것 외에는 동일한 단조 합금 잉곳에 비해 단조 합금 잉곳의 표면 크랙의 발생을 저감한다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가지는 잉곳은 하나 이상의 업셋-신선 단조 작업을 거칠 수 있다. 예컨대, 3중 업셋-신선 단조 작업에서, 잉곳은 먼저 업셋 단조되고 이어서 신선 단조될 수 있다. 일련의 업셋-신선은 총 3회의 순차적인 업셋-신선 단조 작업이 수행되는 동안 2회를 초과하여 반복될 수 있다. 잉곳의 다이-접촉면 중 하나 이상이 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가질 수 있다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 외층을 가지는 잉곳은 1회 이상의 압출 작업을 거칠 수 있는 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된다. 예컨대, 압출 작업에서는, 원통형 잉곳이 원형 다이 내부로 강제로 통과될 수 있어서, 이에 의해 잉곳의 직경이 감소되고 그 길이가 증가된다. 잉곳의 하나 이상의 다이-접촉면이 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 가질 수 있다.
다양한 비제한적 실시예에서, 본 명세서에 설명된 방법과 공정은, 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 잉곳으로부터 전신가공(wrought) 빌릿을 생산하기 위해 사용될 수 있다. 빌릿 또는 다른 가공 물품으로의 잉곳의 단조 변환 또는 압출 변환은 단조 또는 압출 변환 전의 물품에 비해 더 미세한 입자 구조를 해당 물품에 만들어낸다. 본 명세서에 설명된 방법과 공정은, 단조 및/또는 압출 작업시 외층이 잉곳의 표면 크랙의 발생을 저감할 수 있기 때문에, 합금 잉곳을 사용하는 단조 또는 압출 제품(예컨대 빌릿)의 수율을 향상시킨다. 예컨대, 비교적 낮은 연성의 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합되는 비교적 높은 연성의 합금 외층을 포함하는 물품은, 비교적 높은 연성의 합금 외층이 결여된 것 외에는 동일한 물품에 비해, 가공 다이에 의해 유발되는 변형을 보다 수월하게 견딜 수 있다. 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층은 또한, 열간 가공시 대기와 잉곳 간의 온도 차 및/또는 가공 다이와 잉곳 간의 온도 차를 보다 수월하게 견딜 수 있다. 이런 식으로, 외층은 물품의 가공 중에 표면 크랙을 거의 또는 전혀 나타내지 않는 동시에, 하부의 내부 잉곳 코어에서도 표면 크랙의 개시가 가공 중에 방지되거나 저감된다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 열간 가공 후, 외층의 적어도 일부는 열간 가공을 거쳐 잉곳으로부터 형성된 제품에서 제거될 수 있다. 예컨대, 연삭, 박피(peeling) 및/또는 다른 선삭 작업이 외층의 적어도 일부를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 다양한 비제한적 실시형태에서, 외층의 적어도 일부는 빌릿의 박피(선삭) 및/또는 연삭 및/또는 다른 적합한 기술을 사용하여 (잉곳의 가공에 의해 형성된) 빌릿에서 제거될 수 있다.
다양한 비제한적 실시형태에서, 외층을 가지는 잉곳은 다양한 물품 제작에 사용될 수 있는 제품을 형성하기 위해 열간 가공될 수 있다. 예컨대, 본 명세서에 설명된 공정은 니켈계, 철계, 니켈-철계 또는 코발트계 합금 또는 초합금 빌릿을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 열간 가동된 빌릿으로부터 형성된 빌릿 또는 다른 제품은 예컨대, 터빈 엔진과 다양한 육상(land based) 터빈용 디스크 및 링과 같은 터빈 부품을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 물품을 제작하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 다양한 비제한적 실시형태에 따라 가공된 잉곳으로부터 제작된 다른 물품은 밸브, 엔진 부품, 샤프트 및 체결구를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
다음에 제시되는 예증적, 비제한적인 실시예는 실시형태의 범위를 제한하지 않고서 다양한 비제한적 실시형태를 추가로 설명하도록 의도되어 있다. 당업자라면 실시예의 변형이 오직 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것을 당연히 알 것이다. 일체의 부(part) 및 백분율은 달리 명시되지 않는 한 중량을 기준으로 한다.
실시예
실시예 1
내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 원통형 잉곳을 형성했다. Alloy 625 니켈계 합금(UNS06625)로 이루어진 원통형 합금 라이너를 형성했다. Alloy 625는 표 1에 제시된 바와 같은 명목상의 화학 조성을 가진다.
화학성분 C Mn Si S P Cr Ni Co Fe Mo Ti Al Nb+Ta
%w/w, 최소 - - - - - 20.0 Bal. - - 8.0 - - 3.15
%w/w, 최대 0.10 0.50 0.50 0.015 0.015 23.0 - 1.0 5.0 10.0 0.40 0.40 4.15
Alloy 625 파이프의 6-인치 구역(5.9375 인치 OD x 4.5945 인치 ID)을 이용하여 합금 라이너를 형성했다. 6-인치 구역을 5.625-인치 OD로 기계 가공하여 약 0.50 내지 0.52 인치의 벽 두께를 형성했다. 칭량된 합금 라이너는 대략 14.75 lbs(6.69 kg)이었다.
합금 라이너를 구리 VAR 도가니 내측에 배치했다. 도가니와 합금 라이너 조립체를 VAR 장치 내측에 배치하고 도가니 기부판에 고정시켰다. Alloy 718 니켈계 합금 전극도 VAR 장치 내측에 배치하고 램에 고정시켰다. Alloy 718는 표 2에 제시된 바와 같은 명목상의 화학 조성을 가진다.
화학성분 C Mn Si S P Cr Ni Co Fe Mo Ti Al B Nb+Ta
%w/w, 최소 - - - - - 17.0 50.0 - Bal. 2.8 0.65 0.20 - 5.0
%w/w, 최대 0.08 0.35 0.35 0.015 0.015 21.0 55.0 1.0 - 3.3 115 0.80 0.006 5.5
Alloy 718을 진공 아크를 이용하여 3.5 kA 및 25 V에서 재용융시켰다. 전기 아크는 초기에 대략 2 kA로 구동되었으며, 그 후 아크 전류를 3.5 kA까지 빠르게 증가시켰다. 대략 7분의 용융 시간 동안, 대략 13.6 kg(30 lbs)의 Alloy 718 전극을 Alloy 625 라이너 내로 용융시켰다(평균 용융 속도는 4.3 lbs/분).
도 7을 참조하면, 최종적으로 얻어진 잉곳(400)은 내부 잉곳 코어(403)에 야금학적으로 접합된 외층(402)을 포함했다. 외층(402)과 내부 잉곳 코어(403) 사이의 계면(405)은 야금학적 접합을 포함했다. 내부 잉곳 코어(403)와 외층(402)은 동심적으로 배치된다. 도 7은 염화 철(II)/캐나다(Canada) 식각액으로 에칭을 수행한 이후 잉곳의 내부 종단면을 도시한다. 도 7의 사진에 도시된 바와 같이, 합금 라이너(Alloy 625)와 용융 전극 합금(Alloy 718) 사이에 강하고 균일한 야금학적 접합이 이루어짐으로써, Alloy 625의 외층이 Alloy 718의 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 잉곳을 형성했다.
실시예 2
광학 현미경을 이용하여 실시예 1에 따라 형성된 잉곳의 내부조직의 영상을 촬영했다. 도 8a는 잉곳에서 Alloy 625의 외층에 대한 광학 현미경 사진이다. 도 8b는 외층 및 내부 잉곳 코어 사이의 계면 바로 내측을 촬영한 것으로, 잉곳에서 Alloy 718의 내부 잉곳 코어에 대한 광학 현미경 사진이다. 도 8c는 내부 잉곳 코어 내부의 중간 반경 위치를 촬영한 것으로, 잉곳에서 Alloy 718의 내부 잉곳 코어에 대한 광학 현미경 사진이다. 도 8d는 잉곳의 외층과 내부 잉곳 코어 사이의 계면을 찰영한 현미경 사진이다. 도 8d에 도시된 바와 같이, 잉곳의 외층과 내부 잉곳 코어 사이에는 강하고 균일한 야금학적 접합이 형성되었다.
실시예 3
조사 전자 현미경/에너지 분산형 분광기(SEM/EDS)를 이용하여 실시예 1에 따라 형성된 잉곳의 화학적 성질을 정량적으로 분석했다. 도 9는 Alloy 625의 잉곳 외층과 Alloy 718의 내부 잉곳 코어 사이의 계면에 대한 SEM 사진이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 잉곳의 외층과 내부 잉곳 코어 사이에는 강하고 균일한 야금학적 접합이 형성되었다.
SEM/EDS를 이용하여 확인된 Alloy 625의 잉곳 외층과, Alloy 718의 내부 잉곳 코어와, 외층 및 내부 잉곳 코어 사이의 야금학적으로 접합된 계면 영역의 화학 조성이 표 3에 제시된다. 외층 및 내부 잉곳 코어에 대한 SEM/EDS 측정은 계면 영역으로부터 각각 외향 및 내향으로 수 마이크로미터 지점에서 수행되었다.
원소 Alloy 625의 외층(% w/w) 계면 영역(% w/w) Alloy 718의 내층(% w/w)
Al 0.18 0.24 0.42
Si 0.00 0.04 0.10
Ti 0.40 0.25 0.84
Cr 21.59 21.92 19.21
Fe 3.06 3.60 15.99
Ni 63.35 62.98 55.54
Nb 3.28 3.30 4.26
Mo 8.15 7.67 3.64
총량 100.01 100.00 100.00
Alloy 625 외층의 화학 조성은 모든 성분 원소들에 대한 합금 등급을 위한 명세 범위(표 1)에 속했다. Alloy 718 내부 잉곳 코어의 화학 조성은 니켈, 니오븀 및 몰리브덴을 제외한 모든 성분 원소들에 대한 합금 등급을 위한 명세 범위(표 2)에 속했다. 계면 영역의 화학 조성은 티탄이 상대적으로 적고 크롬이 상대적으로 풍부하다는 점을 제외하고는 대체로 Alloy 625 외층의 화학 조성과 Alloy 718 내부 잉곳 코어의 화학 조성의 중간이었다.
SEM/EDS를 이용하여 계면 영역에서 대략 1/2 인치 및 1 인치 지점에서 Alloy 718 내부 잉곳 코어의 화학 조성을 두 번 이상 측정했다. 그 결과는 표 4에 제시되어 있다.
원소 초기 측정값(표3)
(% w/w)		 계면으로부터 1/2 인치 지점 측정값(% w/w) 계면으로부터 1 인치 지점 측정값(% w/w)
Al 0.42 0.42 0.44
Si 0.10 0.14 0.15
Ti 0.84 1.18 1.03
Cr 19.21 18.53 18.40
Fe 15.99 17.65 17.08
Ni 55.54 53.38 54.66
Nb 4.26 5.30 5.03
Mo 3.64 3.20 3.20
총량 100.00 99.80 99.99
Alloy 718의 내부 잉곳 코어에 대해 측정된 화학 조성은 계면 영역에서 1/2 인치 지점에서 측정한 티탄 수준을 제외하고 모든 성분 원소들에 대한 합금 등급을 위한 명세 범위에 속했다.
실시예 4
X선 형광(X-ray fluorescence : XRF) 분광기, 연소 및 융합 기술, 스파크 광학 방사 분광기(optical emission spectroscopy: OES)를 이용하여 실시예 1에 따라 형성된 잉곳에서 내부 잉곳 코어의 화학적 성질을 정량적으로 분석했다. XRF 분광 분석은 본 명세서에서 참조로서 원용된 X-레이 형광 분광기에 의한 Ni계 합금의 표준 시험법인 ASTM E2465-06에 따라 수행했다. 연속 및 용합 기술은 본 명세서에서 참조로서 원용된 다양한 연소 및 융합 기술에 의한 강, 철, 니켈 및 코발트 합금에서의 탄소, 황, 질소 및 산소의 판단을 위한 표준 시험법인 ASTM E1019-08에 따라 수행했다.
또한, XRF 분광기, 연소 및 융합 기술, 스파크 OES를 이용하여 Alloy 718 전극의 화학적 성질을 정량적으로 분석했다. 측정된 화학 조성이 표 5에 제시되어 있다.
원소 전극(% w/w) 내부 잉곳 코어(% w/w) 차이(% w/w) 전극에 대한 %차이
Al 54.010 53.774 -0.236 -0.4
Si 18.222 17.432 -0.790 -4.3
Ti 18.029 17.960 -0.069 -0.4
Cr 2.918 3.083 0.165 5.7
Fe 0.034 0.033 -0.001 -2.9
Ni 0.179 0.175 -0.004 -2.2
Nb 0.065 0.071 0.006 9.2
Mo 5.164 5.263 0.099 1.9
Cu 0.505 0.480 -0.025 -5.0
Co 0.079 0.088 0.009 11.4
Mn 1.001 0.989 -0.012 -1.2
C 0.026 0.024 -0.002 -7.7
총량 100.232 99.372 --- ---
Alloy 718의 내부 잉곳 코어와 초기 Alloy 718 전극에 대해 측정된 화학 조성은 모든 성분 원소들에 대한 합금 등급을 위한 명세 범위에 속했다. 또한, 합금 전극이 합금 라이너 내로 재용융되어 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 잉곳을 형성한 후에, Alloy 718 재료의 벌크 화학 성분에는 두드러진 변화가 관찰되지 않았다. 이는 합금 라이너 재료에 의한 전극 화학 성분의 침투/희석화가 거의 또는 전혀 이루어지지 않았음을 보여준다. 따라서, 외층은 쉽게 제거되어 명세 범위의 Alloy 718 잉곳을 형성할 수 있다. 대안으로서, 잉곳은 열간 가공, 예컨대 단조에 의해 빌릿으로 성형될 수 있고, 외층은 쉽게 제거됨으로써 표면 크랙의 발생이 저감된 명세 범위의 단조 성형 Alloy 718 빌릿으로 성형될 수 있다.
지금까지 다양한 예시적이고 예증적이며 비제한적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 개시하였다. 그러나, 기술 분야의 당업자라면 특허청구범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 이들 개시된 임의의 실시예(또는 그 일부)에 대한 다양한 치환, 변경 또는 조합이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 따라서, 본 개시는 여기에 명시적으로 서술되지 않은 추가 실시형태들을 포괄함은 물론이다. 이런 실시형태는 예컨대 본 명세서에 설명된 실시형태들의 개시된 단계, 성분, 구성, 구성요소, 요소, 특징, 양태, 특성, 한계 등을 임의로 조합, 변경 또는 재구성함으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 본 개시는 다양한 예시적이고 예증적이며 비제한적인 실시형태들에 대한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라 오직 특허청구범위에 의해서만 제한된다. 이처럼, 본 발명의 출원인은 추진 과정에서 본 명세서에서 다양하게 설명된 특징들을 추가하기 위해 특허청구범위를 보정할 권리를 보유한다.

Claims (22)

  1. 합금 잉곳(alloy ingot)을 형성하기 위한 방법으로서,
    진공 아크 재용융 장치의 도가니 내에 합금 잉곳을 배치하는 단계, 및
    도가니의 합금 라이너 내로 합금 전극을 진공 아크 재용융시켜서 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하는 합금 잉곳을 형성하는 단계를 포함하는 합금 잉곳 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 합금 라이너는 합금 전극을 포함하는 합금보다 연성이 높은 합금을 포함하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 합금 전극은 니켈계 합금, 철계 합금, 니켈-철계 합금 및 코발트계 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 합금을 포함하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 합금 전극은 Alloy 718, Alloy 720, Rene 41(상표명), Rene 88(상표명) 합금 및 Waspaloy(등록상표) 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 합금을 포함하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 합금 라이너는 니켈계 합금을 포함하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 합금 잉곳의 열간 가공(hot working) 단계를 추가로 포함하되, 상기 열간 가공 단계는 외층에 힘을 인가하며, 상기 힘은 합금 잉곳을 소성 변형시키는 단계를 포함하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 합금 잉곳의 열간 가공 단계는 상기 합금 잉곳의 업셋-신선 단조 단계를 포함하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 합금 잉곳의 열간 가공 후, 상기 합금 잉곳으로부터 외층의 적어도 일부를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 방법은 니켈계 초합금 잉곳으로부터 성형된 상기 단조 니켈계 초합금 제품의 수율을 개선시키는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 방법은 주조 니켈계 초합금 잉곳으로부터 전신가공(wrought) 니켈계 초합금 빌릿(billet)을 생산하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 진공 유도 용융(vacuum induction melting) 작업을 이용하여 상기 합금 전극을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 합금 잉곳 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서, 진공 유도 용융-일렉트로슬래그 정련(electroslag refining) 작업을 이용하여 상기 합금 전극을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것인 합금 잉곳 형성 방법.
  13. 제1항의 방법에 의해 형성되는 합금 잉곳.
  14. 합금 잉곳을 가공하기 위한 방법으로서,
    상기 합금 잉곳을 소성 변형시키기 위해 힘을 인가하되,
    상기 잉곳은 내부 잉곳 코어에 야금학적으로 접합된 외층을 포함하며,
    상기 외층은 상기 내부 잉곳 코어를 포함하는 합금보다 연성이 높은 합금을 포함하고 상기 외층은 합금 잉곳의 표면 크랙의 발생을 저감시키는, 합금 잉곳 변형 단계를 포함하는 것인 합금 잉곳 가공 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 합금 잉곳이 변형된 후, 상기 합금 잉곳으로부터 외층의 적어도 일부를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것인 합금 잉곳 가공 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 내부 잉곳 코어는 니켈계 합금, 철계 합금, 니켈-철계 합금 및 코발트계 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 합금을 포함하는 것인 합금 잉곳 가공 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 내부 잉곳 코어는 Alloy 718, Alloy 720, Rene 41(상표명) 합금, Rene 88(상표명) 합금 및 Waspaloy(등록상표) 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 합금을 포함하는 것인 합금 잉곳 가공 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 내부 잉곳 코어는 니켈계 초합금을 포함하고, 상기 외부 영역은 니켈계 합금을 포함하는 것인 합금 잉곳 가공 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 합금 잉곳에 힘을 인가하는 단계는 상기 합금 잉곳을 업셋-신선 단조하는 단계를 포함하는 것인 합금 잉곳 가공 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 방법은 니켈계 초합금 잉곳으로부터 형성되는 단조 니켈계 초합금 제품의 수율을 개선하는 것인 합금 잉곳 가공 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 방법은 주조 니켈계 초합금 잉곳으로부터 전신가공 니켈계 초합금 빌릿을 생산하는 것인 합금 잉곳 가공 방법.
  22. 제14항의 방법에 의해 합금 잉곳으로부터 성형되는 열간 가공 물품.
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