KR102241340B1 - 반중력 몰드 충전 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

몰드가 정지된 상태로 홀드되고, 도가니가 중력에 대해 용융 챔버로부터 상기 몰드 아래에 위치된 충전 챔버로 대체로 측방향으로 이동되는 반중력 주조 방법 및 장치. 주조 챔버는 중력에 관하여 상기 충전 챔버위에 대체로 위치된다. 상기 방법 및 장치는 각 챔버의 압력이 몰드내에 용융된 금속을 도입하도록 서로에 대하여 변경될 수 있는 용융 및 주조를 위한 별도의 챔버들을 활용한다.

Description

반중력 몰드 충전 방법 및 장치

본 특허 공개는 일반적으로 금속 주조 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 특허 공개는 반중력 주조 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 특허 공개는 단결정(SX), 방향성 응고(DS) 및 등축 다결정 방법을 사용하여 주조를 제조하기 위한 반중력 주조 장치 및 방법에 관한 것이다.

단결정의, 방향성 응고된 부품을 주조하는데 사용되는 고 레늄 함유 합금과 같은 합금은 상당히 고비용일 수 있다. 종래의 주조 시스템에서, 용융된 합금을 상부로부터 탕구 통로로 합금을 붓거나 주입함으로써 몰드에 도입된다. 응고 동안 수축에 의해 발생하는 주조 부품의 결함을 최소화하기 위해, 방향성 응고가 사용될 수 있고, 여기서, 부품의 응고된 부분에서 형성하는 수축부는, 아직 응고되지 않은 부분의 일부로부터의 합금과 수축부를 충전하도록 사용되는 임의의 물질을 보충하는 탕구에서의 용융된 합금으로 충전된다. 이러한 종래의 주조 시스템에서, 합금은 탕구에서 응고되며 마감된 부분으로부터 제거되어서 스크레이핑되거나 재활용되어야 한다.

고가의 합금의 경우, 주조 공정 후에 탕구에 남아있는 재료를 최소화하거나 감소시키는 것이 유리하다. 이러한 필요성을 해결하는 반중력 공정은 Hitchiner Manufacturing Company에 의해 처음 개발되었으며 미국 특허 제 3,863,706 호에 개시되어 있으며, 이의 개시 내용은 본 명세서에서 참고로 통합된다. 상기 특허에 개시된 반중력 공정에서, 탕구는 바닥으로부터 채워지고, 주조 부품의 응고 후에, 탕구 내의 임의의 용융된 금속이 배출되고 후속 주조 공정을 위해 다시 포착되어 주조 부품 당 전체 비용을 감소시킨다. 부품 당 비용의 감소는 주조를 위한 주기 시간을 감소시켜서 달성될 수 있다.

반중력 몰드 충전 공정 및 방법은 종래의 주조 방법 및 장치에 비해 개선된 반면, 이러한 공정을 수행하기 위한 장비는 지금까지 수직으로 배향되어 있고 40 피트 이상으로 연장될 수 있다. 이 때문에, 이들 공정은 연장된 수직 공간을 갖는 적합한 위치 또는 장비의 일부를 수용하기 위해 피트가 생성된 위치에서만 수행될 수 있다.

따라서, 효율을 개선하고, 비용을 절감하고, 보다 광범위한 위치에서 공정을 사용할 수 있게 하고, 단결정 주조에 이들 방법 및 장치를 사용할 수 있도록 개선이 여전히 필요하다.

전술한 요구는 본 개시에 의해 크게 충족되며, 여기서 개선된 반중력 몰드 충전 방법 및 장치의 양태가 제공된다.

하나의 양태에서, 본 공개의 방법 및 장치는 주조의 탕구에서 응고하는 합금을 감소시키도록 반중력 몰드를 이용한다. 본 발명의 방법 및 장치는 또한 응고 동안 몰드의 감소된 진동을 갖는 반중력 주조의 방향성 응고를 제공하여 단결정 주조 동안 스푸리어스 그레인을 줄인다. 본 공개의 일 양태에 있어서, 주조 및 방향성 응고 동안 몰드가 정지 상태로 유지되는 반중력 주조 방법이 제공된다. 상기 방법은 금속을 용융 챔버의 도가니에서 용융시키는 단계 및 용융 챔버로부터 주조 챔버로 도가니를 이동시키는 단계를 포함한다. 용융 위치로부터 주조 위치로 도가니를 이동시키는 단계는 용융 챔버로부터 충전 챔버로 도가니를 측방향으로 이동시키고 용융된 금속을 충전 파이프와 접촉시키는 단계를 포함한다. 도가니는 용융된 금속을 충전 파이프와 접촉시키도록 이동된다. 용융된 금속은 충전 파이프를 통해 몰드내로 상향으로 도입된다. 용융된 금속은 충전 튜브로부터 다시 도가니로 배출되어서(drain) 도가니가 충전 파이프로부터 멀리 이동된다. 서셉터는 몰드의 용융된 금속의 방향성 응고를 유발하도록 몰드에 관하여 이동된다. 이러한 공정은 고반응성 SX/DS 합금을 주조하는데 적합하다.

본 개시의 다른 양태에서, 주조 및 응고 동안 몰드가 정지 상태로 유지되는 반중력 주조 방법이 제공된다. 이 방법은 용융 챔버 내의 도가니에서 금속을 용융 한 다음, 용융 챔버로부터 주조 챔버로 도가니를 이동시키는 단계를 포함한다. 그 다음 도가니를 이동시켜 용융 금속을 충전 파이프와 접촉시킨다. 용융된 금속은 충전 파이프를 통해 몰드로 상향하여 도입된다. 그런 다음 용융된 금속이 충전 튜브에서 다시 도가니로 배출되고 도가니가 충전 파이프에서 멀리 이동된다. 이어서, 서셉터를 몰드에 관하여 이동시켜 몰드 내의 용융된 금속의 등축 다결정 응고를 유발한다. 이 공정은 다른 합금 외에 초합금 주조에 적합하다.

본 개시의 다른 양태에서, 용융 챔버, 중력에 상대적으로 상기 용융 챔버에 대체로 측방향으로 변위되고 상기 용융 챔버에 인접한 충전 챔버 및 중력에 상대적으로 상기 충전 챔버 위에 대체로 위치되는 주조 챔버를 갖는 반중력 주조 장치가 제공된다. 충전 파이프가 상기 충전 챔버내에 위치되며 플런저가 주조 챔버에 배치된 몰드에서 정위치에 고정되도록 위치된다.

도 1은 본 개시의 제 1 양태에 따른 주조 작업의 수행 전에, 도가니, 서셉터 및 플런저의 초기 위치를 도시하는 반중력 주조 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 2는 주조 작업을 수행하기 전에 중간 위치의 도가니를 도시한 도 1의 반중력 주조 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 3은 주조 작업을 수행하기 위하여 정위치에 있는 플런저를 도시하는 도 1의 반중력 주조 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 4는 주조 작업을 수행하기 위하여 정위치에 있는 도가니를 도시하는 도 1의 반중력 주조 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 5는 주조 작업을 수행하는 동안 부분적으로 들어올려진 위치에 있는 서셉터를 도시하는 도 1의 반중력 주조 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 6은 주조 작업을 수행한 뒤에 완전히 들어올려진 위치의 서셉터 및 플런저, 및 중간 위치의 도가니를 도시하는 도 1의 반중력 주조 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 7은 주조를 위한 금속으로 도가니를 재충전하기 위해 그 초기 위치로 복귀하는 도가니를 도시하는 도 1의 반중력 주조 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 8은 본 공개의 제 1 양태에 따른 도 1의 반중력 주조 장치를 사용하기 위한 몰드의 사시도이다.
도 9는 본 공개의 대안적인 양태에 따른 도 1의 반중력 주조 장치의 사용을 위한 몰드의 사시도이다.
도 10은 본 공개의 또 다른 대안적인 측면에 따라 도 1의 반중력 주조 장치의 사용을 위한 몰드의 사시도이다.
도 11은 본 공개의 또 다른 대안적인 측면에 따라 도 1의 반중력 주조 장치의 사용을 위한 몰드의 사시도이다.

이제, 유사한 참조 번호가 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭하는 도면을 참조하면, 본 개시의 제 1 양태에 따른 반중력 주조 장치(10)가 도 1에 도시된다. 반중력 주조 장치는 4개의 주요 챔버: 용융 챔버(12); 중력에 대하여 용융 챔버에 대체로 측방향에 위치된 충전 챔버(14); 충전 챔버에 인접하여 중력에 대하여 대체로 충전 챔버 위에 위치하는 주조 챔버(16); 및 중력에 대하여 주조 챔버 위에 대체로 위치된 서셉터 챔버(18)로 구성된다. 후술하는 바와 같이, 주조 공정의 상이한 단계들 동안 용융 챔버(12)를 충전 챔버(14)로부터 분리하기 위해 이동 가능한 인터로크(20)가 제공된다. 인터로크(20)의 하나의 기능은 용융 공정 동안 용융 챔버(12)의 절연이다. 충전 챔버(14)는 후술되는 바와 같이 충전 챔버(14)와 주조 챔버(20) 사이에 압력차가 생성되도록 하는 베이스 플레이트(22)에 의해 주조 챔버(16)로부터 분리된다.

도시된 바와 같이, 반중력 주조 장치(10)는 용융 챔버(12)와 충전 챔버(14) 사이를 병진하는 캐리지(24)를 포함한다. 캐리지(24)에는 그 위에 제공된 도가니(28)를 들어올리고 및 낮추기 위한 리프트(26)가 결합되어 있다. 도가니(28)는 바람직하게는 알루미나와 같은 재료로 만들어진 세라믹 도가니이다. 용융 코일(30)은 도가니를 가열하고 주조를 위해 용융된 금속(32)을 생성하도록 도가니에 위치된 주조 합금을 용융시키도록 도가니(28)를 둘러싼다. 인클로저(34)는 도가니(28)를 둘러싸고, 후술하는 바와 같이 인클로저(34) 내의 압력은 유입구(36)를 통해 증가 또는 감소될 수 있다. 캐리지(24)에 부착된 가이드 로드(38)는 인클로저(34) 및 도가니(28)가 들어올려짐에 따라 가이드된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 충전 챔버는 충전 파이프(40)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 주조 챔버(16)는 방향성 응고를 촉진하기 위해 베이스 플레이트(22)의 상부에 배치된 냉각 플레이트(chill plate)(42)를 포함한다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 냉각 플레이트(42)는 구리 또는 다른 열 전도성 물질로 제조된 수냉식 냉각 플레이트다. 중심 탕구(44)는 충전 파이프(40)의 상부에 위치하며 중심 탕구(44) 및 충전 파이프(40)는 냉각 플레이트(42) 및 베이스 플레이트(22)를 통해 연결된다. 세라믹 마운트 및 밀봉부(46)는 중심 탕구(44)가 충전 챔버(14)와 주조 챔버(16) 사이에서 밀봉 가능하게 장착될 수 있도록 제공되어, 충전 챔버(14)의 압력은 주조 챔버(16) 내의 압력에 비해 변화될 수 있다.

하나 이상의 몰드(48)가 중심 탕구에 유체 연결되어 아래에 설명되는 하나 이상의 구성 요소 및 방법을 사용하여 반중력 주조가 가능하다. 본 개시의 일 양태에서, 몰드(48)는 원통형 중심 스틱(44)을 가지며 캐스팅될 부품은 적절한 결정 셀렉터로 스틱 상에 조립된다. 특정 단결정 부품 형상의 경우, 그레인 선택기는 배향이 알려진 결정이다.

중심 탕구(44) 및 몰드 캐비티(48)를 둘러싸는 것은 서셉터 코일(52)로 감싸 진 서셉터(50)이다. 서셉터(50)는 흑연과 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 서셉터(50)가 플런저(54) 위에 있는 상부의 홀(hole)로 도시되고, 그 기능은 후술될 것이다. 반중력 충전 장치(10)를 둘러싸고 용융 챔버(12), 충전 챔버(14), 주조 챔버(16) 및 서셉터 챔버(18)를 형성하는 것은 하우징(56)이다. 하우징 내에는 몰드(48)를 삽입 및 제거하고 본 공개의 특정 양태들의 주조 챔버를 밀봉하기 위한 출입구(58)가 제공된다. 또한 챔버로부터의 가스를 도입 또는 제거하기 위한 유입구(60, 62, 64)가 하우징 내에 제공된다.

반중력 주조 장치(10)의 작동 방법이 이제 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명될 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도가니(28)는 용융 코일(30)이 도가니를 가열하여 주조용 용융된 금속(32)을 생성하는 용융 챔버(12)에서 시작된다. 금속이 용융될 때, 인터로크(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 캐리지(24)가 충전 챔버(14) 내로 병진할 수 있도록 개방된다. 도시되지는 않았지만, 인터로크(20)는 힌지 상에서 회전함으로써 개방되거나 하우징(56)의 개구를 통과할 수 있음을 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 도가니(28)가 충전 챔버에 있을 때, 도가니(28)는 충전 파이프(40) 아래에 정렬된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 플런저(54)는 하향으로 연장되고 서셉터(50)의 홀을 통과하고 중심 탕구(44) 및 몰드(48)를 고정시키는 중심 탕구(44)의 상부에 놓인다. 이 경우, 몰드는 플런저(54)에 의해 주조 및 쿨링(cooling) 동안 정지 상태로 유지된다. 플런저(54)는 중심 탕구(44) 및 서셉터(50) 에서 용융된 금속의 열을 견딜 수 있는 세라믹 단부(64)를 포함한다. 도시되지는 않았지만, 플런저(54)는 하우징(56)의 상부에 고정된 유압 액추에이터에 의해 하우징(56)의 상부의 개구를 통해 아래로 연장하는 텔레스코핑 피스톤 램(telescoping piston ram)일 수 있음이 쉽게 인지될 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 도가니(50)는 도가니가 충전 파이프(40) 아래를 통과하면서 용융 챔버(12)로부터 충전 챔버(14)로 측방향으로 이동된다. 도가니(28)는 용융 금속(32)을 충전 파이프(40)와 접촉시키도록 그리고 베이스 플레이트(22)의 상부 상의 o-링(미도시)과 도가니(28)의 상부 립을 밀봉 접촉시키도록 리프트(26)에 의해 들어올려진다. 도가니(50)가 충전 파이프 아래에서 측방향으로 이동되기 때문에 도가니 인클로저(34)와 충전 파이프(40)의 바닥 사이의 최소 클리어런스를 제공하는 것이 장치(10)의 전체 높이가 감소하도록 할 것임이 쉽게 이해될 것이다. 본 개시의 바람직한 양태에서, 충전 파이프(40)와 도가니 인클로저(34) 사이의 클리어런스는 인클로저 높이의 1/3 미만이다. 이러한 바람직한 개시에서, 단결정/방향성 응고된 몰드의 표준 관행에서와 같이 피트(pit)가 요구되지 않는다. 이것은 장비의 전체 높이를 감소시킨다. 유입구(62)를 통해 충전 챔버(14)를 가압하거나, 유입구(60)를 통해 주조 챔버(16)에 진공을 생성함으로써, 또는 그 조합에 의해 충전 챔버(14)와 주조 챔버(16) 사이에 차동 압력이 생성된다. 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 충전 챔버(14)의 압력은 주조 챔버(16)의 압력보다 높아야 하므로, 용융된 금속이 충전 파이프(40)를 통해 몰드 내로 상향으로 유입되도록 유도한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 몰드가 충전된 후, 그레인 셀렉터의 특정 부분이 고체화된 후에, 충전 챔버(14)와 주조 챔버(16) 사이의 차동 압력이 감소되어 중심 탕구(44)에 남아있는 용융된 금속을 다시 도가니(28)로 배출하도록(drain) 허용하기 위해 감소된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 플런저(54)는 리트랙트(retract)된다. 이로써 서셉터(50) 및 서셉터 코일(52)은 서셉터 챔버(18)내로 들어올려져서 주조의 쿨링(cooling)을 허용한다. 인터로크(66)는 주조가 냉각되고 주조 챔버(16)로부터 제거되는 동안 서셉터(50)의 쿨링을 최소화하기 위하여 인터로크(66)는 서셉터 챔버(18)로부터 주조 챔버(16)를 닫도록 막힌다(shut).

쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 인터로크(66)는 인터로크가 플런저(54) 주위에서 닫혀서 주조 챔버(16)를 서셉터 챔버(18)로부터 밀봉할 수 있도록 각각에 부분 리세스를 갖는 2개 이상의 섹션으로 제공될 수 있다. 이러한 배치는 충전 챔버(14), 주조 챔버(16) 및 서셉터 챔버(18) 사이의 압력이 각각 독립적인 유입구(62, 64, 60)를 통해 개별적으로 제어되게 한다.

도가니(28)는 합금으로 채워지도록 도 7에 도시된 바와 같이 낮춰지고 주조 챔버(12)로 되돌려 이동된다. 쉽게 인지되는 바와 같이, 서셉터(50) 및 서셉터 코일(52)이 들어올려지는 속도는 주조되는 합금에 의해 결정되며 방향성 응고를 달성하도록 선택된다. 쉽게 인지되는 바와 같이, 서셉터(50) 및 서셉터 코일(52)이 들어올려지는 것은 서셉터(50)를 플런저(54)에 인터로킹하거나 서셉터에 고정된 별도의 피스톤을 제공하는 것을 포함하는 임의의 종래의 수단에 의해 달성될 수 있다. 바람직한 양태에서, 플런저(54)는 서셉터(50)의 홀을 통과하여 중심 탕구(44)의 상부에 놓이는 내부 텔레스코핑 램을 포함한다. 플런저(54)의 외측 슬리브의 형태인 제 2 램은 서셉터(50)와 체결되어 서셉터(50)를 들어올리기 위해 사용된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 서셉터(50)가 완전히 들어올려지고 원하는 방향 응고가 달성되면, 반중력 주조 장치(10)로부터의 제거를 위해 출입문(58)을 통한 몰드(48)로의 접근이 허용된다. 출입구(58)에는 주조 공정 동안 주조 챔버(16)의 가압을 허용하도록 밀봉될 수 있는 도어(68)가 제공된다.

몰드(48)내에 용융된 금속을 도입하기 위한 4개의 선호되는 메커니즘은 도 8 내지 도 11에 또한 도시된다. 도 8에 도시된 제 1 메커니즘에서, 용융된 금속은 중심 탕구(44)의 밀봉 부분(46)을 통해 충전 튜브(40)에 유체 연결되는 튜브(70)를 통해 도입된다. 용융된 금속은 충전 튜브(70)를 통해 바로 몰드(48) 내로 끌어내진다. 그레인 셀렉터(72)는 몰드(48)의 바닥에 제공되며 냉각 플레이트(42) 상에 놓이는 그레인 셀렉터 블록(74)에 연결되어, 단결정의 방향성 응고를 위하여 몰드(48)와 그레인 셀렉터 블록(74) 사이의 유체 연결을 허용한다. 개재물(inclusion)의 감소는 상기 기재된 방식으로 비난류(non-turbulent)식으로 몰드를 바닥 충전(bottom filling)함으로써 달성될 수 있다.

도 9에 도시된 대안적인 메커니즘에서, 용융된 금속은 충전 튜브(70)를 통해 그레인 셀렉터 블록(74)내로 끌어내진다. 그레인 셀렉터(72)는 몰드(48)의 바닥에 제공되며 냉각 플레이트(42)에 놓인 그레인 블록(74)에 연결되어, 단결정의 방향성 응고를 위하여 몰드(48)와 그레인 셀렉터 블록(74) 사이의 유체 연결을 허용한다. 이러한 실시예에서, 몰드(48)는 그레인 셀렉션 블록(74) 및 그레인 셀렉터(72)를 통과하는 용융된 합금으로 충전된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 용융된 합금은 충전 튜브(70)를 통해 몰드(48)의 상부내로 끌어내진다(draw). 몰드는 방향성 응고된 또는 단결정 그레인을 생성하도록 구성된다. 또 다른 메커니즘에서, 용융된 금속은 도 11에 도시된 바와 같이 중심 탕구(44)를 통해 들어올려지고 하부 공급 브랜치(76)를 통해 몰드의 바닥 근처에서 몰드(48)로 들어간다. 몰드는 등축 다결정 입자를 생성하도록 구성된다. 추가적으로 용융된 합금은 수축을 채우기 위해 상부 공급 브랜치(78)를 통해 몰드(48)의 상부로 도입된다. 상기 방식으로 비난류식으로 몰드를 바닥 충전함으로써 개재물의 감소가 달성될 수 있다. 또한, 서셉터(50)를 사용하여 몰드를 가열함으로써 발생하는 일관된 몰드 온도 제어는 수축 다공도, 가스, 비-충전(non-fill) 및 콜드셧(cold shut)과 같은 결함을 줄이고 주조 품질을 향상시킬 수 있다.

용융 챔버(12), 충전 챔버(14), 주조 챔버(16) 및 서셉터 챔버(18)는 불활성 가스 탱크(미도시)에 유입구(60, 62, 64)에 의해 연결된다. 대체로 초고순도 아르곤이 사용된다. 본 개시의 일 양태에서, 가스 불투과성 그리고 투과성 세라믹 몰드의 진공 용융 및 아르곤 보조된 충전(vacuum melting and argon assisted filling of gas impervious and pervious ceramic molds)이 사용된다.

본 공개의 양태에서, 냉각 플레이트(42) 및 베이스 플레이트(22)는 중심에서 1" 내지 5"의 직경의 리세스 홀을 가질 것이다. 리세스된 냉각 플레이트 홀의 직경보다 다소 큰 내부 직경 및 대략 0.040" 내지 0.120" 두께의 개스킷(gasket)이 리세스 홀에 배치된다. 바람직하게는 세라믹으로 이루어지고 리세스 홀보다 다소 작은 외경을 갖고, 최대 2100 화씨 온도로 예열되는 충전 파이프(40)는 냉각 플레이트(42)의 홀 내로 삽입된다. 그런 다음 개스킷은 충전 파이프의 칼라 상단에 배치된다. 알루미나와 같이 대체로 사용되는 재료로 제조되고 세라믹 칼라로 조립된 예열된 세라믹 몰드는 개스킷 상에 배치된다. 세라믹 몰드는 통상적으로 냉각 플레이트(42) 상에 전달되기 전에 최대 2100 화씨 온도로 예열된다.

본 공개의 일 양태에서, 주조 또는 몰드 챔버(16)내의 서셉터(50)는 냉각 플레이트(42)의 직경보다 다소 큰 내경을 갖는다. 서셉터(50)는 예열된 몰드(48) 위에서 낮춰진다. 몰드 챔버 도어(68)가 닫히고 진공이 몰드 챔버(16) 상으로 끌어내진다. 서셉터(50)는, 10 밀리토르보다 적은 진공 레벨로 몰드 챔버가 성취되면 스위치 온 된다. 서셉터(50)는 단결정, 방향성 응고된 주조를 수행하는데 사용되는 임의의 표준 기법을 사용하여 가열된다. 용융 챔버(12), 충전 챔버(14) 및 주조 챔버(16)는 10 밀리토르 미만의 진공 하에 유지되되, 합금은 용융되며 몰드는 서셉터(46)를 사용하여 주조 온도로 가열된다.

본 개시의 일 양태에서, 주조 또는 몰드 챔버(16)내의 서셉터(50)는 냉각 플레이트(42)의 직경보다 다소 큰 내경을 갖는다. 서셉터(50)는 최대 2100 화씨 온도로 예열된다. 예열된 몰드(48)는 서셉터(50) 아래에 배치된다. 몰드 챔버 도어(68)는 닫히며 진공이 몰드 챔버(16) 상에서 끌어내진다. 10 밀리토르 미만의 진공 레벨이 몰드 챔버에서 성취되면, 몰드와 서셉터 챔버(16, 18) 사이의 인터로크가 제거되고, 서셉터(50)가 스위치 온 되며 서셉터(50)는 예열된 몰드(48) 위에서 낮춰진다. 서셉터(50)는 단결정, 방향성 응고된 주조를 수행하는데 사용되는 임의의 표준 기법을 사용하여 가열된다. 용융 챔버(12), 충전 챔버(14), 주조 챔버(16) 및 서셉터 챔버(18)는 10 밀리토르 미만의 진공 하에 유지되되, 합금은 용융되며 몰드는 서셉터(50)를 사용하여 주조 온도로 가열된다.

본 공개의 양태에서, 몰드(48)가 주조될 준비가 되면, 도가니(28)는 중간 위치로 상향으로 이동되어서, 베이스 플레이트(22)의 바닥 상에서 O-링을 향해 프레스된다. 이를 위해, 충전 파이프(40)는 용융된 합금(32)내에 삽입된다. 용융된 금속의 압력은, 주조 챔버(16)가 아닌 충전 챔버(14)내에 아르곤을 펌핑하여, 미리 결정된 속도, 소위, 2 내지 60초 내의 최대 1 대기의 증가율(ROR)로 증가된다. 충전 챔버(14)와 주조 챔버(16) 사이의 차동 압력은 세라믹 충전 파이프(40)를 통해 몰드내에 용융된 금속을 도입한다. 압력은 전체 몰드 캐비티(48)가 충전될 때까지 증가된다.

몰드 캐비티(48)가 충전되면 압력은 최대 600초 동안 일정하게 유지된다. 몰드 충전 중 액체 금속에 압력을 가하면 주조 표면의 복잡한 세부 사항을 더 잘 채울 수 있다. 본 개시의 상기 양태에 기술된 방법은 블레이드(blade) 및 베인(vane)과 같은 단결정의 그리고 방향성 응고된 부품을 주조하는데 사용되는 니켈계 초합금을 주조하는데 유용하다. 난류에서 발생하는 산화물을 필터링하기 위해 통상적으로 방향성 응고된 단결정 주조 공정에 사용되는 필터를 사용하지 않고 공정을 진행할 수 있다. ROR을 제어함으로써 난류 및 산화물을 감소시킬 수 있다.

본 개시의 일 양태에서, 서셉터(50)로부터의 몰드 철수(mold withdrawal) 공정은 수직 방향으로 상향하여 서셉터(50)를 이동시킴으로써 달성된다. 냉각 플레이트(42)와 접촉하게 된 용융된 합금(32)은 요구되는 씨드 그레인을 냉각하고 생성할 것이며, 이 씨드 그레인은 몰드 캐비티(48)내로 성장할 것이다. 본 개시의 일 양태에서, 충전 챔버 및 주조 챔버 내의 압력은 그레인 블록 및 그레인 셀렉터가 단결정 방향성 응고된 부분을 생성하도록 응고된 후에 균등화된다. 본 공개의 대안적인 양태에서, 충전 챔버와 주조 챔버의 압력은 몰드의 액체 금속이 등축 다결정 부품을 생성하도록 고체화된 후에 균등화된다.

서셉터(50)가 충전 튜브(70)의 상부를 지나 이동할 때, 도가니(28) 내부의 압력이 해제되고 도가니(28)는 낮춰져서 초기 위치로 다시 병진된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 몰드(48)가 액체 금속으로 충전되자마자, 도가니(28) 내부의 압력이 해제되고 도가니(28)는 낮춰져서 초기 위치로 다시 병진된다. 충전 챔버(16)와 용융 챔버(14) 사이의 인터로크(20)는 닫히고, 도가니(28)는 합금으로, 그리고 충전이 다음 몰드를 주조하기 위하여 용융되기 전에 도가니(28) 상에서 끌어내진 진공으로 재충전된다. 철수 주기가 완료되면, 주조 챔버(16)는 개방되고 응고된 몰드는 추가 공정을 위해 냉각 플레이트로부터 제거된다.

고반응성 단결정, 방향성으로 응고된 결정을 주조하기에 적절한 본 개시의 다른 양태에서, 용융 챔버(12), 충전 챔버(14), 주조 챔버(16) 및 서셉터 챔버(18)는 불활성 가스 탱크에 연결되는 것과 마찬가지로 유입구(60, 62, 64)를 통해 빈공 펌프에 연결된다. 통상적으로, 초고순도 아르곤이 사용된다. 본 공개의 이러한 양태에서, 흑연 서셉터(50)는 예열된 몰드(48) 위에서 낮춰지며 몰드 챔버 도어(68)가 닫힌다. 진공이 몰드 챔버(16)로 끌어내지고 서셉터(50)는, 10 밀리토르 미만의 진공 레벨이 몰드 챔버(16)에서 달성되면 스위치 온 된다. 서셉터는 단결정, 방향성 응고된 주조를 수행하는데 사용되는 표준 기법을 사용하여 가열된다. 용융 챔버(12), 충전 챔버(14), 몰드 챔버(16) 및 도가니 챔버(18)는 10 밀리토르 미만의 진공 하에 유지되되, 합금(32)은 용융되며 몰드(48)는 서셉터(50)를 사용하여 주조 온도로 가열된다.

몰드(48)가 주조될 준비가 되면, 도가니(28)는 중간 위치로 상향으로 이동되어서, 베이스 플레이트(22)의 바닥 상에서 O-링을 향해 프레스된다. 이를 위해, 충전 파이프(40)는 용융된 합금(32)내에 삽입된다. 몰드 챔버(16) 및 도가니 챔버(12, 14)는 최대 1 대기압으로 아르곤으로 가압된다. 압력이 모든 챔버에서 도달하면, 몰드 챔버(16)로부터의 아르곤은 2초 내지 60초 동안 최대 1 대기압의 속도에서 제거되고, 따라서, 충전 파이프(40)를 통해 몰드 캐비티(48)를 충전하도록 도가니(28)로부터의 액체 금속에 힘을 가하는 몰드 챔버(16)의 진공을 생성한다. 몰드 캐비티가 충전되면, 진공이 최대 800초 동안 일정하게 유지된다.

몰드(48)는 수직 방향으로 상향으로 서셉터(50)를 이동시킴으로써 서셉터(50)로부터 철수된다. 냉각 플레이트(42)와 접촉하게 된 용융 합금(32)은 동결될 것이다. 도가니(28)는 중간 위치로 다시 낮춰져서 용융 챔버(12)의 그 초기 위치로 다시 전달된다. 서셉터(50)가, 캐스트가 되는 부분의 상부를 지나 이동할 때, 몰드 챔버(16)내의 압력은 최대 1 대기압까지 증가된다. 서셉터(50)를 들어올리는 것이 지속되면, 도가니 챔버의 2개의 부분(12, 14) 사이의 인터로크(20)가 닫히고, 도가니(28)는 합금, 도가니(28)에서 끌어내진 진공으로 재충전되고, 충전은 다음 몰드(48)를 주조하기 위하여 용융된다. 철수 주기가 완료되면, 몰드 챔버(16)가 개방되며 응고된 몰드는 추가 공정을 위해 냉각 플레이트(42)로부터 제거된다.

상술한 방법 및 시스템은 타설 컵(pour cup)이 필요하지 않기 때문에 쉘 몰드의 전체 높이가 감소됨을 쉽게 인식할 것이다. 결과적으로, 감소된 양의 쉘 물질이 몰드를 제작하는 비용을 줄이고 주조 공정에 의해 생성된 폐기물을 줄이는 쉘 몰드를 만들기 위해 요구된다. 본 공개의 양태에서, 피더 길이는 종래의 중력 주조 방법보다 짧으므로 금속을 덜 사용한다. 전술한 것에 더하여, 본 개시의 다양한 양태에서 달성되는 다른 이점은 몰드가 정지 상태로 유지되기 때문에 단결정 부품에 대한 철수 공정 동안 스퓨리어스(spurious) 그레인의 감소이다. 몰드 충전 동안 몰드를 정위치에 유지하도록 플런저를 사용하기 때문에 몰드를 들어올리는 것을 회피하도록 몰드 바닥 상에 클램프를 사용할 필요가 없다.

전술한 설명은 개시된 시스템 및 기술의 예를 제공한다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 본 개시 내용의 다른 구현 예는 상기 예와 상세하게 상이할 수 있는 것으로 고려된다. 본 개시 또는 그 예에 대한 모든 참조는 그 시점에서 논의되는 특정 예를 참조하도록 의도되며 대체로 본 개시의 범위에 대한 제한을 의미하지는 않는다. 특정 특징들에 대한 모든 구별 및 차이의 언어는 그러한 특징들에 대한 선호가 부족함을 나타내기 위해 의도된 것이지, 달리 지시되지 않는 한, 본 발명의 범위에서 완전히 배제하도록 의도되지 않는다.

본원에서 값의 범위의 언급은 본원에서 달리 지시되지 않는 한, 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 지칭하는 속기 방법으로서 기능하기 위한 것이며, 각각의 개별 값은 본원에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 포함된다. 본원에 기술된 모든 방법은 본원에서 달리 지시되거나 문맥상 명백하게 모순되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다.

Claims (20)

1. 주조 및 방향성 응고 동안 몰드가 정지 상태로 유지되는 반중력 주조 방법으로서,
   금속을 도가니에서 용융시키는 단계;
   용융 위치로부터 주조 위치로 상기 도가니를 이동시키는 단계로서, 상기 도가니를 이동시키는 단계는:
   상기 도가니를 용융 챔버로부터 충전 챔버로 측방향으로 이동시키는 단계; 및
   용융된 금속을 충전 파이프와 접촉시키는 단계를 포함하는, 상기 도가니를 이동시키는 단계;
   용융된 금속을 상향으로 상기 충전 파이프를 통해 상기 몰드 내로 도입하는 단계;
   용융된 금속을 상기 충전 파이프로부터 다시 상기 도가니로 배출하는(drain) 단계;
   상기 도가니를 상기 용융 위치로 되돌려 이동시키는 단계; 및
   상기 몰드내의 용융된 금속의 방향성 응고를 유발하도록 서셉터(susceptor)를 상기 몰드에 대해 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하는, 반중력 주조 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 몰드를 정위치에 고정하기 위하여 플런저를 낮추어 상기 몰드의 중심 탕구(center sprue)와 상기 플런저를 체결시키는 단계를 더 포함하는, 반중력 주조 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   금속을 상기 도가니에서 용융시키는 단계 동안 주조 챔버로부터 상기 용융 챔버를 분리하도록 인터로크(interlock)를 닫는 단계를 더 포함하는, 반중력 주조 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 용융된 금속을 상기 충전 파이프를 통해 상기 몰드 내로 끌어내는(draw) 단계 전에 주조 챔버로부터 상기 용융 챔버를 분리하도록 인터로크를 닫는 단계를 더 포함하는, 반중력 주조 방법.
5. 청구항 2에 있어서,
   용융된 금속을 상기 충전 파이프를 통해 상기 몰드내로 끌어내는 단계 전에 상기 몰드를 고정하는 단계; 및
   금속을 상기 도가니에서 용융시키는 단계 동안 상기 용융 챔버를 상기 충전 챔버로부터 분리하기 위해 인터로크를 닫는 단계를 포함하는, 반중력 주조 방법.
6. 청구항 5에 있어서, 용융된 금속을 상기 충전 파이프를 통해 상기 몰드내로 끌어내는 단계 전에 상기 충전 챔버로부터 상기 용융 챔버를 분리하도록 상기 인터로크를 닫는 단계를 더 포함하는, 반중력 주조 방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 몰드내의 용융된 금속의 방향성 응고를 유발하도록 상기 서셉터를 상기 몰드에 대해 상대적으로 이동시키는 단계는 제어된 속도로 상기 서셉터를 들어올리는 단계를 포함하는, 반중력 주조 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 용융된 금속을 충전 파이프와 접촉시키도록 상기 도가니를 이동시키는 단계는 용융된 금속을 상기 충전 파이프와 접촉시키도록 상기 도가니를 들어올리는 단계를 포함하는, 반중력 주조 방법.
9. 청구항 1에 있어서, 용융된 금속을 상향으로 상기 충전 파이프를 통해 상기 몰드내로 도입하는 단계는 충전 챔버와 주조 챔버 사이의 차동 압력을 생성하는 단계를 더 포함하는, 반중력 주조 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 차동 압력을 생성하는 단계는 상기 주조 챔버의 진공 조건을 생성하는 단계를 포함하는, 반중력 주조 방법.
11. 청구항 10에 있어서, 그레인 블록 및 그레인 셀렉터가 고체화된 후에 상기 충전 챔버 및 상기 주조 챔버내의 압력을 균등화하는 단계를 더 포함하는, 반중력 주조 방법.
12. 청구항 10에 있어서, 상기 몰드내의 용융된 액체가 고체화된 후에 상기 충전 챔버 및 상기 주조 챔버내의 압력을 균등화하는 단계를 더 포함하는, 반중력 주조 방법.
13. 반중력 주조 장치로서,
    용융 챔버;
    중력에 대해 상기 용융 챔버에 대체로 측방향으로 변위되고 상기 용융 챔버에 인접한 충전 챔버;
    중력에 대해 대체로 상기 충전 챔버 위에 위치되는 주조 챔버;
    상기 충전 챔버내에 위치되는 충전 파이프; 및
    서셉터 챔버를 포함하며, 서셉터가 상기 주조 챔버와 상기 서셉터 챔버 사이에서 이동가능한, 반중력 주조 장치.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 주조 챔버에 배치된 몰드를 정위치에 고정하도록 위치되는 플런저를 더 포함하는, 반중력 주조 장치.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 서셉터는 상기 주조 챔버와 함께 위치되는, 반중력 주조 장치.
16. 삭제
17. 청구항 15에 있어서, 상기 용융 챔버와 상기 충전 챔버 사이에 인터로크를 더 포함하는, 반중력 주조 장치.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 주조 챔버와 상기 서셉터 챔버 사이에 인터로크를 더 포함하는, 반중력 주조 장치.
19. 청구항 18에 있어서, 상기 충전 챔버와 상기 주조 챔버 사이의 차동 압력을 제어하기 위한 여압 유입구(pressurization inlet)를 더 포함하는, 반중력 주조 장치.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 용융 챔버로부터 상기 충전 챔버로 도가니를 병진시키기 위한 캐리지를 더 포함하는, 반중력 주조 장치.

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