KR20080097137A

KR20080097137A - 티타늄 합금 용융용 강화된 내화 도가니

Info

Publication number: KR20080097137A
Application number: KR1020080039750A
Authority: KR
Inventors: 버나드 패트릭 뷰레이; 마이클 프란시스 자비어 기글리오티; 토마스 조셉 켈리; 모하메드 라흐만; 스테펜 루트코우스키; 마이클 제임스 웨이머; 사이람 선다람
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2008-11-04
Also published as: JP2008275305A; EP1988350A1; TWI439653B; JP5654195B2; US8007712B2; US20080290568A1; EP1988350B1; TW200909755A

Abstract

본 발명의 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8)는 하나 이상의 전면 코트 층(18)을 포함하는 전면 코트(16); 하나 이상의 배면 층(24)을 포함하는 배면 코트(22); 및 상기 하나 이상의 전면 코트 층(18), 배면 층(24) 또는 이들의 조합 중 적어도 일부에 적용된 하나 이상의 강화 요소(14)를 포함하며, 이때 상기 강화 요소(14)는 세라믹 조성물, 금속성 조성물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 조성물을 하나 이상 포함한다.

Description

티타늄 합금 용융용 강화된 내화 도가니{REINFORCED REFRACTORY CRUCIBLES FOR MELTING TITANIUM ALLOYS}

관련 출원과 상호 참조

본원은 2007년 4월 30일자로 출원된 미국 가출원 제60/914,935호를 우선권으로 주장하며, 그 전체가 본원에 참고로 인용된다.

본원에 기술된 실시양태는 일반적으로 티타늄 합금 용융용 강화된 내화 도가니에 관한 것이다. 특히, 본원의 실시양태는 반응성이 큰 티타늄 합금을 용융시키는 데 적합한 강화된 내화 도가니에 관한 것이다.

터빈 엔진 설계자는 엔진 무게를 줄이고 더 높은 엔진 작동 온도를 얻기 위해 향상된 특성을 갖는 신물질을 끊임없이 찾고 있다. 티타늄 합금, 특히 티타늄 알루미나이드(TiAl)계 합금은 실온 연성 및 인성과 같은 저온 기계적 특성뿐만 아니라 높은 중간온도 강도와 크립(creep) 저항성이 적절하게 조합된 특성을 갖는다. 이러한 이유로, TiAl-계 합금은, 현재 다수의 터빈 엔진 부품을 제조하는 데 사용되는 니켈계 초합금을 대체할 만한 잠재성을 가지고 있다.

진공 인덕션(induction) 용융은 에어호일과 같은 터빈 엔진 부품을 제조하는 데 종종 사용되는 하나의 방법이며, 일반적으로 비-전도성 내화 합금 산화물로 제조된 도가니에서 도가니 내 금속의 충전물이 액체 형태로 용융될 때까지 금속을 열처리하는 것을 포함한다. 티타늄 또는 티타늄 합금과 같은 고 반응성 금속을 용융시킬 때, 전형적으로는 냉벽 또는 흑연 도가니를 사용하는 진공 인덕션 용융이 이용된다. 왜냐하면, 세라믹 도가니에서의 용융 및 캐스팅은 도가니에 상당한 열적 응력을 전해주어 도가니 균열(cracking)을 초래할 수 있기 때문이다. 이러한 균열은 도가니의 생명을 단축시킬 수 있고, 캐스팅되는 부품에 함유물(inclusion)을 야기할 수 있다.

또한, 용융이 일어나는 데 필요한 온도에서 합금 원소의 반응성으로 인해, TiAl과 같은 고 반응성 합금을 용융시킬 때 어려움이 발생할 수 있다. 전술된 바와 같이, 대부분의 진공 인덕션 용융 시스템은 인덕션 로(induction furnace)에서의 도가니용으로 내화 합금 산화물을 사용하지만, TiAl과 같은 합금은 반응성이 매우 높아 도가니에 존재하는 내화 합금을 공격하여 상기 티타늄 합금을 오염시킬 수 있다. 예를 들어, 고 반응성 TiAl 합금은 도가니를 파손시키고, 상기 티타늄 합금은 상기 산화물로부터의 산소 및 내화 합금 모두에 의해 오염될 수 있기 때문에, 전형적으로 세라믹 도가니는 회피된다. 마찬가지로, 흑연 도가니가 사용되는 경우, 티타늄 알루미나이드는 도가니로부터 다량의 탄소를 티타늄 합금 내로 용융시 켜 오염을 초래할 수 있다. 이러한 오염은 티타늄 합금의 기계적 특성의 손실을 초래한다.

또한, 냉 도가니 용융(cold crucible melting)은 전술된 고 반응성 합금 공정에 대한 야금학적 이점을 제공할 수 있지만, 이 또한 낮은 과열(superheat), 스컬(skull) 형성으로 인한 수율 손실 및 고 전력이 요구됨을 포함하는 기술적 및 경제적 제약을 많이 갖는다. 이러한 제약은 시장성에 장애가 될 수 있다.

따라서, 캐스팅 공정 중에 발생되는 열적 응력에 대해 보다 저항성이고 합금을 오염시킬 가능성이 적으며, 고 반응성 합금을 용융시키는 용도로 사용하기 위한 강화된 도가니에 대한 필요성이 여전히 존재한다.

본 발명의 실시양태는 일반적으로 하나 이상의 전면 코트 층을 포함하는 전면 코트; 하나 이상의 배면 층을 포함하는 배면 코트(backing); 및 상기 하나 이상의 전면 코트 층, 배면 층 또는 이들의 조합 중 적어도 일부에 적용된 하나 이상의 강화 요소를 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니에 관한 것으로, 이때 상기 강화 요소는 세라믹 조성물, 금속성 조성물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 조성물을 하나 이상 포함한다.

또한, 본 발명의 실시양태는 일반적으로 하나 이상의 전면 코트 층을 포함하는 전면 코트; 하나 이상의 배면 층을 포함하는 배면 코트; 상기 하나 이상의 전면 코트 층 또는 배면 층에 적용된 스터코(stucco) 층; 및 임의의 하나 이상의 전면 코트 층, 배면 층, 스터코 층 또는 이들의 조합 중 적어도 일부에 적용된 하나 이상의 강화 요소를 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니에 관한 것으로, 이때 상기 강화 요소는 연속성 섬유, 테이프, 메쉬, 단섬유(chopped fiber) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 구성을 포함한다.

또한, 본 발명의 실시양태는 하나 이상의 베이스 영역; 전이 영역; 저부 영역; 및 연속성 섬유, 테이프, 메쉬, 단섬유 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 복수의 강화 요소 구성을 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니에 관한 것으로, 이때 메쉬 강화 요소 구성은 대략 베이스 영역 및 전이 영역의 적어도 일부에 위치하고, 연속성 섬유 강화 요소 구성은 대략 저부 영역의 적어도 일부에 위치한다.

상기 및 다른 특징, 요지 및 이점은 하기의 개시내용으로부터 당업자에게 명백할 것이다.

본원에 기술된 실시양태들은 일반적으로 티타늄 합금을 용융시키기는 데 적합한 내화 도가니에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본원에 기술된 실시양태들은 일반적으로 하나 이상의 전면 코트 층을 포함하는 하나 이상의 전면 코트; 하나 이상의 배면 층을 포함하는 배면 코트; 및 상기 하나 이상의 전면 코트 층, 배면 층 또는 이들의 조합 중 적어도 일부에 적용된 하나 이상의 강화 요소를 포함하는 티타늄 용융용 강화된 내화 도가니에 관한 것이며, 이때 상기 강화 요소는 세라믹 조성물, 금속성 조성물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 조성물을 하나 이상 포함한다.

본원의 실시양태들은 일반적으로 거의 완제품에 가까운(near net shape) 에어호일을 제조하는 데 사용하기 위한 TiAl을 용융시키는 데 적합한 강화된 도가니 에 초점을 맞추고 있지만, 상세한 설명이 이들로 제한되는 것은 아니다. 당업자는 본원의 실시양태들이 임의의 거의 완제품에 가까운 가스 터빈 부품을 제조하는 데 사용하기 위한 임의의 티타늄 합금을 용융시키는 데 적합할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 1로 돌아가서, 본원의 실시양태는 티타늄 합금을 용융시키는 데 적합한 내화 도가니(8)에 관한 것이다. 도가니(8)는 내부(9)를 가질 수 있고, 이하에 기술될 상세한 설명에 따라 제조될 수 있다. 우선, 도가니 몰드가 제조될 수 있다. 본원에 사용된 "몰드(mold)"는, 적합한 조건하에 소성 처리되는 경우, 도 1의 도가니(8)를 형성하는 비소성된(unfired) 부품을 가리킨다. 도가니 몰드를 제조하기 위해, 성형체(10)가 도 2에 나타낸 바와 같이 제공될 수 있다. 성형체(10)는 도가니 몰드로부터 제거될 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있으며, 일 실시양태에서 성형체(10)는 왁스, 플라스틱 또는 목재로 구성될 수 있고, 중공형이거나 고형체형일 수 있다. 또한, 성형체(10)는 임의의 형상일 수 있고, 도가니의 소정의 내부를 생성하는 데 필요한 임의의 치수를 가질 수 있으며, 취급 용이성을 위해, 핸들(12) 또는 기타 유사한 기구(mechanism)를 포함할 수 있다.

도 3 및 4에 도시한 바와 같이, 하나 이상의 전면 코트 층(18) 및 선택적으로 하나 이상의 스터코 층(20)을 포함하는 전면 코트(16)가 성형체(10)에 적용될 수 있다. 본원 전반에 사용된, "하나 이상"은 하나 또는 그 이상을 의미하고, 특정 층은 본원 전반에 걸쳐 "제 1 전면 코트 층", "제 2 전면 코트 층" 등으로 지정될 수 있다. 전면 코트 층(18)은 용융 공정 도중 TiAl에 노출될 수 있기 때문에, 전면 코트 층(18)은, 용융 도중 반응성 TiAl의 품질을 저하시키거나 상기 합금이 오염되지 않도록 반응성 TiAl에 불활성이어야 한다. 따라서, 일 실시양태에서, 전면 코트 층(18)은 산화물을 포함할 수 있다. 본원 전반에 걸쳐 사용된, "산화물"은 스칸듐 산화물, 이트륨 산화물, 하프늄 산화물, 란탄 계열 산화물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 조성물을 가리킨다. 또한, 란탄 계열 산화물("희토" 조성물로도 알려짐)은 란타늄 산화물, 세륨 산화물, 프라세오디뮴 산화물, 네오디뮴 산화물, 프로메튬 산화물, 사마륨 산화물, 유로퓸 산화물, 갈도리늄 산화물, 터븀 산화물, 디스프로슘 산화물, 홀뮴 산화물, 에르븀 산화물, 이터븀 산화물, 루테튬 산화물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 산화물을 포함할 수 있다.

전면 코트 층(18)은 콜로이드성 현탁액에 혼합된 산화물 분말로 제조된 전면 코트 슬러리를 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 산화물 분말은 약 70 미크론 미만, 또 다른 실시양태에서는 약 0.001 미크론 내지 약 50 미크론, 및 또 다른 실시양태에서는 약 1 미크론 내지 약 50 미크론의 크기를 갖는 소립자 분말일 수 있다. 상기 콜로이드는 제어된 방식으로 겔화되는 임의의 콜로이드일 수 있고, TiAl에 불활성인, 예를 들어 콜로이드성 실리카, 콜로이드성 이트리아, 콜로이드성 알루미나, 콜로이드성 칼슘 산화물, 콜로이드성 마그네슘 산화물, 콜로이드성 지르코늄 산화물, 콜로이드성 란탄 계열 산화물 및 이들의 혼합물일 수 있다. 앞에 나열된 임의의 산화물은 전면 코트 층(18)의 전면 코트 슬러리를 제조하는 데 사용될 수 있지만, 일 실시양태에서 전면 코트 슬러리는 콜로이드성 실리카 현탁액 중의 이트륨 산화물 입자를 포함할 수 있는 반면, 또 다른 실시양태에서는 전면 코트 슬러리 가 콜로이드성 이트리아 현탁액 중의 이트륨 산화물 입자를 포함할 수 있다. 전면 코트 슬러리의 조성물은 변할 수 있으나, 일반적으로 전면 코트 슬러리는 약 40중량% 내지 약 100중량%의 산화물 및 약 0중량% 내지 약 60중량%의 콜로이드를 포함할 수 있다.

전면 코트 층(18)의 전면 코트 슬러리가 일단 통상적인 방식을 사용하여 제조되면, 성형체(10)는 침지, 분무 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 방법을 사용하여 상기 전면 코트 슬러리에 노출될 수 있다. 일반적으로, 일단 도포되면, 전면 코트 층(18)은 약 50 미크론 내지 약 500 미크론, 일 실시양태에서는 약 150 미크론 내지 약 300 미크론, 및 또 다른 실시양태에서는 약 200 미크론의 두께를 가질 수 있다.

여전히 습윤 상태인 전면 코트 층(18)은 선택적으로 도 3 및 4에 도시한 바와 같은 스터코 층(20)으로 코팅될 수 있다. 본원에 사용된, "스터코(stucco)"는 일반적으로 약 100 미크론 초과, 일 실시양태에서는 약 100 미크론 내지 약 5000 미크론의 크기를 갖는 조대한(coarse) 세라믹 입자를 가리킨다. 스터코(20)는 각각의 전면 코트 층에 적용되어 도가니 벽의 두께를 구축할 수 있고 추가적인 강도를 제공할 수 있다. 다양한 재료가 스터코 층(20)으로 사용하기에 적합할 수 있으나, 일 실시양태에서 상기 스터코는 본원에 정의된 바와 같은 산화물과 조합된 내화 재료, 예를 들어 알루미나 또는 알루미나실리케이트를 포함할 수 있으나, 이들로 제한되지 않는다. 스터코 층(20)에서 산화물 대비 내화 재료의 비율은 변할 수 있으나, 일 실시양태에서 스터코 층(20)은 약 0중량% 내지 약 60중량%의 내화 재료 및 약 40중량% 내지 약 100중량%의 산화물을 포함할 수 있다. 스터코 층(20)은 임의의 허용가능한 방식, 예를 들어 더스팅(dusting)으로 전면 코트 층(18)에 적용될 수 있다. 일반적으로, 스터코 층(20)은 약 100 미크론 내지 약 2000 미크론, 일 실시양태에서는 약 150 미크론 내지 약 300 미크론, 및 또 다른 실시양태에서는 약 200 미크론의 두께를 가질 수 있다.

전면 코트 층(18), 및 선택적인 스터코 층(20)은 공기-건조될 수 있고, 추가적인 전면 코트 층들 및 스터코 층들은 전술된 방식으로 적용될 수 있으며, 필요한 경우, 전면 코트(16)를 완성할 수 있다. 도 3 및 4에 도시한 실시양태에서, 제 1 및 제 2 전면 코트 층(18), 및 교번적인 스터코 층(20)이 존재하지만, 당업자는 전면 코트(16)가 전면 코트 층 및 스터코 층을 임의의 개수로 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 각각의 전면 코트 층(18)은 다른 산화물/콜로이드 혼합물을 포함할 수 있지만, 일 실시양태에서 각각의 전면 코트 층(18)은 동일한 산화물/콜로이드 혼합물을 포함할 수 있다. 전면 코트 층(18) 및 스터코 층(20)이 필요한 개수로 적용되었다면, 이어서 배면 코트(22)가 적용될 수 있다.

배면 코트(22)는 완성된 도가니(8)에 추가적인 강도 및 내구성을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 배면 코트(22)는 도 4에 도시한 바와 같이 하나 이상의 배면 층(24)으로 이루어질 수 있고, 알루미늄 산화물, 지르코늄 실리케이트, 규소 다이옥사이드 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 내화 재료를 포함하는 배면 코트용 슬러리를 포함할 수 있다. 특정 층들은 본원 전반에 걸쳐 "제 1 배면 층", "제 2 배면 층" 등으로 지정될 수 있다. 일 실시양태에서, 한 예로서 배면 층(24) 은 콜로이드성 실리카 현탁액 중의 알루미늄 산화물 입자로 제조되는 배면 코트용 슬러리를 포함할 수 있다. 배면 코트용 슬러리의 조성은 변할 수 있지만, 일반적으로 배면 코트용 슬러리는 약 10중량% 내지 약 40중량%의 내화 재료 및 약 60중량% 내지 약 90중량%의 콜로이드를 포함할 수 있다. 전면 코트 층과 유사하게, 각각의 배면 층(24)은 도 4에 도시한 바와 같이 선택적으로 배면 층에 접착된 스터코 층(20)을 포함할 수 있고, 이것은 전면 코트를 제조할 때 앞서 사용했던 스터코와는 동일하거나 다를 수 있다. 스터코를 포함하는 각각의 배면 층(24)은 약 150 미크론 내지 약 4000 미크론, 및 일 실시양태에서는 약 150 미크론 내지 약 1500 미크론, 및 또 다른 실시양태에서는 약 700 미크론의 두께를 가질 수 있다.

전면 코트 층과 유사하게, 각각의 배면 층(24)은 침지, 분무 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 배면 층(24)은 임의의 개수로 적용될 수 있지만, 일 실시양태에서는 2 내지 40개의 배면 층일 수 있다. 각각의 배면 층(24)은 내화 재료 및 콜로이드를 동일한 조성으로 포함하거나, 다를 수도 있으며, 이들 간의 몇몇 조합으로도 포함할 수 있다. 필요한 수의 배면 층 및 선택적인 스터코 층을 적용한 후, 생성된 도가니 몰드(26)는 추가로 가공될 수 있다.

몇몇 경우에서 적용되는 입자 크기, 층 두께 및/또는 조성을 달리함으로써 스터코 층을 등급화하는 것이 바람직할 수 있음을 알아야 한다. 본원에 사용된, 용어 "등급(grade)" 및 이의 모든 형태는 예를 들어 스터코 층으로서 스터코 재료의 입자 크기를 증가시키거나, 스터코 층의 두께를 증가시키거나, 및/또는 점점 더 강한 내화 재료/콜로이드 조성물을 사용함으로써 뒤이어 적용되는 스터코 층의 강도를 점진적으로 증가시키는 것을 가리킨다. 상기 등급화는 스터코 층이 적용되는 다양한 전면 코트 층 및 배면 층의 열적 팽창 및 화학적 특성의 차이를 설명할 수 있도록 스터코 층을 제작할 수 있게 한다. 더욱 상세하게는, 스터코 층의 등급화는 상이한 다공성을 제공하고, 도가니의 탄성률(modulus)을 조정할 수 있으며, 이를 같이 취하면, 이미 논의된 열적 팽창의 차이를 설명할 수 있게 된다.

도가니 몰드의 제조 시 임의의 시점에서, 하나 이상의 강화 요소(14)는 하나 이상의 전면 코트 층(18), 배면 층(24) 또는 이들의 스터코 층(20) 중 적어도 일부에 적용될 수 있다. 도 3, 4, 5 및 8의 실시양태에서, 강화 요소(14)가 전면 코트(16)의 스터코 층(20)에 적용된 것으로 도시된다. 그러나 당업자는 상기 실시양태는 단지 예시 목적이고, 본 발명의 기술 범위를 제한하기 위해 사용되는 것이 아님을 이해할 것이다.

강화 요소는 이러한 강화 요소가 없는 도가니에 비해 완성된 도가니의 강도를 증가시킬 수 있고, 열적 균열에 대한 저항성을 증가시킬 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 본원에 사용된, "강화 요소"는 본원에 설명된 바와 같은 도가니 몰드의 소성 도중 강화 요소를 형성하도록 반응할 수 있는 도가니 몰드의 층에 존재하는 산화물, 내화 재료 및/또는 콜로이드에 적용되기보다는, 제조 도중 도가니 몰드의 하나 이상의 층에 적용되는 조성물을 가리킨다.

강화 요소(14)는 임의의 수의 조성물로부터 제조될 수 있으나, 일 실시양태에서 강화 요소(14)는 세라믹 조성물, 금속성 조성물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 조성물을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게는, 강화 요소(14)는 이트리아, 알루미나, 사파이어, 질화물, 이트륨 알루미늄 가넷(YAG), 규소 카바이드(SiC), 규소 알루미늄 옥시나이트라이드(예컨대, 시알론(SiAlON, 상표명)), 실리카, 뮬라이트(예컨대, 넥스텔(NEXTEL, 상표명)), 지르코니아, 지르콘, 지르카 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 세라믹 조성물; 텅스텐, 탄탈륨, 몰리브데늄, 니오븀, 레늄, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 금속성 조성물을 하나 이상 포함할 수 있다. 추가로, 강화 요소(14)는 서멧(cermet)으로 알려진, 세라믹 조성물 및 금속성 조성물의 조합을 포함할 수 있으며, 알루미나-50부피% 몰리브데늄, 알루미나-90부피% 몰리브데늄, 알루미나-50부피% 텅스텐 및 알루미나-90부피% 텅스텐을 포함할 수 있으나, 이들로 제한되지 않는다.

강화 요소(14)는 증가된 강도 및 열적 균열에 대한 저항성을 완성된 도가니에 제공할 수 있는 임의의 구조를 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 강화 요소(14)는 연속성 섬유, 테이프, 메쉬, 단섬유 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 구조를 포함할 수 있다. 상기 구조의 차원은 강화 요소에 필요한 특성에 따라, 예컨대 폭, 두께, 위브(weave) 등에 의해 변할 수 있다. 그러나 일 실시양태에서 강화 요소는 약 2000 미크론 미만의 두께, 또 다른 실시양태에서는 약 100 미크론 내지 약 1000 미크론의 두께를 가질 수 있다.

추가로, 단일 구조, 또는 하나 이상의 구조가 도가니 몰드의 동일 층 또는 다른 층에 적용될 수 있다. 하나 이상의 강화 요소가 동일 층에 적용되는 경우, 강화 요소는 본원에서 이하에 전술되는 바와 같은 근접식 배향, 적층식 배향 또는 이들의 몇몇 조합으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시한 일 실시양태에서, 연속성 섬유 및 메쉬 요소 둘 다가 근접식 배향으로 동일 층에 적용될 수 있다. 도 6에 도시한 또 다른 실시양태에서, 메쉬 요소 및 단섬유 요소가 다른 층에 적용될 수 있다. 도 7에 도시한 또 다른 실시양태에서, 테이프 요소 및 단섬유 요소가 적층식 배향으로 동일 층에 적용될 수 있다.

더욱이, 강화 요소(14), 이의 조성물 및 이의 구조는 도 5에 일반적으로 나타낸 바와 같이 도가니의 다른 영역, 예를 들어 베이스 영역(30), 전이 영역(32)(즉, 베이스 영역(30)을 저부 영역(34)과 연결하는 부분), 저부 영역(34)(즉, 캐스팅 도중 티타늄 용융물을 함유하는 측면), 상부 영역(36)(즉, 캐스팅 도중 티타늄 용융물 위의 측면) 및 푸어 립(pour lip) 영역(38)에 존재하는 특정 응력을 지지하도록 선택될 수 있다. 특히, 굽힘 응력은 베이스 영역(30), 전이 영역(32) 및 푸어 립 영역(38)에 중요할 수 있기 때문에, 도 5에 도시한 바와 같이, 이들 영역에 하나 이상의 메쉬 강화 요소(14)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 도가니의 특정 영역에 강화 요소를 특별히 재단함으로써, 열적 응력 저항성을 최적화하여 도가니가 열처리, 용융, 용탕주입(pouring) 및 냉각 단계에 걸쳐 그 완전성(integrity)을 유지하도록 보장할 수 있다.

강화 요소(14)의 조성이나 구조와는 무관하게, 이의 적용은 일반적으로 동일한 절차를 따른다. 상기 하나 이상의 강화 요소(14)는 슬러리가 여전히 습윤 상태에 있는 동안에 선택된 층 또는 층들 주위에 적용될 수 있다. 선택된 층이 여전히 습윤 상태에 있는 동안 강화 요소(14)를 적용하여 강화 요소(14)가 도가니 몰드(26)에 고정되도록 한다. 더욱 구체적으로, 도가니 몰드(26)의 선택된 층이 건조됨에 따라, 강화 요소(14)는 이에 부착될 수 있다. 강화 요소(14)의 적용은 도 5 및 7에 도시한 바와 같이 도가니 몰드(26)의 선택된 층(들) 주위의 포장식 또는 권취식 강화 요소(14)를 포함하거나, 또는 단섬유의 경우에 도 6 및 7에 도시한 바와 같이 도가니 몰드(26)의 선택된 층 주위의 필요한 위치 또는 위치들에서의 가압식 또는 살포식(dusting) 강화 요소(14)를 포함할 수 있으나, 이들로 제한되지 않는다. 하나 이상의 강화 요소가 사용되고 적층식 배향이 선택된다면(예를 들어 도 7 참조), 전술된 기법을 사용하여 하나의 강화 요소가 또 다른 강화 요소 위에 적용될 수 있다. 당업자는 강화 요소가 도가니 몰드의 선택된 층의 적어도 일부에 선택적으로 위치하거나, 또는 다르게는 도가니 몰드의 주위 및 선택된 층 전체에 위치할 수 있음을 이해할 것이다.

이어서, 도가니 몰드(26)는 종래의 방식을 사용하여 건조될 수 있고, 성형체(10)가 제거될 수 있다. 다양한 방법을 사용하여 도가니 몰드(26)로부터 성형체(10)를 제거할 수 있다. 전술된 바와 같이, 성형체(10)는 왁스로 구성될 수 있고, 따라서 고로(furnace), 증기 오토클레이브(autoclave), 전자오븐 또는 기타 유사 장치에 도가니 몰드(26)를 위치시키고, 성형체(10)를 용융시켜 도 8에 도시한 바와 같이 도가니 몰드(26)에 개방형 내부(9)를 남겨둠으로써, 성형체를 제거할 수 있다. 도가니 몰드(26)로부터 성형체(10)를 용융시키는 데 필요한 온도는 일반적으로 낮을 수 있고, 일 실시양태에서는 약 40℃ 내지 약 120℃의 범위일 수 있다.

선택적으로, 도가니 몰드(26)의 내부(9)는 이어서 콜로이드성 슬러리로 세척되어 도 8에 도시한 바와 같은 상부 코트(28)가 형성될 수 있다. 세척은 일반적으로, 도가니를 소성 처리하기 전에, 당업자에게 알려진 임의의 방법, 예를 들어 분무를 사용하여 도가니의 내부에 코팅을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 상부 코트(28)는 임의의 필요한 두께를 가질 수 있으나, 일 실시양태에서 상부 코트(28)는 약 500 미크론 이하, 또 다른 실시양태에서는 약 20 미크론 내지 약 400 미크론의 두께를 가질 수 있다. 상부 코트(28)는 콜로이드성 이트리아 현탁액 중의 이트리아, 콜로이드성 실리카 현탁액 중의 이트리아 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 콜로이드성 슬러리를 포함할 수 있다. 상기 상부 코트는 도가니가 용융 도중 티타늄 합금에 대해 불활성을 유지하는 것을 추가로 보장할 수 있다.

중공형 도가니 몰드(26)는 이어서 더욱 고온으로 소성 처리될 수 있다. 도가니 몰드(26)의 소성 처리는 완성된 도가니에 추가의 강도를 제공할 수 있는데, 이는 상기 열처리 공정 도중, 전면 코트 층, 스터코 및 배면 층을 구성하는 재료들이 서로 간에 상호 확산되어 함께 소결될 수 있기 때문이다. 초기에, 도가니 몰드는 약 800℃ 내지 1400℃, 일 실시양태에서는 약 900℃ 내지 약 1100℃, 또 다른 실시양태에서는 약 1000℃의 온도로 소성 처리될 수 있다. 상기 제 1 소성처리는 도가니의 세라믹 구성성분 사이에 제한된 상호 확산의 정도를 제공할 뿐만 아니라 잔류하는 임의의 성형 재료를 태워 없애는 데 필요한 임의의 시간 기간 동안 수행될 수 있고, 일 실시양태에서는 약 0.5 시간 내지 약 50 시간, 또 다른 실시양태에서는 약 1 시간 내지 약 30 시간, 또 다른 실시양태에서는 약 2 시간일 수 있다. 다음, 도가니 몰드는 약 1400℃ 내지 약 1800℃, 일 실시양태에서는 1500℃ 내지 약 1800℃, 또 다른 실시양태에서는 약 1600℃ 내지 1700℃의 온도로 소성 처리될 수 있다. 상기 제 2 소성처리는 전면 코트 산화물에 존재하는 콜로이드의 반응을 야기할 뿐만 아니라 세라믹 구성성분의 상호 확산을 실질적으로 완료하는 데 필요한 임의의 시간 기간 동안 수행될 수 있고, 일 실시양태에서는 약 0.5 시간 내지 약 50 시간, 또 다른 실시양태에서는 약 1 시간 내지 약 30 시간, 또 다른 실시양태에서는 약 2 시간일 수 있다. 예를 들어, 콜로이드성 실리카는 실리케이트를 형성할 수 있지만, 콜로이드성 이트리아는 전면 코트의 슬러리에 존재하는 이트리아 입자와 함께 소결될 수 있다.

소성처리가 완료되고 나면, 생성되는 도가니는 티타늄 합금을 용융시키는 데 사용하기에 적합할 수 있다. 도가니(8)의 개별 특성은 필요한 용도에 따라 변경되거나 수정될 수 있으나, 일 실시양태에서 도가니(8)는 전면 코트 층, 스터코 층 및 배면 층을 모두 포함하는, 약 3 mm 이상, 또 다른 실시양태에서는 약 6 mm 이상, 또 다른 실시양태에서는 약 6.5 mm 내지 약 40 mm의 전체 벽 두께를 가질 수 있다. 약 40 mm 초과의 벽 두께는 바람직하지 않게 긴 고온 열처리 시간을 초래할 수 있다. 유사하게, 배면 코트 대 전면 코트의 두께 비는 일 실시양태에서 약 6.5:1 내지 약 20:1일 수 있다. 상기한 바와 같이, 약 20:1을 초과하는 두께 비는 알루미나 배면 층의 두께로 인해 바람직하지 않게 긴 고온 열처리 시간을 초래할 수 있다.

특정 구조와 무관하게, 도가니(8)는 티타늄 합금을 용융시켜 낮은 틈새 수준 및 낮은 세라믹 함유물 함량을 갖도록 하는 데 사용될 수 있다. 특히, TiAl은 당업자에게 알려진 통상적인 용융 및 캐스팅 기법을 사용하여 본원에 기술된 도가니에서 용융될 수 있다. 본원에 기술된 도가니는 상기 고 반응성 합금과 함께 사용할 수 있는데, 이는 전면 코트를 제조할 때 사용되는 재료가 반응성 TiAl에 불활성이기 때문이다. 즉, 전면 코트는 합금의 품질을 저하시키거나 오염시키지 않고 용융 도중 TiAl에 노출될 수 있다. 더욱이, 본원의 도가니는 용융, 용탕주입, 캐스팅 및 냉각 단계의 진공 인덕션 용융 사이클 중 임의의 단계 동안 균열 없이 급속 열처리될 수 있다.

상기 향상된 도가니 성능의 최종 결과는 도가니가 열적 응력에 더욱 저항성이라는 것과 도가니 내에서 용융된 TiAl이 더 높은 순도를 유지하고 향상된 피로 수명을 가진다는 것이다. 본원에 사용된, "순도"는 합금이 약 1200 중량ppm 미만의 산소 함량을 갖고, 용융 공정 도중 도가니에 의해 생성되는 이트륨 또는 규소 오염물을 약 500 중량ppm 미만으로 포함함을 의미한다. 이렇게 향상된 순도로 인해, TiAl로부터 제조되는 부품은 기존의 방법을 사용하여 TiAl로부터 제조되는 부품보다 더 적은 균열 및 더 적은 결점을 나타낸다.

본원은 최상의 방식을 포함하는 실시예를 사용하여 본 발명을 개시하며, 또한 당업자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있도록 한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 정의되고, 당업자가 생각할 수 있는 다른 실시예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예들은 본 특허청구범위의 문구와 다르지 않은 구조적 요소를 가지거나, 또는 본 특허청구범위의 문구와 실질적인 차이를 갖지 않 는 균등한 구조적 요소를 포함한다면, 본 특허청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

본원은 본 발명의 구체적인 요지 및 명백히 청구하는 바를 특허청구범위로 끝맺지만, 본원에 개시된 실시양태들은 첨부되는 도면과 함께 기술되는 상세한 설명에 의해 더 잘 이해될 것이며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 가리킨다.

도 1은 본원의 상세한 설명에 따른 도가니의 일 실시양태를 도시한 개략적인 사시도이고;

도 2는 본원의 상세한 설명에 따른 성형체의 일 실시양태를 도시한 개략적인 사시도이고;

도 3은 본원의 상세한 설명에 따른 도가니 몰드의 일 실시양태를 도시한 개략적인 횡단면도이고;

도 4는 도 3의 도가니 몰드의 횡단면의 일부를 도시한 개략적인 확대도이고;

도 5는 본원의 상세한 설명에 따른 근접식 배향으로 배치된 강화 요소를 구비한 도가니 몰드의 일 실시양태를 도시한 정면도이고;

도 6은 본원의 상세한 설명에 따른 도가니 몰드의 서로 다른 층에 각각 적용된 두 개의 강화 요소를 구비한 도가니 몰드의 일 실시양태를 도시한 정면도이고;

도 7은 본원의 상세한 설명에 따른 적층식 배향으로 배치된 강화 요소를 구비한 도가니 몰드의 일 실시양태를 도시한 정면도이고;

도 8은 본원의 상세한 설명에 따라 성형체가 제거되고 상부 코트가 적용된 후 도가니 몰드의 일 실시양태를 도시한 개략적인 횡단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

8: 도가니 9: (도가니) 내부

10: 성형체 12: 핸들

14: 강화 요소 16: 전면 코트

18: 전면 코트 층 20: 스터코 층

22: 배면 코트 24: 배면 층

26: 도가니 몰드 28: 상부 코트

30: 베이스 영역 32: 전이 영역

34: 저부 영역 36: 상부 영역

38: 푸어 립

Claims

하나 이상의 전면 코트 층(18)을 포함하는 전면 코트(16);

하나 이상의 배면 층(24)을 포함하는 배면 코트(backing)(22); 및

상기 하나 이상의 전면 코트 층(18), 배면 층(24) 또는 이들의 조합 중 적어도 일부에 적용된 하나 이상의 강화 요소(14)

를 포함하며, 이때 상기 강화 요소(14)가 세라믹 조성물, 금속성 조성물 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 조성물을 하나 이상 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 1 항에 있어서,

상기 강화 요소(14)가 이트리아, 알루미나, 사파이어, 이트륨 알루미늄 가넷, 규소 카바이드, 규소 알루미늄 옥시나이트라이드, 뮬라이트, 지르코니아, 지르콘, 지르카 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 세라믹 조성물을 하나 이상 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 강화 요소(14)가 텅스텐, 탄탈륨, 몰리브데늄, 니오븀, 레늄, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 금속성 조성물을 하나 이상 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 1 항 내지 제 3 중 어느 한 항에 있어서,

임의의 상기 전면 코트 층(18), 배면 층(24) 또는 이들의 조합 중 적어도 일부에 적용되는 스터코(stucco) 층(20)을 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 강화 요소(14)가 연속성 섬유, 테이프, 메쉬, 단섬유 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 구조를 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 4 항에 있어서,

상기 하나 이상의 강화 요소(14)가 전면 코트 층(18), 배면 층(24), 스터코 층(20) 또는 이들의 조합 전체에 적용되는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

하나 이상의 강화 요소(14)의 배치가 근접식 배향, 적층식 배향 또는 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 방식으로 적용되는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 전면 코트 층(18), 배면 층(24) 및 스터코 층(20) 중 하나 이상이 강화 요 소(14)를 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 강화 요소(14)의 적용이 상기 도가니(8)의 다른 영역(30, 32, 34, 36, 38)에 존재하는 특정 응력을 지지하도록 하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

콜로이드성 현탁액 중의 이트륨 산화물 분말을 포함하는 상부 코트(28)를 추가로 포함하며, 이때 상기 콜로이드성 현탁액이 콜로이드성 실리카, 콜로이드성 이트리아 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 콜로이드를 포함하는, 티타늄 합금 용융용 강화 도가니(8).