チタン製伸長部品の製造方法
チタン材料もしくはチタン合金から成る伸長部品、または当該部品の未完成品を製造するための方法であって、チタン材料またはチタン合金塊を準備する工程（１０）と、電気アークおよびスカル溶融法を使用してその塊を溶融させる工程（２０）と、実質的に円筒状で約３００ｍｍ未満の径を有する１つまたは複数のインゴットを溶融塊から鋳造する工程（３０）と、次いでそれらのインゴットの１つまたは複数を押出プレス手段によって８００℃から１２００℃の温度で押し出す工程（４０）とを含む方法。例えば、航空分野で使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン材料もしくはチタン合金から成る伸長部品、または当該部品の未完成品を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
「伸長部品」という用語は、この場合、その長さより実質的に小さい、またははるかに小さい断面寸法を有する金属構成要素を指すように使用される。
【０００３】
伸長部品は金属構成要素から構成され、その製造工程は、一般的に、少なくとも１つの押出工程を含む。しかし、この「伸長部品」という用語は、このような構成要素に限定されない。
【０００４】
伸長部品は、より具体的には、押出工程により得られる金属構成要素から構成され、中空形部材および管から成る異形構成要素から構成される。
【０００５】
「未完成品」という用語は、ここでは、極めて広い意味で理解されるべきである。この用語は、完成していないが、その全体的形状が完成した伸長部品の外観に実質的に対応している伸長部品を指すように使用される。これは、伸長部品未完成品は伸長な金属構成要素であるという意味を有している。
【０００６】
これは、例えば、未完成品を機械加工によって更に適応させた形状にしたり、または、全体的外観を例えば、湾曲、屈曲、もしくは任意の他の可塑的変形によって改良したりすることを排除しない。
【０００７】
むしろ、伸長部品の「未完成品」は、完成品をもたらすために、異なる成形、機械加工または表面処理工程を施される伸長要素であると理解されるべきである。
【０００８】
チタン材料またはチタン合金から成る伸長部品は、多くの分野において使用されている。それらの分野には、特に、航空および宇宙関連の構造物が含まれる。
【０００９】
それらの部品の金属的品質を管理する規格が存在する。その品質は、想定される用途に応じて要求されていた。
【００１０】
例えば、航空関連構造物の具体的な例では、部品故障によって引き起こされる劇的な結末のために、高レベルの品質が要求される。
【００１１】
一定レベルの品質を満たすことは、航空分野に限定されない。実際に、大多数の使用分野では、規格の対象になるか否かにかかわらず、最低限レベルの金属的品質が要求され、高品質の部品を得ることは、航空および宇宙分野に限定されない。
【００１２】
今日では、品質要求に加えて、ほぼ同程度に重要であるコストおよび可用性を含んだ要求が行われている。言い換えれば、品質要求を満たす部品の製造方法を把握するだけでは最早十分でなく、さらには、満足できるコストおよび市場を満足させるのに十分な量によってそれを可能にすることが必要となる。
【００１３】
そのような理由のため、少なくとも製造されるべきものと同等の品質レベルを有する部品を製造出来る、より安価な製造方法が絶えず探索されている。
【００１４】
従来方法では、まず、スポンジチタン、チタン片、チタン屑（フランスでは、不正確に「チタン屑鉄」と呼ばれることもある）および／またはより一般的にはリサイクルチタン材料を含むチタン材料塊を準備する。
【００１５】
続いて、そのチタン材料塊を溶融し、鋳造して、大きな径を有する単一インゴットを形成する。
【００１６】
それらの従来方法では、様々な技術を用いて、チタン塊の溶融／鋳造を行う。
【００１７】
「電子ビーム炉」という用語も使用される電子衝撃溶融法は、原料としてのスポンジチタンとリサイクル材料（屑）との混合物を溶融させるのに好適である。リサイクル材料はスポンジチタンより安価であるため、当該方法が有する経済的利点が理解されるであろう。
【００１８】
冷却るつぼにおけるプラズマトーチ溶融法および電子衝撃溶融法は、比較的近年の技術であり、より連続的な鋳造や、より高比率のチタン屑を溶融させる可能性を有する。このため、それらの技術は、従来の電子衝撃溶融法よりも経済的である。
【００１９】
従来の溶融方法を用いると、溶融材料の鋳造は徐々に進行し、極めて遅い。一般に、材料が溶融するに従って溶融タンクが満杯になり、それによって、溶融材料はインゴット鋳型に徐々に流入する。主として溶融技術の限界に起因する鋳造速度の遅さおよび逐次進行性は、インゴット内の鋳造不良をもたらす。
【００２０】
例えば、航空分野において安全性部品を得るための高度な金属的要求を満たすためには、第１の溶融／鋳造後に得られたインゴットを再溶融し、新しいインゴットを鋳造する必要がある。連続的な溶融工程は、インゴットの金属的品質を向上させる。
【００２１】
再溶融／鋳造は、従来は、真空アーク再溶融（ＶＡＲ）法を含む技術によって実施される。第１の溶融後に得られたインゴットは、徐々に溶融されると同時に鋳造されて溶接棒を形成し、連続的に類似の径を有するインゴットを形成する。実際に、新たに得られるインゴットの径は、消費される溶接棒、すなわち第１のインゴットの径よりも約１０〜２０％大きい。
【００２２】
なお、航空関連の構造物分野での使用に関するアメリカ合衆国規格ＡＭＳ４９４５といった、いくつかの規格では、ＶＡＲ再溶融工程が必要となる。
【００２３】
この「二重溶融」は、高価であることが分かる。したがって、鋳造者にとって、大きな径、実際には５００〜１０００ｍｍの径を有するインゴットを鋳造するための従来方法となっている。なお、鋳造インゴットの径が大きくなるにつれ、容積あたりのコストは下がる。言い換えれば、所定の容積の材料については、大きな径を有するインゴットの方が安価である。
【００２４】
主として溶融／鋳造速度の遅さおよび逐次進行性がある、従来の（第１の）溶融技術の短所を克服するために、真空下での電気アーク溶融法を伴った、英語では「スカル溶融」とも称される（フランス語では逐語的に「ｆｕｓｉｏｎ ｅｎ ｃａｒａｐａｃｅ」と称される）「自己るつぼ」法を使用する技術が近年開発されている。「スカル溶融」という用語は、ある溶融方法を称するように用いられ、その溶融方法では、炉のるつぼが冷却され、その上に、溶融材料シェル、この場合はチタンシェルを形成する、または、溶融材料の残部を炉のるつぼから隔離するようにるつぼを更にその上に形成する。
【００２５】
溶融されるチタン塊の一部はるつぼ内に配置され、その塊の他の部分は消費される溶融棒の形態となっている。溶融棒とるつぼの間に発生する電気アーク手段によって、チタン塊全体が溶融され、その後、溶融槽の温度で静置される。続いて、るつぼを傾斜させることにより、溶融塊は、１つの工程にて１つまたは複数のインゴット鋳型で鋳造される。
【００２６】
「スカル溶融」は、溶融材料塊全体を、単一工程によってバッチ処理（傾斜）で迅速な鋳造を可能にしている。これにより、古い溶融技術の鋳造遅さおよび逐次進行性による鋳造欠陥が防止される。
【００２７】
経済的理由により、従来、単一の大きなインゴットが鋳造される。
【００２８】
スカル溶融によって、スポンジチタンおよびリサイクル材料は、同程度に十分溶融される。
【００２９】
さらなる利点としては、るつぼに接触するように形成された金属脈石材料を新しい溶接棒として、容易にまたは直接的に再利用することができる。
【００３０】
所望の伸長部品の大多数については、インゴットの径が過度に大きいため、現行のプレス機の能力では、ＶＡＲ再溶融後またはスカル溶融後に得られるインゴットを直接押し出すことができない。
【００３１】
大きな径のインゴットを、押出プレスに適応した径を有する１つまたは複数の棒と所望の伸長部品に変形させるためには、鍛造によって径を減少する１つまたは複数の工程が必要である。
【００３２】
例として、ＶＡＲ再溶融またはスカル溶融工程から得られるインゴットは、約６００ｍｍの径を有し、連続的な鍛造工程によって、約１２０ｍｍの径を有する棒に変形される。すなわち、鍛造による径（断面）の減少率は、約２５分の１（２５００％）の減少となる。
【００３３】
なお、溶融（ＶＡＲまたはスカル溶融等）後に系統的に使用されるように、棒の金属的品質を、鍛造によって実質的に向上させる。
【００３４】
また、例えば、機械加工（鍛造された棒から微細表面層を除去したり、もしくは「デスケーリング」（スケール層除去））または仕上げ処理といった追加工程を、必要であれば、押出前に実施することができる。
【００３５】
要約すると、チタンまたはチタン合金から成る高品質の伸長部品をチタン塊から製造するための従来の製造プログラムは、以下の工程から成る。
−チタンまたはチタン合金塊を溶融して、大きな径を有する単一インゴットを鋳造する工程。
−この単一のインゴットをＶＡＲ再溶融して、大きな径を有する単一のインゴットを形成する工程。もし、先行する溶融工程がスカル溶融で実施されなかった場合、この工程は実質的に必須のものであり、この再溶融は、航空分野の規格により要求される。
−１つ以または複数の鍛造工程を含み、大きな径を有するインゴットからの押出成形で１つまたは複数の棒を製造する工程。
−実用的な最終形状の伸長部品を得るために、それらの棒を押出プレスで押出する工程。
【００３６】
続いて、完成形の伸長部品を得るために、伸長部品の表面処理、かつ／または全体的な外観改良を行う１つまたは複数の工程が実施される。
【００３７】
この製造プログラムでは、特に、コスト、伸長部品の製造時間および部品の可用性の観点において、極めて部分的にしか満足がいかない。
【００３８】
出願人は、その状況の改善を試みた。
【００３９】
提案される方法は、チタン材料もしくはチタン合金から伸長部品または当該部品の未完成品を製造するための方法に関し、チタン材料もしくはチタン合金塊を準備し、その塊を電気アークおよびスカル溶融によって溶融し、実質的に円筒形状を有し、約３００ｍｍ未満の径を有する１つまたは複数のインゴットを溶融塊から鋳造し、次いで押出プレス手段によってそれらのインゴットの１つまたは複数を８００℃〜１２００℃の温度で押し出すことを含む方法に関する。
【００４０】
当該方法により、安定した伸長部品、すなわち、実用において鋳造欠陥がなく、特に引張試験によって測定される機械強度が、従来の方法または現在既知の方法によって得られる部品と少なくとも同等である伸長部品が得られる。例として、この方法により、少なくとも機械強度の性質に関しては、現在施行されている航空分野規格、例えばアメリカ合衆国ＡＭＳ４９３５またはＡＭＳ４９４５の規格に準拠する部品と同等の品質を有する伸長部品が得られる。
【００４１】
さらに、この方法により、従来の方法または現在既知の方法の製造コストより潜在的に低い部品製造コストとなり、また、部分的に鍛造工程がないことに関連して製造時間が短縮され、更に、より一般的には、押出工程前の鋳造インゴットの径が実質的に低減され、同時に複数のインゴットが鋳造される。
【００４２】
提案される方法により、特に、製造プログラムが単純化されること、および準備されるチタンまたはチタン合金塊にリサイクル材料を高比率で使用できる可能性により、得られる伸長部品の可用性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を考察することにより理解されるであろう。
【図１】本発明による方法を示す工程チャートである。
【図２】図１の方法の別の形態を示す工程チャートである。
【図３】図１および図２の方法に加えて実施でき得る補助的方法を示す工程チャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
添付の図面は、本発明を補足するだけでなく、適用可能であればその定義に寄与するのに役立つ。
【００４５】
図１は、チタンもしくはチタン合金から伸長部品、またはこの種の部品の未完成品を製造する方法を示す。
【００４６】
図１の方法は、チタン材料またはチタン合金塊を準備する工程１０と、その塊を電気アークおよびスカル溶融によって溶融する工程２０と、約３００ｍｍ未満の径を有する実質的に円筒状な１つまたは複数のインゴットを溶融塊から鋳造する工程３０と、次いで押出プレス手段によってそれらのインゴットの１つまたは複数を８００〜１２００℃の温度で押し出す工程４０とを含む。選択的には、この押出工程から得られた伸長部品に、１つまたは複数の仕上げ工程または準仕上げ工程５０が施される。
【００４７】
図１の方法は、チタンまたはチタン合金塊を準備する工程１０から始まる。その塊の化学組成は、伸長部品に所望されるグレード（等級）に基づく。例えば、その塊の化学組成として、合金ＴＡ６Ｖ４、またはそれに相当するアメリカ合衆国規格ＡＭＳ４９３５に記載されたもの、あるいはＴＡ３Ｖ２．５、またはそれに相当するアメリカ合衆国規格ＡＭＳ４９４５に記載されたものを得るように使用されてもよい。
【００４８】
これらの合金は、特に、部品の高レベルの金属的品質が要求される厳しい規格を有する航空分野において使用されている。しかし、それらの用途は、決してその活動分野に限定されず、図１の方法の実施態様もそれら特定の合金に限定されず、特に、想定される用途に応じた多様な異なるチタン組成物、例えばＴ４０またはＴ６０などに拡大適用される。
【００４９】
この塊は、鋳造ダイ、レードルもしくは脈石から、スカル溶融によって全体的もしくは部分的に生成される、スポンジチタン、チタン屑もしくはチタン合金屑、チタン片もしくはチタン合金片を含み、または、より一般的には、任意の形態のリサイクルチタン材料を含む。リサイクル材料の組成は、その品質および化学組成に関して制御される。
【００５０】
リサイクル材料成分は、屑消耗品、またはチタン産業で使用されるチタンもしくはチタン合金製部品の残留物を再溶融や機械加工などして得られる処理済みリサイクル材料である。
【００５１】
それらのリサイクル材料は、必ずしも必須ではないが、例えば、伸長部品に所望されるグレードに基づいた多様な異なる化学組成を有する。それらの材料は、上記で立案された合金に対応している。
【００５２】
リサイクル材料成分は、可用性を有し、質量あたりのコスト、すなわち材料１キログラムあたりのコストがスポンジチタンよりも少なく、それの利用促進は利点となる。
【００５３】
準備工程１０のチタンまたはチタン合金塊は、グレード調整用の成分、および／または方法の手順、想定される用途、および／または伸長部材に所望されるグレードに応じた比率の合金から構成される。
【００５４】
図１の方法は、工程１０で準備されたチタン材料またはチタン合金塊に電気アーク溶融、および自己るつぼ法を使用した溶融を行う工程２０に続く。
【００５５】
すなわち、この溶融は、「スカル溶融」の形態で実施される。
【００５６】
スカル溶融は、減圧器、および減圧器内部に収容された適切な形状のるつぼから成る炉の手段によって実施される。
【００５７】
消費される溶接棒を容器内に備え付け、チタン材料をるつぼに充填する。大きな電位差が、溶接棒とるつぼ間に形成される。この電位差が所定の閾値に達すると、溶接棒の下端とるつぼ内のチタン材料間に、高レベルのエネルギーを有する電気アークが生成される。
【００５８】
実際には、溶接棒は、容器内で下方に移動する垂直部品上に備え付けられる。
【００５９】
溶接棒が完全に溶融されると、るつぼ内に存在する溶融チタン塊を鋳造することができ、この鋳造は、１つの工程で、選択した形状、この場合は円形の断面および３００ｍｍ未満の径を有した形状で容器内部に配置された１つまたは複数のインゴット鋳型によって行われる。したがって、この鋳造工程は、非常に迅速である。例えば、るつぼを傾斜させることによって実施することができる。このように、スカル溶融は、バッチ処理を含む溶融／鋳造技術である。
【００６０】
この溶融／鋳造工程中、溶融チタン塊の一部がるつぼとの界面で固化して、るつぼ内の他成分、またはるつぼ自身によるあらゆる汚染から溶融時のチタンを保護するチタンの脈石を形成する。言い換えれば、この脈石により、炉内に物理的に設けられたるつぼ内に、追加的なるつぼが形成される（自己るつぼ溶融法）。冷却後、その脈石を新たな溶融工程における消費される溶接棒として使用するので、コストの観点から有利である。炉のるつぼは、脈石が、消費される溶接棒としてその後の作用に適応した形状を有するように形成される。
【００６１】
工程１０で準備されたチタン塊は、有利には、先行して行われたチタン塊のスカル溶融による溶融および鋳造により生じる脈石または鋳造ダイを含む。
【００６２】
また、有利には、工程１０で準備されたチタン塊は、高比率でリサイクルチタン材料を含む。
【００６３】
好ましくは、工程１０のチタン塊は、専ら、１つまたは複数のスカル溶融ダイ、リサイクル材料および必要とされる合金成分、あるいはグレードを適切な割合に調整する成分を含む。
【００６４】
言い換えれば、この場合、チタンまたはチタン合金塊を準備する工程１０では、主に、その質量あたりの大部分または全体がリサイクル材料により構成されたチタン材料またはチタン合金の混合物が製造される。グレード調整用成分の添加だけは必要である。
【００６５】
したがって、図１の方法では、電気アーク溶融およびスカル溶融法を利用することにより、リサイクル材料をほぼ全体的に使用出来るので、高品質部品を従来の方法より低コストで得ることが出来るという点で非常に特異的な利点を有する。
【００６６】
この溶融工程で使用される、超溶融温度（ｓｕｐｅｒｍｅｌｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）と称される温度は、準備工程１０の塊の組成に依存する。考え得る大多数の組成において、この塊は、１６００℃を超える超溶融温度によって、溶融される。
【００６７】
図１の方法では、全体的に円形の断面を有し、その径が約３００ｍｍ未満であるインゴットを鋳造する工程に続く。それらインゴットの径は、好ましくは２５０ｍｍ未満である。その鋳造工程は、例えば、溶融チタン塊を含有するるつぼを傾斜させることによって、単一工程（「バッチ処理」）で迅速に溶融塊全体を鋳造することに関する。
【００６８】
工程３０を通して鋳造されるインゴットの径に下限はない。しかし、経済的理由により、１００ｍｍを超える径を有するインゴットを鋳造することが好ましい。
【００６９】
工程３０で鋳造されるインゴットの長さに関しては、理論的な制限はない。
【００７０】
実際には、その長さが、工程４０を通して押し出されるインゴットの長さに対してある比率になるインゴットが鋳造される。例えば、材料の損失を避けるために、工程３０を通して鋳造されるインゴットの長さは、工程４０を通して押し出されるインゴットの長さの倍数と等しくなるように選択することができる。より一般的には、工程３０で鋳造されるインゴットの長さは、押出工程４０を通して押し出されるインゴットの長さの合計に等しくなるように選択することもできる。
【００７１】
好ましくは、工程３０中で溶融されるチタン材料塊が許す限りの量の円筒状インゴットが、鋳造工程３０を通して鋳造される。したがって、スカル溶融によって、バッチ処理での鋳造が可能になるという最大の利点が得られる。工程２０を通して鋳造されるチタンまたはチタン合金塊、すなわち工程１０を通して準備されるチタンまたはチタン合金塊が選択されるが、これは、押し出されるべきインゴットの数、すなわちそのため予め鋳造されるべきインゴットの数およびそれらの寸法に応じた量の観点から行われる。
【００７２】
工程３０で鋳造される各インゴットの径は、３００ｍｍ未満である。それらのインゴットの各々は、押出工程前に大幅に径を減少させずに、工程４０で押し出されることができる。
【００７３】
しかしながら、工程３０の鋳造と工程４０の押出との間にデスケーリング工程が存在してもよい。デスケーリング工程により必然的に径の減少が生じるが、その減少はわずかである（十分の数ミリメートルオーダーである）ため、インゴットの径の大幅な減少をもたらすとは考えられない。また、デスケーリングは、鋳造インゴットの表面層を除去するために行われるため、この点において、定義上、インゴットの径を大幅に減少させる目的である径の減少工程を指すものではない。
【００７４】
工程３０で鋳造される円筒状インゴットは、それらの径および長さに関して互いに類似した寸法を有することができる。それらのインゴットは、例えば異なる伸長部品を製造するように異なる長さおよび／または径を有することもできる。工程３０で鋳造される各インゴットの径および長さを、工程４０を通して押し出されるインゴットの径および長さに応じて選択することができる。押し出されるインゴットの長さおよび径を、押出工程４０の終了時に得られるべき伸長部品に応じて決定することができる。言い換えれば、図１の方法により、鋳造工程３０の終了時には、その寸法を押出工程に適応させ、更にその寸法を所望の伸長部品の寸法に応じて計算することができるインゴットが得られる。
【００７５】
この点において、図１の方法は従来の方法と異なり、特に、鋳造インゴットの質量あたりのコストを削減するための単一インゴットの鋳造工程、およびインゴットの径を減少させるための鍛造工程を備える。言い換えれば、従来の方法では鋳造インゴットの径が強制される（４００〜６００ｍｍオーダー）のに対して、この場合はこの径を選択することができる。
【００７６】
伸長部品の強制される寸法に対して、実際には、押し出されるインゴット４０として実行可能な径および長さには幅があると理解されるであろう。図１の方法に従って異なる寸法を有する伸長部品を製造しなければならない場合、可能であれば、押し出し成型されるそれらインゴットの径の値を、それら部品のすべてに適応するように選択することは有利となる。それにより、異なる伸長部品の押出成型に適応したインゴットを製造するために、分割可能なインゴットを鋳造することができる。それにより、押出成型されるインゴットのストック管理が最適化される。
【００７７】
図１の方法により、より大きな径を有する部品およびより小さな径を有する部品を、簡単かつ類似のコストで（原料のコストを除く）製造出来ることも理解されるであろう。逆に、径を減少するために鍛造工程を必要とする従来の方法では、小さな径を有する部品を製造することはより複雑かつ高コストであり、多くの場合、それらの部品に対して、鍛造によってより大きな減少率を引き起こしてしまう。
【００７８】
現在使用されているプレスでは、１５００ｍｍを超える長さを有するインゴットを押し出すことができない。言い換えれば、工程３０で鋳造されるインゴットの長さは、１５００ｍｍ未満でしかないが、もし、より効果的なプレスが開発されれば、更に長く形成されることが可能になる。
【００７９】
図１の方法は、伸長部品または当該部品の未完成品を得るための、押出プレスによる円筒状インゴットの熱間押出工程４０において終了となる。押出工程４０を、固体部品または中空部品を得るように適合することができる。
【００８０】
押出温度は、インゴットの組成に依存する、所謂「ベータトランサス」温度より高い。
【００８１】
押出工程４０は、一般的に、８００℃〜１２００℃の高温状態で実施される。押出工程は、好ましくは、材料の良好な可塑性を確保するために９００℃を超える温度で実施され、非効率なエネルギー消費を防止しながら好適な金属的構造を得るために１１５０℃未満の温度で実施される。
【００８２】
押出工程は、押出ダイおよびヘッダーダイを備えた従来の押出プレス手段によって実施される。中空伸長部品を製造する必要がある場合、「ニードル」とも称するロッドをさらに使用する（この場合、押し出されるインゴットは、予め貫通されていてもよい）。
【００８３】
この押出工程は、潤滑剤の存在下、高温状態で実施される。この潤滑剤は、一般的には、ガラス、すなわち９００℃を超える温度での従来の熱間押出工程用の従来の潤滑剤を含有している。
【００８４】
図１の方法では、押出工程４０の前に、工程３０で鋳造されたインゴットの径を減少させる工程は必要ではない。
【００８５】
しかし、工程４０で押出成型されるインゴットを形成するために工程３０で鋳造されるインゴットに対して、デスケーリング、異なる表面処理工程または分割処理など１つまたは複数の特異な工程のすべてが妨げられるということではないと理解されるはずである。
【００８６】
押出工程４０から生じる伸長部品の金属的品質は、意外にも、少なくとも機械強度、特に低温引張試験によって測定される機械強度に関しては、従来の方法で製造される部品と同程度の金属的品質を有する。
【００８７】
押出工程４０前に鍛造工程がない状態で同程度の品質が得られるのは、押出工程が、小さな径に鋳造されたインゴットの金属的構造に有益で十分な作用を及ぼすという点に大きく関係している。
【００８８】
押出工程４０の前において、鋳造工程３０で生じるインゴットの径の縮小工程の不在、特に鍛造工程の不在は、伸長部品の製造コスト削減をももたらす。したがって、このような工程が存在しないことは、また、当該部品の製造時間を短縮する。
【００８９】
押出工程前のインゴットへの鍛造工程または他の成形工程の不在、その押出工程で生じる伸長部品の品質により、図１の方法は、工程３０を通して鋳造されたインゴットの径が相当に小さいにもかかわらず、伸長部品の最終コストに関して先行技術の方法よりも経済的である。製造時間および可用性も先行技術と比較して向上している。
【００９０】
工程３０で鋳造されるすべてのインゴット、またはそれらの一部のみを、場合により分割工程後に複数の異なるプレスで並行して押し出すことができ、該方法の生産性が実質的に向上する。得られる伸長部品のコストがさらに削減される。
【００９１】
図１の方法では、従来の方法と異なり、工程３０で鋳造されたインゴットは再溶融されない。それにも関わらず、押出工程４０終了時に得られる伸長部品の品質は、意外にも、この品質向上として知られている鍛造工程が存在しなくても、鋳造欠陥の無い、ＶＡＲ再溶融後に得られる部品の機械強度に関して、十分である。
【００９２】
いくつかの規格では、高品質（または高性能）の伸長部品のためにＶＡＲ再溶融などの真空再溶融を必要とするが、図１の方法によって得られる部品は、このような再溶融工程の不在にもかかわらず、それらの規格に想定された用途に同等に好適であると発明者は考えている。
【００９３】
図２は、図１の方法の別の実施例を示す。
【００９４】
この例では、インゴットを押し出す工程３０は、３００ｍｍ未満の径を有する第１のインゴットを鋳造する工程３００と、次いでそれら第１のインゴットに対するＶＡＲ再溶融工程３０２とを含む。言い換えれば、「スカル溶融」溶融／鋳造後に得られた各第１のインゴット、または少なくともそれらのいくつかを個別にＶＡＲ溶融させる。それら第１のインゴットは、この溶融工程用の消費される溶接棒として機能する。
【００９５】
最後に、インゴットを鋳造する工程３０は、溶融材料の第２の塊から押し出されるインゴット、すなわち、径が３００ｍｍ未満の円筒状インゴットを鋳造する工程を含む。
【００９６】
ＶＡＲ再溶融工程を通して、消費される溶接棒が溶融するに従って鋳造が徐々に実施される。得られるインゴット、または第２のインゴットの径は、一般的に、溶接棒の径よりも１０〜２０％のオーダーで大きい。したがって、工程３００を通して鋳造されるインゴットの径の増大が考慮されなければならず、特に、工程４０を通して押し出されるインゴットが、径の縮小工程を必要とすることなく確実に３００ｍｍ未満の径を有するように考慮されなければならない。
【００９７】
図３は、図１および図２の方法のいずれかに従って製造された伸長部品に対して実施される仕上げまたは半仕上げ方法５０を示す。
【００９８】
押出工程４０で生じる伸長部品に、以下の工程の１つまたは複数が施される。
−（炉での）１つまたは複数の熱処理工程、および１つまたは複数の化学的表面処理工程（例えばエッチング）または物理的表面処理工程５１。
−伸長部品をその断面およびその全体的外観に対してまっすぐにする真直および解撚工程５２。
−熱処理工程５３。
−切断または分割手段による長さ調節工程５４。
−サンドブラストとも称されるサンドピーニング工程５５。
−成形工程５６。
−超音波、放射線写真術またはフーコー電流等既知の１つまたは複数の非破壊制御技術による制御工程５７。
−機械加工。
【００９９】
ここでは、これらの工程の順序は単に表示しているだけであり、異なる順序でも極めて良好に実施される。
【０１００】
提案された方法により、施行されている規格に沿った満足できる品質の伸長部品が、鍛造工程の不在でも得られ、それにより、従来のＶＡＲ再溶融工程を選択的に選べ、実質的にリサイクル材料を利用できる。
【０１０１】
提案された方法では、鍛造工程を含んでいない。発明者は、押出工程だけで、伸長部品において同等、または少なくとも十分な機械特性を得られることを実現し、それにより、あらゆる予想に反し、当該技術分野で普及している概念に逆らって、鍛造工程の有益な作用を不必要とすることができた。
【０１０２】
提案された方法では、製造コストが下がり、製造時間が短縮され、部品の可用性が高くなった。
【０１０３】
本発明は、上記方法に限定されず、単なる例として、特に、以下のように記載される。
【０１０４】
−溶融工程２０および鋳造工程３０は、「スカル溶融」を実施するものとして記載された。その溶融技術は、逐次溶融／鋳造方法と異なり、バッチ処理での溶融／鋳造を可能にしている。現状、この技術のみがこのような鋳造方法を可能にしている。それにも関わらず、図１および図２の方法を異なる溶融技術で実施することができ、スカル溶融と類似の特性が提供される。すなわち、それら方法により、好んで大量のリサイクル材料が利用でき、バッチ処理で鋳造されて、合理的なコストで３００ｍｍ未満の径を有する押出に最適なインゴットを製造できる。
【０１０５】
−工程３０２および３０４の再溶融工程を異なる溶融方法で実施でき、得られるインゴットの金属的品質を向上させ、許容可能なコストで、押出工程４０に最適なサイズを有するインゴット、すなわち３００ｍｍ未満の径を有するインゴットが得られる。
【０１０６】
−押出工程４０の終了時、または適用可能であれば仕上げ工程５０において、その断面をさらに縮小させる工程を含んだ１つまたは複数の成形工程、特に鍛造工程を、得られた伸長部品に施す。
【０１０７】
−事前の鍛造工程による径の縮小を行わずに、インゴットにＶＡＲ再溶解を施した直後、より全体的に３００ｍｍ未満の径を有するインゴットを押し出すことを構想して、第１の溶融／鋳造工程が任意の方法に従って実施され、当該方法により、最適な径を有するインゴットを合理的なコストで鋳造できる。
【０１０８】
−それに続く成形工程、例えば屈曲工程を、得られた伸長部品に施す。
【０１０９】
−本発明は、航空分野、特にこの分野で施行されている規格に関して記載されている。この分野が伸長チタン部品の広範な応用分野であり、それら部品の高レベル品質を要求するものだからである。これは、記載された方法の適用範囲をこの特定の活動分野に限定するものではない。また、チタンまたはチタン合金部品を使用する分野や、高品質の部品を必要とする他の分野において、その分野の範囲ではなくとも、航空分野によって確立された規格を参照することができる。したがって、本発明は、それらの分野にも適用することが出来る。より一般的には、本発明は、航空分野に加えて、航空以外の用途で高レベル品質の伸長チタン部品を必要とするすべての分野に適用されるような働きをする。この点において、本発明の方法により、航空以外の分野および／または一般社会で伸長チタン部品の新しい用途を提供するような柔軟性やコスト削減がもたらされる。
【０１１０】
−厳密には、図１の方法に従って製造された伸長部品は、真空下の溶融工程を含む複数の溶融工程が施されていないという点で、航空構造物への使用に関するアメリカ合衆国規格ＡＭＳ４９３５に準拠していない。しかしながら、それらは、特に機械強度の観点で同等の品質を有する部品を構成している。発明者は、これらの部品をこの規格に定められた部品の代わりに使用することができる、または、この規格が図１の方法によって得られた部品を含むように展開されるべきであると考えている。いずれにしても、これら部品の品質は、制約なくこの規格を参照する多くの分野において、有利に使用されるようなものである。
【０１１１】
本発明は、当業者が本明細書に照らし合わせて想定され得るすべての形態を含む。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン材料もしくはチタン合金から成る伸長部品、または当該部品の未完成品を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
「伸長部品」という用語は、この場合、その長さより実質的に小さい、またははるかに小さい断面寸法を有する金属構成要素を指すように使用される。
【０００３】
伸長部品は金属構成要素から構成され、その製造工程は、一般的に、少なくとも１つの押出工程を含む。しかし、この「伸長部品」という用語は、このような構成要素に限定されない。
【０００４】
伸長部品は、より具体的には、押出工程により得られる金属構成要素から構成され、中空形部材および管から成る異形構成要素から構成される。
【０００５】
「未完成品」という用語は、ここでは、極めて広い意味で理解されるべきである。この用語は、完成していないが、その全体的形状が完成した伸長部品の外観に実質的に対応している伸長部品を指すように使用される。これは、伸長部品未完成品は伸長な金属構成要素であるという意味を有している。
【０００６】
これは、例えば、未完成品を機械加工によって更に適応させた形状にしたり、または、全体的外観を例えば、湾曲、屈曲、もしくは任意の他の可塑的変形によって改良したりすることを排除しない。
【０００７】
むしろ、伸長部品の「未完成品」は、完成品をもたらすために、異なる成形、機械加工または表面処理工程を施される伸長要素であると理解されるべきである。
【０００８】
チタン材料またはチタン合金から成る伸長部品は、多くの分野において使用されている。それらの分野には、特に、航空および宇宙関連の構造物が含まれる。
【０００９】
それらの部品の金属的品質を管理する規格が存在する。その品質は、想定される用途に応じて要求されていた。
【００１０】
例えば、航空関連構造物の具体的な例では、部品故障によって引き起こされる劇的な結末のために、高レベルの品質が要求される。
【００１１】
一定レベルの品質を満たすことは、航空分野に限定されない。実際に、大多数の使用分野では、規格の対象になるか否かにかかわらず、最低限レベルの金属的品質が要求され、高品質の部品を得ることは、航空および宇宙分野に限定されない。
【００１２】
今日では、品質要求に加えて、ほぼ同程度に重要であるコストおよび可用性を含んだ要求が行われている。言い換えれば、品質要求を満たす部品の製造方法を把握するだけでは最早十分でなく、さらには、満足できるコストおよび市場を満足させるのに十分な量によってそれを可能にすることが必要となる。
【００１３】
そのような理由のため、少なくとも製造されるべきものと同等の品質レベルを有する部品を製造出来る、より安価な製造方法が絶えず探索されている。
【００１４】
従来方法では、まず、スポンジチタン、チタン片、チタン屑（フランスでは、不正確に「チタン屑鉄」と呼ばれることもある）および／またはより一般的にはリサイクルチタン材料を含むチタン材料塊を準備する。
【００１５】
続いて、そのチタン材料塊を溶融し、鋳造して、大きな径を有する単一インゴットを形成する。
【００１６】
それらの従来方法では、様々な技術を用いて、チタン塊の溶融／鋳造を行う。
【００１７】
「電子ビーム炉」という用語も使用される電子衝撃溶融法は、原料としてのスポンジチタンとリサイクル材料（屑）との混合物を溶融させるのに好適である。リサイクル材料はスポンジチタンより安価であるため、当該方法が有する経済的利点が理解されるであろう。
【００１８】
冷却るつぼにおけるプラズマトーチ溶融法および電子衝撃溶融法は、比較的近年の技術であり、より連続的な鋳造や、より高比率のチタン屑を溶融させる可能性を有する。このため、それらの技術は、従来の電子衝撃溶融法よりも経済的である。
【００１９】
従来の溶融方法を用いると、溶融材料の鋳造は徐々に進行し、極めて遅い。一般に、材料が溶融するに従って溶融タンクが満杯になり、それによって、溶融材料はインゴット鋳型に徐々に流入する。主として溶融技術の限界に起因する鋳造速度の遅さおよび逐次進行性は、インゴット内の鋳造不良をもたらす。
【００２０】
例えば、航空分野において安全性部品を得るための高度な金属的要求を満たすためには、第１の溶融／鋳造後に得られたインゴットを再溶融し、新しいインゴットを鋳造する必要がある。連続的な溶融工程は、インゴットの金属的品質を向上させる。
【００２１】
再溶融／鋳造は、従来は、真空アーク再溶融（ＶＡＲ）法を含む技術によって実施される。第１の溶融後に得られたインゴットは、徐々に溶融されると同時に鋳造されて溶接棒を形成し、連続的に類似の径を有するインゴットを形成する。実際に、新たに得られるインゴットの径は、消費される溶接棒、すなわち第１のインゴットの径よりも約１０〜２０％大きい。
【００２２】
なお、航空関連の構造物分野での使用に関するアメリカ合衆国規格ＡＭＳ４９４５といった、いくつかの規格では、ＶＡＲ再溶融工程が必要となる。
【００２３】
この「二重溶融」は、高価であることが分かる。したがって、鋳造者にとって、大きな径、実際には５００〜１０００ｍｍの径を有するインゴットを鋳造するための従来方法となっている。なお、鋳造インゴットの径が大きくなるにつれ、容積あたりのコストは下がる。言い換えれば、所定の容積の材料については、大きな径を有するインゴットの方が安価である。
【００２４】
主として溶融／鋳造速度の遅さおよび逐次進行性がある、従来の（第１の）溶融技術の短所を克服するために、真空下での電気アーク溶融法を伴った、英語では「スカル溶融」とも称される（フランス語では逐語的に「ｆｕｓｉｏｎ ｅｎ ｃａｒａｐａｃｅ」と称される）「自己るつぼ」法を使用する技術が近年開発されている。「スカル溶融」という用語は、ある溶融方法を称するように用いられ、その溶融方法では、炉のるつぼが冷却され、その上に、溶融材料シェル、この場合はチタンシェルを形成する、または、溶融材料の残部を炉のるつぼから隔離するようにるつぼを更にその上に形成する。
【００２５】
溶融されるチタン塊の一部はるつぼ内に配置され、その塊の他の部分は消費される溶融棒の形態となっている。溶融棒とるつぼの間に発生する電気アーク手段によって、チタン塊全体が溶融され、その後、溶融槽の温度で静置される。続いて、るつぼを傾斜させることにより、溶融塊は、１つの工程にて１つまたは複数のインゴット鋳型で鋳造される。
【００２６】
「スカル溶融」は、溶融材料塊全体を、単一工程によってバッチ処理（傾斜）で迅速な鋳造を可能にしている。これにより、古い溶融技術の鋳造遅さおよび逐次進行性による鋳造欠陥が防止される。
【００２７】
経済的理由により、従来、単一の大きなインゴットが鋳造される。
【００２８】
スカル溶融によって、スポンジチタンおよびリサイクル材料は、同程度に十分溶融される。
【００２９】
さらなる利点としては、るつぼに接触するように形成された金属脈石材料を新しい溶接棒として、容易にまたは直接的に再利用することができる。
【００３０】
所望の伸長部品の大多数については、インゴットの径が過度に大きいため、現行のプレス機の能力では、ＶＡＲ再溶融後またはスカル溶融後に得られるインゴットを直接押し出すことができない。
【００３１】
大きな径のインゴットを、押出プレスに適応した径を有する１つまたは複数の棒と所望の伸長部品に変形させるためには、鍛造によって径を減少する１つまたは複数の工程が必要である。
【００３２】
例として、ＶＡＲ再溶融またはスカル溶融工程から得られるインゴットは、約６００ｍｍの径を有し、連続的な鍛造工程によって、約１２０ｍｍの径を有する棒に変形される。すなわち、鍛造による径（断面）の減少率は、約２５分の１（２５００％）の減少となる。
【００３３】
なお、溶融（ＶＡＲまたはスカル溶融等）後に系統的に使用されるように、棒の金属的品質を、鍛造によって実質的に向上させる。
【００３４】
また、例えば、機械加工（鍛造された棒から微細表面層を除去したり、もしくは「デスケーリング」（スケール層除去））または仕上げ処理といった追加工程を、必要であれば、押出前に実施することができる。
【００３５】
要約すると、チタンまたはチタン合金から成る高品質の伸長部品をチタン塊から製造するための従来の製造プログラムは、以下の工程から成る。
−チタンまたはチタン合金塊を溶融して、大きな径を有する単一インゴットを鋳造する工程。
−この単一のインゴットをＶＡＲ再溶融して、大きな径を有する単一のインゴットを形成する工程。もし、先行する溶融工程がスカル溶融で実施されなかった場合、この工程は実質的に必須のものであり、この再溶融は、航空分野の規格により要求される。
−１つ以または複数の鍛造工程を含み、大きな径を有するインゴットからの押出成形で１つまたは複数の棒を製造する工程。
−実用的な最終形状の伸長部品を得るために、それらの棒を押出プレスで押出する工程。
【００３６】
続いて、完成形の伸長部品を得るために、伸長部品の表面処理、かつ／または全体的な外観改良を行う１つまたは複数の工程が実施される。
【００３７】
この製造プログラムでは、特に、コスト、伸長部品の製造時間および部品の可用性の観点において、極めて部分的にしか満足がいかない。
【００３８】
出願人は、その状況の改善を試みた。
【００３９】
提案される方法は、チタン材料もしくはチタン合金から伸長部品または当該部品の未完成品を製造するための方法に関し、チタン材料もしくはチタン合金塊を準備し、その塊を電気アークおよびスカル溶融によって溶融し、実質的に円筒形状を有し、約３００ｍｍ未満の径を有する１つまたは複数のインゴットを溶融塊から鋳造し、次いで押出プレス手段によってそれらのインゴットの１つまたは複数を８００℃〜１２００℃の温度で押し出すことを含む方法に関する。
【００４０】
当該方法により、安定した伸長部品、すなわち、実用において鋳造欠陥がなく、特に引張試験によって測定される機械強度が、従来の方法または現在既知の方法によって得られる部品と少なくとも同等である伸長部品が得られる。例として、この方法により、少なくとも機械強度の性質に関しては、現在施行されている航空分野規格、例えばアメリカ合衆国ＡＭＳ４９３５またはＡＭＳ４９４５の規格に準拠する部品と同等の品質を有する伸長部品が得られる。
【００４１】
さらに、この方法により、従来の方法または現在既知の方法の製造コストより潜在的に低い部品製造コストとなり、また、部分的に鍛造工程がないことに関連して製造時間が短縮され、更に、より一般的には、押出工程前の鋳造インゴットの径が実質的に低減され、同時に複数のインゴットが鋳造される。
【００４２】
提案される方法により、特に、製造プログラムが単純化されること、および準備されるチタンまたはチタン合金塊にリサイクル材料を高比率で使用できる可能性により、得られる伸長部品の可用性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を考察することにより理解されるであろう。
【図１】本発明による方法を示す工程チャートである。
【図２】図１の方法の別の形態を示す工程チャートである。
【図３】図１および図２の方法に加えて実施でき得る補助的方法を示す工程チャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
添付の図面は、本発明を補足するだけでなく、適用可能であればその定義に寄与するのに役立つ。
【００４５】
図１は、チタンもしくはチタン合金から伸長部品、またはこの種の部品の未完成品を製造する方法を示す。
【００４６】
図１の方法は、チタン材料またはチタン合金塊を準備する工程１０と、その塊を電気アークおよびスカル溶融によって溶融する工程２０と、約３００ｍｍ未満の径を有する実質的に円筒状な１つまたは複数のインゴットを溶融塊から鋳造する工程３０と、次いで押出プレス手段によってそれらのインゴットの１つまたは複数を８００〜１２００℃の温度で押し出す工程４０とを含む。選択的には、この押出工程から得られた伸長部品に、１つまたは複数の仕上げ工程または準仕上げ工程５０が施される。
【００４７】
図１の方法は、チタンまたはチタン合金塊を準備する工程１０から始まる。その塊の化学組成は、伸長部品に所望されるグレード（等級）に基づく。例えば、その塊の化学組成として、合金ＴＡ６Ｖ４、またはそれに相当するアメリカ合衆国規格ＡＭＳ４９３５に記載されたもの、あるいはＴＡ３Ｖ２．５、またはそれに相当するアメリカ合衆国規格ＡＭＳ４９４５に記載されたものを得るように使用されてもよい。
【００４８】
これらの合金は、特に、部品の高レベルの金属的品質が要求される厳しい規格を有する航空分野において使用されている。しかし、それらの用途は、決してその活動分野に限定されず、図１の方法の実施態様もそれら特定の合金に限定されず、特に、想定される用途に応じた多様な異なるチタン組成物、例えばＴ４０またはＴ６０などに拡大適用される。
【００４９】
この塊は、鋳造ダイ、レードルもしくは脈石から、スカル溶融によって全体的もしくは部分的に生成される、スポンジチタン、チタン屑もしくはチタン合金屑、チタン片もしくはチタン合金片を含み、または、より一般的には、任意の形態のリサイクルチタン材料を含む。リサイクル材料の組成は、その品質および化学組成に関して制御される。
【００５０】
リサイクル材料成分は、屑消耗品、またはチタン産業で使用されるチタンもしくはチタン合金製部品の残留物を再溶融や機械加工などして得られる処理済みリサイクル材料である。
【００５１】
それらのリサイクル材料は、必ずしも必須ではないが、例えば、伸長部品に所望されるグレードに基づいた多様な異なる化学組成を有する。それらの材料は、上記で立案された合金に対応している。
【００５２】
リサイクル材料成分は、可用性を有し、質量あたりのコスト、すなわち材料１キログラムあたりのコストがスポンジチタンよりも少なく、それの利用促進は利点となる。
【００５３】
準備工程１０のチタンまたはチタン合金塊は、グレード調整用の成分、および／または方法の手順、想定される用途、および／または伸長部材に所望されるグレードに応じた比率の合金から構成される。
【００５４】
図１の方法は、工程１０で準備されたチタン材料またはチタン合金塊に電気アーク溶融、および自己るつぼ法を使用した溶融を行う工程２０に続く。
【００５５】
すなわち、この溶融は、「スカル溶融」の形態で実施される。
【００５６】
スカル溶融は、減圧器、および減圧器内部に収容された適切な形状のるつぼから成る炉の手段によって実施される。
【００５７】
消費される溶接棒を容器内に備え付け、チタン材料をるつぼに充填する。大きな電位差が、溶接棒とるつぼ間に形成される。この電位差が所定の閾値に達すると、溶接棒の下端とるつぼ内のチタン材料間に、高レベルのエネルギーを有する電気アークが生成される。
【００５８】
実際には、溶接棒は、容器内で下方に移動する垂直部品上に備え付けられる。
【００５９】
溶接棒が完全に溶融されると、るつぼ内に存在する溶融チタン塊を鋳造することができ、この鋳造は、１つの工程で、選択した形状、この場合は円形の断面および３００ｍｍ未満の径を有した形状で容器内部に配置された１つまたは複数のインゴット鋳型によって行われる。したがって、この鋳造工程は、非常に迅速である。例えば、るつぼを傾斜させることによって実施することができる。このように、スカル溶融は、バッチ処理を含む溶融／鋳造技術である。
【００６０】
この溶融／鋳造工程中、溶融チタン塊の一部がるつぼとの界面で固化して、るつぼ内の他成分、またはるつぼ自身によるあらゆる汚染から溶融時のチタンを保護するチタンの脈石を形成する。言い換えれば、この脈石により、炉内に物理的に設けられたるつぼ内に、追加的なるつぼが形成される（自己るつぼ溶融法）。冷却後、その脈石を新たな溶融工程における消費される溶接棒として使用するので、コストの観点から有利である。炉のるつぼは、脈石が、消費される溶接棒としてその後の作用に適応した形状を有するように形成される。
【００６１】
工程１０で準備されたチタン塊は、有利には、先行して行われたチタン塊のスカル溶融による溶融および鋳造により生じる脈石または鋳造ダイを含む。
【００６２】
また、有利には、工程１０で準備されたチタン塊は、高比率でリサイクルチタン材料を含む。
【００６３】
好ましくは、工程１０のチタン塊は、専ら、１つまたは複数のスカル溶融ダイ、リサイクル材料および必要とされる合金成分、あるいはグレードを適切な割合に調整する成分を含む。
【００６４】
言い換えれば、この場合、チタンまたはチタン合金塊を準備する工程１０では、主に、その質量あたりの大部分または全体がリサイクル材料により構成されたチタン材料またはチタン合金の混合物が製造される。グレード調整用成分の添加だけは必要である。
【００６５】
したがって、図１の方法では、電気アーク溶融およびスカル溶融法を利用することにより、リサイクル材料をほぼ全体的に使用出来るので、高品質部品を従来の方法より低コストで得ることが出来るという点で非常に特異的な利点を有する。
【００６６】
この溶融工程で使用される、超溶融温度（ｓｕｐｅｒｍｅｌｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）と称される温度は、準備工程１０の塊の組成に依存する。考え得る大多数の組成において、この塊は、１６００℃を超える超溶融温度によって、溶融される。
【００６７】
図１の方法では、全体的に円形の断面を有し、その径が約３００ｍｍ未満であるインゴットを鋳造する工程に続く。それらインゴットの径は、好ましくは２５０ｍｍ未満である。その鋳造工程は、例えば、溶融チタン塊を含有するるつぼを傾斜させることによって、単一工程（「バッチ処理」）で迅速に溶融塊全体を鋳造することに関する。
【００６８】
工程３０を通して鋳造されるインゴットの径に下限はない。しかし、経済的理由により、１００ｍｍを超える径を有するインゴットを鋳造することが好ましい。
【００６９】
工程３０で鋳造されるインゴットの長さに関しては、理論的な制限はない。
【００７０】
実際には、その長さが、工程４０を通して押し出されるインゴットの長さに対してある比率になるインゴットが鋳造される。例えば、材料の損失を避けるために、工程３０を通して鋳造されるインゴットの長さは、工程４０を通して押し出されるインゴットの長さの倍数と等しくなるように選択することができる。より一般的には、工程３０で鋳造されるインゴットの長さは、押出工程４０を通して押し出されるインゴットの長さの合計に等しくなるように選択することもできる。
【００７１】
好ましくは、工程３０中で溶融されるチタン材料塊が許す限りの量の円筒状インゴットが、鋳造工程３０を通して鋳造される。したがって、スカル溶融によって、バッチ処理での鋳造が可能になるという最大の利点が得られる。工程２０を通して鋳造されるチタンまたはチタン合金塊、すなわち工程１０を通して準備されるチタンまたはチタン合金塊が選択されるが、これは、押し出されるべきインゴットの数、すなわちそのため予め鋳造されるべきインゴットの数およびそれらの寸法に応じた量の観点から行われる。
【００７２】
工程３０で鋳造される各インゴットの径は、３００ｍｍ未満である。それらのインゴットの各々は、押出工程前に大幅に径を減少させずに、工程４０で押し出されることができる。
【００７３】
しかしながら、工程３０の鋳造と工程４０の押出との間にデスケーリング工程が存在してもよい。デスケーリング工程により必然的に径の減少が生じるが、その減少はわずかである（十分の数ミリメートルオーダーである）ため、インゴットの径の大幅な減少をもたらすとは考えられない。また、デスケーリングは、鋳造インゴットの表面層を除去するために行われるため、この点において、定義上、インゴットの径を大幅に減少させる目的である径の減少工程を指すものではない。
【００７４】
工程３０で鋳造される円筒状インゴットは、それらの径および長さに関して互いに類似した寸法を有することができる。それらのインゴットは、例えば異なる伸長部品を製造するように異なる長さおよび／または径を有することもできる。工程３０で鋳造される各インゴットの径および長さを、工程４０を通して押し出されるインゴットの径および長さに応じて選択することができる。押し出されるインゴットの長さおよび径を、押出工程４０の終了時に得られるべき伸長部品に応じて決定することができる。言い換えれば、図１の方法により、鋳造工程３０の終了時には、その寸法を押出工程に適応させ、更にその寸法を所望の伸長部品の寸法に応じて計算することができるインゴットが得られる。
【００７５】
この点において、図１の方法は従来の方法と異なり、特に、鋳造インゴットの質量あたりのコストを削減するための単一インゴットの鋳造工程、およびインゴットの径を減少させるための鍛造工程を備える。言い換えれば、従来の方法では鋳造インゴットの径が強制される（４００〜６００ｍｍオーダー）のに対して、この場合はこの径を選択することができる。
【００７６】
伸長部品の強制される寸法に対して、実際には、押し出されるインゴット４０として実行可能な径および長さには幅があると理解されるであろう。図１の方法に従って異なる寸法を有する伸長部品を製造しなければならない場合、可能であれば、押し出し成型されるそれらインゴットの径の値を、それら部品のすべてに適応するように選択することは有利となる。それにより、異なる伸長部品の押出成型に適応したインゴットを製造するために、分割可能なインゴットを鋳造することができる。それにより、押出成型されるインゴットのストック管理が最適化される。
【００７７】
図１の方法により、より大きな径を有する部品およびより小さな径を有する部品を、簡単かつ類似のコストで（原料のコストを除く）製造出来ることも理解されるであろう。逆に、径を減少するために鍛造工程を必要とする従来の方法では、小さな径を有する部品を製造することはより複雑かつ高コストであり、多くの場合、それらの部品に対して、鍛造によってより大きな減少率を引き起こしてしまう。
【００７８】
現在使用されているプレスでは、１５００ｍｍを超える長さを有するインゴットを押し出すことができない。言い換えれば、工程３０で鋳造されるインゴットの長さは、１５００ｍｍ未満でしかないが、もし、より効果的なプレスが開発されれば、更に長く形成されることが可能になる。
【００７９】
図１の方法は、伸長部品または当該部品の未完成品を得るための、押出プレスによる円筒状インゴットの熱間押出工程４０において終了となる。押出工程４０を、固体部品または中空部品を得るように適合することができる。
【００８０】
押出温度は、インゴットの組成に依存する、所謂「ベータトランサス」温度より高い。
【００８１】
押出工程４０は、一般的に、８００℃〜１２００℃の高温状態で実施される。押出工程は、好ましくは、材料の良好な可塑性を確保するために９００℃を超える温度で実施され、非効率なエネルギー消費を防止しながら好適な金属的構造を得るために１１５０℃未満の温度で実施される。
【００８２】
押出工程は、押出ダイおよびヘッダーダイを備えた従来の押出プレス手段によって実施される。中空伸長部品を製造する必要がある場合、「ニードル」とも称するロッドをさらに使用する（この場合、押し出されるインゴットは、予め貫通されていてもよい）。
【００８３】
この押出工程は、潤滑剤の存在下、高温状態で実施される。この潤滑剤は、一般的には、ガラス、すなわち９００℃を超える温度での従来の熱間押出工程用の従来の潤滑剤を含有している。
【００８４】
図１の方法では、押出工程４０の前に、工程３０で鋳造されたインゴットの径を減少させる工程は必要ではない。
【００８５】
しかし、工程４０で押出成型されるインゴットを形成するために工程３０で鋳造されるインゴットに対して、デスケーリング、異なる表面処理工程または分割処理など１つまたは複数の特異な工程のすべてが妨げられるということではないと理解されるはずである。
【００８６】
押出工程４０から生じる伸長部品の金属的品質は、意外にも、少なくとも機械強度、特に低温引張試験によって測定される機械強度に関しては、従来の方法で製造される部品と同程度の金属的品質を有する。
【００８７】
押出工程４０前に鍛造工程がない状態で同程度の品質が得られるのは、押出工程が、小さな径に鋳造されたインゴットの金属的構造に有益で十分な作用を及ぼすという点に大きく関係している。
【００８８】
押出工程４０の前において、鋳造工程３０で生じるインゴットの径の縮小工程の不在、特に鍛造工程の不在は、伸長部品の製造コスト削減をももたらす。したがって、このような工程が存在しないことは、また、当該部品の製造時間を短縮する。
【００８９】
押出工程前のインゴットへの鍛造工程または他の成形工程の不在、その押出工程で生じる伸長部品の品質により、図１の方法は、工程３０を通して鋳造されたインゴットの径が相当に小さいにもかかわらず、伸長部品の最終コストに関して先行技術の方法よりも経済的である。製造時間および可用性も先行技術と比較して向上している。
【００９０】
工程３０で鋳造されるすべてのインゴット、またはそれらの一部のみを、場合により分割工程後に複数の異なるプレスで並行して押し出すことができ、該方法の生産性が実質的に向上する。得られる伸長部品のコストがさらに削減される。
【００９１】
図１の方法では、従来の方法と異なり、工程３０で鋳造されたインゴットは再溶融されない。それにも関わらず、押出工程４０終了時に得られる伸長部品の品質は、意外にも、この品質向上として知られている鍛造工程が存在しなくても、鋳造欠陥の無い、ＶＡＲ再溶融後に得られる部品の機械強度に関して、十分である。
【００９２】
いくつかの規格では、高品質（または高性能）の伸長部品のためにＶＡＲ再溶融などの真空再溶融を必要とするが、図１の方法によって得られる部品は、このような再溶融工程の不在にもかかわらず、それらの規格に想定された用途に同等に好適であると発明者は考えている。
【００９３】
図２は、図１の方法の別の実施例を示す。
【００９４】
この例では、インゴットを押し出す工程３０は、３００ｍｍ未満の径を有する第１のインゴットを鋳造する工程３００と、次いでそれら第１のインゴットに対するＶＡＲ再溶融工程３０２とを含む。言い換えれば、「スカル溶融」溶融／鋳造後に得られた各第１のインゴット、または少なくともそれらのいくつかを個別にＶＡＲ溶融させる。それら第１のインゴットは、この溶融工程用の消費される溶接棒として機能する。
【００９５】
最後に、インゴットを鋳造する工程３０は、溶融材料の第２の塊から押し出されるインゴット、すなわち、径が３００ｍｍ未満の円筒状インゴットを鋳造する工程を含む。
【００９６】
ＶＡＲ再溶融工程を通して、消費される溶接棒が溶融するに従って鋳造が徐々に実施される。得られるインゴット、または第２のインゴットの径は、一般的に、溶接棒の径よりも１０〜２０％のオーダーで大きい。したがって、工程３００を通して鋳造されるインゴットの径の増大が考慮されなければならず、特に、工程４０を通して押し出されるインゴットが、径の縮小工程を必要とすることなく確実に３００ｍｍ未満の径を有するように考慮されなければならない。
【００９７】
図３は、図１および図２の方法のいずれかに従って製造された伸長部品に対して実施される仕上げまたは半仕上げ方法５０を示す。
【００９８】
押出工程４０で生じる伸長部品に、以下の工程の１つまたは複数が施される。
−（炉での）１つまたは複数の熱処理工程、および１つまたは複数の化学的表面処理工程（例えばエッチング）または物理的表面処理工程５１。
−伸長部品をその断面およびその全体的外観に対してまっすぐにする真直および解撚工程５２。
−熱処理工程５３。
−切断または分割手段による長さ調節工程５４。
−サンドブラストとも称されるサンドピーニング工程５５。
−成形工程５６。
−超音波、放射線写真術またはフーコー電流等既知の１つまたは複数の非破壊制御技術による制御工程５７。
−機械加工。
【００９９】
ここでは、これらの工程の順序は単に表示しているだけであり、異なる順序でも極めて良好に実施される。
【０１００】
提案された方法により、施行されている規格に沿った満足できる品質の伸長部品が、鍛造工程の不在でも得られ、それにより、従来のＶＡＲ再溶融工程を選択的に選べ、実質的にリサイクル材料を利用できる。
【０１０１】
提案された方法では、鍛造工程を含んでいない。発明者は、押出工程だけで、伸長部品において同等、または少なくとも十分な機械特性を得られることを実現し、それにより、あらゆる予想に反し、当該技術分野で普及している概念に逆らって、鍛造工程の有益な作用を不必要とすることができた。
【０１０２】
提案された方法では、製造コストが下がり、製造時間が短縮され、部品の可用性が高くなった。
【０１０３】
本発明は、上記方法に限定されず、単なる例として、特に、以下のように記載される。
【０１０４】
−溶融工程２０および鋳造工程３０は、「スカル溶融」を実施するものとして記載された。その溶融技術は、逐次溶融／鋳造方法と異なり、バッチ処理での溶融／鋳造を可能にしている。現状、この技術のみがこのような鋳造方法を可能にしている。それにも関わらず、図１および図２の方法を異なる溶融技術で実施することができ、スカル溶融と類似の特性が提供される。すなわち、それら方法により、好んで大量のリサイクル材料が利用でき、バッチ処理で鋳造されて、合理的なコストで３００ｍｍ未満の径を有する押出に最適なインゴットを製造できる。
【０１０５】
−工程３０２および３０４の再溶融工程を異なる溶融方法で実施でき、得られるインゴットの金属的品質を向上させ、許容可能なコストで、押出工程４０に最適なサイズを有するインゴット、すなわち３００ｍｍ未満の径を有するインゴットが得られる。
【０１０６】
−押出工程４０の終了時、または適用可能であれば仕上げ工程５０において、その断面をさらに縮小させる工程を含んだ１つまたは複数の成形工程、特に鍛造工程を、得られた伸長部品に施す。
【０１０７】
−事前の鍛造工程による径の縮小を行わずに、インゴットにＶＡＲ再溶解を施した直後、より全体的に３００ｍｍ未満の径を有するインゴットを押し出すことを構想して、第１の溶融／鋳造工程が任意の方法に従って実施され、当該方法により、最適な径を有するインゴットを合理的なコストで鋳造できる。
【０１０８】
−それに続く成形工程、例えば屈曲工程を、得られた伸長部品に施す。
【０１０９】
−本発明は、航空分野、特にこの分野で施行されている規格に関して記載されている。この分野が伸長チタン部品の広範な応用分野であり、それら部品の高レベル品質を要求するものだからである。これは、記載された方法の適用範囲をこの特定の活動分野に限定するものではない。また、チタンまたはチタン合金部品を使用する分野や、高品質の部品を必要とする他の分野において、その分野の範囲ではなくとも、航空分野によって確立された規格を参照することができる。したがって、本発明は、それらの分野にも適用することが出来る。より一般的には、本発明は、航空分野に加えて、航空以外の用途で高レベル品質の伸長チタン部品を必要とするすべての分野に適用されるような働きをする。この点において、本発明の方法により、航空以外の分野および／または一般社会で伸長チタン部品の新しい用途を提供するような柔軟性やコスト削減がもたらされる。
【０１１０】
−厳密には、図１の方法に従って製造された伸長部品は、真空下の溶融工程を含む複数の溶融工程が施されていないという点で、航空構造物への使用に関するアメリカ合衆国規格ＡＭＳ４９３５に準拠していない。しかしながら、それらは、特に機械強度の観点で同等の品質を有する部品を構成している。発明者は、これらの部品をこの規格に定められた部品の代わりに使用することができる、または、この規格が図１の方法によって得られた部品を含むように展開されるべきであると考えている。いずれにしても、これら部品の品質は、制約なくこの規格を参照する多くの分野において、有利に使用されるようなものである。
【０１１１】
本発明は、当業者が本明細書に照らし合わせて想定され得るすべての形態を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン材料もしくはチタン合金から成る伸長部品、または当該部品の未完成品を製造するための方法であって、
ａ）チタン材料またはチタン合金塊を準備する工程（１０）と、
ｂ）電気アークおよびスカル溶融法を使用してその塊を溶融させる工程（２０）と、
ｃ）約３００ｍｍ未満の径を有する１つまたは複数の実質的に円筒状のインゴットを溶融塊から鋳造する工程（３０）と、次いで
ｄ）それらのインゴットの１つまたは複数を押出プレス手段によって８００℃から１２００℃の温度で押し出す工程（４０）と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記工程ｃ）は、
ｃ１）１つまたは複数の第１のインゴットを溶融塊から鋳造する工程（３００）と、
ｃ２）第１のインゴットの各々を溶融して、チタン材料またはチタン合金から成る第２の塊を形成する工程（３０２）と、
ｃ３）チタン材料またはチタン合金から成る第２の塊の各々から、実質的に円筒状で約３００ｍｍ未満の径を有するように押し出される１つまたは複数のインゴットを鋳造する工程（３０４）と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記工程ｃ１）は、
ｃ１１）約３００ｍｍ未満の径を有する１つまたは複数の実質的に円筒状のインゴットを溶融塊から鋳造する工程（３００）を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の方法において、
前記工程ｃ３）は、
ｃ３１）チタン材料またはチタン合金から成る第２の塊の各々から、実質的に円筒状で約３００ｍｍ未満の径を有するように押し出されるインゴットを鋳造する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか一項に記載の方法において、
前記工程ｃ２）は、
ｃ２１）少なくとも第１のインゴットを真空電気アークによって溶融する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
押し出されるインゴットの径は、２５０ｍｍ未満であることを特徴とする方法。
【請求項７】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
押し出されるインゴットの径は、１００ｍｍよりも大きいことを特徴とする方法。
【請求項８】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
前記工程ｄ）は潤滑剤の存在下で実施されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、
前記潤滑剤はガラスを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
前記押出温度は、９００℃から１１５０℃であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
前記工程ｃ）は、
ｃＩ）工程ｂ）で溶融した塊全体を実用的に鋳造して、実質的に円筒状で３００ｍｍ未満の径を有するように押し出されるインゴットを形成する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
工程ｄ）の前に、工程ｃ）で鋳造されたインゴットの径を減少する工程を含まない、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
工程ｃ）と工程ｄ）の間にデスケーリング工程を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
工程ｃ）で鋳造されるインゴットの径は、チタン材料もしくはチタン合金から成る伸長部品、または当該部品の未完成品の所望の径に従って選択されることを特徴とする方法。
【請求項１】
チタン材料もしくはチタン合金から成る伸長部品、または当該部品の未完成品を製造するための方法であって、
ａ）チタン材料またはチタン合金塊を準備する工程（１０）と、
ｂ）電気アークおよびスカル溶融法を使用してその塊を溶融させる工程（２０）と、
ｃ）約３００ｍｍ未満の径を有する１つまたは複数の実質的に円筒状のインゴットを溶融塊から鋳造する工程（３０）と、次いで
ｄ）それらのインゴットの１つまたは複数を押出プレス手段によって８００℃から１２００℃の温度で押し出す工程（４０）と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記工程ｃ）は、
ｃ１）１つまたは複数の第１のインゴットを溶融塊から鋳造する工程（３００）と、
ｃ２）第１のインゴットの各々を溶融して、チタン材料またはチタン合金から成る第２の塊を形成する工程（３０２）と、
ｃ３）チタン材料またはチタン合金から成る第２の塊の各々から、実質的に円筒状で約３００ｍｍ未満の径を有するように押し出される１つまたは複数のインゴットを鋳造する工程（３０４）と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記工程ｃ１）は、
ｃ１１）約３００ｍｍ未満の径を有する１つまたは複数の実質的に円筒状のインゴットを溶融塊から鋳造する工程（３００）を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の方法において、
前記工程ｃ３）は、
ｃ３１）チタン材料またはチタン合金から成る第２の塊の各々から、実質的に円筒状で約３００ｍｍ未満の径を有するように押し出されるインゴットを鋳造する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか一項に記載の方法において、
前記工程ｃ２）は、
ｃ２１）少なくとも第１のインゴットを真空電気アークによって溶融する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
押し出されるインゴットの径は、２５０ｍｍ未満であることを特徴とする方法。
【請求項７】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
押し出されるインゴットの径は、１００ｍｍよりも大きいことを特徴とする方法。
【請求項８】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
前記工程ｄ）は潤滑剤の存在下で実施されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、
前記潤滑剤はガラスを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
前記押出温度は、９００℃から１１５０℃であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
前記工程ｃ）は、
ｃＩ）工程ｂ）で溶融した塊全体を実用的に鋳造して、実質的に円筒状で３００ｍｍ未満の径を有するように押し出されるインゴットを形成する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
工程ｄ）の前に、工程ｃ）で鋳造されたインゴットの径を減少する工程を含まない、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
工程ｃ）と工程ｄ）の間にデスケーリング工程を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
先行する請求項のいずれか一項に記載の方法において、
工程ｃ）で鋳造されるインゴットの径は、チタン材料もしくはチタン合金から成る伸長部品、または当該部品の未完成品の所望の径に従って選択されることを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１２−５２５４９７（Ｐ２０１２−５２５４９７Ａ）
【公表日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０７７９４（Ｐ２０１２−５０７７９４）
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２０１０／０００３２９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２５２５３
【国際公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５１１２６２５８８）
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＦＩＶＡＬ
【住所又は居所原語表記】３５， ｒｕｅ ｄｕ Ｄｏｃｔｅｕｒ Ｔｏｕａｔｉ， Ｆ−９５３４０ Ｐｅｒｓａｎ， ＦＲＡＮＣＥ
【出願人】（５１１２６２６１４）ゲーエフエー・メタル・ウント・マテリアーリアン・ゲーエムベーハー (1)
【氏名又は名称原語表記】Ｇｆｅ Ｍｅｔａｌｌｅｕｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｉｅｎ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｈｏｆｅｎｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ４５， Ｄ−９０４３１ Ｎｕｒｎｂｅｒｇ， ＧＥＲＭＡＮＹ
【出願人】（５１１２６２６２５）ペーエフヴェー・エアロスペース・アーゲー (1)
【氏名又は名称原語表記】ＰＦＷ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ａｍ Ｎｅｕｅｎ Ｒｈｅｉｎｈａｆｅｎ１０， Ｄ−６７３４６ Ｓｐｅｙｅｒ， ＧＥＲＭＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２０１０／０００３２９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２５２５３
【国際公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５１１２６２５８８）
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＦＩＶＡＬ
【住所又は居所原語表記】３５， ｒｕｅ ｄｕ Ｄｏｃｔｅｕｒ Ｔｏｕａｔｉ， Ｆ−９５３４０ Ｐｅｒｓａｎ， ＦＲＡＮＣＥ
【出願人】（５１１２６２６１４）ゲーエフエー・メタル・ウント・マテリアーリアン・ゲーエムベーハー (1)
【氏名又は名称原語表記】Ｇｆｅ Ｍｅｔａｌｌｅｕｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｉｅｎ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｈｏｆｅｎｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ４５， Ｄ−９０４３１ Ｎｕｒｎｂｅｒｇ， ＧＥＲＭＡＮＹ
【出願人】（５１１２６２６２５）ペーエフヴェー・エアロスペース・アーゲー (1)
【氏名又は名称原語表記】ＰＦＷ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ａｍ Ｎｅｕｅｎ Ｒｈｅｉｎｈａｆｅｎ１０， Ｄ−６７３４６ Ｓｐｅｙｅｒ， ＧＥＲＭＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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