JP2006161161A - 真空コールドスプレープロセス - Google Patents

Abstract

【課題】堆積の際に最も外側の堆積層の酸化を回避する、コールドスプレーを用いて一つまたは複数の堆積層を基体上に形成する方法が提供される。
【解決手段】金属材料を基体（１０）上に堆積させる方法は、基体（１０）を真空チャンバー（５２）内に配置し、スプレーガン（２２）ノズル（２０）を真空チャンバー（５２）のポート（５０）内へ挿入し、粉末状金属材料を溶融させずに粉末状金属材料を基体の表面（２４）上に堆積させる、ステップを含む。堆積ステップは、衝突の際に粉末状金属材料の粒子が塑性変形しかつ基体（１０）の表面（２４）に結合するように、真空チャンバー（５２）内で粉末状金属材料の粒子を所定の速度に加速することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属合金を基体上に堆積させる方法に関する。

最近、新しい金属被覆（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）スプレー技術としてコールドガスダイナミックスプレーまたは「コールドスプレー」が導入されてきた。この導入されてきたコールドガススプレープロセスは、金属粒子を加速するのにヘリウムなどのガスを用いる開放空気（ｏｐｅｎ−ａｉｒ）プロセスである。コールドスプレーの利点の一部は、粒子が溶融せずかつヘリウムガス流中に収容されるので、開放空気にもかかわらず、堆積の際に酸素を取り込むことがないことである。

複数回の通過による被覆において、最初の通過と後続の通過との間に剥離領域があり得るといういくらかの懸念がある。一旦最初の通過が堆積され、スプレーガンがその位置から移動し去ると、堆積された材料の外側層が酸化され、後続の通過は、この酸化を十分にブラストせずまた別な仕方でも除去せず、従って、弱い結合界面が生じる、と考える人もいる。

低い「購入物対飛行物（ｂｕｙ−ｔｏ−ｆｌｙ）」比の技術、またはレーザー工作されたネットシェイプなどの付加的技術のための他のプロセスとコールドスプレーが競合する必要がある場合、剥離の問題は克服する必要がある。

従って、本発明の目的は、堆積の際に最も外側の堆積層の酸化を回避する、コールドスプレーを用いて一つまたは複数の堆積層を基体上に形成する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、複数の層が堆積されるときの剥離を回避する、上述したような方法を提供することである。

本発明のなおさらなる目的は、金属材料を基体上に堆積させるための改良されたシステムを提供することである。

上述した目的は、本発明の方法によって達成される。

本発明に従うと、金属材料を基体上に堆積させる方法は概略、基体を真空チャンバー内に配置し、スプレーガンノズルを真空チャンバーのポート内へ挿入し、粉末状金属材料を溶融させずに粉末状金属材料を基体の表面上に堆積させる、ステップを含む。堆積ステップは、衝突の際に粉末状金属材料の粒子が塑性変形しかつ基体の表面に結合するように、真空チャンバー内で粉末状金属材料の粒子を所定の速度に加速することを含む。

本発明にさらに従うと、金属材料を基体上に堆積させるためのシステムは概略、基体が内部に配置される真空チャンバーと、粉末状金属材料を溶融させずに粉末状金属材料を基体の表面上に堆積させる手段と、を備える。堆積手段は、真空チャンバーのポート内に配置されたスプレーガンノズルを含む。

真空コールドスプレープロセスの他の詳細、およびそれに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明中に、および同様の参照符号が同様の部材を図示している添付の図面中に述べられる。

上に指摘したように、この数年間、コールドガスダイナミックスプレー（「コールドスプレー」）として知られる技術が開発されてきた。この技術は、有利なものであるが、その理由は、衝突の際に、粒子が塑性変形し、かつ、粒子が上に堆積しつつある部材の表面に結合して、相対的に高密度の被覆または構造堆積物を構築するように、この技術が、粒子を充分な高速に加速するのに十分なエネルギーを与えるからである。コールドスプレーは、粒子をその固体状態から冶金学的には変化させない。従って、コールドスプレープロセスは、金属材料を基体上に堆積させる必要があるさまざまなプロセスにおいて大きな有用性を有する。

ここで図面を参照すると、基体上に金属材料の堆積物を形成するシステムが示される。このシステムは、中細（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ／ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）ノズル２０を有するスプレーガン２２を含み、ノズル２０を通して修理材料が、基体１０の表面２４上にスプレーされる。基体１０は、静止して保持されることができ、または、当業技術内で知られる任意の適切な手段（図示せず）により回転されることができる。

スプレーガンノズル２０は、真空チャンバー５２のポート５０内へ挿入されており、真空チャンバー５２内には、基体１０が、可能性のある酸化からそれを密封するために配置される。ノズル２０を介してチャンバー５２内へ注入されるガスがたとえ最初の真空圧力を破るとしても、ガスがヘリウム、窒素、またはこれらの混合物などの不活性ガスであっても問題にならない。本発明のシステムを用いると、堆積の通過と通過の間に酸化が全く生じることなく、複数の通過で材料を基体１０上に施すことができる。本発明のシステムの利点の一つは、使用される気体を、真空システムを通して容易に回収し、圧縮し、そして再循環させることができたことである。これは、窒素の費用の１２倍の費用がかかるヘリウムで特に有利である。

真空チャンバー５２を用いることのなおさらなる利点は、粒子速度を、開放空気システムで達成できる粒子速度を超えて増加できることである。粒子速度が増加すると、向上する密度および付着に起因して被覆の質が向上する。

本発明の方法において、金属材料の供給原料は、粉末状金属合金などの粉末状金属材料とすることができる。粉末状金属材料は、基体を形成する合金と同じ合金とすることができ、または、基体１０を形成する材料と適合できる合金材料とすることができる。例えば、粉末金属材料は、ＩＮ ７１８、ＩＮ ６２５、 ＩＮ １００、ＷＡＳＰＡＬＯＹ、ＩＮ ９３９、およびＧＡＴＯＲＩＺＥＤ ＷＡＳＰＡＬＯＹなどの粉末状ニッケル基超合金、またはＧＲＣｏｐ−８４などの粉末状銅基合金とすることができる。基体１０の表面２４上に堆積物を形成するのに使用される粉末状金属材料粒子は好ましくは、５μｍから５０μｍの範囲の直径を有する。先に述べたものなどのようなより小さな粒径によって、より高速の粒子速度の達成が可能となる。５μｍより小さな直径では、粒子は、表面２４より上の弧状衝撃波（ｂｏｗ ｓｈｏｃｋ）層に起因して表面２４から一掃されるおそれがある。これは、弧状衝撃波を通って推進する不十分な質量に起因する。粒径分布がより狭くなるほど、粒子速度はより良好なものになる。これは、大きな粒子と小さな粒子（二つのモード（ｂｉ−ｍｏｄａｌ））があるとすれば、小さな粒子がより遅くかつより大きな粒子に衝突し、効果的に両方の速度を低下させるからである。

堆積される材料の微細粒子は、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物などの圧縮ガスを用いて超音速の速度に加速できる。ヘリウムは、その低分子量に起因して好ましい気体であり、また、最大の気体費用で最高の速度を生成するので、好ましい気体である。

粉末状材料を堆積物に変化させるための、本発明の方法により利用される結合機構は、厳密に固体状態であり、これは、粒子が塑性変形することを意味する。粒子上に形成されるどのような酸化物層も粉砕され、新鮮な金属対金属の接触が非常な高圧でなされる。

堆積物を形成するのに使用される粉末状金属材料は、改造された溶射供給装置などといった従来技術で知られる任意の適切な手段を用いてスプレーガン２２に供給できる。使用できる特注の供給装置の一つは、オハイオ州クリーヴランドのパウダー・フィード・ダイナミックス社（Ｐｏｗｄｅｒ Ｆｅｅｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により製造される。この供給装置は、オーガー（ａｕｇｅｒ）型供給機構を有する。角のあるスリットを有するバレルロール（ｂａｒｒｅｌ ｒｏｌｌ）供給装置および流動層供給装置も使用できる。

本発明のプロセスにおいて、供給装置を、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるガスで加圧できる。供給装置圧力は、主ガスまたはヘッド圧力より通常、高く、この圧力は通常、粉末状材料組成に依存して、２５０ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲にある。主ガスは好ましくは、ガス温度が６００°Ｆから１２００°Ｆの範囲にあるように、加熱される。所望ならば主ガスは、堆積される材料に依存して、ほぼ１２５０°Ｆと同じほど高くに加熱できる。ガスは、ノズル２０の喉部を過ぎて膨張した後に急速に冷却しかつ凝固しないように、加熱できる。正味の効果は、堆積の際の修理されつつある部品上の約１１５°Ｆの表面温度になる。当業技術内で知られる任意の適切な手段を、ガスを加熱するのに使用できる。

金属材料を堆積させるために、ノズル２０は、修理されつつある部品１０の表面２４を一度ならず通過することができる。必要とされる通過の回数は、表面２４に施される金属材料の厚みの関数である。本発明の方法は、任意の所望の厚みを有する堆積物を形成できる。厚い層を形成するのを望む場合、スプレーガン２２を静止して保持して使用し、数インチの高さの、表面２４上の堆積物を形成することができる。金属材料の堆積層を構築する場合、残留応力の急速な蓄積と堆積層間の望ましくない剥離とを回避するために一回の通過当たりの厚みを制限するのが望ましい。

表面２４上に金属材料の粒子を堆積させるのに使用される主ガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量で、好ましくは１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量で、入口３０および／または入口３２を介してノズル２０を通過できる。上述の圧力は、主ガスとしてヘリウムを使用する場合に好ましい。主ガスとして窒素を単独でまたはヘリウムと組み合わせて使用する場合、窒素ガスは、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４から３０ＳＣＦＭの流量で、ノズル２０を通過できる。

主ガスの温度は、６００°Ｆから１２００°Ｆ、好ましくは７００°Ｆから８００°Ｆ、最も好ましくは７２５°Ｆから７７５°Ｆの範囲とすることができる。

スプレーガン２２の圧力は、２００ｐｓｉから３５０ｐｓｉ、好ましくは２００ｐｓｉから２５０ｐｓｉの範囲とすることができる。粉末状金属材料は好ましくは、２００ｐｓｉから３００ｐｓｉ、好ましくは２２５ｐｓｉから２７５ｐｓｉの範囲の圧力下にあるホッパーから、１０グラム／分（ｇｒａｍ／ｍｉｎ）から１００グラム／分、好ましくは１５グラム／分から５０グラム／分の範囲の速度で、ライン３４を介してスプレーガン２２に供給される。

粉末状金属材料は好ましくは、キャリヤーガスを用いてスプレーガン２２に供給される。キャリヤーガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭ、好ましくは８ＳＣＦＭから１５ＳＣＦＭの流量で、入口３０および／または入口３２を介して導入できる。上述の流量は、キャリヤーガスとしてヘリウムを使用する場合に有用である。キャリヤーガスとして窒素を単独でまたはヘリウムと混合して使用する場合、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４から１０ＳＣＦＭの流量を使用できる。

スプレーノズル２０は好ましくは、表面２４から所定の距離に保持される。この距離は、スプレー距離として知られる。好ましくはスプレー距離は、１０ｍｍから５０ｍｍの範囲にある。

スプレーノズル２０から放出される粉末状金属材料粒子の速度は、８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓ、好ましくは８５０ｍ／ｓから１２００ｍ／ｓの範囲とすることができる。

一回の通過当たりの堆積厚みは、０．００１インチから０．０３０インチの範囲とすることができる。

コールドスプレーは、他の金属被覆プロセスに対する多数の利点を提供する。金属材料として使用される金属粉末は、高温に加熱されないので、供給原料材料の酸化、分解、およびその他の劣化が生じない。粒子が加速気体の流れの中に収容されるので、堆積の際の粉末酸化も制御される。コールドスプレーはまた、供給原料の微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を保持する。なおさらに、供給原料が溶融されないので、コールドスプレーは、脆い金属間化合物の生成または冷却時や次の熱処理時に割れる傾向に起因して従来はスプレーできない材料を堆積させる能力を提供する。

コールドスプレーは、固体状態のプロセスなので、基体をそれほど加熱しない。その結果、結果として生じるどのようなひずみも最小限に抑えられる。コールドスプレーは、圧縮表面残留応力を引き起こし、そのため、ひずみ時効割れのための駆動力が除去される。

本発明に従う金属材料を基体上に堆積させるためのシステムを例示する概略図である。

符号の説明

１０…基体
２０…ノズル
２２…スプレーガン
２４…表面
３０、３２…入口
３４…ライン
５０…ポート
５２…真空チャンバー

Claims (19)

1. 金属材料を基体上に堆積させる方法であって、
   基体を真空チャンバー内に配置し、
   スプレーガンノズルを真空チャンバーのポート内へ挿入し、
   粉末状金属材料を溶融させずに粉末状金属材料を基体の表面上に堆積させる、
   ステップを含むことを特徴とする方法。
2. 前記の堆積ステップは、衝突の際に粉末状金属材料の粒子が塑性変形しかつ基体の表面に結合するように、真空チャンバー内で粉末状金属材料の粒子を所定の速度に加速することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記の堆積ステップは、５μｍから５０μｍの範囲の粒径を有する粒子形態で粉末状金属材料を用意することを含み、さらに、この金属材料粉末を、ヘリウム、窒素、およびこれらの混合物から成る群より選択されるキャリヤーガスを用いて２００ｐｓｉから３００ｐｓｉの範囲の圧力で１０グラム／分から１００グラム／分の供給速度でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記の供給ステップは、前記金属粉末を、１５グラム／分から５０グラム／分の供給速度でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記キャリヤーガスは、ヘリウムを含み、前記の供給ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 前記の供給ステップは、ヘリウムを８から１５ＳＣＦＭの流量でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記キャリヤーガスは、窒素を含み、前記の供給ステップは、窒素を０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの流量でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
8. 前記の供給ステップは、窒素を４から１０ＳＣＦＭの流量でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記の堆積ステップはさらに、６００°Ｆから１２００°Ｆの範囲の主ガス温度においておよび２００ｐｓｉから３５０ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、ヘリウム、窒素、およびこれらの混合物から成る群より選択される主ガスを用いてスプレーガンノズルを通して前記金属材料粉末粒子を通過させることを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
10. 前記の通過ステップは、７００°Ｆから８００°Ｆの範囲の主ガス温度において２５０ｐｓｉから３５０ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、スプレーガンノズルを通して前記金属粉末粒子を通過させることを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記主ガス温度は、７２５°Ｆから７７５°Ｆの範囲にあることを特徴とする請求項９記載の方法。
12. 前記主ガスは、ヘリウムを含み、前記の通過ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの範囲の流量でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
13. 前記のヘリウム供給ステップは、ヘリウムを１５から３５ＳＣＦＭの流量で供給することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記主ガスは、窒素を含み、前記の通過ステップは、窒素を０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの範囲の流量でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
15. 前記の窒素供給ステップは、窒素を４から８ＳＣＦＭの範囲の流量でスプレーガンノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記スプレーガンノズルを、基体から１０ｍｍから５０ｍｍの距離に維持することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
17. 金属材料を基体上に堆積させるためのシステムであって、
    基体が内部に配置される真空チャンバーと、
    粉末状金属材料を溶融させずに粉末状金属材料を基体の表面上に堆積させる手段と、
    を備えており、この堆積手段は、真空チャンバーのポート内に配置されたスプレーガンノズルを含むことを特徴とするシステム。
18. 前記の堆積手段は、衝突の際に粉末状金属材料の粒子が塑性変形しかつ基体の表面に結合するように、粉末状金属材料の粒子を所定の速度に加速することを含むことを特徴とする請求項１７記載のシステム。
19. 前記金属材料の粒子を加速するように、窒素、ヘリウム、およびこれらの混合物から成る群より選択されるガスをスプレーガンノズルに提供する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１８記載のシステム。

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