JP2006176880A - コールドスプレープロセスおよび装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】コールドスプレー堆積材料に局所的な改善を施すためのプロセスが提供される。
【解決手段】基体（１０）上に粉末金属を堆積させるためのプロセスは、基体（１０）を用意し、粉末金属が、表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ表面に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて基体（１０）の表面（２４）上に少なくとも一層の粉末金属を堆積させ、この少なくとも一層の粉末金属堆積層を、この少なくとも一層の粉末金属堆積層の密度を向上させかつ／または温度を上昇させる処理にかける、ことによって実施される。本発明の好ましい実施態様において、この少なくとも一層の粉末金属堆積層の密度を向上させかつ／または温度を上昇させる処理は、レーザー（６０）処理である。
【選択図】図１

Description

本発明は、コールドスプレー堆積材料に局所的な改善を施すためのプロセスおよび装置に関する。
最近、基体上に包含物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）ありまたはなしで粉末金属を堆積させる新しい金属被覆（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。中細（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ／ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）ノズルによってヘリウムおよび／または窒素の超音速ジェットが形成され、これは、粉末粒子を基体の方へ加速してコールドスプレー堆積物または被覆を生成するのに使用される。堆積物は、塑性変形および結合によって基体および先に堆積された層に付着する。米国特許第５，３０２，４１４号および第６，５０２，７６７号は、コールドガスダイナミックスプレー技術を例示している。
米国特許第５，３０２，４１４号明細書 米国特許第６，５０２，７６７号明細書
コールドスプレー技術の存在にもかかわらず、改善が必要とされている。
従って、本発明の目的は、堆積材料の密度を向上させかつ／または被覆の温度を上昇させるプロセスを提供することである。
本発明のさらなる目的は、堆積材料の密度を向上させかつ／または被覆の温度を上昇させる装置を提供することである。
上述した目的は、本発明のプロセスおよび装置を用いて達成できる。
本発明に従うと、基体上に粉末金属を堆積させるためのプロセスが提供される。このプロセスは概略、基体を用意し、粉末金属が、表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ表面に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて基体の表面上に少なくとも一層の粉末金属を堆積させ、この少なくとも一層の粉末金属堆積層を、この少なくとも一層の粉末金属堆積層の密度を向上させかつ／または温度を上昇させる処理にかける、各ステップを含む。本発明の好ましい実施態様において、この少なくとも一層の粉末金属堆積層の密度を向上させかつ／または温度を上昇させる処理は、レーザー処理である。
本発明にさらに従うと、基体上に粉末金属を堆積させるための装置が提供される。この装置は概略、粉末金属が、表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ表面に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて基体の表面上に少なくとも一層の粉末金属を堆積させる手段と、この少なくとも一層の粉末金属堆積層を、この少なくとも一層の粉末金属堆積層の密度を向上させかつ／または温度を上昇させる処理にかける手段と、を備える。
本発明のコールドスプレー堆積物のレーザー増強の他の詳細、およびそれに付随する他の目的および手段は、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。
本発明は、コールドスプレー堆積材料に局所的な改善を施すためのプロセスおよび装置に関する。局所的な改善は、基体材料または任意の下に位置する先にコールドスプレーされた堆積物にそれほど大きな熱入力なしに延性を回復させるのに短時間で充分に高く堆積材料の温度を上昇させることおよび／または密度向上であり得る。
基体上に粉末金属材料を堆積させるためのコールドスプレープロセスは、有利なものであるが、その理由は、衝突の際に、粒子が弾性変形しかつ基体の表面にまたは先に堆積された層上に結合するように、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。このプロセスによって、相対的に高密度の被覆または構造堆積物を構築することができる。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。
ここで図１を参照すると、基体上に粉末金属材料を堆積させるためのシステム８が示される。システム８は、中細ノズル２０を有するスプレーガン２２を含み、ノズル２０を通して粉末金属材料が、基体１０の表面２４上にスプレーされる。基体１０は、エンジンまたは任意の他の構造のための部品または部材とすることができ、また、当業技術内で知られる任意の適切な金属材料から形成できる。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）により関着（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）、回転、または直動されることができる。
本発明のプロセスにおいて、堆積される材料は、粉末状金属材料である。粉末状金属材料は、基体１０を構成する組成と同じ組成とすることができ、または、適合できる組成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、またはＧＡＴＯＲＩＺＥＤ ＷＡＳＰＡＬＯＹなどのニッケル基合金とすることができる。粉末金属材料は、銅基合金またはアルミニウム基合金などの別の金属材料とすることもできる。表面２４上に堆積を形成するのに使用される粉末状金属材料は好ましくは、約５．０μｍから５０μｍ（０．２ミルから２．０ミル）の範囲の直径を有する。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、すなわち、弧状衝撃波を通って粒子を推進させるには質量が不十分なおそれがある。粒径分布がより狭くなるほど、粒子速度はより均一なものになる。これは、スプレー／噴流（ｐｌｕｍｅ）中のより小さな粒子がより遅くかつより大きな粒子に衝突し、事実上、両方の速度を低下させるからである。
堆積される粒子は、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から成る群より選択されるガス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最も高速を生成するので、好ましい気体である。
粉末状金属材料を堆積物に変化させるための、本発明のプロセス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けれども溶融はしないことを意味する。粒子上に形成され、または表面２４上に存在し、または先に堆積された層中に存在す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一般に１５ｐｓｉ高く、この圧力は通常、粉末金属材料組成に依存して、２００ｐｓｉ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、堆積の際の基体１０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。
粉末状金属材料を堆積させるために、ノズル２０は、修理されつつある基体１０の表面２４上を複数回通過することができる。通過の回数は、施される材料の厚みの関数である。本発明のプロセスは、任意の所望の厚みを有する堆積物を形成できる。コールドスプレーは、一回の通過当たり０．００２インチから０．０２０インチの範囲の薄い層を生成できる。
表面２４上に粉末状金属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を介してノズル２０を通過できる。上述の流量は、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、窒素は、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０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１０００°Ｆ、最も好ましくは７２５°Ｆから９００°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５００ｐｓｉ、好ましくは２００ｐｓｉから４００ｐｓｉ、最も好ましくは２７５ｐｓｉから３７５ｐｓｉ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、特定の主ガス圧力より１０から５０ｐｓｉ高い、好ましくは１５ｐｓｉ高い圧力下にあるホッパーから、１０グラム／ｍｉｎから１００グラム／ｍｉｎ、好ましくは１５グラム／ｍｉｎから５０グラム／ｍｉｎ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、非酸化性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８．０ＳＣＦＭから１５ＳＣＦＭの流量で、入口３０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４．０から１０ＳＣＦＭの流量を使用できる。
スプレーノズル２０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ており、１０ｍｍから５０ｍｍの範囲とすることができる。
スプレーノズル２０から放出される粉末状金属粒子の速度は、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。
先に述べたように、粉末状金属材料は、一層または複数の層を有する被覆を形成するように表面２４上に堆積させることができる。堆積された一層または複数の層が、レーザー処理から局所的な改善を受けることができることが見出された。基体材料または下に位置する先にコールドスプレーされた堆積物にそれほど大きな熱入力なしに延性を回復させるのに短時間で充分に高く被覆温度を上昇させること（小さな温度勾配）および／または密度を向上させること（焼結）を行うように、適切な設定でレーザーを堆積層上に直接通過させることができた。この目的のために、システム８は、レーザービームが粉末金属材料堆積物全体に熱を加えることができるように、移動可能とすることができるレーザー６０を含む。レーザー６０は、ＹＡＧレーザーなどの当業技術内で知られる任意の適切なレーザーを含むことができる。レーザー処理は、各連続したコールドスプレー層堆積物の後に実施できる。
図２に示すように、レーザー６０は、所望ならば、レーザー６０がノズル２０と共に移動するようにノズル２０に取り付けることができる。このようなレーザーは、堆積物を局所的に増強しながら、スプレービームに沿って追跡することになる（その場での熱処理）。
コールドスプレー被覆は、極端な衝突速度と結合機構の性質とに起因して、高度に冷間加工される。この冷間加工の度合いは結果として、堆積された材料の非常に低い引張り延性となる。また、いくつかの高硬度材料は、最高に可能なスプレーパラメータにおいてさえかなり多孔質の堆積物を生成する。レーザー６０の使用は、堆積された材料の延性を改善するのを助ける。それはまた、堆積材料の密度を増加させまたは多孔度を低減することができる。
コールドスプレープロセスは、他の金属被覆プロセスに対する多数の利点を提供する。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。粒子が無酸素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。他の潜在的な利点は、圧縮残留表面応力の形成と、供給原料の微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の保持とを含む。また、相対的に低い温度を使用するので、基体の熱ひずみが最小限に抑えられる。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。
本発明に従うと、先に述べた目的、手段、および利点を十分に満足させる、コールドスプレーされた堆積物のレーザー増強が提供されたことは明らかである。本発明は、その特定の実施態様の文脈において説明したが、他の代替例、変更例、および変形例が、上述の説明を読んだ当業者には明らかとなるであろう。従って、添付の請求項の広い範囲に含まれるように、これらの代替例、変更例、および変形例を含むことが意図されている。
基体上にコールドスプレー粉末金属材料を堆積させるための装置の概略図である。 基体上にコールドスプレー粉末金属材料を堆積させるための装置の代替の実施態様の概略図である。
符号の説明
８…システム
１０…基体
２０…ノズル
２２…スプレーガン
２４…表面
３０…入口
３４…ライン
６０…レーザー

Claims (22)

  1. 基体上に粉末金属を堆積させるためのプロセスであって、
    基体を用意し、
    粉末金属が、表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ表面に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて基体の表面上に少なくとも一層の粉末金属を堆積させ、
    この少なくとも一層の粉末金属堆積層を、この少なくとも一層の粉末金属堆積層の密度を向上させかつ／または温度を上昇させる処理にかける、
    各ステップを含むことを特徴とするプロセス。
  2. 前記の堆積ステップは、複数の層の粉末金属を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
  3. 前記の処理にかけるステップは、各前記層が堆積された後に実施されることを特徴とする請求項２記載のプロセス。
  4. 各前記の処理にかけるステップは、密度を向上させかつ／または温度を上昇させるのにレーザーを用いることを含むことを特徴とする請求項３記載のプロセス。
  5. 前記の堆積ステップは、複数の層の粉末金属を堆積させることを含み、前記の処理にかけるステップは、前記複数の層が堆積された後に実施されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
  6. 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金属を用意し、この粒子を８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓの範囲の速度に加速することを含み、前記の堆積ステップはさらに、粉末金属を、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キャリヤーガスを用いて１０グラム／ｍｉｎから１００グラム／ｍｉｎの供給速度でスプレー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記載のプロセス。
  7. 前記の供給ステップは、前記金属粉末を、１５グラム／ｍｉｎから５０グラム／ｍｉｎの供給速度でスプレーノズルに供給することを含み、前記キャリヤーガスは、ヘリウムであり、前記の供給ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項６記載のプロセス。
  8. 前記の供給ステップは、ヘリウムを８．０ＳＣＦＭから１５ＳＣＦＭの範囲の流量で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記載のプロセス。
  9. 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の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項６記載のプロセス。
  10. 前記の供給ステップは、窒素を４．０ＳＣＦＭから１０ＳＣＦＭの流量で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記載のプロセス。
  11. 前記の堆積ステップは、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５００ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、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主ガスを用いて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６記載のプロセス。
  12. 前記の通過ステップは、７００°Ｆから１０００°Ｆの範囲の主ガス温度において２００ｐｓｉから４００ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、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１１記載のプロセス。
  13. 前記主ガス温度は、２７５ｐｓｉから３７５ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において７２５°Ｆから９００°Ｆの範囲にあることを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
  14. 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の範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
  15. 前記のヘリウム供給ステップは、ヘリウムを１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量で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記載のプロセス。
  16. 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の範囲の供給流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
  17. 前記の窒素供給ステップは、窒素を４．０から８．０ＳＣＦＭの範囲の供給流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１６記載のプロセス。
  18. 前記の堆積ステップは、０．００２インチから０．０２０インチの厚みで各層を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
  19. 基体上に粉末金属を堆積させるための装置であって、
    粉末金属が、表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ表面に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて基体の表面上に少なくとも一層の粉末金属を堆積させる手段と、
    この少なくとも一層の粉末金属堆積層を、この少なくとも一層の粉末金属堆積層の密度を向上させかつ／または温度を上昇させる処理にかける手段と、
    を備えることを特徴とする装置。
  20. 前記の処理にかける手段は、レーザーを含み、前記の堆積手段は、粉末金属の供給源と、粉末金属が８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓの速度で中細スプレーノズルから出るように、粉末金属を中細スプレーノズルに供給する手段とを備えることを特徴とする請求項１９記載の装置。
  21. 前記の供給手段は、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から成る群より選択されるキャリヤーガスを供給する手段を備えることを特徴とする請求項２０記載の装置。
  22. 前記の処理にかける手段は、スプレーノズルに取り付けられたレーザーを含むことを特徴とする請求項２０記載の装置。
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