JP2006312784A - Ｍｉｍプリフォームをマイクロ波処理する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属構成要素を製造する方法を提供する。
【解決手段】本方法は、金属粉末及びバインダの混合物を準備する段階と、混合物を溶融して該混合物を構成要素の形状をしたプリフォーム（４８）に成形する段階と、大部分のバインダをプリフォーム（４８）から除去する段階と、プリフォーム（４８）をマイクロ波エネルギーで加熱して、残りのバインダを除去しかつ金属粉末を互いに焼結して構成要素を形成する段階とを含む。構成要素は、個々の構成要素として又は連続的に形成することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】本方法は、金属粉末及びバインダの混合物を準備する段階と、混合物を溶融して該混合物を構成要素の形状をしたプリフォーム（４８）に成形する段階と、大部分のバインダをプリフォーム（４８）から除去する段階と、プリフォーム（４８）をマイクロ波エネルギーで加熱して、残りのバインダを除去しかつ金属粉末を互いに焼結して構成要素を形成する段階とを含む。構成要素は、個々の構成要素として又は連続的に形成することができる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、総括的には焼結された金属の構成要素に関し、より具体的には、マイクロ波加熱処理によって焼結された構成要素に関する。
金属射出成形（「ＭＩＭ」）は、微細金属粉末をプラスチックバインダと混合し、プラスチック成形装置を用いて所望の形状に押出成形する公知の処理法である。得られたプリフォームは、粉末からプラスチックの大部分を除去するために洗浄される。その後の焼結処理により、プリフォームを圧密化して最終コンポーネント（最終構成要素）が形成される。
ＭＩＭプリフォームを焼結する従来技術の方法は、金属粉末を互いに焼結させてプリフォームを更なる処理に対して十分な機械的強度のあるものにすることができる温度での炉による加熱処理を必要とする。これは、「外から中へ」となる加熱処理により不均一な製品を生じる時間のかかる処理であり、このことは、プリフォームの外側部分が高温でより多くの時間加熱されてより早く焼結され、プリフォーム内部に空隙が閉じ込められることになることを意味する。また、これにより、不均一な機械的特性を生じるおそれもある。
米国特許出願公開第２００３／００１２６７７号公報
米国特許出願公開第２００３／００６２６６０号公報
従って、均一な密度の高い最終構成要素を形成するように金属プリフォームを焼結する方法に対する必要性が存在する。
上述の必要性は、本発明によって満たされ、１つの態様によると、本発明は金属構成要素を製造する方法を提供し、本方法は、金属粉末及びバインダの混合物を準備する段階と、バインダを溶融させて混合物を構成要素の形状をしたプリフォームに成形する段階と、大部分のバインダをプリフォームから除去する段階と、プリフォームをマイクロ波エネルギーで加熱して、残りのバインダを除去しかつ金属粉末を互いに焼結して構成要素を形成する段階とを含む。
本発明の別の態様によると、金属構成要素を製造する方法は、金属粉末及びバインダの混合物を準備する段階と、バインダを溶融させて混合物を所望の構成要素の形状をした連続プリフォームに成形する段階と、大部分のバインダをプリフォームから除去する段階と、プリフォームをマイクロ波エネルギーで加熱して、残りのバインダを除去しかつ金属粉末を互いに焼結して構成要素を形成する段階とを含む。
本発明は、添付の図面の図と併せて以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
様々な図全体にわたって同一の参照番号が同じ構成要素を表す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン用の例示的な圧縮機ブレード１０を表す。本発明は、他のタイプの金属構成要素の製作にも同様に適用可能であり、その非限定的な実施例には、回転タービンブレード、固定タービンベーン、タービンシュラウド及び同種のものが含まれる。圧縮機ブレード１０は、前縁１４と、後縁１６と、先端１８と、根元１９と、対向した側面２０及び２２とを有する翼形部１２を含む。弓形内側プラットフォーム２４は、翼形部１２の根元１９に取り付けられる。ロータスロット内にブレード１０を取り付けるためのダブテール２６が、下向きに延びる。圧縮機ブレード１０は、意図する作動条件に適した合金で作られる。
図２は、本発明の方法による圧縮機ブレード１０を製作するためのプロセスを表す。最初に、ブロック２８に示すように、金属粉末及び適切なバインダが準備される。
金属粉末は、単一の合金とすることができ、或いは１つよりも多い合金の機械的混合物とすることができる。以下に記載した射出成形処理プロセスにおける最適性能のために、さらにマイクロ波加熱処理段階との適合性のためには、金属粉末の粒子径は、約１００マイクロメートル又はそれ以下とすべきである。圧縮機ブレードを製作するのに適した公知の合金の実施例には、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖのようなチタン合金、ＩＮＣＯ７１８又はＵＤＩＭＥＮＴ７２０のようなニッケル系合金、及びＡ２８６のような鉄系合金が含まれる。
バインダは、金属粉末と化学的に適合性がありかつ必要な処理（例えば、混合、射出、固化及び溶脱）を可能にするいずれかの材料とすることができる。公知の適切なバインダの実施例には、ワックス及びポリマー樹脂が含まれる。バインダは、粉末形態として準備することができる。
バインダ及び金属粉末は、ブロック３０に示すように、互いに完全に混合される。混合物は次に、バインダを溶融するように加熱され、バインダによって被覆された金属粉末を有する流動体を形成する（ブロック３２）。次に、混合物は、ブロック３４において所定の形状に成形される。混合物を成形する１つの方法は、公知の射出成形装置を用いる方法である。図３には、ホッパ３８と回転スクリュ４２を備えた押出機４０とを含む射出成形装置３６の概略図を示す。混合物は、型枠４６の空洞４４内に押し出される。型枠４６は、脆弱なプリフォーム４８を生じることになるバインダの過度に急速な固化を避けるように、任意選択的に加熱することができる。不連続バッチとしてバインダを溶融するのに代えて、バインダがスクリュ４２を通過する時にバインダを溶融することができる公知の射出成形装置を用いて、混合物は、連続的な方法で成形することができる。一旦混合物が固化すると、型枠４６は、図４に示すように開かれ、得られた非押固め状態のすなわち「グリーン」プリフォーム４８が取り外される（図２のブロック５０を参照）。
プリフォーム４８は、固化したバインダ内に懸濁した金属粒子を含む。プリフォーム４８は、最終構成要素として使用するのには適切ではなく、単に更なる処理を行うのに十分な機械的強度を有するのみである。図２のブロック５２において、プリフォーム４８は、大部分のバインダを除去するために溶脱される。これは、プリフォーム４８を、バインダを分解するが金属粉末を侵食しない適切な溶媒に浸漬させるか又はそのような溶媒で洗浄することによって行うことができる。
次にブロック５４において、プリフォーム４８は、マイクロ波焼結される。図５に示すように、プリフォーム４８は、焼結処理プロセスの間に該プリフォーム４８の望ましくない酸化又は他の反応を防止するのに適切な雰囲気を形成するための手段を含むチャンバ５６内に配置される。この図示した実施例では、アルゴンのような不活性ガスの供給源５８が、チャンバ５６の内部に接続される。焼結処理はまた、真空下で行うことができる。マイクロ波周波数範囲内の出力を備えた公知のタイプの空洞マグネトロンのようなマイクロ波源６０が、チャンバ５６と導通状態で取り付けられる。マイクロ波スペクトルは、約１ＧＨｚ〜約３００ＧＨｚ（ギガヘルツ）の範囲にわたる。このスペクトルの範囲内では、約２．４ＧＨｚの出力周波数が、固体金属を貫通せずに金属粒子と結合しかつ該金属粒子を加熱することが知られている。
マイクロ波源６０は、プリフォーム４８を照射するために起動される。この図示した実施例では、マイクロ波源６０は、プリフォーム４８全体に対して直接的な通視線を有するように表されている。しかしながら、一般的に金属製であり、その結果プリフォームが直接及び反射マイクロ波の組合せによって加熱されることになるようにチャンバ５６を構成することもできる。プリフォーム４８内の小さな金属粒子径のために、マイクロ波６２は粒子と結合してこれらの粒子を加熱する。プリフォーム４８は、金属粉末の液相線温度より低くかつ金属粉末粒子を互いに融合させて圧密化するのに十分なほど高い温度に加熱される。この高温によりまた、あらゆる残存バインダが融解されかつ駆逐される。プリフォーム４８は、圧密化した圧縮機ブレード１０を得るのに十分な長さの選択時間にわたって所望の温度に保持される。加熱速度（すなわち、マイクロ波源の出力ワット数）は、プリフォーム４８の質量、チャンバ４８の形状及び焼結処理プロセスの所望のサイクル時間のような変数に応じて選択される。従来技術の方法と比較すると、ＭＩＭ成形プリフォーム４８のマイクロ波焼結処理段階との組合せは、より短時間で圧縮機ブレード１０に著しく大きい密度すなわち空隙がない状態を与える。
焼結処理サイクルが完了すると、圧縮機ブレード１０は、チャンバ５６から取り出されて冷却される。必要な場合には、圧縮機ブレード１０は、図２のブロック６３に示すように、公知の熱間等静圧圧縮成形（「ＨＩＰ」）処理を用いて更なる圧密化を施して実質的に１００％密度の構成要素が得られるようにすることができる。必要に応じて、圧縮機ブレード１０には、公知の方法で最終機械加工、被覆処理、検査などのような付加的処理プロセスを施すことができる（図２のブロック６４参照）。
図６及び図７は、連続構成要素を製造するのに適した別の方法を示す。最初に、金属粉末及び適切なバインダが準備される。金属粉末は、単一の合金とすることができ、或いは１つよりも多い合金の機械的混合物とすることができる。以下に記載した射出成形処理プロセスにおける最適性能のために、さらにマイクロ波加熱処理段階との適合性のためには、金属粉末の粒子径は、その直径が約１００マイクロメートル又はそれ以下とすべきである。このプロセスは、冷間加工するのが困難であり、通常は鋳造される合金に特に適している。このような合金の実施例には、ニッケル又はコバルトをベースとし且つ高い百分率のガンマプライム相成分を含有する、いわゆる「超合金」が含まれる。そのような合金の実施例には、ＲＥＮＥ７７、ＲＥＮＥ８０、並びにＲＥＮＥ Ｎ４及びＮ５ニッケル系合金が含まれる。
バインダは、金属粉末と化学的に適合性がありかつ必要な処理（例えば、混合、射出、固化及び溶脱）を可能にするいずれかの材料とすることができる。公知の適切なバインダの実施例には、ワックス及びポリマー樹脂が含まれる。バインダは、粉末形態として準備することができる。
バインダ及び金属粉末は、互いに完全に混合される。混合物は次に、バインダを溶融するように加熱され、バインダによって被覆された金属粉末を有する流動体を形成する。次に、混合物は、公知の射出成形装置を用いて押出成形される。図６には、ホッパ１３８と回転スクリュ１４２を備えた押出機１４０とを含む射出成形装置１３６の概略図を示す。混合物は、公知のタイプの金型１４４を通して押し出されて、一定の断面の連続プリフォーム１４８を製造する。例えば、直径が約１．２７ミリメートル（０．０５０インチ）の円形開口部を有する金型１４４は、溶接充填ワイヤとして用いるためのプリフォーム１４８を製造するのに用いることができる。金型１４４は、脆弱なプリフォーム１４８を生じることになるバインダの過度に急速な固化を避けるように、任意選択的に加熱することができる。一旦プリフォーム１４８が固化すると、プリフォーム１４８は、コンベヤベルト１５０又は他の適切な移送機構に沿って進む。
コンベヤベルト１５０は、プリフォーム１４８から大部分のバインダを溶脱する溶媒槽１５２を通してプリフォーム１４８を運ぶ。これは、バインダを分解するが金属粉末を侵食しない適切な溶媒で行うことができる。
プリフォーム１４８は次に、焼結チャンバ１５６内に進み、該焼結チャンバ１５６内でプリフォーム１４８はマイクロ波焼結される。図６に示すように、チャンバ１５６は、焼結処理プロセスの間にプリフォーム１４８の望ましくない酸化又は他の反応を防止するのに適切な雰囲気を形成するための手段を含む。この図示した実施例では、アルゴンのような不活性ガス又は水素のような還元性雰囲気を形成するためのガスの供給源１５８が、チャンバ１５６の内部に接続される。この処理はまた、真空下で行うことができる。上述のマイクロ波源６０と同様のマイクロ波源１６０が、チャンバ１５６と導通状態で取り付けられる。マイクロ波源１６０は、プリフォーム１４８を照射するために起動される。プリフォーム１４８内の小さな金属粒子径のために、マイクロ波は粒子と結合してこれらの粒子を加熱する。プリフォーム１４８がチャンバ１５６内を通過する時に、プリフォーム１４８は、金属粉末の液相線温度より低くかつ金属粉末粒子を互いに融合させて圧密化するのに十分なほど高い温度に加熱される。この高温によりまた、あらゆる残存バインダが融解されかつ駆逐される。加熱速度（すなわち、マイクロ波源の出力ワット数）及びコンベヤベルト１５０の速度は、圧密化した最終構成要素１６２を得るのに十分な長さの選択時間にわたって所望の温度に保持される。図７は、この場合には溶接充填ワイヤ１６２である構成要素１６２の短いセクションを示す。従来技術の方法と比較すると、ＭＩＭ成形プリフォーム１４８のマイクロ波焼結処理段階との組合せは、より短時間で充填ワイヤ１６２に著しく大きい密度すなわち空隙がない状態を与える。
焼結処理サイクルが完了すると、構成要素１６２は、チャンバ１５６から外に移動して冷却される。必要に応じて、製品１６２には、公知の方法で被覆処理、検査などのような付加的処理プロセスを施すことができる。
必要な場合には、溶接充填ワイヤ１６２は、公知の熱間等静圧圧縮成形（「ＨＩＰ」）処理を用いて更なる圧密化を施して実質的に１００％密度の構成要素が得られるようにすることができる。図８に示すように、この段階は、個々のコイル間に小間隔「Ｓ」を設けた状態でスピンドル１６４上に溶接充填ワイヤ１６２を巻き取ることによって可能にすることができる。ワイヤ１６２を巻き取ったスピンドル１６４は次に、ＨＩＰ処理のためのチャンバ（図示せず）内に配置することができる。
上述の連続処理プロセスは、一定の断面を有するあらゆる他のタイプの構成要素を製造するのに用いることができる。例えば、本プロセスは、シート材料を製造するのに用いることができる。図９に概略的に示すように、これは、幅広でかつ薄いプリフォーム２４８を押出成形するための所望の幅「Ｗ」の金型２４４を準備することによって行うことができる。金型２４４にバインダ−金属粉末混合物の十分な供給を与えるために、複数の並置射出成形装置２３６を設けることができる。押出プリフォーム２４８は次に、上述のように溶脱されかつマイクロ波焼結されて、図１０に示すような金属シート２６２が得られる。
必要な場合には、金属シート２６２は、ＨＩＰ処理を用いて更なる圧密化を施して実質的に１００％密度の構成要素が得られるようにすることができる。図１０に示すように、この段階は、金属シートをスピンドル２６４上に巻き取ることによって可能にすることができる。金属シート２６２の層間に離型剤を配置して、層の望ましくない圧密及び拡散結合を防止することができる。金属シートを巻き取ったスピンドル２６４は次に、ＨＩＰ処理のためのチャンバ（図示せず）内に配置することができる。
以上は、マイクロ波焼結構成要素の製造プロセスを説明してきた。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれらの実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態の上述の説明は、限定の目的のためではなく例示の目的のためのみに示したものであって、本発明は特許請求の範囲によって定められる。
１０ 圧縮機ブレード
１２ 翼形部
１４ 前縁
１６ 後縁
１８ 先端
１９ 根元
２０、２２ 対向した側面
２４ 弓形内側プラットフォーム
２６ ダブテール
２８、３０、３２、３４、５０、５２、５４ ブロック
３６、１３６、２３６ 射出成形装置
３８、１３８ ホッパ
４０、１４０ 押出機
４２ スクリュ
４４ 空洞
４６ 型枠
４８、１４８、２４８ プリフォーム
５６、１５６ チャンバ
５８、１５８ 供給源
６０、１６０ マイクロ波源
６２ マイクロ波
１４２ 回転スクリュ
１４４、２４４ 金型
１５０ コンベヤベルト
１５２ 溶媒槽
１６２ 構成要素／溶接充填ワイヤ
１６４、２６４ スピンドル
２６２ 金属シート
１２ 翼形部
１４ 前縁
１６ 後縁
１８ 先端
１９ 根元
２０、２２ 対向した側面
２４ 弓形内側プラットフォーム
２６ ダブテール
２８、３０、３２、３４、５０、５２、５４ ブロック
３６、１３６、２３６ 射出成形装置
３８、１３８ ホッパ
４０、１４０ 押出機
４２ スクリュ
４４ 空洞
４６ 型枠
４８、１４８、２４８ プリフォーム
５６、１５６ チャンバ
５８、１５８ 供給源
６０、１６０ マイクロ波源
６２ マイクロ波
１４２ 回転スクリュ
１４４、２４４ 金型
１５０ コンベヤベルト
１５２ 溶媒槽
１６２ 構成要素／溶接充填ワイヤ
１６４、２６４ スピンドル
２６２ 金属シート
Claims (10)
- 金属の構成要素を製造する方法であって、
金属粉末及びバインダの混合物を準備する段階と、
前記バインダを溶融させて前記混合物を構成要素の形状をしたプリフォーム（４８）に成形する段階と、
前記バインダの大部分を前記プリフォーム（４８）から除去する段階と、
前記プリフォーム（４８）をマイクロ波エネルギーで加熱して、前記バインダの残部分を除去し且つ前記金属粉末を互いに焼結して構成要素を形成する段階と、
を含む方法。 - 前記加熱する段階の後に、前記構成要素に対して熱間等静圧圧縮成形処理を行う段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
- 前記混合物をプリフォーム（４８）に成形する段階が、該混合物を所望の形状を有する型枠内に射出する段階を含む、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記混合物をプリフォーム（４８）に成形する段階が、該混合物を所望の断面形状を有する金型（１４４、２４４）を通して押し出す段階を含む、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記大部分のバインダが、該バインダを分解するが前記金属粉末を溶解しないように選択された溶媒で前記プリフォーム（４８）を洗浄することによって除去される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記加熱する段階の間、調整された組成の雰囲気を備えるチャンバ（５６）内に前記プリフォーム（４８）が配置される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記加熱する段階の間、前記プリフォーム（４８）が真空下に保持される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記プリフォーム（４８）が、前記金型（１４４、２４４）から前記バインダを溶脱するための溶媒槽（１５２）を介し、次に前記マイクロ波加熱を実施するチャンバ（１５６）に順次に移送される、請求項４乃至７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記金型（１４４、２４４）が、シート様プリフォームを製造するようになった細長い断面形状を有する、請求項４乃至８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記構成要素の隣接する層間に離型剤を配置した状態で該構成要素の全長をスピンドル（２６４）上に巻き取る段階と、
前記スピンドル（２６４）をチャンバ内に配置する段階と、
前記構成要素に対して熱間等静圧圧縮成形処理を行う段階と、
をさらに含む、請求項４乃至９のいずれか１項に記載の方法。
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