JP2013515852A - 熱間静水圧圧縮成形における又はそれに関連する改良 - Google Patents

Abstract

部材を製造するための方法が提供される。この方法は、形成される部材の内部寸法に対応するフォーマを製造するステップと、フォーマの少なくとも１つの表面上に第２の材料の層を設けるステップと、フォーマを閉じ込め容器内に配置し、閉じ込め容器を第１の材料で満たすステップと、閉じ込め容器を熱間静水圧圧縮成形にかけ、第２の材料が第１の材料に拡散させるステップとを含む。

Description

本発明は、熱間静水圧圧縮成形技術に関するものである。さらに、本発明は、この改善された技術を用いて製造される特定の製品に関するものである。

多くの工業プロセスは、高圧、極端な温度、ｐＨ、摩耗及び／又は腐食のために厳しい環境で行われる。これらの条件は、このプロセスが実施される容器の寿命を制限する。そうした容器を製造するための材料の選択は、受けるであろうプロセス条件によって決まる。しかしながら、最も回復力のある材料は最も高価な材料でもあることがしばしばであり、したがって、材料の選択は通常、費用と寿命の兼ね合いになる。

そうしたプロセスの１つの実例は、燃料油を製造するための高分子量炭化水素の接触分解である。このプロセスは通常、高温の高クロム鋼管の中で約１１００℃において処理される。鋼管内では、細かい粉末状の触媒粒子が長鎖炭化水素と混合される。触媒粒子がコークスになり、還元による再生のために除去される。内部で反応が行われる管も、存在する炭素による影響を受け、これによって、グリーン・ロットとして知られる状態が生じる可能性がある。これは、内部で接触分解が行われる管の耐用寿命を制限する。

グリーン・ロットは、基本的な鋼の結晶粒組織が炭素で過飽和になった結果として生じる鋼の炭化である。結晶粒組織が飽和すると、それ以上の炭素は粒界に堆積する可能性があり、抑制されない状態にしておくと、管の破損が生じる虞がある。鋼の炭化に対する閾値温度は８００℃の範囲内であり、それは接触分解の標準的な処理温度よりもかなり低い。

管は、接触分解装置を停止したときしか交換して装置から出すことができないため、管の寿命は停止の間隔の制限因子になる。さらに、１つの管における破損が、隣接する管及びプラントの他の部分にも損傷を引き起こすため、無計画な停止から保護するために、管はその理論上の寿命の限界よりかなり前に交換される。

現在のところ、接触分解装置で使用するための管は、通常は内部に孔を有する鋳造物である金属ビレットからなる複雑な製造プロセスを経る。鋳片は約２ｍの長さの管に鍛造されるが、鋳造プロセスの間に孔が形成されなかった場合には、鍛造中に孔を形成することができる。その場合、管は、孔の中に長手方向の溝を形成するために、孔を通る工具を用いて鍛造される。まっすぐな溝から螺旋状の伸開線を生成するために、管が加熱され捻られる。次いで、１２５ｍｍ〜１６０ｍｍの範囲の外径を回転させ、複数の２ｍの長さのものを互いに溶接して完全な長さの管組立体を作製する。管組立体は１０ｍの長さとすることができる。

厳しい環境で行われるプロセスの他の実例は、海中の掘削、舶用ディーゼルの汲み出し、オイル又は他の製品を含む様々な用途に用いられるマッド・モータ及びプログレッシブ・キャビティ・ポンプである。マッド・モータでは、中央のキャビティが高圧の泥で満たされる。プログレッシブ・キャビティ・ポンプでは、汲み上げられる流体が高圧である場合がある。ポンプ又はモータの管路は、通常はまっすぐであるが、１:１００の範囲の曲率を採用することが可能でなければならない。これによって、管の一方の側が引張り応力を受け、他方の側が圧縮を受けるため、応力が高まる。本来の応力集中部である接合部を最小限に抑えるために、マッド・モータ及びプログレッシブ・キャビティ・ポンプ用の管は、通常はきわめて長い。

厳しい環境の異なる実例は、かなりの引張り応力の下で動作する軸受である。例えば航空機工業では、航空機が着陸状態に入ると、着陸装置はかなりの応力を受ける。航空機の脚部内の軸受は、軽量である共に、使用時のきわめて高い応力に耐えることが可能でなければならない。

通常かなりの応力を受ける物品の他の実例は、押出し成形プロセスに使用されるダイスである。押出し成形は、ポリマー、ゴム及び木材系の複合材を含む様々な材料について、一定の断面積の製品を製造するのに適用可能な技術である。通常使用されるダイスはカットアウト部を有する外側ブロックを備え、カットアウト部は、そこを通って押し出される材料に所望の形状を与えるように調和して配置される。ブロックは、押出し成形プロセスの圧力に耐えるように、高い機械的強度を有していなければならない。

部材の形成に使用可能なプロセスは、熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）である。熱間静水圧圧縮成形は、型のキャビティの中に閉じ込められ、静水圧圧縮成形を受ける金属粉末から形成されたネット・シェイプ又はニアネット・シェイプの部材が得られる単段プロセスである。

ＨＩＰプロセスによって実質的に均質な物質が得られ、またＨＩＰプロセスによって固められる金属粉末中への原子の拡散によって、型、又は形成される部材の他の構造上の形状を決めるために型の中に設けられた任意のインサートから、材料が移動することを防止するために、拡散バリアとして窒化ホウ素を使用することが知られている。

本発明は、厳しい環境での動作に関連する前述の問題の少なくともいくつかに対処するためになされた。

本明細書では、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する部材について記述する。第１の材料は、金属又は合金とすることができ、部材は圧縮された金属粉末から製造することができる。金属は、鉄を含む金属、チタン、ニッケル、ニッケル合金又はアルミニウムとすることができる。部材は、ネット・シェイプ又はニアネット・シェイプの製造プロセスを用いて製造可能であり、また十分なサイズ、例えば少なくとも２メートルの長さのものとすることができる。

第１の材料に第２の材料を拡散させることができると、第２の材料の濃度を、部材の表面からの距離に伴って徐々に変えることが可能になるため有利である。結果として、２つの材料の間に単一の決まった境界は存在せず、そのため、プロセス条件の下で、第２の材料の層が剪断変形して第１の材料から離れることがなくなる。第１の材料で製造された部材の表面に別のコーティング又は層を形成するのではなく、本明細書に記載されるプロセスを用いて部材の表面構造を変えることができる。したがって、製造された部材は、第２の材料からなる別のコーティングを備えることはないが、第１の材料の表面に拡散した第２の材料を有することができる。

本発明によれば、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を持つ少なくとも１つの表面を有する接触分解装置用の管が提供される。

接触分解装置用の管が形成される第１の材料に第２の材料を拡散させることができると、第２の材料の濃度を管の表面からの距離に伴って徐々に変えることが可能になるため有利である。結果として、２つの材料の間に単一の決まった境界は存在せず、そのため、プロセス条件の下で、第２の材料の層が剪断変形して第１の材料から離れることがなくなる。

接触分解装置用の管は、ＨＩＰプロセスによって形成することができる。第１の材料及び第２の材料は、一緒にＨＩＰプロセスにかけられ、その結果、管の内部形状は、その内部でＨＩＰプロセスが行われる閉じ込め容器（ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ）内に設けられるフォーマの形状によって決まる。結果として、第２の材料の提供に続くプロセス・ステップは不要であり、また第２の材料の提供による管の形状の変化も生じない。ＨＩＰプロセスは、ネット・シェイプ又はニアネット・シェイプの部材をもたらし、したがって、プロセスによって、必要な約＋／−０．５ｍｍの精度の範囲内で接触分解装置用の管を簡単に形成することができる。

接触分解装置用の管は、螺旋状の伸開線を備えることができる。螺旋状の伸開線を設けることによって表面積が増加し、また乱流も増大し、したがって、管内で触媒と反応物の混合が促進される。

第２の材料はホウ素を含むことができる。鉄ホウ化物は、鋼の炭化を抑えることが知られている。しかしながら、鉄ホウ化物はきわめて不安定であり、したがって、この形で導入することができない。したがって第２の材料は、ホウ素及び少なくとも１つの安定剤を含むことができる。ＨＩＰプロセスの間、ホウ素が鋼に拡散し、鋼の鉄の一部と鉄ホウ化物を形成する。

第２の材料はアルミニウムを含むことができ、第１の材料は鉄を含む材料とすることができる。ＨＩＰプロセスの間、アルミニウムが鉄と反応して、鋼の炭化をしっかり抑える鉄アルミナイドを形成する。

さらに本発明によれば、マッド・モータ又はプログレッシブ・キャビティ・ポンプに使用するための部品が提供され、この部品は、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する。

マッド・モータ又はプログレッシブ・キャビティ・ポンプ用の部品は、ＨＩＰプロセスによって形成することができる。マッド・モータ又はキャビティ・ポンプは、＋／−２０μｍ（ミクロン）の精度で形成する必要があり、これはＨＩＰプロセスに適合している。

この部品は、マッド・モータに使用するためのものであれ、プログレッシブ・キャビティ・ポンプに使用するためのものであれ、凸半球形の端部及び凹半球形の端部を備えることができる。部品の凸半球形の端部は、凹半球形の端部と同じ半径を有し、２つの部品が互いに隣接して設けられると、第１の部品の凸半球形の端部が、第２の部品の凹半球形の端部と連結する。こうして、かなりの面積の面接触が存在するようになる。部品の半球形の端部によって、部品が互いに回転し、全体としてマッド・モータ又はキャビティ・ポンプに比較的小さい曲率半径を与えるようにすることも可能である。

部品は、凸半球形の端部に隣接する鍔部を備えることができる。鍔部は、部品の本体の半径よりも１ｍｍの範囲内で大きい半径を有することができる。凹半球形の端部に隣接する鍔部を設けることもできる。鍔部とそれぞれの端部の間に、部品が互いに回転したとき、半球形の端部の縁部が外殻とぶつからないことを保証するように構成された、短い肩部が存在してもよい。

各部品の内部は、モータを通る泥又はポンプを通る流体が流れやすいように、螺旋状の伸開線を備えることができる。

複数の部品を隣接して配置し、外殻の中に収容することができる。外殻の長さは２０ｍの範囲内にすることができ、また各部品の長さは１ｍの範囲内にすることができる。外殻内に複数の部品を設けることによって、所与のメンテナンス周期の間に摩耗の徴候を示す部品だけを交換すればよくなるため、メンテナンスにモジュール式の手法が可能になる。これは、マッド・モータが互いに溶接された比較的少数の部分、例えば５つの部分から形成される最技術とはかなり異なる。本発明によれば、隣接する部品間に溶接部がないため、損傷を受けていない部品を外殻に再び導入することができる。使用時には、各部品の鍔部が外殻の内面と連結する。これによって、部品の本体が外殻と接触しないことが保証されるが、外殻の曲率のためにかなりの圧縮力及び引張り力が生じるようになる、

外殻は、ＵＳ４１４０合金鋼又はＥＮ２４などの鋼とすることができ、部品は、Ｓａｇｉｔｉｔｅ（登録商標）などニッケル系合金のものとすることができる。鋼は、鋼の等級に応じて１１.５〜１３×１０^−６の熱膨張係数を有する。それに対して、Ｓａｇｉｔｉｔｅ（登録商標）は９×１０^−６の熱膨張係数を有する。したがって、マッド・モータは、ある温度で複数の部品を鋼の外殻に導入し、外殻を端部キャップで閉じ、次いでマッド・モータを冷却させることによって組み立てることができる。熱膨張係数が異なるため、鋼の方がより収縮し、部品を外殻の中にしっかり閉じ込める。

さらに本発明によれば、航空機用の着陸装置の脚部が提供され、脚部は、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する。航空機用の着陸装置の脚部は、高い圧縮剛性を必要とする。

第１の材料はチタン合金とすることができ、第２の材料は二ホウ化チタンとすることができる。チタン合金はＴｉＡｌ_６Ｖ_４とすることができる。チタンは、ある温度で他の化合物を強く吸収するので、剛性を与えるために熱処理することができない。二ホウ化チタンは、表面の上部３ｍｍにわたって拡散し、そこで金属間化合物相の複雑なネットワークを生成する。

着陸装置の脚部は、ＨＩＰプロセスによって形成することができる。ＨＩＰプロセスの後、完成した外面を形成するために、外面を等温鍛造することができる。

さらに本発明によれば、押出し成形機に使用するためのダイスが提供され、ダイスは、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する。

第１の材料は、中程度の強度の合金、例えば鋼とすることができる。これは、ダイスの重量及びコストを全体的に低減する助けとなる。その場合、第２の材料は、押出し成形プロセスの圧力に耐えることができるずっと硬い合金とすることができる。

ダイスは、第１、第２、場合によっては第３及び第４の材料の層さえももたらすように、一連の同心の充填材を用いたＨＩＰプロセスによって製造することができる。ＨＩＰプロセスにおいてダイスをネット・シェイプとして製造することを保証するために、フォーマを設けることができる。或いは、ＨＩＰプロセスが完了したときにダイスがネット・シェイプではない場合には、引き続き貫通孔を機械加工して形状を完成させることができる。

さらに本発明によれば、部材を製造するための方法が提供される。この方法は、形成される部材の内部寸法に対応するフォーマを製造するステップと、フォーマの少なくとも１つの表面上に第２の材料の層を設けるステップと、フォーマを閉じ込め容器内に配置し、閉じ込め容器を第１の材料で満たすステップと、閉じ込め容器を熱間静水圧圧縮成形にかけ、第２の材料が第１の材料に拡散するようにするステップとを含む。

特に第１の材料に拡散することが企図された第２の材料を提供することは、ＨＩＰプロセスにおけるパラダイムの変化を意味している。現在、第２の材料が少しでも提供される場合は、特に形成される部材への拡散を防止するために提供されている。

第１の材料及び／又は第２の材料は、金属粉末とすることができる。或いは第２の材料は、例えば鋼部材に摩耗面を与える、特定のセラミックとすることができる。例えばジルコニウムは鋼の中に拡散することができないが、ニッケルは鋼の中に拡散することができる。したがって、ジルコニアに加えてニッケルを第２の材料に組み込むことによって、鋼部材にアフニウム（ａｆｆｎｉｕｍ）で安定化したジルコニアの表面を設けることができる。

第２の材料を提供することにより、所与の部材に関する現在のやり方と比べると、第１の材料の選択を変えることが可能になる。第２の材料を第１の材料に拡散させると、部材の特性はもはや、部材のバルクを製造する材料だけでは決まらないことになる。結果として、第１の材料と第２の材料の間にその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で形成された表面の層が、全体として部材に必要な表面特性をもたらすのであれば、第１の材料としてより経済的な材料を選択することが可能になる。

ＨＩＰプロセスの後、フォーマを部材から取り外すことができる。フォーマは、炭素又は鋼のものとすることができる。炭素は、機械加工及び除去が容易である。さらに炭素は、比較的安定であり且つ予測可能である。したがって、炭素は鋼部材に適している。その一方で、炭素はチタン部材の中に拡散し、したがってチタン部材の場合には、鋼のフォーマを用いることができる。鋼とチタンの間の熱膨張係数の違いによって、部材及びフォーマを封入する閉じ込め容器を冷却した後、鋼のフォーマがチタン部材から容易に解放されるようになる。

第２の材料は、窒化ホウ素及びクロムを含むことができる。第２の材料をフォーマ上に、溶射、プラズマ溶射、水溶射又は気相堆積によって堆積させることができる。

第１の材料は、Ｓａｇｉｔｉｔｅ（登録商標）などのニッケル合金とすることができる。Ｃｒ_２３Ｃ_６の体積分率が部材の芯部内よりも表面の近くで高くなるように、クロム及び炭素が低合金の第１の材料に拡散する。Ｃｒ_２３Ｃ_６がｉｎ ｓｉｔｕで生成され、完成部材の耐摩耗性及び表面の硬さを高めるピン状の構造をもたらす。

第２の材料はニッケルを含むことができ、第１の材料はアルミニウムを含むことができる。ＨＩＰプロセスの間、ニッケルがアルミニウムと反応してニッケルアルミナイドを形成する。これは、ニッケルがアルミニウム部材の表面特性を改善する、ピストンなどの用途に特に適している。

第２の粉末は、部材の上部１０００μｍ〜２０００μｍ（すなわち１〜２ｍｍ）にわたって拡散する。

第２の粉末は、均質に又は層状の形で適用可能な複数の構成部分を有することができる。第２の粉末の各構成部分が、その独自の材料特性に従って第１の粉末に拡散する。ＨＩＰプロセスの前には独立して存在することができなかった化学種を生成するために、第２の粉末の構成部分が、互いに並びに第１の粉末とも反応するようにすることができる。

部材を製造するプロセスであるＨＩＰステップは、温度を所定の値まで上昇させ、次いで粉末の応力を解放するために、温度をその所定の値に保持するステップを含むことができる。温度は１時間半にわたって保持することができるが、わずか１時間又は最大４時間にわたって保持してもよい。時間は、製造される部材に所望される結晶粒成長の程度に応じて選択することができる。例えば鉄を含む材料及びアルミニウム系材料では、閉じ込め容器が長時間にわたってある温度に維持された場合、結晶粒成長が過剰になる。

温度の所定の値は、例えば溶接された鋼から製造することができる、したがって、閉じ込め容器に対する応力緩和を可能にする７２０℃において柔軟である閉じ込め容器に適するように設定される。

次に、単に例として示す添付図面を参照して、本発明をさらに詳しく説明する。

本発明による接触分解装置用の管を示す図。 本発明による複数の部品を備えたマッド・モータ又はキャビティ・ポンプを示す図。 本発明による航空機の着陸装置の脚部を示す図。 本発明による押出し成形に使用するためのダイスを示す図。 本発明によるプロセスを用いて、前述の図１〜３に示すものなど、部材を製造するのに必要な構成部分の分解図。 ＨＩＰプロセス中の条件について、温度及び圧力の分布を示す図。 ＨＩＰプロセス前の材料を通る断面の概略図。 ＨＩＰプロセス後の材料を通る断面の概略図。

図１は、本発明による接触分解装置用の管１０を示している。管１０は、２ｍの長さＬ、及び１２５ｍｍ〜１６０ｍｍの直径Ｄを有する。使用時には、１組５本の管１０が互いに接合され、全体で１０ｍのプロセス長さを形成する。

管１０は円筒形であり、外面１２及び内部形状１４を有する。接触分解装置内で管１０を他の管に隣接して置きやすくするために、外面１２は実質的に滑らかである。内部形状１４は、中央の孔１６及び螺旋状の伸開線１８を含む。螺旋状の伸開線は乱流を促して反応物と触媒の混合を生じさせ、その結果、層流又はほぼ層流の条件で得られるよりも効率的な分解がもたらされる。

図２は、外殻２２及び複数の部品２４を有する、分割されたマッド・モータ又はプログレッシブ・キャビティ・ポンプ２０を示している。部品２４のそれぞれが、本体２５、凹半球形の端部２６及び凸半球形の端部２７を有する。半球形の端部２６、２７に隣接して、１対の鍔部２８、２９が設けられる。部品２４は、１ｍの長さ及び１２０ｍｍの半径を有する。添付図面には示していない代替的な実例では、長さが１.５ｍ、直径が２００ｍｍである。

半球形の端部２６、２７を設けることによって、部品が互いに移動することが可能になる。図示した実例では、部品２４の直径よりもかなり大きい曲率半径を有している。これによって、隣接する部品間の移動範囲が制限されるが、外殻２２にかかる圧力にも対処する。鋼で製造された外殻２２は、部品２４の鍔部２８、２９の外側半径にぴったり一致する内側半径を有する。半球形の端部２６、２７がその一部を形成する円の直径は、通常は３０．４８ｍ（１００フィート）につき１ｍである、完成したマッド・モータ又はキャビティ・ポンプの最大曲げ半径によって決まる。よりきつい曲げを可能にするために、直径を小さくすることができるが、半径がきつくなるほど外殻に対する応力は大きくなる。

本体２５が本体２５とその長さに沿って接触するように大きさを定められた場合に受けることになる、かなりの引張り応力及び圧縮応力を回避するために、本体２５は鍔部２８、２９の直径よりも１ｍｍ小さい直径を有し、鍔部は外殻２２に接触するが、本体２５は接触しないままになるようにする。

鍔部２８、２９は、半球形の端部２６、２７から少なくとも１ｍｍのところに位置決めされるので、部品２４が殻２２内で互いに対して回転しても、半球形の端部の縁部が外殻２２とぶつかることはない。

螺旋状の伸開線（図示せず）が、部品２４の中央を貫通する。伸開線は５つの溝を有することができるが、それよりも多くの、最大９又は１１の溝を有してもよい。或いは、より少ない溝を有してもよい。溝のそれぞれを通る経路の直径は、１５〜２５ｍｍの範囲の直径を有し、その直径は、少なくとも一部は、全体として溝の数及び部品２４の直径によって決まる。

図３ａは、円形の脚の下部３２及び細長い脚部３４を有する航空機の着陸装置の脚部３０を示している。脚部３０はチタンで形成される。脚の下部３２の中央には、使用時に軸受が貫通する開口部３６が存在する。脚の下部３２の内面３８は第２の材料による拡散を受け、それによって、脚部３０の表面の形態を変化させて、金属間化合物相の複雑なネットワークを組み込むことが可能になり、その結果、表面は、そうした処理が施されなかった脚部よりも耐摩耗性がかなり高くなる。

図３ｂは、押出し成形プロセスに使用するためのダイス３１の実例を示している。ダイス３１は、成形された表面３５によって貫通して切り取られた外側ブロック３３を備えている。表面３５の形状は、ダイスから押し出される製品の所望の形状に一致している。表面３５は主に、押出しに伴う応力に対してより回復力のある第２の材料から形成される。外側ブロック３３のバルクは、より軽量の合金から形成される。外側ブロック３５は貫通孔３７を備えている。

図４は、本発明によるプロセスを用いて、接触分解装置用の管１０、又は分割されたマッド・モータ２０に用いるための部品２４、又は航空機の着陸装置の脚部３０などの部材を製造するステップを示している。第１のステップでは、閉じ込め容器４２及びフォーマ４４が製造される。閉じ込め容器４２は、形成される部材の所望の外面に対応可能な内面４６を有するように構成されるか、又は少なくとも形成される部材の最大サイズを包含するようにする。フォーマ４４は、部材の内部形状に対応するように成形される。例えば、図１を参照して前述した接触分解装置用の管、又は図２を参照して前述した分割されたマッド・モータ２０用の部品２４の場合、フォーマ４４は螺旋状の伸開線として成形される。ＨＩＰの条件の下では炭素が比較的安定であり且つ断定し得るものであるため、部材が鋼であるときには、フォーマ４４は通常炭素である。

次に、閉じ込め容器の内面４６又はフォーマ４４が１つ又は複数のコーティングで被覆される、コーティング・ステップが続く。フォーマ４４は、ＨＩＰプロセスの間に炭素がフォーマ４４から形成される部材に移動することを防止するために、従来からＨＩＰプロセスに用いられている窒化ホウ素で被覆される。さらにフォーマ４４は、形成される部材の表面層に拡散することが企図される材料の１つ又は複数の層で被覆される。こうした層又はコーティング４８は、有機バインダとして提供されるテープ上に分離されたペースト、ゲルとして提供することができる。次いで、ＨＩＰステップの前に有機バインダが除去される。コーティング４８は、フォーマ４４の全体、又はフォーマ４４の一部のみを覆うように提供することができる。このため、異なる表面が異なる表面特性を有することが可能になる。これにより、高価な化合物が部材の表面全体を覆うように提供されるのではなく、必要な場所のみに導入されることが保証される。フォーマ４４の上に、材料の複数の層を設けることができる。例えば２、３、４、５、６、８、１２又は３２の層を設けることができる。複数の層が設けられる場合には、ＨＩＰプロセスの間に一部の層が、他の層の成分が部材に拡散するのを妨げるため、層の順序は好ましい拡散の程度に従って選択される。

或いは、添付図面に図示されていない代替的な実例では、第２の材料の別個の層を設けるのではなく、いくつかの成分を単一の均質なコーティングとして提供することが可能であり、様々な成分の拡散特性の違いによって、異なる成分が第１の材料を通って異なる量で拡散することが可能になる。均質なコーティングの成分の選択に応じて、１つ又は複数の成分が、第１の材料と反応することなく第１の材料を通って拡散することができる。新しい物質をその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で形成できるものもあり、そうした新しい物質は、コーティングに導入された成分の拡散特性に関係付けられる濃度勾配の影響を受ける。

ＨＩＰプロセスにおいて、形成される部材の外面の形態を他の材料の拡散によって変える必要がある場合、また閉じ込め容器が、形成される部材の外側の構成にぴったり一致するように構成される場合には、こうした材料は、閉じ込め容器４２の内面４６に提供される。閉じ込め容器４２が炭素でないときには、窒化ホウ素層によって、形成される部材に炭素が移動するのを防止する必要はない。さらに、閉じ込め容器４２の内面４６に使用されるコーティング４８は、フォーマ４４上に提供されるものと異なってもよい。

閉じ込め容器４２及びフォーマ４４にコーティングが提供された後、フォーマ４４は閉じ込め容器４２の中に配置され、閉じ込め容器４２は、部材が形成される主要な材料の粉末４９で満たされる。次いで、閉じ込め容器４２が閉じられ、コーティング４８が形成される部材の表面層に拡散するように、熱間静水圧圧縮成形にかけられる。コーティング４８の物質に応じて、表面層は最大２ｍｍに及ぶことがある。コーティング４８内の物質は、部材の中に移動することができるが、化学的に同じ状態に留まることができる。しかしながら、この技術は、コーティング４８の物質が表面領域で粉末４９と反応し、フォーマ４４からの距離に伴って変わる濃度で異なる合金を生成する状況において最も効果的である。

閉じ込め容器が減圧され、周囲温度に戻された後、部材が閉じ込め容器４２から取り出され、フォーマ４４が部材から取り外される。フォーマ４４が炭素である場合には、機械にかけて外すことができる。フォーマ４４が鋼であり、部材が主にチタンである場合には、通常、閉じ込め容器が周囲の温度及び圧力に戻されるまでに、フォーマ４４が解放された状態になる。フォーマ４４が銅である場合には、完成部材から電解によってエッチアウトすることができる。

閉じ込め容器４２が、完成部材の形状にぴったり一致するように構成されていない場合には、フォーマを取り外した後、部材をさらに処理することがある。例えば部材がチタンである場合には、部材を等温鍛造することができ、或いは部材が鋼である場合には、部材を回転させることができる。

ＨＩＰプロセスに用いられる加熱及び冷却の過程は、形成される部材から応力を緩和する機会を最大にするように、またコーティング４８が部材の表面層に拡散することを可能にするように設計される。図５には、温度（実線）及び圧力（点線）の概略図が示されている。

まず、温度及び圧力を、温度が保持温度に達するまで、約１０℃／分の上昇率で増加させる。応力を解放させるために、温度は保持点で１時間維持される。溶接された鋼の閉じ込め容器の場合、保持温度は７２０℃の範囲内である。

応力解放ステップが完了した後、温度及び圧力を固相線の８０％の範囲で増加させる。これは、ニッケルの場合には１０００℃、鋼の場合には１０９０℃で行われ、この温度及び圧力で熱間静水圧圧縮成形が行われる。ＨＩＰプロセスの継続時間は、形成される部材の断面厚さ、及び部材が形成される粉末の粒径によって決まる。

ＨＩＰプロセスが完了すると、温度が第２の所定の値に達するまで、温度を３〜１０℃／分の割合で下げる。温度は、１時間以内でこの第２の値に維持される。温度は、部材の主要な材料によって決まる。例えば、温度は通常７５０℃〜７２０℃であるが、ニッケル合金の場合には８００℃と高くすることができ、高クロム鋼の場合には５４０℃と低くすることができる。

温度をこの第２の所定の値に保持することによって、設けられた表面層が部材に拡散する。この保持ステップの間に、部材内で相変化が起こる。

拡散の保持が完了した後、温度を下げることができる。これは、部材がフォーマに対する応力を解放することを可能にするために、３℃／分以下でゆっくりと行われる。こうして、完成部材内の応力が最小限に抑えられる。

完成部材から閉じ込め容器及びフォーマ内へ応力を解放させるために、温度は、冷却の間に一旦、第１の所定の値に保持される。その後、周囲の条件に達するまで、温度及び圧力が一緒に低下する。

図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれＨＩＰプロセスの前及び後のコーティング４８の分布を概略的に示している。

Claims (34)

1. 部材を製造する方法であって、
   形成される前記部材の内部寸法に対応するフォーマを製造するステップと、
   前記フォーマの少なくとも１つの表面に第２の材料の層を設けるステップと、
   前記フォーマを閉じ込め容器内に配置し、前記閉じ込め容器を第１の材料で満たすステップと、
   前記閉じ込め容器を熱間静水圧圧縮成形にかけ、前記第２の材料を前記第１の材料に拡散させるステップとを含む、部材を製造する方法。
2. 前記ＨＩＰプロセスの後に、前記フォーマを前記部材から取り外す、請求項１に記載された部材を製造する方法。
3. 前記第１の材料及び／又は前記第２の材料が金属粉末である、請求項１又は請求項２に記載された部材を製造する方法。
4. 前記第２の材料がセラミックである、請求項１又は請求項２に記載された部材を製造する方法。
5. 前記第２の材料が窒化ホウ素及びクロムを含む、請求項１又は請求項２に記載された部材を製造する方法。
6. 前記第２の材料を前記フォーマ上に、溶射、プラズマ溶射、水溶射、又は気相成長によって堆積させることができる、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された部材を製造する方法。
7. 前記第１の材料が、Ｓａｇｉｔｉｔｅ（登録商標）などのニッケル合金である、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された部材を製造する方法。
8. 前記第２の材料がニッケルを含み、前記第１の材料がアルミニウムを含む、請求項１又は請求項２に記載された部材を製造する方法。
9. 前記第２の粉末を、前記部材の上部の１０００μｍ〜２０００μｍにわたって拡散させる、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された部材を製造する方法。
10. 前記第２の粉末が、均質に結合された複数の構成部分を有する、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載された部材を製造する方法。
11. 前記第２の粉末が、層状の形で結合された複数の構成部分を有する、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載された部材を製造する方法。
12. 前記部材を製造する方法の前記ＨＩＰステップが、温度を所定の値まで上昇させ、次いで前記粉末の応力を解放するために、前記温度を前記所定の値に保持するステップを含む、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載された部材を製造する方法。
13. 第１の材料から形成され、且つ第２の材料を前記第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する部材であって、金属又は金属合金から製造された部材。
14. 前記部材が、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を前記第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する接触分解装置用の管である、請求項１３に記載された部材。
15. 前記管がＨＩＰプロセスによって形成された、請求項１４に記載された接触分解装置用の管。
16. 螺旋状の伸開線をさらに備える、請求項１４又は請求項１５に記載された接触分解装置用の管。
17. 前記第２の材料がホウ素を含む、請求項１４から請求項１６までのいずれか一項に記載された接触分解装置用の管。
18. 前記第２の材料がアルミニウムを含み、前記第１の材料が鉄を含む材料である、請求項１４から請求項１６までのいずれか一項に記載された接触分解装置用の管。
19. 前記部材がマッド・モータに使用するための部品であり、前記部品が、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を前記第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する、請求項１３に記載された部材。
20. 前記部品がＨＩＰプロセスによって形成された、請求項１９に記載された部品。
21. 前記部品が、凸半球形の端部及び凹半球形の端部を備える、請求項１９又は請求項２０に記載された部品。
22. 本体、及び前記凸半球形の端部に隣接する鍔部をさらに備える、請求項２１に記載された部品。
23. 前記鍔部が、前記本体の半径よりも１ｍｍ大きい半径を有する、請求項２２に記載された部品。
24. 前記凹半球形の端部に隣接する鍔部をさらに備える、請求項２２又は請求項２３に記載された部品。
25. 螺旋状の伸開線をさらに備える、請求項１９から請求項２４までのいずれか一項に記載された部品。
26. 請求項１９から請求項２５までのいずれか一項に記載の複数の部品を収容する外殻を備えるマッド・モータ。
27. 請求項１９から請求項２５までのいずれか一項に記載された複数の部品を収容する外殻を備えるプログレッシブ・キャビティ・ポンプ。
28. 前記外殻が鋼であり、前記部品がニッケル系合金である請求項２６に記載のマッド・モータ、又は請求項２７に記載されたプログレッシブ・キャビティ・ポンプ。
29. ある温度で複数の部品を鋼の外殻に導入するステップと、前記外殻を端部キャップで閉じるステップと、前記マッド・モータ又は前記キャビティ・ポンプを冷却させるステップとを含む、請求項２６から請求項２８までのいずれか一項に記載されたマッド・モータ又はプログレッシブ・キャビティ・ポンプを製造する方法。
30. 前記部材が航空機用の着陸装置の脚部であり、前記脚部が、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を前記第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する、請求項１３に記載された部材。
31. 前記第１の材料がチタン合金であり、前記第２の材料が二ホウ化チタンである、請求項３０に記載された着陸装置の脚部。
32. 前記チタン合金がＴｉＡｌ_６Ｖ_４である、請求項３１に記載された着陸装置の脚部。
33. 前記脚部がＨＩＰプロセスによって形成された、請求項３０から請求項３２までのいずれか一項に記載された着陸装置の脚部。
34. 前記部材が押出し成形機に使用するためのダイスであり、前記ダイスが、第１の材料から形成され、且つ第２の材料を前記第１の材料に拡散させたことによって変化した表面構造を有する少なくとも１つの表面を有する、請求項１３に記載された部材。