JP2013533475A - 材料の相変態によって生成される微細構造のinsitu特定および制御 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、合衆国海軍省海軍研究によって表彰されたN00014−07−1−1032に基づく政府支援によりなされた。政府は、本発明における一定の権利を有する。
この発明は、金属および他の材料のための相変態処理に概して関し、より特定的には、リアルタイムで相変態処理を分析するために用いられるセンサおよび技術に関する。
すべての材料の役に立つ機能は、一般的に構造特性関係を開発することによって決定される。たとえば、相変態処理によって作製される材料の役に立つ機能および特性は、概してその相変態材料の結果的に生じる微細構造に依存する。相変態処理は、レーザではないエネルギ源を用いて実行される処理(たとえば、十分に高い局所的な熱を与えて、所望の相変態処理を実行するための電子ビームおよび他の技術)だけでなく、レーザクラッディング、レーザアロイング、レーザウェルディング、レーザメルトクエンチングを含むことができる。開示された発明に用いられることが可能な材料は、典型的には金属材料である。すなわち、材料は、単一の純粋元素の金属、異なる元素金属の、二元、三元および他の複数の組合せ、さらに、1以上の金属と他の非金属との組合せを含む。しかしながら、セラミクスおよび他の非金属元素は、さまざまな微細構造への相変態によって形成可能である。
本発明の1つの局面に従うと、材料の相変態の間に材料の微細構造を決定する方法が提供される。方法は、(a)材料の相変態の間に生成されたプラズマプルームから放出された光を検出するステップと、(b)検出された光のスペクトル成分の少なくともいくつかを決定するステップと、(c)決定されたスペクトル成分から、相変態された材料の予想される微細構造を決定するステップとを備える。
以下の説明は、合成の間にプラズマが存在する合成処理の間のin situでの相の特定のための装置および方法の例示的な実施の形態である。プラズマから放出された光の検出されたスペクトル成分に基づいて所望の微細構造を得るために、相変態処理をフィードバック制御するための方法およびシステムも説明される。本明細書において説明される実施の形態において、相変態処理の間の形成された微細構造の特定および制御は、概して、その相変態の間に生成されるプラズマプルームから放出される光のスペクトル成分の分析に基づく。たとえば、レーザまたは電子ビームのクラッディング、アロイングおよびウェルディングのような処理は、1以上の材料が相変態されるにしたがってプラズマプルームを生成する高い量の局在エネルギの注入を含み、材料は、通常は固体原料または溶融プールへの粉末からなり、溶融プールは、次にそれが冷却されるに従って特定の微細構造へと固化する。本明細書で開示される方法および装置を用いることにより、結果的な微細構造はプラズマプルームから放出される光のスペクトル成分から由来する1以上のスペクトルパラメータに基づいて予想可能である。プラズマを生成しない相変態の場合、検査レーザまたは他のエネルギ注入器が、レーザ誘起ブレークダウン分光(LIBS)によりプラズマを生成するために用いることができ、次に相変態された材料のその相とその微細構造とを決定するために用いられることができる。
局所熱力学平衡(LTE)状態の場合、上位状態の密度は、ボルツマン法則を満たし、それは次の形式をとる。
二元Fe−Ti合金化処理の場合、Ti(純度99.99%、−200メッシュ)およびFe(純度99.90%、−200メッシュ)の元素粉末が共晶複合点(原子比70.8/29.2)付近の異なる原子比(Ti/Fe=75.9/24.1,73.1/26.9,70.8/29.2,65.5/34.4,59.8/40.2)で混合された。レーザビームのサイズは0.5mmであった。レーザパワーは500Wであった。粉末流量比は2.1g/minであった。走査速度は365mm/minであった。各々の次の相へのz増加量は0.25mmであった。基板からの効果をなくすために、第2の相の後にプラズマ集光が実行された。
同様の実験がNi−Al合金に対して実行された。700Wのレーザパワーが用いられるとともに、流量が毎分6.4グラムのNi75Al25粉末を用いた点を除いては、すべてのパラメータが同じに保たれた。Al−I/Ni−I線強度比とニッケルの原子パーセントとの間の関係が図9に示される。2本の中性のアルミニウム線は、Al−I 394.4nmおよびAl−I 396.15nmであり、両者は3s23p−3s24sの遷移構成を有する。2本の中性ニッケル線はNi−I 349.296nmおよびNi−I 352.454nmであり、両者は3d9(2D)4s−3d9(2D)4pの遷移構成を有する。2本の下降線の線強度比の曲線が、ニッケル原子濃度が増加するに従って形成される。第1の下降線は、ニッケル原子パーセント75%において止まる。第2の下降線は、ニッケル原子パーセント80%において開始され、ここではAl濃度が減少したとしてもAl/Ni線強度比が跳躍する。各々のニッケルアルミニウム組成に対する微細構造が図10に示される。第1の下降線に対応して、ニッケルリッチの一次デンドライトは発達し、ニッケル含有量が75%まで増大するにつれて成長する。XRDパターンは、これらの合金が、bccベースのCsCl型B2構造を有するAlNi3相およびAlNi相を有することを示す。この範囲において、アルミニウムとニッケルとの間のスペクトル線強度比は、ニッケル含有量が増加するに従って減少し、そのことは組成の変化に一致する。ニッケルの原子パーセントが80%となる第2の下降線の開始点において、Ll2構造を有するNi3Alのγ′相がニッケルリッチのマトリクスにおいて発達する。Al15Ni85およびAl10Ni90の微細構造は、Al原子がランダムにNi原子に置換わるAlニッケル構造を有するニッケルマトリクスと同様である。2本の下降線は、2つの異なる種類の相に対応する。さらにこの相の中では、線強度比は元素濃度に比例する。ニッケル原子パーセント80%における線強度比の異常な変化は、新しい相の形成を示す。
同様の実験がNi−Ti合金において実行された。Ni90Ti10のパウダーの流量比が、毎分8.0グラムである点を除いては、すべてのパラメータがNi−Al実験の場合と同じに保たれた。図11は、合成された材料におけるTi−II/Ni−Iスペクトル線強度比とNi原子パーセントとの間の関係を示す。単一のイオン化チタン線はTi−II 416.36nmであり、3d3−3d2(3P)4pの遷移構成を有する。2つの中性ニッケル線は3d9(2D)4s−3d9(2D)4pの遷移構成を有するNi−I 344.626nmおよび3d9(2D)4s−3d8(3F)4s4p(3Po)の遷移構成を有するNi−I 346.165nmである。Ni−AlとTi−Feとの合成処理と同様に、2つの下降線が、Ni濃度が増加するに従って形成される。図2は、異なるNi−Ti組成を有するNi−Ti合金のSEMモルフォロジーを示す。D024構造を有するNi3Ti相の一次デンドライトが、Ni75Ti25,Ni79Ti29およびNi84Ti16合金の場合に形成される。デンドライトのサイズおよび長さの両方は、Ni含有量の増加に従って減少する。Ni87Ti13合金およびNi90Ti10合金との両方は、Ll2構造を有する、SEM分析の下でときどき観察されるγ′Ni3Ni相を有する歪んだAlニッケル構造である。2本の下降線は、2つの異なる種類の微細構造に対応する。
Claims (22)
- 材料の微細構造を、前記材料の相変態の間に決定する方法であって、
(a)材料の相変態の間に生成されたプラズマプルームから放出された光を検出するステップと、
(b)前記検出された光のスペクトル成分の少なくともいくつかを決定するステップと、
(c)前記決定されたスペクトル成分から、前記相変態された材料の予想される微細構造を決定するステップと、
を備える、方法。 - ステップ(a)における材料の前記相変態は、少なくとも2つの異なる材料の合金化を含み、ステップ(c)は、さらに、少なくとも2つの前記異なる材料の各々に対して、前記スペクトル成分から、当該材料に関連付けられる少なくとも1つのスペクトル線を決定するステップと、その後に、少なくとも一部は前記決定されたスペクトル線の相対的な線強度に基づいて、前記微細構造を決定するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(c)は、さらに、前記決定されたスペクトル線に基づいて、前記異なる材料の相対的な量を決定するステップを含む、請求項2に記載の方法。
- ステップ(c)は、さらに、前記決定されたスペクトル成分に基づいて、電子温度を決定するステップと、少なくとも一部は前記電子温度に基づいて、前記微細構造を決定するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(c)は、さらに、前記決定されたスペクトル成分から電子密度を決定するステップと、少なくとも一部は前記電子密度に基づいて、前記微細構造を決定するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記電子密度は、前記決定されたスペクトル成分に含まれる1以上のスペクトル線の線広がりに基づいて決定される、請求項5に記載の方法。
- 前記電子密度は、少なくとも一部は前記1以上のスペクトル線のシュタルク広がりに基づいて決定される、請求項6に記載の方法。
- ステップ(c)は、さらに、前記決定されたスペクトル成分から複数のパラメータを決定するステップと、その後に前記パラメータに基づいて前記微細構造を決定するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記パラメータは、電子温度、電子密度およびスペクトル線強度を含む、請求項8に記載の方法。
- ステップ(a)は、さらに、前記材料の相変態によって生成されたプラズマプルームから放出された光を検出するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(a)は、さらに、レーザクラッディング処理またはレーザアロイング処理によって生成されたプラズマプルームから放出された光を検出するステップを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記ステップ(a)は、さらに、前記材料と入射エネルギーとの相互作用により生成されたプラズマプルームから放出された光を検出するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 材料の相変態を制御する方法であって、
(a)材料の相変態を開始するステップと、
(b)前記相変態の間に生成されたプラズマプルームから放出された光を検出するステップと、
(c)前記検出された光の少なくともいくつかのスペクトル成分を決定するステップと、
(d)前記決定されたスペクトル成分に基づいて1以上のプロセスパラメータを制御することによって、前記相変態から所望の微細構造を作製するステップと、
を備える、方法。 - ステップ(a)は、さらに、基板に材料のレーザクラッディングを実行するステップを含む、請求項13に記載の方法。
- ステップ(a)は、さらに、少なくとも2つの異なる材料から、金属材料のレーザアロイングを実行するステップを含む、請求項13に記載の方法。
- ステップ(d)は、さらに、前記決定されたスペクトル成分から1以上のスペクトルパラメータを決定するステップと、前記1以上のスペクトルパラメータを、1以上の所望のパラメータ値と比較するステップと、前記比較に基づいて、前記1以上のスペクトルパラメータを調整するステップとを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記1以上のスペクトルパラメータは、電子温度、電子密度、およびスペクトル線強度のうちの1つ以上を含む、請求項16に記載の方法。
- 材料の相変態の間における使用のための微細構造検出器であって、
材料の相変態の間に生成されたプラズマプルームから放出された光を受けるように方向づけられた集光器と、
前記集光器からの光を受けるセンサとを備え、前記センサは、前記受けた光の少なくともいくつかのスペクトル成分を示すスペクトルデータを出力するように動作可能な光検出器を含み、
前記センサから前記スペクトルデータを受ける演算装置をさらに備え、前記演算装置は、前記受けたスペクトルデータから前記相変態した材料の予想される微細構造を決定するように動作する、微細構造検出器。 - 前記演算装置は、前記スペクトルデータから1以上のスペクトルパラメータを決定して、前記1以上のスペクトルパラメータに基づいて前記微細構造を決定するように動作する、請求項18に記載の微細構造検出器。
- 前記1以上のスペクトルパラメータは、電子温度、電子密度、およびスペクトル線強度のうちの1つ以上を含む、請求項20に記載の微細構造検出器。
- 前記1以上のスペクトルパラメータは、電子温度、電子密度、およびスペクトル線強度を含み、前記演算装置は、これら3つすべてのスペクトルパラメータのうちの少なくとも一部に基づいて前記微細構造を決定するように動作する、請求項19に記載の微細構造検出器。
- 相変態コントローラと、請求項18に記載の微細構造検出器とを備える、コンピュータ制御の相変態システムであって、
前記演算装置は、前記相変態コントローラに入力されるフィードバックを与え、前記相変態コントローラは、前記材料の前記相変態を実行するように動作するとともに、前記微細構造検出器から受けた前記フィードバックに基づく前記相変態の間に1以上のプロセスパラメータを調整するように動作する、コンピュータ制御の相変態システム。
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