JP2015516299A - 金属または合金物体の加工 - Google Patents

Abstract

物体（２）を加工する方法が開示され、物体（２）は、金属または合金から成り、物体（２）は、複数の開放キャビティ（１０）を有し、この方法は：物体（２）へ封止プロセスを実施して開放キャビティ（１０）の開口部を封止し、それによって、複数の閉鎖キャビティ（closed cavities）（８）を形成すること；および閉鎖キャビティ（８）を有する物体（２）へ緻密化プロセスを実施することによって、閉鎖キャビティ（８）のサイズを低下させることを含む。封止プロセスは、物体（２）を、ショットピーニングまたはコーティングすることを含んでよい。緻密化プロセスは、熱間等方圧加圧プロセスを含んでよい。閉鎖キャビティ（８）のサイズの低下は、物体（２）中に閉鎖キャビティ（８）が存在しなくなるまで行われてよい。

Description

本発明は、物体、特に金属または合金から成る物体の加工に関する。

金属および金属合金は、航空宇宙、医療、ならびにスポーツおよびレジャー分野を含む多くの市場分野で用いられている。

金属または合金物体の製造は、機械加工によって、または鍛造および機械加工の組み合わせによって行われ得る。物体はまた、金属粉末射出成型プロセスを用いることを例とする、鋳造および／または粉末冶金経路を用いることによっても作製され得る。

しかし、そのようにして製造された物体、特に粉末冶金プロセスで作製された物体は、物体の表面または表面付近にミクロ細孔およびその他の欠陥を含み得る。そのような欠陥が存在することは、特に高サイクル疲労の状況において、物体の耐疲労性能に悪影響を及ぼす傾向にある。例えば、欠陥は、クラック開始点（crack initiator）として作用し得る。

そのような欠陥は、それらが表面と連結されている場合、熱間等方圧加圧法では除去されない傾向にある。

第一の態様では、本発明は、物体を加工する方法を提供し、物体は、金属または合金から成り、物体は、複数の開放キャビティを有し、この方法は、物体へ封止プロセスを実施して開放キャビティの開口部を封止し、それによって、複数の閉キャビティ（ｃｌｏｓｅｄ ｃａｖｉｔｉｅｓ）を形成すること、および閉鎖キャビティを有する物体へ緻密化（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）プロセスを実施することによって、閉鎖キャビティのサイズを低下させることを含む。

閉鎖キャビティのサイズを低下させる工程は、少なくとも、物体中に閉鎖キャビティが存在しなくなるまで実施されてよい。

緻密化プロセスを実施する工程は、熱間等方圧加圧プロセスを実施することを含んでよい。

物体は、ネットシェイプ製造プロセス、ニアネットシェイプ製造プロセス、粉末冶金プロセス、スプレーフォーミングプロセス、金属射出成型、直接金属堆積、選択的レーザー溶融、積層造形（additive layer manufacturing）、鋳造、圧延、および鍛造から成るプロセスの群より選択されるプロセスを用いて作製された物体であってよい。

物体は、物体を形成するために金属射出成型を用いて作製された物体であってよい。

物体は、焼結されたブラウンステージ物体（ｂｒｏｗｎ ｓｔａｇｅ ｏｂｊｅｃｔ）であってよい。

封止プロセスを実施する工程は、物体の表面を塑性変形することを含んでよい。

物体の表面を塑性変形することは、物体の表面をショットピーニングすることを含んでよい。

封止プロセスを実施する工程は、物体の表面が塑性変形された後に、物体を焼結することをさらに含んでよい。

封止プロセスを実施する工程は、物質の層で物体の表面をコーティングすることでコーティングされた物体を提供することを含んでよく、ここで、物質は、物体を形成する金属または合金と異なる金属または合金である。

封止プロセスを実施する工程は、物質の層からの原子が物体中に拡散し、および物体からの原子が物質の層中に拡散するように、コーティングされた物体を加熱することをさらに含んでよい。

コーティングされた物体を加熱する工程は、コーティングされた物体の、表面に存在するかまたは表面に近接して存在する一部分を溶融することを含んでよい。

物質の層および物体は、物質の層と物体との間の界面にて、または界面に近接して、共晶組成物を形成してよい。

コーティングされた物体を加熱する工程は、コーティングされた物体を、共晶組成物の共晶温度よりも高い温度であり、かつ、物体を形成する金属または合金の融点よりも低い温度である温度まで加熱することを含んでよい。

物質は、銅を含んでよい。

物体が作製されている金属または合金は、チタン合金、鋼鉄、およびアルミニウム合金から成る金属または合金の群より選択されてよい。

さらなる態様では、本発明は、物体を作製する方法を提供し、その方法は、金属または合金から成る初期物体であって、複数の開放キャビティを有する初期物体を提供こと、および上記の態様のいずれかの方法を用いて初期物体を加工し、それによって作製された物体を提供することを含む。

さらなる態様では、本発明は、上記の態様のいずれかの方法を用いて作製または加工された物体を提供する。

図１は、物体の概略図である（原寸に比例せず）。 図２は、物体を作製するプロセスのいくつかの工程を示すプロセスフローチャートである。 図３は、焼結パーツの一部分の概略断面図である（原寸に比例せず）。 図４は、ショットピーニングされた後の、焼結パーツの一部分の概略断面図である（原寸に比例せず）。 図５は、再焼結された後の、ショットピーニングパーツの一部分の概略断面図である（原寸に比例せず）。 図６は、熱間等方圧加圧プロセスが実施された後の、再焼結パーツの一部分の概略断面図である（原寸に比例せず）。 図７は、物体を作製するさらなるプロセスのいくつかの工程を示すプロセスフローチャートである。 図８は、銅層でコーティングされた後の、焼結パーツの一部分の概略断面図である（原寸に比例せず）。 図９は、加熱時の、銅コーティングパーツの一部分の概略断面図である（原寸に比例せず）。 図１０は、銅層がその中へ拡散した後の、加熱パーツの一部分の概略断面図である（原寸に比例せず）。

図１は、物体２の概略図である（原寸に比例せず）。物体２は、チタン合金から成る。物体２は、機械または機械装置のコンポーネントパーツを例とする適切ないかなる物体であってもよい。物体は、表面４を有する。物体２を作製するプロセスの第一の実施形態をここで記載する。

図２は、物体２を作製するプロセスの第一の実施形態のいくつかの工程を示すプロセスフローチャートである。

工程ｓ２において、金属射出成型プロセスが実施されて、いわゆる「グリーンパーツ（green part）」が作製される。

この実施形態では、従来の金属射出成型プロセスが実施される。比較的微細に粉体化された合金がバインダー物質と混合されて、いわゆる「供給原料」が作製される。この供給原料は、射出成型プロセスを用いて成形されて、グリーンパーツが作製される。

この実施形態では、合金は、６％ アルミニウムおよび４％ バナジウムを伴うチタンである（Ｔｉ‐６Ａｌ‐４Ｖ、または６‐４、６／４、ＡＳＴＭ Ｂ３４８ グレード５としても知られる）。

工程ｓ４において、グリーンパーツが、冷却され、型から取り出された後、バインダー物質の一部分がグリーンパーツから除去され、いわゆる「ブラウンパーツ」が作製される。

この実施形態では、例えば、溶媒、加熱蒸発、および／または触媒プロセスなどを用いることによる、グリーンパーツからバインダー物質を除去するための従来のプロセスが用いられる。

この実施形態では、金属射出成型およびバインダー除去プロセスによって作製されるブラウンパーツは、およそ６０％の固相密度を有する。言い換えると、ブラウンパーツは、比較的多孔性である。

また、ブラウンパーツは、パーツ全体にわたって実質的に均一な多孔性を有する。ブラウンパーツの表面および内部構造は、実質的に等しい多孔性を有する。

工程ｓ６において、焼結プロセスが、ブラウンパーツへ実施される。従来の焼結プロセスが用いられる。

この実施形態では、ブラウンパーツは、１０００℃から１３００℃の範囲の温度で焼結される。好ましくは、ブラウンパーツは、１２５０℃から１３００℃の範囲の温度で焼結される。この焼結プロセスは、ブラウンパーツ中の金属粒子を凝集させる傾向にあり、それによって、パーツの固相密度が上昇する。

ブラウンパーツを焼結することによって形成されるコンポーネントは、９２％から１００％の範囲の固相密度を有する。言い換えると、焼結されたブラウンパーツは、比較的中実（ｓｏｌｉｄ）である。用語「中実」は、本明細書にて、９２％から１００％の体積密度（すなわち、固相密度）を有する物質を意味するために用いられる。

焼結された後のブラウンパーツは、以降、「焼結パーツ」と称される。

図３は、焼結パーツ６の一部分の概略断面図（原寸に比例せず）である。図３に示される一部分は、焼結パーツ６の表面（これは、作製された物体２の表面であり、従って、図３にて符号４で示される）の近接部である。

焼結パーツ６の表面４は、比較的平坦ではなく、すなわち、粗い。

その表面４の近接部にて、焼結パーツ６は、複数の閉鎖キャビティ８（すなわち、物質本体中の閉鎖細孔または空隙）を含む。このような閉鎖キャビティ８は、焼結パーツ６の本体中の中空のスペースまたはピットである。さらに、閉鎖キャビティ８は、大気に対して開放されておらず、すなわち、それらは、表面４と連結されていない。言い換えると、焼結パーツ６の外側から閉鎖キャビティ８中へ、またはその逆へ、気体が流れることができない。

焼結パーツ６は、複数の開放キャビティ１０（すなわち、物質本体中の開放細孔または空隙）をさらに含む。これらの開放キャビティ１０は、大気に対して開放されたキャビティまたは中空部であり、すなわち、焼結パーツ６の外側からこれらの開放キャビティ中へ気体が流れることができるように、表面４と連結されたキャビティまたは中空部である。

焼結パーツ６は、例えば、およそ１０〜２０μｍの周期（periodicity）で、およそ±１０μｍの平均表面粗度を有し得る。開放キャビティ１０は、例えば、最大で６０μｍの深さであり得る。他の実施形態では、開放キャビティ１０は、例えば、焼結パーツ６中へ、その表面４から最大で２００μｍの深さまで延び得る。

従来の方法では、焼結パーツ６が形成された後、パーツの多孔性を低下させ、密度を高めるために、通常は、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）プロセスが焼結パーツ６へ実施される。ＨＩＰプロセスが焼結パーツ６へ実施されると（従来から実施されるように）、焼結パーツ６は、例えば、焼結パーツ６を加熱および加圧されたアルゴンなどの気体に付すことにより、高い温度、および高い等方気体圧力に付されることになる。従って、焼結パーツ６の表面４には、比較的高い圧力が掛かり、一方、閉鎖キャビティ８中の圧力は、比較的低い（表面４に対して開放されていないことにより）。熱の適用、および外部雰囲気と閉鎖キャビティ８との間の圧力差の形成により、閉鎖キャビティ８の収縮、または完全な消滅が引き起こされる傾向にある。これは、高い温度および圧力によって引き起こされる塑性変形、クリープ、および拡散接着の組み合わせに起因し得る。しかし、焼結パーツ６へ実施される従来のＨＩＰプロセスは、焼結パーツ６からの開放キャビティ１０を収縮または除去しない傾向にある。ＨＩＰプロセスの過程で焼結パーツ６へ適用される加熱され、加圧された気体は、開放キャビティ１０中へ流れ得る。従って、外部雰囲気と開放キャビティ１０との間に圧力差が存在しない傾向にあり、開放キャビティ１０は、従って、ＨＩＰプロセスによって閉じられないことになる。

物体／パーツを作製する従来の方法のこの欠点は、単にＨＩＰプロセスを実施するのに対して、焼結パーツ６へ工程ｓ８からｓ１２を実施することによって克服することができる。

工程ｓ８において、焼結パーツ６（工程ｓ２からｓ６を実施することによって作製される）は、ショットピーニングされる。

この実施形態では、従来のショットピーニングプロセスが用いられる。このプロセスは、ショット（例：金属、ガラス、またはセラミックで作られている実質的に球状の粒子）により、焼結パーツ６がその表面４で塑性変形するように充分な力で、焼結パーツ６の表面４に衝撃を与えることを含む。

この実施形態では、Ｓ３３０（平均径０．８ｍｍの鋳鋼）を例とする適切ないかなるショット媒体が用いられてもよい。また、０．５バール、０．７５バール、１．２５バール、２バール、および４バールを例とする適切ないかなるショットピーニング圧が用いられてもよい。また、０．１５ｍｍＡ、０．２０ｍｍＡ、０．３０ｍｍＡ、０．３８ｍｍＡ、および０．５２ｍｍＡを例とする適切ないかなるアルメン強度が用いられてもよい。

図４は、ショットピーニングされた後の、焼結パーツ６の一部分の概略断面図（原寸に比例せず）である。このパーツは、以降、「ショットピーニングパーツ」と称され、符号１２によって図４に示される。図４に示されるパーツの一部分は、図３に示されるものと同じ一部分である。

ショットピーニングパーツ１２の表面４は、比較的平滑である（ショットピーニング前の表面４と比較して）。

さらに、ショットピーニングのプロセスでは、開放キャビティ１０の開口部が、気体が焼結パーツ６の外部から開放キャビティ１０へ、およびその逆へ流れることができないように閉じられるように（すなわち、実際には、開放キャビティ１０が閉鎖キャビティ８となるように）、または開放キャビティ１０の表面４への開口部は非常に小さいが、それでも気体が焼結パーツ６の外部から開放キャビティ１０へ、およびその逆へ流れ得るように閉じられるように、焼結パーツ６がその表面４にて塑性変形される傾向にある。

この実施形態では、焼結パーツ６の表面の塑性変形は、ショットピーニングによって行われる。しかし、他の実施形態では、例えば、ローラーなどを使用するバニシングプロセスなどの、異なる塑性変形プロセスが用いられる。

工程ｓ１０において、ショットピーニングパーツ１２は、再焼結される。

工程ｓ６で用いられるものなどの従来の焼結プロセスが用いられてよい。例えば、ショットピーニングパーツ１２の焼結は、１０００℃から１３００℃の範囲の温度、好ましくは、１２５０℃から１３００℃の範囲の温度での焼結を含んでよい。焼結プロセスは、表面付近の圧縮された開放キャビティ１０を拡散接着させる温度、例えば７５０〜１４００℃の範囲の温度にて、ある時間にわたって実施される。

図５は、再焼結された後の、ショットピーニングパーツ１２の一部分の概略断面図（原寸に比例せず）である。このパーツは、以降、「再焼結パーツ」と称され、符号１４によって図５に示される。図５に示されるパーツの一部分は、図３および図４に示されるものと同じ一部分である。

ショットピーニングパーツ１２の焼結は、ショットピーニングパーツの金属粒子を凝集させる傾向にある。特に、焼結プロセスは、実際に、開放キャビティ１０が閉鎖キャビティ８となるように（図５に示されるように）、開放キャビティ１０（ショットピーニングプロセスによって閉じられているか、またはほぼ閉じられている）の開口部を拡散接着させる傾向にある。言い換えると、開放キャビティ１０の開口部は、パーツ１２の焼結によって完全に封止されるものであり、すなわち、ショットピーニングパーツ１２の再焼結は、気体がショットピーニングパーツ１２の外部から開放キャビティ１０へ、およびその逆へ流れることができないように、開放キャビティ１０を閉じる傾向にある。言い換えると、開放キャビティ１０は、流体に対して非透過性とされる。

工程ｓ１２において、再焼結パーツ１４へ熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）プロセスが実施される。

再焼結パーツ１４の多孔性を低下させ、密度を高めるために、従来のＨＩＰプロセスが用いられる。この実施形態では、再焼結パーツ１４は、再焼結パーツ１４を加熱および加圧されたアルゴンに付すことによって、高い温度、および高い等方気体圧力に付される。およそ２時間の継続時間、９２０℃の温度、および１０２ＭＰａの圧力でのＨＩＰサイクルが用いられてよい。図６は、ＨＩＰプロセスがそれに実施された後の、再焼結パーツ１４の一部分の概略断面図（原寸に比例せず）である。再焼結パーツ１４の熱間等方圧加圧により、物体２が作製される。図６に示されるパーツの一部分は、図３から５に示されるものと同じ一部分である。

ＨＩＰプロセスは、再焼結パーツ１４の表面４に比較的高い圧力を発生させ、一方、閉鎖キャビティ８（上述のように、閉鎖キャビティ８を形成した開放キャビティ１０を含む）中の圧力は、比較的低い。これは、閉鎖キャビティ８が、表面４に対して開放されていない、すなわち、気密状態であることに起因する。高い温度および圧力によって引き起こされる塑性変形、クリープ、および／または拡散接着の結果、再焼結パーツ中の閉鎖キャビティ８は、収縮、または完全に消滅する。

再焼結パーツ１４の熱間等方圧加圧により、物体２が作製される。こうして、物体２を作製するプロセスが提供される。

上述の第一の実施形態では、物体２は、ショットピーニングおよび再焼結処理を用いて作製される。ここで、異なる処理によって物体２を作製する、第二の、別の実施形態について記載する。

図７は、物体２を作製するプロセスの第二の実施形態のいくつかの工程を示すプロセスフローチャートである。

工程ｓ１４において、金属射出成型プロセスが実施されて、グリーンパーツが作製される。これは、図２の工程ｓ２に関して上述したように行われる。

工程ｓ１６において、バインダー物質の一部分がグリーンパーツから除去され、ブラウンパーツが作製される。これは、図２の工程ｓ４に関して上述したように行われる。

工程ｓ１８において、焼結プロセスがブラウンパーツへ実施されて、焼結パーツ６が作製される。これは、図２の工程ｓ６に関して上述したように行われる。

工程ｓ１８の焼結パーツ６は、図３に関して上述した通りである。

工程ｓ２０において、焼結パーツ６の表面４が、銅の層でコーティングまたはメッキされる。

焼結パーツ６の表面のコーティングは、電気メッキを例とする適切ないかなるコーティングまたはメッキプロセスを用いて実施されてもよい。

図８は、銅層１６でコーティングされた後の、焼結パーツ６の一部分の概略断面図（原寸に比例せず）である。このパーツは、以降、「コーティングパーツ」と称され、符号１８によって図８に示される。図８に示されるパーツの一部分は、図３に示されるものと同じ一部分である。

この実施形態では、銅層１６は、焼結パーツ６の表面４全体を覆っている。

工程ｓ２２において、コーティングパーツ１８が、加熱される。

チタン合金パーツと銅層１６との間の界面において、すなわち、表面４において、チタン原子は、銅層１６中へ拡散する傾向にあり、銅原子は、チタン合金中へ拡散する傾向にある。チタン合金と銅層との間の界面または界面付近のある地点において、共晶組成物が形成され、すなわち、共晶組成物の層が形成される傾向にある。チタンと銅とのこの共晶組成物は、焼結パーツ６を形成しているチタン合金より低い溶融温度を有する。この共晶組成物はまた、銅層より低い溶融温度も有する。

工程ｓ２２におけるコーティングパーツ１８の加熱は、共晶組成物の融点を超えてコーティングパーツ１８が加熱されるように実施される。言い換えると、コーティングパーツ１８は、チタン／銅組成物の共晶温度を超えて加熱される。

従って、工程ｓ２４において、焼結パーツ６の表面４に形成されたチタンおよび銅の共晶組成物が溶融する。

図９は、チタン／銅共晶組成物の共晶温度を超えて加熱されたコーティングパーツ１８の一部分の概略断面図（原寸に比例せず）である。溶融した、すなわち液体の層２０が、チタン合金物質と銅層１６との間の界面に形成される。このパーツは、以降、「加熱パーツ」と称され、符号２２によって図９に示される。図９に示されるパーツの一部分は、図３および８に示されるものと同じ一部分である。

加熱パーツ２２の加熱が継続されるに従って、より多くのチタンおよび銅が液体層２０に溶解する傾向にあり、液体層２０の厚さは、固体銅層１６全体が液体層２０に溶解するまで増加する。

また、加熱パーツ２２の加熱が継続されるに従って、銅原子は、表面４からチタン合金物質中へと拡散して行く傾向にもある。また、より多くのチタン原子が液体層２０中へ拡散する傾向にもある。従って、液体層２０中のチタンの割合は増加する傾向にある。液体層２０のこの組成変化は、その溶融温度を高める傾向にある。こうして、液体層２０は固化する。

従って、工程ｓ２６において、ある時間にわたって加熱された後、加熱パーツ２２の表面の物質は固化する。言い換えると、チタン／銅組成物の融点が、共晶温度よりも高くなり、加熱パーツ２２が加熱される温度よりも高くなる度合いまで、銅層１６は、チタン合金物質中へ拡散した（逆も同様）。

図１０は、銅層１６がその中へ拡散した後の、加熱パーツ２２の一部分の概略断面図（原寸に比例せず）であり、溶融層２０の表面は固化している。図１０に示されるパーツの一部分は、図３、８、および９に示されるものと同じ一部分である。

チタンパーツの外側表面の液体層２０中への溶解は、それに続く層の再固化と共に、実際に、開放キャビティ１０が閉鎖キャビティ８となるように（図１０に示されるように）、開放キャビティ１０の開口部を閉じる傾向にある。言い換えると、銅層１６がチタン合金物質中へ拡散し、加熱パーツ２２の表面が固化した後、開放キャビティ１０の開口部は、完全に封止され、すなわち、それによって、気体が加熱パーツ２２の外部から開放キャビティ１０へ、およびその逆へ流れることができない。言い換えると、開放キャビティ１０は、流体に対して非透過性とされる。

加熱パーツ２２の加熱は、銅が加熱パーツ２２全体にわたって実質的に均一に拡散するまで行われてよい。

加熱パーツ２２の表面４は、比較的平滑である（焼結パーツ６の表面４と比較して）。

工程ｓ２８において、再焼結パーツ１４へ熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）プロセスが実施される。これは、図２の工程ｓ１２に関して上述したように行われる。

図２の工程ｓ１２に関してより詳細に上述したように、ＨＩＰプロセスは、パーツ中の閉鎖キャビティ８の収縮、または完全な消滅を引き起こす傾向にある。

加熱パーツ２２の熱間等方圧加圧により、物体２が作製される。第二の実施形態の方法を用いて作製される物体２は、ある量の銅を含む。こうして、物体２を作製するさらなるプロセスが提供される。

上述の方法によって提供される利点は、物体表面の細孔、ピット、またはその他の（例：微細な）開口部、孔部、もしくは間隙部が除去される傾向にあることである。言い換えると、物体の表面または表面に近接する欠陥および／または不連続部を、実際には、修復することができる。焼結パーツへ熱間等方圧加圧プロセスを実施する従来のプロセスでは、そのような開放キャビティは除去されない傾向にある。このような開放キャビティは、クラック開始点として作用し得る。従って、このような開放キャビティを物体から除去することは、特に高サイクル疲労の状況において、改善された耐疲労性能をもたらす傾向にある。物体の表面仕上げおよび微細構造を改善することにより、その耐疲労性能が改善される傾向にある。

上述の方法はまた、物体本体中の閉鎖キャビティ（または表面付近にあるその他の空隙部もしくは中空部）を除去（または収縮）する傾向にもある。このことも、物体の微細構造を改善する傾向にあり、それが、耐疲労性能の改善につながる傾向にある。

上述の方法によって提供されるさらなる利点は、物体の表面仕上げが改善される傾向にあることである。物体は、従来の技術を用いて作製されるものよりも光沢を有する傾向にある。この反射性の向上は、特定の用途において重要である。例えば、物体が装飾目的である場合、物体の改善された審美的外観は、重要である傾向にある。

上述のプロセスによって提供されるさらなる利点は、物体を、粉末冶金製造技術を用いて作製することができるということである。このことは、ニアネットシェイプコンポーネントが、ほとんど無駄無く作製されることを提供する傾向にある。さらに、機械加工することが法外に高価であり得る比較的複雑な形状を作製することが、比較的容易である傾向にもある。

上述のプロセスは、有利には、いかなるサイズの物体にも適用可能である。これは、処理プロセス（すなわち、ショットピーニング、再焼結、および熱間等方圧加圧のプロセス、またはコーティング、加熱、および熱間等方圧加圧のプロセス）が、物体の形成後（すなわち、合金粉末が焼結された後）に実施されるからである。

上述のプロセスによって提供されるさらなる利点は、いずれの処理プロセスも、非常に数多くの物体に対して同時に実施することができるということである。従って、これらの操作のいずれかまたはすべてを実施するコスト（コンポーネントあたり）を、大きく低減することができる。

第二の実施形態において、銅層の厚さは、物体のサイズと比較して小さくてよい。従って、図７のプロセスで用いられる銅の量は、チタン合金の量と比べて、比較的少ない。有利には、銅の量は非常に少ないため、その量の銅がチタン合金中へ拡散しても（図７の工程ｓ２４および工程ｓ２６に関して上述したように）、チタン合金物体の機械特性に対して、有意な度合いで悪影響を及ぼすことはまったくない傾向にある。

有利には、上述のプロセスは、物体の表面を封止し、従って、物体をＨＩＰプロセスに対してより適するようにする傾向にある。上述のプロセスは、有利には、物体の本体全体にわたって開放多孔性（open porosity）を有する物体に適用することができる。そのような適用では、初期焼結（すなわち、上述の実施形態の工程ｓ６またはｓ１８で実施されるブラウンパーツの焼結）は、より低い温度で、および／またはより短い時間で実施することができる。

図２および７のフローチャートに示され、および上述されるプロセス工程のいくつかは、省略されてよく、またはそのようなプロセス工程は、上記で提示され、およびこれらの図に示される順序とは異なる順序で実施されてよいことには留意されたい。さらに、便宜上、および理解を容易にするために、プロセス工程はすべて、別々の時間的逐次工程として示されているが、しかしながら、プロセス工程のいくつかは、実際、同時に、または少なくとも時間的にある程度重複して実施されてよい。

上記の実施形態では、物体は、金属射出成型プロセスを含むプロセスを用いて形成される。しかし、他の実施形態では、物体は、異なるプロセスを用いて形成される。例えば、物体は、以下のプロセス：機械加工プロセス、鍛造プロセス、鋳造プロセス、粉末冶金プロセスのうちの１つ、または組み合わせを用いて製造されてよい。また、例えば、物体は、異なるネットシェイプまたはニアネットシェイプ製造プロセスを用いて形成されてもよい。「ニアネットシェイプ製造プロセス」の用語は、本明細書にて、アイテムの初期作製物が、最終（ネット）形状と（実質的に）同じ、または非常に類似している（すなわち、許容誤差の範囲内である）プロセスを意味するために用いられる。これは、物体の表面仕上げの必要性を低減する傾向にある。例えば、他の実施形態では、物体は、以下のニアネットシェイプ製造プロセス：鋳造、永久鋳型鋳造、粉末冶金、線形摩擦接合、金属射出成型、ラピッドプロトタイピング、スプレーフォーミング（ｓｐｒａｙ ｆｏｒｍｉｎｇ）、および超塑性成形のうちの１つ以上を用いて作製されてよい。そのようなプロセスは、その他の粉末冶金プロセスを用いることを含んでよい。そのようなプロセスとしては、例えば、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）、冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）、およびレーザーまたは電子ビームスキャンを用いる３Ｄ粉末溶融法が挙げられ得る。そのようなプロセスは、完全に、または部分的に緻密化した（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ）金属または合金物体を形成するために用いられ得る。そのようなプロセスは、従来のインゴット経路によって作製された供給原料を用いてよく、またはそれらは、より低コスト、高酸素である合金粉末から粉末冶金経路を介して作製されたビレット、プレート、またはバーなどの固体供給原料物質を用いてもよい。物体の作製に用いられる金属／合金粉末は、例えば、元素粉末のブレンドであってよい。例えば、Ｔｉ‐６Ａｌ‐４Ｖから成る物体は、チタン、アルミニウム、およびバナジウムの粉末をブレンドすることによって作製される元素粉末のブレンドから作製され得る。元素粉末のブレンドは、焼結プロセスの過程で、合金化し、均質となる傾向にある。Ｔｉ‐６Ａｌ‐４Ｖから成る物体はまた、チタン粉末をＡｌ‐Ｖマスター合金粉末とブレンドすることによって作製される元素粉末のブレンドからも作製され得る。

他の実施形態では、処理プロセス（例：ショットピーニング、再焼結、および熱間等方圧加圧のプロセス、またはコーティング、加熱、および熱間等方圧加圧のプロセス）は、適切ないかなる物体に対して実施されてもよく、例えば、望ましくない不規則な表面を有する物体、および／または表面と連結されているために熱間等方圧加圧では閉じることができない内部欠陥を有する物体である。これらの物体は、例えば、チタン合金、鋼鉄、またはアルミニウム合金から成っていてよい。例えば、物体は、中実（ｓｏｌｉｄ）もしくは部分的中実の形状または形態を有してよい。物体は、例えば、ニアネットシェイプ加工、粉末冶金、スプレーフォーミング、金属射出成型、直接金属堆積、選択的レーザー溶融、積層造形、鋳造、圧延、および鍛造など、いかなるプロセスを用いて作製されたものであってもよい。

上記の実施形態では、物体は、６％ アルミニウムおよび４％ バナジウムと共にチタンを含む合金（Ｔｉ‐６Ａｌ‐４Ｖ、または６‐４、６／４、ＡＳＴＭ Ｂ３４８ グレード５としても知られる）から形成される。しかし、他の実施形態では、物体は、異なる物質から形成される。例えば、他の実施形態では、物体は、純（すなわち、合金化されていない）金属、または上記の実施形態で用いられるものとは異なる種類の合金から形成される。

上記の実施形態では、処理プロセス（すなわち、ショットピーニング、再焼結、および熱間等方圧加圧のプロセス、またはコーティング、加熱、および熱間等方圧加圧のプロセス）は、単一の物体に対して実施される。しかし、他の実施形態では、処理プロセス、または処理プロセスの一部は、いかなる数の（異なるまたは同一の）物体に対して実施されてもよい。このことにより、有利には、コンポーネントあたりのプロセスのコストが低減される傾向にある。

上記の実施形態では、物体の焼結（再焼結を含む）は、上記で指定される温度にて、および上記で指定される継続時間にわたって実施される。しかし、他の実施形態では、物体の焼結は、適切な異なる温度にて、および／または適切な異なる継続時間にわたって実施される。

上記の実施形態では、ＨＩＰプロセスは、上記で指定される温度および圧力にて、および上記で指定される継続時間にわたって実施される。しかし、他の実施形態では、ＨＩＰプロセスは、適切な異なる温度および／もしくは圧力にて、ならびに／または適切な異なる継続時間にわたって実施される。

上記の実施形態のいくつかでは、焼結パーツの表面が、銅の層でコーティングまたはメッキされる。これは、パーツの表面に共晶組成物を形成するために行われる。しかし、他の実施形態では、パーツの表面に異なる共晶組成物を形成するために、パーツの表面は、異なる物質でコーティングされる。

また、他の実施形態では、パーツの表面は、チタンと共晶組成物を形成しない異なる物質でコーティングされる。例えば、別の実施形態では、パーツの表面は、アルミニウムの層でコーティングされる。アルミニウムは、チタン合金物質よりも低い温度で溶融する。アルミニウムの層でコーティングされた後、コーティングパーツは、アルミニウムの融点よりも高いが、チタン合金の融点よりは低い温度まで加熱されてよい。こうして、物質の液体層が、焼結パーツの表面全体にわたって形成され、すなわち、焼結パーツの表面は、溶融アルミニウムで「濡れた」状態となる。チタン原子は、溶融アルミニウム層中へ拡散する傾向にあり、アルミニウム原子は、チタン合金本体中へ拡散する傾向にある。ある量の拡散の後、開放キャビティの開口部は閉じられる傾向にあり、次に、この方法は、上述のように進行されてよい。そのような実施形態では、焼結パーツは、アルミニウムの含有量が所望される割合よりも少ないチタン合金から作製されてよい。アルミニウム層のパーツ中への拡散は、拡散後のパーツ中のアルミニウムの割合が、所望されるレベルまで上昇されるようなものであってよい（例：パーツが、その中へアルミニウム層が拡散した後、Ｔｉ‐６Ａｌ‐４Ｖの組成を有するように）。さらに、Ｔｉ‐６Ａｌ‐４Ｖ中のアルミニウムの許容される組成範囲は充分に大きい傾向にあるため、著しい量の過剰のアルミニウムが、許容され、またはＴｉ‐６Ａｌ‐４Ｖから成る物体によって吸収され、それでも、組成の規格が満たされる。

また、他の実施形態では、焼結パーツのコーティング／メッキに用いられる物質のすべて（例：銅、アルミニウムなどのすべて）を焼結パーツ中に拡散させる代わりに、このコーティング物質の一部分が、例えば、それを洗浄、酸洗い、または蒸発によって除去することにより、パーツの表面から除去されてよい。

上記の実施形態では、開放キャビティの開口部を封止するために物体へ実施される封止プロセス（すなわち、ショットピーニングおよび焼結のプロセス、またはコーティングおよび加熱のプロセス）は、ＨＩＰプロセスが物体へ実施される前に、1回実施される。しかし、他の実施形態では、ＨＩＰプロセスが実施される前に、一方または両方の封止プロセスが、複数回実施されてよい。例えば、ショットピーニングおよび焼結の封止プロセスは、１回以上実施されてよい。そのような例では、ショットピーニングプロセスに続く焼結プロセスは、ショットピーニングの過程で形成されたワークの硬化された表面を軟化させる傾向にあり、および表面不純物のいずれをも、物体本体中へ分散させる傾向にあり、それによって、物体の表面が、別のショットピーニングプロセスに対してより適するようになる。さらに、第二の、およびそれに続くいずれのショットピーニングプロセスも、第一のショットピーニングプロセスよりも低い強度で実施されてよい。このことは、より良好な表面外観をもたらす傾向にある。

Claims (19)

1. 物体を加工する方法であって、前記物体は、金属または合金から成り、前記物体は、複数の開放キャビティを有し、前記方法は：
   前記物体へ封止プロセスを実施して前記開放キャビティの開口部を封止し、それによって、複数の閉鎖キャビティを形成すること；および
   前記閉鎖キャビティを有する前記物体へ緻密化プロセスを実施することによって、前記独立キャビティのサイズを低下させること、
   を含む、物体を加工する方法。
2. 前記閉鎖キャビティの前記サイズを低下させる前記工程が、少なくとも、前記物体中に前記閉鎖キャビティが存在しなくなるまで実施される、請求項１に記載の方法。
3. 緻密化プロセスを実施する前記工程が、熱間等方圧加圧プロセスを実施することを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記物体が、ネットシェイプ製造プロセス、ニアネットシェイプ製造プロセス、粉末冶金プロセス、スプレーフォーミングプロセス、金属射出成型、直接金属堆積、選択的レーザー溶融、積層造形、鋳造、圧延、および鍛造から成るプロセスの群より選択されるプロセスを用いて作製された物体である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記物体が、前記物体を形成するために金属射出成型を用いて作製された物体である、請求項４に記載の方法。
6. 前記物体が、焼結されたブラウンステージ物体である、請求項５に記載の方法。
7. 封止プロセスを実施する前記工程が、前記物体の表面を塑性変形することを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記物体の前記表面を塑性変形することが、物前記体の前記表面をショットピーニングすることを含む、請求項７に記載の方法。
9. 封止プロセスを実施する前記工程が、前記物体の前記表面が塑性変形された後に、前記物体を焼結することをさらに含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 封止プロセスを実施する前記工程が、物質の層で前記物体の前記表面をコーティングすることでコーティングされた物体を提供することを含み、ここで、前記物質は、前記物体を形成する前記金属または合金と異なる金属または合金である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
11. 封止プロセスを実施する前記工程が、前記物質の層からの原子が前記物体中に拡散し、および前記物体からの原子が前記物質の層中に拡散するように、前記コーティングされた物体を加熱することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記コーティングされた物体を加熱する前記工程が、前記コーティングされた物体の、前記表面に存在するかまたは前記表面に近接して存在する一部分を溶融することを含み、前記一部分は、前記コーティングされた物体の請求項１１に記載の方法。
13. 前記物質の層および前記物体が、前記物質の層と前記物体との間の界面にて、または界面に近接して、共晶組成物を形成する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記コーティングされた物体を加熱する前記工程が、前記コーティングされた物体を、前記共晶組成物の共晶温度よりも高く温度であり、かつ、前記物体を形成する前記金属または合金の融点よりも低い温度である、温度まで加熱することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記物質が、銅を含む、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記物体を形成する前記金属または合金が、チタン合金、鋼鉄、およびアルミニウム合金から成る金属または合金の群より選択される、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 物体を作製する方法であって、前記方法は：
    金属または合金から成る初期物体であって、複数の開放キャビティを有する、初期物体を提供すること；および
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法を用いて前記初期物体を加工し、それによって前記作製された物体を提供すること、
    を含む、物体を作製する方法。
18. 請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法を用いて加工された物体。
19. 請求項１７に記載の方法を用いて作製された物体。

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