JP2016534312A - 粉末処理のための高温流動床 - Google Patents

Abstract

システムが、加熱炉、流動床アセンブリ、及び粉末床を備える。流動床アセンブリは加熱炉内に配置されるとともに、ガスを受けるための外部チャンバ入口を有する外部チャンバと、外部チャンバの内側に配置された内部チャンバと、を備える。内部チャンバは、外部チャンバと流体連通した内部チャンバ入口と、内部チャンバおよび外部チャンバからガスが流出する出口と、を備える。粉末床は内部チャンバ内に配置される。

Description

本発明は付加製造の分野に関する。より詳細には、本開示は付加製造処理で用いられる粉末の、流動床などを用いた前処理に関する。

付加製造は確立されてはいるが、発展途中の技術である。そのもっとも広い定義においては、付加製造は原料の薄い層からなるあらゆる層状の構造物または品物である。付加製造は、ワークステージへ液体、層、または微粒子原料を塗布し、その後焼結し、硬化し、溶融し、及び／または層を製造するために切断することを含みうる。所望の分野の完成部品または品物が構成されるまで数千回も処理が繰り返される。

多くの場合、いくつかの付加製造処理に用いられる原料粉末の前処理が必要である。前処理は粉末のコーティング、脱ガス、熱処理を含む場合がある。粉末の粒子は、付加製造処理中の粒子の酸化を防ぐためにコーティングされていてもよい。例えば、特許文献１はアルミニウム粉末に銅コーティングを適用するための流動床の使用を開示する。

脱ガスは粉末粒子から水蒸気を取り除くために用いられてもよい。粉末の表面は製造処理中、環境に曝される場合、きわめて早く酸化する可能性がある。水蒸気は酸化物に吸収され、付加製造にて形成される材料に空隙を生み出す可能性がある。製造材料から水分を取り除く方法は、完成物をより脆くさせる可能性のある水素の生成を引き起こす。前述の粉末から水蒸気を取り除く方法は、様々な脱ガスの方法を含む。例えば、特許文献２は、真空中でアルミニウム粉末を非常に高温まで熱することを用いた脱ガス方法を記述する。しかしながら、脱ガス中に非常に低い真空圧力を維持することに伴い厄介な問題が起こる可能性がある。

さらに、ガスの高温熱処理の従来の方法は望まぬ粉末の焼結を引き起こす可能性がある。例えば、流動床は、特許文献３に記述のように、凝集を防ぐために粉末の熱処理と併せて用いられてきた。しかしながら、こういった熱処理システムは複雑かつ製造にコストのかかるものである。

米国特許第７１４１２０７号明細書 米国特許第５９７６４５６号明細書 米国特許第６８１１７６５号明細書

従って、付加製造処理において用いられる粉末の前処理のための、シンプルで確実かつ安価なシステム及び方法が必要である。

付加製造に用いられるシステムが、加熱炉、流動床アセンブリ及び粉末床からなる。流動床アセンブリは加熱炉内に配置され、ガスを受けるための外部チャンバ入口を有する外部チャンバ、及び、外部チャンバの内部に配置された内部チャンバからなる。内部チャンバは、外部チャンバと流体連通する内部チャンバ入口と、内部チャンバおよび外部チャンバからガスが流出する出口と、を備える。粉末床は内部チャンバ内に配置される。

粉末処理の方法が、内部チャンバ内へと粉末粒子を導入することと、加熱炉内に配置された外部チャンバの内部に内部チャンバを配置することと、内部チャンバを取り囲むように外部チャンバにガスを供給することと、内部チャンバ内にガスを流すことと、ガスで粉末粒子を流動化することと、加熱炉で粉末粒子を熱処理することと、を含む。

図１は本開示の流動床アセンブリを包含する付加製造処理の概略構成図である。 図２は本開示に従う流動床アセンブリの例示的実施形態の概略断面図である。 図３は本開示に従う流動床アセンブリの第二実施形態の概略断面立面図である。

図１は本開示の流動床アセンブリを包含する付加製造処理１０の概略構成図である。処理１０は、粉末供給部１２を用いて粉末を供給するステップＡと、処理のために流動床アセンブリ１４を通じて粒子を流動させるステップＢと、付加製造システム１６を用いて処理された粉末と共に付加製造処理を実行するステップＣと、部品１８といった製造品を生産するステップＤと、を含む。

粉末供給部１２からの粉末は、流動床アセンブリ１４を通じて流動する。流動床アセンブリ１４は、付加製造システム１６を操作するために粉末粒子を最適化するよう粉末の機械的特性を変える。例えば、流動床アセンブリ１４は極めて高温で粉末供給部１２を熱処理してもよい。付加製造システム１６は、最適化した粉末を、部品１８を定義するコンピューターを利用した製図（ＣＡＤ）のファイルに基づいた形状である、部品１８へと選択的に凝固する。１つの実施形態では、処理１０は、ガスタービンエンジンタービンまたはコンプレッサーのためのブレードといった、ガスタービンエンジンのための部品生産に用いられる。

粉末の供給は一般的に、所望の金属、合金、複合材料の多量の粉末を得ることを含む。粉末は粒状構造といった特定の機械的特性を有し、同様に粉末サイズまたは直径の分布を有している。機械的特性を変更するために、流動床アセンブリ１４内部の容器の中に多量の粉末が配置される。さらに詳細には、粉末は、粉末と相互作用するために流される流動化ガスが通じる容器の中に床を形成する。流動化ガスは粉末を撹拌するために用いられ、かつ粉末粒子を処理するために用いられてもよい。流動床アセンブリ１４は、粉末粒子を熱処理するために加熱炉で加熱されてもよい。流動化ガスは、処理完了後に容器から流れ出て、処理された粉末は、流動床アセンブリ１４から取り除かれた後に付加製造処理において用いられうる。容器は、加熱炉で金属粉末を適切な微細構造まで焼き戻すよう加熱される流動床アセンブリ１４の一部を形成する。付加製造システム１６は、部品１８を形成するために付加製造処理を実行する。

いくつかの実施形態では、付加製造システム１６はコールドスプレー堆積処理を実行する。このような処理では、堆積処理前の粉末粒子の微細構造は、部品１８が形成された後にも同じ状態のままであるように粉末は溶融されない。よって、付加製造処理が始まる前に、微細構造を所望の状態まで処理するのに好都合である。詳細には、コールドスプレー堆積処理は、変形しやすく付着しやすい粉末粒子を有することで恩恵を受ける。流動床アセンブリ１４は、変形を手助けする所望の微細構造になるまで粉末を熱するために加熱炉に配置される。様々な実施形態では、アルゴンといった不活性ガスは、流動化ガスとして用いられてもよい。同時に、流動化ガスは接着を手助けするために粉末を洗浄化するように用いられてもよい。よって、１つの実施形態では、水素流動化ガスは、酸化物を取り除くために用いられてもよい。他の実施形態では、流動化ガスは粉末粒子上にコーティングを形成するために用いられてもよい。例えば、窒素またはホウ素コーティングは酸化の形成を防ぐために適用されてもよい。

本開示の流動床アセンブリ１４は、内部チャンバを利用し、このチャンバは、外部チャンバによって加熱炉から隔離されており、それにより、流動化ガスが内部チャンバに流入する前に、その流動化ガスにより内部チャンバの周りに緩衝領域が形成される。よって、内部チャンバは加熱炉の高温に直接曝されることなく、低価格材料から作り出すことができ、流動床アセンブリ１４生産に関連する製造コストを削減する。さらに、本開示の流動床アセンブリ１４は、加熱炉内部の内部チャンバ内で温度が上昇する際に金属粉末が焼結するのを防ぐ撹拌源として流動化ガスを利用する。さらに他の実施形態では、内部チャンバは、例えば、床から不必要なサイズの粒子を取り除くといった粉末の分類を手助けする形状をしていてもよい。

図２は本開示に従う流動床アセンブリ１４の例示的実施形態の概略断面図である。流動床アセンブリ１４は加熱炉２０内に配置され、外部チャンバ２２、内部チャンバ２４、蓋２６、第一の入口２８Ａ、第二の入口２８Ｂ、出口３０、プレート３２、第一温度センサー３４Ａ、第二温度センサー３４Ｂ、及び管３６を含む。

加熱炉２０は、当該流動床技術分野において通常用いられるあらゆる加熱炉からなる。様々な実施形態では、加熱炉２０は、頂部開口を介して投入及び回収できる箱型加熱炉または管状加熱炉からなる。他の実施形態では、加熱炉２０は単純に、外部チャンバ２２の周囲を包むヒーターを備えてもよい。他の実施形態では、加熱炉２０はオーブンを備えてもよい。１つの実施形態では、加熱炉２０は、粉末３８の熱処理を行うために１１００℃以上の内部温度に達することができる。

外部チャンバ２２は、任意の適切な方法で加熱炉２０内に取り付けられる。１つの実施形態では、外部チャンバはセラミック材料から作られる。しかしながら外部チャンバ２２は、酸化せずに高熱に耐えうるあらゆる材料から作られてもよい。蓋２６は、内部チャンバ２４が外部チャンバ２２の内側にアクセスできるように、外部チャンバ２２に取り外し可能なように取り付けられる。開示の実施形態では、レトルトとしても知られる内部チャンバ２４は、外部チャンバ２２と内部チャンバ２４の外側の全ての間に空間ができるように蓋２６からぶら下がっている。１つの実施形態では、内部チャンバ２４は、内部チャンバ２４を出口３０に繋ぐ管３６からぶら下がっている。１つの実施形態では、内部チャンバ２４は、３００シリーズステンレス鋼といったステンレス鋼から作られる。流動床アセンブリ１４は、異なる粉末または異なる温熱条件で使用するために、多数の交換可能な内部チャンバ２４（図示せず）を備えてもよい。各内部チャンバは、流動床アセンブリ１４の操作中に損なわれた場合に再利用することができ、及び容易にかつ安価に取り換えることができる。

粉末３８は内部チャンバ２２の内部に配置され、プレート３２上に載置される。内部チャンバ２２の内側にアクセスし、粉末３８の投入及び回収ができるよう、プレート３２は内部チャンバ２２から取り外し可能である。他の実施形態では、粉末３８は管３６を介して内部チャンバ２４へと投入され、処理後にプレート３２と管３６を通じて高速でガスを流すことで内部チャンバ２４から排出されてもよい。

流動化ガス４０は、入口２８Ａ及び２８Ｂを通じて内部チャンバ２２の内側に案内される。流動化ガス４０は、任意の適切な形状の加熱炉２０を通じる配管によって入口２８Ａと２８Ｂに供給される。流動化ガス４０は、圧縮され、プレート３２を含む内部チャンバ２２を取り囲む。プレート３２は、流動化ガス４０がプレート３２を通ることのできる複数のオリフィスすなわち開口部を含む。流動化ガス４０は、粉末３８を通じて浸透し出口３０の管３６を通じて内部チャンバ２２から出る。

流動化ガス４０は、粉末３８処理中に複数の機能を果たす。主に、流動化ガス４０は、プレート３２から粉末３８の粒子を離昇するための撹拌源としての役割を果たし、粉末が加熱炉２０の熱によって内部チャンバ２４内で焼結や凝固することから防ぐ。粉末３８の各粒子の質量のため、粒子がプレート３２に再度落ちる。この処理を補助するため、内部チャンバ２４は、管３６の近くにおける流動化ガス４０の速度を低下するために、内部チャンバ２４の幅、または円状であれば直径を拡大する遊離部４２Ａを含む。これが粒子の勢いを減衰し、重力によって粒子がプレート３２に戻る。よって、流動化ガス４０が内部チャンバ２４を通り抜ける間、粉末３８の粒子は、プレート３２から管３６に向かって上がりまたプレート３２に降りるという連続的な循環をする。

流動化ガス４０はさらに、内部チャンバ２４の外側の周りに緩衝となるものを形成する。外部チャンバ２２は、対流を介して加熱炉２０から加熱され、内部チャンバ２４は対流を介して外部チャンバ２２から加熱される。よって、内部チャンバ２４は、外部チャンバ２２と同じまたは近い温度に曝される。通常、内部チャンバ２４は、例えば、溶解や、または損なわれるポイントまで酸化するなどといった崩壊を起こすことなくこのような熱に耐えうることのできる材質から作られることが求められる。例えば、ニッケルまたはチタン粉末の熱処理に必要な温度、例えば１１００℃に耐えるよう、内部チャンバは超合金から作られる必要が同様にある。しかしながら、流動床アセンブリ１４では、流動化ガス４０は、内部チャンバ２４の周辺から酸素を取り除く不活性ガスとして選択されてもよい。このように、内部チャンバ２４は、酸化状態に曝されない。内部チャンバ２４は、例えば高い融点を有するといった、構造的に十分な強度がある、加熱炉２０からの温熱条件に耐え、安価に生産できる材質から作られてもよい。さらに、内部チャンバ２４は、円柱管といった作成済みの素材から生産されてもよい。記述のように、内部チャンバ２４はステンレス鋼から作られてもよく、流動化ガス４０は、ステンレス鋼を酸化から防ぐためにアルゴンを選択することができる。

さらに、流動化ガス４０は、粉末３８を処理するのに用いられてもよい。特に、流動化ガス４０は、付加製造処理を手助けするために、粉末３８の粒子表面を洗浄する洗浄物質として選択されてもよい。例えば、水素は粉末３８の表面から酸化物を取り除くために用いられてもよい。流動化ガス４０は、粉末３８の粒子表面上の薄い層を適用するコーティング剤として代わりに選択されてもよい。例えば、窒素またはホウ素は、酸化の形成を防ぐために、粉末３８の粒子周囲に薄い層を形成するために用いられてもよい。

流動化ガス４０は、入口２８Ａ及び２８Ｂを通じて外部チャンバ２２に入り、プレート３２に向けて移動するにつれて加熱される。流動化ガス４０が内部チャンバ２４に入るまでに、熱処理が生じるに十分な温度へと達する。内部チャンバ２４内では、流動化ガス４０が粉末３８を流動化し、その後、遊離部４２Ａを通り抜け管３６へと入る。流動化ガス４０は、流動床アセンブリ１４を出る前に管３６で冷却される。流動化ガス４０が外部チャンバ２２と内部チャンバ２４の間を通る間に、粉末３８を熱処理するのに十分な温度にまで達しないように流動床アセンブリ１４が構成された場合、図３に示されるように予熱器を流動床アセンブリ１４に加えてもよい。

図３は本開示に従う流動床アセンブリ１４の第二実施形態の概略断面立面図である。流動床アセンブリ１４は、図２を参照して示され記述される要素に似たものを含み、そういった要素は対応して番号付けられている。しかしながら、図３では、内部チャンバ２４の遊離部４２Ａは遊離部４２Ｂと交換され、入口２８Ａ及び２８Ｂは、ガス源４６からガスを供給する予熱器４４を備える。

予熱器４４は、ガス源４６からガスを受け取る。ガス源４６はさらに、図２の入口２８Ａ及び２８Ｂにガスを供給するために用いられてもよい。予熱器４４は、加熱炉２０からの熱と併せて、流動化ガス４０が粉末３８をよく熱処理できる温度まで流動化ガス４０を加熱する。例えば、外部チャンバ２２が、加熱炉２０からの熱と内部チャンバ２４との間に断熱バリアを過剰に形成する場合、追加の加熱源が必要となる場合がある。予熱器４４は、電気抵抗加熱器といった任意の適切な加熱器を備えてもよい。１つの実施形態では、予熱器４４は、ガス源４６と入口２８Ａ及び入口２８Ｂを繋ぐ入口管路４８の回りを包囲する電気コイルを含む。他の実施形態では、１つ以上の予熱器４４は、入口２８Ａ及び／または２８Ｂ、外部チャンバ２２の内側または外側のいずれかに近接して配置される。温度センサー３４Ａ及び３４Ｂは、熱処理を監視するために、ガス４０及び粉末３８の温度をそれぞれ判断するために用いられる。温度センサー３４Ａ及び３４Ｂはさらに、予熱器４４からの熱の必要性及び高さを判断するために用いられてもよい。

図２を参照して記述されるように、内部チャンバ２４は、内部チャンバ２４を通じて流動化ガス４０の流れを遅くするためのサイズである遊離部４２Ａを含み、粉末粒子が再度プレート３２に落ちるようにする。遊離部４２Ｂは遊離部４２Ａより小さいサイズであり、遊離部４２Ａほど流動化ガス４０の流れを遅くすることはない。よって、より小さいサイズの粒子は、管３６内へより小さい粒子を運ぶ上昇速度を維持する。より大きいサイズの粒子は、コールドスプレー堆積といった付加製造処理により有利となる。よって、遊離部４２Ｂは、例えば床から不必要なサイズの粒子を取り除くといった粉末の分類を手助けするために用いられてもよい。反対に、遊離部４２Ａは、全てのサイズの粉末粒子が速度低下してプレート３２に向かって落ちるようなサイズであってもよい。付加製造処理は概して、約１０μｍ〜約１００μｍより大きい範囲のサイズを有する金属粉末を用いる。異なる付加製造処理、異なる粉末材料及び異なる要因に用いるために、異なるカテゴリーに粒子を分類することは有用である。金属粉末粒子を分類するための典型的な範囲は、１０μｍ〜５０μｍ、５０μｍ〜１００μｍ、及び１００μｍより大きい、である。

例示的実施形態を参照して本発明が記述される一方で、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その要素のために様々な変化が行われ同等のものが代わりに用いられることは当該業者に理解されるであろう。さらに、特定の状況または材料を本発明の内容へ適応するために、その重要な範囲から逸脱することなく、多くの修正が加えられてもよい。従って、本発明が、開示された特定の実施形態に制限されるものではないことを意味するが、しかし本発明は、添付の請求の範囲内に属する全ての実施形態を含むであろう。

Claims (28)

1. 加熱炉と、
   前記加熱炉内に配置された流動床アセンブリと、
   粉末床と、
   を備えたシステムであって、
   前記流動床アセンブリは、
   ガスを受けるための外部チャンバ入口を有する外部チャンバと、
   前記外部チャンバの内側に配置された内部チャンバと、
   を備え、前記内部チャンバは、
   前記外部チャンバと流体連通する内部チャンバ入口と、
   前記内部チャンバおよび前記外部チャンバからガスが流出する出口と、
   を備え、
   前記粉末床が、前記内部チャンバ内に配置された、システム。
2. ガスを前記外部チャンバ内へと供給するように、流動化ガス源が前記外部チャンバ入口に接続されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記流動化ガス源と前記外部チャンバ入口との間に流体的に連結された予熱器をさらに備えた、請求項２に記載のシステム。
4. 前記内部チャンバが、流動化部と、遊離部と、を画定する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記遊離部の幅が、前記流動化部の幅と等しい、請求項４に記載のシステム。
6. 前記遊離部の幅が、前記流動化部の幅より大きい、請求項４に記載のシステム。
7. 前記内部チャンバが、ステンレス鋼からなる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記外部チャンバが、高温合金またはセラミック材料からなる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記外部チャンバと前記内部チャンバとの間に配置された温度センサーをさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
10. 前記内部チャンバ内に配置された温度センサーをさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
11. 前記内部チャンバ入口が、多孔板を備えた、請求項１に記載のシステム。
12. 前記内部チャンバの内側を前記出口と連結する管をさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
13. 前記外部チャンバが、該外部チャンバから前記内部チャンバを取り外すことが可能な着脱式の蓋を含む、請求項１に記載のシステム。
14. 内部チャンバに粉末粒子を導入し、
    加熱炉内に配置された外部チャンバの内側に前記内部チャンバを配置し、
    前記内部チャンバを取り囲むように前記外部チャンバにガスを供給し、
    前記内部チャンバへと前記ガスを流入させ、
    前記ガスで前記粉末粒子を流動化させ、
    前記加熱炉で前記粉末粒子を熱処理することを備えた、粉末処理方法。
15. 不活性ガスを備えたガスで前記内部チャンバ周囲に酸化バリアを形成させることをさらに備えた、請求項１４に記載の粉末処理方法。
16. 前記熱処理された粉末粒子を付加製造処理で用いることをさらに備えた、請求項１４に記載の粉末処理方法。
17. 前記内部チャンバの前記遊離部を用いて前記粉末粒子を分類することをさらに備えた、請求項１４に記載の粉末処理方法。
18. 着脱式の蓋によって部分的に画定された外部チャンバと、
    前記外部チャンバに接続された流体入口と、
    前記外部チャンバ内に配置されるとともに、多孔板によって部分的に画定された内部チャンバと、
    前記内部チャンバに接続されるとともに、前記外部チャンバを貫通する出口管と、
    を備えた流動床。
19. 前記内部チャンバがステンレス鋼からなり、前記外部チャンバが高温合金またはセラミック材料からなる、請求項１８に記載の流動床。
20. 前記内部チャンバが分類部を画定する、請求項１８に記載の流動床。
21. 多層流動床へと金属粉末を導入し、
    前記多層流動床の内部で前記金属粉末を熱処理し、
    前記多層流動床から前記金属粉末を取り出し、
    付加製造処理において前記金属粉末を用いる、
    ことを備えた方法。
22. 前記多層流動床が、
    前記金属粉末が配置された内部チャンバと、
    前記内部チャンバを取り囲む外部チャンバと、
    前記外部チャンバの内側から前記内部チャンバの内側へと延び、かつ前記多層流動床の外へと延在する流体流路と、
    を備えた、請求項２１に記載の方法。
23. 前記多層流動床が、
    前記内部チャンバ上の多孔入口と、
    前記内部チャンバ上の出口と、
    前記外部チャンバ上の流体入口と、
    前記出口を前記外部チャンバの外側に接続する管と、
    をさらに備えた、請求項２２に記載の方法。
24. ガスを前記内部チャンバに流入させる前に、該ガスを前記内部チャンバと前記外部チャンバとの間に通流させることをさらに備えた、請求項２２に記載の方法。
25. 前記ガスで前記金属粉末上にコーティングを形成させることをさらに備えた、請求項２４に記載の方法。
26. 前記多層流動床を用いて前記金属粉末を分類することをさらに備えた、請求項２４に記載の方法。
27. 前記金属粉末が、１１００℃以上の温度で熱処理される、請求項２１に記載の方法。
28. 前記付加製造処理が、コールドスプレー堆積処理を備えた、請求項２１に記載の方法。

Images