JP2017524826A - 本体のコーティング方法、その方法のための顆粒および顆粒の作製方法 - Google Patents

Abstract

本体をコーティングするための方法および顆粒を提供する。各顆粒は、ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、ならびに、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）から選択される鉄族金属を含んでなる。少なくとも閾値量の鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒにアクセス可能である時に、Ｓｉ、ＣおよびＣｒの相対量は、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒおよび鉄族金属を含んでなる溶融相が１３００℃未満の溶融温度で形成するが；各顆粒は実質的に閾値量未満の鉄族金属を含んでなる。鉄族金属の第２の源が提供される。顆粒および第２の源の組み合わせは、少なくとも閾値量の鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒにアクセス可能であるように形成される。顆粒および第２の源を少なくとも溶融温度まで加熱し、本体と接触した溶融相を形成する。次いで加熱をやめて溶融相を固化させてコーティングされた本体を提供する。

Description

本開示は、一般的に、排他的ではないが特に硬質コーティングを提供するための、本体をコーティングする方法、そのような方法での使用に適した顆粒および当該顆粒を作製する方法に関する。

国際特許出願WO/2013/178550は、比較的硬い材料の層でコーティングされた鋼基材本体を含んでなる構成を作製する方法を開示している。当該方法は、鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）および炭素（Ｃ）の源を含んでなる複数の顆粒を準備し、ここで、Ｆｅ、Ｓｉおよびの相対量は、Ｆｅ、ＳｉおよびＣの組み合わせが約１２８０℃以下の液相線温度を有するように選択されること；および、溶射アセンブリを用いて、顆粒を基材本体上に積層させることを含み得る。溶射プロセスは、顆粒を、少なくとも約１３５０℃の温度まで、少なくとも約１００℃／秒の平均速度で加熱すること、および、その顆粒を、基材本体に接触した状態で、約１０００℃未満まで、少なくとも約２０度／秒の平均速度で冷却することを伴う。

材料の熱積層方法、熱積層プロセスにおける供給原料としての使用のための前駆材料を含んでなる顆粒、および、顆粒を作製する方法を提供する必要があり、排他的ではないが、特に、前駆材料は比較的低温度で溶融相を形成し得る。

第１の態様を見ると、本体をコーティングする方法が提供され、当該方法は、各顆粒がケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、ならびに、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）から選択される鉄族金属を含んでなる複数の顆粒を準備し；ここで、少なくとも閾値量の鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒにアクセス可能である時に、Ｓｉ、ＣおよびＣｒの相対量は、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒおよび鉄族金属を含んでなる溶融相が１３００℃未満の溶融温度で形成するように選択され；各顆粒は実質的に閾値量未満の鉄族金属を含んでなること；少なくとも鉄族金属の第２の源を準備すること；顆粒および第２の源の組み合わせを、少なくとも閾値量の鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒにアクセス可能であるように形成すること；顆粒および第２の源を少なくとも溶融温度まで加熱し、本体と接触した溶融相を形成すること；および、加熱をやめて溶融相を固化させてコーティングされた本体を提供することを含む。

いくつかの例では、溶融温度は約１２８０℃以下または約１２００℃以下であり得る。

いくつかの例では、方法は、加熱がレーザービームによって達成されるレーザークラッディングプロセス；加熱が電子ビームによって達成される電子ビームプロセス；または、加熱がアークプラズマによって達成されるアークプラズマ溶射プロセスを用いることを含み得る。

いくつかの例では、方法は、積層造形プロセスを用いて、物品を作製するよう構成された連続した層のコーティングを積み重ねることで物品を製造することを含み得る。例えば、積層造形プロセスは、直接的金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）または電子ビーム溶融（ＥＢＭ）を含み得る。

いくつかの例では、顆粒に含まれる鉄族金属の含量は、閾値量の２０〜６０パーセントであり得、または閾値量の３０〜５０パーセントであり得る。いくつかの例では、顆粒は少なくとも約５重量パーセントまたは少なくとも約１０重量パーセントの鉄族金属を含んでなり得る。いくつかの例では、顆粒は約３０以下または約２０重量パーセント以下の鉄族金属を含んでなり得る。

いくつかの例では、顆粒は、少なくとも約５０ミクロンの平均粒径を有し得る。いくつかの例では、顆粒は、約５００ミクロン以下または約２２０ミクロン以下の平均粒径を有し得る。顆粒は、５０〜５００ミクロンの平均サイズを有し得る（顆粒がおよそ球状である場合、粒径はおよその平均径である）。

いくつかの例では、顆粒は、少なくとも５０または少なくとも２００メガパスカル（ＭＰａ）の平均圧縮強度を有し得る。顆粒の平均圧縮強度は、約１０００ＭＰａ以下または約６００ＭＰａ以下であり得る。

いくつかの例では、顆粒は、少なくとも約８００；およびまたは約１５００以下のＨＶ１０ビッカース硬度を有し得る。

いくつかの例では、鉄族元素の第２の源は、粒子形態で準備され得る。鉄族金属の第２の源は、（微量不純物の他に）鉄族金属を含んでなる、または、鉄族金属からなる粒子の形態であり得；粒径は約５０〜約５００ミクロンであり得る。いくつかの例では、本体は鉄族金属の源を含んでなり得る。

いくつかの例では、顆粒は鉄族金属の閾値量の２０〜６０パーセントを含んでなり得る。

いくつかの例では、顆粒は、ＷＣ粒子といった複数の炭化物材料粒子を含み得、当該粒子は少なくとも０．１ミクロンおよび１０ミクロン以下の平均サイズを有し得る。顆粒は、複数の炭化クロム粒子およびまたは超硬質材料を含み得る。いくつかの例では、顆粒は、０．５〜５ミクロンの平均サイズを有する鉄（Ｆｅ）粒子、および、０．５〜５ミクロンの平均サイズを有するＣｒ_３Ｃ_２粒子を含んでなり得る。

いくつかの例では、各顆粒は、ケイ素Ｓｉ、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）および鉄（Ｆｅ）を含んでなり得；炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）の質量はＳｉの質量の１．５〜７倍であり、Ｆｅの質量はＳｉの質量の２〜８倍である。いくつかの例では、Ｃｒ_３Ｃ_２の質量はＳｉの質量の１．５〜５倍であり、Ｆｅの質量はＳｉの質量の４〜６倍であり得る。

いくつかの例では、各顆粒は、少なくとも約１３重量パーセントのＷＣ粒子、０．１〜１０重量パーセントのＳｉ（元素形態または化合物形態で）、および、少なくとも０．１〜１０重量パーセントのＣｒ（元素形態または化合物形態で）、ならびに、鉄族金属を含んでなり得る。いくつかの例では、各顆粒は、１〜５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、５〜１５重量パーセントの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、１０〜３０重量パーセントの鉄族金属、および、５０〜９５重量パーセントの、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）または炭化タンタル（ＴａＣ）から選択される炭化金属を含んでなり得る。

いくつかの例では、顆粒は、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷから選択される１もしくは金属を含む、１もしくは複数の炭化化合物、炭窒化（carbo-nitride）化合物もしくは窒化化合物、または、またはそのような化合物のいずれか２つもしくは複数の組み合わせを含んでなり得る。顆粒は、ダイアモンドまたは立方晶系窒化ホウ素（ｃＢＮ）といった超硬質材料の粒子を少なくとも１つ含有し得る。

いくつかの例では、方法は、粒子形態である鉄族金属の第２の源を準備すること、顆粒および第２の源をアークプラズマ溶射装置の供給機構に導入すること、顆粒および第２の源をアークプラズマで加熱すること、および、当該装置を用いて本体をコーティングすることを含み得；ここで、アークプラズマ溶射装置は、プラズマノズルからプラズマジェットを作製するためのプラズマトーチ、および、顆粒を使用中のプラズマジェットに誘導するためであり、開条件の時に供給オリフィスを提供可能な供給機構を含んでなり；供給機構は、誘導チャンバーおよび移動可能な誘導機構を含んでなり；また、誘導チャンバーは顆粒を供給オリフィスに誘導可能なように構成されており、顆粒は、供給オリフィスを通って誘導チャンバーから移動して、誘導機構の移動に対応してプラズマノズルから可変平均距離にあるプラズマジェットに入り得；当該方法は、誘導機構の位置を、実質的にどの溶融相も使用中の装置に接触しないように調節することを含む。いくつかの例では、溶射装置は、プラズマ移行アーク（ＰＴＡ）デバイスを含んでなり得る。

いくつかの例では、誘導機構は、プラズマトーチの周囲全体に延び、プラズマトーチに対して軸方向に移動可能なスリーブを含んでなり得、供給オリフィスは環状の軸方向の隙間として提供され得、その境目は、軸方向の隙間がスリーブの軸方向の移動に対応して可変であるように、スリーブの境目と境界を共にし；また、方法は、供給オリフィスの軸方向の隙間が０．２〜０．５ｍｍであるようにスリーブを配置することを含み得る。

いくつかの例では、方法は、レーザークラッディングを顆粒に適用することを含み得、この方法は、適切なレーザービームをコーティングする本体に発散させて選択領域を有するレーザー照射スポットを作製することを含み得、そのスポット全体に入射するレーザー光は、前駆材料をすばやく溶融するのに十分な力を伝える。当該方法は、不活性ガスの流れを用いて、顆粒をノズルに通して照射領域内の本体表面上に送ることを含み得、当該表面上で、前駆材料（顆粒に含まれる）は、溶融、およびまたは、基材本体に含まれる材料と急速に反応するであろう。溶融した材料は、所望する相（複数可）にかなり急速に固化しやすく、レーザー照射領域内で溶融相または部分的に溶融相の状態である場合は「溶融プール」と呼ばれ得る。レーザービームは、コーティングされる本体の表面の領域上を移動し得、その間に前駆材料が移動する照射領域上に導入され、こうして、基材本体にしっかり結合されやすい、積層された材料の層が作製される。複数の積層された層は、積層プロセスが繰り返される場合、互いに重なり得る。

いくつかの例では、方法は、複数の層をそれぞれの上に積層することを含み得、顆粒は積層された材料の複数の層に変形される。いくつかの例では、方法は、複数の連続した層を積層して所望の形状を有する物品を形成することを含み得る。特に、方法は、積層造形プロセス（「３Ｄ印刷」とも呼ばれ得る）を用いて、顆粒を積層された材料の連続した層に変形することを含み得る。具体的には、方法は、レーザーデバイスを用いて、顆粒を積層された材料に変形することを含み得、レーザービームは、本体または直前の層に隣接する顆粒を溶融するのに十分な力を有し得る。

第２の態様を見ると、開示される本体をコーティングする方法における使用のための顆粒が提供され、当該顆粒はケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）の源、クロム（Ｃｒ）の源、ならびに、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される鉄族金属を含んでなり；ここで、少なくとも閾値量の鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒに対して利用可能である時に、Ｓｉ、ＣおよびＣｒの相対量は、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒおよび鉄族金属を含んでなる溶融相が１３００℃未満の溶融温度で形成するような相対量であり；および、当該顆粒は実質的に閾値量未満の鉄族金属を含んでなる。炭素およびクロムの源は化合物形態の元素であり得る。

例示的な顆粒は、本体をコーティングする方法に関してすでに説明した通りであり得る。

第３の態様を見てみると、開示される本体をコーティングする方法での使用のための複数の顆粒を作製する方法が提供され、当該方法は、ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）の源、クロム（Ｃｒ）の源、および、鉄族金属の源を、液体媒体中で結合材料と組み合わせてスラリーを提供し；ここで、少なくとも閾値量の鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒに対して利用可能である時に、Ｓｉ、ＣおよびＣｒの相対量は、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒおよび鉄族金属を含んでなる溶融相が１３００℃未満の溶融温度で形成するような相対量であり；スラリーの鉄族金属の含量は、実質的に閾値量未満であること；スラリーを乾燥させて粉末粒子の集合体を形成すること；粉末粒子の中で液体相焼結が実質的に一切起こらないよう十分低く、および、結合材料が集合体から取り除かれ、実質的な部分の粉末粒子が互いに結合するのに十分な（固体相）焼結が粉末粒子で起こるよう十分高い、第１の温度で、集合体を第１の加熱処理にかけること、；集合体を、第１の温度よりも実質的に高い第２の温度で第２の加熱処理にかけること；および、焼結された本体を粉砕して複数の顆粒を提供することを含む。

いくつかの例では、第２の温度は、液体相焼結が粉末粒子中で起きて焼結された本体を形成するのに十分高い温度であり得る。

いくつかの例では、方法は、第１の加熱処理後に、集合体を組み合わせて第２の加熱処理にかける前に、集合体を粉砕して、５０〜５００ミクロンのサイズを有する複数の未焼結顆粒を提供することを含み得る。

いくつかの例では、方法は、焼結した本体を粉砕し、顆粒をスクリーニングして５０〜５００ミクロンのサイズを有する複数の顆粒を提供することを含み得る。

いくつかの例では、方法は、炭化タングステン粒子を組み合わせてスラリーにすることを含み得る。

いくつかの例では、結合材料は、ヒドロキシル基を含むポリビニル化合物材料を含んでなる。

いくつかの例では、第１の温度は、９００〜１０５０℃、およびまたは、第２の温度は１０５０〜１２００℃であり得る。

溶射、レーザークラッディングまたは電子ビーム溶接で作製したコーティングは、本体に化学的または冶金学的に融着され得る。いくつかの例では、コーティングは、積層された材料および本体からの材料の組み合わせを含有する中間層によって、本体に付着され得る。

いくつかの例では、顆粒は、本体に含まれる鋼よりも実質的に硬度が大きい材料の硬質層を積層するのに適切であり得る。積層された材料は、腐食の速度、およびまたは、使用される工具本体の機械的摩耗を低減できる層を形成し得る。

非限定的な例を、添付の図面を参照しながら以下で説明する。

図１は、組み立てられた状態で、使用中の例示的な溶射アセンブリの断面模式図である。 図２は、組み立てられた状態の例示的なプラズマ移行アーク（ＰＴＡ）溶射アセンブリの側面模式図である。 図３は、使用中である図２に示す例示的プラズマ移行アーク溶射アセンブリの断面模式図Ａ−Ａである。 図４Ａは、組み立てられた状態で閉条件の例示的溶射アセンブリの断面模式図である。 図４Ｂは、使用中で開条件の例示的溶射アセンブリである。 図５は、部分的に組み立てられていない状態の溶射アセンブリの要素を示す模式的な側面斜視図である。 図６は、例示的な溶射アセンブリの例示的な供給機構の一部分を示す模式的な側面斜視図である。 図７は、路面切削または採鉱のための例示的なピック工具を示し、それぞれ例示的な保護層が設けられている図である。 図８は、路面切削または採鉱のための例示的なピック工具を示し、それぞれ例示的な保護層が設けられている図である。 図９は、例示的な顆粒の硬度の数頻度の分布のグラフである。 図１０は、第１および第２の複数の顆粒の例示的な組み合わせを複数示す写真である。 図１１は、溶射アセンブリを用いて積層した例示的な材料の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）の画像である。

図１を参照すると、前駆材料６０を、基材本体（図示せず）に結合される積層された材料の層に変形させるための、例示的な溶射アセンブリ１０（組み立てられた状態で溶射デバイス１０として示される）は；プラズマトーチ２０および供給機構３０を含んでなり、プラズマトーチ２０がプラズマジェットをプラズマ領域５０へ作製可能なように構成され、当該プラズマ領域は、プラズマジェットに占められ、および、使用中のプラズマノズル２８から延びる。供給機構３０は、顆粒６０をプラズマ領域５０に誘導可能である。供給機構３０は、開条件（図１で示す通り）では供給オリフィス７０を提供可能であり、誘導チャンバー３４および移動可能な誘導機構３２を含んでなる。供給機構３０は、誘導チャンバー３４が顆粒６０を供給オリフィス７０に誘導可能なように構成されており、顆粒６０は、当該供給オリフィスを通って誘導チャンバー３４から移動して、誘導機構３２の移動に対応してプラズマノズル２８から可変平均距離にあるプラズマ領域５０のプラズマジェットに入る。

供給オリフィス７０の配置は、プラズマノズル２８からそれぞれ異なる軸方向の平均距離を有するプラズマ領域５０内の様々な区域のいずれか内に顆粒６０が選択的に供給され得るよう可変である（例示的な区域８０が図１で例示される）。すなわち、顆粒６０は、プラズマジェットがプラズマノズル２８を通って発射されるプラズマトーチ２０の噴霧器端部１２から、選択された軸方向の距離にある、プラズマ領域５０の区域８０に供給され得る。いくつかの例示的な配置では、縦軸線Ｌは、プラズマトーチ２０、プラズマジェット（使用中）、プラズマノズル２８、誘導機構３２または供給機構３０によって形成される噴霧オリフィス４０、または、同軸状に配置されたこれら特徴のうち２つ以上の特徴の円筒状の軸線によって定義され得る。例えば、縦軸線は、噴霧オリフィス４０およびプラズマトーチ２０と同軸状であり得る。

図１で例示される具体的な例では、誘導機構３２は、噴霧器端部１２からつながる（depending from）、プラズマトーチ２０の一部分を収容するよう構成された移動可能な収容ハウジングであり得る。ハウジング３２は、プラズマトーチ２０に対して軸方向に移動可能であり得、供給オリフィス７０の配置は、噴霧オリフィス４０を通って、使用中のプラズマジェットと並列した、縦軸線Ｌに沿った収容ハウジング３２の移動に応答して可変であり得る。供給オリフィス７０が画定する領域は、収容ハウジング３２の移動によって可変であり、供給オリフィス７０の軸方向の長さは収容ハウジング３２の移動によって可変である。例えば、供給オリフィス７０は、０ミリメートルおよび０．５ミリメートルの間で可変であり得；０ｍｍの距離は、図１には示されない溶射アセンブリ１０の閉条件に対応し、このとき収容ハウジング３２は、プラズマトーチ２０に接触し、顆粒６０がプラズマジェットに供給されるのを防止する。この例では、供給オリフィス７０は、プラズマ領域５０の周囲全体を円周上に延びており、供給機構３０は、顆粒６０を、プラズマ領域５０の周囲全体で方位角的に延びる、収束した方向から、プラズマジェット内に導入可能である。

図１で示す例では、誘導チャンバー３４は、プラズマトーチ２０および収容ハウジング３２の間で形成され、プラズマトーチ２０の周囲を円周上に延びている。収容ハウジング３２は、プラズマトーチの円錐外部表面２３から離れて配置される円錐内部表面３３を含んでなり、両者の間に誘導チャンバー３４を形成する。収容ハウジング３２およびプラズマトーチ２０は、縦軸線Ｌに沿って実質的に同軸状である。いくつかの例では、収容ハウジング３２の内部円錐表面３３によって画定される円錐の角度は、プラズマトーチ２０の円錐外部表面２３が画定する角度よりも大きく、両者の間の誘導チャンバー３４は、供給オリフィス７０に近接するにつれてより狭くなり得る。

図２は、組み立てられた状態の例示的な溶射アセンブリ１０の側面図である。溶射アセンブリ１０は、プラズマトーチ２０および移動可能な収容ハウジング３２（この例での誘導機構）を含んでなり、収容されているプラズマトーチ２０の一部分（図２では見えず）は、収容ハウジング３２が形成する、協働的に構成された空洞内に、収容されている。入口オリフィス３１Ａは、顆粒状の前駆材料が供給機構に導入され、続いてプラズマトーチ２０が作製するプラズマジェット（図示せず）に送られて、溶射アセンブリ１０の噴霧器端部１２で噴霧オリフィス４０から発射されるプラズマおよび材料を含んでなるジェット９０を作製するように提供される。

図３は、材料を基材１００上に積層するためのプラズマ移行アーク（ＰＴＡ）溶射アセンブリの操作を模式的に例示し、電位差が負電極２４およびそれを囲う正電極２９、ならびに、基材１００の間に確立される。ここで示す具体的な例では、プラズマトーチ２０の一部分は、移動可能な収容ハウジング３２（この例での誘導機構）が形成する空洞内に配置され、収容ハウジング３２の内部表面３１が、プラズマトーチ２０の外部表面２３から離れて誘導チャンバー３４を提供するように構成され、顆粒状の前駆材料６０は、当該誘導チャンバーを通って開条件の供給機構３０によって提供される供給オリフィス７０に輸送され得、最終的に、使用中のパイロットプラズマ５０Ａおよび移行プラズマ５０Ｂに輸送され得る。プラズマトーチ２０および収容ハウジング３２は、供給オリフィス７０が、プラズマトーチ２０のプラズマノズル２８（「収縮ノズル」とも呼ばれ得る）の近くで配置されるように構成される。プラズマノズル２８および噴霧オリフィス４０は、収縮ノズル２８の近くで作製されたパイロットプラズマ５０Ａが噴霧オリフィス４０中に（または噴霧オリフィス４０を通って）基材本体１００に向かって発射されるように同軸状であり得る。

プラズマトーチ２０は、タングステン（Ｗ）金属を含んでなり得る中央負電極２４、および、負電極２４の少なくとも部分的に囲い、負電極２４が配置されるチャンバー２７の少なくとも一部分を画定するプラズマノズル２８を含んでなり得、負電極２４およびプラズマノズル２８は、その間にアークを発生可能なように構成されている。使用の際は、アルゴン（Ａｒ）といった不活性ガス２５が負電極２４を通ってプラズマノズル２８に向かって流れる。負電極２４、プラズマノズル２８およびチャンバー２７は、不活性ガス２５がイオン化され、プラズマノズル２８の近くで作製されたパイロットプラズマジェット５０Ａが、チャンバー２７から外側に向かって、噴霧オリフィス４０内、そして基材１００に向かって発射するよう構成される。溶射アセンブリが基材１００に十分近く配置され、操作条件が達成される場合、移行プラズマジェット５０Ｂが作製され、噴霧オリフィス４０を超えて発射し、負電極２４および基材１００の間に延びる。パイロットプラズマジェット５０Ａ内の温度は約１５０００℃であり得、移行プラズマジェット５０Ｂ内の温度は、約３０００〜約４０００℃であり得る。一般的に、プラズマジェット５０Ａ、５０Ｂ内の温度は、プラズマノズル２８からの様々な軸方向の距離である、プラズマジェットの様々な軸方向の位置で実質的に異なる。

一般的に、顆粒形態であり得る前駆材料６０は、溶射操作によって基材１００上に積層される材料に変形され得るよう選択されるであろう。使用の際には、顆粒６０は、溶射アセンブリに導入され、誘導チャンバー３４に送られ、収束する経路に沿って供給オリフィス７０、最終的にはプラズマジェット５０Ｂに向かってさらに送られ得る。プラズマジェット５０Ｂに収束していく顆粒６０の流束は、通常調節可能である。本明細書で使用される顆粒の流束は、単位時間当たりに平面を通過する顆粒の数として表され得、顆粒の速度および空間的密度の側面も組込む。プラズマジェット５０Ｂ内に発射される顆粒６０の流束は、供給オリフィス７０が画定する領域、担体ガス内での顆粒６０の密度および顆粒６０のプラズマジェット５０Ｂに向かう速度によって影響される。顆粒６０の速度は担体流体の流速および誘導チャンバー３４の収束の構成によって調節され得る。

顆粒６０がプラズマジェット５０Ｂに発射される際、その温度が急激に上昇し、可能性として、基材１００上に積層される所望の材料の必要に応じて前駆材料が相変化および化学反応を経ることを可能にする。材料のジェット９０は、比較的高い速度で溶射アセンブリから基材１００に発射され得る。材料が基材１００に当たった時、材料は基材上に「ビシャッ」とぶつかる傾向にあり、冷却し始め、反応および相変化の動力学によって、基材１００に付着された固体相の所望する材料を形成し得る。

顆粒の組成および機械的特性、担体流体の流速、担体流体内の顆粒の数密度、プラズマ内に発射される顆粒の流束、負電極および正電極ならびに基材の間の電位差、パイロットおよび移行プラズマアークの電流、不活性ガスの流速、プラズマトーチおよび供給オリフィスの周囲の顆粒の方位角的な分散、ならびに、誘導チャンバーの構成といったパラミーターを調節することが重要であろう。

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、組み立てられた状態である例示的溶射アセンブリ（すなわち、溶射デバイス）は、収容ハウジング３２（例示される例における移動可能な誘導機構）の位置を、Ｍが示す方向のうちの１つの方向に調節することで、図４Ａで示す通りに閉条件に配置され得、または図４Ｂで示す通りに開条件に配置され得る。他の例示的な配置では、収容ハウジング３２は、回転、およびまたは、並行といった、他の方向にも移動可能であり得る。収容ハウジング３２は、プラズマノズル２８に対して移動可能であり、その位置は、プラズマノズル２８およびプラズマトーチ２０の外部表面２３に近接するように、または、プラズマノズル２８およびプラズマトーチ２０の外部表面２３から離れるように調節が可能であり、こうして誘導チャンバー３４の容積を減少または増大し、その結果、使用中のプラズマジェットへ向かう顆粒状の前駆材料の可能な流束を減少または増大する。溶射アセンブリには、この調節を行う調節機構（図示せず）が設けられ得る。

図４Ａで示す閉条件では、誘導チャンバー３４内にあり得る顆粒状の前駆材料（図示せず）は、誘導チャンバー３４を出て噴霧オリフィス４０およびプラズマ領域（図示せず）に向かって移動することはできない。図４Ａで示す例において、このことは、収容ハウジング３２の位置を、収容ハウジング３２の内部表面３３の少なくとも一部分が、噴霧オリフィス４０の近くでプラズマトーチ２０の外部表面２３の少なくとも一部分に接するように調節し、両者の間の隙間を実質的にゼロにすることで、達成され得る。図４Ａで示す具体例では、収容ハウジング３２の内部表面３３および噴霧オリフィス４０の近くのプラズマトーチ２０の外部表面２３は、両者とも実質的に円錐の形状であり、それぞれ多少異なる円錐角度を画定し、前者の角度は、後者の角度よりも角度２θ度分大きい。いくつかの例では、２θは、約７．４度およびθは３．７度であり得る。すなわち、誘導チャンバー３４は、噴霧オリフィス４０に向かって収束し得る。閉条件では、これらの互いに収束する円錐状の表面３３、２３は、噴霧オリフィス４０の近くで互いに接し得る。供給機構が図４Ｂで示すように開条件である場合、噴霧オリフィス４０に向かって狭まっていく誘導チャンバー３４のあり得る効果は、顆粒の流束を加速し集中させることであり得る。

図４Ｂで示す開条件では、内部表面３３が、プラズマトーチ２０の対応する外部表面２３からさらに離れるような位置に収容ハウジング３２を調節されている。こうして、供給オリフィス７０は、噴霧オリフィス４０およびプラズマ領域（図示せず）の近くで、これらの表面２３、３３の間に、両者の間が一番狭い隙間で提供される。供給オリフィス７０によって顆粒が誘導チャンバー３４から出てプラズマ領域に通過することが可能になり、プラズマ領域で、プラズマジェットが使用されて存在する（ＰＴＡデバイスでは、これは移行プラズマである）。示す例では、供給オリフィス７０は一般的に円筒の形状であり、プラズマトーチ２０と同軸状である。使用中のプラズマ領域に到達する顆粒の流束は、このように収容ハウジング３２をプラズマトーチ２０に対して軸方向に動かし、収容ハウジング３２の内部表面３３の一部分によって形成される供給オリフィス７０の下端部の位置を変えて供給オリフィス７０の領域および軸方向の隙間を変化させることで、調節され得る。

いくつかの例では、Ａｒガスといった流体の担体媒体を用いて顆粒を溶射アセンブリに持続的に導入し得、当該媒体中で、顆粒は分散および懸濁され得る。顆粒および担体流体は、顆粒を誘導チャンバー３４内で方位角的に分散させ、よって使用中の噴霧オリフィス４０およびプラズマジェットの周囲を方位角的に分散させる供給機構によって分配され得る。遮蔽ガスチャンバー３９は、プラズマジェットおよび噴霧される材料を空気中の酸素から遮蔽するために、使用中のプラズマジェットを囲う複数のオリフィスを介してガスを提供する。

図５および図６を参照すると、例示的な溶射アセンブリは、第１、第２、第３および第４の要素２０、１２０、１３０、１４０を含んでなり、第１の要素は、プラズマトーチ２０からなる。第１の要素２０は、上部ハウジング空洞１２２を含んでなる第２の要素１２０に、プラズマトーチ２０の取付け端部１２Ａからつながるねじ式取付け機構によって、取付け可能であり得る。第３の要素１３０は、プラズマトーチ２０の反対側の噴霧器端部１２を収容する下部ハウジング空洞１３２を含んでなり得、また、第２の要素１２０の一部分１２４を収容するよう構成され得る。すなわち、第２の要素１２０の一部分１２４は、内側ではプラズマトーチ２０、外側では下部ハウジング空洞１３２の間で「サンドイッチ」されて挟まれ得る。冷却機構および遮蔽ガス供給機構を含んでなる第４の要素１４０は、第３の要素１３０の一部分を収容し、プラズマトーチ２０の噴霧器端部１２を囲うように構成され得る。

供給機構は、組み立てられた時に第１、第２および第３の要素２０、１２０、１３０の特定の特徴を含んでなり得、顆粒は、これら要素の間で連通する隙間によって形成されるチャネル、およびまたは、チャンバーを通って送られる。例えば、第２の要素１２０は、円周方向チャネルを含んでなり得、これは、第３の要素１３０のハウジング空洞１３２内に収容された場合に分配チャンバー３６の一部分を画定し、分配チャンバー３６の境界を形成する。分配チャンバー３６は、顆粒をプラズマトーチ２０の周囲を通常方位角的に誘導することが可能である。第２のハウジング１２０から突出する放線状の突出物の形態で、分配チャンバー３６に隣接し、プラズマトーチ２０の周囲に方位角的に配置された互いに間隔のあいた複数の偏向構造３８は、循環する顆粒６０Ｃを偏向チャネル３７内へ偏向させ、偏向した顆粒６２を通常は軸方向で誘導チャンバーに誘導する。第３の要素１３０は、顆粒および担体流体を分配チャンバー３６に導入する入口オリフィス３１Ａ、および、可能性のある再利用のために、担体流体および可能性としていくつかの顆粒が溶射アセンブリから出るのを可能にする出口オリフィス３１Ｂを含んでなり得る。

使用の際、顆粒６０Ａおよび担体流体を分配チャンバー３６に導入し得、分配チャンバー３６内で循環顆粒６０Ｃとして循環するよう誘導し得る。分配チャンバー３６内で循環する顆粒６０Ｃの効果は、顆粒６０Ｃを、プラズマトーチ２０の周囲で（方位角的に）実質的に均一に分配することであろう。いくつかの循環顆粒６０Ｃは、偏向構造３８の側面にぶつかって、通常偏向チャネル３７内の軸方向経路６２に沿って、誘導チャンバー（図５および図６で図示されず）に送られる。偏向構造３８、および、それによる偏向チャネル３８がプラズマトーチ２０の周囲全体を規則的な間隔で配置される場合、前駆材料顆粒６０Ｃは同様に規則的な間隔で誘導チャンバーに導入されるであろう。誘導チャンバーで円周方向に均一な顆粒の流束は、偏向構造３８の幅および数に依存し、偏向構造３８の数が多く密集しているほど、顆粒はより均一に誘導チャンバー内に分配されるであろう。

図７を参照すると、採鉱のための例示的なピック工具４００は、鋼基部４０５および鋼基材４０５に融着された表面硬化層４０６を含んでなる。表面硬化層は、鋼基材４０５に、開示される溶射デバイスによって積層され得る。ピック工具４００は、打点４０４を有し、鋼基部４０５に結合された超硬質合金チップ４０２を含んでなり得る。いくつかの例では、チップ４０２は、ＰＣＤ材料または炭化ケイ素結合ダイアモンド材料といったダイアモンド材料を含んでなり得る。表面硬化層４０６は、超硬質合金チップ４０２の周りに配置されて鋼基材４０５を使用の際の摩耗から保護し得る。石炭またはカリを含んでなる岩石構成物、例えば、岩石材料を粉砕する使用の際に、表面硬化層は鋼基部４０５の摩耗を減少し、ピック工具４００の早い段階での欠損の可能性を実質的に低減するであろう。

図８を参照すると、路面切削のための例示的ピック工具５００は、孔を設けた鋼ホルダー５０５、および、孔に焼嵌めまたはプレス嵌めした超硬質合金基部５０２に結合された衝突チップ５０４を含んでなる。表面硬化層５０６は、鋼ホルダー５０５に融着され得、孔の周りに配置されて鋼ホルダー本体５０５を使用の際の摩耗から保護し得る。表面硬化層は、鋼ホルダー５０５上に、プラズマ移行アーク（ＰＴＡ）溶射を利用して、開示する溶射デバイスを用いて積層され得る。衝突チップ５０４は、セメント炭化タングステン基材に結合されたＰＣＤ構造を含んでなり得る。

顆粒の圧縮強度は、比較的狭いサイズ範囲内の実質的に球状の顆粒を複数選択し、各顆粒を一度に１つずつ（顆粒の特定の機械的特性は、顆粒のサイズに依存しやすいので）圧縮試験にかけることで測定され得る。各顆粒を１組の平板の間に置いて、１つの板は静止のままで、もう一方の板は、顆粒が壊れるまで、一定の速度で顆粒に押し込み得る（板が駆動され得る最大の力が顆粒の圧縮強度よりも大きいと仮定して）。時間、板の移動および力のデータは、測定の間、記録され得る。顆粒の圧縮強度は、力が顆粒を壊すのに十分大きくなるまで、適用した力（応力）の関数としてのその直径および変形（歪み）のデータから算出され得る。

溶射デバイスの非限定的な実施例、および、鋼本体上に比較的硬い材料の層を積層するための当該デバイスの使用を以下で詳しく説明する。

２００ｋｇの合計質量を有する第１の複数の顆粒を、以下のように調製した：
ａ．混合：０．８ミクロンの平均粒径を有する１４４ｋｇの炭化タングステン（ＷＣ）、約１ミクロンの平均粒径を有する３０ｋｇの鉄（Ｆｅ）粉末、１〜２ミクロンの平均粒径を有する１５ｋｇの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末、６ｋｇのケイ素（Ｓｉ）粉末および４ｋｇのパラフィンワックスを、粉砕媒体としてアルコール、および、８００ｋｇの合計質量を有する複数のセメント炭化タングステンボールを用いたアトリタ製粉機（attritor mill）で粉末を一緒に３時間粉砕することで混合し、前駆材料スラリーを得た。スラリーを乾燥させて混合粉末を得、および凝集体を粉砕してゆるい粉末を得た。
ｂ．第１の顆粒化：粉末を結合材料と一緒に回転ドラム内で回転させることで顆粒化し、ふるいにかけて、約７５〜約２２５ミクロンの平均サイズを有する複数の顆粒を得、複数の「未完成の」顆粒（すなわち、結合材料によってまとまっている粉末粒子を含んでなる顆粒）を得た。
ｃ．予備加熱処理：未完成の顆粒を黒鉛の箱に配置し、１０２０℃の温度まで加熱した。この温度は、材料の液体相焼結が実質的に一切起こらないよう十分低く、かつ、実質的に全ての結合材料が取り除かれるよう十分高く、粉末の固体相焼結が取り扱いに十分な強度を顆粒に提供するのに十分な温度であった。
ｄ．第２の顆粒化：加熱処理のあと、顆粒をふるいにかけて約７５〜２２５ミクロンの直径を有する複数の顆粒を選択した。
ｅ．焼結加熱処理：選択した顆粒を次いで黒鉛の箱の中に置き、真空下の１１６０℃で、４５分焼結し、顆粒の実質的な液体相焼結を可能にし、焼結顆粒を得た。焼結プロセスの間、一定の量の炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）が分解するであろう一方で、比較的少量のＷＣのみが結合材料に溶解し得る。特定の仮説に限定することは望まないが、可能性として、実質的に全ての炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）が液体結合材料に溶解し得、鉄族金属（ＦｅまたはＣｏといった）、ＣｒおよびＣを含んでなる混合炭化化合物材料の結晶化が、材料の固化の際に起こり得る。溶解したＷＣの量は、およそ５〜８質量％であり、最大およそ１．５〜２．５原子％に対応し、これは、結合材料の溶融温度に実質的に影響を及ぼさないであろう。顆粒が実際よりも実質的に多くの鉄を含有した場合、顆粒の実質的な溶融は高くなり、焼結加熱処理の終わりには、鉄ベース材料の硬くて大きい集合体がもたらされ、集合体を粉砕して第１の複数の顆粒を得るのは大変困難であっただろう。しかし、顆粒に存在する鉄が少なすぎる場合、材料の十分な液体相焼結が起こらず、顆粒は十分な強度を欠けていただろう。例えば、複数の鉄に富んだ顆粒をさらに導入する必要性を避けて、溶射プロセスに関して、たった一組の複数の顆粒を提供および使用しようとした場合、顆粒は、この実施例で使用される１５質量％の代わりに、約６９質量％の鉄を含んでなる必要があり、顆粒化が実行不可能なほど困難になり得る鉄ベースの硬い本体になっていただろう。
ｆ．第３の顆粒化：焼結顆粒をアルゴン（Ａｒ）雰囲気の５０ｂａｒの圧力下で熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）し、圧縮された本体を得た。圧縮された本体を次いで粉砕し、約６０〜１８０ミクロンのサイズを有する顆粒を、ふるいにかけて選択し、第１の複数の顆粒を得た。

第１の複数の顆粒（「第１の顆粒」とも呼ばれ得る）は鉄が実質的に欠けており、本体が鋼を含んでなっていても、当該顆粒を基材本体上に上手く溶射および融着するのには実行可能ではなかっただろう。顆粒が噴霧される鋼板に存在するＦｅを用いて、Ｆｅを含んでなる追加の顆粒を導入することなく鉄が欠けた第１の顆粒を基材上に噴霧することは理論上可能ではあり得るが、それに必要なエネルギーは多大であるだろう。

第１の顆粒のサイズ分布は、ｄ（１０）値が９０ミクロン、中央値サイズ（ｄ（５０））が１４１ミクロン、ｄ（９０）サイズが２２１ミクロンであるようなサイズ分布であった（すなわち、１０％、５０％および９０％の顆粒は、直径サイズで、それぞれ９０、１４１および２２１ミクロン以下であった）。５つの顆粒サンプルを、破壊動力試験のために無作為に選択した。各顆粒を硬いステージ上に置き、硬い板を一定の速度で顆粒に対してゆっくり押し、５０ミリニュートン（ｍＮ）の小さな力から最大２０００ニュートン（Ｎ）の力で増大させながら、顆粒が壊れるまで圧縮した。顆粒の機械的特性は、顆粒のサイズ次第であり得るため、試験した顆粒は、１２５〜１６０ミクロンの直径サイズを有していた。および１４１±１４ミクロンの平均直径であった。顆粒の平均破壊荷重が６．０±２．３ニュートン（Ｎ）と測定され、顆粒の平均圧縮強度は４０２．６±１８７．９メガパスカル（ＭＰａ）であり、これは、顆粒の荷重変形を考慮した。ビッカース硬度Ｈ（ＨＶ１０）の関数として、顆粒の数頻度Ｎ分布を図１０に示す。顆粒を製造するのに用いる方法は、比較的硬く、高密度で強い顆粒を製作するのに成功した。

水による微粒化を利用して調製した市販のＦｅ顆粒からなる第２の複数の顆粒（具体的には、Ｈｏｇａｎａｓ（商標）ＡＢＣ １００．３０を使用）を準備し、ふるいにかけて約６０〜１８０ミクロンのサイズ範囲にある顆粒を抽出した。第２の複数のＦｅ顆粒の圧縮強度は、水による微粒化のために形状が不規則であったため、測定しなかった（第２の顆粒がガス微粒化によって作製されていたら、当該顆粒はより球状であり、その圧縮強度を測定し得た；第２の複数の顆粒の流動性もある程度向上しただろう）。

第１および第２の顆粒を７５：２５の質量比で一緒に混合し、約３５重量パーセントのＦｅを全体で含んでなる、組み合わせた複数の顆粒を得た。図１１は、第１の複数の顆粒２００および第２の複数の顆粒の組み合わせの顕微鏡写真である。第１および第２の複数の顆粒のそれぞれの組成を表１に示す。混合した顆粒は、一方で溶接しやすく、もう一方では堅固である良好なバランスを有し、溶射するのに適切であった。

次いで、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明した種類の例示的なプラズマ移行アーク（ＰＴＡ）溶射デバイスを用いて、組み合わせた顆粒を鋼板に噴霧し、こうして、比較的硬くて耐摩耗性である材料の層を鋼板上に積層した。鋼板は長さ１００ミリメートル（ｍｍ）、幅６０ｍｍおよび厚さ１０ｍｍであった。プラズマトーチ２０に対する収容ハウジング３２の軸方向の位置は、供給オリフィス７０が、収容ハウジング３２およびプラズマトーチ２０の間に０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの軸方向の隙間を画定するように調節された。ＰＴＡ溶射デバイスの他の操作パラメーターを表２にまとめた。

積層された層の厚さは約３ミリメートル（ｍｍ）であり、１０００±１００ビッカース単位の硬度であった。層のミクロ構造を示す顕微鏡写真を、図１２に示す。マトリックス３０４内の樹状のη相である炭化物の相３０２、小さな炭化タングステン（ＷＣ）粒子およびナノ規模の髭結晶およびナノ規模のディスクの形態である、η相炭化物の沈殿したナノ粒子で補強した鉄（Ｆｅ）ベースのマトリックスを含んでなる。

積層した層の耐摩耗性を、ＡＳＴＭ Ｇ６５試験を用いて測定し、８、１０および１５重量パーセント（％）のコバルト（Ｃｏ）を含んでなる、異なる３グレードのコバルトで固めた炭化タングステン（Ｃｏ−ＷＣ）材料の耐摩耗性と比較した。この試験では、上記のグレードの超硬質合金をそれぞれ含んでなる３つの機械工具挿入物を用いて上記の実施例における鋼板上に積層された材料の層を機械にかけた。８重量パーセントのＣｏを含んでなる工具を積層された層に適用した場合、実質的に同一の体積の材料（約３．８立方ミリメートル）が、工具および層の双方から除去され、上記の実施例の通りに積層した材料の耐摩耗性は、このグレードの超硬質合金材料に匹敵したこと示す。１０および１５重量パーセント（％）のコバルト（Ｃｏ）を含んでなる超硬質合金グレードから除去された体積はそれぞれ９．１ｍｍ^３および１２．２ｍｍ^３であり、層に含まれた材料がこれらのグレードよりも顕著に耐摩耗性が高いことを示した。

第２の実施例では、鉄（Ｆｅ）の相対含量を、上記の第１の実施例の１５質量％に対して２０質量％に増大させ、第２の実施例の顆粒を作製するのに用いた前駆材料は、２０質量％のＦｅ、１３質量％の炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、３質量％のＳｉおよび約６４質量％のＷＣ粒子を含んでなっていた。第２の実施例の第１の顆粒を製造して溶射するのは可能であったが、焼結加熱処理工程で作製した焼結集合体を粉砕するのは実質的により困難であった。

第３の実施例では、鉄（Ｆｅ）の相対含量を、上記の第１の実施例の１５質量％に対して１０質量％に減少させ、第２の実施例の顆粒を作製するのに用いた前駆材料は、１０質量％のＦｅ、６．６７質量％のＣｒ_３Ｃ_２、３質量％のＳｉおよび約８０質量％のＷＣ粒子を含んでなっていた。焼結加熱処理で作製した焼結集合体を粉砕するのは比較的より容易ではあったが、顆粒の密度を達成するのは実質的により困難であった。

第４の実施例では、第１の実施例で説明した第１および第２の顆粒を６０：４０（第１の実施例の７５：２５に対して）の比で組み合わせ、実質的により大きな量のＦｅが、溶射された、組み合わせた前駆材料に含まれていた。これは、積層された層が実質的により柔らかくなることがわかった。

第５の実施例では、第１の実施例で説明した第１および第２の顆粒を９０：１０（第１の実施例の７５：２５に対して）の比で組み合わせ、実質的により少ない大きな量のＦｅが、溶射された、組み合わせた前駆材料に含まれていた。いくつかの場合では、このことは、積層された層が実質的により柔らかくなるのにつながり得る。しかし、基材の正確な組成および積層される材料に接触して溶融し得る温度である。

いくつかの例では、鋼基材は比較的小さいおよびまたは薄く、鋼に損害を与える可能性を回避または低減するために、溶射プロセスに適用するべき力は比較的低いレベルであり得る。そのような場合、鋼から溶融した鉄族金属は、噴霧された材料と反応させるのに利用可能である可能性は低く、比較的高い割合の第２の複数の顆粒（鉄族金属を含んでなる）が用いられるだろう。

他の例では、鋼基材は比較的大きく、よって溶射プロセスで比較的高いレベルの力を適用することが可能であり得る。そのような場合、より大きな力は基材上に形成される鋼から溶融した鉄族金属のフィルムをもたらし得、噴霧された材料と反応させるのに利用可能であり得る。より大きな基材が、より大きな溶射力による増大した加熱によって顕著に歪められる可能性もより低い。そのような場合、比較的低い割合の第２の複数の顆粒（鉄族金属を含んでなる）が用いられ得る。

一般的に、第１および第２の複数の顆粒の組み合わせで、第２の複数の顆粒が、ＦｅまたはＣｏといった鉄族金属を含んでなるまたは当該鉄族金属からなるものは、コーティングされる基材の形状、サイズおよび組成によって調節され得る。基材表面で利用可能な溶融鉄族金属が多過ぎる場合、コーティングは十分硬くない可能性がある。例えば、過剰な鉄族金属は、鉄族金属を含んでなるまたは鉄族金属からなる顆粒の割合が高すぎる場合、およびまたは、基材の溶融が過剰に大きい溶射力のために生じ過ぎる場合に、起こり得る。

開示される例示的な配置、顆粒および方法のうち、少なくとも特定の可能性のある様々な態様を簡潔に考察する。

可能性として本体をコーティングするのに適切である、様々な組み合わせの化学元素およびまたは化合物を含んでなる、開示される特定の例示的前駆材料は、比較的低い１３００℃未満の溶融温度（共融相温度は１３００℃未満であり得る）で溶融相（すなわち、実質的に液体状態である相）を形成し得る。このことは、前駆材料の加熱を伴う特定のコーティングプロセスで前駆材料を用いる場合に特定の技術的な困難をもたらし得る。例えば、溶融相の早期形成は、そのコーティング装置上での積層につながり得る。開示される方法の特定の例は、溶融相の形成に対する調節の改善、したがって、可能性として熱積層プロセスの調節および性能を改善する態様を有する。開示される例示的な方法は、複数の異なる源の前駆材料の化学成分を、溶融相が所望する領域で形成するよう組み合わせることを伴う。例えば、前駆材料の化学成分は、２組以上の複数の供給原料顆粒に分離され得、各組の複数の顆粒は、異なる化学組成および組み合わせた化学成分よりも比較的高い溶融温度を有する。

開示される特定の例示的な方法は、少なくとも２組の複数の供給原料顆粒として前駆材料を準備すること、および、顆粒の組み合わせを加熱し溶融相を形成することを含み得、ここで、顆粒（および可能性として前駆材料の他の化学成分の源）は、硬さ、靱性およびまたは流動特性といった所望の機械的または他の特性を有し得る。例えば、比較的硬い顆粒は、加熱の位置に誘導される場合に改善された流動挙動を示し得、また、開示される例示的な顆粒の作製方法は、比較的硬く、強い顆粒を作製する態様を有し得る。特定の例示的なコーティング方法では、溶融相材料がコーティング装置に接着する可能性を、溶融相が装置から十分離れて形成するように装置および操作条件を調節することで、低減し得る。装置の配置およびまたは操作パラメーターは、顆粒の平均サイズおよびサイズのばらつきの影響を受け得る。顆粒が比較的硬くて強い態様は、顆粒が粉砕する可能性を低下し得、コーティングプロセスの改善した調節が可能になり得る。

前駆材料が、異なる組成を有する２組以上の複数の顆粒として提供される例では、全組の複数の顆粒が類似した流動特性を有する可能性は、異なる複数の組の顆粒が類似したサイズ特性を有している場合に上昇するだろう。十分大きい顆粒は均一および予測どおりに流動する可能性がより高く、粒子がコーティング装置のかどまたは小さなスペースにたまる可能性を低減するだろう。粒子または顆粒が大きすぎる場合、コーティング装置のオリフィス、チャネルおよびチャンバーを通過できない可能性があり、可能性として遮断につながり得る。

開示される特定の例では、前駆材料の化学成分が２組以上の複数の顆粒に分離される場合に、より硬く、強い顆粒を提供することがより簡単であり得る。具体的には、鉄族金属が前駆材料の主要な化学成分である場合、第１の複数の顆粒は、鉄族金属が実質的に欠けた状態で提供され得、および、開示される例示的な方法を用いて、比較的硬度が高く、圧縮強度が大きい顆粒を提供し得る。顆粒中の鉄族金属の含量が高すぎる場合、方法で作製される粉末の中間集合体は、顆粒製造プロセスの加熱工程で所望されない溶融の影響を受け得る。集合体を冷却して金属が固化した場合、結果として得られた固化集合体を粉砕して顆粒を得るのは大変困難であり得る。顆粒中の鉄族金属の含量が低すぎる場合、集合体の強度が不十分であり得、十分な強度および所望のサイズを有する顆粒を製作することが困難であろう。鉄族金属からなる第２の複数の硬くて強い粒子は公知の方法で準備し得、または市販で得ることができる。

比較的低い１３００℃未満の溶融温度を有する前駆材料を用いて作製した金属ベースのコーティングは、比較的高密度で硬く、有孔率がほとんどまたは一切なく、可能性として炭化物粒子（前駆材料と組み合わせられ得る）を含んでなる態様を有し得る。いくつかの例では、開示した方法で作製したコーティングは、本体とは実質的に異なる特性を有し得る。例えば、コーティングは、鋼を含んでなり得る本体よりも硬く、または、より高い耐摩耗性を有し得る。例示的なコーティングは、本体を使用における摩耗または腐敗から保護し得る。

開示される例示的なコーティング方法の他の態様は、比較的長い期間にわたって向上した均一なコーティングを含み得る。例えば、プラズマ移行アーク溶射を含み得るコーティング方法は、操作において低下したプラズマおよびパイロット電流を示し得、比較的薄い層（４〜５ｍｍ）を積層し、パラメーターを所望の通りに変えることが可能になり得る。例示的な溶射方法は、粉末のプラズマジェットへの送達の増大した速度を示し（単位時間あたりの質量の観点から）、単一操作で最大７〜８ｍｍの層を積層することが実行可能になり得る。開示される例示的な溶射デバイスおよび溶射またはレーザークラッディング方法は、断面の寸法が少なくとも約３０センチメートル（ｃｍ）である比較的大きい本体、およびまたは、比較的複雑な形状を有する本体が、排他的ではないが、特に摩擦または腐敗による摩耗からの保護のために、保護材料で比較的効率よくコーティングされ得る態様を有するだろう。比較的均一な厚さおよび質を有するコーティングを提供することが可能になるだろう。

開示される方法の例は、比較的硬く、耐摩耗性で高密度の材料が積層され得る態様を有し得る。積層造形プロセスといった、複数の層が互いに積層されて物品を形成する例では、結果の物品はこれらの態様を有し得る。特定の理論に限定することは望まないが、前駆材料の比較的低い共融温度によって、炭化化合物材料を含んでなる比較的硬く高密度な物品が３Ｄ印刷プロセスによって製造されることが可能になり得る。

本明細書で使用する特定の用語および概念を簡潔に以下で説明する。

本明細書では、溶射プロセスは、材料の層で本体をコーティングすることを含み、ここで、前駆材料（コーティング前駆物または「供給原料」とも呼ばれ得る）を加熱することで作製された溶融相材料を表面上に噴霧し、こうしてコーティング材料を本体の表面上に積層させる。供給原料材料は、様々な方法で加熱され得、例えばプラズマまたはアーク、または、化学的手段である。一般的に、溶射は、可能性として、約２０ミクロン〜数ｍｍの比較的厚いコーティング（プロセスおよび供給原料による）を、比較的大きな領域にわたって高い積層速度で提供し得る。前駆材料は顆粒形態であり得、溶融または半溶融状態まで加熱され得、溶融または半溶融材料の細かく分割された（「微粒化」とも呼ぶ）小滴は、コーティングされる本体に向かって加速される。コーティングは、複数の平坦化粒子として固化した、ラメラ（lamella）と呼ばれ得る、本体上の小滴の蓄積から生じるだろう。様々な操作パラメーターが、コーティングの特性に影響を与えやすく、例えば、前駆材料の組成、形態および物理的特性、プラズマガスの組成および流速、入力されるエネルギー、トーチおよび基材の間の距離（オフセット距離とも呼ばれ得る）および基材の冷却が挙げられる。

アークプラズマ溶射方法では、プラズマトーチから発せられる高温度のプラズマジェットが、正電極および負電極の間を通過する適切なガスのアーク放電およびイオン化によって作製され得る。プラズマ内の温度は様々であり得、約１００００℃を超えるだろう。前駆材料を含んでなる供給原料は、粉末または顆粒の形態であり得、および、供給機構によってアークプラズマへ送られ得る。タングステン電極は、プラズマトーチのチャンバー内に配置され得、不活性ガスは、電極を通過して収縮ノズルのオリフィスを通って流れるように押し出され得、オリフィスを通って延びるプラズマジェットを作製し得る。遮蔽ガスは、収縮ノズルを囲うように導入され、プラズマジェットを周囲環境から保護し得る。供給原料顆粒は、アルゴン（Ａｒ）といった不活性担体ガス内で分散されて提供され得、および、プラズマジェットに誘導され得る。他の溶射方法には、爆発溶射、ワイヤアーク溶射、フレーム溶射および高速フレームコーティング溶射（ＨＶＯＦ）が包含される。

プラズマ移行アーク（ＰＴＡ）プロセスでは、「パイロットアーク」は、中央電極および銅を含んでなる水で冷却された周囲のノズルの間で作製され得、「移行アーク」は電極およびコーティングされる本体の間に作製され得る。プラズマアークの比較的高い密度は、パイロットアークを通過するアルゴン（Ａｒ）ガスのイオン化によってＰＴＡプロセスで達成され得、当該ガスは、溶射操作の間、通常ずっと燃え続ける。移行型アークの温度は、「スロットリング（絞る）」ことで上昇して約８０００〜１８０００℃の温度を有するプラズの柱を取得し得、移行型アークプラズマジェットは、本体が鋼といった金属を含んでなる場合、本体の表面領域が溶融するのを引き起こし得る。アーク点火デバイスは、ガスが収縮ノズルを流れる際にパイロットプラズマ（「非移行型アーク」とも呼ばれ得る）が生じるように、収縮ノズルの近くで負電極および正電極の間にスパークを生じさせるために用いられるだろう。パイロットアークは、負電極および基材の間に抵抗が小さい経路を形成し、次に続く移行型アークの発生を促す。ＰＴＡ操作パラメーターを調節して、約１〜少なくとも約３ｍｍの厚さを有する層を、トーチ、粉末および適用によって１時間あたり１〜１３キログラム（ｋｇ／ｈ）の速度で提供し得る。

本明細書では、レーザークラッディングプロセスは、前駆材料を本体に、レーザーデバイスを用いて溶接することを伴い、および、プラズマ移行アーク（ＰＴＡ）プロセスに対して相補的なコーティング技術として考えられ得る。双方の方法は、供給原料材料を急速に加熱して溶融相を形成し、その溶融相を本体の表面上に積層することを含む。例えば、供給原料は、１秒未満または約５秒未満内に、約２０００℃の温度まで加熱され得る。

本明細書では、「積層造形」または「ラピッドプロトタイピング」とも呼ばれ得る「３Ｄ印刷」は、積層される材料の連続したコーティング層（すなわち、複数のコーティングが互いに重なって積層され得、３次元の物品を形成し得る）によってほとんどあらゆる形状の物体を作製するプロセスである。各層における材料の分布は、一連の層におけるその層の位置および作製される物体の形状に従って設定される。材料の分布は、通常コンピューターのプログラムによって調節され得る。「３Ｄ印刷デバイス」は、コンピューターの制御下にある具体的な構成に従って材料を層に積層することが可能であり、ロボット能力を含んでなり得る。様々な積層プロセスが可能であり、層がどのように積層されるかが異なる。前駆材料を加熱することを伴う例示的なプロセスは、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、直接的金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）および熱溶解積層法（ＦＤＭ）を包含する。積層造形プロセスの材料供給原料が顆粒形態の金属または金属合金材料を含んでなる場合は、直接的金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）または選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）が適切であり得る。電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）は、金属または金属合金の種類によって適切であり得る。３Ｄ印刷へのアプローチの１つに、顆粒材料を下の層に選択的に融着させることがあり、これは、通常、顆粒の層をターゲットにして加熱することを伴い、レーザーデバイス（選択的レーザー焼結）および直接的金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）によって達成され得る。選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）では、顆粒は、高性能レーザーを用いて、焼結ではなく溶融し、十分に高密度の層を作製する。

Claims (27)

1. 本体をコーティングする方法であって：
   各顆粒がケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、ならびに、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）から選択される鉄族金属を含んでなる複数の顆粒であって、少なくとも閾値量の前記鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒにアクセス可能である時に、Ｓｉ、ＣおよびＣｒの相対量は、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒおよび前記鉄族金属を含んでなる溶融相が１３００℃未満の溶融温度で形成するような相対量であり；各顆粒は実質的に前記閾値量未満の前記鉄族金属を含む、複数の顆粒を準備すること；
   少なくとも前記鉄族金属の第２の源を準備すること；
   前記顆粒および前記第２の源の組み合わせを、少なくとも前記閾値量の鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒにアクセス可能であるように形成すること；
   前記顆粒および前記第２の源を少なくとも前記溶融温度まで加熱し、本体と接触した前記溶融相を形成すること；および、
   加熱をやめて前記溶融相を固化させてコーティングされた本体を提供すること、を含む、前記方法。
2. 前記溶融温度が１２８０℃以下である、請求項１に記載の方法。
3. 前記加熱がレーザービームによって達成されるレーザークラッディングプロセス；前記加熱が電子ビームによって達成される電子ビームプロセス；または、前記加熱がアークプラズマによって達成されるアークプラズマ溶射プロセスを用いることを含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 積層造形プロセスを用いて、物品を作製するよう構成された連続した層のコーティングを積み重ねることで物品を製造することを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記積層造形プロセスが、直接的金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）または電子ビーム溶融（ＥＢＭ）を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記顆粒が５０〜５００ミクロンの平均サイズを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記顆粒が、少なくとも５０メガパスカル（ＭＰａ）の平均圧縮強度を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記顆粒が、８００〜１５００ＨＶ１０の平均ＨＶ１０ビッカース硬度を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記鉄族元素の前記第２の源が粒子形態で準備される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記本体が前記鉄族金属の源を含んでなる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記顆粒が前記鉄族金属の閾値量の２０〜６０パーセントを含んでなる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 各顆粒が、ケイ素Ｓｉ、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）および鉄（Ｆｅ）を含んでなり；炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）の質量がＳｉの質量の１．５〜７倍であり、Ｆｅの質量がＳｉの質量の２〜８倍である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 各顆粒が、１〜５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、５〜１５重量パーセントの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、１０〜３０重量パーセントの鉄族金属、および、少なくとも５０重量パーセントの、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）または炭化タンタル（ＴａＣ）から選択される炭化金属を含んでなる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記鉄族金属の第２の源を粒子形態で準備すること、前記顆粒および前記第２の源をアークプラズマ溶射装置の供給機構に導入すること、および、前記装置を用いて本体上にコーティングを作製することを含み；ここで、前記アークプラズマ溶射装置は、プラズマノズルからプラズマジェットを作製するためのプラズマトーチ、および、前記顆粒を使用中の前記プラズマジェットに誘導するためであり、開条件の時に供給オリフィスを提供可能な前記供給機構を含んでなり；前記供給機構は、誘導チャンバーおよび移動可能な誘導機構を含んでなり；また、前記誘導チャンバーが前記顆粒を前記供給オリフィスに誘導可能であり、前記顆粒は前記供給オリフィスを通って前記誘導チャンバーから移動し、前記誘導機構の移動に対応して前記プラズマノズルから可変平均距離にある前記プラズマジェットに入り得るよう構成され；前記誘導機構の位置を、実質的にどの溶融相も使用中の装置に接触しないように調節することを含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法における使用のための顆粒であって：
    ケイ素（Ｓｉ）、
    炭素（Ｃ）、
    クロム（Ｃｒ）、ならびに、
    鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される鉄族金属を含んでなり；ここで、
    少なくとも閾値量の前記鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒに対して利用可能である時に、Ｓｉ、ＣおよびＣｒの相対量は、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒおよび鉄族金属を含んでなる溶融相が１３００℃未満の溶融温度で形成するような相対量であり；および、
    実質的に前記閾値量未満の前記鉄族金属を含んでなる、前記顆粒。
16. 前記顆粒が前記鉄族金属の閾値量の２０〜６０パーセントを含んでなる、請求項１５に記載の顆粒。
17. ５０〜５００ミクロンのサイズを有する、請求項１５または請求項１６に記載の顆粒。
18. 少なくとも５０メガパスカル（ＭＰａ）の圧縮強度を有する、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の顆粒。
19. １〜５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）、５〜１５重量パーセントの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、１０〜３０重量パーセントの鉄族金属、および、少なくとも５０重量パーセントの、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）または炭化タンタル（ＴａＣ）から選択される炭化金属を含んでなる、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の顆粒。
20. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法における使用のための複数の顆粒を作製する方法であって：
    ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）の源、クロム（Ｃｒ）の源および鉄族金属の源を、液体媒体で結合材料と組み合わせてスラリーを準備し、
    少なくとも閾値量の前記鉄族金属がＳｉ、ＣおよびＣｒに対して利用可能である時に、Ｓｉ、ＣおよびＣｒの相対量は、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒおよび前記鉄族金属を含んでなる溶融相が１３００℃未満の溶融温度で形成するような相対量であり；
    前記スラリーの前記鉄族金属の含量は、実質的に前記閾値量未満であること；
    前記スラリーを乾燥させて粉末粒子の集合体を形成すること；
    前記集合体を、前記粉末粒子の中で液体相焼結が実質的に一切起こらないよう十分低く、かつ、前記結合材料が前記集合体から取り除かれ、前記粉末粒子の実質的な部分が互いに結合するのに十分な焼結が前記粉末粒子で起こるよう十分高い、第１の温度で第１の加熱処理にかけること；
    前記集合体を、前記第１の温度よりも実質的に高い第２の温度で第２の加熱処理にかけて焼結された本体を形成すること；および、
    前記焼結された本体を粉砕して前記複数の顆粒を準備することを含む、前記方法。
21. 前記第２の温度が、液体相焼結が前記粉末粒子中で起きるのに十分高い温度である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記集合体を組み合わせて前記第２の加熱処理にかける前に、第１の加熱処理後に、前記集合体を粉砕して、５０〜５００ミクロンのサイズを有する複数の未焼結顆粒を準備することを含む、請求項２０または２１に記載の方法。
23. 前記焼結した本体を粉砕し、前記顆粒をスクリーニングして５０〜５００ミクロンのサイズを有する複数の顆粒を準備することを含む、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 炭化タングステン粒子を前記スラリーに組み合わせることを含む、請求項２０〜２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記結合材料が、ヒドロキシル基を含むポリビニル化合物材料を含んでなる、請求項２０〜２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記第１の温度が９００〜１０５０℃である、請求項２０〜２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 前記第２の温度が１０５０〜１２００℃である、請求項２０〜２６のいずれか一項に記載の方法。