JP2018522136A - 金属粉末材料を製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

金属粉末材料を製造する方法は、供給材料を溶融炉床に供給し、溶融炉床の供給材料を第１加熱源により溶融し、所要の化学組成を有する溶融材料を提供することを包含する。溶融材料の少なくとも一部が溶融炉床から直接または間接的に霧化炉床に送られ、ここで、第２加熱源を使用して加熱される。霧化炉床からの溶融材料の少なくとも一部が溶融状態で霧化装置に送られ、これは溶融材料から液滴噴霧を形成する。該液滴噴霧の少なくとも一部は凝固され、金属粉末材料を提供する。【選択図】図１

Description

技術の背景
技術分野
本発明は、金属粉末材料を製造するための方法及び装置に関する。特に、本開示の特定の非限定的態様は、供給材料を受け取るように構成された溶融炉床と、溶融炉床から溶融材料の少なくとも一部を受け取るように配置された霧化炉床とを含む装置を使用する金属粉末材料の製造方法に関する。本開示の方法の特定の非限定的実施形態では、この方法は、溶融材料の少なくとも一部を霧化炉床から溶融状態で、霧化ノズルを有してもよい霧化装置に流すことを包含する。本開示は、更に、本開示の方法及び装置により製造される金属粉末材料及び製品に向けられている。

背景技術の説明
ガスアトマイズ及び熱間等方圧プレス（「ＨＩＰｉｎｇ」とも称する）は、伝統的に、金属粉末材料から金属製品を形成するために使用されている。これらの工程では、所要の化学組成を有する溶融物が準備され、溶融組成物は、ガス噴射により溶融組成物が急冷される液滴に分散する霧化装置を通過する。急冷された液滴はばらばらの粉末を形成する。金属粉末材料は、熱間等方圧プレスより金属製品を形成することができる。

金属製品を製造する他の従来方法は、核生成鋳造法である。核生成鋳造法は、ガス噴霧法を使用して鋳型内に堆積される半液状粒子の噴霧を製造する。液滴噴霧の一部、すなわち過剰噴霧は鋳型の頂面に蓄積できることが一般的に理解される。核生成鋳造法と同様に、金属製品が鋳型を使用することなく半液状粒子の噴霧から形成される溶射成形は、一般的な技術である。

従来の核生成鋳造法、溶射成形及びガスアトマイズ／ＨＩＰｉｎｇシーケンスでは、先に所要の化学組成に溶融されて凝固された材料が、再溶融されて溶融材料を霧化装置に供給される。一例では、所要の化学組成を有する凝固された材料は、熱機械的にワイヤに加工され、その後、噴霧用に再溶融される。他の例では、コールドウォール誘導炉が使用され、噴霧工程の前に、先に凝固された材料を溶融し、均質にする。再溶融及び霧化の前に材料が凝固される場合、熱機械加工及び取扱の際などに汚染される可能性がある。固形材料内の汚染物質は、霧化装置に供給される溶融金属流内に混入される可能性がある。凝固された材料を霧化するために再溶融することは、溶融金属の過熱及び流速等の、一貫した噴霧を確実にするために制御されることが必要となり得る工程パラメータを制御する能力を制限する可能性がある。更に、凝固された材料を再溶融及び霧化のために使用することは、噴霧金属粉末の製造に関するコストが増大する可能性がある。

概要
本開示は、部分的には、金属粉末材料を製造する従来のアプローチの特定の制限に対処する方法及び装置に向けられている。本開示の１つの非限定的態様は、金属粉末材料を製造する方法に向けられ、この方法は、溶融炉床に供給材料を供給し、該溶融炉床内の該供給材料を第１熱源により溶融し、これにより所要の組成を有する溶融材料を製造し、該溶融材料の少なくとも一部を霧化炉床に送り、該霧化炉床内の該溶融材料を第２熱源により加熱し、該溶融材料の少なくとも一部を噴霧炉床から溶融状態で直接または間接的に霧化装置に送り、該霧化装置により溶融材料の液滴噴霧を形成することを備える。該液滴噴霧の少なくとも一部は凝固され、金属粉末材料を提供する。この方法の特定の非限定的実施形態では、溶融材料の少なくとも一部が連続的に霧化装置に送られる。この方法の特定の非限定的実施形態では、溶融材料が溶融炉床から霧化炉床に少なくとも１つの追加炉床を介して送られる。

本開示の他の非限定的態様は、金属粉末材料を製造する装置に向けられている。この装置は、供給材料を受け取るように構成される溶融炉床と、該供給材料を該溶融炉床内で溶融し、所要の組成を有する溶融材料を製造するように構成される第１熱源と、該溶融材料の少なくとも一部を該溶融炉床から直接または間接的に受け取るように配置される霧化炉床と、該霧化炉床内で溶融材料を加熱するように構成される第２熱源と、該溶融材料の液滴噴霧を形成するように構成される霧化装置と、該霧化炉床及び該霧化装置に連結される移送ユニットと、該霧化装置から該液滴噴霧を受け取るように構成される収集器とを備える。該移送ユニットは、該霧化炉床から該霧化装置に溶融状態で溶融材料を送るように構成される。

本明細書に記載の方法及び合金製品の特徴及び利点は、添付図面を参照することにより、より良好に理解することができる。

本開示による金属粉末材料を製造する方法の非限定的実施形態のフローチャートである。 本開示による金属粉末材料を製造する装置の非限定的実施形態を示す概略的な断面側面図である。 図１の装置の概略的な平面図である。 本開示による金属粉末材料を製造する装置の他の非限定的実施形態の概略的な平面図である。 図１の装置の拡大した部分断面側面図である。 本開示による金属粉末材料を製造する装置の非限定的実施形態を示す他の概略的な断面側面図である。

本発明は、上述の図面に示す実施形態のその用途に限定されるものでないことを理解すべきである。読者は、本開示による方法及び装置の特定の非限定的実施形態の以下の詳細な説明を考慮することで、上述の詳細及びその他の事項を理解することになる。更に、読者は、本明細書に記載の方法及び装置を使用することで、このような追加の詳細を確実に理解することができる。

特定の非限定的実施形態の詳細な説明
非限定的実施形態の本説明及び特許請求の範囲において、操作実施例またはその他に示す箇所以外、含有物及び製品の量または特性、及び、処理条件等を表現する全ての数字は、「約」の用語により、全ての例において変更されるものと理解すべきである。したがって、それとは反対に指示されない限り、以下の説明及び特許請求の範囲に示したあらゆる数値パラメータは、本開示による方法及び装置において得ようとする所要の特性にしたがって変化し得る近似値である。少なくとも、請求の範囲の及ぶ範囲に対する均等論の適用を制限しようと試みるものではなく、それぞれの数値パラメータは、報告された有効数字の数値に照らし、かつ、通常の丸め法を適用することによって解釈されるべきである。

本開示は、部分的には、金属粉末材料を製造する従来のアプローチの特定の制限に対処する方法及び装置に向けられている。図１を参照すると、金属粉末材料を製造する方法の非限定的実施形態を示してある。この方法は、供給材料を溶融炉床に供給し（ブロック１００）、溶融炉床内の供給材料を第１熱源により溶融し、これにより、所要の化学組成を有する溶融材料を製造し（ブロック１１０）、溶融材料の少なくとも一部を直接または間接的に霧化炉床に送り（ブロック１２０）、負荷炉床内の溶融材料を第２熱源により加熱し（ブロック１３０）、溶融材料の少なくとも一部を霧化炉床から溶融状態で霧化装置に送り（ブロック１４０）、霧化装置により溶融材料の液滴噴霧を形成する（ブロック１５０）ことを包含する。液滴噴霧の少なくとも一部は凝固され、所要の組成を有する金属粉末材料を提供する。

図２〜３を参照すると、図示の金属粉末材料を製造する装置２００の非限定的実施形態は、溶融チャンバ２１０と、溶融チャンバ２１０内に位置する溶融炉床２２０及び第１熱源２３０とを有する。溶融チャンバ２１０は、内部に空気を維持するように構成される。空気は、大気圧よりも低い圧力、大気圧を超える圧力、または、大気圧である圧力を有する。特定の非限定的実施形態によると、溶融チャンバ２１０内のガス雰囲気は、溶融チャンバ２１０内で加熱される材料に対して化学的に不活性とすることができる。特定の非限定的実施形態によると、溶融チャンバ２１０内のガス雰囲気は、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物、または、他の不活性ガス若しくはガス混合物としてもよい。他の非限定的実施形態によると、溶融チャンバ２１０の雰囲気内の他のガスまたはガスの混合物は、溶融チャンバ２１０内の溶融材料を許容できないほどに汚染しないガスまたはガス混合物であることを条件に存在する。

溶融炉床２２０は、供給材料２４０を受け取るように構成される。特定の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、未使用原材料である。他の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、スクラップ材料、戻り材、回収材料、及び／または、マスター合金を含みまたはこれから構成される。特定の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、粒子状材料を包含する。他の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、例えば、円筒状または四角柱状の形状に先に溶融された材料等、加工されまたは先に溶融された電極の形態の材料を包含しまたはこれから構成される。いずれの場合も、本開示による方法では、溶融炉床２２０で製造される溶融材料の化学組成は、溶融炉床２１０に供給材料を選択的に添加することにより、所要の組成に調整される。

特定の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、主としてチタン材料を含む。特定の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、市販の純チタン、チタン合金（例えば、ＵＮＳ Ｒ５６４００に規定された組成を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）、及び、チタンアルミナイド合金（例えば、Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｎｂ−２Ｃｒ合金）の１つの化学組成を有する溶融材料を提供するように選択される。他の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、重量で約４パーセントのバナジウム、約６パーセントのアルミニウム、及び、残部のチタン及び不純物を含む溶融材料を提供するように選択される（他に指示しない限り、本明細書におけるパーセンテージは、重量パーセントである。）。更に他の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、市販の純ニッケル、ニッケル合金（例えば、ＵＮＳ Ｎ０７７１８に規定された組成を有する合金７１８）、市販の純ジルコニウム、ジルコニウム合金（例えば、ＵＮＳ Ｒ６０７０４に規定された組成を有するＺｒ７０４合金）、市販の純ニオブ、ニオブ合金（例えば、ＵＮＳ Ｒ０４２６１に規定された組成を有するＡＴＩ Ｎｂ１Ｚｒ（商標）合金（タイプ３及びタイプ４））、市販の純タンタル、タンタル合金(例えば、ＵＮＳ ２０２５５に規定する組成を有するタンタル−１０％タングステン合金）、市販の純タグステン、及び、タングステン合金（例えば、９０−７−３タングステン合金）の１つの化学組成を有する溶融材料を提供するように選択される。本明細書に記載の方法及び装置は、上述の化学組成を有する材料を製造することに限定されないことが理解される。代りに、出発材料は、所要の化学組成及び他の所要の特性を有する溶融組成を提供するように選択してもよい。溶融材料は、本明細書に記載の方法及び装置により霧化され、これにより粉末に霧化される溶融材料の化学組成を有する金属粉末材料を提供する。

特定の非限定的実施形態によると、供給材料２４０は、例えば供給シュート２５０等の供給機構を介して溶融炉床２２０に供給される。特定の非限定的実施形態によると、供給機構は、振動式フィーダ、シュート及びプッシャの少なくとも１つを包含する。他の非限定的実施形態では、供給機構は、供給材料２４０を溶融炉床２２０に適切に導入することのできる、他の任意の機構を包含する。

特定の非限定的実施形態によると、第１熱源２３０は、溶融炉床２２０に付設され、プラズマトーチ、電子ビーム発生器、電子を発生する他の加熱装置、レーザ、電気アーク装置、及び、誘導コイルから選択される少なくとも１つの加熱装置を包含する。一実施例では、第１加熱源２３０は、プラズマトーチを用いて溶融炉床２２０内の供給材料２４０を溶融し、これにより、所要の化学組成を有する溶融材料２６０を製造するように構成される。第１熱源２３０は、溶融炉床２２０内の供給材料を少なくとも供給材料２４０の溶融温度（液相線）と同じ温度まで加熱し、これらの材料を溶融炉床２２０内で溶融状態に維持するように構成されて位置決めされる。特定の非限定的実施形態では、第１熱源２３０は、溶融炉床２２０内に形成された溶融材料を加熱し、溶融材料を少なくとも部分的に精製する。特定の非限定的実施形態によると、第１熱源２３０は、溶融炉床２２０の上面の約１００ｍｍから約２５０ｍｍ上側に位置決めしてもよい。他の非限定的実施形態によると、第１熱源２３０は、溶融炉床２２０内の溶融材料の頂面に対して所定高さに位置決めされる第１プラズマトーチを備え、この第１プラズマトーチにより生じる高温プラズマのプルームの縁部が材料を適切に加熱する。特定の非限定的実施形態によると、第１加熱源２３０の出力レベル、溶融炉床２２０に対する位置、及び、他のパラメータは、溶融炉床２２０内の溶融材料２６０を、材料の液相線を含み、材料の融点より約５００℃上までの温度範囲に、加熱するように選択される。更なる実施形態によると、第１熱源２３０の出力レベル、位置、及び、他のパラメータは、材料の液相線の約５０℃上から材料の液相線の約３００℃上までの温度を含む温度範囲に、溶融炉床２２０内の材料を過熱するように最適化される。他の実施形態によると、第１熱源２３０の出力レベル、位置、及び、他のパラメータは、第１熱源２３０が材料を蒸発、及び／または、望ましくない態様に溶融材料の化学的性質を変化させない限り、任意の適切な程度で材料の液相線を越える温度まで材料を過熱するように最適化される。

特定の非限定的実施形態によると、霧化炉床２７０が溶融材料２６０の少なくとも一部を溶融炉床２２０から直接または間接的に受け取るように配置される。一旦、溶融されかつ適切に加熱されると、溶融炉床２２０内の溶融材料２６０は溶融炉床２２０から排出され、直接または間接的に（例えば、少なくとも１つの追加の炉床を通って）霧化炉床２７０に送られてもよい。霧化炉床２７０は直接または間接的に溶融材料２６０を霧化炉床２７０から集め、溶融材料２６０が霧化炉床２７０から、更に後述するように、霧化装置３１０の霧化ノズルに送られる際に、溶融材料２６０の少なくとも一部を保持してもよい。これに関して、霧化炉床２７０は、溶融材料２６０に対する「サージバッファ」として作用し、霧化装置３１０への溶融材料２６０の流れを調節する。特定の非限定的実施形態によると、霧化炉床２７０は、溶融炉床２２０と共に溶融チャンバ２１０内に配置される。他の実施形態によると、霧化炉床２７０は、溶融炉床２２０と共に単一のチャンバ内にではなく、代わりに、隣接チャンバ等の他のチャンバ内に配置してもよい。

種々の非限定的実施形態によると、少なくとも１つの追加炉床が溶融炉床２２０と霧化炉床２６０との間に配置され、溶融材料が溶融炉床２６０から、少なくとも１つの追加炉床を介して、霧化炉床２７０内に送られる。この配置は、溶融炉床から間接的に霧化炉床への溶融材料の通路を含むこととして、本明細書に記載されている。

特定の非限定的実施形態にしたがい、図５を参照すると、溶融炉床２２０及び霧化炉床２７０の双方は、水冷の銅炉床である。存在する場合、種々の非限定的実施形態における１つまたは複数の追加炉床が水冷銅炉床であってもよい。他の非限定的実施形態によると、溶融炉床２２０と、霧化炉床２７０と、存在する場合には、１または複数の追加炉床との少なくとも１つが、他の任意の適切な材料及び組成で構成され、更に、冷却され、または、それ以外により、材料がその中で加熱される際に炉床の溶融を阻止するように構成される。特定の非限定的実施形態によると、溶融材料２６０の一部が溶融炉床２２０の冷却壁に接触して凝固し、溶融材料２６０の残部が溶融炉床２２０の壁に接触するのを阻止する第１スカル２８０を形成し、これにより、溶融炉床２２０の壁を溶融材料２６０から隔離してもよい。更に、特定の実施形態では、溶融材料２６０の一部は、溶融材料２６０が溶融炉床２２０から霧化炉床２７０内に流れるときに、霧化炉床２７０の冷却壁に接触し、壁上で凝固し、溶融材料２６０の残部が霧化炉床２７０の壁に接触するのを阻止する第２スカル２９０を形成し、これにより霧化炉床２７０の壁を溶融材料２６０から隔離してもよい。特定の非限定的実施形態では、存在する場合には、１または複数の追加炉床が、溶融材料と炉床壁との望ましくない接触を阻止するために、同様な態様に機能してもよい。

特別な方法または装置２００に対する使用要件または選択にしたがって、溶融炉床２２０、霧化炉床２７０、及び、存在する場合には、１または複数の炉床上の材料は、加熱されるときに精製及び／または均質化されることがある。例えば、溶融材料の精製中に、溶融材料中の高密度固形含有物及び他の固形汚染物質は、特定の炉床内の溶融材料の底部に沈下し、炉床壁のスカル内に混入することがある。ある程度の低密度固形含有物または他の固形汚染物質は、特定の炉床内の溶融材料の表面に浮遊し、付設された熱源により気化されることがある。他の低密度固体含有物または他の固体汚染物質は、中立的に浮揚し、溶融材料の表面の僅かに下側に浮遊し、炉床内の溶融材料内に溶解することがある。このように、溶融材料２６０は固形含有物として精製され、他の固形汚染物は溶融材料２６０から除去されまたは溶解される。

図４を更に参照すると、図示の非限定的実施形態によれば、少なくとも1つの追加炉床２９２が溶融炉床２２０と霧化炉床２７０との間に位置する。溶融炉床２２０の溶融材料２６０の少なくとも一部は、霧化炉床２７０内に送られる前に、１または複数の追加炉床（複数可）２９２を介して送られる。特定の非限定的実施形態では、追加炉床（複数可）２９２は、溶融材料２６０の精製と均質化との少なくとも一方に使用してもよい。「精製」及び「均質化」は専門用語であり、金属粉末材料の製造における当業者に容易に理解される。一般に、炉床部材に関連して、精製は、炉床内の溶融材料から不純物または望ましくない成分を除去、溶解または捕捉すること、及び、不純物または望ましくない成分が下流側に進行するのを阻止することを包含してもよい。均質化は、材料がより均一な組成を有するように、溶融材料を混合または混和することを包含してもよい。特定の非限定的実施形態によると、１または複数の追加炉床（複数可）２９２が溶融及び霧化炉床２２０，２７０と直列に位置決めされ、全体的に直線状、または、全体的にジグザグ形状路、全体的にＬ字状路及び全体的にＣ字状路から選択した他の形状に溶融材料２６０の流路を形成する。特定の非限定的実施形態によると、追加加熱源（図示しない）が１または複数の追加炉床（複数可）２９２に付設される。特定の非限定的実施形態によると、追加熱源は、プラズマトーチ、電子ビーム発生器、電子を発生する他の加熱装置、レーザ、電気アーク装置、及び、誘導コイルから選択される１または複数の加熱装置を包含する。

特定の非限定的実施形態によると、第２加熱源３００は、霧化炉床２７０内の溶融材料２６０を加熱するように構成される。特定の非限定的実施形態によると、第２加熱源３００は、プラズマトーチと、電子銃と、電子発生する加熱装置と、レーザと、電気アークと、誘導コイルとから選択される少なくとも１つの熱源を有する。第２熱源３００は、霧化炉床２７０内の溶融材料の頂面を少なくとも材料の溶融温度（液相線）と同じ温度まで加熱するように位置決めされる。特定の非限定的実施形態によると、第２加熱源３００は、霧化炉床２７０の約１００ｍｍから約２５０ｍｍ上方に位置決めしてもよい。他の非限定的実施形態によると、第２熱源３００は、高温プラズマのプルームの縁部が材料を適切に加熱するように、霧化炉床２７０の溶融材料の頂面に対して所定高さに位置決めされるプラズマトーチを備える。特定の非限定的実施形態によると、第２加熱源３００の出力レベル、霧化炉床２７０に対する位置、及び、他のパラメータは、噴霧炉床２７０上の材料を、材料の液相線より約５０℃上から材料の液相線より約４００℃上の温度の範囲に過熱するように選定される。更なる実施形態によると、第１熱源３００の出力レベル、位置、及び、他のパラメータは、材料の液相線の約１００℃上から、材料の液相線の約２００℃上の温度範囲に、霧化炉床２７０内の材料を過熱するように最適化される。他の実施形態によると、第２熱源３００の出力レベル、位置、及び、他のパラメータは、第２熱源３００が材料を蒸発、及び／または、望ましくない態様に溶融材料の化学的性質を変化させない限り、任意の適切な程度で液相線を越える温度まで材料を過熱するように最適化される。

特定の非限定的実施形態によると、霧化装置３１０は、溶融材料２６０の液滴噴霧を形成するように構成される霧化ノズルを有し、移送ユニット３２０が霧化装置３１０の上流側に設けられる。例えば、移送ユニット３２０は、溶融材料を霧化ノズルに直接送ることができる。移送ユニット３２０は、霧化炉床２７０と霧化装置３１０とに連結される。第２熱源３００は、移送ユニット３２０に流れる溶融材料２６０を溶融状態に維持するようにデザインされ、移送ユニット３２０は、溶融材料２６０の少なくとも一部を霧化炉床２７０から霧化装置３１０に溶融状態で送るように構成される。図示の装置２００では、単一の移送ユニットと単一の霧化装置との組合わせのみが含まれているが、複数の霧化ノズル等の複数の霧化装置を含む実施形態が有益となり得ることが意図されている。例えば、複数の移送ユニット３２０と、霧化炉床２７０の下流側の１つまたは複数の霧化ノズルまたは他の霧化装置３１０とを採用する装置においては、処理速度を増大することができ、材料製造コストを低減することができる。

図５を参照すると、図示の非限定的実施形態によれば、移送ユニット３２０は、冷間誘導ガイド（ＣＩＧ）である。図６は、本開示の他の非限定的実施形態による装置２００′を示す。装置２００′の移送ユニット３２０は、ＣＩＧ３８８に加え、オプションとして注入樋３８４とセグメント化された誘導モールド３８６とを包含する誘導ガイド３８２を包含する。図示の装置２００′の非限定的実施形態では、追加の加熱源３９０が注入樋３８４及びセグメント化された誘導モールド３８６に付設される。

移送ユニット３２０は、溶融炉床２２０で製造され、霧化炉床２７０から霧化装置３１０に送る溶融材料２６０の純度を、外気から溶融材料２６０を保護することにより、維持する。移送ユニットは更に、従来の霧化ノズルを使用することにより生ずる可能性のある酸素による汚染から、溶融材料を保護するように構成してもよい。移送ユニット３２０は、更に後述するように、霧化炉床２７０から霧化装置３１０への溶融材料２６０の流れを計量するために使用してもよい。当業者であれば、本説明を考慮することにより、本装置及び方法の実施形態で採用されるように、霧化炉床と霧化装置との間で溶融状態を維持し、移送ユニット及び溶融材料２６０を制御可能に移送することのできる関連する設備について、種々の可能性のある他のデザインを提供することが可能である。本開示の方法及び装置に組込み得るこのような移送ユニットのデザインの全ては、本発明に包含される。

特定の非限定的実施形態によると、移送ユニット３２０は、霧化炉床２７０に近接する入口３３０と、霧化装置３１０に近接する出口３４０とを有し、１つまたは複数の導電性コイル３５０が入口３３０に位置する。電流源（図示しない）が、導電性コイル３５０に選択的に電気接続され、溶融材料２６０を加熱し、溶融材料２６０の少なくとも一部の霧化装置３１０への流れを起こす。特定の非限定的実施形態によると、導電性コイル３５０は、溶融材料２６０を、材料の液相線から液相線の５００℃上までの範囲内の温度に加熱するように構成される。

特定の非限定的実施形態によると、移送ユニット３２０は、溶融材料２６０を受け取る溶融コンテナ３６０を有し、移送ユニット３２０の移送領域は、溶融コンテナ３６０から溶融材料２６０を受け取るように構築された通路３７０を包含するように構成される。通路３７０の壁部は、流体冷却される多数の金属セグメントにより画定される。特定の非限定的実施形態によると、移送ユニット３２０は、出口３４０に位置する１つまたは複数の導電性コイル３８０を有する。コイル３８０は、水または他の熱伝導流体等の適切な冷媒を出口３４０に付設された通路を通して循環することにより、冷却される。溶融材料２６０の一部が、移送ユニット３２０の通路３７０の冷却された壁部に接触して凝固し、壁部に溶融材料２６０の残部との接触を阻止するスカルを形成する。炉床壁の冷却及びスカルの形成は、移送ユニット３２０の内壁を形成する材料により、溶融物が汚染されないことを確保する。

溶融材料２６０が移送ユニット３２０の溶融コンテナ３６０から通路３７０を通して流れる際、溶融材料２６０を誘導加熱して溶融形態に維持するのに十分な強さの電流が導電性コイル３８０に流れる。コイル３８０は、誘導加熱コイルとして作用し、移送ユニット３２０の出口３４０を通過する溶融材料２６０を調節可能に加熱する。特定の非限定的実施形態によると、導電性コイル３８０は、溶融材料２６０を、材料の液相線の５０℃上から液相線の４００℃上までの範囲内の温度に加熱するように構成される。更なる実施形態によると、導電性コイル３８０は、溶融材料２６０を、材料の液相線温度から液相線の５００℃上までの範囲内の温度に加熱するように構成される。特定の非限定的実施形態によると、導電性コイル３８０は、霧化装置３１０への溶融材料２６０の通過を選択的に阻止するように構成される。

特定の非限定的実施形態によると、溶融材料２６０の少なくとも一部が連続的に霧化装置３１０に送られる。そのような非限定的実施形態では、溶融材料２６０は、溶融炉床２２０から霧化炉床２７０まで移送ユニット３２０を介して連続的に流れ、移送ユニット３２０の出口３４０を出て霧化装置３１０内に入る。特定の非限定的実施形態では、霧化炉床２７０への溶融材料２６０の流れは不連続、すなわち複数の開始と複数の停止があってもよい。種々の非限定的実施形態では、溶融材料２６０は、溶融炉床２２０から少なくとも１つの追加炉床を介して、更に、霧化炉床２７０まで移送ユニット３２０を介して流れ、移送ユニット３２０の出口３４０を出て霧化装置３１０に入る。特定の非限定的実施形態によると、霧化装置３１０は、所定のポイントに集束する複数のプラズマ霧化トーチであって溶融材料２６０の液滴噴霧を形成する複数のプラズマ霧化トーチを有する霧化ノズルを備える。更なる非限定的実施形態によると、霧化ノズルは、均一に分散して相互間に約１２０°の角度を画定する３つのプラズマトーチを有する。そのような実施形態では、プラズマトーチのそれぞれは、霧化ノズルの軸線に対して３０°の角度を形成するように位置してもよい。特定の非限定的実施形態によると、霧化装置３１０は、２０〜４０ｋＷの範囲の出力で作用するＤ．Ｃ．ガンにより発生するプラズマジェットを有する霧化ノズルを備える。特定の非限定的実施形態によると、霧化装置３１０は、溶融材料２６０を分散して液滴噴霧を形成する少なくとも１つのガスジェットを形成する霧化ノズルを備える。

その結果の液滴噴霧は、収集器４００に導かれる。特定の非限定的実施形態によると、霧化ノズルまたは他の霧化装置３１０に対する収集器４００の位置は、調節可能である。霧化のポイントと収集器４００との間の距離は、収集器４００内に堆積される材料の固形物の割合を制御することができる。したがって、材料が堆積するときに、霧化ノズルまたは他の霧化装置３１０に対する収集器４００の位置が、収集器４００内に収集した材料の表面と霧化ノズルまたは他の霧化装置３１０との間の距離が適切に維持されるように、調節することができる。特定の非限定的実施形態によると、収集器４００は、チャンバ、モールド、及び、回転マンドレルから選択される。例えば、特定の非限定的実施形態では、材料が収集器４００に堆積されるときに、収集器４００が回転し、収集器４００の表面上に液滴をより確実に均等に堆積することができる。

装置２００の上述の説明は、溶融炉床２２０、霧化炉床２７０、霧化装置３１０、移送ユニット３２０、及び、収集器４００を、直列に結合した相対的に別個のユニットまたは装置の構成部材として参照しているが、装置２００は、このように構築することが必要でないことが理解される。別個の分離可能な溶融（及び／または、溶融／精製）、移送、霧化及び収集器ユニットに構築せずに、むしろ、装置２００等の本開示による装置は、別個の個々に作動可能な装置またはユニットに分解可能とすることなく、これらのユニットのそれぞれの本質的な特徴を備える要素または領域を組み込んでもよい。したがって、溶融炉床、霧化炉床、霧化装置、移送ユニット、及び、収集器に対する添付の特許請求の範囲における言及は、このような別個のユニットが、操作性を損なうことなく、請求される装置から分離され得ることを意味すると解釈すべきではない。

特定の非限定的実施形態では、本明細書に開示された方法の種々の非限定的実施形態にしたがい、または、装置の種々の非限定的実施形態により製造される金属粉末材料は、１０〜１５０ミクロンの平均粒子サイズを有する。特定の非限定的実施形態では、本明細書に開示された方法の種々の非限定的実施形態にしたがい、または、装置の種々の非限定的実施形態により製造される金属粉末材料は、４０〜１２０ミクロンの粒子サイズ分布（すなわち、実質的に全ての粉末粒子の粒子サイズが４０〜１２０ミクロンの範囲に入る）を有する。４０〜１２０ミクロンの粒子サイズ分布を有する金属粉末材料は、特に、電子ビーム積層造形の用途に有益である。特定の非限定的実施形態では、本明細書に開示された方法の種々の非限定的実施形態にしたがい、または、装置の種々の非限定的実施形態により製造される金属粉末材料は、１５〜４５ミクロンの粒子サイズ分布（すなわち、実質的に全ての粉末粒子の粒子サイズが１５〜４５ミクロンの範囲に入る）を有する。１５〜４５ミクロンの粒子サイズ分布を有する金属粉末材料は、特に、レーザ積層造形の用途に有益である。特定の非限定的実施形態によると、金属粉末材料は、球状粒子を有する。特定の他の非限定的実施形態では、金属粉末材料の少なくとも一部は、限定されるものではないが、フレーク、チップ、針、及び、これらの組合わせを含む他の幾何学形状を有する。

特定の非限定的実施形態によると、金属粉末材料は、従来の溶解鋳造法、例えば、溶解・鋳造技術により容易に製造することはできない組成を有する。すなわち、本明細書に記載の方法は、過度の偏析傾向があるか、または、従来の溶解鋳造法により鋳造するのが阻害される特性を有する組成を備えた金属粉末材料を製造することができる。特定の非限定的実施形態によると、金属粉末材料のホウ素含有量は、全粉末材料重量をベースにして１０ｐｐｍよりも多い。従来のインゴット溶解及び鋳造法では、１０ｐｐｍより上のホウ素レベルは、有害なホウ化物を製造する可能性がある。対照的に、本明細書に記載の方法の種々の非限定的実施形態は、１０ｐｐｍより多くのホウ素含有量を有する金属粉末材料を、受け入れがたい有害な相または特性を示すことなく製造することを可能とする。これは、製造可能な金属粉末材料の組成に対する可能性を拡張する。

本開示の方法及び装置にしたがって造られる金属粉末材料は、本方法及び装置を使用して適切に製造される任意の組成を有することができる。特定の非限定的実施形態によると、金属粉末材料は、市販の純チタン、チタン合金（例えば、ＵＮＳ Ｒ５６４００に規定された組成を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）、及び、チタンアルミナイド合金（例えば、Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｎｂ−２Ｃｒ合金）の１つの化学組成を有する。他の非限定的実施形態によると、金属粉末材料は、重量で、約４パーセントのバナジウム、約６パーセントのアルミニウム、及び、残部のチタン及び不純物を含む化学組成材料を有する（他に指示しない限り、ここの全てのパーセンテージは、重量パーセントである。）。更に他の非限定的実施形態によると、金属粉末材料は、市販の純ニッケル、ニッケル合金（例えば、ＵＮＳ Ｎ０７７１８に規定された組成を有する合金７１８）、市販の純ジルコニウム、ジルコニウム合金（例えば、ＵＮＳ Ｒ６０７０４に規定された組成を有するＺｒ７０４合金）、市販の純ニオブ、ニオブ合金（例えば、ＵＮＳ Ｒ０４２６１に規定された組成を有するＡＴＩ Ｎｂ１Ｚｒ（商標）合金（タイプ３及びタイプ４））、市販の純タンタル、タンタル合金(例えば、ＵＮＳ ２０２５５に規定する組成を有するタンタル−１０％タングステン合金）、市販の純タグステン、及び、タングステン合金（例えば、９０−７−３タングステン合金）の１つの化学組成を有する。本明細書に記載の方法及び装置は、上述の化学組成を有する金属粉末材料を製造することに限定されないことが理解される。代りに、出発材料は、所要の化学組成及び他の所要の特性を有する金属粉末材料を提供するように選択してもよい。

本方法により及び／または本装置を使用して造られる金属粉末材料は、熱間等方圧プレス及び冶金粉末から製品を形成する他の適切な従来技術により、金属（例えば、金属及び金属合金）製品とすることができる。このような他の適切な技術は、本開示を考慮することにより、当業者に容易に明らかとなる。

上記説明は、やむを得ず限られた数の実施形態のみを提示したに過ぎないが、関連分野の当業者であれば、本明細書に記載しかつ説明した方法及び装置、及び、実施例の他の細部における種々の変更が当業者によって行われ得ること、並びに、このような変更の全ては、本明細書及び添付の特許請求の範囲に表されるように、本開示の原理及び範囲に留まるものであることが明らかである。したがって、本発明は、本明細書に開示しまたは組込まれる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって規定されるように、本発明の原理および範囲内にある変更を包含することを意図する。当業者であれば、その広い発明の概念から逸脱することなく、上述の実施形態に対する変更が可能なことも理解される。

Claims (44)

1. 供給材料を溶融炉床に供給し、
   前記溶融炉床内の前記供給材料を熱源により溶融し、これにより溶融材料を製造し、
   前記溶融材料の少なくとも一部を前記溶融炉床から直接または間接的に霧化炉床に送り、
   前記霧化炉床内の前記溶融材料を第２熱源により加熱し、
   前記溶融材料を前記霧化炉床から溶融状態で霧化ノズルに送り、
   前記溶融材料の液滴噴霧を前記霧化ノズルにより形成し、この後、前記液滴噴霧の少なくとも一部を凝固して金属粉末材料を提供すること、を備える金属粉末材料を製造する方法。
2. 前記溶融材料の少なくとも一部を、前記霧化炉床に入る前に、前記溶融炉床から少なくとも１つの追加炉床を介して送る、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１熱源と前記第２熱源とは、それぞれ独立して、プラズマトーチと、電子ビーム発生器と、電子を発生する加熱装置と、レーザと、電気アーク装置と、誘導コイルとの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記溶融材料は、霧化ノズルに入る前に精製及び均質化の少なくとも１つがおこなわれる、請求項１に記載の方法。
5. 更に、前記溶融材料の少なくとも一部を、前記霧化ノズルの上流の冷間誘導ガイドを通して送る、請求項１に記載の方法。
6. 前記冷間誘導ガイドは、前記霧化炉床に近接した入口と、前記霧化ノズルに近接した出口とを有し、導電性コイルが前記入口に位置し、溶融材料を加熱して前記溶融材料の少なくとも一部を加熱し、前記溶融材料の少なくとも一部の前記霧化炉床から前記霧化ノズルへの送りを開始する、請求項５に記載の方法。
7. 前記導電性コイルは、前記溶融材料を、前記材料の液相線から液相線の５００℃上までの範囲内で加熱するように構成されている、請求項６に記載の方法。
8. 前記冷間誘導ガイドは、前記霧化炉床に近接した入口と、前記霧化ノズルに近接した出口とを有し、導電性コイルが前記出口に位置し、前記溶融材料を調節可能に加熱するように構成されている、請求項５に記載の方法。
9. 前記導電性コイルは、前記溶融材料を、前記材料の液相線から液相線の５００℃上までの範囲内で加熱するように構成されている、請求項８に記載の方法。
10. 前記冷間誘導ガイドは、前記霧化炉床に近接した入口と、前記霧化ノズルに近接した出口とを有し、導電性コイルが前記出口に位置し、前記霧化ノズルへの前記溶融材料の通過を停止するように構成されている、請求項５に記載の方法。
11. 前記霧化ノズルは、所定のポイントに集束するとともに前記溶融材料から液滴噴霧を形成する、プラズマジェットを形成する複数のプラズマ霧化トーチを有する、請求項１に記載の方法。
12. 前記霧化ノズルは、前記溶融材料を液滴噴霧に分散する少なくとも１つのガスジェットを形成する、請求項１に記載の方法。
13. 前記溶融材料の少なくとも一部は、前記霧化ノズルに連続的に送られる、請求項１に記載の方法。
14. 前記金属粉末材料の組成は、市販の純チタン、チタン合金、チタンアルミナイド合金、市販の純ニッケル、ニッケル合金、市販の純ジルコニウム、ジルコニウム合金、市販の純ニオブ、ニオブ合金、市販の純タンタル、タンタル合金、市販の純タングステン、及び、タンタル合金から選択される、請求項１に記載の方法。
15. 前記金属粉末材料の組成は、１０ｐｐｍより多くのホウ素を有する、請求項１に記載の方法。
16. 前記金属粉末材料の組成は、重量で約４パーセントのバナジウム、約６パーセントのアルミニウム、及び、残部のチタン及び不純物を有する、請求項１に記載の方法。
17. 前記金属粉末材料の平均粒子サイズは、１０ミクロンから１５０ミクロンの範囲である、請求項１に記載の方法。
18. 前記金属粉末材料の粒子サイズ分布は、４０ミクロンから１２０ミクロンである、請求項１に記載の方法。
19. 前記金属粉末材料の粒子サイズ分布は、１５ミクロンから４５ミクロンである、請求項１に記載の方法。
20. 請求項１に記載の方法により製造される金属粉末材料。
21. 前記金属粉末材料の組成は、市販の純チタン、チタン合金、チタンアルミナイド合金、市販の純ニッケル、ニッケル合金、市販の純ジルコニウム、ジルコニウム合金、市販の純ニオブ、ニオブ合金、市販の純タンタル、タンタル合金、市販の純タングステン、及び、タンタル合金から選択される、請求項２０に記載の金属粉末材料。
22. 前記金属粉末材料の組成は、重量で約４パーセントのバナジウム、約６パーセントのアルミニウム、及び、残部のチタン及び不純物を有する、請求項２０に記載の金属粉末材料。
23. 前記金属粉末材料の平均粒子サイズは、１０ミクロンから１５０ミクロンである、請求項２０に記載の金属粉末材料。
24. 前記金属粉末材料の粒子サイズ分布は、４０ミクロンから１２０ミクロンである、請求項２０に記載の金属粉末材料。
25. 前記金属粉末材料の粒子サイズ分布は、１５ミクロンから４５ミクロンである、請求項２０に記載の金属粉末材料。
26. 前記金属粉末材料は、１０ｐｐｍより多いホウ素を有する、請求項２０に記載の金属粉末材料。
27. 供給材料を受入れるように構成された溶融炉床と、
    供給材料を溶融して溶融材料を提供するように構成された第１加熱源と、
    前記溶融材料の少なくとも一部を前記溶融炉床から直接または間接的に受け取るように配置された霧化炉床と、
    前記霧化炉床内の溶融材料を加熱するように構成された第２熱源と、
    前記溶融材料から液滴噴霧を形成するように構成された霧化ノズルと、
    前記霧化炉床及び前記霧化ノズルに連結された移送ユニットとを備え、前記移送ユニットは溶融材料を前記霧化炉床から前記霧化ノズルに溶融状態で送るように構成されており、更に、
    前記液滴噴霧を受け取るように構成された収集器を備える、金属粉末材料を製造する装置。
28. 更に、前記溶融炉床と前記霧化炉床との間にあり、かつ連通した少なくとも１つの追加炉床を備える、請求項２７に記載の装置。
29. 前記溶融炉床、前記霧化炉床、及び、前記少なくとも１つの追加炉床は、一列に位置する、請求項２８に記載の装置。
30. 前記溶融炉床、前記霧化炉床、及び、前記少なくとも１つの追加炉床は、ジグザグ配置、Ｌ字状配置、及び、Ｃ字状配置から選択されるパターンで位置する、請求項２８に記載の装置。
31. 前記溶融炉床、前記霧化炉床、及び、前記少なくとも１つの追加炉床の少なくとも１つは、溶融材料の精製と均質化との少なくとも１つを行うように構成されている、請求項２８に記載の装置。
32. 第１加熱源が前記溶融炉床に付設されており、第２加熱源が前記霧化炉床に付設されている、請求項２７に記載の装置。
33. 前記第１熱源と前記第２熱源とは、それぞれ独立して、プラズマトーチと、電子ビーム発生器と、電子を発生する加熱装置と、レーザと、電気アーク装置と、誘導コイルとの少なくとも１つを備える、請求項３２に記載の装置。
34. 追加加熱源が前記少なくとも１つの追加炉床に関連し、前記追加熱源は、プラズマトーチと、電子ビーム発生器と、電子を発生する加熱装置と、レーザと、電気アーク装置と、誘導コイルとの少なくとも１つを備える、請求項２８に記載の装置。
35. 前記移送ユニットは、冷間誘導ガイドを備える、請求項２７に記載の装置。
36. 前記冷間誘導ガイドは、前記霧化炉床に近接する入口と、前記霧化ノズルに近接する出口とを有し、導電性コイルが、前記入口に位置し、溶融材料を加熱して前記溶融材料の少なくとも一部を加熱し、前記溶融材料の少なくとも一部の前記霧化炉床から前記霧化ノズルへの送りを開始する、請求項３５に記載の装置。
37. 前記導電性コイルは、前記溶融材料を、前記材料の液相線から液相線の５００℃上までの範囲内で加熱するように構成されている、請求項３６に記載の装置。
38. 前記冷間誘導ガイドは、前記霧化炉床に近接する入口と、前記霧化ノズルに近接する出口とを有し、導電性コイルが、前記出口に位置し、前記溶融材料を調節可能に加熱するように構成されている、請求項３５に記載の装置。
39. 前記導電性コイルは、前記溶融材料を、前記材料の液相線から液相線の５００℃上までの範囲内で加熱するように構成されている、請求項３８に記載の装置。
40. 前記冷間誘導ガイドは、前記霧化炉床に近接する入口と、前記霧化ノズルに近接する出口とを有し、導電性コイルが、前記出口に位置し、前記霧化ノズルへの前記溶融材料の通過を停止するように構成されている、請求項３８に記載の装置。
41. 前記霧化ノズルは、所定のポイントに集束するとともに前記溶融材料から液滴噴霧を形成する、プラズマジェットを形成する複数のプラズマ霧化トーチを有する、請求項２７に記載の装置。
42. 前記霧化ノズルは、前記溶融材料を液滴噴霧に分散する少なくとも１つのガスジェットを形成する、請求項２７に記載の装置。
43. 前記霧化ノズルに対して前記収集器の位置が調節可能である、請求項２７に記載の装置。
44. 前記収集器は、チャンバ、モールド、及び、回転マンドレルから選択される、請求項２７に記載の装置。

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