JP2020524217A - 冷間噴霧を使用して鍛造構造を形成するためのプロセス - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、その内容がこの参照により本明細書に組み込まれると理解すべき、2017年6月20日に出願されたオーストラリア仮特許出願第2017902355号の優先権を主張する。
固めた粒子構造を鍛造構造に変換するため、固めた粒子構造を有する冷間噴霧堆積物プレフォームの印加区域に、熱と圧縮荷重を同時に印加するステップを含み、
圧縮荷重が印加区域に横方向に印加され、
印加区域への圧縮荷重および熱の印加が、印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる。
所望の構成で構造を付加的に構築するため、冷間噴霧堆積を使用して固めた粒子構造を有するプレフォームを形成するステップ
を含む。
所望の構成で構造を付加的に構築するため、冷間噴霧堆積を使用して固めた粒子構造を有するプレフォームを形成するステップと、
備える固めた粒子構造を鍛造構造に変換するため、プレフォームの印加区域に、熱と圧縮荷重を同時に印加するステップと
を含み、
圧縮荷重が印加区域に横方向に印加され、
印加区域への圧縮荷重および熱の印加が、印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる。
供給軸上または供給軸の周りに生成物堆積面を形成するため、堆積面上に冷間噴霧材料を堆積するために、冷間噴霧付与器を使用するステップと、
材料の連続した堆積相を形成するために冷間噴霧堆積を使用して、それぞれの上部生成物堆積面上に材料を連続的に堆積するステップと、
冷間噴霧付与器またはプレフォームのうちの少なくとも1つを、供給軸に沿った軸方向に互いに対して移動させるステップと、
それによって、選択した長さのプレフォームを形成するステップと
を含む。
冷間噴霧堆積プレフォームの印加区域に熱および圧縮荷重を同時に印加するように構成される圧縮荷重印加器であって、圧縮荷重が印加区域に横方向に印加される、圧縮荷重印加器を備え、
使用の際に、印加区域への圧縮荷重および熱の印加が、印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる、鍛造構造を有する生成物を生成するための装置を提供する。
印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させるために、冷間噴霧堆積プレフォームの印加区域に熱および圧縮荷重を同時に印加するように構成される圧縮荷重印加器であって、圧縮荷重が印加区域に横方向に印加される圧縮荷重印加器
を備える、鍛造構造を有する生成物を生成するための装置をやはり提供することができる。
固めた粒子構造を有する堆積面上にプレフォームを形成するための冷間噴霧堆積装置と、
印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させるために、冷間噴霧堆積装置を使用して形成されるプレフォームの印加区域に熱および圧縮荷重を同時に印加するように構成される圧縮荷重印加器であって、圧縮荷重が印加区域に横方向に印加される、圧縮荷重印加器と
を備えることができる。
− 鍛造構造を有して形成される生成物、たとえば、棒、鋼片、ワイヤ、板、ストリップ、ナット、ボルト、シートなどといった圧延製品を形成するための代替プロセス。
− 冷間噴霧、溶射、溶接、ローラの作製、自動車製造、海洋産業、鉱業、ケーブルおよびワイヤの製造、生物医学用途、航空宇宙。
− 混合粉末のインシチュ熱−電気、熱−機械処理と組み合わせた非融解堆積を通した、ある種の電子特性を有する新規の微細構造の迅速な作成を通した、電子回路および超伝導。
− 腐食および摩耗によって引き起こされた部分の迅速な修理および改修。
1 粉末から鍛造構造へと堆積および変換することによって、広範囲な生成物および圧延製品(すなわち棒、ワイヤ、シート、ナット、ボルトなど)などといった生成形状の迅速な製造が可能になり、伝統的な産業から現在の付加的な製造プラントへの、費用効果的な変換が可能になる。
2 材料の大量融解が解消される。鍛造構造が、固体粉末から直接製造される。これは、いくつかのプロセスでは、最終的な鍛造構造を、減らした鉱石粉末から直接生成できることを意味する。たとえば、高強度、高延性のTi鍛造構造を、制御した雰囲気下で行われる、費用がかかる融解プロセスなしで、粉末として破砕されたTiスポンジから生成することができる。
3 連続的な粉末供給および薄板構造から再結晶化した鍛造構造への迅速な(数秒での)変換を通して、鍛造構造(すなわち、棒、鋼片、ワイヤ、板、ストリップ、ナット、ボルト、シートなどといった圧延製品)の連続的な製造が可能である。これは、2つの理由で重要である。第1に、電子ビーム融解(EBM)およびレーザアシスト融解(LAM)などといった現在の付加的製造プロセスでは、融解プロセスは、機械的特性の点で鍛造構造より一般的に劣る鋳造構造の形成をもたらす。第2に、高圧チャンバ中の高温下で動作するHIPなどといった薄板構造の現在の後処理は、非常に時間がかかるバッチプロセスであり、エネルギー集約的で、したがって、その技術の費用競争力に影響を及ぼす。
4 本発明の非融解プロセスによって、チタンおよびタンタルなどといった酸素感受性の材料を、迅速で、はるかに低い費用で鍛造形態で生成することが可能になり、伝統的に高価であると考えられたこれらの生成物にとっての新規の市場が開かれる。相変態および凝固プロセスに感受性のある材料に対して、同じことが当てはまる。
5 融解プロセスを回避することが、全体として、本発明の採用を通して、世界的に現在生成されるあらゆる鍛造材料についての、カーボンフットプリントの著しい減少をもたらす。
6 超伝導体および半導体での応用例などといった、固有の物理的および機械的特性を実現するために異なる粉末材料を混合することを通して、本発明からのみ手に入る新規の鍛造材料の作成をする。
7 本発明は、冷間噴霧を使用して大きい粒子サイズの粉末をリサイクルことに対する産業からの要求に応じるために使用することもできる。EBMなどの他の付加的な製造業界は、製造した粉末の残りが大量の過剰物を生み出す狭い粒子サイズ範囲を必要とする。この大量の過剰物は、大地に埋める、または非常に高い費用で融解する必要がある。本発明を使用して、この過剰な粉末を、市場で使用することができる、付加的に製造した鍛造生成物へとリサイクルおよび変換することができる。
8 HIPプロセスを使用する付加的製造プロセスからの鍛造構造へと処理することが実行不可能な、長い細長いパイプ、シート、およびワイヤのような材料の形状および構成の用途がある。
以下の実施例中の本発明の実施形態の記載は、チタン合金粒子からの平坦なストリップのチタン合金プレフォームを生成する文脈である。しかし、本発明は、様々な金属およびその合金のプレフォームの生成を可能にし、記載を、チタン合金プレフォームおよび鍛造生成物だけを生成することに実施形態を限定すると解釈するべきでないことを理解されよう。
冷間噴霧薄板構造から(再結晶化した)鍛造構造への変換を呈示するため、以下のパラメータを有するCGT Kinetic 4000冷間噴霧システムが使用された。
− 冷間噴霧機器: CGT Kinetiks 4000システム
− コールドスプレーガンの移動を制御するためのロボットアーム: ABB IRB2600
− 超音波ノズルの数: 1
− スタンドオフ:30mm
− 噴霧角度: 常時、面に対して直角
− ガス: 窒素
− ガスよどみ点温度: 750℃
− ガスよどみ点圧力: 25バール(2.5MPa)
− 粉末供給速度: 21.4g/min
− ロボット移動速度: 5mm/s
CP Tiストリップは、改修したスポット溶接機を使用して大電流(3000アンペア)および荷重(25kg)に同時にさらされた。制御システムがスポット溶接機に加えられ、大電流が所望の時間、試料を通過するのを可能にした。この改修は、スポット溶接機は材料を局所的に融解して部品を接合するように設計されるということに起因して必要だった。本発明では、融解を回避し、電流を使用して、再結晶化反応が開始して進行するための所望の温度に材料を正確に加熱する。電流(3000アンペア)を、異なる保持時間でCP Tiストリップ上のスポットに印加した。図4〜図9に示されるように、0.2秒の持続時間を有する10個のパルスの電流で達成された2秒の合計保持時間、および1秒の停止で、CP Ti構造の完全な再結晶化および高密度化が達成された。
図4(a)は、矢印200で大電流および荷重にさらされた冷間噴霧CPチタンの、磨いた微細構造を示す。微細構造は、反応ゾーン205を示している。反応ゾーン205では、噴霧したままの冷間噴霧CP Ti 210上の点200において大電流および荷重にさらして高密度CP Tiが作成される。噴霧したままの冷間噴霧CP Ti 201は、多孔性のある微細構造を有する。
実施例1に詳述され、下でリスト化されたパラメータにしたがった方法論を使用して、3つのさらなる実験ランが実施された。
− ラン2: 冷間噴霧構造から作成されたTi64結晶粒。4.65mmの元の高さを有する試料に3000アンペアを1秒間印加。これは、高さ2.9mmへと減少させ、38%減少を表している。
− ラン3: 冷間噴霧構造から作成されたTi64結晶粒。4.65mmの元の高さを有する試料に3000アンペアを0.8秒間印加。これは、高さ2.8mmへと減少させ、40%減少を表している。
− ラン4: 冷間噴霧構造から作成されたTi64結晶粒。4.65mmの元の高さを有する試料に3000アンペアを5秒間印加。これは、高さ3.65mmへと減少させ、20%減少を表している。
− 特に細孔の分布に関して、変換し再結晶化した構造を噴霧したままの構造と比較するために、金属組織学および光学顕微鏡を使用した微細構造分析。
− 噴霧したままの材料と再結晶化した材料を比較するための、微小硬さによる機械的特性の測定。
35 等軸粒構造
40 等軸粒構造
45 空隙
50 薄板
100 装置
100A 装置
100a 冷間噴霧装置
110 冷間噴霧装置
110A 冷間噴霧装置
112 冷間噴霧粒子
112A 冷間噴霧粒子
115 プレフォーム、構造
115A プレフォーム
120 ローラ
120A ローラ
125 印加区域
130 鍛造再結晶化構造
130A 生成物、鍛造材料生成物
131 電流源
132 空気荷重デバイス
150 圧縮装置、圧縮デバイス
152 プレス器
153 誘導加熱器
160 ローラ
200 矢印、点
205 反応ゾーン
210 冷間噴霧CP Ti
Claims (39)
- 鍛造構造を有する生成物を生成するプロセスであって、
固めた粒子構造を鍛造構造に変換するため、前記固めた粒子構造を有する冷間噴霧堆積物プレフォームの印加区域に、熱と圧縮荷重を同時に印加するステップを含み、
前記圧縮荷重が前記印加区域に横方向に印加され、
前記印加区域への前記圧縮荷重および熱の前記印加が、前記印加区域中の前記プレフォームの材料の温度を、前記材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる、プロセス。 - 前記熱が、急速加熱技法、すなわち好ましくは、電流、誘導加熱、またはレーザ加熱のうちの少なくとも1つによって加えられる、請求項1に記載のプロセス。
- 前記熱が、交流またはパルス状直流のうちの少なくとも1つを含む電流を使用して加えられる、請求項1または2に記載のプロセス。
- 前記熱が、500〜2000A/mm2、好ましくは、800〜1500A/mm2、より好ましくは、1000〜1100A/mm2の電流密度を有する電流を使用して加えられる、請求項2または3に記載のプロセス。
- 前記印加電流に関係する電圧が、2〜3ボルトである、請求項3または4に記載のプロセス。
- 前記印加する圧縮荷重が、10〜100kg/m2、好ましくは、20〜60kg/m2である、請求項1から5のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記プロセスが連続製造プロセスを含む、請求項1から6のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記プレフォームが細長いボディである、請求項1から7のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記プレフォームがストリップ、シート、ワイヤ、棒、またはバーを備える、請求項1から8のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記圧縮荷重が、前記プレフォームを圧縮係合するように構成される少なくとも1つのローラを使用して印加される、請求項1から9のいずれか一項に記載のプロセス。
- 少なくとも2つのローラをさらに備え、その間に前記プレフォームが供給され圧縮される、請求項10に記載のプロセス。
- 少なくとも1つのローラが、熱を、好ましくは電流を前記プレフォームに加えるように構成される、請求項10または11に記載のプロセス。
- 前記ローラの少なくとも一部が導電性材料を備える、請求項10から12のいずれか一項に記載のプロセス。
- 少なくとも1つのローラが冷却システムまたは冷却装置を含む、請求項10から13のいずれか一項に記載のプロセス。
- 熱および圧縮荷重を印加する前に、
所望の構成で前記構造を付加的に構築するため、冷間噴霧堆積を使用して、固めた粒子構造を有するプレフォームを形成するステップ
をさらに含む、請求項1から14のいずれか一項に記載のプロセス。 - 前記圧縮荷重が、前記プレフォームを圧縮係合するように構成される少なくとも1つのローラを使用して印加され、前記プレフォームが、圧縮される前に、前記少なくとも1つのローラのうちの1つのローラの面上に形成される、請求項15に記載のプロセス。
- 前記プレフォームが、前記プロセス中に前記プレフォームが移動する供給軸上、または供給軸の周りに形成される、請求項15または16に記載のプロセス。
- 前記プレフォームが、堆積面上に材料を堆積することによって形成される、請求項15から17のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記形成するステップが、
供給軸上または供給軸の周りに生成物堆積面を形成するため、堆積面上に冷間噴霧材料を堆積するために、冷間噴霧付与器を使用するステップと、
前記材料の後続の堆積層を形成するために冷間噴霧堆積を使用して、それぞれの上部生成物堆積面上に材料を連続的に堆積するステップと、
前記冷間噴霧付与器または前記プレフォームのうちの少なくとも1つを、前記供給軸に沿った軸方向に互いに対して移動させるステップと、
それによって、選択した長さのプレフォームを形成するステップと
を含む、請求項15から18のいずれか一項に記載のプロセス。 - 前記プレフォームが連続要素、好ましくは細長いボディとして形成される、請求項15から19のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記プレフォームがストリップ、シート、ワイヤ、棒、またはバーとして形成される、請求項15から20のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記熱および圧縮荷重が、冷間噴霧堆積による前記プレフォームの前記印加区域の形成の直後に、前記プレフォームの前記印加区域に印加される、請求項15から21のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記冷間噴霧堆積プレフォームが、金属またはその合金、好ましくは、チタン、銅、アルミニウム、鉄、スカンジウム、ニッケル、マグネシウム、タンタル、またはそれらの合金のうちの少なくとも1つを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記冷間噴霧堆積プレフォームが、少なくとも2つの異なる粉末の混合物を含む、請求項1から23のいずれか一項に記載のプロセス。
- 請求項1から24のいずれか一項に記載のプロセスから形成される、鍛造構造プレフォーム。
- 鍛造構造を有する生成物を生成するための装置であって、
冷間噴霧堆積プレフォームの印加区域に熱および圧縮荷重を同時に印加するように構成される圧縮荷重印加器であって、前記圧縮荷重が前記印加区域に横方向に印加される、圧縮荷重印加器を備え、
使用の際に、前記印加区域への圧縮荷重および熱の前記印加が、前記印加区域中の前記プレフォームの材料の温度を、前記材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる、装置。 - 前記熱が、急速加熱技法、好ましくは、電流、誘導加熱、またはレーザ加熱のうちの少なくとも1つによって加えられる、請求項26に記載の装置。
- 前記熱が、交流またはパルス状直流のうちの少なくとも1つを含む電流を使用して加えられる、請求項26または27に記載の装置。
- 前記圧縮荷重印加器が、
前記印加電流の電流密度が、500〜2000A/mm2、好ましくは、800〜1500A/mm2、より好ましくは、1000〜1100A/mm2である電流を提供するように構成される、請求項28に記載の装置。 - 圧縮荷重印加器が、前記印加区域に10〜100kg/m2、好ましくは、20〜60kg/m2の荷重を印加することができる、請求項26から29のいずれか一項に記載の装置。
- 前記圧縮荷重印加器が、前記プレフォームを圧縮係合するように構成される少なくとも1つのローラを備える、請求項26から30のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも2つのローラをさらに備え、その間に前記プレフォームが供給され圧縮される、請求項31に記載の装置。
- 少なくとも1つのローラが、熱を、好ましくは電流を前記プレフォームに加えるように構成される、請求項31または32に記載の装置。
- 前記ローラの少なくとも一部が導電性材料を備える、請求項31、32、または33のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも1つのローラが冷却システムまたは冷却装置を含む、請求項31から34のいずれか一項に記載の装置。
- 堆積面上に前記冷間噴霧堆積プレフォームを形成するための冷間噴霧堆積装置をさらに含む、請求項26から35のいずれか一項に記載の装置。
- 前記プレフォームが、前記ローラによって圧縮される前に、前記ローラのうちの少なくとも1つの面上に形成される、請求項36に記載の装置。
- 前記プレフォームが、前記プロセス中に前記プレフォームが移動する供給軸上、または供給軸の周りに形成される、請求項36または37に記載の装置。
- 請求項26から38のいずれか一項に記載の装置を使用して形成される請求項1から24のいずれか一項に記載の方法。
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