JP2023527308A

JP2023527308A - 低温の固体コールドスプレー粉末堆積によるナノ構造化及び組成調整された管及び構成要素を製造するための方法

Info

Publication number: JP2023527308A
Application number: JP2022570719A
Authority: JP
Inventors: フェルローニパオロ; シェイペン; アール．イッキーズマイケル; ヨムファソン; スリダーラーンクマル; アール．マイヤーベンジャミン; ジョンソングレグ
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2023-06-28
Also published as: KR20230011963A; TWI784529B; US11598008B2; CN115667584A; WO2021236461A1; US20210363645A1; EP4153795A1; TW202206644A

Abstract

多層構造を有する自立型被覆管を製造するための方法が開示される。本方法によると、中空円筒形内側空間を画定する円筒形マンドレル基材が提供される。第１のコールドスプレー粉末金属が選択される。円筒形マンドレル基材が回転され、第１のコールドスプレー粉末金属が円筒形マンドレル基材の外側表面に塗布されて、第１の層を形成する。円筒形マンドレル基材が除去される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年５月１９日出願の「ＭＥＴＨＯＤＳＦＯＲＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧＮＡＮＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤＡＮＤＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＡＬＬＹ－ＴＡＩＬＯＲＥＤＴＵＢＥＳＡＮＤＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳＢＹＬＯＷＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ，ＳＯＬＩＤ－ＳＴＡＴＥＣＯＬＤＳＰＲＡＹＰＯＷＤＥＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」と題された米国非仮特許出願第１６／８７８，５２３号の利益を主張し、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、概して、ナノ構造化及び組成調整された管及び構成要素を製造するための方法に関する。より具体的には、本開示は、低温の固体コールドスプレー粉末堆積による、ナノ構造化及び組成調整された管及び構成要素を製造するための方法に関する。用途は、例えば、ウラン系燃料を収容する原子炉被覆管を含む。

従来の溶融及び鋳造アプローチは、酸化物ナノ粒子の上方層化につながるため、酸化物分散強化（ＯＤＳ）鋼の製造に好適ではない。図１は、ナノ構造化されたＯＤＳ鋼被覆管１１４を製造するための方法１００を例示する。したがって、図１に示されるように、固体処理アプローチは、ＯＤＳ鋼被覆管１１４を製造するための粉末の固化及び押出の組み合わせを伴う。方法１００によると、粉砕された粉末１０２は、約４００℃で真空中で被覆加工及び脱気され、機械的に合金化されて（１０４）、低炭素鋼で包囲された機械的合金（ＭＡ）粉末管１０６を生成し、その後、約１１００℃で高温押出成形１０８が続く。基質粉末（フェライト鋼）は、最初に酸化物ナノ粒子で粉砕されて、機械的に合金化された粉末を作製する。次いで、粉末は、低炭素鋼筐体内における被覆加工によって固化される。バルク材料は、高温／温間押出成形を経験し、その後、複数のピルガ圧延及び中間熱処理を経て、最終寸法となる。管１０６の直径及び壁厚を最終被覆管１１４の寸法まで低減するために、５～８の比率まで更なる押出成形が必要とされる。これは、クラックを回避するために中間アニーリング工程を伴って約８５０℃の温度で実施される複数の温間押出成形１０８によって達成される。これらの複数の押出成形１０８は、粒子構造及び機械的特性において大きな異方性を結果的にもたらす。微細な等軸粒子を生成するために、中間アニーリング処理１１２を伴う更なる冷間押出成形１１０が、再結晶化を誘導するために必要とされる。全てのこれらの押出成形工程は、本質的に低速、低歪み速度のプロセスであり、ＯＤＳ鋼被覆管１１４の迅速かつ経済的な製造には適さない。更に、多数の熱機械的な工程は、被覆管１１４の微細構造及び特性の確率的変動につながり得る。

それゆえに、潜在的により均一な微細構造及び向上した性能を有するＯＤＳ鋼被覆管を製造するための迅速で費用効果の高い方法を提供するために、コールドスプレープロセスの必要性が存在する。本開示に説明される基本原理を、他の構成要素及び材料のニアネットシェイプ製造に適用する更なる必要性が存在する。

一態様では、本開示は、多層構造を有する自立型被覆管を製造するための方法を提供する。方法は、中空円筒形内側空間を画定する円筒形マンドレル基材を提供することと、第１のコールドスプレー粉末金属を選択することと、円筒形マンドレル基材を回転させることと、第１のコールドスプレー粉末金属を円筒形マンドレル基材の外側表面に塗布して、第１の層を形成することと、円筒形マンドレル基材を除去することと、を含む。

上記に加えて、本開示のテキスト（例えば、特許請求の範囲及び／若しくは発明を実施するための形態）並びに／又は図面などの教示において、様々な他の方法が記載され、説明されている。

上記は、要約であり、したがって、詳細の簡略化、一般化、包含、及び／又は省略を含み得、結果的に、当業者は、要約が例示に過ぎず、いかなる点においても限定することを意図するものではないことを理解するであろう。本明細書に説明されるデバイス及び／若しくはプロセスの他の態様、特徴、及び利点、並びに／又は他の主題が、本明細書に記載される教示において明らかとなる。

更に、以下に説明される形態、形態の表現、例のうちの任意の１つ以上は、他の以下に説明される形態、形態の表現、及び例のうちの任意の１つ以上と組み合わせられ得ることが理解される。

上記の要約は、例示に過ぎず、いかなる点においても限定することを意図するものではない。上記に説明された例示的態様、実施形態、及び特徴に加えて、更なる態様、実施形態、及び特徴は、図面及び以下の発明を実施するための形態を参照することによって明らかになる。

説明される形態の新規の特徴が、添付の特許請求の範囲に詳細に記載されている。しかしながら、説明される形態は、編成及び運用方法の両方に関して、添付図面とともになされる以下の説明を参照することによって最良に理解され得る。

ナノ構造化されたＯＤＳ鋼被覆管を典型的に製造するためのプロセスを例示する。本開示の少なくとも１つの態様による、多層構造を有する自立型ＯＤＳ鋼被覆管を製造するためのコールドスプレープロセスを例示する。本開示の少なくとも１つの態様による、図２に例示されたコールドスプレープロセスを使用して製造された多層構造を有するＯＤＳ鋼被覆管の断面図である。本開示の少なくとも１つの態様による、図２のコールドスプレープロセスを使用して生成された鉄クロムアルミニウム合金を有する保護外側コーティングを有するＯＤＳ鋼材料を含む、自立型ＯＤＳ鋼被覆管の顕微鏡断面図である。本開示の少なくとも１つの態様による、図２のコールドスプレープロセスを使用して生成された純粋なクロムを有する保護外側コーティングを有するＯＤＳ鋼材料を含む、自立型ＯＤＳ鋼被覆管の顕微鏡断面図である。本開示の少なくとも１つの態様による、ガス噴霧プロセスによって生成されたＯＤＳ鋼原料粉末の形態及びサイズの顕微鏡図である。本開示の少なくとも１つの態様による、図６の酸化ナノ粒子でガス噴霧された粉末をボールミル加工することによって生成されたＯＤＳ鋼原料粉末の形態及びサイズの顕微鏡図である。本開示の少なくとも１つの態様による、図７のボールミル加工されたガス噴霧された粉末の極低温粉砕によって生成されたＯＤＳ鋼原料粉末の形態及びサイズの顕微鏡図である。本開示の少なくとも１つの態様による、図１０に示されるコールドスプレープロセスを使用して、多層構造を有する自立型ＯＤＳ鋼被覆管を製造するための方法である。本開示の少なくとも１つの態様による、コールドスプレープロセスの概略図を例示する。

ナノ構造化及び組成調整された管及び構成要素を製造するための方法、より具体的には、低温の固体コールドスプレー粉末堆積によるナノ構造化及び組成調整された管及び構成要素を製造するための方法の様々な態様を詳細に説明する前に、例示的な態様は、添付図面及び説明に例示された部品の構成及び配置の詳細への適用又は使用に限定されないことに留意されたい。例示的な態様は、他の態様、変形例、及び修正例において実装又は組み込まれてもよく、様々な方式で実践又は実施されてもよい。更に、別段の示唆がない限り、本明細書で利用される用語及び表現は、読者の利便性のために例示的な態様を説明する目的で選択されており、その限定を目的としていない。

一態様では、本開示は、上述のように、ナノ構造化及び組成調整された管及び構成要素を製造するための方法を対象とする。他の態様では、本開示は、低温の固体コールドスプレー粉末堆積による、ナノ構造化及び組成調整された管及び構成要素を製造するための方法を対象とする。

酸化物分散強化（ＯＤＳ）鋼は、それらの優れた高温強度及び照射安定性に起因して、鉛高速炉（ＬＦＲ）、マイクロ炉などの第４世代原子炉、及び潜在的には化石燃料プラントボイラー管用途のための良好な被覆候補材料である。しかしながら、ＯＤＳ鋼は、そのような鋼が提供し得る改善された高温強度と相応しない高温での特定の環境で耐食性を欠く場合がある。加えて、核燃料被覆用途では、被覆管の内側表面は、燃料と接触し、経時的に高温で、低融点化合物が、管と燃料材料との間の相互拡散に起因して形成され得る。

溶融及び固化を伴うプロセスは、酸化物粒子が凝集し、マクロスケールの不均一性につながることになるため、ナノスケールＯＤＳ鋼を生成することができない。耐酸化性耐食性コーティング又は内側拡散バリアコーティングを生成するための溶融及び固化方法は、ＯＤＳ鋼の基本的ナノ構造品質の喪失につながり得る。高温、高圧の固体コーティング処理でさえも、同様の効果につながり得る。

本開示の態様によると、低温の固体コールドスプレープロセスが使用され、ＯＤＳ鋼管被覆におけるナノ構造の保存に不可欠である。コールドスプレープロセスは、高速であり、図１に説明されるものなどの、現代の押出成形－アニール－押出成形プロセスとは異なって、ラピッドプロトタイピング／製造に使用され得る。

本開示の態様によると、微細構造における確率的変動は、複数の処理工程の排除に起因して最小化される。管を作製するための高エネルギー入力及び高温は、伴わないか、又は最小限に伴う。長い小径管の内側表面を裏打ちすることは非常に困難であるが、一態様では、本開示は、代替的な技術的により小さく、より優れ、かつより費用効果の高いプロセスによって、長い小径管を非常に容易に製造するための方法を提供する。管の内側表面上に裏地を製作するために、本開示によるプロセスは、製作中に応力及びクラックに潜在的につながり得る、２つの材料間の熱機械特性（挙動）差に関連する問題を排除する。

本開示の様々な態様によるコールドスプレープロセスは、ガス噴霧された球形状の粉末、ボールミル加工又は極低温粉砕された粉末、及び機械的摩耗によって生成された熱処理後の粉末を含む、様々なタイプの粉末形態に適している。これは、ＯＤＳ鋼被覆管の微細構造の最適化、並びに様々な極限環境における保護のための異なる可能性のある組成物の組成及び機能的に等級分けされた外側及び内側コーティングの製造を可能にする。後者は、過酷な環境で使用するための高強度ＯＤＳ被覆管の能力を大幅に拡張すると同時に、燃料とのその直接的な接触も排除する。

ここで図を参照すると、図２は、本開示の少なくとも１つの態様による、コールド（低温）スプレープロセスを使用して、多層構造を有する自立型のナノ構造化されたＯＤＳ鋼被覆管を製造するためのコールドスプレープロセス２００を例示する。一態様では、コールドスプレープロセス２００を使用して製造された自立型のナノ構造化されたＯＤＳ鋼被覆管は、内側の裏地及び／又は外側コーティングを含む多層構造を備え得る。概して、ナノサイズの粒子構造を有する粉末材料は、様々な形態で、円筒形マンドレル基材２０２の表面上に低温でスプレー堆積され、中空円筒形内側空間２０４を画定するが、一方、円筒形マンドレル基材２０２は、その長手方向軸Ａを中心として回転される。粉末内側裏地材料は、粉末スプレーノズル２０６と流体連通する粉末フィーダー／ホッパーに装填される。粉末スプレーノズル２０６は、粉末スプレーノズル２０６が、矢印Ｂによって示される前方方向に円筒形マンドレル基材２０２の長さに沿って並進される際に、粉末状内側裏地材料のビーム２０８をスプレーする。これは、円筒形マンドレル基材２０２の外側表面上に内側裏地層２１０を堆積させる。内側裏地層２１０の厚さを増加させるために、粉末スプレーノズル２０６は、複数の経路にわたって前後に並進されて、内側層２１０の所望の厚さが達成されるまで、追加の内側裏地材料を堆積させ得る。別の態様では、並進速度が、低下されて、コーティング厚さを増加させ得る。概して、層の厚さは、粉末スプレーノズル２０６の並進又は横断速度を調節することによって制御され得る。内側裏地層２１０材料は、原子力用途における拡散バリアを提供するナノ粒子サイズの粉末状耐火金属及び合金であってもよい。内側裏地層２１０材料は、限定されるものではないが、Ｖ、Ｍｏ、Ｍｏ－Ｒｅ合金、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｒ、又はＺｒなどの耐火合金を含む、ウラン及び鉄において一般的に低い溶解性を呈し、かつ高融点を有する、金属（及び合金）を含む。

次に、ＯＤＳ鋼層２１４は、粉末フィーダー／ホッパー内に粉末状ＯＤＳ鋼材料を装填し、円筒形マンドレル基材２０２を、その長手方向軸Ａを中心として回転させ、内側裏地層２１０上にＯＤＳ鋼層２１４を堆積させるために矢印Ｂによって示される前方方向に円筒形マンドレル基材２０２の長さに沿って並進されている間に、粉末スプレーノズル２０６から粉末ＯＤＳ鋼材料のビーム２１２をスプレーすることによって、生成される。ＯＤＳ鋼層２１４の厚さを増加させるために、粉末スプレーノズル２０６は、複数の経路にわたって前後に並進されて、ＯＤＳ鋼層２１４の所望の厚さが達成されるまで、追加の粉末状ＯＤＳ鋼材料を堆積させ得る。ＯＤＳ鋼層２１４材料は、ナノ構造化された鋼粉末であり得、原子力用途において被覆として作用する。ＯＤＳ鋼層２１４材料は、例えば、微細構造の均質性及び特性を強化し得る極低温粉砕などの新規の粉末前調製アプローチを伴って、ＯＤＳ鋼及び他の合金から選択され得る。極低温粉砕されたＯＤＳ粉末は、優れた微細構造を生成し得る。

次に、外側層２１８は、粉末フィーダー／ホッパー内に粉末状外側コーティング材料を装填し、円筒形マンドレル基材２０２を、その長手方向軸Ａを中心として回転させ、粉末スプレーノズル２０６がＯＤＳ鋼層２１４上に外側層２１８を堆積させるために矢印Ｂによって示される前方方向にその長さに沿って並進されるにつれて、ＯＤＳ鋼層２１４上に外側層２１８を堆積させるために矢印Ｂによって示される前方方向に円筒形マンドレル基材２０２の長さに沿って並進されている間に、粉末スプレーノズル２０６から粉末状外側コーティング材料のビーム２１６をスプレーすることによって、生成される。外側層２１８の厚さを増加させるために、粉末スプレーノズル２０６は、複数の経路にわたって前後に並進されて、外側層２１８の所望の厚さが達成されるまで、追加の外側コーティング材料を堆積させ得る。外側層２１８材料は、様々な環境でＯＤＳ鋼層２１４の耐食性及び耐酸化性を提供する粉末状材料を含み得る。そのような材料は、用途に応じて、クロム及びその合金、鉄、クロム、イットリウム、シリコン、ニッケル、モリブデン、及びタングステン合金を含む。軽水炉（ＬＷＲ）用途では、外側層２１８材料は、Ｃｒ、ＦｅＣｒＡｌを含み得る。鉛冷却高速炉（ＬＦＲ）用途では、外側層２１８材料は、Ｍｏ、Ｍｏ－Ｒｅ合金、Ｎｂ、Ｔａ、ＦｅＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌＹ、ＦｅＣｒＳｉを含み得る。溶融塩炉（ＭＳＲ）用途では、外側層２１８材料は、Ｎｉ合金、Ｍｏ合金、Ｗ合金を含み得る。核融合炉用途では、外側層２１８材料は、Ｂｅ合金、Ｗ合金を含み得る。

外側層２１８が所望の厚さに堆積された後、円筒形マンドレル基材２０２は、以下でより詳細に論じられる、マンドレル材料に応じた化学溶解プロセス又は低温熱処理によって、矢印Ｃによって示される方向に除去される。これは、多層構造を有する自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０を残す。他の態様では、コールドスプレープロセス２００が、自立型モノリシックＯＤＳ鋼被覆管を生成するために採用され得る。

コールドスプレープロセス２００は、任意の好適な長さの自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０を生成するために採用され得る。コールドスプレープロセス２００によって生成され得る管の長さは、円筒形マンドレル基材２０２の長さ及び粉末スプレーノズル２０６の並進限界に依存する。原子力用途では、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０の長さは、典型的な原子炉のコアの様々な長さの核燃料棒を収容するように選択され得る。本開示の一態様では、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０の長さは、１．５ｍ（～５フィート）～５ｍ（～１６．４フィート）の範囲から選択され得る。別の態様では、長さは、２．５ｍ（～８．２フィート）～３．５ｍ（～１１．５フィート）の範囲から選択され得る。他の態様では、長さは、典型的なサイズの核燃料棒を収容するために、４ｍ（～１３フィート）として選択され得る。

本開示のいくつかの態様では、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０は、内側裏地、ＯＤＳ鋼、及び外側コーティング材料の物理的及び化学的特性を変更する熱処理を適用することによってアニールされ得る。典型的なアニーリングプロセスは、所定の温度を上回って自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０を加熱すること（２２０）と、好適な温度２２２を適切な時間の間維持し、次いで、冷却することと、を伴う。これは、高密度の微細構造、微細な再結晶化された粒子、及び酸化物ナノ粒子沈殿を達成する。

コールドスプレープロセス２００における重要な変数は、推進ガス、ガス予熱温度及び圧力、並びに粉末形状、粉末粒子サイズ及びサイズ分布、並びに粉末の組成均一性を含む。

一態様では、本開示によるコールドスプレープロセス２００は、円筒形マンドレル基材２０２を除去するための非常に独特な溶解プロセスを提供する。別の態様では、マンドレル基材２０２は、熱処理によって除去され得る低融点金属から作製され得る。固体マンドレルを使用する代わりに、円筒形マンドレル基材２０２は、中空円筒形内側空間２０４を画定し、アルミニウム合金材料から作製される管である。円筒形マンドレル基材２０２上に材料の最終層を堆積させた後、アルミニウム合金円筒形マンドレル基材２０２管は、水酸化ナトリウム溶液を使用して、便宜的に完全に溶解され、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０を残す。図２に開示された例では、最終層堆積層は、外側層２１８である。他の態様では、最終堆積層は、内側層２１０又はＯＤＳ鋼層２１４であり得る。一般に、マンドレル基材２０２材料は、低融点又は低沸点を有する金属（及び合金）、並びに非毒性の環境に良い溶媒に容易に溶解可能である金属（及び合金）を含み得る。化学溶解除去のために、マンドレル基材２０２材料は、Ａｌ、Ａｌ合金、及びＭｇ、Ｍｇ合金を含み得る。その融点（約４２０℃）を上回って加熱することによって除去するために、マンドレル基材２０２材料は、Ｚｎ及びＺｎ合金を含み得る。

図３は、本開示の少なくとも１つの態様による、図２に例示されたコールドスプレープロセス２００を使用して製造された多層構造を有する自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０の断面図である。自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０は、図２を参照して説明されたコールドスプレープロセス２００に従って形成された、内側層２１０、ＯＤＳ鋼層２１４、及び外側層２１８を備える。一態様では、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０の直径（２ｒ）は、８ｍｍ（～０．３インチ）～１５ｍｍ（～０．６インチ）の範囲から選択される。層２１０、２１４、２１８の厚さｔ_１、ｔ_２、ｔ_３は、以下のように画定され得る。一態様では、内側層２１０（例えば、耐火層）の厚さｔ_１は、１０μｍ（～３．９４×１０^－４インチ）～２００μｍ（～７．８７×１０^－３インチ）の範囲から選択される。一態様では、ＯＤＳ鋼層２１４（例えば、被覆層）の厚さｔ_２は、２００μｍ（～７．８７×１０^－３インチ）～１．００ｍｍ（～３．９４×１０^－２インチ）の範囲から選択される。一態様では、外側層２１８（例えば、防食層）の厚さｔ_３は、１μｍ（～３．９４×１０^－５インチ）～１００μｍ（～３．９４×１０^－３インチ）の範囲から選択される。内側層２１０は、拡散バリアとして作用し、材料は、バナジウム、タンタル、レニウム、ニオブ、タングステン、クロム、ジルコニウム、若しくはモリブデン、又はそれらの組み合わせを含む、耐火金属であり得る。ＯＤＳ鋼層２１４被覆材料は、例えば、ＯＤＳ鋼を含み得る。外側層２１８材料は、例えば、クロム又はクロム合金を含み得る。コールドスプレープロセス２００によって固体状態で生成される、図３に示す３材料系は、傑出した高温強度、耐食性、及び内側層を提供して、低温で溶融された領域を結果的にもたらす被覆内への燃料の移動を防止する。内側層２１０、ＯＤＳ鋼層２１４、及び外側層２１８の組成は、図４及び図５を参照してより詳細に説明される。

自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０などの組成的に等級分けされた管は、図２を参照して説明されるコールドスプレー２００に従って製造され得る。材料の複数の層を明らかにする断面を有する組成的に等級分けされた管が、例えば、図３に示される。図３に示されるように、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０は、ＯＤＳ鋼層２１４と核燃料との間に拡散バリアを提供する内層２１０によって内側で裏打ちされる。自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０は、外側層２１８を含み、保護外側層として機能し、高温、腐食性、及び酸化環境で、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０に耐食性／耐酸化性を提供する。

代替的な技術は、非常に面倒である。管の内側表面に対するコーティングは、特に狭い直径の管では、低速プロセス、及びコーティング厚さの不均一性に起因して、非常に困難である。共押出成形が使用されてもよいが、大きいリソース（例えば、電力、力、時間）を必要とする。共押出成形はまた、２つの材料間の熱機械的特性の不整合に起因して、技術的に困難なプロセスであり、潜在的にプロセス中の管の不具合を結果的にもたらす。裏地の共押出成形は、非常に大きい力の低速プロセスを必要とし得、長い管及び上記に論じられた全ての関連付けられた欠点に対して実行可能ではない場合がある。更に、管の内側表面上に裏地を製作するために、図２を参照して説明されたコールドスプレープロセス２００は、製作中の応力及びクラックに潜在的につながり得る、２つの材料間の機械的特性（挙動）差に関連する問題を除去する。

一態様では、内側層２１０材料は、原子炉へのその適用性のため、バナジウム又はバナジウム合金である。しかしながら、内側層２１０材料は、それに限定されない。原子炉では、二酸化ウラン燃料ペレットは、ＯＤＳ鋼被覆管の内側に配置される。経時的に燃料が膨張し、被覆の内側表面と接触し、２つの間に化学反応が生じることになる。これは、そのような反応が界面で低融点化合物の形成につながり得るため、望ましくない。自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０のバナジウム内側層２１０は、そのような反応が発生することを防止するための良好なバリアである。自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０などの組成調整された管が、過酷な環境で典型的に必要とされる複数の特性要件を満たし得る、業界における多数の他の用途が存在する。

同様に、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０の外側表面は、非常に苛酷な高温酸化環境に曝露されることが予想され得、自立型ＯＤＳ鋼被覆管２３０が使用されることが予想される高温で耐食性を提供する外側層２１８コーティングを必要とすることになる。ここでも、高温方法は、ベースＯＤＳ鋼のナノ構造に影響を及ぼすことになるため、好適ではない。

図２を参照して説明されたコールドスプレープロセス２００は、そのような耐酸化性コーティングを生成するための迅速で費用効果の高い経路を提供する。そのようなコーティングの例が、本開示の少なくとも１つの態様による、図２のコールドスプレープロセスを使用して生成された鉄－クロム－アルミニウム合金（ＦｅＣｒＡｌ又はＦｅ２０Ｃｒ５Ａｌ）を含む保護外側層２１８コーティングを有するＯＤＳ鋼層２１４材料を含む自立型ＯＤＳ鋼被覆管３００の顕微鏡断面図である、図４に示されている。内側層２１０は、スケーリングの考慮に起因して図４には示されていないが、それは、ＯＤＳ鋼層２１４の下に位置する。そのようなコーティングの例が、本開示の少なくとも１つの態様による、図２のコールドスプレープロセスを使用して生成されたクロム（Ｃｒ）を含む保護外側層２１８コーティングを有するＯＤＳ鋼層２１４材料を含む自立型ＯＤＳ鋼被覆管３１０の顕微鏡断面図である、図５に示されている。内側層２１０は、スケーリングの考慮に起因して図４には示されていないが、それは、ＯＤＳ鋼層２１４の下に位置する。ＦｅＣｒＡｌ、Ｆｅ２０Ｃｒ５Ａｌ、又は純粋なＣｒ金属などの保護外側層２１８は、高温環境でＯＤＳ鋼被覆管２３０に耐食性／耐酸化性を提供する。

図６～図８は、粉末製造方法に応じたＯＤＳ鋼原料粉末の形態及びサイズを例示し、図６は、ガス噴霧プロセスによって生成されたＯＤＳ鋼原料粉末４０２の顕微鏡図４００であり、図７は、図６に示される酸化物ナノ粒子（例えば、Ｙ２Ｏ３）によるガス噴霧された粉末４０２のボールミル加工によって生成されたＯＤＳ鋼原料粉末４２２の顕微鏡図４２０であり、図８は、図７に示されるボールミル加工されたガス噴霧された粉末４２２の極低温粉砕によって生成されたＯＤＳ鋼原料粉末４４２の顕微鏡図４４０である。原料粉末形態のタイプに応じて、図２のコールドスプレープロセス２００によって生成されるＯＤＳ鋼被覆管２３０の特性が変化することになる。図６に示される鋼原料粉末４０２は、４０μｍのスケールであり、図７に示される鋼原料粉末４２２は、４００μｍのスケールであり、及び図８に示される鋼原料粉末４４２は、２００μｍのスケールである。

図２を参照して説明されたコールドスプレー製造プロセス２００は、図６～図８に示されるように、様々な金属粉末タイプを採用し得る。原料粉末の特性は、コールドスプレーＯＤＳ鋼被覆管２３０の結果物である微細構造を調整する１つの因子である。コールドスプレー製造プロセス２００は、ガス噴霧プロセス、ボールミル加工プロセス、極低温粉砕プロセスなどの異なる生成方法で生成された様々なタイプの原料粉末、及び熱処理後の粉末を使用して、ＯＤＳ鋼被覆管２３０を生成し得る。粉末製造プロセスは、粉末の形状及びサイズ分布、化学組成、粒子構造、組成物均一性、及び機械的特性（例えば、硬度）に影響する。粉末製造経路に応じた原料粉末のサイズ及び形態が図６～図８に示される。原料粉末は、被覆管（例えば、微細構造、機械的特性、及び照射応答）の所望の性能及び経済的利益に基づいて選択され得る。

図９は、本開示の少なくとも１つの態様による、図１０に示されるコールドスプレープロセス６００を使用して、多層構造を有する自立型ＯＤＳ鋼被覆管を製造するための方法５００である。また図９及び図１０を参照すると、方法５００は、中空円筒形内側空間を画定する円筒形マンドレル基材６１８を提供すること（５０２）を含む。加圧されたガス６１４は、収束分散粉末スプレーノズル６０４に流体結合された加熱要素６０２内に導入される（６０８）。コールドスプレー粉末金属６１２が、選択され（５０４）、粉末フィーダー６０６によって粉末スプレーノズル６０４内に注入される（６１０）ようにホッパー内に装填され、そこで、加熱された加圧されたガス６１４と混合される。粉末スプレーノズル６０４は、加圧されたガス６１４と混合された粉末金属６１２の超音速流６１６を放出する。円筒形マンドレル基材６１８は、その長手方向軸を中心として回転される（５０６）。次に、粉末スプレーノズル６０４は、円筒形マンドレル基材６１８に近接して位置する。選択された冷間（低温）粉末状金属の超音速流６１６は、円筒形マンドレル基材６１８の外側表面に塗布されるが（５０８）、一方、粉末スプレーノズル６０４は、円筒形マンドレル基材６１８の長さに沿って並進する。第１の粉末金属層６２０の厚さは、第１の粉末金属層の所望の厚さが達成されるまで、円筒形マンドレル基材の長さに沿って、粉末スプレーノズル６０４を前後方向に横断することによって変化し得る。別の態様では、層６２０の厚さは、粉末スプレーノズル６０４の横断速度を調節することによって制御され得る。例えば、より高速の横断速度は、より薄い層６２０を堆積させるために採用され得、より低速の横断速度は、より厚い層６２０を堆積させるために採用され得る。次に、方法５００に従って、前の粉末金属層６２０上に異なるコールドスプレー粉末層を塗布するか否かを決定する（５１０）。「はい」の場合、異なる粉末金属が、選択され（５１２）、ホッパー内に装填され、第２の粉末金属材料が粉末フィーダー６０６を通して粉末スプレーノズル６０４内に注入され（６１０）、加圧されたガス６０８と混合され、粉末スプレーノズル６０４を出て、第２の粉末金属層の所望の厚さが達成されるまで、第１の粉末金属層６２０上に塗布される（５０８）。決定５１０は、複数の「ｎ」個の異なる粉末金属層が円筒形マンドレル基材６１８上に塗布されて（５０８）、多層管構造を形成するまで繰り返される。

方法５００によって塗布され得るコールドスプレー粉末金属層は、内側裏地層、中間層、及び外側層を含む。内側層は、バナジウム、タンタル、タングステン、レニウム、ニオブ、クロム、ジルコニウム、若しくはモリブデン、又はそれらの組み合わせを含む、耐火金属から作製され、原子力用途における拡散バリアを提供し得る。一般的に燃料及び中間構造層と低固体溶解性を有する追加の内側層材料。中間層は、ＯＤＳ鋼から作製され得る。外側層は、ＯＤＳ鋼若しくは他の構造層に対する耐食性／耐酸化性を提供するために、純粋なクロム（Ｃｒ）、鉄クロムアルミニウム（ＦｅＣｒＡｌ、Ｆｅ２０Ｃｒ５Ａｌ、又はＦｅＣｒＡｌＹ）などのクロム若しくはクロム合金、モリブデン、レニウム、ニオブ、タンタル、ニッケル、タングステン、ベリリウム、又はＭＣｒＡｌＹ若しくはＦｅＣｒＳｉを含むその合金から作製され得る。内側層（例えば、耐火層）の厚さは、１０μｍ（～３．９４×１０^－４インチ）～２００μｍ（～７．８７×１０^－３インチ）の範囲から選択される。中間層（例えば、被覆層）の厚さは、２００μｍ（～７．８７×１０^－３インチ）～１．００ｍｍ（～３．９４×１０^－２インチ）の範囲から選択される。一態様では、外側層（例えば、防食層）の厚さは、１μｍ（～３．９４×１０^－５インチ）～１００μｍ（～３．９４×１０^－３インチ）の範囲から選択される。

所望の数の異なる「ｎ」個の層が円筒形マンドレル基材６１８上に堆積されると、方法は、「いいえ」経路に沿って進み、円筒形マンドレル基材６１８が除去される（５１４）。一態様では、円筒形マンドレル基材６１８は、マンドレル材料に応じて化学溶解プロセス又は低温熱処理によって除去されて（５１４）、自立型モノリシック又は多層管構造のいずれかを生成する。一態様では、円筒形マンドレル基材６１８は、水酸化ナトリウム溶液に溶解され得るアルミニウム合金材料から作製される。一態様では、円筒形マンドレル基材６１８は、低融点又は低沸点の金属若しくは合金から作製されるか、又は溶媒に溶解可能であり、可能性のある材料としては、マグネシウム、亜鉛、又はそれらの合金の組み合わせが挙げられる。

開示される製造技術は、革命的であり、既存の製造プロセスとは根本的に異なる。開示されるコールドスプレー製造プロセス６００は、マイクロ構造及び材料を最適化し、材料性能を最終的に改善して、既存のプロセスに勝る数点の主要な利点を提供する。この新しいプロセスを使用して作製された管は、製造コスト、効率、収率、及び品質において非常に競争力がある。予想される性能は、現在の市場製品よりもはるかに良好になる。

被覆材料の開発及び選択は、高度な炉設計における重要な要素の１つである。燃料の性能は、被覆材料に大きく依存し、ＯＤＳは、温度及びフラックスがＬＷＲよりもはるかに高いため、高度な炉環境にとって極めて重要である、優れた機械的特性及び耐照射性を提供する。

説明の目的で特定の態様が本明細書に例示及び説明されているが、同じ目的を達成するために計算された幅広い種類の代替及び／又は同等の態様又は実施態様が、本開示の範囲から逸脱することなく、示され説明される態様に置換され得る。本出願は、本明細書で論じられた実施形態の任意の適合又は変形を網羅することを意図している。

本開示の様々な態様による方法の例が以下に提供される。方法の一態様は、以下に説明される例のうちの任意の１つ以上、及び任意の組み合わせを含み得る。

実施例１．多層構造を有する自立型被覆管を製造するための方法であって、中空円筒形内側空間を画定する円筒形マンドレル基材を提供することと、第１のコールドスプレー粉末金属を選択することと、円筒形マンドレル基材を回転させることと、第１のコールドスプレー粉末金属を円筒形マンドレル基材の外側表面に塗布して、第１の層を形成することと、円筒形マンドレル基材を除去することと、を含む、方法。

実施例２．第１の層の厚さが、１０μｍ～５０００μｍの範囲から選択される、実施例１に記載の方法。

実施例３．第１のコールドスプレー粉末金属が、耐火金属を含む、実施例１又は２に記載の方法。

実施例４．耐火金属が、バナジウム、タンタル、レニウム、ニオブ、タングステン、クロム、ジルコニウム、若しくはモリブデン、又はそれらの組み合わせを含む、実施例３に記載の方法。

実施例５．円筒形マンドレル基材を除去する前に、方法が、第２のコールドスプレー粉末金属を選択することと、第１の層上に第２のコールドスプレー粉末金属を塗布することと、を含む、実施例１～４のいずれか１つに記載の方法。

実施例６．第２の層の厚さが、２００μｍ～１．００ｍｍの範囲から選択される、実施例５に記載の方法。

実施例７．第２のコールドスプレー粉末金属が、酸化物分散強化（ＯＤＳ）鋼粉末を含む、実施例５又は６に記載の方法。

実施例８．ＯＤＳ鋼粉末が、極低温粉砕される、実施例７に記載の方法。

実施例９．円筒形マンドレル基材を除去する前に、方法が、第３のコールドスプレー粉末金属を選択することと、第２の層上に第３のコールドスプレー粉末金属を塗布することと、を含む、実施例５～８のいずれか１つに記載の方法。

実施例１０．第３の層の厚さが、１μｍ～１００μｍの範囲から選択される、実施例９に記載の方法。

実施例１１．第３のコールドスプレー粉末金属が、耐腐食性／耐酸化性材料を含む、実施例９又は１０に記載の方法。

実施例１２．耐食性／耐酸化性材料が、クロム又はクロム合金を含む、実施例１１に記載の方法。

実施例１３．クロム合金が、ＦｅＣｒＡｌ又はＦｅ２０Ｃｒ５Ａｌを含む、実施例１２に記載の方法。

実施例１４．耐酸化性材料が、鉛高速炉に対して、それらの合金の、モリブデン、レニウム、ニオブ、タンタル、ＦｅＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌＹ、及びＦｅＣｒＳｉ、溶融塩に対して、それらの合金の、ニッケル、モリブデン、又はタングステン、融合用途に対して、ベリリウム、タングステン、又はそれらの合金などの、環境のタイプに適している、実施例１１～１３のいずれか１つに記載の方法。

実施例１５．円筒形マンドレル基材を除去することが、円筒形マンドレル基材を溶解させることを含む、実施例１～１４のいずれか１つに記載の方法。

実施例１６．円筒形マンドレル基材が、アルミニウム合金又はマグネシウム合金から作製され、円筒形マンドレル基材が、水酸化ナトリウム溶液を使用して完全に溶解される、実施例１５に記載の方法。

実施例１７．円筒形マンドレル基材を除去することが、円筒形マンドレル基材を除去するための溶融又は沸騰を含む熱処理を含む、実施例１～１６のいずれか１つに記載の方法。

実施例１８．円筒形マンドレル基材が、その融点を上回って加熱することによって除去された亜鉛合金から作製されている、実施例１７に記載の方法。

Claims

多層構造を有する自立型被覆管を製造するための方法であって、
中空円筒形内側空間を画定する円筒形マンドレル基材を提供することと、
第１のコールドスプレー粉末金属を選択することと、
前記円筒形マンドレル基材を回転させることと、
前記第１のコールドスプレー粉末金属を前記円筒形マンドレル基材の外側表面に塗布して、第１の層を形成することと、
前記円筒形マンドレル基材を除去することと、を含む、方法。
前記第１の層の厚さが、１０μｍ～５０００μｍの範囲から選択される、請求項１に記載の方法。
前記第１のコールドスプレー粉末金属が、耐火金属を含む、請求項１に記載の方法。
前記耐火金属が、バナジウム、タンタル、レニウム、ニオブ、タングステン、クロム、ジルコニウム、若しくはモリブデン、又はそれらの組み合わせを含む、請求項３に記載の方法。
前記円筒形マンドレル基材を除去する前に、前記方法が、
第２のコールドスプレー粉末金属を選択することと、
前記第１の層上に前記第２のコールドスプレー粉末金属を塗布することと、を含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の層の厚さが、２００μｍ～１．００ｍｍの範囲から選択される、請求項５に記載の方法。
前記第２のコールドスプレー粉末金属が、酸化物分散強化（ＯＤＳ）鋼粉末を含む、請求項５に記載の方法。
前記ＯＤＳ鋼粉末が、極低温粉砕される、請求項７に記載の方法。
前記円筒形マンドレル基材を除去する前に、前記方法が、
第３のコールドスプレー粉末金属を選択することと、
前記第２の層上に前記第３のコールドスプレー粉末金属を塗布することと、を含む、請求項５に記載の方法。
前記第３の層の厚さが、１μｍ～１００μｍの範囲から選択される、請求項９に記載の方法。
前記第３のコールドスプレー粉末金属が、耐腐食性／耐酸化性材料を含む、請求項９に記載の方法。
前記耐食性／耐酸化性材料が、クロム又はクロム合金を含む、請求項１１に記載の方法。
前記クロム合金が、ＦｅＣｒＡｌ又はＦｅ２０Ｃｒ５Ａｌを含む、請求項１２に記載の方法。
前記耐酸化性材料が、
鉛高速炉に対して、それらの合金の、モリブデン、レニウム、ニオブ、タンタル、ＦｅＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌＹ、及びＦｅＣｒＳｉなどの環境のタイプに適しており、
溶融塩に対して、それらの合金の、ニッケル、モリブデン、又はタングステンなどの環境のタイプに適しており、
融合用途に対して、ベリリウム、タングステン、又はそれらの合金などの環境のタイプに適している、請求項１１に記載の方法。
前記円筒形マンドレル基材を除去することが、前記円筒形マンドレル基材を溶解させることを含む、請求項１に記載の方法。
前記円筒形マンドレル基材は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金から作製され、
前記円筒形マンドレル基材は、水酸化ナトリウム溶液を使用して完全に溶解される、請求項１５に記載の方法。
前記円筒形マンドレル基材を除去するステップは、前記円筒形マンドレル基材を除去するための溶融又は沸騰を含む熱処理を備える、請求項１に記載の方法。
前記円筒形マンドレル基材が、その融点を上回って加熱することによって除去される亜鉛合金から作製されている、請求項１７に記載の方法。