JP5777306B2 - 熱間等方圧加圧容器用装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間等方圧加圧を用いてビレットを成形する改良方法及び容器に関し、より具体的には、所定形状及び位置を有する側部をビレットに設けるような処理において生じる高温及び高圧中の容器の変形を制御する機能を有する方法及び容器に関する。

例えばマイクロ鋳造又はアトマイズなど、所定の粒度に形成された金属粉体から金属ビレットその他の物体を製造する冶金技術が開発されている。通常、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＦｅで高度に合金化されたこれらの粉体は、１００％理論密度に近い稠密塊に圧密化される。得られるビレットは、均質な組成と稠密ミクロ組織を有し、向上した靭性、強度、耐破壊性及び熱膨張係数を有する部品を製造することができ。かかる向上した特性は、例えば、高温及び／又は高応力条件が存在するタービンの回転部品の製造に特に有益である。

こうした金属粉体の稠密塊への圧密化は、通例、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）と呼ばれるプロセスで高圧及び高温下で実施される。一般に、粉体を容器（「缶」とも呼ばれる）に入れ、密封してその内容物を真空下に置く。容器を高温に付し、化学反応を避けるためにアルゴンのような不活性ガスを用いて外側を加圧する。金属粉体の処理には、例えば４８０℃〜１３１５℃の高温及び５１ＭＰａ〜３１０ＭＰａ又はそれ以上の圧力が用いられる。粉体を封入した容器を加圧すると、所定の流体媒体（例えば不活性ガス）であらゆる方面及び方向から粉体に圧力が加わる。

ＨＩＰ処理に必要な設備は一般に非常に高価であり、特殊な構造が必要とされる。極端な温度及び圧力のため、ＨＩＰプロセス中に粉体の体積が減少すると、容器は実質的に変形又は押し潰され、容器は圧粉体から生成したビレットの表面に結合した状態になる。得られるビレットの所望の形状に応じて、ＨＩＰプロセス後に、容器の表面の全部又は一部を機械加工によって切り取らなければならないことがある。さらに、所望の形状及びＨＩＰプロセスで生じた変形の種類に応じて、ビレットの一部を切り取らなければならないこともある。ビレットの製造に使用される粉体は通常非常に高価であるので、ビレットの一部を除去するのは望ましくない。ビレットからの材料除去を最適にしながら、圧縮中の形状制御を可能にするプロセスが必要とされる。

図１及び図２に、ＨＩＰプロセスに従来の容器を使用したときに直面する問題を例示する。図１は、ＨＩＰプロセスの極端な温度及び圧力に付される前の容器１０１の一部の概略図である。容器１０１は、加圧成形すべき粉体混合物１０５を収容し、ＨＩＰプロセスの際に加圧用の流体（アルゴンなど）の進入を防ぐためシールをもたらす。加圧前は、上面１００と底面１３５の間の壁１１０は基本的に真っ直ぐで変形していない。ＨＩＰプロセス前は、上面１００及び底面１３５も変形していない。

図２は、ＨＩＰプロセスに付した後の容器１０１の同じ部分を示す。ＨＩＰプロセスの条件で、粉体が金属ビレット１０６へと変換されている。しかし、粉体から中実金属への密度の変化によって、体積にも劇的な変化が生じている。体積が減少すると、粉体１０５からビレット１０６への変化にともなって容器１０１も変形する。図２では、壁１１０が弓形に変形しているものを示すが、上面１００及び底面１３５も変形を起こすことがある。その結果、ビレット１０６も同様の形状（砂時計形とも呼ばれる）を有する。

残念なことに、ビレット１０６の所望の形状（又はビレット１０６から最終的に製造すべき部品の形状）によっては、得られるビレット１０６の形状では、その表面から貴重な材料を除去しなければならないことがあるので、図２に示す変形は望ましくないことがある。例えば、ビレット１０６の壁１１０に沿って円筒形の外面が必要とされる場合、所望の外面を得るために、線１３０に沿って容器１０１及びビレット１０６をカットつまり機械加工しなければならないことがある。容器１０１の破壊だけでなく、容器１０１の上面及び底面付近の部分１１５でかなりの量のビレット１０６が失われる。元の粉体が高価なので、この損失は望ましくない。さらに、粉体のコストほど重大ではないが、容器１０１の一部も機械加工プロセスのため失われる。用途によっては、最終的ワークピースに含めておくため、得られるビレットに容器１０１の材料が保持されているのが望ましいことがある。かかる場合、ビレットを賦形するために容器を除去するのは避けるべきである。

従って、ＨＩＰプロセスに関連して粉体損失を低減又は排除することを可能にする改良方法及び装置が有用となる。例えば、実質的に平行、凸面、凹面側部などの所定の形状を有するビレットを提供する改良方法及び装置も有用となる。最後に、目的とうする加工物内に含めるためビレットに容器の全て又は所望の部分を保持することができる改良方法及び装置も有用となる。

米国特許第６７１８８０９号明細書

本発明は、熱間等方圧加圧を用いてビレットを成形するための改良方法及び容器を提供し、より具体的には、このような処理で生じる高温及び高圧中に容器の変形を制御して、例えば、実質的に平行、凸状、及び／又は凹状の側部などの所定形状を有するビレットを提供するような機能を有する方法及び容器を提供する。本発明の追加の態様及び利点は、一部には以下の説明で記載され、又はその説明から明らかにすることができ、或いは、本発明の実施により認識することができる。

１つの例示的な実施形態において、粉体をビレットへと加圧成形するための容器が提供される。容器は、軸方向を画成し、容器上面、容器底面、及び外壁を含む。外壁は、容器上面と容器底面の間に位置してそれらをつないで粉体を受け入れるための内部を画成するようにする。外壁は、上部分及び下部分を有する。外壁の上部分及び下部分は、容器の内部から離れて傾斜し、軸方向から非ゼロの角度αを形成する。角度αは、加圧成形後に上部分及び下部分が所定位置に配置されてビレットの選択形状を形成するように選択される。

本発明の別の例示的な態様において、熱間等方圧加圧中の材料の使用を最適化する方法が提供される。この例示的な方法は、圧縮用に粉体を受け入れるための容器を準備する段階を含む。容器は、軸方向を画成し、上面と、底面と、上面と底面ををつないで容器の内部を画成する外壁とを備える。外壁は上部分及び下部分を含む。外壁の上部分及び下部分は、容器の内部から離れて位置付けられ、軸方向から非ゼロの角度αを形成するようにする。この例示的な方法は、熱間等方圧加圧中に容器の上部分及び下部分が容器の軸方向に対し所定位置まで変形するように角度αの非ゼロ値を決定する段階を含む。

本発明の別の例示的な実施形態は、粉体をビレットへと加圧成形するための容器を提供する。軸方向を画成し且つ中央部を有する。容器は、容器上面と、容器底面と、容器上面と容器底面の間に位置してそれらをつなぎ、粉体を受け入れるための内部を画成する外壁とを含む。外壁が上部分及び下部分を有し、該部分の各々が、軸方向に沿って且つ容器の中央部に向かって各部分の厚みが減少するようなテーパーを有する。

本発明の更に別の例示的な実施形態において、熱間等方圧加圧中の材料の使用を最適化する方法が提供される。本方法は、圧縮用に粉体を受け入れるための容器を準備する段階を含む。容器は、軸方向を画成し、上面と、底面と、該上面と底面ををつないで中央部を有する容器の内部を画成する外壁とを含む。外壁が上部分及び下部分を含む。軸方向に沿って且つ容器の中央部に向かって部分の各々の厚みが減少するようにテーパーが部分の各々に沿って形成される。各テーパーは、外壁の内面と外面との間に角度αを画成する。本方法は、熱間等方圧加圧後に容器の上部分及び下部分が容器の軸方向に対し所定位置にまで変形するように角度αの非ゼロ値を決定する段階を含む。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照するとより理解できるであろう。本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。

ＨＩＰプロセスを受ける前の容器の１つの側部に沿った概略断面図。 ＨＩＰプロセスの圧力及び温度に付した後の図１の容器の１つの側部に沿った概略断面図。 片側だけが示されており、仮想線が加圧成形後の容器を示す、本発明による容器の例示的な実施形態の概略断面図。 片側だけが示されており、仮想線が加圧成形後の容器を示す、本発明による容器の例示的な実施形態の概略断面図。 片側だけが示されており、仮想線が加圧成形後の容器を示す、本発明による容器の例示的な実施形態の概略断面図。 片側だけが示された、本発明による容器の例示的な実施形態の概略断面図。 ＨＩＰプロセスに付した後の図６の容器の例示的な実施形態の概略断面図。

添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示を説明する。

本明細書で記載される有利な改善点を提供するために、本発明は、熱間等方圧加圧を用いてビレットを成形する改良方法及び容器を提供し、このような処理で生じる高温及び高圧中の容器の変形を制御して、所定又は選択形状を有するビレットを提供するようにする。本発明の説明において、ここで本発明の実施形態を詳細に参照し、その１つ又はそれ以上の実施例が図面に示されている。各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

図３、４及び５は、本発明に従って構成された容器２０１の例示的な実施形態を示している。各図において、容器２０１の片側が断面で示されている。容器２０１は、ＨＩＰプロセスから圧縮中に生じる変形が、実質的に直線状の側部２１６を有するビレット２０６をもたらし、これにより円筒形状のビレット２０６に実質的に平行な側部２１６を提供するように構成されている。変形プロセス後の容器２０１の形状は、図３、４、及び５において仮想線で示されている。

容器２０１は、容器上面２００と容器底面２３５との間に延びて内部２０２を画成する外壁２１０を含む。容器２０１のバレル状形状は、軸方向Ａを画成し、本明細書で説明されるように、本明細書において角度αを画成するのに使用される。内部２０２は、ＨＩＰ処理中に実質的に平行な側部及び／又は実質的に円筒形の形状を有するビレット２０６に圧縮される粉体を受ける。

この例示的な実施形態では、容器２０１の外壁２１０は、上部分２１５、下部分２２５、及び上部分２１５と下部分２２５の間に配置される中央部分２２０を含む、３つの部分に分割される。中央部分２２０は、軸方向Ａに実質的に平行な外壁２１０の一部によって定められる。図示していないが、中央部分２２０は、例えば、ＨＩＰプロセス中の変形の制御を助ける僅かに弓状の形状を含む。

図３、４及び５に示すように、上部分２１５及び下部分２２５は各々、軸方向Ａに対して非ゼロの角度αに位置決めされる。角度αの値は、加圧成形中に外壁２１０の変形が実質的に平行な側部２１６を有する容器２０６をもたらし、結果として平行な側部を備えたビレット１０６を提供するように選択される。より具体的には、容器２０１内の粉体の体積がＨＩＰプロセス中に減少すると、壁２１０は、容器２０１の内部２０２に向かって内方に押されることになる。ＨＩＰプロセス前に上部分２１５及び下部分２２５が外向きに傾斜される適切な角度αを選択することによって、ＨＩＰプロセス中の変形により上部分２１５及び下部分２２５が容器２０１の内部に向けて移動し、その結果、ＨＩＰプロセス後に、角度αが約ゼロになるように実質的に平行な側部又は円筒形状をビレット２０６に与える。ここで必要に応じて、容器２０１をビレット２０６から機械加工又は切除することができる。或いは、容器２０１がビレット２０６の実質的に均一な形状を保持すると、目的とする加工物又は最終製品で使用するため容器２０１を所定位置に留置するのが望ましいとすることができる。

容器２０１と共に使用するために種々の角度αを選択することができる。例示の目的で、図３では角度αを３度とし、図４では角度αを６度とし、図５では角度αを１０度としている。何れかの特定の用途に使用される角度αの値は、例えば、予期される圧縮量、粉体の特性、容器２０１の幾何形状、並びに容器２０１の構築に使用される材料及び厚みに応じて決まることになる。各用途において、角度αの値は、ＨＩＰ処理後に上部分２１５及び下部分２２５が所定位置にまで変形するように決定される。例えば、上部分２１５及び下部分２２５は、圧縮後に容器２０１の外壁２１０がほぼ平行であるように容器２０１の内部２０１から離れて位置付けることができる。このような場合、特定の実施形態において、角度αは通常、０と約１０度の間の範囲にある。更に他の実施形態では、角度αは、約１度〜約１０度の範囲にある。しかしながら、上部分２１５及び下部分２２５の他の所定位置は、同様に、得られるビレット２０６に所定の又は選択された形状を提供するように選択することができる。例証として、角度αは、変形後に上部分２１５及び下部分２２５が凹面、凸面、又は必要に応じて他の形状の外壁２１０を提供するように選択することができる。

図６及び７は、本発明に従って構成された容器３０１の追加の例示的な実施形態を示す。各図において、容器３０１の片側が断面で示されている。図６は、ＨＩＰ処理前の容器３０１を示し、図７は、ＨＩＰ処理後の容器３０１を示している。図３〜５の実施形態と同様に、容器３０１は、ＨＩＰプロセスから圧縮中に生じる変形が、容器３０１の内面３４５に沿って実質的に直線状の側部２１６を有するビレット３０６をもたらし、これにより円筒形状のビレット３０６に実質的に平行な側部２１６を提供するように構成されている。

容器３０１は、容器上面３００と容器底面３３５との間に延びて粉体３０５用の内部２０２を画成する外壁３１０を含み、該粉体は、ＨＩＰ処理中に実質的に平行な側部及び／又は実質的に円筒形の形状を有するビレット２０６に圧縮されることになる。この例示的な実施形態では、容器３０１の外壁３１０は、上部分３１５及び下部分３２５を含む２つの部分に分割される。

図６に示すように、外壁３１０の各部分３１５及び３２５は、外面３４０及び内面３４５を含む。変形前に、外面３４０は、容器３０１が外面３４０に沿って実質的に円筒形状を有するように実質的に平坦で且つ容器３０１の軸方向Ａに平行である。しかしながら、変形前に、内面３４５は、軸方向Ａに対して非ゼロの角度αにある。各部分３００及び３３５のテーパーは、上面３００又は底面３３５の何れかから容器３０１の中央に向かう方向に厚みが減少するように構成される。

図７に示すように、角度αの値は、加圧成形後に外壁３１０の変形によって、軸方向Ａに実質的に平行な内面３４５を有する容器３０１をもたらすことになるように選択される。より具体的には、上部分３１５及び下部分３２５のテーパーに適切な角度αを選択することにより、ＨＩＰプロセス中の変形が、容器３０１の内部に向かって移動する部分３１５及び３２５をもたらし、ＨＩＰプロセス後にビレット３０６が実質的に平行な側部又は円筒形状、及び線３３０に沿って実質的に直線状の輪郭を有することになる。ここで必要に応じて、容器３０１は、ビレット３０６からの材料の損失が無いか又は最小限の損失で線３３０に沿ってビレット３０６の表面から機械加工又は除去することができる。図２の切断線１３０と比べると、材料をかなり節減することができる。

容器３０１と共に使用するために種々の角度αを選択することができる。例示の目的で、図６では角度αを約３度としている。しかしながら、何れかの特定の用途に使用される角度αの値は、例えば、予期される圧縮量、粉体の特性、容器３０１の幾何形状、並びに容器３０１の構築に使用される材料及び厚みに応じて決まることになる。各用途において、角度αの値は、ＨＩＰ処理後に上部分３１５及び下部分３２５が所定位置にまで変形するように決定される。特定の実施形態において、角度αは、０と約１０度の間の範囲にある。更に他の実施形態では、角度αは、約１度〜約１０度の範囲にある。加えて、上部分３１５及び下部分３２５の他の所定の位置は、同様に、得られるビレット３０６に所定の又は選択された形状を提供するように選択することができる。例証として、角度αは、変形後に上部分３１５及び下部分３２５が凹面、凸面、又は必要に応じて他の形状の外壁３１０を提供するように選択することができる。

本発明を特定の例示的な実施形態及びその方法に関して詳細に説明してきたが、上述の説明を理解することにより、当業者にはこのような実施形態に対する代替形態、変形形態、及び均等な形態を容易に提示することができることは理解されるであろう。従って、本開示の範囲は、限定ではなく例証の目的のものであり、本発明の開示は、当業者には容易に理解されるように、本発明に対するこのような修正、変形、及び／又は追加を含むことを排除するものではない。

Claims (5)

1. 熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）により粉体をビレットへと加圧成形するための容器（２０１）であって、当該容器が、軸方向（Ａ）を画成しているとともに、
   容器上面（２００）と、
   容器底面（２３５）と、
   容器上面（２００）と容器底面（２３５）の間に位置してそれらをつなぐ外壁（２１０）であって、外壁（２１０）が、粉体を受け入れるための内部（２０２）を画成し、外壁（２１０）が上部分（２１５）と中央部分（２２０）と下部分（２２５）とを有しており、前記外壁（２１０）の上部分（２１５）及び下部分（２２５）が、軸方向（Ａ）から非ゼロの角度αを画成するように容器（２０１）の内部（２０２）から離れて傾斜し、角度αが１度〜１０度の範囲にあって加圧成形後に上部分（２１５）及び下部分（２２５）が所定位置に配置されてビレットの選択形状を形成するように選択される、外壁（２１０）と
   を備える容器（２０１）。
2. 角度αが、加圧成形後にビレットが容器（２０１）の外壁（２１０）に沿って実質的に平行（２１６）、実質的に凸状又は実質的に凹状の側部を有するように選択される、請求項１記載の容器（２０１）。
3. 前記中央部分（２２０）が弓状の形状を含む、請求項１又は請求項２記載の容器（２０１）。
4. 熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）により粉体をビレットへと加圧成形するための容器（３０１）であって、当該容器が、軸方向（Ａ）を画成し且つ中央部を有しているとともに、
   容器上面（３００）と、
   容器底面（３３５）と、
   容器上面（３００）と容器底面（３３５）の間に位置してそれらをつなぐ外壁（３１０）であって、粉体を受け入れるための内部を画成する円筒形の外壁（３１０）と
   を備え、
   外壁（３１０）が上部分（３１５）と下部分（３２５）とを有していて、上部分（３１５）及び下部分（３２５）の各々が、軸方向（Ａ）に沿って且つ容器の中央部に向かって厚みが減少するテーパーを有しており、外壁（３１０）が上部分（３１５）及び下部分（３２５）の各々に沿って内面（３４５）及び外面（３４０）を含んでいて、内面（３４５）及び外面（３４０）が、内面（３４５）と外面（３４０）の間に角度αを形成していて、角度αが１度〜１０度の範囲にある、容器（３０１）。
5. 前記上部分（３１５）及び下部分（３２５）の各々のテーパが、加圧成形後にビレットが容器（３０１）の外壁（３１０）に沿って実質的に平行、実質的に凸状又は実質的に凹状の側部を有するように選択される、請求項４記載の容器（２０１）。
   

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