JP6310924B2

JP6310924B2 - 材料を接合する方法およびシステム

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Publication number: JP6310924B2
Application number: JP2015534722A
Authority: JP
Inventors: ツァオ，チ; キャトリン，ウィリアム・アール; ザバラ，ロバート・ジョン; スクーノーヴァー，ジェフリー・ジョン; クレタニー，ローレント; メイヤー，マーク・ケヴィン; ローリア，キース・アンソニー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: US20160016196A1; WO2014052710A1; US9144822B2; CA2885602C; EP2900402A1; US9649659B2; CN104684665B; JP2015533104A; CA2885602A1; BR112015006956A2; US20140093657A1; EP2900402B1; CN104684665A

Description

本発明は、材料を接合する方法およびシステムに関する。

適用疲労（application fatigue）は、様々な金属、セラミック、および合金成分（例えば、超合金）を摩耗させることがある。例えば、割れ、減耗、壊食、および／または他の様々な条件が、元の基材材料の剥離もしくは摩耗を引き起こすことがある。摩耗した構成要素を修復するために、充填材料を添加（例えば、溶接）して、割れを埋める、減耗に継ぎをあてる、および／または別の方法で、壊食によって失われた材料を補充してもよい。同様に、２つ以上の構成要素を共に接合するとき、充填材料が、１つまたは複数の構成要素の元の基材材料に添加されてもよい。修復および／または接合した構成要素全体にわたって比較的強度があって均一な機械的性質を提供するために、基材材料と同じ、またはそれに類似した充填材料が使用されてもよい。

充填材料が、比較的高い溶融温度を有する比較的高温性能の合金（例えば、ガスタービンエンジンの比較的高温の熱ガス経路で使用されるニッケルおよび／またはコバルト系の超合金）である場合、充填材料を元の基材材料に適用できる前に、エネルギーの比較的顕著な印加が充填材料に加えられなければならない。しかし、充填材料を溶融するのに使用される多量の放射熱（例えば、溶接装置によって生じる）が、元の基材材料にも影響することがある。例えば、放射熱が衝突することによって、元の基材材料のスランピング、溶融、再結晶、結晶粒の成長、および／または微細構造に対する他の変化が引き起こされることがある。元の基材材料のかかる変化は、修復および／または共に接合される構成要素（１つもしくは複数）の強度、靱性、および／または他の機械的性質を低減させることがある。さらに、元の基材材料に放射熱が衝突することによって、冷却中に、一般に「熱間割れ」と呼ばれる、充填材料と元の基材材料との間の接合部における破面が生じることがある。

溶融温度がより低い充填材料が代わりに使用されてもよいが、かかる充填材料は、高温では性能が低下することがあり、および／または元の基材材料の機械的性質とますます異なる機械的性質を有することがある。例えば、ろう付けプロセスは、元の基材材料に付与する熱がより少なくてもよい。しかし、ろう付け材料の融点は元の基材材料の融点よりも低くなければならず、そのためには融点抑制元素（melting point suppressing elements）（例えば、ケイ素および／またはホウ素）の使用を要することがあり、その量によって比較的多量の金属間相が形成され、それが、修復および／または接合された構成要素（１つもしくは複数）の機械的性質に悪影響を与える。元の基材材料に関する問題を引き起こすことなく、溶融温度が比較的高い充填材料の使用を可能にする、技術およびシステムが求められている。

欧州特許第１４３９０４１号

一実施形態では、充填材料を基材材料に接合する方法が提供される。方法は、充填材料を溶融させるため、充填材料を坩堝の溶融チャンバ内で溶融することを含む。坩堝は、溶融チャンバに流体接続された出口を有する。方法はまた、坩堝の出口の両端間に第１の圧力差を適用することによって、充填材料を坩堝の溶融チャンバ内で保持することと、坩堝の出口の両端間に第２の圧力差を適用することによって、充填材料を坩堝の溶融チャンバから放出して、充填材料を基材材料の標的部位に送達することとを含む。第２の圧力差は第１の圧力差とは異なる値を有する。

別の実施形態では、充填材料を基材材料に接合するシステムが提供される。システムは、充填材料を保持するための溶融チャンバを有する坩堝を含む。坩堝は、溶融チャンバに流体接続された出口を含む。加熱素子は、坩堝の溶融チャンバ内の充填材料を加熱するために、坩堝に動作可能に接続される。加熱素子は、充填材料を溶融させるため、充填材料を溶融チャンバ内で溶融するように構成される。流量制御機構は、溶融チャンバの出口を通る充填材料のフローを制御するために、坩堝に動作可能に接続される。流量制御機構は、坩堝の出口の両端間に圧力差を適用するように構成される。圧力差は、充填材料を溶融チャンバ内で保持する。

別の実施形態では、充填材料を基材材料に接合する方法が提供される。方法は、充填材料を溶融させるため、充填材料を坩堝の溶融チャンバ内で溶融することを含み、坩堝は、溶融チャンバに流体接続された出口を有する。方法はまた、坩堝の出口における充填材料の上部圧力（head pressure）以下である負のゲージ圧を坩堝の溶融チャンバ内で提供することによって、充填材料を坩堝の溶融チャンバ内で保持することを含む。方法はさらに、充填材料を基材材料の標的部位に送達するために、約５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（３４．５ｋＰａ）以上である正のゲージ圧を、坩堝の溶融チャンバ内で提供することによって、充填材料を坩堝の溶融チャンバから放出することを含む。

充填材料を基材材料に接合するシステムの例示的な一実施形態を示す概略図である。図１に示されるシステムのノズルの例示的な一実施形態を示す断面図である。図１に示されるシステムの別の概略図である。充填材料を基材材料に接合する方法の例示的な一実施形態を示すフローチャートである。

特定の実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面と併せ読むことによってより十分に理解されるであろう。さまざまな実施形態は、図面に示される配置および手段に限定されないことが理解されるべきである。

本明細書で使用するとき、単数で列挙され若しくは数詞なしの要素またはステップは、複数の前記要素またはステップを除外するものと明示的に記述されない限り、かかる除外として理解されるべきでない。さらに、「一実施形態」に対する言及は、列挙される特徴も組み込んだ追加の実施形態が存在することを除外するものとして解釈されないものとする。さらに、逆のことが明示的に記述されない限り、特定の性質を有する１つの要素もしくは複数の要素を「備える」または「含む」実施形態は、その性質を有さない追加のかかる要素を含んでもよい。

様々な実施形態は、充填材料を基材材料に接合する方法およびシステムを提供する。様々な実施形態は、充填材料を溶融させるため、充填材料を坩堝の溶融チャンバ内で溶融することと、坩堝の出口の両端間に第１の圧力差を適用することによって、充填材料を坩堝の溶融チャンバ内で保持することと、坩堝の出口の両端間に第２の圧力差を適用することによって、充填材料を坩堝の溶融チャンバから放出して、充填材料を基材材料の標的部位に送達することとを含んでもよい。充填材料は、基材材料の標的部位から離れた遠隔距離で溶融されてもよいので、充填材料の溶融により、基材材料の標的部位が、標的部位の固相線および／または再結晶温度よりも高温になることがない。溶融した充填材料は、連続流の形で基材材料の標的部位に送達されてもよい。様々な実施形態は、変動する圧力差を使用して、不活性ガス用のノズルを通した充填材料の継続的な排出、および／または接合動作を制御する、流量制御機構を提供してもよい。

様々な実施形態は、従来の接合および修復技術の機械的性質における改善を提供してもよい。様々な実施形態は、溶融汚染の量を低減させて、または溶融汚染を伴わずに充填材料を継続的に送達する、比較的実用的で比較的有効な方策を提供してもよい。様々な実施形態の技術的効果は、充填材料中における融点抑制剤の使用を低減もしくは排除すること、基材材料に付与される過剰な熱の量を低減すること、および／または充填材料の汚染を伴わずに構成要素を修復するための溶融した充填材料を送達することを含んでもよい。例えば、様々な実施形態の技術的効果は、充填材料の汚染を伴わずに継続的に構成要素を修復するために、および／または充填材料の汚染を伴わずに再鋳造して修復するために、比較的きれいな溶融した充填材料を提供してもよい。さらに、様々な実施形態の技術的効果は、熱衝撃、機械的破損、および／または溶融汚染（例えば、溶融チャンバによる）を伴わずに、（例えば、セラミック製坩堝の）溶融チャンバ内部で充填材料（例えば、超合金充填材料）を溶融することを含んでもよい。様々な実施形態の技術的効果は、構成要素の適切な構造および／又は性質を回復するために利用可能な修復技術がなかったために、従来は交換されていた、構成要素の修復を可能にすることを含んでもよい。さらに、様々な実施形態の技術的効果は、基材材料に近づきつつある、それに類似の、および／またはそれと同一の機械的性質を有する接合部によって後で接合することができる、比較的高品質の下位構成要素を鋳造するための、代替の製造の選択肢を可能にすることを含んでもよい。

本明細書で使用するとき、「構成要素」という用語は、溶融した充填材料を構成要素の基材材料の標的部位に加えることを可能にする、任意の構造、任意のサイズ、および任意の幾何学形状を有する、任意のタイプの構成要素であってもよい。例えば、構成要素は、標的部位に空隙を有する比較的平坦な修復面を含んでもよい。空隙は、割れ、摩擦、減耗、壊食、構成要素の基材材料の剥離および／または摩耗を引き起こすことがある他の条件などであるが、それらに限定されない、様々な適用疲労によって存在することがある。さらに、いくつかの実施形態では、構成要素は、１つもしくは複数の曲線、隅部、アーム、接合部などを含む。本明細書に記載および／または例示する様々な実施形態を使用して修復ならびに／あるいは接合されてもよい構成要素の例としては、鋳造プロセスを使用して製作された構成要素、航空機の構成要素、航空機エンジンの構成要素、ガスタービンエンジンの構成要素（例えば、ガスタービンエンジン用のバケット）、エーロフォイル（例えば、ガスタービンエンジン用のタービンブレード）、ノズル（例えば、ガスタービンエンジンの単結晶ノズル）などが挙げられるが、それらに限定されない。

構成要素の基材材料は、溶融した充填材料を１つまたは複数の場所（即ち、標的部位）で基材材料に接合させる（例えば、接触させ、それに続いて結合させる）ことを可能にする、任意の物質（１つもしくは複数）を含んでもよい。例えば、基材材料は、金属、合金、セラミックス、超合金などを含んでもよいが、それらに限定されない。いくつかの実施形態では、基材材料は、比較的少量のケイ素を含むか、またはケイ素を含まない。いくつかの実施形態では、基材材料は、比較的高温の熱ガス経路用途向けのガスタービンエンジンで使用されるニッケル系超合金などであるがそれに限定されない、ニッケル系超合金を含む。例えば、基材材料は、市販のＲｅｎｅ（商標）Ｎ５合金を含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態では、基材材料は、比較的高温の熱ガス経路用途向けのガスタービンエンジンで使用されるコバルト系超合金などであるがそれに限定されない、コバルト系超合金を含む。構成要素の基材材料の標的部位は、充填材料が添加されるように意図される任意の場所（１つもしくは複数）であってもよい。例えば、標的部位は、割れ、複数の構成要素もしくは下位構成要素間の接合部、減耗、壊食範囲などを含んでもよい。

図１は、基材材料１４の標的部位１８（図３に示される）において構成要素１６（図３に示される）の基材材料１４（図３に示される）に充填材料１２を接合する、システム１０の例示的な一実施形態を示す概略図である。後述するように、システム１０は、基材材料１４の標的部位１８から離れた遠隔距離Ｄ_R（図３に示される）に配設されてもよい。本明細書で使用するとき、「遠隔距離」という用語は、システム１０からの放射エネルギーの結果として、標的部位１８が標的部位１８の固相線および／または再結晶温度よりも高温にならないように十分に大きい、標的部位１８とシステム１０（例えば、加熱素子２０、坩堝２２、および坩堝２２内の任意の溶融した充填材料１２）との間の任意の距離を含む。

システム１０は、坩堝２２、発熱体２４、および流量制御機構７０を含む。発熱体２４は加熱素子２０を含む。坩堝２２は充填材料１２を保持するように構成される。具体的には、坩堝２２は溶融チャンバ２６を含む。溶融チャンバ２６は、充填材料１２が溶融される際に充填材料１２を中で保持し、それによって溶融状態へと転換させるように構成される。溶融チャンバ２６は、溶融した充填材料１２が基材材料１４に送達される前、溶融した充填材料１２を少なくとも一時的に中で保持するように構成される。

坩堝２２は、充填材料１２が溶融される際に溶融チャンバ２６が充填材料１２を中で保持することを可能にし、また、溶融チャンバが溶融した充填材料１２を少なくとも一時的に中で保持することを可能にする、任意の物質（１つもしくは複数）を含んでもよい。坩堝２２の適切な物質の例としては、酸化物、炭化物、窒化物、アルミナ系セラミックス、アルミナ、多孔質アルミナ、窒化ホウ素、石英、セラミックス、耐火セラミックス、金属製のコールドハース、誘導加熱が可能な物質などが挙げられるが、それらに限定されない。円錐形のシリンダの形状を有するものとして示されているが、それに加えて、またはその代わりに、坩堝２２は、本明細書に記載および／または例示されるように坩堝２２が機能するのを可能にする、他の任意の形状を含んでもよい。いくつかの実施形態では、坩堝２２は、比較的急速な加熱に対して耐熱衝撃性であるように構成されるとともに、少なくとも約３０分間にわたって少なくとも約１５５０℃の溶融した充填材料１２（例えば、ＧＴＤ４４４合金、Ｒｅｎｅ（商標）１４２合金、およびＮ５合金）を収容するのに十分な強度および不活性がある。坩堝２２の溶融チャンバ２６は、約１０グラム超、約３０グラム超などであるがそれらに限定されない、任意の容量を有してもよい。

充填材料１２は、充填材料１２を完全に溶融した状態へと転換し（即ち、充填材料１２の液相線を超える状態まで加熱し）、溶融状態で基材材料１４に送達し、基材材料１４と接合させることができるように、任意の物質（１つもしくは複数）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、充填材料１２は２００℃以上で過熱される。充填材料１２は、連続的な溶融流の形で基材材料の標的部位１８に送達することができてもよい。充填材料１２に含まれてもよい物質の例としては、金属、合金、セラミックス、超合金などが挙げられるが、それらに限定されない。いくつかの実施形態では、充填材料１２は、比較的少量のケイ素を含むか、またはケイ素を含まない。いくつかの実施形態では、充填材料１２は、比較的高温の熱ガス経路用途向けのガスタービンエンジンで使用されるニッケル系超合金などであるがそれに限定されない、ニッケル系超合金を含む。例えば、充填材料１２は、市販のＲｅｎｅ（商標）Ｎ５合金または市販のＲｅｎｅ（商標）１４２合金を含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態では、充填材料１２は、比較的高温の熱ガス経路用途向けのガスタービンエンジンで使用されるコバルト系超合金などであるがそれに限定されない、コバルト系超合金を含む。

いくつかの実施形態では、充填材料１２の組成は、基材材料１４の組成と同一であるか、または基材材料１４の組成に類似している。充填材料１２の組成が基材材料１４の組成と同一であるかまたは類似している実施形態は、充填材料１２および基材材料１４が同じまたは類似の物理的特性を有するため、収縮、割れ、および／または他の性能欠陥を低減もしくは防止してもよい。さらに、かかる実施形態は、基材材料１４と充填材料１２との間で物理的性質をより緊密に合致させて、性能の強化および／または予測可能性の向上を潜在的に可能にしてもよい。基材材料１４が単結晶を含むようないくつかの実施形態では、充填材料１２の組成が基材材料１４と類似しており、ただし標的部位１８における結晶粒界により、同じでなくてもよい。例えば、基材材料１４が単結晶Ｒｅｎｅ（商標）Ｎ５を含むとき、充填材料１２はＲｅｎｅ（商標）１４２を含んでもよい。

充填材料１２は、１つまたは複数のインゴットとして、１つまたは複数のペレットとして、１つまたは複数のロッドとして、１つまたは複数のブロックとして、１つまたは複数のワイヤとして、粉末として、スラリーとしてなどであるがそれらに限定されない、任意の状態、構造、形態、構成、サイズ、形状、量などで、坩堝２２の溶融チャンバ２６に供給されてもよい。

上述したように、システム１０は発熱体２４を含み、発熱体は、充填材料１２を溶融状態へと転換する加熱素子２０を含む。具体的には、加熱素子２０は、加熱素子２０が充填材料１２を坩堝２２の溶融チャンバ２６内で加熱し、それによって充填材料１２を溶融状態へと転換するように構成されるようにして、坩堝２２に動作可能に接続される。換言すれば、加熱素子２０は、充填材料１２を溶融させるため、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で溶融するように構成される。加熱素子２０は、例えば、溶融した充填材料１２が基材材料１４に適用される前の所定の時間量の間、溶融物として、および／または所定の温度範囲内で、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で維持するように構成されてもよい。

加熱素子２０は、坩堝２２の溶融チャンバ２６内の充填材料１２に十分なエネルギー（例えば、熱）を加え、それによって充填材料１２を溶融させることができる、任意のタイプの加熱素子であってもよい。システム１０の例示的な実施形態では、加熱素子２０は誘導コイルである。加熱素子２４は、電気接続３０を通して加熱素子２０の誘導コイルに動作可能に接続される電源２８を含む。電源２８は、加熱素子２０の誘導コイルに電流（例えば、交流電流）を供給する。電流は加熱素子２０の誘導コイルを励磁し、それによって誘導コイルが、抵抗加熱によって溶融チャンバ２６内の充填材料１２を加熱する電磁界を発生させる。

電源２８は、充填材料１２が溶融されるように坩堝２２の溶融チャンバ２６内の充填材料１２を加熱する、任意の励磁スキーム（例えば、任意の電圧量および／または任意の電流量）で、加熱素子２０の誘導コイルを励磁してもよい。加熱素子２０の誘導コイルは、充填材料１２が溶融状態へと転換されるように、誘導コイル２０ａが溶融チャンバ２６内の充填材料１２を加熱することを可能にする、任意の構成、任意の配置、任意の構造、任意の形状、任意のサイズ、任意の巻数、任意のサイズの巻回、任意の数の異なる巻回方向、任意の全長、任意の数の異なる構成のセグメントなどを有してもよい。システム１０の例示的な実施形態では、加熱素子の誘導コイルは坩堝２２の周面に巻き付けられる。しかし、加熱素子２０の誘導コイルは、坩堝２２の溶融チャンバ２６の付近および／または周りで他の任意の動作可能な構成を有してもよい。誘導コイルであるものとして図示され記載されているが、加熱素子２０は、それに加えてまたはその代わりに、アーク溶接装置（例えば、ＴＩＧ溶接）、ガス溶接装置（例えば、酸素アセチレン溶接）、エネルギービーム溶接装置（例えば、レーザービーム溶接）、マイクロ波などであるがそれらに限定されない、他の任意のタイプの加熱素子を含んでもよい。

坩堝２２は、頂部３２から底部３４まで延在する。システム１０の例示的な実施形態では、頂部３２は、溶融チャンバ２６に対して開いている開口部３６を含む。開口部３６は、充填材料１２および／または他の物質（例えば、真空を与えるガスなど）を溶融チャンバ２６内へと装入する入口を提供する。１つのみが示されているが、坩堝２２は、任意の数の開口部３６を頂部３２に含んでもよい。さらに、頂部３２を通って延在するのに加えて、またはその代わりに、坩堝２２は、充填材料１２および／または他の物質を溶融チャンバ２６に装入する入口を提供するために、坩堝２２の任意の側面（１つもしくは複数）を通って延在する１つまたは複数の開口部（図示なし）を含んでもよい。

坩堝２２は、溶融チャンバ２６に流体接続される出口システム４０を含む。出口システム４０は、溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６から基材材料１４の標的部位１８に送達するのを容易にする、任意の構造、構成、手段、配置などを含んでもよい。いくつかの実施形態では、出口システム４０は、溶融した充填材料１２を、連続的な溶融流の形で溶融チャンバ２６から基材材料１４の標的部位１８に送達するように構成される。出口システム４０および／またはその１つもしくは複数の構成要素（例えば、後述する開口部４２とノズル４６）は、本明細書では、溶融チャンバ２６の「出口」と呼ばれることがある。

いくつかの実施形態では、出口システム４０は、例えば約４ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（２７．６ｋＰａ）〜約１６ｐｓｉ（１１０．３ｋＰａ）の圧力下で、少なくとも約２メートル／秒（ｍ／ｓ）の流量で、溶融した充填材料１２を基材材料１４の標的部位１８に送達するように構成される。さらに、いくつかの実施形態では、出口システム４０は、例えば約４ｐｓｉ（２７．６ｋＰａ）〜約１６ｐｓｉ（１１０．３ｋＰａ）の圧力下で、長さ少なくとも約１０センチメートル（ｃｍ）、長さ少なくとも約２０ｃｍなどである充填材料１２の連続的な溶融流を、基材材料１４の標的部位１８に送達するように構成される。約３ｍ／ｓの流量では、充填材料１２の長さ約２０ｃｍの温度損失は、約１０℃未満であり得る。

出口システム４０は、溶融チャンバ２６に対して開いている１つまたは複数の開口部４２を含む。開口部４２は、溶融した充填材料１２を坩堝の溶融チャンバ２６から放出するための出口を提供する。システム１０の例示的な実施形態では、開口部４２は坩堝２２の底部３４を通って延在する。しかし、底部３４を通って延在するのに加えて、またはその代わりに、出口システム４０は、坩堝２２の任意の側面（１つもしくは複数）３８および／または頂部３２を通って延在する、１つもしくは複数の開口部４２を含んでもよい。単一の開口部４２のみが示されているが、出口システム４０は、任意の数の開口部４２を含んでもよい。

出口システム４０はノズル４６を含んでもよい。ノズル４６は、より詳細に後述するように、充填材料１２を基材材料１４の標的部位１８に加えるため、開口部４２に流体接続される。

図２は、ノズル４６の例示的な一実施形態の断面図である。ノズル４６は基部５０および先端５２を含む。ノズル４６は、基部５０の端面５６から先端５２の先端面５８までの中央長手方向軸線５４に沿った長さＬを延在する。ノズル４６は任意の長さＬを有してもよい。いくつかの実施形態では、ノズル４６の長さＬは、溶融した充填材料１２（図１および３に示される）を連続的な溶融流の形で送達するのを容易にするように、溶融した充填材料１２からの熱損失を防ぐのを容易にするように、ならびに／または溶融した充填材料１２に対する汚染（ノズル４６および／もしくは雰囲気との接触による）を防ぐのを容易にするように選択される。ノズル４６の長さＬの例としては、約５０ｍｍ〜約２５０ｍｍ、約５０ｍｍ超、約１４９ｍｍ超などが挙げられるが、それらに限定されない。

ノズル４６は、図２で分かるように、ノズル４６の長さＬを通って延在する開口部６０を含む。開口部６０は、入口セグメント６２、先細セグメント６４、および出口セグメント６６を含む。入口セグメント６２は、端面５６を通って基部５０に沿って延在する。出口セグメント６６は先端面５８を通って延在する。先細セグメント６４は、入口セグメント６２と出口セグメント６６との間を延在し、それらを相互に流体接続する。

開口部６０の入口セグメント６２は長さＬ₁を延在する。システム１０の例示的な実施形態では、入口セグメント６２は、溶融した充填材料１２を坩堝２２（図１および３に示される）から受け入れるため、その開口部４２（図１および３に示される）に直接流体接続される。入口セグメント６２は任意の長さＬ₁を有してもよい。いくつかの実施形態では、入口セグメント６２の長さＬ₁は、溶融した充填材料１２を連続的な溶融流の形で送達するのを容易にするように、溶融した充填材料１２からの熱損失を防ぐのを容易にするように、および／または溶融した充填材料１２に対する汚染を防ぐのを容易にするように選択される。入口セグメント６２の長さＬ₁の例としては、約３０ｍｍ〜約２３０ｍｍ、約３０ｍｍ超、約１２９ｍｍ超などが挙げられるが、それらに限定されない。

入口セグメント６２は直径Ｄ₁を含む。システム１０の例示的な実施形態では、入口セグメント６２の直径Ｄ₁は、入口セグメント６２の長さに沿ってほぼ一定である。しかし、あるいは、入口セグメント６２の直径Ｄ₁はその長さに沿って可変である。入口セグメント６２は任意の直径Ｄ₁を有してもよい。入口セグメント６２の直径Ｄ₁は、開口部４２の直径と同じであるかもしくはそれに類似してもよく、またはそうでなくてもよい。いくつかの実施形態では、入口セグメント６２の直径Ｄ₁、および／または直径Ｄ₁と開口部４２の直径との関係は、溶融した充填材料１２を連続的な溶融流の形で送達するのを容易にするように、溶融した充填材料１２からの熱損失を防ぐのを容易にするように、および／または溶融した充填材料１２に対する汚染を防ぐのを容易にするように選択される。入口セグメント６２の直径Ｄ₁の例としては、約１０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１０ｍｍ超、約１９ｍｍ超などが挙げられるが、それらに限定されない。

開口部６０の先細セグメント６４は、任意の長さＬ₂であってもよい長さＬ₂を延在する。いくつかの実施形態では、先細セグメント６４の長さＬ₂は、溶融した充填材料１２を連続的な溶融流の形で送達するのを容易にするように、溶融した充填材料１２からの熱損失を防ぐのを容易にするように、および／または溶融した充填材料１２に対する汚染を防ぐのを容易にするように選択される。先細セグメント６４の長さＬ₂の例としては、約９ｍｍ〜約２９ｍｍ、約９ｍｍ超、約２８ｍｍ超などが挙げられるが、それらに限定されない。

先細セグメント６４は、先細セグメント６４が入口セグメント６２から出口セグメント６６まで延在するのにしたがって、径方向内側へと（中央長手方向軸線５４に対して）先細になっている。換言すれば、先細セグメント６４は開口部６０の幅を狭めている。先細セグメント６４のテーパは、ノズル４６の傾斜した内壁６８によって画成される。具体的には、内壁６８は、先細セグメント６４が出口セグメント６６まで延在するのにしたがって径方向内側に延在する傾斜Ｓを有する。内壁６８は、先細セグメント６４に任意の量のテーパを与える任意の傾斜Ｓを有してもよい。いくつかの実施形態では、先細セグメント６４のテーパ量は、溶融した充填材料１２を連続的な溶融流の形で送達するのを容易にするように、溶融した充填材料１２からの熱損失を防ぐのを容易にするように、および／または溶融した充填材料１２に対する汚染を防ぐのを容易にするように選択される。内壁６８の傾斜Ｓの例としては、約２０°〜約４０°、約２０°超、約３９°超などが挙げられるが、それらに限定されない。システム１０の例示的な実施形態では、内壁６８の傾斜Ｓは、先細セグメント６４の長さに沿ってほぼ一定である。しかし、あるいは、先細セグメント６４の傾斜Ｓはその長さに沿って可変である。

ノズル４６の出口セグメント６６は、充填材料１２を基材材料１４の標的部位１８に適用するのに使用される。例えば、出口セグメント６６は、基材材料１４への適用のために溶融した充填材料１２が出口システム４０を出る、出口を提供する。いくつかの実施形態では、ノズル４６が溶融した充填材料１２を連続的な溶融流の形で基材材料１４に送達するように構成されるようにして、出口セグメント６６が構成される。出口セグメント６６は、本明細書では「出口開口部」と呼ばれることがある。

開口部６０の出口セグメント６６は直径Ｄ₂を含む。出口セグメント６６は任意の直径Ｄ₂を有してもよい。出口セグメント６６は、任意の長さＬ₃であってもよい長さＬ₃を延在する。いくつかの実施形態では、出口セグメント６６の長さＬ₃は、溶融した充填材料１２を連続的な溶融流の形で送達するのを容易にするように、溶融した充填材料１２からの熱損失を防ぐのを容易にするように、および／または溶融した充填材料１２に対する汚染を防ぐのを容易にするように選択される。出口セグメント６６の長さＬ₃の例としては、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍ、約０．５ｍｍ超、約１．９ｍｍ超などが挙げられるが、それらに限定されない。いくつかの実施形態では、出口セグメント６６の長さＬ₃は、例えば約４ｐｓｉ（２７．６ｋＰａ）〜約１６ｐｓｉ（１１０．３ｋＰａ）の圧力下で、出口システム４０を通る溶融した充填材料１２の少なくとも約２ｍ／ｓの流量を提供するように選択される。さらに、いくつかの実施形態では、出口セグメント６６の長さＬ₃は、例えば約４ｐｓｉ（２７．６ｋＰａ）〜約１６ｐｓｉ（１１０．３ｋＰａ）の圧力下で、長さ少なくとも約１０センチメートル（ｃｍ）、長さ少なくとも約２０ｃｍなどである、充填材料１２の連続的な溶融流を送達するように選択される。

ノズル４６は、本明細書に記載および／または例示するようにノズル４６を機能させることができる、任意の物質（１つもしくは複数）を含んでもよい。ノズル４６は、坩堝２２と同じもしくは類似の物質から製作されてもよく、または坩堝２２とは別の物質もしくは追加の物質から製作されてもよい。ノズル４６の適切な物質の例としては、酸化物、炭化物、窒化物、アルミナ系セラミックス、アルミナ、多孔質アルミナ、窒化ホウ素、石英、セラミックス、耐火セラミックス、金属製のコールドハース、誘導加熱が可能な物質などが挙げられるが、それらに限定されない。ノズル４６は、坩堝２２と一体的に（例えば、坩堝２２と同じ物質（１つもしくは複数）から）形成されてもよく、または坩堝２２に後から取り付けられる、坩堝２２とは別個の構成要素として形成されてもよい。

図２に示されるノズル４６は単なる例示であるものとする。換言すれば、出口システム４０は、本明細書に図示され記載されるノズル４６の特定の実施形態に限定されない。より正確に言えば、ノズル４６に加えて、またはその代わりに、出口システム４０は、他の形状、サイズ、構成要素、構成、配置などを有する他のノズル（図示なし）を含んでもよい。

図１を再び参照すると、簡潔に上述したように、システム１０は流量制御機構７０を含む。流量制御機構７０は、出口システム４０を通る溶融した充填材料１２のフローを制御するために、坩堝２２に動作可能に接続される。例えば、流量制御機構７０は、坩堝２２の出口システム４０の両端間（例えば、出口セグメント６６におけるノズル４６の開口部６０の両端間）に圧力差ΔＰ₁を適用して、溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持するように構成される。具体的には、流量制御機構７０は、坩堝２２の出口システム４０の両端間に圧力差ΔＰ₁を適用することによって、溶融した充填材料１２が出口システム４０を出るのを防ぐように構成される。さらに、流量制御機構７０は、坩堝２２の出口システム４０の両端間に別の圧力差ΔＰ₂を適用することによって、溶融した充填材料１２を坩堝２２の溶融チャンバ２６から放出し、それによって、出口システム４０を通して溶融した充填材料１２を坩堝２２の溶融チャンバ２６から排出するように構成される。溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持するのに使用される圧力差ΔＰ₁は、本明細書では「第１の圧力差」と呼ばれることがあり、溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６から放出するのに使用される圧力差ΔＰ₂は、本明細書では「第２の圧力差」と呼ばれることがある。後述するように、圧力差ΔＰ₁およびΔＰ₂は異なる値を有する。さらに、圧力差ΔＰ₁およびΔＰ₂を使用して、出口システム４４を通る溶融した充填材料１２のフローを制御するのに加えて、またはその代わりに、例えば、２０１２年９月２８日付けで出願された米国特許出願第１３／６３０、８７４号、名称「材料を接合する方法およびシステム（METHODS AND SYSTEMS FOR JOINING MATERIALS）」（整理番号２５８８１８（５５１−００７３ＵＳ））に記載されているように、流量制御機構７０は、出口システム４０を通る溶融した充填材料１２のフローを制御するのに電磁浮遊を使用してもよい。

本明細書で使用するとき、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で「保持」することは、充填材料１２が出口システム４０を出るのを防ぐように、充填材料１２を十分な力で保持することを意味するものとする。例えば、充填材料１２を「保持」することは、重力と反対の方向（例えば、図１の矢印Ａの方向）で作用する保持力を充填材料１２に働かせることを含んでもよく、その保持力は、（例えば、図１の矢印Ｂの方向で）充填材料１２に作用する重力よりも大きいので、充填材料１２は重力によって出口システム４０を通して引き出されない。換言すれば、例えば、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で「保持」するために出口システム４０の両端間に適用される圧力差は、出口システム４０における充填材料１２の上部圧力とは反対の方向（例えば、方向Ａ）で、充填材料１２に作用する保持力を働かせてもよい。

充填材料１２を溶融チャンバ２６内で「保持」することは、充填材料１２を溶融チャンバ２６の内壁７２から離れる方向で持ち上げることを含んでも含まなくてもよい。いくつかの実施形態では、出口システムおよび／またはその１つもしくは複数の構成要素（例えば、開口部４２とノズル４６）は、溶融チャンバ２６の一部と考えられる。したがって、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で「保持」することは、充填材料１２が既に出口システム４０内にある場合に、それが出口システム４０を出ないようにすること、またはそれが出口システム４０内でさらに下流へと移動しないようにすることを含んでもよい。しかし、いくつかの実施形態では、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で「保持」することは、「保持」中は充填材料１２が出口システム４０内にないように、充填材料１２が出口システム４０に流入するのを防ぐことを含む。さらに、他の実施形態では、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で「保持」することは、既に出口システム４０内にある充填材料１２を、（例えば、充填材料１２が出口システム４０内にないように）出口システム４０内で少なくとも部分的に上流へと引き寄せることを含む。換言すれば、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で「保持」することは、充填材料１２を、出口システム４０の一セグメントまたは全体（例えば、開口部４２と、ノズル４６のセグメント６６、６４、および６２）から分離することを含んでも含まなくてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、充填材料１２に働く保持力は、充填材料１２を出口システム４０の任意のセグメントから分離するのに十分ではない。

流量制御機構７０は、本明細書に記載および／または例示するように、充填材料１２を坩堝２２の溶融チャンバ２６内で保持することができる、任意の構成要素を含んでもよい。システム１０の例示的な実施形態では、流量制御機構７０は、非酸化ガス８４および８６それぞれの供給源７４および７６に動作可能に接続される入口システム７２を含む。入口システム７２は、供給源７４および７６それぞれから溶融チャンバ２６へと非酸化ガスを注入するように構成される。具体的には、より詳細に後述するように、入口システム７２は、溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持するために、環境圧よりも低い圧力で、非酸化ガス８４を供給源７４から溶融チャンバ２６へと注入するように構成され、また入口システム７２は、溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６から放出するために、環境圧よりも高い圧力で、非酸化ガス８６を供給源７６から溶融チャンバ２６へと注入するように構成される。

供給源７４の非酸化ガス８４は、不活性ガス（例えば、アルゴン）などであるがそれに限定されない、任意のタイプの非酸化ガスであってもよい。さらに、供給源７６の非酸化ガス８６は、不活性ガス（例えば、アルゴン）などであるがそれに限定されない、任意のタイプの非酸化ガスであってもよい。供給源７４の非酸化ガス８４は、供給源７６の非酸化ガス８６と同じであってもそうでなくてもよい。供給源７４の非酸化ガス８４は、供給源７６の非酸化ガス８６の圧力Ｐ２よりも低い圧力Ｐ１を有する。入口システム７２は、弁、絞り弁、ブローアウト（blowouts）、ポンプ、真空ポンプ、センサ、制御装置、プロセッサ、手動遮断機構（manual shutoffs）、自動遮断機構、ホース、導管、配管、管材、絶縁などであるがそれらに限定されない、様々な流量および／または雰囲気制御機構（図示なし）を含んでもよい。例えば、システム１０の例示的な実施形態では、入口システム７２は、溶融チャンバ２６と非酸化ガス源７４および７６との間で流体接続される１つまたは複数の弁７８を含む。入口システム７２はまた、非酸化ガス源７４および７６の間で切り替えるように弁７８の動作を制御する、１つまたは複数のスイッチ８０を含む。具体的には、スイッチ８０は、弁７８が、供給源７４のより低圧の非酸化ガス８４または供給源７６のより高圧の非酸化ガス７６のどちらと溶融チャンバ２６を流体連通させるかを制御する。各弁７８は、２ポート弁、３ポート弁、４ポート弁、Ｌ型ボールバルブなどであるがそれらに限定されない、任意のタイプの弁であってもよい。各スイッチ８０は、比較的高速のデジタルスイッチなどであるがそれに限定されない、任意のタイプのスイッチであってもよい。例えば、約０．００２５秒の応答時間を有する比較的高速の圧力スイッチは、供給源７４から供給源７６までの推移を約０．０１秒以内に制御するのに使用されてもよい。１つのみが示されているが、入口システム７２は、供給源７４および７６の間で切り替えるため、任意の数の弁７８、任意の数のスイッチ８０、および／または任意の数の他の構成要素を含んでもよい。供給源７４の非酸化ガス８４は、本明細書では「第１の非酸化ガス」と呼ばれることがあり、供給源７６の非酸化ガス８６は「第２の非酸化ガス」と呼ばれることがある。

入口システム７２に加えて、流量制御機構７０は、充填材料１２が出口システム４０を通して溶融チャンバ２６を出るのを防ぐ、１つもしくは複数のゲート（図示なし）、１つもしくは複数のプラグ（図示なし）、１つもしくは複数の弁（図示なし）、および／または１つもしくは複数の他の流量制御デバイスを含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスは、開口部４２内、および／または出口システム４０の別の場所に位置付けられる。ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスは、ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスが、充填材料１２が出口システム４０を出るのを阻害する閉位置と、ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスが、充填材料１２が出口システム４０を出るのを阻害しない開位置との間で推移してもよい。いくつかの実施形態では、開口部４２は、溶融した充填材料１２が開口部４２を通り抜けることができるようになる前は、充填材料１２の過剰圧力が必要とされるようにサイズ決めされる。かかる実施形態では、充填材料１２は、間隔を空けて溶融チャンバ２６から吐き出されてもよい。

システム１０は、システム１０の動作を制御する、１つもしくは複数のコントローラ８２および／または他のサブシステムを含んでもよい。例えば、コントローラ８２は、加熱素子２０、流量制御機構７０、入口システム７２、スイッチ８０、弁７８、システム１０の任意のセンサ、任意のゲート、プラグ、弁、スイッチ、および／またはシステム１０の他の流量制御デバイスなどの動作を制御してもよい。コントローラ８２によって制御されてもよいシステム１０の様々な構成要素の動作の例としては、加熱素子２０の始動、加熱素子２０によって充填材料１２に付与される熱量、出口システム４０を両端間での圧力差の適用、圧力差によって充填材料１２に働く保持力の量、加熱素子２０の誘導コイルの励磁の開始、加熱素子２０の誘導コイルの具体的な励磁スキーム、溶融チャンバ２６への非酸化ガスの注入開始、溶融チャンバ２６へと注入される非酸化ガスのタイプ、量、および／または圧力などが挙げられるが、それらに限定されない。

コントローラ８２の他の例示的な動作としては、システム１０の１つもしくは複数のセンサを監視して、充填材料１２に付与される熱の量および／または割合を決定すること、システム１０の１つもしくは複数のセンサを監視して、充填材料１２の温度を決定、および／または充填材料１２が充填材料１２の液相線温度に達しているか否かを判断すること、システム１０の１つもしくは複数のセンサを監視して、溶融チャンバ２６内の圧力量を決定すること、システム１０の１つもしくは複数のセンサを監視して、出口システム４０の両端間の圧力差の量を決定すること、システム１０の１つもしくは複数のセンサを監視して、充填材料１２に加えられている保持力の量を決定すること、システム１０の１つもしくは複数のセンサを監視して、出口システム４０を通る溶融した充填材料１２の流量を決定することなどが挙げられるが、それらに限定されない。

動作の際、またここで図１および３を参照すると、充填材料１２は、例えば開口部３６を通して、坩堝２２の溶融チャンバ２６にロードされる。上述したように、充填材料１２は、充填材料１２が溶融チャンバ２６へとロードされるとき、任意の状態であってもよく、任意の構造、形態、構成、サイズ、形状、量などを有してもよい。加熱素子２０の誘導コイルは、電源２８を使用して励磁され、それによって溶融チャンバ２６内の充填材料１２を加熱する。十分な熱量が充填材料１２に付与された後で、充填材料１２は溶融し、それによって溶融状態へと転換される。図１および３は両方とも、溶融されている充填材料１２を示す。

いくつかの実施形態では、充填材料１２を溶融することは、例えば、溶融した充填材料１２が、冷えて凝固する前に基材材料１４（図１には図示なし）の標的部位１８（図１には図示なし）全体にわたって流れて、完全に充填することが確保されるのを容易にするために、充填材料１２の液相線温度を超える温度まで充填材料１２を過熱することを含む。加熱素子２０の誘導コイルは、例えば、溶融した充填材料１２が基材材料１４に適用される前の所定の時間量の間、溶融物として、および／または所定の温度範囲内で、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で維持するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、システム１０は、超合金充填材料を約１５分以内で室温から約１５５０℃まで加熱するとともに、熱衝撃、機械的破損、溶融汚染などを伴わずに、約３０分以上の滞留時間を可能にするように構成される。

上述したように、充填材料１２を溶融することは、基材材料１４の標的部位１８から遠隔距離Ｄ_R（図１には図示なし）で行われてもよい。遠隔距離Ｄ_Rは、システム１０からの放射エネルギーの結果として、標的部位１８が標的部位１８の固相線および／または再結晶温度よりも高温にならないように十分に大きい、標的部位１８とシステム１０（例えば、加熱素子２０、坩堝２２、および坩堝２２内の任意の溶融した充填材料１２）との間の任意の距離を含む。遠隔距離Ｄ_Rは、充填材料１２の溶融が、基材材料１４の標的部位１８の場所と同じ設備内または異なる設備内で行われるような寸法を有してもよい。遠隔距離Ｄ_Rは、例えば、加熱素子２０から充填材料１２に加えられるエネルギー量、充填材料１２に加えられる時間エネルギー量、基材材料１４の標的部位１８を構成する特定の物質（１つもしくは複数）、溶融チャンバ２６内に収容された任意の溶融した充填材料１２の量および／または温度、ならびに／あるいはシステム１０と標的部位１８との間の任意の絶縁隔壁に応じて決まってもよい。いくつかの実施形態では、システム１０からの一部の放射エネルギーは、標的部位１８の固相線および／または再結晶温度よりも低い温度まで標的部位１８を加熱してもよい。かかる実施形態では、可能性として後述するように標的部位１８を予熱するときに、かかる加熱が考慮に入れられてもよい。充填材料１２を標的部位１８からの遠隔距離Ｄ_Rで溶融させるのが可能であることについては、２０１２年４月２３日付けで出願された米国特許出願第１３／４５３，０９７号、名称「遠隔溶融接合方法および遠隔溶融接合システム（REMOTE MELT JOINING METHODS AND REMOTE MELT JOINING SYSTEMS）」（整理番号２４８７１８）にも記載されている。

基材材料１４の標的部位１８に送達される前、充填材料１２は、簡潔に上述したように、出口システム４０の両端間に圧力差ΔＰ₁を適用することによって、溶融チャンバ２６内で保持される。具体的には、スイッチ８０および弁７８が作動して、非酸化ガス８４を供給源７４から溶融チャンバ２６へと注入し、それによって、非酸化ガス８４の圧力Ｐ₁で溶融チャンバ２６が加圧される。図１は、非酸化ガス８４で加圧された溶融チャンバ２６を示す。

非酸化ガス８４の圧力Ｐ₁は環境圧Ｐ_envより低い。環境圧Ｐ_envは、基材材料１４およびノズル４６の場所における環境の圧力である。環境圧Ｐ_envは、１気圧、約１〜約２気圧など、任意の圧力であってもよいがそれらに限定されない。供給源７４からの非酸化ガス８４の圧力Ｐ₁は環境圧Ｐ_envよりも低いので、溶融チャンバ２６内のガス圧は環境圧Ｐ_envよりも低い。非酸化ガス８４を用いた溶融チャンバ２６の加圧によって、式Ｐ₁−Ｐ_envによって得ることができる、出口システム４０の両端間の圧力差ΔＰ₁がもたらされる。式Ｐ₁−Ｐ_envを使用して計算すると、圧力差ΔＰ₁は負の値を有し、非酸化ガス８４のゲージ圧である。システム１０がノズル４６を含む例示的な実施形態では、圧力差ΔＰ₁はノズル４６の出口セグメント６６の両端間のものである。

圧力差ΔＰ₁は、溶融チャンバ２６内の充填材料１２を保持する保持力を充填材料１２に働かせる。換言すれば、圧力差ΔＰ₁は、充填材料１２が出口システム４０を出るのを防ぐ。システム１０の例示的な実施形態では、圧力差ΔＰ₁によって充填材料１２に働く保持力は、方向Ａで作用する。図１に示されるように、圧力差ΔＰ₁は、ノズル４６の出口セグメント６６で充填材料１２を保持し、それによって充填材料１２が出口システム４０を全体的に充填し、ノズル４６を出なくなる。しかし、他の実施形態、環境、状況、プロセスステップなどでは、圧力差ΔＰ₁は、充填材料１２が出口システム４０の一部のみを充填するように、または充填材料１２が出口システム４０内にないようにして、出口システム４０の開口部４２または別のセグメントで充填材料１２を保持してもよい。さらに他の実施形態、環境、状況、プロセスステップなどでは、圧力差ΔＰ₁は、既に出口システム４０内にある充填材料１２を、出口システム４０内の少なくとも部分的に上流へと引き寄せてもよい。

坩堝２２および／または出口システム４０の配向（即ち、少なくとも部分的に垂直の配向）に応じて、圧力差ΔＰ₁によってもたらされる保持力は、充填材料１２に作用する重力によって引き起こされる充填材料１２の上部圧力を克服する必要があることがある。換言すれば、坩堝２２および／または出口システム４０のいくつかの配向では、圧力差ΔＰ₁によってもたらされる保持力は、充填材料１２の上部圧力が充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持することができる値以上の値を有することが必要なことがある。したがって、上部圧力が充填材料１２に働く実施形態では、圧力差ΔＰ₁の具体的な値は上部圧力の値に応じて決まる。坩堝２２および／または出口システム４０の配向（例えば、ほぼ水平の配向）が理由で、充填材料１２に上部圧力が働かない他の実施形態では、圧力差は、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持することができる保持力を提供するために、単にゼロよりも大きい（正の値を有するように計算したとき）か、またはゼロ未満（負の値を有するように計算したとき）であれば良いことがある。

システム１０の例示的な実施形態では、坩堝２２および出口システム４０は、充填材料１２がノズル４６の出口セグメント６６において方向Ｂで作用する上部圧力を有するように配向される。圧力差ΔＰ₁は、方向Ｂの反対である方向Ａで作用する保持力を働かせる。圧力差ΔＰ₁によって充填材料１２に働く保持力は、上部圧力の絶対値以上の絶対値を有する。圧力差ΔＰ₁が負の値を有するようにして圧力差ΔＰ₁が計算されると、圧力差ΔＰ₁の値は、充填材料１２の負の上部圧力の値以下である。換言すれば、坩堝２２の溶融チャンバ２６内の負のゲージ圧は、充填材料１２の上部圧力以下である。

非酸化ガス８４の圧力Ｐ₁、環境圧Ｐ_env、および圧力差ΔＰ₁はそれぞれ、充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持するのに十分な任意の値を有する保持力を提供する、任意の値を有してもよい。Ｐ₁−Ｐ_envを使用して計算したときの圧力差ΔＰ₁の値の例としては、少なくとも約−０．１ｐｓｉ（−０．７ｋＰａ）、約−０．１ｐｓｉ（−０．７ｋＰａ）〜約−２．０ｐｓｉ（−１３．８ｋＰａ）、少なくとも約−２．０ｐｓｉ（−１３．８ｋＰａ）、約１．０ｐｓｉ（６．９ｋＰａ）〜約５．０ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）、少なくとも約５．０ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）などが挙げられるが、それらに限定されない。例えば、約１５．０ｐｓｉ（１０３．４ｋＰａ）の環境圧Ｐ_envの場合、ガスの圧力Ｐ₁は、約−２．０ｐｓｉ（−１３．８ｋＰａ）の圧力差ΔＰ₁を与える、約１３．０ｐｓｉ（８９．６ｋＰａ）として選択されてもよい。

いくつかの実施形態では、圧力差ΔＰ₁を使用した充填材料１２の保持は、充填材料１２の加熱が開始される前に開始され、または圧力差ΔＰ₁を使用した充填材料１２の保持および充填材料１２の加熱は同時に開始される。他の実施形態では、充填材料１２は、充填材料１２の加熱が開始される後まで、圧力差ΔＰ₁を使用して保持されない。いくつかの実施形態では、充填材料１２が溶融チャンバ２６へとロードされるとすぐに、圧力差ΔＰ₁が適用される。

充填材料１２の加熱が開始される後まで、圧力差ΔＰ₁を使用して充填材料１２が保持されない実施形態では、圧力差ΔＰ₁を使用する保持は、任意の充填材料１２が溶融状態へと転換されるとすぐに開始されて、かかる溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持してもよい。例えば、ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスが出口システム４０内に提供されない場合、圧力差ΔＰ₁を使用した充填材料１２の保持は、任意の充填材料１２が溶融状態へと転換されるとすぐに開始されて、かかる溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持してもよい。ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスが出口システム４０内に提供される実施形態では、ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスに依存して、圧力差ΔＰ₁が適用される前に、任意の溶融した充填材料１２が溶融チャンバ２６内で保持されてもよく、あるいは、任意の充填材料１２が溶融状態へと転換されるとすぐに圧力差ΔＰ₁が開始されて、ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスを補ってもよい。さらに、充填材料１２が、開口部４２よりも小さいサイズで、または開口部４２の内で保持されるフィルタもしくはスクリーン（図示なし）内の開口部よりも小さいサイズで、溶融チャンバ２６に供給される場合、充填材料１２が溶融チャンバ２６へとロードされるとすぐに（ゲート、プラグ、弁、および／もしくは他の流量制御デバイスを使用するのに加えて、またはその代わりに）、圧力差ΔＰ₁が開始されてもよい。

いくつかの実施形態では、充填材料１２は、充填材料１２がすべて溶融状態へと転換される後まで、圧力差ΔＰ₁を使用して保持されない。充填材料１２がすべて溶融状態へと転換される後まで、充填材料１２が圧力差ΔＰ₁を使用して保持されないような実施形態では、ゲート、プラグ、弁、および／または他の流量制御デバイスが出口システム４０内に提供されて、圧力差ΔＰ₁が適用される前に、溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６内で保持してもよい。

充填材料１２の溶融中、充填材料１２が圧力差ΔＰ₁を使用して保持される実施形態では、充填材料１２の少なくとも一部は非酸化環境で溶融され、それによって帯電汚染（例えば、酸化）を防ぐことが容易になってもよい。換言すれば、溶融チャンバ２６へと注入される非酸化ガス８４によって、充填材料１２の溶融中におけるその帯電汚染（例えば、酸化）を防ぐことが容易になってもよい。

いくつかの実施形態では、基材材料１４の標的部位１８は、溶融した充填材料１２がそこに送達される前に前処理される。基材材料１４の標的部位１８の前処理は、充填材料１２を溶融する前に、それと同時に、またはそれに続いて（もしくはそれと組み合わせて）行われてもよい。標的部位１８の前処理は、室温よりは高いが標的部位１８の固相線および／または再結晶温度よりは低い予熱温度まで標的部位１８を予熱すること、標的部位１８（例えば、その表面）を清浄化すること、標的部位１８で基材材料１４の少なくとも一部を掘削することなどを含んでもよいが、それらに限定されない。

基材材料１４の標的部位１８を清浄化することで、基材材料１４と充填材料１２との間の比較的高品質な結合が可能になってもよい。標的部位１８を清浄化することは、酸化物、他の非金属化合物などを標的部位１８から取り除くことを含んでもよいが、それに限定されない。標的部位１８の清浄化は、酸洗い、水素クリーニング、フッ化物イオンクリーニングなどであるがそれらに限定されない、任意の方法、手段、清浄剤などを使用して行われてもよい。

標的部位１８における基材材料１４の少なくとも一部の掘削により、より幾何学的な、一貫した、かつ／または別の形でアクセス可能な標的部位１８が可能になってもよい。さらに、掘削は、例えば、充填材料１２を後で追加するのを容易にする、任意の幾何学的および／または非幾何学的形状を有する標的部位１８を提供してもよい。標的部位１８における基材材料１４の少なくとも一部の掘削は、研削、切断、シェービング、穿孔、サンダー仕上げなどであるがそれらに限定されない、任意の方法、手段、器具などを使用して行われてもよい。

標的部位１８を予熱することは、中でも特に、溶融した充填材料１２が標的部位１８に適用されたとき、溶融した充填材料１２の早期の冷却および／または凝固を防ぐこと、標的部位１８および／またはその周りに存在する残留応力を低減することなどの助けとなってもよい。標的部位１８の予熱は、誘導コイル、炉、レーザー、ならびに／または標的部位１８にエネルギーおよび／もしくは熱を提供することができる他の任意の装置を使用することなどであるが、それらに限定されない、様々な加熱方法によって達成されてもよい。いくつかの実施形態では、坩堝２２内の充填材料１２を溶融するのに使用されるのと同じ加熱素子２０が、基材材料１４の標的部位１８を予熱するのにも使用される。例えば、溶融した充填材料１２を標的部位１８に送達する前に、標的部位１８がその固相線および／または再結晶温度よりも高温にならず、その代わりにそれよりも低い温度で維持される限り、共通の誘導コイル（図示なし）が標的部位１８と坩堝２２との間で推移してもよい。

いくつかの実施形態では、基材材料１４の標的部位１８の温度は、熱電対、高温計、温度計などであるがそれらに限定されない、１つまたは複数の温度センサ（図示なし）を介して（例えば、コントローラ８２および／もしくは別の制御システムを使用して）監視される。１つまたは複数の温度センサからのフィードバックは、予熱温度が制御されるように、基材材料１４の標的部位１８に加えられる熱および／またはエネルギーを制御するのに利用されてもよい。例えば、かかるフィードバックは、予熱デバイスに対する電力量、予熱デバイスと標的部位１８との間の距離、および／または基材材料１４の標的部位１８の温度に影響することがある他の任意の変数を制御するのに利用することができる。

溶融した充填材料１２を基材材料１４に適用し始めることが望ましくなると、流量制御機構７０を使用して、溶融した充填材料１２が出口システム４０を通して坩堝２２から放出される。例えば、いくつかの実施形態では、溶融した充填材料１２は、出口システム４０の両端間に圧力差ΔＰ₂を適用することによって、坩堝２２の溶融チャンバ２６から放出される。具体的には、スイッチ８０および弁７８が作動して、非酸化ガス８６を供給源７６から溶融チャンバ２６へと注入し、それによって、非酸化ガス８６の圧力Ｐ２で溶融チャンバ２６が加圧される。図３は、非酸化ガス８６で加圧された溶融チャンバ２６を示す。

非酸化ガス８６の圧力Ｐ₂は環境圧Ｐ_envよりも高い。供給源７６からの非酸化ガス８６の圧力Ｐ₂は環境圧Ｐ_envよりも高いので、溶融チャンバ２６内のガス圧は環境圧Ｐ_envよりも高い。非酸化ガス８６を用いた溶融チャンバ２６の加圧によって、式Ｐ₂−Ｐ_envによって得ることができる、出口システム４０の両端間の圧力差ΔＰ₂がもたらされる。式Ｐ₂−Ｐ_envを使用して計算すると、圧力差ΔＰ₂は正の値を有し、非酸化ガス８６のゲージ圧である。システム１０がノズル４６を含む例示的な実施形態では、圧力差ΔＰ₂はノズル４６の出口セグメント６６の両端間のものである。

圧力差ΔＰ₂は、充填材料１２に排出力を働かせ、それによって充填材料１２が溶融チャンバ２６から排出される。換言すれば、圧力差ΔＰ₂が、出口システム４０を通して充填材料１２を溶融チャンバ２６から排出させる。圧力差ΔＰ₂が適用されたとき、溶融した充填材料１２が出口システム４０を出ることができるように、出口システム４０内に提供される任意のゲート、プラグ、弁、または他の流量制御デバイスが除去および／または開放されてもよい。いくつかの実施形態では、流量制御機構７０は、連続的な溶融流の形で溶融した充填材料１２を溶融チャンバ２６から放出するように構成される。

システム１０の例示的な実施形態では、圧力差ΔＰ₂によって充填材料１２に働く排出力は方向Ｂで作用する。坩堝２２および／または出口システム４０の配向（即ち、少なくとも部分的に垂直の配向）に応じて、圧力差ΔＰ₂によってもたらされる排出力は、充填材料１２に作用する重力を補ってもよい。換言すれば、圧力差ΔＰ₂によってもたらされる排出力は、充填材料１２の上部圧力を補ってもよい。例えば、システム１０の例示的な実施形態では、圧力差ΔＰ₂によってもたらされる排出力は、ノズル４６の出口セグメント６６における上部圧力と同じ方向Ｂで作用する。

非酸化ガス８６の圧力Ｐ₂、環境圧Ｐ_env、および圧力差ΔＰ₂はそれぞれ、出口システム４０を出る溶融した充填材料１２の任意の流量を提供する任意の値を有する排出力をもたらす、任意の値を有してもよい。換言すれば、排出力は、溶融した充填材料１２を基材材料１４の標的部位１８に任意の所望の流量で送達するために選択されてもよい。溶融した充填材料１２を排出するためのシステム全体の応答時間は、定常状態に推移している間の流速の上昇率によって限定されてもよい。

Ｐ₂−Ｐ_envを使用して計算したときの圧力差ΔＰ₂の値の例としては、少なくとも約１．０ｐｓｉ（６．９ｋＰａ）、約１．０ｐｓｉ（６．９ｋＰａ）〜１０．０ｐｓｉ（６８９ｋＰａ）、少なくとも約５．０ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）、約５．０ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）〜約１５．０ｐｓｉ（１０３．４ｋＰａ）、少なくとも約１５．０ｐｓｉ（１０３．４ｋＰａ）などが挙げられるが、それらに限定されない。例えば、約１５．０ｐｓｉ（１０３．４ｋＰａ）の環境圧Ｐ_envの場合、ガスの圧力Ｐ₂は約３０．０ｐｓｉ（２０６．８ｋＰａ）として選択されてもよく、それによって約１５．０ｐｓｉ（１０３．４ｋＰａ）の圧力差ΔＰ₂が与えられる。

図３は、溶融した充填材料１２が、坩堝２２の溶融チャンバ２６から出口システム４０を通して基材材料１４の標的部位１８に送達されていることを示している。ここで図３のみを参照すると、溶融した充填材料１２は、基材材料１４の標的部位１８から離れる任意のフロー距離Ｄ_Fで、出口システム４０（例えば、ノズル４６）を出てもよい。溶融した充填材料１２は、任意の時間長の間、例えば、所望量および／または必要量の溶融した充填材料１２を標的部位１８に適用するのに必要な時間長の間、基材材料１４の標的部位１８に送達され適用されてもよい。例えば、標的部位１８に対する溶融した充填材料１２の送達および適用の持続時間は、溶融した充填材料１２の流量、標的部位１８のサイズなどに応じて決まってもよいが、それらに依存することに限定されない。標的部位１８に対する溶融した充填材料１２の送達および適用は、充填材料１２が溶融するのと同じまたはほぼ類似した環境で生じてもよい。１つまたは複数の標的部位１８に対する溶融した充填材料１２の送達毎の質量および入熱量は、約０．０５秒から約１秒などであるがそれに限定されない、保圧時間を必要に応じてプリセットすることによって制御されてもよい。

いくつかの実施形態では、溶融した充填材料１２を基材材料１４の標的部位１８に送達することによって、標的部位１８における基材材料１４の局所部分（即ち、溶融した充填材料１２と接触する基材材料１４の部分）が一時的に溶融する。具体的には、溶融した充填材料１２の温度によって、基材材料の局所部分の温度が、基材材料の局所部分の溶融温度よりも高温に一時的に上昇し、それによって、充填材料１２および基材材料１４の局所部分が冷えるにつれて、溶融した充填材料１２と基材材料１４の局所部分とが互いに結合する。かかる実施形態では、基材材料１４と結合された充填材料１２の結果として得られる接合は元のギャップよりも大きいことがある。

いくつかの実施形態では、出口システム４０は、連続的な溶融流の形で（例えば、送達の間に明確な液滴もしくは他の中断を形成することなく）、溶融した充填材料１２を坩堝２２から基材材料１４の標的部位１８に送達するように構成される。例えば、溶融した充填材料１２のフロー距離Ｄ_Fおよび流量は、溶融した充填材料１２が連続流の形で標的部位１８に送達されるように調整されてもよい。溶融した充填材料１２を連続流の形で送達することは、停止または中断なしに、溶融した充填材料１２を標的部位１８に連続的に適用することを指してもよい。連続流の形で（各適用の間に中断を含む複数の適用間隔によるのとは対照的に）溶融した充填材料１２をすべて適用することによって、基材材料１４に適用される新しい材料（即ち、充填材料１２）が、凝固後の比較的強度がある機械的性質を提供することができてもよい。さらに、使用される特定の充填材料１２（例えば、Ｒｅｎｅ（商標）１４２）に応じて、基材材料１４に適用される新しい材料は、充填材料１２を標的部位１８で直接溶融させた場合に使用できるのよりも、相対的に強度がある機械的性質を提供することができてもよい。それにより、溶融した充填材料１２の凝固が、より低温の基材材料１４への除去熱量によって生じてもよい。いくつかの実施形態では、システム１０は、約１０ｃｍ超、約１９ｃｍ超、約２０ｃｍ、約１ｃｍ〜約２０ｃｍなどである、充填材料１２の連続的な溶融流を送達するように構成される。

所望の量の充填材料１２が基材材料１４の標的部位１８に適用された後で、標的部位１８に対する溶融した充填材料１２の送達は、圧力差ΔＰ₂を充填材料１２に再び適用することによって、ゲート、プラグ、弁、もしくは他の流量制御デバイスを閉じることによって、坩堝２２内の溶融した充填材料１２を使い果たすことによって、ならびに／あるいは出口システム４０を基材材料１４の標的部位１８から離れる方向に移動させることによって、停止されてもよい。充填材料１２を、基材材料１４の別の標的部位（図示なし）または別の基材材料（図示なし、例えば、充填材料１２を使用して修復すること、および／もしくは別の方法で充填材料１２を接合させることが望ましい別の構成要素）に適用するのが望ましいとき、圧力差ΔＰ₂、および／またはゲート、プラグ、弁、もしくは他の流量制御デバイスによって、出口システム４０を他の標的部位または他の基材材料へと移動させる際に、充填材料１２が出口システム４０を出るのを（例えば、滴下、流動などを）防いでもよい。出口システム４０が別の標的部位に、または別の基材材料の標的部位に位置付けられた後で、流量制御機構７０を作動させて、上述したように溶融した充填材料１２を坩堝２２から出口システム４０を通して放出することができる。

図４は、充填材料（例えば、図１および３に示される充填材料１２）を基材材料（例えば、図３に示される基材材料１４）に接合する方法３００の例示的な一実施形態を示すフローチャートである。方法３００は、例えば、システム１０（図１および３）を使用して行われてもよい。３０２で、方法３００は、充填材料が完全に溶融するように、充填材料を坩堝（例えば、図１および３に示される坩堝２２）の溶融チャンバ（例えば、図１および３に示される溶融チャンバ２６）内で溶融させることを含む。いくつかの実施形態では、３０２で充填材料を溶融することは、誘導加熱を使用して充填材料を溶融させることを含む。さらに、いくつかの実施形態では、充填材料は２００℃以上まで過熱される。３０２で充填材料を溶融することは、基材材料の標的部位から離れた遠隔距離で充填材料を溶融することによって、３０２における充填材料の溶融が、基材材料の標的部位を標的部位の固相線温度および／または再結晶温度よりも低温で維持することを含んでもよい。さらに、３０２で充填材料を溶融することは、非酸化ガスを溶融チャンバに適用することを含んでもよい。

３０４で、方法３００は、坩堝の出口（例えば、図１および３に示される出口システム４０）の両端間に第１の圧力差（例えば、圧力差ΔＰ₁）を適用することによって、充填材料を坩堝の溶融チャンバ内で保持することを含む。３０４で充填材料を保持することは、（第１の圧力差を使用して）充填材料が坩堝の出口を出るのを防ぐ。いくつかの実施形態では、第１の圧力差を使用して充填材料を坩堝の溶融チャンバ内で保持することは、３０４Ａで、環境圧よりも低い溶融チャンバ内のガス圧を提供することを含む。さらに、いくつかの実施形態では、第１の圧力差を使用して充填材料を溶融チャンバ内で保持することは、坩堝の出口における充填材料の上部圧力以下（絶対値で）である溶融チャンバ内の負のゲージ圧を提供することを含む。

３０６で、方法３００は、坩堝の出口の両端間に第２の圧力差（例えば、圧力差ΔＰ₂）を適用することによって、溶融した充填材料を坩堝の溶融チャンバから放出して、溶融した充填材料を基材材料の標的部位に送達することを含む。第２の圧力差は、第１の圧力差とは異なる値および方向を有する。３０６で第２の圧力差を適用することによって充填材料を放出することは、出口を通して充填材料を溶融チャンバから排出することを含む。充填材料を坩堝の溶融チャンバから放出することは、環境圧よりも高い溶融チャンバ内のガス圧を提供することを含む。いくつかの実施形態では、充填材料を坩堝の溶融チャンバから放出することは、３０６Ａで、約５ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）以上の溶融チャンバ内の正のゲージ圧を提供することを含む。さらに、いくつかの実施形態では、３０６で溶融した充填材料を放出することは、上述したように、連続的な溶融流の形で充填材料を基材材料の標的部位に送達することを含む。３０６で溶融した充填材料を放出することは、充填材料に作用する重力を補うことを含んでもよい。

方法３００は、３０８で、溶融した充填材料を使用して標的部位の基材材料を修復すること、および／または、３１０で、溶融した充填材料を使用して基材材料を標的部位の別の構成要素に接合することを含んでもよい。

図１および３を再び参照すると、いくつかの実施形態では、システム１０は、（１）少なくとも約１５分以内で室温から少なくとも約１５５０℃までの急速な加熱に対して耐熱衝撃性であり、（２）少なくとも約３０分間少なくとも約１５５０℃で充填材料１２を保持することができ、（３）少なくとも約３０分間少なくとも約１５５０℃で充填材料１２に暴露されたときに化学的に不活性であり、（４）少なくとも約１０ｃｍ（例えば、約２０ｃｍ以下）である充填材料１２の連続的な溶融流を中断なしで送達することができ、（５）約５０℃未満の温度損失で溶融した充填材料１２流を送達することができ、（６）約１０℃未満の温度損失で溶融した充填材料１２流を送達することができ、（７）約１５ｃｍ〜約２５ｃｍの長さを有するとともに、約１０℃未満の熱損失で約５ｐｓｉ〜約１５ｐｓｉの圧力差の下で移動する、連続的な溶解噴流（即ち、溶融した充填材料１２流）を送達することができ、ならびに／または、（８）継続的にかつ／もしくは一貫して、溶融した充填材料１２流を送達することができる。

様々な実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実施されてもよいことに留意されたい。様々な実施形態および／または構成要素、例えばモジュール、またはその中の構成要素およびコントローラはまた、１つもしくは複数のコンピュータまたはプロセッサの一部として実施されてもよい。コンピュータまたはプロセッサは、コンピュータデバイス、入力デバイス、表示装置、および、例えばインターネットにアクセスするためのインターフェースを含んでもよい。コンピュータまたはプロセッサはマイクロプロセッサを含んでもよい。マイクロプロセッサは通信バスに接続されてもよい。コンピュータまたはプロセッサはメモリも含んでもよい。メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および読出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含んでもよい。コンピュータまたはプロセッサはさらに、ハードディスクドライブ、またはソリッドステートドライブ、光ドライブなどの取外し可能な記憶デバイスであってもよい、記憶デバイスを含んでもよい。記憶デバイスはまた、コンピュータプログラムもしくは他の命令をコンピュータまたはプロセッサにロードするための、他の類似の手段であってもよい。

本明細書で使用するとき、「コンピュータ」、「コントローラ」、および「モジュール」という用語はそれぞれ、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、ＧＰＵ、ＦＰＧＡ、および本明細書に記載する機能を実行することができる他の任意の回路もしくはプロセッサを使用するシステムを含む、任意のプロセッサベースまたはマイクロプロセッサベースのシステムを含んでもよい。上記の例は単なる例示であり、したがって、いかなる形でも、「モジュール」もしくは「コンピュータ」という用語の定義および／または意味を限定しようとするものではない。

コンピュータ、モジュール、またはプロセッサは、入力データを処理するために、１つもしくは複数の記憶素子に格納された命令セットを実行する。記憶素子は、所望または必要に応じて、データまたは他の情報も格納してもよい。記憶素子は、処理装置内の情報源または物理的なメモリ素子の形態であってもよい。

命令セットは、処理装置としてのコンピュータ、モジュール、またはプロセッサに、本明細書に記載および／または例示されるさまざまな実施形態の方法およびプロセスなどの特定の動作を行うように命令する、さまざまなコマンドを含んでもよい。命令セットは、ソフトウェアプログラムの形態であってもよい。ソフトウェアは、システムソフトウェアまたはアプリケーションソフトウェアなど、さまざまな形態であってもよく、有形で持続性のコンピュータ可読媒体として具体化されてもよい。さらに、ソフトウェアは、別個のプログラムまたはモジュールの集合体、より大きいプログラム内のプログラムモジュール、またはプログラムモジュールの一部の形態であってもよい。ソフトウェアはまた、オブジェクト指向プログラミングの形態の、モジュラープログラミングを含んでもよい。処理装置による入力データの処理は、オペレータコマンドに応答して、または前の処理の結果に応答して、または別の処理装置によってなされた要求に応答してのものであってもよい。

本明細書で使用するとき、「ソフトウェア」および「ファームウェア」という用語は交換可能であり、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、および不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを含む、コンピュータによって実行するためにメモリに格納された任意のコンピュータプログラムを含む。上述のメモリタイプは単なる例示であり、したがって、コンピュータプログラムを格納するのに使用可能なメモリのタイプに関して限定するものではない。様々な実施形態の個々の構成要素は、例えば、コンピュータシステムの場所、構成、および／または特定のハードウェアをユーザが気にする必要なく、計算能力の動的割振りを可能にするために、クラウド型の計算機環境によって仮想化されホストされてもよい。

上述の説明は例示であって限定ではないことを理解されたい。例えば、上述の実施形態（および／またはそれらの態様）は互いに組み合わせて使用されてもよい。それに加えて、特定の状況または材料を、様々な実施形態の範囲から逸脱することなくそれらの教示に適応させるため、多くの修正がなされてもよい。寸法、材料および／または物質のタイプ、様々な構成要素の配向、ならびに本明細書に記載する様々な構成要素の数および位置は、特定の実施形態のパラメータを定義することが意図され、決して限定ではなく、単なる例示的な実施形態である。請求項の趣旨および範囲内にある他の多くの実施形態および修正が、上述の説明を精査することによって当業者には明白となるであろう。したがって、本明細書に記載および／または例示される様々な実施形態の範囲は、添付の請求項、ならびにかかる請求項によって権利を与えられる等価物の全範囲を参照して判断されるべきである。添付の請求項において、「含む（including）」および「その点で（in which）」という用語はそれぞれ、「備える（comprising）」および「その点で（wherein）」という用語に対する平易な英語の等価物として使用される。さらに、以下の請求項において、「第１の」、「第２の」、および「第３の」などの用語は単なる標識として使用されるものであり、それらの物体に対して数値的要件を与えようとするものではない。さらに、以下の請求項の限定事項は、ミーンズプラスファンクション形式で記述されず、かかる請求項の限定事項が、「〜のための手段」という語句とそれに続くさらなる構造を含まない機能の記述とを明示的に使用しない限り、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されないものとする。

本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む様々な実施形態を開示するとともに、本明細書に記載および／または例示される様々な実施形態を、任意のデバイスもしくはシステムの作成と使用および任意の組み込まれる方法の実行を含めて、当業者が実施できるようにしている。様々な実施形態の特許可能な範囲は請求項によって定義され、当業者には想起される他の実施例を含んでもよい。かかる他の実施例は、実施例が請求項の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または実施例が請求項の文言と実質的に異ならない等価の構造的要素を含む場合、請求項の範囲内にあるものとする。

１０システム
１２充填材料
１４基材材料
１８標的部位
２０加熱素子
２２坩堝
２４発熱体
２６溶融チャンバ
２８電源
３０電気接続
３２頂部
３４底部
３６開口部
３８側面
４０出口システム
４２開口部
４６ノズル
５０基部
５２先端
５４中央長手方向軸線
５６端面
５８先端面
６０開口部
６２入口セグメント
６４先細セグメント
６６出口セグメント
６８内壁
７０流量制御機構
７２内壁
７４、７６供給源
７８弁
８０スイッチ
８２コントローラ
８４、８６非酸化ガス
Ａ、Ｂ方向
ＤＦフロー距離
ＤＲ遠隔距離
Ｄ１、Ｄ２直径
Ｌ長さ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３長さ
Ｐ１、Ｐ２圧力
Ｐｅｎｖ環境圧
Ｓ傾斜
ΔＰ１、ΔＰ２圧力差

Claims

充填材料を基材材料に接合するシステムであって、
充填材料を保持するための溶融チャンバを有する坩堝を備え、
前記坩堝は、前記溶融チャンバに流体接続されたノズルを有する出口システムを備え、
前記ノズルは、第１の長さを有し且つ前記坩堝に流体接続された開口部を備える入口セグメントを含み、
前記入口セグメントに続くテーパセグメントが第２の長さを有し且つ前記坩堝の長手方向中心軸線に対し内側に向けて半径方向にテーパしており、
前記テーパセグメントに続く出口セグメントが第３の長さを有し、
充填材料を基材材料に接合する前記システムは、さらに、
前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバ内で加熱するために、前記坩堝に動作可能に接続され、前記充填材料が溶融するように前記充填材料を前記溶融チャンバ内で溶融させるように構成された、加熱素子と、
前記溶融チャンバの前記出口システムを通る前記充填材料のフローを制御するために、前記坩堝に動作可能に接続され、前記坩堝の前記出口システムの両端間に、前記充填材料を前記溶融チャンバ内で保持する第１の圧力差を適用するように構成された、流量制御機構と
を備え、
前記流量制御機構が、前記坩堝の前記出口システムの両端間に前記第１の圧力差とは異なる第２の圧力差を適用することによって、前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバから放出して該充填材料を前記基材材料に送達させ、そして、既に前記出口システム（４０）内にある前記充填材料（１２）を上流へと引き寄せて該充填材料が該出口システム全体から分離するように構成された
ことを特徴とする、充填材料を基材材料に接合するシステム。
前記流量制御機構が、環境圧よりも低い前記坩堝の前記溶融チャンバ内のガス圧を提供することによって、前記坩堝の前記出口システムの両端間に前記圧力差を適用するように構成される、請求項１記載のシステム。
前記流量制御機構が、前記坩堝の前記出口システムにおける前記充填材料の上部圧力以下である前記坩堝の前記溶融チャンバ内の負のゲージ圧を提供することによって、前記坩堝の前記出口システムの両端間に前記圧力差を適用するように構成される、請求項１記載のシステム。
前記流量制御機構が、環境圧よりも高い前記坩堝の前記溶融チャンバ内のガス圧を提供することによって、前記坩堝の前記出口システムの両端間に前記第２の圧力差を適用するように構成される、請求項１乃至３のいずれか１項記載のシステム。
前記流量制御機構が、３４．５ｋＰａ（５ポンド／平方インチ）以上である前記坩堝の前記溶融チャンバ内の正のゲージ圧を提供することによって、前記坩堝の前記出口システムの両端間に前記第２の圧力差を適用するように構成される、請求項１記載のシステム。
前記流量制御機構が、前記圧力差を前記溶融チャンバに適用するために、非酸化ガスの供給源に動作可能に接続される弁を備える、請求項１乃至５のいずれか１項記載のシステム。
前記圧力差が第１の圧力差であり、前記流量制御機構が、前記第１の圧力差を前記溶融チャンバに適用するために、第１の非酸化ガスの供給源に動作可能に接続される弁を備え、前記弁が、第２の圧力差を前記溶融チャンバに適用して前記充填材料を前記溶融チャンバから放出するために、第２の非酸化ガスの供給源に動作可能に接続され、前記第１の非酸化ガスが前記第２の非酸化ガスよりも低い圧力を有し、前記第１および第２の圧力差が互いに異なる、請求項１乃至３のいずれか１項記載のシステム。
前記入口セグメントの長さが１０ｍｍから３０ｍｍの間であり、前記テーパセグメントの前記第２の長さが９ｍｍから２８ｍｍの間であり、該テーパセグメントの内部壁が２０°から４０°の間の傾斜を有し、前記出口セグメントの前記第３の長さが０．５ｍｍから２ｍｍである、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
充填材料を基材材料に接合するシステムを用いて充填材料を基材材料に接合する方法であって、
充填材料を基材材料に接合する前記システムは、
充填材料を保持するための溶融チャンバを有する坩堝を備え、
前記坩堝は、前記溶融チャンバに流体接続されたノズルを有する出口システムを備え、
前記ノズルは、第１の長さを有し且つ前記坩堝に流体接続された開口部を備える入口セグメントを含み、
前記入口セグメントに続くテーパセグメントが第２の長さを有し且つ前記坩堝の長手方向中心軸線に対し内側に向けて半径方向にテーパしており、
前記テーパセグメントに続く出口セグメントが第３の長さを有し、
充填材料を基材材料に接合する前記システムは、さらに、
加熱素子と、
前記溶融チャンバの前記出口システムを通る前記充填材料のフローを制御するための、前記坩堝に動作可能に接続された流量制御機構と
を備え、
前記方法は、
前記充填材料が溶融するように、溶融チャンバに流体接続された出口を有する坩堝の前記溶融チャンバ内で前記充填材料を前記加熱素子で溶融させるステップと、
前記流量制御機構で、前記坩堝の前記出口の両端間に第１の圧力差を適用することによって、前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバ内で保持するステップと、
前記流量制御機構で、前記坩堝の前記出口システムの両端間に前記第１の圧力差とは異なる値を有する第２の圧力差を適用することによって、前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバから放出して、前記充填材料を前記基材材料の標的部位に送達するステップと、
前記流量制御機構で、既に前記出口システム（４０）内にある前記充填材料（１２）を上流へと引き寄せて該充填材料を該出口システム全体から分離させるステップと
を含む、方法。
前記第１の圧力差を適用することによって前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバ内で保持するステップが、前記第１の圧力差を使用して、前記充填材料が前記坩堝の前記出口を出るのを防ぐことを含み、前記第２の圧力差を適用することによって前記充填材料を前記溶融チャンバから放出するステップが、前記出口を通して前記充填材料を前記溶融チャンバから排出することを含む、請求項９記載の方法。
前記坩堝の前記出口の両端間に前記第１の圧力差を適用することによって、前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバ内で保持するステップが、環境圧よりも低い前記坩堝の前記溶融チャンバ内のガス圧を提供することを含む、請求項９または１０記載の方法。
前記坩堝の前記出口の両端間に前記第２の圧力差を適用することによって、前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバから放出するステップが、環境圧よりも高い前記坩堝の前記溶融チャンバ内のガス圧を提供することを含む、請求項９乃至１１のいずれか１項記載の方法。
前記坩堝の前記出口の両端間に前記第１の圧力差を適用することによって、前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバ内で保持するステップが、前記坩堝の前記出口における前記充填材料の上部圧力以下である前記坩堝の前記溶融チャンバ内の負のゲージ圧を提供することを含む、請求項９乃至１２のいずれか１項記載の方法。
前記坩堝の前記出口の両端間に前記第２の圧力差を適用することによって、前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバから放出するステップが、５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（３４．５ｋＰａ）以上である前記坩堝の前記溶融チャンバ内の正のゲージ圧を提供することを含む、請求項９乃至１３のいずれか１項記載の方法。
前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバ内で溶融させるステップが、誘導加熱を使用して前記充填材料を溶融させることを含む、請求項９乃至１４のいずれか１項記載の方法。
前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバ内で溶融させるステップが、不活性ガスを前記溶融チャンバに適用すること、非酸化ガスを前記溶融チャンバに適用すること、または前記充填材料を非酸化環境で溶融させることの少なくとも１つを含む、請求項９乃至１５のいずれか１項記載の方法。
前記充填材料を前記坩堝の前記溶融チャンバ内で溶融させるステップが、前記基材材料の前記標的部位から離れた遠隔距離で前記充填材料を溶融させることによって、前記充填材料の溶融が前記基材材料の前記標的部位を前記標的部位の固相線温度または再結晶温度の少なくとも１つよりも低い温度で維持することを含む、請求項９乃至１６のいずれか１項記載の方法。
前記充填材料を使用して前記基材材料を前記標的部位で修復するステップ、または、
前記充填材料を使用して前記基材材料を前記標的部位で別の構成要素に接合するステップの少なくとも１つをさらに含む、請求項９乃至１７のいずれか１項記載の方法。