JP7228274B2 - 超音波噴霧方法によって球状金属粉末を製造するデバイス - Google Patents

Description

本発明は、超音波噴霧方法によって球状金属粉末を製造するデバイスに関する。

一般的に、金属およびそれらの合金の球状粉末は、ガス噴霧方法によって作成される。液体金属噴流は、噴霧器の上側部分で形成され、続いて超音波ガス流によって細分化される。液体金属は、作業ガスによって持ち上げられ、空中にある間に凝固して金属粉末を形成する。液滴の自由行程の高さは数メートルに達するため、噴霧器には、高さ数メートルに及ぶ処理チャンバを有する大型の商業プラントが必須である。この解決策は、大規模な粉末バッチが検討される場合は実行可能であるが、入力材料１０ｋｇ未満の粉末バッチの製造が効率的かつ経済的に妥当なものにならない場合が多い。回転電極噴霧またはプラズマ球状化などの代替の解決策では、有用な粉末分画の少量の収量を得ることはできず、または入力材料が粉末状である必要がある。

高品質の球状金属粉末を製造する別の方法は、超音波噴霧方法である。この方法では、材料噴霧は、液体中で定常波が不安定であることによって行われて、波の振幅が十分に高い値に達すると発生する。粘性力が克服されると、波腹ごとに単一の液滴の放射物が放射され、その後、不安定性が取り戻された後にプロセスが繰り返される。方法は、一般に、有機溶媒の水溶液の噴霧、または溶融金属、特にはんだの噴霧など、低温用途で使用される。高温での、即ちアルミニウムの融点以上での合金の噴霧化は、一般的に、ソノトロードの校正の変化およびキャビテーション損傷により、非常に困難である。

現在知られている金属およびそれらの合金の超音波噴霧方法は、２つのグループに分けることができる。

第１のグループの方法では、材料はるつぼからソノトロードの上に注入される。かかる設定は、ＤＥ１５５８３５６に記載されており、生産の実施が成功している。しかしながら、この技術は、溶融温度が７００℃未満の合金を処理する場合のみ実行可能である。主な問題は、高温でのソノトロードの作業寿命が短く、変換器が過熱することである。冷却は、液体をコイルに流す手段、水噴霧、または送風システムによって行われる。噴霧化を安定した形で行うためには、ソノトロードが液体金属に対して良好な濡れ性を維持し、ソノトロードの先端の温度を処理される合金の融点以上に維持する必要がある。圧電変換器の作業温度に限界があるため、高い温度勾配が作られ、それによってソノトロードの作業寿命が短くなる。

第２のグループは、ソノトロード材料またはソノトロードに付着した材料の局所的溶融に関する方法から成る。これによって、第１のグループよりも高い融点で材料を噴霧することが可能である。レーザー、プラズマ・トーチ、または電子ビームをエネルギー源として使用することができる。かかる実現例は、電子ビームが使用されるＵＳ３２７５７８７特許、およびソノトロードの一部がプラズマ・トーチを使用して溶融されるＣＮ１０３４３３４９９、またはエネルギー源としてレーザーを用いた融点が使用される、Ultrasonic vibration-assisted laser atomization of stainless steel, Habib A.ら, Powder Technology 2017で公開された方法である。

液体金属の制御およびソノトロードの濡れ性の課題は、材料の局所的溶融によって解決されてきたが、それによって更に、噴霧サイクルの長さが制限される。第１の制限は、噴霧されたソノトロードの質量の損失または幾何学形状の変化により、システムの共振周波数が変化することである。しばらくすると、溶融される場所における波の振幅が臨界値を下回って、噴霧プロセスが実質的に停止される。第２の制限は、ソノトロードに熱が蓄積することである。加熱中、剛性が失われることにより、ソノトロードは、振動を伝達する能力を実質的に失うか、または降伏強さが低下することによって修復できないほど損傷する。

ＤＥ３０３２７８５およびＣＮ１０５８５５５５８の出願は、ソノトロードとして高速で供給されるワイヤを使用することによって、即ち材料が軟化する速度を上回る速度で材料を噴霧することによって、上述の課題に対する解決策を提示している。しかしながら、この解決策では、噴霧される材料が高い機械的強度および延性を有する必要があり、したがって、脆弱な材料または降伏強さが低い材料の噴霧には適用できない。

本発明の目的は、上述の制約を有さないデバイスを提供することである。

本発明の核となる独創的進歩は、同時にラジエータ、および液体金属によって濡れる材料として作用するソノトロードである。これら３つの機能を組み合わせることによって、プロセスを、入力材料の形態に関する顕著な限定なしに、連続的に実施することが可能になる。

本発明の主題は、溶融システム（３、４）および入力材料送達システム（６）と、処理チャンバ（１２）と、圧電変換器（１０）と、１００Ｗ／ｍＫ超過の熱伝導率を有する材料で作られ、溶融先端（１）を備える冷却された不融性ソノトロード（２）とを備え、ソノトロードがラジエータとしても作用するのに適しており、溶融先端が液体入力材料による良好な濡れ性を確保するのに適している、超音波噴霧方法によって球状金属粉末を製造するデバイスである。

好ましくは、ソノトロードは、ＣｕＣｒＺｒもしくはＣｕＢｅ銅合金、または焼結タングステン合金で作られる。

好ましくは、入力材料送達システム（６）は材料をワイヤ（５）の形態で送達する。

好ましくは、入力材料送達システム（６）は処理チャンバ（１２）の外部に配置される。

好ましくは、溶融先端（１）およびソノトロード（２）は拡散接合されるか、または溶融先端（１）はソノトロード（２）にねじ込まれるねじ付きロッドの形態で作られる。

好ましくは、溶融先端（１）は少なくとも２つの異なる材料で作られる。

好ましくは、ソノトロード（２）は、ソノトロード（２）材料の縦波長の半分の長さを有する。

好ましくは、ソノトロード（２）による溶融先端（１）の初期共振周波数は、作業周波数よりも１００～３０００Ｈｚ高い。

好ましくは、ソノトロード（２）は、誘電性液体、好ましくは蒸留水またはジエチレングリコールを使用した、冷却に適合される。

好ましくは、デバイスは、少なくとも２つの異なる材料が溶融先端（１）に送達されるのに適合される。

好ましくは、デバイスは、サイクロン（１３）と、粉末ドロップ・バー（ｐｏｗｄｅｒ ｄｒｏｐ ｂａｒ）（１４）と、機械的フィルタ（１５）と、循環ポンプ（１６）とを備え、０．００３ｍ^３～０．１４０ｍ^３の範囲の処理チャンバ（１２）容積で１００ｍｂａｒ～９００ｍｂａｒの範囲の吸引圧力で、０．０７５ｍ^３／ｓ～０．１１３８ｍ^３／ｓの範囲の効率を有する。

好ましくは、処理チャンバ（１２）容積と循環ポンプの効率との比は、０．２～４ １／ｓであり、処理チャンバは、直径３００ｍｍ以下の円筒形状を有する。

好ましくは、デバイスは、液体洗浄媒体源と、液体洗浄媒体計量弁と、洗浄媒体放出部とを備える。

好ましくは、デバイスは、液体洗浄媒体を給送するポンプと、粒子フィルタとを備える。

好ましくは、デバイスは、処理チャンバに接続された真空ポンプを備える。

本発明の主題はまた、本発明によるデバイスの洗浄方法であり、入力材料溶融プロセスが停止された後、ソノトロードが媒体で完全に覆われるまで処理チャンバを満たすために、洗浄媒体が計量弁を通して送達され、続いて超音波発生器を始動させ、３０秒以上プロセスを継続し、続いて洗浄媒体を粉末粒子とともに洗浄媒体放出部を通して除去することを特徴とする。

好ましくは、洗浄媒体は粒子フィルタを通して給送される。

好ましくは、洗浄媒体放出部を通して洗浄媒体を除去した後、処理チャンバ（１２）に真空給送を行って洗浄媒体蒸気を除去する。

デバイスは、１００Ｗ／ｍＫ超過の導電性を有する材料で作られ溶融先端を備え冷却された不融性ソノトロードに、導波管によって接続された圧電変換器と、入力材料送達システムと、材料溶融システムと、処理チャンバ、高電圧発生器と、真空ポンプとを備える。圧電変換器は、材料噴霧に使用される機械的エネルギー源であり、２０ｋＨｚ超過の作業周波数を有し、高電圧発生器によって電力供給される。圧電変換器は、デバイス・フレームへの取付け具として作用し変換器の振動振幅を増加させる、ねじ締結具を通して導波管に接続される。導波管は、ねじ締結具を通して不融性ソノトロードに接続される。不融性ソノトロードは、流動する冷却媒体によって処理チャンバの内部で冷却され、同時に、溶融先端のためのラジエータとして作用する。ソノトロードの二重の役割（振動の伝達と熱の除去）により、熱伝導率が高く、即ち１００Ｗ／ｍＫ超であり、１００ ＨＶ５超の硬度を有する材料を使用する必要がある。冷却媒体の漏れおよび処理チャンバ内への浸入を防ぐシールは、ゼロ振幅振動ノードに、即ち導波管およびソノトロードの長さの半分のところに配置される。冷却媒体は、空気またはジエチレングリコールである。溶融先端は、ねじ締結具によってソノトロードに接続されるか、または拡散接合によって固定される。溶融システムは熱エネルギーを溶融先端に送達する。入力材料に応じて、溶融システムは、不融性タングステン電極およびアーク放電出力源もしくはプラズマ・トーチ、アーク放電出力源およびプラズマ・ガス吹込みシステム、またはレンズおよびレーザー出力源から成ってもよい。同時に、デバイスは、入力材料を溶融先端に送達するシステムを備える。入力材料の形態に応じて、システムは、当該分野で知られているワイヤ・フィーダおよび処理チャンバにつながるチャネル、不規則な顆粒または粉末の形態の材料の振動フィーダ、ロッドの形態の入力材料を溶融先端に導入する機械的プッシャの形で実現することができる。処理チャンバは、当該分野で知られているように冷却され、保護ガスおよび入力材料チャネル、ならびに真空ポンプとの接続部の役割を果たすチャネルを備える。

好ましくは、ソノトロードは、ＣｕＣｒＺｒもしくはＣｕＢｅ銅合金、または焼結タングステン合金で作られる。かかる合金は、システムを熱安定化するのに十分な高い熱伝導率を確保するとともに、十分に高い硬度を特徴とする。

デバイスの動作中、溶融システム、好ましくはアーク放電に耐えられる低電圧発生器は、好ましくはワイヤの形態である入力材料が連続的に送達される先端を溶融させる。同時に、機械的エネルギーは、圧電変換器から、導波管および不融性ソノトロードを通して、溶融先端に伝達されて、入力材料が噴霧され、粉末の形態で落下する。粉末は、噴霧化サイクルが完了した後で処理チャンバから除去されるか、またはポンプによって除去される。低硬度または脆弱な材料を噴霧する場合、先端を溶融させ、圧電変換器を使用することなく入力材料を追加することによって、遷移層がパッド溶接される。続いて、入力材料と対応する化学組成物を含む余剰材料の層が作成された後、変換器が作動され、上述の噴霧化プロセスが開始される。高電圧発生器は、システムの熱ドリフトを相殺するために、システムの共振周波数の変化に適合される。

方法の好ましい実現例では、異なる化学組成物を含む材料から作られた、１つを超えるワイヤが溶融プールに供給される。これによって、化学組成物の勾配を有する粉末の複数のバッチを迅速に製造することが可能になる。

無視できる程度の粉末粒子寸法およびその急速冷却を考慮に入れて、アーク・エネルギー流は、処理チャンバとソノトロードの溶融先端という２つの出力構成要素に分解することができる。処理チャンバは当該分野で知られているように冷却される。溶融先端からの熱はソノトロードによって除去され、それによってラジエータの役割を担い、空気またはジエチレングリコールによって冷却される。システムの残りの部分にねじ締結具によって恒久的に固定できるように、高い熱伝導率および硬度を有する材料を使用することが重要である。溶融システム電力がソノトロードの熱除去能力に合わせて調整された場合、熱エネルギー限界を回避することができる。同時に、入力材料を溶融先端に追加することでソノトロード材料の質量損失を補充することによって、ソノトロードの質量は一定のままである。材料送達システムと溶融先端とを分離することによって、任意の機械的性質および任意の形態で材料を噴霧することが可能になる。

以下、本発明によるデバイスについて、実現例に基づいて、技術的図面に関連して更に詳細に記載する。

超音波噴霧方法によって球状金属粉末を生成するデバイスを示す図である。 上述のシステムとともにデバイスを示す図である。

（実施例１）
本発明によるデバイスの好ましい一実現例を図１に示している。溶融先端（１）はソノトロード（２）と直接接触している。溶融先端（１）の直上に、不融性電極（３）とアーク放電を維持する発生器（４）とから成る、溶融システムが配置される。入力材料は、フィーダ（６）を通してワイヤ（５）の形態で供給される。冷却媒体は、入口（７）を通して流入し、出口（８）を通して流出して、ソノトロード（２）と、高電圧発生器（１１）によって電力供給される圧電変換器（１０）に接続された導波管（９）とを冷却する。システムは処理チャンバ（１２）に封入される。

（実施例１ａ）
長さ１５０ｍｍおよび直径４０ｍｍであり、熱伝導率２０４Ｗ／ｍＫのＡｍｐｃｏｌｏｙ ９４０材料で作られた円筒状ソノトロード（２）を、増幅比２．５：１の導波管（９）によって、定格周波数２０ｋＨｚの圧電変換器（１０）に接続した。ソノトロード（２）シールを、ソノトロード（２）の前面から７０ｍｍの波節に配置し、上述の部品全てを、制御された作業ガス組成を有する処理チャンバ（１２）内に配置した。冷却システムは、圧縮空気システムを通して処理チャンバ（１２）の外部に設けた。高電圧発生器は、ループの形で働いて、加熱中のシステムの共振周波数を監視する。溶融先端（１）は、ＡＩＳＩ ３０８鋼から作成し、ねじ締結具によってソノトロード（２）に固定した。エネルギー源は、アンペア数９０Ａ、電圧１５Ｖの電流パラメータを有する、不融性タングステン電極（３）によって発生させた電気アークであった。直径３．２ｍｍのＡＩＳＩ ３０８鋼ワイヤを溶融プールに供給し、続いて圧電変換器（１０）を作動させた。噴霧化プロセス中、平均直径６０μｍの粒子が得られた。

（実施例１ｂ）
長さ１５０ｍｍおよび直径４０ｍｍであり、熱伝導率２０４Ｗ／ｍＫのＡｍｐｃｏｌｏｙ ９４０材料で作られた円筒状ソノトロード（２）を、増幅比２．５：１の導波管（９）によって、定格周波数２０ｋＨｚの圧電変換器（１０）に接続した。ソノトロード（２）シールを、ソノトロード（２）の前面から７０ｍｍの波節に配置し、上述の部品全てを、制御された作業ガス組成を有する処理チャンバ（１２）内に配置した。冷却システムは、圧縮空気システムを通して処理チャンバ（１２）の外部に設けた。高電圧発生器は、ループの形で働いて、加熱中のシステムの共振周波数を監視する。溶融先端（１）は、ＡＩＳＩ ３０８鋼から作成し、ねじ締結具によってソノトロード（２）に固定した。エネルギー源は、アンペア数９０Ａ、電圧１５Ｖの電流パラメータを有する、不融性タングステン電極（３）によって発生させた電気アークであった。Ｎｄ _２ Ｆｅ _１４ Ｂの化学組成物を有する合金を、３００μｍ未満で等級分けされた、不規則な粉末の形態で供給し、ソノトロード（２）の先端（１）へと溶融させた。２ｇの材料を追加した後、圧電変換器を作動させ、出力粉末をシステムから除去した。続いて、必要な作業ガス組成が得られた後、１５Ｖの電圧および７０Ａのアンペア数で溶融システム（３、４）を作動させた。噴霧化プロセス中、平均直径５０μｍの粒子が得られた。

（参考例２）
本発明による超音波噴霧化デバイスでは、材料は作業ガスによって運ばれず、粒子がプラズマ内部に留まる時間は、他のプラズマ支援噴霧化方法の数倍である。これにより、最小の粒子が蒸発し、処理チャンバが凝縮蒸気によって汚染される。

本発明による好ましい実現例によるデバイスによって、かかる影響を克服することが可能になる。

本発明の好ましい実現例によるデバイスが、図２に示されており、冷却されたソノトロード（２）と、処理チャンバ（１２）と、プラズマ・トーチ（３）と、入力材料フィーダ（６）と、サイクロン（１３）と、粉末ドロップ・バー（１４）と、機械的フィルタ（１５）と、循環ポンプ（１６）、ガス流をガイドするノズル（１７）とを含んでいる。冷却されたソノトロードは、プラズマ・トーチによる機械的エネルギーを用いて溶融材料を供給して、入力材料（５）を噴霧化する。粉末は、蒸発した材料の蒸気とともに、処理チャンバ（１２）内の作業ガスの流れによって持ち上げられ、サイクロン（１３）へとガイドされる。サイクロンでは、粉末はガスから分離され、ドロップ・バー（１４）内へと落下し、ガスの残りは機械的フィルタ（１５）によって塵粒子から精製され、循環ポンプ（１６）、好ましくはサイドチャネル排気機によって吸引され、ノズル（１７）によって誘導され、処理チャンバ（１２）に戻される。凝縮物を効率的に除去するために、作業ガスを迅速に交換することが重要であり、したがって、循環ポンプ（１６）の効率は、処理チャンバ（１２）内の作業ガスを確実に一回４秒以下で交換するのに十分高くなければならない。噴霧化プロセスの安定性を維持するための更なる要件は、ガスが処理チャンバ（１２）の近くを流れることを確保することであり、これは、処理チャンバ（１２）の入口に配置されたフロー誘導ノズル（１７）を使用することによって実現される。

（参考例３）
本発明によるデバイスの好ましい実現例の別の例では、デバイスは、液体洗浄媒体を送達しそれを放出するシステムを備える。この場合、ソノトロードと処理チャンバの任意の壁との間の距離は、１ｍ以下である。気密処理チャンバ（１２）内部には、好ましくは不融性電極（３）とソノトロード（２）の側面の表面との間で生成されるプラズマアークを使用する、好ましくは入力材料と同一の材料で作られた保護板で覆われた、入力材料溶融システムが配置される。噴霧化プロセス中、好ましくは希ガスまたは低真空の形態で、保護雰囲気が処理チャンバ（１２）内に存在する。

液体洗浄媒体送達システムを使用することによって、液体金属の噴霧化と液体洗浄媒体のキャビテーションという、ソノトロードの二重の機能を利用することが可能になる。これにより、留まっている粉末と、汚染物質とが除去されることが可能になって、作業者に求められる作業負荷が最小限に抑えられる。液体媒体を自動洗浄の手段として使用することで、粉末を大気酸素から継続的に隔離することによってプロセスの安全性が確保され、粉末の点火および自然発火燃焼が妨げられると同時に、大幅に短い時間で別の合金の噴霧化のためにデバイスを準備することが可能になる。

好ましくは、噴霧器は、粒子フィルタおよび洗浄媒体ポンプを備える。これにより、粉末収量を増加することが可能になり、これは貴金属の噴霧化の場合に特に重要である。

好ましくは、噴霧器は、処理チャンバに接続された真空ポンプを備える。これにより、余分な洗浄媒体を蒸発によって迅速に除去することが可能になる。

本発明による方法は、保護雰囲気での金属合金の噴霧化に基づき、それに続いて溶融システムと超音波発生器とが解除され、次に、ソノトロードが洗浄媒体に浸漬するようにして、処理チャンバに洗浄媒体が、好ましくは蒸留水またはイソプロパノールが満たされ、次に、超音波発生器が３０秒以内にわたって作動され、次に蒸発によって洗浄媒体が粉末粒子とともに放出される。冷却媒体が沸騰し、システム内の圧力が壊滅的に上昇するリスクがあるため、洗浄サイクル中は噴霧化プロセスを停止することが重要である。蒸留水およびイソプロパノールなどの溶媒によって、不活性化されていない粉末を安全に除去することが可能になる。

好ましくは、真空ポンプを使用することによって洗浄媒体蒸気が除去される。これは、洗浄媒体の除去を加速させるのに役立ち、次の噴霧化サイクルで粉末が汚染されるのを防ぐ。

好ましくは、処理チャンバに洗浄媒体を満たし、洗浄しその後に媒体を除去するプロセスは、複数回繰り返される。

Claims (19)

1. 入力材料を溶融する溶融システム（３、４）および前記入力材料を溶融先端（１）に送達する入力材料送達システム（６）と、処理チャンバ（１２）と、高電圧発生器（１１）により発生した電圧を振動に変換する圧電変換器（１０）と、１００Ｗ／ｍＫ超過の熱伝導率を有する材料で作られ溶融先端（１）を有する冷却された不融性ソノトロード（２）と、を備え、
   前記ソノトロードが前記溶融先端（１）のためのラジエータとしても作用し、
   前記溶融先端はＡＩＳＩ ３０８鋼から作成されており液体入力材料による濡れ性を確保する、
   超音波噴霧方法によって球状金属粉末を製造するデバイス。
2. 前記ソノトロードが、ＣｕＣｒＺｒもしくはＣｕＢｅ銅合金、または焼結タングステン合金で作られる、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記入力材料送達システム（６）が、ワイヤ（５）の形態の材料を供給する、請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記入力材料送達システム（６）が前記処理チャンバ（１２）の外部に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記溶融先端（１）および前記ソノトロード（２）が拡散接合される、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイスの製造方法。
6. 前記溶融先端（１）が、前記ソノトロード（２）にねじ込まれるねじ付きロッドの形態である、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記溶融先端（１）が少なくとも２つの異なる材料で作られる、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記ソノトロード（２）が、前記ソノトロード（２）材料の縦波長の半分の長さを有する、請求項１から５又は７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 前記ソノトロード（２）による前記溶融先端（１）の初期共振周波数が、作業周波数よりも１００～３０００Ｈｚ高い、請求項１から５及び７から８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記ソノトロードが、誘電性液体である、蒸留水またはジエチレングリコールを使用した冷却に適合される、請求項１から５及び７から９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記デバイスが、少なくとも２つの異なる材料が前記溶融先端（１）に送達されるように適合される、請求項１から５及び７から１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. サイクロン（１３）と、粉末ドロップ・バー（１４）と、機械的フィルタ（１５）と、循環ポンプ（１６）とを備え、０．００３ｍ^３～０．１４０ｍ^３の範囲の前記処理チャンバ（１２）容積で１００ｍｂａｒ～９００ｍｂａｒの範囲の吸引圧力で、０．０７５ｍ^３／ｓ～０．１１３８ｍ^３／ｓの範囲の効率を有する、請求項１から５及び７から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 前記処理チャンバ（１２）容積と前記循環ポンプ（１６）の効率との比が、０．２～４ １／ｓであり、前記処理チャンバが直径３００ｍｍ以下の円筒形状を有する、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記デバイスが、液体洗浄媒体源と、液体洗浄媒体計量弁と、洗浄媒体放出部とを備える、請求項１から５及び７から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
15. 前記デバイスが、前記液体洗浄媒体を給送するポンプと粒子フィルタとを備える、請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記デバイスが、前記処理チャンバに接続された真空ポンプを備える、請求項１４または１５に記載のデバイス。
17. 入力材料溶融プロセスが停止された後、ソノトロードが媒体で完全に覆われるまで処理チャンバを満たすために、洗浄媒体が計量弁を通して送達され、続いて超音波発生器を始動させ、３０秒以上プロセスを継続し、続いて前記洗浄媒体を粉末粒子とともに洗浄媒体放出部を通して除去する、請求項１４から１６のいずれか一項に記載のデバイスの洗浄方法。
18. 前記洗浄媒体が粒子フィルタを通して給送される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記洗浄媒体放出部を通して前記洗浄媒体を除去した後、前記処理チャンバ（１２）に真空給送を行って前記洗浄媒体の蒸気を除去する、請求項１７または１８に記載の方法。

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