JPH05214411A - 噴霧化した金属液滴スプレーの制御された製造方法 - Google Patents

噴霧化した金属液滴スプレーの制御された製造方法

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JPH05214411A
JPH05214411A JP4294054A JP29405492A JPH05214411A JP H05214411 A JPH05214411 A JP H05214411A JP 4294054 A JP4294054 A JP 4294054A JP 29405492 A JP29405492 A JP 29405492A JP H05214411 A JPH05214411 A JP H05214411A
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spray
flow
stream
droplets
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JP4294054A
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English (en)
Inventor
Roy W Christensen
David P Mourer
デビット・ポール・マウラー
ロイ・ウォルター・クリステンセン
Original Assignee
General Electric Co <Ge>
ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING LIQUIDS OR OTHER FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/1606Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed the spraying of the material involving the use of an atomising fluid, e.g. air
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING LIQUIDS OR OTHER FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B12/00Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area
    • B05B12/08Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area responsive to condition of liquid or other fluent material to be discharged, of ambient medium or of target ; responsive to condition of spray devices or of supply means, e.g. pipes, pumps or their drive means
    • B05B12/12Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area responsive to condition of liquid or other fluent material to be discharged, of ambient medium or of target ; responsive to condition of spray devices or of supply means, e.g. pipes, pumps or their drive means responsive to conditions of ambient medium or target, e.g. humidity, temperature position or movement of the target relative to the spray apparatus
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123Spraying molten metal

Abstract

(57)【要約】 【目的】 噴霧化した金属液滴のスプレーを製造するた
めの方法と装置が提供される。 【構成】 この方法は、金属源と金属流アトマイザを含
んでおり溶融金属液滴のスプレーを形成する装置を用意
し、金属源から液体金属の流れを生成させ、液体金属の
流れを金属流アトマイザにより噴霧化して溶融金属液滴
のスプレーを形成することを含んでいる。噴霧化した金
属液滴の制御されたスプレーを得るには、溶融金属液滴
のスプレー中の液滴の温度を選択的に変化させ(この選
択的に変化させる工程は、金属源によって生成した金属
の流量をコマンドシグナルに応答して変化させる工程を
含んでいる)、装置の作動状態を検知して装置の作動状
態を示すコマンドシグナルを発生させる。噴霧化の工程
を実施するには噴霧化用のガス流を液体金属流に向かわ
せ、次いでその噴霧化用ガスの流量を選択的に制御すれ
ばよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は、噴霧化した金属から物
品を製造する方法に係り、特に、噴霧化した金属液滴の
スプレー(噴霧)を形成・制御する方法およびこのよう
にして物品を製造するための装置に係る。

【0002】

【従来の技術】金属物品を形成するのに共通した方法で
は金属の合金を融解させた後金型中に流し込む。この金
型キャビティーには最終物品の形状をもたせることがで
き、その場合は鋳造品が生成する。あるいは、金型キャ
ビティーに中間の形状をもたせてもよく、この場合は得
られたビレットまたはインゴットをさらに加工して最終
鋳造品を製造する。どちらの場合も金属の凝固速度は広
範に変化し、特に物品のサイズが大きい場合には生成す
る組織はいろいろに変化する。さらに、物品内部の冶金
学的ミクロ組織がその使用の妨げになる程ばらついてい
ることが多い。このような化学的偏析や粒度の変化のよ
うな不均質さ、ならびにボイド、気孔および非金属介在
物のような欠陥は、それを除くためにかなりの努力をし
ても残ることがある。

【0003】一方、メルトアトマイゼーション(溶融噴
霧化)技術を使用しても物品を製造することができる。
このアプローチでは金属を融解させ、噴霧化して小さい
液滴にする。この液滴は粉末として凝固させることがで
き、その粉末から物品を形成する。このアプローチはど
ちらかというと間接的にみえるであろうが、構造体の凝
固速度がより大きくかつ一層均一になり、冶金学的ミク
ロ組織がより規則的になり、しかも機械加工した製品と
比較して無駄が減るという重要な利点がある。関連する
技術は溶融液滴のスプレーをある成形体または基体(基
板)上に堆積(付着)させ、物品が形成されるまで金属
塊を徐々に成長させる。この物品は所要の最終形状とす
ることもできるし、あるいはさらに加工して最終形状と
するビレットとすることもできる。このアプローチは均
質な冶金学的ミクロ組織を有する急速に凝固した構造体
を得るために使用され、最終形状にするための後加工を
ほとんど必要としない。

【0004】この金属溶射法によって物品の組織はかな
り改善されるが、このプロセスは金属スプレーの制御を
さらに良好にすることによって改善することができる。
たとえば、最終物品の特性は溶融金属液滴のスプレーを
形成する方法に依存し得る。あるいは、粒子のスプレー
を基体上に堆積させるアプローチでは、円筒形のビレッ
トのように比較的規則的(正規)な形状をこのビレット
の一端に溶射した金属によって形成する場合でさえ、ビ
レットの外周付近のミクロ組織はビレットの中心線付近
のミクロ組織よりスケールが細かいのが普通である。外
周は中心線より速く冷え、その結果溶射した粒子を外周
上の領域に密着させることが困難になることがあり、そ
のためにプロセスの収率が低下し、また中心線の気孔、
亀裂および歪みが生じ得る。さらに、チタンのような反
応性の金属を始めとするある種の溶融材料は、通常の技
術によって金属製品および金属基材製品を製造するのに
必要なセラミック材料との反応性が極めて高い。そのよ
うな材料の製法、たとえばスプレーアトマイゼーション
によって金属液滴および(凝固により)粉末を製造する
のは、達成できる生産継続時間が短いので非経済的であ
る。あるいは、継続時間を長くすると、汚染の程度が機
械的性質の観点から許容できなくなる。すなわち、低サ
イクル疲れのような性質は溶融体を汚染する異物粒子、
特に非金属介在物による影響を強く受けるからである。

【0005】また、溶融材料がその溶融体と同じ組成の
スカルとだけ接触して、溶融体を収容している容器や流
れ制御ノズルからの汚染を排除するような冷炉融解系に
ノズルをつなぐことができる。半連続式供給系を冷炉融
解系と組み合わせ、これと本明細書に開示されている本
発明とを利用すると、噴霧化した金属液滴のスプレーを
長期に渡って経済的に生産することが可能になる。その
ような系は米国出願第07/679,816号および本
願に対応する米国出願と同時に出願された米国出願に記
載されている。

【0006】したがって、溶融金属のスプレーを製造
し、噴霧化された金属粒子を基体上に堆積して、より規
則的なマクロ組織とミクロ組織を達成する技術の改良が
求められている。本発明はこのニーズを満たすものであ
り、さらにまた関連した利点も提供する。

【0007】

【発明の概要】本発明は、金属溶射法によって形成され
る物品のマクロ組織とミクロ組織を改善するための装置
と技術の双方を提供する。このアプローチにより、金属
溶射法で、従来可能であった組織より均一で制御可能な
組織を達成することができる。また、金属溶射装置の制
御および性能の変動に対する安定性も改善する。これは
現存する金属溶射装置を使用して比較的適度な付帯費用
で実施することができる。

【0008】本発明によると、噴霧化した金属液滴のス
プレーを製造する方法は、溶融金属液滴のスプレーを形
成する装置を用意する工程(この装置は金属源と金属流
アトマイザとを含む)と、その金属源から液体金属の流
れを生成させる工程と、液体金属の流れを金属流アトマ
イザにより噴霧化して溶融金属液滴のスプレーを形成す
る工程とを含む。これを制御するには、溶融金属液滴の
スプレー中の液滴の温度または熱容量を選択的に変化さ
せる。この選択的に変化させる工程は、コマンドシグナ
ルに応答して、金属源から生成する金属の流量を変化さ
せる工程を含んでいる。そして、装置の作動状態を検知
し、その装置の作動状態を示すコマンドシグナルを発生
する。

【0009】本発明のもうひとつ別の局面において、中
実の物品を形成する方法は、液体金属源から液体金属の
流れを生成させる工程と、第一のコマンドシグナルおよ
び第二のコマンドシグナルに応答して、液体金属の流れ
の流量を選択的に変化させる工程と、その金属流を噴霧
化して、金属液滴が基体に接着するような位置にある中
実の基体に向かう噴霧化された金属液滴のスプレーを形
成する工程とからなる。この第一のコマンドシグナルは
金属液滴のスプレーが中実の基体を衝撃する位置を示し
ており、第二のコマンドシグナルは液体金属源の作動状
態を示している。

【0010】噴霧化を実施するには金属流にガスの流れ
を衝突させることが多い。噴霧化した液滴のスプレー
は、噴霧化用のガスの質量流量Gと金属の質量流量Mと
の比(G/M比)によって特性付けることができる。こ
の比が高くなればなるほど、スプレー中の金属はそれだ
け冷たい。組織の最適化を図るには、溶射した金属のG
/M比が基体上の異なる領域で異なっている必要があ
る。たとえば、円筒状のビレット物品基体の周辺部付近
の外側部分に溶射された金属は、衝撃後の冷却速度が、
ビレットの中心線付近の内側部分に溶射された金属より
速い。したがって、ビレット物品の全体に渡ってより均
一に付着した組織を得るには、外側領域に付着する金属
スプレーの方が熱く(低G/M)て、そのビレットまた
は物品の内側部分に付着するものの方が冷たい(高G/
M)のが望ましい。

【0011】原理的にいって、G/M比を調節するに
は、スプレーのガス含量(G)または金属含量(M)の
いずれかを変化させることができる。金属は熱容量がガ
スよりずっと高く、そのガスの冷却により凝固するの
で、金属の流量の達成できる変化がG/M比に及ぼす効
果はガス含量の変化の影響よりずっと大きい。さらに、
ガス含量は、金属の流れを完全に噴霧化する必要がある
ため、安易に広い範囲に渡って変化させることはできな
い。したがって現在のところ好ましいアプローチは噴霧
化した金属スプレー中の金属の流量を制御することであ
る。

【0012】金属溶射装置は、液体金属の流れの流量を
選択的に変化させる制御可能なスプレーノズルまたはそ
の他のデバイスを備えている。この選択された流量を制
御するのは、溶射される基体の位置と金属スプレーの方
向に関して与えられた情報から得られるコマンドシグナ
ルである。液体金属の流量はまた、金属源の性能によっ
ても調節できる。

【0013】このコマンドシグナルが、基体をスプレー
が衝撃する位置を示す場合、そのコマンドシグナルはス
プレーと基体との相対位置および配向に関する情報から
得られる。先に述べたビレットの例でいうと、スプレー
がビレットの外側部分を指向しているならば、金属の流
量を増大させてG/M比を低くし、そうしてスプレーを
熱くする。逆に、スプレーがビレットの内側部分を指向
しているならば、金属の流量を減少させてG/M比を高
くし、スプレーを冷ためにする。

【0014】また、コマンドシグナルは金属源の作動状
態を示してもよい。たとえば、金属源から流れでる金属
の圧力の変化は、融解炉内の静水頭(溶融金属の高さ)
の変化に起因するかもしれない。コマンドシグナルは子
の小さくなった静水頭を反映し、子の融解炉に供給され
る金属の量を変化させる子とによって定常状態の静水頭
が回復されるまで金属の流量Mを修正することになるで
あろう。しかし、金属の流量を変えると当然にG/M比
が変わる。本発明では、このG/M比の変化に応答して
いくつかの方法のうちのいずれかを採用する。噴霧化用
のガスの流量GはG/M比が一定に維持されるようにた
やすく変化させることができる。炉内の金属のレベルが
その適正なレベルに戻ったらこの噴霧化用ガス流量を連
続的に調節する。あるいは、スプレー堆積の操作をうま
く調節して、炉がその適正なレベルに戻るまで低めの金
属流量で均一な堆積プロフィールを維持することができ
る。金属の高さ変化に応答する別のタイプでは、ビレッ
ト物品に対して金属スプレーを位置決めする機構にコマ
ンドシグナルを供給することができる。この位置決めで
は、金属スプレーが専ら、その時点で有効なG/M比を
有する溶射液滴を必要とする領域に向かうようにする。
こうして、静水頭が正常に戻るまで続ける。

【0015】このような制御モードによる重大な結果
は、溶射された金属の堆積物がその堆積した全面に渡っ
て、金属流制御がない場合より均一であるということで
ある。金属の熱容量と基体上の位置との組合せによっ
て、溶射された液滴の特性が比較的均一に維持され、そ
の結果堆積した金属の組織は基体表面の両側で変化が少
なくなる。

【0016】実際に起こり得る別の状況において、溶融
金属流の温度すなわち過熱状態が、最適な冶金学的ミク
ロ組織を生ずるのに望ましい値から外れて変化すること
がある。その場合の変化を調整するには、ガス流量G、
金属流量M、堆積の位置またはそれらのなんらかの組合
せを、温度が定常状態に戻るまで制御しながら変化させ
ればよい。

【0017】また本発明は、均一なミクロ組織と均一な
マクロ組織を有する物品を製造するための装置も包含す
る。この装置では、溶融金属の流れから生成した金属ス
プレーの液滴を堆積させる金属の増分的ビルドアップに
よって物品を形成する。金属は基体上に漸増しながら堆
積される。物品自身は周辺部と中心部とをもっている。
本発明の装置では液滴の温度を制御して、周辺部に堆積
するスプレーの液滴の温度が、物品の中心部に堆積する
液滴の温度より低くなるようにする。熱伝達機構のた
め、この堆積パターンによって冷却速度が物品全体で均
一になり、その結果実質的に均一なミクロ組織と均一な
マクロ組織を有する物品が生成する。

【0018】装置は水で冷却される壁をもった容器で構
成されている。もちろん、この水冷壁が容器内部に金属
を収容する。金属はこの容器の内部で融解してもよい
し、または他の融解源で融解させてこの融解容器中に導
入してもよい。また容器は溶融金属をこの容器から排出
するためのノズルも含んでいる。このノズルは容器内で
溶融金属より下のどこかに位置する。ノズルがそれから
排出される金属の流量を変化させることができるもので
あると好ましいが、これは必須ではない。すなわち、排
出される金属は金属の水頭、すなわち容器中に伸びてい
るノズル開口より上の溶融金属の高さを制御することに
よってもある程度制御することができるからである。

【0019】ノズルを介して排出される溶融金属は流れ
の形態である。この流れは金属スプレーを形成する手段
に向かう。その入口に金属流を導入し、金属スプレーを
出口から排出する。任意の手段を使用できるがスプレー
形成手段として好ましい装置はガスジェットである。こ
のタイプの機構はガスプレナム、ガスソース(たとえば
不活性ガスタンクなど)およびタンクとプレナムとの間
を連結してソースとプレナムとの間に不活性ガスを流す
ためのコネクションを含んでいる。このプレナム内でガ
スジェットは金属の流れに向かい、金属スプレーが形成
される。ガスソースとガスプレナムとの間に位置してい
るガスレギュレータデバイスが、必要に応じて、ガスソ
ースからプレナムへのガスの流れを制御し、ガスの流量
を所定のレベルに維持する。金属スプレー形成手段は、
溶融金属流が重力によってこのスプレー形成手段に直接
供給できるようにノズルの直下に位置しているのが好ま
しい。

【0020】本発明の装置ではプロセスを調節・制御す
るためにいくつかのセンサを使用する。ソースセンサは
容器内の溶融金属の表面より上に位置しているのが好ま
しいが、そのプール(溶融金属溜り)内にあってもよ
い。このセンサは溶融金属プールの温度と容器内の溶融
金属プールの高さとの両方をモニターする。このセンサ
は2つの別々のエレメントを有する単一のユニットでも
よいし、あるいはそれぞれ別個のユニットを2つ使用し
てもよい。流れセンサはノズルの下方でノズルから排出
される溶融金属の流れに近接して位置している。このセ
ンサはスプレー形成手段に入る前の金属流の温度を検出
する。同様にノズルの下方で溶融金属流に近接して位置
している流れ直径センサは、金属流がノズルを出てスプ
レー形成手段に入る前にその直径をモニターする。これ
らのセンサは各々があるシグナルを送信することがで
き、モニターした機能の指標としてのシグナルを送信す
る。

【0021】さらに、本発明の装置は、金属スプレーに
対して基体を保持して位置決めするための取付け装置を
含んでいる。この取付け装置は、この取付け装置内の基
体の位置を指示するための少なくともひとつのセンサを
含んでおり、このセンサは取付け装置内の基体位置を示
すひとつまたは複数のシグナルを送信する。またスプレ
ー形成手段は位置決めセンサも含んでおり、このセンサ
はスプレーの出口の位置を指示すると共にスプレー出口
を示すシグナルを送信する。このセンサによってスプレ
ーの方向の決定が可能になる。

【0022】本発明の装置はまた、複数のシグナルを送
受信することができるマルチチャンネルコントローラも
含んでいる。このコントローラは各センサからのシグナ
ルを受信する。コントローラはこれらのシグナルによっ
て、モニターされた機能の各々があらかじめ定めた所定
のレベルにあるかどうか決定することができる。コント
ローラはこれらのシグナルと適当な測定に応答して、モ
ニターされた機能の各々を必要に応じて修正するための
シグナルを送信する。

【0023】さらに本発明の装置は、モニターされた機
能の各々を、コントローラにより送信されたシグナルに
応答して調節するための手段も含んでいる。容器内の溶
融金属の温度を制御するためにこの容器の上方に熱源を
配置する。この熱源はコントローラからのシグナルに応
答して溶融金属の温度を調節する。任意の加熱手段が使
用できるが、プラズマトーチまたは電子銃が好ましい手
段である。

【0024】スプレー形成手段はコントローラからのシ
グナルに応答してこのスプレー形成手段を動かすための
手段を含んでいる。シグナルに応答して始動するモータ
が通常使われる。取付け装置も、同様に作動する同様な
手段を含んでいる。また本発明の装置は、コントローラ
からのシグナルに応答して溶融金属流の直径を調節する
ための手段も含んでいる。これはコントローラからのシ
グナルに応答している。この手段は調節可能なノズルで
よい。この金属の直径を調節する手段は極めて簡単には
容器内の金属の高さを調節することでもよい。というの
は、この直径は金属の水頭によって多少制御することが
できるからである。しかし、この手段は、流れの直径の
必要とされる大きな変化にすぐには応答しない。好まし
い調節可能なノズルは、実質的にノズルを包囲して溶融
金属流上に電磁力を作用させる電磁場を発生する手段を
含んでいる。この力を発生する手段は、コントローラか
らのシグナルに応答してこの力を変えることにより、直
径を所定の値に維持または修正するのに必要なだけ電磁
場を変化させることによって流れの直径を増大または減
少させるようになっている。電磁場を発生するのに好ま
しい手段は電流が流れる導体とRF電源とを含んでい
る。この導体は銅製が好ましく、断面が長方形か正方形
である。

【0025】本装置の能力を例示すると、たとえば、コ
ントローラがモニターして調節することが可能であるの
は、熱源を制御することによる容器内の溶融金属の温度
であり、スプレーの方向と基体の位置を制御することに
よる基体上の金属スプレーの堆積であり、流れの直径を
制御することにより生成したスプレーの量を制御するこ
とによる基体上の堆積速度であり、そしてガスの流量と
容器内の金属の温度を制御することによる堆積した金属
の温度である。

【0026】場合によって、本装置は、溶融金属を溶融
金属収容容器に供給する別個の融解源を含んでいてもよ
い。この融解源はコントローラからのシグナルを受信し
て溶融金属を容器に供給することができる。容器内の溶
融金属が所定の高さ以下に落ちたことをソースセンサが
検出したら、あるシグナルがコントローラに向けて送信
され、次にコントローラからあるシグナルが別個の融解
源に送信され、この融解源から金属が融解容器に移送さ
れる。このような別個の融解源の利点は、所望の温度ま
たはその付近の温度の溶融金属のすぐに利用できる調製
済プールを準備することによって金属の高さの低下に対
するすばやい応答が可能になることである。

【0027】しかしながら、本発明の系は、時として起
こることがある金属の供給の変動に対して寛容であっ
て、そんな場合でも堆積した金属の均一なマクロ組織と
ミクロ組織を維持する。本発明のその他の特徴と利点
は、以下により詳細に述べる好ましい具体例の説明と、
本発明の原理を単に例示しただけの添付の図面とを参照
すると明らかとなろう。

【0028】

【好ましい具体例の詳細な説明】図1で、システム20
は溶融金属液滴のスプレーを生成し、その液滴を固体
(中実)の溶射金属として堆積させて物品22を形成す
る。このシステム20は、金属の流れ25を可変フロー
ノズル26に供給する溶融金属のソース24を含んでい
る。このソース24は業界で公知のいかなるタイプのも
のでもよいが、溶融金属と水冷炉床との間に金属のスカ
ルが形成される冷炉タイプのソースが好ましい。

【0029】ノズル26は、それを通過する金属流の流
量を制御する。金属流のノズル26を通過する部分はア
トマイザによって液滴に分解される。このアトマイザ
は、内側に向かう不活性ガス流を金属流に対して向ける
ガスインジェクションリング28を含んでいるのが好ま
しい。ガス流の衝撃に応答して、金属流25は分解して
小さい金属液滴からなるメタルスプレー30になる。図
1に示した装置ではメタルスプレー30が基体32に衝
突して凝固する。あるいは、噴霧化した金属液滴がクー
リングタワー中を自由飛行中に凝固した後集めてもよ
い。もうひとつ別の態様の場合、メルトの流れをスピニ
ングディスクまたはカップのような回転するアトマイゼ
ーションデバイス上に向かわしめることによって噴霧化
してもよく、その後自由飛行中に凝固が起こり得る。

【0030】基体32を提供している、部分的に形成さ
れた物品22(図では溶射により形成されていくビレッ
トとして描かれている)は、スプレー30が基体32の
選択されたあらゆる領域を指向できるように制御可能な
ようにして取付けられている。基体に対するスプレーの
方向と選択的な位置決めは受け入れられる任意の方法で
行なうことができる。たとえば、アトマイザのガスリン
グ28は、旋回可能なように取付けることができ、金属
流が噴霧化されてメタルスプレー30を形成するときに
金属流の方向を変えるために回転することができるよう
にすることができる。基体全体32はホルダ34に取付
けることができ、このホルダ34により基体は、基体の
選択された位置をメタルスプレー30の通り道にもって
いくのに必要なだけの回転と並進ができるようにするこ
とができる。これらの方法は組み合わせて使うこともで
きる。スプレー30を基体32に対して位置決めするこ
とができさえすればそのやり方は特に重要ではない。

【0031】このシステム20は各種構成装置の作動状
態をモニターすることができるセンサを備えている。ソ
ースセンサ36はソース24内のメルトのレベルとメル
トの表面温度をモニターする。ソースセンサ36は、温
度と流体レベルの双方をモニターすることができる単一
のデバイスでもよいし、あるいはひとつが温度をモニタ
ーしもうひとつが流体レベルをモニターする2つの別個
のデバイスでもよい。任意のソースセンサを使用するこ
とができるが、特に、反応性の金属の場合には、流体レ
ベルおよび/または表面温度をモニターすることができ
るイメージアナライザを表面に向けて使うのが好まし
い。使用できるソースセンサ36は米国特許第4,68
7,344号および第4,656,331号(援用によ
り、その開示内容が本明細書中に含まれるものとする)
に開示されている。アナライザが組み込まれたソースセ
ンサ36はコロラド・ビデオ(Colorado Video)からモデ
ル635位置センサとして入手可能である。光高温計や
類似のデバイスはメルトの表面温度をモニターするのに
使われる。流れ直径センサ38は、金属の流れ25がノ
ズル26を通過した後にその流れ25の直径(したがっ
てその金属流量M)をモニターする。インプットシグナ
ルが適切であれば、前記のコロラド・ビデオ(Colorado
Video)のモデル635位置センサをセンサ38として使
用することができる。光高温計のような流れ温度センサ
39は、流れ25内の溶融金属の温度、したがって過熱
の程度をモニターし、その結果スプレー30中の液滴の
温度をモニターする。従来の位置センサ40はメタルス
プレー30に対する基体32の相対位置をモニターす
る。このような位置センサ40は、ガスリング28が旋
回自在の場合のこのリング用の角位置センサ、またはホ
ルダ34用の角、回転もしくは線位置センサを含んでい
ることができる。これらセンサ36、38、39、40
はいずれも、直接またはセンサコントローラを介してデ
ジタル出力を生ずるものが好ましい。

【0032】システム20の重要な構成装置はノズル2
6である。このようなノズル26の第一の具体例を図2
と3に示す。ノズル26は、流れ25がソース24から
でた後その回りに締付け場を誘導する電磁場ピース42
を含んでいる。このフィールドピース42は、狭い口を
上に向けたさかさ漏斗の形状の金属導体(銅など)の固
体ピースである。このフィールドピース42は、これに
取付けられた内部冷却ライン44によって冷却される。
冷却には、製品が粉末の場合噴霧化用ガスを用いてもよ
いし、あるいはウォーターソースからの水を用いてもよ
い。場合によって、流れ25がはね散るようなときのフ
ェイルセーフプロテクションとして、流れ25とフィー
ルドピース42の間で流れ25を覆ってセラミックチュ
ーブ49を設けることができる。用途によっては、充分
な冷却が不可能な場合タンタル、モリブデン、タングス
テンのような耐火材料が好ましいことがある。

【0033】図3に示してあるように、フィールドピー
ス42は一か所が半径方向に割れており、その両側が導
体46につながっている。この導体46は、約250〜
約350KHz以上の周波数の出力を生ずる高周波(R
F)電源(図示してない)に連通している。このRFシ
グナルはフィールドピース42内で、流れ25を半径方
向で内方に閉じ込めようとする磁場(48に磁力線で示
す)を誘導する。かかった電力が大きければ大きい程磁
場48の強さも強くなり、流れ25にかかる内側に向か
う締付け力が大きくなる。したがって、この磁場は流れ
25内の金属の直径を制限し、その結果金属の流量を制
限するのに使用することができる。

【0034】ノズルの別の具体例を図4に示す。ノズル
50は、金属流制御機能と噴霧化機能を単一のユニット
にまとめた「クローズカップルドノズル」であり、図2
と3の具体例と比べていくつかの設計変更がなされてい
る。ノズル50は内側に向かってテーパが付いたセラミ
ック材料製のスリーブ52を含んでおり、金属の流れ2
5はこれを通ってソース24から流出する。スリーブ5
2の上に重なって水冷誘導ピース42が流れ25を取り
巻いている。この誘導ピース42は、大きい方の端が上
に向かって配向している円錐形であり、水または利用可
能な場合はアトマイザからのガスを循環させる内部冷却
ライン44によって冷却される。誘導ピース42はすで
に論じたような高周波電源に接続されている。誘導ピー
ス42に高周波シグナルをかけると流れ25を内側に向
けて締付ける磁場が誘導される。この締付け場は通常充
分な強さをもっており、流れ25はスリーブ52の内壁
に接触しないように内側に向けて押しやられる。この締
付け力はすでに論じたようにして流れの直径と流量を制
御する。

【0035】ガスプレナム56がノズル50およびスリ
ーブ52の下端と一体的に構築されている。ガスプレナ
ム56の開口部58は、ガスソース(図示してない)か
らの不活性ガス(アルゴンなど)の流れが下向きの角度
で内側に向かって流れ25に衝突するような位置にあ
る。このガス流が流れ25を噴霧化してスプレー30を
形成する。

【0036】図2〜4に関連して以上述べた好ましいノ
ズルの特徴は、ノズル内の電磁場ピースまたはコイルに
かけるRF電力を増大することによって金属流の締付け
または閉込めが増強されるということである。機械的に
調節可能なノズルも均等に使用することができようが、
コマンドシグナルに対する応答はおそらく目的とする応
用にとって望ましい速さより遅いであろう。

【0037】システム20は、システム作動のさまざま
な段階の間いろいろな目的を達成するためにいくつかの
方法で作動させることができる。図5と6に2つの異な
るコントロールモードを示す。各図でハードウェアコン
ポーネントは同じであるが、コントロールモードが異な
っている。(図5と6では図2〜3のノズル装置を例示
の目的で使用したが、図4のノズル装置またはその他の
ノズルも使用できる。)図5はソース24が正常な定常
状態範囲内で作動している状況を示し、図6はソース2
4が正常な定常状態範囲から外れて変動して(あるいは
意図的に変えた)状況を示している。図7はこれら2つ
のコントロールモードの相関をブロック線図で示す。

【0038】図5で、スプレー30と基体32の相対位
置は、ガスリング28または(可動ガスリングを使用す
る場合)その駆動系とホルダ34に備えてある位置セン
サ40の測定値から決定される。これらの測定値はコン
トローラ60(通常、プログラム化されたマイクロプロ
セッサ)に供給される。センサの測定値に基づいて、ス
プレー30が基体32を衝撃する位置が通常の計算によ
りひとつの参照フレーム内に決定される。たとえば、先
に論じた例の場合、スプレー30の主要部がビレットの
中心線付近の内側部分またはビレットの周辺付近の外側
部分またはこれら2つの両極端の間のどこかを打ってい
るのかどうか決定することができる。システムの別の部
分(図には示してない)により可動エレメントを駆動し
て基体の全表面を溶射金属で覆う。位置の測定値はこの
駆動系のモータ設定値から採ることができる。厳密に必
要とされるわけではないが、センサ38を用いてメルト
の流れ25の直径を、そしてセンサ39を用いてその温
度を、連続的にモニターするのが好ましい。

【0039】スプレー30と基体32の相対位置から必
要とされる金属流が決定される。位置の関数としての金
属流は一般に起動試験から決定される。すなわち、生産
運転に先立って形成されたいくつかのテストピースで各
種金属流から得られる位置の関数としてマクロ組織とミ
クロ組織を決定する。こうして、許容できる金属流範囲
が位置の関数として決定される。もちろん、溶射操作の
熱流モデルと質量流量モデルから必要とされる金属流を
予言することができれば望ましいであろう。しかしなが
ら、現在そのようなモデルはそれ程充分に確立されては
いないので実験的立証をすることなく完全に頼ることは
できない。

【0040】どんな技術を使用しても、結果は、流れ2
5内の必要な金属流を、スプレーと基体との相対位置の
関数として「マッピング」することである。他の校正お
よび起動試験では、特定の金属流を達成するために流れ
の直径を調節するのにノズル26に対して必要とされる
出力が決定される。金属流の必要条件のマップならびに
かけられた出力と金属流量との間の校正を使用して、コ
ントローラ60はコマンドシグナルをRF電源62に送
り、次いでこのRF電源が要求されている出力レベルを
ノズル26にかける。

【0041】このように、基体32の表面を横切ってス
プレー30を走査しながら、スプレーによって衝撃され
る所定の位置に対して適当なだけ金属の流量を上方また
は下方に調節する。一般に、基体のうちで最も多く露出
される最大表面積を有する領域(たとえば周辺近くの外
側部分)では受ける金属の流量が最高である。それより
内部で自然ではそれよりゆっくり冷却される内側部分は
受ける金属流量がそれより少ない。(スプレーと基体の
相対移動速度を金属の流量に応じて調節して基体の表面
全体に渡る金属の均一な成長(ビルドアップ)を達成す
る。)もうひとつのコントロールモードを図6に示す。
ここで、ソース24は、起動/停止、熱変化、金属水頭
の低下、などのようないくつかの理由のうちのいずれか
によってその正常な定常状態の作動から変動すると仮定
する。メルトセンサ36は変化の種類に関するシグナル
をコントローラ60に供給し、コントローラはそれに応
答して、システムに対する損傷を回避すると共に良好な
品質の製品の生産を最大にする。

【0042】たとえば、ソース24内のメルトレベル
は、あまり低過ぎると、センサ36のメルトレベルコン
ポーネントによって検知することができる。ソース24
から溶融金属が完全に排出されてしまう(もしそうなる
と、構成部品の損傷の危険があるし起動が困難になる)
のを防ぐために、コントローラ60がRF電源に対して
指令を出してノズルへの出力を増大させ、流れ25内の
金属の流量を低下させる。同時にコントローラ60は供
給源64からソース24への金属の添加速度を上昇させ
る指令を出す。したがってソース24内の金属は定常状
態の許容可能な作動範囲が回復するまで保存され、その
時点で図5のコントロールモードにシステムを戻す。

【0043】ソース24内の変動に応答して流れ25中
の溶融金属の流量が変わるとスプレー30の特性も変わ
る。上で論じた例の場合、金属の流量が減少し、スプレ
ー30のガス/金属(G/M)比が上昇し、そしてスプ
レーはより冷たくなる。コントロールシステムの可能な
応答のひとつは、ガスリング28に対する噴霧化用ガス
の流量Gを減らして、スプレー30の温度をその(一定
のG/M比を維持する)正常範囲に挙げることである。
低くなった金属流量Mと一致して、ビレットの引出し速
度を遅くして一定のビルドアッププロフィールを維持す
ることもできる。

【0044】コントロールシステムのもうひとつの応答
は、G/Mとビレット上の位置のすでに決定されたマッ
ピングにしたがって堆積の位置を変えることである。す
なわち、冷ためのスプレーは基体の外側部分より内側部
分に堆積させる方が好ましい。冷ためのスプレーを外側
部分に堆積させるとその程度だけ、ソース24の変動の
間に生成した最終製品が許容できなくなる。ソースの変
動の間の許容できない製品の生産を最小にし、望ましく
はなくすためには、コントローラ60が(可動であれ
ば)ガスリング28とホルダ34とに対して出す指令に
より、基体32とスプレー30との相対位置を、ソース
24の変動の間低い金属流条件が持続されている限り基
体の外側部分より基体の内側部分により多くのスプレー
30が向かうような位置にする。したがって内側部分は
外側部分より優先的に成長する。この不均一なビルドア
ップは無限に続けることはできず、金属の堆積の厚さを
均一にするためにはいつかは外側部分に優先的な堆積を
することになろう。本発明のコントロールシステムによ
るとほとんどの条件で堆積は、不均一な堆積が寛容でき
るくらい充分に短い時間のうちにその正常な範囲に戻る
ことが期待される。あるいは、以上の2つのコントロー
ル法を組み合わせてもよく、堆積の位置と共にG/M比
を調節する。

【0045】したがって、好ましいアプローチとして図
7に示されているように、正常の作動では基体上の堆積
の位置に応答して金属の流れを制御し、ソースの作動が
異常の場合はソースの状態に応答して金属の流れを制御
する。後者の場合、金属の流量に応答して、出力インプ
ットまたはガス流または堆積の位置のように制御可能な
ソース特性を制御する。他の多くの制御状況が起こり
得、そのシステム応答は上に記載したコントローラ機能
の範囲内に入るものと理解されたい。たとえば、センサ
39によって測定される流れの温度の変化には、その温
度を定常状態値に戻すように応答する。たとえば熱源6
6(通常はプラズマトーチ)からメルトに入る熱量を変
化させたり、および/または一時的に噴霧化用のガスの
流量を変化させたりする。

【0046】したがって、本発明のアプローチでは、基
体全体に渡りそして最終物品中に均一で高品質の生成物
を得るために可変の金属流ノズルおよび備え付けの金属
堆積装置を使用する。それによって、堆積プロセスが金
属源に起こり得る変動に対して寛容になり、構成部品に
対する損傷が防がれ、そして変動にもかかわらず良好な
製品が生成する。これらの有益な結果は部分的に、溶融
金属液滴のスプレーの制御によって達成される。以上、
特定の態様と具体例に関して本発明を説明した。しか
し、当業者には容易に認識できるように、添付の特許請
求の範囲に示されている範囲から逸脱することなく本発
明のさまざまな修正や変形が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図1】金属溶射系を説明した略図。

【図2】メタルソースからアトマイザに向かう金属の流
れを変化させるためのノズルの一具体例の側面断面図。

【図3】図2の線3−3に沿って見たノズルの平面図。

【図4】メタルソースからアトマイザに向かう金属の流
れを変化させるためのノズルの別の具体例の側面断面
図。

【図5】メタルスプレーの位置に応答して金属流を変化
させるためのコントロールシステムを示す線図。

【図6】メタルソースの作動に応答して金属流を変化さ
せるためのコントロールシステムを示す線図。

【図7】金属溶射装置を制御するためのコントロールシ
ステムのブロック図。

【符号の説明】

20 溶融金属液滴スプレー形成システム、 22 物品、 24 溶融金属源、 25 溶融金属の流れ、 26、50 ノズル、 28 ガスインジェクションリング、 30 メタルスプレー、 32 基体、 34 ホルダ、 36 ソースセンサ、 38 流れ直径センサ、 39 流れ温度センサ、 40 位置センサ、 42 電磁場ピース、 56 ガスプレナム、 60 コントローラ、 62 RF電源、 64 供給源、 66 熱源。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属源と金属流アトマイザを含んでお
    り、溶融金属液滴のスプレーを形成する装置を用意し、 金属源から液体金属の流れを生成させ、 液体金属の流れをアトマイザに向かわせ、 液体金属の流れを金属流アトマイザにより噴霧化して溶
    融金 属液滴のスプレーを形成し、 溶融金属液滴のスプレー中の液滴の温度を選択的に変化
    させ(この選択的に変化させる工程は、金属源によって
    生成した金属の流量をコマンドシグナルに応答して変化
    させる工程を含んでいる)、 装置の作動を検知し、かつ装置の作動を示すコマンドシ
    グナルを発生させる工程を含む、噴霧化した金属液滴の
    スプレーを製造する方法。
  2. 【請求項2】 さらに、噴霧化した金属液滴のスプレー
    を固体の基体に向かわせる追加工程を含んでいる、請求
    項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 さらに、金属液滴のスプレーが基体を衝
    撃する位置を選択的に制御する追加工程を含んでいる、
    請求項2記載の方法。
  4. 【請求項4】 選択的に変化させる工程が、液体金属の
    流れに対して選択的に制御可能な電磁閉込め場をかけ、
    コマンドシグナルに応答して電磁閉込め場の強度を選択
    的に制御する工程を含んでいる、請求項1記載の方法。
  5. 【請求項5】 噴霧化する工程を、噴霧化用のガス流を
    液体金属の流れに向かわせることによって実施する、請
    求項1記載の方法。
  6. 【請求項6】 選択的に変化させる工程が、さらに、噴
    霧化用ガスの流量を選択的に制御する工程を含んでい
    る、請求項5記載の方法。
  7. 【請求項7】 選択的に変化させる工程が、金属源内の
    金属を加熱する熱源の作動を変化させる工程を含んでい
    る、請求項5記載の方法。
  8. 【請求項8】 液体金属源からの液体金属の流れをある
    金属流量Mで生成させ、 金属流の金属をある流量Gの噴霧化用ガス流により噴霧
    化して、金属液滴が付着するような位置にある中実の基
    体に向かう噴霧化した金属液滴のスプレーを形成し、 比G/Mを選択的に変化させて中実の物品の品質を制御
    する工程からなる、金属の中実物品を形成する方法。
  9. 【請求項9】 液体金属源から液体金属の流れを生成さ
    せ、 金属流をアトマイザに流し、 液体金属の流れの流量を第一のコマンドシグナルおよび
    第二のコマンドシグナルに応答して選択的に変化させ、 金属の流れを噴霧化して、金属液滴が付着するような位
    置にある中実の基体に向かう噴霧化した金属液滴のスプ
    レーを形成し、 金属液滴のスプレーが中実の基体を衝撃する位置を示す
    第一のコマンドシグナルを発生させ、 液体金属源の作動を示す第二のコマンドシグナルを発生
    させる工程を含む、中実物品を形成する方法。
  10. 【請求項10】 (a)溶融金属を収容するための水冷
    された壁を有する容器であって、さらに、この容器から
    溶融金属の流れを排出するためのノズルを含んでいる容
    器、 (b)溶融金属の流れから金属スプレーを形成するため
    の手段であって、溶融金属の流れを受容するための入口
    と金属スプレーを排出するための出口を有しており、前
    記ノズルより下に位置している手段、 (c)前記容器より上に位置しており、容器中の溶融金
    属の温度を検出してその温度を示すシグナルを送信する
    ソースセンサ、 (d)前記容器より上に位置しており、容器中の溶融金
    属のレベルを検出してそのレベルを示すシグナルを送信
    するソースセンサ、 (e)溶融金属の流れに近接して位置しており、この流
    れが前記スプレー形成手段に入る前に流れの温度を検出
    してその流れの温度を示すシグナルを送信する流れ温度
    センサ、 (f)溶融金属の流れに近接して位置しており、この流
    れがノズルから出ていく時の流れの直径を検出してその
    直径サイズを示すシグナルを送信する流れ直径センサ、 (g)金属スプレーに対して基体を位置決めするための
    取付け装置、 (h)前記取付け装置内の基体の位置を指示し、その基
    体の位置を示すシグナルを送信するための少なくとも1
    つの取付け装置位置決めセンサ、 (i)スプレー出口の位置を指示してそのスプレー出口
    位置を示すシグナルを送信する少なくとも1つのスプレ
    ー形成手段センサ、 (j)シグナルを受信したり送信したりすることができ
    るコントローラであって、適当な流れの直径、流れの温
    度、容器内の溶融金属のレベル、容器内の溶融金属の温
    度、スプレーの方向および基体の位置を決定し、センサ
    シグナルを受信してその受信したシグナルに応答してシ
    グナルを送信するコントローラ、 (k)前記容器の上方に位置しており、シグナルを受信
    することができる熱源であって、コントローラにより送
    信されたシグナルに応答して容器内の溶融金属の温度を
    調節するための熱源、 (l)前記スプレー形成手段を動かすための手段であっ
    て、シグナルを受信することができ、コントローラによ
    り送信されたシグナルに応答してスプレーの方向を変え
    るための手段、 (m)前記取付け装置を動かすための手段であって、シ
    グナルを受信することができ、コントローラにより送信
    されたシグナルに応答して取付け装置内の基体の位置を
    変えるための手段、 (n)前記溶融金属の流れの直径を調節するための手段
    であって、シグナルを受信することができ、コントロー
    ラにより送信されたシグナルに応答して溶融金属の流れ
    の直径を変えるための手段を含む、溶融金属の流れから
    形成された金属スプレーの液滴を基体上に付着させる金
    属の増分的ビルドアップによって均一なミクロ組織と均
    一なマクロ組織を有する物品を製造するための装置。
JP4294054A 1991-11-05 1992-11-02 噴霧化した金属液滴スプレーの制御された製造方法 Pending JPH05214411A (ja)

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