JPH11256305A

JPH11256305A - 補助加熱を用いた大径溶射成形品の製造方法とそれに用いる装置

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Publication number: JPH11256305A
Application number: JP11014504A
Authority: JP
Inventors: Jones Robin M Forbes; エム．フォーブスジョーンズロビン; Richard L Kennedy; エル．ケネディリチャード
Original assignee: ALLVAC A DIVISION OF TELEDYNE; ALLVAC A DIVISION OF TELEDYNE IND Inc
Current assignee: ALLVAC A DIVISION OF TELEDYNE; ALLVAC A DIVISION OF TELEDYNE IND Inc
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 1999-09-21
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: JP3065305B2; EP0931611A2; EP0931611A3; US5954112A

Abstract

(57)【要約】【課題】回転面に微粒化された溶融金属を溶射するこ
とによって溶射成形される大径のビレット、リング、ま
たは管状体の製造方法を提供する。【解決手段】予備成形体１０は、符号１４で示す方向
に回転しつつ符号１６の方向に移動されるコレクタ面１
２を有する。そのコレクタ面１２は、補助熱源２２によ
って所定温度に維持され、あるいは所定温度に再加熱さ
れる。補助熱源２２からの熱がコレクタ面１２に照射さ
れ、再加熱あるいは予熱領域２４を形成する。補助熱源
２２は、レーザ、高温火炎、プラズマ・アーク、電気誘
導、または輻射熱源である。溶融金属１８は再加熱また
は予熱領域２４内のコレクタ面１２に溶射される。この
製造方法を実施するための装置もあわせて開示されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、概して、ニッケル
ベース合金あるいは鋼を使用する大径の金属予備成形体
（ビレット、リング、および管状形成物）に対する溶射
成形に関し、特に、高反応溶融金属合金の大径予備成形
体を溶射成形によって製造可能な方法および手段に関す
るものである。そのプロセスは、高溶融点ニッケルベー
ス合金について記載されるが、アルミニウム、チタン、
銅などから製造されるような、すべての金属予備成形体
に広く適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】ジェットエンジン用回転ディスクのよう
な、特に重要な用途に用いられるニッケルベース合金半
完成部品を製造するには、原材料を２００００〜３５０
００ポンド（約９１００〜約１６０００ｋｇ）以上の真
空誘導炉で溶融する技術がよく知られている。未使用の
金属（virgin metal）とスクラップとを含有する原材料
を用いて、名目上の合金構成物を得、かつプロセスの総
コストを削減することができる。溶融プロセスから大き
なインゴットが形成される。このインゴットは、通常少
なくとも３つのタイプの欠陥、つまり空隙、マクロ偏
析、および含有物を含んでいる。次のプロセスは、一般
に、前のプロセスに起因する欠陥を排除し、あるいは最
小とするために実施される。例えば、エレクトロスラグ
精錬が、酸化物、硫化物およびスラグ含有物を除去する
のに通例使用される。このプロセスについては、金属精
錬に関するテキストであるジョン・Ｋ・ティエン（John
K. Tien）およびトーマス・コールフィールド（Thomas
Caulfield）編「超合金、超組成物および超セラミック
ス（Superalloys, Super composites and Superceramic
s ）」（アカデミック・プレス（Academic Press）刊）
の第８２〜第８４頁に詳細に記載されている。エレクト
ロスラグ精錬による生成物は、真空誘導溶融プロセスに
よる生成物より酸化物及び硫化物の濃度が非常に低い。
また、空隙とスラグ含有物とがほとんどない。

【０００３】しかし、大径インゴットのエレクトロスラ
グ精錬にあっては、プロセス中における比較的深い溶融
金属のプールが形成されるため問題が生じる。つまり、
この深いプールによって、「しみ（freckle ）」と称さ
れる、過剰なマクロ偏析およびミクロ偏析が生じ、その
ミクロ構造は好ましくないものとなってしまう。

【０００４】この深いプールの問題を克服する一つの方
法は、処理されるインゴットの径を小さくすることであ
るが、これは逆にプロセスの経済性に悪影響を与え、ま
た製品の最大サイズを制限してしまう。他の方法は、続
く溶融工程をエレクトロスラグ精錬と組み合わせて統合
することである。この溶融工程とは真空アーク再溶融と
いう周知のプロセスであって、形成される溶融金属プー
ルは比較的に浅く、またより良いミクロ構造が得られる
ことが知られている。そのため、どのような合金に対し
ても、エレクトロスラグ精錬と比較して真空アーク再溶
融による方が、満足できる品質の大径インゴットを製造
できると一般に認められている。それにもかかわらず、
真空アーク再溶融の場合にはサイズの制限があり、それ
を超えた場合に、容認できないレベルのマクロ偏析およ
びミクロ偏析を含むインゴットが製造される。また、真
空アーク再溶融によるインゴットは、「ホワイト・スポ
ット」として知られる固有の欠陥を含むこともある。

【０００５】鋳鉄インゴットは従来の機械的金属加工技
術によって処理され、ミクロ構造と性質とが改善された
錬鉄材となる。このような機械的加工には、鍛造、圧
延、および引抜きの工程を組合せて備えることができ、
比較的小さい粒子サイズが得られる。大きなインゴット
の加工熱処理は、工場のフロア上に広いスペースを必要
とし、また、費用のかかる大規模なエネルギー供給設備
のみならず、大形かつ高価な装置をも必要とする。加え
て、多くの工程のそれぞれにおけるロスのために、最終
製品の歩留まりが悪い。

【０００６】ある種の合金の場合、金属生産者は、必要
なミクロ構造および性質を得るために、金属加工工程の
前に粉末を製造する。通常の粉末処理法においては、気
体微粒化を採用して金属粉末を生成し、その後選別が行
われる。選別された粉末の一部を選択してスチール缶に
密閉し、この缶を熱平衡的にプレス、あるいは押し出す
ことにより、その粉末を有用な形状に固化する。固化さ
れたビレットは、他の従来の加工工程によって処理し、
固化した生成物を最終的な錬鉄の形としてもよい。この
粉末金属の処理は従来からあり、いくつかの出版物に記
載されている。

【０００７】前述の処理法に代えて、溶射成形によって
生成物を得るプロセスが、米国特許第３，９０９，９２
１号、第４，９２６，９２３号、第４，７７９，８０２
号、第５，００４，１５３号、第５，３１０，１６５
号、および他の多くの米国特許に記載されている。溶射
成形プロセスは、一般的には、丸いビレット状、管状、
あるいは環状の形態の半成品を製造するのに使用され
る。この溶射成形プロセスにおいては、溶融した金属あ
るいは金属合金の流れが不活性ガスによって微粒化さ
れ、その結果生じる溶射がコレクタに向けて導かれ、そ
こで微粒化された液滴が再度合体し、高密度製品を形成
する。コレクタは回転されると同時に揺動される。ま
た、一定の溶射距離を維持すべく、溶射から離隔される
ように移動させてもよい。液滴の飛翔中および溶着時
に、液滴は急速に固化するので、その結果マクロ偏析の
ない微細で均一なミクロ構造が得られる。

【０００８】溶射成形プロセスの潜在的利点は、すでに
文献に記載されている。要するに、溶射成形によって、
溶融金属から製品に至る単一の処理工程において、急速
固化による微細なスケールのミクロ構造を得るものであ
る。Ｔ．アンダーセン（T. Andersen ）らは、１９９１
年にイタリアのフィレンツェで開かれた「連続鋳造に関
する第１回ヨーロッパ会議」に提出された論文に、商業
的オスプレイ（Osprey^TM）法（商標）について記載して
いる。米国特許第４，９３８，２７５号にて、リーサム
（Leatham ）らは、オスプレイ法におけるある重要なパ
ラメータについて記載しており、また、微粒化された粒
子から熱を除去することの重要性について論じている。
リーサムは微粒化された粒子から熱を取り去る手順につ
いて記載している。それによると、注意深く条件を制御
しつつ微粒化装置にガスを供給し、さらに、溶着後にお
ける熱の除去を制御することによって行われる。

【０００９】一般に、溶射成形プロセスは、産業界に受
け入れられ使用されている。これは、マクロ構造および
ミクロ構造の品質が優れていることと、特に、処理工程
が少なく、また、従来の粉末冶金技術に対してコスト的
に有利なことによる。

【００１０】最良品質の製品を得るには、次のことに努
力を傾けなければならないことが、かなり前から分かっ
ている。すなわち、１）溶着金属内の空隙率を最小とすること、および、２）コレクタ表面における急速固化の条件を保証するこ
とである。溶射処理の最適化には多くの要素が含まれる
が、その一つは、コレクタ表面の温度である。もしコレ
クタ表面の温度が低すぎると、望ましくない空隙が大量
に生じる。他方、コレクタ表面の温度が高すぎると、望
ましくない粗な構造や偏析構造が生じてしまう。

【００１１】コレクタの温度を維持する一つの方法は、
前の層が十分に冷却され、コレクタと一体的な構造を形
成したらただちに、そのコレクタ上に次の層を溶射する
ことである。ケウトゲン（Keutgen ）らは、米国特許第
５，０５４，５３９号にて、コレクタが３６０゜１回転
すると、コレクタが完全にカバーされるような速度で、
溶融金属をコレクタに溶射することによって、軸対称な
丸棒の製造を可能とする改善された加工法について開示
している。これにはサイクル時間が必要である。一サイ
クルは、スプレーヘッドがコレクタの同じ領域上を連続
して通過する間の時間であり、前に溶着された層の過冷
却を防ぐために十分に短い時間となっている。過冷却を
防ぐためにコレクタを十分に速い速度で回転させること
で、この目的は簡単に達成される。

【００１２】コレクタの温度を適当な温度範囲に維持す
るための他の技術は、系に熱を加えたり、系から熱を取
り去ったりすることである。リーサムらは、微粒化され
た粒子から熱を除去することの重要性について論じてい
る。イカワ（Ikawa ）は、米国特許第５，３０５，８１
６号にて、微粒化金属をコレクタに溶射する前に溶融金
属をコレクタに溶着させることによって、系に熱を加え
ることの重要性について論じている。

【００１３】コレクタまたはマンドレルへの溶射金属の
溶着を増加させるため、あるいは維持するため、他の技
術が提案されている。米国特許第５，１４３，１３９号
にて、リーサムは、コレクタの表面と溶射される液滴と
の間に強い結合を確実に生成する溶射成形方法について
記載している。リーサムは、溶射金属とコレクタ面との
強力な結合を確実とするための２つの技術について提案
している。一つは、コレクタ面を溶射溶着の前にグリッ
トブラストすることである。また、リーサムは、溶着面
の直上流に配置したプラズマ加熱手段を用いて、コレク
タを予熱することも提案している。

【００１４】チェスキス（Cheskis ）らは、米国特許第
５，３４３，９２６号にて、２本のノズルを用いてコレ
クタと金属との間の空隙率を低くすることについて開示
している。第１のノズルは、最初の溶着で十分な量の溶
融金属をコレクタ上に導いて、分散した液滴の間に生じ
た固有の間隙を充填する。一方、第２のノズルからはほ
とんど固体状態の金属が流出され、その中には形状を確
実に維持するのに十分な固体が含まれている。

【００１５】溶射成形による予備成形体の直径が、系の
物理的制約によって一般的に制限されるということは、
引き続き溶射成形加工についての制限事項の一つであ
る。従来のプロセス技術を用いた場合、円筒状の予備成
形体の直径は１２インチ（約３０．５ｃｍ）以下に制限
され、また、環状あるいは管状の予備成形体の外径は、
最大３６インチ（約９１．４ｃｍ）程度に制限されてし
まう。予備成形体の径を増加させると、プロセスの経済
性が改善され、固化粉末技術や従来のプロセス技術との
競争力が増し、大径製品の新たな市場を開くことができ
る。

【００１６】大径インゴットを得る一つの方法が、リー
サムらによる米国特許第５，１４３，１３９号に開示さ
れている。リーサムは、大径のバー（例えば、直径が１
２〜２４インチ（約３０．５〜約７０．０ｃｍ））に多
数のスプレーを用いる方法を開示している。

【００１７】予備成形体のサイズの問題を解決するため
の方法が、他にも提案されている。しかし、これらの方
法はすべて、取り扱いが面倒でかつ複雑である。現在の
技術を使用して達成される予備成形体の最大径は、単一
ノズルの場合で直径が約１２インチ（約３０．５ｃ
ｍ）、２つのノズルを備えた装置の場合で直径約２０イ
ンチ（約５０．８ｃｍ）である。したがって、より大き
なサイズの予備成形体を簡単にかつ安価に製造するとい
うニーズは依然として存在する。

【００１８】現在、より大形の予備成形体の溶射成形を
妨げている物理的制約は、溶射成形された予備成形体の
表面上にある半液状の薄い層に各溶射成形粒子を溶着さ
せる必要がある点に帰着する。現在のプロセス技術を用
いた場合、溶射成形による予備成形体は、溶融金属のス
プレーが回転面の端部あるいは表面に向けられることに
より形成される。溶射された溶着物が蓄積されるにつれ
て、予備成形体は徐々に退避され、スプレーノズルから
予備成形体の表面までの間隔は一定に維持される。予備
成形体は、水平から垂直までどのような方向にも向ける
ことができる。溶射成形による製品の品質を最適とする
ため、特に溶着の密度を極力高めるために、各粒子が予
備成形体の端面上に保持されている半液状層上に溶着さ
れるように、動作条件が設定される。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】予備成形体の径を増加
させる際に、この重要な半液状層を維持するためには、
回転速度を増大させて、所定のセグメントが円錐状のス
プレーから出て、約３６０゜回転して再び溶融金属スプ
レーの下に来るまでの間、完全に固化しないようにせね
ばならない。しかしながら、その回転速度は、遠心力に
よってビレットが不安定となり、その取付台から離脱し
ない範囲の限られた速度だけ増大できるにすぎない。ま
た、その速度が大きすぎると、表面上の半流動物質が遠
心力によって飛ばされてしまう。逆に、速度が遅すぎる
と、半流動物質は所定のセグメントが再びスプレー内に
入る前に凝固してしまう。その結果、いずれの場合に
も、スプレーは固体層の上に溶着される。もし、予備成
形体の表面が十分に液状でないと、その結果得られたビ
レットは、望ましくない空隙率を有することとなる。

【００２０】従って、本発明の主な目的は、現在障害と
なっている物理的制限をなくすることにより、溶射成形
によって現在可能な径より大径の予備成形体を加工する
手段を提供することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の及び他の目的を達
成するために、本願請求項１に係る発明は、直径が１０
インチ（約２５．４ｃｍ）より大である略円筒状の金属
あるいは金属合金のビレット、リング、または管状体を
溶射成形するための方法であって、下記の（ａ）ないし
（ｆ）の要件を備えている。（ａ）溶融金属または溶融金属合金を供給する。（ｂ）外径が１０インチ（約２５．４ｃｍ）より大のコ
レクタ面を回転させる。（ｃ）熱源を設ける。（ｄ）前記溶融金属または溶融金属合金を単一のスプレ
ーノズルに注入し、それによって、前記溶融金属または
溶融金属合金を微粒化する。（ｅ）前記コレクタ面の一部に熱を加える。（ｆ）微粒化された溶融金属または溶融金属合金を、前
記コレクタ面の被加熱部に溶射することによって溶着さ
せる。

【００２２】前記コレクタ面の外径は少なくとも１４イ
ンチ（約３５．６ｃｍ）であることが好ましい。

【００２３】また、前記コレクタ面の被加熱部は、液相
線温度より約１０゜Ｆから約１００゜Ｆ低い範囲内の温
度に、より好適には液相線温度より約２０゜Ｆから約７
５゜Ｆ低い範囲内の温度に加熱されるようにする。

【００２４】前記熱源は、レーザ、高温火炎、プラズマ
・アーク、及び輻射熱源からなるグループから選択する
ことができる。好適には、前記熱源はプラズマ・アー
ク、またはレーザである。

【００２５】さらに、微粒化された金属または金属合金
が前記コレクタ面の一部分に溶着した直後に前記部分に
熱を加え、それによって空隙率を最小化するとよい。ま
た、微粒化された金属または金属合金を溶着する直前と
直後の両方で前記コレクタ面の一部に熱を加えてもよ
い。

【００２６】前記コレクタ面は、あらかじめ選択された
回転速度で回転させることができる。

【００２７】また好ましくは、前記スプレーノズルは、
金属溶着の間振動される。

【００２８】あるいは前記熱源を振動させてもよく、ま
た前記スプレーノズルと協同して振動させるようにして
もよい。

【００２９】本願請求項１４に係る発明は、外径が１０
インチ（約２５．４ｃｍ）より大である略円筒状の金属
あるいは金属合金のビレット、リング、または管状体を
溶射成形するための方法であって、下記の（ａ）ないし
（ｆ）の要件を備えている。（ａ）溶融金属または溶融金属合金を供給する。（ｂ）外径が１０インチ（約２５．４ｃｍ）より大であ
るコレクタ面を回転させる。（ｃ）熱源を設ける。（ｄ）前記溶融金属または溶融金属合金を単一のスプレ
ーノズルに注入し、それによって前記溶融金属または溶
融金属合金を微粒化する。（ｅ）前記微粒化された溶融金属または溶融金属合金を
前記コレクタ面の被選択部に溶射する。（ｆ）前記溶融金属または溶融金属合金を前記コレクタ
面の前記部分に溶射した直後に当該部分に熱を加える。

【００３０】すなわち本発明の方法は、１０インチ（約
２５．４ｃｍ）より大きい径を有する回転面に微粒化さ
れた溶融金属を円錐状に溶射することを含み、該回転面
は回転が円錐状に噴射された溶融金属のところにくる直
前に所要温度に加熱あるいは再加熱される。また、本発
明の方法は、同様の溶射技術を用いてリングあるいは管
状の予備成形体を成形することを含む。本発明の方法に
よれば、単一のスプレーノズルを使用するだけで１０イ
ンチ（約２５．４ｃｍ）より大きい径を有する予備成形
体が製造される。

【００３１】本願の請求項１５に係る発明は、外径が１
０インチ（約２５．４ｃｍ）より大である略円筒状の金
属あるいは金属合金のビレット、リング、または管状体
を溶射成形するための装置であって、下記の（ａ）ない
し（ｈ）の要件を備えている。（ａ）回転可能なコレクタ面を有し外径が１０インチ
（約２５．４ｃｍ）より大であるスタータ予備成形体。（ｂ）前記コレクタ面を所定の回転速度で回転させる手
段。（ｃ）溶融金属または溶融金属合金供給手段。（ｄ）熱源。（ｅ）単一のスプレーノズル。（ｆ）前記溶融金属または溶融金属合金を前記供給手段
から前記溶融金属または溶融金属合金を微粒化するため
の前記単一のスプレーノズルに注入する手段。（ｇ）前記熱源からの熱を前記コレクタ面のあらかじめ
選択された部分に加える手段。（ｈ）微粒化された溶融金属または溶融金属合金の溶射
を、前記コレクタ面の前記被加熱部分に指向させる手
段。

【００３２】前記熱源は、レーザ、高温火炎、プラズマ
・アーク、及び輻射熱源からなるグループから選択する
ことができる。

【００３３】また、前記スプレーノズルは所定の経路を
通るように振動可能とすることが好ましく、あるいは所
定の経路内を旋回するように取り付けてもよい。また好
ましくは、前記熱源は振動可能であって、振動経路に沿
って熱を指向させる。

【００３４】

【発明の実施の形態】図１において、コレクタ面１２を
有する金属あるいは金属合金のビレットまたは予備成形
体１０は、スプレーノズル２０で生成され、放出される
微粒化された溶融金属あるいは金属合金１８が溶射され
る間に、符号１４で示されている方向に回転されるとと
もに、符号１６で示される方向に移動される。補助加熱
源２２からの熱がコレクタ面１２に到達して、予熱領域
２４を形成している。

【００３５】溶融装置からは、適当な溶融金属の流れを
得ることができる。その溶融金属は、従来の手段、好ま
しくは米国特許第５，３１０，１６５号に開示されてい
る装置によって溶射成形を行うため、適当な金属スプレ
ーに変えられる。なお、その開示事項は参考として、ま
たこの明細書の一部としてここに含まれるものとする。
次いで、溶射金属１８は、回転している予備成形体１
０、すなわちスタータインゴット（starter ingot ）に
溶射される。半流動層上に溶射する必要から予備成形体
のサイズが制限されるという問題点は、溶射金属１８の
衝突領域（impactarea ）２６の直前において、予熱領
域２４に熱源からの熱を供給することによって解消され
ている。熱源２２は十分なエネルギーを供給するように
調整され、それによって予熱領域２４の表面を半固相状
態にまで再加熱し、予備成形体１０の回転に伴い、金属
溶射を受けるのに適当な表面が得られるようになってい
る。このような構成は、図１に概略示されている。

【００３６】本発明の好適な実施例において、微粒化さ
れた金属の供給量は、ノズル２０の動き、基体（substr
ate ）１０の回転、およびノズル２０から射出される溶
融金属１８の量が、各パス当たり約０．０１インチ（約
０．２５４ｍｍ）から約０．０３インチ（約０．７６２
ｍｍ）の厚みの溶着金属層を形成するように制御され
る。さらに、コレクタ面１２の微粒化金属を受ける部分
は、コレクタ面上に液状ないし半固体状の薄い金属層を
形成するため、急速に加熱される。概してこの部分は、
溶着される金属に対して、液相線より約１０゜Ｆから約
１００゜Ｆ低い温度まで、好ましくは、液相線より約２
０゜Ｆから約７５゜Ｆ低い温度まで加熱される。

【００３７】また、本発明を用いて、環状あるいは管状
の予備成形体を形成することもできる。図２において、
マンドレル６６の回りに位置し、コレクタ面５０を有す
る環状または管状の予備成形体５８は、スプレーノズル
４２で生成、射出された微粒化溶融金属あるいは合金３
８が溶射される間、符号３０にて示す方向に回転すると
ともに、符号３４にて示す方向に移動される。補助加熱
源４６からの熱がコレクタ面５０に到達して予熱領域５
４を形成している。

【００３８】溶融装置からは、適当な溶融金属の流れが
得られる。溶融金属は、従来の手段、好ましくは米国特
許第５，３１０，１６５号に記載されている装置によっ
て、溶射成形のための適当な金属溶射物に変換される。
なお、その開示事項は参考として、またこの明細書の一
部としてここに含まれるものとする。次いで、溶射金属
３８は、回転している予備成形体５８、スタータリン
グ、あるいは管状の予備成形体に溶射される。溶射金属
３８は、予熱領域５４が金属スプレーの接触領域６２の
直前に位置するように、溶射される。熱源４６は、予熱
領域５４の表面が半固体状態になるまで再加熱するのに
十分なエネルギーを供給するように調整される。それに
よって、予備成形体５８の回転に伴い、金属溶射３８を
受けるのに適当な表面が形成される。

【００３９】本発明によって、予備成形体の直径と高密
度の溶射成形製品を製造するのに通常要求される回転速
度との関係は、完全に除去される。予備成形体の径に関
するそのような制限はもはや存在せず、予備成形体の径
は、上記のごとき最大許容遠心力のような他の物理的な
系の制約が生じない範囲では制限がなくなる。

【００４０】コレクタ面の温度と回転速度とを切り離す
ことによって、装置は予備成形体のサイズと無関係に一
定かつ合理的な回転速度で運転できる。また、回転速度
を可変から一定に変えることによって、溶射され、溶着
される金属または合金の要求に合致するように、系をよ
り細かく調整することができる。

【００４１】本発明によるプロセスの利益は、単一ノズ
ルによる溶射についての現在のプロセスにおける制限を
考えれば、容易に明らかとなる。予備成形体の径が１０
インチ（約２５．４ｃｍ）未満のときには、現在の技術
あるいは本発明のいずれかを利用できる。予備成形体の
径が１０インチ（約２５．４ｃｍ）から１４インチ（約
３５．６ｃｍ）の場合、現在の技術では機能が制約され
ており、その結果による製品は品質が劣るであろう。一
方、本発明は良好に機能し、高品質の製品を得ることが
できる。予備成形体の径が１４インチ（約３５．６ｃ
ｍ）から２０インチ（約５０．８ｃｍ）のときには、現
在の技術は２本のノズルを採用したときにのみ利用でき
る。しかし、予備成形体の径が２０インチ（約５０．８
ｃｍ）を超える場合には、現在の技術を利用することは
できない。他方、本発明は良好に機能し、１０インチ
（約２５．４ｃｍ）以下から４５インチ（約１１４．３
ｃｍ）以上の径のすべての予備成形体において高品質の
製品を得ることができる。

【００４２】上記の基本的適用例には、多くの変形例を
加えることができる。例えば、ノズルは固定あるいは可
動としてもよい。好ましくはノズルは可動であって、小
角度を振動あるいは旋回し、もしくは、製造されるイン
ゴットの基体の半径をカバーするのに必要な長さの経路
を上方と下方に揺動する。

【００４３】微粒化された金属を溶射する直前にその微
粒化金属を受けることになる領域に熱を加えるように配
置された熱源から熱を供給することによって、その微粒
化金属を受けることとなる面は、所望の温度に維持され
る。熱源もスプレーノズルと同様に、所定の経路を通っ
て揺動し、あるいは旋回するようにプログラムすること
ができる。

【００４４】本発明の第２実施例において、溶射金属は
好適な温度より低い温度で基体表面に溶射され、その溶
着したばかりの金属を含む面に熱が加えられて、その面
の温度を所望の値まで上昇させる。この手順の有利な点
は、基体上に金属が溶射される間に生じうる間隙空間す
べてに金属を流入させることができることである。

【００４５】本発明の他の実施例において、溶射金属が
溶着する直前と直後に、基体表面に熱が加えられる。こ
のため、その表面温度が所望の温度に維持される時間が
長くなり、溶射金属が間隙空間すべてを充填する機会を
与えられるという利益が得られる。また、より低い温度
を用いることもできるが、これは表面がより長い時間、
所望の最低温度より高い温度に維持されるからである。

【００４６】本発明の好適な実施例によれば、単数また
は複数の熱源は、スプレーノズルの振動に合わせて振動
するように調整される。熱源の動作とノズルの動作とを
協同させることによって、基体表面の加熱される領域が
最小となる。

【００４７】コレクタ面の加熱領域に関していえば、溶
射金属がその表面に衝突するときに、コレクタ表面の温
度を所望の温度に維持するのに必要な最小の表面積を加
熱するのが好ましい。当業者は理解するであろうが、こ
の領域の大きさは、熱源を振動させるかどうか、コレク
タの回転速度、熱源の強度、その他溶射装置の詳細な構
成によって定まるパラメータによって左右される。

【００４８】溶射される領域の直上流の領域が加熱され
ることが好ましい。

【００４９】熱源は、レーザ、高温の火炎、プラズマ・
アーク、電気誘導、あるいは輻射熱源のような従来の熱
源のどれであってもよいが、プラズマもしくはレーザを
使用するのが好ましい。前述のように、熱源の熱は溶射
領域の直前および隣接する面に加えられるように制御さ
れる。また、上記のコレクタ領域は、その面上に溶融も
しくは半流動の薄層が得られる温度まで、局所的に加熱
するように制御される。このときこの薄層は、有害な多
孔状態を形成することなく、供給される溶射金属を溶着
するのに好適であり、同時に、その溶着金属の急速固化
を可能とする。

【００５０】

【発明の効果】上記から明らかなように、本発明によれ
ば、現在妨げとなっている物理的制限を除去することに
よって現在可能な溶射成形による予備成形体よりも大き
な予備成形体を加工するための改善された方法および装
置が提供される。また、予備成形体のサイズを回転速度
から切り離すことによってより大径の予備成形体の製造
が可能となった。

【００５１】なお、先の記述と特定された実施例は単に
本発明の最良の態様とその原理を説明するためのもので
あって、当業者によれば、本発明の精神及び領域から逸
脱することなく、本装置に種々の変更および付加ができ
ることは理解されるであろう。したがって、本発明は、
上記特許請求の範囲によってのみ制限されることが理解
されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による円筒状の予備成形体の
成形を説明する概略図である。

【図２】本発明の他の実施例による円筒状の予備成形体
の成形を説明する概略図である。

【符号の説明】

１０，５８予備成形体１２，５０コレクタ面１８，３８溶射金属２０，４２スプレーノズル２２，４６補助加熱源２４，５４予熱領域２６，６２衝突領域（溶射金属１８，３８の）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リチャードエル．ケネディアメリカ合衆国・ノースカロライナ州 28112・モンロー・マシドニアチャーチロード 206

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の（ａ）ないし（ｆ）の要件を備え
ている、直径が１０インチ（約２５．４ｃｍ）より大で
ある略円筒状の金属あるいは金属合金のビレット、リン
グ、または管状体を溶射成形するための方法。（ａ）溶融金属または溶融金属合金を供給する。（ｂ）外径が１０インチ（約２５．４ｃｍ）より大のコ
レクタ面を回転させる。（ｃ）熱源を設ける。（ｄ）前記溶融金属または溶融金属合金を単一のスプレ
ーノズルに注入し、それによって、前記溶融金属または
溶融金属合金を微粒化する。（ｅ）前記コレクタ面の一部に熱を加える。（ｆ）微粒化された溶融金属または溶融金属合金を、前
記コレクタ面の被加熱部に溶射することによって溶着さ
せる。
【請求項２】前記コレクタ面の外径は少なくとも１４
インチ（約３５．６ｃｍ）である請求項１に記載の方
法。
【請求項３】前記コレクタ面の被加熱部は、液相線温
度より約１０゜Ｆから約１００゜Ｆ低い範囲内の温度に
加熱される請求項１に記載の方法。
【請求項４】前記コレクタ面の被加熱部は、液相線温
度より約２０゜Ｆから約７５゜Ｆ低い範囲内の温度に加
熱される請求項１に記載の方法。
【請求項５】前記熱源は、レーザ、高温火炎、プラズ
マ・アーク、及び輻射熱源からなるグループから選択さ
れる請求項１に記載の方法。
【請求項６】前記熱源はプラズマ・アークである請求
項５に記載の方法。
【請求項７】前記熱源はレーザである請求項５に記載
の方法。
【請求項８】微粒化された金属または金属合金が前記
コレクタ面の一部分に溶着した直後に前記部分に熱を加
え、それによって空隙率を最小化する請求項１に記載の
方法。
【請求項９】微粒化された金属または金属合金を溶着
する直前と直後の両方で前記コレクタ面の一部に熱を加
える請求項１に記載の方法。
【請求項１０】前記コレクタ面はあらかじめ選択され
た回転速度で回転される請求項１に記載の方法。
【請求項１１】前記スプレーノズルは、金属溶着の
間、振動される請求項１に記載の方法。
【請求項１２】前記熱源が振動する請求項１に記載の
方法。
【請求項１３】前記熱源は前記スプレーノズルと協同
して振動する請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】下記の（ａ）ないし（ｆ）の要件を備
えた、外径が１０インチ（約２５．４ｃｍ）より大であ
る略円筒状の金属あるいは金属合金のビレット、リン
グ、または管状体を溶射成形するための方法。（ａ）溶融金属または溶融金属合金を供給する。（ｂ）外径が１０インチ（約２５．４ｃｍ）より大であ
るコレクタ面を回転させる。（ｃ）熱源を設ける。（ｄ）前記溶融金属または溶融金属合金を単一のスプレ
ーノズルに注入し、それによって前記溶融金属または溶
融金属合金を微粒化する。（ｅ）前記微粒化された溶融金属または溶融金属合金を
前記コレクタ面の被選択部に溶射する。（ｆ）前記溶融金属または溶融金属合金を前記コレクタ
面の前記部分に溶射した直後に当該部分に熱を加える。
【請求項１５】下記の（ａ）ないし（ｈ）の要件を備
えている、外径が１０インチ（約２５．４ｃｍ）より大
である略円筒状の金属あるいは金属合金のビレット、リ
ング、または管状体を溶射成形するための装置。（ａ）回転可能なコレクタ面を有し外径が１０インチ
（約２５．４ｃｍ）より大であるスタータ予備成形体。（ｂ）前記コレクタ面を所定の回転速度で回転させる手
段。（ｃ）溶融金属または溶融金属合金供給手段。（ｄ）熱源。（ｅ）単一のスプレーノズル。（ｆ）前記溶融金属または溶融金属合金を前記供給手段
から前記溶融金属または溶融金属合金を微粒化するため
の前記単一のスプレーノズルに注入する手段。（ｇ）前記熱源からの熱を前記コレクタ面のあらかじめ
選択された部分に加える手段。（ｈ）微粒化された溶融金属または溶融金属合金の溶射
を、前記コレクタ面の前記被加熱部分に指向させる手
段。
【請求項１６】前記熱源は、レーザ、高温火炎、プラ
ズマ・アーク、及び輻射熱源からなるグループから選択
される請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】前記スプレーノズルは所定の経路を通
るように振動可能である請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】前記スプレーノズルは所定の経路内を
旋回するように取り付けられた請求項１５に記載の装
置。
【請求項１９】前記熱源は振動可能であって、振動経
路に沿って熱を指向させる請求項１５に記載の装置。