KR20140048246A - 분무화된 금속 및 합금으로부터 생성물을 형성하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

분무화된 금속 및 합금으로부터 생성물을 형성하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

분무화된 금속 및 합금으로부터 생성물을 형성하기 위한 방법, 시스템 및 장치가 개시되어 있다. 용융 합금의 스트림 및/또는 용융 합금의 일련의 액적이 생성된다. 용융 합금은 용융 합금의 스트림 및/또는 용융 합금의 일련의 액적 상에 전자를 충돌시킴으로써 분무되어 용융 합금의 대전된 입자를 생성한다. 대전된 용융 합금 입자는 정전기장과 전자기장 중 적어도 한쪽을 이용해서 가속된다. 가속된 용융 합금 입자는, 가속화 동안 용융 합금 입자가 고형화되도록 용융 합금 입자의 고상선 온도보다 낮은 온도로 냉각된다. 고체 합금 입자는 기판 상에 충돌하고, 해당 충돌하는 입자는 변형되어서, 기판에 야금학적으로 결합되어 고체 합금 모재를 생성한다.

Description

분무화된 금속 및 합금으로부터 생성물을 형성하기 위한 방법, 시스템 및 장치{PROCESSES AND APPARATUS FOR FORMING PRODUCTS FROM ATOMIZED METALS AND ALLOYS}
본 발명은 금속 및 합금을 용융, 분무화 및 가공처리하는 것 및 분무화된 금속 및 합금을 이용해서 금속 및 합금 생성물을 형성하는 것에 관한 것이다.
금속 및 합금, 예를 들어, 철, 니켈, 티타늄, 코발트, 및 이들 금속에 기초한 합금 등은 미립자화된 미세구조, 균질성 및/또는 실질적으로 결함이 없는 조성물이 유리하거나 필요한 엄밀한 공학 응용에서 종종 이용된다. 금속 및 합금 주물 및 잉곳에서의 이러한 바람직하지 않은 입자 성장 및 편석(segregation) 등과 같은 문제는 최종 사용 응용에 유해할 수 있고, 또한 고품질 합금 제조와 관련된 비용을 유의하게 증가시킬 수 있다. 종래의 합금 제조 수법, 예컨대, 진공 유도 용융(vacuum induction melting), 일렉트로슬래그 정련(electroslag refining) 및 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting)은 합금 주물에서 불순물 및 오염물의 양을 저감시키는 데 이용될 수 있다. 그러나, 각종 예에서, 종래의 주조-및-단조 합금 제조 방법은, 각종 엄밀한 공학 응용을 위하여 요구되거나 요청되는 미립자화된 미세구조, 균질성, 및/또는 실질적으로 결함이 없는 조성물을 지니는 합금을 생산하는데 이용될 수 없다.
분말 야금법은 주조-및-단조 합금 제조법으로 달성될 수 없는 미립자화된 미세구조를 지니는 금속 및 합금의 제조를 허용할 수 있다. 그러나, 분말 야금법은 주조-및-단조 합금 제조법보다 더 복잡하고, 비교적 높은 수준의 공동 및 다공도를 지니는 금속 및 합금을 제조할 수 있다. 분말 야금법은 또한 생성물을 형성하는 데 이용되는 분말 공급 원료의 제조, 취급 및 가공처리 동안 금속 및 합금 생성물 내에 불순물 및 오염물을 도입할 가능성을 지닌다.
비제한적인 실시형태에 있어서, 본 발명에 따른 방법은 용융 합금의 스트림(stream)과 용융 합금의 일련의 액적(droplet) 중 적어도 한쪽을 생성하는 단계를 포함한다. 용융 합금의 대전된(즉, 전기를 띤) 입자(electrically-charged particle)는 용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽 상에 전자를 충돌시켜 용융 합금을 분무화시킴으로써 생성된다. 대전된 용융 합금 입자는 정전기장(electrostatic field)과 전자기장(electromagnetic field) 중 적어도 한쪽에 의해 가속된다. 용융 합금 입자는 가속화 동안 용융 합금 입자가 고형화되도록 용융 합금 입자의 고상선 온도(solidus temperature)보다 낮은 온도로 냉각된다. 이 고체 합금 입자는 기판 상에 충돌하며, 이때 충돌하는 입자는 변형되어서 기판에 야금학적으로 결합(metallurgically bond)되어 고체 합금 모재(solid alloy preform)를 생성한다.
본 명세서에 개시되고 기술된 발명은 본 발명의 내용 부문에 요약된 실시형태들로 한정되지 않는 것으로 이해된다.
본 명세서에 개시되고 기술된 비제한적 및 비배타적인 실시형태들의 다양한 특성 및 특징들은 첨부된 도면을 참조하면 보다 잘 이해될 수 있다:
도 1은 합금 가공처리 시스템의 개략적 예시도;
도 2는, 분무화 조립체(atomizing assembly)를 통과하는 용융 합금의 경로에서 대체로 직사각 형상의 전자장이 생성되는, 해당 분무화 조립체의 개략도;
도 3은, 래스터링 장치(rastering apparatus)가 분무화 조립체를 통과하는 용융 합금의 경로에서 전자장을 생성하는, 분무화 조립체의 개략도;
도 4는, 분무화 조립체를 통과하는 용융 합금의 경로에서 전자장을 생성하는데 이용되는 전자가 필라멘트의 외표면으로부터 생성되는, 분무화 조립체의 개략도;
도 5는 전자빔 분무화 조립체(electron beam atomizing assembly)에서 용융 합금 액적의 분무화의 개략도;
도 6, 도 7, 도 7a, 도 8, 도 8a, 도 9 및 도 9a는 고체-분무-성형 공정(solid-spray-forming process)에 의해 합금 모재를 형성하도록 구성된 시스템 및 장치의 개략도;
도 10 내지 도 13은 용융 합금을 생산하는 용융 조립체들의 개략도;
도 14 내지 도 17 및 도 17a는 고체-분무-성형 공정에 의해 합금 모재를 형성하도록 구성된 시스템 및 장치의 개략도;
도 18은 고체-분무-성형 공정의 흐름도;
도 19a 내지 도 19f는 고체-분무-성형 공정을 수행하는 고체-분무-성형 시스템을 집합적으로 도시한 개략도;
도 20은 와이어-방전 이온 플라즈마 이미터의 각종 구성요소의 개략도;
도 21은 다수의 와이어-방전 이온 플라즈마 이미터를 포함하는 전자빔 냉각로 용해 조립체(electron beam cold hearth melting assembly)의 개략도;
도 22는 와이어-방전 이온 플라즈마 이미터의 각종 구성요소의 개략도;
도 23은 와이어-방전 이온 플라즈마 이미터를 포함하는 전자빔 용융 장치의 개략도;
도 24는 와이어-방전 이온 플라즈마 이미터의 사시도;
도 25는 도 24에 도시된 와이어-방전 이온 플라즈마 이미터의 동작을 예시한 개략도;
도 26은 다수의 와이어-방전 이온 플라즈마 이미터를 포함하는 전자빔 냉각로 용해 조립체의 개략도.
독자는, 본 발명에 따른 다양한 비제한적 및 비배타적인 실시형태들의 이하의 상세한 설명을 고려할 때, 전술한 상세뿐만 아니라 다른 것들도 인식할 것이다.
개시된 방법 및 생성물의 구조, 기능, 동작, 제조 및 용도의 전반적인 이해를 제공하기 위하여 본 명세서에서 각종 실시형태가 기재되고 예시된다. 본 명세서에 기재되고 예시된 각종 실시형태는 비제한적이고 비배타적인 것임이 이해된다. 이와 같이 해서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 각종 비제한적 및 비배타적인 실시형태의 설명에 의해 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 오로지 특허청구범위에 의해서만 규정된다. 각종 실시형태와 관련하여 예시된 및/또는 설명된 특성 및 특징은 기타 실시형태의 특성 및 특징과 조합될 수 있다. 이러한 변경 및 변형은 본 명세서의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 그와 같이, 특허청구범위는 본 명세서에 명시적으로 혹은 고유하게 기재되거나 다르게는 본 명세서에 의해 명시적으로 혹은 고유하게 뒷받침되는 임의의 특성 혹은 특징을 자세히 기술하기 위하여 보정될 수도 있다. 또한, 출원인은 종래 기술에서 존재할 수 있는 특성 혹은 특징을 확정적으로 포기하기 위하여 특허청구범위를 보정할 권리를 가진다. 따라서, 이러한 임의의 보정은 35 U.S.C. §112, 제1절 및 35 U.S.C. §132(a)의 요건을 준수한다. 본 명세서에 개시되고 기재된 각종 실시형태는 본 명세서에서 다양하게 기재된 바와 같은 특성과 특징을 포함할 수 있거나 이들로 구성될 수 있거나 혹은 이들로 필수적으로 구성될 수 있다.
본 명세서에서 확인된 임의의 특허, 간행물 혹은 기타 개시 자료는 달리 표시되지 않는 한 그의 전문이 본 명세서에 참조로 내포되지만, 그 정도는, 그 내포되는 자료가 본 명세서에 명시적으로 기술된 기존의 정의, 진술 혹은 기타 개시 자료와 상충되지 않는 정도까지 뿐이다. 그와 같이 그리고 필요한 정도까지, 본 명세서에 기술된 바와 같은 분명한 개시내용은 본 명세서에 참조로 내포된 임의의 상충하는 자료를 대신한다. 본 명세서에 참조로 내포된다고 언급되지만, 본 명세서에 기술된 기존의 정의, 진술 혹은 기타 개시 자료와 상충하는 임의의 자료 혹은 그 일부는, 그 내포된 자료와 기존의 개시 자료 간에 상충이 일어나지 않는 정도까지 내포될 뿐이다. 출원인은 본 명세서에 참조로 내포된 어떠한 주제 혹은 그 일부를 명시적으로 기술하기 위하여 본 명세서를 보정할 권리를 가진다.
본 명세서 전체를 통하여 "각종 비제한적인 실시형태" 등이란, 특정 특성 혹은 특징이 실시형태에 포함될 수 있는 것을 의미한다. 이와 같이 해서, 본 명세서에서 "비제한적인 실시형태에 있어서" 등의 어구의 이용은 반드시 통상의 실시형태를 지칭할 필요는 없고, 상이한 실시형태를 지칭할 수도 있다. 또한, 그 특정 특성 혹은 특징은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 이와 같이 해서, 각종 실시형태와 관련해서 예시되거나 기재된 그 특정 특성 혹은 특징들은 제한 없이 하나 이상의 다른 실시형태의 특성 혹은 특징들과 전체적으로 혹은 부분적으로 조합될 수 있다. 이러한 변경 및 변형은 본 명세서의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
본 명세서에서, 달리 명시된 경우를 제외하고, 모든 수치 파라미터는 모든 경우에 "약"이란 용어에 의해 서두에 기재되고 변경되는 것으로서 이해되어야 하며, 이때 수치 파라미터는 해당 파라미터의 수치를 결정하는데 이용된 기저 측정 수법의 고유한 변동성 특징을 지닌다. 적어도, 그리고 특허청구범위의 범주에 대한 균등물의 원칙의 적용을 한정하고자 하는 시도로서가 아니게, 본 명세서에 기재된 각 수치 파라미터는 보고된 유효 자릿수의 개수에 비추어 그리고 통상의 반올림 수법을 적용함으로써 적어도 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 인용된 임의의 수치 범위는, 인용된 범위 내에 포괄되는 동일한 수치 정확도의 모든 하위-범위(sub-range)를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "1.0 내지 10.0"의 범위는 1.0의 인용된 최소값과 10.0의 인용된 최대값 사이의(및 이를 포함하는), 즉, 1.0과 동일 혹은 그보다 큰 최소값과 10.0과 동일 혹은 그보다 작은 최대값, 예를 들어, 2.4 내지 7.6을 지니는 모든 서브 범위를 포함하도록 의도된다. 본 명세서에서 인용된 임의의 최대 수치 제한은 그 안에 포괄되는 모든 보다 낮은 수치 제한을 포함하도록 의도되며, 본 명세서에 인용된 임의의 최소 수치 제한은 그 안에 포괄되는 모든 보다 높은 수치 제한을 포함하도록 의도된다. 따라서, 출원인은, 본 명세서에 명확하게 인용된 범위 내에 포괄되는 임의의 하위-범위를 명확하게 인용하기 위해, 특허청구범위를 비롯하여 본 명세서를 보정할 권리를 가진다. 이러한 모든 범위는, 임의의 이러한 하위-범위를 명확하게 인용하게 하기 위한 보정이 35 U.S.C.§112, 제1절 및 35 U.S.C.§ 132(a)의 요건을 준수하도록 본 명세서에서 본질적으로 기재되도록 의도된다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같은 단수 표현은, 달리 표시되지 않는 한, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 포함하도록 의도된다. 이와 같이 해서, 단수 표현은 그 단수 표현의 하나 이상(즉, "적어도 하나")를 지칭하도록 본 명세서에서 이용된다. 예로서, "구성요소"는 하나 이상의 구성요소를 의미하고, 따라서 가능하게는, 하나보다 많은 구성요소가 상정되며, 기재된 실시형태의 실행 시 활용되거나 이용될 수 있다. 또한, 이용의 정황이 달리 요구되지 않는 한, 단수 명사의 이용은 복수 명사를 포함하며, 복수 명사의 이용은 단수 명사를 포함한다.
각종 엄밀한 응용에서, 구성요소는 상당한 편석을 결여하는 대직경의 잉곳의 형태로 합금, 예를 들어, 니켈계 초합금으로부터 제조되어야 한다. 이러한 잉곳은 적극적 및 부정적 편석(positive and negative segregation)이 실질적으로 없어야 한다. "프레클"(freckle)은 적극적 편석의 통상적인 징후이며, 용질 원소들 중에 풍부한 검게 에칭된 영역으로서 야금학적으로 관찰가능하다. 프레클은 고형화 동안 주형 잉곳의 머시 영역(mushy zone) 중에 용질-풍부 수지상간 액체의 흐름으로부터 기인한다. 예를 들어, 알로이(Alloy) 718 중의 프레클은, 전체적인 합금 기질에 비해서 니오브 중에 풍부하고, 높은 밀도의 탄화물을 지니며, 통상적으로 라베스상(Laves phase)을 포함한다. 이와 같이, 프레클은 엄격한 응용에서 이용될 합금에 특히 불리하다.
"백색 스팟"(white spot)은 부정적 편석의 통상적인 유형이다. 백색 스팟은 경미한 에칭된 영역으로서 야금학적으로 관찰가능하며, 이러한 영역은 니오브 등과 같은 보다 단단한 용질 원소에서 결핍된다. 백색 스팟은 전형적으로 수지상, 불연속적 및 고형 백색 스팟으로 분류된다. 수지상 및 고형 백색 스팟에 대해서 약간의 허용도는 있지만, 불연속적 백색 스팟들은 이들이 주형 합금 물품에서 균열 개시 부위로서 작용할 수 있는 산화물과 질화물의 클러스터에 주로 관련되기 때문에 주된 관심사이다.
적극적 및 부정적 편석을 실질적으로 결여하고 있고 또한 프레클이 없는 잉곳 및 모재는 "최고급" 잉곳 및 모재라 지칭될 수 있다. 최고급 니켈계 초합금 잉곳 및 모재는, 예를 들어, 항공 혹은 육지-기반 전력 발전 터빈에서 회전 부품을 포함하는 각종 엄격한 응용에서, 그리고 편석-관련 야금학적 결함이 동작 동안 구성요소의 돌발 실패를 초래할 수 있는 기타 응용에서 요구된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 잉곳 또는 모재는, 이러한 유형의 편석이 전체적으로 없거나 항공 및 육지-기반 터빈 응용을 위한 회전 부품 내에 제작하기 위한 용도 등과 같은 엄격한 응용에서 이용하기에 적합하지 않은 잉곳 혹은 모재를 만들지 못할 정도로만 존재할 경우, 적극적 및 부정적인 편석을 "실질적으로 결여하고 있다".
주조 동안 상당한 적극적 및 부정적 편석이 적용되는 니켈계 초합금으로는, 예를 들어, 알로이 718(UNS N07718) 및 알로이 706(UNS N09706)을 포함한다. 엄격한 응용에서 이용하기 위한 이들 합금을 주조할 때 편석을 최소화하고, 주조 합금이 유해한 비금속 혼입물이 없는 것을 더욱 확실하게 하기 위하여, 용융 금속 재료는 최종적으로 주조되기 전에 적절하게 정련된다. 알로이 718뿐만 아니라, 알로이 706 등과 같은 각종 기타 편석-경향이 있는 니켈계 초합금을 정련하는 수법은, 진공 유도 용융(VIM), 일렉트로슬래그 정련/재용융(ESR) 및 진공 아크 재용융(VAR)을 순차적으로 조합하는 "3중 용융" 수법이다. 그러나, 이들 편석-경향이 있는 재료의 고품질 잉곳은, 3중 용융 수순에서 마지막 단계인 VAR 용융에 의해 대직경을 제조하는 것은 곤란하다. 몇몇 경우에, 대직경 잉곳은 단일 성분으로 제작되는데, 이 경우 VAR-주조 잉곳 내에서 허용 불가능한 편석의 영역이 성분 제조 전에 선택적으로 제거될 수 없다. 따라서, 전체 잉곳 혹은 잉곳의 일부분이 스크랩(scrap)될 필요가 있을 수 있다.
알로이 718, 알로이 706, 및 기타 니켈계 초합금, 예컨대, 알로이 600(UNS N06600), 알로이 625(UNS N06625), 알로이 720 및 와스팔로이(Waspaloy)(등록상표)(UNS N07001)의 잉곳은 각종 출현하는 응용을 위하여 보다 큰 중량 및 대응하는 보다 큰 직경이 점증적으로 요구된다. 이러한 응용은, 예를 들어, 보다 큰 육지 기반 및 항공 터빈용의 회전 부품을 포함한다. 보다 큰 잉곳은, 최종 부품 중량을 경제적으로 달성하는 데뿐만 아니라, 잉곳 구조를 적절하게 파괴시켜 모든 최종 기계적 및 구조적 요건을 달성하기 위하여 충분한 열기계적 작업을 용이하게 하는데 필요로 된다.
대직경 초합금 잉곳의 용융 및 주조는 다수의 기본적인 야금 및 가공처리 관련 쟁점을 두드러지게 한다. 예를 들어, 용융 고형화 동안 열 추출은 잉곳 직경을 증가시킴에 있어서 더욱 곤란해지고, 이에 따라서 보다 긴 고형화 시간 및 보다 깊은 용융 풀(molten pool)을 초래한다. 이것은 적극적 및 부정적 편석으로 향하는 경향을 증가시킨다. 또한, 보다 큰 잉곳 및 ESR/VAR 전극은 가열 및 냉각 동안 보다 높은 열적 스트레스를 발생시킬 수 있다. 알로이 718은 특히 이들 문제의 경향이 있다. 알로이 718 및 기타 각종 편석-경향 니켈계 초합금으로부터 허용가능한 야금 품질의 대직경 VAR 잉곳의 생산을 허용하기 위하여, 특수화된 용융 및 가열 처리 수순이 개발되어 있었다. 이러한 하나의 특수화된 용융 및 가열 처리 수순은 미국 특허 제6,416,564호에 기재되어 있으며, 이 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다.
그럼에도 불구하고, 분말 야금 수법은 대직경 니켈계 초합금 잉곳 등과 같은 최고급 합금 생성물을 생산하는데 이용될 수 있다. 분무 성형(spray forming)은 대직경 초합금 잉곳을 생산하기 위한 하나의 분말 야금 수법이다. 분무 성형 동안, 용융 합금의 스트림은 미세한 용융 합금 액적 혹은 입자의 분무(spray)를 형성하기 위하여 분무화된다. 용융 입자는 이어서 컬렉터로 지향되고, 여기서 합쳐져서 일관된 거의 완전히 치밀한 모재로 고형화한다. 각종 응용에서, 컬렉터 및 분무화기의 제어된 움직임은, 용융 금속 이송 과정의 제어와 함께, 고품질의 대형 모재가 생산될 수 있게 한다. 분무 성형 공정은 광범위한 합금에 대한 98% 이상의 이론적 밀도와 등축 입자를 지니는 미립자화된 균질한 미세 구조를 생산할 수 있다. 그러나, 종래의 분무 성형은 일반적으로 유체 충돌 분무화 수법을 이용하며 이는 많은 결점을 제시한다.
유체 충돌 분무화 수법에 있어서, 기체 혹은 액체는 용융 금속 재료의 스트림 상에 충돌된다. 액체 혹은 기체를 이용한 충돌은 분무화된 재료 내에 오염물을 도입할 수 있다. 유체 충돌이 진공 환경에서 일어나지 않는 것을 고려하면, 불활성 기체를 이용하는 충돌 수법도 분무화된 재료 내에 상당한 수준의 불순물을 도입할 수 있다. 진공 환경에서 수행될 수 있는 각종 비-유체 충돌 분무화 수법은 개발되어 있었다. 이들 수법은, 예를 들어, 미국 특허 제6,772,961호(이하 본 명세서는 "US-6,722,961호"라 지칭함)에 기재된 분무화 수법을 포함하며, 이 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다.
US-6,722,961호는 제어된 분배 기기에 커플링된 용융 기기에 의해 생성된 용융 합금 액적 혹은 용융 합금 스트림이 높은 상승 속도에서 액적에 고전압을 인가함으로써 신속하게 정전기 대전되는 수법을 기재한다. 대전된 액적 내에 셋업된 정전기력은 액적을 보다 작은 2차 입자로 파괴시키거나 분무시킨다. US-6,722,961호에 기재된 하나의 수법에서, 분배 기기의 노즐에 의해 생성된 1차 용융 액적이 노즐의 하류 및 그에 인접한 링-형상 전극으로부터 전장에 의해 처리된다. 1차 액적 내에 전개된 정전기력은 입자의 표면장력을 초과하여 보다 작은 2차 입자의 형성을 초래한다. 부가적인 링-형상 장-생성 전극들이 마찬가지 방식으로 2차 입자를 처리하기 위하여 하류에 제공되어, 더욱 작은 용융 입자를 생성할 수 있다.
전자빔 분무화는 진공에서 수행되는 용융 재료를 분무화하기 위한 다른 비-유체 충돌 수법이다. 일반적으로, 수법은 용융 합금 스트림 및/또는 일련의 용융 합금 액적의 영역 내로 전하를 주입하기 위하여 전자빔을 이용하는 것을 포함한다. 일단 영역 혹은 액적은 레일리 한계(Rayleigh limit)를 초과하는 충분한 전하를 축적하면, 그 영역 혹은 액적은 불안정하게 되어 미립자로 붕괴된다(즉, 분무화된다). 전자빔 분무화 수법은 미국 특허 제6,772,961호; 제7,578,960호; 제7,803,212호; 및 제7,803,211호에 기재되어 있으며; 이들 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다.
US-6,722,961호는 또한 분무 성형된 모재 혹은 분말을 생성하는 공정에서 분무화에 의해 형성된 용융 합금 입자의 가속도, 속도 및/또는 방향을 제어하기 위하여 정전기장 및/또는 전자기장을 이용하는 수법을 개시한다. US-6,722,961호에 기재된 바와 같이, 이러한 수법은 분무화된 용융 재료의 실질적인 하류 제어를 제공하고, 과잉분무 및 기타 재료 낭비를 저감하여, 품질을 개선하며, 분무 성형 수법에 의해 제조된 고체 모재의 밀도를 증대시킬 수 있다.
단위 모재로서 분무화된 용융 재료를 수집하는 방법은 분무 성형 및 핵화 주조를 포함한다. 핵화 주조에 관하여, 구체적인 문헌은 미국 특허 제5,381,847호; 제6,264,717호; 및 제6,496,529호에 기재되어 있으며, 이들 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다. 일반적으로, 핵화된 주조는 용융 합금 스트림을 분무화하고 나서, 얻어지는 용융 합금 입자를 소망의 형상을 지니는 주조 주형 내에 유도시키는 것을 포함한다. 액적은 주형에 의해 형상화된 단위 물품으로서 합쳐서 고형화하고, 이 주조는 소망의 부품으로 더욱 가공처리될 수 있다. 일반적으로, 분무 성형은, 분무화된 용융 재료를, 예를 들어, 플래튼 혹은 실린더의 표면 상에 유도시켜 합쳐서 고형화하여 독립된 모재를 형성하는 것을 포함하며, 이 모재는 소망의 부품으로 더욱 가공처리될 수 있다.
주지된 바와 같이, 고체 모재를 생성하기 위하여 금속 및 합금을 용융, 분무화 및 가공처리하는 수법의 다수는 하나 이상의 관점에서 결함이 있다. 이러한 결함은, 예를 들어, 처리 복잡성 및 비용; 모재 내의 높은 잔류 응력, 공동(void), 다공성, 산화물 및 기타 오염물의 존재; 과잉분무로 인한 수율 손실; 적용가능한 금속 및 합금에 대한 제한; 및 고유한 크기 제한을 포함한다. 이들 결함은 니켈계 초합금 등과 같은 각종 합금의 생산에서 특히 문제이다. 본 명세서에 개시되고 기재된 각종 비제한적인 실시형태는, 부분적으로, 특히 이들 결함의 적어도 일부를 극복하고, 예를 들어, 대직경 잉곳 및 기타 최고급 모재 등과 같은 금속 및 합금 생성물의 생성을 위한 개선된 수법을 제공하는 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다.
본 명세서에서 개시되고 기재된 각종 비제한적인 실시형태는, 부분적으로, 단일 및 모놀리식 합금 모재 및 기타 물품을 생성하는데 이용되는 합금 입자로 적어도 부분적으로 고형화될 수 있는 분무화된 용융 재료를 생산하기 위하여 금속 및 금속성(즉, 금속-함유) 합금을 용융 및 분무화하기 위한 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "합금"이란 용어는, 예를 들어, 철, 니켈, 티타늄, 코발트, 및 이들 금속에 기초한 합금 등과 같은 금속과 금속성 합금의 양쪽 모두를 지칭한다.
본 명세서에서 개시된 각종 비제한적인 실시형태는 단일 및 모놀리식 모재 및 기타 합금 물품을 생산하도록 고형화되고 고체-분무-성형된 용융 합금 입자를 생산하기 위하여 합금을 용융시키고/시키거나 용융 합금을 분무시키기 위하여 전자를 이용하는 장비 및 수법을 이용할 수 있다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 본 명세서에서 개시된 방법, 시스템 및 장치는 니켈계 초합금 모재 및 물품 제조에 유용할 수 있고, 여기서 주조-및-단조 야금, 3중 용융 및 분말 야금 수법은 위에서 논의된 바와 같은 부수적인 단점을 지닌다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 고체-분무-성형 공정은 용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생산하는 단계를 포함한다. 용융 합금의 대전된 입자는 용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽 상에 전자를 충돌시켜 용융 합금을 분무화시킴으로써 생산된다. 대전된 용융 합금 입자는 정전기장과 전자기장 중 적어도 한쪽을 이용해서 가속된다. 용융 합금 입자는, 해당 용융 합금 입자가 가속 동안 고형화되도록 용융 합금 입자의 고상선 온도보다 낮은 온도로 냉각된다. 고형화된 합금 입자는 기판 상에 충돌되며, 이때 충돌하는 입자는 변형되어서, 기판에 그리고 서로 야금학적으로 결합되어 고체 합금 모재를 생성한다.
도 1을 참조하면, 본 명세서에 기재된 바와 같은 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 시스템(100)의 각종 비제한적인 실시형태는, 용융 합금의 스트림과 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생성하는 용융 조립체(110)(본 명세서에서는 "용융 장치" 혹은 "용융 기기"라고도 지칭됨); 용융 조립체(110)로부터 입수된 용융 합금을 분무화하여 비교적 작은 용융 합금 입자를 생성하는 전자빔 분무화 조립체(112)(본 명세서에서는 "분무화 장치" 혹은 "분무화 기기"로도 지칭됨); 분무화 조립체(112)에 의해 생성된 합금 입자들 중의 하나 이상의 가속도, 속도 및 방향 중 적어도 하나에 영향을 미치는 정전기장과 전자기장 중 적어도 한쪽을 생성하는 장 생성 조립체(field producing assembly)(114)(본 명세서에서는 "장 생성 장치" 혹은 "장 생성 기기"라고도 지칭됨); 및 고형화된 합금 입자가 충돌, 변형 및 야금학적으로 결합되어 모재를 형성하는 컬렉터(116)를 포함한다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 고체-분무-성형 공정은 용융 조립체 내에서 용융 합금의 스트림 및/또는 용융 합금의 일련의 액적(이는 용융 합금에 의해 접촉된 용융 조립체의 영역에 세라믹이 실질적으로 없을 수도 있음)을 생성하는 단계; 용융 조립체로부터 입수된 용융 합금 상에 전자를 충돌시킴으로써 분무화 조립체 내에 용융 합금 입자를 생성하는 단계; 정전기장과 전자기장 중 적어도 한쪽을 생성하는 단계(여기서, 용융 합금 입자는 상기 장과 상호작용하고, 해당 장은 용융 합금 입자의 가속도, 속도 및 방향 중 적어도 한쪽에 영향을 미침); 분무화 조립체로부터 입자의 수송 동안 용융 합금 입자를 냉각시켜 고체 합금 입자를 형성하는 단계; 및 컬렉터 내에 고체 합금 입자를 고체 모재로서 수집하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "용융 조립체" 등과 같은 용어는, 출발 물질의 주입물, 스크랩, 잉곳, 소모성 전극, 및/또는 합금의 다른 공급원으로부터 생성될 수 있는, 용융 합금의 스트림 및/또는 일련의 액적의 공급원을 지칭한다. 용융 조립체는 분무화 조립체와 연통하고 이 분무화 조립체에 용융 합금을 공급한다. 용융 조립체는, 용융 재료에 의해 접촉되는 해당 조립체의 영역 내에 세라믹 물질이 실질적으로 결여되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "실질적으로 세라믹이 결여되어 있는" 등과 같은 어구는, 세라믹이 조립체의 동작 동안 용융 재료가 접촉하는 용융 조립체의 영역에 존재하지 않거나, 정상 동작 동안 용융 합금과 접촉하지만 용융 합금 내에 세라믹 입자 혹은 혼입물의 문제성 있는 양 혹은 크기의 혼입물을 초래하지 않는 방식으로 용융 조립체의 영역에 존재하는 것을 의미한다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 본 발명에 기재된 시스템 및 장치의 용융 조립체 및 기타 부품에서의 용융 합금 재료와 세라믹 재료 간의 접촉을 방지하거나 실질적으로 제한하는 것이 중요할 수 있다. 이것은 세라믹 입자가 세라믹 라이닝을 "씻어내버려"(wash out) 용융 합금과 혼합될 수 있기 때문일 수 있다. 세라믹 입자는 일반적으로 용융 합금 재료보다 높은 융점 온도를 지니고, 이어서 형성된 모재에 혼입될 수 있다. 세라믹 입자는, 일단 고체 생성물에 혼입되면, 예를 들어, 낮은 사이클 피로 동안 분열되어 생성물 내에 균열을 개시시킬 수 있다. 일단 개시되면, 균열은 성장하여 생성물 불량을 초래할 수 있다. 이와 같이 해서, 예를 들어, 모재 재료에 대한 의도된 응용에 따라서, 예를 들어, 재료 중 세라믹 입자의 존재에 대한 허용이 거의 없거나 전혀 없을 수 있다.
주조-및-단조 야금에서, 진공 유도 용융(VIM) 단계로부터의 세라믹 입자는, 후속의 진공 아크 재용융(VAR) 단계 동안, 또는 3중 용융 입자를 이용할 경우, 일렉트로슬래그 정련/재용융(ESR) 단계 + VAR 단계 동안, 제거될 수 있다. 따라서, 비제한적인 실시형태에 있어서, 용융 조립체는 VAR 혹은 ESR 장비를 포함할 수 있다. 각종 입자를 이용해서 달성된 산화물 세라믹 청정도는 "EB 버튼" 테스트로도 알려진 반-정량적 테스트(semi-quantitative test)를 이용해서 평가될 수 있으며, 이때 평가될 재료의 샘플 전극이 도가니 속에서 전자빔 용융되고, 얻어지는 산화물 부유 래프트(floating raft)가 존재하는 최대 산화물에 대해서 측정된다.
분말 야금에서, 합금 분말은 최종 고형화 후에 생성물로 강화되고, 산화물을 제거하기 위하여 생성물을 추가로 정련하는 수단은 없다. 대신에, 분말이 체거름되어, 생성물 내에 만들어진 분말의 최대 분획은, 부분 설계자들이 그들의 설계 기준에서 이용하는 최소 결함과 등가인 것이다. 강화된 금속성 분말로부터의 가장 엄격한 항공기 엔진 부품의 설계에서, 예를 들어, 가장 작은 모델화된 결함은 대략 44 마이크론이고, 따라서, 이것 이하의 시브 사이즈(sieve size)를 지니는 분말이 이용된다. 덜 엄격한 항공기 엔진 부품에 대해서, 가장 작은 모델화된 결함은 대략 149 마이크론으로 클 수 있지만, 이와 같이 해서, 이것 이하의 시브 사이즈를 지니는 분말이 이용된다.
세라믹 혼입물을 도입하지 않고 본 명세서에 기재된 바와 같은 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템에 포함될 수 있는 용융 수법의 예로는, 진공 이중-전극 재용융 기기를 포함하는 용융 기기; 냉간 유도 가이드와 일렉트로슬래그 정련/재용융 기기 또는 진공 아크 재용융 기기의 조합을 포함하는 용융 기기; 플라즈마 아크 용융 기기; 전자빔 용융 기기; 및 전자빔 냉각로 용융 기기를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "분무화 조립체" 등의 용어는, 용융 조립체로부터 입수된 용융 합금 상의 전자의 스트림(즉, 전자빔) 또는 전자장 중 적어도 한쪽에 충돌하는 장치를 지칭한다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "충돌하는"이란 접촉하게 되는 것을 의미한다. 이런 방식에서, 전자는 충돌된 개별의 용융 합금 스트림 및/또는 액적의 충돌된 영역에 알짜(net) 음 전하를 부여한다. US-6,772,961호 및 이하의 것에서 논의되는 바와 같이, 일단 스트림의 특정 영역 혹은 액적의 변화가 충분한 크기에 도달하면, 영역 혹은 액적은 불안정해져서, 보다 작은 용융 합금 입자로 붕괴(즉 분무화)된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "용융 합금 입자"란 용융 재료의 일부 함량을 포함하지만, 반드시 전체적으로 용융되지 않는 입자를 지칭한다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "고체 합금 입자"는 재료의 고상선 온도 이하의 온도에 있고, 따라서 전체적으로 고체인 입자를 의미한다.
각종 실시형태에 있어서, 분무화 조립체는 전자빔 분무화 조립체, 장치, 기기 등을 포함할 수 있다. US-6,772,961호에 논의된 바와 같이, 전자빔 분무화 장치는 용융 합금의 스트림 혹은 액적으로 정전기 전하를 신속하게 인가할 수 있다. 전자빔 분무화 장치는, 용융 합금에 부여된 정전기 전하가 스트림 혹은 액적을 물리적으로 파괴하여 용융 합금으로부터 하나 이상의 보다 작은 용융 합금 입자를 생성함으로써 재료를 분무화하도록 구성될 수 있다. 전자에 의한 충돌을 통한 신속한 정전기 대전을 이용한 용융 합금 재료의 분무화는, 재료 내에 부여된 정전기 반발력으로 인해 합금의 비교적 작은 입자로의 신속한 파괴를 초래할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 용융 합금의 영역 혹은 액적은 영역 혹은 액적 내의 정전기력이 용융 합금의 표면 장력을 초과하여 재료가 보다 작은 입자로 파괴되도록, "레일리 한계"를 넘어서 신속하게 정전기 대전된다.
레일리 한계는 재료 내의 정전기 반발력이 재료를 함께 유지하는 표면 장력을 초과하기 전에 재료가 지속될 수 있는 최대 전하를 지칭한다. 재료와의 정전기 전하 반발을 셋업하기 위하여 재료 상에 전자의 충돌을 이용하는 분무화 수법의 이점은 진공 환경 내에서 해당 수법을 수행하는 능력을 포함한다. 이런 방식에서, 용융 합금 재료와 대기 혹은 분무화 유체 간의 화학 반응은 제한되거나 제거될 수 있다. 이 능력은 종래의 유체 분무화와 대비되며, 여기서 분무화 중인 재료는 반드시 분무화 기체 혹은 액체와 접촉될 필요는 없고, 전형적으로 주변 공기 중 혹은 불활성 기체 분위기 중에서 수행된다.
분무화 조립체에 의해 분무화된 용융 합금의 스트림 혹은 액적은 상류 용융 조립체에 의해 생성된다. 용융 조립체는, 예를 들어, 용융 합금의 적절한 스트림 혹은 액적을 형성하는 디스펜서를 포함할 수 있다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 디스펜서는 오리피스(orifice)를 지니는 용융 챔버를 포함할 수 있다. 이러한 디스펜서의 일례는 US-6,772,961호에 제시되어 있으며, 이 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다. 용융 합금의 스트림 및/또는 액적은 오리피스로부터 강제로 밀려나오거나 혹은 다르게는 오리피스로부터 나와서, 분무화 조립체에 대해서 하류로 통과한다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 용융 합금 스트림 혹은 액적은 기계적 작용 혹은 압력의 영향 하에 용융 챔버의 오리피스로부터 나온다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 압력은 디스펜서 내의 오리피스에서 용융 합금 액적을 생성하기 위하여 디스펜서 오리피스의 외부에서의 압력보다 큰 크기에서 용융 조립체의 디스펜서에서 용융 합금에 인가될 수 있다. 압력은 용융 합금 스트림 및/또는 액적의 흐름을 선택적으로 중단시키기 위하여 순환되거나 혹은 다르게는 변화될 수 있다.
용융 조립체의 각종 비제한적인 실시형태는 알짜 음 전하를 지니는 분무화 조립체로 이동하는 용융 합금 스트림 혹은 액적을 "사전 대전"(pre-charge)시키도록 설계될 수 있다. 스트림 혹은 액적을 사전 대전시키는 것은 전자빔 분무화 조립체로부터 요구되는 음 전하량을 레일리 한계를 초과하도록 저감시켜 스트림 혹은 액적을 보다 작은 입자로 분무화시킬 수 있다. 용융 합금 스트림 혹은 액적을 사전 대전시키기 위한 비제한적인 수법은, 전체적인 장치의 다른 요소에 비해서 높은 음 전위에서 용융 조립체를 유지하는 것이다. 이것은, 예를 들어, 장치의 다른 요소로부터 용융 조립체를 전기적으로 절연시키고 나서, 용융 조립체의 음 전위를 용융 조립체에 전기적으로 커플링된 전원을 이용해서 높은 수준으로 상승시킴으로써 달성될 수 있다. 다른 비제한적인 사전 대전 수법은 용융 조립체의 출구 오리피스에 가까운 위치에서 분무화 조립체의 상류에 유도 링 혹은 플레이트를 위치결정시키는 것이다. 링 혹은 플레이트는 분무화 조립체에 대해서 하류를 통과하는 액적 혹은 스트림에 음 전하를 유도시키도록 구성될 수 있다. 분무화 조립체는 이어서 사전 대전된 재료 상에 전자를 충돌시켜 더욱 음으로 대전시키고 분무화시킬 수 있다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 분무화 조립체는 열-이온성 전자빔 이미터 혹은 유사한 기기를 포함할 수 있다. "에디슨 효과"(Edison effect)라고도 알려진 열-이온성 방출 현상은, 열 진동 에너지가 표면에 대해서 전자를 유지하는 정전기력을 극복할 때 금속성 표면으로부터의 전자("열이온"이라고 지칭됨)의 흐름을 지칭한다. 이 효과는 온도 증가에 따라서 극적으로 증가하지만, 절대 영도를 넘는 온도에서 어느 정도까지 항상 존재한다. 열-이온성 전자빔 이미터는 규정된 운동 에너지를 지니는 스트림 혹은 전자를 생성하는 열-이온성 방출 현상을 활용한다.
열-이온성 전자빔 이미터는 일반적으로 (i) 가열된 전자-생성 필라멘트; 및 (ii) 캐소드와 애노드에 의해 제한되는 전자 가속 영역을 포함한다. 필라멘트는 전형적으로 필라멘트를 통해 전류를 통과시킴으로써 가열되는, 소정 길이의 내화재로 구성된다. 적절한 열-이온성 전자빔 이미터 필라멘트 재료는 일반적으로 이하의 특성을 지닌다: 낮은 전위 장벽(일함수); 높은 융점; 고온에서의 안정성; 낮은 증기압; 및 화학적 안정성. 열-이온성 전자빔 이미터의 각종 비제한적인 실시형태는, 예를 들어, 텅스텐, 란탄 헥사보라이드(LaB6), 또는 세륨 헥사보라이드(CeB6) 필라멘트를 포함한다.
열-이온성 전자빔 이미터에서, 전자는 인가된 전류에 의해 생성된 충분한 열 에너지의 인가 시 필라멘트의 표면으로부터 "끓어서 증발된다"(boil away). 필라멘트에서 생성된 전자는 캐소드 내의 정공을 통한 드리프트에서 생성되고, 양으로 대전된 애노드와 음으로 대전된 캐소드 사이의 영역에서의 전장은 애노드에 대한 간극을 가로질러 전자를 가속시키며, 이때 전자는 전극들 사이에 인가된 전압에 대응하는 최종 에너지를 가진 채 애노드 내의 정공을 통해 통과한다.
표면 장력을 극복하고 재료를 분무화시키는데 필요한 수준으로 용융 합금 스트림 혹은 액적을 음으로 대전시키기 위하여, 액적 혹은 스트림에는 한정된 시간 기간 동안 충분한 에너지와 세기의 전자의 흐름 혹은 장이 적용되어야 한다. 분무화 조립체는 3차원 전자장을 생성할 수 있고, 이는 분무화 조립체를 통해서 액적 혹은 스트림에 의해 이동되는 경로를 따라서 적절한 거리만큼 뻗는다. 3차원 전자장(이때, 전자는 공간적으로 분포되어 있음)은 포인트 공급원 전자빔 이미터(point source electron beam emitter)와 대조될 수 있는데, 이때 전자는 필수적으로 협소한 2차원의 빔으로 집중된다. 충돌하는 전자의 3차원 공간 분포는 예를 들어 중력의 영향 하에 분무화 조립체를 통해서 이동 중인 용융 합금의 충돌 및 대전 효율과 효능을 증대시킨다.
임의의 특정 이론에 의해 얽매이길 의도하고 있지 않지만, 전자빔-분무화된 합금 입자는 이하의 기전들 중 하나 혹은 둘 모두에 의해 용융 액적 혹은 스트림으로부터 형성될 수 있는 것으로 여겨진다. 제1의 비제한적인 기전에서, 분무화된 입자는 음 전하가 액적 혹은 스트림에 가해짐에 따라서 액적 혹은 스트림의 표면으로부터 순차적으로 스트리핑된다. 제2의 비제한적인 기전에서, 분무화된 입자는 초기 용융 스트림 혹은 액적이 작은 입자로 파괴되는 캐스케이드 효과에 의해 형성되며, 이 입자는 음 전위로 재대전되어, 더욱 작은 입자로 파괴되고, 이 과정은 전자가 연속적으로 보다 작은 분무화된 입자에 가해지는 시간 동안 반복된다. 물리적 분무화 기전에 관계 없이, 용융 합금은, 충분한 음 전하가 재료 내에 축적되어 재료를 파괴시키도록 충분한 시간 동안 전자장에 노출되어야 한다.
분무화 조립체에서 생성된 전자장 내에 전자의 비제한적인 공간적 분포는 전자의 원통 형태이다. 이 원통의 길이방향 축은 분무화 조립체를 통한 용융 합금 재료의 일반적인 이동 방향으로 배향될 수 있다. 완전한 분무화를 위하여 요구되는 원통의 (길이방향 축을 따른) 최소 길이는 분무화 조립체를 통해 이동 중인 용융 합금 재료의 속도 및 해당 조립체 내의 전자장의 에너지와 세기에 의존할 것이다. 예를 들어, 직사각형, 삼각형, 또는 몇몇 다른 다각형 혹은 다르게는 결합된 형상인 단면(분무화 조립체를 통한 용융 합금 재료의 일반적인 이동 방향을 횡단함)을 지니는 장 등과 같은 비원통형 전자장 형상이 이용될 수 있다. 보다 일반적으로, 용융 합금 재료를 적절하게 분무화시킬 수 있는 에너지, 세기 및 3차원 형상의 임의의 조합의 장이 이용될 수 있다. 본 발명에 따라 구성된 장치에 대한 전자빔 분무화 조립체의 각종 비제한적인 실시형태가 이하에 논의된다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 분무화 조립체는 가열된 텅스텐 필라멘트 전자 공급원을 포함할 수 있다. 가열된 텅스텐 필라멘트로부터 열-이온적으로 방출된 전자는 정전기장 및/또는 전자기장을 이용해서 조종되어 전자의 직사각형-형상 빔을 형성할 수 있다. 직사각형-형상 빔은 분무화 조립체를 통해서 용융 합금 재료의 이동 경로를 가로질러 대체로 블록-형상의 3차원 장으로서 분무화 챔버 내로 투사된다. 도 2는 전원(214)으로부터의 전류의 흐름에 의해 가열된 텅스텐 필라멘트(212)를 포함하는 분무화 조립체(210)를 개략적으로 예시한다. 가열된 필라멘트(212)는 자유 전자(216)를 생성한다. 전자(216)는, 예를 들어, 열-이온성 전자빔 이미터에 의해 생성될 수 있다.
전자(216)는 플레이트(220)에 의해 생성된 정전기장에 의해 형상화되어 대체로 직사각형-형상 단면을 지니는 3차원 전자빔(222)을 형성한다. 전자빔(222)은 분무화 조립체(210)의 내부로 투사되어 대체로 블록-형상 3차원 전자장(226)을 생성한다. 상류 용융 조립체(232)에서 분배된 용융 합금 액적(230)은 전자장(226)을 통해서 이동해서, 음 전하의 축적에 의한 붕괴를 통해서 보다 작은 입자(238)로 분무화된다. 분무화된 입자(238)는 컬렉터(도시 생략)를 향하여 화살표 A의 방향으로 통과한다.
각종 실시형태에 있어서, 분무화 조립체는 열-이온성 전자빔 이미터 이외에 혹은 그에 부가해서 전자-생성 기기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각종 실시형태에 있어서, 분무화 조립체는 냉간 캐소드 와이어 이온 발생기 및/또는 플라즈마 이온 이미터로서도 알려진 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(wire-discharge ion plasma electron emitter)를 포함한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는 대체로 직사각형 단면을 지니는 전자장을 생성한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 하나의 이점은, 열-이온성 전자 이미터보다 낮은 온도에서 전자 방출을 일으킨다는 것이다. 분무화 조립체 내의 특정 전자-생성 기기 혹은 기기들에 의해 생성된 전자는, 예를 들어, 전자기장 및/또는 정전기장을 이용해서 적절하게 조작되어, 적절한 단면을 지니는 전자의 빔을 형성할 수 있다. 전자빔은 이어서 분무화될 용융 합금 재료의 이동 경로를 가로질러 분무화 챔버 내로 투사될 수 있다.
도 3은 분무화 조립체(310)의 다른 비제한적인 실시형태를 예시한다. 하나 이상의 텅스텐 필라멘트(312)는 전원(314)에 의해 가열되어, 용융 합금 상에 충돌될 때 용융 합금을 분무화시키는데 충분한 에너지를 지니는 전자(316)를 생성한다. 전자는, 예를 들어, 열-이온성 전자빔 이미터에 의해 발생될 수 있다. 전자(316)는, 예를 들어, 플레이트(320) 등과 같은 구조에 의해 조종되어 확산 스팟(322)을 형성할 수 있다. 래스터링 장치(324)는 분무화 조립체의 영역 내에 높은 래스터 속도로 전자 스팟(322)을 래스터링하며, 상기 영역을 통해서 용융 합금 재료가, 예를 들어, 중력의 영향 하에 이동한다. 높은 래스터 속도의 효과는, 용융 조립체(332)로부터 입수된 용융 합금 액적(330)을 보다 작은 분무화된 입자(338)로 분무화시키도록 구성된 분무화 조립체(310)의 분무화 챔버의 제어된 형상을 지니는 3차원 전자장(326)을 제공하는 것이다. 분무화된 입자(338)는 컬렉터(도시 생략)를 향하여 화살표 A의 방향으로 통과한다.
도 4를 참조하면, 분무화 조립체(410)는 대체로 직사각형 단면을 지니는 전자장을 생성한다. 전자는 전원(414)에 의해 가열된 텅스텐 필라멘트(412)의 대체로 직선 길이의 표면으로부터 생성된다. 전자를 생성하는 이 방법은 전형적으로 전자빔 건에서 행해지는 바와 같은, 포인트 공급원으로부터 전자를 생성하는 수법과 대비된다. 필라멘트(412)의 표면으로부터 나오는 전자(416)는, 정전기장 및/또는 전자기장, 예를 들어, 플레이트(420)에 의해 발생된 장을 이용해서 조종되어, 대체로 직사각형 단면을 지니는 빔(422)을 형성할 수 있다. 직사각형 전자빔(422)은 분무화 조립체(410) 내로 래스터링 장치에 의해 높은 래스터 속도에서 래스터링되어, 전자장을 형성할 수 있으며, 용융 조립체(432)로부터 입수될 때 이 전자장을 통해서 용융 합금 재료(430)가 이동한다.
대안적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 직사각형 전자빔(422)은 투사 기기(424)에 의해 분무화 조립체(410) 내로 투사되어 대체로 직사각형 단면을 지니는 전자장(426)을 형성할 수 있고, 용융 조립체(432)로부터 입수될 때 이 전자장을 통해서 용융 합금 재료(430)가 이동한다. 합금 재료(430)는, 음 전하의 축적에 의해 분무화된 입자(438)로 붕괴되어, 화살표 A 방향으로 컬렉터(도시 생략)를 향해서 통과한다.
각종 실시형태에 있어서, 분무화 조립체는 다수의 전자 공급원을 포함할 수 있다. 분무화 조립체는 또한 적절한 전자장을 생성하고 제어하는 다수의 전자 조종 및 투사/래스터링 기기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 열-이온성 혹은 비-열-이온성 전자빔 이미터 또는 기타 전자 공급원은 분무화 챔버 내의 용융 합금 재료의 경로에 대해서 특별한 각도 위치(예를 들어, 서로에 대해서 120도에 있는 3개의 이미터/공급원)로 배향되어, 다수의 공급원으로부터 이 경로 내로 전자를 투사함으로써 3차원 전자장을 생성할 수 있다.
각종 실시형태에 있어서, 위에서 기재된 수개의 분무화 조립체 실시형태의 구성요소 및 특성들은 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3을 참조하면, 분무화 조립체(210)의 직사각형 빔(222)은, 전자장을 형성해서 용융 합금 재료를 분무화시키기 위하여 분무화 조립체(310) 내의 래스터링 장치(324)를 이용해서 래스터링될 수 있다. 전자 스팟(322)에 대해서, 비교적 높은 애스펙트비의 직사각형 전자빔(222)을 래스터링하는 것은 분무화 챔버 내의 용융 합금 재료의 경로를 따라서 배치된 보다 커다란 3차원 장을 생성할 수 있다.
전자빔 분무화 조립체의 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 전자의 제1흐름 혹은 스트림은, 용융 조립체로부터 나오는 용융 합금 재료 상에 충돌하고, 이에 따라서 합금 재료를 제1평균 크기를 지니는 1차 용융 합금 입자로 분무화시킬 수 있다. 1차 입자 상에 전자의 제2스트림을 충돌시킴으로써, 입자들을 보다 작은 평균 입자 크기로 더욱 분무화시킬 수 있다. 평균 크기의 더 한층의 저감은 연속적인 분무화된 입자 상에 추가의 전자 흐름 혹은 스트림을 충돌시킴으로써 달성될 수 있다. 이런 방식에서, 수개의 크기 개량이 전자들의 충돌에 의해 신속한 정전기 대전을 이용해서 가능해진다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 전자빔에 의한 신속한 정전기 대전은, 경로를 따라 2회, 3회 혹은 그 이상 인가되어, 최종의 바람직한 평균 용융 합금 입자 크기를 얻는다. 이런 방식에서, 용융 조립체에 의해 생성된 용융 합금 액적의 원래의 크기는, 분무화 조립체 내에 생성된 최종 분무화된 입자의 크기를 제한할 필요는 없다. 이러한 구성에서의 다수의 전자 공급원은, 예를 들어, 개별의 열-이온성 전자빔 이미터, 냉간 캐소드 와이어 이온 발생기 및/또는 플라즈마 이온 이미터일 수 있다.
분무화 조립체의 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 용융 합금의 액적, 혹은 스트림의 일부에는 얻어지는 분무화된 입자의 평균 크기를 연속적으로 저감시키기 위하여 2단계 이상의 분무화가 시행된다. 이것은, 예를 들어, 분무화 조립체와 컬렉터 사이의 영역에 있는 경로를 따라서 전자의 흐름 혹은 스트림의 2개 이상의 전자 건 혹은 기타 공급원을 적절하게 위치결정함으로써 달성될 수 있다. 이 일반적인 구성을 지니는 분무화 조립체는, 도 5에서 조립체(500)로서 개략적으로 예시되어 있다. 용융 조립체(512)는 용융 합금 액적(523a)을 생성하는 디스펜서(514)를 포함한다. 디스펜서(514)는, 용융 조립체(512) 내의 잉곳, 주입물, 스크랩, 및/또는 기타 공급원으로부터 생성된 용융 재료로부터 용융 합금 액적(523a)을 생성하기 위하여, 예를 들어, 기계적 장치, 압력 또는 중력을 사용할 수 있다.
1차 전자빔 건(524a)은, 액적(523a) 상에 충돌하여 해당 액적에 음 전하를 부여하는 전자의 스트림(525a)을 생성한다. 액적(523a) 내에 셋업된 정전기력은 궁극적으로 액적의 표면 장력을 초과하여, 액적을 붕괴시켜 1차 용융 합금 입자(523b)를 형성한다. 2차 전자빔 건(524b)은 1차 용융 합금 입자(523b) 상에 전자의 스트림(525b)을 집중시켜, 마찬가지로, 해당 입자들에 음 전하를 부여하고 이들을 보다 작은 2차 용융 합금 입자(523c)로 붕괴시킨다. 3차 전자빔 건(524c)은, 2차 용융 합금 입자(523c) 상에 전자의 스트림(525c)을 집중시키고, 또한 이들 입자에 음 전하를 부여하여, 더욱 더 작은 3차 용융 합금 입자(523d)로 붕괴시킨다. 이 구성의 비제한적인 실시형태에 있어서, 수개의 전자빔 건은 열-이온성 전자빔 건이지만, 예를 들어, 냉간 캐소드 와이어 이온 발생기 및/또는 플라즈마 이온 이미터 등과 같은, 적절한 전자의 스트림을 생성하기 위한 기타 적절한 기기가 이용될 수 있다.
본 명세서에 참조로 내포되는 US-6,772,961호에 논의된 바와 같이, "신속한" 정전기 대전이란, 1 내지 1000 마이크로초, 또는 그 안에 포괄되는 임의의 하위-범위, 예를 들어, 1 내지 500 마이크로초, 1 내지 100 마이크로초, 또는 1 내지 50 마이크로초 내의 소망의 크기로 대전시키는 것을 지칭한다. 용융 조립체에 의해 생성된 용융 합금의 신속한 정전기 대전은 재료의 레일리 한계를 초과하는 하전을 이용하고, 이에 따라서, 복수의 보다 작은 용융 합금 입자를 생성한다. 입자는, 예를 들어, 5 내지 5000 마이크론, 또는 그에 포함되는 임의의 하위-범위, 예를 들어, 5 내지 2500 마이크론, 또는 5 내지 250 마이크론의 대체로 균일한 직경을 지닐 수 있다.
분무화 조립체는 용융 합금 입자를 생성하되, 이러한 입자는 단일 및 모놀리식(즉, 일체형) 모재를 형성하기 위하여 더욱 가공처리된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "모재"란 용어는, 가공부품, 잉곳, 또는 분무화된 용융 합금 입자로부터 생성된 야금학적으로 결합된 고체 합금 입자를 함께 수집함으로써 형성되는 기타 물품을 지칭한다. 본 명세서에 기재된 방법, 시스템 및 장치에 있어서, 분무화 조립체에 의해 생성된 용융 합금 입자의 전부 혹은 일부는 분무화 조립체의 하류에서 제어되고 응고화되며, 컬렉터 내에 모재로서 수집된다. 예를 들어, 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 시스템 혹은 장치는 분무화 조립체의 하류 영역에 적어도 부분적으로 존재하는 정전기장 및/또는 전자기장을 생성하는 적어도 하나의 장 생성 조립체를 포함할 수 있다. 장 생성 조립체에 의해 생성된 정전기장 및/또는 전자기장은 해당 장과 상호작용하는 용융 합금 입자의 가속도, 속도 및 방향 중 적어도 하나에 영향을 미치도록 구조화되고/되거나 조종될 수 있다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "장 생성 조립체"란 용어는 분무화 조립체의 하류 영역에서 용융되고 고형화된 합금 입자의 가속도, 속도 및 방향 중 적어도 하나를 제어하는데 이용될 수 있는 하나 이상의 정전기장 및/또는 전자기장을 생성하고 선택적으로 조종하는 시스템 혹은 장치를 지칭한다. 본 명세서에 기재된 방법, 시스템 및 장치에 이용하기에 적합한 장 생성 조립체의 예는 US-6,772,961호 기재되어 있으며, 이 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "정전기장"이란 용어는 단일의 정전기장 혹은 복수(2개 이상)의 정전기장을 지칭할 수 있다. 정전기장은, 예를 들어, 포인트, 플레이트 혹은 기타 공급원을 고 전위로 대전시킴으로써 생성될 수 있다. 또한 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "전자기장"이란 용어는, 단일의 전자기장 혹은 복수의 전자기장을 지칭할 수 있다. 전자기장은, 예를 들어, 도체, 예컨대, 도체 코일을 통해서 전류가 통과함으로써 형성될 수 있다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 장 생성 조립체는, 고체 합금 입자와 상호작용하고 또한 성형 공정 동안 각종 시기에 발달 중인 모재(developing preform)의 각종 영역으로 고체 합금 입자를 지향시키는 하나 이상의 정전기장 및/또는 전자기장을 생성한다. 정전기장 및/또는 전자기장은 또한, 열을 가하거나 제거하는 것이 바람직한 발달 중인 모재의 영역으로 고체 합금 입자를 지향시킴으로써, 모재의 미세 구조에 영향을 미치는데 이용될 수 있다. 고체-분무-성형을 수행함에 있어서, 하나 이상의 정전기장 및/또는 전자기장의 형상은 또한 성형 공정 동안 각종 시기에 발달 중인 모재의 소정의 영역으로 입자를 지향시킴으로써 정밀정형 모재(near-net shape preform)를 생성하도록 조종될 수 있다. 장 생성 조립체를 이용하는 하나 이상의 정전기장 및/또는 전자기장을 이용함으로써, 얻어지는 모재의 밀도를 개선(및 제어)시킬 뿐만 아니라, 성형 공정의 수율을 증대시키는 것이 가능하다,
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 장 생성 조립체는 컬렉터를 고전압 DC 전원에 전기적으로 커플링시키고 분무화 조립체를 접지시킴으로써 분무화 조립체와 컬렉터 사이의 영역에 정전기장을 생성한다. 전자빔 분무화가 본 명세서에 기재된 방법, 시스템 및 장치에서 이용될 수 있는 것을 고려하고, 또한 분무화된 입자가 음으로 대전될 것을 고려하면, 음으로 대전된 분무화 및 고형화된 입자가 분무화 조립체로부터 반발하여 컬렉터에 유인되도록 음의 극성이 이용된다. 정전기장은 분무화 조립체에 의해 생성된 음으로 대전된 합금 입자와 상호작용할 수 있고, 입자들은 정전기장 라인들의 일반적인 방향으로 이동하도록 장의 영향 하에 지향될 수 있다. 상호작용은 컬렉터를 향하여 용융되고 고형화된 합금 입자의 가속도, 속도 및 방향 중 하나 이상을 제어하는데 이용될 수 있다.
고전압 DC 전원에 부가해서, 장 생성 조립체는 분무화 조립체와 컬렉터 사이에 적절한 장(들)을 생성하기 위하여 적절한 위치에 그리고 적절한 배향으로 위치된 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 전극은 분무화 조립체와 컬렉터 사이에 정전기장을 소망의 방식으로 형성하도록 위치결정되고 구성될 수 있다. 하나 이상의 전극의 영향 하에 제공된 정전기장은 컬렉터에 소망의 방식으로 용융되고 고형화된 합금 입자를 지향시키는 형상을 지닐 수 있다.
장 생성 조립체는 또한 복수의 고전압 DC 전원을 포함할 수 있되, 각각은 분무화 조립체와 컬렉터 간의 적절한 배향에서 그리고 적절한 위치에 배치된 1개 이상의 전극에 작동가능하게 접속되고, 또한 분무화 조립체와 컬렉터 사이에 시간-의존적 방식으로 장 생성 조립체에 의해 생성된 정전기장의 형상에 영향을 미친다. 이런 방식에서, 이 장은 시간 경과에 따라서 컬렉터 상 혹은 발달 중인 모재 상의 특정 영역 혹은 개소에 분무화 조립체에 의해 생성된 합금 입자를 적절하게 지향시키도록 조종될 수 있다.
예를 들어, 복수의 전극 및 관련된 전원을 포함하는 장 생성 조립체는 종래의 분무 성형 공정 및 핵화 주조 공정에 의해 생성된 모재에 비해서 높은 밀도를 지니는 정밀정형 고체 물품을 고체-분무-성형하도록 구성된 시스템 혹은 장치에 편입될 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 정전기장은 고형화 합금 입자를 컬렉터로 적절하게 지향시키기 위하여 강도 및/또는 형상의 관점에서 변화될 수 있다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 전자기장은 분무화 조립체와 컬렉터의 중간에 위치결정된 하나 이상의 자기 코일에 의해 분무화 조립체와 컬렉터 사이에 생성될 수 있다. 자기 코일은 전원에 전기적으로 접속될 수 있고, 이 전원은 코일을 통전시킨다. 분무화 조립체에 의해 생성된 알로이 입자는, 컬렉터에 전자기장의 장 라인(field line)을 따라서 지향될 수 있다. 하나 이상의 자기 코일의 위치 및/또는 배향은 컬렉터 혹은 발달 중인 모재 상의 특정 영역 혹은 개소에 입자를 지향시키도록 구성될 수 있다. 이런 방식에서, 합금 입자는 고체-분무-성형 동안 모재의 밀도를 증대시키거나 또는 심지어 정밀정형 모재를 생성할 수 있다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 복수의 자기 코일은 분무화 조립체와 컬렉터 사이에 위치결정될 수 있다. 복수의 자기 코일(이는 상이한 자계 세기로 단일로 혹은 다수로 통전될 수 있음)에 의해 생성된 전자기장은, 분무화 조립체에 의해 생성된 합금 입자의 이동 방향에 영향을 미쳐, 컬렉터 상 혹은 발달 중인 모재 상의 특정한 미리 결정된 영역 혹은 개소에 입자를 지향시킨다. 이런 방식에서, 합금 입자는, 예를 들어, 정밀정형 및/또는 비교적 높은 밀도를 지니는 고체 모재를 생성하도록 미리 결정된 패턴으로 지향될 수 있다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 장 생성 조립체에 의해 생성된 장은, 분무화 조립체 내의 전환가능한 분무화 노즐을 통해서 이미 입수가능한 방향성 제어를 향상 혹은 개선시키는데 이용될 수 있다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 장 형상, 방향 및/또는 세기를 적절하게 조종함으로써 단독으로 얻어질 수 있는 실질적인 방향성 제어는, 분무화 조립체 내의 분모화 노즐의 움직임을 전체적으로 교체할 수 있다
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 분무화 조립체에 의해 생성되고 장 생성 조립체에 의해 생성된 장(들) 내에 혹은 이를 통해 통과하는 용융 합금 입자의 전부 혹은 일부분은 고체 모재로서 컬렉터 상에 수집된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "컬렉터"란 용어는 분무화 조립체에 의해 생성된 용융 합금 입자의 냉각에 의해 고형화된 합금 입자의 전부 혹은 일부를 입수하도록 구성된, 기판, 장치, 요소, 또는 기판, 장치 혹은 요소 또는 요소들의 조립체의 일부 혹은 영역을 지칭한다. 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 시스템 또는 장치의 실시형태에 내포될 수 있는 컬렉터의 비제한적인 예는, 챔버, 주형, 플래튼, 맨드릴, 또는 기타 표면의 전부 혹은 일부 혹은 영역을 포함한다.
컬렉터는, 접지 전위에, 또는 분무화 조립체에 의해 생성된 음으로 대전된 분무화된 입자를 유인하기 위하여 높은 양 전위에서 유지될 수 있다. 도 1에 예시된, 즉, 용융 조립체, 분무화 조립체, 장 생성 조립체 및 컬렉터를 포함하는 시스템은, 컬렉터(이러한 경우에, 예를 들어, 플래튼 혹은 맨드릴일 수 있음)의 표면 상에 잉곳 혹은 기타 고체 모재를 고체-분무-성형하도록 구성되고 작동될 수 있다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 잉곳 혹은 기타 모재를 고체-분무-성형하도록 구성된 시스템 또는 장치는 플래튼 혹은 맨드릴을 포함하는 컬렉터를 포함할 수 있고, 이는 소망의 기하형태의 고체 물품을 적절하게 형성하기 위하여 회전 혹은 다르게는 병진이동하도록 적합화될 수 있다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 고체 합금 입자의 과잉분무는 컬렉터를 적절하게 대전시킴으로써 저감 혹은 제거된다. 전자빔을 이용해서 용융 스트림 및/또는 용융 입자를 분무화시키는 것은 분무화된 입자 내에 과잉의 전자로 인해 음으로 대전된 입자를 생성한다. 컬렉터를 양의 극성으로 적절하게 대전시킴으로써, 컬렉터는 입자를 유인할 것이고, 이에 따라서 유의하게 과잉분무를 저감 혹은 제거할 것이다. 과잉분무는 상당히 발휘되지 못한 공정 수율을 초래할 수 있는 종래의 분무 성형의 문제성 있는 결점이다.
도 6은 고체 모재를 고체-분무-성형하도록 구성된 장치(600)의 비제한적인 실시형태의 각종 요소를 개략적으로 예시한다. 전자빔 분무화 조립체(610)는 음으로 대전된 용융 합금 입자(612)를 생성한다. 정전기장(614)은 분무화 조립체(610)와 컬렉터(616) 사이에 생성된다. 분무화 조립체(610)는 용융 조립체(도시 생략)로부터 용융 합금의 스트림과 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 입수한다. 대전된 용융 합금 입자는 정전기장(614)과 상호작용하여, 합금 입자(612)를 컬렉터(616)를 향하여 가속시킨다. 용융 합금 입자(612)는 분무화 조립체(610)로부터 컬렉터(616)로 이동하면서 고형화되어 고체 합금 입자를 형성한다. 고체 합금 입자는 컬렉터(616)와 충돌하여, 컬렉터(616)의 표면 상에 고체 모재(618)를 형성한다. 용융 합금 입자(612) 그리고 이어서 고형화된 합금 입자의 속도 및/또는 방향에 대한 장의 영향은 모재(618)로부터 과잉 분무를 저감 혹은 제거하는데 이용될 수 있고, 이에 따라서, 고체-분무-성형 공정의 수율을 증대시키고, 가능하게는 또한 장 생성 조립체의 사용 없이 가능한 밀도에 대해서 모재(618)의 밀도를 증가시킬 수 있다.
도 7은 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치(700)의 비제한적인 실시형태의 각종 요소를 개략적으로 예시하고 있다. 용융 조립체(710)는 용융 합금의 스트림과 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 전자빔 분무화 조립체(712)에 공급하고, 이 조립체는 음으로 대전된 용융 합금 입자(714)의 분무를 생성한다. 정전기장 및/또는 전자기장(716)은 분무화 조립체(712)와 적절하게 형상화된 컬렉터(718) 사이에 있는 장 생성 조립체에 의해 생성된다. 장(716)은 대전된 용융 합금 입자(714)와 상호작용하여 입자(714)를 컬렉터(718)를 향하여 가속시킨다. 용융 합금 입자(714)는 분무화 조립체(712)로부터 컬렉터(718)로 이동하면서 고형화되어 고체 합금 입자(715)를 형성한다. 합금 입자(714)/(715)는 컬렉터(718)가 높은 양 전위에 유지된다면 보다 큰 정도로 가속될 수 있다. 대전된 입자(714)/(715) 상의 장(716)에 의해 작용된 가속력 및 방향성 제어는 고체 모재(720)의 밀도를 증대시키는데 이용될 수 있고, 또한 정밀정형 모재(720)를 생성하는데 이용될 수 있다. 컬렉터(718)는 정지되어 있을 수 있거나, 또는 회전 혹은 다르게는 적절하게 병진이동하도록 적합화되어 있을 수 있다. 고체 합금 입자(715)는 컬렉터(718) 및 발달 중인 모재(720)와 충돌하여, 충돌 시 변형되고, 함께 야금학적으로 결합되어 고체 모재(720)를 형성한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 장치(700)의 대안적인 비제한적인 실시형태는 두 히트 싱크 전극(724) 사이의 용융 입자(714)의 경로에 비평형 플라즈마(722)를 생성하도록 구성된 비평형 플라즈마-생성 조립체를 포함한다. 전극(724)은 펌프(730)의 영향 하에 도관(728)을 통해 순환하는 유전체 액체에 의해서 외부 축열체(outside thermal mass)(726)와 열 연통한다. 유전체 유체에 의한 히트 싱크 전극(724)과 외부 축열체(726) 사이의 열 커플링은 열이 용융 입자(714)로부터 제거되고 축열체(726)와 연통할 수 있게 한다. 히트 싱크(724)들 사이의 비평형 플라즈마(722)는, 예를 들어, AC 글로 방전 혹은 코로나 방전에 의해서 생성될 수 있다. 비평형 플라즈마(722)는 용융 입자(714)로부터 두 히트 싱크 전극(724)으로 열을 전달하고, 이들 전극은 열을 외부 축열체(726)로 전달한다. 용융 합금 입자(714)로부터의 열의 제거는 입자가 고형화되어 고체 합금 입자(715)를 형성할 수 있게 한다.
비평형 플라즈마를 생성하여 분무화된 용융 합금 입자로 또는 로부터 열을 전달하는 열 전달 시스템 및 기기는 US-6,772,961호에 기재되어 있으며, 이 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다. 비평형 플라즈마를 생성하여 합금 재료로 또는 로부터 열을 전달하는 열 전달 시스템 및 기기는 또한 미국 특허 제7,114,548호에 기재되어 있으며, 이 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다.
도 8은 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치(800)의 비제한적인 실시형태의 각종 요소를 개략적으로 예시하고 있다. 용융 조립체(810)는 용융 합금의 흐름과 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 전자빔 분무화 조립체(812)에 제공한다. 용융 조립체(810)는, 선택적으로, 분무화 조립체(812)에 통과시키기 전에 용융 재료를 음으로 "사전-대전"시키기 위하여, 예컨대 전원(822)에 의해 높은 음 전위에서 유지될 수 있고, 이에 따라서 분무화 조립체(812)가 용융 재료로 반송되어 해당 재료를 분무화시켜야? 하는 음 전하의 양을 저감시킬 수 있다. 이 "사전-대전" 특성은 또한 분무화 조립체 내에 재료를 분무화시키기 위하여 용융 재료에 첨가되어야만 하는 음 전하의 양을 저감시키기 위하여 본 명세서에 기재된 다른 실시형태와 함께 이용될 수 있다.
전자빔 분무화 조립체(812)는 대전된 용융 합금 입자(814)의 분무를 생성한다. 전자기장(816)은 자기 코일(818)(단면이 도시됨)에 의해 생성된다. 대전된 용융 합금 입자(814)는 장(816)과 상호작용하고, 이에 따라서 컬렉터(820)를 향해서 지향된다. 용융 합금 입자(814)는 분무화 조립체(812)로부터 컬렉터(820)로 이동하면서 고형화되어 고체 합금 입자(815)를 형성한다. 장(816)에 의해 작용되는 합금 입자(814)/(815)의 방향성 제어는 과잉 분무를 저감시킬 수 있고, 이에 따라서 고체-분무-성형 공정의 수율을 증대시키고, 또한 고체 모재(822)의 밀도를 증대시킬 수도 있다. 고체 합금 입자(815)는 컬렉터(820) 및 발달 중인 모재(822)와 충돌하고, 충돌 시 변형되어, 함께 야금학적으로 결합되어 고체 모재(822)를 형성한다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 비평형 플라즈마(842)는 선택적으로 두 히트 싱크 전극(844) 사이의 합금 입자(814)/(815)의 통로에 생성될 수 있고, 이들 전극은 펌프(850)에 의해 도관(848)를 통해 순환되는 유전체 액체에 의해 외부 축열체(846)에 열적으로 접속된다. 히트 싱크 전극(844)과 외부 축열체(846) 사이에 유지된 열 연통은 열을 합금 입자(814)/(815)로부터 제거하거나 이 입자에 가할 수 있게 한다. 히트 싱크 전극(844)들 사이의 비평형 플라즈마(842)는 예를 들어 AC 글로 방전 혹은 코로나 방전에 의해 생성될 수 있다.
비평형 플라즈마(842)는 또한 히트 싱크 전극(844)으로부터 고체 모재(822) 및 컬렉터(820)로 퍼질 수 있는데, 이는 모재(822) 및 컬렉터(820)로부터 열을 제거하거나 이들에 열을 가하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 장치(800)에서, 열은 비평형 플라즈마(842)에 의해 용융 합금 입자(814), 고체 합금 입자(815), 고체 모재(822) 및 컬렉터(820)로부터 히트 싱크 전극(844)으로, 이어서 외부 축열체(846)로 전달될 수 있다. 용융 합금 입자(814)로부터의 열의 제거는 입자를 고형화시키고 고체 합금 입자(815)를 형성할 수 있게 한다.
도 9는 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치(900)의 비제한적인 실시형태의 각종 요소를 개략적으로 예시하고 있다. 용융 조립체(910)는 용융 합금의 스트림과 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 전자빔 분무화 조립체(912)에 제공한다. 분무화 조립체(912)는 대전된 용융 합금 입자(914)를 생성한다. 자기 코일(918)(단면으로 표시됨)에 의해 생성된 전자기장(916)은 대전된 용융 합금 입자(914)와 상호작용하여 입자(914)를 확산시키고, 이들 입자의 충돌 가능성을 저감시킴으로써, 보다 큰 용융 입자, 결과적으로 보다 큰 고체 합금 입자(942)의 형성을 억제한다. 자기 코일(943)(단면으로 표시됨)에 의해 생성된 제2전자기장(940)은 고형화된 입자(942)와 상호작용하여 이 입자를 컬렉터(944)를 향하여 지향시킨다. 고체 모재(946)는 컬렉터(944) 상에 그리고 모재(946) 내에 고체 합금 입자(942)를 충돌시킴으로써 컬렉터(944) 상에 형성되며, 여기서 고체 합금 입자(942)는 충돌 시 변형되어, 함께 야금학적으로 결합되어 고체 모재(946)를 형성한다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 장치(900)의 비제한적인 실시형태는, 비평형 플라즈마(922)가 펌프(930)에 의해 도관(928)을 통해서 순환하는 유전체 유체에 의해 외부 축열체(926)와 열적으로 연통하는 두 히트 싱크 전극(924) 사이에서 용융 입자(914)의 통로에 형성되도록 구성될 수 있다. 외부 축열체(926)와 열적으로 연통하는 히트 싱크 전극(924)의 구성은 열이 용융 합금 입자(914)로부터 제거되어 용융 합금 입자를 고형화시켜서 고체 합금 입자(942)를 형성할 수 있게 한다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템은 용융 조립체, 분무화 조립체, 장 생성 조립체, 플라즈마 생성 조립체, 컬렉터 및/또는 가공부품(예컨대, 모재)의 전부 혹은 일부를 둘러싸거나 포함하는 챔버 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비평형 플라즈마를 이용하는 열 전달 기기가 장치 혹은 시스템 내에 내포된다면, 비평형 플라즈마뿐만 아니라 열전달 기기의 일부 혹은 전부 및 그의 관련된 전극이 또한 챔버 내에 포함될 수 있다. 이러한 챔버는, 해당 챔버 내에 존재하는 기체의 종과 부분 압력 및/또는 전체 기체 압력을 비롯하여, 상기 챔버 내의 분위기를 조절할 수 있도록 제공될 수 있다.
예를 들어, 챔버는 진공(본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "진공"이란 완전한 혹은 부분적인 진공을 지칭함)을 제공하도록 배기될 수 있고/있거나, 가공처리 중인 재료의 산화를 제한하고/하거나 질화 등과 같은 기타 바람직하지 않은 화학 반응을 억제하기 위하여 불활성 기체(예컨대, 아르곤 및/또는 질소)로 완전히 혹은 부분적으로 채워질 수 있다. 챔버를 내포하는 장치의 비제한적인 실시형태에 있어서, 챔버 내의 압력은, 대기압 미만, 예컨대, 0.1 내지 0.0001 torr, 또는 그 안에 포괄되는 임의의 하위-범위, 예를 들어, 0.01 내지 0.001 torr에서 유지될 수 있다.
용융 재료 상에 전자를 충돌시킴으로써 생성된 용융 합금 입자는, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 일반적으로, 고도로 음으로 대전된다. 본 명세서에 기재된 각종 비제한적인 실시형태는 또한 용융 재료 상에 전자를 충돌시켜 해당 용융 재료를 분무화시키기 전에, 용융 재료를 음 전하로 사전 대전시키는 기기를 포함한다. 음전하로 대전된 입자/재료는 접지 전위에서 유지된 인근 구조를 향하여 가속되는 경향이 존재할 수 있다. 이러한 구조는 용융 조립체의 하류에서 용융 재료의 이동 경로 부분에 챔버 벽 및 기타 장치 구성요소를 포함할 수 있다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 장치의 분무화 조립체는, 음으로 대전된 입자/재료를 편향시켜서 접지 전위로 유지된 챔버 벽 및/또는 기타 구조를 향하여 입자/재료의 바람직하지 않은 가속도를 억제하기 위하여 배치되고 음 전위에 유지된 플래이트 혹은 기타 적절하게 형상화된 구조를 포함한다.
고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템의 각종 비제한적인 실시형태는, 접촉하고, 따라서 장치의 동작 동안 용융 조립체에 의해 생성된 용융 합금을 오염시킬 수 있었던 영역에서 세라믹이 실질적으로 없는 용융 조립체를 포함한다. 각각의 이러한 장치는 또한 용융 재료를 분무화하여 용융 합금 입자를 생성하기 위하여 전자빔 분무화 조립체를 포함할 수 있다. 각각의 이러한 장치는 또한 장 생성 조립체를 포함할 수 있고, 이는 입자들이 분무화 조립체와 컬렉터 간의 거리의 전부 혹은 일부를 이동함에 따라서 분무화 조립체와 컬렉터 사이에 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장을 생성하고 입자의 가속도, 속도 및 방향 중 적어도 하나에 영향받는다.
고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템의 각종 비제한적인 실시형태는, 분무화 조립체에 의해 생성된 후이지만 고체 입자가 고체 모재를 형성하기 위하여 컬렉터/발달 중인 가공부품과 충돌하기 전에, 용융 및/또는 고체 합금 입자로 혹은 로부터 열을 전달하기 위한 비평형 플라즈마를 생성하는 1개 이상의 비평형 플라즈마 생성 조립체를 포함할 수 있다. 대안적으로 혹은 부가적으로, 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치의 비제한적인 실시형태는, 컬렉터에 충돌한 후에 고체 합금 재료에 대해서 열을 전달하기 위한 1개 이상의 비평형 플라즈마를 생성할 수 있고, 또한 컬렉터 상에 혹은 컬렉터 내에 발달 중인 모재에 인가될 수 있다.
도 10 내지 도 13은 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템의 구성요소로서 포함될 수 있는 용융 조립체들의 각종 비제한적인 실시형태를 개략적으로 예시하고 있다. 각각의 이러한 용융 조립체 실시형태는 소모성 전극 또는 기타 합금 공급원료로부터 용융 합금의 스트림과 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생성하는데 이용될 수 있다. 이하의 각각의 이러한 용융 조립체 실시형태는 조립체에서 생성된 용융 합금에 의해 접촉되는 조립체의 영역 내에 세라믹을 결여하도록 구성될 수도 있다.
도 10은 전자빔 분무화 조립체에 공급되는 용융 합금을 생성하는 용융 조립체의 구성요소로서 진공 이중-전극 재용융 기기의 이용을 예시하고 있다. 진공 이중-전극 재용융 또는 "VADER" 수법은, 예를 들어, 미국 특허 제4,261,412호에 기재되어 있으며, 이 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다. VADER 장치에서, 용융 재료는 용융되는, 두 소모성 전극 사이에 진공에서 아크를 충돌시킴으로써 생성된다. 종래의 진공 아크 재용융(VAR)에 비해서 VADER 수법의 이점은 VADER 수법이 온도 및 용융 속도를 보다 타이트하게 제어할 수 있다는 점이다.
도 10을 참조하면, 진공 챔버 벽(1010)은 대향하는 소모성 전극(1014) 및 분무화 조립체(1016)를 둘러싼다. 전류는 대향하는 전극(1014)들 사이에 이들을 통해서 통과하고, 전극을 용융시켜 용융 합금의 액적(1018)(또는 대안적으로 스트림)을 생성한다. 용융 합금 액적(1018)은 전극(1014)으로부터 분무화 조립체(1016)로 떨어진다. 대안적으로, 냉간 유도 가이드 혹은 유사한 분배 기기(도시 생략)와 유체 연통하는 용융물 풀(melt pool)은 전극(1014)과 분무화 조립체(1016) 사이에 위치결정될 수 있다. 분무화 조립체(1016)에 의해 생성된 분무화된 용융 합금 입자는, 장 생성 조립체(도시 생략)에 의해 생성된 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장을 통과하여 이들 장에 의해 영향받으며, 고형화되어, 컬렉터 혹은 발달 중인 가공부품(도시 생략) 상에 충돌하고, 함께 야금학적으로 결합되어 고체 모재를 형성한다.
도 11은 전자빔 분무화 조립체에 공급되는 용융 합금을 생성하는 용융 조립체의 구성요소로서 전자빔 용융 기기의 용도를 예시하고 있다. 전자빔 용융에 있어서, 공급원료는 해당 공급원료 상에 고-에너지 전자를 충돌시킴으로써 용융된다. 용융 생성물의 오염은 제어된 진공에서 용융됨으로써 저감 혹은 제거될 수 있다. 전자빔 용융의 에너지 효율은 전자빔 스팟 드웰 타임(electron beam spot dwell time) 및 용융될 영역에 대한 분포의 이용가능한 제어 때문에 경쟁적인 공정들의 것을 능가할 수 있다. 또한, 건 내부 그리고 건 노즐과 표적 재료 간의 전자빔의 파워 소실은 비료적 적다.
위에서 논의된 바와 같이, 예를 들어, 도 11에 도시된 용융 기기를 비롯하여, 본 명세서에 기재된 용융 기기는, 장치의 분무화 조립체에 대해서 하류로 통과하기 전에 높은 음 전위에서 유지함으로써 용융 재료에 음 전하를 부여하도록 구성될 수 있다. 일례로서, 도 11에 도시된 용융 기기는 전기 전도성이고 높은 음 전위에서 유지되는 용융 챔버를 포함하도록 구성될 수 있고, 여기서 용융 재료는 분무화 조립체에 통과하기 전에 접촉한다.
도 11을 참조하면, 진공 챔버(1110)는 용융 기기의 전자빔 공급원(1112), 용융 중인 소모성 전극(1114), 전자빔 분무화 조립체(1116) 및 컬렉터(도시 생략)를 둘러싼다. 전자빔은 전극(1114)과 충돌하여, 전극을 가열 및 용융시켜 용융 합금의 액적(1118)(또는 대안적으로 스트림)을 생성한다. 액적(1118)은 전극(1114)으로부터 분무화 조립체(1116)로 떨어진다. 분무화 조립체(1116)에 의해 생성된 분무화된 용융 합금 입자는 장 생성 조립체(도시 생략)에 의해 생성된 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장을 통과하여 이들 장에 의해 영향받으며, 컬렉터 혹은 발달 중인 가공부품(도시 생략) 상에 충돌하여, 함께 야금학적으로 결합되어 고체 모재를 형성한다.
도 12는 전자빔 분무화 조립체에 공급되는 용융 합금을 생성하는 용융 조립체의 구성요소로서의 전자빔 냉각로 용융 기기의 이용을 예시하고 있다. 전형적인 전자빔 냉각로 용해 수법에 있어서, 제1전자빔 건은 주입물을 용해시키되, 이 주입물은 다양한 형태(예컨대, 잉곳, 스펀지 혹은 스크랩)를 지닐 수 있다. 용융 재료는 얕은 수냉식 도가니(냉각로) 내로 흐르되, 여기서 하나 이상의 전자 건은 용융 재료의 온도를 유지한다. 냉각로의 주된 기능은, 액체 재료보다 가볍거나 무거운 혼입물을 분리하기 위한 것인 반면, 동시에 그들의 완전한 용해를 확보하기 위하여 높은 융점을 지니는 보다 낮은 밀도 입자의 체류 시간(residence time)을 증가시킨다. 동작들의 모두는 전자 건의 적절한 동작을 확보하고 주변 환경에 의한 합금 오염을 피하기 위하여 진공 환경에서 행해질 수 있다. 전자빔 냉각로 용해 수법의 이점은, (선택적 진공에 부분적으로 기인해서) 염소와 수소 등과 같은 휘발성 원소 및 용융물 중의 혼입물을 효과적으로 제거할 수 있다는 점이다. 이 수법은 또한 공급 재료의 형태에 관해서는 융통성이 있다.
도 12를 참조하면, 진공 챔버(1210)는 용융 조립체의 전자빔 공급원(1212) 및 수냉식 구리 냉각로(1216), 용융 중인 소모성 전극(1214), 전자빔 분무화 조립체(1218) 및 컬렉터(도시 생략)를 둘러싸고 있다. 용융 재료(1220)는, 스트림 및/또는 일련의 액적의 형태로, 수냉식 구리 냉각로(1216)로부터 분무화 조립체(1218)로 떨어진다. 분무화 조립체(1218)에 의해 생성된 분무화된 용융 합금 입자는 장 생성 조립체(도시 생략)에 의해 생성된 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장을 통과하여 이들 장에 의해 영향받으며, 고형화되어서, 컬렉터 혹은 발달 중인 가공부품(도시 생략) 상에 충돌하여, 함께 야금학적으로 결합되어, 고체 모재를 형성한다.
도 13은 전자빔 분무화 조립체에 공급되는 용융 합금을 생성하기 위하여 일렉트로슬래그 정련/재용융(ESR) 기기와 냉간 유도 가이드(cold induction guide: CIG)의 조합을 포함하는 용융 조립체의 이용을 예시하고 있다. 대안적으로, 진공 아크 재용융(VAR)과 CIG를 조합하는 용융 기기는 ESR/CIG 조합 대신에 이용될 수 있다. ESR 혹은 VAR 기기와 CIG를 배합하는 기기는, 예를 들어, 미국 특허 제5,325,906호에 기재되어 있고, 이 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다.
전형적인 ESR 수법에서, 전류는 소모성 전극과 해당 전극과 접촉하고 정련 용기 내에 배치된 전기 전도성 슬래그를 통과한다. 전극으로부터 용융된 액적은 전도성 슬래그를 통과하고 이 슬래그에 의해 정련되며, 이어서 하류 장치에 통과될 수 있다. ESR 장치의 기본적인 구성요소는 전원, 전극 공급 기구, 수냉식 구리 정련 용기 및 슬래그를 포함한다. 이용되는 특정 슬래그 유형은, 정련 중인 특정 재료에 좌우될 것이다. VAR 공정은 진공 중 전극으로 아크를 충돌시킴으로써 합금으로 구성된 소모성 전극의 용융을 내포한다. 용존 질소 및 수소를 저감시키는데 부가해서, VAR 공정은 아크-플라즈마 중의 많은 산화물 혼입물을 제거한다.
ESR/CIG 및 VAR/CIG 조합에 있어서, 또한 "콜드 핑거"(cold finger) 혹은 "냉간벽 유도 가이드"(cold wall induction guide)로 다양하게 지칭되는 CIG는, 분무화 조립체에 대해서 하류에 있는 VAR 또는 ESR 장치로부터 재료가 통과함에 따라서 용융 재료를 용융 형태로 유지할 수 있다. CIG는 또한, 용융 재료가 대기와 접촉하는 것으로부터 보호한다. CIG는 정련된 용융 재료를 대기로부터 보호하고, 용융물 내에 산화물이 형성되어 용융물을 오염시키는 것을 방지하기 위하여, ESR 혹은 VAR 장치에 대해서 상류에서 그리고 분무화 조립체에 대해서 하류에서 직접 커플링될 수 있다. CIG는 또한 ESR 혹은 VAR 장치로부터 분무화 조립체의 하류로의 용융 재료의 흐름을 제어하는데 이용될 수 있다.
CIG 기기의 동작의 방법 및 구성은, 예를 들어, 미국 특허 제5,272,718호; 제5,310,165호; 제5,348,566호; 및 제5,769,151호에 기재되어 있으며, 이들 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다. CIG는 일반적으로 용융 재료를 입수하기 위한 용융물 용기(혹은 컨테이너)를 포함한다. 이 용융물 용기는 개구부를 포함하는 바닥 벽을 포함한다. CIG의 이송 영역은 용융물 용기 중의 개구부로부터 용융 재료를 입수하도록 구성된 통로(이는 예를 들어 일반적으로 깔때기 형상일 수 있음)를 포함하도록 구성되어 있다. CIG의 하나의 통상의 설계에 있어서, 깔때기 형상 통로의 벽은 다수의 유체-냉각식 금속성 세그먼트에 의해 규정되며, 이 유체-냉각식 세그먼트들은 단면 영역의 입구 단부로부터 출구 단부까지 단면적을 대체로 감소시킬 수 있는 통로의 내부 윤곽을 규정한다. 하나 이상의 전기 전도성 코일은 깔때기 형상 통로의 벽과 연결되고, 전류의 공급원은 전도성 코일과 선택적 전기 접속된다. CIG의 용융물 용기로부터 CIG의 통로를 통해 흐르고 있는 시간 동안, 전류는 용융 재료를 유도 가열하여 용융 형태를 유지하기에 충분한 세기에서 전도성 코일을 통과한다.
용융 재료의 일부는 CIG의 깔때기 형상 통로의 냉각된 벽과 접촉하여, 고형화되어, CIG를 통해 흐르고 있는 용융 재료의 나머지 부분이 벽과 접촉하는 것으로부터 격리시키는 둔부(skull)를 형성하도록 고형화될 수 있다. 벽의 냉각 및 둔부의 형성은 CIG를 통과하는 용융 재료가 금속 혹은 CIG의 내벽을 형성하는 기타 구성요소에 의해 오염되지 않는 것을 확실하게 한다. 예를 들어, 미국 특허 제5,649,992호에 개시된 바와 같이, CIG의 깔때기 형상 부분의 영역에서의 둔부의 두께는, CIG를 통한 용융물의 흐름을 제어하거나 전체적으로 차단하기 위하여 냉매의 온도, 냉매의 유속 및/또는 유도 코일의 전류의 세기를 적절하게 조절함으로써 제어될 수 있고; 둔부의 두께가 증가함에 따라서, 이송 영역을 통한 흐름이 대응해서 저감된다. CIG 장치는 각종 형태로 제공될 수 있지만, 각각 전형적으로 (1) 용융물을 안내하기 위하여 중력을 이용하는 통로; (2) 벽 상에 둔부 형성을 촉진시키기 위하여 벽의 적어도 하나의 영역에 있는 냉각 수단; 및 (3) 상기 통로 내에서 용융 재료를 유도 가열하기 위하여, 상기 통로의 적어도 일부와 연관된 전기 전도성 코일을 포함한다.
도 13을 참조하면, 진공 챔버(1310)는 ESR/CIG 용융 조립체, 전자빔 분무화 조립체(1312) 및 컬렉터(도시 생략)를 둘러싼다. ESR/CIG 용융물 공급원은 목적으로 하는 합금의 소모성 전극(1314) 및 수냉식 구리 도가니(1316)를 포함한다. 가열된 용융 슬래그(1318)는 용융 합금 풀(1320)을 형성하기 위하여 전극(1314)을 용융시키는 작용을 한다. 용융 풀(1320)로부터의 용융 합금은 용융 스트림 및/또는 일련의 액적(1322)의 형태로 CIG 노즐(1324)를 통해 흘러, 분무화 조립체(1312)로 통과한다. 분무화 조립체(1312)에 의해 생성된 분무화된 용융 합금 입자는, 장 생성 조립체(도시 생략)에 의해 생성된 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장을 통해 통과하고 이들 장에 의해 영향받으며, 고형화되어, 컬렉터 혹은 발달 중인 가공부품(도시 생략) 상에 충돌하여, 함께 야금학적으로 결합되어 고체 모재를 형성한다.
고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템의 용융 조립체 내에 공급원료를 용융시키는 대안적인 수법은, 유도 용융, 플라즈마 아크 용융 등을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 유도 용융에서, 권선된 1차 전기 전도체는 금속성 공급 재료의 바를 둘러쌀 수 있다. 1차 도전체를 통해 전류를 통과시킴으로써, 2차 전류가 전자기 유도를 통해 바 내에 유도된다. 2차 전류는 바를 그의 용융 온도보다 높은 온도로 가열한다.
도 14 내지 도 17은 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 시스템 및 장치의 각종 비제한적인 실시형태를 예시한다.
도 14는 고체 모재를 형성하기 위하여 발달 중인 가공부품 상에 충돌하고 야금학적으로 결합되고 있는 분무화 및 고형화된 합금 입자를 개략적으로 예시하고 있다. 진공 챔버(1410)는 전자빔 분무화 조립체(1412)를 에워싼다. 예를 들어, 위에서 논의된 각종 용융 조립체들 중 하나일 수 있는, 용융 조립체(도시 생략)에 의해 생성된 용융 합금의 일련의 액적(1414)은, 분무화 조립체(1412) 내로 통과한다. 분무화 조립체(1412)는 분무화된 합금 입자(1416)를 생성하고, 이 입자는, 장 생성 조립체의 전자기 코일(1417)(단면으로 표시됨)에 의해 생성된 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장(들)(1413)을 통해 통과하고, 이들 장과 상호작용하며, 이들 장에 의해 영향받는다. 코일(1417)은 분무화 조립체(1412)의 하류의 영역(1418) 내에 장(들)을 생성하도록 위치결정된다. 분무화된 합금 입자(1416)는 분무화 조립체(1412)로부터 이동하면서 고형화되고, 충돌하여 발달 중인 가공부품에 야금학적으로 결합되어 고체 모재를 형성한다.
도 15는 전자빔 분무화에 의해 생성된 분무화된 용융 및 고형화 합금으로부터 고체-분무-성형된 잉곳의 생성을 개략적으로 예시하고 있다. 진공 챔버(1510)는 용융 조립체(도시 생략) 및 전자빔 분무화 조립체(1512)를 에워싼다. 용융 조립체는, 예를 들어, 위에서 논의된 각종 용융 조립체들 중 하나일 수 있다. 용융 조립체(도시 생략)에 의해 생성된 용융 합금의 액적(1514)은 분무화 조립체(1512) 내로 통과한다. 용융 합금의 액적(1514)은 분무화 조립체(1512) 내에서 분무화되어 분무화된 합금 입자(1516)의 분무를 형성한다,
분무화된 합금 입자(1516)는 장 생성 조립체의 플레이트(1518)에 의해 생성된 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장(표시 생략)을 통해 통과하고, 이들 장과 상호작용하며, 이들 장에 의해 영향받는다. 플레이트(1518)는 챔버(1510)의 벽을 통과하는 와이어(1520)에 의해 전원(도시 생략)에 접속된다. 분무화된 합금 입자(1516)는 고형화되어, 고체 모재(1525)를 형성하기 위하여 장 생성 조립체에 의해 생성된 장(들)의 영향 하에 회전 컬렉터 플레이트(1524) 상에 충돌한다. 회전 컬렉터 플레이트(1524)는 분무화 조립체로부터 실질적으로 일정한 거리에서 침착 계면(deposition interface)을 유지하는 속도로 하향으로 빼내질 수 있다. 수율을 증대시키고 침착 밀도를 향상시키기 위하여, 컬렉터 플레이트(1524)는 챔버(1510)의 벽을 통과하는 와이어(1526)에 의해 플레이트(1524)를 전원(도시 생략)에 접속함으로써 높은 양 전위로 충전될 수 있다.
도 16은, 분무화된 용융 합금 입자가 고형화되어 장치의 제1챔버에서 컬렉터/가공부품과 충돌하는, 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템의 일 실시형태를 개략적으로 예시하고 있다. 진공 챔버(1610)는 용융 조립체(도시 생략) 및 전자빔 분무화 조립체(1612)를 에워싼다. 용융 조립체는, 예를 들어, 위에서 논의된 각종 용융 조립체들 중 하나일 수 있다. 용융 조립체(도시 생략)에 의해 생성된 용융 합금의 일련의 액적(1614)은 분무화 조립체(1612) 내로 통과한다. 용융 합금의 액적(1614)은 분무화 조립체(1612) 내에 분무화되어 합금 입자(1616)를 형성한다. 합금 입자(1616)는, 장 생성 조립체의 전자기 코일(1620)(단면으로 표시됨)에 의해 생성된 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장(1618)을 통해 통과하고, 이들 장과 상호작용하며, 이들 장에 의해 영향받는다. 분무화된 입자(1616)는 고형화되어, 장(1618)의 영향 하에 컨테이너(1621)의 형태로 컬렉터 내로 지향된다.
고체 합금 입자는 컨테이너(1621) 내에 형성 중인 가공부품(1625)과 충돌하여, 변형되고, 가공부품(1625)에 야금학적으로 결합되어 고체 모재를 형성한다. 고체 모재가 형성되면, 이는 챔버(1626) 내로 이송될 수 있고, 또한 진공 잠금부(1628)에 의해 밀봉될 수 있다. 컨테이너(1621) 및 모재는 공지된 수법에 따라서 열기계적 가공처리를 위하여 제2진공 잠금부(1630)를 통해 대기에 방출될 수 있다. 선택적으로, 도 16의 장치는, 일반적으로 위에서 기재되고, 고체 합금 입자를 형성하기 위하여 분무화된 용융 합금 입자로부터 열을 제거하도록 구성된 것 등과 같은 열 전달 기기를 포함할 수 있다. 또한, 선택적으로, 컨테이너(1621)는 와이어(1622)에 의해 전원(1624)에 전기적으로 접속될 수 있고, 양 전위에 유지되는 한편, 음으로 대전된 고체 입자(1616)는 컨테이너(1621)에서 충돌하고 있다. 와이어(1622)는 컨테이너가 챔버(1626) 내로 이동되기 전에 컨테이너(1621)로부터 멀리 분리될 수 있다.
도 17은 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템(1700)의 비제한적인 실시형태를 개략적으로 예시하고 있다. 도 17에 있어서, 고체-분무-성형된 물품은 전자빔 분무화에 의해 제공된 용융 합금 입자를 고형화시킴으로써 생성된 고체 합금 입자를 분무함으로써 주형 내에 생성된다. 진공 챔버(1710)는 용융 조립체(도시 생략)와 전자빔 분무화 조립체(1712)를 포함하는 요소들을 에워싼다. 용융 조립체는, 예를 들어, 위에서 논의된 각종 용융 조립체들 중 하나일 수 있다. 용융 조립체에 의해 생성된 용융 합금의 일련의 액적(1714)은 분무화 조립체(1712) 내로 통과한다. 용융 합금의 액적(1714)은 분무화 조립체(1712) 내에서 분무화되어 분무화된 합금 입자(1716)의 분무를 형성한다. 분무화된 합금 입자(1716)는 장 생성 조립체의 전기적으로 통전된 코일(1720)(단면으로 도시됨)에 의해 생성된 하나 이상의 전자기장 및/또는 정전기장(1718)을 통과하고, 이들 장과 상호작용하며, 또한 이들 장에 의해 영향받는다. 분무화된 재료(1716)는 고형화되어, 장 생성 조립체에 의해 생성된 장(1718)의 영향 하에 주형(1724) 내로 지향되며, 얻어진 고체-분무-성형된 물품(1730)은 주형 기재(도시 생략)의 하향 움직임에 의해 주형(1724)으로부터 빼내진다. 선택적으로, 주형 기재는 회전하거나 또는 다르게는 병진이동하도록 구성될 수 있다.
도 17a에 도시된 장치(1700)의 대안적인 비제한적인 실시형태에 있어서, 전원(1732)이 제공되고, 전극(1734)들 간에 비평형 플라즈마를 형성하기 위하여 전위 차를 생성한다. 열은 플라즈마에 의해 고형화 합금 입자 및/또는 고체 물품(1730)의 표면에서부터 전극(1734)으로 전도되어, 열 교환기(1736) 및 전극(1734)을 통해 순환되는 유전체 액체로 냉각된다.
도 18은 본 명세서에 기재된 시스템 및 장치를 이용해서 수행될 수 있는 고체-분무-성형 공정의 비제한적인 실시형태를 예시한다. 합금 공급원료(1801)는 용융 단계(1805)에서 용융되어 용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 하나를 생성한다. 용융 단계(1805)는 다수의 연속적인 용융, 정련 및 재용융 하위단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 합금 공급원료는, 적합하게는, 초기 용융물을 형성하기 위하여 용융되는, 기제 금속 및 합금 원소의 스크랩, 스펀지, 재활용 및/또는 미가공 공급원을 포함할 수 있다. 초기 용융물은 VAR, 플라즈마 아크 용융, 전자빔 용융, 또는 기타 임의의 적절한 용융 수법을 이용해서 생성될 수 있다.
초기 용융 화학은 미리 결정된 화학을 달성하기 위하여 필요에 따라서 분석되고 변형될 수 있다. 일단 허용가능한 용융 화학이 달성되면, 용융물은 추가의 정련 및/또는 재용융 동작을 위하여 소모성 전극 내로 주조될 수 있거나, 용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생성하는데 이용될 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 합금 공급원료는 용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생성하기 위하여 용융되는 허용가능한 합금 화학의 소모성 전극 혹은 기타 소모성 물품을 포함할 수 있다.
위에 나타낸 바와 같이, 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "합금"이란 용어는 순수한 금속과 합금 둘 모두를 지칭하며, 예를 들어, 철, 코발트, 니켈, 알루미늄, 티타늄, 니오브, 지르코늄, 및 이들 금속 중 어느 것에 기초한 합금, 예컨대, 스테인레스 강, 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 티타늄 알루미나이드, 니켈-티타늄 합금 등을 포함한다. 본 명세서에 기재된 실시형태에 따라 가공처리될 수 있는 니켈계 초합금의 비제한적인 예로는, IN 100 합금(UNS 13100), Rene 88(상표명) 합금, 알로이 720, 알로이 718(UNS N07718) 및 718플러스(Plus)(상표명) 합금(UNS N07818)(미국 노스캐롤라이나주의 몬로시에 소재한 ATI 알바크사(ATI Allvac)로부터 입수가능함)을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 본 명세서에 기재된 실시형태에 따라 가공처리될 수 있는 티타늄 합금의 비제한적인 예로는 Ti-6Al-4V 합금, T-17 합금, Ti-5-5-5-3 합금, Ti-Ni 합금 및 Ti-Al 합금을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.
용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽은 전자빔 분무를 이용해서 단계 1810에서 분무화된다. 단계 1810 동안, 전자 공급원, 예를 들어, 열-이온성 전자빔 이미터 및/또는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터로부터 생성된 전자는, 용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽 상에 충돌된다. 충돌하는 전자는, 정전기 반발력이 용융 합금의 표면 장력을 초과하여 스트림 및/또는 액적을 보다 작은 용융 합금 입자로 물리적으로 파괴시킴으로써, 용융 합금을 분무화시킬 때까지 용융 합금의 스트림 및/또는 용융 합금의 일련의 액적을 신속하게 정전기적으로 대전시킨다. 충돌하는 전자는 또한 용융 합금의 대전된 분무화된 입자를 생성한다. 분무화된 용융 합금 입자의 크기와 전하는, 예를 들어, 용융 합금 상에 충돌하는 전자장의 크기, 형상 및 밀도를 제어함으로써 제어될 수 있다.
용융 합금의 분무화 및 대전된 입자는, 정전기장과 전자기장 중 적어도 한쪽과의 상호작용을 통해서 단계 1815에서 가속된다. 각종 실시형태에 있어서, 분무화 조립체와 컬렉터 사이에 확립된 정전기장은, 분무화 조립체로부터 멀리 그리고 컬렉터를 향하여 입자를 가속시키기 위하여 분무화 및 대전된 합금 입자와 상호작용한다. 가속도의 크기는, 예를 들어, 직접 정전기장 세기에 영향을 미치는, 분무화 조립체와 컬렉터 간의 전압차의 크기를 제어함으로써 제어될 수 있다.
가속 중인 용융 합금 입자는 용융 합금 입자를 합금의 고상선 온도 이하의 온도로 냉각시킴으로써 단계 1820에서 고형화된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "고상선 온도"란 합금이 완전히 고체 상태에 있는 합금의 최대 온도를 지칭한다. 이와 대조적으로, 합금의 "액상선 온도"(liquidus temperature)는 합금의 고체 결정이 액체 합금과 열역학적 평형 상태로 공존하는 최대 온도이다. 액상선 온도 이상의 온도에서, 합금은 완전히 액체이고, 고상선 온도와 동일 혹은 그 이하의 온도에서, 합금은 완전히 고체이다. 고체 온도보다 높거나 고체 온도까지 그리고 액상선 온도를 포함하는 온도에서, 합금은 2상 상태로 존재한다.
가속 중인 합금 입자의 해당 합금의 고상선 온도 이하의 온도로의 냉각은 상기 합금이 컬렉터와 접촉하기 전에 용융 상태에서 고체 상태로 변화되는 것을 확실하게 한다. 예를 들어, 알로이 718, 니켈계 초합금은 대략 1358℃의 액상선 온도와 대략 1214℃의 고상선 온도를 지닌다. 이에 대해서는, 문헌[Wei-Di Cao, "Solidification and solid state phase transformation of Allvac® 718Plus™ alloy", Journal of the Minerals, Metals & Materials Society, 2005]을 참조할 수 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참조로 내포된다. 따라서, 알로이 718이 고체-분무-성형된 비제한적인 실시형태에 있어서, 가속 중인 용융 알로이 718 입자는, 컬렉터와 접촉하기 전에 1214℃ 이하의 온도로 냉각되어 해당 입자를 고형화시킬 수 있다.
각종 실시형태에 있어서, 가속 중인 용융 합금 입자는 합금의 고상선 온도(TS) 이하이면서 고상선 온도의 0.50배(0.50★TS) 초과인 온도로 냉각된다. 용융 합금 입자를 0.50★TS 내지 TS 범위의 온도로 냉각시키는 것은, 해당 입자가 기판에 충돌할 때 변형되어서 고체 상태로 야금학적으로 결합(즉, 고체 상태 용접)되어 단일 및 모놀리식 고체 모재를 형성하도록 충분히 연성이지만 실질적으로 고형화되는 것을 확실하게 할 수 있다. 예를 들어, 궁극적인 강도, 2% 항복 강도 및 알로이 718의 경도가 합금의 고상선 온도의 대략 0.50배인 대략 600℃ 부근의 온도에서 보다 높은 속도로 감소한다(즉, 합금이 연화된다).
각종 실시형태에 있어서, 가속 중인 용융 합금 입자는 0.50★TS 내지 TS의 범위, 또는 그 안에 포괄되는 임의의 하위-범위, 예를 들어, 0.50★TS 내지 0.99★TS, 0.50★TS 내지 0.95★TS, 0.60★TS 내지 0.95★TS, 0.70★TS 내지 0.95★TS, 0.80★TS 내지 0.95★TS 또는 0.90★TS 내지 0.99★TS 범위의 온도로 냉각된다.
각종 실시형태에 있어서, 분무화 조립체와 컬렉터 간의 거리(이를 통해서 용융 합금 입자가 가속됨)는, 용융 합금 입자가 컬렉터와 접촉하기 전에 입자를 고형화시키기 위하여 전도, 대류 및/또는 방사를 통하여 충분히 열 에너지를 소실하도록 미리 결정된다. 각종 실시형태에 있어서, 비평형 플라즈마는, 용융 입자로부터 열 에너지를 능동적으로 이송하여 컬렉터와 접촉하기 전에 입자를 고형화시키기 위하여 가속 중인 용융 합금 입자의 경로에서 생성된다.
각종 실시형태에 있어서, 가속 중인 용융 합금 입자는 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 장치 혹은 시스템 내의 열 제어 영역을 통해 이동한다. 열 제어 영역은 합금 입자로부터 열을 능동적으로 제거하거나 또는 열 제어 영역에서 주변 환경에 대한 전도, 대류 및/또는 방사에 의해 열 손실 속도를 증가시키기 위하여 열 전달 기기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 제어 영역은 해당 열 제어 영역 내에 서브-분위기 온도를 유지하기 위하여 냉각 코일 등과 같은 기기를 포함할 수 있으며, 이는 용융 합금 입자와 주변 환경 사이에 보다 큰 온도차를 확립시킨다. 보다 큰 온도차는 용융 합금 입자로부터의 보다 높은 열 손실 속도와 상관이 있을 수 있고, 이는 컬렉터와 접촉시키기 전에 더욱 효과적 및/또는 효율적인 고형화를 허용한다.
고체 합금 입자는 단계 1825에서 기판 상에 충돌되어 합금 모재(1830)를 고체-분무-성형한다. 각종 실시형태에 있어서, 기판은, 예를 들어, 플래튼, 원통, 맨드릴, 컨테이너, 챔버, 금형 혹은 기타 표면 등과 같은 컬렉터를 포함할 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 기판은 초기 컬렉터 표면 상에 충돌되는 고체 합금 입자로부터 형성된 발달 중인 가공부품 혹은 모재를 포함할 수 있다. 이런 방식에서, 충돌하는 고체 합금 입자는 가공부품을 더욱 전개시켜 모재를 형성한다.
각종 실시형태에 있어서, 고체 합금 입자는, 예를 들어, 0.50★TS 내지 TS, 또는 그 안에 포괄되는 임의의 하위-범위 내의 온도 등과 같이, 합금의 고상선 온도 이하의 온도로 냉각된 후에 기판에 충돌한다. 합금의 고상선 온도 이하의 온도, 예를 들어, 0.50★TS 내지 TS, 범위의 온도를 지니는 충돌하는 고체 합금 입자는, 해당 입자가 기판에 충돌할 때 변형되어서, 고체 상태로 야금학적으로 결합(즉, 고체 상태 용접)되어 단일 및 모놀리식 고체 모재를 형성하도록 충분히 연성이지만 실질적으로 고형화되는 것을 확실하게 할 수 있다.
각종 실시형태에 있어서, 초기 컬렉터는 분무화 및 고형화된 입자를 형성하는 합금과 동일하거나 유사한 합금으로부터 형성된 고체 물품을 포함할 수 있다. 이것은 충돌하는 고체 합금 입자가 초기 컬렉터와 야금학적으로 적합하여서 고체 합금 입자가 기판에 그리고 서로 야금학적으로 결합(즉, 고체 상태 용접)되어, 단일 및 모놀리식 모재를 형성하는 것을 확실하게 할 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 초기 컬렉터를 형성하는 재료는 절삭, 분쇄 등에 의해 고체-분무-성형된 합금 모재로부터 제거될 수 있다.
도 19a 내지 도 19f는 고체-분무-성형 공정 및 시스템(1900)의 비제한적인 실시형태를 일괄적으로 예시한다. 도 19a을 참조하면, 합금 용융 장치(1910)는 용융 합금의 일련의 액적(1915)을 생성하지만, 합금 용융 장치(1910)는 용융 합금의 스트림 및/또는 용융 합금의 일련의 액적을 생성할 수 있는 것이 이해된다. 분무화 장치(1920)는 용융 장치(1910)로부터 고체-분무-성형 시스템(1900)을 통해서 기판(1930)을 향하여 이동 중인 용융 합금 액적(1915)의 경로를 교차하는 전자장(1925)을 생성한다.
도 19b를 참조하면, 전자장(1925)을 구성하는 전자는 용융 합금 액적(1915) 상에 충돌하여 레일리 한계를 넘어 액적(1915)을 신속하게 정전기적으로 대전시키고, 액적은 보다 작은 용융 합금 입자(1935)로 분무화된다. 분무화된 용융 합금 입자(1935)는 충돌하는 전자로 인해 대전된 알짜 음 전기를 지닌다. 분무화된 용융 합금 입자(1935)는, 용융 합금 액적(1915)이 보다 작은 입자로 파괴되어, 보다 작은 입자가 전자를 충돌시킴으로써 음 전위로 재대전되고, 더욱 작은 입자로 파괴되며, 이 과정은 전자가 연속적으로 보다 작은 분무화된 입자에 첨가되는 시간 동안 반복되는 것인, 캐스케이드 효과에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로 혹은 부가적으로, 분무화된 용융 합금 입자(1935)는 용융 합금 액적(1915)의 표면으로부터 순차적으로 스트리핑될 수 있다. 물리적 분무화 기전에 관계 없이, 용융 합금 액적(1915)은, 충분한 음 전하가 축적되어 합금을 분무화된 용융 합금 입자(1935)로 붕괴시키도록 충분한 시간 동안 충돌하는 전자장(1925)에 노출된다.
도 19c를 참조하면, 분무화 및 대전된 용융 합금 입자(1935)는 정전기장과 전자기장(1940) 중 적어도 한쪽을 이용해서 가속된다. 이 장(1940)은, 입자들이 제어된 방식으로 분무화 장치(1920)로부터 고체-분무-성형 시스템(1900)을 통해서 기판(1930)을 향하여 이동되게끔, 분무화 및 대전된 용융 합금 입자(1935)의 가속도, 속도 및/또는 방향을 제어하도록 구성된다.
도 19d를 참조하면, 분무화 및 대전된 용융 합금 입자(1935)는 용융 합금 입자(1935)가 가속 중에 고형화되어 고체 합금 입자(1945)를 형성하도록 합금의 고상선 온도 이하의 온도로 냉각된다. 합금 입자(1935)/(1945)는 기판(1930)에 접촉하기 전에 냉각되어 고형화된다. 도 19d는 냉각 코일(1950)을 포함하는 열 제어 영역을 도시한다. 냉매 유체는 열 제어 영역에서 보다 낮은 온도를 유지하기 위하여 냉각 코일을 통해 흐르며, 이는 영역은 용융 합금 입자(1935)와 주변 환경 간에 보다 큰 온도차를 확립시킨다. 보다 큰 온도차는 용융 합금 입자(1935)로부터 보다 높은 열 손실 속도와 상관이 있을 수 있고, 이는 기판(1930)과 접촉하기 전에 고체 합금 입자(1945) 내로 더욱 효과적 및/또는 효율적인 고형화를 허용한다.
그러나, 상이한 냉각 수단은 고체-분무-성형 시스템(1900) 내의 열 제어 영역에 이용될 수 있는 것이 이해된다. 예를 들어, 비평형 플라즈마 생성 조립체(도시 생략)는, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 용융 합금 입자(1935)를 냉각시키고 고형화시키는데 이용될 수 있다. 대안적으로 혹은 부가적으로, 분무화 장치(1920)와 기판(1930) 간의 거리(d)는 열 제어 영역 내에서 가변 가열 혹은 냉각 없이 고형화시키기 위하여 제어된 분무화된 입자 크기 및 제어된 입자 가속도를 지니도록 구성될 수 있다.
도 19e를 참조하면, 고체 합금 입자(1945)는, 본 명세서에 기재된 바와 같은 양의(positive) 전기 극성을 지니는 컬렉터를 포함하는 기판(1930) 상에 충돌한다. 충돌하는 고체 합금 입자(1945)는 변형되어 기판(1930)에 야금학적으로 결합되고, 발달 중인 가공부품(1955)을 생성한다. 도 19f를 참조하면, 고체 합금 입자(1945)는 발달 중인 가공부품(1955)을 포함하는 기판(1930) 상에 계속 충돌하여, 변형되어서, 기판(1930)에 그리고 서로 야금학적으로 결합되어 단일 및 모놀리식 고체 합금 모재를 형성한다.
도 19a 내지 도 19f에 도시된 고체-분무-성형 시스템(1900)의 각종 구성요소 중 하나 이상은 진공 용기 또는 다수의 작동적으로 접속된 진공 용기 내에 둘러싸여 있을 수 있다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 커다란 전압차는 양으로 바이어스된 기판과 음으로 바이어스된 분무화 장치 사이에 확립될 수 있으며, 이는 분무화된 용융 합금 입자 및 냉각된 고체 합금 입자의 가속을 용이하게 할 수 있다. 전압차의 크기는 합금 입자의 충돌 속도 및 얻어지는 가속도와 상관이 있을 수 있다.
각종 실시형태에 있어서, 충돌 시의 고체 합금 입자의 온도 및 고체 합금 입자의 충돌 속도는, 발달 중인 가공부품/모재에 영향을 미치는 중요한 동작 파라미터이다. 이들 동작 파라미터의 제어는 분무화된 입자 크기, 정전기 가속 전압, 분무화 장치-기판 거리를 제어, 및/또는 분무화 장치와 기판 사이의 열 제어 영역을 가열 혹은 냉각시킴으로써 달성될 수 있다.
또한, 초기 합금 용융 동작의 양상들은 전체적인 고체-분무-성형 공정에 대해서 각종 단점들을 제시할 수 있다. 초기의 합금 용융 동작은 적절한 재료의 주입물을 제공하고, 이어서 해당 주입물을 용융시키는 것을 포함한다. 용융 주입물 혹은 "용융물"은 이어서 용융 화학을 변경하기 위하여 및/또는 용융물의 바람직하지 않은 성분들을 제거하기 위하여 정련 및/또는 처리될 수 있다. 용융로는, 전기 및 화석연료의 연소를 포함하는 수단에 의해 통전될 수 있고, 적절한 장치의 선택은 상대적인 비용 및 적용가능한 환경 규제뿐만 아니라 제조 중인 재료의 동질성에 의해 크게 영향받는다. 용융 수법의 일반적인 부류는, 예를 들어, 유도 용융(진공 유도 용융을 포함함), 아크 용융(진공 아크 둔부 용융을 포함함), 도가니 용융 및 전자빔 용융을 포함한다.
세라믹-라이닝된 노에서 생산된 용융물은 산화물로 오염되어 있을 수도 있다. 진공 환경을 이용하지만 세라믹-라이닝된 노를 이용하지 않는 각종 용융 수법이 개발되어 있다. 이들 수법은 종래의 세라믹-라이닝된 노에서 용융물을 형성하는데 대해서 용융물 내에 상당히 덜 산화물 오염을 초래한다. 이러한 수법의 예로는, 예를 들어, 전자빔(EB) 용융, 진공 아크 재용융(VAR), 진공 이중-전극 재용융(VADER) 및 일렉트로슬래그 정련/재용융(ESR)을 포함한다. VAR, VADER 및 ESR 수법은, 예를 들어, 미국 특허 제4,261,412호; 제5,325,906호; 및 제5,348,566호에 기재되어 있으며; 이들 미국 특허는 본 명세서에 참조로 내포된다.
전자빔 용융은, 표적 재료를 가열하는데 이용되는 전자의 높은 에너지의 실질적으로 선형 스트림을 생성하기 위하여 열-이온성 전자빔 건을 이용하는 것을 포함한다. 열-이온성 전자빔 건은 필라멘트에 전류를 통과시킴으로써, 필라멘트를 고온으로 가열시키고, 필라멘트로부터 전자를 "끓여서" 증발시킴으로써 작동한다. 필라멘트로부터 생성된 전자는 매우 좁은(거의 2차원), 실질적으로 선형 전자빔의 형태로 표적을 향하여 집중되어 가속된다. 이온 플라즈마 전자빔 건의 유형은 또한 합금 용융물을 제조하는데 이용되어 왔다. 구체적으로는, 문헌[V.A. Chernov, "Powerful High-Voltage Glow Discharge Electron Gun and Power Unit on Its Base," 1994 Intern. Conf. on Electron Beam Melting (Reno, Nevada), pp. 259-267]에 기재된 "글로 방전" 전자빔 건은, 우크라이나의 키예브시에 소재한 안타레스사(Antares)로부터 입수가능한 소정의 용융로에 내포되어 있었다. 이러한 기기는, 캐소드를 폭발시켜 실질적으로 2차원의 선형 전자빔을 형성하기 위하여 집중된 전자를 생성하는 양이온을 포함하는 냉 플라즈마를 생성함으로써 작동한다.
상기 유형의 전자빔 건에 의해 생성된 실질적으로 선형 전자빔은, 전자빔 용융로의 진공 용융 챔버 내로 지향되어서, 융융되고/되거나 용융 상태로 유지될 재료 상에 충돌될 수 있다. 전기 전도성 재료를 통한 전자들의 전도는, 이들을 특정 용융 온도를 초과하는 온도에서 신속하게 가열한다. 예를 들어, 약 100 ㎾/㎠일 수 있는 실질적으로 선형 전자빔의 높은 에너지를 고려하면, 선형 전자빔 건은 매우 고온 가열원이고, 또한 실질적으로 선형 빔이 충돌하는 재료의 용융 온도, 몇몇 경우에, 기화 온도를 쉽게 초과할 수 있다. 자기 편형 혹은 유사한 방향성 수단을 이용해서, 실질적으로 선형 전자빔은 용융 챔버 내의 표적 재료를 가로질러 고주파수로 래스터링될 수 있고, 또한 해당 빔을 넓은 영역을 가로질러 그리고 다수의 복합 형상을 지니는 표적을 가로질러 지향시킬 수 있게 된다.
전자빔 냉각로 용해 수법은 본 명세서에 기재된 고체-분무-성형 공정, 시스템 및 장치에 이용될 수 있다. 공급원료는 공급원료 바의 일단부 상에 실질적으로 선형 전자빔을 충돌시킴으로써 낙하 용융될 수 있다. 용융된 공급원료는 수냉식 구리로(water-cooled copper hearth)의 단부 영역 내로 낙하되어, 보호성 둔부를 형성한다. 용융 재료가 상기 노(hearth)에 수집됨에 따라서, 이는 흘러넘쳐 분무화 조립체 내로 중력에 의해 떨어진다. 상기 노 내에서의 용융 합금 재료의 드웰 타임 동안, 실질적으로 선형 전자빔은 재료의 표면에 걸쳐서 신속하게 래스터링될 수 있고, 이를 용융 형태로 유지할 수 있다. 이것은 또한 높은 증기압 성분의 증발을 통해서 용융 합금 재료를 탈기시키고 정련시키는 효과를 지닌다. 상기 노는 또한 고밀도 및 저밀도 고체 혼입물 사이의 비중선광(gravity separation)을 촉진시키는 크기로 되어 있을 수 있고, 이 경우에 산화물 및 기타 상대적으로 저밀도 혼입물이 용해되기에 충분한 시간 동안 용융 금속 중에 남는 한편, 고밀도 입자는 바닥부에 가라앉아 둔부에 포획되게 된다.
본 명세서에 기재된 고체-분무-성형 공정, 시스템 및 장치에 이용하기 위하여 적합한 용융 수법은 또한 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터를 내포하는 전자빔 냉각로 용해 수법을 포함한다. 이들 수법은, 예를 들어, 미국 특허 제7,803,211호 그리고 미국 특허 공개 제2008/0237200호 및 제2010/0012629호에 기재되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참조로 내포된다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터"란 용어는 양으로 대전된 이온을 캐소드 상에 충돌시키고 이에 따라서 캐소드로부터 전자를 방출시킴으로써, 비교적 넓은 3차원 전자장을 생성하는 장치를 지칭한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터에 의해 생성된 전자빔은 2차원 빔은 아니지만, 그 대신에, 표적 상에 충돌할 때, 실질적으로 선형 전자빔을 표적 상에 충돌시킴으로써 커버되는 작은 포인트에 비해서 매우 큰 표적 상의 2차원 표면 영역을 커버하는, 전자의 3차원 장 혹은 "플러드"(flood)이다. 이와 같이 해서, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터에 의해 생성된 전자장은, 전자빔 용융로에 이용되는 종래의 전자 건에 의해 생성된 비교적 훨씬 작은 접촉 포인트를 기준으로 해서, 본 명세서에서는 "광역" 전자장("wide-area" electron field)이라 지칭된다. 관련없는 응용에 대해서 이용되어 온 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는, 예를 들어, "와이어 이온 플라즈마 (WIP) 전자" 건 혹은 이미터, "WIP 전자" 건 혹은 이미터로 다양하게 지칭되고, 다소 혼동스럽게, (기기의 각종 실시형태에서 플라즈마-생성 와이어 전극(들)의 선형 속성을 참조할 때) "선형 전자빔 이미터"라 지칭된다.
와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는 각종 설계에서 이용가능하지만, 모든 이러한 이미터는 소정의 기본적인 설계 속성을 공유한다. 각각의 이러한 이미터는 양이온을 포함하는 플라즈마를 생성하기 위하여 세장형(elongate) 와이어 애노드의 형태로 양 이온 공급원을 포함하는 플라즈마 혹은 이온화 영역, 및 와이어에 의해서 발생된 양 이온을 가로막도록 위치결정되고 또한 이격되어 있는 캐소도를 포함한다. 커다란 음 전압이 캐소드에 인가되어서, 와이어 양 이온 공급원에 의해 발생된 플라즈마 중의 양 이온의 분획이, 2차 전자가 캐소드("1차" 전자가 양 이온과 함께 플라즈마 내에 존재함)로부터 방출되도록 캐소드 표면을 향하여 가속되어 이와 충돌하게 한다. 캐소드 표면으로부터 생성된 2차 전자는 캐소드와 충돌하는 양 이온 플라즈마의 3차원 형상을 지니는 전자장을 형성한다. 2차 전자는 이어서 애노드를 도로 향하여 캐소드 근방으로부터 가속되어, 이미터 내의 저압 기체를 통과하는 과정에서 수회의 총돌을 경험하게 된다.
와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 각종 구성요소를 적절하게 구성함으로써, 에너지성의 2차 전자의 넓은 장이 캐소드에서 형성되어 이미터로부터 표적을 향해서 가속될 수 있다. 도 20은 와이어-방전 플라즈마 이온 전자 이미터의 구성요소의 간략화된 도면으로, 여기서 전류는 플라즈마(14)를 발생하기 위하여 얇은 와이어 애노드(12)에 인가된다. 플라즈마(14) 내의 양 이온(16)은 음으로 대전된 캐소드(18)를 향하여 가속되어 이와 충돌하여, 광역 2차 전자 구름(20)을 해방시키며, 이는 전극들 사이의 전계의 작용에 의해 애노드(12)의 방향으로 그리고 표적을 향하여 가속된다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 시스템 혹은 장치는 압력-조절식 챔버(용융 챔버)를 포함하는 합금을 용융시키기 위한 용융 조립체 및 용융 챔버 내에 배치되고 용융 합금을 유지하도록 구성된 노를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는 용융 챔버에 혹은 그 인접하여 배치될 수 있고, 이미터에 의해 발생된 3차원 광역 전자장을 챔버 내로 지향시키기 위하여 위치결정될 수 있다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는 전기 전도성 합금을 그의 용융 온도로 가열시키기 위하여 충분한 에너지를 지니는 3차원 전자장을 생성한다.
각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 분무화 조립체는 노로부터의 용융 합금의 스트림과 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 입수하도록 구성된다. 용융 조립체는 종래의 전자빔 용융로를 이용해서 용융될 수 있는 임의의 합금, 예를 들어, 알루미늄, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 니오브, 지르코늄, 니켈, 철 및 코발트에 기초한 합금을 용융시키는데 이용될 수 있다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 용융 조립체는 코발트계 초합금 혹은 니켈계 초합금의 화학을 구성하는 재료를 포함하는 주입물을 용융시키도록 구성된다. 각종 다른 비제한적인 실시형태에 있어서, 용융 조립체는, 예를 들어, VIM, VAR 및 ESR 중 하나 이상에 의해 미리 생성되고 가공처리될 수 있는 미리 형성된 합금 잉곳 혹은 기타 구조를 용융시키도록 구성된다.
용융 조립체는 전기 전도성 금속 혹은 기타 합금 첨가제를 용융 챔버 내에 도입하도록 적합화된 하나 이상의 재료 공급장치를 포함할 수 있다. 공급장치 유형은, 예를 들어, 바 공급장치 및 와이어 공급장치를 포함할 수 있고, 선택된 공급장치 유형은 노에 대한 특정 설계 요건에 좌우될 것이다. 재료 공급장치 및 용융 조립체의 적어도 하나의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터에 의해 방출된 전자장이 공급장치에 의해 챔버 내로 도입된 재료에 적어도 부분적으로 충돌하도록 구성될 수 있다. 공급장치에 의해 용융 챔버 내로 도입된 재료가 전기 전도성이면, 전자장은 재료를 가열하여 용융시킬 수 있다.
용융 조립체에 내포된 노는 당해 기술에 공지된 각종 노 유형으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 용융 조립체는 용융 챔버 내에 냉각로 혹은 더욱 구체적으로는, 예를 들어, 수냉식 구리 냉각로를 내포시킴으로써 전자빔 냉각로 용해로와 비슷할 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 냉각로는 노 내의 용융 재료가 노 표면에 동결되어 보호층 혹은 둔부를 형성하게 하는 냉각 수단을 포함한다. 다른 비제한적인 예로서, 노는 "내생적인"(autogenous) 노를 포함하며, 이는 노에서 용융 중에 있는 합금으로 도금되거나 합금으로부터 제작되는 노이고, 이 경우에 노의 바닥면은 또한 용낙(burn-through)을 방지하기 위하여 수냉될 수 있다.
용융 챔버 내에 포함된 특정 노는 용융 재료 유지 영역을 포함할 수 있고, 여기서 용융 재료는 용융 챔버와 유체 연통하여 하류 분무화 기기에 통과하기 전에 소정의 드웰 타임 동안 체류한다. 노 및 적어도 하나의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터에 의해 방출된 전자장이 적어도 부분적으로 용융 재료 유지 영역 상에 충돌하도록 용융 조립체 내에 위치결정될 수 있다. 이런 방식에서, 전자장은 용융 재료 유지 영역 내에 합금 재료를 용융 상태로 유지하도록 인가될 수 있다.
각종 실시형태에 있어서, 용융 조립체는 압력-조절식 용융 챔버, 및 압력-조절식 용융 챔버 내에 배치된 노를 포함하며, 여기서, 노는 용융 재료 유지 영역을 포함한다. 용융 조립체는 압력-조절식 용융 챔버 내에 혹은 인접하여 배치된 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터를 더 포함할 수 있다. 노 및 적어도 하나의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는, 이미터에 의해 생성된 전자장이 용융 재료 유지 영역 상에 적어도 부분적으로 충돌하도록 위치결정된다. 압력-조절식 용융 챔버와 유체 연통하는 분무화 조립체는 노로부터 용융 재료를 수용하도록 위치결정될 수 있다. 적어도 하나의 공급장치는 노 내에 포함될 수 있고, 또한 노의 적어도 하나의 영역에 걸친 위치에서 압력-조절식 용융 챔버 내로 재료를 도입하도록 구성될 수 있다.
임의의 적절한 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는 고체-분무-성형 공정을 수행하도록 구성된 시스템 및 장치에 이용될 수 있다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 적절한 실시형태는, 예를 들어, 미국 특허 제4,025,818호; 제4,642,522호; 제4,694,222호; 제4,755,722호; 및 제4,786,844호에 기재되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참조로 내포된다. 적절한 이미터는 노의 용융 챔버로 지향될 수 있고 또한 용융 챔버 내에 배치된 전기 전도성 공급 재료를 소망의 온도로 가열시키게 될 3차원 광역 전자장을 생성할 수 있는 것을 포함한다. 적절한 이미터는 또한 위에서 논의된 바와 같이 분무화 챔버 내로 지향되어 용융 합금 재료를 분무화할 수 있는 3차원 광역 전자장을 생성할 수 있는 것들을 포함한다.
와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 이미터는 플라즈마 영역과 캐소드 영역을 포함한다. 플라즈마 영역은 양 이온을 포함하는 플라즈마를 생성하도록 적합화된 적어도 하나의 세장형 와이어 애노드를 포함한다. 캐소드 영역은 캐소드를 음으로 대전시키도록 적합화된 고전압 전원에 전기적으로 접속된 캐소드를 포함한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터에 있어서, 플라즈마를 생성하는데 이용되는 전극은 플라즈마 영역의 길이를 따라 위치결정된 하나의 와이어 혹은 다수의 와이어일 수 있다. 양 이온에 의해 충돌된 캐소드의 적어도 일부는 전자를 발생하는데 적합한 재료로 구성된다. 이미터의 캐소드 영역 내에 배치된 캐소드의 각종 비제한적인 실시형태는 또한 전자의 발생을 용이하게 하기 위하여 낮은 일함수 및 높은 용융 온도를 지니는, 삽입물, 예를 들어, 몰리브덴 삽입물을 포함할 수 있다. 캐소드와 애노드는, 와이어 애노드에 의해 발생된 플라즈마 내의 양이온이, 캐소드로부터의 2차 전자의 광역장을 해방시키는, 전극들 간의 전계의 영향 하에 캐소드를 향하여 가속되어 캐소드 상에 충돌하도록 서로에 관하여 위치결정된다.
와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 각종 비제한적인 실시형태는 용융 챔버 및/또는 분무화 챔버의 벽을 통해 개방되는, 얇은 전자 투과성 티타늄 혹은 알루미늄 호일 등과 같은 적어도 하나의 적절한 전자 투과창(electron transmissive window)을 포함한다. 적절한 전자 투과창은 또한, 예를 들어, 붕소 질화물 혹은 탄화물(예컨대, 다이아몬드) 재료를 구비하는 창을 포함할 수 있다. 전자 투과창은 전자에 대해서 투과성인 당업계에 일반적으로 알려진 낮은 원자 번호 원소를 포함하는 재료를 더 포함할 수 있다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 각종 비제한적인 실시형태는 전자 투과창을 포함하지 않는데, 이 경우에 이미터의 플라즈마 영역은 용융 챔버 및/또는 분무화 챔버와 유체 연통한다. 어느 경우에서도, 광역 전자장은 용융 챔버 및/또는 분무화 챔버에 진입하고, 챔버(들) 내에서 재료 상에 충돌될 수 있다. 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는 해당 이미터에 의해 생성된 광역 전자장의 용적을 증가시키기 위하여 래스터링될 수 있다.
전자 투과창이 용융 챔버 또는 분무화 챔버로부터 전자 이미터의 내부를 분리한다면, 전자장이 전자 이미터로부터 챔버 내로 투사됨에 따라서 창을 통과한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 캐소드에 전기적으로 커플링된 고전압 전원은 캐소드를 20,000 볼트보다 큰 음 전압으로 통전시킨다. 음 전압은 캐소드를 향하여 플라즈마 내의 양 이온을 가속시키고, 또한 캐소드로부터 애노드를 향하여 2차 전자장을 반발시킨다.
전자 투과창은, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터 내의 압력이 용융 챔버 및/또는 분무화 챔버 내에 압력과는 상당히 상이하다면, 이 경우에 호일 창이 압력을 달리하는 두 인접 영역을 격리시키는 역할을 하는 것이 필요할 수 있다. 열-이온성 전자빔 건 등과 같은 비-기체(non-gas) 함유 전자 이미터에 대해서 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 이점은, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터가 플라즈마 공급원으로서 역할하도록 플라즈마 영역 내에 기체를 포함해야 한다는 점이다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터가 매우 낮은 기체 압력에서 작동할 수 있지만, 이러한 기기는 또한 비교적 높은 기체 압력에서 효과적으로 작동할 수 있다.
도 21은 전자빔 용융 조립체의 비제한적인 실시형태를 개략적으로 예시한다. 용융 조립체(2210)는 챔버 벽(2215)에 의해 적어도 부분적으로 규정된 용융 챔버(2214)를 포함한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(2216)는 챔버(2214) 외부 및 인근에 위치결정된다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(2216)는 챔버(2214)의 내부로 광역 전자장(2218)을 투사한다. 합금 바(2220)는 바 공급장치(2219)에 의해 챔버(2214) 내로 도입된다. 용융 합금(2226)은 적어도 하나의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(2216)의 광역 전자장(2218)을 합금 바(2220) 상에 충돌시킴으로써 생성된다. 합금 바(2220)로부터 용융된 용융 합금(2226)은 수냉식 구리로(2224) 내로 낙하되어, 드웰 타임 동안 노(2224) 내에 체류되며, 여기서, 이미터(2216)에 의해 생성된 광역 전자장(2218) 중 하나 이상에 의해 가열되고, 탈기되며, 정련된다. 용융 합금(2226)은 궁극적으로 노(2224)로부터 분무화 조립체(2231) 내로 낙하되어, 용융 합금이 합금 입자(2232)로 분무화되며, 이는 장 발생 조립체(2230)에 의해 영향받고, 고형화되며, 컬렉터(2233) 상에 충돌된다.
위에서 논의된 바와 같이, 용융 조립체(2210)의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(2216)는 열-이온성 전자빔 건에 의해 생성된 실질적으로 선형 빔의 스팟 커버리지에 대해서 광역을 커버하는 에너지 전자의 장 혹은 "플러드"를 발생하도록 구성된다. 전자장 이미터(2216)는 광역에 걸쳐서 전자를 확산시켜, 용융 조립체(2210) 내에서 용융 상태에서 용융 및/또는 유지될 재료 상에 충돌시킨다. 마찬가지로, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(도시 생략)는 용융 조립체(2210)로부터 입수한 용융 합금 상에 충돌하여 용융 합금을 분무화하는 분무화 조립체(2231) 내에 광역 전자장을 확립시킬 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 각종 비제한적인 실시형태는 일반적으로 양 이온 플라즈마를 생성하는 하나 이상의 세장형 와이어 애노드를 포함하되, 이때 플라즈마는 가열될 표적 상에 충돌하도록 가속될 수 있는 2차 전자의 장을 발생하기 위하여 캐소드에 충돌된다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 하나의 설계의 개략도가 도 22에 도시되어 있다. 이미터(2310)는 양 이온 플라즈마가 생성되는 이온화 혹은 플라즈마 영역(2314), 및 캐소드(2318)를 포함하는 캐소드 영역(2316)을 포함한다. 플라즈마 영역(2314)은 낮은 압력에서 이온화가능한 기체로 채워지고, 이 기체는 플라즈마 영역에서 이온화되어, 양이온-함유 플라즈마를 생성한다. 예를 들어, 이온화 영역(2314)은, 예를 들어, 대략 20 mTorr에서 헬륨 기체로 채워질 수 있다.
소직경의 세장형 와이어 애노드(2319)는 플라즈마 챔버(2314)의 길이를 통과한다. 양 전압은 전원(2322)에 의해 와이어 애노드(2319)에 인가되고, 이것은 헬륨 양이온과 자유 전자("1차" 전자)를 포함하는 플라즈마로 헬륨 기체의 이온화를 개시시킨다. 일단 헬륨 기체의 이온화가 개시되면, 플라즈마는 얇은 와이어 애노드(2319)에 전압을 인가함으로써 지속된다. 플라즈마 내의 양으로 대전된 헬륨 이온은, 높은 음 전기 전위에 유지된 추출 그리드(2326)를 통해서 이온화 챔버(2314)로부터 추출되어, 플라즈마 중 양이온이 높은 음 전압 캐소드(2318)에 충돌하는 캐소드 영역(2316) 내로 고전압 간극을 통해 가속된다.
캐소드(2318)는, 예를 들어, 피복된 혹은 피복되지 않은 금속 혹은 합금일 수 있다. 캐소드(2318) 상의 헬륨 이온의 충돌은 캐소드(2318)로부터 2차 전자를 방출한다. 고전압 간극(2328)은, 추출 그리드(2326)를 통해서 그리고 플라즈마 영역 챔버(2314) 내로, 이어서 전자에 대해서 비교적 투과성인 재료로 이루어진 얇은 금속성 호일 창(2329)을 통해서, 헬륨 양이온의 이동 방향과는 반대 방향으로 2차 전자를 가속시킨다. 위에 나타낸 바와 같이, 용융 챔버 및/또는 분무화 챔버 및 전자 이미터 내의 상대적 기체 압력에 따라서, 호일 창(2329)을 생략하는 것이 가능할 수 있고, 이 경우에 이미터에 의해 생성된 전자는 직접 챔버로 진입할 것이다. 이미터(2310)를 여기시키는 에너지 전자의 광역 3차원 장은, 용융 챔버 혹은 분무화 챔버 내로 그리고 호일 창(2329)과는 반대쪽에 위치된 표적 상에 충돌하도록 지향될 수 있다.
하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터, 예를 들어, 이미터(2310)는, 전자빔 용융로의 용융 챔버 및/또는 전자빔 분무화 조립체의 분무화 챔버 내로 전자장을 공급하기 위하여 설치될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전자빔 용융 기기의 비제한적인 실시형태는 용융 챔버(2330)에 인접하게 위치결정된 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(2310)를 포함한다. 광역 전자장(2332)은 필름 창(2329)을 통하여 이미터(2310)를 여기시키고, 노(2336) 내에서 적어도 용융 합금(2334)의 표면 영역을 플러딩시킴으로써, 합금을 가열하여 이를 용융 상태로 유지시킨다.
필름 창(2329)은 이미터(2310)와 용융 챔버(2330) 간의 동작 압력차가 유의하지 않다면 생략될 수 있다. 용융 챔버(2330)는 바람직하지 않은 원소 기화를 더욱 저감시키거나 제거시키기 위하여 통상적인 것보다 높은 압력에서 작동될 수 있고, 그러한 경우에, 전자 이미터를 용융 챔버로부터 구획하는 필름 창에 대한 요구는 재차 이 구성에서 이용되는 특정 압력차에 의존할 것이다. 선택적으로, 광역 전자장을 정전기적으로 및/또는 전자기적으로 제어하기 위한 부품(2340)이 용융 챔버(2330) 내에서의 용융 과정의 더욱 개선된 제어를 위하여 제공된다.
도 6은 단일의 전자 이미터를 포함하는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 용융로의 일 실시형태의 간략화된 도면을 제공하지만, 다수의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터가 각종 비제한적인 실시형태에서 이용될 수 있다. 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터는, (1) 예를 들어, 합금 잉곳, 슬래브, 바, 와이어 혹은 기타 주입물의 형태로 용융 챔버 내에 도입된 원료 물질을 용융시키고; (2) 합금 용융 온도보다 높은 온도에서 평로(furnace hearth) 내에 체류하는 용융 합금을 유지(및 가능하게는 용융 합금을 탈기 및/또는 정련)시키기 위하여, 이러한 장치에 내포될 수 있다. 또한, 각종 비제한적인 실시형태에 있어서, 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터가 실질적으로 2차원의 선형 전자빔을 생성하는 하나 이상의 전자빔 건과 함께 이용될 수 있다.
도 24 및 도 25는 본 발명에 따른 전자빔 용융 기기의 일 실시형태에서 에너지 전자의 공급원으로서 이용하기 위하여 구성될 수 있는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터의 비제한적인 실시형태의 추가적 상세를 제공한다. 도 24는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터 실시형태의 부분적 단면인 사시도이다. 도 25는 도 24의 이미터(2510)의 동작을 예시하는 개략도이다. 이미터(2510)는 전기적으로 접지된 외위기(2513)를 포함하며, 이 외위기는 캐소드 영역(2511), 이온화 혹은 플라즈마 영역(2514) 및 전자 투과성 호일 창(2515)을 포함한다. 세장형 와이어 전극(2516)은 이온화 영역(2514)의 길이를 통해서 연장된다. 호일 창(2515)은 챔버(2513)에 전기적으로 커플링되고, 챔버(2513) 내에서 전자를 가속시키도록 작동하는 애노드를 형성하며, 이는 화살표 "A"의 일반적인 방향으로 챔버(2513)를 여기시킨다. 챔버(2513)는 예컨대 1-10 mTorr 등과 같은 낮은 압력에서 헬륨 기체로 채워지고, 기체 공급부(2517)에 의해 기체가 공급된다. 기체 공급부(2517)는 도관(2519)에 의해 외위기(2513)에 접속되고, 밸브(2521)를 통과한다. 챔버(2513) 내의 압력 조절은 펌프(2523)에 의해 제어되며, 이 펌프는 도관(2519)에 의해 챔버(2513)에 접속된다.
캐소드 영역(2511)은 캐소드(2518)를 포함하되, 이는 이어서 그의 하부면 상에 장착된 삽입물(2520)을 포함한다. 삽입물(2520)은, 예를 들어, 몰리브덴을 포함할 수 있지만, 적절하게 높은 2차 전자 방출 계수를 지니는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 캐소드(2518)는 파센 브레이크다운(Paschen breakdown)을 방지하기 위하여 외위기(2513)의 벽으로부터 적절하게 균일하게 이격되어 있다. 캐소드(2518)는 케이블(2525)에 의해 고전압 전원(2522)에 커플링되고, 절연체(2526)를 통해 저항기(2528) 내로 통과한다. 전원(2522)은 캐소드(2518)에 높은 음 전위, 예를 들어, 200 내지 300㎸를 공급한다. 캐소드(2518) 및 삽입물(2520)은, 예를 들어, 도관(2524)을 통해 냉각 유체를 순환시킴으로써 적절하게 냉각될 수 있다.
이온화 영역(2514)은 복수개의 얇은 금속성 리브(metallic rib)(2530)를 포함하며, 이는 전기적 및 자기적의 양쪽 모두로 커플링된다. 각 리브(2530)는 와이어 전극(2516)이 이온화 챔버(2514)를 통과할 수 있게 하는 중앙의 잘라낸 영역(central cut-out region)을 포함한다. 캐소드(2518)와 대면하는 리브(2530)의 측면들은 추출 그리드(2534)를 형성한다. 리브(2530)의 전부 혹은 일부의 대향 측면은 전자 투과성 호일 창(2515)용의 그리드(2536)를 지지한다. 냉각 채널(2540)은 이온화 영역(2514)으로부터의 열의 제거를 허용하기 위하여 리브(2530)를 통해서 또한 해당 리브 근방에 냉각 유체를 순환시키기 위하여 제공될 수 있다.
예를 들어, 알루미늄 혹은 티타늄 호일을 포함할 수 있는 전자 투과성 호일 창(2515)은, 그리드(2534) 상에 지지되고, 외위기(2513) 내에 고진공 헬륨 기체 환경을 유지하게 충분한 O-링 혹은 기타 구조에 의해 외위기(2513)에 대해서 밀봉된다. 전기 제어 장치(2548)는 커넥터(2549)를 통해서 와이어 전극(2516)에 접속된다. 제어 장치(2548)의 활성화 시, 와이어 전극(2516)은 높은 양 전위로 통전되고, 이온화 영역(2514) 내의 헬륨은 이온화되어 헬륨 양이온을 포함하는 플라즈마를 생성한다. 일단 플라즈마가 이온화 영역(2514)에 개시되면, 캐소드(2518)는 전원(2522)에 의해 통전된다. 이온화 영역(2514) 내의 헬륨 양이온은 캐소드(2518)로부터 플라즈마 영역(2514) 내로 뻗는 전장에 의해서 캐소드(2518)에 전기적으로 유인된다. 헬륨 양이온은 장 라인들을 따라서, 추출 그리드(2534)를 통해서 캐소드 영역(2511) 내로 이동한다.
캐소드 영역(2511)에 있어서, 헬륨 양이온은 통전된 캐소드(2518)에 의해 발생된 전장의 전체 전위에 걸쳐서 가속되어, 양이온의 시준된 빔으로서 캐소드(2518) 상에 강제로 충돌한다. 충돌하는 양이온은 삽입물(2520)로부터 2차 전자가 없다. 삽입물(2520)에 의해 생성된 2차 전자장은 와이어 전극(2516)을 향하여 그리고 호일 창(2515)을 통해서 헬륨 양이온의 주행 방향과는 반대 방향으로 가속된다.
압력의 변화가 헬륨 이온 플라즈마의 밀도, 이어서 캐소드(2518)에서 발생된 2차 전자장의 밀도에 영향을 미칠 수 있게 됨에 따라서 챔버(2513) 내의 기체 압력을 모니터링하는 수단이 제공될 수 있다. 초기 압력은 밸브(2521)를 적절하게 조정함으로써 외위기(2513) 내에 설정될 수도 있다. 일단 양이온-함유 플라즈마가 플라즈마 영역(2514) 내에서 개시되면, 전압 모니터(2550)는 챔버(2513) 내의 즉각적인 휴지 압력을 간접적으로 모니터링하기 위하여 제공될 수 있다. 전압 상승은 보다 낮은 챔버 압력을 나타낸다. 전압 모니터(2550)의 출력 신호는 밸브 제어기(2552)를 통해서 밸브(2521)를 제어하는데 이용된다. 제어 장치(2548)에 의해 와이어 전극(2516)에 공급된 전류는 또한 전압 모니터(2550)의 신호에 의해 제어된다. 기체 공급 밸브(2521)를 제어하고 또한 장치(2548)를 제어하기 위하여 전압 모니터(2550)에 의해 발생된 신호를 이용함으로써, 이미터(2510)로부터 안정적인 전자장 출력을 허용한다.
이미터(2510)에 의해 발생된 전류는 캐소드(2518)에 충돌하는 양이온의 밀도에 의해 결정될 수 있다. 캐소드(2518)에 충돌하는 양이온의 밀도는 제어 장치(2548)를 통해서 와이어 전극(2516) 상의 전압을 조정함으로써 제어될 수 있다. 캐소드(2518)로부터 방출된 전자의 에너지는 전원(2522)을 통해서 캐소드(2518) 상의 전압을 조정함으로써 제어될 수 있다. 방출된 전자의 에너지와 전류는 양쪽 모두 독립적으로 제어될 수 있고, 이들 파라미터와 인가된 전압 간의 관계는 선형이며, 이는 이미터(2510)의 제어를 효능적이고도 효율적으로 부여하게 된다.
도 26은 도 24 및 도 25에 도시된 바와 같은 설계를 지니는 2개의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(2614) 및 (2616)를 내포하고 있는 전자빔 용융 조립체(2610)의 개략 예시도이다. 용융 조립체(2610)는 용융 챔버(2620), 재료 공급장치(2622)를 포함하고, 분무화 조립체(2624)에 작동가능하게 접속된다. 이미터(2614) 및 (2616)를 동작시키는데 요구되는 전류는 전력 배선(2626)에 의해 이미터에 공급되고, 이미터(2614) 및 (2616)와 용융 챔버(2620) 간의 계면은 전자 투과성 호일 창(2634) 및 (2636)을 포함하며, 이들은 이미터(2614) 및 (2616)에 의해 생성된 전자장(2638)이 용융 챔버(2620)에 진입할 수 있게 한다. 전자장(2638)을 자기적으로 조향시키기 위한 전자기 제어 장치(2639)가 추가의 공정 제어를 제공하기 위하여 용융 챔버(2620) 내에 포함될 수 있다.
예를 들어, 냉각로일 수 있는 노(2640)는 용융 챔버(2620) 내에 위치결정된다. 동작 시, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터(2614) 및 (2616)는 통전되어 전자장(2618)을 생성한다. 합금 공급 재료(2644)는 공급장치(2622)에 의해 용융 챔버(2620) 내로 도입되고, 이미터(2614)로부터 방출된 전자장(2638)에 의해 용융되어 노(2640)에 낙하된다. 이미터(2616)에 의해 방출된 광역 전자장(2638)은, 노(2640) 내에 체류하면서 용융 합금 재료(2642)를 가열, 탈기 및 정련시킨다. 용융 재료(2642)는 노(2640)를 따라 전진하여 분무화 조립체(2624) 내로 낙하되어, 고체 모재로 고체-분무 성형된다. 분무화 조립체(2624)는 하나 이상의 열-이온성 전자빔 이미터 및/또는 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터를 포함할 수 있다.
본 명세서는 각종 비제한적 및 비배타적 실시형태를 참조하여 기재되었다. 그러나 당업자라면 각종 치환예, 수정예, 또는 개시된 실시형태들 중 임의의 실시형태(또는 그 부분)의 조합이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있음을 알 것이다. 따라서, 본 명세서는 본 명세서에 명시적으로 기재되지 않은 추가적인 실시형태들을 뒷받침하는 것이 상정되고 이해된다. 이러한 실시형태들은, 예를 들어, 본 명세서에 기재된 각종 비제한적인 실시형태의 개시된 단계, 구성부품, 요소, 특성, 양상, 특징, 제한 등 중 임의의 것을 조합, 수정 또는 재구성함으로써 얻어질 수 있다. 그와 관련해서, 출원인은 사건 진행 동안 본 명세서에 다양하게 기재된 바와 같은 특성들을 추가하기 위하여 청구항을 보정할 권리를 가지며, 이러한 보정은 35 U.S.C. §112, 제1절 및 35 U.S.C. §132(a)의 요건을 준수한다.

Claims (20)

  1. 방법으로서,
    용융 합금의 스트림(stream)과 용융 합금의 일련의 액적(droplet) 중 적어도 한쪽을 생성하는 단계;
    상기 용융 합금의 스트림과 상기 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽 상에 전자를 충돌시켜 상기 용융 합금을 분무화시킴으로써 상기 용융 합금의 대전된 입자(electrically-charged particle)를 생성하는 단계;
    정전기장(electrostatic field)과 전자기장(electromagnetic field) 중 적어도 한쪽을 이용해서 상기 대전된 용융 합금 입자를 가속시키는 단계;
    가속화 동안 상기 용융 합금 입자가 고형화되어 고체 합금 입자를 형성하도록 상기 합금의 고상선 온도(solidus temperature) 이하인 온도로 상기 용융 합금 입자를 냉각시키는 단계; 및
    상기 고체 합금 입자를 기판 상에 충돌시키는 단계를 포함하되,
    충돌하는 상기 입자는 변형되어서 상기 기판에 야금학적으로 결합(metallurgically bond)되어 고체 합금 모재(solid alloy preform)를 생성하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용융 합금 입자는 상기 합금의 고상선 온도 이하이면서 상기 합금의 상기 고상선 온도보다 0.50배 높은 온도로 냉각되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용융 합금 입자는 상기 합금의 상기 고상선 온도보다 0.95배 이하이면서 상기 합금의 상기 고상선 온도보다 0.50배 높은 온도로 냉각되는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용융 합금 입자를 냉각시키는 단계는 상기 용융 합금 입자를 비평형 플라즈마(non-equilibrium plasma)와 충돌시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용융 합금 입자를 냉각시키는 단계는 냉각 코일을 통해서 상기 합금 입자를 지향시키는(directing) 단계를 포함하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생성하는 단계는 진공 유도 용융, 진공 아크 재용융, 진공 이중-전극 재용융, 일렉트로슬래그 정련/재용융, 전자빔 용융 및 전자빔 냉각로 용해 중 적어도 하나를 이용해서 합금 재료를 용융시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판은 상기 용융 합금 상에 전자를 충돌시킴으로써 생성된 상기 대전된 합금 입자를 유인하기 위하여 양 전위에서 유지되는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 충돌하는 전자들은 3차원 전자장(dimensional electron field)을 구성하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 3차원 전자장은 원통형 공간 분포를 포함하되, 해당 원통형 공간 분포를 통해서 상기 용융 합금의 유로가 지향되는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전자들의 원통형 공간 분포의 길이방향 축은 상기 용융 합금의 유로의 방향으로 배향되는 것인 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 3차원 전자장은 직사각형 공간 분포를 포함하되, 해당 직사각형 공간 분포를 통해서 상기 용융 합금의 유로가 지향되는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 직사각형 단면을 포함하는 전자빔은 전자의 직사각형 공간 분포를 제공하도록 래스터링되는(rastered) 것인 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 전자는 확산 스팟(diffuse spot)을 형성하도록 지향되고, 상기 확산 스팟은 제어된 형상을 지니는 전자의 3차원 공간 분포를 제공하도록 래스터링되는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 충돌하는 전자는 열-이온성 전자빔 이미터(thermo-ionic electron beam emitter)와 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 이미터 중 적어도 한쪽에 의해 생성되는 것인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 충돌하는 전자는 정전기장과 전자기장 중 적어도 한쪽을 이용해서 지향되어 상기 용융 합금의 유로에 3차원 전자장을 생성하는 것인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 기판은 상기 합금 입자를 형성하는 것과 동일한 합금인 합금을 포함하는 것인 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 합금은 니켈계 초합금인 것인 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 용융 합금 상에 전자를 충돌시키기 전에 상기 용융 합금 내에 음 전하가 유도되는 것인 방법.
  19. 방법으로서,
    용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생성하는 단계;
    3차원 전자장을 생성하는 단계;
    상기 용융 합금의 스트림과 상기 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽 상에 상기 3차원 전자장으로부터의 전자를 충돌시켜서, 상기 용융 합금을 분무화시켜 상기 용융 합금의 대전된 입자를 생성하는 단계;
    정전기장을 이용해서 상기 대전된 용융 합금 입자를 가속시키는 단계;
    가속화 동안 상기 용융 합금 입자가 고형화되도록 상기 용융 합금 입자의 고상선 온도 이하인 온도로 상기 용융 합금 입자를 냉각시키는 단계; 및
    상기 고체 합금 입자를 기판 상에 충돌시키는 단계를 포함하되,
    충돌하는 상기 입자는 변형되어서 상기 기판에 야금학적으로 결합되어 고체 합금 모재를 생성하는 것인 방법.
  20. 시스템으로서,
    용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생성하도록 구성된 용융 조립체;
    용융 합금의 스트림과 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽을 생성하는 것;
    상기 용융 합금의 스트림과 상기 용융 합금의 일련의 액적 중 적어도 한쪽 상에 전자를 충돌시켜 상기 용융 합금을 분무화시킴으로써 상기 용융 합금의 대전된 입자를 생성시키도록 구성된 분무화 조립체;
    상기 대전된 용융 합금 입자를 가속시키기 위하여 정전기장을 생성시키도록 구성된 장 생성 조립체(field producing assembly);
    가속화 동안 상기 용융 합금 입자가 고형화되도록 상기 용융 합금 입자의 고상선 온도 이하인 온도로 상기 용융 합금 입자를 냉각시키도록 구성된 열 제어 영역; 및
    상기 합금 입자를 형성하는 것과 동일한 합금인 합금을 포함하는 기판을 포함하되,
    상기 정전기장은, 상기 고체 합금 입자가 상기 기판에 충돌하여 변형되어서, 상기 기판에 야금학적으로 결합되어 고체 합금 모재를 생성하도록, 상기 합금 입자를 가속시키는 것인 시스템.
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