【誤訳訂正書】
【提出日】平成28年11月24日(2016.11.24)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】特許請求の範囲
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状チタン合金粉末を生成するための処理法であって、チタンスポンジおよび合金化元素の溶融池または溶融流を合併せしめて、チタン合金の溶融池または溶融流を形成するステップと、チタン合金溶融物の溶融池の表面を横切るようにしてまたはチタン合金溶融物の溶融流を通すようにして且つ該溶融池や該溶融流の表面に対して４５°〜１８０°の角度で不活性ガス流を吹き付けて、チタン合金の液滴粒子を前記溶融池または前記溶融流から取り出すステップと、前記取り出した液滴粒子を冷却および凝固して、球状チタン合金粉末を形成するステップとを含む、処理法。
【請求項２】
前記溶融池または前記溶融流が、プラズマ加熱装置において形成される、もしくはチタンスポンジおよび合金化元素を供給して共溶融することにより形成される、請求項１の処理法。
【請求項３】
前記合金化元素がアルミニウムおよびバナジウムを含むものであり、且つ、前記チタン合金はＴｉ−６Ａｌ−４ＶもしくはＴｉ−８Ａｌ−ｌＭｏ−ｌＶを包含するものである、請求項２の処理法。
【請求項４】
（ａ）前記合金化元素がプレアロイ化されている
（ｂ）前記不活性ガスがアルゴンを含む
（ｃ）前記溶融池に振動が加えられる
の１つ以上によって特徴づけられる、請求項１−３のいずれかの処理法。
【請求項５】
チタン合金粉末を生成するための処理法であって、残留塩を含有する電解生成されたチタン粉末の溶融池または溶融流を形成するステップと、前記塩を蒸発させるステップと、該得られたチタン粉末であって当該塩を差し引かれているものを合金化元素とともにプラズマ加熱装置に移してチタン合金の溶融池または溶融流を形成するステップと、チタン合金の溶融池または溶融流の表面を横切るようにして且つ該溶融池や該溶融流の表面に対して４５°〜１８０°の角度で不活性ガス流を吹き付けて、前記溶融物からチタンの液滴粒子を取り出すステップと、前記取り出した液滴粒子を冷却および凝固して、球状チタン合金粉末を形成するステップとを含む、処理法。
【請求項６】
（ａ）前記残留塩を、減圧した不活性雰囲気下で加熱することによって蒸発させる
（ｂ）前記不活性ガスがアルゴンを含む
（ｃ）前記溶融池に振動が加えられる
の１つ以上によって特徴づけられる、請求項５の処理法。
【請求項７】
球状チタン合金粒子を生成するための処理法であって、残留する塩化マグネシウムと金属マグネシウムを含有するチタンスポンジを、合金化元素とともに、プラズマ溶融装置にて共溶融するステップと、塩化マグネシウムと金属マグネシウムを蒸発させて塩化マグネシウムや金属マグネシウムのないチタン合金の溶融池を形成するステップと、チタン合金溶融物の溶融池の表面を横切るようにして前記溶融物を振動せしめながら不活性ガス流を吹き付けて、チタン合金の液滴粒子を取り出すステップと、前記取り出した液滴粒子を冷却して球状合金チタン粉末の粒子を生成するステップとを含む、処理法。
【請求項８】
（ａ）前記不活性ガスがアルゴンを含む
（ｂ）前記液滴粒子が、前記合金溶融物をオリフィス通過させて不活性ガス流で包み込むことによって形成され、時にアルゴンの液溜において前記液滴粒子を捕集するステップを含む
（ｃ）前記処理法が連続的に実施される
の１つ以上によって特徴づけられる、請求項７の処理法。
【請求項９】
球状チタン合金粒子を生成するための処理法であって、電解槽中５００℃以上の動作温度で塩電解質流においてチタン粉末を電解生成せしめるステップと、該チタン粉末を９００℃以上で減圧下にて動作させた誘導加熱蒸発装置に移して当該塩電解質を蒸発せしめるステップと、当該塩電解質を該電解槽に戻すステップと、前記電解槽に戻った前記塩電解質を蒸発させ、前記得られたチタン粉末を合金化元素とともにプラズマ溶融装置に移して、溶融せしめられた合金の溶融池または溶融流を生成せしめるステップと、不活性ガス流を溶融せしめられた合金の溶融池上に吹き付けて、あるいは溶融せしめられた合金の溶融流に通すように且つ該溶融流の表面に対して４５°〜１８０°の角度で吹き付けて液滴粒子を取り出すステップと、前記取り出した液滴粒子を冷却および凝固して球状のチタン合金粉末を生成するステップとを含む、処理法。
【請求項１０】
前記溶融池に振動が加えられる、請求項９の処理法。
【請求項１１】
前記合金がＴｉ−６Ａｌ−４ＶもしくはＴｉ−８Ａｌ−ｌＭｏ−ｌＶである、請求項７の処理法。
【請求項１２】
前記合金がＴｉ−６Ａｌ−４ＶもしくはＴｉ−８Ａｌ−ｌＭｏ−ｌＶである、請求項９の処理法。
【請求項１３】
前記溶融物がインゴットから形成される、請求項１の処理法。
【請求項１４】
当該不活性ガス流をチタン合金溶融物の溶融池または溶融流の表面を横切るように連続的に吹き付けるものである請求項１の処理法。
【請求項１５】
当該不活性ガス流をチタン合金溶融物の溶融池または溶融流の表面を横切るように連続的に吹き付けるものである請求項９の処理法。
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】球状チタンおよび球状チタン合金粉末を生成する低コスト処理法
【背景技術】
【０００１】
金属粉末は、コンポーネントの製造に多様な用途をもたらしている。特に、粉末金属は焼結手法、ならびに近似正味形状を高速で製造する溶融手法において、供給材料として用いられる。金属粉末は良好な流動性および嵩密度をもたらす球状形態であることが理想的である。鋼鉄および多くの他の金属粉末は、低コストなコンポーネントの製造に広く用いられている。コンポーネントの製造においてチタン合金粉末の利用は長い間試みられてきたが、チタン粉末のコストの高さが主な理由となり、広くは用いられてこなかった。２０１０年から２０１１年では、球状チタン粉末のコスト域は、１５０ドル／ｌｂであった。このような高コストの状況下において、コンポーネント製品を製造するための球状チタン粉末の利用は、コストを度外視した用途においてのみ進められてきた。
【０００２】
球状チタン粉末のコストが高い理由は、主に、スポンジからチタン合金インゴットを製造した後に複数の手法の１つを用いて球状チタン粉末を溶融生成するという従来の処理法に、コストが嵩むためである。最新技術のチタン処理は極めて規模が大きく、バッチを分割した工程で行われている。典型的に、クロール法によるスポンジの処理は、約１０トンのバッチを製造する大規模なレトルト内で行われ、数日に亘ってレトルト内でＴｉＣｌ４（四塩化チタン）を溶融マグネシウムに添加し、得られた溶融ＭｇＣｌ２（塩化マグネシウム）をレトルトから流し出した後、１週間以上真空蒸発を行って、取り込まれている残留のＭｇＣｌ２および未反応のＭｇ（マグネシウム）を除去する。真空精製されたスポンジは、次いで極大型のスカル炉において、電子ビームまたはプラズマにより熱供給して溶融される。次いで、合金化元素をトン規模の大型の溶融物に添加し、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等の所望の合金組成物を生成した後、インゴットに鋳造する。多くの場合、均質な合金に仕上げるために三重溶融を行う。結果的に、チタンの鋳型価格は周期的に変動するため、そのことも球状チタン粉末のコスト高に影響している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１８５４７３号明細書
【特許文献２】米国特許第７，９１４，６００号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０１９０７７８号明細書（米国特許出願第１２／０１６，８５９号明細書）
【特許文献４】米国特許第７，４１０，５６２号明細書
【特許文献５】米国特許第７，７９４，５８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、球状チタン粉末を低コストで生成するための処理法を提供するものである。本発明の１つの態様では、チタンスポンジをプラズマ加熱装置に移し、さらに同装置内に、アルミニウムとバナジウム等の所望の金属を合金化したプレアロイ粉末を移して、あるいは個別に移送されてきたアルミニウム粉末とバナジウム粉末とをプラズマステーションに個別に移し、そこでプラズマ溶融して、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等の溶融された均質な合金の溶融池または溶融流を連続的に生成する。この溶融合金組成物を、制御条件下で不活性ガス流を合金の溶融池の表面を横切るようにしてあるいは溶融流を通すようにして吹き付けることにより分散させて、溶融合金の液滴を噴出させ、冷却することで、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等の球状チタン合金粉が生成される。この手法によるコスト削減は顕著である。チタンスポンジのコストは周期的に変動し、２０１０年〜２０１１年の間の価格域は３ドル〜１０ドル／ｌｂであり、典型的には４ドル〜６ドル／ｌｂであった。大きさを制御した溶融池において、プラズマを作動させてチタン合金を溶融して球状粉末を生成することで、コスト域は約１ドル〜２ドル／ｌｂとなり、これがベースとなって、典型的なチタンスポンジ源から球状Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ粉末を生成する場合のコスト域は約１０ドル〜１５ドル／ｌｂとなり、従来の手法で生成される球状チタン粉末のコスト域が上記のように１５０ドル／ｌｂであるのに対して、節減が図られている。
【０００５】
本発明の別の態様では、電解生成したチタンを、８００℃〜１６００℃に加熱した不活性雰囲気下または真空下で、プラズマ加熱蒸発器に移し、電解槽に戻った溶融塩電解質を急速に蒸発させ、残留チタンを、上述のスポンジと同等のチタンをさらに加熱して溶融および合金化するプラズマ加熱ステーションに移し、制御条件下にて不活性ガス流を吹き付けることにより溶融物を分散させ、溶融合金の液滴を噴出させて均質な球状の合金粉末を生成し、それを冷却してチタン合金の球状粉末を生成する。この方法でも、コストは大幅に削減される。電解チタンは、概算で約１．５０ドル〜２．５０ドル／ｌｂのコストにて製造可能であり、それにより均質な球状チタン合金粉末の製造コストが１０ドル／ｌｂ未満となる。塩と電解チタンの溶融流を約５００℃から９００℃超に加熱して塩を急速にフラッシュ蒸発させる際に用いる熱源には、従来から用いられている抵抗体、放射線、電磁誘導、マイクロ波またはプラズマがある。プラズマ加熱は、典型的に、液体チタンを球形化して球状粉末にするために用いられる。
【０００６】
従来のクロール処理とは異なり、本発明の処理は、細かく分割して連続的に加熱を行うことができる。一例として、残留する電解塩とチタンの粉末あるいはスポンジを、ＭｇＣｌ２とＭｇを用いてフラッシュ蒸発させる場合、即時に加熱できる量は、１０ｇ〜１００ｋｇの範囲、好ましくは１００ｇ〜１０ｋｇの範囲であり、プラズマ加熱によって溶融および合金化されるチタンの量と類似している。均質な合金化は、本発明の小規模な溶融池では即時に達成される。
【０００７】
伝統的な最高水準のクロール処理によるスポンジ作成、真空蒸発、溶融および合金化、ならびにインゴット鋳造では、１０トンのバッチを処理するのに少なくとも２０日間を費やし、約１，０００ｌｂ／日（４５４ｋｇ／日）の処理速度となる。合金粉末を作成する場合、さらに時間が費やされ、粉末の単位生産量はなお一層減少する。本発明において、塩のフラッシュ蒸発およびプラズマ溶融のためにかかる時間は極めて短く、例えば、プラズマまたは他の加熱手段から供給される熱の容量あるいは流束により、僅か１分間程度であり、典型的には１０分間に満たない。例えば、１０分間という緩徐な加熱速度で１ｋｇという少量の材料を処理する場合でも、処理量は１時間に６０ｋｇ、１日で１４４０ｋｇとなり、技術が成熟した大規模なバッチを用いる最新のクロール法による処理を十分に凌ぐ量である。本発明の製造工程では、３分間で１０ｋｇの処理量が可能と考えられ、１日当たりの製造量は４，８００ｋｇとなり、有利な規模と経済性をもたらしている。
【０００８】
本発明の更なる特徴および有利点は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明および実施例から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に従う、球状チタン粉末を生成する方法を示す概略図であり、図１ａは拡大図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に従う、球状合金チタン粒子を形成する方法を示す概略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に従う、球状合金チタン粒子を形成する方法を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に従って作成された球状チタン合金粉末の走査電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の別の実施形態に従って作成された球状チタン合金粉末の走査電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明の第３の実施形態に従って作成された球状チタン合金粉末の走査電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１および図１ａを参照すると、本発明の第１の実施形態において、チタンスポンジ１４は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている特許文献１の図１に示されるタイプ１０のプラズマ移行アーク（ＰＴＡ）溶接トーチに移される。アルミニウムとバナジウムのプレアロイ粉末またはそれら基本となる合金化元素の混合物を、量を制御しつつ粉末フィーダー２０からプラズマトーチに添加して、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を生成した。直径約１／２インチ、深さ１／８インチから１／４インチのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の溶融池２２を、標的基質２４上に形成した。
【００１１】
アルゴン等の不活性ガス流を、ノズル２６から溶融池２２の表面上に連続的に吹き付けて、溶融池から溶融合金の液滴を噴出させ、冷却して凝固することにより球状チタン合金粒子を生成した。ノズル２６から放出する不活性ガス流は、溶融池の表面に対して４５°〜１８０°の角度で、１０〜１０００リットル／分の速度で吹き付けるように制御して、溶融池が形成される速度と同じ速度で、溶融合金を溶融池から噴出させる必要がある。溶融合金は、本質的に均質な大きさの微細液滴となって、溶融池の表面から吹き飛ばされ、ほぼ瞬時に冷却されて本質的に大きさが均質な粒子が形成され、粒子捕集用バフル２８で偏向されて、自然流下によって捕集される。
【００１２】
任意選択的に、超音波ホーンまたは圧電振動子２００等によって標的基質２４を振動させることでも（図１ａ）、溶融池からの粒子の浮揚および取り出しを促すことができる。
【００１３】
代替的には、基質２４上で最初に捕集したＰＴＡ生成の溶融合金に代えて、ＰＴＡから得たチタン合金流にアルゴンガス流を衝突させ、チタン合金粒子流をより細かな粒子に破砕した後、液体アルゴン中で不活性化して球状粉末を得る。
【００１４】
本発明の別の実施態様に従う図２を参照すると、ＴｉＣｌ４およびＭｇの蒸気を流動床反応器１１２の反応域１１０に導入し、それらを均質な核形成により反応させて典型的には１ミクロン未満の微細粒子を生成し、生成された微粒子を、それら微細粒子が捕集可能な設計の一連のサイクロン１４において、反応器ガスの流動速度で捕集することが可能である。微細粒子を流動床反応器の反応域１１０に再循環させ、そこでＴｉＣｌ４とＭｇとの蒸気反応によりさらに析出行うことによって、肥大化させる。微細粒子が所望のサイズ範囲、例えば、４０ミクロン〜３００ミクロンに成長するまで、再循環を継続する。この微細粒子は、肥大化に伴い質量が増大して反応器の底部に沈降するため、流動床反応器の底部に接続されたパイプ１１６を通して自然流下によって抽出することが可能である。すなわち、その内容が参照により本明細書に組み込まれている先願の特許文献２の記載の通りである。
【００１５】
抽出した微細粒子を、次いで加熱した浅底タンク１１８に流して、合金の溶融池１２０を形成した。アルゴン流１２２を、溶融流を通すようにしてまたは溶融池の表面上に吹き付けて、従来通り、チタン合金の粒子を噴出させ、それを、導管１２４を介してタンク１１８から抜き取った。
【００１６】
本発明のさらに別の実施態様に従う図３を参照すると、チタン粉末は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている同時継続出願である特許文献３に記載されるように、上述の同時継続出願である特許文献３（ブロック１４０の）の図２に係る電解槽において、ＴｉＣｌ４のマグネシウム還元によって生成される。ＭｇＣｌ２含有チタン粉末のスラリー流を生成して、塩蒸発装置１４２に移し、残留塩を加熱蒸発させた。加熱は、不活性雰囲気下で抵抗、電磁誘導、放射線、マイクロ波またはプラズマを用いて行うことができ、所望により、蒸発を促すべく減圧下で行ってもよい。塩化マグネシウム塩を蒸発させた後、得られたチタン粉末を合金金属粉末とともに、図１に示されるものと類似のブロック１４４に概要が示されているＰＴＡ溶融装置に移し、ＰＴＡから得た合金の溶融流から溶融合金の液滴を噴出させることによって、あるいは、従来通り、基質上の溶融池に集めて、従来通り冷却して凝固粉末を捕集することにより、ほぼ均質な球状の合金粉末を生成した。
【００１７】
本発明を、以下の非限定的な実施例との関連において更に説明する。
【実施例１】
【００１８】
清浄化処理され、蒸発処理されたチタンスポンジを、特許文献１に記載されるように、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）型の処理により制御されたプラズマ移行アーク（ＰＴＡ）熱源に移し、その熱源の中に、アルミニウムとバナジウムのプレアロイ粉末を速度を制御しながら同時に移して、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の溶融池を生成した。溶融池は、直径約１／２インチで、深さは１／８インチ〜１／４インチであった。アルゴン流を、溶融池を横切るようにして連続的に吹き付けることにより、図４のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真に示されるような球状粉末を生成した。材料の送給およびＰＴＡによる溶融を連続的に行ない、アルゴン流を球状粒子に吹き付けて、こうして球状の合金粒子を連続的に生成した。
【実施例２】
【００１９】
ＰＴＡによりに溶融生成した溶融池をオリフィスを備えた標的上で捕集すること以外は、実施例１の処理を繰り返した。溶融チタン合金はこのオリフィスから滴下されて、アルゴンガス流に包み込まれる。溶融合金流をアルゴンガス流によって破砕して粒状化し、破砕粒子を、粉末捕集器の底において液体アルゴン中で不活性化し球状粉末を得た。生成したチタン粉末は図５に示している。
【実施例３】
【００２０】
電解チタン粉末を、特許文献２、特許文献４および特許文献５に従う処理法によって、あるいは代替的に、ＴｉＣｌ４（四塩化チタン）をＫＣｌ−ＬｉＣｌ（塩化カリウム−塩化リチウム）含有の塩電解質に供給することによって、生成した。チタン粉末は、チタン粉末約１５％と液体塩７５％を含有する約５００℃の流体をポンプで送出して連続構成の電解装置において生成した。この電気分解されたチタン粉末と塩の流体を、約１０００℃に誘導加熱した浅底タンクにポンプで送達した。タンク内は約１０トルの微真空状態にあり、ＫＣｌ−ＬｉＣｌ塩は約３分間で完全に蒸発した。残留する電解チタン粉末を、アルミニウムとバナジウムの（混合）粉末とを、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を生成する割合でチタンとアルミニウム／バナジウムの混合粉末のプラズマ溶融物に移し、そこにアルゴンを吹き付けて図６に示すようなＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの球状チタン合金粉末を生成した。
【実施例４】
【００２１】
標準的なクロール反応を行って、チタンスポンジを生成した。残留する未反応Ｍｇの副生成物であるＭｇＣｌ２を排出した後、チタンスポンジは、残留のＭｇＣｌ２とＭｇとを予蒸発させず、それらとともに、実施例３に記載のプラズマ装置内に直接移した。プラズマによりチタンを溶融させ、ＭｇＣｌ２およびＭｇを蒸発させた。アルゴンガスをプラズマ電極を通してチタン溶融物の表面上に吹き付け、液体チタンの液滴を噴出させ、冷却して球状のチタン粒子を生成し、従来通りの方法で捕集した。
【実施例５】
【００２２】
ＡｌとＶの合金または個々の粉末を残留のＭｇＣｌ２およびＭｇを含有するチタンスポンジとともに移すこと以外は、実施例４の処理を繰り返して、チタン合金粉末を生成した。
【実施例６】
【００２３】
特許文献３に記載されるように、ＴｉＣｌ４のマグネシウム還元を用いてチタン粉末を生成し、それにより約２０％のチタン粉末を含有する約８００℃のＭｇＣｌ２流を生成した。スラリー流を、実施例３に記載の塩蒸発装置に移した。塩化マグネシウム塩を蒸発させた後、実施例１および２に記載されるように、チタン粉末をクロミウムとモリブデンの（混合）粉末とともにＰＴＡ溶融装置内に移して、実施例２の処理により、Ｔｉ−５Ｃｒ２Ｍｏからなる球状合金粉末を生成した。同様の方法で、Ｔｉ−８Ａｌ−ｌＭｏ−ｌＶ合金の粒子を生成することも可能である。
【００２４】
任意のチタン合金組成物から球状合金粉末を生成することが可能であり、あるいは別法として、合金化元素をチタン粉末とともにプラズマ溶融装置に添加してインゴットを製造することが可能なことが理解される。また、溶融チタンと反応する微粒子または反応しない微粒子を、球状チタン合金粉末に添加して含ませることが可能であることも、理解される。反応する粉末の例は、反応して冷却時に硼化チタンを生じる二硼化チタン、冷却時に窒化チタンとＡｌ３Ｔｉを生じる窒化アルミニウム、または冷却時に硼化チタンと炭化チタンを生じる炭化硼素である。チタンより粒子が安定している物質の非限定的な例には、酸化ハフニウムまたは酸化カルシウムがある。また、アルゴン以外の不活性ガスが、好都合に利用可能である。
【００２５】
上記の記載、実施形態および実施例は、本発明の範囲および精神を示すものである。記載される発明の範囲において、実施形態および構成に多数の変更を加えることは可能であり、それらは厳格に制限されることを意図するものではなく、本発明および下記の請求の範囲において他の修正形態および変形形態が可能であることは、明らかである。