(57)【要約】  合金粉末又はプレフォームを形成するための装置の一つの非限定的な実施形態は、溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ、場発生アセンブリ及び収集器を備えている。溶融アセンブリは、溶融合金の流れ及び溶融合金の連続する液滴のうちの少なくとも１つを形成し且つ溶融合金が接触する領域に実質的にセラミックを含まない。噴霧アセンブリは、電子を発生し且つ溶融アセンブリからの溶融合金に電子を衝突させて溶融合金粒子を形成する。場発生アセンブリは、噴霧アセンブリと収集器との間に静電場及び電磁場のうちの少なくとも１つを形成する。溶融合金粒子は、少なくとも１つの場と相互作用して、溶融合金粒子の加速度、速度及び方向のうちの少なくとも１つに影響を及ぼす。関連する方法もまた開示されている。
2009509049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融合金の流れ及び溶融合金の連続する液滴のうちの少なくとも１つを形成するための溶融アセンブリであり、前記溶融合金が接触する領域内にセラミックを実質的に含まない前記溶融アセンブリと、
電子を発生し且つ当該電子を前記溶融アセンブリからの溶融合金に衝突させて前記溶融合金を噴霧させ且つ溶融合金粒子を形成する噴霧アセンブリと、
収集器と、
前記噴霧アセンブリと前記収集器との間に静電場及び電磁場のうちの少なくとも１つを発生される場であって前記溶融合金粒子と相互作用し且つ前記溶融合金粒子の加速度、速度及び方向のうちの少なくとも１つに影響を及ぼす場を発生させる場発生アセンブリと、
を備えた装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であり、前記溶融アセンブリがセラミックを含まない溶融装置である装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であり、
前記溶融アセンブリが、真空二重電極再溶融装置、エレクトロスラグ再溶融装置及び低温誘導ガイドを備えている装置、電子ビーム溶融装置並びに電子ビーム低温炉床溶融装置から選択されたものである装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であり、前記溶融アセンブリが前記溶融材料に負の電荷を付与するようになされている装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であり、
前記溶融材料が接触する前記溶融アセンブリの少なくとも一部分が負の電位に維持され、それによって前記溶融材料に負の電荷が付与されるようになされた装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であり、
前記噴霧アセンブリの上流において前記溶融アセンブリの出口開口部に隣接して配置されている電気的に帯電させる構造が、溶融材料に負の電荷を誘導するようになされた装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であり、前記帯電させる構造がリング及びプレートのうちの一つである装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であり、前記収集器が、面、プラテン、鋳型、チャンバ及びカンのうちの一つである装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置であり、
前記場発生アセンブリが少なくとも１つの高圧ＤＣ電源を備えており、前記少なくとも１つの電源の正電極及び負電極のうちの一つが前記噴霧アセンブリに電気的に接続されており、前記収集器が電気的に接地されている装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置であり、
前記場発生アセンブリが少なくとも１つの高圧ＤＣ電源を備えており、前記少なくとも１つの電源の正電極及び負電極のうちの一つが前記収集器に電気的に接続されており、前記噴霧アセンブリが電気的に接地されている装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置であり、
前記場発生アセンブリが前記電源に電気的に接続された少なくとも１つの磁気コイルを備えており、当該磁気コイルは前記噴霧手段と前記収集器との間に配置されており且つ電磁場を発生するようになされている装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の装置であり、合金粉末生成物を形成するようになされた装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置であり、固体プレフォームを形成するようになされた装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置であり、溶射成形及び核生成鋳造のうちの１つによって固体プレフォームを形成するようになされた装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の装置であり、
前記溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ、収集器及び場発生アセンブリのうちの少なくとも一部を包囲しているチャンバと、
当該チャンバに真空を提供する真空装置と、を更に含んでいる装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の装置であり、
前記収集器が接地電位及び正電位のうちの一つに保持されており、それによって、前記噴霧アセンブリによって形成された負に帯電せしめられた溶融合金を引き付けるようになされている装置。
【請求項１７】
溶融合金の流れ及び溶融合金の連続する液滴のうちの少なくとも１つを提供するための溶融装置であり、前記溶融合金が接触する領域内にセラミックを実質的に含まない前記溶融装置と、
電子を発生し且つ当該電子を前記溶融装置からの溶融合金に衝突させて当該溶融合金を噴霧させ且つ溶融合金粒子を形成する噴霧装置と、
前記噴霧装置の下流に、静電場及び電磁場のうちの少なくとも１つの場であって、前記溶融合金粒子と相互作用し且つ前記溶融合金粒子に影響を及ぼす場を発生させる場発生装置と、
を備えた装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置であり、
前記溶融装置が、真空二重電極再溶融装置、エレクトロスラグ再溶融装置と低温誘導ガイドとを結合させた装置、電子ビーム溶融装置、及び電子ビーム低温炉床溶融装置のうちの少なくとも一つを備えている装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の装置であり、
前記場発生装置によって発生される場が、前記溶融合金粒子の加速度、速度及び方向のうちの少なくとも１つに影響を及ぼすようになされた装置。
【請求項２０】
請求項１７に記載の装置であり、
前記噴霧装置の下流に収集器を更に備えており、前記場発生装置が少なくとも１つの高圧ＤＣ電源を備えており、前記少なくとも１つの電源の正電極及び負電極のうちの１つが前記噴霧アセンブリと前記収集器とのうちの１つに電気的に接続されており、前記噴霧アセンブリと前記収集器とのうちの他方が電気的に接地されている装置。
【請求項２１】
請求項１７に記載の装置であり、
前記場発生アセンブリが、電源に電気的に接続された少なくとも１つの磁気コイルを含んでおり、当該磁気コイルは、前記噴霧装置の下流に配置されており且つ電磁場を発生するようになされている装置。
【請求項２２】
請求項１７に記載の装置であり、
収集器を更に備えており、前記噴霧装置からの溶融合金粒子が前記場の作用によって当該収集器内へと導かれるようになされている装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置であり、
前記収集器が、面、プラテン、鋳型、チャンバ及びカンのうちの一つである装置。
【請求項２４】
請求項２２に記載の装置であり、
前記収集器が接地電位及び正電位のうちの１つに維持されており、それによって、前記噴霧装置によって形成される負に帯電せしめられた溶融合金粒子を引き付けるようになされている装置。
【請求項２５】
請求項１７に記載の装置であり、粉末生成物を形成するようになされている装置。
【請求項２６】
請求項１７に記載の装置であり、固体プレフォームを形成するようになされている装置。
【請求項２７】
請求項１７に記載の装置であり、溶射成形及び核生成鋳造のうちの１つによって固体プレフォームを形成するようになされている装置。
【請求項２８】
請求項１７に記載の装置であり、前記溶融装置が前記溶融材料に負の電荷を付与するようになされている装置。
【請求項２９】
請求項１に記載の装置であり、
前記溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ、収集器及び場発生アセンブリのうちの少なくとも一部を包囲しているチャンバと、
前記チャンバに真空を提供する真空装置と、を更に含んでいる装置。
【請求項３０】
溶融合金の流れ及び溶融合金の連続する液滴のうちの少なくとも１つを提供するための溶融アセンブリであり、前記溶融合金が接触する領域内にセラミックを実質的に含まない前記溶融アセンブリと、
電子を発生し且つ当該電子を前記溶融アセンブリからの溶融合金に衝突させて前記溶融合金を噴霧させ且つ溶融合金粒子を形成する噴霧アセンブリと、
前記溶融合金粒子の１以上を受け取る収集器と、
前記噴霧アセンブリと前記収集器との間の領域に、前記溶融合金粒子の加速度、速度及び方向のうちの少なくとも１つに影響を及ぼす電磁場を形成する電気コイル又はプレートのうちの少なくとも１つと、
を備えている装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の装置であり、
前記溶融アセンブリが、真空二重電極再溶融装置、エレクトロスラグ再溶融装置と低温誘導ガイドとを結合した装置、電子ビーム溶融装置、及び電子ビーム低温炉床溶融装置のうちの少なくとも一つを備えている装置。
【請求項３２】
請求項３０に記載の装置であり、
前記溶融アセンブリが、前記溶融合金に負の電荷を付与するようになされている装置。
【請求項３３】
請求項３０に記載の装置であり、
前記溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ、電気コイル及びプレートのうちの少なくとも１つ並びに前記収集器のうちの少なくとも一部を包囲しているチャンバと、
前記チャンバに真空を提供する真空装置と、を更に含んでいる装置。
【請求項３４】
粉末及び固体プレフォームのうちの一つを形成する方法であり、
溶融合金が接触する領域にセラミックを実質的に含まない溶融アセンブリ内で溶融合金の流れ及び溶融合金の連続する液滴のうちの少なくとも１つを形成するステップと、
前記溶融アセンブリからの溶融合金に電子を衝突させることによって溶融合金の粒子を発生させて前記溶融合金を噴霧させ且つ溶融合金粒子を形成するステップと、
前記溶融合金の粒子が相互作用し且つ影響を受ける静電場及び電磁場のうちの少なくとも１つを発生させるステップと、
前記溶融合金粒子を粉末及び固体プレフォームのうちの一つとして収集するステップと、を含む方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の方法であり、
溶融合金の流れ及び溶融合金の連続する液滴のうちの少なくとも１つを形成するステップが、真空二重電極再溶融装置、電子スラグ再溶融装置及び低温誘導ガイドを含む装置、電子ビーム溶融装置、並びに電子ビーム低温炉床溶融装置のうちの少なくとも１つを使用して材料を溶融することを含む方法。
【請求項３６】
請求項３４に記載の方法であり、
電子を前記溶融合金に衝突させる前に、前記溶融合金内に負の電荷が誘導されるようにする方法。
【請求項３７】
請求項３４に記載の方法であり、
前記溶融合金の粒子が、前記場によって影響を受けて、前記溶融合金の粒子の加速度、速度及び方向のうちの少なくとも１つが、所定の方法で影響を受けるようになされた方法。
【請求項３８】
請求項３４に記載の方法であり、
前記場が、少なくとも１つの高圧ＤＣ電源を含む装置によって発生され、前記少なくとも１つの電源の正極及び負極のうちの一つが前記噴霧アセンブリ及び前記収集器のうちの１つに電気的に接続されており、前記噴霧アセンブリ及び前記収集器のうちの他方が電気的に接地されている方法。
【請求項３９】
請求項３４に記載の方法であり、
前記場が電磁場を発生する少なくとも１つの磁気コイルによって発生され、前記溶融合金の粒子が前記少なくとも１つの磁気コイル内を流れるようになされた方法。
【請求項４０】
請求項３４に記載の方法であり、
前記溶融合金の粒子を収集するステップが、面、プラテン、鋳型、型、チャンバ及びカンのうちの一つの上又は中に粒子を収集するステップを含んでいる方法。
【請求項４１】
請求項３４に記載の方法であり、
前記溶融合金の粒子を収集するステップが、収集器を接地電位及び正電位のうちの一つに維持し、それによって、前記溶融合金に電子を衝突させることによって形成された負に帯電させた溶融合金粒子を引き付けるようになされた方法。
【請求項４２】
請求項３４に記載の方法であり、
粉末生成物及び固体プレフォームのうちの一つを形成するようになされた方法。
【請求項４３】
請求項３４に記載の方法であり、
溶射成形及び核生成鋳造のうちの一つからなり、生成物として固体プレフォームを形成するようになされた方法。
【請求項４４】
溶融合金の流れ及び溶融合金の連続する液滴のうちの少なくとも１つを形成するようになされた溶融アセンブリであり、前記溶融合金内に負の電荷を誘導するようになされた前記溶融アセンブリと、
電子を発生し且つ当該電子を前記溶融アセンブリからの溶融合金に衝突させて前記溶融合金を噴霧させ且つ溶融合金粒子を形成する噴霧アセンブリと、
を備えた装置。
【請求項４５】
請求項４４に記載の装置であり、
前記溶融アセンブリが、前記溶融アセンブリ内の溶融合金が接触する領域内にセラミックを実質的に含まない装置。
【請求項４６】
合金を噴霧させる方法であり、
溶融合金内に負の電荷を誘導する溶融アセンブリ内で溶融合金の流れ及び溶融合金の連続する液滴のうちの少なくとも１つを形成するステップと、
前記溶融アセンブリからの溶融合金に電子を衝突させることによって溶融合金の粒子を発生させて前記溶融合金を噴霧させ且つ溶融合金粒子を形成するステップと、を含む方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法であり、
前記溶融合金に電子を衝突させる前に、前記溶融合金内に負の電荷が誘導されるようにした方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、真空条件下で金属及び合金（ここでは、総称して“合金”と称される）を溶融し且つ噴霧化させて粉末又はプレフォーム（予備的成形品）として急激に凝固させることができる清浄な噴霧化された溶融材料を製造するための装置及び方法に関する。固体プレフォームは、例えば、溶射成形及び核生成鋳造法のような技術を使用して噴霧化される溶融材料によって作ることができる。収集された粉末は、更に処理して種々の製造品とすることができる。一例として、このような装置及び方法によって作られた粉末は、収集され、封じ込められ、更に処理されて、粉末を凝固させて固体プレフォームとすることができる。
【背景技術】
【０００２】
粉末金属製品を製造するために使用される現在のプロセスは、典型的には、合金粉末を製造する一般的な流体噴霧技術を使用している。例えば、一般的な流体噴霧技術は、一般的なプレスされ且つ焼結された製品の製造のための金属粉末を製造するために使用される。合金粉末はまた、例えば、重要な航空宇宙部品を製造するための材料の製造におけるように、比較的精巧な製造においても使用される。
【０００３】
一つの一般的な流体噴霧プロセスにおいては、高圧ガスが溶融金属又は合金の流れに吹き付けられ且つ当該合金の流れを物理的に粉砕して完全に又は部分的に溶融された小さな粒子材料にする。これらの溶融粒子は、熱を放散するときに凍結し、固体粉末として集められる。ある種の航空宇宙部品製造のようなある種の重要な用途においては、幾つかの小さな噴霧化動作によって噴霧化された粉末のバッチが混合され、次いで、当該混合物は、篩にかけられて小さなサイズ（例えば、３２５メッシュ以下）とされ、金属缶内に封じ込められ、当該缶と粉末にされた成分とを、押し出すか、さもなければ成形することによって固められて適当な固体製品（プレフォーム）にされる。固められれた物品は、次いで、機械加工及びその他の一般的な技術によって、更に処理されて所望の形状及び特性とされる。このプロセスの利点としては、清浄性、制御された均一な組成及び固化された製品の比較的小さな粒径があり、これらは、当該物品によって製造される部品の性能にとって重要である。
【０００４】
溶融、噴霧化、混合、粉砕、封じ込め及び固化の各ステップを結合させる一般的なプロセスは、幾つかの欠点を有する。例えば、幾つかの小さな溶融物から噴霧化された粉末は、粉末混合物を形成するために使用される。溶融物は、粉末の形成中に比較的小さな穴を介して注がなければならないので、その注ぎ時間は、鋳造又は一般的な溶融において使用されるよりも著しく遅い。従って、合金は、噴霧化される前に長い期間に亘って溶融されたままの状態とされなければならず、このことは、構成要素の蒸発及び溶融容器のセラミックライナーとの反応による合金の化学的組成の変化を生じ得る。溶融物の組成の変化を最少化するために、幾つかの小さな溶融物が噴霧化される。従って、粉末形成プロセスは、典型的には、時間がかかり且つ資本集約的である。溶融物はまた、典型的には、一般的なセラミックライニングが施された炉において生成され、結果的に得られる粉末は、酸素によって汚染される場合に多い。粉末がひとたび形成されると、これらの粉末は、次いで、幾つかのステップにおいて処理される。これらのステップの各々が、付加的な汚染の可能性及び見込みをもたらす。更に、これらのプロセスは幾つかのステップを含んでいるので、典型的には費用が高い。
【０００５】
粉末噴霧化法を使用して溶融物から固化された物品を形成するプロセスにおける別個のステップに特別に対処するために、種々の技術が開発されて来た。真空環境を使用し且つセラミックライニングが施された炉を使用しない幾つかの公知の溶融技術が開発されて来た。これらの技術は、一般的なセラミックライニングされた炉内で溶融物を形成することと比較して、溶融物内での酸化物による汚染を著しく少なくする。例えば、電子ビーム（ＥＢ）溶融技術は、技術文献及び特許文献において現在広く知られており且つ広く議論されている。もう一つ別の例は、当該技術において知られており且つ例えば米国特許第４，２６１，４１２号に記載されている真空二重電極再溶融（ＶＡＤＥＲ）方法である。セラミックレス（セラミックを含まない）溶融器内で溶融合金の流れを形成する他の公知の技術が、例えば、米国特許第５，３２５，９０６号及び第５，３４８，５６６号に開示されている。米国特許第’９０６号は、冷却誘導ガイド（ＣＩＧ）に結合されたエレクトロスラグ再溶融（ＥＳＲ）機器を組み合わせている溶融装置を開示している。米国特許第’９０６号に記載されている一つの実施形態においては、溶融微細化材料の流れが、ＥＳＲ装置内の消耗電極を溶融することによって生成されている。溶融物の流れは、緊密に結合されたＣＩＧによって外界から保護された状態で、溶射形成装置へと下流へ流される。米国特許第’５６６号は、同様に、ＣＩＧに緊密に結合されたＥＳＲ装置を組み合わせている装置を開示しているが、更に、ＣＩＧ内を通る溶融材料の流れを制御するための技術を開示している。当該技術は、例えば、ＣＩＧ内で合金に供給される誘導熱量を制御すること、及びコールドフィンガ装置自体及び隣接するガス冷却手段を介してＣＩＧ内の溶融材料からの熱の除去量を制御することを含んでいる。
【０００６】
従来の流体衝突噴霧技術においては、気体又は流体を溶融材料の流れに対して衝突させる。流体又はある種の気体を使用する衝突は、噴霧された材料内へ汚染物質を導入する。更に、液体の衝突が真空環境内でなされない場合には、不活性ガスを使用する衝突でさえ、噴霧物質内にかなりの量の不純物を導入し得る。このことに対処するために、真空環境内で行うことができるある種の非流体衝突噴霧技術が開発されて来た。これらの技術としては、“溶射成形、噴霧及び熱伝達のための方法及び装置(Methods and Apparatus for Spray Forming, Atomization and Heat Transfer)”という名称の米国特許第６，７７２，９６１  Ｂ２号（“’９６１特許”）に記載されている噴霧プロセスがある。当該特許においては、制御された分配手段と結合された溶融手段によって製造される溶融合金液滴又は溶融合金が、液滴に速い立ち上がり速度で高電圧をかけることによって急速に静電的に帯電せしめられる。液滴内に提供される静電力は、液滴を粉砕し又は噴霧してより小さな二次的な粒子とする。’９６１特許に記載されている一つの技術においては、分配手段のノズルによって生成される一時的な溶融液滴は、ノズルの下流に隣接しているリング形状の電極からの電場によって処理される。当該一時的な液滴内に生成される静電力は、粒子の表面張力を超え且つ比較的小さな二次粒子の形成をもたらす。同じ方法で二次粒子を処理して更に小さい溶融粒子を形成させるために、付加的なリング形状の場発生電極を設けても良い。’９６１特許の開示全体が本明細書に参考として組み込まれている。
【０００７】
電子ビーム噴霧は、溶融材料を噴霧するための別の非流体衝突技術であり且つ真空内で行われる。一般的に、当該技術は、電子ビームを使用して溶融合金の流れ及び／又は連続する溶融合金の液滴の領域内へ電荷を噴射することを含んでいる。ひとたび、領域又は液滴が十分な電荷を蓄積すると、レイリーリミット、領域又は液滴が不安定になり且つ引き裂かれて細かい粒子とされる（すなわち噴霧化される）。電子ビーム噴霧技術は、’９６１特許に概略が記載されているが、以下において更に詳細に説明する。
【０００８】
’９６１特許はまた、静電場及び／又は電磁場を使用して噴霧によって形成されるプレフォーム又は粉末を形成するプロセスにおいて噴霧によって形成された溶融合金粒子の加速度、速度及び／又は方向を制御する技術をも開示している。’９６１特許に記載されているように、このような技術は、噴霧された材料の下流での制御を提供し且つ過剰噴霧及びその他の材料の浪費を減らし、品質を改良し、溶射成形技術によって作られた固体プレフォームの密度を高め、噴霧された材料を粉末形状にするときに粉末の質及び収量を改良することができる。
【０００９】
噴霧された粉末を収集することに関連して、噴霧された粉末を噴霧チャンバの底面上に沈降させる方法が知られており且つ合金粉末の製造において市販によってごく普通に使用されて来た。更に、噴霧された材料を単一のプレフォームとして収集する方法例えば溶射成形法及び核生成鋳造法は、公知であり且つ多くの文献及び特許に記載されて来た。核生成鋳造法に関しては、米国特許第５，３８１，８４７号、第６，２６４，７１７号及び第６，４９６，５２９Ｂ１号が特に参考にできる。一般的に、核生成鋳造法は、溶融合金の流れを噴霧化すること及び次いで結果として得られた粒子を所望の形状を有している鋳造型内へ導くことを含んでいる。液滴は、型の形状の一体部品として合体し且つ凝固し、鋳造品は更に処理して所望の部品とすることができる。溶射成形は、噴霧された溶融材料を例えばプラテン又はシリンダの表面上へと導いて自立プレフォームを形成することを含んでいる。例えば、型無し溶射成形プロセスにおいては比較的少ない流体及び流動性の粒子が必要であるので、噴霧された粒子の典型的な固体成分は、溶射成形法と核生成鋳造法との間で性質が異なる。
【００１０】
上記したように、合金を、溶融、噴霧及び成形して粉末及び固体プレフォームを形成する公知のプロセスのうちの多くは、欠陥を有している。このような欠陥としては、例えば、最終製品内の酸化物及びその他の汚染物質の存在、過剰噴霧による収量損失及び本質的なサイズの限界がある。従って、合金を溶融し且つ噴霧し、噴霧された材料から粉末及び固体プレフォームを形成するための改良された方法及び装置の必要性がある。
【発明の開示】
【００１１】
本発明の一つの特徴は、合金の粉末及びプレフォームのうちの一つを形成するための新規な装置に関する。当該装置は、溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ、場発生アセンブリ及び収集器を備えている。溶融アセンブリは、合金の流れと連続する溶融合金の液滴とのうちの少なくとも１つを形成するようになされており且つ溶融金属と接触している領域にセラミックを実質的に含まない。噴霧アセンブリは、溶融アセンブリからの溶融合金に電子を衝突させ、それによって、溶融合金を噴霧させ且つ溶融合金の粒子を生成する。場発生アセンブリは、噴霧アセンブリと収集器との間の領域に静電場と電磁場とのうちの少なくとも１つを発生させる。当該少なくとも１つの場は、溶融合金粒子と相互作用し、これらの粒子が収集器へと通過するときに、溶融合金粒子の加速度、速度及び方向のうちの１つに影響を及ぼす。当該装置は更に、任意に、溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ、場発生アセンブリ及び収集器のうちの少なくとも一部分を包囲しているチャンバを備えており、真空装置が当該チャンバに真空を付与する。
【００１２】
本発明の付加的な特徴は、粉末とプレフォームとのうちの少なくとも１つを形成するために使用することができる。当該装置は、溶融金属と溶融金属の連続する液滴とのうちの少なくとも１つを提供する溶融アセンブリを備えており、当該溶融アセンブリは、溶融合金が接触する領域にセラミックを実質的に含まなくて良い。当該装置の噴霧アセンブリは、溶融手段からの溶融合金に電子を衝突させ、それによって、溶融合金を噴霧させ且つ溶融合金粒子を形成する。当該装置の場発生アセンブリは、前記噴霧アセンブリの下流の領域に電磁場と静電場とのうちの少なくとも１つを生成する。当該少なくとも１つの場は、溶融合金粒子と相互作用して影響を及ぼす。当該装置のある種の非限定的な実施形態においては、場発生アセンブリによって発生される少なくとも１つの場が、溶融合金粒子の加速度、速度及び方向のうちの少なくとも１つに影響を及ぼす。溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ及び場発生アセンブリに加えて、当該装置は、任意に、前記噴霧アセンブリからの溶融合金粒子が、少なくとも１つの場の影響下で内部へ導かれる収集器と、前記溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ及び場発生アセンブリの少なくとも一部を包囲している真空チャンバとのうちの少なくとも１つを更に備えている。
【００１３】
本発明の更に別の特徴は、粉末と固体プレフォームとのうちの一つを形成する方法に関する。当該方法は、溶融合金と接触している溶融アセンブリの領域内にセラミックを実質的に含まない溶融合金の流れと溶融合金の連続した液滴とのうちの少なくとも１つを溶融アセンブリ内に形成するステップを含んでいる。当該方法は更に、溶融装置からの溶融合金に電子を衝突させて溶融合金を噴霧することによって溶融合金の粒子を発生させ且つ溶融合金粒子を形成することを含んでいる。当該方法はまた、静電場及び電磁場のうちの少なくとも１つを形成することを含み、前記溶融合金の粒子は、場と相互作用し且つ場によって影響を受ける。溶融合金粒子は、粉末と固体プレフォームとのうちの１つとして収集器内又は収集器上に収集される。当該方法のある種の非限定的な実施形態においては、溶融合金の粒子は、場発生アセンブリによって発生される少なくとも１つの場と相互作用し且つ当該場による影響を受けて、溶融合金の粒子の加速度、速度及び方向が所定の方法で作用を受けるようになされている。
【００１４】
読者は、本発明による装置及び方法のある種の非限定的な実施形態の以下の詳細な説明を考慮に入れると、上記の詳細な説明その他がわかるであろう。読者はまた、ここに記載されている装置及び方法を実施し又は使用することによって、このような付加的な詳細を理解することもできるかも知れない。
【好ましい実施形態の説明】
【００１５】
ここに記載されている装置及び方法の特徴及び利点は、添付図面を参考にしてより良く理解することができる。
作動例又は他の方法で指示されている場合以外の当該実施形態の説明及び特許請求の範囲においては、成分及び生成物の品質又は特性、処理条件等を現している全ての数字は、“約”という用語により、全ての実施例のために幾分変更されるものとして理解されるべきである。従って、これと対照的に、指示されていない場合には、以下の説明及び添付の特許請求の範囲に記載されている多くのパラメータは、本発明による合金及び物品において得ようとしている所望の特性に応じて変わるかも知れない近似である。少なくとも、そして特許請求の範囲に対する等価物の原理の適用を限定する試みとしてではなく、各数字によるパラメータは、多くの報告された重要な数字を参考にして且つ通常の四捨五入法を適用することによって少なくとも解釈されるべきである。
【００１６】
本明細書において番号によって組み込まれるべきであると言われている如何なる特許文献、刊行物又はその他の開示資料は、全体として又は部分的に、組み込まれた資料が本開示に記載されている現存の定義、記述又はその他の開示資料と矛盾しない程度でのみ本明細書に組み込まれている。従って、必要な範囲で、本明細書に記載されている開示は、符号によって本明細書に組み入れられている如何なる矛盾する資料に取って替わる。本明細書に参考として組み入れられるべきであると言われているが現存する定義、記述又は本開示に記載されているその他の開示と矛盾するものは、組み込まれている資料と現存する開示資料との間に矛盾が生じない程度でのみ組み込まれている。
【００１７】
本発明は、合金を含むプロセスによる粉末及び固体プレフォームの製造を促進するための方法及び装置を提供する。一般的に、図１に概略が図示されているように、図１において符号１００によって示されている本発明による装置のある種の実施形態は、溶融金属の流れと連続する液滴とのうちの少なくとも１つを形成する溶融アセンブリ（ここでは、“溶融装置”とも称される）１１０と、当該溶融アセンブリ１１０からの溶融合金を噴霧し且つ小さな溶融合金の粒子を形成する電子ビーム噴霧アセンブリ（ここでは“噴霧装置”とも称される）１１２と、静電場と電磁場とのうちの少なくとも１つを発生し且つ噴霧アセンブリ１１２によって形成された溶融合金粒子のうちの１以上の加速度、速度及び方向のうちの少なくとも１つに影響を及ぼす場発生アセンブリ（ここでは“場発生装置”とも称される）１１４と、溶融金属粒子を受け取る収集器１１６と、を備えている。更に、一般的に、本発明による方法のある種の実施形態は、溶融合金と接触している溶融アセンブリの領域内に実質的にセラミックを含まない溶融合金流れ及び／又は溶融合金の連続する液滴を溶融アセンブリ内に形成するステップと、溶融アセンブリからの溶融合金に電子を衝突させることによって噴霧アセンブリ内に溶融合金粒子を発生させるステップと、静電場と電磁場とのうちの少なくとも１つであり、前記噴霧アセンブリからの溶融合金粒子と相互作用し、溶融合金粒子の加速度、速度及び方向に影響を及ぼす場を発生させるステップと、前記溶融合金粒子を粉末及び／又はプレフォームとして収集器内に収集するステップと、を含んでいる。
【００１８】
ここで使用されている“溶融アセンブリ”及び“溶融装置”という用語は、溶融合金の流れ及び／又は連続する液滴の発生源を指しており、当該溶融合金は、出発原料、スクラップ、インゴット又はその他の合金発生源の装入によって形成することができる。溶融アセンブリ又は装置は、溶融合金と流体連通しており且つ当該溶融合金を噴霧アセンブリ又は装置へ給送する。溶融アセンブリは、アセンブリの溶融材料と接触している領域にセラミック材料を実質的に有していない。ここで使用されている“実質的にセラミックを含まない”という句及びこれに類似する句は、アセンブリの作動中に溶融材料が接触する溶融アセンブリの領域内にセラミックが存在しないか又は通常の動作中に溶融合金に接触しない溶融アセンブリの領域内に存在するが溶融合金内にセラミック粒子又は介在物の問題のある量若しくは大きさの介在物をもたらさない状態であることを意味している。
【００１９】
溶融アセンブリ内での溶融材料とセラミック材料との間の接触を阻止するか又は実質的に制限することは重要である。なぜならば、セラミック粒子は、セラミックライニングから“流れ出し”溶融合金と混合され得るからである。セラミック粒子は、溶融材料よりも高い融点を有し且つ鋳造品内に取り込まれるかも知れない。ひとたび最終製品内に取り込まれると、セラミック粒子は、低周波疲労中に砕け且つ製品内に“亀裂”を起こし得る。亀裂は、ひとたび惹き起こされると、成長し且つ製品の欠損をもたらし得る。従って、鋳造材料の意図された用途に応じて、材料内のセラミック粒子の存在はほとんど許容されないか又は本質的に許容されない。一般的な鋳造品及び精錬冶金においては、真空誘導溶融（ＶＩＭ）ステップからのセラミック粒子は、後続の真空アーク溶融（ＶＡＲ）ステップ中に本質的に除去されるか又は一般的なトリプル溶融法を使用しているときには電子スラグ再溶融（ＥＳＲ）ステップとＶＡＲステップとの組み合わせにおいて本質的に除去することができる。種々の方法を使用して達成された清浄性は、“ＥＢ（電子ビーム）ボタン片”試験として知られている半定量試験を使用して評価することができる。この“ＥＢボタン片”試験においては、評価されるべき材料のサンプル電極が坩堝内で電子ビーム溶融され、結果的に得られた酸化物の浮遊物が存在する最も大きな酸化物に対して測定される。一般的な粉末冶金においては、粉末は、溶融後に圧密固化されて製品とされ、酸化物を除去するために製品を更に精錬する手段は存在しない。その代わりに、粉末は篩にかけられ、製品とされる粉末の最も大きな部片は、部品設計者が自分の設計基準内で使用する最も小さな欠陥と等価の部片である。圧密固化された粉末金属による最も重要な航空機エンジン部品の設計においては、例えば、最も小さいモデル化された欠陥はおよそ４４ミクロンであり、これ以下の篩サイズを有している粉末が使用される。重要性がそれほど高くない航空機エンジン部品に対しては、モデル化欠陥は約１４９ミクロン程度の大きさとすることができ、従って、これ以下の篩サイズの粉末が使用される。
【００２０】
装置内に含まれても良く且つ本発明による方法で使用することができるセラミック介在物を導入しない溶融技術の例としては、真空二重電極再溶融を含んでいる溶融装置、電子スラグ再溶融装置か又は真空アーク再溶融装置、並びに冷却誘導ガイド、電子ビーム溶融装置、電子ビーム冷却炉溶融装置がある。しかしながら、使用されている粒子溶融アセンブリの設計目的は、溶融材料とアセンブリ内に含まれるセラミック材料との間の接触を許容可能な程度まで阻止し又は制限することであることを認識しつつ、本発明による方法及び装置において使用することができるその他の溶融アセンブリが当業者に明らかとなるであろう。
【００２１】
ここで使用されている“合金”という用語は、純粋な金属と合金との両方を指している。従って、非限定的な例として、“合金”は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、アルミニウム、チタン、ニオビウム、ジルコニウム、銅、タングステン、モリブデン、タンタル及びこれらの金属のいずれかの合金、ステンレス鋼並びにニッケル基超合金及びコバルト基超合金を含む。本発明による方法及び装置を使用して処理することができるニッケル基超合金の非限定的な例としては、ＩＮ１００（ＵＮＳ １３１００）、Ｒｅｎｅ ８６、Ａｌｌｏｙ ７２０、Ａｌｌｏｙ ７１８（ＵＮＳＮ０７７１８）（ノースカロライナ州、モンローにあるＡＴＩ Ａｌｌｖａｃから入手可能である）がある。本発明による方法及び装置を使用して処理することができるチタン合金の特別な非限定的な例としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔ−１７、Ｔｉ−５−５−５−３及びＴｉＡｌ合金がある。
【００２２】
ここで使用されている“噴霧アセンブリ”という用語は、溶融アセンブリからの溶融合金に少なくとも１つの電子の流れ（すなわち、電子ビーム）又は電子の場を衝突させる装置を指している。ここで使用されている“衝突させる”という用語は、接触状態とさせることを意味している。このようにして、電子は、流れ及び／又は個々の溶融合金の液滴の衝突された領域に電荷を付与する。’９６１特許及び以下に記載されているように、ひとたび液滴又は流れの特別な領域内の電荷が十分な大きさに達すると、当該領域又は液滴は、不安定になり且つ粉砕（噴霧）されて小さな溶融合金の粒子になる。（ここで使用されている“溶融合金粒子”は、溶融材料のある成分を含んでいるが必ずしも完全に溶融されていない粒子を指している。）このような噴霧装置は、ここでは、電子ビームを噴霧させるアセンブリ、装置、器具等様々なものを参考にすることができる。
【００２３】
本質的には、’９６１特許に記載されているように、電子ビーム噴霧装置の基本的な特徴は、溶融合金の流れ又は液滴に静電荷を急激に適用するように設計されていることである。当該装置は、溶融合金に付与される静電荷が流れ又は液滴を物理的に粉砕し且つ溶融合金から１以上の小さな溶融合金の粒子を形成し、それによって材料を噴霧するようになされている。電子の衝突による急激な静電的帯電を使用した溶融材料の噴霧は、材料内に形成される静電反発力によって材料を小さな粒子へと急激に粉砕させる。より特別には、溶融合金の領域又は液滴が、“レイリーリミット”を超えて急激に静電的に帯電せしめられ、その結果、この領域又は液滴内の静電力が材料の表面張力を超過し、材料は粉砕させて小さな粒子になる。レイリーリミットは、材料内に形成される静電反発力が材料を結合させている表面張力を超過する前まで材料が維持することができる最大電荷である。静電荷による反発力を材料に付与するために材料への電子の衝突を利用している噴霧技術の利点には、真空環境内で当該技術を実施することができることが含まれる。従って、雰囲気又は噴霧流体と溶融材料との化学反応は、制限される又は排除され得る。この能力は、噴霧されつつある材料が必然的に噴霧ガス又は液体と接触し且つチタン基合金及びニッケル基合金に対しては典型的には大気又は不活性ガス内で行われる一般的な流体噴霧と対照的である。
【００２４】
噴霧アセンブリによって噴霧される流れ又は液滴は、上流の溶融アセンブリによって形成される。溶融アセンブリは、例えば、適切な流れ又は液滴を形成するための分配器を含むことができる。’９６１特許に開示されているもののようなある種の非限定的な実施形態においては、分配器は、オリフィスを備えている溶融チャンバを含むことができる。流れ及び／又は液滴は、オリフィスから押し出されるか出て、噴霧アセンブリに向かって下流へと流れる。ある種の非限定的な実施形態においては、溶融合金の流れ又は液滴は、機械的な作用又は圧力の影響下で溶融チャンバのオリフィスから出て来る。一つの可能な実施形態においては、圧力は、分配器内のオリフィスで溶融合金を形成するために、分配器の外側にかかる圧力よりも大きな圧力が溶融アセンブリの分配器内の溶融合金にかけられる。更に、一つの実施形態においては、圧力は、溶融合金の液滴の流れを選択的に一時停止させるために変更することができる。
【００２５】
溶融アセンブリのある種の非限定的な実施形態は、噴霧アセンブリに付与される溶融金属の流れ又は液滴を負の電荷によって“予め帯電させる”ように設計することができる。流れ又は液滴の予帯電は、流れ又は液滴を噴霧して小さな粒子とするために電子ビーム噴霧アセンブリが必要とする負の電荷量を減じるであろう。予帯電のための一つの可能な技術は、溶融アセンブリを、装置の他の構成要素より高い負の電位に維持することである。これは、溶融アセンブリを装置の他の構成要素から電気的に絶縁し、次いで、溶融アセンブリに電気的に接続された電源を使用して溶融アセンブリの負の電位を高レベルまで上昇させることによって行うことができる。これに代わる予帯電技術は、溶融アセンブリの出口オリフィスに近接した位置の噴霧アセンブリの上流に誘導リング又は誘導プレートを配置する方法である。リング若しくはプレート又は他の構造は、噴霧アセンブリに向かって下流へ短い距離だけ流れる液滴又は流れ内に負の電荷を誘導するようになされている。噴霧アセンブリは、次いで、材料を更に負に帯電させ且つ噴霧するために、予帯電せしめられた材料に電子を衝突させる。他の予帯電技術は、本明細書を考慮すれば明らかとなるであろう。
【００２６】
本発明による噴霧アセンブリのある種の実施形態においては、熱イオン放射源又は類似の装置によって、溶融合金の流れ及び／又は液滴に電荷が付与される。当該技術において知られているように、かつては“エジソン効果”として知られている熱イオン放出現象は、熱振動エネルギが電子を表面に保持する静電力に打ち勝ったときに、金属又は金属酸化物の表面からの電子の流れ（“熱イオン”と称される）を指している。この効果は、温度を上昇させることによって著しく増大するが、絶対零度以上の温度において常にある程度存在する。熱イオン電子銃は、運動エネルギが明確に規定されている電子の流れを形成するために、熱イオン放出現象を利用している。当該技術において知られているように、熱イオン電子銃は、概して、（ｉ）加熱された電子生成フィラメントと、（ii）カソード及びアノードと接続されている電子加速領域とを備えている。当該フィラメントは、典型的には、電流をフィラメントに流すことによって加熱される耐熱材料からなるワイヤーの一体部品からなる。適切な熱イオン電子銃フィラメント材料は、以下の特性、すなわち、低いポテンシャル障壁（仕事関数）、高い融点、高温での安定性、低い蒸気圧及び化学的安定性を有している。熱イオン電子銃のある種の実施形態としては、例えば、タングステン、六硼化ランタン（ＬａＢ６）又は六硼化セリウム（ＣｅＢ６）フィラメントがある。適用された電流によって発生された十分な熱エネルギが適用されると、電子がフィラメント表面から“蒸発”するが、このようにして生成された電子は極めてエネルギが小さい。これに対処するために、アノードに電圧がかけられる。フィラメントにおいて生成された電子はカソード内の小さな穴を通って流れ、アノードと正に帯電せしめられたカソードとの間の領域の電場は、電子をギャップを横切ってアノードへと加速し、電子は電極間に係っている電圧に対応する最終的なエネルギによって、アノード内の穴を通過する。熱イオン電子銃は、市販によって入手可能であり且つそれらの構造及び動作態様は公知である。
【００２７】
液滴又は流れを、表面張力に打ち勝ち且つ材料を噴霧するのに必要なレベルまで負に帯電させるためには、液滴又は流れは限られた期間に亘って十分なエネルギ及び強度の電子の流れ又は場に曝されなければならない。従って、噴霧アセンブリは、液滴又は流れによって噴霧アセンブリ内に延びている経路に沿って適切な距離だけ延びている“直線状の”電子場を形成するのが好ましい。電子が空間的に分布せしめられている直線状の電場は、電子が収束されて狭いビームとされる点源電子ビーム放射器と対比させることができる。電子の空間的な分布は、噴霧アセンブリへ導入される溶融材料の液滴又は流れが重力下でアセンブリ内を移動せしめられつつある場合に、本発明による装置において重要であるかも知れない。
【００２８】
電子ビームによって噴霧された粒子は、如何なる特別な理論に結びつけられるように意図されることなく、以下の機構の一方又は両方によって溶融液滴又は流れによって形成することができることが明らかである。第一の可能な機構においては、新しく噴霧された粒子は、負電荷が液滴又は流れに付加されたときに、液滴又は流れの表面から連続して飛び出る。別の可能な機構は、噴霧された粒子が、初期の溶融物の流れ又は液滴が粉砕されて小さな粒子とされる電子なだれ効果によって形成される機構である。この機構においては、粒子は負の電位へと再度帯電せしめられ且つ粉砕されて更に小さな粒子となり、連続するより小さな噴霧された粒子に電子が付加されるプロセスがある時間に亘って繰り返される。いずれかの機構において、溶融材料は、十分な時間に亘って電子場に曝されて十分な負電荷が蓄積され且つ材料が粉砕される。噴霧アセンブリ内で発生された電子場内での一つの可能な電子の空間分布は、電子の円筒形状である。当該円筒形の長手軸線は、噴霧アセンブリ内を通る溶融材料の移動方向に向けられている。完全な噴霧に必要とされる（前記長手軸線に沿った）円筒形の最小長さは、円筒形内の電子場のエネルギ及び強度が付与された電子場内で自由に落下しつつある溶融材料が噴霧されるのにかかる時間に依存するであろう。例えば、矩形、三角形又はその他の多角形若しくはそれとは別の境界が限られた形状である（噴霧アセンブリ内を通る溶融材料の移動方向を横切る）横方向断面を有する場のような非円筒形の電子場形状もまた使用することができる。しかしながら、更に一般的には、溶融材料を適切に噴霧することができるエネルギ、強度及び三次元形状のあらゆる組み合わせの場を使用することができる。本発明に従って作られた装置のための電子ビーム噴霧アセンブリの非限定的な実施形態を以下に説明する。
【００２９】
本発明に従って作られた装置のための電子ビーム噴霧アセンブリの一つの非限定的な実施形態によれば、溶融液滴又は流れを噴霧させるのに十分なエネルギを有している電子の発生源が設けられる。当該電子発生源は、例えば加熱されたタングステンフィラメントとすることができる。タングステンフィラメントから飛び出した電子は、静電手段及び／又は電磁手段を使用して操作して、大きなアスペクト比（ビームの長さに対する幅の比）を有する矩形形状の断面を有する電子ビームが形成される。次いで、矩形形状のビームは、溶融材料の移動経路を横切る概してブロック形状の場として噴霧チャンバ内へ放射される。図２は、この構造を示しており、当該構造においては、噴霧アセンブリ２１０は、電源２１４からの電流によって加熱されるタングステンフィラメント２１２を含んでいる。加熱されたフィラメント２１２は自由電子２１６を発生させる。電子は、このようして、例えば熱イオンビーム放射源を使用して発生させることができる。電子は、プレート２２０によって発生される静電場によって成形されて概して矩形形状の電子ビーム２２２を形成する。電子ビーム２２２は、噴霧アセンブリ２１０の内部へと放射されて概してブロック形状の電子場２２６を形成する。上流の溶融アセンブリ２３２から分散された溶融金属の液滴２３０は、電子場２２６内を通過し且つ負の電荷の蓄積による粉砕によって噴霧されて更に小さな粒子２３８にされる。噴霧された粒子２３８は、収集器（図示せず）に向かって矢印Ａの方向へ進む。
【００３０】
図３は、本発明による噴霧アセンブリ３１０の更に別の非限定的な実施形態を示している。１以上のタングステンフィラメント３１２が、電源３１４によって加熱され、十分な量の溶融金属に衝突せしめられたときに溶融金属を噴霧させる十分なエネルギを有する電子３１６が生成される。このようにして、例えば熱イオン電子ビーム放射源を使用して電子を発生させることができる。電子３１６は、例えばプレート３２０のような構造によって操作して拡散点３２２を形成する。ラスター装置３２４は、重力の作用下で溶融材料が通過する噴霧アセンブリの領域内を高いラスター速度で拡散点３２２をラスター化させる。この高いラスター作用は、噴霧アセンブリ３１０の噴霧チャンバ内に制御された形状を有する三次元電子場３２６を提供することである。当該電子場は、溶融アセンブリ３３２によって導入された溶融金属液滴３３０を完全に又はほぼ完全に噴霧させて更に小さな噴霧された粒子３３８とするのに十分な大きさである。噴霧された粒子３３８は、収集器（図示せず）に向かって矢印Ａの方向へと進む。
【００３１】
本発明による装置おいて有用な噴霧アセンブリの更に別の実施形態が図４に示されている。噴霧アセンブリ４１０は、大きなほぼ矩形断面を有している電子場を形成している。電子は、電源４１４によって加熱されるほぼ真っ直ぐな長いタングステン４１２の面から発生される。この電子を発生する手段は、電子ビーム銃において典型的になされるように、点発生源から電子を発生させる技術と対照的である。フィラメント４１２の面から発生する電子４１６は、例えば、プレート４２０によって発生される電磁場のような静電場又は電磁場を使用して操ってほぼ矩形断面を有するビーム４２２を形成することができる。矩形の電子ビーム４２２は、噴霧アセンブリ４１０内へラスター装置によって速いラスター速度でラスター化させて、溶融アセンブリ４３２から発生される溶融材料４３０が通る電子場を形成することができる。別の方法として、図４に示されているように、矩形電子ビーム４２２は、放射装置４２４によって噴霧アセンブリ４１０内へ射出して、溶融アセンブリ４３２から発生される溶融材料４３０がその中を通過するほぼ矩形断面を有する電子場４２６を形成することができる。材料４３０は、負電荷の蓄積によって粉砕されて噴霧粒子４３８とされ、当該噴霧粒子４３８は、収集器（図示せず）に向かって矢印Ａの方向へ通過する。
【００３２】
溶融材料を適切に噴霧させるのに十分な電子を提供するために、上記の実施形態のうちのいずれかが噴霧アセンブリ内の適切な位置に多数の電子発生源を備えるように改造しても良い。電子を操作し且つ射出／ラスター化するための多数の手段を使用して適切な電子場を発生させることもできる。例えば、多数の熱イオン又は非熱イオン電子ビーム放射器又はその他の電子発生源を、噴霧チャンバ内の溶融材料の経路に沿って特別な角度位置（例えば、相互に１２０度の角度で３カ所）に配向させ且つ前記経路内で多数の発生源から電子を射出することによって電子の三次元の場を発生するようにしても良い。
【００３３】
更に、上記した幾つかの噴霧アセンブリ実施形態の特徴は組み合わせることができる。例えば、図２及び３に示されている実施形態の特徴を組み合わせている一つの代替的な実施形態においては、噴霧アセンブリ２１０の矩形ビーム２２２は、噴霧アセンブリ３１０内にラスター装置３２４を使用してラスター化されて、溶融材料を噴霧するため電子場を形成する。電子スポット３２２に対して、比較的高いアスペクト比の矩形電子ビーム２２２をラスター化することによって、噴霧チャンバ内の溶融材料の経路に沿ったより大きな直線範囲が提供される。
【００３４】
本発明による装置に含まれている電子ビーム噴霧アセンブリのある種の実施形態においては、電子の第一の流れが溶融アセンブリから出て来つつある材料に衝突せしめられ、それによって、当該材料が噴霧されて第一の平均的な大きさを有する一次溶融合金にされる。当該一次溶融合金粒子に電子の第二の流れを衝突させることによって、粒子を更に噴霧して更に小さな平均粒径とする。平均粒径を更に小さくすることは、噴霧された粒子に付加的な電子の流れを衝突させることによって行うことができる。このようにして、電子を衝突させることによる迅速な静電的帯電を使用して幾らかのサイズ改善が可能である。ある種の実施形態においては、電子ビームによる迅速な静電的帯電は、経路に沿って２回、３回又はそれ以上の回数適用されて、最終的な所望の平均溶融材料粒子の大きさが達成される。このように、溶融アセンブリによって形成される溶融合金液滴の元々の大きさは、噴霧アセンブリ内で形成される最終的な噴霧粒子の大きさを必ずしも制限しない。このような構造における多数の電子発生源は、例えば、直線状の熱イオン電子ビーム放射器を含む個別の熱イオン電子ビーム放射器とすることもできる。
【００３５】
従って、本発明による噴霧アセンブリのある種の非限定的な実施形態においては、溶融合金の液滴又は流れの一部分は、結果的に得られる噴霧された粒子の平均的な大きさを首尾良く減じるために２以上の噴霧段階を受ける。これは、例えば、噴霧アセンブリと収集器との間の領域内の経路に沿って２以上の電子銃又はその他の電子の流れの発生源を適切に配置することによって行うことができる。この概略構造を有する噴霧アセンブリが図５にアセンブリ５００として概略的に図示されている。溶融アセンブリ５１２は、溶融合金液滴５２３ａを生成する分配器５１４を備えている。分配器５１４は、例えば、インゴット、装入物、スクラップ又は溶融アセンブリ５１２内のその他の発生源によって生成された溶融材料から溶融合金の液滴５２３ａを生成するために、機械的な手段又は圧力を使用することができる。一次電子ビーム銃５２４ａは電子の流れ５２５ａを発生し、当該電子の流れ５２５ａは液滴に負の電荷を付与する。液滴５２３ａに付与された静電力は、最終的には液滴の表面張力を超え、液滴を粉砕させ、一次溶融合金粒子５２３ａを形成する。二次電子ビーム銃５２４ｂは、電子の流れ５２５ｂを一次溶融合金粒子５２３ｂ上へ収束させ、同様に、粒子に負の電荷を付与し且つこれらを粉砕して更に小さな二次溶融合金粒子５２３ｃとする。第三の電子ビーム銃５２４ｃは、電子の流れ５２５ｃを二次溶融合金粒子５２３ｃ上へ収束させ、同じく、粒子に負の電荷を付与し且つこれらを粉砕して更に小さな三次元溶融合金粒子５２３ｄとする。電子の適切な流れを発生させる他の適当な装置を使用することができるけれども、この構造の一つの実施形態においては、幾つかの電子ビーム銃は熱イオン銃である。
【００３６】
’９６１特許に記載されているように、“急速な”静電的帯電は、約１〜約５００マイクロ秒、好ましくは約１〜約１００マイクロ秒、より好ましくは約１〜約５０マイクロ秒で所望の大きさまで帯電させることを示している。溶融アセンブリによって生成される溶融合金の急速な静電的帯電は、材料のレイリーリミットを超過する電荷を生成し、それによって、複数の溶融合金粒子を形成する。当該粒子は、例えば、約５〜約２５００ミクロン、より好ましくは約５〜約２５０ミクロンのほぼ均一な直径を有することができる。
【００３７】
従って、噴霧アセンブリは、溶融合金の粒子を発生させ、当該溶融合金粒子は、装置内で処理されて、粉末又は一体となった（すなわち、一体部品の）プレフォームを形成する。ここで使用されている“プレフォーム”という用語は、鋳造物、工作物又は溶融合金粒子を寄せ集めることによって形成されるその他の物品を指している。本発明の装置及び方法においては、噴霧アセンブリによって形成された溶融合金粒子の全て又は一部分が、噴霧アセンブリの下流で制御され且つ収集器内に収集される。より特別には、本発明による装置は、噴霧アセンブリの下流領域内に少なくとも部分的に存在している静電場及び／又は電磁場を発生させる少なくとも１つの場発生アセンブリを備えている。当該場発生アセンブリによって発生される静電は及び／又は電磁場は、当該場と相互作用する溶融合金粒子の加速度、速度、方向のうちの少なくとも１つに影響を及ぼす構造とされ且つ／又は操作される。
【００３８】
ここで使用されている“場発生アセンブリ”という用語は、１以上の静電場及び／又は電磁場を発生させ且つ任意的には操る装置を示しており、当該静電場及び／又は電磁場は、溶融アセンブリの下流領域における溶融合金粒子の加速度、速度、方向のうちの少なくとも１つを制御するために使用することができる。場発生アセンブリの実施形態は米国特許第６，７２２，９６１Ｂ２号に記載されており、当該特許は参照番号によって本明細書に組み入れられている。
【００３９】
ここで使用されている“静電場”は、単一の静電場又は複数の（２以上）静電場を指すことができる。静電場は、例えば、一つの点、プレート又はその他の発生源を高い電位へと帯電させることによって発生させることができる。また、ここで使用されている“電磁場”は、単一の電磁場又は複数の電磁場を指すことができる。電磁場は、例えば、導電体内に電流を流すことによって形成することができる。
【００４０】
本発明による装置及び方法のある種の実施形態においては、噴霧アセンブリによって発生され且つ場発生アセンブリによって形成される場内又は中を通過する溶融合金粒子の全て又は一部分が、粉末又はプレフォームとして収集器内又は上に収集される。ここで使用されている“収集器”という用語は、粉末又はプレフォームの形態の噴霧アセンブリによって形成された溶融合金粒子の全て又は一部分を受け入れるか又は収集するようになされている装置、部材又は装置若しくは部材の一部分若しくは領域又は部材の集合を指している。本発明による装置又は方法の実施形態に組み入れることができる収集器の非限定的な例は、チャンバ、ホッパー、型、プラテン、鋳型又は表面の全体又は一部分又は領域を含んでいる。典型的には、収集器は、噴霧アセンブリによって発生される負に帯電された噴霧された粒子を引き付けるために、グランド電位又は好ましくは高い正電位にある。装置が、例えば粉末鋼又はその他の合金のような粉末材料の形成に適合されているときに、収集器は、例えば、チャンバ、ホッパー又は何らかの他の適切な構造の容器とすることができる。当該装置がインゴット又はその他のプレフォームを溶射成形するようになされているときには、収集器は、例えば、所望の幾何学的構造の固体物品を適切に形成するように回転させるか又は並進させるようにすることができるプラテン又は鋳型とすることができる。当該装置が固体物品の核生成鋳造に適合されている場合には、収集器は、典型的には、所望の鋳造物品の幾何学的構造を有しているボイドを含んでいる型の形態である。
【００４１】
図１に示されている概略的な構造、すなわち、溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ、場発生アセンブリ及び収集器を組み合わせた装置は、収集器内へ回収された合金粉末を形成するように設計され且つ作動させることができる。このような場合には、収集器は、例えば、チャンバ、ホッパー又はその他の容器とすることができる。当該組み合わせはまた、例えば、プラテン又は鋳型とすることができる収集器の面上にインゴット又はその他の固体プレフォームを形成するために、溶射成形を行うようにしても良い。当該組み合わせは、このような場合には、例えば１以上の側壁を含んでいる型とすることができる収集器上又は内に固体鋳造物品を形成するために核生成鋳造を行うように設計することができる。
【００４２】
溶射成形又は核生成鋳造を行うように設計された本発明による装置のある種の非限定的な実施形態においては、例えば、方向性のアセンブリは、成形プロセス中の様々なときに溶融合金と相互作用し且つ当該溶融合金を形成されつつあるプレフォームの様々な領域に導く１以上の静電場及び／又は電磁場を発生する。
【００４３】
静電場及び／又は電磁場はまた、溶融合金粒子を、熱を付加するか除去してプレフォームのマクロ構造に影響を及ぼすことが望ましい形成されつつあるプレフォームの領域へ導くために使用することができる。溶射成形又は核生成鋳造を行う際に、例えば、成形又は鋳造プロセス中の様々なときに粒子を形成されつつあるプレフォーム上の所定の領域に導くことによって近似正味形状のプレフォームを形成するために、１以上の静電場及び／又は電子場を操ることもできる。場発生アセンブリを使用して１以上の静電場及び／又は電磁場を使用することによって、成形又は鋳造プロセスの収量を促進すると共に結果的に得られるプレフォームの密度を改良（及び制御）することができる。
【００４４】
従って、本開示は、例えば、溶融材料によって作られる固体工作物（プレフォーム）及び粉体の収量、品質及び密度のうちの１以上を選択的に制御するための１以上の静電場及び／又は電磁場を発生させるための手段を含んでいる方法及び装置を記載している。溶射成形及び粉末噴霧において静電場及び／又は電磁場を使用して噴霧された材料を導く方法は、従来の方法によって形成されたプレフォームよりも著しく優れた収量と著しく高い密度を有する固体プレフォームを提供することが予想される。
【００４５】
本発明による装置の一つの実施形態においては、場発生アセンブリは、収集器を高圧ＤＣ電源に電気接続し且つ噴霧アセンブリを接地することによって、噴霧アセンブリと収集器との間の領域に静電場を発生させる。当該装置及び方法において、電子ビーム噴霧が使用され、噴霧された粒子が負に帯電せしめられる場合には、負の電極が使用される。静電場は、噴霧アセンブリによって形成された負に帯電せしめられた溶融合金粒子と相互作用し、粒子は、静電場の磁力線の方向に移動するように影響を受けるであろう。この反応は、収集器に向かう溶融合金粒子の加速度、速度、方向のうちの１以上を制御するように使用することができる。
【００４６】
高圧ＤＣ電源に加えて、本発明に従って作られた装置のある種の実施形態に含まれる場発生アセンブリは、噴霧アセンブリと収集器との間に適切な場を発生させるために、適当な位置及び向きに配設されている１以上の電極を備えることができる。これらの電極は、所望形態で噴霧手段と収集器との間の静電場を整形するように位置決めされ且つ配向されている。１以上の電極の影響を受けて提供される静電場は、溶融合金粒子を所望の方法で収集器へと導く形状を有することができる。
【００４７】
当該場発生アセンブリはまた、各々が噴霧アセンブリと収集器との間の適切な位置及び適当な向きにおいて１以上の電極に取り付けられ且つ時間に依存する形態で噴霧アセンブリと収集器との間に前記場発生アセンブリによって発生される静電場の形状に影響を及ぼす複数の高圧ＤＣ電源を備えることができる。このようにして、当該場は、噴霧アセンブリによって発生される溶融合金粒子を、常に、収集器又は形成されつつあるプレフォーム上の特別な領域又は箇所へと適切に導くように操作することができる。例えば、複数の電極及び関連する電源を含んでいる場発生アセンブリは、溶射成形によって近似正味形状の固体物品を形成するようになされた本発明による装置内に組み込むことができる。複数の電極及び関連する電源を備えている場発生アセンブリはまた、一般的な溶射成形及び核生成鋳造装置によって形成されたプレフォームに対して、高い密度を有している溶射成形又は核生成鋳造によって固体プレフォームを形成するために採用することもできる。このような実施形態においては、静電場は、場発生アセンブリを備えない従来の溶射成形又は核生成鋳造における噴霧ノズルの比較的粗雑な機械的ラスター動作に類似した方法で、溶融材料を収集器へと適切に導くように、形状及び強度を変更することができる。
【００４８】
本発明による装置の別の実施形態においては、噴霧アセンブリと収集器との中間に配置されている１以上の磁気コイルによって、噴霧アセンブリと収集器との間に電磁場が形成される。磁気コイルは電源に電気的に接続されてコイルを付勢する。噴霧アセンブリによって形成された溶融合金粒子は、電磁場の磁力線に沿って収集器へと導かれる。好ましくは、１以上の磁気コイルの位置及び／又は向きは、溶融粒子を収集器又は形成されつつあるプレフォーム上の特定の領域又は位置へと導くように調整することができる。このようにして、溶融合金粒子は、溶射成形又は核生成鋳造中に、プレフォームの密度を高め又は近似正味形状のプレフォームを形成することさえできるように導くことができる。
【００４９】
本発明による装置の更に別の実施形態においては、複数の磁気コイルが、噴霧アセンブリと収集器との間に配置されている。当該複数の磁気コイル（単独に又は複合的に付勢して種々の磁場強度とすることができる）によって発生される電磁場は、噴霧アセンブリによって形成された溶融合金粒子の移動方向に影響を及ぼして、当該粒子を、収集器又は形成されつつあるプレフォーム上の特定の所定領域又は箇所へと導く。この構造によって、溶融合金粒子は、例えば、近似正味形状及び／又は比較的高い密度を有する固体プレフォームを形成するために所定のパターンで導くことができる。ある種の実施形態においては、場発生アセンブリによって発生された場は、従来の溶射成形又は核生成鋳造における並進可能な噴霧ノズルを使用して既に利用可能な方向制御を改良するために使用しても良い。ある種の実施形態においては、場の形状、方向及び／又は強度を適切に操作することによって単独で得ることができる実質的な方向制御は、一般的な溶射鋳造装置内での噴霧ノズルの動きと完全に置換することができる。
【００５０】
本発明に従って作られた装置のある種の実施形態は、収集器を適切に変更することによって過剰噴霧の可能性に対処している。電子ビームを使用して溶融物の流れ及び／又は溶融粒子を噴霧することにより、噴霧された粒子内の過剰電子によって負に帯電せしめられる粒子がもたらされる。収集器を噴霧粒子と反対の符号の電荷によって適切に帯電させることによって、収集器は、粒子を引き付け、それによって、過剰噴霧を著しく減じるか又は排除するであろう。過剰噴霧は、大きく譲歩したプロセス収量をもたらし得る従来の溶射成形における問題のある欠点である。
【００５１】
本発明に従って形成された装置の幾つかの実施形態が図面に示され且つ本明細書の以下の部分に説明されている。これらの予想できる列は、例示の目的のみのためのものであり、本発明又は特許請求の範囲を限定することは意図していない。意図されている本発明の範囲は、特許請求の範囲により詳しく記載されている。
【００５２】
図６は、固体プレフォームを溶射成形するようになされている本発明による装置６００の実施形態を概略的に示している。電子ビーム噴霧アセンブリ６１０は、負に帯電された溶融合金粒子６１２を形成する。噴霧アセンブリ６１０と収集器６１６との間に静電場６１４が発生される。噴霧アセンブリ６１０は、溶融材料と接触している領域において、実質的セラミックを含まない溶融アセンブリ（図示せず）からの溶融合金の流れ及び連続する液滴のうちの少なくとも１つを受け取る。帯電せしめられた溶融合金粒子は、溶融合金粒子６１２を収集器６１６に向かって加速する静電場６１４と相互作用する。溶融粒子６１２は、収集器６１６の表面に固体フレーム６１８を形成する。溶融合金粒子６１２の速度及び／又は方向に対する場による影響は、プレフォーム６１８からの過剰噴霧を減じ、それによって、溶射成形プロセスの収量を高め且つ恐らくはこのような場発生アセンブリを使用することなく、可能な密度に対するプレフォーム６１８の密度を増大させるために使用することができる。
【００５３】
図７は、本発明に従って作られた装置の付加的な非限定的な実施形態７００のある種の部材を概略的に示している。溶融アセンブリ７１０は、溶融合金の流れ及び連続する液滴のうちの少なくとも１つを電子ビーム噴霧アセンブリ７１２に供給し、当該電子ビーム噴霧アセンブリ７１２は、帯電せしめられた溶融合金粒子７１４の噴霧を形成する。場発生アセンブリによって、噴霧アセンブリ７１２と適切な形状の収集器７１８との間に静電場７１６が発生される。場７１６は、帯電せしめられた溶融合金粒子７１４と相互作用して、粒子７１４を収集器７１８に向かって加速させる。収集器７１８が高い正電位に維持される場合に、粒子７１４は大きく加速される。場７１６によって帯電せしめられた溶融粒子７１４にかけられる加速力及び方向制御は、固体プレフォーム７２０の密度を高めるために使用することができ且つ近似正味形状のプレフォーム７２０を形成するために使用することもできる。収集器７１８は、固定されていても良く、又は回転するようになされても良く、さもなければ適切に並進させるようにしても良い。
【００５４】
図７Ａの代替的な実施形態に示されているように、装置７００は、任意に、２つのヒートシンク電極７２４同士の間の溶融粒子７１４の経路に、非平衡プラズマ７２２を発生させるための手段を含むように改造しても良い。電極７２４は、ポンプ７３０の作用によって導管７２８内を循環する液体誘導体によって外部熱質量７２６と熱的につながっている。液体誘電体によるヒートシンク電極７２４と外側熱質量７２６との間の熱的結合は、熱が、溶融粒子７１４から除去され且つ熱質量７２６に伝えられるのを可能にしている。ヒートシンク７２４同士の間の非平衡プラズマ７２２は、例えば、ＡＣグロー放電又はコロナ放電によって形成することができる。非平衡プラズマ７２２は、溶融粒子７１４からの熱を２つのヒートシンク電極７２４に伝達し、ヒートシンク電極７２４は、熱を外部の熱質量７２６に伝える。非平衡プラズマを発生させ且つ当該プラズマを使用して噴霧された溶融合金粒子へと又は溶融合金粒子から熱を伝える熱伝達装置は米国特許第６，７７２，９６１Ｂ２号に記載されており、当該特許による開示全体がその参照番号によって本明細書に組み入れられている。更に、非平衡プラズマを発生し且つ当該プラズマを使用して熱を溶融合金によって鋳造されつつある物品へと又は当該物品から伝える熱伝達装置は、２００４年１２月９日に出願された米国特許出願第１１／００８，０４８号に記載されており、当該特許による開示全体がその参照番号によって本明細書に組み入れられている。
【００５５】
図８は、本発明に従ってプレフォームを溶射成形用に適合させて形成された装置の更に別の非限定的な実施形態８００のある種の構成部品を概略的に図示している。溶融材料と接触する領域内に実質的にセラミックを含まない溶融アセンブリ８１０は、電子ビーム噴霧アセンブリ８１２に溶融合金の流れ及び連続する液滴のうちの少なくとも１つを提供する。溶融アセンブリ８１０は、任意に、溶融材料が噴霧アセンブリ８１２へと通過する前に負に“予帯電”させるために、例えば任意の電源８２２によって高い負電位に維持することができ、それによって噴霧アセンブリ８１２が材料を噴霧させるために溶融材料に運ばれなければならない負電荷の量を減じることができる。このような“予帯電”という特徴はまた、例えば、噴霧アセンブリ内で材料を噴霧させるために溶融材料に付加されなければならない負電荷の必要量を減らすための手段として、ここに記載されている他の実施形態において使用しても良い。電子ビーム噴霧アセンブリ８１２は、帯電せしめられた溶融合金粒子の噴霧８１４を形成する。電磁場８１６は、磁気コイル８１８（断面で示されている）によって形成されている。帯電せしめられた溶融合金粒子８１４は、場８１６と相互作用し且つそれによってほぼ収集器８２０に向かって導かれる。場８１６によってなされる溶融粒子８１４の方向制御によって過剰噴霧を減じることができ、それによって、溶射成形プロセスの収量を高めることができ且つ固体プレフォーム８２２の密度を高めることもできる。
【００５６】
図８Ａの代替的な実施形態に示されているように、非平衡プラズマ８４２は、任意に２つのヒートシンク電極８４４同士の間の溶融合金粒子８１４の経路内に発生させることができる。２つのヒートシンク電極８４４は、ポンプ８５０によって導管８４８を介して循環せしめられる液体誘電体によって外部の熱質量８４６に熱的に接続されている。ヒートシンク電極８４４と外部の熱質量８４６との間に維持されている熱的接続によって、溶融合金粒子８１４から熱が除去されるのが可能になる。ヒートシンク電極８４４同士の間の非平衡プラズマ８４２は、例えば、ＡＣグロー放電又はコロナ放電によって形成される。非平衡プラズマ８４２はまた、ヒートシンク電極８４４から電気的に接地された固体プレフォーム８２２及び収集器８２０まで広がっており、固体プレフォーム８２２及び収集器８２０からの熱の除去を提供している。従って、装置８００においては、熱は、非平衡プラズマ８４２によって、溶融合金粒子８１４、固体プレフォーム８２２及び収集器８２０からヒートシンク電極８４４へ伝達され、次いで外部の熱質量８４６へ伝達される。
【００５７】
図９は、溶融合金を噴霧させ且つ合金粉末を形成するようになされた本発明による装置の付加的な非限定的実施形態９００のある種の構成部品を概略的に図示している。溶融アセンブリ９１０は、溶融合金の流れ及び連続する液滴のうちの少なくとも１つを電子ビーム噴霧アセンブリ９１２に提供する。溶融材料に接する領域内にセラミックを含まない噴霧アセンブリ９１２は、帯電せしめられた溶融合金粒子９１４を形成する。磁気コイル９１８（断面で示されている）によって形成された電磁場９１６は、帯電せしめられた溶融合金粒子９１４と相互作用して粒子９１４を広がらせ且つこれらの粒子同士の衝突の可能性を減じ、それによって、より大きな溶融粒子の形成を防止し且つ結果的により大きな粉末粒子９２０の形成を防止する。磁気コイル９４３（断面で示されている）によって形成される第二の電磁場９４０は、冷却された粒子９４２と相互作用し且つ粒子９４２をホッパー形態の収集器９４４に向かって導く。ホッパー９４４は、蓋９４５及び蓋閉塞機構９４６によって遠隔的に閉塞することができる。粉末形成プロセス全体は、気体との化学反応による粉末９４２の汚染を減じるか又は排除するために、真空環境内で行うことができる。
【００５８】
図９Ａに示されているように、装置９００の代替的な実施形態は、任意に、非平衡プラズマ９２２が２つのヒートシンク電極９２４間の溶融粒子９１４の経路内に形成されるように設計することができる。２つのヒートシンク電極９２４は、ポンプ９３０の力によって導管９２８を介して循環する液体誘電体によって外部の熱質量９２６と熱的に接続されている。外部の熱質量９２６と熱的につながっているヒートシンク電極９２４の構造によって、溶融粒子９１４から熱が除去されるのが可能になる。
【００５９】
例えば、図９の装置に関連して示唆されているように、本発明に従って作られたある種の実施形態は、溶融アセンブリ、噴霧アセンブリ、場発生アセンブリ、収集器及び工作物（この場合には、粉末又はプレフォーム）の全て又は一部分を包囲し又は含むチャンバ等を含んでいても良い。例えば、非平衡プラズマを採用している熱伝達装置が装置内に組み込まれている場合には、熱伝達装置及びそれに関連する電極のみならず非平衡プラズマの全て又は一部分をもチャンバ内に封じることができる。このようなチャンバは、当該チャンバ内に存在する気体の化学種並びにチャンバ内部分的圧力及び／又は全体の気体の圧力を含むチャンバ内の雰囲気を調整することを可能にするために設けることができる。例えば、チャンバは、真空（ここで使用されている“真空”という用語は完全な又は部分的な真空を指している）を提供するために抜気することができ且つ／又は処理されつつある材料の酸化を制限し且つ／又は窒素のような不所望な化学反応を阻止するために不活性ガス（例えば、アルゴン及び／又は窒素）を完全に又は部分的に充填しても良い。チャンバを組み込んでいる装置の一つの実施形態においては、チャンバ内の圧力は、大気圧以下、例えば、約０．１〜約０．００１トール又は約０．０１〜約０．００１トールに維持される。
【００６０】
従って、上記の予想される例の各々に含まれるように、本発明に従って作られた装置の実施形態は、接触領域従って装置の作動中に溶融アセンブリによって発生される溶融合金を汚染し得る領域に、実質的にセラミックを含まない。このような装置の各々はまた、溶融材料を噴霧させ且つ溶融合金粒子を発生する電子ビーム噴霧アセンブリと、噴霧アセンブリと収集器との間に１以上の電磁場及び／又は静電場を発生し且つ粒子が噴霧アセンブリと収集器との間の距離の全て又は一部分を移動するときに当該粒子の加速度、速度及び方向のうちの少なくとも１つに影響を及ぼす。
【００６１】
当該装置は更に、任意に、溶融合金粒子が噴霧アセンブリによって発生された後であるが、固体工作物又は粉末として収集される前に、溶融合金粒子へ又は溶融合金粒子から熱を伝達するための１以上の非平衡プラズマを発生させるための手段を含んでいる。代替的に又は付加的に、本発明による装置の実施形態は、溶融合金が収集器上又は内に収集されるか又は収集器上又は内で形成されているプレフォームに適用された後に溶融合金へ又は溶融合金から熱を伝達するために１以上の非平衡プラズマを発生しても良い。
【００６２】
図１０〜１３は、本発明に従って作られた装置の１つの部品として含まれても良い溶融アセンブリの種々の非限定的な実施形態を示している。このような溶融アセンブリの実施形態の各々が、消耗電極又はその他の消耗品からの溶融合金の流れ及び連続する液滴のうちの少なくとも１つを形成するために使用することができる。以下のような溶融アセンブリの各々が、当該実施形態において発生される溶融合金が接触する領域にセラミックを含まないように構成することができる。
【００６３】
図１０は、電子ビーム噴霧アセンブリへ給送される溶融合金を形成する溶融アセンブリの１つの構成部品として、真空二重電極再溶融装置の使用方法を示している。真空二重電極再溶融すなわち“ＶＡＤＲ”技術は、公知であり且つ例えば米国特許第号第４，２６１，４１２号に記載されている。ＶＡＤＥＲ装置においては、溶融材料は、溶融する２つの消耗電極の間の真空内でアークを打ち出すことによって形成される。従来の真空アーク再溶融（ＶＡＲ）より優れたＶＡＤＥＲ技術の利点は、ＶＡＤＥＲ技術は、浴温度及び溶融速度の極めて良好な制御を可能にすることである。ＶＡＤＥＲ技術が公知であると仮定するとＶＡＤＥＲ装置及びその作動方法の詳細な説明はここでは不要である。
【００６４】
図１０に関して、真空チャンバの壁１０１０は、互いに対向している電極１０１４及び噴霧アセンブリ１０１６を包囲している。電流は、対向している電極１０１４の間及び中を流れ、電極を溶融させて溶融合金の液滴１０１８（又は、代替的には流れ）を形成する。溶融合金の液滴１０１８は、電極１０１４から噴霧アセンブリ１０１６に向かって落下する。噴霧アセンブリ１０１６によって形成された噴霧溶融合金粒子は、場発生アセンブリ（図示せず）によって発生された１以上の電磁場及び／又は静電場内を通ってこれらの場によって影響を受け、次いで、収集器（図示せず）上又は内へと通過する。収集器の例を以下に説明する。
【００６５】
図１１は、電子ビーム噴霧アセンブリへ給送される溶融合金を形成する溶融アセンブリとしての電子ビーム溶融装置の使用方法を示している。電子ビーム溶融においては、供給原料は、光エネルギの電子を当該供給原料に衝突させることによって溶融される。溶融生成物の汚染は、制御された真空内で溶融させることによって避けることができる。電子ビーム溶融のエネルギ効率は、電子ビームスポットの滞留時間及び溶融されるべき領域への分配により、競合するプロセスのエネルギ効率を超えることができる。更に、銃の内側及び銃のノズル間及び目標材料の内側の電子ビームの出力損失は小さい。電子ビーム溶融装置は良く知られており、従って、溶融装置及びそれらの作動方法の詳細な説明は不必要と考えられる。
【００６６】
上記したように、図１１の溶融装置を備えているここに記載した溶融装置は、例えば、高い負の電位に維持されるようになされており、それによって、溶融材料が装置の噴霧アセンブリへと下流へ流れる前に溶融材料に負の電荷を付与する。一つの例として、図１１に示されている溶融装置は、導電性であり且つ高い負の電位に維持され且つ噴霧アセンブリへと通過せしめられる前に溶融材料が接触する溶融物チャンバを含むようになされていても良い。
【００６７】
図１１を参照すると、真空チャンバ１１１０は、溶融装置の電子ビーム発生源１１１２、溶融されつつある消耗電極１１１４、電子ビーム噴霧アセンブリ１１１６及び収集器（図示せず）を包含している。電子ビームは、電極１１１４に衝突し、電極を加熱及び溶融して溶融合金の液滴１１１８（又は代替的には流れ）を形成する。液滴１１１８は、電極１１１４から噴霧アセンブリ１１１６へと落下する。噴霧アセンブリ１１１６によって形成された噴霧された溶融合金粒子は、場発生アセンブリ（図示せず）によって発生された１以上の電磁場及び／又は静電場内を通過し且つこれらの場によって影響を受け、次いで、収集器（図示せず）上又は内へと進む。これらの例を以下に説明する。
【００６８】
図１２には、電子ビーム噴霧アセンブリへ給送される溶融合金を形成する溶融アセンブリとして電子ビーム低温炉床溶融装置を使用する方法が示されている。典型的な電子ビーム低温炉床溶融技術においては、第一の電子ビーム銃が種々の形状（例えば、インゴット、スポンジ又はスクラップ）を有し得る装入物を溶融させる。溶融された材料は、浅い水冷坩堝（低温炉床）内へと流れ込み、当該水冷坩堝においては、１以上の電子銃が溶融材料の温度を維持する。低温炉床の主要な機能は、液体材料よりも軽い又は重い含有物を分離する一方で、これと同時に、高い融点を有する低密度の粒子の滞留時間を長くして完全な溶解を確実なものとしている。全ての動作は、電子銃の適正な動作を確保するため及び周辺環境による合金の汚染を避けるための両方のために、真空環境内で行われる。電子ビーム低温炉床溶融技術の利点は、塩化物及び水素（蒸発による）のような揮発性元素及び炉床内の混在物を効率良く排除できることである。当該技術はまた、供給材料の形態を自由に変えることができる。電子ビーム低温炉床溶融装置は良く知られており、従って、溶融装置及びこれらの動作形態の詳細な説明は不要であると考えられる。
【００６９】
再度図１２を参照すると、真空チャンバ１２１０は、溶融アセンブリの電子ビーム発生源１２１２及び水冷銅低温炉床１２１６、溶融されつつある消耗電極１２１４、電子ビーム噴霧アセンブリ１２１８並びに収集器（図示せず）を包含している。流れ及び／又は連続する液滴の形態の溶融材料１２２０は、水冷銅低温炉床１２１６から噴霧アセンブリ１２１８へ落下する。噴霧アセンブリ１２１８によって形成された噴霧された溶融合金粒子は、場発生アセンブリ（図示せず）によって発生された１以上の電磁場及び／又は静電場内を通過し且つこれらの場によって影響を受け、収集器（図示せず）上又は内へと進む。これらの例を以下に説明する。
【００７０】
図１３は、電子ビーム噴霧アセンブリへ給送される溶融合金を形成するためのエレクトロスラグ再溶融（ＥＳＲ）装置と低温誘導ガイド（ＣＩＧ）との組み合わせを含んでいる溶融アセンブリの使用方法を示している。別の方法として、真空アーク溶融（ＶＡＲ）とＣＩＧとを結合している溶融装置をＥＳＲ／ＣＩＧ結合体の代わりに使用しても良い。ＥＳＲ、ＶＡＲ、ＣＩＧ並びにＥＳＲ／ＣＩＧとＶＡＲ／ＣＩＧとの結合体は公知である。ＥＳＲ又はＶＡＲ装置とＣＩＧとを結合している装置は、公知であり且つ例えば米国特許第５，３２５，９０６号に記載されている。
【００７１】
典型的なＥＳＲ技術においては、電流が消耗電極並びに微粉砕容器内にもうけられ且つ電極と接触している導電性スラグ内に流される。電極からの溶融した液滴は、導電性スラグ内を通り且つ当該導電性スラグによって微粉砕され、次いで、下流の装置へと流すことができる。ＥＳＲ装置の基本的な構成部品には、電源、電極、給送機構、水冷銅微粉砕容器及びスラグが含まれる。使用される特定のスラグの形式は、微粉砕される特定の材料に依存するであろう。ＶＡＲプロセスは、真空内で電極によってアークを衝突させることによって合金からなる消耗電極を溶融させることを含んでいる。溶解された窒素及び水素を減じることに加えて、ＶＡＲプロセスは、アークプラズマ内の多くの酸化物からなる混在物を除去する。ＥＳＲ及びＶＡＲ技術は、公知であり且つ広く使用されており、特定の電極のタイプ及び大きさに必要とされる作動パラメータは、当業者が容易に確認することができる。従って、ＥＳＲ及びＶＡＲ装置の形成方法又は作動モード又は特定材料及び／又は電極のタイプ及び大きさに対して使用される特別な作動パラメータの更に詳細な説明は不要である。
【００７２】
ＥＳＲ／ＣＩＧとＶＡＲ／ＣＩＧとの結合においては、“コールドフィンガー”又は“低温壁誘導ガイド”と様々な名称で称されもするＣＩＧは、材料がＶＡＲ又はＥＳＲ装置から噴霧アセンブリへと通過するときに、溶融材料を溶融形態に維持することができる。ＣＩＧはまた、溶融材料を雰囲気と接触しないように保護もする。ＣＩＧは、ＥＳＲ又はＶＡＲ装置の上流及び噴霧アセンブリの下流に直接結合されて、微粉砕された溶融材料を雰囲気からより良好に保護して、酸化物が溶融物内に形成され且つ汚染するのを防止するのが好ましい。ＣＩＧのある種の公知の設計はまた、ＥＳＲ又はＶＡＲ装置から下流の噴霧アセンブリへの溶融材料の流れを制御するために使用しても良い。
【００７３】
ＣＩＧ装置の構造及び使用方法は、公知であり且つ例えば米国特許第５，２７２，７１８号、第５，３１０，１６５号、第５，３４８，５６６号及び第５，７６９，１５１号に記載されている。ＣＩＧは、概して、溶融材料を受け入れるための溶融物容器を備えている。当該溶融物容器は、開口部が形成されている底壁を有している。ＣＩＧの移動領域は、溶融物容器の前記開口部から溶融材料を受け取るように形成されている通路（例えば、ほぼ漏斗形状とすることができる）を含む構造とされている。ＣＩＧの一つの一般的な設計においては、前記漏斗形状の通路の壁は多数の流体冷却金属部分によって規定されており、当該流体冷却部分は、当該領域の入口端部から出口端部に向かって断面積を次第に小さくすることができる通路の内側輪郭を規定している。１以上の導電コイルが前記漏斗形状の通路の壁に組み合わせられていて、１つの電流発生源が当該導電コイルと選択的に電気接続されている。微粉砕された溶融材料がＣＩＧの溶融物容器からＣＩＧの通路を通って流れる間に、電流は、溶融材料を誘導加熱し且つ溶融形態に維持するのに十分な強度で導電性コイル内を流れる。溶融材料の一部分は、ＣＩＧの漏斗形状の通路の冷却された壁と接触し且つＣＩＧ内を流れている溶融物の残りを隔離させて壁に接触しないようにするスカルを形成するために固化させても良い。壁の冷却及びスカルの形成は、ＣＩＧの内壁を形成している金属又はその他の構成要素によって溶融物が汚染されないことを確保する。当該技術において知られており且つ例えば米国特許第５，６４９，９９２号に開示されているように、ＣＩＧの漏斗形状部分のある領域のスカルの厚みは、冷却剤の温度、冷却剤の流量及び／又は誘導コイル内の電流の強度を適切に調整することによってＣＩＧ内の溶融物の流れを制御し又は完全に遮断するように制御することができる。スカルの厚みが増加するにつれて、移動領域内の流れは相応して減少する。
【００７４】
ＣＩＧ装置は種々の形態で提供することができるけれども、典型的には、各々、（１）溶融物をガイドするために重力を利用している通路と、（２）壁上でのスカルの形成を促進するために壁の少なくとも一つの領域に設けられた冷却手段と、（３）通路内の溶融材料を誘導加熱するために、通路の少なくとも一部分に関連付けられた導電コイルとを備えている。当業者は、ここで更に説明することなく、本発明に従って作られた装置内で使用するための上記の３つの手段のうちの１つ又は全てを有している適切に設計されたＣＩＧを容易に提供することができる。このような装置は公知であり且つ技術文献に記載されているので、ここでは更に詳細な説明は不要と考えられる。
【００７５】
再度図１３を参照すると、真空チャンバ１３１０は、ＥＳＲ／ＣＩＧ溶融アセンブリ、電子ビーム噴霧アセンブリ１３１２及び収集器（図示せず）を包含している。ＥＳＲ／ＣＩＧ溶融物発生源は、所望合金の消耗電極１３１４及び水冷銅坩堝１３１６を含んでいる。加熱された溶融スラグ１３１８は、電極１３１４を溶融させて溶融合金池１３２０を形成するように機能する。溶融池１３２０からの溶融合金は、溶融物の流れ及び／又は連続する液滴１３２２の形態でＣＩＧノズル１３２４内を流れ且つ噴霧アセンブリ１３１２へと流れる。噴霧アセンブリ１３１２によって形成される噴霧された溶融合金粒子は、場発生アセンブリ（図示せず）によって発生された１以上の電磁場及び／又は静電場内を通過して、これらの場によって影響を受け、収集器（図示せず）上又は内へと進む。これらの例は以下に説明されている。
【００７６】
図１４〜１７は、本発明に従って作られた装置及び方法の種々の非限定的な実施形態において固化された噴霧材料を収集するために使用することができる方法の幾つかの非限定的な例を示している。
【００７７】
図１４は、簡素なチャンバである収集器の底部に収集されつつある噴霧粉末を概略的に図示している。真空チャンバ１４１０は、電子ビーム噴霧アセンブリ１４１２を包含している。例えば、上記した種々の溶融アセンブリのうちの一つとすることができる溶融アセンブリ（図示せず）によって形成された溶融合金の連続する液滴１４１４は、噴霧アセンブリ１４１２へと流れる。噴霧アセンブリ１４１２は、噴霧溶融合金粒子１４１６を形成し、当該噴霧溶融合金粒子は、場発生アセンブリの電磁コイル１４１７（断面で示されている）によって発生される電磁場及び／又は静電場１４１３内を通過し、当該場と相互作用し、当該場によって影響を受ける。コイル１４１７は、噴霧アセンブリ１４１２の下流領域１４１８内に場を形成するように配置されている。噴霧溶融材料１４１６は、チャンバ１４１２の底部で粉末として収集される。
【００７８】
図１５は、本発明に従って作られた装置の一つの実施形態を使用して電子ビーム噴霧によって形成された噴霧溶融合金から溶射成形された固体インゴットの形成を概略的に示している。真空チャンバ１５１０は、溶融アセンブリ（図示せず）と電子ビーム噴霧アセンブリ１５１２とを包含している。溶融アセンブリは、例えば、上記した種々の溶融アセンブリのうちの一つとすることができる。溶融アセンブリ（図示せず）によって形成された溶融合金の液滴１５１４は、噴霧アセンブリ内へと流れる。溶融合金の液滴１５１４は、噴霧アセンブリ１５１２内で噴霧されて噴霧溶融合金粒子１５１６の噴霧を形成する。噴霧された溶融合金粒子１５１６は、場発生アセンブリのプレート１５１８によって発生された１以上の電磁場及び／又は静電場（示されていない）内を通過し、当該場と相互作用し、当該場によって影響を受ける。プレート１５１８は、チャンバ１５１０の壁を貫通している電線１５２０によって電源（図示せず）に接続されている。噴霧溶融合金粒子１５１６は、場発生アセンブリによって発生された場の作用によって回転収集器プレート１５２４上へと導かれて固体プレフォーム１５２５を形成する。回転収集器プレート１５２４は、噴霧アセンブリからほぼ一定の距離に堆積境界部を維持する速度で下方へと引っ張ることができる。収量を高め且つ堆積密度を改良するために、収集器プレート１５２４は、チャンバ１５１０の壁を貫通している電線１５２６によって、プレート１５２４を電源（図示せず）に接続することによって高い正電位に帯電させることができる。
【００７９】
図１６は、噴霧合金粉末が装置の第一のチャンバ内に設けられたカン又はその他の適切な容器内に収集される本発明による装置の一実施形態を概略的に図示している。充填された容器は、装置の幾つかの又は全ての構成部品を包囲している真空チャンバ内の真空を破壊することなく比較的小さなチャンバ内へと移される。当該比較的小さなチャンバ内では、固化された固体物品を形成するために、容器及びその中の粉末内容物を熱間加工する前に、蓋を容器に溶接しても良い。真空チャンバ１６１０は、溶融アセンブリ（図示せず）及び電子ビーム噴霧アセンブリ１６１２を包囲している。溶融アセンブリは、例えば、上記した種々の溶融アセンブリのうちの一つとすることができる。溶融アセンブリ（図示せず）によって形成された溶融合金の連続する液滴１６１４は、噴霧アセンブリ１６１２内へと流れる。溶融合金の液滴１６１４は、噴霧アセンブリ１６１２内で噴霧されて溶融合金粒子１６１６を形成する。溶融合金粒子１６１６は、場発生アセンブリの電磁コイル（断面で示されている）１６２０によって発生された１以上の電磁場及び／又は静電場１６１８内を通過し、当該場と相互作用し、当該場によって影響を受ける。噴霧された溶融粒子１６１６は、場１６１８の作用によって容器の形態の収集器１６２１内へと導かれる。容器１６２１が粉末化された噴霧溶融材料１６１６を十分一杯まで充填されると、チャンバ１６２６内へ移動せしめられ、次いで、真空封止部材１６２８によってシールされる。次いで、充填された容器１６２１に蓋を固定することができ、容器１６２１は、公知の技術に従って熱機械処理するために第二の真空封止部材１６３０を介して雰囲気に対して解放される。図１６の装置は、任意に、溶融合金粒子１６１６から熱を除去するようになされた上記されているような熱伝達装置を含んでいても良い。容器１６２１また、任意に、電線１６２２によって電源１６２４に電気的に接続され且つ負に帯電せしめられた溶融粒子１６１６が容器１６２１内に収集されつつある間、正の電位に保持される。電線１６２２は、容器１６２１がチャンバ１６２６内へ動かされる前に、容器１６２１から遠隔的に切断することができる。
【００８０】
図１７は、本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態１７００を概略的に図示している。当該実施形態においては、鋳造品は、電子ビーム噴霧によって形成された噴霧溶融合金を核生成鋳造することによって型内で形成される。真空チャンバ１７１０は、溶融アセンブリ（図示せず）及び電子ビーム噴霧アセンブリ１７１２を含む構成部材を包囲している。溶融アセンブリは、例えば、上記した種々の溶融アセンブリのうちの一つとすることができる。溶融アセンブリによって形成された溶融合金の連続する液滴１７１４は、噴霧アセンブリ１７１２内へと流れる。溶融合金の液滴１７１４は、噴霧アセンブリ１７１２内で噴霧されて噴霧された溶融合金の粒子１７１６の噴霧が形成される。噴霧された溶融合金粒子１７１６は、場発生アセンブリの電気的に付勢されたコイル１７２０（断面で示されている）によって発生された１以上の電磁場及び／又は静電場１７１８内を通過し、当該場と相互作用し、当該場によって影響を受ける。噴霧された溶融材料１７１６は、場発生アセンブリによって発生された場１７１８の作用によって、型１７２４内へ導かれ、結果的に得られる固体鋳造物１７３０は、型の底部（図示せず）の下方への移動によって型１７２４から引き出される。型の底部は、任意に、適当な方法で回転するか、さもなければ並進するようになされても良い。
【００８１】
図１７Ａに示されている装置の代替的な非限定的実施形態１７００においては、電源１７３２が設けられており、当該電源は、電極１７３４から発せられる非平衡プラズマを形成するための電位差を生じさせる。当該プラズマによって、熱が、固化しつつあるインゴット１７３０の表面から電極１７３４へ伝えられ、電極１７３４は、熱交換器１７３６及び電極１７３４内を循環する液体誘電体によって冷却される。
【００８２】
上記した種々の特徴を使用して上記した予想される実施形態を提供された通りに付与することができることは、当業者に容易に明らかとなるであろう。更に、上記の実施形態は、ここに記載された種々の部材を結合し且つ本発明による装置及び方法の付加的な実施形態を提供するために改造することができる。
【００８３】
従って、本発明のある種の特徴は、溶融合金が接触する領域にセラミックを実質的に含まない溶融アセンブリ、電子ビーム噴霧アセンブリ、場発生アセンブリ及び収集器を備えた装置に関するものである。
【００８４】
上記の説明においては限られた数の実施形態のみを提供したけれども、当業者は、当該装置及び方法並びに本願において説明し且つ図示した実施例の他の細部の種々の変更を施すことができ、このような改造の全てが本明細書及び添付の特許請求の範囲に表された本発明の原理及び範囲内に担保されることがわかるであろう。当業者はまた、本発明の広い発明概念から逸脱することなく、上記の実施形態に変更を加えることができることをも理解できるであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず且つ特許請求の範囲によって規定されている本発明の原理及び範囲内に含まれる全ての変形例を包含することを意図していることが理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】図１は、本発明に従って構成された装置の一実施形態の概略図である。
【図２】図２は、本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の構造の概略図であり、当該実施形態においては、概してブロック形状の電子の場が、噴霧アセンブリ内を通過する溶融材料の経路内に発生されている。
【図３】図３は、本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の構造の概略図であり、当該実施形態においては、ラスター装置が、噴霧アセンブリ内を通過する溶融材料の経路内に電子の場を発生させている。
【図４】図４は、本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の構造の概略図であり、当該実施形態においては、噴霧アセンブリ内を通過する溶融材料の経路内に電子の場を形成するために使用される電子がフィラメントの外面から発生されている。
【図５】図５は、本発明に従って作られた装置内に含まれ得る電子ビーム噴霧アセンブリの一つの実施形態の概略図である。
【図６】図６は、プレフォームを形成する噴霧に適した本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の構成要素の概略図である。
【図７】図７は、プレフォームを形成する噴霧に適した本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の構成要素の概略図である。
【図７Ａ】図７Ａは、プレフォームを形成する噴霧に適した本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の構成要素の概略図である。
【図８】図８は、プレフォームを形成する噴霧に適した本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の構成要素の概略図である。
【図８Ａ】図８Ａは、プレフォームを形成する噴霧に適した本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の構成要素の概略図である。
【図９】図９は、粉末材料の形成に適した本発明に従って作られた装置の代替的な非限定的な実施形態の概略図である。
【図９Ａ】図９Ａは、粉末材料の形成に適した本発明に従って作られた装置の代替的な非限定的な実施形態の概略図である。
【図１０】図１０は、本発明に従って作られた装置の実施形態に含まれ得る溶融アセンブリの幾つかの非限定的な実施形態の概略図である。
【図１１】図１１は、本発明に従って作られた装置の実施形態に含まれ得る溶融アセンブリの幾つかの非限定的な実施形態の概略図である。
【図１２】図１２は、本発明に従って作られた装置の実施形態に含まれ得る溶融アセンブリの幾つかの非限定的な実施形態の概略図である。
【図１３】図１３は、本発明に従って作られた装置の実施形態に含まれ得る溶融アセンブリの幾つかの非限定的な実施形態の概略図である。
【図１４】図１４は、本発明に従って作られた装置の実施形態によって形成された固化した噴霧材料を収集するために使用することができる技術の幾つかの限定的な実施形態の概略図である。
【図１５】図１５は、本発明に従って作られた装置の実施形態によって形成された固化した噴霧材料を収集するために使用することができる技術の幾つかの限定的な実施形態の概略図である。
【図１６】図１６は、本発明に従って作られた装置の実施形態によって形成された固化した噴霧材料を収集するために使用することができる技術の幾つかの限定的な実施形態の概略図である。
【図１７】図１７は、本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の概略図であり、当該実施形態においては、鋳造物品が、電子ビーム噴霧によって生成された噴霧された溶融合金を核生成鋳造することによって型内で形成されている。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明に従って作られた装置の非限定的な実施形態の概略図であり、当該実施形態においては、鋳造物品が、電子ビーム噴霧によって生成された噴霧された溶融合金を核生成鋳造することによって型内で形成されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１７Ａ】
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【国際調査報告】
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