(57)【要約】【課題】コールドスプレー技術を用いて基体上に広範ないろいろの目的で複数の材料を堆積させるためのシステムおよび方法が提供される。【解決手段】基体上に複数の材料を堆積させる方法およびシステム１０が記載される。方法は概略、堆積させる第一の粉末材料の供給源１４を用意し、堆積させる第二の粉末材料の供給源１６を用意し、材料を形成する粉末の粒子を冶金学的に変化させずに材料を組成変形させることによって材料を堆積させるのに十分な速度で基体１２上に第一の粉末材料および第二の粉末材料を連続して堆積させる、各ステップを含む。【選択図】図１
2006289364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
堆積させる第一の粉末材料の供給源を用意し、
堆積させる第二の粉末材料の供給源を用意し、
材料を形成する粉末の粒子を冶金学的に変化させずに材料を組成変形させることによって材料を堆積させるのに十分な速度で基体上に第一の粉末材料および第二の粉末材料を連続して堆積させる、
各ステップを含むことを特徴とする、基体上に複数の材料を堆積させる方法。
【請求項２】
供給装置ノズルを用意し、前記供給源をこの供給装置ノズルに接続することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記連続的堆積ステップは、基体の第一の長さの上に第一の粉末材料を堆積させ、基体の第二の長さの上に第二の粉末材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記連続的堆積ステップは、第一および第二の長さの中間にある基体の第三の長さの上に第一および第二の粉末材料両方を共堆積させることをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記連続的堆積ステップは、基体上に第一の粉末材料を堆積させて第一の材料の層を生成し、この第一の材料の層上に第二の粉末材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記の第一の粉末材料を堆積させることは、基体上に接合被覆材料を堆積させて接合被覆層を生成することを含み、前記の第二の粉末材料を堆積させることは、この接合被覆材料の上にトップコート材料を堆積させてトップコート層を生成することを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
所定長さの期間、前記接合被覆材料および前記接合被覆材料両方を堆積させて前記接合被覆層と前記トップコート層の間に移行領域を生成することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記連続的堆積ステップは、部品の割れ領域に第一のホウ素含有量を有する第一の粉末材料を堆積させ、その後、この割れ領域に第一のホウ素含有量より低い第二のホウ素含有量を有する第二の粉末材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記供給源用意ステップは、第一の粉末状合金組成を有する第一の供給源と、この第一の合金組成と同じ系統の第二の粉末状合金組成を有する第二の供給源とを用意することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記供給源用意ステップは、第一の粉末状合金組成を有する第一の供給源と、この第一の合金組成の系統とは異なる系統の第二の粉末状合金組成を有する第二の供給源とを用意することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記基体および前記連続的に堆積された粉末材料から物品を製造することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
堆積させる第一の粉末材料の供給源と、堆積させる第二の粉末材料の供給源と、材料を形成する粉末の粒子を冶金学的に変化させずに材料を組成変形させることによって材料を堆積させるのに十分な速度で基体上に第一の粉末材料および第二の粉末材料を連続して堆積させる手段と、を含むことを特徴とする、基体上に複数の材料を堆積させるためのシステム。
【請求項１３】
前記堆積手段は、供給装置ノズルを含み、前記供給源のそれぞれは、この供給装置ノズルに接続されることを特徴とする請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
供給装置ノズルは、基体に対して可動であることを特徴とする請求項１２記載のシステム。
【請求項１５】
供給装置ノズルは、基体の表面に向かってまたこの表面から離れるように可動であることを特徴とする請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
基体は、軸線方向の長さを有しており、供給装置ノズルは、この軸線方向の長さに対して平行な軸線に沿って可動であることを特徴とする請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
第一の粉末材料および第二の粉末材料は、同じ系統からの合金組成を含むことを特徴とする請求項１２記載のシステム。
【請求項１８】
第一の粉末材料および第二の粉末材料は、異なっていることを特徴とする請求項１２記載のシステム。
【請求項１９】
第一の粉末材料は、接合被覆材料であり、第二の粉末材料は、トップコート材料であることを特徴とする請求項１２記載のシステム。
【請求項２０】
第一の粉末材料は、第一のホウ素含有量を有し、第二の粉末材料は、この第一のホウ素含有量より低い第二のホウ素含有量を有することを特徴とする請求項１２記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー堆積技術を用いて基体（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上に傾斜機能材料（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ  ｇｒａｄｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を堆積させるための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、基体上に包含物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）なしで粉末金属を堆積させる新しい金属被覆（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）スプレー技術としてコールドガスダイナミックスプレーまたは「コールドスプレー」が導入されてきた。中細（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ／ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）ノズルによってヘリウムおよび／または窒素の超音速ジェットが形成され、これは、粉末粒子を基体の方へ加速してコールドスプレー堆積物または被覆を生成するのに使用される。堆積物は、塑性変形および結合によって基体および先に堆積された層に付着する。米国特許第５，３０２，４１４号および第６，５０２，７６７号は、コールドガスダイナミックスプレー技術を例示している。
【０００３】
現在、接合被覆（ｂｏｎｄ  ｃｏａｔ）は、低圧プラズマ溶射（ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｐｌａｓｍａ  ｓｐｒａｙ）（ＬＰＰＳ）を用いて付与される。ＬＰＰＳシステムの作動および保守は、費用と時間がかかり、処理量が制限される。さらに、ＬＰＰＳは真空チャンバーを必要とする。与えられたチャンバーの大きさによって、処理できる部品の大きさが制限される。
【０００４】
最近、エンジン部品に接合被覆を付与するのに「コールドスプレー」を用いることが本出願人によって提案されてきた。このような接合被覆を付与するためのシステムおよび方法は、「コールドスプレーを用いてエンジン部品に接合被覆を付与する方法（Ａｐｐｌｙｉｎｇ  Ｂｏｎｄ  Ｃｏａｔ  ｔｏ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃｏｌｄ  Ｓｐｒａｙ）」という名称で２００５年３月２３日に出願された同時係属の米国特許出願番号第１１／０８８，３８０号（ＥＨ−１１１０１（０４−３２２））に示されている。
【０００５】
エンジン作動温度、強度条件および同様のものなどに起因して、エンジン軸線方向の長さに沿って材料変化が必要とされる。一般にこのことは、それぞれが異なる材料から構成される別々の部品を製造し、次いで、一緒にボルト止めまたは溶接することを意味する。ある場合には、二つの材料間の不適合性に起因して、溶接を考慮することすらできず、ボルト止めが唯一の選択肢となる。
【特許文献１】米国特許第５，３０２，４１４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５０２，７６７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、コールドスプレー技術を用いて基体上に広範ないろいろの目的で複数の材料を堆積させるためのシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的は、本発明の方法およびシステムによって達成される。
【０００８】
本発明によれば、基体上に複数の材料を堆積させる方法が記載される。方法は概略、堆積させる第一の粉末材料の供給源を用意し、堆積させる第二の粉末材料の供給源を用意し、材料を形成する粉末の粒子を冶金学的に変化させずに材料を組成変形させることによって材料を堆積させるのに十分な速度で基体上に第一の粉末材料および第二の粉末材料を連続して堆積させる、各ステップを含む。
【０００９】
さらに本発明によれば、基体上に複数の材料を堆積させるためのシステムが記載される。システムは概略、堆積させる第一の粉末材料の供給源と、堆積させる第二の粉末材料の供給源と、材料を形成する粉末の粒子を冶金学的に変化させずに材料を組成変形させることによって材料を堆積させるのに十分な速度で基体上に第一の粉末材料および第二の粉末材料を連続して堆積させる手段と、を含む。
【００１０】
本発明のコールドスプレーを用いて傾斜機能材料を生成する方法およびシステムの他の詳細、およびそれに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明中に、および同様の参照符号が同様の部材を図示している添付の図面中に述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで図面を参照すると、図１には、基体または部品１２上に複数の材料を堆積させるためのシステム１０が示される。ここで示すようにシステム１０は、第一の粉末状材料の第一の供給源１４と、第二の粉末状材料の第二の供給源１６とを含む。第一および第二の粉末状材料は、粉末状合金組成などのような粉末状金属材料、粉末状セラミック被覆組成などのような被覆組成、その他とすることができる。第一および第二の粉末状材料は、超合金ＩＮ  ７１８や、ＷＡＳＰＡＬＯＹ、ＩＮ  １００の商品名で販売されている合金、またはＴｉ  ６−４、Ｔｉ  ６−６−４−２、Ｔｉ  ６−２−４−６などのチタン合金、または２０００／４０００／６０００系列のアルミニウム合金などのアルミニウム合金などといった同じ系統（ｆａｍｉｌｙ）から来る二つの粉末状材料とすることができる。代替として、第一および第二の粉末状材料は、異なる粉末金属合金組成などといった異なるものとすることができる。例えば、本発明のシステムは、マグネシウム対アルミニウム合金またはチタン対ニッケル合金を堆積させるのに使用できる。第一および第二の材料のために使用する特定の材料は、被覆される基体または部品のための最終用途の関数である。
【００１２】
第一および第二の粉末状材料それぞれは、５μｍから４０μｍ（０．２〜２．０ミル）の範囲の平均粒子直径を有することができる。粒子は、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物などの圧縮ガスを用いて超音速の速度に加速できる。ヘリウムは、その低分子量に起因して最高の速度を生成するので好ましい気体である。
【００１３】
粉末状材料の供給源１４および１６は、当業技術内で知られる任意の適切な手段によって供給装置ノズル１８に接続できる。供給装置ノズル１８は、当業技術内で知られる任意の適切なノズルを含むことができる。供給装置ノズル１８は、基体１２に対して静止していてもよい。代替として、供給装置ノズル１８は、基体１２に対して移動することができる。例えば、供給装置ノズル１８は、基体または部品１２の表面２２により近づきまたはその表面２２からより離れるよう移動するように構成することができる。それに加えて、基体または部品１２は、軸線方向の長さＬを有しており、供給装置ノズル１８は、軸線方向の長さＬに対しておよび／または第一および第二の粉末材料を堆積させる表面２２に対して、平行な方向２０に移動するように構成することができる。
【００１４】
上述したように、供給源１４および１６は、供給ライン２４および２６などのような当業技術内で知られる任意の適切な手段を用いて供給装置ノズル１８に接続できる。供給源１４および１６それぞれから供給装置ノズル１８に供給される材料の量を調節する手段をシステム１０に組み込むことができる。調節手段は、当業技術内で知られる任意の適切な調節手段を含むことができる。
【００１５】
粉末状材料は、改造された溶射供給装置などといった従来技術で知られる任意の適切な手段を用いてノズル１８に供給できる。供給装置圧力は、主ガスまたはヘッド圧力より一般に１５ｐｓｉ高く、この圧力は通常、粉末組成に依存して、２００ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲にある。主ガスは好ましくは、ガス温度が６００から１２５０°Ｆ、好ましくは７００°から１０００°Ｆ、最も好ましくは７２５から９００°Ｆの範囲にあるように、加熱される。ガスは、ノズル１８の喉部を過ぎて膨張した後に急速に冷却しかつ凝固しないように、加熱できる。正味の効果は、一つまたは複数の粉末組成を堆積する基体または部品１２上の望ましいの表面温度である。
【００１６】
粒子を堆積させるのに使用する主ガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量で、好ましくは１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量で、ノズル１８を通過できる。上述の流量は、主ガスとしてヘリウムを使用する場合に好ましい。主ガスとして窒素を使用する場合、窒素は、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０から３０ＳＣＦＭの流量で、ノズル１８を通過できる。
【００１７】
ノズル１８の圧力は、２００から５００ｐｓｉ、好ましくは２００から４００ｐｓｉ、最も好ましくは２７５から３７５ｐｓｉの範囲とすることができる。粉末状材料は、１０から１００グラム／ｍｉｎ、好ましくは１５から５０グラム／ｍｉｎの範囲の速度で、ノズル１８に供給できる。
【００１８】
粉末状材料は、非酸化性キャリヤーガスを用いてノズル１８に供給できる。キャリヤーガスは、ヘリウムを使用する場合、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭ、好ましくは８から１２ＳＣＦＭの流量で導入できる。窒素を使用する場合、キャリヤーガス流量は、０．００１から３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０から１０ＳＣＦＭの範囲とすることができる。
【００１９】
ノズル１８から放出される粉末状材料の速度は、８２５から１４００ｍ／ｓ、好ましくは８５０から１２００ｍ／ｓの範囲とすることができる。
【００２０】
ノズル１８は、被覆する部材または部品の表面から所定の距離に保持できる。この距離は、スプレー距離として知られており、１０ｍｍから５０ｍｍの範囲とすることができる。
【００２１】
操作において、コールドスプレー方法を用いて表面２２上に第一の粉末状材料を堆積させることができ、粉末状材料粒子は、何ら冶金学的な変化を受けずに塑性変形される。次いで、再度、粉末状材料の粒子が何ら冶金学的な変化を受けずに粉末状材料の粒子を塑性変形させることにより、表面２２上に、または、基体または部品１２の表面上に形成された第一の粉末状材料の層上に、第二の粉末状材料を堆積させることができる。所望ならば、所定長さの期間、第一および第二の材料両方を共堆積（ｃｏ−ｄｅｐｏｓｉｔ）させて、第一の粉末状材料の層と第二の粉末状材料の層の間に移行領域３１を形成できる。
【００２２】
ここで図１を参照すると、基体または部品１２の第一の長さ（領域Ａ）に沿って堆積された第一の粉末状材料の層３０と、第一の長さに隣接する基体または部品１２の第二の長さに沿って共堆積された第一および第二の粉末状材料の層が形成される移行領域３１と、第二の粉末状材料の層が堆積される基体または部品１２の第三の長さ（領域Ｂ）とを有する基体または部品１２が例示される。図１から理解できるように、本発明のシステムを用いて、物品の正味の長さに亘って一つの材料からもう一つの材料へと徐々に移行する複数の粉末堆積物を有する物品を形成できる。この物品は、単一の部品片からアッセンブリ全体を製造できるプリフォームとして使用できる。
【００２３】
図１のシステムはまた、基体または部品１２の表面２２に接合被覆層を施し、次いで、この接合被覆層の上にトップコート（ｔｏｐ  ｃｏａｔ）層を施すのに使用できる。接合被覆層は、供給源１４内に置かれる当業技術内で知られる任意の適切な粉末組成から形成できる。同様に、トップコート層は、供給源１６内に置かれる当業技術内で知られる任意の適切な粉末組成から形成できる。接合被覆材料は、ＭＣｒＡｌＹ材料（ここでＭは、Ｎｉおよび／またはＣｏ、またはこれらの変形物（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）である）とすることができる。トップコート材料は、組成において金属またはセラミックとすることができる。トップコート層は、表面２２上に最初に堆積させることができる。所望ならば、所定長さの期間、トップコート層の上にトップコート層材料および接合被覆層材料を共堆積させて、移行領域を形成できる。その後、この界面層上にトップコート層を堆積できる。このような場合、基体または部品１２は、タービンブレードまたはベーンとすることができる。
【００２４】
図１のシステムは、図２および図３に示すように、所望の長さ（領域３８）、部品１２の表面２２上に傾斜機能材料を堆積させるのに使用できる。傾斜機能材料は、異なる材料から製造される別の部品４４への溶接を可能とするのに使用でき、表面２２上に堆積される移行領域４５を含むことができる。移行領域４５の形成の際、供給源１４および１６の一方をゆっくりと減少させかつ他方を増加させる。結果として、混合された材料の領域が存在する。図３に示すように、部品４４は、溶接、ろう付け、または機械的な固定具を必要としない当業技術内で知られる任意の他の技術などによって、端部４３に結合することができる。図３に示すようなものなどのような製造された物品は、それがボルト止め接続の必要を削除するので高度に望ましい。
【００２５】
ここで図４を参照すると、修理のシナリオでは、図１のシステムは、修理の必要な部品１２の割れ（ｃｒａｃｋ）領域５０に付与されるろう付け粉末のホウ素組成を調節するのに使用できる。例えば、高ホウ素含有量材料を割れ５０の丁度表面に付与し、割れ５０の残りの部分に低ホウ素含有量材料を充填することができる。このような仕方でホウ素含有量の全体を低減させることによって、修理領域の強度が増加し、それによって、優れた修理が達成される。
【００２６】
本発明の方法により利用される結合機構は、厳密に固体状態であり、これは、粒子が塑性変形するけれども溶融はしないことを意味する。粒子上に形成される、または部品または部材の表面上に存在するどのような酸化物層も粉砕され、新鮮な金属対金属の接触が非常な高圧でなされる。
【００２７】
本発明のシステムおよび方法は、それによって、エンジン作動温度、強度条件その他を満足させるのに必要なエンジン部品の軸線方向の長さに沿って変化する材料を有することができるので有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】基体上に複数の材料を堆積させるためのシステムの概略図である。
【図２】異なる材料から製造された別の部品への溶接を可能とするために部品の表面に傾斜機能材料を堆積させるためのシステムの概略図である。
【図３】図２のシステムによって形成された構造に溶接される部品の概略図である。
【図４】部材の割れを修理するためのシステムの概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…システム
１２…部品
１４…第一の粉末状材料の第一の供給源
１６…第二の粉末状材料の第二の供給源
１８…ノズル
【図１】
2006289364.tif 000003
【図２】
2006289364.tif 000004
【図３】
2006289364.tif 000005
【図４】
2006289364.tif 000006