(57)【要約】  表面上に微粒子材料のような材料の堆積のための装置および方法が、記載される。この方法は、所望の表面上に微粒子材料を発射するために衝撃波または圧縮波の使用を採用する。これは、例えば、より高い密度および均一性を示す固体またはコーティングされた表面を調製し得る。
2008540836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面上に微粒子材料を堆積させるための方法であって、堆積時にまたは堆積後に、該微粒子材料が、該表面に固形塊またはコーティングを形成するために該表面および／またはそれ自体と少なくとも部分的に融合し、該方法が、
（１）スプレー端を有し、そしてガスまたはガス混合物を含む管状部材中に、該微粒子材料を入れる工程；
（２）該スプレー端に向かって該管状部材に沿って伝わる、および該表面に向かって該管状部材の外側から伝わる少なくとも１つの衝撃波を生じる工程であって、少なくともいくつかの該微粒子材料が該衝撃波と共にまたは隣接して伝わり、そして該表面での衝撃時に、該微粒子材料および／または該表面の少なくとも部分的な変形、および該表面とおよび／またはもし存在すれば、すでに該表面に堆積している微粒子材料との融合を生じさせるために充分な速度で、該表面に発射される、工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記工程（１）および（２）が、２回以上繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程（１）および（２）が、複数回繰り返され、それによって一連のパルスで、前記材料を堆積させる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記管状部材に沿って伝わる前記少なくとも１つの衝撃波を生じる工程の前に、該方法がさらに、
前記微粒子材料および／または前記ガスまたはガス混合物を加熱する工程、
を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱工程が、前記微粒子材料の微粒子の延性および／または展性を改良するために充分な温度であるが、実質的に該粒子が溶融または部分溶融するためには不充分な温度で前記微粒子材料を加熱する工程を包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記加熱工程が、前記管状部材中に、前記微粒子材料を入れる工程の前に、該微粒子材料を加熱する工程を包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記加熱工程が、前記微粒子材料を２０℃から１２００℃までに加熱する工程を包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記管状部材に沿う前記少なくとも１つの衝撃波の通過により、該衝撃波でまたは隣接して前記ガスまたはガス混合物を加熱し、それによって前記微粒子材料を加熱する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ガスまたはガス混合物が、前記微粒子材料および／または前記管状部材との反応性に関して、実質的に不活性なままである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記微粒子材料が、前記スプレー端から約５００ｍ／ｓから約１５００ｍ／ｓまでの速度で射出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記微粒子材料が、前記スプレー端から約２０℃から約１２００℃までの温度で射出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記衝撃波が、チャンバーを備える衝撃波発生器によって発生し、該チャンバーが、前記管状部材内の前記ガスまたはガス混合物の圧力よりも高い圧力を有するガスまたはガス混合物を含み、該チャンバー内の該ガスまたはガス混合物が、該衝撃波を発生するために該管状部材中に放出される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記放出工程の前に、前記チャンバー内の前記ガスまたはガス混合物が、約２００ｋＰａから約２０ＭＰａの圧力を有し、そして前記管状部材内の前記ガスまたはガス混合物が、大気圧または大気圧付近の圧力を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記放出工程が、前記チャンバーと前記管状部材との間のバルブを開放する工程を包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記衝撃波が、化学反応または爆発反応によって発生する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記入れる工程が、前記微粒子材料を、前記管状部材の壁を介して、および該管状部材の内腔中に注入する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記注入工程が、前記管状部材に沿う前記衝撃波の通過時または通過時付近で起こる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記表面および前記管状部材が、該表面の所望の面積または領域を覆って前記材料を堆積させるために、互いに移動可能である、請求項３に記載の方法。
【請求項１９】
前記管状部材が、その長さ方向に沿って、実質的に均一な断面積を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記管状部材が、約１ｃｍから約２ｍの長さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記微粒子材料が、金属、合金、セラミック、サーメット、ポリマー、または非晶質材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記微粒子材料が、銅、アルミニウム、ニッケルまたはヒドロキシアパタイトを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記表面が、金属、合金、セラミック、サーメット、またはポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記管状部材が、金属、合金、セラミック、サーメット、またはポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
表面上に微粒子材料を堆積させるための装置であって、堆積時にまたは堆積後に、該微粒子材料が、該表面に固形塊またはコーティングを形成するために該表面および／またはそれ自体と少なくとも部分的に変形および融合し、該装置が、
該微粒子材料を受け入れるための管状部材であって、スプレー端を有し、そしてガスまたはガス混合物を含む、管状部材；
少なくとも１つの衝撃波を発生させるための衝撃波発生器であって、該スプレー端に向かって該管状部材に沿って伝わる、および該表面に向かって該管状部材の外側から伝わる少なくとも１つの衝撃波を生じ、少なくともいくつかの該微粒子材料が該衝撃波と共にまたは隣接して伝わり、そして該表面での衝撃時に該微粒子材料および／または該表面の少なくとも部分的な変形、および該表面とおよび／またはもし存在すれば、すでに該表面に堆積している微粒子材料との融合を生じさせるために充分な速度で、該表面に発射される、衝撃波発生器、
を備える、装置。
【請求項２６】
前記衝撃波発生器が、連続して２以上の衝撃波を発生させ得る、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記衝撃波発生手段が、複数の連続する衝撃波を発生させ、それによって前記管状部材の前記スプレー端から、前記微粒子材料の一連のパルスを発生させる、請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記装置が、前記管状部材に沿う前記衝撃波の通過の前に、前記微粒子材料および／または前記ガスまたはガス混合物を予備加熱するための予備加熱手段をさらに備える、請求項２１に記載の装置。
【請求項２９】
前記予備加熱手段が、前記微粒子材料の微粒子の延性および／または展性を改良するために充分な温度であるが、実質的に該粒子が溶融または部分溶融するためには不充分な温度で該微粒子材料を加熱する、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記予備加熱手段が、前記管状部材中に、前記微粒子材料を注入する前に、該微粒子材料を加熱する、請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記予備加熱手段が、前記微粒子材料を２０℃から１２００℃までに加熱する、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記管状部材に沿う前記少なくとも１つの衝撃波の通過により、該衝撃波でまたは隣接して前記ガスまたはガス混合物を加熱し、それによって前記微粒子材料を加熱する、請求項２５に記載の装置。
【請求項３３】
前記ガスまたはガス混合物が、前記管状部材に沿う前記少なくとも１つの衝撃波の通過の間および前記表面に向かって前記微粒子材料を発射する間、該微粒子材料および／または該管状部材との反応性に関して、実質的に不活性なままである、請求項２５に記載の装置。
【請求項３４】
前記衝撃波発生器が、前記微粒子材料を、５００ｍ／ｓから１５００ｍ／ｓまでの速度で、前記スプレー端から射出させるのに充分な速度を有する衝撃波を発生させる、請求項２５に記載の装置。
【請求項３５】
前記衝撃波発生器が、前記微粒子材料を、２０℃から１２００℃までの温度で、前記スプレー端から射出させるのに充分な速度を有する衝撃波を発生させる、請求項２５に記載の装置。
【請求項３６】
前記衝撃波発生器がチャンバーを備え、そしてそれぞれの衝撃波が、該チャンバーを、前記管状部材内の前記ガスまたはガス混合物の圧力よりも高い圧力を有するガスまたはガス混合物で満たし、そして該加圧されたガスまたはガス混合物を該管状部材中に放出することによって発生される、請求項２５に記載の装置。
【請求項３７】
前記放出の前に、前記チャンバー内の前記ガスまたはガス混合物が、約２００ｋＰａから約２０ＭＰａの圧力を有し、そして前記管状部材内の前記ガスまたはガス混合物が、大気圧またはほぼ大気圧の圧力を有する、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記装置が、前記チャンバーと前記管状部材との間にバルブをさらに備え、そして前記放出が、該バルブの開放を含む、請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
前記衝撃波発生器が、化学反応手段または爆発反応手段を備え、該化学反応手段または爆発手段によって起こる化学反応または爆発反応が、前記衝撃波を発生させる、請求項２５に記載の装置。
【請求項４０】
前記装置が、さらに、前記管状部材中に前記微粒子材料の一部を入れるための注入手段を、好ましくは前記衝撃波発生器によってそれぞれの衝撃波の発生点または発生点付近に備える、請求項２５に記載の装置。
【請求項４１】
前記微粒子材料の各部分が、前記衝撃波発生器に隣接する前記スプレー端の反対の前記管状部材の端で、該管状部材中に注入される、請求項２５に記載の装置。
【請求項４２】
前記表面および前記管状部材が、該表面の所望の面積または領域を覆って前記材料を堆積させるために、互いに移動可能である、請求項２５に記載の装置。
【請求項４３】
前記管状部材が、その長さ方向に沿って、実質的に均一な断面積を有する、請求項２５に記載の装置。
【請求項４４】
前記管状部材が、約１ｃｍから約２ｍの長さを有する、請求項２５に記載の装置。
【請求項４５】
前記微粒子材料が、金属、合金、セラミック、サーメット、ポリマー、または非晶質材料を含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項４６】
前記微粒子材料が、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、またはヒドロキシアパタイトを含む、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記基材が、金属、合金、セラミック、サーメット、またはポリマーを含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項４８】
前記管状部材が、金属、合金、セラミック、サーメット、またはポリマーを含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項４９】
表面上に微粒子材料を堆積させるための請求項２５から４９のいずれかの項に記載の装置の使用であって、それによって、該表面上に少なくとも１つの該材料の層を形成する、使用。
【請求項５０】
請求項１から２４のいずれかの項に記載の方法によって微粒子材料を堆積することによって形成された、材料。
【請求項５１】
前記材料が、基材上にコーティングまたは部分的にコーティングを形成する、請求項５０に記載の材料。
【請求項５２】
前記材料が、網目に近い形状を形成する、請求項５１に記載の材料。
【請求項５３】
請求項５０に記載の材料の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料堆積の分野に関する。特に、本発明は、材料が物体またはコーティングを形成するような様式で、微粒子または粉末状材料を堆積させるための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造物が作製される場合、鋳造、鍛造などの工程が用いられ、特定の適用のために求められる大きな機械的特性を有する所望の形状を材料に付与する。しかし、多くの適用において、物体の表面は、数例を挙げると、研磨、腐食および高温環境のような種々の厳しい環境に曝される。これらの環境は、物体の表面およびその特性を劣化させ得、結局、その損傷に導く。熱スプレー（ＴＳ）工程は、数ミクロンから数ミリメートルの厚さのコーティングを堆積するために用いられ、コーティングされた表面の劣化を防止する。ＴＳ技術は、ますます多数の製造物によって用いられ、高品質の競争力のある製品を製造する。ＴＳは、幅広い種々の工程を包含し、しばしば共通の目的を有する：性能および／または寿命を高めるために既存の物体の表面特性を改変する。あるいは、ＴＳ工程は、特定の形状または形態を有する物体を得るために、材料堆積を可能にし得る。
【０００３】
代表的には、ＴＳ工程は、粉末、ワイヤーまたは棒形態の原料が、好ましくはコーティングされる表面上で加速される溶融または半溶融小滴状態に加熱されるという共通点を有する。衝撃の際、微粒子は、変形し、基材に付着し、そしてもし、それらが溶融していれば固体化し、層状構造を構築して所望のコーティングを形成する。原料微粒子を加熱または溶融するための加熱源は、例えば、炎（燃料の燃焼により生じる）または電気アーク（ガスのイオン化により生じる）であり得る。微粒子は、基材に向かう加熱ガスの流れによって加速される。完全なコーティングは、スプレー装置または基材を互いに動かすことによって達成され得、そして多数のスプレー通路が、所望のコーティング厚みを達成し得る。
【０００４】
ＴＳ工程は、金属、合金、セラミック、ポリマー、サーメットまたはカーバイドコーティングを付与することによって、種々の材料の広範な物体／表面の表面特性を改変または高めるために用いられ得る。ＴＳコーティングは、数例を挙げると、ガスおよび蒸気タービン、自動車エンジン、鉄鋼製造および圧延、造船および修理、化学処理プラント、電気事業、紙パルプ分野、防衛航空宇宙デバイス、食品処理プラントおよび採掘業のような幅広い種々の工業分野および製品で用いられる。
【０００５】
種々の基材に付与されるコーティングは、一般的に、その機能に応じて分類される。いくつかの重要なコーティング機能は、数例を挙げると、耐摩耗性、耐化学性、断熱性の付与、耐腐食性、電気伝導性または電気抵抗性、生体適合性、放射線遮蔽、研磨および単なる化粧である。コーティングは、必要に応じて、１を超える機能を付与し得る。
【０００６】
衝撃前の微粒子温度および速度は、コーティングの品質を決定する重要なパラメータの組み合わせである。歴史的に、ＴＳ工程は、より速い微粒子衝撃速度で放出する。なぜなら、一般的に、改良された結合強度および減少した残留応力を有するより密なコーティングになるからである。以前に、これは、超音速に達するように、収束分散ノズルを介して噴射剤ガス／混合物を加速することによって達成され、噴射剤／微粒子の瞬時の移動を増加させる。しかし、微粒子が衝撃前に完全に溶融すると、速い微粒子速度は不利になり得る。この場合、溶融した微粒子に与える力は、非常に大きくなり得るので、微粒子の分裂および／または衝撃での微粒子の飛び散りを導く。得られるコーティングは密ではなく、強力な結合強度を示さない。したがって、この現象を避けるために、微粒子速度が増すので、微粒子温度を下げることは通例である。
【０００７】
衝撃前の微粒子の化学および微細構造組成はまた、コーティングの特性および品質に影響を与える重要なパラメータである。ほとんどの既存のＴＳ工程は、微粒子を加速するために注入され、必要に応じて加熱される高い反応性の噴射剤ガス混合物のため、衝撃前の微粒子の化学組成および微細構造の制御に欠ける。これは、微粒子の酸化を導き、微細構造および／または化学組成を変化させる。したがって、コーティングの化学組成および微細構造を予測すること、および要求されるコーティング特性に基づいて原料を調整することは困難である。同じ理由のため、ナノ結晶コーティングを製造することは、微粒子およびコーティングの加熱によりコーティング内での結晶粒成長に直面するため、ＴＳ工程を用いる難題である。
【０００８】
全ての工業分野においてＴＳコーティングが広く使用されているにもかかわらず、より高性能でより長い耐久性のＴＳコーティングおよび物体を製造するために、製造業者から一定の要求がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、少なくとも好ましい実施態様において、材料が物体またはコーティングを形成するような様式で、粉末状または微粒子材料を堆積させるための方法を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、少なくとも好ましい実施態様において、一旦堆積した材料が物体またはコーティングを形成するように粉末状または微粒子材料を堆積させるための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの局面において、本発明は、堆積時または堆積後、微粒子材料が、表面に固体塊またはコーティングを形成するために該表面および／またはそれ自体と少なくとも部分的に融合するように、基材の表面上に微粒子材料を堆積させるための方法を提供し、該方法が、
（１）スプレー端を有し、そしてガスまたはガス混合物を含む管状部材中に、該微粒子材料を入れる工程；
（２）該スプレー端に向かって該管状部材に沿って伝わる、および該表面に向かって該管状部材の外側から伝わる少なくとも１つの衝撃波を生じる工程であって、少なくともいくつかの該微粒子材料が該衝撃波と共にまたは隣接して伝わり、そして該表面での衝撃時に、該微粒子材料および／または該表面の少なくとも部分的な変形、および該表面とおよび／またはもし存在すれば、すでに該表面に堆積している微粒子材料との融合を生じさせるために充分な速度で、該表面に発射される工程を包含する。
【００１２】
別の局面において、本発明は、堆積時または堆積後、微粒子材料が、表面に固形塊またはコーティングを形成するために該表面および／またはそれ自体と少なくとも部分的に融合するように、基材の表面上に微粒子材料を堆積させるための装置を提供し、該装置が、
該微粒子材料を受け入れるための管状部材であって、スプレー端を有し、そしてガスまたはガス混合物を含む、管状部材；
少なくとも１つの衝撃波を発生させるための衝撃波発生器であって、該スプレー端に向かって該管状部材に沿って伝わる、および該表面に向かって該管状部材の外側から伝わる少なくとも１つの衝撃波を生じ、少なくともいくつかの該微粒子材料が該衝撃波と共にまたは隣接して伝わり、そして該表面での衝撃時に、該微粒子材料および／または該表面の少なくとも部分的な変形、および該表面とおよび／またはもし存在すれば、すでに該表面に堆積している微粒子材料との融合を生じさせるために充分な速度で、該表面に発射される、衝撃波発生器を備える。
【００１３】
本発明の特に好ましい実施態様では、上記微粒子材料は、本発明の装置の管状部材中に入れる前に加熱される。
【００１４】
本発明はまた、他の局面において、本発明の方法によってまたは本発明の装置を用いて微粒子材料の堆積により形成された材料を包含する。このような材料は、基材上のコーティングまたは部分的なコーティングの形をとり、あるいは網目に近い形をとり得る。
【００１５】
定義
コーティング：基材の表面を部分的または完全に被覆することをいい、本発明の方法により達成される。好ましくは、一旦形成されると、コーティングは、容易に擦り減らないまたはそうでなければ基材の手操作によって表面から取れない点で、少なくとも実質的に硬い。
【００１６】
コールドスプレー：選択された本発明の方法および先行技術の方法をいい、表面への堆積のための材料の加速および発射前に、微粒子材料の部分的な溶融さえも生じるには不充分な微粒子材料の加熱を含む。代表的には、例えば、コールドスプレー技術は、微粒子材料および／または基材の微粒子の変形に頼り、該微粒子の互いの衝撃および／または基材の表面の衝撃前に加熱により溶融状態を採用するための該微粒子材料の誘導よりもむしろ、微粒子材料および／または基材間にある程度の融合を生じる。
【００１７】
圧縮波：任意の形態の波、代表的には、衝撃波よりも低いエネルギーの波をいい、これは、衝撃波発生器によって形成され、他の圧縮波と合体するのに適切であり、好ましくは、組織化された様式で、衝撃波を形成する。このような圧縮波は、衝撃波発生器において圧力が解放されるとき、または衝撃波が化学反応または爆発反応によって発生するときに、代表的に形成される。
【００１８】
融合／融合する：互いに接触したときの材料の付着のことをいい、特に、本発明により基材に向かって発射されるときの互いへのまたは基材表面への材料の微粒子の付着のことをいう。このような融合としては、限定されないが、機械的な結合および／または金属的な結合が挙げられ得る。代表的には、このような粒子および／または基材は、それらの間の衝撃時に少なくとも部分的な変形を受け得る。
【００１９】
網目に近い形状：選択された本発明の方法でおよび／または本発明の選択された装置を用いることによって堆積した材料を層にすることによって生じる特定の三次元形状を有する物体をいう。
【００２０】
粉末／微粒子材料／原料粉末：これらの用語は相互交換可能であり、そして本発明の方法および装置に関連する使用のために適切な粉末状／微粒子形態の任意の材料をいい、本明細書に記載されているような方法に供されると、物体またはコーティングを形成する。
【００２１】
好ましくは：他に記載がない限り、用語「好ましくは」の使用は、本発明の最も広い実施態様のみの好ましい特徴をいう。
【００２２】
噴射剤ガス混合物／ガス／ガス混合物：実質的に他のガスまたは材料を含まない単一のガスを含み得、あるいは必要とされる種々のガスの混合物を含み得る。好ましくは、１または複数のガスは、本発明の方法の間、全ての範囲の温度および圧力条件で、微粒子材料および／または本発明の装置に対して実質的に不活性である。
【００２３】
静止した：本願の文脈において、静止したガスをいい、このガスは、本願の教示による衝撃波が現在伝わっていない任意のガスまたはガス混合物である。静止したガスは、そうでなければ、衝撃波の不存在を除いて、制限された空間内の内部流体の動き、温度、またはガスの他の特性を含み得る。衝撃波のガスの通過時に、ガスは、別の衝撃波の通過の前に、静止状態、または部分的に静止した状態に戻り得る。
【００２４】
衝撃波：例えば、管状部材のスプレー端に向かって、管状部材内で微粒子材料を動かすために適切な、衝撃波発生器のような任意のデバイスによって発生した衝撃波をいう。本発明の方法または装置の他の代替の実施態様では、衝撃波は、化学反応または爆発反応によって発生し得る。代表的には、必須ではないが、衝撃波は、衝撃波発生器によって発生する圧縮波の蓄積および合体から生じる。本発明の装置によれば、このような合体は、例えば、衝撃波発生器において、衝撃波発生器と管状部材との間、または管状部材内で、管状部材中への圧縮波の通過後に生じ得る。選択された実施態様では、例えば、管状部材に沿った衝撃波の通過は、管状部材内のガス／ガス混合物の圧力および温度を、例えば、数℃および数ｋＰａ以上にも高め得る。
【００２５】
衝撃波発生器：１つ以上の衝撃波を発生し得るか、または１つ以上の衝撃波に合体するために適切な複数の圧縮波を発生し得る任意のデバイスをいう。このようなデバイスは、例えば、ガスまたはガス混合物を含むいくつかの形態のチャンバー、およびチャンバー内のガスまたはガス混合物の圧力を高める手段を含み得る。このような圧力の解放時に、衝撃波（または少なくとも衝撃波を形成するために適切な圧縮波）が発生し放出される。１つの例として、圧縮波は、本発明の装置の管状部材に入り、次いで、管状部材内で合体し、管状部材の長さ方向に伝わる衝撃波を形成し得る。しかし、このような衝撃波は、少なくとも好ましい実施態様では、任意の形状の波を管状部材内に入れる前に形成され得、そして衝撃波発生器によって直接発生され得る。衝撃波発生器はまた、選択された実施態様では、衝撃波を発生させるために適切な化学反応または爆発反応を引き起こす手段を含み得る。
【００２６】
固体塊：本発明の方法で材料堆積によって生じる任意の三次元物体をいう。
【００２７】
スプレー／スプレー工程：本発明の装置からの微粒子材料の発射をいう。このようなスプレー工程は、非常に指向性および焦点を合わせた様式か比較的ランダムな様式かのいずれかで装置からの微粒子噴出の任意の形態を包含し得る。スプレー工程はまた、本発明の装置、または少なくとも本発明の装置のスプレーガンが、基材または基材の表面に対して動く本発明の実施態様を包含し得る。
【００２８】
基材：表面にコーティングまたは網目に近い形状のような固体塊の製造のための基礎を提供するための材料が本発明の方法で堆積した表面を有する本体である。本体は、表面上に堆積した材料と異なるかまたは同一の材料を含み得る。さらに、本体は、必要に応じて、既に本体の表面に堆積している材料の表層を含み得るかまたは除外し得る。
【００２９】
表面：基材の表面または本発明により堆積された材料を含む表面をいう。さらに、基材の表面は、基材の材料の表面を含み得るが、既に基材の材料に堆積されている微粒子材料の表面もまた含み得る。
【００３０】
管／管状部材：本発明の教示による表面への堆積のために適切な様式で管内において微粒子材料および／またはガスまたはガス混合物を加速、必要に応じて、加熱する目的による衝撃波の通過のために適切な形状を有する任意の部材をいう。管は、直線状または湾曲状であり得、均一または不均一な断面積／内腔を有し得、円形／正方形／任意の他の断面の形状を有し得、そして限定されないが、金属／プラスチック／ポリマー／樹脂／合金などを含む任意の材料が含まれ得る。管状部材という表現は、樽型、管、銃身、スプレーガン、ガンなどの全てへの言い方を包含する。代表的には、必須ではないが、管状部材は、微粒子材料がそこから発する衝撃波と共に発射されるスプレー端を含み得る。さらに、スプレー端の反対側の管状部材の端は、好ましくは、衝撃波発生器が取り付けられ得る。スプレー端またはスプレー端の反対側の端（衝撃波発生器に隣接する）のいずれかまたは両方は、バルブを含み得る。例えば、選択された実施態様では、圧力は、管状部材内の圧力に対して衝撃波発生器内で高められ得、そして管状部材と衝撃波発生器との間のバルブの開放は、衝撃波を生じさせ得、そして衝撃波発生器から管状部材に沿って通過する。他の実施態様では、バルブは、管状部材の両端に存在し得、所望によりそれぞれ選択的に開放および／または閉塞し得る。このように、管状部材の内部状態（ガス濃度、微粒子材料、圧力、温度など）は、そこを通過する衝撃波の発生および通過の前に調整され得る。両方のバルブは、衝撃波が発生すると、同時に（またはほぼ同時に）開放され得、それによって、管状部材のスプレー端から微粒子材料が噴出される。選択された実施態様では、管状部材は、さらに、衝撃波が管状部材を通過する時点または通過前に、そこに微粒子材料を入れるために使用するいくつかの形態の注入口を含み得る。より好ましくは、微粒子材料は、衝撃波の通過の直前に、管状部材中に入れられる。
【００３１】
硬い：本発明の方法で微粒子材料の堆積により生成するコーティングまたは固体塊の特性をいう。用語硬いは、コーティングまたは固体塊の性質と微粒子材料の性質とを区別することを意図しており、重力または別の外力によってそのように影響を受ける場合、流動する傾向にある。対照的に、本発明により生成するコーティングまたは固体塊は、少なくとも部分的に一緒に融合および／または基材の表面と融合している微粒子材料を含む。そのため、材料は、一般的に小さな外力の付与時に流動し得ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は、現存する表面上に高性能な弾力のあるコーティングを付与するための熱スプレー（ＴＳ）処理に関し、高性能な弾力のある成形物体を生成するための網目に近い形状の製造に関する。好ましい実施態様では、本発明は、粉末微粒子を基材に向かって簡単かつ効果的に加速し、必要に応じて加熱する新規の方法および装置に関する。任意の加熱は、例えば、衝撃波が粉末微粒子の動きと相互作用または粉末微粒子を動かすときに、起こり得る。新規の方法および装置は、使用される噴射剤ガス混合物の非反応性の性質および／または使用される噴射剤ガス混合物を加速するために用いられる機械的手段によって、粉末の分解がほとんど生じない微粒子の速度および温度範囲を可能にする。達成できる速度および温度範囲、ならびに基材への衝撃前の微粒子の化学組成および微細構造の優れた制御が、先行技術の方法によって達成し得るものと比較して、より高品質のコーティングまたは網目に近い形状を生じ得る。さらに、本発明は、衝撃波発生器の使用を包含し、最初の静止したガスの速度および温度を生成する可動性の衝撃波を作り出す。次いで、この流動するガスは、所望の衝撃速度および温度まで粉末微粒子を加速する、必要に応じて、加熱するために使用される。
【００３３】
本発明の方法は、衝撃波または合体して衝撃波になる圧縮波の発生、および静止したガス中に原料粉末を含むスプレーガン内の衝撃波の通過を強制する工程を包含する。
【００３４】
選択された実施態様では、本発明は、静止したガスを含むスプレーガンによって指向された圧縮波を使用する。圧縮波は、ガン中へ伝わって、合体して衝撃波になり、スプレーガンの出口に向かって移動する。スプレーガン内の衝撃波の通過は、最初の静止したガスの背後の流れ、必要に応じて、加熱を誘導する。このガスの流れは、基材に向かってスプレーガンに最初に存在した原料を加速、必要に応じて、加熱するために使用される。好ましくは、この工程は、予め決められた頻度で循環様式で繰り返す。さらに、スプレーガンおよびコーティングされる表面は、互いに移動され得、それによって、より広い表面積を覆ってスプレーされる。
【００３５】
記載されるように、衝撃波の通過は、スプレーガン内で微粒子材料の加熱を引き起こし得るかまたは引き起こし得ない。好ましくは、微粒子材料の加熱は、不充分（または少なくとも実質的に不充分）であり得、微粒子材料の部分的な溶融さえ生じる。この方法では、微粒子材料は、実質的に固体形状でスプレーガンから噴出され得、そして基材の表面での衝撃時に変形および／または融合する。選択された実施態様では、本発明の方法は、予備加熱工程の使用を包含し、衝撃波の通過前またはスプレーガン中に微粒子材料を入れる前に、微粒子材料を予備加熱する。この予備加熱は、微粒子材料の温度を周囲の温度に対して上昇させる。しかし、好ましくは、予備加熱は、微粒子材料を溶融または部分的に溶融させるためには不充分である。代表的には、このような微粒子材料の予備加熱は、微粒子材料を２０℃から１２００℃までに加熱し得る。しかし、予備加熱温度は、微粒子材料および／または微粒子材料が堆積している基材の付与および性質に依存して、この範囲を超えてでさえ変化し得る。いくつかの実施態様では、予備加熱は、表面での衝撃時に材料を変形および／または融合させるのに充分な程度まで、微粒子材料の延性または展性を確保するために必要とされ得る。このような実施態様は、実施例を参照してより詳細に記載される。好ましくは、微粒子材料の任意の予備加熱は、スプレーガンへの微粒子材料の注入の間および後、スプレーガンの通過、およびスプレーガンからそして基材への微粒子材料の噴出の間に微粒子材料の温度を上昇させる。例えば、微粒子材料は、スプレーガンへの注入前に予備加熱され得、次いで、スプレーガンへの注入のほぼ直後に衝撃波を受け得る。そのため、微粒子材料は、スプレーガンからの噴出前に、任意の著しい程度まで冷却させる時間を有さない。他の実施態様では、スプレーガン内の１または複数のガスが予備加熱され得、これは、スプレーガンを通過中または通過する間に、微粒子材料に充分な加熱を付与し、必要な質の延性または展性を付与するために充分であり得る。
【００３６】
本発明の方法は、任意の適切な装置で行われ得、１以上の衝撃波を発生するための任意の手段、および表面上に所望なように微粒子材料を発射するために衝撃波を用いる任意の手段を含む。本発明は、さらに、特定の装置およびその構成を参照して記載されるが、このような装置およびその構成は、本発明の方法の範囲をいかなるようにも限定しない。
【００３７】
スプレーガン
スプレーガンの形状は、非常に変動し得る。例えば、スプレーガンは、円形、長方形、正方形、または所望のスプレー特性を達成するために適切な任意の必要な断面形状の管または樽型を含み得る。好ましくは、樽型の内部形状は、スプレーされる断片に適合され得るか、または所望の形成されるコーティングまたは固体の形状に適合され得る。スプレーガンの断面は、好ましくは均一であるが、特定の実施態様では、ガンの長さ方向に沿って変化し得、例えば、ガンの長さ方向に沿った境界層効果のような空気力学効果を相殺する。
【００３８】
工程の開始において、少なくとも選択された実施態様では、スプレーガンは、一端（ガン入口）が閉塞され、他端（ガン出口）が開放され得、静止したガスで満たされている。ガスは、好ましくは、ヘリウムまたは窒素または両方の混合物のような不活性ガスであるが、その他のガスおよび混合物もまた使用され得る。一定量の原料はまた、工程の開始時または開始後すぐにガン内に存在し、好ましくはガン入口付近に存在する。
【００３９】
次いで、バルブのようなデバイスは、ガン入口を開放し、そして衝撃波または圧縮波をガン中に入れる。これらの波は、ガンの出口に向かって伝わり、そして必要に応じて合体し、ガンの出口に向かって伝わる衝撃波を形成する。スプレーガン内のこの衝撃波の通過は、最初にその背後で静止したガスの流れおよび加熱を誘導する。次いで、このガスの流れは、樽型の長さの少なくとも一部に沿って原料を加速し（好ましくは加熱し）、ガン出口でガンを出て基材に向かう。基材との衝撃時に、原料は、基材材料を、少なくとも部分的に変形し、および／またはその衝撃速度および温度に依存して、少なくとも部分的に変形させる。この方法では、原料は基材に付着する。理論によって縛られることなく、この付着は、おそらく機械的な結合および／または金属的な結合を含むようであり、それによってコーティングを形成する。
【００４０】
好ましい実施態様では、樽型または管状部材中のガスまたはガス混合物は、連続する衝撃波の間に、静止状態またはほとんど静止状態に戻るか、または大気圧または大気圧付近に戻る。
【００４１】
この工程は、好ましくは予め決められた頻度で循環様式で繰り返される。
本発明の好ましい実施態様では、スプレーガンは、上記記載の工程が、好ましくは予め決められた頻度で循環様式で繰り返され得る。例えば、この点を補助するために、スプレーガンは、ガン内部のガスによって曝される圧力および温度に耐え得る；およびガスと原料との反応を最小限にし得る材料でなり得る。スプレーガンの長さは、必要とされるコーティングおよびコーティング特性を得るために、加速される原料微粒子ならびに必要とされる粒子衝撃速度および温度に依存して変化し得る。好ましくは、スプレーガンの長さは、１ｃｍから２ｍまで変化し得る。スプレーガンは、用途によって、必要に応じて曲げられ得る。
【００４２】
粉末の注入
好ましくは、原料粉末は、スプレーガン内部、入口近くに、熱スプレー工程で用いられるものと類似または同一の粉末供給装置のような機械的な手段によって注入され得、一方、スプレーガン内のガスは、衝撃波の通過前は静止またはほとんど静止している。衝撃波が銃身内に「注入」されると（または、合体して衝撃波になる圧縮波が注入されると）、バルブは、粉末供給装置とスプレーガンとの間の通路を閉じ、一方、原料粉末は、基材に向かって加速される。このバルブは、ガン内部の圧力が周囲の圧力レベルまたはほぼ周囲の圧力レベルに達した後に開放する。次いで、循環工程の場合において（すなわち、衝撃波のパルス）、粉末の追加の充填は、次の衝撃波の通過前にガン内に注入される。好ましくは、原料粉末は、スプレーガンの内腔中へ圧力下で注入される。これは、衝撃波間で、スプレーガンの内部圧力が、大気圧または大気圧付近、あるいは装置のまわりの環境の外圧にまで減少しない場合に、特に、有用である。
【００４３】
スプレーガン内部の静止したガスは予備加熱され得る。ガス汚染を避けるために、電気ヒーターが好ましく用いられ、ガスを予備加熱する。
【００４４】
好ましい実施態様では、微粒子材料は、衝撃波の通過の直前に、スプレーガン内に注入され得る。
【００４５】
圧縮波発生器
衝撃波または圧縮波は、好ましくは、バルブによってスプレーガン入口に接続された圧縮波発生器によって発生する。バルブ開放前に、発生器はガスで満たされ、好ましくは、ヘリウムまたは窒素または両方の混合物のような不活性ガスであるが、他のガスおよび混合物も用いられ得る。圧縮波発生器内のガスは、好ましくは１５０ｋＰａを超える圧力であり、および好ましくは０℃を超える温度である。ガスの圧力および温度に耐え得る限り、発生器は管、フレキシブルなホースまたは他の容器であり得る。フレキシブルなホースはまた、ガスの圧力および温度に耐え得る限り用いられ得る。衝撃は、この衝撃発生器にガスを満たすことによって生じ、好ましくは、圧力は２００ｋＰａと２０ＭＰａとの間であり、そして好ましくは、温度は２０℃と１２００℃との間である。
【００４６】
一旦、発生器が、所望の圧力および温度でガスが満たされると、発生器およびスプレーガンを接続するバルブは迅速に開放され、発生器とスプレー管との間の境界面を作り出し、それによって、圧縮波を発生器から離れさせ、スプレー管の端に向かってスプレー管内の静止したガスに伝わる。好ましくは、これらの圧縮波は、合体してスプレーガン内において背後にガスの流れを誘導する衝撃波を形成する。
【００４７】
同時に、膨張波がまた、発生器／ガン境界面で発生し、発生器内を伝播し、発生器内部のガスの圧力を減少させる。
【００４８】
一旦、スプレーガン中に充填された微粒子が基材に衝突すると（または、微粒子が基材に衝突する直前に）、衝撃発生器とスプレーガンとを接続するバルブは閉じられ、衝撃発生器は、再度、高圧ガスで満たされ、一方、新しい固体微粒子がスプレーガン内に導入される。所望であれば、コーティングを構築するために循環様式で操作が繰り返され得る。
【００４９】
好ましい実施態様では、発生器内部のガスは予備加熱され得る。ガス汚染を避けるために、好ましくは電気ヒーターが用いられ、ガスを予備加熱する。バルブの開閉は、好ましくは、操作パラメータおよびスプレーガンと発生器との寸法のパラメータに基づく頻度で、自動化される。
【００５０】
本発明を用いて付与されるコーティングは、少なくとも好ましい実施態様では、最初の原料粉末に関して、現存の熱スプレー装置および方法を用いて付与されたコーティングよりも密で、より硬く、より均一であり、より小さな残留応力を有し、より高い結合力を有し、そしてほとんど酸化、化学変化および／または微細構造変化を示さないと予測される。本発明の工程は、非反応性のガス／混合物噴射剤を、同時に高速および中間温度に到達させる（５００〜１５００ｍ／ｓおよび２０℃〜１２００℃の範囲）。飛行中のこの温度範囲および非反応性の環境が、コーティングの質の改善になる。
【００５１】
理論によって縛られることなく、少なくとも好ましい実施態様では、本明細書に記載される装置および方法は、先行技術の選択された方法および装置と比較して、以下の特定の特徴を提供する。
【００５２】
１−装置は、単純なスプレーガン形状、例えば、速いガス速度に到達するために必要とされる収束／分散ノズルがなく、したがって、装置は、より単純でより安価に、設計および製造される。
２−これは、用途に応じて種々のスプレーガン断面（円形、正方形、長方形、だ円形など）の使用が可能である。
３−スプレーガン内部の原料微粒子は、目詰まりがない（または少なくとも目詰まりが減少している）。なぜなら、収束部分がなく、したがって、中断することなく、より長時間のスプレーが可能であり、それによって生産性が改善する。
４−単純なガン形状のため、スプレーガン部分は、数秒間で容易に取り替えられ得、特定のタイプの材料または異なる操作パラメータのための、より長い加速領域の要求に適合する。
５−スプレーガンの単純な形状のため、それは、容易に曲げられ得、内径にスプレーし得るまたは表面に到達しにくい。
６−スプレーガン内の注入位置での圧力が大気圧またはほぼ大気圧にもどる場合、原料の注入は、好ましくは２つの衝撃波の通過の間に行われる。したがって、単純で安価な粉末供給システムが用いられ得る。
７−ガスの流れの一時的な性質のため、微粒子を加速させるためのガスの使用のほぼ最適化が、達成され得、操作コストがより低くなる。
８−高い堆積効率が記録される（７０％を超える）。
９−ガスが予備加熱されると、衝撃波通過後に高いガス温度が達成され得るので、セラミックスのスプレーが可能である。
１０−微粒子は、準一定の速度の流れに曝される。なぜなら、ガンは（境界層効果を無視する）収束−分散ノズルではなく、微粒子への運動量移動を最大にするからである。
１１−微粒子は、準一定の温度の流れに曝される。なぜなら、ガンは（境界層効果を無視する）収束−分散ノズルではなく、微粒子への熱移動を最大にするからである。
１２−初期の静止したガスの温度を設定することおよび／または衝撃波の通過前または本発明の装置の管状部材中への侵入前に微粒子材料を予備加熱することによって、微粒子が加速中に曝される温度に予備設定することが可能である。
１３−多くの先行技術の方法よりもノイズが少ない方法である。
１４−特定の実施例の下では、基材の加熱が、ほとんど必要とされ得ないかまたは全く必要とされ得ない。
１５−単なる機械的な結合よりもむしろ真の金属的な結合の可能性がある。
１６−可燃性のガスは、本発明の装置および方法の安全性を高めない。
１７−真空システムが必要とされない。
【００５３】
先行技術のコールドスプレー装置および方法と共有の特徴（最初のガス温度は、原料の融点または軟化点以下に保たれる）。
【００５４】
１−原料が溶融または軟化せず、したがって化学変化および／または相変化を生じない。結晶成長がないため、ナノ結晶材料、準安定性材料および温度感受性材料のスプレーが可能である。
２−窒素またはヘリウムが用いられる場合、コーティングおよび基材の酸化がほとんどまたは全く生じない。
３−基材に付着しなかった粉末のリサイクルが可能である。
４−網目に近い成形が可能である。
５−過剰なスプレーがほとんどまたは全くないため、マスキングが最小限に減少され得るかまたは全く必要とされない。
６−最小限の表面調製が必要とされる。
７−非常に機械加工可能なコーティングが生成され得る。
８−コーティングの均一な微細構造。
９−最小限の残留応力。
１０−毒性ガスまたは化学反応性がない。
１１−広範囲のコーティング（Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ合金、サーメットなど）。
１２−速い衝撃速度のため、スプレー前のグリットブラスチングの潜在的な除去。
１３−高速が、より大きなスプレー角度で、高質のコーティングにする。
１４−基材加熱の減少。
１５−先進的な操作様式は、１つのパルスから次のパルスまで交互に順に供給される多様な粉末タイプのための多様な粉末供給口の使用を含み、傾斜機能コーティングが生成される。
１６−高密度のコーティング。
１７−高い熱伝導性および電気伝導性のコーティング。
１８−非常に細工された微細構造−高い硬度。
１９−基材の輪郭が非常に良好に続く。
【００５５】
これらおよびさらにおよび他の本発明の利点および特徴は、開示全体のレビューにより当業者に明らかである。理解されるように、本発明は、他のおよび異なる実施態様に従い、そしてそのいくつかの詳細は、本発明から逸脱することなく全ての種々の明らかな点で改変可能である。したがって、以下の実施例、図面、および説明は、例示とみなされるべきであり、まったく限定されない。
【実施例】
【００５６】
実施例１−衝撃波の通過後の本発明の装置のスプレーガンにおける誘導されたガスの速度および温度
以下の表は、衝撃発生器内部の初期圧力および温度の関数として、衝撃波の通過後の本発明の装置のスプレーガンにおける誘導されたガスの速度および温度を示す。表１および３では、ヘリウムを使用し、一方、表２および４では、窒素を使用する。予測される結果の表は、当業者に周知の一次元気体力学理論に基づく。
【００５７】
【表１】
2008540836.tif 000003
【００５８】
【表２】
2008540836.tif 000004
【００５９】
周知の流体力学の法則に関する一次元気体力学理論を用いる改良された理論モデリングの研究が、表１および２に関してより正確な予測の発生を可能にした。これらの改良されたモデリングの研究を、以下の表３および４に示す。
【００６０】
【表３】
2008540836.tif 000005
【００６１】
【表４】
2008540836.tif 000006
【００６２】
実施例２−本発明の装置による衝撃波の実際の発生および動作
理論によって縛られることなく、本発明者は、以下に記載のように、本発明の装置および方法によって示される特徴の背後にある理由を鋭意研究してきた。
【００６３】
図１に関して、ガン（区域１）内の最初のガスおよび衝撃発生器（区域４）内の最初のガスは、異なる性質および異なる温度であり得る。区域１内のガスは、区域４内のガスよりも低圧（通常、大気圧以下）であり、区域４内のガスは、通常大気圧を超える圧力である。
【００６４】
図２を参照すると、バルブを迅速に開放する場合、区域１と区域４との間の境界面で放出された圧縮波の合体の結果として、衝撃波が発生する。この衝撃波は、スプレーガン内の静止したガス中に伝播する。同時に、膨張波が発生し得、区域１と区域４との間の境界面で放出され得る。これらの波は合体せず、むしろ衝撃波発生器内の静止したガス中に、全て別々に伝わる。
【００６５】
図３を参照すると、衝撃波は、スプレーガンの区域１内の静止したガス内を右へ伝わる。衝撃波の速度は、区域１と区域４との間の初期圧力比率および区域１と区域４とにおける初期温度に依存する。衝撃波の通過は、その背後（区域２）のガスの圧力および温度を高め、そして衝撃波の背後に、右へガス速度を誘導する。
【００６６】
最初にスプレーガン内に存在したガスと最初に衝撃波発生器に存在したガスとの境界面を、接触表面と称し、これもまた右へ動くが、区域２内のガスよりも遅い速度である。接触表面は、区域２（衝撃波によって加速されたスプレーガン内の最初のガスを含む）と区域３（衝撃波発生器内の最初に存在し、そして膨張波によって膨張したガスを含む）とを分離する。エントロピーが、この境界面により不連続に変化するが、区域２および３内の圧力は、同一でなければ、類似し得る。
【００６７】
図４を参照すると、膨張波が発生し、区域４において連続的に伝播し、区域３内の膨張波の背後よりも低い値まで区域４内の圧力を滑らかに減少させる。
【００６８】
実施例３−本発明の装置内におけるガスの状態の分析
発生した衝撃波の強さ、その結果とし４つの区域において誘導されたガスの速度および温度を、主に、スプレーガンおよび衝撃波発生器内の初期ガス状態によって決定する。理論によって縛られることなく、本発明者らは、本発明の方法に、気体力学の基礎理論を適用し、衝撃波発生中、本発明の装置を介する衝撃波の通過中、および基材上への微粒子の発射中における本発明の装置内の状態を検討した。
【００６９】
図５は、本発明の装置の内部を伝わる衝撃波、接触表面、最初および最後の膨張波の時間における位置を図式的に示す、時間−位置（ｔ−ｘ）図の一例を示す。
【００７０】
図６は、特定の位置（ｘ２）における装置の内部の時間依存ガス速度を図式的に示す、速度−時間（ｕ−ｔ）図の一例を示す。
【００７１】
図７は、特定の時間（ｔ２）における装置の内部の位置依存ガス速度を図式的に示す、速度−位置（ｕ−ｘ）図の一例を示す。
【００７２】
図８は、特定の時間（ｔ２）における装置の内部の位置依存ガス圧を図式的に示す、圧力−位置（ｐ−ｘ）図の一例を示す。
【００７３】
図９は、特定の時間（ｔ２）における装置の内部の位置依存ガス温度を示す、温度−位置（ｐ−ｘ）図の一例を示す。
【００７４】
実施例４−本発明の方法によって生成される基材コーティングの走査電子顕微鏡画像
図１０は、本発明の装置を用いて堆積されたアルミニウム基材上のナノ結晶アルミニウム合金コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す。
【００７５】
図１１は、本発明の装置を用いて堆積されたアルミニウム基材上のナノ結晶アルミニウム合金コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す。
【００７６】
図１２は、本発明の装置を用いて堆積されたアルミニウム基材上の銅コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す（Ｃｕはより明るい灰色の層として見え、Ａｌはより濃い灰色の層として見える）。
【００７７】
図１３は、本発明の装置を用いて堆積されたアルミニウム基材上の銅コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す（Ｃｕはより明るい灰色の層として見え、Ａｌはより濃い灰色の層として見える）。
【００７８】
銅、アルミニウム合金、ニッケル、チタン、およびヒドロキシアパタイトが、本発明の装置および方法を用いてうまくスプレーされた材料の例である。
【００７９】
図１０〜１３から、本発明の方法によって生成されるコーティングが、それらの構造において実質的に均一であり、高い密度を有し、堆積した材料内かまたは堆積した材料と基材表面との間の境界面のいずれかにほとんどまたは全く孔を示さないことに注目し得る。
【００８０】
実施例５−本発明の代表的な方法
図１４は、本発明の代表的な方法を図式的に示す。この方法は、基材の表面上へ微粒子材料を堆積するためであり、そのため、堆積時にまたは堆積後に、微粒子材料が、表面に固体塊またはコーティングを形成するために表面および／またはそれ自体と少なくとも部分的に融合する。示すように、この方法は、スプレー端を有し、そしてガスまたはガス混合物を含む管状部材中に、該微粒子材料を入れる工程１００；および該スプレー端に向かって該管状部材に沿って伝わる、および該表面に向かって該管状部材の外側から伝わる少なくとも１つの衝撃波を生じる工程であって、少なくともいくつかの該微粒子材料が該衝撃波と共にまたは付近に伝わり、そして該表面での衝撃時に、該微粒子材料および／または該表面の少なくとも部分的な変形を生じさせるために充分な速度で、表面に発射される工程１０１を包含する。
【００８１】
本発明の好ましい方法を、図１５に示す。この方法は、図１４に示す方法と同一ではないが、さらなる工程１０２を除いて類似する。工程１０２では、管状部材中に、微粒子材料を入れる工程１００の前に、微粒子材料を予備加熱する。好ましくは、予備加熱は、微粒子材料を溶融させることなく、微粒子材料を加熱する。より好ましくは、予備加熱は、１００℃から１２００℃までに微粒子材料を加熱する。本発明の他の実施態様では（示さず）、微粒子材料の予備加熱工程１０２は、工程１００と１０１との間、または工程１００と同時に起こり得る。
【００８２】
さらなる方法、さらなる工程、およびさらなる実施態様は、本明細書全体の読解から明らかであり得る。
【００８３】
実施例６−本発明の方法によって生成される基材コーティングのさらなる走査電子顕微鏡画像
図１６は、本発明の装置を用いて堆積されたナノ結晶アルミニウム合金コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す。
【００８４】
図１７は、本発明の装置を用いて堆積されたナノ結晶アルミニウム合金（Ａｌ−１２Ｓｉ）コーティングの走査電子顕微鏡画像を提供する。
【００８５】
実施例７−市販のレーザー診断システムによって測定された平均微粒子速度
本発明の装置から噴出される微粒子材料の速度の測定を行った。市販のレーザー診断システムを、この目的のために使用した。以下の表５は、７つの別々の試験の結果を提供する。
【００８６】
【表５】
2008540836.tif 000007
【００８７】
実施例８−本発明の装置の管状部材またはスプレーガンへの注入前に微粒子材料を予備加熱した本発明の方法によって生成した基材コーティングの光学顕微鏡画像
図１８は、本発明の装置を用いてアルミニウムの基材上に堆積された非晶質ステンレス鋼粉末が製造されたステンレス鋼コーティングの光学顕微鏡画像を示す。ステンレス鋼粉末を、スプレーガンへの挿入前に、３５０〜４００℃まで予備加熱した。次いで、粉末を、実質的に冷却する時間の前にスプレーガン中に注入し、そしてスプレーガンからアルミニウム基材の表面上に粉末を噴出するために、迅速に衝撃波に共した。上のより濃い灰色の層は、ぎっしり詰められたステンレス鋼微粒子を含み、空間がないかまたは実質的に空間がない実質的に均一な層を形成することに留意すること。このようなステンレス鋼の層の形成は、ステンレス鋼粉末を予備加熱することなく、本発明の方法を用いて達成することは困難であるかまたは実質的に不可能である。
【００８８】
ステンレス鋼層（より濃い灰色）とアルミニウム基材（より明るい灰色）との間の境界面には、アルミニウム基材との衝撃時に変形しなかった数個のステンレス鋼微粒子が存在する。むしろ、これらの微粒子は、アルミニウム基材のより柔軟な上層に埋め込まれたまたは実質的に埋め込まれていた。しかし、ステンレス鋼層が形成され始めたので、ステンレス鋼微粒子の衝撃により、おそらく、示した層（より濃い灰色）を形成するために微粒子が変形および融合した。
【００８９】
本発明は、特定の実施態様および実施例を特に参照して記載されているが、本発明の範囲はいかなるようにもこれらに限定されない。粉末または微粒子材料の堆積のためのさらなる装置および方法は、本発明の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】衝撃波発生前の本発明の装置の実施態様の概略図である。
【図２】衝撃波発生直後の本発明の装置の実施態様の概略図である。
【図３】図２に示される実施態様のすぐ後の本発明の装置の実施態様の概略図である。
【図４】図３に示される実施態様のすぐ後の本発明の装置の実施態様の概略図である。
【図５】本発明の代表的な装置の内部で伝わる衝撃波、接触表面、最初および最後の膨張波の時間における位置を示す時間−位置（ｔ−ｘ）図の一例を示す。
【図６】特定の位置（ｘ２）における本発明の代表的な装置の内部の時間依存ガス速度を示す速度−時間（ｕ−ｔ）図の一例を示す。
【図７】特定の時間（ｔ２）における本発明の代表的な装置の内部の位置依存ガス速度を示す速度−位置（ｕ−ｘ）図の一例を示す。
【図８】特定の時間（ｔ２）における本発明の代表的な装置の内部の位置依存ガス圧を示す圧力−位置（ｐ−ｘ）図の一例を示す。
【図９】特定の時間（ｔ２）における本発明の代表的な装置の内部の位置依存ガス温度を示す温度−位置（ｐ−ｘ）図の一例を示す。
【図１０】本発明の装置を用いて堆積されたアルミニウム基材上のナノ結晶アルミニウム合金コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す（Ｃｕはより明るい灰色の層として見え、Ａｌはより濃い灰色の層として見える）。
【図１１】本発明の装置を用いて堆積されたアルミニウム基材上のナノ結晶アルミニウム合金コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す。
【図１２】本発明の装置を用いて付着されたアルミニウム基材上の銅コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す（Ｃｕはより明るい灰色の層として見え、Ａｌはより濃い灰色の層として見える）。
【図１３】本発明の装置を用いて堆積されたアルミニウム基材上の銅コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す。
【図１４】本発明の好ましい方法を示す。
【図１５】本発明の好ましい方法を示す。
【図１６】本発明の装置を用いて堆積されたナノ結晶アルミニウム合金コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す。
【図１７】本発明の装置を用いて堆積されたナノ結晶アルミニウム合金（Ａｌ−１２Ｓｉ）コーティングの走査電子顕微鏡画像を示す。
【図１８】アルミニウム６０６１基材表面上に、非晶質ステンレス鋼粉末から製造されたステンレス鋼コーティングの光学顕微鏡画像を示す。ステンレス鋼粉末を、スプレーガンへの挿入前に、３５０〜４００℃まで予備加熱した。矢印は、ほとんどまたは全く変形せず衝撃で基材に埋め込まれたまたは部分的に埋め込まれたステンレス鋼微粒子を示す。
【図１】
2008540836.tif 000008
【図２】
2008540836.tif 000009
【図３】
2008540836.tif 000010
【図４】
2008540836.tif 000011
【図５】
2008540836.tif 000012
【図６】
2008540836.tif 000013
【図７】
2008540836.tif 000014
【図８】
2008540836.tif 000015
【図９】
2008540836.tif 000016
【図１０】
2008540836.tif 000017
【図１１】
2008540836.tif 000018
【図１２】
2008540836.tif 000019
【図１３】
2008540836.tif 000020
【図１４】
2008540836.tif 000021
【図１５】
2008540836.tif 000022
【図１６】
2008540836.tif 000023
【図１７】
2008540836.tif 000024
【図１８】
2008540836.tif 000025
【国際調査報告】
2008540836.tif 000026
2008540836.tif 000027
2008540836.tif 000028