(57)【要約】【課題】粉末材料の加熱が粒子の完全溶融を引き起こすように選択されかつ完全溶融を引き起こすのに十分であるようにマイクロ波によって粉末材料を加熱する方法を提供する。【解決手段】本方法は、金属組成物の充填材粒子（１２）を含む粉末の集塊（１０）を準備する段階と、集塊（１０）をマイクロ波放射（２６）に曝して、集塊（１０）内の充填材粒子（１２）がマイクロ波放射（２６）と結合しかつ完全に溶融するようにする段階とを伴う。一つの態様では、集塊（１０）はさらに、充填材粒子（１２）よりもマイクロ波放射に対する感受性の高い１種以上の成分（３２）を含有し、充填材材料（１２）は、マイクロ波放射（２６）による加熱及び１種以上の成分（３２）との熱的接触の結果として溶融する。別の態様では、粉末集塊（１０）は、マイクロ波照射（２６）による溶融に先立って、熱的に前処理されて、その誘電損率を不可逆的に増大させる。【選択図】      図１
2008073767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう付け方法であって、
金属組成物の充填材粒子（１２）を含む少なくとも第１の粉末の集塊（１０）であって、上記金属組成物よりもマイクロ波放射に対する感受性の高い１種以上の成分をさらに含有する集塊（１０）を準備する段階と、
集塊（１０）内の充填材粒子（１２）がマイクロ波放射（２６）と結合するとともに集塊（１０）内の上記１種以上の成分がマイクロ波放射（２６）と優先的に結合するように集塊（１０）をマイクロ波放射（２６）に付す段階であって、その際、充填材粒子（１２）をマイクロ波放射による加熱に付して上記１種以上の成分と熱的に接触したときに充填材粒子（１２）が完全に溶融するように集塊（１０）内に十分な量の上記１種以上の成分が存在する段階と、
次いで、マイクロ波放射（２６）を中断して集塊（１０）を冷却・凝固させて緻密なろう付け部を形成する段階と、
を含んでなる方法。
【請求項２】
マイクロ波放射に付す段階に先立って、集塊（１０）内の充填材粒子（１２）が溶融せずに昇温してその誘電損率が不可逆的に増大するように集塊（１０）を熱的に前処理し、次いで前処理を中断して集塊（１０）を冷却させる、ことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ろう付け方法であって、
金属組成物の充填材粒子（１２）を含む少なくとも第１の粉末の集塊（１０）を準備する段階と、
集塊（１０）内の充填材粒子（１２）が溶融せずに昇温してその誘電損率が不可逆的に増大するように集塊（１０）を熱的に前処理する段階と、
上記熱的前処理を中断して集塊（１０）を冷却させる段階と、
集塊（１０）内の充填材粒子（１２）がマイクロ波放射（２６）と結合して充填材粒子（１２）が完全に溶解するように集塊（１０）をマイクロ波放射（２６）に付す段階と、
次いで、マイクロ波放射（２６）を中断して集塊（１０）を冷却・凝固させて緻密なろう付け部を形成する段階と、
を含んでなる方法。
【請求項４】
集塊（１０）が金属組成物よりもマイクロ波放射に対する感受性の高い１種以上の成分をさらに含有し、前記マイクロ波放射に付す段階の際に、集塊（１０）内の上記１種以上の成分が、マイクロ波放射（２６）と優先的に結合して充填材粒子（１２）の溶融を促進することを特徴とする、請求項３記載の方法。
【請求項５】
マイクロ波放射に付す段階に先立って、基材（１４）を十分に予熱して充填材粒子（１２）のマイクロ波加熱に対する感受性を高めてその溶融を促進する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
第１の粉末が基材（１４）上に配置され、粒子（１２）の溶融と集塊（１０）の冷却によるろう付け部の形成によって、ろう付け部が基材（１４）に金属結合して基材（１４）上に補修領域を形成することを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
第１の粉末が第１の基材（１４）上に配置され、粒子（１２）の溶融と集塊（１０）の冷却によるろう付け部の形成によって、ろう付け部が第１の基材（１４）を第２の基材（２４）に金属結合することを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
基材（１４）及び粒子（１２）の金属組成物が実質的に同じ融点を有することを特徴とする、請求項６又は請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記１種以上の成分が、ケイ素、ゲルマニウム、ガリウム、コバルト、鉄、亜鉛、チタン、カーボン、アルミニウム、タンタル、ニオブ、レニウム、ハフニウム及びモリブデンからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１、請求項２、及び請求項４乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
集塊（１０）が、５０重量％以下の前記１種以上の成分を含有することを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広義には粉末材料の加熱法に関し、超合金部品の製造、被覆、補修及び肉盛りに用いられるプロセス及び材料も包含する。具体的には、本発明は、ろう材中の粉末の溶融をマイクロ波エネルギーによって大幅に高める方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル基、コバルト基及び鉄基超合金は、ガスタービンエンジンの耐熱部品の製造に広く使用されている。ある種の耐熱超合金部品は単一鋳造品として製造できるが、その他のものは他の方法で製造するのが好ましいか或いは必要とされる。一例として、ろう付けは、高圧タービンノズルアセンブリの場合のように、ガスタービン部品の製造に広く使用されている。従来のろう付け技術には、高温ではあるが、接合すべき金属の融点未満の温度で実施される接合作業が包含される。ろう付け法の実施に際しては、接合すべき接合面の間に適当なろう付け合金を配置し、超合金基材を溶融せず、超合金基材内部での結晶粒成長も起こさずにろう付け合金を溶融させるのに十分な温度に接合面とそれらの間のろう付け合金を真空中で加熱する。ろう付け合金は、ホウ素のような融点降下剤を含んでいるので超合金基材よりも低い温度で溶融する。冷却すると、ろう付け合金は凝固して永続的な金属結合を形成する。
【０００３】
エンジン作動時に、ガスタービンエンジン部品は非常な高温条件に曝露され、そうした条件下では様々なタイプの損傷又は劣化が発生するおそれがある。一例として、エロージョン及び酸化は、タービンノズル及びベーンの壁厚を減少させ、熱サイクリングによって高進される応力に起因して表面不整部に割れが発生して伝搬するおそれがある。超合金で形成された部品のコストは比較的高いので、こうした部品を交換するよりも補修する方が望ましいことが多い。これに対応すべく、ろう付け法が割れの補修及び壁厚さの肉盛りのために開発されているが、この方法では、補修を要する表面領域にろう付け合金充填材金属を配置し、次いで、充填材金属をその融点よりも高いが表面基材の融点よりも低い温度に真空中で加熱して溶融充填材金属で損傷領域を濡らし、流動・充填させる。
【０００４】
ろう付け法はガスタービンエンジンの製造及び補修に広く使用されているが、従来のろう付け法は大きな短所を有する。第１に、部品全体を真空熱処理に付す必要があるが、これは製造環境での非常に時間のかかるプロセスであり、部品の非損傷領域を不必要に高温に曝露させ、部品の他の領域の接合部を再溶融するおそれがある。さらに、ろう付け合金は一般に部品の母材と同様な元素を含むが、その融点を母材の固相線温度未満に下げる融点降下剤（例えばホウ素、ケイ素など）が添加されているため機械的特性が大きく変わる。これらの問題を解消するための潜在的候補として、加熱を部品の選択領域に局在化できるマイクロ波ろう付け法について検討されてきた。マイクロ波ろう付け法には、概ね２通りの方法が提案されている。第１の方法は、マイクロ波エネルギーに曝露されると加熱されて、その熱を放射によって部品に伝達するサセプタ（例えば、ＳｉＣエンクロージャ）を使用することである。この方法の短所は、部品全体が不可避的に加熱されるためろう付け合金だけの局所的加熱が不十分であり、意図したろう付け部から遠ざかる方向への放射による多大な熱損失が生じることである。第２の方法は、マイクロ波を反射するバルク金属よりもマイクロ波を著しく吸収しやすい金属粉末を直接マイクロ波加熱することである。しかし、一般的なろう付け合金組成物は、溶融するほどはマイクロ波エネルギーと結合せず、そのためろう付け合金粉末が溶融せずに焼結して、部品の母材よりも性質が大きく劣ることになる。
【特許文献１】米国特許第６８７０１２４号明細書
【特許文献３】米国特許第５３９７５３０号明細書
【特許文献４】米国特許第６１７２３４６号明細書
【特許文献５】米国特許第６５１２２１６号明細書
【特許文献６】国際特許出願第２００４／０７３０３７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は一般に、粉末材料の加熱が選択的でしかも粉末粒子を完全に溶融させるのに十分であるようにマイクロ波加熱によって粉末材料を加熱する方法を提供する。本発明は、表面の被覆、補修又は肉盛り並びに表面の金属接合を始めとする、ろう付け作業での使用に特に有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの態様では、ろう付け法を提供するが、本方法では、金属組成物の充填材粒子を含む少なくとも第１の粉末の集塊を準備する。集塊は、上記金属組成物よりもマイクロ波放射に対する感受性の高い１種以上の成分をさらに含有する。次いで、集塊内の充填材粒子がマイクロ波放射と結合するとともに集塊内の上記１種以上の成分がマイクロ波放射と優先的に結合するように集塊をマイクロ波放射に付す。充填材粒子をマイクロ波放射による加熱に付して上記１種以上の成分と熱的に接触したときに充填材粒子が完全に溶融するように、集塊内に十分な量の上記１種以上の成分が存在する。次いで、マイクロ波放射を中断して集塊を冷却・凝固させて緻密なろう付け部を形成する。
【０００７】
本発明の別の態様では、ろう付け方法を提供するが、本方法では、金属組成物の充填材粒子を含む少なくとも第１の粉末の集塊を準備し、次いで集塊内の充填材粒子が溶融せずに昇温してその誘電損率が不可逆的に増大するように集塊を前処理する。前処理を終えて、集塊を冷却させ、集塊内の充填材粒子がマイクロ波放射と結合して充填材粒子が完全に溶解するように集塊をマイクロ波放射に付す。次いで、マイクロ波放射を中断又は中止して集塊を冷却・凝固させて緻密なろう付け部を形成する。
【０００８】
以上から明らかであろうが、本発明の方法は、例えばろう付けによる損傷面の補修又は肉盛りを含む皮膜の形成並びに部品の金属接合を始めとする粉末材料の加熱が望まれる様々なプロセスに応用できる。加熱をマイクロ波放射で行うので、粉末粒子の加熱速度及び溶融は、加熱源との相対的な位置又は粉末集塊が接する表面との相対的な位置ではなく、マイクロ波放射に対する感受性によって左右される。充填材粒子よりも感受性の高い１種以上の成分の添加及び／又はマイクロ波熱的前処理によって、粉末集塊におけるマイクロ波放射感受性が高まり、集塊とその粒子の完全で迅速な溶融を促進することができる。本発明のこの態様では、粉末集塊に接した表面の溶融に先立って粉末集塊を溶融させることができる。そのため、粉末粒子は、粉末集塊が接する表面と同じ融点（例えば、１５０℃以内）をもつ合金から形成できる。
【０００９】
以下の詳細な説明から、本発明のその他の目的及び利点についての理解を深めることができよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ガスタービンエンジン用の部品の処理、特にろう付け材料を用いたかかる部品の製造及び補修に関して本発明を説明する。しかし、本発明は、それ以外の様々な部品、材料及びプロセスに用途を有し、かかる変更も本発明の技術的範囲に属する。
【００１１】
図１及び図２は、本発明の実施形態を表し、機能的に類似した構造は同じ符号を用いて表す。図１は、充填材金属粒子１２によって金属接合すべき２つの基材１４，２４間に配置され、それらの対向する表面と接触する充填材金属粒子１２の集塊１０の概略を示し、図２は、基材１４の表面の補修のため表面の欠陥に配置された充填材金属粒子１２の集塊１０の概略を示す。図１及び図２において、粒子１２はバインダ３０中に含まれているものとして示すが、バインダ３０は、ろうペーストでの公知のろう付けでは、ろう付けプロセス（好ましくは粒子１２とそれと接合する表面（例えば基材１４，２４）の酸化を最小限にするため不活性又は低圧雰囲気中で実施される）の際に燃え尽きる。基材１４及び２４の組合せは、ろう付けで接合すべき２つの部品の表面領域を表すが、図２の基材１４は、ろう付けで補修すべきガスタービンエンジン部品の表面領域でよい。基材１４及び２４の少なくともいずれかは超合金からなるものであってもよく、超合金の組成は部品の種類及び予測作動条件によって左右される。以下で述べる通り、その他様々な金属及び非金属材料も基材１４，２４として可能であり、本発明の技術的範囲に属する。
【００１２】
粉末粒子１２は様々な材料からなるものでよく、唯一の条件は、マイクロ波放射２６に付したときに粒子１２を加熱することができて、しかもマイクロ波放射で誘起される最高加熱温度で基材１４，２４の材料と適合性であることである。マイクロ波放射に付したとき加熱することができる材料としては、適当な条件下での非導電体及び導電体が挙げられる。マイクロ波放射は変動する電場及び磁場を有するので、ある種の材料では直接電気加熱が顕著となるが、他の材料では主に磁気作用によって加熱される（例えば、小さな金属粒子及び金属球）。基材１４が補修すべき部品の表面領域であるか或いは基材１４及び２４が金属接合すべき部品の表面領域である本発明の実施形態では、粒子１２は、基材１４，２４と金属学的に適合性のろう付け合金で形成できる。適合性は、粒子１２が基材１２及び２４の組成とよく近似した組成を有していれば担保されるが、適度な適合性は、望ましい機械的又は環境特性の損失を招きかねない高温での有害な相互拡散傾向をもつ組成を粒子１２と基材１４，２４が有していない場合にも達成できる。充填材金属粒子１２は、１種以上の融点降下剤（ホウ素又はケイ素など）を相当量含有する従来のろう付け合金でもよいし、タービン用途に用いられるタイプの超合金でもよいし、或いはその基本組成が超合金であって限られた量の１種以上の融点降下剤の添加によって改質した超合金であるような合金でもよい。粒子１２は１種以上の融点降下剤を含んでいてもよいが、その量は、粒子１２の加熱時及びその後の基材１４，２４の有効寿命の間に基材１４，２４内部に相当量の融点降下剤が拡散したときに、基材１４，２４の容認し得ない性質の損失を招くようなレベルではないのが好ましい。以下でさらに詳細に説明するように、粒子１２のすべてが同じ組成を有している必要はなく、組成の異なる粒子１２を組合せて粉末集塊１０を形成してもよい。
【００１３】
本発明の好ましい態様では、粉末集塊１０の組成は、マイクロ波放射２６による粒子１２の加熱及び溶融を大幅に促進するように調整される。粒子１２を構成する合金の融点を上回るように粒子のマイクロ波放射加熱性を向上させるため、以下の選択肢のうちの少なくともいずれかを採用する。第１の選択肢は、充填材金属粒子１２にマイクロ波感受性材料を添加してマイクロ波放射２６へのインサイチュ接触媒質（in situ couplant）として機能させることである。理想的には、かかる材料は本質的に金属質であり、溶融時に充填材金属粒子１２の合金と均質に混合して、得られるろう付け部（ろう付け補修部又はろう付け接合部）の機械的特性に悪影響を及ぼしかねない不連続部の形成を最小限にする。第２の選択肢は、高温に付したときにマイクロ波結合挙動を不可逆的に増大させることができる１種以上の材料を含むように集塊１０を改質し、次いで粉末集塊１０に熱による前処理を施して材料のマイクロ波放射感受性を不可逆的に高め、ひいてはろう付けプロセスでマイクロ波放射２６に付したときに集塊１０の加熱性を高めることである。これらの各選択肢は単独で使用してもよいし、組合せて使用してもよく、さらに米国特許出願第１１／４８０６５２に開示されているように、複数の粒径の粒子１２を使用し様々な混合及び／又は積層法でかかる粒子１２を分配することによってマイクロ波放射２６と粒子１２との結合を加速・強化する方法と組合せて使用してもよい。米国特許出願第１１／４８０６５２号の上記技術に関する開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。上記の各選択肢は、マイクロ波ろう付けの直前の基材１４及び／又は２４の予熱による恩恵を受け、充填材金属粒子１２のマイクロ波放射２６感受性を高め、粒子１２によって吸収されるエネルギーが増して粒子１２の溶融を促進すると思料される。
【００１４】
粉末集塊１０がマイクロ波放射に対する感受性の高い１種以上の材料を含有し、粉末形態でマイクロ波放射と優先的に結合するという第１の選択肢に関して、図１及び図２では、高感受性材料は、充填材金属粒子１２と混合された別個の粒子３２の形態にあるものとして示す。或いは、高感受性材料は、充填材金属粒子１２の一部又は全部の合金と合金化させることもできる。適当な高感受性材料は、マイクロ波エネルギーを吸収できるものでなけらばならず、好ましくは補修部又は接合部で応力集中部として作用する不均質部を生じることなく溶融時に粒子１２の合金中に溶解できるものである。さらに、適当な材料は、マイクロ波放射の磁場で誘起される渦電流を発生させるのに十分な導電性をもつと同時に、渦電流によるジュール熱を発生させることができるレベルの電気抵抗も有していなければならない。特に適当な材料としては、特に限定されないが、ケイ素、ゲルマニウム、ガリウム、コバルト、鉄、亜鉛、チタン、カーボン（例えばカーボンナノチューブ又は微細黒鉛粉末）、アルミニウム、タンタル、ニオブ、レニウム、ハフニウム及びモリブデンが挙げられる。マイクロ波加熱に高度に感受性ではあるがろう付け補修部又は接合部に有害となる可能性があることが知られているある種の材料、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）のようなセラミック材料は、十分に限定された量で添加され、ろう付け部全体に均一に分布していれば、本発明での使用に役立つと思料される。適当な高感受性材料は、粒子１２の約５０重量％以下、さらに好ましくは約１〜約２５重量％の量で添加できる。
【００１５】
第２の選択肢では、ろう付けに先立って、充填材金属粒子１２を加熱前処理（例えば、高温でのマイクロ波への曝露、或いは従来の加熱法による単なる加熱など）に付す。この方策は、十分な高温に付すとある種の元素のマイクロ波結合挙動が不可逆的に増大することに基づく。以下で説明するように、図３は、１２００℃においてマイクロ波放射に付したケイ素粉末で得られた誘電特性の測定値をプロットしたグラフである。このデータは、ｔａｎδつまり誘電損失角（＊）の正接が２桁（１００倍）不可逆的に増大することを実証している。ｔａｎδに材料の誘電率（ｋ）を乗ずると誘電損率が得られるが、これは誘電損失（変化する電場に付された誘電体材料において電気エネルギーを熱に変換する率）の尺度である。このように、ｔａｎδは、電磁（例えばマイクロ波）エネルギーが材料によって熱に変換される効率を定量化するのに有用な尺度である。図３のデータに基づいて、ケイ素粉末は、後でマイクロ波放射に付したときに約１００倍強い結合を示し、ケイ素を含有又は混合した充填材金属粒子１２の粉末の加熱性が大幅に改善されると予測される。同様な結果は、上述の他の高感受性材料のいずれか１種以上を合計約１〜５０重量％含有する粉末集塊１０でも得られると思料される。この方策の適当な実施法は、充填材金属粒子１２の粉末（適宜１種以上の高感受性材料を含有又は混合したもの）を前処理してから、粒子１２をバインダ３０と混合するか或いは得られた粉末集塊１０をろう付けすべき１以上の表面に適用することである。
【００１６】
基材１４，２４のようなバルク金属はマイクロ波放射を反射する傾向があるので、本発明でのこの方法は、超合金基材１４及び／又は２４を、基材１２／２４と組成が非常に類似した合金を用いて並びに基材１４／２４の融点が同じ又は高い融点をもつ合金を用いてろう付けすることができる。例えば、ニッケル基超合金部品は、同じニッケル基超合金組成物のろう付け材料或いは別のニッケル基合金、換言すれば基材１４／２４の母材と同じ母材からなる合金のろう付け材料を用いて接合又は補修することができる。このようにして、ろう付け材料との相互拡散により生じる基材１４／２４の特性の劣化は、完全ではないとしても本質的に回避することができる。基材１４／２４の融点よりも高い融点を有する合金で形成された粒子１２を溶融する能力を考慮すれば、本明細書で用いる場合の「ろう付け」という用語は、接合すべき金属の融点よりも低い温度で行われる接合作業の従来の限界に限定されるものではない。
【００１７】
上述のように、関連する米国特許出願第１１／４８０６５２号には、粉末集塊（例えば、図１及び図２の符号１０）とマイクロ波との間の相互作用を促進して、粒径及び粒度分布を適当に選択することによって集塊の加熱を促進することできる方法が開示されている。具体的には、図４及び図５に示すように、米国特許出願第１１／４８０６５２号は、粒径に従って粒子１２が最小２２から最大１６まで段階的に集塊１０内に配列されるように、粒子１２を粉末集塊１０内に配置することを開示している。非常に微細な粉末サイズの材料についての磁化率の磁気損失成分がマイクロ波電力及び周波数（例えば、約１ｋＷ電力で１０ｎｍコバルト粒子の場合に約３ＧＨｚ）のような因子に応じて決まることは知られている。逆に言えば、所定のマイクロ波電力及び周波数については、マイクロ波と個々の金属又は合金との間の相互作用が、通常通りのマイクロ波条件（約２．４５ＧＨｚ及び約１〜約１０ｋＷ電力）の場合に通常は数１０ｎｍ程度である明確な粒径において最適化される。その径以上又は以下の粒径は、同様にはマイクロ波放射と結合しない。
【００１８】
上記に基づいて、本発明の選択肢的な態様は、幾つかの異なる粒径での適当な充填材金属組成の粉末粒子１２を形成し、粒子１２を１以上の上述の高感受性材料の粒子３２と合金化し及び／又は粒子１２を１以上の上述の高感受性材料の粒子３２と混合し、かつ粒子１２（及び、もし存在すれば粒子３２）を図４及び図５に示すように段階的積層又は移行方式で配列することである。基材をろう付け補修するための方法を表す図４では、最微細粉末粒子２２が粉末集塊１０の最外層を形成し、段階的に粗くなる粉末２０、１８及び１６が、最大粒子１６が基材１４に隣接しかつ接触するようにして、最微細粉末粒子２２の最外層の下側に連続層の形態で配置される。２つの基材１４及び２４の接合作業を表す図５では、最微小粉末粒子２２が粉末集塊１０の内側領域内に配置され、段階的に粗くなる粉末２０、１８及び１６が、最大粒子１６が基材１４，２４に隣接しかつ接触するようにして、集塊１０の外側に向かって連続層の形態で配置される。図４及び図５に示すような段階的粒度分布を有するように集塊１０を形成することによって、粉末集塊１０は、最小粒子２２が最初にかつ最も早くマイクロ波エネルギー２６と結合してマイクロ波エネルギー２６によってより速い速度で加熱されるようになり、最大粒子１６が最後にかつより遅れてマイクロ波エネルギー２６と結合してマイクロ波エネルギー２６によって相対的により遅い速度で加熱されるように、段階的にマイクロ波エネルギー２６と結合し、その結果として、図４及び図５の矢印によって示すように粒度の段階に従った加熱の段階性又は方向性が得られる。最初に、最小粒子２２が、融点に達するまでマイクロ波放射２６に対して優先的に感受性であり、次いで粒子１６、１８及び２０のより粗い層が、その各々がより高温の層に順次いで、接触する結果としてこれらの層の温度が上昇するので活性化される。本発明に第２の方法を組合せた場合には、本方法は、基材１２／２４と組成が非常に類似した合金並びに基材１４／２４の融点が同じ又は高い融点をもつ合金で形成された充填材金属粒子１２を用いて基材１４及び／又は基材２４をマイクロ波ろう付けする能力をさらに高めることができる。
【００１９】
この加熱メカニズムは、金属粉末が、マイクロ波放射を反射するバルク金属よりもマイクロ波加熱に対してより顕著に感受性があるという事実、及び材料のマイクロ波放射感受性が温度の上昇と共に増大するという事実の利点を採用している。印加されたマイクロ波エネルギー２６と有効に結合するほど十分に小さい粒径の粒子１２（例えば、粒子２２）を局在化させることによって、完全な溶融を粒子２２において開始させ、次いで、マイクロ波エネルギー２６及び得られた溶融粒子の組合せにより、隣接するかつ少し大きい粒子（例えば、粒子２０）を完全に溶融させ、この過程を最大粒子１６に向かって方向性をもたせて集塊１０を通して進行させる。この方法では、最小粒子２２の割合は、０〜１００％のいずれかとすることができる。一般に言うと、上述の従来通りのマイクロ波条件を使用する場合には、最大粒子の最大粒径は約１００メッシュ（約１５０μｍ）程度であるのが好ましいが、最小粒子２２の最小粒径は、ナノスケールサイズほどの小さいもの、例えば約１０ｎｍ程度のような１００ｎｍ未満とすることができると思料される。
【００２０】
粒子−マイクロ波相互作用をさらに高めるために、基材１４及び／又は２４は、マイクロ波ろう付けに先立って予熱して、マイクロ波加熱に対する充填材金属粒子１２の感受性が高め、それによって粒子１２の溶融を可能にすることができる。予熱は、従来通りの放射又は誘導法のようなあらゆる適当な手段によって、マイクロ波放射に付したときに非常な高温に加熱するサセプタ（例えば、ＳｉＣ）媒体を使用して、或いは米国特許第６８７０１２４号に記載されているようなマイクロ波誘起プラズマを使用して、行うことができる。粒子１２として使用する材料に応じて、最低予熱温度は、粒子−マイクロ波相互作用に有効な影響を与えるために約２５０℃、さらに好ましくは約４００℃であり、最高温度は、所望に応じて、基材１４，２４内におけるあらゆるミクロ組織変化を回避するように限定されると思料される。
【００２１】
具体的には超合金を接合すること又は補修することを伴う処理方法を対象としてきたが、本発明は、他の金属合金システムにも適用できる。補修され又は結合される非金属基材が、チタン、ハフニウム、ジルコニウムなどの１以上の反応性元素を含有する限り、セラミック材料の従来の活性金属ろう付け（ＡＭＢ）で行われるのと同様に、非金属システムも、充填材金属粒子１２を使用して上述の方式で結合することができる。粒子１２内の反応性元素の適当な混合レベルは、粒子１２の最大約１０重量パーセントまでであると思料される。
【００２２】
マイクロ波放射は、マルチモードキャビティ内で粉末集塊１０に印加されるのが好ましく、このマルチモードキャビティは、当技術分野では公知のように、定在波を形成せずに代わりにその均一な振幅の磁気成分及び電気成分の両方を形成するマイクロ波フィールドをもたらす。或いは、単一モードキャビティを使用することができ、この単一モードキャビティの場合には、定在波又は進行波が伝搬して、マイクロ波フィールドの電気成分及び磁気成分の相対振幅を或る程度までに抑えるのを可能にする。本発明では広範囲のマイクロ波周波数を使用することができるが、規制により、本発明の実施を、一般に使用可能な周波数、例えば２．４５ＧＨｚ及び９１５ＭＨｚに高めるか又は制限しており、その場合前者が好ましいと思料される。しかし、技術的には他の周波数を使用することができる。より低い周波数を使用することの利点は、より長い関連波長にあり、このより長い関連波長は、より高い電力伝達或いはより大型の部品の処理により良好に適したものとすることができる。適当なマイクロ波電力レベルは、粒子１２の粒径及び組成に応じて決まるが、一般には約１〜約１０ｋＷの範囲にあると考えられ、しかしより低い又はより高い電力レベルも予測できる。
【００２３】
以上を考慮すると、本発明は、融点降下剤を必要とせずかつ外部ＳｉＣサセプタのような二次的間接熱源を使用しないで完全溶融させることができる充填材金属粒子１２を用いてマイクロ波ろう付けを可能とすることが分かるであろう。ろう付け作業を対象とした従来の充填材金属粉末は、特にタービンノズルの表面内の割れを補修する場合のように少量の粉末のみを適用する場合に、その粉末粒子を完全溶融させるのには不十分である限られた量のマイクロ波エネルギーのみを吸収する傾向があるが、本発明で実現されたマイクロ波放射２６と充填材金属粒子１２との間の向上した相互作用は、粒子１２の極めて高速な加熱を可能とし、かつろう付け作業を行うために必要な電力及びエネルギーの量を減少させる。より少ない電力必要量は、マイクロ波チャンバ内でのアーク放電の危険性を減少させ、このアーク放電は、金属体上に高電力マイクロ波フィールドを導いた時におけるガスイオン化の結果として発生する傾向があり、減結合及び加熱の停止を引き起こしかつ部品に対する損傷発生の可能性をもたらす。
【００２４】
本発明に至るまでの研究において、マルチモードマイクロ波キャビティ内でマイクロ波加熱実験を行った。第１の実験では、−３２５メッシュ（４５μｍ未満）に篩分した約２５ｇのケイ素粉末を、それぞれ約２．４５ＧＨｚ及び約１ｋＷの周波数及び電力レベルのマイクロ波放射によって素早く溶融させた。第２の実験では、その各々が−３２５メッシュ（４５μｍ未満）に篩分した、約２５ｇのニッケル粉末、約２５ｇのクロム粉末、及び２５ｇの公知のろう付け合金（Ｎｉ４３０：Ｎｉ−１９ｃｒ−１０Ｓｉ）に対して、同様の周波数及び電力レベルでのマイクロ波放射を印加した。粉末の顕著な加熱が達成されたが、溶融は全く発生しなかった。図３は、ケイ素粉末に対して行った誘電特性測定値をプロットしたグラフであり、このグラフは、損失率（ｔａｎδ）での約２桁の（約１００×）の前述の不可逆的増大を明らかにしている。かかる増大は、その後マイクロ波放射による加熱を行った場合に、これらの粉末の加熱を顕著に促進させる効果を有する。
【００２５】
同様のマルチモードマイクロ波キャビティを用いた別の実験では、−３２５メッシュに篩分した、約５ｇのナノスケールサイズのニッケル粉末及び約２５ｇのニッケル粉末に対して、約２．４５ＧＨｚの周波数及び約１ｋＷの電力レベルのマイクロ波放射を行った。より微細なニッケル粉末では約１１４０℃（約２０８５○Ｆ）の最高温度が得られたが、より粗いニッケル粉末は、約８１４℃（１５００○Ｆ）の温度を達成したのみであり、より微細な粉末粒子のマイクロ波放射による加熱に対するより大きな感受性が明示された。
【００２６】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者が他の形態を採択することができることは明らかである。従って、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る、充填材金属粒子とそれよりもマイクロ波放射感受性の高い粒子とを含んでマイクロ波ろう付けを促進するようになった、一対の基材の間の粉末粒子の集塊の概略を示す図。
【図２】本発明による、図１の集塊と同様であるが基材の表面内の欠陥を充填する粉末粒子の集塊の概略を示す図。
【図３】約１２００℃にある状態でマイクロ波放射に曝されたケイ素粉末について取得した誘電性測定値をプロットしたものであり、粉末材料のマイクロ波結合挙動の不可逆的増大に対応する材料のｔａｎδの不可逆的増大を明示しているグラフ。
【図４】本発明の実施形態に係る基材上に位置しかつ粒子をマイクロ波加熱して被覆、補修又は肉盛りするような粒径に従って配列された粉末粒子の集塊の概略を示す図。
【図５】本発明による、一対の基材間に位置しかつ図４の集塊と同様に配列されて基材のマイクロ波ろう付けを促進する粉末粒子の集塊の概略を示す図。
【符号の説明】
【００２８】
１０  集塊
１２  粒子
１４  基材
１６  粒子
１８  粒子
２０  粒子
２２  粒子
２４  基材
２６  マイクロ波放射
３０  バインダ
３２  粒子
【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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【外国語明細書】
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