(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を形成する方法であって、
燃焼チャンバを提供すること、
ダイ・キャビティならびに固定および可動ダイ部品を有するダイを提供すること、
チャンバに接続されたピストンを提供すること、
ピストンと可動ダイ部品を接続すること、
ダイ・キャビティに微粒子材料を充てんすること、
可燃混合気を用いてチャンバを加圧すること、
チャンバを加圧する同時にピストンおよび可動ダイ部品を移動させること、
前記加圧を用いて、ダイ・キャビティの中の微粒子材料を予備圧縮すること、
可燃混合気に点火すること、
可燃混合気を燃焼させること、
可燃混合気の燃焼生成物でチャンバ内の圧力を増大させること、
チャンバから離れる方向へピストンを駆動すること、
可動ダイ部品を固定ダイ部品に向かって押すこと、
ダイ・キャビティを圧縮すること、
圧縮されたダイ・キャビティの中で微粒子材料を成形、圧密して緻密な状態にすること、ならびに
ダイ・キャビティから部品を取り出すことを含む方法。
【請求項２】
点火する前に微粒子材料からガスを除去することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
微粒子材料からガスを除去することが、微粒子材料の予備圧縮の間に微粒子材料からガスを追い出すことを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
微粒子材料からガスを除去することが、キャビティの中の微粒子材料からガスを引き抜くことを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
予備圧縮および成形のあいだダイ部品の周囲に不活性雰囲気を提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
キャビティがダイ・チャンバの中に容器を含み、
充てんすることが、微粒子材料を容器に充てんすることを含み、
可動ダイ部品を提供することが、ダイ・チャンバの中にフルーエント（ｆｌｕｅｎｔ）材料を提供することを含み、
ピストンと可動ダイ部品を接続することが、ピストンとフルーエント材料を接続することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
フルーエント材料を提供することが、液体、ゲルまたは固体材料を提供することを含み、
微粒子材料を予備圧縮することが、容器の中で微粒子材料を予備圧縮することを含み、
圧縮することが容器を圧縮することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
燃焼チャンバから燃焼生成物を排出すること、
燃焼生成物をエジェクタに導くこと、および
燃焼生成物でエジェクタを駆動し、エジェクタを駆動している燃焼生成物を用いて形成された部品をダイ・キャビティから取り出すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
エジェクタを用いてピストンを移動させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
エジェクタが形成された部品を押し、形成された部品がピストンを押すことでピストンを移動させることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
燃焼チャンバから燃焼生成物を排出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ピストンを可動ダイ部品に接続することが、大きな断面積を有するピストンを小さな断面積を有する可動ダイ部品に接続し、ダイ・キャビティの中の圧力を増大させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
ダイおよびダイ・キャビティを温めることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
ダイ・キャビティに充てんする前に微粒子材料を予め温めておくことをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
可燃混合気を用いて加圧することが、希釈剤を混合した可燃性ガスを用いて加圧することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
可燃混合気が可燃性ガスを３０モル・パーセント含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
可燃混合気が可燃性ガスを５から４５モル・パーセント含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
チャンバを加圧することが、圧力が１，０００から６，０００ｐｓｉの可燃混合気を用いてチャンバを加圧することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
可燃混合気を用いてチャンバを加圧することが、メタン、水素、酸素、空気から成る可燃性ガスのグループから選択された可燃性ガスと、アルゴン、ヘリウム、窒素および余分の可燃性ガスを含むガスのグループから選択された希釈剤ガスとの混合物を用いてチャンバを加圧することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
燃焼チャンバを冷却することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
点火することが、スパーク、アーク、ヒューズ線、高電圧破壊およびスパークを作り出す表面放電を含む点火のグループから選択された、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
点火することが、燃焼チャンバ内の複数の位置で可燃混合気に点火することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
燃焼させることが可燃混合気の爆ごうを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
燃焼生成物でチャンバ内の圧力を増大させることが、数百マイクロ秒から百ミリ秒のうちに圧力を最大圧力まで増大させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
数百ミリ秒以上のあいだ圧力を維持することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
部品を形成する方法であって、
燃焼チャンバを提供すること、
ダイ・キャビティならびに固定および可動ダイ部品を有するダイを提供すること、
チャンバに接続されたピストンを提供すること、
ピストンと可動ダイ部品を接続すること、
ダイ・キャビティに微粒子材料を充てんすること、
可燃混合気を用いてチャンバを加圧すること、
可燃混合気に点火すること、
可燃混合気を燃焼させること、
可燃混合気の燃焼生成物でチャンバ内の圧力を増大させること、
チャンバから離れる方向へピストンを駆動すること、
可動ダイ部品を固定ダイ部品に向かって押すこと、
ダイ・キャビティを圧縮すること、
圧縮されたダイ・キャビティの中で微粒子材料を成形、圧密して、緻密な状態を有する形成された部品にすること、ならびに
形成された部品をダイ・キャビティから取り出すことを含む方法。
【請求項２７】
駆動することが、点火後にピストンを駆動することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
ピストンの駆動が、チャンバ内の圧力が所定のレベルを超えたときに起こる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
チャンバとピストンの間に隔膜を提供すること、およびチャンバ内の圧力が所定のレベルを超えたときに隔膜の破壊が引き起こされてピストンが駆動されることをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
チャンバ内の圧力が所定のレベルに達するまでピストンを保持し、次いでピストンを解放してピストンを駆動することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
部品を形成する方法であって、
チャンバを提供すること、
チャンバの中に電気絶縁内壁を提供すること、
ダイ・キャビティならびに固定および可動ダイ部品を有するダイを提供すること、
チャンバに接続されたピストンを提供すること、
ピストンと可動ダイ部品を接続すること、
ダイ・キャビティに微粒子材料を充てんすること、
チャンバの中に間隔を置いて配置された電極を提供すること、
チャンバの中の電極間にヒューズを提供すること、
高電圧源を提供すること、
チャンバの中に加圧されたガスを提供すること、
高電圧源を電極に接続すること、
ヒューズを蒸発させること、
蒸発によって、加圧されたガスの中に導通チャネルを形成すること、
ヒューズの蒸発によって形成された導通チャネルに沿ってアークを形成させること、
アークでガスを加熱すること、
急速に加熱されたガスでチャンバ内の圧力を増大させること、
チャンバから離れる方向へピストンを駆動すること、
可動ダイ部品を固定ダイ部品に向かって押すこと、
ダイ・キャビティを圧縮すること、
圧縮されたダイ・キャビティの中で微粒子材料を成形、圧密して緻密な状態にすること、ならびに
ダイ・キャビティから部品を取り出すことを含む方法。
【請求項３２】
互いの反対側にある長手方向の端部を有する細長いチャンバを提供すること、
チャンバの両端に電極を提供すること、
ダイ・キャビティならびに固定および可動ダイ部品を有するダイを提供すること、
チャンバに接続されたピストンを提供すること、
ピストンと可動ダイ部品を接続すること、
ダイ・キャビティに微粒子材料を充てんすること、
チャンバの中に絶縁内壁を提供すること、
チャンバの中に削摩可能な材料を提供すること、
電極をまたぐ高電圧源を提供すること、
高電圧源を電極に接続すること、
削摩可能な材料を急速に加熱し、削摩し蒸発させること、
蒸発させた材料を急速に加熱すること、
加熱された蒸発材料でチャンバの中の圧力を増大させること、
チャンバから離れる方向へピストンを駆動すること、
可動ダイ部品を固定ダイ部品に向かって押すこと、
ダイ・キャビティを圧縮すること、
圧縮されたダイ・キャビティの中で微粒子材料を成形、圧密して、緻密な状態を有する形成された部品にすること、ならびに
ダイ・キャビティから部品を取り出すことを含む方法。
【請求項３３】
削摩可能な材料を提供することが、チャンバの中に液体、固体粒子またはライナを提供することを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
部品を形成するための装置であって、
燃焼チャンバと、
ダイ・キャビティならびに固定および可動ダイ部品を有するダイと、
チャンバに接続されたピストンと
を備え、
前記ピストンが可動ダイ部品に接続され、
さらに、
ダイ・キャビティに充てんされた微粒子材料と、
チャンバを加圧する可燃混合気であって、チャンバの加圧と同時にピストンおよび可動ダイ部品を移動させ、前記加圧を用いて、ダイ・キャビティの中の微粒子材料を予備圧縮する可燃混合気と、
チャンバに接続された点火装置であって、可燃混合気に点火し、可燃混合気を燃焼させ、可燃混合気の燃焼生成物でチャンバ内の圧力を増大させて、チャンバから離れる方向へピストンを駆動し、可動ダイ部品を固定ダイ部品の中へ押し込み、ダイ・キャビティを圧縮し、圧縮されたダイ・キャビティの中で微粒子材料を成形、圧密して緻密な状態にし、その後にダイ・キャビティから形成された部品を取り出す点火装置と，を備えた装置。
【請求項３５】
微粒子材料からガスを除去する手段をさらに備えた、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
微粒子材料からガスを除去する手段が、微粒子材料の予備圧縮の間に微粒子材料からガスを追い出す手段を含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項３７】
微粒子材料からガスを除去する手段が、キャビティの中の微粒子材料からガスを引き抜く真空接続を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
エンクロージャと、予備圧縮および成形のあいだダイ部品の周囲に不活性雰囲気を提供する不活性ガス源とをさらに備えた、請求項３４に記載の装置。
【請求項３９】
キャビティが、ダイ・チャンバと、ダイ・チャンバの中に容器を含み、
容器に微粒子材料が充てんされ、容器がダイ・チャンバの中に配置され、
可動ダイ部品が、ダイ・チャンバの中にフルーエント材料を含み、
ピストンと可動ダイ部品を接続することが、ピストンとフルーエント材料を接続することを含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項４０】
フルーエント材料が液体、ゲルまたは固体材料を含み、
微粒子材料が容器の中で予備圧縮され、
圧縮することが容器を圧縮することを含む、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
燃焼チャンバから燃焼生成物を排出する排出装置と、
固定ダイ部品に接続されたエジェクタと、
排出装置およびエジェクタに接続され、燃焼生成物をエジェクタに導き、燃焼生成物でエジェクタを駆動し、エジェクタを駆動している燃焼生成物を用いて形成された部品をダイ・キャビティから取り出す管路と，をさらに備えた、請求項３４に記載の装置。
【請求項４２】
エジェクタとピストンを接続して、エジェクタを用いてピストンを移動させることをさらに含む、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
ピストンとエジェクタの間に形成された部品を置いて、エジェクタで形成された部品を押し、形成された部品がピストンを押すことをさらに含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
燃焼チャンバから燃焼生成物を排出することをさらに含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項４５】
ダイ・キャビティの中の圧力を増大させるためにピストンが大きな断面積を有し、可動ダイ部品が小さな断面積を有する、請求項３４に記載の装置。
【請求項４６】
ダイ部品およびダイ・キャビティを温めるためのヒータをさらに備えた、請求項３４に記載の装置。
【請求項４７】
ダイ・キャビティに充てんする前に微粒子材料を予め温めておくためのヒータをさらに備えた、請求項３４に記載の装置。
【請求項４８】
可燃混合気がさらに、希釈剤を混合した可燃性ガスを用いて加圧することを含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項４９】
可燃混合気が可燃性ガスを３０モル・パーセント含む、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
可燃混合気が可燃性ガスを５から４５モル・パーセント含む、請求項４８に記載の装置。
【請求項５１】
可燃混合気が１，０００から６，０００ｐｓｉの圧力でチャンバに加圧する、請求項３４に記載の装置。
【請求項５２】
可燃混合気が、メタン、水素、酸素、空気から成る可燃性ガスのグループから選択された可燃性ガスと、アルゴン、ヘリウム、窒素および余分の可燃性ガスを含むガスのグループから選択された希釈剤ガスとの混合物を含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項５３】
燃焼チャンバを冷却するための冷却器をさらに備えた、請求項３４に記載の装置。
【請求項５４】
点火装置が、スパーク、アーク、ヒューズ線、高電圧破壊およびスパークを作り出す表面放電を含む点火装置のグループから選択された、請求項３４に記載の装置。
【請求項５５】
点火装置がさらに、燃焼チャンバ内の複数の位置で可燃混合気に点火するためにチャンバ内に複数の点火装置を含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項５６】
可燃混合気のために可燃混合気が調整される、請求項３４に記載の装置。
【請求項５７】
燃焼生成物でチャンバ内の圧力を増大させることが、数百マイクロ秒から百ミリ秒のうちに圧力を最大圧力まで増大させることを含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項５８】
数百ミリ秒以上のあいだ圧力を維持することをさらに含む、請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
部品を形成するための装置であって、
燃焼チャンバと、
ダイ・キャビティならびに固定および可動ダイ部品を有するダイと、
チャンバおよび可動ダイ部品に接続されたピストンと、
ダイ・キャビティに充てんされ、可燃混合気とともにチャンバを加圧する微粒子材料と、
可燃混合気に点火し、可燃混合気を燃焼させ、可燃混合気の燃焼生成物でチャンバ内の圧力を増大させるための点火装置と、
チャンバに接続され、圧力ビルドアップのあいだチャンバの中の圧力を保持する保持装置と、
圧力を解放する解放装置であって、チャンバから離れる方向へピストンを駆動し、可動ダイ部品を固定ダイ部品に向かって押し、ダイ・キャビティを圧縮し、圧縮されたダイ・キャビティの中で微粒子材料を成形、圧密して、緻密な状態を有する形成された部品にし、
その後に形成された部品をダイ・キャビティから取り出すための解放装置と、を備えた装置。
【請求項６０】
解放および駆動が、点火後にピストンを所定の時間、駆動することを含む、請求項５９に記載の装置。
【請求項６１】
解放およびピストンの駆動が、チャンバ内の圧力が所定のレベルを超えたときに起こる、請求項５９に記載の装置。
【請求項６２】
さらに、チャンバ内の圧力が所定のレベルを超えたときに破壊されてピストンを駆動する隔膜をチャンバとピストンの間に備えた、請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
保持装置がさらに、チャンバ内の圧力が所定のレベルに達するまでピストンを保持する機械式の保持装置を含み、解放装置がピストンを解放してピストンを駆動する、請求項６１に記載の装置。
【請求項６４】
部品を形成するための装置であって、
チャンバと、
チャンバの中の電気絶縁内壁と、
ダイ・キャビティならびに固定および可動ダイ部品を有するダイと、
チャンバおよび可動ダイ部品に接続されたピストンと、
ダイ・キャビティに充てんされた微粒子材料と、
チャンバの中に間隔を置いて配置された電極と、
電極に接続する高電圧源と、
チャンバの中の膨張可能な材料と、を備え、
高電圧源を電極に接続することによって、導通チャネルが形成され、ヒューズの蒸発によって形成された導通チャネルに沿ってアークが形成され、膨張可能な材料がアークで急速に加熱され、急速に加熱された膨張可能な材料でチャンバ内の圧力が急速に増大し、チャンバから離れる方向へピストンが駆動され、可動ダイ部品が固定ダイ部品に向かって押されて、ダイ・キャビティが圧縮され、圧縮されたダイ・キャビティの中で微粒子材料が成形、圧密されて緻密な状態となり、その後にダイ・キャビティから部品が取り出される
装置。
【請求項６５】
膨張可能な材料が圧縮ガスであり、装置がさらに、チャンバの中の電極間に延びるヒューズを提供し、これを蒸発させてそれによって導通チャネルを形成することを含む、請求項６４に記載の装置。
【請求項６６】
膨張可能な材料が、液体、微粒子状固体およびチャンバの中の固体ライナから成るグループから選択された削摩可能な材料である、請求項６４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、2000年7月12日出願の米国特許仮出願第60/217728号の恩典を主張する。
【０００２】
本発明は、Ballistic Missile Defense Organizationより授与されたContract DASG60-97-M-0115およびDASG60-99-C-0024の下、米国政府の支援を受けてなされたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は一般に粉末冶金の分野に関し、詳細には、主に材料試料および製造された部品を生産するために粉末を連続した堅い形態に圧密(成形)する目的で制御可能な(同じ装置で衝撃レジームと高速無衝撃レジームの両方の)圧力パルスを発生させる改良式のより安価な方法および装置に関する。この分野では一般に、より高い品質、より良好な性能の部品(一般により高い密度、強度および延性を有する部品を意味する)をより安いコストで生産することに重点が置かれる。
【０００４】
【従来の技術】
粉末冶金(P/M)は、幅広い固有の新規な特性を示す材料の構成をニア・ネット・シェイプにする可能性を提供する。原理的には、このような方法による所望の組成を有する材料の生産に限界はない。しかし、高コストの粉末冶金技術は低コストの他の製造方法と競争しなければならない。
【０００５】
その必要性の例としてまず最初に、商用的に関心を持たれている特定の2つの市場領域(軟質および硬質磁性材料)について説明する。他の材料の市場も同様の関心を集めている。本発明を低コストの高トン数成形プレスとして使用した従来の粉末の動的成形は、部品製造工業で高い価値を有することが予想される。次に、現在の粉末圧密技術および動的粉末圧密技法、ならびにそれらの限界について説明する。
【０００６】
軟質磁性材料
世界の磁性材料市場は数十億ドル産業であり、軟質磁性材料はこの市場のかなりの部分を占める。軟質磁性材料はいくつかの応用、特に電力応用に関して重要な役割を果たしている。このような応用としては電動機、配電変圧器、発電機などがある。
【０００７】
軟質磁性材料は、現代社会を特徴づけている電気、電子およびコンピュータ・システムで応用されている。軟質磁性材料は配電において重要な役割を果たし、電気エネルギーと機械エネルギーの間の変換を可能にし、マイクロ波通信を支え、情報システムにおけるトランスデューサおよびデータ記憶用の能動記憶材料を提供している。これらの材料の特性は絶えず改良され続けているので、今後もおそらく多くの新しい応用が出現することであろう。
【０００８】
最適な軟質磁性材料を構成する際に必要な特性としては、高い飽和磁化、低い飽和保磁力、低いヒステリシス損、高い透磁率、低い磁歪、低い渦電流損、高いキュリー温度、磁気特性の低い温度依存性、およびコストなどがある。実際には、これらの特性のいくつかを妥協して他の特性を優先しければならない。例えば、パーマロイ(Fe-Niベースの合金)はきわめて高い透磁率と非常に低い飽和保磁力を有するが、飽和磁化はα鉄の約60パーセントの値でしかない。
【０００９】
必要な特性の多くは、高飽和磁化、磁歪など、本来備っているものである。これらの特性は、特定の合金構成を介して調整される。他の特性は外的な因子、最も顕著には微細構造的な特徴の影響を受ける。微細構造によって強く影響される磁気特性は磁壁の移動を伴う特性である。例えば渦電流損は、軟質磁性材料が一般に交番磁界中で動作するために生じる。渦電流損は主に、材料の磁化状態を逆転させることが難しいために生じる。これは磁壁の移動によって制御されている。すなわち磁壁の移動が阻害される場合には渦電流損はより大きくなる。転位および不純物原子に起因する析出物、局所的なひずみ磁界などの微細構造特徴は、ピンニング部位を磁壁に対して提供する。さらに渦電流損は、磁気領域のサイズの増大および抵抗率の低下とともに増大する。したがって渦電流損は、飽和保磁力および微細構造のスケールを低減し、電気抵抗率を低下させることによって低減させることができる。
【００１０】
飽和保磁力は、内因子と外因子の両方の影響を受ける。内因的には、飽和保磁力は、結晶格子の特定の異方性(マグネトクリスタル異方性(magnetocrystalline anisotropy))によって制御される。立方晶系結晶は最も低い異方性を有するが、異なる立方晶系結晶間では多様性が見られる。例えば異方性定数(異方性の程度を記述するパラメータ)はFeとNiでほぼ1桁異なる。他の内因性の特性と同様に、この異方性は合金構成を通じて変更することができる。
【００１１】
飽和保磁力に対する主たる外因性の影響は微細構造である。微細構造は実際、ヒステリシス曲線の形状全体に影響する。磁壁移動に作用することによって飽和保磁力に影響を及ぼす微細構造特徴の例には、転位および点欠陥(例えば不純物原子)を含む、欠陥密度が含まれる。したがって、より効率的な軟質磁性材料を生産するためには微細構造特徴を制御することがきわめて重要である。
【００１２】
飽和保磁力に大きく影響する1つの微細構造特徴が構造相関長(structural correlation length)(D)である。構造相関長は結晶性材料では粒径に等しく、非晶質材料では本質的に短範囲規則度が存在する距離である。粒径がミリメートル範囲から約0.1μmに低下すると、これに対応して飽和保磁力は1/Dに比例して増大する。しかし構造相関長が、磁壁幅程度である強磁性交換長(ferromagnetic exchange length)に近づくと飽和保磁力は低下し始める。構造相関長を連続的に低減させると飽和保磁力はD6に依存して低下することが観察された。飽和保磁力のこの劇的な低下は、磁化プロセスに対するマグネトクリスタル異方性の影響を排除する(またはかなり低減させる)正味の効果を有する、交換相互作用による局所的な異方性の平均化によるものと考えられた。
【００１３】
飽和保磁力が構造相関長に強く依存することは、Dが0.5から50nmの範囲にあるナノ結晶性(nanocrystalline)合金および非晶質合金分野の研究を相当に促した。非晶質合金は一般に、ガラス成形性を高めるSiおよびB、ならびに例えば磁歪を制御するための他の合金化添加材が加えられたFeまたはCoベースの合金から成る。現在、ナノ結晶性微細構造は、特定の非晶質合金の結晶化によって形成されており、得られた微細構造は、非晶質マトリックスによって取り囲まれた10〜15nmの晶子から成る。非晶質合金およびナノ結晶性合金の主たる利点は異方性の低減であり、ナノ結晶性材料の場合にはさらに磁歪の低減である。非晶質金属は、変圧器応用において方向性けい素鋼板の代わりに使用されており、低い飽和保磁力および磁歪のために渦電流損が75パーセント低減した。しかし飽和磁化はかなり低減され、現在の非晶質合金およびナノ結晶性合金では10から15kGの値をとる(α鉄では21.5kG)。より低い飽和値は、ガラス成形性を高め、または他の内因性の特性を変更する要素を用いたFeまたはCo合金の希釈から得られる。軟質磁性材料の将来の進歩は、非晶質およびナノ結晶性微細構造の有利な特性を保持しつつ飽和磁化を増大させることによって達成されるであろう。
【００１４】
ナノ結晶性材料および非晶質材料は一般に、アトマイズまたはメルト・スピニング技法によって微粒子の形態で生産される。実際には、ナノ結晶性および非晶質微粒子の有用な工学装置への圧密には固有の多くの問題がある。ほとんどの緻密化技法は緻密化の促進を高温に依存する。しかし高温への暴露は、結晶化および結晶粒成長を通してやっと手に入れた微細構造特徴を相当に劣化させる。他の技法は、低温圧密を可能にする結合剤を利用する。しかし結合剤を使用すると、最終部品中の磁性材料の量が最高でも70体積パーセントまで薄まり、最終的な工学構成部品中の体積あたりの飽和磁化が低下する。
【００１５】
動的圧密技法は、高温への長時間の暴露およびこれに付随する微細構造の劣化なしにフル・デンシティ(full density)への緻密化を可能にする。動的圧密技法は、粒子間接合および融解を生じさせるのに十分な強さの衝撃波を利用し、温度エクスカーションが実質上排除される。磁性材料を含む多種多様な合金系の急速凝固微粒子材料を緻密化するのに、例えば火薬または発射体によって発生させた衝撃波が利用されている。しかし、ほとんどの動的圧密技法は大規模生産にはなじまない。実際的なレベルの動的圧密の利益を完全に実現するためには、十分な衝撃波を発生させる新規の技法を開発しなければならない。
【００１６】
動的圧密技法は、軟質磁性ナノ結晶性および非晶質材料を圧密するのに望ましい技法である。動的圧密は、微細構造に対して有害な影響を与えることなく完全な緻密化を可能にする。したがって、最終的な工学構成部品において、磁気特性に対するナノ結晶性および非晶質微細構造の利益を維持することができる。
【００１７】
硬質磁性材料
永久磁石材料は、広範囲にわたる産業にかなりの影響を与えており、マイクロエレクトロニクス、自動車産業、医療機器および発電など、多種多様な分野で応用されている。永久磁石電動機応用だけで年間920トンのフル・デンシティ、770トンのボンドNd-Fe-B磁石が必要となっている。現在、永久磁石産業は40億5千万ドル産業であり、2005年には100億ドル産業になると予測されている。
【００１８】
硬質磁性材料は、自動車、航空宇宙および電気通信産業で応用されている。そのサイズおよび重量のためにNdFeBなどの希土類磁石は他の硬質磁石よりも高いエネルギー密度を有する。これらの磁石は、コンピュータ・ディスク・ドライブおよびフライ・バイ・ワイヤ航空機用のコンパクトで高出力の電動機で使用されている。硬質磁性材料はさらに、コンパクト・ディスク・プレーヤでレーザを集束させるのに使用される高精密アクチュエータとして、およびパーソナル・ステレオの小型拡声器で応用されている。自動車応用としては、スタータ、小型モータ、オルタネータ、センサ、計器、ならびに電気およびハイブリッド車の推進系などがある。これらの磁石は、粉末金属から加圧成形によって作られ、焼結される。
【００１９】
硬質磁性材料市場のほぼ90パーセントは2つの材料、すなわちフェライト(58パーセント)およびNd-Fe-B(31パーセント)によって占められている。最大エネルギー積は約5MGOeと磁気特性はそれほどでもないが、フェライトの主な利点はその安さ、特に原料コストの安さにある。フェライトは、サイズおよび重量が構成上の考慮事項とはならない応用で使用されている。コストよりも磁気の強さのほうが優先されるときにはNd-Fe-B磁石が好まれる。等方性Nd-Fe-B磁石のエネルギー積の範囲は、ボンド磁石の7〜8MGOeから、フル・デンシティ・ホット・プレス磁石(fully dense hot pressed magnet)の15MGOeまでにわたる。異方性Nd-Fe-B磁石のエネルギー積の範囲は、市販製品の45MGOeから、実験室スケールで生産される磁石の54.4MGOeまでにわたる。
【００２０】
強力永久磁石に必要な内因性の特性としては、高い飽和磁化、大きなマグネトクリスタル異方性、適度に高いキュリー温度などがある。さらに、実際の材料の特性は外因子、最も顕著には微細構造の影響を強く受ける。微細構造的なスケール、相含有量、粒子の形態および配向などの因子は材料□特性に強く影響する。これらの因子はさらに磁気特性、特に微細構造のスケールに大きく影響する。粒径が、単一磁区限界(single domain limit)として知られている限界よりも小さいときには優れた特性が生じる。粒径が単一磁区限界よりも大きいときにはそれぞれの粒子に複数の磁区が存在する。この複数磁区状態では脱磁が比較的に容易に起こり、硬質磁気特性も不良になる。粒径が単一磁区限界よりも小さいと脱磁はずっと難しくなり、優れた硬質磁気特性が得られる。単一磁区限界は、異方性定数および飽和磁化を含む、特定の内因性磁気特性に関係する。Nd-Fe-B磁石ではこの単一磁区限界が約300nmである。
【００２１】
等方性永久磁石では、粒径が単一磁区限界よりも小さいことが絶対に必要である。この微細粒要件のため非平衡処理技法が必要となる。現在のところ微細なスケールの微細構造を生じさせる商業上好ましい技法はメルト・スピニング技法である。処理パラメータに応じてメルト・スピニングは、20から30nm程度の微細な等軸晶から圧密中に結晶化する非晶質構造までの範囲の微細構造を生み出す。磁気特性を最適化するためには、以降の処理後もできるだけ微細な微細構造を維持することがきわめて重要である。
【００２２】
複数の応用で有用なモノリシックNd-Fe-B永久磁石は、粉末化したメルト・スピニング・リボンの圧密によって生産される。エネルギー積が約12〜15MGOeの等方性Nd-Fe-B永久磁石は従来のホット・プレス技法によって圧密される。しかし、比較的長い時間高温でいる間に結晶粒成長が起こり磁気特性に対して有害な影響が生じる。異方性磁石は、ホット・プレスした磁石のダイ・アプセット処理によって生産される。ダイ・アプセットの結果、好ましい結晶粒成長を通して結晶学的なアライメントが達成される。結晶学的アライメントの程度が高いとエネルギー積は大きくなる。しかし、ダイ・アプセット中の高温への追加の暴露は微細構造をさらに劣化させる。微細構造の劣化および達成可能な結晶学的アライメントの限界によって市販製品のエネルギー積は、理論上の最大値64MGOeの70パーセントにすぎない45MGOeに制限されている。
【００２３】
実験室スケールでは、メルト・スピニングの間に生み出された有益な微細構造特徴を維持する努力が続けられた。これは、衝撃および爆発成形による圧密によって達成された。これらの動的圧密プロセスは高温への暴露時間を著しく短縮し、メルト・スピニングの間に生み出された微細な微細構造の維持を可能にした。動的に圧密された磁石は、最初のメルト・スピニング・リボンの磁気特性および微細構造を維持している。さらに、衝撃圧密した非晶質リボンのダイ・アプセットによって、エネルギー積54.4MGOe(理論上の最大値の85パーセント)を有する異方性微粒子モノリスが得られた。
【００２４】
実験室スケールの試験では、圧密した最終的な磁石において微細な微細構造が維持されることが示されている。しかし、以上に述べた動的圧密技法のスケールアップには固有の問題がある。高温への材料□暴露を制限しつつフル・デンシティ圧密に近い圧密を提供する他の動的圧密プロセスの開発は、改良された磁気特性を有する材料への道筋を提供する。さらに、圧密のあいだ微細な微細構造を維持するプロセスの開発は、最近発見されたナノコンポジット磁石、ばね型磁石など、ナノ結晶性微細構造に絶対的に依存する新規の磁性材料を利用した磁石を商業的に生産する道を提供するであろう。
【００２５】
非磁性粉末
本発明を低コストの高トン数成形プレスとして使用した従来の(鉄および非鉄)粉末の動的圧密は、より速い成形速度でより高い圧粉密度および圧粉強度の部品が得られるため、部品製造工業において高い価値を有することが予想される。業界団体であるMPIF(Metal Powder Industries Federation)によれば、北米におけるP/M(粉末冶金)部品および製品産業の売上げは20億ドル超と推定されている。この団体は、鉄および銅ベースの粉末から従来のP/M部品および製品を製作している150の企業、ならびに超合金、工具鋼、多孔性製品、摩擦材料、電子応用向けのストリップ、炭化タングステン切削工具および摩耗部品、急冷凝固粉製品、金属射出成形(MIM)部品および工具鋼など、特殊なP/M製品を製作している約50の企業から成る。P/Mは、全ての主要先進工業国で成長している国際的な産業である。米国の金属粉末出荷額(ペーストおよびフレークを含む)は1996年には19億ドルであった。全世界の年間金属粉末生産量は100万トンを超える。
【００２６】
MPIFは、北米のMIM市場が1億ドルを超え、年率20から25%で成長すると推定している。北米には、注文生産メーカとして、または工場の一部門でMIM製品を製造している企業がおよそ25から40社あった。この成長率は、強い自動車生産、ならびに自動車エンジンおよび変速装置におけるPM部品の応用分野の増加によって加速されている。PM産業の先端微粒子材料セクタ、特にPM高速度工具鋼、PM超合金および複合材料、MIMおよびスプレー成形部品、材料および繊維は明るい未来を有する。先端粒子材料から製作されるPM部品および製品は、自動車、航空エンジン、電子パッケージ、コンピュータ周辺機器および医療の市場で新しい応用分野を見つけることであろう。さらに、ニッケル・ベースのPM超合金および先進の複合材料がNASAの高速民間人輸送機に対して検討されている。MPIFによれば、PM構成部品に対する応用が増加していることからPM部品産業は金属加工業を追い越し、PM部品産業の長期にわたる成長は金属加工市場のシェアを獲得すると予想される。現在では、工業市場、特に自動車市場でのPM部品の使用は、コストおよび性能競争力にかなり貢献すると広く認識されている。
【００２７】
先端材料の一例が、秩序を持った(γ-fct)構造を有し、長時間高温にさらされる応用に対して魅力的な固有の特性を有する金属間化合物TiAlである。アルミナイド(TiAl、Ti3Al、NiAl、NbAl3など)および他の金属間化合物から製作された部品は、軽量さ、高温での強度および耐酸化性を必要とする応用に対する潜在的可能性を有する。急冷凝固法(RSP)によって作られた金属間化合物粉末は脆いと同時に硬く、従来の技法によってこれらの粉末を圧密することは難しい。従来の技法に含まれる高温への長時間の暴露は、過剰な結晶粒成長およびRSPによる最初の微細構造の相変換の原因となる。したがって、延性および他の所望の機械的性質を保証するためには、これらの部品をRSP粉末の圧密によって形成する必要がある。さらに、室温での脆性も従来の金属間化合物の問題である。課題は、RSPによる性能強化に不利な影響を与えない粉末圧密技法を開発することである。金属間化合物は、複合材料のマトリックスとしても使用される。この場合の目標は、マトリックスと強化材の間に過度の反応を生じさせない圧密である。
【００２８】
現行の粉末圧密技術およびその限界
従来の粉末圧密技法
微粒子材料に対しては従来からいくつかの圧密技法およびそれらの変形技法が存在する。これらには、圧密された製品を生み出すダイ・プレス(die pressing)、コールド・アイソスタティック成形(CIP)、ホット・アイソスタティック成形(HIP)、反応性焼結(reactive sintering)、粉末射出成形、セラミック圧密、およびエレクトロコンソリデーション(electroconsolidation)などがある。
【００２９】
従来の粉末成形はダイ・プレスによって実行されている。ダイは、粉末をその中へプレスし、粉末の横方向への移動を拘束するキャビティを提供する。外部フィード・シューが振動を与えながら粉末をダイに導入する。大部分の成形では上および下パンチが使用される。粉末の内部に応力を発生させて部品を生産するため、両方のパンチには荷重がかけられる。いくつかのプレス・モードがあり、したがって液圧、機械、ロータリ、アイソスタティック、アンビルなどを含むいくつかのタイプのプレス機がある。これらは全て、非常に大きく、騒音が大きく、複雑でかつ高価なシステムである。従来のダイ・プレスの限界としては、限られた圧粉密度、限られた圧粉強度、圧粉密度勾配、結合剤および結合剤除去(緩慢かつ高価なプロセス)の必要性、ならびに焼結中の部品の収縮などがある。
【００３０】
CIPは、アンダーカットまたは大きな長さ-直径比を含む複雑な形状に対して使用される。柔軟な型に粉末を充てんし、油、水などの流体を使用してこれをアイソスタティックに加圧する。CIPは一般に350MPa(メガパスカル)よりも低い圧力で実行される。ただし最高1400MPaの圧力が達成されている。ダイ・プレスに比べると所与の圧力でより高い圧粉密度に到達し密度勾配も小さいが、この他のダイ・プレスの限界のほとんどがCIPにも存在する。
【００３１】
HIPでは、気密性の缶を使用して粉末を封じ込める。加熱および真空脱ガスによって揮発性の汚染物質を除去する。次いでこの缶を密封し、内部的に加熱された圧力容器の中に入れてプレスする。高圧のアルゴン・ガスを使用して熱および圧力を等方的に成形体に伝達し、成形体を緻密化させる。HIPの後、緻密化した成形体から缶を剥ぎ取る。応力の上昇が緩慢なのでこのプロセスはひずみ速度の小さいプロセスである。高温への長時間の暴露は結晶粒成長、ならびに急速凝固によって形成された当初の微細構造の損失につながる。
【００３２】
いくつかの異なる種類の反応性焼結を使用して、金属および金属間化合物材料が圧密されている。全ての反応性焼結プロセスの基礎は、混合物中に存在する素粉末間の発熱反応の結果としての液相の形成である。この液相は圧密を加速し、プロセスの間に消費される。反応は、無圧(反応性焼結)、等方静圧(反応性ホット・アイソスタティック成形(RHIP))または単方向圧(反応性ホット・プレス(RHP))下で進行させることができる。一例として、TiB2を20体積%含むNiAl複合材料の一般的なプロセス段階は次の通りである。
1)化学量論的割合のNiおよびAlを(TiB2とともに)混合する。
2)成形体をプレスして、圧粉密度を理論密度の約70%にする。
3)成形体を304ステンレス鋼の中に真空封入する。
4)封入した成形体を1200℃、172MPaで1時間プレスする。
【００３３】
反応性焼結の欠点は、粉末と反応しない延性の缶材料の必要性、缶を慎重に密封する必要性などの、しばしば反応性処理に付随しまたはこれに続いて起こるHIPに関連した問題である。HIP缶の溶接に関連した費用およびTi、Nbなどの反応金属の費用は、反応性焼結段階に関連した低いコストを凌駕する。
【００３４】
粉末射出成形は、粉末、強化材および結合剤から成る混合物のダイの中への押出しを含む。押出しは、結合剤の軟化温度よりも高い温度で実施しなければならない。押出しの後、結合剤を(熱的にまたはウィッキング作用によって)除去し、成形体をHIPによってほぼフル・デンシティまで圧密する。この方法によるNiAlおよびMoSi2から成るフル・デンシティA12O3強化複合材料の生産が成功している。このプロセスは、複雑なP/M部品を生産する可能性を提供する。しかし主な欠点は、結合剤を完全に除去することが難しいこと、および連続する繊維強化複合材料を生産することができないことである。
【００３５】
HIPではガスが使用されるのに対して、Ceracon(CERAmic CONsolidationの略)プロセスでは、圧力伝達媒体(pressure-transmitting medium:PTM)として粒状のセラミック材料が使用される。圧密する材料のプレフォームを予熱し、高温のセラミックPTMの中に沈める。PTMを介して1.24GPa(180×103psi)という高い圧力を30から60秒間プレフォームにかける。PTM床に加えられた単一軸圧力は、準等方静圧としてプレフォームに伝達され、部品を30から60秒間圧密する。CeraconおよびHIPプロセスはともに塑性降伏範囲で機能し、Ceraconプロセスを用いると、実質上瞬時の塑性降伏によってほぼ排他的に完全な緻密化を生み出すことができる。Ceraconプロセスで使用可能な高い圧密圧力は、材料が暴露される温度を(HIPおよびホット・プレスに比べて)比較的に低くし、暴露時間を短くすることを可能にする。これによって、微細な微細構造を維持しつつ材料を完全に緻密化することができる。複合材料では、マトリックス相と強化材相の間の界面反応が最小化され、または排除される。このプロセスの臨界パラメータとしては、部品温度、PTM温度、加える圧力、ひずみ速度、予熱時間および温度、ならびに温度保持時間などがある。
【００３６】
エレクトロコンソリデーション・プロセスは、制御された電気特性を有する黒鉛状炭素粒子をPTMおよび電気抵抗体として使用して、修正型のホット・プレス設備内で粉末プレフォームの加熱と圧密を同時に実行する。この技法は、金属およびセラミック粉末プレフォーム、ウィスカ強化セラミック複合材料、および非常に高い温度での圧力支援緻密化を必要とし、またはこれから利益を得ることができる他の材料をニア・ネット・シェイプへ急速に緻密化できる圧力支援緻密化が評価されている。エレクトロコンソリデーションは、「疑似流体」微粒子をPTMとして使用する「ソフト」ツーリング、疑似HIPまたはコンテナレスHIP圧密プロセス群の1つである。ダイの中の周囲の媒体の抵抗加熱によって冷プレフォームを圧密温度まで加熱し、同時に成形圧力をかける。この「インサイドアウト」プレフォーム加熱法は、非酸化物セラミックおよび理論密度に近い密度まで圧密するのに非常に高い温度を必要とする他の材料を緻密化するのに特に有利である。予熱されたプレフォームまたは加熱された媒体の成形容器への移送を必要とする他の粉末-ビヒクル成形方法ではこのような温度を達成するのは難しい。開発作業においては、50-t(55トン、490kN)および100-t(110トン、980kN)プレスがエレクトロコンソリデーションに適合された。エレクトロコンソリデーションは、理論密度に近い密度までSiCプレフォームを圧密することが証明された。冷間で成形したプレフォームを炉で乾燥させ、ベークし、次いで1500℃で熱処理した。続いて、28MPa(4000psi)の成形圧力および窒素雰囲気を使用してエレクトロコンソリデーションを実施した。20kW超の電力レベルで急速な緻密化が得られた。それぞれ2分および4分以内に理論値の90+%および95%の密度が得られた。部品は、導電性媒体によって約2000℃(3630°F)まで急速に加熱した。従来のホット・プレスおよびHIPに比べたこのプロセスの利点としては、短いサイクルタイム(従来の技法の数時間に対して数分)、高温ケーパビリティ(3000℃(5430°F)まで)、制御雰囲気ケーパビリティ(不活性または活性ガス)、「キャンニング」なしで複雑な形状を緻密化できることなどが挙げられる。緻密化が急速に実施されるのでこのプロセスは、結晶粒成長を抑制し、その結果、微細な微細構造に関連した改良された機械的性質を有する細粒部品を与える、潜在的な可能性を有する。さらに、高真空または高圧ポンプの必要がなく、既存のホット・プレス・システムを適合させることができるので機器コストを低く保つことができる。
【００３７】
Materials Modification社(MMI)は、プラズマ・プレッシャ・コンパクション(Plasma Pressure Compaction)と呼ばれる粉末圧密技法を開発し特許を受けた(米国特許第6187087号、6183690号、6001304号、5989487号)。この方法は、複数の研究者によって発表されているプラズマ活性化焼結(plasma activated sintering:PAS)に基づく。PASプロセスでは、圧力をかけながらの抵抗加熱と粉末粒子間でのプラズマの発生とを組み合わせて緻密化を達成する。完全な緻密化に達するため高温および高圧を適用する時間は短く、時間ではなく分のオーダーである。共有結合性セラミック、酸素感応性金属間化合物、超電導体などの焼結が難しい材料もPASによって圧密された。MMI社のプラズマ・プレッシャ・コンパクション技法は、短い圧密時間、低い処理温度でサブミクロンおよびナノ材料(金属、金属間化合物および準セラミック)を圧密し、得られる密度は高く(97%までのタングステンおよび96%までのレニウム)、最終部品の酸素含有量は低い。
【００３８】
動的粉末圧密技法
上記の従来の技法およびそれらの変形の他に、火薬、衝撃およびパルス磁力を使用してフル・デンシティを得る動的圧密技法がある。材料の動的(衝撃)圧密および合成は材料開発上の研究活動でかなりの程度に使用されている。粉末の衝撃波圧密は、航空宇宙および原子力応用で使用される材料から高密度部品を生産するために1950年代に初めて使用された。動的圧密は、金属間、モノリシック、複合材料などの先端材料の圧密の課題を解決し、金属間化合物ベースの部品を製造する経済的な技法となる潜在的可能性を有する。
【００３９】
焼結、HIPなどの従来の粉末圧密法は一般に高温での長時間の処理を含み、固体拡散に依存する。動的圧密は一般に、試料中を数キロメートル/秒の速度で伝わる高圧の衝撃波を含む。これらの衝撃波は、火薬を爆発させて粉末試料中に「フライヤ・プレート」を加速させること、または銃を使用して試料中に発射体を発射することを含む、さまざまな方法によって試料中に生み出される。より大きな試料は一般に火薬を用いて生産することができ、一方、発射体を使用すると一般に、衝突速度などの実験パラメータの良好な制御および測定が可能になる。処理は一般に、加圧された粉末混合物中への単一の高エネルギー・パルスの発射によって達成される。加えられる圧力は210から420MPaであり、比エネルギー入力は3200から4800kJ/kgまでの間にある。圧密は、粒子間に一時的に生み出される薄い液層を通した拡散によって起こる。粉末を通過するとき衝撃波はそのほとんどのエネルギーを、おそらくは粒子間摩擦によって粒子境界のところで放出する。このような境界の近くで部分的な融解が起こり、融解した液体は、相対的に冷たい粒子内部への熱伝導によって急速に凝固する。したがって動的圧密は「冷間」法とみなすことができる。実際の圧密機構の詳細は粉末および処理条件によって決まる。例えば、粒子どうしの結合が部分的な融解なしに固体状態で起こることがあり、粒子間の摩擦によってではなく粒子の塑性変形によって発生した断熱加熱によって融解が引き起こされる場合もある。Rockwell Internationalの科学者は、急速凝固γ-Ti-48A1粉末を、火薬によって発射したステンレス鋼フライヤ・プレートを使用して動的に圧密した。この動的圧密の結果、非平衡単相α-2(DO19)構造が得られた。同じ粉末をホット・プレスすると、85から90体積%のγ相と10から15体積%のα-2相から成る平衡層状混合物が得られる。Rockwellの科学者はさらにSiC/Ti-Al-Nb複合材料を動的に圧密し、アルミナイド・マトリックス中に、安全な非常に薄い(50nm)繊維/マトリックス反応帯を有するSiC繊維の均一な分散を得た。ホット・プレスした同じ複合材料からは、複合材料の破損特性にとって有害な厚い(1マイクロメートル超)繊維/マトリックス反応帯が得られた。
【００４０】
これまでに研究者によって識別された動的圧密の潜在的な利点には以下のようなものがある。
急冷凝固粉中に生み出された非平衡微細構造を成形体中でも維持することができる。圧密は非常に短い時間で起こるため、平衡が再確立されるだけの十分な時間がない。
上と同じ理由から、マトリックスと強化材の間に非常に薄い反応帯を有する複合材料を製造することができる。これによって、複合材料の破損特性を劣化させる脆い反応生成物の形成が最小限に抑えられる。
他の方法によっては形成することが極めて難しいか、または不可能である多くの粉末を動的に圧密することができる。例えば、いくつかの粉末は非常に脆く、そのため従来のアイソスタティック成形では過度の粒子破損が生じる可能性がある。
動的圧密は、ネット・シェイプ部品を製造する潜在的可能性を有する。
現時点で生産される大部分の試料は小さい(センチメートル・サイズ)ものであるが、原理的にはこのプロセスを、大きな(メートル・サイズ)成形体を生産できるようにスケールアップすることができる。
【００４１】
金属および金属間化合物ベースのモノリシックおよび複合材料を形成する際に動的圧密がかなりの固有の利点および汎用性を提供することができるとはいえ、この方法は依然として開発段階にあり、主要な課題を解決する必要があることを認識しておくことは重要である。例えば、プロセス・パラメータを正確に制御する方法、および均一な試料を得る方法を開発しなければならない。割れの問題も解決しなければならない問題である。粉末を圧密する衝撃波が自由表面に達すると、試料を破損することができる解放波に変化する。さらに、運動エネルギー貯蔵機械がまれにしかないこと、および現在のところ生産される試料のサイズが小さいことが、運動エネルギーの発射が商業的に実行可能な粉末圧密法であるどうかを予測するのを難しくしている。
【００４２】
以上に論じた技法は、さまざまな研究開発段階およびプロトタイプ開発段階にある。
【００４３】
他の代替の動的粉末圧密方法も追求されている。例えば、米国特許第5405574号および5611139号に記載されている動的磁気成形(dynamic magnetic compaction:DMC)プロセスは、粉末を圧密して1ミリ秒未満でフル・デンシティ部品とするとされるプロセスである。このプロセスでは、中心に粉末容器が置かれたコンパクタ・コイルに高電流を流す。コイル中の電流は磁界を発生させ、この磁界は、最高1400MPa(200ksi)(一般に達成されるのは300MPa)の磁気圧力を直交する2方向から粉末に適用する。この圧力で、高張力鋼、チタン-ニッケル金属間化合物、タングステン合金、超電導体セラミックなどの粉末を圧密する。このプロセスは、室温または高温の任意の制御雰囲気中で粉末を圧密するとされ、力を正確に制御できるという。今までのところこのプロセスは、小さなサイズの形状(長さ2から20cm、太さ最大2cmのロッドおよびバー)を成形するのに使用されている。しかし基本的にサイズの制限はないとされている。DMCの1つの限界は、粒子の結合を完了させるために、水素などの還元雰囲気下での事後焼結またはHIPが一般に必要であることである。一般に達成可能なDMC圧力(300MPa)では一般に粒子結合は完了しない。なお、記載されているピーク圧1400MPaは明らかにコイルに損傷を与え、結果的に寿命が限定される。5〜6キロバールを超える圧力で繰り返し動作することができる存続可能なコイルを製作することは困難である。
【００４４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、静的技法であれ動的技法であれ知られている技法は全て一般に従来の鍛造処理技法ほどには経済的ではなく、動的技法のうち、それなりの商業活動を生み出した技法は1つもない。したがって、理論密度に近い密度(すなわちほぼ100%)を生み出すことができ、より低温での焼結によって好ましい微細構造を得ることができ、小さなサイズおよびより安い費用の従来のダイ・プレスの製造することができる経済的な圧密技法が求められている。
【００４５】
【課題を解決するための手段】
われわれの知る限り、後に詳細に説明する高圧燃焼に基づく粉末圧密技法、またはやはり後に説明する放電に基づくその変形技法はまだ誰も開発していない。作動流体のパルス高圧燃焼およびパルス電気放電加熱技術は、先に説明した技術的限界に対処する革新的な解決策を提供する。シングル・ショット・モードで利用される本発明は、高い生産速度を一般に必要としない先端材料の研究開発コミュニティで有用性を有し、一方、反復的に動作させる装置は、自動車産業などの部品製造工業において明白な有用性を有するであろう。
【００４６】
本発明は、金属、金属合金、セラミックおよびこれらの混合物から成る粉末を圧密、すなわち成形してバルク物体を形成するための大きな圧力パルスを制御可能に発生させる改良された新しい方法および装置を提供する。
【００４７】
本発明は、圧密する粉末に圧力を伝達するためにピストンまたはラムを押す、大きな圧力パルスを発生させる方法および装置を提供する。ピストンの一端と他端の面積比は、粉末を成形する側の端でピストンを押す圧力が強められるように決めることができる。
【００４８】
本発明は、部品製造用の自動プレス・システムに組み込むことができる、大きな圧力パルスを発生させる方法および装置、ならびに研究開発目的の試料材料のシングル・ショット生産のための方法および装置を提供する。
【００４９】
本発明は、従来のダイ・プレスによって達成することができる密度よりも高い密度に粉末を圧密する方法および装置を提供する。
【００５０】
本発明は、製造プレスの際の大きな圧力パルスを、閉じ込められた高圧混合気の燃焼によって生み出す。
【００５１】
本発明は、製造プレスの際の大きな圧力パルスを、閉じ込められた加圧ガスを狭い容積の中での高電力放電によって急速に加熱することによって生み出す。
【００５２】
本発明は、製造プレスの際の大きな圧力パルスを、狭いいわゆる毛管構造体中でのアーク放電に起因する削摩された材料の急速加熱によって生み出す。削摩された材料はチャンバの壁に由来し、あるいは容積の中に置かれた液体または固体材料に由来する。
【００５３】
本発明の他の目的は、ナノ相すなわちナノサイズの粉末(磁性または非磁性粉末)をほぼ室温または数百℃の温度で圧密する方法および装置を提供すること、および結晶粒成長が低減されまたは全く排除されるよう非常に短い時間で圧密を実施することにある。
【００５４】
本発明の他の目的は、従来のプレスよりも安価で、従来のプレスよりもコンパクトで、かつ従来のプレスよりも騒音が少ない方法で粉末をプレスしてネット・シェイプ部品にする手段を提供する方法および装置を提供することにある。
【００５５】
本発明の他の目的は、粉末をプレスしてネット・シェイプ部品にする手段を提供する方法および装置を提供することであって、粉末混合物中に結合剤または潤滑剤を使用することを必ずしも必要とせず、したがって、部品の焼結または使用の前にこのような材料を除去する必要が排除され、除去プロセスの間の部品の収縮が低減され、またはできる限り排除され、さらに、本発明の方法によって製作された部品の圧粉強度が増大する方法および装置を提供することにある。
【００５６】
本発明のこれらの目的およびその他の目的は、後述する方法および装置を提供することによって達成される。
【００５７】
本発明は、粉末の成形すなわち圧密が、ミリ秒の時間スケールで、ほぼ室温で、かつ従来のダイ・プレスの実際の圧力よりもはるかに高い圧密圧で実施される、粉末冶金応用の新しい革新的な方法である。従来の工業ダイ・プレスはピーク圧約50トン/平方インチで実施される。本発明は幅広い成形圧力で機能する。本発明は、従来のダイ・プレスの圧力またはそれよりも低い圧力で機能するだけでなく、この値の数倍またはそれ以上の圧力で非常に有効に機能する。これは、従来のダイ・プレスで装置を一般的な値である50トン/平方インチを大幅に上回る値で動作させたときに見られるダイ割れまたは部品割れ、および層割れもなく達成される。従来のダイ・プレスを本発明で得ることができる高圧で動作させると、ダイはほぼ即座に破壊されるであろう。この理由はまだ分かっていないが、従来のダイ・プレスの圧密速度に対する本発明の場合の圧密速度に関係しているように見える。
【００５８】
本発明は、混合気の燃焼によって生み出される高圧パルスを利用して粉末を圧密する。本発明は汎用性が高く、金属および合金粉末、金属間化合物ベースの粉末、セラミック、複合材料、ナノ相材料、これらの複合物など、さまざまな材料システムに適用することができる。
【００５９】
本発明を革新的と言うのは以下のような理由からである。
1)本発明は高圧ガスを利用して粉末の圧密を実施する。高圧ガスは、事前に充てんした高圧ガスの燃焼によって、または封じ込められたガス、液体または固体のパルス電気加熱によって生み出される。
2)最終的には200〜500kpsiの圧力を発生させ、この圧力をうまく利用することができる。この圧力は、燃焼の場合にはガスの混合比を制御することによって、電気加熱の場合には電気的パラメータを制御することによって調整することができる。
3)圧力の持続時間は、一般に数百マイクロ秒から数十ないし数百ミリ秒と従来のダイ・プレス操作に比べて短く、潜在的な工業または商業応用における高い反復粉末圧密速度が可能になる。
4)本発明は、他の動的圧密プロセスよりも大きなサイズの構成要素を動的に成形する潜在的可能性を提供する。
5)追加のプロセス制御を提供する圧力時間履歴の制御が可能である。
6)本発明では、結合剤または潤滑材の使用を必要せずに粉末を成形することができ、したがって圧粉強度がかなり増大し、焼結中の部品収縮も低減する。
【００６０】
本発明の方法は、可燃性ガスと希釈剤ガスの高圧混合気の燃焼によって生み出される制御可能な高圧パルスによって粉末を圧密する。一般的な混合気は例えば、Ar+ε(CH4+2O2)によって与えられるメタン、酸素およびアルゴンである。この式でεは通常0から1の間の数だが、十分に分散した点火システムを使用すれば理論的には1よりも大きくすることができる。εは一般に約0.05〜0.30である。水素、ヘリウムおよび窒素(または空気)を使用した他の混合気も使用できる。実際には、可燃混合気と希釈剤のほとんど全ての組合せを使用することができるが、実際的な選択肢は一般にメタン、酸素および希釈剤ガスに限定される。希釈剤ガスはアルゴン、ヘリウムまたは窒素から成る。チャンバは、所望の最終ピーク圧に応じて20〜30kpsiの圧力まで混合気で予圧される。隔膜またはタイト・フィット・シールが点火前のガスを封じ込め、事前充てん圧よりも高くピーク燃焼圧よりも低い所定の値で破裂する。隔膜が破裂するとプッシャ・ピストンに圧が伝わり、ピストンが動いて粉末を成形する。隔膜は破裂型でも剪断型でもよい。タイト・フィット・シールを使用する場合には、ピストンは実際に粉末にもたれかかり、点火の前に事前充てん圧を粉末に対して発揮する。
【００６１】
本発明は、ほぼ従来のダイおよびパンチを使用して粉末を圧密するが、従来のプレスの従来の機械式フライホイール・アセンブリまたは従来の液圧ピストン・アセンブリの代わりに、ピストン(ラムとも呼ぶ)または他の圧力伝達媒体に直接に作用して成形粉末に圧力を伝えるよりコンパクトかつより高性能のガス燃焼方式を使用する。ピストンおよび可動ダイまたはラムは1対1の面積比を有することができ、あるいは1よりも大きい、例えば5または10、あるいはそれ以上の面積比を有することができる。後者の場合には、そのいわゆる増圧比(intensifier ratio)によって、粉末にかかる圧力が燃焼生成物の直接の圧力よりも大幅に大きくなる。これによって、圧密圧力は、燃焼ガスを粉末または圧力伝達媒体に直接に暴露させることによって達成できる圧力よりも大幅に高くなる。あるいは、所与の粉末成形圧力に対してより穏やかなピーク圧を燃焼チャンバの中で利用することもできる。製作中の部品および所望の材料特性に基づいてトレードオフが選択される。
【００６２】
本発明の最も好ましい実施形態ではベースとなる動的粉末圧密装置が、複数のボルトによって適当な位置に保持されたエンド・キャップとチャンバ・プラグとによってその一端(頂部)が密封された主燃焼チャンバを含む。チャンバ・プラグは点火装置(後述)、ガス充てんおよび制御可能なガス抜き用の口を含む。このプラグはさらに圧力計、熱電対(図示せず)などの他の装置を含むことができる。主燃焼チャンバの摩耗および熱損傷を減らすためにこの燃焼チャンバはステンレス鋼ライナを備える。燃焼チャンバの反対端には、粉末を成形するための可動密封ピストン/ラムとして働く成形ラムがある。
【００６３】
成形ラムは、初期燃料ガスと燃料ガスの燃焼の間に誘導される圧力とを密封する、いくつかの静的Oリング型シールおよびいくつかの動的ピストン・リング型シールを含む。さらに、ラムの後端すなわち燃焼側には、一般に316ステンレス鋼から作られる動的ブリッジマン型シールが使用される。このシールは、燃焼ガスを動的に密封するために銃の発射体で使用される同様のシールにならって作られている。しかし、1回だけ使用する発射体のシールとは異なり、このシールは繰り返し使用される。この静的シールと動的シールの組合せは、1から100kpsiの圧力範囲のさまざまな動作条件下でチャンバを密封することができる。
【００６４】
一端が燃焼ガスにさらされるラムは一般に、燃焼チャンバ自体と同様の材料(すなわち4340合金鋼)から製作される。チャンバおよびプラグは一般に4340などの高張力鋼合金から構築され、ライナは一般に17-4PHなどのステンレス鋼合金から製作される。チャンバの容積は、定義されたチャンバ圧力で設定された力がラムから送達される大きさとする。例えば、300,000ポンドの力を12.5平方インチの有効面積を有するラムに送達する場合には、チャンバの内側の圧力は300,000/12.5psi、すなわち24,000psiに達しなければならない。ラムが移動してもチャンバ内の圧力は常にこの値を満たし、またはこの値をわずかに超えなければならない。これを保証するためにはチャンバの容積が、ラムの移動および続いて起こる粉末の成形によって生じる容積の変化によってチャンバの圧力が目標値よりも下がらないだけの十分な大きさでなければならない。ほとんどの場合、チャンバ容積とラムの移動容積の比が10:1であれば十分である。したがって構成チャンバ容積は、使用者によって設定されるラムのピーク荷重、ラムの面積(直径)およびチャンバのピーク動作圧、ならびに成形の間の予想されるラムの行程に基づいて決定される。チャンバ内に所望の燃焼圧を発生させられるかどうかは、後述のとおり燃料ガスのパラメータによって決まる。
【００６５】
操作に際しては一般に、ラムの直ぐ下のテーブルに設置されたダイに成形する粉末を装てんする。任意の装置方向を収容することができるが、最も単純なのは、成形前に最も単純に粉末をダイに注ぎ込むことができる従来の垂直方向である。次いで充てん口を通して可燃混合気をチャンバに供給する。使用される一般的な混合気としては、メタン(または天然ガス)と空気、メタン-酸素-ヘリウム、メタン-酸素、水素-空気、水素-酸素-ヘリウム、および水素-酸素がある。ただしこれらに限定されるわけではない。他の混合気としてはプロパン-空気、アセチレン-空気、エチレン-空気、エタン-空気などがある。動作にとって好ましい混合気は、その入手可能性と高い蒸気圧から、メタン-空気または天然ガス(主にメタン)と空気である。このプロセスでは多くの燃空比を使用することができるが、混合気の燃料-空気(酸化剤)比は一般に1である。燃料-酸化剤比を1とすると、所与の量の生成物に対して最大量の化学エネルギーが提供される。使用する燃料の総量においてそれぞれの燃焼熱の差を考慮すれば、異なる組成の混合気(例えばメタン-空気または水素-空気)でも同じピーク燃焼圧を得ることができる。ただし、エネルギーがラムに送達される速度は混合気組成によって変わってくる。例えば、ラムに同じ圧力が送達されるようにした場合、水素-空気混合気はメタン-空気混合気よりも約10倍速くピーク圧に達する。ピーク圧に達する最終的な時間は、混合気、点火位置の数、ならびに燃焼チャンバの幾何形状および容積によって決まる。これまでの試験では2から400ミリ秒の立上がり時間が得られている。正常燃焼時のピーク・チャンバ圧力は20から65kpsiである。これよりも高い圧力も可能だが、所望のラム荷重と矛盾しない最も低い圧力で装置を走らせたほうが、チャンバの疲れ寿命が長くなるため一般的には望ましい。
【００６６】
最も好ましい実施形態では、チャンバは、反応物の燃焼は得られるが、爆ごうは得られないように操作される。しかし、爆ごうモードでの動作も実行可能であり、それどころかいくつかの応用に対しては潜在的に有用である。酸化剤に対して希釈剤濃度の低い混合気(例えば空気混合気における酸素/窒素)は、チャンバ内の条件を適当にすることによって爆ごうさせることができる。爆ごうは、可燃混合気の爆燃に比べて極めて急激であり、これを使用して、いくつかの粉末の成形時間をサブ・ミリ秒レベルまで短縮することができる。局所的な圧力レベルが劇的に増大する傾向があるため爆ごうは一般に回避されるが、このような用途向けに装置が構成されている場合には爆ごうを使用することもできる。
【００６７】
使用する混合気またはエネルギー放出モードの如何に関わらず、ガスは、標準ガス供給ボンベまたはタンク、あるいは天然ガス供給ラインから直接に供給される。空気の場合には、一連のコンプレッサ段を介して周囲大気中から直接に高圧(最高10,000psi)の空気を供給することができる。
【００６８】
ほとんどの構成では、事前充てん可燃性ガスを封じ込める隔膜を使用しないで動作させることが可能である。ただ単に、タイト・フィット・ピストンまたは他のシールを使用して、一般に望ましくない予備成形粉末中への可燃性ガスの漏出を防止すればよい。成形前に粉末の内部のガスを追い出す機構を提供することが望ましいと思われる。これは、小さな真空ポンプおよびアクセス・ホールを使用することによって、または真空下で粉末を成形チャンバへ装てんすることによって達成することができる。
【００６９】
最も好ましい実施形態は保持隔膜を使用せずに動作する。燃焼までは、粉末自体によってピストン自体が動かないように拘束される。したがって粉末は最初、事前充てんガス圧にピストンが有する増圧係数を掛けたものに等しい圧密前圧力の下に置かれる。
【００７０】
この装置の一構成では、隔膜を使用してラムおよび成形粉末から可燃性ガスを分離していた。この有隔膜構成では隔膜が一般に、インコネルなどの高張力鋼合金から製作され、充てん圧よりも十分に高く、かつ予想される燃焼圧よりも低い圧力で開くように構成される。この構成破壊圧力に達すると、隔膜は、予め画定されたけがきマークのところで制御された方法で開き、ラムを燃焼圧に暴露し粉末をプレスする。この装置の後の構成では隔膜を取り外し、密封機能は先に説明したようにラム自体が引き継いだ。
【００７１】
無隔膜構成では、チャンバが燃料ガスで加圧されると、ラムは、最終的なチャンバ充てん圧にラムの面積を掛けたものに等しい圧力で部品ダイに押しつけられる。ダイおよび粉末に対するこの予圧は、燃料ガスに点火しメインの成形荷重を誘導する前に粉末を部分的に成形することができるこの装置の固有の特徴である。この予圧によってさらに、粉末の中に閉じ込められていた空気が除去される。所定のガス充てん圧に達したら高圧弁(図示せず)を使用して充てん口を閉じる。次いで点火装置に高電圧を送り、点火装置の先端で電気アークを発生させる。
【００７２】
CDDC (燃焼駆動型動的成形:Combustion Driven Dynamic Compaction) の点火は、かなり広範囲の点火源を使用して達成することができ、これには、スパーク放電、爆発ヒューズ線または箔、小電極ギャップの高電圧破壊、当初接触していた電極を急速に遠ざけることによるアーク放電、パルス・レーザ、電池および誘導コイル、高電圧コンデンサ、火工技術(pyrotechnics)、UTRON CoilCap高電圧パルス発生器(UTRON CoilCap High Voltage Pulse Generator)(係属中の米国特許出願第09/372109号。この出願の開示は参照によって本明細書に組み込まれる)などが含まれる。
【００７３】
現在までのところ実験目的の点火エネルギーは一般に約2ジュールから約6ジュールである。これよりもエネルギーを高くすると圧力上昇速度が増大する。これよりもエネルギーを低くすると燃焼速度は最初、長くゆっくりとなる。
【００７４】
電極間に張られた単純なアルミニウム・ヒューズ箔を利用し、これを、最高4kJの貯蔵エネルギーを有するコンデンサ・バンクによって駆動した。
【００７５】
後のハードウェアの燃焼速度は図32に示すようにより低速であり、利用される点火エネルギーがはるかに低いことを反映していた。この低エネルギー点火は、爆ごうを起こすことなくより高いε値で動作する1つの技法を提供することに留意されたい。
【００７６】
これらの高圧混合物中での爆ごうを回避するための追加の技法は、複数の点火位置を利用する方法である。点火位置がガスの体積全体を通じて適当に分布されている場合には、ガスが本質的に、それぞれが小さすぎて爆ごう波の形成を支持することができない仮想的な一連のチャンバに分割される。爆燃波は、爆ごう波に変化する前に、ガスがすでに燃焼している別の仮想チャンバと相互作用してしまう。
【００７７】
点火装置が提供する点火刺激はいくつかの手段によって送達することができる。表面放電構成では、正極と負極の間の不活性表面を利用して、周囲のガスの圧力とは独立に比較的に低電圧でアークを導通させる。ギャップ放電構成では、実際には高圧の燃料ガス(例えばメタン-空気)から成る電極間の空気ギャップを通してアークを生じさせなければならない。この構成は、表面放電による方法よりも高い初期放電破壊電圧を必要とする。他の点火コンセプトとして爆発線の使用がある。この方法では、1本の細い導線を正極と負極に取り付ける。十分な電流を受け取ると導線はすぐに蒸発し、電極間にアーク経路が生じる。アーク点火方式の如何に関わらず、エネルギー送達システムは、使用者または使用者の制御下にあるコンピュータからの信号によってトリガされる高電圧コイルおよび/またはコンデンサから成る。点火プロセスに冗長性を提供し、かつ/または混合気に点火するのにかかる時間を短縮するため、いくつかのケースでは複数の点火装置を使用することが望ましい。例えばチャンバの最上部に2つの点火装置を設置すると、ある点火冗長性がシステムに提供される。しかし、点火波は伝搬しすぐに結合して1つの単一の燃焼波前線となるため、燃焼速度はほとんど増大しない。しかし、この2つの点火装置をチャンバの両端に配置し同時に通電した場合には、チャンバの別々の側から伝わる2つの異なる燃焼波がチャンバの中央で結合するまでに燃料を消費しつくすので、燃焼を完了させるのにかかる時間は1/2に短縮される。点火装置の数および位置は、チャンバの幾何形状、所望の燃焼速度、および冗長性を追加して100パーセントの点火信頼性を保証する必要があるかどうかによって決定される。今のところ点火装置は1つしか使用していないが、最終的な構成、特により大型の構成では複数の点火位置が組み込まれる可能性がきわめて高い。
【００７８】
点火後、燃焼波は点火点から外へ向かって可燃混合気の全ての領域に伝搬する。その結果生じるこの燃焼の間の圧力の上昇によってラムは、最終的な燃焼圧とラムの面積との積によって決まる力で成形パンチをさらに押し下げる。ダイの中に入れられた粉末は室温で急速成形される。温間粉末成形を希望する場合にはダイに加熱要素を含めることができる。燃焼チャンバが適当に大きな内容積を持つように構成すると、ラムによって加えられる力は行程とは独立に比較的に一定となる。現行の機械または液圧プレスは幅広い行程対ラム荷重自由度を有する。ダイの下に配置されたロード・セルが、加わった荷重を測定する。
【００７９】
可燃性ガスの燃焼速度および圧力時間履歴は、ガスの成分、混合比、希釈剤の量、点火エネルギー、点火源の数および配置、および事前充てん圧によって制御される。単純にこれらのパラメータを適当に調整することによって、非常にゆっくりと圧力が上昇する燃焼から極めて高速な爆ごうモードに至るまでの全ての燃焼速度が可能である。希釈剤の量を増大させると、追加の自由度によってエネルギーが吸収されるので燃焼速度は一般に低下し、一般に爆ごうがある程度防止される。
【００８０】
関心のほとんどのケースでは、圧密が、鋭い衝撃波を生み出すことなく弱い衝撃だけで起こっているように見えるが、これは実験によって確認する必要がある。しかし、鋭い衝撃波を生み出すことができる1つのケースがあり、それは可燃混合気の爆ごうが起こるときである。爆ごうは一般に、燃料、酸素および希釈剤から成る混合気のεが高く、高い点火エネルギーおよび爆燃波を爆ごう波に遷移させるのに役立つ幾何形状(一般に幅が狭い長い幾何形状)に関して点火位置が1つだけのときに起こることができる。爆ごう波を伴う操作はハードウェアを可能な最も高い応力に暴露し、したがってこれは一般に回避される。しかし、このような鋭い衝撃条件が特定の材料システムに対して望ましい場合には、高いピーク圧に対する衝撃を収容するようチャンバを容易に構成することができる。
【００８１】
ラムは、成形体にさまざまな荷重がかかるように構成された複数の部品から成ることができる。このコンセプトでは、入れ子にされ、またはセグメント化された一連のラムを使用して成形体の複数の部分に異なる荷重を同時にかけることができ、これによって現在の従来のプレスで実施されている多重プラテン/ラム動作をある程度までシミュレートすることができる。
【００８２】
以前の図に示した単一ピストン構成は、従来の粉末冶金ですでに実施されているように2つの側から粉末を成形する2つのピストンおよび2つの圧力チャンバを有するように構成することもできる。さらに、粉末の周囲に対称に配置され多くの側から成形する4つまたは6つ、あるいはそれ以上のピストンを使用することも容易に想像することができる。
【００８３】
ラムが完全に延出した後、排気弁が開かれてラムに対する背圧が解放され、排ガスが成形体抜取り装置に接続される。加圧された排ガスを利用して成形後の部品をダイから抜き取ることができることは、この装置の追加の固有の特徴である。現行のプレスでは、成形された部品を抜き取るのに別個の機構およびエネルギー源が必要である。燃焼ガスが排出されると、ラムは、ラムに取り付けられたばねまたは液圧引戻し装置によってその元々の位置まで引き戻される。燃焼生成物が最終ベント弁を通して排出された後、このプロセスを繰り返すことができる。生産速度が十分に高いと廃熱の蓄積が問題となる。この問題は、燃焼チャンバの内外に取り付けられた冷却ジャケットの組込みによって解決する。コンピュータ制御のオペレーティング・システムが最初のユーザ入力に基づいて全ての動作をセットアップし、制御し、配列する。
【００８４】
従来のプレスと同様に、本発明は一般に、重い溶接されたフレーム部材から成る鋼製フレームの中に組み込まれ、これによって支持される。このフレームは、ダイをチャンバ・ラムの下に支持する調整可能なテーブルの上に成形チャンバを支持する。この支持構造の特定の構成および構成は、製作中の部品およびエンド・ユーザの必要性によって決められる。
【００８５】
CDDC技法は、数百マイクロ秒から数十ミリ秒の間の予想される一般的な圧力パルス幅を有する動的圧密プロセスである。したがってこの緻密化プロセスは、静的圧縮とは対照的に動的なプロセスである。CDDCの粉末成形機構は、衝撃および爆発圧密のそれといくぶん似ていると予想されるが、圧力時間履歴の制御性では優っている。両方ともに波の伝播を介して起こる動的プロセスである。CDDCでは、圧力波の反射によるデボンディング(debonding)またはラリフィケーション(rarification)の効果は生じないと予想される。CDDCでは、爆ごう効果は通常回避されるが、爆ごう向けの構成は、衝撃波に似た動作を随意に提供することができる。
【００８６】
内部自由度中にエネルギーを吸収し、したがって燃焼-爆燃-爆ごう遷移を遅らせるより大きな能力を持っているので、分子的に複雑な希釈剤も爆ごう波の形成を防ぐ傾向がある。いくつかのケースでは追加の燃料、すなわち化学量論的組成を超える余分の燃料が希釈剤の働きをする。
【００８７】
複数位置低エネルギー点火と高希釈剤濃度の組合せは、非常に高い充てん圧力でも爆ごうが生じないCDDC動作を可能にする。なお、事前充てん圧が(実用上の理由から)最小限に抑えられる場合には、イプシロンの値(燃料の量)をできるだけ大きくしなければならない。
【００８８】
本発明の好ましい他の実施形態では、燃焼プロセスによってではなく、加圧ガス中でのアーク放電によって高圧のガスが生み出される。この実施形態では、最も好ましい実施形態の燃焼チャンバに代わって、絶縁壁を有し両端に電極が配置されたチャンバを使用する。始めに作動ガスでチャンバを高圧に加圧する。チャンバの長手方向にヒューズを渡し、ヒューズをそれぞれの電極と接触させる。隔膜またはタイト・シールが高圧ガスを封じ込める。外部スイッチを閉じるとエネルギー貯蔵コンデンサからの高電圧がヒューズの両端にかかる。ヒューズはすぐに蒸発し、高圧ガス中にアークが形成される。この高電力アークはガスを急速に加熱し、圧力を高い値まで上昇させ、隔膜を破裂させ、プッシャ・ピストンを押して粉末を成形する。原理的には任意の作動ガスを使用することができるが、実際には、アルゴンなどの不活性ガスを使用することがおそらく最もよい。反復装置に対して予想される動作パラメータおよび要件は、本発明の燃焼型バージョンに対するものとその桁数において事実上同様である。
【００８９】
絶縁壁はセラミック・コーティングまたはセラミック管とし、セラミックを封じ込め常に圧縮しておくために熱収縮鋼管でセラミックを被覆する。セラミック絶縁壁は理想的に非削摩性であり、したがっていつまでももつ。隔膜は一般に、この好ましい実施形態の高い事前充てん圧を封じ込めることが必要だが、事前充てん圧が数千psiに過ぎない場合には絶対に欠かせないというわけではない。
【００９０】
放電のための電流は一般に、パルス整形回路網(PFN)および高電圧充電回路によって供給される。図35に代表的な例を示す。スイッチS(イグナイトロン)を閉じると電極間に高電圧がかかり、続いて金属箔ヒューズの加熱および蒸発が起こる。PFNのキャパシタンスおよびインダクタンス値が電流のパルス幅を決定する。パルス幅τはτ=2CZによって与えられる。ただしCはPFNの総キャパシタンス、Z=(L/C)0.5はPFNのインピーダンス、LはPFNの総インダクタンスである。インダクタンスをコンデンサの間に分散させてパルス整形を提供することができる。充電電圧および回路インピーダンスがピーク電流を決定する。放電抵抗は一般に約100mΩである。PFNから放電負荷への理想的な伝達効率はη=4(R/Z)/(1+R/Z)2によって与えられる。整合した負荷では伝達が100%になる。実際にはこれは、スイッチおよびリードにおける寄生損失のために達成することができないが、これらの損失は一般に小さい。なお、R=Z/2であるはなはだしく不整合な回路であっても、伝達効率は89%までしか低下しなかった。予想されるバンク電圧は数十キロボルトに達することがあり、いくつかのケースで放電電流は100kAを超える。
【００９１】
本発明の他の好ましい実施形態では、燃焼プロセスによってではなく、狭い毛管中でのアーク放電によって高圧のガスが生み出される。ガスは、高温アーク放電の存在下での消耗性の電気絶縁壁の削摩によって、または狭い毛管チャネルの中に置かれた固体または液体材料を削摩し蒸発させて液体または固体材料が直接に高温アーク放電にさらされるようにすることによって、生み出される。
【００９２】
先に説明した放電動的圧密構成の一バリエーションである電熱放電圧密と呼ばれる構成は、高圧領域の長さを引き伸ばし、かつ/または高圧領域の内径を小さくして、しばしば毛管と呼ばれる構成とすることによって実施される。毛管と呼ぶのはその大きな長さ/直径比のためであり、この比は一般に10:1程度とすることができ、ときにはそれよりも大きくすることができる。この場合もやはり電極は毛管のそれぞれの端部に配置される。作動流体は一般に、可塑性ライナを削摩し、かつ/または毛管容積の中に置かれたさまざまな液体、ゲルまたは固体材料を蒸発させることによって生み出される。
【００９３】
作動流体が、毛管の中に置かれた充てん材料を削摩し蒸発させることによって提供される場合には、絶縁壁が一般にセラミック・コーティングまたはセラミック管であり、セラミックを封じ込め常に圧縮しておくために熱収縮鋼管でセラミックを被覆する。したがってセラミック絶縁壁は理想的に非削摩性であり、したがっていつまでももつ。これは、EDDC構成に対する機能形態と同じだが、長さ/直径比が異なる。
【００９４】
この場合もやはりアーク放電は非常に高い圧力を生み出し、その圧力上昇速度は大きい。圧力プロファイルは主に、EDDC構成の場合と同様にアーク電流を駆動するパルス整形回路網中のインダクタおよびコンデンサのパラメータを調整することによって制御される。
【００９５】
この構成は、高圧の事前充てんガスを封じ込める必要がないので、破裂隔膜の使用を必ずしも必要としない。しかし希望ならば、隔膜を使用して、隔膜が破裂し、または剪断隔膜の場合には隔膜が剪断されたときに、成形された部品に突然に圧力が伝達されるようにすることもできる。ピストンが成形粉末へこの圧力を伝達する。アークの開始はヒューズを用いて、または高電圧破壊によって達成される。
【００９６】
パルス電気エネルギーを使用して作動ガスを加熱すると、可燃混合気を扱う必要性が排除され、さらに、アーク放電電流を制御する手段を介して圧力時間履歴をさらに制御する潜在的可能性が提供される。可燃混合気を扱う必要性が排除されることはいくつかのケースで潜在的な安全上の利点である。
【００９７】
数十ないし数百メガジュールのパルス電気エネルギーを提供することは困難であり、かつ高価であるが、可燃性ガスの形態でエネルギーを化学的に供給することは簡単かつ安価なため、大きな成形体に対して非常に大きなエネルギーを必要とするときはおそらくは燃焼技法が選択の方法となる。以下に説明するパルス電気エネルギー法は、数メガジュールのエネルギーしか必要としないより小さな成形体に対して最も適しているようにと思われる。しかしこのような値に限定されるわけではない。
【００９８】
追加の構成および特徴は基本の方法に利点および機能を追加する。
【００９９】
別の構成では、ダイの代わりに流体を満たしたチャンバを使用する。粉末試料は柔軟な型の中に封入し、その後、このチャンバの中に入れる。次いでラムが浮遊流体(例えば水)を圧縮し、この流体が粉末試料を流体静力学的に均一に成形する。先に説明した最も好ましい実施形態の方法および装置を、ピストンまたはラムのプレスによって成形するのではなしに、成形する部品の周囲を高圧ガスが取り囲むこのアイソスタティック成形が可能になるように修正することができる。次いで粉末を缶の中にいれて、大まかな最初の形状を部品に与えなければならない。このような構成では、燃焼ガスが成形部品を直接に取り囲む。したがって達し得るピーク圧は燃焼ガス自体の圧力である。さらに缶は高温の燃焼生成物に直接に暴露され、その結果、缶および缶の中の成形粉末に熱が伝達される。
【０１００】
他のアイソスタティック構成では、成形粉末は、適当な形状および材料の缶の中に含まれ、缶は、高い事前充てん圧の液体または化学的に不活性ガスによって取り囲まれる。この液体または加圧ガスは、別個の燃焼チャンバの中の燃焼ガスによって駆動されたピストンによって加圧される。増圧ピストン構成、すなわち一端と他端で面積が数倍異なる面積比を使用する場合には、燃焼ガスによって直接に得ることができる圧力よりもはるかに高いピーク圧でアイソスタティック成形を実施することができる。この場合には液体またはガスの圧縮率を考慮に入れなければならない。一般に液体はガスよりも圧縮率が小さいので、関心のほとんどのケースでは液体が使用されるであろう。場合によっては、液体またはガスの代わりに粒状固体材料を使用したほうが望ましいことがある。
【０１０１】
結合剤および潤滑剤の使用
本発明の重要な特徴は、粉末の中に結合剤または潤滑材を使用することなく材料を圧密できることである。従来の粉末冶金と同様に所望ならば全ての構成で結合剤および潤滑剤を利用することができるが、これらを必要としなくても圧密を成功に導くことができる。結合剤および潤滑剤を必要としない多くの材料および動作パラメータがあると予想される。一連の繰返しパルスを利用して特性勾配(密度勾配など)を低減する方法によっても結合剤および潤滑剤の必要性を排除することができる。
【０１０２】
温間成形
説明した全ての実施形態では、成形中の追加のプロセス制御を提供するために、成形チャンバ、すなわち粉末を含んだダイを数百℃まで温めることができる。この温度は、成形および解放の間の内部応力のビルドアップの低減に役立ち、したがって爆発圧密でしばしば見られる割れの低減に役立つ。これらのプロセスのタイム・スケールを長くとることによっても割れの問題を低減することができる(粉末を温めるか否かは問わない)。加温は、電気的に加熱されたブランケットを単に追加することによって、あるいはチャンバの周囲にコイル状に巻いた管に温水または他の温流体を流すことによって達成される。
【０１０３】
圧力プロファイル制御
本発明の全ての実施形態では、本発明の全ての実施形態では、隔膜、高速弁、ならびに直径が調整可能な排気口またはオリフィスを使用して、混合気、事前充てん圧および点火パラメータによって提供される制御に加えて追加の圧力時間履歴制御を提供することができる。隔膜および弁は圧力チャンバ内の戦略的な位置に配置することができ、隔膜および弁を圧力チャンバ内の戦略的な位置に配置し、これらの作動を、壁を通した熱損失だけによって生じるよりも速く圧力が低下するように調整することができる。これによって、圧力を制御し、次の成形圧力パルスに備えてチャンバを短時間のうちに空にする追加の機構が提供される。
【０１０４】
成形された部品の機能勾配は、粉末のタイプおよび成形前のダイの中の粉末の配置を調整して、1つの粉末から他の粉末への部品構成の遷移を可能にし、混合領域での遷移を制御することによって達成することができる。
【０１０５】
粉末は、ガスを急速に排出し、再充てんし、再点火することによる複数回の繰返し圧力パルスの下で成形することができる。これによって、成形された部品から密度勾配および内部応力を除去し、平均部品密度を実質上100%まで増大させることができる方法が提供される。どれくらいのパルスが必要かは、今後、実験およびさらなる開発によって決定しなければならない。
【０１０６】
内部空孔、キャビティ、チャネルおよび他の非標準形状
適当な形状のフィラーを粉末の内部に配置することによって、部品中に内部空孔、キャビティ、チャネルなどを配置することができる。フィラーは、融解またはことによると化学エッチング・プロセスによって成形プロセス後に簡単に取り除くことができるものを選択する。いくつかの単純な例を図37〜39に概略的に示す。これらは可能性を示す単なる例にすぎない。多くの構成が可能である。
【０１０７】
一例として、粉末の周囲に冷却された単一の導線を使用し、次いでこれを後に融解またはエッチングで除去することによって壁の中に埋め込まれた一体化された冷却チャネルを有するノズルを製造することもできる。
【０１０８】
1ショット複数部品成形
1回の成形事象の間に複数の部品を成形しようと考えることは概念的に自然なことである。このことは特にアイソスタティック構成についてそうである。
【０１０９】
他の構成
可燃性ガスまたはパルス放電を使用する基本パルス圧力源を利用した他の構成も可能である。部品および成形□ピストン□の形状および幾何形状の制約事項は、ただ単に高圧ガスおよび液体の漏れを防ぐ必要があるということだけである。全てのケースで、ハードウェアを能動的に冷却して廃熱を運び去ることが必要である。これは、さまざまな手段を使用して実施することができる。これには例えば、水冷ラインおよびチャネル、燃焼チャンバおよび成形チャンバの周囲に空気および/または水を流す冷却フィンなどが含まれる。
【０１１０】
高トン数プレス
先に説明したように、成形後も有利な微細構造を保持する短時間室温動的圧密を提供することができる他に、本発明は、従来プレス動作用の小さくコンパクトで比較的に安価な高トン数プレスを構築する手段を提供することができる。このような装置は、比較的に大きく高価な従来の高トン数プレスに代わるより低いコストの代替装置を提供することになろう。
【０１１１】
圧粉体の緻密化
他のプロセスによって製作された圧粉体を、本明細書に記載したプロセスを使用して100%まで緻密化することができる。
【０１１２】
粉末冶金の熟練者が以上の説明および以下の詳細な説明を検討すれば、本発明の有用性は明らかである。
【０１１３】
全ての実施形態の本発明の利点は、持続時間が非常に短い非常に高圧のパルスを発生させることができること、およびその結果得られる圧力の疑似静水力学的(pseudo-hydrostatic)性質に由来する。成形応用ではこれが、高い成形性、幾何形状の選択肢の幅の広さ、ならびに幅広い動作温度、圧力および雰囲気に変換される。ダイ・プレスと比較したときの粉末圧密における本発明の利点には、高圧粉密度で高アスペクト比の成形体、ならびに幅広い動作温度、圧力および雰囲気が含まれる。本発明は、工業スケールに適合させることができ、歩留まりの高い低コストのP/M部品製造技法となる。
【０１１４】
本明細書に記載のパルス粉末成形方法および装置は、粉末冶金応用において以下の利点を提供する。
【０１１５】
反復システムでは最終的に約500kpsiまでの制御可能な成形圧力を発生させることができ、この圧力は、ガス充てんパラメータおよび増圧比の選択を変更することによって低い値から最大値まで調整することができる。
【０１１６】
必要な微細構造、均質性および圧密密度を達成するプロセス・パラメータとして、圧力の大きさ、パルスの持続時間および粉末の温度を変更することができる。
【０１１７】
ピーク圧の持続時間は短く(数百マイクロ秒から数ミリ秒)、したがって潜在的な工業または商業応用における高い反復粉末圧密速度が可能になる。生産速度を制限する要因は、ダイへの粉末の挿入および圧密された部品の取出しにかかる時間であると予想される。
【０１１８】
一般的な生産または製造サイクルにおいて、短時間に中断なしで一連の高速パルスを与えることができ、ガス混合比εおよび事前充てん圧を変更することによって圧力を連続的に調整することができる。CDDCは、製造環境に容易に適合させることができる非常に再現性の高いプロセスであると予想される。
【０１１９】
粉末圧密は、室温または温間の制御雰囲気下で実施することができる。
【０１２０】
適当なダイおよび他の構成要素の構成によって、所望の単純な形状(箔、ディスク、プレート、チューブ、ロッド、バー、六角ロッドなど)および複雑な形状のネット・シェイプ製造を実行することができる。
【０１２１】
金属、金属間化合物およびセラミック・システムを含むさまざまな材料システムで理論密度に近い粉末緻密化を達成することができる。したがって本発明は、潜在的にアスペクト比の大きい部品を単純な単一プレス・プロセスで緻密化することができる。
【０１２２】
粉末の圧密は、結合剤または潤滑剤の使用の有無にかかわらず実施することができ、したがって焼結前に別個の処理段階で結合剤および潤滑剤を除去する必要性が排除される。
【０１２３】
CDDCは、純粋に機械的なシステムに比べて資本費、運転費および維持費が低いガス圧密システムである。その高い生産速度および動作の準連続性は製品コストの低減をもたらす。
【０１２４】
同等の静水圧プレスまたはフライホイール機械システムに比べてCDDCシステムはサイズが相対的に小さく、占有スペースが小さい。
【０１２５】
小さな低コスト・システムを用いて非常に高い圧密力を発生させることができ、その結果、高度の緻密化が得られる。このことは、焼結温度を下げて、高い強度およびより微細な微細構造が得られるため有利である。
【０１２６】
高い時間および空間精度で圧密力を適用することができ、圧力分布の調整および効率的なエネルギー使用が可能になる。
【０１２７】
従来のプレスで得られるよりも高い強度を有するより高い圧粉密度の成形体が通常は単一の圧力パルスで得られ、部品はより高い伸び率を有する。
【０１２８】
CDDCは、高荷重での「オーバー・プレッシング」割れを低減し、したがって従来のプレスに共通の問題を解決する。
【０１２９】
圧力の持続時間が短いため、比較的に高い荷重であってもダイの寿命を長くすることができる。
【０１３０】
大きな成形体を形成することができる。
【０１３１】
貯蔵電気エネルギーの単純な調整、PFN構造を介したパルス整形、および可燃性ガスが許されない環境に対する可燃性ガスの排除によって、EDDCとETDCは同様の利益をもたらす。
【０１３２】
この技術は、工業用スケールでP/M構成要素を生み出す経済的な超高速の圧密技法として開発することができる。本発明は、安全で、信頼性が高く、軽量でかつ安価な構成部品を商業、航空宇宙および軍事市場に提供する新しい処理技法を提供すると予想される。この技術は、多くの産業の磁気、電子および構造応用向けの金属、金属間化合物、セラミックおよび複合金属セラミック材料の圧密に移転可能である。
【０１３３】
本発明のこれら目的および特徴、ならびにその他の目的および特徴は、上記および下記の明細書、ならびに請求項および図面を含むこの開示から明白である。本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明から当業者には容易に明白となろう。以下の説明には、発明実施の最良の形態の単なる例示として本発明の好ましい実施形態だけが詳細に開示されている。本発明は他のさまざまな実施形態になじみやすく、いくつかの詳細は本発明から逸脱することなく、明らかに種々の箇所で変更することができる。したがって図面および説明は本来、例示を目的としたものと理解すべきであって、本発明を限定するものと理解してはならない。
【０１３４】
【発明の実施の形態】
次に図1を参照する。本発明の最も好ましい実施形態ではベースとなる動的粉末圧密装置が、複数のボルトによって適当な位置に保持されたエンド・キャップ2とチャンバ・プラグ3とによってその一端(頂部)が密封された主燃焼チャンバ1を含む。チャンバ・プラグは点火装置4(後述)、ガス充てん5およびガス抜き(図示せず)用の口を含む。このプラグはさらに圧力計、熱電対(図示せず)などの他の装置を含むことができる。主燃焼チャンバ1の摩耗および熱損傷を減らすためにこの燃焼チャンバはステンレス鋼製ライナ6を備える。燃焼チャンバの反対端には、粉末を成形する(compact)ための可動密封ピストン/ラムとして働く成形ラム7がある。
【０１３５】
成形ラム7は、初期燃料ガスと燃料ガスの燃焼の間に誘導される圧力とを密封する、いくつかの静的Oリング型シールおよびいくつかの動的ピストン・リング型シール7bおよび7cを含む。さらに、ラムの後端すなわち燃焼側には、一般に316ステンレス鋼から作られる動的ブリッジマン型シール7aが使用される。このシールは、燃焼ガスを動的に密封するために銃の発射体で使用される同様のシールにならって作られている。しかし、1回だけ使用する発射体のシールとは異なり、このシールは繰り返し使用される。この静的シールと動的シールの組合せは、1から100kpsiの圧力範囲のさまざまな動作条件下で燃焼チャンバを密封することができる。
【０１３６】
一端が燃焼ガスにさらされるラムは一般に、燃焼チャンバ自体と同様の材料(すなわち4340合金鋼)から製作される。チャンバ1およびプラグ3は一般に4340などの高張力鋼合金から構築され、ライナ6は一般に17-4PHなどのステンレス鋼合金から製作される。チャンバの容積は、定義されたチャンバ圧力で設定された力がラムから送達される大きさとする。例えば、300,000ポンドの力を12.5平方インチの有効面積を有するラムに送達する場合には、チャンバの内側の圧力は300,000/12.5psi、すなわち24,000psiに達しなければならない。ラムが移動してもチャンバ内の圧力は常にこの値を満たし、またはこの値をわずかに超えなければならない。これを保証するためにはチャンバの容積が、ラムの移動および続いて起こる粉末の成形によって生じる容積の変化によってチャンバの圧力が目標値よりも下がらないだけの十分な大きさでなければならない。ほとんどの場合、チャンバ容積とラムの移動容積の比が10:1であれば十分である。したがって構成チャンバ容積は、使用者によって設定されるラムのピーク荷重、ラムの面積(直径)およびチャンバのピーク動作圧、ならびに成形の間の予想されるラムの行程に基づいて決定される。チャンバ内に所望の燃焼圧を発生させられるかどうかは、後述のとおり燃料ガスのパラメータによって決まる。
【０１３７】
操作に際しては、ラム7の直ぐ下のテーブルに設置されたダイ12に成形する粉末11を装てんする。次いで充てん口5を通して可燃混合気をチャンバに供給する。使用される一般的な混合気としては、メタン(または天然ガス)と空気、メタン-酸素-ヘリウム、メタン-酸素、水素-空気、水素-酸素-ヘリウム、および水素-酸素がある。ただしこれらに限定されるわけではない。他の混合気としてはプロパン-空気、アセチレン-空気、エチレン-空気、エタン-空気などがある。動作にとって好ましい混合気は、その入手可能性と高い蒸気圧から、メタン-空気または天然ガス(主にメタン)と空気である。このプロセスでは多くの燃空比を使用することができるが、混合気の燃料-空気(酸化剤)比は一般に1である。燃料-酸化剤比を1とすると、所与の量の生成物に対して最大量の化学エネルギーが提供される。使用する燃料の総量においてそれぞれの燃焼熱の差を考慮すれば、異なる組成の混合気(例えばメタン-空気または水素-空気)でも同じピーク燃焼圧を得ることができる。ただし、エネルギーがラムに送達される速度は混合気の組成によって変わってくる。例えば、ラムに同じ圧力が送達されるようにした場合、水素-空気混合気はメタン-空気混合気よりも約10倍速くピーク圧に達する。ピーク圧に達する最終的な時間は、混合気、点火位置の数、ならびに燃焼チャンバの幾何形状および容積によって決まる。これまでの試験では2から400ミリ秒の立上がり時間が得られている。正常燃焼時のピーク・チャンバ圧力は20から65kpsiである。これよりも高い圧力も可能だが、所望のラム荷重と矛盾しない最も低い圧力で装置を走らせたほうが、チャンバの疲れ寿命が長くなるため一般的には望ましい。
【０１３８】
チャンバは一般に、反応物の燃焼は得られるが、爆ごう(detonation)は得られないように操作される。図2は、本発明15が通常、低速、低圧のHIP圧密レジーム17とより高速、高圧の純粋な衝撃圧密レジーム19との中間のレジームで機能することを示している。しかし、(誘導された衝撃を伴う)爆ごうモードでの動作も実行可能であり、それどころかいくつかの応用に対しては潜在的に有用である。酸化剤に対して希釈剤濃度の低い混合気(例えば空気混合気における酸素/窒素)は、チャンバ内の条件を適当にすることによって爆ごうさせることができる。爆ごうは、可燃混合気の爆燃(deflagration)に比べて極めて急激であり、これを使用して、いくつかの粉末の成形時間をサブ・ミリ秒レベルまで短縮することができる。局所的な圧力レベルが劇的に増大する傾向があるため爆ごうは一般に回避されるが、このような用途向けに装置が構成されている場合には爆ごうを使用することもできる。
【０１３９】
使用する混合気またはエネルギー放出モードの如何に関わらず、ガスは、標準ガス供給ボンベまたは天然ガス供給ラインから直接に供給される。空気の場合には、一連のコンプレッサ段を介して周囲大気中から直接に高圧(最高10,000psi)の空気を供給することができる。
【０１４０】
本発明の初期の構成では、隔膜6b(図7に示す)を使用してラム7および成形粉末11から可燃性ガスを分離していた。この有隔膜構成では隔膜が一般に、インコネル(Inconel)などの高張力鋼合金から製作され、充てん圧よりも十分に高く、かつ予想される燃焼圧よりも低い圧力で開くように構成される。この構成破壊圧力に達すると、隔膜は、予め画定されたけがきマークのところで制御された方法で開き、ラムを燃焼圧に暴露し粉末をプレスする。この装置の後の構成では隔膜を取り外し、密封機能は先に説明したようにラム自体が引き継いだ。図3に示すように代替の構成は、充てんプロセスのあいだラムを適当な位置に保持するカムまたは移動止め14aを含む。点火後、燃焼中の予め定義されたポイントでカムまたは移動止めはラムを解放し、ラムは成形ダイ・パンチの中へ移動できるようになる。ボルトがばねを押して、ピストン7のみぞの中へボールを移動させる。
【０１４１】
図1の無隔膜構成では、チャンバ1が燃料ガスで加圧されると、ラム7は、最終的なチャンバ充てん圧にラム7の面積を掛けたものに等しい圧力で部品ダイ10に押しつけられる。ダイおよび粉末に対するこの予圧は、燃料ガスに点火し主な成形荷重を誘導する前に粉末を部分的に成形することができるこの装置の固有の特徴である。この予圧によってさらに、粉末の中に閉じ込められていた空気が除去される。所定のガス充てん圧に達したら高圧弁(図示せず)を使用して充てん口を閉じる。次いで点火装置4に高電圧を送り、点火装置4の先端で電気アークを発生させる。
【０１４２】
点火装置4が提供する点火刺激はいくつかの手段によって送達することができる。表面放電構成では、正極と負極の間の不活性表面を利用して、周囲のガスの圧力とは独立に比較的に低電圧でアークを導通させる。ギャップ放電構成では、実際には高圧の燃料ガス(例えばメタン-空気)から成る電極間の空気ギャップを通してアークを生じさせなければならない。この構成は、表面放電による方法よりも高い初期放電破壊電圧を必要とする。他の点火コンセプトとして爆発線の使用がある。この方法では、1本の細い導線を正極と負極に取り付ける。十分な電流を受け取ると導線はすぐに蒸発し、電極間にアーク経路が生じる。アーク点火方式の如何に関わらず、エネルギー送達システムは、使用者または使用者の制御下にあるコンピュータからの信号によってトリガされる高電圧コイルおよび/またはコンデンサから成る。点火プロセスに冗長性を提供し、かつ/または混合気に点火するのにかかる時間を短縮するため、いくつかのケースでは複数の点火装置を使用することが望ましい。例えばチャンバの最上部に2つの点火装置を設置すると、ある点火冗長性がシステムに提供される。しかし、点火波は伝搬しすぐに結合して1つの単一の燃焼波前線となるため、燃焼速度はほとんど増大しない。しかし、この2つの点火装置をチャンバの両端に配置し同時に通電した場合には、チャンバの別々の側から伝わる2つの異なる燃焼波がチャンバの中央で結合するまでに燃料を消費しつくすので、燃焼を完了させるのにかかる時間は1/2に短縮される。点火装置の数および位置は、チャンバの幾何形状、所望の燃焼速度、および冗長性を追加して100パーセントの点火信頼性を保証する必要があるかどうかによって決定される。今のところ点火装置は1つしか使用していないが、最終的な構成、特により大型の構成では複数の点火位置が組み込まれる可能性がきわめて高い。
【０１４３】
点火後、燃焼波は点火点から外へ向かって燃焼チャンバ1の全ての領域に伝搬する。その結果この燃焼中に生じる圧力の上昇によってラム7は、最終的な燃焼圧とラムの面積との積によって決まる力で成形パンチ10をさらに押し下げる。ダイ12の中に入れられた粉末11は室温で急速成形される。温間粉末成形を希望する場合にはダイ12に加熱要素を含めることができる。燃焼チャンバ1が適当に大きな内容積を持つように構成すると、ラムによって加えられる力は行程とは独立に比較的に一定となる。現行の機械または液圧プレスは幅広い行程対ラム荷重自由度を有する。ダイの下に配置されたロード・セル13が、加わった荷重を測定する。
【０１４４】
図4に示す他の実施形態ではダイの代わりに、流体を満たしたチャンバを使用する。粉末試料11は柔軟な型24の中に封入し、その後、このチャンバの中に入れる。次いでラム7が浮遊流体(例えば水)を圧縮し、この流体が粉末試料を流体静力学的に均一に成形する。
【０１４５】
ラムは、成形体にさまざまな荷重がかかるように構成された複数の部品から成すことができる。このコンセプトでは、入れ子にされ、またはセグメント化された一連のラムを使用して成形体の複数の部分に異なる荷重を同時にかけることができ、これによって現在の従来のプレスで実施されている多重プラテン/ラム動作をある程度までシミュレートすることができる。
【０１４６】
次に図5を参照する。ラム7が完全に延出した後、排気弁14が開かれてラムに対する背圧が解放され、排ガスが成形体抜取り装置15に接続される。加圧された排ガスを利用して成形後の部品をダイから抜き取ることができることは、この装置の追加の固有の特徴である。現行のプレスでは、成形された部品を抜き取るのに別個の機構およびエネルギー源が必要である。燃焼ガスが排出されると、ラムは、ラムに取り付けられたばねまたは液圧引戻し装置16によってその元々の位置まで引き戻される。燃焼生成物が最終ベント弁17を通して排出された後に、弁14および17が閉じられ、ダイ12に粉末が再充てんされる。これで全体のプロセスを繰り返すことができる。生産速度が十分に高いと廃熱の蓄積が問題となる。この問題は、燃焼チャンバ1の内外に取り付けられた冷却ジャケット18の組込みによって解決する。コンピュータ制御のオペレーティング・システム19が最初のユーザ入力に基づいて全ての動作をセットアップし、制御し、配列する。材料研究などのいくつかの応用では、この装置を、シングル・ショット・モードで動作させることができ、そうすれば必要な支持ハードウェア(冷却、自動粉末充てんなど)の量を大幅に減らすことができる。
【０１４７】
次に図6を参照する。以上に参照した諸特徴は、重い溶接されたフレーム部材から成る鋼製フレームの中に組み込まれ、これによって支持される。このフレームは、チャンバの周囲に取り付けられたフランジ21によって成形チャンバ20を支持する。このフレームは、ダイをチャンバ・ラム22下に支持する調整可能なテーブルを備える。
【０１４８】
次に、さまざまなトン数レベルの本発明の特定の4つの実施態様を実施例を挙げて教示する。最初の3つの実施態様の試験で得られた実験結果を説明し、その燃焼装置の開発およびその性能ケーパビリティを示す。第4の実施例では、ずっと大きなトン数のプレスに対して予測されるパラメータを教示する。これらの実施例は、実際の成形装置を代表する例として提示される。その構成に対する多くのサイズおよびバリエーションが当業者には明白であろう。
【０１４９】
実施例1  16トン・プレス
最初の試験では、図7に示した公称16トン装置を使用してCDDCのコンセプトを完全に論証することに成功した。この装置を用いて、Al粉末(平均粒径50から60μm)を理論密度の97.6%の密度まで圧密できることを証明した。走査型電子顕微鏡法に基づいて、粉末の再配列およびすべりに続く塑性変形によってAl粉末間の接触が増大し、冷間接合が起こることを発見した。この塑性変形および冷間接合は粒子間結合の発達に寄与している。この急速圧密技法はさらに、表面酸化物を破壊し、粒子どうしが接触したところに局所的な融解を生み出し、良好な粒子間結合を与える。成形体の直径は1.5cm、長さは1cmであった。これらの最初の実験で圧密に使用された総エネルギーは133〜304kJ、その結果得られたピーク圧は23〜47kpsiであった。圧密は室温で実施した。(パルス幅約1ミリ秒の47kpsiの単一パルス圧で)圧密された成形体に対して、圧密後の焼結なしで理論密度の97.6%の密度が得られた。従来のプレスおよび焼結処理において一般に達成されるものと比較したとき、最初の試験に対するこれらの結果は非常に大きな励みとなった。一般に、従来のプレスおよび焼結だけによって、理論密度の約80%の密度のAl合金部品を生産することができ、再プレスによって理論密度の90%超の密度を得ることができる。一方、本発明では、本発明の動的圧密技法によって理論密度の97.6%の密度を単一の室温プロセス段階で達成することができた。この最初のプロトタイプ装置は約90kpsiまで圧力を上げる能力を有し、いくつかの修正によって温間で圧密することもできるが、この装置を用いた実験はそのような条件を試みる前に終了となった。本発明の発明者らは、現在使用可能な材料を使用したこのような装置のチャンバ圧力の最終的な能力を200〜500kpsiと予想している。将来的な材料の改良によってこの限界はこれよりもずっと高くなるかもしれない。
【０１５０】
定格16トンの小さなプレス(図7)を使用してCDDCコンセプトの最初の論証を実施した。この装置を使用して、Al粉末(平均粒径50から60μm)を理論密度の97.6%の密度まで圧密できることを証明した。これらの初期の実験では、He+CH4+2O2から成る室温の高圧可燃混合気を利用した。この最初の構成では、点火前の可燃性ガスを密封するために隔膜を使用した。この隔膜は、燃焼サイクルの間に決められた構成圧力で破裂してラムを粉末中へ圧縮するように構成されている。
【０１５１】
実験結果
この最初の試験では4つの実験を実施した。全ての実験の出発粉末は、米ニュージャージー州FlemingtonのAmpal社から入手したAl(Ampal 611)である。Ampal 611はアトマイズAl粉末であり、鍛造(wrought)Al合金1021に似ている。Ampal 611出発Al粉末の特性を表1に示す。4ショット分の実験パラメータを表2に示す。ショットNo.2では、1.5重量%の固体潤滑剤(Acrawax C  エチレンビスステアルアミド;アトマイズ;平均粒径6μm)を使用した。Acrawax Cは、Alを含むP/M部品の冷間成形に使用される標準固体潤滑剤/結合剤である。Acrawax Cは、米ニュージャージー州Fair LawnのLonza Speciality Chemicals社から入手した。固体潤滑剤の有無にかかわらず全てのショットで、1回量の粉末を、円筒形容器中で200rpm(式No=32/d0.5に基づく。Noは回転速度(rpm)、dは円筒の直径(m)である)で回転させることによって混合した。ショットNo.1では9kpsiの圧力しか得られず、これは隔膜を破るには不十分であった。その後のショットNo.2から4ではAl粉末が圧密された。これらの成形体の特性については後のセクションで論じる。図8にショットNo.2、3および4の圧力トレースを示す。1.0〜1.8ミリ秒の間に23〜47kpsiのピーク圧が加わったこと、したがって動的圧密プロセスであったことが分かる。全てのショットで点火は4kJの電気エネルギーを使用して達成した。全てのショットは出発Al粉末を用いて室温で実施した。
【０１５２】
圧粉密度を求め、走査型電子顕微鏡法(SEM)を使用して微細構造を調べるため圧密されたAl成形体を分析した。
【０１５３】
23、31および47kpsiの動圧が加わったそれぞれのAl成形体に対して得られた理論密度はそれぞれ92.44%、97.01%および97.56%であった。これらの結果を、加えられた圧力に対する成形体の気孔率(対数スケール)および理論密度に換算して図9にプロットした。圧密は、室温での1回のパルス圧で実施した。圧密後の焼結は実施しなかった。従来のプレスおよび焼結処理において一般に達成されるものと比較したとき、第1段階の試験に対するこれらの結果は非常に大きな励みとなる。一般に、プレスおよび焼結だけによって、理論密度の約80%の密度のAl合金部品を生産することができ、再プレスによって理論密度の90%を超える密度を得ることができる。本発明では、本発明の動的圧密技法によって理論密度の約97.6%の密度を単一の室温プロセス段階(パルス幅1ミリ秒の47kpsi単一パルス圧)で達成することができた。この装置は、約90kpsiまで圧力を上げる能力を有し、いくつかの修正によって高温で圧密することもできる。本発明の発明者らは、このような装置の最終的な能力を最大200kpsiと予想している。このような高い圧力ではフル・デンシティ(理論密度の100%の密度)が達成されると予想される。
【０１５４】
SEM試験
図10に、圧密後のAl成形体の拡大図を示す。これらの成形体の直径は1.5cm、長さは約1cmである。ダイ表面の直角に交わるみぞの詳細が成形体の表面に写し取られている。このことは、CDCCが、ダイ構成を適当にすれば複雑な部品をネット・シェイプで生産する能力を有することを指示している。SEMを使用して、成形体の破面と研磨していない圧密面とを調べた。図11から18に、出発Al粉末およびショットNo.2から4の成形体の破面のSEM顕微鏡写真を示す。図11から14は200倍拡大図であり、図15から18は同じ領域の1000倍拡大図である。所与の倍率の顕微鏡写真を比較することによって、加わった圧力が増大するにつれて気孔率が低下し、Al粉末間の接触が増大していることが分かる。この結果、以前に論じたとおり、加えられた圧力が増大するにつれてAl成形体の理論密度は増大する。これらの顕微鏡写真から、粉末の再配列およびすべりに続く塑性変形によってAl粉末間の接触が増大し、冷間接合が起こることが分かる。この塑性変形および冷間接合は粒子間結合の発達に寄与している。この急速圧密技法はさらに、表面酸化物を破壊し、粒子どうしが接触したところに局所的な融解を生み出し、良好な粒子間結合を与える。
【０１５５】
圧密に使用された総エネルギーは133〜304kJ、その結果得られたピーク圧は23〜47kpsiであった。圧密は室温で実施した。(パルス幅1ミリ秒の47kpsiの単一パルス圧で)圧密された成形体に対して、圧密後の焼結なしで理論密度の97.6%の密度が得られた。従来のプレスおよび焼結処理において一般に達成されるものと比較したとき、コンセプトとを証明するこの予備的な試験に対するこれらの結果は非常に大きな励みとなる。一般に、プレスおよび焼結だけによって、理論密度の約80%の密度のAl合金部品を生産することができ、再プレスによって理論密度の90%超の密度を得ることができる。本発明では、本発明の動的圧密技法によって理論密度の97.6%の密度を単一の室温プロセス段階で達成することができた。3点曲げ試験の結果は、この成形体の破面応力が11.34ksiであることを指示している(焼きなまし状態の非合金鍛造Al合金の引張強さは一般に10ksiである)。この装置は、約90kpsiまで圧力を上げる能力を有し、いくつかの修正によって高温で圧密することもできる。本発明の発明者らは、このような装置の最終的な能力を最大200kpsiと予想している。
【０１５６】
実施例2 30トン・プレス
図19に示した第2のCDDCプロトタイプの試験は、CDDCプロセスが、さまざまなタイプの粉末材料の成形においてロバストで、かつ汎用的であることを明らかにした。このより大型のCDDC装置では、最高300,000psi(150トン/平方インチ)の圧力を、表3に示したさまざまな材料の外径1/2インチ、内径5/8インチのリング形成形体に適用した。図20Aに、可燃性ガスの体積を変更する容積フィラーを取り付けた同じ装置を示す。図20B、CおよびDに、成形チャンバ、シール、点火装置および圧力センサの追加の詳細を示す。図21に、2方向から見たハードウェアを示す。
【０１５７】
一般的なリング形成形体を図22および23に示す。成形チャンバ構成およびリング・ダイ・セットを図24に示す。一般的な燃焼および成形圧、ならびにこの強化されたCDDCプレスによって成形されたステンレス鋼粉末の密度および機械的性質を図25に示す。CDDC圧縮した1つの試料の焼結後の特性を図26に示す。この30トン・プレスではガスの静的密封を、先に説明したとおりにラムに組み込まれたシールによって実施した。隔膜またはラムによる拘束は使用しなかった。この構成では、ガスを充てんする間にラムが粉末中に押し込まれ、点火前に粉末が予圧される。簡単にするために水平装着配置を維持した。プレスした直後、焼結前の成形体の密度は、従来のプレス密度に比べて非常に高かった。例えば、図26に示した試料の密度は鍛造した場合の密度の約94パーセントであったが、従来のプレスで得られる密度は一般に80パーセント台後半である。これらの高い密度は、プレス直後(すなわち圧粉体状態)の部品の強度にも反映され、引張特性は、従来のプレスによって生み出される強さの4から5倍にもなる。密度が高いと焼結後の引張強さもかなり高くなり、部品の収縮は低減または排除される。
【０１５８】
点火装置の追加の実施形態を図27および28に示す。
【０１５９】
実施例3 300トン・プレス
より大型の第3のプロトタイプCDDCプレスは、CDDCプレスおよびCDDC技術の汎用性および性能ケーパビリティをさらに示す。このプレスの内部の詳細はすでに図1に示した。このプレスの外観を図29Aおよび図30A、B、Cに示す。これらの図には、成形ユニットをダイ・テーブルの上方に支持する鋼製フレームも示されている。左側にはガス・ポンプ系統を含むキャビネットがある。
【０１６０】
この300トン・プレスで、さまざまな材料の標準MPIF(Metal Powder Industries Federation)規格10引張試験バーを300,000psi(150トン/平方インチ)超の圧力で成形した。図31に、表面が1平方インチの一般的な試験バーを示す。
【０１６１】
図1に示すように、この300トンCDDCプレスは、より伝統的な垂直方向に取り付けられ、プレスの下のテーブルの上に置かれた標準化されたダイ・セットを使用する。ラムの密封システムも図1に示すように大幅に改良されている。この300トン・プレスのラムは、2つのリング・シール7b、1つのOリング・シール7c、およびオブチュレータ(obturator)またはブリッジマン・シール7aを含む。これらのシールは協働して、3000Kに達することがある燃焼温度に耐えうる静的および動的密封を提供する。さらに、全てのチャンバ内フィッティングおよびゲージが、交換可能な密封プラグ3に組み込まれている。これによってチャンバ自体の潜在的な漏れ経路は低減される。さらに、複数のバージョンの密封プラグ3によって、異なる構成の点火装置、ゲージ、充てん口などを経済的に組み込むことができる。この300トン・チャンバはさらに、複数の高強度ボルトによって保持された取外し可能なエンド・キャップを利用する。このキャップは容易に取り外すことができ、希望ならばチャンバの内部に容易にアクセスすることができる。この300トン・プレスはさらに、改良型の表面放電型点火装置、粉末の実際の圧力を監視するためにダイ・セットの下に配置されるロード・セルなどの特徴を含む。
【０１６２】
この300トン・プレスで成形したいくつかの材料の機械試験の結果を表4から7に示す。これらの表から、密度、圧粉強度、焼結体強度などの機械的特性が従来の粉末プレス技法に比べて大きく増大していることが明らかである。さらに、焼結後の部品の収縮はほとんど排除されている。CDDCプレス自体の構造は、従来の機械または液圧プレスよりも相当に単純であり、可動部品を1つ、すなわちラム7だけしか含まない。
【０１６３】
実施例4 3000トン・プレス
3000トンを送達することができる動的圧密プレス構成を図29Bに示す。
この図には3000トン・プレスが、図29Aに示した300トン・プレスに対して正しいスケールで示されている。このプレスは、これまでの例に比べれば大きいが、それでもなお同じ能力の従来の機械または液圧プレスよりもずっと小さいことに留意されたい。例えば、従来のある3000トン・プレスは高さが30フィート、設置面積が400平方フィートあるが、CDDC3000トン・プレスの高さは約10フィート、設置面積は約100平方フィートとなろう。燃焼駆動型成形装置は、必要なエネルギーが化学エネルギーの状態から直接に変換されるので本来的に比較的にコンパクトである。CDDCプロセスを使用したより大出力のプレスも実現可能であり、かつ比較的にコンパクトになると予想される。さらに、このようなプレスは従来のプレスに比べて安価となると予想される。
【０１６４】
圧力プロファイル制御
本発明の全ての実施形態では、隔膜、高速弁、ならびに直径が調整可能な排気口またはオリフィスを使用して、混合気、事前充てん圧(prefill pressure)および点火パラメータによって提供される制御に加えて追加の圧力時間履歴制御を提供することができる。図32に、混合気の簡単な調整に基づく圧力プロファイル制御の一例を示す。図33には、隔膜および弁を圧力チャンバ内の重要な位置に配置し、これらの作動を、壁を通した熱損失だけによって生じるよりも速く圧力が低下するように調整した場合に予想される例を示した。3つの例示的なケースでは所望のピーク圧で1つまたは複数の隔膜または高速弁が突然に開き、ガスを急激に排出し急激な圧力低下を起こさせる。これによって、圧力を制御し、次の成形圧力パルスに備えてチャンバを短時間のうちに空にする追加の機構が提供される。
【０１６５】
図34に示した本発明の他の好ましい実施形態では、燃焼プロセスによってではなく、事前に充てんされた加圧ガス中でのアーク放電によって高圧のガスが生み出される。放電動的圧密(Electric Discharge Dynamic Consolidation)と呼ぶこの実施形態では、最も好ましい実施形態の燃焼チャンバに代わって、絶縁内壁を有し両端に電極が配置されたチャンバを使用する。始めに作動ガスでチャンバを高圧に加圧する。チャンバの長手方向にヒューズを渡し、ヒューズをそれぞれの電極と接触させる。隔膜またはタイト・シールが高圧ガスを封じ込める。外部スイッチを閉じるとエネルギー貯蔵コンデンサからの高電圧がヒューズの両端にかかる。ヒューズはすぐに蒸発し、高圧ガス中にアークが形成される。この高電力アークはガスを急速に加熱し、圧力を高い値まで上昇させ、隔膜を破裂させ、プッシャ・ピストンまたはラムを押して粉末を成形する。原理的には任意の作動ガスを使用することができるが、実際には、アルゴンなどの不活性ガスを使用することがおそらく最もよい。反復装置に対して予想される動作パラメータおよび要件は、本発明の燃焼型バージョンに対するものとその桁数において事実上同様である。
【０１６６】
絶縁壁はセラミック・コーティングまたはセラミック管とし、セラミックを封じ込め常に圧縮しておくために熱収縮鋼管でセラミックを被覆する。セラミック絶縁壁は理想的に非削摩性であり、したがっていつまでももつ。隔膜は一般に、この好ましい実施形態の高い事前充てん圧を封じ込めることが必要だが、事前充てん圧が数千psiに過ぎない場合には絶対に欠かせないというわけではない。
【０１６７】
放電のための電流は一般に、パルス整形回路網(PFN)および高電圧充電回路によって供給される。図35に代表的な例を示す。スイッチS(イグナイトロン)を閉じると電極間に高電圧がかかり、続いて金属箔ヒューズの加熱および蒸発が起こる。PFNのキャパシタンスおよびインダクタンス値が電流のパルス幅を決定する。パルス幅τはτ=2CZによって与えられる。ただしCはPFNの総キャパシタンス、Z=(L/C)0.5はPFNのインピーダンス、LはPFNの総インダクタンスである。インダクタンスをコンデンサの間に分散させてパルス整形を提供することができる。充電電圧および回路インピーダンスがピーク電流を決定する。放電抵抗は一般に約100mΩである。PFNから放電負荷への理想的な伝達効率はη=4(R/Z)/(1+R/Z)2によって与えられる。整合した負荷では伝達が100%になる。実際にはこれは、スイッチおよびリードにおける寄生損失のために達成することができないが、これらの損失は一般に小さい。なお、R=Z/2であるはなはだしく不整合な回路であっても、伝達効率は89%までしか低下しなかった。予想されるバンク電圧は数十キロボルトに達することがあり、いくつかのケースで放電電流は100kAを超える。
【０１６８】
図36に示した本発明の他の好ましい実施形態では、燃焼プロセスによってではなく、狭い毛管(capillary)中でのアーク放電によって高圧のガスが生み出される。ガスは、高温アーク放電の存在下での消耗性の電気絶縁壁の削摩(ablation)によって、または狭い毛管チャネルの中に置かれた固体または液体材料を削摩し蒸発させて液体または固体材料が直接に高温アーク放電にさらされるようにすることによって、生み出される。
【０１６９】
先に説明した放電動的圧密構成の一バリエーションである電熱放電圧密(ElectroThermal Discharge Consolidation)と呼ばれる構成は、高圧領域の長さを引き伸ばし、かつ/または高圧領域の内径を小さくして、しばしば毛管と呼ばれる構成とすることによって実施される。毛管と呼ぶのはその大きな長さ/直径比のためであり、この比は一般に10:1程度とすることができ、ときにはそれよりも大きくすることができる。この場合もやはり電極は毛管のそれぞれの端部に配置される。作動流体は一般に、可塑性ライナを削摩し、かつ/または毛管容積の中に置かれたさまざまな液体、ゲルまたは固体材料を蒸発させることによって生み出される。
【０１７０】
作動流体が、毛管の中に置かれた充てん材料を削摩し蒸発させることによって提供される場合には、絶縁壁が一般にセラミック・コーティングまたはセラミック管であり、セラミックを封じ込め常に圧縮しておくために熱収縮鋼管でセラミックを被覆する。したがってセラミック絶縁壁は理想的に非削摩性であり、したがっていつまでももつ。これは、EDDC構成に対する機能形態と同じだが、長さ/直径比が異なる。
【０１７１】
この場合もやはりアーク放電は非常に高い圧力を生み出し、その圧力上昇速度は大きい。圧力プロファイルは主に、EDDC構成の場合と同様にアーク電流を駆動するパルス整形回路網中のインダクタおよびコンデンサのパラメータを調整することによって制御される。
【０１７２】
この構成は、高圧の事前充てんガスを封じ込める必要がないので、破裂隔膜の使用を必ずしも必要としない。しかし希望ならば、隔膜を使用して、隔膜が破裂し、または剪断隔膜の場合には隔膜が剪断されたときに、成形された部品に突然に圧力が伝達されるようにすることもできる。ピストンが成形粉末へこの圧力を伝達する。アークの開始はヒューズを用いて、または高電圧破壊によって達成される。
【０１７３】
パルス電気エネルギーを使用して作動ガスを加熱すると、可燃混合気を扱う必要性が排除され、さらに、アーク放電電流を制御する手段を介して圧力時間履歴をさらに制御する潜在的可能性が提供される。可燃混合気を扱う必要性が排除されることはいくつかのケースで潜在的な安全上の利点である。
【０１７４】
数十ないし数百メガジュールのパルス電気エネルギーを提供することは困難であり、かつ高価であるが、可燃性ガスの形態でエネルギーを化学的に供給することは簡単かつ安価なため、大きな成形体に対して非常に大きなエネルギーを必要とするときはおそらくは燃焼技法が選択の方法となる。説明したパルス電気エネルギー法は、数メガジュールのエネルギーしか必要としないより小さな成形体に対して最も適しているようにと思われる。しかしこのような値に限定されるわけではない。
【０１７５】
その全ての実施形態に当てはまる、すでに示したもの以外の本発明の有用性を図37〜39に示す。適当な形状のフィラーを成形前の粉末の内部に配置することによって、部品中に内部空孔、キャビティ、チャネルなどを配置することができる。フィラーは、融解またはことによると化学エッチング・プロセスによって成形プロセス後に簡単に取り除くことができるものを選択する。いくつかの単純な例を図37〜39に概略的に示す。これらは可能性を示す単なる例にすぎない。多くの構成が可能である。他の例として、粉末の周囲に冷却された単一の導線を使用し、次いでこれを後に融解またはエッチングで除去することによって壁の中に埋め込まれた一体化された冷却チャネルを有するノズルを製造することもできる。
【０１７６】
高い圧粉強度および焼結中の極めて低い収縮は、圧粉体の状態で比較的にもろい部品、および通常の焼結誘導性収縮の下で反ってしまう傾向がある部品の成形を可能にする。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【表４】
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【表５】
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【表６】
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【表７】
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【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的な燃焼駆動型動的圧密(Combustion Driven Dynamic Consolidation: CDDC)装置の主な構成要素を示す図である。
【図２】 CDDCプロセスと他の成形プロセスとの比較を示す図である。
【図３】 予め設定した圧力が得られるまで成形ラムを保持する移動止め方法を示す図である。
【図４】 CDDCプロセスを使用した粉末のアイソスタティック圧縮のための配置を示す図である。
【図５】 弁およびプロセスの制御、ラムの引戻し、部品の抜取りを含む、一般的なCDDC装置の追加の特徴を示す図である。
【図６】 垂直方向に使用するためのCDDC装着およびフレーム・ハードウェアの側面図である。
【図７】 隔膜を含み16トンの力を送達するCDDC装置の詳細を示す図である。
【図８】 16トンCDDC装置の一般的な燃焼由来圧力対時間曲線を示す図である。
【図９】 CDDC荷重圧力に対して成形粉末密度をプロットした図である。
【図１０Ａ】 16トンCDDCプレスで形成された成形金属粉部品を示す図である。
【図１０Ｂ】 16トンCDDCプレスで形成された成形金属粉部品を示す図である。
【図１０Ｃ】 16トンCDDCプレスで形成された成形金属粉部品を示す図である。
【図１０Ｄ】 16トンCDDCプレスで形成された成形金属粉部品を示す図である。
【図１１】 出発Al粉末(成形前)の200倍拡大図である。
【図１２】 燃焼圧23kpsiで動作させた16トン・プレスで形成された成形Al粉末の破面の200倍拡大図である。
【図１３】 燃焼圧31kpsiで動作させた16トン・プレスで形成された成形Al粉末の破面の200倍拡大図である。
【図１４】 燃焼圧47kpsiで動作させた16トン・プレスで形成された成形Al粉末の破面の200倍拡大図である。
【図１５】 出発Al粉末(成形前)の1000倍拡大図である。
【図１６】 燃焼圧23kpsiで動作させた16トン・プレスで形成された成形Al粉末の破面の1000倍拡大図である。
【図１７】 燃焼圧31kpsiで動作させた16トン・プレスで形成された成形Al粉末の破面の1000倍拡大図である。
【図１８】 燃焼圧47kpsiで動作させた16トン・プレスで形成された成形Al粉末の破面の1000倍拡大図である。
【図１９】 30トンCDDC装置の詳細を示す図である。
【図２０Ａ】  30トンCDDC装置および関連構成要素のさまざまな詳細を示す図である。
【図２０Ｂ】  30トンCDDC装置および関連構成要素のさまざまな詳細を示す図である。
【図２０Ｃ】  30トンCDDC装置および関連構成要素のさまざまな詳細を示す図である。
【図２０Ｄ】  30トンCDDC装置および関連構成要素のさまざまな詳細を示す図である。
【図２１Ａ】  Iビーム上に装着された30トンCDDC装置を2方向から見た図である。
【図２１Ｂ】  Iビーム上に装着された30トンCDDC装置を2方向から見た図である。
【図２２Ａ】  直径1/2インチのリング・ダイおよび成形された試料を示すいくつかの図である。
【図２２Ｂ】  直径1/2インチのリング・ダイおよび成形された試料を示すいくつかの図である。
【図２２Ｃ】  直径1/2インチのリング・ダイおよび成形された試料を示すいくつかの図である。
【図２２Ｄ】  直径1/2インチのリング・ダイおよび成形された試料を示すいくつかの図である。
【図２３Ａ】  30トンCDDC装置で作られたリング形成形体を示すいくつかの拡大図である。
【図２３Ｂ】  30トンCDDC装置で作られたリング形成形体を示すいくつかの拡大図である。
【図２３Ｃ】  30トンCDDC装置で作られたリング形成形体を示すいくつかの拡大図である。
【図２４】  リング形ダイの追加の詳細を示す図である。
【図２５】  30トンCDDC装置で成形されたステンレス鋼リングの荷重条件および特性データを示す図である。
【図２６】  30トンCDDC装置で成形されたステンレス鋼リングの荷重条件および焼結後の特性データを示す図である。
【図２７】  一般的な爆発線点火アセンブリを示す図である。
【図２８】  一般的な爆発線点火アセンブリの追加の詳細を示す図である。
【図２９Ａ】  定格300トンCDDCプレスの一般的なサイズを示す図である。
【図２９Ｂ】  定格3000トンCDDCプレスの一般的なサイズを示す図である。
【図３０Ａ】  300トンCDDCプレス(右)および支持ハードウェア(左)を示す図である。
【図３０Ｂ】  縮尺が分かるように人間が配された300トンCDDCプレスを示す図である。
【図３０Ｃ】  300トンCDDCプレスの頂部を示す図である。図の中央に燃焼チャンバがある。
【図３１】  300トンCDDC装置で製作された一般的なドッグボーン型引張試験試料を示す図である。
【図３２】  異なる燃料化学物質を使用して300トンCDDC装置内で生じたいくつかの圧力対時間プロファイルを示す図である。
【図３３】  総称圧力対時間プロファイルを示す図である。
【図３４】  電気駆動型動的圧密(Electric Driven Dynamic Compaction:EDDC)装置の詳細を示す図である。
【図３５】  EDDCおよびETDC装置の一般的な支持電気回路図である。
【図３６】  電熱型動的圧密(Electro-Thermal Dynamic Compaction:ETDC)装置の詳細を示す図である。
【図３７】
単純な総称円すい形ノズルを成形するためのダイ構成を示す図である。
【図３８】  内部空孔および機能勾配を有する部品を成形するためのダイ構成を示す図である。
【図３９】  機能勾配を有するノズル形状を成形するためのダイ構成を示す図である。
【符号の説明】
１  チャンバ
２  エンド・キャップ
３  チャンバ・プラグ
４  点火装置
５  ガス充てん口
６  ステンレス鋼製ライナ
６Ｂ  隔膜
７  成形ラム
７ａ  ブリッジマン型シール
７ｂ、７ｃ  動的ピストン・リング型シール
１０  部品ダイ
１１  粉末
１２  ダイ
１４  弁
１４ａ  移動止め
１５  本発明
１６  液圧引戻し装置
１７  圧密レジーム、最終ベント弁
１８  冷却ジャケット
１９  衝撃圧密レジーム、オペレーティング・システム
２０  成形チャンバ
２１  フランジ
２２  チャンバ・ラム
２４  型
【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８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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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１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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