(57)【要約】  鍛造構造を有する生成物を生成するプロセスおよび装置。プロセスは、備えている固めた粒子構造を鍛造構造に変換するため、冷間噴霧堆積物プレフォームの印加区域に、熱と圧縮荷重を同時に印加するステップを含み、圧縮荷重が印加区域に横方向に印加される。印加区域への圧縮荷重および熱の印加によって、印加区域中のプレフォームの材料の温度が、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍛造構造を有する生成物を生成するプロセスであって、
固めた粒子構造を鍛造構造に変換するため、前記固めた粒子構造を有する冷間噴霧堆積物プレフォームの印加区域に、熱と圧縮荷重を同時に印加するステップを含み、
前記圧縮荷重が前記印加区域に横方向に印加され、
前記印加区域への前記圧縮荷重および熱の前記印加が、前記印加区域中の前記プレフォームの材料の温度を、前記材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる、プロセス。
【請求項２】
前記熱が、急速加熱技法、すなわち好ましくは、電流、誘導加熱、またはレーザ加熱のうちの少なくとも１つによって加えられる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記熱が、交流またはパルス状直流のうちの少なくとも１つを含む電流を使用して加えられる、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記熱が、５００〜２０００Ａ／ｍｍ２、好ましくは、８００〜１５００Ａ／ｍｍ２、より好ましくは、１０００〜１１００Ａ／ｍｍ２の電流密度を有する電流を使用して加えられる、請求項２または３に記載のプロセス。
【請求項５】
前記印加電流に関係する電圧が、２〜３ボルトである、請求項３または４に記載のプロセス。
【請求項６】
前記印加する圧縮荷重が、１０〜１００ｋｇ／ｍ２、好ましくは、２０〜６０ｋｇ／ｍ２である、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項７】
前記プロセスが連続製造プロセスを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項８】
前記プレフォームが細長いボディである、請求項１から７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項９】
前記プレフォームがストリップ、シート、ワイヤ、棒、またはバーを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記圧縮荷重が、前記プレフォームを圧縮係合するように構成される少なくとも１つのローラを使用して印加される、請求項１から９のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１１】
少なくとも２つのローラをさらに備え、その間に前記プレフォームが供給され圧縮される、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
少なくとも１つのローラが、熱を、好ましくは電流を前記プレフォームに加えるように構成される、請求項１０または１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記ローラの少なくとも一部が導電性材料を備える、請求項１０から１２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１４】
少なくとも１つのローラが冷却システムまたは冷却装置を含む、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１５】
熱および圧縮荷重を印加する前に、
所望の構成で前記構造を付加的に構築するため、冷間噴霧堆積を使用して、固めた粒子構造を有するプレフォームを形成するステップ
をさらに含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記圧縮荷重が、前記プレフォームを圧縮係合するように構成される少なくとも１つのローラを使用して印加され、前記プレフォームが、圧縮される前に、前記少なくとも１つのローラのうちの１つのローラの面上に形成される、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記プレフォームが、前記プロセス中に前記プレフォームが移動する供給軸上、または供給軸の周りに形成される、請求項１５または１６に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記プレフォームが、堆積面上に材料を堆積することによって形成される、請求項１５から１７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記形成するステップが、
供給軸上または供給軸の周りに生成物堆積面を形成するため、堆積面上に冷間噴霧材料を堆積するために、冷間噴霧付与器を使用するステップと、
前記材料の後続の堆積層を形成するために冷間噴霧堆積を使用して、それぞれの上部生成物堆積面上に材料を連続的に堆積するステップと、
前記冷間噴霧付与器または前記プレフォームのうちの少なくとも１つを、前記供給軸に沿った軸方向に互いに対して移動させるステップと、
それによって、選択した長さのプレフォームを形成するステップと
を含む、請求項１５から１８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記プレフォームが連続要素、好ましくは細長いボディとして形成される、請求項１５から１９のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２１】
前記プレフォームがストリップ、シート、ワイヤ、棒、またはバーとして形成される、請求項１５から２０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記熱および圧縮荷重が、冷間噴霧堆積による前記プレフォームの前記印加区域の形成の直後に、前記プレフォームの前記印加区域に印加される、請求項１５から２１のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２３】
前記冷間噴霧堆積プレフォームが、金属またはその合金、好ましくは、チタン、銅、アルミニウム、鉄、スカンジウム、ニッケル、マグネシウム、タンタル、またはそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２４】
前記冷間噴霧堆積プレフォームが、少なくとも２つの異なる粉末の混合物を含む、請求項１から２３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２５】
請求項１から２４のいずれか一項に記載のプロセスから形成される、鍛造構造プレフォーム。
【請求項２６】
鍛造構造を有する生成物を生成するための装置であって、
冷間噴霧堆積プレフォームの印加区域に熱および圧縮荷重を同時に印加するように構成される圧縮荷重印加器であって、前記圧縮荷重が前記印加区域に横方向に印加される、圧縮荷重印加器を備え、
使用の際に、前記印加区域への圧縮荷重および熱の前記印加が、前記印加区域中の前記プレフォームの材料の温度を、前記材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる、装置。
【請求項２７】
前記熱が、急速加熱技法、好ましくは、電流、誘導加熱、またはレーザ加熱のうちの少なくとも１つによって加えられる、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記熱が、交流またはパルス状直流のうちの少なくとも１つを含む電流を使用して加えられる、請求項２６または２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記圧縮荷重印加器が、
前記印加電流の電流密度が、５００〜２０００Ａ／ｍｍ２、好ましくは、８００〜１５００Ａ／ｍｍ２、より好ましくは、１０００〜１１００Ａ／ｍｍ２である電流を提供するように構成される、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
圧縮荷重印加器が、前記印加区域に１０〜１００ｋｇ／ｍ２、好ましくは、２０〜６０ｋｇ／ｍ２の荷重を印加することができる、請求項２６から２９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
前記圧縮荷重印加器が、前記プレフォームを圧縮係合するように構成される少なくとも１つのローラを備える、請求項２６から３０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
少なくとも２つのローラをさらに備え、その間に前記プレフォームが供給され圧縮される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
少なくとも１つのローラが、熱を、好ましくは電流を前記プレフォームに加えるように構成される、請求項３１または３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記ローラの少なくとも一部が導電性材料を備える、請求項３１、３２、または３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
少なくとも１つのローラが冷却システムまたは冷却装置を含む、請求項３１から３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
堆積面上に前記冷間噴霧堆積プレフォームを形成するための冷間噴霧堆積装置をさらに含む、請求項２６から３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
前記プレフォームが、前記ローラによって圧縮される前に、前記ローラのうちの少なくとも１つの面上に形成される、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記プレフォームが、前記プロセス中に前記プレフォームが移動する供給軸上、または供給軸の周りに形成される、請求項３６または３７に記載の装置。
【請求項３９】
請求項２６から３８のいずれか一項に記載の装置を使用して形成される請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その内容がこの参照により本明細書に組み込まれると理解すべき、２０１７年６月２０日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１７９０２３５５号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、粉末の冷間噴霧堆積物から鍛造構造を生成するプロセス、および関連する装置に関する。本発明は、特に、チタンおよびチタン合金鍛造構造を生成するのに適用可能であり、以下では、本発明をその例示的な応用例と関連して開示するのが好都合である。しかし、本発明は本応用例に限定されるべきでなく、いくつかの金属、金属／金属合金、金属マトリックス複合材などの冷間噴霧堆積物に適用可能であり得ることを理解されたい。
【背景技術】
【０００３】
本発明に対する背景の以下の議論は、本発明の理解を促すことが意図される。しかし、本議論は、言及される材料のいずれかが本出願の優先日に公開されていた、知られていた、または通常の一般的知識の部分であったことを認定または承認するものでないことを理解されたい。
【０００４】
鍛造材料は、延性などといった特性を改善するように、一般的な鋳造材料から、またはさらに付加的な製造処理を行った材料から「作業をされた」材料である。鍛造材料は通常、鋳造における一般的な問題である、収縮および多孔性などといった内部および外部の欠陥がなく、鍛造のグレードにわたって、鋳造形態において高温で本質的により強い。微細構造が材料特性で大きい役割を果たしており、表面トポグラフィーもまた、その実用性および寿命で役割を果たしている。というのは、鍛造金属または合金の滑らかな表面は、たとえば、溶融塩または炭素堆積物により腐食が発達する焦点となるのを回避するのに役立つためである。
【０００５】
鍛造材料を作るための一般的な産業手法は、熱間静水圧圧縮または圧力（ＨＩＰ）が挙げられ、これは、チタン、鋼、アルミニウム、および超合金などの多種多様な材料の機械的特性および加工性を改善する、確立したプロセスである。ＨＩＰプロセスは、加圧チャンバ中に形成される物品を密封するステップと、たとえば、９５０℃、１００ＭＰａで４ｈといった、選択される期間、その加圧チャンバ内に、静水圧および高温を印加するステップとを含む。チャンバは、一般に、加圧チャンバ内で不活性ガスを加熱することによって加圧される。したがって、ＨＩＰすることによって、処理される物品の全外面にわたって印加される多方向の圧力が提供される。このプロセスを使用して、鋳造内の空隙を減少または除去することができ、カプセル化された粉末を固めて、十分に高密度の材料を作り出すことができる。さらに、鋳造期間に閉じ込められたガス、または付加的な製造プロセスの結果として生成される、小さい加圧された気泡として現れる閉じ込められたガスを取り除くことができる。こうして、ＨＩＰプロセスを使用して、微細構造を鍛造構造へと変換することができる。
【０００６】
チタンおよびチタン合金を含む多くの金属はここで、冷間噴霧技術などといった付加的な製造を使用した方法によって作ることもできる。冷間噴霧プロセスでは、固体状態の小さい粒子が、超音波ガスジェット中で、高速（通常、５００ｍ／ｓ以上）に加速されて、基板材料上に堆積される。粒子の運動エネルギーは、基板との衝突の際に、塑性変形を介した結合を達成するために利用される。酸化がないことによって、粉末からの成形チタン生成物のニアネットシェイプ加工のため冷間噴霧技術が使用されることが可能になる。
【０００７】
固体噴霧堆積構成要素は、所望の噴霧パターンで層を漸進的に堆積することを通して形成することができる。たとえば、本出願者の国際特許公開第ＷＯ２０１５１５７８１６号を参照されたい。しかし、従来型冷間噴霧方法を使用して形成された低多孔性の固体形状の生成は、高速を達成するのに必要な加速ガスの加熱要件、および低多孔性の堆積物の生成を容易にする、粒子の熱軟化が必須であることに起因した、形成および構造上の問題を有する場合がある。たとえば、低多孔性を有する冷間噴霧チタン合金の生成は、典型的には、冷間噴霧ガスを、７００〜１１００℃の範囲に予熱する必要がある。このことによって、冷間噴霧堆積物上に冷間噴霧粒子を噴霧するため冷間噴霧ガスジェットが冷間噴霧堆積物にわたって移動するたびに、必然的に、冷間噴霧堆積物にかなりの熱伝達がもたらされる。加熱によって、依然として冷間噴霧が進行中であっても、大きい堆積物中にクラック、または堆積物の基板からの分離を引き起こす可能性がある熱ストレスが生じる。表面温度が十分高い場合、酸化さえ起こりうる。
【０００８】
鋳造材料から鍛造構造を形成するためＨＩＰを使用することに成功することを前提として、この技法を付加的な製造技法に採用するために努力が行われてきた。たとえば、Ｂｌｏｓｅ，  Ｒ．  Ｅ．らは、「Ｎｅｗ  ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ  ｔｏ  ｕｓｅ  ｃｏｌｄ  ｓｐｒａｙ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ａｐｐｌｙｉｎｇ  ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｆｅａｔｕｒｅｓ  ｔｏ  ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｌｏｙｓ．」Ｍｅｔａｌ  Ｐｏｗｄｅｒ  Ｒｅｐｏｒｔ  ６１．９  （２００６）：  ３０−３７というレポートの中で、冷間噴霧したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを固めた粒子コーティングへの熱処理およびＨＩＰの適用を記載している。Ｂｌｏｓｅは、熱処理単独では、多孔性を減少させるには効果がないことを発見した。しかし、金属組織学的分析では、すべてのコーティングの密度が、ＨＩＰ後に（初期多孔性にかかわらず）１００パーセントに近いことが示された。ＨＩＰされた試料の微細構造は、鋳造で得られ、鍛造変形および再結晶化された材料と同じであることも発見された。さらなる例が、米国特許第６９０５７２８号に教示され、ここでは、冷間ガスダイナミック噴霧プロセス粒子が、タービンの羽根または翼に冷間噴霧され、次いでその部分が真空焼結され、真空焼結ステップ後にＨＩＰプロセスにかけられ、ＨＩＰステップを実施した後に熱処理される方法を教示する。
【０００９】
しかし、これらの方法には、依然としていくつかの欠点がある。Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ａ，  Ｖｏｌ  ４７／５，  １９３９−１９４６において、Ｔａｍｍａｓ−Ｗｉｌｌｉａｍｓは、ＨＩＰ後に大きいトンネル状欠陥が現れうることを観察した。ＨＩＰを使用すると、閉じ込められたガスが合体し、材料のコアに大きいガスポケットを形成する場合があるのを本発明者自身がやはり観察した。たとえば、図１（Ｃ）を参照されたい。さらに、ＨＩＰは、エネルギー集約的で、費用がかかり、時間のかかるバッチプロセスである。ＨＩＰは、危険であって専用の機器を必要とする可能性がある高い圧力および温度を使用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１５７８１６号
【特許文献２】米国特許第６９０５７２８号明細書
【特許文献３】米国特許第５３０２４１４号明細書
【特許文献４】国際公開第２００９／１０９０１６号
【特許文献５】国際公開第２０１１／０１７７５２号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｂｌｏｓｅ，  Ｒ．  Ｅ．ら  「Ｎｅｗ  ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ  ｔｏ  ｕｓｅ  ｃｏｌｄ  ｓｐｒａｙ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ａｐｐｌｙｉｎｇ  ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｆｅａｔｕｒｅｓ  ｔｏ  ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｌｏｙｓ．」Ｍｅｔａｌ  Ｐｏｗｄｅｒ  Ｒｅｐｏｒｔ  ６１．９  （２００６）：  ３０−３７
【非特許文献２】Ｔａｍｍａｓ−Ｗｉｌｌｉａｍｓ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ａ，  Ｖｏｌ  ４７／５，  １９３９−１９４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、冷間噴霧で得られた材料から鍛造構造を生成する、新規および／または代替の方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、冷間噴霧で固めた粒子堆積物で得られた鍛造構造の付加的な製造のための方法および装置を提供する。
【００１４】
本発明の第１の態様は、鍛造構造を有する生成物を生成するプロセスを提供し、プロセスは、
固めた粒子構造を鍛造構造に変換するため、固めた粒子構造を有する冷間噴霧堆積物プレフォームの印加区域に、熱と圧縮荷重を同時に印加するステップを含み、
圧縮荷重が印加区域に横方向に印加され、
印加区域への圧縮荷重および熱の印加が、印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる。
【００１５】
本発明のプロセスは、冷間噴霧プレフォームが形成された後、その冷間噴霧堆積したプレフォームに熱と負荷／圧力を同時に印加することを通して、金属、金属合金、または金属合成物の鍛造構造の生成物の形成を可能にする。熱と横方向に印加される圧縮荷重の選択され同時に生じる印加によって、多孔性の固めた粒子の冷間噴霧構造物を鍛造構造物へと迅速に再結晶化するのを可能にする。
【００１６】
プレフォームの印加区域への横方向荷重および熱の同時印加によって、プレフォームの中の、固めた冷間噴霧粒子構造の鍛造構造への構造的な変形（再結晶化）が引き起こされる。任意の１つの理論によって制限するのは望まないものの、印加した熱によって、印加区域中のプレフォーム材料の局所的な温度を、材料の再結晶化温度より上だが材料の融点より下に上昇させるのに十分な温度エネルギーが提供されることが考えられる。したがって、冷間噴霧堆積した材料の結晶構造の結晶粒は、その材料の結晶構造中で核になり成長する結晶粒の新しい組によって置き換えられる。圧縮横方向荷重は、２つの前面上で働き、多孔性をなくすのに貢献し、同時に、動的および静的な再結晶化で必要な加工硬化を開始する。この意味で、印加した圧縮横方向荷重は、その温度で構造を圧縮して、構造／微細構造中の任意の細孔および空隙を取り除くことが可能である。より高密度の鍛造構造／鍛造微細構造がもたらされる。わかるように、新しく形成される結晶粒／結晶のサイズが、材料の最終的な機械的特性を規定する。
【００１７】
荷重は、従来技術のＨＩＰプロセスで印加されたように、たとえば、本発明の背景技術に記載されたように多方向ではなく印加区域に横方向に印加されることを理解されたい。本発明は、したがって、たとえば、圧縮スタンプまたはローラを使用して、印加ゾーンに横方向圧縮をもたらす圧縮プロセスを使用する。比較して、ＨＩＰは、エネルギー集約的で、費用がかかり、時間がかかり、煩雑なバッチプロセスである。ＨＩＰは、容器に材料を含むこと、および多方向の圧力を印加することのために必要な結果として、単にある種の幾何形状のみ、またはある種のサイズである構造物を処理することに限定される。本発明は、これらの欠点を回避することを目的とし、好ましくは、連続的なプロセスを提供する。圧縮荷重の横方向印加とは、圧縮荷重が印加区域に印加される方向が、印加区域の平面に対して横向きであるのを示すことを理解されたい。大部分の事例では、その圧縮荷重方向（荷重印加方向）は、印加区域の平面にほぼ垂直となる。曲面では、その圧縮荷重方向（荷重印加方向）は、印加区域または点の接平面にほぼ垂直となる。
【００１８】
冷間噴霧堆積プレフォームとは、冷間噴霧堆積を使用して形成されたプレフォームであることを理解されたい。このタイプのプレフォームは、固めた粒子構造を有し、典型的には、固めた冷間噴霧薄板構造を備える。そのような冷間噴霧し固めた粒子構造は、プレフォームを所望の形状および構成へと構築するため、互いの上部に蓄積する、固めたまたは塊になった粒子から「レンズ豆」状の特徴を作る基板上に衝突する粒子の変形から形成される。一般に、冷間噴霧薄板構造は、限られた延性を有する高強度を実現する。
【００１９】
プレフォームは、任意の所望の形で提供することができる。しかし、本発明は、細長いボディを処理するように有利に構成される。いくつかの実施形態では、プレフォームは、（限定しないが）ストリップ、シート、ワイヤ、棒、バーなどといった、細長いボディである。したがって、本発明は、それらのプレフォームの微細構造を鍛造構造へ変換するため、細長いおよび長いワイヤおよび管の処置を可能にする。
【００２０】
鍛造構造または鍛造微細構造とは、もしある場合には、限られた鋳造樹状要素を含有する構造であることも理解されたい。好ましくは、微細構造は、等軸結晶粒構造を有する。
【００２１】
本発明では、（再結晶化構造として形成される）鍛造構造を有する材料は、材料を溶かすことなく、すなわち、非融解経路を介して作製される。この意味で、冷間噴霧し固めた粒子構造が、固体粒子から形成される。その堆積したプレフォームは、材料の融点より下で、鍛造構造へと迅速に再結晶化される。冷間噴霧プロセスまたは圧縮荷重の期間に状態の変換は起こらず、プロセスを固体状態プロセスにする。材料は、したがって、原材料から完成した鍛造構造生成物まで、材料の融点より下の固体状態である。いくつかのプロセスでは、最終的な鍛造構造は、粉末から直接生成することができる。したがって、本発明は、ストリップ、バー、管、シート、およびワイヤなどの圧延製品とともに広範な工業製品を製造するための、新規で代替の手法を提供する。したがって、プロセスは、伝統的な溶かして形成する冶金プロセスと比較して、はるかに小さいカーボンフットプリントを有し、現在の方法よりも動作するのにより安全でより効率的である。
【００２２】
一般に酸化、窒化、脱炭、および任意の分解は、このプロセスでは避けられる。非融解プロセスを使用することによって、チタンおよびタンタルなどといった酸素感受性の材料が、迅速で、はるかに低い費用で鍛造形態で生成されることも可能になる。たとえば、高強度、高延性のＴｉ鍛造構造を、制御した雰囲気下で発生する、費用がかかる融解プロセスなしで、粉末として破砕されたＴｉスポンジから生成することができる。相変態および凝固プロセスに感受性のある材料に対して、同様の利点が適用できる。
【００２３】
本発明は、本質的に融解プロセスのある、他の付加的な製造手法の制限も克服する。たとえば、本発明のプレフォーム生成は、全体にわたってほぼ均一な微細構造を有利に保持し、インゴット中にマクロの剥離や他の融解に関係する欠陥がない。というのは、構成する粉末粒子が冷間噴霧プロセスで融解しないためである。
【００２４】
熱は、いくつかの好適な技法を使用して、印加区域に加えることができる。いくつかの実施形態では、熱は、伝導法、誘導法、抵抗法、または熱的加熱法を使用して加えられる。しかし、加熱技法は、急速加熱技法であることが好ましい。実施形態では、この急速加熱は、電流、誘導加熱、またはレーザ加熱のうちの少なくとも１つによって熱が印加区域に加えられることを通して達成される。これらの加熱方法の各々は、印加区域を急速に加熱して、印加区域中のプレフォーム材料の局所的な温度を、材料の再結晶化温度より上だが材料の融点より下に急速に上昇させることを可能にする。急速加熱は、局所的な温度を急速に上げること、典型的には、１００℃／ｓ以上で、好ましくは２００℃／ｓ以上で、より好ましくは５００℃／ｓ以上で加熱することを必然的に伴う。「急速」とは、ＨＩＰのような代替の手法を使用する数時間と比較して（ＨＩＰは、１０００℃を越えるために、１〜２時間かかる場合がある）、印加区域中の高い局所的な温度に数秒内に到達することを意味することを理解されたい。急速加熱技法の使用は、そのプロセス期間の、材料の酸化を回避するのを助ける。さらに、圧縮荷重の同時印加と結合される急速加熱によって、プレフォームの鍛造構造／微細構造が、固体状態プロセスで急速に形成されるのを可能にする。プレフォームは、したがって、たとえば、ＨＩＰといった従来型プロセスと比較して、鍛造構造に迅速に変換し、プロセスの拡大および所望であれば連続プロセスを容易にすることができる。代表的な例では、熱は、電流ベースの手段を使用して印加区域に加えられる。その電流は、交流または直流として印加することができる。直流が使用される場合、その電流は、好ましくは、パルス状直流を含む。電流は、様々なデューティサイクルで印加することができる。たとえば、ＡＣまたはＤＣ電力のためのデューティサイクルは、１０％〜１００％であってよい。同様に、電流は、様々なパルス周波数を有することができる。たとえば、ＡＣまたはＤＣ電力のためのパルス周波数は、０Ｈｚ〜５００Ｈｚであってよい。
【００２５】
熱が電流として印加区域に印加される場合、その印加によって、材料の抵抗性加熱を通して印加区域の材料が加熱される。プレフォームに印加される最適な電流は、したがって、材料に依存する。同様に、印加区域に印加される最適な荷重は、形成されるプレフォームの機械的および物理的特性に依存する。それらの特性は、構成材料およびプレフォームを形成する冷間噴霧堆積した材料の特性（多孔性および密度）ならびにプレフォームの厚さに依存する。印加する電流および圧縮荷重は、したがって、材料および形成されるプレフォームの特性に依存する値の広い範囲に入る可能性がある。実施形態では、印加電流の電流密度は、５００〜２０００Ａ／ｍｍ２、好ましくは、８００〜１５００Ａ／ｍｍ２、より好ましくは、１０００〜１１００Ａ／ｍｍ２である。印加電流に関係する電圧は、好ましくは、２〜３ボルトである。実施形態では、印加する圧縮荷重は、１０〜１００ｋｇ／ｍ２、好ましくは、２０〜６０ｋｇ／ｍ２である。
【００２６】
再結晶化のため試料に印加される荷重および熱、ローラの回転速度、および冷間噴霧材料の堆積速度は、本発明のプロセスにおける影響力の大きいパラメータであることを理解されたい。さらに、圧縮荷重印加システム、好ましくはローラを通した供給速度は、典型的には、冷間噴霧システムを介してプレフォームが作られる速度と同期する。
【００２７】
印加区域への圧縮荷重および熱の印加によって、印加区域中のプレフォームの材料の局所的な温度が、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇する。材料が加熱されるべき局所的な温度は、もちろん材料固有であり、材料の再結晶化温度および融点に依存する。実施形態では、その局所的な温度は、材料の融点の３５％と８５％の間、好ましくは材料の融点の４０％と６０％の間、さらにより好ましくは材料の融点の４５％と５５％の間である。いくつかの実施形態では、その局所的な温度は、材料の融点の約５０％である。また、その局所的な温度は、材料の再結晶化温度と融点の間であるべきである。たとえば、Ｔｉ（約１６００℃融点）およびその合金のための局所的な温度の範囲は、およそ５００〜８００℃であり、３０１７℃の融点を有するＴａでは、典型的な局所的な温度は、およそ１５００℃であってよく、６６０℃の融点を有するＡｌでは、典型的な局所的な温度は、最高５７０℃であってよい。
【００２８】
堆積した材料がローラを通過する速度は、それが、その材料が鍛造構造の連続的な製造のために堆積する速度に関係するために、やはり重要である。実施形態では、堆積ステップから荷重および電流の印加ステップへのプレフォームの供給速度は、１〜１０ｍｍ／ｓ、好ましくは１〜５ｍｍ／ｓ、より好ましくは約２ｍｍ／ｓである。実施形態では、冷間噴霧材料の堆積速度は、１〜１０ｍｍ／ｓ、好ましくは１〜５ｍｍ／ｓ、より好ましくは約２ｍｍ／ｓである。ある高さの材料では、冷間噴霧速度は、好ましくは、処理システムの供給速度と同期することを理解されたい。冷間噴霧は、はるかに高い堆積速度、約１５ｋｇ／ｈｒまたは４ｇ／ｓをもたらす場合があり、したがって、必要な場合、堆積はより高くてよい。この実施形態では、プレフォームが処理システムを移動するときの堆積と、それに続けた、横方向圧縮荷重および熱の急速印加の、この連続的な結合は、本発明の利点の１つである。というのは、そのことによって、材料の非常に迅速な連続処理が、最初の冷間噴霧堆積ステップとそれに続くＨＩＰからなる（現在の製造プロセスに見られる）２ステッププロセスを不要のものにすることを可能にするためである。
【００２９】
圧縮横方向荷重および熱は、いくつかの異なる装置および配置構成を使用して、プレフォームに同時に印加することができる。実施形態では、圧縮荷重は、プレフォームを圧縮係合するように構成される少なくとも１つのローラを使用して横方向に印加される。係合面に関して単一のローラを使用することができるが、その一方で、間にプレフォームが供給されて圧縮される少なくとも２つのローラを使用することが好ましい。この配置構成の少なくとも１つのローラは、好ましくは、熱を、好ましくは電流の形でプレフォームに加えるように構成される。１つまたは複数のローラは、プレフォームを通して電流を流し、荷重を印加する間「熱」を生成して、薄板構造を鍛造構造に変換するように構成される。これを達成するため、ローラの少なくとも一部が導電性材料を備える場合がある。
【００３０】
ローラで係合するよう供給される冷間噴霧したプレフォームに、選択した圧力および熱を印加するのを可能にする、任意の好適な材料からローラを形成できることを理解されたい。好ましくは、ローラの材料は、高い導電性と耐摩耗性を実現するように選択される。好適な材料としては、銅および銅合金、鋼、アルミニウムおよびアルミニウム合金、インコネル、タングステンなどが挙げられる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのローラが、冷却システムまたは冷却装置を含む。このことによって、材料へ入力する熱の制御を可能にし、暴走反応および融解を回避する。その冷却システムは、冷凍、水冷、対流冷却、伝導性冷却などといった、任意の好適な冷却システムを備えることができる。
【００３２】
冷間噴霧堆積物プレフォームは、好ましくは、そのプレフォームの印加区域に熱と圧縮荷重を同時に印加するステップの前に、形成ステップで形成される。実施形態では、そのステップは、
所望の構成で構造を付加的に構築するため、冷間噴霧堆積を使用して固めた粒子構造を有するプレフォームを形成するステップ
を含む。
【００３３】
いくつかの実施形態では、本発明は、したがって、鍛造構造を有する生成物を生成するプロセスを提供し、プロセスは、
所望の構成で構造を付加的に構築するため、冷間噴霧堆積を使用して固めた粒子構造を有するプレフォームを形成するステップと、
備える固めた粒子構造を鍛造構造に変換するため、プレフォームの印加区域に、熱と圧縮荷重を同時に印加するステップと
を含み、
圧縮荷重が印加区域に横方向に印加され、
印加区域への圧縮荷重および熱の印加が、印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる。
【００３４】
プレフォームは、加熱および圧縮横方向荷重を受ける前に、任意の好適な面上に冷間噴霧することができる。プレフォームは、典型的には、プレフォームがプロセス中に移動する供給軸上、または供給軸の周りに形成される。供給軸は、面、たとえば堆積面と位置合わせすることができ、前記堆積面上に材料を堆積することによってプレフォームが形成される。いくつかの実施形態では、堆積面は、ローラのうちの１つの面を形成することができる。そのような実施形態では、プレフォームは、ローラによって圧縮される前に、前記ローラのうちの少なくとも１つの面上に形成される。
【００３５】
プレフォームは、冷間噴霧堆積を使用して形成される。実施形態では、形成するステップは、
供給軸上または供給軸の周りに生成物堆積面を形成するため、堆積面上に冷間噴霧材料を堆積するために、冷間噴霧付与器を使用するステップと、
材料の連続した堆積相を形成するために冷間噴霧堆積を使用して、それぞれの上部生成物堆積面上に材料を連続的に堆積するステップと、
冷間噴霧付与器またはプレフォームのうちの少なくとも１つを、供給軸に沿った軸方向に互いに対して移動させるステップと、
それによって、選択した長さのプレフォームを形成するステップと
を含む。
【００３６】
「上部生成物堆積面」という用語は、冷間噴霧付与器に軸方向で最も近い、プレフォーム生成物の最も外側または最も新しい堆積層の堆積面であることも理解されたい。冷間噴霧付与器またはプレフォームが一度移動される場合、冷間噴霧付与器が再び使用されて、堆積面上に冷間噴霧材料を堆積し、供給軸上または供給軸の周りに生成物堆積面を形成し、次いで、それぞれの上部生成物堆積面上に材料を連続的に堆積して、プレフォームを連続的に形成することも理解されたい。それらのステップは、所望の長さが得られるまで、または、連続プロセスの場合、機器が停止されるなどまで所望の長さの時間の間、繰り返される。
【００３７】
プレフォームは、好ましくは、典型的には、細長いボディの形で、連続要素として形成される。
【００３８】
本発明は、堆積軸上または堆積軸の周りにプレフォーム生成物を生成する。本発明のプロセスから形成されるプレフォームは、したがって、ストリップ、バー、ワイヤ、シート、スラブ、ディスク、棒、ポール、杖（ｓｔａｆｆ）、細い杖（ｗａｎｄ）、円筒、柱、マスト、シャフト、ダボ（ｄｏｗｅｌ）などのうちの少なくとも１つを備えることができる（しかし、これらに限定されるべきでない）。実施形態では、プレフォームは、ストリップ、シート、ワイヤ、棒、またはバーとして形成される。いくつかの実施形態では、プレフォームはバーを備える。バーとは、その幅／直径よりも長い長さ、たとえば、その幅／直径の少なくとも２倍を有すると理解される。広い幅または直径のプレフォームを本発明によって生成することができ、利用可能な装置のサイズによってのみ制限される。他の実施形態では、プレフォームは、中空である、または１つまたは複数の空隙を含む。好ましい実施形態では、プロセスは、ワイヤまたは棒を生成するために使用される。
【００３９】
同様に、本発明は、好ましくは、堆積軸上または堆積軸の周りに生成物を生成する。本発明のプロセスから形成される生成物は、したがって、ストリップ、バー、ワイヤ、シート、スラブ、ディスク、棒、ポール、杖、細い杖、円筒、柱、マスト、シャフト、ダボなどのうちの少なくとも１つを備えることができる（しかし、これらに限定されるべきでない）。実施形態では、生成物は、ストリップ、シート、ワイヤ、棒、またはバーとして形成される。いくつかの実施形態では、生成物は、ワイヤ、棒、またはストリップを備える。生成物がワイヤである場合、そのワイヤは、１０ｍｍ未満、好ましくは５ｍｍ未満、より好ましくは４ｍｍ未満の直径を有する場合がある。
【００４０】
本発明のプロセスは、チタン粉末の、鍛造構造の金属体への直接変換を可能にする。したがって、安価なチタン粉末の出現で、本発明のプロセスは、ワイヤ、バー、または棒といった１次圧延製品を作るための経済的に魅力のあるオプションを提供することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、プレフォームおよび／または生成物は、プレフォーム／生成物の長さに沿って一定の直径を有する。他の実施形態では、プレフォームおよび／または生成物は、プレフォームの長さに沿って、変動する、または一定でない直径で形成される。一定でない直径を有するプレフォームおよび生成物は、円錐形状、円錐部分、階段または先細を有する形状（大きい直径から小さい直径）などを含む。一実施形態では、直径は、プレフォームおよび／または生成物の長さにわたって、または長さに沿って、一定の様態で変化する。
【００４２】
本発明のプロセスは、好ましくは、連続製造プロセスを含む。本発明者は、「鍛造材料の連続付加製造」が、多くの産業で費用効果的な製造オプションを実現できる、本発明によって導入される新しい機能であると考える。連続製造を助けるために、熱および圧縮横方向荷重は、好ましくは、冷間噴霧堆積によるプレフォームの印加区域の形成の直後に、プレフォームの印加区域に印加される。実施形態において、プレフォームが細長い場合、熱および圧縮横方向荷重は、プレフォームの部分に、その部分が冷間噴霧堆積によって形成されたすぐ後、好ましくは直後に印加される。個別のプレフォームが形成される場合、熱および圧縮横方向荷重は、好ましくは、冷間噴霧堆積によるプレフォームの形成の直後にプレフォームに適用される。
【００４３】
しかし、他の実施形態では、プロセスを少なくとも２つの別個のステップで実施でき、第１のステップでは、プレフォームが（上で記載したように）冷間噴霧堆積プロセスを使用して形成され、次いでその後第２のステップで、熱および圧縮横方向荷重がプレフォームに印加されることを理解されたい。これらの実施形態では、プレフォームは、任意の好適な基板上に形成することができ、その後、任意の好適な手段を使用して第２のステップへと搬送することができる。一実施形態では、プレフォームは、異なる熱膨張係数を有する材料上に形成され（たとえば、Ｔｉプレフォームが鋼基板上に形成され）、その熱膨張の差異が、加熱または冷却技法のいずれかを使用して利用され、形成されるプレフォームが基板から分離される。第２のステップでは、熱および圧縮横方向荷重をプレフォームに印加して、冷間噴霧微細構造を鍛造微細構造に変換することができる。圧縮横方向荷重および熱は、上で議論したような様々な方法を使用して形成したプレフォームに適用することができる。
【００４４】
冷間噴霧堆積プレフォームは、任意の好適な材料、好ましくは、任意の好適な金属またはその合金を含むことができる。冷間噴霧堆積プレフォームが、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｆｅ、鋼およびそれらの合金のうちの少なくとも１つを含むことができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、冷間噴霧堆積プレフォームは、（高耐摩耗性用途のための）炭化物および超伝導体のような金属とセラミックスの混合物などの金属マトリックス複合材を含むことができる。いくつかの実施形態では、材料は、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｔａまたはそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む。対象の金属合金の例とは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である。この材料は、好ましくは、本発明のプロセスを使用して、プレフォームとして生成される。
【００４５】
いくつかの実施形態では、冷間噴霧堆積プレフォームは、少なくとも２つの異なる粉末の混合物を含む冷間噴霧堆積材料から形成される。いくつかの実施形態では、材料は、セラミックまたはガラスを含む。他の実施形態では、少なくとも２つの異なる金属の複合材、または少なくとも１つの金属と少なくとも１つのセラミックの混合物からなるプレフォームを作ることができる。たとえば、２つ以上の異なる粉末のブレンド、または複合粒子（１つより多くの材料からなる粒子）を原料として使用することができる。本プロセスは、超伝導体および半導体での応用例などといった、固有の物理的および機械的特性を実現するために異なる粉末材料を混合することを通して、本発明からのみ手に入れることができる新規の鍛造材料の作成を可能にする。
【００４６】
いくつかの実施形態では、冷間噴霧堆積プレフォームの組成は、プレフォームの長さに沿って変えることができる。このことによって、生成物の特性の点で柔軟性を実現することができる。たとえば、反対側の軸端で異なる溶接特性を有するバーまたは棒などといった金属プレフォームは、異なる端部間で組成を変えることによって生成することができる。あるいは、プレフォームの長さに沿って、プレフォームの性質（たとえば、熱膨張の係数）の変化が望まれる場合、それにしたがってプレフォームの組成を変えることができる。したがって、プレフォームは、異なる材料の個別の長さを備えることができ、または、プレフォームの組成をプレフォームの長さに沿って徐々に変えることができ、または、プレフォームがこれらの配置構成の組合せを備えることができる。
【００４７】
プレフォームが複数の材料から製造される場合、異なる材料の適合性を考慮しなければならない。何らかの点（たとえば、コヒーレンス／ボンディング）で、提案される材料のうちの２つ以上が適合しない場合、１つまたは複数の領域の相互に適合する材料によって、適合しない材料を分離することが必要な場合がある。あるいは、使用される材料間の何らかの不適合問題を緩和するため、１つの材料から次のものに組成の緩やかな変化があるように、プレフォームを製造することができる。
【００４８】
任意の好適な粒子／粉末を、本発明のプロセスとともに使用することができる。使用される粉末／粒子、およびそれらの特性は、典型的には、特定のプレフォーム生成物についての、所望の特性、組成、および／または経済的側面に合うように選択されることになる。典型的には、冷間噴霧により付与される粒子のサイズは、５〜４５ミクロンであり、１５〜３０ミクロンの平均粒子サイズを有する。しかし、粒子サイズは、使用される粉末の供給源および仕様に依存して変わる場合があることを理解されたい。同様に、たとえば、最大約１５０ミクロンの粒子サイズといった、より大きい粒子をいくつかの応用例で使用することもできる。当業者は、粉末の形態および形成されるプレフォームの性質に基づいて、使用する最適な粒子サイズまたは粒子サイズ分布を決定できることになる。本発明で使用するのに好適な粒子は市販されている。
【００４９】
冷間噴霧される粒子の平均サイズは、材料の結果として得られる層堆積物の密度、したがって形成されるプレフォームの密度に影響を及ぼす可能性が高いことを理解されたい。好ましくは、堆積物は均一な密度のものである。いくつかの実施形態では、プレフォームは、一般に噴霧される粒子と同じ規模である細孔を含む。細孔は、好ましくは、プレフォームにわたって均一な濃度のものである。
【００５０】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様にしたがったプロセスから形成される鍛造構造のプレフォームを提供する。
【００５１】
本発明の第３の態様は、
冷間噴霧堆積プレフォームの印加区域に熱および圧縮荷重を同時に印加するように構成される圧縮荷重印加器であって、圧縮荷重が印加区域に横方向に印加される、圧縮荷重印加器を備え、
使用の際に、印加区域への圧縮荷重および熱の印加が、印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させる、鍛造構造を有する生成物を生成するための装置を提供する。
【００５２】
本発明の第３の態様は、
印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させるために、冷間噴霧堆積プレフォームの印加区域に熱および圧縮荷重を同時に印加するように構成される圧縮荷重印加器であって、圧縮荷重が印加区域に横方向に印加される圧縮荷重印加器
を備える、鍛造構造を有する生成物を生成するための装置をやはり提供することができる。
【００５３】
熱は、いくつかの好適な技法を使用して、印加区域に加えることができる。しかし、加熱技法は、本発明の第１の態様に関連して前に議論した急速加熱技法であることが好ましい。実施形態では、この急速加熱は、電流、誘導加熱、またはレーザ加熱のうちの少なくとも１つによって熱が印加区域に加えられることを通して達成される。代表的な例では、熱は、電流ベースの手段を使用して印加区域に加えられる。その電流は、交流または直流として印加することができる。直流が使用される場合、その電流は、好ましくは、パルス状直流を含む。電流は、様々なデューティサイクルで印加することができる。たとえば、ＡＣまたはＤＣ電力のためのデューティサイクルは、１０％〜１００％であってよい。同様に、電流は、様々なパルス周波数を有することができる。たとえば、ＡＣまたはＤＣ電力のためのパルス周波数は、０Ｈｚ〜５００Ｈｚであってよい。
【００５４】
印加される最適な荷重は、形成されるプレフォームの機械的および物理的特性に依存する。実施形態では、印加する圧縮荷重は、１０〜１００ｋｇ／ｍ２、好ましくは、２０〜６０ｋｇ／ｍ２である。
【００５５】
熱が電流として印加区域に印加される場合、プレフォームに印加される最適な電流は、材料に依存する。印加する電流および圧縮荷重は、したがって、材料および形成されるプレフォームの特性に依存する値の広い範囲に入る可能性がある。実施形態では、印加電流の電流密度は、５００〜２０００Ａ／ｍｍ２、好ましくは、８００〜１５００Ａ／ｍｍ２、より好ましくは、１０００〜１１００Ａ／ｍｍ２である。印加電流に関係する電圧は、好ましくは、２〜３ボルトである。
【００５６】
本発明の第１の態様に関連して上で議論したように、圧縮横方向荷重および熱は、いくつかの異なる装置および配置構成を使用して、プレフォームに同時に印加することができる。実施形態では、圧縮横方向荷重および熱は、プレフォームを圧縮係合するように構成される少なくとも１つのローラを使用して横方向に印加される。係合面に関して単一のローラを使用することができるが、その一方で、間にプレフォームが供給されて圧縮される少なくとも２つのローラを使用することが好ましい。この配置構成の少なくとも１つのローラは、好ましくは、熱を、好ましくは電流の形でプレフォームに加えるように構成される。１つまたは複数のローラは、プレフォームを通して電流を流し、荷重を印加する間「熱」を生成して、薄板構造を鍛造構造に変換するように構成される。これを達成するため、ローラの少なくとも一部が導電性材料を備える場合がある。
【００５７】
ローラで係合するよう供給される冷間噴霧したプレフォームに、選択した圧力および電流を印加するのを可能にする、任意の好適な材料からローラを形成できることを理解されたい。好ましくは、ローラの材料は、高い導電性と耐摩耗性を実現するように選択される。好ましい材料としては、ＣｕおよびＣｕ合金、ステンレススチール、ＡｌおよびＡｌ合金、ＮｉおよびインコネルのようなＮｉ合金、タングステン（Ｗ）、Ｍｇ、Ｓｃなどが挙げられる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのローラが、冷却システムまたは冷却装置を含む。このことによって、材料へ入力する熱の制御を可能にし、暴走反応および融解を回避する。その冷却システムは、冷凍、水冷、対流冷却、伝導性冷却などといった、任意の好適な冷却システムを備えることができる。
【００５９】
装置は、好ましくは、堆積面上に冷間噴霧堆積プレフォームを形成するための冷間噴霧堆積装置をさらに含む。したがって、冷間噴霧堆積プレフォームは、圧縮荷重印加器の使用の直前に形成することができる。実施形態では、鍛造構造を有する生成物を生成するための装置は、
固めた粒子構造を有する堆積面上にプレフォームを形成するための冷間噴霧堆積装置と、
印加区域中のプレフォームの材料の温度を、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇させるために、冷間噴霧堆積装置を使用して形成されるプレフォームの印加区域に熱および圧縮荷重を同時に印加するように構成される圧縮荷重印加器であって、圧縮荷重が印加区域に横方向に印加される、圧縮荷重印加器と
を備えることができる。
【００６０】
また、プレフォームは、好ましくは、プレフォームがプロセス中に移動する供給軸上、または供給軸の周りに形成される。プレフォームは、供給軸に沿って位置合わせされた堆積面上に形成することができる。いくつかの実施形態では、その堆積面は、ローラのうちの少なくとも１つの面を含む。いくつかの実施形態では、プレフォームは、前記ローラによって圧縮される前に、ローラのうちの少なくとも１つの面上に形成される。
【００６１】
本発明で使用される冷間噴霧装置は、従来型のものである可能性が高い、そのような機器は、市販されている、または個別に構築される。一般論的に、冷間噴霧のために使用される機器の基礎は、その内容がこの参照によって本明細書に組み込まれると理解するべきである、米国特許第５，３０２，４１４号に記載および図示される。いくつかの市販されている冷間噴霧機器が利用可能である。本発明が１つまたはある種のタイプの冷間噴霧システムまたは機器に限定されず、種々多様な冷間噴霧システムおよび機器を使用して実装できることを理解されたい。
【００６２】
冷間噴霧機器は、典型的には、ノズルを有するコールドスプレーガンの形での冷間噴霧付与器を含む。ノズルは、典型的には、それを通って堆積材料が噴霧される出口開口を含み、ノズルは、所望の方向に噴霧される堆積材料を向ける。使用の際に、ノズルは、好ましくは、移動期間のプレフォームの回転の軸にほぼ位置合わせされる、または軸に平行に位置合わせされる。
【００６３】
所望の特性（密度、表面仕上げなど）を有するプレフォームを達成するために、冷間噴霧プロセスのための動作パラメータを操作することができる。したがって、温度、圧力、スタンドオフ（冷間噴霧ノズルとコーティングされる開始基板面との間の距離）、粉末供給速度、および開始基板と冷間噴霧ノズルの相対的な動きなどといったパラメータを、必要に応じて調整することができる。一般に、粒子サイズおよび分布が小さくなると、開始基板の面上に形成される層が高密度になる。より高圧高温を使用するのを可能にするため、より速い粒子速度およびより高密度の微細構造を達成するため、または粒子を予熱するのを可能にするために、使用する冷間噴霧機器を適合させることが適切な場合がある。
【００６４】
堆積パターンおよび冷間噴霧付与器の関連する動きは、材料の堆積層の形態にやはり影響を及ぼす。堆積パターンおよび噴霧付与器の関連する動きは、したがって、やはり好ましくは制御される。いくつかの実施形態では、制御される動きは、少なくとも２つの点間の直線的な循環運動を含む。
【００６５】
本発明の第４の態様は、本発明の第３の態様にしたがった装置を使用して形成される、本発明の第１の態様にしたがった方法を提供する。
【００６６】
本発明が、以下を含むいくつかの分野に応用例を有することを理解されたい。
−  鍛造構造を有して形成される生成物、たとえば、棒、鋼片、ワイヤ、板、ストリップ、ナット、ボルト、シートなどといった圧延製品を形成するための代替プロセス。
−  冷間噴霧、溶射、溶接、ローラの作製、自動車製造、海洋産業、鉱業、ケーブルおよびワイヤの製造、生物医学用途、航空宇宙。
−  混合粉末のインシチュ熱−電気、熱−機械処理と組み合わせた非融解堆積を通した、ある種の電子特性を有する新規の微細構造の迅速な作成を通した、電子回路および超伝導。
−  腐食および摩耗によって引き起こされた部分の迅速な修理および改修。
【００６７】
本発明は、ここで、添付図面の図を参照して記載されることになる。添付図面は、本発明の特定の好ましい実施形態を図示する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（Ａ）冷間噴霧材料プレフォームの固めた粒子（薄板）、（Ｂ）鍛造材料を形成するため本発明にしたがって熱および圧縮を受けた冷間噴霧材料プレフォームの固めた粒子、（Ｃ）鍛造材料を形成するためＨＩＰ処理を受けた冷間噴霧材料プレフォームの固めた粒子を示す概略図である。
【図２】（Ａ）アルミニウム基板上の、冷間噴霧し固めた粒子のＴｉ薄板の積み重ねから形成される、エッチングした、冷間噴霧の微細構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真であり、（Ｂ）エッチングされた市販されている鍛造（商業的に純粋−「ＣＰ」）Ｔｉ微細構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。Ｃｕ、ステンレススチール、Ａｌなどといった鍛造微細構造を有する他の金属は、同様の等軸結晶粒構造を実現する。
【図３】（ａ）冷間噴霧非融解堆積を使用して粉末から直接鍛造構造金属ストリップを連続的に生成する装置の第１の実施形態の概略図であり、（ｂ）荷重および電流の組合せを使用して、どのようにして冷間噴霧薄板構造が鍛造構造に変換するかを示す概略図である。ローラ間の印加区域（または反応ゾーン）は、薄板構造から鍛造構造への変換が生じる方法を呈示するために拡大表示される。
【図３Ａ】（ａ）冷間噴霧非融解堆積を使用して粉末から直接鍛造構造金属ストリップを生成する２ステップ装置の第２の実施形態の概略図であって、（Ａ）は、プレフォームストリップを形成するその第１のステップを示す図であり、（Ｂ）は、鍛造材料を形成する第２のステップを示す図である。
【図４】（ａ）化学エッチングの前に磨かれた、大電流および荷重にさらされた冷間噴霧Ｔｉストリップの微細構造を図示する図であり、（ｂ）再結晶化され高密度化されたゾーンを明らかにするため、磨かれてエッチングされた、大電流および荷重にさらされた冷間噴霧Ｔｉストリップの微細構造を図示する図である。
【図５】磨かれてエッチングされた図４（ｂ）における高密度化されたゾーンに対応する微細構造を図示する図である。
【図６】磨かれてエッチングされた冷間噴霧されたままのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の微細構造を図示する図である。
【図７】磨かれてエッチングされた、処理済み（鍛造された）冷間噴霧Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の高倍率微細構造を提供する図である。
【図８】磨かれてエッチングされた、冷間噴霧されたままのＴｉストリップの微細構造を図示する図である。
【図９】再結晶化され高密度化されたゾーンを明らかにするために磨かれてエッチングされた、大電流および荷重にさらされ、ラン２で生成された、冷間噴霧Ｔｉストリップの微細構造（鍛造）を図示する図である。
【図１０】再結晶化され高密度化されたゾーンを明らかにするために磨かれてエッチングされた、大電流および荷重にさらされ、ラン３で生成された、冷間噴霧Ｔｉストリップの微細構造（鍛造）を図示する図である。
【図１１】再結晶化され高密度化されたゾーンを明らかにするために磨かれてエッチングされた、大電流および荷重にさらされ、ラン４で生成された、冷間噴霧Ｔｉストリップの微細構造（鍛造）を図示する図である。
【図１２】（Ａ）冷間噴霧し固めた粒子のＮｉ薄板の積み重ねから形成される（まだ鍛造されていない）、冷間噴霧の微細構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真であり、（Ｂ）冷間噴霧し固めた粒子のＣｕ薄板の積み重ねから形成される（まだ鍛造されていない）、エッチングした、冷間噴霧の微細構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真であり、（Ｃ）冷間噴霧し固めた粒子のＡｌ薄板の積み重ねから形成される（まだ鍛造されていない）、エッチングした、冷間噴霧の微細構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００６９】
本発明は、冷間噴霧技術を使用する材料のディスク、バー、棒、円錐形などといったプレフォームを形成するプロセスを提供する。この発明では、生成物は、（「再結晶化」構造として知られている）鍛造構造を有し、非融解経路を通して作製される。この意味で、未加工の固体粉末材料は、堆積し冷間噴霧し固めた粒子構造であり、これを次いで、鍛造構造に迅速に再結晶化する。この固体粉末変換プロセスは、融解ステップを含まない。実施形態では、材料は、固体粉末供給材料から開始する連続プロセスによって、最終的な鍛造構造材料へと形成することが可能である。
【００７０】
冷間噴霧は、コーティングを面に付与するため使用されてきた、知られているプロセスである。一般論的に、プロセスは、ガス流を超音波速度に加速させる、収束／発散ノズルを次に通過する高圧ガスフロー流に（金属および／または非金属）粒子を供給するステップ、またはノズルの首の後の超音波ガス流に粒子を供給するステップを含む。粒子は、次いで、堆積される面に向けられる。プロセスは、基板および堆積される粒子の融点より下の、比較的低い温度で実行され、基板面上に粒子が当たる結果としてコーティングが形成される。プロセスは、比較的低い温度で行われ、それによって、コーティングされる面上で、熱力学的、熱的、および／または化学的効果を可能にして、コーティングを構成する粒子を減少させる、または回避する。これは、粒子の元の構造および特性が、他の場合に、プラズマ、ＨＶＯＦ、アーク、ガス炎噴霧、または他の熱的噴霧プロセスなどといった高温コーティングプロセスに関連する可能性がある相変態することなく、保存できることを意味する。冷間噴霧の基礎をなす原理、装置、および方法は、たとえば、その内容がこの参照によって本明細書に組み込まれると理解するべきである、米国特許第５，３０２，４１４号に記載される。
【００７１】
本発明において、冷間噴霧技術は、供給軸上または供給軸の周りに固めた粒子プレフォーム構造を付加的に構築するために使用され、粒子プレフォーム構造は、その後、熱および横方向荷重／圧力の同時印加を使用して処理されて、供給軸に沿った鍛造構造を形成する。
【００７２】
プレフォームは、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、鋼、マグネシウム（Ｍｇ）、スカンジウム（Ｓｃ）、鉄（Ｆｅ）、およびそれらの合金のうちの少なくとも１つから選択される、冷間噴霧堆積材料を含むことができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、冷間噴霧堆積材料は、（高耐摩耗性用途のための）炭化物および超伝導体のような金属とセラミックスの混合物などの金属マトリックス複合材を含むことができる。しかし、本発明は、特に、Ｔｉ、Ｃｕ、鋼、およびＡｌならびにそれらの合金に適用可能である。
【００７３】
粒子の連続的な堆積を達成するため、冷間噴霧装置１１０および１１０Ａ（図３および図３Ａ）は、好ましくは、１つの供給器が粉末を使い切ったとき、動作期間に粉末供給器を切り換えることを可能にする、少なくとも２つの粉末供給器（図示せず）を含む。
【００７４】
固めた粒子プレフォーム構造は、図２（Ａ）に示されるようにプレフォームを所望の形状および構成へと構築するため、互いの上部に蓄積する固めた粒子から「レンズ豆」状の特徴を作る（図示された実施形態では、図３の下側ローラ１２０）基板上に衝突する冷間噴霧した粒子１１２の変形から形成される。図２（Ａ）は、アルミニウム基板上のＴｉ薄板の積み重ねから形成される、エッチングした、冷間噴霧の微細構造を図示する。１つのレンズ豆形状の薄板５０が、微細構造中で強調されている。Ｃｕ、ステンレススチールなどといった他の金属が同様の冷間噴霧微細構造を有する。一般に、冷間噴霧薄板構造は、低延性を有する高強度を実現し、構造中の薄板間に空隙を含む場合があり、これらのサイズおよび程度は、使用されるガスにある程度は依存しており、構造をある程度多孔性にしている。たとえば、空隙を示す図６、図８、および図１２に示される冷間噴霧微細構造を参照されたい。
【００７５】
堆積に続けて、付加的に構築されたプレフォーム（たとえば、チタンストリップ）の印加区域は、（印加区域の加熱を引き起こす）圧縮荷重と熱の組合せを受けて、冷間噴霧薄板構造（図２（Ａ））を高密度の鍛造構造（図２（Ｂ））に変換する。図２（Ｂ）に示されるように、この材料の鍛造構造は、等軸結晶粒構造を有する。Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｆｅ、鋼、またはそれらの合金の鍛造構造は、同様の等軸結晶構造を示す。鍛造構造材料は、ワイヤ、ケーブル、棒、鋼片、シートなどといった、広範な工業製品の製造を可能にする高延性などの優れた機械的特性を有する。
【００７６】
圧縮荷重は、様々な装置構成を使用してプレフォームに印加することができる。いくつかの実施形態では、圧縮荷重は、圧縮要素を有するプレス器を使用して印加される。しかし、冷間噴霧形成されたプレフォームが、圧縮荷重担持装置を通してまたは圧縮荷重担持装置の下で連続的に供給され、堆積材料プレフォーム構造を鍛造構造に迅速に変換する、連続プロセスをプロセスが含むことが有利である。
【００７７】
装置の中で、圧縮荷重は、熱間静水圧圧縮（ＨＩＰ）プロセスで印加されているように、全表面区域にわたって多方向または普遍的にではなく、印加区域に横方向に印加されることを理解されたい。ＨＩＰは、加圧チャンバ中で形成される物品を密封するステップと、選択された、多孔性をなくす期間、圧力および温度を印加するステップとを含む。ＨＩＰは、したがって、圧力を材料にすべての方向から印加する。冷間噴霧構造体にすべての方向から圧力（荷重）を印加することには、材料の表面へ印加される圧力を打ち消す加圧媒体を通して、ほとんど等しい圧力が冷間噴霧材料内で増加することを可能にする相互接続された多孔性に起因して、多孔性をなくすのが著しく制限される。これは、ＨＩＰを使用する冷間噴霧構造体中の多孔性除去を危うくする。ＨＩＰチャンバの加圧、加熱、および冷却は、時間がかかり、エネルギー集約的で、費用がかかるプロセスである。
【００７８】
本発明は、冷間噴霧構造に対して横方向に荷重を印加し、例で提示されるように、多孔性の完全で迅速な除去を可能にする。
【００７９】
本発明およびＨＩＰから生成される様々な微細構造の概略的な比較が図１に提供される。その図に示されるように、冷間噴霧材料の固めた粒子（薄板形状粒子３０）は、著しい多孔性を有する構造を形成する（図１（Ａ））。本発明は、最小の多孔性または欠陥を有する〜多孔性または欠陥のない等軸粒構造３５を有する鍛造材料を形成する（図１（Ｂ））。比較では、ＨＩＰの鍛造材料は、等軸粒構造４０をやはり有するが、図１（Ｃ）の構造体中の空隙４５によって示されるように、（背景技術に記載したように）合体して材料のコアの中に大きいガスポケットを形成する場合がある閉じ込められたガスからの欠陥および空隙を依然として含む場合がある。
【００８０】
加えられる熱は、いくつかの好適な技法を使用して、印加区域に加えることができる。実施形態では、熱は、電流、誘導加熱、またはレーザ加熱のうちの少なくとも１つによって印加区域に加えられる。以前に言及したように、これらの加熱方法の各々は、印加区域を急速に加熱して、印加区域中のプレフォーム材料の局所的な温度を、材料の再結晶化温度より上だが材料の融点より下に上昇させること、したがってそのプロセス期間の酸化を回避することを可能にする。急速加熱技法の使用は、そのプロセス期間の、材料の酸化を回避するのを助ける。というのは、そのことによって、酸化および酸化侵入が再結晶化期間に発生しうる時間を著しく減少させるためである。したがって、たとえば、ＨＩＰといった以前のプロセスと比較して、プレフォームを鍛造構造に迅速に変換することができる。
【００８１】
代表的な例では、熱は、電流ベースの手段を使用して印加区域に加えられる。その電流は、交流または直流として印加することができる。直流が使用される場合、その電流は、好ましくは、パルス状直流を含む。電流は、様々なデューティサイクルで印加することができる。たとえば、ＡＣまたはＤＣ電力のためのデューティサイクルは、１０％〜１００％であってよい。同様に、電流は、様々なパルス周波数を有することができる。たとえば、ＡＣまたはＤＣ電力のためのパルス周波数は、０Ｈｚ〜５００Ｈｚであってよい。
【００８２】
印加区域への圧縮荷重および熱の印加によって、印加区域中のプレフォームの材料の局所的な温度が、材料の再結晶化温度と融点の間に上昇する。材料の温度は、もちろん材料固有であり、材料の再結晶化温度および融点に依存する。実施形態では、その温度は、材料の融点の３５％と８５％の間、好ましくは材料の融点の４０％と６０％の間、さらにより好ましくは材料の融点の４５％と５５％の間である。いくつかの実施形態では、その温度は、材料の融点の約５０％である。
【００８３】
たとえば、Ｔｉ（約１６００℃融点）およびその合金のための温度範囲は、およそ５００〜８００℃である。任意の１つの理論によって制限するのを望まずに、本発明者は、これらの温度でＴｉが印加される横方向荷重の下で軟化されることに留意した。しかし、材料を変換するための、熱（印加電流）と荷重との間の相互作用が、構造変換の性質に複雑さを加えていることを理解されたい。このことが、インサイチュ再結晶化プロセス期間に形成される結晶のサイズを減少させることによって、より強い強度を達成するために、材料特性を調節するため、荷重および温度を変化させることを可能にする（たとえば、荷重を増加して、温度を低下させることができる）。
【００８４】
本発明にしたがったプロセスおよび装置１００の一実施形態の例が図３に図示される。この装置１００は、冷間噴霧非融解堆積を使用して、粉末から直接細長いプレフォームストリップを連続的に生成する。そのプロセスでは、冷間噴霧装置１１０は、上で述べたように、ローラ１２０の対のうちの１つのローラ上に多数の冷間噴霧粒子１１２を堆積することによって、たとえばチタンストリップといった、細長いプレフォーム１１５として金属ストリップを堆積して、固めた粒子構造を形成し、プレフォーム１１５を構築するように構成される。プレフォーム１１５は、圧縮横方向荷重、変形、および加熱を同時に行うため、回転するローラ１２０の対向する組を通過する。ローラ１２０は、方向Ｒに回転し（上部ローラと下部ローラは反対方向に回転する）、そこを通してプレフォーム１１５を供給方向Ｆに移動させる。ローラ１２０は、ローラ１２０の間に係合されるプレフォーム１１５の印加区域１２５を係合して、その印加区域１２５を通して電流を印加して、または流して、圧縮横方向荷重を印加する間そこに「熱」を生成して（抵抗性加熱など）、（プレフォーム１１５の中の）薄板構造を鍛造構造１３０に融解することなく変換する。電流は、電流源１３１、発電器、電源などから提供される。図２（Ａ）に示されるように、圧縮横方向荷重は、空気荷重デバイス１３２、すなわち、ローラ１２０を横方向に動かす空気圧ピストンを使用して印加される。しかし、この結果を達成するために、他の圧縮デバイスを等しく使用できることを理解されたい。ローラ１２０の圧縮荷重は、ローラ１２０の間で圧縮される印加区域に対して横方向に、またローラ１２０を通るプレフォームの供給方向Ｆに対して横方向に印加される。圧縮横方向荷重および熱の印加によって（図示される実施形態では、熱は電流を使用して加えられる）、材料を、材料の再結晶化温度より上だが材料の融点より下の局所的な温度に加熱させる。したがって、材料の結晶構造を再結晶化することが可能であり、圧縮横方向荷重の印加が、軟化プロセス期間に、冷間噴霧薄板構造に固有の細孔の任意の空隙を圧縮するのをやはり助ける。図３（ｂ）では、ローラ１２０の間の印加区域１２５（または反応ゾーン）は、（たとえば、図２（Ａ）に示されるような）薄板構造から（たとえば、図２（Ｂ）に示されるような）鍛造構造への変換が生じる方法を呈示するために拡大表示される。ここで、薄板間に多孔性を有する冷間噴霧薄板を備える構造１１５は、印加区域１２５中で横方向（または単軸）荷重および電流を受けて、高密度の鍛造再結晶化構造１３０を形成する。印加区域１２５における、または印加区域１２５の直後の荷重および電流の下で、新しく再結晶化した結晶粒の核形成および成長が起こる。
【００８５】
図示される実施形態では、プレフォーム１１５の堆積は、ローラ１２０の対のうちの１つのローラの面上で起こる。しかし、他の配置構成では、プレフォームを他の堆積面上に堆積すること、たとえば、平面上に材料を直線的に堆積すること、または、たとえば、それらの各々の内容が上の参照によって本明細書に組み込まれると理解するべきである、国際特許公開第ＷＯ２０１５１５７８１６号（円筒形プレフォーム）、国際特許公開第ＷＯ２００９１０９０１６号（中空パイプ）、または国際特許公開第ＷＯ２０１１０１７７５２号（中空パイプ）に記載されるように、円筒形のバー、パイプ、または管を形成するため回転される開始基板に堆積することができることを理解されたい。
【００８６】
図示される実施形態では、印加される電流によって、材料の抵抗性加熱を通して印加区域の材料が加熱される。プレフォーム１１５に印加される最適な電流は、したがって、材料に依存する。同様に、印加される最適な荷重は、形成されるプレフォーム１１５の機械的、電気的、および物理的特性に依存する。それらの特性は、構成材料およびプレフォーム１１５を形成する冷間噴霧堆積した材料の特性（多孔性および密度）に依存する。印加する電流および圧縮荷重は、したがって、材料および形成されるプレフォームの特性に依存する値の広い範囲に入る可能性がある。実施形態では、印加電流の電流密度は、５００〜２０００Ａ／ｍｍ２、好ましくは、８００〜１５００Ａ／ｍｍ２、より好ましくは、１０００〜１１００Ａ／ｍｍ２である。印加電流に関係する電圧は、好ましくは、２〜３ボルトである。実施形態では、印加する圧縮荷重は、１０〜１００ｋｇ／ｍ２、好ましくは、２０〜６０ｋｇ／ｍ２である。
【００８７】
荷重および（ここでは、電流の印加を通した）熱の制御は、堆積した冷間噴霧薄板構造から鍛造構造への、要求される構造的変換（再結晶化）を達成するために重要である。新しく形成される結晶のサイズが、最終的な機械的特性を規定する一方で、融解プロセスを回避する。堆積した材料がローラを通過する速度は、それが、その材料が鍛造構造の連続的な製造のために堆積する速度に関係するために、やはり重要である。
【００８８】
熱を生成するのに電流を印加することに対する代替としては、たとえば、荷重装置の周りにコイル状のワイヤを使用する、伝導加熱の使用がある。しかし、好ましい加熱技法は、印加区域へ、電流（材料の抵抗性加熱）、誘導加熱、またはレーザ加熱によって印加できるような、急速加熱技法であることを理解されたい。
【００８９】
本発明のプロセスおよび装置の別の実施形態の例１００Ａが図３Ａに図示される。この装置１００Ａは、プロセスを２つの別個のステージへと分離する。（Ａ）ステップ１は、プレフォーム形成ステップであり、（Ｂ）ステップ２は、鍛造材料形成ステップである。第１のステップでは、上で述べたように、ローラ１２０Ａの対のうちの１つのローラ上に多数の冷間噴霧粒子１１２Ａを堆積し、固めた粒子構造を形成して、プレフォーム１１５Ａを構築することによって、プレフォーム１１５Ａが形成される。これによって、冷間噴霧非融解堆積を使用して、粉末から直接細長いプレフォームストリップを生成する。細長いストリップは、任意の堆積面上に形成することができる。図３Ａでは、プレフォーム１１５Ａは、方向Ｒ’に回転するローラ１２０Ａの対のうちの１つのローラ上に堆積され、それが次に圧縮されて、プレフォームをストリップへとさらに固める。プレフォーム１１５Ａは、ローラ１２０Ａを通って供給方向Ｆ’に移動する。しかし、プレフォーム１１５Ａは、たとえば鋼基板上に形成されるチタンといった、さらなる圧縮を受けない固めた金属プレフォームへと単に冷間噴霧される場合があることを理解されたい。プレフォーム１１５Ａは、次いで取り外されて、形成後の何らかの時点で、ステップ２に供給される。鋼基板上に形成されるチタンでは、このことは、熱膨張係数の差異を使用して達成することができる。
【００９０】
また、粒子の連続的な堆積を達成するため、冷間噴霧装置１１０Ａは、好ましくは、１つの供給器が粉末を使い切ったとき、動作期間に粉末供給器を切り換えることを可能にする、少なくとも２つの粉末供給器（図示せず）を含む。
【００９１】
第２のステージでは、形成されたプレフォーム１１５Ａは、同時に圧縮荷重し変形し加熱するため、圧縮装置１５０を通過する。この圧縮装置１５０は、プレス器１５２を備えることができるが、第１の実施形態と同様のローラを備えてよい。プレス器は、プレフォーム１１５Ａの印加区域１２５を係合して（図３参照）、そこに「熱」を加える一方で、圧縮荷重を印加し、（プレフォーム１１５Ａの中の）薄板構造を鍛造構造を有する生成物１３０Ａに融解することなく変換する。プレフォーム１１５Ａは、圧縮装置１５０を通って供給方向Ｆ’’に移動する。印加区域１２５への圧縮荷重および電流の印加によって（図３Ａ）、プレフォーム１１５Ａ中の材料を、材料の再結晶化温度より上だが材料の融点より下の局所的な温度に加熱させる。したがって、プレフォーム１１５Ａの材料の結晶構造を再結晶化することが可能であり、鍛造構造を形成しそれによって鍛造材料生成物１３０Ａを生成するために、圧縮横方向荷重の印加が、プレフォーム１１５Ａの冷間噴霧薄板構造に固有の細孔の任意の空隙を圧縮するのをやはり助ける。鍛造材料生成物１３０Ａは、次いで、たとえば、ワイヤ、棒、鋼片などといった所望の生成物へと形成することができる。ローラ１６０が、ストリップを圧縮デバイス１５０を通して運ぶ。
【００９２】
また、加えられる熱は、いくつかの好適な技法を使用して、印加区域１２５に加えることができる。実施形態では、熱は、電流、誘導加熱、またはレーザ加熱のうちの少なくとも１つによって印加区域に加えられる。図示される実施形態では、熱は、誘導加熱器１５３を使用して加えられる。しかし、第１の実施形態のように、熱は、印加区域への交流または直流の印加を使用して加えることができる。
【００９３】
本発明のプロセスは、いくつかの利点を提供する。
１  粉末から鍛造構造へと堆積および変換することによって、広範囲な生成物および圧延製品（すなわち棒、ワイヤ、シート、ナット、ボルトなど）などといった生成形状の迅速な製造が可能になり、伝統的な産業から現在の付加的な製造プラントへの、費用効果的な変換が可能になる。
２  材料の大量融解が解消される。鍛造構造が、固体粉末から直接製造される。これは、いくつかのプロセスでは、最終的な鍛造構造を、減らした鉱石粉末から直接生成できることを意味する。たとえば、高強度、高延性のＴｉ鍛造構造を、制御した雰囲気下で行われる、費用がかかる融解プロセスなしで、粉末として破砕されたＴｉスポンジから生成することができる。
３  連続的な粉末供給および薄板構造から再結晶化した鍛造構造への迅速な（数秒での）変換を通して、鍛造構造（すなわち、棒、鋼片、ワイヤ、板、ストリップ、ナット、ボルト、シートなどといった圧延製品）の連続的な製造が可能である。これは、２つの理由で重要である。第１に、電子ビーム融解（ＥＢＭ）およびレーザアシスト融解（ＬＡＭ）などといった現在の付加的製造プロセスでは、融解プロセスは、機械的特性の点で鍛造構造より一般的に劣る鋳造構造の形成をもたらす。第２に、高圧チャンバ中の高温下で動作するＨＩＰなどといった薄板構造の現在の後処理は、非常に時間がかかるバッチプロセスであり、エネルギー集約的で、したがって、その技術の費用競争力に影響を及ぼす。
４  本発明の非融解プロセスによって、チタンおよびタンタルなどといった酸素感受性の材料を、迅速で、はるかに低い費用で鍛造形態で生成することが可能になり、伝統的に高価であると考えられたこれらの生成物にとっての新規の市場が開かれる。相変態および凝固プロセスに感受性のある材料に対して、同じことが当てはまる。
５  融解プロセスを回避することが、全体として、本発明の採用を通して、世界的に現在生成されるあらゆる鍛造材料についての、カーボンフットプリントの著しい減少をもたらす。
６  超伝導体および半導体での応用例などといった、固有の物理的および機械的特性を実現するために異なる粉末材料を混合することを通して、本発明からのみ手に入る新規の鍛造材料の作成をする。
７  本発明は、冷間噴霧を使用して大きい粒子サイズの粉末をリサイクルことに対する産業からの要求に応じるために使用することもできる。ＥＢＭなどの他の付加的な製造業界は、製造した粉末の残りが大量の過剰物を生み出す狭い粒子サイズ範囲を必要とする。この大量の過剰物は、大地に埋める、または非常に高い費用で融解する必要がある。本発明を使用して、この過剰な粉末を、市場で使用することができる、付加的に製造した鍛造生成物へとリサイクルおよび変換することができる。
８  ＨＩＰプロセスを使用する付加的製造プロセスからの鍛造構造へと処理することが実行不可能な、長い細長いパイプ、シート、およびワイヤのような材料の形状および構成の用途がある。
【００９４】
（実施例）
以下の実施例中の本発明の実施形態の記載は、チタン合金粒子からの平坦なストリップのチタン合金プレフォームを生成する文脈である。しかし、本発明は、様々な金属およびその合金のプレフォームの生成を可能にし、記載を、チタン合金プレフォームおよび鍛造生成物だけを生成することに実施形態を限定すると解釈するべきでないことを理解されよう。
【００９５】
（実施例１）  ストリップの冷間噴霧堆積
冷間噴霧薄板構造から（再結晶化した）鍛造構造への変換を呈示するため、以下のパラメータを有するＣＧＴ  Ｋｉｎｅｔｉｃ  ４０００冷間噴霧システムが使用された。
−  冷間噴霧機器：  ＣＧＴ  Ｋｉｎｅｔｉｋｓ  ４０００システム
−  コールドスプレーガンの移動を制御するためのロボットアーム：  ＡＢＢ  ＩＲＢ２６００
−  超音波ノズルの数：  １
−  スタンドオフ：３０ｍｍ
−  噴霧角度：  常時、面に対して直角
−  ガス：  窒素
−  ガスよどみ点温度：  ７５０℃
−  ガスよどみ点圧力：  ２５バール（２．５ＭＰａ）
−  粉末供給速度：  ２１．４ｇ／ｍｉｎ
−  ロボット移動速度：  ５ｍｍ／ｓ
【００９６】
プレフォームストリップは、２６μｍ平均粒子サイズを有する民間純度チタン（ＣＰ  Ｔｉ）粉末を使用して付加的に製造された。Ｔｉ粉末は不規則形状を有していた。ストリップ寸法は、１．５ｍｍ高さｘ４ｍｍ幅ｘ１５０ｍｍ長さであった。
【００９７】
この実験における冷間噴霧システムは、高密度構造を達成するように設定されず、むしろ、多孔性をなくすまたは減らすための本発明の有効性を検査するように設定されたことに留意されたい。噴霧したままの構造中の多孔性の完全な除去には、狭い粒子サイズ範囲を有する高価な粉末、ならびに、冷間噴霧システムからのより高いエネルギー（圧力および温度）の使用が必要である。
【００９８】
表１の寸法を有する市販のノズルを使用して、ステンレススチール板の側面上にＣＰ  Ｔｉを堆積した。堆積したＣＰ  Ｔｉストリップを、堆積後にステンレススチール基板から分離した。
【００９９】
【表１】
2020524217.tif 000003
【０１００】
大電流および荷重の下でのストリップのインサイチュ変換
ＣＰ  Ｔｉストリップは、改修したスポット溶接機を使用して大電流（３０００アンペア）および荷重（２５ｋｇ）に同時にさらされた。制御システムがスポット溶接機に加えられ、大電流が所望の時間、試料を通過するのを可能にした。この改修は、スポット溶接機は材料を局所的に融解して部品を接合するように設計されるということに起因して必要だった。本発明では、融解を回避し、電流を使用して、再結晶化反応が開始して進行するための所望の温度に材料を正確に加熱する。電流（３０００アンペア）を、異なる保持時間でＣＰ  Ｔｉストリップ上のスポットに印加した。図４〜図９に示されるように、０．２秒の持続時間を有する１０個のパルスの電流で達成された２秒の合計保持時間、および１秒の停止で、ＣＰ  Ｔｉ構造の完全な再結晶化および高密度化が達成された。  
【０１０１】
冷間噴霧薄板からの鍛造再結晶化構造の作成
図４（ａ）は、矢印２００で大電流および荷重にさらされた冷間噴霧ＣＰチタンの、磨いた微細構造を示す。微細構造は、反応ゾーン２０５を示している。反応ゾーン２０５では、噴霧したままの冷間噴霧ＣＰ  Ｔｉ  ２１０上の点２００において大電流および荷重にさらして高密度ＣＰ  Ｔｉが作成される。噴霧したままの冷間噴霧ＣＰ  Ｔｉ  ２０１は、多孔性のある微細構造を有する。
【０１０２】
延性を改善し機械的特性を向上させることに寄与する構造の高密度化を確かめる、多孔性の著しい減少が印加区域（または反応ゾーン２０５）で観察された。
【０１０３】
標本は、図４（ｂ）に示されるようにエッチングされ、冷間噴霧薄板構造から再結晶化した鍛造構造への変換を明らかにする。図４（ｂ）中の等軸結晶粒内の針状構成成分の存在によって、処理期間に、薄板構造から鍛造構造に変換したＣＰ  Ｔｉが確認される。
【０１０４】
図５は、より高い倍率での、図４（ｂ）の印加区域（または反応ゾーン）を表し、図６は、ＣＰ  Ｔｉの噴霧したままの薄板構造の多孔性を示す。
【０１０５】
図７における６０ミクロンの以前のベータ結晶粒を有する再結晶化したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ構造は、図８における噴霧したままの多孔質構造から達成される。図７および図８は、したがって、ＣＰ  Ｔｉストリップに印加した電流および荷重によって、広く使用されるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同様の高密度化し再結晶化した鍛造構造が生成されることを示す。
【０１０６】
（実施例２）
実施例１に詳述され、下でリスト化されたパラメータにしたがった方法論を使用して、３つのさらなる実験ランが実施された。
−  ラン２：  冷間噴霧構造から作成されたＴｉ６４結晶粒。４．６５ｍｍの元の高さを有する試料に３０００アンペアを１秒間印加。これは、高さ２．９ｍｍへと減少させ、３８％減少を表している。
−  ラン３：  冷間噴霧構造から作成されたＴｉ６４結晶粒。４．６５ｍｍの元の高さを有する試料に３０００アンペアを０．８秒間印加。これは、高さ２．８ｍｍへと減少させ、４０％減少を表している。
−  ラン４：  冷間噴霧構造から作成されたＴｉ６４結晶粒。４．６５ｍｍの元の高さを有する試料に３０００アンペアを５秒間印加。これは、高さ３．６５ｍｍへと減少させ、２０％減少を表している。
【０１０７】
ラン２、３、および４について生成した試料の、エッチングしたＳＥＭ画像が図９〜図１１に示される。ラン２および３の結果として得られる微細構造は、それぞれ、非常に小さい細孔がやはり存在することを示す。ラン４の結果として得られる微細構造は、大きい結晶粒が形成され存在することを示す。
【０１０８】
実施例１に記載されたプロセスは、Ａｌ、Ｃｕ、亜鉛、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、鋼などといった冷間噴霧を使用して堆積できる任意の金属、ならびに炭化物および超伝導体のような金属とセラミックスの混合物などの金属マトリックス複合材に適用できることを理解されたい。
【０１０９】
例として、図１２は、（Ａ）冷間噴霧し固めた粒子のＮｉ薄板の積み重ねから形成される（エッチングされておらず、まだ熱および圧縮を受けていない）、冷間噴霧の微細構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真、（Ｂ）冷間噴霧し固めた粒子のＣｕ薄板の積み重ねから形成され、まだ熱および圧縮を受けていない、エッチングした、冷間噴霧の微細構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真、（Ｃ）冷間噴霧し固めた粒子のＡｌ薄板の積み重ねから形成され、まだ熱および圧縮を受けていない、エッチングした、冷間噴霧の微細構造を示すＳＥＭ顕微鏡写真を提供する。
【０１１０】
鍛造材料は、実施例１に記載されるように、冷間噴霧したＮｉ、Ｃｕ、およびＡｌを固めた粒子の各々から形成することができる。図１２のこれらの材料のプレフォームに、実施例１に記載されたものと同様の技法を使用して大電流および横方向圧縮荷重を受けさせることによって、実施例１に記載されたＣＰ  Ｔｉと同様の、冷間噴霧構造の、同様に完全な再結晶化および高密度化を達成することになる。最終的な鍛造微細構造は、図５および図７に示された、変換されたＴｉ構造に似ており、すなわち、図１２に示される、冷間噴霧レンズ豆様薄板構造から形成される「等軸再結晶化」構造である。
【０１１１】
実施例および添付する記載は、単に、平坦なストリッププレフォームを示すが、一方で、スプレーノズルおよび／または材料堆積面の移動を制御することによって、プレフォームの様々な構成を生成できることを理解されたい。同様に、材料が堆積されない、冷間噴霧付与器の噴霧パターン中の無堆積区域またはゾーンを導入することによって、空隙または中空をプレフォーム中に導入することもできることを理解されたい。
【０１１２】
同様に、実施例および添付する記載は、単に、ほぼ一定の断面積を有するプレフォームを示すが、一方で、円錐形状、円錐部分、または階段もしくは先細を有する形状（大きい直径から小さい直径）などといった変化するまたは一定でない直径でプレフォームを形成することもできることを理解されたい。
【０１１３】
同様に、実施例および添付する記載が、単に、試料を加熱するための電流の使用を例示することに関して、他のタイプの熱源、特に急速加熱源を使用して、試料の選択した区域を加熱し、荷重を同時に印加することができることを理解されたい。実施例としては、誘導加熱またはレーザ加熱が挙げられる。
【０１１４】
詳述しないが、上の材料が下記を受けることができることを理解されたい。
−  特に細孔の分布に関して、変換し再結晶化した構造を噴霧したままの構造と比較するために、金属組織学および光学顕微鏡を使用した微細構造分析。
−  噴霧したままの材料と再結晶化した材料を比較するための、微小硬さによる機械的特性の測定。
【０１１５】
本明細書に記載される本発明は、具体的に記載されたもの以外の変形および修正が可能であることを、当業者は理解されよう。本発明は、本発明の精神および範囲に入る、すべてのそのような変形および修正を含むことが理解される。
【０１１６】
（請求項を含む）本明細書で、「備える、含む」、「備えた、含んだ」、「備えている、含んでいる」といった用語が使用される場合、それらは、言及した特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を明記するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素、またはそれらのグループの存在を除外しないと解釈するべきである。
【符号の説明】
【０１１７】
３０  薄板形状粒子
３５  等軸粒構造
４０  等軸粒構造
４５  空隙
５０  薄板
１００  装置
１００Ａ  装置
１００ａ  冷間噴霧装置
１１０  冷間噴霧装置
１１０Ａ  冷間噴霧装置
１１２  冷間噴霧粒子
１１２Ａ  冷間噴霧粒子
１１５  プレフォーム、構造
１１５Ａ  プレフォーム
１２０  ローラ
１２０Ａ  ローラ
１２５  印加区域
１３０  鍛造再結晶化構造
１３０Ａ  生成物、鍛造材料生成物
１３１  電流源
１３２  空気荷重デバイス
１５０  圧縮装置、圧縮デバイス
１５２  プレス器
１５３  誘導加熱器
１６０  ローラ
２００  矢印、点
２０５  反応ゾーン
２１０  冷間噴霧ＣＰ  Ｔｉ
【図１（Ａ）】
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【図１（Ｂ）】
2020524217.tif 000005
【図１（Ｃ）】
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【図２（Ａ）】
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【図２（Ｂ）】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４（ａ）】
2020524217.tif 000011
【図４（ｂ）】
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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１０】
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【図１１】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【図１２（ｃ）】
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【国際調査報告】
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2020524217.tif 000024
2020524217.tif 000025
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