(57)【要約】  高レベルの腐食及び／又は浸食を受ける産業環境で使用するようになったサファイアのような高摩耗セラミックのスキン又はカバリングとのアルミナのような比較的廉価なセラミックの複合アセンブリ。複合アセンブリの設計寿命は、以前に使用された構成要素よりも有意に長いと考えられる。複合アセンブリは、複合アセンブリがそれに露出される場合がある腐食態様に対して接合部が弱くないように、そのセラミック部分をアルミニウムと互いに接合させることができる。【選択図】図３
2020514237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水圧破砕システムのための回転子シャフトであって、
端部を有して第１のセラミックを含む円筒形ポンプシャフトと、
前記円筒形ポンプシャフトの前記端部の上の末端キャップであって、第２のセラミックを含む前記末端キャップと、
前記ポンプシャフトと前記末端キャップとを接合し金属アルミニウムを含む接合層と、を含む、
ことを特徴とする回転子シャフト。
【請求項２】
前記円筒形ポンプシャフトは、その長さの大半にわたる第１の直径と前記端部での第２の直径とを更に有し、該第２の直径は、該第１の直径よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の回転子シャフト。
【請求項３】
前記末端キャップは、円筒形シェルを含み、
前記末端キャップの外径が、前記第１の直径である、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転子シャフト。
【請求項４】
前記第２のセラミックは、サファイアを含むことを特徴とする請求項３に記載の回転子シャフト。
【請求項５】
前記第１のセラミックは、アルミナを含むことを特徴とする請求項４に記載の回転子シャフト。
【請求項６】
前記接合層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項５に記載の回転子シャフト。
【請求項７】
前記末端キャップは、前記円筒形シェルに結合された円形末端プレートを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の回転子シャフト。
【請求項８】
前記第２のセラミックは、ＭｐＰＳＺを含むことを特徴とする請求項３に記載の回転子シャフト。
【請求項９】
前記第１のセラミックは、アルミナを含むことを特徴とする請求項８に記載の回転子シャフト。
【請求項１０】
前記接合層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項９に記載の回転子シャフト。
【請求項１１】
前記第２のセラミックは、ＹＴＺを含むことを特徴とする請求項３に記載の回転子シャフト。
【請求項１２】
前記第１のセラミックは、アルミナを含むことを特徴とする請求項１１に記載の回転子シャフト。
【請求項１３】
前記接合層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１２に記載の回転子シャフト。
【請求項１４】
前記第２のセラミックは、サファイアを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転子シャフト。
【請求項１５】
前記第１のセラミックは、アルミナを含むことを特徴とする請求項１４に記載の回転子シャフト。
【請求項１６】
前記第２のセラミックは、ＭｐＰＳＺを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転子シャフト。
【請求項１７】
前記第１のセラミックは、アルミナを含むことを特徴とする請求項１６に記載の回転子シャフト。
【請求項１８】
前記第２のセラミックは、ＹＴＺを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転子シャフト。
【請求項１９】
前記第１のセラミックは、アルミナを含むことを特徴とする請求項１８に記載の回転子シャフト。
【請求項２０】
高度に浸食性又は腐食性の環境に使用するようになった産業構成要素であって、
１又は２以上の識別された高摩耗露出面を有する構造的支持部分と、
１又は２以上の保護層と、
前記１又は２以上の保護層を前記構造的支持部分の前記１又は２以上の摩耗露出面に接合する１又は２以上の接合層と、
を含み、
前記１又は２以上の接合層の各々が、金属アルミニウムを含む、
ことを特徴とする産業構成要素。
【請求項２１】
前記構造的支持部分は、アルミナを含むことを特徴とする請求項２０に記載の産業構成要素。
【請求項２２】
前記１又は２以上の保護層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項２１に記載の産業構成要素。
【請求項２３】
前記接合層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２２に記載の産業構成要素。
【請求項２４】
前記接合層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２１に記載の産業構成要素。
【請求項２５】
高度に浸食性の環境に使用するための産業構成要素を製造する方法であって、
１又は２以上の摩耗表層を産業構成要素主支持構造体の上に、金属アルミニウムを含む１又は２以上のろう付け層を該１又は２以上の摩耗表層と該支持構造体の間に並べて、配置する段階と、
事前ろう付けサブアセンブリを処理チャンバの中に置く段階と、
前記処理チャンバから酸素を除去する段階と、
７７０Ｃよりも高い温度まで加熱することによって前記摩耗表層を前記主支持構造体に接合し、それによって気密接合部を用いて該摩耗表層を該主支持構造体に接合する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
前記処理チャンバから酸素を除去する前記段階は、前記構成要素の前記加熱中に１ｘ１０Ｅ−４よりも低い圧力まで真空を印加する段階を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記主支持構造体は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記主支持構造体は、アルミナを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記１又は２以上の表層は、ＭｐＰＳＺを含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記１又は２以上の表層は、ＹＴＺを含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願への相互参照〕
この出願は、この引用により本明細書にその内容全体が組み込まれる２０１７年３月２１日出願のＥｌｌｉｏｔ他に付与された米国仮特許出願第６２／４７４，５９７号に対する優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、耐浸食性アセンブリに関し、より具体的には、高磨耗面上の高摩耗材料を有するセラミックアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００３】
構造的支持部分に接合された摩耗層を有するアセンブリを提供する。アセンブリは、任意的にセラミックアセンブリと呼ぶことができる。本発明のアセンブリは、あらゆる適切なタイプの産業構成要素又は機器部品、例えば、水圧破砕するための又は他に本明細書に具体的に開示するような回転子、水圧破砕機器、スラリポンプを任意的に含むことができる。構造的支持部分は、支持部分、支持体、又は本体と呼ぶことができ、かつ任意的にセラミック材料のようなあらゆる適切な材料から作ることができる。セラミック材料は、あらゆる適切な廉価なセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム又はアルミナ、サファイア、酸化イットリウム、ジルコニア、又は酸化ベリリウムを任意的に含むことができる。摩耗層は、任意的にスキン層、スキン、カバー層、カバー、係合層、層、保護層、作動層、又は高摩耗層と呼ぶことができ、かつ任意的に貴重な材料、貴重なセラミック、比較的高価なセラミック、サファイア、単結晶酸化アルミニウム、ＭｇＰＳＺ、窒化珪素、ＹＴＺ、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ又はセラミック鋼として公知）、又は例えば水圧破砕環境内の高レベルの腐食又は浸食に耐えることができる材料のようなあらゆる適切な材料から作ることができる。摩耗層は、ろう付けのようなあらゆる適切な工程により、任意的にろう付け層を含むことができる構造的支持本体に接合することができる。ろう付け層は、任意的に接合層と呼ぶことができ、かつ任意的にアルミニウム、純粋アルミニウム、金属アルミニウム、８９重量％よりも多いアルミニウム、８９重量％よりも多い金属アルミニウム、９２重量％よりも多いアルミニウム、９２重量％よりも多い金属アルミニウム、９９重量％よりも多いアルミニウム、又は９９重量％よりも多い金属アルミニウムのようなあらゆる適切な材料から作ることができる。接合工程又は段階では、ろう付け層は、少なくとも７７０Ｃ、少なくとも８００Ｃ、１２００Ｃ未満、７７０Ｃと１２００Ｃの間、８００Ｃと１２００Ｃの間、７７０Ｃから１０００Ｃ又は１１００Ｃの範囲内を任意的に含むことができるあらゆる適切な接合温度まで加熱することができる。接合工程又は段階は、非酸化性の環境、酸素のない環境、酸素不在下の環境を任意的に含むことができるあらゆる適切な環境で行うことができ、真空環境は、真空、１ｘ１０Ｅ−４トルよりも低い圧力での環境、１ｘ１０Ｅ−５トルよりも低い圧力での環境、アルゴン（Ａｒ）雰囲気の環境、他の希ガスの雰囲気の環境、又は水素（Ｈ２）雰囲気の環境である。接合工程又は段階は、拡散結合を含まない接合層、例えば、摩耗層と接合層の間に拡散結合のない接合層を任意的に形成することができる。接合層は、摩耗層と構造的支持部分の間に気密シール、例えば、＜１ｘ１０Ｅ−９ｓｃｃｍ  Ｈｅ／ｓｅｃの真空漏出速度を有する気密シールを形成する。接合層は、腐食処理化学作用、例えば、水圧破砕化学物質に耐えることができる。
【０００４】
高レベルの腐食及び／又は浸食を受ける産業環境に使用するようになっているサファイアのような高摩耗セラミックのスキン又はカバリングとのアルミナのような比較的廉価なセラミックの複合アセンブリ。複合アセンブリの設計寿命は、以前使用された構成要素よりも有意に長いと考えられる。複合アセンブリは、複合アセンブリが露出される場合がある腐食態様に対して接合部が弱くないようにアルミニウムと共に接合されたそのセラミック部分を有することができる。
【０００５】
石油及びガス業界での油井作動は、岩石地層内の石油及びガスの放出を増大するために水圧破砕（水圧破砕法）を伴う場合がある。水圧破砕は、水、化学物質、及び／又はプロパントの組合せを含有する流体を高圧で油井の中にポンピングすることを伴う。流体の高圧は、より多くの石油及びガスを放出するのを補助し、一方でプロパントは、流体が減圧された状態で亀裂が閉じるのを防止する。水圧破砕流体内のプロパントは、浸食性である場合があり、水圧破砕機器の摩耗を増大させる場合がある。
【０００６】
水圧破砕システムは、高圧で低浸食性の流体から低圧で高浸食性の流体に圧力を伝達する回転構成要素を含むことができる水圧交換システムを含む場合がある。高浸食性流体は、砂、固体粒子、及びデブリを含む場合がある。そのようなデバイスの回転子及び末端カバーは、特に摩耗を受けやすい。水圧交換器は、摩耗要件を満たすために炭化タングステンで作られる場合があるが、この材料は、非常に高価であり、かつ製造することも困難である。この耐摩耗材料を用いてさえも、構成要素は、浸食を受け、かつ修復を必要とする場合がある。炭化タングステンシステムのそのような修復の例は、ＵＳ  ２０１６／００３９０５４に見られる。その開示での修復は、大きい構成要素の断面全体をのこぎりで切断してそれらを交換することを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＵＳ  ２０１６／００３９０５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水圧交換器のための改善されたシステムは、サファイアのような超耐摩耗材料の磨耗表層又はスキンで構成要素の高摩耗区域を覆うためのものである。この手法は、限られた区域でのみ必要であると考えられる高摩耗材料で全体的に又は実質的な部分において以前は作られていた構成要素に関して使用することができる。高摩耗材料で全体的に又は実質的な部分において作られた構成要素は、高コストをもたらす場合があり、これは、本明細書に説明するような手法で下げることができる。高磨耗表層の使用により、構成要素の大部分は、次に、アルミナのような廉価で製造しやすい材料で作ることができる。アルミニウムのような耐浸食性接合層を使用することができる。表層は、耐浸食性の気密接合部が生成される方式で下に重なる構造体にろう付けすることができる。このシステムは、識別された高摩耗区域を有する他の産業構成要素に対しても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】水圧交換ポンプの図である。
【図２】摩耗した回転子の図である。
【図３】本発明の一部の実施形態による回転子シャフトを示す図である。
【図４】本発明の一部の実施形態による末端キャップの端面図である。
【図５】本発明の一部の実施形態による回転子基本構造を示す図である。
【図６】本発明の一部の実施形態による末端キャップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図２は、回転式ＩＰＸ３０の実施形態の分解組立図である。図示の実施形態では、回転式ＩＰＸ３０は、ハウジング４４及び回転子４６を含むほぼ円筒形の本体部分４２を含むことができる。回転式ＩＰＸ３０はまた、それぞれマニホルド５４及び５２を含むことができる２つの末端構造体４６及び５０を含むことができる。マニホルド５２は、入口及び出口ポート５８及び５６を含み、マニホルド５４は、入口及び出口ポート６０及び６２を含む。例えば、入口ポート５８は、高圧の第１の流体を受け入れることができ、出口ポート５６は、低圧の第１の流体をＩＰＸ３０から離れるように経路指定するのに使用することができる。同様に、入口ポート６０は、低圧の第２の流体を受け入れることができ、出口ポート６２は、高圧の第２の流体をＩＰＸ３０から離れるように経路指定するのに使用することができる。末端構造体４６及び５０は、マニホルド５０及び４６内に配置されて回転子４６と流体密封接触するようになったそれぞれほぼ平坦な末端プレート（例えば、末端カバー）６６及び６４を含む。上述のように、回転子４６、末端プレート６６、及び／又は末端プレート６４のようなＩＰＸ３０の１又は２以上の構成要素は、予め決められた閾値（例えば、少なくとも１０００、１２５０、１５００、１７５０、２０００、２２５０、又はそれよりも大きいビッカース硬度数）よりも大きい硬度を有する耐摩耗材料（例えば、カーバイド、超硬合金、炭化珪素、炭化タングステンなど）から構成することができる。例えば、炭化タングステンは、より耐久性であると考えられ、かつアルミニウムセラミックのような他の材料と比べて浸食性流体に対する耐腐食性の改善を提供するとができる。
【００１１】
回転子４６は、円筒形であってハウジング４４に配置することができ、かつ回転子４６の長手軸線６８の周りで回転するように配置される。回転子４６は、長手軸線６６の周りに対称に配置された各端部で開口部７４及び７２を有する回転子４６を通って実質的に長手方向に延びる複数のチャネル７０を有することができる。回転子４６の開口部７４及び７２は、末端プレート６６及び６４との水圧連通に関して回転中にそれらが高圧での流体及び低圧での流体をそれぞれのマニホルド５４及び５２に交互に水圧的に露出するように配置される。浸食性水圧破砕流体に接触するこのシステムの端部での構成要素は、特に摩耗を受けやすい。そのような摩耗の例は、回転子４６の端部に沿って摩耗区域１２０がある図２に見られる。
【００１２】
本発明の一部の実施形態では、保護表層は、浸食性要素への高い露出の区域で下に重なる構造体に接合される。炭化タングステンから作られる上述の例とは対照的に、置換回転子は、下に重なる構造体に対する第１のセラミック及び摩耗保護表層に対する第２のセラミックを利用して作ることができる。一部の態様では、表層はサファイアである。一部の態様では、下に重なる構造体はアルミナである。これは、アルミナのような遙かに生成しやすい下に重なる構造体に対するセラミックの使用を可能にする。
【００１３】
サファイア表層は、あらゆる適切な方式で下に重なる構造体に固定することができる。一部の態様では、表層は、腐食処理化学作用に耐えることができる接合層によって下に重なるセラミック構造体に取り付けられる。一部の態様では、腐食処理化学作用は、水圧破砕化学物質に関連している。一部の態様では、接合層は、ろう付け層によって形成される。一部の態様では、ろう付け層は、アルミニウムろう付け層である。一部の態様では、表層又はスキンは、互いに重ね合わせることができる又は複雑なインタフェースを有する又は互いに当接することができる複数の部分から構成される。
【００１４】
一部の態様では、サファイア表層は、あらゆる適切な温度で接合ろう付け層によって下に重なるセラミック構造体に接合される。一部の態様では、温度は、少なくとも７７０Ｃである。一部の態様では、温度は、少なくとも８００Ｃである。一部の態様では、温度は、１２００Ｃ未満である。一部の態様では、温度は、７７０Ｃと１２００Ｃの間である。一部の態様では、温度は、８００Ｃと１２００Ｃの間である。一部の態様では、より高い温度で材料特性劣化懸念を有する場合があるセラミックを使用する時に、使用する温度は、７７０Ｃから１０００Ｃの範囲にあるとすることができる。
【００１５】
一部の態様では、サファイア表層は、適切な環境で本明細書に開示する温度のいずれかを含むあらゆる適切な温度でろう付け層を接合することによって下に重なるセラミック構造体に接合される。一部の態様では、環境は、非酸化性の環境である。一部の態様では、環境は酸素を含まない。一部の態様では、環境は酸素不在である。一部の態様では、環境は真空である。一部の態様では、環境は１ｘ１０Ｅ−４トルよりも低い圧力にある。一部の態様では、環境は１ｘ１０Ｅ−５トルよりも低い圧力にある。一部の態様では、環境はアルゴン（Ａｒ）雰囲気である。一部の態様では、環境は他の希ガスの雰囲気である。一部の態様では、環境は水素（Ｈ２）雰囲気である。
【００１６】
一部の態様では、サファイア表層は、ろう付け層により、本明細書に開示する環境のいずれかを含む適切な環境で本明細書に開示する温度のいずれかを含むあらゆる適切な温度で下に重なるセラミック構造体に接合される。一部の態様では、ろう付け層は、純粋アルミニウムである。一実施形態では、ろう付け層は、８９重量％よりも多い金属アルミニウムである。一部の態様では、ろう付け層は、８９重量％よりも多いアルミニウムを有する。一部の態様では、ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムである。一部の態様では、ろう付け層は、９９重量％よりも多いアルミニウムを有する。
【００１７】
一部の態様では、サファイア表層は、本明細書に開示するアルミニウムろう付け層のいずれかによって形成されたアルミニウム接合層を含むアルミニウム接合層により、本明細書に開示する環境のいずれかを含む適切な環境で本明細書に開示する温度のいずれかを含むあらゆる適切な温度で下に重なるセラミック構造体に接合される。一部の態様では、アルミニウム接合層は、拡散結合を含まない。一部の態様では、アルミニウム接合層を形成する工程は。拡散結合を含まない。一部の態様では、サファイア層とアルミニウム接合層の間には拡散結合がない。一部の態様では、アルミニウム接合層は、サファイア表層とセラミック構造体の間に気密シールを形成する。一部の態様では、アルミニウム接合層は、＜１ｘ１０Ｅ−９ｓｃｃｍ  Ｈｅ／ｓｅｃの真空漏出速度を有するサファイア表層とセラミック構造体の間の気密シールを形成する。一部の態様では、アルミニウム接合層は、腐食処理化学作用に耐えることができる。一部の態様では、腐食処理化学作用は、水圧破砕化学物質である。
【００１８】
下に重なるセラミック構造体は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム又はアルミナ、サファイア、酸化イットリウム、ジルコニア、及び酸化ベリリウムを含むあらゆる適切な材料から作ることができる。
【００１９】
上記で見るように、ろう付け層の厚みは、様々な材料間の異なる熱膨張係数に起因する応力に耐えることができるようになっている。残留応力が、以下に説明するろう付け段階から冷却中に生じる場合がある。これに加えて、室温からの高速初期温度勾配は、アセンブリにわたる何らかの温度不均一性を引き起こす場合があり、これは、ろう付け中に生じた残留応力と組み合わされる場合がある。
【００２０】
アルミニウムは、酸化アルミニウムの自己制限層を形成する特質を有する。この層は、ほぼ均質であり、かつ形成された状態で追加の酸素又は他の酸化化学作用（フッ素化学作用のような）がベースアルミニウムを貫通して酸化工程を続けることを防止する又は有意に制限する。このようにして、アルミニウムの酸化又は腐食の初期の短い期間が存在し、これは、次に、アルミニウムの面上に形成された酸化物（又はフッ化物）層によって実質的に停止又は減速される。ろう付け材料は、箔シート、粉末、薄膜の形態にあるか又は本明細書に説明するろう付け工程に適切なあらゆる他の形状因子のものである場合がある。例えば、ろう付け層は、０．０００１９インチから０．０１１インチに及ぶ又はそれよりも大きい厚みを有するシートとすることができる。一部の実施形態では、ろう付け材料は、約０．００１２インチの厚みを有するシートとすることができる。一部の実施形態では、ろう付け材料は、約０．００６インチの厚みを有するシートとすることができる。典型的に、アルミニウム内の合金成分（例えば、マグネシウムのような）は、アルミニウムの粒界の中間に沈殿物として形成される。それらは、アルミニウム結合層の耐酸化性を低減する可能性があるが、典型的に、これらの沈殿物は、アルミニウムを通る連続通路を形成せず、それによって全アルミニウム層を通る酸化剤の貫通を許さず、従って、アルミニウムのその耐浸食性を提供する自己制限酸化物層特性をそのままの状態に残す。沈殿物を形成することができる成分を含有するアルミニウム合金を使用する実施形態では、冷却プロトコルを含む処理パラメータは、粒界内の沈殿物を最小にするようになっていると考えられる。例えば、一部の態様では、ろう付け材料は、少なくとも９９．５％の純度を有するアルミニウムとすることができる。一部の実施形態では、９２％よりも高い純度を有することができる市販アルミニウム箔を使用することができる。一部の実施形態では、合金が使用される。これらの合金は、Ａｌ−５重量％Ｚｒ、Ａｌ−５重量％Ｔｉ、市販合金＃７００５、＃５０８３、及び＃７０７５を含むことができる。これらの合金は、一部の実施形態では１１００Ｃの接合温度で使用することができる。これらの合金は、一部の実施形態では８００Ｃと１２００Ｃの間の温度で使用することができる。これらの合金は、一部の実施形態ではより低い又は高い温度で使用することができる。一部の態様では、接合層ろう付け材料は、９９重量％よりも多いアルミニウムとすることができる。一部の態様では、接合層ろう付け材料は、９８重量％よりも多いアルミニウムとすることができる。
【００２１】
本発明の一部の実施形態による接合方法は、接合されるセラミック部分に対する接合材料の湿潤及び流れの制御に依存する。一部の実施形態では、接合工程中の酸素の不在は、接合区域内の材料を変化させる反応なしに適正な湿潤を可能にする。接合材料の適正な湿潤及び流れを用いて、気密密封接合部は、例えば、液相焼結に対して低温で達成することができる。
【００２２】
ろう付け工程中の有意な量の酸素又は窒素の存在は、接合部インタフェース区域の完全湿潤と干渉する反応を生成する場合があり、これは、次に、気密ではない接合部をもたらす場合がある。完全湿潤なしでは、非湿潤区域が、接合部インタフェース区域での最終接合部の中に導入される。十分に連続的な非湿潤区域が導入される時に、接合部の気密性は失われる。
【００２３】
一部の実施形態では、接合工程は、非常に低い圧力を提供するようになった処理チャンバ内で行われる。本発明の実施形態による接合工程は、気密密封接合部を達成するために酸素の不在を必要とする場合がある。一部の実施形態では、工程は、１ｘ１０Ｅ−４トルよりも低い圧力で行われる。一部の実施形態では、工程は、１ｘ１０Ｅ−５トルよりも低い圧力で行われる。
【００２４】
窒素の存在は、窒素が溶融アルミニウムと反応して窒化アルミニウムを形成することに至る場合があり、この反応形成は、接合部インタフェース区域の湿潤と干渉する場合がある。同様に、酸素の存在は、酸素が溶融アルミニウムと反応して酸化アルミニウムを形成することに至る場合があり、この反応形成は、接合部インタフェース区域の湿潤と干渉する場合がある。５ｘ１０−５トルよりも低い圧力の真空雰囲気を使用することは、接合部インタフェース区域の十分にロバストな湿潤及び気密接合部を可能にするのに十分な酸素及び窒素の除去が行われたことを示している。一部の実施形態では、大気圧を含むが、ろう付け段階中の処理チャンバ内の例えば水素のような非酸化ガス又はアルゴンのような純粋希ガスを使用するより高圧の使用も、接合部インタフェース区域のロバストな湿潤及び気密接合部に至っている。上述の酸素反応を回避するために、ろう付け工程中の処理チャンバ内の酸素の量は、接合部インタフェース区域の完全湿潤が悪影響を受けないように十分に少なくしなければならない。上述の窒素反応を回避するために、ろう付け工程中の処理チャンバに存在する窒素の量は、接合部インタフェース区域の完全湿潤が悪影響を受けないように十分に少なくしなければならない。
【００２５】
最小接合部厚みの維持と共にろう付け工程中の適正な雰囲気の選択は、接合部の完全湿潤を可能にすることができる。反対に、不適正な雰囲気の選択は、不十分な湿潤、空隙に至り、非気密接合部に至る場合がある。ろう付け中の適正な材料選択及び温度と共に制御された雰囲気及び制御された接合部厚みの適切な組合せは、気密接合部を有する材料の接合を可能にする。
【００２６】
一部の態様では、下に重なる構造体セラミックは、表層に対するその熱膨張係数の緊密な整合を提示するように選択される。熱膨張係数は、温度に伴って変化する場合があり、従って、整合する熱膨張係数の選択は、室温からサポートしようとする処理温度を通して、更に接合層のろう付け温度までを通した整合の程度を考慮すべきである。
【００２７】
例示的実施形態では、表層はサファイアであり、下に重なる構造体はアルミナである。それぞれ２０Ｃ（２９３Ｋ）、５１７Ｃ（８００Ｋ）、及び１０１７Ｃ（１３００Ｋ）でのサファイア（単一結晶酸化アルミニウム）の熱膨張係数は、５．３８、８．５２、及び９．７４ｘ１０Ｅ−６／Ｋである。それぞれ２０Ｃ、５００Ｃ、及び１０００Ｃでの焼結アルミナの熱膨張係数は、４．６、７．１、及び８．１ｘ１０Ｅ−６／Ｋである。これらは、良好な整合を提示する。例示的実施形態では、ろう付け層は、８９重量％を超える純度を有するアルミニウムであり、かつ９９重量％を超えるＡｌとすることができる。
【００２８】
図３は、本発明の一部の実施形態による回転子８６を示している。回転子８６は、下に重なる構造体８７及び末端キャップ１３０を有する。下に重なる構造体８７は、アルミナのものとすることができ、末端キャップ１３０は、サファイアのものとすることができる。末端キャップ１３０は、上述の方法に従ってアルミニウム接合層を用いて下に重なる構造体８７に接合することができる。下に重なる構造体８７は、縮径と末端キャップ１３０にインタフェース接続する端部とを有する円筒形である。末端キャップ１３０は、円形末端プレートを有する円筒である。下に重なる構造体８７の上の末端キャップ１３０の使用により、回転子８６は、他の手法で以前に見られたよりも更に大きい耐腐食性を有するアルミナのようなより実用的な材料を使用して製造することができる。
【００２９】
一部の態様では、回転子の上に末端スリーブを使用することができる。一部の態様では、円形末端キャップを回転子と共に使用することができる。一部の態様では、末端スリーブ及び円形末端キャップを回転子と共に使用することができる。
【００３０】
別の例示的実施形態では、長手チャネル７０は、サファイアのような高度に耐腐食性の材料の円筒裏打ち材で裏打ちすることができる。サファイア円筒裏打ち材は、上述の接合方法に従って回転子の下に重なる構造体にろう付けすることができる。
【００３１】
アルミナのようなより実用的なセラミックの下に重なる構造体の上のサファイアのような高度に耐腐食性の表層の使用は、高摩耗浸食環境に露出される構成要素に対する現在の手法に勝る有意な改善を提供する。アルミナに対するサファイアの良好な熱膨張整合は、材料の良好な組合せを提供する。
【００３２】
上述の結合工程の低温は、サファイアに加えてＭｇ−ＰＳＺ、窒化珪素、及びＹＴＺ材料の使用を可能にする。ＭｇＰＳＺを他の材料に結合する現在の公知の工程は、＞１２００Ｃでの金属化を必要とする。１２００Ｃでの又はそれよりも高い温度でのこれらの工程中に、ＭｇＰＳＺ上の強靭化相が劣化し、正方晶ジルコニアがキュービックジルコニアを形成する。材料は熱過剰によって劣化する。ＭｇＰＳＺが高摩耗用途において良好な材料である理由は、材料に対する浸食物質の摩耗硬化効果によるものである。ＭｇＰＳＺが浸食によって摩耗すると、それは、ジルコニア内の相転移から面圧縮応力を生じる。擦られた時に、正方晶ジルコニアは、圧潰して単斜晶ジルコニアになり、容積膨張がジルコニアに生じて圧縮面応力を生成する。これは、セラミックの耐磨滅性を改善する。本発明による工程は、材料を劣化させることなくＭｐＰＳＺをアルミナに結合することができる唯一のものであると考えられる。
【００３３】
一部の態様では、高浸食及び／又は高腐食作動環境に曝される構成要素を設計して製造する方法は、多くの産業用途では最新セラミック、金属−マトリックス−複合材、及び陶性合金のような硬質材料を利用する段階を含む。これらの材料の特質は、腐食性、高温、及び／又は浸食環境が存在する用途での性能及び寿命の利益を提供する。しかし、これらの材料の別の特質は、多くの場合にそれらが互いに接合するのが困難であるということである。これらの材料をそれら自体及び他の材料に接合するのに現在使用されている典型的な方法は、接着剤、グラシン、活性ろう付け、直接結合、及び拡散結合を含む。これらの方法の全ては、作動温度、耐浸食性、又は異なる熱膨張係数の接合材料のいずれにおいても限界を有する。例えば、接着剤は、高温では使用することができず、かつ耐浸食性が限られる。活性ろう付けは、耐浸食性が劣り、ガラスは、耐浸食性が限られ、かついずれの熱膨張不一致にも耐えることができない。直接結合及び拡散結合も、いずれの熱膨張不一致にも耐えることができず、並びに高価で困難な工程である。これらの材料の多くのものの別の特性は、それらが製造することが困難かつ高価であるということであり、それらの性質そのものにより、それらは極度に硬い。それらを必要な形状に成形するのに、多くの場合にダイヤモンド工具によって何百時間もの研削を必要とする可能性がある。これらの材料のうちで最も強くかつ最も硬いものの一部、例えば、サファイア及び部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ又はセラミック鋼として公知）は、作業するのに非常に高価かつ困難であるので、それらの産業用途は極度に限られている。
【００３４】
採掘及び石油探査では、高浸食性スラリを地下からポンピングしなければならない。同様に、水圧破砕が高圧浸食性スラリを送出するのに圧力交換ユニットを利用するように、採掘及び石油探査は、スラリポンピング及び搬送のために多くの異なる装置を利用する。これらのポンピングシステムの内部構成要素は、アルミナのような最新セラミックから作られる場合がある。これらの用途でのＰＳＺの使用により、有意な寿命及び性能利点をもたらすことができる。ＰＳＺに固有であるその材料特性のうちの１つは、極度に高い内部応力であり、これは、部分的にその高い強度及び耐浸食性を提供するものである。しかし、それは、内部応力に起因して材料が寸法的に安定ではないので、高精度機械構成要素の製造を非常に困難（事実上不可能）にする。正しい形状及び寸法を研削しようとする時に、材料は移動し、従って、精密部品はＰＳＺから作ることができない。必要なことは、現在の材料のものに近いコストで最良の材料、この場合はＰＳＺの特質を利用する方法である。
【００３５】
例えば、水圧破砕、採掘、及び石油探査での浸食性スラリポンピング用途、スラリの浸食による摩耗を受ける回転子、軸受、末端キャップなどのような構成要素に関して、アルミニウムろう付けの上述の工程は、ＰＳＺ又はサファイアの「スキン」又は摩耗表層をアルミナの面の上に接合するのに利用される。この手法を利用することにより、ＰＳＺの層が固くそれに接合された下に重なるアルミナ構造体は、必要な形状を達成するのに必要な寸法安定性を提供する。ＰＳＺは、必要とされる耐浸食性能を提供し、アルミナの製造可能性及びコストは、構造体の大部分を提供するのに使用される。サファイアも使用することができるが、サファイアのコスト増加及びＰＳＺの耐浸食性は、一部の場合にＰＳＺをより良い選択肢にする。他の例では、構成要素は、炭化タングステン、極度に硬いセラミック材料で作られる。そのような構成要素の製造は極度に高価である。摩耗を示す場所でのＰＳＺの使用は、構成要素寿命を有意に延ばすと考えられ、摩耗を受けない構成要素区域でのアルミナセラミック材料の使用は、全体のコストを実質的に低減すると考えられる。
【００３６】
例えば、半導体製造に使用されるガスプラズマ注入ノズルを用いて、オリフィスを作るのにサファイアの小片を使用することができる。ノズルの残余は、既に使用されている製造方法及びコストを利用してアルミナ又は窒化アルミニウムを用いてオリフィスなしで製造することができる。サファイアオリフィスは、次に、本明細書に説明するアルミニウムろう付け工程を利用して定位置に結合される。このようにして、サファイアのプラズマ耐浸食性は、元のアルミナノズルの製造可能性及びコストと組み合わされる。
【００３７】
半導体製造では、腐食性及び高温の両方である高エネルギガスプラズマが、集積回路を作るのに必要な処理を達成するのに使用される。多くの用途では、プラズマを閉じ込めて誘導する構成要素が処理環境内で使用される。典型的に、エッジリング、フォーカスリング、ガスリング、ガスプレート、ブロッカープレートなどと呼ばれるこれらの構成要素は、石英、シリコン、アルミナ、又は窒化アルミニウムから一般的に作られる。プラズマによる部品の浸食は、処理ドリフト及び汚染を引き起こし、短い使用時間の後で構成要素の交換を必要とするので、これらの構成要素が数時間の寿命を有することは珍しくない。一部の用途では、プラズマは、セラミックノズルのアレイの使用によって処理環境の中に注入される。これらのノズルは、複合形状を有し、かつプラズマの流量及びパターンを制御するために０．０１０’’程度の直径上に小さいオリフィスを有するモノリシック部品である。これらのノズルのための典型的な材料は、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムである。これらの最新セラミックの使用によっても、ノズルの寿命は、高エネルギプラズマによるオリフィスの浸食に起因して３か月である。これは、機械を３か月毎に完全に停止して典型的に２０よりも多い個々のノズルを含むノズルアレイを交換することを必要とする。ノズルが浸食されている間に、それらは、プラズマの中に汚染物質を放出して処理の収率を低減する。更に、ノズルがこれらの使用寿命に近づくと、プラズマの流れは、オリフィスの浸食に起因して増加し始め、これは、処理性能を変化させて収率を更に低減する。サファイア及び酸化イットリウムのような他の最新セラミック材料は、そのプラズマ環境において有意に低い浸食速度を有する。エッジリング及び注入器ノズルのような構成要素をこれらの材料で作ることができると考えられる場合に、有意な寿命及び性能改善がもたらされるであろう。しかし、上述の製造及びコスト限界に起因して、誰もそのような材料をこの用途に使用しない。必要なことは、現在の材料のものに近いコストで最良の材料の特質を利用する方法である。
【００３８】
本発明の態様は、サファイア（単結晶酸化アルミニウム）、酸化イットリウム、及びＰＳＺのような浸食及び腐食に対して最良の材料の特質を酸化アルミニウムのようなより低コストの最新セラミック材料と組み合わせる方法を提供する。最新セラミック材料をそれら自体及び他の材料に接合するためのろう付け材料としてアルミニウムを使用する本発明の実施形態による方法を利用して、最高性能の最新セラミック材料の特質をアルミナのようなセラミックのより低コスト及び単純製造可能性のコスト及び製造可能性と接合することがここで可能である。そのような工程は、高温で作動させることができ、かつ接合材料間の熱膨張の有意な変動に耐えることができる高レベルの耐浸食性及び浸食性を有する接合部を生成する。
【００３９】
上述のような構成要素の設計の一部として、セラミックの熱膨張差が精査されることになる。ろう付け層の厚み及び／又は面セラミック層の厚みは、ろう付け中及びその後の冷却中に及び使用中に許容可能なレベルよりも低い応力レベルを維持するように選択することができる。
【００４０】
以上の説明から明らかなように、本明細書に与えた説明から広範な実施形態を構成することができ、追加の利点及び修正が当業者には容易に想起されるであろう。本発明は、そのより広い態様では、従って、図示して説明した特定の詳細及び例示的な実施例に限定されない。従って、そのような詳細からの逸脱は、本出願人の全体的な発明の精神又は範囲から逸脱することなく行うことができる。
【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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【国際調査報告】
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