JP6339108B2 - 粉末でつくられたニアネットシェイプ構成要素の圧密化／成型方法 - Google Patents

Description

本開示は、概して、カスタマイズされる微細構造及び高性能を展開させるための材料の高強度磁界処理に関する。

粉末冶金では、粉末材料は、典型的には、多孔性ではない高性能な製品を製作するために適用された静水圧荷重下に高温で長時間さらされて圧密化される。例えば、粉末を冷間圧縮し、半固体のプリフォームを作成し、次いで熱及び圧力を加えることにより、そのプリフォームを圧密化／成型することが知られている。圧縮された粉末で作られるプリフォームは、所望形状の完成パーツに輪郭形成された形成面を有するツール又はダイ上に直接配置することができる。ホットプレス形成では、プリフォームは、完成部品の内側、外側、又は両側の成型線を画定する形成面を含む整合した金属ツール間に配置される。ツール及びプリフォームが、プレス内部に配置され、次いで、ツール及びプリフォームが、圧力下で加熱されて、圧密化されたネットシェイプ部品を製作する。

誘導加熱された圧密化ツールを使用してプリフォームを圧密化及び形成することが知られている。誘導加熱は、導電性物質（通常は金属）が電磁誘導により加熱されるプロセスである。そのような加熱中に、渦電流が金属内部で生成され、金属の電気抵抗がジュール加熱につながる。誘導ヒーターは、典型的には、高周波交流が通過する誘導コイルを備える。圧密化又は形成に必要な加熱を実現するために、サセプタをプリフォーム内又はその近傍に配置することが知られている。サセプタは、誘導加熱され、その熱を、主として伝導を介して、対向するサセプタ表面板の間に挟まれたプリフォームに伝達する。圧力下での加熱中に、プリフォームの隙間の数及び／又は多孔率を減らすことができる、即ち、密度を増加させることができる。

金属の合金化、処理及び熱処理は、かつては概して、温度−組成相図又は急速な冷却プロセスから生じる準安定微細構造により画定されるような平衡微細構造の実現に限定されていた。鉄合金についての最近の調査によって、プリフォームの微細構造を調節及び正確に制御できる程度に高強度磁界を適用することにより、相安定性が変更できることが実験的に示されている。強い磁界を熱処理と組み合わせることは、優れた特性を含む合金及び微細構造の開発につながる可能性がある。

特に、粉末からニアネットシェイプ（ｎｅａｒ ｎｅｔ−ｓｈａｐｅｄ）構成要素を迅速に製造することができるであろうプロセスが必要とされる。これは、チタニウムベースの合金のパーツ製造に対する改善された手ごろな価格の（ａｆｆｏｒｄａｂｉｌｉｔｙ）方法とともに、新たに改良された化学物質を含む鉄（即ち、鉄ベースの）合金でつくられた構成要素を含む。

本開示は、新たに改良された化学物質を含む金属合金でつくられた粉末から、結果として高性能な（例えば、高強度）ニアネットシェイプ構成要素を迅速に（即ち、数分又はそれ未満で）製造する方法及び装置を対象にする。開示された方法は、鉄ベース及びチタニウムベースの合金を含む広範な金属合金に提供可能であろう。これらの要素（鉄及びチタニウム）並びにこれらの合金は、高強度の磁界を介して相図を扱う機会と併せて、高温で入手可能な結晶相変化の組み合わせを提供する。トリウム、マンガン及びバナジウムベースの合金などの他の要素も同様に働くだろう。

以下に詳細が開示される対象の一つの態様は、粉末で作られたプリフォームを圧密化するための方法であって、（ａ）プリフォームをスマートサセプタ（ｓｍａｒｔ ｓｕｓｃｅｐｔｏｒｓ）の間に配置することと、（ｂ）スマートサセプタの表面を通過する磁束を有する変動低強度磁界を適用することにより、スマートサセプタをレベリング温度（ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）まで加熱することと、（ｃ）少なくともスマートサセプタの温度がレベリング温度に達した後の期間中に、圧密圧力をプリフォームに加えることと、（ｄ）圧密圧力が加えられている間に、プリフォームの表面を通過する磁束を有するパルス高強度磁界を適用することとを含む方法である。高強度磁界の強度は、低強度磁界のピーク強度よりも大きい。高強度磁界の強度及びパルスレートは、プリフォームの結晶相が実質的に一定の温度で急速に振動するように選択される。パルス高強度磁界は、プリフォームの超塑性が位相振動中に獲得されるほど十分に長く適用される。

有利には、高強度磁界の強度は、０．５テスラ以上である。有利には、低強度磁界の強度は、０．１テスラ未満である。有利には、高強度磁界のパルスレートは、毎秒複数のパルスである（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐｕｌｓｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）。有利には、圧密圧力は、５ＭＰａから２０ＭＰａの範囲にある。有利には、低強度磁界は、０．５ｋＨｚから１０ｋＨｚの範囲にある周波数で交番する。有利には、粉末は、鉄ベース又はチタニウムベースの合金を含む。有利には、プリフォームは、熱振動を使用して圧密化されるプリフォームに対する厚さ制限を上回る厚さを有する。

別の態様は、粉末で構成要素を製造するための方法であって、（ａ）プリフォームを作成するために粉末を冷間圧縮することと、（ｂ）誘導ツールアセンブリのスマートサセプタの間にプリフォームを配置することと、（ｃ）誘導ツールアセンブリ内の空間を無酸素ガスで充満させることと、（ｄ）スマートサセプタの表面を通過する磁束を有する変動低強度磁界を適用することにより、スマートサセプタをレベリング温度まで加熱することと、（ｅ）少なくともスマートサセプタの温度がレベリング温度に達した後の期間中に、圧密圧力をプリフォームに加えることと、（ｆ）圧密圧力が加えられている間に、プリフォームの表面を通過する磁束を有するパルス高強度磁界を適用することとを含む方法である。ステップ（ｆ）の後で、方法は、（ｇ）プリフォームをクエンチすることと、（ｈ）クエンチされたプリフォームを焼き戻す（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）ことと、（ｉ）プリフォームを誘導ツールアセンブリから取り外すこととを更に含み得る。高強度磁界の強度は、低強度磁界のピーク強度よりも大きい。高強度磁界の強度及びパルスレートは、プリフォームの結晶相が実質的に一定の温度で急速に振動するように選択される。パルス高強度磁界は、プリフォームの超塑性が位相振動中に獲得されるほど十分に長く適用される。

有利には、高強度磁界の強度は、０．５テスラ以上である。有利には、低強度磁界の強度は、０．１テスラ未満である。有利には、高強度磁界のパルスレートは、毎秒複数のパルスである。有利には、圧密圧力は、５ＭＰａから２０ＭＰａの範囲にある。有利には、低強度磁界は、０．５ｋＨｚから１０ｋＨｚの範囲にある周波数で交番する。有利には、粉末は、鉄ベース又はチタニウムベースの合金を含む。有利には、次のステップは、圧密圧力が加えられるステップの後、及びプリフォームが第１及び第２のサセプタの間に留まる間に実行され、このようなステップは、プリフォームをクエンチすることと、クエンチされたプリフォームを焼き戻すことと、プリフォームを誘導ツールアセンブリから取り外すこととを含む。

更なる態様によれば、金属合金粉末材料でつくられたプリフォームを圧密化するための方法が提供される。方法は、（ａ）プリフォームをスマートサセプタの間に配置することと、（ｂ）スマートサセプタの表面を通過する磁束を有する変動低強度磁界を適用することにより、スマートサセプタをレベリング温度まで加熱することと、（ｃ）少なくともスマートサセプタの温度がレベリング温度に達した後の期間中に、圧密圧力をプリフォームに加えることと、（ｄ）圧密圧力が加えられている間に、プリフォームの表面を通過する磁束を有するパルス高強度磁界を適用することとを含む。高強度磁界の強度が、０．５テスラを上回る一方で、低強度磁界のピーク強度は、０．１テスラ未満である。高強度磁界の強度及びパルスレートは、プリフォームの結晶相が実質的に一定の温度で急速に振動するように選択される。パルス高強度磁界は、プリフォームの超塑性が位相振動中に獲得されるほど十分に長く適用される。

有利には、高強度磁界の強度は、０．５テスラ以上である。有利には、低強度磁界の強度は、０．１テスラ未満である。有利には、高強度磁界のパルスレートは、毎秒複数のパルスである。有利には、圧密圧力は、５ＭＰａから２０ＭＰａの範囲にある。

更に別の態様は、粉末で作られたプリフォームを圧密化するための装置であって：それぞれが少なくとも一つの誘導コイルのそれぞれの部分と、互いに向かい合う表面を有する第１及び第２のスマートサセプタとを備える第１及び第２のツールアセンブリであって、第１のツールアセンブリは、向かい合う表面の間に配置されたプリフォーム上に圧縮力圧力を加えるために、第２のツールアセンブリに対して移動可能である、第１及び第２のツールアセンブリと；少なくとも一つの誘導コイルに電気的に接続された電源と；向かい合う表面が、第１及び第２のツールアセンブリの間に配置されるプリフォームに圧縮力を及ぼすように、第１及び第２のツールアセンブリの一つ又は両方に力を加えるための手段と；コントローラであって、電源及び力を加えるための手段を次の：（ａ）スマートサセプタがレベリング温度に加熱されるまで、スマートサセプタの表面を通過する磁束を有する変動低強度磁界を適用するために、電源を制御することと；（ｂ）少なくともスマートサセプタの温度がレベリング温度に達した後の期間中に、圧密圧力に等しい圧縮力をプリフォームに加えるために、力を加えるための手段を制御することと；（ｃ）圧密圧力が加えられている間に、プリフォームの表面を通過する磁束を有するパルス高強度磁界を適用するために、電源を制御することとにより制御するようにプログラムされたコントローラとを備える装置である。高強度磁界の強度は、低強度磁界のピーク強度よりも大きい。高強度磁界の強度及びパルスレートは、プリフォームの結晶相が実質的に一定の温度で急速に振動するように選択される。パルス高強度磁界は、プリフォームの超塑性が位相振動中に獲得されるほど十分に長く適用される。

他の態様が開示され、以下で特許請求される。

先述の態様及び他の態様を示すために図面を参照して、様々な実施形態が以下で説明される。

一つの実施形態による鉄合金粉末でつくられた金属合金を圧密化するための誘導プロセスを示すフローチャートである。 従来の平衡状態（図２Ａ）と、磁気的に強化された（３０テスラ磁界を使用して）平衡状態との両方に対してテストされたベイナイト鋼についての擬二元相図の予測である。［これらの計算された相図は、「カスタマイズされた微細構造及び高性能開発用材料の超高磁場処理の開発（Ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ Ｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」（主任研究員：Ｇｅｒａｒｄ Ｍ． Ｌｕｄｔｋａ博士）と題する、オークリッジ国立研究所による２００５年３月の最終技術報告書（ＯＲＮＬ／ＴＭ−２００５／７９）から抜粋された。］ プリフォームを圧密化及び形成するように設計された整合する表面を有する上部及び下部のツールアセンブリを備える既知の装置の部分の断面を示す図である。ツールアセンブリは、それらの退縮位置に示され、プリフォームは、圧縮されていない状態で示されている。 図３に示される装置の断面図を示す図であるが、この場合、ツールアセンブリは、プリフォームがツールアセンブリの間に圧縮された状態で、その伸長位置にある。 一つの実施形態による下部ツーリングダイの一部の端面図を示す図である。 図５の線６−−−６に沿った、図５に部分的に示される下部ツーリングの一部の断面図を示す図である。 本明細書中で開示される圧密化／成型プロセスを実行するためのコンピュータシステムの構成要素を示すブロック図である。

以下で図を参照するが、異なる図の類似の要素には、同一の参照番号が付される。

以下の詳細な開示は、粉末状の鉄ベース又はチタニウムベースの金属合金でつくられたプリフォームを圧密化及び、成型／形成するための方法及び装置を説明する。しかしながら、スマートサセプタを使用した誘導加熱と、それに続く高強度磁界処理（圧密圧力が加えられる間）との組み合わせは、振動している高強度磁界の適用に応じて、微細構造の変化を受ける他の材料にも適用される。本明細書で開示される磁界強度において、ほとんどの材料は、磁気的に飽和するだろうし、処理温度は、多くの材料をキュリー温度を超えて非磁性状態に至らせるだろうが、なおも高強度磁界により影響が与えられるだろう。

以下で開示される方法論は、ボルト、ピン、着陸装置構成要素、フラップトラック、油圧シリンダ及び他の構成要素の製造に適している。開示される圧密化／成型プロセスは、鉄ベース及びチタニウムベース合金の処理において特定の用途を有するが、より一般的には、その微細構造が上昇温度で結晶相変化を受ける任意の材料に適用することができ、この相変化は、高強度磁界の適用により操作することができる。

本明細書で開示される特定の方法は、金属合金粉末のプリフォームの誘導加熱と、それに続く、圧密圧力が加えられる間の高強度磁界への適用（ｉｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）とを組み合わせる。粉末が鉄ベースの合金（以下「鉄合金粉末」）である場合に、本明細書で開示されるシステムは、スマートサセプタを使用して、プリフォームを、誘導加熱を介してその鉄対オーステナイト相変化まで急速に加熱する。次いで、圧密圧力が、プリフォームに加えられる。その後、鉄合金粉末プリフォームの結晶相を急速に振動させ、圧密圧力が加えられている間に、実質的に一定の温度での圧密化を促進するために、誘導コイルにより、間欠高強度磁界が適用される。超塑性が、位相振動を介して与えられる。結果として、低い圧密圧力が加えられるときでさえ、圧密化は急速かつ完全である。

高強度磁界の使用は、熱振動技術を使用した圧密化を伴う厚さ制限（例えば、約４インチ）を上回る厚さを有するプリフォームの圧密化において、特に有利である。

図１は、一つの実施形態による鉄合金粉末でつくられた金属合金を圧密化するための誘導プロセスを示すフローチャートである。ステップ１００では、鉄合金粉末が、半固体のプリフォームを作成するために冷間圧縮される。ステップ１０２では、プリフォームが、一対の互いに対向するスマートサセプタツール面を有する積層誘導ツールの中に装着される。プリフォームは、スマートサセプタ間に配置される。プリフォーム加熱中にツール表面に所望の初期レベリング温度を提供するために、適切なサセプタの化学物質（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）が選択される。スマートサセプタは、積層誘導ツール面を形成する金属薄板シェルを作成する。

ステップ１０４では、プリフォームを囲むツール内の空間を、加熱中に酸化物形成を排除するために、無酸素ガス（例えば、水素又は窒素）で充満させる。ステップ１０６では、スマートサセプタの表面を通過する磁束を有する変動する（例えば、交番する）低強度磁界を適用することによって、スマートサセプタの化学物質により決定されるレベリング温度まで急速に加熱される。この低強度磁界は、ＡＣ電力を、一対の互いに対向するツーリングダイ（図５及び図６を参照して、以下で詳しく説明される）内に包含される誘導コイルに供給することによって製作することができる。３．低強度磁界のピーク（即ち、最大）強度は、０．１テスラ未満とすることができる。プロセスの誘導加熱部分の間の磁界強度に対する典型的なＲＭＳ値は、０．０２テスラから０．０４テスラまでの範囲であり、結果として、ピーク範囲は、０．０３テスラから０．０６テスラまでの範囲となる。振動の典型的な周波数は、プロセスの誘導加熱の部分では、０．５ｋＨｚから１０ｋＨｚ（例えば、１ｋＨｚ）の範囲となるだろう。

再び図１を参照すると、ステップ１０８では、圧密圧力が、アクチュエータによりプリフォームに加えられ、これにより、スマートサセプタ及びプリフォームがツーリングダイの間に挟まれた状態で、対向するツーリングダイには、互いに向かって力が加えられる。圧密圧力は、少なくともスマートサセプタの温度がレベリング温度に達した後の期間中に加えられる。ステップ１１０では、圧密圧力が加えられている間に、実質的に一定の温度で粉末プリフォームの結晶相を急速に振動させるために、間欠（即ち、パルス）高強度磁界（プリフォームの表面を通過する磁束を有する）が適用される。一つの実施形態によれば、圧密圧力は、５ＭＰａから２０ＭＰａの範囲にあり、高強度磁界の強度は、０．５テスラ以上、高強度磁界のパルスレートは、毎秒複数のパルスである。高強度磁界が、プリフォームをつくり、急速かつ完全な金属合金粉末圧密化のための超塑性挙動を刺激する急速な相変態をつくり出すために使用される特定の金属合金と関連付けられた相平衡状態図を変更するように、適用される高強度磁界パルスの強度、パルスレート及び数が、選択される。低い圧密圧力を使用する間でさえ、圧密化は、急速かつ完全である。

高強度磁界の適用に続き、プリフォームは、冷却液をスマートサセプタの背面に供給することにより、クエンチすることができる（図１のステップ１１２）。クエンチ後、プリフォームを調節する（ステップ１１４）ことにより、熱処理が完了する。クエンチ及び調節は、鉄ベースの構成要素には特に有利である。熱処理されたプリフォームは、次いで、ツールから取り外される（ステップ１１６）。この結果、高強度特性を有する粉末パーツが形成される。

高強度磁界が、炭素鋼合金の相図に著しく影響を与える可能性があることが知られている。オークリッジ国立研究所による２００５年３月の最終技術報告書ＯＲＮＬ／ＴＭ−２００５／７９には、高強度（例えば、３０テスラ）の磁界が相変態温度を上昇させ、様々な相における炭素の溶解度を高め、共析された化学物質（ｅｕｔｅｃｔｏｉｄ ｃｈｅｍｉｓｔｒｉｅｓ）及び温度などの重要な対応点（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ ｐｏｉｎｔｓ）をシフトすることを示す予測相図が含まれていた。図２Ａ及び図２Ｂ（先述の報告書からの抜粋）は、従来の平衡状態（図２Ａ）と、磁気的に強化された平衡状態（図２Ｂ）との両方に対してテストされたベイナイト鋼について計算された擬二元相図を示す。適用された磁界の強度は、３０テスラであった。図２Ａ及び図２Ｂに示される計算結果は、位相領域が、適用される磁界により上に向かって且つ右にシフトされることを明示し、このことは、相変態温度が上昇し、炭素の相溶解度が高まることを意味している。

本明細書で開示されるプロセスは、実質的に一定の温度での圧密化中に粉末構成要素の結晶相を急速に変化させる先述の効果を用いる。一つの実施形態によれば、高強度磁界は、圧密圧力が加えられる間に毎秒複数回の速度で急速に振動する（即ち、パルス化される）。一つの実施形態によれば、磁界は、ゼロから少なくとも０．５テスラに等しい強度までの間で振動する、即ち、各磁気パルスは、少なくとも０．５テスラの強度を有する。その結果、圧密化中に、粉末構成要素の位相の急速な変化が生じる。この位相の変化は、急速な隙間のない圧密化を可能にする超塑性を与える。金属合金粉末の利用により、鍛錬処理条件から生じる合金化剤（ａｌｌｏｙｉｎｇ ａｇｅｎｔｓ）への制約が取り除かれ、より高い合金化含有物（ａｌｌｏｙｉｎｇ ｃｏｎｔｅｎｔ）が可能になる。図２Ｂは、３０テスラの磁界の効果を示すが、もっと小さな範囲でも（０．５テスラでさえ）意味のある性能が可能になるだろう。このプロセスにより、他の製造方法を使用したら不可能である化学物質を含むプリフォームからの改善された特性を有するニアネットシェイプ構成要素の製造が可能になる。

本明細書で開示されるプロセスを使用したプリフォームの適合されたツール圧密化のための一つの既知の装置が、図３及び図４に部分的に示される。図３が、先行圧密化段階の装置を示す一方で、図４は、圧密化進行中の装置を示す。装置は、下部ダイフレーム２、下部ダイフレーム２により支持され、第１の輪郭形成されたダイ表面６を有する下部ツーリングダイ４、上部ダイフレーム８、及び上部ダイフレーム８により支持され、第１の輪郭形成されたダイ表面６に相補的な第２の輪郭形成されたダイ表面１２を有する上部ツーリングダイ１０を備える。輪郭形成されたダイ表面６及び１２は、図３及び図４に示されたものとは異なる複雑な形状を画定し得る。しかしながら、本明細書で開示される新規の手段はまた、ダイ表面が平面であるときにも適用される。ダイフレーム２及び８は、下部及び上部ツーリングダイ４及び１０を一体的に保持し、ダイの寸法精度を維持するための機械的制約として作用する。ダイフレーム２及び８は、ダイを互いに向かって及び互いから離れるように移動させるアクチュエータ（図３及び図４には図示されず）に連結され得る。さらに、一つ又は複数の誘導コイル（図３及び図４には図示されず）は、プリフォームの温度を少なくともその圧密化温度まで上昇させるための誘導ヒーターを形成するために、ツーリングダイ４及び１０の各々を通って延び得る。熱制御システム（図示されず）は、誘導コイルに結合され得る。

なおも図３及び図４を参照すると、装置は、電気的かつ熱的伝導材料でつくられた下部サセプタ１８及び上部サセプタ２０を更に備える。サセプタ及び誘電コイルは、サセプタを電磁誘導によって加熱できるように位置決めされる。下部サセプタ１８は、概して、第１の輪郭形成されたダイ表面６に一致し得、上部サセプタ２０は、概して、第２の輪郭形成されたダイ表面１２に一致し得る。場合によっては、プリフォームが圧密化される温度は、ある温度を超えないことが好ましい。この目的を達成するために、サセプタ１８及び２０は、好ましくは、いわゆる「スマートサセプタ」である。スマートサセプタは、閾値（即ち、キュリー）温度に達するまで、熱を有効に生成する材料（単数又は複数）から構成される。スマートサセプタの部分がキュリー温度に達すると、これらの部分の透磁率が、キュリー温度で１（ｕｎｉｔｙ）まで低下する（即ち、サセプタは、常磁性になる）。この透磁率の低下には、二つの効果がある、即ち、この透磁率の低下により、キュリー温度でのこれらの部分による熱の生成が制限され、磁束が低温部分にシフトするのであるが、これにより、キュリー温度未満のこれらの部分が、より急速にキュリー温度まで上昇することになる。したがって、形成プロセス中の加熱されたプリフォームの熱均一性は、サセプタの材料を賢明に選択することにより、誘導コイルに供給される入力電力に関わらず、実現することができる。一つの実施形態によれば、各サセプタは、透磁性材料の層又は薄板である。サセプタを構築するための好ましい透磁率の材料は、キュリー温度よりも高い温度まで加熱されると、透磁率が約１０倍低下する（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ １０−ｆｏｌｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）強磁性材料を含む。臨界温度でのそのような透磁率の大きな低下は、サセプタの温度制御を促進し、その結果、製造されているパーツの温度制御も促進する。強磁性材料は、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム及びジスプロシウム、並びにそれらの合金を含む。

一つの実施形態によれば、サセプタは、サセプタが誘導加熱コイルにより生成される電磁エネルギーに応じて加熱される設定温度点を作成するために選択される特定の材料組成を含む、鉄、ニッケル、クロミウム及び／又はコバルトを含む強磁性材料で形成される。この点で、材料の強磁性相と常磁性相との間に転移があるサセプタのキュリー点が、サセプタが誘導的に加熱される設定温度点を画定するように、サセプタが構築され得る。更には、サセプタは、キュリー点がプリフォームの相変態温度よりも高い、典型的にはほんの僅かでも高いように構築され得る。

図３及び図４に示される圧密化／成型装置は、ツーリングダイ４及び１０に配置されるそれぞれの組の冷却コンジット１６（例えば、ＳｉＮ管でつくられた）を備える冷却システム１４を更に備える。各組の冷却剤コンジット１６は、それぞれのマニホールドを介して、液体、気体、若しくはミスト又はエアロゾルなどの気体／液体混合物を含み得る冷却媒体源に連結される。冷却システムは、プリフォームの高強度磁界処理の後にスマートサセプタの背面をクエンチするために、起動することができる。

圧密化及び成型プロセスの典型的な実施態様では、プリフォーム２２は、図３に示されるように、スタックされたツーリング装置の上部及び下部のツーリングダイの間に最初に位置決めされる。次いで、ツーリングダイ４及び１０は、図４に示されるようにそれぞれのツールが閉じた位置に達するまで、油圧アクチュエータ、空気圧式アクチュエータ又は他のアクチュエータにより互いに向かって移動する。圧密化プロセス中に、振動電力が、電源（図示されず）により誘導コイルに供給される。供給された電力は、サセプタ１８及び２０をそれらのレベリング温度まで急速に加熱し、続いてプリフォーム２２を加熱する振動磁束を生成する。このプロセス中に、プリフォームが、サセプタ１８及び２０の対向する輪郭形成された（又は平坦な）表面によって成型されるだろう。

本明細書に開示される圧密化プロセスによれば、誘導コイルには、スマートサセプタをそれらのレベリング温度まで加熱する変動低強度磁界（例えば、０．１テスラ未満）を生成するために最初に交流が供給される。低強度磁界の適用に続き、圧密圧力が加えられる。圧密圧力が加えられている間、誘導コイルには、次いで、プリフォームの位相を急速に振動させ、これにより、位相間の容量不一致のために超塑性をプリフォーム材料に与えるパルス高強度磁界（例えば、少なくとも０．５テスラ）を生成するために、間欠直流が供給される。

十分に長い期間にわたって高強度磁界が適用された後に、冷却システム１４は、冷却媒体を、ツーリングダイ４及び１０に、さらに冷却サセプタ１８及び２０、並びにそれらの間のプリフォーム２２にも適用するように操作されるだろう。プリフォーム２２は、プリフォームのクエンチが達成されるまでの所定期間にわたり、サセプタの間に挟まれた状態を維持する。これにより、成型及び圧密化されたプリフォーム２２は、サセプタ１８及び２０の輪郭形成された表面により画定される構造形状、及び改善された強度特性を提供する微細構造を保持することができる。圧密化及び冷却後に、アクチュエータは、圧密化された製品を型から取り外すことができるように、ツーリングダイを引き離す。形成及び冷却されたプリフォームは、適切な特性強化速度で冷却されると、寸法精度を損なわずに、スタックされたツーリング装置から取り外される。

図５は、一つの実施形態による下部ツーリングダイ４の一部の端面図である。上部ツーリングダイは、類似の構造を有し得る。各ツーリングダイは、互いに平行であり得る多様な空洞３２を備える。図５は、たった２つのそのような空洞３２を示しており、各空洞３２の上部は、空洞の最上部分を通る誘導コイル３４のそれぞれの巻部分（ａ ｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ｔｕｒｎ）を含んでいる。

図６に示される断面図は、図５に見られる線６−−−６に沿ったものであり、空洞３２を貫通するが、その中の誘導コイル３４の部分は貫通していない。一つ又は複数のコイルを使用することができる。製造を必要とするパーツが大きくなるにつれ、各コイルが必要とする電圧を制限するために、コイルを平行に結合された複数のコイルに分割する必要があり得る。スマートサセプタがなければ、各平行なコイルへの電流（更には温度）の制御が、問題と成り得るだろう。簡略化のため、図５及び図６は、取り付けられたサセプタの対応する部分が角度を有するのではなく水平である下部ツーリングダイの一部を示す。

なおも図５及び図６を参照すると、下部ツーリングダイは、一つ又は複数の誘導コイル３４の巻（ｔｕｒｎｓ）が存在する複数の平行な長手方向の空洞３２を形成するために適切な寸法にトリミングされる、別の金属（例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）オーステナイトニッケル／クロミウムベースの超合金）プレート２８と、誘電体スペーサ３０との積層を含み得る。各金属プレート２８は、約０．０６２５インチから約０．５インチまでの範囲の厚さを有し得る。空隙３６（図６を参照）は、サセプタの冷却を促進するために、金属プレート２８の上部間に提供され得る。スタックされた金属プレート２８は、クランプ、留め具及び／又は当業者に既知の他の適する手段（図示されず）を使用して、互いに取り付けられ得る。スタックされた金属プレート２８は、それらの電気的特性及び熱的特性に基づき選択され得る。スタックされた金属プレート２８は、典型的には、プリフォームの圧密化温度を優に上回る溶融点を有する強く硬い材料で形成される。更に、スタックされた金属プレート２８は、低熱膨張、高断熱、及び低電磁吸収により特徴づけられる材料で形成することができる。スタックされた金属薄板は、輪郭形成されたそれぞれのダイ表面に対して、概して垂直関係に配向され得る。各金属薄板は、例えば、約１／１６インチから約１／４インチまでの厚さを有し得る。スタックされた金属薄板間での電流の流れを防止するために、電気絶縁コーティング（図示されず）が、スタックされた各薄板の各面に任意で提供され得る。絶縁コーティングは、例えば、セラミック材料であり得る。空隙は、約０．１５インチの間隙などで、ダイの冷却を促進するために隣接してスタックされた金属薄板の間に提供され得る。

図６で最もよく分かるように、スマートサセプタ１８は、下部ツーリングダイの金属プレート２８に直接取り付けられる。（図３に見られるスマートサセプタ２０は、同様に、上部ツーリングダイの金属プレートに直接取り付けられる。）一つの実施態様によると、金属プレート２８は、オーステナイト（非磁性の）ステンレス鋼でつくられる。スタックされた金属プレート２８は、クエンチ流体（気体又は液体）が加熱されたサセプタ１８の表面に直接衝突できるように、金属プレートの間に空間３６を有することができる。この空間は、スマートサセプタ表面のシェルの厚さ及び強度、並びに使用される圧密圧力によって決定される。また、サセプタは、互いへの電気的結合を必要としない。金属プレート２８は、サセプタ付近、及びクエンチ媒体がサセプタに流れることができるために必要とされる場所を除いて、誘電体スペーサ３０と交互に配置される。同一の判断が、上部ツーリングダイ及びそれに取り付けられるサセプタにも当てはまる。

好ましくは、各誘導コイル３４は、軽く引き出される（ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｌｉｇｈｔｌｙ ｄｒａｗｎ）銅管から製造される。管の軽く引き出された状態により、数値制御された曲げ機により、正確な曲げが可能になる。数値制御された管の曲げにより、サセプタの変化する輪郭に対する管の正確な配置が可能になり、これにより、各サセプタが、サセプタの長さ及び幅全域にわたって誘導ヒーターに均一に誘導的に連結される程度を改善する。しかしながら、後ほど開示される柔軟層は、サセプタが凹凸ではなく平坦である場合にも用いることができると理解すべきである。任意で、コイル３４はまた、水などの冷却剤流体のためのコンジットとしての機能を果たすことにより、熱エネルギーを除去する。曲げられ取り付けられた後に、コイルは、可撓性のある管セクションにより結合される真っすぐな管セクションを含む。可撓性のある管セクションは、真っすぐな管セクションに結合し、更にまた、ダイの分離を可能にする。誘導コイル３４の管の正確な配置は、磁束領域（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｆｉｅｌｄ）により生成される熱量及び冷却剤流体の流れにより除去される熱量の均一性を促進する。

米国特許番号６，５２８，７７１に開示されるように、誘導コイル３４は、電源、制御素子、センサ及び好ましくは水を含む流体冷却剤供給部（図示されず）を含む、温度制御システムに結合することができる。電源は、コイルに電磁束領域（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｆｉｅｌｄ）を生成させる誘導コイル３４に交流を供給する。流体冷却剤供給部は、コイル循環及びダイからの熱エネルギー除去のために、誘導コイル３４へ水を供給する。センサは、電源により供給される電力を測定することができる。代替的には、又は電力供給を測定することに加え、センサは、誘導コイル３４全域での電圧降下を測定することができる電圧計を含み得る。制御素子は、センサ出力を受信し、電源により供給されている電力を調節するためにフィードバックループで測定値を使用する。制御素子は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又は電源による電圧出力を調整するためにフィードバックを使用することができるそれらの組み合わせを含むことができる。

特定のスケジュールによる、図１に見られる工程１０６、１０８、１１０、１１２及び１１４を実行するためのコンピュータシステムが、図７に示される。この実施形態では、上部サセプタ２０が、上部ツーリングダイ１０の下に配置される一方で、下部サセプタ１８は、下部ツーリングダイ４の上に配置される。圧密化プロセス中に、上部及び下部ツーリングダイは、油圧アクチュエータ４６により互いに向かって移動し、そのツールの閉じる動きは、図７の矢印により示される。先ほど述べられた方法で、電源４８により、電力が誘導コイル（図示されず）に供給される。圧密化及び冷却後に、油圧アクチュエータ４６は、圧密化された製品を型から取り外すことができるように、ツーリングダイを引き離す。油圧アクチュエータ４６及び電源４８（更に図９に図示されない冷却剤供給部）は、コントローラ４４の制御下で動作する。コントローラ４４は、処理ユニット（例えば、中央処理ユニット）及び処理ユニットにより読み取り可能であるプログラムを記憶するためのある形式のメモリ（即ち、コンピュータ可読媒体）を備えるコンピュータ又はプロセッサであり得る。

コンピュータプログラムは、電源及び油圧アクチュエータの動作を制御するための、設定可能なプロセスパラメータを含み得る。例えば、コントローラ４４は、（ａ）スマートサセプタがレベリング温度に加熱されるまで、スマートサセプタの表面を通過する磁束を有する変動低強度磁界を適用するために、電源４８を制御する（ｂ）少なくともスマートサセプタの温度がレベリング温度に達した後の期間中に、圧密圧力に等しい圧縮力をプリフォームに加えるために、油圧アクチュエータ４６を制御する（ｃ）圧密圧力が加えられている間に、プリフォーム（図７には示されず）の表面を通過する磁束を有するパルス高強度磁界を適用するために、電源４８を制御するように、電源４８及び油圧アクチュエータ４６を制御するようにプログラムされる。高強度磁界の強度は、低強度磁界のピーク強度よりも大きい。高強度磁界の強度及びパルスレートは、プリフォームの結晶相が実質的に一定の温度で急速に振動するように選択される。パルス高強度磁界は、プリフォームの超塑性が位相振動中に獲得されるほど十分に長く適用される。

本発明は、様々な実施形態を参照しながら説明されてきたが、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく様々な変形例が可能であること、及びその要素を同等物に置換することが可能であることを理解するだろう。さらに、その本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況を本明細書の教示に適合させるために、多くの修正を行うことが可能である。したがって、特許請求の範囲は、開示された特定の実施形態に限定されるものではないことが意図される。

以下に記載の方法の特許請求の範囲は、その中に列挙されたステップが、アルファベット順に、又はそれらが列挙された順序で実行されることを要求すると解釈されるべきではなく、２つ以上のステップが、当該ステップの１つの持続期間の少なくとも一部の間に同時に実行されることを排除すると解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. 粉末で作られたプリフォーム（２２）を圧密化するための方法であって、
   前記プリフォーム（２２）をスマートサセプタ（１８、２０）の間に配置することと、
   前記スマートサセプタ（１８、２０）の表面を通過する磁束を有する変動低強度磁界を適用することにより、前記スマートサセプタ（１８、２０）をレベリング温度まで加熱することと、
   少なくとも前記スマートサセプタ（１８、２０）の温度が前記レベリング温度に達した後の期間中に、圧密圧力を前記プリフォーム（２２）に加えることと、
   前記圧密圧力が加えられている間に、前記プリフォーム（２２）の表面を通過する磁束を有するパルス高強度磁界を適用することと
   を含み、
   前記高強度磁界の強度は、前記低強度磁界のピーク強度よりも大きく、前記高強度磁界の前記強度及びパルスレートは、前記プリフォーム（２２）の結晶相が実質的に一定の温度で急速に周期的な位相の変化を起こすように選択され、前記パルス高強度磁界は、前記プリフォーム（２２）の超塑性が前記周期的な位相の変化の間に獲得されるほど十分に長く適用される、方法。
2. 前記高強度磁界の前記強度は、０．５テスラ以上である、請求項１に記載の方法。
3. 前記低強度磁界の強度は、０．１テスラ未満である、請求項２に記載の方法。
4. 前記高強度磁界の前記パルスレートは、毎秒複数のパルスである、請求項１に記載の方法。
5. 前記圧密圧力は、５ＭＰａから２０ＭＰａの範囲にある、請求項１に記載の方法。
6. 前記低強度磁界は、０．５ｋＨｚから１０ｋＨｚの範囲にある周波数で交番する、請求項１に記載の方法。
7. 前記粉末は、鉄ベース又はチタニウムベースの合金を含む、請求項１に記載の方法。
8. プリフォーム（２２）を作成するために粉末を冷間圧縮することと、
   誘導ツールアセンブリ内の空間を無酸素ガスで充満させることと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記パルス高強度磁界適用のステップ後、及び前記プリフォーム（２２）が、前記スマートサセプタ（１８、２０）のうちの第１と第２のサセプタの間に留まる間に実行されるステップであって、
   前記プリフォーム（２２）をクエンチするステップと、
   前記クエンチされたプリフォーム（２２）を焼き戻すステップと、
   前記プリフォーム（２２）を誘導ツールアセンブリから取り外すステップと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記プリフォーム（２２）は、熱振動を使用して圧密化されるプリフォームに対する厚さ制限を上回る厚さを有する、請求項１に記載の方法。
11. 粉末で作られたプリフォーム（２２）を圧密化するための装置であって、
    それぞれが少なくとも一つの誘導コイル（３４）のそれぞれの部分と、互いに向かい合う表面を有する第１及び第２のスマートサセプタ（１８、２０）とを備える第１及び第２のツールアセンブリであって、前記第１のツールアセンブリは、前記向かい合う表面の間に配置されたプリフォーム（２２）上に圧縮力圧力を加えるために、前記第２のツールアセンブリに対して移動可能である、第１及び第２のツールアセンブリと、
    前記少なくとも一つの誘導コイル（３４）に電気的に接続された電源（４８）と、
    前記向かい合う表面が、前記第１及び第２のツールアセンブリの間に配置されるプリフォーム（２２）に圧縮力を及ぼすように、前記第１及び第２のツールアセンブリの一つ又は両方に力を加えるための手段と、
    コントローラ（４４）であって、前記電源（４８）及び前記力を加えるための手段を、
    （ａ）前記スマートサセプタ（１８、２０）がレベリング温度に加熱されるまで、前記スマートサセプタ（１８、２０）の表面を通過する磁束を有する変動低強度磁界を適用するために、前記電源（４８）を制御することと、
    （ｂ）少なくとも前記スマートサセプタ（１８、２０）の温度が前記レベリング温度に達した後の期間中に、圧密圧力に等しい圧縮力を前記プリフォーム（２２）に加えるために、前記力を加えるための手段を制御することと、
    （ｃ）前記圧密圧力が加えられている間に、前記プリフォーム（２２）の表面を通過する磁束を有するパルス高強度磁界を適用するために、前記電源（４８）を制御することと
    により制御するようにプログラムされたコントローラ（４４）と
    を備え、
    前記高強度磁界の強度は、前記低強度磁界のピーク強度よりも大きく、前記高強度磁界の前記強度及びパルスレートは、前記プリフォーム（２２）の結晶相が実質的に一定の温度で急速に周期的な位相の変化を起こすように選択され、前記パルス高強度磁界は、前記プリフォーム（２２）の超塑性が前記周期的な位相の変化の間に獲得されるほど十分に長く適用される、装置。

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