JP7357138B2 - 厚さの異なるクラッド層を持つクラッド材 - Google Patents

Description

（関連出願へのクロスレファレンス）
本出願は、２０１９年３月２２日に出願された米国仮特許出願第６２/８２２，２２３号の利益を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
背景

ある種の用途では、製品を作る際に材料を組み合わせることで、両方の材料の有利な特性を利用することができる。例えば、鉄（スチール）とアルミニウムとを組み合わせて製造することで、鉄の強度とアルミニウムの軽量化を両立させた部品を作ることができる。他の例としては、熱を拡散させるためにアルミニウムの芯を使用し、美しい外観を維持するためにステンレススチールの仕上げを使用する調理器具や、腐食に強い内面を持ちながら高い圧力を維持するために強い材料が必要な圧力容器などがある。

金属の特性の違いから、従来の溶接方法では異種金属の接合が困難な場合がある。そこで、異種金属を層状に接合することが考えられる。しかし、既知のクラッディング（層状接合）方法では、十分な強度と品質の接合を実現するために、クラッド層（被覆層）の厚さを実質的に均一にする必要がある。それにもかかわらず、特定の用途においては、例えば、クラッド材間の接合乃至結合を容易にするため、あるいはクラッド材の特定の領域の耐食性、摩擦性、又は耐熱性を高めるために、クラッド層の選択的な部分をクラッド層の残りの部分よりも厚くすることが望ましい場合がある。

したがって、クラッド層の厚さが変化してもよいクラッド材(cladded article）及びクラッド材の製造方法の開発が望まれる場合がある。

クラッド材の例示的な実施形態は、第１の金属層、クラッド層、及びクラッド層と第１の金属層との間に配置された第１の固相溶接界面領域を含んでもよい。クラッド層は、クラッド層の厚さ方向に第１のクラッド層厚を有する第１のクラッド層領域と、クラッド層の厚さ方向に第２のクラッド層厚を有する第２のクラッド層領域とを含んでもよい。第２のクラッド層の厚さは、第１のクラッド層の厚さよりも大きくてもよい。

クラッド材を製造する方法の例示的な実施形態は、第１の材料からなり、第１の金属層表面を有する第１の金属層を提供することと、第２の材料からなり、実質的に均一な第１のクラッド層厚を有するクラッド層を提供することと、クラッド層を第１の金属層表面に固相溶接することと、クラッド層を第１の金属層表面に固相溶接した後、第１の金属層に対向するクラッド層の外面に材料を接合することにより、修正クラッド層領域を形成することとを含んでもよい。修正クラッド層領域における第２のクラッド層の厚さは、第１のクラッド層の厚さよりも大きくてもよい。

クラッド材は、ベース層と、タンタル又はタンタル合金を含む材料から形成されたクラッド層と、クラッド層とベース層との間に配置された第１の固相溶接界面領域と、クラッド層の下層部分に接合されたクラッド層突起とを含んでもよい。クラッド層プロジェクションは、クラッド層に超音波溶接された複数の層状の箔（フォイル）を含んでもよい。複数の箔材は、タンタル又はタンタル合金からなる材料で形成されていてもよい。

より具体的な説明は、添付の図に示されている例示的な実施形態を参照することによって行われる。これらの図面は、例示的な実施形態を描いており、本開示の範囲を限定するものではないことを理解した上で、例示的な実施形態は、以下の添付図面を使用することにより、さらに具体的かつ詳細に説明されるであろう。

図１は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図２は、例示的な実施形態による、クラッド材の断面図である。 図３は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図４は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図５は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図６は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図７は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図８は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図９は、例示的な実施形態による、クラッド材の断面図である。 図１０は、例示的な実施形態による、クラッド材の断面図である。 図１１は、例示的な実施形態による、クラッド材の断面図である。 図１２は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図１３は、例示的な実施形態による、クラッド材の透視図である。 図１４は、例示的な実施形態による、クラッド材の断面図である。 図１５は、例示的な実施形態による、クラッド材の製造方法を示すフローチャートである。 図１６は、例示的な実施形態による、クラッド材の製造方法を示すフローチャートである。 図１７は、爆発圧接によってクラッド材を作成する手順を示す説明模式図である。 図１８は、例示的な実施形態による粉末床装置を示す模式図である。 図１９は、例示的な実施形態による粉体供給装置を示す模式図である。 図２０は、例示的な実施形態による電子ビーム装置の模式図である。 図２１は、例示的な実施形態によるワイヤアーク装置の概略図である。

例示的な実施形態の様々な特徴、側面、及び利点は、図及び詳細な説明全体において、同様の数字が同様の構成要素を表す添付の図面とともに、以下の詳細な説明からより明らかになるだろう。記載された様々な特徴は、必ずしも図面に縮尺を合わせて描かれているわけではないが、いくつかの実施形態に関連する特定の特徴を強調するために描かれている。

ここで使用されている見出しは、整理を目的としたものであり、本開示又は請求項の範囲を限定するものではない。理解を容易にするために、可能であれば、図に共通する同種の要素を示すために参照数字を使用している。

（詳細説明）
次に、様々な実施形態について詳細に言及する。各例は説明のために提供されるものであり、限定を意味するものではなく、すべての可能な実施形態を定義するものでもない。

図１は、クラッド材１００の例示的な実施形態を示す。クラッド材１００は、第１の金属層１１０とクラッド層１２０とを含んでもよい。例示的な実施形態では、第１の金属層１１０は、ステンレス鋼、炭素鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、又はこれらの材料のいずれかを含む合金などの材料で形成されてもよい。例示的な実施形態では、クラッド層は、アルミニウム、鋼、チタン、ジルコニウム、銅、銀、タンタル、又はこれらの材料のいずれかを含む合金などの材料で形成されてもよい。しかし、第１金属層１１０及びクラッド層１２０はこれらの材料に限定されず、特定の用途の要件に応じて他の材料を使用してもよいことが理解されるであろう。

クラッド層１２０は、固相溶接法により第１金属層１１０に接合され、それにより、クラッド層１２０と第１金属層１１０との間に配置された第１の固相溶接界面領域１３０が形成されてもよい。第１の固相溶接界面領域１３０は、クラッド層１２０と第１金属層１１０との間で、クラッド層１２０及び第１金属層１１０のそれぞれからの原子が互いに拡散している領域であってもよい。第１の固相溶接界面領域１３０の図示は、説明のためだけのものであり、縮尺通りに描かれていないことが理解されるであろう。例示的な実施形態では、第１の固相溶接界面領域１３０は、以下で詳細に説明するように、第１の爆発圧接界面領域であってもよい。

本図２に見られるように、クラッド層１２０は、クラッド層１２０の厚さ方向Ｚに第１のクラッド層の厚さＤ１を有する第１のクラッド層領域１２２を含んでいてもよい。例示的な実施形態では、第１のクラッド層の厚さＤ１は、約０.１ｍｍから約５１ｍｍ（すなわち、約２インチ）の範囲であってもよい。第１のクラッド層の厚さＤ１が５１ｍｍよりも実質的に大きくなると、クラッド層１２０と第１の金属層１１０との間で固相溶接を行うことが困難になる可能性があることを理解してもよい。クラッド層１２０は、クラッド層１２０の厚さ方向Ｚに第２のクラッド層の厚さＤ２を有する第２のクラッド層領域１２４をさらに含んでもよい。第２のクラッド層の厚さＤ２は、第１のクラッド層の厚さＤ１よりも大きくてもよい。第２のクラッド層厚は、所望の用途に合わせて任意の大きさであってもよい。一般に、均一な厚さで形成されるクラッド層は、それに関連する厚さの製造公差を有することが理解されるであろう。例えば、クラッド層の例示的な実施形態が１ｍｍの所望の均一な厚さを有する場合、実際に製造されるクラッド層は、１ｍｍ±ｘの任意の１つのスポットにおける厚さを有してもよく、ｘは厚さ製造公差である。クラッド材１００において、第１のクラッド層の厚さＤ１と第２のクラッド層の厚さＤ２との差Ｄ３は、Ｄ１に等しい均一な厚さを有するクラッド層の厚さ製造公差よりも大きくてもよいことが理解されるであろう。言い換えれば、クラッド材１００の厚さのばらつきは設計によるものであり、単に製造公差の副産物ではない。

図３－８は、第２のクラッド層領域のサイズ及び形状の可能なバリエーションを示す例示的な実施形態である。例えば、図３では、複数の同一の第２のクラッド層領域１２４が提供される。しかし、複数のクラッド層領域の各第２のクラッド層領域１２４は、同一である必要はないことが理解されるであろう。例えば、図４は、第２のクラッド層領域１２４ａ、１２４ｂ、及び１２４ｃが厚さが異なる例示的な実施形態を示す。図５は、第２のクラッド層領域１２４ｄ、１２４ｅの長さ及び／又は幅が変化する例示的な実施形態を示す。図６は、第２のクラッド層領域１２４ｆの厚さが、第２のクラッド層領域１２４ｆ内で変化し得る例示的な実施形態を示す。図７は、第２のクラッド層領域１２４が特定の形状に限定されないことを説明する例示的な実施形態を示す図である。例えば、第２のクラッド層領域１２４ｇは、曲線又は円形の形状を有していてもよく、第２のクラッド層領域１２４ｈは、不規則な多角形の形状を有していてもよい。場合によっては、第２のクラッド層領域１２４は、他のピースと結合又は相互作用するために、複雑な三次元（３Ｄ）形状を必要とすることがある。図８は、第２のクラッド層領域１２４ｊが、他のピースと機械的に嵌合又は結合するための貫通孔１２６又はノッチ１２７を含んでいてもよい例示的な実施形態を示している。

上記の例では、第１金属層１１０とクラッド層１２０とが、固相溶接法によって接合されてもよいことを説明した。固体溶接は、ろう材を添加することなく、接合される母材の融点以下の温度で構造要素間の結合／溶接を生成する溶接プロセスのグループを含んでもよい。例示的な実施形態では、固体溶接は、（ｉ）構造要素の一部を液相又は気相にしないで、（ｉｉ）圧力を使用して、（ｉｉｉ）温度の助けを借りて、又は借りないで、結合／溶接プロセスとして記述されることがある。固体溶接は、圧力と温度の広い範囲で行われ、母材のかなりの変形と固体の拡散を伴う。固体溶接には、冷間溶接、拡散溶接、爆発圧接（爆着）、鍛造溶接、摩擦溶接、熱間圧接、ロール溶接、超音波溶接などがある。

爆発圧接（ＥＸＷ）は、制御された爆発を利用して、異種金属を金属学的に結合した高品質な接合部に強制的に移行させる固体溶接技術である。異種金属間の接合部は、高い機械的強度を持ち、超高真空に耐え、急激な温度変化にも耐えることができる。ＥＸＷは、２つの金属を溶接したり、クラッディング（層状接合）したりする際に、一方の部品を爆発物で超高速に加速して行う固相プロセスである。このプロセスが固相であるのは、２つの部品が常に固体の状態にあるからである。これは、アーク溶接、ガス溶接、ホットディップ、電気めっき、蒸着など、少なくとも一方の成分を液化、ガス化、イオン化させる必要がある他の金属同士の溶接やクラッディング技術とは対照的である。

ＥＸＷは固体のプロセスであるため、液体や気体のプロセスに比べて、異種金属をはるかに低い温度で処理することができる。金属の結晶構造は、その金属がさらされた温度に大きく依存する。金属によっては、高温のプロセスにさらされると、金属の物理的特性が非常に不利な方向に変化してしまう。ＥＸＷは一般的に、炭素鋼鈑に耐食性のある材料を薄くクラッドするために使用される。例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン、ジルコニウム、銀、及びタンタルは、図１－８に示すように、クラッド層１２０に使用される材料の非限定的な例である。クラッド層１２０は、これらの材料に限定されるものではなく、特定の用途によって保証されるように他の材料を使用してもよいことが理解されるであろう。さらに、炭素鋼以外の他の材料を第１金属層１１０として使用してもよい。

ＥＸＷで製造される典型的な形状は、プレート、チューブ、チューブシート、シリンダーなどである。チューブやチューブシートは、内側と外側のどちらの面でもクラッド層にすることができる。が、固体のシリンダーは、爆発物を固体のシリンダーに入れることができないという明らかな理由から、外側の面だけをクラッド層にすることができる。ＥＸＷによる形状の初期形成には、少なくとも効率面での制限が存在するが、標準的な形状に変更を加えることができる。すなわち、ＥＸＷでクラッド層を形成した後、クラッド板、クラッド管、クラッド管シート、又はクラッド円筒に、多数のクラッド後のプロセスを施すことで、多数の異なる形状を得ることができる。基本的には、クラッド層を劣化させない任意の成形／機械加工プロセスをクラッド構造に適用することができる。

ＥＸＷは、通常の方法では溶接やその他の方法で接合することができない２つの金属を接合することができる。このプロセスでは、どちらかの金属を溶かすのではなく、両方の金属の表面が可塑化されると同時に、お互いに密接に接触することになる。この可塑化と接触により、溶接が行われる。これは、摩擦溶接などの他の非融合溶接技術と同様の原理である。広い面積を非常に短時間で接合することができ、反応時に双方の金属の表面物質が激しく排出されるため、溶接部は非常にきれいに仕上がる。ＥＸＷは、同種の金属や異種の金属を幅広く接合することができる。

図１７は、第１の金属層１１０とクラッド層１２０とを爆発圧接してクラッド材１００を生成するための方法９００の例示的な実施形態を示す。ブロック９１０では、第１の金属層１００とクラッド層１２０とが別々に準備され、検査される。爆発圧接において、クラッド層１２０が実質的に均一な厚さを有することが重要である場合があり、そうでない場合は、爆発圧接中に加えられる力の幾何学的形状が最適でない場合があり、その結果、低品質の溶接が行われることに留意されたい。ブロック９２０では、第１の金属層１１０及びクラッド層１２０の合わせ面、すなわち、金属層合わせ面１１２及びクラッド層合わせ面１２１が、グラインダー１６０によって研削されてもよい。ブロック９３０では、クラッド層１２０は、クラッド層嵌合面１２１が金属層嵌合面１１２に対向し、その間に所定のギャップ１２６が設けられた状態で配置されてもよい。爆発性材料１６４は、クラッド層１２０の上に積層されてもよい。ブロック９４０において、爆発性材料１６４は、矢印１６８によって図示されるように、第１の側面から始まり、反対側の側面へと進行するように爆発される。爆発の力１６６は、クラッド層１２０を第１の金属層１１０に対して推進し、それによって、その間に第１の固相溶接界面領域１３０を形成する。ブロック９５０では、ローラー１７０がクラッド材１００に適用され、それを平らにする。ブロック９６０では、クラッド材が品質試験を受ける。例えば、超音波プローブ１７２をクラッド層１２０の外面１２８上に使用して、クラッド層１２０と第１の金属層１１０との間の高品質な結合を確認してもよい。

上述した例示的な実施形態では、第１の金属層１１０がクラッド層１２０に直接接合されているが、いくつかの実施形態では、第１の金属層１１０とクラッド層１２０との間に中間層を設けてもよいことが理解されるであろう。例えば、図９は、中間層を用いたクラッド材２００の例示的な実施形態を示す。クラッド材は、第１の金属層２４０、第２の金属層２１０、及びクラッド層２２０を含んでもよい。第２の金属層２１０は、ベース層であってもよく、第１の金属層２４０は、中間層であってもよい。第１金属層２４０は、例えば、銅からなる材料で形成されていてもよい。第１金属層２４０の第１金属層表面２１２は、第１の固相溶接界面領域２３０を介してクラッド層２２０に接合されてもよい。さらに、第１金属層２４０は、第１金属層表面２１２とは反対側の面で、第２の固相溶接界面領域２５０を介して、第２金属層２１０に接合されてもよい。例示的な実施形態では、第１の固相溶接界面領域２３０及び第２の固相溶接界面領域２５０は、第１の爆発圧接界面領域及び第２の爆発圧接界面領域であってもよい。

上述した例示的な実施形態では、クラッド材１００及びクラッド材２００を平板状の構造体として示している。しかし、クラッディング（層状接合）に適した任意の形状又は形態、例えば、パイプ、チューブ、シリンダー、及び／又は他の任意の適切な形状が理解されるであろう。例えば、図１０は、第１の金属層３１０及びクラッド層３２０を有するパイプ状のクラッド材３００の例示的な実施形態を示す。第１の金属層３１０及びクラッド層３２０は、クラッド層３２０と第１の金属層３１０との間に配置された第１の固相溶接界面領域３３０によって互いに接合されてもよい。クラッド層３２０は、第１のクラッド層領域３２２と、第１のクラッド層領域３２２よりも大きな厚さを有する第２のクラッド層領域３２４とを有していてもよい。

図１１は、中間層を用いたパイプ状のクラッド材４００の例示的な実施形態を示す。例えば、クラッド材４００は、第１の金属層４４０、第２の金属層４１０、及びクラッド層４２０を含んでもよい。第１金属層４４０は、例えば、銅の中間層であってもよい。第１金属層４４０とクラッド層４２０は、第１の固相溶接界面領域４３０を介して接合されてもよい。さらに、第１金属層４４０と第２金属層４１０とは、第２の固相溶接界面領域４５０を介して接合されてもよい。クラッド層４２０は、第１のクラッド層領域４２２と、第１のクラッド層領域４２２よりも大きな厚さを有する第２のクラッド層領域４２４ａ、４２４ｂとを有していてもよい。

図１２－１３は、様々な厚さのクラッド層を有するクラッド材の追加の例示的な実施形態を示す。例えば、図１２は、その約半分が仕上げ処理を施されたクラッド材５００を示す。図１２はさらに、仕上げられたクラッド面５２０及び未仕上げのクラッド面５４０を示している。クラッド層の変化する厚さの領域は、完成したサイドリブ５２２、未完成のサイドリブ５４２、及びクロスリブ５２４の形態をとることができる。

図１３は、外層６２０が基材であり、内層６１０がクラッド材であるクラッド材６００の例示的な実施形態を示す。ダクト６２２は、内層６１０と同じ材料で形成されてもよく、外層６２０を介して構築される。穴６２４は、外層６２０及び内層６１０に予め形成されていてもよいし、ダクト６２２の本体の形成後に機械加工によって形成されてもよい。

図１４は、圧力容器又は反応室の構築に使用され得るクラッド材７００の例示的な実施形態を示す。クラッド材７００は、ベース層７１０及びクラッド層７２０を含んでもよい。ベース層７１０及びクラッド層７２０は、固体溶接界面領域７３０を介して接合されてもよい。ベース層７１０は、ステンレス鋼、炭素鋼、チタン、又は圧力容器を形成するのに適している任意の他の材料などの材料で形成されてもよい。クラッド層７２０は、純タンタルもしくはタンタル合金、又は反応室に使用される他の耐腐食性材料で形成されてもよい。例示的な実施形態では、クラッド層７２０は、２.５％のタングステンを含むタンタル合金で形成されてもよい。タンタルのような材料はかなり高価であり、したがって、製造コストを削減するためには、これらの材料の使用をできるだけ少なくすることが望ましい。一方で、クラッド材７００を他のクラッド材と接合して完成した反応室を形成する際には、部品同士を接合するための材料を増やし、より高品質な接合部を作るために、クラッド層７２０の厚い領域を持つことが有用である場合がある。例えば、タンタルのような材料は、下地のベース層７１０よりも実質的に高い融点を有する場合がある。したがって、別のクラッド材に接合するためにクラッド層７２０を加熱すると、下地のベース層７１０が反ったり損傷したりする可能性がある。したがって、下地のベース層７１０を熱的損傷からよりよく絶縁するために、接合が行われる場所にタンタルのより厚い層を有することが望ましい場合がある。これらの競合する利益に対処するために、クラッド材７００は、クラッド層７２０の厚さが実質的に均一な第１の厚さである第１のクラッド層領域７２２を含んでもよい。さらに、クラッド材７００は、第１の厚さよりも大きい第２の厚さを有する第２のクラッド層領域７２４を含んでもよい。第２のクラッド層領域７２４は、クラッド層７２０の下地部分７２６と、下地部分７２６に接合されたクラッド層突起部７２８とを含んでもよい。例示的な実施形態では、第２のクラッド層領域７２４は、接合のためにより大きな厚さが必要な領域に設けられてもよい。したがって、必要な場所に余分な材料を提供するだけで、製造コストを実質的に削減することができる。

また、第２のクラッド層領域７２４は、複数の箔材７２５を積層して形成されてもよい。言い換えると、クラッド層突起７２８は、複数の箔７２５を積層して構成されていてもよい。図１４は、第２のクラッド層領域が箔材７２５_１、７２５_２、・・・７２５_ｎ－１、７２５_ｎを積層して形成されてもよいことを示しているが、ｎは箔材の総数を表す整数である。図１４には少なくとも４つの箔材７２５が示されているが、４つより多い又は少ない箔材が使用されてもよいことが理解されるであろう。例えば、第２のクラッド層領域７２４は、クラッド層７２０に接合された単一の箔材で構成されてもよい。あるいは、第２のクラッド層領域の任意の所望の厚さを達成するために、４つよりも多い任意の数の箔材を使用してもよい。例示的な実施形態では、箔材７２５は、クラッド層７２０と同様の材料で形成されてもよい。例えば、箔材７２５は、タンタル又はタンタル合金から形成されてもよい。あるいは、例示的な実施形態では、箔材７２５は、異なる材料で形成されてもよい。例えば、箔材は、Ｔａ、Ｗ、Ｔａ、Ｗなどの交互のパターン、又はＴａ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｃｕなどの交互のパターンで配置されてもよい。

例示的な実施形態では、各箔材７２５の厚さは、約０.００５インチから約０.００８インチの範囲内であってもよい。例示的な実施形態では、第２のクラッド層領域７２４の総厚さは、クラッド層７２０の表面の上で０.０２０インチであってもよい。しかし、所望の用途のニーズに応じて、より小さい及びより大きい厚さも得られることが理解されるであろう。

図１５は、変化する厚さを有するクラッド層を有するクラッド材を製造するための方法８００の例示的な実施形態を示す。例えば、ブロック８１０では、図１４に示すベース層７１０のような第１の金属層が提供される。ブロック８１２では、図１４に示すクラッド層７２０のようなクラッド層が提供される。ブロック８１４では、第１金属層とベース層とを、固体溶接を介して接合してもよい。固体溶接は、爆発圧接プロセスであってもよいし、上述したような他の適切な固体溶接プロセスであってもよい。固体溶接は、上述した方法のいずれかによって達成されてもよい。ブロック８１６では、図１４に示す第２のクラッド層領域７２４などの修正クラッド層領域を、第１金属層とは反対側のクラッド層の外面に材料を接合することによって作成してもよい。例示的な実施形態では、ブロック８１６は、図４に示す第２のクラッド層領域１２４ａ、１２４ｂ、及び１２４ｃなど、複数の修正クラッド層領域を作成することを含んでもよい。

図１６は、変化する厚さを有するクラッド層を有するクラッド材を製造するための方法８０２の例示的な実施形態を示す。例えば、ブロック８１０では、図１４に示すベース層７１０のような第１の金属層が提供される。ブロック８１２では、図１４に示すクラッド層７２０のようなクラッド層が提供される。ブロック８１４では、第１金属層とベース層とを、固体溶接を介して接合してもよい。固体溶接は、爆発圧接プロセスであってもよいし、上述したような他の適切な固体溶接プロセスであってもよい。固相溶接は、上述した方法のいずれかによって達成されてもよい。ブロック８２０では、追加された材料が、第１の金属層とは反対側のクラッド層の外面に接合されて、図１４に示す箔材７２５_１のような修正クラッド層領域を形成する。箔材７２５_１の場合は、箔材７２５_１をクラッド層７２０に超音波溶接してもよい。ブロック８２２では、修正クラッド層領域が所望の高さにあるかどうかが判断される。修正クラッド層領域が所望の高さにない場合（すなわち、ブロック８２２で「いいえ」）、本方法はブロック８２４に進み、ここで、図１４に示す箔材７２５_２のような材料の追加が修正クラッド層領域に接合される。箔材７２５_２の場合、箔材７２５_２は、超音波溶接を介して箔材７２５_１に接合されてもよい。その後、本方法はブロック８２２に戻る。ブロック８２２及び８２４のループは、修正クラッド層領域の所望の高さを達成するために、必要な回数だけ繰り返されてもよい。修正クラッド層領域の所望の高さが得られると、本方法はブロック８２６に進み、仕上げ処理が適用されてもよい。仕上げ処理は、所望の最終形状及びテクスチャを達成するために、研磨、バフ研磨、機械加工、エッチングなどの処理を含んでもよいが、これらに限定されない。

上述の方法８０２では、修正クラッド層領域を形成するための１つの可能な方法として、超音波溶接プロセスを説明した。しかしながら、材料をクラッド層に結合し、修正クラッド層領域を形成するために、様々なプロセスが使用され得ることが理解されよう。これには、粉末床融合プロセス、指向性エネルギー堆積プロセス、シート積層プロセス、摩擦溶接プロセス、摩擦攪拌溶接プロセス、冷間金属移送プロセス、抵抗溶接プロセス、コールドスプレー堆積プロセス又はウォームスプレー堆積プロセスなどの運動性金属化プロセス、バインダージェット印刷プロセス、プラズマスプレープロセスなどが含まれるが、これらに限定されない。

コールドスプレー堆積プロセスは、ガスジェット中の粉末材料を加速して基板に衝突させることを含んでもよい。基板に衝突すると、動力化された材料の粒子は、塑性変形を受け、基板の表面に付着してもよい。温熱スプレー成膜プロセスは、動力化された材料の粒子が衝突前に加熱されることを除いて、冷熱スプレー成膜プロセスと同様であってもよい。温熱スプレー蒸着プロセスでは、粒子の温度はパワーのある材料の融点よりも低くなる。

粉末床融合（ＰＢＦ）は、直接金属レーザー溶融、電子ビーム溶融、有向性金属レーザー焼結、選択的レーザー溶融、選択的レーザー焼結、選択的熱焼結など、さまざまな技術で使用される可能性のあるプロセスである。ＰＢＦでは、まず粉末を用意し、粒子が融合するのに十分な程度まで粉末を溶かす。ＰＢＦプロセスでは、粒子を「焼結」（部分的に溶かす）する場合と、完全に溶かす場合がある。レーザー、電子ビーム、又は加熱されたプリントヘッドなどの熱エネルギーが、粉末を部分的又は完全に溶かしす。ＰＢＦでは、最初の基板の前の層の上に、極薄の粉末材料の層を追加する。この層は、ローラーやブレードで広げることができる。粉体は、ビルドプラットフォームの下又は横にあるリザーバーから供給され、各層の粉体を収容するために下降する。粉末は、レーザー、電子ビーム光源、可視光源、又は単なる熱源を用いて、下地構造の全体又は選択された部分に融着されてもよい。プロセスの終了時には、未融着の粉末を吹き飛ばすことができる。

図１８は、粉末床製造システム４の例示的な実施形態を示す。システム４では、スキャナ１２を介して粉末８にレーザー１０を当てることで、コンポーネント１６を層ごとに構築してもよい。粉末８は、粉末床１８に収容されていてもよく、レーザー１０が作用する粉末８の部分は、構成要素１６の以前に固化した部分に配置されていてもよい。粉末８は、粉末リザーバー２０ａ及びレーキ又はローラー２０ｂを含む粉末供給システム２０によって、常に粉末床１８に供給されてもよい。

図１９は、粉末供給製造システム６の例示的な実施形態を示す。システム６では、コンポーネント１６は、ビーム誘導システム２２及びレンズ２４を介して粉末８にレーザー１０を向けることにより、層ごとに構築されてもよい。粉末８は、粉末供給装置２６に収容されてもよく、蒸着ヘッド３０によって適切な位置に導かれてもよい。キャリアガス２８は、コンポーネント１６の以前に固化した部分上の適切な位置に粉末８を搬送してもよい。レーザー１０は、コンポーネント１６の以前に固化した部分上に配置された粉末８の一部に選択的に作用してもよい。レーザー１０によって作用されなかった粉末は、例えば、層形成の間に、コンポーネントから定期的に除去されてもよい。

指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ：ディレクテッド・エネルギー・デポジション）は、レーザー、電子ビーム、プラズマ・アークなどの高集束熱エネルギーを利用して、粉末金属やワイヤーフィラメントから加熱室に噴射された材料を溶融・融合させるものである。ＤＥＤは、ダイレクトメタルデポジションやメタルデポジションと呼ばれることもある。このシステムでは、４軸又は５軸に沿って金属を蒸着することができる。

レーザーエンジニアリングネットシェイプ技術は、ノズルから粉末を吐出し、粉末の一部をレーザーで選択的に溶かして物体を造形するＤＥＤベースのシステムである。言い換えれば、ＤＥＤは、クラッド材のクラッド層のように、既存の金属部品や金属基材に材料を追加するために使用することができる。その他のＤＥＤプロセスとしては、電子ビームアディティブメルティングやラピッドプラズマデポジションが挙げられる。電子ビームアディティブメルティングでは、真空チャンバー内で電子ビームを発射することで金属の溶融が起こる。金属粉末又はワイヤーフィラメントのいずれかが、それぞれ２０ミクロンの薄さの層で完全に溶融される。高速プラズマ蒸着では、アルゴンガス環境下でプラズマアークによりワイヤーフィラメントを溶かし、製造後の機械加工をほとんど、あるいは全く必要としない部品を製造することができる。

図２０は、電子ビームＤＥＤ装置５０の例示的な実施形態を示す。装置５０は、電子ビーム（「ＥＢ」）銃４２と、３軸マニピュレータと、電子ビーム４４源と、ワイヤ供給装置５６とを含んでもよい。例示的な実施形態では、図１９に見られるように、電子ビーム銃４２とワイヤ供給装置５６を一体化してもよい。３軸マニピュレータは、ワイヤ５８の作業先端部６２のワークピース６０に対する相対的な移動を３次元的に、すなわち３軸で可能にしてもよい。図２０の実施形態は、ｘ軸に沿った相対移動を可能にするために、ワークピースプラットフォーム５２を含んでもよい。電子ビーム銃４２の側方移動及び上下移動は、それぞれy軸及びz軸に沿った相対的な移動を可能にしてもよい。

電気的に駆動される電子ビーム銃４２は、高速で指向性の電子ビーム４４を生成してもよい。この指向性の電子ビーム４４は、ワイヤ５８の作業先端部６２と、任意に、ワークピース６０又はワイヤ５８から金属が溶けた溶融合金溜まり４６のいずれかと交差してもよいが、場合によってはワークピース６０からも交差してもよい。電子からの運動エネルギーは、ワイヤ５８の作業先端６２、基板５０、ワークピース６０、及び溶融パドル４６のうちの１つ又は複数との衝突時に熱に変換されてもよい。発生した熱は、固体ワイヤ５８を溶かすのに十分であってもよい。ワークピースプラットフォーム５２及び取り付けられたワークピース６０が横方向に（図１９に示すように左方向に）移動されると、電子ビーム４４によってもはや加熱されていない溶融合金は冷却することができ、その結果、現在はワークピース６０の一部である再固化合金５４となることができる。プラットフォーム５２の移動と連動したワイヤ供給装置５６によるワイヤ５８の連続的な前進により、溶融合金の溜まり４６は、定常的な作業状態で比較的一定の大きさに維持される。再凝固合金５４が金属の各層を追加してワークピースに「追加」するものの体積特性は、固体ワイヤ５８及び溶融合金パドル４６に加えられるエネルギー量、ワークピース６０の移動、システムの冷却パラメータ、及びワイヤ５８がワイヤ供給装置５６から出る速度に依存する。これらのパラメータ及び他のパラメータを変更することにより、先行する堆積物４８の上にある再凝固合金５４層の厚さを変化させることができる。また、再凝固合金５４の幅、すなわち、Ｙ軸方向の寸法も、少なくともある程度は可変とすることができる。

なお、システム５０は、電子ビーム４４の散逸や、電子ビーム銃４２とワイヤ５８との間の空気の加熱を防ぐために、真空状態で行われてもよい。

図２１は、ワイヤアーク製造装置７０の例示的な実施形態を示す。装置７０では、導電性要素７２及びワイヤ分配ローラー８４を介して、ワイヤ５８に電位が印加される。被加工物６０の電位は、ワイヤ５８の電位と大きく異なっていてもよく、例えば、一方が帯電し、他方が電気的に接地されていてもよい。ワイヤ５８の作業先端部６２は、作業先端部６２と被加工物６０との間に電気アーク８２が存在するように、被加工物６０から距離を置いて保持されてもよい。

電気アーク８２を構成するプラズマは、ワイヤ５８の作業先端部６２だけでなく、プラズマと接触しているワークピース６０の部分も溶かすのに十分な温度であってもよい。電気アーク８２、すなわちプラズマがワークピース６０に触れる部分には、ワークピース６０上に溶接プール８０が形成され、作業先端部６２からの溶融金属が溶接プール８０に加えられてもよい。基板５０及びワークピース６０の下にある３軸マニピュレータのワークピースプラットフォームが左に移動すると、溶接プール８０が右に移動し、アーク８２に触れていたワークピース６０の部分が冷却され、その結果、再凝固した合金５４となり、ワークピース６０の一部となることができる。

ノズル７６は、ワイヤ５８の一部と関連していてもよい。ノズル７６は、シールドガス７８を溶接領域に供給してもよい。シールドガス７８は、溶接領域からの酸素及び水蒸気の濃度を低減するために使用される不活性又は半不活性ガスであってもよく、酸素及び／又は水蒸気は、アーク溶接の結果に有害な影響を与える可能性がある。したがって、装置７０は、酸素及び水蒸気の排除を含む制御された大気条件の下で代替的に使用されてもよい。このような設定では、ノズル７６及びシールドガス７８は必要ないかもしれない。

ローラー８４を介したワイヤ５８の連続的な前進は、定常的な作業状態において溶接プール８０を比較的一定の大きさに維持することができる。再凝固合金５４が金属の層を追加するごとにワークピース６０に「追加」するものの体積特性は、ワイヤ５８とワークピース６０との間の電位差、ワークピース６０のＸ軸方向の移動、システムの冷却パラメータ、及びワイヤ５８が消費される速度など、システムのアーク溶接特性に依存してもよい。これらのパラメータ及び他のパラメータを変更することで、先行堆積物４８の上にある再凝固合金５４層の厚さを変化させることができる。また、再凝固合金５４の幅、すなわち、Ｙ軸方向の寸法も、少なくともある程度は可変であってもよい。

マテリアル・ジェッティングは、ドロップ・オン・デマンド技術を用いた製造プロセスである。ノズルは、材料の液滴を層ごとに吐出することができる。例示的な実施形態では、次の層を作る前に、ＵＶ光で液滴を硬化及び／又は固めることができる。あるいは、ナノ粒子の噴射などの例示的な実施形態では、液体に金属粒子を注入してもよい。液滴の各層が基板上に堆積されると、ビルドチャンバー内の高温によって液体が蒸発し、金属の層が残されることがある。

バインダージェットプロセスでは、粉末材料と結合剤を使用することができる。ノズルは、粉末金属の層に結合剤の液滴を付着させることができる。複数の層は、各層が形成された後に、粉末床が下方に移動することで得られる。このようにして得られた構造は、他の製造方法に比べて高い気孔率を持つ可能性があることが理解されるであろう。

超音波溶接では、金属のシート、リボン、箔材などを使って、一度に１つの層を作ることができる。超音波溶接には、チタン、ステンレススチール、銅、アルミニウム、タングステン、タンタルなど、さまざまな金属が使用される。また、超音波振動を発生させる装置であるソノトロードを転がすことで、超音波溶接と圧縮を行い、金属層を結合させることができる。超音波溶接は溶融を必要としないため、他の製造方法に比べてエネルギー消費量が少ないのが特徴である。さらに、機械加工やその他の仕上げ加工を行うことで、対象物の表面をより美しくしたり、余分な材料を取り除いたりすることができる。

本開示は、様々な実施形態、構成、及び側面において、その様々な実施形態、サブコンビネーション、及びサブセットを含む、本明細書に描かれ、説明されているコンポーネント、方法、プロセス、システム、及び／又は装置を含む。本開示は、様々な実施形態、構成、及び側面において、本明細書に描かれていない、及び／又は記載されていないが、当技術分野で周知又は理解され、本開示と一致するような、例えば、コンポーネント又はプロセスの実際の又は任意の使用又は包含を企図している。

「少なくとも１つ」、「１つ以上」、「及び／又は」という表現は、接続詞と分離詞の両方の動作をするオープンエンドの表現である。例えば、「Ａ、Ｂ及びＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ又はＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ及びＣのうちの１つ又は複数」、「Ａ、Ｂ又はＣのうちの１つ又は複数」、及び「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」という表現のそれぞれは、Ａ単独、Ｂ単独、Ｃ単独、ＡとＢが一緒、ＡとＣが一緒、ＢとＣが一緒、又はＡ、Ｂ及びＣが一緒を意味している。

本明細書及びそれに続く請求項では、以下の意味を持つ多くの用語が参照される。「ａ」（又は「ａｎ」）及び「ｔｈｅ」という用語は、文脈が明らかに他を指示しない限り、その実体の１つ又は複数を表現し、それによって複数の表現を含む。そのため、「ａ」（又は「ａｎ」）、「１つ以上」及び「少なくとも１つ」という用語は、本明細書で互換的に使用することができる。さらに、「１つの実施形態」、「いくつかの実施形態」、「１つの実施形態」などへの言及は、記載された特徴をも組み込んだ追加の実施形態の存在を排除すると解釈されることを意図したものではない。本明細書及び特許請求の範囲で使用されている近似表現は、関連する基本的な機能に変化をもたらすことなく許容的に変化する可能性があるあらゆる定量的表現を修正するために適用することができる。したがって、「約」などの用語で修正された値は、指定された正確な値に限定されない。場合によっては、近似的な表現が、その値を測定するための機器の精度に対応することもある。第１」、「第２」、「上」、「下」などの用語は、１つの要素を他の要素から識別するために使用され、特に指定がない限り、要素の特定の順序又は数を意味しない。

本明細書では、「かもしれない（may）」及び「たぶん（may be）」という用語は、一連の状況における発生の可能性、特定の特性、特徴、又は機能の保有、及び/又は、修飾された動詞に関連する能力、能力、又は可能性の１つ以上を表現することによって、他の動詞を修飾することを示す。したがって、「かもしれない（may）」及び「たぶん（may be）」の使用は、修正された用語が、ある状況では修正された用語が時に適切ではないかもしれないことを考慮しつつ、示された能力、機能、又は使用法に対して見かけ上、適切、有能、又は適していることを示している。例えば、ある状況下ではある事象や能力が期待できるが、別の状況下ではその事象や能力が発生することはなく、この区別が「かもしれない（may）」及び「たぶん（may be）」という用語で表現されている。

特許請求の範囲で使用されている「含む」という単語とその文法上の変形は、論理的には、例えば、「"本質的に構成されている（consisting essentially of）」や「構成されている（consist of）」など、様々な範囲のフレーズを含むが、これらに限定されない。必要に応じて、範囲が提供されており、それらの範囲は、その間のすべてのサブ範囲を含む。本開示が特定の実施形態における特定の範囲の使用を明確にしている場合を除き、添付の特許請求の範囲が範囲の変化をカバーすることが期待される。

本明細書で使用されている「決定する（determines）」、「計算する（calculate）」、「計算する（compute）」、及びそれらのバリエーションは、互換的に使用されており、あらゆるタイプの方法論、プロセス、数学的操作、又は技術を含む。

本開示は、例示及び説明の目的で提示されている。本開示は、本明細書に開示された形態に限定されるものではない。本開示の詳細な説明では、例えば、いくつかの例示的な実施形態の様々な特徴は、本開示にすべての潜在的な実施形態、変形、及び特徴の組み合わせの説明を含めることが実行不可能である程度に、それら及び他の企図された実施形態、構成、及び側面を代表的に説明するためにまとめられている。したがって、開示された実施形態、構成、及び側面の特徴は、上で明示的に議論されていない代替の実施形態、構成、及び側面において組み合わせられてもよい。例えば、以下の請求項に記載されている特徴は、単一の開示された実施形態、構成、又は側面のすべての特徴よりも少ないものである。したがって、以下の請求項は、各請求項が本開示の別個の実施形態として独立している状態で、本詳細説明に組み込まれる。

科学技術の進歩により、本開示の用語では必ずしも表現されていないバリエーションが提供される可能性があるが、特許請求の範囲ではこれらのバリエーションが必ずしも排除されない。

Claims (18)

1. 第１の金属層とクラッド層とを含み、
   前記クラッド層は、
   厚さ方向に第１のクラッド層の厚さを有する第１のクラッド層領域と、
   厚さ方向に前記第１のクラッド層の厚さよりも大きい第２のクラッド層の厚さを有する第２のクラッド層領域と、
   前記クラッド層と前記第１の金属層との間に配置された第１の固相溶接界面領域とを有し、
   前記クラッド層は前記第１の金属層より高い融点を有し、
   前記第２のクラッド層領域は接合用のクラッド層突起部を有し、
   前記クラッド層は、タンタル又はタンタル合金を含む材料で形成され、
   前記第２のクラッド層領域は、前記クラッド層に積層された複数の箔材で構成されており、かつ前記複数の箔材は、タンタル又はタンタル合金を含む材料で形成されているクラッド材。
2. 前記第１の固相溶接界面領域は、第１の爆発圧接界面領域であることを特徴とする請求項１に記載のクラッド材。
3. 前記第２のクラッド層領域は、複数設けられている、請求項１記載のクラッド材。
4. さらに第２の金属層及び第２の固相溶接界面領域を備え、前記第２の固相溶接界面領域は、前記クラッド層とは反対側で前記第２金属層と前記第１金属層とを接合することを特徴とする請求項１記載のクラッド材。
5. 前記第１金属層が銅中間層であることを特徴とする請求項４記載のクラッド材。
6. 前記第２の固相溶接界面領域は、第２の爆発圧接界面領域であることを特徴とする請求項４記載のクラッド材。
7. 前記第１のクラッド層の厚さと前記第２のクラッド層の厚さとの差が、前記第１のクラッド層の厚さに等しい均一な厚さを有する前記クラッド層の厚さ製造公差よりも大きい、請求項１記載のクラッド材。
8. 前記複数の箔は、前記クラッド層に超音波溶接されていることを特徴とする請求項１記載のクラッド材。
9. 第１の材料で構成され、第１の金属層表面を有する第１の金属層を提供する工程と、
   第２の材料を含み、実質的に均一な第１のクラッド層の厚さを有するクラッド層を提供する工程と、
   前記クラッド層を前記第１金属層表面に固相溶接する工程と、
   前記クラッド層を前記第１の金属層表面に固相溶接した後、前記第１の金属層と対向する前記クラッド層の外面に部分的に材料を接合して、溶接用のクラッド層突起部を有する修正クラッド層領域を形成する工程を含み、
   前記修正クラッド層領域における第２のクラッド層の厚さが、前記第１のクラッド層の厚さよりも大きく、
   前記クラッド層は前記第１の金属層より高い融点を有する
   ことを特徴とするクラッド材の製造方法。
10. 前記クラッド層を前記第１の金属層に固相溶接する工程は、前記クラッド層を第１の金属層に爆発圧接する工程を含む請求項９記載の方法。
11. 前記修正クラッド層領域の形成は、複数の前記修正クラッド層領域の形成を含む請求項９記載の方法。
12. 前記第１のクラッド層の厚さと前記第２のクラッド層の厚さとの差が、前記第１のクラッド層の厚さと等しい均一な厚さを有する前記クラッド層の所定の厚さ公差よりも大きい、請求項９記載の方法。
13. 前記クラッド層がタンタル又はタンタル合金からなる材料で形成されている請求項９記載の方法。
14. 前記修正クラッド層領域は、複数の箔材が積層されて構成されていること、及び前記複数の箔材は、タンタル又はタンタル合金を含む材料で形成されている請求項１３記載の方法。
15. 前記修正クラッド層領域を形成する工程は、前記複数の箔材をクラッド層に超音波溶接する工程からなる請求項１３記載の方法。
16. 前記クラッド層の表面に材料を接合して前記修正クラッド層領域を形成する工程は、
    粉末床融合プロセス、指向性エネルギー堆積プロセス、シートラミネーションプロセス、超音波溶接プロセス、摩擦溶接プロセス、摩擦攪拌溶接プロセス、冷間金属移送プロセス、抵抗溶接プロセス、冷間溶射プロセス、及び温間溶射プロセスからなる群のうちの１つを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
17. ベースレイヤーと、
    タンタル又はタンタル合金を含む材料で形成されたクラッド層と、
    前記クラッド層と前記ベース層との間に配置された第１の固相溶接界面領域とを備え、
    前記クラッド層は前記ベースより高い融点を有し、
    前記クラッド層は、さらに前記クラッド層の外面に部分的に接合された溶接用のクラッド層突起部を有し、
    前記クラッド層突起部は、前記クラッド層に超音波溶接された層状の複数の箔材で構成され、
    前記複数の箔材は、タンタル又はタンタル合金からなる材料で形成されていることを特徴とするクラッド材。
18. 前記第１の固相溶接界面領域は、第１の爆発圧接界面領域であることを特徴とする請求項１７記載のクラッド材。

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