JPH0362763B2

JPH0362763B2 -

Info

Publication number: JPH0362763B2
Application number: JP60105329A
Authority: JP
Inventors: Munehide Katsumura; Akihiro Uchiumi; Kazuhiko Sugasaka; Jun Matsuda; Shigeyuki Nagata
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1991-09-27
Also published as: JPS61264108A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はレーザによる微粉末の製造法に関す
る。本発明の製造法による各種微粉末は溶射材料
として使われるのみならず、粉体粉末関連分野の
素材原料として用いることができる。

（従来の技術）一般に粉体粉末冶金を中心とする各種工業分野
において使用される粉末の大きさは数ミクロンか
ら数十ミクロンのものが主流となつているが、近
年高機能化、高性能化等へのニーズに応えるもの
として超微粉末が注目され始めた。超微粉末とは
通常サブミクロン以下の大きさの粉末のことを指
している。粉末の粒径が小さくなるに従つて粉末
を構成している全原子数に対する表面原子数の比
が大きくなつて、表面エネルギが無視できないほ
ど大きくなる。このため元の素材にはない新しい
特性が得られるので、新素材開発のうちの一つの
テーマとして研究応用開発が盛んに行われてい
る。

（発明が解決しようとする問題点）従来、各種の微粉末製造法が開発されている
が、超微粉末を含めた微粉末の製造は粗粒子の粉
砕或いはイオン、原子からの核形成と成長による
という原理によつてなされており、反応に要する
時間が長い、または製造プロセスが複雑でその能
率が低いという欠点があつた。したがつて、簡便
かつ効率的な微粉末の製造法の開発は今後の重要
な研究開発課題である。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであ
り、その目的とするところは、種々の組織形態を
もつ実用的に優れた微粉末の簡便な製造法を提供
することにある。

（問題点を解決するための手段）この目的を達成するために本発明者等は種々の
組織形態をもつ微粒子を得るのに適した製造法に
ついて鋭意研究を重ねた結果、製造条件のうち最
も重要である素材の高温化が、高エネルギ密度ビ
ームであるレーザビームを用いることにより可能
であり、かつ雰囲気を調整することによつて、レ
ーザで高温に加熱され活性化された金属の化学反
応を促進することができ、その目的を達しうるこ
とを見出し、この知見に基づいて本発明を完成す
るに至つた。

すなわち、本発明の要部は、レーザ光線を集光
レンズで収れんし、連続送給する上記金属ワイヤ
を溶融するとともに、上記ワイヤに向つて吹きつ
けられるガスの圧力で微粉化すること、あるい
は、同時に、レーザ光線の収れん部に微粉末を供
給してこれを加熱して、上記ワイヤに向つて吹き
つけられるガスの作用で、加熱された微粉末を上
記金属ワイヤの溶融金属で被覆すること、並び
に、上記の溶融金属もしくは加熱された微粉末を
雰囲気調整により非金属化あるいは還元すること
によつて各種の組織形態をもつ微粒子を製造する
ことを特徴とするレーザによる微粉末の製造法に
存する。

上記構想にもとづいてまとめた本発明のレーザ
による微粉末の製造法は、(1)レーザ光線を集光レ
ンズで収れんし、連続送給するワイヤ状または粉
末状素材に照射して溶融または昇温させ、これに
噴射ガスを吹きつけ、噴霧化して微粒子を作る微
粉末製造法において、異質素材の一方をワイヤ
状、他方を粉末状にして、同時にレーザ光線収れ
ん部へ送り、溶融した上記ワイヤ状素材、昇温し
た上記粉末状素材、それぞれを噴射ガスにより同
時に噴霧化、混合することにより、上記粉末状素
材微粉末を上記ワイヤ状素材成分により被覆する
ことを特徴とし、その(2)はレーザ光線を集光レン
ズで収れんし、連続送給するワイヤ状または粉末
状素材に照射して溶融または昇温させ、これに噴
射ガスを吹きつけ、噴霧化して微粒子を作る微粉
末製造法において、上記噴射ガスとして、上記素
材に対し酸化、窒化、脱酸、脱窒等、いずれかの
反応をするガスを用いる事により、素材微粉末を
上記ガスとの反応生成物により被覆することを特
徴とするものである。

（作用）この発明はレーザ光線を集光レンズで収れん
し、素材加熱能力を高める。

発明(1)は、その高熱のレーザ収れん部へ、異質
素材の一方をワイヤ状、他方を粉末状にして送
る。送られたワイヤ状素材の先端がレーザ光線に
照射され、温度が急上昇し体積が急膨張しても、
安定して進むからたちまち溶融し、噴射ガスによ
つて飛ばされる時は十分高温な液体微粒として噴
霧化される。

他方、粉末状素材は粉末間相対移動が容易なた
め、一方向からの照射により全体を溶融しにくい
のと、送給速度、方法等により、溶融しないか、
一部溶融しても噴射ガスの冷却作用ですぐ固まる
程度に昇温させて噴射ガスに当てる。これによる
固体粉末の噴霧と前記液体微粒の噴霧とが混合す
ると、高温で流動性のよい液体微粒が各固体粉末
に付着し、その外周を被覆する。

発明(2)では、レーザ収れん部で加熱し、噴射ガ
スにより噴霧化する素材を、その噴射ガスとして
用いた酸化、窒化、脱酸、脱窒等、所要の反応を
するガスにより、その表層だけ反応させる。つま
り素材粉末を反応生成物により被覆する。数ミク
ロンの高温微粒を反応ガス中で飛散させれば、た
ちまち芯部まで反応生成物となるように思われる
のであるが、実験では第３図のように、反応は表
層にとどまる。これは噴射ガス常温であるから、
高温微粒（液体でも固体でも）は霧散により急激
に冷却し、反応時間が極端に短いためと考えられ
る。

このように微粒の表層だけ反応生成物に変える
方法は、本発明以外に考えられない。

（実施例）第１図は、本発明の一実施例設備の概略図であ
る。レーザビーム１を集光レンズ２で収れんさ
せ、その収れん部にワイヤ送給ノズル３から微粉
末生成用素材としての金属ワイヤを送給して加
熱、溶融させ、その溶融部に、ガスノズル４先端
から高圧ガス吹き付けて、上記金属ワイヤ溶融部
を微粒子化させ、微粉末を得る設備である。

筒状本体にはレンズ保護ガス入口７、既製微粉
末送給入口６、高圧ガス入口５が付いている。保
護ガスは無論、透明で、少しずつ下端出口から噴
出する。

微粉末は噴射用高圧ガスと同質のガスと共に入
口６から吹込まれ、下向き案内筒により筒状本体
の内壁沿いに下降させられる。この実施例では入
口６から吹込まれる微粉末の量が少ないので、筒
状本体下端の出口付近では、漏斗状底板沿いに旋
回しつつ出てゆくから、収れんしたレーザ光線を
妨げない。微粉末の量が多い場合には下向き案内
筒の下端を本体出口まで伸ばし、レーザ光線の通
路と微粉末の通路とを分けるとよい。その場合は
第１図では本体出口と高圧ガス出口とで二重にな
つた出口が、さらに内側にレーザ光線専用出口を
加えて、高圧ガス、微粉末、レーザ光線の三重出
口になる。

なお、ワイヤ送給ノズル３に高圧ガスノズル
４′と書き加えてあるのは、高圧ガス入口５を使
用しないか、設けない場合、ワイヤ送給ノズル３
に高圧ガス噴射を加えてもよいとの意味で、噴射
方向をレーザ光線の方向に合わせる必要はないの
である。

第１図の実施例では、ワイヤ送給ノズル３から
出たワイヤ状素材がレーザ収れん部で溶融し、ガ
スノズル４から出た噴射ガスにより図の下方へ吹
飛ばされて噴霧化している。他方、粉末状素材は
入口６から本体内壁沿いに降下し、出口からレー
ザ収れん部外周側を通る間だけ加熱されて、溶融
点に達しない程度に昇温したもの、溶融点に達し
ても飛散による冷却で固化してしまう程度の温度
のもが混ざつた状態でノズル４からの噴射ガスに
より噴霧化される。同じ位置で噴霧化するから、
ワイヤ状素材の噴霧と混合することになる。ワイ
ヤ状素材の噴霧は高温微粒からなり、粉末状素材
の噴霧は昇温した固体粉末からなるものであるか
ら、固体粉末に付着した高温微粒が、その流動性
により固体粉末外周を覆う。その間も常温ガス中
を飛散しているため急激に温度を下げ、外周を覆
つた液状素材も固化して所定位置に落下する。こ
うして粉末状素材微粉末をワイヤ状素材成分によ
り被覆した複合微粉末を得られる。なお、噴霧
中、粉末状素材に付着しなかつたワイヤ状素材微
粒はそのまま固化して落下するが、上記複合微粉
末に比べて小さいから分離しやすい。

本発明(2)の、素材粉粒を噴射ガスと反応させる
事により異質の表層を作る場合は、噴射ガス、粉
末搬送ガス、必要に応じて噴霧空間を満たす雰囲
気ガスを適当に選ぶ。粉末表層を酸化物に変える
場合、酸化反応が他の反応に先行するので、噴射
ガスに酸素を用いるだけでもよい。

表層を窒化物としたい場合、また表層を脱酸、
脱窒したい場合、噴射ガス、搬送ガス、雰囲気ガ
ス等、全部をそのためのガスにした方がよい。

第２図は微粉末製造条件の一例で、ガス圧、ワ
イヤ送給速度、レーザ出力の関係を示したもので
ある。各レーザ出力の曲線の左上領域が微粉末製
造可能領域を示す。この領域内の一条件；レーザ
出力3kw、ワイヤ送給速度３ｍ／min、高圧ガス
圧力４Kg／cm²で作成した微粉末は３〜5μｍの球
状であつた。また、上記各種高圧ガス中にセラミ
ツクス等の粉末を混入させて、噴出することによ
り、上記ワイヤ成分との複合粉末を製造すること
ができる。第３図に製造される複合粉末の断面の
模式図を示す。複合粉末の形態としては、(a)のよ
うに内部は非金属又は金属間化合物で、外周部は
金属の場合、あるいは(b)のように内部は金属で外
周部が非金属の場合がある。(a)は金属ワイヤと、
非金属又は金属間化合物の粉末とを両素材として
送給する本発明(1)により作られ、(b)は金属ワイヤ
を素材とし、反応性ガスを噴射ガスとして使う本
発明(2)により作られる。

なお、雰囲気ガスの圧力を大気圧より高くする
ことによつて、素材粉末表層の酸化もしくは窒化
の反応はより活性化される。

（発明の効果）従来、素材をレーザで加熱し、噴射ガスで噴霧
化する粉末製造法は、不活性ガスを使う事により
材質の純粋さを保てる事を大きさな長所として来
た。粉末が微細化して表面積がふえても、材質の
純粋さを損わない事にのみ注意が払われていた。

本発明はこのような従来の技術指向に反して、
数ミクロン以下の微粉末でも、その表層と芯部が
異質の複合組織微粒子にし得る事を開示した。

レーザ光線を集光レンズで収れんさせて素材を
加熱するから、ワイヤ状素材を流動性十分な液体
微粒の噴霧としやすい。この噴霧と、昇温した粉
末状素材の噴霧とが混合さられた時、上記液体微
粒と固体粉末との接触により、瞬間的に液体が固
体外周を覆う事を実証した。

また素材と反応するガスを噴射ガスとして使え
ば、噴霧化した素材粉粒がミクロン以下の小径で
も、芯部まで反応せず、表層だけ反応生成物とな
る事を実証した。

本発明により微粉末を表層と芯部が異質の複合
組織粉末とし得る事は、今後の粉末関係技術の進
歩に大きく貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のレーザによる微粉末の製造
法実施例についての概略説明図である。図面において、１はレーザビーム、２は集光レ
ンズ、３はワイヤ送給ノズル、４はガスノズル、
５は高圧ガス入口、６は微粉末送給入口、７はレ
ンズ保護ガス入口である。第２図は、微粉末製造条件の一例で、ガス圧、
ワイヤ送給速度、レーザ出力の関係を示したもの
である。第３図は、製造された粒子形態を示した
ものである。

Claims

【特許請求の範囲】１レーザ光線を集光レンズで収れんし、連続送
給するワイヤ状または粉末状素材に照射して溶融
または昇温させ、これに噴射ガスを吹きつけ、噴
霧化して微粒子を作る微粉末製造法において、異質素材の一方をワイヤ状、他方を粉末状にし
て、同時にレーザ光線収れん部へ送り、溶融した
上記ワイヤ状素材、昇温した上記粉末状素材、そ
れぞれを噴射ガスにより同時に噴霧化、混合する
ことにより、上記粉末状素材微粉末を上記ワイヤ
状素材成分により被覆することを特徴とするレー
ザによる微粉末の製造法。２レーザ光線を集光レンズで収れんし、連続送
給するワイヤ状または粉末状素材に照射して溶融
または昇温させ、これに噴射ガスを吹きつけ、噴
霧化して微粒子を作る微粉末製造法において、上記噴射ガスとして、上記素材に対し酸化、窒
化、脱酸、脱窒等、いずれかの反応をするガスを
用いる事により、素材微粉末を上記ガスとの反応
生成物により被覆することを特徴とするレーザに
よる微粉末の製造法。