CN109963671A - 制造造型制品的方法以及造型制品 - Google Patents

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Abstract

提供了制造造型制品的方法，其中：该方法具有准备高速钢粉末的步骤、通过铺展粉末而形成粉末层的步骤、通过在扫描时用激光照射粉末而使粉末结合并形成固化层的步骤、以及通过按此顺序重复形成粉末层的步骤和形成固化层的步骤而层叠固化层以形成造型制品的步骤；并且激光的能量密度为60J/mm3至小于600J/mm3。

Description

制造造型制品的方法以及造型制品
技术领域
本发明涉及制造造型制品的方法并涉及造型制品。
本申请要求于2017年6月15日提交的日本专利申请No.2017-117487的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
例如，在专利文献1至3中公开了层叠金属粉末并形成造型的技术。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2011-21218
专利文献2：日本未审查专利申请公开No.2017-25401
专利文献3：日本未审查专利申请公开No.2017-20081
发明内容
根据本公开的制造造型制品的方法包括：
准备高速钢粉末的步骤；
通过铺展粉末而形成粉末层的步骤；
通过用扫描激光束照射粉末层而形成粉末处于结合状态的固化层的步骤；以及
通过依次重复形成粉末层的步骤和形成固化层的步骤而层叠固化层，从而形成造型制品的步骤，
激光束的能量密度为60J/mm3以上且小于600J/mm3。
根据本公开的制造造型制品的方法包括：
准备平均粒径为20μm以上60μm以下的高速钢粉末和高速钢基材的步骤；
通过将粉末以平均粒径的1倍以上3倍以下的层间距铺展在基材上而形成粉末层的步骤；
通过用功率为100W以上300W以下的扫描激光束照射粉末层而形成粉末处于结合状态的固化层的步骤；以及
通过依次重复形成粉末层的步骤和形成固化层的步骤而在基材上层叠固化层，从而形成造型制品的步骤，
激光束的能量密度满足以下不等式。
60J/mm3≤P/(v×s×t)<600J/mm3
P：激光束功率(W)
v：激光束扫描速度(mm/s)
s：激光束扫描间距(mm)
t：层间距(mm)
根据本公开的造型制品包括
层叠部分，其中由高速钢形成的多个层彼此层叠。
附图说明
图1示出了样品No.1-3的截面的背散射电子图像。
图2示出了样品No.1-7的截面的背散射电子图像。
图3示出了样品No.1-9的截面的背散射电子图像。
图4示意性地示出了根据实施方案的造型制品的截面。
图5示出了样品No.2-1的基材与层叠部分之间的界面附近的截面的背散射电子图像。
具体实施方式
如专利文献1至3中所述，通过使用金属粉末作为材料来形成具有三维形状的造型制品的增材制造装置(所谓的金属3D打印机)已经投入实际使用并且越来越多地用于各种领域。在使用金属3D打印机的示例性增材制造方法中，均匀地铺展金属粉末以形成粉末层，并且用扫描激光束照射粉末层的预定区域以选择性地将金属粉末烧结或熔融，从而形成固化层。通过重复该过程，将固化层逐个层叠，并将多个固化层层压并一体化，以形成具有三维形状的造型制品。
[本公开要解决的问题]
增材制造方法能够在相对较短的时间内以高精度制造具有预定形状的造型金属制品，因此预期将来会被越来越多地使用。然而，目前可用于增材制造方法的金属材料有限，并且在铁系材料的情况中，马氏体时效钢和不锈钢由于其易于造型而被使用。因此，目前可用的铁系材料的数量很少，并且增材制造方法的应用有限。
期望将层叠金属粉末并形成造型的技术应用于需要高硬度和耐磨损性的部件或模具(例如，用于粉末冶金的模具)，并且期望使用高速工具钢(本文称为“高速钢”)粉末作为材料。然而，实际上，此类高速钢粉末尚未被用作材料，并且尚未建立层叠高速钢粉末并形成造型的方法。
本公开的一个目的是提供一种用于制造由高速钢粉末制成的造型制品的方法。本公开的另一个目的是提供一种通过层叠粉末形成的高速钢造型制品。
[本公开的有益效果]
根据本公开的制造造型制品的方法能够使用高速钢粉末作为材料。根据本公开的造型制品由高速钢形成。
[本发明实施方案的说明]
本发明人进行了深入研究，并且发现高速钢粉末难以造型。高速钢难以造型的一个原因是，当用激光束照射时，高速钢粉末难以烧结或熔融，并且颗粒可能未充分地结合在一起。在这种情况下，在造型制品内部会形成许多孔隙，因此造型制品不利地具有低机械性能并且难以具有足够的强度和硬度。另一个原因是高速钢的碳含量高(0.5质量％以上)，因此当通过用激光束照射而使高速钢粉末烧结或熔融以形成固化层时，碳化物可能在金相结构中以网络状析出。如果碳化物以网络状析出，则裂纹易于沿着碳化物蔓延，这不利地导致造型制品易于破损。
本发明人进行了各种实验，从而能够将已被发现难以造型的高速钢用作材料。本发明人关注于在造型期间累积的能量密度并且发现了适合于高速钢的造型条件。首先，将依次描述本发明的各方面。
(1)根据本发明的一个方面的制造造型制品的方法包括：
准备高速钢粉末的步骤；
通过铺展粉末而形成粉末层的步骤；
通过用扫描激光束照射粉末层而形成粉末处于结合状态的固化层的步骤；以及
通过依次重复形成粉末层的步骤和形成固化层的步骤而层叠固化层，从而形成造型制品的步骤。
激光束的能量密度为60J/mm3以上且小于600J/mm3。
根据制造造型制品的方法，当用激光束照射高速钢粉末层时，60J/mm3以上的激光束能量密度能够使高速钢粉末易于烧结或熔融，以形成颗粒结合在一起的固化层，并且可以实现使造型制品的孔隙率降低。因此，可以形成孔隙很少的高密度造型制品，并且可以得到具有高强度和高硬度的造型制品。造型制品孔隙率的降低带来造型制品强度的提高，并且可以抑制由于热应力(由造型过程中造型制品内部所产生的热应变导致)或变形应力(由热处理所致)而可能发生的破裂。小于600J/mm3的激光束能量密度可以抑制造型过程中在金相结构中碳化物以网络状析出，并降低造型制品破裂和破损的可能性。此外，当能量密度小于600J/mm3时，可以抑制激光束照射区域中的粉末过度熔融，从而使固化层易于以预定的层间距层叠，并且可以保持造型制品的形状精度。因此，制造造型制品的方法能够使用高速钢粉末作为材料，并且能够以良好的形状精度制造具有很少孔隙的高密度造型制品。
如本文所用，术语“激光束的能量密度”是指在激光束照射区域中每单位体积累积的能量的量，并且通过以下公式由激光束功率、激光束扫描速度、激光束扫描间距和层间距计算得出。
E＝P/(v×s×t)
E：激光束能量密度(J/mm3)
P：激光束功率(W)
v：激光束扫描速度(mm/s)
s：激光束扫描间距(mm)
t：层间距(mm)
(2)在制造造型制品的方法的一个方面中，激光束的功率为100W以上。
高速钢粉末会反射所施加的激光束的一部分，因此，如果激光束功率(激光功率)低，则不能有效地将粉末加热到使粉末烧结或熔融的温度。100W以上的激光功率能够有效地加热粉末，能够使粉末易于烧结或熔融，并有助于抑制孔隙的形成。
(3)在制造造型制品的方法的一个方面中，该方法包括对造型制品进行回火的步骤。
当被激光束照射后的高速钢粉末烧结或熔融然后进行淬火时，粉末的结构转变成马氏体。在造型制品的状态下，形成马氏体结构。在该转变中，奥氏体结构(残留奥氏体)可能会部分地保留而不完全转变成马氏体结构。对造型制品进行回火可引起碳化物析出和残留奥氏体转变成马氏体，由此可以提高造型制品的硬度。
(4)根据本发明的一个方面的制造造型制品的方法包括：
准备平均粒径为20μm以上60μm以下的高速钢粉末和高速钢基材的步骤；
通过将粉末以平均粒径的1倍以上3倍以下的层间距铺展在基材上而形成粉末层的步骤；
通过用功率为100W以上300W以下的扫描激光束照射粉末层而形成粉末处于结合状态的固化层的步骤；以及
通过依次重复形成粉末层的步骤和形成固化层的步骤而在基材上层叠固化层，从而形成造型制品的步骤。
激光束的能量密度满足以下不等式。
60J/mm3≤P/(v×s×t)<600J/mm3
P：激光束功率(W)
v：激光束扫描速度(mm/s)
s：激光束扫描间距(mm)
t：层间距(mm)
根据制造造型制品的方法，在高速钢基材上形成高速钢造型制品，由此可以制造与基材一体化的造型制品。与上述(1)中所述的制造方法一样，该制造造型制品的方法能够使用高速钢粉作为材料，并且能够以良好的形状精度制造具有很少孔隙的高密度造型制品。该方法还可以抑制碳化物在造型制品结构中以网络状析出，并降低造型制品破裂和破损的可能性。
(5)根据本发明的一个方面的造型制品具有
层叠部分，其中由高速钢形成的多个层彼此层叠。
造型制品为通过层叠粉末而形成的高速钢造型制品，并且具有层叠部分，在层叠部分中，由高速钢形成的多个层彼此层叠。造型制品由高速钢形成，因此可以用作(例如)需要高硬度和耐磨损性的部件或模具(例如，用于粉末冶金的模具)。
(6)在造型制品的一个方面中，层叠部分的孔隙率为25％以下，并且在层叠部分的结构中，碳化物以分散的方式析出。
根据该方面，由于构成造型制品的层叠部分的孔隙率为25％以下，因此造型制品具有很少孔隙并且密度高。因此，造型制品可以具有高强度和高硬度。造型制品孔隙率的降低带来造型制品强度的提高，并且可以抑制破裂。根据该方面，碳化物不是以网络状而是以分散的方式在结构中析出，因此造型制品不易于破裂和破损。
(7)在造型制品的一个方面中，层叠部分的马氏体结构的面积分数为99％以上。
根据该方面，具有99％以上的马氏体结构可以提高造型制品的硬度。
(8)在造型制品的一个方面中，造型制品包括由高速钢形成的基材，并且层叠部分形成在基材上。
根据该方面，由于层叠部分形成在由高速钢形成的基材上，因此提供了与高速钢基材一体化的高速钢造型制品。由于基材和层叠部分由高速钢形成，因而基材和层叠部分彼此良好地匹配，并且造型制品可牢固地接合至基材。
(9)在造型制品的一个方面中，基材和层叠部分由具有不同组成的高速钢形成，并且层叠部分在其与基材的界面附近包括组成渐变层，在组成渐变层中，在朝向基材的方向上，层的组成变得更接近基材的组成。
根据该方面，提供了一种造型制品，其中层叠部分在基材与层叠部分之间的界面附近包括组成渐变层。层叠部分中形成有组成渐变层的原因是基材的成分扩散到层中，并且结果是，更靠近基材的层的组成变得更接近基材的组成。
[本发明的实施方案的细节]
以下将描述根据本发明的实施方案的制造造型制品的方法和造型制品的具体实例。应当理解的是，本发明不限于这些实例；相反地，本发明由权利要求限定，并且本发明旨在包括与权利要求等同的含义和范围内的所有变化。
<制造造型制品的方法>
在根据实施方案的制造造型制品的方法中，将高速钢粉末用作材料，并且用激光束照射高速钢粉末以形成造型，从而制造高速钢造型制品。更具体而言，用扫描激光束照射由均匀铺展的高速钢粉末形成的粉末层的预定区域，以烧结或熔融激光束照射区域中的粉末，从而形成粉末的颗粒结合在一起的固化层。通过依次重复该操作，将固化层层叠起来以形成造型制品。
根据实施方案的制造造型制品的方法包括以下步骤。
1.提供高速钢粉末的步骤
2.通过铺展高速钢粉末而形成粉末层的步骤
3.通过用扫描激光束照射高速钢粉末层而形成粉末处于结合状态的固化层的步骤
4.通过依次重复形成粉末层的步骤和形成固化层的步骤而层叠固化层，从而形成造型制品的步骤
根据实施方案的制造方法的一个特征为激光束的能量密度为60J/mm3以上且小于600J/mm3。下文中将详细描述根据实施方案的制造造型制品的方法。
(高速钢粉末)
在根据实施方案的制造方法中用作材料的高速钢粉末可为已知材料。高速钢为Fe和诸如C、Si、Mn、Cr、W、Mo、V和Co之类的合金元素的合金，并且有W型和Mo型两种类型，在JISG4403:2015中对其进行了定义。W型高速钢的代表性实例包括SKH2，其包含约18质量％的W且无Mo，而Mo型高速钢的代表性实例包括SKH40和SKH51，其包含约6质量％的W和约5质量％的Mo。高速钢可为JIS中定义的钢、美国钢铁协会(AISI)标准中定义的钢(代表性实例：M2(对应于SKH51))或由制造商开发的钢，如由日立金属工具钢株式会社(Hitachi metalsTool Steel,Ltd.)制造的YXR3或HAP10。当将高速钢用作造型时支撑造型制品的基材时，高速钢粉末的钢种(成分)可以与基材的钢种相同或不同。当高速钢粉末和基材是相同的钢种时，造型制品和基材彼此良好地匹配。
对于高速钢的化学成分，以下给出上述合金元素的示例性含量(单位：质量％)。
C：0.5以上2.1以下，进一步为0.6以上1.6以下
Si：0.2以上1.5以下，进一步为0.7以下
Mn：0.3以上0.5以下，进一步为0.4以下
Cr：3.0以上5.0以下，进一步为3.5以上4.5以下
W：
(W型)11.0以上19.0以下，进一步为17.0以上
(Mo型)0以上10.0以下，进一步为2.0以上8.0以下
Mo：2.0以上10.0以下，进一步为2.5以上6.0以下
V：1.0以上5.0以下，进一步为4.0以下
Co：0以上11.0以下，进一步为10.0以下
为了易于造型，高速钢粉末的平均粒径可为(例如)10μm以上100μm以下，进一步为20μm以上60μm以下。术语“平均粒径”是指在使用激光衍射粒度分布分析仪测定的体积粒度分布中累积体积达到50％时的粒径，即中值粒径(D50)。高速钢粉末的颗粒形状优选为球形，并且高速钢粉末优选为(例如)通过气体雾化制备的气体雾化粉末。
可以通过使用已知的增材制造装置(金属3D打印机)来实施根据实施方案的制造方法。市售可得的金属3D打印机的实例包括由Sodick Co.,Ltd.制造的OPM250L和由3DSystems,Inc.制造的ProX DMP200。
在根据实施方案的制造方法中，当在高速钢基材上形成高速钢造型制品时，准备高速钢粉末和高速钢基材。在这种情况下，可以制造与基材一体化的造型制品。
在形成粉末层的步骤中，优选通过以粉末平均粒径的1倍以上3倍以下的层间距铺展粉末而形成粉末层。粉末平均粒径的1倍以上3倍以下的层间距可提高形成厚度薄且均匀的粉末层的可能性。这里，层间距视为粉末层的厚度。例如，层间距优选为粉末平均粒径的1.2倍以上2倍以下。
(能量密度)
在根据实施方案的制造方法中形成固化层的步骤中，激光束能量密度为60J/mm3以上且小于600J/mm3。激光束能量密度为激光束照射区域中的能量密度。60J/mm3以上的能量密度能够使高速钢粉末易于烧结或熔融，以形成颗粒结合在一起的固化层，并且可以实现使造型制品的孔隙率降低。因此，可以形成孔隙很少的高密度造型制品，并且可以得到具有高强度和高硬度的造型制品。造型制品孔隙率的降低带来造型制品强度的提高，并且可以抑制由于造型过程中积累的热应力(热应变)或由热处理所致的变形应力而可能发生的破裂。
具体而言，造型制品的孔隙率可以为25％以下，并且造型制品的相对密度可以为75％以上。可以通过用显微镜观察造型制品的截面并确定所观察的区域中孔隙的面积百分率(％)来确定“造型制品的孔隙率”。所观察的区域的尺寸可为(例如)250μm以上×250μm以上，进一步为500μm以上×500μm以上。由造型制品的截面中的孔隙率来计算“造型制品的相对密度”(相对密度＝1-孔隙率)。例如，造型制品的孔隙率优选为20％以下(相对密度：80％以上)，更优选10％以下(相对密度：90％以上)。
小于600J/mm3的能量密度可以抑制造型过程中在金相结构中碳化物以网络状析出，并降低造型制品破裂和破损的可能性。此外，当能量密度小于600J/mm3时，可以抑制激光束照射区域中的粉末过度熔融，从而使固化层易于以预定的层间距层叠，并且可以保持造型制品的形状精度。
这里，当能量密度高时，碳化物以网络状析出的可能原因如下。随着能量密度增大，温度不仅在激光束照射区域中过度增加，而且由于热传导还在激光束照射区域的周围(例如，先前形成的固化层、周围粉末和支撑造型制品的基材)过度增加，因此，在用激光束照射之后，激光束照射区域中的烧结或熔融的粉末以慢速冷却。作为结果，当将碳(C)含量高的高速钢粉末用作材料时，在造型期间易于在金相结构中大量形成碳化物，从而导致碳化物以网络状析出。当一定程度降低能量密度时，可以抑制激光束照射区域周围的温度过度升高，并且使烧结或熔融的粉末快速冷却。作为结果，碳化物不易于在金相结构中形成，并且倾向于微细地分散而不是以网络状析出。析出的碳化物是合金元素和碳的化合物。实例包括Mo2C、W2C和VC。
更优选的能量密度为(例如)80J/mm3以上500J/mm3以下，进一步为120J/mm3以上450J/mm3以下。80J/mm3以上、进一步为120J/mm3以上的能量密度可以增加高速钢粉末充分烧结或熔融的可能性，并且可以更有效地抑制孔隙的形成。作为结果，可以进一步降低造型制品的孔隙率。例如，造型制品的孔隙率可以为20％以下(相对密度：80％以上)，进一步为10％以下(相对密度：90％以上)。在这种情况下，造型制品的强度随着孔隙率的降低而进一步提高，因而可以有效地抑制由于热应力(热应变)或变形应力而可能发生的破裂。500J/mm3以下、进一步为450J/mm3以下的能量密度可以更有效地抑制碳化物的形成，并能够使碳化物以更微细分散的状态析出。在这种情况下，可以更有效地抑制粉末的过度熔融，因而可以进一步提高造型制品的形状精度。
可以通过改变造型条件如激光束功率、激光束扫描速度、激光束扫描间距和层间距来控制能量密度。可以适当地设定激光束功率、激光束扫描速度、激光束扫描间距和层间距，使得能量密度为60J/mm3以上且小于600J/mm3。例如，可将激光功率设定为10W以上1000W以下，可将扫描速度设定为10mm/s以上2000mm/s以下，可将扫描间距设定为0.01mm以上0.2mm以下，并且可将层间距设定为0.01mm以上0.1mm以下。优选地，激光束功率为50W以上，激光束扫描速度为50mm/s以上，激光束扫描间距为0.05mm以上，并且层间距为0.02mm以上。通过使用粒径对应于所需层间距的粉末，可以改变层间距。
(激光束功率)
激光束功率更优选为100W以上。100W以上的激光束功率能够有效地加热粉末，能够使粉末易于烧结或熔融，并有助于抑制孔隙的形成。激光束功率的上限可为(例如)300W以下。
(激光束的类型)
激光束可为任意类型，只要其能够熔融或烧结高速钢粉末即可。例如，可以使用光纤激光、YAG激光、或CO2激光。特别地，光纤激光是合适的，因为其具有小的激光光斑尺寸和高功率。这种光纤激光的一个实例为Yb光纤激光(波长：1070nm)。
(回火处理)
该方法可包括对已形成的造型制品进行回火的步骤。对造型制品进行回火可使残留奥氏体转变成马氏体，由此可以提高造型制品的硬度。对于回火条件，加热温度可为(例如)530℃以上630℃以下。保持时间虽然取决于造型制品的尺寸，但可为(例如)1小时以上4小时以下，优选2小时以上。在回火处理中，在加热并保持之后冷却至马氏体转变完成温度(Mf点)以下的温度(例如，80℃以下)。
回火处理优选进行超过一次，更优选进行三次。通过第一次回火处理，碳化物析出，并且残留奥氏体转变成马氏体。通过第二次回火处理，可以对通过第一次回火处理形成的马氏体结构进行回火和稳定化。第三次回火处理的目的是为了消除应力，并且加热温度可为(例如)比上述加热温度低约30℃至50℃的温度(480℃以上600℃以下)。通过进行多于一次回火处理，可以得到足够的马氏体结构，并且(例如)可以制造马氏体结构的面积分数为99％以上的造型制品。这可以进一步提高造型制品的硬度。可以通过用扫描电子显微镜(SEM)观察造型制品的截面并通过使用图像分析软件计算所观察的区域中的金相结构中的马氏体结构的面积百分率(％)来确定“马氏体结构的面积分数”。所观察的区域的尺寸可为(例如)250μm以上×250μm以上，进一步为500μm以上×500μm以上。
在没有回火处理的情况中，造型制品的表面硬度(HRC：洛氏C级硬度)为(例如)50HRC以上，进一步为55HRC以上，而通过回火处理，造型制品的表面硬度可以为(例如)55HRC以上，进一步为60HRC以上。
{制造造型制品的方法的效果}
根据上述实施方案的制造造型制品的方法可以实现造型制品孔隙率的降低，可以形成具有很少孔隙的高密度造型制品，因此可以提供具有高强度和高硬度的造型制品。该方法可以抑制造型期间在金相结构中碳化物以网络状析出，并降低造型制品破裂和破损的可能性。该方法还可以抑制粉末的过度熔融，并且可以保持造型制品的形状精度。因此，该方法能够使用高速钢粉末作为材料，并且能够以良好的形状精度制造具有很少孔隙的高密度造型制品。
{制造造型制品的方法的应用}
根据实施方案的制造造型制品的方法可以用于制造高速钢造型制品。
<造型制品>
将参照图4描述根据实施方案的造型制品。如图4所示，造型制品1具有层叠部分2，在层叠部分2中，由高速钢形成的多个层21彼此层叠。图4所示的造型制品1包括由高速钢形成的基材4，并且层叠部分2形成在基材4上。图4示意性地示出了基材4与层叠部分2之间的界面附近的截面。可以通过根据上述实施方案的制造造型制品的方法制造造型制品1。
(层叠部分)
层叠部分2以这样的方式形成：用激光束照射由铺展的高速钢粉末形成的粉末层以形成固化层，并且依次重复形成粉末层和形成固化层以层叠多个固化层。层21由高速钢形成。层21的厚度取决于用作材料的高速钢粉末的平均粒径、粉末层的厚度和其他因素，并且为(例如)10μm以上100μm以下，进一步为20μm以上60μm以下。
优选地，层叠部分2的孔隙率为25％以下(换句话说，层叠部分2的相对密度为75％以上)。这提高了层叠部分2的强度和硬度，并且可以抑制破裂。更优选地，层叠部分2的孔隙率为20％以下(相对密度为80％以上)，进一步地，孔隙率为10％以下(相对密度为90％以上)。以与根据实施方案的上述制造方法的部分中描述的“造型制品的孔隙率”和“造型制品的相对密度”相同的方式来确定层叠部分2的孔隙率和相对密度。
层叠部分2优选具有碳化物以分散的方式析出的结构。当碳化物在结构中以分散的方式析出时，与当碳化物以网络状析出时相比，不易于发生破裂和破损。为了抑制破裂和破损，碳化物优选微细地分散在结构中，并且结构中碳化物的最大长度优选为5μm以下，更优选为1μm以下。可以通过用扫描电子显微镜(SEM)观察层叠部分2的截面并通过使用图像分析软件测定所观察的区域中存在的碳化物的最大长度，从而确定“碳化物的最大长度”。所观察的区域的尺寸可为(例如)10μm以上×20μm以上，进一步为20μm以上×20μm以上。
层叠部分2优选具有面积分数为90％以上、进一步为99％以上的马氏体结构。这可以进一步提高造型制品的硬度。
由于层叠部分2形成在高速钢基材4上，因而根据实施方案的造型制品1与基材4一体化。层叠部分2直接接合至基材4。由于基材4和层叠部分2由高速钢形成，因而基材4和层叠部分2彼此良好地匹配，并且层叠部分2牢固地接合至基材4。基材4和层叠部分2可由组成相同的高速钢形成，或者可由组成不同的高速钢形成。在该实施方案中，基材4和层叠部分2由组成不同的高速钢形成。
如图4所示，当层叠部分2由组成与基材4的组成不同的高速钢形成时，层叠部分2在其与基材的界面附近包括组成渐变层23，在组成渐变层23中，在朝向基材4的方向上，层21的组成变得更接近基材4的组成。层叠部分2中形成组成渐变层23的原因为：在造型期间基材4的成分扩散到层21中，其结果是，更靠近基材4的层21的组成变得更接近基材4的组成。因此，在组成渐变层23中，层21的组成显著不同，并且层21之间的边界由于组成不同而明显。相反地，位于组成渐变层23上方且远离基材4的层21的组成均匀，因而由组成差异限定的层21之间的边界不明显。在图4中，层叠部分2的层21中的阴影线越密集，表示越接近基材4的组成，并且随着层21之间的边界从粗实线变为细虚线，层21之间的边界变得不明显。
当层叠部分2由与基材4组成相同的高速钢形成时，层21在层叠部分2与基材之间的界面附近具有均匀的组成。因此，与层叠部分2的组成与基材4的组成不同的情况相比，由组成差异限定的层21之间的边界不明显。
{造型制品的效果}
根据上述实施方案的造型制品1包括层叠部分2，在层叠部分2中，由高速钢形成的多个层21彼此层叠。造型制品1由高速钢形成，因此可以用作(例如)需要高硬度和耐磨损性的部件或模具(例如，用于粉末冶金的模具)。
[试验例1]
使用高速钢粉末作为材料，用不同的激光束能量密度在基材上形成层叠部分。具体而言，将高速钢粉末铺展在基材上以形成粉末层，并且用扫描激光束照射粉末层的预定区域以形成固化层。重复该过程以层叠固化层，从而形成高速钢造型制品。
所用的基材是由高速钢(由日立金属工具钢株式会社制造的YXR3)形成的10mm厚的板。所用的高速钢粉末是由制造的M2粉末。该高速钢粉末为气体雾化粉末，并且平均粒径(D50)为40μm。钢的化学成分示于表1中。
[表1]
使用由3D Systems，Inc.制造的金属3D打印机(ProX DMP200)进行造型。在造型中，将基材上的5mm见方的正方形区域用作造型区域，并将打印机设定为形成2mm高的造型制品。为了易于在基材上铺展第一层的粉末，通过喷丸预处理基材的表面。
在造型条件中，改变激光束功率和激光束扫描速度以控制能量密度。激光束功率在150W至300W的范围内变化，激光束扫描速度在200mm/s至2000mm/s的范围内变化。激光束扫描间距固定为0.04mm，层间距固定为0.05mm，并且层数为40(0.05mm[层间距]×40[层数]＝2mm[设定高度])。将光斑尺寸设定为0.05mm。在该例子中，用激光束沿对角线方向扫描正方形区域，并且每层的扫描方向旋转90°。
在表2所示的造型条件下进行造型，以制造样品No.1-1至No.1-9的造型制品。
[表2]
对所得的样品造型制品(层叠部分)进行以下评价。
(形状精度)
测定各造型制品的实际高度，并基于所测定的造型制品的高度评价形状精度。造型制品的实际高度越接近设定高度，则造型制品的形状精度越好。形状精度的评价标准如下：A，造型制品的设定高度与实际高度之间的差异在设定高度的5％以内；B，差异小于设定高度的5％。在该例子中，造型制品的设定高度为2mm，因此标准如下：A，所得的造型制品的高度为1.9mm以上；B，高度小于1.9mm。各造型制品的高度和形状精度的评价结果示于表3中。
(结构)
对各造型制品的截面进行抛光，并用扫描电子显微镜(SEM)捕获截面的背散射电子图像。观察金相结构以检验金相结构中碳化物的析出状态，并且基于碳化物的析出状态对结构进行评价。造型制品的截面是沿平行于造型制品的高度方向的平面截取的纵向截面。结构的评价标准如下：A，没有发现碳化物或碳化物微细地分散；B，碳化物以网络状析出。各造型制品的结构的评价结果示于表3中。
图1为样品No.1-3(能量密度：150J/mm3)的背散射电子图像，图2为样品No.1-7(能量密度：38J/mm3)的背散射电子图像，并且图3为样品No.1-9(能量密度：750J/mm3)的背散射电子图像。在背散射电子图像中，碳化物看起来发白。图3示出了在样品No.1-9中碳化物(白色部分)以网络状连贯地形成。图1示出了在样品No.1-3中碳化物微细地分散。图2示出了在样品No.1-7中未观察到且未能找到碳化物。
(孔隙率和相对密度)
评价各造型制品的孔隙率和相对密度。通过用光学显微镜观察和捕获造型制品的截面，并分析所捕获的图像以计算所观察的区域中孔隙的面积百分率(％)，从而确定孔隙率。通过(1-孔隙率)来计算相对密度。各造型制品的孔隙率和相对密度示于表3中。
(裂纹的存在)
评价各造型制品中裂纹的存在。裂纹的存在的评价标准如下：A，当用光学显微镜观察造型制品表面时没有观察到裂纹；B，观察到裂纹。各造型制品中裂纹的存在示于表3中。
(表面硬度)
根据洛氏C标尺(HRC)评价各造型制品的表面硬度。为了评价表面硬度，在三个点测定造型制品的顶部表面的硬度，并将测定值取平均。此外，对造型制品进行回火并评价回火后的表面硬度。回火处理进行三次。第一次和第二次回火处理的条件如下：加热温度，550℃；保持时间，2小时；加热并保持后缓慢冷却至室温(30℃)。第三次回火处理的条件如下：加热温度，520℃；保持时间，2小时；加热并保持后缓慢冷却至室温(30℃)。各造型制品的回火前和回火后的表面硬度示于表3中。样品No.1-7在回火之前是易碎的，因此无法测定硬度。
[表3]
表3中的结果表明，各自以60J/mm3以上且小于600J/mm3的能量密度制造的样品No.1-1至No.1-6具有25％以下的孔隙率(75％以上的相对密度)和良好的形状精度。通过对造型制品进行回火，提高了样品No.1-1至No.1-6的硬度，即，它们的回火后的表面硬度为55HRC以上。特别地，样品No.1-1至No.1-3和No.1-5的孔隙率为20％以下(相对密度为80％以上)，表明进一步降低了孔隙率并且有效地抑制了破裂。
此外，在样品No.1-1至No.1-6中，由于碳化物不是以网络状析出而是微细地分散在金相结构中，因而不易于沿着碳化物发生破裂和破损，因此认为样品No.1-1至No.1-6具有高的耐冲击性。
以低能量密度制造的样品No.1-7虽然具有良好的形状精度，但孔隙率为50％以上(相对密度为50％以下)，表明形成了许多孔隙并且孔隙率没有降低。此外，由于No.1-7的孔隙多且密度低，因而其强度低且硬度低。
以高能量密度制造的样品No.1-8和No.1-9具有低孔隙率，但是它们的形状精度显著降低并且不能保持。此外，由于样品No.1-8和No.1-9中碳化物在金相结构中以网络状析出，因而易于沿着碳化物发生破裂和破损，认为样品No.1-8和No.1-9的耐冲击性差。
[试验例2]
准备与试验例1中所使用的高速钢粉末和基材相同的平均粒径(D50)为40μm的高速钢粉末(由制造的M2)以及由高速钢(由日立金属工具钢株式会社制造的YXR3)形成的基材。如在试验例1中那样，通过使用金属3D打印机在高速钢基材上对高速钢粉末进行层叠并造型，从而在基材上形成高速钢造型制品。以这种方式，在基材上形成具有层叠部分的造型制品，在层叠部分中，由高速钢形成的多个层彼此层叠。造型条件与试验例1中的样品No.1-3的造型条件相同。对所得的造型制品进行回火。回火处理进行三次，并且回火处理的条件与试验例1中相同。该造型制品为样品No.2-1。
对样品No.2-1进行以下评价。
(孔隙率和相对密度)
以与试验例1中相同的方式确定构成造型制品的层叠部分的孔隙率和相对密度。样品No.2-1的层叠部分的孔隙率为10％以下(相对密度为90％以上)。
(碳化物的最大长度)
如在试验例1中那样，用SEM观察造型制品的层叠部分的截面，并捕获其背散射电子图像以检验金相结构中碳化物的析出状态。在样品No.2-1的层叠部分中，碳化物不是以网络状析出，而是微细地分散在结构中。分析所捕获的图像以确定所观察的区域中存在的碳化物的最大长度。具体而言，将图像二值化，并使用图像分析软件(例如，美国国立卫生研究院ImageJ)处理经二值化的图像，以测定碳化物的最大长度。碳化物的最大长度为1μm以下。
(马氏体结构的面积分数)
评价造型制品的层叠部分中的马氏体结构的面积分数。通过用SEM观察并捕获层叠部分的截面，并分析所捕获的图像以计算所观察的区域中金相结构中的马氏体结构的面积百分率(％)，从而确定马氏体结构的面积分数。这里，用笔标记图像中马氏体结构的区域，并用图像分析软件(例如，美国国立卫生研究院ImageJ)进行处理以确定面积百分率(％)。样品No.2-1的层叠部分中的马氏体结构的面积分数为99％以上。
对于样品No.2-1，沿着层叠部分的层叠方向垂直于基材的顶部表面切割造型制品。用SEM观察基材和层叠部分之间的界面附近的截面，并捕获其背散射电子图像。图5为基材与层叠部分之间的界面附近的截面的背散射电子图像。在图5中，对比度最暗(颜色深)的下侧部分为基材4，而基材4上方的部分(对比度相对较亮)为层叠部分2。在背散射电子图像中，对比度的差异显示了组成的差异。在图5中，在层叠部分2中的靠近与基材4的界面的部分中，越靠近基材4，对比度越暗，即越接近基材4的组成，而越远离基材4，对比度逐渐变亮。这表明，如图5所示，在样品No.2-1的造型制品中，在层叠部分2的靠近与基材4的界面的部分中形成有组成渐变层23，在组成渐变层23中，在朝向基材的4的方向上，层的组成变得更接近基材4的组成。
附图标记列表
1 造型制品
2 层叠部分
21 层
23 组成渐变层
4 基材

Claims (9)

1.一种制造造型制品的方法，该方法包括：
准备高速钢粉末的步骤；
通过铺展所述粉末而形成粉末层的步骤；
通过用扫描激光束照射所述粉末层而形成所述粉末处于结合状态的固化层的步骤；以及
通过依次重复形成所述粉末层的步骤和形成所述固化层的步骤而层叠固化层，从而形成所述造型制品的步骤，
所述激光束的能量密度为60J/mm3以上且小于600J/mm3。
2.根据权利要求1所述的制造造型制品的方法，其中所述激光束的功率为100W以上。
3.根据权利要求1或2所述的制造造型制品的方法，包括对所述造型制品进行回火的步骤。
4.一种制造造型制品的方法，该方法包括：
准备平均粒径为20μm以上60μm以下的高速钢粉末和高速钢基材的步骤；
通过将所述粉末以所述平均粒径的1倍以上3倍以下的层间距铺展在所述基材上而形成粉末层的步骤；
通过用功率为100W以上300W以下的扫描激光束照射所述粉末层而形成所述粉末处于结合状态的固化层的步骤；以及
通过依次重复形成所述粉末层的步骤和形成所述固化层的步骤而在所述基材上层叠固化层，从而形成所述造型制品的步骤，
所述激光束的能量密度满足以下不等式：
60J/mm3≤P/(v×s×t)<600J/mm3
P：激光束功率(W)
v：激光束扫描速度(mm/s)
s：激光束扫描间距(mm)
t：层间距(mm)。
5.一种造型制品，其包括层叠部分，在所述层叠部分中，由高速钢形成的多个层彼此层叠。
6.根据权利要求5所述的造型制品，其中所述层叠部分的孔隙率为25％以下，并且在所述层叠部分的结构中，碳化物以分散的方式析出。
7.根据权利要求5或6所述的造型制品，其中所述层叠部分的马氏体结构的面积分数为99％以上。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的造型制品，包括由高速钢形成的基材，
其中所述层叠部分形成在所述基材上。
9.根据权利要求8所述的造型制品，其中所述基材和所述层叠部分由具有不同组成的高速钢形成，并且
所述层叠部分在其与所述基材的界面附近包括组成渐变层，在所述组成渐变层中，在朝向所述基材的方向上，所述层的组成变得更接近所述基材的组成。
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