DE102020211203A1

DE102020211203A1 - Beschichtungsverfahren und Beschichtungsstruktur

Info

Publication number: DE102020211203A1
Application number: DE102020211203.7A
Authority: DE
Inventors: Yasutomo Shiomi; Mitsuo Sasaki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-03-18
Also published as: JP7309544B2; JP2021042453A; US20210078102A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Beschichtungsverfahren: Bilden einer Vielzahl von Aussparungen (112; 131; 132) in einer Oberfläche (111) eines Elements (101), das ein erstes Material enthält; und Ausfüllen der Aussparungen (112; 131; 132) und Bedecken mindestens eines Teils der Oberfläche (111) mit erstarrtem Pulver (3) mittels Versorgen mit Pulver (3), das ein zweites Material enthält, das sich von dem ersten Material unterscheidet. Das Versorgen mit Pulver (3) umfasst: Abgeben des Pulvers (3) hin zu einer der Aussparungen (112; 131; 132); und Schmelzen des Pulvers (3) an einer Stelle, die von einer Innenfläche (119) des Elements (101) beabstandet ist, die die Aussparungen (112; 131; 132) bildet, oder an der Innenfläche (119).

Description

GEBIET
In diesem Dokument beschriebene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen ein Beschichtungsverfahren und eine Beschichtungsstruktur.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine Struktur ist bekannt, die ein Element mit einer Oberfläche umfasst, die mit einem Material beschichtet ist, das sich von dem Rest des Elements unterscheidet. Beispielsweise werden Objekte, die ein Element und ein Beschichtungsmaterial umfassen, das die Oberfläche des Elements bedeckt, mittels verschiedener Verfahren wie Laserauftragschweißen hergestellt.
In dem Beschichtungsprozess können das Material eines Elements und das Material eines Beschichtungsmaterials miteinander vermischt werden. Dies kann abhängig von dem Mischungsverhältnis der beiden Materialien einen unbeabsichtigten Einfluss ausüben, wie eine Abnahme der Festigkeit des vermischten Abschnitts.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 veranschaulicht einen Querschnitt einer Düse, die in der ersten Ausführungsform einen Betrieb ausführt;
3 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt eines Objekts, das von der Vorrichtung zur additiven Fertigung in der ersten Ausführungsform beschichtet wird;
4 veranschaulicht schematisch eine perspektivische Ansicht des Objekts während des Beschichtens in der ersten Ausführungsform;
5 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt eines Teils des Objekts in der ersten Ausführungsform;
6 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt eines Elements, das mit Aussparungen vorgesehen ist, in der ersten Ausführungsform;
7 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt eines Elements gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
8 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt eines Elements gemäß einer dritten Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Beschichtungsverfahren: Bilden einer Vielzahl von Aussparungen in einer Oberfläche eines Elements, das ein erstes Material enthält; und Zuführen von Pulver zu der Oberfläche, um die Aussparungen zu füllen und mindestens einen Teil der Oberfläche zu bedecken, wobei das Pulver ein zweites Material enthält, das sich von dem ersten Material unterscheidet, und erstarren gelassen wird. Das Zuführen des Pulvers umfasst: Abgeben des Pulvers zu einer der Aussparungen; und Schmelzen und Erstarrenlassen des Pulvers an einer Innenfläche des Elements oder an einer Stelle, die von der Innenfläche entfernt ist, wobei die Innenfläche die Aussparungen bildet.
Erste Ausführungsform
Nachfolgend wird mit Bezug auf 1 bis 6 eine erste Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung sind eine vertikale Aufwärtsrichtung und eine vertikale Abwärtsrichtung im Wesentlichen als eine Aufwärtsrichtung und eine Abwärtsrichtung definiert. In der vorliegenden Beschreibung können Grundelemente in Ausführungsformen mittels verschiedener Ausdrücke dargestellt sein und verschiedene Erklärungen gegeben werden. Solche Grundelemente und ihre Beschreibungen werden nur zum Zwecke der Veranschaulichung vorgestellt und sollen den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung nicht einschränken. Grundelemente können auch mit anderen Namen als denen bezeichnet werden, die in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden. Darüber hinaus können Grundelemente mit anderen Begriffen als denen beschrieben werden, die in diesem Dokument verwendet werden.
1 veranschaulicht schematisch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 in der ersten Ausführungsform. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 kann beispielsweise auch als eine Bearbeitungsvorrichtung oder eine Behandlungsvorrichtung bezeichnet werden. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 der ersten Ausführungsform dient als ein dreidimensionaler Drucker zum Laserauftragschweißen. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, sind zur Vereinfachung in der vorliegenden Beschreibung eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse definiert. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse sind orthogonal zueinander. Die X-Achse und die Y-Achse sind horizontal. Die Z-Achse ist vertikal.
Ferner sind in der vorliegenden Beschreibung eine X-Richtung, eine Y-Richtung und eine Z-Richtung definiert. Die X-Richtung verläuft entlang der X-Achse und umfasst eine +X-Richtung, die von dem Pfeil X angegeben ist, und eine -X-Richtung entgegengesetzt zu dem Pfeil X. Die Y-Richtung verläuft entlang der Y-Achse und umfasst eine +Y-Richtung, die von dem Pfeil Y angegeben ist, und eine -Y-Richtung entgegengesetzt zu dem Pfeil Y. Die Z-Richtung verläuft entlang der Z-Achse und umfasst eine +Z-Richtung (aufwärts), die von dem Pfeil Z angegeben ist, und eine -Z-Richtung (abwärts) entgegengesetzt zu dem Pfeil Z.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 ist in der Lage, ein Objekt 4, das eine gegebene Form aufweist, additiv herzustellen, beispielsweise durch Hinzufügen einer Schicht auf einer Schicht von Pulver 3. Das Pulver 3 kann auch als pulverförmiges Material bezeichnet werden. Wie in 1 veranschaulicht, umfasst die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 einen Behandlungsbehälter 11, eine Plattform 12, eine Bewegungseinrichtung 13, eine Düseneinrichtung 14, eine optische Einrichtung 15, eine Messeinrichtung 16, einen Heizer 17, eine Steuerung 18 und eine Vielzahl von Signalleitungen 19.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 ist in der Lage, das Objekt 4 aus zwei Typen des Pulvers 3 additiv herzustellen. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 kann das Objekt 4 aus einem oder drei oder mehr Typen des Pulvers 3 erzeugen.
Der Behandlungsbehälter 11 umfasst eine Hauptkammer 21 und eine Nebenkammer 22. Im Innern der Hauptkammer 21 sind die Plattform 12, die Bewegungseinrichtung 13, ein Teil der Düseneinrichtung 14, die Messeinrichtung 16 und der Heizer 17 angeordnet. Die Nebenkammer 22 ist benachbart zu der Hauptkammer 21.
Zwischen der Hauptkammer 21 und der Nebenkammer 22 befindet sich eine Tür 23. Bei geöffneter Tür 23 kommuniziert die Hauptkammer 21 mit der Nebenkammer 22. Bei geschlossener Tür 23 ist die Hauptkammer 21 von der Nebenkammer 22 isoliert. Bei geschlossener Tür 23 kann die Hauptkammer 21 luftdicht abgedichtet sein.
Die Hauptkammer 21 ist mit einem Lufteinlass 21a und einem Luftauslass 21b versehen. Beispielsweise ist außerhalb des Behandlungsbehälters 11 eine Luftversorgungseinrichtung angeordnet, um die Hauptkammer 21 über den Lufteinlass 21a mit einem Inertgas wie beispielsweise Stickstoff oder Argon zu versorgen. Beispielsweise ist außerhalb des Behandlungsbehälters 11 eine Luftabsaugeinrichtung angeordnet, um über den Luftauslass 21b Gas aus der Hauptkammer 21 abzulassen.
Ein Förderer 24 erstreckt sich von der Hauptkammer 21 zu der Nebenkammer 22. Der Förderer 24 arbeitet derart, dass er das Objekt 4, das bearbeitet wurde, von der Hauptkammer 21 zu der Nebenkammer 22 transportiert. Das heißt, die Nebenkammer 22 nimmt das Objekt 4 auf, nachdem es in der Hauptkammer 21 bearbeitet wurde.
Die Plattform 12 dient zum Stützen des Objekts 4. Die Bewegungseinrichtung 13 arbeitet derart, dass sie die Plattform 12 beispielsweise in den drei axialen Richtungen bewegt, die orthogonal zueinander sind. Die Bewegungseinrichtung 13 kann die Plattform 12 um zwei Achsen drehen, die orthogonal zueinander sind.
Die Düseneinrichtung 14 führt das Pulver 3 dem Objekt 4 oder der Basis des Objekts 4 zu, das sich auf der Plattform 12 befindet. Die Düseneinrichtung 14 bestrahlt das zugeführte Pulver 3 und das Objekt 4, das sich auf der Plattform 12 befindet, mit einem Energiestrahl E. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Energiestrahl E durch einen Laserstrahl veranschaulicht.
Die Düseneinrichtung 14 ist in der Lage, gleichzeitig zwei oder mehr Typen des Pulvers 3 zuzuführen und selektiv eines der zwei oder mehr Typen des Pulvers 3 zuzuführen. Die Düseneinrichtung 14 emittiert gleichzeitig mit dem Zuführen des Pulvers 3 den Energiestrahl E. Die Düseneinrichtung 14 kann zusätzlich zu dem Laserstrahl einen anderen Energiestrahl E emittieren. Der Energiestrahl kann ein beliebiger Strahl wie ein Elektronenstrahl, eine Mikrowelle oder eine elektromagnetische Welle im Ultraviolettbereich sein, sofern er das Pulver 3 wie der Laserstrahl schmelzen oder sintern kann.
Die Düseneinrichtung 14 umfasst eine erste Materialzuführung 31, eine zweite Materialzuführung 32, eine Düse 34, ein erstes Zuführrohr 35, ein zweites Zuführrohr 36 und einen Bewegungsmechanismus 38. Die Düse 34 und der Bewegungsmechanismus 38 sind in der Hauptkammer 21 angeordnet.
Die erste Materialzuführung 31 umfasst einen Behälter 31a und eine Zuführeinheit 31b. Der Behälter 31a lagert das Pulver 3. Die Zuführeinheit 31b führt das Pulver 3 mittels eines Trägergases von dem Behälter 31a über das erste Zuführrohr 35 der Düse 34 zu. Das Trägergas stellt ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon dar.
Die zweite Materialzuführung 32 umfasst einen Behälter 32a und eine Zuführeinheit 32b. Der Behälter 32a lagert einen anderen Typ Pulver 3 als das Pulver 3, das in dem Behälter 31a gelagert ist. Die Zuführeinheit 32b führt das Pulver 3 mittels des Trägergases von dem Behälter 32a über das zweite Zuführrohr 36 der Düse 34 zu.
2 veranschaulicht einen Querschnitt der Düse 34, die in der ersten Ausführungsform einen Betrieb ausführt. Wie in 2 veranschaulicht, weist die Düse 34 eine ungefähr röhrenförmige Form auf. Eine Spitze 34a der Düse 34 ist auf die Plattform 12 und das Objekt 4 gerichtet, das sich auf der Plattform 12 befindet. Die Düse 34 ist mit einem Strahlauslass 34b und einem Pulverauslass 34c versehen.
Der Strahlauslass 34b ist an der Spitze 34a der Düse 34 angeordnet und ist eine ungefähr kreisförmige Öffnung. Der Energiestrahl E wird von dem Strahlauslass 34b emittiert. Der Pulverauslass 34c ist an der Spitze 34a der Düse 34 angeordnet und ist eine ungefähr kreisförmige Öffnung, die den Strahlauslass 34b umgibt. Der Pulverauslass 34c ist mit dem ersten Zuführrohr 35 und dem zweiten Zuführrohr 36 verbunden. Das Pulver 3 wird zusammen mit einem Trägergas G von dem Pulverauslass 34c abgegeben.
Der Bewegungsmechanismus 38, der in 1 veranschaulicht ist, dient dazu, die Düse 34 in den drei axialen Richtungen zu bewegen, die orthogonal zueinander sind. Der Bewegungsmechanismus 38 kann die Düse 34 um zwei Achsen drehen, die orthogonal zueinander sind. Die Bewegungseinrichtung 13 und der Bewegungsmechanismus 38 arbeiten derart, dass sie die Düse 34 relativ zu der Plattform 12 bewegen.
Die optische Einrichtung 15 umfasst einen Emitter 41, ein optisches System 42 und eine Vielzahl von Kabeln 43. Der Emitter 41 umfasst eine Lichtquelle wie ein Oszillationselement. Der Emitter 41 emittiert durch die Oszillation des Oszillationselements den Energiestrahl E. Der Emitter 41 ist in der Lage, die Leistung und den Fokusdurchmesser des zu emittierenden Energiestrahls E zu ändern.
Der Emitter 41 ist über das Kabel 43 wie eine Hohlfaser mit dem optischen System 42 verbunden. Der Emitter 41 emittiert den Energiestrahl E von dem Oszillationselement über das Kabel 43 in das optische System 42. Der Energiestrahl E tritt über das optische System 42 in die Düse 34 ein. Das optische System 42 dient dazu, das Pulver 3 oder das Objekt 4 durch die Düse 34 mit dem Energiestrahl E zu bestrahlen, der von dem Emitter 41 emittiert wird.
Das optische System 42 umfasst beispielsweise eine erste Linse 51, eine zweite Linse 52, eine dritte Linse 53, eine vierte Linse 54 und einen Galvanometerscanner 55. Die erste Linse 51, die zweite Linse 52, die dritte Linse 53 und die vierte Linse 54 sind stationär. Die erste Linse 51, die zweite Linse 52, die dritte Linse 53 und die vierte Linse 54 können beispielsweise biaxial beweglich, den optischen Weg schneidend oder orthogonal zu ihm sein.
Die erste Linse 51 dient beispielsweise als eine Kollimatorlinse. Die erste Linse 51 wandelt den Energiestrahl E, der über das Kabel 43 auf das optische System 42 fällt, in parallele Strahlen um. Der Energiestrahl E tritt nach der Umwandlung in den Galvanometerscanner 55 ein.
Die zweite Linse 52 dient dazu, den Energiestrahl E zu konvergieren, der von dem Galvanometerscanner 55 emittiert wird. Der an der zweiten Linse 52 konvergierte Energiestrahl E erreicht über das Kabel 43 die Düse 34.
Jede der dritten Linse 53 und der vierten Linse 54 dient dazu, den Energiestrahl E zu konvergieren, der von dem Galvanometerscanner 55 emittiert wird. Das Objekt 4 wird beispielsweise mit dem Energiestrahl E bestrahlt, nachdem er von der dritten Linse 53 und der vierten Linse 54 konvergiert wurde.
Der Galvanometerscanner 55 dient dazu, die parallelen Strahlen, die aus der Umwandlung von der ersten Linse 51 resultieren, in Strahlen zu teilen, die in die zweite Linse 52, die dritte Linse 53 und die vierte Linse 54 eintreten. Der Galvanometerscanner 55 umfasst einen ersten Galvanometerspiegel 57, einen zweiten Galvanometerspiegel 58 und einen dritten Galvanometerspiegel 59. Jeder des ersten bis dritten Galvanometerspiegels 57, 58 und 59 kann Licht teilen und einen Neigungswinkel oder einen Ausgabewinkel ändern.
Der erste Galvanometerspiegel 57 erlaubt, dass ein Teil des Energiestrahls E, der die erste Linse 51 durchquert hat, ihn durchquert und den zweiten Galvanometerspiegel 58 erreicht. Ferner reflektiert der erste Galvanometerspiegel 57 einen anderen Teil des Energiestrahls E zu der vierten Linse 54. Der erste Galvanometerspiegel 57 ändert die Bestrahlungsposition des Energiestrahls E, der die vierte Linse 54 durchquert hat, gemäß dem Neigungswinkel des ersten Galvanometerspiegels 57.
Der zweite Galvanometerspiegel 58 reflektiert den Teil des Energiestrahls E, der den ersten Galvanometerspiegel 57 durchquert hat, zu dem dritten Galvanometerspiegel 59. Ferner reflektiert der zweite Galvanometerspiegel 58 einen anderen Teil des Energiestrahls E zu der dritten Linse 53. Der zweite Galvanometerspiegel 58 ändert die Bestrahlungsposition des Energiestrahls E, der die dritte Linse 53 durchquert hat, gemäß dem Neigungswinkel des zweiten Galvanometerspiegels 58.
Der dritte Galvanometerspiegel 59 reflektiert den Teil des Energiestrahls E, der den zweiten Galvanometerspiegel 58 durchquert hat, zu der zweiten Linse 52.
Das optische System 42 umfasst eine Schmelzeinrichtung 42a, die den ersten Galvanometerspiegel 57, den zweiten Galvanometerspiegel 58 und die dritte Linse 53 umfasst. Die Schmelzeinrichtung 42a bildet Schichten des Pulvers 3 und führt daran eine Aushärtungsbehandlung aus, indem das Pulver 3, das dem Objekt 4 von der Düse 34 zugeführt wird, mit dem Energiestrahl E bestrahlt und erwärmt wird.
Das optische System 42 umfasst ferner eine Abtrageinrichtung 42b, die den ersten Galvanometerspiegel 57 und die vierte Linse 54 umfasst. Die Abtrageinrichtung 42b dient dazu, das Objekt 4 mit dem Energiestrahl E zu bestrahlen, um einen unnötigen Abschnitt abzutragen.
Die Messeinrichtung 16 misst die Form einer Schicht des Pulvers 3 und die Form des Objekts 4. Die Messeinrichtung 16 überträgt Informationen zu den gemessenen Formen an die Steuerung 18. Die Messeinrichtung 16 umfasst beispielsweise eine Kamera 61 und einen Bildprozessor 62. Der Bildprozessor 62 führt basierend auf den Messinformationen von der Kamera 61 Bildverarbeitung aus. Die Messeinrichtung 16 ist in der Lage, die Schichtform des Pulvers 3 und die Form des Objekts 4 zu messen, beispielsweise durch Interferenz oder optisches Schneiden.
Die Plattform 12 ist mit dem Heizer 17 versehen. Der Heizer 17 stellt beispielsweise einen elektrischen Heizer dar. Der Heizer 17 ist in der Lage, das Objekt 4, das sich auf der Plattform 12 befindet, bis zu einer gewünschten Temperatur zu erwärmen.
Die Steuerung 18 ist über die Signalleitungen 19 elektrisch an die Bewegungseinrichtung 13, den Heizer 17, die erste Materialzuführung 31, die zweite Materialzuführung 32, den Emitter 41, den Galvanometerscanner 55 und den Bildprozessor 62 angeschlossen.
Die Steuerung 18 umfasst beispielsweise eine Steuereinheit 18a wie eine CPU, einen Speicher 18b wie ein ROM, RAM und ein Festplattenlaufwerk (HDD) und verschiedene andere Einrichtungen. Die CPU dient dazu, ein Computerprogramm auszuführen, das auf dem ROM oder dem Festplattenlaufwerk installiert ist, um die jeweiligen Elemente und Einheiten der Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 zu steuern.
Der Speicher 18b speichert beispielsweise Daten, die die Form des zu erzeugenden Objekts 4 darstellen. Der Speicher 18b speichert Daten, die die Höhe der Düse 34 und der Plattform 12 an jeder dreidimensionalen Bearbeitungsposition oder jedem dreidimensionalen Bearbeitungspunkt darstellen. Die Steuereinheit 18a steuert die Einheiten der Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 basierend auf diesen Daten, was es der Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 ermöglicht, das Objekt 4 herzustellen.
3 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt eines Objekts 100, das von der Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 der ersten Ausführungsform beschichtet wird. Das Objekt 100 umfasst ein Element 101 und ein Beschichtungsmaterial 102. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 kann nicht nur das Objekt 4 additiv herstellen, sondern auch das Element 101 mit dem Beschichtungsmaterial 102 beschichten.
Das Element 101 stellt ein Objekt dar, das beispielsweise aus einem Material hergestellt ist, das Eisen enthält. Eisen ist ein Beispiel eines ersten Materials. Nachfolgend wird das Material des Elements 101 als ein eisenbasiertes Material bezeichnet. Beispiele des eisenbasierten Materials umfassen Alloy 450. Das Element 101 kann andere Materialien enthalten.
Das Element 101 wird durch eine Turbinenschaufel veranschaulicht. Um einen Verschleiß des Elements 101 zu verhindern, ist das Element 101 mit dem Beschichtungsmaterial 102 beschichtet. Das Element 101 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Das Element 101 kann das Objekt 4 sein, das additiv von der Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 hergestellt wird, oder kann mittels Schneiden, Gießen, Schmieden oder anderer Verfahren hergestellt werden.
Das Element 101 weist eine Oberfläche 111 auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Oberfläche 111 eine annähernd flache Oberfläche, die der +Z-Richtung zugewandt ist. Die Oberfläche 111 kann eine gebogene Oberfläche sein und kann einer anderen Richtung zugewandt sein.
Die Oberfläche 111 des Elements 101 ist mit einer Vielzahl von Aussparungen 112 versehen. Die Aussparungen 112 sind ungefähr in der -Z-Richtung von der Oberfläche 111 ausgespart. Die Z-Richtung, die die -Z-Richtung umfasst, ist ein Beispiel einer dritten Richtung. In der ersten Ausführungsform umfassen die Aussparungen 112 eine Vielzahl von ersten Nuten 115 und eine Vielzahl von zweiten Nuten 116.
4 veranschaulicht schematisch eine perspektivische Ansicht des Objekts 100 während des Beschichtens in der ersten Ausführungsform. Zum besseren Verständnis veranschaulicht 4 die Aussparungen 112 mit größeren Abständen als die anderen Zeichnungen. 4 veranschaulicht teilweise einen Querschnitt des Objekts 100. Wie in 4 veranschaulicht, sind die ersten Nuten 115 ungefähr in der -Z-Richtung von der Oberfläche 111 ausgespart und erstrecken sich in der X-Richtung. Die X-Richtung verläuft entlang der Oberfläche 111 und ist ein Beispiel einer ersten Richtung. Die ersten Nuten 115 sind in der Y-Richtung voneinander beabstandet. Die ersten Nuten 115 erstrecken sich ungefähr parallel.
Die zweiten Nuten 116 sind ungefähr in der -Z-Richtung von der Oberfläche 111 ausgespart und erstrecken sich in der Y-Richtung. Die Y-Richtung verläuft entlang der Oberfläche 111 und schneidet die X-Richtung und ist ein Beispiel einer zweiten Richtung. Somit erstrecken sich die Aussparungen 112 entlang der Oberfläche 111. Die zweiten Nuten 116 sind in der X-Richtung voneinander beabstandet. Die zweiten Nuten 116 erstrecken sich ungefähr parallel.
Die zweiten Nuten 116 und die ersten Nuten 115 schneiden einander. Mit anderen Worten sind die ersten Nuten 115 und die zweiten Nuten 116 in einer Gitterform angeordnet. Die ersten Nuten 115 und die zweiten Nuten 116 können voneinander entfernt sein.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Aussparungen 112 Nuten (die ersten Nuten 115 und die zweite Nut 116), die jeweils einen Boden und einen ungefähr dreieckigen Querschnitt aufweisen. Die Aussparungen 112 sind nicht auf Nuten beschränkt und können ein anderer Aussparungstyp wie Öffnungen sein. In der vorliegenden Ausführungsform weisen die Aussparungen 112 ungefähr den gleichen Querschnitt auf. Die Aussparungen 112 können jedoch unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Um mit den Aussparungen 112 versehen zu sein, umfasst das Element 101 ferner eine Innenfläche 119, die die Aussparungen 112 bildet oder definiert. Die Innenfläche 119 ist durchgängig mit der Oberfläche 111. Zwischen der Innenfläche 119 und der Oberfläche 111 kann ein anderer Teil liegen.
3 veranschaulicht einen Querschnitt der Aussparungen 112 entlang einer Normalen zu der Oberfläche 111. Mit anderen Worten veranschaulicht 3 einen Querschnitt der Aussparungen 112 orthogonal zu der Oberfläche 111. Im Querschnitt sind eine Breite A, ein Mindestwinkel θ, eine Tiefe h und ein Abstand P der Aussparungen 112 definiert.
Die Breite A ist die maximale Breite einer Aussparung 112 im Querschnitt der Aussparungen 112 entlang der Normalen zu der Oberfläche 111. Mit anderen Worten stellt die Breite A einen Abstand zwischen einem ersten Rand 112a und einem zweiten Rand 112b der Aussparung 112 im Querschnitt dar. Der erste Rand 112a dient als eine Grenze zwischen der Oberfläche 111 und der Innenfläche 119 im Querschnitt. Der zweite Rand 112b dient als die andere Grenze zwischen der Oberfläche 111 und der Innenfläche 119 im Querschnitt. Der erste Rand 112a und der zweite Rand 112b sind quer über die Aussparung 112 voneinander entfernt.
Der Mindestwinkel θ stellt ein Minimum von Winkeln zwischen einer ersten Linie L1, die einen Boden 112c der Aussparung 112 und den ersten Rand 112a verbindet, und einer zweiten Linie L2 dar, die den Boden 112c und den zweiten Rand 112b verbindet. Der Boden 112c ist ein Teil der Aussparung 112 (die Innenfläche 119) und am weitesten von der Oberfläche 111 entfernt. Die erste Linie L1 und die zweite Linie L2 sind virtuelle Linien.
Wenn der Boden 112c der Aussparung 112 beispielsweise ungefähr parallel zu der Oberfläche 111 ist, werden die erste Linie L1 und die zweite Linie L2 angenommen, die zwei oder mehr Stellen am Boden 112c durchqueren. In diesem Fall werden zwei oder mehr Winkel zwischen der ersten Linie L1 und der zweiten Linie L2 angenommen. Der Mindestwinkel θ ist ein Mindestwinkel aus den angenommenen Winkeln.
Die Tiefe h stellt einen Abstand zwischen der Oberfläche 111 und dem Boden 112c der Aussparung 112 in der Z-Richtung orthogonal zu der Oberfläche 111 dar. Mit anderen Worten stellt die Tiefe h eine maximale Tiefe der Aussparung 112 entlang der Normalen zu der Oberfläche 111 dar. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Tiefe h beispielsweise auf 200 µm eingestellt. Die Tiefe h ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Der Abstand P stellt ein Intervall zwischen zwei benachbarten Aussparungen 112 dar. Insbesondere stellt der Abstand P einen Abstand zwischen dem Boden 112c einer der zwei benachbarten Aussparungen 112 und dem Boden 112c der anderen der zwei benachbarten Aussparungen 112 dar. Der Abstand P kann ein Abstand zwischen einer Breitenmitte einer der zwei benachbarten Aussparungen 112 und einer Breitenmitte der anderen der zwei benachbarten Aussparungen 112 sein. Die Breitenrichtung verläuft entlang der Oberfläche 111 im Querschnitt der Aussparung 112 entlang der Normalen zu der Oberfläche 111.
In der vorliegenden Ausführungsform kann eine Beziehung zwischen der Breite A, dem Mindestwinkel θ und der Tiefe h der Aussparung 112 durch den folgenden Ausdruck 1 erhalten werden: $θ=2 \times atan (A / 2 h) > π / 4.$
Die Beziehung zwischen der Breite A, dem Mindestwinkel θ und der Tiefe h ist nicht auf diejenige beschränkt, die sich aus Ausdruck 1 ergibt.
In der vorliegenden Ausführungsform kann eine Beziehung zwischen dem Abstand P, dem Mindestwinkel θ und der Tiefe h der Aussparung 112 durch den folgenden Ausdruck 2 erhalten werden: $θ=2 \times atan (P / 2 h) > π / 4.$
Die Beziehung zwischen dem Abstand P, dem Mindestwinkel θ und der Tiefe h ist nicht auf diejenige beschränkt, die sich aus Ausdruck 2 ergibt.
Der Abstand P ist auf das Fünffache oder mehr des mittleren Partikeldurchmessers des Pulvers 3 eingestellt. In der vorliegenden Ausführungsform ist beispielsweise der mittlere Partikeldurchmesser des Pulvers 3 auf 30 µm eingestellt und der Abstand P auf 300 µm eingestellt. Der Partikeldurchmesser des Pulvers 3 und der Abstand P sind nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 fügt dem Element 101 auf einer Schicht des Pulvers 3 eine Schicht hinzu, um das Beschichtungsmaterial 102 zu bilden. Mit anderen Worten fügt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 an dem Element 101 Schichten des Beschichtungsmaterials 102 hinzu. Das Beschichtungsmaterial 102 besteht aus dem Pulver 3.
Das Pulver 3 und das Beschichtungsmaterial 102 bestehen beispielsweise aus einem Material, das eine Kobaltlegierung enthält. Eine Kobaltlegierung ist ein Beispiel eines zweiten Materials. Nachfolgend wird das Material des Pulvers 3 und des Beschichtungsmaterials 102 als ein kobaltbasiertes Material bezeichnet. Beispiele des kobaltbasierten Materials umfassen Stellite6 (eingetragenes Warenzeichen). Das Pulver 3 und das Beschichtungsmaterial 102 können andere Materialien enthalten.
Das Material des Elements 101, d. h. das eisenbasierte Material, und das Material des Pulvers 3 und des Beschichtungsmaterials 102, d. h. das kobaltbasierte Material, unterscheiden sich voneinander. Das Element 101, das Pulver 3 und das Beschichtungsmaterial 102 können jedoch teilweise das gleiche Material enthalten. Beispielsweise kann das kobaltbasierte Material Eisen enthalten, und das eisenbasierte Material kann Kobalt enthalten. Alternativ können beide, das eisenbasierte Material und das kobaltbasierte Material, eine andere Substanz wie Chrom enthalten.
5 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt eines Teils des Objekts 100 der ersten Ausführungsform. Wie in 5 veranschaulicht, umfasst das Beschichtungsmaterial 102 hinzugefügte Schichten 120 des Pulvers 3. Beispielsweise wird das Pulver 3 von der Düse 34 abgegeben und von dem Energiestrahl E geschmolzen, der von der Düse 34 emittiert wird. Daraufhin erstarrt das geschmolzene Pulver 3 unter Bildung der Schichten 120.
Jede der Schichten 120 erstreckt sich ungefähr flach auf einer X-Y-Ebene. Die Schichten 120 können ungleichmäßig sein. Die Schichten 120 sind ungefähr in der Z-Richtung laminiert. Die Schichten 120 umfassen eine Vielzahl von ersten Schichten 121 und eine Vielzahl von zweiten Schichten 122.
Die ersten Schichten 121 sind in der Z-Richtung (der -Z-Richtung) im Innern der Aussparungen 112 laminiert. Mit anderen Worten sind die ersten Schichten 121 in den Aussparungen 112 aufgenommen. Die ersten Schichten 121 können teilweise außerhalb der Aussparungen 112 angeordnet sein. Die ersten Schichten 121 lagern sich an die Innenfläche 119 an, die die Aussparungen 112 bildet, oder haften daran.
Die zweiten Schichten 122 sind in der Z-Richtung (der -Z-Richtung) außerhalb der Aussparungen 112 laminiert. Die zweiten Schichten 122 können teilweise im Innern der Aussparungen 112 angeordnet sein. Die zweiten Schichten 122 bedecken mindestens einen Teil der Oberfläche 111. Ferner bedecken die zweiten Schichten 122 die ersten Schichten 121.
Wie zuvor beschrieben sind die Aussparungen 112 mit dem Beschichtungsmaterial 102 gefüllt. Ferner ist das Beschichtungsmaterial 102 (die ersten Schichten 121) im Innern der Aussparungen 112 über einen Teil des Beschichtungsmaterials 102 (die zweiten Schichten 122) gegenseitig verbunden, der die Oberfläche 111 bedeckt.
Das Beschichtungsmaterial 102 weist eine höhere Verschleißfestigkeit auf als beispielsweise das Element 101. Somit kann das Bedecken der Oberfläche 111 des Elements 101 durch das Beschichtungsmaterial 102 die Verschleißfestigkeit des Objekts 100 erhöhen. Ferner ermöglicht das Füllen der Aussparungen 112 des Elements 101 mit dem Beschichtungsmaterial 102 dem Beschichtungsmaterial 102, sich mittels Verankerungswirkung fest an das Element 101 anzulagern, was zu einer Verbesserung der Festigkeit des Objekts 100 führt.
Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren des Objekts 100 teilweise veranschaulicht. Das Herstellungsverfahren des Objekts 100 ist nicht auf das folgende Verfahren beschränkt und es können andere Verfahren angewandt werden. Zunächst wird das Element 101 hergestellt. Als Nächstes wird das Element 101, bevor die Aussparungen 112 darin gebildet werden, auf der Plattform 12 der Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 angeordnet.
6 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt des Elements 101, das darin gebildet die Aussparungen 112 aufweist, in der ersten Ausführungsform. Als Nächstes werden, wie in 6 veranschaulicht, die Aussparungen 112 in der Oberfläche 111 des Elements 101 gebildet.
Beispielsweise bestrahlt die Abtrageinrichtung 42b der Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 die Oberfläche 111 mit dem Energiestrahl E, um einen Teil des Elements 101 verdampfen zu lassen. Der Energiestrahl E scannt die Oberfläche 111, wodurch die Aussparungen 112 in der Oberfläche 111 gebildet werden. Der Emitter 41 stellt eine höhere Leistung des Energiestrahls E ein, mit dem die Oberfläche 111 bestrahlt wird, und stellt einen geringeren Fokusdurchmesser des Energiestrahls E ein.
Die Aussparungen 112 können mittels anderer Verfahren gebildet werden. Beispielsweise können die Aussparungen 112 mittels verschiedener Bearbeitungstypen, wie Schneiden mit einem Werkzeug wie einem Spiralbohrer oder einem Fräser oder Pressen unter Verwendung einer Matrize, in der Oberfläche 111 gebildet werden.
Das Element 101, das mit den Aussparungen 112 versehen ist, kann hergestellt werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 das Element 101, das mit den Aussparungen 112 versehen ist, additiv herstellen. Alternativ kann das Element 101, das mit den Aussparungen 112 versehen ist, mittels Gießen oder Pressen hergestellt werden. Das heißt, die Aussparungen 112 können nach der Herstellung des Elements 101 oder gleichzeitig in der Oberfläche 111 gebildet werden.
Als Nächstes erwärmt der Heizer 17 in 1 das Element 101 auf der Plattform 12. Anstatt des Heizers 17 kann die optische Einrichtung 15 das Element 101 mit dem Energiestrahl E bestrahlen, um das Element 101 zu erwärmen. Die Temperatur des Elements 101 ist auf eine Temperatur eingestellt, die niedriger ist als der Schmelzpunkt des Elements 101.
Als Nächstes gibt, wie in 2 veranschaulicht, die Düse 34 der Düseneinrichtung 14 das Pulver 3 zu einer der Aussparungen 112 ab. Beispielsweise bewegt die Bewegungseinrichtung 13 oder der Bewegungsmechanismus 38 die Düse 34 relativ zu dem Element 101. Die Spitze 34a der Düse 34 wird auf die eine der Aussparungen 112 gerichtet.
Beispielsweise führt die zweite Materialzuführung 32 das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials mittels des Trägergases G der Düse 34 zu. Die Düse 34 gibt das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials zusammen mit dem Trägergas G von dem Pulverauslass 34c zu der Aussparung 112 ab. Mit anderen Worten wird das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials mittels des Trägergases G, das zu der Aussparung 112 gespritzt wird, zu der Aussparung 112 abgegeben. Getragen von dem Trägergas G oder von der Trägheit, basierend auf der Geschwindigkeit seitens des Trägergases G, kann das Pulver 3 tief in die Aussparung 112 eindringen.
Die Düse 34 gibt das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials von dem ringförmigen Pulverauslass 34c zu einem Fokus F ab. Der Fokus F ist auf eine Position eingestellt, die in der -Z-Richtung von der Spitze 34a der Düse 34 und in einer horizontalen Richtung (der X-Richtung und/oder der Y-Richtung) von dem Pulverauslass 34c beabstandet ist. Beispielsweise gibt die Düse 34 das Pulver 3 in ungefähr konischer Form von dem Pulverauslass 34c zu dem Fokus F ab. Mit anderen Worten gibt die Düse 34 das Pulver 3 in einer Vielzahl von Richtungen zu dem Fokus F ab.
Ein Winkel θf des Pulvers 3, das in der ungefähr konischen Form abgegeben wird, ist ungefähr gleich dem Mindestwinkel θ der Aussparung 112. Die Innenfläche 119 der Aussparung 112 erstreckt sich in der Abgaberichtung des Pulvers 3 des kobaltbasierten Materials. Mit anderen Worten umfasst das Pulver 3, das von der Düse 34 abgegeben wird, das Pulver 3, das entlang der Innenfläche 119 abgegeben wird. Die Aussparung 112 und die Innenfläche 119 sind gemäß der Abgaberichtung des Pulvers 3 gebildet. Die Abgaberichtung des Pulvers 3 und die Erstreckungsrichtung der Innenfläche 119 sind nicht auf die zuvor erwähnten Beispiele beschränkt.
Als Nächstes wird das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials an einer Stelle geschmolzen, die von der Innenfläche 119 entfernt ist. Beispielsweise bringt die optische Einrichtung 15 den Energiestrahl E an der Düse 34 auf. Die Düse 34 emittiert den Energiestrahl E von dem Strahlauslass 34b. Der Emitter 41 stellt eine geringere Leistung des Energiestrahls E ein, der von der Düse 34 emittiert wird, und stellt einen größeren Fokusdurchmesser des Energiestrahls E ein. Die Leistung und der Fokusdurchmesser des Energiestrahls E sind nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Der Fokus des Energiestrahls E stimmt ungefähr mit dem Fokus F des abzugebenden Pulvers 3 überein. Nachfolgend wird somit der Fokus des Energiestrahls E auch als der Fokus F bezeichnet. Das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials, das von dem Pulverauslass 34c abgegeben wird, konvergiert an dem Fokus F des Energiestrahls E. Somit wird das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials von dem Energiestrahl E geschmolzen.
Der Fokus F ist von dem Element 101 entfernt eingestellt. Somit wird das Pulver 3 in der Luft geschmolzen und fällt oder fliegt durch Schwerkraft oder Trägheit zu der Aussparung 112. An dem Fokus F können Tropfen von geschmolzenem Pulver 3 miteinander verschmelzen.
Das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials lagert sich an der Innenfläche 119 an, die die Aussparung 112 bildet, und wird beispielsweise mittels Wärmeleitung von dem Element 101 gekühlt. Das abgekühlte Pulver 3 erstarrt unter Bildung der Schicht 120. Aufgrund des erwärmten Elements 101 wird das geschmolzene Pulver 3 einfach feucht und verteilt sich über die Innenfläche 119. Die Schmelzeinrichtung 42a kann eine Aushärtungsbehandlung an der gebildeten Schicht 120 ausführen.
Mit mindestens einer gebildeten Schicht 120 lagert sich das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials an der Schicht 120 an und wird beispielsweise mittels Wärmeleitung zwischen der Schicht 120 und dem Element 101 gekühlt. Das abgekühlte Pulver 3 erstarrt unter Bildung einer neuen Schicht 120.
Wie in dem Beispiel von 2 veranschaulicht, ist der Fokus F beispielsweise in der +Z-Richtung entfernt von der Oberfläche 111 des Elements 101. Der Fokus F ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt und kann im Innern der Aussparung 112 angeordnet sein. Da der Winkel θf, in dem das Pulver 3 abgegeben wird, ungefähr gleich dem Mindestwinkel θ der Aussparung 112 ist, wird verhindert, dass das abgegebene Pulver 3 das Element 101 beeinflusst. Die Bewegungseinrichtung 13 und/oder der Bewegungsmechanismus 38 kann die Düse 34 relativ zu dem Element 101 bewegen, um die Position des Fokus F zu ändern.
Der Fokus F kann beispielsweise an der Innenfläche 119, die die Aussparung 112 bildet, oder im Innern des Elements 101 eingestellt sein. In diesem Fall wird das Pulver 3 an der Innenfläche 119 geschmolzen. Mit anderen Worten kann das Pulver 3 geschmolzen werden, während es in Kontakt mit der Innenfläche 119 ist. Das Pulver 3 wird geschmolzen und lagert sich an der Innenfläche 119 an und wird beispielsweise mittels Wärmeleitung von dem Element 101 gekühlt. Das abgekühlte Pulver 3 erstarrt unter Bildung der Schicht 120.
Der Schmelzpunkt des eisenbasierten Materials ist höher als der Schmelzpunkt des kobaltbasierten Materials. Daher wird das Schmelzen des Elements 101 verhindert, wenn das geschmolzene Pulver 3 des kobaltbasierten Materials sich an der Innenfläche 119 anlagert. Die Temperatur des Elements 101 ist derart eingestellt, dass das Schmelzen des Elements 101 aufgrund von Wärmeleitung des Pulvers 3 verhindert wird. Das Element 101 kann leicht angeschmolzen werden.
Nach dem Bilden der Schicht 120 in einer der Aussparungen 112 gibt die Düse 34 das Pulver 3 zu einer nächsten der Aussparungen 112 ab. Die Düse 34 emittiert außerdem den Energiestrahl E, um das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials zu schmelzen. Die Düse 34 wiederholt die Bildung der Schicht 120 in den Aussparungen 112.
Das Zuführen des Pulvers 3 des kobaltbasierten Materials umfasst das Abgeben und Schmelzen des Pulvers 3 des kobaltbasierten Materials. Indem das Pulver auf diese Weise zugeführt wird, werden die ersten Schichten 121 gebildet, und die Aussparungen 112 werden mit den ersten Schichten 121, d. h. erstarrtem Pulver 3 gefüllt. Indem das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials zugeführt wird, werden die zweiten Schichten 122 gebildet, und mindestens ein Teil der Oberfläche 111 des Elements 101 wird mit den zweiten Schichten 122, d. h. erstarrtem Pulver 3 bedeckt. Durch die zuvor beschriebenen Prozesse wird das Beschichtungsmaterial 102 gebildet, was die Herstellung des Objekts 100 abschließt.
Die Oberfläche des Beschichtungsmaterials 102 kann gleichmäßig bearbeitet sein. Beispielsweise bestrahlt die Abtrageinrichtung 42b das Beschichtungsmaterial 102 mit dem Energiestrahl E, um einen Teil des Beschichtungsmaterials 102 verdampfen zu lassen. Alternativ kann das Beschichtungsmaterial 102 mit einem Werkzeug wie einem Fräser teilweise abgeschnitten werden.
Wie in 4 veranschaulicht, bewegt sich die Düse 34 in Bezug auf das Element 101 in der Erstreckungsrichtung der Aussparung 112. Somit wird die Aussparung 112 in der Erstreckungsrichtung der Aussparung 112 mit den ersten Schichten 121 (dem erstarrten Pulver 3) gefüllt. Dies bildet eine Wulstspur 125, die sich in der Erstreckungsrichtung der Aussparung 112 erstreckt, auf der ersten Schicht 121. Die Erstreckungsrichtung der Wulstspur 125 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Ohne gebildete Wulstspur 125 wird das Pulver 3 an einer Stelle entfernt von der Aussparung 112 oder an der Innenfläche 119 geschmolzen und erstarrt in der Aussparung 112. Hierdurch können die Aussparungen 112 mit den ersten Schichten 121 gefüllt werden.
In dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren des Objekts 100 wird das Schmelzen des Elements 101 verhindert. Das heißt, es wird verhindert, dass das eisenbasierte Material des Elements 101 und das kobaltbasierte Material des Pulvers 3 (des Beschichtungsmaterials 102) miteinander vermischt werden. Beispielsweise zeigt die Materialzusammensetzung des Objekts 100 an der Grenze zwischen dem Element 101 und dem Beschichtungsmaterial 102 in der Z-Richtung eine höhere Änderungsrate als 1 %/µm.
5 veranschaulicht auf der rechten Seite eine beispielhafte kristalline Anordnung eines Teils des Beschichtungsmaterials 102, gemessen durch Elektronenrückstreubeugungsmuster (Electron Back Scatter Diffraction Patterns - EBSD), was einem schematischen Teilquerschnittsdiagramm des Objekts 100 entspricht. In der kristallinen Anordnung von 5 sind Kristalle, die die gleiche Orientierung aufweisen, mit der gleichen Farbe dargestellt. Das heißt, in dem Abschnitt der gleichen Farbe in dem kristallinen Anordnungsdiagramm sind Kristalle, die die gleiche Orientierung aufweisen, durchgängig ausgerichtet, oder Einkristalle, die eine gegebene Orientierung aufweisen, erstrecken sich durchgängig.
Wie in 5 veranschaulicht, werden in den ersten Schichten 121 und den zweiten Schichten 122 die Kristalle, die die gleiche Orientierung aufweisen, durch das Bilden des Beschichtungsmaterials 102 mittels des zuvor erwähnten Verfahrens ungefähr in der Z-Richtung durchgängig. Mit anderen Worten weisen in dem Beschichtungsmaterial 102 Kristalle, die ungefähr in der Z-Richtung ausgerichtet sind, die gleiche Orientierung auf, oder Einkristalle, die eine gegebene Orientierung aufweisen, erstrecken sich ungefähr in der Z-Richtung. Die Orientierung der Kristalle kann mittels verschiedener Verfahren wie dem EBSD-Verfahren oder visueller Beobachtung bestimmt werden.
Die Orientierung des Kristalls wird durch die Richtung beeinflusst, in der ein geschmolzenes Material abgekühlt wird. Das geschmolzene Pulver 3 des kobaltbasierten Materials führt, wenn es an die Innenfläche 119 des Elements 101 oder die gebildete Schicht 120 angelagert ist, ungefähr in der -Z-Richtung Wärme zu dem Element 101 und/oder der gebildeten Schicht 120. Dies erlaubt es, dass die Abkühlrichtungen des Pulvers 3 (der Schicht 120), das in der Z-Richtung laminiert ist, im Wesentlichen einheitlich sind, und dass die Kristalle, die die gleiche Orientierung aufweisen, ungefähr in der Z-Richtung durchgängig sind.
In der vorliegenden Ausführungsform können mindestens in den ersten Schichten 121 Kristalle, die die gleiche Orientierung aufweisen, ungefähr in der Z-Richtung durchgängig sein. Es kann sein, dass die Orientierungen der Kristalle in der Z-Richtung nicht in den gesamten ersten Schichten 121 einheitlich sind.
Das Herstellungsverfahren des Objekts 100 ist nicht auf das zuvor erwähnte Verfahren beschränkt. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 das Pulver 3 des eisenbasierten Materials von der ersten Materialzuführung 31 zu der Düse 34 führen und das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials von der zweiten Materialzuführung 32 zu der Düse 34 führen. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 1 kann das Element 101 und das Beschichtungsmaterial 102 gleichzeitig bilden, indem sie zwischen der Menge des Pulvers 3 des eisenbasierten Materials und der Menge des Pulvers 3 des kobaltbasierten Materials wechselt, wenn es von der Düse 34 abgegeben wird.
Beispielsweise bildet die Düse 34 das Element 101 additiv, indem sie das Pulver 3 des eisenbasierten Materials zu einem Raumkoordinatensystem zum Bilden des Elements 101 abgibt. Die Düse 34 bildet das Beschichtungsmaterial 102, indem sie das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials zu einem Raumkoordinatensystem zum Bilden des Beschichtungsmaterials 102 abgibt.
In diesem Fall werden die Aussparungen 112 in dem Element 101 und das Beschichtungsmaterial 102 ungefähr gleichzeitig gebildet. Indem beispielsweise Schichten des Elements 101 geschichtet werden, das mit den Aussparungen 112 versehen ist, werden die Aussparungen 112 in der Oberfläche 111 des Elements 101 gebildet. Gleichzeitig wird das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials von der Düse 34 zu der gebildeten Aussparung 112 oder zu einer Stelle abgegeben, an der später die Aussparung 112 gebildet wird. Das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials wird an einer Stelle, die von der Innenfläche 119 entfernt ist, oder an einer Stelle, an der die Innenfläche 119 zu bilden ist, oder an der Innenfläche 119 geschmolzen. Indem das Pulver 3 des kobaltbasierten Materials auf diese Weise zugeführt wird, wird das Objekt 100 additiv hergestellt, das die Aussparungen 112, die mit dem erstarrten Pulver 3 gefüllt sind, und die Oberfläche 111 aufweist, die mindestens teilweise mit dem erstarrten Pulver 3 bedeckt ist.
In der ersten Ausführungsform, die zuvor beschrieben wurde, sind die Aussparungen 112 in der Oberfläche 111 des Elements 101 gebildet. Indem das Pulver 3 zugeführt wird, werden mit dem erstarrten Pulver 3 die Aussparungen 112 gefüllt und mindestens ein Teil der Oberfläche 111 bedeckt. Das Zuführen des Pulvers 3 umfasst: Abgeben des Pulvers 3 zu jeder der Aussparungen 112; und Schmelzen des Pulvers 3 an einer Stelle, die von der Innenfläche 119 des Elements 101 beabstandet ist, die die Aussparung 112 bildet, oder an der Innenfläche 119. Hierdurch werden die Aussparungen 112 mit einem Teil der Schicht 120 des kobaltbasierten Materials gefüllt, das aus dem geschmolzenen und erstarrten Pulver 3 gebildet ist, und die Schicht 120 kann sich mittels Verankerungswirkung fest an das Element 101 anlagern. Ferner wird das Pulver 3 geschmolzen, bevor es an der Innenfläche 119 der Aussparung 112 angelagert ist, sodass verhindert wird, dass das Element 101 von den Mitteln zum Schmelzen des Pulvers 3 geschmolzen wird. Dies kann vermeiden, dass das kobaltbasierte Material, das in dem Pulver 3 enthalten ist, und das eisenbasierte Material, das in dem Element 101 enthalten ist, miteinander vermischt werden. Mit anderen Worten wird das Vermischen des kobaltbasierten Materials, das in dem Pulver 3 enthalten ist, und des eisenbasierten Materials, das in dem Element 101 enthalten ist, verhindert oder reduziert. Somit wird vermieden, dass das eisenbasierte Material und das kobaltbasierte Material in einem bestimmten Mischungsverhältnis vermischt werden, bei dem das eisenbasierte Material und das kobaltbasierte Material brüchig werden, was eine Abnahme der Festigkeit des Objekts 100 verringert, das das eisenbasierte Material und das kobaltbasierte Material enthält.
Üblicherweise kann eine Mischung eines eisenbasierten Materials und eines kobaltbasierten Materials brüchig werden, wenn sie in einem bestimmten Verhältnis gemischt ist. Somit kann ein solches gemischtes Material rissig sein oder die Festigkeit der Verbindung zwischen dem eisenbasierten Material und dem kobaltbasierten Material kann abnehmen. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Ausführungsform verhindert, dass das kobaltbasierte Material, das in dem Pulver 3 enthalten ist, und das eisenbasierte Material, das in dem Element 101 enthalten ist, miteinander vermischt werden. Somit ist es möglich, das Auftreten von Rissen und eine Abnahme der Festigkeit an der Grenze zwischen dem Element 101 und dem Beschichtungsmaterial 102 zu verhindern.
Das Pulver 3 wird von dem Energiestrahl E geschmolzen. Der Fokus F des Energiestrahls E ist von dem Element 101 entfernt eingestellt. Somit wird verhindert, dass das Element 101 von dem Energiestrahl E geschmolzen wird. Dies kann vermeiden, dass das eisenbasierte Material und das kobaltbasierte Material in einem bestimmten Mischungsverhältnis miteinander vermischt werden, bei dem das eisenbasierte Material und das kobaltbasierte Material brüchig werden, was eine Abnahme der Festigkeit des Objekts 100 reduziert.
Die Innenfläche 119 erstreckt sich in der Abgaberichtung des Pulvers 3. Dies macht es einfacher für das Pulver 3, tief in die Aussparungen 112 einzudringen, was zu einer Vermeidung des Auftretens eines Hohlraums in den Aussparungen 112 führt, die mit dem Pulver 3 gefüllt sind.
Entlang der Normalen zu der Oberfläche 111 weist die Aussparung 112 einen Querschnitt auf, der den folgenden Ausdruck erfüllt: $θ=2 \times atan (A / 2 h) > π / 4.$
wobei A die Breite der Aussparung 112 darstellt; θ den Mindestwinkel zwischen der ersten Linie L1, die den Boden 112c der Aussparung 112 und den ersten Rand 112a der Aussparung 112 verbindet, und der zweiten Linie L2 darstellt, die den Boden 112c der Aussparung 112 und den zweiten Rand 112b der Aussparung 112 verbindet; und h die Tiefe der Aussparung 112 entlang der Normalen zu der Oberfläche 111 darstellt. Somit wird das geschmolzene Pulver 3 weniger daran gehindert, beispielsweise aufgrund einer Oberflächenspannung, tief in die Aussparung 112 einzudringen. Das heißt, dass das Pulver 3 einfacher tief in die Aussparung 112 eindringen kann, was das Auftreten eines Hohlraums in der Aussparung 112 verhindert, die mit dem Pulver 3 gefüllt ist.
Die Aussparungen 112 umfassen mindestens eine erste Nut 115, die sich in der X-Richtung entlang der Oberfläche 111 erstreckt; und mindestens eine zweite Nut 116, die sich in der Y-Richtung erstreckt und die erste Nut 115 schneidet. Die Y-Richtung verläuft entlang der Oberfläche 111 und schneidet die X-Richtung. Diese Aussparungen dienen dazu, die Verankerungswirkung zu verstärken und der Schicht 120 des kobaltbasierten Materials zu erlauben, sich fest an das Element 101 anzulagern. Ferner kann das geschmolzene Pulver 3 an dem Schnittpunkt der ersten Nut 115 und der zweiten Nut 116 in beide, die erste Nut 115 und die zweite Nut 116, strömen. Das heißt, die Schicht 120 des kobaltbasierten Materials kann an dem Schnittpunkt zwischen der ersten Nut 115 und der zweiten Nut 116 abgeflacht sein.
Das Element 101 wird erwärmt. Dies führt zu einer Verbesserung der Benetzbarkeit des geschmolzenen Pulvers 3 an der Innenfläche 119. Das heißt, dass das geschmolzene Pulver 3 einfacher tief in die Aussparung 112 eindringt, was das Auftreten eines Hohlraums in der Aussparung 112 reduziert, die mit dem Pulver 3 gefüllt ist.
Der Schmelzpunkt des eisenbasierten Materials des Elements 101 ist höher als der Schmelzpunkt des kobaltbasierten Materials des Beschichtungsmaterials 102. Somit wird verhindert, dass das Element 101 von den Mitteln zum Schmelzen des Pulvers 3 geschmolzen wird. Dies dient dazu, zu vermeiden, dass das eisenbasierte Material und das kobaltbasierte Material in einem bestimmten Mischungsverhältnis vermischt werden, bei dem das eisenbasierte Material und das kobaltbasierte Material brüchig werden, was verhindert, dass die Festigkeit des Objekts 100 geringer wird.
Die Aussparungen 112 werden in der Erstreckungsrichtung der Aussparungen 112 mit dem erstarrten Pulver 3 gefüllt. Hierdurch kann die Schicht 120 des kobaltbasierten Materials sich fester an das Element 101 anlagern. Ferner wird die Bewegungsbahn der Düse 34 vereinfacht, was zu einer Reduzierung des Bearbeitungszeitaufwands zum Bilden der Schicht 120 des kobaltbasierten Materials führt.
Das Pulver 3 wird mittels des Trägergases G, das zu der einen der Aussparungen 112 gespritzt wird, zu einer der Aussparungen 112 abgegeben. Somit kann das Pulver 3 einfach tief in die Aussparung 112 eindringen, was das Auftreten eines Hohlraums in der Aussparung 112 verhindert, die mit dem Pulver 3 gefüllt ist.
Das Beschichtungsmaterial 102 umfasst die ersten Schichten 121, die in der Z-Richtung laminiert sind und derart in den Aussparungen 112 aufgenommen sind, dass sie sich an die Innenfläche 119 anlagern; und die zweiten Schichten 122, die in der Z-Richtung laminiert sind und mindestens einen Teil der Oberfläche 111 bedecken. Mindestens in den ersten Schichten 121 des Beschichtungsmaterials 102 sind Kristalle, die die gleiche Orientierung aufweisen, in der Z-Richtung durchgängig. Solche Kristalle werden als säulenförmige Kristalle bezeichnet. Die Kristalle können Einkristalle sein. Somit nimmt die Zugfestigkeit des Beschichtungsmaterials 102 in der Z-Richtung zu und es wird fest an das Element 101 anlagerbar. In dem Fall des Objekts 100, das als eine Turbinenschaufel dient, beispielsweise, kann das Beschichtungsmaterial 102 eine Kraft in einer Richtung (d. h. Zugrichtung) weg von dem Element 101 empfangen. In dem Beschichtungsmaterial 102 sind, wie zuvor beschrieben, die Orientierungen der Kristalle gleich, was zu einer Verbesserung der Festigkeit des Objekts 100 gegen eine solche Kraft führt.
Zweite Ausführungsform
Nachfolgend wird mit Bezug auf 7 eine zweite Ausführungsform beschrieben. In einer Vielzahl von nachfolgenden Ausführungsformen werden Grundelemente mit Funktionen, die den Funktionen der bereits beschriebenen Elemente ähneln, mit den gleichen Bezugszeichen dafür bezeichnet und die Beschreibung davon kann weggelassen sein. Grundelemente, die mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, können nicht alle Funktionen und Eigenschaften gemeinsam haben, und können abhängig von den jeweiligen Ausführungsformen unterschiedliche Funktionen und Eigenschaften aufweisen.
7 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt des Elements 101 in der zweiten Ausführungsform. Wie in 7 veranschaulicht, weist die Aussparung 112 der zweiten Ausführungsform einen ungefähr rechteckigen Querschnitt auf. Somit ist der Boden 112c der Aussparung 112 ungefähr parallel zu der Oberfläche 111.
In der zweiten Ausführungsform werden erste Linien L1 und zweite Linien L2 angenommen, die eine Vielzahl von Stellen am Boden 112c durchqueren. In diesem Fall werden zwei oder mehr Winkel zwischen den ersten Linien L1 und den zweiten Linien L2 angenommen, umfassend den Mindestwinkel θ und einen anderen Winkel θo. Der Mindestwinkel θ ist als der Mindestwinkel aus den angenommenen Winkeln definiert.
In der zweiten Ausführungsform gibt die Düse 34 das Pulver 3 in der Z-Richtung ab, beispielsweise von einem ungefähr kreisförmigen Pulverauslass. Somit erstreckt sich auch in der zweiten Ausführungsform die Innenfläche 119 in der Abgaberichtung des Pulvers 3. Die Abgaberichtung des Pulvers 3 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Dritte Ausführungsform
Nachfolgend wird mit Bezug auf 8 eine dritte Ausführungsform beschrieben. 8 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt des Elements 101 in der dritten Ausführungsform. Wie in 8 veranschaulicht, ist jede der Aussparungen 112 der dritten Ausführungsform eine abgestufte Aussparung und umfasst eine erste Aussparung 131 und eine zweite Aussparung 132.
Die zweite Aussparung 132 ist in der -Z-Richtung von einem Boden 131a der ersten Aussparung 131 ausgespart. Das heißt, der Boden 131a der ersten Aussparung 131 ist in der +Z-Richtung von einem Boden 132a der zweiten Aussparung 132 entfernt. Der Boden 132a der zweiten Aussparung 132 stimmt mit dem Boden 112c der gesamten Aussparung 112 überein.
In der dritten Ausführungsform stellt der Mindestwinkel θ ein Minimum der Winkel zwischen zwei Linien dar, von denen eine den Boden 112c der Aussparung 112 und einen Rand der zweiten Aussparung 132 verbindet, und die andere den Boden 112c und einen Rand der der ersten Aussparung 131 verbindet, wobei der Rand von dem Boden 112c aus sichtbar ist. In dem Beispiel von 8 ist der Mindestwinkel θ ein Minimum der Winkel zwischen ersten Linien L11, die den Boden 112c der Aussparung 112 und einen Rand 131b der ersten Aussparung 131 verbinden, und zweiten Linien L12, die den Boden 112c und einen Rand 132b der zweiten Aussparung 132 verbinden. Die ersten Linien L11 und die zweiten Linien L12 sind virtuelle Linien.
In der dritten Ausführungsform ist der Boden 112c der Aussparung 112 ungefähr parallel zu der Oberfläche 111. In diesem Fall werden die ersten Linien L11 und die zweiten Linien L12 angenommen, die eine Vielzahl von Stellen am Boden 112c durchqueren. In diesem Fall werden zwei oder mehr Winkel zwischen den ersten Linien L11 und den zweiten Linien L12 angenommen, wie der Mindestwinkel θ und ein anderer Winkel θo. Der Mindestwinkel θ ist der Mindestwinkel aus den angenommenen Winkeln.
Die erste bis dritte Ausführungsform haben das Beispiel beschrieben, dass das Element 101 das eisenbasierte Material enthält und das Beschichtungsmaterial 102 das kobaltbasierte Material enthält. Die Materialien des Elements 101 und des Beschichtungsmaterials 102 sind jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Das Element 101 kann beispielsweise Aluminium enthalten, und das Beschichtungsmaterial 102 kann Eisen enthalten. Alternativ kann das Element 101 Kupfer enthalten und das Beschichtungsmaterial 102 kann Keramik enthalten. Wie zuvor beschrieben können das Element 101 und das Beschichtungsmaterial 102 unterschiedliche Materialien enthalten.
Gemäß mindestens einer der ersten bis dritten Ausführungsform, die zuvor beschrieben wurden, ist an der Oberfläche eines Elements eine Vielzahl von Aussparungen gebildet. Das Zuführen von Pulver umfasst das Abgeben des Pulvers zu jeder der Aussparungen und das Schmelzen und Erstarrenlassen des Pulvers an einer Stelle, die von der Innenfläche des Elements entfernt ist, wobei die Innenfläche die Aussparung bildet. Indem das Pulver auf diese Weise zugeführt wird, füllt das erstarrte Pulver die Aussparungen und bedeckt mindestens einen Teil der Oberfläche. Somit werden die Aussparungen mit einem Teil einer Schicht eines zweiten Materials gefüllt, das aus dem geschmolzenen und erstarrten Pulver gebildet ist, und die Schicht kann sich mittels Verankerungswirkung fest an das Element anlagern. Ferner wird das Pulver geschmolzen, bevor es sich an der Innenfläche der Aussparung anlagert, was verhindert, dass das Element von den Mitteln zum Schmelzen des Pulvers geschmolzen wird. Somit wird verhindert, dass das zweite Material, das in dem Pulver enthalten ist, und ein erstes Material, das in dem Element enthalten ist, miteinander vermischt werden. Das heißt, es wird verhindert, dass das erste Material und das zweite Material in einem bestimmten Mischungsverhältnis miteinander vermischt werden, bei dem das erste Material und das zweite Material brüchig werden, wodurch verhindert wird, dass die Festigkeit eines Endprodukts verringert wird, das das erste Material und das zweite Material enthält.
Während gewisse Ausführungsformen beschrieben worden sind, sind diese Ausführungsformen nur beispielhaft vorgestellt worden und sollen den Geltungsbereich der Erfindungen nicht beschränken. Tatsächlich können die in diesem Dokument beschriebenen neuartigen Ausführungsformen in einer Vielzahl anderer Weisen ausgeführt werden; überdies können verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen an der Form der in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen gemacht werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Die begleitenden Ansprüche und ihre Entsprechungen sollen solche Ausbildungen oder Abänderungen abdecken, die unter den Geltungsbereich und Erfindungsgedanken fallen.

Claims

Beschichtungsverfahren, umfassend: Bilden einer Vielzahl von Aussparungen (112; 131; 132) in einer Oberfläche (111) eines Elements (101), das ein erstes Material enthält; und Zuführen von Pulver (3) zu der Oberfläche (111), um die Aussparungen (112; 131; 132) zu füllen und mindestens einen Teil der Oberfläche (111) zu bedecken, wobei das Pulver (3) ein zweites Material enthält, das sich von dem ersten Material unterscheidet, und erstarren gelassen wird, wobei das Zuführen des Pulvers (3) Folgendes umfasst: Abgeben des Pulvers (3) zu einer der Aussparungen (112; 131; 132); und Schmelzen und Erstarrenlassen des Pulvers (3) an einer Innenfläche (119) des Elements (101) oder an einer Stelle, die von der Innenfläche (119) entfernt ist, wobei die Innenfläche (119) die Aussparungen (112; 131; 132) bildet.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulver (3) von einem Energiestrahl (E) geschmolzen wird, und der Energiestrahl (E) auf eine Stelle, die von dem Element (101) entfernt ist, oder auf die Innenfläche (119) fokussiert ist.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Innenfläche (119) sich in einer Richtung erstreckt, in der das Pulver (3) abgegeben wird.
Beschichtungsverfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aussparungen (112; 131; 132) entlang einer Normalen zu der Oberfläche (111) einen Querschnitt aufweisen, der den folgenden Ausdruck erfüllt: $θ=2 \times atan (A / 2 h) > π / 4$
wobei A eine Breite jeder Aussparung (112; 131; 132) darstellt; θ einen Mindestwinkel zwischen einer ersten Linie (L1; L11), die einen Boden (112; 131; 132c; 131a; 132a) und einen Rand (112a) der Aussparung (112; 131; 132) verbindet, und einer zweiten Linie (L2; L12) darstellt, die den Boden (112; 131; 132c; 131a; 132a) und den anderen Rand (112b) der Aussparung (112; 131; 132) verbindet; und h eine Tiefe der Aussparung (112; 131; 132) entlang der Normalen zu der Oberfläche (111) darstellt.
Beschichtungsverfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Aussparungen (112; 131; 132) Folgendes umfassen: mindestens eine erste Nut (115), die sich in einer ersten Richtung (X) entlang der Oberfläche (111) erstreckt; und mindestens eine zweite Nut (116), die sich in einer zweiten Richtung (Y) erstreckt und die erste Nut (115) schneidet, wobei die zweite Richtung (Y) entlang der Oberfläche (111) verläuft und die erste Richtung (X) schneidet.
Beschichtungsverfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend das Erwärmen des Elements (101) .
Beschichtungsverfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Material einen höheren Schmelzpunkt aufweist als das zweite Material.
Beschichtungsverfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Aussparungen (112; 131; 132) sich in einer Richtung (X; Y) entlang der Oberfläche (111) erstrecken, und die Aussparungen (112; 131; 132) in der Erstreckungsrichtung (X; Y) der Aussparungen (112; 131; 132) mit dem erstarrten Pulver (3) gefüllt werden.
Beschichtungsverfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Pulver (3) mittels eines Trägergases (G), das zu der einen der Aussparungen (112; 131; 132) gespritzt wird, zu einer der Aussparungen (112; 131; 132) abgegeben wird.
Beschichtungsstruktur, umfassend: ein Element (101), das ein erstes Material enthält, und das eine Oberfläche (111) und eine Innenfläche (119) umfasst, die eine Vielzahl von Aussparungen (112; 131; 132) bildet, die in einer dritten Richtung (Z) von der Oberfläche (111) ausgespart sind; und ein Beschichtungsmaterial (102), das ein zweites Material enthält, und umfassend: eine Vielzahl von ersten Schichten (121), die in der dritten Richtung (Z) laminiert sind und derart in den Aussparungen (112; 131; 132) aufgenommen sind, dass sie sich an die Innenfläche (119) anlagern, und eine Vielzahl von zweiten Schichten (122), die in der dritten Richtung (Z) laminiert sind und mindestens einen Teil der Oberfläche (111) bedecken, wobei mindestens in den ersten Schichten (121) Kristalle, die die gleiche Orientierung aufweisen, in der dritten Richtung (Z) durchgängig sind.
Beschichtungsstruktur nach Anspruch 10, wobei die Kristalle säulenförmige Kristalle oder Einkristalle sind.