JP2005254325A - 溶浸アルミニウムプリフォーム - Google Patents

Abstract

【課題】 三次元物体の製造において、高レベルの寸法精度が可能な部品を得る。
【解決手段】 結合剤および少なくとも１種類のアルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金を含有する混合物を、所望の形状を持つ未焼成複合体に形成する（１２）。多孔質プリフォーム構造体として所望の形状を維持するのに効果的なプロセスにより、結合剤を未焼成複合体から除去する（１４）。アルミニウムの一部を窒化アルミニウムに転化し、未焼成複合体を、多孔質プリフォーム構造体の所望の形状の剛性骨格に転換する（１５）。アルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金の溶融温度以上の温度で、多孔質プリフォーム構造体を、溶融アルミニウムおよび溶融された第２のアルミニウムベースの合金からなる群より選択される溶浸物により溶浸して、ほぼ理論密度に近い密度を持つ三次元物体を形成する（１６）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広く、アルミニウム合金部材の高速製造方法に関し、高速試作成形または高速製造で行われているような生産数の限られた生産工程に特別な用途を持つ。本発明は、より詳しくは、アルミニウムまたは第１のアルミニウム合金の多孔質プリフォームが所望の形状に形成され、高分子結合剤により支持される方法に関する。第２のアルミニウム合金が多孔質プリフォームに溶浸させられて、密な構造のしっかりした部材が形成される。

アルミニウム部材およびアルミニウム合金部材は、昔から、鋳造、機械加工、並びにこれらのプロセスの組合せにより製造されている。鋳造の場合、所望の部材の形状に形成された内部キャビティを持つ金型に溶融金属を充填する。溶融金属が冷めて固化した後、この部材は、最終的な形状（完成形状）またはほぼ最終的な形状（完成形状に近いが、追加の作業または機械加工をいくつか要する）のいずれかの形態で金型から取り出される。鍛造、展伸鍛錬、圧延、押出しまたは打ち抜き加工のような機械加工を行う場合、鋳造金属片を所望の部材の形状に機械的に変形させる。鋳造には、所望の部材の形状に機械加工された金型が必要であり、一方で、機械的変形を行うのに用いられる工具には、要求される形状に形成されたダイが必要である。鋳造および機械加工の両方は、同じ形状の部材を経済的に大量生産するのにはうまく適しているが、いずれも、少数の部材しか必要ない、またはその形状の様々な態様を部材ごとに変えるべき、特別な用途または試作成形に特に適しているわけではない。

アルミニウム部材およびアルミニウム合金部材は、機械加工または鋳造されたかもしれない原材料から機械加工しても差し支えない。機械加工は時間がかかり、原料の利用効率が非常に悪く、熟練した作業者が必要である。したがって、機械加工された部材は高価であり、製造に時間がかかる。

一連の独特の性質を利用するために、または最終的な形状の部品を安価に製造できるようにするために、アルミニウム粉末を用いて部品を製造することもできる。前者の場合には、粉末は、一般に、押出し、鍛造または熱間等静圧圧縮成形により固結される。最終的な形状の部品は、アルミニウム粉末を非常に高圧（公称で、３０，０００ｐｓｉ（約２１０×１０⁶Ｐａ）を超える）で硬質の工作キャビティ中にプレス成形して、９５％ほど高い未焼成密度を達成することにより製造される。プレス成形後、この部品は、ダイから取り出され、いわゆる未焼成物体が炉内において、制御雰囲気、一般には、窒素雰囲気中の高温で焼結される。アルミニウム、およびアルミニウム合金は、個々の粉末粒子を不動態化して、さらなる酸化を制限する非常に安定なアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）表面膜を形成する傾向にある。この表面酸化物は、アルミニウム粉末プリフォームを完全に密なアルミニウム部材に焼結するのに必要な拡散機構を阻害する。この課題に対する解決策として、アルミニウム粉末業界は、アルミニウム粉末、表面酸化物還元剤、滑剤および焼結剤のブレンドを開発した。これらの技術の全てには、部品を形成するのに用いられる工具やダイが必要である。この工具は高価であり、製造するのに時間がかかる。これにより、新たな製品を導入するのに要する時間が遅れ、製品コストが上昇してしまう。

代わりの製造戦略では、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データベースからのデータの操作により直接、三次元物体が製造される。特に、従来の機械加工のような減法プロセスとは反対に、加法プロセスを使用することにより、そのような部品を製造するための様々な技術が知られている。そのような部品製造のための重要な加法プロセスとしては、ステレオリソグラフィー、選択的レーザ焼結、積層物体製造、三次元プリンティングおよび溶融堆積造形が挙げられる。これらの高速試作成形技法および高速製造技法の全てに共通した特徴は、固体を製造するために一点にエネルギーおよび／または材料が分配されることである。次いで、三次元部品を製造するために形成される一連の層および断面層を製造するために、一連の線がたどられる。原則的に、表面に書いたり描いたりする様式と同じだけ数多くの製造システムが潜在的にある。このように部材を製造することには、従来の製造プロセスより優れた重要な利点が数多くある。最も重要なことには、どのような形状の部品も、高価な工具や機械加工の必要なく、ＣＡＤモデルから直接製造でき、これらの部品は、従来の製造操作に一般に要する時間と比較するとほんのわずかな時間で製造できる。

選択的レーザ焼結がデカルド(Deckard)への特許文献１に詳細に記載されており、三次元プリンティングがブレッド(Bredt)等の特許文献２に詳細に記載されている。これらの技法は、光硬化性樹脂、ナイロンやエチレン・ブタジエン・スチレンのような他のポリマー、有機ワックス、ＳｉＮのようなセラミック、および金属、最も一般的には、スチールのような様々な材料からなる物体を製造するために用いられている。

最近、アルミニウム部品は、選択的レーザ焼結および押出自由形状製造により製造されている。これらのアルミニウム部品は、ポリマー／アルミニウム粉末の複合材料として製造され、粉末射出成形に用いられる様式と同じような様式で、ポリマーを燃え切らせ、次いで、残留する金属粉末を完全かまたはほぼ完全な密度まで焼結させることにより後処理された。しかしながら、未焼成部品中の密度勾配および幾何学的制約のために、そのような粉末プリフォームの焼結中に寸法精度を維持することは非常に難しい。最初のＣＡＤ設計には均一な収縮を含めることができるが、不均一な収縮、すなわち、歪みは、再現可能に制御し、設計により適応することはずっと難しい。寸法精度はどの高速試作成形／拘束製造システムにとっても重要な基準であるので、大型部品を正確に焼結できないことは致命的である。現在、小型のアルミニウム部品だけがこのようにして製造できる。その制限は、約１ｃｍ³である。

特許文献３には、浸透性セラミック塊が、少なくとも１重量％のマグネシウムを含有し、必要に応じてケイ素も含有する溶融アルミニウム合金により、自発的に溶浸されることが開示されている。「自発的溶浸」は、溶融金属が、圧力や真空をかけたり（外部にかけるか、または内部に生じさせるか）せずに、浸透性塊に溶浸することを意味する。

特許文献４には、粉末金属母材および粉末充填材（セラミック）の混合物から形成されたプリフォームの溶融金属の自発溶浸が開示されている。粉末金属母材がアルミニウムであり、充填材が酸化アルミニウムである場合、溶浸雰囲気により、粒子の分離を妨げる膜（酸化物または窒素化合物などの）が金属上に形成されることが開示されている。特許文献４をここに引用する。
米国特許第４８６３５３８号明細書 米国特許第６４１６８５０号明細書 米国特許第４８２８００８号明細書 米国特許第５０２０５８４号明細書

形成される部材の寸法精度は、自発的、圧力補助または真空補助のいずれかの溶浸により相当改善される。ゆるく形成された粉末物体はかるく予備焼結されて多孔質塊が形成される。多孔質塊はその後、溶浸物（infiltrant）の融点とベース金属の融点との間の温度で液体金属により溶浸される。焼結はわずかしか起こらないので、プリフォームと完成部品との間の寸法変化は無視できるほどである。今日まで、Ｆｅ−Ｃｕ、ステンレス鋼−ブロンズ、ＺｒＢ₂−ＣｕおよびＳｉＣ−Ｍｇを含む様々な系が、高速試作成形／高速製造／溶浸の経路により製造されている。アルミニウムおよびアルミニウムベースの合金は、これらの金属溶浸系が成功している中で、うまくいっていないのが目立っている。アルミニウム粒子およびアルミニウム合金粒子上のアルミナ表面膜が、多孔質アルミニウム部材の溶浸を妨げていたのであろうと理論付けられている。

始めに、第１のアルミニウムベースの材料の多孔質塊を、溶融された第２のアルミニウムベースの材料により自発的に溶浸する方法が、依然として必要とされている。さらに、上述した欠点を持たないアルミニウム合金部品を製造する付加的な方法も必要とされている。この付加的な方法により、アルミニウム合金の理論密度に近い密度を持ち、寸法精度を高レベルなものとすることができる部品が得られるはずである。

本発明の第１の実施の形態によれば、多孔質のアルミニウムベースのプリフォームの自発的溶浸方法が提供される。この方法は、結合剤および少なくとも１つのアルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金を含有する混合物を未焼成複合体に形成し、未焼成複合体から結合剤を除去して多孔質プリフォーム構造体を形成し、アルミニウムの一部を剛性の連続した窒化アルミニウム骨格に転化し、多孔質プリフォーム構造体に溶融された第２のアルミニウムベースの合金を溶浸して、理論密度に近い密度を持つ三次元物体を形成する各工程を有してなる。

本発明の第２の実施の形態によれば、結合剤および少なくとも１つのアルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金を含有する混合物を未焼成複合体に形成し、未焼成複合体から結合剤を除去して多孔質プリフォーム構造体を形成し、アルミニウムの一部を剛性の連続した窒化アルミニウム骨格に転化し、多孔質プリフォーム構造体に溶融された第２のアルミニウムベースの合金を溶浸して、理論密度に近い密度を持つ三次元物体を形成する各工程を有してなる三次元物体の製造方法が提供される。

この未焼成複合体は、コンピュータ支援高速試作成形、例えば、選択的レーザ焼結のような付加的プロセス、もしくはKeltool（登録商標）プロセスのような室温加硫プロセス、金属射出成形、押出成形、樹脂トランスファー成形、回転成形、またはプレス成形のような鋳造または成形プロセスにより形成してもよい。本発明の方法により、高い寸法安定性および高密度を与える費用のかからない技法により少数のアルミニウム部材の製造が容易になる。

第１の実施の形態または第２の実施の形態のいずれかに関し、プリフォーム強度および寸法安定性を増大させるために、アルミニウム粒子または第１のアルミニウムベースの合金粉末の粒子の表面に、連続した窒化アルミニウム骨格を形成してもよい。本発明の特徴は、転化工程には窒素ベースの雰囲気を、溶浸工程にはアルゴンなどの希ガスベースの雰囲気を使用することにより、向上した溶浸が達成されることである。溶浸工程に希ガスベースの雰囲気を使用することにより、表面仕上げ状態が改善され、使用できる可能性のある溶浸物の範囲が広がり、機械的性質が向上する。本発明の別の特徴は、未焼成複合体を製造するのに使用されるアルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金の融点を超える温度で溶浸を行えることである。

本発明の１つ以上の実施の形態が、添付の図面および以下の説明に詳細に述べられている。本発明の他の特徴、目的および利点は、その説明および図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなろう。

図１は、本発明の第１の実施の形態による一連のプロセス工程１０を流れ図で示す。第１の工程１２において、結合剤および少なくとも１つのアルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金を含有する混合物が未焼成複合体に形成される。ここで用いているように、「アルミニウムベース」とは、合金が少なくとも５０重量％のアルミニウムを含有することを意味する。

好ましくは、前記混合物は最低で３つの粉末が互いにブレンドされたものを有してなる。１つの粉末は、全混合物の約８０から約９５体積％、より好ましくは、約８５から約９０体積％を構成する、アルミニウム合金６０６１のようなアルミニウム合金である。このベース金属は、どのようなアルミニウムベースの合金粉末であっても純粋なアルミニウムであってもよい。

アルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金は、任意の有効粒径の粉末形態にある。好ましくは、金属粉末の平均粒径は、約５から約１５０マイクロメートルの間にあり、より好ましくは、約１０から約７５マイクロメートルの範囲にある。好ましいアルミニウム合金の一例は、重量％で表して、約０．４％から約０．８％のケイ素、約０．１５％から約０．４０％の銅、約０．８％から約１．２％のマグネシウム、約０．０４％から約０．３５％のクロムおよび残りの量のアルミニウムと混入が避けられない不純物の公称組成を持つアルミニウム合金６０６１である。

前記アルミニウムは、非限定的なリストとして、以下の元素：スズ、鉛、ビスマス、インジウム、銅、マグネシウム、ケイ素、亜鉛、チタン、クロム、ジルコニウム、ニッケル、鉄、マンガンおよび銀の内の１つ以上との合金であってよい。

スズは、溶浸液体の湿潤性を改善し、窒化物の成長速度を調節するので、合金化添加剤として好ましい。形成される窒化物の量は、溶浸および完成製品の性質の両方を調節する重要なパラメータである。窒化物が不十分にしか形成されないと、溶浸中の寸法安定性が損なわれてしまう。過剰な窒化物は、引張延性などの機械的性質に悪影響を及ぼす。図２を参照すると、５％のマグネシウムを含むアルミニウムで溶浸した２％のマグネシウムおよび１％のケイ素を含むアルミニウムのプリフォームの重量増加は、窒化物の形成によるものであると仮定される。重量が増加するにつれ、引張延性が減少している。また、窒化物が過剰であると、亀裂が形成されることがあり、これにより、大型部品の製造が制限されてしまう。

窒化物の成長速度が速いと、作業ウインドウのサイズが減少し、コストが増加するために、プロセスを制御するのが難しくなるので、窒化物の成長は重要である。スズを添加することにより、窒化物の成長の調節が容易になる。図３を参照すると、形成される窒化物の量および窒化物の成長速度が、反応時間および温度に依存しているのが分かる。５４０℃または５７０℃いずれかでのスズを含まない場合、初期速度はかなり遅いが、窒化物の形成速度は約４時間後に加速する。スズを含む場合、成長速度は長期に亘り変わらず、したがって、所定の時間内で形成される窒化物の量は、粉末混合物にスズが加えられない場合よりも加えられた場合のほうが少ない。

窒化による重量増加へのスズ濃度の影響が図４に示されている。スズの含有量が０．１重量％ほど低いのが効果的であり、０．５重量％から１．０重量％までの含有量が好ましい。

図５を参照すると、スズが溶浸速度に影響を与えているのが分かる。スズが含まれないと、インキュベーション期間がある。このインキュベーション期間は、スズが存在すると減少する。最大の溶浸速度は、スズが存在しない場合よりもスズが存在する場合のほうが速い。

スズ粉末は、アルミニウム粉末と混合しても、アルミニウム粉末中に予め合金化してもよい。いずれの実施の形態も、窒化物の成長速度を調節するのに効果的である。予め合金化を行うと、おそらく、粉末を混合するときよりも分離が少ないために、引張性質の変動が減少する傾向にある。

他の合金化添加剤も窒化物の骨格の成長に影響を与える。スズが含まれない場合、窒化物の形成速度は、純粋なアルミニウムでは最大であり、ｘが０から９までである６ｘｘｘｘシリーズのアルミニウム合金と称される、ケイ素およびマグネシウムの添加剤を含むアルミニウムでは低い。

アルミニウム合金６０６１以外に、以下のアルミニウム合金も、窒化物の形成速度を減少させることが示されており、好ましい第１のアルミニウムベースの合金の例である：６０６３、Ａｌ−０．７重量％のＭｇ−０．４重量％のＳｉの公称組成；６０８２、Ａｌ−０．９重量％のＭｇ−１．０重量％のＳｉ−０．７重量％のＭｎの公称組成；６１０６、Ａｌ−０．６重量％のＭｇ−０．４５重量％のＳｉ−０．２５重量％のＣｕの公称組成；および６３５１、Ａｌ−０．６重量％のＭｇ−１．０重量％のＳｉ−０．６重量％のＭｎの公称組成。他のアルミニウム合金をスズの存在下で用いてもよい。

混合物の第２の粉末成分は、全混合物の約０．１から約４重量％、好ましくは、約１．５から約２．５重量％を構成する。この第２の粉末は、混合物を取り囲む雰囲気を清浄にし、アルミニウムベースの金属粒子上の酸化層を還元する、マグネシウムような脱酸素剤である。脱酸素剤は、約５から約１５０マイクロメートルの平均粒径を持つ粒子形態にあり、好ましくは、平均粒径は約１０から約７５マイクロメートルの範囲にある。他の適切な脱酸素剤としては、ジルコニウム、リチウム、ベリリウム、カルシウム、セリウム、ランタン、ネオジム、プラセオジム、サマリウム、トリウム、ウランおよびミッシュ・メタル、もしくはマグネシウム、ジルコニウム、リチウム、ベリリウム、カルシウム、セリウム、ランタン、ネオジム、プラセオジム、サマリウム、トリウム、ウランまたはミッシュ・メタルとのアルミニウム合金が挙げられる。

以下に開示されるように、粉末混合物中に脱酸素剤を含むことには利点があるが、脱酸素剤を未焼成複合体の周りに形成された支持層中に含めた場合にも、効果的な溶浸が行われ、この場合には、脱酸素剤は粉末混合物からは除外してもよい。

全ブレンドの約５体積％から約１５体積％、好ましくは、約８体積％から約１２体積％を構成する、混合物の第３の粉末成分としては、結合剤が挙げられる。結合剤は、ステアリン酸亜鉛のような有機金属結合剤、有機結合剤または無機結合剤であってもよいが、好ましくは、有機高分子結合剤である。有機高分子結合剤としては、ナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン１２とナイロン６のコポリマー、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリエチレンコポリマー、ポリメタクリレート、ポリプロピレン、およびポリエーテルブロックアミドのような、はっきりした融点を持つ熱可塑性物質が挙げられる。高分子結合剤粉末の平均粒径は一般に約１から約５０マイクロメートルの範囲にある。結合剤は、窒素のような適切な雰囲気中で約３００℃と約５００℃の間の温度に加熱されたときに、炭素残留物が最小となる状態で気体に分解される材料に選択される。その粉末を形成するのに窒素が用いられる場合、窒素供給源としては、純粋な窒素、窒素を含む気体の混合物、窒化物骨格を形成するための窒素を導き出す任意の窒素の豊富な材料が挙げられる。

未焼成複合体は、部品を損傷し得る蒸気圧の局所的なポケットを蓄積させずに、開放されて結合された多孔により未焼成複合体からの結合剤の分解による蒸気の気体抜きを促進するように、毎分約１℃から約２℃のような速度で、比較的ゆっくりと加熱される。好ましい結合剤は、比較的低いメルト・フロー粘度（約２５から１４５グラム毎１０分）を持ち、３００℃〜５００℃の範囲の温度に加熱されたときに、窒素、窒素化合物および他の気体に実質的に完全に分解される。適切な結合剤としては、上述したナイロン、より詳しくは、Orgasol（登録商標）2001 Nylon-12（１７，４００のグラム分子量、約２５から約１００グラム毎１０分のメルト・フロー粘度、および約４３３から約４８１℃の分解温度）、Orgasol 3501EXD（６，５００のグラム分子量、約２５から約１００グラム毎１０分のメルト・フロー粘度、および約４１４から約４７２℃の分解温度）、およびOrgasol 3501UD（約２５から約１００グラム毎１０分のメルト・フロー粘度、および約４２５から約４７２℃の分解温度）が挙げられる。上述したOrgasolのナイロン結合剤の全ては、フランス国、Ｆ−９２８００プトークス、ラ・ディフンス１０、コース・ミッシェル、４−８（4-8, cours Michelet-La Defense10-F-98200 Puteaux）所在のアトフィナ社（Atofina SA）から市販されている。

所望の形状を持つ粉末の均質な未焼成複合体は、金型内の堆積により、または上述したような任意の高速試作成形技法を用いることにより形成される。樹脂結合プリフォームは、未焼成複合体を、熱または紫外線のような適切な硬化開始手段に露出することにより形成される。この樹脂結合プリフォームは、アルミニウム合金の理論密度の約４０％から約７０％の密度を持ち、構造的には、プリフォームを通って延在する気孔の相互連結した網状構造を有する。

図１に参照番号１４により示したように、次に、結合剤は、高圧蒸気のポケットが形成されないように十分に遅い加熱速度で、約３００℃から約５００℃の範囲の温度まで加熱することにより、熱分解により除去される。高分子結合剤を除去すると、部品の一体強度が一時的に弱まる。これに支持を与えるために、処理条件下で部品に結合しない支持粉末によりプリフォームを取り囲ませる。適切な支持粉末としては、マグネシウムのような脱酸素剤と混合された、アルミナ、炭化ケイ素および窒化ホウ素のようなセラミックが挙げられる。上述したように、支持粉末中に脱酸素剤を含ませることは、未焼成複合体を形成する粉末の混合物中に脱酸素剤を含ませる必要がなくなるほど十分に効果的であろう。

脱酸素剤は、支持粉末の約０．１体積％から約１０体積％の量、より好ましくは、約０．５体積％から約５体積％の量で存在する。好ましい脱酸素剤はマグネシウム粉末である。マグネシウムは、部材を包み込み、部材内の酸素含有量を無視してよいレベルまで減少させる脱酸素層を形成する。セラミック支持粉末と混合してもよい他の金属粉末としては、マグネシウムとの組合せ、マグネシウムの置換物として、またはアルミニウムとの組合せのいずれかでの、チタン、ジルコニウム、リチウム、ベリリウム、カルシウム、セリウム、ランタン、ネオジム、プラセオジム、サマリウム、トリウム、ウラン、およびミッシュ・メタル並びにそれらの混合物が挙げられる。

結合剤を一旦除去したら、この温度を、低酸素分圧で窒化アルミニウムの形成を促進するのに効果的な温度まで上昇させる。窒化アルミニウム骨格が、アルミニウムベースの合金粉末の表面に形成される。窒化アルミニウム骨格は、剛性であり連続しており、複合体の強度を著しく増加させる。しかしながら、この骨格は剛性であるので、過剰に厚い骨格は、延性が低下してしまうために望ましくない。剛性骨格は寸法安定性を与えるので、液体溶浸物により攻撃されないであろう。

適切な熱プロファイルは、少なくとも２つの等温持続期を含む。第１の等温保持期は、２から２０時間の期間に亘り５００℃から５７０℃の温度で起こる。好ましい第１の等温保持期は、６から１２時間に亘る５４０℃である。第２の等温保持期は、溶浸１６を開始する溶浸物の溶融温度より高い温度である。窒化１５は、第１の等温保持期の最中と第２の等温保持期の最初の部分まで続き、液体溶浸物が部材の露出表面を被覆したときにだけ停止する。

第２の適切な熱プロファイルは、部材の表面が粗くなるのを防ぐのに特に効果的である。この表面は、オレンジの皮の外観と比較されてきた。オレンジピール効果は、大きい平らな面を持つ部品で最も広く見られ、これは、表面の多孔度および不完全な溶浸のためであると考えられている。第１の等温保持期後に、プロセスガスを窒素から希ガスに変更した場合、表面仕上げの状態が改善される。ガスの変更により、窒化１５が停止し、オレンジピール効果がなくなる。このプロファイルによれば、第１の等温保持期は、上述したように、２から２０時間の期間に亘る５００℃から５７０℃の温度であり、好ましくは、６から１２時間に亘る５４０℃である。窒化１５が一旦完了したら、プロセスガスは、アルゴン、ヘリウムまたはネオンなどの希ガスに変えられ、その系は、約１時間などの効果的な時間に亘り希ガスでパージされる。希ガスとしてアルゴンが好ましい。次いで、その温度は、溶浸物の融点よりも高い温度である第２の等温保持期の温度まで上昇せしめられ、溶浸１６が完了するまでその温度で保持され、次いで、室温（公称２２℃）まで冷却される。

溶浸物は、骨格形成に要求される温度よりも高い温度で溶融するように選択される。自立性部品（すなわち、成形型内に限定されないもの）をうまく溶浸するためには、液体による溶浸中に形状を維持できるように、剛性かつ不活性な骨格を形成する必要がある。元々、溶浸物はベースとなる合金の融点よりも低い温度で溶融しなければならず、そうしないと、寸法安定性が損なわれるであろうと推測されていたが、今では、約３０００℃の融点を持つＡｌＮ骨格は、どのような実際的な溶浸温度でも固体のままであり、部材の形状を維持すると認識されている。したがって、溶浸物の融点は、溶浸物がＡｌＮの形成される温度よりも高い温度で溶融する限り、重要ではない。融点とは、当業者により、固相線温度と称される、液相が形成し始める温度を意味する。

さらに、溶浸物は、複合体の互いに連結した細孔を通って流動するための十分に低い粘度および十分な流動性を持たなければならない。それに加え、溶浸物のビーズと骨格との間の接触角は、良好な湿潤性を支持するほど十分に低くなければならない。９０°より大きい接触角が一般に非湿潤性と考えられ、一方で、９０°未満の接触角が湿潤性と考えられ、０°に近いほど溶浸がより効果的になる。別の検討事項としては、液体溶浸物中のアルミニウム合金粉末の溶解度およびアルミニウム合金粉末と溶浸物との組合せの相図である。多数の相または多数の過渡相(transient phases)は、それにより固化した複合体が不均質となることがあるので、望ましくない。

溶浸物は、アルミニウム、または非限定的リストとして、以下の金属の１つ以上をさらに含有するアルミニウムベースの合金であってよい：銅、マグネシウム、ケイ素、亜鉛、チタン、ジルコニウム、マンガン、クロム、鉄、銀、鉛、スズ、ビスマス、アンチモン、ストロンチウム、ナトリウムおよびニッケル。

排他的なリストではないが、以下の合金が溶浸物として有用である。全ての組成は重量パーセントで表されている。各々の組成は、上述した溶浸物の性質に実質的に影響を与えない量で他の特定されない元素を含有してもよい。

（具体例１）
ケイ素 ８％〜１８％
マグネシウム ３％〜７％
アルミニウム 残りの量
557℃の公称（Al-13.8%Si-4.7%Mg）溶融温度
（具体例２）
銅 ２８％〜３８％
アルミニウム 残りの量
548.2℃の公称（Al-33%Cu）溶融温度
（具体例３）
ケイ素 ８％〜１２％
亜鉛 ８％〜１２％
ニッケル ３％〜８％
アルミニウム 残りの量
549℃の公称（Al-10.5%Si-10%Zn-5.5%Ni）溶融温度
（具体例４）
ケイ素 ８％〜１８％
アルミニウム 残りの量
577±1℃の公称（Al-12%Si）溶融温度
他の適切な溶浸物が表１に列記されている。各々の組成は、上述した溶浸特性に実質的に影響を与えない量で他の不特定の元素を含有してもよい。

溶浸物の溶融温度より一般に約１０℃高い溶浸温度に一旦なったら、溶融した溶浸物のプリフォーム中への完全な溶浸１６に効果的な時間に亘り、例えば、約０．５から約１５時間、好ましくは、約１時間から約１０時間に亘り、前記部品をこの温度に保持する。部品を、一般に約１℃毎分から約５℃毎分、公称では２℃毎分の速度で冷却して、固化１８させる。

固化後、部品の強度は、溶浸部品を熱処理することにより増大させてもよい。適切な熱処理の１つは、約１から約２４時間に亘る約５００℃から約５５０℃までの温度への加熱であり、その後、水による急冷が行われる。追加の強度は、室温（自然時効）または高温で、一般に、約１００℃から約２００℃で、完全な硬化を促進するのに効果的な時間に亘り、時効硬化により行われる。

他の固化後処理としては、残留した多孔を塞ぐための熱間等静圧圧縮成形および部品を滑らかに仕上げるための研磨またはサンドブラストが挙げられるであろう。

本出願人がアルミニウム合金を異なるアルミニウム合金でうまく自発的に溶浸した機構は、以下のものであると考えられる。これは、本出願人が本出願の出願時点でこのプロセスを最も理解していることを示す。図６を参照する。アルミニウム合金粉末２０は、アルミニウム合金６０６１について公称Ａｌ−１重量％のＭｇ−０．６重量％のＳｉ−０．２５重量％のＣｕのような、金属コア２２を有する。薄く、化学的および熱的に安定なアルミナ膜２４がコア２２を取り囲んでいる。図７を参照する。粉末のブレンド混合物２６が形成されている。混合物２６は、アルミニウムまたはアルミニウム合金粉末２０（アルミナ膜が存在するが、図７に示されないほどは薄くない）、マグネシウムのような脱酸素剤粒子２８、およびナイロン１２のような高分子結合剤３０を含有する。公称量として、約２重量％の脱酸素剤および約１０体積％の結合剤が含まれ、残りの量がアルミニウム合金粒子である。

図８を参照する。図７の粉末のブレンドが、高速試作成形等により所望の最終形状に近い形状に形成され、必要に応じて、アルミナ粉末およびマグネシウム粉末の混合物のような支持層（図示せず）により囲まれる。公称Ａｌ−１３．８重量％のＳｉ−４．７重量％のＭｇのような所望の溶浸物３２が、粉末ブレンドと接触するように配置される。次いで、このアセンブリ３４は、不活性雰囲気中、好ましくは、窒素を含有する雰囲気、より好ましくは、実質的に窒素のみの雰囲気中で、金属成分（アルミニウム合金粉末２０、脱酸素剤２８および溶浸物３２）のいずれをも溶融せずに、高分子結合剤３０を溶融するのに効果的な温度まで加熱される。ナイロン１２について、この温度は、約１５０℃から約３００℃の範囲にある。窒素中での約３００℃から約５４０℃の温度範囲などにより、粉末のブレンドをさらに加熱するにつれ、高分子結合剤３０が分解し始める。高分子結合剤３０がナイロン−１２である場合、この結合剤は、炭質残留物、ε−カプロラクタム（Ｃ₆Ｈ₁₁ＮＯ）およびＨＣＮ、Ｎ₂Ｏ、ＮＨ₃などの気体状不揮発性窒素種に分解する。ＣＯおよびＣＯ₂などの気体状炭素種も形成される。

このアセンブリを、所望の熱露出を行うために異なる炉に移動させてもよいが、アセンブリを、各々のプロセス工程を連続して行うのに十分な温度および期間がプログラムされた１つの雰囲気制御炉内に留めることが好ましい。

図９を参照する。結合剤を除去した後、部品は、窒化アルミニウム化合物が形成される温度と、窒素含有雰囲気中で溶浸が行われる温度との間の温度に保持される。この雰囲気は実質的に窒素のみであることが好ましい。この温度帯域において等温に保持し、十分に低い酸素含有量を提供することにより、アルミニウムの窒化アルミニウム化合物３６への部分転化が生じる。連続網状構造の窒化アルミニウム化合物が成長すると、剛性骨格が形成される。保持時間は、この骨格を過剰ではなく十分に形成できるようなものであるべきである。一般に、約５４０℃での約２時間の保持時間が用いられる。一旦骨格が形成されたら、雰囲気が窒素からアルゴンに変えられ、次いで、溶浸物が溶融して、部品の自発的すなわち圧力をかけない状態での溶浸が行える温度よりも高い温度まで上昇させる。部品は、液体を確実に完全に浸透させるのに十分に長い間、一般には、約１から約１０時間に亘り溶浸温度に保持される。

以下、実施例を参照して本発明をより詳しく説明する。

アトフィナ社から市販されていると先に述べたナイロン結合剤の各々を用いて、６０６１粉末、２重量％のＭｇおよび１０体積％のナイロン結合剤を含有する粉末混合物の選択的レーザ焼結により、未焼成複合体を作製した。Ａｌ−１３．８重量％のＳｉ−４．９重量％のＭｇの組成を持つ溶浸物をプリフォームと接触するように配置した。溶浸物の量は、気孔の容積をちょうど満たすのに十分であった。次いで、このアセンブリを坩堝内に配置し、１体積％のＭｇ粉末を含有するアルミナからなる支持粉末により被覆した。次いで、坩堝を窒素雰囲気炉内に配置し、５４０℃の温度まで約９０℃毎時の速度で加熱し、２時間に亘り保持して、骨格を形成させた。次いで、炉の温度を同じ速度で５７０℃まで上昇させ、４時間に亘り保持して、プリフォーム全体に自発的な溶浸を行った。次いで、部品を、温度が２００℃未満となるまで炉内で冷まし、次いで、炉から取り出して、空冷した。部品から支持粉末を除去し、サンドブラストした。各々の部品の密度は、アルミニウムベースの合金の理論密度に近かった。

以下の実施例２から７までで述べたプロセスにより、同様に成功した溶浸物を得た。

溶浸物の組成がＡｌ−３３重量％のＣｕであることを除いて、実施例１のように合金を作製し、処理した。

溶浸物の組成がＡｌ−１０．５重量％のＳｉ−１０重量％のＺｎ−５．５重量％のＮｉであることを除いて、実施例１のように合金を作製し、処理した。

溶浸物の組成がＡｌ−１２重量％のＳｉであり、５９０℃の溶浸温度を用いたことを除いて、実施例１のように合金を作製し、処理した。

最初の粉末混合物が６０６１粉末および１０体積％のナイロン結合剤からなるものであったことを除いて、実施例１のように合金を作製し、処理した。

最初の粉末混合物がアルミニウム粉末、２重量％のＭｇおよび１０体積％のナイロン結合剤からなるものであったことを除いて、実施例１のように合金を作製し、処理した。

アトフィナ社から市販されていると先に述べたナイロン結合剤の各々を用いて、６０６１粉末、２重量％のＭｇおよび１０体積％のナイロン結合剤を含有する粉末混合物を、粉末混合物を金型内に配置し、これを、ナイロンの融点よりも高い温度まで加熱することにより、注型プリフォームに作製した。冷却してから、プリフォームを金型から取り出し、実施例１のように処理した。

溶浸物の融点がベースの合金の溶融温度を超え得るという仮定を確認するために、２重量％のマグネシウム粉末、１重量％のスズ粉末、残りの量のアルミニウム合金６０６１粉末の混合物から、１０体積％のナイロンと組み合わせて、実施例７の方法により注型プリフォームを製造した。この混合物を窒素中において５４０℃で１２時間に亘り窒化し、アルゴンで１時間に亘りパージし、次いで、６時間に亘り７００℃でアルゴン中において市販の純粋なアルミニウム（９９．７％）で溶浸した。寸法精度は維持され、許容できる部品が製造された。

溶浸物が比較的広い溶融範囲を持つであろうという仮説を確認するために、アルミニウム合金６０６１粉末、２重量％のマグネシウム粉末、１重量％のスズ粉末の混合物から、１０体積％のナイロンと組み合わせて、実施例７の方法により注型プリフォームを製造し、このプリフォームを窒素中において５４０℃で１２時間に亘り窒化し、アルゴンで１時間に亘りパージし、次いで、６時間に亘り７００℃でアルゴン中において溶浸した。この試料を、４１０℃で２時間に亘り空気中で除冷し、次いで、水冷した。溶浸物がＡｌ−５重量％のＭｇ（５５℃の溶融範囲）である場合、完成した部品の最終的な引張強さは１５５ＭＰａであり、引張延性は１．６％であった。溶浸物がＡｌ−１４重量％のＳｉ−４重量％のＭｇ（０℃の溶融範囲）である場合、完成した部品の最終的な引張強さは１００ＭＰａであり、引張延性は０．５％であった。溶融物が純粋なアルミニウムである場合、完成した部品の最終的な引張強さは１０３ＭＰａであり、引張延性は２％であった。

本発明の方法は他の材料および組成物にも適用できることに留意されたい。当業者には、ここに記載した合金、ブレンドの比率、粒径、および温度が、実例として上げられたものであり、本発明を制限するものではないことが分かるであろう。

多孔質のアルミニウムベース合金のプリフォームの溶融されたアルミニウムベース合金による溶浸のプロセスを示す流れ図 複合体の引張延性への窒化物の膜厚の影響を示すグラフ 温度およびスズの存在両方の関数としての窒化物の形成速度を示すグラフ スズの含有量の関数としての窒化物の形成速度を示すグラフ 溶浸速度へのスズの影響を示すグラフ 本発明の実施の形態により多孔質塊を形成するために用いられるアルミニウム合金粒子の断面図 本発明の実施の形態による粉末のブレンドの断面図 図７に示した粉末ブレンドへの初期加熱の影響を示す断面図 図７に示した粉末ブレンドへの窒化の影響を示す断面図

符号の説明

２０ アルミニウム合金粉末
２２ コア
２４ アルミナ膜
２６ 混合物
２８ 脱酸素剤粒子
３０ 高分子結合剤
３２ 溶浸物
３４ アセンブリ
３６ 窒化アルミニウム化合物

Claims (29)

1. 所望の形状を持つ三次元物体の製造方法であって、
   (a) 結合剤および少なくとも１種類のアルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金を含有する混合物を、所望の形状を持つ未焼成複合体に形成し、
   (b) 多孔質プリフォーム構造体として前記所望の形状を維持するのに効果的なプロセスにより、前記結合剤を前記未焼成複合体から除去し、
   (c) 前記アルミニウムの一部を窒化アルミニウムに転化し、それによって、前記未焼成複合体を、前記多孔質プリフォーム構造体の前記所望の形状の剛性骨格に転換し、
   (d) 前記アルミニウムまたは第１のアルミニウムベースの合金の溶融温度と等しいまたはそれより高い温度で、前記多孔質プリフォーム構造体を、溶融アルミニウムおよび溶融された第２のアルミニウムベースの合金からなる群より選択される溶浸物により溶浸して、ほぼ理論密度に近い密度を持つ三次元物体を形成する、
   各工程を有してなることを特徴とする方法。
2. 前記第１のアルミニウムベースの合金が、銅、マグネシウム、ケイ素、亜鉛、チタン、クロム、ジルコニウム、ニッケル、鉄、マンガン、銀、およびこれらの混合物を有する合金であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記第１のアルミニウムベースの合金がケイ素およびマグネシウムを含む合金であることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記結合剤が、窒素ベースの雰囲気中において約３００℃から約５００℃の温度で気体に実質的に分解する高分子であることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 第１のアルミニウムベースの合金が窒化物調節剤と混合されていることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記窒化物調節剤が、スズ、鉛、ビスマスおよびインジウムからなる群より選択されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記窒化物調節剤が０．１重量％から１．０重量％の量で存在することを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記結合剤がナイロンであることを特徴とする請求項６記載の方法。
9. 前記混合物に脱酸素剤を添加する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 前記脱酸素剤がマグネシウムであることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記第１のアルミニウムベースの合金が窒化物調節剤と混合されていることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記窒化物調節剤が、スズ、鉛、ビスマスおよびインジウムからなる群より選択されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記窒化物調節剤が０．１重量％から１．０重量％の量で存在することを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 低い酸素分圧で窒素に露出することにより、前記多孔質プリフォーム構造体内に窒化物骨格を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
15. 前記溶浸物が、アルミニウム、もしくはアルミニウムと、銅、マグネシウム、ケイ素、亜鉛、マンガン、クロム、チタン、ジルコニウム、鉄、銀、鉛、スズ、ビスマス、アンチモン、ストロンチウム、ナトリウム、ニッケルまたはそれらの混合物との合金であることを特徴とする請求項１記載の方法。
16. 前記溶浸物がケイ素およびマグネシウムを含むように選択されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記溶浸物がアルミニウム合金ＡＡ６０６１であることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記溶浸物が、約５重量％未満がマグネシウムであり、その残りの量がアルミニウムおよび混入が避けられない不純物である公称組成を持つように選択されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
19. 工程(b)を約３００℃から約５００℃の温度で行い、工程(c)を約５００℃から約５７０℃の温度で行い、工程(d)を約５４０℃を超えかつ前記第１のアルミニウム合金の溶融温度すなわち固相線温度と等しいかそれより高い温度で行うことを特徴とする請求項１１記載の方法。
20. 工程(b)〜(d)を、各々の工程にとって効果的な温度および時間がプログラムされた１つのオーブン内で行い、工程(b)および(c)を窒素ベースの雰囲気中で行い、工程(d)を希ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 工程(b)の前に、前記多孔質プリフォーム構造体を多孔質支持構造体で取り囲み、該多孔質支持構造体がセラミックおよび脱酸素剤の両方を含むように選択されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
22. 前記脱酸素剤がマグネシウムであることを特徴とする請求項２１記載の方法。
23. 前記所望の形状をコンピュータ支援高速試作成形法により形成することを特徴とする請求項１９記載の方法。
24. 前記所望の形状を選択的レーザ焼結法により形成することを特徴とする請求項２３記載の方法。
25. 工程(d)の後に、前記三次元物体を熱間等静圧圧縮成形法によりさらに緻密にすることを特徴とする請求項１記載の方法。
26. 工程(d)の後に、前記三次元物体を滑らか仕上げすることを特徴とする請求項１記載の方法。
27. 工程(d)の後に、前記三次元物体を熱処理することを特徴とする請求項１記載の方法。
28. 前記溶浸物が、６℃から１００℃の固相線から液相線の溶融範囲を持つように選択されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
29. 前記希ガスがアルゴンであることを特徴とする請求項２０記載の方法。

Images