JP2013534974A - 粉末を選択的に溶解することによって金属部品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、粉末（２）を選択的に溶解することによって金属部品（１７）を製造する方法であって、
プレート（６）上に１層ずつ、部品（１７）と同時に、部品用の少なくとも１つの保持具および支持体要素（２１、２２）を構成するステップであって、要素（２１、２２）は部品（１７）から離間、別個のものであり、非溶解粉末（２）で充填された間隙（２３）によってそこから分離しているステップと、
部品（１７）が完成した後に、たとえば吸引、吹きつけ、または振動などによって、部品（１７）と要素（２１、２２）との間の間隙（２３）に残っている粉末（２）のうちの少なくともいくらかを除去するステップと、
部品（１７）をプレート（６）から分離するステップと、からなる方法を提供する。

Description

本発明は、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）または電子ビーム溶解（ＥＢＭ）の名称でも知られる方法など、レーザビームまたは電子ビームの助けを借りて粉末を選択的に溶解することによって、金属部品を製造する方法に関する。

先行技術において周知の方法は、製造される連続層の点の三次元座標が記録されたデータ処理システムの制御の下で、レーザビームまたは電子ビームで粉末の連続層を溶解することによって、部品を製造することにある。実際には、並進的に移動可能なプレートによって形成された底部と、スクレーパの助けを借りて底部上に設けられた粉末の第一層とを有する、容器が使用される。層は、プレートの表面に対応する底面と、レーザビームまたは電子ビームが照射されてその上を移動する、上面とを有する。ビームによって送達されたエネルギーは粉末を局所的に溶解させ、固化する際に粉末は金属部品の第一層を形成する。

この第一層が形成された後、プレートは層の厚みに対応する距離にわたって降下され、その後粉末の第二層がスクレーパによって先行する層上にもたらされる。以前と同じように、金属部品の第二層が、ビームの助けを借りて形成される。

部品が完成するまでこれらの作業が繰り返される。

方法は特に、薄い壁厚、すなわちたとえば０．１ミリメートル（ｍｍ）から５ｍｍの範囲の厚みを有する部品を作るために、使用されてよい。

とはいえ、このような状況下で、ならびに製造対象部品の形状に応じて、その部品は、基準形状に対する変形、または仕様を上回る粗さを有する可能性がある。粉末が局所的に加熱されると、流体である、溶解または焼結部分と粉末の残部との間の界面領域で、各層に運動が発生し、それによって部品の変形または過剰な粗さを生じる可能性がある。

変形または歪みは、温度勾配に関わる残留応力から生じる。過剰な粗さは、底層（粉末または事前に溶解された領域）、液体槽、および重力の間の相互作用と関連している。

この現象は、下向きの部品の表面上で、さらに増幅される。具体的には、下向き表面と水平面との間の角度が小さいほど、その結果生じる部品の表面の粗さは大きくなる。

主要な問題の１つは、構成される表面の方位角に応じた、粗さの不均一性である。したがって、粗さを改善してこれをより均一にすることが、適切である。

上述の現象を制限するために、機械加工によって幾何学的適合性を得るようにより厚い部品を作ること、および機械加工によって後に除去される補強材を備える部品を製造することが、提案されてきた。

とはいうものの、機械加工作業は時間がかかって高額であり、機械加工領域において部品の局所的な形状変形を生じる可能性がある。

本発明の目的は、簡単で効果的で安価な、この問題に対する解決法を提供することである。

この目的のため、本発明は、粉末を選択的に溶解することによって金属部品を製造する方法であって、
プレート上に１層ずつ、部品と同時に、部品用の少なくとも１つの保持具および支持体要素を構成するステップであって、要素は部品から離間して別個になっており、非溶解または非焼結粉末で充填された間隙によってそこから分離しているステップと、
部品が完成した後に、たとえば吸引、吹きつけ、または振動などによって、部品と要素との間の間隙に残っている粉末のうちの少なくともいくらかを除去するステップと、
部品をプレートから分離するステップと、からなる方法を、提供する。

このように、その製造を通じて部品は支持体要素によって所定位置に保持され、それによって部品のいかなる有害な変形も回避するが、これは部品と要素との間に保持された粉末の層のおかげであり、これはまた、部品の対応する表面の粗さを制限する効果も有する。

最後に、部品は支持体および保持具要素とは異なっており、すなわちこれは要素に固定的にまたは機械的に接続されていないので、これらが機械加工によって分離される必要はなく、それによって上記で説明された不都合を回避する。

支持体は好ましくは、傾斜していて下向きの表面に面して位置する。

本発明の特徴によれば、支持体は、５０マイクロメートル（μｍ）から５００μｍの範囲内にある距離だけ、部品から離間している。

この距離が長すぎると、支持体および保持具要素はもはやいかなる効果も有さず、下向きのその表面における部品の粗さは相当なものとなる。

反対に、この距離が短すぎると、支持体および保持具要素との接着点または完全な接着の危険性があるので、粗さはもはや低減されない。

本発明の特徴によれば、支持体および保持具要素と部品との間の距離は、グラフを用いて、得られる部品の粗さなどの選択されたパラメータに応じて決定される。

好ましくは、金属部品、支持体要素、およびプレートは、これらが互いに分離される前に、応力を解放するための熱処理を受ける。

これは、プレートからの部品の分離の間に残留応力によって別途生じる可能性のある部品の変形を、回避する。

有利なことに、応力を解放するための熱処理は、所定持続時間にわたって、金属粉末の焼結温度よりも低い温度まで、金属部品、要素、およびプレートを加熱するステップからなる。

部品と要素との間に位置する粉末の大部分を除去することが可能であるものの、少量の粉末が間隙内に挟まったまま残る可能性がある。すると上記の特徴は、応力を解放するための熱処理の間に焼結によって粉末が部品に付着するのを防止するのに、役立つ。

本発明の別の特徴によれば、２つの保持具および支持体要素は、部品とともに１層ずつ部品の各側に１つずつ構成され、前記要素は部品から離間し、非溶解または非焼結粉末で充填された間隙によって、そこから分離している。

この部品の壁はそれぞれの支持体要素によって各側に保持されることが可能であり、それによって部品の製造中に変形する危険性を低減する。対応する支持体要素に面して位置する部品の各表面の粗さも、部品上の粗さの均一性と同様に、改善される。

本発明の１つの実現において、部品および要素は、レーザビームの助けを借りて粉末を選択的に溶解することによって、１層ずつ構成され、粉末は１０μｍから５０μｍの範囲内にある平均粒径を有する。

本発明の別の実現において、部品および要素は電子ビームの助けを借りて粉末を選択的に溶解することによって１層ずつ構成され、粉末は、５０μｍから１００μｍの範囲内にある平均粒径を有する。

電子ビームによって送達されるエネルギーは、レーザビームによって送達されるよりも大きいので、粒子の大きさが対応する必要がある。

部品は、電食線を用いる切断によってプレートから分離されてもよい。加えて、応力を解放するための熱処理の間、２つの要素は、選択的に粉末を溶解することによって部品とともに作られる、少なくとも１つのフランジまたはクランプの助けを借りて、互いに対して所定位置に保持される。

好ましくは、部品がプレートから分離された後、部品は仕上げ処理を受ける。処理は、具体的には摩擦仕上げ処理であってもよい。

非限定例として説明される以下の記載を、添付図面を参照しながら読むことで本発明はより深く理解でき、本発明のその他の詳細、特徴、および利点が明らかになる。

本発明の方法を実行するための、選択的に粉末を溶解することによって金属部品を製造するための設備の模式図である。 タービンエンジンステータのセクタの部分斜視図である。 本発明の方法によって羽根が完成した後の、図２のステータセクタの羽根および対応する支持体要素の位置決めを示す、模式的断面図である。 フランジまたはクランプの助けを借りてともに固定されている要素を示す図である。 角度の違いによる距離ｄに応じた粗さを表すグラフである。

粉末を選択的に溶解することによって金属部品を製造するための設備が、図１に示される。設備は、金属粉末２を収容し、アクチュエータのロッド４からの駆動下で並進的に移動可能な底部３を有するリザーバ１と、同様にアクチュエータのロッド７によって並進的に駆動可能な、可動プレート６によって構成される底部を有する、隣接する容器５とを含む。

設備はまた、水平面Ａに沿って移動させられることによって、リザーバ１から容器５に向かって粉末が取り出されるようにするスクレーパ８と、レーザビームまたは電子ビームを生成するための手段９とを有し、この手段は、ビーム１１を誘導および移動させるための装置１０に結合されている。

設備の助けを借りて金属部品を製造するステップは、以下の通りである。

最初に、特定量の粉末２が水平面Ａの上方に位置するように、リザーバ１の底部３が上方に移動させられる。次にスクレーパ８は、粉末２の前記層をリザーバ１から掻き出してこれを容器５内に入れるように、左から右に移動させられる。粉末２の量およびプレート６の位置は、選択された一定の厚みを有する粉末の層１２を形成するように、決定される。

次にレーザビームまたは電子ビーム１１は、走査領域で局所的に粉末２を溶解するように、容器５内に形成された層１２の定められた領域を走査する。溶解された領域は、製造される部品の第一層１３を形成するように固化し、この層１３は、たとえば１０μｍから１００μｍの範囲内にある厚みを有する。

次にプレート６が降下され、以前と同じやり方で、粉末２の第二層が粉末の第一層上に移動させられる。ビーム１１の制御された移動によって、金属部品の第二層が第一層１３の上に形成される。

これらの操作は、部品が完成するまで繰り返される。

レーザビームの助けを借りて粉末２を選択的に溶解することによって１層ずつ部品が構成されるとき、粉末２は１０μから５０μｍの範囲内にある平均粒径を有する。

電子ビームの助けを借りて粉末２を選択的に溶解することによって１層ずつ部品が構成されるとき、粉末２は５０μｍから１００μｍの範囲内にある平均粒径を有する。

本発明は、薄い壁、すなわち０．１ｍｍから５ｍｍの範囲内にある厚みを有する部品を製造する、具体的には、ブレード、圧縮機ステータセクタ、タービンノズルセクタ、ファンブレード前縁などの、タービンエンジン部品を製造するのに、そのような方法を用いようとするものである。

ステータセクタ１４は、図２に部分的に示される。これは２つの同軸シュラウドを含み、これらはそれぞれ、半径方向に延在する羽根１７によって互いに接続された、内部シュラウド１５および外部シュラウド１６である。

断面図において、図３は本発明の方法によって作られた羽根１７を示す。各羽根１７は、凹状の圧力側表面１８と、凸状の吸引側表面１９とを有する。圧力側表面１８は下向き、すなわちプレート６の方を向いているが、その一方で吸引側表面１９は上向きである。

本発明の方法は、プレート６から、またはプレート６に固定された支持体２０から、羽根１７のみならず、各羽根の２つの保持具および支持体要素２１および２２も１層ずつ構成するように、上述のように作用するステップを含み、これらの要素はその各側に、すなわちそれぞれ圧力側表面１８および吸引側表面１９に向かって設けられ、前記要素２１および２２は、対応する羽根から離間しており、非溶解粉末２で充填された間隙２３によってそこから分離している。これは具体的には、羽根および支持体要素がいずれかのスペーサなどによって固定的にまたは機械的に互いに接続されていないことを、意味する。

各層について、要素２１および２２ならびに対応する羽根１７はこうして同時に作られ、前記要素２１、２２と羽根１７との間の間隙２３は、５０μｍから５００μｍの範囲内にある。

上述のように、要素２１および２２は、対応する羽根１７が変形するのを回避するように、製造中ずっと所定位置に保持するのに役立つ。加えて、羽根１７と要素２１および２２との間に粉末２の層を保持することは、羽根１７の圧力および吸引側表面１８および１９の粗さを制限する効果を有する。

羽根１７が完成した後、羽根１７と要素２１および２２との間の間隙２３内に残っている粉末２は、たとえば吸引、吹きつけ、または震動によって、少なくとも部分的に除去される。

その後、羽根１７、要素２１および２２、プレート６、ならびに適切であれば支持体１９は、残留応力を解放するための熱処理を受けるが、この処理は、金属粉末２の焼結温度よりも低い温度まで、そして所定持続時間にわたって、アセンブリを加熱するステップからなる。

この処理の間、部品の薄い壁２４および２５は、フランジまたはクランプ２６の助けを借りて、互いに対して所定位置に保持されてもよい。２つの壁２４および２５を接続する一例示的クランプ２６は、図４に示される。各クランプ２６は、Ｕ字型を有しており、羽根１７ならびに要素２１および２２が形成されるのと同時に、粉末２を選択的に溶解することによって１層ずつ構成されてもよい。

次に羽根１７ならびに要素２１および２２は、たとえば電食線を用いる切断などの機械加工によって、プレートから分離される。

本発明において、羽根１７は、要素２１および２２とは別個なので、これらを機械加工によって分離する必要はなく、それによって上記の不都合を回避する。

羽根１７が要素２１および２２から完全に分離して洗浄された後、羽根に第二熱処理を受けさせることが可能である。この目的のため、羽根１７は、要素２１および２２の間の支持体上に再実装され、場合により、アセンブリをともに保持するためにクランプが使用される。第二熱処理は、張力を緩和し、成形し、および／または羽根をエージングすることを、目的とする。

最後に、羽根１７は、たとえば摩擦仕上げ、研磨、またはバリ取り処理などの仕上げ処理を受ける。

図３の実施形態において、各羽根１７は、２つの個体支持体２１および２２によって保持される。これらの支持体２１および２２は、そうはいっても、たとえばハニカムまたは十字筋交いによって構成されたコアを有するなど、中空であってより迅速に作られ得る構造を有することが可能であろう。

加えて、羽根１７は、単一の保持具および支持体要素２１によって保持されることが可能であろう。このような状況下で、要素は好ましくは下向きの圧力側表面１８に面して配置される。先に述べられたように、粗さの問題が最も大きいのは、この表面１８である。

製造後に、支持体要素２１および２２は、金属粉末の形態で再利用されるように、溶解および細分化される。

以下、支持体要素２１および２２と部品１７との間、より具体的には支持体要素２１と部品１７との間の距離ｄの決定に注目する。

この距離は、垂直線に対する圧力側表面１７の所定角度αでの、そして使用される粉末の所定粒径および材料での、距離ｄに応じた（下向きの）圧力側表面１８の粗さＲａをプロットした、図５に示される種類のグラフを用いて、定義される。

図５において、粉末の材料はＩｎｃｏ７１８であり、粉末の粒径は４０μｍから５０μｍの範囲内にある。

それぞれ１０°、２０°、および３０°に等しい角度αでの、距離ｄに応じた粗さを表すいくつかの曲線２７ａ、２７ｂ、および２７ｃが、図５に見られる。

このように、使用される粉末の種類および圧力側表面１８の角度αがわかっているとき、達成されるべき粗さＲａから始まって、必要とされる距離ｄを決定するためにグラフを用いることが可能である。

このため、粉末を選択的に溶解することによって作られる部品の表面の均一な粗さを予測および保証することが、可能である。

距離ｄの特定値（ｄｍｉｎ）未満では、支持体および保持具要素２１が完全にまたは部分的に部品１７に接着する危険性があることが分かるはずである。

加えて、距離ｄの特定値（ｄｍａｘ）より上では、この距離はもはや粗さＲａに対して影響しない。

角度αが４５°であって粉末が４０μｍから５０μｍの範囲の粒径を備えるＩｎｃｏ７１８であるとき、ｄｍｉｎは８０μｍ程度であり、ｄｍａｘは２５０μｍ程度である。

角度αが３０°であって粉末が４０μｍから５０μｍの範囲の粒径を有するとき、粉末がＭａｒａｇｉｎｇ ３００であれば１４μｍ程度の粗さＲａを、粉末がＩｎｃｏ７１８であれば１１μｍ程度の粗さＲａを、得ることが可能である。

試験は、得られた結果が、角度αの値に応じて、または使用される粉末の種類（材料、粒径）に応じて、異なることを示した。

グラフは、１面ごとに異なる角度で下向きに傾斜した複数の表面を有する試験片を作成することによって、本出願人によって描かれた。加えて、試験片は、支持体と対応する表面との間の距離ｄが異なるように作成された。これは、角度αおよび距離ｄに応じて粗さＲａがどのように異なるかを確立することを、可能にした。このようなグラフは、いくつかの異なる粉末材料（Ｉｎｃｏ７１８、Ｍａｒａｇｉｎｇ ３００など）について、および異なる粒径について、描かれた。

Claims (11)

1. 粉末（２）を選択的に溶解することによって金属部品（１７）を製造する方法であって、
   プレート（６）上に１層ずつ（１２）、部品（１７）と同時に、部品用の少なくとも１つの保持具および支持体要素（２１、２２）を構成するステップであって、要素（２１、２２）は部品（１７）から離間しており、非溶解粉末（２）で充填された間隙（２３）によってそこから分離しているステップと、
   部品（１７）が完成した後に、たとえば吸引、吹きつけ、または振動などによって、部品（１７）と要素（２１、２２）との間の間隙（２３）に残っている粉末（２）のうちの少なくともいくらかを除去するステップと、
   部品（１７）をプレート（６）から分離するステップと、からなる方法。
2. 支持体（２１、２２）が、５０μｍから５００μｍの範囲内にある距離だけ部品（１７）から離間していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 保持具および支持体要素（２１、２２）と部品（１７）との間の距離（ｄ）が、得られる部品の粗さなどの選択されたパラメータに応じて、グラフを用いて決定されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 金属部品（１７）、支持体要素（２１、２２）、およびプレート（６）が、これらが互いに分離される前に、応力を解放するための熱処理を受けることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の方法。
5. 応力を解放するための熱処理が、所定持続時間にわたって、金属粉末の焼結温度よりも低い温度まで、金属部品（１７）、要素（２１、２２）、およびプレート（６）を加熱するステップからなることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. ２つの保持具および支持体要素（２１、２２）が、部品（１７）とともに１層ずつ部品（１７）の各側に１つずつ構成され、前記要素（２１、２２）は部品（７）から離間し、非溶解粉末（２）で充填された間隙（２３）によってそこから分離していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
7. 部品（１７）および要素（２１、２２）が、粉末（２）が１０μｍから５０μｍの範囲内にある平均粒径を有しているときはレーザビームの助けを借りて、または粉末（２）が５０μｍから１００μｍの範囲内にある平均粒径を有しているときは電子ビームの助けを借りて、粉末（２）を選択的に溶解することによって１層ずつ構成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
8. 各支持体要素（２１、２２）が中空であり、たとえば十字筋交いなどの補強材手段を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１つに記載の方法。
9. 部品（１７）が、電食線を用いる切断によってプレート（６）から分離されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
10. 応力を解放するための熱処理の間、２つの要素（２１、２２）が、少なくとも１つのフランジ（２６）の助けを借りて、互いに対して所定位置に保持されることを特徴とする、請求項４および６に記載の方法。
11. 部品（１７）がプレート（６）から分離された後、部品（１７）は仕上げ処理を受けることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１つに記載の方法。

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