JP2015066599A - レーザによる付加的な製造法によって金属製部品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎｉ−、Ｃｏ−、Ｆｅ−ベースの超合金またはその組み合わせで全体または一部が構成されている３次元金属製製品／部品を付加的な製造処理によって製造する方法を提供する。【解決手段】粉末溶融を行うステップにおいて、デュアルレーザ装置が使用され、当該装置では、異なるビーム特性の２つのレーザビームが同一機械に組み合わされる。調節されたビームプロファイリングと、適切なビームスイッチとの統合によって、２つの異なるレーザビーム直径間での切り替えが制御された態様で行われる。各層において、小さい直径のレーザビームがエリア全体を走査して、細かい粒度を形成し、１より大きいｋ番目の層ごとに、大きい直径のレーザビームが、粗い粒度が必要とされるエリアを走査することにより、細かい粒度のエリアを再溶融する。上記製造方法によって、金属製パーツおよび試作品の長い寿命および高い動作性能が達成される。【選択図】図１

Description

本発明は、耐高温部品、特にガスタービン用の高温部部品の技術に関する。本発明は、例えば、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）または選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）などの付加的な製造技術によって、金属製部品／３次元製品を製造する方法に関する。

付加的な製造技術は、金属製の機能試作品および部品を製造するための魅力的な解決法にますますなってきている。ＳＬＭ、ＳＬＳおよびＥＢＭ方法は、ベースマテリアルとして粉末材料を使用することが公知である。部品または製品が、粉体層から直接生成される。他の付加的な製造方法、例えば、レーザ金属形成（ＬＭＦ）、レーザ強化ネット成形（ＬＥＮＳ）または直接金属堆積（ＤＭＤ）は、既存の部品上に材料を局所的に融解する。この新しく生成された材料は、ワイヤとして、または、粉末として堆積し、ここでは、粉末堆積機器が、ロボットを用いて、または、ＣＮＣマシンを用いて、所定の経路に沿って動かされる。

粉末ベースの付加的な製造技術または他の付加的な製造技術の１つの特徴的機能は、ＳＬＭ粉体層処理中の、公知の層ごとの形成処理および局所的な凝結条件から生じる材料特性（例えば、ヤング率、降伏強度、引っ張り強度、低サイクル疲労挙動（ＬＣＦ）、クリープ）の強い異方性である。

ＳＬＭで生成された材料の異方的な機械的特性は、主成長方向において、より良好な特性、第１により良好な疲労寿命を提供する。しかし、このような材料特性の異方性は、いくつかの用途において不利になる場合がある。それゆえ、本出願人は、現段階では未公開の２つの特許出願を行った。これらは、レーザによる付加的な製造技術によって製造される部品の異方性のある材料挙動が、形成後の適切な熱処理によって低減可能であり、結果として、より等方的な材料特性が達成できることを開示している。

機械的特性（例えば、ＬＣＦ、ＨＣＦ（高サイクル疲労）、クリープ）が、部品の異なる位置における熱機械負荷条件と相関するように、生成される材料／部品の微細構造を局所的に制御することが有益である。

本特許出願の出願人によって出願されている現段階では未公開のさらなる特許出願は、ＳＬＭ技術によって生成された材料の一次粒子配向および二次粒子配向が、例えば、レーザビームの移動方向のような特定の走査手順によって調整可能であることを開示している。この微細構造の制御は、ＳＬＭ技術によって製造されたパーツおよび試作品にとって非常に有益である。ＳＬＭ技術は、粉体層から非常に洗練されたデザインを直接生成するために、その能力に起因して、高性能かつ複雑な形状のパーツを製造することが可能である。一次粒子配向および二次粒子配向を適切に調整することにより、ヤング率は、部品の熱機械負荷条件に制御および調整される。しかしながら、異なる走査手順が主に粒子配向に影響するが、粒度には影響しない。

特許文献１および特許文献２は、ＳＬＭによって製造されるパーツが異なるレーザ電力／ビーム直径を用いて形成される方法を開示している。この「コアシェル」原理を用いると、部品の外側表面（シェル）は、部品のバルクエリア（コア）とは異なるレーザビーム直径（より小さいレーザビーム直径かつより小さいレーザ電力）で融解する。特許文献１に記載の方法は、粉末状の部品材料を融解するためのレーザビームがコア領域上で伝導される経路が、シェル領域と接触している間は、常に、そのシェル領域に少なくともほぼ垂直に到達するように選択されることを特徴とする。この方法によると、良好な金属結合を有して、バルク（コア）および良好な表面仕上げをされた外側表面（シェル）上のより高い形成率が実現される。しかしながら、現在まで、コアエリアおよびシェルエリアにおける様々な凝結処理の結果は、体系的に調査および活用されていない。

非特許文献１は、ＳＬＭ処理を施したオーステナイト系３１６Ｌステンレス鋼に対するいくつかの試験結果を説明している。３１６Ｌ鋼の公称組成は、以下のようになっている：すなわち、≦０．０３％のＣ；≦１％のＳｉ；≦２％のＭｎ；１６．５％〜１８．５％のＣｒ；１０％〜１４％のＮｉ；２％〜２．５％のＭｏ、および、残りがＦｅである。この鋼の材料で構成されたシェルコア構造を有する立方サンプルが製造され、外側構造は、４００Ｗのレーザシステムを用いて形成されており、弱いテクスチャ加工で細粒化された凝結構造を導く。内側構造は、１０００Ｗレーザシステムを用いて形成され、形成方向に平行な、１ｍｍを超えるサイズの細長い粒子を有する完全に異なる微細構造を導く。異方性の程度が大きい。

特許文献３は、部品の寿命が、実質的に均一の粒度を有する類似の部品に対して向上するように、特別な粒度分布を有する部品を製造するための、付加的な製造方法（好ましくはＳＬＭ）を開示している。所望の粒度分布が、付加的な製造処理中に直接生成され、ここで、粒度は、ＳＬＭ処理において溶融プールの冷却速度を制御することによって制御され、このことは、溶融ゾーンにおいて局所的な熱勾配を制御することによって実現される。この溶融ゾーンは、（第１の）レーザビームによって形成される。好ましい実施形態においては、この溶融ゾーンにおける局所的な熱勾配が、第２のレーザビームまたは別の放射源によって制御される。このことは、第２のレーザが、周囲の材料を加熱するために使用されることにより、熱勾配を局所的に制御し、結果として溶融プールの冷却速度を制御し、このことにより粒度の制御が行われることを意味している。この処理は、局所的な熱処理に相当する。

独国特許発明第１０２０１１１０５０４５号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０６１５４９号明細書 欧州特許第２５８６５４８号明細書

Ｔ．Ｎｉｅｎｄｏｒｆら、「Ｈｉｇｈｌｙ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｓｔｅｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ」、Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ、Ｖｏｌｕｍｅ ４４Ｂ、２０１３年８月、ｐ．７９４−７９６

本発明の課題は、局所的に最適化された機械的特性を有する、Ｎｉ−、Ｃｏ−、Ｆｅ−ベースの超合金またはその組み合わせで構成された金属製部品／３次元製品を、付加的な製造方法によって完全にまたは部分的に製造する改善された方法を開示することである。

上記の課題および他の課題は、請求項１に記載の方法によって達成される。

上記の方法は、Ｎｉ−、Ｃｏ−、Ｆｅ−ベースの超合金またはその組み合わせで構成されている３次元金属製製品／部品を製造する方法であって、前記３次元金属製製品／部品は、全体または一部に、前記製品／部品の負荷条件に調整された粒度を有する微細構造を備えており、粉末形状の金属製ベースマテリアルを用いて、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）または選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）からなる群より選択される付加的な製造処理によって行われ、前記調整された粒度は、前記付加的な製造処理中に直接生成される、方法において、前記方法は、
ａ）スライス処理に続いて、断面を算出するために前記製品の３次元モデルを生成するステップと、
ｂ）その後、前記算出した断面を、機械制御ユニットに伝達するステップと、
ｃ）前記付加的な製造処理に必要な前記金属製ベースマテリアルの粉末を供給するステップと、
ｄ）基板プレート上に、または、事前に処理された粉末層上に、または、従来技術で製造されたプリフォーム上に、一定の均一な厚さの粉末層を設けるステップと、
ｅ）前記機械制御ユニットに記憶された前記３次元モデルに従って、前記製品の断面に対応するエリアにおいて、エネルギービームを走査することによって粉末溶融を行うステップと、
ｆ）一層厚分だけ、前記事前に形成された断面の上部表面を低下させるステップと、
ｇ）前記３次元モデルに従って、最後の断面に達するまで、ステップｃ）からｆ）を繰り返すステップと、
ｈ）オプションで、前記３次元製品を熱処理するステップと
を含み、
ステップｅ）においてデュアルレーザ装置が使用され、当該デュアルレーザ装置では、異なるビーム特性の２つのレーザビームが同一機械において組み合わされ、調節されたビームプロファイリングと、適切なビームスイッチとの統合によって、２つの異なるレーザビーム直径間での切り替えが制御された態様で行われ、各層において、小さい方の直径のレーザビームがエリア全体を走査することによって、細かい粒度を形成し、かつ、１より大きいｋ番目の層ごとに、大きい方の直径のレーザビームが、粗い粒度が必要とされるエリアを走査することにより、細かい粒度のエリアを再溶融する。

本発明の利点は、このような方法を用いると、金属製パーツおよび試作品のより長い寿命とより高い動作性能とが達成できることである。

粒度は、レーザビーム成形およびレーザ強度の調節および走査／形成制御によって制御される。

本願の目的に合わせたＳＬＭ形成方法を用いると、Ｎｉ−、Ｃｏ−またはＦｅ−ベースの超合金で構成された部品が製造可能であり、この部品は、局所的に最適化された機械的特性を有する。この目的で、粒度は、この部品の負荷条件に適合され、このことにより、耐用期間が延長される。例えば、比較的高い電力の比較的直径の大きいレーザビームで、通常は比較的遅い走査速度で生成される比較的大きい粒状物は、クリープ負荷を受けるゾーンにとって有益である。しかしながら、比較的低い電力の比較的直径の小さいレーザビームで、比較的速い走査速度で生成される比較的小さい粒状物は、ＬＣＦ負荷エリアおよびＨＣＦ負荷エリアに対して有益である。

比較的小さい溶融プールサイズは、好ましくは、比較的低いエネルギービーム電力および／または比較的小さいエネルギービーム直径および／または比較的速いエリア内走査速度によって生成され、このことは、比較的細かい粒度の凝結材料をもたらし、比較的大きい溶融プールサイズは、好ましくは、比較的高いエネルギービーム電力および／または比較的大きいエネルギービーム直径および／または比較的遅いエリア内走査速度によって生成され、このことは、比較的大きい粒度の凝結材料をもたらす。

本発明の重要な側面は、好適な微細構造が、パーツの体積全体に実装される必要がないという事実である。その代わりに、局所的な機械的保全性（ＭＩ）の要件に依存して、レーザビーム成形パラメータおよび対応する処理パラメータが粒度を決定し、これらは、異なるサブボリュームに対して任意の方法で調整される。

本発明においては、デュアルレーザ装置がこの目的に用いられ、この装置においては、異なるビーム特性の２つのレーザビームが同一の機械において組み合わされる。適切に調節されたビームプロファイリングおよび適切なビームスイッチの統合によって、２つのレーザビーム直径間を制御された態様で切り換えることが可能である。結果として、異なる直径および深さの溶融プールが生成され、結果として異なる粒度の粒状物がもたらされる。各層において、小さい方の直径のレーザビームがエリア全体を走査することによって、細かい粒度を形成し、かつ、１より大きいｋ番目の層ごとに、大きい方の直径のレーザビームが、粗い粒度が必要とされるエリアを走査することにより、細かい粒度のエリアを再溶融する。特に、大きなレーザビーム直径（大きなレーザビーム直径）の異なるビーム特性を有する第２のレーザビームを用いて、細かい粒度の微細構造を有するエリアを再溶融すると、そのエリアにおける粒度が粗くなる。粒度の上述の修正に加えて、第２のレーザで材料を再溶融することは、例えば、残存応力の低減、微細構造における異方性の損傷、析出の有効化などのいくつかの利点を有する。このことが強い微細構造をもたらす。

好ましい実施形態においては、層が可変の厚さを有し、上記層の数が２≦ｋ≦６であり、好ましくは、ｋ＝４である。

本明細書で開示される方法によって製造される部品／製品は、有利には、ガスタービンのコンプレッサ、燃焼器またはタービンセクションで使用される複雑な設計を有する高温部パーツまたは試作品である。

ここで、本発明は、種々の実施形態を介して、添付の図面を参照して、より厳密に説明される。

図１は、４００Ｗの単一レーザで製造された、ハステロイＸのｚ軸における細粒度の微細構造を示す。 図２は、１０００Ｗのデュアルレーザで製造された、ハステロイＸのｚ軸における粗粒度の微細構造を示す。

「コアシェル」原理（例えば、２つの異なるレーザビーム構成）を用いたＳＬＭで生成された材料の特性の研究によって、レーザビーム成形およびその結果としてのレーザ強度に依存する異なる機械的特性（例えば、ヤング率、降伏強度）が明らかにされた。これは、異なるレーザビーム成形を用いたＳＬＭ粉体層処理中の局所的に異なる凝結条件によるものである。溶融プールの典型的な温度プロフィールおよびその結果生じる溶融プール近傍の熱勾配に起因して、粉末面に垂直な、迅速かつ好ましい粒子成長が好ましい。このことは、粉末面に垂直な方向（ｚ方向）に伸長した粒子を示す特徴的な微細構造をもたらす。比較的小さなレーザビーム直径（約７０〜１００μｍ）で生成した、試料のｚ軸に沿った機械的特性と同様に、試料のｘｙ平面内の機械的特性は、比較的大きなレーザビーム直径（約５００〜１０００μｍ）で生成した特性とは異なっていることがわかった。

図１および図２は、ハステロイＸに関する上記の例を光学顕微鏡写真で示しており、ここでは、サンプルが、異なるレーザビーム源を用いて製造されている。このことは、異なるレーザビームプロフィールおよび溶融プールの異なる寸法をもたらす。

ハステロイＸは、Ｎｉベースの超合金であり、以下の公称組成（％）を有する：０．１％のＣ，２１％のＣｒ，１％のＣｏ，９％のＭｏ，１８％のＦｅ，１％のＷ，残りがＮｉ。

ヤング率および降伏強度は、ｚ軸配向において、７５０℃の「形成時」の条件で測定した。細粒度の微細構造を有する図１の試料に対して、４０６ＭＰａの降伏強度と、１１９ＧＰａのヤング率とが測定され、一方、図２の試料（粗粒度の構造）に対して、降伏強度およびヤング率が、それぞれ、３６１ＭＰａおよび９４ＧＰａであった。

室温（２３℃）において、（４００Ｗのレーザ電力で製造された試料に対して、）ｚ軸の配向において、５９１ＭＰａの降伏強度と、１５４ＧＰａのヤング率とが測定され、ｘｙ平面の配向において、それぞれ、６７４ＭＰａおよび１６２ＧＰａであり、一方で、１０００Ｗのレーザ電力で製造された試料に対して、ｚ軸において、４９０ＭＰａの降伏強度と、１１３ＧＰａのヤング率とが測定され、ｘｙ平面において、５６３ＭＰａの降伏強度と、１４４ＧＰａのヤング率とが測定された。

本願の目的に合わせたＳＬＭ形成方法を用いると、局所的に最適化された機械的特性を有する部品が生成可能である。この目的のために、粒度が、部品の負荷条件に適合され、このことは、粒度が、耐用年数の延長をもたらす部品の設計意図に好ましく整合されていることを意味している。例えば、比較的高い電力の比較的大きい直径のレーザビームによって、通常は比較的低い走査速度で生成される場合の大きな粒状物が、クリープ負荷ゾーンに対して有益である。しかしながら、比較的低い電力の比較的小さい直径のレーザビームによって、比較的高い走査速度で生成される場合の小さな粒状物は、ＬＣＦ負荷エリアおよびＨＣＦ負荷エリアに対して有益である。

本発明の重要な側面は、好ましい微細構造が、パーツの全体積内に実装される必要がないという事実である。その代わり、局所的な機械的保全性（ＭＩ）の要件に依存して、レーザビーム成形パラメータおよび対応する処理パラメータが粒度を決定し、これらは、異なるサブボリュームに対して任意の方法で調整される。本発明によれば、デュアルレーザ装置が上記の目的に用いられ、この装置においては、異なるビーム特性の２つのレーザビームが、同一の機械において組み合わされる。適切に調節されたビームプロファイリングおよび適切なビームスイッチの統合によって、２つのレーザビーム直径間を制御された態様で切り換えることが可能である。結果として、異なる直径および深さの溶融プールが生成され、異なるサイズの粒状物が結果として形成される。本発明には、特定のエリアにおいて、材料が２つの異なるレーザ（異なるレーザビーム特性）で溶融されることが必要であり、ここで、第２のレーザビームが、第１のレーザによって事前に溶融された、凝結した材料／エリアを再溶融する。粒度修正についての上述の利点に加えて、第２のレーザで材料を再溶融することは、例えば、残存応力の低減、微細構造における異方性の損傷、析出の有効化などのいくつかの利点を有する。

この異なるレーザビーム構成における選択的再溶融によって、比較的大きな粒状物が支配的であり、より良好なクリープ特性が得られる、パーツのサブボリュームが生成される。同様の方法で、細かい粒状構造が、クリープ耐性はそれほど重要ではないが、良好なＬＣＦまたはＨＣＦ特性が必要とされる他のエリアで生成される。

微細構造の局所的制御の可能性が、パーツの周期的な温度負荷に機械的特性を局所的に適合するために使用される。

Ｎｉ−、Ｃｏ−、Ｆｅ−ベースの超合金またはその組み合わせで全体または一部が構成されている３次元金属製製品／部品の製造であって、前記３次元金属製製品／部品は、前記製品／部品の負荷条件に調整された粒度を有する微細構造を有しており、前記製造は、粉末形状の金属製ベースマテリアルを用いて付加的な製造処理（ＳＬＭ、ＳＬＳ）によって行われ、前記調整された粒度は、前記付加的な製造処理中に直接生成される、製造において、前記製造には、
ａ）スライス処理に続いて、断面を算出するために前記製品の３次元モデルを生成するステップと、
ｂ）その後、前記算出した断面を、機械制御ユニットに伝達するステップと、
ｃ）前記付加的な製造処理に必要な前記金属製ベースマテリアルの粉末を供給するステップと、
ｄ）基板プレート上に、または、事前に処理された粉末層上に、または、従来技術で製造されたプリフォーム上に、一定の均一な厚さの粉末層を設けるステップと、
ｅ）前記機械制御ユニットに記憶された前記３次元モデルに従って、前記製品の断面に対応するエリアにおいて、エネルギービームを走査することによって粉末溶融を行うステップと、
ｆ）一層厚分だけ、前記事前に形成された断面の上部表面を低下させるステップと、
ｇ）前記３次元モデルに従って、最後の断面に達するまで、ステップｃ）からｆ）を繰り返すステップと、
ｈ）オプションで、前記３次元製品を熱処理するステップと
が含まれ、
粉末溶融を行うステップにおいてデュアルレーザ装置が使用され、当該デュアルレーザ装置では、異なるビーム特性の２つのレーザビームが同一機械において組み合わされ、調節されたビームプロファイリングと、適切なビームスイッチとの統合によって、２つの異なるレーザビーム直径間での切り替えが制御された態様で行われ、各層において、小さい方の直径のレーザビームがエリア全体を走査することによって、細かい粒度を形成し、かつ、１より大きいｋ番目の層ごとに、大きい方の直径のレーザビームが、粗い粒度が必要とされるエリアを走査することにより、細かい粒度のエリアを再溶融する。

オプションで、比較的大きい直径で比較的高い電力のエネルギービームが、単一のパスで複数の粉末層を再溶融する。これらの再溶融された層の数は、小さい直径のビームで以前に走査した層に対応し、ここで、局所的に、細かい粒状構造が生成される。比較的大きい直径のビームは、（例えば、クリープ特性の改善のために）比較的大きい粒状物が必要とされるサブボリュームにのみ使用される。さらに、上記の３次元製品を熱処理することは、再結晶化／粒状物の粗粒化のための異なる駆動力に起因する残留応力を緩和するため、および、小さいビーム直径および大きいビーム直径で生成されたエリア間の違いを強化するために適用される。

本発明の方法によって製造された部品／製品は、好ましくは、ガスタービンのコンプレッサ、燃焼器またはタービンセクションで使用される複雑な設計を有する高温部パーツまたは試作品である。

Claims (4)

1. Ｎｉ−、Ｃｏ−、Ｆｅ−ベースの超合金またはその組み合わせで構成されている３次元金属製製品／部品を製造する方法であって、
   前記３次元金属製製品／部品は、全体または一部に、前記製品／部品の負荷条件に調整された粒度を有する微細構造を備えており、
   粉末形状の金属製ベースマテリアルを用いて選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）または選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）からなる群より選択される付加的な製造処理によって行われ、前記調整された粒度は、前記付加的な製造処理中に直接生成される、方法において、
   前記方法は、
   ａ）スライス処理に続いて、断面を算出するために前記製品の３次元モデルを生成するステップと、
   ｂ）その後、前記算出した断面を、機械制御ユニットに伝達するステップと、
   ｃ）前記付加的な製造処理に必要な前記金属製ベースマテリアルの粉末を供給するステップと、
   ｄ）基板プレート上に、または、事前に処理された粉末層上に、または、従来技術で製造されたプリフォーム上に、一定の均一な厚さの粉末層を設けるステップと、
   ｅ）前記機械制御ユニットに記憶された前記３次元モデルに従って、前記製品の断面に対応するエリアにおいて、エネルギービームで走査することによって粉末溶融を行うステップと、
   ｆ）一層厚分だけ、前記事前に形成された断面の上部表面を低下させるステップと、
   ｇ）前記３次元モデルに従って、最後の断面に達するまで、ステップｃ）からｆ）を繰り返すステップと、
   ｈ）オプションで、前記３次元製品を熱処理するステップと
   を含み、
   ステップｅ）においてデュアルレーザ装置が使用され、当該デュアルレーザ装置では、異なるビーム特性の２つのレーザビームが同一機械において組み合わされ、調節されたビームプロファイリングと、適切なビームスイッチとの統合によって、２つの異なるレーザビーム直径間での切り替えが制御された態様で行われ、
   各層において、小さい方の直径のレーザビームがエリア全体を走査することによって、細かい粒度を形成し、かつ、１より大きいｋ番目の層ごとに、大きい方の直径のレーザビームが、粗い粒度が必要とされるエリアを走査することにより、細かい粒度のエリアを再溶融する、方法。
2. ２≦ｋ≦６であり、好ましくはｋ＝４である、請求項１に記載の方法。
3. 前記層が可変の厚さを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の方法によって製造された部品／製品であって、前記部品／製品は、ガスタービンのコンプレッサ、燃焼器またはタービンセクションで使用される複雑な設計を有する高温部パーツまたは試作品であることを特徴とする、部品／製品。