JP2015189618A - 単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンブレードやインプラントに用いる金属材料、セラミックス材料等の無機材料について従来と異なる単結晶の製造方法の提供。
【解決手段】無機材料単結晶の製造方法は、種結晶を準備する準備工程と、付加製造技術を用いて、種結晶上に無機材料である無機粉末粒子４０を供給し、熱エネルギー３０により無機粉末粒子４０を溶融して、種結晶上に単結晶を育成する育成工程とを備え、好ましくは、準備工程は、基台２０５に種結晶を配置する配置工程を含み、育成工程は、基台２０５に配置された種結晶上に、無機材料を含む無機層を形成する層形成工程と、種結晶上の無機層を溶融して種結晶上に単結晶を育成する溶融工程とを繰り返し行って所定の大きさの単結晶を育成する無機材料の単結晶の育成方法。熱エネルギーをレーザーＰ又は電子ビームにより与えるレーザー又は電子ビーム三次元積層造形法による無機材料の単結晶育成方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶の製造方法に関する。

近年、タービンブレードやボーンプレートに代表されるインプラントや歯科補綴物等の歯科関連材料の製造において、単結晶の製造が求められている。これらの製品を単結晶で製造する場合、最終製品に近い形で単結晶が製造されること（ニアネットシェイプ化）が望まれる。

単結晶のタービンブレードの製造方法はたとえば、特開平７−２４７８０２号公報（特許文献１）に開示されている。具体的には、タービンブレードの形状に対応したセラミック鋳型を準備する。ブレードの翼に該当する鋳型部分が下方に向くように、水冷チルプレート上にセラミック鋳型を固定して配置する。水冷チルプレート上のセラミック鋳型を鋳型加熱炉中にセットする。セラミック鋳型をタービンブレードの原料となる金属（Ｎｉ基合金又はＴｉＡｌ合金）の融点以上に加熱する。次に、原料となる溶融金属をセラミック鋳型内に鋳込む。その後、水冷チルプレートを下方に徐々に引き出し、溶融金属を一方向凝固させる。

一方向凝固では、最初に、水冷チルプレートに接する鋳型部分（鋳型の最下部）にあるスタータにおいて、多くの柱状晶を発生させる。次に、スタータから上方に続く狭い通路をもつセレクタで、多くの柱状晶から１つの結晶のみを選択する。選択された結晶を単結晶として育成する。鋳型の下部の内径は、上方に向かって徐々に大きくなっている。そのため、鋳型の上方に向かうに従い、単結晶の断面が大きくなり、鋳物本体へと凝固を進行させる。以上の工程により、タービンブレード全体を単結晶化することができる。鋳造中、鋳型加熱炉内を真空にする。

以上のように、一方向凝固による単結晶のタービンブレードの製造方法は、複雑な工程を有する。そのため、容易な製造工程が望まれている。

単結晶のタービンブレードを補修する方法として、特開２００１−２８８５５４号公報（特許文献２）、特開２００８−１２８１４７号公報（特許文献３）、米国特許第６８７２９１２号（特許文献４）及び特開２００４−１８３６５２号公報（特許文献５）が開示されている。

特許文献２では、一方向凝固又は単結晶のＮｉ基合金部材の亀裂又は減肉といった欠陥部に、補修材料を充填して加熱処理する。特許文献３では、方向性凝固部材を用いたガスタービン高温部材の欠陥部に対して、ハーフオーバーラップ法による単結晶の肉盛溶接を実施して補修する。特許文献４では、Ｎｉ基合金の亀裂補修方法として、Ｎｉ基合金の対象部分と、フィラ合金とを溶融する工程と、対象部分及びフィラ合金を凝固させてビードを形成する工程と、ビードの隣にさらに複数のビードを形成する工程と、形成された複数のビードを再溶融する工程とを含む。特許文献５では、２つの単結晶部品又は一方向凝固部品を接合し、その後、レーザ金属成形法を用いて、接合部分の表面にエピタキシャル層又は非エピタキシャル層を付ける。

特開平７−２４７８０２号公報 特開２００１−２８８５５４号公報 特開２００８−１２８１４７号公報 米国特許第６８７２９１２号 特開２００４−１８３６５２号公報

しかしながら、上記特許文献２〜特許文献５の技術はいずれも、単結晶又は一方向凝固の部材（タービンブレード）の補修方法に関する技術である。したがって、これらの文献の技術を用いて、単結晶部材そのものを製造することはできない。

本発明の目的は、従来と異なる単結晶の製造方法を提供することである。

本発明による単結晶の製造方法は、種結晶を準備する準備工程と、付加製造技術を用いて、種結晶上に無機材料を供給し、熱エネルギーにより無機材料を溶融して、種結晶上に単結晶を育成する育成工程とを備える。ここでいう付加製造技術は、ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を意味し、３Ｄプリンターともいう。また、無機材料はたとえば、金属材料、セラミックス材料である。

好ましくは、準備工程は、基台に種結晶を配置する配置工程を含む。育成工程は、基台に配置された種結晶上に、無機材料を含む無機層を形成する層形成工程と、種結晶上の無機層を溶融して種結晶上に単結晶を育成する溶融工程とを含む。

好ましくは、育成工程では、層形成工程と溶融工程とを交互に繰り返す。

好ましくは、基台は穴を有する。配置工程では、種結晶の上面が基台の表面と同じ高さになるように穴に種結晶を配置する。

この場合、種結晶上に無機層を形成しやすい。

好ましくは、種結晶の上面を所定方向に研磨する工程を含む。無機材料は無機粉末粒子である。層形成工程では、無機粉末粒子を特定方向に移動させながら無機層を形成する。配置工程では、種結晶の研磨方向と無機粉末粒子の移動方向とが交差するように、種結晶を配置する。

この場合、種結晶の上面において、研磨方向に沿った線状痕が形成される。線状痕方向が無機粉末粒子の移動方向と交差するため、線状痕に無機粉末粒子がとどまりやすくなる。そのため、種結晶上に無機層をさらに形成しやすくなる。

好ましくは、配置工程では、種結晶の研磨方向と無機粉末粒子の移動方向とが垂直になるように、種結晶を配置する。

この場合、種結晶上に無機粉末粒子を含む無機層をさらに形成しやすくなる。

好ましくは、育成工程では、最初の層形成工程で形成される無機層の厚さを、２回目以降の層形成工程で形成される無機層の厚さよりも薄く形成する。

この場合、種結晶上に単結晶を育成しやすくなる。

育成工程では、レーザ積層造形法を用いてもよい。また、育成工程では、電子ビーム積層造形法を用いてもよい。

育成工程では、Ｎｉ基合金の単結晶を製造してもよい。また、育成工程では、Ｔｉ合金の単結晶を育成してもよい。また、育成工程では、ＴｉＡｌ系金属間化合物の単結晶を育成してもよい。

図１は、単結晶を製造するための積層造形装置の構成図である。 図２は、本実施形態の単結晶の製造方法の詳細を示すフロー図である。 図３は、図１中の基台及び種結晶の斜視図である。 図４は、図３に示す基台及び種結晶の断面図である。 図５は、図３に示す基台及び種結晶の平面図である。 図６は、図２に示す製造フロー中の一工程を示す模式図である。 図７は、図６に続く一工程を示す模式図である。 図８は、図７に続く一工程を示す模式図である。 図９は、図８に続く一工程を示す模式図である。 図１０は、図９に続く一工程を示す模式図である。 図１１は、図１０に続く一工程を示す模式図である。 図１２は、実施例で使用した種結晶及び製造した単結晶の斜視図である。 図１３は、図１２に示す単結晶及び種結晶の断面図である。 図１４は、上面（結晶成長面、Ｚ軸を法線に持つ面）が（００１）面であるインコネル７１８の種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。 図１５は、上面が（１１０）面であるインコネル７１８種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。 図１６は、上面が（１１１）面であるインコネル７１８の種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。 図１７は、上面（Ｚ軸を法線に持つ面）が（００１）面であるＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。 図１８は、上面が（１１０）面であるＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。 図１９は、上面が（１１１）面であるＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。 図２０は、上面が（０００１）面であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［積層造形装置の構成］
本実施形態では、無機材料の一例として、無機粉末粒子を利用する。図１は、単結晶を製造するための積層造形装置１００の構成図である。図１を参照して、積層造形装置１００は、レーザ積層造形装置である。積層造形装置１００は、制御装置１０と、レーザ装置１４と、レンズ系１５と、ミラー（ガルバノミラー）１６と、チャンバ２０とを備える。本実施形態において、単結晶とは、成長方向に垂直な面内において結晶学的に方向が一定であり、成長方向においても結晶学的に方向が一定である結晶を意味する。つまり、本実施形態の単結晶は、３次元的に結晶方位が一定の結晶を意味する。

レーザ装置１４は、レーザ光を出射する。レーザ装置１４はたとえば、ファイバーレーザやＣＯ₂レーザ等である。レンズ系１５は、レーザ装置１４からレーザ光を受け、レーザ光を収束してレーザ３０を形成する。ミラー１６は、レーザ３０の照射操作を行う。つまり、ミラー１６により、レーザ３０が照射される位置が調整される。

チャンバ２０は、層形成室２０１と、造形テーブル２０３と、粉末供給室２０２と、リコータ２０５とを備える。

層形成室２０１は、上端に開口を有する筐体状である。造形テーブル２０３は、層形成室２０１に収納され、上下方向に昇降可能に支持される。造形テーブル２０３は、図示しないモータにより昇降する。造形テーブル２０３上には、基台２０８が配置される。種結晶は、基台２０８に配置される。したがって、単結晶は、基台２０８上に形成される。

粉末供給室２０２は、層形成室２０１の隣に配置される。粉末供給室２０２は筐体状であり、上下方向に昇降可能なピストン２０４を内部に備える。ピストン２０４上には、無機粉末粒子４０が積層されている。無機粉末粒子４０は、単結晶の原料となる。ピストン２０４が上昇することにより、層形成室２０１の上部開口から無機粉末粒子４０の層が排出される。無機粉末粒子４０はたとえば、金属である。無機粉末粒子は、Ａｌ₂Ｏ₃等に代表されるセラミックスであってもよい。

リコータ２０５は、粉末供給室２０２の上部開口の近傍に配置される。リコータ２０５は、図示しないモータにより特定方向（水平方向）に移動し、粉末供給室２０２及び層形成室２０１の間を往復する。図１では、リコータ２０５は、Ｘ方向に往復移動する。

リコータ２０５は、Ｘ方向に移動することにより、粉末供給室２０２から排出された無機粉末粒子４０の層を水平方向に移動させて層形成室２０１に供給する。層形成室２０１の造形テーブル２０３上に堆積された無機粉末粒子４０により、造形テーブル２０３上に無機粉末粒子４０からなる無機層２０６が形成される。リコータ２０５がＸ方向に移動することにより、無機粉末粒子４０が水平方向に移動し、無機層２０６の表面を平坦に整える。

制御装置１０は、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、メモリと、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤという）とを備える。ＨＤＤには、周知のＣＡＤ（Computer Aided Design）アプリケーションとＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）アプリケーションとが格納される。制御装置１０は、ＣＡＤアプリケーションを利用して、製造したい単結晶の３次元形状データを作成する。

制御装置１０はさらに、ＣＡＭアプリケーションを利用して、３次元データに基づいて、加工条件データを作成する。積層造形法では、レーザ３０により形成される複数の単結晶部が積層されて単結晶が形成される。加工条件データは、各単結晶部が形成されるときの加工条件を含む。つまり、加工条件データは、各単結晶部（各無機層）ごとに作成される。制御装置１０は、加工条件データに基づいてレーザ装置１４、レンズ系１５及びミラー１６を制御して、レーザ３０の出力、走査速度、走査間隔及び照射位置を調整する。

［製造プロセスの詳細］
図２は、本実施形態の単結晶の製造方法の詳細を示すフロー図である。制御装置１０は初めに、ＣＡＤアプリケーションを用いて単結晶の３次元データを作成する（Ｓ１）。作成された３次元データは制御装置１０内のメモリに格納される。続いて、制御装置１０はＣＡＭアプリケーションを用いて、３次元データに基づいて加工条件データを作成する（Ｓ２）。

上述のとおり、加工条件データは、単結晶部ごとに作成される。初めに、単結晶を予め設定された無機層の積層数ｎｍａｘ（個）でスライスした場合を想定する。このとき、単結晶がスライスされて形成される複数の単結晶部の各々の形状が異なる場合がある。したがって、単結晶製造条件データは、各単結晶部ごとに製造される。これにより、所望の３次元形状の単結晶が製造される。

第ｎ層（ｎは自然数であり、ｎ＝１〜ｎｍａｘ）の単結晶部の加工条件データは次の方法で作成される。ここで、第１層は最下層であり、第ｎｍａｘ層は最上層である。

制御装置１０はまず、３次元データに基づいて、第ｎ層における単結晶部の断面形状データを作成する。続いて、制御装置１０は、断面形状データに基づいて、加工条件データを作成する。加工条件データは、領域条件とレーザ条件とを含む。制御装置１０は、断面形状データに基づいて、レーザ３０を照射する領域を決定し、領域条件として定義する。続いて、単結晶部を形成するために必要なエネルギー量に応じて、レーザ３０の出力、走査速度及び走査間隔を決定し、レーザ条件として定義する。レーザ条件に関する情報は、無機粉末粒子４０の組成に対応して、制御装置１０内のＨＤＤに予め格納されている。以上の工程により、各層（単結晶部）における加工条件データが作成される。作成された複数の加工条件データは、制御装置１０内のメモリに格納される。

続いて、基台２０８に種結晶を嵌め込む（Ｓ３）。具体的には、図３に示すとおり、基台２０８には、種結晶１を嵌め込むための穴Ｈ１が形成されている。図３では、穴Ｈ１は１つ形成されているが、複数の穴が形成されていてもよい。

図３では、種結晶１は、円柱状であり、穴Ｈ１の形状に対応する。種結晶１の形状は円柱に限定されない。種結晶１は立方体でもよいし、所望の製品形状に対応した形状であれば足りる。

種結晶１を基台２０８の穴Ｈ１に配置する（嵌め込む）。このとき、図４に示すように、種結晶１の上面（結晶成長面）ＳＦ１が、基台２０８の表面ＳＦ２０８と同じ高さとなるように、種結晶１が配置される。これにより、種結晶１上に所望の厚さの無機層２０６を形成することができ、特に、初回の育成工程において、単結晶部が形成されやすくなる。

種結晶１の上面ＳＦ１は、エメリー紙又はその他の研磨方法により、特定方向に研磨される。好ましくは、図５に示すとおり、種結晶１の上面ＳＦ１の研磨方向、つまり、研磨による線状痕１５０の方向が、無機層形成時におけるリコータ２０５による無機粉末粒子の移動方向と交差するように、種結晶１を配置する。研磨方向が無機粉末粒子４０の移動方向と交差している場合、上面ＳＦ１の線状痕１５０と交差する方向に無機粉末粒子４０が移動する。この場合、無機粉末粒子４０が上面ＳＦ１に堆積しやすくなる。好ましくは、種結晶１を配置したときの上面ＳＦ１の研磨方向は、無機粉末粒子４０の移動方向に対して垂直である。本明細書において垂直とは、厳密な垂直（９０°）だけでなく、９０°±１０°前後の角度も含む。

本実施形態の単結晶の製造方法では、単結晶のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の結晶方位を制御できる。具体的には、種結晶のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の結晶方位を、製造したい単結晶のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に合わせて穴Ｈ１に嵌め込む。これにより、本実施形態の単結晶では、Ｚ軸だけでなく、Ｘ軸及びＹ軸の結晶方位も、所望の結晶方位とすることができる。

図２に戻って、基台２０８に種結晶１を嵌め込んだ後、単結晶の製造を開始する。真空ポンプを用いて、チャンバ２０を真空に引く（Ｓ４）。チャンバ２０内が真空になった後、チャンバ２０内に不活性ガス（アルゴン、窒素等）を供給し、造形テーブル２０３上に配置された基台２０８を予熱する（Ｓ４）。なお、予熱時において、真空に引いた後、不活性ガスを供給することなく基台２０８を予熱してもよい。また、真空にせずに、不活性ガスを供給した後、基台２０８を予熱してもよい。

続いて、制御装置１０は、カウンタｎを「１」に設定し（Ｓ５）、第１層（最下層）の単結晶部の作製を開始する（Ｓ６〜Ｓ８）。

制御装置１０はまず、無機層２０６を形成する（層形成工程：Ｓ６）。制御装置１０は、粉末供給室２０２のピストン２０４を上昇して、複数の無機粉末粒子４０を排出するよう指示する。粉末供給室２０２は、制御装置１０からの指示に応じて、複数の無機粉末粒子４０を排出する。このとき、図６に示すとおり、リコータ２０５がＸ方向に移動する。これにより、排出された無機粉末粒子４０がＸ方向に移動して、層形成室２０１に供給される。無機粉末粒子は基台２０８及び造形テーブル２０３上に堆積し、無機層２０６が形成される。

リコータ２０５はさらに、基台２０８上の無機層２０６の表面上を水平（Ｘ方向）に移動する。このとき、無機粉末粒子４０が水平方向に移動する。図５に示すとおり、種結晶１の上面ＳＦ１の研磨方向（線状痕１５０の延在方向）が水平方向（Ｘ方向）と交差していれば、無機粉末粒子４０は、上面ＳＦ１に堆積しやすい。最下層の無機層２０６の厚さはたとえば、５〜１００μｍ程度であり、それ以外の無機層２０６の厚さ（２０〜１５０μｍ程度）よりも薄く形成される。種結晶１の上面ＳＦ１に単結晶を育成しやすくするためである。無機層２０６が薄いため、図５のような配置をすれば、種結晶１の上面ＳＦ１（の線状痕）に無機粉末粒子４０が堆積しやすくする。

次に、制御装置１０は、無機層２０６を予熱する（Ｓ７）。種々の方法で予熱することができる。たとえば、無機層２０６にレーザを照射して予熱してもよいし、造形テーブル２０３を昇温することにより無機層２０６を予熱してもよい。層形成室２０１内の無機粉末粒子４０をヒータで加熱することにより、無機層２０６を予熱してもよい。

次に、レーザ３０により第１層の単結晶部を形成する（溶融工程：Ｓ８）。制御装置１０は、ステップＳ２で作成された複数の加工条件データのうち、第１層の加工条件データをメモリから読み出す。読み出された加工条件データに基づいて、制御装置１０はレーザ３０を制御する。制御装置１０は、加工条件データ内の領域条件に基づいて、無機層２０６の所定の領域にレーザ３０を照射する。制御装置１０はさらに、加工条件データ内のレーザ条件に基づいてレーザ３０の出力、走査速度及び走査間隔を調整する。その結果、レーザ３０が照射された領域内の無機粉末粒子４０が溶融して凝固し、図７に示すように第１層の単結晶部ＳＯ１が基台２０８上に形成される。無機層２０６のうち、単結晶部ＳＯ１以外の領域に配置された無機粉末粒子４０は、溶融しておらず、焼結もしていない。

第１層の単結晶部ＳＯ１が形成された後、制御装置１０は、カウンタがｎｍａｘか否かを判断する（Ｓ９）。ここでは、カウンタｎ＝１であるため（Ｓ９でＮＯ）、制御装置１０はカウンタｎをインクリメントしてｎ＋１＝２とする（Ｓ１０）。要するに、制御装置１０は、第２層の単結晶部ＳＯ２の作製を準備する。

制御装置１０は、造形テーブル２０３を積層ピッチΔｈだけ降下する（Ｓ１１）。その結果、図８に示すように、無機層２０６の表面が、図７と比較して、Δｈだけ低下する。

ステップＳ１１が完了した後、ステップＳ６に戻る。このとき、制御装置１０は、単結晶部ＳＯ１が形成された無機層２０６上に、新たな無機層２０６を形成する（Ｓ６：層形成工程）。具体的には、制御装置１０の指示に応じて、粉末供給室２０２内のピストン２０４が上昇し、無機粉末粒子４０が再び排出される。このとき、図９に示すように、リコータ２０５がＸ方向に移動する。そのため、無機粉末粒子４０はＸ方向に移動して、厚さΔｈを有する新たな無機層２０６を形成する。新たな無機層２０６の表面は、リコータ２０５により平坦に整えられる。

続いて、制御装置１０は、無機層２０６を予熱し（Ｓ７）、第２層の単結晶部ＳＯ２を形成する（Ｓ８：溶融工程）。このとき、制御装置１０は、第ｎ層（ここではｎ＝２）の加工条件データに基づいて、レーザ３０を無機層２０６に照射する。その結果、図１０を参照して、レーザ３０が照射された領域内の無機粉末粒子が溶融して凝固し、単結晶部ＳＯ２が形成される。このとき、図１０に示すとおり、単結晶部ＳＯ２は単結晶部ＳＯ１上に積層される。また、図１０に示すように、単結晶部ＳＯ２の幅を単結晶部ＳＯ１の幅よりも大きく形成することもできる。要するに、単結晶部ＳＯ２の形状は、単結晶部ＳＯ１と同じ形状でなくてもよい。そのため、本実施形態の製造方法では、任意形状の単結晶を製造できる。

続いて、ステップＳ９に進み、ｎ＝ｎｍａｘとなるまで、つまり、最上層の単結晶部ＳＯｎｍａｘが形成されるまで、制御装置１０は、ステップＳ６〜ステップＳ１１までの動作を繰り返す。要するに、制御装置１０は、単結晶が完成するまで、層形成工程（Ｓ６）と溶融工程（Ｓ８）とを繰り返す。

ステップＳ６〜ステップＳ１１を繰り返した結果、カウンタｎ＝ｎｍａｘであるとき、つまり、最上層ｎｍａｘの単結晶部ＳＯｎｍａｘが形成されたとき（Ｓ９でＹＥＳ）、図１１に示すように、単結晶２００が完成する。完成された単結晶２００は、無機層２０６から取り出され（Ｓ１２）、製造工程が終了する。

上述の製造方法では、ステップＳ４及びステップＳ７（図２参照）において、予熱を実施する。しかしながら、予熱を実施しなくてもよい。
上述の製造方法では、一例として粉末床溶融結合法のうち、レーザ積層造形法を利用した。しかしながら、上記製造方法は、電子ビーム積層造形法を利用してもよい。

レーザ積層造形法及び電子ビーム積層造形法は、粉末床溶融結合法の一種である。上記製造方法はさらに、粉末床溶融結合法以外の他の付加製造法（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を利用してもよい。たとえば、上記製造方法は、指向エネルギー堆積法を利用することもできる。さらに、上記製造方法では、無機材料として無機粉末粒子を利用したが、無機粉末粒子以外の他の無機材料を用いてもよい。たとえば、無機材料からなる板や棒線を用いて無機層を形成してもよい。要するに、付加製造法のうち、種結晶上に無機材料を供給しながら単結晶部を製造できる方法であれば、本実施形態の製造方法に適用可能である。

本実施形態の単結晶の製造方法では、種々の単結晶を製造することができる。たとえば、上記製造方法により、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＴｉＡｌ系金属間化合物、シリサイド等の単結晶を製造することができる。さらに、上記製造方法により、Ａｌ₂Ｏ₃、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、及び、炭化珪素等に代表されるセラミックスの単結晶も製造することができる。

Ｎｉ基合金はたとえば、インコネル（商標）等である。

Ｔｉ合金は、チタンを４０質量％以上含有する合金である。Ｔｉ合金はたとえば、ＪＩＳ Ｔ７４０１−２：２００２に規定されるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、ＩＳＯ ５８３２−１４：２００７に規定されるＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金、ＪＩＳ Ｔ７０４１−４：２００９に規定されるＴｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａ合金等である。

ＴｉＡｌ系金属間化合物は、ＴｉＡｌの化学式で記述される化学組成に幅を有するＬ１₀構造のγ相、Ｔｉ₃Ａｌの化学式で記述されるＤＯ₁₉構造のα₂相、体心立方（ｂｃｃ）構造のβ相等を、単独、又は複数組み合わせた金属間化合物又は合金の総称である。ＴｉＡｌ系金属間化合物は、層状組織となる場合もある。

シリサイドはたとえば、Ｃ１１ｂ構造を有するＭｏＳｉ₂、ＷＳｉ₂及び、ＲｅＳｉ₂や、Ｃ４０構造を有するＮｂＳｉ₂、ＣｒＳｉ₂、ＴａＳｉ₂及びＶＳｉ₂や、さらに異なる結晶構造を有するＭｏ₅Ｓｉ₃、Ｎｂ₅Ｓｉ₃、ＺｒＳｉ₂や、これらの組み合わせ、及び、これらのシリサイドと高融点金属、高融点合金との組み合わせである。

さらに、Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金、Ｉｒ基合金等の単結晶も製造できる。さらに、Ｃｕ、Ａｌの単結晶も製造できる。Ｃｕ単結晶及びＡｌの単結晶はたとえば、スパッタリングターゲットとして用いられる。

上述のとおり、本実施形態の単結晶の製造方法では、単結晶のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の結晶方位を制御できる。さらに単結晶を任意の形状に形成し得る。そのため、本実施形態の単結晶の製造方法では、形状に合わせて特定方向の結晶方位を向けた単結晶を製造し得る。
本実施形態の製造方法で製造される単結晶は、結晶成長を制御することにより高性能化が可能な全ての分野の構造部材に適用可能である。本実施形態の製造方法で製造される単結晶はたとえば、タービンブレードに代表される航空宇宙部品、ボーンプレート、脊髄スぺーサー及びインプラント等の生体内に埋め込む医療機器、生体材料及び歯科補綴物等の歯科用材料、器具材料、熱電変換素子、圧電素子（ピエゾ）等の電子部品、燃料電池等に適用可能である。

図１に示す積層造形装置を用いて、単結晶を製造した。図１２に示す形状の円柱状の単結晶２００を製造するため、加工条件を計算した。その後、上記方法により、単結晶２００を製造した。

インコネル７１８に相当する化学組成を有し、母相（γ相）が面心立方（ｆｃｃ）構造を有する単結晶を、ＦＺ法により作製した。製造された単結晶を用いて、種結晶の上面（結晶成長面）が（００１）面、（１１０）面、（１１１）面となる種結晶１をそれぞれ作製した。作製された各種結晶１の上面ＳＦ１を４００番のエメリー紙で研磨して上面に線状痕を形成した。

各種結晶１を、基台２０８に嵌め込んだ。このとき、各種結晶１の上面ＳＦ１の高さは、基台２０８の表面と同じ高さであった。さらに、各種結晶１の上面ＳＦ１の線状痕は、リコータ２０５の移動方向、つまり、無機粉末粒子４０の移動方向と垂直であった。

種結晶を基台２０８に配置した後、上記製造方法に基づいて単結晶２００を製造した。無機粉末粒子の化学組成は、単結晶の化学組成（インコネル７１８）と同じであった。無機粉末粒子４０の粒径は４０μｍ以下であった。単結晶育成時の造形条件は次のとおりであった。レーザ出力は３００Ｗであった。スポット径は０．１ｍｍであった。走査速度は１０００ｍｍ／Ｓであった。走査間隔は０．１ｍｍであった。各無機層の厚さは４０μｍであった。ただし、最下層の厚さは４０μｍ未満であった。

上記製造条件により、図１２に示す単結晶２００を製造した。製造された単結晶２００の最大高さは５１６μｍであった。

製造された単結晶２００及び単結晶２００と結合している種結晶１を、図１３に示すように、高さ方向に切断した。切断面のうち、単結晶２００と種結晶１との界面を含む領域３００から、ＳＥＭ観察用のサンプルを採取した。

採取されたサンプルを用いて、後方散乱電子回折（Electron Back Scatter Diffraction：ＥＢＳＤ）が付属された走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）を用いて、結晶方位マップ解析を実施し、逆極点図を求めた。

［試験結果］
図１４は、上面（結晶成長面、Ｚ軸を法線に持つ面）が（００１）面である種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。図１４に示すとおり、単結晶のＸ軸方向の逆極点図は、種結晶のＸ軸方向の逆極点図とほぼ一致しており、＜００１＞方向であった。同様に、単結晶のＹ軸方向、Ｚ軸方向の逆極点図は、種結晶のＹ軸、Ｚ軸方向の逆極点図とほぼ一致した。したがって、（００１）面を上面に有する種結晶により、ＸＹＺ軸において、種結晶と同じ結晶方位を有する単結晶を製造できた。

図１５は、上面が（１１０）面である種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。図１５を参照して、単結晶のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図は、種結晶のものとほぼ一致した。したがって、（１１０）面を上面に有する種結晶により、ＸＹＺ軸において、種結晶と同じ結晶方位を有する単結晶を製造できた。

図１６は、上面が（１１１）面である種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。図１６を参照して、単結晶のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図は、種結晶のものとほぼ一致した。したがって、（１１１）面を上面に有する種結晶により、ＸＹＺ軸において、種結晶と同じ結晶方位を有する単結晶を製造できた。

実施例１と異なる化学組成及び結晶構造の種結晶を製造し、単結晶が製造可能な否かを調査した。
［種結晶の製造］
Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌからなる化学組成を有し、体心立方（ｂｃｃ）構造を有する単結晶を、ＦＺ法により作製した。「Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ」とは、１５質量％のＭｏと、５質量％のＺｒと、３質量％のＡｌとを含有し、残部がＴｉ及び不純物からなる化学組成を意味する。製造された単結晶を用いて、上面（結晶成長面）が（００１）面、（１１０）面、（１１１）面となる種結晶をそれぞれ作製した。作製された各単結晶の上面を４００番のエメリー紙で研磨して上面に線状痕を形成した。

実施例１と同様に、各種結晶１を、基台２０８に嵌め込み、上記製造方法に基づいて単結晶を製造した。無機粉末粒子の化学組成は、種結晶の化学組成と同じであった。無機粉末粒子の粒径は７５μｍ以下であった。単結晶育成時の造形条件は次のとおりであった。レーザ出力は３００Ｗであった。スポット径は０．１ｍｍであった。走査速度は１０００ｍｍ／Ｓであった。走査間隔は０．１ｍｍであった。各無機層の厚さは６０μｍであった。ただし、最下層の厚さは６０μｍ未満であった。

上記製造条件により、図１２に示す単結晶２００を製造した。製造された単結晶の最大高さは１８８０μｍであった。

製造された単結晶に対して、実施例１と同じ方法により、種結晶及び単結晶の結晶方位マップ解析を実施して、逆極点図を求めた。

［試験結果］
図１７は、上面（Ｚ軸を法線に持つ面）が（００１）面である種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。図１７に示すとおり、単結晶のＸ軸方向の逆極点図は、種結晶のＸ軸方向の逆極点図とほぼ一致した。同様に、単結晶のＹ軸方向、Ｚ軸方向の逆極点図は、種結晶のＹ軸、Ｚ軸方向の逆極点図とほぼ一致した。したがって、（００１）面を上面に有する種結晶により、種結晶と同じ結晶方位を有する単結晶を製造できた。（１１０）面及び（１１１）面を持つ種結晶を用いて製造された単結晶も同様に、対応する種結晶と同じ結晶方位を有した。

図１８は、上面が（１１０）面である種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。図１８を参照して、単結晶のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図は、種結晶のものとほぼ一致した。したがって、（１１０）面を上面に有する種結晶により、ＸＹＺ軸において、種結晶と同じ結晶方位を有する単結晶を製造できた。

図１９は、上面が（１１１）面である種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。図１９を参照して、単結晶のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図は、種結晶のものとほぼ一致した。したがって、（１１１）面を上面に有する種結晶により、ＸＹＺ軸において、種結晶と同じ結晶方位を有する単結晶を製造できた。

実施例１及び実施例２と異なる化学組成及び結晶構造の種結晶を製造し、単結晶が製造可能な否かを調査した。

［種結晶の製造］
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖからなる化学組成を有し、ｈｃｐ構造を有する単結晶を、ＦＺ法により作製した。「Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ」とは、６質量％のＡｌと、４質量％のＶとを含有し、残部がＴｉ及び不純物からなる化学組成を意味する。製造された単結晶を用いて、種結晶の上面（結晶成長面）が（０００１）面、（１−１００）面、（１−１０１）面となる種結晶をそれぞれ作製した。作製された各単結晶の上面を４００番のエメリー紙で研磨して上面に線状痕を形成した。

実施例１と同様に、各種結晶１を、基台２０８に嵌め込み、上記製造方法に基づいて単結晶を製造した。無機粉末粒子の化学組成は、種結晶の化学組成と同じであった。無機粉末粒子の粒径は６０μｍ以下であった。単結晶育成時の造形条件は次のとおりであった。レーザ出力は３００Ｗであった。スポット径は０．１ｍｍであった。走査速度は１０００ｍｍ／Ｓであった。走査間隔は０．１ｍｍであった。各無機層の厚さは６０μｍであった。ただし、最下層の厚さは６０μｍ未満であった。

上記製造条件により、図１２に示す単結晶２００を製造した。製造された単結晶の最大高さは２１３μｍであった。

製造された単結晶に対して、実施例１と同じ方法により、種結晶及び単結晶の結晶方位マップ解析を実施して、逆極点図を求めた。

［試験結果］
図２０は、上面が（０００１）面である種結晶を用いて製造された単結晶の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の逆極点図である。図２０に示すとおり、単結晶のＸ軸方向の逆極点図は、種結晶のＸ軸方向の逆極点図とほぼ一致した。同様に、単結晶のＹ軸方向、Ｚ軸方向の逆極点図は、種結晶のＹ軸、Ｚ軸方向の逆極点図とほぼ一致した。したがって、（０００１）面を上面に有する種結晶により、種結晶と同じ結晶方位を有する単結晶を製造できた。

上記実施例１〜３で示すとおり、本実施例の製造方法では、異なる化学組成及び異なる結晶構造の単結晶を製造することができた。さらに、上面の結晶方位が異なる種結晶を用いても、単結晶を製造することができた。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１ 種結晶
１４ レーザ装置
４０ 無機粉末粒子
１００ 積層造形装置
２００ 単結晶

Claims (12)

1. 種結晶を準備する準備工程と、
   付加製造技術を用いて、種結晶上に無機材料を供給し、熱エネルギーにより前記無機材料を溶融して、前記種結晶上に単結晶を育成する育成工程とを備える、単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載の単結晶の製造方法であって、
   前記準備工程は、
   基台に前記種結晶を配置する配置工程を含み、
   前記育成工程は、
   前記基台に配置された種結晶上に、前記無機材料を含む無機層を形成する層形成工程と、
   前記種結晶上の無機層を溶融して前記種結晶上に前記単結晶を育成する溶融工程とを含む、単結晶の製造方法。
3. 請求項２に記載の単結晶の製造方法であって、
   前記育成工程では、前記層形成工程と前記溶融工程とを交互に繰り返す、単結晶の製造方法。
4. 請求項３に記載の単結晶の製造方法であって、
   前記基台は穴を有し、
   前記配置工程では、前記種結晶の上面が前記基台の表面と同じ高さになるように前記穴に前記種結晶を配置する、単結晶の製造方法。
5. 請求項３又は請求項４に記載の単結晶の製造方法であってさらに、
   前記種結晶の上面を所定方向に研磨する工程を含み、
   前記無機材料は無機粉末粒子であり、
   前記層形成工程では、前記無機粉末粒子を特定方向に移動させながら無機層を形成し、
   前記配置工程では、前記種結晶の研磨方向と前記無機粉末粒子の移動方向とが交差するように、前記種結晶を配置する、単結晶の製造方法。
6. 請求項５に記載の単結晶の製造方法であって、
   前記配置工程では、前記種結晶の研磨方向と前記無機粉末粒子の移動方向とが垂直になるように、前記種結晶を配置する、単結晶の製造方法。
7. 請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の単結晶の製造方法であって、
   前記育成工程では、最初の前記層形成工程で形成される無機層の厚さを、２回目以降の前記層形成工程で形成される無機層の厚さよりも薄く形成する、単結晶の製造方法。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の単結晶の製造方法であって、
   前記育成工程は、レーザ積層造形法を用いる、単結晶の製造方法。
9. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の単結晶の製造方法であって、
   前記育成工程は、電子ビーム積層造形法を用いる、単結晶の製造方法。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の単結晶の製造方法であって、
    前記育成工程では、Ｎｉ基合金の単結晶を育成する、単結晶の製造方法。
11. 請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の単結晶の製造方法であって、
    前記育成工程では、Ｔｉ合金の単結晶を育成する、単結晶の製造方法。
12. 請求項１１に記載の単結晶の製造方法であって、
    前記育成工程では、ＴｉＡｌ系金属間化合物の単結晶を育成する、単結晶の製造方法。