JP2015517450A - セラミック物品およびセラミック物品用の付加処理方法 - Google Patents

Abstract

付加製造方法は、セラミック成分および反応性金属成分を有する粉末混合物を提供し、指向性エネルギー源で粉末混合物を反応および融合させて、所定の形状を形成する、ことを含む。

Description

本開示はセラミック物品の形成の改良に関する。

セラミック物品は既知であり、比較的高い温度環境で使用される。セラミック部材を形成する一般的な技術の１つは、スリップ鋳造などの粉末処理である。典型的な粉末処理技術は、セラミック粉末、処理助剤、および未焼結セラミック本体の形成を容易にする有機または水ベースの結合剤／担体の混合物を必要とする。通常、未焼結セラミック本体をゆっくりと加熱して、壊れやすい構造を乱さずに結合剤／担体を注意深く除去する。次いでセラミック本体を所定の温度プロフィールに従って加熱して、そうでなければ部材を破壊してしまう熱応力や割れを発生させずに最終のまたは最終に近い形状へとセラミック粉末を注意深く焼結する。

本開示の例示的な一態様による付加製造方法は、セラミック成分および反応性金属成分を有する粉末混合物を提供し、指向性エネルギー源で粉末混合物を反応および融合させ、それによって、所定の形状を形成する、ことを含む。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、粉末混合物を提供することは、粉末混合物の複数の層を互いの上に堆積させることを含み、反応および融合させることは、形状の特定の断面に関するデータに関連して行われる。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、セラミック成分は、アルミナ、チタニア、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、金属相は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアを含み、金属相は、アルミニウムを含む。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、粉末混合物は、重量で１０％を超える金属成分を含む。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、粉末混合物は、セラミック成分および金属成分から成り、セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアから成り、金属成分は、アルミニウムから成る。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、反応および融合させることは、酸素含有環境内で行われる。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、反応および融合させることは、空気環境内で行われる。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、反応および融合させることは、金属成分が反応して酸化物を形成するように酸素の存在下で行われる。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、反応および融合させることは、周囲圧力で行われる。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、セラミック成分と、金属成分から形成された酸化物とは、組成に関して同等の酸化物である。

本開示の例示的な一態様による付加製造方法は、１つまたは複数の酸化物セラミック成分から成る第１の粉末と、１つまたは複数の金属成分から成る第２の粉末とを含む粉末混合物を提供し、物品の特定の断面に関するデータに関連して形状を形成するように粉末混合物を融合させ、１つまたは複数の金属成分を１つまたは複数の金属酸化物に変換するように形状を処理する、ことを含み、融合させることは、１つまたは複数の溶融金属成分が次には凝固して第１の粉末を一緒に保持するように１つまたは複数の金属成分の溶融を生じさせるために、指向性エネルギー源を用いることを含む。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、１つまたは複数の酸化物セラミック成分は、アルミナ、チタニア、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、1つまたは複数の金属は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、１つまたは複数の酸化物セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアを含み、１つまたは複数の金属成分は、アルミニウムを含む。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、粉末混合物は、重量で１０％を超えるアルミニウムを含む。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、粉末混合物は、第１の粉末および第２の粉末から成り、１つまたは複数の酸化物セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアから成り、１つまたは複数の金属成分は、アルミニウムから成る。

本開示の例示的な一態様による、セラミック物品を形成するための処理の準備ができているワークピースは、コンピュータ支援設計により画定される形状に対応する形状を有する構造を備えており、構造は、１つまたは複数の金属と、１つまたは複数のセラミック相を有する粒子と、を含み、粒子は、もっぱら１つまたは複数の金属によって一緒に保持される。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、１つまたは複数のセラミック相は、アルミナ、チタニア、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、１つまたは複数の金属は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、１つまたは複数のセラミック相は、アルミナおよびマグネシアを含み、１つまたは複数の金属は、アルミニウムを含む。

上述のいずれかの実施例のうちのさらなる非限定的な実施例において、構造は、重量で１０％を超える１つまたは複数の金属を含む。

当業者には以下の詳細な説明から本開示のさまざまな特徴および利点が明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面については、以下に簡単に説明できる。

実施例の付加製造方法を示す図。 付加製造方法の別の態様を示す図。 付加製造方法に亘るさまざまな段階を示す図。

図１は、セラミック物品作成用の実施例の付加製造方法２０の選択された部分を示す。以下の説明から理解されるように、限定する訳ではないがインベストメント鋳造用のセラミックモールドコアなどのさまざまな異なる種類のセラミック物品を形成するために方法２０を使用することができる。さらに方法２０によって迅速な製造を行うことも可能であり、したがって、方法２０をセラミック物品の試作品の迅速な製造に用いることもできる。

図示のように、方法２０は通常、ステップ２２、２４を含む。ステップ２２は、セラミック成分および反応性金属成分を有する粉末混合物を提供することを含み、ステップ２４は、指向性エネルギー源で粉末混合物を反応および融合させ、それによって、所定の形状を形成することを含む。例えば、セラミック成分は、セラミック相であり、金属成分は、１つまたは複数の金属を含むことができる金属相である。

さらなる実施例において、ステップ２２は、粉末混合物の複数の層を互いの上に堆積させることを含むことができる。一例として、高速試作品製造または付加製造において既知の堆積技術を用いて層を堆積させる。

粉末混合物は、セラミック成分および反応性金属成分を含み、これらは後で粉末混合物を一緒に保持するのに役立つことになる。例えば、粉末混合物を形成するように一緒に混合される別々の同種の粉末として、あるいは代替として異種の粒子として、セラミック成分および反応性金属成分を提供することができる。

ステップ２４は、粉末混合物を一緒に融合させることを含む。例えば、物品の特定の断面に関するデータに関連して形状を形成するように層を互いに融合させる。さらなる実施例において、データは、製作する物品の形状を画定するコンピュータ支援設計データである。融合させることは、反応性金属成分の溶融を生じさせるために、指向性エネルギー源を用いることを含む。一実施例では、指向性エネルギー源は、レーザである。従って、レーザは、反応性金属成分をその溶融温度より高い温度に加熱する。溶融反応性金属成分は、流れ、その後、凝固して、残りの粉末混合物を一緒に保持する。

ステップ２４はまた、反応性金属成分を反応させることを含む。反応性金属成分を反応させることは、融合させることと一部重複して生じることができる。すなわち、金属成分が溶融すると、金属成分の少なくとも一部は、凝固前または凝固中に反応することができる。他の付加製造方法においては、反応の回避が要望されることがあり、従って、不活性方法環境が使用される。しかしながら、方法２０においては、反応性金属成分に関して反応性方法環境を用いて反応を促進する。代替として、凝固後に反応性金属成分の一部または実質的に全てが反応できる。例えば、溶融および凝固後に、凝固金属成分を金属成分を反応させるための反応温度に加熱するように、指向性エネルギー源を用いることができる。反応温度は、選択された金属成分に依存することができる。一実施例では、温度は、７００〜８００℃である。

さらなる実施例において、反応性金属成分を反応させる方法環境は、体積百分率で小数点以下の不純物量より多くの酸素を含む。従って、反応性金属成分は、加熱され、酸化物を形成するように方法環境からの酸素と反応する。一実施例では、ステップ２４は、周囲圧力で空気環境内で行われる。代替として、ステップ２４は、金属成分を別の種類の非酸化物または非酸化物／酸化物セラミックに変換するための他の活性元素を含む、別の反応性方法環境内で行われる。

セラミック成分および金属成分の組成は、製作される物品の所望の最終組成に依存して選択される。例えば、セラミック成分は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、チタニア（ＴｉＯ₂）、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア（ＭｇＯ）、およびこれらの組み合わせから選択され、金属成分は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの組み合わせから選択される。実施例において、例示的な組成は、例えばインベストメントモールドコアを形成するのに有用である。ステップ２４において、酸素方法環境では、アルミニウムは、アルミナに変換され、マグネシウムは、マグネシアに変換され、および／または、チタンは、チタニアに変換される。

さらなる実施例において、セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアを含み、金属相は、アルミニウムを含む。

さらなる実施例において、セラミック成分は、任意の当然付随する不純物とともに、アルミナ、チタニア、イットリア安定化ジルコニア、およびマグネシアのうちの１つまたは複数だけを含み、金属成分は、任意の当然付随する不純物とともに、アルミニウム、マグネシウム、およびチタンのうちの１つまたは複数だけを含む。

先の実施例のいずれかに基づくさらなる実施例において、金属成分は、ステップ２４における反応の際に金属成分から形成される酸化物が粉末混合物のセラミック成分と同等の組成を有するように、選択される。

先の実施例のいずれかに基づくさらなる実施例において、金属成分は、効果的にセラミック成分を一緒に結合させるために重量で１０％より大きな量で粉末混合物中に存在する。

別の態様において、図２は、付加製造方法１２０（以下、方法１２０とする）の選択された部分を概略的に示す。この実施例では、方法１２０は、ステップ１２２、融合ステップ１２４、処理ステップ１２６を含む。最初にステップ１２２を見ると、粉末混合物を提供する。粉末混合物は、１つまたは複数の酸化物セラミック成分だけの第１の粉末と、１つまたは複数の金属成分だけの第２の粉末とを含む。粉末混合物を、混合済み形態で提供することができ、または、最初は別々の粉末から混合することもできる。

処理ステップ１２６が粉末混合物の１つまたは複数の金属成分を１つまたは複数の金属酸化物に変換することに具体的に向けられていることを除き、ステップ２４に関して上述したように、指向性エネルギー源を用いて、融合ステップ１２４および処理ステップ１２６を行うことができる。

図３は、上述したステップ１２２、１２４、１２６それぞれに対応する段階（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を経る方法１２０を概略的に図示する。段階（Ａ）に示すように、粉末混合物１３０は、第１の粉末の粒子１３２と、第２の粉末の粒子１３４とを含む。段階（Ｂ）では、１つまたは複数の金属成分の粒子１３４は、１つまたは複数の金属成分が凝固して第１の粉末の粒子１３２を一緒に保持するように溶融する。従って、ワークピース１３６は、段階（Ｂ）中に形成される。ワークピース１３６は、コンピュータ支援設計により画定される形状に対応する形状を有する構造１３８を備える。構造１３８は、１つまたは複数の金属と、第１の粉末１３２と、を含む。第１の粒子１３２は、もっぱら１つまたは複数の金属によって一緒に保持される。すなわち、粒子１３２は、互いに直接結合されていず、また、１つまたは複数の金属が存在しなければ構造１３８の所望の形状において支持されないであろう。段階（Ｃ）では、構造は、１つまたは複数の金属を１つまたは複数の金属酸化物１３４’に変換するように処理ステップ１２６に従って処理されている。

例示の実施例において特徴の組み合わせを示しているとはいえ、本開示のさまざまな実施例の利益を得るためにこれらの特徴の全てを組み合わせる必要はない。すなわち、本開示の実施例に従って設計されるシステムは、図の任意の１つに示される特徴の全て、または図に概略しめされる部分の全てを必ずしも含まない。さらに、１つの例示的な実施例の選択された特徴は、他の例示的な実施例の選択された特徴と組み合わせることができる。

上記の説明は、本質的に限定ではなく例示である。本開示の本質から必ずしも逸脱しない、開示の実施例に対する変更および修正が、当業者には明らかとなり得る。本開示に与えられる法的保護範囲は、添付の特許請求の範囲を検討することでのみ決定可能である。

Claims (20)

1. セラミック成分および反応性金属成分を有する粉末混合物を提供し、
   指向性エネルギー源で粉末混合物を反応および融合させ、それによって、所定の形状を形成する、
   ことを含むことを特徴とする、付加製造方法。
2. 粉末混合物を提供することは、粉末混合物の複数の層を互いの上に堆積させることを含み、反応および融合させることは、形状の特定の断面に関するデータに関連して行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. セラミック成分は、アルミナ、チタニア、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、金属相は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの組み合わせから成る群より選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアを含み、金属相は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 粉末混合物は、重量で１０％を超える金属成分を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 粉末混合物は、セラミック成分および金属成分から成り、セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアから成り、金属成分は、アルミニウムから成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 反応および融合させることは、酸素含有環境内で行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 反応および融合させることは、空気環境内で行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 反応および融合させることは、金属成分が反応して酸化物を形成するように酸素の存在下で行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 反応および融合させることは、周囲圧力で行われることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. セラミック成分と、金属成分から形成された酸化物とは、組成に関して同等の酸化物であることを特徴とする請求項９記載の方法。
12. １つまたは複数の酸化物セラミック成分から成る第１の粉末と、１つまたは複数の金属成分から成る第２の粉末とを含む粉末混合物を提供し、
    物品の特定の断面に関するデータに関連して形状を形成するように粉末混合物を融合させ、
    １つまたは複数の金属成分を１つまたは複数の金属酸化物に変換するように形状を処理する、
    ことを含み、融合させることは、１つまたは複数の溶融金属成分が次には凝固して第１の粉末を一緒に保持するように１つまたは複数の金属成分の溶融を生じさせるために、指向性エネルギー源を用いることを含むことを特徴とする、付加製造方法。
13. １つまたは複数の酸化物セラミック成分は、アルミナ、チタニア、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、1つまたは複数の金属は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの組み合わせから成る群より選択されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. １つまたは複数の酸化物セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアを含み、１つまたは複数の金属成分は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. 粉末混合物は、重量で１０％を超えるアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 粉末混合物は、第１の粉末および第２の粉末から成り、１つまたは複数の酸化物セラミック成分は、アルミナおよびマグネシアから成り、１つまたは複数の金属成分は、アルミニウムから成ることを特徴とする請求項１２記載の方法。
17. コンピュータ支援設計により画定される形状に対応する形状を有する構造を備えており、
    構造は、１つまたは複数の金属と、１つまたは複数のセラミック相を有する粒子と、を含み、粒子は、もっぱら１つまたは複数の金属によって一緒に保持される、
    ことを特徴とする、セラミック物品を形成するための処理の準備ができているワークピース。
18. １つまたは複数のセラミック相は、アルミナ、チタニア、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア、およびこれらの組み合わせから成る群より選択され、１つまたは複数の金属は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの組み合わせから成る群より選択されることを特徴とする請求項１７記載のワークピース。
19. １つまたは複数のセラミック相は、アルミナおよびマグネシアを含み、１つまたは複数の金属は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１７記載のワークピース。
20. 構造は、重量で１０％を超える１つまたは複数の金属を含むことを特徴とする請求項１７記載のワークピース。

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