JP2016509632A - 高温延性および応力破断寿命のための付加製造 - Google Patents

Abstract

製造プロセスは、構成要素を付加製造し、構成要素の粒界に炭化物を析出させる、ことを含む。

Description

本開示は一般に、付加製造システムおよびプロセスに関する。

本開示は、２０１３年２月１日に出願された出願番号第６１／７５９，８８６号の米国特許仮出願の開示に対して優先権を主張する。

付加製造プロセスは、細かい金属粉末を溶融することによって三次元金属部品を形成するために、デジタル情報源として３Ｄ−ＣＡＤデータと、高出力レーザビームなどのエネルギー源とを用いる。鍛錬合金と比較して付加製造されると合金は異なる特性を有することがある。

開示された非限定的な一実施例による付加製造システムの概略図。 図３のプロセスを介して製造されたＳＬＭ−６２５と、鍛造合金６２５構成要素とについての許容可能引張り伸びを示すグラフ。 開示された非限定的な一実施例による高温延性および応力破断寿命のための付加製造プロセスの図。 開示された別の非限定的な一実施例による高温延性および応力破断寿命のための付加製造プロセスの図。 開示された別の非限定的な一実施例による高温延性および応力破断寿命のための付加製造プロセスの図。 図５のプロセスで使用するための付加製造システムの概略図。

当業者には、開示された非限定的な実施例についての以下の詳細な説明からさまざまな特徴が明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面は、上記のように簡単に説明可能である。

図１は、付加製造システム２０を概略的に示す。システム２０は一般に、粉末床２４を有する積層室２２と、レーザなどの１つまたは複数のエネルギー源２６と、制御装置２８とを備える（全て概略的に示される）。本明細書に定義されているように、「付加製造」システムは、限定される訳ではないが、選択的レーザ溶融（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＳＬＭ）、粉末床電子ビーム溶融（Ｐｏｗｄｅｒ−Ｂｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＥＢＭ）、電子ビーム自由形態製造（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｆｒｅｅ Ｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）（ＥＢＦ３）、レーザ加工ネットシェイプ（Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｎｅｔ Ｓｈａｐｅ）（ＬＥＮＳ）、およびその他を含むことを理解されたい。さまざまな構成要素およびサブシステムを付加的にまたは代替として設けることができることも理解されたい。

付加製造システム２０は、ＣＡＤファイルによって定義された３Ｄ中実本体を作成するために、噴霧合金粉末材料の２Ｄ層を連続的に溶融することによって構成要素を積層する。鉄、ニッケル、コバルト、チタン、またはアルミニウム基合金を含むさまざまな金属粉末を使用することができる。航空宇宙およびガスタービンエンジン構成要素で典型的なものなどの高温環境で作動する構成要素に合金６２５、合金７１８、および合金２３０を使用することができる。

しかしながら、合金６２５から付加製造された構成要素（本明細書では「ＳＬＭ−６２５」と呼ぶ）などの特定の合金から堆積される付加製造構成要素は、応力除去、熱間静水圧成形、溶体化熱処理などの通常の熱処理プロセスを行うときでさえ、対応する鍛造（ｗｒｏｕｇｈｔ）合金６２５に比較して、比較的低い高温延性を有する材料特性を本質的にもたらすことが見出された。例えば、試験されたＳＬＭ−６２５試料は、鍛造合金６２５が１４００Ｆにおいて約５０％を上回り、１７００Ｆにおいて約７０％を上回るのとは対照的に、１４００Ｆにおいて≦１５％、１７００Ｆにおいて≦１０％の引張り伸びを有した（図２）。応力破断寿命も、鍛造合金６２５に比較して、比較的低い。出願人は、可能性のある根本的原因の１つが、現在の付加処理および熱処理に関連する特有の特徴に起因して、鍛造合金６２５に比較してＳＬＭ−６２５内の弱い粒界にあることを決定した。現在処理されているように、ＳＬＭ−６２５の粒界には、鍛造合金６２５の粒界を強化する炭化物がない。

図３を参照すると、開示された非限定的な一実施例では、付加製造構成要素についての現在の通常の熱処理ステップ（ステップ１０４、１０６、および１０８）を完了した後に行われる、付加された熱処理ステップ１１０を介して粒界に炭化物を析出させるプロセス１００によって、付加製造構成要素（ステップ２）の高温延性および応力破断寿命を増大させる。通常、積層後熱処理は、付加製造プロセスに不可欠な部分である。応力除去（ステップ１０４）は、積層サイクル中に生成される残留応力からのひずみを最小限に抑え、それによって寸法の完全性を維持するために必要である。熱間静水圧成形（ステップ１０６）は、製造された部品中の残留空隙を閉鎖し、溶体化処理（ステップ１０８）は、大抵の後続の製造およびプロセスステップのための理想的な微細構造を提供する。

付加された熱処理ステップ（ステップ１１０）の一実施例では、合金６２５の通常処理された付加製造構成要素を１４５０Ｆに加熱し、約１０時間、１４５０Ｆに保持することで、粒界に所望の炭化物を析出させる。

図４を参照すると、開示された別の非限定的な一実施例では、付加製造プロセス（ステップ２０２）の際に約０．０２％を超える炭素を有する合金粉末などの炭素含有量を増やした合金粉末を使用するプロセス２００によって、付加製造構成要素の高温延性および応力破断寿命を増大させることができ、開示された非限定的な一実施例では、約０．０３％〜０．０４％の炭素である。すなわち、特定の積層、または構成要素の全体で、炭素含有量を増やした噴霧合金粉末材料を使用することができる。次いで任意選択的に、先に応力除去、熱間静水圧成形、および溶体化熱処理された構成要素（ステップ２０４〜２０８）に、図２のさらなる後工程熱処理プロセスを実行することができる。

図５を参照すると、開示された別の非限定的な一実施例では、炭化水素ガスなどの炭素に富む化学種を含有する雰囲気内で溶融することによってその場で積層材料の浸炭を行うことを介して、付加製造構成要素の高温延性および応力破断寿命を代替としてまたは付加的に増大させることができる（ステップ３０２）。すなわち、圧入システム３０（概略図示する、図６）が、付加製造プロセスの際に積層室２２内に浸炭雰囲気を維持するように作動する。浸炭ガスは、ある層または全ての層の堆積の際に圧入することができる。また、浸炭ガスの圧入は、単独で、または図２の後工程熱処理（ステップ３１０）および／または炭素含有量を増やした合金粉末（図３）と組み合わせて、任意選択的に利用することができる。

記述の文脈内（特に添付の請求項の文脈内）における「ある」、「その」という用語および同様の言及の使用は、明細書中で別段の定めがない場合、または文脈によって具体的に矛盾する場合を除き、単数、複数両方を含むものとして解釈されるべきである。数量に関連して使用する「約」という修飾語は、提示された値を含み、文脈が規定する意味を有する（例えば、それは、特定の量の測定に付随する程度の誤差を含む）。明細書に開示される全ての範囲は、端点を含み、複数の端点は独立して互いに結合可能である。「前部」、「後部」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」および同様のものなどの相対位置の用語は、装置の通常の作動姿勢に関連しており、それ以外に限定して考えるべきでないことを理解されたい。

異なる非限定的な実施例が特定の例示の構成要素を有するとはいえ、本発明の実施例は、それらの特定の組み合わせに限定されない。非限定的な実施例のいずれかからの構成要素または特徴のいくつかを、他の非限定的な実施例のいずれかからの特徴または構成要素と組み合わせて使用することができる。

同様の参照符号がいくつかの図面に亘って対応するまたは同様の要素を特定することを理解されたい。特定の構成要素の構成を例示の実施例に開示するとはいえ、他の構成が本願明細書から利益を得られることを理解されたい。

特定の工程一続きを示し、記載し、請求するとはいえ、工程は、別段の定めがない場合、別々または組み合わせで任意の順序で実施可能であること、また本開示からなお利益を得られることを理解されたい。

上述の説明は、そこでの限定によって規定されるものではなく例示である。さまざまな非限定的な実施例を明細書で開示しているが、当業者ならば、上述の教示に照らしてさまざまな修正および変形が添付の請求項の範囲に含まれることを理解するであろう。従って、添付の請求項の範囲内で、具体的に記載された以外に本開示を実施できることを理解されたい。その理由で、真の範囲および内容を決定するには添付の特許請求の範囲を検討する必要がある。

Claims (15)

1. 構成要素を付加製造し、
   構成要素の粒界に炭化物を析出させる、
   ことを含むことを特徴とする製造プロセス。
2. 構成要素の粒界に炭化物を析出させる前に、構成要素に応力除去、熱間静水圧成形、および溶体化熱処理を行うことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 構成要素に応力除去、熱間静水圧成形、および溶体化熱処理を行うステップの後に、熱処理プロセスを用いて構成要素の粒界に炭化物を析出させることをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 付加製造プロセスの際に、炭素含有量を増やした合金粉末を用いて構成要素を付加製造することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 構成要素の粒界に炭化物を析出させる前に、構成要素に応力除去、熱間静水圧成形、および溶体化熱処理を行うことをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 構成要素に応力除去、熱間静水圧成形、および溶体化熱処理を行うステップの後に、熱処理プロセスを用いて構成要素の粒界に炭化物を析出させることをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 構成要素の付加製造の際に積層室内に浸炭ガスを圧入することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 付加製造プロセスの際に、炭素含有量を増やした合金粉末を用いて構成要素を付加製造することをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 構成要素の粒界に炭化物を析出させる前に、構成要素に応力除去、熱間静水圧成形、および溶体化熱処理を行うことをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
10. 構成要素に応力除去、熱間静水圧成形、および溶体化熱処理を行うステップの後に、熱処理プロセスを用いて構成要素の粒界に炭化物を析出させることをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 積層室と、
    付加製造プロセスの際に積層室内に浸炭ガスを圧入するための浸炭ガス圧入システムと、
    を備えることを特徴とする付加製造システム。
12. 積層室は、炭素含有量を増やした合金粉末を有する粉末床を備えることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. 付加製造プロセスを用いて作成された構成要素に応力除去、熱間静水圧成形、および溶体化熱処理を行い、
    熱処理プロセスを用いて、熱処理された構成要素の粒界に炭化物を析出させる、
    ことを含むことを特徴とする熱処理プロセス。
14. 構成要素の付加製造の際に積層室内に浸炭ガスを圧入することをさらに含むことを特徴とする請求項１３記載のプロセス。
15. 付加製造プロセスの際に、炭素含有量を増やした合金粉末を用いて構成要素を付加製造することをさらに含むことを特徴とする請求項１３記載のプロセス。