JP2016527161A - 金属バインダーまたはセラミックバインダーを用いた過渡液相接合によるセラミックタービン構成要素の付加製造 - Google Patents

Abstract

セラミックタービン構成要素が、セラミック粉末を無機バインダー粉末と混合することを含むプロセスにより形成される。粉末混合物は次いで、タービン構成要素に形成され、続いて、過渡液相焼結により高密度化される。ある実施例では、タービン構成要素は、選択的レーザー焼結などの付加製造プロセスにより形成され得る。

Description

この発明は一般に、付加製造の分野に関する。特にこの発明は、付加製造プロセスで形成され、金属バインダーまたはセラミックバインダーを用いた過渡液相接合により高密度化されたセラミックタービン構成要素に関する。

付加製造は、仕上がり部品が、当該部品を製造する装置のメモリーに記憶されている当該部品の正確なデジタルモデルと同等な平面断面と形状が同一の複数の薄い材料シートからなる層ごとの構造により作成されることを特徴とする製造方法の範疇に当てはまる。付加製造は、コンピュータで制御されたプロセスにより材料を作業台に適用し、熱プロセスにより材料を固めて層を作成する。プロセスを最高数千回繰り返して最終の構成要素に到達する。

種々のタイプの付加製造が知られている。ＡＳＴＭによって分類される付加製造の範疇は、積層材料の液滴が選択的に堆積される材料噴霧、熱エネルギーが選択的に粉末ベッドの領域を溶かす粉末ベッド溶解、焦点を合わされた熱エネルギーが堆積する間の材料を溶かす指向性エネルギー堆積、材料が選択的にノズルを通って分散される材料押し出し、およびその他を含む。上述の指向性エネルギー源の典型は、レーザービームおよび電子ビームを含む。

製造対応の金属およびセラミック構成要素を直接作成することに向かう付加製造の最近の傾向は、形成プロセスにおいてポリマーバインダーの果たす役割を最少化してきた。

構成要素を形成する方法は、第１のセラミック粉末を無機物バインダー粉末と混合することにより出発粉末を調製することを含んでいる。粉末混合物は次いで、付加製造プロセスにより構成要素へと形成される。構成要素は過渡液相接合により高密度化される。１つの望ましい実施例では、構成要素は、選択的レーザー焼結により形成され得る。もう１つの望ましい実施例では、構成要素は、タービン部品であり得る。

方法は、一層ずつの付加製造プロセスにより、第１のセラミック粉末と無機物バインダー粉末とから構成要素を形成することを含んでいる。構成要素は、液体が形成されて過渡液相接合により高密度化が進行する反応を開始するように、形成中および形成後処理中に加熱される。

粉末ベースの形成プロセスの図。 本発明の付加製造プロセス。

付加製造は、３次元（３Ｄ）物体が一層ずつ作る技術でデジタルモデルから直接作られるプロセスである。付加製造プロセスは、半加工品から少しずつ材料を機械加工、研磨など、または鍛造、鋳造、射出、モールドなどのような他の形成方法で取り除いていく従来の減じていく製造方法とは全く異なる対照的な方法である。付加製造では、積層物が完成するまで材料の各層が前の層に付着しながら連続する材料層として堆積することにより、断片が形成される。１つの層は、コンピュータで制御されたエネルギービームにより粉末ベッドまたは重合可能な液体の上面の特定エリアを焼結、拡散、またはそうでなければ、凝固させることにより、または、コンピュータで制御された堆積装置によりワークピースの特定エリアに個別の液体若しくは材料の半固体の液滴を堆積させることにより形成される。一般的なエネルギー源は、レーザービームまたは電子ビームである。

付加製造技術は、当初は、設計と試作品用のポリマーモデルの形成に用いられた。現在の付加製造プロセスは、ポリマー、金属、金属ポリマー複合材、およびセラミックから製品を作る。製造前の設計およびモデルに加え、現在の努力は今や、明らかな理由のために、製品部品の直接の付加製造による組み立てを含んでいる。例えば、内部冷却通路を備えたエアフォイルなどの超合金タービン部品の直接自由形状製作は、コストのかかる多くの製造工程を排除できる。

本発明に適用できる粉末ベースの付加製造プロセスは、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、直接レーザー焼結（ＤＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、直接レーザー溶融（ＤＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、直接金属堆積、および当業技術内で既知の他のプロセスである。

発明の粉末ベースの付加製造プロセスの実施例は、図１に示されている。プロセス１０は、付加製造による、自由形状固体物体を製造する装置を内包する製造室１２を含んでいる。プロセス１０の実施例は、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）である。ＳＬＳプロセス１０は、粉末貯蔵室１４、積層室１６、レーザー１８、および走査ミラー２０で構成されている。ＳＬＳプロセス１０の運転中は、粉末２２がピストン２４により上向に供給され、そして、ローラー２８により、積層プラットフォーム２６上に拡げられる。粉末２２が、積層プラットフォーム２６上に平らに拡げられると、レーザー１８と走査ミラー２０が活性化されて、プロセス１０のＳＴＬメモリーファイルの中に貯蔵された物体３２の３Ｄコンピュータモデルに基づいて、レーザービームが積層プラットフォーム２６に放射され、固体自由形状物体３２の単一層３０を形成するために粉末２２の選択されたエリアを焼結して、焼結されたエリアを下のプラットフォーム２６に取り付ける。次のステップで、ローラー２８は出発位置に戻り、ピストン２４が粉末２２の他の層を曝すために前進し、そして積層プラットフォーム２６は、一層の厚さ分下にスライドする。次に、ローラー２８は、選択的焼結エリアを含む積層プラットフォーム２６の表面上に粉末２２の層を拡げる。レーザー１８と走査ミラー２０は活性化されて、プロセス１０のメモリーに記憶された構成要素のデジタルモデルの断面に基づいて、粉末の堆積層の選択されたエリアは、再び焼結されて、下の層に結合する。プロセスは、固体自由形状部品３２が完成するまで繰り返される。以上述べたように、プロセス１０は固体自由形状製造プロセスの単に１つの実施例に過ぎず、本発明を当業技術内で既知の何らかの単一のプロセスに限定するものではない。

プロセス１０の室１２は、不活性ガスまたは真空を含む制御された積層環境を提供する。層の厚さは、粉末のサイズに依存し、２０ミクロンからミリメーター超までの範囲であり得る。粉末２２は、ローラー２８またはスクレーパーなどの他の拡げる手段により、積層プラットフォーム２６上に拡げられ得る。

直接金属堆積などの他のシステムは、材料が、堆積装置の中のメモリーに記憶された３Ｄコンピュータモデルにより駆動された制御された送達プロセスに基づき、少しずつ付加されるという技術において使用される。金属とセラミック粉末は、ペースト状態で堆積され、金属は、溶融または半溶融状態で堆積され、そして、当業技術内で既知の他の堆積プロセスにより堆積され得る。付加製造プロセスの実施例は、選択的レーザー焼結、（ＳＬＳ），直接レーザー焼結（ＤＬＳ）、選択的レ―ザー溶融（ＳＬＭ）、直接レーザー溶融（ＤＬＭ）、レーザーネットシェイピング（ＬＥＮＳ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、直接金属堆積、および当業技術内で既知の他の方法を含んでいるが、それだけには限らない。

ポリマーバインダーは、粉末粒子を、付加製造の前、途中および後で、一緒に接着するのを助けることができる。バインダーは、粉末状態で、金属とまたはセラミック出発粉末と混合することができ、または出発粉末は、ポリマーバインダーで被覆することができる。付加製造で作られる金属またはセラミック部品は、当該付加製造の過程において、粒子付着を改善するためにポリマーバインダーが使われるが、部品の使用が開始される前に、微細構造から当該バインダーを除くために通常燃やし尽くす処理が施される。ポリマーはまた、焼結の間、粒子間の付着に干渉し得る。

発明の、焼結されたセラミック部品の付加製造のための適切なバインダーシステムは、金属バインダーおよびセラミックバインダーを含んでいる。焼結中の寸法の制御と粒子接着は液相が存在する場合に改善される。液相焼結は、液相が凝固し、または、そうでなければ焼結プロセスで消費される間に、高密度化および粒子間凝集を起こすプロセスである。焼結された部品は、低い多孔性と、好ましい構造健全性を示す。

焼結している間に１つまたは複数の構成要素が反応して高密度化と寸法安定性とを向上させる液体を形成する多くの多構成要素材料システムが存在する。特定の実施例は、対象とする処理温度において反応物の構成要素範囲の中に共晶または包晶反応が存在する場合である。液体は、プロセスの中で周りの母材によって消費されることができ、または当該構成要素と結合して固溶体、付加的な金属間またはセラミック固体相を形成すること、蒸発すること、または当業技術内で既知の他の方法によって凝固することができる。このプロセスは、過渡液相接合（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）（ＴＬＰＢ）と呼ばれる。過渡液相接合では、バインダー材料およびセラミック材料は、互いに、第１のセラミック内へのバインダーシステムの拡散により、または液相を形成する他の方法により反応する。液相は望ましくは、等温で凝固する。

金属、セラミック、および金属／セラミックバインダーシステムを用いるレーザービームまたは電子ビームで駆動される付加製造プロセスを用いて自由形状セラミックタービン部品を製造することが、この発明の目的である。バインダーシステムは望ましくは、共晶、包晶、または他の構成要素間熱反応による、過渡液相接合により、焼結と高密度化を生じさせるように選択される。

候補となる金属バインダーシステムは、当然セラミック構成要素に依存する。一般に、候補となるバインダー材料は、セラミックを濡らす低融点相を形成するために焼結中にセラミックと反応する材料とすることができる。このプロセスは、共晶または包晶反応が起こる組成の材料システムに存在し得る。候補となるセラミック材料は、少なくとも酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、ランタノイド、およびこれらの混合物を含んでいる。

上記基準に適合する候補となる材料システムは、本発明者の一人によって著され、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる「過渡液相および部分的な過渡液相接合の概要（Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｐａｒｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）」（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．４６，５３０５（２０１１））において、報告されている。過渡液相バインダー付加を伴う実施例のセラミックシステムは、下の表に示される。

本発明の粉末ベースの付加製造プロセス１００は、図２に図式的に示されている。プロセスの中で、セラミック粉末１０２とバインダー粉末１０４は、混合されて出発構成要素１０６を形成する。バインダー粉末１０４は、金属粉末またはセラミック粉末、またはこれらの混合物とすることができる。バインダー粉末１０４は、セラミック粉末１０２と混合し、焼結温度まで加熱した時に、バインダー粉末１０４が溶融して液相を形成するようになるか、またはセラミック粉末と合金化しそうでなければ反応してセラミック粉末を濡らし得る低温溶融相を形成するようになるように、選ばれ得る。

セラミック粉末１０２とバインダー粉末１０４が混合されて、混合粉末１０６出発材料を形成した後、例えば、付加製造プロセス１０のために、出発材料は、自由形状部品３０へと形成される（ステップ１０８）。形成のために用いられる付加製造プロセス１０は、直接レーザー焼結、直接レーザー溶融、選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融、レーザーネットシェイピング、または電子ビーム溶融のうちの少なくとも１つであり得る。直接金属堆積のような他の当業技術内で既知の方法もまた、利用され得る。本発明の付加製造プロセスによる形成の間、当該部品は、過渡液相接合で高密度化し得る。

形成に引き続き、付加製造された自由形状部品は、空気中、制御された雰囲気中、または真空中での過渡液相焼結でさらに高密度化し得る（ステップ１１０）。過渡液相焼結の一般的特徴は、液相が、母材によって吸収され、セラミック相または金属間相の析出により凝固し、または、部分的に蒸発する間の等温高密度化にある。

ある実施例では、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）自由形状部品は、Ａｌおよびシリカ（ＳｉＯ₂）、ＡｌＮおよびジルコニア（ＺｒＯ₂）、またはＢ₂Ｏ₃バインダーシステムを用いる過渡液相焼結により形成され、高密度化される。

別の実施例では、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）自由形状部品が、ＢＮまたは酸窒化ガラスバインダーシステムを用いる過渡液相焼結により形成され、高密度化される。

さらに別の実施例では、炭化ケイ素（ＳｉＣ）自由形状部品が、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、希土類酸化物、およびシリカ（ＳｉＯ₂）バインダーシステムを用いる過渡液相焼結により形成され、高密度化される。

実施例１
焼結された炭化ケイ素本体は、Ｃｈｉａらによる米国特許第５，２９８，４７０号に記載され、その全体が本明細書に組み込まれているように、過渡液相焼結により、８２〜９９重量％の炭化ケイ素と、約０．５〜１０重量％の、窒化アルミニウムおよび当業技術内で既知の他の化合物などの窒素含有アルミニウム化合物との混合物から形成され得る。理論的に９０％を超える密度が、約１８５０〜１９００℃の焼結温度で達成された。

実施例２
透明なイットリウム−アルミニウムガーネット材料（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：ＹＡＧ）は、ＮｉｉｍｉらによるＥＰ１４３３７６４に記載され、その全体が本明細書に組み込まれているように、焼結助剤として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を添加することにより、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）との混合物から透明な状態へと焼結された過渡的液相であり得る。焼結は、減圧雰囲気下、１６００〜１９００℃で生じた。

実施例３
ムライトジルコニア（ＺｒＯ₂）複合物は、ＧａｒｒｉｄｏらのＭａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．Ａ３６９（２００４）２５０により、その全体が本明細書に組み込まれているように、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ₄）、およびセリア（ＣｅＯ₂）の混合物から、１４５０℃〜１６００℃の焼結温度での過渡液相焼結により、形成されることが示されている。

可能性のある実施例の議論
下記は、本発明の可能性のある実施例の非排他的な記述である。

構成要素を形成する方法は、第１のセラミック粉末を無機バインダー粉末と混合することにより出発粉末を調製し、付加製造プロセスにより混合粉末を構成要素へと形成し、過渡液相焼結により構成要素を高密度化する、ことを含む。

前述の段落のシステムは、付加的におよび／または代替的に、下記の特徴、構成、および／または付加的な構成要素のうちのいずれか１つまたは複数を任意選択的に含むことができる。

高密度化は、形成中および形成後処理中に起こり得る。

過渡的液相は、第１のセラミック粉末とバインダー粉末との間の反応により形成され得、凝固する。

過渡的液相の凝固は、等温プロセスであり得る。

無機バインダー粉末は、金属、金属間化合物、セラミック、またはこれらの混合物を含み得る。

第１のセラミックは、酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、ランタノイド、またはこれらの混合物から成り得る。

付加製造プロセスは、選択的レーザー焼結、直接レーザー焼結、選択的レーザー溶融、直接レーザー溶融、レーザー加工ネットシェイピング、電子ビーム溶融、および直接金属堆積のうちの少なくとも１つを含み得る。

構成要素は、タービン部品であり得る。

第１のセラミック粉末は、ＳｉＣであり得、かつ、無機バインダー粉末は、Ａｌ₂Ｏ₃＋希土類酸化物＋ＳｉＯ₂、ＡｌＮ＋希土類酸化物、またはＧｅであり得る。

第１のセラミック粉末は、Ｓｉ₃Ｎ₄であり得、かつ、無機バインダー粉末は、ＢＮまたは酸窒化ガラスであり得る。

第１のセラミック粉末は、Ｓｉ₃Ｎ₄−Ｙ₂Ｏ₃−ＡｌＮであり得、かつ、無機バインダー粉末は、ＨｆＯであり得る。

第１のセラミック粉末は、３Ｙ−ＴＺＰ（イットリアドープ多結晶正方晶系ジルコニア）であり得、かつ、無機バインダー粉末は、ＣｕＯであり得る。

第１のセラミック粉末は、Ａｌ₂Ｏ₃であり得、かつ、無機バインダー粉末は、Ａｌ＋ＳｉＯ₂、ＡｌＮ＋ＺｒＯ₂、Ａｌ、またはＢ₂Ｏ₃であり得る。

第１のセラミック粉末は、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）であり得、かつ、無機バインダー粉末は、ＡｌＮであり得る。

第１のセラミック粉末は、ＴｉＯ₂であり得、かつ、無機バインダー粉末は、Ｂｉ₂Ｏ₃であり得る。

構成要素を形成する方法は、一層ずつの付加製造プロセスにより、第１のセラミック粉末と無機バインダー粉末との混合粉末から構成要素を形成し、液体が形成されて過渡液相焼結により構成要素の高密度化が開始される反応を開始するように、構成要素を加熱する、ことを含む。

前述の段落のシステムは、付加的におよび／または代替的に、下記の特徴、構成、および／または付加的な構成要素のうちのいずれか１つまたは複数を任意選択的に含むことができる。

過渡的液相は、第１のセラミック粉末とバインダー粉末との間の反応により形成され得、凝固し得る。

液相の凝固は、等温プロセスであり得る。

バインダー粉末材料は、金属、金属間化合物、セラミック、またはこれらの混合物のうちの少なくとも１つであり得る。

第１のセラミック粉末は、酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、ランタノイド、およびこれらの混合物を含み得る。

過渡的液相は、バインダーの直接溶融により、または粒子間拡散または合金化して共融、包晶または他の低温溶融相を形成することにより、形成され得る。

付加製造プロセスは、選択的レーザー焼結、直接レーザー焼結、選択的レーザー溶融、直接レーザー溶融、レーザー加工ネットシェイピング、電子ビーム溶融および直接金属堆積のうちの少なくとも１つを含み得る。

本発明は、望ましい実施例に関して記述され、当業者は、形状および詳細に関し、本発明の精神と範囲から離れることなく変更が可能であることを認識する。

Claims (22)

1. 第１のセラミック粉末を無機バインダー粉末と混合することにより出発粉末を調製し、
   付加製造プロセスにより混合粉末を構成要素へと形成し、
   過渡液相焼結により構成要素を高密度化する、
   ことを含むことを特徴とする、構成要素を形成する方法。
2. 高密度化が、形成中および形成後処理中に起こり得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 過渡的液相が、第１のセラミック粉末とバインダー粉末との間の反応により形成され、凝固することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 過渡的液相の凝固が、等温プロセスであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 無機バインダー粉末材料が、金属、金属間化合物、セラミック、またはこれらの混合物のうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 第１のセラミックが、酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、ランタノイド、およびこれらの混合物から成る群からのものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 付加製造プロセスが、選択的レーザー焼結、直接レーザー焼結、選択的レーザー溶融、直接レーザー溶融、レーザー加工ネットシェイピング、電子ビーム溶融、および直接金属堆積のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 構成要素が、タービン部品であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 第１のセラミック粉末が、ＳｉＣであり、無機バインダー粉末が、Ａｌ₂Ｏ₃＋希土類酸化物＋ＳｉＯ₂、ＡｌＮ＋希土類酸化物、およびＧｅから成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 第１のセラミック粉末が、Ｓｉ₃Ｎ₄であり、無機バインダー粉末が、ＢＮおよび酸窒化物ガラスから成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 第１のセラミック粉末が、Ｓｉ₃Ｎ₄−Ｙ₂Ｏ₃−ＡｌＮであり、無機バインダー粉末が、ＨｆＯであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 第１のセラミック粉末が、３Ｙ−ＴＺＰ（イットリアドープ多結晶正方晶系ジルコニア）であり、無機バインダー粉末が、ＣｕＯであることを特徴とする請求項１に記載した方法。
13. 第１のセラミック粉末が、Ａｌ₂Ｏ₃であり、無機バインダー粉末が、Ａｌ＋ＳｉＯ₂、ＡｌＮ＋ＺｒＯ₂、Ａｌ、およびＢ₂Ｏ₃から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 第１のセラミック粉末が、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）であり、無機バインダー粉末が、ＡｌＮであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 第１のセラミック粉末が、ＴｉＯ₂であり、無機バインダー粉末が、Ｂｉ₂Ｏ₃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 一層ずつの付加製造プロセスにより、第１のセラミック粉末と無機バインダー粉末との混合粉末から構成要素を形成し、
    液体が形成されて過渡液相焼結により構成要素の高密度化が開始される反応を開始するように、構成要素を加熱する、
    ことを含むことを特徴とする、構成要素を形成する方法。
17. 過渡的液相が、第１のセラミック粉末とバインダー粉末との間の反応により形成され、凝固することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 液相の凝固が、等温プロセスであることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. バインダー粉末材料が、金属、金属間化合物、セラミック、またはこれらの混合物のうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. 第１のセラミック粉末が、酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、ランタノイド、およびこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
21. 過渡的液相が、バインダーの直接溶融により、または粒子間拡散または合金化して共融、包晶または他の低温溶融相を形成することより、形成されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 付加製造プロセスは、選択的レーザー焼結、直接レーザー焼結、選択的レーザー溶融、直接レーザー溶融、レーザー加工ネットシェイピング、電子ビーム溶融、および直接金属堆積のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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