JP2017025401A

JP2017025401A - Metal lamination molding method, lamination molding apparatus, and lamination molding article

Info

Publication number: JP2017025401A
Application number: JP2015155469A
Authority: JP
Inventors: 嘉男戎; Yoshio Ebisu; 久侑半田; Hisayuki Handa
Original assignee: EBISU Co Ltd
Current assignee: EBISU Co Ltd
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-02-02

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus for manufacturing a high quality three-dimensional metal lamination molding article, in which, in a lamination molding process of a selective melting laser method for melting a metal powder by a high energy beam, a Marangoni convection due to a surface tension in a molten pool surface is prevented from being predominant, an entrainment of a loose powder (powder grains beginning to melt in a metal powder layer) and/or fragment crystal generation are prevented from occurring, and a main factor of heterogeneous crystal defects and deposit surface ripple defects (unevenness of a surface) are prevented from occurring.SOLUTION: To solve the above problem, the present invention can provide, in the lamination molding process by a SLIM method, a manufacturing method and a manufacturing apparatus for manufacturing a high quality three-dimensional metal lamination molding article by suppressing the Marangoni convention by applying a static magnetic field vertically on a surface of the metal powder layer on which the energy beam is irradiated and by eliminating generating factors of the heterogeneous crystal defects or deposit surface ripple defects to manufacture high quality three-dimensional metal lamination molding article.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は金属粉末を用いて物体を立体的に造形する金属材料の積層造形方法及び積層造形装置及び積層造形物に関する。 The present invention relates to an additive manufacturing method, an additive manufacturing apparatus, and an additive manufacturing object of a metal material that three-dimensionally forms an object using metal powder.

金属粉末材料を用いて物体を立体的に造形する３Ｄプリンタが実用化され、注目を集めている。このプリンタに用いられる３Ｄプリンティング技術とは、３ＤＣＡＤ、３ＤＣＧデータを元に立体物（三次元のオブジェクト）を造形する技術であり、ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと総称されている（本明細書では積層造形と呼ぶ）。この積層造形法にはレーザーによって金属粉末を溶融・固化するＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＭｅｌｔｉｎｇ（本明細書ではレーザー溶融法またはＳＬＭ法と呼ぶ）あるいはレーザーによって金属粉末を焼結するＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ（本明細書ではレーザー焼結法と呼ぶ）などの方式がある。 A 3D printer that three-dimensionally shapes an object using a metal powder material has been put into practical use and has attracted attention. The 3D printing technology used in this printer is a technology for modeling a three-dimensional object (three-dimensional object) based on 3D CAD and 3DCG data, and is collectively referred to as additive manufacturing (referred to as additive manufacturing in this specification). . In this additive manufacturing method, selective laser melting (herein referred to as laser melting method or SLM method) in which metal powder is melted and solidified by a laser, or selective laser sintering (in this specification laser is used to sinter metal powder). There is a method such as a sintering method).

ＳＬＭ法あるいはＳＬＳ法による積層造形法は、金属の造形が可能であり、たとえばＣｏ‐Ｃｒ合金、チタン合金、マレージング鋼、ステンレス、ニッケル基超合金などによる製品製作が可能で、その加工精度や製品としての完成度もかなり高いものが得られるようになってきた。
その造形手順は、図１に示すように平面状の台１（ベースとなるｓｕｂｓｔｒａｔｅ；基台）上に金属粒子粉末を薄く平坦に均して敷きつめて一層分の金属粉末層２を形成し（図１の（ａ）、（ｂ））、造形しようとする製品の形状に合わせて高エネルギービーム３（レーザーなどの細く絞られた高エネルギービーム）をＸ及びＹ方向にスキャン（走査）させることにより、この一層分の金属粉末層２の所定位置に照射して溶解・凝固を行う（図１の（ｃ））。一層分の処理を終えたならば、再びその上面側に一層分の金属粉末層を平らに均して敷きつめ（図１の（ｄ））、この一層分の金属粉末層２の所定位置に高エネルギービーム３を照射して溶解・凝固を行い（図１（ｅ））、一層分の処理を終えたならば、再びその上面側に一層分の金属粉末層２を平らに均して敷きつめ（図１の（ｄ））、といった作業を何度も繰り返すことで多層に積層して造形を行っていくようにしたものである。
最後にすべての粉末層を取り除き、三次元造形完成品４が得られる（図１の（ｆ）に示す）。なお、基台の形状は製品底部の形状に合った形状にしてもよい。通常、一層積層するごとにサブストレイト（基台）を下方に引出し粉末層の高さを一定に保持する。The additive manufacturing method based on the SLM method or SLS method can be used for metal modeling. For example, it is possible to manufacture products using Co-Cr alloy, titanium alloy, maraging steel, stainless steel, nickel-base superalloy, etc. As a result, it has become possible to obtain a product with a fairly high degree of completion.
As shown in FIG. 1, the modeling procedure is to form a metal powder layer 2 of one layer by thinly and evenly laying metal particle powder on a flat table 1 (base substrate). (A) and (b) in FIG. 1, scanning a high energy beam 3 (a high-energy beam narrowed narrowly such as a laser) in the X and Y directions according to the shape of the product to be shaped. Thus, the predetermined position of the metal powder layer 2 for one layer is irradiated and dissolved and solidified ((c) in FIG. 1). When the treatment for one layer is finished, the metal powder layer for one layer is flattened again on the upper surface side again ((d) in FIG. 1). When the energy beam 3 is irradiated to dissolve and solidify (FIG. 1 (e)) and the treatment for one layer is completed, the metal powder layer 2 for one layer is flattened and spread again on the upper surface side ( The operation such as (d) in FIG. 1 is repeated many times so that the layers are layered and shaped.
Finally, all the powder layers are removed, and a three-dimensional shaped finished product 4 is obtained (shown in (f) of FIG. 1). The shape of the base may be a shape that matches the shape of the product bottom. Usually, each time one layer is laminated, the substrate (base) is drawn downward to keep the height of the powder layer constant.

さらに図２を用いてレーザー溶融法（ＳＬＭ）による凝固過程を詳細に説明する。図において、３はレーザービーム、２は金属粉末層、５は金属粉末層２及びサブストレイトの一部が溶融してできた溶融金属プール、６は固相と液相が共存する固液共存相（純金属、共晶組成合金などの場合存在しない）である。１はベースとなるサブストレイト（基台）であって、所定の面積を有し平らに形成されており、多結晶組織または特定の方位を持った単結晶組織または前凝固層（前造形層）などである。また、７はサブストレイトが再溶融されて再び凝固されることで形成された再溶融凝固層、８は溶融金属プール５の液相が冷やされることで凝固され形成された凝固組織であり、通常柱状晶を呈する。９は液相プール表面からの放熱による温度降下によって生じる凝固組織であり、通常等軸晶組織を呈する。符号７、８及び９の各層をまとめてデポジット（層）と呼ぶ。 Further, the solidification process by the laser melting method (SLM) will be described in detail with reference to FIG. In the figure, 3 is a laser beam, 2 is a metal powder layer, 5 is a molten metal pool formed by melting a part of the metal powder layer 2 and a substrate, and 6 is a solid-liquid coexisting phase in which a solid phase and a liquid phase coexist. (Not present in the case of pure metals, eutectic composition alloys, etc.). Reference numeral 1 denotes a base substrate (base), which has a predetermined area and is formed flat, a polycrystalline structure or a single crystal structure having a specific orientation or a pre-solidified layer (pre-fabricated layer) Etc. 7 is a remelted solidified layer formed by remelting and solidifying the substrate, and 8 is a solidified structure formed by solidifying by cooling the liquid phase of the molten metal pool 5. Presents columnar crystals. Reference numeral 9 denotes a solidified structure generated by a temperature drop due to heat radiation from the surface of the liquid phase pool, and usually exhibits an equiaxed crystal structure. The layers denoted by reference numerals 7, 8 and 9 are collectively referred to as a deposit (layer).

所定の面積を有する前記サブストレイト１上に、金属粉末層２を形成し、所定の製品造形領域に対してレーザービーム３を照射しながら製品形状に合わせて移動させることで、金属粉末を溶融する。細く絞られたレーザービーム３が移動していくことにより、金属粉末層２のレーザービーム照射部分が溶融状態となり、小さな溶融金属プール５を形成するが、レーザービームの移動に伴って、過ぎ去った位置では熱エネルギーの供給がなくなるのでその通り過ぎた位置にあった溶融金属プール５は冷えていき、凝固する。このような積層過程を多数回繰り返して製品を完成させる。 A metal powder layer 2 is formed on the substrate 1 having a predetermined area, and the metal powder is melted by being moved in accordance with the product shape while irradiating a laser beam 3 to a predetermined product modeling region. . As the laser beam 3 that has been narrowed down moves, the laser beam irradiated portion of the metal powder layer 2 becomes molten and forms a small molten metal pool 5, but the position that has passed with the movement of the laser beam. Then, since the supply of heat energy is lost, the molten metal pool 5 that has passed through it cools and solidifies. Such a lamination process is repeated many times to complete the product.

ところで、このような積層造形法（ａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）の応用に関して単結晶組織製品への応用も模索されているが、以下に述べるような技術的課題のため結晶組織をコントロールするまでには至っていない。すなわち、これら技術的課題として、熱変形・残留応力の発生、不均質結晶欠陥、デポジット層の波うちなどが挙げられる。［ただし、本明細書では粉末の性状ならびに品質管理上の問題は取り上げない。］次にこれらの課題を具体的に眺めてみる。 By the way, although the application to the single crystal structure product is also sought for the application of such additive manufacturing method, the crystal structure has not yet been controlled due to the technical problem described below. That is, these technical problems include thermal deformation / residual stress generation, heterogeneous crystal defects, wave deposits, and the like. [However, in this specification, powder properties and quality control problems are not taken up. Next, let's take a specific look at these issues.

［ＣＡＳＥ１］：単結晶サブストレイトの場合
図２におけるサブストレイト１として、ある特定の結晶方位、例えば面心立方合金で積層方向（ｂｕｉｌｄｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に平行に＜００１＞方位を有する種結晶（ｓｅｅｄｃｒｙｓｔａｌ）を用いる場合、すなわち、種結晶と同じ方位を持つ結晶組織を得ることを目的とするケースである。
平らな板状あるいはブロック状のようなサブストレイト１を、その表面を水平にして配置し、その上面に薄く金属粉末層２を形成する。当該金属粉末層の平面をスキャンする高エネルギービーム３によってその照射位置における金属粉末を溶融状態にすると同時にその直下部に位置するサブストレイト１の一部をも溶かす。こうして形成された液相は周囲への熱流によって熱を奪われ、高エネルギービーム３のスキャン方向後方に凝固組織が形成される。このとき、もし正常な凝固が行われればサブストレイト１の結晶方位を受け継いだ結晶組織８が形成される（いわゆるエピタキシャル凝固ｅｐｉｔａｘｉａｌｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎが実現する）。［これを促進させるには前準備としてサブストレイトを予熱照射しておくとよい。］溶融金属プール表面は熱放射により冷却されるので、表面層９の組織は通常、等軸晶となる。[CASE 1]: Single Crystal Substrate As the substrate 1 in FIG. 2, a seed crystal having a specific crystal orientation, for example, a face-centered cubic alloy and having a <001> orientation in parallel with the stacking direction (building direction). ), That is, the purpose of obtaining a crystal structure having the same orientation as the seed crystal.
A flat plate-like or block-like substrate 1 is placed with its surface horizontal, and a thin metal powder layer 2 is formed on its upper surface. The high energy beam 3 that scans the plane of the metal powder layer is used to melt the metal powder at the irradiation position, and at the same time, melts a portion of the substrate 1 located immediately below the metal powder. The liquid phase thus formed is deprived of heat by the heat flow to the surroundings, and a solidified structure is formed behind the high energy beam 3 in the scanning direction. At this time, if normal solidification is performed, a crystal structure 8 inheriting the crystal orientation of the substrate 1 is formed (so-called epitaxial solidification epitaxial solidification is realized). [To promote this, it is better to preheat the substrate as a pre-preparation. Since the surface of the molten metal pool is cooled by thermal radiation, the structure of the surface layer 9 is usually equiaxed.

ところで、液相表面には表面張力が存在する。表面張力は一般に温度が下がるにつれて強くなるので高エネルギービーム３が当たる高温部の面から金属粉末層２及び高エネルギービーム３のスキャン後方の凝固層８へ向かって表面張力勾配、すなわち、せん断力を生じ対流を起こす駆動力となる。これはマランゴニ対流として知られる。図２に示した対流は一つの例（二つの渦流を示している）であり、液相プール内の温度分布による自然対流と上記マランゴニ対流が重ね合わさったものであるが、マランゴニ対流が圧倒的に優勢となる（例えば、非特許文献１参照。以後マランゴニ対流と呼ぶ）。
スキャン方向前方の固液共存相６における金属粉末は溶けかかったルーズな状態となっており、このルーズパウダーはマランゴニ対流によって容易に液相プールに引き込まれる（非特許文献１参照）。また、マランゴニ対流に伴うヒートパルス（温度のｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）によって固液共存相６中、あるいは再溶融層７中の再溶融しかけたデンドライトのアームが分離され液相プール５に引き込まれやすくなる。そして、液相中に引き込まれたこれらの結晶（分断結晶ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄｃｒｙｓｔａｌと呼ぶ）の多くは液相中で溶解することになるが、わずかに過冷した液相中に運ばれるとこれらの結晶が核となって温度降下につれて新しい結晶が成長する。これらの結晶は再溶融層７から発達する柱状晶の前方において形成されると考えられており、サブストレイト１の有する結晶方位とは一般に異なる方位を持つ結晶組織となる。この異結晶組織は論文によっていわゆるストレイ結晶（ｓｔｒａｙｇｒａｉｎ）と呼ばれる組織に対応するものである（非特許文献１、４、及び５参照）。一方、等軸晶組織を生ずる重要なメカニズムの一つは成長しつつあるデンドライトから結晶が分離・成長するいわゆる結晶増殖機構（ｇｒａｉｎｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と呼ばれるものであり、要因として液相の対流が大きな影響を与えることが古くからよく知られている（非特許文献２のｐ．１５４参照）。上記ストレイ結晶は一種の結晶増殖機構として生じたものと見なすこともできる。本明細書では、マランゴニ対流に起因する上記異結晶組織を“不均質結晶組織”と呼ぶことにする。［注：上記不均質結晶組織、ストレイ結晶、及びｃｏｌｕｍｎａｒ−ｔｏ−ｅｑｕｉａｘｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎにより生成する等軸晶は似たような凝固状況で生じるので一般に見分けることは難しい。］不均質結晶組織を生じると、エピタキシャル成長がブレークダウン（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）し、単結晶と不均質結晶組織との境界に結晶粒界ができるのでジェットエンジン用あるいは発電用ガスタービンブレードのような高温で高荷重にさらされる部品では破壊の原因となる。従って、このような不均質結晶欠陥は不良品と見なされる。By the way, surface tension exists on the liquid phase surface. Since the surface tension generally increases as the temperature decreases, a surface tension gradient, that is, a shearing force is applied from the surface of the high temperature portion where the high energy beam 3 hits toward the solidified layer 8 behind the scan of the metal powder layer 2 and the high energy beam 3. It is the driving force that generates convection. This is known as Marangoni convection. The convection shown in FIG. 2 is one example (showing two vortex flows), which is a combination of natural convection due to temperature distribution in the liquid phase pool and the above-mentioned Marangoni convection, but Marangoni convection is overwhelming. (See, for example, Non-Patent Document 1. Hereinafter referred to as Marangoni convection).
The metal powder in the solid-liquid coexisting phase 6 ahead in the scanning direction is in a loose state in which it has melted, and this loose powder is easily drawn into the liquid phase pool by Marangoni convection (see Non-Patent Document 1). Further, the re-melted dendrite arm in the solid-liquid coexisting phase 6 or the remelted layer 7 is separated and easily drawn into the liquid phase pool 5 by a heat pulse (temperature fluctuation) accompanying Marangoni convection. And most of these crystals drawn into the liquid phase (called fragmented crystals) are dissolved in the liquid phase, but when they are carried into the slightly supercooled liquid phase, these crystals are dissolved. A new crystal grows as the temperature drops as a nucleus. These crystals are considered to be formed in front of the columnar crystals developed from the remelted layer 7 and have a crystal structure generally having an orientation different from the crystal orientation of the substrate 1. This different crystal structure corresponds to a structure called a stray crystal according to a paper (see Non-Patent Documents 1, 4, and 5). On the other hand, one of the important mechanisms for producing an equiaxed crystal structure is a so-called crystal multiplication mechanism in which crystals separate and grow from growing dendrites, and the liquid phase convection is a major factor. It has been well known for a long time (see page 154 of Non-Patent Document 2). The stray crystal can be regarded as a kind of crystal growth mechanism. In the present specification, the heterocrystalline structure resulting from Marangoni convection is referred to as “heterogeneous crystalline structure”. [Note: The inhomogeneous crystal structure, stray crystal, and equiaxed crystals produced by column-to-equipped transitions are generated in similar solidification conditions and are generally difficult to distinguish. When an inhomogeneous crystal structure is formed, epitaxial growth breaks down and a grain boundary is formed at the boundary between the single crystal and the inhomogeneous crystal structure. Parts exposed to high loads may cause damage. Therefore, such a heterogeneous crystal defect is regarded as a defective product.

マランゴニ対流によって引き起こされるもう一つの重大な欠陥は、ルーズパウダーが対流によって洗い流される結果生じるデポジット層表面の凹凸（ｓｕｒｆａｃｅｒｉｐｐｌｉｎｇ）である（非特許文献１のＦｉｇｕｒｅ１７（ｇ），（ｈ）より図３にスケッチした）。表面リップルを生じるメカニズムは以下のように考えられる：金属粉末層は溶けるに従って収縮しルーズな状態になった部分が対流によって液相中に持ち去られるとその分固液共存相６の表面が低下する。逆にルーズパウダーが流入した領域では表面が盛り上がる。その結果デポジット表面に凹凸を生じる。図３の円で示した部分において再凝固した柱状晶の長さが短く、等軸晶の厚さが増大しているのはこのためと考えられる。このような凹凸を生じると表面リップルの上に新しい粉末層を敷き詰め、ならしても、粉末層の厚さは一様ではなくなるため、厚さの変動が大きくなると、うまく積層することができなくなり欠陥造形物となる。
以上のごとく、マランゴニ対流は不均質結晶欠陥及びデポジット表面形状欠陥の原因となるのでＳＬＭ法による積層造形法においてきわめて重要な要因となる。なお、上述のごとく、不均質結晶欠陥とデポジット表面形状欠陥は連動して生じると考えられる。Another serious defect caused by Marangoni convection is the surface rippling of the deposit layer resulting from the loose powder being washed away by convection (from FIG. 17 (g), (h) of Non-Patent Document 1). Sketched on). The mechanism causing the surface ripple is considered as follows: When the metal powder layer shrinks as it melts and the part that has become loose is taken away into the liquid phase by convection, the surface of the solid-liquid coexisting phase 6 decreases accordingly. . Conversely, the surface rises in the area where loose powder flows. As a result, irregularities occur on the deposit surface. This is probably because the length of the re-solidified columnar crystal in the portion indicated by the circle in FIG. 3 is short and the thickness of the equiaxed crystal is increased. If such irregularities occur, a new powder layer is spread on the surface ripple, and the thickness of the powder layer will not be uniform even if it is smoothed. It becomes a defect molding.
As described above, Marangoni convection causes inhomogeneous crystal defects and deposit surface shape defects, and is therefore an extremely important factor in the additive manufacturing method by the SLM method. As described above, it is considered that the heterogeneous crystal defect and the deposit surface shape defect are generated in conjunction with each other.

このように、液相プール５内に生じる自然対流に加えて表面張力によって強い対流を生じるのでこの影響は無視できなくなる。［上記表面張力の影響は通常の鋳造・凝固過程では問題とならないが、系のスケールが小さくなるほど大きくなって凝固に大きな影響を与える。］
また、再溶融部７から成長する結晶の方向はエピタキシャル成長するとは限らず、固液界面における温度勾配の方向及び界面前方の液流方向及び流速によって大きく影響されるのでサブストレイト１の結晶方向と同じ方位を有する結晶が得られるとは限らない。すなわち、積層方向から傾く（積層方向からの典型的な傾き角度は５〜２０°のオーダーである。例えば非特許文献３参照）。
このように従来のＳＬＭ法による積層造形法では均一なデポジット層を得ることは難しく、実際の製造工程において多数の積層造形を繰り返すことを考えれば不均質結晶欠陥あるいはデポジット表面リップル欠陥を無くすことは困難である。例えば製品高さが１０ｃｍ、積層厚さが１０００μｍとすると繰り返し積層回数は１０ｃｍ／１０００μｍ＝１００回となり不均質結晶欠陥を生じる確率は無視できない。これが現在、厳しい使用環境で使用できる部品（例えば前記タービンブレード）が作れない大きい原因の一つであり、品質保証上の大きな問題となっている。以上よりマランゴニ対流をコントロールすることがキーポイントの一つであることが理解される。In this way, strong convection is generated by surface tension in addition to natural convection generated in the liquid phase pool 5, so this effect cannot be ignored. [The effect of the surface tension is not a problem in the normal casting and solidification process, but it becomes larger as the scale of the system becomes smaller and has a great influence on the solidification. ]
The direction of the crystal grown from the remelted portion 7 is not necessarily epitaxially grown, and is greatly influenced by the temperature gradient direction at the solid-liquid interface, the liquid flow direction and the flow velocity in front of the interface, and therefore the same as the crystal direction of the substrate 1. A crystal having an orientation is not always obtained. That is, it tilts from the stacking direction (a typical tilt angle from the stacking direction is on the order of 5 to 20 °, for example, see Non-Patent Document 3).
Thus, it is difficult to obtain a uniform deposit layer by the additive manufacturing method by the conventional SLM method, and it is difficult to eliminate heterogeneous crystal defects or deposit surface ripple defects in consideration of repeating many additive manufacturing processes in an actual manufacturing process. Have difficulty. For example, if the product height is 10 cm and the stacking thickness is 1000 μm, the number of repeated stacking is 10 cm / 1000 μm = 100, and the probability of generating heterogeneous crystal defects cannot be ignored. This is one of the main reasons why parts (for example, the turbine blades) that can be used in harsh usage environments cannot be made, and this is a major problem in quality assurance. From the above, it is understood that controlling Marangoni convection is one of the key points.

［ＣＡＳＥ２］：多結晶サブストレイトの場合
次に、図２において多結晶サブストレイト１を用いる場合について考える。金属粉末層２の平面をスキャンする高エネルギービーム３によって金属粉末を溶融状態にすると同時にサブストレイト１の一部を溶かす。液相は周囲への熱流によって熱を奪われ、高エネルギービーム３のスキャン方向の後方に凝固組織が形成される。
このとき、もし正常な凝固が行われれば、すなわちルーズパウダーの液相中への巻き込みがなければ、サブストレイト１の再溶融部は温度降下により多結晶組織７となり、続いて柱状またはセル状結晶を生じ（符号８）、最後に等軸晶（符号９）を生ずるであろう。[CASE 2]: Case of Polycrystalline Substrate Next, consider the case where the polycrystalline substrate 1 is used in FIG. The metal powder is melted by the high energy beam 3 that scans the plane of the metal powder layer 2 and at the same time a part of the substrate 1 is melted. The liquid phase is deprived of heat by the heat flow to the surroundings, and a solidified tissue is formed behind the scanning direction of the high energy beam 3.
At this time, if normal solidification is performed, that is, if the loose powder is not entangled in the liquid phase, the remelted portion of the substrate 1 becomes a polycrystalline structure 7 due to a temperature drop, followed by columnar or cellular crystals. (8) and finally an equiaxed crystal (9).

しかしながら、前述のごとく自然対流＋マランゴニ対流によってスキャン方向前方の固液共存相６におけるルーズパウダー（溶けかかった粉末粒）は容易に液相プールに引き込まれる。また、マランゴニ対流に伴うヒートパルス（温度のｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）によって固液共存相６中、あるいは再溶融層７中のデンドライトから分離されたアームが液相プール中に引き込まれやすくなる。これら引き込まれた結晶（分断結晶ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄｃｒｙｓｔａｌｓ）のうち多くは溶解するが、わずかに過冷された液相中に運ばれるとこれらの結晶が核となって新しい結晶が成長する。これらの結晶粒（いわゆるストレイ結晶と呼ばれる組織に対応する）は再溶融層７から発達する柱状晶の前方において生ずると考えられている（非特許文献１、４、及び５参照）。また、再溶融部７から成長する結晶の方向は固液界面における温度勾配の方向、及び界面前方の液流方向及び流速によって決まるので、柱状デンドライトあるいはセル層８の方向は必ずしも積層方向と一致しない。すなわち、積層方向から傾く（積層方向からの典型的な傾き角度は５〜２０°のオーダーである）。表面等軸晶層には微小な引け欠陥（ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｈｒｉｎｋａｇｅ）を生じるので、次の積層過程では該等軸晶層を再溶融する必要がある。 However, as described above, loose powder (dissolved powder particles) in the solid-liquid coexisting phase 6 ahead of the scanning direction is easily drawn into the liquid phase pool by natural convection + Marangoni convection. In addition, the arm separated from the dendrite in the solid-liquid coexisting phase 6 or the remelted layer 7 is easily drawn into the liquid phase pool by heat pulses (temperature fluctuation) accompanying Marangoni convection. Many of these drawn crystals (fragmented crystals) are dissolved, but when they are carried into a slightly supercooled liquid phase, these crystals serve as nuclei and new crystals grow. These crystal grains (corresponding to a structure called so-called stray crystal) are considered to occur in front of the columnar crystals that develop from the remelted layer 7 (see Non-Patent Documents 1, 4, and 5). In addition, since the direction of the crystal growing from the remelting portion 7 is determined by the temperature gradient direction at the solid-liquid interface, the liquid flow direction and the flow velocity in front of the interface, the direction of the columnar dendrite or the cell layer 8 does not necessarily coincide with the stacking direction. . That is, it tilts from the stacking direction (a typical tilt angle from the stacking direction is on the order of 5-20 °). Since the surface equiaxed crystal layer has a minute shrinkage defect, it is necessary to remelt the equiaxed crystal layer in the next stacking process.

以上のような積層過程を多数回繰り返していくと柱状晶組織（あるいはセル組織）からなる造形物が得られるが、一般に各層間のボンド部において方位の連続性は保持されない。例えば非特許文献３には高エネルギービームのスキャン方向に柱状晶の成長方向が傾くことが述べられており、各層ごとにスキャンの方向を逆方向に変化させるとジグザグ模様の柱状結晶組織が得られることが報告されている（紙面の都合により割愛する）。このように従来のＳＬＭ法による積層造形法では不均質結晶欠陥を無くすことは困難である。また、前述したように表面リップル欠陥を生じると積層過程はうまく行かなくなり欠陥品となる。 When the above lamination process is repeated a number of times, a shaped article having a columnar crystal structure (or cell structure) can be obtained. However, in general, the continuity of orientation is not maintained in bond portions between layers. For example, Non-Patent Document 3 describes that the growth direction of columnar crystals inclines in the scanning direction of the high energy beam. If the scanning direction is changed in the reverse direction for each layer, a zigzag columnar crystal structure is obtained. It is reported (I omit it for the sake of space). As described above, it is difficult to eliminate heterogeneous crystal defects by the additive manufacturing method using the conventional SLM method. Further, as described above, when a surface ripple defect occurs, the lamination process does not work well, resulting in a defective product.

ＲａｎａｄｉｐＡｃｈａｒｙａ，ＲｏｈａｎＢａｎｓａｌ，ＪｕｓｔｉｎＪ．Ｇａｍｂｏｎｅ，ａｎｄＳｕｍａｎＤａｓ：“ＡＣｏｕｐｌｅｄＴｈｅｒｍａｌ，ＦｌｕｉｄＦｌｏｗ，ａｎｄＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆＳｉｎｇｌｅ‐ＣｒｙｓｔａｌＡｌｌｏｙＣＭＳＸ‐４ＴｈｒｏｕｇｈＳｃａｎｎｉｎｇＬａｓｅｒＥｐｉｔａｘｙｆｏｒＴｕｒｂｉｎｅＥｎｇｉｎｅＨｏｔ‐ＳｅｃｔｉｏｎＣｏｍｐｏｎｅｎｔＲｅｐａｉｒ（ＰａｒｔＩ）”，ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＢ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄｏｎｌｉｎｅ；１５Ｊｕｌｙ２０１４Ranadip Acharya, Rohan Bansal, Justin J. et al. Gambone, and Suman Das: "A Coupled Thermal, Fluid Flow, and Solidification Model for the Processing of Single-Crystal Alloy CMSX-4 Through Scanning Laser Epitaxy for Turbine Engine Hot-Section Component Repair (Part I)", Metallurgical and Materials Transactions B, published on line; 15 July 2014 Ｍ．Ｃ．Ｆｌｅｍｉｎｇｓ：“ＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”，ＭｃＧｒａｗ‐Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．，（１９７４）M.M. C. Flemings: “Solidification Processing”, McGraw-Hill, Inc. , (1974) Ｊ．Ｐ．Ｋｒｕｔｈ，Ｍ．Ｂａｄｒｏｓｓａｍａｙ，Ｅ．Ｙａｓａ，Ｊ．Ｄｅｃｋｅｒｓ，Ｌ．Ｔｈｉｊｓ，Ｊ．ＶａｎＨｕｍｂｅｅｃｋ：”Ｐａｒｔａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｓ”，１６▲ｔｈ▼ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ（ＩＳＥＭＸＶＩ）J. et al. P. Kruth, M.M. Badrossamay, E .; Yasa, J .; Deckers, L.M. Thijs, J. et al. Van Humbereck: “Part and material properties in selective laser melting of metals,” 16 ▲ th ▼ International Symposium on Electromachining (ISEM XVI) 才田一幸、西本和俊：“単結晶合金溶接補修への凝固解析の適用”、溶接学会誌、７６（４），ｐ．２３０‐２４２，２００７Kazuyuki Saida, Kazutoshi Nishimoto: “Application of solidification analysis to welding repair of single crystal alloys”, Journal of the Japan Welding Society, 76 (4), p. 230-242, 2007 Ｔ．Ｄ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｊ，Ｎ，ＤｕＰｏｎｔ，ａｎｄＴＤｅｂＲｏｙ：“Ｏｒｉｇｉｎｏｆｓｔｒａｙｇｒａｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｓｉｎｇｌｅ‐ｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｗｅｌｄｐｏｏｌｓｆｒｏｍｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｆｌｕｉｄｆｌｏｗｍｏｄｅｌｉｎｇ”，ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，Ｖｏｌ．５８（２０１０），ｐ．１４４１‐１４５４T. T. D. Anderson, J, N, DuPont, and T DebRoy: “Origin of Stray Grain formation in single-superior weld pool and heat transfusion. 58 (2010), p. 1441-1454 Ｙ．Ｅｂｉｓｕ：“ＡＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｏｆＭａｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｕｓｉｎｇａＤｅｎｄｒｉｔｉｃＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＭｏｄｅｌ，ａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｏＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｖｉａｔｈｅＵｓｅｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄ”，ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓ．Ｂ，Ｖｏｌ．４２Ｂ（２０１１），ｐ．３４１‐３６９Y. Ebisu: “A Numeric Method of Macrosegulation using a Dendritic Solidification Model, and Its Applications to Directional Fluidization.” B, Vol. 42B (2011), p. 341-369

上記のごとく、従来のＳＬＭ法による積層造形法では不均質結晶欠陥及びデポジット表面リップル欠陥を無くすことは困難であり、その改善技術の実現が嘱望されている。
そこで、本発明の目的とするところは金属材料のＳＬＭ法による積層造形法において、不均質結晶欠陥及びまたはデポジット表面リップル欠陥を無くすことができる三次元形状造形物の製造方法及び装置、及び造形物を提供することである。As described above, it is difficult to eliminate inhomogeneous crystal defects and deposit surface ripple defects by the layered manufacturing method using the conventional SLM method, and realization of the improvement technique is desired.
Accordingly, the object of the present invention is to provide a manufacturing method and apparatus for a three-dimensional shaped object capable of eliminating heterogeneous crystal defects and / or deposit surface ripple defects in a layered manufacturing method using a SLM method of a metal material, and a molded object. Is to provide.

本発明は、上記目的を達成するため、形成した金属粉末層の所定箇所にレーザーなどの高エネルギービームを製品の形状に合わせて水平方向（Ｘ及びＹ方向）にスキャンしつつ照射することにより当該所定箇所の金属粉末を溶融させた後、凝固させ、以後この溶融・凝固させた層上に金属粉末層を形成しては、この形成した金属粉末層の所定箇所に前記ビームを製品の形状に合わせて水平方向（Ｘ及びＹ方向）にスキャンしつつ照射する工程を繰り返すことにより、溶融・凝固層を積層して製品を形成する三次元形状造形物の製造方法であって、
前記ビーム照射による前記金属粉末の溶融領域に対して溶融金属の流動を抑制するに必要な強さの静磁場を印加するようにした。In order to achieve the above object, the present invention irradiates a predetermined portion of the formed metal powder layer with a high energy beam such as a laser while scanning it in the horizontal direction (X and Y directions) according to the shape of the product. After the metal powder at a predetermined location is melted and solidified, a metal powder layer is then formed on the melted and solidified layer, and the beam is formed into a product shape at a predetermined location of the formed metal powder layer. It is a manufacturing method of a three-dimensional shaped article that forms a product by laminating a molten / solidified layer by repeating the irradiation process while scanning in the horizontal direction (X and Y direction) together,
A static magnetic field having a strength necessary for suppressing the flow of the molten metal is applied to the molten region of the metal powder by the beam irradiation.

また、本発明は、上記目的を達成するため、形成した金属粉末層の所定箇所にレーザーなどの高エネルギービームを製品の形状に合わせて水平方向（Ｘ及びＹ方向）にスキャンしつつ照射することにより当該所定箇所の金属粉末を溶融させた後、凝固させ、以後この溶融・凝固させた層上に金属粉末層を形成しては、この形成した金属粉末層の所定箇所に前記ビームを製品の形状に合わせて水平方向（Ｘ及びＹ方向）にスキャンしつつ照射する工程を繰り返すことにより、溶融凝固層を積層して製品を形成する三次元形状造形物の製造装置であって、
前記ビーム照射による前記金属粉末の溶融領域に対して溶融金属の流動を抑制するに必要な強さの静磁場を印加する静磁場印加手段を設けるようにした。Further, in order to achieve the above object, the present invention irradiates a predetermined portion of the formed metal powder layer with a high energy beam such as a laser while scanning in a horizontal direction (X and Y directions) according to the shape of the product. The metal powder at the predetermined location is melted and then solidified. Thereafter, a metal powder layer is formed on the melted and solidified layer, and the beam is applied to the predetermined location of the formed metal powder layer. By repeating the irradiation process while scanning in the horizontal direction (X and Y directions) according to the shape, it is a manufacturing apparatus for a three-dimensional shaped object that forms a product by laminating a molten solidified layer,
A static magnetic field applying means for applying a static magnetic field having a strength necessary for suppressing the flow of the molten metal to the molten region of the metal powder by the beam irradiation is provided.

不均質結晶欠陥及びデポジット表面リップル欠陥は主として液相プール（金属粉末の溶融により形成された溶融領域）中において生じる対流（マランゴニ対流）によって生じるものである。そこで金属粉末を敷き詰め、高エネルギービーム（細く絞られたレーザーなど）によって金属粉末層を溶融する過程において、本発明では溶融金属全体に対して、当該金属粉末層の平面に垂直方向に（すなわち積層方向に）静磁場を印加する。このとき静磁場によって流動する液相に対して電磁制動力（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｂｒａｋｉｎｇｆｏｒｃｅ）を生じ、溶融金属プール内の水平方向流れを抑制するように作用する。その結果、液相プール内の対流が全体として抑制されることになる。このときの静磁場の強度は、前記溶融金属の流動を抑制するに足る強さにすればよい。
これにより、ルーズパウダー（金属粉末層の溶けかかった粉末粒）あるいはマランゴニ対流によるヒートパルスによって分離した結晶（分断結晶ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄｃｒｙｓｔａｌｓ）の巻き込みを無くすことができ、その結果、不均質結晶欠陥の生成を抑制することができるようになる。同時にデポジット表面のリップル欠陥を無くすことができる。Inhomogeneous crystal defects and deposit surface ripple defects are mainly caused by convection (Marangoni convection) that occurs in the liquid phase pool (melting region formed by melting of metal powder). Therefore, in the process of spreading the metal powder and melting the metal powder layer with a high energy beam (such as a narrowly focused laser), in the present invention, the entire molten metal is perpendicular to the plane of the metal powder layer (that is, laminated). Apply a static magnetic field (in the direction). At this time, an electromagnetic braking force is generated for the liquid phase flowing by the static magnetic field, and acts to suppress a horizontal flow in the molten metal pool. As a result, convection in the liquid phase pool is suppressed as a whole. The strength of the static magnetic field at this time may be set to a strength sufficient to suppress the flow of the molten metal.
As a result, it is possible to eliminate the entanglement of loose powder (melted powder particles of the metal powder layer) or crystals separated by a heat pulse by Marangoni convection (fragmented crystals), resulting in the generation of heterogeneous crystal defects. It becomes possible to suppress. At the same time, ripple defects on the deposit surface can be eliminated.

以上説明したように本発明によれば、溶融金属プール内の水平方向流れを抑制できることから、ルーズパウダーあるいは分断結晶（ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄｃｒｙｓｔａｌｓ）の巻き込みを無くすことができるので、その結果、不均質結晶欠陥及びまたはデポジット表面リップル欠陥の生成を抑制することができるようになって、積層造形法（ＳＬＭ法）による欠陥のない三次元形状造形物の製造が可能になる。 As described above, according to the present invention, since the horizontal flow in the molten metal pool can be suppressed, it is possible to eliminate the entrainment of loose powder or fragmented crystals, and as a result, heterogeneous crystal defects and Or generation | occurrence | production of a deposit surface ripple defect can be suppressed now, and the manufacture of the three-dimensional-shaped molded object without a defect by an additive manufacturing method (SLM method) is attained.

従来の積層造形法（ＳＬＭ法）を説明するための概略図Schematic for explaining the conventional additive manufacturing method (SLM method) 従来の積層造形法（ＳＬＭ法）による造形過程において欠陥発生メカニズムを概略的に説明するための図Diagram for schematically explaining a defect generation mechanism in a modeling process by a conventional additive manufacturing method (SLM method) 従来の積層造形法（ＳＬＭ法）において発生する不整方位結晶欠陥及びまたはデポジット表面リップル欠陥の例（非特許文献１参照）Examples of irregularly oriented crystal defects and / or deposit surface ripple defects that occur in a conventional additive manufacturing method (SLM method) (see Non-Patent Document 1) 本発明の実施例を説明するための概略図Schematic for explaining an embodiment of the present invention 本発明による積層造形過程において欠陥の発生を抑制するメカニズムを概略的に説明するための図The figure for demonstrating roughly the mechanism which suppresses generation | occurrence | production of a defect in the additive manufacturing process by this invention.

本発明の実施の形態について説明する。
上述したように、不均質結晶欠陥及びデポジット表面リップル欠陥は主として液相プール（溶融金属プール）５中において生じるマランゴニ対流（マランゴニ対流＋自然対流のうちマランゴニ対流が優勢）によって引き起こされる欠陥である。そこで、本発明においてはこのマランゴニ対流に対して静磁場を印加させる構成とし、対流抑制を図るようにしている。
基本構造を図４に示す。図は本発明の主要部構造の一例を示す概略図であり、３はレーザービームなどの細く絞られた高エネルギービームである。２は微細な金属粒子粉末で形成された金属粉末層であって、積層造形の一層分処理終了毎に、サブストレイト１基台上での最上層に形成される。５は溶融金属プール（液相プール）、１２は磁場を発生するためのコイル、１３は直流電源、１４はスイッチである。１０は高エネルギービームとしてレーザーを用いる場合の高エネルギーレーザービーム発生源であり、１０から出力されたビームが最終的に前記高エネルギービーム３となる。１１は光学ミラースキャナーである。高エネルギーレーザービーム発生源１０で発生され、細く絞られて出力されたビームは、光学ミラースキャナー１１によって角度を変えられスキャンされ金属粉末層２に照射される。このエネルギーによって金属粉末が溶融して形成されたものが溶融金属プール（液相プール）５である。そして、この溶融金属プール（液相プール）５に静磁場を印加するためにコイル１２が設けられる。図に示すコイル１２の配置例はあくまでも一例であり、適用する装置の構造や大きさ、必要とする機能などを考慮して適宜に変更して差し支え無いからこの配置に限るものではない。
この例ではソレノイドコイル１２の軸方向中心が液相プールの高さ位置と一致するよう配置し、軸方向に静磁場Ｂｚを作用させる構成としている。液相プールの高さが常に一定となるよう一層積層するたびにサブストレイトは下方に引き出される。直流電源１３はコイル１２に直流電流を供給するための電源であり、スイッチ１４はコイル１２に対する供給電力をオンオフする電源スイッチである。図ではソレノイドコイルを用いているが液相プール５を挟んで上下に対向する２つのコイルを配置するへルムホルツ型としてもよい。コイルの形は矩形構造など適宜に利用可能である。Embodiments of the present invention will be described.
As described above, the inhomogeneous crystal defect and the deposit surface ripple defect are defects caused mainly by Marangoni convection (Marangoni convection + natural convection predominating in the liquid phase pool (molten metal pool) 5). Therefore, in the present invention, a static magnetic field is applied to this Marangoni convection so as to suppress convection.
The basic structure is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an example of the structure of the main part of the present invention. Reference numeral 3 denotes a high-energy beam that is narrowed down such as a laser beam. Reference numeral 2 denotes a metal powder layer formed of fine metal particle powder, which is formed in the uppermost layer on one substrate base every time one layer processing for layered modeling is completed. 5 is a molten metal pool (liquid phase pool), 12 is a coil for generating a magnetic field, 13 is a DC power source, and 14 is a switch. Reference numeral 10 denotes a high energy laser beam generation source when a laser is used as the high energy beam. The beam output from 10 finally becomes the high energy beam 3. Reference numeral 11 denotes an optical mirror scanner. The beam generated by the high energy laser beam generation source 10 and finely focused and outputted is scanned by the optical mirror scanner 11 while changing the angle, and is irradiated onto the metal powder layer 2. A molten metal pool (liquid phase pool) 5 is formed by melting the metal powder by this energy. A coil 12 is provided to apply a static magnetic field to the molten metal pool (liquid phase pool) 5. The arrangement example of the coil 12 shown in the drawing is merely an example, and is not limited to this arrangement because it can be changed as appropriate in consideration of the structure and size of the device to be applied, the required function, and the like.
In this example, the solenoid coil 12 is arranged so that the axial center of the solenoid coil 12 coincides with the height position of the liquid phase pool, and the static magnetic field Bz is applied in the axial direction. Each time the layers are further stacked so that the height of the liquid phase pool is always constant, the substrate is drawn downward. The DC power source 13 is a power source for supplying a DC current to the coil 12, and the switch 14 is a power switch for turning on / off the power supplied to the coil 12. Although a solenoid coil is used in the figure, it may be a Helmholtz type in which two coils facing each other up and down across the liquid phase pool 5 are arranged. The shape of the coil can be used as appropriate, such as a rectangular structure.

このような構成の本装置において、基本的な積層工程は従来のＳＬＭ法と変わりは無く、従来と同様に微細な金属粉末を所定の厚み分、平らに敷き詰めて金属粉末層２を形成する。そして、この敷き詰めた金属粉末層２の金属粉末に対してレーザービームなどの高エネルギービーム３をスキャンさせつつ照射させることによって照射位置での金属粉末を溶融させ、凝固させていく。この溶融・凝固の工程を薄い層単位で一層ずつ行い、積み上げていくことで造形していく積層造形過程において、溶融金属プール５全体に対し、磁力線が上下方向に向かうかたちで作用するように静磁場Ｂｚを印加する（図５参照）。つまり、溶融金属プール５の全体に対して前記ビーム３のスキャン方向にほぼ垂直方向、すなわち、積層方向にほぼ平行に、磁力線を沿わせたかたちに静磁場Ｂｚを印加させる。この静磁場Ｂｚの印加により、溶融金属プール５内ではその水平方向流れが抑制されその結果全体として対流が抑制されることになる。これにより、ルーズパウダーあるいは固液共存相６中の分断された結晶（フラグメント結晶）の巻き込みを無くすことが出来るようになり、その結果、不均質結晶欠陥あるいはデポジット表面リップル欠陥の生成を抑制できるようになる。 In this apparatus having such a configuration, the basic lamination process is the same as that of the conventional SLM method, and the metal powder layer 2 is formed by spreading fine metal powder flat by a predetermined thickness as in the prior art. Then, by irradiating the metal powder of the spread metal powder layer 2 while scanning with a high energy beam 3 such as a laser beam, the metal powder at the irradiation position is melted and solidified. In the additive manufacturing process in which the melting and solidification processes are performed one by one in units of thin layers and the layers are stacked, the magnetic lines of force are applied to the entire molten metal pool 5 so as to act in the vertical direction. A magnetic field Bz is applied (see FIG. 5). That is, the static magnetic field Bz is applied to the entire molten metal pool 5 along the magnetic field lines in a direction substantially perpendicular to the scanning direction of the beam 3, that is, substantially parallel to the stacking direction. By applying the static magnetic field Bz, the horizontal flow is suppressed in the molten metal pool 5, and as a result, convection is suppressed as a whole. As a result, it becomes possible to eliminate the inclusion of the broken crystal (fragment crystal) in the loose powder or the solid-liquid coexisting phase 6, and as a result, the generation of heterogeneous crystal defects or deposit surface ripple defects can be suppressed. become.

これによって上述した［ＣＡＳＥ１］に当て嵌めた場合には、エピタキシャル成長に有利に作用する、すなわちサブストレイトと同じ結晶方位を有する単結晶組織（ｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｇｒａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を得るのに有利に働く。
このためには、静磁場を印加する前準備段階において各積層間の冷却速度のばらつきをできるだけ小さくするよう、エネルギービーム３の強さ、ビームの径、移動速度（スキャン速度）、積層造形の原料となる金属粉末層２の厚さ等の造形パラメータを最適化しておくことは当然のことである。ただし、本発明は静磁場を用いるので非磁性金属あるいは合金に対して適用されるものである。Thus, when applied to [CASE 1] described above, it has an advantageous effect on the epitaxial growth, that is, it has an advantageous effect on obtaining a monocrystalline structure having the same crystal orientation as the substrate.
For this purpose, the intensity of the energy beam 3, the beam diameter, the moving speed (scanning speed), the raw material for the layered modeling so as to minimize the variation in the cooling rate between the layers in the preparatory stage before applying the static magnetic field. It is a matter of course that modeling parameters such as the thickness of the metal powder layer 2 to be optimized are optimized. However, since the present invention uses a static magnetic field, it is applicable to nonmagnetic metals or alloys.

金属粉末層の平面に垂直な静磁場Ｂｚを印加する理由を次に説明する：溶融金属流体は一般に電気を良く通すので、静磁場を印加すると電磁制動力を生じる。この制動力は磁場の方向（磁力線の方向）と同じ方向の流れには作用せず、それ以外の方向の流れに対して働くことが電磁流体力学の原理から導かれる（非特許文献５のＡＰＰＥＮＤＩＸＣ、式（Ｃ２）参照）。本例の場合、Ｂｚ（積層方向磁場）を印加すると電磁ブレーキ力はＺ方向（Ｚ軸方向）の流速成分に対しては働かずＸ及びＹ方向（Ｘ軸及びＹ軸方向）の流速成分に対して作用する（ただし電気的境界条件として絶縁とする。この仮定は電気良導体に対して妥当である）。これにより、図２及び図４における溶融金属プール５内の水平方向の流れが抑制される。
なお、ここで言う垂直、水平の概念は数学的意味合いでの解釈を要求されるものではなく、工学的に適用する産業分野での実施の場合、厳密な意味での再現は不可能であるから支障の無い範囲で誤差が許容されるものである。その意味で本発明における垂直、水平の文言は、ほぼ垂直、ほぼ水平の概念で良い。The reason for applying a static magnetic field Bz perpendicular to the plane of the metal powder layer will now be explained: Since molten metal fluids generally conduct electricity well, applying a static magnetic field produces an electromagnetic braking force. It is derived from the principle of magnetohydrodynamics that this braking force does not act on the flow in the same direction as the direction of the magnetic field (direction of the lines of magnetic force), but acts on the flow in other directions (APPENDIXC of Non-Patent Document 5). , See formula (C2)). In the case of this example, when Bz (stacking direction magnetic field) is applied, the electromagnetic braking force does not act on the flow velocity component in the Z direction (Z axis direction), and the flow velocity component in the X and Y directions (X axis and Y axis directions). (However, the electrical boundary condition is insulation. This assumption is valid for good electrical conductors.) Thereby, the horizontal flow in the molten metal pool 5 in FIGS. 2 and 4 is suppressed.
The vertical and horizontal concepts mentioned here are not required to be interpreted in a mathematical sense, and cannot be reproduced in a strict sense when implemented in an industrial field where engineering is applied. The error is allowed within a range where there is no trouble. In that sense, the terms “vertical” and “horizontal” in the present invention may be concepts of almost vertical and horizontal.

図５における符号ＣＮＶｓは溶融金属プール内に生じている対流を示しているが、この対流ＣＮＶｓは極く低速の流れが残留する場合を模式的に示したものであり、必ずしも図のようなパターンを示すものではない。この極く低速の流れＣＮＶｓを以後、残留流れと呼ぶことにする。
ここで本発明装置ではコイル１２により静磁場Ｂｚを発生させ、溶融金属プール５の全体に作用させるようにしている。従って、静磁場Ｂｚとして十分に強いレベルの磁場を作用させれば残留流れＣＮＶｓは生じない。
しかし、ある程度の残留流れＣＮＶｓがあっても許容されるレベルが存在するので、作用させる静磁場Ｂｚのレベルは必ずしも完全抑制のレベルになくとも良い。そして、このような場合には、許容できる程度の、つまり、支障の無い程度の極く低速の流れが残留する可能性がでてくる。これが残留流れＣＮＶｓである。この許容される程度の低速の残留流れＣＮＶｓの流速は結晶の成長速度（すなわち凝固界面の移動速度）に比べて十分小さくなるように抑制することにより、固液共存相６中のルーズパウダーあるいは結晶フラグメントが液相中に流出することはなく、その結果不均質結晶組織の生成が抑制される。The symbol CNVs in FIG. 5 indicates the convection generated in the molten metal pool, but this convection CNVs schematically shows a case where a very low-speed flow remains, and does not necessarily have a pattern as shown in the figure. It does not indicate. This extremely slow flow CNVs will be referred to as the residual flow hereinafter.
Here, in the apparatus of the present invention, a static magnetic field Bz is generated by the coil 12 and is applied to the entire molten metal pool 5. Therefore, if a sufficiently strong magnetic field is applied as the static magnetic field Bz, the residual flow CNVs does not occur.
However, since there is an allowable level even if there is a certain amount of residual flow CNVs, the level of the static magnetic field Bz to be applied does not necessarily need to be completely suppressed. In such a case, there is a possibility that an extremely low-speed flow that remains in an acceptable level, that is, without any trouble, remains. This is the residual flow CNVs. The flow rate of the permissible low-speed residual flow CNVs is suppressed so as to be sufficiently smaller than the crystal growth rate (that is, the moving speed of the solidification interface), whereby loose powder or crystals in the solid-liquid coexisting phase 6 are suppressed. Fragments do not flow out into the liquid phase, and as a result, the formation of heterogeneous crystal structures is suppressed.

なお、コイル１２には超電導コイルを用いることが推奨される。超電導コイルは液相プール５のＺ軸方向位置に合わせて調整できるよう上下に移動・固定するようにしておくとよい。静磁場の強度を上げると制動力は強度の二乗に比例して増す。従って、静磁場Ｂｚの強さは後述のごとく表面張力の強さに匹敵する制動力を生ずるように決めればよい。
上述のごとく、本実施例に示した技術は形状が複雑で、しかも、欠陥のない高品質且つ高耐久性、高強度が要求される金属製品、例えばガスタービン発電用及びジェットエンジン用燃料ノズルなどの金属製品に対して適用可能な技術であり、非磁性、電気伝導性を有する全ての合金、金属の積層造形物に適用可能である。また、現在、複雑な形状で品質要求の高い前記ガスタービン発電及びジェットエンジン用タービンブレードの製作に積層造形法が試みられているが、本発明の応用が大いに期待される。Note that it is recommended that a superconducting coil be used for the coil 12. The superconducting coil may be moved up and down and fixed so that it can be adjusted according to the position of the liquid phase pool 5 in the Z-axis direction. When the strength of the static magnetic field is increased, the braking force increases in proportion to the square of the strength. Therefore, the strength of the static magnetic field Bz may be determined so as to generate a braking force comparable to the strength of the surface tension as will be described later.
As described above, the technology shown in the present embodiment has a complicated shape, and is free from defects. Metal products that require high quality, high durability, and high strength, such as fuel nozzles for gas turbine power generation and jet engines, etc. This technology can be applied to all metal products, and can be applied to all non-magnetic, electrically conductive alloys and metal layered products. At present, an additive manufacturing method is being tried to manufacture the turbine blade for the gas turbine power generation and jet engine having a complicated shape and high quality requirements, but the application of the present invention is greatly expected.

以下、本発明の要点について述べる。
（１）各積層段階における高エネルギービームのスキャン方法に関しては、製品の形状、パウダー層の厚さ等の状況を考慮して、最適の方法を選べばよい。実際、造形物の変形、熱応力の発生等を考慮して最適の方法を模索する。例えば、照射面が細長い場合、幅方向に対して双方向に高速にスキャンし、長手方向に移動する（ｓｗｅｅｐ）等である。The main points of the present invention will be described below.
(1) Regarding the scanning method of the high energy beam in each lamination step, an optimum method may be selected in consideration of the product shape, the thickness of the powder layer, and the like. Actually, an optimum method is sought in consideration of deformation of the modeled object, generation of thermal stress, and the like. For example, when the irradiation surface is elongated, the scanning is performed at high speed in both directions with respect to the width direction, and the movement is performed in the longitudinal direction (sweep).

（２）溶融金属表面（あるいは固体表面）と空気または真空との界面には表面張力が存在する。この表面張力の本質は近接原子間の引力に由来するものであり、合金・金属の種類、相、温度によって決まった値を有する。例えばある程度大きいサイズの鋳型に溶融金属を注入した場合、生ずる自然対流によって湯面の温度差は小さくなり、表面張力勾配すなわちせん断力は僅少となるので液相の流動すなわちマランゴニ対流は生じない（無視してよい程度）。一方、本願の積層造形法では高エネルギービームの照射面は常に融点以上の高温になっており、スキャン方向前方のパウダー層の温度は固相温度であるから、該ビーム位置から該パウダー層に向かって表面張力は大きくなり、液表面にパウダー方向にせん断力が発生する。以上より次式が成り立つ（ただし、ここでは液相表面はフラットであると仮定する）。
Ｔは表面温度（Ｋ）である。上式第２項は液表面の単位面積あたりに働く表面張力、第３項は温度勾配を含む式、及び第１項は表面に生ずるせん断力である。
一方、ｘ方向に生ずる速度をＶｘとすると静磁場Ｂｚによる電磁ブレーキ力は
と書ける。ここにσは電気伝導度（１／（Ω・ｍ））、Ｂｚは磁束密度（Ｗｂ／ｍ^２）である。
式（１）は面積力であり、式（２）は体積力であるから比較するのは不便である。そこで比較の便のため、式（１）による面積力を体積力に変換し、該変換された体積力表示の表面張力式（仮にｆ_ｂとする）及び式（２）より、流速Ｖｘを評価し、Ｖｘがある値以下、例えば高エネルギービームのスキャン速度（スキャン方向前方の金属粉末層と溶融プールの境界の移動速度に等しい）に比べて十分小さくなるよう静磁場強さＢｚを決めればよい。このようにして求めたＢｚは所要強度の目安として有益である。以上は、ｘ方向成分について述べたがｙ方向成分についても同様である。より精度よくＢｚを評価するためには、凝固理論に基づくコンピュータシミュレーションが有用である。
式（１）から明らかなごとく、系のスケール（液相プールのサイズ）が小さくなればなるほど、温度勾配が大きくなりマランゴニ対流が圧倒的に優勢となり、すでに述べたごとく、凝固に多大な影響を及ぼすのでこれをコントロールすることが極めて重要となる。そしてこのマランゴニ対流を抑制する最適な磁場の方向は、上記説明から明らかなごとく、液面に対して垂直な方向（Ｂｚ）である。［水平方向に磁場を印加する場合、水平方向の流れに対して電磁ブレーキ力は作用しないので効率よく対流を抑制することはできず、プール内の流動パターンはいびつな形となり有害な影響を与えるだろう。］(2) Surface tension exists at the interface between the molten metal surface (or solid surface) and air or vacuum. The essence of this surface tension is derived from the attractive force between adjacent atoms, and has a value determined by the type, phase, and temperature of the alloy / metal. For example, when molten metal is poured into a mold of a somewhat large size, the temperature difference of the molten metal surface is reduced by the natural convection that occurs, and the surface tension gradient, that is, the shearing force, is small, so liquid phase flow, that is, Marangoni convection does not occur (ignore) To the extent that you can). On the other hand, in the additive manufacturing method of the present application, the irradiation surface of the high energy beam is always at a high temperature equal to or higher than the melting point, and the temperature of the powder layer in front of the scanning direction is a solid phase temperature. As a result, the surface tension increases and a shearing force is generated in the powder direction on the liquid surface. From the above, the following equation holds (however, it is assumed here that the liquid phase surface is flat).
T is the surface temperature (K). The second term in the above formula is the surface tension acting per unit area of the liquid surface, the third term is a formula including a temperature gradient, and the first term is the shear force generated on the surface.
On the other hand, when the speed generated in the x direction is Vx, the electromagnetic braking force by the static magnetic field Bz is
Can be written. Here, σ is electric conductivity (1 / (Ω · m)), and Bz is magnetic flux density (Wb / m ² ).
Since Formula (1) is an area force and Formula (2) is a body force, it is inconvenient to compare. Therefore, for convenience of comparison, the area force according to the equation (1) is converted into the body force, and the flow velocity Vx is evaluated from the surface tension equation (assumed to be f _b ) and the equation (2) of the converted body force display. In addition, the static magnetic field strength Bz may be determined so that Vx is less than a certain value, for example, sufficiently smaller than the scanning speed of the high energy beam (equal to the moving speed of the boundary between the metal powder layer ahead of the scanning direction and the molten pool). . Bz obtained in this way is useful as a measure of the required strength. Although the above has described the x-direction component, the same applies to the y-direction component. In order to evaluate Bz with higher accuracy, computer simulation based on solidification theory is useful.
As is clear from equation (1), the smaller the system scale (liquid phase pool size), the greater the temperature gradient and the overwhelming Marangoni convection. It is very important to control this. The optimum direction of the magnetic field for suppressing this Marangoni convection is the direction (Bz) perpendicular to the liquid surface, as is apparent from the above description. [When applying a magnetic field in the horizontal direction, electromagnetic braking force does not act on the flow in the horizontal direction, so convection cannot be suppressed efficiently, and the flow pattern in the pool is distorted and has a detrimental effect. right. ]

（３）デポジット層の結晶組織について
デポジット層の再凝固時における結晶の成長方向は合金の種類、サブストレイトの結晶方位、高エネルギービームの出力、径、スキャン速度などのパラメータ、その結果としての液相プールの形状、及び凝固界面前方の流速などによって決まる。当該成長方向そして凝固組織を予測する方法として組成的過冷理論に基づくセルオートマトン法（ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔｏｎ法、ＣＡ法）がよく用いられているが重要な要因である界面前方の流速は考慮されておらず未だ不充分である。
本発明は実質的に流れの影響を取り除くことにより前記欠陥を無くすとともに、ＣＡ法の予想精度の向上に貢献するものである。すなわち、Ｂｚを印加した状態で積層過程のコンピュータシミュレーションを行い、サブストレイトと同じ結晶方位を持つ結晶組織を得るための最適パラメータを決定することが可能となる。(3) Crystal structure of the deposit layer The crystal growth direction during re-solidification of the deposit layer is the alloy type, the crystal orientation of the substrate, the parameters such as the output of the high energy beam, the diameter, the scan speed, and the resulting liquid. It depends on the shape of the phase pool and the flow velocity in front of the solidification interface. Cellular automaton method (Cellular Automaton method, CA method) based on compositional supercooling theory is often used as a method for predicting the growth direction and solidification structure, but the flow velocity in front of the interface, which is an important factor, is not considered. It is still inadequate.
The present invention eliminates the defects by substantially eliminating the influence of the flow and contributes to the improvement of the prediction accuracy of the CA method. That is, it is possible to determine the optimum parameters for obtaining a crystal structure having the same crystal orientation as the substrate by performing a computer simulation of the lamination process with Bz applied.

（４）積層造形法は通常の鋳造プロセスと異なり冷却速度が極めて早く、且つ場所的に冷却速度の差が小さく、このため均一で緻密な凝固組織が得られるので室温あるいは低温度領域において優れた機械的性質を有する。さらに、Ｎｉ基超合金製品のように溶体化熱処理を必要とする場合、緻密で均一な組織のため熱処理時間が短縮できるので熱経済に優れている。(4) The layered manufacturing method has an extremely fast cooling rate unlike a normal casting process, and the difference in the cooling rate is small in place, so that a uniform and dense solidified structure can be obtained, so it is excellent at room temperature or in a low temperature region. Has mechanical properties. Furthermore, when a solution heat treatment is required as in a Ni-base superalloy product, the heat treatment time can be shortened because of a dense and uniform structure, which is excellent in thermal economy.

（５）航空機用ジェットエンジンあるいは発電用ガスタービン等に用いられるタービンブレードは高温、高応力などの過酷な環境下で使用されるため損傷が激しい。これら高温部品は高価であることから、補修再生して再使用される。ここでもレーザーなどの高エネルギービームを照射することにより溶融・再凝固による補修が行われているが、前記ストレイ結晶欠陥が生じることが報告されている（例えば、非特許文献４及び１参照）。このような用途に対しても本発明が適用できる。(5) Turbine blades used in aircraft jet engines or power generation gas turbines are severely damaged because they are used in harsh environments such as high temperatures and high stresses. Since these high-temperature parts are expensive, they are repaired and reused. Here, repair by melting and resolidification is performed by irradiating a high energy beam such as a laser, but it has been reported that the stray crystal defect occurs (for example, see Non-Patent Documents 4 and 1). The present invention can also be applied to such applications.

（６）本発明は傾斜機能特性を有する三次元造形物の製造に適用することができる。ここで言うところの傾斜機能材料（ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙＧｒａｄｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）とは、異なる特性を併せ持たせるために組成、組織が異なる複数の素材の組成が連続的に変化し、一体的に組み合わされた材料のことであり、従来の製法では実現が困難な材料・製品である。しかしながら、このような材料・製品に対して本発明を適用することにより、液相の流れを抑制し、組成の異なる金属粉末材料あるいはこれらの混合粉末を用いて所要の層毎に所要の組成を有する造形物を積層することにより目的に合わせた傾斜機能（例えば、強度が連続的に変化する等）を持つ無欠陥造形物を製造することができるようになる。ただし、磁場を用いるので、非磁性の金属粉末を用いる必要がある。(6) The present invention can be applied to the manufacture of a three-dimensional structure having gradient functional characteristics. Functionally graded materials as used herein are materials that are combined in one piece by changing the composition of multiple materials with different compositions and structures in order to have different characteristics. Therefore, it is a material / product that is difficult to realize by conventional manufacturing methods. However, by applying the present invention to such materials and products, the flow of the liquid phase is suppressed, and the required composition for each required layer is made using metal powder materials having different compositions or mixed powders thereof. By stacking the formed objects, it is possible to manufacture a defect-free formed object having an inclined function (for example, the strength continuously changes) according to the purpose. However, since a magnetic field is used, it is necessary to use nonmagnetic metal powder.

（７）本発明は主としてＳＬＭ法による積層造形について述べてきたが、金属粉末を供給しながら、同時に高エネルギービームを前記粉末供給領域に照射する積層造形法にも適用できる。すなわち金属粉末の供給・溶融・凝固過程において、溶融プールに対して積層方向に静磁場を印加することによりマランゴニ対流による悪影響を解除することができる。(7) Although the present invention has mainly described the additive manufacturing by the SLM method, the present invention can also be applied to an additive manufacturing method in which a metal powder is supplied and at the same time a high energy beam is applied to the powder supply region. That is, in the process of supplying, melting, and solidifying the metal powder, the adverse effect of Marangoni convection can be eliminated by applying a static magnetic field to the molten pool in the stacking direction.

以上から明らかな如く、本発明はＳＬＭ法による積層造形過程において、高エネルギービームのスキャン方向に垂直に静磁場を作用させて溶融プール表面における表面張力によって発生するマランゴニ対流を抑制することにより、不均質結晶欠陥、デポジット表面リップル欠陥（表面の凹凸）等の欠陥を無くし、これにより高品質の結晶組織を作ることができる。すなわち、本発明は、電気伝導性を有する全ての非磁性合金・金属の積層造形物（例えば、複雑な形状を有するガスタービン発電用及びジェットエンジン用燃料ノズル）に対して適用可能な技術であり、高品質の三次元形状金属造形物を作るための製造方法及び装置を提供することができる。 As is apparent from the above, the present invention is effective in suppressing the Marangoni convection generated by the surface tension on the surface of the molten pool by applying a static magnetic field perpendicular to the scanning direction of the high energy beam in the additive manufacturing process by the SLM method. Defects such as homogeneous crystal defects and deposit surface ripple defects (surface irregularities) can be eliminated, and thereby a high-quality crystal structure can be formed. That is, the present invention is a technique applicable to all non-magnetic alloy / metal layered objects having electrical conductivity (for example, gas turbine power generation and jet engine fuel nozzles having complicated shapes). It is possible to provide a manufacturing method and apparatus for making a high-quality three-dimensional shaped metal shaped article.

１サブストレイト（基台：多結晶組織または特定の方位を持った単結晶組織）
２金属粉末層
３高エネルギービーム（レーザーなどの細く絞られた高エネルギービーム）
４積層造形物完成品
５溶融金属プール（液相プール）
６固液共存相（ｍｕｓｈｙｚｏｎｅ）
７サブストレイトの再溶融・凝固層
８金属粉末の再溶融・凝固層
９等軸晶層
（７、８、及び９の各層をまとめてデポジット（層）と呼ぶ）
１０高エネルギーレーザービーム発生装置
１１工学系ミラースキャナー
１２ＤＣコイル
１３直流電源
１４スイッチ1 Substrate (base: polycrystal structure or single crystal structure with specific orientation)
2 Metal powder layer 3 High energy beam (High energy beam narrowed down such as laser)
4 Finished product of layered product 5 Molten metal pool (liquid phase pool)
6 solid-liquid coexistence phase (mushy zone)
7 Remelted / solidified layer of substrate 8 Remelted / solidified layer of metal powder 9 Equiaxial crystal layer (7, 8 and 9 layers are collectively referred to as deposit)
10 High Energy Laser Beam Generator 11 Engineering Mirror Scanner 12 DC Coil 13 DC Power Supply 14 Switch

Claims

The metal powder at the irradiation position in the predetermined region is melted and then solidified by scanning the plane while irradiating a high energy beam to the predetermined region of the metal powder layer having a flat upper surface. A metal powder layer is formed on the melted and solidified layer, and the predetermined region of the formed metal powder layer is repeatedly melted and solidified by repeating the scanning process while irradiating the high energy beam. Layered layers to form a three-dimensional shaped metal object,
When irradiating the high energy beam, a static magnetic field for suppressing the flow of the molten metal is applied to the molten region of the metal powder by the beam irradiation, and the application direction of the static magnetic field is the scan. A metal material additive manufacturing method using an additive manufacturing method, wherein the additive is formed in a direction perpendicular to or substantially perpendicular to a plane to be formed.

2. The metal material according to claim 1, wherein the metal powder layer is formed by using a metal powder having a desired component for each desired layer, thereby forming a three-dimensional shaped metal shaped article using a functionally graded alloy. Additive manufacturing method.

The metal powder at the irradiation position in the predetermined region is melted and then solidified by scanning the plane while irradiating a high energy beam to the predetermined region of the metal powder layer having a flat upper surface. A metal powder layer is formed on the melted and solidified layer, and the predetermined region of the formed metal powder layer is repeatedly melted and solidified by repeating the scanning process while irradiating the high energy beam. In a manufacturing apparatus of a modeled object by a layered modeling method in which layers are stacked to form a three-dimensional metal modeled object,
For applying a static magnetic field for suppressing the flow of the molten metal to the molten region of the metal powder layer by the irradiation of the high energy beam, and the static magnetic field changes the application direction thereof. A metal material additive manufacturing apparatus comprising a static magnetic field applying unit set in a vertical direction or a substantially vertical direction with respect to the scanning plane.

The metal powder at the irradiation position in the predetermined region is melted and then solidified by scanning the plane while irradiating a high energy beam to the predetermined region of the metal powder layer having a flat upper surface. A metal powder layer is formed on the melted and solidified layer, and the predetermined region of the formed metal powder layer is repeatedly melted and solidified by repeating the scanning process while irradiating the high energy beam. In a manufacturing apparatus of a modeled object by a layered modeling method in which layers are stacked to form a three-dimensional metal modeled object,
For applying a static magnetic field for suppressing the flow of the molten metal to the molten region of the metal powder layer by the irradiation of the high energy beam, and the static magnetic field changes the application direction thereof. Comprising a static magnetic field applying means set in a direction perpendicular to or substantially perpendicular to the plane to be scanned,
The metal powder layer is formed by a metal powder layer forming means for switching to a metal powder having a desired component for each desired layer, thereby forming a three-dimensional shape metal shaped article by a functionally graded alloy. A metal material additive manufacturing apparatus, characterized in that:

The metal powder at the irradiation position in the predetermined region is melted and then solidified by scanning the plane while irradiating a high energy beam to the predetermined region of the metal powder layer having a flat upper surface. A metal powder layer is formed on the melted and solidified layer, and the predetermined region of the formed metal powder layer is repeatedly melted and solidified by repeating the scanning process while irradiating the high energy beam. Layered layers to form a three-dimensional shaped metal object,
Upon irradiation with the high energy beam, a static magnetic field for suppressing the flow of the molten metal is applied to the molten region of the metal powder layer by the beam irradiation, and the application direction of the static magnetic field scans the application direction. A metal material layered object produced so as to act as a vertical direction or a substantially vertical direction with respect to a plane.

6. The metal material according to claim 5, wherein the metal powder layer is formed by using a metal powder having a desired component for each desired layer, thereby forming a three-dimensional shaped metal shaped article made of a functionally graded alloy. Laminated model.

It is a repair method by additive manufacturing that supplies metal powder to the damaged part of the damaged part, melts and solidifies the metal powder by irradiation with a high energy beam, and repairs the part,
A static magnetic field for suppressing the flow of molten metal is applied to the molten region of the metal powder layer by irradiation with the high energy beam, and the direction of application of the static magnetic field is a direction above and below the molten region. It is set as the direction in alignment with, The metallic material additive manufacturing method characterized by the above-mentioned.