JP2017222899A

JP2017222899A - 積層造形用金属粉末および金属粉末を用いた積層造形体

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Publication number: JP2017222899A
Application number: JP2016118501A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　義見; Yoshimi Watanabe; 義見渡辺; 佐藤　尚; Takashi Sato; 尚佐藤; 雅史佐藤; Masafumi Sato; 禅中野; Zen Nakano; 佐藤　直子; Naoko Sato; 直子佐藤; 透清水; Toru Shimizu
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-15
Also published as: JP6819952B2

Abstract

【課題】高造形性および高強度を実現する積層造形用金属粉末およびそれを用いて製造した積層造形体製造の技術に関する。【解決手段】母材金属粉末とそれに対する異質核粒子からなる混合粉末３に対してレーザー７で焼結することにより融解と凝固を行い、これを積み重ねることにより高強度かつ高造形性を有する造形体１０を得る事を特徴とする。または、母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、異質核粒子がＴｉＣであり、粒径差を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ粒子とＴｉＣ粒子とからなる混合粉末２２に対してレーザーで焼結することにより融解と凝固を行い、これを積み重ねることによる高強度かつ高造形性を有する造形体２３を得ることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、高造形性および高強度を実現する積層造形用金属粉末およびそれを用いて製造した積層造形体製造の技術に関する。

近年、新たな製造技術として積層造形法、通称３Ｄプリンターが急速に注目を集めている。これは３Ｄプリンター自体にではなく、ＣＡＤなどのデジタルデータから直接造形物を作り出すことができるというところに本質があり、ものづくりのデジタル化が広がる中で、３Ｄプリンターの運用により開発および試作期間が短縮されることが期待されている。３Ｄプリンターには大きく分けると樹脂を材料としても用いるものと、金属粉末を材料として用いるものがあり、どちらの３Ｄプリンターにおいても付加加工を基礎としている。

付加加工とは、材料を付加して相互に接合することによって形状を付与する加工方法であり、除去加工や変形加工を用いないため、短時間で複雑な形状を造形することができる（非特許文献１参照）。よって、精度が求められる金型や機械部品、オーダーメイドが原則である人口骨や歯の補綴物として利用可能である。しかし、樹脂系３Ｄプリンターに比べると、金属用３Ｄプリンターでは造形物の高性能化の発展が遅れており、これは金属特有の特徴に起因している。

金属用３Ｄプリンターでは金属粉末をレーザーで焼結して融解と凝固を行い、それを積み重ねることにより造形を行う（非特許文献２参照）。したがって、造形品は粉末焼結品ではなく、鋳造品であり、それゆえ造形体は鋳造品と同等の凝固組織を有し、また鋳造品同等の欠陥に起因する強度低下が認められる。特に、溶融と凝固の繰り返しを行い、積層方向に伸長した粗大な結晶粒を有するため、従来の製造法により加工した金属製品と比較して強度が劣るという欠点を有しており、製品の適用範囲を限定してしまっていた。

このような凝固組織を抑制する方法としては、異質核生成を用いた結晶粒微細化があげられる。金属の凝固には、不純物粒子などがない状態で核生成をして凝固する均質核生成と、不純物粒子（異質核）などから核生成して凝固する異質核生成があり、異質核生成では均質核生成に比べて核を生成する際のエネルギーが小さくなるため、容易に多数の核が生成することから、組織が微細化する。金属用３Ｄプリンターに用いる母相金属粉末に対して異質核となる金属粉末を添加することにより、造形時に生じてしまう組織の粗大化を抑制すると同時に、等軸晶の晶出による造形性の向上が期待される（非特許文献３参照）。この際、異質核として十分に働くためには、母相の金属よりも融点が高く、母相金属との原子配列の整合性が良い必要がある。

中川威雄著、「積層造形システム−三次元コピー技術の新展開−」、工業調査会、（１９９６）。小泉雄一郎，孫世海，齋藤毅，黒須信吾，千葉晶彦：電子ビーム積層造形によるＣｏ−Ｃｏ−Ｍｏ合金製ゼンマイばねの試作，粉体および粉末冶金，６１（２０１４）小関敏彦：溶接金属の凝固と凝固組織制御，溶接学会誌，７０（２００１）渡辺義見，佐藤尚：小さい不整合度を有する異質核によるアルミニウム鋳造材の結晶粒微細化，軽金属，６４（２０１４）岸輝雄：チタンテクニカルガイド，内田老鶴圃，（１９９３）

金属の積層造形に用いられる主な金属としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、マルエージング鋼、アルミニウム合金などがあげられる。本発明においては、これらの金属の中からＴｉ合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを母相金属として選択したが、これにより材料系が限定されるものではない。このＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを母相金属として選択した場合、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに対して融点が高く、原子配列の整合性が高い異物質が異質核物質となる。原子配列の整合性を評価する指標としては不整合度δが定義されており、数１で表される。

ａは異質核物質の格子定数、ａ_０は母材の格子定数を示しており、δの値が小さいほど原子配列の整合性が良く、１０％以下であれば有効な異質核として働くとみなされている（非特許文献４参照）。

Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖは、まずβ相が初晶として晶出する。その後、変態点である９９５℃に相変態が生じてβ相がα相に変態し、最終的にα相とβ相の２相が室温で共存している状態になる（非特許文献５参照）。そのため、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの初晶 β相に対しての不整合度を求める。表１に数１を用いて算出したＴｉを含む各種金属間化合物の融点、結晶構造、格子定数および不整合度を示す。表１より、どの金属間化合物においても不整合度は１０％以下を示している。その中でもＺｎＴｉは最も低い値である３．９６％を示しており、不整合度の観点から言えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖに対する有効な異質核になるといえる。しかし、すべての金属間化合物で融点はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖよりも低い値を示しており、有効な異質核として働きうる条件を満たさなかった。

そこで、Ｔｉの炭化物、窒化物およびホウ化物であるＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉＢに着目した。表２にＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢの融点、結晶構造、格子定数および不整合度を示す。表２よりＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉＢはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖよりも高い融点を示しており、結晶構造としてはＮａＣｌ構造を有している。ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉＢのすべてにおいて不整合度は１０％よりも低い値を示している。さらに、全体でもＴｉＣは６．７２％と最も小さい値をとっており、有効な異質核としての条件である融点の高さ、原子配列の整合性において最も良い値をとった。

本明細書では，金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とした造形に用いられる異質核粒子を用いた混合粉末とそれを用いた造形体の製造方法ついて提供する。高強度の過程では、異質核生成による多数の凝固核の出現による結晶粒微細化を利用し、高造形性の過程では異質核生成による等軸晶の晶出を利用する。

金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とする造形を行うために用いられる母材金属粉末とその凝固に対する異質核粒子からなる混合粉末。

金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とする造形を行うために用いられる母材金属粉末に対して融点が高く、母材金属に対する原子配列の整合性が高い異質核粒子。

金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とする造形を行うために用いられる母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖであり、それに対して融点が高く、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに対する原子配列の整合性が高いＴｉＣを異質核粒子とした混合粉末。

金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とする造形を行うために用いられる母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖであり、それに対して融点が高く、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに対する原子配列の整合性が高い異質核粒子がＴｉＣであり、それらには粒径差があることを特徴とした混合粉末。

母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、異質核粒子がＴｉＣであり、粒径差を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ粒子とＴｉＣ粒子とからなる混合粉末を用いた高強度かつ高造形性を特徴とする金属用３Ｄプリンターにおける造形体。

母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、異質核粒子がＴｉＣであり、粒径差を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ粒子とＴｉＣ粒子とからなる混合粉末に対して真空場でレーザーにより融解と凝固を行い、これを積み重ねることによる、高強度かつ高造形性を特徴とする金属用３Ｄプリンターにおける造形体。

母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、異質核粒子がＴｉＣであり、粒径差を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ粒子とＴｉＣ粒子とからなる混合粉末に対して真空場でレーザーにより融解と凝固を行い、これを積み重ねることにより、結晶粒微細化による高強度かつ等軸晶の晶出に伴う高造形性を特徴とする金属用３Ｄプリンターにおける造形体。

本発明による金属用３Ｄプリンターにおける高強度かつ高造形性を特徴とする造形体の製造の手順を示す図である。（ａ）粉末供給槽に母材金属粉末とそれに対する異質核粒子とからなる混合粉末を充填し、チャンバ内を真空場にする。（ｂ）積層１ピッチ分だけ造形テーブルを下降させて、粉末供給層を積層１ピッチ分だけ上昇させた後、ブレードによって造形テーブル上に混合粉末を敷きつめる。（ｃ）レーザーを照射することにより１層分の混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。母材金属粉末のみが融解し凝固するため、異質核粒子が異質核生成の際に凝固の核として働き、等軸晶の晶出および結晶粒が微細化する。（ｄ）混合粉末を積層１ピッチ分だけ造形物上に積層し、レーザーを照射することにより混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。この積層、余熱、融解、凝固を繰り返すことにより高強度かつ高造形性を特徴とする造形体が得られる。本発明における造形を行う際のレーザーの照射条件の概略を示す図である。本発明における造形を行う際のレーザーの出力を示す図である。レーザーの出力はレーザーの連続性と大きさにより決定している。本発明による母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる結晶粒微細化能調査の実施手順を示す図である。（ａ）造形テーブルに４つのくぼみの空いた金型を設置し、その中にＴｉＣの添加量を変えたＴｉ−６Ａｌ−４ＶとＴｉＣの混合粉末を投入する。（ｂ）チャンバ内を真空雰囲気にし、レーザーをそれぞれの混合粉末に対して照射する。（ｃ）母材金属粉末のみが融解し凝固するため、異質核粒子が異質核生成の際に凝固の核として働き、結晶粒が微細化する。本発明による母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる結晶粒微細化能調査に用いた金型の形状を示す図である。本発明による母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる結晶粒微細化能調査に用いたレーザーの軌跡を示す図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は本発明における母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる結晶粒微細化能調査において、それぞれＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％、０．１ｖｏｌ％、０．２ｖｏｌ％および０．３ｖｏｌ％の混合粉末を用いた造形体の組織観察写真である。本発明による母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる結晶粒微細化能調査における各混合粉末からなる造形体の旧β相の平均結晶粒径の測定結果とビッカース硬さ試験の結果を示す図である。横軸は混合粉末の種類、縦軸は旧β相の平均結晶粒径とビッカース硬さを示している。本発明による母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる積層造形の実施手順を示す図である。（ａ）粉末供給槽にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖとそれに対するＴｉＣとからなる混合粉末を充填し、チャンバ内を真空場にする。（ｂ）積層１ピッチ分だけ造形テーブルを下降させて、粉末供給層を積層１ピッチ分だけ上昇させた後、ブレードによって造形テーブル上に混合粉末を敷きつめる。（ｃ）レーザーを照射することにより１層分の混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖのみが融解し凝固するため、ＴｉＣが異質核生成の際に凝固の核として働き、等軸晶の晶出および結晶粒が微細化する。（ｄ）混合粉末を積層１ピッチ分だけ造形物上に積層し、レーザーを照射することにより混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。この積層、余熱、融解、凝固を繰り返すことにより高強度かつ高造形性を特徴とする造形体が得られる。本発明による母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる積層造形に用いたレーザーの軌跡を示す図である。本発明による母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる積層造形体の積層断面の組織観察写真である。（ａ）はＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％、（ｂ）はＴｉＣの添加量が０．３ｖｏｌ％の混合粉末を用いた造形体である。本発明による母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる積層造形体の水平面の組織観察写真である。（ａ）はＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％、（ｂ）はＴｉＣの添加量が０．３ｖｏｌ％の混合粉末を用いた造形体である。図１２の高倍率の組織観察写真であり、（ａ）はＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％、（ｂ）はＴｉＣの添加量が０．３ｖｏｌ％の混合粉末を用いた造形体である。

まず、本発明で開示する金属用３Ｄプリンターにおける高強度かつ高造形性を有する造形体の技術的特徴を示す。

本発明で開示する金属用３Ｄプリンターにおける造形体は、母材金属粉末とその凝固に対する異質核粒子からなる混合粉末を用いることにより、結晶粒が微細で等軸晶の晶出による均等に成長した組織を有している。

本発明で開示する金属用３Ｄプリンターにおける造形体は、高強度かつ高造形性を特徴としている。造形体の強度を向上させることにより、強度が必要とされる材料への展開が可能になり、造形性の向上により造形体の空孔や曲率を抑えて精度の求められる材料への応用ができる。

金属において合金の組成を損なうことは、望ましいことではないが本発明における造形体では、母材への異質核粒子の添加は非常に少ないものであるため組成の変化は非常に小さいものになる。逆に、添加した異質核は凝固後においても、その後の積層造形時に付加される不可避的加熱に伴う結晶粒成長をピン留めし、結晶粒の粗大化を防止することが期待されるのみならず、転位の移動を妨げる強化相としての役割も望める。

次に、本発明で開示する金属用３Ｄプリンターにおける高強度かつ高造形性を有するための造形方法の技術的特徴を示す。

本発明で用いる造形方法では、造形テーブルに母材金属粉末のみではなく，母材金属粉末とそれに対する異質核粒子とからなる混合粉末を配することを特徴とする。図１に造形方法の概要を示す。まず、母材金属粉末に対して融点が高く、原子配列の整合性の高い異質核粒子を添加した混合粉末を粉末混合装置によって作製する。そして、図１（ａ）に示すように、粉末供給槽に混合粉末を充填し、チャンバ内を真空に引く。次に積層１ピッチ分だけ造形テーブルを下降させて、粉末供給層を積層１ピッチ分だけ上昇させた後、ブレードによって造形テーブル上に金属粉末を敷きつめる（図１（ｂ）参照）。その後、レーザーを照射することにより１層分の混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。この際に、母材金属粉末のみが融解し凝固するため、異質核粒子が異質核生成の際に凝固の核として働き、等軸晶の晶出および結晶粒が微細化する（図１（ｃ）参照）。加えて、混合粉末の余熱を行うことにより、母材金属粉末は半溶融状態となる。そのため、余熱後に母材金属粉末の融解と凝固を行うと、造形物の凝固時の冷却速度が遅くなり、造形物内の残留応力の抑制ができる。１層分の凝固が終了すると、同様に混合粉末を積層１ピッチ分だけ造形物上に積層し、レーザーを照射することにより同様に混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。本発明においてはこの積層、余熱、融解、凝固を繰り返すことにより造形を行い、空冷することにより高強度かつ高造形性を特徴とする造形体が得られる（図１（ｄ）参照）。

造形におけるレーザー照射条件としては図２に示すレーザーの軌跡、走査ピッチ、走査速度およびレーザーの出力がある。本発明において、レーザーの出力は、図３に示すように、連続性［％］とレーザーの大きさ［Ｗ］に依存しており、この際に連続性が１００％であるとレーザーは連続波を示す。

母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる１層のみの造形を結晶粒微細化能調査の実施例として挙げるが、これが本発明の材料系を特定するものではない。図４に造形手順を示す。まず、造形テーブルに４つのくぼみの空いた金型を設置し、その中にＴｉＣの添加量を変えたＴｉ−６Ａｌ−４ＶとＴｉＣの混合粉末を投入する（図４（ａ）参照）。次に、チャンバ内を真空雰囲気にし、レーザーをそれぞれの混合粉末に対して照射する。これにより、混合粉末中のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖのみが融解するため、ＴｉＣが凝固の際の異質核として働く。その後、造形体を空冷することで異質核生成により結晶粒が微細化した造形体が得られる（図４（ｂ）参照）。

高強度、高造形性の造形体に供するための混合粉末を作製した。まず、出発材料として（株）大阪チタニウム社製の粒径４５μｍ−６５μｍのガスアトマイズ粉ＴＩＬＯＰ６４‐４５と（株）高純度化学研究所製のＴｉＣＰｏｗｄｅｒ２−５μｍをともに内容量５００ｍｌの容器に入れた。これを、（株）シンマルエンタープライゼス製のターブラーミキサー（Ｔ２Ｆ）粉末混合装置を利用して１時間の混合を行った。ここで、実施例においては混合粉末中のＴｉＣの添加量を０ｖｏｌ％〜０．３ｖｏｌ％まで０．１ｖｏｌ％毎変え、４種類の混合粉末を作製したが、これが本発明の請求範囲を限定するものではない。

次に、図５に示すような材質がＳＵＳ３０４である金型にあいた４つのくぼみにＴｉＣの添加量を変えた４種類の混合粉末を投入した。そして、造形テーブル上に金型を固定し、装置内を真空にした。装置内を真空にするのは、レーザー照射時の混合粉末の酸化を防ぐためであり、同時に金属粉末中の水分や隙間の減少にもなる。

その後、各混合粉末に対してレーザーを照射することにより母相金属粉末のみを融解した。この際、レーザーの軌跡は図６に示す通りであり、照射条件は走査ピッチ０．１０ｍｍ、走査速度１００ｍｍ／ｓ、連続性２５％であり、レーザーの大きさは１５０Ｗとした。造形体の大きさは、縦横５ｍｍの正方形であり、厚さは固定していない。造形体の冷却は装置内の真空場で行う。このとき、任意の時間の保持を行ってもよく、実施例では保持時間３０分とした。

造形体のレーザーが照射される面を観察面とし、組織観察を行った。観察面を４００番から２０００番のエメリー紙で湿式研磨後、粒径１μｍのアルミナ懸濁液でバフ研磨を施した。その後、フッ酸硝酸水溶液で腐食を行い光学顕微鏡によって組織観察を行った。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％、０．１ｖｏｌ％、０.２ｖｏｌ％および０．３ｖｏｌ％の混合粉末を用いて造形をし、空冷にて冷却を行った造形体の観察面の組織観察写真である。図７より、どの造形体においてもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの急冷凝固組織であるマルテンサイト組織と旧β相の粒界が確認できる。さらに、ＴｉＣを添加している造形体の方が、旧β相の結晶粒が微細になっている事がわかる。

次に、得られた組織観察写真をもとにＭｅａｎＬｉｎｅｒＩｎｔｅｒｃｅｐｔ法にて、各造形体の旧β相の平均結晶粒径を算出した。加えて、各造形体のビッカース硬さ試験を行い機械的性質も調査した。図８に各混合粉末における旧β相の平均結晶粒径の測定結果とビッカース硬さ試験の結果を合わせて示す。ＴｉＣの添加量の増加に伴って、旧β相の平均結晶粒径が小さくなっている。これは、異質核生成により生成される核の量が増加したことによって生じており、ＴｉＣを０．３ｖｏｌ％添加した場合に平均結晶粒径が最も小さい値をとった。ビッカース硬さ試験結果においてもＴｉＣの添加量の増加に伴って、硬さが増加しており、旧β相の平均結晶粒径が小さくなることにより機械的性質が向上している。

母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを異質核粒子としてＴｉＣを用いた金属用３Ｄプリンターによる積層造形を実施例として挙げるが、これが本発明の材料系を特定するものではない。図９に造形手順を示す。まず、図９（ａ）に示すように、粉末供給槽にＴｉ−６Ａｌ−４ＶとＴｉＣの混合粉末を充填し、チャンバ内を真空に引く。次に積層１ピッチ分だけ造形テーブルを下降させて、粉末供給層を積層１ピッチ分だけ上昇させた後、ブレードによって造形テーブル上に混合粉末を敷きつめる（図９（ｂ）参照）。そして、レーザーを照射することにより１層分の混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。この際に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖのみが融解し凝固するため、ＴｉＣが凝固の際に核として働き、等軸晶の晶出および結晶粒が微細化する（図９（ｃ）参照）。加えて、混合粉末の余熱を行う事により、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖは半溶融状態となる。そのため、余熱後にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの融解と凝固を行うと、造形体の凝固時の冷却速度が遅くなり、造形物内の残留応力の抑制ができる。１層分の凝固が終了すると、同様に混合粉末を積層１ピッチ分だけ造形物上に積層し、レーザーを照射することにより混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。本発明においてはこの積層、余熱、融解、凝固を繰り返すことにより造形を行い、空冷することにより高強度かつ高造形性を特徴とする造形体が得られる（図９（ｄ）参照）。

高強度、高造形性の造形体に供するための混合粉末を作製した。まず、（株）大阪チタニウム社製の粒径４５μｍ−６５μｍのガスアトマイズ粉ＴＩＬＯＰ６４−４５と（株）高純度化学研究所製のＴｉＣＰｏｗｄｅｒ２−５μｍをともに内容量２０００ｍｌの容器に入れた。これを、粉末混合装置を利用して１時間混合を行った。ここで、実施例２においては混合粉末中のＴｉＣの添加量は０ｖｏｌ％と実施例１において最も効果の高かった０．３ｖｏｌ％の２種類を作製した。しかし、これが本発明の請求範囲を限定するものではない。

次に、Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶとＴｉＣの混合粉末を粉末供給槽に充填し、装置内を真空にした。装置内を真空にするのは、レーザー照射時の混合粉末の酸化を防ぐためであり、同時に金属粉末中の水分や隙間の減少にもなる。そして、積層１ピッチ分だけ造形テーブルを下降させて、粉末供給層を積層１ピッチ分上昇させ、ブレードによって造形テーブル上に混合粉末を敷きつめた。積層１ピッチは０．１０ｍｍとし、これを積層厚さが１ｍｍになるまで繰り返した。

その後、混合粉末に対してレーザーを照射することにより余熱と融解を行った。この際、レーザーの軌跡は図１０に示す通りである。まず、直径１０ｍｍの円形状にレーザーを照射することにより余熱を行い、その後、縦５ｍｍ、横７．５ｍｍの長方形状に融解を行った。そして、１層ごとにレーザーの照射方向が逆になるようにクロススキャンした。照射条件は余熱では走査ピッチ０．１０ｍｍ、走査速度１２００ｍｍ／ｓ、連続性４０％、レーザーの大きさは７０Ｗであり、融解では走査ピッチ０．１０ｍｍ、走査速度５０ｍｍ、連続性６０％、レーザーの大きさ７０Ｗとし、造形体の大きさは、縦５ｍｍ、横７．５ｍｍの長方形とした。１層分の凝固が終了すると、同様に混合粉末を積層１ピッチ分だけ造形物上に積層し、レーザーを照射することにより混合粉末の余熱および融解と凝固を行った。本発明においてはこの積層、余熱、融解、凝固を繰り返すことにより造形を行った。造形体の冷却は装置内の真空場で行う。このとき、任意の時間の保持を行ってもよく、実施例では保持時間３０分とした。

造形体の積層断面を観察面とし、組織観察を行った。観察面を４００番から２０００番のエメリー紙で湿式研磨後、粒径１μｍのアルミナ懸濁液でバフ研磨を施した。その後、フッ酸硝酸水溶液で腐食を行い光学顕微鏡によって組織観察を行った。図１１（ａ）および（ｂ）はそれぞれＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％および０．３ｖｏｌ％の混合粉末を用いて造形をし、空冷にて冷却を行った造形体の観察面の断面組織観察写真である。図１１よりどの造形体においても１層１層の間に隙間がある事がわかる。しかし、図１１（ａ）と（ｂ）を比べるとＴｉＣを０．３ｖｏｌ％添加している造形体の方が、ＴｉＣを添加していないものよりも空孔が非常に少なくなっていることがわかる。

次に、得られた組織観察写真より、連続した層の長軸平均長さと下部における曲率平均半径を求めた。表３にＴｉＣを０ｖｏｌ％添加のものとＴｉＣを０．３ｖｏｌ％添加したものの長軸平均長さと曲率平均半径を示す。表３よりＴｉＣを０．３ｖｏｌ％添加したものはＴｉＣを添加していないものよりも長軸平均長さ、曲率平均半径において大きい値をとっており、ＴｉＣを添加することにより、層の連続性の高い造形に加え、層の湾曲を抑えた造形ができていることがわかる。これは、凝固の際にＴｉＣが異質核粒子として働くことにより異質核生成が生じ、かつ造形性が向上し、多くの等軸晶が均等に成長したことによると考えられる。

造形体の水平面を観察面とし、組織観察を行った。観察面を２２０番から２０００番のエメリー紙で湿式研磨後、粒径１μｍのアルミナ懸濁液でバフ研磨を施した。その後、フッ酸硝酸水溶液で腐食を行い光学顕微鏡によって組織観察を行った。図１２（ａ）および（ｂ）はそれぞれＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％および０．３ｖｏｌ％の混合粉末を用いて造形をし、空冷にて冷却を行った造形体の観察面の組織観察写真である。水平面においても積層断面と同様に、図１２（ａ）と（ｂ）を比べるとＴｉＣを０．３ｖｏｌ％添加している造形体の方が、ＴｉＣを添加していないものよりも空孔が非常に少なくなっていることがわかる。加えて、観察面での空孔が占める面積の割合はＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％のもので２０．６％、０．３ｖｏｌ％のもので７．６％であり、ＴｉＣを添加したものでは空孔が減少している。これは異質核生成により、等軸晶が形成し、また造形性が向上し凝固が均一に生じ、等軸晶が均等に成長したことによって生じている。

図１３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ図１２の（ａ）および（ｂ）の高倍率の組織観察写真を示す。図１３よりどちらの造形体においてもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの急冷凝固組織である旧β粒界とマルテンサイト組織が見られた。そして、各造形体の旧β相の平均結晶粒径はＴｉＣの添加量が０ｖｏｌ％のもので６３．２μｍ、０．３ｖｏｌ％のもので４６．２μｍであり、ＴｉＣを添加することにより異質核生成が生じて組織が微細化した。

なお、上記実施例では母材金属粉末としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、異質核粒子としてＴｉＣを用いた。しかし、異質核を他の整合性の高い粒子に変更しても何ら問題なく、またＴｉ−６Ａｌ−４Ｖをたとえばマルエージング鋼やアルミニウム合金などの積層造形に用いられている金属に変え、異質核粒子を選択した金属に対して融点が高く原子配列の整合性のいい金属間化合物に変えても同様な効果を得ることができる。重要なことは、母材金属粉末とそれに対する異質核粒子からなる混合粉末を用いて金属用３Ｄプリンターによって造形を行う事により、高強度かつ高造形性を持つ造形体を作製できる点にある。

本発明は、精度が求められる金型や機械部品などに用いることができる。さらに、材料を生体用材料に変えれば、人工骨や歯の補綴物としても利用が可能であることから非常に幅広い製造形態に利用できる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。加えて、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims

金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とする造形を行うために用いられる母材金属粉末とその凝固に対する異質核粒子からなる混合粉末。
金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とする造形を行うために用いられる母材金属粉末に対して融点が高く、母材金属に対する原子配列の整合性が高い異質核粒子。
金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とする造形を行うために用いられる母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖであり、それに対して融点が高く、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに対する原子配列の整合性が高いＴｉＣを異質核粒子とした混合粉末。
金属用３Ｄプリンターにおいて高強度かつ高造形性を特徴とする造形を行うために用いられる母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖであり、それに対して融点が高く、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに対する原子配列の整合性が高い異質核粒子がＴｉＣであり、それらには粒径差があることを特徴とした混合粉末。
母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、異質核粒子がＴｉＣであり、粒径差を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ粒子とＴｉＣ粒子とからなる混合粉末を用いた高強度かつ高造形性を特徴とする金属用３Ｄプリンターにおける造形体。
母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、異質核粒子がＴｉＣであり、粒径差を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ粒子とＴｉＣ粒子とからなる混合粉末に対して真空場でレーザーにより融解と凝固を行い、これを積み重ねることによる、高強度かつ高造形性を特徴とする金属用３Ｄプリンターにおける造形体。
母材金属粉末がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、異質核粒子がＴｉＣであり、粒径差を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ粒子とＴｉＣ粒子とからなる混合粉末に対して真空場でレーザーにより融解と凝固を行い、これを積み重ねることにより、結晶粒微細化による高強度かつ等軸晶の晶出に伴う高造形性を特徴とする金属用３Ｄプリンターにおける造形体。