JP2018150615A - 直接金属レーザ溶融のための材料 - Google Patents

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Abstract

【課題】物理特性に優れた、直接金属レーザ溶融用ニッケル合金の提供。
【解決手段】直接金属レーザ溶融のためのニッケル合金が開示される。この合金は、１．６〜２．８重量％のアルミニウムと、２．２〜２．４重量％のチタンと、１．２５〜２．０５重量％のニオブと、２２．２〜２２．８重量％のクロムと、８．５〜１９．５重量％のコバルトと、１．８〜２．２重量％のタングステンと、０．００１〜０．０５重量％の炭素と、０．００２〜０．０１５重量％のホウ素と、４０〜７０重量％のニッケルとを含む粉末を含んでいる。関連するプロセスおよび物品（１０２）も開示される。
【選択図】図１

Description

本開示は、広くには、直接金属レーザ溶融（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＤＭＬＭ）技術のための材料に関する。
ＤＭＬＭは、選択的レーザ溶融（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）（ＳＬＭ）と呼ばれることもあり、複雑な形状を有する部品の製作に使用することができる付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技術であるが、非付加製造の技術において一般的な工作機械の技術を必要としない。ＤＭＬＭは、多くの場合、デジタル形式の３Ｄ ＣＡＤデータを典型的には高出力のレーザであるエネルギ源と組み合わせて使用し、金属粉末または合金粉末の粒子を互いに融合させることにより、三次元の金属または合金部品を生成する。この事実ゆえ、使用されるＤＭＬＭ粉末の品質が、得られる部品の物理的特性および品質に直接的に影響を及ぼすことになる。
これまでの実施形態において、ＤＭＬＭ用のいくつかの材料が利用されてきた。例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、マルエージング鋼（または、工具鋼）、チタン合金、およびコバルトクロムが、これまでに利用されている。しかしながら、より良好なＤＭＬＭ粉末を開発する必要がある。
米国特許出願公開第２０１０／０１３５８４７号明細書
本明細書に開示される本発明の実施形態は、直接金属レーザ溶融のためのニッケル合金であって、約１．６〜約２．８重量％のアルミニウムと、約２．２〜約２．４重量％のチタンと、約１．２５〜約２．０５重量％のニオブと、約２２．２〜約２２．８重量％のクロムと、約８．５〜約１９．５重量％のコバルトと、約１．８〜約２．２重量％のタングステンと、約０．００１〜約０．０５重量％の炭素と、約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素と、約４０〜約７０重量％のニッケルとを含む粉末を含んでいるニッケル合金を含むことができる。
さらに、本発明の実施形態は、物品を製造する方法であって、物品の３Ｄ設計ファイルを用意するステップと、３Ｄプリンタを使用して、３Ｄ設計ファイルに従って繰り返し積層する方法でエネルギ源を粉末へと適用するステップとを含んでおり、粉末は、約１．６〜約２．８重量％のアルミニウムと、約２．２〜約２．４重量％のチタンと、約１．２５〜約２．０５重量％のニオブと、約２２．２〜約２２．８重量％のクロムと、約８．５〜約１９．５重量％のコバルトと、約１．８〜約２．２重量％のタングステンと、約０．００１〜約０．０５重量％の炭素と、約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素と、約４０〜約７０重量％のニッケルとを含んでいる方法を含むことができる。
さらに、本発明の実施形態は、粉末と、少なくとも粉末の層を保持するためのビルドプラットフォームと、物品の３Ｄ設計ファイルに従って繰り返し積層する方法で粉末へとエネルギ源を適用するように構成された３Ｄプリンタとを含んでおり、粉末は、約１．６〜約２．８重量％のアルミニウムと、約２．２〜約２．４重量％のチタンと、約１．２５〜約２．０５重量％のニオブと、約２２．２〜約２２．８重量％のクロムと、約８．５〜約１９．５重量％のコバルトと、約１．８〜約２．２重量％のタングステンと、約０．００１〜約０．０５重量％の炭素と、約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素と、約４０〜約７０重量％のニッケルとを含む直接金属レーザ溶融システムを含むことができる。
本開示のこれらの特徴および他の特徴は、本発明の種々の態様の以下の詳細な説明を、本発明の種々の態様を示す添付の図面と併せて検討することで、より容易に理解されるであろう。
本開示の実施形態による物品を表すコードを記憶する非一時的なコンピュータにとって読み取り可能な記憶媒体を含む付加製造プロセスのブロック図を示している。
図面が必ずしも比例尺ではないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様だけを示すことを目的としており、したがって、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面においては、図面間で類似する符号は類似する要素を示す。例として図面を参照しながら、詳細な記述によって、本発明の実施形態を利点および特徴と共に説明する。
本明細書では、直接金属レーザ溶融に使用するためのニッケル合金が開示される。ニッケル合金を、溶接、焼結、およびレーザ溶融に好都合に使用することができる。ニッケル合金は、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、コバルト、タングステン、炭素、ホウ素、およびニッケルを含む粉末を含む。アルミニウムおよびチタンの濃度の独自の組み合わせにより、低サイクル疲労、クリープひずみ、耐酸化性、および耐高温腐食性に関する特性を改善することができる。
いくつかの実施形態において、ニッケル合金は、約１．６〜約２．８重量％のアルミニウムおよび約２．２〜約２．４重量％のチタンを含むことができる。この化学的性質は、高温強度と溶接性との間の良好な妥協を提供する。これらの特徴および他の特徴は、以下の説明に照らして、より明確になるであろう。
いくつかの実施形態において、ニッケル合金粉末は、以下の濃度、すなわち約１．２５〜約２．０５重量％のニオブ、約２２．２〜約２２．８重量％のクロム、約８．５〜約１９．５重量％のコバルト、約１．８〜約２．２重量％のタングステン、約０．００５〜約０．１重量％の炭素、約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素、および約４０〜約７０重量％のニッケルを、さらに含むことができる。より具体的には、いくつかの実施形態において、ニッケル合金粉末は、約０．００１〜約０．０５重量％の炭素を含むことができ、いくつかの実施形態においては、約０．００５〜約０．０１重量％の炭素を含んでもよい。炭素は、ニッケル合金粉末中の他の元素と結合して、炭化物を形成することができる。これらの炭化物は、ニッケル合金粉末を強化し、ニッケル合金粉末内に残留応力を生成する。３Ｄ印刷の際に、これらの応力を緩和することが望ましいかもしれない。これらの応力の緩和に対して抵抗が存在する場合、ニッケル合金粉末内に亀裂が生じる可能性がある。すなわち、ニッケル合金粉末の炭素含有量が多くなると、炭化物の量が多くなり、ひび割れの傾向が生じる。したがって、炭素の含有量を低く抑えることが、ひび割れの防止に役立つ。インベストメント鋳造などの他の製造プロセスにおいては、インベスト鋳造における亀裂の問題は典型的には炭素または炭化物の量の多さによって引き起こされるのではないため、炭素の量を３Ｄ印刷の場合と同じように懸念する必要がない。
いくつかの実施形態において、ニッケル合金粉末は、小型の粒子を含む。例えば、粒子は、約４４ミクロン以下のサイズであってよい。このサイズパラメータは、熱源ならびに粉末の粒子の溶融または焼結の容易さゆえに、ＤＭＬＭへの使用の適性を高める。さらなる実施形態において、粒子は、直径が約１０ミクロン以上であってよい。理解されるとおり、これらのサイズ範囲は、５ミクロンずつ変化してよく、粉末の粒子を、サイズ範囲内で合成することができ、あるいは任意の現時点において知られた技術または後に開発される技術を使用して特定のサイズへとろ過することができる。いくつかの実施形態においては、特定のサイズのふるいを用いて粒子をろ過することができ、いくつかの場合には、最大サイズのふるいおよび最小サイズのふるいを利用して、ニッケル合金粉末の粒子の直径の上限および下限を生み出すことができる。
さらなる実施形態において、上記開示のニッケル合金粉末は、物品の製造方法において使用される。とくには、この方法は、物品の３Ｄ設計ファイルを用意することを含むことができる。次いで、３Ｄプリンタを使用して、上記の合金粉末が繰り返し積層する方法で適用され、エネルギ源が粉末へと適用される。上述のように、この製造プロセスに用いられる粉末は、ひずみ範囲パーセンテージおよびひび割れ開始までのサイクル数によって測定される低サイクル疲労特性を有する物品を生み出す。また、この物品は、クリープ歪みが小さく、耐酸化性が高く、耐高温腐食性が高いという特性を有する。本発明の実施形態による物品は、これらの特性ゆえに、これらに限られるわけではないがＨａｓｔＸ、ＩＮ６１７、およびＩＮ６２５などの以前の合金よりも強力である。
この製造プロセスの物品は、いくつかの用途に使用可能である。例えば、物品を、タービンの構成要素として使用することができる。物品を、第１段階およびさらに後段のタービンノズルの用途、ならびにタービン用の大型バケットに使用することができる。
ＤＭＬＭなどの典型的な付加製造プロセスを説明するために、図１は、物品１０２を生成するための例示のコンピュータによる付加製造システム１００の概略図／ブロック図を示している。この例において、システム１００は、ＤＭＬＭ用として構成されている。本開示の全体的な教示が、他の形態の付加製造にも同様に適用可能であることを、理解すべきである。物品１０２が、二重壁のタービン要素として示されているが、付加製造プロセスを、任意の物品の製造に容易に適応させることができることを、理解すべきである。ＡＭシステム１００は、一般に、コンピュータによる付加製造（ＡＭ）制御システム１０４およびＡＭプリンタ１０６を含む。ＡＭシステム１００は、後述されるように、ＡＭプリンタ１０６を使用して物体を物理的に生成するために物品１０２を定義する一式のコンピュータによる実行が可能な命令を含むコード１２０を実行する。各々のＡＭプロセスは、例えば、細粒粉末、液体（例えば、ポリマー）、シート、などの形態のさまざまな原材料を使用することができ、その在庫を、上記開示のニッケル合金粉末を含むＡＭプリンタ１０６のチャンバ１１０に保持することができる。図示されているように、アプリケータ１１２が、最終的な物体の一連の各々の薄切り（ｓｌｉｃｅ）を生み出す空白のキャンバスとして広がる原材料１１４の薄い層を形成することができる。他の場合において、アプリケータ１１２は、例えば材料がポリマーである場合に、コード１２０によって定められるとおりに先行の層上に次の層を直接適用または印刷することができる。図示の例では、レーザまたは電子ビーム１１６が、コード１２０によって定められるとおりに、各々の薄切りにおける粒子を融合させる。ＡＭプリンタ１０６の種々の部分を、各々の新しい層の追加に対応するように移動させることができ、例えば各層の後で、ビルドプラットフォーム１１８を下降させることができ、さらには／あるいはチャンバ１１０および／またはアプリケータ１１２を上昇させることができる。
ＡＭ制御システム１０４は、コンピュータプログラムコードとしてコンピュータ１３０上に実装されて示されている。この点に関し、コンピュータ１３０は、メモリ１３２、プロセッサ１３４、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース１３６、およびバス１３８を含むものとして示されている。さらに、コンピュータ１３０は、外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース１４０および記憶システム１４２と通信するものとして示されている。一般に、プロセッサ１３４は、本明細書に記載の物品１０２を表すコード１２０からの命令の下で、メモリ１３２および／または記憶システム１４２に記憶されたＡＭ制御システム１０４などのコンピュータプログラムコードを実行する。コンピュータプログラムコードの実行時に、プロセッサ１３４は、メモリ１３２、記憶システム１４２、Ｉ／Ｏデバイス１４０および／またはＡＭプリンタ１０６からデータを読み出し、さらにはあるいはメモリ１３２、記憶システム１４２、Ｉ／Ｏデバイス１４０および／またはＡＭプリンタ１０６にデータを書き込むことができる。バス１３８は、コンピュータ１３０の構成要素の各々の間の通信リンクを提供し、Ｉ／Ｏデバイス１４０は、コンピュータ１３０との対話をユーザにとって可能にする任意のデバイス（例えば、キーボード、ポインティングデバイス、ディスプレイ、など）を備えることができる。コンピュータ１３０は、ハードウェアおよびソフトウェアの種々の考えられる組み合わせを表しているにすぎない。例えば、プロセッサ１３４は、ただ１つのプロセシングユニットを備えることができ、あるいは例えばクライアント上およびサーバ上などの１つ以上の場所の１つ以上のプロセシングユニットに分散することができる。同様に、メモリ１３２および／または記憶システム１４２は、１つ以上の物理的場所に存在することができる。メモリ１３２および／または記憶システム１４２は、磁気媒体、光学媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、などを含むさまざまな種類の非一時的なコンピュータにとって読み取り可能な記憶媒体の任意の組み合わせを備えることができる。コンピュータ１３０は、ネットワークサーバ、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、携帯デバイス、携帯電話機、ポケットベル、携帯情報端末、などの任意の種類のコンピューティングデバイスを備えることができる。
付加製造プロセスは、非一時的なコンピュータにとって読み取り可能な記憶媒体（例えば、メモリ１３２、記憶システム１４２、など）に物品１０２を表すコード１２０を記憶することで始まる。上述のように、コード１２０は、物品１０２を定める一式のコンピュータによる実行が可能な命令を含んでおり、そのような命令を、システム１００によるコードの実行時に物体を物理的に生成するために使用することができる。例えば、コード１２０は、物品１０２の正確に定められた３Ｄモデルを含むことができ、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）、ＴｕｒｂｏＣＡＤ（登録商標）、Ｄｅｓｉｇｎ ＣＡＤ ３Ｄ Ｍａｘ、などの多様な周知のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアシステムのいずれかから生成することができる。この点に関し、コード１２０は、任意の現時点において知られたファイルフォーマットまたは後に開発されるファイルフォーマットをとることができる。例えば、コード１２０は、３Ｄ ＳｙｓｔｅｍｓのステレオリソグラフィＣＡＤプログラム用に生成された標準テッセレーション言語（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｓｅｌｌａｔｉｏｎ Ｌａｎｇｕａｇｅ）（ＳＴＬ）によることができ、あるいは任意のＡＭプリンタ上で製作される任意の三次元物体の形状および構成の記述をあらゆるＣＡＤソフトウェアにとって可能にするように設計された拡張マークアップ言語（ＸＭＬ）ベースのフォーマットである米国機械学会（ＡＳＭＥ）規格の付加製造ファイル（ＡＭＦ）によることができる。コード１２０は、必要に応じて、異なるフォーマット間での変換、一式のデータ信号への変換、一式のデータ信号としての送受信、コードへの変換、記憶、などが可能であってよい。コード１２０は、システム１００への入力であってよく、部品設計者、知的財産（ＩＰ）提供者、設計会社、システム１００のオペレータまたは所有者、あるいは他の出所からもたらされてよい。いずれにせよ、ＡＭ制御システム１０４は、コード１２０を実行し、物品１０２をＡＭプリンタ１０６を使用して液体、粉末、シート、または他の材料の連続層にて作られる一連の薄切りとする。ＤＭＬＭの例において、各層は、コード１２０によって定められる正確な形状へと溶融させられ、先行の層に融合させられる。その後に、物品１０２に、例えば軽微な機械加工、シーリング、研磨、イグナイタチップの他の部分への組み付け、などの任意のさまざまな仕上げ処理を加えることができる。
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的とし、本開示を限定することを目的とするものではない。本明細書で用いられるように、文脈で別途明確に指示しない限り、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「前記（ｔｈｅ）」は複数形も含むものとする。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合に、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成部品の存在を示すが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、および／またはこれらのグループの存在もしくは追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。
本発明は、限られた数の実施形態に関して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまでに説明していないが、本発明の精神および範囲に相応する、任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むように修正されてもよい。また、本発明のさまざまな実施形態を説明したが、本発明の態様は、説明した実施形態のうちの一部のみを含んでもよいことが理解されよう。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
１００ コンピュータによる付加製造システム
１０２ 物品
１０４ 付加製造ＡＭ制御システム
１０６ ＡＭプリンタ
１１０ チャンバ
１１２ アプリケータ
１１４ 原材料
１１６ 電子ビーム
１１８ ビルドプラットフォーム
１２０ コードの記憶
１３０ コンピュータ
１３２ メモリ
１３４ プロセッサ
１３６ 入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース
１３８ バス
１４０ Ｉ／Ｏデバイス
１４２ 記憶システム

Claims (12)

  1. 直接金属レーザ溶融のためのニッケル合金であって、
    約１．６〜約２．８重量％のアルミニウムと、
    約２．２〜約２．４重量％のチタンと、
    約１．２５〜約２．０５重量％のニオブと、
    約２２．２〜約２２．８重量％のクロムと、
    約８．５〜約１９．５重量％のコバルトと、
    約１．８〜約２．２重量％のタングステンと、
    約０．００１〜約０．０５重量％の炭素と、
    約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素と、
    約４０〜約７０重量％のニッケルと
    を含む粉末を含んでいる、ニッケル合金。
  2. 前記粉末は、約４４ミクロン以下のサイズの粒子を含む、請求項１に記載のニッケル合金。
  3. 前記粉末は、約１０ミクロン以上のサイズの粒子を含む、請求項２に記載のニッケル合金。
  4. 物品（１０２）を製造する方法であって、
    物品（１０２）の３Ｄ設計ファイルを用意するステップと、
    ３Ｄプリンタを使用して、前記３Ｄ設計ファイルに従って繰り返し積層する方法でエネルギ源を粉末へと適用するステップと
    を含んでおり、
    前記粉末は、
    約１．６〜約２．８重量％のアルミニウムと、
    約２．２〜約２．４重量％のチタンと、
    約１．２５〜約２．０５重量％のニオブと、
    約２２．２〜約２２．８重量％のクロムと、
    約８．５〜約１９．５重量％のコバルトと、
    約１．８〜約２．２重量％のタングステンと、
    約０．００１〜約０．０５重量％の炭素と、
    約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素と、
    約４０〜約７０重量％のニッケルと
    を含む、方法。
  5. 前記粉末は、約４４ミクロン以下のサイズの粒子を含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記粉末は、約１０ミクロン以上のサイズの粒子を含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記使用は、溶接、焼結、またはレーザ溶融を含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記物品（１０２）は、タービン構成要素を含む、請求項４に記載の方法。
  9. 少なくとも粉末の層を保持するためのビルドプラットフォーム（１１８）と、
    物品（１０２）の３Ｄ設計ファイルに従って繰り返し積層する方法で前記粉末へとエネルギ源を適用するように構成された３Ｄプリンタと
    を備えており、
    前記粉末は、
    約１．６〜約２．８重量％のアルミニウムと、
    約２．２〜約２．４重量％のチタンと、
    約１．２５〜約２．０５重量％のニオブと、
    約２２．２〜約２２．８重量％のクロムと、
    約８．５〜約１９．５重量％のコバルトと、
    約１．８〜約２．２重量％のタングステンと、
    約０．００１〜約０．０５重量％の炭素と、
    約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素と、
    約４０〜約７０重量％のニッケルと
    を含む、直接金属レーザ溶融システム。
  10. 前記粉末は、約４４ミクロン以下のサイズの粒子を含む、請求項９に記載の直接金属レーザ溶融システム。
  11. 前記粉末は、約１０ミクロン以上のサイズの粒子を含む、請求項１０に記載の直接金属レーザ溶融システム。
  12. 前記物品（１０２）は、タービン構成要素を含む、請求項９に記載の直接金属レーザ溶融システム。
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