JP2018532051A - 生成的製造方法を介したワークピースの製造方法、対応するワークピース - Google Patents

Abstract

本発明は、ワークピース（１００）を製造する方法に関する。本方法は、所定の表面構造（２）を有する基板（１）を提供するステップと、表面構造（２）が、製造されるワークピース（１００）の基面（３）を画定するように、表面構造（２）上でワークピース（１００）用の材料（５）を生成的製造するステップとを含み、生成的製造は堆積溶接によって実行され、基面（３）は、製造されるワークピース（１００）の輪郭（４）に対して、ワークピース（１００）の少なくとも部分的に内側の面である。本方法はさらに、基板（１）を分離させるステップを含む。

Description

本発明は、流体流動機械、例えばガスタービンなどの高温ガス通路において使用されるワークピースまたは部品などのようなワークピース、例えば高温耐性ワークピースを製造する方法に関する。本発明はまた、前記方法によって製造された、または前記方法によって製造され得るワークピースに関する。

例えば選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）、および堆積溶接法、例えばレーザクラッディング法（または「レーザ金属堆積」の名をとったＬＭＤ）のような３次元（３Ｄ）構造を製造するための付加的または生成的製造法は、例えば、高温ガスまたは高温にさらされるガスタービンの部品の製造の間に、および修理の間にも使用される。ＳＬＭ法は、例えば８０μｍから１００μｍ以下の細かさまたは構造サイズを有する、比較的微細な内部構造を有する複雑な成形品またはワークピースの生成的構築を可能にしている。

ＳＬＭ法は粉末床法に属しており、構造サイズの縮小または表面粗さの改善は、粉末比率のサイズを約２０〜４０μｍの平均粉末粒度まで減少させることによって主に達成することができる。さらに細かい粉粒は、もはや一般に搬送および／または適用することができない。ＳＬＭ法によって製造される表面の達成可能な表面粗さは、おおよそ６０μｍ〜１００μｍである。ＳＬＭ法はまた、３〜８ｃｍ^３／ｈの構築速度または堆積速度を可能にしている。

前述の堆積溶接法またはＬＭＤ法とは対照的に、ＳＬＭプロセスは、１つの軸のみに沿った構造の構築を可能にするか、および／または、適切な場合には、熱の必要な消散のために、例えば、製作されるオーバーハングまたは中空構造が製造の間に支持されることを可能にする支持構造に頼ることが必要である。しかしながら、これらの支持構造は、不要な堆積材料を必要とし、さらに、その後、複雑な方法で実際の所望の構造から分離されるか、または適切に再加工される必要がある。

一方、ＬＭＤプロセスでは、少なくとも３つの軸（例えば、互いに垂直な３つの空間方向）に沿って、生成的または付加的な構築を実行することができる。ＬＭＤ法において、代わりに５軸または８軸の装置が、例えば、構築される材料の基礎または基礎構造で使用することができ、および堆積または製造ヘッドまたは適切な粉末ノズルまたはレーザ装置は、３つの相互に垂直な空間方向において移動可能である。８軸の装置、すなわち８つの幾何学的な自由度を有する場合、基礎構造はさらに、２つの異なる軸（回転軸および／または傾斜軸）の周りを移動可能であり得る。

ＬＭＤ法は、通常、３Ｄ構造が準等方的に構築または製造され得るＣＡＤ（「コンピュータ支援設計」）および／またはロボット支援の方法である。ＳＬＭ法とは対照的に、ここでは、構造物またはワークピースの構築の間に、複数の材料間を行ったり来たり「切り替える」ことも同様に可能である。ＬＭＤ法は、３０から４０ｃｍ^３／ｈの構築または堆積速度を可能にする。ＬＭＤ法の１つの欠点は、１５０μｍ未満の構造サイズまたは構造寸法を有する内部構造または内側の構造または形状を作成することの困難性に関しており、これはこの点に関して付加的製造に制限が課されることを意味している。

特に、流体流動機械用、例えばガスタービン用の部品の製造の間に、１００μｍまたは１５０μｍよりかなり小さいある程度の構造サイズを有する内部構造が、異なる用途のために考えられる多数の部品に対して望まれるか、または要求されている。そのような構造は、現在のところ、時間がかかりおよび費用のかかる鋳造技術によってのみ生産可能である。

堆積溶接法は、例えば、欧州特許出願公開第２７５６９０９号明細書から知ることができる。

欧州特許出願公開第２７５６９０９号明細書

従って、本発明の目的は、ワークピースまたは部品を製造する改善された方法、特に部品をより費用効率的および／または時間効率的に製造することができる方法、または改善された特性を有する部品を製造する方法を特定することである。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。有利な改良形態は、従属請求項の内容である。

本発明の１つの態様は、所定の表面構造を有する基板を提供することを含む、ワークピースを製造する方法に関する。ワークピースは、好ましくは、流体流動機械、例えば発電用ガスタービンの高温ガス通路において使用するための高温耐性部品である。

所定の表面構造は、好ましくは微視的表面構造である。換言すれば、所定の表面構造は、少なくとも１つの微視的表面構造要素を好ましくは有する。表面構造はまた予め決定されており、例えば、特定用途向けのそのトポグラフィまたは構造に関して定義されている。

本方法はまた、表面構造が、製造されるワークピースの基面を画定するように、所定の表面構造上でワークピースまたは部品用の材料を生成的製造することを含み、生成的製造は堆積溶接によって実行され、基面は、製造されるワークピースの輪郭に対してワークピースの少なくとも部分的に内側の面である。

この場合の生成的製造または生成的製作は、好ましくは、３Ｄワークピースまたは部品の主要な成形または付加的構築を意味している。

基面は、好ましくはワークピースの下側の表面であり、その構造は、好ましくは、製造の間に最初に構築され、または堆積される。この意味では、基板は、好ましくは、ワークピースまたは部品のために形成が可能であり、本発明による方法によって、基板の構造は、製造され、またはその上に像が描かれるワークピースの基面に転写することができる。この意味で、ワークピースの基面は、例えば、所定の表面構造のネガまたはポジを有するか、または形成することができる。表面構造は、好ましくは、対応するネガを形成するか、またはネガを表し、および基面は対応するポジを形成するか、またはポジを表す。基面は、さらに好ましくは、基板の表面構造の陥凹を表し、陥凹を画定するか、または前述の陥凹を含む。これに関連して、本開示によるワークピースは同様に（画像化された）表面構造を有することができる。

本方法はまた、生成的製造の後に、例えば酸処理または従来技術からのさらなる方法による基板の分離を含む。

上述した方法は、さらなる方法のステップ、例えば材料の生成的製造の後の温度処理を含むことができ、特に、ワークピースのために有益であるかまたは要求される結晶構造または材料相が特に確立される。そのプロセスでは、材料内の結晶欠陥を治癒することができ、および／または材料内の内部応力を低減することができる。

上述した方法の利点として、本発明によれば、例えば、従来のＬＭＤ技術によってのみ、すなわち本発明による基面を定義せずには達成することができない基面上の内部構造または内部構造の対応する寸法を製造することが可能である。これは、特に、上述した方法によって、所定の表面構造が、基板を介してＬＭＤ法によって製造されるワークピースに対する基面を画定するという事実によって達成される。

所定の表面構造を有する基板の提供の後で、いかなる所望の３Ｄワークピースまたは部品を、任意の所望の方法で、例えば表面構造によって画定される基面を有する堆積溶接によって製造することができる。特に、複雑で微視的な内部構造の成形の間に、数か月間（例えば６ヶ月）続く現像（ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）をしばしば受ける必要のある従来の鋳造技術によって、鋳造コアまたは鋳造部品の時間のかかる製造を省略することが可能である。逆に、ＬＭＤプロセスの前述の利点を利用することができる。

１つの改良形態では、生成的製造は、レーザクラッディング、特にレーザ粉末堆積溶接によって実行される。この改良形態によれば、生成的製造のための方法は有利には堆積溶接法である。

１つの改良形態では、特にレーザ堆積溶接による、ワークピース用の材料の生成的製造の間に、露光時間、レーザ出力および／またはさらなるパラメータが、ワークピースの所望の表面構造に従って設定される。ここで、例えば、ワークピース用に構築される材料の粒子の配向または粒径は、調整されるか、または影響を受けることができ、これは例えば、材料のクリープ強度または耐クラック性または延性が最適化され得ることを意味している。代替的にまたは付加的に、前述の改良形態によって、例えば関連する材料の凝集または接着に対する結合欠陥を防止することができる。

内部表面は、ワークピースの内方に向けられたか、または内部に配置された表面とすることができる。換言すれば、基面は、好ましくは、前述の輪郭の内部または上に少なくとも部分的に位置している。この意味で、輪郭は、好ましくは、ワークピースまたは部品の包囲表面を説明している。

１つの改良形態では、基板の提供は、基面の画定のための表面構造が、（それぞれ）１００μｍ未満の寸法を有している少なくとも１つの表面構造要素、好ましくは複数の表面構造要素を有しているような方法で実行される。

１つの改良形態では、基板の提供は、基面の画定のための表面構造が、（それぞれ）８０μｍ未満の寸法を有している少なくとも１つの表面構造要素、好ましくは複数の表面構造要素を有しているような方法で実行される。

上述した方法の本発明の利点は、基面上の構造または特徴の改善された「分解能」および／または増大した製造精度に関する。さらに、複雑な支持構造を省略することが可能である。

特に、例えばＳＬＭ技術のような粉末床法、またはフライス加工ヘッドのサイズのために、前述の内側へのフライス工具の接近性が欠けているフライス加工技術のどちらかでは達成できない、例えば接近が困難な部品またはワークピースの内側に、１００μｍ未満の個々の構造サイズを有する微細構造を製造することが可能である。

１つの改良形態では、ワークピース用の材料は、ニッケル基またはコバルト基超合金またはそのための出発材料である。

１つの改良形態では、ワークピース用の材料は、ニッケル基またはコバルト基超合金またはそのための出発材料を含む。

これらの改良形態は、流体流動機械の分野におけるワークピースまたは部品の使用のために特に好都合である。

１つの改良形態では、ワークピースは高温耐性部品、例えば、ガスタービンのような流体流動機械の熱風または高温ガス通路内で、または熱風または高温ガス通路と共に使用される部品である。耐高温性とは、特に、ワークピースまたは部品またはその材料が、高度に耐熱性であり、１０００℃、好ましくは１２００℃より上の融点を有しており、および／または例えば対応する材料の融点の８０％、９０％またはそれ以上の動作温度に到達することを意味し得る。

１つの改良形態では、基板の提供は、基板が、表面構造を形成するセラミックまたは鋳造部品を含むような方法で実行される。具体的に言えば、基板はセラミックまたは鋳造部品を含むことができる。部品は、例えば、精密鋳造によって製造または提供することができる。

１つの改良形態では、本提供は、表面構造が主成分として耐熱金属または高融点金属を含むような方法で実行される。

この改良形態によれば、表面構造は、好ましくは、電子ビーム溶融によって、基板の適切な構築によって製造される。粉末床法としての電子ビーム溶融は、特に、ＳＬＭ法に類似した方法で、３次元構造、すなわち準２次元層構造だけではない、付加的製造を可能にする。ここで、材料または金属を溶融させるさらに高い温度が電子ビームによって達成される。この改良形態によれば、有利には、基板としてセラミックを省略することも可能である。特に、電子ビーム溶接による表面構造の製造はまた、鋳造コアと比較して単純化され、および加速された表面構造の提供を可能にする。しかしながら、この改良形態によれば、ある特定の環境下では、そこまで小さくなくまたは複雑でない内部構造は、鋳造技術の助けを借りて達成可能である。いずれにしても、構造サイズに関しては、この改良形態は、ＬＭＤ技術によってのみ製造されていたワークピースと比較して、より小さくまたはより複雑な表面構造の製造を可能にしている。

１つの改良形態によれば、表面構造は、好ましくは、例えば主成分としてアルミニウムまたは銅を有する選択的レーザ溶融によって、基板の適切な構築によって製造される。この改良形態の利点は、前の改良形態で説明したものと同等である。特に、セラミック鋳造部品または鋳造コアを避けることによって、ワークピースの製造方法の改善、および／または表面構造要素のより高い幾何学的分解能が達成される。

１つの改良形態では、生成的製造は、生成的製造の間に、対応する装置の粉末焦点が表面構造とレーザ焦点との間で確立されるレーザ粉末堆積溶接によって実行される。この改良形態は、好ましくは、セラミック部品が基板として使用され、および／または表面構造が選択的レーザ溶接によって製造または提供されるものに対応している。利点としては、レーザビームの照射による生成的製造の間に、表面構造の燃焼や溶融を避けることができる。

本発明のさらなる態様は、本明細書で説明する方法で製造されたか、または製造可能であるワークピースまたは部品、例えば基面を含むワークピースに関連しており、ここで、ワークピースの製造方法は、基板の所定の表面構造上のワークピース用材料の生成的製造を含み、表面構造は基面を画定する。換言すれば、基面は、表面構造の陥凹または表面構造の一部を含む。基面は、同様に、所定の表面構造の陥凹またはその一部を表すことができる。

上述した製造方法によれば、上述したワークピースは、好ましくは、特定のおよび／または特徴的な特性を有している。例えば、材料またはワークピースは、他の方法によって製造されたか、または製造可能であるワークピースの表面または構造解析の関連する方法によって、その構造または表面特性に関して区別することができる。そのような方法は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分析および／または蛍光Ｘ線分析である。これらの方法により、特に、対応する材料の結晶構造を試験することができ、元素分析を行うことができる。

本発明における方法を参照している特徴は、同様に、ワークピースまたは部品を参照することができ、その逆も可能である。

以下、図面を用いて本発明のさらなる詳細を説明する。同一または相互に対応する図面の要素は、個々の図面において同じ符号が付されている。

ワークピースを製造する方法の順序を概略的に示している。 図１に示す方法によって製造されたワークピースを概略的に示している。 上述した方法による堆積溶接用の装置の一部の調整を概略的に示している。

図１は、ワークピースまたは部品（図２の符号１００を参照）、例えばガスタービンのような流体流動機械用の部品を製造する方法の順序を概略的に示している。ワークピース１００は、好ましくは、ガスタービンの熱風通路と共に使用される高温耐性のあるワークピースである。ワークピースまたは部品は、好ましくは、ニッケル基またはコバルト基超合金からなるか、または対応する材料を含む。

本方法は、図１および図２において側面図または断面図で示されている基板１を提供することを含む。基板１は、所定の表面構造２を含む。所定の表面構造２は、好ましくは、図１および図２に示すような、表面構造要素１０を有する表面構造である。表面構造要素１０は各々が矩形の断面を有している。表面構造要素１０は、好ましくは微視的に小さい。換言すれば、表面構造要素１０、好ましくは表面構造要素１０の各個または少なくとも１つは、マイクロメートル範囲、好ましくは１００μｍ未満、特に好ましくは８０μｍ未満またはさらに小さい外形寸法を有している（寸法ａは以下でさらに説明する）。表面構造２は、好ましくは、ワークピースの製造のために予め定められているか又は画定されている。換言すれば、表面構造のトポグラフィが画定されている。

これは図面において明示的に示されていないが、全ての表面構造要素、あるいはそれらの一部のみは異なっている、および／または互いに異なる寸法を有することができる。

本方法はまた、表面構造２が、製造されるワークピースの基面３を画定するように、表面構造２上でワークピース用の材料５の生成的製造を含む。これは、表面構造２がネガを形成し、基面３またはワークピースの表面構造（明示的に識別されていない）が対応するポジを形成するという事実によって、図１に示されている。換言すれば、基板１の表面構造２は、ワークピース１００の基面を形成することができる。堆積した材料および／または完成したワークピース（図２を参照）はそれ故、基面３を有している。

図１では、ワークピースはまだ最終的に製造されていない（図中の符号１００を参照）。以下では、材料５は、ワークピース１００と同義的に指定することができる。材料は、特にワークピース用の出発材料とすることができる。

さらに、ワークピースを製造する方法は、例えば特定の相析出を確立するために、１つ以上の熱処理を含むことができる。これは、特に、製造される超合金のそれぞれの材料のγ相またはγ’相の好適な相析出または凝結（ｓｅｔｔｉｎｇｓ）を含み得る。

生成的製造は、堆積溶接、例えばレーザクラッディング（ＬＭＤ）、特にレーザ粉末堆積溶接によって好ましくは実行される。堆積溶接の上述の方法または技術は、ＣＡＤおよび／またはロボット支援によって好ましくは実行されるか、または適切に制御され得る。対応するレーザクラッディング装置は、図１の符号６で示されている。

ワークピース１００を製造するための材料５は、好ましくは、上述した方法に従って、レーザ粉末堆積溶接によって製作または製造される。ここで、ワークピースを製造するための上述した方法の脈絡の中で、ワークピースは、所望の（３Ｄ）構造にとって都合の良い材料特性に従って好ましくは製造される。レーザ出力、レーザの露光時間またはさらなるパラメータなどのプロセスパラメータは、所望の材料相に従って設定することができる。さらに、例えば、製造されるワークピースの接近することが困難な点または端部では、他の点よりも長い露光時間が必要となることがある。さらに、材料構築の間の「走査」の間に、堆積溶接装置の機器ヘッドは、フィードバックループによって、またはフィードバックループの助けを借りて案内することができる。

図２は、とりわけ、上述した方法によって製造されたか、または製造可能である、最終的に製造されたワークピースまたは部品１００を示す。ワークピース１００は、まだ基板１に一体的に接続されている。従って、基板の基面３は、表面構造２の陥凹を構成するか、またはそれを含む。有利には、表面構造をワークピースに転写するために、およびそれ故ワークピースの非常に高い分解能および／または微視的に構造化された基面を製造するために、上述した方法によって、基板上の表面構造の事前定義によって、製造されるワークピースの基面が画定、画像化または成形される。

図２のワークピース１００は、ワークピース１００の表面構造要素を含む、ワークピース１００を包囲するか、または覆う輪郭４を有している。輪郭４は、図２に破線で示され、材料５と共に、図１にも示されている。基面３は、製造されるワークピース１００の輪郭４に対して、ワークピース１００の少なくとも部分的に内側の面である。

図１および図２に示される表面構造要素１０、またはそれらの少なくとも１つは、好ましくは、１００μｍ未満の寸法ａを有している。その寸法は、対応する深さまたは高さではなく、それぞれの表面構造要素１０の幅（図１および図２の水平方向を参照）を好ましくは参照している。従って、幅は輪郭に沿った方向を指定することができる。

それ故、基板１の表面構造要素１０の幅または寸法ａが小さいほど、ワークピースの基面３は、より小さく、より微細で、またはより複雑に構造化もされる。

特に好ましくは、前述の表面構造要素１０の少なくとも１つ、またはその全ては、８０μｍ未満またはさらにいっそう小さい外寸ａを有することができる。

本発明の一実施形態によれば、基板１は、セラミックまたは鋳造部品であるか、または少なくとも表面構造２上に、例えばセラミックを含む。基板１は、例えば、セラミック鋳造コアの助けを借りて精密鋳造法によって製造または提供され得る。好ましくは、表面構造２は、セラミック鋳造コアによって形成される。鋳造コアは、例えば、酸化アルミニウム、例えばＡｌ_２Ｏ_３、または二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなるか、またはこれらの材料の１つを含む。換言すれば、供給は上述した方法に従って適切に実行され得る。

さらに、鋳造コアは、微細な、例えば微視的に小さい表面構造を「分離」することが便宜的にできるように、外側に非常に微細な粉末顆粒を好ましくは有している。表面構造からの距離が増加するにつれて、（鋳造コアの）前記基板の材料は、適切な（耐熱）耐衝撃性を同時に有するように、より多孔質またはより粗くなる粗粒化または徐々な変化を含むことができる。そのような段階化された部品は、特に小さく、および技術的に望ましい、たった５０μｍ以下、例えば３０μｍの表面粗さを好ましくは有している。上述の粗さは、平均粗さ、二次の粗さ、または中央粗さであってもよい。

１つの改良形態によれば、基板は、少なくとも表面構造２上に、または表面構造２として、例えば、タンタル、ジルコニウム、モリブデンまたはタングステンのような耐熱金属または別の高融点金属、例えば周期表の第４、第５または第６の亜族の非貴金属を含む。この改良形態によれば、表面構造は、好ましくは電子ビーム溶融によって製造される。

さらなる改良形態によれば、表面構造２は、選択的レーザ溶融によって製造される。この改良形態によれば、基板１の表面構造２は、主成分として銅またはアルミニウムを好ましくは有している。あるいは、基板１は、他の材料からなることができ、または前記材料を含み得る。

これは図に明示的に示されていないが、本方法はまた、生成的製造後に基板１の分離を含む。基板は、上述した全ての実施形態に対して化学的方法で選択的に分離することができる。例えば、基板または表面構造が金属またはセラミックのいずれであるかにかかわらず、ワークピースは化学的に分離することができる。例えば、アルミニウムの表面構造を有する基板の場合、分離は、濃硝酸によって、および５０℃から８０℃の温度で実行することができる。

図３は、本方法の１つの改良形態による堆積溶接のための装置の一部の調整を概略的に示している。この改良形態は、特に、レーザ粉末堆積溶接による生成的製造に関する。従って、レーザクラッディング装置６が示されている。加えて、この改良形態によれば、基板１の表面構造２は、上述したように、セラミックから、または選択的レーザ溶融によって金属から好ましくは形成され、または金属を含む。

特に図３において、レーザクラッディング装置６が粉末焦点７を有していることが分かる。レーザクラッディング装置６はまた、レーザ焦点８を有している。粉末焦点７は、基板１とレーザ焦点８との間で、垂直方向に、例えばワークピース１００の構築方向ＡＲに沿って確立される／されている。結果として、この改良形態によれば、セラミックまたは非高融点金属によって好ましくは形成されている表面構造が、レーザビームの結果として溶融または燃焼すること避けることが有利的に可能である。

本発明は、例示的な実施形態を使用した説明によって例示的な実施形態に限定されるものではなく、特に、この特徴またはその組み合わせが特許請求の範囲または例示的な実施形態において明示的に特定されていない場合でも、特許請求の範囲の特徴のいかなる組み合わせを含む。

１ 基板
２ 表面構造
３ 基面
４ 輪郭
５ 材料
６ レーザクラッディング装置
７ 粉末焦点
８ レーザ焦点
１０ 表面構造要素
１００ ワークピース

Claims (10)

1. ワークピース（１００）を製造する方法であって、
   − 所定の表面構造（２）を有する基板（１）を提供するステップと、
   − 前記表面構造（２）が、製造される前記ワークピース（１００）の基面（３）を画定するように、前記表面構造（２）上に前記ワークピース（１００）用の材料（５）を生成的製造するステップであって、生成的製造は堆積溶接によって実行され、および前記基面（３）は、製作される前記ワークピース（１００）の輪郭（４）に対して、前記ワークピース（１００）の少なくとも部分的に内側の面である、生成的製造するステップと、
   − 前記基板（１）を分離させるステップと、
   を含む方法。
2. 前記提供するステップは、前記基面（３）を画定するための前記表面構造（２）が、１００μｍ未満の寸法を有する少なくとも１つの表面構造要素（１０）を有するような方法で実行される、請求項１に記載の方法。
3. 前記材料（５）が、ニッケル基またはコバルト基超合金またはそのための出発材料である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ワークピース（１００）が、高温耐性部品である、請求項１から３の少なくとも一項に記載の方法。
5. 前記提供するステップは、前記基板（１）が前記表面構造（２）を形成するセラミックを含むような方法で実行される、請求項１から４の少なくとも一項に記載の方法。
6. 前記提供するステップは、前記表面構造（２）が主成分として耐熱金属を含むような方法で実行される、請求項１から４の少なくとも一項に記載の方法。
7. 前記表面構造（２）が、電子ビーム溶融によって製造される、請求項６に記載の方法。
8. 前記提供するステップは、前記表面構造（２）が、例えば主成分としてアルミニウムまたは銅を有する選択的レーザ溶融によって製造されるような方法で実行される、請求項１から４の少なくとも一項に記載の方法。
9. 前記生成的製造するステップは、レーザ粉末堆積溶接によって実行され、前記生成的製造の間に、粉末焦点（７）が前記表面構造（２）とレーザ焦点（８）との間に確立される、請求項１から８の少なくとも一項に記載の方法。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の方法に従って製造された、または製造可能であるワークピース（１００）。

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