JP2019112699A - 金属粉末材料 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、積層造形法に用いられる粉末材料に求められる特性について、説明する。発明者らは、積層造形法による三次元造形物の製造を安定に行い、また良質な三次元造形物を得るために、粉末材料において、どのような特性が重要となるかを明らかにした。
次に、上記のような特性を有する具体的な金属粉末材料の例として、本発明の一実施形態にかかる金属粉末材料の構成について説明する。
本発明の一実施形態にかかる金属粉末材料は、金属粒子と、ナノ粒子と、を含むものである。
金属粉末材料を構成する金属粒子の形状も、金属粉末材料の流動性や充填性に大きな影響を与える。金属粒子が、対称性の高い、球体に近い形状を有する方が、その形状の効果により、金属粉末材料における内部摩擦角(φ)が小さくなる。すると、金属粉末材料の集合体の崩れやすさが向上し、金属粉末材料の流動性が高くなる。その結果、積層造形において、ホッパー等からの金属粉末材料の流出を安定に行えるとともに、金属粉末材料を粉末床として敷き詰めやすくなる。また、金属粒子が球体に近い形状を有する方が、その形状の効果により、金属粒子を密に充填することが可能となり、金属粉末材料の嵩密度(ρ)が大きくなる。その結果、密な粉末床を形成し、三次元造形物の品質の向上につなげることができる。
金属粒子の表面を構成する材料も、金属粉末材料の流動性に大きな影響を与える。上記のように、金属粒子相互間に働くファンデルワールス力が大きいほど、剪断付着力(τs)が大きくなり、金属粉末材料の流動性が下がるが、ファンデルワールス力の大きさは、粒子を構成する材料に大きく依存するからである。詳細には、上記式(1)において、ハマカー定数Hが大きいほど、粒子間に働くファンデルワールス力が大きくなる。ハマカー定数は、粒子を構成する材料によって定まる。
金属粒子の表面に水分(吸着水)が存在すると、図2(c)に示すように、隣接する金属粒子P1同士が、水Wを介して架橋された状態となり、金属粒子P1の間に強い引力、つまり液架橋力が働く。このような液架橋力による金属粒子間の凝集は、剪断付着力(τs)の増大につながる。そこで、金属粒子間の剪断付着力(τs)を低減し、金属粉末材料の流動性を高める観点から、金属粒子の表面に存在する水分の量を、できる限り減らすことが好ましい。
次に、上記のような、ミクロンオーダーの粒径を有する金属粒子と、ナノ粒子とを含有する本発明の実施形態にかかる金属粉末材料を製造する方法について、説明する。
まず、金属粉末材料にナノ粒子を含有させることで、金属粉末材料の流動性等の特性がどのように変化するかを調べた。
Ti−6Al−4V合金(6質量%のAlと4質量%のVを含有し、残部がTiと不可避的不純物よりなる合金;Ti−64)よりなる金属粒子を、ガスアトマイズ法にて作成した。そして、15/45μmにて分級を行い、試料A1を準備した。
試料A1および試料A2のそれぞれに対して、嵩密度規格化剪断付着力(τs/ρ)および流速(FR)を評価した。評価は、気温23℃、相対湿度RH26%の条件で行った(以下においても同様)。
試料A1(ナノ粒子なし)および試料A2(ナノ粒子あり)について、嵩密度規格化剪断付着力(τs/ρ)および流速(FR)を評価した結果を、図3(a),(b)に示す。図中、τs/ρの単位は、(m/s)2である(以下においても同様)。
次に、金属粒子に熱プラズマ処理を施す場合について、金属粒子の状態や特性がどのように変化するかを調べた。
Ti−64合金よりなる金属粒子を、ガスアトマイズ法にて作成した。そして、45/75μmにて分級を行い、試料B1を準備した。
まず、試料B1および試料B2のそれぞれについて、粒子画像分析装置を用いて、粒子形状の評価を行った。粒子形状に基づいて、粒度分布を評価するとともに、粒径10μmごとに、円形度を計測した。
<金属粒子の状態>
図5に、試料B1(プラズマ処理前)および試料B2(プラズマ処理後)について、粒度分布を示す(実線および破線にて表示)。これによると、試料B1と試料B2は、中央値や幅において、類似した粒度分布を有している。また、下の表1に、粒度分布にかかるパラメータを示す。これらの各パラメータも、試料B1と試料B2で近い値となっている。つまり、試料B1,B2とも、分級によって所望の粒度分布を得られており、以降の評価において、試料B1と試料B2の間に見られる状態や特性の差は、粒度分布の差によるものではないということが確認される。
図9(a)に、嵩密度規格化剪断付着力(τs/ρ)の測定結果を示す。これによると、熱プラズマ処理を経た試料B2において、τs/ρの値が、分級のみを経た試料B1と比べて、50%以下にまで小さくなっている。
次に、金属粒子の表面における水分量が、金属粒子間の付着力に与える影響について調べた。
Ti−64合金よりなる金属粒子を、ガスアトマイズ法にて作成した。そして、45/105μmにて分級を行い、試料を準備した。
相対水蒸気圧を変化させて、剪断付着力(τs)がどのように変化するかを比較した。つまり、相対水蒸気圧を所定の値に制御した雰囲気の中に、上記の試料を保持し、剪断付着力(τs)を測定した。剪断付着力(τs)の測定は、上記(1)および(2)の試験と同様に行った。
図10に、相対水蒸気圧を変化させて剪断付着力(τs)を測定した結果を示す。測定を行う前に、金属粒子表面における水分子の吸着が十分に平衡に達していたかに依存して、データ点がばらついてはいるが、相対水蒸気圧が高くなるほど、剪断付着力(τs)が大きくなる傾向が見て取れる。
10 容器
11 粉末供給路
2 基材
3 リコーター
A 造形体
P 粉末材料
P1 金属粒子
P2 ナノ粒子
W 水
Claims (9)
- 質量基準分布における篩下積算分率が10%となる粒子径d10が10μm以上、100μm以下である金属粒子と、
前記金属粒子に付着または混合された金属または金属化合物よりなるナノ粒子と、を含むことを特徴とする金属粉末材料。 - 前記金属粒子の円形度は、平均粒径において、0.90以上であることを特徴とする請求項1に記載の金属粉末材料。
- 前記ナノ粒子は、前記金属粒子の表面に付着していることを特徴とする請求項1または2に記載の金属粉末材料。
- 前記ナノ粒子を構成する金属元素は、前記金属粒子を構成する金属元素の少なくとも一部と同じであることを特徴とする請求項3に記載の金属粉末材料。
- 前記ナノ粒子は、前記金属粒子を構成する金属元素のうち、昇華しやすい金属元素が、前記金属粒子中よりも濃化されたものであることを特徴とする請求項4に記載の金属粉末材料。
- 前記ナノ粒子および前記金属粒子に、アルミニウムが含まれることを特徴とする請求項4または5に記載の金属粉末材料。
- 前記ナノ粒子は、疎水性基によって表面修飾されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の金属粉末材料。
- 前記金属粒子は、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金のいずれかよりなることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の金属粉末材料。
- 前記金属粒子は、内部が金属よりなり、その表面に、前記内部の金属よりも小さいハマカー定数を与える金属化合物よりなる被覆層を有することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の金属粉末材料。
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