JP2019506533A

JP2019506533A - 部材を付加製造するための設備のための装置

Info

Publication number: JP2019506533A
Application number: JP2018541309A
Authority: JP
Inventors: ミヒャエル・オット
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2019-03-07
Also published as: WO2017137376A1; US20190030603A1; EP3389898A1; CN108602125A; DE102016201836A1

Abstract

本発明は、部材（１０）を粉体床から付加製造するための設備（２００）のための装置（１００）に関するものであり、装置（１００）は、部材（１０）の付加製造のための原材料（１）を保持するための壁（３０）を含んでおり、壁（３０）は、少なくとも６００℃の温度において耐熱であるように構成されている。さらに、本発明は、設備（２００）において部材（１０）を付加製造するための方法に関するものであり、当該方法は、部材（１０）のための原材料（１）を少なくとも６００℃の温度にまで予熱することを含んでいる。

Description

本発明は、部材を付加製造するための設備のための装置と、対応する設備と、に関する。さらに、設備を運転するための方法が、本発明の対象であり、当該方法に基づいて製造された部材も同じく、本発明の対象である。

当該部材は、好ましくは、付加的又は生成的に製造された、又は、構築された部材である。特に、当該部材は、蒸気タービン、好ましくはガスタービンのようなタービンのワークピース又は構成要素であり得る。

既知の積層製造方法又は付加製造方法は、特に選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）及び電子ビーム溶解（ＥＢＭ）である。当該方法は、特に３次元の物体を、層、層要素又は体積要素の反復的な積層又は接合によって、例えば粉体床からビルドプラットフォーム上に製造する際に用いられる。各層の典型的な層厚は、２０μｍから６０μｍの間である。

選択的レーザー溶融法は、例えば特許文献１から知られている。

当該方法は、電子ビーム溶解と同様に、特に高融点材料の加工、又は、構築に適している。その際、適切な程度の小さい残留応力を有する、対応する部材を構築することには困難が存在する。部材内の残留応力は、例えば、部材のための、特に粉体形状の原料を、例えば少なくとも５００℃の温度にまで予熱することによって減少し得る。合理的には、予暖又は予熱温度、すなわち部材が付加的な構築の前及び／又は間に熱せられる又は保持される温度は、原料の融点より低くなくてはならない。

電子ビーム溶解法も、先行技術で知られている。当該方法は、粉体層が連続的に堆積し、電子ビームを用いて選択的に再溶融される生成的方法である。このために、電子は、１５０ｋＶの範囲の電圧を印加されることによって、光速の約６０％にまで加速し、粉体層に衝突する際に、対応する粉体粒子の局所的な再溶融をもたらす。粉体層の粉体粒子が、電子の衝突の際に、粉体床から離れないことを防止するために、少なくとも堆積した粉体層それぞれの再溶融されるべき領域が、再溶融の前に予備焼結され得る。

いずれにせよ、ＳＬＭ法を用いて、γ’硬化されたニッケル基超合金からの、部材の少なくとも亀裂又は応力の少ない製造を、実証することがすでに可能であった。しかしながら、この非常に高温割れを生じやすい材料は、部材の残留応力を許容可能な程度（上記を参照のこと）に保つために、ビルドプラットフォームを通じて、少なくとも５００℃の温度にまで予熱される必要があった。製造中の部材と比較して、粉体床は、熱導体として劣っている。従って、ビルドプラットフォームを通じた粉体の加熱は、部材の製造が進行すると、ますます困難になる。なぜなら、粉体床のそれぞれ新しい層の粉体粒子は、ビルドプレートからますます離れているからである。従って、部材の（均一な）温度調整又は予熱は問題がある。さらなる困難は、壁、又は、粉体床若しくは粉体床の下に配置されたビルドプラットフォームのためのハウジングの熱的負荷に存在する。

従来のＳＬＭ設備は、例えば抵抗ヒーターによってビルドプラットフォームを加熱する可能性を提供する。しかしながら、当該システムでは、可能な粉体床の温度は約５００℃までであるので、原料をより高い温度にするためには、他の熱源を用いなくてはならない。

特許文献２によると、予熱は、誘導コイルを用いても可能であるので、部材を誘導的に熱することが提案されている。しかしながら、誘導による熱の導入は、部材の形状に依存する。従って、部材の均一な加熱は、部材が比較的単純な形状を有しており、部材が小型である場合にのみ得られる。形状がより複雑な場合、製造中の部材における旋回流の形成が妨げられるので、部材の不均一な加熱が生じる。さらに、特定の構造状態を得る必要がある場合は、部材における冷却速度が重要である。例えば、ニッケル基ニッケル基又はコバルト基超合金から成るタービン部材の場合、高温耐熱性を形成するためには、高い割合のγ’析出が構造内に存在することが重要である。しかしながら、これらの析出は、部材が約１１５０℃のγ’固相線温度より低い温度で、約１℃／秒よりもゆっくりと冷却される場合にのみ形成される。従って、ニッケル基超合金から部材を製造する場合、溶湯付近での部材の冷却を、対応する温度に制限すること、又は、付加製造の前若しくは間に、原料を可能な限り高い温度にまで熱することが望ましい。当然のことながら、そのためには、粉体床及び／又は原料を取り囲む設備の構成要素を、適切に設計することも必要である。これは、用いられる材料に、特に高い要求を課すものである。

欧州特許第１３５５７６０号明細書独国特許出願公開第１０２０１２２０６１２２号明細書

従って、本発明の課題は、超合金から製造されるべき部材に関する付加製造プロセスを改善することができる手段を記載することにある。特に、付加製造されるべき部材のための原料の改善された加熱が、特に付加製造の前又は間において得られることになるので、製造された部材の構造特性が、特に部材の材料内のγ’析出に関して改善される。

本課題は、独立請求項の対象によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の対象である。

本発明の一態様は、粉体床から部材を付加製造するための設備のための装置に関するものであり、当該装置は、部材の付加製造のための原料、特に粉体形状の原料を保持又は支持するため、すなわち付加製造の前又は間において保持又は支持するための壁を含んでいる。

上述の粉体床は、好ましくは原材料から形成されている。

一実施形態において、当該装置は壁である。

「保持」又は「支持」という表現は、付加製造のために、壁が、好ましくは原料と直接に接触していることを示していると理解されるべきである。それに対応して、壁は、例えば原料を適切に予熱する際、及び／又は、付加製造の間に、原材料又は粉体床によって、上述の温度にまで必然的に熱せられる。

壁は、壁構造物、筐体又はハウジングであり得る。壁は、好ましくは、例えば部材の付加製造のための対応する設備において、粉体床の画定に用いられる。好ましくは、壁は、粉体床の原材料を直接又は間接に画定する。

本発明のさらなる態様は、当該装置を含む設備に関するものであり、当該設備は、上述の種類の部材を、超合金から、例えばニッケルベール又はコバルト基の超合金から、付加的に構築する又は製造するように構成されている。

一実施形態において、壁は、少なくとも５００℃の、原材料の、又は、原材料のための温度、例えば予熱温度において、耐熱であり、及び／又は、当該温度に耐えるように構成されている。

一実施形態において、壁は、少なくとも６００℃の温度、例えば予熱温度において、耐熱であるか、又は、当該温度に耐えるように構成されている。

一実施形態において、壁は、少なくとも７００℃の温度、例えば予熱温度において、耐熱であるか、又は、当該温度に耐えるように構成されている。

一実施形態において、壁は、少なくとも８００℃の温度、例えば予熱温度において、耐熱であるか、又は、当該温度に耐えるように構成されている。

一実施形態において、壁は、少なくとも９００℃の温度、例えば予熱温度において、耐熱であるか、又は、当該温度に耐えるように構成されている。

一実施形態において、壁は、少なくとも１０００℃の温度、例えば予熱温度において、耐熱であるか、又は、当該温度に耐えるように構成されている。

一実施形態において、壁は、少なくとも１１００℃、好ましくは１２００℃以上の温度、例えば予熱温度において、耐熱であるか、又は、当該温度に耐えるように構成されている。

一実施形態において、壁は、原材料として、析出硬化された、又は、析出硬化可能な超合金からの部材の付加製造のための材料を保持するように構成されている。当該析出硬化は、好ましくはγ硬化若しくはγ’硬化、又は、完成した部材における対応する析出に関する。

壁は、基材を有している。

一実施形態において、壁は、耐熱の、好ましくは高耐熱の基材を有している。当該基材は、例えば、高耐熱の鋼及び／又は超合金、例えばニッケル基又はコバルト基の超合金であり得る。当該実施形態によって、付加製造のために合理的に原材料と直接に接触する壁は、付加製造のため、又は、上流の予熱のために、原材料が有利に熱せられる温度に耐えることが可能である。

一実施形態において、壁は、基材の内側面に、酸化保護層、例えばアルミめっき又は拡散浸透めっきを有している。

当該内側面は、好ましくは、原材料又は粉体床に特に直接対向しているか、又は、（直接）接触している基材の面を表している。当該実施形態によって、酸化又は温度による基材の材料構造の劣化が、有利に予防され得る。

対応して、基材の外側面は、好ましくは、原材料又は粉体床に背向しており（製造のために）、好ましくは原材料と接触していない基材の面を表している。

基材は、内側面に断熱層を有している。

一実施形態において、酸化保護層が、断熱層と基材との間に配置されている。このような方法で、基材は、原材料が部材の製造のために熱せられなければならない温度から、特に有利に保護され得る。

一実施形態において、基材は、外側面に冷却構造を有している。当該実施形態によって、基材は、その内側面がすでに断熱層及び／又は酸化保護層によって保護されているにせよ、又は、保護されていないにせよ、外側から適切に冷却され得る。

一実施形態において、冷却構造は、壁及び／又は壁の基材を冷却するために、冷却流体、例えば空気、水又は窒素が当該冷却構造を貫流する、又は、当該冷却構造に流入するように構成されている。当該実施形態によって、特に合理的な冷却が可能になる。

一実施形態において、壁は、原材料のための垂直方向の境界又はハウジングを形成している。この垂直方向の境界は、付加製造設備のための設備壁を意味し得る。さらに、本実施形態に係る壁は、部材のための製造空間を決定し得る。

一実施形態において、壁は、部材の付加製造のためのビルドプラットフォームの少なくとも一部を形成している。当該実施形態によって、本発明に係る利点を提供するビルドプラットフォームが、特に合理的に供給され得る。

一実施形態において、当該装置は熱源を含んでおり、当該熱源は、部材の付加製造のための原材料を、少なくとも５００℃の温度にまで加熱するように構成されている。

一実施形態において、熱源は、赤外線ランプ、レーザー、特に１つ又は複数の赤外線レーザー、及び／又は、誘導加熱システムを含んでいる。これらは特に、原材料を、部材の付加製造の前又は間において、合理的に高い温度、特に少なくとも５００℃の温度にまで熱するためには適切な実施形態である。

本発明のさらなる態様は、設備を運転するための方法に関するものであり、当該方法は、（付加製造されるべき）部材のための原材料を、少なくとも５００℃の温度にまで予熱することを含んでいる。

本発明のさらなる態様は、当該方法によって製造された、又は、製造可能である、超合金から成る、又は、超合金を含む部材に関する。

当該方法及び／又は当該部材も同様に、上述したような、本発明の課題を解決する。

当該装置及び／又は当該設備に関する実施形態、特徴及び／又は利点は、さらに、当該方法及び／又は当該部材に関連し得るものであり、逆もまた然りである。

以下に、本発明のさらなる詳細を、図面を用いて記載する。

部材を付加製造するための設備のための装置の、概略的断面図又は側面図の一部を示した図である。当該装置を含む設備の概略的断面図又は側面図である。

図１は、装置１００を示している。装置１００は、好ましくは部材１０を、特に粉体床から付加製造するための設備２００（図２を参照のこと）のための装置である。

部材１０は、好ましくは超合金から、例えば特に析出硬化又はγ硬化した、ニッケル基又はコバルト基の超合金から製造される。このような超合金は、例えば材料「ＩＮ６２５」又は「ハステロイＸ」であり得る。

装置１００は、部材１０のための原材料１のための粉体境界又はハウジングを形成し得る。

原材料１、好ましくは粉体形状の原材料１が、同じく図１に示されており、それをもって、粉体床が示唆されるべきであり、当該粉体床は、壁３０によって、好ましくは部材の付加製造の枠内における装置１００の運転前又は運転中に、画定又は保持される。

装置１００は、壁３０を含んでいる。壁３０は、好ましくは耐熱性、好ましくは高耐熱性及び／又は高温耐熱性を有するように構成されている。

壁３０は、好ましくは、少なくとも５００℃かそれより高い、原材料１の予熱温度及び／又は動作温度に耐えるように構成されている。好ましくは、壁３０は、少なくとも６００℃、特に７００℃、特に好ましくは８００℃、例えば１０００℃以上の温度において耐熱である。

壁３０は、さらに高い温度、例えば１２００℃以上、例えば１５００℃、又は、２０００℃又は３０００℃である原材料１の予熱温度及び／又は動作温度においてさえも、耐熱であるか、又は、これらの温度に耐えられるように構成され得る。

壁３０は、基材３１を含んでいる。壁３０の内側面（図１の左側）、すなわち基材３１の、原材料１に対向する面では、基材１は、特に基材３１を、酸化又はさらなる熱による有害な影響から保護するために、酸化保護層３３を含んでいる。酸化保護層３３は、拡散保護層であるか、又は、例えばクロム若しくはＭＣｒＡｌＹ合金を含み得る。

壁３０は、さらに、その内側面に断熱層３２を含んでいる。断熱層３２は、好ましくは、部材１０の付加製造のために、原材料１と直接に接触しているか、又は、原材料１を画定している。酸化保護層３３は、合理的に、基材３１と断熱層３２との間に配置されている。この配置によって、壁３０の基材３１は、付加製造の際の、高い熱的負荷から合理的に保護され得る。

壁３０は、さらに、冷却構造３４を有している。当該冷却構造は、基材３１の、原材料又は粉体床に背向する面に配置されている（図１の右側）。冷却構造３４は、基材３１及び／又は壁３０を外側から冷却するために設けられている。そのために、冷却構造３４には、単に冷却表面又は構造化された表面を設ければ良く、それによって、冷却効果、又は、平らな表面に比べて改善された熱交換が可能になる。代替的又は付加的に、冷却構造３４は冷却管３６を有しており、冷却管３６は、冷却構造３４に冷却流体を貫流させ、それによって能動的に冷却するために開かれているか、又は、閉じられていることが可能である。当該冷却流体は、例えば、空気、水、窒素、又は、その他の流体を含み得る。冷却構造３４は、冷却効果を得るために、グリッド構造（詳細には示されていない）を有することも可能である。

装置１００は、さらに、熱源２０を有しており、熱源２０は、好ましくは、壁３０によって保持されている原材料１を、少なくとも５００℃の温度にまで加熱するように構成されている。この加熱は、予熱でも良いし、付加製造の間のプロセスにおける加熱でも良い。合理的には、熱源２０は、赤外線ランプ、赤外線レーザー若しくは多重レーザーアセンブリ等のレーザー、及び／又は、誘導加熱システムであるか、又は、それらを含んでいる。抵抗ヒーターは、粉体空間全体を上述の温度にまで加熱するためには適していない。

本発明の範囲内において、付加製造されるべき部材１０を、部材１０の付加製造の前、及び／又は、付加製造の間に、少なくとも５００℃にまで熱し、本発明に係る利点を利用することが定められている。

図２は、部材１０を付加製造するための設備２００の断面又は側面を概略的に示している。設備２００は、好ましくは、部材１０を粉体床から付加的に構築する、又は、製造するように構成されている。

当該設備は、好ましくは、部材１０の粉体床に基づく付加製造のため、特に、選択的レーザー溶融、選択的レーザー焼結、又は、電子ビーム溶解のための設備である。

設備２００は、上述の装置１００を含んでいる。図２においては特に、装置１００が複数の壁３０（上述したように）を有していることが認識される。図面には、例えば２つの垂直方向の壁３０（側壁）が示されており、これらの壁は、原材料１又は粉体床を側面方向において画定し、原材料１を保持又は支持している。さらに認識されることに、上述したように、ビルドプラットフォーム３５が、壁３０によって形成されている。この図示された実施形態は、好ましくは部材１０の付加製造のために特に高い温度にまで熱せられる原材料１が、各面において、対応して耐熱性を有する壁３０によって保持されるという利点を有している。

装置１００は、原材料１のための容器であり得る。その際、装置１００は、好ましくは原材料１と直接に接触している。

設備２００はさらに、コーティング装置又は硬化装置等の、１つ又は複数のさらなる設備部分を含んでおり、これらは単に、参照符号４０で示唆されている。

本発明は、実施例を用いた説明によって当該実施例に限定されるものではなく、あらゆる新しい特徴と、あらゆる特徴の組み合わせとを含んでいる。これは特に、当該特徴又は当該組み合わせ自体が、請求項又は実施例に明確には記載されていないとしても、請求項における特徴のあらゆる組み合わせを含んでいる。

１原材料
１０部材
２０熱源
３０壁
３１基材
３２断熱層
３３酸化保護層
３４冷却構造
３５ビルドプラットフォーム
３６冷却管
４０設備部分
１００装置
２００設備

Claims

部材（１０）を粉体床から付加製造するための設備（２００）のための装置（１００）であって、前記部材（１０）の付加製造のための原材料（１）を保持するための壁（３０）が含まれており、前記壁（３０）は、基材（３１）を有し、かつ、前記基材（３１）の内側面には断熱層（３２）を有しており、前記壁（３０）は、少なくとも６００℃の温度において耐熱であるように構成されている装置（１００）。
前記壁（３０）が、原材料（１）としての、析出硬化した、又は、析出硬化可能な超合金から前記部材（１０）を付加製造するための材料を保持するように構成されている、請求項１に記載の装置（１００）。
前記壁が、耐熱の基材（３１）、例えば高耐熱の鋼及び／又は超合金を有している、請求項１又は２に記載の装置（１００）。
前記壁（３０）が、基材（３１）を有し、前記基材（３１）の内側面に酸化保護層（３３）を有している、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置（１００）。
前記壁（３０）が、基材（３１）を有し、かつ、前記基材（３１）の外側面には冷却構造（３４）を有している、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１００）。
前記冷却構造（３４）が、付加製造に関して前記壁（３０）を冷却するために、例えば空気、水又は窒素等の冷却流体によって貫流又は流入されるように構成されている、請求項５に記載の装置（１００）。
前記壁（３０）が、前記原材料（１）のために垂直方向の境界を形成している、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置（１００）。
前記壁（３０）が、前記部材（１０）の付加製造のためのビルドプラットフォーム（３５）の少なくとも一部を形成している、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置（１００）。
前記部材（１０）の付加製造のための前記原材料（１）を、少なくとも６００℃の温度にまで熱するように構成された熱源（２０）を含んでいる、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置（１００）。
前記熱源（２０）が、赤外線ランプ、レーザー、及び／又は、誘導加熱システムを含んでいる、請求項９に記載の装置（１００）。
例えばニッケル基又はコバルト基の超合金等の超合金から、部材（１０）を付加的に製造するように構成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置（１００）を含む設備（２００）。
部材（１０）のための原材料（１）を、少なくとも６００℃の温度にまで予熱することを含む、請求項１１に記載の設備（２００）を運転するための方法。
請求項１２に記載の方法によって形成された、又は、形成可能な、超合金から成る部材（１０）。