JP2021074773A

JP2021074773A - 付加製造による結合した鋼およびチタン

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Publication number: JP2021074773A
Application number: JP2020142493A
Authority: JP
Inventors: ダニエル・エリオット・シーヴァース; Elliott Sievers Daniel; エリック・エルウィン・トーマス; Erwin Thomas Eric
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2021-05-20
Also published as: US11673193B2; US20210129222A1; CN112828293A; EP3819048A1

Abstract

【課題】鋼およびチタンなどの異種の結合した金属を含む物品の付加製造が提供される。
【解決手段】結合した第１の金属および第２の金属を含む物品を付加製造するプロセスであって、第１の金属が鋼およびチタンの一方を含み、第２の金属が鋼およびチタンの他方を含む、プロセス。このプロセスは、第１の金属の基板上に第３の金属の界面層を配置するステップであって、第３の金属が、第１の金属と合金を形成することができかつ第２の金属と合金を形成することができる、ステップを含む。このプロセスは、第２の金属の消耗形態を界面層の軌跡に供給するステップと、非反応性環境内で界面層の軌跡を加熱するステップとをさらに含む。このプロセスでは、加熱するステップは、第２の金属の消耗形態を融解させて第２の金属の融解形態をレンダリングし、第２の金属の融解形態を界面層に接合する。
【選択図】図１

Description

本開示は、一般に、工業用物品の付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）の分野に関し、より詳細には、結合した鋼およびチタンを含む物品（ａｒｔｉｃｌｅｓ）の付加製造の分野に関する。

付加製造、すなわち「３Ｄ印刷」は、複雑なトポロジーの物品を製作するために使用されている。この技術では、固体の実世界の物品が、この物品の所望のトポロジーを画定する適切なデジタルモデルに基づいて層ごとに構築される。得られる物品は、最小限の人間の介在または専用のツーリングで得られる、デジタルモデルの高忠実度実現物である。金属含有物品の製造に適用される場合、付加製造には、通常、集束高エネルギービームによる消耗金属（ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅｍｅｔａｌ）の局部融解（ｌｏｃａｌｉｚｅｄｆｕｓｉｏｎ）が必要である。材料が付加されるべき物品の軌跡（ｌｏｃｕｓ）は、物品をビームに対して移動させること、および／または物品全体にビームをラスタリングすること（ｒａｓｔｅｒｉｎｇ）により、リアルタイムで制御される。消耗金属は、形成される物品全体にわたって付着される微粒子の薄いコーティングとして提供されてもよく、あるいはノズルを介して軌跡へ直接導かれてもよい。

近年、付加製造の範囲を工業的に重要な金属にまで広げる技術が発展している。それにもかかわらず、様々な課題が残っている。１つの特定の課題は、鋼およびチタンなどの異種の結合した金属を含む物品の付加製造に関する。

本明細書に開示される例のいくつかは、結合した第１の金属および第２の金属を含む物品を付加製造する方法であって、第１の金属が鋼およびチタンの一方を含み、第２の金属が鋼およびチタンの他方を含む、方法に関する。この方法は、第１の金属の基板上に第３の金属の界面層を配置するステップであって、第３の金属が、第１の金属と合金を形成することができかつ第２の金属と合金を形成することができる、ステップを含む。この方法は、第２の金属の消耗形態を界面層の軌跡に供給するステップと、非反応性環境内で界面層の軌跡を加熱するステップとをさらに含む。この方法では、加熱するステップは、第２の金属の消耗形態を融解させて第２の金属の融解形態をレンダリングし、第２の金属の融解形態を界面層に接合する。

他の例は、第１の金属の基板および第２の金属の印刷構造を備える物品に関する。第２の金属の印刷構造は、第２の金属の消耗形態の融解によってレンダリングされ、同時に第３の金属の部分溶解層を介して基板に接合される。第１の金属は鋼およびチタンの一方を含み、第２の金属は鋼およびチタンの他方を含む。そのようにして形成された物品において、第３の金属は少なくとも第１の金属の基板に浸透する。

他の例は、結合した第１の金属および第２の金属を含む物品を付加製造する方法であって、第１の金属が鋼およびチタンの一方を含み、第２の金属が鋼およびチタンの他方を含む、方法に関する。この方法は、第１の金属の基板上にニオブ層を配置するステップと、第２の金属の消耗形態をニオブ層の軌跡に供給するステップとを含む。この方法は、非反応性環境内でニオブ層の軌跡を加熱するステップであって、加熱するステップが、第２の金属の消耗形態を融解して第２の金属の融解形態をレンダリングし、第２の金属の融解形態をニオブ層に接合する、ステップをさらに含む。

この「発明の概要」は、特許請求された主題の重要な形態または本質的な形態を特定することを意図したものではない。それどころか、特許請求された主題の範囲は、この「発明の概要」の内容にも、本開示のどの部分でも指摘され得る問題または欠点があれば対処する実施態様にも限定されない。本開示に記述される形態、機能、および利点は、いくつかの実施態様では独立に達成されてもよく、他の実施態様では組み合わされてもよい。

本開示は、添付の作図を参照して下記の「発明を実施するための形態」を読むことにより、よりよく理解されるであろう。

合金を形成する金属Ａおよび金属Ｂの接合部全体にわたる例示的な所望の組成を示すグラフである。結合した鋼およびチタンを含む物品を含む例示的な製造製品の態様を示す図である。図２Ａからの物品の別の図である。消耗金属微粒子から物品を付加製造するために構成された例示的な装置の態様を示す図である。消耗金属ワイヤから物品を付加製造するために構成された例示的な装置の態様を示す図である。結合した第１の金属および第２の金属を含む物品を付加製造するための例示的な方法の態様を示す図である。図５の方法に従って形成され得る例示的な物品の態様を示す図である。図５の方法に従って形成された物品の例の劈開面の領域の一連のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）放射画像を示す図である。図７に示される領域を貫通して延伸する２つの経路に沿って抽出されたＥＤＸライン走査データを示す図である。図５の方法に従って形成された物品の劈開面の別の領域で行われたナノインデンテーションライン走査実験の結果を示す図である。図５の方法に従って形成された物品の劈開面の別の領域の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す図である。

上述したように、最先端の付加製造は、異種の結合した金属を含む物品には適さない場合がある。高強度の物品を提供するために、融解消耗金属の各軌跡は、その下の層に確実に接着されなければならない。融解金属および下位層が異なる金属を含むシナリオでは、これらの金属間の接合部は組成勾配を示すはずであり、融解金属の原子は下位層中に拡散しており、その逆も同様である。理想的には、接合部は、図１の組成プロファイルグラフに示されているように、傾斜組成（ｇｒａｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）の合金を含む。

しかしながら、異種金属のいくつかの組合せで、このような合金を形成することはない。多くの場合、純金属の格子エネルギーおよび仮想合金の格子エネルギーは、合金の自由エネルギーが相分離系の自由エネルギーよりも大きくなるようなものである。これは、例えば、接合されようとしている金属の格子面間隔が非常に異なる場合に起こり得る。他の場合、異種金属は、図１に示される傾斜合金組成とは対照的に、一定組成（例えば、１：１、２：１など）の安定した金属間化合物を形成することができる。本開示を特定の理論に結びつけることなく、これらの効果は共に、直接付加製造により鋼およびチタンを直接接合することの観察された困難さの一因となると考えられる。

本明細書の発明者は、上記の困難さの解決策を見いだした。この解決策では、相互に互換性のある第３の金属の比較的薄い界面層が、第１の金属の基板の上に、かつ異種の第２の金属の融解形態の下に付加的に組み込まれる。界面層の組成は、接合されるべき第１の金属および第２の金属のそれぞれと傾斜合金を形成する界面層の能力に基づいて選択される。

この解決策を詳細に説明する前に、このようにして形成された付加製造物品のための１つの例示的なアプリケーションコンテキストが提示される。図２Ａは、航空機の形をとる例示的な製造製品２００の態様を示す。航空機は、とりわけ、胴体２０２、翼セクション２０４、および操縦翼面２０８を備える尾部セクション２０６を含む。この図面の切抜き部分に示されているように、操縦翼面２０８は、操縦翼面の偏向を制御する油圧駆動の回転可能な歯車２１０によって作動される。歯車２１０はシャフト２１２を含み、シャフト２１２にはスプロケット２１４が連結される。この構成は図２Ｂにも示されている。

航空機の構造的かつ／または機能的構成要素の実質的にすべてが、機械的強度のために最適化され得る。さらに、同じ構成要素の多くが、軽量化のためにさらに最適化される。この目的のために、スプロケット２１４は、強度、硬度、および耐久性のために選択された鋼を含むことができる。シャフト２１２は、かなりの長さのものであるので、高強度および軽量のために選択されたチタンまたはチタン合金を含むことができる。ほとんどの鋼の密度は７．７５〜８．０５グラム／立方センチメートル（ｇｃｍ^−１）であるのに対して、チタンの密度は４．５１ｇｃｍ^−１であるので、かなりのサイズの構成要素にチタンを組み入れることは特に有利である。いくつかの実施態様では、付加製造方法により、以前に機械加工されたチタンまたはチタン合金シャフト２１２上にスプロケット２１４を直接印刷することが望ましいかもしれない。

本開示に示される例は、基礎となる技術の適用性を決して制限しないことが理解されよう。実際、本明細書に記載されている方法は、結合した鋼およびチタンを含む広範囲の物品の付加製造に適用され得る。そのような物品は、重量に対する機械的強度を最適化するために、特別に構成される場合もあれば、そうでない場合もある。さらに、付加製造物品の基板がチタンを含むこと、または印刷された部分が鋼を含むことは、反対の構成も同様に想定されるので、必ずしも事実ではない。

図３は、物品３１０を付加製造するために構成された例示的な装置３００の態様を示す。装置３００は、付加製造プロセス中に物品３１０を取り囲むチャンバ３１６を含む。チャンバ３１６は回転チャック３２０を含み、付加製造プロセス中、物品３１０は回転チャック３２０に固定される。図３に示される特定の非限定的な例では、物品３１０の基板３１２は回転チャック３２０に固定される。回転式取付けは、例えば、回転対称性を有する物品の付加製造に有用であり得る。他の例では、物品は、万力、クランプ、またはアンビルによって固定され得る。

本明細書で使用される「基板」は、付加製造によって形成されるべき物品の基本構成要素である。いくつかの例では、基板は、比較的単純なトポロジーの構成要素であり、従来の機械加工によって形成され得る。いくつかの例では、基板はチタンを含むことができ、他の例では、基板は鋼を含むことができる。

引き続き図３を参照すると、第３の金属の薄箔を備える界面層３２２が基板３１２の上に配置される。いくつかの例では、界面層は基板に事前溶接され得る。他の例では、界面層は、最初に基板上に配置されるが、基板にしっかりと接着されていなくてもよい。物品３１０の付加製造の過程で（下記参照）、界面層３２２は、基板３１２に溶接されることになり得る。

装置３００では、物品３１０は、基板３１２をはじめとして、または界面層が含まれている実施態様における界面層３２２をはじめとして、物品の下位層に第２の金属の融解形態３１４を空間的に選択付加することにより層状に形成される。したがって、装置３００は、金属微粒子３２６として具現化された第２の金属の消耗形態の供給を保管する金属微粒子リザーバ３２４を含む。金属微粒子は、例えば、粗いまたは細かい金属粉末を含むことができる。基板がチタンまたはチタン合金を含む例では、金属微粒子は鋼を含むことができ、基板が鋼を含む例では、金属微粒子はチタンまたはチタン合金を含むことができる。

装置３００は、金属微粒子リザーバ３２４から金属微粒子３２６をポンプで送り、ポンプで送られた金属微粒子をノズル３３０に送出する金属微粒子ポンプ３２８を含む。ノズル３３０は、図示の例では、融解金属微粒子が物品３１０に付加されることになる軌跡３３２の上に配置される。他の実施態様は、形成されるべき物品の表面全体にわたって金属微粒子の薄層を分散させる複数のノズルを含むことができる。いずれの場合でも、チャンバ３１６は、未融解金属微粒子が後で使用するために金属微粒子リザーバ３２４に戻されるように構成され得る。

装置３００は、軌跡にある金属微粒子を融解し、それにより融解金属微粒子を物品３１０に付加するために、軌跡３３２にエネルギービーム３３６を送出するエネルギービーム供給源３３４を含む。いくつかの実施態様では、エネルギービーム供給源には、パルス変調された高出力赤外線レーザなどのレーザが含まれ得る。レーザは、約４平方ミリメートル（ｍｍ^２）の焦点領域に１５００〜２０００ワット（Ｗ）の電力を供給するように構成されていてもよい。他の実施態様では、レーザの代わりに、電子ビーム供給源、プラズマアーク、ガス金属アーク供給源、または実質的に同様の出力および焦点領域の任意のエネルギー供給源が使用されてもよい。

装置３００は、少なくとも金属微粒子の融解中にチャンバ３１６内の非反応性環境３４０を維持するように構成されている。非反応性環境は、例えば、酸素および窒素の枯渇した環境を含むことができる。いくつかの例では、非反応性環境は真空を含むことができる。他の例では、非反応性環境は、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスの雰囲気を含むことができる。いくつかの特定の例では、非反応性環境は窒素を含むことができる。いくつかの例では、不活性ガスは、チャンバ３１６を通って流れることができる。他の例では、雰囲気は、融解金属微粒子の過度の冷却を回避するために、名目上静的であり得る。

装置３００は、回転チャック３２０に機械的に連結された並進ステージ３４２を含む。装置３００において物品が層ごとに形成されると、並進ステージ３４２は、物品の連続する層が構築されるにつれて、回転チャックの高さを徐々に下げるように構成されていてもよい。並進ステージ３４２はまた、回転チャック３２０を横方向に移動させて回転チャックの基準フレーム、したがって物品３１０の基準フレームに対する軌跡３３２の相対位置を制御可能に変化させるように構成されていてもよい。並進ステージは、２つ以上の対応する方向にチャックを移動させる２つ以上の構成要素並進ステージ（例えば、線形アクチュエータ）を含むことができ、２つ以上の対応する方向は、例えば、デカルトＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を含むことができる。いくつかの例では、１つまたは複数の構成要素並進ステージの代わりに、またはそれに加えて、１つまたは複数の構成要素回転ステージが使用されてもよい。本開示と同等に一致する他の例では、並進ステージまたは回転ステージは、エネルギービーム供給源３３４および／またはノズル３３０に機械的に連結されてもよく、回転チャック３２０は静止していてもよい。他の例では、回転チャックならびにエネルギービーム供給源および／またはノズルは移動可能であり得る。レーザの形をとるエネルギービーム供給源に適用される場合、回転ステージは、制御された偏向を有し、それにより集束レーザビームを任意所望の軌跡３３２に反射するミラーを含むことができる。

装置３００はコンピュータ３４４を含む。コンピュータ３４４は、並進ステージ３４２に動作的に結合され、一連のアクチュエータ制御信号を介して、回転チャック３２０の基準フレームに対する軌跡３３２の相対位置をリアルタイムで制御するように構成されている。加えて、コンピュータ３４４は、エネルギービーム供給源３３４に動作的に結合され、１つまたは複数のエネルギービーム制御信号を介して、軌跡に供給される電力をリアルタイムで制御するように構成されている。コンピュータ３４４は、形成されるべき物品のトポロジーを表すデジタルモデル３４６を受け取るようにさらに構成されている。デジタルモデルの性質および／またはデジタルデータ構造は、特に限定されるものではない。いくつかの例では、デジタルモデルはＣＡＤファイルを含むことができる。コンピュータは、デジタルモデルによって定義されている物品の付加製造を実現するために、デジタルモデルに基づいてアクチュエータ制御信号出力およびエネルギービーム制御信号出力を変化させるように構成されている。

他の様々な付加製造装置が代わりに使用され得るので、装置３００の態様は限定的な意味に解釈されるべきではない。図４は、物品４１０を付加製造するために構成された別の装置４００を示す。装置４００では、チャンバ４１６が、回転チャック４２０に固定された物品を取り囲む。前の構成で述べたように、界面層４２２は、基板４１２の上に配置された第３の金属の薄箔を備える。

装置４００では、物品４１０は、基板４１２をはじめとして、または界面層が含まれている実施態様における界面層４２２をはじめとして、物品の下位層に第２の金属の融解形態４１４を空間的に選択付加することにより層状に形成される。したがって、装置４００は、金属ワイヤ４９０として具現化された第２の金属の消耗形態の供給を保管する金属ワイヤスプール４９２を含む。金属ワイヤは、例えば、任意の形状、寸法、および／またはゲージ、例えば、１４、１６、１８、または２０ゲージのワイヤを含むことができる。基板がチタンまたはチタン合金を含む例では、金属ワイヤは鋼を含むことができ、基板が鋼を含む例では、金属ワイヤはチタンまたはチタン合金を含むことができる。

装置４００は、金属ワイヤスプール４９２から金属ワイヤ４９０を導くとともに、この金属ワイヤをノズル４３０に送出するワイヤフィーダ４９４を含む。ノズル４３０は、図示の例では、金属ワイヤの融解形態が物品４１０に付加されることになる軌跡４３２に隣接して配置される。

装置４００では、エネルギービーム供給源４３４は、電子ビーム４３６を発する電子ビームエミッタの形をとる。電子ビームエミッタは、いくつかの例では、約１〜５平方ミリメートル（ｍｍ^２）の領域に１５００〜２０００ワット（Ｗ）の電力を供給するように構成されていてもよい。他の実施態様では、電子ビームエミッタの代わりに、レーザ、プラズマアーク、ガス金属アーク供給源、または実質的に任意のエネルギー供給源が使用されてもよい。

以前の構成と同様に、装置４００は、少なくとも金属ワイヤ４９０の融解中にチャンバ４１６内の非反応性環境４４０を維持するように構成されている。非反応性環境は、真空、または、いくつかの例では、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスの雰囲気を含むことができる。非反応性環境が真空環境である実施態様では、エネルギービーム供給源４３４は、電子の熱電子放出を促進する電気的に加熱されたフィラメントを含むことができる。非反応性環境が不活性ガスを含む実施態様では、電子放出は、不活性ガスのイオン化によって促進され得る。これらおよびその他の実施態様では、エネルギービーム供給源４３４は、回転チャック４２０、基板４１２、および物品４１０が接地電位に維持される間、負電圧でバイアスされ得る。このようにして、エネルギービーム供給源からの電子は、材料の堆積が所望される物品の軌跡４３２に向かって加速される。

装置４００では、金属ワイヤフィーダ４９４は、金属ワイヤ４９０を直接電子ビーム４３６の中に供給するか、または電子ビームによって加熱された軌跡４３２の中に供給する。この例では、エネルギービーム供給源４３４は、付加製造方法で消費されることを意図していない、タングステンなどの高融点金属を含む。他の例では、エネルギービーム供給源は、プラズマアークまたはガス金属アークの形をとることができる。いくつかの変形例では、消耗金属ワイヤ自体が加熱回路の一部であってもよく、電流を伝導してもよく、物品４１０とは異なる電圧でバイアスされてもよい。

前の構成と同様に、装置４００は、回転チャック４２０に機械的に連結された並進ステージ４４２を含む。本開示と同等に一致する他の例では、並進ステージまたは回転ステージは、エネルギービーム供給源４３４および／またはノズル４３０に機械的に連結されてもよく、回転チャック４２０は静止していてもよい。他の例では、回転チャックならびにエネルギービーム供給源および／またはノズルは移動可能であり得る。

装置４００では、コンピュータ４４４は、並進ステージ４４２、エネルギービーム供給源４３４、および金属ワイヤフィーダ４９４に動作的に結合される。コンピュータは、上述したように、形成されるべき物品のデジタルモデル４４６を受け取るように構成されている。

図５は、結合した第１の金属および第２の金属を含む物品を付加製造するための例示的な方法５００の態様を示し、第１の金属は鋼およびチタンの一方を含み、第２の金属は鋼およびチタンの他方を含む。いくつかの例では、本明細書で言及される「鋼」は炭素鋼を含むことができる。他の例では、鋼は合金鋼を含むことができる。方法５００で使用され得る合金鋼の１つの非限定的な例がＭａｒａｇｉｎｇＭ３００鋼であり、ＭａｒａｇｉｎｇＭ３００鋼は、質量で、６７％鉄、１８．５％ニッケル、９％コバルト、４．８％モリブデン、０．６％チタン、０．１％アルミニウム、０．１０％シリコン、０．１０％マンガン、０．０３０％炭素、０．０１％ジルコニウム、０．０１％硫黄、および０．００３０％ホウ素を含む。同様に、本明細書で言及される「チタン」は、実質的に純粋なチタンまたは任意の適切なチタン合金を含むことができる。方法５００で使用され得るチタン合金の１つの非限定的な例がＴｉ−６ＡＬ−４Ｖであり、Ｔｉ−６ＡＬ−４Ｖは、質量で約６％アルミニウムおよび４％バナジウムを含む。

方法５００は、上述した図３の装置３００を使用して実施することができる。しかしながら、方法５００は、いくつかの実施態様では装置３００とは大幅に異なり得る他の任意の適切な装置を使用して実施されてもよいことが理解されよう。

方法５００の５４８で、物品の付加製造を容易にするために第１の金属、鋼またはチタンの基板がエッチングされる。エッチングには、化学エッチング、電気化学エッチング、機械的エッチング（例えば、サンディングなどの研磨）、または上記エッチングの任意所望の組合せが含まれ得る。エッチングは、基板の外面に下塗りをし、それによって基板への付加金属の接着を強化するために使用され得る。５５０で、基板は付加製造装置に固定される。基板は、例えば、チャック、万力、クランプ、またはアンビルによって固定され得る。

５５２で、第３の金属の界面（またはいわゆる「バタリング」）層が第１の金属の基板上に配置される。第３の金属は、第１の金属と合金を形成することができかつ第２の金属と合金を形成することができる任意の金属とすることができる。いくつかの例では、第３の金属は、鋼の格子面間隔とチタンの格子面間隔の中間の格子面間隔を示すことができる。典型的には、第３の金属は、鋼ともチタンとも金属間化合物を形成しない。いくつかの例では、界面層は、バナジウム、ニオブ、およびタンタルのうちの１つまたは複数を含むことができる。いくつかの例では、界面層は箔を含むことができる。例えば、厚さが約０．０１〜０．１０インチのニオブ箔が界面層として使用され得る。

５５４で、第２の金属の消耗形態が界面層の軌跡に供給される。基板がチタンまたはチタン合金を含む例では、第２の金属の消耗形態は鋼を含むことができ、基板が鋼を含む例では、第２の金属の消耗形態はチタンまたはチタン合金を含むことができる。いくつかの例では、第２の金属の消耗形態は金属微粒子を含むことができる。金属微粒子は、いくつかの実施態様では、第２の金属が付加されることになる界面層の軌跡に選択的に供給され得る。他の実施態様では、金属微粒子は、界面層全体にわたって薄層で供給され得る。他の例では、第２の金属の消耗形態は、上述したように金属ワイヤを含むことができる。

５５６で、界面層の軌跡が、付加製造装置の非反応性環境内で加熱される。上述したように、非反応性環境は、酸素および窒素の枯渇した環境である。非反応性環境は、いくつかの例では、真空、あるいは静的もしくは流動アルゴンまたはヘリウムの雰囲気を含むことができる。界面層の軌跡は、レーザビーム、例えば、焦点領域に約１５００〜約２０００ワットを供給するレーザのビームを使用して加熱され得る。他の実施態様では、軌跡は、同様の出力および焦点領域の電子ビームによって加熱され得る。

５５６で実施される加熱は、第２の金属の消耗形態を融解させて第２の金属の融解形態をレンダリングすることができ、第２の金属の融解形態を界面層に接合することができる。第２の金属の融解形態は、例えば、融解金属微粒子または融解金属ワイヤを含むことができる。このようにして、加熱することで、第２の金属の融解形態内への界面層の一部の溶解を引き起こすことができる同様に、加熱することで、界面層内への第２の金属の融解形態の一部の溶解を引き起こすことができる。いくつかの実施態様では、「融解する（ｆｕｓｅ）」、「融解した（ｆｕｓｅｄ）」、「融解（ｆｕｓｉｏｎ）」などの用語は、第２の金属の消耗形態の局所溶融（すなわち、液体状態への遷移）を指す場合があることに留意されたい。他の実施態様では、同用語は、それ自体が液体を形成せず、それにもかかわらず、ある金属層から別の金属層への物質移行を促進する軟化作用または焼結作用を指す場合がある。

いくつかの実施態様では、５５６で実施される加熱は、界面層を基板に接合し、それによって基板内への界面層の一部の溶解および／または界面層内への基板の一部の溶解を引き起こすのにも役立つことができる。この形態は、この形態が付加製造方法を簡略化するので有用である。それにもかかわらず、基板、界面層、および第２の金属の融解形態を同時に接合することは、必ずしも必要または望ましいとは限らない。したがって、他の例では、界面層は、第２の金属の融解形態を付加する前に基板に接合されてもよい。

したがって、任意選択のステップ５５８で、界面層は、付加製造装置の非反応性環境内で基板に事前溶接され得る。この任意選択のステップは、第２の金属の消耗形態を軌跡に供給する前に実施され得る。ステップ５５８を含む実施態様では、事前溶接は、基板内への界面層の一部の溶解を引き起こすことができる。同様に、事前溶接は、界面層内への基板の一部の溶解を引き起こすことができる。

５６０で、第２の金属の融解形態の後続層が、既に形成された第２の金属の融解層に付加される。このステップは、デジタルモデルで定義された物品のトポロジーに基づいて、所望の物品が構築されるまで何度でも繰り返すことができる。

５６２で、物品は付加製造装置から取り除かれ、適切な期間にわたって制御された温度条件下で焼鈍される。焼鈍は、付加製造物品内の欠陥部位の密度を低減し、それによって物品の強度を増加させるのに役立つことができる。焼鈍プロセスは、異種金属の接合により物品に与えられる残留応力を低減することもできる。

図６は、図５の方法５００に従って形成され得る例示的な物品６１０の態様を示す。物品６１０は、第２の金属の印刷構造６１４に結合される第１の金属の基板６１２を含む。上述したように、第１の金属は鋼およびチタンの一方を含むことができ、第２の金属は鋼およびチタンの他方を含むことができる。第２の金属の印刷構造６１４は、第２の金属の消耗形態の融解によって形成され、同時に第３の金属６２２の部分溶解層を介して基板に接合される。第３の金属には、第１の金属と合金を形成することができかつ第２の金属と合金を形成することができる任意の金属が含まれ得る。いくつかの例では、第３の金属は、鋼の格子面間隔とチタンの格子面間隔の中間の格子面間隔を示すことができる。いくつかの例では、第３の金属は、鋼ともチタンとも安定した金属間化合物を形成しない。いくつかの例では、第３の金属は、バナジウム、ニオブ、およびタンタルのうちの１つまたは複数を含むことができる。

図６に示されるように、第３の金属６２２は、少なくとも基板６１２に浸透する。いくつかの例では、第３の金属６２２は、印刷構造６１４にも浸透することができる。同様に、基板からの第１の金属と融解金属微粒子からの第２の金属の両方が、第３の金属の境界層に浸透することができる。いくつかの例では、基板は歯車シャフトを備えることができ、印刷構造はスプロケットを備えることができる。

図５の方法の態様も図６の物品の態様も、限定的な意味に解釈されるべきではない、というのは、多数の変形、拡張、および省略も想定されるからである。例えば、図５の付加製造方法で基板として使用される物体は、それ自体が以前の付加製造の製品であってもよい。いくつかの例では、この種の物体は単一金属を含むことができる。他の例では、物体は、本明細書に記載されているように、界面層を介して結合される異種金属を含むことができる。したがって、図５の方法に従って形成された物品のすべての部分が、いくつかの例では、付加製造に由来することができる。

図６〜図９は、図５の方法に従って付加製造された物品について収集された分析データを示す。より具体的には、物品は、「バター付き」Ｔｉ６ＡＬ−４Ｖ基板上にＭａｒａｇｉｎｇＭ３００合金鋼金属微粒子を付加的に添加することによって成形された。基板に付着された界面層は、厚さ０．０１２インチのニオブ箔であった。ニオブ箔は、図３の装置３００に類似した付加製造装置を使用して基板に事前溶接され（図５のステップ５５８）、事前溶接中に金属微粒子の送出が中断された。１５００Ｗのレーザ放射照度が約４ｍｍ^２のスポットサイズに集束し、毎分１２０リットル（Ｌ／Ｍ）のアルゴン流の下で、１．０インチのライン長で毎分３９．４インチの速度で並進した。このラインに沿った単一パスが事前溶接に使用された。

事前溶接に続いて、レーザ出力は１８００Ｗまで上げられ、ＭａｒａｇｉｎｇＭ３００合金鋼金属微粒子が２５グラム／分の流量で送出された。レーザスポットは、同じく１２０Ｌ／Ｍのアルゴン流の下で、同じ１．０インチのライン長で毎分３９．４インチの速度で２度並進した。

このようにして形成された物品は、材料付加の方向に平行な、レーザスポットの移動方向にも平行な平面でダイヤモンドソーを使用して劈開された。劈開面は、ベークライトに密封され、３２０グリットのサンドペーパを使用して研磨され、ダイヤモンドペーストを使用して研磨された。ここで報告されている分析はすべて、研磨された劈開面上で行われた。

図７は、劈開面の同じ領域の一連の画像を示す。画像７６４は、参照用に提供される高倍率の光学顕微鏡画像であり、この画像は、チタン層７６６、ニオブ層７６８、および鋼層７７０を示す。図７の他の画像は、ＭｏＫα放射線への曝露中に劈開面の同じ領域にわたって記録されたエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）放射マップである。画像７７２では、各画素の明るさはＴｉＫα発光強度に対応し、したがって、劈開面でのチタン原子の相対濃度について報告する。同様に、画像７７４の明るさはＮｂＬα発光強度に対応し、ニオブ濃度について報告するが、画像７７６の明るさはＦｅＫα発光強度に対応し、鉄濃度について報告する。これらの結果は、ニオブがチタン層７６６および鋼層７７０の中にかなり浸透していることを実証している。この形態は、図８のＥＤＸライン走査データを参照するとより容易に見られる。

図８は、図７に画像化された領域を貫通して延伸する２つの経路に沿って抽出されたＥＤＸラインデータを示す。２つの経路は、材料の付加方向に実質的に平行であり、互いに対して数ミリメートルオフセットされている。これらのグラフにおいて、実線はＮｂＬα発光強度に対応し、破線はＴｉＫα発光強度に対応し、点線はＦｅＫα発光強度に対応する。上述したように、ニオブは、チタン層７６６と鋼層７７０の両方にかなり浸透している。

図９は、同じく材料の付加方向に実質的に平行な経路に沿って、劈開面の別の領域で行われたナノインデンテーションライン走査実験の結果を示す。この研究では、ＭＴＳｎａｎｏｉｎｄｅｎｔｅｒを、押込み深さを７００ナノメートルに設定し、押込み間隔を５０マイクロメートルに設定してＣＳＭテストモードで操作した。データは、純チタン相７６６から純鋼相７７０への比較的段階的な移行を示している。

図１０は、図６、図７および図８で検査された劈開面の別の部分の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。ＳＥＭによる検査の前に、劈開面は、クロル液（Ｋｒｏｌｌ’ｓｒｅａｇｅｎｔ）を使用して化学的にエッチングされた。鋼層７７０の粒子形態を明らかにすることに加えて、ＳＥＭ画像は、最初に滑らかなニオブ層７６８の顕著な乱れを示し、この乱れは、チタン層７６６および鋼層７７０の中へのニオブの顕著な物質移行と一致する。

いくらか異なる条件を使用して、図５の方法に従って追加の物品を準備した。これらの物品はまた、上述したように、電子顕微鏡、ＥＤＸ分光法、およびナノインデンテーションによっても分析された。上述したように準備された物品であるが、事前溶接には２０００Ｗという高いレーザ出力を使用し、微粒子の融解には１２００Ｗという低いレーザ出力を使用することで、図１０示されている結果と比較して、鋼層とチタン層との間の接合が不均一になった。その物品のＥＤＸ分析により、ニオブがチタン層および鋼層の中にかなり浸透することが明らかになった。上述したように準備された別の物品は、事前溶接および微粒子融解にレーザ出力１５００Ｗを使用し、０．００７インチという薄いニオブ箔を使用することで、接合部における金属の混合が少ないことが明らかになった。特に、その物品のＥＤＸ分析により、ニオブはチタン層内にかなり浸透するが、ニオブは鋼層内にはほとんどまたはまったく浸透しないことが明らかになった。

さらに、本開示は下記条項による例を含む。

条項１．結合した第１の金属および第２の金属を含む物品３１０、４１０、６１０を付加製造する方法であって、第１の金属が鋼およびチタンの一方を含み、第２の金属が鋼およびチタンの他方を含み、方法が、第１の金属の基板３１２、４１２、６１２上に第３の金属６２２の界面層３２２、４２２を配置するステップであって、第３の金属６２２が、第１の金属と合金を形成することができかつ第２の金属と合金を形成することができる、ステップと、第２の金属の消耗形態を界面層３２２、４２２の軌跡３３２、４３２に供給するステップと、界面層３２２、４２２の軌跡３３２、４３２を非反応性環境３４０、４４０内で加熱するステップであって、加熱するステップが、第２の金属の消耗形態を融解させて第２の金属の融解形態３１４、４１４をレンダリングし、第２の金属の融解形態３１４、４１４を界面層３２２、４２２に接合する、ステップとを含む、方法。

条項２．界面層３２２、４２２が、バナジウム、ニオブ、およびタンタルのうちの１つまたは複数を含む、条項１に記載の方法。

条項３．界面層３２２、４２２の軌跡３３２、４３２を加熱するステップが、第２の金属の融解形態３１４、４１４内への界面層３２２、４２２の一部の溶解を引き起こす、条項１に記載の方法。

条項４．界面層３２２、４２２の軌跡３３２、４３２を加熱するステップが、界面層３２２、４２２を基板３１２、４１２、６１２に接合し、基板３１２、４１２、６１２内への界面層３２２、４２２の一部の溶解を引き起こす、条項１に記載の方法。

条項５．第２の金属の消耗形態を軌跡３３２、４３２に供給する前に、非反応性環境３４０、４４０内で界面層３２２、４２２を基板３１２、４１２、６１２に事前溶接するステップであって、事前溶接するステップが、基板３１２、４１２、６１２内への界面層３２２、４２２の一部の溶解を引き起こす、ステップをさらに含む、条項１に記載の方法。

条項６．非反応性環境４４０が流動アルゴンの環境を含む、条項１に記載の方法。

条項７．界面層３２２、４２２の軌跡３３２、４３２を加熱するステップが、レーザビームで加熱することを含む、条項１に記載の方法。

条項８．レーザビームが、レーザビームの焦点に１．５〜２．０キロワットを供給する、条項７に記載の方法。

条項９．界面層３２２、４２２の軌跡３３２、４３２を加熱するステップが、電子ビームで加熱することを含む、条項１に記載の方法。

条項１０．界面層４２２が箔を含む、条項１に記載の方法。

条項１１．鋼が合金鋼を含み、チタンが、質量で約６％のアルミニウムおよび４％のバナジウムを含む、条項１に記載の方法。

条項１２．第２の金属の消耗形態が微粒子３２６を含み、第２の金属の融解形態４１４が融解微粒子を含む、条項１に記載の方法。

条項１３．第２の金属の消耗形態がワイヤ４９０を含む、条項１に記載の方法。

条項１４．物品３１０、４１０、６１０を焼鈍するステップをさらに含む、条項１に記載の方法。

条項１５．第１の金属の基板３１２、４１２、６１２と、第２の金属の消耗形態の融解によって形成され、同時に第３の金属６２２の部分溶解層を介して基板６１２に接合された第２の金属の印刷構造６１４であって、第３の金属６２２が少なくとも基板６１２に浸透し、第１の金属が鋼およびチタンの一方を含み、第２の金属が鋼およびチタンの他方を含む、印刷構造６１４とを備える、物品３１０、４１０、６１０。

条項１６．第３の金属６２２が、バナジウム、ニオブ、およびタンタルのうちの１つまたは複数を含む、条項１５に記載の物品３１０、４１０、６１０。

条項１７．第３の金属６２２が印刷構造にも浸透する、条項１５に記載の物品３１０、４１０、６１０。

条項１８．基板６１２が歯車シャフト２１２を備え、印刷構造がスプロケット２１４を備える、条項１５に記載の物品３１０、４１０、６１０。

条項１９．結合した第１の金属および第２の金属を含む物品３１０、４１０、６１０を付加製造する方法５００であって、第１の金属が鋼およびチタンの一方を含み、第２の金属が鋼およびチタンの他方を含み、方法が、第１の金属の基板３１２、４１２、６１２上にニオブ層７６８を配置するステップと、第２の金属の消耗形態をニオブ層７６８の軌跡３３２、４３２に供給するステップと、ニオブ層７６８の軌跡３３２、４３２を非反応性環境３４０、４４０内で加熱するステップであって、加熱するステップが、第２の金属の消耗形態を融解させて第２の金属の融解形態３１４、４１４をレンダリングし、第２の金属の融解形態３１４、４１４をニオブ層７６８に接合する、ステップとを含む、方法５００。

条項２０．ニオブ層７６８の軌跡３３２、４３２を加熱するステップが、第２の金属の融解形態３１４、４１４内へのニオブ層７６８の一部の溶解を引き起こす、条項１９に記載の方法５００。

条項２１．ニオブ層７６８の軌跡３３２、４３２を加熱するステップが、ニオブ層７６８を基板３１２、４１２、６１２に接合し、基板３１２、４１２、６１２内へのニオブ層７６８の一部の溶解を引き起こす、条項１９に記載の方法５００。

条項２２．第２の金属の消耗形態を軌跡３３２、４３２に供給する前に、非反応性環境３４０、４４０内でニオブ層７６８を基板３１２、４１２、６１２に事前溶接するステップであって、事前溶接するステップが、基板３１２、４１２、６１２内へのニオブ層７６８の一部の溶解を引き起こす、ステップをさらに含む、条項１９に記載の方法５００。

条項２３．ニオブ層７６８の軌跡３３２、４３２を加熱するステップが、レーザビームおよび電子ビームの一方または両方で加熱することを含む、条項１９に記載の方法５００。

条項２４．第２の金属の消耗形態が微粒子３２６を含み、第２の金属の融解形態３１４、４１４が融解微粒子を含む、条項１９に記載の方法５００。

条項２５．第２の金属の消耗形態がワイヤ４９０を含む、条項１９に記載の方法５００。

条項２６．ニオブ層７６８が、厚さが０．０１〜０．１０インチの箔を含む、条項１９に記載の方法５００。

本開示は、例として、添付の作図を参照して提示される。図のうちの１つまたは複数において実質的に同じであり得る構成要素、方法ステップ、および他の要素は、協調して識別され、最小限の繰り返しで説明される。しかしながら、協調して識別された要素はある程度異なる場合もあることに留意されたい。さらに、これらの図は概略図であり、一般に原寸に比例して描かれていないことに留意されたい。むしろ、図に示されている様々な図面の縮尺、アスペクト比、および構成要素の数は、特定の形態または関係をより見やすくするために故意にゆがめられていることがある。

本明細書に記載されている構成および／または手法は本質的に例示であり、これらの特定の実施形態または例は、多くの変形形態が可能であるため、限定的な意味に考慮されるべきではないことを理解されたい。本明細書で記載されている特定のルーチンまたはプロセスは、任意の数の処理戦略のうちの１つまたは複数を表すことができる。したがって、図示および／または記述されている様々な動作は、図示および／または記述されているシーケンスで、もしくは他のシーケンスで、または並行して実行されてもよく、あるいは省略されてもよい。同様に、上述のプロセスの順番は変更され得る。

本開示の主題は、本明細書に開示される様々な方法、システム、および構成と他の形態、機能、動作、および／または特性とのすべての新規かつ非自明な組合せおよびサブコンビネーション、ならびにこれらのあらゆる同等物を含む。

２００製造製品
２０２胴体
２０４翼セクション
２０６尾部セクション
２０８操縦翼面
２１０歯車
２１２シャフト、歯車シャフト、チタン合金シャフト
２１４スプロケット
３００装置
３１０物品
３１２基板
３１４融解形態
３１６チャンバ
３２０回転チャック
３２２界面層
３２４金属微粒子リザーバ
３２６金属微粒子、微粒子
３２８金属微粒子ポンプ
３３０ノズル
３３２軌跡
３３４エネルギービーム供給源
３３６エネルギービーム
３４０非反応性環境
３４２並進ステージ
３４４コンピュータ
３４６デジタルモデル
４００装置
４１０物品
４１２基板
４１４融解形態
４１６チャンバ
４２０回転チャック
４２２界面層
４３０ノズル
４３２軌跡
４３４エネルギービーム供給源
４３６電子ビーム
４４０非反応性環境
４４２並進ステージ
４４４コンピュータ
４４６デジタルモデル
４９０ワイヤ、金属ワイヤ
４９２金属ワイヤスプール
４９４ワイヤフィーダ、金属ワイヤフィーダ
５００方法
６１０物品
６１２基板
６１４印刷構造
６２２第３の金属
７６４画像
７６６チタン層、純チタン相７
７６８ニオブ層
７７０鋼層、純鋼相
７７２画像
７７４画像
７７６画像

Claims

結合した第１の金属および第２の金属を含む物品（３１０、４１０、６１０）を付加製造する方法であって、前記第１の金属が鋼およびチタンの一方を含み、前記第２の金属が前記鋼および前記チタンの他方を含み、前記方法が、
前記第１の金属の基板（３１２、４１２、６１２）上に第３の金属（６２２）の界面層（３２２、４２２）を配置するステップであって、前記第３の金属（６２２）が、前記第１の金属と合金を形成することができかつ前記第２の金属と合金を形成することができる、ステップと、
前記第２の金属の消耗形態を前記界面層（３２２、４２２）の軌跡（３３２、４３２）に供給するステップと、
前記界面層（３２２、４２２）の前記軌跡（３３２、４３２）を非反応性環境（３４０、４４０）内で加熱するステップであって、加熱する前記ステップが、前記第２の金属の前記消耗形態を融解させて前記第２の金属の融解形態（３１４、４１４）をレンダリングし、前記第２の金属の前記融解形態（３１４、４１４）を前記界面層（３２２、４２２）に接合する、ステップと
を含む、方法。
前記界面層（３２２、４２２）の前記軌跡（３３２、４３２）を加熱するステップが、前記第２の金属の前記融解形態（３１４、４１４）内への前記界面層（３２２、４２２）の一部の溶解を引き起こす、請求項１に記載の方法。
前記界面層（３２２、４２２）の前記軌跡（３３２、４３２）を加熱するステップが、前記界面層（３２２、４２２）を前記基板（３１２、４１２、６１２）に接合し、前記基板（３１２、４１２、６１２）内への前記界面層（３２２、４２２）の一部の溶解を引き起こす、請求項１に記載の方法。
前記第２の金属の前記消耗形態を前記軌跡（３３２、４３２）に供給する前に、前記非反応性環境（３４０、４４０）内で前記界面層（３２２、４２２）を前記基板（３１２、４１２、６１２）に事前溶接するステップであって、事前溶接する前記ステップが、前記基板（３１２、４１２、６１２）内への前記界面層（３２２、４２２）の一部の溶解を引き起こす、ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記界面層（３２２、４２２）の前記軌跡（３３２、４３２）を加熱するステップが、レーザビームおよび電子ビームの一方で加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
前記界面層（４２２）が箔を含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の金属の前記消耗形態が微粒子（３２６）を含み、前記第２の金属の前記融解形態（４１４）が融解微粒子を含む、請求項１に記載の方法。
第１の金属の基板（３１２、４１２、６１２）と、
第２の金属の消耗形態の融解によって形成され、同時に第３の金属（６２２）の部分溶解層を介して前記基板（６１２）に接合された前記第２の金属の印刷構造（６１４）であって、前記第３の金属（６２２）が少なくとも前記基板（６１２）に浸透し、前記第１の金属が鋼およびチタンの一方を含み、前記第２の金属が前記鋼および前記チタンの他方を含む、印刷構造（６１４）と
を備える、物品（３１０、４１０、６１０）。
前記第３の金属（６２２）が、バナジウム、ニオブ、およびタンタルのうちの１つまたは複数を含む、請求項８に記載の物品（３１０、４１０、６１０）。
前記第３の金属（６２２）が前記印刷構造にも浸透する、請求項８に記載の物品（３１０、４１０、６１０）。