JP2023525209A - 積層造形による製造可能である構造応用の高強度アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

本発明は、最も関連合金化元素としてＣｕ、Ｚｎ，またはＳｉ／Ｍｇを有し、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖおよびランタノイド元素を含む群Ｍ１から選択される金属を１～１５重量％の含有量でさらに有する粉末状アルミニウム合金に関する。そのようなアルミニウム合金は、高強度の製品及び三次元物体のための選択的レーザ融解などの積層造形方法に使用できる。本発明は、さらにそのようなアルミニウム合金から三次元物体を製造するための方法および装置、そのような粉末状アルミニウム合金を製造する方法、そのような粉末状アルミニウム合金からまた製造される三次元物体、および特定のアルミニウム合金に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、最も関連合金化元素としてＣｕ、Ｚｎ，またはＳｉ／Ｍｇを持つ特別の粉末状アルミニウム合金に関し、当該粉末状アルミニウム合金はＭｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖおよびランタノイド元素を含む群Ｍ１から選択される金属を１～１５重量％の含有量で有する。本発明は、さらにそのような粉末状アルミニウム合金を製造する方法、これらの方法および特定のアルミニウム合金によって製造される三次元物体のみならず、三次元物体の積層造形のための方法および装置に関する。

軽金属部品は、車両の性能と燃料効率を継続的に改善することを目的として、車両、特に自動車、の製造における集中的な研究の対象となっている。今日の自動車用途の多くの軽金属部品は、アルミニウムおよび／またはマグネシウム合金で作られている。このような軽金属は、強く、剛性があり、良好な強度と延性 （例えば、伸び） を備えている必要がある耐荷重製部品を形成できる。高い強度と延性は、自動車などの車両の安全要件と堅牢性にとって特に重要である。従来のスチールおよびチタン合金は、高温耐性を提供するものの、これらの合金はそれぞれ重いか、比較的高価である。

車両の構造部品を形成するための軽金属合金の費用対効果の高い代替品は、アルミニウム基合金である。 このような合金は、押出、圧延、鍛造、スタンピング、またはダイキャスティングのような鋳造技術、サンドキャスティング、インベストメントキャスティング（インベストメントキャスティング）、重力ダイカストなどのバルク成形プロセスによって、所望の部品に従来通りに加工することができる。

エネルギーを吸収するのに十分な塑性伸びを有する高強度アルミニウム合金は、最新技術、主に鍛造合金の分野からすでに知られている。ここでは、主にアルミニウム２０００、６０００、および７０００シリーズの材料について説明する。これらの材料は、成形を可能にする比較的柔らかい延性のある集合状態を特徴としている。大規模な成形とその後の熱処理によって導入されるエネルギーの助けを借りて、合金は高強度で完全に硬化した状態に変換される。

近年、「ラピッドプロトタイピング」または「ラピッドツーリング」は、また金属処理において重要性が増している。これらの処理は、選択的レーザ焼結および選択的レーザ溶融としても知られている。この処理において、粉末形態の材料の薄層は繰り返し適用され、材料は領域、後の製品がレーザビームへの暴露によって配置される、の各層で選択的に固化され、材料はまず所定の位置で溶融配置され、次に固化する。このようにして、完全な三次元物体は連続して構築することができる。

選択的レーザ焼結または選択的レーザ溶融による三次元物体の製造方法、およびこの方法を実行するための装置は、例えば、ＥＰ１７６２１２２Ａ１に開示されている。

選択的レーザ焼結またはレーザ溶融による処理に関して、合金は析出機構が従前の冷間成形なしで機能することが求められる。このような合金は、特に２０００系合金（すなわちアルミニウム－銅合金）の分野で知られている。しかしながら、構造の凝固中の収縮応力に影響を受けずに耐えられない低融点共晶による急速な凝固の結果として、高温割れが構造に発生する可能性があるため、比較的長い溶融間隔はこれらの合金に問題を引き起こす。選択的レーザ焼結による処理の場合、通常、マイクロクラック構造のみが得られ、それによって従来の高強度の鍛造アルミニウム合金は、未だ積層造形による加工をすることができない。

積層造形技術（ＡｌＳｉ合金族からのそれらのような）を使用した処理が既に確立されている他の利用可能なアルミニウム合金は、高い降伏強度と破断点伸びの特性の望ましい組み合わせを有さない、または非常にコストがかかり、希少合金元素のために不利である。

希少合金元素を含むアルミニウム合金の例は、例えばＥＰ３１８１７１１Ａ１にアルミニウムが比較的多量のＳｃ（０．６から３重量％）と合金化されることが記載されている。この方法で製造された合金において、金属間化合物Ａｌ－Ｓｃ相は強力な強度増加効果を有し、それにより＞４００ＭＰａの降伏強度が達成される。しかし、合金に必要である比較的コストのかかる金属Ｓｃに加えて、ＥＰ３１８１７１１Ａ１に記載されている合金は、ＡｌＭｇマトリクッスが柔らかく、かつクリープする傾向があるため、＞１８０℃の適用温度に適していない、欠点がある。

積層造形で使用する合金の別のアプローチは、Ａｌ－ＭＭＣ(ＭＭＣ＝マトリックス金属複合材料)の構想であり、室温でＡｌＭｇＳｃ合金に匹敵する機械的特性を有する。しかしながら、これらの材料の問題は、これらが２００℃を超える温度で強度が大幅に低下することである。Ａｌ－ＭＭＣの構想のもう１つの問題は、材料が３つの成分の粉末混合物からなることであり、この粉末混合物は物理的処理による混合比の変化を排除できないため、輸送、保管、および再利用が困難になる。さらに、有害はＭＭＣ金属セラミック複合材料の負のリサイクル挙動と、Ａｌ－ＭＭＣの機械的再加工がより困難であり、高コストに関連する事実とである。

上述の技術水準に基づいて、できるだけ安価で、熱的に安定で、高強度特性を有するアルミニウム合金が必要であり、かつ選択的レーザ焼結または選択的レーザ溶融のような積層造形技術を使用して高い強度、剛性および好ましい腐食特性を持つ三次元物体を加工できることである。スカンジウムのような、市場で不足している希土類金属は、高度な供給安全を確保することが可能であれば、避けるべきである。また、三次元物体を製造するための付加処理方法、およびこれらの方法によって製造された高強度の三次元物体に対する必要性もある。

この課題は、請求項１に記載の粉末状アルミニウム合金、請求項９に記載の三次元物体の製造方法、請求項８に記載の粉末状アルミニウム合金の製造方法、請求項１に記載の粉末状アルミニウム合金を用いて製造される請求項１１に記載の三次元物体、請求項１４に記載の三次元物体の製造方法を実行するための装置、および請求項１５に記載のアルミニウム合金、によって解決される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明による粉末状アルミニウム合金は、積層造形技術を用いる三次元物体の製造に使用するための粉末である。 本発明による粉末状アルミニウム合金は、最も関連合金化元素としてＣｕ、Ｚｎ，またはＳｉ／Ｍｇを含み、さらにＭｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖおよびランタノイド元素を含む群Ｍ１から選択される金属を１～１５重量％の含有量で有する。このアルミニウム合金は、便宜上、関連する部分のＣｒまたはＬｉを含まない（すなわち、特にＣｒおよび／またはＬｉの合計部分の０．３重量％未満、好ましくは０．１５重量％未満、さらにより好ましくは０．１重量％未満、および最も好ましくは、不可避不純物およびＣｒおよび／またはＬｉを超える部分がない）。アルミニウム合金がＣｒおよび／またはＬｉを含有する場合、群Ｍ１の金属にＣｒおよびＬｉを加えた合計含有量は、１～１５重量％の特定の範囲内、または対応するより好ましい範囲内にあることに注意すべきである。

「アルミニウム合金」という表示は、合金がアルミニウムを最も必須の金属元素として含み、アルミニウム合金中のその部分が６０重量%を超え、好ましくは７０重量%を超え、さらにより好ましくは８０重量％を超えることを意味すると、本明細書の文脈では理解されるべきである。「最も関連合金化元素としてのＣｕ、ＺｎまたはＳｉ／Ｍｇ」という表示は、Ｃｕ、ＺｎまたはＳｉ／Ｍｇの部分が他の全ての元素（アルミニウムを除く）のそれぞれの部分よりも大きいことを意味すると理解されるべきです。ここで、Ｓｉ／Ｍｇは合金中のＳｉとＭｇの合計含有量を示す。この場合、ＳｉとＭｇの部分の合計は、合金の他の全ての元素（アルミニウムを除く）のそれぞれの部分よりも大きくなる。「最も関連合金化元素」とは、アルミニウム合金自体を指し、すなわち、本発明による組成物に含まれる群Ｍ１からの追加の金属を考慮しないが、ＣｕまたはＺｎの部分が群Ｍ１からの金属を含む合金中の全ての他の元素（アルミニウムを除く）のそれぞれの部分よりも多い場合に好ましい。

この文脈において、当業者は、ＡｌＣｕ合金（すなわち、Ｃｕが最も関連合金化元素である）が２０００系のアルミニウム合金と呼ばれ、ＡｌＺｎ合金（すなわち、Ｚｎが関連合金化元素である）が７０００系のアルミニウム合金とも呼ばれ、およびＡｌＳｉ／Ｍｇ合金（すなわち、「Ｓｉ／Ｍｇ」が最も関連合金化元素である）が６０００系（国際合金指定制度による）のアルミニウム合金とも呼ばれる。このカテゴリに分類されるアルミニウム合金の概要については、例えば
“https://en.wikipedia.org/wiki/aluminium_alloy#alloy_designaitions”を参照できる。

Ｍ１群からの金属を混合することによって、選択的レーザ焼結または選択的レーザ溶融のような積層造形技術によって、本質的にまたは完全に亀裂のない三次元物体の製造が可能になるが、比較的大量の遷移金属が追加される。従来のアルミニウム処理技術において、これらの遷移金属の合金含有量を規定された限界（例えば、０．１から０．３重量％の範囲）を超えて増加させることは通常不可能であるため、これは驚くべきことである。そのような増加は、延性が低下し、加工性が失われ、非常に粗い構造部品しか製造できなくなる。ここで説明する積層造形技術による三次元体および三次元物体の製造において、この問題は回避され、何故なら成形はその材料の平均以上の延性が必要とせず、処理は非常に微細であり、かつナノスケールの構造も製造できるためである。

群Ｍ１からの金属の好ましい部分として、少なくとも１．３重量％、好ましくは２．０重量％から８．０重量％まで、さらに好ましくは２．５重量％から５．０重量％までの部分を与えることができる。その代わりに、またはそれに加えて、群Ｍ１から選択される金属または複数の金属は、ランタニドの実質的な部分から構成されず、その取得はコストがかかる可能性があり、群Ｍ１の総量に対するランタニドの部分は、好ましくは１０重量％未満、さらに好ましくは５重量％未満、なおさらに好ましくは１重量％未満である。群Ｍ１からの好ましい金属は、Ｚｒ、Ｆｅ、およびＴｉのような容易に入手可能で安価な金属であり、Ｚｒおよび／またはＴｉが特に適切であると示され得る。Ｚｒについては、０．２５～２重量％、特に０．５～１．９重量％の部分が特に適切であると示され得る。同様に、Ｔｉについては、０．２５～２重量％、特に０．５～１．９重量％の部分が特に適切であると示され得る。アルミニウム合金が群Ｍ１の金属としてＺｒおよびＴｉを含み、これらがそれぞれ０．２５～２重量％、特に０．５～１．９重量％の割合でアルミニウム合金中に存在するならば、特に好ましい。

好ましくは、本発明によるアルミニウム合金はＳｃまたはＹの如何なる関連部分を含まない。なぜなら、これらの金属は深刻なコスト上の不利益を伴うからである。それ故、本発明による好ましいアルミニウム合金は、最大１．５重量％までのＳｃおよび／またはＹ、好ましくは最大１重量％まで、さらにより好ましくは最大０．５重量％まで含み、かつより好ましくは、通常の不純物を超えるＳｃおよびＹの量にならない。

この説明の文脈において、特に適切な粉末状アルミニウム合金は、Ｃｕを４～６重量％、Ｍｇを０．１～１．５重量％、およびＡｇを０．１～１重量％の含有量で有するアルミニウム合金である。この合金について、これらの元素および群Ｍ１からの元素を考慮すれば、合金の９８重量％までの残りの割合、好ましくは合金の９９重量％までの残りの割合は、アルミニウムが占める。この場合、合金の１００重量％までの残りの割合は、他の金属および／または酸素のような非金属によって通常、提供されるが、合金の機械的特性に大きな影響を与えることはない。

特に好ましい実施形態において、上述の本発明によるアルミニウム合金は、Ｃｕを少なくとも４．５重量％および／または最大５．８重量％、好ましくは少なくとも４．８重量％および／または最大５．５重量％、Ｍｇを少なくとも０．２重量％および／または最大１．５重量％、好ましくは少なくとも０．３重量％および／または最大１．２重量％、およびＡｇを少なくとも０．０５重量％および／または最大０．６重量％、好ましくは少なくとも０．２重量％および／または最大０．４重量％の含有量で有する。その代わりに、またはそれに加えて、本発明による上述のアルミニウム合金は、好ましくは、０．２重量％まで、特に０．０５～０．１５重量％の酸素、０．６重量％まで、特に０．２～０．５５重量％のマンガン、および０．３重量％まで、好ましくは０．０５から０．１５重量％のケイ素を含む。

さらに特に好ましい実施形態において、上述の本発明によるアルミニウム合金は、Ｓｉを少なくとも０．２重量％および／または最大１．３重量％、好ましくは少なくとも０．３重量％および／または最大１．０重量％、Ｍｇを少なくとも０．４重量％および／または最大２．２重量％、好ましくは少なくとも０．６重量％および／または最大１．８重量％、およびＭｎを少なくとも０．３重量％および／または最大１．３、好ましくは少なくとも０．４重量％および／または最大１．０重量％の含有量で有する。このアルミニウム合金は、０．９～２．８重量％の範囲、特に１．２～２．５重量％の範囲のＳｉとＭｇの総含有量を有することが好ましい。

上述のアルミニウム合金について、積層造形によってそれらから製造された製品において、所望の機械的特性が熱処理によって調整され得ることが見出された。合金元素を選択することで、母材の電気化学的静止電位は析出物に比べてより貴の値にシフトすることもできるため、より高い耐食性と、応力亀裂に対する合金の感受性の大幅な低下とを実現できる。

粒子サイズに関して、本発明による粉末状アルミニウム合金は重大な制限を受けることはなく、粒径は三次元物体の製造のための付加プロセスに適した寸法にすべきである。適切な粒径として、０．１～５００μｍの範囲、好ましくは少なくとも１および／または最大２００μｍ、特に好ましくは少なくとも１０および／または最大８０μｍの平均粒径ｄ５０を与えることができる。１０～８０μｍの範囲の平均粒径ｄ５０が非常に特に好ましい。

以下にさらに示すように、本発明による粉末状アルミニウム合金は、また、例えばある処理操作についてワイヤの形態であってもよく、それによって対応するワイヤ形状のアルミニウム合金も本発明の主題である。

ｄ５０は、規定寸法より小さい直径を有する重量による粒子の量がサンプルの質量の５０％である寸法を表す。従来、およびここに記載の本発明の文脈において、粒子寸法分布は、例えばＩＳＯ１３３２０：２００９に従ってレーザ散乱またはレーザ回折によって決定される。場合によっては、単一粒子の直径は、それぞれの最大直径（＝粒子の２点当たりの全ての距離の最大値）またはふるい直径、または体積相当球直径であり得る。

上述のように、群Ｍ１からの元素を含めることによって、応力亀裂を形成する材料の傾向は大幅に低減することができ、理想的には応力亀裂が完全に回避される。この目的のために、同様の目的で述べられるセラミック材料を含める必要はない。従って、本発明による粉末状アルミニウム合金は、特に金属ホウ化物、金属窒化物および金属炭化物のような追加のセラミック化合物をできる限り含まない。アルミニウム合金中のそのような材料の部分は、従って便宜上、０．２重量％未満、特に０．１重量％未満、さらに好ましくは０．０５重量％未満に制限される。また、応力亀裂を回避するために先行技術の他の場所に記載されている、ナノ粒子金属または金属水素化物（例えば、粒径が５μｍまでのＺｒ、ＨｆまたはＺｒＨ_２）は、本発明による粉末状アルミニウム合金の目的のために必要ではなく、それによって、それらの部分は金属ホウ化物、金属窒化物、および金属炭化物またはセラミック添加物について示された制限内にあるべきである。対応する材料が本発明による粉末状アルミニウム合金にその処理のためにまたは処理中添加されなければ、特に有利である。

本発明による粉末状アルミニウム合金は、粉末状合金の製造について当業者に知られている任意の方法によって製造することができる。特に有用な処理は、例えば、液体アルミニウム合金の噴霧化またはメカニカルアロイングを含む。従って、さらなる態様において、本発明は液体合金を＞８５０℃、好ましくは＞９５０℃、より好ましくは＞１０５０℃の温度で霧化する工程を含む粉末状アルミニウム合金の製造方法に関する。１２００℃を超える温度は、霧化に必要ではなく、エネルギー要件が高いため望ましいといえない。それ故、＞８５０から１２００℃、好ましくは＞９５０から１１５０℃の範囲は、噴霧化にとって特に好ましい温度範囲として特定することができる。上述の温度が望ましくない一次析出物を防止するためにノズルで一定に実行することを溶融物の十分な過熱または処理制御によって保障する必要がある。噴霧化による粉末状アルミニウム合金の製造は、群Ｍ１の添加金属がアルミニウム合金に溶解するか、または準安定相として存在する、利点と関連している。レーザ焼結またはレーザ溶融によるその後の処理中に、これらの相が溶解し、金属が結晶粒微細化効果を持つようになる。

また、本発明による粉末状アルミニウム合金は、メカニカルアロイングによっても製造することができる。この方法において、後者の合金（またはその予備混合物）の個々の成分の金属粉末は集中的に機械的に処理され、かつ原子レベルまで均質化される。粒子の改質にとって、例えば形態、粒径、粒径分布を変更するため、または表面処理を実行するために、メカニカルアロイング後に得られた粒子を後処理することが可能である。後処理は、粒子および／または粒子表面の化学修飾、ふるい分け、破砕、丸みを帯びた粉砕、プラズマ球状化（すなわち、丸い粒子への加工）および添加剤処理から選択される１つまたは複数の工程を含むことができる。ここでは、通常、メカニカルアロイングで板またはフレークが得られるため、特に粒子形態または粒径分布の変更が推奨される。この形態は、後の付加処理法において一般的に問題となる。

さらに、本発明は、好ましくは＞８５０℃、さらに好ましくは＞１０５０℃の温度での液体合金の噴霧化による、または任意の後処理を伴うメカニカルアロイングによる、記載された方法によって得られる粉末状アルミニウム合金に関する。ここで、噴霧化、メカニカルアロイング、および任意の後処理の好ましい実施形態についての前記説明も参照される。

また、積層造形技術の支援による三次元物体の製造の使用のための粉末状アルミニウム合金は以下に開示され、粉末状アルミニウム合金はアルミニウムに加えて、最も関連合金化元素としてＣｕ、Ｚｎ，またはＳｉ／Ｍｇを含み、さらにＭｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖ、ランタノイド元素およびＬｉを含む群Ｍ１から選択される金属を１～１５重量％の含有量で有する。本発明によるアルミニウム合金について上に開示された好ましい実施形態は、同様に、この粉末状アルミニウム合金についても好ましいと考えられる。

本発明の別の態様は、積層造形プロセス（すなわち、物体が層ごとに構築されるプロセス）によって三次元物体を製造する方法に関する。物体は、好ましくは、その層内の物体の断面に関連する各層内の位置で、ビルドアップ材料を層ごとに適用し、ビルドアップ材料を選択的に固化する、特に放射エネルギーを供給する、ことによって、製造される。好ましくは、少なくとも１つの照射領域、特にエネルギービームの放射線照射領域持つ位置をスキャンするか、ビルドアップ材料を放射線衝突領域に導入し、それを溶かして基板に適用する。本明細書に記載される本発明の文脈において、ビルドアップ材料は、上述の粉末状アルミニウム合金を含むが、代替的に、対応するワイヤ形状のアルミニウム合金を含み得る。好ましくは、ビルドアップ材料は前記粉末状またはワイヤ形状のアルミニウム合金を含む。

三次元物体は、１つの材料（すなわち、アルミニウム合金）で作られた物体であってもよいし、異なる材料で作られた物体であってもよい。 三次元物体が異なる材料からなる物体である場合、この物体は例えば、本発明のアルミニウム合金を他の材料の基体に適用することによって製造することができる。

この方法に関連して、選択的固化の前に粉末状アルミニウム合金を予熱することが有用であり、少なくとも１１０℃の温度への予熱が好ましいとして与えられ、少なくとも１２０℃の温度への予熱、さらに好ましくは少なくとも１３０℃の温度への予熱、さらに好ましくは少なくとも１５０℃の温度への予熱、さらに好ましくは少なくとも１６５℃の温度への予熱、さらに好ましくは少なくとも１９０℃の温度への予熱、が挙げられる。他方、非常に高い温度への予熱は、三次元物体を製造するための装置、すなわち少なくとも三次元物体が形成される容器にかなりの要求を課し、それによって最高でも４００℃の温度が予熱の妥当な最高温度として規定できる。好ましくは予熱の最高温度は３５０℃以下であり、さらに好ましくは３００℃以下である。予熱のために示される温度は、それぞれ、粉末状アルミニウム合金が適用される構築プラットフォーム、および粉末状アルミニウム合金によって形成される粉末床が加熱される温度を示す。

層ごとの適用または堆積層は、積層造形による処理に適した層の厚さ、例えば２０～６０μｍの範囲の層厚、好ましくは少なくとも２５および／または最大５０μｍの厚さ、さらに好ましくは少なくとも３０および／または最大４０μｍの厚さ、で好都合に実行される。

上述のように、本発明による方法は、ビルドアップ材料がエネルギー源、例えばレーザの放射線照射領域に導入され、かつレーザで溶かして基板に塗布するように構成することもできる。 粉末ビルドアップ溶接のモードでレーザクラッディングとも呼ばれるこのような方法において、粉末は1つまたは複数のノズルを通して基板上にスポットスプレーされ、レーザはレーザの適用点に同時に位置合わせされる。放射エネルギーにより、基板は部分的に溶融し、適用された合金粉末が溶融し、それによって適用された合金が溶融した基板と結合できる。このよう方法で、粒状材料の層がワークピースに適用され、ワークピースの表面層に結合される。 粒状材料の溶融層を順次「噴霧」することにより、より大きなワークピースは従って製造することができる。

代替的に、レーザコーティング処理はワイヤビルドアップ溶接方法のモードでも実行でき、ワイヤは粉末の代わりに使用される。 従って、本発明による方法は、上記のようにアルミニウム合金で作られたワイヤが使用される、実施形態も含む。

本発明による方法に関して、製造された三次元物体の熱処理は、その物理的特性、例えば、特に引張、強度および／または降伏強度、を大幅に改善できることがさらに見出された。おそらく、この効果は最初に形成された三次元物体の合金の微細構造の再配列によるものである。従って、この目的を達成するために、本発明による方法は最初に形成された三次元物体を熱処理、好ましくは４００℃～５００℃の温度で、および／または２０分間～２００分間の時間、ゆだねる工程をさらに含むことが好ましい。特に好ましい温度範囲として、４２０℃～４７０℃の範囲、特に少なくとも４３０℃および／または４５０℃以下が挙げられ得る。熱処理の特に好ましい時間枠は、３０分～１２０分、特に少なくとも４０分および／または８０分以下、である。さらに、そのような熱処理は、比較的高い温度でのそのような熱処理の後、三次元物体がほぼ周囲温度まで急速に（すなわち、例えば水で急冷することにより１０分以内、好ましくは５分以内）冷却され、その後９０℃～１５０℃、特に少なくとも１１０℃および／または１４０℃以下の温度で少なくとも１２時間、好ましくは１８時間、時効する場合、特に有利な結果を提供することが見出された。

本発明の別の態様は、特に上述した方法に従って製造された粉末状アルミニウム合金を使用して製造された三次元物体に関する。粉末状アルミニウム合金は、上述したアルミニウム合金であり、三次元物体はそのようなアルミニウム合金を含むか、またはそれからなる。このような物体の製造に上述した合金を使用することにより、「施工完了時」非常に良好な表面が得られ、それによってその後の表面の後処理（例えば平滑化）が最小限に抑えることができる。

本発明による三次元物体は、便宜上、特に少なくとも４００ＭＰａおよび／または最大５５０ＭＰａ、好ましくは少なくとも４４０ＭＰａ～５５０ＭＰａ、特に好ましくは４６０～４８０ＭＰａの降伏強度、および／または４５０ＭＰａおよび／または最大５５０ＭＰａ、好ましくは少なくとも４７０ＭＰａ、特に好ましくは５００～５５０ＭＰａの範囲の引張強度のような有利に適合された機械的特性を有する。これらそれぞれの降伏強度および強度は、ここに記載の発明の範囲内で、ＥＮ ＩＳＯ ６８９２．１（２０１１） に従って決定されるべきである。代替的にまたは追加的に、本発明による三次元物体は、好ましくは２００℃で、少なくとも３３０ＭＰａ、より好ましくは少なくとも３５０ＭＰａ、さらにより好ましくは３６０ＭＰａ～４２０ＭＰａの範囲の降伏強度を好ましくは有する。

本発明の別の態様は、上述の三次元物体の製造方法を実行するための製造装置に関し、装置はレーザ焼結装置またはレーザ溶融装置と、容器壁を有する開放容器として構成される処理チャンバと、処理チャンバ内に配置された支持体と、貯蔵容器と、水平方向に移動可能なコータとを含む。ここで、処理チャンバおよび支持体は垂直方向に互いに相対的に移動可能であり、貯蔵容器は少なくとも 上記のように粉末状アルミニウム合金で少なくとも部分的に充填されている。

同様に、本発明は三次元物体を製造する方法を実行するための製造装置に関し、当該製造装置はレーザコーティングのための装置と、処理チャンバと、レーザの照射領域に粒状材料またはワイヤを供給するための供給装置と、上述の粉末状アルミニウム合金またはそのようなアルミニウム合金のワイヤで少なくとも部分的に充填された貯蔵容器とを備える。

三次元物体を製造するための積層造形装置および関連する方法は、一般に、形状のない（またはワイヤ形状の）ビルドアップ材料の固化によって層ごとに物体が製造される事実によって特徴付けられる。固化は、例えば電磁放射または粒子放射を照射することによりビルドアップ材料に熱エネルギーを供給する、例えば、レーザ焼結（「ＳＬＳ」または「ＤＭＬＳ」）、またはレーザ溶融、または電子ビーム溶融によってもたらすことができる。

例えば、レーザ焼結またはレーザ溶融において、ビルドアップ材料の層上のレーザ ビームの照射領域(「レーザスポット」)は、層で製造されるべき物体の物体断面に対応する層のそれらポイント上を移動する。エネルギーの適用の代わりに、適用されたビルドアップ材料の選択的な固化は、３Ｄ印刷によって、例えば接着剤または結合剤を適用することによって実行することもできる。一般に、本発明はビルドアップ材料が固化される方法に関係なく、層ごとの適用およびビルドアップ材料の選択的固化による物体の製造に関する。

本発明の他の特徴および実施形態は、添付の図面を用いた例示的な実施形態の説明において見出される。

図１は、本発明の一実施形態による三次元物体の層毎の構築のための装置の、断面として部分的に再現された概略図を示す。

図１に示す装置は、それ自体既知のレーザ焼結装置またはレーザ溶融装置ａ１である。物体ａ２の構築にために、チャンバ壁ａ４を備えた処理チャンバａ３を含む。処理チャンバａ３内には、壁ａ６を有する上向きに開放された構築容器ａ５が配置されている。作業面ａ７は、構築容器ａ５の上部開口部によって画定され、物体ａ２を構築するために使用できる、開口部内にある作業面ａ７の領域は、構築領域ａ８と呼ばれる。容器ａ５内には、垂直方向Ｖに移動可能な支持体ａ１０が配置され、これに基板ａ１１が取り付けられ、基板ａ１１は構築容器ａ５を底部で閉じ、従ってその底部を形成する。基板ａ１１は、支持体ａ１０に取り付けられる支持体ａ１０と分離して形成される板であっても、支持体ａ１０と一体に形成されていてもよい。使用される粉末および処理に応じて、基板ａ１１上には物体ａ２が構築される構築プラットフォームａ１２も取り付けられ得る。しかしながら、物体ａ２は基板ａ１１自体の上に構築することもでき、これは構築プラットフォームとして役目をする。図１において、構築プラットフォームａ１２上の構築容器ａ５内に形成される物体ａ２は未固化のままのビルドアップ材料ａ１３によって囲まれた幾つかの固化層を持つ中間状態の作業面ａ７の下に示されている。レーザ焼結装置ａ１は、さらに電磁放射によって固化できる粉末状のビルドアップ材料ａ１５のための貯蔵容器ａ１４と、ビルドアップ材料ａ１５を構築領域ａ８に塗布するために水平方向Ｈに移動可能なコータａ１６とを含む。レーザ焼結装置ａ１は、さらにエネルギービームとしてレーザビームａ２２を発生するレーザａ２１を有する照射装置ａ２０を含み、前記エネルギービームは偏向装置ａ２３を介して偏向され、処理チャンバａ３の壁ａ４の上側に取り付けられる結合窓ａ２５を介して集束装置ａ２４によって作業面ａ７上に集束される。

また、レーザ焼結装置ａ１は装置ａ１の個々の構成要素が協調方法で制御して構築処理を行う制御ユニットａ２９を備えている。制御ユニットａ２９は、動作がコンピュータプログラム（ソフトウェア）によって制御されるＣＰＵを含んでいてもよい。コンピュータプログラムは、記憶媒体上に装置とは別に記憶され、そこから装置、特に制御ユニットにロードすることができる。動作中、粉末層を塗布するために、支持体ａ１０は最初に、所望の厚さに対応する高さだけ下げられる。コータａ１６を作業平面ａ７上で移動させることにより、粉末ビルドアップ材料ａ１５の層はそれから塗布される。安全のために、コータａ１６は層を構築するのに必要な量よりもわずかに多い量のビルドアップ材料ａ１５をその前に押し出す。コータａ１６は、計画された余分のビルドアップ材料ａ１５をオーバーフロー容器ａ１８に押し込む。オーバーフロー容器ａ１８は、構築容器ａ５の両側に配置される。粉末ビルドアップ材料ａ１５の適用は、少なくとも生成される物体ａ２の断面全体にわたって、好ましくは構築領域ａ８全体、すなわち、支持体ａ１０の垂直方向の動きにより下げることができる作業面ａ７の領域にわたって行われる。次いで、生成される物体ａ２の断面は、エネルギービームと作業平面ａ７との交差を概略的に表す、レーザビームａ２２によってビーム放射領域（図示せず）で走査される。これにより、粉末ビルドアップ材料ａ１５は製造されるべき物体ａ２の断面に対応する点で固化される。これらの工程は、物体ａ２が完成し、構築容器ａ５から取り外せるまで、繰り返される。好ましくは処理チャンバａ３内で層状の処理ガス流ａ３４を発生するために、レーザ焼結装置ａ１はガス供給チャネルａ３２、ガス入口ノズルａ３０、ガス出口開口ａ３１およびガス排出チャネルａ３３をさらに備える。処理ガス流ａ３４は、構築領域ａ８を横切って水平に移動する。ガスの供給および排出は、また制御ユニットａ２９によって制御されてもよい（図示せず）。処理チャンバａ３から抜き出されたガスは、フィルタ装置（図示せず）に送られ、ろ過されたガスはガス供給チャンネルａ３２を介して処理チャンバａ３に戻され、それによって閉ガス回路を持つ再循環系が形成される。１つのガス入口ノズルａ３０および１つのガス出口開口ａ３１のみの代わりに、いくつかのノズルまたは開口はいずれの場合も設けることができる。

本発明による装置おいて、貯留槽ａ１４は上述のように粉末状アルミニウム合金ａ１５で少なくとも部分的に充填される。

最後に、本発明の別の態様はＣｕを４～６重量％、Ｍｇを０．１～１．５重量％、およびＡｇを０．１～１重量％、ならびにＭｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖおよびランタノイド元素を含む群Ｍ１から選択される金属を１．３～１５重量％の含有量で有し、好ましくは合金の９９重量％までの残りの割合はアルミニウムによって占められ、さらに好ましくは合金の１００重量％までの残りの割合はアルミニウム、マンガン、シリコンおよび酸素よって占められる、アルミニウム合金に関する。

本発明は、多数の実施例によってさらに説明されるが、本出願の保護範囲を決定するものとして解釈されるべきではない。

例１：
表１に示す組成を有する種々のアルミニウム合金は、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）によって試験体に加工した。このような方法で製造された試験体は、それらの硬度、２３℃での降伏強度および引張強度に関して調べた。 これらの試験の結果も表１に示す。

硬度を決定するために製造された試験体は、標準ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６５０６－１:２０１５「金属材料－ブリネル硬さ試験－第１部：試験方法」に従ってブリネル法にかけた。密度立方体試料は、決定のために使用された。試験は各試料に対して３回実行され、測定値は１ＨＢＷの精度で与えられる。

比較試料１で製造された試験体は、大量の高温割れを示した。比較試料２において、高温割れは比較試料１に比べて大幅に減少したが、それでも目に見え；試験体の熱処理は材料の硬度の改善につながらない。本発明による材料は、高温割れがなく、製造直後のこれらの比較試料に比べて、機械的特性が大幅に改善されたことを示した。熱処理（４８５℃／４０分、その後の水による急冷および２５℃でのエージング）により、これらの特性を大幅に改善することができた。

例２：
例１によるアルミニウム合金で作られた試験体（－●－）は、その降伏強度特性に関して他の材料で作られた対応する試験体と比較した。比較材料として、スカルマロイ（ＤＭＬＳ加工、－◇－）、アルミニウム合金ＡＷ２６１８（鍛造、Ｔ６、－□－）、アルミニウム合金７０７５（Ｔ６、－▲－）、アルミニウム合金２０２４（Ｔ６、－×－）、およびアダロイ（ＤＭＬＳ加工、－○－）で作られた試験体が使用された。比較材料のデータは、文献または対応するデータシートから取得される。これらの材料で作られた試験試料の降伏強度は図２に示される。

図２から、本発明によるアルミニウム合金はすでに２３℃で全ての試験材料の中で最高の降伏強度を有していたのに対し、スカルマロイおよびアルミニウム合金７０７５のみが同様に高い範囲で降伏強度を有していたことが明らかである。高温鍛造合金ＡＷ－２６１８Aと比較すると、その差は約２７％であった。約１００～１２０℃の温度を超えると、アルミニウム合金７０７５の降伏強度は急激に低下し、スカルマロイの降伏強度はこれらの温度でさえ、さらに大幅に低下する。これに対し、本発明のアルミニウム合金の降伏強度はこれらの温度では僅かしか低下しない。約２００℃で、本発明によるアルミニウム合金は、２番目に優れた合金ＡＷ２６１８Ａよりも約４２％優れた降伏強度を有する。

本発明の一実施形態による三次元物体の層毎の構築のための装置を示す概略図である。 本発明の例１によるアルミニウム合金で作られた試験体と他の材料で作られた試験体との間の降伏強度の比較を示す図である。

Claims (15)

1. 最も関連合金化元素としてＣｕ、Ｚｎ，またはＳｉ／Ｍｇを持つ粉末状アルミニウム合金であって、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖおよびランタノイド元素を含む群Ｍ１から選択される金属を１～１５重量％の含有量でさらに有することを特徴とする粉末状アルミニウム合金。
2. 群Ｍ１、好ましくはＺｒおよび／またはＴｉからの金属を少なくとも１．３重量％、好ましくは２．０重量％、８．０重量％まで、さらに好ましくは２．５重量％、５．０重量％までの含有量で有することを特徴とする請求項１に記載の粉末状アルミニウム合金。
3. Ｃｕを４～６重量％、Ｍｇを０．１～１．５重量％、およびＡｇを０．１～１重量％の含有量で有し、好ましくは前記合金の９９重量％までの残りの割合はアルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の粉末状アルミニウム合金。
4. 少なくとも４．５重量％および／または多くても５．８重量％、好ましくは少なくとも４．８重量％および／または多くても５．５重量％のＣｕ、少なくとも０．２重量％および／または多くても１．５重量％、好ましくは少なくとも０．３重量％および／または多くても１．２重量％のＭｇ、および少なくとも０．０５重量％および／または多くても０．６重量％、好ましくは少なくとも０．２重量％および／または多くても０．４重量％のＡｇの含有量を有する請求項３に記載の粉末状アルミニウム合金。
5. ０．２重量％まで、好ましくは０．０５～０．１５重量％の酸素、０．６重量％まで、好ましくは０．２～０．５５重量％のマンガン、および０．３重量％まで、好ましくは０．０５～０．１５重量％のシリコンをさらに含む請求項３に記載の粉末状アルミニウム合金。
6. ０．１～５００μｍの範囲、好ましくは少なくとも１および／または多くても２００μｍ、特に好ましくは少なくとも１０および／または多くても８０μｍの平均粒径ｄ５０を有することを特徴とする請求項１～５いずれか１項に記載の粉末状アルミニウム合金。
7. 金属ホウ化物、金属窒化物および金属炭化物を０．２重量％未満、好ましくは０．１重量％未満、より好ましくは０．０５重量％の含有量で有することを特徴とする請求項１～５いずれか１項に記載の粉末状アルミニウム合金。
8. 前述の請求項のいずれかの粉末状アルミニウム合金の製造方法であって、
   液体合金を＞８５０℃、好ましくは＞１０５０℃の温度で霧化する工程、またはメカニカルアロイングおよび任意に後処理の工程を含むことを特徴とする粉末状アルミニウム合金の製造方法。
9. 三次元物体の製造方法であって、前記物体はビルドアップ材料層を層ごとに適用すること、および前記ビルドアップ材料を選択的に固化することによって、特にその層内の物体の断面に関連する各層内の位置で、放射線エネルギーの供給によって、好ましくは少なくとも1つの照射領域、特にエネルギービームの放射線照射領域、を持つ位置で走査することによって、または前記ビルドアップ材料を放射線照射領域に導入すること、それを溶かして基板に適用することによって、製造され、
   前記ビルドアップ材料は請求項１～７のいずれかに記載の粉末状アルミニウム合金、または対応するワイヤ形状アルミニウム合金、を含む、好ましくはからなる三次元物体の製造方法。
10. 前記粉末状アルミニウム合金は、好ましくは少なくとも１００℃、より好ましくは高くとも４００℃の温度で予熱される請求項９に記載の方法。
11. 製造される三次元物体は、好ましくは少なくとも４００～５００℃の温度および／または２０～２００分の期間で、熱処理に委ねられる請求項９または１０に記載の方法。
12. 粉末状アルミニウム合金を用いて製造される、特に請求項８に記載の方法により製造される、三次元物体であって、前記粉末状アルミニウム合金は請求項１～７のいずれか１項に記載のアルミニウム合金であり、前記三次元物体はそのようなアルミニウム合金を含むか、またはからなる、三次元物体。
13. 少なくとも４００ＭＰａおよび／または多くとも５５０ＭＰａ、好ましくは少なくとも４４０ＭＰａ、特に好ましくは４６０～５００ＭＰａの範囲の降伏強度、および／または４５０ＭＰａ、好ましくは少なくとも４７０ＭＰａおよび／または多くとも５５０ＭＰａ、特に好ましくは５００～５５０ＭＰａの範囲の引張強度を有することを特徴とする請求項１２に記載の三次元物体。
14. 請求項９に記載の方法を実行するための製造装置であって、レーザ焼結装置またはレーザ融解装置と、容器壁を持つ開放容器として設計される処理チャンバと、前記処理チャンバに設置される支持体と、貯蔵容器と、水平方向に移動可能であるコータとを備え、前記処理チャンバおよび前記支持体は垂直方向に互いに相対的に移動可能であり、前記貯蔵容器は請求項１～７のいずれか１項に記載の粉末状アルミニウム合金で少なくとも部分的に充填されている製造装置。
15. Ｃｕを４～６重量％、Ｍｇを０．１～１．５重量％およびＡｇを０．１～１重量％、並びにＭｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｖおよびランタノイド元素を含む群Ｍ１から選択される金属を１．３～１５重量％の含有量で有し、好ましくは合金の９９重量％まではアルミニウムであり、さらに好ましくは合金の１００重量％の残りの割合はアルミニウム、マンガン、シリコンおよび酸素であるアルミニウム合金。

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