JP6611326B2 - 金属間化合物を含有する構造物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属間化合物を含有する構造物の製造方法に関する。

金属間化合物は高融点、高温強度に優れるものが多い。シリサイドは、このような金属間化合物の一例であり、金属とＳｉとからなる化合物である。シリサイドは複雑な結晶構造を有するため、高融点を有する。シリサイドの中でも特に、遷移金属とＳｉとを１：２の比率で含有する遷移金属シリサイドは、融点が高く、高温強度に優れる。シリサイドはさらに、Ｓｉを多量に含有するため、高温域で酸化被膜を形成し、耐酸化性に優れる。そのため、１６００℃での使用に耐えうる次世代の超高温材料として注目されている。

しかしながら、シリサイドに代表される金属間化合物は、結晶構造が複雑であるために、難加工性を示す。そのため、高温環境で使用されるタービンブレード等の精密な内部構造を有する構造物を、金属間化合物を含有する素材で製造することは困難である。

本発明者らは、積層造形法を用いた金属単結晶の製造方法を特開２０１５−１８９６１８号公報（特許文献１）にて提案している。この製造方法は、種結晶を準備する準備工程と、付加製造技術を用いて、種結晶上に無機材料を供給し、熱エネルギーにより無機材料を溶融して、種結晶上に単結晶を育成する育成工程とを備える。

特開２０１５−１８９６１８号公報

上記特許文献１の製造方法を用いた場合、金属の単結晶を製造できる。しかしながら、難加工性を示す金属間化合物を含有する構造物を製造する場合、特許文献１と異なる他の製造方法も望まれる。

本発明の目的は、難加工性を示す金属間化合物を含有する構造物の製造方法を提供することである。

本実施形態による積層造形法による金属間化合物を含有する構造物の製造方法は、混合層形成工程と、造形工程とを備える。混合層形成工程は、金属基台上に構造物の出発材料となる粉末粒子からなるパウダーベッドを形成した後、パウダーベッド及び金属基台の表層を溶融して混合層を形成する。造形工程は、混合層上にパウダーベッドを形成した後、パウダーベッドを溶融して、金属間化合物を含有する構造物を形成する。造形工程は、ベッド形成工程と、溶融工程とを含む。ベッド形成工程は、上記パウダーベッドを形成する。溶融工程は、パウダーベッドを溶融して金属間化合物を含有する凝固層を形成する。造形工程は、ベッド形成工程と溶融工程とを交互に繰り返して、複数の凝固層が積層された構造物を形成する。

本実施形態による製造方法は、金属基台と構造物との間に混合層を形成する。混合層の化学組成は、金属基台の組成と、パウダーベッドを構成する粉末粒子の組成とが混合する。そのため、混合層の熱膨張率及び熱伝導率は、金属基台及び構造物の間の値となる。その結果、積層造形法による製造途中において、金属基台と構造物との熱膨張率差、熱伝導率差に起因した剥離や割れの発生が抑制され、安定して構造物を製造できる。

好ましくは、混合層形成工程では、造形工程よりも高いエネルギー密度での１又は複数回の熱源の走査でパウダーベッド及び金属基台の表層を溶融して混合層を形成する。

この場合、混合層形成工程において、パウダーベッドとともに金属基台の表層も溶融しやすくなり、混合層を形成しやすくなる。

好ましくは、混合層形成工程は、ベッド形成工程と、傾斜層形成工程とを含む。傾斜層形成工程は、パウダーベッド及びパウダーベッド下の領域を溶融して組成傾斜層を形成する。混合層形成工程は、ベッド形成工程と傾斜層形成工程とを交互に繰り返して、複数の組成傾斜層が積層された混合層を形成する。傾斜層形成工程では、下層の組成傾斜層よりも粉末粒子の成分比率が高い組成傾斜層を形成する。

この場合、混合層では、上層の組成傾斜層ほど、金属基台の成分よりも、パウダーベッドを構成する粉末粒子の成分の比率が高ければ、下層の組成傾斜層ほど、金属基台の熱膨張率及び熱伝導率に近く、上層の組成傾斜層ほど、粉末粒子の熱膨張率及び熱伝導率に近くなる。そのため、熱膨張率差及び熱伝導率差に起因した割れの発生をさらに抑制できる。

好ましくは、各溶融工程での高エネルギー熱源の走査方向は互いに並行である。

この場合、構造物中の結晶が特定結晶方位へ配向しやすくなる。

上記製造方法において、金属間化合物はたとえばシリサイドである。シリサイドはたとえば、Ｍｏ及び／又はＮｂを含有する遷移金属シリサイドである。また、上記積層造形法は、たとえば、レーザー積層造形法である。

図１は、本実施形態の製造方法に利用される積層造形装置の構成図である。 図２は、本実施形態の製造方法の概要を説明するための模式図である。 図３は、本実施形態の製造方法により（Ｎｂ，Ｍｏ）Ｓｉ₂の構造物を製造し、複数の組成傾斜層を含む混合層を形成した場合の、金属基台、混合層及び凝固層近傍部分のＳＥＭ画像と、ＳＥＭ画像中の各位置における各元素の含有量（原子％）の関係を示すグラフとを示す図である。 図４は、本実施形態の製造方法の製造工程を示すフロー図である。 図５は、図４中のステップＳ４の詳細を示すフロー図である。 図６は、図４に示す製造フロー中の一工程を示す模式図である。 図７は、図６に続く一工程を示す模式図である。 図８は、図７に続く一工程を示す模式図である。 図９は、図８に続く一工程を示す模式図である。 図１０は、図９に続く一工程を示す模式図である。 図１１は、図１０に続く一工程を示す模式図である。 図１２は、図４中のステップＳ５の詳細を示すフロー図である。 図１３は、図１２に示す製造フロー中の一工程を示す模式図である。 図１４は、図１３に続く一工程を示す模式図である。 図１５は、図１４に続く一工程を示す模式図である。 図１６は、シリサイドからなる構造物の外観を示す写真画像である。 図１７は、図１２に示す製造フロー内の溶融工程における高エネルギー源の走査方向を説明するための模式図である。 図１８は、ＭｏＳｉ₂単相の構造物を製造したときの、走査方向ごとのＸＲＤ測定結果を示す図である。 図１９は、ＭｏＳｉ₂単相の構造物を製造したときの、走査方向及び造形方向での逆極点図である。 図２０は、指向性エネルギー堆積法に基づく本実施形態の製造方法を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本実施形態による金属間化合物を含有する構造物の製造方法では、たとえば、図１に示す積層造形装置を使用する。

［積層造形装置の構成］
図１を参照して、積層造形装置１００は、レーザー積層造形装置である。積層造形装置１００は、制御装置１０と、レーザー装置１４と、レンズ系１５と、ミラー（ガルバノミラー）１６と、チャンバ２０とを備える。

レーザー装置１４は熱エネルギー源であり、レーザー光を出射する。レーザー装置１４はたとえば、ファイバーレーザーやＹＡＧレーザー等の固体レーザー、ＣＯ₂レーザー等である。レンズ系１５は、レーザー装置１４からレーザー光を受け、レーザー光を収束してレーザー３０を形成する。ミラー１６は、レーザー３０の照射操作を行う。つまり、ミラー１６により、レーザー３０が照射される位置が調整される。

チャンバ２０は、ベッド形成室２０１と、粉末供給室２０２と、造形テーブル２０３と、リコータ２０５とを備える。

ベッド形成室２０１は、筒状であり、上端に開口を有する。造形テーブル２０３は、ベッド形成室２０１に収納され、上下方向に昇降可能に支持される。造形テーブル２０３は、図示しないモータにより昇降する。造形テーブル２０３上には、金属基台２０８が配置される。金属基台２０８は、Ｆｅ等の金属からなる。金属間化合物を含有する構造物は、金属基台２０８上に形成される。

粉末供給室２０２は、ベッド形成室２０１の隣に配置される。粉末供給室２０２は筒状であり、上下方向に昇降可能なピストン２０４を内部に備える。ピストン２０４上には、金属間化合物を含有する構造物の出発材料となる粉末粒子４０が積層される。ピストン２０４が上昇することにより、粉末供給室２０２の上部開口から粉末粒子４０が排出され、ベッド形成室２０１に供給される。

リコータ２０５は、粉末供給室２０２の上部開口の近傍に配置される。リコータ２０５は、図示しないモータにより特定方向（水平方向）に移動し、粉末供給室２０２及びベッド形成室２０１の間を往復する。図１では、リコータ２０５は、Ｘ方向に往復移動する。

リコータ２０５は、Ｘ方向に移動することにより、粉末供給室２０２から排出された粉末粒子４０を水平方向に移動させてベッド形成室２０１に供給する。ベッド形成室２０１内の造形テーブル２０３の金属基台２０８上に堆積された粉末粒子４０により、パウダーベッド（粉末床）２０６が形成される。リコータ２０５がＸ方向に移動することにより、粉末粒子４０が水平方向に移動し、パウダーベッド２０６の表面が平坦に整えられる。

なお、リコータ２０５に代えて、ローラを用いてもよい。ローラを用いた場合、粉末粒子４０に対してローラで任意に加圧しながら、パウダーベッド２０６を形成できる。

制御装置１０は、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、メモリと、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤという）とを備える。ＨＤＤには、周知のＣＡＤ（Computer Aided Design）アプリケーションとＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）アプリケーションとが格納される。制御装置１０は、ＣＡＤアプリケーションを利用して、製造したい構造物の３次元形状データを作成する。

制御装置１０はさらに、ＣＡＭアプリケーションを利用して、３次元データに基づいて、加工条件データを作成する。積層造形法では、レーザー３０により形成される複数の凝固層が積層されて金属間化合物を含有する構造物が形成される。加工条件データは、各凝固層が形成されるときの加工条件を含む。つまり、加工条件データは、各凝固層（各パウダーベッド２０６）ごとに作成される。制御装置１０は、加工条件データに基づいてレーザー装置１４、レンズ系１５及びミラー１６を制御して、レーザー３０のエネルギー密度を決定する条件（出力、走査速度、走査間隔及び照射位置）を調整する。

［製造方法の概要］
シリサイドに代表される難加工性を示す金属間化合物の融点は高い。金属基台２０８の素材には、金属間化合物を形成する金属元素（たとえばＦｅ）を選択するが、通常、金属基台２０８を構成する金属元素の融点と、形成される金属間化合物の融点との差は大きい。一般に融点の差が大きければ、熱膨張率及び熱伝達係数（以下、熱膨張率等という）の差も大きくなる。熱膨張率等の差が大きく異なれば、積層造形法による製造工程途中において、形成途中の構造物が、金属基台２０８から剥離したり、割れたりする。この場合、所望の形状の構造物を安定して作製できない。

そこで本実施形態では、次の方法により熱膨張率等の差を解消する。図２は、本実施形態の製造工程途中の構造物ＩＣ周辺を示す模式図である。図２を参照して、本製造方法では、金属基台２０８と、複数の凝固層ＳＯ１〜ＳＯ４を含む構造物ＩＣとの間に、混合層ＭＬを形成する。混合層ＭＬは、金属基台２０８を構成する金属と、粉末粒子とが混合された化学組成を有する。この場合、混合層ＭＬの熱膨張率等は、金属基台２０８の熱膨張率等と、金属間化合物を含有する構造物ＩＣの熱膨張率等との間の値となる。その結果、積層方向での熱膨張率等の不連続性を抑制でき、熱膨張率等の差が大きいことに起因した剥離や割れを抑制できる。

混合層ＭＬは１層からなるものであってもよい。しかしながら、好ましくは、混合層ＭＬは、複数の組成傾斜層ＭＬ１〜ＭＬ３が積層して形成される。ここで、組成傾斜層ＭＬ１中における粉末粒子の成分比率は、組成傾斜層ＭＬ２よりも小さい。さらに、組成傾斜層ＭＬ２中における粉末粒子の成分比率は、組成傾斜層ＭＬ３よりも小さい。要するに、複数の組成傾斜層で形成された混合層中では、上層に向かうにしたがって粉末粒子の成分比率が高くなり、下層に向かうにしたがって金属基台２０８の成分比率が高くなる。

図３は、本実施形態の製造方法により（Ｎｂ，Ｍｏ）Ｓｉ₂の構造物を製造し、複数の組成傾斜層を含む混合層を形成した場合の、金属基台、混合層及び凝固層近傍部分のＳＥＭ画像と、ＳＥＭ画像中の各位置における各元素の含有量（原子％）の関係を示すグラフとを示す図である。各位置での各元素の含有量はエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により求めた。金属基台にはＦｅ基板を用いた。

図３中の横軸では、紙面の左から右に向かうにしたがって、金属基台から離れる。図３を参照して、金属基台は、実質的にＦｅからなる。混合層内では、金属基台側から構造物側に向かうにしたがって、各元素（Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｏ及びＮｂ）が増減する。具体的には、構造物側に向かうにしたがって、Ｆｅ含有量が徐々に低下し、構造物内では０％になる。一方、構造物側に向かうにしたがって、Ｓｉ、Ｍｏ及びＮｂ含有量が徐々に増加し、最終的には構造物内の各元素の含有量と同等になっている。つまり、図３の混合層では、金属基台側から構造物側に向かうにしたがって、金属基台を構成する金属の比率（Ｆｅ比率）が徐々に低下し、粉末粒子の組成比率（Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｂ）が徐々に増加している。

このように、混合層ＭＬを複数の組成傾斜層で構成し、かつ、各組成傾斜層中の成分比率を調整することにより、混合層ＭＬに対して、積層方向における熱膨張係数等を段階的に変化させる傾斜機能を持たせることができる。この場合、熱膨張率等の差に起因した剥離や割れをさらに抑制できる。

なお、図２を参照して、金属基台２０８の表面から組成傾斜層ＭＬ１の底までの深さΔＤはたとえば、５０〜１０００μｍである。つまり、金属基台２０８の表層は、少なくとも５０μｍ以上溶融されるのが好ましく、さらに好ましくは３００μｍ以上溶融されるのが好ましい。

以下、本製造方法を詳述する。

［製造方法の詳細］
図４は、本実施形態の金属間化合物を含有する構造物の製造方法の詳細を示すフロー図である。以下、金属間化合物の具体例を遷移金属シリサイドとし、構造物の具体例をタービンブレードとして説明する。しかしながら、本製造方法は、遷移金属シリサイド以外の他の金属間化合物を含有する構造物にも適用でき、タービンブレード以外の他の構造物にも適用できる。

制御装置１０は初めに、ＣＡＤアプリケーションを用いて構造物の３次元データを作成する（Ｓ１）。作成された３次元データは制御装置１０内のメモリに格納される。続いて、制御装置１０はＣＡＭアプリケーションを用いて、３次元データに基づいて加工条件データを作成する（Ｓ２）。

加工条件データは、凝固層ごとに作成される。初めに、構造物（本例ではタービンブレード）を、予め設定された凝固層ＳＯｋ（ｋは自然数であり、最大数はｋｍａｘ）の積層数ｋｍａｘ（個）でスライスした場合を想定する。このとき、構造物がスライスされて形成される複数の凝固層ＳＯｋの各々の形状が異なる場合がある。したがって、加工条件データは、各凝固層ＳＯｋごとに製造される。これにより、所望の３次元形状の構造物が製造される。

第ｋ層（ｋ＝１〜ｋｍａｘ）の凝固層ＳＯｋの加工条件データは次の方法で作成される。ここで、第１層は最下層であり、第ｋｍａｘ層は最上層である。

制御装置１０はまず、３次元データに基づいて、第ｋ層における凝固層ＳＯｋの断面形状データを作成する。続いて、制御装置１０は、断面形状データに基づいて、加工条件データを作成する。加工条件データは、領域条件とレーザー条件とを含む。制御装置１０は、断面形状データに基づいて、レーザー３０を照射する領域を決定し、領域条件として定義する。続いて、凝固層を形成するために必要なエネルギー密度（Ｊ／ｍｍ²）に応じて、レーザー条件（レーザー３０の出力、走査速度、走査間隔）を決定する。レーザー条件に関する情報は、粉末粒子４０の組成に対応して、制御装置１０内のＨＤＤに予め格納されている。以上の工程により、各層（凝固層ＳＯｋ）における加工条件データが作成される。作成された複数の加工条件データは、制御装置１０内のメモリに格納される。

制御装置１０はさらに、構造物の場合と同様に、混合層ＭＬの加工条件データを作成する。具体的には、初めに、混合層ＭＬを、組成傾斜層ＭＬｎ（ｎは自然数であり、最大数はｎｍａｘ）の積層数ｎｍａｘ（個）でスライスした場合を想定し、各組成傾斜層ＭＬｎごとに加工条件データを作成する。各凝固層ＳＯｋにおける加工条件データの場合と同様の方法で、各組成傾斜層ＭＬｎの加工条件データを決定する。

混合層の各組成傾斜層ＭＬｎを形成するときのエネルギー密度は、各凝固層ＳＯｋを形成するときのエネルギー密度よりも大きい。後述のとおり、各組成傾斜層を形成する場合、パウダーベッドだけでなく、パウダーベッド下の領域（下層となる組成傾斜層又は金属基台の表層）も溶融して、金属基台の組成を粉末粒子の組成と混合する必要があるためである。なお、混合層ＭＬを１層のみで形成する場合、混合層の加工条件データは１つで足りる。

続いて、真空ポンプを用いて、チャンバ２０を真空に引く（Ｓ３）。チャンバ２０内が真空になった後、混合層を形成する（Ｓ４：混合層形成工程）。

［混合層形成工程（Ｓ４）］
図５は、図４中の混合層形成工程（Ｓ４）の詳細を示すフロー図である。図５を参照して、制御装置１０は初めに、カウンタｎを「１」に設定し（Ｓ４１）、最下層となる第１層の組成傾斜層ＭＬ１の作製を開始する。

チャンバ２０内に不活性ガス（アルゴン、窒素、ヘリウム等）を供給し、造形テーブル２０３上に配置された金属基台２０８を予熱する（Ｓ４２）。なお、予熱時において、真空に引いた後、不活性ガスを供給することなく金属基台２０８を予熱してもよい。また、真空にせずに、不活性ガスを供給した後、金属基台２０８を予熱してもよい。

続いて、制御装置１０は、パウダーベッド２０６を形成する（Ｓ４３：ベッド形成工程）。制御装置１０は、粉末供給室２０２のピストン２０４を上昇して、粉末粒子４０を排出するよう指示する。粉末供給室２０２は、制御装置１０からの指示に応じて、粉末粒子４０を排出する。このとき、図６に示すとおり、リコータ２０５がＸ方向に移動する。これにより、排出された粉末粒子４０がＸ方向に移動して、ベッド形成室２０１に供給される。粉末粒子は金属基台２０８及び造形テーブル２０３上に堆積し、パウダーベッド２０６が形成される。

リコータ２０５はさらに、金属基台２０８上のパウダーベッド２０６の表面上を水平（Ｘ方向）に移動する。このとき、粉末粒子４０が水平方向に移動する。最上層のパウダーベッド２０６の厚さはたとえば、５〜１０００μｍ程度である。

次に、制御装置１０は、パウダーベッド２０６を予熱する（Ｓ４４）。種々の方法で予熱することができる。たとえば、パウダーベッド２０６にレーザを照射して予熱してもよいし、造形テーブル２０３を昇温することによりパウダーベッド２０６を予熱してもよい。ベッド形成室２０１内の粉末粒子４０をヒータで加熱することにより、パウダーベッド２０６を予熱してもよい。

次に、レーザー３０により第１層の組成傾斜層ＭＬ１を形成する（Ｓ４５：傾斜層形成工程）。制御装置１０は、ステップＳ２で作成された複数の加工条件データのうち、第１層の組成傾斜層ＭＬ１の加工条件データをメモリから読み出す。読み出された加工条件データに基づいて、制御装置１０はレーザー３０を制御する。

具体的には、制御装置１０は、加工条件データ内の領域条件に基づいて、パウダーベッド２０６の所定の領域にレーザー３０を照射する。制御装置１０はさらに、加工条件データ内のレーザー条件に基づいてレーザー３０の出力、走査速度及び走査間隔を調整する。

このとき、パウダーベッド２０６だけでなく、金属基台２０８の表層部分も溶融できるエネルギー密度で、組成傾斜層ＭＬ１を形成する。その結果、図７に示すとおり、金属基台２０８の表層部分が溶融して粉末粒子４０と混合し、組成傾斜層ＭＬ１が形成される。パウダーベッド２０６のうち、組成傾斜層ＭＬ１以外の領域に配置された粉末粒子４０は、溶融しておらず、焼結もしていない。

第１層の組成傾斜層ＭＬ１が形成された後、制御装置１０は、カウンタがｎｍａｘか否かを判断する（Ｓ４６）。ここでは、カウンタｎ＝１であるため（Ｓ４６でＮＯ）、制御装置１０はカウンタｎをインクリメントしてｎ＋１＝２とする（Ｓ４７）。そして、制御装置１０は、第２層の組成傾斜層ＭＬ２の作製を準備する。

制御装置１０は、造形テーブル２０３を積層ピッチΔｈだけ降下する（Ｓ４８）。その結果、図８に示すように、パウダーベッド２０６の表面が、図７と比較して、Δｈだけ低下する。

ステップＳ４８が完了した後、ステップＳ４３に戻る。このとき、制御装置１０は、組成傾斜層ＭＬ１が形成されたパウダーベッド２０６上に、新たなパウダーベッド２０６を形成する（Ｓ４３：ベッド形成工程）。具体的には、制御装置１０の指示に応じて、粉末供給室２０２内のピストン２０４が上昇し、粉末粒子４０が再び排出される。このとき、図９に示すように、リコータ２０５がＸ方向に移動する。そのため、粉末粒子４０はＸ方向に移動して、厚さΔｈを有する新たなパウダーベッド２０６を形成する。新たなパウダーベッド２０６の表面は、リコータ２０５により平坦に整えられる。

続いて、制御装置１０は、パウダーベッド２０６を予熱し（Ｓ４４）、第２層の組成傾斜層ＭＬ２を形成する（Ｓ４５：傾斜層形成工程）。このとき、制御装置１０は、第ｎ層（ここではｎ＝２）の加工条件データに基づいて、レーザー３０をパウダーベッド２０６に照射する。その結果、図１０に示すとおり、レーザー３０が照射された領域内のパウダーベッド２０６及びそのパウダーベッド２０６下の組成傾斜層ＭＬ１が溶融して凝固し、組成傾斜層ＭＬ２が形成される。

以上の工程により、組成傾斜層ＭＬ２は組成傾斜層ＭＬ１上に積層される。組成傾斜層ＭＬ２の形成時、組成傾斜層ＭＬ1の表層が溶融されてパウダーベッド２０６の溶融部分と混合する。そのため、組成傾斜層ＭＬ２は、組成傾斜層ＭＬ１と同様に、金属基台２０８の金属（以下、基板内金属という）を含有する。ただし、組成傾斜層ＭＬ２内での基板内金属の比率（含有量）は、組成傾斜層ＭＬ１内での基板内金属の比率（含有率）よりも小さい。そのため、組成傾斜層ＭＬ１の熱膨張率等は、組成傾斜層ＭＬ２よりも金属基台２０８の熱膨張率等に近い。好ましくは、組成傾斜層ＭＬｎ形成時のエネルギー密度は、組成傾斜層ＭＬｎ−１形成時のエネルギー密度以下である。これにより、混合層内での組成の傾斜を実現できる。

続いて、ステップＳ４６に進み、ｎ＝ｎｍａｘとなるまで、つまり、最上層の組成傾斜層ＭＬｎｍａｘが形成されるまで、制御装置１０は、ステップＳ４３〜ステップＳ４８までの動作を繰り返す。要するに、制御装置１０は、混合層ＭＬが完成するまで、ベッド形成工程（Ｓ４４）と傾斜層形成工程（Ｓ４５）とを繰り返す。

ステップＳ４３〜ステップＳ４８を繰り返した結果、カウンタｎ＝ｎｍａｘであるとき、つまり、最上層ｎｍａｘの組成傾斜層ＭＬｎｍａｘが形成されたとき（Ｓ４６でＹＥＳ）、図１１に示すように、混合層ＭＬが完成する。

上述のとおり、混合層ＭＬの熱膨張率等は、金属基台２０８と構造物ＩＣとの間の値となる。したがって、金属基台２０８上に構造物ＩＣを直接形成する場合と比較して、熱膨張率等の差を抑えることができる。そのため、次工程の造形工程（図４中のＳ５）において、熱膨張率等の差に起因した剥離や割れを抑制できる。

［造形工程（Ｓ５）］
図４に戻って、混合層ＭＬを形成した後、造形工程（Ｓ５）を実施して金属間化合物を含有する構造物を作製する。

図１２は、図４中の造形工程（Ｓ５）の詳細を示すフロー図である。図１２を参照して、制御装置１０は初めに、カウンタｋを「１」に設定し（Ｓ５１）、最下層となる第１層の凝固層ＳＯ１の作製を開始する。

図１３を参照して、制御装置１０は、ステップＳ４３と同様に、混合層ＭＬ上にパウダーベッド２０６を形成する（Ｓ５２）。パウダーベッド２０６を予熱した後（Ｓ５３）、第１層である凝固層ＳＯ１の加工条件データに基づいて、レーザー３０を制御しながらパウダーベッド２０６を溶融して凝固層ＳＯ１を形成する（Ｓ５４：溶融工程）。このとき、パウダーベッド２０６に付与するエネルギー密度は、ステップＳ４５よりも小さい。凝固層ＳＯ１の下層となる混合層ＭＬの表層を過度に溶融する必要がないためである。

以上の製造工程により、図１４に示すとおり、混合層ＭＬ上に凝固層ＳＯ１が形成される。凝固層ＳＯ１と金属基台２０８との熱膨張率等の差よりも、凝固層ＳＯ１と混合層ＭＬとの熱膨張率等の差は小さい。そのため、凝固層ＳＯ１は、金属基台２０８上に直接形成される場合よりも、剥離しにくく、割れにくい。

続いて、ステップＳ５５に進み、ｋ＝ｋｍａｘとなるまで、つまり、最上層の凝固層ＳＯｋｍａｘが形成されるまで、制御装置１０は、ステップＳ５２〜ステップＳ５７までの動作を繰り返す。つまり、制御装置１０は、構造物ＩＣが完成するまで、ベッド形成工程（Ｓ５２）及び溶融工程（Ｓ５４）を繰り返す。なお、凝固層ＳＯｋの形状は、下層の凝固層ＳＯｋ−１の形状に拘束されず、凝固層ＳＯｋ−１よりも大きな形状にすることもできるし、小さな形状にすることもできる。さらに、凝固層ＳＯｋの形状に１又は複数の孔を形成できる。この場合、構造物は、閉空間を有したり、複雑な孔形状を有する等、通常の切削加工では得られない形状を有することができる。

以上のとおり、積層造形法では、構造物を構成する各凝固層ＳＯｋの形状を自由に形成できる。そのため、混合層を形成する本製造方法では、難加工性を示すシリサイドに代表される金属間化合物を含有しても、自由な形状の構造物を形成できる。

以上の製造工程により、図１５に示すとおり、金属間化合物を含有する構造物ＩＣが完成する。完成された構造物はチャンバ２０から取り出され、混合層が切断される（Ｓ６）。図１６（Ａ）は本実施形態の製造方法で製造されたＮｂＳｉ₂の構造物であり、図１６（Ｂ）はＭｏＳｉ₂の構造物である。図１６（Ｃ）は、（Ｍｏ_0.85Ｎｂ_0.15）Ｓｉ₂の構造物である。いずれの構造物においても、混合層を形成することにより、剥離や割れが抑制され、安定して製造されている。

図４に戻って、必要に応じて、構造物ＩＣに対して熱処理を実施してもよい（Ｓ７）。たとえば、図１６（Ｃ）に示す（Ｍｏ_0.85Ｎｂ_0.15）Ｓｉ₂の構造物を製造した後、１４００℃で１６８時間保持する。この場合、構造物のマトリクス組織にて、延性相であるＣ１１_b相と、強化相であるＣ４０相とのラメラ組織が得られる。この場合、構造物の室温靭性及び高温クリープ特性が高まる。なお、ステップＳ７の熱処理は実施しなくてもよい。

［各凝固層の溶融工程での高エネルギー源の走査方向について］
図１７に示すとおり、各凝固層ＳＯｋの溶融工程（Ｓ５４）において、高エネルギー源であるレーザー３０の走査方向ＳＤｋは、下層の凝固層ＳＯｋ−１を形成するときの走査方向ＳＤ１と鈍角又は鋭角で交差していてもよいし（図１７（Ａ））、略直角に交差してもよいし（図１７（Ｂ））、並行してもよい（図１７（Ｃ））。ここで、並行とは、幾何学における平行及び平行から±１０°以内の範囲を意味する。要するに、走査方向は特に限定されない。

好ましくは、各凝固層ＳＯｋでのレーザー３０の走査方向ＳＤｋは、図１７（Ｃ）に示すとおり互いに並行する。この場合、走査方向又は造形方向に対する特定の結晶面の配向度を高めることができ、構造物の組織制御が可能となる。

図１８は、遷移金属シリサイドであるＭｏＳｉ₂単相の構造物を図１７（Ａ）〜（Ｃ）の走査方向で製造した場合の、図１７のＰ方向から見たＸ線回折結果（ＸＲＤ）を示す図である。なお、図１７中のＺ方向は造形方向である。図１８では、構造物の製造工程（溶融工程）中のレーザー出力を１００Ｗ、走査間隔を０．０６ｍｍ、走査速度を６００ｍｍ／ｓ、エネルギー密度を２．７８Ｊ／ｍｍ²としてＭｏＳｉ₂単相の構造物を製造した。

図１８中の“ｒｏｔａｔｅｄ”は、走査方向を図１７（Ａ）とした場合の回折パターンである。本例では、ＳＤｋとＳＤｋ−１との交差角を６７°とした。図１８中の“ＸＹ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ”は、走査方向を図１７（Ｂ）とした場合（つまり、ＳＤｋとＳＤｋ−１との交差角が９０°）の回折パターンである。図１８中の“Ｘ ｏｎｌｙ”は、走査方向を図１７（Ｃ）とした場合（つまり、ＳＤｋとＳＤｋ−１との交差角が０°）の回折パターンである。図１８中の“ｐｏｗｄｅｒ”は、製造に用いた粉末（つまり、結晶方位がランダム状態）の回折パターンである。各回折パターンのグラフの横には、測定方向における（００１）のロットゲーリングファクター（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒ）＝Ｌ（００１）を示す。

図１８を参照して、各凝固層の溶融工程における走査方向を互いに並行にした場合（図１８中の“Ｘ ｏｎｌｙ”）、ロットゲーリングファクターＬ（００１）が最も高い。つまり、走査方向に（００１）が強く優先配向する。

図１９は、図１８と同じＭｏＳｉ₂単相の構造物のレーザー走査方向の逆極点図（Ａ）及び造形方向の逆極点図（Ｂ）である。図１９は、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）により得られた。図１９を参照して、本実施形態の製造方法で製造されたＭｏＳｉ₂単相の構造物では、レーザー走査方向には（００１）が優先配向し、造形方向には（１００）が優先配向する。したがって、各凝固層の溶融工程における走査方向を互いに並行にすれば、結晶集合組織をある程度制御することができる。

［他の実施形態］
上述の製造方法は、Ｍｏ及び／又はＮｂを含有する遷移金属シリサイドに代表される、シリサイドの構造物を例に説明している。しかしながら、本実施形態の製造方法で製造される構造物は、シリサイドに限定されず、他の金属間化合物であってもよい。たとえば、上記製造方法により、ＴｉＡｌ系金属間化合物の構造物を製造してもよい。ＴｉＡｌの化学式で記述される化学組成に幅を有するＬ１₀構造のγ相、Ｔｉ₃Ａｌの化学式で記述されるＤＯ₁₉構造のα₂相、体心立方（ｂｃｃ）構造のβ相等を、単独、又は複数組み合わせた金属間化合物又は合金の総称である。ＴｉＡｌ系金属間化合物は、層状組織となる場合もある。

金属間化合物であるシリサイドはたとえば、Ｃ１１_b構造を有するＭｏＳｉ₂、ＷＳｉ₂及び、ＲｅＳｉ₂や、Ｃ４０構造を有するＮｂＳｉ₂、ＣｒＳｉ₂、ＴａＳｉ₂及びＶＳｉ₂や、さらに異なる結晶構造を有するＭｏ₅Ｓｉ₃、Ｎｂ₅Ｓｉ₃、ＺｒＳｉ₂、Ｍｏ₅ＳｉＢ₂、Ｍｏ₃Ｓｉや、これらの組み合わせ、及び、これらのシリサイドと高融点金属、高融点合金との組み合わせである。

さらに、上述の製造方法で製造される構造物は、金属間化合物からなる必要はなく、金属間化合物を含有していればよい。構造物が金属間化合物をある程度含有していれば、上記製造方法の効果がより有効に発揮される。構造物が体積％で３０％以上の金属間化合物を含有する場合、上記効果は特に有効に発揮される。好ましくは、構造物の金属間化合物の含有量は体積％で５０％以上であり、さらに好ましくは６０％以上であり、さらに好ましくは７０％以上である。構造物の金属間化合物の含有量は実質的に１００％であってもよい。

上述の製造方法では、ステップＳ４２、Ｓ４４（図５参照）及びＳ５３（図１２参照）において、予熱を実施する。しかしながら、予熱を実施しなくてもよい。

上述の製造方法では、一例として、積層造形法に属する粉末床溶融結合法のうち、熱源をレーザーとするレーザー積層造形法を利用した。しかしながら、上記製造方法は、熱源を電子ビームとする電子ビーム積層造形法を利用してもよい。

本発明による製造方法は、積層造形法による製造方法に限定されない。たとえば、本発明による製造方法は、指向性エネルギー堆積法による製造方法にも適用できる。

図２０は、本実施形態の指向性エネルギー堆積法による製造方法の模式図である。図２０を参照して、指向性エネルギー堆積法では、ノズル２００の中央から熱源（ここではレーザー３０）を出力しながら、ノズル２００から熱源に粉末粒子４０を供給して、粉末粒子４０を溶融しながら凝固層ＳＯ１を形成する。レーザー３０を出力中、金属基台２０８は、Ｘ２００方向に移動している。

このような指向性エネルギー堆積法を用いた製造方法の場合でも、上述の積層造形法と同様に、初めに混合層ＭＬを形成し、その後、複数の凝固層ＳＯ１〜ＳＯｋを形成して、構造物を製造できる。

つまり、本発明による製造方法は、金属基台２０８上に供給された粉末粒子４０と、金属基台２０８の表層とを溶融して混合層ＭＬを形成し、次いで、粉末粒子４０を混合層ＭＬ上に供給して溶融し、構造物を形成できれば、積層造形法を用いても、指向性エネルギー堆積法を用いても、効果を生ずる。

なお、上述の構造物は、複雑な形状の製造対象物を造形中に支持する、メッシュ形状等のいわゆるサポート材も含む。したがって、混合層ＭＬ上にサポート材を形成し、サポート材の上に実際に製造したい製造対象物を製造してもよい。混合層ＭＬ自体をメッシュ形状としてもよい。この場合、混合層ＭＬはサポート材としても機能する。

上記製造方法で製造される構造物は、１４００℃以上の耐熱材料として広く利用可能である。上記構造物はたとえば、発電用等のタービンブレードや配管、炉心管、発熱体、航空宇宙用途（ボディー、エンジン部材）として使用可能である。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

４０ 粉末粒子
２０６ パウダーベッド
２０８ 金属基台
ＭＬ 混合層
ＭＬｎ 組成傾斜層
ＩＣ 構造物
ＳＯｋ 凝固層

Claims (10)

1. 金属間化合物を含有する構造物の製造方法であって、
   金属基台上に供給された前記構造物の出発材料となる粉末粒子と、前記金属基台の表層とを溶融して混合層を形成する混合層形成工程と、
   前記粉末粒子を前記混合層上に供給して溶融し、前記構造物を形成する造形工程とを備える、金属間化合物を含有する構造物の製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法であって、
   前記製造方法は、積層造形法による製造方法であり、
   前記混合層形成工程では、前記金属基台上に前記粉末粒子からなるパウダーベッドを形成した後、前記パウダーベッド及び前記金属基台の表層を溶融して前記混合層を形成し、 前記造形工程では、前記混合層上に前記パウダーベッドを形成した後、前記パウダーベッドを溶融して、前記構造物を形成し、
   前記造形工程は、
   前記パウダーベッドを形成するベッド形成工程と、
   前記パウダーベッドを溶融して金属間化合物を含有する凝固層を形成する溶融工程とを交互に繰り返して、複数の前記凝固層が積層された前記構造物を形成する、製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法であって、
   前記混合層形成工程では、前記造形工程よりも高いエネルギー密度での１又は複数回の熱源の走査で前記パウダーベッド及び前記金属基台の表層を溶融して前記混合層を形成することを特徴とする、製造方法。
4. 請求項３に記載の製造方法であって、
   前記混合層形成工程は、
   前記ベッド形成工程と、前記パウダーベッド及び前記パウダーベッド下の領域を溶融して組成傾斜層を形成する傾斜層形成工程とを交互に繰り返して、複数の前記組成傾斜層が積層された前記混合層を形成し、
   前記傾斜層形成工程では、下層の前記組成傾斜層よりも前記粉末粒子の成分比率が高い前記組成傾斜層を形成することを特徴とする、製造方法。
5. 請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の製造方法であって、
   前記各溶融工程での高エネルギー熱源の走査方向に応じて、前記走査方向又は造形方向に対する特定の結晶方位の配向度を高めることを特徴とする、製造方法。
6. 請求項５に記載の製造方法であって、
   前記各溶融工程での前記高エネルギー熱源の走査方向は互いに並行であることを特徴とする、製造方法。
7. 請求項６に記載の製造方法であって、
   前記高エネルギー熱源の走査方向は互いに並行であり、前記走査方向に結晶面（００１）を優先配向させることを特徴とする、製造方法。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の製造方法であって、
   前記金属間化合物はシリサイドであることを特徴とする、製造方法。
9. 請求項８に記載の製造方法であって、
   前記シリサイドは、Ｍｏ及び／又はＮｂを含有する遷移金属シリサイドであることを特徴とする、製造方法。
10. 請求項２に記載の製造方法であって、
    前記積層造形法は、レーザー積層造形法であることを特徴とする、製造方法。