JP7041042B2 - 硬化層の積層方法、及び積層造形物の製造方法 - Google Patents

硬化層の積層方法、及び積層造形物の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、硬化層の積層方法、及び積層造形物の製造方法に関する。
高い機械的特性が要求される金属部品を製造する工程では、部品性能を向上させるために種々の製造方法が採用される。例えば、溶接や溶射により部品表面上に耐摩耗性や耐食性に優れた材料を肉盛する方法、金型形成、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）等による粉末焼結や付加製造（Additive Manufacturing）により、要求特性を満足する材料で部品全体を成形する方法が用いられる。また、機械的特性が優れる粉末焼結体を成形し、この粉末焼結体を拡散接合やロウ付け等により基材表面に接合する方法も用いられる。
特に耐摩耗性や耐食性に優れる材料としては、例えば、金属、セラミックスやサーメットを含む材料が挙げられる。これらの材料を用いて表面肉盛、成形、積層造形を実施する場合に、基材との接合強度の確保、加工中の割れの回避、高密度な成形品や積層造形品の実現に向けて、様々な技術が提案されている。
例えば、特許文献１では、粉末積層造形に用いる造形用材料として、セラミックを含む第１粉末と、金属を含む第２粉末とにより構成される特殊構造の造形粒子を用いている。これにより、金属粒子、セラミック粒子等の複数種類の単一粒子を混合して造形用材料とする際、セラミックを含みながらも、高密度な造形物を効率的に造形することが記載されている。
また、非特許文献１では、基材表面の耐摩耗性を向上させるため、コバルト合金と炭化タングステンの複合材を、レーザ粉末吹付溶融方式（レーザ粉末肉盛ＬＭＤ：Laser Metal Deposition）により基材表面にコーティングする技術が記載されている。
特開２０１７－１１４７１６号公報
Wear resistance in the soil of Stellite-6/WC coatings produced using laser cladding method (Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials,Vol.64,2017,pp.20-26)
しかし、特許文献１に記載の方法では、第１粉末と第２粉末により構成される特殊な造形用材料を使用するため、この造形用材料の調整に複雑な工程を要し、材料費が高コスト化するという問題がある。また、この方法は、第１粉末と第２粉末とからなる同種の造形用材料で部品全体を造形する場合に適しているが、部品の一部に異種材料を用いて付加造形する場合に、割れを発生させずに、均一で高い硬度を有する層を部分的に付与できるかは定かでない。
また、非特許文献１に記載の方法では、肉盛層全体の硬度を高めるために、含有させる炭化タングステン粉末量を増大させる必要があり、これをレーザ粉末肉盛方式（ＬＭＤ）で実現しようとすると、肉盛加工中に割れが発生するリスクが高まる。
さらに、非特許文献１に示される硬化肉盛層の厚さは１ｍｍ程度であり、これと同条件で肉盛積層を更に続けた場合には、割れの発生を回避しながら数ミリオーダの厚さの高い硬度を有する層を安定して得ることは難しい。
そこで本発明は、数ミリオーダの厚さの高硬度な硬化層を、割れを発生させることなく安定して形成できる硬化層の積層方法、及び積層造形物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は以下の構成からなる。
（１） Ｃｏ基合金であるＣｏ－Ｃｒ－Ｗ－Ｃ系合金鋼を含む第１粉末と、炭化タングステンを含む第２粉末とが混合された硬化層形成用の粉末材料を、基材に吹き付けて溶融させ、前記基材上に前記粉末材料の溶融凝固した硬化層を順次に積層する硬化層の積層方法であって、
形成する前記硬化層が前記基材から積層方向に離れるに従って、
当該硬化層を形成する際の前記粉末材料への入熱量を低減させる入熱量調整工程と、
当該硬化層における前記粉末材料中の前記第２粉末の含有量を増大させる含有量調整工程と、
の少なくとも一方を実施し、
形成された前記硬化層の最外層の表面から当該硬化層の内部に向けて３ｍｍまでの深さ範囲において、平均ビッカース硬度をＨｖ７８０以上、Ｈｖ１１００以下にする、
硬化層の積層方法。
（２） 前記基材は、肉盛り対象となる被肉盛部材であり、（１）の硬化層の積層方法によって、前記被肉盛部材に前記硬化層を肉盛りする積層造形物の製造方法。
本発明によれば、数ミリオーダの厚さの高硬度層を、割れを発生させることなく安定して形成することができる。
レーザ粉体肉盛溶接を行うレーザ粉体肉盛溶接装置の模式的な構成図である。 基材上に粉末材料による硬化層を複数層形成した積層造形物の概略的な側面図である。 試験例１の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例２の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例３の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例４の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例５の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例６の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例７の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例８の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例９の積層造形物の切断面を示す写真である。 試験例１の積層造形物におけるビッカース硬度分布の測定結果を示すグラフである。 試験例２の積層造形物におけるビッカース硬度分布の測定結果を示すグラフである。 試験例３の積層造形物におけるビッカース硬度分布の測定結果を示すグラフである。 試験例４の積層造形物におけるビッカース硬度分布の測定結果を示すグラフである。 試験例５の積層造形物におけるビッカース硬度分布の測定結果を示すグラフである。 試験例６の積層造形物におけるビッカース硬度分布の測定結果を示すグラフである。 試験例７の積層造形物におけるビッカース硬度分布の測定結果のグラフである。 試験例８，９の積層造形物におけるビッカース硬度分布の測定結果のグラフである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明に係る硬化層の積層方法は、ステライト合金を含む第１粉末と、炭化タングステンを含む第２粉末とが混合された硬化層形成用の粉末材料を、基材に吹き付けて溶融させ、基材上に粉末材料の溶融凝固した硬化層を積層する。
この硬化層の積層方法においては、詳細を後述するように、形成する硬化層が基材から積層方向へ離れた層になるに従って、その硬化層に形成条件を変更する。これにより、数ミリオーダの厚さの高硬度な硬化層を、割れを発生させることなく安定して形成できるようになる。
以下の説明では、硬化層形成用の粉末材料の溶融を、レーザ粉体肉盛溶接（ＬＭＤ：Laser Metal Deposition）を用いる例を説明するが、本発明はこれに限らない。例えば、レーザ積層造形法（ＬＡＭ：Laser Additive Manufacturing）、選択的レーザ溶接（ＤＭＬＳ：Direct Metal Laser Sintering）等にも本発明を好適に適用できる。特にレーザ粉体肉盛溶接の場合には、溶接ロボットを用いてワークを溶接するため、ワークをチャンバ内で加工する場合よりも積層造形の形状の自由度を向上できる利点がある。
［レーザ粉体肉盛溶接装置］
図１はレーザ粉体肉盛溶接を行うレーザ粉体肉盛溶接装置１００の模式的な構成図である。
図１に示すレーザ粉体肉盛溶接装置（以下、ＬＭＤ装置と称する。）１００は、不図示の多軸の溶接ロボットに取り付けられた溶接トーチ１１と、溶接トーチ１１にレーザ光を供給するレーザ光源部１５と、レーザ光源部１５のレーザ出力を調整する出力調整部１７と、溶接トーチ１１に後述する硬化層形成用の粉末材料３５を供給する粉末材料供給部１９と、粉末材料調製部２１とを備える。
溶接トーチ１１は、被肉盛部材である基材２３に対して相対移動可能なロボットアーム（図示省略）に支持される。溶接トーチ１１は、ロボットアームの駆動によって基材２３上の所望の溶接線に沿って相対移動される。図１には溶接方向ＴＤに沿って溶接トーチ１１を移動させながら溶接する様子を示している。
溶接トーチ１１の先端には、レーザ照射口２５、粉末材料供給口２７、シールドガス供給口２９が設けられる。
レーザ照射口２５は、溶接トーチ１１の先端中央で開口し、レーザ照射口２５から基材２３にレーザビームＬＢが照射される。レーザビームＬＢは、レーザ光源部１５で発振され、導光系３１を経て溶接トーチ１１に導かれる。出力調整部１７は、レーザ光源部１５のレーザ出力を調整することで、溶接部の入熱量を任意に増減制御できるようになっている。
粉末材料供給口２７は、レーザ照射口２５の径方向外側に同心状に開口し、粉末材料供給部１９から供給された粉末材料３５が、供給経路３７を通じて粉末材料供給口２７から基材２３に向けて噴射される。この粉末材料３５は、粉末材料調製部２１によって調製され、粉末材料供給部１９によって基材２３への供給量が調整される。
粉末材料調製部２１は、粉末材料供給部１９が溶接トーチ１１に供給する粉末材料３５中の第２粉末の含有量を増減させる。
粉末材料供給部１９は、不図示のキャリアガス供給部からのキャリアガスと共に粉末材料３５を粉末材料供給口２７から噴射させる。基材２３に向けて噴射された粉末材料３５は、基材２３の表面において、集光されたレーザビームＬＢによって溶融した後に、冷却されて凝固し、硬化層（肉盛層）４１を形成する。
シールドガス供給口２９は、粉末材料供給口２７の外側に同心状に開口しており、シールドガス供給口２９から基材２３にシールドガスＧが供給される。シールドガスＧは、硬化層３０及びその周辺の酸化を抑制する。
［粉末材料］
粉末材料調製部２１は、Ｃｏ－Ｃｒ合金や、Ｃｏ基合金であるＣｏ－Ｃｒ－Ｗ－Ｃ系合金鋼（ステライト合金：「ステライト」は登録商標）を含む第１粉末と、炭化タングステンを含む第２粉末とを、機械的に混合して、硬化層形成用の粉末材料３５を調製する。ここでいう「機械的に混合する」とは、異なる種類の粉状体を特別な加工を伴うことなく、粉末材同士を撹拌混合することを意味する。
第１粉末としては、例えば、ステライト＃１，＃６，＃１２，＃２１等が使用可能である。また、第２粉末としては、例えば、炭化タングステン粉末（ヘガネス社製４６７０等）が使用可能である。第１粉末及び第２粉末には、いずれも市販の粉末材料をそのまま用いることができる。
粉末材料３５は、第２粉末である炭化タングステンを、粉末材料３５の全体に対して１０～１９重量％の範囲で含有させる。
［基材］
基材２３は平板状の鋼材であるが、平板状に限らず、曲面を有する板材や、ブロック体、管状体等、製造しようとする積層造形物の形状に応じて、適宜な形状のものが採用される。基材２３の材質は、ステンレス鋼材等の鋼材の他、コバルトベースやニッケルベースの合金を用いることができ、製品の仕様等によって種々の材質にすることができる。
［硬化層（積層造形体）の形成］
図１に示すＬＭＤ装置１００は、溶接トーチ１１をロボットアームで移動させながらレーザ粉体肉盛溶接を実施して、基材２３上に粉末材料３５の溶融、凝固により形成される硬化層４１を、複数回繰り返し積層する。
図２は基材２３上に粉末材料３５による硬化層４１を複数層（本例では４層の硬化層４１Ａ，～４１Ｄ）形成した、積層造形物４３の概略的な側面図である。
図２に示すように、上記したＬＭＤ装置１００によって、基材２３上に１層目の硬化層４１Ａを形成する。そして、形成された１層目の硬化層４１Ａの上に２層目の硬化層４１Ｂを形成する。同様にして、硬化層４１Ｂの上に硬化層４１Ｃ，４１Ｄを順次に積層して、所望形状の積層造形物４３を造形する。
［作用・効果］
硬化層４１Ａ～４１Ｄを形成する際、基材２３上で硬化層４１Ａ～４１Ｄが冷却されると、基材２３の線膨張係数と硬化層自体の線膨張係数との差に応じて硬化層４１Ａ～４１Ｄに残留応力（引張応力）が発生し、冷却後の硬化層に割れが発生しやすくなる。また、材質の組合わせによっては脆化層が形成されることで割れやすくなる。そこで、本実施形態の硬化層の積層方法においては、各硬化層４１Ａ～４１Ｄを形成する際、形成する硬化層が基材２３から積層方向へ離れるに従って、硬化層の硬度を傾斜的、又は段階的に増加させる。これにより、硬化層の割れの発生を防止する。
具体的には、形成する硬化層が基材２３から積層方向へ離れるに従って、入熱量調整工程、含有量調整工程の少なくとも一方を実施する。
入熱量調整工程は、レーザ光源部１５からのレーザビームの出力を、出力調整部１７により調整して、レーザビームＬＢの照射による粉末材料３５への入熱量を、基材２３から積層方向に離れるに従って低減させる工程である。
これによれば、レーザビームが照射された領域の入熱量が低下した分、一旦溶融した粉末材料３５が凝固するまでの温度低下が、入熱量が大きい場合と比較して速くなる。つまり、入熱量が大きい場合は、レーザビームの照射領域が高温となり、その照射領域の周囲までが加熱されるため、熱容量が大きくなる。その結果、冷却時において、レーザビームの照射領域における周囲の蓄熱によって温度低下が遅くなり、凝固組織が粗大化（アニール効果）する傾向になる。一方、入熱量が小さい場合は、レーザビームの照射領域で、その周囲の蓄熱が小さいため、周囲からの吸熱と相まって、温度低下が速くなり、凝固組織が微細化される傾向になる。その結果、硬化層の硬度が増加する。
なお、レーザビームの出力の調整方式は、レーザ光源部１５のレーザ出力を増減させる方式に限らない。例えば、一定光量で出力されるレーザビームの光路途中にＮＤフィルタやアッテネータ等の光学素子を配置して光量調整してもよい。その場合、レーザ光を、出力によらずに安定化できる。
含有量調整工程は、粉末材料３５中の第２粉末の含有量を、粉末材料調製部２１により変更して、第２粉末の含有量を、基材２３から積層方向に離れるに従って低減させる工程である。
これによれば、材料自体の硬度が高い第２粉末の含有量を増加させるため、硬化層の硬度を増加させることができる。
入熱量調整工程と、含有量調整工程は、いずれか一方のみ実施してもよく、双方を同時に実施してもよい。双方を実施することで、硬度増加の相乗効果により、割れの発生をより確実に防止できる。
以上の工程により、形成された硬化層４１の最外層の表面から硬化層の内部に向けて３ｍｍまでの深さ範囲において、平均ビッカース硬度がＨｖ７８０以上、Ｈｖ１１００以下になるようにする。これは、炭化タングステンが含有させず、第１粉末のみで構成される粉末材料により形成した硬化層の硬度が、平均ビッカース硬度でＨｖ７８０未満であること、及び、平均ビッカース硬度がＨｖ１１００を超える場合には、硬化層に割れが発生しやすくなる、という知見に基づく。
本実施形態では、レーザ粉体肉盛溶接により、基材上に複数の硬化層を積層する際、入熱量調整工程、含有量調整工程の少なくとも一方を実施する。これにより、基材の表面から、積層された硬化層の最外層の表面にかけて傾斜的、段階的に硬度を上昇させることができる。よって、基材に積層される硬化層に、大きく性状が異なる層同士が隣接して接合される事態が回避され、割れの発生しにくい構造体にすることができる。その結果、数ミリオーダの厚さの硬化層を、割れを発生させずに安定して形成できる。
また、本実施形態によれば、レーザ粉体肉盛溶接の際、第２粉末に含まれるセラミック粉末の少なくとも一部が溶融するまでレーザ出力を高め、第２粉末の一部を、マトリックスとなる第１粉末のステライト合金に固溶させ、マトリックス部も含めて機械的特性（硬度）を向上させる。そのため、マトリックス部の硬度が高められ、均一な硬度分布を有する硬化層の形成が可能となる。また、第２粉末の一部も溶融するため、粒子状態として残るセラミック粉末のサイズが小さくなり、硬度分布がより均一な硬化層が得られる。
また、高硬度材料を使用するレーザ粉体肉盛溶接では、残留応力の影響で硬化層の界面や硬化層内で割れが発生しやすい傾向があるが、セラミック粉末の一部が溶融する温度範囲となるまでレーザ出力を高めることで、加工中における割れの発生も抑制できる。
さらに、第１粉末と第２粉末とを粉体状体のまま混合した粉末材料を使用してレーザ粉体肉盛溶接を実施することで、造形用材料の調整のための複雑な工程が不要であり、材料コストを低減できる。また、部品表面上に耐食性に優れた材質の硬化層を肉盛ることで、部品の耐食性を向上させることができる。
図１に示すＬＭＤ装置１００を用いて、基材上に４層の硬化層を形成した。各層の形成条件を表１に示す。ここでは、ステライト合金（ステライト＃１）の粉末と、炭化タングステンの粉末とを混合して硬化層形成用の粉末材料を調製した。また、試験例１～７では、表１に示す各条件でレーザ出力（入熱量）と、粉末材料中の炭化タングステン（ＷＣ）の含有量（第２粉末の含有量）とを、積層する硬化層毎に変化させた。試験例８，９は、１ビードの形成のみ行った結果である。いずれの試験例においても、基材として寸法５０ｍｍ×５０ｍｍ×２０ｍｍ（厚さ）の鋼板を用いた。そして、基材上に硬化層が形成された積層造形物の割れの有無を浸透探傷試験（ＰＴ：Penetrant Testing）により確認した。
図３Ａ～図３Ｉは、試験例１～９に対応する積層造形物の切断面を示す写真である。
Figure 0007041042000001
表１に示す試験例１～７により得られた各硬化層について、最外層の表面から０.１ｍｍ毎にビッカース硬度を測定した。試験例８，９については最外層の表面から０．４ｍｍ毎にビッカース硬度を測定した。なお、１ビード当たりの硬化層の厚さは、おおよそ２ｍｍであった。
試験例１～７の積層造形物を測定したビッカース硬度分布の結果を図４Ａ～図４Ｇに示す。また、試験例８，９のビードを測定したビッカース硬度分布の結果を図５に示す。ビッカース硬度は、マイクロビッカース硬度計による、試験荷重が３００ｇｆの低試験力ビッカース硬さ試験に基づく値である。
図４Ａ～図４Ｇ、及び図５に示す測定結果に基づき、表１に示す試験例１～７により得られた硬化層について、ビッカース硬度の最大値と、最外層の表面から硬化層の内部に向けて３ｍｍまでの深さ範囲（以下、硬度評価範囲Ｗと称する。）におけるビッカース硬度の平均値を求めた。試験例８，９については、硬化層の厚さが１ビード分であるため、硬化層に相当する領域のビッカース硬度のみを抽出して平均値を求めた。その結果を表２に示す。
Figure 0007041042000002
（試験例１，２）
試験例１は、１層目から４層目までの全ての硬化層をステライト合金のみで形成し、２層目の硬化層の形成時に、レーザ出力を１層目の硬化層の形成時よりも低下させ、２層目以降の硬化層の形成におけるレーザ出力を一定にした。試験例２は、１層目から４層目までの全ての硬化層をステライト合金のみで形成し、２層目の硬化層の形成時に、レーザ出力を１層目の硬化層の形成時よりも低下させ、３，４層目の硬化層の形成時に、レーザ出力を２層目の硬化層の形成時よりも低下させた。
試験例１，２では、浸透探傷試験によっても、図３Ａ、図３Ｂに示す切断面の観察によっても、硬化層の割れは確認されなかった。しかし、表２に示すように、硬化層の硬度評価範囲Ｗにおけるビッカース硬度の平均値は、Ｈｖ７８０未満であった。
また、図４Ａ、図４Ｂ、及び表2に示すように、粉末材料に炭化タングステンが含有されない場合は、硬化層のビッカース硬度はＨｖ７８０を超えることがない。
（試験例３）
試験例３は、１層目から４層目までの全ての硬化層における粉末材料中の炭化タングステン含有量を１１．９ｗｔ％とした。また、２層目の硬化層の形成時に、レーザ出力を１層目の硬化層の形成時よりも低下させ、２層目以降の硬化層の形成におけるレーザ出力を一定にした。
試験例３では、浸透探傷試験によっても、図３Ｃに示す切断面の観察によっても、硬化層の割れは確認されなかった。また、表２に示すように、硬化層の硬度評価範囲Ｗにおけるビッカース硬度の平均値は、Ｈｖ７８０以上、Ｈｖ１１００以下となり、良好な硬度が得られた。
（試験例４）
試験例４は、１層目から４層目までの全ての硬化層における粉末材料中の炭化タングステン含有量を１０．５ｗｔ％にした。また、１層目の硬化層の形成時よりも２層目の硬化層形成時のレーザ出力を低下させ、２層目の硬化層の形成時よりも３，４層目の硬化層形成時におけるレーザ出力を低下させた。
試験例４では、浸透探傷試験によっても、図３Ｄに示す切断面の観察によっても、硬化層の割れは確認されなかった。また、表２に示すように、硬化層の硬度評価範囲Ｗにおけるビッカース硬度の平均値は、Ｈｖ７８０以上、Ｈｖ１１００以下となり、良好な硬度が得られた。
（試験例５）
試験例５は、１層目及び２層目の硬化層における粉末材料中の炭化タングステン含有量を１１．９ｗｔ％にし、３層目及び４層目の硬化層における粉末材料中の炭化タングステン含有量を１８．６ｗｔ％に増加させた。また、２～４層目の硬化層の形成時に、レーザ出力を１層目の硬化層形成時よりも低下させて一定にした。
試験例５では、浸透探傷試験によっても、図３Ｅに示す切断面の観察によっても、硬化層の割れは確認されなかった。また、表２に示すように、硬化層の硬度評価範囲Ｗにおけるビッカース硬度の平均値は、Ｈｖ７８０以上、Ｈｖ１１００以下となり、良好な硬度が得られた。
試験例５と、レーザ出力の条件が試験例５に等しい試験例３とを比較すると、炭化タングステン含有量を、１１．９ｗｔ％から段階的に１８．６ｗｔ％に増加させた方が、１１．９ｗｔ％で一定とした場合よりも平均ビッカース硬度が向上することがわかる。
試験例５では、硬化層に割れを生じることなく、図４Ｅ及び表２に示すように、硬化層の硬度評価範囲ＷでＨｖ１２００を超える高いビッカース硬度が測定された。これは、基材から離れるに従いレーザ出力を低下させるとともに、基材から離れるに従い炭化タングステン含有量を増大させることの相乗効果により、高硬度の硬化層が得られたものと考えられる。また、硬度分布のバラツキが大きくなったのは、未溶融の炭化タングステンの残存量が増大したためと考えられる。
（試験例６）
試験例６は、１層目の硬化層の形成時よりも２層目の硬化層の形成時におけるレーザ出力を低下させ、２層目の硬化層の形成時よりも３，４層目の硬化層の形成時におけるレーザ出力を低下させた。また、１層目及び２層目の硬化層における粉末材料中の炭化タングステン含有量を１１．９ｗｔ％とし、３，４層目の硬化層における粉末材料中の炭化タングステン含有量を１８．６ｗｔ％に増加させた。
試験例６では、浸透探傷試験によっても、図３Ｆに示す切断面の観察によっても、硬化層に割れは確認されなかった。また、表２に示すように、硬化層の硬度評価範囲Ｗにおけるビッカース硬度の平均値は、Ｈｖ７８０以上、Ｈｖ１１００以下となり、良好な硬度が得られた。
試験例６と、レーザ出力の条件が試験例６に等しい試験例４とを比較すると、炭化タングステン含有量を、１１．９ｗｔ％から段階的に１８．６ｗｔ％に増加させた方が、１０．５ｗｔ％で一定とした場合よりも平均ビッカース硬度が低下している。これは、試験例６の３，４層目の硬化層における炭化タングステン含有量の増加に起因するものと考えられる。
（試験例７）
試験例７は、１層目から３層目までの硬化層にかけて、各硬化層の形成時のレーザ出力を、３．５ｋＷ、３．０ｋＷ、２．５ｋＷと段階的に低下させ、各硬化層の粉末材料中の炭化タングステン含有量を、１０．５ｗｔ％、１９．５ｗｔ％、３１．２ｗｔ％と段階的に増加させた。また、３層目及び４層目の硬化層の形成条件は同一にした。
試験例７では、浸透探傷試験によっても、図３Ｇに示す切断面の観察によっても、硬化層の割れが確認された。また、表２に示すように、硬化層の硬度評価範囲Ｗにおけるビッカース硬度の平均値は、Ｈｖ１１００以上であり、硬化層に割れが発生しやすいという結果が得られた。また、図４Ｇに示すように、硬化層の硬度評価範囲で、Ｈｖ１１００を超える高いビッカース硬度が多く測定された。
試験例７と、レーザ出力の条件が試験例７に等しい試験例４とを比較すると、基材から離れた硬化層ほどレーザ出力を低下させるとともに、基材から離れた硬化層ほど、炭化タングステン含有量を増大させた場合でも、各硬化層の粉末材料中の炭化タングステン含有量が所定値を超えてしまうと、硬化層に割れが生じやすくなることがわかる。
（試験例８）
試験例８では、レーザ出力を２．５ｋＷとして硬化層を１ビードのみ形成した。この場合、浸透探傷試験によって硬化層の割れが確認された。このことから、入熱量は、レーザ出力が２．５ｋＷの場合では不足していることがわかる。また、図５に示すように、ビッカース硬度は、硬化層の表面からの距離が０．８ｍｍ位まではＨｖ７８０以上であるが、表面からの距離が１ｍｍ位を超えるとＨｖ７８０未満に低下した。
（試験例９）
試験例９では、レーザ出力を３．５ｋＷ、粉末材料中の炭化タングステン含有量を１４．５ｗｔ％として硬化層を１層のみ形成した。この場合、浸透探傷試験によって硬化層の割れが確認された。このことから、炭化タングステン含有量が１４．５％の硬化層は、基材に直接形成した場合に割れが生じるほど、基材との特性差があることがわかる。また、図５に示すように、硬化層のビッカース硬度は、Ｈｖ７８０を下回った。
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） ステライト合金を含む第１粉末と、炭化タングステンを含む第２粉末とが混合された硬化層形成用の粉末材料を、基材に吹き付けて溶融させ、前記基材上に前記粉末材料の溶融凝固した硬化層を順次に積層する硬化層の積層方法であって、
形成する前記硬化層が前記基材から積層方向に離れるに従って、
当該硬化層を形成する際の前記粉末材料への入熱量を低減させる入熱量調整工程と、
当該硬化層における前記粉末材料中の前記第２粉末の含有量を増大させる含有量調整工程と、
の少なくとも一方を実施する硬化層の積層方法。
この硬化層の積層方法によれば、基材から硬化層の最外層の表面にかけて傾斜的、段階的に硬度を上昇させて、数ミリオーダの厚さの硬化層を、割れを発生させることなく安定して形成することができる。
（２） 前記硬化層をレーザ粉体肉盛溶接によって形成する（１）に記載の硬化層の積層方法。
この硬化層の積層方法によれば、熱ひずみや熱影響部の発生を低減し、硬化層の厚さを正確に制御できる。
（３） 前記入熱量調整工程では、前記入熱量をレーザ出力によって調整する（２）に記載の硬化層の積層方法。
この硬化層の積層方法によれば、粉末材料への入熱量を、簡便且つ正確に調整でき、所望の硬化層を高精度で形成できる。
（４） 前記第１粉末と前記第２粉末とを互いに粉状体のまま混合させて前記粉末材料にする（１）～（３）のいずれか一つに記載の硬化層の積層方法。
この硬化層の積層方法によれば、市販されている第１粉末及び第２粉末を粉状体のまま混合したものを粉末材料として使用できるため、粉末材料の調製工程を煩雑化することなく、しかも低コストで実現できる。
（５） 形成された前記硬化層の最外層の表面から当該硬化層の内部に向けて３ｍｍまでの深さ範囲において、平均ビッカース硬度をＨｖ７８０以上、Ｈｖ１１００以下にする（１）～（４）のいずれか一つに記載の硬化層の積層方法。
この硬化層の積層方法によれば、耐摩耗性等に優れた高硬度な硬化層を、数ミリオーダの厚さで安定して形成できる。
（６） 前記基材は、肉盛り対象となる被肉盛部材であり、
（１）～（５）のいずれか一つに記載の硬化層の積層方法によって、前記被肉盛部材に前記硬化層を肉盛りする積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、数ミリオーダの厚さの硬化層を、割れを発生させることなく積層造形した積層造形物が得られる。
１１ 溶接トーチ
１５ レーザ光源部
１７ 出力調整部
１９ 粉末材料供給部
２１ 粉末材料調製部
２３ 基材（被肉盛部材）
３５ 粉末材料
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ 硬化層
４３ 積層造形物
１００ レーザ粉体肉盛溶接装置

Claims (5)

  1. Ｃｏ基合金であるＣｏ－Ｃｒ－Ｗ－Ｃ系合金鋼を含む第１粉末と、炭化タングステンを含む第２粉末とが混合された硬化層形成用の粉末材料を、基材に吹き付けて溶融させ、前記基材上に前記粉末材料の溶融凝固した硬化層を順次に積層する硬化層の積層方法であって、
    形成する前記硬化層が前記基材から積層方向に離れるに従って、
    当該硬化層を形成する際の前記粉末材料への入熱量を低減させる入熱量調整工程と、
    当該硬化層における前記粉末材料中の前記第２粉末の含有量を増大させる含有量調整工程と、
    の少なくとも一方を実施し、
    形成された前記硬化層の最外層の表面から当該硬化層の内部に向けて３ｍｍまでの深さ範囲において、平均ビッカース硬度をＨｖ７８０以上、Ｈｖ１１００以下にする、
    硬化層の積層方法。
  2. 前記硬化層をレーザ粉体肉盛溶接によって形成する請求項１に記載の硬化層の積層方法。
  3. 前記入熱量調整工程では、前記入熱量をレーザ出力によって調整する請求項２に記載の硬化層の積層方法。
  4. 前記第１粉末と前記第２粉末とを互いに粉状体のまま混合させて前記粉末材料にする請求項１～３のいずれか一項に記載の硬化層の積層方法。
  5. 前記基材は、肉盛り対象となる被肉盛部材であり、
    請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の硬化層の積層方法によって、前記被肉盛部材に前記硬化層を肉盛りする積層造形物の製造方法。
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