JP7287915B2 - 積層造形物の製造方法、及び積層造形物 - Google Patents

Description

本発明は、積層造形物の製造方法、及び積層造形物に関する。

一般に、耐摩耗性が要求される部品の製造には、溶接若しくは溶射により表面上に耐摩耗性が優れる（高硬度な）材料の肉盛を施す、又は粉末焼結（金型成形＋ＨＩＰなど）若しくは付加製造（Additive Manufacturing）により、要求特性を満足する粉末材料から部品全体を成形する等の方法が採用される。また、粉末焼結体を成形した後、それを拡散接合、ろう付け等により部品表面に接合する方法も採られる。

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粉末により構成された造形粒子を用いることで、セラミックを含みながらも高密度な造形物を積層造形するための新規な材料に関する発明が特許文献１に記載されている。特許文献１には、粉末の配合量、平均粒子、及び造形粒子の一体化法（焼結，バインダ結合）などが規定されている。具体的には、セラミック粉末として炭化タングステン／炭化クロム粉末、金属粉末としてコバルト／ステライト合金（Ｃｏ合金、「ステライト」は登録商標）／ニッケルクロム合金／ステンレス鋼粉末で構成された造形粒子を選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）により造形することで、高密度で、組織の均一性が高く、高硬度な造形物が得られる、と提示されている。

また、農機具表面の耐摩耗性を向上させるために、レーザ粉末吹付溶融方式（レーザ粉末肉盛：ＬＭＤ）によりコバルト合金（例えば、ステライト Ｎｏ．６）と炭化タングステンとの複合材の表面コーティング技術を適用した例が、非特許文献１に記載されている。非特許文献１には、多くの炭化タングステン粉末が、元の粒子状態を保ったままで溶融したマトリックス部（コバルト合金）に囲まれる形で結合された肉盛層を製造し、これにより、耐摩耗性に優れた（硬度が高い）表面硬化層の形成を可能とした、と記されている。

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.

しかしながら、特許文献１の場合、造形用粉末を調製するまでに多くの複雑な工程（例えば、バインダによる一体化工程、又は球状化工程）を経る必要があり、材料費の高コスト化に繋がる。また、実施例としてＳＬＭ方式（選択的レーザ溶融方式）による造形例が記載されているが、別の材料で構成される部品の一部のみに選択的に付加造形する場合については触れられていない。したがって、実施例と同様の条件で割れを発生させずに高い均一性で、大きな厚みの高硬度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の場合、肉盛層全体の硬度を高めるためには、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ＬＭＤ方式で実現しようとすれば、肉盛加工中に割れが発生するおそれがある。文献中に示されている硬化肉盛層の厚さは１ｍｍ程度であり、同条件で肉盛積層を続けた場合に、割れの発生を回避しながら数ｍｍオーダーの安定した高硬度層が得られる保証はない。

また、耐摩耗性が要求される部品には、金属、セラミックス、又はサーメットを含む材料が使用される。これらの材料の表面肉盛、成形・積層造形をする場合、母材との接合強度と肉盛層密度の確保に加え、特に加工中の割れの回避が課題となる。また、対象部品の高寿命化には、できるだけ硬度が高く、厚さが大きい（数ｍｍオーダー）肉盛層を形成することが望ましい。しかし、硬度と厚さとを増大させるに伴い、加工中に割れが発生しやすくなる。そのため、加工対象部位の寸法制約を受けることなく、経済性の高い方法により上記した肉盛層を形成することが求められている。

そこで本発明は、１パスで数ｍｍオーダーの肉盛層を、割れを発生させることなく効率よく安定して形成できる積層造形物の製造方法、及び積層造形物を提供することを目的とする。

本発明は下記の構成からなる。
（１） ステライト合金を含有する第１粉末と、炭化タングステンを含有する第２粉末と、を混合した粉末材料を基材上に供給する工程と、
供給された前記粉末材料にレーザビームをウィービング動作させながら照射して、前記基材上に少なくとも前記粉末材料を溶融固化させた肉盛層を積層する工程と、
を有する積層造形物の製造方法であって、
前記肉盛層を積層する工程は、以下の条件式［１］、［２］及び［３］を満たす工程である、積層造形物の製造方法。
２０≦Ａ≦３５ … 条件式［１］
２．２≦Ｂ≦２．９ … 条件式［２］
５質量％≦Ｒ２≦１５質量％ …条件式［３］
Ａ＝Ｐ×α／β［ｋＪ／ｃｍ］：レーザ入熱指標
Ｂ＝Ｑ×α／β［ｇ／ｃｍ］：粉末供給速度指標
Ｐ［Ｗ］：レーザビームからの入熱量
Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：粉末材料の供給速度
α＝Ｗ／Ｖ１
β＝Ｖ２×ｔ
Ｗ［ｃｍ］：ウィービング動作によるビームスポットの走査幅
Ｖ１［ｃｍ／ｍｉｎ］：ウィービング動作によるレーザビームの走査速度
Ｖ２［ｃｍ／ｍｉｎ］：溶接方向への前進速度
ｔ［ｓｅｃ］：ウィービング１周期の時間
Ｒ２［質量％］：粉末材料に含まれる第２粉末の比率
（２） 基材上に、ステライト合金と炭化タングステンとを含有する肉盛材料が積層された積層造形物であって、
前記基材と、前記肉盛材料からなる肉盛層との間に、前記基材の一部と前記肉盛層の一部とが互いに溶解して形成された中間層を有し、
前記肉盛層は、ビッカース硬度がＨｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下で、且つタングステンの含有比率が１６質量％以上２５質量％以下で、厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下である積層造形物。

本発明によれば、１パスで数ｍｍオーダーの厚さを有する肉盛層を、割れを発生させることなく安定して形成できる。

図１はレーザ粉体肉盛溶接を実施するレーザ粉体肉盛溶接装置の概略構成図である。 図２は、溶接ヘッドを溶接方向に沿って移動させながら溶接する様子を示す溶接ヘッドの要部拡大断面図である。 図３は、基材上に粉末材料による単層からなる肉盛層を形成した積層造形物の概略断面図である 図４は、溶接ヘッドをウィービング動作させながら基材上に粉末材料を溶融、固化させて肉盛層を形成する様子を模式的に示す説明図である。 図５は、図４に示すウィービングの動作条件を示す説明図である。 図６は、積層造形物の断面硬度の測定結果を示すグラフである。 図７は、基材に形成した肉盛層の一例を示す断面写真である。 図８は、粉末材料に含まれる第２粉末の比率と、肉盛層のタングステンの含有比率との関係を示すグラフである。

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。
本発明に係る積層造形物の製造方法は、ステライト合金を含有する第１粉末と、炭化タングステンを含有する第２粉末と、を混合した粉末材料を基材上に供給し、供給された粉末材料にレーザビームをウィービング照射して、基材上に少なくとも粉末材料を溶融固化させた硬化肉盛層を積層するものである。

この硬化肉盛層を積層する際に、詳細を後述するように、１パスで数ｍｍオーダーの厚さを有する肉盛層を、割れを発生させることなく安定して形成できるようにする。ここでいう１パスとは、レーザビームの１回の走査経路を意味する。

以下の説明では、硬化肉盛層を形成するための粉末材料を、レーザ粉体肉盛溶接（ＬＭＤ：Laser Metal Deposition）を用いて溶融させる例を説明するが、本積層造形物の製造方法はこれに限らない。例えば、レーザ積層造形法（ＬＡＭ：Laser Additive Manufacturing）、又は選択的レーザ溶接（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物の形状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実施するレーザ粉体肉盛溶接装置１００の概略構成図である。
レーザ粉体肉盛溶接装置（以下、ＬＭＤ装置と称する。）１００は、溶接ロボット１１と、レーザ光源部１３と、粉末材料供給部１５と、制御部１７とを備える。

溶接ロボット１１は、先端軸にウィービング駆動部１９と溶接ヘッド２１とが設けられた多関節ロボットである。溶接ヘッド２１の位置、及び姿勢は、ロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に設定可能となっている。また、ウィービング駆動部１９は、溶接ヘッド２１を溶接線に交差する方向に揺動させる。

レーザ光源部１３は、光ファイバ２３を通じて溶接ヘッド２１にレーザビームを供給する。粉末材料供給部１５は、粉体供給パイプ２５を通じて溶接ヘッド２１に後述する硬化肉盛層を形成するための粉末材料３９（後述の図２参照）を供給する。制御部１７は、レーザ光源部１３によるレーザ出力を調整するレーザ出力調整部２７と、粉末材料供給部１５による溶接ヘッド２１への粉末材料３９の供給量を調整する粉末材料供給調整部２９とを含んで構成され、ＬＭＤ装置１００の各部を統括して駆動制御する。

制御部１７による駆動制御は、プログラムに従ってコンピュータで実行される。つまり、制御部１７は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ(Random Access Memory)等のメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、又はＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、を具備するコンピュータ装置である。この場合、各部の機能は、メモリ又は記憶装置に記憶された所定のプログラムをプロセッサが実行することによって実現できる。

図２は、溶接ヘッド２１を溶接方向ＴＤに沿って移動させながら溶接する様子を示す溶接ヘッド２１の要部拡大断面図である。
溶接ヘッド２１は、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、又はディスクレーザ等を用いるレーザ溶接用のヘッドであって、レーザの種類は、作製する積層造形物等に応じて適宜選定される。

溶接ヘッド２１の先端には、レーザ照射口３１、粉末材料供給口３３、及びシールドガス供給口３５が設けられる。

レーザ照射口３１は、溶接ヘッド２１の先端中央で開口し、レーザ照射口３１から出射されるレーザビームＬＢが基材３７に照射される。レーザビームＬＢは、レーザ光源部１３で発振され、光ファイバ２３を通じて溶接ヘッド２１に導かれる。レーザビームＬＢによる溶接部への入熱量は、レーザ出力調整部２７がレーザビームＬＢの強度を調整することで任意に制御できる。

粉末材料供給口３３は、溶接ヘッド２１の先端におけるレーザ照射口３１の径方向外側に同心状に開口し、粉末材料供給部１５から供給された粉末材料３９が粉末材料供給口３３から基材３７に向けて噴射される。粉末材料３９の基材３７への供給量は、粉末材料供給部１５によって任意に制御できる。

また、粉末材料供給部１５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３９を粉末材料供給口３３から噴射させる。基材３７に向けて噴射された粉末材料３９は、基材３７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、肉盛層４１を形成する。

シールドガス供給口３５は、溶接ヘッド２１の先端における粉末材料供給口３３の外側に同心状に開口しており、基材３７に向けてシールドガスＧを供給する。シールドガスＧは、肉盛層４１及びその周辺の酸化を抑制する。

上記したレーザ粉体肉盛溶接装置１００の構成は一例であって、これに限定されることはない。

［粉末材料］
粉末材料供給部１５は、Ｃｏ－Ｃｒ合金、又はＣｏ基合金であるＣｏ－Ｃｒ－Ｗ－Ｃ系合金鋼（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粉末とを機械的に混合して、肉盛層形成用の粉末材料３９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。

また、第１粉末と第２粉末との混合は、粉末材料供給部１５で実施してもよく、溶接ヘッド２１までの供給路の途中に設けた混合器（不図示）等、粉末材料供給部１５とは異なる位置で実施してもよい。

第１粉末としては、例えば、ステライト（ケナメタル ステライト社製 No.１，No.６，No.１２，No.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。つまり、粉末材料３９は、一般に市販されている粉末同士を機械的に混合したものであり、特殊な肉盛用粉末材料のように複雑な前処理が不要となる。本積層造形物の製造方法は、第１粉末及び第２粉末として、いずれも市販の粉末材料をそのまま用いるため、経済性に優れる。

ここで用いる粉末材料３９は、第２粉末である炭化タングステンを、粉末材料３９の全体に対して５質量％以上、１５質量％以下の範囲で含有させる。第２粉末の含有量の下限は、５質量％以上、好ましくは６質量％以上、より好ましくは７質量％以上であり、上限は、１５質量％以下、好ましくは１４質量％以下、より好ましくは１３質量％以下である。（なお、前記の複数の下限値のうちの任意の数値と、複数の上限値のうちの任意の数値とを、任意に組み合わせて設定できる範囲が、好適な範囲ともいえる。）

［基材］
基材３７は平板状であるが、平板状に限らず、曲面を有する板材、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を採用できる。基材３７の材質は、ステンレス鋼材等の鋼材の他、コバルトベース又は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を採用できる。

［硬化肉盛層（積層造形物）の形成］
図１に示すＬＭＤ装置１００は、溶接ヘッド２１をウィービング駆動部１９によってウィービング動作させると共に、溶接ヘッド２１をロボットアームにより溶接方向ＴＤに移動させながら、レーザ粉体肉盛溶接を実施する。これにより、基材３７上で粉末材料３９を溶融、凝固させ、形成される肉盛層４１を、所定の厚さで積層する。

図３は、基材３７上に粉末材料３９による単層の肉盛層４１を形成した積層造形物４３の概略断面図である
積層造形物４３は、基材３７上にステライト合金と炭化タングステンとを含有する肉盛材料が溶融、凝固して積層されており、基材３７と、肉盛材料からなる肉盛層４１と、中間層４２とを有する。中間層４２は、基材３７と肉盛層４１との間で、基材３７の一部と肉盛層４１の一部が互いに溶解して形成される。

肉盛層４１は、一回の溶接によって一度に形成される層（１パスにより形成される層）の厚さＴ１が３ｍｍ以上、好ましくは４ｍｍ以上、５ｍｍ以下、好ましくは４．５ｍｍ以下である。また、肉盛層４１のビッカース硬度は、Ｈｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下である。そして、肉盛層４１のタングステンの含有比率は、１６質量％以上、２５質量％以下である。なお、肉盛層４１が上記したビッカース硬度Ｈｖ８００を確実に超えるには、肉盛層４１のタングステンの含有比率が、７質量％以上、１５質量％以下であるとよい。また、中間層４２は、レーザビームによる溶け込み深さを意味し、その平均厚さＴ２は、０＜Ｔ２≦０．５ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０＜Ｔ２≦０．２５ｍｍである。

積層造形物４３には、一層あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の肉盛層４１が、複数層にわたって積層されていてもよい。これによれば、目標形状の積層造形物が、１パスで肉盛層４１を形成できない場合でも、複数パスで繰り返し肉盛層４１を形成することで、大きな厚さの造形物を形成できる。よって、設計自由度の高い造形が行える。

上記したビッカース硬度は、肉盛層４１を形成する際に用いた粉末材料３９の第２粉末（炭化タングステン）の含有量に対応する指標となる。上記したビッカース硬度の下限値は、粉末材料３９の第２粉末の含有量が少なく、第２粉末を添加したことにより得られる硬度増加の効果が小さい場合の、第２粉末の含有量の下限値に対応する。ビッカース硬度が上記したＨｖ８００～Ｈｖ９８０の範囲内の場合には、上記した第２粉末の含有量が下限値未満である場合と比べて、肉盛層４１の硬度が大幅に上昇することに加え、肉盛加工中の割れを回避することも可能となる。また、ビッカース硬度が上限値であるＨｖ９８０を超過する場合には、肉盛加工中に割れが発生しやすくなる。

肉盛層４１は、タングステンの含有比率を上記範囲にすることで、適正なビッカース硬度（Ｈｖ８００～Ｈｖ９８０）が得られやすくなる。

中間層４２の平均厚さＴ２は、０．５ｍｍを超過すると、溶け込みの増大による肉盛層４１の希釈（基材成分の増加）が影響し、肉盛層４１の硬度が低減する。通常、硬化肉盛を施す部品・部材では、基材３７の硬度が肉盛層４１の硬度より低く、基材３７の溶け込みが深いほど、溶融した基材３７側の成分により肉盛層４１が希釈されて硬度が低下する。そのため、中間層４２の厚Ｔｂは、できる限り小さくすることが望ましい。

＜ウィービング動作＞
次に、肉盛層４１を形成する際のウィービング動作について、図１，図２を適宜参照しながら説明する。
図４は、溶接ヘッド２１をウィービング動作させながら基材３７上に粉末材料３９を溶融、固化させて肉盛層４１を形成する様子を模式的に示す説明図である。

基材３７の表面に粉末材料３９による肉盛層４１を形成するには、溶接ヘッド２１をウィービング動作させ、溶接ヘッド２１から出射されるレーザビームＬＢを走査することを繰り返す。具体的には、ウィービング駆動部１９により溶接ヘッド２１を揺動させ、基材３７上に照射されるレーザビームＬＢを図４に示す所定の幅で走査する。ここでいう所定の幅とは、ウィービング動作によるビームスポットＳの走査幅Ｗである。

ウィービング動作と共に、溶接ロボット１１のロボットアームを駆動して、溶接ヘッド２１を溶接方向ＴＤに向けて前進させる。このレーザビームＬＢの走査及び溶接ヘッド２１の溶接方向ＴＤへの移動によって、基材３７の表面に粉末材料３９を溶融、凝固させたビードが幅広に形成される。そして、形成したビードに隣接する次のビードを、走査幅Ｗの一部が既設のビードとオーバーラップするように形成する。この作業を繰り返すことで、基材３７の表面に複数列のビードからなる肉盛層４１が隙間なく積層される。

図５は、図４に示すウィービングの動作条件を示す説明図である。
肉盛層４１を積層するための動作は、レーザビームＬＢを走査幅Ｗでウィービングさせる動作と、溶接ヘッド２１を溶接方向ＴＤに前進させる動作とを含む。ここで、溶接ヘッド２１のウィービング方向（走査方向）への走査速度をＶ１、溶接方向ＴＤへの前進速度（溶接速度）をＶ２、ウィービング動作の１周期当たりの所要時間をｔとする。

肉盛層４１を積層する工程では、以下の条件式［１］、［２］及び［３］を満たすようにする。
２０≦Ａ≦３５ … 条件式［１］
２．２≦Ｂ≦２．９ … 条件式［２］
５質量％≦Ｒ２≦１５質量％ …条件式［３］

ここで、条件式［１］、［２］及び［３］における各パラメータは次のとおりである。
Ａ＝Ｐ×α／β［ｋＪ／ｃｍ］：レーザ入熱指標
Ｂ＝Ｑ×α／β［ｇ／ｃｍ］：粉末供給速度指標
Ｐ［Ｗ］：レーザビームからの入熱量
Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：粉末材料の供給速度
α＝Ｗ／Ｖ１
β＝Ｖ２×ｔ
Ｗ［ｃｍ］：ウィービング動作によるビームスポットの走査幅
Ｖ１［ｃｍ／ｍｉｎ］：ウィービング動作によるレーザビームの走査速度
Ｖ２［ｃｍ／ｍｉｎ］：溶接方向への前進速度
ｔ［ｓｅｃ］：ウィービング１周期の時間
Ｒ２［質量％］：粉末材料に含まれる第２粉末の比率

条件式［１］は、基材３７上の粉末材料３９に照射されるレーザビームＬＢによる入熱量を表すレーザ入熱指標Ａの適正範囲を示す。レーザ入熱指標Ａは、ウィービング溶接時の単位溶接線あたりのレーザ入熱量を意味し、２０≦Ａ≦３５、望ましくは２０≦Ａ≦３０である。

レーザ入熱指標Ａが２０未満の場合、レーザ入熱不足による粉末材料の溶け残り、未溶融結果の発生、又は肉盛中の割れ発生が問題となる。また、２０≦Ａ≦３５の場合（ただし、Ｂも条件式［２］を満足する場合）、以下の第１，第２，第３条件のいずれも満足する。
・第１条件：前述した肉盛層４１のビッカース硬度がＨｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下であること。
・第２条件：１パスで形成される肉盛層４１の厚さＴａが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下であること。
・第３条件：中間層４２の厚さＴ２が０＜Ｔ２≦０．５ｍｍであること。

そして、レーザ入熱指標Ａが３５を超過する場合、レーザ入熱量の過多により基材３７の溶け込みが大きくなり、第１条件の肉盛層４１の硬度がＨｖ８００以上、第３条件の肉盛層４１の厚さ０．５ｍｍ以下の達成が困難となる。

条件式［２］は、基材３７上に供給する粉末材料３９の供給速度を表す粉末供給指標Ｂの適正範囲を示す。粉末供給指標Ｂは、ウィービング溶接時の単位溶接線あたりの粉末供給重量を意味し、２．２≦Ｂ≦２．９、好ましくは２．４≦Ｂ≦２．７、更に好ましくは２．４≦Ｂ≦２．５である。

粉末供給指標Ｂが２．２未満の場合、粉末供給不足により３ｍｍ以上の肉盛層４１の形成が困難となる。また、２．２≦Ｂ≦２．９の場合（ただし、Ａも条件式［１］を満足する場合）、前述した第１、第２、第３条件のいずれも満足する。そして、粉末供給指標Ｂが２．９を超過する場合、粉末材料の供給過多による未溶融粉末の残存、又は基材へのレーザ入熱不足（レーザ入熱量の殆どが粉末溶融に費やされる）によって、肉盛中に割れが発生する可能性が増加する。

条件式［３］は、粉末材料３９に含まれる第２粉末の比率Ｒ２の適正範囲を示す。第２粉末の比率Ｒ２は、第１粉末と第２粉末の合計質量に対する第２粉末の質量比であり、５質量％≦Ｒ２≦１５質量％、望ましくは７質量％≦Ｒ２≦１５質量％である。

第２粉末の比率Ｒ２が５質量％未満の場合、前述した肉盛層４１の硬度がＨｖ８００以上になりにくい。また、５質量％≦Ｒ２≦１５の場合、上記した５質量％未満の場合と比べて硬度が大幅に上昇し、肉盛加工中の割れ発生の回避も可能となる。そして、比率Ｒ２が１５質量％を超過する場合には、肉盛加工中に割れが発生しやすくなる。

＜レーザビームのウィービング照射＞
次に、レーザビームのウィービング照射による作用を説明する。
一般に、レーザビームは指向性及びエネルギー密度が高いため、レーザビームを基材に向けて照射すると、微小な照射スポットの領域内が集中的に加熱される。そのため、条件によっては基材にキーホールが形成され、加熱は照射スポット付近に限られる。

そこで、レーザビームＬＢを溶接方向へ前進させる際、前進速度より速い走査速度でウィービングさせることで、その走査範囲に応じて加熱面積を拡大するとともに、走査範囲内の基材を均等に加熱する。ここでいう「ウィービング」とは、例えば突合せアーク溶接において、溶接線に交差する方向へ溶接トーチを揺動させ、双方の母材を均等に溶融することによって溶接性を向上させる手法であるが、本構成においては、これをレーザビームＬＢの走査に応用している。

レーザビームＬＢにウィービングを適用して溶接する場合、基材３７上の溶接部近傍にビームスポットが照射される時間は、通常の溶接線（ウィービングなし）に沿ってレーザビームＬＢを移動させて溶接する場合と比べて長くなる。つまり、ウィービングの適用によって、溶接部近傍の入熱量を増加させ、基材３７の加熱を促進できる。そのため、粉末材料３９が供給される基材に向けてレーザビームＬＢを広範囲に照射する場合、レーザビームＬＢからの入熱によって粉末材料３９が溶融、凝固して形成される肉盛層４１と、レーザビームＬＢによって加熱された基材３７の表面との温度差が小さくなり、冷却後の収縮ひずみに起因する肉盛層４１の割れを抑制できる。

また、レーザビームＬＢのウィービングによって溶接部近傍の入熱量が増加するため、溶接時に粉末材料３９の供給量を増やして、１パス当たりの厚さが大きい肉盛りを行える。この場合、基材３７の表面が粉末材料３９により厚く覆われて、レーザビームＬＢからの入熱がその粉末材料３９の溶融に消費される。そのため、レーザビームＬＢによる基材３７の過剰な加熱が回避され、溶け込み量が抑えられる。これにより、肉盛層４１を１層で数ｍｍオーダーの厚さに容易に形成でき、３ｍｍ～５ｍｍ程度の厚さであれば、複数回にわたる多層盛りを不要にできる。よって、繰り返し肉盛りする場合よりも割れが発生する可能性を低減できる。さらに、寸法制約の緩和、施工コストの低減、リードタイムの短縮の効果も得られる。

上記のように、レーザビームＬＢへのウィービングの適用と、粉末供給量の増加とを同時に実施することで、基材３７の過剰な溶け込みを抑えつつ、厚さが大きい肉盛りを、割れを生じさせずに実現できる。一般にレーザ粉末肉盛溶接では、レーザビームＬＢによる投入エネルギーが、供給された粉末材料の溶融と、基材の直接的な加熱とに使用される。前述した条件式［１］～［３］の範囲であれば、レーザビームＬＢからの入熱の多くは粉末材料３９の溶融に使用され、基材３７の過剰な加熱が抑えられる。また、溶融した粉末材料３９自身が持つ熱エネルギーによっても基材３７が加熱されるため、この点からも割れの発生を低減できる。つまり、前述した条件式［１］～［３］は、基材３７の過剰な溶け込みを抑える作用、割れの発生を防止する作用、肉盛層４１の厚さを数ｍｍオーダーにする作用と、のバランスを適切に調整している。

例えば、粉末材料の供給量が少ないまま、レーザビームにウィービングを適用した場合、レーザビームが基材に直接照射されて、投入エネルギーの殆どが基材の加熱に費やされる。その結果、基材の溶け込み量が大きくなり、肉盛層４１が希釈されて硬度が低下する。この場合、肉盛層４１の割れは回避できるが、肉盛層４１は薄いままとなり、数ｍｍオーダーの肉盛はできない。

なお、上記したレーザビームＬＢのウィービングによる肉盛層４１の形成工程は、図１に示す溶接ヘッド２１をウィービングさせながら溶接ロボット１１のロボットアームで移動させる工程に限らない。例えば、レーザビームＬＢをタンデムビーム方式にして、粉末材料の溶融及び肉盛と、基材の加熱とに役割を分けて施工してもよい。また、基材の加熱用として、バーナー加熱、高周波導加熱等により加熱する加熱装置を併用してもよい。その場合、ウィービングの走査範囲を減らし、溶接方向への前進速度を向上させてタクトタイムの短縮を図れる。

図１に示すレーザ粉体肉盛溶接装置により、鋼材（ＳＳ４００）の基材上に肉盛溶接を実施した。基材のサイズは、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２０ｍｍである。第１粉末にはステライトNo.１粉末、第２粉末には炭化タングステン粉末を使用して、基材表面の全面に１層の肉盛層を形成した。肉盛形成の各種条件と結果を表１に示す。

試験例１－１～５は、粉末材料として第２粉末（炭化タングステン粉末）を含まない第１粉末のみとし、レーザ入熱指標Ａと粉末供給指標Ｂを変化させている。
試験例２～６は、試験例１－５のレーザ入熱指標Ａを同一条件とし、粉末供給指標Ｂと第２粉末の含有量を変化させている。
試験例７～９は、レーザ入熱指標Ａを試験例１－１～１－５及び試験例２～６、１０，１１の場合よりも大きくしており、試験例１０，１１は、粉末供給指標Ｂを試験例１－１～５及び試験例２～９よりも小さくしている。

各試験例に対して、浸透探傷検査（ＰＴ）により肉盛層の溶接割れの有無を確認し、溶接割れ無しの場合を「〇」、溶接割れありの場合を「×」と評価した。

また、肉盛層、中間層の厚さと、肉盛層のビッカース硬度の分布は、基材に肉盛形成した後の積層造形物を切断して、断面観察と、マイクロビッカース硬度計（試験位置：表層から０．２５ｍｍピッチ、試験荷重：３００ｇｆ）とによりと測定した。

図６は、積層造形物の断面硬度の測定結果を示すグラフである。図６においては、未測定の試験例（試験例１－１，１－４）は除いて示している。肉盛層のビッカース硬度は、肉盛層に相当する硬度Ｈｖ６００以上の領域における測定値の平均値を用いた。

作成した積層造形物の肉盛層の成分分析は、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）により実施した。Ｘ線照射範囲はφ１０ｍｍであり、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏの６元素を分析対象とし、定量計算はＦＰ（Fundamental Parameter）法を採用した。

図７は、粉末材料に含まれる第２粉末の比率Ｒ２と、肉盛層に含まれるタングステンの含有比率Ｒ１との関係を示すグラフである。タングステンの含有比率Ｒ１は、第２粉末の添加量の増加に伴って、比例して増加していることがわかる。

図８は、基材に形成した肉盛層の一例を示す断面写真である。基材である第１層と、肉盛層である第３層との間に中間層である第２層が形成されている。

上記の条件で肉盛層の形成と測定とを実施したところ、表１に示す結果となった。
粉末材料に炭化タングステンを添加していない試験例１－１～５においては、試験例１－１，１－２，１－４で割れが発生し、試験例１－１，１－４を除いてビッカース硬度がＨｖ８００に達しなかった。試験例１－５では、肉盛層のタングステンの含有比率が１６質量％未満であった。

試験例２では、レーザ入熱指標Ａの値を条件式［１］の範囲内とし、粉末供給指標Ｂの値を条件式［２］の範囲内としたが、粉末材料中の第２粉末の含有量を５質量％未満とした。その場合、割れを生じなかったが、ビッカース硬度がＨｖ８００未満であり、肉盛層のタングステンの含有比率は１６質量％未満であった。

試験例３～５では、レーザ入熱指標Ａの値を条件式［１］の範囲内とし、粉末供給指標Ｂの値を条件式［２］の範囲内とし、粉末材料中の第２粉末の含有量を５質量以上１５質量％以下とした。その結果、割れを生じず、ビッカース硬度がＨｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下、肉盛厚さ３ｍｍ以上、中間層厚さ０．５ｍｍ以下の条件を全て満たし、肉盛層のタングステンの含有比率も１６質量％以上２５質量％以下の範囲内であった。

試験例６では、レーザ入熱指標Ａの値を条件式［１］の範囲内とし、粉末供給指標Ｂの値を条件式［２］の範囲内としたが、粉末材料の第２粉末の含有量が１５質量％を超える値にした。その場合、割れが発生し、ビッカース硬度がＨｖ９８０を超え、肉盛層のタングステンの含有比率が２５質量％を超えた。

試験例７では、粉末供給指標Ｂの値を条件式［２］の範囲内とし、粉末材料中の第２粉末の質量比を５質量以上、１５質量％以下としたが、レーザ入熱指標Ａを条件式［１］の範囲を超える値にした。その結果、割れは発生しなかったが、ビッカース硬度がＨｖ８００未満となった。

試験例８では、レーザ入熱指標Ａの値を条件式［１］の上限近くの２８．２［ｋＪ／ｃｍ］に増加させた。また、粉末供給指標Ｂを条件式［２］の範囲内とし、粉末材料中の第２粉末の質量比を５質量以上１５質量％以下とした。その場合、割れを生じず、ビッカース硬度がＨｖ８００以上９８０以下、肉盛厚さが３ｍｍ以上、中間層厚さが０．５ｍｍ以下の条件を全て満たし、肉盛層のタングステンの含有比率も１６質量％以上２５質量％以下の範囲内であった。

試験例９では、レーザ入熱指標Ａの値を条件式［１］の上限を超える３７．７［ｋＪ／ｃｍ］とし、粉末供給指標Ｂの値を条件式［２］の範囲内とし、粉末材料中の第２粉末の質量比を５質量以上１５質量％以下とした。その場合、割れは生じなかったが、ビッカース硬度がＨｖ８００未満となった。

試験例１０、１１では、レーザ入熱指標Ａの値を条件式［１］の範囲内とし、粉末材料中の第２粉末の質量比を５質量以上１５質量％以下としたが、粉末供給指標Ｂの値を条件式［２］の下限値未満とした。その結果、割れは生じなかったが、ビッカース硬度がＨｖ８００未満となった。

上記による良否判定の結果を表２に纏めて示す。ビッカース硬度は、Ｈｖ８００以上、且つＨｖ９８０以下を「○」、それ以外を「×」と評価した。肉盛層の厚さは、３ｍｍ以上、５ｍｍ以下を「○」、３ｍｍ未満又は５ｍｍを超えるものを「×」と評価した。中間層の厚さは、０．５ｍｍ以下を「○」、０．５ｍｍを超えるものを「×」と評価した。

試験例３，４，５，８のように、レーザ入熱指標Ａ、粉末供給指標Ｂ、第２粉末の比率Ｒ２を、前述した条件式［１］～［３］を満足する条件に設定することで、割れを生じさせることなく、ビッカース硬度がＨｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下（第１条件）、１パスでの肉盛厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下（第２条件）、中間層の厚さが０．５ｍｍ以下（第３条件）の積層造形物が得られた。その場合の肉盛層は、タングステンの含有比率が１６質量％以上２５質量％以下であり、耐摩耗性が良好な肉盛層を高効率で形成できた。

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有する第１粉末と、炭化タングステンを含有する第２粉末と、を混合した粉末材料を基材上に供給する工程と、
供給された前記粉末材料にレーザビームをウィービング動作させながら照射して、前記基材上に少なくとも前記粉末材料を溶融固化させた肉盛層を積層する工程と、
を有する積層造形物の製造方法であって、
前記肉盛層を積層する工程は、以下の条件式［１］、［２］及び［３］を満たす工程である、積層造形物の製造方法。
２０≦Ａ≦３５ … 条件式［１］
２．２≦Ｂ≦２．９ … 条件式［２］
５質量％≦Ｒ２≦１５質量％ …条件式［３］
Ａ＝Ｐ×α／β［ｋＪ／ｃｍ］：レーザ入熱指標
Ｂ＝Ｑ×α／β［ｇ／ｃｍ］：粉末供給速度指標
Ｐ［Ｗ］：レーザビームからの入熱量
Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：粉末材料の供給速度
α＝Ｗ／Ｖ１
β＝Ｖ２×ｔ
Ｗ［ｃｍ］：ウィービング動作によるビームスポットの走査幅
Ｖ１［ｃｍ／ｍｉｎ］：ウィービング動作によるレーザビームの走査速度
Ｖ２［ｃｍ／ｍｉｎ］：溶接方向への前進速度
ｔ［ｓｅｃ］：ウィービング１周期の時間
Ｒ２［質量％］：粉末材料に含まれる第２粉末の比率
この積層造形物の製造方法によれば、レーザビームのウィービングによって基材の溶接部近傍の入熱量を増大させ、基材の加熱を促進できる。そのため、レーザビームからの入熱によって粉末材料が溶融、凝固して形成される肉盛層と、レーザビームによって加熱された基材の表面との温度差が小さくなり、冷却後の収縮ひずみに起因する肉盛層の割れを抑制できる。
また、レーザビームのウィービングによって溶接部近傍の入熱量が増加するため、溶接時に粉末材料の供給量を増やして、１パス当たりの厚さが大きい肉盛りを行える。
そして、溶け込み（基材と肉盛層との中間硬度を有する中間層の形成範囲）が小さい状態で、１層の肉盛でも数ｍｍオーダーの肉盛層を形成できる。その結果、従前のような肉盛層の厚みを確保するために多層盛溶接を実施する必要がなくなり、加工中に割れが発生する可能性を低減できる。さらに、寸法制約の緩和、施工コスト低減、リードタイムの短縮の効果も得られる。
また、ステライト合金、炭化タングステンといった一般に市販されている粉末を混合した粉末材料を使用するため、複雑な前処理必要な肉盛用粉末材料を用いる必要がなく、経済性に優れ、ステライト合金のみ使用する場合と比較して、硬度が高い肉盛層の形成が可能となる。

（２） 前記肉盛層を、ビッカース硬度がＨｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下、タングステンの含有比率が１６質量％以上２５質量％以下、且つ１パス当たりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下に形成する（１）に記載の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、耐摩耗性に優れ、割れに強い肉盛層を、１パスで３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の厚さに形成できる。

（３） 前記基材と前記肉盛層との間に、前記基材と前記粉末材料とを溶融、凝固させた中間層を、厚さＴ２が０＜Ｔ２≦０．５ｍｍとなるように形成する（１）又は（２）に記載の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、基材との溶け込みを抑えて、高硬度な肉盛層を形成できる。

（４） 一層あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の前記肉盛層を、複数回にわたって積層する（１）～（３）のいずれか１つに記載の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、任意の目標形状に造形でき、設計自由度が向上する。

（５） 基材上にステライト合金と炭化タングステンとを含有する肉盛材料が積層された積層造形物であって、
前記基材と、前記肉盛材料からなる肉盛層との間に、前記基材の一部と前記肉盛層の一部が互いに溶解して形成された中間層を有し、
前記肉盛層は、ビッカース硬度がＨｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下で、且つタングステンの含有比率が１６質量％以上２５質量％以下で、厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下である積層造形物。
この積層造形物によれば、高硬度で耐摩耗性に優れた３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の厚さの肉盛層を備えるため、機械的強度を向上した部品を提供できる。

（６） 前記中間層の平均厚さＴ２は、０＜Ｔ２≦０．５ｍｍである（５）に記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、基材と肉盛層との接合強度を向上できる。

（７） 一層あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の前記肉盛層が、複数層にわたって積層されている（５）又は（６）に記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、任意の目標形状に造形でき、設計自由度が向上する。

１１ 溶接ロボット
１３ レーザ光源部
１５ 粉末材料供給部
１７ 制御部
１９ ウィービング駆動部
２１ 溶接ヘッド
２３ 光ファイバ
２５ 粉体供給パイプ
２７ レーザ出力調整部
２９ 粉末材料供給調整部
３１ レーザ照射口
３３ 粉末材料供給口
３５ シールドガス供給口
３７ 基材
３９ 粉末材料
４１ 肉盛層
４３ 積層造形物
１００ レーザ粉体肉盛溶接装置

Claims (7)

1. ステライト合金を含有する第１粉末と、炭化タングステンを含有する第２粉末と、を混合した粉末材料を基材上に供給する工程と、
   供給された前記粉末材料にレーザビームをウィービング動作させながら照射して、前記基材上に少なくとも前記粉末材料を溶融固化させた肉盛層を積層する工程と、
   を有する積層造形物の製造方法であって、
   前記肉盛層を積層する工程は、以下の条件式［１］、［２］及び［３］を満たす工程である、積層造形物の製造方法。
   ２０≦Ａ≦３５ … 条件式［１］
   ２．２≦Ｂ≦２．９ … 条件式［２］
   ５質量％≦Ｒ２≦１５質量％ …条件式［３］
   Ａ＝Ｐ×α／β［ｋＪ／ｃｍ］：レーザ入熱指標
   Ｂ＝Ｑ×α／β［ｇ／ｃｍ］：粉末供給速度指標
   Ｐ［Ｗ］：レーザビームからの入熱量
   Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：粉末材料の供給速度
   α＝Ｗ／Ｖ１
   β＝Ｖ２×ｔ
   Ｗ［ｃｍ］：ウィービング動作によるビームスポットの走査幅
   Ｖ１［ｃｍ／ｍｉｎ］：ウィービング動作によるレーザビームの走査速度
   Ｖ２［ｃｍ／ｍｉｎ］：溶接方向への前進速度
   ｔ［ｓｅｃ］：ウィービング１周期の時間
   Ｒ２［質量％］：粉末材料に含まれる第２粉末の比率
2. 前記肉盛層を、ビッカース硬度がＨｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下、タングステンの含有比率が１６質量％以上２５質量％以下、且つ１パス当たりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下に形成する請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 前記基材と前記肉盛層との間に、前記基材と前記粉末材料とを溶融、凝固させた中間層を、厚さＴ２が０＜Ｔ２≦０．５ｍｍとなるように形成する請求項１又は２に記載の積層造形物の製造方法。
4. 一層あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の前記肉盛層を、複数回にわたって積層する請求項１～３のいずれか１項に記載の積層造形物の製造方法。
5. 基材上に、ステライト合金と炭化タングステンとを含有する肉盛材料が積層された積層造形物であって、
   前記基材と、前記肉盛材料からなる肉盛層との間に、前記基材の一部と前記肉盛層の一部が互いに溶解して形成された中間層を有し、
   前記肉盛層は、ビッカース硬度がＨｖ８００以上、Ｈｖ９８０以下で、且つタングステンの含有比率が１６質量％以上２５質量％以下で、厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下である積層造形物。
6. 前記中間層の平均厚さＴ２は、０＜Ｔ２≦０．５ｍｍである請求項５に記載の積層造形物。
7. 一層あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の前記肉盛層が、複数層にわたって積層されている請求項５又は６に記載の積層造形物。

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