JP7361332B2 - 金属積層造形物の製造方法及び金属積層造形物 - Google Patents
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Description
本発明は、金属積層造形物の製造方法及び金属積層造形物に関する。
金属から立体的な造形物を作製する方法として、金属粉末にレーザーや電子ビームを照射して金属粉末を溶融させ、凝固部を形成する工程と、この凝固部の上に別の金属粉末を供給し、さらにレーザーや電子ビームを照射して金属粉末を溶融させ、別の凝固部を形成する工程を繰り返す、金属積層造形物の製造方法が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。この金属積層造形物の製造方法によれば、従来の技術、例えば鋳造では一体形成が困難な形状の造形物を一体成形することが可能であり、例えば、形状が特殊でかつ高い強度が要求される部品などの製造方法に適用することができる。
上記従来の金属積層造形物の製造方法では、作製した金属積層造形物の凝固組織が、金属粉末の積層方向に展伸し易い。このため、積層方向から傾斜した方向に屈曲する部分を有する造形物を作製すると、屈曲する部分に十分な強度が得られないことがあった。この現象は、屈曲する部分の凝固組織の展伸方向と、屈曲する部分に発生する亀裂の進展方向とが一致するためと考えられる。
そこで、本発明では、金属粉末の積層方向から傾斜した方向に屈曲する部分を有する金属積層造形物であっても、屈曲する部分に優れた強度を有する造形物にすることが可能な、金属積層造形物の製造方法、及び強度に優れた金属積層造形物を提供する。
上記課題を解決するための具体的手段には、以下の実施態様が含まれる。
＜１＞金属粉末に、レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記金属粉末を溶融凝固して凝固部を形成する凝固部形成工程と、
前記凝固部の上に別の金属粉末を供給する粉末供給工程と、
前記凝固部の上の別の金属粉末に、前記レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記別の金属粉末を前記凝固部とともに溶融凝固して、前記凝固部を拡大する凝固部拡大工程と、を有する金属積層造形物の製造方法であって、
前記凝固部拡大工程は、前記レーザー又は電子ビームを走査して溶融池を形成するステップと、前記レーザー又は電子ビームの走査領域を前記溶融池からシフトして、前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップとを繰り返し、前記凝固部の凝固組織を、前記金属積層造形物の積層方向から傾斜した方向に展伸させる工程を有する金属積層造形物の製造方法。
＜２＞前記凝固部の凝固組織を、前記金属積層造形物の積層方向から前記レーザー又は電子ビームの走査領域がシフトする方向に傾斜した方向に展伸させる、＜１＞に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜３＞前記溶融池を形成するステップにおいて、前記レーザー又は電子ビームを走査して前記溶融池を形成する領域を、第１の領域とし、
前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップにおいて、前記レーザー又は電子ビームを走査して前記次の溶融池を形成する領域を、前記第１の領域と一部が重なり合うように隣接する第２の領域としたとき、
第１の領域と第２の領域が重なり合う部分の溶融池が凝固する前に第２の領域の溶融池を形成する、＜１＞又は＜２＞に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜４＞前記溶融池を形成する領域が矩形である、＜１＞～＜３＞のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜５＞前記金属積層造形物の積層方向と、前記凝固組織の展伸方向とのなす角度を、１０°以上にする、＜１＞～＜４＞のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜６＞前記粉末供給工程と前記凝固部拡大工程を交互に行う、＜１＞～＜５＞のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜７＞前記粉末供給工程と前記凝固部拡大工程を並行して行う、＜１＞～＜５＞のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜８＞積層方向から傾斜した方向に展伸した凝固組織を少なくとも一部に有する、金属積層造形物。
＜９＞前記積層方向と、前記積層方向から傾斜した方向に展伸した凝固組織とのなす角度が、１０°以上である、＜８＞に記載の金属積層造形物。
＜１＞金属粉末に、レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記金属粉末を溶融凝固して凝固部を形成する凝固部形成工程と、
前記凝固部の上に別の金属粉末を供給する粉末供給工程と、
前記凝固部の上の別の金属粉末に、前記レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記別の金属粉末を前記凝固部とともに溶融凝固して、前記凝固部を拡大する凝固部拡大工程と、を有する金属積層造形物の製造方法であって、
前記凝固部拡大工程は、前記レーザー又は電子ビームを走査して溶融池を形成するステップと、前記レーザー又は電子ビームの走査領域を前記溶融池からシフトして、前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップとを繰り返し、前記凝固部の凝固組織を、前記金属積層造形物の積層方向から傾斜した方向に展伸させる工程を有する金属積層造形物の製造方法。
＜２＞前記凝固部の凝固組織を、前記金属積層造形物の積層方向から前記レーザー又は電子ビームの走査領域がシフトする方向に傾斜した方向に展伸させる、＜１＞に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜３＞前記溶融池を形成するステップにおいて、前記レーザー又は電子ビームを走査して前記溶融池を形成する領域を、第１の領域とし、
前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップにおいて、前記レーザー又は電子ビームを走査して前記次の溶融池を形成する領域を、前記第１の領域と一部が重なり合うように隣接する第２の領域としたとき、
第１の領域と第２の領域が重なり合う部分の溶融池が凝固する前に第２の領域の溶融池を形成する、＜１＞又は＜２＞に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜４＞前記溶融池を形成する領域が矩形である、＜１＞～＜３＞のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜５＞前記金属積層造形物の積層方向と、前記凝固組織の展伸方向とのなす角度を、１０°以上にする、＜１＞～＜４＞のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜６＞前記粉末供給工程と前記凝固部拡大工程を交互に行う、＜１＞～＜５＞のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜７＞前記粉末供給工程と前記凝固部拡大工程を並行して行う、＜１＞～＜５＞のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
＜８＞積層方向から傾斜した方向に展伸した凝固組織を少なくとも一部に有する、金属積層造形物。
＜９＞前記積層方向と、前記積層方向から傾斜した方向に展伸した凝固組織とのなす角度が、１０°以上である、＜８＞に記載の金属積層造形物。
本発明によれば、凝固組織の展伸する方向が、金属粉末の積層方向から傾斜した金属積層造形物を作製することができる。これにより、積層方向にのみ展伸していた造形物組織の弱点、すなわち、積層方向から傾斜した方向の機械的強度の低下を抑制できる。このため、例えば、金属粉末の積層方向から傾斜した方向に屈曲する部分を有する金属積層造形物であっても、屈曲する部分に発生する亀裂の進展を抑制して、屈曲する部分に優れた強度を有する金属積層造形物にすることができる。
＜金属積層造形物の製造方法＞
本発明の金属積層造形物の製造方法は、
金属粉末に、レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記金属粉末を溶融凝固して凝固部を形成する凝固部形成工程と、
前記凝固部の上に別の金属粉末を供給する粉末供給工程と、
前記凝固部の上の別の金属粉末に、前記レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記別の金属粉末を前記凝固部とともに溶融凝固して、前記凝固部を拡大する凝固部拡大工程と、を有する金属積層造形物の製造方法であって、
前記凝固部拡大工程は、前記レーザー又は電子ビームを走査して溶融池を形成するステップと、前記レーザー又は電子ビームの走査領域を前記溶融池からシフトして、前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップとを繰り返し、前記凝固部の凝固組織を、前記金属積層造形物の積層方向から傾斜した方向に展伸させる工程を有する、金属積層造形物の製造方法である。
本発明の金属積層造形物の製造方法は、
金属粉末に、レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記金属粉末を溶融凝固して凝固部を形成する凝固部形成工程と、
前記凝固部の上に別の金属粉末を供給する粉末供給工程と、
前記凝固部の上の別の金属粉末に、前記レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記別の金属粉末を前記凝固部とともに溶融凝固して、前記凝固部を拡大する凝固部拡大工程と、を有する金属積層造形物の製造方法であって、
前記凝固部拡大工程は、前記レーザー又は電子ビームを走査して溶融池を形成するステップと、前記レーザー又は電子ビームの走査領域を前記溶融池からシフトして、前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップとを繰り返し、前記凝固部の凝固組織を、前記金属積層造形物の積層方向から傾斜した方向に展伸させる工程を有する、金属積層造形物の製造方法である。
上記発明によれば、例えば、金属積層造形物の積層方向から傾斜した方向に屈曲する部分の凝固組織を、積層方向から傾斜した方向に展伸させることができる。このようにすることで、屈曲する部分の凝固組織の展伸方向と、屈曲する部分に発生する亀裂の進展方向との間に角度をつけることができ、亀裂の進展を抑制して、屈曲する部分に優れた強度を有する金属積層造形物を作製することができる。
上記発明は、例えば、図５に示すようなハブ軸の周囲に複数の翼を立設した形状のタービンホイールの作製に適用することができ、その付け根部の組織の展伸方向をハブ軸の軸方向に沿った方向から傾斜した方向にすることで、翼部の強度に優れるタービンホイールを得ることができる。
図６は、図５に示す形状のタービンホイールを従来の方法で作製した場合のハブ軸１と翼部２の境界付近（枠で示す部分）の構造を概略的に示す図である。従来の方法で作製したタービンホイールでは、翼部２の凝固組織が、ハブ軸１の方向に沿った方向（積層方向、矢印で示す）に展伸する。そのため、ハブ軸１と翼部２との屈曲する部分の境界にかかるせん断応力に対する強度が充分に得られずに亀裂３が発生しやすいと考えられる。
図７は、図５に示す形状のタービンホイールを本発明の方法で作製した場合のハブ軸１と翼部２の境界付近（枠で示す部分）の構造を概略的に示す図である。本発明の方法によれば、凝固組織を、ハブ軸１の軸方向に沿った方向（積層方向、矢印で示す）から傾斜した方向に展伸させることができる。そのため、ハブ軸１と翼部２との屈曲する部分の境界にかかるせん断応力に対する強度が充分に確保されて亀裂が発生しにくく、亀裂が進展しにくくなると考えられる。
なお、上記発明における「凝固組織の展伸方向」は、マクロ的な結晶方位、結晶粒及び結晶粒界の形状から判断されるものであり、ミクロ的に分岐又は屈曲している凝固組織の方向は「凝固組織の展伸方向」に該当しないものとする。
また、上記発明において、レーザー又は電子ビームの「移動」とは一回の照射の開始から終了までの動き全体を意味し、レーザー又は電子ビームの「走査」とは、一回の照射の開始から終了までの間に繰り返されるレーザー又は電子ビームの往復を意味する。
また、上記発明において、レーザー又は電子ビームの走査領域の「シフト方向」とは、複数の走査領域が連続して形成する凝固部が、レーザー又は電子ビームの照射面において拡大する方向を意味する。
また、上記発明において、レーザー又は電子ビームの「移動」とは一回の照射の開始から終了までの動き全体を意味し、レーザー又は電子ビームの「走査」とは、一回の照射の開始から終了までの間に繰り返されるレーザー又は電子ビームの往復を意味する。
また、上記発明において、レーザー又は電子ビームの走査領域の「シフト方向」とは、複数の走査領域が連続して形成する凝固部が、レーザー又は電子ビームの照射面において拡大する方向を意味する。
また、上記発明では、凝固部拡大工程において、金属粉末に対してレーザー又は電子ビームを照射して走査し、大きい面積の溶融池（ある幅を持って囲まれた領域に溶融状態の金属が溜まった状態）を形成するようにする。前記レーザー又は電子ビームの走査は、前記走査領域内で前後に折り返しながら行われる。すなわち、レーザー又は電子ビームを一方向に移動し続けるようにして溶融池を形成するのではなく、細いレーザー又は電子ビームの軌跡を重ね合わせるように走査する、あるいは、隣接するように走査して、大きい面積の溶融池を形成するようにする。そして、一つの溶融池を形成した後、レーザー又は電子ビームの走査領域を形成した溶融池からシフトし、一部が重なり合うようにして次の溶融池を形成するようにする。
また、上記発明では、前記溶融池を形成するステップにおいて、前記レーザー又は電子ビームを走査して前記溶融池を形成する領域を、第１の領域とし、前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップにおいて、前記レーザー又は電子ビームを走査して前記次の溶融池を形成する領域を、前記第１の領域と一部が重なり合うように隣接する第２の領域としたとき、第１の領域と第２の領域が重なり合う部分の溶融池が凝固する前に第２の領域の溶融池を形成することが好ましい。これによって、レーザー又は電子ビームの走査領域のシフトする方向に、溶融状態の溶融池が、あたかも、移動してゆくようになる。このような溶融池の連続性は溶融色の変化の様子により目視で確認できる。
このようにすることで、大きな熱量を有する（すなわち、凝固するまでの時間が長い）溶融池が形成されるようになり、この溶融池がレーザー又は電子ビームの走査領域のシフトする方向の後方から前方にかけて、方向性をもって冷却されるようになる。そして、その過程で凝固部の凝固組織が、上記シフト方向に由来する方向に展伸し、結果、積層方向からシフト方向に傾斜した方向に展伸した凝固組織を有する積層造形物が作製されるようになる。
上記作用効果について、溶融池の大きさと移動の観点からより詳しく説明する。
まず、小さい面積の溶融池が冷却される場合、溶融池の熱量は積層方向に容易に抜熱されるため、溶融池の温度勾配は、積層方向に対して垂直な方向（積層面内方向）では無視できるほど小さくなり、積層方向の温度勾配Ｔｚにほぼ等しくなる。これにより、溶融池が凝固して形成される凝固部の凝固組織は、溶融池から熱が逃げる方向、すなわち、積層方向に沿って展伸するようになる。この工程と粉末供給工程とを交互に又は並行して行うことで形成される金属積層造形物の凝固組織も、積層方向に沿って展伸するようになる。
次に、大きい面積の溶融池が冷却される場合、溶融池の熱量は積層方向だけでは抜熱されず、積層面内方向にも抜熱されるようになる。そのため、溶融池の温度勾配は、積層方向の温度勾配ΔＴｚと積層面内におけるレーザー又は電子ビームの走査領域のシフト方向の温度勾配ΔＴｘとの合成になり、溶融池が凝固して形成される凝固部の凝固組織も、その合成方向に展伸するようになる。
ここで、本発明のように、溶融池と次の溶融池の一部が重なり合うようにした大きい面積の溶融池を上記シフト方向に伸ばしてゆくと、溶融池の温度勾配ΔＴｘは、上記シフト方向、すなわち、溶融池が伸びる方向に形成されるようになる。これにより、溶融池は、拡大する方向から遠い順に冷却され凝固し、凝固部の凝固組織は、積層方向から傾斜した方向に展伸するようになる。そして、この工程と粉末供給工程とを繰り返して形成される金属積層造形物の凝固組織も、積層面内方向のシフト方向の温度勾配ΔＴｘと積層方向の温度勾配ΔＴｚとの合成方向、例えば、積層方向からシフト方向に傾斜した方向に展伸した凝固組織になる。
なお、凝固組織の展伸する方向は、上記シフト方向、および、溶融池の積層方向の温度勾配ΔＴｚと溶融池の積層面内方向の温度勾配ΔＴｘ、により制御でき、温度勾配ΔＴｚと温度勾配ΔＴｘは、レーザー又は電子ビームを照射条件により制御することができる。
また、レーザー又は電子ビームの照射条件は、凝固部の凝固組織が積層方向から傾斜した方向に展伸し、金属積層造形物の凝固組織が積層方向から傾斜した方向に展伸する条件となれば特に制限はない。すなわち、レーザー又は電子ビームの照射条件は、上記凝固組織を得ることが可能な条件において、移動又は走査の速度、移動又は走査の長さ、移動又は走査の幅、移動又は走査の重複幅、照射強度等の照射条件を適宜選択することができる。
また、凝固部拡大工程において、レーザー又は電子ビームの走査領域のシフト方向は、レーザー又は電子ビームの照射面において凝固組織を成長させたい方向であり、この方向に沿って先に形成された溶融池に重なるように次の溶融池を形成する工程を繰り返す。これにより、凝固組織が積層方向から傾斜した方向、例えば、シフト方向に沿った３次元方向に展伸した構造にして凝固部内に形成される。シフト方向は、先に形成された溶融池の前方であればよいが、直進に限られない。たとえば、任意の場所で変化させてもよい。また、先に形成された溶融池と次に形成される溶融池との重なり合い状態は特に制限はないが、より均質な凝固物を形成する観点からは、等幅にて重なり合うことが好ましい。
また、上記発明では、溶融池を形成する領域を矩形にすることが好ましい。溶融池を形成する領域を矩形とすることで、形成する溶融池の形状をこれら矩形領域に対応する形状にすることができ、次に形成される溶融池と重なり合う部分を効率よく確保することができる。また、積層造形物とした際に一様で均質な凝固組織を形成しやすくなる。
ここで、第１の領域に対応する溶融池（第１の溶融池）を形成してから、第２の領域に対応する次の溶融池（第２の溶融池）を形成するまでの時間は、第１の溶融池の重なり部分が凝固せず、第１の溶融池と第２の溶融池がともに溶融している状態にすることが好ましく、特に、等幅にて重なり合える時間にすることがより好ましい。このようにすることで、溶融池はレーザー又は電子ビームの走査領域のシフト方向に連続して伸びてゆくようになり、溶融池の温度勾配ΔＴｘがシフト方向に形成されやすくなる。その結果、凝固部の凝固組織が上記シフト方向に傾斜した方向に展伸しやすくなる。
また、本発明の金属積層造形物の製造方法は、上記発明に加え、凝固組織の展伸方向を、金属積層造形物の積層方向と、凝固組織の展伸方向とのなす角度を、１０°以上にすることが好ましい。
上記発明によれば、金属積層造形物の積層方向から傾斜した方向に屈曲する部分を有する金属積層造形物を作製するにあたり、屈曲する部分の凝固組織を、積層方向から明確に傾斜した方向に展伸させることができる。このようにすることで、屈曲する部分の凝固組織の展伸方向と、屈曲する部分に発生する亀裂の進展方向との間に角度をつけることができ、亀裂の進展をより確実に抑制して、屈曲する部分により優れた強度を有する金属積層造形物にすることができる。
なお、上記発明では、金属積層造形物の積層方向と、凝固組織の展伸方向とのなす角度の上限、あるいは、凝固組織の展伸形態について制限はない。例えば、レーザー又は電子ビームの照射条件等を制御することにより、金属積層造形物の積層方向と、凝固組織の展伸方向とのなす角度を、３０°以上にしてもよく、凝固組織の展伸形態を曲線的にしてもよい。
以上、本発明の金属積層造形物の製造方法について説明してきたが、上記発明に使用可能な金属粉末は特に制限は無く、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等の金属粉末、およびこれら金属を含む合金の金属粉末を使用することができる。例えば、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉの各元素をそれぞれ５原子％以上３５原子％以下の範囲で含み、かつＭｏを１原子％超８原子％以下の範囲で含み、残部が不可避不純物からなる合金の金属粉末が挙げられる。
また、上記発明では、上記金属粉末を１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
また、上記発明では、上記金属粉末を１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
また、上記発明では、上記金属粉末として、体積平均粒径（ｄ５０）が、例えば、１０μｍ～２００μｍの範囲の金属粉末を使用することができる。体積平均粒径は、レーザー回折・散乱法において得られる体積基準の粒度分布曲線において小径側からの累積が５０％となるときの粒径である。
また、上記発明では、粉末供給工程において供給する金属粉末の量（１回分）を、供給された金属粉末の堆積厚さが金属粉末の平均粒径（ｄ５０）の１倍～５倍程度となるようにすることができる。
また、上記発明では、金属粉末を供給する方法に特に制限はない。例えば、スキージ等により、金属粉末を所定の厚みの層になるように供給する方法、不活性ガスの流束によって供給する方法等、従来用いられてきた方法を使用することができる。
また、上記発明では、金属粉末を供給する方法に特に制限はない。例えば、スキージ等により、金属粉末を所定の厚みの層になるように供給する方法、不活性ガスの流束によって供給する方法等、従来用いられてきた方法を使用することができる。
また、上記発明では、レーザー又は電子ビームの種類、製法に特に制限は無く、例えば、選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ：Selective Laser Melting）、電子ビーム溶解法（ＥＢＭ：Electron Beam Melting）などを用いることができる。また、レーザーとして、例えば、ファイバーレーザー等を使用することができる。
また、上記発明では、上記凝固部形成工程、上記粉末供給工程、上記凝固部拡大工程以外の工程を必要に応じて付加することもできる。例えば、形成した金属積層造形物を加熱処理（アニーリング）する工程、あるいは、形成した金属積層造形物を機械加工する工程等を付加してもよい。
上記発明が適用される金属積層造形物の製造方法は、特に制限されない。例えば、粉末供給工程と凝固部拡大工程を交互に行う方法であっても、粉末供給工程と凝固部拡大工程を並行して行う方法であっても、その他の方法であってもよい。
粉末供給工程と凝固部拡大工程を交互に行う方法としては、金属粉末層を形成する工程と、金属粉末層の所定の領域にレーザー又は電子ビームを照射して当該領域内の金属粉末を溶融凝固させる工程を交互に繰り返す方法（粉末床溶融結合法、ＰＢＦ：Powder Bed Fusion）等が挙げられる。
粉末供給工程と凝固部拡大工程を並行して行う方法としては、レーザー又は電子ビームを移動させる方向の前方位置に金属粉末を連続的に供給し、供給された金属粉末にレーザー又は電子ビームを照射して溶融凝固させる方法（指向性エネルギー堆積法、ＤＥＤ：Directed Energy Deposition）等が挙げられる。
また、上記発明では、金属積層造形物の積層方向から傾斜した方向に展伸した凝固組織部分の金属積層造形物全体に占める割合、位置等は特に制限されない。また、凝固組織は、１方向だけでなく２方向以上に展伸させてもよい。
＜金属積層造形物＞
本発明の金属積層造形物は、積層方向から傾斜した方向に展伸した凝固組織を少なくとも一部に有する。
本発明の金属積層造形物は、積層方向から傾斜した方向に展伸した凝固組織を少なくとも一部に有する。
上記「積層方向」とは、金属積層造形物を作製するにあたり金属粉末が溶融凝固して形成される凝固部が積層される方向である。金属積層造形物は、例えば、上述した金属積層造形物の製造方法により作製することができる。
上記発明によれば、積層方向から傾斜した方向に屈曲する部分を有する金属積層造形物において、屈曲する部分の凝固組織が、積層方向から傾斜した方向に展伸した金属積層造形物にすることができる。これにより、屈曲する部分の凝固組織の展伸方向と、屈曲する部分に発生する亀裂の進展方向との間に角度をつけることができ、亀裂の進展を抑制して、屈曲する部分に優れた強度を有する金属積層造形物にすることができる。
上記発明によれば、積層方向から傾斜した方向に屈曲する部分を有する金属積層造形物において、屈曲する部分の凝固組織が、積層方向から傾斜した方向に展伸した金属積層造形物にすることができる。これにより、屈曲する部分の凝固組織の展伸方向と、屈曲する部分に発生する亀裂の進展方向との間に角度をつけることができ、亀裂の進展を抑制して、屈曲する部分に優れた強度を有する金属積層造形物にすることができる。
なお、金属積層造形物において、積層方向から傾斜した方向に展伸する凝固組織があるか否かは、例えば、金属積層造形物の積層方向断面を観察して確認することができる。
また、本発明の金属積層造形物は、上記発明に加え、積層方向と、積層方向から傾斜した方向に展伸した凝固組織とのなす角度が、１０°以上であることが好ましい。
上記発明によれば、積層方向から傾斜した方向に屈曲する部分を有する金属積層造形物において、屈曲する部分の凝固組織が、例えば積層方向から傾斜した方向に展伸した金属積層造形物にすることができる。これにより、屈曲する部分の凝固組織の展伸方向と、屈曲する部分に発生する亀裂の進展方向との間に角度をつけることができ、亀裂の進展をより効果的に抑制して、屈曲する部分においてより優れた強度を有する金属積層造形物にすることができる。
なお、上記発明において、積層方向と、凝固組織の展伸方向とのなす角度の上限、あるいは、凝固組織の展伸形態について制限はなく、例えば、レーザー又は電子ビームの照射条件等の制御により、積層方向と凝固組織の展伸方向とのなす角度を、３０°以上にしてもよい。また、凝固組織の展伸形態を曲線的にしてもよい。
以上、本発明の金属積層造形物について説明してきたが、金属積層造形物を構成する金属は特に制限は無く、上述した通り、例えば、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、チタン等の金属、およびこれら金属を含む合金にて構成することができる。
また、上記発明では、金属積層造形物の全体において、積層方向から傾斜して展伸する凝固組織の占める割合、位置等は特に制限されない。積層方向から傾斜した方向に展伸する凝固組織が、複数の角度で数種類あってもよい。
また、本発明の金属積層造形物は、上記金属積層造形物の製造方法の発明により作製してもよい。その場合、当該方法により作製されたものであるか否かは、組織観察等の通常の方法により確認することができる。
本発明の金属積層造形物の製造方法には、下記の態様も含まれる。
金属粉末層の少なくとも一部の領域に、レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記金属粉末層の少なくとも一部を溶融凝固して凝固部を形成する凝固部形成工程と、
前記凝固部の上に別の金属粉末層を積層する粉末積層工程と、
前記凝固部の上の別の金属粉末層の少なくとも一部の領域に、前記レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記別の金属粉末層の少なくとも一部を前記凝固部とともに溶融凝固して、前記凝固部を拡大する凝固部拡大工程と、を有する金属積層造形物の製造方法であって、
前記凝固部拡大工程は、前記レーザー又は電子ビームを走査して溶融池を形成するステップと、前記レーザー又は電子ビームの走査領域を前記溶融池からシフトして、前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップとを繰り返し、前記凝固部の凝固組織を前記シフト方向に由来する方向に展伸させる工程を有する金属積層造形物の製造方法。
金属粉末層の少なくとも一部の領域に、レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記金属粉末層の少なくとも一部を溶融凝固して凝固部を形成する凝固部形成工程と、
前記凝固部の上に別の金属粉末層を積層する粉末積層工程と、
前記凝固部の上の別の金属粉末層の少なくとも一部の領域に、前記レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記別の金属粉末層の少なくとも一部を前記凝固部とともに溶融凝固して、前記凝固部を拡大する凝固部拡大工程と、を有する金属積層造形物の製造方法であって、
前記凝固部拡大工程は、前記レーザー又は電子ビームを走査して溶融池を形成するステップと、前記レーザー又は電子ビームの走査領域を前記溶融池からシフトして、前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップとを繰り返し、前記凝固部の凝固組織を前記シフト方向に由来する方向に展伸させる工程を有する金属積層造形物の製造方法。
すなわち、本発明の金属積層造形物の製造方法においては「金属粉末」「粉末供給工程」及び「金属積層造形物の積層方向から傾斜した方向」が、それぞれ「金属粉末層の少なくとも一部」「粉末積層工程」及び「シフト方向に由来する方向」であってもよい。
以下、本発明を実施例に基づいてより詳細に説明する。なお、本発明はこれら実施例に制限されるものではない。また、以下の実施例は粉末供給工程と前記凝固部拡大工程を交互に行う方法により実施しているが、本発明はその他の方法により実施してもよい。
＜実施例１＞
本実施例では、評価サンプルの作製に、レーザー積層造形装置（ＥＯＳ社製 Ｍ２９０）を使用し、金属粉末として体積平均粒径（ｄ５０）が３３μｍのニッケル合金（ＪＩＳ ＮＣＦ７１８）粉末を使用した。
本実施例では、評価サンプルの作製に、レーザー積層造形装置（ＥＯＳ社製 Ｍ２９０）を使用し、金属粉末として体積平均粒径（ｄ５０）が３３μｍのニッケル合金（ＪＩＳ ＮＣＦ７１８）粉末を使用した。
（凝固部形成工程）
本実施例では、装置内のステージに厚さｄの金属粉末層を形成し、凝固部形成工程として、その金属粉末層に対して、図１に示すようにレーザーを走査した。すなわち、まず、長さａ、幅ｂの第１の矩形領域Ａ１を設定し、この領域内に出力Ｐのレーザービームを照射し、走査速度Ｖ、走査ピッチｐにて往復走査させながら移動させて金属粉末層の一部を溶解し、当該矩形領域Ａ１に対応する溶融池を形成した。次に、矩形領域Ａ１の長さａ方向隣に、矩形領域Ａ１と同形状の矩形領域Ａ２を設定し、この領域Ａ２内に出力Ｐのレーザービームを照射し、走査速度Ｖ、走査ピッチｐにて往復走査させながら移動させて金属粉末層の一部を溶解し、当該矩形領域に対応する溶融池を形成した。なお、矩形領域Ａ１と矩形領域Ａ２は、重複幅ｃの重なり部分を設けて隣り合わせるようにしている。その後、矩形領域Ａ１に対する矩形領域Ａ２と同様にして、矩形領域Ａ２の長さａ方向隣に矩形領域Ａ３、矩形領域Ａ３の長さａ方向隣に矩形領域Ａ４…とし、矩形領域Ａ３、矩形領域Ａ４…の順に対応する溶融池を、レーザーの走査領域を方向Ｘにシフトさせながら、矩形領域Ａｎまで形成した。そして、最終的に、長さＬ、幅ｂの矩形領域を溶融凝固して、当該矩形領域に対応する凝固部を形成した。
本実施例では、装置内のステージに厚さｄの金属粉末層を形成し、凝固部形成工程として、その金属粉末層に対して、図１に示すようにレーザーを走査した。すなわち、まず、長さａ、幅ｂの第１の矩形領域Ａ１を設定し、この領域内に出力Ｐのレーザービームを照射し、走査速度Ｖ、走査ピッチｐにて往復走査させながら移動させて金属粉末層の一部を溶解し、当該矩形領域Ａ１に対応する溶融池を形成した。次に、矩形領域Ａ１の長さａ方向隣に、矩形領域Ａ１と同形状の矩形領域Ａ２を設定し、この領域Ａ２内に出力Ｐのレーザービームを照射し、走査速度Ｖ、走査ピッチｐにて往復走査させながら移動させて金属粉末層の一部を溶解し、当該矩形領域に対応する溶融池を形成した。なお、矩形領域Ａ１と矩形領域Ａ２は、重複幅ｃの重なり部分を設けて隣り合わせるようにしている。その後、矩形領域Ａ１に対する矩形領域Ａ２と同様にして、矩形領域Ａ２の長さａ方向隣に矩形領域Ａ３、矩形領域Ａ３の長さａ方向隣に矩形領域Ａ４…とし、矩形領域Ａ３、矩形領域Ａ４…の順に対応する溶融池を、レーザーの走査領域を方向Ｘにシフトさせながら、矩形領域Ａｎまで形成した。そして、最終的に、長さＬ、幅ｂの矩形領域を溶融凝固して、当該矩形領域に対応する凝固部を形成した。
なお、本実施例では、各設定パラメータを下記の通りとし、矩形領域の長さａは、サンプル毎に変化させた。
・レーザー 出力Ｐ ： １８０Ｗ
走査速度Ｖ ： １０００ｍｍ／ｓ
走査ピッチｐ ： ０．０５ｍｍ
・金属粉末 厚さｄ ： ０．０４ｍｍ
・矩形領域 長さａ ： ０．１ｍｍ～１０ｍｍ
幅ｂ ： １０ｍｍ
重複幅ｃ ： ０．０８ｍｍ
長さＬ ： ５０ｍｍ
走査速度Ｖ ： １０００ｍｍ／ｓ
走査ピッチｐ ： ０．０５ｍｍ
・金属粉末 厚さｄ ： ０．０４ｍｍ
・矩形領域 長さａ ： ０．１ｍｍ～１０ｍｍ
幅ｂ ： １０ｍｍ
重複幅ｃ ： ０．０８ｍｍ
長さＬ ： ５０ｍｍ
（粉末供給工程）
本実施例では、粉末供給工程として、上記凝固部形成工程にて形成した凝固部の上に、新たに別の金属粉末層を形成した。金属粉末層の厚みは、上記凝固部形成工程と同じにした。
本実施例では、粉末供給工程として、上記凝固部形成工程にて形成した凝固部の上に、新たに別の金属粉末層を形成した。金属粉末層の厚みは、上記凝固部形成工程と同じにした。
（凝固部拡大工程）
本実施例では、上記凝固部形成工程と同じ手法とパラメータにより、凝固部拡大工程を行った。具体的には、上記凝固部形成工程において形成した凝固部の上に新たに形成した金属粉末層に対し、同じ矩形領域に対応する新たな凝固部を形成し、上記凝固部形成工程において形成した凝固部が、積層方向に拡大する（厚みが増す）ようにした。
本実施例では、上記凝固部形成工程と同じ手法とパラメータにより、凝固部拡大工程を行った。具体的には、上記凝固部形成工程において形成した凝固部の上に新たに形成した金属粉末層に対し、同じ矩形領域に対応する新たな凝固部を形成し、上記凝固部形成工程において形成した凝固部が、積層方向に拡大する（厚みが増す）ようにした。
また、上記凝固部拡大工程では、レーザーを照射し走査する間、各矩形領域をハイスピードカメラにより観察し、溶融池が形成される状態を観察した。
また、上記凝固部拡大工程後、粉末供給工程と凝固部拡大工程とを繰り返して、長さ５０ｍｍ×高さ５ｍｍのサンプルブロックを作製し、サンプル１－１～１－６とした。そして、作製したサンプルは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電子後方散乱回析法（ＥＢＳＤ）により結晶粒の形態を観察した。即ち、金属粉末層の積層方向に垂直な断面を観察し、積層方向から傾斜する方向に凝固組織が展伸しているか否かを、結晶方位を色で示す逆極点（ＩＰＦ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｐｏｌｅ Ｆｉｇｕｒｅ）マップを用いた組織写真により確認した。
凝固部拡大工程のハイスピードカメラによる観察では、サンプル１－１～１－４について、形成した溶融池が、その次（隣）の溶融池が形成される前に凝固し始め、溶融池と次の溶融池が重なり合わず、溶融池がシフト方向（Ｘ方向、以下同様）に伸びている状態は観察されなかった。
一方、サンプル１－５、１－６では、形成した溶融池が、その次（隣）の溶融池が形成されるまで溶融状態を保ち、溶融池に対して、その次（隣）の溶融池が重なり合っていた。すなわち、溶融池がシフト方向に重なり合って伸びている状態が観察された。このような溶融池の連続性は、溶融色の変化の様子により目視で確認できた。
一方、サンプル１－５、１－６では、形成した溶融池が、その次（隣）の溶融池が形成されるまで溶融状態を保ち、溶融池に対して、その次（隣）の溶融池が重なり合っていた。すなわち、溶融池がシフト方向に重なり合って伸びている状態が観察された。このような溶融池の連続性は、溶融色の変化の様子により目視で確認できた。
そして、作製したサンプルの観察では、溶融池がシフト方向に伸びている状態が観察されなかったサンプル１－１～１－４は、図２のサンプル１－１の組織写真に示すように、金属粉末層の凝固組織が積層方向から傾斜して展伸している状態は、明確には確認できなかった。
一方、溶融池がシフト方向に伸びている状態が観察されたサンプル１－５、１－６では、図３のサンプル１－６のＩＰＦマップの組織写真の色の違いにより示すように、組織は方向性をもって展伸しており金属粉末層の凝固組織が積層方向から傾斜した方向に展伸している状態が確認できた。
一方、溶融池がシフト方向に伸びている状態が観察されたサンプル１－５、１－６では、図３のサンプル１－６のＩＰＦマップの組織写真の色の違いにより示すように、組織は方向性をもって展伸しており金属粉末層の凝固組織が積層方向から傾斜した方向に展伸している状態が確認できた。
表１に、本実施例の評価に用いたパラメータと、評価結果を示す。尚、比較例には＊を付した。
＜実施例２＞
本実施例は、実施例１と同様の手法を用い、粉末供給工程と凝固部拡大工程を繰り返して、長さ３０ｍｍ×高さ５ｍｍのブロック（金属積層造形物）を作製し、サンプル２－１～２－８とした。なお、本実施例では、各設定パラメータを下記の通りとし、出力Ｐと金属粉末厚さｄは２種、矩形領域の長さａは、サンプル毎に変化させた。
本実施例は、実施例１と同様の手法を用い、粉末供給工程と凝固部拡大工程を繰り返して、長さ３０ｍｍ×高さ５ｍｍのブロック（金属積層造形物）を作製し、サンプル２－１～２－８とした。なお、本実施例では、各設定パラメータを下記の通りとし、出力Ｐと金属粉末厚さｄは２種、矩形領域の長さａは、サンプル毎に変化させた。
・レーザー 出力Ｐ ： ２８５、３５０Ｗ
走査速度Ｖ ： １１００ｍｍ／ｓ
走査ピッチｐ ： ０．０５ｍｍ
・金属粉末 厚さｄ ： ０．０４、０．０８ｍｍ
・矩形領域 長さａ ： ０．１ｍｍ～５ｍｍ
幅ｂ ： ５ｍｍ
重複幅ｃ ： ０．０８ｍｍ
長さＬ ： ３０ｍｍ
走査速度Ｖ ： １１００ｍｍ／ｓ
走査ピッチｐ ： ０．０５ｍｍ
・金属粉末 厚さｄ ： ０．０４、０．０８ｍｍ
・矩形領域 長さａ ： ０．１ｍｍ～５ｍｍ
幅ｂ ： ５ｍｍ
重複幅ｃ ： ０．０８ｍｍ
長さＬ ： ３０ｍｍ
また、凝固部拡大工程では、レーザーを照射し走査する間、各矩形領域をハイスピードカメラにより観察し、溶融池が形成される状態を観察した。
また、作製したサンプルは、金属粉末層の積層方向に平行な断面を観察し、凝固組織が積層方向から傾斜して展伸しているか否かについて、組織写真により確認した。さらに、組織写真から、凝固組織の展伸方向と金属粉末層の積層方向とのなす角度を算出した。
凝固部拡大工程におけるハイスピードカメラの観察では、サンプル２－１、２－５について、形成した溶融池が、その次（隣）の溶融池が形成される前に凝固し始め、溶融池と次の溶融池が重なり合わず、溶融池がシフト方向に伸びている状態は観察されなかった。
一方、サンプル２－２～２－４、２－６～２－８では、形成した溶融池が、その次（隣）の溶融池が形成されるまで溶融状態を保ち、溶融池に対して、その次（隣）の溶融池が重なり合っていた。すなわち、溶融池がシフト方向に重なり合って伸びている状態が観察された。このような溶融池の連続性は溶融色の変化の様子により目視で確認できた。
一方、サンプル２－２～２－４、２－６～２－８では、形成した溶融池が、その次（隣）の溶融池が形成されるまで溶融状態を保ち、溶融池に対して、その次（隣）の溶融池が重なり合っていた。すなわち、溶融池がシフト方向に重なり合って伸びている状態が観察された。このような溶融池の連続性は溶融色の変化の様子により目視で確認できた。
そして、作製したサンプルの断面観察では、溶融池がシフト方向に伸びている状態が観察されなかったサンプル２－１、２－５は、金属粉末層の凝固組織が積層方向から傾斜した方向に展伸している状態は、明確には確認できなかった。
一方、溶融池がシフト方向に重なり合って伸びている状態が観察されたサンプル２－２～２－４、２－６～２－８では、図４のサンプル２－３の組織写真に示すように、金属粉末層の凝固組織が積層方向（Ｚ方向）から傾斜した方向に展伸している状態（図中の丸で囲んだ部分）が確認できた。
一方、溶融池がシフト方向に重なり合って伸びている状態が観察されたサンプル２－２～２－４、２－６～２－８では、図４のサンプル２－３の組織写真に示すように、金属粉末層の凝固組織が積層方向（Ｚ方向）から傾斜した方向に展伸している状態（図中の丸で囲んだ部分）が確認できた。
表２に、本実施例の評価に用いたパラメータと、評価結果を示す。尚、比較例には＊を付した。
以上の実施例の結果に示すように、本発明によれば、レーザー又は電子ビームの照射を適切な条件で行うことにより、凝固組織が金属粉末層の積層方向から傾斜した方向に展伸した部分を、金属積層造形物の内部に形成することができる。これにより、強度に優れる金属積層造形物の製造方法、及び強度に優れる金属積層造形物を提供することができる。
日本国特許出願第２０１７－２３４３２３号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に援用されて取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に援用されて取り込まれる。
Claims (5)
- 金属粉末に、レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記金属粉末を溶融凝固して凝固部を形成する凝固部形成工程と、
前記凝固部の上に別の金属粉末を供給する粉末供給工程と、
前記凝固部の上の別の金属粉末に、前記レーザー又は電子ビームを移動させながら照射し、前記別の金属粉末を前記凝固部とともに溶融凝固して、前記凝固部を拡大する凝固部拡大工程と、を有する金属積層造形物の製造方法であって、
前記凝固部拡大工程は、前記レーザー又は電子ビームを走査して溶融池を形成するステップと、前記レーザー又は電子ビームの走査領域を前記溶融池からシフトして、前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップとを繰り返し、
前記溶融池を形成するステップにおいて、前記レーザー又は電子ビームを走査して前記溶融池を形成する領域を、第１の領域とし、
前記溶融池と一部が重なり合う次の溶融池を形成するステップにおいて、前記レーザー又は電子ビームを走査して前記次の溶融池を形成する領域を、前記第１の領域と一部が重なり合うように隣接する第２の領域としたとき、
第１の領域と第２の領域が重なり合う部分の溶融池が凝固する前に第２の領域の溶融池を形成し、よって、
前記金属積層造形物の積層方向から前記レーザー又は電子ビームの走査領域がシフトする方向に傾斜する凝固組織を展伸させる工程を有する金属積層造形物の製造方法。 - 前記溶融池を形成する領域が矩形である、請求項１に記載の金属積層造形物の製造方法。
- 前記金属積層造形物の積層方向と、前記凝固組織の展伸方向とのなす角度を、１０°以上にする、請求項１または請求項２に記載の金属積層造形物の製造方法。
- 前記粉末供給工程と前記凝固部拡大工程を交互に行う、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
- 前記粉末供給工程と前記凝固部拡大工程を並行して行う、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の金属積層造形物の製造方法。
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