JPH03146606A - 粒子配列レーザー焼結方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、セラミックスや金属などの粉末をセラミッ
クスや金属などの母材表面に配列しながらレーザーで加
熱焼結することを繰り返す粒子配列レーザー焼結方法及
びその装置に関し、セラミックスと金属のような異種素
材間に連続的に組成を変化させた中間層を配置した傾斜
機能材料などを簡単に焼結して得ることができるように
したものである。

［従来の技術］ 新規な材料の開発研究の進展にともない従来の単純な張
り合わせ材料と異なり、表と裏の性質が全く異なり、し
かも表から裏にいくにしたがって徐々に原子・分子レベ
ルでの性質が連続的に変化する傾斜機能材料が開発され
れつつある。

この傾斜機能材料としては、例えば、宇宙往還機あるい
は核融合炉などで使用する熱応力緩和機能を備えた超高
温材料があり、セラミックスと金属の異種材料間に連続
的に組成を変化させた中間層（傾斜組成制御層）を配置
し、熱膨張をはじめとする物性値や組織を連続的に変化
させ、セラミックスによって耐熱性を与えると同時に、
金属によって熱伝導性及び機械的強度を与えるようにし
ている。さらに、傾斜機能材料によれば、熱応力緩和機
能だけでなく、組成変化とともにヤング率、熱膨張率、
熱伝導率、電気伝導率などの特性値の変化を制御するこ
とにより、求められる環境に適合した機能性を持たせる
ことができる。また、傾斜機能材料としては、複合材と
するものだけでなく、均一材において組織に傾斜機能を
持たせるようにするものも考えられている。

このような傾斜機能材料の作製法の一つとして粉末冶金
法があり、所定の傾斜組成とした粉末成形体を作り、こ
れを加熱焼結することが考えられている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、傾斜機能材料を焼結する場合、焼結炉等で一
定の焼結温度で加熱焼結しようとしても、例えばセラミ
ックスと金属とでは焼結温度が異なるため焼結できず、
セラミックスの焼結温度に保持した場合には、金属が溶
融するなどの問題があり、金属の焼結温度に保持する場
合には、セラミックスの焼結が不十分になってしまうと
いう問題がある。

この発明はかかる従来技術の課題に鑑みてなされたもの
で、傾斜機能材料など焼結温度範囲が広いものであって
もその組成などに応じて適正な条件で焼結することがで
きる粒子配列レーザー焼結方法及びその装置を提供しよ
うとするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、この発明の粒子配列レーザー
焼結方法は、母材表面に粉末を焼結するに際し、母材表
面に粉末を配列した後、この粉末にレーザーを照射して
加熱焼結させることを繰り返すＫうにしたことを特徴と
するものである。

また、この発明の粒子配列レーザー焼結装置は、母材表
面に被焼結粉末を配列する噴射ノズルと、この母材上の
被焼結粉末をレーザー光を照射して加熱焼結するレーザ
ー加熱装置とでなり、被焼結粉末の配列とレーザー加熱
とを繰り返して焼結するようにしたことを特徴とするも
のである。

［作　用］ この粒子配列レーザー焼結方法によれば、母材表面に粉
末を載せ、これにレーザーを照射して直ちに焼結し、こ
の粉末の配列とレーザー加熱とを繰り返すようにしてお
り、各配列粉末の組成に応じた適性焼結温度で焼結を行
うようにしている。

したがって、セラミツクスと金属などの異種（オ料の傾
斜機能材料や均一材料で組織に傾斜機能を与える傾斜機
能材料などであっても容易に焼結することができる。

また、この粒子配列レーザー焼結装置によれば、母材表
面に噴射ノズルによって被焼結粉末を配列し、これをレ
ーザー加熱装置で加熱して被焼結粉末をその場で焼結す
るようにし、この被焼結粉末の配列とレーザー加熱とを
繰り返すようにして焼結材を得るようにしている。

したがって、セラミックスと金属などの異種材料の傾斜
機能材料や均一材料で組織に傾斜機能を与える傾斜機能
材料なとてあっても各配列の被焼結粉末を適正な焼結温
度にして容易に焼結することができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１図はこの発明の粒子配列レーザー焼結方法の一実施
例にかかる概略工程図である。

この粒子配列レーザー焼結方法では、例えば表面がセラ
ミックス１１で裏面が金属１２で、中間層がこれらの組
成が連続的に変化する中間層で構成される傾斜機能材料
が作られる。

まず、裏面となる金属１２の母材１３を用意する。この
金属母材１３としては、金属粉末１４を後で分離するこ
とができるセラミックス材などの表面にノズル１５など
で薄く配列し、この金属粉末１４にレーザー１６を照射
して加熱し、金属粉末１４の適正焼結温度で加熱焼結し
、この金属粉末１４の焼結部分の上にさらに金属粉末１
４をノズル１５などで配列することを繰り返して所定の
厚さにした金属１００％の組成のものなどが使用される
。

次に、このような金属１２が１００９６の母材１３上に
は、金属粉末１４とセラミックス１１の粉末１７とが混
合された粉末が、ノズル１５などから母材１３表面に配
列される。そして、この金属粉末１４とセラミックス１
１の粉末１７との混合された粉末を配列する場合には、
金属粉末１４に僅かにセラミックスの粉末１７が混合さ
れた粉末を金属母材１３上に配列し、レーザーを照射し
て混合金属の適正焼結温度まで加熱して焼結する。

そして、この混合粉末の焼結体上に、金属粉末１４にさ
らにセラミックス１１の粉末１７を加えてセラミックス
の組成を多くした混合粉末が配列され、再びレーザーが
照射されてこの混合粉末の適正焼結温度まで加熱されて
焼結される。

こうして混合粉末の組成が次第にセラミックス１００％
に近付くように変化され、混合粉末の配列とレーザー照
射が繰り返されて所定の組成の傾斜機能材料が作られる
。

したがって、セラミックス１１と金属１２とで適正な焼
結温度が異なる場合であっても、これらの混合粉末を配
列し、これを直ちにレーザー照射によって加熱焼結する
ようにしているので、レーザーによる加熱量のコントロ
ールだけで、混合粉末の適正焼結温度に加熱することが
でき、傾斜機能材料を容易に焼結することができる。

次に、このような粒子配列レーザー焼結方法を実施する
ための装置の一実施例について、第２図により説明する
。

この粒子配列レーザー焼結装置２０では、耐圧気密構造
の焼結チャンバー２１を備えている。

この焼結チャンバー２１には、内部を所定の焼結雰囲気
にするため、真空吸引口２２が設けられ、図示しない真
空吸引装置に接続されるとともに、雰囲気ガス供給口２
３が設けられて図示しないアルゴンガスなどの雰囲気ガ
ス供給装置に接続されている。

また、この焼結チャンバー２１内には、被焼結体２４を
ｘ、ｙ、ｚ軸の直交する３軸方向に駆動される可動台２
５が設けられている。

この可動台２５の上部には、セラミックスと金属の混合
粉末などの被焼結粉末２６を母材２７上に配列するため
の噴射ノズル２８の先端部が配置され、噴射ノズル２８
の中間部が焼結チャンバー２１にノズル位置調節装置２
９を介して取付けられ先端位置を調整できるようになっ
ている。

また、この噴射ノズル２８の焼結チャンバー２１の外部
には、被焼結粉末の供給機３０が設けられ、コントロー
ラ３１によって噴射ノズル２８の位置とともにセラミッ
クスと金属の組成などが制御される。

このような噴射ノズル２８の先端に向けてレザーを照射
して被焼結粉末を加熱焼結するため、可動台２５の上部
の焼結チャンバー２１にレーザー照射窓３２が形成され
、焼結チャンバ−２１外部にミラー３３及びレーザー装
置３４が設置されており、ミラー３３はミラー駆動装置
で動かすことができるとともに、レーザー装置３４はコ
ントローラ３１によってその照射量などが制御されるよ
うになっている。

このように構成された粒子配列レーザー焼結装置２０で
は、ます、焼結チャンバー２１内が直空吸引口２２によ
って真空状態とされた後、雰囲気ガス供給０２３から雰
囲気ガスが供給されて所定の雰囲気に調整される。

この後、可動台２５を駆動装置によってＸ−Ｙ方向に動
かしながら母材２７の表面の一端から他端に向けて噴射
ノズル２８から、まず金属１００％の被焼結粉末２６を
配列する。この被焼結粉末２６の配列に際しては、粉末
の飛散などを防止するため粉末にバインダーを加えるよ
うにすることが好ましい。

こうして配列された被焼結粉末２６上には、レーザー装
置３４からミラー３３及びレーザー照射窓３２を介して
レーザーが照射され、焼結温度まで加熱されて焼結され
る。このレーザーによる加熱焼結は、被焼結粉末２６の
配列直後にレーザーを照射するようにて点毎としたり、
母材２７の表面全体への被焼結粉末２６の配列が終了し
た後、レーザーの照射を開始するようにして面毎に行な
う。

こうして母材２７表面に薄く金属１００％の披焼結体２
４が形成された後、金属にわすかなセラミックスが混合
された被焼結粉末２６を噴射ノズル２８から被焼結体２
４の表面に積層するように配列し、レーザーを照射して
加熱焼結する。

このような組成の連続的に変化した被焼結粉末２６を既
に焼結された被焼結体２４の表面に積層するようにする
ことを繰返し、最も上の表面がセラミックス１００％と
なるようにして焼結が完了する。

このような粒子配列レーザー焼結装置２０によれば、傾
斜機能材料のように表面と裏面とて組成がことなるため
焼結温度が異なる場合にも、被焼結粉末を薄く配列し、
これをレーザーで加熱焼結するようにしているので、各
層の被焼結粉末を適正焼結温度で焼結することができる
。

また、加熱量の調整もレーザー装置で行うようにしてい
るので、簡単に制御できる。

尚、この実施例では、被焼結粉末の噴射ノズルを焼結チ
ャンバー内に設けて被焼結粉末の配列直後のレーザーに
よる加熱焼結をも可能としているが、焼結チャンバーの
外部に噴射ノズルを設け、レーザー照射の都度焼結チャ
ンバー内入れるようにすることも可能である。

また、表裏で材料の異なる傾斜機能材料の場合に限−ら
ず、単一組成の材料の場合で焼結温度を連続的に変える
ようにして物理的性質に傾斜機能を持たせるようにする
場合にも適用でき、レーザーによる照射量などをコント
ロールするようにすれば良い。

さらに、この発明の要“旨を変更しない転回で各構成要
素に変更を加えても良いことは言うまでもない。

［発明の効果〕 以上、実施例とともに具体的に説明したようにこの発明
の粒子配列レーザー焼結方法によれば、母材表面に粉末
を載せ、これにレーザーを照射して直ちに焼結し、この
粉末の配列とレーザー加熱とを繰り返すようにしたので
、各配列粉末の組成に応じた適性焼結温度で焼結を行う
ことができる。

したがって、セラミックスと金属などの異種材料の傾斜
機能材料や均一材料で組織に傾斜機能を与える傾斜機能
材料などであっても容易に焼結することができる。

また、この発明の粒子配列レーザー焼結装置によれば、
非焼結粉末を配列する噴射ノズルとレーザー加熱装置と
て構成したので、母材表面に噴射ノズルによって被焼結
粉末を配列し、これをレーザー加熱装置で加熱して被焼
結粉末をその場で焼結することができ、この被焼結粉末
の配列とレーザー加熱とを繰り返すようにして簡単に焼
結体を得ることができる。

したがって、セラミックスと金属などの異種材料の傾斜
機能材料や均一材料で組織に傾斜機能を与える傾斜機能
材料などであっても各配列のＦ１１焼結粉末を適正な焼
結温度にして容易に焼結するこことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の粒子配列レーザー焼結方法の一実施
例にかかる概略工程図である。 第２図はこの発明の粒子配列レーザー焼結装置の一実施
例にかかる概略構成図である。 １１：セラミックス、１２：金属、１３：母材、１４：
金属粉末、１５：ノズル、１６：レーザー１７；セラミ
ックス粉末、 ２０：粒子配列レーザー焼結装置、２１：焼結チャンバ
ー、２２：真空吸引口、２３：雰囲気ガス供給口、２４
：被焼結体、２５；可動台、２６披焼結粉末、２７：母
材、２８：噴射ノズル、２９：ノズル位置調節装置、３
０・供給機、３１：コントローラ、３２：レーザー照射
窓、３３：ミラー　３４：レーザー装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）母材表面に粉末を焼結するに際し、母材表面に粉
   末を配列した後、この粉末にレーザーを照射して加熱焼
   結させることを繰り返すようにしたことを特徴とする粒
   子配列レーザー焼結方法。
2. （２）母材表面に被焼結粉末を配列する噴射ノズルと、
   この母材上の被焼結粉末をレーザー光を照射して加熱焼
   結するレーザー加熱装置とでなり、被焼結粉末の配列と
   レーザー加熱とを繰り返して焼結するようにしたことを
   特徴とする粒子配列レーザー焼結装置。