TW202212030A - 造形體製造方法及造形體 - Google Patents

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Abstract

一種藉由使用粉末之粉末床熔融而製造造形體之方法，該粉末由γ'析出強化型Ni基合金構成，Ni基合金以質量百分率計，含有7.0～17.0%之Cr、7.0～12.0%之Co、5.0～8.0%之Al＋Ti、2.0～12.0%之W、1.5～4.4%之Nb＋Ta、2.3%以下之Mo、0.3%以下之C、2.0%以下之Hf、0.2%以下之Zr，對由粉末構成之層(3)上沿相互平行之複數條掃描線(4)照射雷射時，掃描線(4)之間隔除以雷射光點直徑時所得之值為0.2以上且1.1以下。

Description

造形體製造方法及造形體
本發明係關於一種造形體製造方法、及藉由該方法而獲得之造形體。
自先前以來，藉由使用粉末之粉末床熔融而製造造形體之方法為人所周知，該粉末由Ni基合金構成。用該製造方法製造之由Ni基合金構成之造形體，例如用作燃氣渦輪引擎等之高溫零件。
有時會使用γ'析出強化型Ni基合金作為構成粉末之Ni基合金。γ'析出強化型Ni基合金係指如下Ni基合金，其以對製造之造形體進行熱處理時強度強化用之γ'(Ni 3(Al,Ti))相析出之方式調製組成。
關於包含Al及Ti之Ni基合金，眾所周知的是若Al含有率之2倍與Ti含有率之合計(2Al＋Ti)為6%以上，則熔接時容易產生裂痕。於粉末床熔融中，作為一例，於所製造之造形體中形成長度數微米至超過數百微米之微裂痕。
作為抑制γ'析出強化型Ni基合金熔接時產生裂痕之技術，例如專利文獻1中記載有將Si含有率及Zr含有率各自以質量百分率計限制在低於0.03%。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特表2017-508877號公報
[發明所欲解決之問題]
針對上述課題，人們期望不管是否限制Ni基合金中之Si含有率及Zr含有率，均能抑制γ'析出強化型Ni基合金熔接時產生裂痕，及尤其降低藉由粉末床熔融而製造之造形體中所形成之裂痕。
由此，本發明之目的在於提供一種造形體製造方法、及藉由該造形體製造方法而獲得之造形體，該造形體製造方法可降低藉由使用粉末之粉末床熔融而製造之造形體中所形成的裂痕，該粉末由γ'析出強化型Ni基合金構成。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述課題，本發明之發明者們積極研究之結果發現，在對由粉末構成之層上沿相互平行之複數條掃描線照射雷射之粉末床熔融中，該些掃描線之間隔除以雷射光點直徑時所得之值與造形體中之裂痕之形成有相關性。本發明是基於上述觀點而完成者。
即，本發明之造形體製造方法係藉由使用粉末之粉末床熔融而製造造形體之方法，該粉末由γ'析出強化型Ni基合金構成，上述Ni基合金以質量百分率計，含有7.0～17.0%之Cr、7.0～12.0%之Co、5.0～8.0%之Al＋Ti、2.0～12.0%之W、1.5～4.4%之Nb＋Ta、2.3%以下之Mo、0.3%以下之C、2.0%以下之Hf、0.2%以下之Zr，對由上述粉末構成之層上沿相互平行之複數條掃描線照射雷射時，上述複數條掃描線之間隔除以雷射光點直徑時所得之值為0.2以上且1.1以下。
根據上述構成，可降低造形體中所形成之裂痕。
又，本發明之造形體之特徵在於，其係由Ni基合金構成之包含樹枝狀結晶組織之造形體，上述Ni基合金以質量百分率計，含有7.0～17.0%之Cr、7.0～12.0%之Co、5.0～8.0%之Al＋Ti、2.0～12.0%之W、1.5～4.4%之Nb＋Ta、2.3%以下之Mo、0.3%以下之C、2.0%以下之Hf、0.2%以下之Zr，上述樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝之間隔低於3 μm，利用EBSD(Electron Backscatter Diffraction，電子背向散射繞射)法測量之正極點圖之極密度之最大值為5以上。
此處，「正極點圖之極密度」係藉由如下方法求出，即，將所有結晶方位以均勻密度(Uniform Density)出現之狀態(即，完全隨機配向之組織)設為基準時，計算測量面內之各結晶方位以多少倍頻度出現，該「正極點圖之極密度」係藉由利用附屬於EBSD裝置之軟體進行解析而以MUD(Multiples of a Uniform Density，均勻密度倍數)之形式計算出。MUD越大，表示測量面之結晶方位越偏向於特定結晶方面。
作為藉由鑄造而製造MUD較大之鑄造體之方法，眾所周知的是定向凝固鑄造、單晶鑄造等，但該些鑄造體中，樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝之間隔較大，超過約40 μm。相對於此，藉由使用雷射作為熱源之粉末床熔融而製造之造形體中，樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝之間隔較小，低於3 μm。又，若如上所述於粉末床熔融中複數條掃描線之間隔除以雷射光點直徑時所得之值為0.2以上且1.1以下，則利用EBSD法測得之正極點圖之極密度(即，MUD)之最大值為5以上。因此，具有上述構成之造形體係裂痕較少之造形體。 [發明之效果]
根據本發明，可降低藉由使用粉末之粉末床熔融而製造之造形體中所形成之裂痕，該粉末由γ'析出強化型Ni基合金構成。
本發明之一實施方式之造形體製造方法係藉由使用粉末之粉末床熔融而製造造形體之方法，該粉末由γ'析出強化型Ni基合金構成。粉末床熔融中，使粉末熔融之熱源亦有時為電子束，但本實施方式中熱源為雷射。
粉末床熔融中，如圖1所示，於平台1上形成由粉末構成之層3，對該層3上沿相互平行之複數條掃描線4照射雷射。雷射以於層3之表面附近聚光之方式照射。各掃描線4之位置、形狀及長度取決於應製造之造形體之剖面形狀。例如，掃描線4可為直線，亦可為曲線。
圖1係製造四稜柱狀之造形體之例。圖1中，於相鄰之掃描線4上雷射之掃描方向互為相反方向，但亦可在所有掃描線4上雷射之掃描方向為相同方向。
藉由向層3上照射雷射而將該層3之一部分或全熔融及固化。其後，將平台1下降層3之厚度量，於前一形成之層(以下，前一層)3上形成由粉末構成之新的層(以下，最上層)3，對該最上層3上沿相互平行之複數條掃描線4照射雷射。再者，包含有在前一層3之上形成著最上層3之既造形部及未熔融粉末者為床2。
最上層3與前一層3之掃描線4之方向可相同，亦可不同。最上層3與前一層3之掃描線4之方向不同時，可適當決定最上層3之掃描線4相對於前一層3之掃描線4之角度(以下，掃描旋轉角)。例如，圖1中，掃描旋轉角為90度。
重複上述作業而最後自床2上除去未熔融粉末，藉此製造出造形體。此種造形體中，樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝之間隔較小，低於3 μm。
粉末床熔融中所使用之粉末之粒徑分佈例如為5～75 μm，但較佳為15～63 μm。各層3之厚度例如為20～60 μm。
構成粉末之Ni基合金以質量百分率計(以下相同)，含有7.0～17.0%之Cr、7.0～12.0%之Co、5.0～8.0%之Al＋Ti、2.0～12.0%之W、1.5～4.4%之Nb＋Ta作為除Ni以外之必需成分。作為此種Ni基合金，可列舉IN738C(IN為英高鎳(Inconel)(註冊商標)之簡稱，以下相同)、IN738LC、CM247LC、Mar-M247等。再者，關於Nb及Ta，Ni基合金亦可不含有Nb與Ta中之一者。
各必需成分之含量，更佳為Cr：7.0～10.0%、Co：8.0～11.0、Al＋Ti：5.0～7.5%、W：8.0～11.0%、Nb＋Ta：2.0～4.0%。
Ni基合金，亦可含有2.3%以下(較佳為0.2～1.0%)之Mo、0.3%以下(較佳為0.01～0.2%)之C、2.0%以下(較佳為0.5～2.0%)之Hf、0.2%以下之Zr中之至少一者作為其他選擇性成分。Ni基合金之除上述成分以外之剩餘部分係Ni及不可避免之雜質。
本實施方式中，對各層3上照射雷射時，掃描線4之間隔L除以雷射光點直徑D時所得之值(L/D)為0.2以上且1.1以下。雷射光點直徑D係指雷射強度自峰值下降至1/e 2之位置(換言之，成為峰值之約13.5%之位置)處之光束直徑。使用雷射之粉末床熔融裝置，有的是可由裝置使用者來設定雷射光點直徑，而有的是無法由裝置使用者來設定雷射光點直徑。
雷射光點直徑D例如為0.02～0.20 mm，較佳為0.05～0.15 mm。掃描線4之間隔L例如為0.03 mm～0.08 mm。
雷射掃描速度例如為500～3000 mm/s，較佳為600～2000 mm/s，更佳為700～1500 mm/s。雷射輸出例如為100～400 W，較佳為130～350 W，更佳為150～300W。
如上所述，對各層3上照射雷射時之掃描線4之間隔L除以雷射光點直徑D時所得之值(L/D)為0.2以上且1.1以下，藉此可降低造形體中所形成之裂痕。而且，如此製造之裂痕較少之造形體中，MUD(利用EBSD法測得之正極點圖之極密度)之最大值為5以上(有些條件下為10以上)。 [實施例]
以下，藉由實施例對本發明進行說明，但本發明並不限定於以下實施例。
(實施例1) 藉由使用粉末之粉末床熔融而製造一邊為10 mm之立方體狀之造形體，該粉末具有相當於CM247LC之合金成分。粉末之粒徑分佈為16～45 μm。又，若分析粉末之合金成分，則Ni以外之成分之含量為Cr：8.0%、Co：9.1%、Al：5.5%、Ti：0.7%、W：9.5%、Nb：0%、Ta：3.1%、Mo：0.5%、C：0.06%、Hf：1.5%、Zr：0.01%(省去不可避免之雜質之含量)。
使用EOS公司製造之EOS M290作為粉末床熔融裝置。該裝置中，雷射光點直徑D由廠方設定為0.08 mm。製造造形體時之各層之厚度設為40 μm，對各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.03 mm，雷射掃描速度設為1000 mm/s，雷射輸出設為180 W，掃描旋轉角設為90度。
(實施例2) 除將對各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.04 mm以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
(實施例3) 除將對各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.05 mm以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
(實施例4) 除將對各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.06 mm以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
(實施例5) 除將掃描旋轉角設為67度以外，以與實施例4相同之方式製造造形體。
(實施例6) 除將對各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.07 mm以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
(實施例7) 除將對各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.08 mm以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
(比較例1) 除對各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.09 mm以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
(比較例2) 除將對各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.10 mm以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
將實施例1～7及比較例1、2之造形體之製造條件示於表1。又，表1中亦示出掃描線之間隔L除以雷射光點直徑D時所得之值(L/D)。
[表1]
   掃描線間隔L(mm) L/D 雷射掃描速度(mm/s) 雷射輸出(W) 掃描旋轉角(度)
實施例1 0.03 0.375 1000 180 90
實施例2 0.04 0.500 1000 180 90
實施例3 0.05 0.625 1000 180 90
實施例4 0.06 0.750 1000 180 90
實施例5 0.06 0.750 1000 180 67
實施例6 0.07 0.875 1000 180 90
實施例7 0.08 1.000 1000 180 90
比較例1 0.09 1.125 1000 180 90
比較例2 0.10 1.250 1000 180 90
(試驗) 將實施例1～7及比較例1、2之造形體在與積層方向(圖1之上下方向)正交之面切斷，拍攝其切斷面之顯微鏡照片。圖3係實施例5之顯微鏡照片，圖4係比較例1之顯微鏡照片。而且，各實施例1～7及比較例1、2中，算出在切斷面上觀察到之每單位面積之裂痕之長度作為裂痕量。
又，針對各實施例1～7及比較例1、2，在與積層方向正交之面切斷造形體而得之切斷面中，藉由EBSD法測量正極點圖之極密度。該測量中，使用日立製作所公司製造之SEM-SU5000及EDAX/TSL公司製造之Pegasus Digiview5作為EBSD裝置。
關於正極點圖之極密度之測量，更詳細而言，於前期準備中，使用耐水研磨紙及鑽石研磨粒對切斷面進行機械研磨後，使用膠體氧化矽進行研磨精加工。該前期準備係用以減少測量不良點而確保測量精度，常用於EBSD測量中。接下來，對切斷面上之900 μm×900 μm之區域以3 μm之步長測量菊池線，使用解析軟體(EDAX/TSL公司製造之OIM Data Collection/OIM Analysis ver.8)進行解析，獲得投影｛100｝極而得之｛100｝極圖。根據其正極點圖計算出MUD。計算MUD時，使用球面諧和函數法，設展開次數為16，設半值寬為5度。
將實施例1～7及比較例1、2之MUD之最大值及裂痕量示於表2。又，以圖表之方式將實施例1～7及比較例1、2之MUD之最大值及裂痕量示於圖2。
[表2]
   MUD之最大值 裂痕量(mm/mm 2)
實施例1 14.4 0.62
實施例2 19.2 0.15
實施例3 10.8 0.50
實施例4 10.2 0.83
實施例5 13.6 0.22
實施例6 9.9 0.72
實施例7 5.9 0.81
比較例1 4.1 1.27
比較例2 2.7 1.00
根據表2及圖2可明白，對各層上照射雷射時之掃描線之間隔大於0.09 mm、即L/D大於1.1之比較例1、2中，裂痕量較多。與此相對，調整對各層上照射雷射時之掃描線之間隔而使L/D為0.2以上且1.1以下之實施例1～7中，裂痕量較少。
又，比較例1、2中，MUD之最大值低於5，相對於此，實施例1～7中，MUD之最大值為5以上。因此，MUD之最大值為5以上之造形體係裂痕較少之造形體。
1:平台 2:床 3:層 4:掃描線
[圖1]係用以對藉由粉末床熔融而製造造形體之方法進行說明之圖。 [圖2]係表示實施例1～7及比較例1、2之MUD之最大值及裂痕量之圖表。 [圖3]係實施例5之顯微鏡照片。 [圖4]係比較例1之顯微鏡照片。
1:平台
2:床
3:層
4:掃描線

Claims (4)

  1. 一種造形體製造方法，其係藉由使用粉末之粉末床熔融而製造造形體之方法，該粉末由γ'析出強化型Ni基合金構成， 上述Ni基合金以質量百分率計，含有7.0～17.0%之Cr、7.0～12.0%之Co、5.0～8.0%之Al＋Ti、2.0～12.0%之W、1.5～4.4%之Nb＋Ta、2.3%以下之Mo、0.3%以下之C、2.0%以下之Hf、0.2%以下之Zr， 對由上述粉末構成之層上沿相互平行之複數條掃描線照射雷射時，上述複數條掃描線之間隔除以雷射光點直徑時所得之值為0.2以上且1.1以下。
  2. 如請求項1之造形體製造方法，其中上述Ni基合金以質量百分率計，含有7.0～10.0%之Cr、8.0～11.0%之Co、5.0～7.5%之Al＋Ti、8.0～11.0%之W、2～4%之Nb＋Ta、0.2～1.0%之Mo、0.01～0.2%之C、0.5～2.0%之Hf、0.2%以下之Zr。
  3. 一種造形體，其係由Ni基合金構成之包含樹枝狀結晶組織者， 上述Ni基合金以質量百分率計，含有7.0～17.0%之Cr、7.0～12.0%之Co、5.0～8.0%之Al＋Ti、2.0～12.0%之W、1.5～4.4%之Nb＋Ta、2.3%以下之Mo、0.3%以下之C、2.0%以下之Hf、0.2%以下之Zr， 上述樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝之間隔低於3 μm， 利用EBSD法測得之正極點圖之極密度之最大值為5以上。
  4. 如請求項3之造形體，其中上述Ni基合金以質量百分率計，含有7.0～10.0%之Cr、8.0～11.0%之Co、5.0～7.5%之Al＋Ti、8.0～11.0%之W、2.0～4.0%之Nb＋Ta、0.2～1.0%之Mo、0.01～0.2%之C、0.5～2.0%之Hf、0.2%以下之Zr。
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