TWI784246B - 造形體製造方法及造形體 - Google Patents

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Abstract

一種藉由使用由 γ' 析出強化型 Ni 基合金所構成之粉末的粉末床熔融成型技術而製造造形體之方法，Ni 基合金以質量百分比計，含有10～16%之 Cr、4.5～7.5%之 Al、2.8～6.2%之 Mo、0.8～4%之 Nb＋Ta、0.01～2%之 Ti、0.01～0.3%之 Zr、0.01～0.3%之 C，於在由粉末構成之層（3）上沿著互相平行之複數個掃描線（4）照射雷射時，將掃描線（4）之間隔除以雷射點徑時之值設為0.2以上1.0以下。

Description

造形體製造方法及造形體
本發明係關於製造造形體之方法、及利用該方法所獲得之造形體。
習知技術中，已知藉由使用由 Ni 基合金所構成之粉末的粉末床熔融成型技術而製造造形體之方法。由利用此種製造方法而製造之 Ni 基合金所構成之造形體，例如用作燃氣渦輪機引擎等高溫零件。
作為構成粉末之 Ni 基合金，有時使用 γ' 析出強化型 Ni 基合金。所謂 γ' 析出強化型 Ni 基合金，係以於對製造之造形體進行熱處理時析出強度強化用之 γ'（Ni3 （Al、Ti））相之方式製備組成之 Ni 基合金。
關於包含 Al 及 Ti 之 Ni 基合金，已知若 Al 含有率之2倍與 Ti 含有率之合計（2Al＋Ti）為6%以上，則於焊接時容易產生裂紋。於粉末床熔融成型技術中，作為一例，製造之造形體中可形成如長度超過數微米至數百微米之微裂紋。
作為抑制 γ' 析出強化型 Ni 基合金於焊接時之裂紋之產生的技術，例如於專利文獻1中，記載將 Si 含有率及 Zr 含有率分別限制為以質量百分比計不滿0.03%。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特表2017-508877號公報
[發明所欲解決之問題]
與此相對，期望能夠達成不論是否限制 Ni 基合金中之 Si 含有率及 Zr 含有率，皆抑制 γ' 析出強化型 Ni 基合金之焊接時之裂紋之產生，尤其是減少形成於利用粉末床熔融成型技術而製造之造形體之裂紋。
對此，本發明之目的在於提供造形體製造方法、及利用該造形體製造方法所獲得的造形體，該造形體製造方法能夠減少形成於藉由使用由 γ' 析出強化型 Ni 基合金所構成之粉末之粉末床熔融成型技術而製造之造形體之裂紋。 [解決問題之手段]
為了解決上述課題，本發明之發明者等人進行了銳意研究，結果發現了在由粉末所構成之層上沿著互相平行之複數個掃描線照射雷射之粉末床熔融成型技術中，該等掃描線之間隔除以雷射點徑時之值與造形體中之裂紋之形成存在關聯性。本發明係根據此種觀點而成者。
即，本發明之造形體製造方法之特徵在於：其係藉由使用由 γ' 析出強化型 Ni 基合金所構成之粉末的粉末床熔融成型技術而製造造形體之方法，上述 Ni 基合金以質量百分比計，含有10～16%之 Cr、4.5～7.5%之 Al、2.8～6.2%之 Mo、0.8～4%之 Nb＋Ta、0.01～2%之 Ti、0.01～0.3%之 Zr、0.01～0.3%之 C，於在由上述粉末所構成之層上沿著互相平行之複數個掃描線照射雷射時，將上述複數個掃描線之間隔除以雷射點徑時之值設為0.2以上1.0以下。
根據上述構成，能夠減少形成於造形體之裂紋。
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 基合金以質量百分比計，含有10～16%之 Cr、4.5～7.5%之 Al、2.8～6.2%之 Mo、0.8～4%之 Nb＋Ta、0.01～2%之 Ti、0.01～0.3%之 Zr、0.01～0.3%之 C，上述樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝晶之間隔不滿3 μm，利用 EBSD（Electron Backscatter Diffraction）法測得之極圖之極密度之最大值為6以上。
此處，「極圖之極密度」係藉由於以所有結晶方位以均勻密度（Uniform Density）出現之狀態（也就是完全隨機配向之組織）為基準時，計算測定面內之各結晶方位以多少倍之頻度出現而求出者，利用附屬於 EBSD 裝置之軟體之解析，作為 MUD（Multiples of a Uniform Density）而算出。MUD  愈大，愈表示測定面之結晶方位偏向於特定之結晶方面。
作為利用鑄造而製造 MUD 較大之鑄造體之方法，已知有單方向凝固鑄造或單晶鑄造等，但於該等鑄造體中，樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝晶之間隔較大，約超過40 μm。與此相對，於利用以雷射作為熱源之粉末床熔融成型技術而製造之造形體中，樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝晶之間隔較小，不滿3 μm。又，若如上所述地於粉末床熔融成型技術中將複數個掃描線之間隔除以雷射點徑時之值設為0.2以上1.0以下，則利用 EBSD 法測得之極圖之極密度（即 MUD ）之最大值為6以上。故而，具有上述構成之造形體為裂紋較少之造形體。 [發明之效果]
根據本發明，能夠減少形成於藉由使用由 γ' 析出強化型 Ni 基合金所構成之粉末的粉末床熔融成型技術而製造之造形體之裂紋。
本發明之一實施形態之造形體製造方法係藉由使用由 γ' 析出強化型 Ni 基合金所構成之粉末的粉末床熔融成型技術而製造造形體之方法。於粉末床熔融成型技術中，雖有使粉末熔融之熱源為電子束之情況，於本實施形態中，熱源為雷射。
於粉末床熔融成型技術中，如圖1所示，於平台1上形成由粉末所構成之層3，於該層3上沿著互相平行之複數個掃描線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、形狀及長度根據應製造之造形體之剖面形狀決定。例如，掃描線4可為直線，為曲線亦可。
圖1係製造四角柱狀造形體之例。於圖1中，相鄰之掃描線4中雷射之掃描方向為互相相反之方向，但於所有掃描線4中雷射之掃描方向為相同方向亦可。
利用照射至層3上之雷射，該層3之一部分或全部熔融及固化。其後，使平台1下降層3之厚度程度，於最晚近形成之層（以下稱為最晚近層）3上形成由粉末所構成之新的層（以下稱為最上層）3，於該最上層3上沿著互相平行之複數個掃描線4照射雷射。另外，床2為包含最晚近層3之上形成有最上層3之既造形部及未熔融粉末者。
於最上層3及最晚近層3中，掃描線4之方向可相同，不同亦可。於最上層3及最晚近層3中掃描線4之方向不同之情形時，可適當決定最上層3之掃描線4相對於最晚近層3之掃描線4之角度（以下稱為掃描旋轉角）。例如於圖1中，掃描旋轉角為90度。
重複上述作業，最後藉由自床2去除未熔融粉末，而製得造形體。於此種造形體中，樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝晶之間隔較小，不滿3 μm。
粉末床熔融成型技術中使用之粉末之粒徑分佈例如為10～60 μm，較佳為10～45 μm。層3之厚度例如為粉末之粒徑分佈之中央值以上、且粉末之粒徑分佈之中央值之3倍以下。
構成粉末之 Ni 基合金以質量百分比（以下相同）計，含有10～16%之 Cr、4.5～7.5%之 Al、2.8～6.2%之 Mo、0.8～4%之 Nb＋Ta、0.01～2%之 Ti、0.01～0.3%之 Zr、0.01～0.3%之 C 作為除 Ni 以外之必須成分。又，Ni 基合金含有0.001～0.03%之 B 作為必須成分亦可。作為此種 Ni 基合金，可列舉 IN713C（IN 為 Inconel （註冊商標）之簡稱，以下相同）或 IN713LC 等。另外，關於 Nb 及 Ta，Ni 基合金不含有 Nb 及 Ta 之一者亦可。
各必須成分之含量更佳為 Cr：11～14%、Al：5.5～6.5%、Mo：3.8～5.2%、Nb＋Ta：1.65～2.65%、Ti：0.5～1.0%、Zr：0.05～0.15%、C：0.02～0.2%。
Ni 基合金含有不滿1%之 Co、不滿0.5%之 Cu、不滿0.5%之 Fe、不滿0.5%之 Si 之至少1者作為其他選擇性成分亦可。Ni 基合金之上述成分以外之剩餘部分為 Ni 及不可避免之雜質。
於本實施形態中，於各層3上照射雷射時，將掃描線4之間隔 L 除以雷射點徑 D 時之值（L/D）設為0.2以上1.0以下。所謂雷射點徑 D，指雷射之強度自峰值降至 1/e2 之位置（換言之，成為峰值的約13.5%之位置）處之射束直徑。於使用雷射之粉末床熔融成型技術裝置中，有雷射點徑可由裝置使用者設定者，亦有無法設定者。
雷射點徑 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0.02 mm～0.08 mm。較佳為 L/D 為0.3以上0.9以下。
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150～300 W。
藉由如上所述地將於各層3上照射雷射時之掃描線4之間隔 L 除以雷射點徑 D 時之值（L/D）設為0.2以上1.0以下，能夠減少形成於造形體之裂紋。並且，於以此方式製造之裂紋較少之造形體中，MUD（利用 EBSD 法測得之極圖之極密度）之最大值為6以上（根據不同條件為10以上）。 [實施例]
以下，利用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） 藉由使用具有相當於 IN713C 之合金成分之粉末的粉末床熔融成型技術製造一邊長為10 mm之立方體狀造形體。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：12.41%、Al：5.94%、Mo：4.36%、Nb：1.94%、Ta：0.009%、Ti：0.68%、Zr：0.11%、C：0.06%、B：0.01%、Co：0.18%、Cu：0.02%、Fe：0.20%、Si：0.03%（省略不可避免之雜質之含量）。
作為粉末床熔融成型技術裝置，使用EOS公司製造之 EOS M290。於該裝置中，雷射點徑 D 於製造商側設定為0.08 mm。將製造造形體時之各層之厚度設為40 μm，將於各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.03 mm，將雷射掃描速度設為1000 mm/s，將雷射輸出設為180 W，將掃描旋轉角設為90度。
（實施例2） 將於各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.04 mm，除此以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
（實施例3） 將於各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.05 mm，除此以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
（實施例4） 將於各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.06 mm，除此以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
（實施例5） 將掃描旋轉角設為67度，除此以外，以與實施例4相同之方式製造造形體。
（實施例6） 將於各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.07 mm，除此以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
（比較例1） 將於各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.09 mm，將雷射掃描速度設為1250 mm/s，將雷射輸出設為270 W，除此以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
（比較例2） 將於各層上照射雷射時之掃描線之間隔設為0.11 mm，將雷射掃描速度設為960 mm/s，將雷射輸出設為285 W，將掃描旋轉角設為67度，除此以外，以與實施例1相同之方式製造造形體。
將實施例1～6及比較例1、2之造形體之製造條件示於表1。又，於表1中，亦示出掃描線之間隔 L 除以雷射點徑 D 時之值（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 0.5 1000 180 90
實施例3 0.05 0.625 1000 180 90
實施例4 0.06 0.75 1000 180 90
實施例5 0.06 0.75 1000 180 67
實施例6 0.07 0.875 1000 180 90
比較例1 0.09 1.125 1250 270 90
比較例2 0.11 1.375 960 285 67
（試驗） 以與積層方向（圖1之上下方向）平行之面切斷實施例1～6及比較例1、2之造形體，拍攝其切斷面之顯微鏡照片。圖3為實施例4之顯微鏡照片，圖4為比較例1之顯微鏡照片。並且，分別於實施例1～6及比較例1、2，算出於切斷面觀察之每單位面積之裂紋之長度作為裂紋量。
又，分別對實施例1～6及比較例1、2，於以與積層方向正交之面切斷造形體之切斷面中，利用 EBSD 法測定極圖之極密度。於該測定中，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。
關於極圖之極密度之測定，更詳細而言，作為事前準備，使用耐水砂紙及金剛石磨粒對切斷面進行機械研磨後，使用膠質氧化矽進行研磨精加工。該事前準備係為了減少無法測定之點而確保測定精度，一般針對 Ni 基合金使用。接著，利用3 μm之步進尺寸對切斷面中之300 μm×300 μm之區域測定菊池線，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}極之{100}極點圖。由該極圖計算出 MUD。於計算 MUD 時，使用球諧函數（Spherical Harmonics）法，將展開次數設為16，將半寬設為5度。
將實施例1～6及比較例1、2之 MUD 之最大值及裂紋量示於表2。又，將實施例1～6及比較例1、2之 MUD 之最大值及裂紋量於圖2中以圖式示出。
[表2]
   MUD之最大值 裂紋量（mm/mm2 ）
實施例1 12.9 0.20
實施例2 15.7 0.18
實施例3 10.0 0.25
實施例4 11.0 0.08
實施例5 11.3 0.11
實施例6 10.0 0.24
比較例1 5.1 0.64
比較例2 4.5 0.95
由表1及圖2可知，於使雷射照射於各層上時之掃描線之間隔大於0.08 mm、即讓 L/D 大於1.0之比較例1、2中，裂紋量非常多。與此相對，於調整雷射照射於各層上時之掃描線之間隔而將 L/D 設為0.3以上0.9以下（即0.2以上1.0以下）之實施例1～6中，裂紋量非常少。
又，於比較例1、2中，MUD 之最大值不滿6，與此相對，於實施例1～6中，MUD 為10以上（即6以上）。故而，MUD 之最大值為6以上之造形體係裂紋較少之造形體。
1:平台 2:床 3:層 4:掃描線
[圖1]係用於對利用粉末床熔融成型技術製造造形體之方法進行說明之圖。 [圖2]係表示實施例1～6及比較例1、2之 MUD 之最大值及裂紋量之圖式。 [圖3]係實施例4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 (2)

  1. 一種造形體製造方法，其係藉由使用由 γ' 析出強化型 Ni 基合金所構成之粉末的粉末床熔融成型技術而製造造形體者， 上述 Ni 基合金以質量百分比計，含有10～16%之 Cr、4.5～7.5%之 Al、2.8～6.2%之 Mo、0.8～4%之 Nb＋Ta、0.01～2%之 Ti、0.01～0.3%之 Zr、0.01～0.3%之 C， 於在由上述粉末構成之層上沿著互相平行之複數個掃描線照射雷射時，將上述複數個掃描線之間隔除以雷射點徑時之值設為0.2以上1.0以下。
  2. 一種造形體，其係由 Ni 基合金所構成之包含樹枝狀結晶組織者， 上述 Ni 基合金以質量百分比計，含有10～16%之 Cr、4.5～7.5%之 Al、2.8～6.2%之 Mo、0.8～4%之 Nb＋Ta、0.01～2%之 Ti、0.01～0.3%之 Zr、0.01～0.3%之 C， 上述樹枝狀結晶組織之一次樹枝狀結晶之枝晶之間隔不滿3 μm， 利用 EBSD 法測得之極圖之極密度之最大值為6以上。
TW109108005A 2019-03-12 2020-03-11 造形體製造方法及造形體 TWI784246B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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