WO2017170729A1 - Impeller production method by fused deposition modeling using dissimilar materials, and impeller - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an impeller manufacturing method by hot melt additive manufacturing and an impeller formed by hot melt additive manufacturing.
- An impeller including a hub, a shroud, and a plurality of blades is used in a centrifugal rotating machine such as a centrifugal compressor, a centrifugal blower, or a centrifugal pump.
- the impeller is formed with a flow path surrounded by a hub, a shroud, and adjacent blades. This flow path is designed in a complicated shape that is three-dimensionally curved in consideration of compression efficiency and the like. In general, an impeller is required to have high shape accuracy and minute surface roughness.
- the impeller manufacturing method it has been conventionally performed to weld pieces produced by dividing into a plurality of parts, but in recent years, it is difficult to ensure the welding quality. Often molded.
- the flow path is carved using an electrode that matches the shape of the flow path.
- the altered layer formed on the surface must be removed, for example, by pickling.
- An object of the present invention is to provide an impeller manufacturing method and an impeller capable of imparting erosion resistance sufficient to suppress erosion due to particle collision while suppressing cost without increasing the number of manufacturing steps.
- Hot melt additive manufacturing is a technique for forming a three-dimensional member by laminating layers obtained by melting and solidifying metal powder based on cross-sectional data without using a mold. Since a mold is not used, it is easy to cope with a shape change and the cost can be reduced. At present, it has been proposed to integrally mold an impeller by additive manufacturing using an electron beam as a heat source (Patent Document 2).
- a practically selectable metal material is, for example, a low alloy steel such as Ni—Cr—Mo steel or stainless steel.
- a low alloy steel such as Ni—Cr—Mo steel or stainless steel.
- the present invention made therefor is a method of manufacturing an impeller by hot melt additive manufacturing, and includes at least a first type powder made of a metal material and a second type powder capable of imparting erosion resistance.
- the impeller having the erosion resistance is formed by including the second type powder material on the surface of the wall partitioning the structure.
- hot melt additive manufacturing is based on cross-sectional data constituting three-dimensional data, and sequentially forms layers formed by melting and then solidifying powder supplied to a predetermined target surface.
- the three-dimensional member is formed by stacking.
- a coating powder having a powder body capable of imparting erosion resistance and a metal film applied to the powder body can be used as the second type powder.
- the second type of powder is supplied to a range corresponding to the wall surface at or near the inlet of the impeller flow path, and the remaining portion of the impeller 1st type powder can be supplied to the range corresponding to.
- the electron beam or laser beam which is a heat source, can be irradiated to a predetermined range in the target plane set in the chamber depressurized with respect to the atmospheric pressure.
- the present invention is an impeller formed by hot melt additive manufacturing, including a first type material that is a metal material and a second type material that imparts erosion resistance, and a flow path of the impeller At least a part of the surface of the wall partitioning is formed from the second type material by hot melt additive manufacturing.
- the second type material may include a powder body that imparts erosion resistance and a binder that bonds the powder bodies together.
- the second type material forms the surface of the wall at or near the inlet of the flow path, and the first type material forms the remainder of the impeller.
- the concentration of the second type material is 100% or almost 100% from the surface formed of the second type material to a predetermined thickness.
- the concentration of the second type material is 100% or almost 100%, and the first type material has a concentration of 100% or almost 100%. It is preferable that the density
- a coating covering the surface can be formed in at least a partial region of the surface of the wall formed of the first type material or the second type material.
- a region containing the first type powder material (first type material) and a second type powder material (second type material) by hot melt additive manufacturing is manufactured as an integrated unit. Since the impeller of the present invention formed by hot melt additive manufacturing has erosion resistance due to the second type of material, a hard coating for imparting erosion resistance to the walls of the flow path is provided as a subsequent process. It is not necessary to form by vapor deposition. That is, it is possible to suppress impeller particle erosion while reducing costs without increasing the number of manufacturing steps.
- FIG. (A) is sectional drawing which shows the wall of the flow path of an impeller.
- (B) is a schematic diagram which shows the boundary part of a dissimilar material. It is a figure which shows the additive manufacturing apparatus used for manufacture of an impeller. It is a figure which shows the procedure which manufactures an impeller by hot-melt lamination modeling. It is a figure which shows the relationship between the distance from the surface of a flow path, and the density
- (A)-(d) is a figure for demonstrating the example which forms the area
- (A) is sectional drawing which shows the wall of the flow path of the impeller which concerns on 2nd Embodiment.
- (B) is a schematic diagram which shows the coating powder used as a 2nd type powder. It is sectional drawing which shows the wall of the flow path of the impeller which concerns on the modification of this invention.
- the impeller 10 is provided in a centrifugal rotary machine such as a centrifugal compressor, and is assembled to a rotary shaft (not shown).
- the centrifugal compressor typically includes a plurality of impellers 10 arranged coaxially, and gases such as air are sequentially compressed by the impellers 10.
- the impeller 10 includes a hub 11 through which a rotation shaft (not shown) is passed through the shaft hole 110, a shroud 12 that faces the surface of the hub 11 at a predetermined interval, and a plurality of blades 13.
- a plurality of flow paths 14 are formed by partitioning the space between the hub 11 and the shroud 12 with a plurality of blades 13.
- Each flow path 14 is partitioned between the hub 11, the shroud 12, and the adjacent blades 13 and 13.
- the wall 15 that partitions the flow path 14 and contacts the gas is constituted by the hub 11, the shroud 12, and the blade 13.
- Each flow path 14 has an inlet 141 positioned on the inner peripheral side of the impeller 10 and an outlet 142 positioned on the outer peripheral side of the impeller 10.
- the blade 13 and the flow path 14 between the blades 13 and 13 have a curved shape with respect to both the radial direction and the axial direction of the impeller 10.
- the impeller 10 is rotated in the direction of the arrow 10R by a drive unit (not shown)
- the gas in the flow path 14 is accelerated by the centrifugal force, so that the gas is sucked into the flow path 14 from the inlet 141.
- the impeller 10 of the present embodiment has a main feature that it is molded by hot melt additive manufacturing using different materials in order to suppress particle erosion caused by collision of fine particles contained in gas.
- the impeller 10 includes a first type material that satisfies the cost, strength, toughness and the like of the entire impeller 10 and a second type material that imparts erosion resistance sufficient to suppress particle erosion. .
- the first type material for example, low alloy steel, stainless steel, titanium alloy or the like can be used.
- the low alloy steel include Ni—Cr—Mo steel and Cr—Mo steel.
- the stainless steel include precipitation hardening type stainless steel, martensitic stainless steel, and duplex stainless steel.
- a WC composite material mainly containing tungsten carbide (WC) can be used.
- the WC composite material include WC—NiCr, WC—Co, and WC—CoCr.
- a Cr 3 C 2 composite material, alumina-titania (AlO 3 —TiO 2 ), chromium oxide ceramics (Cr 2 O 3 ), or the like can be used as the second type material.
- the impeller 10 is formed by hot melt additive manufacturing using the first type material and the second type material described above.
- the second type material is used for the surface of the wall 15 that defines the flow path 14, and the first type material is used for the remaining part of the impeller 10.
- the surface 15A of the wall 15 of the flow path 14 faces the surface 11A of the hub 11, the inner surface 12A of the shroud 12, the ventral surface 13A of the blade 13, and the surface 15A. It is composed of a back surface 13B of the adjacent blade 13.
- An abdominal surface 13A of the blade 13 protrudes toward a back surface 13B of the blade 13 adjacent to the blade 13.
- FIG. 3A shows a part of the surface 15 ⁇ / b> A of the wall 15 of the flow path 14.
- a second region 22 containing the second type material exists from the surface 15A of the wall 15 to a predetermined thickness.
- the thickness 22T of the second region 22 can be determined in consideration of necessary erosion resistance performance, raw material cost, and the like.
- the thickness 22T of the second region 22 is preferably 1 mm to 15 mm, for example. More preferably, it is 5 mm to 15 mm.
- the second region 22 is densely and hardly formed from the second type material and has erosion resistance.
- the second region 22 is formed integrally with the first region 21 made of the first type material.
- the second region 22 is formed over the entire flow path surface 15 ⁇ / b> A extending over the hub 11, the shroud 12, and the blade 13.
- FIG. 3B schematically shows a boundary portion between the first type material and the second type material.
- the material concentration volume concentration
- the concentration of the second type of material is 100% or nearly 100%.
- the thickness 22T 100 is preferably 1 ⁇ m to 3 ⁇ m, for example.
- the layer Ly (only one layer) constituting the impeller 10 is indicated by a broken line.
- the thickness 10T of each of the plurality of layers Ly stacked is constant.
- the thickness 10T is preferably set to an appropriate value from the range of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m. More preferably, the thickness is 30 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- FIG. 4 shows an example of an additive manufacturing apparatus 30 that can be used for manufacturing the impeller 10.
- the additive manufacturing apparatus 30 includes an electron beam guide path 31 that guides the electron beam EB toward the target surface Tg, a chamber in which a shaped article W (impeller 10) is formed through melting and solidification caused by irradiation of the electron beam EB. 32 and a control device 33 that controls each part of the additive manufacturing apparatus 30 based on the three-dimensional data.
- the inside of the electron beam guide 31 and the chamber 32 is depressurized to a predetermined degree of vacuum with respect to the external atmospheric pressure. Therefore, oxidation of the material used can be suppressed.
- the electron beam guide path 31 includes an electron beam generation source 311 that emits an electron beam EB, and a focusing coil 312 and a deflection coil 313 that are all disposed around the electron beam EB.
- a target surface Tg to which the electron beam EB is irradiated is set in the internal space of the chamber 32.
- the target surface Tg is a horizontal plane.
- a hopper 34 for supplying the first type powder 201 made of the first type material to the target surface Tg, and a second type powder 202 made of the second type material are placed on the target surface Tg.
- a movable table 36 that supports the modeled product W are provided.
- a heating device for heating the shaped article W can be provided in the chamber 32 to control the temperature as necessary.
- the manufacturing method of the impeller 10 using the additive manufacturing apparatus 30 is demonstrated.
- the first type powder 201 and the second type powder 202 are supplied from the hoppers 34 and 35 to the target surface Tg (powder supply step S1).
- the first region 21 and the second region are formed on the layer of the impeller 10 to be formed from now on, for example, similarly to the layer Ly in FIG.
- both the first type and second type powders 201 and 202 are supplied to a predetermined range within the target surface Tg.
- the control device 33 includes a range in which the first type powder 201 and the second type powder 202 are respectively supplied to the target surface Tg, and a range in which the electron beam EB is irradiated (first region 21 and second region 22). ) Is specified.
- the first type powder 201 is supplied to a predetermined range in the target surface Tg.
- the powder constituting the layer to be formed (at least the first type powder 201) is spread on the target surface Tg with a predetermined thickness. If necessary, a rake arm (not shown) that can move in parallel with the target surface Tg can be used.
- the electron beam EB is irradiated only to the range (the first region 21 and the second region 22) specified in the target surface Tg (electron beam irradiation step S2).
- the focus coil 312 and the deflection coil 313 are electromagnetically controlled by the control device 33, whereby the electron beam EB scans a specific range in the target surface Tg at high speed.
- the first and second type powders 201 and 202 are locally melted at the position where the electron beam EB is incident, and solidify after the electron beam EB has passed.
- the first and second type powders 201 and 202 before melting can be preheated by an appropriate heating device or an electron beam EB having a low output.
- the layer Ly is formed on the target surface Tg through melting and solidification of the powder. Then, the movable table 36 is lowered by the thickness of the layer Ly (10T in FIG. 3B) and moved so that the completed layer Ly is retracted (offset) from the target surface Tg (moving step S3).
- the target surface Tg is set on the surface of the layer Ly formed immediately before.
- the first region 21 formed from the first type material and the second type material are formed by the hot melt additive manufacturing using the first type powder 201 and the second type powder 202.
- the impeller 10 integrally including the second region 22 thus manufactured is manufactured. Since the impeller 10 formed by the layered manufacturing process has erosion resistance due to the second region 22, a hard film for imparting erosion resistance to the wall 15 of the flow path 14 is deposited as a post process. It is not necessary to form by such processes. That is, particle erosion of the impeller 10 can be suppressed without increasing the number of manufacturing steps and suppressing costs.
- the surface roughness Ra (JIS B 0601-2001) of the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 formed by hot melt additive manufacturing is, for example, about 25 to 40 ⁇ m.
- the surface roughness Ra is not worse than the surface roughness (for example, about 25 ⁇ m) of the walls of the flow path of the impeller formed by casting or electric discharge machining. Therefore, the required surface roughness is obtained by performing wet polishing using a polishing liquid or dry polishing by spraying a particulate abrasive on the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 formed by hot melt additive manufacturing. Can be easily reached. Such wet polishing and dry polishing can be completed in a short time.
- the second powder 202 is placed at a position corresponding to the surface 15A of the wall 15 of the flow path 14 based on the cross-sectional data of the impeller 10. According to the hot melt additive manufacturing, the erosion resistance can be imparted to the entire region of the wall 15 of the flow path 14 over the predetermined thickness from the surface 15A.
- the concentration of the second type material indicated by the shade of monochrome is the first type powder 201 and the second type. Due to the mixing with the powder 202, etc., the wall 15 varies depending on the distance from the surface 15A. As an example of density variation in FIG. 6, the concentration of the two materials is 100% in the range from the surface 15A across the thickness 22T 100 (or nearly 100%), thereafter, away from the surface 15A It becomes lower gradually. Along with this, the concentration of the first type material gradually increases, and when it moves away from the surface 15A by a certain distance or more, it reaches the first region 21 containing no or almost no second type metal material.
- the concentration of the second type of metallic material in the range from the surface 15A of the thickness 22T 100 is 100%, or nearly 100%, it is possible to obtain the mechanical properties of the second type of metallic material sufficiently Therefore, erosion resistance can be reliably imparted to the surface 15A of the wall 15 of the flow path 14.
- the second region 22 and the first region 21 are coupled with an inclination of the material concentration as in the concentration change range 22inc shown in FIG. 6, the second region 22 and the first region 21 are connected to the surface 15A. Unlike the case where they are joined without being inclined at a position separated from the surface by a certain thickness, the mechanical characteristics gradually change as the distance from the surface 15A increases.
- both the first-type powder 201 and the second-type powder 202 are supplied to a predetermined range within the target surface Tg (step S1), and the electron Both the powders 201 and 202 are scanned by the beam EB to be melted and solidified (step S2).
- the powder supply, melting and solidification are performed as shown in FIGS. It can also carry out separately with the 1st type powder 201 and the 2nd type powder 202.
- FIG. 7A only the first type metal powder 201 is supplied to the target surface Tg (first type powder supply step), and the electron beam EB is irradiated to the specific range A1.
- the first type metal powder 201 is melted and solidified (electron beam irradiation step). Thereby, the first region 21 is formed.
- the first type powder 201 is removed and the second type powder 202 is supplied to the position adjacent to the first region 21 on the target surface Tg (first type).
- Two kinds of powder supply steps), melting and solidifying by irradiation of the electron beam EB to the specific range A2 (electron beam irradiation step).
- the second region 22 is formed in the same layer as the first region 21.
- the second region 22 is bonded in close contact with the first region 21.
- the first-type powder 201 and the second-type powder 202 are similarly produced while relatively displacing the completed layer Ly with respect to the target surface Tg. And separately, powder supply, melting and solidification are repeated.
- the amount of the second type powder 202 is suppressed and the amount of 100 is increased over a predetermined thickness. % Or nearly 100% of the second material concentration can be achieved, thereby obtaining the desired erosion resistance.
- a laser beam can be used as a heat source for melting the first powder 201 and the second powder 202 in place of the electron beam EB.
- the layered manufacturing apparatus 30 may be provided with a laser oscillator instead of the electron beam generation source 311.
- the erosion resistance is not necessarily given to the entire region of the wall 15 of the flow path 14. Since particle erosion is likely to occur remarkably at the inlet 141 of the flow path 14 and the vicinity thereof, the erosion resistance can be imparted by the second type material only at the inlet 141 of the flow path 14 and the vicinity thereof. In that case, based on the cross-sectional data, the second type powder 202 may be supplied to the range corresponding to the surface 15A of the wall 15 in the vicinity of the inlet 141 and melted and solidified. By doing so, erosion resistance can be imparted while suppressing the cost required for the second type powder 202.
- erosion resistance is imparted to the other portions of the channel 14 by the third type material while the inlet 141 of the channel 14 and the vicinity thereof are imparted with the erosion resistance by the second type material.
- the second type metal material is used to provide erosion resistance only at locations appropriately selected from the surfaces 13A and 13B of the blade 13 that define the flow path 14, the surface 11A of the hub 11, and the inner surface 12A of the shroud 12. Can be granted.
- the impeller 20 of the second embodiment also includes a second region 22 that forms the surface 15A of the wall 15 as shown in FIG. 1st area
- the second embodiment is different from the first embodiment in that a coating powder 40 with a metal coating 42 as shown in FIG. 8B is used as the second type powder. Others are the same as in the first embodiment.
- the coating powder 40 includes a powder body 41 that can impart erosion resistance, and a metal coating 42 applied to the powder body 41.
- the coated powder 40 is supplied from the hopper 35 (FIG. 4) to the target surface Tg, and hot melt additive manufacturing is performed as in the first embodiment.
- the powder body 41 can be formed using a hard metal material (W, Cr, etc.) or a metal compound (carbonized compound, nitride compound, oxide compound, etc.). Specifically, the powder main body 41 can be formed using a material similar to the second type material described in the first embodiment.
- the powder body 41 is a spherical particle here, but may have an appropriate shape, and may further have an irregular shape.
- the metal coating 42 is formed using a metal material having a melting point lower than that of the powder body 41 or a diffusion coefficient larger than that of the powder body 41.
- the metal coating 42 functions as a binder that bonds the powder body 41 and the surrounding substance even when the powder body 41 does not melt or diffuse under the heating and pressure conditions of additive manufacturing.
- the powder bodies 41 are fused to each other through the metal film 42 and the powder body 41 is fused to the first region 21 adjacent thereto. Worn. In addition, the stacked layers Ly are also fused through the metal coating 42. The melted metal film 42 remains on the impeller 10 after molding as a binder.
- the metal coating 42 diffuses into the powder body 41 under the heating condition by the irradiation with the electron beam EB or the laser beam and the pressure condition in the chamber 32, the powder bodies 41 are joined to each other through the metal coating 42. At the same time, the powder body 41 is joined to the first region 21 adjacent thereto. Further, the stacked layers Ly are also bonded to each other through the metal coating 42. Also in this case, the diffused metal coating 42 remains on the impeller 10 after molding as a binder.
- the metal coating 42 can be formed from an appropriate metal material having a melting point in the range of 230 ° C. to 1700 ° C., for example.
- the metal coating 42 can be formed of, for example, an appropriate metal material having a self-diffusion coefficient in the solid phase in the range of 1 ⁇ 10 ⁇ 7 m 2 / s to 1 ⁇ 10 ⁇ 20 m 2 / s.
- Sn, Zn, Al, Fe, Ti, etc. correspond to the metal material satisfying the above melting point and diffusion coefficient.
- a metal material similar to the first type material used for the first region 21 can also be used.
- the metal coating 42 is formed with a film thickness sufficient for bonding between the powder bodies 41, bonding between the first and second regions 21 and 22, and bonding between the layers Ly by fusion bonding or diffusion bonding.
- the thickness of the metal coating 42 is, for example, 10 nm to 50 ⁇ m.
- the average particle diameter of the powder body 41 is, for example, 10 nm to 10 ⁇ m.
- the metal coating 42 is preferably formed on the entire outer peripheral surface of the powder body 41 with a uniform film thickness.
- the method of applying the metal coating 42 to the powder body 41 is not limited.
- the metal coating 42 is uniformly covered so as to cover the entire powder body 41 due to the contribution of the surface energy of the powder body 41 in the solution.
- a metal film 42 having a film thickness of, for example, 10 nm to 100 ⁇ m can be formed on each powder body 41 by depositing the film body with a sufficient film thickness and proceeding with the solution reaction while maintaining the dispersion state of the powder body 41 in the solution.
- the powder body 41 is provided with the metal coating 42, the powder body 41 is made of a material capable of imparting high erosion resistance even if it is difficult to form by single-piece hot melt lamination molding. Can be adopted. That is, the degree of freedom in material selection is improved. Ceramic can also be used for the powder body 41. Although it is difficult to machine an impeller having a complicated flow path 14 from a ceramic bulk, by performing layered modeling using a coating powder 40 in which a metal coating 42 is applied to a ceramic powder body 41, A ceramic dispersion type impeller 20 having a complicated flow path 14 can be manufactured. In other words, by providing the coating powder 40 which is a composite material of ceramic and metal, the impeller 20 having a wall surface of the flow channel having hardness similar to ceramic and higher toughness than ceramic can be realized.
- FIG. 9 shows the wall 18 of the flow path 14 of the impeller according to a modification of the present invention.
- the surface 18A of the wall 18 formed by hot melt additive manufacturing is covered with a coating 19 having a higher hardness than the surface 18A.
- the coating 19 has a Vickers hardness in the range of, for example, 1000 HV to 4000 HV, and is formed by an appropriate method such as spin coating, physical vapor deposition, or chemical vapor deposition.
- the coating 19 can be formed over the entire surface 18A of the wall 18 of the flow path 14, or can be formed only in at least a partial region of the surface 18A of the wall 18.
- the coating 19 covers the first material or the second material that forms the surface 18A of the wall 18.
- the surface roughness of the impeller wall 18 formed by hot melt additive manufacturing is, for example, about 25 to 40 ⁇ m as described above, the minute irregularities on the surface of the base material of the impeller 10 and the coating film 19 are anchored. Strongly bonded due to the effect. Thereby, peeling of the coating film 19 can be prevented, and it can maintain in the state closely_contact
- a hollow portion can be formed in a part of the impeller, particularly in a thick portion.
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Abstract
The purpose of the present invention is to provide: an impeller production method that limits costs while making it possible to impart erosion resistance without increasing the number of production steps; and an impeller. In this method for producing an impeller 10 by fused deposition modeling, an impeller 10 endowed with erosion resistance and comprising a material that is a second type of powder 201 on the surface 15A of a wall 15 defining a flow path 14 in the impeller 10 is formed by the layering of layers Ly resulting from repetition of the following steps: a first step S1 in which at least a first type of powder 201 comprising a metal material from among said first type of powder 201 and a second type of powder 202 capable of imparting erosion resistance is supplied to a predetermined target surface Tg; a second step in which an electron beam EB is used to irradiate a specified range within the target surface Tg on the basis of cross-sectional data; and a third step Se in which a layer Ly formed via melting and solidification is displaced by the thickness of said layer Ly with respect to the target surface Tg.
Description
本発明は、熱溶融積層造形によるインペラの製造方法および熱溶融積層造形により成形されるインペラに関する。
The present invention relates to an impeller manufacturing method by hot melt additive manufacturing and an impeller formed by hot melt additive manufacturing.
遠心圧縮機、遠心送風機、遠心ポンプ等の遠心回転機に、ハブと、シュラウドと、複数のブレードとを備えたインペラ(羽根車)が使用されている。
インペラには、ハブと、シュラウドと、隣り合うブレードとで囲まれた流路が形成されている。この流路は、圧縮効率等を考慮して、3次元的に湾曲した複雑な形状に設計されている。インペラには、一般に、高い形状精度と、表面粗さが微小であることが要求される。 An impeller (impeller) including a hub, a shroud, and a plurality of blades is used in a centrifugal rotating machine such as a centrifugal compressor, a centrifugal blower, or a centrifugal pump.
The impeller is formed with a flow path surrounded by a hub, a shroud, and adjacent blades. This flow path is designed in a complicated shape that is three-dimensionally curved in consideration of compression efficiency and the like. In general, an impeller is required to have high shape accuracy and minute surface roughness.
インペラには、ハブと、シュラウドと、隣り合うブレードとで囲まれた流路が形成されている。この流路は、圧縮効率等を考慮して、3次元的に湾曲した複雑な形状に設計されている。インペラには、一般に、高い形状精度と、表面粗さが微小であることが要求される。 An impeller (impeller) including a hub, a shroud, and a plurality of blades is used in a centrifugal rotating machine such as a centrifugal compressor, a centrifugal blower, or a centrifugal pump.
The impeller is formed with a flow path surrounded by a hub, a shroud, and adjacent blades. This flow path is designed in a complicated shape that is three-dimensionally curved in consideration of compression efficiency and the like. In general, an impeller is required to have high shape accuracy and minute surface roughness.
インペラの製造方法に関し、複数の部位に分割して製作されたピース同士を溶接することが従来行われてきたが、溶接品質の確保が難しいので、近年では、金属材料の塊から放電加工により一体成形することが多い。放電加工の際には、流路の形状に合わせた電極を使用して流路を彫り進める。放電加工を行うと、表面に形成された変質層を、例えば酸洗により除去しなくてはならない。
Regarding the impeller manufacturing method, it has been conventionally performed to weld pieces produced by dividing into a plurality of parts, but in recent years, it is difficult to ensure the welding quality. Often molded. At the time of electric discharge machining, the flow path is carved using an electrode that matches the shape of the flow path. When electric discharge machining is performed, the altered layer formed on the surface must be removed, for example, by pickling.
ところで、インペラにより圧送される流体に含まれる水滴や塵埃、配管由来の異物等の微粒子がインペラの流路の壁に衝突すると、粒子エロージョンといってインペラの流路の壁が摩耗、減肉する現象が発生する。
そこで、インペラの流路の壁に硬い被膜をコーティングすることにより、粒子エロ―ジョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与している(例えば、特許文献1)。 By the way, when particles such as water droplets or dust contained in the fluid pumped by the impeller collide with the impeller flow path wall, the impeller flow path wall is worn and thinned due to particle erosion. The phenomenon occurs.
Therefore, erosion resistance sufficient to suppress particle erosion is imparted by coating a hard film on the walls of the flow path of the impeller (for example, Patent Document 1).
そこで、インペラの流路の壁に硬い被膜をコーティングすることにより、粒子エロ―ジョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与している(例えば、特許文献1)。 By the way, when particles such as water droplets or dust contained in the fluid pumped by the impeller collide with the impeller flow path wall, the impeller flow path wall is worn and thinned due to particle erosion. The phenomenon occurs.
Therefore, erosion resistance sufficient to suppress particle erosion is imparted by coating a hard film on the walls of the flow path of the impeller (for example, Patent Document 1).
耐エロージョン性を付与するため、インペラの流路の壁に、化学蒸着や物理蒸着により硬い被膜を形成すると、製造工程が増え、コストも高くなる。
本発明は、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、粒子の衝突によるエロージョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与することができるインペラの製造方法およびインペラを提供することを目的とする。 If a hard coating is formed on the walls of the impeller flow path by chemical vapor deposition or physical vapor deposition in order to impart erosion resistance, the number of manufacturing steps increases and the cost also increases.
An object of the present invention is to provide an impeller manufacturing method and an impeller capable of imparting erosion resistance sufficient to suppress erosion due to particle collision while suppressing cost without increasing the number of manufacturing steps.
本発明は、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、粒子の衝突によるエロージョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与することができるインペラの製造方法およびインペラを提供することを目的とする。 If a hard coating is formed on the walls of the impeller flow path by chemical vapor deposition or physical vapor deposition in order to impart erosion resistance, the number of manufacturing steps increases and the cost also increases.
An object of the present invention is to provide an impeller manufacturing method and an impeller capable of imparting erosion resistance sufficient to suppress erosion due to particle collision while suppressing cost without increasing the number of manufacturing steps.
インペラへの要望は、適用される遠心回転機械の仕様等に応じて多岐にわたり、しかも増え続けている。
勿論、コストの抑制も望まれている状況下で、本発明の発明者らは、金属粉体を用いる熱溶融積層造形に着目した。熱溶融積層造形は、金型を用いず、断面データに基づいて金属粉体を溶融、凝固させた層を積層することにより、3次元の部材を成形する技術である。金型を用いないので、形状変更等に対応し易く、コストも抑えられる。
現状、熱源として電子ビームを用いる積層造形によりインペラを一体成形することが提案されている(特許文献2)。 The demand for impellers varies widely depending on the specifications of the applied centrifugal rotating machine and continues to increase.
Of course, the inventors of the present invention have focused on hot melt additive manufacturing using metal powder under the circumstances where cost reduction is also desired. Hot melt additive manufacturing is a technique for forming a three-dimensional member by laminating layers obtained by melting and solidifying metal powder based on cross-sectional data without using a mold. Since a mold is not used, it is easy to cope with a shape change and the cost can be reduced.
At present, it has been proposed to integrally mold an impeller by additive manufacturing using an electron beam as a heat source (Patent Document 2).
勿論、コストの抑制も望まれている状況下で、本発明の発明者らは、金属粉体を用いる熱溶融積層造形に着目した。熱溶融積層造形は、金型を用いず、断面データに基づいて金属粉体を溶融、凝固させた層を積層することにより、3次元の部材を成形する技術である。金型を用いないので、形状変更等に対応し易く、コストも抑えられる。
現状、熱源として電子ビームを用いる積層造形によりインペラを一体成形することが提案されている(特許文献2)。 The demand for impellers varies widely depending on the specifications of the applied centrifugal rotating machine and continues to increase.
Of course, the inventors of the present invention have focused on hot melt additive manufacturing using metal powder under the circumstances where cost reduction is also desired. Hot melt additive manufacturing is a technique for forming a three-dimensional member by laminating layers obtained by melting and solidifying metal powder based on cross-sectional data without using a mold. Since a mold is not used, it is easy to cope with a shape change and the cost can be reduced.
At present, it has been proposed to integrally mold an impeller by additive manufacturing using an electron beam as a heat source (Patent Document 2).
ここで、選定された1つの組成の金属粉体により積層造形が行われるため、その金属粉体の材料特性のみが製造物に反映される。
コストや、強度等の機械的特性を考慮すると、現実的に選定可能な金属材料は、例えば、Ni-Cr-Mo鋼等の低合金鋼や、ステンレス鋼である。
しかし、そういった金属材料のみを使用して、粒子エロージョンを抑止可能な耐エロージョン性を付与することは難しい。 Here, since additive manufacturing is performed with the selected metal powder of one composition, only the material characteristics of the metal powder are reflected in the product.
Considering mechanical properties such as cost and strength, a practically selectable metal material is, for example, a low alloy steel such as Ni—Cr—Mo steel or stainless steel.
However, it is difficult to impart erosion resistance that can suppress particle erosion by using only such a metal material.
コストや、強度等の機械的特性を考慮すると、現実的に選定可能な金属材料は、例えば、Ni-Cr-Mo鋼等の低合金鋼や、ステンレス鋼である。
しかし、そういった金属材料のみを使用して、粒子エロージョンを抑止可能な耐エロージョン性を付与することは難しい。 Here, since additive manufacturing is performed with the selected metal powder of one composition, only the material characteristics of the metal powder are reflected in the product.
Considering mechanical properties such as cost and strength, a practically selectable metal material is, for example, a low alloy steel such as Ni—Cr—Mo steel or stainless steel.
However, it is difficult to impart erosion resistance that can suppress particle erosion by using only such a metal material.
そこでなされた本発明は、熱溶融積層造形によりインペラを製造する方法であって、金属材料からなる第1種の粉体、および耐エロージョン性を付与可能な第2種の粉体のうち少なくとも第1種の粉体を所定のターゲット面に供給する第1ステップと、3次元データを構成する断面データに基づいて、ターゲット面内において特定された範囲に熱源であるビームを照射する第2ステップと、ビームの照射により起こる溶融と、凝固とを経て形成された層を層の厚み分だけターゲット面に対して変位させる第3ステップと、を繰り返して層が積層されることにより、インペラの流路を区画する壁の表面に第2種の粉体の材料を含み、耐エロージョン性が付与されたインペラを成形することを特徴とする。
The present invention made therefor is a method of manufacturing an impeller by hot melt additive manufacturing, and includes at least a first type powder made of a metal material and a second type powder capable of imparting erosion resistance. A first step of supplying one kind of powder to a predetermined target surface; and a second step of irradiating a beam, which is a heat source, in a range specified in the target surface based on cross-sectional data constituting three-dimensional data; And the third step of displacing the layer formed through the melting caused by the irradiation of the beam and the solidification with respect to the target surface by the thickness of the layer, and then laminating the layers, whereby the flow path of the impeller The impeller having the erosion resistance is formed by including the second type powder material on the surface of the wall partitioning the structure.
本明細書において「熱溶融積層造形」は、3次元データを構成する断面データに基づいて、所定のターゲット面に供給された粉体を溶融させ、その後に凝固させることで形成される層を順次積層することによって3次元の部材を成形することをいうものとする。
In this specification, “hot melt additive manufacturing” is based on cross-sectional data constituting three-dimensional data, and sequentially forms layers formed by melting and then solidifying powder supplied to a predetermined target surface. The three-dimensional member is formed by stacking.
本発明のインペラ製造方法では、第2種の粉体として、耐エロージョン性を付与可能な粉末本体と、粉末本体に施された金属被膜と、を有する被膜粉体を用いることができる。
In the impeller manufacturing method of the present invention, a coating powder having a powder body capable of imparting erosion resistance and a metal film applied to the powder body can be used as the second type powder.
本発明のインペラ製造方法において、第1ステップでは、断面データに基づいて、インペラの流路の入口またはその近傍における壁の表面に対応する範囲に第2種の粉体を供給し、インペラの残部に対応する範囲に第1種の粉体を供給することができる。
In the impeller manufacturing method of the present invention, in the first step, based on the cross-sectional data, the second type of powder is supplied to a range corresponding to the wall surface at or near the inlet of the impeller flow path, and the remaining portion of the impeller 1st type powder can be supplied to the range corresponding to.
本発明のインペラ製造方法において、第2ステップでは、熱源である電子ビームまたはレーザービームを、大気圧に対して減圧されたチャンバ内に設定されたターゲット面内における所定範囲に照射することができる。
In the impeller manufacturing method of the present invention, in the second step, the electron beam or laser beam, which is a heat source, can be irradiated to a predetermined range in the target plane set in the chamber depressurized with respect to the atmospheric pressure.
また、本発明は、熱溶融積層造形により成形されたインペラであって、金属材料である第1種の材料と、耐エロージョン性を付与する第2種の材料と、を含み、インペラの流路を区画する壁の表面の少なくとも一部は、熱溶融積層造形により第2種の材料から形成されていることを特徴とする。
Further, the present invention is an impeller formed by hot melt additive manufacturing, including a first type material that is a metal material and a second type material that imparts erosion resistance, and a flow path of the impeller At least a part of the surface of the wall partitioning is formed from the second type material by hot melt additive manufacturing.
本発明のインペラにおいて、第2種の材料は、耐エロージョン性を付与する粉末本体と、粉末本体同士を結合する結合材と、を含んでいてよい。
In the impeller of the present invention, the second type material may include a powder body that imparts erosion resistance and a binder that bonds the powder bodies together.
本発明のインペラにおいて、第2種の材料は、流路の入口またはその近傍における壁の表面を形成し、第1種の材料は、インペラにおける残部を形成することが好ましい。
In the impeller of the present invention, it is preferable that the second type material forms the surface of the wall at or near the inlet of the flow path, and the first type material forms the remainder of the impeller.
本発明のインペラにおいて、第2種の材料により形成された表面から所定の厚みに亘り、第2種の材料の濃度が100%またはほぼ100%であることが好ましい。
In the impeller of the present invention, it is preferable that the concentration of the second type material is 100% or almost 100% from the surface formed of the second type material to a predetermined thickness.
本発明のインペラでは、第2種の材料を含む第2領域において第2種の材料の濃度が100%またはほぼ100%である範囲と、第1種の材料を100%またはほぼ100%の濃度で含む第1領域との間で、表面から離れるにつれて第2種の材料の濃度が漸次低くなることが好ましい。
In the impeller of the present invention, in the second region containing the second type material, the concentration of the second type material is 100% or almost 100%, and the first type material has a concentration of 100% or almost 100%. It is preferable that the density | concentration of a 2nd type material becomes low gradually as it leaves | separates from the surface between 1st area | regions included in (3).
本発明のインペラにおいて、第1種の材料または第2種の材料により形成された壁の表面の少なくとも一部の領域に、表面を覆う被膜を形成することができる。
In the impeller of the present invention, a coating covering the surface can be formed in at least a partial region of the surface of the wall formed of the first type material or the second type material.
本発明によれば、熱溶融積層造形により、第1種の粉体の材料(第1種の材料)を含む領域と、第2種の粉体の材料(第2種の材料)を含む領域とを一体に備えたインペラが製造される。
熱溶融積層造形により成形された本発明のインペラは、第2種の材料により耐エロージョン性を具備しているので、後工程として、流路の壁に耐エロージョン性を付与するための硬質被膜を蒸着等により形成する必要がない。
つまり、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、インペラの粒子エロージョンを抑止することができる。 According to the present invention, a region containing the first type powder material (first type material) and a second type powder material (second type material) by hot melt additive manufacturing. Is manufactured as an integrated unit.
Since the impeller of the present invention formed by hot melt additive manufacturing has erosion resistance due to the second type of material, a hard coating for imparting erosion resistance to the walls of the flow path is provided as a subsequent process. It is not necessary to form by vapor deposition.
That is, it is possible to suppress impeller particle erosion while reducing costs without increasing the number of manufacturing steps.
熱溶融積層造形により成形された本発明のインペラは、第2種の材料により耐エロージョン性を具備しているので、後工程として、流路の壁に耐エロージョン性を付与するための硬質被膜を蒸着等により形成する必要がない。
つまり、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、インペラの粒子エロージョンを抑止することができる。 According to the present invention, a region containing the first type powder material (first type material) and a second type powder material (second type material) by hot melt additive manufacturing. Is manufactured as an integrated unit.
Since the impeller of the present invention formed by hot melt additive manufacturing has erosion resistance due to the second type of material, a hard coating for imparting erosion resistance to the walls of the flow path is provided as a subsequent process. It is not necessary to form by vapor deposition.
That is, it is possible to suppress impeller particle erosion while reducing costs without increasing the number of manufacturing steps.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
まず、図1および図2を参照し、インペラ10の基本的な構成を簡単に説明する。
インペラ10は、遠心圧縮機等の遠心回転機械に備えられており、図示しない回転軸に組み付けられる。
遠心圧縮機は、典型的には、同軸に配置される複数のインペラ10を備えており、それらのインペラ10によりエア等の気体が順次圧縮される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, the basic configuration of theimpeller 10 will be briefly described with reference to FIGS. 1 and 2.
Theimpeller 10 is provided in a centrifugal rotary machine such as a centrifugal compressor, and is assembled to a rotary shaft (not shown).
The centrifugal compressor typically includes a plurality ofimpellers 10 arranged coaxially, and gases such as air are sequentially compressed by the impellers 10.
まず、図1および図2を参照し、インペラ10の基本的な構成を簡単に説明する。
インペラ10は、遠心圧縮機等の遠心回転機械に備えられており、図示しない回転軸に組み付けられる。
遠心圧縮機は、典型的には、同軸に配置される複数のインペラ10を備えており、それらのインペラ10によりエア等の気体が順次圧縮される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, the basic configuration of the
The
The centrifugal compressor typically includes a plurality of
インペラ10は、図1および図2に示すように、軸孔110に図示しない回転軸が通されるハブ11と、ハブ11の表面に所定の間隔をおいて対向するシュラウド12と、複数のブレード13とを備えている。ハブ11とシュラウド12との間の空間が複数のブレード13で仕切られることにより、複数の流路14(図1)が形成されている。
各流路14は、ハブ11と、シュラウド12と、隣り合うブレード13,13との間に区画されている。流路14を区画していて、気体が接触する壁15は、ハブ11と、シュラウド12と、ブレード13とにより構成されている。
各流路14は、インペラ10の内周側に位置する入口141と、インペラ10の外周側に位置する出口142とを有している。 As shown in FIGS. 1 and 2, theimpeller 10 includes a hub 11 through which a rotation shaft (not shown) is passed through the shaft hole 110, a shroud 12 that faces the surface of the hub 11 at a predetermined interval, and a plurality of blades 13. A plurality of flow paths 14 (FIG. 1) are formed by partitioning the space between the hub 11 and the shroud 12 with a plurality of blades 13.
Eachflow path 14 is partitioned between the hub 11, the shroud 12, and the adjacent blades 13 and 13. The wall 15 that partitions the flow path 14 and contacts the gas is constituted by the hub 11, the shroud 12, and the blade 13.
Eachflow path 14 has an inlet 141 positioned on the inner peripheral side of the impeller 10 and an outlet 142 positioned on the outer peripheral side of the impeller 10.
各流路14は、ハブ11と、シュラウド12と、隣り合うブレード13,13との間に区画されている。流路14を区画していて、気体が接触する壁15は、ハブ11と、シュラウド12と、ブレード13とにより構成されている。
各流路14は、インペラ10の内周側に位置する入口141と、インペラ10の外周側に位置する出口142とを有している。 As shown in FIGS. 1 and 2, the
Each
Each
ブレード13と、ブレード13,13間の流路14は、図1および図2に示すように、インペラ10の径方向および軸方向のいずれに対しても湾曲した形状となっている。
インペラ10が、図示しない駆動部により、矢印10Rの向きに回転されると、流路14内の気体が遠心力により加速されるため、入口141から流路14内に気体が吸入され、図1に矢印Fで示す向きに流路14を流れつつ圧縮され、出口142から排出される。 As shown in FIGS. 1 and 2, theblade 13 and the flow path 14 between the blades 13 and 13 have a curved shape with respect to both the radial direction and the axial direction of the impeller 10.
When theimpeller 10 is rotated in the direction of the arrow 10R by a drive unit (not shown), the gas in the flow path 14 is accelerated by the centrifugal force, so that the gas is sucked into the flow path 14 from the inlet 141. Are compressed while flowing through the flow path 14 in the direction indicated by the arrow F and discharged from the outlet 142.
インペラ10が、図示しない駆動部により、矢印10Rの向きに回転されると、流路14内の気体が遠心力により加速されるため、入口141から流路14内に気体が吸入され、図1に矢印Fで示す向きに流路14を流れつつ圧縮され、出口142から排出される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the
When the
次に、インペラ10の特徴的な構成を説明する。
本実施形態のインペラ10は、気体に含まれる微粒子の衝突に起因する粒子エロージョンを抑止するため、異種材料を用いた熱溶融積層造形により成形されていることに主要な特徴を有する。
インペラ10には、インペラ10全体のコストや強度、靭性等の要求を充足する第1種の材料と、粒子エロージョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与する第2種の材料とが用いられている。 Next, a characteristic configuration of theimpeller 10 will be described.
Theimpeller 10 of the present embodiment has a main feature that it is molded by hot melt additive manufacturing using different materials in order to suppress particle erosion caused by collision of fine particles contained in gas.
Theimpeller 10 includes a first type material that satisfies the cost, strength, toughness and the like of the entire impeller 10 and a second type material that imparts erosion resistance sufficient to suppress particle erosion. .
本実施形態のインペラ10は、気体に含まれる微粒子の衝突に起因する粒子エロージョンを抑止するため、異種材料を用いた熱溶融積層造形により成形されていることに主要な特徴を有する。
インペラ10には、インペラ10全体のコストや強度、靭性等の要求を充足する第1種の材料と、粒子エロージョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与する第2種の材料とが用いられている。 Next, a characteristic configuration of the
The
The
本明細書では、流路14を流れる気体に含まれる水滴や塵埃、配管由来の異物等の微粒子が流路14の壁15に衝突することにより、壁15が摩耗、減肉したり、微粒子により侵食されることを「粒子エロージョン」というものとする。また、粒子エロージョンの抑止に足りる耐性のことを「耐エロージョン性」というものとする。
In the present specification, water droplets and dust contained in the gas flowing through the flow path 14 and fine particles such as foreign matters derived from the piping collide with the wall 15 of the flow path 14, so that the wall 15 is worn and thinned, The erosion is called “particle erosion”. Further, the resistance sufficient to suppress particle erosion is referred to as “erosion resistance”.
第1種の材料として、例えば、低合金鋼、ステンレス鋼、チタン合金等を用いることができる。
低合金鋼は、例えば、Ni-Cr-Mo鋼、Cr-Mo鋼等である。ステンレス鋼は、例えば、析出硬化型ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼等である。
第2種の材料としては、例えば、炭化タングステン(WC)を主として含むWC系の複合材(サーメット)等を用いることができる。
WC系複合材は、例えば、WC-NiCr、WC-Co、WC-CoCr等である。その他、第2種の材料として、Cr3C2系複合材、アルミナ-チタニア(AlO3-TiO2)、酸化クロムセラミックス(Cr2O3)等を用いることもできる。 As the first type material, for example, low alloy steel, stainless steel, titanium alloy or the like can be used.
Examples of the low alloy steel include Ni—Cr—Mo steel and Cr—Mo steel. Examples of the stainless steel include precipitation hardening type stainless steel, martensitic stainless steel, and duplex stainless steel.
As the second type material, for example, a WC composite material (cermet) mainly containing tungsten carbide (WC) can be used.
Examples of the WC composite material include WC—NiCr, WC—Co, and WC—CoCr. In addition, a Cr 3 C 2 composite material, alumina-titania (AlO 3 —TiO 2 ), chromium oxide ceramics (Cr 2 O 3 ), or the like can be used as the second type material.
低合金鋼は、例えば、Ni-Cr-Mo鋼、Cr-Mo鋼等である。ステンレス鋼は、例えば、析出硬化型ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼等である。
第2種の材料としては、例えば、炭化タングステン(WC)を主として含むWC系の複合材(サーメット)等を用いることができる。
WC系複合材は、例えば、WC-NiCr、WC-Co、WC-CoCr等である。その他、第2種の材料として、Cr3C2系複合材、アルミナ-チタニア(AlO3-TiO2)、酸化クロムセラミックス(Cr2O3)等を用いることもできる。 As the first type material, for example, low alloy steel, stainless steel, titanium alloy or the like can be used.
Examples of the low alloy steel include Ni—Cr—Mo steel and Cr—Mo steel. Examples of the stainless steel include precipitation hardening type stainless steel, martensitic stainless steel, and duplex stainless steel.
As the second type material, for example, a WC composite material (cermet) mainly containing tungsten carbide (WC) can be used.
Examples of the WC composite material include WC—NiCr, WC—Co, and WC—CoCr. In addition, a Cr 3 C 2 composite material, alumina-titania (AlO 3 —TiO 2 ), chromium oxide ceramics (Cr 2 O 3 ), or the like can be used as the second type material.
インペラ10は、上述した第1種の材料および第2種の材料を用いて熱溶融積層造形により成形されている。
第2種の材料は、流路14を区画する壁15の表面に用いられており、第1種の材料は、インペラ10の残部に用いられている。
図2および図1に示すように、流路14の壁15の表面15Aは、ハブ11の表面11Aと、シュラウド12の内側の面12Aと、ブレード13の腹側の面13Aと、それに対向する隣りのブレード13の背側の面13Bとから構成されている。ブレード13の腹側の面13Aが、そのブレード13の隣りのブレード13の背側の面13Bに向けて突き出している。 Theimpeller 10 is formed by hot melt additive manufacturing using the first type material and the second type material described above.
The second type material is used for the surface of thewall 15 that defines the flow path 14, and the first type material is used for the remaining part of the impeller 10.
As shown in FIGS. 2 and 1, thesurface 15A of the wall 15 of the flow path 14 faces the surface 11A of the hub 11, the inner surface 12A of the shroud 12, the ventral surface 13A of the blade 13, and the surface 15A. It is composed of a back surface 13B of the adjacent blade 13. An abdominal surface 13A of the blade 13 protrudes toward a back surface 13B of the blade 13 adjacent to the blade 13.
第2種の材料は、流路14を区画する壁15の表面に用いられており、第1種の材料は、インペラ10の残部に用いられている。
図2および図1に示すように、流路14の壁15の表面15Aは、ハブ11の表面11Aと、シュラウド12の内側の面12Aと、ブレード13の腹側の面13Aと、それに対向する隣りのブレード13の背側の面13Bとから構成されている。ブレード13の腹側の面13Aが、そのブレード13の隣りのブレード13の背側の面13Bに向けて突き出している。 The
The second type material is used for the surface of the
As shown in FIGS. 2 and 1, the
図3(a)には、流路14の壁15の表面15Aの一部が示されている。壁15の表面15Aから所定の厚みに亘り、第2種の材料を含む第2領域22が存在している。
第2領域22の厚み22Tは、必要な耐エロージョン性能や原料コスト等を考慮して定めることができる。第2領域22の厚み22Tは、例えば、1mm~15mmであることが好ましい。より好ましくは、5mm~15mmである。 FIG. 3A shows a part of thesurface 15 </ b> A of the wall 15 of the flow path 14. A second region 22 containing the second type material exists from the surface 15A of the wall 15 to a predetermined thickness.
Thethickness 22T of the second region 22 can be determined in consideration of necessary erosion resistance performance, raw material cost, and the like. The thickness 22T of the second region 22 is preferably 1 mm to 15 mm, for example. More preferably, it is 5 mm to 15 mm.
第2領域22の厚み22Tは、必要な耐エロージョン性能や原料コスト等を考慮して定めることができる。第2領域22の厚み22Tは、例えば、1mm~15mmであることが好ましい。より好ましくは、5mm~15mmである。 FIG. 3A shows a part of the
The
第2領域22は、第2種の材料から緻密に硬く形成されており、耐エロージョン性を有している。
第2領域22は、第1種の材料からなる第1領域21と一体に形成されている。
第2領域22は、ハブ11、シュラウド12、およびブレード13に亘る流路表面15Aの全域に亘り形成されている。 Thesecond region 22 is densely and hardly formed from the second type material and has erosion resistance.
Thesecond region 22 is formed integrally with the first region 21 made of the first type material.
Thesecond region 22 is formed over the entire flow path surface 15 </ b> A extending over the hub 11, the shroud 12, and the blade 13.
第2領域22は、第1種の材料からなる第1領域21と一体に形成されている。
第2領域22は、ハブ11、シュラウド12、およびブレード13に亘る流路表面15Aの全域に亘り形成されている。 The
The
The
図3(b)は、第1種の材料と第2種の材料との境界部分を模式的に示している。境界部分では材料濃度(体積濃度)が変化している。
第2領域22における表面15Aから所定の厚み22T100に亘り、第2種の材料の濃度が100%またはほぼ100%であることが好ましい。
厚み22T100は、例えば、1μm~3μmであることが好ましい。 FIG. 3B schematically shows a boundary portion between the first type material and the second type material. In the boundary portion, the material concentration (volume concentration) changes.
Over thesurface 15A in the second region 22 to a predetermined thickness 22T 100, it is preferable that the concentration of the second type of material is 100% or nearly 100%.
Thethickness 22T 100 is preferably 1 μm to 3 μm, for example.
第2領域22における表面15Aから所定の厚み22T100に亘り、第2種の材料の濃度が100%またはほぼ100%であることが好ましい。
厚み22T100は、例えば、1μm~3μmであることが好ましい。 FIG. 3B schematically shows a boundary portion between the first type material and the second type material. In the boundary portion, the material concentration (volume concentration) changes.
Over the
The
図3(b)に、インペラ10を構成する層Ly(1層のみ)を破線で示している。
後述するように積層される複数の層Lyの各々の厚み10Tは一定である。厚み10Tは、好ましくは10μm~50μmの範囲から、適宜な値に定められる。より好ましくは、30μm~50μmである。 In FIG. 3B, the layer Ly (only one layer) constituting theimpeller 10 is indicated by a broken line.
As will be described later, the thickness 10T of each of the plurality of layers Ly stacked is constant. The thickness 10T is preferably set to an appropriate value from the range of 10 μm to 50 μm. More preferably, the thickness is 30 μm to 50 μm.
後述するように積層される複数の層Lyの各々の厚み10Tは一定である。厚み10Tは、好ましくは10μm~50μmの範囲から、適宜な値に定められる。より好ましくは、30μm~50μmである。 In FIG. 3B, the layer Ly (only one layer) constituting the
As will be described later, the thickness 10T of each of the plurality of layers Ly stacked is constant. The thickness 10T is preferably set to an appropriate value from the range of 10 μm to 50 μm. More preferably, the thickness is 30 μm to 50 μm.
積層造形法に基づくインペラ10の製造について説明する。
本実施形態では、高エネルギーの熱源である電子ビーム(電子線)を使用した熱溶融積層造形により、インペラ10を製造する。
図4は、インペラ10の製造に用いることのできる積層造形装置30の一例を示している。
積層造形装置30は、電子ビームEBをターゲット面Tgに向けて導く電子ビーム導路31と、電子ビームEBの照射により起こる溶融と、凝固とを経て造形物W(インペラ10)が成形されるチャンバ32と、3次元データに基づいて積層造形装置30の各部を制御する制御装置33とを備えている。
電子ビーム導路31およびチャンバ32の内部は、外部の大気圧に対して所定の真空度にまで減圧されている。そのため、使用材料の酸化を抑えることができる。 The manufacture of theimpeller 10 based on the additive manufacturing method will be described.
In the present embodiment, theimpeller 10 is manufactured by hot melt additive manufacturing using an electron beam (electron beam) which is a high energy heat source.
FIG. 4 shows an example of anadditive manufacturing apparatus 30 that can be used for manufacturing the impeller 10.
Theadditive manufacturing apparatus 30 includes an electron beam guide path 31 that guides the electron beam EB toward the target surface Tg, a chamber in which a shaped article W (impeller 10) is formed through melting and solidification caused by irradiation of the electron beam EB. 32 and a control device 33 that controls each part of the additive manufacturing apparatus 30 based on the three-dimensional data.
The inside of theelectron beam guide 31 and the chamber 32 is depressurized to a predetermined degree of vacuum with respect to the external atmospheric pressure. Therefore, oxidation of the material used can be suppressed.
本実施形態では、高エネルギーの熱源である電子ビーム(電子線)を使用した熱溶融積層造形により、インペラ10を製造する。
図4は、インペラ10の製造に用いることのできる積層造形装置30の一例を示している。
積層造形装置30は、電子ビームEBをターゲット面Tgに向けて導く電子ビーム導路31と、電子ビームEBの照射により起こる溶融と、凝固とを経て造形物W(インペラ10)が成形されるチャンバ32と、3次元データに基づいて積層造形装置30の各部を制御する制御装置33とを備えている。
電子ビーム導路31およびチャンバ32の内部は、外部の大気圧に対して所定の真空度にまで減圧されている。そのため、使用材料の酸化を抑えることができる。 The manufacture of the
In the present embodiment, the
FIG. 4 shows an example of an
The
The inside of the
電子ビーム導路31は、電子ビームEBを放出する電子ビーム発生源311と、電子ビームEBの周りにいずれも配置される焦点コイル312および偏向コイル313を有している。
チャンバ32の内部空間には、電子ビームEBが照射されるターゲット面Tgが設定されている。ターゲット面Tgは水平な平面である。
チャンバ32の内部には、第1種の材料からなる第1種の粉体201をターゲット面Tgに供給するホッパ34と、第2種の材料からなる第2種の粉体202をターゲット面Tgに供給するホッパ35と、造形物Wを支持する可動テーブル36とが備えられている。
造形物Wの残留応力を考慮し、必要に応じて、造形物Wを加熱する加熱装置をチャンバ32内に設けて温度制御を行うことができる。 The electronbeam guide path 31 includes an electron beam generation source 311 that emits an electron beam EB, and a focusing coil 312 and a deflection coil 313 that are all disposed around the electron beam EB.
A target surface Tg to which the electron beam EB is irradiated is set in the internal space of thechamber 32. The target surface Tg is a horizontal plane.
Inside thechamber 32, a hopper 34 for supplying the first type powder 201 made of the first type material to the target surface Tg, and a second type powder 202 made of the second type material are placed on the target surface Tg. And a movable table 36 that supports the modeled product W are provided.
In consideration of the residual stress of the shaped article W, a heating device for heating the shaped article W can be provided in thechamber 32 to control the temperature as necessary.
チャンバ32の内部空間には、電子ビームEBが照射されるターゲット面Tgが設定されている。ターゲット面Tgは水平な平面である。
チャンバ32の内部には、第1種の材料からなる第1種の粉体201をターゲット面Tgに供給するホッパ34と、第2種の材料からなる第2種の粉体202をターゲット面Tgに供給するホッパ35と、造形物Wを支持する可動テーブル36とが備えられている。
造形物Wの残留応力を考慮し、必要に応じて、造形物Wを加熱する加熱装置をチャンバ32内に設けて温度制御を行うことができる。 The electron
A target surface Tg to which the electron beam EB is irradiated is set in the internal space of the
Inside the
In consideration of the residual stress of the shaped article W, a heating device for heating the shaped article W can be provided in the
図4および図5を参照し、積層造形装置30を用いたインペラ10の製造方法について説明する。
まず、制御装置33による制御の下、ホッパ34,35からターゲット面Tgへと、第1種の粉体201および第2種の粉体202を供給する(粉体供給ステップS1)。
ここで、3次元データを構成する二次元の断面データ(スライスデータ)に基づいてこれから形成するインペラ10の層に、例えば図3(b)の層Lyと同様に第1領域21および第2領域22の双方が含まれている場合は、第1種、第2種の粉体201,202の双方をターゲット面Tg内でそれぞれに定められた所定の範囲に供給する。これから形成する層において互いに離れた複数の範囲に第2領域22が分散している場合も、各範囲に第2種の粉体202を供給する。制御装置33は、第1種の粉体201および第2種の粉体202がそれぞれターゲット面Tgに供給される範囲、そして電子ビームEBが照射される範囲(第1領域21、第2領域22)を特定している。
これから形成する層に、第1領域21のみが含まれている場合は、第1種の粉体201のみをターゲット面Tg内の所定の範囲に供給する。
これから形成する層を構成する粉体(少なくとも第1種の粉体201)は、所定の厚みでターゲット面Tgに敷き詰められる。必要に応じて、ターゲット面Tgと平行に移動可能なレーキアーム(図示しない)を使用することができる。 With reference to FIG. 4 and FIG. 5, the manufacturing method of theimpeller 10 using the additive manufacturing apparatus 30 is demonstrated.
First, under the control of thecontrol device 33, the first type powder 201 and the second type powder 202 are supplied from the hoppers 34 and 35 to the target surface Tg (powder supply step S1).
Here, based on the two-dimensional cross-sectional data (slice data) constituting the three-dimensional data, thefirst region 21 and the second region are formed on the layer of the impeller 10 to be formed from now on, for example, similarly to the layer Ly in FIG. When both are included, both the first type and second type powders 201 and 202 are supplied to a predetermined range within the target surface Tg. Even when the second region 22 is dispersed in a plurality of ranges separated from each other in a layer to be formed, the second type powder 202 is supplied to each range. The control device 33 includes a range in which the first type powder 201 and the second type powder 202 are respectively supplied to the target surface Tg, and a range in which the electron beam EB is irradiated (first region 21 and second region 22). ) Is specified.
When only thefirst region 21 is included in the layer to be formed, only the first type powder 201 is supplied to a predetermined range in the target surface Tg.
The powder constituting the layer to be formed (at least the first type powder 201) is spread on the target surface Tg with a predetermined thickness. If necessary, a rake arm (not shown) that can move in parallel with the target surface Tg can be used.
まず、制御装置33による制御の下、ホッパ34,35からターゲット面Tgへと、第1種の粉体201および第2種の粉体202を供給する(粉体供給ステップS1)。
ここで、3次元データを構成する二次元の断面データ(スライスデータ)に基づいてこれから形成するインペラ10の層に、例えば図3(b)の層Lyと同様に第1領域21および第2領域22の双方が含まれている場合は、第1種、第2種の粉体201,202の双方をターゲット面Tg内でそれぞれに定められた所定の範囲に供給する。これから形成する層において互いに離れた複数の範囲に第2領域22が分散している場合も、各範囲に第2種の粉体202を供給する。制御装置33は、第1種の粉体201および第2種の粉体202がそれぞれターゲット面Tgに供給される範囲、そして電子ビームEBが照射される範囲(第1領域21、第2領域22)を特定している。
これから形成する層に、第1領域21のみが含まれている場合は、第1種の粉体201のみをターゲット面Tg内の所定の範囲に供給する。
これから形成する層を構成する粉体(少なくとも第1種の粉体201)は、所定の厚みでターゲット面Tgに敷き詰められる。必要に応じて、ターゲット面Tgと平行に移動可能なレーキアーム(図示しない)を使用することができる。 With reference to FIG. 4 and FIG. 5, the manufacturing method of the
First, under the control of the
Here, based on the two-dimensional cross-sectional data (slice data) constituting the three-dimensional data, the
When only the
The powder constituting the layer to be formed (at least the first type powder 201) is spread on the target surface Tg with a predetermined thickness. If necessary, a rake arm (not shown) that can move in parallel with the target surface Tg can be used.
続いて、断面データに基づいて、ターゲット面Tg内に特定された範囲(第1領域21および第2領域22)にだけ電子ビームEBを照射する(電子ビーム照射ステップS2)。このとき、制御装置33により焦点コイル312および偏向コイル313が電磁的に制御されることにより、ターゲット面Tg内における特定範囲を電子ビームEBが高速で走査する。第1種、第2種の粉体201,202は、電子ビームEBが入射した位置で局所的に溶融し、電子ビームEBが通過した後に凝固する。
適宜な加熱装置あるいは出力の低い電子ビームEBにより、溶融する前の第1種、第2種の粉体201,202を予熱することもできる。 Subsequently, based on the cross-sectional data, the electron beam EB is irradiated only to the range (thefirst region 21 and the second region 22) specified in the target surface Tg (electron beam irradiation step S2). At this time, the focus coil 312 and the deflection coil 313 are electromagnetically controlled by the control device 33, whereby the electron beam EB scans a specific range in the target surface Tg at high speed. The first and second type powders 201 and 202 are locally melted at the position where the electron beam EB is incident, and solidify after the electron beam EB has passed.
The first and second type powders 201 and 202 before melting can be preheated by an appropriate heating device or an electron beam EB having a low output.
適宜な加熱装置あるいは出力の低い電子ビームEBにより、溶融する前の第1種、第2種の粉体201,202を予熱することもできる。 Subsequently, based on the cross-sectional data, the electron beam EB is irradiated only to the range (the
The first and second type powders 201 and 202 before melting can be preheated by an appropriate heating device or an electron beam EB having a low output.
ターゲット面Tg内において特定された範囲の全域への電子ビームEBの照射を終えたならば、粉体の溶融および凝固を経て、ターゲット面Tgに層Lyが形成されている。
そして、可動テーブル36を層Lyの厚み(図3(b)の10T)の分だけ下げて、完成した層Lyをターゲット面Tgから退避(オフセット)させるように移動させる(移動ステップS3)。ターゲット面Tgは、直前に形成された層Lyの表面に設定されることとなる。 When the irradiation of the electron beam EB to the entire range within the target surface Tg is completed, the layer Ly is formed on the target surface Tg through melting and solidification of the powder.
Then, the movable table 36 is lowered by the thickness of the layer Ly (10T in FIG. 3B) and moved so that the completed layer Ly is retracted (offset) from the target surface Tg (moving step S3). The target surface Tg is set on the surface of the layer Ly formed immediately before.
そして、可動テーブル36を層Lyの厚み(図3(b)の10T)の分だけ下げて、完成した層Lyをターゲット面Tgから退避(オフセット)させるように移動させる(移動ステップS3)。ターゲット面Tgは、直前に形成された層Lyの表面に設定されることとなる。 When the irradiation of the electron beam EB to the entire range within the target surface Tg is completed, the layer Ly is formed on the target surface Tg through melting and solidification of the powder.
Then, the movable table 36 is lowered by the thickness of the layer Ly (10T in FIG. 3B) and moved so that the completed layer Ly is retracted (offset) from the target surface Tg (moving step S3). The target surface Tg is set on the surface of the layer Ly formed immediately before.
以上のステップS1~S3を、各層Lyの積層が完了するまで繰り返す。積層された層Lyは互いに密着した状態に結合されているため、インペラ10が一体に成形される。
造形物W(インペラ10)の周囲や、流路14および軸孔110の内側に相当する位置に供給された粉体201,202は、電子ビームEBが照射されていないため凝固していない。それらの粉体201,202を回収し、再度利用することができる。 The above steps S1 to S3 are repeated until the lamination of each layer Ly is completed. Since the stacked layers Ly are bonded in close contact with each other, theimpeller 10 is integrally formed.
The powders 201 and 202 supplied to the periphery of the modeled object W (impeller 10) and the positions corresponding to the inside of the flow path 14 and the shaft hole 110 are not solidified because they are not irradiated with the electron beam EB. These powders 201 and 202 can be collected and reused.
造形物W(インペラ10)の周囲や、流路14および軸孔110の内側に相当する位置に供給された粉体201,202は、電子ビームEBが照射されていないため凝固していない。それらの粉体201,202を回収し、再度利用することができる。 The above steps S1 to S3 are repeated until the lamination of each layer Ly is completed. Since the stacked layers Ly are bonded in close contact with each other, the
The
以上によれば、第1種の粉体201および第2種の粉体202を用いる熱溶融積層造形により、第1種の材料から形成された第1領域21と、第2種の材料から形成された第2領域22とを一体に備えたインペラ10が製造される。
積層造形の工程により成形されたインペラ10は、第2領域22により耐エロージョン性を具備しているので、後工程として、流路14の壁15に耐エロージョン性を付与するための硬質被膜を蒸着等の工程により形成する必要がない。
つまり、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、インペラ10の粒子エロージョンを抑止することができる。 According to the above, thefirst region 21 formed from the first type material and the second type material are formed by the hot melt additive manufacturing using the first type powder 201 and the second type powder 202. The impeller 10 integrally including the second region 22 thus manufactured is manufactured.
Since theimpeller 10 formed by the layered manufacturing process has erosion resistance due to the second region 22, a hard film for imparting erosion resistance to the wall 15 of the flow path 14 is deposited as a post process. It is not necessary to form by such processes.
That is, particle erosion of theimpeller 10 can be suppressed without increasing the number of manufacturing steps and suppressing costs.
積層造形の工程により成形されたインペラ10は、第2領域22により耐エロージョン性を具備しているので、後工程として、流路14の壁15に耐エロージョン性を付与するための硬質被膜を蒸着等の工程により形成する必要がない。
つまり、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、インペラ10の粒子エロージョンを抑止することができる。 According to the above, the
Since the
That is, particle erosion of the
熱溶融積層造形により成形されたインペラ10の流路14の壁15の表面粗さRa(JIS B 0601-2001)は、例えば、25~40μm程度である。その表面粗さRaは、鋳造や放電加工により成形されたインペラの流路の壁の表面粗さ(例えば25μm程度)と比べて悪くない。そのため、熱溶融積層造形により成形されたインペラ10の流路14の壁15に対して、研磨液を用いる湿式研磨や、粒子状の研磨材を吹き付ける乾式研磨を行うことにより、要求される表面粗さにまで容易に到達させることができる。そうした湿式研磨および乾式研磨を短時間で終えることが可能である。
The surface roughness Ra (JIS B 0601-2001) of the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 formed by hot melt additive manufacturing is, for example, about 25 to 40 μm. The surface roughness Ra is not worse than the surface roughness (for example, about 25 μm) of the walls of the flow path of the impeller formed by casting or electric discharge machining. Therefore, the required surface roughness is obtained by performing wet polishing using a polishing liquid or dry polishing by spraying a particulate abrasive on the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 formed by hot melt additive manufacturing. Can be easily reached. Such wet polishing and dry polishing can be completed in a short time.
その上、インペラ10の流路14が複雑な形状に構成されているとしても、インペラ10の断面データに基づいて、流路14の壁15の表面15Aに相当する位置に第2の粉体202を配置する熱溶融積層造形によれば、流路14の壁15の全域に、しかも表面15Aから所定の厚みに亘り、耐エロージョン性を付与することができる。
In addition, even if the flow path 14 of the impeller 10 is configured in a complicated shape, the second powder 202 is placed at a position corresponding to the surface 15A of the wall 15 of the flow path 14 based on the cross-sectional data of the impeller 10. According to the hot melt additive manufacturing, the erosion resistance can be imparted to the entire region of the wall 15 of the flow path 14 over the predetermined thickness from the surface 15A.
図3(b)に示すように、第1領域21と第2領域22との境界部分では、モノクロの濃淡で示す第2種の材料の濃度が、第1種の粉体201と第2種の粉体202との混合等に起因して、壁15の表面15Aからの距離に応じて変化している。
図6に濃度変化の一例を示すように、第2種の材料の濃度は、表面15Aから厚み22T100に亘る範囲では100%(またはほぼ100%)であり、それ以降は、表面15Aから離れるにつれて漸次低くなる。これに伴い、第1種の材料の濃度が漸次高くなり、表面15Aから一定以上離れると、第2種の金属材料を全くあるいは殆ど含んでいない第1領域21に至る。 As shown in FIG. 3B, at the boundary between thefirst region 21 and the second region 22, the concentration of the second type material indicated by the shade of monochrome is the first type powder 201 and the second type. Due to the mixing with the powder 202, etc., the wall 15 varies depending on the distance from the surface 15A.
As an example of density variation in FIG. 6, the concentration of the two materials is 100% in the range from thesurface 15A across the thickness 22T 100 (or nearly 100%), thereafter, away from the surface 15A It becomes lower gradually. Along with this, the concentration of the first type material gradually increases, and when it moves away from the surface 15A by a certain distance or more, it reaches the first region 21 containing no or almost no second type metal material.
図6に濃度変化の一例を示すように、第2種の材料の濃度は、表面15Aから厚み22T100に亘る範囲では100%(またはほぼ100%)であり、それ以降は、表面15Aから離れるにつれて漸次低くなる。これに伴い、第1種の材料の濃度が漸次高くなり、表面15Aから一定以上離れると、第2種の金属材料を全くあるいは殆ど含んでいない第1領域21に至る。 As shown in FIG. 3B, at the boundary between the
As an example of density variation in FIG. 6, the concentration of the two materials is 100% in the range from the
本実施形態では、表面15Aから厚み22T100の範囲内における第2種の金属材料の濃度が100%またはほぼ100%であり、第2種の金属材料の機械的特性を十分に得ることができるので、流路14の壁15の表面15Aに耐エロージョン性を確実に付与することができる。
その上、第2領域22と第1領域21とが、図6に示す濃度変化範囲22incのように材料濃度の傾斜をもって結合しているため、第2領域22と第1領域21とが表面15Aから一定の厚みだけ離れた位置を境界として傾斜をもたずに結合している場合とは異なり、表面15Aから離れるにつれて機械的特性が緩やかに変化する。そうすると、第2領域22と第1領域21との間の大きな硬度差をなくすことができるため、領域間の剥離を未然に防止し、長期に亘る使用によっても、第2領域22と第1領域21とを密着した状態に維持することができる。 In the present embodiment, the concentration of the second type of metallic material in the range from thesurface 15A of the thickness 22T 100 is 100%, or nearly 100%, it is possible to obtain the mechanical properties of the second type of metallic material sufficiently Therefore, erosion resistance can be reliably imparted to the surface 15A of the wall 15 of the flow path 14.
In addition, since thesecond region 22 and the first region 21 are coupled with an inclination of the material concentration as in the concentration change range 22inc shown in FIG. 6, the second region 22 and the first region 21 are connected to the surface 15A. Unlike the case where they are joined without being inclined at a position separated from the surface by a certain thickness, the mechanical characteristics gradually change as the distance from the surface 15A increases. In this case, since a large hardness difference between the second region 22 and the first region 21 can be eliminated, the separation between the regions can be prevented in advance, and the second region 22 and the first region can be used even after long-term use. 21 can be maintained in close contact with each other.
その上、第2領域22と第1領域21とが、図6に示す濃度変化範囲22incのように材料濃度の傾斜をもって結合しているため、第2領域22と第1領域21とが表面15Aから一定の厚みだけ離れた位置を境界として傾斜をもたずに結合している場合とは異なり、表面15Aから離れるにつれて機械的特性が緩やかに変化する。そうすると、第2領域22と第1領域21との間の大きな硬度差をなくすことができるため、領域間の剥離を未然に防止し、長期に亘る使用によっても、第2領域22と第1領域21とを密着した状態に維持することができる。 In the present embodiment, the concentration of the second type of metallic material in the range from the
In addition, since the
上記の製造工程(図5)では、第1種の粉体201および第2種の粉体202の双方をターゲット面Tg内でそれぞれに定められた所定の範囲に供給し(ステップS1)、電子ビームEBにより粉体201,202の双方を走査して溶融および凝固させているが(ステップS2)、粉体の供給、溶融および凝固を、図7(a)~(d)に示すように第1種の粉体201と第2種の粉体202とで個別に行うこともできる。
まず、図7(a)に示すように、第1種の金属粉体201のみをターゲット面Tgに供給し(第1種の粉体供給ステップ)、特定範囲A1への電子ビームEBの照射により第1種の金属粉体201を溶融および凝固させる(電子ビーム照射ステップ)。それによって第1領域21が形成される。
その後、図7(b)に示すように、ターゲット面Tgにおいて第1領域21に隣接する位置に、第1種の粉体201を除去してから第2種の粉体202を供給し(第2種の粉体供給ステップ)、特定範囲A2への電子ビームEBの照射により溶融および凝固させる(電子ビーム照射ステップ)。それによって、第1領域21と同じ層に第2領域22が形成される。第2領域22は、第1領域21と密着した状態で結合される。
以降、図7(c)および(d)に示すように、完成した層Lyをターゲット面Tgに対して相対変位させながら、同様に、第1種の粉体201と第2種の粉体202とについて、個別に、粉体供給、溶融および凝固を繰り返す。 In the manufacturing process (FIG. 5), both the first-type powder 201 and the second-type powder 202 are supplied to a predetermined range within the target surface Tg (step S1), and the electron Both the powders 201 and 202 are scanned by the beam EB to be melted and solidified (step S2). However, the powder supply, melting and solidification are performed as shown in FIGS. It can also carry out separately with the 1st type powder 201 and the 2nd type powder 202. FIG.
First, as shown in FIG. 7A, only the firsttype metal powder 201 is supplied to the target surface Tg (first type powder supply step), and the electron beam EB is irradiated to the specific range A1. The first type metal powder 201 is melted and solidified (electron beam irradiation step). Thereby, the first region 21 is formed.
After that, as shown in FIG. 7B, thefirst type powder 201 is removed and the second type powder 202 is supplied to the position adjacent to the first region 21 on the target surface Tg (first type). Two kinds of powder supply steps), melting and solidifying by irradiation of the electron beam EB to the specific range A2 (electron beam irradiation step). Thereby, the second region 22 is formed in the same layer as the first region 21. The second region 22 is bonded in close contact with the first region 21.
Thereafter, as shown in FIGS. 7C and 7D, the first-type powder 201 and the second-type powder 202 are similarly produced while relatively displacing the completed layer Ly with respect to the target surface Tg. And separately, powder supply, melting and solidification are repeated.
まず、図7(a)に示すように、第1種の金属粉体201のみをターゲット面Tgに供給し(第1種の粉体供給ステップ)、特定範囲A1への電子ビームEBの照射により第1種の金属粉体201を溶融および凝固させる(電子ビーム照射ステップ)。それによって第1領域21が形成される。
その後、図7(b)に示すように、ターゲット面Tgにおいて第1領域21に隣接する位置に、第1種の粉体201を除去してから第2種の粉体202を供給し(第2種の粉体供給ステップ)、特定範囲A2への電子ビームEBの照射により溶融および凝固させる(電子ビーム照射ステップ)。それによって、第1領域21と同じ層に第2領域22が形成される。第2領域22は、第1領域21と密着した状態で結合される。
以降、図7(c)および(d)に示すように、完成した層Lyをターゲット面Tgに対して相対変位させながら、同様に、第1種の粉体201と第2種の粉体202とについて、個別に、粉体供給、溶融および凝固を繰り返す。 In the manufacturing process (FIG. 5), both the first-
First, as shown in FIG. 7A, only the first
After that, as shown in FIG. 7B, the
Thereafter, as shown in FIGS. 7C and 7D, the first-
上記の手順によれば、第1種の粉体201と第2種の粉体202とが殆ど混合しないので、第2種の粉体202の使用量を抑えつつ、所定の厚みに亘って100%またはほぼ100%の第2種の材料濃度を実現でき、それによって所望の耐エロージョン性能を得ることができる。
According to the above procedure, since the first type powder 201 and the second type powder 202 are hardly mixed, the amount of the second type powder 202 is suppressed and the amount of 100 is increased over a predetermined thickness. % Or nearly 100% of the second material concentration can be achieved, thereby obtaining the desired erosion resistance.
本実施形態において、第1粉体201および第2粉体202を溶融させる熱源として、電子ビームEBに代えて、レーザービームを用いることもできる。その場合は、積層造形装置30に、電子ビーム発生源311に代えてレーザー発振器が備えられていればよい。
In this embodiment, a laser beam can be used as a heat source for melting the first powder 201 and the second powder 202 in place of the electron beam EB. In that case, the layered manufacturing apparatus 30 may be provided with a laser oscillator instead of the electron beam generation source 311.
また、流路14の壁15の必ずしも全域に耐エロージョン性が付与されている必要はない。粒子エロージョンは、流路14の入口141およびその近傍に顕著に生じ易いので、流路14の入口141およびその近傍にのみ、第2種の材料により耐エロージョン性を付与することもできる。
その場合は、断面データに基づいて、入口141およびその近傍における壁15の表面15Aに対応する範囲に第2種の粉体202を供給し、溶融および凝固させればよい。そうすることで、第2種の粉体202に要するコストを抑えつつ、耐エロージョン性を付与することができる。 Further, the erosion resistance is not necessarily given to the entire region of thewall 15 of the flow path 14. Since particle erosion is likely to occur remarkably at the inlet 141 of the flow path 14 and the vicinity thereof, the erosion resistance can be imparted by the second type material only at the inlet 141 of the flow path 14 and the vicinity thereof.
In that case, based on the cross-sectional data, thesecond type powder 202 may be supplied to the range corresponding to the surface 15A of the wall 15 in the vicinity of the inlet 141 and melted and solidified. By doing so, erosion resistance can be imparted while suppressing the cost required for the second type powder 202.
その場合は、断面データに基づいて、入口141およびその近傍における壁15の表面15Aに対応する範囲に第2種の粉体202を供給し、溶融および凝固させればよい。そうすることで、第2種の粉体202に要するコストを抑えつつ、耐エロージョン性を付与することができる。 Further, the erosion resistance is not necessarily given to the entire region of the
In that case, based on the cross-sectional data, the
あるいは、流路14の入口141およびその近傍には第2種の材料により耐エロージョン性を付与しつつ、流路14のそれ以外の箇所には、第3種の材料により耐エロージョン性を付与することもできる。第3種の材料として、第2種の材料よりも安価な材料を選定することが好ましい。第3種の材料からなる第3種の粉体を供給するホッパ等を用意することで、上述した積層造形の手順と同様にしてインペラを製造することができる。
Alternatively, erosion resistance is imparted to the other portions of the channel 14 by the third type material while the inlet 141 of the channel 14 and the vicinity thereof are imparted with the erosion resistance by the second type material. You can also. It is preferable to select a material that is less expensive than the second type material as the third type material. By preparing a hopper or the like for supplying the third type powder made of the third type material, the impeller can be manufactured in the same manner as the layered modeling procedure described above.
第2種の材料を用いる部位として選定されるのは、入口141およびその近傍には限らない。流路14を区画するブレード13の表面13A,13B、ハブ11の表面11A、およびシュラウド12の内側の面12Aから適宜に選択した箇所にのみ、第2種の金属材料を用いて耐エロージョン性を付与することができる。
It is not limited to the inlet 141 and the vicinity thereof that is selected as the site using the second type material. The second type metal material is used to provide erosion resistance only at locations appropriately selected from the surfaces 13A and 13B of the blade 13 that define the flow path 14, the surface 11A of the hub 11, and the inner surface 12A of the shroud 12. Can be granted.
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態に係るインペラについて説明する。
第1実施形態のインペラ10と同様、第2実施形態のインペラ20も、図8(a)に流路14の壁15を示すように、壁15の表面15Aを形成する第2領域22と、インペラ10の残部である第1領域21とを備えており、第1種の粉体と第2種の粉体とを用いた積層造形により製造される。 [Second Embodiment]
Next, an impeller according to a second embodiment of the present invention will be described.
Similar to theimpeller 10 of the first embodiment, the impeller 20 of the second embodiment also includes a second region 22 that forms the surface 15A of the wall 15 as shown in FIG. 1st area | region 21 which is the remainder of the impeller 10 is provided, and it manufactures by the additive manufacturing using the 1st type powder and the 2nd type powder.
次に、本発明の第2実施形態に係るインペラについて説明する。
第1実施形態のインペラ10と同様、第2実施形態のインペラ20も、図8(a)に流路14の壁15を示すように、壁15の表面15Aを形成する第2領域22と、インペラ10の残部である第1領域21とを備えており、第1種の粉体と第2種の粉体とを用いた積層造形により製造される。 [Second Embodiment]
Next, an impeller according to a second embodiment of the present invention will be described.
Similar to the
第2実施形態は、第2種の粉体として、図8(b)に示すような、金属被膜42付きの被膜粉体40を用いることが第1実施形態とは相違している。その他は、第1実施形態と同様である。
被膜粉体40は、耐エロージョン性を付与可能な粉末本体41と、粉末本体41に施された金属被膜42とを備えている。この被膜粉体40をホッパ35(図4)からターゲット面Tgへと供給し、第1実施形態と同様に熱溶融積層造形を行う。 The second embodiment is different from the first embodiment in that acoating powder 40 with a metal coating 42 as shown in FIG. 8B is used as the second type powder. Others are the same as in the first embodiment.
Thecoating powder 40 includes a powder body 41 that can impart erosion resistance, and a metal coating 42 applied to the powder body 41. The coated powder 40 is supplied from the hopper 35 (FIG. 4) to the target surface Tg, and hot melt additive manufacturing is performed as in the first embodiment.
被膜粉体40は、耐エロージョン性を付与可能な粉末本体41と、粉末本体41に施された金属被膜42とを備えている。この被膜粉体40をホッパ35(図4)からターゲット面Tgへと供給し、第1実施形態と同様に熱溶融積層造形を行う。 The second embodiment is different from the first embodiment in that a
The
粉末本体41は、硬い金属材料(W、Cr等)、あるいは金属化合物(炭化化合物、窒化化合物、酸化化合物等)を用いて形成することができる。具体的には、第1実施形態で説明した第2種の材料と同様の材料を用いて粉末本体41を形成することができる。
粉末本体41は、ここでは球状の粒子であるが、適宜な形状であってよく、さらには不定形な形状であってもよい。 Thepowder body 41 can be formed using a hard metal material (W, Cr, etc.) or a metal compound (carbonized compound, nitride compound, oxide compound, etc.). Specifically, the powder main body 41 can be formed using a material similar to the second type material described in the first embodiment.
Thepowder body 41 is a spherical particle here, but may have an appropriate shape, and may further have an irregular shape.
粉末本体41は、ここでは球状の粒子であるが、適宜な形状であってよく、さらには不定形な形状であってもよい。 The
The
金属被膜42は、粉末本体41よりも融点が低いか、あるいは粉末本体41よりも拡散係数の大きい金属材料を用いて形成されている。
金属被膜42は、積層造形の加熱条件や圧力条件下では粉末本体41が溶融しない、あるいは拡散しない場合であっても、粉末本体41と周囲の物質とを結合させる結合材として機能する。 Themetal coating 42 is formed using a metal material having a melting point lower than that of the powder body 41 or a diffusion coefficient larger than that of the powder body 41.
Themetal coating 42 functions as a binder that bonds the powder body 41 and the surrounding substance even when the powder body 41 does not melt or diffuse under the heating and pressure conditions of additive manufacturing.
金属被膜42は、積層造形の加熱条件や圧力条件下では粉末本体41が溶融しない、あるいは拡散しない場合であっても、粉末本体41と周囲の物質とを結合させる結合材として機能する。 The
The
電子ビームEBあるいはレーザービームの照射により金属被膜42が溶融する場合は、金属被膜42を介して、粉末本体41同士が融着されるとともに、粉末本体41が、それに隣接する第1領域21に融着される。また、金属被膜42を介して、積層された層Ly同士も融着される。溶融した金属被膜42は、結合材として成形後のインペラ10に残存する。
一方、電子ビームEBあるいはレーザービームの照射による加熱条件およびチャンバ32内の圧力条件下で金属被膜42が粉末本体41へと拡散する場合は、金属被膜42を介して、粉末本体41同士が接合されるとともに、粉末本体41が、それに隣接する第1領域21に接合される。また、金属被膜42を介して、積層された層Ly同士も接合される。この場合も、拡散した金属被膜42が結合材として成形後のインペラ10に残存する。 When themetal film 42 is melted by irradiation with the electron beam EB or the laser beam, the powder bodies 41 are fused to each other through the metal film 42 and the powder body 41 is fused to the first region 21 adjacent thereto. Worn. In addition, the stacked layers Ly are also fused through the metal coating 42. The melted metal film 42 remains on the impeller 10 after molding as a binder.
On the other hand, when themetal coating 42 diffuses into the powder body 41 under the heating condition by the irradiation with the electron beam EB or the laser beam and the pressure condition in the chamber 32, the powder bodies 41 are joined to each other through the metal coating 42. At the same time, the powder body 41 is joined to the first region 21 adjacent thereto. Further, the stacked layers Ly are also bonded to each other through the metal coating 42. Also in this case, the diffused metal coating 42 remains on the impeller 10 after molding as a binder.
一方、電子ビームEBあるいはレーザービームの照射による加熱条件およびチャンバ32内の圧力条件下で金属被膜42が粉末本体41へと拡散する場合は、金属被膜42を介して、粉末本体41同士が接合されるとともに、粉末本体41が、それに隣接する第1領域21に接合される。また、金属被膜42を介して、積層された層Ly同士も接合される。この場合も、拡散した金属被膜42が結合材として成形後のインペラ10に残存する。 When the
On the other hand, when the
金属被膜42は、例えば、融点が230℃~1700℃の範囲である適宜な金属材料から形成することができる。
また、金属被膜42は、例えば、固相における自己拡散係数が1×10-7m2/s~1×10-20m2/sの範囲である適宜な金属材料から形成することができる。
上記の融点および拡散係数の条件を満たす金属材料としては、具体的には、Sn,Zn,Al,Fe,Ti等が該当する。
金属被膜42として、第1領域21に用いる第1種の材料と同様の金属材料を用いることもできる。 Themetal coating 42 can be formed from an appropriate metal material having a melting point in the range of 230 ° C. to 1700 ° C., for example.
Themetal coating 42 can be formed of, for example, an appropriate metal material having a self-diffusion coefficient in the solid phase in the range of 1 × 10 −7 m 2 / s to 1 × 10 −20 m 2 / s.
Specifically, Sn, Zn, Al, Fe, Ti, etc. correspond to the metal material satisfying the above melting point and diffusion coefficient.
As themetal coating 42, a metal material similar to the first type material used for the first region 21 can also be used.
また、金属被膜42は、例えば、固相における自己拡散係数が1×10-7m2/s~1×10-20m2/sの範囲である適宜な金属材料から形成することができる。
上記の融点および拡散係数の条件を満たす金属材料としては、具体的には、Sn,Zn,Al,Fe,Ti等が該当する。
金属被膜42として、第1領域21に用いる第1種の材料と同様の金属材料を用いることもできる。 The
The
Specifically, Sn, Zn, Al, Fe, Ti, etc. correspond to the metal material satisfying the above melting point and diffusion coefficient.
As the
金属被膜42は、融着あるいは拡散接合により、粉末本体41同士の結合、第1、第2領域21,22同士の結合、そして層Ly間の結合に足りる膜厚で形成されている。金属被膜42の厚みは、例えば、10nm~50μmである。粉末本体41の平均粒径は、例えば、10nm~10μmである。
金属被膜42は、粉末本体41の外周面全体に、均一な膜厚で形成されていることが好ましい。 Themetal coating 42 is formed with a film thickness sufficient for bonding between the powder bodies 41, bonding between the first and second regions 21 and 22, and bonding between the layers Ly by fusion bonding or diffusion bonding. The thickness of the metal coating 42 is, for example, 10 nm to 50 μm. The average particle diameter of the powder body 41 is, for example, 10 nm to 10 μm.
Themetal coating 42 is preferably formed on the entire outer peripheral surface of the powder body 41 with a uniform film thickness.
金属被膜42は、粉末本体41の外周面全体に、均一な膜厚で形成されていることが好ましい。 The
The
粉末本体41に金属被膜42を施す方法は限定されないが、例えば、溶液反応を利用すると、溶液中での粉末本体41の表面エネルギーの寄与により、粉末本体41全体を覆うように金属被膜42を均一な膜厚で析出させ、溶液中で粉末本体41の分散状態を保持しながら溶液反応を進めることによって、各粉末本体41に例えば10nm~100μmの膜厚の金属被膜42を形成することができる。
The method of applying the metal coating 42 to the powder body 41 is not limited. For example, when solution reaction is used, the metal coating 42 is uniformly covered so as to cover the entire powder body 41 due to the contribution of the surface energy of the powder body 41 in the solution. A metal film 42 having a film thickness of, for example, 10 nm to 100 μm can be formed on each powder body 41 by depositing the film body with a sufficient film thickness and proceeding with the solution reaction while maintaining the dispersion state of the powder body 41 in the solution.
第2実施形態によれば、粉末本体41に金属被膜42が施されていることにより、単体では熱溶融積層造形による成形が困難であっても高い耐エロージョン性を付与可能な材料を粉末本体41に採用することができる。つまり、材料選択の自由度が向上する。
粉末本体41には、セラミックも採用可能である。セラミックのバルクから、複雑な流路14を有するインペラを機械加工することは難しくても、セラミックの粉末本体41に金属被膜42が施された被膜粉体40を用いて積層造形を行うことにより、複雑な流路14を有するセラミック分散型インペラ20を製造できる。つまり、セラミックおよび金属の複合材である被膜粉体40を備えることにより、流路の壁面にセラミック並みの硬度を持ち、かつ、セラミックよりも靭性が高いインペラ20を実現できる。 According to the second embodiment, since thepowder body 41 is provided with the metal coating 42, the powder body 41 is made of a material capable of imparting high erosion resistance even if it is difficult to form by single-piece hot melt lamination molding. Can be adopted. That is, the degree of freedom in material selection is improved.
Ceramic can also be used for thepowder body 41. Although it is difficult to machine an impeller having a complicated flow path 14 from a ceramic bulk, by performing layered modeling using a coating powder 40 in which a metal coating 42 is applied to a ceramic powder body 41, A ceramic dispersion type impeller 20 having a complicated flow path 14 can be manufactured. In other words, by providing the coating powder 40 which is a composite material of ceramic and metal, the impeller 20 having a wall surface of the flow channel having hardness similar to ceramic and higher toughness than ceramic can be realized.
粉末本体41には、セラミックも採用可能である。セラミックのバルクから、複雑な流路14を有するインペラを機械加工することは難しくても、セラミックの粉末本体41に金属被膜42が施された被膜粉体40を用いて積層造形を行うことにより、複雑な流路14を有するセラミック分散型インペラ20を製造できる。つまり、セラミックおよび金属の複合材である被膜粉体40を備えることにより、流路の壁面にセラミック並みの硬度を持ち、かつ、セラミックよりも靭性が高いインペラ20を実現できる。 According to the second embodiment, since the
Ceramic can also be used for the
図9は、本発明の変形例に係るインペラの流路14の壁18を示している。
熱溶融積層造形により成形された壁18の表面18Aは、表面18Aよりも硬度が高い被膜19により覆われている。被膜19は、例えば1000HV~4000HVの範囲のビッカース硬さを有しており、例えば、スピンコーティング、物理蒸着、化学蒸着等の適宜な方法で形成されている。
被膜19は、流路14の壁18の表面18Aの全域に亘り形成することもできるし、壁18の表面18Aの少なくとも一部の領域のみに形成することもできる。
被膜19は、壁18の表面18Aを形成する第1材料または第2材料を覆っている。
ここで、熱溶融積層造形により成形されたインペラの壁18の表面粗さは上述したように例えば25~40μm程度であるため、インペラ10の母材表面の微小な凹凸と、被膜19とがアンカー効果により強固に接合される。これにより、被膜19の剥離を防いで母材に密着した状態に維持することができる。 FIG. 9 shows thewall 18 of the flow path 14 of the impeller according to a modification of the present invention.
Thesurface 18A of the wall 18 formed by hot melt additive manufacturing is covered with a coating 19 having a higher hardness than the surface 18A. The coating 19 has a Vickers hardness in the range of, for example, 1000 HV to 4000 HV, and is formed by an appropriate method such as spin coating, physical vapor deposition, or chemical vapor deposition.
Thecoating 19 can be formed over the entire surface 18A of the wall 18 of the flow path 14, or can be formed only in at least a partial region of the surface 18A of the wall 18.
Thecoating 19 covers the first material or the second material that forms the surface 18A of the wall 18.
Here, since the surface roughness of theimpeller wall 18 formed by hot melt additive manufacturing is, for example, about 25 to 40 μm as described above, the minute irregularities on the surface of the base material of the impeller 10 and the coating film 19 are anchored. Strongly bonded due to the effect. Thereby, peeling of the coating film 19 can be prevented, and it can maintain in the state closely_contact | adhered to the base material.
熱溶融積層造形により成形された壁18の表面18Aは、表面18Aよりも硬度が高い被膜19により覆われている。被膜19は、例えば1000HV~4000HVの範囲のビッカース硬さを有しており、例えば、スピンコーティング、物理蒸着、化学蒸着等の適宜な方法で形成されている。
被膜19は、流路14の壁18の表面18Aの全域に亘り形成することもできるし、壁18の表面18Aの少なくとも一部の領域のみに形成することもできる。
被膜19は、壁18の表面18Aを形成する第1材料または第2材料を覆っている。
ここで、熱溶融積層造形により成形されたインペラの壁18の表面粗さは上述したように例えば25~40μm程度であるため、インペラ10の母材表面の微小な凹凸と、被膜19とがアンカー効果により強固に接合される。これにより、被膜19の剥離を防いで母材に密着した状態に維持することができる。 FIG. 9 shows the
The
The
The
Here, since the surface roughness of the
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
本発明のインペラを軽量化するため、あるいは熱溶融積層造形時の熱応力による変形を抑えるため、インペラの一部、特に厚肉部に、中空部を形成することもできる。 In addition to the above, as long as the gist of the present invention is not deviated, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
In order to reduce the weight of the impeller of the present invention or to suppress deformation due to thermal stress during hot melt layered modeling, a hollow portion can be formed in a part of the impeller, particularly in a thick portion.
本発明のインペラを軽量化するため、あるいは熱溶融積層造形時の熱応力による変形を抑えるため、インペラの一部、特に厚肉部に、中空部を形成することもできる。 In addition to the above, as long as the gist of the present invention is not deviated, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
In order to reduce the weight of the impeller of the present invention or to suppress deformation due to thermal stress during hot melt layered modeling, a hollow portion can be formed in a part of the impeller, particularly in a thick portion.
10 インペラ
10R 矢印
10T 層の厚み
11 ハブ
11A 表面
12 シュラウド
12A 内側の面
13 ブレード
13A 腹側の面
13B 背側の面
14 流路
15 壁
15A 表面
20 インペラ
21 第1領域
22 第2領域
22T100 厚み
22Tinc 濃度変化範囲
30 積層造形装置
31 電子ビーム導路
32 チャンバ
33 制御装置
34,35 ホッパ
36 可動テーブル
40 被膜粉体
41 粉末本体(結合材)
42 金属被膜
110 軸孔
141 入口
142 出口
201 第1種の粉体
202 第2種の粉体
311 電子ビーム発生源
312 焦点コイル
313 偏向コイル
A1 特定範囲
EB 電子ビーム
F 矢印
Ly 層
S1 粉体供給ステップ(第1ステップ)
S2 電子ビーム照射ステップ(第2ステップ)
S3 移動ステップ(第3ステップ)
Tg ターゲット面
W 造形物 10impeller 10R arrow 10T layer thickness 11 hub 11A surface 12 shroud 12A inner surface 13 blade 13A ventral surface 13B dorsal surface 14 channel 15 wall 15A surface 20 impeller 21 first region 22 second region 22T 100 thickness 22Tinc concentration change range 30 additive manufacturing apparatus 31 electron beam guide path 32 chamber 33 controller 34, 35 hopper 36 movable table 40 coating powder 41 powder body (binding material)
42Metal coating 110 Shaft hole 141 Inlet 142 Outlet 201 First type powder 202 Second type powder 311 Electron beam generation source 312 Focus coil 313 Deflection coil A1 Specific range EB Electron beam F Arrow Ly Layer S1 Powder supply step (First step)
S2 Electron beam irradiation step (second step)
S3 Movement step (third step)
Tg Target surface W Modeled object
10R 矢印
10T 層の厚み
11 ハブ
11A 表面
12 シュラウド
12A 内側の面
13 ブレード
13A 腹側の面
13B 背側の面
14 流路
15 壁
15A 表面
20 インペラ
21 第1領域
22 第2領域
22T100 厚み
22Tinc 濃度変化範囲
30 積層造形装置
31 電子ビーム導路
32 チャンバ
33 制御装置
34,35 ホッパ
36 可動テーブル
40 被膜粉体
41 粉末本体(結合材)
42 金属被膜
110 軸孔
141 入口
142 出口
201 第1種の粉体
202 第2種の粉体
311 電子ビーム発生源
312 焦点コイル
313 偏向コイル
A1 特定範囲
EB 電子ビーム
F 矢印
Ly 層
S1 粉体供給ステップ(第1ステップ)
S2 電子ビーム照射ステップ(第2ステップ)
S3 移動ステップ(第3ステップ)
Tg ターゲット面
W 造形物 10
42
S2 Electron beam irradiation step (second step)
S3 Movement step (third step)
Tg Target surface W Modeled object
Claims (10)
- 熱溶融積層造形によりインペラを製造する方法であって、
金属材料からなる第1種の粉体、および耐エロージョン性を付与可能な第2種の粉体のうち少なくとも前記第1種の粉体を所定のターゲット面に供給する第1ステップと、
3次元データを構成する断面データに基づいて、前記ターゲット面内において特定された範囲に熱源であるビームを照射する第2ステップと、
前記ビームの照射により起こる溶融と、凝固とを経て形成された層を前記層の厚み分だけ前記ターゲット面に対して変位させる第3ステップと、を繰り返して前記層が積層されることにより、前記インペラの流路を区画する壁の表面に前記第2種の粉体の材料を含み、前記耐エロージョン性が付与された前記インペラを成形する、
ことを特徴とするインペラの製造方法。 A method of manufacturing an impeller by hot melt additive manufacturing,
A first step of supplying at least the first type powder to the predetermined target surface among the first type powder made of a metal material and the second type powder capable of imparting erosion resistance;
A second step of irradiating a beam, which is a heat source, on a range specified in the target surface based on cross-sectional data constituting three-dimensional data;
By repeating the third step of displacing the layer formed through melting caused by irradiation of the beam and solidification with respect to the target surface by the thickness of the layer, the layer is laminated, Including the material of the second type powder on the surface of the wall defining the flow path of the impeller, and molding the impeller imparted with the erosion resistance,
An impeller manufacturing method characterized by the above. - 前記第2種の粉体として、
前記耐エロージョン性を付与可能な粉末本体と、前記粉末本体に施された金属被膜と、を有する被膜粉体を用いる、
ことを特徴とする請求項1に記載のインペラの製造方法。 As the second type powder,
Using a coating powder having a powder body capable of imparting the erosion resistance, and a metal coating applied to the powder body,
The impeller manufacturing method according to claim 1. - 前記第1ステップでは、前記断面データに基づいて、前記インペラの前記流路の入口またはその近傍における前記壁の表面に対応する範囲に前記第2種の粉体を供給し、前記インペラの残部に対応する範囲に前記第1種の粉体を供給する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のインペラの製造方法。 In the first step, based on the cross-sectional data, the second type powder is supplied to a range corresponding to the surface of the wall at or near the inlet of the flow path of the impeller, and the remaining portion of the impeller Supplying the first type powder to the corresponding range;
An impeller manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein - 前記第2ステップでは、
前記熱源である電子ビームまたはレーザービームを、大気圧に対して減圧されたチャンバ内に設定された前記ターゲット面内における所定範囲に照射する、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のインペラの製造方法。 In the second step,
Irradiating an electron beam or laser beam as the heat source to a predetermined range in the target surface set in a chamber depressurized with respect to atmospheric pressure,
The method for manufacturing an impeller according to any one of claims 1 to 3, wherein: - 熱溶融積層造形により成形されたインペラであって、
金属材料である第1種の材料と、耐エロージョン性を付与する第2種の材料と、を含み、
前記インペラの流路を区画する壁の表面の少なくとも一部は、前記熱溶融積層造形により前記第2種の材料から形成されている、
ことを特徴とするインペラ。 An impeller molded by hot melt additive manufacturing,
A first type material that is a metal material, and a second type material that imparts erosion resistance,
At least a part of the surface of the wall that defines the flow path of the impeller is formed from the second type material by the hot melt additive manufacturing,
Impeller characterized by that. - 前記第2種の材料は、
前記耐エロージョン性を付与する粉末本体と、前記粉末本体同士を結合する結合材と、を含む、
ことを特徴とする請求項5に記載のインペラ。 The second type material is:
Including a powder body that imparts erosion resistance, and a binder that bonds the powder bodies together.
The impeller according to claim 5. - 前記第2種の材料は、前記流路の入口またはその近傍における前記壁の表面を形成し、
前記第1種の材料は、前記インペラにおける残部を形成する、
ことを特徴とする請求項5または6に記載のインペラ。 The second type material forms the surface of the wall at or near the inlet of the flow path,
The first type material forms the remainder of the impeller;
The impeller according to claim 5 or 6, characterized in that. - 前記第2種の材料により形成された前記表面から所定の厚みに亘り、前記第2種の材料の濃度が100%またはほぼ100%である、
ことを特徴とする請求項5から7のいずれか一項に記載のインペラ。 The concentration of the second type material is 100% or almost 100% over a predetermined thickness from the surface formed by the second type material,
The impeller according to any one of claims 5 to 7, wherein - 前記第2種の材料を含む第2領域において前記第2種の材料の濃度が100%またはほぼ100%である範囲と、前記第1種の材料を100%またはほぼ100%の濃度で含む第1領域との間では、
前記表面から離れるにつれて前記第2種の材料の濃度が漸次低くなる、
ことを特徴とする請求項8に記載のインペラ。 In the second region containing the second type material, the concentration of the second type material is 100% or almost 100%, and the first type material contains the first type material at a concentration of 100% or almost 100%. Between one area,
As the distance from the surface increases, the concentration of the second type material gradually decreases.
The impeller according to claim 8. - 前記第1種の材料または前記第2種の材料により形成された前記壁の前記表面の少なくとも一部の領域には、前記表面を覆う被膜が形成されている、
ことを特徴とする請求項5から9のいずれか一項に記載のインペラ。 A coating covering the surface is formed in at least a part of the surface of the wall formed of the first type material or the second type material.
The impeller according to any one of claims 5 to 9, wherein
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- 2016-03-29 JP JP2016065615A patent/JP2017180177A/en active Pending
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- 2017-03-29 WO PCT/JP2017/012987 patent/WO2017170729A1/en active Application Filing
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