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JP6599328B2 - 粉末の選択的溶融により部品を生産するための方法 - Google Patents

粉末の選択的溶融により部品を生産するための方法 Download PDF

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Description

本開示は、粉末を選択的に溶融することにより部品を製造する方法に関する。
粉末を選択的に溶融することにより部品を製造するための方法は、すでに知られている。これらの方法は、粉末の層を重ねることにより部品を製造することにあり、層は、各層の表面上を通過するレーザビームまたは電子ビームにより、局所的に交互に堆積および溶融される。各層においてレーザが辿る経路は、作製される連続層の点の３次元座標が記録されているシステムにより決定される。これらの方法は、「直接金属レーザ焼結法」、「選択的レーザ溶融法」、「レーザビーム溶融法」、または「電子ビーム溶融法」という名称で知られている。
この種の方法の既知の例は、特許文献である国際公開第２０１２／１６０２９１号Ａ１、国際公開第２０１３／０６０９８１号Ａ２、および仏国特許出願公開第２９８２１８２号Ａ１に記載されている。
それらの方法では、層のそれぞれにおける粉末を溶融するには、非常に大量のビームエネルギー、および層上でのビームの走行時間に対応するある特定の長さの時間が必要である。したがって、特に高エネルギービームの生成に関連したエネルギー消費に起因して、これらの方法を使用した部品の製造費は比較的高い。さらに、特にビームの通過数の多さに起因して、製造時間が比較的長い。
したがって、新たな種類の方法が必要とされている。
Ｉ．Ｖ．Ｓｈｉｓｈｋｏｖｓｋｙらによる論文「Ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ：Ａ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ ＳＥＭ／ＥＤＸ ｓｔｕｄｙ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ、Ｖｏｌ．９１（２００８）、ｎｏ．２、４２７〜４３６頁は、ニッケルおよびアルミニウム粉末の混合物を含む単一粉末層上でレーザビームが移動される方法を開示している。レーザビームにより放出されたエネルギーは、ニッケルとアルミニウムとの間の発熱反応を開始させる。
国際公開第２０１２／１６０２９１号 国際公開第２０１３／０６０９８１号 仏国特許出願公開第２９８２１８２号明細書
Ｉ．Ｖ．Ｓｈｉｓｈｋｏｖｓｋｙら、「Ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ：Ａ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ ＳＥＭ／ＥＤＸ ｓｔｕｄｙ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ、Ｖｏｌ．９１（２００８）、ｎｏ．２、４２７〜４３６頁
本明細書は、粉末を選択的に溶融することにより部品を製造する方法であって、
その主要元素として第１の元素を有する第１の粉末の第１の層を堆積させるステップと、
その主要元素として第１の元素とは異なる第２の元素を有する第２の粉末の第２の層を、第１の層上に堆積させるステップと、
第２の層上で、第１のエネルギービーム、例えばレーザビームまたは電子ビームを移動させるステップであって、第１のビームにより送達されるエネルギーは、第１の元素と第２の元素との間の発熱反応を開始させるように作用し、発熱反応により放出されたエネルギーは、第１および第２の層を互いに局所的に溶融するように作用するステップと
を含む方法に関する。
この方法において、第２の層の局所的溶融（または選択的溶融）に必要なエネルギーは、誘発される発熱反応により提供される。その結果、第１のビームにより送達されるエネルギーは、第２の層の局所的溶融に必要なエネルギーより小さいながらも、前記発熱反応を開始させるのに十分となるように選択され得る。
第１のビームにより第２の層のある特定のゾーンに送達されるエネルギーは、ビームの出力、およびそれがゾーン上を通過する速度に依存する。したがって、必要なエネルギーを低減することにより、ビームの出力を低減すること、および／またはビームの移動速度を増加させることが可能となる。したがって、方法は、ビームの出力を低減することによりビームの生成に関連したエネルギー消費を低減することを、および／または第２の層上のビームの移動速度を増加させることを可能にする。これは、製造費の低減、および／または部品の生産速度の増加をもたらす。
さらに、第１の層の局所的溶融に必要なエネルギーもまた、誘発される発熱反応により提供されるため、第１の層上にエネルギービームを通過させることを省略することができる。これはまた、エネルギー消費を低減することにより生産コストを低減することを、および／またはビームの全通過数を低減することにより生産速度を増加させることを可能にする。特に、この通過数は、従来の方法と比較して半分とすることができる。
ある特定の実装形態において、第２のエネルギービームは、第２の層を堆積させるステップの前に、第１の層上で移動され、第２のビームにより送達されたエネルギーは、第１の層を表面的および局所的に溶融するように作用する。そのような表面溶融は、特に、その上の第２の層の堆積を促進するために、第１の層を強化するように機能する。これは、第１の層の表面に位置する粉末のみを溶融し、第１の層の全厚にわたって粉末を溶融しないという考えである。したがって、第２のビームにより送達されるエネルギーは、第１の層の局所的な完全溶融に必要なエネルギーより小さいながらも、その表面での局所的溶融をもたらすのに十分となるように選択され得る。そのような状況下では、従来の方法と比較して、エネルギー消費はより低く、および／または生産速度はより速い。
そのような方法は、金属部品の製造における特定の用途が見出される。「金属部品」という用語は、純金属、合金、またはサーメットで作製された部品を包含するものとして理解されるべきである。部品は、動作中に高温に供される金属部品、特に耐火性合金で作製された金属部品を含み得る。具体的には、これらの部品は、鋳込みまたは鋳造法により正確に製造することが困難であり、不規則な微細構造および著しい冶金学的欠陥（収縮、偏析、亀裂等）を示す平衡から外れた合金をしばしばもたらす、鋳型との化学的相互作用、鋳造合金を構成するある特定の元素と酸素との間の親和性、急速すぎる固化速度等の問題があることが判明している。一方、提案される製造方法は、均質な微細構造および組成、良好な冶金学的品質、ならびに／または周囲温度において良好な靭性を有する部品を得ることを可能にする。
特に、そのような方法は、ターボ機械部品の製造に使用され得る。限定されないが、考慮される部品は、航空機用ターボジェットの高圧または低圧タービンの一部であってもよい。例えば、部品は、タービン翼であってもよい。
上述の特徴に加えて、方法は、個々に、または任意の技術的に実現可能な組み合わせとして考慮される、以下の特徴の１つまたは複数を有してもよい。
第１の粉末は、金属粉末である；
第２の粉末は、金属粉末である；
第１の粉末の第１の元素、すなわち主要または大多数の元素は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの元素から選択される；
第１の元素は、Ｍｂ、Ｍｏ、またはＴｉであり、特に、第１の粉末は、他の遷移金属と関連してＮｂ、Ｍｏ、またはＴｉの元素の大多数を含有する合金の粉末である；
第１の粉末は、第１の元素がＮｂまたはＭｏである場合、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｂの元素から選択される添加元素を、また第１の元素がＴｉである場合、Ａｌ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖの元素から選択される添加元素を含有する金属合金の粉末である；
第２の粉末の第２の元素、すなわち主要または大多数の元素は、ＳｉまたはＡｌの元素から選択される；
第２の粉末は、Ｓｉの粉末またはＡｌの粉末である；ならびに
発熱反応が、第１の元素とＳｉまたはＡｌとの間で生じ、ケイ化物またはアルミナイドを形成させる。
ケイ化物またはアルミナイドを形成するための反応は、極めて発熱性であるため、上で特定された組成を有する第１および第２の粉末を互いに局所的に溶融するように作用することが可能となる。
方法の特徴および利点等は、以下の発明を実施するための形態を読めば明らかである。この詳細な説明は、添付の図面を参照する。
添付の図面は、概略図であり、縮尺通りではなく、何よりも本発明の原理を例示することを目的とする。
図面において、図毎に、同一の要素（または要素の一部）は、同じ参照記号により特定される。
方法を実行するための設備の例を示す図である。 方法の異なるステップを概略的に示す図である。 方法の異なるステップを概略的に示す図である。
以下、添付の図面を参照して、実装形態を詳細に説明する。これらの実装形態は、本発明の特徴および利点を示す。それにも関わらず、本発明は、これらの実装形態に限定されないことが留意されるべきである。
粉末を選択的に溶融することにより部品を製造するための例示的な設備を、図１に示す。これは、
第１の粉末２を含有し、その底部壁３が可動式で平行移動可能である、第１の槽１と、
第２の粉末２２を含有し、その底部壁２３が可動式で平行移動可能である、第２の槽２１と、
槽１と槽２１との間に位置し、同様に平行移動可能である底部壁６を有する容器５とを備える。
例において、底部壁３、２３、および６はそれぞれ、各々のアクチュエータ、例えば油圧シリンダのロッド４、７、２４により平行移動させられるプレートにより構成される。
設備は、水平面Ａ上で移動することにより、ある量の粉末２を槽１から容器５に導入するように機能するワイパ８またはローラと、水平面Ａ上で移動することにより、ある量の粉末２２が槽２１から容器５に導入され得るようにするワイパ２８またはローラとを有する。設備はまた、レーザビームまたは電子ビームを生成するための手段９を備え、この手段は、ビーム１１を配向および移動させるためのデバイス１０に結合されている。
この設備を使用して部品を製造するステップは、以下の通りである。
まず、槽１の底部３は、ある特定の量の第１の粉末２が水平面Ａの上に位置するように、上方に移動される。次いで、ワイパ８が、槽１の頂部で前記粉末２をかき取り、それを容器５内に導入するように、左から右（図１を参照して）に移動される。粉末２の量、および容器５内の底部壁６の位置は、選択される一定の厚さを有する粉末の第１の層１２を形成するように決定される。
次いで、図２に示されるように、レーザビームまたは電子ビーム１１が、ビームにより走査された場所における層１２内の第１の粉末２の表面を局所的および表面的に溶融するように、層１２の所定のゾーンを走査する。溶融したゾーンは固化し、層１２の表面に皮膜１３を形成する。この皮膜１３を形成するステップは、任意選択的であることが留意されるべきである。
次いで、容器５の底部壁６が下げられる。
槽２１の底部壁２３は、ある特定の量の第２の粉末２２が水平面Ａの上に位置するように、上方に移動される。次いで、ワイパ２８が、槽２１の頂部で前記粉末２２をかき取り、それを容器５内の第１の層１２に導入するように、右から左（図１を参照して）に移動される。粉末２２の量、および容器５の底部壁６の位置は、選択される一定の厚さを有する粉末の第２の層１５を形成するように決定される。
次いで、図３に示されるように、レーザビームまたは電子ビーム１１が、走査されたゾーン内の第１および第２の層１２、１５を互いに溶融するように、第２の層１５の所定のゾーンを走査する。溶融したゾーンは固化し、材料の第１の層１７を形成する。
底部壁６は下げられ、粉末２の新たな層１２および粉末２２の新たな層１５が、上述と同じ様式で、材料の第１の層１７上に連続的に導入される。ビーム１１の制御された移動により、図１に示されるように、材料の第１の層１７上に材料の第２の層１８が形成される。
これらの動作は、多くの材料層を重ねることにより完全な部品が作製されるまで繰り返される。
例えば、製造部品は、動作中高温に、より具体的には６００℃超の温度に、例えば６００℃から１５００℃の範囲内にある温度に、または１５００℃超の温度に曝される金属部品である。この種の部品は、以下で、「耐火性」部品と呼ばれる。部品が耐えることができる最高動作温度は、当然ながら、使用される合金の性質に依存する。
例えば、第１の粉末２は、ニオブ（Ｎｂ）またはモリブデン（Ｍｏ）系合金の金属粉末である。これらの合金は、耐火性部品の製造に現在使用されている超合金の融点を超える、非常に高い融点を示す利点を有する。さらに、Ｎｂ系合金は、その低い密度（ニッケル系超合金と比較して）によって、製造部品の重量を大幅に低減しながら、良好な機械的特性を保持することを可能にする。そのような利点は、特に航空学の分野において有利である。
上述のニオブ系合金は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）、スズ（Ｓｎ）等の元素から選択される１種または複数種の添加元素を含有してもよい。上述のモリブデン系合金は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）から選択される添加元素の１種または複数種を含有してもよい。
例えば、第２の粉末２２は、ケイ素系粉末である。例えば、粉末中のケイ素の重量含量は、８０％超であり、また１００％に近くてもよい。
別の例において、第１の粉末２は、チタン（Ｔｉ）系合金の金属粉末である。このチタン系合金は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ホウ素（Ｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）等の元素から選択される１種または複数種の添加元素を含有してもよい。次いで第２の粉末２２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）系粉末であるが、ケイ素（Ｓｉ）系粉末もまた考えられる。
第２の粉末２２の粒度は、第１の粉末２の粒度より小さくてもよい。第１の粉末２の粒度は、２０マイクロメートル（μｍ）から６０μｍの範囲内にあってもよい。
他の利点の中でも、第２の粉末２２は、第１の粉末２の融点よりも大幅に低い融点を有するという利点を示す。第２の粉末２２はまた、それが形成されている間に、材料の層内の任意の亀裂を「塞ぐ」ように機能し得る。
本明細書に記載の実装形態または実施形態は、限定されない例示として示されるものであり、当業者は、本明細書に照らして、本発明の範囲内であることを維持しながら、これらの実装形態もしくは実施形態を容易に修正し得る、または他の実装形態もしくは実施形態を企図し得る。
さらに、これらの実装形態または実施形態の様々な特徴は、単体で、または互いに組み合わせて使用され得る。それらが組み合わされる場合、これらの特徴は、上述のように、または異なるように組み合わされてもよく、本発明は、本明細書に記載の特定の組み合わせに限定されない。特に、別段に指定されない限り、任意の１つの実装形態または実施形態を参照して説明された特徴は、類似した様式で、任意の他の実装形態または実施形態にも適用され得る。

Claims (10)

  1. 粉末を選択的に溶融することにより部品を製造する方法であって、前記方法は、前記部品が得られるまで、
    その主要元素として第１の元素を有する第１の粉末（２）の第１の層（１２）を堆積させるステップと、
    次に、第２のエネルギービーム（１１）を第１の層（１２）上で移動するステップであって、第２のビーム（１１）により送達されたエネルギーは、第１の層（１２）を局所的および表面的に溶融するように作用する、移動するステップと、
    次に、その主要元素として第１の元素とは異なる第２の元素を有する第２の粉末（２２）の第２の層（１５）を、第１の層（１２）上に堆積させるステップと、
    次に、第２の層（１５）上で、第１のエネルギービーム（１１）を移動させるステップであって、第１のビームにより送達されるエネルギーは、第２の層（１５）を局所的に溶融するのに必要なエネルギーよりも小さいが、第１の元素と第２の元素との間の発熱反応を開始させるように作用し、発熱反応により放出されたエネルギーは、第１および第２の層（１２、１５）を互いに局所的に溶融するように作用するステップと
    を繰り返すことを含む方法。
  2. 第１の元素が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの元素から選択され、
    第２の元素が、ＳｉまたはＡｌの元素から選択され、
    発熱反応が、第１の元素とＳｉまたはＡｌとの間で生じ、ケイ化物またはアルミナイドを形成させる、請求項１に記載の方法。
  3. 第１の元素が、ＮｂまたはＭｏである、請求項１または２に記載の方法。
  4. 第２の元素が、Ｓｉである、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 第１の元素が、Ｔｉであり、
    第２の元素が、ＳｉまたはＡｌの元素から選択され、
    発熱反応が、第１の元素とＳｉまたはＡｌとの間で生じ、ケイ化物またはアルミナイドを形成させる、請求項１に記載の方法。
  6. 第２の元素が、Ａｌである、請求項５に記載の方法。
  7. ６００℃から１５００℃の範囲内にある、または１５００℃超の動作温度に供される金属部品の製造に適用される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. ターボ機械部品の製造に適用される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 第１のエネルギービーム（１１）は、レーザビームまたは電子ビームである、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 第２のエネルギービーム（１１）は、レーザビームまたは電子ビームである、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
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