(57)【要約】      （修正有）【課題】選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ）等のアディティブマニュファクチャリング法における欠点を解消出来る方法の提供。【解決手段】本発明はハイブリッド部品（１１）の製造方法に関し、ａ）ハイブリッド部品（１１）の第１の部分としてプリフォーム（２）を製造するステップと、ｂ）アディティブマニュファクチャリング法を用いて、粉末の金属材料（１２）から、エネルギービーム（１４）を走査することにより部品（１１）の第２の部分をプリフォーム（２）上に順次造形していくことにより、ｃ）部品（１１）の第２の部分の少なくとも一部の１次方位及び２次方位において、制御された結晶粒配向を実現するステップとを有し、ｄ）但し、前記制御された２次結晶粒配向は、部品（１１）の断面形状又は部品（１１）の局所的な負荷条件に整合した、エネルギービーム（１４）の特定の走査パターンを用いることにより実現される製造方法。【選択図】図７
2014169500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド部品（１１）の製造方法であって、
ａ）前記ハイブリッド部品（１１）の第１の部分としてプリフォーム（２）を製造するステップと、
ｂ）アディティブマニュファクチャリング法を用いて、粉末の金属材料（１２）から、エネルギービーム（１４）を走査することにより前記部品（１１）の第２の部分を前記プリフォーム（２）上に順次造形していくことにより、
ｃ）前記部品（１１）の前記第２の部分の少なくとも一部の１次方位および２次方位において、制御された結晶粒配向を実現するステップと
を有し、
ｄ）ただし、前記制御された２次結晶粒配向は、前記部品（１１）の断面形状または前記部品（１１）の局所的な負荷条件に整合した、前記エネルギービーム（１４）の特定の走査パターンを用いることにより実現される
ことを特徴とする、製造方法。
【請求項２】
ヤング係数を最小値にしたい、前記部品（１１）の方向に対して、連続する各層ごとに平行方向と直交方向とに交互に走査経路を配置することにより、前記２次結晶粒配向の制御を行う、
請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記２次結晶粒配向の制御は、連続する各層において走査経路の方向を変化させることによって実施され、
前記方向の変化は、ｎ×９０°との偏差が１５°より大きくならないように行われ、ここでｎは整数値である、
請求項２記載の製造方法。
【請求項４】
前記２次結晶粒配向の有利な配列は、特定のサブボリュームにのみ適用される、
請求項１から３までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項５】
特定の２次結晶粒配向にならないようにするため、連続する各層において走査経路をランダムな角度で回転させる、
請求項１記載の製造方法。
【請求項６】
特定の２次結晶粒配向にならないようにするため、各層の各島内では走査ベクトルを相互に平行にしながら、連続した各層ごとに、ｎ×９０°から１５°以上偏差する角度で走査ベクトルを回転させる、ただし、ｎは整数値である、
請求項１記載の製造方法。
【請求項７】
前記プリフォーム（２）をキャスト法、鍛造法、ミリング法または焼結法により製造する、
請求項１記載の製造方法。
【請求項８】
前記プリフォーム（２）を、ＳＬＭ法、ＥＢＭ法、ＬＭＦ法等のジェネレーティブプロセスにより製造するか、またはワイヤＥＤＭ法により製造する、
請求項１記載の製造方法。
【請求項９】
前記手法のうち２つ以上を併用して前記プリフォームを（２）を機械加工する、
請求項７および８記載の製造方法。
【請求項１０】
前記部品（１１）の第２の部分を形成するための前記アディティブマニュファクチャリング法は、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）または電子ビーム溶解法（ＥＢＭ）のうちいずれか１つであり、
前記製造方法は、
ａ）プリフォーム（２）を製造するか、または少なくとも事前機械加工するステップと、
ｂ）前記プリフォーム（２）上に付加すべきボリュームの３次元モデルを生成し、その後、断面を計算するためのスライス分割プロセスを行うステップと、
ｃ）計算した前記断面を機械制御ユニット（１５）へ転送するステップと、
ｄ）加工に必要な粉末の金属材料を準備するステップと、
ｅ）アディティブマニュファクチャリングすべき領域との界面が、機械の粉末成膜面に対して平行になるように、前記プリフォームを加工チャンバ内に配置するステップと、
ｆ）前記プリフォーム（２）の正確な位置および方向を求めるステップと、
ｇ）前記プリフォーム（２）上に、一定かつ均質な厚さの粉末層（１２）を形成するステップと、
ｈ）前記制御ユニット（１５）に記憶された前記３次元モデルによる前記部品の断面に相当する面積においてエネルギービーム（１４）を走査することにより溶融を行うステップと
を有し、ただし前記エネルギービーム（１４）の走査は、２次結晶粒配向が前記部品（１１）の所望の構造に一致するか、または前記プリフォーム（２）の既知の結晶主方位に一致するように行い、
前記方法はさらに、
ｉ）形成した前記断面の上表面を１層分の厚さ（ｄ）だけ下げるステップと、
ｊ）前記３次元モデルによる最後の断面に達するまで前記ステップｇ）〜ｉ）を繰り返すステップと、
を有し、さらに、
ｋ）オプションとして、前記部品（１１）を熱処理するステップ
を有する、請求項１ないし４および７ないし９のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１１】
前記ステップａ）において、既存のプリフォームを有利な平面に沿って切削および／または機械加工し、
前記部品（１１）の第２の部分を造形するための後続のステップは、事前機械加工した前記プリフォーム（２）上にて行われる、
請求項１０記載の製造方法。
【請求項１２】
一定かつ均等な厚さ（ｄ）の粉末層（１２）を形成するのに必要である良好な流動性を実現するために、前記粉末の粒度分布を前記粉末層（１２）の層厚（ｄ）に合わせて調整する、
請求項１０記載の製造方法。
【請求項１３】
前記粉末の粒形は球形であり、
前記粉末の正確な粒度分布を、ふるいおよび／または風選（空気分離）により実現する、
請求項１０記載の製造方法。
【請求項１４】
前記粉末は粉末金属冶金法を用いて、とりわけ、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、プラズマ回転電極法または機械的ミリング法のうちいずれか１つの手法を用いて準備される、
請求項１０記載の製造方法。
【請求項１５】
前記アディティブマニュファクチャリング法では、前記粉末に代えて懸濁物を用いる、
請求項１０記載の製造方法。
【請求項１６】
前記金属材料は、高温用のＮｉベース合金、Ｃｏベース合金またはＦｅベース合金のうちいずれか１つであるか、または前記合金の組み合わせである、
請求項１から１５までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１７】
前記合金は、微細分散された酸化物を、とりわけＹ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＴｈＯ２，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２のうちいずれか１つを含む、
請求項１６記載の製造方法。
【請求項１８】
第１の部分としてのプリフォーム（２）と、
少なくとも、アディティブマニュファクチャリング法により造形された金属製の第２の部分と
を有するハイブリッド部品（１１）において、
請求項１から１７までのいずれか１項記載の製造方法により製造されたことを特徴とする、ハイブリッド部品（１１）。
【請求項１９】
前記部品（１１）は、ガスタービンの圧縮器、燃焼器またはタービン部の一部であり、有利にはブレード、翼または熱遮蔽シールドである、
請求項１８記載のハイブリッド部品（１１）。
【請求項２０】
前記部品（１１）は、断面を有する翼形を含み、
前記２次結晶粒配向は翼形の断面に対応して配列されており、当該翼形の形状に漸次的かつ連続的に合わせて配列されている、
請求項１９記載のハイブリッド部品（１１）。
【請求項２１】
前記プリフォーム（２）は単結晶（ＳＸ）の微細構造を有し、
前記部品（１１）の第２の部分の付加された材料の２次結晶粒配向は、単結晶の前記プリフォーム（２）の結晶主配向に整合されている、
請求項１８から２０までのいずれか１項記載のハイブリッド部品（１１）。
【請求項２２】
前記プリフォーム（２）の微細構造は、有利な結晶粒配向を有さない等方性の微細構造であり、
前記部品（１１）の第２の部分は、１次結晶粒配向および２次結晶粒配向を有する、
請求項１８から２０までのいずれか１項記載のハイブリッド部品（１１）。
【請求項２３】
前記２次結晶粒配向は、前記部分の局所的な負荷条件に対応して配列されている、
請求項１８から２２までのいずれか１項記載のハイブリッド部品（１１）。
【請求項２４】
前記部品（１１）は、等方性の特性を有する区域と異方性の特性を有する区域との間に１つまたは複数の移行領域を有する、
請求項１８から２３までのいずれか１項記載のハイブリッド部品（１１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は耐高温性部品の技術に関し、特に、ガスタービン用の高温ガス系統部品の分野に関する。本発明は、レーザアディティブマニュファクチャリング法と従来の製造技術とを組み合わせた用いたハイブリッド部品の製造方法に関し、有利には金属ハイブリッド部品の製造方法に関する。前記レーザアディティブマニュファクチャリング法はたとえば、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）または電子ビーム溶解法（ＥＢＭ）等である。
【背景技術】
【０００２】
アディティブマニュファクチャリング法は、金属製の機能的試作品や機能的部品の製造方法として、ますます魅力的なものとなってきている。ＳＬＭ法、ＳＬＳ法およびＥＢＭ法は、ベース材料として粉末材料を用いることが知られており、粉末床から直接、部品や製品を生成する。他に、既存の部品に金属を局所的に融接するアディティブマニュファクチャリング法もあり、たとえばレーザ金属造形法（ＬＭＦ）、レーザエンジニアドネットシェイプ法（ＬＥＮＳ）または直接金属堆積法（ＤＭＤ）等がある。このように新しい手法で生成される材料は、ロボットまたはＣＮＣ機器を用いて粉末積層装置を、予め定められた経路に沿って移動させることにより、ワイヤまたは粉末のいずれかとして堆積させることができる。ＳＬＭにより機械加工されたプリフォーム上に造形することは、ダイキャスト法において知られている従来技術であり、ここでは、ステンレス鋼または他のダイキャスト合金を用いる。
【０００３】
図１に、従来技術から知られているＳＬＭの基本的構成１０を示す。このＳＬＭでは、所定の層厚ｄ、面積および外形の粉末層１２を順次追加していき、その後、制御ユニット１５によって制御して、レーザ装置１３からのレーザビーム１４を走査してこの粉末層１２を融解することにより、３次元製品（部品）１１を製造する。
【０００４】
通常、１層の中では各走査ベクトルが相互に平行であるか（図２ａ参照）、または、１層の中で所定の領域において、各走査ベクトル間の角度が固定である（いわゆるチェストボードパターン。図３ａ参照）。連続した各層間では（すなわち、層ｎと層ｎ＋１との間、層ｎ＋１と層ｎ＋２との間、等々）、走査ベクトルをたとえば９０°の角度だけ回転させるか（図２ｂ，３ｂ参照）、または、９０°またはｎ×９０°と異なる角度だけ回転させる（図４ａ，４ｂ参照）。（連続した各層ごと、または、製品の１層の中でたとえばチェストボード等のパターンの所定の各領域ごとに、スキャナ経路を交互に変えて）上記工程を終えると、ＳＬＭにより作製される製品と比較して良好な品質（最大限の部品／製品密度および幾何学的精度）を実現することができる。
【０００５】
従来技術におけるＳＬＭの典型的な軌道配列を図５に示す。
【０００６】
溶解槽内の典型的な温度分布プロフィールと、その結果、当該溶解槽近傍において生じる温度勾配とに起因して、粉末面（ｘ‐ｙ平面）に対して垂直方向の結晶粒成長がより高速かつ有利に行われるのが促進される。このことにより、粒形がｚ方向（＝１次結晶粒方位、［００１］結晶方向）に伸長した、特徴的な微細構造が生じる。この方向はｘｙ平面に対して垂直である。それゆえ、ｚ方向に延在する第１の試料（図１参照）は、ｘｙ平面（＝２次結晶粒配向方位、２次結晶方位）に延在する第２の試料の特性とは異なる特性を示し、たとえば、ｚ方向におけるヤング係数は一般的に、粉末面（ｘｙ平面）におけるヤング係数と異なる。
【０００７】
それゆえ、粉末方式のアディティブマニュファクチャリング技術または他のアディティブマニュファクチャリング技術の１つの特徴的な特性として、物性の異方性が強いという特性がある（たとえば、ヤング率、降伏強さ、引張強度、低サイクル疲労特性、クリープ）。これは、公知の積層造形法と、ＳＬＭ粉末床処理中の局所的な固化条件とに起因するものである。
【０００８】
物性のこのような異方性が欠点となる用途は幾つか存在する。それゆえ本出願人はすでに、レーザアディティブマニュファクチャリング技術を用いて製造された後の部品の異方性の物性を適切な「造形後」熱処理により縮小させることにより物性をより等方性にできることを開示する２件の特許出願を提出している。これら２件の特許出願は、現時点では未公開である。
【０００９】
最近３０年の間に、方向性凝固（ＤＳ）された単結晶（ＳＸ）のタービン部品が開発されている。これはインベストメント鋳造によって製造され、このようなタービン部品では、１次結晶粒配向および２次結晶粒配向（１次成長方向に対して垂直）における、たとえばヤング率の低い値が、熱機械的負荷状態と整合している。このような整合は、種結晶と結晶粒セレクタとを適用することにより実現され、このような整合により、部品の性能および寿命が格段に向上する。
【００１０】
しかし現在のところ、１次結晶配向および２次結晶配向の両方を制御する上述のような技術は、ＳＬＭにより製造されるパーツ／部品では知られていなかった。
【００１１】
エピタキシャルレーザ金属造形法（Ｅ‐ＬＭＦ）と称されるジェネレーティブレーザ処理により、単結晶（ＳＸ）基板上に形成される堆積物の微細構造を制御することも可能になってきている。上述の手法は、有利な結晶粒配向を有するパーツを製造したり（ＤＳ‐方向性凝固）、または、結晶粒境界を持たないパーツを製造することができる（ＳＸ‐単結晶）。
【００１２】
将来の高温ガス系統部品の構成がより複雑になると、このようなＳＸまたはＤＳパーツ／部品をキャスト法によって経済的に製造することはますます困難になる。というのも、薄い壁の部品または２重壁の部品のキャスト歩留まりが低下することが予測されるからである。さらには、エピタキシャルレーザ金属造形は、ベース材料が既に単結晶配向を有しているパーツにしか適用することができない。
【００１３】
ＳＬＭ技術は、非常に精巧な構成を粉末床から直接生成することができるので、高性能かつ複雑な形状のパーツを製造することができる。
【００１４】
それゆえ、キャスト法により製造されるＳＸ部品またはＤＳ部品について上記で述べたのと同様に微細構造を制御することは、ＳＬＭ技術または他のレーザアディティブマニュファクチャリング技術により製造される部品や試作品に非常に有利となる。さらにヤング率の制御も行ってこれを整合させることにより、上述のように製造される部品の性能が向上し、この部品の可能な使用範囲が一層拡大する。
【００１５】
そのため、本出願人が既に提出した、現時点では未公開の特許出願では、部品の特性が改善された金属部品／３次元品をアディティブマニュファクチャリング法により、有利には選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）により製造する方法を記載しており、この製造方法は部品の所望の構成に依存して、部品の異方性特性を有効利用するか、または、異方性を低減または回避できるものである。さらに、製品の異方性特性を局所的な熱機械的負荷条件に合うように整合させることができる方法も記載している。エネルギービームの特定の走査パターンを適用することにより、制御された２次結晶粒配向を実現することができる。
【００１６】
しかし残念ながら、たとえばＳＬＭ等のアディティブマニュファクチャリング法は、造形速度が遅いという欠点を有する。造形速度が遅いとプロセス時間が長くなり、これに伴って製造コストが高くなり、量産のスループットが低〜中程度になってしまうので、造形速度が遅いことは商業的成功の阻害要因となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の課題は、上述の欠点を解消することであり、よって、プロセスの生産性が向上し、かつ、１部品あたりのコストが公知の手法と比較して削減された、最適な特性を有するハイブリッド部品の製造方法を開発することを課題とする。また、これにより製造された部品の動作寿命が、従来技術の部品の動作寿命より長くなるようにすることも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１に記載の方法により、前記課題および他の課題が解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術のＳＬＭ製造装置の基本的構成を示す図であり、同装置は本発明でも用いることが可能である。
【図２】ＳＬＭ製造の第１の走査手法（隣接する各層間において９０°の角度を有する走査ベクトルを交互に入れ替える）を示す図である。
【図３】ＳＬＭ製造の第２の走査手法（チェストボード手法）を示す図である。
【図４】ＳＬＭ製造の他の２つの走査手法（隣接する各層間において６３°の角度を有する走査ベクトルを、または、無作為の角度で走査ベクトルを交互に変える）を示す図である。
【図５】従来技術から知られている典型的なＳＬＭの軌道の配列を示す図である。
【図６】ハステロイ（登録商標）Ｘから成る試料の、「造形後」の状態で試験温度として室温と７５０℃とで測定された、２つの異なる走査手法の場合のヤング率の値を示す図である。
【図７】本発明の１実施形態の、ＳＸプリフォーム上に施されるＳＬＭ造形の複数の異なる構成を示す図である。
【図８】再調整中のタービンブレード製造の３つの主な段階を示す図である。
【図９】整合された２次結晶粒配向を有するプリフォーム上にＳＬＭで再造形された先端部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
主にＮｉベースまたはＣｏベースまたはＦｅベースの超合金から成るハイブリッド部品を、粉末方式のアディティブマニュファクチャリング法により製造する本発明の方法は、たとえばキャスト法、鍛造法またはミリング法、または焼結法、または別個のアディティブマニュファクチャリング法等の製法により形成されたプリフォームから開始する。本発明によりこのようにして製造されたハイブリッド部品は、改善した特性を示す。
【００２１】
前記製造方法は、
ａ）前記ハイブリッド部品の第１の部分としてプリフォームを製造するステップと、
ｂ）アディティブマニュファクチャリング法を用いて、金属粉末材料から、エネルギービームを走査することにより前記部品の第２の部分を前記プリフォーム上に順次造形していくことにより、
ｃ）前記部品の前記第２の部分の少なくとも一部の１次方位および２次方位において、制御された結晶粒配向を実現するステップと
を有し、
ｄ）ただし、前記制御された２次結晶粒配向は、前記部品の断面形状または前記部品の局所的な負荷条件に整合した、エネルギービームの特定の走査パターンを用いることにより実現される
ことを特徴とする。
【００２２】
部品の第２部分を形成するためのアディティブマニュファクチャリング技術は、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）、電子ビーム溶融法（ＥＢＭ）、レーザ金属成形法（ＬＭＦ）、レーザエンジニアドネットシェイプ法（ＬＥＮＳ）または直接金属堆積法（ＤＭＤ）等の処理法である。
【００２３】
プリフォームは有利には、キャスト法、鍛造法、ミリング法または焼結法により製造するか、または、ＳＬＭ法、ＥＢＭ法、ＬＭＦ法等のジェネレーティブプロセスにより製造するか、またはワイヤＥＤＭ法により製造するか、または、これらの手法のうち２つ以上を組み合わせて製造することができる。１つの有利な実施形態では、前記プリフォームはＳＸプリフォームまたはＤＳプリフォームである。
【００２４】
本発明により製造された部品／製品は、制御された２次結晶粒配向を示し、これにより、従来技術のアディティブマニュファクチャリング法により製造された部品と比較して、金属製のパーツや試作品の寿命が長くなり、動作性能が高くなる。
【００２５】
本発明の有利な実施形態では、前記２次結晶粒配向の能動的な制御を行うために、ヤング率を最小値にしたい前記部品の方向に対して平行方向（最初の層）と直交方向（次の層）とに交互に走査経路を配置することを繰り返す。ヤング率が最小となる方向は通常、最大の熱機械的負荷がかかる方向にすべきである。
【００２６】
他の１つの実施形態では、２次結晶粒配向の制御は、連続する各層において走査経路の方向を変化させることによって実施される。この方向変化は、ｎ×９０°との偏差が１５°より大きくならないように行われ、ここでｎは整数値である。
【００２７】
さらに、本方法の他の１つの実施形態では、２次結晶粒配向の有利な整合は、指定されたサブボリュームにのみ適用される。
【００２８】
特定の決まった２次結晶粒配向にならないようにするためには、連続する各層ごとに走査経路をランダムな角度で回転させる。たとえば、各層の各島内では走査ベクトルを相互に平行にしながら、連続した各層ごとに６３°回転させる。
【００２９】
前記方法は特に、構成が複雑な高温ガス用のパーツおよび試作品を製造するのに使用することができる。このようなパーツはたとえば、ガスタービンの第１のタービン段、圧縮器または燃焼器において見られる。利点として、新品のパーツの製造にも、再調整プロセス／修理プロセスにおいても、前記方法を使用することができる。
【００３０】
本発明の１つの有利な実施形態では、前記ハイブリッド部品の第２部分を形成するための前記アディティブマニュファクチャリング法は、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）または電子ビーム溶解法（ＥＢＭ）のうちいずれか１つであり、本発明の方法は、
ａ）プリフォームを製造するか、または少なくとも事前機械加工するステップと、
ｂ）前記プリフォーム上に付加すべきボリュームの３次元モデルを生成し、その後、断面を計算するためのスライス分割プロセスを行うステップと、
ｃ）計算した前記断面を機械制御ユニットへ転送するステップと、
ｄ）加工に必要な金属粉末材料を準備するステップと、
ｅ）アディティブマニュファクチャリングすべき領域との界面が、機械の粉末成膜面に対して平行になるように、前記プリフォームを加工チャンバ内に配置するステップと、
ｆ）前記プリフォームの正確な位置および方向を求めるステップと、
ｇ）前記プリフォーム上に、規則的かつ均質な厚さの粉末層を形成するステップと、
ｈ）前記制御ユニットに記憶された前記３次元モデルによるハイブリッド部品の断面に相当する面積においてエネルギービームを走査することにより溶融を行うステップと
を有し、ただし前記エネルギービームの走査は、２次結晶粒配向がハイブリッド部品の所望の構造に一致するか、またはプリフォームの既知の結晶主方位に一致するように行い、
前記方法はさらに、
ｉ）形成した前記断面の上表面を１層分の厚さだけ下げるステップと、
ｊ）前記３次元モデルによる最後の断面に達するまで前記ステップｇ）〜ｉ）を繰り返すステップと、
を有し、さらに、
ｋ）オプションとして、前記ハイブリッド部品を熱処理するステップ
を有する。
【００３１】
本発明の１つの有利な実施形態では、前記ステップａ）において既存のプリフォームを有利な平面に沿って切削および／または機械加工し、部品のＳＬＭ造形を行う次の前記ステップｂ）〜ｋ）はこの事前機械加工されたプリフォーム上にて行われる。
【００３２】
エネルギービーム、たとえば高密度エネルギーレーザビームは、２次結晶粒配向を部品の所望の構成に整合させる所定の走査パターンで走査される。
【００３３】
具体的には、一定かつ均等な厚さの粉末層を形成するのに必要である良好な流動性を実現するために、前記粉末の粒度分布を粉末層の層厚に合わせて調整する。
【００３４】
本発明の他の１つの実施形態では、粉末粒は球形である。
【００３５】
本発明の他の１つの実施形態では、粉末の正確な粒度分布を実現するために、ふるいおよび／または風選（空気分離）を用いる。
【００３６】
本発明の他の１つの実施形態では、前記粉末は粉末金属冶金法を用いて、とりわけ、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、プラズマ回転電極法または機械的ミリング法のうちいずれか１つの手法により準備される。
【００３７】
本発明の他の１つの実施形態では、前記金属粉末材料は高温用のＮｉベースまたはＣｏベースまたはＦｅベースの合金であるか、またはこれらの合金の組み合わせである。
【００３８】
特に、前記合金は微細分散された酸化物であり、特に、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｈＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２のうちいずれか１つである。
【００３９】
本発明の重要な点は、有利な微細構造を部品全体の体積において実現しなくてもよく、局所的な機械的完全性（ＭＩ）の要件に応じて、異なる区域ごとに整合を任意にオンオフすることが可能であることである。このことは、エピタキシャル成長条件が満たされなくなり、等軸結晶粒成長が生じてしまうと、微細構造の制御が失われてしまうインベストメント鋳造法やＥ（エピタキシャル）‐ＬＭＦに比して有利な点である。
【実施例】
【００４０】
以下、複数の異なる実施例と、添付の図面とを参照して、本発明をより詳細に説明する。
【００４１】
従来技術において既に述べたように、粉末を用いた付加製造技術の１つの特徴的な特性として、積層造形法により生じる物性の異方性が強いという特性がある。
【００４２】
ｚ方向における機械的特性は、粉末平面内にあるｘｙ平面における機械的特性と異なっていることが判明した。一般的に、ｚ方向（造形方向）におけるヤング率はｘｙ平面におけるヤング率より低い。このことは、２つの異なる走査手順すなわち２つの異なる走査パターンを用いて付加製造法により作製されたハステロイ（登録商標）Ｘ製の試料の場合を示す図６から明らかであり、この試験は、室温ＲＴと７５０℃の温度とにおいて行った。このヤング率は、「造形後」の状態において測定したものである。粉末ベースの製品の製造と、このプロセス中のエネルギービームと材料との相互作用の内在的な冷却速度が高いこととに起因して、材料の化学的組成は非常に均質であり、基本的にセグリゲーションが無い。さらに、「造形後」の状態における材料は非常に緻密な微細構造を有しており（たとえば沈殿および粒度）、従来の手法で鋳造または鍛造された超合金と比較して格段に緻密である。走査手順Ｉにより実現されるヤング率は常に、別の走査手順Ｍと比較して格段に低いものとなった。このことは、１次方位（ｚ方向）および２次方位（ｘｙ平面）の双方に当てはまり、また、２つの異なる試験温度（室温ＲＴおよび７５０℃）にも当てはまる。
【００４３】
［００１］方位における柱状結晶粒成長について観察される様子は周知である。しかし、ｘｙ平面にも同様の方向依存性が存在する。特定の処理設備を用いると、２次平面（スキャナ移動平面）内における［００１］成長を制御できることが判明した。
【００４４】
制御される１次結晶粒配向および２次結晶粒配向による選択的レーザ溶融法／アディティブマニュファクチャリング法の基本的思想は、既に、本出願人の現時点で未公開の別出願にて既に開示されている。
【００４５】
本願の基本的思想は、部品の最初の部分としての機械加工／製造されたプリフォームから、当該部品の第２の部分のアディティブマニュファクチャリングを開始することで、ハイブリッドアセンブリ／ハイブリッド部品にも同様の制御を実現することである。
【００４６】
本発明のハイブリッド部品１１の製造方法は、
ａ）前記ハイブリッド部品１１の第１の部分としてプリフォーム２を製造するステップと、
ｂ）アディティブマニュファクチャリング法を用いて、金属粉末材料１２から、エネルギービーム１４を走査することにより前記部品１１の第２の部分を前記プリフォーム２上に順次造形していくことにより、
ｃ）前記部品１１の前記第２の部分の少なくとも一部の１次方位および２次方位において、制御された結晶粒配向を実現するステップと
を有し、
ｄ）ただし、前記制御された２次結晶粒配向は、前記部品１１の断面形状または前記部品１１の局所的な負荷条件に整合した、エネルギービーム１４の特定の走査パターンを用いることにより実現される
ことを特徴とする。
【００４７】
本発明に重要なのは、２次結晶粒配向が部品の特徴的な負荷条件に整合すること、たとえば、部品の断面形状に合っていることである。
【００４８】
本発明の一実施形態では、前記２次結晶粒配向の能動的な制御を行うために、ヤング率を最小値にしたい前記部品の方向に対して平行方向（最初の層）と直交方向（次の層）とに交互に、前記スキャナ経路を配置することを繰り返す。これは、後続の層においても同様に繰り返す。
【００４９】
２次結晶粒配向の制御は、連続する各層において走査経路の方向を変化させることによっても実現することができる。この方向変化は、ｎ×９０°との偏差が１５°より大きくならないように行われ、ここでｎは整数値である。
【００５０】
２次結晶粒配向の上述の有利な配向は、指定されたサブボリュームにしか適用できない場合がある。
【００５１】
プリフォーム２は、機械加工（たとえばキャスト法、鍛造またはミリング法）により製造するか、または焼結により製造するか、または、たとえばＳＬＭ，ＥＢＭ，ＬＭＦまたはワイヤＥＤＭ等のジェネレーティブプロセスにより製造することができ、たとえば、金属材料またはセラミック材料からプリフォーム２を製造することができる。また、上述の手法のうち２つ以上を併用してプリフォーム２を製造することもできる。
【００５２】
ハイブリッド部品１１は、第１金属部分（プリフォーム２）および第２金属部分を含む完全に金属製のハイブリッド部品とすることが可能であり、または、部品１１の一部のみを金属材料から製造することもでき、たとえば、第１部分としてセラミックプリフォーム２を設け、部品１１の第２部分を金属とする。
【００５３】
前記ハイブリッド部品の第２部分に用いられる上述のアディティブマニュファクチャリング技術はとりわけ、選択的レーザ溶解法（ＳＬＭ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）、および電子ビーム溶解法（ＥＢＭ）である。上記粉末ベースのアディティブマニュファクチャリング技術は、たとえばガスタービンのブレードまたは翼等の製品の全部または一部を造形するために、たとえば、プリフォーム上にブレード冠部を造形するのに用いることができる。
【００５４】
前記ハイブリッド部品の第２部分を形成するための前記アディティブマニュファクチャリング法として、選択的レーザ溶融法ＳＬＭ、選択的レーザ焼結法ＳＬＳまたは電子ビーム溶解法ＥＢＭを用いる場合、本発明の方法は、
ａ）プリフォーム２を製造するか、または少なくとも事前機械加工するステップと、
ｂ）前記プリフォーム２上に付加すべきボリュームの３次元モデルを生成し、その後、断面を計算するためのスライス分割プロセスを行うステップと、
ｃ）計算した前記断面を機械制御ユニット１５へ転送するステップと、
ｄ）加工に必要な金属粉末材料を準備するステップと、
ｅ）アディティブマニュファクチャリングすべき領域との界面が、機械の粉末成膜面に対して平行になるように、前記プリフォーム２を加工チャンバ内に配置するステップと、
ｆ）前記プリフォーム２の正確な位置および方向を求めるステップと、
ｇ）前記プリフォーム２上に、規則的かつ均質な厚さの粉末層１２を形成するステップと、
ｈ）前記制御ユニット１５に記憶された前記３次元モデルによるハイブリッド部品の断面に相当する面積においてエネルギービーム１４を走査することにより溶融を行うステップと
を有し、ただし前記エネルギービーム１４の走査は、２次結晶粒配向がハイブリッド部品１１の所望の構造に一致するか、またはプリフォーム２の既知の結晶主方位に一致するように行い、
前記方法はさらに、
ｉ）形成した前記断面の上表面を１層分の厚さｄだけ下げるステップと、
ｊ）前記３次元モデルによる最後の断面に達するまで前記ステップｇ）〜ｉ）を繰り返すステップと、
を有し、さらに、
ｋ）オプションとして、前記ハイブリッド部品１１を熱処理するステップ
を有する。
【００５５】
１実施形態では、既存のプリフォーム２を有利な面に沿って切削および／または機械加工し、この事前機械加工したプリフォーム２上に、部品１１の第２部分を造形するための後続のステップを実施する。
【００５６】
アディティブマニュファクチャリング工程を行うのに用いられる粉末材料は、（プリフォームの）ベース材料と同じ種類である必要はなく、たとえば、ＭＫ４等であるＮｉベース超合金により形成されたプリフォームの新たな部分を形成するために、それとは異なる種類のＩｎ７３８ＬＣ粉末を使用することができる。
【００５７】
図７ａ，７ｂ，７ｃに、機械加工されたモミの木形部分に材料を成膜した実施例のハイブリッド金属タービンブレードアセンブリを用いた複数の異なる構造を示す。前記方法は、ハイブリッド熱遮蔽シールドアセンブリに適用することも想定できるが、一般的には前記方法は、高負荷がかかるタービン定置部材またはタービン回転部材に特に有用であり、たとえばブレードまたは翼部材に特に有用であることが明らかである。
【００５８】
本方法を、従来のキャスト法により形成されたプリフォームに適用する場合には、ヤング係数が最小値である方向が、パーツの最大熱機械的負荷に整合するように、ＳＬＭ法がレーザ軌道を整合させる。
【００５９】
本方法を単結晶プリフォームに適用する場合には、走査経路を基板の既知の１次配向および２次配向に整合させることにより、熱物理的特性の最大限の一致を実現することができる（図７ａ参照）。後者の２次配向が既知でない場合には、局所的なポリシングまたはエッチングによって決定するか、または、それに代えて択一的に、Ｘ線回折技術により特定することができる。
【００６０】
一例としてプリフォーム２は、ブレードのうち比較的中実のモミの木状の部分から成ることができる。これは比較的簡素な構造であり、問題なくキャスト成形することができる（図７参照）。ここではプリフォーム２はＳＸプリフォームである。通常、ＳＸキャスト成形プロセスでは、１次結晶方位だけでなく２次結晶方位も制御される。より分かりやすくするため、図７にこれら両方位も示す。
【００６１】
その後、１つまたは複数のプリフォーム２をＳＬＭ作業チャンバ内に設置し、このプリフォーム２の正確な位置を３Ｄオブジェクト認識によって求めるか、または、バーンインマーク、レーザポインタ、インラインカメラ、またはこれらのツールや技術を組み合わせて用いた手動によるアライメント手法で特定することができる。その後、走査ベクトルを２次結晶方位に整合させ、連続した各層において９０°回転させる。図７ａに示した部品１１では、走査経路３を整合させることにより、ＳＸプリフォーム２とＳＬＭ造形品との間に上述のように一致した配向が実現されるのが概略的に示されている。
【００６２】
同一平面内の方位における機械的特性の異方性が必要でなかったり、または望ましくない場合には、造形方向に対して垂直な粉末成膜面における機械的特性を等方性に戻すことができる。このことは単に、連続した各層において走査パターンの回転角を任意に（無作為に）選択するだけで実現することができる（たとえば図７ｂ，ｃを参照）。図７ｂは、ＳＸプリフォーム２に対して走査経路３’を整合させていないＳＬＭ造形を示しており、図７ｃは、ＳＸプリフォーム２とパーツ３，３’との間で２次配向を整合させたり整合させなかったりを階段状に切り替えたＳＬＭ造形による部品１１（タービンブレード）を示す。
【００６３】
本発明は、数多くの異なる種類の金属材料に適用できるが、その主な使用範囲は、Ｎｉ／Ｃｏ／Ｆｅベースの超合金に関するものである。
【００６４】
ターゲットとなる用途の１つに、プリフォーム２がＳＸ微細構造を有するハイブリッドアセンブリがある。本発明の方法を用いると、最高負荷がかかる領域における機械的特性が最適化された上述のようなハイブリッド金属部品を、競合可能なコストで製造することができる。好適には、結晶粒の１次結晶配向だけでなく２次結晶配向も、部品の所望の構造および／またはプリフォーム２の結晶主軸に整合させることにより、使用寿命を長くすることができる。
【００６５】
本発明のもう１つの重要な点は、ＳＬＭにより生成される部分の体積全体において、有利な微細構造を実現しなくてもよいことである。その代わりに、部品の局所的な機械的完全性（ＭＩ）の要件または要求に応じて、異なる区域ごとに整合を任意にオンオフすることが可能である。このことは、エピタキシャル成長条件が満たされなくなり、等軸結晶粒成長が生じてしまうと、微細構造の制御が失われてしまうインベストメント鋳造法やＥ‐ＬＭＦに比して有利な点である。
【００６６】
また、この方法は、新品のハイブリッド金属アセンブリの製造にしか適用できない訳ではないということも重要点として述べておく。新品の製造の他にも上記方法は、深刻な損傷または摩耗が生じた部分を、元の使用済みの部品を機械加工することにより得られたプリフォーム２上に材料を直接造形したものに交換する、高温ガス系統部品の再調整にも同様に用いることができる。図８および９にこのような具体例を示す。
【００６７】
図８ａ〜８ｃは、再調整中のタービンブレード製造の３つの主な段階を示す図である。図８ａには、先端領域が深刻に損傷した、使用されたＳＸブレードを示しており、図８ｂには、損傷した先端領域を除去したＳＸブレードを示している。図８ｂでは、このように先端領域を除去した後に残ったブレード本体が、本発明のプリフォーム２となる。図８ｃには、結晶粒配向が整合された状態で先端がＳＬＭにより再造形されたハイブリッド部品１１を示す。これは図９にも示しており、同図では、隣接する層ｎ，ｎ＋１に対する各走査ベクトルを概略的に示している。この実施例では、連続する各層の走査ベクトル間の角度は９０°である。
【００６８】
本発明のプリフォーム２は、材料アディティブ造形前にターボ機の動作条件にさらされたものでないか、またはプリフォーム２は、使用済みのタービン部品を機械加工することにより得られたものとすることができる。
【００６９】
新たに付加される材料は、使用済の部品の元の構造を再現するか、または、使用済みの元の部品とは異なる構造のアセンブリを造形することができる。
【００７０】
粉末を選択的に溶融させるための走査移動のプログラミングは、粉末床への熱流入のバランスがとれるようにし、これにより１次結晶粒配向および２次結晶粒配向の所望の制御を促進する熱的条件となるように行われる。
【００７１】
有利には、プロセスモニタリングシステム（サーマルカメラまたはパイロメータ）を用いて、１次結晶粒配向および２次結晶粒配向の所望の制御の実現を促進する、粉末床表面における温度分布が生じるのを保証することができる。
【００７２】
ここで重要なのは、１次結晶粒配向だけでなく２次結晶粒配向も、部品の所望の構成に有利に合致することである。このことにより動作寿命が長くなる。
【００７３】
２次結晶粒配向を能動的に制御するためには、部品の、ヤング率を最小にしたい方向に対してスキャナ経路を平行かつ直交方向に配置することである。各異なる層ごとに走査経路の方向を角度変化するときには、この角度変化は９０°または９０°の倍数でなければならない（図２ａ，２ｂ参照）。連続した各層ごとの走査経路方向の変化は、ｎ×９０°との偏差が１５°を上回らないように行うこともできる。ここで、ｎは整数値である。
【００７４】
また、有利な２次配向を用いずに（特定の決まった２次配向にならないように）、各層の各島内において相互に平行な複数の走査ベクトルを使用し、各次の層ではこの走査ベクトルをたとえば６３°回転させるか（図４ａ，４ｂ）、または、各層の各島内においてランダムな角度で走査ベクトルをそれぞれバラバラに変化させることも可能である（図４ｃ，４ｄ）。たとえば、特定の決まった２次配向にならないように、連続した各層ごとに走査パターンを６３°回転させることができる。
【００７５】
部品全体の体積において上述の有利な微細構造を実現する必要はなく、局所的な機械的完全性（ＭＩ）の要件に応じて、異なる区域ごとに整合を任意にオンオフすることが可能である。このことは、エピタキシャル成長条件が満たされなくなり、等軸結晶粒成長が生じてしまうと、微細構造の制御が失われてしまうインベストメント鋳造法やＥ‐ＬＭＦに比して有利な点である。
【００７６】
有利には、一定かつ均等な厚さｄを有する粉末層を形成するのに必要である良好な流動性を実現するために、ＳＬＭ法、ＳＬＳ法またはＥＢＭ法にて使用される粉末の粒度分布を層厚ｄに合わせて調整する。
【００７７】
有利には、これらの手法にて使用される粉末の粒子は球形である。粉末の正確な粒度分布は、ふるいおよび／または風選（空気分離）により実現することができる。さらに、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、プラズマ回転電極法、機械的ミリング、または類似の粉末冶金法によって粉末を得ることも可能である。
【００７８】
他に、粉末の代わりに懸濁物を用いることが可能な場合もある。
【００７９】
上記高温材料がＮｉベース合金である場合、使用できる市販の合金は多数存在し、たとえばWaspaloy（登録商標）、Hastelloy（登録商標）X、IN617（登録商標）、IN718（登録商標）、IN625（登録商標）、Mar-M247（登録商標）、IN100（登録商標）、IN738（登録商標）、1N792（登録商標）、Mar-M200（登録商標）、B1900（登録商標）、RENE 80（登録商標）、Alloy 713（登録商標）、Haynes 230（登録商標）、Haynes 282（登録商標）、または他の誘導体を用いることができる。
【００８０】
上記高温材料がＣｏベース合金である場合、たとえばFSX 414（登録商標）、X-40（登録商標）、X-45（登録商標）、MAR-M 509（登録商標）またはMAR-M 302（登録商標）等、使用可能な市販の合金は多数存在する。
【００８１】
上記高温材料がＦｅベース合金である場合、たとえばA 286（登録商標）、Alloy 800 H（登録商標）、N 155（登録商標）、S 590（登録商標）、Alloy 802（登録商標）、インコロイ MA 956（登録商標）、インコロイ MA 957（登録商標）またはPM 2000（登録商標）等、使用可能な市販の合金は多数存在する。
【００８２】
たとえば、ＡｌＮｉＦｅベースの合金も適している。
【００８３】
特に上記合金は、たとえばＹ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｈＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２等の微細分散された酸化物を含むことができる。
【００８４】
１つの有利な実施形態では、本発明の方法により製造されるハイブリッド部品１１はターボ機用のブレードまたは翼である。このブレード／翼は、断面を有する翼形を持ち、２次結晶粒配向はこの翼形断面に合わせて配列され、２次結晶粒配向の整合を翼形の形状に漸次的かつ連続的に適合していく。このことにより、非常に良好な機械的特性および疲労特性を実現することができる。
【００８５】
プリフォーム２が単結晶（ＳＸ）の微細構造を有する場合、部品１１の第２部分‐ここでは翼形部分‐は、追加される材料の２次結晶粒配向を、この単結晶プリフォーム２の結晶主配向に整合させるようにして生成することができる。
【００８６】
１つの異なる実施形態ではハイブリッド金属部品１１は、有利な結晶粒配向を有さない等方性の微細構造を有するプリフォーム２を有し、当該部品１１の第２部分のみが１次結晶粒配向および２次結晶粒配向を有する。
【００８７】
本発明のハイブリッド金属部品１１が、等方性の特性を有する区域／部分と異方性の特性を有する区域／部分とを有する場合には、これらの各部分間に１つまたは複数の移行領域を設けることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１０  ＳＬＭ装置
１１  製品（３Ｄ）、部品
１２  粉末層
１３  レーザデバイス
１４  レーザビーム
１５  制御ユニット
２    プリフォーム
３    走査経路が整合されたＳＬＭ造形
３’  走査経路が整合されていないＳＬＭ造形
ｄ    層厚（粉末層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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