(57)【要約】【課題】融点の高い（１６００℃以上）物質からなる積層造形体において、仮焼結温度を低温化しても高い密着性を有する積層造形体を得ることが可能な粉体材料、積層造形体及び積層造形体の製造方法を提供する。【解決手段】  平均粒径が１μｍ以上２００μｍ以下の第１の金属粒子と、  融点が前記第１の金属粒子よりも低い第２の粒子と、を構成要素とし、  前記第２の粒子は、平均粒径が前記第１の金属粒子の１／１０以下であり、  前記第１の金属粒子と前記第２の粒子との比率は、体積基準で０．００１：９９．９９９以上１：９９未満であることを特徴とする粉体材料を提供する。【選択図】  図１
2018154850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が１μｍ以上２００μｍ以下の第１の金属粒子と、
融点が前記第１の金属粒子よりも低い第２の粒子と、を構成要素とし、
前記第２の粒子は、平均粒径が前記第１の金属粒子の１／１０以下であり、
前記第１の金属粒子と前記第２の粒子との比率は、体積基準で０．００１：９９．９９９以上１：９９未満であることを特徴とする粉体材料。
【請求項２】
前記第１の金属粒子と前記第２の粒子とが混合されていることを特徴とする請求項１記載の粉体材料。
【請求項３】
前記第１の金属粒子と前記第２の粒子とは、それぞれ、分けて貯蔵されていることを特徴とする請求項１記載の粉体材料。
【請求項４】
前記第１の金属粒子の融点が１６００℃以上であることを特徴とする請求項１記載の粉体材料。
【請求項５】
前記第２の粒子の真球度が０．８以上であることを特徴とする請求項１記載の粉体材料。
【請求項６】
前記第２の粒子の融点が室温以上であることを特徴とする請求項１記載の粉体材料。
【請求項７】
前記第２の粒子の導電率が１０−４／Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の粉体材料。
【請求項８】
前記第１の金属粒子が、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム又はイリジウムのいずれかであり、
前記第２の粒子が、ニッケル、スズ、チタン、ジルコニウム、鉄又は銅のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の粉体材料。
【請求項９】
第１の金属粒子を構成する元素と、融点が前記第１の金属粒子よりも低い第２の粒子を構成する元素と、を含む溶融凝固組織を有し、
前記溶融凝固組織の表面に幅１０μｍ以上１ｍｍ以下の模様を有することを特徴とする積層造形体。
【請求項１０】
前記第１の金属粒子の融点が１６００℃以上であることを特徴とする請求項９記載の積層造形体。
【請求項１１】
平均粒径が１μｍ以上２００μｍ以下の第１の金属粒子と、融点が前記第１の金属粒子よりも低い第２の粒子と、を構成要素とし、前記第２の粒子は、平均粒径が前記第１の金属粒子の１／１０以下であり、前記第１の金属粒子と前記第２の粒子との比率は、体積基準で０．００１：９９．９９９以上１：９９未満である粉体材料を基材上に配置する粉体材料配置工程と、
加熱手段によって前記粉体材料を加熱して前記第１の金属粒子と前記第２の粒子とを含む溶融部を形成し、前記溶融部を凝固させて凝固部を形成する凝固部形成工程と、を含むことを特徴とする積層造形体の製造方法。
【請求項１２】
前記溶融部は、部分的に形成することを特徴とする請求項１１記載の積層造形体の製造方法。
【請求項１３】
さらに、前記粉体材料配置工程と前記凝固部形成工程との間に、加熱手段によって前記第１の金属粒子の融点よりも低い温度で前記粉体材料を加熱する仮焼結工程を有し、該工程により前記第２の粒子を溶融し、前記第１の金属粒子と前記基材及び前記第１の金属粒子間を密着することを特徴とする請求項１１記載の積層造形体の製造方法。
【請求項１４】
さらに、前記粉体材料配置工程の前に、前記第１の金属粒子と前記第２の粒子とを混合して均一にする粉体材料混合工程を有することを特徴とする請求項１１記載の積層造形体の製造方法。
【請求項１５】
前記凝固部形成工程を複数回繰り返して複数層の凝固部を形成し、前記基材と前記複数層の凝固部とが一体となった積層造形体を得ることを特徴とする請求項１１記載の積層造形体の製造方法。
【請求項１６】
さらに、前記凝固部形成工程の後に、前記基材と前記凝固部とを切断して分離する工程を有することを特徴とする請求項１１記載の積層造形体の製造方法。
【請求項１７】
前記仮焼結工程によって前記第１の金属粒子に導電性を付与することを特徴とする請求項１３記載の積層造形体の製造方法。
【請求項１８】
前記加熱手段が電磁波又は電子線であり、
前記仮焼結工程の加熱手段が前記凝固部形成工程の加熱手段を兼ねることを特徴とする請求項１３記載の積層造形体の製造方法。
【請求項１９】
前記第１の金属粒子の融点が１６００℃以上であることを特徴とする請求項１１記載の積層造形体の製造方法。
【請求項２０】
前記第１の金属粒子が、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム又はイリジウムのいずれかであり、
前記第２の粒子が、ニッケル、スズ、チタン、ジルコニウム、鉄又は銅のいずれかであることを特徴とする請求項１１記載の積層造形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体材料、積層造形体及び積層造形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉体を原料とする積層造形法（積層造形体製造方法）は、３次元形状を有する部材を直接得られる手法として知られている。その方式は、大別すると、予め層状に形成した粉末（粉末床）をレーザ又は電子線等のエネルギーの照射により局所溶融・凝固することによって形状を得る粉末溶融積層法と、粉末を噴射しながらエネルギーの照射によって溶融・凝固する溶融堆積法があり、何れにおいても粉末の溶融・凝固又は焼結により３次元積層造形体を形成することができる。上記積層造形法によって得られた積層造形体は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又はＰＬＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の成膜方法と比較して、膜厚及び膜組織の点で異なるものである。
【０００３】
ここで、積層造形法の中でも粉末溶融積層法では、層状に形成した粉末（粉末床）を局所溶融する前に、粉末床全体を比較的低入熱の走査加熱又は全体加熱によって仮焼結することで粉末間を密着させる工程を設けることが有る。仮焼結工程は造形時の局所加熱による粉末飛散を防ぐ効果が有り、特に局所溶融のエネルギーに電子線のように電荷の移動を伴う手段を用いる場合には粉末の帯電を防ぐ上で重要な工程である。例えば特許文献１の積層造形法では、仮焼結として溶融前に粉体を予備加熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，６４７，９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、粉体の仮焼結は粉体の溶融特性に依存する。例えば、高融点を有する粉体では仮焼結温度が高くなり、粉末積層造形装置が実施できる仮焼結温度範囲では十分に粉体間の密着及び導電性付与ができないという問題が生じる。仮焼結が不十分な状態での造形は粉末飛散による造形不良や飛散した粉末による造形装置の障害を引き起こす可能性があり、高融点を有する粉体を粉末溶融積層法へ適用する際の課題となっていた。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、融点の高い（１６００℃以上）物質からなる積層造形体において、仮焼結温度を低温化しても高い密着性を有する積層造形体を得ることが可能な粉体材料及び積層造形体の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために、平均粒径が１μｍ以上２００μｍ以下の第１の金属粒子と、融点が上記第１の金属粒子よりも低い第２の粒子と、を構成要素とし、上記第２の粒子は、平均粒径が上記第１の金属粒子の１／１０以下であり、上記第１の金属粒子と上記第２の粒子との比率は、体積基準で０．００１：９９．９９９以上１：９９未満であることを特徴とする粉体材料を提供する。
【０００８】
また、本発明は、第１の金属粒子を構成する元素と、融点が上記第１の金属粒子よりも低い第２の粒子を構成する元素と、を含む溶融凝固組織を有し、前記溶融凝固組織の表面に幅１０μｍ以上１ｍｍ以下の模様を有することを特徴とする積層造形体を提供する。
【０００９】
また、本発明は、平均粒径が１μｍ以上２００μｍ以下の第１の金属粒子と、融点が上記第１の金属粒子よりも低い第２の粒子と、を構成要素とし、上記第２の粒子は、平均粒径が上記第１の金属粒子の１／１０以下であり、上記第１の金属粒子と上記第２の粒子との比率は、体積基準で０．００１：９９．９９９以上１：９９未満である粉体材料を基材上に配置する粉体材料配置工程と、加熱手段によって上記粉体材料を加熱して上記第１の金属粒子と上記第２の粒子とを含む溶融部を形成し、上記溶融部を凝固させて凝固部を形成する凝固部形成工程と、を含むことを特徴とする積層造形体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、融点の高い（１６００℃以上）物質からなる積層造形体において、仮焼結温度を低温化しても高い密着性を有する積層造形体を得ることが可能な粉体材料及び積層造形体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る粉体材料の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る積層造形体の製造工程の一例を示す模式図である。
【図３Ａ】図２のＸ部分の拡大図である。
【図３Ｂ】図２のＹ部分の拡大図である。
【図３Ｃ】図２のＺ部分の拡大図である。
【図４Ａ】図２のＡ部分の拡大図である。
【図４Ｂ】図４Ａの部分拡大図である。
【図４Ｃ】図２のＢ部分の拡大図である。
【図４Ｄ】図４Ｃの部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００１３】
［粉体材料］
図１は、本発明に係る粉体材料の一例を示す模式図である。図１に示すように、本発明に係る粉体材料１００は、第１の金属粒子１０１と第２の金属粒子１０２とを含む。第１の金属粒子１０１の平均粒径は１μｍ以上２００μｍ以下であり、第２の粒子１０２は、第１の金属粒子１０１よりも融点が低く、平均粒径が第１の金属粒子１０１の１／１０以下であり、第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２との比率は、体積基準で０．００１：９９．９９９以上１：９９未満である。なお、図１では第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２とが混合されている状態を示しているが、本発明に係る粉体材料１００は第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２とを構成要素として含んでいればよく、両者が混合されている必要は無い。つまり、第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２とは、それぞれ、分けて貯蔵（保管）されていてもよい。
【００１４】
第１の金属粒子１０１の材質は、特に限定は無く、目的とする積層造形体や後に示す積層造形方法に合わせて選択することができる。例えば、アルミニウム（Ａｌ、：融点：６６０℃）、鉄（Ｆｅ、融点：１５４０℃）、ニッケル（Ｎｉ、融点：１４５５℃）、銅（Ｃｕ、融点：１０８５℃）及びコバルト（Ｃｏ、融点：１４９０℃）等を含む合金が挙げられるが、特にチタン（Ｔｉ、融点：１６６０℃）、バナジウム（Ｖ、融点：１８９０℃）、クロム（Ｃｒ、融点：１８６０℃）、ジルコニウム（Ｚｒ、融点：１８５０℃）、ニオブ（Ｎｂ、融点：２４１５℃）、モリブデン（Ｍｏ、融点：２６２０℃）、タンタル（Ｔａ、融点：２９９０℃）、タングステン（Ｗ、融点：３４２２℃）、レニウム（Ｒｅ、融点：３１８０℃）及びイリジウム（Ｉｒ、融点：２４１０℃）等の高融点合金を用いると、後述する本発明の仮焼結温度（予備加熱温度）の低温化の効果が顕著に得られる。粉体材料１００のほとんどは第１の金属粒子１０１が占めるため、積層造形後の積層造形体（造形物）の組成は、第１の金属粒子１０１に基づく組成となる。
【００１５】
本発明では、積層造形体の主成分として用いられる第１の金属粒子１０１に、以下に述べる第２の粒子１０２を混合することで、仮焼結工程において第２の粒子が溶融し、後述する基材と第１の金属粒子１０１間及び第１の金属粒子間の密着性を高めるバインダとして機能することで粉体材料１００の仮焼結性を高めることができ、積層造形に適用できる第１の金属粒子１０１の選択肢を広げるが可能となる。すなわち、上述した高融点合金からなる積層造形体であっても、第１の金属粒子１０１の融点よりも十分低い温度での仮焼結によって十分な密着性を有する積層造形体を得ることができる。
【００１６】
第１の金属粒子１０１の平均粒径は、１μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。第１の金属粒子１０１の平均粒径が１μｍ未満であると、粒子の巻き上がりや浮遊が生じ、金属の酸化反応性が高まって粉塵爆発等の恐れが生じるためである。また、粒子を扱う際の作業性が悪化する。一方で、第１の金属粒子１０１の平均粒径が２００μｍより大きいと、積層造形において多用されるレーザ又は電子線等の熱源加熱手段からのエネルギーの照射面積よりも大きくなり、照射時に完全に溶融することができず、形成される凝固部の表面が平滑にならない。この結果、造形不良を起こす可能性がある。平均粒径が２００μｍ以下であると凝固部の表面が平滑になり、積層造形工程において凝固部上に粉体を敷き詰めやすくなる点で有利である。また、第１の金属粒子１０１を溶融させるための加熱手段の出力を抑えることが可能になり、第１の金属粒子１０１の溶融速度や第１の金属粒子１０１を局所加熱する際の被加熱領域の範囲の制御が容易になるため、積層造形体の造形精度や凝固組織の均一性を確保し易くなる。
【００１７】
第１の金属粒子１０１の平均粒径とは、１つの粒子の実測直径（１つの粒子の実際の表面に接する平行二平面間の距離）の最大値と最小値の算術平均値とする。
【００１８】
なお、粒子は、真球の場合が最も流動性が高い。本発明では、真球度は、粒子表面の最小二乗平均球面の中心をその中心とする、最小外接球面半径Ｒｍａｘと最大内接球面半径Ｒｍｉｎの比率Ｒｍｉｎ／Ｒｍａｘとして定義する。完全な球では真球度は１である。楕円状、扁平状のような形状となり、球から歪んでいくと、この値は０と１の間でより低い値となる。第１の金属粉体の真球度は、後述する粉体配置工程における配置のしやすさを考慮すると、０．４以上であることが好ましい。
【００１９】
第１の金属粒子１０１の製造方法としては、アトマイズ法、メルトスピニング法、回転電極法、粉砕法、還元法、電解法及び化学合成法等があり、第１の金属粒子１０１の材質や平均粒径及び製造量等に応じて適切に選択されることが好ましい。
【００２０】
第２の粒子１０２は、第１の金属粒子１０１よりも低融点とし、平均粒径は第１の金属粒子１０１の１／１０以下とする。なお、第２の粒子の平均粒径の定義は第１の金属粒子１０１の平均粒径と同様である。第２の粒子１０２の平均粒径を第１の金属粒子１０１の１／１０以下にすることで、第２の粒子１０２が第１の金属粒子１０１間に自然に存在する間隙に入り易くなる。また、平均粒径を第１の金属粒子１０１の１／１０以下とすることで、第２の粒子１０２の添加量を１体積％以下に抑えても、第１の金属粒子１０１間の間隙に第２の粒子１０２が存在できることを確認した。そして、間隙に入り込んだ第２の粒子１０２の融点が第１の金属粒子１０１よりも低いため、より低い温度での仮焼結が可能となり、造形不良を防ぐことができる。ただし、粉体材料１００は造形時以外では室温（２５℃）で保管されるため、安定性の観点から第２の粒子１０２の融点は室温以上とすることが好ましい。また、第２の粒子１０２の導電率を室温で１０−４／Ω・ｃｍ以上とする事で、特に電子ビーム等荷電粒子による加熱時の帯電を効果的に防ぐ事ができ、造形不良を防ぐ点でより好ましい。
【００２１】
第２の粒子１０２の真球度は、０．８以上１以下であることが好ましい。真球度が０．８以上であると、第１の金属粒子１０１の間隙に第２の粒子１０２が侵入し易いため好ましい。
【００２２】
第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２が混合されている状態で、第２の粒子１０２の含有量は、０．００１体積％以上１体積％未満であることが好ましい（言い換えると、粉体１００中に第２の粒子１０２が体積分率で０．００１％以上１％未満含まれる）。０．００１％以上であれば、仮焼結温度の低温化効果が発現し、１％未満であれば、造形工程での巻き上がりや浮遊する第２の粒子１０２の量を抑制することができる。また、１％以上となると、積層造形体の物性（融点等）に影響を与えるため、好ましくない。
【００２３】
このような粒子の製造方法には、アトマイズ法、メルトスピニング法及び回転電極法等があり、第２の粒子１０２の材質や平均粒径及び製造量等に応じて適切選択されることが好ましい。第２の粒子１０２の材質としては、上記の条件を満たせば、無機物（金属、炭素等）及び有機物（樹脂材料等）の中から様々な材料を用いることが出来る。例えば、無機物としては、第１の粒子よりも低融点の金属材料、第１の金属粒子と固溶ないし共晶・共析反応を生じて低融点物質を形成することで第１の金属粒子間を接合する金属又は炭素等を選択することができる。特に、第１の金属粒子１０１が合金である場合、その合金を組成する低融点材料を選択すると、第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２との混合によって所望の合金組成を設計することが可能であり、より好ましい。このような第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２の組み合わせとしては、鉄基合金又は含クロム合金中のニッケル、ジルコニウム合金中のスズ及びニッケル、ニオブ合金又はモリブデン合金中のチタン及びジルコニウム、タングステン合金中の鉄、ニッケル及び銅等が挙げられる。また、グラファイト粉末のように炭化物を形成する事で接合が可能な材料も、広義の低融点材料として第２の粒子１０２として用いることができる。
【００２４】
第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２を、ミキサ、ホモジェナイザ及びボールミル等を用いて均一に混合することで粉体材料１００を作製することができる。この混合工程は、後述する積層造形工程において、基材上に粉体を配置する工程の前の何れかの工程で実施すれば良い。
【００２５】
なお、粉体材料１００が上述した組成を有することは、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）‐ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ‐ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析によって確認することができる。例えば、ＳＥＭにて粉体の表面を観察して形状像を得て、さらに、特定元素に絞ってＥＤＸにおいて元素マッピングを行うことで各サイズの粒子の組成を得ることができる。融点については、各種データベースを参照することで評価することができる。
【００２６】
［積層造形体の製造方法及び積層造形体］
次に、上述した粉体材料１００を用いた積層造形体の製造方法について説明する。
【００２７】
図２は、本発明に係る積層造形体の製造工程の一例を示す模式図である。図２に示すように、本発明に係る積層造形体の製造方法では、粉体材料展延（粉体材料配置）工程及び凝固部形成（造形）工程を含む（ａ）〜（ｉ）に示す積層造形工程を繰り返し行い、凝固部（凝固組織）の形成を繰り返すことで、凝固部の集合（積層体）からなる積層造形体の立体造形を行う。本発明に係る積層造形体の製造方法は、上述した粉体材料を原料粉末として用いることを特徴とし、装置としては従来から一般的に利用されている金属用の粉末積層造形装置を用いることが可能である。
【００２８】
積層造形装置としては、後述する本発明に係る積層造形体の製造方法を実施することができれば特に限定は無いが、例えば以下の態様のものを使用することができる。上端に基材載置台（図示せず）を有する昇降可能なピストンを備え、この基材載置台の周囲には、粉体材料１００を基材上に供給する粉末フィーダ、供給された粉体材料１００を展延するリコータ、粉体材料１００を加熱する加熱手段が備えられている。これらの機器類は、チャンバに収容されており、チャンバ内の雰囲気は加熱手段の種類に応じて真空雰囲気又はアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気とされ、雰囲気圧力や温度が管理されるようになっている。
【００２９】
以下、（ａ）〜（ｉ）の工程について、順を追って詳述する。積層造形を行うに際して、まず上述した基材載置台に基材１０８が載置される。基材１０８としては、後述する仮焼結工程及び凝固部形成工程における加熱手段による加熱に対する耐熱性を備えていれば特に限定は無く、適宜材料を選択することができる。具体的には、炭素鋼が好ましい。この積層構造体の製造方法においては、基材１０８の被造形面１１０上に対して凝固部（積層構造体）の積層造形が行われることで、基材１０８と凝固部とが一体化した状態の積層造形体が得られる。そのため、積層造形後に切断加工等により基材１０８から積層造形体を分離する場合には、切断加工のし易さを考慮して平板状の基材１０８を用いることが好ましい。基材１０８と凝固部とを一体化した積層造形体を得ることを目的とする場合には、基材１０８として被造形面を有する任意形状の構造部材及び機構部材等を用いることができる。
【００３０】
図２（ａ）に示す粉体材料展延工程（粉体材料配置工程）では、調製された粉体材料１００を基材１０８の被造形面１１０上に展延する。すなわち、積層造形における初回の粉末材料展延工程では、積層造形装置に載置された基材１０８に粉体材料１００を展延する。粉体材料１００の展延は、図示しない粉末フィーダによって基材１０８上に供給された粉体材料１００をリコータが被造形面（基材１０８の表面）上を通過しながらかきならし、粉体材料１００を基材１０８上に薄層状に敷き詰めることによって行うことができる。図３Ａは、図２のＸ部分の拡大図である。図３Ａに示すように、第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２とが均一に混合された状態で基材１０８上に敷き詰められることが好ましい。したがって、第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２とは凝集していない状態であることが好ましい。
【００３１】
形成された粉体材料１００の薄層の厚さは、後述する粉体材料１００を溶融させる加熱手段の出力や、第１の金属粒子１０１の平均粒径等に応じて適宜調節することができるが、１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。１０００μｍよりも大きいと、エネルギー（レーザ及び電子ビーム等）での溶解が困難になる。また、深く溶け込みをしようとすると必然的にビームが面内にも広がるため、分解能の悪化につながる。一方、粒子（第１の金属粒子）の平均粒径よりも薄い層は供給できない。
【００３２】
次に、上述した粉体材料展延工程の後に仮焼結工程を実施する（図２（ｂ））。本工程では、粉体材料１００（第１の金属粒子１０１）の融点より低い温度で展延した粉体材料１００全体を加熱することで、基材１０８上に対して粉体材料１００を飛散しない程度に固定し、第１の金属粒子１０１間も密着させる。また、必要に応じて粒子間に導電性を付与した仮焼結部１０６を形成する。仮焼結工程の加熱手段としては、例えば、電子線加熱、レーザ加熱、マイクロ波加熱、プラズマ加熱、集光加熱及び高周波加熱等のビームの加熱原理に基づくもので基材１０８に対して局所的な加熱が可能な手段、または、抵抗加熱及び輻射加熱のように基材１０８全体を加熱する手段を用いることができる。
【００３３】
ビームの加熱原理に基づく手段の場合は、後述する図２（ｃ）の凝固部形成工程の加熱手段１０４を兼用することができる。本工程では、上述した本発明に係る粉体材料１００を用いることで、第１の金属粉体１０１単体よりも低い温度で仮焼結を実施することができる。
【００３４】
図３Ｂは、図２のＹ部分の拡大図であり、第２の粒子１０２が溶融し、第１の金属粒子１０１と基材１０８及び第１の金属粒子１０１どうしを密着させている。
【００３５】
次に、凝固部形成工程を実施し、展延して仮焼結を施した仮焼結部１０６を加熱手段１０４によって局所加熱（エネルギー照射）して溶融させた後に凝固させる（図２（ｃ）及び（ｄ））。具体的には、加熱手段１０４を粉体材料１００の展延方向と平行な方向に走査することによって溶融部１０５及び溶融部１０５が凝固して形成された凝固部１０７ａを造形（形成）する。凝固部１０７ａの造形は、製造しようとする積層構造体の立体形状を表す３次元形状情報（３Ｄ（３  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）‐ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データ等）から得られる２次元形状情報に従い、加熱手段１０４を走査することで実施することができる。
【００３６】
粉体材料１００の局所加熱は、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、加熱手段１０４によって、展延された粉体材料１００からなる仮焼結部１０６の被加熱領域を限定して行い、仮焼結部１０６の一部を、微小な溶融池（溶融部１０５）が形成されるように選択的に溶融させることにより行う。溶融部１０５の大きさは、直径１ｍｍ以下が好ましい。溶融部１０５をこのような微小な大きさに制限することで、積層構造体の造形精度及び凝固組織における元素組成の均一性を高めることができる。
【００３７】
上述したように、加熱手段１０４を図２（ｃ）及び（ｄ）に示す矢印方向に移動し、被造形面１１０上を、展延方向に平行に移動するように走査させる。局所加熱可能な加熱手段（エネルギー源）としては、例えば、電子線加熱、レーザ加熱、マイクロ波加熱、プラズマ加熱、集光加熱及び高周波加熱等のビームの加熱原理によるものが用いられる。これらの中でも、電子線加熱又はレーザ加熱が特に好適である。電子線加熱又はレーザ加熱によると、エネルギーの出力や、粉体材料１００の被加熱領域の微小化や、積層構造体の造形精度等の制御を比較的容易に行うことができるためである。
【００３８】
加熱手段１０４の走査は、加熱手段１０４自身の走査の他、ガルバノミラー等によってエネルギーの照射スポットの走査により行うことも可能であり、ラスター走査方式等、走査方式を適宜選択することができる。このとき、複数の線源によるオーバーラップ走査を行い、照射されるエネルギー密度を平坦化させてもよい。そして、加熱手段１０４の走査によって仮焼結部１０６のうち未だ溶融していない領域の局所加熱を新たに行うと共に、加熱手段１０４の走査によって形成された溶融部１０５を雰囲気温度の下で冷却して凝固させる。溶融部１０５が凝固することで形成される凝固部１０７ａは、基材１０８や既に形成されている凝固部と一体化しつつ凝固部の緻密な集合体を形成する。
【００３９】
図３Ｃは、図２のＺ部分の拡大図である。図３Ｃに示すように、凝固部形成工程によって、基材１０８の表面、第１の金属粒子１０１及び第２の粒子が溶融・凝固して形成された溶融凝固組織が形成される。
【００４０】
図４Ａは、図２のＡ部分の拡大図であり、図４Ｂは、図４Ａの部分拡大図である。また、図４Ｃは、図２のＢ部分の拡大図であり、図４Ｄは、図４Ｃの部分拡大図である。図４Ａに示すように、凝固部１０７ｃ（溶融凝固組織）は、その表面に凹凸形状を構成する模様４０，４１，４２を有する。模様４０，４１，４２は、加熱手段（熱源）の走査方向に沿って形成される。加熱手段の走査方向に起因する材料の異方性を軽減するため、最も表面にある模様４０と、その下の模様４１と、模様４１の下の模様４２は、それぞれ加熱手段の走査方向を変えて積層されている。模様１つのラインの幅は、加熱手段の照射幅及び溶融池の幅と同じであり、１０μｍ〜１ｍｍである。より実際的には、５μｍ〜５００μｍである。
【００４１】
図４Ｂは模様４１の１つのラインをさらに拡大した図であり、模様４１の表面に溶融部境界４３が観察される。これは、加熱手段によって溶融した部分と溶融しなかった部分の境界であり、加熱手段走査中に溶融池の大きさが変化することに起因して形成されるものである。
【００４２】
図４Ｃに示すように、凝固部１０７ｃは、複数の模様が折り重なって形成されたものである。図４Ｄは図４の１層をさらに拡大した図であり、凝固組織１０７ｃの側面においても溶融部境界４３が観察され、溶融部境界４３を超えて溶融凝固部がエピタキシャル成長した組織４４も観察される。
【００４３】
第１の金属粒子及び第２の粒子は凝固部形成工程で溶解するが、溶け残った第１の金属粒子及び第２の粒子が積層造形体の表面に存在することもある。
【００４４】
加熱手段１０４の走査速度、出力、エネルギー密度及び走査幅は、粉体材料１００の元素組成、粒度分布、基材１０８の材料、溶融部１０５の位置関係、チャンバ温度等から推定される熱伝導及び熱放射に基いて適宜調整することができる。また、溶融部１０５を冷却する冷却温度は、積層構造体の元素組成に応じて寸法変化及び熱歪等を考慮して設定すればよい。溶融部１０４の大きさ、溶融速度、冷却速度、溶融及び冷却の時間間隔等を所定の範囲に維持して走査を行うことによって、造形される積層造形体の強度分布を均一化したり、残留応力や表面粗さを低減することが可能である。
【００４５】
図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、基材載置台に載置された基材１０８上で、仮焼結部１０６の溶融と凝固とを繰り返して凝固部１０７ａの集合を形成することで、所定の２次元形状と厚さとを有する凝固部１０７ａが形成される。
【００４６】
次に、基材載置台を、形成された凝固部１０７ａの膜厚に相当する高さ分だけ下降させ、図２（ａ）と同様に粉体材料１００を展延する（図２（ｅ））。２回目以降の粉体材料展延工程は、既に展延されて仮焼結された仮焼結部１０６上又は凝固部１０７ａ上で行われる。
【００４７】
その後、図２（ｂ）〜（ｄ）と同様にして仮焼結工程（図２（ｆ））、凝固部形成工程（図２（ｇ）及び（ｈ））を行い、２層目の凝固部１０７ｂの積層を行う。形成された凝固部１０７ｂは、下層の凝固部１０７ａと一体化して溶融凝固組織を有する緻密体を形成する。以降、同様にして、形成された凝固部の上面を被造形面として粉体材料展延工程、仮焼結工程及び凝固部形成工程を繰り返すことで、基材１０８上に所望の形状寸法の凝固部１０７ｃを有する積層造形体（基材‐溶融凝固部一体化積層造形体）１０３を得ることができる（図２（ｉ））。
【００４８】
図２（ｈ）に示す非溶融部１０９は、目的とする積層造形体の形状に応じてエネルギーを照射しなかった部分であり、図示しないが、凝固部形成工程後にブラスト加工等で除去することができる。
【００４９】
なお、必要に応じて、粉体材料展工程前に、粉体材料１００の構成要素である第１の金属粒子１０１と第２の粒子１０２とを混合する粉体材料混合工程を実施してもよい。混合方法に特に限定は無いが、例えばＶ型ミキサーを用いて実施することができる。また、基材１０８と凝固部１０７ｃとを分離し、凝固部１０７ｃからなる凝固部積層造形体を得る場合には、工程（ｉ）の後に、基材１０８と凝固部１０７ｃとを切断して分離する工程を実施してもよい。
【００５０】
このような積層造形工程を繰り返し行って立体造形を行う積層構造体の製造方法によれば、微小な凝固組織（凝固部１０７）の集合によって所望の形状寸法を有する積層造形体を製造することができる。また、微小な凝固組織のそれぞれの元素組成は、用いる第１の金属粒子の元素組成を良好に反映しているため、元素組成分布の均一性及び機械的強度の分布の均一性が高い固溶相を形成することができる。さらには、一方向からの加熱によって凝固組織を形成し、結晶成長方向が略一方向に配向した凝固組織を積層することができるため、異方性が高い積層構造体を形成することができる。
【００５１】
本実施形態にて開示する積層造形体１０３は、粉体材料１００の仮焼結性が改善されるために高融点粉体を用いる際の造形精度に優れる。また、第２の粒子１０２は第１の金属粒子１０１と固溶して一体として存在するため、予め設計した第１の金属粒子１０１の特性を考慮して第２の粒子を選択することで、高温強度及び疲労強度に優れた造形体とすることができる。このような特性は各種機械部品、金型、医療用インプラント等様々な用途に好適であり、各部材の寸法精度及び強度の改善に寄与することができる。
【実施例】
【００５２】
以下、図面を用いて実施例及び比較例を説明する。
【００５３】
（実施例１〜５の積層造形体）
実施例１〜５は、第１の金属粒子として、ガスアトマイズ法で形成したＮｂ粉末（融点：２４１５℃）を用いた。粒径が５０μｍから１００μｍに分布するものに限定し、平均粒径が７０μｍのものを使用した。第２の粒子として、平均粒径１．５μｍのＣｕ微粒子（三井金属鉱業株式会社製、融点１０８５℃）を用いた。真球度は、第１の金属粒子の平均値が０．７、第２の粒子が０．８であり、第２の粒子は平均粒径が第１の金属粒子の１／１０よりも小さく、低融点であることを確認した。第２の粒子が表１に示す体積分率となるよう、上記第１の金属粒子と第２のり粒子を混合し、Ｖ型ミキサーによって１時間攪拌することで粉体材料を得た。実施例１〜５の積層造形体の構成を後述する表１に記載する。
【００５４】
電子ビーム積層造形装置（Ａｒｃａｍ社製、型式：Ａ２Ｘ）に、上述した粉体材料と基材（１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）板材）を組み込み、粉体材料の供給と、真空雰囲気下で電子線を加熱手段とする仮焼結（仮焼結温度：７００℃）、局所溶融、凝固及び冷却を繰り返すことで円筒状（直径１０ｍｍ、高さ５０ｍｍ）の積層造形体を形成した。その後、基材から積層造形体を切断した。
【００５５】
（比較例１〜４の積層造形体）
比較例１は第２の粒子を混合せず、比較例２〜４は、第２の粒子の平均粒径又は体積分率が本発明の範囲外のものである。その他の条件は実施例１と同様とした。なお、比較例３，４で用いた平均粒径１０μｍのＣｕ微粒子（ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社製）の真球度は、実施例１に示したＣｕ粉末と同じく０．８以上であった。比較例１〜４の積層造形体の構成を後述する表１に併記する。
【００５６】
（実施例６〜１０の積層造形体）
実施例６〜１０では、第１の金属粒子として水素還元法で形成したＷ粉末（融点３４２２℃）を用いた。平均粒径は３μｍである。第２の粒子として、平均粒径０．１μｍのＮｉ微粒子（シグマアルドリッチジャパン合同会社製、融点１４５５℃）を用いた。真球度は第１の金属粒子の平均値が約０．６、第２の粒子が約０．８であり、第２の粒子は平均粒径が第１の金属粒子の１／１０よりも小さく、低融点であることを確認した。第２の粒子の体積分率を表２に示す体積分率となるよう、上記第１の金属粒子と第２の粒子を混合し、Ｖ型ミキサーによって１時間攪拌することで粉体材料を得た。実施例６〜１０の積層造形体の構成を後述する表２に記載する。
【００５７】
レーザ溶融積層造形装置（ＳＬＭソリューションズ社製、型式：ＳＬＭ１２５）に、上述した粉体材料と基材（１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）板材）を組み込み、粉体材料の供給と、窒素雰囲気下でレーザを加熱手段とする仮焼結（仮焼結温度：８００℃）、局所溶融、凝固及び冷却を繰り返すことで円筒状（直径１０ｍｍ、高さ５０ｍｍ）の積層造形体を形成した。その後、基材から積層造形体を切断した。
【００５８】
（比較例５及び６）
比較例５は第２の粉体を混合せず、比較例６は、第２の粉体の体積分率を本発明の範囲外とし、それ以外の条件は実施例６と同様とした。比較例５及び６の積層造形体の構成を後述する表２に併記する。
【００５９】
（結果の比較）
各実施例及び比較例で得られた各積層造形体を、基材の中心線を通る面にて切断し、得られた断面において観察された空隙率を表１に示す。観察はＳＥＭにて行い、研磨後に現れた空隙の面積比率を測定した。造形初期に粉末の帯電等に起因する造形不良が生じた場合は「造形不可」とした。積層造形体空隙率の判定については、５％未満に抑制できた場合を良、それ以外を不良と判定した。
【００６０】
【表１】
2018154850.tif 000003
【００６１】
【表２】
2018154850.tif 000004
【００６２】
表１及び２に示すように、本発明に係る粉体材料を用いて得た実施例１〜１０の積層造形体は、比較例１及び５に示した第２の粒子を含まない粉体材料と比較して粉体材料の仮焼結が十分になされたことで、基材‐第１の金属粒子間及び第１の金属粒子間の密着性を高め、積層造形が安定化し、結果としてＮｂやＷのような高融点金属の造形においても、これらの融点よりも大幅に低い仮焼結温度（７００℃又は８００℃）で積層造形体における空隙率を十分に低い値（５％未満）に収める事ができた。
【００６３】
一方、比較例１及び５に示した第２の粒子を除いた構成と、比較例３及び４に示した、第２の粒子の平均粒径が第１の金属粉体の１／１０よりも大きい構成である場合は、第１の金属粒子間の仮焼結が不良となり、何れも造形中の帯電や粉体の展延不良に起因する造形不良が生じた。
【００６４】
電子線溶融積層造形法を用いた比較例１、３及び４では、帯電によって造形が不可能となり、レーザ溶融積層造形法を用いた比較例５及び６では展延不良（粉体薄層の厚みが不均一となること）により空隙率が基準よりも高い値（５％以上）となった。また、比較例２及び６に示したように、第２の粒子の体積分率が１％以上となる条件では空隙率が増加した。これは、第２の粒子の比重が第１の金属粒子よりも低いために、第２の粒子を過剰に用いると、粉体材料供給時に粉体材料上部に浮き上がり、表面の組成が不均一となるために溶融池挙動が不安定となって欠損部を生じるものと考えられる。
【００６５】
以上のように、本発明に係る粉体材料は、融点の高い（１６００℃以上）物質からなる積層造形体において、仮焼結温度を低温化しても高い密着性を有する積層造形体を得ることが可能な粉体材料及び積層造形体の製造方法を提供することができることが確認された。
【００６６】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１００…粉体材料、１０１…第１の金属粒子、１０２…第２の粒子、１０３…積層造形体、１０４…加熱手段、１０５…溶融部、１０６…仮焼結部、１０７…凝固部、１０８…基材、１０９…非溶融部、１１０…被造形面、１２０…積層造形体、４０，４１，４２…模様、４３…溶融部境界、４４…エピタキシャル組織。
【図１】
2018154850.tif 000005
【図２】
2018154850.tif 000006
【図３Ａ】
2018154850.tif 000007
【図３Ｂ】
2018154850.tif 000008
【図３Ｃ】
2018154850.tif 000009
【図４Ａ】
2018154850.tif 000010
【図４Ｂ】
2018154850.tif 000011
【図４Ｃ】
2018154850.tif 000012
【図４Ｄ】
2018154850.tif 000013