(57)【要約】【課題】要求される特性に合わせて部位ごとに金属組織を異ならせることが可能な金属部材の作製方法を提供する。【解決手段】第１部位１２と第２部位１４とを含む金属部材の作製方法であって、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により第１部位１２を造形する第１造形工程と、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により第２部位１４の外周部を造形した後、第２部位１４の内部に残存している金属粉末を熱間等方圧加圧により焼結させて第２部位１４を造形する第２造形工程とを含む。又は、金属部材の作製方法は、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により、第１部位１２と、第２部位１４の外周部とを造形する三次元造形工程と、三次元造形工程の後に、第２部位１４の内部に残存している金属粉末を熱間等方圧加圧により焼結させる処理工程とを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部位と第２部位とを含む金属部材の作製方法であって、
パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により前記第１部位を造形する第１造形工程と、
パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により前記第２部位の外周部を造形した後、前記第２部位の内部に残存している金属粉末を熱間等方圧加圧により焼結させて前記第２部位を造形する第２造形工程と、
を含む金属部材の作製方法。
【請求項２】
第１部位と第２部位とを含む金属部材の作製方法であって、
パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により、前記第１部位と、前記第２部位の外周部とを造形する三次元造形工程と、
前記三次元造形工程の後に、前記第２部位の内部に残存している金属粉末を熱間等方圧加圧により焼結させる処理工程と、
を含む金属部材の作製方法。
【請求項３】
前記第１部位の結晶構造は、方向性凝固又は単結晶であり、
前記第２部位の結晶構造は、等軸結晶である、
請求項１又は２に記載の金属部材の作製方法。
【請求項４】
前記金属部材は、タービン翼であり、
前記第１部位は、前記タービン翼の翼部であり、
前記第２部位は、前記タービン翼の翼根元部である、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属部材の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種産業用装置等の一部品として用いられる金属部材には、使用条件に対応した特性が求められる。ここで、金属部材全体として１つの特性が求められているならば、その特性が発現するように、一般的な作製方法により金属部材を作製することができる。例えば、特にクリープ特性が求められている金属部材を作製する場合には、金属組織が一方向性凝固組織又は単結晶組織となるように、一般的な精密鋳造により作製すればよい。
【０００３】
これに対して、各部位によってそれぞれ異なる特性が求められている金属部材がある。例えば、金属部材が第１部位と第２部位との２つの部位を含む場合を想定すると、第１部位には特にクリープ特性が要求され、第２部位には特に疲労特性が要求される場合などがこれに相当する。この場合、第１部位の金属組織が一方向性凝固組織又は単結晶組織となり、一方、第２部位の金属組織が等軸組織となることが望ましい。しかし、このような２つの異なる特性が求められている金属部材を一般的な精密鋳造で作製しようとすると、第２部位まで一方向性凝固化又は単結晶化が進められてしまうため、所望の特性を有する金属部材を作製することが難しい。
【０００４】
ここで、近年、金属部材を作製するための一方法として、各種の三次元造形方法が採用されている。特許文献１は、高エネルギービームの照射により凝固され得る粉末材料を用いて三次元物体を生成する三次元積層造形装置及び方法を開示している。一般的な精密鋳造に代えて、このような三次元造形装置を用いることで、部位ごとに異なる組織となる金属部材を作製することも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５４４５０１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている三次元積層造形では、造形方向に大きな温度勾配が生じるため、形成された金属組織には、一方向（造形方向）に伸びた結晶が成長しやすい。したがって、たとえ部位ごとに異なる組織となる金属部材を作製できたとしても、特に等軸結晶となる部位を形成することが困難である。すなわち、特許文献１に開示されている三次元積層造形では、部位ごとに所望の特性を有する金属部材を作製することができるとは言い切れない。
【０００７】
そこで、本発明は、要求される特性に合わせて部位ごとに金属組織を異ならせることが可能な金属部材の作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、第１部位と第２部位とを含む金属部材の作製方法であって、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により第１部位を造形する第１造形工程と、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により第２部位の外周部を造形した後、第２部位の内部に残存している金属粉末を熱間等方圧加圧により焼結させて第２部位を造形する第２造形工程と、を含む。
【０００９】
また、本発明の一態様は、第１部位と第２部位とを含む金属部材の作製方法であって、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により、第１部位と、第２部位の外周部とを造形する三次元造形工程と、三次元造形工程の後に、第２部位の内部に残存している金属粉末を熱間等方圧加圧により焼結させる処理工程と、を含む。
【００１０】
上記の金属部材の作製方法において、第１部位の結晶構造は、方向性凝固又は単結晶であり、第２部位の結晶構造は、等軸結晶であるものとしてもよい。また、金属部材は、タービン翼であり、第１部位は、タービン翼の翼部であり、第２部位は、タービン翼の翼根元部であるものとしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、要求される特性に合わせて部位ごとに金属組織を異ならせることが可能な金属部材の作製方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る作製方法で作製され得るタービン翼を示す図である。
【図２】三次元金属積層造形装置の構成を示す図である。
【図３】三次元金属積層造形工程の流れを時系列で示す図である。
【図４】タービン翼を収容した熱間等方圧加圧装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで、実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本発明に直接関係のない要素については、図示を省略する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る作製方法の作製対象となる金属部材の一例としてのタービン翼１０を示す斜視図である。タービン翼１０は、航空機用ジェットエンジンや産業用ガスタービンなどに用いられるタービン部品の一構成要素であり、不図示のタービンロータの外周に複数設置される。タービン翼１０は、例えば、第１部位としての翼部１２と、第２部位としてのダブテール部１４とを含む。なお、ダブテール部は、翼根元部ともいう。翼部１２は、高圧又は高温下のガスを誘導する部位である。ダブテール部１４は、タービン翼１０をタービンロータに固定するために、予めタービンロータに形成されている溝部に嵌合する部位である。タービン翼１０の材質は、例えばＮｉ基超合金である。なお、以下の各図では、タービン翼１０の延伸方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な水平面内において、Ｘ軸、及び、Ｘ軸に垂直なＹ軸を取るものとして説明する。
【００１５】
一般に、金属部材を構成する材料特性は、金属組織（結晶構造）に依存する。例えば、一方向性凝固組織又は単結晶組織は、応力発生方向に対して結晶粒が比較的少ない。そのため、金属組織が一方向性凝固組織又は単結晶組織である金属部材は、クリープ特性に優れる。一方、例えば、等軸組織は、微細な結晶粒からなる微細組織である。そのため、金属組織が等軸組織である金属部材は、引張強度や疲労強度に優れる。
【００１６】
ここで、タービン翼１０の各部位について見ると、翼部１２には、特にクリープ特性が要求される。したがって、翼部１２を構成する材料は、一方向性凝固組織又は単結晶組織を有するものであることが望ましい。一方、ダブテール部１４には、特に疲労特性が要求される。したがって、ダブテール部１４を構成する材料は、等軸組織を有するものであることが望ましい。そこで、本実施形態では、以下のような作製方法を用いて、要求される特性に合わせて、部位ごとに金属組織が異なるタービン翼１０を作製する。
【００１７】
本実施形態に係るタービン翼１０の作製方法では、まず、タービン翼１０のうち、翼部１２の全体と、ダブテール部１４の外周部とが、三次元金属積層造形により造形される。以下、三次元金属積層造形を三次元造形と略記する。
【００１８】
図２は、本実施形態に係る作製方法に用いられる三次元造形装置１の構成の一例を示す概略断面図である。三次元造形装置１は、粉末材料Ｐに電子ビームＥを照射して粉末材料Ｐを溶融し凝固させ、凝固した粉末材料Ｐを積層させていくことで、三次元の物体を造形する、いわゆるパウダーベッド方式を採用した装置である。本実施形態における粉末材料Ｐは、金属粉末材料である。粉末材料Ｐは、多数の粉末体により構成される。また、粉末材料Ｐとして、電子ビームＥの照射により溶融及び凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。
【００１９】
なお、粉末材料Ｐを溶融し凝固させる各層の造形処理ごとに、その造形処理の前に、さらに粉末材料Ｐに電子ビームＥを照射して、粉末材料Ｐの予備加熱を行ってもよい。予備加熱は、予熱とも称され、粉末材料Ｐの融点未満の温度で粉末材料Ｐを加熱する処理である。この予備加熱により、粉末材料Ｐが加熱されて仮焼結され、電子ビームＥの照射による粉末材料Ｐへの負電荷の蓄積が抑制されて、電子ビームＥの照射時に粉末材料Ｐが飛散して舞い上がるスモーク現象を抑制することができる。
【００２０】
三次元造形装置１は、ビーム出射部２と、造形部３と、制御部４とを備える。
【００２１】
ビーム出射部２は、造形部３の粉末材料Ｐに対し電子ビームＥを出射し、粉末材料Ｐを溶融させるユニットである。電子ビームＥは、荷電粒子である電子の直線的な運動により形成される荷電粒子ビームである。ビーム出射部２は、電子銃部２１と、収差コイル２２と、フォーカスコイル２３と、偏向コイル２４と、コラム２５とを備える。
【００２２】
電子銃部２１は、造形部３に向けて電子ビームＥを出射する。電子銃部２１は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。
【００２３】
収差コイル２２は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、電子ビームＥの収差を補正する。収差コイル２２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。なお、三次元造形装置１の種類によっては、収差コイル２２の設置を省略する場合もある。
【００２４】
フォーカスコイル２３は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、電子ビームＥを収束させて、電子ビームＥの照射位置におけるフォーカス状態を調整する。フォーカスコイル２３は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。
【００２５】
偏向コイル２４は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、制御信号に応じて電子ビームＥの照射位置を調整する。偏向コイル２４は、電磁的にビーム偏向を行うため、機械的にビーム偏向を行う場合に比べて、電子ビームＥの照射時における走査速度を高速にすることができる。また、偏向コイル２４は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。
【００２６】
コラム２５は、例えば筒状の筐体である。コラム２５は、電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３及び偏向コイル２４を収容する。
【００２７】
造形部３は、所望の形状に金属部材を造形するユニットである。造形部３は、チャンバ３０と、ステージ３１と、昇降機３２と、造形タンク３３と、リコータ３４と、ホッパ３５とを備える。
【００２８】
チャンバ３０は、例えば箱状の筐体である。チャンバ３０は、ステージ３１、昇降機３２、リコータ３４及びホッパ３５を収容する。チャンバ３０は、ビーム出射部２のコラム２５と連結している。チャンバ３０の内部空間は、電子銃部２１が配置されるコラム２５の内部空間と連通している。また、チャンバ３０の内部空間は、真空又はほぼ真空な状態に維持されている。
【００２９】
ステージ３１は、造形される金属部材を支持する。ステージ３１は、電子ビームＥの出射方向の延長線上に位置し、例えば、主平面を水平面とする円板状の部材である。また、ステージ３１は、造形タンク３３内に配置され、Ｚ方向に移動可能である。なお、ステージ３１の表面上には、底板３６が設置されている。粉末材料Ｐは、底板３６上に直接的に供給される。
【００３０】
昇降機３２は、ステージ３１を昇降させる機構である。昇降機３２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。例えば、昇降機３２は、金属部材の造形の初期においてステージ３１を上部へ移動させておき、ステージ３１上で粉末材料Ｐが溶融凝固されて積層されるごとにステージ３１を降下させる。なお、昇降機３２は、ステージ３１を昇降できる機構であれば、いずれの機構のものを用いてもよい。
【００３１】
造形タンク３３は、ステージ３１の外形に合わせた内壁を有する筒状容器である。本実施形態の例では、ステージ３１の形状は円板状であるので、造形タンク３３の形状は、ステージ３１の移動方向に沿った軸に対して断面形状が同心円状となる内壁を有する円筒状である。これにより、造形タンク３３に供給される粉末材料Ｐのステージ３１の下方へ漏れ落ちが抑制される。なお、粉末材料Ｐの漏れ落ちをより抑制するために、ステージ３１の外縁部にシール材を設けてもよい。また、造形タンク３３の形状は、円筒状に限定されず、断面矩形の角筒状であってもよい。
【００３２】
リコータ３４は、ステージ３１の上方に粉末材料Ｐを供給し、粉末材料Ｐの表面を均す粉末塗布機構である。リコータ３４は、例えば棒状又は板状の部材である。リコータ３４は、図２中の矢印で示すように、水平方向に移動することにより電子ビームＥの照射領域に粉末材料Ｐを供給し、粉末材料Ｐの表面を均す。また、リコータ３４は、不図示のアクチュエータ等により移動制御される。なお、粉末材料Ｐを均す機構として、リコータ３４以外の機構を用いてもよい。
【００３３】
ホッパ３５は、塗布前の粉末材料Ｐを収容する容器である。ホッパ３５は、下部に、粉末材料Ｐを排出する排出口３５ａを有する。排出口３５ａから排出された粉末材料Ｐは、ステージ３１上へ直接流入するか、又は、リコータ３４によりステージ３１上へ供給される。なお、ステージ３１上に粉末材料Ｐを層状に供給する機構としては、リコータ３４及びホッパ３５以外の機構を用いてもよい。
【００３４】
制御部４は、三次元造形装置１の装置全体の動作等を制御するユニットである。制御部４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ又はＲＡＭを有するコンピュータを含む。制御部４は、例えば、ステージ３１の昇降制御、リコータ３４の作動制御、電子ビームＥの出射制御、偏向コイル２４の作動制御などを行う。
【００３５】
制御部４は、例えば、造形すべき金属部材の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを用いて造形を行わせる。三次元ＣＡＤデータは、予め制御部４に入力される、金属部材の形状データである。制御部４は、三次元ＣＡＤデータをもとに、二次元のスライスデータを生成する。スライスデータは、例えば、造形すべき金属部材の水平断面のデータであり、積層方向の各位置に応じた多数のデータの集合体である。制御部４は、スライスデータに基づいて、電子ビームＥを粉末材料Ｐに対し照射する領域を決定し、その領域に応じて偏向コイル２４に制御信号を出力する。これにより、金属材料の形状に応じた領域に対し、電子ビームＥが照射される。なお、粉末材料Ｐの予備加熱を行う場合も、制御部４は、ビーム出射部２の偏向コイル２４に制御信号を出力し、ステージ３１上の加熱領域に対し、電子ビームＥを走査して照射させる。
【００３６】
次に、三次元造形装置１を用いた三次元造形工程について説明する。
【００３７】
図３は、三次元造形装置１によりタービン翼１０の中間生成物１６を造形する三次元造形工程の流れを時系列で示す概略断面図である。三次元造形工程では、底板３６上の粉末材料Ｐに電子ビームＥを照射して中間生成物１６の一部の造形を繰り返し、中間生成物１６を積層状に造形する。なお、図３及び以下の図４では、タービン翼１０の形状におおよそ一致する中間生成物１６の形状を簡略化して描画している。
【００３８】
ここで、三次元造形工程では、タービン翼１０のダブテール部１４に相当する部分からタービン翼１０の翼部１２に相当する部分に向かって中間生成物１６を造形する。すなわち、図１に示したようにタービン翼１０の延伸方向にＺ軸を取るならば、三次元造形工程における積層方向は、Ｚ方向となる。
【００３９】
まず、図３（ａ）を参照して、最下層である第１層Ｌ１における中間生成物１６の造形について説明する。まず、三次元造形装置１は、粉末供給処理を行う。粉末供給処理は、底板３６上に粉末材料Ｐを供給し、そして、供給された粉末材料Ｐの表面を均す処理である。具体的には、制御部４は、昇降機３２に制御信号を出力してステージ３１の上下位置を調節し、不図示のアクチュエータ又は機構に制御信号を出力してリコータ３４を作動させる。これにより、リコータ３４が水平方向に移動し、ステージ３１上に粉末材料Ｐが供給され、粉末材料Ｐの表面が均される。
【００４０】
次に、三次元造形装置１は、以下の造形処理の前に、予備加熱処理を行ってもよい。具体的には、制御部４は、ビーム出射部２に制御信号を出力し、電子銃部２１から電子ビームＥを出射させ、適宜、電子ビームＥを走査させる。これにより、底板３６上の粉末材料Ｐに電子ビームＥが均一となるように照射されて加熱される。
【００４１】
次に、三次元造形装置１は、造形処理を行う。造形処理は、実際に中間生成物１６の造形を行う処理である。具体的には、制御部４は、造形すべき中間生成物１６の三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。そして、制御部４は、このスライスデータに基づいて、粉末材料Ｐに対し電子ビームＥを照射する領域を決定し、その領域に応じてビーム出射部２から電子ビームＥを照射させる。ここでの造形処理では、中間生成物１６を構成する一部の層が造形される。例えば、第１層Ｌ１においては、図３（ａ）に示すように、中間生成物１６のうちダブテール部１４に含まれる底部が形成される。
【００４２】
引き続き、三次元造形装置１が、第１層Ｌ１上の各層についても上記のような粉末供給処理から造形処理までの一連の処理を繰り返すことにより、中間生成物１６が層状に徐々に形成されていく。最終的には、図３（ｃ）に示すように、中間生成物１６が所望の形状に造形される。
【００４３】
ここで、本実施形態では、中間生成物１６のうちダブテール部１４に相当する部分については、図３（ｂ）に示すように、外周部のみが緻密に造形される。なお、図３（ｂ）及び図３（ｃ）では、ダブテール部１４に相当する部位が第１層Ｌ１から第４層Ｌ４までの４つの層で造形されるものを例示しているが、層の数は限定されない。このような造形により、ダブテール部１４に相当する部位の内部は、粉末状態のままとなる。なお、図３（ｂ）及び図３（ｃ）では、ダブテール部１４に相当する部位の内部領域１６ａに残存している粉末材料をＰＲと表記している。内部領域１６ａは、造形処理で造形された外周部等で六方を囲まれた密閉領域である。すなわち、粉末材料ＰＲは、密閉領域内に収容されている。なお、ここでいう「粉末状態」には、粉末材料Ｐ同士が接合されていない状態のほか、予備加熱された状態や、粉末材料Ｐがまだ溶融されておらず仮焼結されただけの状態を含む。また、仮焼結とは、粉末材料Ｐ同士が拡散現象によって最小点で拡散して接合した状態をいう。
【００４４】
一方、中間生成物１６のうち翼部１２に相当する部分については、図３（ｃ）に示すように、全体が緻密に造形される。なお、図３（ｃ）では、翼部１２に相当する部位が、第５層Ｌ５から、最上層である第１３層Ｌ１３までの９つの層で造形されるものと想定している。
【００４５】
次に、本実施形態に係るタービン翼１０の作製方法では、三次元造形工程により造形された中間生成物１６に、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing）処理を施す。
【００４６】
図４は、本実施形態に係る作製方法に用いられる熱間等方圧加圧装置（ＨＩＰ装置４０）の構成と、ＨＩＰ装置４０内に収容された中間生成物１６（タービン翼１０）を示す概略図である。ＨＩＰ装置４０は、内部に収容されている被処理体に対してＨＩＰ処理を施す装置である。ＨＩＰ装置４０は、圧力容器４１と、支持台４２と、ヒータ４３とを備える。
【００４７】
圧力容器４１は、被処理体である中間生成物１６を収容可能とする内部空間Ｓ１を有する。内部空間Ｓ１は、密閉可能である。圧力容器４１は、不図示のガス供給装置に接続されている。圧力容器４１は、このガス供給装置から供給されるアルゴンガス等の不活性ガスにより、内部空間Ｓ１を不活性ガス雰囲気として所定の圧力に調整することができる。支持台４２は、内部空間Ｓ１において、収容された中間生成物１６を支持する。ヒータ４３は、内部空間Ｓ１を所定の温度に加熱する。
【００４８】
次に、ＨＩＰ装置４０を用いた処理工程について説明する。
【００４９】
まず、図３（ｃ）に示す三次元造形工程が終了した三次元造形装置１から取り出された中間生成物１６が、図４に示すように、支持台４２上に載置され、圧力容器４１内に収容される。次に、ＨＩＰ装置４０は、所定の温度及び圧力下でＨＩＰ処理を開始する。粉末材料ＰＲは金属粉末材料であるから、例えば、温度を１０００〜１３００°Ｃの範囲内、また、圧力を１００ＭＰａ以上に設定することが望ましい。
【００５０】
ここで、中間生成物１６の翼部１２に相当する部位は、すでに三次元造形工程により緻密化されている。したがって、この部位は、ＨＩＰ処理が施されることにより、より高密度化される。これにより、翼部１２に相当する部位の金属組織は、一方向性凝固組織若しくは単結晶組織又はそれらと同等の組織を有するものとなる。
【００５１】
一方、中間生成物１６のダブテール部１４に相当する部位は、外周部がすでに三次元造形工程により緻密化されているものの、内部領域１６ａは、ＨＩＰ処理開始時点で、粉末材料ＰＲが残存されたままである。この状態からＨＩＰ処理が施されることにより、内部領域１６ａ内では粉末材料ＰＲの焼結が行われる。結果として、粉末材料ＰＲは、高密度の結合部１８に変質する。これにより、ダブテール部１４に相当する部位の金属組織は、等軸組織又はそれと同等の組織を有するものとなる。
【００５２】
このようなＨＩＰ処理工程が行われることにより、中間生成物１６全体の緻密化及び高密度化が図られ、最終的に、タービン翼１０が作製される。
【００５３】
なお、ダブテール部１４に相当する部位のように、内部に粉末材料ＰＲが残存されたままの部位にＨＩＰ処理が施されると、その部位の外周部が縮む場合がある。そこで、三次元造形工程では、制御部４は、このような部位の縮み量を予め考慮した上で、スライスデータ等を生成することが望ましい。
【００５４】
次に、本実施形態による効果について説明する。
【００５５】
まず、本実施形態に係る、第１部位と第２部位とを含む金属部材の作製方法は、第１造形工程と、第２造形工程とを含む。第１造形工程は、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により第１部位を造形する工程である。一方、第２造形工程は、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により第２部位の外周部を造形した後、第２部位の内部に残存している金属粉末を熱間等方圧加圧により焼結させて第２部位を造形する工程である。
【００５６】
本実施形態に係る金属部材の作製方法によれば、１つの金属部材であっても、第１部位と第２部位とにそれぞれ要求される特性に合わせて、部位ごとに金属組織を異ならせることができる。特に、この作製方法によれば、ある部位の結晶構造を、一方向性凝固若しくは単結晶又はそれらと同等の結晶構造のみならず、等軸結晶又はそれと同等の結晶構造とすることもできるので、対応可能な特性の幅が広がる。
【００５７】
また、例えば、第２部位が、上記例示したようなタービン翼１０のダブテール部１４のように厚肉であるとする。このような場合、第２部位のすべてを３次元金属積層造形のみで造形すると、造形時間が長くなり、高コストとなるおそれがある。これに対して、本実施形態に係る作製方法によれば、第２部位において三次元金属積層造形により造形されるのは外周部のみである。したがって、第２部位のすべてを３次元金属積層造形のみで造形する場合に比べて、造形時間を短縮させ、低コストとすることができる。
【００５８】
なお、金属部材が第１部位と第２部位とを含むとは、金属部材が２つの部位を含むことに限定するものではない。金属部材がそれぞれ異なる特性が要求される少なくとも２つ以上の部位を有するものであれば、３つ以上の部位のそれぞれに対して、第１造形工程又は第２造形工程のいずれかの工程を実施することで、本実施形態を適用することができる。
【００５９】
また、本実施形態に係る作製方法では、各工程を金属部材の部位ごとの造形工程に分けて捉え、第１造形工程と第２造形工程とが実施される順序を問わない。したがって、例えば、本実施形態の変形例Ａとして、第２造形工程により第２部位全体を造形した後に、第１造形工程を行って第２部位上に第１部位を造形することで、最終的に金属部材を作製することもあり得る。このような作製方法は、例えば、第１部位に対してはＨＩＰ処理を施して高密度化を図る必要がない場合などに適用できる。また、第１造形工程で用いられるパウダーベッド方式の三次元金属積層造形と、第２造形工程で用いられるパウダーベッド方式の三次元金属積層造形とにおいて、それぞれ異なる種類の方式を採用することも考えられる。例えば、第１造形工程では、図２を用いて例示した電子ビーム方式の三次元造形装置を用いるものとし、一方、第２造形工程では、以下で例示するが、これとは異なるレーザ方式の三次元造形装置を用いることもできる。
【００６０】
また、本実施形態に係る、第１部位と第２部位とを含む金属部材の作製方法は、パウダーベッド方式の三次元金属積層造形により、第１部位と、第２部位の外周部とを造形する三次元造形工程を含む。また、この作製方法は、三次元造形工程の後に、第２部位の内部に残存している金属粉末を熱間等方圧加圧により焼結させる処理工程を含む。
【００６１】
本実施形態に係る金属部材の作製方法によれば、第１造形工程と第２造形工程とを含む上記の作製方法と同様の効果を奏する。
【００６２】
ここで、上記説明した第１造形工程と第２造形工程とを含む作製方法では、各工程を金属部材の部位ごとの造形工程に分けて捉えていた。これに対して、本実施形態に係る作製方法では、三次元金属積層造形による一連の三次元造形工程を行った後に、熱間等方圧加圧による処理工程を実施する。したがって、本実施形態によれば、例えば、上記例示した変形例Ａの場合と比較して、効率的に金属部材を作製することができるので、特に造形時間の短縮化に有効となる。
【００６３】
また、本実施形態に係る金属部材の作製方法では、第１部位の結晶構造は、方向性凝固又は単結晶である。また、第２部位の結晶構造は、等軸結晶である。
【００６４】
本実施形態に係る金属部材の作製方法によれば、第１部位を構成する材料を、方向性凝固組織又は単結晶組織を有するものにすることができるので、例えば、第１部位にクリープ特性が要求される場合には、特に好適である。一方、第２部位を構成する材料を、等軸結晶を有するものにすることができるので、例えば、第２部位に疲労特性が要求される場合には、特に好適である。
【００６５】
ここで、方向性凝固には、凝固方向が一定方向に揃っている一方向性凝固のみならず、凝固方向が厳密には複数の方向となっているものの、全体としては一定方向に揃っているとみなすことができるものも含む。
【００６６】
また、本実施形態に係る金属部材の作製方法では、金属部材はタービン翼１０である。この場合、第１部位はタービン翼１０の翼部１２である。一方、第２部位はタービン翼１０のダブテール部１４（翼根元部）である。
【００６７】
上述のとおり、タービン翼１０の翼部１２には、特にクリープ特性が要求される。タービン翼１０のダブテール部１４には、特に疲労特性が要求される。これに対して、本実施形態に係る金属部材の作製方法によれば、上記各効果を奏しつつ、要求される特性に合ったタービン翼１０を作製することができる。
【００６８】
なお、上記実施形態では、三次元造形装置１が、パウダーベッド方式のうち電子ビームを用いて造形する三次元金属積層造形装置であるものとして説明した。しかし、本発明で用いることができる三次元造形装置は、これに限定されず、パウダーベッド方式のうちレーザを用いて造形する三次元金属積層造形装置であってもよい。レーザを用いる三次元造形装置としては、例えば、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ：Selective laser melting）、レーザ焼結法（ＳＬＳ：Selective laser sintering）を採用するものがある。なお、レーザを用いる三次元造形装置では、造形を行うチャンバ内を真空状態としなくてもよく、例えばアルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気にすればよい。また、レーザを用いる三次元造形装置では、予備加熱は行わなくてもよい。また、上記実施形態では、粉末材料Ｐを溶融し凝固させることで粉末材料Ｐを固化させる方法を説明したが、かかる方法には限定されず、粉末材料Ｐを焼結させることで粉末材料Ｐを固化させるものとしてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、作製方法による作成対象である金属部材として、タービン翼１０を例示した。しかし、本発明は、部位ごとに異なる特性が要求される、あらゆる金属部材の作製に適用可能である。例えば、過給器用タービンの軸及び翼車の作製にも適用可能である。
【００７０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０    タービン翼
１２    翼部
１４    ダブテール部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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