(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン部品製造装置を用いてタービン部品を製造するタービン部品製造方法であって、
前記タービン部品製造装置の粉末タンクに原料粉末を貯留する工程と、
前記粉末タンクに貯留された前記原料粉末を、第１粉末と、前記第１粉末よりも粒径が小さい第２粉末とに分級する工程と、
前記第１粉末を含む第１粉末層を形成し、形成された前記第１粉末層にエネルギービームを照射して前記第１粉末を溶解し、第１粉末溶解層を形成する工程と、
前記第２粉末を含む第２粉末層を形成し、形成された前記第２粉末層にエネルギービームを照射して前記第２粉末を溶解し、第２粉末溶解層を形成する工程と、を備え、
前記第１粉末溶解層を形成する工程および前記第２粉末溶解層を形成する工程のうちの少なくとも一方を複数回繰り返して実行することにより、前記タービン部品が積層造形され、
前記第１粉末溶解層を形成する工程において形成される前記第１粉末層の厚さは、前記第２粉末溶解層を形成する工程において形成される前記第２粉末層の厚さよりも厚いことを特徴とするタービン部品製造方法。
【請求項２】
前記第２粉末溶解層を形成する工程において前記第２粉末層に照射されるエネルギービームの強度は、前記第１粉末溶解層を形成する工程において前記第１粉末層に照射されるエネルギービームの強度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のタービン部品製造方法。
【請求項３】
前記第１粉末溶解層および前記第２粉末溶解層は、ステージ上に形成され、
前記第１粉末溶解層または前記第２粉末溶解層を形成した後、前記ステージが下降して、その後に、新たな前記第１粉末溶解層または新たな前記第２粉末溶解層が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン部品製造方法。
【請求項４】
前記第１粉末層を形成する場合の前記ステージの下降量を、前記第２粉末層を形成する場合の前記ステージの下降量よりも大きくすることを特徴とする請求項３に記載のタービン部品製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のタービン部品製造方法により製造されたタービン部品であって、
前記第１粉末溶解層により形成された第１部品部分と、
前記第２粉末溶解層により形成され、前記第１部品部分に一体化され、前記第１部品部分の表面粗さより小さい表面粗さを有する第２部品部分と、を備えたことを特徴とするタービン部品。
【請求項６】
タービン部品を製造するためのタービン部品製造装置であって、
原料粉末を貯留する粉末タンクと、
前記粉末タンクに貯留された前記原料粉末を、第１粉末と、前記第１粉末よりも粒径が小さい第２粉末とに分級する分級機構と、
前記分級機構から前記第１粉末が供給された場合に前記第１粉末を含む第１粉末層を形成し、前記分級機構から前記第２粉末が供給された場合に前記第２粉末を含む第２粉末層を形成する粉末層形成機構と、
前記第１粉末層が形成された場合に前記第１粉末層にエネルギービームを照射して第１粉末溶解層を形成し、前記第２粉末層が形成された場合に前記第２粉末層にエネルギービームを照射して第２粉末溶解層を形成するビーム照射機構と、
少なくとも一つの前記第１粉末溶解層と、少なくとも一つの前記第２粉末溶解層とが積層されて前記タービン部品を積層造形するように、前記分級機構、前記粉末層形成機構および前記ビーム照射機構を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第１粉末層の厚さを前記第２粉末層の厚さよりも厚くするように前記粉末層形成機構を制御することを特徴とするタービン部品製造装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記第２粉末層に照射されるエネルギービームの強度を、前記第１粉末層に照射されるエネルギービームの強度よりも大きくするように、前記ビーム照射機構を制御することを特徴とする請求項６に記載のタービン部品製造装置。
【請求項８】
前記粉末層形成機構は、前記第１粉末溶解層および前記第２粉末溶解層が形成されるステージと、前記第１粉末溶解層または前記第２粉末溶解層を形成した後、新たな前記第１粉末溶解層または新たな前記第２粉末溶解層を形成するために前記ステージを下降させるステージ駆動部と、を有していることを特徴とする請求項６または７に記載のタービン部品製造装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記第１粉末層を形成する場合の前記ステージの下降量を、前記第２粉末層を形成する場合の前記ステージの下降量よりも大きくするように、前記ステージ駆動部を制御することを特徴とする請求項８に記載のタービン部品製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、タービン部品製造方法、タービン部品、およびタービン部品製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電などの発電プラントには、ガスタービンや蒸気タービンなどのタービンが設置されており、作動流体のもつ流体エネルギが回転エネルギに変換されている。例えば、蒸気タービンの場合には、蒸気の圧力を動翼が受けてタービンロータが回転する。タービンロータの回転駆動力は発電機に伝達されて発電が行われる。なお、動翼はタービンロータ上に周方向に配列されて動翼翼列をなし、この動翼翼列が回転軸線方向に離間して複数設けられている。
【０００３】
一般に、火力発電プラントでは、発電効率向上のために、蒸気タービンに流入する蒸気の温度を上昇させる傾向にある。このため、蒸気タービンに使用される耐熱鋼に要求される高温特性の更なる向上が望まれている。そこで、動翼には優れた耐熱性と経済性とを有するフェライト系耐熱鋼が多く使用されている。
【０００４】
ところで近年、蒸気タービンの動翼やタービンロータなどのタービン部品を、三次元積層造形技術を適用して製造するための検討が進んでいる。これは、複雑な三次元形状を有するタービン部品を、低コストかつ高品質に製造することを目指すためである。とりわけ、中空構造を有する動翼や、機能性材料が組織化された動翼の製造に三次元積層造形技術を適用することが検討されており、このような動翼の製造に三次元積層造形技術を適用することのポテンシャルは高いと考えられている。三次元積層造形技術は、パウダーベッド方式とデポジション方式とに大別される。一般的にはパウダーベッド方式の方が精度の点で良好であることから、精密形状が要求される動翼には、パウダーベッド方式を採用することが好適である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２４１６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、三次元積層造形技術では、微細な原料粉末を用いることにより積層造形物の表面粗さを小さくして滑らかな表面を形成することが可能となる。しかしながら、微細な原料粉末を用いる場合には、積層回数が多くなる傾向にある。この場合、造形速度が低下し、積層造形に多くの時間が費やされ得る。このため、積層造形物の表面粗さと造形速度とが、原料粉末の粒径に大きな影響を受けるため、強いトレードオフの関係になってしまう。
【０００７】
例えば、動翼において小さな表面粗さが要求される部分は、作動流体の流路内に配置される流路部や摺動部といった部分に限られている。このように部分的に要求される小さな表面粗さに従って動翼全体を微細な原料粉末を用いて製造すると、造形速度が低下して製造時間が増大し、製造効率が低下するおそれがある。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、表面粗さの小さな部分を含むタービン部品の三次元積層造形による製造時間を短縮させ、タービン部品を効率良く製造することができるタービン部品製造方法、タービン部品およびタービン部品製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施の形態によるタービン部品製造方法は、タービン部品製造装置を用いてタービン部品を製造する方法である。このタービン部品製造方法は、タービン部品製造装置の粉末タンクに原料粉末を貯留する工程と、粉末タンクに貯留された原料粉末を、第１粉末と、第１粉末よりも粒径が小さい第２粉末とに分級する工程と、を備えている。また、タービン部品製造方法は、第１粉末を含む第１粉末層を形成し、形成された第１粉末層にエネルギービームを照射して第１粉末を溶解し、第１粉末溶解層を形成する工程と、第２粉末を含む第２粉末層を形成し、形成された第２粉末層にエネルギービームを照射して第２粉末を溶解し、第２粉末溶解層を形成する工程と、を備えている。第１粉末溶解層を形成する工程および第２粉末溶解層を形成する工程のうちの少なくとも一方を複数回繰り返して実行することにより、タービン部品が積層造形される。第１粉末溶解層を形成する工程において形成される第１粉末層の厚さは、第２粉末溶解層を形成する工程において形成される第２粉末層の厚さよりも厚くなっている。
【００１０】
また、実施の形態によるタービン部品は、上述したタービン部品製造方法により製造されたタービン部品である。このタービン部品は、第１粉末溶解層により形成された第１部品部分と、第２粉末溶解層により形成され、第１部品部分に一体化され、第１部品部分の表面粗さより小さい表面粗さを有する第２部品部分と、を備えている。
【００１１】
さらに、実施の形態によるタービン部品製造装置は、タービン部品を製造するためのタービン部品製造装置である。このタービン部品製造装置は、原料粉末を貯留する粉末タンクと、粉末タンクに貯留された原料粉末を、第１粉末と、第１粉末よりも粒径が小さい第２粉末とに分級する分級機構と、を備えている。粉末層形成機構により、分級機構から第１粉末が供給された場合に第１粉末を含む第１粉末層が形成され、分級機構から第２粉末が供給された場合に第２粉末を含む第２粉末層が形成される。ビーム照射機構により、第１粉末層が形成された場合に第１粉末層にエネルギービームが照射されて第１粉末溶解層が形成され、第２粉末層が形成された場合に第２粉末層にエネルギービームが照射されて第２粉末溶解層が形成される。少なくとも一つの第１粉末溶解層と、少なくとも一つの第２粉末溶解層とが積層されてタービン部品が積層造形されるように、制御部により、分級機構、粉末層形成機構およびビーム照射機構が制御される。制御部は、第１粉末層の厚さを第２粉末層の厚さよりも厚くするように粉末層形成機構を制御する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、表面粗さの小さな部分を含むタービン部品の三次元積層造形による製造時間を短縮させ、タービン部品を効率良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態における蒸気タービンの一例を示す断面構造図である。
【図２】図２は、図１の動翼の一例を示す側面図である。
【図３】図３は、図２の動翼を製造するためのタービン部品製造装置の概略構成図である。
【図４】図４は、図３の分級機構を示す概略図である。
【図５】図５は、図３のタービン部品製造装置を用いて図２の動翼を製造する方法の一部を説明するための模式図である。
【図６】図６は、図５に続く動翼を製造する方法の一部を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるタービン部品製造方法、タービン部品およびタービン部品製造装置について説明する。なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「水平」、「同一」等の用語については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めるものとしている。
【００１５】
ここでは、まず、タービンの一例として、蒸気タービンについて図１を用いて説明する。図１は、蒸気の圧力が比較的低い低圧蒸気タービンの例を示す。
【００１６】
図１に示すように、蒸気タービン１は、ケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に設けられたタービンロータ３と、タービンロータ３に取り付けられた複数の動翼翼列４と、を備えている。動翼翼列４は、周方向に所定の間隔で配置された複数のタービン動翼（図２参照、以下、単に動翼と記す）１０により構成されている。一方、ケーシング２には、動翼翼列４と交互に配置された複数の静翼翼列５が取り付けられている。静翼翼列５は、周方向に所定の間隔で配置された複数の静翼（ノズル）により構成されている。各動翼翼列４は、対応する静翼翼列５と共にタービン段落を構成している。複数のタービン段落のうち最も高圧側（上流側）のタービン段落６は第１段落といい、最も低圧側（下流側）のタービン段落７は、最終段落という。
【００１７】
ケーシング２には、図示しないボイラ等において生成された蒸気を作動流体としてタービン段落に供給する蒸気管８が連結されている。この蒸気管８により供給された蒸気は、第１段落６に入り、各タービン段落を通って下流側に流れて、最終段落７から抜けていくようになっている。この間、蒸気の膨張仕事を動翼１０が受けてタービンロータ３が回転する。このことにより、タービンロータ３に連結された発電機（図示せず）において発電が行われる。また、最終段落７から抜けた蒸気は、ケーシング２の外側に設けられた復水器（図示せず）に送られて復水が生成され、生成された復水は、上述したボイラに供給される。
【００１８】
次に、図２を用いて、本実施の形態によるタービン部品製造方法によって製造されるタービン部品の一例としての動翼１０についてより詳細に説明する。
【００１９】
図２に示すように、動翼１０は、動翼本体１１と、動翼本体１１の一方の端部に設けられた植込み部１２と、を備えている。このうち動翼本体１１は、蒸気流路内に配置されて蒸気から圧力を受ける羽根形状を有する部分である。植込み部１２は、タービンロータ３のロータディスク３ａ（図１参照）に設けられた植込み溝（図示せず）に係合可能に形成されており、植込み部１２が植込み溝に係合して、動翼１０がタービンロータ３に取り付けられるように構成されている。動翼本体１１と植込み部１２とは、互いに接合されて一体化されている。本実施の形態においては、動翼本体１１（第２部品部分）は、植込み部１２（第１部品部分）の表面粗さより小さい表面粗さを有している。
【００２０】
次に、図３および図４を用いて、本実施の形態によるタービン部品製造装置について説明する。タービン部品製造装置は、本実施の形態によるタービン部品製造方法を用いて動翼１０を製造するためのものである。
【００２１】
図３に示すように、タービン部品製造装置２０は、原料粉末８０（図４参照）を貯留する粉末タンク２１と、粉末タンク２１に貯留された原料粉末８０を第１粉末８１と第２粉末８２とに分級する分級機構３０と、第１粉末８１を含む第１粉末層８３（図５参照）を形成するとともに第２粉末８２を含む第２粉末層８５（図６参照）を形成する粉末層形成機構４０と、を備えている。
【００２２】
本実施の形態による分級機構３０は、図４に示すように、粉末タンク２１に貯留された原料粉末８０を、第１粉末８１と、第１粉末８１よりも粒径が小さい第２粉末８２とに分級するように構成されている。粉末タンク２１には、正規分布のような所定の粒径範囲をもつ原料粉末８０（例えば、アトマイズ粉末）が貯留されており、分級機構３０は、粉末タンク２１から落下した原料粉末８０を、粒径が比較的大きい第１粉末８１と、粒径が比較的小さい第２粉末８２とに分級する。
【００２３】
より具体的には、分級機構３０は、原料粉末８０を第１粉末８１と第２粉末８２とに分級して第１粉末８１を留めるとともに第２粉末８２を通過させるふるい（篩い）プレート３１と、ふるいプレート３１を通過した第２粉末８２を留める粉末受けプレート３２と、第１粉末８１および第２粉末８２を別々に排出する排出部３３と、を有している。このうち、ふるいプレート３１と粉末受けプレート３２とは、水平に取り付けられた状態で、本体ケース３０ａに収容されている。
【００２４】
ふるいプレート３１は、多数の孔を含んでおり、各孔の孔径は、原料粉末８０の粒径範囲内の径となっていることが好適である。このことにより、粉末タンク２１から落下した原料粉末８０のうちふるいプレート３１の孔径よりも大きい粒径を有する粉末はふるいプレート３１を通過することなく、第１粉末８１としてふるいプレート３１上に留まる。一方、原料粉末８０のうちふるいプレート３１の孔径以下の小さい粒径を有する粉末は、第２粉末８２としてふるいプレート３１を通過して落下する。落下した第２粉末８２は、ふるいプレート３１の下方に設けられた粉末受けプレート３２上に留まる。なお、ふるいプレート３１は、第２粉末８２を迅速に通過させるために振動が付与可能に構成されていてもよい。
【００２５】
このようにして、ふるいプレート３１の孔径をしきい値として当該孔径よりも大きい粒径を有する粉末が第１粉末８１としてふるいプレート３１上に留まり、当該孔径以下の小さい粒径を有する粉末が第２粉末８２として粉末受けプレート３２上に留まる。ここで、原料粉末８０は、上述したように所定の粒径範囲をもっており、ふるいプレート３１によって分級された第１粉末８１および第２粉末８２にも、種々の粒径の粉末が含まれている。このため、分級された第１粉末８１の平均粒径（ここでは例えば粒径分布から幾何学的に算出され得る平均粒径）と第２粉末８２の平均粒径には差が生じ、この平均粒径の差によって、後述するような表面粗さの差を生み出すことが可能となる。
【００２６】
ふるいプレート３１上に留められた第１粉末８１は、本体ケース３０ａから延びる第１通路３４を通って排出部３３に供給されるようになっている。より具体的には、ふるいプレート３１上に留められた第１粉末８１は、第１押出し部３５によってふるいプレート３１から第１通路３４に押し出される。第１押出し部３５は、ふるいプレート３１上をその上面に沿って（水平方向に、図４における左右方向に）往復移動可能に構成されており、第１通路３４に向って移動する場合に、ふるいプレート３１上に留められた第１粉末８１が第１通路３４に押し出されて、第１通路３４内に貯留される。また、第１通路３４内には第１開閉弁３６が設けられている。図４に示す形態では第１開閉弁３６がダンパー弁である例を示しているが、これに限られることはない。第１開閉弁３６は、第１通路３４内に貯留された第１粉末８１を排出部３３に供給する場合に開き、排出部３３への第１粉末８１の供給を停止する場合に閉じる。
【００２７】
粉末受けプレート３２上に留められた第２粉末８２は、本体ケース３０ａから延びる第２通路３７を通って排出部３３に供給されるようになっている。より具体的には、粉末受けプレート３２上に留められた第２粉末８２は、第２押出し部３８によって粉末受けプレート３２から第２通路３７に押し出される。第２押出し部３８は、粉末受けプレート３２上をその上面に沿って（水平方向に、図４における左右方向に）往復移動可能に構成されており、第２通路３７に向って移動する場合に、粉末受けプレート３２上に留められた第２粉末８２が第２通路３７に押し出されて、第２通路３７内に貯留される。また、第２通路３７内には第２開閉弁３９が設けられている。図４に示す形態では第２開閉弁３９がダンパー弁である例を示しているが、これに限られることはない。第２開閉弁３９は、第２通路３７内に貯留された第２粉末８２を排出部３３に供給する場合に開き、排出部３３への第２粉末８２の供給を停止する場合に閉じる。
【００２８】
第１開閉弁３６および第２開閉弁３９は、後述する制御部７０（図３参照）によって制御され、いずれか一方が開き、他方が閉じるようになっている。すなわち、第１粉末８１を後述するディスペンサ４４に供給する場合には第１開閉弁３６が開くとともに第２開閉弁３９が閉じる。一方、第２粉末８２をディスペンサ４４に供給する場合には第１開閉弁３６が閉じるとともに第２開閉弁３９が開く。このようにして、分級機構３０からディスペンサ４４に、第１粉末８１および第２粉末８２のいずれか一方が供給されるようになっている。
【００２９】
本実施の形態による粉末層形成機構４０は、図３に示すように、第１粉末層８３（図５参照）および第２粉末層８５（図６参照）が形成されるステージ４１と、ステージ４１を下降させるステージ駆動部４２と、を有している。このうちステージ４１は、動翼１０を積層造形する積層造形部４３内に収容され、積層造形部４３内をステージ駆動部４２によって昇降可能に構成されている。このステージ駆動部４２は、後述する第１粉末溶解層８４（図５参照）または第２粉末溶解層８６（図６参照）を形成した後、新たな第１粉末溶解層８４または新たな第２粉末溶解層８６を形成するために、ステージ４１を下降させるように構成されている。
【００３０】
粉末層形成機構４０は、第１粉末８１または第２粉末８２をステージ４１上に供給するディスペンサ４４を更に有している。このディスペンサ４４は、分級機構３０の排出部３３から第１粉末８１が供給された場合に、第１粉末８１を含む第１粉末層８３をステージ４１上に形成し、排出部３３から第２粉末８２が供給された場合に、第２粉末８２を含む第２粉末層８５をステージ４１上に形成する。また、ディスペンサ４４は、ディスペンサ駆動部（図示せず）によってステージ４１の上方を水平方向に移動可能になっており、移動しながら第１粉末８１または第２粉末８２をステージ４１上に供給する。ディスペンサ４４は、ステージ４１上への第１粉末８１または第２粉末８２の供給と供給停止とを切り替えられるようになっている。ステージ４１上に形成された第１粉末層８３または第２粉末層８５は、水平方向に移動可能な均し部材４５によって所望の厚さで平らに均らされ、ステージ４１上に所望の厚さの第１粉末層８３または第２粉末層８５が形成され得る。なお、ステージ４１上との記載は、ステージ４１上に直接的に粉末が供給されたり、直接的に層が形成されたりする場合に限られることを意味するのではなく、ステージ４１上に予め他の層が形成されている場合に当該層上に新たに粉末が供給されたり、新たに層が形成されたりする場合をも含む概念として用いている。
【００３１】
タービン部品製造装置２０は、レーザビーム（エネルギービーム）を照射するビーム照射機構５０を更に備えている。このビーム照射機構５０は、ステージ４１上に第１粉末層８３が形成された場合に第１粉末層８３にレーザビームを照射して第１粉末溶解層８４を形成し、ステージ４１上に第２粉末層８５が形成された場合に第２粉末層８５にレーザビームを照射して第２粉末溶解層８６を形成する。ビーム照射機構５０は、レーザビームを発生するビーム発生装置５１と、ビーム発生装置５１により発生したレーザビームを照射する照射ヘッド５２と、を有している。このうち照射ヘッド５２は、ヘッド駆動部（図示せず）によってステージ４１の上方を水平方向に移動可能に構成されている。照射ヘッド５２は、動翼１０の３次元ＣＡＤデータに基づいて、粉末層８３、８５に対応する高さ位置における動翼１０の断面形状に対応する領域にレーザビームを照射する。
【００３２】
粉末層形成機構４０、照射ヘッド５２等は、所定の雰囲気、例えば不活性ガス若しくは真空雰囲気に調整可能なチャンバ６０内に収容されている。
【００３３】
上述した、分級機構３０、粉末層形成機構４０およびビーム照射機構５０は、制御部７０によって制御されるようになっている。
【００３４】
より具体的には、制御部７０が分級機構３０の各押出し部３５、３８を制御することにより、ふるいプレート３１上の第１粉末８１が第１通路３４に押し出されるとともに粉末受けプレート３２上の第２粉末８２が第２通路３７に押し出される。また、制御部７０が分級機構３０の各開閉弁３６、３９を制御することにより、ディスペンサ４４に供給される粉末の種類が選択される。
【００３５】
制御部７０が粉末層形成機構４０のステージ駆動部４２を制御することにより、ステージ４１の昇降が制御される。この際、制御部７０は、第１粉末層８３の厚さを第２粉末層８５の厚さよりも厚くするようにステージ駆動部４２を制御する。より具体的には、制御部７０は、第１粉末層８３を形成する場合のステージ４１の下降量を、第２粉末層８５を形成する場合のステージ４１の下降量よりも大きくする。
【００３６】
制御部７０が粉末層形成機構４０のディスペンサ４４を制御することにより、ディスペンサ４４からステージ４１への粉末の供給が制御され、ディスペンサ駆動部を制御することにより、ディスペンサ４４の移動が制御される。さらに、制御部７０がビーム発生装置５１を制御することによりレーザビームの発生が制御され、ヘッド駆動部を制御することにより照射ヘッド５２の移動が制御される。
【００３７】
このようにして、ステージ４１上に第１粉末８１（または第２粉末８２）が供給されて第１粉末層８３（または第２粉末層８５）が形成され、第１粉末層８３（または第２粉末層８５）にレーザビームが照射されて第１粉末溶解層８４（または第２粉末溶解層８６）が形成される。そして、形成された第１粉末溶解層８４（または第２粉末溶解層８６）上に、上述と同様にして第１粉末８１または第２粉末８２が供給されて、第１粉末溶解層８４（または第２粉末溶解層８６）が形成される。このように第１粉末溶解層８４（および／または第２粉末溶解層８６）が繰り返して形成され、少なくとも一つの第１粉末溶解層８４と、少なくとも一つの第２粉末溶解層８６とがステージ４１上に積層されて、動翼１０が積層造形される。
【００３８】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。ここでは、本実施の形態によるタービン部品製造方法により、上述したタービン部品製造装置２０を用いて図２に示す動翼１０を製造する方法について説明する。以下に説明するタービン部品製造装置２０の各部の動作は、制御部７０が各部を制御することにより行われる。
【００３９】
まず、タービン部品製造装置２０の粉末タンク２１に原料粉末８０が貯留される。
【００４０】
続いて、粉末タンク２１に貯留された原料粉末８０が、第１粉末８１と第２粉末８２とに分級される。
【００４１】
より具体的には、粉末タンク２１から分級機構３０のふるいプレート３１に原料粉末８０が落下し、ふるいプレート３１の孔径よりも大きな粒径を有する第１粉末８１はふるいプレート３１上に留められる。ふるいプレート３１上に留められた第１粉末８１は、第１押出し部３５によって第１通路３４に押し出される。第１開閉弁３６が閉じている間、第１粉末８１は第１通路３４内に貯留される。
【００４２】
一方、ふるいプレート３１の孔径以下の小さな粒径を有する第２粉末８２はふるいプレート３１を通過して落下し、粉末受けプレート３２に留められる。粉末受けプレート３２上に留められた第２粉末８２は、第２押出し部３８によって第２通路３７に押し出される。第２開閉弁３９が閉じている間、第２粉末８２は第２通路３７内に貯留される。
【００４３】
このような原料粉末８０の分級は、例えば、第１開閉弁３６および第２開閉弁３９が閉じている間に、後述する動翼１０の積層造形の各工程と並行して行うようにしてもよい。この場合には、動翼１０の製造時間を短縮させることが可能となる。
【００４４】
次に、動翼１０の植込み部１２（図２参照）が積層造形される。植込み部１２は表面粗さが比較的大きいため、粒径が比較的大きい第１粉末８１を用いて積層造形される。すなわち、第１粉末８１を含む第１粉末層８３がステージ４１上に形成され、形成された第１粉末層８３にレーザビームが照射されて第１粉末８１が溶解し、第１粉末溶解層８４が形成される。このような第１粉末溶解層８４が複数形成されて積層され、植込み部１２が積層造形される。以下に、植込み部１２の積層造形の方法について、図５を用いてより詳細に説明する。
【００４５】
まず、図５（ａ）に示すように、粉末層形成機構４０のステージ駆動部４２（図３参照）が駆動されて、ステージ４１が積層造形部４３の上端縁より所定量だけ低い位置に位置付けられる。この場合のステージ４１の位置は、積層造形部４３の上端縁から、後述する第１粉末層８３の厚さに相当する量だけ低い位置であることが好適である。ここでは、後述する図６（ａ）に示す工程におけるステージ４１の下降量よりも大きい下降量でステージ４１が下降する。
【００４６】
続いて、図５（ｂ）に示すように、分級機構３０において分級された第１粉末８１が、ディスペンサ４４に供給される。この場合、第１開閉弁３６が開き、第１通路３４内に貯留されていた第１粉末８１が排出部３３に供給されて、排出部３３から排出される。ディスペンサ４４は、排出部３３の下方に位置付けられており、排出部３３から排出された第１粉末８１を受け取り、第１粉末８１がディスペンサ４４に貯留される。この際、ディスペンサ４４が受け取る第１粉末８１の量は、１つの第１粉末層８３を形成する量であってもよく、第１粉末層８３を連続的に積層する場合には、連続して積層される複数の第１粉末層８３を形成する合計量であってもよい。
【００４７】
次に、図５（ｃ）に示すように、ディスペンサ４４に第１粉末８１が貯留されると、ディスペンサ駆動部が駆動されてディスペンサ４４が水平方向に移動しながら、第１粉末８１がステージ４１上に供給される。ステージ４１上に第１粉末８１が供給された後、水平方向に移動する均し部材４５によってステージ４１上の第１粉末８１が均されて、所望の厚さの第１粉末層８３がステージ４１上に形成される。形成された第１粉末層８３の厚さは、後述する第２粉末層８５の厚さよりも厚くなる。
【００４８】
続いて、図５（ｄ）に示すように、第１粉末層８３に、照射ヘッド５２からレーザビームが照射される。この場合、ビーム発生装置５１においてレーザビームを発生させるとともに、ヘッド駆動部が駆動されて照射ヘッド５２が水平方向に移動する。このことにより、照射ヘッド５２が水平方向に移動しながら、ビーム発生装置５１において発生したレーザビームは照射ヘッド５２に伝達されて第１粉末層８３に照射される。レーザビームは、動翼１０の３次元ＣＡＤデータに基づいて照射される。すなわち、当該第１粉末層８３に対応する高さ位置における動翼１０の断面形状が３次元ＣＡＤデータから得られ、この断面形状をレーザビームで塗り潰すようにレーザビームをスキャン（走査）させる。このようにして、第１粉末層８３のうち当該断面形状に相当する部分の第１粉末８１が溶解し、ステージ４１上に第１粉末溶解層８４が形成される。ここで、上述したように第１粉末層８３が第２粉末層８５より厚くなるため、形成された第１粉末溶解層８４の厚さは、後述する第２粉末溶解層８６の厚さよりも厚くなる。
【００４９】
第１粉末溶解層８４が形成された後、図５（ｅ）に示すように、ステージ駆動部４２が駆動されてステージ４１が所定の下降量だけ下降する。この場合の下降量は、この後形成される新たな第１粉末層８３の厚さに相当する量であるが、図５（ａ）に示す工程におけるステージ４１の下降量と同一であることが好適である。
【００５０】
ステージ４１が下降した後、ステージ４１上に上述のようにして第１粉末８１が再び供給されて、図５（ｆ）に示すように、ステージ４１上に既に形成された第１粉末溶解層８４上に、新たな第１粉末層８３が形成される。その後、上述と同様にしてレーザビームが照射されて、当該新たな第１粉末層８３に対応する高さ位置における動翼１０の断面形状に相当する部分の第１粉末８１が溶解して新たな第１粉末溶解層８４が形成される。この際、当該新たな第１粉末層８３に照射されたレーザビームにより、先に形成された第１粉末溶解層８４も少なくとも部分的に溶解する。このことにより、新たな第１粉末溶解層８４は、先に形成された第１粉末溶解層８４と接合し、一体化される。
【００５１】
上述のようにして第１粉末溶解層８４を複数回繰り返して形成して積層することにより、図５（ｇ）に示すように、動翼１０の植込み部１２が積層造形される。なお、第１粉末層８３の厚さを薄くして、きめ細かく積層することにより、ＣＡＤデータに即した精度良い形状の植込み部１２を得ることができる。
【００５２】
次に、動翼１０の動翼本体１１（図２参照）が積層造形される。動翼本体１１は表面粗さが比較的小さいため、粒径が比較的小さい第２粉末８２を用いて積層造形される。すなわち、第２粉末８２を含む第２粉末層８５がステージ４１上に形成され、形成された第２粉末層８５にレーザビームが照射されて第２粉末８２が溶解し、第２粉末溶解層８６が形成される。このような第２粉末溶解層８６が複数形成されて積層され、動翼本体１１が積層造形される。以下に、動翼本体１１の積層造形の方法について、図６を用いてより詳細に説明する。
【００５３】
まず、図６（ａ）に示すように、ステージ駆動部４２が駆動されてステージ４１が所定の下降量だけ下降する。この場合の下降量は、後述する第２粉末層８５の厚さに相当する量であることが好適である。ここでは、図５（ａ）に示す工程におけるステージ４１の下降量よりも小さい下降量でステージ４１が下降する。
【００５４】
続いて、図６（ｂ）に示すように、分級機構３０において分級された第２粉末８２が、ディスペンサ４４に供給される。この場合、第２開閉弁３９が開き、第２通路３７内に貯留されていた第２粉末８２が排出部３３に供給されて排出部３３から排出される。ディスペンサ４４は、排出部３３の下方に位置付けられており、排出部３３から排出された第２粉末８２を受け取り、第２粉末８２がディスペンサ４４に貯留される。この際、ディスペンサ４４が受け取る第２粉末８２の量は、１つの第２粉末層８５（後述）を形成する量であってもよく、後述するように第２粉末層８５を連続的に積層する場合には、連続して積層される複数の第２粉末層８５を形成する合計量であってもよい。
【００５５】
次に、図６（ｃ）に示すように、ディスペンサ４４に第２粉末８２が貯留されると、ディスペンサ駆動部が駆動されてディスペンサ４４が水平方向に移動しながら、第２粉末８２がステージ４１上に供給される。ステージ４１上に第２粉末８２が供給された後、水平方向に移動する均し部材４５によってステージ４１上の第２粉末８２が均されて、所望の厚さの第２粉末層８５がステージ４１上に形成される。形成された第２粉末層８５の厚さは、上述した第１粉末層８３の厚さよりも薄くなっている。
【００５６】
続いて、図６（ｄ）に示すように、第２粉末層８５に、図５（ｄ）に示す工程と同様にして照射ヘッド５２からレーザビームが照射される。レーザビームは、動翼１０の３次元ＣＡＤデータに基づいて照射される。すなわち、当該第２粉末層８５に対応する高さ位置における動翼１０の断面形状が３次元ＣＡＤデータから得られ、この断面形状をレーザビームで塗り潰すようにレーザビームをスキャン（走査）させる。このようにして、第２粉末層８５のうち当該断面形状に相当する部分の第２粉末８２が溶解し、ステージ４１上に第２粉末溶解層８６が形成される。ここで、上述したように第２粉末層８５が第１粉末層８３より薄くなっているため、形成された第２粉末溶解層８６の厚さは、上述した第１粉末溶解層８４の厚さよりも薄くなっている。
【００５７】
この際、第２粉末８２は比較的小さな粒径を有しているため、照射されたレーザビームによって第２粉末８２は、その原形を残さないように全体的に溶解することができる。このため、第２粉末溶解層８６は滑らかに形成され得る。またこの際、当該第２粉末層８５に照射されたレーザビームにより、先に形成された植込み部１２を構成する第１粉末溶解層８４も少なくとも部分的に溶解する。このことにより、第２粉末溶解層８６は、第１粉末溶解層８４と接合し、一体化される。
【００５８】
第２粉末溶解層８６が形成された後、図６（ｅ）に示すように、ステージ駆動部４２が駆動されてステージ４１が所定の下降量だけ下降する。この場合の下降量は、この後形成される新たな第２粉末層８５の厚さに相当する量であるが、図６（ａ）に示す工程におけるステージ４１の下降量と同一であることが好適である。
【００５９】
ステージ４１が下降した後、ステージ４１上に上述のようにして第２粉末８２が再び供給されて、図６（ｆ）に示すように、ステージ４１上に既に形成された第２粉末溶解層８６上に、新たな第２粉末層８５が形成される。その後、上述と同様にして、レーザビームが照射されて、当該新たな第２粉末層８５に対応する高さ位置における動翼１０の断面形状に相当する部分の第２粉末８２が溶解して新たな第２粉末溶解層８６が形成される。この際、当該新たな第２粉末層８５に照射されたレーザビームにより、先に形成された第２粉末溶解層８６も少なくとも部分的に溶解する。このことにより、新たな第２粉末溶解層８６は、先に形成された第２粉末溶解層８６と接合し、一体化される。
【００６０】
上述のようにして第２粉末溶解層８６を複数回繰り返して形成して積層することにより、図６（ｇ）に示すように、動翼１０の動翼本体１１が積層造形される。なお、第２粉末層８５の厚さを薄くして、きめ細かく積層することにより、ＣＡＤデータに即した精度良い形状の動翼本体１１を得ることができる。
【００６１】
動翼本体１１の積層造形が完了すると、互いに接合されて一体化された植込み部１２と動翼本体１１とを有する図２に示す動翼１０が得られる。得られた動翼１０のうち動翼本体１１は、粒径が比較的小さい第２粉末８２を用いて積層造形されている。このことにより、第２粉末溶解層８６で形成された部分である動翼本体１１の表面粗さは、第１粉末溶解層８４で形成された部分である植込み部１２の表面粗さよりも小さくなっている。
【００６２】
その後、グラインダー加工などの研削、研磨加工により形状を整えた後、溶体化熱処理、必要に応じた表面コーティング処理、及び時効熱処理を行うことにより、動翼１０の製造が完了する。しかしながら、動翼本体１１は、上述したように表面粗さが小さくなっているため、研削、研磨加工の作業量を低減する（場合によっては省略する）ことができる。また、動翼本体１１の表面粗さを小さくすることができるため、発電効率の向上を図ることができる動翼本体１１を容易に得ることができる。
【００６３】
このように本実施の形態によれば、第１粉末８１を溶解して形成した第１粉末溶解層８４が複数積層されて動翼１０の植込み部１２が積層造形され、第１粉末８１よりも粒径が小さい第２粉末８２を溶解して形成した第２粉末溶解層８６が複数積層されて動翼１０の動翼本体１１が積層造形されている。そして、第１粉末８１を含む第１粉末層８３の厚さが、第２粉末８２を含む第２粉末層８５の厚さよりも厚くなっている。このことにより、小さな表面粗さが要求される動翼本体１１には粒径の小さな第２粉末８２を用いて動翼本体１１の表面粗さを小さくし、小さな表面粗さが要求されない植込み部１２には粒径の大きな第１粉末８１を用いて第１粉末層８３の厚さを厚くして造形速度を増大させることができる。このため、表面粗さの小さな動翼本体１１を含む動翼１０の三次元積層造形による製造時間を短縮させ、動翼１０を効率良く製造することができる。
【００６４】
また、本実施の形態によれば、タービン部品製造装置２０の粉末タンク２１に貯留された原料粉末８０が、分級機構３０によって分級される。このことにより、粒径の異なる２種類の粉末（第１粉末８１と第２粉末８２）を別々に貯留するために２つのタンクを用意することを不要とすることができる。このため、タービン部品製造装置２０の大型化を抑制することができ、経済的な合理性を確保することができる。
【００６５】
また、本実施の形態によれば、パウダーベッド方式で動翼１０を積層造形することができる。このことにより、積層造形される動翼１０の形状精度を向上させることができる。また、第１粉末層８３を形成する場合のステージ４１の下降量を、第２粉末層８５を形成する場合のステージ４１の下降量よりも大きくしていることにより、第１粉末層８３の厚さを、第２粉末層８５の厚さよりも容易に厚くすることができる。
【００６６】
なお、上述した本実施の形態において、第２粉末溶解層８６を形成する際（図６（ｄ）、（ｆ）参照）に第２粉末層８５に照射されるレーザビームの強度は、第１粉末溶解層８４を形成する際（図５（ｄ）、（ｆ）参照）に第１粉末層８３に照射されるレーザビームの強度よりも大きくしてもよい。この場合、第２粉末８２の原形が残らないように第２粉末８２をより一層確実に溶解させることができ、第２粉末溶解層８６をより一層滑らかにすることができる。このため、第２粉末溶解層８６が積層された動翼本体１１の表面粗さをより一層小さくすることができる。
【００６７】
また、上述した本実施の形態においては、分級機構３０は、１つのふるいプレート３１と粉末受けプレート３２とを有し、原料粉末８０が第１粉末８１と第２粉末８２とに分級される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、分級機構３０が、孔径の異なる２つ以上のふるいプレートを有して、原料粉末８０が、３種類以上の粒径に分級されるようにしてもよい。この場合には、動翼１０の各部において設計仕様により要求される表面粗さをより一層忠実に実現することができる。また、要求以上に表面粗さを小さくする部分を低減させることができ、造形速度を増大させることができる。
【００６８】
また、上述した本実施の形態においては、分級機構３０のふるいプレート３１を通過した粉末の全てが粉末受けプレート３２に留められて第２粉末８２として使用される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、粉末受けプレート３２の代わりに、当該ふるいプレート３１よりも小さな孔径を有する他のふるいプレートを用いてもよい。この場合、第２粉末８２の粒径の最小値を規定することができる。
【００６９】
また、上述した本実施の形態においては、分級機構３０のふるいプレート３１は、異なる孔径を有するふるいプレート３１に交換可能になっていることが好適である。この場合、第１粉末８１の粒径と第２粉末８２の粒径とのしきい値を容易に変更することができる。すなわち、原料粉末８０は上述したように、一般的に所定の粒径範囲内で様々な粒径の粉末を含んでいるが、その粒径の分布に応じて第２粉末８２の粒径の最大値を設定することにより、原料粉末８０の歩留まりを向上させることができ、原料粉末８０を有効使用することができる。
【００７０】
また、上述した本実施の形態においては、パウダーベッド方式で動翼１０を積層造形する場合について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、デポジット方式で動翼１０を積層造形するようにしてもよい。
【００７１】
また、上述した本実施の形態においては、第１粉末８１を用いた複数の第１粉末溶解層８４を繰り返し積層して植込み部１２を積層造形し、第２粉末８２を用いた複数の第２粉末溶解層８６を繰り返し積層して動翼本体１１を積層造形する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、設計仕様に従っていれば、第１粉末溶解層８４の積層回数は複数に限られることはなく、少なくとも１回以上であればよい。同様に、第２粉末溶解層８６の積層回数は複数に限られることはなく、少なくとも１回以上であればよい。また、第１粉末溶解層８４と第２粉末溶解層８６の積層順序は、設計仕様に応じて任意とすることができ、例えば、動翼１０のうち互いに離間した複数の部分の表面粗さが小さくなるように、第１粉末溶解層８４および第２粉末溶解層８６を積層するようにしてもよい。
【００７２】
また、上述した本実施の形態においては、エネルギービームとしてレーザビームを用いた例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、レーザビームの代わりに電子ビームを用いてもよい。この場合、照射ヘッド５２に代えて電子銃（図示せず）から照射される電子ビームを電磁コイルにより偏向させることで、電子ビームをスキャンさせることが好適である。
【００７３】
さらに、上述した本実施の形態においては、タービン部品の一例としての動翼１０を積層造形する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、動翼１０以外にもタービンロータ３（図１参照）等の他のタービン部品を積層造形することもできる。また、タービンの一例として、低圧蒸気タービンを例にとって説明したが、高圧蒸気タービンやガスタービンなど任意のタービン部品を積層造形することができる。
【００７４】
以上述べた実施の形態によれば、表面粗さの小さな部分を含むタービン部品の三次元積層造形による製造時間を短縮させ、タービン部品を効率良く製造することができる。
【００７５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【実施例】
【００７６】
ここでは、粒径が小さい第２粉末が溶解した部分の表面粗さが、粒径が大きい第１粉末が溶解した部分の表面粗さよりも小さくなることについて確認した。
【００７７】
具体的には、それぞれが蒸気タービンの動翼に適用される高クロム耐熱鋼（１０％Ｃｒ−１％Ｗ−２％Ｃｏ鋼）からなる第１粉末と第２粉末とを用いて積層造形を行った。第１粉末の粒径は、−９０／＋４５μｍ（４５μｍ〜９０μｍ）であり、第２粉末の粒径は、−３２／＋１６μｍ（１６μｍ〜３２μｍ）の粒径であった。第１粉末と第２粉末は、それぞれ５０ｋｇずつ準備した。
【００７８】
まず、第１粉末を用いて積層造形し、一辺が１０ｍｍの正方形の平面形状で、厚さが１０ｍｍの積層造形物を得た。その後、当該積層造形物上に、第２粉末を用いて積層造形し、同様の平面形状で１０ｍｍの厚さを有する第２粉末の積層造形物を積層した。第１粉末による積層造形と第２粉末による積層造形とは、粉末の粒径が異なること以外は同様の条件で行った。
【００７９】
得られた積層造形物に対して、表面粗さの測定を行った。測定には、レーザ顕微鏡を用いた。測定結果によると、第１粉末により形成された部分の表面粗さは、算術平均粗さ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２００１）で５０ｓであった。一方、第２粉末により形成された部分の表面粗さは、算術平均粗さで１２．５ｓであった。このことにより、粒径が小さい第２粉末により積層造形された部分の表面粗さが、粒径が大きい第１粉末により積層造形された部分の表面粗さよりも小さくなることが確認できた。
【符号の説明】
【００８０】
１      蒸気タービン
１０    動翼
１１    動翼本体
１２    植込み部
２０    タービン部品製造装置
２１    粉末タンク
３０    分級機構
４０    粉末層形成機構
４１    ステージ
４２    ステージ駆動部
５０    ビーム照射機構
７０    制御部
８０    原料粉末
８１    第１粉末
８２    第２粉末
８３    第１粉末層
８４    第１粉末溶解層
８５    第２粉末層
８６    第２粉末溶解層
【図１】
0006466793.tif 000002
【図２】
0006466793.tif 000003
【図３】
0006466793.tif 000004
【図４】
0006466793.tif 000005
【図５】
0006466793.tif 000006
【図６】
0006466793.tif 000007