(57)【要約】【課題】直接金属レーザ溶融用のニッケル合金を提供すること。【解決手段】合金は、約１．６〜約２．８重量％のアルミニウム、約２．２〜約２．４重量％のチタン、約１．２５〜約２．０５重量％のニオブ、約２２．２〜約２２．８重量％のクロム、約８．５〜約１９．５重量％のコバルト、約１．８〜約２．２重量％のタングステン、約０．０７〜約０．１重量％の炭素、約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素、及び約４０〜約７０重量％のニッケルを含む粉末を含む。関連プロセス及び物品についても開示す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接金属レーザ溶融用のニッケル合金であって、
約１．６〜約２．８重量％のアルミニウム、
約２．２〜約２．４重量％のチタン、
約１．２５〜約２．０５重量％のニオブ、
約２２．２〜約２２．８重量％のクロム、
約８．５〜約１９．５重量％のコバルト、
約１．８〜約２．２重量％のタングステン、
約０．０７〜約０．１重量％の炭素、
約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素、及び
約４０〜約７０重量％のニッケル
を含有する粉末
を含む直接金属レーザ溶融用のニッケル合金。
【請求項２】
前記粉末が約４４μｍ以下の粒度の粒子を含む、請求項１記載のニッケル合金。
【請求項３】
前記粉末が約１０μｍ以上の粒度の粒子を含む、請求項２記載のニッケル合金。
【請求項４】
部品の製造方法であって、
物品の３Ｄ設計ファイルを用意する工程と、
３Ｄプリンタを使用して３Ｄ設計ファイルに従って繰り返される層状の形でエネルギー源を粉末に適用する工程と
ことを含み、前記粉末が、
約１．６〜約２．８重量％のアルミニウム、
約２．２〜約２．４重量％のチタン、
約１．２５〜約２．０５重量％のニオブ、
約２２．２〜約２２．８重量％のクロム、
約８．５〜約１９．５重量％のコバルト、
約１．８〜約２．２重量％のタングステン、
約０．０７〜約０．１重量％の炭素、
約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素、及び
約４０〜約７０重量％のニッケル
を含有する、方法。
【請求項５】
前記粉末が約４４μｍ以下の粒度の粒子を含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記粉末が約１０μｍ以上の粒度の粒子を含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
使用する工程が、溶接、焼結又はレーザ溶融を含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記物品がタービン部品を含む、請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ：Direct Metal Laser Melting）技術用の材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＭＬＭは、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ：Selective Laser Melting）と呼ばれることもあり、複雑な幾何形状を有する部品を構築するのに使用でき、しかも、非アディティブ式の製造技術によく見られるツーリング技術は必要としないアディティブ式製造技術である。ＤＭＬＭではしばしば、エネルギー源、典型的には高出力レーザと共にデジタル形式の３Ｄ  ＣＡＤデータを使用して、金属粉末又は合金粉末の粒子同士を融合することにより三次元の金属部品又は合金部品を作製する。このため、使用されるＤＭＬＭ粉末の品質が、結果として得られる部品の物理的特性、及び品質に直接影響を及ぼすことになる。
【０００３】
先の実施形態は、ＤＭＬＭ用のいくつかの材料を利用していた。例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、マルエージング鋼（又はツーリング鋼）、チタン合金、及びコバルトクロムが、以前に利用されていた。しかし、より良いＤＭＬＭ粉末の開発が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１３５８４７号公報
【発明の概要】
【０００５】
本明細書に開示されている本発明の各実施形態は、直接金属レーザ溶融用のニッケル合金であって、約１．６〜約２．８重量％のアルミニウム、約２．２〜約２．４重量％のチタン、約１．２５〜約２．０５重量％のニオブ、約２２．２〜約２２．８重量％のクロム、約８．５〜約１９．５重量％のコバルト、約１．８〜約２．２重量％のタングステン、約０．０７〜約０．１重量％の炭素、約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素、及び約４０〜約７０重量％のニッケルを含有する粉末を含む、直接金属レーザ溶融用のニッケル合金を包含する。
【０００６】
本発明の各実施形態は、部品の製造方法であって、物品の３Ｄ設計ファイルを用意し、３Ｄプリンタを使用して３Ｄ設計ファイルに従って繰り返される層状の形でエネルギー源を粉末に適用することを含み、粉末が、約１．６〜約２．８重量％のアルミニウム、約２．２〜約２．４重量％のチタン、約１．２５〜約２．０５重量％のニオブ、約２２．２〜約２２．８重量％のクロム、約８．５〜約１９．５重量％のコバルト、約１．８〜約２．２重量％のタングステン、約０．０７〜約０．１重量％の炭素、約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素、及び約４０〜約７０重量％のニッケルを含有する、部品の製造方法も包含する。
【０００７】
本開示のこれら及び他の特徴は、本発明の様々な態様を示す添付図面を併せて見ると本発明の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の実施形態による物品を表すコードを記憶する非一時的なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含むアディティブ式製造プロセスのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面は一定の縮尺でない可能性があり得ることに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様だけを示すことが意図されており、したがって、本発明の範囲を限定するとみなされるべきではない。図面では、同じ番号は、図面間で同じ要素を示す。詳細な説明は、図面を参照して例のみによって利点及び特徴と共に本発明の各実施形態を説明する。
【００１０】
本明細書に開示されているのは、直接金属レーザ溶融に用いるためのニッケル合金である。このニッケル合金は、溶接、焼結、及びレーザ溶融に有利に用いることができる。ニッケル合金は粉末を含み、この粉末は、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、コバルト、タングステン、炭素、ホウ素、及びニッケルを含む。アルミニウム濃度とチタン濃度を特異的に組み合わせることにより、低サイクル疲労、クリープひずみ、酸化抵抗性、及び高温耐食性に関する特性の改善が可能になる。
【００１１】
いくつかの実施形態では、このニッケル合金は、約１．６〜約２．８重量％のアルミニウム、及び約２．２〜約２．４重量％のチタンを含有し得る。この化学組成は、高温強度と溶接性の程度との間で良好な折衷案を与える。これら及び他の特徴は、以下の説明を考量してより明らかになろう。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ニッケル合金粉末は、以下の濃度、すなわち、約１．２５〜約２．０５重量％のニオブ、約２２．２〜約２２．８重量％のクロム、約８．５〜約１９．５重量％のコバルト、約１．８〜約２．２重量％のタングステン、約０．０７〜約０．１重量％の炭素、約０．００２〜約０．０１５重量％のホウ素、及び約４０〜約７０重量％のニッケルをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、ニッケル合金粉末は、小粒子を含む。例えば、粒子は、粒度が約４４μｍ以下であり得る。この粒度パラメータは、熱源に基づくＤＭＬＭで使用できる性能を強化すると共に、粉末の粒子を溶融又は焼結させるのをさらに容易にする。さらなる実施形態では、粒子は、直径が約１０μｍ以上であり得る。理解されるはずであるように、これらの粒度の範囲は、５μｍだけ変動する可能性があり、粉末の粒子は、この粒度範囲内で合成することができ、又は任意の現在知られている又は後で開発される技術を用いて特定の粒度にフィルタ処理されてもよい。いくつかの実施形態では、特定の粒度のふるい分けは、粒子をフィルタ処理するのに使用することができ、いくつかの例では、最大粒度のふるい分け、及び最小粒度のふるい分けが、ニッケル合金粉末の粒子の直径の上限及び下限を作り出すために利用することができる。
【００１３】
さらなる実施形態では、上記開示されたニッケル合金粉末は、部品の製造方法に使用される。詳細には、この方法は、物品の３Ｄ設計ファイルを用意することを含むことができる。次いで、３Ｄプリンタを使用して、上述の合金粉末が繰り返される層状の形で適用され、エネルギー源が粉末に適用される。上述のように、製造プロセスに使用される粉末は、ひずみ範囲のパーセンテージ及び亀裂発生までのサイクル数によって測定されるときに低いサイクル疲労特性を示す物品を生産する。この物品は、低クリープひずみ特性、高酸化抵抗性特性、及び高い高温耐食性特性も有する。本発明の実施形態による物品は、これらの特性によって、限定されるものではないがＨａｓｔＸ、ＩＮ６１７、及びＩＮ６２５などの先の合金よりも強い。
【００１４】
製造プロセスの物品は、いくつかの応用に使用することができる。例えば、物品は、タービン部品として使用することができる。この物品は、第１段及び後の段のタービンノズルの応用に使用することができると共に、タービン用の大きいバケットに使用することができる。
【００１５】
ＤＭＬＭなどのアディティブ式製造プロセスの例を示すために、図１は、物品１０２を生成するための例示的なコンピュータ化アディティブ式製造システム１００の概略図／ブロック図を示す。この例では、システム１００は、ＤＭＬＭのために配置される。本開示の全般的な教示は、アディティブ式製造の他の形態に等しく適用可能であることが理解される。物品１０２は、二重壁のタービン要素として示されているが、アディティブ式製造プロセスは、任意の物品を製造するのに容易に適合することができることが理解される。ＡＭシステム１００は、一般に、コンピュータ化アディティブ式製造（ＡＭ）制御システム１０４と、ＡＭプリンタ１０６とを備える。説明されるようなＡＭシステム１００は、物品１０２を定めるコンピュータ実行可能命令のセットを含むコード１２０を実行して、ＡＭプリンタ１０６を用いて対象を物理的に生成する。各ＡＭプロセスは、例えば、上記開示されたニッケル合金粉末を含めて、微粒子粉末、液体（例えば、ポリマー）、シートなどの形態の様々な原材料を使用することができ、そのストックは、ＡＭプリンタ１０６のチャンバ１１０内に保持することができる。示されるように、付与装置１１２は、何も描かれていないキャンバスとして広げられた原材料１１４の薄層を生成することができ、そこからそれぞれの最終的な対象の連続するスライスが生成される。他の場合には、付与装置１１２は、例えばポリマーが材料の場合、コード１２０によって定められるように、前の層の上に次の層を直接塗布又は印刷することができる。図示の例では、レーザ又は電子ビーム１１６は、コード１２０によって定められるように、スライスごとに粒子を融合する。ＡＭプリンタ１０６の様々な部品は、それぞれの新しい層を付加するのに対応するように移動することができ、例えば、ビルドプラットフォーム１１８は下がることができ、並びに／又はチャンバ１１０及び／若しくは付与装置１１２は、各層の後に上昇することができる。
【００１６】
ＡＭ制御システム１０４は、コンピュータプログラムコードとしてコンピュータ１３０上で実施されるものとして示されている。この点で、コンピュータ１３０は、メモリ１３２と、プロセッサ１３４と、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１３６と、バス１３８とを備えるものとして示されている。さらに、コンピュータ１３０は、外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース１４０及び記憶システム１４２と通信状態で示されている。一般に、プロセッサ１３４は、本明細書に記載された物品１０２を表すコード１２０からの命令下でメモリ１３２及び／又は記憶システム１４２に記憶されるＡＭ制御システム１０４などのコンピュータプログラムコードを実行する。コンピュータプログラムコードを実行している間、プロセッサ１３４は、メモリ１３２、記憶システム１４２、Ｉ／Ｏデバイス１４０、及び／又はＡＭプリンタ１０６へ／からデータを読み出す及び／又は書き込むことができる。バス１３８は、コンピュータ１３０内の各部品間の通信リンクを与え、Ｉ／Ｏデバイス１４０は、コンピュータ１４０と使用者が対話することを可能にする任意の装置（例えば、キーボード、ポインティングデバイス、ディスプレイなど）を備えることができる。コンピュータ１３０は、ハードウェアとソフトウェアの様々な可能な組み合わせを示すものにすぎない。例えば、プロセッサ１３４は、単一の処理ユニットを備えることができ、又は例えばクライアント及びサーバ上の１つ以上の位置における１つ以上の処理ユニットにわたって分散することができる。同様に、メモリ１３２及び／又は記憶システム１４２は、１つ以上の物理的位置に存在することができる。メモリ１３２及び／又は記憶システム１４２は、磁気媒体、光媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）などを含む様々なタイプの非一時的なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体の任意の組み合わせを備えることができる。コンピュータ１３０は、ネットワークサーバ、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、ハンドヘルドデバイス、携帯電話、ポケットベル、携帯情報端末等などの任意のタイプのコンピューティングデバイスを備えることができる。
【００１７】
アディティブ式製造プロセスは、非一時的なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体（例えば、メモリ１３２、記憶システム１４２など）が物品１０２を表すコード１２０を記憶することから始まる。示されたように、コード１２０は、システム１００によってコードを実行すると、対象を物理的に生成するのに使用できる物品１０２を定めるコンピュータ実行可能命令のセットを含む。例えば、コード１２０は、対象１０２の正確に定められた３Ｄモデルを含むことができると共に、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）、ＴｕｒｂｏＣＡＤ（登録商標）、ＤｅｓｉｇｎＣＡＤ  ３Ｄ  Ｍａｘ等などの多様なよく知られているコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアシステムのいずれかから生成することができる。これに関しては、コード１２０は、任意の現在知られているファイル形式又は後で開発されるファイル形式をとることができる。例えば、コード１２０は、３Ｄシステムの立体リトグラフィＣＡＤプログラム用に作り出された標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）、又は任意のＣＡＤソフトウェアが任意のＡＭプリンタで製造される任意の三次元の対象の形状及び構成を説明することを可能にするように設計された拡張マークアップ言語（ＸＭＬ）に基づく形式である米国機械学会（ＡＳＭＥ）の規格であるアディティブ式製造ファイル（ＡＭＦ）であり得る。コード１２０は、必要に応じて、異なる形式間で翻訳され、データ信号のセットに変換され、データ信号のセットとして送受信され、コードに変換され、記憶等され得る。コード１２０は、システム１００への入力であり得ると共に、部分設計者、知的財産（ＩＰ）提供者、設計会社、システム１００の操作者若しくは所有者から来得る又は他のソースから来得る。いずれにしても、ＡＭ制御システム１０４はコード１２０を実行し、物品１０２は、ＡＭプリンタ１０６を用いて液体、粉末、シート、又は他の材料の連続する層にそれが組み立てる一連の薄いスライスになる。ＤＭＬＭの例では、各層は、コード１２０によって定められた正確な幾何形状に溶融され、前述の層に融合される。その後、物品１０２は、任意の様々な仕上げプロセス、例えば、軽微な機械加工、封止、磨き、点火装置先端の他の部品の組立てなどを受け得る。
【００１８】
本明細書に使用される専門語は、特定の実施形態を説明するだけのためのものであり、本開示を限定することは意図されていない。本明細書に用いられるとき、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、及び「この（ｔｈｅ）」は、文脈上明白に他の意味に解すべき場合を除き、複数形も同様に含むことが意図されている。本明細書に使用されるとき、用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は部品の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、部品、及び／又はそれらのグループの存在若しくは追加を除外しないことをさらに理解されよう。
【００１９】
本発明は限定された個数の実施形態だけに関連して詳細に説明されてきたが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことを容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまで説明されていない任意の個数の変形例、代替例、置換例、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これは、本発明の精神及び範囲に相応する。加えて、様々な本発明の各実施形態が説明されてきたが、本発明の態様は、記載された実施形態の一部だけを含むことができることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると見られるべきでなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２０】
１００  ＡＭシステム
１０２  物品
１０４  ＡＭ制御システム
１０６  プリンタ
１１０  チャンバ
１１２  付与装置
１１４  原材料
１１６  電子ビーム
１１８  ビルドプラットフォーム
１２０  コード
１３０  コンピュータ
１３２  メモリ
１３４  プロセッサ
１３６  入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース
１３８  バス
１４０  入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス
１４２  記憶システム
【図１】
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【外国語明細書】
2016060967000001.pdf