(57)【要約】【課題】微細構造を局所的に変化させることにより使用に最適化された部品の製造方法【解決手段】アディティブ・マニュファクチャリング法において使用するためのデータセットを準備する段階、データセットに従って部品を製造する段階、前記部品を熱処理に供する段階を含む部品の製造方法であって、前記部品内で少なくとも２つの異なる立体領域を定義し、少なくとも２つの異なる工程パラメータを選択し、アディティブ・マニュファクチャリング法を実行し、少なくとも２つの工程パラメータの１つを第一の立体領域を製造する間に使用して第一の立体領域に第一の再結晶化挙動をもたらし、前記少なくとも２つの工程パラメータの他方を第二の立体領域を製造する間に使用して第二の立体領域に第二の結晶化挙動をもたらし、前記部品を少なくとも２つの立体領域の少なくとも１つの再結晶化温度を上回る保持温度での熱処理に供する前記方法【選択図】図４
2016102257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品（１０、１０’）、特にガスタービンおよび他の熱機械類用の部品（１０、１０’）の製造方法であって、以下の段階：
アディティブ・マニュファクチャリング法において使用するためのデータセットを準備する段階、
前記データセットに従って前記アディティブ・マニュファクチャリング法によって前記部品（１０、１０’）を製造する段階、および
前記の製造された部品（１０、１０’）を熱処理（ＨＴ）に供して、前記の製造された部品（１０、１０’）の微細構造を変化させる段階、
を含む前記方法において、
製造段階に先立ち、前記部品（１０、１０’）内で、少なくとも２つの異なる部品の立体領域（ＣＡ１〜ＣＡ７）を定義し、
前記アディティブ・マニュファクチャリング法について、少なくとも２つの異なる工程パラメータ（Ａ、Ｂ）を選択し、その工程パラメータ（Ａ、Ｂ）が前記部品（１０、１０’）の材料内での異なる再結晶化挙動をもたらし、
前記アディティブ・マニュファクチャリング法を実行し、その際、前記少なくとも２つの工程パラメータ（Ａ、Ｂ）の１つを、前記少なくとも２つの部品の立体領域（ＣＡ１〜ＣＡ７）の第一の立体領域を製造する間に使用して、前記第一の部品の立体領域に第一の再結晶化挙動をもたらし、且つ、前記少なくとも２つの工程パラメータ（Ａ、Ｂ）の他方を、前記少なくとも２つの部品の立体領域（ＣＡ１〜ＣＡ７）の第二の立体領域を製造する間に使用して、前記第二の部品の立体領域に前記第一の結晶化挙動とは異なる第二の結晶化挙動をもたらし、且つ、
前記の製造された部品（１０、１０’）を、保持温度（Ｔ＿ＨＴ）での熱処理（ＨＴ）に供し、その際、前記保持温度（Ｔ＿ＨＴ）は前記少なくとも２つの部品の立体領域の少なくとも１つの再結晶化温度を上回ることを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
前記再結晶化挙動が再結晶化温度を含み、前記第一の再結晶化挙動は第一の再結晶化温度（Ｔ＿ＲＸ＿ＡまたはＴ＿ＲＸ＿Ｂ）を含み、且つ前記第二の再結晶化挙動は第二の再結晶化温度（Ｔ＿ＲＸ＿ＢまたはＴ＿ＲＸ＿Ａ）を含み、且つ、前記の製造された部品（１０、１０’）を、第一の再結晶化温度と第二の再結晶化温度（Ｔ＿ＲＸ＿Ａ、Ｔ＿ＲＸ＿Ｂ）との間にある保持温度（Ｔ＿ＨＴ）での熱処理（ＨＴ）に供することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記再結晶化挙動が、粒径における変化を含み、前記第一の再結晶化挙動は第一の粒径を含み且つ前記第二の再結晶化挙動は第一の粒径とは異なる第二の粒径を含み、且つその際、前記保持温度（Ｔ＿ＨＴ）は前記少なくとも２つの部品の立体領域の少なくとも２つの再結晶化温度を上回る、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも３つの異なる部品の立体領域、つまり、第一の部品の立体領域、第二の部品の立体領域、および第三の部品の立体領域を定義し、且つ、３つの工程パラメータ（Ａ、Ｂ、Ｃ）を、保持温度（Ｔ＿ＨＴ）での熱処理後に第一の部品の立体領域が第一の粒径を有し、第二の部品の立体領域が第二の粒径を有し、且つ第三の部品の立体領域が第三の粒径を有し、その際、第一の粒径、第二の粒径および第三の粒径が互いに異なるように選択する、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記アディティブ・マニュファクチャリング法が選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）法であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記部品（１０、１０’）の材料が、高温Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金およびＦｅ基合金の１つであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも２つの工程パラメータ（Ａ、Ｂ）が、以下の少なくとも１つの特徴：
・  溶融池の大きさ、
・  エネルギー入力、特に走査速度および／またはレーザー出力および／またはレーザーのモード、
・  ハッチ距離、
・  層厚、
・  レーザービーム直径／強度分布／焦平面位置、
・  追加的な立体領域の曝露／再溶融／予熱／再加熱、
・  走査方式、特に一方向または二方向または回転
において異なることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記部品（１０、１０’）を使用する際に前記少なくとも２つの異なる部品の立体領域（ＣＡ１〜ＣＡ７）の第一の立体領域がクリープ負荷に供され、且つ、前記少なくとも２つの異なる部品の立体領域（ＣＡ１〜ＣＡ７）の第二の立体領域がＬＣＦ負荷に供され、且つ、前記工程パラメータ（Ａ、Ｂ）および引き続く前記熱処理の温度（Ｔ＿ＨＴ）を、粗い再結晶化粒構造が前記第一の部品の立体領域において形成され且つ微細な粒構造が前記第二の部品の立体領域において形成されるように選択することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記部品（１０、１０’）がターボ機械、特にガスタービンのパーツであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記部品（１０、１０’）がガスタービンのブレードであることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ブレード（１０、１０’）が前縁（１１）および後縁（１２）を有し、前記前縁（１１）および前記後縁（１２）での部品の立体領域（ＣＡ１、ＣＡ３；  ＣＡ４、ＣＡ７）は、ＬＣＦ負荷がかかる領域のために適した微細な粒構造を有して製造され、且つ、前記前縁（１１）および前記後縁（１２）の間の部品の立体領域（ＣＡ２）は、クリープ負荷がかかる領域のために適した粗く再結晶化された粒構造を有して製造されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記部品（１０、１０’）がＮｉ基超合金製であり、前記少なくとも２つの工程パラメータ（Ａ、Ｂ）を、生じる再結晶化温度（Ｔ＿ＲＸ＿Ａ、Ｔ＿ＲＸ＿Ｂ）が、１２００℃周辺の範囲にあり且つ少なくとも２０℃だけ異なるように選択することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱処理が、少なくとも２５℃／分の加熱速度での速い加熱を適用する段階を含むことを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
製造段階が、結晶学的配向を形成することを含み、且つ、前記熱処理が少なくとも１つの部品の立体領域において前記結晶学的配向を除去することを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明はアディティブ・マニュファクチャリング法の技術に関する。前記は請求項１の前提部分に記載されるアディティブ・マニュファクチャリング法を使用する部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術
ＳＬＭ（選択的レーザー溶融）で製造された物品は、同じ合金からなる従来の注型材料と比較して、異なる微細構造を有する。その微細構造は遙かにより均質であり、微細に分散された析出物を示し且つ実質的に偏析を示さず、且つ粒径は数分の一である。それらの特徴は、例えば引張強度およびＬＣＦ（低サイクル疲労）強度のために、およびそれらの特性のために最適であり、ＳＬＭで製造された標準的な部品は鋳造で製造された同種のものを著しく上回る。
【０００３】
他方で特に高温特性については、小さな粒径は、粒界によってもたらされる拡散の促進が欠点となる。従って、高温特性、例えば耐クリープ性または酸化耐性は、同様の鋳造材料のものよりも低く、それは特に高温で（例えばガスタービンにおいて）使用されるニッケル基合金、コバルト基合金または鉄基合金などの材料に関連する。
【０００４】
それらの問題を回避するために、前記のアディティブ法で製造された超合金のために再結晶化熱処理（ＨＴ）が開発され、それはほぼ完全な結晶学的等方性と、標準的なＨＴ後に得られたものよりも著しく大きい粒径をもたらす（欧州特許出願公開第２５８６８８７号Ａ１明細書参照）。しかしながら、これはＳＬＭで製造された超合金のクリープ強度を著しく高める一方で、ＬＣＦ、ＴＭＦおよび引張特性を低下させることもある。従って、例えば支配的な負荷の種類に従ってパーツ内で粒径を調節することが望ましい。
【０００５】
欧州特許出願公開第ＥＰ２５８６８８７号Ａ１明細書は、ＳＬＭで製造されたパーツを再結晶化して粒径を増加し、そのことによってクリープ特性および酸化特性を改善する方法を開示している。しかしながら、この方法を使用して、粒径を局所的に調節し且つ微細構造をＳＬＭで製造されたパーツ全体内で均質に再結晶化することはできない。
【０００６】
これはクリープ特性を改善するためには良好な解決策である。しかしながら、粒径を部品内で調節することはできないので、改善されたクリープ特性と改善されたＬＣＦ特性との間での選択を迫られる。
【０００７】
欧州特許出願公開第２５８６５４８号Ａ１明細書は、とりわけＳＬＭで製造されたパーツについて、負荷の種類／要請に従って、工程パラメータを調整することによって物品全体内で粒径を調節するための一般的な案を開示している。
【０００８】
欧州特許出願公開第２５８６５４８号Ａ１明細書において、粒径は、ＳＬＭ工程において例えば種々の溶融池の大きさ、第二のレーザーまたは他の手段の使用によって直接的に生じる。
【０００９】
この直接的な手法によれば、粒径における非常に限定された変化が可能であるに過ぎない。さらには、それは種々の強度分布を有するレーザー（例えばマルチレーザーシステム、コアシェル原理（大きいビーム径と小さいビーム径とを有するレーザー））を必要とする。
【００１０】
米国特許出願公開２００９／０２６３６２４号Ａ１明細書は、部品を複数のパーツに細分して、それらを前記パーツの特性に対して最適化された種々のパラメータで加工する原理を開示している。しかしながら、微細構造を最適化するという意図はない。
【００１１】
該先行技術文献は、欧州特許出願公開第２５８６５４８号Ａ１明細書および関連する調査報告書を参照しており、粒径を選択的に調節することもできなければ選択的なレーザー溶融に関するものでもない。
【００１２】
ＳＬＭで製造された超合金の再結晶化は、Ｆ．  Ｌｉｕ，  Ｘ．  Ｌｉｎ，  Ｍ．  Ｓｏｎｇ，  Ｗ．  Ｚｈａｏ，  Ｊ．  ＣｈｅｎおよびＷ．  Ｈｕａｎｇ、“Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｈｅａｔ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｎｏｔｃｈ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ  ｓｏｌｉｄ  ｆｏｒｍｅｄ  Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７１８  ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｗｕｈａｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｅｄｉｔｉｏｎ、ｖｏｌ．２６、ｎｏ．５、９０８−９１３ページ、２０１１においても観察されている。この文献においては、重複領域が示され、その再結晶化挙動は溶接中心におけるものとは異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２５８６８８７号Ａ１明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２５８６５４８号Ａ１明細書
【特許文献３】米国特許出願公開２００９／０２６３６２４号Ａ１明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第２５８６５４８号Ａ１明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｆ．  Ｌｉｕ，  Ｘ．  Ｌｉｎ，  Ｍ．  Ｓｏｎｇ，  Ｗ．  Ｚｈａｏ，  Ｊ．  ＣｈｅｎおよびＷ．  Ｈｕａｎｇ，  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｈｅａｔ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｎｏｔｃｈ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ  ｓｏｌｉｄ  ｆｏｒｍｅｄ  Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７１８  ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｗｕｈａｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｅｄｉｔｉｏｎ、ｖｏｌ．２６、ｎｏ．５、９０８−９１３ページ、２０１１。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の課題は、微細構造を局所的に変化させることによって、使用のために最適化された部品、特にガスタービンおよび他のターボ機械類において使用するための部品の製造方法を教示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。
【００１７】
部品、特にガスタービンおよび他の熱機械類用の部品を製造するための本発明による方法は、以下の段階を含む：
アディティブ・マニュファクチャリング法において使用される、前記部品を定義するデータセットを準備する段階、
前記データセットに従って前記アディティブ・マニュファクチャリング法によって前記部品を製造する段階、および
前記の製造された部品を熱処理に供して、前記の製造された部品の微細構造を変化させる段階。
【００１８】
最適化された部品は、以下で達成される：
製造段階に先立ち、前記部品内で、少なくとも２つの異なる部品の立体領域（ｖｏｌｕｍｅ）を定義する、
前記アディティブ・マニュファクチャリング法について、少なくとも２つの異なる工程パラメータを選択し、その工程パラメータが再結晶化のための異なる推進力をもたらし、ひいては前記部品の材料内での異なる再結晶化挙動をもたらし、
前記アディティブ・マニュファクチャリング法を実行し、その際、前記少なくとも２つの工程パラメータの１つを、前記少なくとも２つの部品の立体領域の第一の立体領域を製造する間に使用して、前記第一の部品の立体領域に第一の再結晶化挙動をもたらし、且つ、前記少なくとも２つの工程パラメータの他方を、前記少なくとも２つの部品の立体領域の第二の立体領域を製造する間に使用して、前記第二の部品の立体領域に前記第一の結晶化挙動とは異なる第二の結晶化挙動をもたらし、且つ、
前記の製造された部品を、保持温度での熱処理に供し、その際、前記保持温度は前記少なくとも２つの部品の立体領域の少なくとも１つの再結晶化温度を上回る。
【００１９】
１つの実施態様によれば、再結晶化挙動は、再結晶化温度を含み、第一の再結晶化挙動は第一の再結晶化温度を含み、且つ第二の再結晶化挙動は第二の再結晶化温度を含み、且つ、前記の製造された部品を、第一の再結晶化温度と第二の再結晶化温度との間にある保持温度での熱処理に供する。これは前記少なくとも２つの立体領域の少なくとも１つの再結晶化温度を上回る温度をもたらし、保持温度未満の再結晶化温度を有する全ての立体領域の再結晶化をもたらす一方で、形成条件時の典型的な小さい粒の異方性の微細構造が、保持温度を上回る再結晶化温度を有する全ての立体領域において保持される。
【００２０】
１つの実施態様によれば、再結晶化挙動は粒径における変化（再結晶化粒径）を含み、第一の再結晶化挙動は第一の粒径を含み、且つ第二の再結晶化挙動は第一の粒径とは異なる第二の粒径を含み、且つその際、保持温度（Ｔ＿ＨＴ）は前記少なくとも２つの部品の立体領域の少なくとも２つの再結晶化温度を上回る。これは、前記少なくとも２つの立体領域の少なくとも１つにおける第一の粒径および前記少なくとも２つの立体領域の他方における第二の粒径をもたらす。異なる再結晶化挙動が、異なる粒径をもたらすことができる。
【００２１】
１つの実施態様によれば、少なくとも３つの異なる部品の立体領域を準備し、つまり、第一の部品の立体領域、第二の部品の立体領域、および第三の部品の立体領域を定義し、且つ、３つの工程パラメータ（Ａ、Ｂ、Ｃ）を、保持温度（Ｔ＿ＨＴ）での熱処理後に第一の部品の立体領域が第一の粒径を有し（これは熱処理前の第一の粒径から変化していなくてもよく、この場合、再結晶化されていない粒径のままである）、第二の部品の立体領域が第二の粒径を有し、且つ第三の部品の立体領域が第三の粒径を有し、第一の粒径、第二の粒径および第三の粒径が互いに異なるように選択する。好ましくは、第一の部品の立体領域は保持温度を上回る再結晶化温度を有し、且つ第二および第三の部品の立体領域は保持温度未満の再結晶化温度を有する。
【００２２】
本発明の実施態様によれば、前記アディティブ・マニュファクチャリング法は、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）法である。
【００２３】
特に、前記部品の材料は、高温Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金およびＦｅ基合金の１つである。
【００２４】
特に、前記少なくとも２つの工程パラメータは、以下の少なくとも１つの特徴において異なる：
・  溶融池の大きさ、
・  エネルギー入力、特に走査速度および／またはレーザー出力および／またはレーザーのモード、
・  ハッチ距離、
・  層厚、
・  レーザービーム直径／強度分布／焦平面位置、
・  追加的な立体領域の曝露／再溶融／予熱／再加熱、
・  走査方式、特に一方向または二方向または回転。
【００２５】
前記部品の使用における本発明の他の実施態様によれば、前記少なくとも２つの異なる部品の立体領域の第一の立体領域がクリープ負荷に供され、且つ、前記少なくとも２つの異なる部品の立体領域の第二の立体領域がＬＣＦ負荷に供され、且つ、前記工程パラメータおよび引き続く前記熱処理の温度は、粗い再結晶化粒構造が前記第一の部品の立体領域において形成され、且つ微細な粒構造が前記第二の部品の立体領域において形成されるように選択される。
【００２６】
本発明の他の実施態様によれば、前記部品はターボ機械、特にガスタービンのパーツである。特に前記部品はガスタービンのブレードである。さらにより具体的には、前記ブレードは前縁および後縁を有し、前記前縁および前記後縁での部品の立体領域は、ＬＣＦ負荷がかかる領域のために適した微細な粒構造で製造され、且つ、前記前縁および前記後縁の間の部品の立体領域は、クリープ負荷がかかる領域のために適した粗く再結晶化された粒構造で製造される。
【００２７】
好ましくは、ＳＬＭによって加工される前記部品は、Ｎｉ基超合金製であり、前記少なくとも２つの工程パラメータ（Ａ、Ｂ）は、生じる再結晶化開始温度（Ｔ＿ＲＸ＿Ａ、Ｔ＿ＲＸ＿Ｂ）が１２００℃周辺の範囲にあり且つ少なくとも２０℃だけ異なるように選択される。
【００２８】
好ましくは、熱処理は、少なくとも２５℃／分の加熱速度で速い加熱を適用する段階を含む。
【００２９】
好ましくは、製造の段階は、結晶学的配向（結晶学的優先配向）を形成することを含み、且つ、熱処理は少なくとも１つの部品の立体領域における結晶学的配向を除去する。該結晶学的配向は１つ以上の配向、例えば第一の配向および第二の配向を含むことができる。熱処理は、１つ以上の配向を除去することができる。
【００３０】
本発明をここで、種々の実施態様を用い且つ添付の図面を参照して、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の実施態様により異なる工程パラメータＡおよびＢを用いてＳＬＭで製造された、異なる部品の立体領域を有するブレードの断面を示す。
【図２】図２は、本発明の実施態様による図１のブレードの異なる再結晶化を達成するための例示的な熱処理（ＨＴ）曲線を示す。
【図３】図３は、異なる部品の立体領域において異なる微細構造を有する、図２の熱処理後に仕上げられたブレードを示す。
【図４】図４は、図３のブレードの製造における主な工程段階を示す。
【図５】図５は、ＳＬＭ法において、層ごとに異なる工程パラメータが適用される本発明の他の実施態様を示す。
【図６】図６Ａおよび６Ｂは領域Ａ（図６Ａ、再結晶化なし）と領域Ｂ（図６Ｂ、再結晶化）とにおける両方の微細構造を比較する。
【図７】図７は、ＨＴ前後での領域ＡとＢとにおける両方の微細構造を比較する。
【図８】図８は、本発明の可能な実施態様の微細構造の例を示し、その際、部分的な立体領域Ｂ（文字ＡＬＳ）を、再結晶化後に粗い粒径がもたらされるパラメータを用いて加工し、且つ第二の部分的な立体領域Ｃを、再結晶化後に微細な粒径がもたらされるパラメータを用いて加工する。
【図９】図９は、図１におけるものと同様の例を示すが、２つの異なる工程パラメータではなく、３つの異なる工程パラメータＡ、Ｂ、Ｃを用い、再結晶化後に３つの異なる微細構造がもたらされる（再結晶化していない（Ａ）、粗い粒径へと再結晶化（Ｂ）、微細な粒径へと再結晶化（Ｃ））。
【図１０】図１０は、図２におけるものと同様の例を示すが、２つの異なる工程パラメータではなく、３つの異なる工程パラメータＡ、Ｂ、Ｃを用い、再結晶化後に３つの異なる微細構造がもたらされる（再結晶化していない（Ａ）、粗い粒径へと再結晶化（Ｂ）、微細な粒径へと再結晶化（Ｃ））。
【図１１】図１１は、図３におけるものと同様の例を示すが、２つの異なる工程パラメータではなく、３つの異なる工程パラメータＡ、Ｂ、Ｃを用い、再結晶化後に３つの異なる微細構造がもたらされる（再結晶化していない（Ａ）、粗い粒径へと再結晶化（Ｂ）、微細な粒径へと再結晶化（Ｃ））。
【図１２】図１２は、図４におけるものと同様の例を示すが、２つの異なる工程パラメータではなく、３つの異なる工程パラメータＡ、Ｂ、Ｃを用い、再結晶化後に３つの異なる微細構造がもたらされる（再結晶化していない（Ａ）、粗い粒径へと再結晶化（Ｂ）、微細な粒径へと再結晶化（Ｃ））。
【図１３】図１３は、図５におけるものと同様の例を示すが、２つの異なる工程パラメータではなく、３つの異なる工程パラメータＡ、Ｂ、Ｃを用い、再結晶化後に３つの異なる微細構造がもたらされる（再結晶化していない（Ａ）、粗い粒径へと再結晶化（Ｂ）、微細な粒径へと再結晶化（Ｃ））。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
発明の種々の実施態様の詳細な説明
本発明は、アディティブ・マニュファクチャリング技術（例えば選択的レーザー溶融ＳＬＭ）によって製造された、選択的に調節された粒径を有し、それが例えば部位特異的な負荷について最適化されているパーツ／部品、特に異なる負荷がかかるターボ機械、例えばガスタービン用のパーツ／部品の製造方法を開示する。パーツの異なる領域に異なる特定の工程パラメータ設定を適用することによって、再結晶化挙動を、適切な熱処理後に、製造されたパーツの異なる領域において異なる微細構造が得られるように調整できる。例えば、それらの領域の出発温度を、所望の領域のみが再結晶化される熱処理温度を得ることができるように調整できる。他の例において、再結晶化後に生じる粒径を、１つより多くの異なる領域が再結晶化される温度での熱処理後に、それらの異なる再結晶化領域で異なる粒径が得られるように調節できる。
【００３３】
適した工程パラメータおよび引き続く熱処理の温度を選択すると、粒構造を局所的に設定することができる。例えば、粗い再結晶化された粒構造および／または微細な再結晶化された粒構造を局所的に、例えばクリープ負荷がかかる範囲（または立体領域）において（例えばブレードの前縁と後縁との間で）設定できる一方で、他の領域、例えばＬＣＦ（低サイクル疲労）負荷がかかる範囲においては（例えばブレードの前縁および後縁では）微細な粒構造（例えば微細な異方性の結晶化されていない粒構造）が保持されている。
【００３４】
本発明は、ＳＬＭで製造された材料の再結晶化挙動（例えば再結晶化温度および／または再結晶粒径）が、適用された工程パラメータに著しく依存するという知見に基づいている。再結晶化温度（または再結晶化開始温度）は、再結晶化が生じる最低の温度である。再結晶化温度は、材料中の再結晶化のための推進力、主に転位密度、残留応力および熱処理前の初期の粒径に依存する。再結晶化後に生じる粒径は粒核形成密度によって決定され、それは主に転位密度および熱処理前の初期の粒径に依存する。それらの推進力および粒核形成密度は、ＳＬＭ工程パラメータ（レーザー出力、走査速度、層厚、ハッチ距離、レーザービーム直径、第二の領域の曝露等）によって影響され得る。
【００３５】
ＳＬＭ加工された材料において異なる推進力をもたらし、ひいては異なる再結晶化開始温度Ｔ＿ＲＸ＿ＡおよびＴ＿ＲＸ＿Ｂ（ＲＸは再結晶化を表す）をもたらす２つ以上の工程パラメータＡおよびＢを定義することが提案され、ここで、Ｔ＿ＲＸ＿Ａ  ＞  Ｔ＿ＲＸ＿Ｂであり、パラメータ設定Ａを用いて加工された材料が再結晶化するために、より高い熱処理（ＨＴ）温度が必要とされることを意味する。
【００３６】
その際、製造されるべき部品、例えばタービンブレードまたはベーンを、例えば使用の間に支配的な負荷の種類／大きさに従って、粗い再結晶化粒径が望ましい立体領域（図１〜４のブレード１０のＣＡ２；  工程パラメータＢ）、および微細な粒径が望ましい立体領域（図１〜４におけるＣＡ１、ＣＡ３；  図５におけるＣＡ４〜ＣＡ７；  工程パラメータＡ）に分割する。
【００３７】
部品（図１〜４におけるブレード１０）の３Ｄファイルを層にスライスした後、Ａの立体領域ＣＡ１およびＣＡ２内にある領域は工程パラメータＡを用いて加工され、且つＢの立体領域ＣＡ２にある領域はパラメータ設定Ｂを用いて加工される（図１、例えばブレード１０を参照、ここで前縁１１および後縁１２にはそれぞれ主にＬＣＦ／ＴＭＦ負荷がかかり且つ残部にはクリープ負荷がかかる）。
【００３８】
ＳＬＭ工程後、微細構造がほぼ均質であり且つＡの立体領域ＣＡ１、ＣＡ３とＢの立体領域ＣＡ２（図４参照、中心部）との間で異ならない、またはわずかにしか異ならない部品が得られる。しかしながら、再結晶化のための推進力が異なり、ひいては再結晶化開始温度Ｔ＿ＲＸ＿ＡおよびＴ＿ＲＸ＿Ｂが異なる。
【００３９】
該パーツ（この場合はブレード１０）をその後、再結晶化熱処理ＨＴに供し、その保持温度Ｔ＿ＨＴはＴ＿ＲＸ＿ＡとＴ＿ＲＸ＿Ｂとの間にある（図２および図４参照）。このＨＴは、パラメータ設定Ｂを用いて加工されたＢの立体領域ＣＡ２の再結晶化をもたらす一方で、Ａの立体領域ＣＡ１、ＣＡ３の微細な粒構造は保持される（得られるブレード１０については図３、関連する工程については図４を参照）。任意に、ＨＴは、少なくとも２５℃／分の加熱速度で速い加熱を適用する段階を含む。この加熱は好ましくは２５〜６０℃／分である。このことは、望ましくない相への析出を回避できるか、または少なくとも低減できる。
【００４０】
前記の手法によって、３つ以上の異なる工程パラメータが使用される場合、３つ以上の部品の立体領域を得ることができ、そこで１つ以上の立体領域は、熱処理保持温度未満の再結晶化開始温度を有し、そのことにより再結晶化された微細構造がもたらされ、その際、内部の推進力に依存する粒径は、工程パラメータによって定義され、且つ、さらなる立体領域は、熱処理保持温度を上回る再結晶化開始温度を有することができ、そのことにより再結晶化されていない微細構造がもたらされる。
【００４１】
少なくとも２つの異なる工程パラメータで加工された１つ以上の異なる立体領域の大きさは、マイクロメートル範囲の大きさまでの部品の大きさそれ自体の範囲であってよく、選択されたアディティブ・マニュファクチャリング法において使用される層の厚さまたは走査線の次元によってのみ限定される。異なる立体領域は、例えばパーツの寸法または負荷に関連し得る。
【００４２】
図９〜１２は、３つの異なる工程パラメータＡ、Ｂ、Ｃが定義され、各々がＳＬＭ加工された材料内で異なる推進力をもたらし、ひいては異なる再結晶化挙動（例えば異なる再結晶化開始温度および／または異なる再結晶化粒径）をもたらす例を示す。
【００４３】
１つの例においては、図９〜１２に示される３つの異なる領域において、粗い再結晶化粒径がブレード１０の領域ＣＡ２において望まれ（工程パラメータＢ）、微細な再結晶化粒径がＣＡ４において望まれ（工程パラメータＣ）、および微細な結晶化されていない微細構造（粒径および結晶学的配向における変化なし）がＣＡ１およびＣＡ３において望まれる（工程パラメータＡ）。この結果を得る１つの方法は、再結晶化温度Ｔ＿ＲＸ＿ＢおよびＴ＿ＲＸ＿Ｃを上回るがしかし再結晶化温度Ｔ＿ＲＸ＿Ａ未満である温度に加熱することである。その際、ＣＡ１およびＣＡ３は再結晶化せず、且つＣＡ２およびＣＡ４についての異なる工程パラメータの使用は、異なる粒径をもたらすことができる。
【００４４】
３つ以上の工程パラメータを用いた該方法は、２つの工程パラメータについての上記の記載と類似している。部品の３Ｄファイルを層にスライスした後、Ａの立体領域ＣＡ１およびＣＡ２内にある領域は工程パラメータＡを用いて加工され、Ｂの立体領域ＣＡ２にある領域はパラメータ設定Ｂを用いて加工され（図９、ブレード１０の例を参照、ここで前縁１１および後縁１２にはそれぞれ主にＬＣＦ／ＴＭＦ負荷がかかり且つ残部にはクリープ負荷がかかる）、且つ、Ｃの立体領域ＣＡ４にある領域はパラメータ設定Ｃを用いて加工される。
【００４５】
ＳＬＭ工程後、粒の微細構造がほぼ均質であり且つＡの立体領域ＣＡ１、ＣＡ３と、Ｂの立体領域ＣＡ２（図１２参照、中心部）と、Ｃの立体領域ＣＡ４との間で異ならない、またはわずかにしか異ならない部品が得られる。しかしながら、再結晶化のための推進力が異なり、ひいては再結晶化開始温度Ｔ＿ＲＸ＿Ａ、Ｔ＿ＲＸ＿ＢおよびＴ＿ＲＸ＿Ｃ、および熱処理後に生じる粒径が異なる。
【００４６】
該パーツ（この場合はブレード１０）をその後、再結晶化熱処理ＨＴに供し、その保持温度Ｔ＿ＨＴはＴ＿ＲＸ＿ＡとＴ＿ＲＸ＿Ｃ／Ｔ＿ＲＸ＿Ｂとの間にある（図１０および図１２参照）。このＨＴは、それぞれパラメータ設定ＢまたはＣを用いて加工されたＢの立体領域ＣＡ２およびＣの立体領域ＣＡ４の再結晶化をもたらす一方で、Ａの立体領域ＣＡ１、ＣＡ３の微細な粒構造は、それらの領域において再結晶化が起きないように保持される（得られるブレード１０については図１１、関連する工程については図１２を参照）。パラメータＣによって立体領域Ｃに導入される、立体領域Ｂと比べてより高い推進力のおかげで、立体領域Ｃにおいてはより微細な粒径が得られる。再結晶化後に生じる粒径を、工程パラメータ（Ｂ／Ｃ）の選択によって調節することができる。任意に、ＨＴは、少なくとも２５℃／分の加熱速度で速い加熱を適用する段階を含む。この加熱は好ましくは２５〜６０℃／分である。このことにより、望ましくない相への析出を回避できるか、または少なくとも低減できる。
【００４７】
ＨＴの例は以下のとおりである：
１）  部品を室温（ＲＴ）から温度Ｔ１まで加熱し、その際、Ｔ１は５０〜１００℃であり、熱膨張係数の低下が開始する温度Ｔｓ未満である、次に、
２）  該部品を時間ｔ１の間、Ｔ１で保持して、均質な部品温度を達成し、次に、
３）  少なくとも２５℃／分の加熱速度で速い加熱を適用することによって、該部品を少なくとも８５０℃の温度Ｔ２へと加熱し、次に
４）  熱処理の目的に依存して、さらなる時間／温度段階を該部品に適用する。
【００４８】
このＨＴは、例えば欧州特許出願公開第１４１６７９０４．３明細書（ガンマプライム強化超合金製のアディティブ・マニュファクチャリング法による部品の形成後熱処理方法）に記載のように、Ｎｉ基またはＣｏ基またはＦｅ基またはそれらの組み合わせのガンマプライム強化超合金製の部品のために適切であることがあり、前記文献は参照をもって、特に請求項１〜６の参照をもって本願明細書内に含まれるものとする。
【００４９】
この方法を使用して、粒径を部品内で、異なる領域に関する寸法的な制限なく、容易に調節することができる。図５に示されるとおり、工程パラメータＡおよびＢを、異なる層ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、・・・において異なって適用し、Ａおよび／またはＢの立体領域を部品内の任意の位置で生成することができる（典型的には、唯一の制限は層の厚さおよび走査線のサイズである）。図５において、例えばブレード１０’のＡ*の立体領域ＣＡ５は完全に部品の内側であり、従って構造の変化はＨＴ後の第三の像において見ることはできない一方で、他のＡの立体領域ＣＡ４、ＣＡ６およびＣＡ７は外側から見ることができるままである。
【００５０】
ＳＬＭで製造された材料は、著しい結晶学的異方性、例えばＮｉ基合金の場合は［１００］の強い優先配向を形成方向において示す。適した走査方式を調整することによって、第二の優先軸も形成面内に作り出すことができ、擬似的なＳＸ様の結晶学的微細構造（多結晶であるが、しかし３つの明確な結晶学的優先方向を有する）をもたらすことができる。さらなる実施態様／利点は、［１００］の結晶学的優先配向（＝低ヤング率）を、それが有利である領域（立体領域）（例えばＴＭＦ負荷がかかる領域）で保持でき、且つそのような異方性が望まれない領域においては再結晶化できることでもあり得る。パーツの寸法が適した配向の形成を可能にするのであれば、生じる優先配向を、（例えば、熱機械的疲労が優勢な方向に沿う［１００］方向（低ヤング率）を選択することによって）支配的な負荷の種類に最適化できる。しかしながら、支配的な負荷の種類および方向は部品全体にわたって変化することがあり、且つパーツの寸法ゆえに最適な形成方向を使用することが可能ではないことがある。従って、異方性が常に望ましいわけではない。この方法のさらなる詳細は欧州特許出願公開第１２００８０７４．２号明細書（ＥＰ２７３７９６５号として公開）および欧州特許出願公開第１３１５７２６６．１号明細書（ＥＰ２７７２３２９として公開）に記載されており、その両方は参照をもって本願明細書内に含まれるものとする。特に、欧州特許出願公開第１２００８０７４．２号の請求項１〜１２および欧州特許出願公開第１３１５７２６６．１号の請求項１〜１７が関連する。
【００５１】
再結晶化のための異なる推進力、ひいては異なる再結晶化挙動（例えば異なる再結晶化温度Ｔ＿ＲＸまたは異なる再結晶化粒径）をもたらすために、工程パラメータ（例えばＡおよびＢ、またはＡ、ＢまたはＣ）は以下の特性の少なくとも１つにおいて異ならなければならない：
・  溶融池の大きさ（溶融池の大きさは、レーザーによって溶融された池の大きさである。これは様々な異なる形状および深さであってよい）、
・  エネルギー入力（例えば走査速度、レーザー出力および／またはレーザーのモード（連続波（ＣＷ）またはパルス）；  エネルギー入力が最も重要なパラメータである。好ましい実施態様は連続モードのレーザーであるが、パルスレーザーも使用できる。エネルギー密度の定量化は、ビームの性質に依存して、線形、面積に基づくもの、または体積に基づくものであってよく、より多くの出力を使用することにより、より速い走査が可能になる）、
・  ハッチ距離（ハッチ距離は、材料としての粉末を横切るレーザーの軌跡としての経路間におかれている距離であり、該レーザーは通常、いわば農夫が畑を耕すようなパターンの線による予め設定された走査方式に従う）、
・  層厚、
・  レーザービームの直径／強度分布／焦平面の位置、
・  追加的な立体領域の曝露／再溶融／予熱／再加熱、
・  走査方式（一方向／二方向／回転）。
【００５２】
ここで示される方法は、高温で使用されるＮｉ基合金、Ｃｏ基合金、Ｆｅ基合金などの材料について最も興味深い。
【００５３】
しかしながら、一般的な手段は、この類の材料に限定されるものでなく、ＳＬＭで加工される全ての他の金属類にも適用でき、その際、部品内での機械的特性が調節されるという利点がある。
【００５４】
一例として、ＳＬＭで製造された、Ｎｉ基超合金製のパーツについて、１２００℃周辺の再結晶化開始温度Ｔ＿ＲＸ＿ＡおよびＴ＿ＲＸ＿Ｂを、両方の温度の間の差２０℃以上で達成できる。
【００５５】
図６Ａは、結晶化前の粒構造を示し、且つ図６Ｂは１２００℃で４時間の熱処理後に再結晶化された微細構造（粒形状およびモフォロジー、再結晶化双晶）を有する同一の試料を示す。ＥＢＳＤ分析は、形成方向および優先配向に沿った小さな柱状粒を明らかに示し、異方性の特性を示す。
【００５６】
図６は領域Ａ（図６Ａ、再結晶化なし）および領域Ｂ（図６Ｂ、再結晶化）における微細構造を比較する。それに応じて、図７は、ＨＴ前後での領域ＡとＢとにおける両方の微細構造を比較する。再結晶化はパラメータＢを用いた場合のみに生じ、且つパラメータＡは再結晶化微細構造をみちびかないことが理解できる。
【００５７】
図８は、Ｔ＿ＲＸ＿ＢおよびＴ＿ＲＸ＿Ｃを上回る温度での再結晶化熱処理後の例示的なパーツの微細構造を示し、ここで、領域Ｂ（文字部）は、パラメータＢを用いて加工され、熱処理後に粗い粒径がもたらされ、且つ、領域Ｃ（周辺部）は、パラメータＣを用いて加工され、熱処理後に微細な粒径がもたらされた。
【００５８】
該ＳＬＭ法を、以下のパラメータ範囲を用いて実行することができる：
１．  パラメータ範囲：
・  エネルギー入力［Ｊ／ｍｍ2］：  ０．１〜２０、好ましくは０．４〜１０
・  レーザー出力［Ｗ］：  １０〜２０００、好ましくは５０〜５００、より好ましくは１００〜３５０
・  走査速度［ｍｍ／秒］：  ５０〜６０００、好ましくは３００〜２５００
・  ハッチ距離［μｍ］：  １〜２５０、好ましくは５０〜１５０
・  層厚［μｍ］：  ５〜１００、好ましくは２０〜５０
・  レーザービーム直径［μｍ］：  ３０〜１０００、好ましくは５０〜５００
・  追加的な立体領域の曝露：  あり／なし、上記の範囲内のパラメータ
・  走査方式：
ｉ．  走査方向：  一方向／二方向／蛇行走査
ｉｉ．  各々の層内での走査回転：  ０〜９０°、好ましくは０°、４５°、６７°、９０°
ｉｉｉ．  走査範囲の分割：  なし／島状／縞状、走査ベクトルの長さ０．３〜１００ｍｍ、好ましくは１〜２０ｍｍ。
【００５９】
２．  パラメータをどれだけ変化させるべきかという値
・  少なくとも１０％、好ましくは２０〜１００％、または２０〜１０００％だけそれらのパラメータの少なくとも１つを変化。
【００６０】
３．  パラメータの効果（例）：
・  走査速度が上昇→推進力が増加→Ｔ＿ＲＸが低下（且つ粒径が通常は減少する）
・  追加的な立体領域の曝露→推進力が減少→Ｔ＿ＲＸが上昇（且つ、粒径が通常は増加する）
・  エネルギー入力が増加→推進力が減少→Ｔ＿ＲＸが上昇（且つ粒径が通常は増加する）。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１０’  ブレード（部品）
１１  前縁
１２  後縁
Ａ、Ｂ、Ｃ  工程パラメータ
ＣＡ１〜ＣＡ９  部品の立体領域内領域
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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