(57)【要約】【課題】製造工程を増やさず、コストを抑えながら、耐エロージョン性を付与することができるインペラの製造方法およびインペラを提供すること。【解決手段】熱溶融積層造形によりインペラ１０を製造する方法は、金属材料からなる第１種の粉体２０１、および耐エロージョン性を付与可能な第２種の粉体２０２のうち少なくとも第１種の粉体２０１を所定のターゲット面Ｔｇに供給する第１ステップＳ１と、断面データに基づいて、ターゲット面Ｔｇ内において特定された範囲に電子ビームＥＢを照射する第２ステップＳ２と、溶融と、凝固とを経て形成された層Ｌｙを層Ｌｙの厚み分だけターゲット面Ｔｇに対して変位させる第３ステップＳ３とを繰り返して層Ｌｙが積層されることにより、インペラ１０の流路１４を区画する壁１５の表面１５Ａに第２種の粉体２０１の材料を含み、耐エロージョン性が付与されたインペラ１０を成形する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱溶融積層造形によりインペラを製造する方法であって、
金属材料からなる第１種の粉体、および耐エロージョン性を付与可能な第２種の粉体のうち少なくとも前記第１種の粉体を所定のターゲット面に供給する第１ステップと、
３次元データを構成する断面データに基づいて、前記ターゲット面内において特定された範囲に熱源であるビームを照射する第２ステップと、
前記ビームの照射により起こる溶融と、凝固とを経て形成された層を前記層の厚み分だけ前記ターゲット面に対して変位させる第３ステップと、を繰り返して前記層が積層されることにより、前記インペラの流路を区画する壁の表面に前記第２種の粉体の材料を含み、前記耐エロージョン性が付与された前記インペラを成形する、
ことを特徴とするインペラの製造方法。
【請求項２】
前記第２種の粉体として、
前記耐エロージョン性を付与可能な粉末本体と、前記粉末本体に施された金属被膜と、を有する被膜粉体を用いる、
ことを特徴とする請求項１に記載のインペラの製造方法。
【請求項３】
前記第１ステップでは、前記断面データに基づいて、前記インペラの前記流路の入口またはその近傍における前記壁の表面に対応する範囲に前記第２種の粉体を供給し、前記インペラの残部に対応する範囲に前記第１種の粉体を供給する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のインペラの製造方法。
【請求項４】
前記第２ステップでは、
前記熱源である電子ビームまたはレーザービームを、大気圧に対して減圧されたチャンバ内に設定された前記ターゲット面内における所定範囲に照射する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラの製造方法。
【請求項５】
熱溶融積層造形により成形されたインペラであって、
金属材料である第１種の材料と、耐エロージョン性を付与可能な第２種の材料と、を含み、
前記インペラの流路を区画する壁の表面の少なくとも一部は、前記熱溶融積層造形により前記第２種の材料から形成されている、
ことを特徴とするインペラ。
【請求項６】
前記第２種の材料は、
前記耐エロージョン性を付与可能な粉末本体と、前記粉末本体同士を結合する結合材と、を含む、
ことを特徴とする請求項５に記載のインペラ。
【請求項７】
前記第２種の材料は、前記流路の入口またはその近傍における前記壁の表面を形成し、
前記第１種の材料は、前記インペラにおける残部を形成する、
ことを特徴とする請求項５または６に記載のインペラ。
【請求項８】
前記第２種の材料により形成された前記表面から所定の厚みに亘り、前記第２種の材料の濃度が１００％またはほぼ１００％である、
ことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のインペラ。
【請求項９】
前記第２種の材料を含む第２領域において前記第２種の材料の濃度が１００％またはほぼ１００％である範囲と、前記第１種の材料を１００％またはほぼ１００％の濃度で含む第１領域との間では、
前記表面から離れるにつれて前記第２種の材料の濃度が漸次低くなる、
ことを特徴とする請求項８に記載のインペラ。
【請求項１０】
前記第１種の材料または前記第２種の材料により形成された前記壁の前記表面の少なくとも一部の領域には、前記表面を覆う被膜が形成されている、
ことを特徴とする請求項５から９のいずれか一項に記載のインペラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱溶融積層造形によるインペラの製造方法および熱溶融積層造形により成形されるインペラに関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機、遠心送風機、遠心ポンプ等の遠心回転機に、ハブと、シュラウドと、複数のブレードとを備えたインペラ（羽根車）が使用されている。
インペラには、ハブと、シュラウドと、隣り合うブレードとで囲まれた流路が形成されている。この流路は、圧縮効率等を考慮して、３次元的に湾曲した複雑な形状に設計されている。インペラには、一般に、高い形状精度と、表面粗さが微小であることが要求される。
【０００３】
インペラの製造方法に関し、複数の部位に分割して製作されたピース同士を溶接することが従来行われてきたが、溶接品質の確保のためにコストアップするので、近年では、金属材料の塊から放電加工により一体成形することが多い。放電加工の際には、流路の形状に合わせた電極を使用して流路を彫り進める。放電加工を行うと、表面に形成された変質層を、例えば酸洗により除去しなくてはならない。
【０００４】
ところで、インペラにより圧送される流体に含まれる水滴や塵埃、配管由来の異物等の微粒子がインペラの流路の壁に衝突すると、粒子エロージョンといってインペラの流路の壁が摩耗、減肉する現象が発生する。
そこで、インペラの流路の壁に硬い被膜をコーティングすることにより、粒子エロ―ジョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与している（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１６９７９９号公報
【特許文献２】特表２０１５−５１０９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
耐エロージョン性を付与するため、インペラの流路の壁に、化学蒸着や物理蒸着により硬い被膜を形成すると、製造工程が増え、コストも高くなる。
本発明は、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、粒子の衝突によるエロージョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与することができるインペラの製造方法およびインペラ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】
【０００７】
インペラへの要望は、適用される遠心回転機械の仕様等に応じて多岐にわたり、しかも増え続けている。
勿論、コストの抑制も望まれている状況下で、本発明の発明者らは、金属粉体を用いる熱溶融積層造形に着目した。熱溶融積層造形は、金型を用いず、断面データに基づいて金属粉体を溶融、凝固させた層を積層することにより、３次元の部材を成形する技術である。金型を用いないので、形状変更等に対応し易い。
現状、熱源として電子ビームを用いる積層造形によりインペラを一体成形することが提案されている（特許文献２）。
【０００８】
ここで、選定された１つの組成の金属粉体により積層造形が行われるため、その金属粉体の材料特性のみが製造物に反映される。
コストや、強度等の機械的特性を考慮すると、現実的に選定可能な金属材料は、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼等の低合金鋼や、ステンレス鋼である。
しかし、そういった金属材料のみを使用して、粒子エロージョンを抑止可能な耐エロージョン性を付与することは難しい。
【０００９】
そこでなされた本発明は、熱溶融積層造形によりインペラを製造する方法であって、金属材料からなる第１種の粉体、および耐エロージョン性を付与可能な第２種の粉体のうち少なくとも第１種の粉体を所定のターゲット面に供給する第１ステップと、３次元データを構成する断面データに基づいて、ターゲット面内において特定された範囲に熱源であるビームを照射する第２ステップと、ビームの照射により起こる溶融と、凝固とを経て形成された層を層の厚み分だけターゲット面に対して変位させる第３ステップと、を繰り返して層が積層されることにより、インペラの流路を区画する壁の表面に第２種の粉体の材料を含み、耐エロージョン性が付与されたインペラを成形することを特徴とする。
【００１０】
本明細書において「熱溶融積層造形」は、３次元データを構成する断面データに基づいて、所定のターゲット面に供給された粉体を溶融させ、その後に凝固させることで形成される層を順次積層することによって３次元の部材を成形することをいうものとする。
【００１１】
本発明のインペラ製造方法では、第２種の粉体として、耐エロージョン性を付与可能な粉末本体と、粉末本体に施された金属被膜と、を有する被膜粉体を用いることができる。
【００１２】
本発明のインペラ製造方法において、第１ステップでは、断面データに基づいて、インペラの流路の入口またはその近傍における壁の表面に対応する範囲に第２種の粉体を供給し、インペラの残部に対応する範囲に第１種の粉体を供給することができる。
【００１３】
本発明のインペラ製造方法において、第２ステップでは、熱源である電子ビームまたはレーザービームを、大気圧に対して減圧されたチャンバ内に設定されたターゲット面内における所定範囲に照射することができる。
【００１４】
また、本発明は、熱溶融積層造形により成形されたインペラであって、金属材料である第１種の材料と、耐エロージョン性を付与可能な第２種の材料と、を含み、インペラの流路を区画する壁の表面の少なくとも一部は、熱溶融積層造形により第２種の材料から形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明のインペラにおいて、第２種の材料は、耐エロージョン性を付与可能な粉末本体と、粉末本体同士を結合する結合材と、を含んでいてよい。
【００１６】
本発明のインペラにおいて、第２種の材料は、流路の入口またはその近傍における壁の表面を形成し、第１種の材料は、インペラにおける残部を形成することが好ましい。
【００１７】
本発明のインペラにおいて、第２種の材料により形成された表面から所定の厚みに亘り、第２種の材料の濃度が１００％またはほぼ１００％であることが好ましい。
【００１８】
本発明のインペラでは、第２種の材料を含む第２領域において第２種の材料の濃度が１００％またはほぼ１００％である範囲と、第１種の材料を１００％またはほぼ１００％の濃度で含む第１領域との間で、表面から離れるにつれて第２種の材料の濃度が漸次低くなることが好ましい。
【００１９】
本発明のインペラにおいて、第１種の材料または第２種の材料により形成された壁の表面の少なくとも一部の領域に、表面を覆う被膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、熱溶融積層造形により、第１種の粉体の材料（第１種の材料）を含む領域と、第２種の粉体の材料（第２種の材料）を含む領域とを一体に備えたインペラが製造される。
熱溶融積層造形により成形された本発明のインペラは、第２種の材料により耐エロージョン性を具備しているので、後工程として、流路の壁に耐エロージョン性を付与するための硬質被膜を蒸着等により形成する必要がない。
つまり、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、インペラの粒子エロージョンを抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係るインペラの平面図である。
【図２】図１に示すインペラの斜視図である。
【図３】（ａ）は、インペラの流路の壁を示す断面図である。（ｂ）は、異種材料の境界部分を示す模式図である。
【図４】インペラの製造に用いられる積層造形装置を示す図である。
【図５】熱溶融積層造形によりインペラを製造する手順を示す図である。
【図６】流路の表面からの距離と第２種の材料の濃度との関係を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、材料の異なる領域を個別に形成する例を説明するための図である。
【図８】（ａ）は、第２実施形態に係るインペラの流路の壁を示す断面図である。（ｂ）は、第２種の粉体として用いられる被膜粉体を示す模式図である。
【図９】本発明の変形例に係るインペラの流路の壁を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
まず、図１および図２を参照し、インペラ１０の基本的な構成を簡単に説明する。
インペラ１０は、遠心圧縮機等の遠心回転機械に備えられており、図示しない回転軸に組み付けられる。
遠心圧縮機は、典型的には、同軸に配置される複数のインペラ１０を備えており、それらのインペラ１０によりエア等の気体が順次圧縮される。
【００２３】
インペラ１０は、図１および図２に示すように、軸孔１１０に図示しない回転軸が通されるハブ１１と、ハブ１１の表面に所定の間隔をおいて対向するシュラウド１２と、複数のブレード１３とを備えている。ハブ１１とシュラウド１２との間の空間が複数のブレード１３で仕切られることにより、複数の流路１４（図１）が形成されている。
各流路１４は、ハブ１１と、シュラウド１２と、隣り合うブレード１３，１３との間に区画されている。流路１４を区画していて、気体が接触する壁１５は、ハブ１１と、シュラウド１２と、ブレード１３とにより構成されている。
各流路１４は、インペラ１０の内周側に位置する入口１４１と、インペラ１０の外周側に位置する出口１４２とを有している。
【００２４】
ブレード１３と、ブレード１３，１３間の流路１４は、図１および図２に示すように、インペラ１０の径方向および軸方向のいずれに対しても湾曲した形状となっている。
インペラ１０が、図示しない駆動部により、矢印１０Ｒの向きに回転されると、流路１４内の気体が遠心力により加速されるため、入口１４１から流路１４内に気体が吸入され、図１に矢印Ｆで示す向きに流路１４を流れつつ圧縮され、出口１４２から排出される。
【００２５】
次に、インペラ１０の特徴的な構成を説明する。
本実施形態のインペラ１０は、気体に含まれる微粒子の衝突に起因する粒子エロージョンを抑止するため、異種材料を用いた熱溶融積層造形により成形されていることに主要な特徴を有する。
インペラ１０には、インペラ１０全体のコストや強度、靭性等の要求を充足する第１種の材料と、粒子エロージョンの抑止に足りる耐エロージョン性を付与する第２種の材料とが用いられている。
【００２６】
本明細書では、流路１４を流れる気体に含まれる水滴や塵埃、配管由来の異物等の微粒子が流路１４の壁１５に衝突することにより、壁１５が摩耗、減肉したり、微粒子により侵食されることを「粒子エロージョン」というものとする。また、粒子エロージョンの抑止に足りる耐性のことを「耐エロージョン性」というものとする。
【００２７】
第１種の材料として、例えば、低合金鋼、ステンレス鋼、チタン合金等を用いることができる。
低合金鋼は、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼等である。ステンレス鋼は、例えば、析出硬化型ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼等である。
第２種の材料としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）を主として含むＷＣ系の複合材（サーメット）等を用いることができる。
ＷＣ系複合材は、例えば、ＷＣ−ＮｉＣｒ、ＷＣ−Ｃｏ、ＷＣ−ＣｏＣｒ等である。その他、第２種の材料として、Ｃｒ３Ｃ２系複合材、アルミナ−チタニア（ＡｌＯ３−ＴｉＯ２）、酸化クロムセラミックス（Ｃｒ２Ｏ３）等を用いることもできる。
【００２８】
インペラ１０は、上述した第１種の材料および第２種の材料を用いて熱溶融積層造形により成形されている。
第２種の材料は、流路１４を区画する壁１５の表面に用いられており、第１種の材料は、インペラ１０の残部に用いられている。
図２および図１に示すように、流路１４の壁１５の表面１５Ａは、ハブ１１の表面１１Ａと、シュラウド１２の内側の面１２Ａと、ブレード１３の腹側の面１３Ａと、それに対向するブレード１３の背側の面１３Ｂとから構成されている。ブレード１３の腹側の面１３Ａが、そのブレード１３の隣りのブレード１３の背側の面１３Ｂに向けて突き出している。
【００２９】
図３（ａ）には、流路１４の壁１５の表面１５Ａの一部が示されている。壁１５の表面１５Ａから所定の厚みに亘り、第２種の材料を含む第２領域２２が存在している。
第２領域２２の厚み２２Ｔは、必要な耐エロージョン性能や原料コスト等を考慮して定めることができる。第２領域２２の厚み２２Ｔは、例えば、１ｍｍ〜１５ｍｍであることが好ましい。より好ましくは、５ｍｍ〜１５ｍｍである。
【００３０】
第２領域２２は、第２種の材料から緻密に硬く形成されており、耐エロージョン性を有している。
第２領域２２は、第１種の材料からなる第１領域２１と一体に形成されている。
第２領域２２は、ハブ１１、シュラウド１２、およびブレード１３に亘る流路表面１５Ａの全域に亘り形成されている。
【００３１】
図３（ｂ）は、第１種の材料と第２種の材料との境界部分を示している。境界部分では材料濃度（体積濃度）が変化している。
第２領域２２における表面１５Ａから所定の厚み２２Ｔ100に亘り、第２種の材料の濃度が１００％またはほぼ１００％であることが好ましい。
厚み２２Ｔ100は、例えば、１μｍ〜３μｍであることが好ましい。
【００３２】
図３（ｂ）に、インペラ１０を構成する層Ｌｙ（１層のみ）を破線で示している。
後述するように積層される複数の層Ｌｙの各々の厚み１０Ｔは一定である。厚み１０Ｔは、好ましくは１０μｍ〜５０μｍの範囲から、適宜な値に定められる。より好ましくは、３０μｍ〜５０μｍである。
【００３３】
積層造形法に基づくインペラ１０の製造について説明する。
本実施形態では、高エネルギーの熱源である電子ビーム（電子線）を使用した熱溶融積層造形により、インペラ１０を製造する。
図４は、インペラ１０の製造に用いることのできる積層造形装置３０の一例を示している。
積層造形装置３０は、電子ビームＥＢをターゲット面Ｔｇに向けて導く電子ビーム導路３１と、電子ビームＥＢの照射により起こる溶融と、凝固とを経て造形物Ｗ（インペラ１０）が成形されるチャンバ３２と、３次元データに基づいて積層造形装置３０の各部を制御する制御装置３３とを備えている。
電子ビーム導路３１およびチャンバ３２の内部は、外部の大気圧に対して所定の真空度にまで減圧されている。そのため、使用材料の酸化を抑えることができる。
【００３４】
電子ビーム導路３１は、電子ビームＥＢを放出する電子ビーム発生源３１１と、電子ビームＥＢの周りにいずれも配置される焦点コイル３１２および偏向コイル３１３を有している。
チャンバ３２の内部空間には、電子ビームＥＢが照射されるターゲット面Ｔｇが設定されている。ターゲット面Ｔｇは水平な平面である。
チャンバ３２の内部には、第１種の材料からなる第１種の粉体２０１をターゲット面Ｔｇに供給するホッパ３４と、第２種の材料からなる第２種の粉体２０２をターゲット面Ｔｇに供給するホッパ３５と、造形物Ｗを支持する可動テーブル３６とが備えられている。
造形物Ｗの残留応力を考慮し、必要に応じて、造形物Ｗを加熱する加熱装置をチャンバ３２内に設けて温度制御を行うことができる。
【００３５】
図４および図５を参照し、積層造形装置３０を用いたインペラ１０の製造方法について説明する。
まず、制御装置３３による制御の下、ホッパ３４，３５からターゲット面Ｔｇへと、第１種の粉体２０１および第２種の粉体２０２を供給する（粉体供給ステップＳ１）。
ここで、３次元データを構成する二次元の断面データ（スライスデータ）に基づいてこれから形成するインペラ１０の層に、例えば図３（ｂ）の層Ｌｙと同様に第１領域２１および第２領域２２の双方が含まれている場合は、第１種、第２種の粉体２０１，２０２の双方をターゲット面Ｔｇ内でそれぞれに定められた所定の範囲に供給する。これから形成する層において互いに離れた複数の範囲に第２領域２２が分散している場合も、各範囲に第２種の粉体２０２を供給する。制御装置３３は、第１種の粉体および第２種の粉体がそれぞれターゲット面Ｔｇに供給される範囲、そして電子ビームＥＢが照射される範囲（第１領域２１、第２領域２２）を特定している。
これから形成する層に、第１領域２１のみが含まれている場合は、第１種の粉体２０１のみをターゲット面Ｔｇ内の所定の範囲に供給する。
これから形成する層を構成する粉体（少なくとも第１種の粉体２０１）は、所定の厚みでターゲット面Ｔｇに敷き詰められる。必要に応じて、ターゲット面Ｔｇと平行に移動可能なレーキアーム（図示しない）を使用することができる。
【００３６】
続いて、断面データに基づいて、ターゲット面Ｔｇ内に特定された範囲（第１領域２１および第２領域２２）にだけ電子ビームＥＢを照射する（電子ビーム照射ステップＳ２）。このとき、制御装置３３により焦点コイル３１２および偏向コイル３１３が電磁的に制御されることにより、ターゲット面Ｔｇ内における特定範囲を電子ビームＥＢが高速で走査する。第１種、第２種の粉体２０１，２０２は、電子ビームＥＢが入射した位置で局所的に溶融し、電子ビームＥＢが通過した後に凝固する。
溶融する前の第１種、第２種の粉体２０１，２０２を予熱することもできる。
【００３７】
ターゲット面Ｔｇ内において特定された範囲の全域への電子ビームＥＢの照射を終えたならば、粉体の溶融および凝固を経て、ターゲット面Ｔｇに層Ｌｙが形成されている。
そして、可動テーブル３６を層Ｌｙの厚み（図３（ｂ）の１０Ｔ）の分だけ下げて、完成した層Ｌｙをターゲット面Ｔｇから退避（オフセット）させるように移動させる（移動ステップＳ３）。ターゲット面Ｔｇは、直前に形成された層Ｌｙの表面に設定されることとなる。
【００３８】
以上のステップＳ１〜Ｓ３を、各層Ｌｙの積層が完了するまで繰り返す。積層された層Ｌｙは互いに密着した状態に結合されているため、インペラ１０が一体に成形される。
造形物Ｗ（インペラ１０）の周囲や、流路１４および軸孔１１０の内側に相当する位置に供給された粉体２０１，２０２は、電子ビームＥＢが照射されていないため凝固していない。それらの粉体２０１，２０２を回収し、再度利用することができる。
【００３９】
以上によれば、第１種の粉体２０１および第２種の粉体２０２を用いる熱溶融積層造形により、第１種の材料から形成された第１領域２１と、第２種の材料から形成された第２領域２２とを一体に備えたインペラ１０が製造される。
積層造形の工程により成形されたインペラ１０は、第２領域２２により耐エロージョン性を具備しているので、後工程として、流路１４の壁１５に耐エロージョン性を付与するための硬質被膜を蒸着等の工程により形成する必要がない。
つまり、製造工程を増やさず、コストを抑えながら、インペラ１０の粒子エロージョンを抑止することができる。
【００４０】
熱溶融積層造形により成形されたインペラ１０の流路１４の壁１５の表面粗さＲａ（JIS B 0601−2001）は、例えば、２５〜４０μｍ程度である。その表面粗さＲａは、鋳造や放電加工により成形されたインペラの流路の壁の表面粗さ（例えば２５μｍ程度）と比べて悪くない。そのため、熱溶融積層造形により成形されたインペラ１０の流路１４の壁１５に対して、研磨液を用いる湿式研磨や、粒子状の研磨材を吹き付ける乾式研磨を行うことにより、要求される表面粗さにまで容易に到達させることができる。そうした湿式研磨および乾式研磨を短時間で終えることが可能である。
【００４１】
その上、インペラ１０の流路１４が複雑な形状に構成されているとしても、インペラ１０の断面データに基づいて、流路１４の壁１５の表面１５Ａに相当する位置に第２の粉体２０２を配置する熱溶融積層造形によれば、流路１４の壁１５の全域に、しかも表面１５Ａから所定の厚みに亘り、耐エロージョン性を付与することができる。
【００４２】
図３（ｂ）に示すように、第１領域２１と第２領域２２との境界部分では、モノクロの濃淡で示す第２種の材料の濃度が、第１種の粉体２０１と第２種の粉体２０２との混合等に起因して、壁１５の表面１５Ａからの距離に応じて変化している。
図６に濃度変化の一例を示すように、第２種の材料の濃度は、表面１５Ａから厚み２２Ｔ100に亘る範囲では１００％（またはほぼ１００％）であり、それ以降は、表面１５Ａから離れるにつれて漸次低くなる。これに伴い、第１種の材料の濃度が漸次高くなり、表面１５Ａから一定以上離れると、第２種の金属材料を全くあるいは殆ど含んでいない第１領域２１に至る。
【００４３】
本実施形態では、表面１５Ａから厚み２２Ｔ100の範囲内における第２種の金属材料の濃度が１００％またはほぼ１００％であり、第２種の金属材料の機械的特性を十分に得ることができるので、流路１４の壁１５の表面１５Ａに耐エロージョン性を確実に付与することができる。
その上、第２領域２２と第１領域２１とが、図６に示す濃度変化範囲２２incのように材料濃度の傾斜をもって結合しているため、第２領域２２と第１領域２１とが表面１５Ａから一定の厚みだけ離れた位置を境界として傾斜をもたずに結合している場合とは異なり、表面１５Ａから離れるにつれて機械的特性が緩やかに変化する。そうすると、第２領域２２と第１領域２１との間の大きな硬度差をなくすことができるため、剥離を未然に防止し、長期に亘る使用によっても、第２領域２２と第１領域２１とを密着した状態に維持することができる。
【００４４】
上記の製造工程（図５）では、第１種の粉体２０１および第２種の粉体２０２の双方をターゲット面Ｔｇ内でそれぞれに定められた所定の範囲に供給し（ステップＳ１）、電子ビームＥＢにより粉体２０１，２０２の双方を走査して溶融および凝固させているが（ステップＳ２）、粉体の供給、溶融および凝固を、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように第１種の粉体２０１と第２種の粉体２０２とで個別に行うこともできる。
まず、図７（ａ）に示すように、第１種の金属粉体２０１のみをターゲット面Ｔｇに供給し（第１種の粉体供給ステップ）、特定範囲Ａ１への電子ビームＥＢの照射により第１種の金属粉体２０１を溶融および凝固させる（電子ビーム照射ステップ）。それによって第１領域２１が形成される。
その後、図７（ｂ）に示すように、ターゲット面Ｔｇにおいて第１領域２１に隣接する位置に、第１種の粉体２０１を除去してから第２種の粉体２０２を供給し（第２種の粉体供給ステップ）、特定範囲Ａ２への電子ビームＥＢの照射により溶融および凝固させる（電子ビーム照射ステップ）。それによって、第１領域２１と同じ層に第２領域２２が形成される。第２領域２２は、第１領域２１と密着した状態で結合される。
以降、図７（ｃ）および（ｄ）に示すように、完成した層Ｌｙをターゲット面Ｔｇに対して相対変位させながら、同様に、第１種の粉体２０１と第２種の粉体２０２とで個別に、粉体供給、溶融および凝固を繰り返す。
【００４５】
上記の手順によれば、第１種の粉体２０１と第２種の粉体２０２とが殆ど混合しないので、第２種の粉体２０２の使用量を抑えつつ、所定の厚みに亘って１００％またはほぼ１００％の第２種の材料濃度を実現でき、それによって所望の耐エロージョン性能を得ることができる。
【００４６】
本実施形態において、第１粉体２０１および第２粉体２０２を溶融させる熱源として、電子ビームＥＢに代えて、レーザービームを用いることもできる。その場合は、積層造形装置３０に、電子ビーム発生源３１１に代えてレーザー発振器が備えられていればよい。
【００４７】
また、流路１４の壁１５の必ずしも全域に耐エロージョン性が付与されている必要はない。粒子エロージョンは、流路１４の入口１４１およびその近傍に顕著に生じ易いので、流路１４の入口１４１およびその近傍にのみ、第２種の材料により耐エロージョン性を付与することもできる。
その場合は、断面データに基づいて、入口１４１およびその近傍における壁１５の表面１５Ａに対応する範囲に第２種の粉体２０２を供給し、溶融および凝固させればよい。そうすることで、第２種の粉体２０２に要するコストを抑えつつ、耐エロージョン性を付与することができる。
【００４８】
あるいは、流路１４の入口１４１およびその近傍には第２種の材料により耐エロージョン性を付与しつつ、流路１４のそれ以外の箇所には、第３種の材料により耐エロージョン性を付与することもできる。第３種の材料として、第２種の材料よりも安価な材料を選定することが好ましい。第３種の材料からなる第３種の粉体を供給するホッパ等を用意することで、上述した積層造形の手順と同様にしてインペラを製造することができる。
【００４９】
第２種の材料を用いる部位として選定されるのは、入口１４１およびその近傍には限らない。流路１４を区画するブレード１３の表面１３Ａ，１３Ｂ、ハブ１１の表面１１Ａ、およびシュラウド１２の内側の面１２Ａから適宜に選択した箇所にのみ、第２種の金属材料を用いて耐エロージョン性を付与することができる。
【００５０】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係るインペラについて説明する。
第１実施形態のインペラ１０と同様、第２実施形態のインペラ２０も、図８（ａ）に流路１４の壁１５を示すように、壁１５の表面１５Ａを形成する第２領域２２と、インペラ１０の残部である第１領域２１とを備えており、第１種の粉体と第２種の粉体とを用いた積層造形により製造される。
【００５１】
第２実施形態では、第２種の粉体として、図８（ｂ）に示すような、金属被膜４２付きの被膜粉体４０を用いることが第１実施形態とは相違している。その他は、第１実施形態と同様である。
被膜粉体４０は、耐エロージョン性を付与可能な粉末本体４１と、粉末本体４１に施された金属被膜４２とを備えている。この被膜粉体４０をホッパ３５（図４）からターゲット面Ｔｇへと供給し、第１実施形態と同様に熱溶融積層造形を行う。
【００５２】
粉末本体４１は、硬い金属材料（Ｗ、Ｃｒ等）、あるいは金属化合物（炭化化合物、窒化化合物、酸化化合物等）を用いて形成することができる。具体的には、第１実施形態で説明した第２種の材料と同様の材料を用いて粉末本体４１を形成することができる。
粉末本体４１は、ここでは球状の粒子であるが、適宜な形状であってよく、さらには不定形な形状であってもよい。
【００５３】
金属被膜４２は、粉末本体４１よりも融点が低いか、あるいは粉末本体４１よりも拡散係数の大きい金属材料を用いて形成されている。
金属被膜４２は、積層造形の加熱条件や圧力条件下では粉末本体４１が溶融しない、あるいは拡散しない場合であっても、粉末本体４１と周囲の物質とを結合させる結合材として機能する。
【００５４】
電子ビームＥＢあるいはレーザービームの照射により金属被膜４２が溶融する場合は、金属被膜４２を介して、粉末本体４１同士が融着されるとともに、粉末本体４１が、それに隣接する第１領域２１に融着される。また、金属被膜４２を介して、積層された層Ｌｙ同士も融着される。溶融した金属被膜４２は、結合材として成形後のインペラ１０に残存する。
一方、電子ビームＥＢあるいはレーザービームの照射による加熱条件およびチャンバ３２内の圧力条件下で金属被膜４２が粉末本体４１へと拡散する場合は、金属被膜４２を介して、粉末本体４１同士が接合されるとともに、粉末本体４１が、それに隣接する第１領域２１に接合される。また、金属被膜４２を介して、積層された層Ｌｙ同士も接合される。この場合も、拡散した金属被膜４２が結合材として成形後のインペラ１０に残存する。
【００５５】
金属被膜４２は、例えば、融点が２３０℃〜１７００℃の範囲である適宜な金属材料から形成することができる。
また、金属被膜４２は、例えば、固相における自己拡散係数が1×10-7m2/s〜1×10-20m2/sの範囲である適宜な金属材料から形成することができる。
上記の融点および拡散係数の条件を満たす金属材料としては、具体的には、Ｓｎ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｔｉ等が該当する。
金属被膜４２に、第１領域２１に用いる第１種の材料と同様の金属材料を用いることもできる。
【００５６】
金属被膜４２は、融着あるいは拡散接合により、粉末本体４１同士の結合、第１、第２領域２１，２２同士の結合、そして層Ｌｙ間の結合に足りる膜厚で形成されている。金属被膜４２の厚みは、例えば、１０ｎｍ〜１００μｍである。粉末本体４１の平均粒径は、例えば、２０μｍ〜１００μｍである。
金属被膜４２は、粉末本体４１の外周面全体に、均一な膜厚で形成されていることが好ましい。
【００５７】
粉末本体４１に金属被膜４２を施す方法は限定されないが、例えば、溶液反応を利用すると、溶液中での粉末本体４１の表面エネルギーの寄与により、粉末本体４１全体を覆うように金属被膜４２を均一な膜厚で析出させ、溶液中で粉末本体４１の分散状態を保持しながら溶液反応を進めることによって、各粉末本体４１に例えば１０ｎｍ〜１００μｍの膜厚の金属被膜４２を形成することができる。
【００５８】
第２実施形態によれば、粉末本体４１に金属被膜４２が施されていることにより、単体では熱溶融積層造形による成形が困難であっても高い耐エロージョン性を付与可能な材料を粉末本体４１に採用することができる。つまり、材料選択の自由度が向上する。
粉末本体４１には、セラミックも採用可能である。セラミックのバルクから、複雑な流路１４を有するインペラを機械加工することは難しくても、セラミックの粉末本体４１に金属被膜４２が施された被膜粉体４０を用いて積層造形を行うことにより、複雑な流路１４を有するセラミック分散型インペラ２０を製造できる。つまり、セラミックおよび金属の複合材である被膜粉体４０を備えることにより、流路の壁面にセラミック並みの硬度を持ち、かつ、セラミックよりも靭性が高いインペラ２０を実現できる。
【００５９】
図９は、本発明の変形例に係るインペラの流路１４の壁１８を示している。
熱溶融積層造形により成形された壁１８の表面１８Ａは、表面１８Ａよりも硬度が高い被膜１９により覆われている。被膜１９は、例えば1000HV〜4000HVの範囲のビッカース硬さを有しており、例えば、スピンコーティング、物理蒸着、化学蒸着等の適宜な方法で形成されている。
被膜１９は、流路１４の壁１８の表面１８Ａの全域に亘り形成することもできるし、壁１８の表面１８Ａの少なくとも一部の領域のみに形成することもできる。
被膜１９は、壁１８の表面１８Ａを形成する第１材料または第２材料を覆っている。
ここで、熱溶融積層造形により成形されたインペラの壁１８の表面粗さは上述したように例えば２５〜４０μｍ程度であるため、インペラ１０の母材表面の微小な凹凸と、被膜１９とがアンカー効果により強固に接合される。これにより、被膜１９の剥離を防いで母材に密着した状態に維持することができる。
【００６０】
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
本発明のインペラを軽量化するため、あるいは熱溶融積層造形時の熱応力による変形を抑えるため、インペラの一部、特に厚肉部に、中空部を形成することもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１０      インペラ
１０Ｒ    矢印
１０Ｔ    層の厚み
１１      ハブ
１１Ａ    表面
１２      シュラウド
１２Ａ    内側の面
１３      ブレード
１３Ａ    腹側の面
１３Ｂ    背側の面
１４      流路
１５      壁
１５Ａ    表面
２０      インペラ
２１      第１領域
２２      第２領域
２２Ｔ100  厚み
２２Ｔinc  濃度変化範囲
３０      積層造形装置
３１      電子ビーム導路
３２      チャンバ
３３      制御装置
３４，３５      ホッパ
３６      可動テーブル
４０      被膜粉体
４１      粉末本体（結合材）
４２      金属被膜
１１０    軸孔
１４１    入口
１４２    出口
２０１    第１種の粉体
２０２    第２種の粉体
３１１    電子ビーム発生源
３１２    焦点コイル
３１３    偏向コイル
Ａ１      特定範囲
ＥＢ      電子ビーム
Ｆ        矢印
Ｌｙ      層
Ｓ１      粉体供給ステップ（第１ステップ）
Ｓ２      電子ビーム照射ステップ（第２ステップ）
Ｓ３      移動ステップ（第３ステップ）
Ｔｇ      ターゲット面
Ｗ        造形物
【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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