(57)【要約】【課題】高エネルギービームによって金属粉末を溶融させる溶融積層造形法（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ）の積層造形過程においては、溶融プール表面における表面張力に基因するマランゴニ対流が支配的となり、ルーズパウダー（金属粉末層における溶けかかった粉末粒）の巻き込み及びまたはフラグメント結晶発生の原因となる。これが不均質結晶欠陥及びまたはデポジット表面リップル欠陥（表面の凹凸）等の主たる生成原因となっている。【解決手段】上記課題を解決するため、本発明はＳＬＭ法による積層造形過程において、高エネルギービームを照射する金属粉末層の表面に対して垂直に静磁場を作用させて上記マランゴニ対流を抑制することにより、不均質結晶欠陥及びまたはデポジット表面リップル欠陥の発生原因を無くし、これにより高品質な三次元金属積層造形物を作るための製造方法及び装置を提供することができる。【選択図】図５
2017025401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面を平面に形成した金属粉末層の所定領域に対し、高エネルギービームを照射しつつ前記平面上をスキャンすることにより当該所定領域の前記照射位置における金属粉末を溶融させた後、凝固させ、以後この溶融・凝固させた層上に金属粉末層を形成しては、この形成した金属粉末層の所定領域に対し、前記高エネルギービームを照射しつつスキャンする工程を繰り返すことにより、溶融・凝固させた層を積層して三次元形状金属造形物を形成するとともに、
前記高エネルギービームの照射に際してはこのビーム照射による前記金属粉末の溶融領域に対して溶融金属の流動を抑制するための静磁場を印加するようにし、且つ、当該静磁場はその印加方向を前記スキャンする平面に対して垂直方向またはほぼ垂直方向とすることを特徴とする積層造形法による金属材積層造形方法。
【請求項２】
前記金属粉末層は所望の層毎に所望とする成分の金属粉末を用いて形成することにより、傾斜機能合金による三次元形状金属造形物を形成することを特徴とする請求項１記載の金属材積層造形方法。
【請求項３】
上面を平面に形成した金属粉末層の所定領域に対し、高エネルギービームを照射しつつ前記平面上をスキャンすることにより当該所定領域の前記照射位置における金属粉末を溶融させた後、凝固させ、以後この溶融・凝固させた層上に金属粉末層を形成しては、この形成した金属粉末層の所定領域に対し、前記高エネルギービームを照射しつつスキャンする工程を繰り返すことにより、溶融・凝固させた層を積層して三次元形状金属造形物を形成するようにした積層造形法による造形物の製造装置において、
前記高エネルギービームの照射に際してこのビーム照射による前記金属粉末層の溶融領域に溶融金属の流動を抑制するための静磁場を印加するためのものであって、且つ、当該静磁場はその印加方向を前記スキャンする平面に対して垂直方向またはほぼ垂直方向に設定された静磁場印加手段を備えたことを特徴とする金属材積層造形装置。
【請求項４】
上面を平面に形成した金属粉末層の所定領域に対し、高エネルギービームを照射しつつ前記平面上をスキャンすることにより当該所定領域の前記照射位置における金属粉末を溶融させた後、凝固させ、以後この溶融・凝固させた層上に金属粉末層を形成しては、この形成した金属粉末層の所定領域に対し、前記高エネルギービームを照射しつつスキャンする工程を繰り返すことにより、溶融・凝固させた層を積層して三次元形状金属造形物を形成するようにした積層造形法による造形物の製造装置において、
前記高エネルギービームの照射に際してこのビーム照射による前記金属粉末層の溶融領域に溶融金属の流動を抑制するための静磁場を印加するためのものであって、且つ、当該静磁場はその印加方向を前記スキャンする平面に対して垂直方向またはほぼ垂直方向に設定された静磁場印加手段を備えるとともに、
前記金属粉末層は所望の層毎に所望とする成分の金属粉末に切り替えて形成するための金属粉末層形成手段にて形成する構成とすることにより傾斜機能合金による三次元形状金属造形物を形成する構成としたことを特徴とする金属材積層造形装置。
【請求項５】
上面を平面に形成した金属粉末層の所定領域に対し、高エネルギービームを照射しつつ前記平面上をスキャンすることにより当該所定領域の前記照射位置における金属粉末を溶融させた後、凝固させ、以後この溶融・凝固させた層上に金属粉末層を形成しては、この形成した金属粉末層の所定領域に対し、前記高エネルギービームを照射しつつスキャンする工程を繰り返すことにより、溶融・凝固させた層を積層して三次元形状金属造形物を形成するとともに、
前記高エネルギービームの照射に際してはこのビーム照射による前記金属粉末層の溶融領域に溶融金属の流動を抑制するための静磁場を印加するようにし、且つ、当該静磁場はその印加方向を前記スキャンする平面に対して垂直方向またはほぼ垂直方向として作用させるようにして作成されることを特徴とする金属材積層造形物。
【請求項６】
前記金属粉末層は所望の層毎に所望とする成分の金属粉末を用いて形成することにより、傾斜機能合金による三次元形状金属造形物を形成することを特徴とする請求項５記載の金属材積層造形物。
【請求項７】
損傷を受けた部品の損傷部に対して金属粉末を供給し、その金属粉末を高エネルギービームの照射により溶融・凝固させて部品を補修する積層造形法による補修方法であって、
前記高エネルギービームの照射による前記金属粉末層の溶融領域に溶融金属の流動を抑制するための静磁場を印加するようするとともに、当該静磁場の印加方向は前記溶融領域に対してその上下の方向に沿う方向とすることを特徴とする金属材積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は金属粉末を用いて物体を立体的に造形する金属材料の積層造形方法及び積層造形装置及び積層造形物に関する。
【背景技術】
【０００２】    金属粉末材料を用いて物体を立体的に造形する３Ｄプリンタが実用化され、注目を集めている。このプリンタに用いられる３Ｄプリンティング技術とは、３ＤＣＡＤ、３ＤＣＧデータを元に立体物（三次元のオブジェクト）を造形する技術であり、Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと総称されている（本明細書では積層造形と呼ぶ）。この積層造形法にはレーザーによって金属粉末を溶融・固化するＳｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ（本明細書ではレーザー溶融法またはＳＬＭ法と呼ぶ）あるいはレーザーによって金属粉末を焼結するＳｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ（本明細書ではレーザー焼結法と呼ぶ）などの方式がある。【０００３】    ＳＬＭ法あるいはＳＬＳ法による積層造形法は、金属の造形が可能であり、たとえばＣｏ‐Ｃｒ合金、チタン合金、マレージング鋼、ステンレス、ニッケル基超合金などによる製品製作が可能で、その加工精度や製品としての完成度もかなり高いものが得られるようになってきた。
その造形手順は、図１に示すように平面状の台１（ベースとなるｓｕｂｓｔｒａｔｅ；基台）上に金属粒子粉末を薄く平坦に均して敷きつめて一層分の金属粉末層２を形成し（図１の（ａ）、（ｂ））、造形しようとする製品の形状に合わせて高エネルギービーム３（レーザーなどの細く絞られた高エネルギービーム）をＸ及びＹ方向にスキャン（走査）させることにより、この一層分の金属粉末層２の所定位置に照射して溶解・凝固を行う（図１の（ｃ））。一層分の処理を終えたならば、再びその上面側に一層分の金属粉末層を平らに均して敷きつめ（図１の（ｄ））、この一層分の金属粉末層２の所定位置に高エネルギービーム３を照射して溶解・凝固を行い（図１（ｅ））、一層分の処理を終えたならば、再びその上面側に一層分の金属粉末層２を平らに均して敷きつめ（図１の（ｄ））、といった作業を何度も繰り返すことで多層に積層して造形を行っていくようにしたものである。
最後にすべての粉末層を取り除き、三次元造形完成品４が得られる（図１の（ｆ）に示す）。なお、基台の形状は製品底部の形状に合った形状にしてもよい。通常、一層積層するごとにサブストレイト（基台）を下方に引出し粉末層の高さを一定に保持する。【０００４】  さらに図２を用いてレーザー溶融法（ＳＬＭ）による凝固過程を詳細に説明する。図において、３はレーザービーム、２は金属粉末層、５は金属粉末層２及びサブストレイトの一部が溶融してできた溶融金属プール、６は固相と液相が共存する固液共存相（純金属、共晶組成合金などの場合存在しない）である。１はベースとなるサブストレイト（基台）であって、所定の面積を有し平らに形成されており、多結晶組織または特定の方位を持った単結晶組織または前凝固層（前造形層）などである。また、７はサブストレイトが再溶融されて再び凝固されることで形成された再溶融凝固層、８は溶融金属プール５の液相が冷やされることで凝固され形成された凝固組織であり、通常柱状晶を呈する。９は液相プール表面からの放熱による温度降下によって生じる凝固組織であり、通常等軸晶組織を呈する。符号７、８及び９の各層をまとめてデポジット（層）と呼ぶ。【０００５】  所定の面積を有する前記サブストレイト１上に、金属粉末層２を形成し、所定の製品造形領域に対してレーザービーム３を照射しながら製品形状に合わせて移動させることで、金属粉末を溶融する。細く絞られたレーザービーム３が移動していくことにより、金属粉末層２のレーザービーム照射部分が溶融状態となり、小さな溶融金属プール５を形成するが、レーザービームの移動に伴って、過ぎ去った位置では熱エネルギーの供給がなくなるのでその通り過ぎた位置にあった溶融金属プール５は冷えていき、凝固する。このような積層過程を多数回繰り返して製品を完成させる。【０００６】  ところで、このような積層造形法（ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）の応用に関して単結晶組織製品への応用も模索されているが、以下に述べるような技術的課題のため結晶組織をコントロールするまでには至っていない。すなわち、これら技術的課題として、熱変形・残留応力の発生、不均質結晶欠陥、デポジット層の波うちなどが挙げられる。［ただし、本明細書では粉末の性状ならびに品質管理上の問題は取り上げない。］次にこれらの課題を具体的に眺めてみる。【０００７】［ＣＡＳＥ１］：単結晶サブストレイトの場合
図２におけるサブストレイト１として、ある特定の結晶方位、例えば面心立方合金で積層方向（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に平行に＜００１＞方位を有する種結晶（ｓｅｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）を用いる場合、すなわち、種結晶と同じ方位を持つ結晶組織を得ることを目的とするケースである。
平らな板状あるいはブロック状のようなサブストレイト１を、その表面を水平にして配置し、その上面に薄く金属粉末層２を形成する。当該金属粉末層の平面をスキャンする高エネルギービーム３によってその照射位置における金属粉末を溶融状態にすると同時にその直下部に位置するサブストレイト１の一部をも溶かす。こうして形成された液相は周囲への熱流によって熱を奪われ、高エネルギービーム３のスキャン方向後方に凝固組織が形成される。このとき、もし正常な凝固が行われればサブストレイト１の結晶方位を受け継いだ結晶組織８が形成される（いわゆるエピタキシャル凝固ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎが実現する）。［これを促進させるには前準備としてサブストレイトを予熱照射しておくとよい。］溶融金属プール表面は熱放射により冷却されるので、表面層９の組織は通常、等軸晶となる。【０００８】  ところで、液相表面には表面張力が存在する。表面張力は一般に温度が下がるにつれて強くなるので高エネルギービーム３が当たる高温部の面から金属粉末層２及び高エネルギービーム３のスキャン後方の凝固層８へ向かって表面張力勾配、すなわち、せん断力を生じ対流を起こす駆動力となる。これはマランゴニ対流として知られる。図２に示した対流は一つの例（二つの渦流を示している）であり、液相プール内の温度分布による自然対流と上記マランゴニ対流が重ね合わさったものであるが、マランゴニ対流が圧倒的に優勢となる（例えば、非特許文献１参照。以後マランゴニ対流と呼ぶ）。
スキャン方向前方の固液共存相６における金属粉末は溶けかかったルーズな状態となっており、このルーズパウダーはマランゴニ対流によって容易に液相プールに引き込まれる（非特許文献１参照）。また、マランゴニ対流に伴うヒートパルス（温度のｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）によって固液共存相６中、あるいは再溶融層７中の再溶融しかけたデンドライトのアームが分離され液相プール５に引き込まれやすくなる。そして、液相中に引き込まれたこれらの結晶（分断結晶ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌと呼ぶ）の多くは液相中で溶解することになるが、わずかに過冷した液相中に運ばれるとこれらの結晶が核となって温度降下につれて新しい結晶が成長する。これらの結晶は再溶融層７から発達する柱状晶の前方において形成されると考えられており、サブストレイト１の有する結晶方位とは一般に異なる方位を持つ結晶組織となる。この異結晶組織は論文によっていわゆるストレイ結晶（ｓｔｒａｙ  ｇｒａｉｎ）と呼ばれる組織に対応するものである（非特許文献１、４、及び５参照）。一方、等軸晶組織を生ずる重要なメカニズムの一つは成長しつつあるデンドライトから結晶が分離・成長するいわゆる結晶増殖機構（ｇｒａｉｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と呼ばれるものであり、要因として液相の対流が大きな影響を与えることが古くからよく知られている（非特許文献２のｐ．１５４参照）。上記ストレイ結晶は一種の結晶増殖機構として生じたものと見なすこともできる。本明細書では、マランゴニ対流に起因する上記異結晶組織を“不均質結晶組織”と呼ぶことにする。［注：上記不均質結晶組織、ストレイ結晶、及びｃｏｌｕｍｎａｒ−ｔｏ−ｅｑｕｉａｘｅｄ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎにより生成する等軸晶は似たような凝固状況で生じるので一般に見分けることは難しい。］不均質結晶組織を生じると、エピタキシャル成長がブレークダウン（ｂｒｅａｋ  ｄｏｗｎ）し、単結晶と不均質結晶組織との境界に結晶粒界ができるのでジェットエンジン用あるいは発電用ガスタービンブレードのような高温で高荷重にさらされる部品では破壊の原因となる。従って、このような不均質結晶欠陥は不良品と見なされる。【０００９】  マランゴニ対流によって引き起こされるもう一つの重大な欠陥は、ルーズパウダーが対流によって洗い流される結果生じるデポジット層表面の凹凸（ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｉｐｐｌｉｎｇ）である（非特許文献１のＦｉｇｕｒｅ１７（ｇ），（ｈ）より図３にスケッチした）。表面リップルを生じるメカニズムは以下のように考えられる：金属粉末層は溶けるに従って収縮しルーズな状態になった部分が対流によって液相中に持ち去られるとその分固液共存相６の表面が低下する。逆にルーズパウダーが流入した領域では表面が盛り上がる。その結果デポジット表面に凹凸を生じる。図３の円で示した部分において再凝固した柱状晶の長さが短く、等軸晶の厚さが増大しているのはこのためと考えられる。このような凹凸を生じると表面リップルの上に新しい粉末層を敷き詰め、ならしても、粉末層の厚さは一様ではなくなるため、厚さの変動が大きくなると、うまく積層することができなくなり欠陥造形物となる。
以上のごとく、マランゴニ対流は不均質結晶欠陥及びデポジット表面形状欠陥の原因となるのでＳＬＭ法による積層造形法においてきわめて重要な要因となる。なお、上述のごとく、不均質結晶欠陥とデポジット表面形状欠陥は連動して生じると考えられる。【００１０】  このように、液相プール５内に生じる自然対流に加えて表面張力によって強い対流を生じるのでこの影響は無視できなくなる。［上記表面張力の影響は通常の鋳造・凝固過程では問題とならないが、系のスケールが小さくなるほど大きくなって凝固に大きな影響を与える。］
また、再溶融部７から成長する結晶の方向はエピタキシャル成長するとは限らず、固液界面における温度勾配の方向及び界面前方の液流方向及び流速によって大きく影響されるのでサブストレイト１の結晶方向と同じ方位を有する結晶が得られるとは限らない。すなわち、積層方向から傾く（積層方向からの典型的な傾き角度は５〜２０°のオーダーである。例えば非特許文献３参照）。
このように従来のＳＬＭ法による積層造形法では均一なデポジット層を得ることは難しく、実際の製造工程において多数の積層造形を繰り返すことを考えれば不均質結晶欠陥あるいはデポジット表面リップル欠陥を無くすことは困難である。例えば製品高さが１０ｃｍ、積層厚さが１０００μｍとすると繰り返し積層回数は１０ｃｍ／１０００μｍ＝１００回となり不均質結晶欠陥を生じる確率は無視できない。これが現在、厳しい使用環境で使用できる部品（例えば前記タービンブレード）が作れない大きい原因の一つであり、品質保証上の大きな問題となっている。以上よりマランゴニ対流をコントロールすることがキーポイントの一つであることが理解される。【００１１】  ［ＣＡＳＥ２］：多結晶サブストレイトの場合
次に、図２において多結晶サブストレイト１を用いる場合について考える。金属粉末層２の平面をスキャンする高エネルギービーム３によって金属粉末を溶融状態にすると同時にサブストレイト１の一部を溶かす。液相は周囲への熱流によって熱を奪われ、高エネルギービーム３のスキャン方向の後方に凝固組織が形成される。
このとき、もし正常な凝固が行われれば、すなわちルーズパウダーの液相中への巻き込みがなければ、サブストレイト１の再溶融部は温度降下により多結晶組織７となり、続いて柱状またはセル状結晶を生じ（符号８）、最後に等軸晶（符号９）を生ずるであろう。【００１２】  しかしながら、前述のごとく自然対流＋マランゴニ対流によってスキャン方向前方の固液共存相６におけるルーズパウダー（溶けかかった粉末粒）は容易に液相プールに引き込まれる。また、マランゴニ対流に伴うヒートパルス（温度のｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）によって固液共存相６中、あるいは再溶融層７中のデンドライトから分離されたアームが液相プール中に引き込まれやすくなる。これら引き込まれた結晶（分断結晶ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｓ）のうち多くは溶解するが、わずかに過冷された液相中に運ばれるとこれらの結晶が核となって新しい結晶が成長する。これらの結晶粒（いわゆるストレイ結晶と呼ばれる組織に対応する）は再溶融層７から発達する柱状晶の前方において生ずると考えられている（非特許文献１、４、及び５参照）。また、再溶融部７から成長する結晶の方向は固液界面における温度勾配の方向、及び界面前方の液流方向及び流速によって決まるので、柱状デンドライトあるいはセル層８の方向は必ずしも積層方向と一致しない。すなわち、積層方向から傾く（積層方向からの典型的な傾き角度は５〜２０°のオーダーである）。表面等軸晶層には微小な引け欠陥（ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）を生じるので、次の積層過程では該等軸晶層を再溶融する必要がある。【００１３】  以上のような積層過程を多数回繰り返していくと柱状晶組織（あるいはセル組織）からなる造形物が得られるが、一般に各層間のボンド部において方位の連続性は保持されない。例えば非特許文献３には高エネルギービームのスキャン方向に柱状晶の成長方向が傾くことが述べられており、各層ごとにスキャンの方向を逆方向に変化させるとジグザグ模様の柱状結晶組織が得られることが報告されている（紙面の都合により割愛する）。このように従来のＳＬＭ法による積層造形法では不均質結晶欠陥を無くすことは困難である。また、前述したように表面リップル欠陥を生じると積層過程はうまく行かなくなり欠陥品となる。
【先行技術文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｒａｎａｄｉｐ  Ａｃｈａｒｙａ，Ｒｏｈａｎ  Ｂａｎｓａｌ，Ｊｕｓｔｉｎ  Ｊ．Ｇａｍｂｏｎｅ，ａｎｄ  Ｓｕｍａｎ  Ｄａｓ：“Ａ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ，Ｆｌｕｉｄ  Ｆｌｏｗ，ａｎｄ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ‐Ｃｒｙｓｔａｌ  Ａｌｌｏｙ  ＣＭＳＸ‐４  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ  ｆｏｒ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｈｏｔ‐Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｒｅｐａｉｒ（Ｐａｒｔ  Ｉ）”，Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ｂ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｏｎ  ｌｉｎｅ；１５  Ｊｕｌｙ  ２０１４
【非特許文献２】Ｍ．Ｃ．Ｆｌｅｍｉｎｇｓ：“Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”，ＭｃＧｒａｗ‐Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．，（１９７４）
【非特許文献３】Ｊ．Ｐ．Ｋｒｕｔｈ，Ｍ．Ｂａｄｒｏｓｓａｍａｙ，Ｅ．Ｙａｓａ，Ｊ．Ｄｅｃｋｅｒｓ，Ｌ．Ｔｈｉｊｓ，Ｊ．Ｖａｎ  Ｈｕｍｂｅｅｃｋ：”Ｐａｒｔ  ａｎｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｉｎ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｌａｓｅｒ  ｍｅｌｔｉｎｇ  ｏｆ  ｍｅｔａｌｓ”，１６▲ｔｈ▼  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ（ＩＳＥＭ  ＸＶＩ）
【非特許文献４】才田一幸、西本和俊：“単結晶合金溶接補修への凝固解析の適用”、溶接学会誌、７６（４），ｐ．２３０‐２４２，２００７
【非特許文献５】Ｔ．Ｄ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｊ，Ｎ，ＤｕＰｏｎｔ，ａｎｄ  Ｔ  ＤｅｂＲｏｙ：“Ｏｒｉｇｉｎ  ｏｆ  ｓｔｒａｙ  ｇｒａｉｎ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｓｉｎｇｌｅ‐ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ  ｗｅｌｄ  ｐｏｏｌｓ  ｆｒｏｍ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ａｎｄ  ｆｌｕｉｄ  ｆｌｏｗ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ”，Ａｃｔａ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，Ｖｏｌ．５８（２０１０），ｐ．１４４１‐１４５４
【非特許文献６】Ｙ．Ｅｂｉｓｕ：“Ａ  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ  Ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｖｉａ  ｔｈｅ  Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄ”，Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｒａｎｓ．Ｂ，Ｖｏｌ．４２Ｂ（２０１１），ｐ．３４１‐３６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】  上記のごとく、従来のＳＬＭ法による積層造形法では不均質結晶欠陥及びデポジット表面リップル欠陥を無くすことは困難であり、その改善技術の実現が嘱望されている。
そこで、本発明の目的とするところは金属材料のＳＬＭ法による積層造形法において、不均質結晶欠陥及びまたはデポジット表面リップル欠陥を無くすことができる三次元形状造形物の製造方法及び装置、及び造形物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】  本発明は、上記目的を達成するため、形成した金属粉末層の所定箇所にレーザーなどの高エネルギービームを製品の形状に合わせて水平方向（Ｘ及びＹ方向）にスキャンしつつ照射することにより当該所定箇所の金属粉末を溶融させた後、凝固させ、以後この溶融・凝固させた層上に金属粉末層を形成しては、この形成した金属粉末層の所定箇所に前記ビームを製品の形状に合わせて水平方向（Ｘ及びＹ方向）にスキャンしつつ照射する工程を繰り返すことにより、溶融・凝固層を積層して製品を形成する三次元形状造形物の製造方法であって、
前記ビーム照射による前記金属粉末の溶融領域に対して溶融金属の流動を抑制するに必要な強さの静磁場を印加するようにした。【００１７】  また、本発明は、上記目的を達成するため、形成した金属粉末層の所定箇所にレーザーなどの高エネルギービームを製品の形状に合わせて水平方向（Ｘ及びＹ方向）にスキャンしつつ照射することにより当該所定箇所の金属粉末を溶融させた後、凝固させ、以後この溶融・凝固させた層上に金属粉末層を形成しては、この形成した金属粉末層の所定箇所に前記ビームを製品の形状に合わせて水平方向（Ｘ及びＹ方向）にスキャンしつつ照射する工程を繰り返すことにより、溶融凝固層を積層して製品を形成する三次元形状造形物の製造装置であって、
前記ビーム照射による前記金属粉末の溶融領域に対して溶融金属の流動を抑制するに必要な強さの静磁場を印加する静磁場印加手段を設けるようにした。【００１８】  不均質結晶欠陥及びデポジット表面リップル欠陥は主として液相プール（金属粉末の溶融により形成された溶融領域）中において生じる対流（マランゴニ対流）によって生じるものである。そこで金属粉末を敷き詰め、高エネルギービーム（細く絞られたレーザーなど）によって金属粉末層を溶融する過程において、本発明では溶融金属全体に対して、当該金属粉末層の平面に垂直方向に（すなわち積層方向に）静磁場を印加する。このとき静磁場によって流動する液相に対して電磁制動力（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｂｒａｋｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）を生じ、溶融金属プール内の水平方向流れを抑制するように作用する。その結果、液相プール内の対流が全体として抑制されることになる。このときの静磁場の強度は、前記溶融金属の流動を抑制するに足る強さにすればよい。
これにより、ルーズパウダー（金属粉末層の溶けかかった粉末粒）あるいはマランゴニ対流によるヒートパルスによって分離した結晶（分断結晶ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｓ）の巻き込みを無くすことができ、その結果、不均質結晶欠陥の生成を抑制することができるようになる。同時にデポジット表面のリップル欠陥を無くすことができる。
【発明の効果】
【００１９】  以上説明したように本発明によれば、溶融金属プール内の水平方向流れを抑制できることから、ルーズパウダーあるいは分断結晶（ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｓ）の巻き込みを無くすことができるので、その結果、不均質結晶欠陥及びまたはデポジット表面リップル欠陥の生成を抑制することができるようになって、積層造形法（ＳＬＭ法）による欠陥のない三次元形状造形物の製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の積層造形法（ＳＬＭ法）を説明するための概略図
【図２】従来の積層造形法（ＳＬＭ法）による造形過程において欠陥発生メカニズムを概略的に説明するための図
【図３】従来の積層造形法（ＳＬＭ法）において発生する不整方位結晶欠陥及びまたはデポジット表面リップル欠陥の例（非特許文献１参照）
【図４】本発明の実施例を説明するための概略図
【図５】本発明による積層造形過程において欠陥の発生を抑制するメカニズムを概略的に説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００２１】  本発明の実施の形態について説明する。
上述したように、不均質結晶欠陥及びデポジット表面リップル欠陥は主として液相プール（溶融金属プール）５中において生じるマランゴニ対流（マランゴニ対流＋自然対流のうちマランゴニ対流が優勢）によって引き起こされる欠陥である。そこで、本発明においてはこのマランゴニ対流に対して静磁場を印加させる構成とし、対流抑制を図るようにしている。
基本構造を図４に示す。図は本発明の主要部構造の一例を示す概略図であり、３はレーザービームなどの細く絞られた高エネルギービームである。２は微細な金属粒子粉末で形成された金属粉末層であって、積層造形の一層分処理終了毎に、サブストレイト１基台上での最上層に形成される。５は溶融金属プール（液相プール）、１２は磁場を発生するためのコイル、１３は直流電源、１４はスイッチである。１０は高エネルギービームとしてレーザーを用いる場合の高エネルギーレーザービーム発生源であり、１０から出力されたビームが最終的に前記高エネルギービーム３となる。１１は光学ミラースキャナーである。高エネルギーレーザービーム発生源１０で発生され、細く絞られて出力されたビームは、光学ミラースキャナー１１によって角度を変えられスキャンされ金属粉末層２に照射される。このエネルギーによって金属粉末が溶融して形成されたものが溶融金属プール（液相プール）５である。そして、この溶融金属プール（液相プール）５に静磁場を印加するためにコイル１２が設けられる。図に示すコイル１２の配置例はあくまでも一例であり、適用する装置の構造や大きさ、必要とする機能などを考慮して適宜に変更して差し支え無いからこの配置に限るものではない。
この例ではソレノイドコイル１２の軸方向中心が液相プールの高さ位置と一致するよう配置し、軸方向に静磁場Ｂｚを作用させる構成としている。液相プールの高さが常に一定となるよう一層積層するたびにサブストレイトは下方に引き出される。直流電源１３はコイル１２に直流電流を供給するための電源であり、スイッチ１４はコイル１２に対する供給電力をオンオフする電源スイッチである。図ではソレノイドコイルを用いているが液相プール５を挟んで上下に対向する２つのコイルを配置するへルムホルツ型としてもよい。コイルの形は矩形構造など適宜に利用可能である。
【００２２】  このような構成の本装置において、基本的な積層工程は従来のＳＬＭ法と変わりは無く、従来と同様に微細な金属粉末を所定の厚み分、平らに敷き詰めて金属粉末層２を形成する。そして、この敷き詰めた金属粉末層２の金属粉末に対してレーザービームなどの高エネルギービーム３をスキャンさせつつ照射させることによって照射位置での金属粉末を溶融させ、凝固させていく。この溶融・凝固の工程を薄い層単位で一層ずつ行い、積み上げていくことで造形していく積層造形過程において、溶融金属プール５全体に対し、磁力線が上下方向に向かうかたちで作用するように静磁場Ｂｚを印加する（図５参照）。つまり、溶融金属プール５の全体に対して前記ビーム３のスキャン方向にほぼ垂直方向、すなわち、積層方向にほぼ平行に、磁力線を沿わせたかたちに静磁場Ｂｚを印加させる。この静磁場Ｂｚの印加により、溶融金属プール５内ではその水平方向流れが抑制されその結果全体として対流が抑制されることになる。これにより、ルーズパウダーあるいは固液共存相６中の分断された結晶（フラグメント結晶）の巻き込みを無くすことが出来るようになり、その結果、不均質結晶欠陥あるいはデポジット表面リップル欠陥の生成を抑制できるようになる。
【００２３】  これによって上述した［ＣＡＳＥ１］に当て嵌めた場合には、エピタキシャル成長に有利に作用する、すなわちサブストレイトと同じ結晶方位を有する単結晶組織（ｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｇｒａｉｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を得るのに有利に働く。
このためには、静磁場を印加する前準備段階において各積層間の冷却速度のばらつきをできるだけ小さくするよう、エネルギービーム３の強さ、ビームの径、移動速度（スキャン速度）、積層造形の原料となる金属粉末層２の厚さ等の造形パラメータを最適化しておくことは当然のことである。ただし、本発明は静磁場を用いるので非磁性金属あるいは合金に対して適用されるものである。
【００２４】  金属粉末層の平面に垂直な静磁場Ｂｚを印加する理由を次に説明する：溶融金属流体は一般に電気を良く通すので、静磁場を印加すると電磁制動力を生じる。この制動力は磁場の方向（磁力線の方向）と同じ方向の流れには作用せず、それ以外の方向の流れに対して働くことが電磁流体力学の原理から導かれる（非特許文献５のＡＰＰＥＮＤＩＸＣ、式（Ｃ２）参照）。本例の場合、Ｂｚ（積層方向磁場）を印加すると電磁ブレーキ力はＺ方向（Ｚ軸方向）の流速成分に対しては働かずＸ及びＹ方向（Ｘ軸及びＹ軸方向）の流速成分に対して作用する（ただし電気的境界条件として絶縁とする。この仮定は電気良導体に対して妥当である）。これにより、図２及び図４における溶融金属プール５内の水平方向の流れが抑制される。
なお、ここで言う垂直、水平の概念は数学的意味合いでの解釈を要求されるものではなく、工学的に適用する産業分野での実施の場合、厳密な意味での再現は不可能であるから支障の無い範囲で誤差が許容されるものである。その意味で本発明における垂直、水平の文言は、ほぼ垂直、ほぼ水平の概念で良い。
【００２５】  図５における符号ＣＮＶｓは溶融金属プール内に生じている対流を示しているが、この対流ＣＮＶｓは極く低速の流れが残留する場合を模式的に示したものであり、必ずしも図のようなパターンを示すものではない。この極く低速の流れＣＮＶｓを以後、残留流れと呼ぶことにする。
ここで本発明装置ではコイル１２により静磁場Ｂｚを発生させ、溶融金属プール５の全体に作用させるようにしている。従って、静磁場Ｂｚとして十分に強いレベルの磁場を作用させれば残留流れＣＮＶｓは生じない。
しかし、ある程度の残留流れＣＮＶｓがあっても許容されるレベルが存在するので、作用させる静磁場Ｂｚのレベルは必ずしも完全抑制のレベルになくとも良い。そして、このような場合には、許容できる程度の、つまり、支障の無い程度の極く低速の流れが残留する可能性がでてくる。これが残留流れＣＮＶｓである。この許容される程度の低速の残留流れＣＮＶｓの流速は結晶の成長速度（すなわち凝固界面の移動速度）に比べて十分小さくなるように抑制することにより、固液共存相６中のルーズパウダーあるいは結晶フラグメントが液相中に流出することはなく、その結果不均質結晶組織の生成が抑制される。
【００２６】  なお、コイル１２には超電導コイルを用いることが推奨される。超電導コイルは液相プール５のＺ軸方向位置に合わせて調整できるよう上下に移動・固定するようにしておくとよい。静磁場の強度を上げると制動力は強度の二乗に比例して増す。従って、静磁場Ｂｚの強さは後述のごとく表面張力の強さに匹敵する制動力を生ずるように決めればよい。
上述のごとく、本実施例に示した技術は形状が複雑で、しかも、欠陥のない高品質且つ高耐久性、高強度が要求される金属製品、例えばガスタービン発電用及びジェットエンジン用燃料ノズルなどの金属製品に対して適用可能な技術であり、非磁性、電気伝導性を有する全ての合金、金属の積層造形物に適用可能である。また、現在、複雑な形状で品質要求の高い前記ガスタービン発電及びジェットエンジン用タービンブレードの製作に積層造形法が試みられているが、本発明の応用が大いに期待される。
【００２７】  以下、本発明の要点について述べる。
（１）各積層段階における高エネルギービームのスキャン方法に関しては、製品の形状、パウダー層の厚さ等の状況を考慮して、最適の方法を選べばよい。実際、造形物の変形、熱応力の発生等を考慮して最適の方法を模索する。例えば、照射面が細長い場合、幅方向に対して双方向に高速にスキャンし、長手方向に移動する（ｓｗｅｅｐ）等である。
【００２８】（２）溶融金属表面（あるいは固体表面）と空気または真空との界面には表面張力が存在する。この表面張力の本質は近接原子間の引力に由来するものであり、合金・金属の種類、相、温度によって決まった値を有する。例えばある程度大きいサイズの鋳型に溶融金属を注入した場合、生ずる自然対流によって湯面の温度差は小さくなり、表面張力勾配すなわちせん断力は僅少となるので液相の流動すなわちマランゴニ対流は生じない（無視してよい程度）。一方、本願の積層造形法では高エネルギービームの照射面は常に融点以上の高温になっており、スキャン方向前方のパウダー層の温度は固相温度であるから、該ビーム位置から該パウダー層に向かって表面張力は大きくなり、液表面にパウダー方向にせん断力が発生する。以上より次式が成り立つ（ただし、ここでは液相表面はフラットであると仮定する）。
【数１】
2017025401.tif 000003
2017025401.tif 000004
Ｔは表面温度（Ｋ）である。上式第２項は液表面の単位面積あたりに働く表面張力、第３項は温度勾配を含む式、及び第１項は表面に生ずるせん断力である。
一方、ｘ方向に生ずる速度をＶｘとすると静磁場Ｂｚによる電磁ブレーキ力は
【数２】
2017025401.tif 000005
と書ける。ここにσは電気伝導度（１／（Ω・ｍ））、Ｂｚは磁束密度（Ｗｂ／ｍ２）である。
式（１）は面積力であり、式（２）は体積力であるから比較するのは不便である。そこで比較の便のため、式（１）による面積力を体積力に変換し、該変換された体積力表示の表面張力式（仮にｆｂとする）及び式（２）より、流速Ｖｘを評価し、Ｖｘがある値以下、例えば高エネルギービームのスキャン速度（スキャン方向前方の金属粉末層と溶融プールの境界の移動速度に等しい）に比べて十分小さくなるよう静磁場強さＢｚを決めればよい。このようにして求めたＢｚは所要強度の目安として有益である。以上は、ｘ方向成分について述べたがｙ方向成分についても同様である。より精度よくＢｚを評価するためには、凝固理論に基づくコンピュータシミュレーションが有用である。
式（１）から明らかなごとく、系のスケール（液相プールのサイズ）が小さくなればなるほど、温度勾配が大きくなりマランゴニ対流が圧倒的に優勢となり、すでに述べたごとく、凝固に多大な影響を及ぼすのでこれをコントロールすることが極めて重要となる。そしてこのマランゴニ対流を抑制する最適な磁場の方向は、上記説明から明らかなごとく、液面に対して垂直な方向（Ｂｚ）である。［水平方向に磁場を印加する場合、水平方向の流れに対して電磁ブレーキ力は作用しないので効率よく対流を抑制することはできず、プール内の流動パターンはいびつな形となり有害な影響を与えるだろう。］
【００２９】（３）デポジット層の結晶組織について
デポジット層の再凝固時における結晶の成長方向は合金の種類、サブストレイトの結晶方位、高エネルギービームの出力、径、スキャン速度などのパラメータ、その結果としての液相プールの形状、及び凝固界面前方の流速などによって決まる。当該成長方向そして凝固組織を予測する方法として組成的過冷理論に基づくセルオートマトン法（Ｃｅｌｌｕｌａｒ  Ａｕｔｏｍａｔｏｎ法、ＣＡ法）がよく用いられているが重要な要因である界面前方の流速は考慮されておらず未だ不充分である。
本発明は実質的に流れの影響を取り除くことにより前記欠陥を無くすとともに、ＣＡ法の予想精度の向上に貢献するものである。すなわち、Ｂｚを印加した状態で積層過程のコンピュータシミュレーションを行い、サブストレイトと同じ結晶方位を持つ結晶組織を得るための最適パラメータを決定することが可能となる。
【００３０】（４）積層造形法は通常の鋳造プロセスと異なり冷却速度が極めて早く、且つ場所的に冷却速度の差が小さく、このため均一で緻密な凝固組織が得られるので室温あるいは低温度領域において優れた機械的性質を有する。さらに、Ｎｉ基超合金製品のように溶体化熱処理を必要とする場合、緻密で均一な組織のため熱処理時間が短縮できるので熱経済に優れている。
【００３１】（５）航空機用ジェットエンジンあるいは発電用ガスタービン等に用いられるタービンブレードは高温、高応力などの過酷な環境下で使用されるため損傷が激しい。これら高温部品は高価であることから、補修再生して再使用される。ここでもレーザーなどの高エネルギービームを照射することにより溶融・再凝固による補修が行われているが、前記ストレイ結晶欠陥が生じることが報告されている（例えば、非特許文献４及び１参照）。このような用途に対しても本発明が適用できる。
【００３２】（６）本発明は傾斜機能特性を有する三次元造形物の製造に適用することができる。ここで言うところの傾斜機能材料（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ  Ｇｒａｄｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）とは、異なる特性を併せ持たせるために組成、組織が異なる複数の素材の組成が連続的に変化し、一体的に組み合わされた材料のことであり、従来の製法では実現が困難な材料・製品である。しかしながら、このような材料・製品に対して本発明を適用することにより、液相の流れを抑制し、組成の異なる金属粉末材料あるいはこれらの混合粉末を用いて所要の層毎に所要の組成を有する造形物を積層することにより目的に合わせた傾斜機能（例えば、強度が連続的に変化する等）を持つ無欠陥造形物を製造することができるようになる。ただし、磁場を用いるので、非磁性の金属粉末を用いる必要がある。
【００３３】（７）本発明は主としてＳＬＭ法による積層造形について述べてきたが、金属粉末を供給しながら、同時に高エネルギービームを前記粉末供給領域に照射する積層造形法にも適用できる。すなわち金属粉末の供給・溶融・凝固過程において、溶融プールに対して積層方向に静磁場を印加することによりマランゴニ対流による悪影響を解除することができる。
【００３４】  以上から明らかな如く、本発明はＳＬＭ法による積層造形過程において、高エネルギービームのスキャン方向に垂直に静磁場を作用させて溶融プール表面における表面張力によって発生するマランゴニ対流を抑制することにより、不均質結晶欠陥、デポジット表面リップル欠陥（表面の凹凸）等の欠陥を無くし、これにより高品質の結晶組織を作ることができる。すなわち、本発明は、電気伝導性を有する全ての非磁性合金・金属の積層造形物（例えば、複雑な形状を有するガスタービン発電用及びジェットエンジン用燃料ノズル）に対して適用可能な技術であり、高品質の三次元形状金属造形物を作るための製造方法及び装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００３５】  １  サブストレイト（基台：多結晶組織または特定の方位を持った単結晶組織）
２  金属粉末層
３  高エネルギービーム（レーザーなどの細く絞られた高エネルギービーム）
４  積層造形物完成品
５  溶融金属プール（液相プール）
６  固液共存相（ｍｕｓｈｙ  ｚｏｎｅ）
７  サブストレイトの再溶融・凝固層
８  金属粉末の再溶融・凝固層
９  等軸晶層
（７、８、及び９の各層をまとめてデポジット（層）と呼ぶ）
１０  高エネルギーレーザービーム発生装置
１１  工学系ミラースキャナー
１２  ＤＣコイル
１３  直流電源
１４  スイッチ
【図１】
2017025401.tif 000006
【図２】
2017025401.tif 000007
【図３】
2017025401.tif 000008
【図４】
2017025401.tif 000009
【図５】
2017025401.tif 000010