(57)【要約】  金属ベースの材料よりなる機械の構成部品を製造するための方法が記述される。その方法は、少なくとも１つの金属含有粉末材料、および少なくとも１つの粉末状分散強化剤を含む粉末混合物を提供するステップであって、粉末状分散強化剤が、金属含有粉末材料の平均粒径より小さい平均粒径を有する、ステップと、粉末混合物を使用して付加製造プロセスによって機械の構成部品を形成するステップとを含む。【選択図】図３
2017529453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベースの材料よりなる機械の構成部品を製造するための方法であって、
少なくとも１つの金属含有粉末材料、および少なくとも１つの粉末状分散強化剤を含む粉末混合物を提供するステップであって、前記粉末状分散強化剤が、約５マイクロメートル以下で、かつ前記金属含有粉末材料の平均粒径より小さい平均粒径を有する、ステップと、
前記粉末混合物を使用して付加製造プロセスによって前記構成部品を形成するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記付加製造プロセスが、電子ビーム溶融（ＥＢＭ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｍｅｌｔｉｎｇ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｌａｓｅｒ  ｍｅｌｔｉｎｇ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｌａｓｅｒ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、レーザ金属成形（ＬＭＦ：ｌａｓｅｒ  ｍｅｔａｌ  ｆｏｒｍｉｎｇ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ：ｄｉｒｅｃｔ  ｍｅｔａｌ  ｌａｓｅｒ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ）よりなるグループから選択される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの粉末状分散強化剤が、０．１マイクロメートル以下、好ましくは、約６０ｎｍ以下、さらに好ましくは、約５０ｎｍ以下の平均粒径を有する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記粉末状分散強化剤が、約５ｎｍ以上の平均粒径を有する、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの粉末状分散強化剤が、ナノメートルの平均粒径を有する、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの金属含有粉末材料が、約１０マイクロメートルと約１００マイクロメートルとの間、好ましくは、約１０マイクロメートルと約６０マイクロメートルとの間の平均粒径を有する、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記粉末混合物が、約０．０１重量％と約４８重量％との間、好ましくは、約０．１重量％と約３０重量％との間の前記少なくとも１つの粉末状分散強化剤を含む、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記粉末混合物が、約０．２重量％と約２０重量％との間、好ましくは、約０．３重量％と約６重量％との間の前記少なくとも１つの粉末状分散強化剤を含む、請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記粉末状分散強化剤がアトマイズされた粉末である、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記金属含有粉末材料がアトマイズされた粉末である、請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの粉末状分散強化剤がセラミック材料である、請求項１乃至１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの粉末状分散強化剤が酸化物である、請求項１乃至１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの粉末状分散強化剤が、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＴＨ2Ｏ4、Ｚｒ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＷＣ、およびこれらの組合せよりなるグループから選択される、請求項１乃至１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの金属含有粉末材料が高温超合金である、請求項１乃至１３のうちの１項または複数項記載の方法。
【請求項１５】
前記高温超合金が、Ｎｉ基超合金、Ｃｏ基超合金、Ｆｅ基超合金、Ｍｏ基超合金、Ｗ基超合金、Ｔａ基超合金、Ｎｂ基超合金、およびこれらの組合せよりなるグループから選択される、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記金属含有粉末材料が、ケイ化物、アルミニウム化物、耐熱金属含有混合物である、請求項１乃至１５のいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
前記金属含有粉末材料が、Ｎｂ3Ｓｉ、ＭｏＳｉ2、ＴａＳｉ、ＭｏＳｉＮｂ、ＮｉＡｌ、ＦｅＡｌよりなるグループから選択される、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
粉末混合物を提供する前記ステップが、
第１の平均粒径を有する前記金属含有粉末材料を生産するステップと、
前記第１の平均粒径より小さい第２の平均粒径を有する前記粉末状分散強化剤を生産するステップと、
前記金属含有粉末材料と前記粉末状分散強化剤を一緒に混合して前記粉末混合物を得るステップと
を含む、請求項１乃至１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
前記形成された構成部品に実施される少なくとも１つの熱処理ステップをさらに含む、請求項１乃至１８のいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの熱処理ステップが熱間等方圧加圧のステップを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記機械の構成部品がターボ機械の構成部品である、請求項１乃至２０のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、機械の構成部品の製造に関し、詳細には、内燃機関、およびターボ機械、例えば、限定するものではないが、ガスタービンの構成部品などの高温の作動条件を受ける機械の構成部品の製造に関する。より詳細には、本明細書で開示する主題の例示的な実施形態は、限定するものではないが、タービンの回転および静止ブレードまたはバケット、タービンノズル、タービンインペラなどの高温超合金ベースの材料を使用するターボ機械の構成部品の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温疲労サイクルを受けやすい機械の構成部品の製造に適する材料として、酸化物分散強化（ＯＤＳ：Ｏｘｉｄｅ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ）超合金を使用することは知られている（Ｄ．Ｍ．Ｅｌｚｅｙ他、「Ｏｘｉｄｅ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ  Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ：ｔｈｅ  Ｒｏｌｅ  ｏｆ  Ｇｒａｉｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｌｏｗ  Ｃｙｃｌｅ  Ｆａｔｉｇｕｅ」、Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ、１９８８年、Ｔｈｅ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、１９８８年、５９５〜６０４ページに掲載）。これらの材料は通常、機械的合金化によって生産される（Ｈ．Ｋ．Ｄ．Ｈ．Ｂｈａｄｅｓｈｉａ、「Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ  Ａｌｌｏｙｅｄ  Ｉｒｏｎ−Ｂａｓｅ  ａｎｄ  Ｎｉｃｋｅｌ−Ｂａｓｅ  Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａ２２３（１９９７年）６４〜７７ページ；Ｃ．Ｓｕｒｙａｎａｒａｙａｎａ他、「Ｔｈｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｌｌｏｙｉｎｇ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａ３０４−３０６（２００１年）、１５１〜１５８ページに掲載；Ｂ．Ｓ．Ｍｕｒｔｙ他、「Ｎｏｖｅｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｂｙ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｌｌｏｙｉｎｇ／Ｍｉｌｌｉｎｇ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｖｉｅｗ、１９９８年、４３巻、３号、１０１〜１４１ページに掲載）。
【０００３】
機械的合金化によって得られる合金は通常、押出素材の形態で入手できる。機械的合金化によって作られたＯＤＳ超合金の素材から製造された粉末は、焼結プロセスによって構成部品を製造するために使用される。これらのプロセスでは、生産しようとする最終製品の形状とは凹凸が逆になる形状に相当する形状を有する型が必要である。焼結は、高価で柔軟性のない製造プロセスである。
【０００４】
欧州特許第２５８６８８７号は、付加製造、例えば、レーザ金属成形、電子ビーム溶融、および他の付加製造プロセスによってタービンブレードを製造するためのプロセスを開示している。粉末状のＮｉ基超合金などの高温超合金は、この先行技術文献によって提案されている。本明細書で開示するいくつかの実施形態では、高温超合金粉末は分散酸化物を含む。上記の文献には、酸化物を超合金粉末材料に入れる方法ついてはいかなる教示もないし、酸化物に関する限り、いかなる重量組成またはその他詳細もない。
【０００５】
付加製造プロセスは、安価で柔軟性があり、効率的な製造方法の範疇にあり、それによって、複雑な形状の機械の構成部品を低コストで容易に生産することができる。付加製造プロセスを使用することは、例えば、疲労条件での高温クリープ耐性などの厳しい動作条件での機械的な耐性に関する限り厳格な要件を満たさなければならないターボ機械の構成部品の生産に対して強く望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第０１／４５８８２号
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態では、金属ベースの材料よりなる機械の構成部品を製造するための方法が開示される。その方法は以下のステップよりなる。
−  少なくとも１つの金属含有粉末材料、および少なくとも１つの粉末状分散強化剤を含む粉末混合物を提供するステップ、ここで、粉末状分散強化剤は、金属含有粉末材料の平均粒径より小さい平均粒径を有する
−  前記粉末混合物を使用して付加製造プロセスによって前記構成部品を形成するステップ。
【０００８】
本明細書および添付の特許請求の範囲の文脈においては、用語「金属」は、耐熱成分または耐熱金属も含む。したがって、「金属含有粉末材料」は、耐熱金属または耐熱成分を含む粉末材料も含む。適切な耐熱成分または耐熱金属には、限定するものではないが、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、およびこれらの組合せが含まれる。本明細書で開示する主題の例示的な実施形態を参照して下記でより詳細に説明するように、金属ベースの材料には、耐熱金属、およびアルミニウム化物またはケイ化物などの金属間化合物を含む金属よりなる材料が含まれる。
【０００９】
本明細書および添付の特許請求の範囲の文脈においては、用語「分散強化剤」は、粉末混合物内に、次いで最終的に製造される構成部品内に分散すると、その強度、具体的には、高温クリープに対する強度を向上させる化合物である。
【００１０】
いくつかの実施形態によれば、金属含有粉末材料は金属粉末とすることができる。例えば、金属粉末は、超合金ベースの金属粉末、例えば、高温超合金粉末とすることができる。他の実施形態によれば、金属含有粉末材料は、金属間粉末材料、すなわち粉末状金属間化合物、例えば、アルミニウム化物である。いくつかの実施形態では、金属含有粉末材料はケイ化物とすることができる。２つ以上の粉末状金属含有化合物を組み合わせることもまた考えられる。
【００１１】
粉末状分散強化剤は、少なくとも１つの粉末状セラミック材料とすることができる、またはそれより構成することができる。いくつかの実施形態では、セラミック材料は酸化物とすることができる。２つ以上の分散強化剤を使用することができる。いくつかの実施形態では、酸素を含まないセラミック材料が好ましい。例えば、金属含有粉末材料がＭｏ基またはＮｂ基の場合には、高温酸化に対する高い耐性が得られるので、酸素原子を含まないセラミック材料が好ましい。
【００１２】
付加製造用に使用される粉末混合物内の粉末状分散強化剤は、固化される最終の構成部品内に分散し、その構成部品のクリープ耐性を向上させる。
【００１３】
粉末状金属含有材料と粉末状分散強化剤とを混合することによって、混合物の両方の成分の粒径分布（粒度分布）を慎重に制御することができ、その結果、混合物の両方の成分に対して最適の平均粒度分布を使用することができる。具体的には、金属含有粉末材料は、付加製造中での溶融および固化を最適にするように選択された平均粒径を有することができる。粉末状分散強化剤、例えば、粉末状セラミック材料は、最終の機械の構成部品で達成されるクリープ耐性をその脆性に悪影響を与えることなく改善するように選択された平均粒径を有することができる。
【００１４】
制御された大気中、例えば不活性ガスを使用して制御された大気中で、または真空状態で付加製造を行えば、分散強化剤の化学変成が防止される。さらに、付加製造の特徴である一層毎に行うプロセスは、分散強化剤、例えば、酸化物、または他のセラミック材料が溶融金属の上に浮くことによって分離することを防止し、その結果、最終製品には分散強化剤の実質的に一様な分布が得られる。
【００１５】
特徴および実施形態は本明細書で下記に開示され、本説明の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解することができるように、かつ当分野に対する本発明の寄与をよりよく認識できるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。もちろん、以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴が存在する。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態はそれを適用する際に、以下の説明で記載され、または図面に示される構成部品の構造の詳細および配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実行および実施することができる。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであって、限定として見なすべきではないことを理解されたい。
【００１６】
したがって、本開示が基礎を置いている概念は、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることを当業者は理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、このような同等な構造を含むものと見なすことが重要である。
【００１７】
以下の詳細な説明を添付の図面と併せて考察して参照することによって、開示する本発明の実施形態、およびそれらに付随する利点の多くをよりよく理解するようになったとき、これらを容易により完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】機械の構成部品を製造するための、電子ビーム溶融技術を使用する付加製造装置の概略図である。
【図２】付加製造用の直接金属レーザ溶融装置の概略図である。
【図３】本開示による方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書を通して「一実施形態」または「実施形態」または「いくつかの実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示する主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「一実施形態では」または「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れるが、これらは、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な様態で組み合わせることができる。
【００２０】
数量に関連して使用される修飾語「約」は、述べられた値を含み、文脈によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。
【００２１】
以下の説明では、ターボ機械の構成部品の製造について言及する。しかしながら、本明細書で開示する方法は、他の機械の構成部品、特に、高温の作動条件および疲労サイクルを受ける機械の構成部品、例えば、往復動内燃機関の構成部品の製造にも適用できることを理解すべきである。
【００２２】
図１は例示的な付加製造機械または装置の概略図であり、これは、タービンブレードＢ、タービンノズル、タービンシュラウド、または他のタービン構成部品などのターボ機械の構成部品を本開示の方法にしたがって製造するために使用することができる。
【００２３】
当業者には知られているように、付加製造は、複雑な形状の品物を、粉末材料を元にして、それを、エネルギー源を用いて局所的に溶融して一層毎に製造するプロセスである。図１の実施形態では、エネルギー源は電子ビームガンである。他の実施形態では、エネルギー源はレーザとすることができる。
【００２４】
図１の付加製造機械は全体を１００として示す。付加製造機械の構造および動作はそれ自体知られており、本明細書ではそれほど詳細には説明しない。手短に言うと、図１の付加製造機械１００はエネルギー源を含み、本明細書で開示する例示的な実施形態では、エネルギー源は、電子ビームＥＢを発生する電子エミッタ１０３を備える電子ビームガン１０１を含む。電子ビームＥＢは、電子ビームガン１０１の下方に配置された標的面ＴＳの方に向けられる。電子ビームの経路に沿って、収束コイル１０５および偏向コイル１０７を配置することができる。収束コイル１０５は、標的面ＴＳに電子ビームを収束させ、偏向コイル１０７は、粉末材料を溶融および固化するべきパターンに従って、電子ビームＥＢの動きをそのパターンに沿って制御する。コンピュータ装置１０９は、偏向コイル１０７を制御し、電子ビームＥＢの動きを制御する。電子ビームＥＢの動きは、製造しようとする３次元製品を表すファイルからのデータに基づいて、コンピュータ装置１０９によって制御される。
【００２５】
エネルギー源１０１の下方には、閉じ込め構造体１１１が配置される。閉じ込め構造体１１１は、例えば、電気加熱器など、１１３で概略的に示す加熱器を備える温度制御手段と組み合わせることができる。可動テーブル１１５を閉じ込め構造体１１１内に配置することができる。可動テーブル１１５は、両方向矢印ｆ１１５に従って鉛直方向に動くように制御することができる。可動テーブル１１５の鉛直方向の動きはコンピュータ装置１０９によって制御することができる。粉末材料容器１１７は標的面ＴＳの上方に配置することができ、例えば、コンピュータ装置１０９の制御の下、両方向矢印ｆ１１７に従って水平方向に動くように制御される。
【００２６】
付加製造機械１００によって実施される付加製造プロセスは以下のように要約することができる。粉末材料容器１１７を標的面ＴＳの高さに配置された可動テーブル１１５に沿って矢印ｆ１１７に従って１回または複数回移動させることによって、粉末材料容器１１７からの粉末材料の第１の層が可動テーブル１１５上に分配される。粉末材料の第１の層が分配されると、電子ビームガン１０１を作動し、偏向コイル１０７によって電子ビームＥＢを制御して、製造しようとする製品の断面に対応する、層の限定された部分の粉末材料を局所的に溶融する。溶融後、溶融した粉末材料を冷却して固化することができる。製造しようとする製品の断面の境界の外側の粉末材料は、粉末状のままである。
【００２７】
上記のように第１の層が処理されると、可動テーブル１１５が下げられ、粉末材料の次の層が第１の固化した層の上に分配される。次に、粉末材料の第２の層が選択的に溶融され、続いて、冷却、固化することができる。溶融および固化は、各層の部分がその前に形成された層の部分に付着するように実施される。このプロセスは、１つの粉末材料の層の後に別の粉末材料の層を続けて付加し、製品の次の断面に対応する層の部分を選択的に溶融および固化することによって、完全な製品が形成されるまで段階的に繰り返される。
【００２８】
製品が完成すると、溶融および固化されなかった粉末材料は除去され、再利用することができる。
【００２９】
上記のプロセスは、加熱器１１３によって温度を制御した状態で実行することができる。閉じ込め構造体１１１内の温度は、全プロセスを高温で実行し、製造サイクルの完了時に製品内に残留応力が実質的に残らないように制御される。構成プロセスが完了した後、製品を処理温度から環境温度まで冷却曲線に従って冷却することができ、それによって最終製品内の残留応力が防止される。
【００３０】
閉じ込め構造体１１１の内部は、粉末材料および溶融された材料が酸素を吸収しないように高真空状態に維持されることが好ましい。
【００３１】
図２は、ＤＭＬＭ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ：直接金属レーザ溶融）装置２０１の概略図である。装置は、例えば、炭酸ガスレーザなどのレーザ源２０３を含む。レーザ源２０３によって発生したレーザビームＬＢは光学系２０４によって収束され、ミラー２０５によって偏向される。ミラー２０５は、図示されていないプログラム可能な制御装置によって制御されて、製造しようとする品物、例えば、タービンブレードの各層の断面に相当するパターンをたどる。第１の鉛直可動テーブル２０７は製造中のワークピースまたは品物Ｂを支持する。第２の鉛直可動テーブル２０９は、粉末材料容器の底部を形成する。水平可動ワイパーブレード２１１は、製造されているワークピースＢの頂部に粉末材料容器からの粉末材料を分配する。テーブル２０７およびテーブル２０９は、真空容器内、または、不活性ガス、例えば、アルゴンが充填された容器内に収容することができる。
【００３２】
装置２０１によって実施される付加製造プロセスはそれ自体知られており、以下のように要約することができる。テーブル２０７が上方位置に動かされ、粉末材料の第１の層がワイパーブレード２１１によってテーブル２０７上に一様に分配される。レーザ源２０３を作動し、テーブル２０７上の層の粉末材料を局所的かつ選択的に溶融するようにレーザビームＬＢを制御する。次いで、その次の層の厚さに相当する行程だけテーブル２０７を下げる（矢印ｆ２０７）。溶融材料の第１の層を固化することができる。テーブル２０９を持ち上げて（矢印ｆ２０９）、追加の粉末材料をワイパーブレード２１１に利用できるようにする。ワイパーブレード２１１はさらに往復運動を行って（矢印ｆ２１１）、次の粉末材料層をテーブル２０７上の前の層の上に分配し、レーザビームＬＢを作動し、第２の層の粉末材料を選択的に溶融するようにミラー２０５によって動かす。
【００３３】
このプロセスは最終製品が得られるまで繰り返される。
【００３４】
図２の概略図では、偏向ミラー２０５が使用される。他の例示的な実施形態では、ファイバレーザを使用することができ、この場合には、レーザエネルギーはファイバによって運ばれ、その端末が、テーブル２０７に平行な数値制御された軸、例えば、ＸおよびＹ軸に従って動かされる。
【００３５】
本明細書で開示する実施形態によれば、付加製造プロセスで使用される粉末材料は、少なくとも２つの粉末材料、すなわち、金属含有粉末および粉末状分散強化剤よりなる粉末混合物である。上記のように、金属含有粉末は、それによって形成される機械の構成部品の高温の作動条件に適する金属間粉末または金属粉末、例えば、超合金とすることができる。分散剤は、限定するものではないが、酸化物の粉末などのセラミック材料とすることができる。
【００３６】
いくつかの例示的な実施形態によれば、金属含有粉末は超合金粉末、好ましくは、高温超合金粉末である。超合金粉末は、Ｎｉ基超合金、Ｃｏ基超合金、Ｆｅ基超合金、Ｍｏ基超合金、Ｗ基超合金、Ｔａ基超合金、Ｎｂ基超合金のうちの１つとすることができる。他の実施形態では、金属含有粉末材料は、ＮＢ3Ｓｉ、ＭｏＳｉ2、ＴａＳｉ、ＭｏＳｉＮｂ、または他のケイ化物よりなるグループから選択することができる。さらなる実施形態では、金属含有粉末材料は、ＮｉＡｌまたはＦｅＡｌなどのアルミニウム化物とすることができる。
【００３７】
金属含有粉末材料は、マスター超合金のインゴットまたはバーを元にして、次にそれを溶融およびアトマイズされて得られる。いくつかの例示的な実施形態によれば、マスター超合金のインゴットは真空誘導溶融によって製造することができる。
【００３８】
いくつかの実施形態によれば、低酸素含有で球形の粒を有する超合金粉末を確実に生産できる真空不活性ガスアトマイズ法によってアトマイズされる。マスター超合金のインゴットは溶融され、ノズルを通ってアトマイズ室内に供給され、そこでは、不活性ガスの加圧ジェットが溶融した金属流に当たるように向けられ、これにより、複数の小さな金属粒子に分離される。
【００３９】
得られる粉末の粒径は、アトマイズ室でのガス／金属流の比を調節することによって制御することができる。
【００４０】
他の実施形態によれば、もとのインゴットのアトマイズは、真空誘導ガスアトマイズ法（ＶＩＧＡ：Ｖａｃｕｕｍ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｇａｓ  Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ）、プラズマ回転電極法（ＰＲＥＰ：Ｐｌａｓｍａ  Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）、プラズマアトマイズ法（ＰＡ：Ｐｌａｓｍａ  Ａｔｏｍｏｚａｔｉｏｎ）、回転ディスクアトマイズ法（ＲＤＡ：Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｄｉｓｃ  Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ）よりなるグループから選択されたプロセスによって行うことができる。
【００４１】
有利な実施形態では、最終的にアトマイズされる金属含有粉末材料は、例えば、サイクロン分級機によって必要な粒度分布、すなわち粒径にすることができる。いくつかの実施形態では、金属含有粉末材料の平均粒径が約１０マイクロメートルと約１００マイクロメートルとの間で構成されるように粒度分布が選択される。いくつかの例示的な実施形態では、平均粒径は、約１０マイクロメートルと約６０マイクロメートルとの間で構成される。
【００４２】
上記のように、粉末混合物はさらに、粉末状の少なくとも１つの分散剤、例えば、セラミック材料を含む。いくつかの実施形態では、粉末状の単一のセラミック材料を使用することができる。他の実施形態では、異なる化学成分を有する粉末状の２つ以上の異なるセラミック材料の混合物を使用することができる。いくつかの実施形態では、セラミック粉末材料は酸化物の粉末である。
【００４３】
本明細書で開示する方法の例示的な実施形態によれば、少なくとも１つの粉末状分散強化剤は金属酸化物であることができる。いくつかの実施形態では、強化酸化物は、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｔｈ2Ｏ4、Ｚｒ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、およびこれらの組合せよりなるグループから選択される。他のセラミック非酸化物材料は、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＷＣ、およびこれらの組合せよりなるグループから選択することができる。
【００４４】
粉末状分散強化剤は、金属含有粉末材料の平均粒径より小さな平均粒径を有することができる。いくつかの実施形態では、粉末状分散強化剤は、約５マイクロメートル以下の平均粒径を有する。現在のところ好ましい実施形態では、粉末状分散強化剤は、約１マイクロメートル以下、好ましくは、約０．５マイクロメートル以下の平均粒径を有することができる。いくつかの実施形態では、粉末状分散強化剤は、ナノメートルの平均粒径、例えば、約６０ｎｍ以下、または約５０ｎｍ以下の平均粒径を有する。好ましい実施形態では、平均粒径は約５ｎｍ以上である。
【００４５】
ナノメートルの大きさの分散強化剤は公知の方法によって得ることができる。適切な方法は、例えば、Ａ．Ｌｏｒｋｅ他（編）：Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  Ｇａｓ  Ｐｈａｓｅ、ＮａｎｏＳｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ  ２０１２年、２章、Ｃｈｒｉｓｔｉｎａ  Ｒａａｂ他：Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｌｅｓ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ、ＮａｎｏＴｒｕｓｔ  Ｄｏｓｓｉｅｒｓ、ｎ．６、２０１１年２月、Ｔａｋｕｙａ  Ｔｓｕｚｕｋｉ：Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  Ｓｃａｌｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．、６巻、５／６号  ２００９年、Ｆｒａｎｃｏｉｓ  Ｂｏｚｏｎ−Ｖｅｒｄｕｒａｚ他：Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ  ａｎｄ  ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅｓ：Ｓｏｍｅ  Ｐｅｃｕｌｉａｒ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｍｅｔｈｏｄｓ、Ｓｉｚｅ  ａｎｄ  Ｓｈａｐｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ  Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ、Ｂｒａｚｉｌｉａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、３９巻、１Ａ号、２００９年４月に開示されている。
【００４６】
粉末状の粗い金属含有材料と粉末状の細かい分散強化剤を組み合わせると、付加製造によって生産される最終構成部品の機械的性質を向上させることができる。分散剤の粉末粒が小さいことによって、分散剤は金属マトリックス内に細かく分散して、最終材料の脆性が高くなる危険性を低減または防止する。
【００４７】
最終混合物内の粉末状分散強化剤の量は、例えば、約０．０１重量％と約４８重量％との間の範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、分散強化剤の粉末は、約０．１重量％と約３０重量％との間、例えば、約０．１重量％と約２重量％との間の範囲の量で存在している。
【００４８】
次の表１は、適切な粉末混合物の例示的な組成の表を示す。混合物の超合金金属成分はＮｉ基超合金である。組成は重量％で示されている。
【００４９】
【表１】
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次の表２は、本明細書で開示する方法で使用することができる組成のさらなる例示的な実施形態を載せている。これらの組成は、Ｎｏ基、Ｎｉ基、Ｗ基、Ｔａ基、およびＮｂ基の合金より構成される。
【００５０】
【表２】
2017529453.tif 000004
ここまでで開示した付加製造によって製造されるターボ機械の構成部品は、１つまたは複数の追加のプロセスのステップを受けることができる。いくつかの実施形態によれば、最終的に熱間等方圧加圧（ＨＩＰ：ｈｏｔ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ）のステップを実施して溶融および固化された材料内の気孔を除去する、または減少させることができる。熱間等方圧加圧のステップまたは処理は、例えば、約８０と約２００ＭＰａとの間の圧力の下、不活性ガスの雰囲気中で実施することができる。
【００５１】
いくつかの実施形態によれば、ターボ機械の構成部品は、これに続いて、所望の材料特性を得ることを目的として真空下で熱処理を受ける。例えば、微細構造を均質化し、続いて材料を時効処理して、析出硬化超合金（すなわち、ガンマプライム形成体）に対して析出硬化で強化する。局所的（特定の構成部品の領域）に均質化および熱処理を施して、特定の領域（典型的には、ガスタービンバケットのエーロフォイル領域）の粗い粒径の特性を最大化するために粒径を局所的に大きくすることができる。
【００５２】
図３は、上記で開示した方法の例示的な実施形態を要約したフロー図を示す。
【００５３】
本明細書で説明された主題の開示された実施形態は、図面に示され、かつ、いくつかの例示的な実施形態に関連して、具体的にかつ詳細に上記で完全に説明されてきたが、本明細書で述べられている新規の教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に記載される主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、開示された新規性の適正な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。さらに、任意のプロセスまたは方法のステップの順序または順番は、代替の実施形態に応じて変更され、または順番を並べ直すことができる。
【符号の説明】
【００５４】
１００  付加製造機械
１０１  電子ビームガン
１０３  電子エミッタ
１０５  収束コイル
１０７  偏向コイル
１０９  コンピュータ装置
１１１  閉じ込め構造体
１１３  加熱器
１１５  可動テーブル
１１７  粉末材料容器
２０１  ＤＭＬＭ装置
２０３  レーザ源
２０４  光学系
２０５  ミラー
２０７  可動テーブル
２０９  可動テーブル
２１１  ワイパーブレード
Ｂ  タービンブレード、ワーク
ＥＢ  電子ビーム
ＬＢ  レーザビーム
ＴＳ  標的面
ｆ１１５  矢印
ｆ１１７  矢印
ｆ２０７  矢印
ｆ２０９  矢印
ｆ２１１  矢印
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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