(57)【要約】噴流装置、並びに付加製造により物体、特にチタン物体及びチタン合金物体を製造するための、噴流装置を使用するシステム及び方法が提供され、噴流装置は、付加製造プロセス中に、液体溶融池を横切るように、又は液体溶融池に衝突するように、又は液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突するように、又は凝固した状態の材料に衝突するように、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付ける。冷却ガスの適用により、ほぼ等軸の結晶粒を多く含む微細化された結晶粒構造を有する付加製造金属製品をもたらすことができ、並びに強度、耐疲労性、及び耐久性の向上を呈する付加製造製品を得ることができる。
2020527462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴流装置であって、
冷却ガスを受け入れるための入口と、
冷却ガスを吐出するためのノズルに接続された開口と
を備える第１の導管と、
冷却ガスを受け入れるための入口と、
冷却ガスを吐出するためのノズルに接続された開口と
を備える第２の導管と
を備え
前記第１の導管が、熱エネルギー源の一方側で、前記熱エネルギー源を生成する融解工具に取り付けられ、且つ前記第２の導管が、前記熱エネルギー源の反対側の第２の側で前記融解工具に取り付けられ、
少なくとも１つのノズルは、前記冷却ガスが前記ノズルを出るときに前記冷却ガスの乱流を生成するように構成され、並びに
前記ノズルが、前記熱エネルギー源に向けて前記冷却ガスを吹き付けるのを防止するように構成され位置決めされる、
噴流装置。
【請求項２】
前記第１の導管と前記第２の導管とを接続して単一体構造にするための横材を更に備える、請求項１に記載の噴流装置。
【請求項３】
噴流装置であって、
冷却ガスを受け入れるための入口と、
金属付加製造プロセス中に堆積された堆積された状態の金属ストリングの表面に前記冷却ガスをその場で吐出するための少なくとも１つのノズルに接続された少なくとも１つの開口と
を備える導管と、
金属付加製造システムの構成要素への前記導管の取り付けと、前記堆積された状態の金属ストリングの前記表面への前記冷却ガスの適用とを可能にするブラケットと
を備える、噴流装置。
【請求項４】
少なくとも１つのノズルは、前記冷却ガスが前記ノズルを出るときに前記冷却ガスの乱流を生成するように構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項５】
第１の外側導管と、前記第１の外側導管に隣接する中央導管と、前記中央導管に隣接する第２の外側導管とを備え、各々がそれ自体のガス供給源に別々に接続され、
前記第１の外側導管が、前記堆積ストリングの一側面に向けられた少なくとも１つのノズルを含み、
前記中央導管が、前記堆積ストリングの上面に向けられた少なくとも１つのノズルを含み、且つ
前記第２の外側導管が、前記堆積ストリングの他の側面に向けられた少なくとも１つのノズルを含む、
請求項３又は４に記載の噴流装置。
【請求項６】
ワイヤ又は粉末送給器に取り付け可能であるように構成された、請求項３〜５のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項７】
耐熱材料で作製されるか又は耐熱材料を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項８】
前記耐熱材料が、チタン、チタン合金、タングステン、タングステン合金、及びこれらの合金、ステンレス鋼、クロムとニッケルとを含む合金、並びにニッケル、鉄、コバルト、銅、モリブデン、タンタル、タングステン、及びチタンのうちの２つ以上を含む合金の中から選択される、請求項７に記載の噴流装置。
【請求項９】
前記冷却ガスの流れを測定する流量計を更に備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１０】
少なくとも１つのノズルが、前記導管の先端部に位置決めされる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１１】
少なくとも１つのノズルは、前記ノズルと前記導管との間に形成される角度が９０°以下となるように前記導管に対して位置決めされる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１２】
前記導管のいずれか１つ又は複数が、
複数のノズルと、
各導管内における複数のチャネル、パイプ、管、又はラインであって、前記チャネル、パイプ、管、又はラインの各々が、前記複数のノズルのうちの単一のノズルに別々に取り付けられる、前記複数のチャネル、パイプ、管、又はラインと
を備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１３】
前記ノズルが円筒形状を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１４】
前記ノズルが、円形、長円形、卵形、正方形、矩形、菱形、星形、五角形、六角形、及び八角形の中から選択された断面形状を有するか、又は前記ノズルが非対称断面形状を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１５】
前記ノズルが、約５ｍｍ〜約５０ｍｍから選択された長さを有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１６】
前記ノズルが、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍの壁厚を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１７】
前記ノズルは、前記冷却ガスが通って流れるオリフィスを備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項１８】
前記オリフィスが、前記ノズルの前記断面形状と同じか又は異なる断面形状を有し、且つ
前記オリフィスが、円形、長円形、卵形、正方形、矩形、菱形、六角形、及び八角形の中から選択された断面形状を有するか、又は前記オリフィスが非対称断面形状を有する、請求項１７に記載の噴流装置。
【請求項１９】
前記オリフィスが、前記ノズルの内径と同じか又はそれよりも小さい直径を有する、請求項１７又は１８に記載の噴流装置。
【請求項２０】
前記オリフィスが、約１ｍｍ〜約５ｍｍの直径を有する、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項２１】
前記導管が、前記導管を通って流れる冷却ガスと相互作用するバッフルを備える、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項２２】
（ａ）前記導管が、前記冷却ガスの層流を妨げて前記冷却ガスの乱流を促進するように、前記導管を通って流れる前記冷却ガスの流路内に突起若しくは窪み若しくはこれらの組み合わせを更に備え、又は
（ｂ）前記ノズルが、前記冷却ガスの層流を妨げて前記冷却ガスの乱流を促進するように、前記ノズルを通って流れる前記冷却ガスの流路内に突起若しくは窪み若しくはこれらの組み合わせを更に備え、又は
（ｃ）前記ノズルの前記オリフィスが、前記冷却ガスの層流を妨げて前記冷却ガスの乱流を促進するように、前記オリフィスを通って流れる前記冷却ガスの流路内に突起若しくは窪み若しくはこれらの組み合わせを更に備え、又は
（ｄ）（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の任意の組み合わせである、
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項２３】
融解工具から前記噴流装置を断熱するために、又は
前記噴流装置と加工物における溶融池との間に、又は
ワイヤ送給器から前記噴流装置を断熱するために、
断熱材を更に備える、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項２４】
冷却ガス供給源を更に備える、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の噴流装置。
【請求項２５】
各導管が、前記各導管自体の冷却ガス供給源に接続される、請求項２４に記載の噴流装置。
【請求項２６】
前記冷却ガス供給源が、前記導管に提供される冷却ガスの前記流量を調整するように手動又は自動で調節可能な調整器を備える、請求項２４又は２５に記載の噴流装置。
【請求項２７】
付加製造により金属物体を構築するためのシステムであって、
溶融金属の堆積前に母材を予熱するための第１の融解工具と、
金属源を溶融させて、前記予熱した母材上に又は前記母材上の液体溶融池内に堆積される金属溶融材料の溶滴にするための第２の融解工具と、
前記液体溶融池を横切るように、又は前記液体溶融池に衝突するように、又は前記液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突するように、又は凝固した状態の材料に衝突するように、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付けるための、請求項１〜２６の何れか一項に記載の噴流装置と、
前記冷却ガスの供給源と、
前記加熱装置及び前記噴流装置に対して前記母材を位置決めし移動させるためのシステムと、
形成すべき前記金属物体の設計モデルを読み込み、設計モデルを用いて、前記母材を位置決めし移動させるための前記システムの位置及び移動を調整することと、前記金属材料の連続した堆積物を前記母材上に融着させることにより物理的物体が構築されるように前記加熱装置及び前記噴流装置を動作させることが可能な制御システムと
を備える、システム。
【請求項２８】
コンピュータを更に備える、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記設計モデルが、形成すべき前記金属物体のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを含む、請求項２７又は２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記第１の融解工具が、ＰＴＡトーチ、レーザ装置、同軸型粉末送給ノズルレーザシステム、又はこれらの任意の組み合わせを含み、且つ前記第２の融解工具が、ＰＴＡトーチ、レーザ装置、同軸型粉末送給ノズルレーザシステム、又はこれらの任意の組み合わせを含む、請求項２７〜２９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第２の融解工具がＰＴＡトーチを含み、並びに前記ＰＴＡトーチは、前記ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ消耗電極がアノードになるように、直流電源に電気的に接続される、請求項２７〜３０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３２】
前記噴流装置が、前記液体溶融池を横切るように、又は前記液体溶融池に衝突するように、又は前記液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突するように、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付けるように前記第２の融解工具に接続される、請求項２７〜３１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３３】
前記噴流装置の少なくとも１つのノズルが、冷却ガスの乱流を生成する、請求項２７〜３２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３４】
金属ワイヤを前記第２の融解装置に送出するワイヤ送給器を更に備える、請求項２７〜３３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３５】
前記ワイヤ送給器に又は前記システムの構成要素に接続された追加の噴流装置であって、前記少なくとも１つのノズルから堆積され凝固した状態の材料の表面に冷却ガスを方向付けるように位置決めされた前記追加の噴流装置を更に備える、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記システムの構成要素に取り付けられた第１の温度センサであって、前記堆積され凝固した状態の材料の前記表面の温度を前記冷却ガスの適用前に測定するように位置決めされた前記第１の温度センサと、
前記システムの構成要素に取り付けられた第２の温度センサであって、前記堆積され凝固した状態の材料の前記表面の温度を前記冷却ガスの適用後に測定するように位置決めされた前記第２の温度センサと
を更に備える、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記システムの前記構成要素が、前記ワイヤ送給装置を保持するブラケット、又は融解工具を保持するブラケット、又は前記ワイヤ送給装置と前記融解工具とを保持するブラケットである、請求項３５又は３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの各々が、赤外線温度計である、請求項３７に記載の噴流装置。
【請求項３９】
前記噴流装置が、同素変態領域における表面に前記冷却ガスを方向付ける、請求項３６〜３８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４０】
前記堆積され凝固した状態の材料がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であり、且つ
前記噴流装置が、β−α遷移ゾーンにおける表面に前記冷却ガスを方向付ける、請求項３６〜３９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４１】
コンピュータを更に備える、請求項２７〜４０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４２】
前記コンピュータが、前記システムの１つ又は複数の構成要素と通信する、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
不活性雰囲気を収容する密閉室内に収容される、請求項２７〜４２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４４】
前記不活性雰囲気が、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、ヘリウム、又はこれらの組み合わせを含む、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
金属材料の連続した堆積物を互いに母材上に融着させることにより３次元物体が作製される、付加製造により前記金属材料の前記物体を製造するための方法であって、
第１の融解工具を使用して前記母材の表面の少なくとも一部分を予熱することと、
溶融金属材料を前記母材の前記予熱領域上に堆積させて液体溶融池を形成するように第２の融解工具を使用して金属材料を加熱して溶融させることと、
請求項１〜２６のいずれか一項に記載の噴流装置を使用して、前記液体溶融池を横切るように、又は前記液体溶融池に衝突するように、又は前記液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突するように、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付けることと、
溶融金属材料の前記連続した堆積物が凝固して前記３次元物体を形成するように、前記第１の加熱装置及び前記第２の加熱装置の位置に対して前記母材を所定のパターンで移動させることと
を含む、方法。
【請求項４６】
第２の噴流装置を使用して、固相変態領域における前記堆積され凝固した状態の材料に衝突するように冷却ガスを方向付けることを更に含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記堆積され凝固した状態の材料がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であり、且つ
前記第２の噴流装置が、β−α遷移ゾーンにおける表面に前記冷却ガスを方向付ける、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記堆積され凝固した状態の材料に衝突する冷却ガスが、約１０℃／秒〜約１５℃／秒のバルク冷却速度をもたらす、請求項４６又は４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１の融解工具が、前記溶融金属材料を堆積させるべき位置において前記母材を予熱するか、若しくは前記金属材料を堆積させるべき前記位置において前記母材に溶融池を形成するか、又はその両方である、請求項４５〜４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１の融解工具が第１のＰＴＡトーチを含み、且つ前記第２の融解工具が第２のＰＴＡトーチを含む、請求項４５〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１の融解工具がレーザ装置を含み、且つ
前記第２の融解工具がＰＴＡトーチを含む、請求項４５〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５２】
前記ＰＴＡトーチは、前記ＰＴＡトーチの電極がカソードになり且つ
前記金属材料が、アノードになる消耗電極であるように、直流電源に電気的に接続される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第１の融解工具がＰＴＡトーチを含み、且つ
前記第２の融解工具がレーザ装置を含む、請求項４５〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１の融解工具が同軸型粉末送給ノズルレーザシステムを含み、且つ
前記第２の融解工具がレーザ装置を含む、請求項４５〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１の融解工具が同軸型粉末送給ノズルレーザシステムを含み、且つ
前記第２の融解工具がＰＴＡトーチを含む、請求項４５〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５６】
前記冷却ガスが、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、及びこれらの組み合わせの中から選択された不活性ガスを含む、請求項４５〜５５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５７】
前記冷却ガスが、約１Ｌ／分〜約１６０Ｌ／分の流量を有する、請求項４５〜５６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５８】
前記冷却ガスが、定常流で適用されるか、又は間欠的に適用されるか、又は脈動流で提供される、請求項４５〜５７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５９】
前記冷却ガスの温度が約２５℃以下である、請求項４５〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６０】
少なくとも１つのノズルが冷却ガスの乱流を生成し、又は前記冷却ガスの速度が、前記ノズルを出る前記冷却ガスに乱流を生じさせるのに十分である、請求項４５〜５９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６１】
前記冷却ガスが、前記溶融池の近傍に、又は前記液体溶融池を横切るように、又は前記液体溶融池に衝突したときに、又は前記液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突したときに、又はこれらの任意の組み合わせで乱流を有する、請求項４５〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６２】
前記噴流装置が、前記溶融池の近傍に、又は前記液体溶融池を横切るように、又は前記液体溶融池に衝突する、又は前記液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突する、又はこれらの任意の組み合わせで乱流を生み出すように互いに衝突するガス噴流を生成するように構成された少なくとも２つのノズルを備える、請求項４５〜６１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６３】
前記噴流装置が、成形３次元物体の進行方向に沿って約５ｍｍ〜約５０ｍｍの長さをカバーする冷却ガスを送出する、請求項４５〜６２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６４】
前記噴流が、前記成形３次元物体の前記進行方向に沿って約１５ｍｍ〜約３０ｍｍの長さをカバーする冷却ガスを送出する、請求項４５〜６３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
前記冷却ガスが、前記溶融池に又は前記溶融池の表面全体に方向付けられた前記冷却ガスの流量よりも多い流量で前記凝固した状態の金属に方向付けられる、請求項４５〜６４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６６】
前記方法の各ステップが、不活性雰囲気を収容する密閉室内で行われる、請求項４５〜６５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６７】
前記不活性雰囲気が、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、ヘリウム、又はこれらの組み合わせを含む、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
付加製造金属製品における粗い柱状凝固構造を最小限に抑えるか又は排除する方法であって、請求項１、２又は５〜２６のいずれか一項に記載の噴流装置を使用して乱流冷却ガス噴流を溶融池の自由表面に適用することを含み、
前記冷却ガス噴流が、前記溶融池の前記表面における対向する凝固前面の成長を誘起するか若しくは加速させるか又はその両方である、方法。
【請求項６９】
付加製造金属製品の微細構造を微細化する方法であって、バルク冷却速度を少なくとも５℃／秒だけ増加させるために、請求項３〜２６のいずれか一項に記載の冷却噴流装置を使用して乱流である冷却ガス噴流を堆積され凝固した状態の材料にその場で適用することを含む、方法。
【請求項７０】
付加製造金属物体をその場で強制冷却する方法であって、堆積され凝固した状態の材料の冷却速度を増加させて、約１０℃／秒〜約２５℃／秒のバルク冷却速度、又は冷却ガスが方向付けられる表面において測定される約８０℃／秒〜１５０℃／秒の表面冷却速度を達成するために、前記冷却ガスの噴流を前記堆積され凝固した状態の材料にその場で適用することを含む、方法。
【請求項７１】
付加製造チタン合金物体における塑性変形の均一性を高める方法であって、物体の堆積され凝固した状態の領域の冷却速度を増加させ、それにより、典型的に生成されるコロニー／ラメラ微細構造ではなく、かご織り微細構造の形成を促進するために、請求項３〜２６のいずれか一項に記載の噴流装置を使用して冷却ガスの噴流を前記物体の堆積され凝固した状態の領域の表面にその場で適用することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
２０１８年６月２６日に出願された「ＳＯＬＩＤＩＦＩＣＡＴＩＯＮ  ＲＥＦＩＮＥＭＥＮＴ  ＡＮＤ  ＧＥＮＥＲＡＬ  ＰＨＡＳＥ  ＴＲＡＮＳＦＯＲＭＡＴＩＯＮ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＴＨＲＯＵＧＨ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＩＮ  ＳＩＴＵ  ＧＡＳ  ＪＥＴ  ＩＭＰＩＮＧＥＭＥＮＴ  ＩＮ  ＭＥＴＡＬ  ＡＤＤＩＴＩＶＥ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ」という名称の、米国特許出願第１６／０１９，４６０号明細書、及び２０１７年６月３０日に出願された「ＲＥＦＩＮＥＭＥＮＴ  ＯＦ  ＳＯＬＩＤＩＦＩＣＡＴＩＯＮ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＩＮ  ＡＤＤＩＴＩＶＥ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  ＢＹ  ＭＥＬＴ  ＰＯＯＬ  ＧＡＳ  ＪＥＴ  ＩＭＰＩＮＧＥＭＥＮＴ」という名称の、米国仮特許出願第６２／５２７，６５６号明細書の優先権の利益を主張する。
【０００２】
認められる場合、上で参照した各出願の主題は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本発明は、固体自由形状造形により物体、特にチタン物体及びチタン合金物体を製造するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
チタン又はチタン合金で、又は他の合金で作製された構造化金属部品は、従来、ビレットから鋳造、鍛造又は機械加工することにより作製されていた。これらの技法には、高価なチタン金属の材料使用量が多い、及び金属物体の造形におけるリードタイムが長いなどの、多くの不都合がある。多くの場合、ニアネットシェイプとなる可能性のある物体の生産に使用できる、鋳造では、典型的には、凝固及び冷却速度の制御の欠如に起因して材料品質が低下する。治工具コストと複雑な形状の物体を作製できないこととが、従来の方法の別の欠点である。
【０００５】
十分に稠密な物理的物体は、高速プロトタイピング、高速製造法、積層製造法、又は付加製造法として知られる製造技術により作製することができる。付加製造は、ニアネットシェイプ製品の積層構築により大きな製造自由度とコスト削減の可能性とを与える。同じ既存の金属合金を利用しつつ鍛造などの従来の熱機械加工方法の材料特性と一致させることが望ましい。
【０００６】
熱機械加工において、材料特性は、ほとんどの場合、機械成形ステップの塑性変形により誘起された再結晶により達成される結晶粒構造微細化の結果である。このメカニズムは、溶融材料が層状に付加され、機械成形なしに凝固して冷える、典型的な付加製造プロセスでは利用できない。その結果、典型的には、凝固した状態の粗い結晶粒構造がもたらされる。多くの合金では、結果として得られる構造もまた、高アスペクト比する伸長したものとなる。このことは、過熱した溶融金属が付加されたときに比較的低温の加工物によりもたらされる方向性のある熱除去に起因している。凝固は、先に堆積された層から開始し、堆積層が冷えるにつれて、堆積された材料まで伝播する。凝固構造は、多くの場合、いくつかの層を横切って延在し、大きさが数センチメートルになる。これらの特性は、典型的には、機械的特性に最適ではなく、低下した及び／又は異方性の強度、伸び、並びに疲労性能を生じさせる。凝固後の更なる冷却時に、同素相変態（ある結晶構造から別の結晶構造への変態）、析出、及び他の固相熱化学反応が起こる。これらの性質は、対象となる合金系によって決まる。これらの変態が起こる極めて重要な温度範囲の冷却速度が主要な懸念事項である。積層付加製造プロセスは、堆積層毎の関連する全ての相変態の制御が、一貫した製品を得るのに不可欠である、複雑な繰り返しの加熱と冷却と再加熱の条件とを生み出す。それゆえ、変化する加工物形状、放熱特性、及び蓄積した熱にもかかわらず熱制御を達成することが、付加製造で直面する課題である。堆積され凝固したばかりの領域への冷却速度の影響に加えて、堆積後に適用された冷却も、加工物の全体的な冷却に寄与し、多大な待機時間なしに行われる新たなストリング又は層の堆積の開始を可能にする。このことは、ストリング又は層間のサイクル時間の短いコンパクトな幾何学的形状に対して特に有益である。標的となる相変態領域におけるその場でのガス噴流衝突は、冷却速度を増加させるとともに、凝固微細化と全体的な相変態の調整及び／又は制御とをもたらすことができる。
【０００７】
従来技術は、例えば、再結晶粒構造を得るために各堆積層を塑性変形させるハイブリッドプロセスの利用を含み、歪を低減して機械的特性を向上させるために適用されている（特許文献１、Ｌｉｏｕ  ｅｔ  ａｌ．（２０１５）を参照）。しかしながら、そのような中間成形ステップは、有効堆積速度を低下させ（生産性に悪影響を与える）、複雑な形状を形成する能力の点で造形自由度を制限する可能性がある。他の技術は、特許文献２（Ｗｅｓｃｏｔｔ  ｅｔ  ａｌ．（２０１３））で説明されているような、層間レーザピーニング及び超音波衝撃処理、並びに特許文献３（Ｌｉｏｕ  ｅｔ  ａｌ．（２０１６））で説明されているような、層間冷間圧延を含む。
【０００８】
再結晶の結果として熱歪を低減して結晶粒構造を微細化するためのレーザ又は超音波衝撃処理に備えて凝固金属の冷却中に凝固した状態の層に強制冷却が適用されている（特許文献４、Ｗｅｓｃｏｔｔ  ｅｔ  ａｌ．（２０１５）を参照）。これは、層間の待機時間を短くするのに役立つが、加工物が最適な温度になるのを待つ必要があり、その後、堆積された状態の層の調整が行われ、これにより、生産性に悪影響が及ぼされ、造形自由度が制限される可能性がある。堆積中に何らかの冷却を適用することと、堆積中に決して溶融池に又は溶融池に隣接する領域に冷却を（その場で）適用しないこととは、先行技術のいずれにも言及されていない。その代わりに、Ｗｅｓｃｏｔｔ  ｅｔ  ａｌ．は、変形ステップの準備をするために、加工物のストリングの凝固した状態の層をストリング堆積の合間に冷却することを説明している。堆積層を物理的に機能させる方法については、付加プロセスにおいて最終製品の層間に何らかの汚染物質が入る可能性があるので、治工具からの汚染物質も懸念事項である。Ｗｅｓｃｏｔｔ  ｅｔ  ａｌ．は、溶融池ガス噴流衝突による付加製造での凝固構造の微細化については言及していない。
【０００９】
金属を微細化して結晶粒微細化を達成するために使用されている他の技術は、機械的振動の適用（例えば、特許文献５、Ｐｅｔｉｔ  ｅｔ  ａｌ．（１９６８）を参照）、音響エネルギー（特許文献６、Ｓｈｕｃｋ  ｅｔ  ａｌ．（２０１４））、又は振動電磁場（特許文献７、Ｊａｒｖｉｓ  ｅｔ  ａｌ．（２０１５））などによる、溶融材料の本体への高周波振動の伝達を含む。法外なコストをもたらす可能性と実用性のある実行方法の欠如とに加えて、溶融池攪拌の一般原理の有効性が、関連する金属合金の多くでは極めて限定される。具体的には、溶融池攪拌では、破砕により凝固前面を破壊できるように、伝播する凝固前面に、部分的に凝固した材料のゾーンが必要となる。チタン合金の多く、特に主要なチタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖなどの、付加製造に適用可能な多くの合金の性質は、狭い凝固温度範囲であり、この温度範囲は、音響振動機構、電磁振動機構、又は機械的振動機構などの、振動機構を利用する技術を通じて、合金を凝固前面の破砕に対して非常に耐性の高いものにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／０３６０２８９号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１３１４０１４７号パンフレット
【特許文献３】欧州特許出願公開第２９６２７８８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１５／００４１０２５号明細書
【特許文献５】米国特許第３，３６３，６６８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１４／０２５５６２０号明細書
【特許文献７】国際公開第２０１５０２８０６５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
よって、当該技術分野では、従来型の付加製造プロセスにおいて達成されるものと比較して、関連する相変態温度よりも低い追加の冷却後に、より微細な結晶粒構造、特により等軸の結晶粒と、より一貫した微細構造とを有する金属製品を生み出す付加製造システムにおいて、増加した金属堆積速度で金属付加製造を行う経済的な方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
よって、本発明は、従来技術の限界及び欠点に起因する問題の１つ又は複数を実質的に除去する、溶融池でのガス噴流衝突による付加製造における凝固構造の微細化を対象とする。装置の拡張部、すなわち、別個のガス噴流装置は、堆積され凝固した状態の材料のその場での熱制御を達成するために使用することができる。材料特性の向上した製品、特に凝固した状態のより等軸の結晶粒構造を有する製品を得るために、金属付加製造中に凝固構造を微細化し且つ微細構造を制御するための、装置、システム及び方法が提供される。これらの微細化された結晶粒構造を有する製造製品は、強度、耐疲労性、及び延性の向上を示す。更に、当該技術分野では、金属付加製造方法により生産される金属製品のスループット及び歩留まりを向上させる方法が必要である。
【００１３】
本発明の利点は、結果として得られる結晶粒構造が、機械加工金属に典型的に存在する結晶粒構造と同等のアスペクト比及び均質性と、典型的な鋳造又は付加製造材料と比較して大幅に減少した平均結晶粒度とを有する、付加製造により生産される金属物品に結晶粒微細化をもたらすことである。
【００１４】
本明細書で提供する装置及び方法は、付加製造を使用して積層金属堆積物を形成する間に、溶融池の自由表面への、又は液体と固体との境界への、又は液固境界の近傍の凝固金属上への、又は凝固金属上への、又はこれらの任意の組み合わせへのガス噴流衝突により凝固構造の微細化と微細構造の制御とをもたらす。使用されるガスは、対象となる金属合金が大気汚染の影響を受け易いか否かに応じて、不活性又は非不活性ガス、元素又は混合ガスとすることができる。
【００１５】
堆積物の異なる部分における微細構造の粒度及び材料特性の最適化もまた、付加製造において本明細書で提供する装置及び方法を使用することにより可能となる。装置及び方法は、金属構造の著しい微細化を達成するための実用性のある方法を提供し、結果として、ほとんどの場合、典型的な機械加工金属よりも若干粗くなるが、同等のアスペクト比及び均質性を有する結晶粒をもたらす。溶融池の液体表面及び液固境界に方向付けられた冷却ガス噴流は、溶融池自由表面における対向する凝固前面を誘起して加速させることができる。エピタキシの阻止は、連続層が最上層の結晶粒から核形成して凝固するときに達成することができる。凝固した状態の材料に適用される場合の、本明細書で提供する装置により提供される集中したガス乱流による強制冷却により、固相変態を改善、調整又は制御することができる。
【００１６】
本発明の別の利点は、装置及び方法が、層間の時間のかかる調整、形状加工の制約、又は堆積速度若しくは堆積生産性の大幅な低下の必要なしに、多くの金属合金における凝固条件の操作及び有意な微細化の可能性を実現することである。単独で又は溶融池に向けられた冷却噴流装置と組み合わせて、標的領域での冷却ガスの噴流のその場での適用により付加製造中に堆積材料を強制冷却するための冷却噴流装置の使用により、堆積生産性を大幅に高めることができる。堆積された状態の材料に向けられた噴流装置からの大きな冷却ガス流れは、熱エネルギーを大幅に除去することができ、堆積材料のバルク冷却速度の向上をもたらす。本明細書で提供する冷却噴流装置は、ほとんどの融解工具と共に動作するように構成することができ、且つ付加製造プロセスにおいて堆積が行われている間いつでも、調節するか、作動させるか、又は停止状態にすることができる。この柔軟性は、製造プロセス中に製造製品の下層の結晶粒構造を変更する能力を与える。本方法は、プラズマ及びワイヤに基づくプロセスを含む、任意の金属付加製造プロセス及びレーザシステムと共に使用することができ、特に高堆積速度プロセスに好適である。全体を通してＴｉ及びＴｉ合金の加工物製品が例として言及されているが、本方法は、金属学的理論に基づいて他の多くの合金系に等しく好適である可能性がある。例えば、インコネル超合金もまた、本明細書で提供する装置、方法及びシステムを使用して達成される微細化効果を達成し易い。
【００１７】
溶融池自由表面などの、溶融池に方向付けられた、本明細書で提供する噴流装置からの噴流ガス流は、結晶学的多様性を増大させることができ、且つ結晶粒界整合度を低減することができる。方向付けられた噴出ガスにより、より均質で且つ微細に分散した状態で存在する異なる微細構造要素を得ることができる。典型的には、付加製造金属製品は、堆積層を横切って数センチメートルにわたって延在する柱状凝固構造の存在を含むことができる。これら柱状凝固構造は、熱勾配及び溶融池対流などの僅かな変動に起因して不規則な間隔のより微細な結晶粒により破断される可能性がある。溶融池に向けられたときの、本明細書で提供する噴流工具は、温度勾配の低減と共に、溶融池の自由表面において核形成を誘起又は促進することができ、その結果、付加製造された材料に従来存在していた柱状構造の破断をもたらし、向上した再現可能な材料特性を得ることができる。
【００１８】
本発明の別の利点は、装置及び方法が付加製造プロセス中に冷却速度の調整を可能にすることである。付加製造では、ストリング、ビード、又はトラックと最もよく称される複数の要素は、典型的には、非常に複雑な形状であるものを形成するように合わせて積み重ねることができる。ストリングは、熱源の供給エネルギーにより金属材料を溶融させて融着させる、移動する熱源に典型的にはワイヤ状又は粉末状の金属材料を送給することにより形成される。熱源は、高エネルギーレーザビーム、電子ビーム若しくはプラズマアーク、又はこれらの任意の組み合わせとすることができる。この積層堆積は、複雑で周期的且つ過渡的な温熱条件を生み出す可能性がある。先に堆積された材料が、典型的には、連続層の堆積により再加熱されるので、周期的であり、且つ構築の進行に伴う放熱特性などの境界条件の変化に起因して過渡的である。
【００１９】
ほとんどの金属合金は、熱履歴の影響を受け易い。典型的には、ストリング堆積の高温から加工物のバルク温度までの冷却速度は、最終的な材料特性に大きな影響を及ぼす。加えて、連続層からの入熱の影響により、インプロセス焼鈍及び時効効果を通じて材料特性が変化する可能性がある。それゆえ、複雑な付加製造製品全体に一貫した材料特性をもたらすために、局所的温熱条件を制御することが重要である。本明細書に開示する本発明は、インプロセス温度測定の適用と本明細書で提供する噴流装置を使用する強制対流冷却の適用とにより付加製造において温熱条件を調整又は制御する能力を高める、装置、システム及び方法に関する。
【００２０】
本発明の追加の特徴及び利点は、以下の説明に記載されており、且つ部分的にその説明から明らかになるか、又は本発明の実施により知られ得る。本発明の目的及び他の利点は、本明細書及び特許請求の範囲並びに添付の図面において特に指摘された構造により実現され達成されるであろう。
【００２１】
これら及び他の利点を達成するために、また、具体化し且つ広範に説明するために、本発明の目的に従って、噴流装置であって、冷却ガスを受け入れるための入口と、冷却ガスを吐出するためのノズルに接続された開口とを含む第１の導管と、冷却ガスを受け入れるための入口と、冷却ガスを吐出するためのノズルに接続された開口とを含む第２の導管とを含み、第１の導管が、熱エネルギー源の一方側で、熱エネルギー源を生成する融解工具に取り付けられ、且つ第２の導管が、熱エネルギー源の第２の側で融解工具に取り付けられ、少なくとも１つのノズルは、冷却ガスがノズルを出るときに冷却ガスの乱流を生成するように構成され、並びにノズルが、熱エネルギー源に向けて冷却ガスを吹き付けるのを防止するように構成され位置決めされる、噴流装置が提供される。
【００２２】
冷却ガスを受け入れるための入口を含む少なくとも１つの導管と、堆積された状態の材料に冷却ガスをその場で吐出するための１つ又は複数のノズルに各々が接続される１つ又は複数の開口とを含む噴流装置も提供される。噴流装置は、各々が冷却ガスを受け入れるための入口を含む複数の導管を含むように構成することができる。導管は、堆積された状態の材料の１つ又は複数の表面に冷却ガスの噴流をその場で送出するように構成することができる。例として、単一の導管は、複数のノズルを含むように構成することができ、いくつかのノズルは、堆積された状態の材料の一側面に冷却ガス噴流を方向付けるように構成することができ、他のノズルは、堆積された状態の材料の他の側面に冷却ガス噴流を方向付けるように構成することができ、且つ他のノズルは、堆積された状態の材料の上面に冷却ガス噴流を方向付けるように構成することができる。別の例として、噴流装置は複数の導管を含むことができ、１つの導管は、堆積された状態の材料の一側面に冷却ガス噴流を方向付けるノズルを含むように構成することができ、第２の導管は、堆積された状態の材料の他の側面に冷却ガス噴流を方向付けるノズルを含むように構成することができ、且つ第３の導管は、堆積された状態の材料の上面に冷却ガス噴流を方向付けるノズルを含むように構成することができる。堆積された状態の凝固した材料の表面にノズルを向けることを可能にする箇所におけるシステムの一部分に噴流装置を接続することができる。いくつかの構成では、噴流装置をワイヤ又は粉末送給装置に接続することができる。噴流装置は、ブラケット又は支持体に接続してワイヤ又は粉末送給装置から独立したものとすることができる。
【００２３】
本明細書で提供するシステムは、堆積された状態の材料に冷却ガス噴流をその場で方向付ける噴流装置と、付加製造プロセス中に冷却ガス噴流の適用領域の温度を監視するための少なくとも２つの温度センサとを含むことができる。第１の温度センサは、冷却ガスの適用に先立って、堆積された状態の材料の表面における温度を監視することができ、且つ噴流装置の後ろに位置する第２の温度センサは、噴流装置による加工物の堆積された状態のストリングへの冷却ガスが適用された後に加工物の表面の温度を測定するために含めることができる。第１及び第２の温度センサからの温度データは、噴流装置によって適用される冷却ガスの流量、若しくは加工物に向かう冷却ガスの流れ方向、又はその両方を調節することにより使用者が冷却速度を制御することを可能にすることができる。
【００２４】
本発明の別の態様では、付加製造により金属物体を構築するためのシステムであって、溶融金属の堆積前に母材を予熱するための第１の融解工具と、金属源を溶融させて、予熱した母材上に又は母材上の液体溶融池内に堆積される金属溶融材料の溶滴にするための第２の融解工具と、液体溶融池を横切るように、又は液体溶融池に衝突するように、又は液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突するように、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付けるための、本明細書で提供する噴流装置と、冷却ガスの供給源と、加熱装置及び噴流装置に対して母材を位置決めし移動させるためのシステムと、形成すべき金属物体の設計モデルを読み込み、設計モデルを用いて、母材を位置決めし移動させるためのシステムの位置及び移動を調整することと、金属材料の連続した堆積物を母材上に融着させることにより物理的物体が構築されるように加熱装置及び噴流装置を動作させることが可能な制御システムとを備える、システムが提供される。
【００２５】
本発明の別の態様では、金属材料の連続した堆積物を互いに母材上に融着させることにより３次元物体が作製される、付加製造により金属材料の物体を製造するための方法であって、第１の融解工具を使用して母材の表面の少なくとも一部分を予熱することと、溶融金属材料を母材の予熱領域上に堆積させて液体溶融池を形成するように第２の融解工具を使用して金属材料を加熱して溶融させることと、本明細書で提供する噴流装置を使用して、液体溶融池を横切るように、又は液体溶融池に衝突するように、又は液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突するように、又は凝固した状態の材料に衝突するように、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付けることと、溶融金属材料の連続した堆積物が凝固して３次元物体を形成するように、第１の加熱装置及び第２の加熱装置の位置に対して母材を所定のパターンで移動させることとを含む、方法が提供される。本方法では、噴流装置が、溶融池に冷却ガス噴流を方向付けることができるか、若しくは凝固堆積金属領域に冷却ガス噴流を方向付けることができ、又は１つの噴流装置が、溶融池に冷却ガス噴流を方向付けることができ、且つ第２の噴流装置が、凝固堆積金属領域に冷却ガス噴流を方向付けることができる。
【００２６】
前述の一般的な説明と以下の詳細な説明の両方が、例示的且つ説明的なものであるとともに、特許請求される本発明の更なる解説を提供するように意図されていることを理解されたい。
【００２７】
本発明の更なる理解を提供するために含まれるとともに、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する、添付の図面は、本発明の実施形態を図示し、本説明と共に本発明の原理を解説する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、溶融材料を堆積させてストリングを形成するときに、溶融池の自由表面と液体と固体との境界とに方向付けられたガス噴流を提供する例示の噴流装置の概略斜視正面図である。この図には、溶融池よりも上に位置する融解工具、或いは溶融池に又は融解アーク若しくはレーザビームに供給されるワイヤ供給原料又は粉末供給原料は表示されていない。
【図２】図２は、噴流装置の例示の構成の部分切り欠き側面図である。
【図３】図３は、層上の層が融着されるときの単列壁堆積物の概略断面図である。図は、本明細書で提供する噴流装置を使用したガス噴流衝突の適用による柱状結晶粒成長阻止の微細化メカニズムが後に続く、最初の３つの層における典型的な微細化されていない結晶粒の成長を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、ガス噴流衝突が、より微細化された結晶粒を有する材料をもたらす、本明細書で提供する方法を使用して達成されたもの（図４Ｂ）と対比した、従来の付加製造プロセスにより作製された典型的な材料（図４Ａ）の結晶構造解析の電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）写真を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ガス噴流衝突が、より微細化された結晶粒を有する材料をもたらす、本明細書で提供する方法を使用して達成されたもの（図４Ｂ）と対比した、従来の付加製造プロセスにより作製された典型的な材料（図４Ａ）の結晶構造解析の電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）写真を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、堆積されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料の典型的な構造（図５Ａ）を、本明細書で提供する噴流装置を使用した多列多層Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ堆積物への溶融池ガス噴流衝突の適用により結果として得られた微細化された構造（図５Ｂ）と比較した、顕微鏡写真である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、堆積されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料の典型的な構造（図５Ａ）を、本明細書で提供する噴流装置を使用した多列多層Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ堆積物への溶融池ガス噴流衝突の適用により結果として得られた微細化された構造（図５Ｂ）と比較した、顕微鏡写真である。
【図６】図６は、本明細書で提供する噴流装置を使用して単列Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ堆積物における溶融池の半分にガス噴流衝突を適用した結果を示す写真である。点線は、壁の片側の典型的な結晶粒度及び形状を大まかに示す。
【図７】図７は、凝固及び更なる冷却後に起こる追加の相変態に影響を及ぼすように、溶融池における溶融材料が冷えてストリングを形成するときに凝固金属領域に方向付けられたガス噴流を提供する例示の噴流装置の概略側面図である。溶融池よりも上に位置する融解工具は、金属ワイヤ又は粉末供給原料を溶融させるためのエネルギーを溶融池に落下する溶融金属に提供する。温度センサは、成形中のストリングの温度を測定するために噴流装置の前方に位置することができ、且つ温度センサは、ガス噴流の適用中又は適用後の凝固金属の温度を測定するために噴流装置の後ろに位置することができる。
【図８】図８は、本明細書で提供する方法と共に使用できる例示のシステムの概略側面図である。描かれている実施形態において、単一の融解工具は、堆積されて堆積物を形成する溶融材料を形成するために使用され、第１の噴流装置は、溶融材料が堆積されてストリングを形成するときに、溶融池の自由表面と液体と固体との境界とに冷却ガス噴流を方向付け、且つ第２の噴流装置は、溶融材料が冷えるときに、同素変態又は析出を起こす可能性のある領域などの、凝固金属領域に冷却ガス噴流を方向付ける。
【図９】図９は、２つの融解工具を用いる本明細書で提供する方法と共に使用できる例示のシステムの概略側面図である。描かれている実施形態において、１つの融解工具は、基材表面を予熱して予熱領域を形成するために使用され、且つ第２の融解工具は、金属を母材の予熱領域上で加熱して溶融させ、堆積されたストリングを形成するために使用され、第１の噴流装置は、溶融材料が堆積されてストリングを形成するときに、溶融池の自由表面と液体と固体との境界とに冷却ガス噴流を方向付け、且つ第２の噴流装置は、溶融材料が冷えるときに、同素変態又は析出を起こす可能性のある領域などの、凝固金属領域に冷却ガス噴流を方向付ける。
【図１０Ａ】図１０Ａは、バルク冷却速度の差とＴｉ−６Ａｌ０４Ｖ材料の微細構造との相関関係を示す顕微鏡写真である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、バルク冷却速度の差とＴｉ−６Ａｌ０４Ｖ材料の微細構造との相関関係を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
ここで、本発明の実施形態について詳細に言及し、その例を添付図面に図示する。
【００３０】
Ａ．定義
別段の定めのない限り、本明細書で使用される全ての技術的及び科学的用語は、本発明が属する当該技術分野の当業者により一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中の開示全体を通じて参照される、全ての特許、特許出願、公開出願及び刊行物、ウェブサイト、並びにその他の公開資料は、別段の断りのない限り、それらの全体が参照により組み込まれる。本明細書中の用語について複数の定義が存在する場合、本節のものが優先する。
【００３１】
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈上別段の明確な指示のない限り、複数の指示対象を含む。
【００３２】
本明細書で使用される場合、範囲及び量は、「約」特定の値又は範囲として表すことができる。「約」は正確な量も含む。よって、「約５パーセント」とは「約５パーセント」及び「５パーセント」も意味する。「約」とは、意図される用途又は目的に対する典型的な実験誤差の範囲内を意味する。
【００３３】
本明細書で使用される場合、「任意選択の」又は「任意選択的に」とは、続いて説明される事象又は状況が起こるか又は起こらないことと、その説明には事象又は状況が起こる場合及び事象又は状況が起こらない場合が含まれることを意味する。例えば、システム内の任意選択の構成要素は、その構成要素がシステム内に存在してもしなくてもよいことを意味する。
【００３４】
本明細書で使用される場合、「組み合わせ」とは、２つの項目の間又は３つ以上の項目の中での任意の関係を指す。この関係は、空間的な関係とすることができ、又は共通目的のための２つ以上の項目の使用を指す。
【００３５】
本明細書で使用される場合、「付加製造」とは、「付加造形」及び「付加層製造」としても知られており、３Ｄモデルデータ、ワイヤ又は粉末などの、金属源、及び金属源を溶融させるためのエネルギー源（プラズマアーク、レーザ又は電子ビームなど）から物体の層毎の製造を実行する付加プロセスを指す。
【００３６】
本明細書で使用される場合、「付加製造システム」とは、付加製造で使用される機械を指す。
【００３７】
本明細書で交換可能に使用される「プラズマ移行型アークトーチ」又は「ＰＴＡトーチ」という用語は、電気アーク放電によりプラズマへの不活性ガス流を加熱して励起し、その後、オリフィス（ノズルなど）を通して電気アークを含むプラズマガスの流れを移送し、オリフィスから出て延伸してアークの強烈な熱を標的領域に伝達する抑制されたプルームを形成することができる、任意の装置を指す。
【００３８】
本明細書で使用される「金属材料」という用語は、３次元物体を形成するために立体自由形状造形プロセスで用いることができる任意の既知の若しくは考えられる金属又は金属合金を指す。好適な材料の例としては、限定されるものではないが、チタン及びチタン合金、すなわちＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金などが挙げられる。
【００３９】
本明細書で使用される場合、「プラズマアーク溶接トーチ」又は「ＰＡＷトーチ」とは、プラズマアーク溶接で使用できる溶接トーチを指す。トーチは、ガスが高温に加熱されプラズマを形成して導電性になり、次いで、プラズマが電気アークを加工物に移行させ、そして、アークの強烈な熱が金属を溶融させ且つ／又は２つの金属片を互いに融着させることができるように設計される。ＰＡＷトーチは、アークを絞るためのノズルを含むことができ、それにより、アークの出力密度を増加させる。プラズマガスは、典型的にはアルゴンである。プラズマガスを電極に沿って送給してカソードの近傍でイオン化し加速することができる。アークは、加工物の方に向けることができ、且つ（ＴＩＧトーチなどにおける）自由燃焼アークよりも安定している。ＰＡＷトーチはまた、典型的には、シールドガスを提供するための外側ノズルを有する。シールドガスは、アルゴン、ヘリウム、又はこれらの組み合わせとすることができ、且つシールドガスは、溶融金属の酸化を最小限に抑えるのを補助する。電流は、典型的には最大４００Ａであり、電圧は、典型的には約２５〜３５Ｖの範囲である（但し、最大約１４ｋＷとすることができる）。ＰＡＷトーチは、プラズマ移行型アークトーチを含む。
【００４０】
本明細書で使用される「母材」という用語は、融解工具からの熱に対するターゲット材料であって、その上に溶融池を形成できるターゲット材料を指す。融解工具は、ＰＡＷトーチ、ＰＴＡトーチ、レーザ装置、又はこれらの任意の組み合わせとすることができる。母材は、金属材料の第１の層を堆積させるときの保持基材となる。金属材料の１つ又は複数の層が保持基材上に堆積されたときに、母材は、金属材料の新たな層を堆積させるべき堆積した金属材料の上部層となる。
【００４１】
本明細書で使用される場合、「加工物」という用語は、立体自由形状造形法を使用して生産される金属物体を指す。
【００４２】
本明細書で交換可能に使用される「設計モデル」又は「コンピュータ支援設計モデル」又は「ＣＡＤモデル」という用語は、本発明の第２の態様による装置の制御システムにおいて用いることができる、形成すべき物体の任意の既知の又は考えられる仮想３次元表現であって、保持基材の位置及び移動を調整するように、且つ、物理的物体が、物体の仮想３次元モデルに従った物理的物体の構築を結果としてもたらすパターンで金属材料の連続した堆積物を保持基材上に融着させることにより構築されるように、ワイヤ供給器の組み込まれた溶接トーチを動作させるように用いることができる仮想３次元表現を指す。これは、例えば、まず仮想３次元モデルを１組の仮想平行層に分割し、次いで、平行層の各々を１組の仮想準１次元部片に分割することにより、３次元モデルの仮想ベクトル化積層モデルを形成することにより得られ得る。そして、物理的物体は、物体の仮想ベクトル化積層モデルの第１の層に従うパターンで、金属材料送給器の一連の準１次元部片を支持基材上に堆積させ融着させるように、制御システムを関与させることにより形成することができる。
【００４３】
その後、物体の仮想ベクトル化積層モデルの第２の層に従うパターンで、先に堆積した層の上に溶接可能な材料の一連の準１次元部片を堆積させ融着させることにより、物体の第２の層に対するシーケンスを繰り返す。物体全体が形成されるまで、物体の仮想ベクトル化積層モデルの各連続した層に対して、層毎に堆積及び融着プロセスの繰り返しが続く。しかしながら、本発明は、本発明による装置の制御システムを実行するいかなる特定のＣＡＤモデル及び／又はコンピュータソフトウェアにも拘束されず、且つ本発明は、いかなる特定の種類の制御システムにも拘束されない。制御システムが、ＰＡＷトーチ、ＰＴＡトーチ、レーザ熱源、又はこれらの任意の組み合わせなどの、１つ又は複数の融解工具を動作させるように調節される限り、立体自由形状造形により金属３次元物体を構築できる任意の既知の又は考えられる制御システム（ＣＡＤモデル、コンピュータソフトウェア、コンピュータハードウェア、及びアクチュエータなど）が用いられてもよい。本明細書で提供する噴流装置は、本明細書で説明する結晶粒微細化を達成するために、それらの融解工具と共に使用することができる。
【００４４】
本明細書で使用される場合、「高耐熱材料」とは、変形し難く、４００℃を超える温度にさらされたときに低熱膨張性を呈する材料を指す。例示の材料としては、チタン及びチタン合金が挙げられる。
【００４５】
本明細書で使用される場合、「噴流装置」とは、凝固、微細化に直接影響を与えて、堆積層を横切る結晶粒の成長、全体的な相変態、又はこれらの任意の組み合わせを阻止するために、溶融池表面に、又は溶融池を横切るように、又は液固境界を横切るように、又は液固境界の近傍の凝固金属上に、又は堆積された状態の固体ストリング上にその場で、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガス流又は冷却ガス噴流を方向付ける１つ又は複数のノズルを含む製造製品を指す。
【００４６】
本明細書で使用される場合、「その場で」とは、製造製品を堆積室の外に移動させていないことを意味し、付加製造プロセス中の乱流ガス噴流の適用を指す。
【００４７】
本明細書で使用される場合、「噴流」とは、ノズルにより噴出された冷却ガス流を指す。
【００４８】
本明細書で使用される場合、「ノズル」とは、冷却ガスの流れを調整するか又は方向付けることができる開口部を備えた突出部を指す。
【００４９】
本明細書で使用される場合、「冷却ガス」とは、凝固に直接影響を与えるとともに、堆積層を横切る結晶粒の成長を阻止するために、溶融池表面に、又は溶融池を横切るように、又は液固境界を横切るように、又は固液境界の近傍の凝固金属上に、又はこれらの組み合わせに方向付けられたガスである。ガスの温度は、ガスが相互作用する表面を冷却する任意の温度とすることができる。温度は、１００℃未満、又は５０℃未満、又は３０℃未満、又は２５℃未満、又は１０℃未満、又は５℃未満、又は０℃未満とすることができる。極低温のガスを使用することもできる。室温よりも冷たいガスの効果が、室温ガスで達成される効果とは大幅に異なる効果を有することは判明していないことが分かっている。
【００５０】
Ｂ．噴流装置
本明細書では、噴流装置が提供される。噴流装置は、溶融金属の凝固に直接影響を与えるとともに、堆積層を横切る結晶粒の成長を阻止するために、溶融池表面に、又は溶融池を横切るように、又は液固境界を横切るように、又は液固境界の近傍の凝固金属上に、又は凝固金属上に、又はこれらの任意の組み合わせにガス噴流又はガス流を方向付けるように構成される。噴流装置を使用して、溶融池表面に、又は溶融池を横切るように、又は液固境界を横切るように、又は液固境界の近傍の凝固金属上に、又は凝固金属上に、又はこれらの任意の組み合わせにガス噴流を方向付けることを含む、噴流装置及びシステム及び方法は、従来の金属付加製造プロセスにおいて典型的な粗い伸長結晶粒構造を形成する方向性凝固を最小限に抑えるか又は防止することができる。典型的な付加製造プロセスでの方向性凝固は、典型的な付加製造プロセスに伴う急峻な熱勾配の結果である。
【００５１】
本発明は、噴流装置又は噴流装置の組み合わせを提供することと、噴流装置又は噴流装置の組み合わせを利用することとを伴い、各噴流装置は、溶融金属の凝固に直接影響を与えるとともに堆積層を横切る結晶粒の成長を阻止するか、又は強制対流冷却の適用により付加製造において温熱条件を制御する能力を向上させるために、溶融池表面に、又は溶融池を横切るように、又は液固境界を横切るように、又は液固境界の近傍の凝固金属上に、又は凝固金属上に、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガス流を方向付ける、複数の噴流ノズルを備える。噴流装置は、２つの別個の導管を含む。単一体を形成するように導管を横材により接続することができる。単一体構成は、融解工具との関係での噴流装置の配置に役立つことができる。それにもかかわらず、噴流装置は、２つの別個のセグメントとして提供することができる。別個のセグメントは、本明細書で説明するように、装置からのガス噴流が標的領域に衝突するように最適な位置及び角度を提供する任意の取付具を用いて、融解工具に、又はワイヤ送給器若しくは金属粉末送給器などの、金属材料送給器に取り付けることができる。
【００５２】
各導管は、別々に又は単一体として接合されたときに、噴流装置が溶融池又は溶融池の近傍の領域に冷却ガスを送出する場合には一方側が、融解工具を備える設備の一部分に、或いは噴流装置が溶融池の下流側の凝固材料に冷却ガスを送出する場合には一方側が、金属材料送給器に取り付けられる。各導管の反対側は、加工物の方に向けられて融解工具から離れる方向に向けられた１つ又は複数の噴流ノズルを備える。各噴流ノズルは、導管を通して冷却ガスを送出して冷却ガスが各ノズルの開口を通過できるようにノズルと導管との流体連通を可能にする、導管の開口に接続され、且つ各ノズルは、同素変態ゾーン、又は合金成分を規則化して二次相粒子を形成する、析出反応が起こる領域などにおける、溶融池表面に、又は溶融池を横切るように、又は液固境界を横切るように、又は液固境界の近傍の凝固金属上に、又は固液境界を越えた所の凝固金属上になど、所定の箇所に別々に向けることができる。いくつかの構成において、ノズルは、溶融池表面、溶融池を横切る箇所、液固境界を横切る箇所、液固境界の近傍の凝固金属上、及び固液境界を越えた所の凝固金属上の中から選択された２つ以上の箇所に冷却ガス流を方向付けることができる。各導管は、一方の端部に流体コネクタを有する。流体コネクタは、導管を冷却ガス源に接続することを可能にする。導管の反対側の端部は封止される。導管の直径は、各ノズルが取り付けられる開口よりも大きい。例えば、ノズルの直径は約１〜約１０ｍｍの範囲とすることができ、その一方で、ノズルに取り付けられた開口部又は開口の直径は約０．５〜約５ｍｍの範囲とすることができる。いくつかの構成において、ノズル及び開口部の直径は、同じであり、且つ約０．５〜約５ｍｍ、又は約１〜約３ｍｍの範囲とすることができる。ノズルの総数は、噴流装置が取り付けられる場所の空間的制約によってのみ制限される。いくつかの構成において、ノズルの数は、約４〜約２４とすることができる。個別のノズルの代わりに、方向付けられた冷却ガスの乱流を生成するように設計された連続したガスディフューザ又は格子もまた、噴流装置のガス出口として使用することができる。
【００５３】
各導管は、導管に取り付けられたノズル又は１組のノズルに冷却ガスを提供する。各導管は、分岐させることができ、若しくはチャネルを含むことができ、又は別個の冷却ガス流を各ノズルに個別に送出するための、パイプ、管、若しくはラインを含むことができる。各導管におけるノズルは、各列が１つ、２つ、３つ、又は４つのノズルを含む、列になるように構成することができる。ノズルは、各ノズルへのガス流れ又は異なる組のノズル内への別個のガス流れを個別に調節することを可能にするように構成することができる。
【００５４】
一方又は両方の導管は、１つ又は複数のセンサを含むことができる。導管は流量計を含むことができ、この流量計は、導管を通るガスの流量を測定することを可能にする。システムでは、当該技術分野で知られている任意の流量計を使用することができる。流量計は、パドルホイール流量計、タービン流量計、磁気式流量計、光学センサ、電磁速度センサ、コリオリ力流量計、熱流量計、超音波流量計、又は当技術分野で知られている他の任意の種類の流量計を含むことができる。当該技術分野で知られている流量計の例は、米国特許第４，４２２，３３８号明細書（Ｓｍｉｔｈ，１９８３）、米国特許第４，８３８，１２７号明細書（Ｈｅｒｒｅｍａｎｓ  ｅｔ  ａｌ，１９８９）、米国特許第５，５９４，１８１号明細書（Ｓｔｒａｎｇｅ，１９９７）、米国特許第７，７０７，８９８号明細書（Ｏｄｄｉｅ，２０１０）、及び米国特許第７，７３０，７７７号明細書（Ａｎｚａｌ  ｅｔ  ａｌ，２０１０）において説明されている。いくつかの構成において、導管は、流量計の配置又は取り付けのための、切り欠き、窪み又は突起を含むことができる。
【００５５】
導管は、導管の温度若しくは導管内の冷却ガスの温度又はその両方の測定を可能にする、温度センサを含むことができる。当該技術分野で知られている任意の温度センサを使用することができる。例示の温度センサとしては、熱電対、抵抗温度検出器、サーミスタ、赤外線温度計、バイメタル装置、液体膨張装置、及びこれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの構成において、導管は、温度センサの配置又は取り付けのための、切り欠き、窪み又は突起を含むことができる。
【００５６】
噴流装置はまた、加工物の温度を測定するための１つ又は複数の温度センサを含むことができる。いくつかの構成において、溶融池に又は溶融池のごく近傍に冷却ガス噴流を方向付けるように構成された噴流装置は、加工物の表面若しくは溶融池の表面又はこれらの組み合わせに向けられた温度センサを含むことができる。同素変態ゾーンなどの、加工物の凝固金属領域の方に冷却ガス噴流を方向付けるように構成された噴流装置は、関連する温度領域にわたる冷却速度を測定し且つ／又は制御するために、冷却ガス噴流が衝突する又は冷却ガス噴流にさらされる領域よりも前の加工物の表面に向けられた第１の温度センサと、冷却ガス噴流が衝突する又は冷却ガス噴流にさらされる領域よりも後ろの加工物の表面に向けられた第２の温度センサとを含むことができる。この装置は、溶融池の凝固直後の凝固後ゾーンに向けられた温度センサを含むことができる。装置は、変態後ゾーンに向けられた温度センサを含むことができ、堆積され凝固した金属の冷却により、同素変態又は他の熱化学反応が起こる可能性がある。当該技術分野で知られている任意の温度センサ、特に非接触温度センサを使用することができる。例示の温度センサとしては、赤外線温度計及び赤外線高温計が挙げられる。いくつかの構成において、導管は、温度センサの配置又は取り付けのための、１つ若しくは複数の切り欠き、窪み又は突起を含むことができる。導管は、高耐熱材料で作製できるか又は高耐熱材料を含むことができる。例示の高耐熱材料としては、チタン及びチタン合金、タングステン及びタングステン合金、ステンレス鋼、インコネル合金及びハステロイ合金などの、クロムとニッケルとを含む合金、並びにニッケル、鉄、コバルト、銅、モリブデン、タンタル、タングステン、及びチタンのうちの２つ以上を含む合金が挙げられる。いくつかの構成において、導管は、チタンか、又はＡｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、及びＭｎの１つ若しくは組み合わせとの組み合わせでＴｉを含有するチタン合金で作製される。いくつかの構成において、導管は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で作製される。
【００５７】
各導管は、溶融装置及び追加の供給原材料により生成された溶融池の後縁部に向けて、進行方向とは反対側に角度付けされるように構成された、複数の噴流ノズルを導管の腹側に含むことができる。ノズルは、溶融池表面に、又は溶融池を横切るように、又は液固境界を横切るように、又は液固境界の近傍の凝固金属上に、又は液固境界を越えた所の凝固金属になど、所定の箇所に冷却ガスの乱流を方向付ける。各ノズルは、ノズルと導管との間に形成される角度が８０°未満、又は７０°未満、又は６０°未満、又は５０°未満、又は４０°未満、又は３０°未満などの、９０°未満となるような任意の角度を導管に対してなすように位置決めすることができる。好ましい角度の範囲は、水平から約７０°〜約３０°である。ノズルは、トーチなどの、融解工具に向けて冷却ガスを吹き付けるのを防止するように構成し位置決めすることができ、この吹き付けは、アークを乱すか、又は消耗電極若しくは金属ワイヤを溶融させる融解工具の能力の効率を低下させる可能性がある。
【００５８】
噴流ノズルは、任意の形状を有することができる。いくつかの構成において、ノズルは、円筒形状を有する、管状となるように構成される。ノズルは、矩形、六角形、八角形、長円形、又は非対称形状を有することができる。ノズルの断面は、任意の形状とすることができる。ノズルの断面開口部の例示の形状としては、円形、長円形、卵形、正方形、矩形、菱形、六角形、及び八角形が挙げられる。ノズルから出るガスの乱流を促進するように不均一断面又は非対称断面を選択することができる。
【００５９】
ノズルの壁の厚さは、ノズルを通って流れる冷却ガスの圧力に耐えるのに十分な厚さである。壁の厚さはまた、付加製造プロセス中に噴流装置がさらされる可能性のある温度での熱変形を最小限に抑えるように選択することができる。例えば、ノズルの壁厚は、約０．２５〜約５ｍｍ、又は約０．５〜約３ｍｍの範囲内とすることができる。
【００６０】
ノズルは、オリフィスを含み、このオリフィスを通って、冷却ガスが加工物に向かって流れる。ガスノズルのオリフィスは、任意の幾何学的形状又は形状を有することができる。オリフィスは、円形、長円形、正方形、矩形、菱形、六角形、又は八角形とすることができる。ノズルから出るガスの乱流を促進するように、オリフィスの不均一断面又は非対称断面を選択することができる。ノズルのオリフィスは、約０．５〜約５ｍｍ、又は約１〜約３ｍｍの直径を有することができる。オリフィスの直径は、ノズルの内径と同じか又は内径よりも小さい直径とすることができる。ノズルのオリフィスの直径がノズルの内径よりも小さい場合、オリフィスを出るガスの速度は、導管内のガスの速度よりも高速とすることができる。ノズルは、複数のオリフィスを含むことができる。
【００６１】
冷却ガスは、各導管の入口を通って噴流装置内に入り、ノズルの各々を通って噴流装置を出る。各ノズルは、１組のノズルに冷却ガス源を送出することができる。各導管は、分岐させることができ、又は各ノズルに別個の冷却ガス流を個別に送出するためのチャネルを含むことができる。噴流装置に送出されるガスの最大流量は、典型的には、冷却噴流装置の構成及び配置に応じて、約５００Ｌ／分、又は４００Ｌ／分、又は３００Ｌ／分、又は２００Ｌ／分とすることができる。例えば、溶融池の表面に衝突する冷却ガス噴流を送出する噴流装置については、乱流のガス流れが、融解工具又はその適用経路を介して適用される溶融金属を変形させないように、又はストリングに適用される溶融金属を飛散させず不安定化させないように、又は溶融池の安定性若しくは形状に悪影響を及ぼさないように、冷却ガス流量を選択することができる。冷却ガスの流量の範囲は、約１Ｌ／分〜約１５０Ｌ／分、典型的には約５Ｌ／分〜約１００Ｌ／分とすることができる。結晶粒微細化効果を効果的に達成するための最小流量は、加工すべき材料と噴流装置の設計とに応じて、典型的には１０Ｌ／分である。各ノズルへの冷却ガスの流れを別々に制御できる構成では、溶融池の金属と比較して、凝固した状態の金属により多い冷却ガス流量を方向付けることができる。堆積され凝固した状態の材料にその場で適用される冷却ガスの流量は、溶融池に方向付けられるガス流れよりも大幅に多くなる可能性がある。これらの冷却噴流装置では、堆積され凝固した状態の材料の表面にその場で方向付けられる冷却ガスの流量は、最大５００Ｌ／分とすることができる。噴流装置のノズルからのガス流量の別個の制御を可能にするために、別個のガス供給源を各冷却噴流装置に接続することができる。例えば、第１のガス供給源は、溶融池に又は溶融池の近傍に向けられた噴流装置に冷却ガスを提供し、且つ第２のガス供給源は、堆積され凝固した状態の材料に向けられた噴流装置に接続される。各ガス供給源は、調整器に接続された導管に接続された冷却噴流装置に供給されるガスの流量を調節するために手動で又はコンピュータ制御などによって自動で調節できる調整器を含むことができる。噴流装置が複数の別個の導管を含む構成では、各導管への冷却ガスの流れを別々に制御できるように、装置の各導管を別個の調整器に接続することができる。
【００６２】
冷却ガスは、ノズルからの定常流として提供することができる。冷却ガスは、ノズルから間欠的に又は脈動で提供することができる。冷却ガスの間欠流又は脈動流は、冷却ガスの衝突領域から熱エネルギーを分散させるのに役立つことができる。ガスを間欠的に提供することは、弁スイッチを使用することにより達成することができる。脈動流とは、経時的に変化する現象の大きさ、位相、及び他の特性に関して限定されずに、経時的に変化するガス流量を指す。脈動流は、典型的には、経時的に変化する複数の異なるガス流量の連続的な反復使用を含む。ガスの脈動化は、経時的に変化する高流量及び低流量条件が示されるような時間にわたって行われる。ガスの脈動流は、当該技術分野において知られている任意の方法又は装置を使用して提供することができる（例えば、米国特許第５，９５４，０９２号明細書（Ｋｒｏｕｔｉｌ  ｅｔ  ａｌ，１９９９）、米国特許第６，６７９，２７８号明細書（Ｌｅｍｏｉｎｅ  ｅｔ  ａｌ，２００４）、及び米国特許第９，５６６，５５４号明細書（Ｗｕｅｔ  ａｌ，２０１７）を参照）。
【００６３】
各導管は、少なくとも１つのノズルを含むことができ、その結果、最低２つのノズルが、溶融池表面に、又は溶融池を横切るように、又は液固境界を横切るように、又は固液境界の近傍の凝固金属上に、又は固液境界を越えた所の凝固金属上に、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付ける。噴流装置に存在するノズルの総数は、所望の構成に応じて異なる数とすることができる。いくつかの構成において、噴流装置は、総数が２〜２４のノズルを有する。各導管におけるノズルの数は、同じか又は異なる数とすることができる。例えば、各導管が１０個のノズルを含むことができ、２０個のノズルを備えた噴流装置が得られる。別の例では、１つの導管が８個のノズルを有することができ、且つ他の導管が１２個のノズルを有することができ、２０個のノズルを備えた噴流装置が得られるが、この噴流装置は、各導管に１０個のノズルを有する第１の噴流装置とは異なる構成を有する。
【００６４】
ノズルの数、構成、及び間隔は、ノズルから噴出される冷却ガスによる適用範囲が、形成される加工物の所望の長さをカバーするように選択することができる。例えば、プラズマ及びワイヤに基づくシステムなどの、高堆積速度プロセスでは、ノズルの数及びノズル構成は、進行方向に沿って、約５ｍｍ〜約５０ｍｍ、又は約１０ｍｍ〜約４０ｍｍ、又は約１５ｍｍ〜約３０ｍｍの長さをカバーする冷却ガスが送出されるように選択することができる。ノズルは、進行方向に沿って約２０ｍｍの長さをカバーする冷却ガスを送出するように構成することができる。
【００６５】
各ノズルの長さは、同じ長さとすることができ、又は異なるノズルは、異なる長さを有することができる。典型的には、各ノズルは、オリフィスからの方向性のある流れを生成するのに十分な長さを有することができる。例えば、長さは、約２．５ｍｍ〜約２５ｍｍ、又は約５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内とすることができる。各ノズルの長さ及び各ノズルの位置は、冷却ガスの流れを堆積された溶融材料全体に適用できるように選択することができる。ノズルは、対又は群で提供することができ、各ノズルの長さ及び各ノズルの位置は、対の一方の部材、又は群のいくつかの部材が、１つの箇所に衝突するように冷却ガスを方向付け、且つ対の他方の部材、又は群の他の部材が、別の箇所に冷却ガスを方向付ける、構成をもたらすように選択される。例えば、１群のノズルは、溶融池表面に向けることができ、その一方で、別の群のノズルは、凝固材料に向けることができる。
【００６６】
ノズルの数、構成及び間隔は、溶融池表面の近傍、又は液固境界、又は液固境界の近傍の凝固金属、又はこれらの任意の組み合わせにおいて乱流ガス流れを促進するように選択することができる。例えば、ノズルは、少なくとも２つのノズルからの冷却ガスの噴流が互いに衝突して乱流を生み出すように位置決めすることができる。ノズルの１つ又は複数は、冷却ガスの層流を妨げて乱流を促進するように、ノズルのオリフィス内又はノズルの本体内に突起若しくは窪み又はこれらの組み合わせを含むことができる。また、ノズルを出た冷却流体が層流ではなく乱流を呈するように、ノズルを通って流れる冷却ガスの速度を監視して調節することができる。乱流は、衝突するガス噴流と加工物付近の層流境界層との相互作用中に生み出すことができる。冷却効果は、冷却ガスの乱流により高まる。導管は、冷却ガス流路に１つ又は複数のバッフルを含むことができる。バッフルに当たるガスは、バッフルとの衝突時の衝撃により誘起された方向性のある運動エネルギーを、乱流混合又は乱流をもたらす回転エネルギーに変換することができる。
【００６７】
融解工具又は溶融池又は金属材料送給器又はこれらの任意の組み合わせから噴流装置を断熱するために、断熱材料を使用することができる。断熱材料は、噴流装置と融解工具との間に、又は噴流装置と金属材料送給器との間に、又は加工物の溶融池に面する噴流装置の表面上に位置決めすることができる。
【００６８】
断熱材料は、プラズマアーク、レーザ装置又は溶融池付近の温度で使用するのに好適な任意の材料を含むことができる。断熱材料は、断熱セラミックとするか、又は断熱セラミックを含有することができる。そのようなセラミックは、当該技術分野において知られており、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｙ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｃｅ、Ｉｎ、及びＳｎの酸化物又は窒化物、並びにこれらの組み合わせを含むことができる（例えば、米国特許第６，３４４，２８７号明細書（Ｃｅｌｉｋ  ｅｔ  ａｌ．，２００２）、米国特許第４，５４０，８７９号明細書（Ｈａｅｒｔｈｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，１９８５）、及び米国特許第７，８９２，５９７号明細書（Ｈｏｏｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，２０１１）を参照）。断熱材料は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化マグネシウム、酸化マグネシウム、石英、窒化ケイ素、窒化ホウ素、若しくは二酸化ジルコニウム、又はこれらの混合物若しくは組み合わせとするか、或いはこれらを含有することができる。
【００６９】
溶融池へのガス噴流の送出のために構成された噴流装置の例示の実施形態の斜視正面図が図１に示されている。加工物の進行方向は矢印で表されている（この例では、描かれている進行方向は観察者に向かう）。図に描かれている噴流装置１００は、ガス噴流３０を加工物の堆積ストリング９５及び溶融池９０に向けて方向付ける５対のノズル２５を一方側に含む第１の導管１０を含む。図示の噴流装置はまた、加工物の堆積ストリング９５及び溶融池９０の方にガス噴流８０を方向付ける５対のノズル７５を含む第２の導管６０を含む。噴流装置１００は、溶融材料を堆積させてストリング９５を形成するときに、溶融池の自由表面と液体と固体との境界とに冷却ガス噴流を方向付ける。冷却ガス供給源４０は、第１の導管入口１５に冷却ガスを提供する。冷却ガス供給源５０は、冷却ガスを第２の導管入口６５に提供する。図ではガス噴流のみを視認できるが、導管及びノズルの同様の構成が融解工具２００の反対側に存在する。
【００７０】
典型的な構成において、融解工具は、溶融池よりも上に位置することができ、且つワイヤ供給原料又は粉末供給原料は、溶融池に又は融解アーク若しくはビーム中に供給される。噴流装置はまた、噴流装置の各導管が融解工具の両側に装着されるように、且つ溶融池自由表面に又は液状溶融材料と固体溶融材料との境界に冷却ガスの噴流を方向付けるようにノズルを向けることができるように、位置決めすることができる。
【００７１】
溶融池へのガス噴流の送出のために構成された噴流装置の例示の構成の部分切り欠き側面図が図２に示されている。描かれている噴流装置は、１群のノズル２５を含む第１の導管１０と、１群のノズル７５を含む第２の導管６０とを含む。同様の構成は、噴流装置が取り付けられる融解工具２００の反対側でも生じる。図示の噴流装置は、単一体を形成するように融解工具の両側の導管が横材８５により接続されていることを示している。また、図２には、導管１０内の内部ディフューザ２０と導管６０内のディフューザ７０とが示されており、これらディフューザは、ノズルからのガス圧及びガス流れを均一にするのに役立つことができる。灰色の線３０及び８０は、それぞれノズル２５及び７５からのガス噴流方向を表す。冷却ガスは、入口１５を通して導管１０に提供され、且つ入口６５を通して導管６０に送出される。また、図２には、金属ワイヤ３５０を溶融池９０よりも上の位置に送出するワイヤ送給器３００が示されている。
【００７２】
噴流装置から溶融池９０への、若しくは液状溶融材料と固体溶融材料との境界への、又はその両方へのガス噴流３０及び８０としての冷却ガスの適用は、核形成して溶融池自由表面から対向する凝固前面を伝播させ、層を横切る方向性結晶粒の連続的成長を阻止するより微細な結晶粒の上部キャップを形成するのに役立つことができる。この効果は、典型的には凝固速度がより低い高堆積速度プロセスにおいてより顕著になる可能性があり、且つ方向性凝固前面は、上部キャップが形成されて連続層により再溶融させる深さよりも遠くまで伝播するのに十分にゆっくりと移動する。このメカニズムは図３に図示されている。
【００７３】
図３に図示するように、左端では、従来型の付加製造の間の金属の堆積が、凝固した状態の粗い結晶粒構造をもたらし、且つ柱状結晶の成長を示すことができる。合金に応じて、結果として得られる結晶粒構造は、高アスペクト比を有する伸長したものとなる可能性がある。このことは、典型的には、過熱した溶融金属がストリングにおける加工物に付加されたときに比較的低温の加工物によりもたらされる方向性のある熱除去に起因している。これらの従来のプロセスでは、凝固の発生は、先に堆積された金属層から始まり、堆積層が冷えるにつれて、堆積された材料まで伝播する。凝固した状態の結晶粒構造は、多くの場合、いくつかの層を横切って延在する可能性があり、且つ大きさが数センチメートルまで成長する可能性がある。これらの特性は、典型的には、機械的特性に悪影響をもたらし、低下した及び／又は異方性の強度、伸び、並びに疲労性能を生じさせる。
【００７４】
本明細書で提供する噴流装置は、冷却ガスを送出する。冷却噴流装置により送出される冷却ガスは、付加製造中にストリングを形成するための溶融金属の堆積に使用される溶接プロセスを妨げない任意のガスとすることができる。例示の冷却ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、及びこれらのブレンドが挙げられる。典型的には、冷却ガスは、アルゴンを単独で又は別のガスと組み合わせて含む。噴流装置の入口に送出される冷却ガスの温度は、典型的には、１００℃未満、又は８０℃未満、又は６０℃未満、又は４０℃未満、又は２５℃未満である。冷却ガスは、約２５℃以下、又は約２０℃以下、又は約１５℃以下、又は約１０℃などの、およそ室温以下の温度で噴流装置の入口に送出することができる。冷却ガスは、約−１９５℃〜約２５℃の温度で噴流装置の入口に送出することができる。噴流装置による溶融池への、若しくは溶融材料が冷えるときの液体と固体との境界への、又はその両方への冷却ガスの適用により、結果として、金属結晶粒の効率的な微細化がもたらされ、冷却ガスが適用されない場合に得られる結晶粒よりも微細な結晶粒が生成される。
【００７５】
噴流装置から溶融池への、若しくは溶融材料が冷えるときの液体と固体との境界への、又はその両方への冷却ガスの適用はまた、従来の付加製造技術を使用して典型的に存在する方向性凝固前面の温度勾配を低減するのに役立つことができる。方向性凝固前面における温度勾配の低減は、自由な溶融池表面に適用される冷却ガスの冷却効果により、連続的伝播を不安定にする可能性がある。
【００７６】
噴流装置から溶融池への、若しくは溶融材料が冷えるときの液体と固体との境界への、又はその両方への冷却ガスの適用はまた、液固境界に隣接する凝固した状態の材料への冷却効果により凝固の方向を変えるのに役立つことができる。冷却ガスの適用は、溶融池の後縁部からの熱除去を変化させることができる。冷却ガスの適用はまた、全体の凝固速度を増加させることもできる。上で詳述したメカニズムの結果として柱状結晶粒構造の形成が最小限に抑えられるか又は防止される。結晶粒微細化は、本明細書で提供する噴流装置による冷却ガスの適用により促進される効果である。本明細書で提供する噴流装置による冷却ガスの適用の結果として、ほぼ等軸の結晶粒構造の形成などの、結晶粒微細化が促され、これにより、製造製品の機械的特性が向上する。
【００７７】
噴流装置の効果を最大化するために、他のプロセスパラメータは、典型的には、ガス噴流が衝突するように溶融池の特定の長さが維持され、且つ加工物の温度勾配が最小限に抑えられるように、加工温度及びエネルギー投入量を管理することにより、凝固前面の破断を促すように設定される。例えば、加工温度は、どの合金が利用されるかによって決まるが、典型的には約３００℃〜約７５０℃の範囲内に維持される。エネルギー投入量は、どの合金が利用されるかによっても決まる。高堆積速度のプラズマ及びワイヤに基づくプロセスでのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖに対する有効エネルギー投入量は、典型的には、約３００Ｊ／ｍｍ〜約１０００Ｊ／ｍｍとすることができる。加工物の熱勾配は、より高い加工物温度（パス間温度）で且つ単位長さ当たりのより少ないエネルギー投入量で加工することにより最小限に抑えることができる。
【００７８】
付加製造中に特徴的に発生する粗い柱状凝固構造の排除は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ製品などの、チタン系製品を含む、付加製造製品において強度、延性及び疲労特性の最適なバランスを達成するのに有益であると予想される。本明細書で提供する噴流装置を使用して溶融池の液固境界に冷却ガス噴流を方向付けることなどにより、溶融池条件を操作することにより、溶融池自由表面における対向する凝固前面を誘起して加速させる。これにより、生じ得る望ましい結晶粒ばらつきの数に制限を課す可能性のある伸長柱状構造の形成を低減するか又は大幅に排除することができ、それにより、堆積材料における結晶配向の多様性を増加させる。
【００７９】
付加製造中に、堆積された材料は、溶融池から凝固結晶領域を通って凝固金属領域及び微細構造遷移領域までの温度の変化を受ける。したがって、金属凝固領域若しくは金属遷移領域、又はその両方における冷却速度を制御又は操作することなどにより、溶融池に加えて堆積プロセス全体を通して条件を操作することにより、所望の微細構造の形成を促進することができる。合金に応じて、同素変態又は他のメカニズムにより形成される微細構造の結晶化度及び形態は、堆積された材料が冷えて凝固及び固相変態を起こすときの合金格子における異なる結晶学的方向間の界面エネルギー、拡散速度及び熱伝導率の差に起因する、配向関係、結晶粒界の核形成及び整合によって凝固した状態の結晶粒構造の影響を受ける可能性がある。熱履歴の差は、多くの合金における異なる結晶粒界での歪応答に顕著な差をもたらす可能性がある。
【００８０】
本明細書で提供する噴流装置は、堆積プロセス全体を通して冷却速度を制御又は調整し、それにより、付加製造により生産される部片の熱履歴に影響を与えるために使用することができる。冷却ガスの噴流の集中した乱流による強制冷却は、熱伝達、熱伝導率、熱エネルギー放散、及び固相転移を制御するために、噴流装置を使用して凝固した状態の材料に適用することができる。噴流装置は、連続層形成の際の加工物の温度を事前調整して均一にするために、ストリング堆積の合間に堆積物の標的領域での局所冷却及び温度測定を達成することができる。
【００８１】
凝固金属領域にガス噴流を送出するように構成された噴流装置の例示の構成の側面図が図７に示されている。描かれている冷却噴流装置５００の実施形態は、冷却ガス噴流５３０を生成し且つワイヤ送給器３００の一方側に取り付けられる複数のノズル５２５を含む。同様の構成は、噴流装置が取り付けられるワイヤ送給器３００の反対側でも生じる可能性がある。代替実施形態において、１列又は複数列のノズルは、噴流装置が取り付けられるワイヤ送給器の下表面に存在することができる。代替実施形態において、噴流装置は、加工物に平行又はほぼ平行なＵ字状導管を含むことができ、Ｕ字状導管のアームは、加工物の成形ストリングの片側に位置することができ、且つ加工物の方に下向きに向けられたノズルを含む。ノズルは、冷却ガス噴流５３０が加工物の上面に、又は加工物の側面に、又は加工物の上面と少なくとも１つの側面の両方に衝突するように向けることができる。代替実施形態において、噴流装置は、加工物に平行又はほぼ平行な三叉又はΨ字状導管（Ｕ字のアームに平行な別個の導管が分岐するＵ字状導管）を含むことができ、サイドアームは、加工物の成形ストリングの片側に位置し、且つ成形ストリングの上面又は成形ストリングの側面の方に下向きに向けられたノズルを含み、中央導管は、加工物の成形ストリングの上面の方に下向きに向けられたノズルを含む。代替実施形態において、噴流装置は、各導管がそれ自体のガス供給源を備えた、平行な３つの別個の導管を含むことができる。一方の外側導管は、堆積ストリングの一側面に向けられたノズルを含むことができ、他方の外側導管は、堆積ストリングの他の側面に向けられたノズルを含むことができ、且つ中央導管は、堆積ストリングの上面に向けられたノズルを含むことができる。センサ及び噴流装置の位置決めは、冷却速度を決定して冷却速度をもたらすのに重要であると考えられる目標温度領域に応じて調節することができる。それゆえ、位置決めは、堆積させるべき金属合金に基づいて調節することができる。
【００８２】
また、図７には、冷却ガスの噴流の適用ゾーンの前方の加工物表面上で温度読み取りが行われることを可能にするように取り付けられた温度センサ５５０が示されている。また、図７には、冷却ガスの噴流の適用後の加工物表面上で温度読み取りが行われることを可能にするように噴流装置５００の後方に取り付けられた温度センサ５６０が示されている。加工物の進行方向は矢印Ｄで表されている（この例では、描かれている加工物の進行方向は左から右に向かう）。図７に描かれている実施形態では、冷却噴流装置５００及び温度センサ５５０、５６０が、ワイヤ送給器３００に接続されて示されているが、そのような取り付けは単なる例示にすぎない。融解工具２００に伴う移動と、加工物の所望の表面への冷却ガスの適用と、加工物の適切な温度測定とを可能にする、システムの１つ又は複数の構成要素に冷却噴流装置５００及び温度センサ５５０、５６０のいずれかを取り付けるために、ブラケット又は取付アームを別々に使用することができる。ガス噴流は、溶融池又は金属の移動を妨げず且つ堆積ストリングに沿った後方へのガス流れにより冷却を提供するように方向付けられる。凝固金属への冷却ガスの適用により、温度センサからの温度読み取り値により決定された時間にわたって好適な局所冷却を達成でき、それにより、材料付加中の冷却速度の連続制御と、ストリング堆積の合間の局所的な事前調整とを達成することができる。溶融池の後ろの凝固した金属加工物の領域に向けられた噴流装置からの冷却ガス噴流の流量は、その場で測定を行うことにより、又は冷却ガス噴流の衝突領域の前後の温度センサから受信した読み取り値に基づいて、予めプログラムされたコンピュータ制御されたスケジュールに従うことにより、加工中の加工物の温熱条件に基づいて調節することができる。好適な冷却は、冷却ガスの衝突領域の前後の温度センサから受信したデータにより決定できる、一定時間にわたって冷却ガスの流れを適用することにより達成することができる。温度センサ及び噴流装置の位置決めは、冷却速度を捕捉して冷却速度に影響を及ぼすのに加工物のどの温度領域が最も重要であるかによって決まることができる。位置決めは、堆積させるべき金属合金に基づいて調節することができる。
【００８３】
噴流装置は、材料付加中の冷却速度の連続制御と、堆積プロセスを終了させないままでのストリング堆積の合間の事前調整とを可能にする。流量は、温度センサからのデータの監視により手動で、又は目標冷却速度を達成するために温度から温度データを受信して流量若しくは持続時間又はその両方を調節するコンピュータを使用して自動的に、加工中の加工物の温熱条件の変化に基づいて調節することができる。赤外線温度センサは、加工物が受ける堆積プロセスの関連する温度範囲に合わせて選択及び較正することができる。センサデータは、１Ｈｚ以上の速度で測定して保存することができる。温度データは、堆積プロセスのインプロセスフィードバック制御を可能にするためにプロセス制御システムにおけるコンピュータにより取り込むか、ポストプロセスで視認して、堆積スケジュールを生成するための反復堆積物開発段階の一部として手動で調節するか、又はこれらの技術の組み合わせとすることができる。流れは、第１の堆積層においてゼロ又はほぼゼロとし、次いで、残留熱が蓄積するにつれて増加させることができる。流量は、ゼロ又はほぼゼロ〜最大約５００Ｌ／分の範囲とすることができる。流量は、ゼロ又はほぼゼロ〜最大約４００Ｌ／分の範囲とすることができる。流量は、ゼロ又はほぼゼロ〜最大約３００Ｌ／分の範囲とすることができる。いくつかの用途において、冷却ガス流量は、少なくとも１０Ｌ／分、又は少なくとも２５Ｌ／分、又は少なくとも５０Ｌ／分、又は少なくとも１００Ｌ／分、又は少なくとも１５０Ｌ／分、又は少なくとも２００Ｌ／分、又は少なくとも２５０Ｌ／分、又は少なくとも３００Ｌ／分、又は少なくとも３５０Ｌ／分、又は少なくとも４００Ｌ／分、又は５００Ｌ／分以下、又は４５０Ｌ／分以下、又は４００Ｌ／分以下、又は３５０Ｌ／分以下、又は３００Ｌ／分以下、又は２５０Ｌ／分以下、又は２００Ｌ／分以下、又は２５０Ｌ／分以下、又は２００Ｌ／分以下、又は１５０Ｌ／分以下、又は１００Ｌ／分以下、又は５０Ｌ／分以下とすることができる。冷却ガスは、加工すべき合金の要件に応じて、不活性又は非不活性とすることができる。冷却ガスは、元素ガスとするか、又は異なるガスの混合物とすることができる。
【００８４】
噴流装置は、堆積中に付与された過剰な熱エネルギーを効果的に除去するために、これらの領域に一定時間にわたって好適な冷却を適用することできる。噴流装置は、堆積ストリングの堆積領域での局所冷却速度及び温度測定のみならず、局所的な冷却速度制御を達成するために、堆積が行われている間に冷却ガスを堆積金属上に直接適用することを可能にし、連続層形成の際の加工物の温度を事前調整するか若しくは均一にするか又はその両方を行うことを可能にする。高速度の冷却ガスは、堆積された材料の連続層の領域に噴流装置により送出することができる。
【００８５】
従来の溶接プロセスでは、堆積された材料を周囲雰囲気から保護するとともに、溶接金属の汚染を回避するために、溶接トーチの後を追うシールドガス装置を適用して、層流ガスカーテンを凝固材料の方に向けることができる。このガスの層流は、温度放散若しくは冷却速度に影響を及ぼすか又は温度放散若しくは冷却速度を制御するには不十分である。本明細書で提供する噴流装置は、ガスの乱流をもたらすのに十分な流量で冷却ガスの噴流を適用する。噴流装置のノズルからの冷却ガスの乱流は、典型的には、ノズルを通る冷却ガスの高速度により達成することができる。
【００８６】
Ｃ．システム
典型的な付加製造技術、特に高堆積速度プロセスでは、多くの場合、堆積物の幾何学的形状のばらつきに起因して加工条件に大きなばらつきが生じる可能性がある。繰り返しの間隔がより長い（すなわち、層毎の時間がより長い）より大きな堆積物の局所的な加工物温度は、ストリングが迅速に連続して作製される可能性があり且つ熱が蓄積されるより小さな堆積物と比較して、非常に異なる温度条件を有する。同様に、局所的な質量入力は、堆積された材料からの熱除去の断面を決定するか又はもたらすことができ、且つ隣接する質量は、追加の熱エネルギーを処理するための放熱器の性能に影響を与える。
【００８７】
これらの要因により、最適でない変化する材料特性がもたらされる可能性がある。多くの場合、基本的な応力除去を超えるポストプロセス熱処理は、多数の金属合金に対しては実現が困難であるか又は効果がない。重要なことに、完全に形成された堆積物は、バルク熱処理が所望の冷却速度を達成することを可能にしない断面厚さを有し得る。本明細書で提供する付加製造により金属物体を構築するためのシステムは、先行技術のシステムのこれらの欠陥を克服する。本明細書で提供する噴流装置を利用した部片毎の付加製造方法は、堆積プロセス中に最終部品を構成する少量の材料の個別のストリングにおける冷却速度制御を可能にすることができる。システムは、柔軟で且つ高度に制御可能であるとともに、特に大規模な高堆積速度プロセスのために、金属付加製造製品の一貫性を向上させる方法を提供する。システムは、システムの一部又は全てを自動化するために使用できる、コンピュータを含むことができる。コンピュータは、制御システムと通信することができ、且つ設計モデルを読み込むために使用することができる。コンピュータは、データを収集して、流量及び温度などのデータ、又は製造プロセスの他のパラメータを保存し且つ／又は操作することができる。コンピュータは、製造プロセスを動作させるか又は修正するために、収集されたデータを使用することができる。コンピュータは、システムの構成要素の１つ又は複数と通信できるコンピュータプロセッサを含むことができる。
【００８８】
堆積ストリングが凝固して冷えると、最も関連する合金が、材料特性に大きな影響を及ぼす可能性のある有意な固相変態を起こす。一例としては、結晶構造の配列が別の結晶構造の配列に変化する同素変態が挙げられる。多くのチタン合金は、冷却中に１０５０℃〜８００℃の温度範囲で同素変態を呈する。多くの鋼について、冷却中の変態に関する温度範囲は、典型的には８００℃〜４００℃である。冷却中の堆積金属の固相変態の別の例は、合金成分の規則化により二次相粒子が形成される、析出反応である。例として、ニッケル基超合金は、約１０００℃〜７００℃の冷却中に、及び６００℃を超える長期滞留の間に析出反応を呈する可能性がある。高温での長期滞留中の結晶粒成長もまた、ほとんどの合金の特性に影響を及ぼす。本明細書で提供する噴流装置は、冷却速度に影響を及ぼすか又は冷却速度を制御し、それにより、堆積された材料の特性の改質を可能にし、その結果、金属付加製造製品の一貫性の向上がもたらされる。本明細書で提供するシステムは、材料付加中の冷却速度の連続制御と、ストリング堆積の合間の局所的な事前調整とを可能にする。本明細書で提供するシステムは、管理可能な量の個別のストリングセグメントについての加工条件の制御を可能にする。システムは、堆積中の温度制御を可能にし、完全な付加製造堆積物のより厚肉の部分の冷却速度を制御することがより困難になる、ポストプロセス熱処理の使用では可能ではない結果を達成し、且つ本明細書で提供する噴流装置を使用して達成可能な高い冷却速度は、水又は油での急冷などのより実用性の低い方法を使用しなければポストプロセス熱処理の使用では達成可能ではない。
【００８９】
本明細書で提供するシステムは、金属源を溶融させて、母材上の液体溶融池内に堆積される金属溶融材料の溶滴にするための融解工具と、液体溶融池を横切るように、又は液体溶融池に衝突するように、又は液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突するように、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付けるための、本明細書で提供するような噴流装置と、冷却ガスの供給源と、加熱装置及び噴流装置に対して母材を位置決めし移動させるためのシステムと、形成すべき金属物体の、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルなどの、設計モデルを読み込み、設計モデルを用いて、母材を位置決めし移動させるためのシステムの位置及び移動を調整することと、金属材料の連続した堆積物を母材上に融着させることにより物理的物体が構築されるように加熱装置及び噴流装置を動作させることが可能な制御システムとを含むことができる。
【００９０】
単一の融解工具を使用することができ、又は２つの融解工具を備える２銃式システムを使用することができる。成形加工物への溶融金属の堆積速度は、第１の銃が母材を予熱して予熱領域を形成し且つ第２の銃が金属を母材の予熱領域上で加熱して溶融させるために使用される２銃式システムを使用して増加させることができることが分かっている。第１の銃は、金属ワイヤ又は金属粉末などの、金属への第２の銃の作用により生じる、母材又は加工物と溶融金属との融着を確実にすることができる。第１の銃は、母材の予熱領域への溶融金属の溶け込みを深くすることができる。溶融金属の溶滴による過熱は、母材の予熱領域の近傍に溶融池を維持することができる。母材の予熱により、より良好な濡れ性、より良好な堆積プロファイル、堆積速度の増加がもたらされる。堆積プロファイルに関して、基材を予熱することにより、より丸みを帯び且つより幅広の堆積物プロファイルを得ることが可能である。改善されたプロファイルは、母材への融着と先に行われた金属堆積とを促進できる、母材に対する有益な角度を備えたプロファイルをもたらすことができる。融着の改善により、完全性の向上した製造製品が得られる。
【００９１】
各銃は、融解工具を含む。各銃は、別々に制御することができ、且つ各銃は、別々の温度効果をもたらすように調整することができる。この配置の利点は、母材の予熱領域で溶融させるべき金属供給原料に付与される熱エネルギー量を母材に付与されるエネルギー量よりも大きくすることができ、母材の過熱が回避されることである。
【００９２】
本明細書で提供する２銃式付加製造システムの実施形態において、システムは、トーチ（ＰＡＷ、ＰＴＡ、ＧＭＡＷ若しくはＭＩＧ式）又はレーザ装置或いはこれらの任意の組み合わせを融解工具として含むことができる。いくつかの構成において、第１のトーチは母材上の標的堆積領域を予熱して予熱領域を形成し、且つ第２のトーチは消耗電極を加熱して溶融させ、その結果、溶融金属の液滴が標的堆積領域の予熱領域に落ちる。いくつかの構成において、レーザ装置は母材上の標的堆積領域を予熱して予熱領域を形成し、且つトーチは消耗電極を加熱して溶融させ、その結果、溶融金属の液滴が標的堆積領域の予熱領域に落ちる。いくつかの構成において、トーチは母材上の標的堆積領域を予熱して予熱領域を形成し、且つレーザ装置は金属ワイヤを加熱して溶融させ、その結果、溶融金属の液滴が標的堆積領域の予熱領域に落ちる。
【００９３】
レーザ装置又はトーチは、予熱領域を形成するために母材の標的領域に熱エネルギー（例えば、それぞれレーザエネルギー又はプラズマ移行型アーク）を方向付けるように配設することができ、且つトーチ又はレーザ装置は、母材の予熱領域よりも上に位置決めされた消耗電極又は金属ワイヤの端部に熱エネルギーを方向付けるように配設することができる。熱エネルギーは、消耗電極又は金属ワイヤの端部を溶融させて、消耗電極又は金属ワイヤの端部の真下にある母材の予熱領域上に落下する溶融金属の溶滴を形成する。標的堆積領域に熱エネルギーを方向付ける融解工具は、母材への溶融金属の溶滴の溶け込みを深くすることにより、母材と母材上に堆積させる溶融金属材料との融着を促進することができる。消耗電極又は金属ワイヤを溶融させるために使用される融解工具はまた、母材に向けられた融解工具により提供される熱エネルギーに寄与する、標的堆積領域の予熱領域の近傍の熱エネルギーに寄与することができる。溶融金属の溶滴による過熱は、母材の予熱領域の近傍に溶融池を維持するのに役立つことができる。
【００９４】
消耗電極又は金属ワイヤは、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、若しくはＺｒ、又はこれらの複合材若しくは合金とするか、或いはＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、若しくはＺｒ、又はこれらの複合材若しくは合金を含有することができる。いくつかの実施形態において、消耗電極は、Ｔｉ又はＴｉ合金を含有するワイヤである。消耗電極又は金属ワイヤは、Ａｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、及びＭｎの１つ若しくは組み合わせとの組み合わせでＴｉを含有するチタン合金とするか、又はこのチタン合金を含有することができる。例えば、例示のチタン合金としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−４５Ａｌ−２Ｎｂ−２Ｃｒ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｎｂ−２Ｃｒ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｗ−０．５Ｓｉ、Ｔｉ−４７Ａｌ−２Ｎｂ−ｌＭｎ−０．５Ｗ−０．５Ｍｏ−０．２Ｓｉ、及びＴｉ−４８Ａｌ−２Ｎｂ−０．７Ｃｒ−０．３Ｓｉが挙げられる。消耗電極又は金属ワイヤは、アルミニウム、鉄、コバルト、銅、ニッケル、炭素、チタン、タンタル、タングステン、ニオブ、金、銀、パラジウム、白金、ジルコニウム、これらの合金、及びこれらの組み合わせを含有することができる。
【００９５】
消耗電極又は金属ワイヤの典型的な断面は円形断面である。消耗電極又は金属ワイヤの直径は、最大約１０ｍｍとすることができ、且つ約０．８ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内とすることができる。消耗電極又は金属ワイヤは、例えば１．０ｍｍ、１．６ｍｍ、及び２．４ｍｍ、又は約０．５〜約３ｍｍなどの、実際に実現可能な断面寸法を有することができる。消耗電極又は金属ワイヤの送給速度及び位置決めは、消耗電極又は金属ワイヤが母材の溶融池よりも上の意図された位置に達したときに、消耗電極又は金属ワイヤが連続的に加熱されて溶融されることを確実にするために、ＰＴＡトーチ若しくはレーザ装置又はその両方に対する電力供給の効率に従って制御及び調整することができる。
【００９６】
レーザ装置は、母材の領域を予熱するために母材に熱エネルギーを伝達するのに又は金属ワイヤを溶融させるのに十分な熱エネルギーのレーザビームを発生させることができる。レーザビームからのエネルギーによる母材の予熱は、母材への溶け込みを深くすることにより母材と溶融金属材料との融着を促進する。いくつかの実施形態において、母材の少なくとも一部分は、レーザ装置のレーザビームからのエネルギーにより溶融させることができる。いくつかの実施形態では、レーザ装置のレーザビームにより十分な熱が加えられ、ＰＴＡトーチ又は別のレーザにより生成された金属材料を堆積させるべき位置において母材に溶融池を形成する。
【００９７】
好適なレーザ装置の例としては、イッテルビウム（Ｙｂ）レーザ、Ｙｂファイバレーザ、Ｙｂファイバ結合ダイオードレーザ、Ｙｂ：ガラスレーザ、ダイオード励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、ネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、ネオジム添加オルトバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ）レーザ、Ｃｒ：ルビーレーザ、ダイオードレーザ、ダイオード励起レーザ、エキシマレーザ、ガスレーザ、半導体レーザ、固体レーザ、色素レーザ、Ｘ線レーザ、自由電子レーザ、イオンレーザ、ガス混合物レーザ、化学レーザ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。好ましいレーザとしては、Ｙｂレーザ、特にＹｂファイバレーザが挙げられる。多くの用途において、Ｙｂファイバレーザで使用される波長は、他のレーザ波長と比較して反射率が低くなる可能性がある。
【００９８】
トーチは、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、特に非反応性ガスを使用してアークを形成する溶接（金属不活性ガス溶接又はＭＩＧ溶接）などの、消耗電極を加熱して溶融させるために又は母材上の標的領域を加熱するために電気アークを生成することが可能な任意の構成を有することができる。したがって、トーチは、ＰＡＷトーチ、ＰＴＡトーチ、ＧＭＡＷトーチ、又はＭＩＧ式トーチとすることができる。消耗電極は、電気アークを使用してトーチにより生成されたプラズマ中で溶融させられ、且つ溶融消耗電極は、加工物上の溶融池内に堆積されて、金属物体に加えられ、ニアネットシェイプの金属物体を形成する。トーチからのエネルギーによる母材の予熱は、母材への溶け込みを深くすることにより母材と溶融金属材料との融着を促進する。いくつかの実施形態において、母材の少なくとも一部分は、トーチのプラズマからのエネルギーにより溶融させることができる。いくつかの実施形態では、トーチのプラズマにより十分な熱が加えられ、異なるトーチ又はレーザ装置により溶融された金属材料を堆積させるべき位置において母材に溶融池を形成する。
【００９９】
母材を予熱して予熱領域を形成するための第１の融解工具と、消耗電極又は金属ワイヤを溶融させるための第２の融解工具とを使用することにより、基材への熱供給とは無関係に消耗電極又は金属ワイヤに向けられる熱エネルギーを増加させることが可能となる利点がもたらされる。消耗電極又は金属ワイヤに適用される融解力は、消耗電極若しくは金属ワイヤの安定した溶解及び／又は燃え切り点を確保するために、質量入力（加工物に付加すべき消耗電極又は金属ワイヤの溶融金属溶滴の量）と一致するように選択することができる。したがって、基材を過熱させずに、且つ同時に、飛散の危険性なしに、又は余分な溶融池を形成せず、これにより、堆積された材料の圧密の制御を失わずに、溶融金属の堆積速度を増加させることが可能である。
【０１００】
本明細書で提供する付加製造を使用してニアネットシェイプ金属物体を製造するためのシステムでは、多くの従来型の付加製造製品に見られる金属結晶粒柱状構造及び大きな結晶粒度に関連する問題を大幅に軽減する噴流装置が利用される。溶融池への若しくは溶融池の近傍への冷却ガス噴流の送出のための噴流装置、又は凝固金属への冷却ガス噴流の送出のための噴流装置、又は溶融池への若しくは溶融池の近傍への冷却ガス噴流の送出のための第１の噴流装置と、凝固金属への冷却ガス噴流の送出のための第２の噴流装置とを含む本明細書で提供するシステムを使用して製造された製品の結晶粒構造は、ほぼ等軸であり且つ微細化構造を呈する金属結晶粒を有する製造された金属製品をもたらす。本明細書で提供する１つ又は複数の噴流装置を使用して、付加製造中に冷却ガスを適用し、溶融池の自由表面への、又は溶融池を横切る箇所への、又は溶融金属が冷えるときの液体と固体との境界への、又は液固境界を越えた所の凝固金属への、又はこれらの任意の組み合わせへのガス噴流衝突を生じさせることにより、結果として、微細化された結晶粒構造を有する製造製品がもたらされ、且つこれらのシステムを使用して生産された製品は、強度、耐疲労性、及び耐久性の向上を示す。
【０１０１】
溶融池の液固境界に不活性ガスの噴流を方向付ける噴流装置は、溶融池自由表面における対向する凝固前面を誘起するか又は加速させることができる。エピタキシの阻止は、連続層が最上層の結晶粒から核形成して凝固するときに達成することができる。凝固した状態の材料の領域に向けられた噴流装置での集中した乱流による強制冷却により、最終的な結晶構造と局所的な規則化とに影響を与える可能性のある、固相変態、析出反応、及びその他の２次相現象を制御又は調整することができる。
【０１０２】
冷却ガスの噴流を堆積され凝固した状態の材料にその場で適用することにより冷却速度を増加させるために堆積層４８０の凝固した状態の材料上に冷却ガスの乱流をその場で方向付ける噴流装置を含む例示のシステムの描写が図７に描かれている。描かれているシステムは、ワイヤ送給器３００からの金属ワイヤ３５０を加熱して溶融させ、加工物４００に落下して加工物４００上に溶融池４２５を形成する溶融金属３７５の溶滴を形成する、主要ＰＴＡアーク３３０を生成する主要融解工具である単一の融解工具２００を含む。噴流装置５００により提供される冷却ガス５３０の噴流による堆積プロセス中の堆積された状態の材料の強制冷却により、付加製造製品の微細構造の微細化を達成することができる。
【０１０３】
図７に示すように、システムは、ワイヤ送給器３００に接続された噴流装置５００と、ワイヤ送給器５００に別々に直接（温度センサ５５０の実施形態についての描写のように）又はブラケット５７０を介して（温度センサ５６０の実施形態の描写のように）取り付けられた温度センサ５５０及び５６０とを含むことができる。図７に描かれているシステムの実施形態は、ワイヤ送給器３００に接続された温度センサ５５０及び温度センサ５６０を示しているが、そのような取り付けは単なる例示にすぎない。
【０１０４】
例えば図８及び図９に図示するように、加工物の所望の表面への冷却ガスの適用と、冷却ガス噴流がその場で方向付けられる加工物の適切な温度測定とを可能にする、システムの１つ又は複数の構成要素に冷却噴流装置５００と温度センサ５５０と温度センサ５６０の各々を別々に且つ個別に取り付けるために、ブラケット又は取り付けアームを別々に使用することができる。いくつかの構成では、図９に図示するように、温度センサ５５０を融解工具２００に直接又はブラケット５７５を介して取り付けることができる。他の構成では、図８に図示するように、温度センサ５５０をブラケット２５０に取り付けることができる。ブラケット２５０は、ワイヤ送給器３００に取り付けるか、若しくはワイヤ送給器３００を保持することができ、又は融解工具２００に取り付けるか、若しくは融解工具２００を保持することができ、又はシステムの１つ若しくは複数の他の構成要素に取り付けるか、若しくはシステムの１つ若しくは複数の他の構成要素を保持することができ、又はこれらの任意の組み合わせとすることができる。
【０１０５】
同様に、いくつかの構成では、温度センサ５６０は、ワイヤ送給器３００に直接若しくはブラケット５７０を介して取り付けるか、又はブラケット２５０と同じか若しくは異なるものとすることができるブラケットに取り付けることができるが、そのようなブラケット２５０は、システムの１つ若しくは複数の構成要素に取り付けるか、又はシステムの１つ若しくは複数の構成要素を保持することができる。例示の目的で、図８は、温度センサ５５０のようにブラケット２５０に接続される温度センサ５６０を示しており、ブラケット２５０は、先に説明したように、ワイヤ送給器３００、システムの１つ若しくは複数の構成要素、又はこれらの組み合わせに取り付けるか、或いはワイヤ送給器３００、システムの１つ若しくは複数の構成要素、又はこれらの組み合わせを保持することができる。
【０１０６】
いくつかの構成において、温度センサは、赤外線光ファイバセンサ又は検出器から離れた箇所におけるシステムの別の構成要素に温度センサの大部分が取り付けられることを可能にする一方で、冷却ガス噴流５３０が方向付けられる堆積層４８０の表面の非接触測定を可能にするための、赤外線光ファイバセンサ又は検出器を含むことができる。温度センサ５５０は、冷却ガスの噴流の適用ゾーンの前方の加工物表面上で温度読み取りが行われることを可能にするように位置決めされる。温度センサ５６０は、冷却ガスの噴流の適用ゾーンの後方の加工物表面上で温度読み取りが行われることを可能にするように位置決めされる。温度センサ及び噴流装置の位置決めは、冷却速度を捕捉して冷却速度に影響を及ぼすのに加工物のどの温度領域が最も重要であるかによって決まることができる。位置決めは、堆積させるべき金属合金に基づいて調節することができる。
【０１０７】
図８には、溶融池の液固境界に冷却ガスの乱流を方向付ける第１の噴流装置と、堆積層４８０の凝固した状態の材料上に冷却ガスの乱流を方向付けることにより強制冷却を提供する第２の噴流装置とを含む例示のシステムの描写がなされている。描かれているシステムは、ワイヤ送給器３００からの金属ワイヤ３５０を加熱して溶融させ、加工物４００に落下して加工物４００上に溶融池４２５を形成する溶融金属３７５の溶滴を形成する、主要ＰＴＡアーク３３０を生成する主要融解工具である単一の融解工具２００を含む。冷却噴流装置１００による冷却ガスの適用なしでは、堆積層４８０における凝固結晶４３５として付加製造プロセスに典型的な柱状構造が発生する可能性がある。例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金では、凝固が、方向性を有し、且つ熱源／溶融池から加工物への急峻な熱勾配によって決定付けられる第１の領域又は凝固ゾーン４３０の空間的及び結晶学的β結晶粒に対してエピタキシャルである。冷却が続くと、凝固材料４５０を含む第２のゾーンにおいて結晶が凝固し、続いて、同素変態時にα−β微細構造の結晶化度及び形態に変化が生じる遷移が起こる可能性がある。これらは、格子における異なる結晶学的方向間の界面エネルギー、拡散速度及び熱伝導率の差に起因する、配向関係、結晶粒界の核形成及び整合によって、先に生じたβ結晶粒構造の影響を直接受ける。
【０１０８】
描かれているシステムにおいて、噴流装置１００のノズル２５からの冷却ガス噴流３０は、溶融池の液固境界に方向付けられる。溶融池４２５の液固境界でのガス噴流３０の衝突は、溶融池表面における対向する凝固前面４４０を誘起して加速させる。エピタキシの阻止は、連続層が最上層の結晶粒から核形成して凝固するときに達成される。噴流装置１００のガス噴流３０により引き起こされる強制冷却は、溶融池を横切るように、溶融池表面に、溶融池の液固境界に、又はこれらの組み合わせに、噴流装置により適用される集中した乱流により強められる。
【０１０９】
集中した乱流による強制冷却は、チタン合金におけるβ−α固相変態、又はニッケル基超合金における析出反応などの、固相転移を制御するために冷却噴流装置１００の拡張部により、又は描かれているように、ゾーン４５０内の凝固した状態の材料に冷却ガス噴流５２５を方向付けるための第２の噴流装置５００により固相変態を制御するために堆積層４８０の凝固した状態の材料に適用することができる。
【０１１０】
図に示すように、システムは、第２の噴流装置５００と、付加製造プロセス全体を通して温度を監視するための少なくとも２つの温度センサとを含む。描かれている実施形態において、ブラケット２５０に取り付けられた第１の温度センサ５５０は、凝固領域４４０などでの、冷却ガスの適用に先立って、堆積された状態の材料の表面における温度を監視することができる。噴流装置の後ろに位置する第２の温度センサ５６０は、第２の噴流装置による加工物のストリングへの冷却ガスの適用後に加工物の表面５６５の温度を測定するために含めることができる。第１及び第２の温度センサからの温度データの使用による温度監視は、例えば、第２の噴流装置５００を使用して適用される冷却ガスの流量、若しくは加工物に向かう冷却ガスの流れの持続時間、又はその両方を調節することにより、使用者が冷却速度を制御することを可能にすることができる。２つの別個の冷却噴流装置が使用される場合に、冷却ガスを各噴流装置に提供するために、単一の冷却ガス供給源を使用することができる。代替的に、各冷却噴流装置を別個の冷却ガス供給源に取り付けることができる。
【０１１１】
１つのトーチシステムを使用する例示的なシステムが示されているが、本方法は、そのようなシステムに限定されるものではない。２つのトーチシステムを使用することもできる。
【０１１２】
例示の２つのトーチシステムが図９に示されている。描かれているシステムにおいて、融解工具６００は、加工物４００を予熱して、加工物４００を溶融金属に対してより受容的なものにする、予熱領域４１５を形成する。主要ＰＴＡアーク３３０を生成する主要融解工具である第２の融解工具２００は、ワイヤ送給器３００からの金属ワイヤ３５０を加熱して溶融させ、落下して溶融池４２５を形成する溶融金属の溶滴３７５を形成する。噴流装置１００による冷却ガスの適用なしでは、堆積層４８０における凝固結晶４３５として付加製造プロセスに典型的な柱状構造が発生する可能性がある。例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金では、凝固が、方向性を有し、且つ熱源／溶融池から加工物への急峻な熱勾配によって決定付けられる第１の領域又は凝固ゾーン４３０の空間的及び結晶学的β結晶粒に対してエピタキシャルである。冷却が続くと、第２のゾーン４５０において結晶が凝固して凝固材料を形成する。
【０１１３】
描かれているシステムにおいて、噴流装置１００のノズル２５からの冷却ガス噴流３０は、溶融池の液固境界に方向付けられる。溶融池４２５の液固境界へのガス噴流３０の衝突は、溶融池表面における対向する凝固前面４４０を誘起して促進する。エピタキシの阻止は、連続層が最上層の結晶粒から核形成して凝固するときに達成される。噴流装置１００のガス噴流３０により引き起こされる強制冷却は、溶融池を横切るように、溶融池表面に、溶融池の液固境界に、又はこれらの任意の組み合わせに、噴流装置により適用される集中した乱流により強められる。
【０１１４】
集中した乱流による強制冷却は、チタン合金におけるβ−α固相変態、又はニッケル基超合金における析出反応などの、固相転移を制御するためにゾーン４５０内の凝固した状態の材料に冷却ガス噴流５２５を方向付けるための第２の噴流装置５００により固相変態を制御するために凝固した状態の材料に適用することができる。
【０１１５】
図に示すように、システムは、第２の噴流装置５００と、付加製造プロセス全体を通して温度を監視するための少なくとも２つの温度センサとを含む。描かれている実施形態において、第１の温度センサ５５０は、凝固後の温度監視領域５５５などでの、冷却ガスの適用に先立って、堆積された状態の材料の表面における温度を監視することができる。噴流装置の後ろに位置する第２の温度センサは、変態後の温度監視領域５６５などでの、第２の噴流装置５００による加工物のストリングへの冷却ガスの適用後に加工物の表面５６５の温度を測定するために含めることができる。第１及び第２の温度センサからの温度データの使用による温度監視は、例えば、第２の噴流装置５００を使用して適用される冷却ガスの流量、若しくは加工物に向かう冷却ガスの流れの持続時間、又はその両方を調節することにより、使用者が冷却速度を制御することを可能にすることができる。
【０１１６】
Ｄ．方法
金属材料の連続した堆積物を互いに母材上に融着させることにより物体が作製される、付加製造により金属材料の３次元物体を製造するための方法であって、第１の加熱装置を使用して、例えば金属材料を堆積させるべき位置において母材の表面の少なくとも一部分を予熱することと、溶融金属材料を母材の予熱領域上に堆積させるように第２の加熱装置を使用して金属材料を加熱して溶融させることと、本明細書で提供する噴流装置を使用して、液体溶融池を横切るように、又は液体溶融池に衝突するように、又は液体溶融池の液固境界に隣接する凝固材料に衝突するように、又はこれらの任意の組み合わせに冷却ガスを方向付けることと、溶融金属材料の連続した堆積物が凝固して３次元物体を形成するように、第１の加熱装置及び第２の加熱装置並びに噴流装置の位置に対して母材を所定のパターンで移動させることとを含む、方法も提供される。
【０１１７】
１つの方法において、本明細書で提供する噴流装置は、溶融池を横切るように、溶融池表面に、溶融池の液固境界に、又はこれらの任意の組み合わせに、乱流を有する冷却ガスを方向付ける。別の方法において、本明細書で提供する噴流装置は、固相変態ゾーン、例えば、同素変態領域、又は析出反応が起こり得る領域などにおける、凝固した状態の材料に、乱流を有する冷却ガスを方向付ける。別の方法において、本明細書で提供する第１の噴流装置は、溶融池を横切るように、溶融池表面に、溶融池の液固境界に、又はこれらの任意の組み合わせに、乱流を有する冷却ガスを方向付け、且つ本明細書で提供する第２の噴流装置は、固相変態ゾーンなどにおける凝固した状態の材料に、乱流を有する冷却ガスを方向付ける。
【０１１８】
本明細書で提供する方法において、冷却ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、及びこれらの組み合わせなどの、不活性ガスを含むことができる。冷却ガスは、非不活性ガスとすることができる。冷却ガスは、異なる元素ガスの混合物とすることができる。溶融池を横切るように、溶融池表面に、溶融池の液固境界に、又はこれらの任意の組み合わせに方向付けられる冷却ガスは、約１Ｌ／分〜約２００１Ｌ／分の流量を有することができる。凝固した状態の材料に方向付けられる冷却ガスは、約０．０１Ｌ／分〜約３００Ｌ／分の流量を有することができる。冷却ガスは、定常流で適用することができ、断続的に適用することができ、又は脈動流で適用することができる。
【０１１９】
適用される冷却ガスの温度は、任意の温度とすることができる。冷却ガス温度は、付加形成プロセスの周囲温度とすることができる。典型的には、冷却ガス温度は、約２５℃以下などの、およそ室温以下とすることができる。ガスの温度は、ガスが相互作用する表面を冷却する任意の温度とすることができる。温度は、１００℃未満、又は５０℃未満、又は３０℃未満、又は２５℃未満、又は１０℃未満、又は５℃未満、又は０℃未満とすることができる。極低温のガスを使用することもできる。例えば、噴流装置の入口に送出される冷却ガスの温度は、−１９５℃〜２５℃又は約−１９５℃〜約２５℃とすることができる。
【０１２０】
本明細書で提供する方法では、目標冷却速度を測定及び生成するために、少なくとも２つの温度センサを有する噴流装置が使用される。温度センサ及び噴流装置の位置決めは、冷却速度を捕捉して冷却速度に影響を及ぼすのに重要であると見なされる温度領域によって決まることができる。位置決めは、堆積させるべき金属合金に基づいて調節することができる。温度センサは、冷却ガスの乱流噴流の適用前後に加工物の堆積されたストリング材料の表面の温度を捕捉するためのＩＲ温度計を含むことができる。データに基づいて、冷却ガスの流量若しくは持続時間又はその両方を調節して冷却速度を増減させることができる。いくつかの方法では、付加製造プロセスで使用される冷却速度の部分的又は完全な自動化を可能にするために、温度データが取り込まれてインプロセスフィードバック制御を提供するために使用される。また、反復堆積物開発プログラム／スケジュールのポストプロセスを設計して加工物の堆積を自動化するためにデータを取り込んで使用することができる。
【０１２１】
所望の冷却速度は、合金に依存する可能性がある。異なる合金は、温度範囲と特定の温度範囲にさらされる時間とに応じて、固相変態の異なる変化を呈することができる。例えば、多くのチタン合金に対して、本明細書で提供する方法は、同素変態を促進するための１２００℃〜約６００℃、又は１０５０℃〜約８００℃の範囲の目標冷却温度を有する。鋼合金に対して、目標冷却温度は、所望の固相変態を促進するために１０００℃〜約３００℃、又は約８００℃〜４００℃の範囲内とすることができる。例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金について、この温度領域における凝固した状態の材料に向けられたガス噴流装置による冷却効果は、典型的には不所望のコロニー／ラメラ構造をもたらすものから有益で微細なかご織り構造を促進する状態へと冷却速度を高めるために使用することができる。この冷却効果は、試験中の温度測定毎に、相変態領域におけるバルク冷却速度を約１０℃／秒〜１５℃／秒に増加させたことに相当する。局所的なガス噴流衝突により、そのような場合に加工物表面上で捕捉された温度は、８０〜１４０℃／秒であった。対象となる合金に関して、測定された表面冷却速度と認められたバルク冷却速度との関係を確立する必要がある。堆積ストリングの上部では、冷却速度が高まるが、この上部は、連続した積層を行う間に再加熱されて変態温度を超える温度になり、それゆえ、完成した堆積物に残るのは、各層の熱影響ゾーンの底部側のセグメントのみである。典型的には８００〜４００℃の冷却中の変態のために極めて重要な温度範囲を有する鋼。
【０１２２】
本明細書で提供する方法では、堆積ストリングの表面温度を測定する温度センサからの温度読み取り値により決定された時間にわたる好適な局所冷却は、加工物に接合部又は遷移部を形成するのに必要であり得る入力された局所的なより高いエネルギーを放散するために使用することができる。本方法は、材料付加中に冷却速度の連続制御を可能にし、且つストリング堆積の合間に局所的な事前調整を提供するために使用することができる。本明細書で提供する方法では、加工中の加工物の温熱条件の変化に基づいて冷却ガスの流量を調節することができる。付加製造中に残留熱が蓄積したときに、又は接合部や遷移部などの、特定の構造を形成するために加えられた熱を放散するために、乱流冷却ガスの流れを増加させることができる。
【０１２３】
本明細書で提供する方法では、噴流装置のノズルからの乱流は、典型的には、ノズルを通る冷却ガスの高速度により達成することができる。冷却ガスの乱流を生じさせるために、他の技術を使用することもできる。例えば、噴流装置のノズルのいくつかは、少なくとも２つのノズルからの冷却ガスの噴流が互いに衝突して溶融池の近傍に冷却ガスの乱流を生み出すように位置決めすることができる。ノズルは、層流を妨げて乱流を促進するように、ノズルのオリフィス内又はノズルの本体内に突起若しくは窪み又はこれらの組み合わせを含むことができる。典型的には、ノズルを通って流れる冷却ガスの速度は、ノズルを出たガスが層流ではなく乱流を呈するように選択される。
【０１２４】
ノズルの数及びノズルの構成は、進行方向に沿って、例えば、約５ｍｍ〜約５０ｍｍ、又は約１０ｍｍ〜約４０ｍｍ、又は約１５〜約３０ｍｍの、加工物の目標長さをカバーする冷却ガスを送出するように選択することができる。
【０１２５】
付加製造において従来使用されていた典型的なプロセス条件は、通常、急峻な熱勾配の存在に起因して方向性凝固及び柱状結晶の成長をもたらすが、このことは、利用される合金に依存する可能性がある。例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金については、凝固が、方向性を有し、且つ熱源／溶融池から加工物への急峻な熱勾配を含むプロセス特性によって決定付けられる空間的及び結晶学的β結晶粒に対してエピタキシャルである。同素変態時のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のα−β微細構造の結晶化度及び形態は、格子における異なる結晶学的方向間の界面エネルギー、拡散速度及び熱伝導率の差に起因する、配向関係、結晶粒界の核形成及び整合によって、先に生じたβ結晶粒構造の影響を直接受ける。このマクロとミクロの相互作用は、先に生じたβ結晶粒内の結晶学的及び形態学的多様性の長い範囲にわたる制限、ひいては、β結晶粒界での歪応答における顕著な差につながる。
【０１２６】
本明細書で提供する方法は、溶融池長さの縮小を可能にする。溶融池長さの縮小は、溶融池の後縁部での凝固速度の増加により達成することができる。溶融池への乱流冷却ガスの適用により、凝固が増大し、凝固が起こる時間が短くなる。本明細書で提供する噴流装置を使用して冷却ガスを適用することにより達成される凝固速度に応じて、溶融池全長を約１０％〜約５０％短くすることができる。例えば、従来の付加製造方法及びシステムと比較して、溶融池長さは、従来の付加製造技術での溶融池長さの９０％以下、又は８０％以下、又は７０％以下、又は６０％以下、又は５０％以下とすることができる。
【０１２７】
本明細書で提供する噴流装置は、結晶粒微細化を促す。プロセスパラメータを制御することにより、その効果を補助することができる。このことは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖなどの、その合金が呈する狭い凝固温度範囲に起因して凝固微細化に抵抗性を示す合金において特に当てはまる。凝固特性により、金属付加製造の典型的な熱勾配及び凝固速度では構成上の過冷却が起こり難くなる。
【０１２８】
本明細書で提供する噴流装置は、単一の融解装置又は１つのトーチ構成を使用する金属付加製造の構成において使用することができる。本明細書で提供する噴流装置は、金属付加製造の２つのトーチ構成において使用することができる。予熱トーチは、特定の目的のための加工物表面温度制御を達成するために使用することができる。別個の第２のトーチは、金属ワイヤなどの、供給原料を溶融させるための溶解トーチとして使用することができる。熱勾配は、溶解トーチに必要なエネルギー強度を抑制することにより調整することができ、且つ溶融池自体を過度に過熱せずに溶融池の周縁部における濡れ性を確保することにより溶融金属の所望の接触角度を達成するために調整することができる。熱勾配の調整は、結晶粒微細化には有益であるが、噴流装置の使用により達成される効果を達成するのに必要ではない。
【０１２９】
ワイヤの抵抗加熱も伴う、ワイヤへの特定の目的のためのエネルギー伝達は、ワイヤを溶融させるエネルギー源も溶融池に移動させる場合のように溶融池に過剰なエネルギーを直接伝達させることなく、高堆積速度を可能にする。そのような配置は、溶融池の過熱を抑制し、ひいては、熱勾配を低減することができる。かかる配置はまた、伸長した溶融池長さを維持するのに十分な堆積速度を可能にし、且つ溶融池表面上又は溶融池の近傍での噴流装置からのガス噴流の相互作用を可能にする。これらの熱勾配の低減は、結晶粒微細化には有益であり得るが、本明細書で提供する噴流装置を使用した冷却ガスの適用により実現される結晶粒微細化の効果を達成するのに必要ではない。
【０１３０】
溶融池制御及びストリング形状制御の追加の態様は、噴流装置試験の試験から明らかである。上で述べたように、本明細書で提供する方法は、溶融池長さの縮小を可能にし、溶融池長さの縮小は、溶融池の後縁部での凝固速度の増加により達成することができる。本方法は、より幅広の単列の壁に合わせてストリングを成形し且つ端部に向かうガス噴流圧力による溶融変位によりストリングの端部での充填を不要にする能力を与える。本明細書で提供する方法は、付加製造プロセスにより作製される加工物の凝固構造の微細化を可能にする。本方法は、典型的に従来の付加製造システムにより生成される粗い柱状構造を排除又は大幅に低減することができる。これらの粗い柱状構造の排除により、従来の付加製造プロセスで達成されるよりも高い強度、延性及び疲労耐性を呈する製造製品を得ることができる。
【０１３１】
電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）は、結晶粒度及び結晶粒界タイプ、配向差、変形、相判別及び分布、結晶学的配向及び組織の測定（結晶学的ミクロ及びマクロ組織）を含む結晶構造の解析を可能にする。堆積層について、層間のエピタキシと結晶配向とを検査するためにＥＢＳＤを使用することができる。従来の付加製造プロセスに典型的な伸長柱状構造は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料に生じる可能性のある望ましいα結晶粒ばらつきの数に制限を課す。このことは、ガス噴流衝突が、より微細化された結晶粒を有する材料をもたらす、本明細書で提供する方法を使用して達成されたもの（図４Ｂ）と対比した、従来の付加製造プロセスにより作製された典型的な材料（図４Ａ）の結晶構造解析のＥＢＳＤ特性評価を示す、図４Ａ及び４Ｂで確認することができる。図４Ａで分かるように、従来のプロセスによる典型的な粗い結晶粒材料が、先に生じたβ結晶粒界に沿ったラメラ構造の長距離の整合及び均一性を呈している。本明細書で提供する噴流装置及び方法を使用して生産された材料では、結晶学的多様性が増大し、材料が多数の初期β結晶粒配向を呈する。図４Ｂで分かるように、本明細書で提供する噴流装置及び方法を使用して生産された結晶粒微細化材料では、結晶粒界整合度が低減されている。
【０１３２】
付加製造金属製品における粗い柱状凝固構造を最小限に抑えるか又は除去する方法も提供される。本方法は、本明細書で提供する噴流装置を使用して溶融池の自由表面に乱流冷却ガス噴流を適用することを含む。溶融池の液固境界などの、溶融池に方向付けられた冷却ガス噴流は、溶融池自由表面における対向する凝固前面の成長を誘起するか若しくは加速させるか又はその両方である。これにより、連続層が最上層の結晶粒から核形成して凝固するときにエピタキシが阻止され、それにより、粗い柱状凝固構造の形成を最小限に抑えるか又は排除することができる。溶融池自由表面での核形成は、結果として、不規則な間隔を置いたより微細な粒子により柱状凝固構造の破断をもたらすことができ、柱状凝固構造の破断により、向上した再現できる材料特性が付加製造プロセス中に達成される可能性がある。本方法は、多数の初期β結晶粒配向の形成などの、結晶学的多様性の増大をもたらすことができる。本方法はまた、結晶粒界整合度を低減することができる。本方法はまた、付加製造金属製品の歪分断の低減をもたらすことができる。本方法は、特に、説明したような噴流装置を使用するガス噴流衝突を含む本明細書で提供する方法を使用して生産されない典型的な材料に対する構築方向に平行に装填された場合に、歪硬化性の向上を呈する最終材料をもたらすことができる。本方法を使用して生産される付加製造製品はまた、（ストリングに沿った）生産方向における延性の向上も示す可能性がある。
【０１３３】
付加製造金属製品の微細構造を微細化する方法も提供される。本方法は、本明細書で提供する冷却噴流装置を使用して、冷却ガスの噴流を堆積され凝固した状態の材料にその場で適用することにより冷却速度を増加させることを含む。堆積プロセス中の堆積された状態の材料の強制冷却により、付加製造製品の微細構造の微細化を達成することができる。冷却速度は、製造プロセス中に形成される微細構造に大きな影響を及ぼすことができる。いくつかの方法では、乱流冷却ガスを凝固した状態の堆積された材料にその場で適用することにより、同素変態を調整又は制御することができる。堆積される材料がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなどのチタン合金である方法では、乱流である冷却ガスを凝固した状態の堆積された材料にその場で適用することによる強制冷却により、β−α固相変態を制御することができる。本明細書で提供する結晶粒微細化の方法は、より均質で且つ微細に分散した状態で存在する異なる微細構造要素を得ることにより、微細構造の二重性に起因する境界での長距離の歪不整合に対処することができる。
【０１３４】
図１０Ａ及び図１０Ｂでは、微細構造への冷却速度の影響を確認することができる。製品を形成するために、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を利用したプラズマ及びワイヤに基づく高堆積速度の付加製造プロセスを使用した。より速い冷却速度での冷却により、堆積製品の微細構造が著しく微細化されることが判明した。堆積された材料の温度が、測定されたバルク冷却速度１５℃／秒で冷却されたとき（図１０Ａ）よりも測定されたバルク冷却速度１５℃／秒で１０００℃〜９００℃まで低下したときに（図１０Ｂ）、より更に微細なかご織り微細構造を達成した。硬い凹部（図の中央の暗いピラミッド形状の窪み）は、硬度の試験時に、あまり微細化されていないかご織り微細構造（図１０）と比較して微細化されたかご織り微細構造（図１０Ｂ）の塑性変形の均一性が向上していることを図示している。図１０Ａで分かるように、凹部付近に塑性変形の局所的集中が生じている。図１０Ｂは、塑性変形の局所的集中を示していない。したがって、堆積された状態の材料を堆積中に強制冷却するために冷却ガス噴流を適用することにより、同素相変態（ある結晶構造から別の結晶構造への変態）、析出、及び他の固相熱化学反応の改善のみならず、より微細なかご織り微細構造を達成することができる。
【０１３５】
付加製造金属物体をその場で強制冷却する方法も提供される。本方法は、材料の冷却速度を増加させるために、冷却ガスの噴流を堆積され凝固した状態の材料にその場で適用することを含む。冷却ガス噴流は、噴流装置により乱流で適用され、且つ約１０℃／秒〜約２５℃／秒のバルク冷却速度、又は冷却ガスが方向付けられる表面において測定された約８０℃／秒〜１５０℃／秒の記録された冷却速度を達成することができる。
【０１３６】
その場でＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ金属物体などの、付加製造されるチタン合金の塑性変形の均一性を高める方法も提供される。本方法は、堆積され凝固した状態の材料の冷却速度を増加させ、それにより、典型的に生成されるコロニー／ラメラ微細構造ではなく、より微細なかご織り微細構造の形成を促進するために、冷却ガスの噴流を材料にその場で適用することを含む。冷却ガス噴流は、噴流装置により乱流で適用される。より微細なかご織り微細構造は、冷却速度を増加させるにつれて達成することができ、且つより微細なかご織り微細構造は、塑性変形の均一性を高める。例えば、物体を１０００℃〜９００℃に冷却するときにバルク冷却速度を約１０℃／秒〜約１５℃／秒に増加させることによって、より微細なかご織り微細構造をもたらし、且つ塑性変形の均一性を高めることができる。
【０１３７】
本明細書で提供する方法は、任意の付加製造システムで行うことができる。本方法は、全プロセスが不活性雰囲気中で行われる不活性雰囲気を提供するために不活性ガスで満たされた密閉室を含むシステムで行うことができる。不活性雰囲気は、アルゴン、キセノン、ネオン、クリプトン、ヘリウム若しくはこれらの組み合わせとするか、又はこれらを含有することができ、不活性雰囲気中での堆積を可能にする。
【実施例】
【０１３８】
Ｅ．実施例
以下の例は、単に例示的な目的のために含まれており、本明細書で提供する実施形態の範囲を限定することを意図するものではない。
【０１３９】
実施例１
付加製造中に冷却ガスを噴出する本明細書で提供する（Ａ）噴流装置なしに及び（Ｂ）噴流装置と共に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を利用したプラズマ及びワイヤに基づく高堆積速度の付加製造プロセスを使用した。使用した冷却ガスは、室温のアルゴンガスであった。図１に図示する種類の噴流装置を使用して適用された冷却ガスの流量は、２０Ｌ／分であった。堆積速度は５ｋｇ／ｈであり、加工物の表面温度／パス間温度は６５０℃であった。冷却ガスを適用するために噴流装置を使用したか否かにかかわらず、堆積速度と温度は同じであった。
【０１４０】
その結果の顕微鏡写真が図５Ａ及び図５Ｂに示されている。図５Ａは、典型的な付加製造により生産された金属物体の構造を示す。図５Ａにおける製造製品の結晶粒構造は粗く、柱状構造を視認できる。図５Ｂは、本明細書で説明する付加製造中に噴流装置を使用して溶融池に冷却ガスを適用した場合に達成される有益な結果を示している。図５Ｂにおける製造製品の結晶粒構造は、ほぼ等軸であり、且つ微細化された構造を呈している。よって、付加製造中に本明細書で提供する噴流装置を使用して冷却ガスを適用することにより、製品が、微細化された結晶粒構造を有する。これらの微細化された結晶粒構造を有する製造製品は、強度、耐疲労性、及び耐久性の向上を示す。
【０１４１】
実施例２
本明細書で提供する噴流装置を使用した、単列のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖストリング堆積物における溶融池の一方側への冷却ガスの片側のみの適用により、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を利用したプラズマ及びワイヤに基づく高堆積速度の付加製造プロセスを使用した。使用した冷却ガスは、室温のアルゴンガスであった。図１に図示する種類の噴流装置を使用して適用された冷却ガスの流量は、２５Ｌ／分であった。堆積速度は５ｋｇ／ｈであり、堆積パス間温度は５００℃であった。アルゴン冷却ガスを溶融池の半分に適用し、残りの半分は未処理であった。噴流装置のノズルを融解工具の一方側のみに嵌め込むことによりこれを達成した。
【０１４２】
結果は図６に示されている。図で分かるように、未処理側（図中の右側部分）は、粗い結晶粒構造及び柱状構造を示した。図６の製造製品の処理側（左側）の結晶粒構造は、ほぼ等軸であり且つ微細化構造を有する金属結晶粒を有する。図中の点線は、製品の片側の典型的な結晶粒度及び形状を大まかに示している。処理側の結晶粒度は、右側に示すように、従来型の付加製造方法で達成された大きさと比較して大幅に小さくなっている（最大結晶粒寸法＜２ｍｍ及び平均結晶粒度＜１ｍｍ２）。未処理側（左側）は、衝突する冷却ガスが熱勾配に与える影響に起因する、柱状構造の僅かな傾斜を示している。顕微鏡写真はまた、付加製造において本明細書で提供する噴流装置を使用して、噴流装置のノズルの操作により、傾斜微細構造の生成と局所的な材料特性の調整とを可能にできることを図示している。
【０１４３】
本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本発明に種々の修正及び変形を加えることができることは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本発明の修正及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるという条件でそれら修正及び変形を網羅することが意図される。
【符号の説明】
【０１４４】
以下は、明細書及び添付の図面で使用される参照番号の一覧表である。
１０  第１の導管
１５  第１の導管入口
２０  ディフューザ
２５  ノズル
３０  ガス噴流
４０  冷却ガス供給源
５０  冷却ガス供給源
６０  第２の導管
６５  第２の導管入口
７０  ディフューザ
７５  ノズル
８０  ガス噴流
８５  横材
９０  溶融池
９５  堆積ストリング
１００  噴流装置
２００  融解工具
２５０  ブラケット
３００  ワイヤ送給器
３３０  融解アーク又はビーム
３５０  金属ワイヤ
３７５  溶融金属溶滴
４００  加工物
４１５  予熱領域
４２５  溶融池
４３０  凝固ゾーン
４３５  凝固結晶
４４０  冷却ガス噴流衝突により誘起された対向する凝固
４５０  凝固材料ゾーン
４８０  堆積層
５００  第２の噴流装置
５２５  ノズル
５３０  冷却ガス噴流
５５０  温度センサ
５５５  凝固後温度監視領域
５６０  温度センサ
５６５  変態後温度監視領域
５７０  ブラケット
５７５  ブラケット
６００  融解工具
６３０  融解アーク又はビーム
Ｄ  進行方向
【図１】
2020527462.tif 000003
【図２】
2020527462.tif 000004
【図３】
2020527462.tif 000005
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【国際調査報告】
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