JP2017186653A

JP2017186653A - 三次元形状造形物及びその製造方法

Info

Publication number: JP2017186653A
Application number: JP2017034572A
Authority: JP
Inventors: 晋士塚本; Shinji Tsukamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2017-10-12

Abstract

【課題】本発明は、ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料を用いて作製することができる強度及び靭性に優れた三次元形状造形物及びその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の三次元形状造形物の製造方法は、ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料９を用いて粉末層１０を形成する工程と、粉末層１０に電子ビームＥを照射し、粉末材料９を焼結又は溶融固化させて固化層１２を形成する工程とを繰り返すことにより行われる。また、本発明の三次元形状造形物は、アスペクト比が３以上９以下、粒径が５０μｍ以上４００μｍ以下の結晶粒と、結晶粒界に析出した析出物であって、Ｃｒ：２０．０質量％以上２５．０質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以上５．００質量％以下、Ｃｕ：１．００質量％以上４．００質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以上１．００質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する析出物とを含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状造形物及びその製造方法に関する。詳細には、本発明は、ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料を用いた三次元形状造形物及びその製造方法に関する。

ＳＵＳ６３０は、強度、耐食性などの特性に優れたステンレス鋼材であり、ＳＵＳ６３０を用いた三次元形状造形物は、シャフト類、タービン部品などの用途で用いられている。
このＳＵＳ６３０を用いた三次元形状造形物は、ＳＵＳ６３０を主成分とする材料を鋳造した後、研削などの加工処理を行うことによって一般に製造されている。しかしながら、このような製造方法では、複雑な構造（例えば、中空構造など）を得ることが難しい。また、このような製造方法で得られた三次元形状造形物（鋳造品）は、靱性が十分でないため、その用途が制限されているのが現状である。

一方、三次元形状造形物の新たな製造方法として、近年、粉末積層造形法又は光造形法と称される方法が注目されている。この方法によれば、樹脂粉末、金属粉末などの粉末材料を用いて粉末層を形成し、粉末層の所定の箇所に光レーザーなどを照射して粉末材料を焼結又は溶融固化させて固化層を形成することを繰り返すことにより、三次元形状造形物を得ることができる（例えば、特許文献１〜３）。また、この方法によれば、複雑な構造を有する三次元形状造形物を短時間で製造することができる。

特表平１−５０２８９０号公報特開２０００−７３１０８号公報国際公開第２０１１／１４９１０１号

しかしながら、ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料は、粉末積層造形法において光レーザーを照射源として用いると、エネルギー密度などが十分でないため、粉末層に対する光レーザーの進入度が低く、粉末材料を十分に焼結又は溶融させることができない。その結果、三次元形状造形物中に空孔、クラックなどの欠陥、未焼結部分などが生じ易く、強度が低下するという問題がある。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料を用いて作製することができる強度及び靭性に優れた三次元形状造形物及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、ＳＵＳ６３０を用いた三次元形状造形物を粉末積層造形法によって製造することにより、三次元形状造形物の靱性が向上すること、及び当該粉末積層造形法において、電子ビームを照射源として用いることにより、粉末層に対する電子ビームの進入度を高め、粉末材料を十分に焼結又は溶融させ、その結果として三次元形状造形物の強度を向上させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料を用いて粉末層を形成する工程と、前記粉末層に電子ビームを照射し、前記粉末材料を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程とを繰り返すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法である。
また、本発明は、アスペクト比が３以上９以下、粒径が５０μｍ以上４００μｍ以下の結晶粒と、結晶粒界に析出した析出物であって、Ｃｒ：２０．０質量％以上２５．０質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以上５．００質量％以下、Ｃｕ：１．００質量％以上４．００質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以上１．００質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する析出物とを含むことを特徴とする三次元形状造形物である。

本発明によれば、ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料を用いて作製することができる強度及び靭性に優れた三次元形状造形物及びその製造方法を提供することができる。

実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる粉末積層造形装置の断面図である。実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる粉末積層造形装置の断面図である。実施例１及び２で作製した三次元形状造形物、並びに比較例１で作製した鋳造品の組織断面を撮影したＳＥＭ画像である。

以下、本発明の三次元形状造形物の製造方法及びその製造方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。

実施の形態１．
本実施の形態に係る三次元形状造形物は、粉末積層造形法によって製造される。
まず、粉末積層造形法の概要について説明する。粉末積層造形法は、粉末材料を用いて粉末層を形成する工程と、粉末層に電子ビームを照射して固化層を形成する工程と繰り返すことによって行われる。

図１及び２は、本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる粉末積層造形装置の断面図である。特に、図１は、粉末層を形成する工程を説明するための図であり、図２は、電子ビームを照射する工程を説明するための図である。
図１及び２において、粉末積層造形装置１は、壁２ａによって仕切られた粉末材料貯蔵領域３及び造形領域４と、これらの領域の上方において水平方向に移動可能なように設けられた均し板（スキージ）８と、及び造形領域４の上方に設けられた電子ビーム照射手段（例えば、電子銃）１１とを備えている。なお、図面を理解し易くする観点から、図１では電子ビーム照射手段１１を省略している。
粉末材料貯蔵領域３は、外周が壁２ａ，２ｂで囲まれており、上下方向に移動可能な粉末材料テーブル５が底部に設けられている。そして、粉末材料貯蔵領域３の内部には粉末材料９が収容されている。なお、粉末材料貯蔵領域３に収容される粉末材料９の量は、三次元形状造形物の大きさに応じて調整すればよく、特に限定されないが、三次元形状造形物の体積に対して過剰に収容しておくことが好ましい。
造形領域４は、外周が壁２ａ，２ｃで囲まれており、底部には上下方向に移動可能な造形テーブル６が設けられている。造形テーブル６上には、造形物の土台となる造形プレート７が設けられている。なお、造形プレート７は、加熱手段（図示していない）によって加熱可能となっている。

粉末層１０を形成する場合、まず、造形テーブル６を下方に距離ｔ_１移動させると共に、粉末材料テーブル５を上方に距離ｔ_１移動させる。次に、均し板８を粉末材料貯蔵領域３から造形領域４まで水平方向に移動させる。これにより、粉末材料貯蔵領域３の粉末材料９を造形領域４に移動させ、造形プレート７上に厚さｔ_１の粉末層１０を形成することができる。このとき、形成された粉末層１０の表面に、スジ、穴、窪みなどの欠陥が無いことを十分に確認することが好ましい。これは、当該欠陥が原因となって固化層１２の内部又は外部にクラック、空孔などの欠陥が発生し易くなるためである。

また、粉末層１０を形成する前に、造形プレート７を予め加熱しておくことが好ましい。
造形プレート７の加熱温度は、使用する粉末材料９の種類に応じて適宜設定すればよいが、一般に８００℃以上８５０℃以下である。

次に、電子ビームＥを照射する場合、造形領域４の上方に設けられた電子ビーム照射手段１１から粉末層１０の所定の位置に電子ビームＥを照射する。これにより、粉末材料９が焼結又は溶融固化して固化層１２が形成される。なお、電子ビームＥの照射経路は、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておけばよい。具体的には、等高線加工を適用して加工経路を決定すればよい。例えば、三次元ＣＡＤデータを等ピッチ（例えば、ｔ_１を５０μｍとした場合は５０μｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いればよい。
そして、上記のような粉末層１０を形成する工程と電子ビームＥを照射する工程とを繰り返して固化層１２を所定の厚さになるまで積層することにより、三次元形状造形物が形成される。なお、これらの工程の繰り返しによって新たに形成される固化層１２は、新たな固化層１２の形成時（焼結又は溶融固化時）に、既に形成された下層の固化層１２と一体化される。また、造形領域４において焼結又は溶融固化せずに残った粉末材料９は、回収され、次の三次元形状造形物を製造する際に再利用することができる。

上記の説明では、粉末積層造形装置１を用いた粉末積層造形法の一例を述べたが、粉末積層造形法に用いる装置は粉末積層造形装置１に限定されるわけではない。また、本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法は、公知の粉末積層造形法に準じて行うことができ、当該方法に用いられる各種装置を用いることができることは言うまでもない。
以下、本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法の特徴について詳細に説明する。

本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法では、原料粉末材料としてＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料９が用いられる。
ここで、本明細書において「ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料９」とは、粉末材料９中のＳＵＳ６３０粉末が５０質量％以上、好ましくは６０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上、更に好ましくは８０質量％以上、特に好ましくは９０質量％以上、最も好ましくは１００質量％であることを意味する。粉末材料９がＳＵＳ６３０粉末以外の成分を含む場合、当該成分は特に限定されず、当該技術分野において公知の成分（例えば、ＳＵＳ６３０粉末以外のステンレス鋼粉末）を用いることができる。この場合、ＳＵＳ６３０粉末と、それ以外の粉末とをブレンダーなどの混合装置を用いて機械的に混合することにより、材料粉末９を得ることができる。

ＳＵＳ６３０粉末は、一般に、Ｃｒ：１５．０質量％以上１８．０質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以上５．００質量％以下、Ｃｕ：３．００質量％以上５．００質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以上１．００質量％以下、Ｃ：０．０２０質量％以上０．０８０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する。

粉末材料９の平均粒径は、特に限定されないが、形成する粉末層１０の厚さよりも小さくする必要がある。粉末積層造形法において形成される粉末層１０の厚さは一般的に約５０〜２００μｍ程度であるため、粉末材料９の平均粒径は２００μｍ以下とすることが好ましい。他方、粉末材料９の平均粒径が小さいと、粉末材料９の充填密度が高くなり、電子ビームＥの照射時のエネルギー吸収率も向上するため、造形密度が高くなると共に表面粗さも低減することができる。しかしながら、粉末材料９の平均粒径が小さすぎると、粉末材料９が凝集し易くなり、粉末材料９の充填密度が低下することがある。また、粉末層１０を形成する際に、粉末材料９の凝集物が均し板８に引き摺られ、スジ、割れなどの欠陥が生じ易くなり、均質な粉末層１０が得られ難くなる。そのため、粉末材料９の平均粒径は５０μｍ以上とすることが好ましい。
なお、本明細書において「平均粒径」とは、レーザー回折法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味する。

粉末材料９の形状は、特に限定されず、球状、楕円体状または多面体状（例えば立方体状）などであってよい。その中でも、粉末層１０を形成する際に、粉末材料９の充填密度を増加させると共に均質な粉末層１０を得る観点から、粉末材料９の形状は球状であることが好ましい。ここで、本明細書において「球状」とは、アスペクト比（最大長さと最少長さとの比）が１．０以上２．０以下である形状のことを実質的に意味する。なお、粉末材料９のアスペクト比は、顕微鏡写真から測定することができる。
したがって、平均粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下である球状の粉末材料９を用いることにより、粉末材料９の充填密度が高い均質な粉末層１０を得ることができ、造形時の精度を高めることが可能となる。

上記のような特性を有する粉末材料９は、当該技術分野において公知の方法を用いて製造することができる。特に、アトマイズ法（例えば、ガスアトマイズ法）を用いれば、均一且つ球状の流動性に優れた粉末材料９を容易に得ることができる。

本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法では、照射手段として電子ビームＥが用いられる。電子ビームＥは、光レーザーなどの照射手段に比べてエネルギー密度が高いため、粉末層１０に対する進入度が高く、粉末材料９を十分に焼結又は溶融させることができる。そのため、三次元形状構造物の特性（特に、強度）を向上さることが可能になる。
電子ビームＥのエネルギー密度としては、特に限定されないが、一般に１０ｋＷ/ｃｍ^２以上１００００ｋＷ/ｃｍ^２以下である。

粉末層１０の所定の箇所に電子ビームＥを照射すると、粉末材料９が焼結又は溶融によって変形して鱗片状の結晶粒となり、それらが積層した構造を有する固化層１２が形成される。これにより、三次元形状構造物の強度及び靭性が向上する。
電子ビームＥの照射後の結晶粒のアスペクト比は、特に限定されないが、一般に３以上９以下である。なお、結晶粒のアスペクト比は、組織断面の顕微鏡写真から測定することができる。

本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法では、粉末積層造形法で得られた三次元形状造形物を熱処理してもよい。熱処理を行うことにより、結晶粒界（すなわち、個々の結晶粒の表面）にＣｒ濃度が高いＣｒ濃化層が形成され、三次元形状造形物の強度及び靭性が向上する。結晶粒の表面のＣｒ濃化層は、電子ビームＥを照射する前の材料粉末９の表面のＣｒ濃度に比べて３％〜５％高い。なお、この結晶粒の表面のＣｒ濃度は、ＥＤＳ（エネルギー分散Ｘ線分光法）又はＷＤＳ（波長分散Ｘ線分光法）によって測定することができる。

熱処理温度としては、特に限定されないが、好ましくは４５０℃以上５５０℃以下である。この温度範囲であれば、結晶粒の表面にＣｒ濃化層を安定して形成することができる。
熱処理時間としては、作製した三次元形状造形物の大きさに応じて適宜調整すればよいが、一般に１時間以上２時間以下である。
熱処理時の雰囲気としては、Ｃｒ濃化層を形成し得る雰囲気であれば特に限定されないが、一般に不活性雰囲気又は真空雰囲気、好ましくは真空雰囲気とすればよい。

上記のようにして製造される三次元形状造形物は、アスペクト比が３以上９以下、粒径が５０μｍ以上４００μｍ以下の結晶粒と、その結晶粒の間（すなわち、結晶粒界）に析出した析出物であって、Ｃｒ：２０．０質量％以上２５．０質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以上５．００質量％以下、Ｃｕ：１．００質量％以上４．００質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以上１．００質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する析出物とを含む。
ここで、本明細書において「結晶粒の粒径」とは、顕微鏡を用いた三次元形状造形物の組織断面観察から測定される粒径のことを意味する。

以下、実施例及び比較例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
粉末材料９として、平均粒径が５０μｍである球状のＳＵＳ６３０粉末を使用した。使用したＳＵＳ６３０粉末は、１６質量％のＣｒ、５質量％のＮｉ、３．５質量％のＣｕ、０．２質量％のＮｂ、０．０２質量％のＣ、０．５質量％のＳｉ、０．５質量％のＭｎ、０．０１質量％以下のＰ、０．０１質量％のＳを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する。
図１及び２に記載の粉末積層造形装置１の粉末材料貯蔵領域３の内部にＳＵＳ６３０粉末を収容し、造形プレート７を８００℃〜８５０℃に加熱した。次に、造形テーブル６を下方に５０μｍ移動させると共に、粉末材料テーブル５を上方に５０μｍ移動させた後、均し板８を粉末材料貯蔵領域３から造形領域４まで水平方向に移動させることにより、造形プレート７上に厚さ５０μｍの粉末層１０を形成した。
次に、造形領域４の上方に設けられた電子銃から粉末層１０の所定の位置に電子ビームＥを照射することにより、粉末材料９を焼結又は溶融固化させて固化層１２を形成した。このとき、電子ビームＥのエネルギー密度は１５０〜１００００ｋＷ／ｃｍ^２に調整した。
次に、上記と同様の条件にて、固化層１２上に粉末層１０を形成した後、所定の位置に電子ビームＥを照射することを繰り返して行った。その後、造形領域４内に不活性ガスを注入して冷却を行い、三次元形状造形物を取り出した。

（実施例２）
実施例１で得られた三次元形状造形物を真空雰囲気中、５５０℃で１時間熱処理した。
（比較例１）
１６質量％のＣｒ、５質量％のＮｉ、３．５質量％のＣｕ、０．２質量％のＮｂ、０．０２質量％のＣ、０．５質量％のＳｉ、０．５質量％のＭｎ、０．０１質量％以下のＰ、０．０１質量％のＳを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有するＳＵＳ６３０の鋳造品を公知の方法に従って作製した。

（比較例２）
電子ビームＥの代わりに光レーザーを照射したこと以外は実施例１と同様にして三次元形状造形物を作製した後、実施例２と同様にして熱処理を行った。なお、光レーザーのエネルギー密度は最大で１５００ｋＷ／ｃｍ^２に調整した。

実施例１〜２及び比較例２の三次元形状造形物及び比較例１の鋳造品について、引張強度、耐力、ビッカース硬度Ｈｖ及び伸びを評価した。
引張強度、耐力及び伸びは、ＪＩＳＺ２２４１に従って測定した。
ビッカース硬度Ｈｖは、ＪＩＳＺ２２４４に準じて荷重１００〜１０００ｇｆでもって１０秒間押し込んだ後、それによって形成されたくぼみの対角線長さから求めることができる。
これらの評価において、引張強度が１１００ＭＰａ以上、耐力が４００ＭＰａ以上、及びビッカース硬度Ｈｖが３００以上であれば強度が良好であるとみなすことができ、また、伸びが２０％以上であれば靭性が良好であるとみなすことができる。

また、実施例１及び２の三次元形状造形物、並びに比較例１の鋳造品については、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて結晶組織を評価すると共に、結晶粒界に析出した析出物の組成をＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分光器）を用いて分析した。
引張強度、耐力、ビッカース硬度Ｈｖ及び伸びの結果を表１、析出物の組成の分析結果を表２、組織断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を図３に示す。図３において、（ａ）は実施例１の三次元形状造形物の組織断面、（ｂ）は実施例２の三次元形状造形物の組織断面、（ｃ）は比較例１の鋳造品の組織断面である。

表１に示すように、実施例１の三次元形状造形物は、引張強度が１１００ＭＰａ以上、耐力が４００ＭＰａ以上、ビッカース硬度Ｈｖが３００以上、伸びが２０％以上であり、強度及び靱性の両方が良好であった。特に、実施例１の三次元形状造形物は、比較例１の鋳造品に比べて伸びが約２倍大きかった。また、実施例１の三次元形状造形物の組織断面観察により、粒径が５０〜４００μｍ、平均粒径が約１００μｍ、アスペクト比が約３〜８の鱗片状の結晶粒が積層した構造を有していることを確認した。
また、実施例２の三次元形状造形物も同様に、引張強度が１１００ＭＰａ以上、耐力が４００ＭＰａ以上、ビッカース硬度Ｈｖが３００以上、伸びが２０％以上であり、強度及び靱性の両方が良好であった。特に、実施例２の三次元形状造形物は、実施例１の三次元形状造形物よりも強度及び靱性が良好であり、熱処理を行うことによって強度及び靱性が向上することがわかった。また、実施例２の三次元形状造形物の組織断面観察により、粒径が５０〜４００μｍ、平均粒径が２００μｍ、アスペクト比が３〜８の鱗片状の結晶粒が積層した構造を有しており、結晶粒の表面（結晶粒界）に白色のＣｒ濃化層が形成されていることを確認した。
これに対して比較例１の鋳造品は、組織断面観察により、結晶粒の表面にＣｒ濃化層が形成されておらず、その組織も実施例１及び２の三次元形状造形物とは異なることが確認された。特に、比較例１の鋳造品は、析出物が粒状となっており、実施例１及び２の三次元形状造形物において結晶粒界に析出した筋状のＣｒ濃化層とは全く異なっていた。この粒状の析出物は、表２に示すように、Ｃｕが８〜１２質量％含まれており、Ｃｕが偏析していることが確認された。
また、比較例２の三次元形状造形物は、強度が良好であったものの、靱性が十分でなかった。特に、比較例２の三次元形状造形物は、熱処理を行ったにも関わらず、実施例１の三次元形状造形物と強度が同程度であり、しかも靱性が低かった。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料を用いて作製することができる強度及び靭性に優れた三次元形状造形物及びその製造方法を提供することができる。

１粉末積層造形装置、２ａ，２ｂ，２ｃ壁、３粉末材料貯蔵領域、４造形領域、５粉末材料テーブル、６造形テーブル、７造形プレート、８均し板、９粉末材料、１０粉末層、１１電子ビーム照射手段、１２固化層。

Claims

ＳＵＳ６３０を主成分とする粉末材料を用いて粉末層を形成する工程と、
前記粉末層に電子ビームを照射し、前記粉末材料を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程と
を繰り返すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
前記三次元形状造形物を４５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記粉末材料が、Ｃｒ：１５．０質量％以上１８．０質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以上５．００質量％以下、Ｃｕ：３．００質量％以上５．００質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以上１．００質量％以下、Ｃ：０．０２０質量％以上０．０８０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有するＳＵＳ６３０粉末であることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
アスペクト比が３以上９以下、粒径が５０μｍ以上４００μｍ以下の結晶粒と、
結晶粒界に析出した析出物であって、Ｃｒ：２０．０質量％以上２５．０質量％以下、Ｎｉ：３．００質量％以上５．００質量％以下、Ｃｕ：１．００質量％以上４．００質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以上１．００質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する析出物と
を含むことを特徴とする三次元形状造形物。