WO2017203717A1 - 積層造形用の金属粉末、積層造形物の製造方法及び積層造形物 - Google Patents
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- C22C21/00—Alloys based on aluminium
- C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
Definitions
- the present invention relates to an additive manufacturing metal powder, a manufacturing method of an additive manufacturing object, and an additive manufacturing object.
- an additive manufacturing method for metal powder is known.
- the additive manufacturing method forms a metal powder layer in which metal powder is spread thinly, and irradiates a specific region of the metal powder layer with laser light based on slice data (drawing pattern) of a three-dimensional structure to be created.
- slice data drawing pattern
- the advantage of this additive manufacturing method is that it is possible to manufacture a shaped object having a complicated shape, which has been very difficult by machining such as cutting.
- Patent Document 1 discloses aluminum alloy powders containing bismuth in aluminum. A method of manufacturing a layered object using the method is disclosed.
- the maximum relative density of the manufactured additive manufacturing object is about 92%, and there is a problem in the denseness of the additive manufacturing object, which is applicable due to problems such as mechanical properties. Certain metal products may be subject to certain restrictions.
- the present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, for example, heat control parts such as heat exchangers and heat sinks, engine parts and suspension parts in the aerospace field and automobile field, various parts such as hydraulic parts, brackets, etc.
- heat control parts such as heat exchangers and heat sinks
- engine parts and suspension parts in the aerospace field and automobile field
- various parts such as hydraulic parts, brackets, etc.
- a metal powder for additive manufacturing capable of manufacturing an additive manufacturing object having high ductility and thermal conductivity in addition to a high relative density
- a manufacturing method of the additive manufacturing object and an additive laminate
- the object is to provide a model.
- the above object of the present invention is achieved by a metal powder for additive manufacturing containing aluminum as a main component and containing silicon and magnesium in a total amount of 10% by mass or less and having a silicon content of more than 1% by mass.
- the magnesium content in the metal powder includes 0% by mass.
- the total content of silicon and magnesium is 7% by mass or less.
- silicon is contained in an amount of 4% by mass or more.
- the metal powder according to the present invention is characterized by not containing magnesium.
- the above object of the present invention is to spread metal powder for additive manufacturing containing aluminum as a main component and containing silicon and magnesium in a total amount of 10% by mass or less and having a silicon content greater than 1% by mass.
- a first step of forming a metal powder layer, and a second step of shaping a block body by melting and solidifying a metal powder in a predetermined region of the metal powder layer, and the metal powder according to the first step It is also achieved by a manufacturing method of a layered object that manufactures a layered object in which a plurality of the block bodies are laminated and integrated by repeating layer formation and modeling of the block body in the second step.
- the magnesium content in the metal powder includes 0% by mass.
- the total content of silicon and magnesium is 7% by mass or less.
- silicon is contained in an amount of 4% by mass or more.
- magnesium is not contained.
- the metal powder in a predetermined region of the metal powder layer is irradiated with laser light, and the metal powder of the laser light irradiation part is formed into a block body. and which is characterized in that the energy density of the laser beam is not more than 30 J / mm 3 or more 140 J / mm 3. Energy density of the laser beam is preferably further 50 J / mm 3 or more 90 J / mm 3 or less.
- the above object of the present invention is comprised of a silicon-containing aluminum alloy containing aluminum as a main component and containing silicon and magnesium in total of 10% by mass or less and having a silicon content of more than 1% by mass.
- the block body is laminated and integrated, the relative density with respect to the theoretical density of the silicon-containing aluminum alloy is 97% or more, the thermal conductivity is 120 W / m ⁇ K or more, and the elongation at break is 13% or more. This is also achieved by a layered object.
- the magnesium content in the metal powder includes 0% by mass.
- the relative density of the silicon-containing aluminum alloy with respect to the theoretical density is 99% or more.
- the thermal conductivity is 140 W / m ⁇ K or more.
- the elongation at break is 15% or more.
- the silicon-containing aluminum alloy does not contain magnesium.
- the average particle diameter of the cells in a cross section perpendicular to the stacking direction of the block bodies is 1.0 ⁇ m or less.
- FIG. 4 is a process diagram illustrating a process of the method for manufacturing a layered object after FIG. 3.
- FIG. 5 is a process diagram illustrating a process of the manufacturing method of the layered object after FIG. 4.
- FIG. 7 is a process diagram illustrating a process of the method for manufacturing a layered object after FIG. 6.
- FIG. 8 is a process diagram illustrating a process of the method for manufacturing a layered object after FIG. 7.
- FIG. 9 is a process diagram illustrating a process of the method for manufacturing a layered object after FIG. 8. It is a top view of the test piece used for a tension test. It is explanatory drawing explaining the measuring method of the average particle diameter of a cell. It is a graph which shows the breaking elongation according to the silicon content of the layered product manufactured by the layered modeling using the Al—Si based alloy powder. It is a graph which shows the elongation at break according to the silicon content of the layered product manufactured by layered modeling using the Al—Si—Mg alloy powder.
- the present invention relates to an additive manufacturing technology capable of manufacturing a machine part having a complicated shape that is difficult to manufacture by machining or casting, for example, a heat control part such as a heat exchanger or a heat sink, aerospace field or automobile field. It can be widely applied to the production of various parts such as engine parts, suspension parts, hydraulic parts, brackets and the like.
- Thermal control parts require thermal conductivity in addition to mechanical strength as their performance, so when using layered objects for these applications, layered objects require high relative density and high thermal conductivity. To do.
- various parts of automobiles and aircraft require ductility to ensure reliability in addition to mechanical strength as a performance. Requires density and high elongation at break.
- the present inventor has examined an aluminum alloy powder that is lightweight and has good thermal conductivity as a metal powder for layered modeling. As a result, it was found that by performing additive manufacturing using an aluminum alloy powder having a specific composition, the manufactured additive manufactured product can achieve both mechanical strength, ductility, and thermal conductivity, resulting in the present invention. .
- FIG. 1 to FIG. 9 are process diagrams for explaining a process of a method for manufacturing a layered object 1 according to an embodiment of the present invention.
- the method of manufacturing the layered object 1 of the present embodiment includes a metal powder having a predetermined thickness obtained by spreading an aluminum alloy powder containing aluminum as a main component (hereinafter simply referred to as “metal powder”) on a base material 11, for example.
- a new metal By repeating the formation of the powder layer M and the modeling of the block body 2, the layered object 1 in which the plurality of block bodies 2 are laminated and integrated in the vertical direction is manufactured.
- the manufacturing apparatus for the layered object 1 includes, for example, a flat substrate 11 inside a chamber 10 surrounded by a metal powder, and metal powder is spread on the substrate 11.
- steel such as iron, aluminum, titanium, carbon steel / alloy steel / stainless steel
- general-purpose metal materials such as copper, or plastic materials having heat resistance such as ceramics, glass, polyimide, etc.
- a metal material having high bondability with the layered object 1 to be shaped such as aluminum, titanium, copper, iron, and steel, can be preferably used.
- a heating device (not shown) such as a heater is connected to the base material 11, and the base material 11 is constantly heated.
- the substrate 11 is constantly heated by the heating device, but it is not always necessary to heat the substrate 11 by the heating device.
- the surface of the base material 11 is preferably subjected to a surface roughening treatment by a known method such as a blast treatment in order to enhance the bondability with the layered object 1 to be shaped.
- a width plate-like squeegee 12 that can reciprocate horizontally in the chamber 10 is disposed above the base material 11.
- a metal powder supply unit (not shown) for storing the metal powder by sliding the squeegee 12 at a predetermined height above the surface of the base material 11.
- a flat metal powder layer (metal powder layer M) having a substantially constant overall thickness is formed on the substrate 11.
- the base material 11 is attached on the stage 14, and the vertical position of the base material 11 can be adjusted by the vertical movement of the stage 14. By adjusting the vertical position of the substrate 11, the thickness of the metal powder layer M can be changed as appropriate.
- the thickness of the metal powder layer M is preferably thinner in order to improve the dimensional accuracy of the layered object 1 to be manufactured.
- the manufacturing apparatus includes a laser beam scanning device 13 that irradiates the metal powder layer M with laser light.
- the metal powder in the irradiated portion is heated and melted.
- the laser beam scanning device 13 includes a laser light source that emits a laser beam and an optical device such as a galvanometer mirror, and the laser beam is transmitted to an arbitrary region on the metal powder layer M by the galvanometer mirror or the like. In addition, scanning with a predetermined pattern shape is possible.
- the metal powder layer M can be selected and the metal powder can be locally heated by the laser beam. Therefore, only the metal powder in the irradiated portion of the laser beam is solidified to block the block 2 having a desired shape and size. Can be shaped.
- various lasers such as a fiber laser, a carbon dioxide gas laser, a YAG laser, and a semiconductor laser can be used.
- a powder bed fusion bonding method is used, and laser light is used as a means for solidifying the metal powder.
- an electron beam or plasma may be used.
- a 3D printing method additional manufacturing method
- a directional energy deposition method may be used.
- cutting or laser trimming may be performed during modeling, or surface modification with a laser or an electron beam may be performed during or after modeling.
- the manufacturing apparatus includes a gas tank that supplies atmospheric gas to the chamber 10 although not shown.
- a gas tank that supplies atmospheric gas to the chamber 10 although not shown.
- atmospheric gas nitrogen gas, argon gas, helium gas etc. can be illustrated, for example.
- a reducing gas may be used instead of the atmospheric gas.
- the inside of the chamber 10 may be decompressed by a vacuum pump or the like.
- the layered object 1 is manufactured using an aluminum alloy powder as the metal powder, and therefore the metal powder used will be described.
- Metal powder corresponds to toner and ink in a normal two-dimensional printer.
- the metal powder is an Al—Si alloy powder containing aluminum (Al) as a main component and silicon (Si) as a second component.
- the content of aluminum contained as a main component in the metal powder refers to, for example, 60% by mass or more, 70% by mass or more, or 80% by mass or more.
- the aluminum content in the metal powder can be measured by a method based on “JIS H 1305: Luminescence spectroscopic analysis method of aluminum and aluminum alloy”.
- the metal powder may contain other components in addition to aluminum and silicon.
- These components may be intentionally added during production, or may be inevitably mixed as impurities.
- Other components can preferably include magnesium.
- magnesium content in the metal powder is preferably 0.05% by mass or more and 1.5% by mass or less.
- the magnesium content in the metal powder can be measured by a method based on “JIS H 1307: Inductively coupled plasma emission spectroscopic analysis method of aluminum and aluminum alloy”.
- the upper limit of the silicon content in the metal powder is 10% by mass or less in total with magnesium, but is preferably 7% by mass or less. Moreover, it is preferable that the minimum of content of silicon is larger than 1 mass%, and is 4 mass% or more.
- the silicon content in the metal powder can be measured by a method based on “JIS H 1352: 2007: Method for quantifying silicon in aluminum and aluminum alloys”.
- magnesium can improve the intensity
- not containing magnesium in the metal powder means that it is not intentionally added to the metal powder, and is not excluded until it is inevitably mixed as an impurity. Can not be included.
- the upper limit of the silicon content in the metal powder is less than 10% by mass, and preferably less than 7% by mass.
- the particle size of the metal powder described above is appropriately adjusted according to powder production conditions, classification, sieving and the like.
- the average particle diameter of the metal powder is not particularly limited, and can be adjusted according to the height of the metal powder layer M when the layered object 1 is manufactured, and can be set to, for example, 100 ⁇ m to 200 ⁇ m. Furthermore, it can be 50 ⁇ m to 100 ⁇ m, and further can be 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the particle shape of the metal powder is not particularly limited, and may be substantially spherical or other shapes.
- the metal powder described above can be manufactured by, for example, a gas atomizing method or a water atomizing method, but can also be manufactured by a rotating electrode method, a centrifugal atomizing method, a mechanical alloying method, or the like.
- the metal powder is supplied onto the base material 11 by moving the squeegee 12 in the horizontal direction (arrow A direction), and the metal powder is spread on the base material 11 so that the whole is substantially constant.
- a flat metal powder layer M having a thickness of 1 mm is formed (first step).
- the metal powder layer M having a desired thickness d can be formed by adjusting the vertical position of the substrate 11.
- a laser beam scanning device 13 irradiates an arbitrary region on the surface of the metal powder layer M with laser light, and heats the irradiated metal powder.
- the metal powder in the laser light irradiation portion is melted and solidified, and the block body 2 is formed by irradiating the laser light along a desired scanning path as shown in FIG. 3 (second step).
- the block body 2 is modeled based on, for example, slice data of STL data converted from the three-dimensional CAD data of the layered model 1.
- the slice data is contour shape data of each cross section obtained by dividing the three-dimensional shape data of the layered object 1 into a plurality of upper and lower layers at an equal pitch d.
- the base material 11 is moved up and down based on the slice data and is moved in the vertical direction. By irradiating a predetermined area
- the metal powder is newly supplied by moving the squeegee 12 in the horizontal direction on the previously formed block body 2 and the remaining metal powder, and has a desired thickness d.
- a new metal powder layer M is formed (first step).
- the surface of the new metal powder layer M is scanned with a laser beam, and the desired range of the metal powder layer M is irradiated with the laser beam.
- the metal powder of an irradiation part is heated locally, and this metal powder melts and solidifies, and the new block body 10 is modeled (2nd process).
- the metal powder is melted and solidified to form the block body 2, it is joined to the previously formed lower block body 2, so that the newly formed block body 2 is integrated with the lower block body 2. It will become.
- the block body 2 is stacked by repeatedly performing the first process and the second process described above, and as shown in FIGS. 7 to 9, the number of layers of the block body 2 reaches a predetermined number of layers.
- a layered object 1 having a three-dimensional shape is obtained.
- the irradiation conditions when irradiating the metal powder layer M with the laser beam that is, the output of the laser beam, the scanning speed, the scanning pitch, and the like are within a range of 1000 W or less if the output is, for example.
- the scanning speed can be adjusted as appropriate within a range of 7000 mm / s or less
- the scanning pitch can be adjusted within a range of 250 mm or less.
- the energy density E of the laser beam calculated by the following formula (1) from the following formula (1) is appropriately set for each composition of the metal powder, and the metal powder is irradiated with the laser beam under the optimal irradiation conditions, so that the finer It has been found that a layered object 1 having a high relative density can be produced.
- the energy is preferably a density E is 50 J / mm 3 or more 140 J / mm 3 or less (more preferably 87 J / mm 3 or so), preferably the energy density E when the silicon content of 7 wt% 35 J / mm 3 or more 115J / mm 3 or less (more preferably about 52J / mm 3) is preferably the energy density E when the silicon content of 10 mass% is 30 J / mm 3 or more 90 J / mm 3 or less (more preferably 62J / Mm about 3 ).
- the energy density E is preferably from 30 J / mm 3 or more 140 J / mm 3, more preferably not more than 50 J / mm 3 or more 90 J / mm 3.
- the layered object 1 is composed of a silicon-containing aluminum alloy containing aluminum as a main component and containing silicon less than 10% by mass (or 10% by mass or less when magnesium is not contained), and a plurality of block bodies 2 are laminated. It is integrated.
- the layered object 1 has a physical density of 97% or more relative to the theoretical density.
- the theoretical density of the alloy indicates the density of a dense smelted material having the same composition and without void defects
- the relative density indicates a percentage of a value obtained by dividing the measured density of the layered object by the theoretical density of the alloy.
- the actually measured density of the layered object can be measured, for example, by the Archimedes method.
- the density measurement by the Archimedes method can be performed according to “JIS Z 2501: Sintered metal material—Density, oil content and open porosity test method”.
- the relative density is preferably as high as possible, preferably 99% or more, and more preferably 99.5% or more.
- the layered object 1 according to the present invention has a tensile strength of 115 MPa or more as a mechanical strength.
- Tensile strength can be measured by the following procedure. For measurement, tensile strength of grade 1 or higher based on "JIS B 7721: Tensile tester / Compression tester-Calibration method and verification method of force measurement system" Use test equipment. First, a dumbbell-shaped test piece 3 shown in FIG. 10 is manufactured, and this test piece 3 is pulled at a rate of 1 mm / min using a tensile test device, and the maximum tensile stress that appears until the test piece 3 is broken is measured.
- the tensile strength is when the axial direction of the test piece 3 described above is a vertical direction that coincides with the stacking direction of the block bodies 2 of the layered object 1 and when it is a horizontal direction perpendicular to the stacking direction.
- the pressure may be 115 MPa or more in at least one case, but in any case, it is preferably 115 MPa or more.
- the tensile strength is 115 MPa or more, even if it is used for the above-described thermal control parts, various parts of automobiles and aircrafts, etc., a mechanical strength that can withstand practical use is ensured.
- the layered object 1 according to the present invention has a ductility of breaking elongation of 13% or more and more preferably 15% or more.
- the elongation at break can be measured by the following procedure. Two marks are attached to the main body portion 4 of the test piece 3 for tensile test described above so that the interval in the axial direction is about 12 mm. The actual distance between the two gauge points is measured and used as the initial gauge distance. Then, after performing the above-described tensile test on the test piece 3, the fracture surfaces are abutted with care so that the center lines of both fractured pieces of the test piece 3 are in a straight line, and the distance between the gauge points after the fracture is measured. To do. The elongation at break is expressed as a percentage obtained by dividing the difference between the distance between the marks after the break and the initial distance between the marks by the distance between the initial marks.
- the elongation at break is at least when the axial direction of the test piece 3 described above is a vertical direction coinciding with the stacking direction of the block body 2 of the layered object 1 and the horizontal direction perpendicular to the stacking direction. Although it may be 13% or more in one case, it is preferably 13% or more in any case. As described above, when the elongation at break is 13% or more, even when used in the above-described various parts of automobiles and airplanes, the ductility to the extent that it can be practically used is secured.
- the layered object 1 according to the present invention has a thermal conductivity of 120 W / m ⁇ K or more and more preferably 140 W / m ⁇ K or more as thermal conductivity.
- the thermal conductivity is measured by using a disk-shaped test plate (not shown) having a diameter of 10 mm and a thickness of 3 mm using, for example, a commercially available thermophysical property measuring device, “JIS H 7801-2005 metal thermal flash diffusivity by laser flash method. It can be measured by a method based on “Measurement Method”.
- the thermal conductivity is at least when the radial direction of the test plate described above is a vertical direction that coincides with the stacking direction of the block body 2 of the layered object 1 and when it is a horizontal direction perpendicular to the stacking direction. In one case, it may be 120 W / m ⁇ K or more, but in any case, it is preferably 120 W / m ⁇ K or more. As described above, when the thermal conductivity is 120 W / m ⁇ K or more, even when used in the above-described thermal control component or the like, the thermal conductivity to the extent that performance can be sufficiently exhibited is ensured.
- the layered object 1 according to the present invention includes a metal structure in which fine columnar structures (cells) formed by solidification of a molten alloy, which are derived from the manufacturing method by the layered structure, are densely assembled. Are grown along the stacking direction of the block bodies 2 of the layered object 1 and arranged in a horizontal direction perpendicular to the stacking direction.
- the cell has an average particle size of 1.0 ⁇ m or less in a cross section perpendicular to the stacking direction of the block bodies 2 of the layered object 1.
- the mechanical strength of the layered object 1 is improved because the fine cells are densely arranged three-dimensionally, and even if used for the above-mentioned thermal control parts and various parts of automobiles and aircrafts, A mechanical strength sufficient to withstand practical use is ensured.
- the average particle size of the cell can be measured by the following procedure. First, a cylindrical test piece of an appropriate size is prepared, and a horizontal section perpendicular to the stacking direction of the block body 2 of the layered object 1 is polished to a mirror finish, and then etched with a Keller solution to form a micro metal structure. As shown in FIG. 11, the metal structure is photographed at a magnification of 10,000 times using a scanning electron microscope (SEM). Then, for example, as shown in FIG. 11, after drawing a straight line (measurement length of 5 ⁇ m or more) arbitrarily on the metal structure photograph, the number of cells crossed by the straight line is counted, and the length of the straight line is calculated as the cell length.
- SEM scanning electron microscope
- the value divided by the number is defined as the partial average particle size in the straight line.
- the number of cells is counted as 0.5.
- the average particle size of the cells can be measured. Note that the observation position is near the center of the scanning trace of a heat source such as a laser beam (position sufficiently away from the melting boundary). In FIG. 11, the results of actually measuring the average particle diameter of the cells are shown in Table 1 below.
- both mechanical strength, ductility, and thermal conductivity can be expected, and since it is lightweight, it is suitable for various parts of heat control parts and automobiles and aircraft. Can be applied.
- a cylindrical layered object (diameter 8 mm ⁇ height 15 mm) was manufactured by additive manufacturing using Al—Si based alloy powder in which the content of silicon (Si) was changed as the metal powder.
- the Al—Si based alloy powder was produced by a gas atomization method.
- the composition of each Al—Si based alloy powder is as shown in Table 2 below.
- a cylindrical layered object (diameter 8 mm ⁇ high height) is formed by additive manufacturing using Al—Si—Mg-based alloy powder to which magnesium (Mg) is added and the content of silicon (Si) is changed. 15 mm).
- the Al—Si—Mg alloy powder was produced by a gas atomization method.
- the composition of each Al—Si—Mg alloy powder is as shown in Table 3 below.
- the irradiation conditions of the laser beam by the laser beam scanning device for the Al—Si based alloy powder and the Al—Si—Mg based alloy powder during additive manufacturing are as follows.
- Laser type Yb fiber laser (spot diameter: about 0.1 mm, wavelength: about 1.07 ⁇ m) ⁇
- Lamination pitch 0.03mm
- a photograph of an optical microscope (OM) taken of a metal structure of a horizontal section perpendicular to the stacking direction of the block body of a layered object manufactured from each Al—Si based alloy powder and each Al—Si—Mg based alloy powder. Is shown in FIGS. 16 and 17.
- Al-Si-Mg-based alloy powder Al-7Si-0.3Mg
- the metal structure of the horizontal section is similarly obtained.
- a photograph taken with an optical microscope (OM) is shown in FIG. 18, and the tensile strength and elongation at break were measured. As a result, the tensile strength was 230 MPa and the elongation at break was 5.2%.
- FIG. 19 photographs taken with a scanning electron microscope (SEM) of the metal structure of the layered object manufactured from each Al—Si based alloy powder and each Al—Si—Mg based alloy powder are shown in FIG. 19 and FIG.
- the upper stage is a horizontal section perpendicular to the stacking direction of the block bodies, and the lower stage is a vertical section parallel to the stacking direction of the block bodies.
- this metal structure is a fine substantially columnar cell having an average particle diameter of 1.0 ⁇ m or less.
- the mechanical strength tensile strength
- a layered object manufactured with a metal powder having a silicon content of more than 1% by mass and not more than 10% by mass is excellent in practical use even when used for heat control parts and various parts of automobiles and aircrafts. It was confirmed that the mechanical strength was high enough to withstand and that the ductility was high enough.
- the layered object manufactured with the metal powder having a silicon content of more than 1% by mass and not more than 10% by mass has a high thermal conductivity of 120 W / m ⁇ K or more. It was confirmed that even if it was used as a heat control component, it had achieved thermal conductivity to the extent that sufficient performance could be exhibited.
- the layered object manufactured with the metal powder having a silicon content of greater than 1% by mass and less than or equal to 10% by mass can achieve both mechanical strength, ductility, and thermal conductivity, and is lightweight. Therefore, it was confirmed that the present invention can be suitably applied to heat control parts and various parts of automobiles and aircraft.
- the layered object manufactured with the metal powder not containing magnesium is mechanical strength (tensile compared with the layered object containing magnesium and containing the same mass% of silicon. Strength) was slightly reduced, but it was confirmed that the ductility and thermal conductivity were improved while mechanical strength sufficient to withstand practical use was ensured. Therefore, it was confirmed that the layered object manufactured with the metal powder not containing magnesium can realize higher ductility and thermal conductivity, and can be suitably applied to various parts of thermal control parts and automobiles and aircraft. .
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Abstract
高い相対密度に加え、高い延性及び熱伝導性を有する積層造形物を提供する。 アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素及びマグネシウムを合計で１０質量％以下含有し、珪素の含有量が１質量％よりも大きい積層造形用の金属粉末を用いて、積層造形法により、積層造形物１を製造する。
Description
本発明は、積層造形用金属粉末、積層造形物の製造方法及び積層造形物に関する。
金属製品の加工技術として、金属粉末を対象とする積層造形法（いわゆる「３Ｄプリンタ」）が知られている。積層造形法は、金属粉末を薄く敷き詰めた金属粉末層を形成し、作成すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、金属粉末層の特定領域に対してレーザ光を照射することにより局所的に加熱して溶融又は焼結させ、これを複数の金属粉末層に対して繰り返し行って上下に造形体を積層させることで、積層造形物を製造する方法である。この積層造形法の利点は、切削などの機械加工では非常に困難であった複雑形状の造形物の製造が可能になったことである。
積層造形法に用いられる金属粉末としては、現在、鉄系合金粉末、アルミニウム系合金粉末、チタン系合金粉末などが知られており、特許文献１には、アルミニウムにビスマスを含有したアルミニウム合金粉末を用いて積層造形物を製造する方法が開示されている。
特許文献１に記載の積層造形法では、製造される積層造形物の最大相対密度が９２％程度であり、積層造形物の緻密性に課題があるため、機械的性質などの問題で、適用可能な金属製品に一定の制限が生じるおそれがある。
本発明は、上記した課題に着目してなされたもので、例えば熱交換器やヒートシンクなどの熱制御部品、航空宇宙分野や自動車分野におけるエンジン部品やサスペンション部品、油圧部品、ブラケットなどの各種部品など、種々の金属製品に適用可能なように、高い相対密度に加え、高い延性及び熱伝導性を有する積層造形物を製造することが可能な積層造形用金属粉末、積層造形物の製造方法及び積層造形物を提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素及びマグネシウムを合計で１０質量％以下含有し、珪素の含有量が１質量％よりも大きい積層造形用の金属粉末により達成される。なお、本発明において、金属粉末におけるマグネシウムの含有量としては０質量％も含んでいる。
本発明に係る金属粉末の好ましい実施態様においては、珪素及びマグネシウムを合計で７質量％以下含有することを特徴としている。
本発明に係る金属粉末のさらに好ましい実施態様においては、珪素を４質量％以上含有することを特徴としている。
本発明に係る金属粉末のさらに好ましい実施態様においては、マグネシウムを含有しないことを特徴としている。
また、本発明の上記目的は、アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素及びマグネシウムを合計で１０質量％以下含有し、珪素の含有量が１質量％よりも大きい積層造形用の金属粉末を敷き詰めて金属粉末層を形成する第１工程と、前記金属粉末層の所定領域の金属粉末を溶融及び凝固させることで、ブロック体を造形する第２工程と、を備え、前記第１工程による前記金属粉末層の形成及び前記第２工程による前記ブロック体の造形を繰り返すことにより、複数の前記ブロック体が積層一体化された積層造形物を製造する積層造形物の製造方法によっても達成される。なお、本発明においても、金属粉末におけるマグネシウムの含有量としては０質量％も含んでいる。
本発明に係る製造方法の好ましい実施態様においては、珪素及びマグネシウムを合計で７質量％以下含有することを特徴としている。
本発明に係る製造方法のさらに好ましい実施態様においては、珪素を４質量％以上含有することを特徴としている。
本発明に係る製造方法のさらに好ましい実施態様においては、マグネシウムを含有しないことを特徴としている。
本発明に係る製造方法の好ましい実施態様においては、前記第２工程では、前記金属粉末層の所定領域の金属粉末にレーザ光を照射して、レーザ光照射部の金属粉末をブロック体に造形しており、レーザ光のエネルギー密度が３０Ｊ／ｍｍ３以上１４０Ｊ／ｍｍ３以下であることを特徴としている。レーザ光のエネルギー密度は、さらに５０Ｊ／ｍｍ３以上９０Ｊ／ｍｍ３以下とすることが好ましい。
また、本発明の上記目的は、アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素及びマグネシウムを合計で１０質量％以下含有し、珪素の含有量が１質量％よりも大きい珪素含有アルミニウム合金から構成され、複数のブロック体が積層一体化されてなり、前記珪素含有アルミニウム合金の理論密度に対する相対密度が９７％以上であり、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、破断伸びが１３％以上である積層造形物によっても達成される。なお、本発明においても、金属粉末におけるマグネシウムの含有量としては０質量％も含んでいる。
本発明に係る積層造形物の好ましい実施態様においては、前記珪素含有アルミニウム合金の理論密度に対する相対密度が９９％以上であることを特徴としている。
本発明に係る積層造形物のさらに好ましい実施態様においては、熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴としている。
本発明に係る積層造形物のさらに好ましい実施態様においては、破断伸びが１５％以上であることを特徴としている。
本発明に係る積層造形物のさらに好ましい実施態様においては、前記珪素含有アルミニウム合金がマグネシウムを含有しないことを特徴としている。
本発明に係る積層造形物のさらに好ましい実施態様においては、前記ブロック体の積層方向に垂直な断面におけるセルの平均粒径が１．０μｍ以下であることを特徴としている。
本発明によれば、高い相対密度に加え、種々の金属製品に適用可能なように、高い延性及び熱伝導性を有する積層造形物を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。本発明は、機械加工や鋳造加工では製造することが困難な複雑形状を有する機械部品を製造可能な積層造形技術に関し、例えば熱交換器やヒートシンクなどの熱制御部品、航空宇宙分野や自動車分野におけるエンジン部品やサスペンション部品、油圧部品、ブラケットなどの各種部品などの製造に広く適用することができる。
熱制御部品は、その性能として機械強度に加えて熱伝導性が要求されるため、これらの用途に積層造形物を用いる場合には、積層造形物は高い相対密度や高い熱伝導率を必要とする。また、自動車や航空機の各種部品は、その性能として機械強度に加えて信頼性確保のために延性が要求されるため、これらの用途に積層造形物を用いる場合には、積層造形物は高い相対密度や高い破断伸びを必要とする。これら機械強度、延性、熱伝導性を両立できる積層造形物は未だ開発されていないところ、本発明者は、積層造形用の金属粉末として、軽量でかつ熱伝導性が良好なアルミニウム合金粉末について検討し、その結果、特定の組成を有するアルミニウム合金粉末を用いて積層造形を行うことにより、製造される積層造形物において、機械強度、延性、熱伝導性を両立できることを見出し、本発明に至った。
図１～図９は、本発明の一実施形態である積層造形物１の製造方法の工程を説明する工程図である。本実施形態の積層造形物１の製造方法は、アルミニウムを主成分として含有するアルミニウム合金粉末（以下、単に「金属粉末」という。）を、例えば、基材１１上に敷き詰めて所定厚みの金属粉末層Ｍを形成する第１工程と、金属粉末層Ｍの所定領域の金属粉末を溶融及び固化させることでブロック体２を造形する第２工程とを備え、このブロック体２上に、新たな金属粉末層Ｍの形成及びブロック体２の造形を繰り返して行うことにより、複数のブロック体２が上下方向に積層一体化された積層造形物１を製造するものである。
積層造形物１の製造装置は、例えば、周囲が囲まれたチャンバ１０の内部に平板状の基材１１を備えており、この基材１１上に金属粉末が敷き詰められる。基材１１の素材としては、鉄、アルミニウム、チタン、炭素鋼・合金鋼・ステンレス鋼などの鋼、銅などの汎用金属材料、又は、セラミックス、ガラス、ポリイミドなどの耐熱性を有するプラスチック材料などを用いることができるが、特に、アルミニウム、チタン、銅、鉄、鋼など、造形される積層造形物１との接合性の高い金属材料を好ましく用いることができる。基材１１には、ヒーターなどの加熱装置（図示せず）が接続され、基材１１は常時加熱されている。これにより、レーザ照射による局所加熱により導入される熱歪みの低減が可能である。なお、本実施形態では、基材１１が前記加熱装置により常時加熱されるが、必ずしも前記加熱装置により基材１１を加熱する必要はない。また、基材１１の表面は、造形される積層造形物１との接合性を高めるために、ブラスト処理などの公知の方法により粗面化処理が施されていることが好ましい。
チャンバ１０の内部には、基材１１の上方にチャンバ１０内を水平方向に往復動可能な幅板状のスキージ１２が配備されている。スキージ１２が基材１１の表面よりも所定の高さ上方でスライド移動することにより、金属粉末を貯蔵する金属粉末供給部（図示せず）から金属粉末が基材１１上に供給されると、基材１１上に、全体の厚みがほぼ一定の平坦な金属粉末の層（金属粉末層Ｍ）が形成される。基材１１はステージ１４上に取り付けられており、ステージ１４の上下動により基材１１の上下位置を調整可能である。基材１１の上下位置を調整することで、金属粉末層Ｍの厚みを適宜変更できる。金属粉末層Ｍの厚みは、製造される積層造形物１の寸法精度を向上させるには、薄い方が好ましい。
また、本実施形態では、製造装置は、金属粉末層Ｍにレーザ光を照射するレーザ光走査装置１３を備えている。金属粉末層Ｍにレーザ光を照射すると、照射部分の金属粉末が加熱されて溶融する。これを急冷して固化させることにより、照射部分の金属粉末がブロック体２に造形される。レーザ光走査装置１３は、図示は省略するが、レーザ光を出射するレーザ光源とガルバノミラーなどの光学機器とを有しており、ガルバノミラーなどによってレーザ光を金属粉末層Ｍ上の任意の領域に所定のパターン形状で走査可能である。よって、金属粉末層Ｍの特定領域だけを選択して局所的に金属粉末をレーザ光により加熱できるので、レーザ光の照射部分の金属粉末だけを固化させて所望の形状及び大きさのブロック体２を造形可能である。レーザ光源から出射するレーザ光としては、ファイバーレーザ、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザなどの種々のレーザを使用することが可能である。
なお、本実施形態では、金属粉末を溶融して固化させる方法として、粉末床溶融結合法を利用し、金属粉末を固化させる手段としてレーザ光を用いているが、当該手段としては、レーザ光に限定されるものではなく、例えば電子ビームやプラズマなどを用いてもよい。また、金属粉末を固化させる方法としては、粉末床溶融結合法以外の３Ｄプリンティング法（付加製造法）を利用してもよく、例えば、指向性エネルギー堆積法を利用することができる。さらに、造形中に切削加工やレーザトリミングを実施してもよく、造形中や造形後にレーザや電子ビームによる表面改質を行ってもよい。
また、本実施形態では、製造装置は、図示は省略するが、チャンバ１０に雰囲気ガスを供給するガスタンクを備えている。チャンバ１０内が雰囲気ガスによって満たされることにより、金属粉末やブロック体２の酸化などが防止される。雰囲気ガスとしては、例えば、窒素ガスやアルゴンガス、ヘリウムガスなどを例示することができる。また、雰囲気ガスに代えて還元性ガスを用いてもよい。また、金属粉末やブロック体２の酸化などを防止するためには、チャンバ１０内を真空ポンプなどにより減圧してもよい。
次に、本実施形態の製造方法では、金属粉末としてアルミニウム合金粉末を用いて積層造形物１を製造するので、使用される金属粉末について説明する。
金属粉末は、通常の２次元プリンタにおけるトナー、インクに相当する。金属粉末は、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、珪素（Ｓｉ）を第２成分として含有するＡｌ－Ｓｉ系合金粉末である。金属粉末において主成分として含まれるアルミニウムの含有量は、例えば６０質量％以上のことを指し、７０質量％以上でもよいし、８０質量％以上でもよい。金属粉末におけるアルミニウム含有量は、「ＪＩＳ Ｈ １３０５：アルミニウム及びアルミニウム合金の発光分光分析方法」により準拠した方法により測定することができる。
金属粉末は、アルミニウム及び珪素に加え、その他の成分が含有されていてもよい。例えば、マグネシウム（Ｍg）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ナトリウム（Ｎａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、リン（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、ガリウム（Ｇａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ホウ素（Ｂ）などを挙げることができる。これらの成分は、製造時に意図的に添加される場合もあれば、不純物として不可避的に混入する場合もある。
その他の成分としては、マグネシウムを好ましく含めることができる。マグネシウムは、金属粉末に添加することで、製造される積層造形物の機械強度を向上させることができるうえ、比重を低下させることができる。金属粉末におけるマグネシウム含有量は、０．０５質量％以上１．５質量％以下であることが好ましい。金属粉末におけるマグネシウム含有量は、「ＪＩＳ Ｈ １３０７：アルミニウム及びアルミニウム合金の誘導結合プラズマ発光分光分析方法」により準拠した方法により測定することができる。
金属粉末における珪素の含有量の上限は、マグネシウムとの合計で１０質量％以下であるが、７質量％以下であることが好ましい。また、珪素の含有量の下限は、１質量％よりも大きく、４質量％以上であることが好ましい。なお、金属粉末における珪素含有量は、「ＪＩＳ Ｈ １３５２:２００７：アルミニウム及びアルミニウム合金中のけい素定量方法」により準拠した方法により測定することができる。
なお、マグネシウムは、金属粉末に添加すると製造される積層造形物１の強度を良好に向上できるため、アルミニウム合金の積層造形においては欠かすことのできない成分であると考えられていたが、本発明者の鋭意研究によると、マグネシウムを含有していなくても、珪素を含有しているだけで、製造される積層造形物の機械強度を十分に実用に耐えられる程度のものとすることができ、その反面、延性及び熱伝導性を向上できることが見出された。したがって、金属粉末にはマグネシウムを含有させないことが好ましく、マグネシウムを含有させない場合には、金属粉末における珪素の含有量だけで１０質量％以下としてもよく、好ましくは７質量％以下にしてもよい。なお、マグネシウムを金属粉末に含有させないとは、意図的に金属粉末に添加しないことを指し、不純物として不可避的に混入することまで除外するものではなく、０．０５質量％未満程度であれば、含まれていないとすることができる。また、マグネシウムが金属粉末に含まれる場合には、金属粉末における珪素の含有量の上限は、１０質量％未満となり、７質量％未満とすることが好ましい。
上述した金属粉末の粒径は、粉末製造条件、分級、篩分けなどにより適宜調整される。金属粉末の平均粒径は、特に限定されるものではなく、積層造形物１の製造する際の金属粉末層Ｍの高さに応じて調整することができ、例えば１００μｍ～２００μｍとすることができ、さらには５０μｍ～１００μｍとすることができ、さらには５μｍ～５０μｍとすることができる。また、金属粉末の粒子形状は特に限定されるものではなく、略球状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
上述した金属粉末は、例えばガスアトマイズ法や水アトマイズ法によって製造することができるが、その他、回転電極法、遠心力アトマイズ法、メカニカルアロイング法などによっても製造することもできる。
次に、上述した金属粉末を用いた積層造形物１の製造方法について説明する。まず、図１に示すように、スキージ１２を水平方向（矢印Ａ方向）に移動させることで基材１１上に金属粉末を供給し、基材１１上に金属粉末を敷き詰めて、全体がほぼ一定の厚みを有する平坦な金属粉末層Ｍを形成する（第１工程）。このとき、基材１１の上下位置を調整することで、所望の厚さｄからなる金属粉末層Ｍを形成できる。
次に、図２に示されるように、レーザ光走査装置１３により、金属粉末層Ｍ表面の任意の領域にレーザ光を照射し、この照射部分の金属粉末を加熱する。これにより、レーザ光照射部分の金属粉末が溶融固化し、図３に示すように、レーザ光を所望の走査経路に沿って照射することによりブロック体２が造形される（第２工程）。
ブロック体２は、例えば、積層造形物１の３次元ＣＡＤによる立体形状データから変換されたＳＴＬデータのスライスデータに基づき造形される。スライスデータは、積層造形物１の立体形状データを等ピッチｄで上下複数の層に分割した各断面の輪郭形状データであり、スライスデータに基づいて基材１１を上下動させるとともに、上下方向に複数積層される各金属粉末層Ｍに対してレーザ光が所定領域に照射されることで、局所的に金属粉末が溶融固化し、所望の形状を有するブロック体２が造形される。
そして、図４に示すように、先に形成されたブロック体２及び残存する金属粉末の上に、スキージ１２を水平方向に移動させて新たに金属粉末を供給し、所望の厚さｄからなる新たな金属粉末層Ｍを形成する（第１工程）。
次いで、同様に、新たな金属粉末層Ｍの表面にレーザ光を走査して、金属粉末層Ｍの所望の範囲にレーザ光を照射する。これにより、図５及び図６に示すように、照射部分の金属粉末が局所的に加熱され、該金属粉末が溶融固化することで、新たなブロック体１０が造形される（第２工程）。金属粉末が溶融固化してブロック体２が造形される際には、先に造形された下層のブロック体２と接合されるので、新たに造形されるブロック体２は下層のブロック体２と一体化することになる。
上述した第１工程と第２工程とを繰り返し行ってブロック体２を積み重ねていき、図７～図９に示すように、ブロック体２の層数が所定の層数に達することで、所望の三次元形状を有する積層造形物１が得られる。
ここで、第２工程において、金属粉末層Ｍにレーザ光を照射する際の照射条件、つまりは、レーザ光の出力、走査速度、走査ピッチなどは、例えば、出力であれば１０００Ｗ以下の範囲内で、走査速度であれば７０００ｍｍ／ｓ以下の範囲内で、走査ピッチであれば２５０ｍｍ以下の範囲内で、それぞれ適宜調整可能である。
なお、本発明者の鋭意研究によると、レーザ光の出力Ｐ（単位：Ｗ）、走査速度ｖ（単位：ｍｍ／ｓ）及び走査ピッチｓ（単位：ｍｍ）、スライスデータの積層ピッチｄ（単位：ｍｍ）から以下の式（１）で算出されるレーザ光のエネルギー密度Ｅを金属粉末の組成毎に適宜設定して、最適な照射条件でレーザ光を金属粉末に照射することで、より緻密で高い相対密度を有する積層造形物１を製造できることが見出されている。
[数１]
Ｅ＝Ｐ÷（ｖ×ｓ×ｄ）・・・（１）
Ｅ＝Ｐ÷（ｖ×ｓ×ｄ）・・・（１）
本発明者の研究によれば、金属粉末を用いて積層造形物１を緻密に製造するためのレーザ光の最適な照射条件として、例えば金属粉末における珪素含有量が４質量％の場合にはエネルギー密度Ｅが好ましくは５０Ｊ／ｍｍ３以上１４０Ｊ／ｍｍ３以下（さらに好ましくは８７Ｊ／ｍｍ３程度）であり、珪素含有量が７質量％の場合にはエネルギー密度Ｅが好ましくは３５Ｊ／ｍｍ３以上１１５Ｊ／ｍｍ３以下（さらに好ましくは５２Ｊ／ｍｍ３程度）であり、珪素含有量が１０質量％の場合にはエネルギー密度Ｅが好ましくは３０Ｊ／ｍｍ３以上９０Ｊ／ｍｍ３以下（さらに好ましくは６２Ｊ／ｍｍ３程度）である。したがって、アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素を１０質量％未満（マグネシウムを含有しない場合には１０質量％以下）含有する金属粉末を用いて、積層造形物１を緻密に製造するためのレーザ光のエネルギー密度Ｅとしては、３０Ｊ／ｍｍ３以上１４０Ｊ／ｍｍ３以下であることが好ましく、５０Ｊ／ｍｍ３以上９０Ｊ／ｍｍ３以下であることがさらに好ましい。
次に、上述した金属粉末を用いた積層造形により製造される積層造形物１について説明する。積層造形物１は、アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素を１０質量％未満（マグネシウムを含有しない場合には１０質量％以下）含有する珪素含有アルミニウム合金により構成され、複数のブロック体２が積層一体化されてなるものである。
積層造形物１は、その物性として、まず、理論密度に対する相対密度が９７％以上である。ここで、合金の理論密度は、同じ組成を有する空隙欠陥のない緻密な溶製材の密度を示し、相対密度は、積層造形物の実測密度を合金の理論密度で除した値の百分率を示す。積層造形物の実測密度は、例えばアルキメデス法により測定することができる。アルキメデス法による密度測定は、「ＪＩＳ Ｚ ２５０１：焼結金属材料－密度、含油率及び開放気孔率試験方法」に準拠して行うことができる。相対密度は、積層造形物の機械強度、延性及び熱伝導性の向上のためには、高いほど望ましく、９９％以上であることが好ましく、９９．５％以上であることがさらに好ましい。
また、本発明に係る積層造形物１は、機械強度として、引張強さが１１５ＭＰａ以上である。引張強さは、次の手順で測定することができ、測定には、「ＪＩＳ Ｂ ７７２１：引張試験機・圧縮試験機－力計測系の校正方法及び検証方法」に基づく等級１級以上の引張試験装置を使用する。まず、図１０に示すダンベル状の試験片３を製造し、この試験片３を引張試験装置を用いて１ｍｍ／ｍｉｎの速度で破断するまで引っ張り、破断するまでに現れる最大引張応力を測定する。このとき、引張試験装置の冶具は、試験片３の把持部５を掴み、試験片３の軸方向に力が加わるように調整する。そして、最大引張応力を本体部４の断面積（＝π×Ｄ１×Ｄ１÷４）で除することにより、引張強さを測定することができる。なお、試験片３の各部の寸法は以下の通りである。
・試験片３の全長Ｌ：３８ｍｍ
・本体部４の長さＬ１：１８ｍｍ
・本体部４の直径Ｄ１：３．５ｍｍ
・肩部６の半径Ｒ：１０ｍｍ
・把持部５の長さＬ２：４．０ｍｍ
・把持部５の直径Ｄ：６．０ｍｍ
・本体部４の長さＬ１：１８ｍｍ
・本体部４の直径Ｄ１：３．５ｍｍ
・肩部６の半径Ｒ：１０ｍｍ
・把持部５の長さＬ２：４．０ｍｍ
・把持部５の直径Ｄ：６．０ｍｍ
引張強さは、上述した試験片３の軸方向が、積層造形物１のブロック体２の積層方向と一致する鉛直方向となる場合、及び、前記積層方向と垂直をなす水平方向となる場合の少なくとも一方の場合において１１５ＭＰａ以上であればよいが、いずれの場合についても１１５ＭＰａ以上であることが好ましい。このように、引張強さが１１５ＭＰａ以上であることで、上述した熱制御部品や自動車及び航空機の各種部品などに用いられても、十分に実用に耐えられる程度の機械強度が担保されている。
また、本発明に係る積層造形物１は、延性として、破断伸びが１３％以上であり、１５％以上であることがより好ましい。破断伸びは、次の手順で測定することができる。上述した引張試験用の試験片３の本体部４に、軸方向での間隔が約１２ｍｍとなるように２つの標点を付す。この２つ標点の間の実際の距離を計測して、初期の標点間距離とする。そして、試験片３について上述した引張試験を実施した後、試験片３の両破断片の中心線が一直線上になるように注意しながら破断面を突き合わせて、破断後の標点間距離を測定する。破断伸びは、この破断後の標点間距離と初期の標点間距離との差を初期の標点間距離で除した百分率として表される。
破断伸びは、上述した試験片３の軸方向が、積層造形物１のブロック体２の積層方向と一致する鉛直方向となる場合、及び、前記積層方向と垂直をなす水平方向となる場合の少なくとも一方の場合において１３％以上であればよいが、いずれの場合についても１３％以上であることが好ましい。このように、破断伸びが１３％以上であることで、上述した自動車及び航空機の各種部品などに用いられても、十分に実用に耐えられる程度の延性が担保されている。
また、本発明に係る積層造形物１は、熱伝導性として、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上あることがより好ましい。熱伝導率は、直径１０ｍｍ、厚み３ｍｍの円板状の試験板（図示せず）を例えば市販の熱物性測定装置を用いて、「ＪＩＳ Ｈ ７８０１-２００５ 金属のレーザフラッシュ法による熱拡散率の測定方法」に準拠した方法により測定することができる。
熱伝導率は、上述した試験板の径方向が、積層造形物１のブロック体２の積層方向と一致する鉛直方向となる場合、及び、前記積層方向と垂直をなす水平方向となる場合の少なくとも一方の場合において１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であればよいが、いずれの場合についても１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。このように、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることで、上述した熱制御部品などに用いられても、十分に性能を発揮できる程度の熱伝導性が担保されている。
また、本発明に係る積層造形物１は、積層造形による製造方法に由来する、溶融した合金が凝固して形成される微細な略柱状組織（セル）が緻密に集合した金属組織からなり、セルは、積層造形物１のブロック体２の積層方向に沿うように成長し、前記積層方向と垂直をなす水平方向に配列されている。セルは、積層造形物１のブロック体２の積層方向に垂直な断面における平均粒径が１．０μｍ以下である。このように、微細なセルが緻密に３次元配列されていることで、積層造形物１の機械強度が向上されており、上述した熱制御部品や自動車及び航空機の各種部品に用いられても、十分に実用に耐えられる程度の機械強度が確保されている。
なお、セルの平均粒径は、次の手順で測定することができる。まず、適当な大きさの円柱状の試験片を準備し、積層造形物１のブロック体２の積層方向と垂直な水平断面を鏡面仕上げに研磨した後、ケラー氏液によりエッチングしてミクロ金属組織を現出し、図１１に示すように、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１０，０００倍に拡大して金属組織を撮影する。そして、例えば図１１に示すように、金属組織の写真上で、任意に直線（測定長で５μｍ以上）を引いた後、その直線が横切るセルの数をカウントし、直線の長さをセルの数で除した値をその直線における部分平均粒径とする。直線の始点及び終点がセル内にある場合は、それぞれセルの数を０．５個としてカウントする。少なくとも直線を５本引いて同様に部分平均粒径を測定し、各直線の部分平均粒径の平均値を算出することにより、セルの平均粒径を測定することができる。なお、観察位置は、レーザ光などの熱源の走査痕の中心部付近（溶融境界から充分に離れた位置）とする。図１１において、実際にセルの平均粒径を測定した結果を、以下の表１に示す。
以上のように、本発明に係る積層造形物１によると、機械強度、延性、熱伝導性の両立を期待でき、かつ、軽量であるため、熱制御部品や自動車及び航空機の各種部品に好適に適用することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されない。
金属粉末として、珪素（Ｓｉ）の含有量を変化させたＡｌ－Ｓｉ系合金粉末を用いて積層造形により円柱状の積層造形物（直径８ｍｍ×高さ１５ｍｍ）を製造した。Ａｌ－Ｓｉ系合金粉末は、ガスアトマイズ法により作製した。各Ａｌ－Ｓｉ系合金粉末の組成は以下の表２に示す通りである。
また、金属粉末として、マグネシウム（Ｍｇ）を添加しかつ珪素（Ｓｉ）の含有量を変化させたＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金粉末を用いて積層造形により円柱状の積層造形物（直径８ｍｍ×高さ１５ｍｍ）を製造した。Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金粉末は、ガスアトマイズ法により作製した。各Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金粉末の組成は以下の表３に示す通りである。
なお、積層造形時のＡｌ－Ｓｉ系合金粉末及びＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金粉末に対するレーザ光走査装置によるレーザ光の照射条件は以下の通りである。
・レーザの種類：Ｙｂファイバーレーザ（スポット径：約０．１ｍｍ、波長：約１．０７μｍ）
・レーザの出力：４００Ｗ以下
・走査速度：２００ｍｍ／ｓ～３０００ｍｍ／ｓ
・走査ピッチ：０．０８ｍｍ～０．１８ｍｍ
・積層ピッチ：０．０３ｍｍ
・レーザの種類：Ｙｂファイバーレーザ（スポット径：約０．１ｍｍ、波長：約１．０７μｍ）
・レーザの出力：４００Ｗ以下
・走査速度：２００ｍｍ／ｓ～３０００ｍｍ／ｓ
・走査ピッチ：０．０８ｍｍ～０．１８ｍｍ
・積層ピッチ：０．０３ｍｍ
各Ａｌ－Ｓｉ系合金粉末及び各Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金粉末から製造された積層造形物の相対密度、破断伸び、熱伝導率及び引張強さを測定した。その結果は、以下の表４、図１２～図１５に示す通りである。
また、各Ａｌ－Ｓｉ系合金粉末及び各Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金粉末から製造された積層造形物のブロック体の積層方向と垂直な水平断面の金属組織を光学顕微鏡（ＯＭ）で撮影した写真を図１６及び図１７に示す。なお、比較例として、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金粉末（Ａｌ－７Ｓｉ－０．３Ｍｇ）を金型を用いて鋳造により同サイズの円柱状とした鋳造材について、同様に水平断面の金属組織を光学顕微鏡（ＯＭ）で撮影した写真を図１８に示すとともに、引張強さ及び破断伸びを測定した結果、引張強さが２３０ＭＰａであり、破断伸びが５．２％であった。
さらに、各Ａｌ－Ｓｉ系合金粉末及び各Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金粉末から製造された積層造形物の金属組織を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真を図１９及び図２０に示す。なお、上段がブロック体の積層方向と垂直な水平断面であり、下段がブロック体の積層方向と平行な垂直断面である。
以上の結果によると、まず、図１６及び図１７に示されるように、珪素の含有量が１質量％よりも大きく１０質量％以下の金属粉末で製造された積層造形物では、９７％以上の高い相対密度を有しかつ欠陥のほとんどない金属組織とすることができ、図１９及び図２０に示されているように、この金属組織は平均粒径が１．０μｍ以下の微細な略柱状セルが緻密に集合することで形成されていて、図１８に示す同じような組成の合金を鋳造した場合と比較すると、明らかに超微細組織で形成されていて、機械強度（引張強さ）が大幅に向上していることが確認できた。そのうえ、表４からも明らかなように、延性（破断伸び）も向上していることが確認できた。よって、珪素の含有量が１質量％よりも大きく１０質量％以下の金属粉末で製造された積層造形物は、熱制御部品や自動車及び航空機の各種部品などに用いられても、実用に良好に耐えられる程度の十分高い機械強度を実現しているとともに、十分高い延性も実現していることが確認された。
また、表４からも明らかなように、珪素の含有量が１質量％よりも大きく１０質量％以下の金属粉末で製造された積層造形物は、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い値を示しており、熱制御部品などに用いられても、十分な性能を発揮できる程度の熱伝導性を実現していることが確認された。
このように、珪素の含有量が１質量％よりも大きく１０質量％以下の金属粉末で製造された積層造形物は、機械強度、延性、熱伝導性の両立を実現でき、かつ、軽量であるため、熱制御部品や自動車及び航空機の各種部品に好適に適用可能であることが確認された。
さらに、マグネシウムを含有しない金属粉末で製造された積層造形物は、表４から明らかなように、マグネシウムを含みかつ珪素が同質量％含まれている積層造形物との比較で、機械強度（引張強さ）は若干低下しているが、十分に実用に耐えられる機械強度を確保している一方で、延性及び熱伝導性が向上していることが確認された。よって、マグネシウムを含有しない金属粉末で製造された積層造形物は、さらに高い延性及び熱伝導性を実現でき、熱制御部品や自動車及び航空機の各種部品により好適に適用可能であることが確認された。
１ 積層造形物
２ ブロック体
Ｍ 金属粉末層
２ ブロック体
Ｍ 金属粉末層
Claims (16)
- アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素及びマグネシウムを合計で１０質量％以下含有し、珪素の含有量が１質量％よりも大きい積層造形用の金属粉末。
- 珪素及びマグネシウムを合計で７質量％以下含有する請求項１に記載の積層造形用の金属粉末。
- 珪素を４質量％以上含有する請求項２に記載の積層造形用の金属粉末。
- マグネシウムを含有しない請求項１～３のいずれかに記載の積層造形用の金属粉末。
- アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素及びマグネシウムを合計で１０質量％以下含有し、珪素の含有量が１質量％よりも大きい積層造形用の金属粉末を敷き詰めて金属粉末層を形成する第１工程と、
前記金属粉末層の所定領域の金属粉末を溶融及び凝固させることで、ブロック体を造形する第２工程と、を備え、
前記第１工程による前記金属粉末層の形成及び前記第２工程による前記ブロック体の造形を繰り返すことにより、複数の前記ブロック体が積層一体化された積層造形物を製造する積層造形物の製造方法。 - 珪素及びマグネシウムを合計で７質量％以下含有する請求項５に記載の積層造形物の製造方法。
- 珪素を４質量％以上含有する請求項６に記載の積層造形物の製造方法。
- マグネシウムを含有しない請求項５～７のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。
- 前記第２工程では、前記金属粉末層の所定領域の金属粉末にレーザ光を照射して、レーザ光照射部の金属粉末をブロック体に造形しており、
レーザ光のエネルギー密度が３０Ｊ／ｍｍ３以上１４０Ｊ／ｍｍ３以下である請求項５に記載の積層造形物の製造方法。 - レーザ光のエネルギー密度が５０Ｊ／ｍｍ３以上９０Ｊ／ｍｍ３以下である請求項９に記載の積層造形物の製造方法。
- アルミニウムを主成分として含有しかつ珪素及びマグネシウムを合計で１０質量％以下含有し、珪素の含有量が１質量％よりも大きい珪素含有アルミニウム合金から構成され、
複数のブロック体が積層一体化されてなり、
前記珪素含有アルミニウム合金の理論密度に対する相対密度が９７％以上であり、
熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
破断伸びが１３％以上である積層造形物。 - 前記珪素含有アルミニウム合金の理論密度に対する相対密度が９９％以上である請求項１１に記載の積層造形物。
- 熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１１に記載の積層造形物。
- 破断伸びが１５％以上である請求項１１に記載の積層造形物。
- 前記珪素含有アルミニウム合金がマグネシウムを含有しない請求項１１に記載の積層造形物。
- 前記ブロック体の積層方向に垂直な断面におけるセルの平均粒径が１．０μｍ以下である請求項１１に記載の積層造形物。
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