CN113490561A - 造形体制造方法及造形体 - Google Patents

Abstract

造形体制造方法是通过使用由γ′析出强化型Ni基合金构成的粉末的粉末床熔融法制造造形体的方法，Ni基合金含有质量百分率为10～16%的Cr、4.5～7.5%的Al、2.8～6.2%的Mo、0.8～4%的Nb＋Ta、0.01～2%的Ti、0.01～0.3%的Zr、0.01～0.3%的C，在由粉末构成的层（3）上沿着互相平行的多条扫描线（4）照射激光时，扫描线（4）的间隔除以激光点径时的值为0.2以上1.0以下。

Description

造形体制造方法及造形体

技术领域

本发明涉及制造造形体的方法以及通过该方法得到的造形体。

背景技术

已知以往有一种通过使用由Ni基合金构成的粉末的粉末床熔融法（Powder bedfusion）来制造造形体的方法。通过这种制造方法制造的由Ni基合金构成的造形体，例如用作燃气涡轮机引擎等的高温零件。

作为构成粉末的Ni基合金，有时会使用γ′（gamma prime）析出强化型Ni基合金。γ′析出强化型Ni基合金是指以对制造的造形体进行热处理时析出强度强化用的γ′（Ni₃（Al，Ti））相的形式调制组成而得到的Ni基合金。

关于含有Al以及Ti的Ni基合金，已知Al含有率的2倍与Ti含有率的合计（2Al＋Ti）为6%以上时，焊接时容易产生裂纹。作为一例，粉末床熔融法制造的造形体中可能形成长度超过数微米到数百微米的微裂纹。

作为抑制γ′析出强化型Ni基合金焊接时产生裂纹的技术，例如专利文献1中，记载了将Si含有率以及Zr含有率分别限制在质量百分率低于0.03%。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特表2017－508877号公报。

发明内容

发明所要解决的问题：

对此，理想是无论是否限制Ni基合金中的Si含有率以及Zr含有率，都能抑制γ′析出强化型Ni基合金焊接时裂纹的产生，尤其是减少粉末床熔融法制造的造形体中形成的裂纹。

因此，本发明的目的在于提供一种能减少通过使用由γ′析出强化型Ni基合金构成的粉末的粉末床熔融法制造的造形体中形成的裂纹的造形体制造方法以及通过该造形体制造方法得到的造形体。

解决问题的手段：

为了解决上述课题，本发明的发明人经过仔细研究发现在由粉末构成的层上沿互相平行的多条扫描线照射激光的粉末床熔融法中，这些扫描线的间隔除以激光点径时的值与造形体中的裂纹的形成存在关联性。本发明是鉴于上述观点作出的。

即，本发明的造形体制造方法，其特征在于，是通过使用由γ′析出强化型Ni基合金构成的粉末的粉末床熔融法制造造形体的方法；所述Ni基合金含有质量百分率为10～16%的Cr、4.5～7.5%的Al、2.8～6.2%的Mo、0.8～4%的Nb＋Ta、0.01～2%的Ti、0.01～0.3%的Zr、0.01～0.3%的C；在由所述粉末构成的层上沿互相平行的多条扫描线照射激光时，所述多条扫描线的间隔除以激光点径时的值为0.2以上1.0以下。

根据上述结构，可以减少造形体中形成的裂纹。

又，本发明的造形体，其特征在于，是由Ni基合金构成的含有树枝状结晶组织的造形体；所述Ni基合金含有质量百分率为10～16%的Cr、4.5～7.5%的Al、2.8～6.2%的Mo、0.8～4%的Nb＋Ta、0.01～2%的Ti、0.01～0.3%的Zr、0.01～0.3%的C； 所述树枝状结晶组织的一次树枝状结晶的枝的间隔小于3μm； 由EBSD（Electron Backscatter Diffraction）法测定的正极点图的极密度的最大值为6以上。

此处，“正极点图的极密度”是通过以所有结晶方位以均匀密度（UniformDensity）出现的状态（即完全随机配向的组织）为基准时，计算测定面内的各结晶方位以多少倍的频率出现而求出的，借助EBSD装置附属的软件的解析，作为MUD（Multiples of aUniform Density）计算得到。MUD越大表示测定面的结晶方位越偏向特定的结晶方面。

作为通过铸造制造MUD较大的铸造体的方法，已知单向凝固铸造和单结晶铸造等，但这些铸造体中树枝状结晶组织的一次树枝状结晶的枝的间隔大至超过约40μm。与此相对，通过使用激光作为热源的粉末床熔融法制造出的造形体中树枝状结晶组织的一次树枝状结晶的枝的间隔小至不到3μm。又，如上所述在粉末床熔融法中使多条扫描线的间隔除以激光点径时的值为0.2以上1.0以下时，EBSD法测定的正极点图的极密度（即MUD）的最大值为6以上。因此，具有上述结构的造形体是裂纹较少的造形体。

发明效果：

根据本发明，可以减少通过使用由γ′析出强化型Ni基合金构成的粉末的粉末床熔融法制造的造形体中形成的裂纹。

附图说明

图1是说明通过粉末床熔融法制造造形体的方法的图；

图2是示出实施例1～6以及对比例1、2的MUD的最大值以及裂纹量的图表；

图3是实施例4的显微镜照片；

图4是对比例1的显微镜照片。

具体实施方式

本发明一实施形态的造形体制造方法是通过使用由γ′析出强化型Ni基合金构成的粉末的粉末床熔融法制造造形体的方法。粉末床熔融法中熔融粉末的热源有时是电子束，本实施形态中热源是激光。

粉末床熔融法如图1所示，平台1上形成由粉末构成的层3，在该层3上沿着互相平行的多条扫描线4照射激光。激光以在层3的表面附近聚光的形式照射。各扫描线4的位置、形状以及长度根据要制造的造形体的截面形状决定。例如，扫描线4可以是直线也可以是曲线。

图1是制造四方体状的造形体的例子。图1中在相邻扫描线4中激光的扫描方向彼此相反，但也可以在所有的扫描线4中激光的扫描方向为同一方向。

通过照射在层3上的激光，该层3的一部分或全部熔融及固化。之后，使平台1下降层3的厚度的程度，在最晚形成的层（以下称为最晚层）3上形成由粉末构成的新的层（以下称为最上层）3，在该最上层3上沿着互相平行的多条扫描线4照射激光。另外，含有在最晚层3上形成有最上层3的既造形部以及未熔融粉末的是床2。

最上层3与最晚层3中，扫描线4的方向可以相同，也可以不同。最上层3与最晚层3中扫描线4的方向不同的情况下，可以适当决定最上层3的扫描线4相对于最晚层3的扫描线4的角度（以下称为扫描旋转角）。例如，图1中，扫描旋转角为90度。

重复上述的作业，最后从床2去除未熔融粉末，由此制造造形体。这样的造形体中树枝状结晶组织的一次树枝状结晶的枝的间隔小至不到3μm。

粉末床熔融法使用的粉末的粒子径分布例如为10～60μm，理想是10～45μm。层3的厚度例如在粉末的粒子径分布的中位数以上且粉末的粒子径分布的中位数的3倍以下。

构成粉末的Ni基合金作为除Ni以外的必须成分，可以含有质量百分率（以下相同）为10～16%的Cr、4.5～7.5%的Al、2.8～6.2%的Mo、0.8～4%的Nb＋Ta、0.01～2%的Ti、0.01～0.3%的Zr、0.01～0.3%的C。又，Ni基合金也可以含有0.001～0.03%的B作为必须成分。作为这样的Ni基合金，可列举出IN713C（IN为Inconel（注册商标）的简称，以下相同）、IN713LC等。另外，关于Nb以及Ta，Ni基合金也可以不含有Nb和Ta中的一项。

各必须成分的含有量更优选的是Cr：11～14%、Al：5.5～6.5%、Mo：3.8～5.2%、Nb＋Ta：1.65～2.65%、Ti：0.5～1.0%、Zr：0.05～0.15%、C：0.02～0.2%。

Ni基合金中作为其他的选择性成分，可以含有低于1%的Co、低于0.5%的Cu、低于0.5%的Fe、低于0.5%的Si中的至少一项。Ni基合金中除上述成分以外的剩余部分是Ni以及不可避免的杂质。

本实施形态中，在各层3上照射激光时，使扫描线4的间隔L除以激光点径D的值（L/D）为0.2以上1.0以下。激光点径D是指激光的强度从峰值降至1/e ²的位置（换言之，峰值的大约13.5%的位置）处的光束直径。使用激光的粉末床熔融装置中，有些激光点径可以由装置使用者进行设定，也有的无法进行设定。

激光点径D例如为0.02～0.20mm，理想是0.05～0.15mm。扫描线4的间隔L例如为0.02mm～0.08mm。理想的是L/D为0.3以上0.9以下。

激光扫描速度例如为500～3000mm/s，理想是600～2000mm/s，更理想的是700～1500mm/s。激光输出例如为100～400W，理想是130～350W，更理想的是150～300W。

如上述那样通过把在各层3上照射激光时的扫描线4的间隔L除以激光点径D的值（L/D）设为0.2以上1.0以下，可以减少造形体形成的裂纹。并且，这样制造的裂纹少的造形体中，MUD（EBSD法で测定した正极点图的极密度）的最大值为6以上（根据不同条件为10以上）。

实施例

以下，通过实施例说明本发明，但本发明不仅限于以下的实施例。

（实施例1）

通过使用具有相当于IN713C的合金成分的粉末的粉末床熔融法制造一边长为10mm的立方体状的造形体。粉末的粒子径分布为16～45μm。又，分析粉末的合金成分，Ni以外的成分的含有量为Cr：12.41%、Al：5.94%、Mo：4.36%、Nb：1.94%、Ta：0.009%、Ti：0.68%、Zr：0.11%、C：0.06%、B：0.01%、Co：0.18%、Cu：0.02%、Fe：0.20%、Si：0.03%（省略不可避免的杂质的含有量）。

作为粉末床熔融装置，使用EOS公司制EOS M290。该装置中，激光点径D由制造商设定为0.08mm。制造造形体时各层的厚度为40μm，在各层上照射激光时扫描线的间隔为0.03mm，激光扫描速度为1000mm/s，激光输出为180W、扫描旋转角为90度。

（实施例2）

除了各层上照射激光时扫描线的间隔为0.04mm以外，与实施例1同样地制造造形体。

（实施例3）

除了各层上照射激光时扫描线的间隔为0.05mm以外，与实施例1同样地制造造形体。

（实施例4）

除了各层上照射激光时扫描线的间隔为0.06mm以外，与实施例1同样地制造造形体。

（实施例5）

除了扫描旋转角为67度以外，与实施例4同样地制造造形体。

（实施例6）

除了各层上照射激光时扫描线的间隔为0.07mm以外，与实施例1同样地制造造形体。

（对比例1）

除了各层上照射激光时扫描线的间隔为0.09mm、激光扫描速度为1250mm/s、激光输出为270W以外，与实施例1同样地制造造形体。

（对比例2）

除了各层上照射激光时扫描线的间隔为0.11mm、激光扫描速度为960mm/s、激光输出为285W、扫描旋转角为67以外，与实施例1同样地制造造形体。

实施例1～6以及对比例1、2的造形体的制造条件如表1所示。又，表1中也示出了扫描线的间隔L除以激光点径D的值（L/D）。

[表1]

。

（试验）

以与层叠方向（图1的上下方向）平行的面切断实施例1～6以及对比例1、2的造形体，拍摄该切断面的显微镜照片。图3是实施例4的显微镜照片，图4是对比例1的显微镜照。并且，各实施例1～6以及对比例1、2中，计算切断面观察的每单位面积的裂纹的长度作为裂纹量。

又，对各实施例1～6以及对比例1、2，在以与层叠方向正交的面切断造形体的切断面中通过EBSD法测定正极点图的极密度。在该测定中，作为EBSD装置使用日立制作所公司制SEM-SU5000以及EDAX/TSL公司制Pegasus Digiview5。

关于正极点图的极密度的测定，更详尽地，作为事先准备使用耐水砂纸以及金刚石磨粒对切断面进行机械研磨之后，使用胶质氧化矽进行最终研磨。该事先准备用于减少无法测定点确保测定精度，常用于Ni基合金。接着，对切断面中300μm×300μm的区域以3μm的步长测定菊池线，使用解析软件（EDAX/TSL公司制OIM Data Collection/OIM Analysisver.8）进行解析获得投影｛100｝极的｛100｝极点图。根据该正极点图计算MUD。计算MUD时，使用球谐函数（Spherical Harmonics）法，展开次数为16，半宽为5度。

实施例1～6以及对比例1、2的MUD的最大值以及裂纹量如表2所示。又，实施例1～6以及对比例1、2的MUD的最大值以及裂纹量如图2的图表所示。

[表2]

。

由表1以及图2明显可知，在各层上照射激光时的扫描线的间隔大于0.08mm、即L/D大于1.0的对比例1、2中裂纹量非常多。与此相对地，对在各层上照射激光时的扫描线的间隔进行调节使L/D为0.3以上0.9以下（即0.2以上1.0以下）的实施例1～6中，裂纹量非常少。

又，对比例1、2中MUD的最大值小于6，而实施例1～6中MUD为10以上（即6以上）。因此，MUD的最大值为6以上的造形体是裂纹少的造形体。

符号说明：

1　平台

2　床

3　层

4　扫描线。

Claims (2)

1.一种造形体制造方法，其特征在于，

是通过使用由γ′析出强化型Ni基合金构成的粉末的粉末床熔融法制造造形体的方法；

所述Ni基合金含有质量百分率为10～16%的Cr、4.5～7.5%的Al、2.8～6.2%的Mo、0.8～4%的Nb＋Ta、0.01～2%的Ti、0.01～0.3%的Zr、0.01～0.3%的C；

在由所述粉末构成的层上沿互相平行的多条扫描线照射激光时，所述多条扫描线的间隔除以激光点径时的值为0.2以上1.0以下。

2.一种造形体，其特征在于，

是由Ni基合金构成的含有树枝状结晶组织的造形体；

所述Ni基合金含有质量百分率为10～16%的Cr、4.5～7.5%的Al、2.8～6.2%的Mo、0.8～4%的Nb＋Ta、0.01～2%的Ti、0.01～0.3%的Zr、0.01～0.3%的C；

所述树枝状结晶组织的一次树枝状结晶的枝的间隔小于3μm；

由EBSD法测定的正极点图的极密度的最大值为6以上。

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