特許 7085564 出発材料、その使用、およびその出発材料を用いた付加製造法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-08

(45)【発行日】2022-06-16

(54)【発明の名称】出発材料、その使用、およびその出発材料を用いた付加製造法

(51)【国際特許分類】

   B22F 1/00 20220101AFI20220609BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20220609BHJP

   B33Y 70/00 20200101ALI20220609BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220609BHJP

   C22C 21/00 20060101ALI20220609BHJP

   C22C 21/02 20060101ALI20220609BHJP

   C22C 21/06 20060101ALI20220609BHJP

   C22C 21/10 20060101ALI20220609BHJP

   C22C 1/04 20060101ALI20220609BHJP

【ＦＩ】

B22F1/00 N

B22F10/28

B33Y70/00

B33Y10/00

C22C21/00

C22C21/02

C22C21/06

C22C21/10

C22C1/04 C

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019553034

(86)(22)【出願日】2018-04-05

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-05-28

(86)【国際出願番号】 EP2018058806

(87)【国際公開番号】W WO2018185259

(87)【国際公開日】2018-10-11

【審査請求日】2021-01-29

(31)【優先権主張番号】17165133.4

(32)【優先日】2017-04-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】519088351

【氏名又は名称】アーエムアーゲー キャスティング ゲーエムベーハー

(73)【特許権者】

【識別番号】591006586

【氏名又は名称】アウディ アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＡＵＤＩ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】コーフマン，ヘルムート

(72)【発明者】

【氏名】フラグナー，ウェルナー

(72)【発明者】

【氏名】ズッパン，ヘルムート

(72)【発明者】

【氏名】スピーリングス，アドリアーン，ベルナルデュス

(72)【発明者】

【氏名】ウゴウィッツァー，ペータ，ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】シューベルト，アンドレアス

(72)【発明者】

【氏名】フンメル，マルク

【審査官】池田 安希子

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－２０９８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００２７４８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０３－１７７５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第０２／０７７３０８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １／００

Ｂ２２Ｆ １０／２８

Ｂ３３Ｙ ７０／００

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｃ２２Ｃ ２１／００

Ｃ２２Ｃ ２１／０２

Ｃ２２Ｃ ２１／０６

Ｃ２２Ｃ ２１／１０

Ｃ２２Ｃ １／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

付加製造法のための粉末状またはワイヤー状のＡｌ－Ｍｇ系またはＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系またはＡｌ－Ｚｎ系またはＡｌ－Ｓｉ系の出発材料であって、
０．５～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）、
最大０．９重量％のマンガン（Ｍｎ）、
任意選択でケイ素（Ｓｉ）、任意選択でマグネシウム（Ｍｇ）、任意選択で銅（Ｃｕ）、任意選択で亜鉛（Ｚｎ）を含む出発材料において、
マンガン（Ｍｎ）および鉄（Ｆｅ）の含有量が、順序関係数１を、数２として満たし、

【数1】

【数2】

かつ、任意選択で
０．１～２重量％のスカンジウム（Ｓｃ）および／またはエルビウム（Ｅｒ）、
０．１～３重量％のリチウム（Ｌｉ）、
０～２重量％のニッケル（Ｎｉ）、
０～１重量％の銀（Ａｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコン（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、イットリウム（Ｙ）を単独または組み合わせで、
ならびに残留物としてアルミニウム（Ａｌ）および製造上不可避の不純物を含む出発材料、であって、
前記出発材料が、
０．０５～１２重量％のＳｉ、
０．１～８重量％のＺｎ、
０．１～７重量％のＭｇ、および
０．０５～２．５重量％のＣｕ
を含むことを特徴とする、出発材料。

【請求項2】

前記出発材料が、
少なくとも０．６重量％のＦｅ、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の出発材料。

【請求項3】

前記出発材料が、
ＦｅおよびＭｎの含有量が合計して０．７～２．１重量％
を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の出発材料。

【請求項4】

前記出発材料が、
２～７重量％のＭｇ
を有するＡｌ－Ｍｇ系
を含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の出発材料。

【請求項5】

前記出発材料が、
３～５重量％のＭｇ、ならびに
０．２～２重量％のＳｃおよび／またはＥｒ、
を含むことを特徴とする、請求項４に記載の出発材料。

【請求項6】

前記出発材料が、
０．３～２重量％のＭｇ、および
０．０５～１．５重量％のＳｉ
を有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系
を含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の出発材料。

【請求項7】

前記出発材料が、
０．３～１．２重量％のＭｇ、および
０．５～１．２重量％のＳｉ
を含むことを特徴とする、請求項６に記載の出発材料。

【請求項8】

前記出発材料が、
１～８重量％のＺｎ、
１．０～３重量％のＭｇ、および
０．０５～１．５重量％のＳｉ
を有するＡｌ－Ｚｎ系
を含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の出発材料。

【請求項9】

前記出発材料が、
４．５～８重量％のＺｎ
を含むことを特徴とする、請求項８に記載の出発材料。

【請求項10】

前記出発材料が、
５～１１重量％のＳｉ、
を有するＡｌ－Ｓｉ系
を含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の出発材料。

【請求項11】

付加製造法における、請求項１～１０のいずれか一項に従った出発材料の使用。

【請求項12】

請求項１～１０のいずれか一項に従った出発材料を用いた付加製造法。

【請求項13】

前記出発材料からなる成形体または部品を、レーザ光線を用いたその局所溶融によって１層ずつ作製することを特徴とする、請求項１２に記載の付加製造法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、付加製造法、および付加製造法のための粉末状またはワイヤー状のＡｌ－Ｍｇ系またはＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系またはＡｌ－Ｚｎ系またはＡｌ－Ｓｉ系の出発材料に関する。

【背景技術】

【0002】

粉末床による付加製造法を用いて、直接作製によって製造する成形体、例えば部品の機械的強度を向上させるために、先行技術（特許文献１）では、この付加製造法のための出発材料として、Ａｌ－Ｍｇ系またはＡｌ－Ｍｇ－Ｓｃ系（ＡｌＭｇ４，６Ｓｃ１，４）を用いた粉末またはワイヤーを使用することが知られている。スカンジウムの結晶粒微細化効果（そうした結晶粒微細化は部品の高温割れ、または熱割れも防止できる）は既知であるが、そのような粉末では、部品の凝固高温割れを低度に抑えることことができず、レーザー溶接においてもその問題は知られている。そのため、既知の粉末床による付加製造法はプロセスの不確実性が高く、現在、適切な合金を選択し、プロセスウィンドウを狭めることによってしかこれを軽減できない。すなわちこうした状況が、付加製造法の適用範囲を制限している。

【0003】

この他の、例えばＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系またはＡｌ－Ｚｎ系またはＡｌ－Ｓｉ系の出発材料についても同様のことが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】独国特許出願公開第１０２００７０１８１２３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そのため本発明は、成形体または部品で実現可能な機械的特性において有利であるだけでなく、高温割れの危険を軽減できる、とりわけ粉末床による付加製造法のための粉末状またはワイヤー状のＡｌ－Ｍｇ系またはＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系またはＡｌ－Ｚｎ系またはＡｌ－Ｓｉ系の出発材料を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、出発材料に関し、請求項１の特徴に従って、上記の課題を解決する。

【0007】

例えば硬度といった機械的特性の高さと、高温割れ傾向の低さは、Ａｌ－Ｍｇ系またはＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系またはＡｌ－Ｚｎ系またはＡｌ－Ｓｉ系の出発材料において、最大０．９重量％であるマンガン（Ｍｎ）の含有量、および少なくとも０．５重量％である鉄の含有量が、順序関係（数１）を、（数２）として満たす場合に確保することができる。

【0008】

【数1】

【0009】

【数2】

【0010】

本発明に従って、合金の組成にこの限度を設けることにより、とりわけ粉末床による付加製造時の組織形成の際に、出発材料のＡｌマトリックス相からＦｅ／Ｍｎ含有相を確実に析出し、それにより、より微細な組織形成を実現できる。鉄および／またはマンガンの含有量が比較的高いにもかかわらず、これは驚きである。通常の専門的意見によれば、含有量がこれほど高いと、粗い金属間析出相が形成され、それにより成形体または部品の機械的特性に悪影響が及ぶ。

【0011】

さらに、とりわけ粉末床による付加製造法において、順序関係を遵守し、本質的に速い冷却速度を考慮することで、合金元素の鉄および／またはマンガンが、組織に特に高い再結晶抑制効果を及ぼし得ることが確認できた。これにより、凝固高温割れの危険、および成形体または部品の孔形成の危険も大幅に軽減できる。

【0012】

加えて、Ｆｅおよび／またはＭｎは、成形体または部品の強度向上をもたらし、それとともに機械的特性をさらに改善することができる。

【0013】

そのため、先行技術と異なり、本発明による出発材料は付加製造法においてとりわけ高いプロセス確実性を保証することができ、またそれにより、本方法を多様に応用することができる。

【0014】

順序関係は、必要に応じて、任意選択の合金元素であるケイ素（Ｓｉ）および／またはマグネシウム（Ｍｇ）および／または銅（Ｃｕ）および／または亜鉛（Ｚｎ）を補うことができる。加えて、合金は、任意選択で０．１～２重量％のスカンジウム（Ｓｃ）および／またはエルビウム（Ｅｒ）、任意選択で０．１～３重量％のリチウム（Ｌｉ）、任意選択で０～２重量％のニッケル（Ｎｉ）、および任意選択で０～１重量％の銀（Ａｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコン（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、イットリウム（Ｙ）を、単独または組み合わせで含むことができる。

【0015】

出発材料は、残留物としてアルミニウム（Ａｌ）および製造上不可避の不純物を含む。一般に出発材料は、それぞれ最大０．０５重量％、合計で多くとも０．１５重量％の不純物を含むことができる。

【0016】

出発材料が少なくとも０．６重量％のＦｅを含む場合、成形体または部品の機械的特性をさらに向上させることができる。０．８～１．８重量％のＦｅおよびＭｎを含む出発材料を用い、順序関係を遵守することで、組織をさらに微細化できる。０．８～１．２重量％のＦｅを含む出発材料を用い、順序関係を遵守することでも、組織をさらに微細化できる。これにより、成形体または部品の機械的特性が改善し、孔と高温割れが少ない組織にすることができる。Ｆｅの上限をとりわけ最大１．５重量％、好ましくは最大１．２重量％とすることで、金属間相の総量を制限し、成形体または部品において比較的高い延性が保証できる。これに関して、出発材料が１重量％のＦｅを含む場合、最適な条件が実現できる。

【0017】

組成中の合金元素ＦｅおよびＭｎの合計を０．７～２．１重量％に制限することによって、粒組織をさらに微細にでき、これにより機械的特性をさらに向上させることができる。機械的特性は、ＦｅおよびＭｎの限度範囲を０．８～１．６重量％Ｆｅとさらに狭くすることにより、とりわけ向上させることができる。

【0018】

出発材料が、０．０５～１２重量％のＳｉ、０．１～８重量％のＺｎ、０．１～７重量％のＭｇ、および０．０５～２．５重量％のＣｕを含むことによって、組織の孔と高温割れの少なさを、さらに最適化することができる。

【0019】

出発材料は、耐久強度、クリープ、および降伏点といった機械的特性に関して抜群の耐食性と温度安定性を備えた部品を付加製造法によって製造できるよう、Ａｌ－Ｍｇ系を含むことができる。これについては、Ｍｇの含有量が２～７重量％であることが望ましい。

【0020】

出発材料が３～５重量％のＭｇのみを含む場合、例えば溶融過程で発生する煙粒子を抑制することができ、それにより粒組織への悪影響の危険が軽減される。そのため本発明による出発材料は、付加製造法の再現性を向上させることもできる。０．２～２重量％のスカンジウム（Ｓｃ）および／またはエルビウム（Ｅｒ）を用いて、耐高温割れ性をさらに向上させることができる。このとき、組成の他の限度と関連して、０．５～１．５重量％のＳｃおよび／またはＥｒが特に傑出し得る。

【0021】

出発材料は、合金元素としてＭｇもＳｉも有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系を含むことができる。これに関して、機械的特性を向上させ、高温割れ感受性を低減するために、出発材料は０．３～２重量％のＭｇおよび０．０５～１．５重量％のＳｉを保持することができる。

【0022】

出発材料が０．３～１．２重量％のＭｇおよび０．５～１．２重量％のＳｉを含む場合、前述の特性をさらに向上させることができる。加えて、Ｍｇ含有量を比較的少なくすることによって、溶融過程で発生する不利な煙粒子をさらに抑制することができる。

【0023】

高強度の成形体または部品を形成するために、出発材料は、１～８重量％のＺｎ、１．０～３重量％のＭｇ、および０．０５～１．５重量％のＳｉを有するＡｌ－Ｚｎ系を含むことができる。Ｆｅ／Ｍｎに関して、本発明による組成の限度は、割れ形成をとりわけ良好に防止するため、そのような出発材料から製造した成形体または部品も、特に引張強さが傑出し得る。成形体または部品の引張強さを確実に高くできるよう、出発材料が４．５～８重量％のＺｎを含む場合、引張強さを特に向上させることができる。

【0024】

出発材料は、成形部品または部品の残留応力および割れ傾向を軽減するために、Ａｌ－Ｓｉ系のほかに５～１１重量％のＳｉを含むことができる。これに関して、出発材料は、好ましくは７～１０重量％のＳｉを含む。

【0025】

本発明による出発材料は、とりわけ付加製造法に、具体的には選択的レーザ溶融の際に適し得る。

【0026】

さらに本発明は、付加製造法の再現性を向上することを課題とする。

【0027】

本発明は、請求項１３の特徴により上記の課題を解決する。

【0028】

付加製造法において本発明による出発材料を使用することにより、成形体または部品の凝固高温割れ、および孔形成の危険も大幅に軽減でき、これにより付加製造法の高い再現性をもたらすことができる。

【0029】

上記は、レーザ光線を用いた局所溶融によって出発材料から成形体または部品を１層ずつ作製する場合にとりわけ有効である。

【0030】

これは、例えば選択的レーザ溶融といった、例えば粉末床による付加製造法に当てはまり得る。

【発明を実施するための形態】

【0031】

実現される効果を証明するために、表１に示すさまざまな粉末出発材料から、粉末床による付加製造法としてＳＬＭ（選択的レーザ溶融）を用いて、具体的には立法型で成形体を製造した。

【0032】

【表1】

【0033】

粉末出発材料１～９は、表１に挙げた合金元素のほかに、残留物としてＡｌおよび製造上不可避の不純物を、それぞれ最大０．０５重量％、合計で多くとも０．１５重量％含む。表１に挙げた、含有量が記載されていない合金元素についても、それぞれ最大０．０５重量％の上限が適用される。

【0034】

請求項１に表す順序関係に従って、粉末出発材料１～９について、パラメーターＡ、ＴＬｆｃｃ、およびＭｎの最低含有量を次のように算定する。

【0035】

【表2】

【0036】

Ａｌ－Ｍｇ系の出発材料：
表２から、Ａｌ－Ｍｇ系の出発材料１、２、および３では、０．５５重量％のＭｎを含む粉末出発材料３のみが、表２に従って求められるＭｎ含有量よりそのＭｎ含有量が高いため、請求項１の順序関係を満たしていることがわかる。

【0037】

個々の出発材料１、２、および３を、選択的レーザ溶融で、それぞれ２００Ｊ／ｍｍ^３のエネルギー密度（ＥＤ）で完全に溶融させた。このためにＮｄ：ＹＡＧレーザを、レーザ出力２００～４００Ｗ、ビーム径１ｍｍ未満、走査速度（スキャン速度）２５０ｍｍ／ｓ、粉末層厚（Δｚ）３０μｍで用いた。表１の粉末出発材料１、２、または３（粒径約３０～４５μｍ）をそれぞれ局所溶融し、１層ずつ成形体を作製した。各層について、１３５μｍの走査線間隔（Δｙｓ）を選択した。

【0038】

Ａｌ－Ｓｉ系の出発材料：
表２に示したＡｌ－Ｓｉ系の出発材料４および５では、０．３重量％のＭｎを含む粉末出発材料５のみが、表２に従って求められるＭｎ含有量よりそのＭｎ含有量が高いため、請求項１の順序関係を満たしている。

【0039】

個々の出発材料４および５を、選択的レーザ溶融で、それぞれレーザ出力２００Ｗおよび走査速度（スキャン速度）５００ｍｍ／ｓでＹｂ：ＹＡＧレーザを用いて作製した。成形体４および５は、それぞれ表１の粉末出発材料（粒径約２０～４５μｍ）を局所溶融し、１層ずつ作製した。

【0040】

Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系の出発材料：
表２から、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系の出発材料６および７では、０．６５重量％のＭｎを含む粉末出発材料７のみが、表２に従って求められるＭｎ含有量よりそのＭｎ含有量が高いため、請求項１の順序関係を満たしていることがわかる。

【0041】

個々の出発材料６および７を、選択的レーザ溶融で、それぞれレーザ出力２００Ｗおよび走査速度（スキャン速度）５００ｍｍ／ｓでＹｂ：ＹＡＧレーザを用いて作製した。成形体６および７は、それぞれ表１の粉末出発材料（粒径約２０～４５μｍ）を局所溶融し、１層ずつ作製した。

【0042】

Ａｌ－Ｚｎ系の出発材料：
表２から、Ａｌ－Ｚｎ系の出発材料８および９では、０．３重量％のＭｎを含む粉末出発材料９のみが、表２に従って求められるＭｎ含有量よりそのＭｎ含有量が高いため、請求項１の順序関係を満たしていることがわかる。

【0043】

個々の出発材料８および９を、選択的レーザ溶融で、それぞれレーザ出力２００Ｗおよび走査速度（スキャン速度）５００ｍｍ／ｓでＹｂ：ＹＡＧレーザを用いて作製した。成形体８および９は、それぞれ表１の粉末出発材料（粒径約２０～４５μｍ）を局所溶融し、１層ずつ作製した。

【0044】

従って、粉末出発材料３、５、７、および９が本発明による実施形態となる。

【0045】

それにより成形体で実現した特性を次の表３に示す。

【0046】

【表3】

【0047】

表３から、粉末出発材料１および２からなる成形体は、本発明による粉末出発材料３からなる成形体と比較して硬度が明らかに低く、これは引張強さＲｍの低さと破断伸びＡの小ささにも反映されている。加えて、粉末出発材料３からなる成形体は、選択的レーザ溶融法によって割れを起こさず製造できることが実証できた。さらに、これらの成形体は低い多孔性を示した。

【0048】

成形体の多孔性は、アルキメデスの原理（静力学平衡）に従って確認した。

【0049】

粉末出発材料４および５または粉末出発材料６および７または粉末出発材料８および９からなる成形体に関しても、同様の結果が観察できる。またこれについても、粉末出発材料５または８または９からなる成形体で、張強さＲｍ、破断伸びＡ、高温割れのなさ、および多孔性に関して、同様に特性値の向上が示される。

【0050】

さらに、用いられる粉末の光線吸収特性にかかわらず、ＣＯ２レーザ、ダイオードレーザなども、付加製造法に適したレーザである。全体として、具体例は例示として理解されたい。