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JP7592385B2 - Silicon carbide-containing articles and methods of manufacture - Google Patents
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Description

この発明は、高耐熱、高熱伝導、軽量高剛性などの材料的特徴を持つ炭化珪素系の材料を用いた物品、特に付加造形法である粉末床溶融結合法により製造される物品、及びその製造方法に関するものである。 This invention relates to articles made of silicon carbide-based materials that have material characteristics such as high heat resistance, high thermal conductivity, light weight and high rigidity, in particular articles manufactured by powder bed fusion, an additive manufacturing method, and to a method for manufacturing the same.

少量多品種や複雑な形状を有する金属部品を作製するために、粉末床溶融結合法を用いた三次元造形技術の開発が進められている。この技術は、粉末状の造形材料の層に、造形対象物の三次元形状データから生成したスライスデータに基づいてエネルギービームを走査させ、造形材料を局所的に溶融/固化させる工程を、複数層について繰り返し行うことにより、立体物を形成するものである。エネルギービームとして、レーザビームや電子ビームなどが用いられる。 In order to produce a wide variety of metal parts in small quantities or with complex shapes, development of a 3D modeling technology using powder bed fusion is underway. This technology scans a layer of powdered modeling material with an energy beam based on slice data generated from the 3D shape data of the object to be modeled, and forms a three-dimensional object by repeating the process of locally melting and solidifying the modeling material for multiple layers. A laser beam, electron beam, etc. are used as the energy beam.

また、近年は、このような三次元造形技術を用いて、加工が難しい炭化珪素などのセラミックス材料の造形が検討されている。しかし、炭化物、硼化物、窒化物などのセラミックスには、その多くがエネルギーを急激に与えると溶融せずに昇華してしまう、あるいは、溶融固化時に結晶化せずに脆くなってしまう、などの技術上の課題がある。軽量性、耐摩耗性、耐熱衝撃、化学安定性などに優れ、幅広い分野での用途が期待されている炭化珪素は、常圧で融点を持たず、2545℃付近(温度の値は2700℃など諸説あり)で昇華してしまう材料である。特許文献1には、共晶や包晶などの過渡液相焼結を利用して造形し得る粉末の候補が開示されている。炭化珪素からなる造形物を作製する粉末の候補として、炭化珪素と酸化アルミニウムと希土類酸化物とシリカの混合物、炭化珪素と窒化アルミニウムと希土類酸化物の混合物、炭化珪素と金属ゲルマニウムとの混合物が例示されている。 In recent years, the use of such three-dimensional modeling technology to model ceramic materials such as silicon carbide, which are difficult to process, has been studied. However, many ceramics such as carbides, borides, and nitrides have technical issues, such as the fact that when energy is suddenly applied to them, they do not melt but sublimate, or they become brittle without crystallizing when melted and solidified. Silicon carbide, which is excellent in lightness, wear resistance, thermal shock resistance, and chemical stability and is expected to be used in a wide range of fields, is a material that does not have a melting point at normal pressure and sublimates around 2545°C (the temperature value is variously believed to be 2700°C, etc.). Patent Document 1 discloses powder candidates that can be modeled using transient liquid phase sintering such as eutectic and peritectic. Examples of powder candidates for producing a modeled object made of silicon carbide include a mixture of silicon carbide, aluminum oxide, rare earth oxide, and silica, a mixture of silicon carbide, aluminum nitride, and rare earth oxide, and a mixture of silicon carbide and metallic germanium.

特表2016-527161号公報Special Publication No. 2016-527161

特許文献1に記載されている粉末は、共晶とするために炭化珪素と混合する材料として、シリカ、または、窒化アルミニウム、または、金属ゲルマニウムを必須材料としている。しかし、シリカは1900℃で一酸化珪素と酸素に分解する。また、窒化アルミニウムは2200℃で昇華する。金属ゲルマニウムも2400℃以下で沸騰するなど、2545℃の昇華点を持つ炭化珪素と同時に加熱しても、炭化珪素が溶融する前に揮発する可能性が高い。また、造形物の強度についての開示はないが、粉末が部分的に接合した、強度の低い造形物ができてしまうと推測される。 The powder described in Patent Document 1 requires silica, aluminum nitride, or metallic germanium as the essential material to be mixed with silicon carbide to form a eutectic. However, silica decomposes into silicon monoxide and oxygen at 1900°C. Aluminum nitride sublimes at 2200°C. Metallic germanium also boils at temperatures below 2400°C, so even if it is heated simultaneously with silicon carbide, which has a sublimation point of 2545°C, it is highly likely to volatilize before the silicon carbide melts. In addition, although there is no disclosure regarding the strength of the molded object, it is assumed that a molded object with low strength will be created in which the powder is partially bonded.

本開示の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、三次元造形技術を用いて製造されながら十分な機械強度を有する、炭化珪素を主成分とする造形物を提供することである。また、そのような造形物の製造方法を提供することである。 The object of the present disclosure, which has been made in consideration of the above problems, is to provide a molded object made primarily of silicon carbide that has sufficient mechanical strength while being manufactured using three-dimensional modeling technology. It is also to provide a method for manufacturing such a molded object.

本開示にかかる物品は、炭化珪素、炭化珪素の昇華点よりも低い融点を持つ硼化金属、および金属シリコンを含むことを特徴とする。 The article according to the present disclosure is characterized in that it contains silicon carbide, a metal boride having a melting point lower than the sublimation point of silicon carbide, and silicon metal.

また、本開示にかかる物品の製造方法は、炭化珪素を含む粉末と、および炭化珪素の昇華点よりも低い融点を持つ硼化金属を含む粉末とが混合された粉末を用いて粉末層を形成する工程と、前記形成された粉末層に、造形対象物の形状データに基づいてエネルギービームを走査して照射することにより、前記粉末の溶融、固化を行う工程と、を繰り返し行うことにより造形物を形成し、更に、形成された造形物に金属シリコンを含浸させる工程を有することを特徴とする。 The method for manufacturing an article according to the present disclosure is characterized by comprising the steps of forming a powder layer using a powder mixture of a powder containing silicon carbide and a powder containing a metal boride having a melting point lower than the sublimation point of silicon carbide, and melting and solidifying the powder by scanning and irradiating the formed powder layer with an energy beam based on shape data of an object to be molded, thereby forming a molded object by repeating the steps, and further impregnating the formed molded object with metal silicon.

上述した本発明の特徴によれば、三次元造形技術を用いて製造されながら十分な機械強度を有する、炭化珪素を主成分とする造形物を提供することができる。 The above-mentioned features of the present invention make it possible to provide a shaped object made primarily of silicon carbide that has sufficient mechanical strength while being manufactured using three-dimensional shaping technology.

本開示の製造方法で用いる三次元造形装置の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a three-dimensional modeling apparatus used in the manufacturing method of the present disclosure. 造形物に金属シリコンを含浸する際の状態を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the state when a shaped object is impregnated with metal silicon. 本開示の実施例で作成した造形物の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a molded object created in an embodiment of the present disclosure. 本開示で製造したサンプル1の断面のSEM画像である。1 is a SEM image of a cross section of Sample 1 produced in accordance with the present disclosure. 図4の断面SEM画像における色の濃い領域のみをつなぎ合わせた三次元構造を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a three-dimensional structure obtained by stitching together only the dark areas in the cross-sectional SEM images of FIG. 4. 図4の断面SEM画像における色の薄い領域のみをつなぎ合わせた三次元構造を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a three-dimensional structure obtained by stitching together only the light-colored regions in the cross-sectional SEM image of FIG. 4. 本開示で製造したサンプル1の断面の光学顕微鏡画像である。1 is an optical microscope image of a cross section of Sample 1 produced in accordance with the present disclosure. 本開示で製造したサンプル6の断面のSEM画像である。1 is a SEM image of a cross section of Sample 6 produced in accordance with the present disclosure. 本開示で製造したサンプル6の断面の光学顕微鏡画像である。1 is an optical microscope image of a cross section of Sample 6 produced in accordance with the present disclosure.

以下、添付した図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。 The following describes an embodiment of the present disclosure with reference to the attached drawings.

まず、本開示の製造方法に適用可能な造形装置を、図1を用いて説明する。造形装置は、ガス導入機構113、および排気機構114により、内部の雰囲気を制御することのできるチャンバー101を有している。チャンバー101の内部には、立体物を造形するための造形容器120と、造形材料である粉末(以下、単に「造形材料」または「粉末」と記述する場合がある。)を造形容器120に敷き詰めて粉末層111を形成するための粉末層形成機構106を有している。 First, a modeling apparatus applicable to the manufacturing method of the present disclosure will be described with reference to FIG. 1. The modeling apparatus has a chamber 101 capable of controlling the internal atmosphere by a gas introduction mechanism 113 and an exhaust mechanism 114. Inside the chamber 101, there is a modeling container 120 for modeling a three-dimensional object, and a powder layer forming mechanism 106 for spreading a powder of modeling material (hereinafter, sometimes simply referred to as "modeling material" or "powder") in the modeling container 120 to form a powder layer 111.

排気機構114は、圧力を調整するために、バタフライバルブ等の圧力調整機構を備えていてもよいし、ガス供給とそれに伴う圧力上昇によるチャンバー内の雰囲気を調整することができる構成(一般にブロー置換と呼ぶ)であってもよい。 The exhaust mechanism 114 may be equipped with a pressure adjustment mechanism such as a butterfly valve to adjust the pressure, or may be configured to adjust the atmosphere in the chamber by supplying gas and the associated pressure increase (commonly referred to as blow replacement).

造形容器120の底部は、昇降機構108によって鉛直方向における位置を変えることができる造形ステージ107で構成されている。昇降機構108の移動方向および移動量は、制御部(不図示)によって制御され、形成する粉末層111の層厚に応じて造形ステージ107の移動量が決められる。造形ステージ107の造形面側には、ベースプレート109を設置するための構造(不図示)が設けられている。ベースプレート109は、ステンレスなど溶融可能な材料からなるプレートであり、1層目の粉末層を溶融固化する時に造形材料とともにその表面が溶融され、造形物をベースプレートに固定することが可能となる。従って、造形の間に、ベースプレート109上における造形物の位置がずれないよう保持することができる。造形が完了した後に、ベースプレート109は、造形物から機械的に切り離される。 The bottom of the modeling container 120 is composed of a modeling stage 107 whose position in the vertical direction can be changed by a lifting mechanism 108. The direction and amount of movement of the lifting mechanism 108 are controlled by a control unit (not shown), and the amount of movement of the modeling stage 107 is determined according to the thickness of the powder layer 111 to be formed. A structure (not shown) for installing a base plate 109 is provided on the modeling surface side of the modeling stage 107. The base plate 109 is a plate made of a meltable material such as stainless steel, and its surface is melted together with the modeling material when the first powder layer is melted and solidified, making it possible to fix the model to the base plate. Therefore, the position of the model on the base plate 109 can be maintained so that it does not shift during modeling. After modeling is completed, the base plate 109 is mechanically separated from the model.

粉末層形成機構106は、粉末材料を収容する粉末収容部と、粉末材料を造形容器120に供給する供給機構を有している。さらに、ベースプレート109上に粉末層を設定した厚さに均すためのスキージおよびローラのいずれか一方を有していてもよいし、両方を有していてもよい。 The powder layer forming mechanism 106 has a powder storage section that stores powder material, and a supply mechanism that supplies the powder material to the modeling container 120. In addition, it may have either a squeegee or a roller, or both, for leveling the powder layer on the base plate 109 to a set thickness.

造形装置は、さらに、造形材料を溶融させるためのエネルギービーム源102と、エネルギービーム112を2軸で走査させるための走査ミラー103A、103Bと、エネルギービームを照射部に集光させるための光学系104を備えている。エネルギービーム112はチャンバー101の外側から照射されるため、チャンバー101には、エネルギービーム112を内部に導入するための導入窓105が設けられている。エネルギービームのパワー密度や走査位置は、不図示の制御部が取得した造形対象物の三次元形状データや造形材料の特性に従って、制御部によって制御される。また、粉末層111の表面近傍で焦点を結んでビーム径が適切な大きさになるよう、あらかじめ造形容器120、光学系104の位置を調整しておく。表面におけるビーム径は、造形精度に影響するため、30~100μmとするのが好ましい。 The molding apparatus further includes an energy beam source 102 for melting the molding material, scanning mirrors 103A and 103B for scanning the energy beam 112 in two axes, and an optical system 104 for focusing the energy beam on the irradiation portion. Since the energy beam 112 is irradiated from outside the chamber 101, the chamber 101 is provided with an introduction window 105 for introducing the energy beam 112 into the chamber. The power density and scanning position of the energy beam are controlled by a control unit (not shown) in accordance with the three-dimensional shape data of the object to be molded and the characteristics of the molding material acquired by the control unit. In addition, the positions of the molding container 120 and the optical system 104 are adjusted in advance so that the beam is focused near the surface of the powder layer 111 and has an appropriate beam diameter. The beam diameter on the surface affects the molding accuracy, so it is preferably 30 to 100 μm.

次に、本開示の製造方法を説明する。まず、ベースプレート109をステージ107に設置し、チャンバー101の内部を、ガス導入機構113を介して導入された窒素やアルゴンなどの不活性ガスで置換する。置換が終了すると、ベースプレート109上に粉末層形成機構106により、粉末層111を形成する。粉末層111は、造形対象物の三次元形状データから生成したスライスデータのスライスピッチ、即ち、積層ピッチに応じた厚さで形成される。 Next, the manufacturing method of the present disclosure will be described. First, the base plate 109 is placed on the stage 107, and the inside of the chamber 101 is replaced with an inert gas such as nitrogen or argon introduced via the gas introduction mechanism 113. When the replacement is completed, a powder layer 111 is formed on the base plate 109 by the powder layer forming mechanism 106. The powder layer 111 is formed with a thickness according to the slice pitch of the slice data generated from the three-dimensional shape data of the object to be molded, i.e., the layering pitch.

本開示で造形に使用される粉末は、炭化珪素の粉末を主成分とするものであり、更に、炭化珪素の昇華点より低い融点を持つ硼化金属の粉末との混合粉末である。なお、炭化珪素の特性を大きく損なうことがなければ上記以外の化合物からなる粉末が含まれていても構わない。炭化珪素および硼化金属の粉末粒子のサイズは、小さすぎると凝集して均一な厚みの粉末層が形成できず、大きすぎると溶融させるのに高いエネルギーが必要となって造形が困難となってしまうため、3μm~100μmの粒子径が好ましく、5μm~50μmの粒子径がより好ましい。また、粉末層の1層あたりの厚さは、造形精度に影響するため、30~100μm程度が好適である。 The powder used for molding in this disclosure is mainly composed of silicon carbide powder, and is a mixed powder with metal boride powder having a melting point lower than the sublimation point of silicon carbide. Powders made of compounds other than those mentioned above may be included as long as they do not significantly impair the properties of silicon carbide. The size of the silicon carbide and metal boride powder particles is preferably 3 μm to 100 μm in particle diameter, and more preferably 5 μm to 50 μm in particle diameter, because if the powder particles are too small, they will aggregate and a powder layer of uniform thickness cannot be formed, and if they are too large, high energy is required to melt them, making molding difficult. In addition, the thickness of each powder layer affects the molding accuracy, so a thickness of about 30 to 100 μm is preferable.

ここで、本開示における、粉末の粒子径の測定方法について説明する。粉末に含まれる粒子径はある範囲に分布を持っており、中央値、最大粒子径が規定されている。SiCは、すでに業界で標準化された粒子径の評価方法に従い、JIS R 6001-2「研削といし用研削材の粒度」に従って電気抵抗法により測定する。一硼化クロム、二硼化クロムなどのSiC以外の粒子径については、JIS Z 8832「粒子径分布測定方法-電気的検知帯法」に従って測定する。 Here, the method for measuring the particle size of powder in this disclosure will be explained. The particle sizes contained in the powder have a distribution within a certain range, with the median and maximum particle sizes specified. SiC is measured according to the particle size evaluation method already standardized in the industry, using an electrical resistance method in accordance with JIS R 6001-2 "Particle size of abrasives for grinding wheels." Particle sizes of chromium monoboride, chromium diboride, and other particles other than SiC are measured according to JIS Z 8832 "Method for measuring particle size distribution - Electrical detection zone method."

次に、エネルギービーム112をスライスデータに従って走査し、粉末層111の所定領域の粉末にエネルギービーム112を照射して溶融させる。エネルギービーム源102には、造形材料が50%以上の高い吸収率を有する波長のエネルギーを出力できるものを用いるのが好ましい。特に、造形の際に溶融した硼化金属が炭化珪素の周りを包み込む状態を作り出すため、硼化金属が高い吸収率を有する波長域のエネルギービームを使用するのが好ましい。造形材料が二硼化クロムである場合、波長1000~1120nmの半導体ファイバーレーザが好適である。 Next, the energy beam 112 is scanned according to the slice data, and the powder in a predetermined region of the powder layer 111 is irradiated with the energy beam 112 to melt it. The energy beam source 102 is preferably capable of outputting energy of a wavelength at which the modeling material has a high absorption rate of 50% or more. In particular, to create a state in which the molten metal boride wraps around the silicon carbide during modeling, it is preferable to use an energy beam in a wavelength range in which the metal boride has a high absorption rate. When the modeling material is chromium diboride, a semiconductor fiber laser with a wavelength of 1000 to 1120 nm is suitable.

エネルギービーム112は、エネルギービームを照射された領域の粉末が、数msecの間に溶融および固化して粒子が互いに結合するレベルのエネルギー強度とするのが好ましい。粉末層が積層されている場合は、エネルギービーム112の照射側の最表面に位置する粉末層だけでなく、エネルギービーム112が照射されている粉末層の直下の粉末層もある程度溶融凝固させることが、造形には必要である。直下の粉末層の溶融が不十分だと、造形は層毎に剥離し易くなり、強度の低い造形物となってしまう。なお、ベースプレート109の直上に敷いた最初の粉末層の溶融固化時には、ベースプレート109の表面が同時に溶融されるよう、ベースプレートの熱容量、熱伝導などを考慮しエネルギービームの照射条件を調整する。 The energy beam 112 is preferably set to an energy intensity at a level where the powder in the area irradiated with the energy beam melts and solidifies within a few milliseconds, and the particles bond together. When powder layers are stacked, it is necessary for the modeling to melt and solidify to some extent not only the powder layer located at the outermost surface on the side irradiated with the energy beam 112, but also the powder layer directly below the powder layer irradiated with the energy beam 112. If the powder layer directly below is not melted sufficiently, the modeling will tend to peel off layer by layer, resulting in a model with low strength. When the first powder layer laid directly above the base plate 109 melts and solidifies, the irradiation conditions of the energy beam are adjusted taking into account the heat capacity, heat conductivity, etc. of the base plate so that the surface of the base plate 109 is melted at the same time.

続いて、昇降機構108により造形ステージ107を積層ピッチ分だけ降下させた後、エネルギービームを走査させた層の上に粉末を敷きつめて新たな粉末層を形成し、エネルギービーム112の走査および照射を行なう。前述したように、新たな粉末層にエネルギービーム112を照射する際に、先にエネルギービーム112が走査された層の一部(具体的には、新たな粉末層と接する部分)が再度溶融固化される。新たな粉末層の、エネルギービーム112が照射される領域の直下がすでに溶融固化された領域である場合、新たな粉末層のビーム照射領域は、先に溶融固化された領域の一部の溶融した材料と混じり合って固化し、互いに接合する。これらの操作を繰り返せば、エネルギービーム112によって層毎に溶融固化された領域が一体となった造形物110を形成することができる。 Then, the lifting mechanism 108 lowers the modeling stage 107 by the layer pitch, and then a new powder layer is formed by spreading powder on the layer scanned with the energy beam, followed by scanning and irradiation with the energy beam 112. As described above, when the new powder layer is irradiated with the energy beam 112, a part of the layer previously scanned with the energy beam 112 (specifically, the part in contact with the new powder layer) is melted and solidified again. If the area of the new powder layer directly below the area irradiated with the energy beam 112 is already melted and solidified, the beam-irradiated area of the new powder layer mixes with the molten material of the part of the previously melted and solidified area, solidifies, and bonds with each other. By repeating these operations, a model 110 can be formed in which the areas melted and solidified by the energy beam 112 are integrated into one layer.

造形物110は、ベースプレート109に接合しているため、ベースプレートごとチャンバー101より取り出す。その後、ダイヤモンドなどの砥粒を付着したワイヤーソーやディスクブレードなどにより、ベースプレート109と造形物110を切断し、分離し、造形物110を得ることができる。 Since the molded object 110 is bonded to the base plate 109, it is removed from the chamber 101 together with the base plate. The base plate 109 and the molded object 110 are then cut and separated using a wire saw or a disk blade with abrasive grains such as diamond attached, and the molded object 110 can be obtained.

次に、造形物に金属シリコンを含ませる工程の一例について図2を用いて説明する。金属シリコンの融点(1414℃)でも、揮発、変質等のないグラファイトなどの材料からなるるつぼ201の底に、粒径の揃った耐熱球状物202を二層以上の厚みにならないように敷き、その上に造形物110を置く。耐熱球状物202は、含浸工程中に造形物110から染み出した金属シリコンの固化物により、るつぼ201と造形物110が強く固着しないよう、隙間を生じさせる効果がある。 Next, an example of a process for impregnating a molded object with metal silicon is described with reference to Figure 2. Heat-resistant spheres 202 of uniform particle size are placed at the bottom of a crucible 201 made of a material such as graphite that does not volatilize or change quality even at the melting point of metal silicon (1414°C), so that the thickness is not more than two layers, and the molded object 110 is placed on top of the heat-resistant spheres 202. The heat-resistant spheres 202 have the effect of creating gaps so that the crucible 201 and the molded object 110 do not adhere strongly to each other due to the solidified metal silicon that seeps out of the molded object 110 during the impregnation process.

さらに、予め造形物110の空隙率を形状と質量から導出し、空隙に相当する量よりも多めに金属シリコン粉203を造形物上に載せる。その後、るつぼ201ごと真空熱処理炉に入れ、炉内をアルゴンに置換し、適宜減圧して、室温から金属シリコンの融点である1414℃を超える温度、例えば1500℃まで加熱する。融点を超え液状化した金属シリコンは造形物の空隙に浸み込む。その後、冷却し室温になったところでドライエアを導入して大気圧にし、真空熱処理炉からるつぼを取り出す。冷却時は、金属シリコンの融点付近の温度では、場所により凝固のタイミングが異なることで発生する歪みや応力を防ぐため温度変化率を小さくする。造形物110から染み出した金属シリコンの固形物により、造形物表面に付着した耐熱球状物202を取り除き、さらに、研削、研磨等で形状、表面を整え、所望の物品を得ることができる。 Furthermore, the porosity of the molded object 110 is derived in advance from the shape and mass, and metal silicon powder 203 is placed on the molded object in an amount greater than the amount corresponding to the voids. After that, the crucible 201 is placed in a vacuum heat treatment furnace, the inside of the furnace is replaced with argon, the pressure is appropriately reduced, and the molded object is heated from room temperature to a temperature exceeding 1414°C, which is the melting point of metal silicon, for example, 1500°C. The metal silicon that has exceeded the melting point and become liquid permeates the voids in the molded object. After that, when it is cooled to room temperature, dry air is introduced to make the pressure atmospheric, and the crucible is removed from the vacuum heat treatment furnace. During cooling, the temperature change rate is reduced to prevent distortion and stress that occur due to differences in solidification timing depending on the location at temperatures near the melting point of metal silicon. The heat-resistant spherical objects 202 attached to the surface of the molded object are removed by the solid metal silicon that has seeped out of the molded object 110, and the shape and surface are adjusted by grinding, polishing, etc., to obtain the desired product.

[本開示で使用する粉末材料]
本開示は、炭化珪素の粉末と、炭化珪素と共晶もしくは亜共晶を生成し、炭化珪素の昇華点より低い融点を持つ硼化金属の粉末とを混合して造形粉末とする。このような造形粉末を用いて、炭化珪素と硼化金属との共晶もしくは亜共晶を含む造形物を作製することにより、炭化珪素単体に迫る強度の造形物を実現する。
Powder Materials Used in the Present Disclosure
In the present disclosure, a shaping powder is prepared by mixing a powder of silicon carbide with a powder of a metal boride that forms a eutectic or hypoeutectic with silicon carbide and has a melting point lower than the sublimation point of silicon carbide. By using such a shaping powder to produce a shaped object containing a eutectic or hypoeutectic of silicon carbide and a metal boride, a shaped object with strength approaching that of silicon carbide alone is realized.

ここで、共晶/亜共晶について、以下に説明する。 Here, we will explain eutectic/hypoeutectic.

金属などの材料X、材料Yの混合物では、融点がそれぞれの材料の融点よりも低くなる材料比率がある。その時、融点が最も低くなる時の材料比率を共晶組成、その融点を共晶温度という。 In a mixture of material X (such as a metal) and material Y, there is a material ratio at which the melting point is lower than the melting point of each material. At that time, the material ratio at which the melting point is the lowest is called the eutectic composition, and the melting point is called the eutectic temperature.

共晶組成において、融点以上の温度では材料Xと材料Yは共に液相であり、融点より低い温度では、材料Xと材料Yが同時に析出する。そのため、材料X、材料Yは細かい析出相で構成され、ラメラ状などと呼ばれる層状の構造で強度の大きい共晶体になる。 In a eutectic composition, materials X and Y are both in the liquid phase at temperatures above the melting point, and at temperatures below the melting point, materials X and Y precipitate simultaneously. As a result, materials X and Y are composed of fine precipitate phases, forming a strong eutectic with a layered structure known as a lamellar structure.

次に、材料X、材料Yの混合物で共晶組成よりも材料Xを多く含む場合を考えてみる。この場合は、融点以上で液相であるが、融点より下がるとまず材料Xが固化し、共晶温度までは材料Xが析出(初晶と呼ぶ)する。そして、共晶温度まで下がった時には、析出した材料Xの結晶を除いた液相の部分は、共晶組成になっており、その状態から共晶温度以下に下げると、材料Xと材料Yが同時に析出する。つまり、もともと共晶組成から出発した場合に比べ、材料Xの析出が早く始まる分だけ結晶が大きく成長したものが混ざった構造になる。共晶組成よりも材料Yが多い場合は、材料Yの結晶が大きく成長する。それらの状態を亜共晶と呼ぶ。共晶や亜共晶は、造形物の断面を走査型電子顕微鏡で観察することで確認することができる。 Next, consider the case where a mixture of materials X and Y contains more material X than the eutectic composition. In this case, the mixture is in liquid phase above the melting point, but when the temperature drops below the melting point, material X solidifies first, and material X precipitates (called primary crystallization) up to the eutectic temperature. When the temperature drops to the eutectic temperature, the liquid phase excluding the precipitated crystals of material X has a eutectic composition, and when the temperature is lowered below the eutectic temperature from that state, material X and material Y precipitate simultaneously. In other words, compared to when starting from a eutectic composition, the crystals of material X start to grow larger due to the earlier precipitation of material X, resulting in a mixed structure. When there is more material Y than the eutectic composition, the crystals of material Y grow larger. These states are called hypoeutectic. Eutectic and hypoeutectic can be confirmed by observing the cross section of the molded object with a scanning electron microscope.

本発明者らは、炭化珪素に近い物性を得るため、共晶もしくは、炭化珪素の結晶が大きな亜共晶の状態を得ることのできる、粉末の組成や粒子径などの条件について検討した。 In order to obtain physical properties similar to those of silicon carbide, the inventors investigated conditions such as powder composition and particle size that would enable a eutectic or hypoeutectic state in which silicon carbide crystals are large.

以下、実施例および比較例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。本発明は、その要旨を超えない限り、下記の実施例によって何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below using examples and comparative examples. The present invention is not limited in any way by the following examples, so long as the gist of the invention is not exceeded.

(粉末1)
炭化珪素として、粒子径の中央値が14.7μmの炭化珪素粉末(大平洋ランダム株式会社製、商品名NC#800)を用意した。混合する硼化クロムとして、融点が2200℃の二硼化クロム粉末(日本新金属株式会社製、商品名CrB2-O、粒子径の中央値は約5μm)を用意した。それら粉末を、共晶または亜共晶が生成される組成粉末となるように、モル比で、炭化珪素:二硼化クロム=7:3に調合し、ボールミルにて混合して粉末1とした。モル比の決め方や混合の仕方は、他の粉末も同様である。ここでいう粒子径の中央値とは、メジアン径と同義であり、その粉末における頻度の累積が50%となる粒子径を意味する。粒子径分布の測定は、周知のレーザ回折法或いは散乱法により行うことができる。
(Powder 1)
As silicon carbide, silicon carbide powder (manufactured by Pacific Random Co., Ltd., product name NC#800) with a median particle size of 14.7 μm was prepared. As chromium boride to be mixed, chromium diboride powder (manufactured by Japan New Metals Co., Ltd., product name CrB2-O, median particle size of about 5 μm) with a melting point of 2200 ° C. was prepared. These powders were mixed in a molar ratio of silicon carbide: chromium diboride = 7: 3 so as to obtain a composition powder in which a eutectic or hypoeutectic is generated, and mixed in a ball mill to obtain powder 1. The molar ratio is determined and mixed in the same manner for other powders. The median particle size here is synonymous with the median size, and means a particle size at which the cumulative frequency in the powder is 50%. The particle size distribution can be measured by a well-known laser diffraction method or scattering method.

(粉末2)
粉末1と同様の炭化珪素粉末と、融点が2400℃の二硼化バナジウム粉末(粒子径の中央値が約4μm、日本新金属株式会社製、商品名VB2-O)とを、炭化珪素:二硼化バナジウム=1:1のモル比で調合して混合し、粉末2とした。
(Powder 2)
A silicon carbide powder similar to that of Powder 1 and a vanadium diboride powder having a melting point of 2400° C. (median particle size of approximately 4 μm, manufactured by Japan New Metals Co., Ltd., product name VB2-O) were prepared and mixed in a molar ratio of silicon carbide:vanadium diboride of 1:1 to obtain Powder 2.

(粉末3)
粉末1と同様の炭化珪素粉末と、融点が2100℃の一硼化クロム粉末(日本新金属株式会社製、商品名CrB-O、粒子径の中央値が約9μm)とを、モル比で炭化珪素:一硼化クロム=3:1に調合して混合し、粉末3とした。
(Powder 3)
A silicon carbide powder similar to that of Powder 1 and a chromium monoboride powder having a melting point of 2100°C (manufactured by Japan New Metals Co., Ltd., product name CrB-O, median particle size approximately 9 µm) were mixed in a molar ratio of silicon carbide:chromium monoboride = 3:1 to obtain Powder 3.

(粉末4)
粉末1と同様の炭化珪素粉末と、融点が2920℃の二硼化チタン粉末(日本新金属株式会社製、商品名TiB2-N、粒子径の中央値が約4μm)を、炭化珪素:二硼化チタン=1:1のモル比で調合して混合し、粉末4とした。
(Powder 4)
A silicon carbide powder similar to that of Powder 1 and a titanium diboride powder having a melting point of 2920°C (trade name TiB2-N, manufactured by Japan New Metals Co., Ltd., median particle size of approximately 4 µm) were prepared and mixed in a molar ratio of silicon carbide:titanium diboride = 1:1 to obtain Powder 4.

(粉末5)
粉末1と同様の炭化珪素粉末と、融点が3200℃の二硼化ジルコニウム(日本新金属株式会社製、商品名ZrB2-O、粒子径の中央値が約5μm)を、炭化珪素:二硼化ジルコニウム=1:1のモル比で調合して混合し、粉末5とした。
(Powder 5)
The same silicon carbide powder as Powder 1 and zirconium diboride having a melting point of 3200°C (manufactured by Japan New Metals Co., Ltd., product name ZrB2-O, median particle size of approximately 5 μm) were prepared and mixed in a molar ratio of silicon carbide:zirconium diboride = 1:1 to obtain Powder 5.

表1に、各粉末の組成をまとめて示す。 The composition of each powder is summarized in Table 1.

Figure 0007592385000001
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[粉末材料を用いた造形物の作製]
上述した粉末1~5を材料とし図1に示す造形装置とを用いて造形を行った。具体的には、粉末ごとに、ステンレス製のベースプレート109の上に、底面積を4mm×40mmとする直方体の造形物を4つ作製した。造形終了後の4つの造形物110とベースプレート109の斜視図を図3に示す。
[Creating objects using powder materials]
Using the above-mentioned powders 1 to 5 as materials, modeling was performed using the modeling apparatus shown in Fig. 1. Specifically, for each powder, four rectangular parallelepiped objects with a bottom area of 4 mm x 40 mm were produced on a stainless steel base plate 109. A perspective view of the four models 110 and the base plate 109 after modeling was completed is shown in Fig. 3.

エネルギービーム源102には、波長1070nmの半導体ファイバーレーザを用い、レーザパワー100W、照射ピッチ50μmで粉末層に照射した。また、粉末材料の種類によって造形に適した照射エネルギーが異なるため、予め、走査速度は、100mm/sec~1000mm/secの間で条件だしをして、材料ごとに最適な走査速度に設定した。粉末層の厚さ(積層ピッチ)を30μmとして300層の造形を試みた。 A semiconductor fiber laser with a wavelength of 1070 nm was used as the energy beam source 102, and the powder layer was irradiated with a laser power of 100 W and an irradiation pitch of 50 μm. In addition, since the irradiation energy suitable for molding differs depending on the type of powder material, the scanning speed was previously set to an optimum speed between 100 mm/sec and 1000 mm/sec for each material. An attempt was made to mold 300 layers with a powder layer thickness (layer pitch) of 30 μm.

しかし、二硼化チタンを含む粉末4を用いた造形と二硼化ジルコニウムを含む粉末5を用いた造形は、それぞれ粉末層を形成する途中に造形済みの部分が剥がれ始め、造形を続行できなくなってしまったため、その時点で終了とした。粉末1、粉末2、および粉末3を用いた造形については、それぞれ高さが約9mmの直方体が得られた。 However, in the case of the model using powder 4 containing titanium diboride and the model using powder 5 containing zirconium diboride, the modeled parts began to peel off during the formation of the powder layer, making it impossible to continue the modeling, so the modeling was terminated at that point. In the models using powders 1, 2, and 3, a rectangular parallelepiped with a height of approximately 9 mm was obtained.

次に、切断装置として、ムサシノ電子株式会社製ワイヤーソーCS-203(商品名)を使用し、ダイヤモンド砥粒を付着したφ0.4mmのワイヤーソーで造形物110とベースプレート109とを切り離した。 Next, a wire saw CS-203 (product name) manufactured by Musashino Electronics Co., Ltd. was used as a cutting device, and the model 110 was separated from the base plate 109 using a φ0.4 mm wire saw with diamond abrasive grains attached.

ここで、粉末1を材料粉末とした造形物をサンプル1(比較例1)、粉末2を材料粉末とした造形物をサンプル2(比較例2)、粉末3を材料粉末とした造形物をサンプル3(比較例3)として、各々4個ずつの試料を得た。なお、粉末4を材料粉末とした造形と粉末5を材料粉末とした造形は、上述の通り未完了で終わったが、付番としてそれぞれ比較例4としてサンプル4、比較例5としてサンプル5を割り当てた。 Here, four samples of each were obtained, with the molded object using powder 1 as the material powder as sample 1 (Comparative Example 1), the molded object using powder 2 as the material powder as sample 2 (Comparative Example 2), and the molded object using powder 3 as the material powder as sample 3 (Comparative Example 3). Note that the molded object using powder 4 as the material powder and the molded object using powder 5 as the material powder were left incomplete as mentioned above, but they were assigned numbers as sample 4 as comparative example 4 and sample 5 as comparative example 5, respectively.

サンプル1~5を、エネルギー分散型X線分析(EDX)により含まれている元素を同定し、また、X線回折(XRD)により分子の構造を同定した。サンプル1は、表面の酸化に起因すると予想される若干の酸化物があるものの、それを無視すれば原料粉末の炭化珪素と二硼化クロムで構成されていることがわかった。同様にサンプル2は、炭化珪素と二硼化バナジウムで構成されていることがわかった。 The elements contained in Samples 1 to 5 were identified by energy dispersive X-ray analysis (EDX), and the molecular structure was identified by X-ray diffraction (XRD). Sample 1 contained some oxides that were expected to result from surface oxidation, but ignoring these, it was found to be composed of the raw material powder silicon carbide and chromium diboride. Similarly, Sample 2 was found to be composed of silicon carbide and vanadium diboride.

また、FIB-SEMにより、炭化珪素、硼化金属がどのように部材に分布しているかを調べた。FIB-SEMとは、FIB(集束イオンビーム)で試料を掘削しながら露出した試料表面或いは断面をSEM(走査型電子顕微鏡)で繰り返し観察し、そのSEM画像群をコンピュータで処理することで試料構造を三次元で観察することができるシステムである。 They also used FIB-SEM to investigate how silicon carbide and metal boride are distributed in the components. FIB-SEM is a system that uses a FIB (focused ion beam) to drill into a sample, while repeatedly observing the exposed sample surface or cross section with a SEM (scanning electron microscope), and then processes the SEM images with a computer to enable three-dimensional observation of the sample structure.

図4に、サンプル1のある断面におけるSEM画像を示す。最も色の濃い部分10が空隙であり、最も色の薄い領域12が二硼化クロムで構成されており、領域10と領域12との間の濃さの領域11が炭化珪素で構成されていた。炭化珪素の領域11と二硼化クロムの領域12との境界は複雑な形状をしており、少なくとも一方の材料が溶融していることが推測できた。また、SEM画像で観察された炭化珪素の領域11と二硼化クロムの領域12の分布から、共晶・亜共晶が形成されていることが確認できた。 Figure 4 shows an SEM image of a cross section of sample 1. The darkest part 10 is a void, the lightest area 12 is made of chromium diboride, and area 11, which is between areas 10 and 12, is made of silicon carbide. The boundary between silicon carbide area 11 and chromium diboride area 12 has a complex shape, and it could be inferred that at least one of the materials is melted. Furthermore, from the distribution of silicon carbide area 11 and chromium diboride area 12 observed in the SEM image, it was confirmed that a eutectic and hypoeutectic had been formed.

サンプル1について得られたSEM画像群について、この色の濃度で領域を識別し、炭化珪素で構成された領域11を繋ぎ合わせた三次元構造を図5に表わした。また、二硼化クロムで構成された領域12を繋ぎ合わせた三次元構造を図6に表した。 In the group of SEM images obtained for sample 1, the regions were identified by the color density, and the three-dimensional structure in which the regions 11 made of silicon carbide were connected is shown in Figure 5. Also, the three-dimensional structure in which the regions 12 made of chromium diboride were connected is shown in Figure 6.

図5と図6から、サンプル1中の炭化珪素、硼化クロムは、それぞれ三次元網目構造になっており、互いに複雑に絡み合う構造となっていることが理解できた。FIB-SEMを用いて三次元網目構造を確認した範囲は、60μm×45μm×160μmで、原料の炭化珪素、二硼化クロムそれぞれ粉末の粒子径の中央値を大きく超えていることから、それらの材料は造形中に溶融し、連結していると推測された。 Figures 5 and 6 show that the silicon carbide and chromium boride in sample 1 each have a three-dimensional mesh structure, with the structures intricately intertwined with each other. The area in which the three-dimensional mesh structure was confirmed using FIB-SEM was 60 μm x 45 μm x 160 μm, which greatly exceeds the median particle size of the raw material silicon carbide and chromium diboride powders, respectively, and therefore it was inferred that these materials melted and connected during the molding process.

次に、造形物110に含まれる空隙を算出した。造形物の端部やプレートとの結合部、最表面などを除けば、熱伝導が大きくは異ならないため、空隙は平均的に入っていると考えられた。そこで、空隙率は、ある断面において、造形物の端部やプレートとの接合部、最表面などを除く平均的な空隙を有する部分の光学顕微鏡画像を取得し、2.44mm×1.63mmの領域に相当する視野において、空隙に相当する色の濃い部分が、視野内に占める割合とした。図7にサンプル1のある断面における、平均的な空隙を有する領域の光学顕微鏡画像を示した。平均的な空隙率を有すると推測される複数個所(10箇所以上)それぞれについて、濃度で閾値を設定して画像分析で閾値よりも濃度が高い部分を空隙と判断して全体の面積との面積比率で空隙率を算出し、それらを平均したところ、約30%が空隙率であると算出された。 Next, the voids contained in the molded object 110 were calculated. Since the thermal conductivity does not vary significantly except for the ends of the molded object, the joints with the plate, and the outermost surface, it was considered that the voids were present on an average basis. Therefore, the porosity was calculated by acquiring an optical microscope image of a portion having an average void in a cross section, excluding the ends of the molded object, the joints with the plate, and the outermost surface, and taking the proportion of the dark colored portion corresponding to the voids in a field of view equivalent to an area of 2.44 mm x 1.63 mm. Figure 7 shows an optical microscope image of an area having an average void in a cross section of sample 1. For each of multiple locations (10 or more locations) that are estimated to have an average void ratio, a threshold value was set for the concentration, and the portion with a concentration higher than the threshold value was determined to be a void by image analysis, and the void ratio was calculated as the area ratio to the total area. When these were averaged, the porosity was calculated to be about 30%.

[作製された造形物に金属シリコンを含ませる工程]
次に、造形物110に金属シリコンを含ませた。図2で示すように、グラファイトでできたるつぼ201の底に、φ1mmのアルミナ球状体202を二層以上の厚みにならないように敷き、その上に造形物110を1個置いた。
[Step of incorporating metal silicon into the produced object]
Next, metallic silicon was impregnated into the molded object 110. As shown in Fig. 2, alumina spheres 202 having a diameter of 1 mm were placed on the bottom of a crucible 201 made of graphite so as not to form more than two layers, and one molded object 110 was placed on the alumina spheres.

さらに、先に算出した空隙率に相当する体積の1.5倍の金属シリコン粉末203(比重2.33、粒径~45μm)を造形物110上に載せた。 Furthermore, metal silicon powder 203 (specific gravity 2.33, particle size 45 μm or less) was placed on the model 110 in an amount 1.5 times the volume corresponding to the porosity calculated above.

その後、真空熱処理炉(不図示)にるつぼ201ごと入れ、炉内をアルゴンに置換してから、室温から温度上昇率300℃/hで1000℃まで加熱、2時間保持した。その後、40分で絶対圧1.5kPaまで減圧しながら温度上昇率300℃/hで1200℃まで加熱、引き続き、温度上昇率120℃/hで1500℃まで加熱、2時間保持した。 Then, the crucible 201 was placed in a vacuum heat treatment furnace (not shown), the inside of the furnace was replaced with argon, and the material was heated from room temperature to 1000°C at a temperature increase rate of 300°C/h, and held for 2 hours. After that, the pressure was reduced to an absolute pressure of 1.5 kPa in 40 minutes, and the material was heated to 1200°C at a temperature increase rate of 300°C/h, and then heated to 1500°C at a temperature increase rate of 120°C/h, and held for 2 hours.

その後、金属シリコンの融点直上の1424℃まで120℃/hで温度を下げ、6℃/hで1400℃まで徐冷した。 The temperature was then lowered at 120°C/h to 1424°C, just above the melting point of silicon metal, and then slowly cooled at 6°C/h to 1400°C.

引き続き、300℃/hで冷却し、70℃以下になったところでドライエアを導入し大気圧にし、真空熱処理炉からるつぼ201を取り出した。 The mixture was then cooled at 300°C/h, and when it reached below 70°C, dry air was introduced to return the pressure to atmospheric pressure, and the crucible 201 was removed from the vacuum heat treatment furnace.

上記の手法で、サンプル1の2個、サンプル2の2個、サンプル3の2個の計6個に金属シリコンを含ませた。サンプル1に金属シリコンを含ませたものをサンプル6(実施例1)、サンプル2に金属シリコンを含ませたものをサンプル7(実施例2)、サンプル3に金属シリコンを含ませたものをサンプル8(実施例3)とする。 Using the above method, metallic silicon was added to a total of six samples: two from sample 1, two from sample 2, and two from sample 3. Sample 1 with metallic silicon added was designated sample 6 (Example 1), sample 2 with metallic silicon added was designated sample 7 (Example 2), and sample 3 with metallic silicon added was designated sample 8 (Example 3).

さらに、造形物に金属シリコンを含ませた工程において造形物110の表面に付着したアルミナ球状体を脱離し、研磨で形状、表面を整え、大きさおよそ4mm×40mm×9mmの金属シリコンを含む物品を得た。 Furthermore, the alumina spheres that had adhered to the surface of the molded object 110 during the process of impregnating the object with metallic silicon were removed, and the shape and surface were adjusted by polishing, yielding an article containing metallic silicon measuring approximately 4 mm x 40 mm x 9 mm.

[物品の特性]
次に、サンプル1、サンプル2、サンプル3、サンプル6、サンプル7、サンプル8について、JIS規格にあるファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法(JIS R 1601)に準拠した三点曲げ試験を行なった。また、それらサンプルについて、破断面を研磨し、研磨した断面の光学顕微鏡画像から空隙率を算出した。
[Characteristics of the item]
Next, a three-point bending test was performed in accordance with the JIS standard for fine ceramics room temperature bending strength test method (JIS R 1601) for Samples 1, 2, 3, 6, 7, and 8. In addition, the fracture surfaces of the samples were polished, and the porosity was calculated from optical microscope images of the polished cross sections.

サンプル6のSEM画像を図8に示す。組成分析を行ったところ、ある程度の面積を占めている部分のうち、色が最も濃い領域11が炭化珪素、最も薄い領域12が二硼化クロム、それらの中間の濃度の領域13が金属シリコンであった。また、各材料の間にわずかに島状に存在する黒い部分10が空隙である。サンプル1と同様にして、サンプル6の断面における光学顕微鏡画像から空隙率を算出した。図9に空隙率の算出に用いた、サンプル6の平均的な空隙率を有する断面の光学顕微鏡画像を示す。濃度で閾値を設定して、画像分析で閾値よりも濃度が高い部分を空隙と判断して全体の面積との面積比率で空隙率を算出した。また、サンプル1と同様にして、SEM像から共晶・亜共晶が形成されているか否かを判断した。 Figure 8 shows an SEM image of sample 6. When a composition analysis was performed, it was found that, among the parts occupying a certain area, the darkest area 11 was silicon carbide, the lightest area 12 was chromium diboride, and the area 13 of intermediate concentration was metal silicon. Also, the small black island-like areas 10 between the materials are voids. As with sample 1, the porosity was calculated from an optical microscope image of the cross section of sample 6. Figure 9 shows an optical microscope image of a cross section of sample 6 with an average porosity, which was used to calculate the porosity. A threshold was set for the concentration, and the parts with a concentration higher than the threshold were determined to be voids in image analysis, and the porosity was calculated as the area ratio to the total area. Also, as with sample 1, it was determined from the SEM image whether or not eutectic/hypoeutectic was formed.

他のサンプルも、サンプル1、6と同様に空隙率を算出し、共晶・亜共晶が形成されているか否かを判断した。結果を表2に記す。 The porosity of the other samples was calculated in the same manner as for samples 1 and 6, and it was determined whether or not eutectic or hypoeutectic crystals had formed. The results are shown in Table 2.

Figure 0007592385000002
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総合判定として、4mm×40mm×9mmの形状で造形できなかったものを「C」とした。また、造形できたが空隙率が30%程度あり、十分な曲げ強度が得られなかったものを「B」とした。このようなものであってもフィルタなどの用途が考えられる。また、焼結セラミックスなみの曲げ強度(100MPa以上)が得られたものは、多種用途での利用が考えられるため「A」とした。 As an overall assessment, those that could not be molded into a shape of 4 mm x 40 mm x 9 mm were given a "C". Additionally, those that could be molded but had a porosity of around 30% and did not achieve sufficient bending strength were given a "B". Even these materials can be used for applications such as filters. Those that achieved a bending strength comparable to that of sintered ceramics (100 MPa or more) were given an "A" as they could be used for a variety of purposes.

次に、サンプル1、サンプル2、サンプル3が造形できた理由と、サンプル4、5が造形できなかった理由について考察する。 Next, we will consider why Samples 1, 2, and 3 were able to be printed, and why Samples 4 and 5 could not be printed.

まず、炭化珪素と炭化珪素の昇華点(2545℃)よりも融点の低い二硼化クロム(融点2200℃)との混合粉末で造形をしたサンプル1が、造形物が得られた理由を考察する。炭化珪素と二硼化クロムの混合粉末にレーザビームを照射し、温度を上昇させていくと、まず二硼化クロムが融点に達して溶融する。すると、炭化珪素の粒子の表面が、溶融した二硼化クロムによって覆われた状態となると推測される。炭化珪素は単体では昇華するが、二物質の界面では溶融すると考えられ、炭化珪素と二硼化クロムの溶融物との界面から、炭化珪素の溶融が進展する。もし、温度が上昇して炭化珪素の昇華点に達したとしても、揮発した炭化珪素が、溶融した二硼化クロムに溶け込むことにより揮発が抑制されると推察される。従って、レーザビーム照射により、炭化珪素の昇華点を超えて高温になったとしても、炭化珪素と二硼化クロムとが溶融した状態は維持される。その後、レーザビームの照射時間が終了して照射領域の温度が下降に転じると、炭化珪素と二硼化クロムがそれぞれ析出しはじめ、両物質が隙間なく混合した図4の状態になったと推測される。炭化珪素と二硼化バナジウムの混合粉末を用いたサンプル2、炭化珪素と一硼化クロムの混合粉末を用いたサンプル3についても同様であると考えられる。 First, let us consider why a molded object was obtained from sample 1, which was molded from a mixed powder of silicon carbide and chromium diboride (melting point 2200°C), which has a melting point lower than the sublimation point of silicon carbide (2545°C). When a laser beam is irradiated onto the mixed powder of silicon carbide and chromium diboride and the temperature is increased, the chromium diboride reaches its melting point and melts first. It is presumed that the surface of the silicon carbide particles is then covered with the molten chromium diboride. Silicon carbide sublimes on its own, but is thought to melt at the interface between the two substances, and the melting of silicon carbide progresses from the interface between the silicon carbide and the molten chromium diboride. Even if the temperature rises to the sublimation point of silicon carbide, it is presumed that the volatilized silicon carbide dissolves into the molten chromium diboride, suppressing volatilization. Therefore, even if the temperature exceeds the sublimation point of silicon carbide due to the laser beam irradiation, the silicon carbide and chromium diboride remain in a molten state. After that, when the laser beam irradiation time ends and the temperature of the irradiated area starts to drop, it is presumed that silicon carbide and chromium diboride start to precipitate, respectively, and the two substances are mixed without any gaps, as shown in Figure 4. The same is thought to be true for sample 2, which uses a mixed powder of silicon carbide and vanadium diboride, and sample 3, which uses a mixed powder of silicon carbide and chromium monoboride.

次に、炭化珪素と炭化珪素の昇華点よりも融点の高い硼化金属である二硼化チタン(融点2920℃)との混合粉末で造形したサンプル4では、望みの造形物が得られなかった理由を考察する。炭化珪素と二硼化チタンの混合物にレーザビームを照射することにより温度が上昇していくと、二硼化チタンの融点より先に、炭化珪素の昇華点に達する。そのため、先に炭化珪素の昇華が始まり、その後に二硼化チタンが溶融し始める。炭化珪素の粒子の表面では、昇華気体により溶融した二硼化チタンと炭化珪素粉末の接触が阻害され、それらの接触は非常に限定的なものとなる。そして、二硼化チタンが溶融している間は、炭化珪素も昇華し続けるため、両物質の接触面積は増えることがない。このように、炭化珪素の溶融は非常に限定的となり、冷却してもほとんど析出しない。従って、サンプル1~3のような共晶または亜共晶が密に絡み合った状態の造形物とはならず、炭化珪素と二硼化チタンとの境界部の結合が弱く、脆い造形物になってしまったと考えられる。 Next, we consider why the desired object could not be obtained from sample 4, which was made from a powder mixture of silicon carbide and titanium diboride (melting point 2920°C), a metal boride with a melting point higher than the sublimation point of silicon carbide. When the temperature rises by irradiating a laser beam onto a mixture of silicon carbide and titanium diboride, the sublimation point of silicon carbide is reached before the melting point of titanium diboride. Therefore, silicon carbide begins to sublimate first, and then titanium diboride begins to melt. On the surface of the silicon carbide particles, the contact between the molten titanium diboride and the silicon carbide powder is hindered by the sublimation gas, and the contact between them is very limited. And while the titanium diboride is melting, silicon carbide also continues to sublimate, so the contact area between the two substances does not increase. In this way, the melting of silicon carbide is very limited, and it hardly precipitates even when cooled. Therefore, instead of a product with a dense intertwining of eutectic or hypoeutectic crystals like samples 1 to 3, the bond at the boundary between the silicon carbide and titanium diboride was weak, resulting in a brittle product.

以上の仮説と前述の実験結果とにより、炭化珪素粉末と、炭化珪素の昇華点よりも低い融点を持つ硼化金属粉末と、を含む粉末材料で造形を行うと、共晶もしくは亜共晶が隙間なく絡み合った状態となり、境界部の結合が強く造形できたと考えられる。 Based on the above hypothesis and the experimental results mentioned above, it is believed that when molding is performed using a powder material containing silicon carbide powder and metal boride powder, which has a melting point lower than the sublimation point of silicon carbide, the eutectic or hypoeutectic crystals become intertwined with no gaps, allowing for strong bonding at the boundaries.

次に、サンプル1、2、3とそれらに金属シリコンを含ませたサンプル6、7、8について考察する。造形直後の造形物110に含まれる空隙に金属シリコンを含ませることによって、30%程度あった空隙率がほとんどなくなっていた(1%以下)ことから、造形直後の造形物110のほとんどの空隙は三次元的に連通していたと推察される。 Next, we consider samples 1, 2, and 3, as well as samples 6, 7, and 8, which contain metallic silicon. By incorporating metallic silicon into the voids contained in the molded object 110 immediately after molding, the porosity, which was around 30%, was almost completely eliminated (to less than 1%), and it is presumed that most of the voids in the molded object 110 immediately after molding were three-dimensionally connected.

また、曲げ強度が20~30倍程度向上しており、金属シリコンの曲げ強度(一般には200MPa程度と言われている)よりも高くなっていた。金属シリコンの三次元構造体そのものは物品の30%程度の体積を占めていると考えられるので、金属シリコンを含ませたことによる曲げ強度の向上は、200MPa×30%=60MPa程度と見積もられる。ところが実際には、造形したままの状態における曲げ強度5MPaから230MPaへと、強度が225MPaも向上していた。これは、炭化珪素、二硼化クロム(もしくは二硼化バナジウム、一硼化クロム)、金属シリコンのそれぞれからなる3次元構造が互いに接触し、三次元的に絡み合う構造となっていることにより単純には予見し得ない曲げ強度を実現しているものと推察される。また、金属シリコンが空隙を埋めることで亀裂の発生、および進展を防いでいることも強度向上に寄与しているものと推察できる。 In addition, the bending strength was improved by about 20 to 30 times, which is higher than the bending strength of metal silicon (generally said to be about 200 MPa). Since the three-dimensional structure of metal silicon itself is thought to occupy about 30% of the volume of the object, the improvement in bending strength due to the inclusion of metal silicon is estimated to be about 200 MPa x 30% = 60 MPa. However, in reality, the bending strength improved by 225 MPa from 5 MPa in the as-formed state to 230 MPa. This is presumably because the three-dimensional structures consisting of silicon carbide, chromium diboride (or vanadium diboride, chromium monoboride), and metal silicon are in contact with each other and are three-dimensionally intertwined, realizing a bending strength that is simply unpredictable. It can also be presumed that the metal silicon fills the voids, preventing the occurrence and progression of cracks, which also contributes to the improvement in strength.

[炭化珪素の粉末と金属硼化物の粉末との混合比]
次に、炭化珪素の粉末と二硼化クロムの粉末とを混合した粉末を用いて、造形物に適した炭化珪素と二硼化クロムの混合比を調べた。炭化珪素の粉末、二硼化クロムの粉末には、粉末1と同様の粉末を使用した。
[Mixing ratio of silicon carbide powder and metal boride powder]
Next, a powder obtained by mixing silicon carbide powder and chromium diboride powder was used to investigate the mixing ratio of silicon carbide and chromium diboride suitable for a molded object. The same powder as Powder 1 was used for the silicon carbide powder and the chromium diboride powder.

炭化珪素と二硼化クロムの混合粉末全体を100%として、二硼化クロムの粉末を、モル比率で7.0%、10%、30%、50%、65%、70%ずつ含有したものを、それぞれ粉末6~11とした。これら粉末を用いて、粉末1~5を用いた造形と同様にして物品を作製したサンプル9乃至14を、それぞれ比較例6乃至11とした。 Powders 6 to 11 were prepared by using the silicon carbide and chromium diboride powder as a whole mixed powder of 100% and containing chromium diboride powder at molar ratios of 7.0%, 10%, 30%, 50%, 65%, and 70%, respectively. These powders were used to fabricate articles in the same manner as those using powders 1 to 5, and the resulting samples 9 to 14 were used as comparative examples 6 to 11, respectively.

炭化珪素の比率が大きい粉末6は、30層造形したところで、次の粉末層を形成する際に前の粉末層、即ち最上層が剥がれてしまった。造形の継続はできたが、新たな粉末層を形成する毎に同様の現象が起き、結果的に造形を続けることができなくなった。一方、二硼化クロムの比率が大きい粉末11は、造形中に表面にボール状の突起ができてしまい、粉末層の形成時にローラがその突起に当たり最上層が剥がれてしまい、造形の継続が不可能であった。後にボール状の突起を分析したところ、二硼化クロムが主成分であることがわかった。これは、溶融した二硼化クロムの純度が上がったため、表面に形成される液滴の表面張力が大きくなり凝集して径が大きくなったものが固化したものと考えられる。 Powder 6, which has a high ratio of silicon carbide, had 30 layers produced, and when the next powder layer was formed, the previous powder layer, i.e., the top layer, peeled off. Production could continue, but the same phenomenon occurred every time a new powder layer was formed, and it became impossible to continue production. On the other hand, powder 11, which has a high ratio of chromium diboride, had ball-shaped protrusions on the surface during production, and when the powder layer was formed, the roller hit the protrusions, causing the top layer to peel off, making it impossible to continue production. When the ball-shaped protrusions were later analyzed, it was found that they were mainly composed of chromium diboride. This is thought to be because the purity of the molten chromium diboride increased, causing the surface tension of the droplets formed on the surface to increase, causing them to aggregate and become larger in diameter, which then solidified.

また、サンプル10~13と同様に作製したサンプルそれぞれに金属シリコンを含ませる工程を行ない、サンプル15~18を作製した。金属シリコンを含ませる工程は、問題なく行うことができた。サンプル15~18をそれぞれ実施例4乃至7とした。また、造形できたそれぞれのサンプルに対し、前述の例と同様に、3点曲げ試験と空隙率の算出を行なった。 In addition, a process of impregnating each of the samples prepared in the same manner as samples 10 to 13 with metallic silicon was carried out to produce samples 15 to 18. The process of impregnating the samples with metallic silicon was carried out without any problems. Samples 15 to 18 were designated as Examples 4 to 7, respectively. In addition, a three-point bending test and porosity calculation were carried out on each of the samples that were successfully fabricated, in the same manner as in the previous examples.

結果を表3に示す。モル比率の欄には、(炭化珪素のモル%)/(二硼化クロムのモル%)の値を示している。 The results are shown in Table 3. The molar ratio column shows the value of (mol % of silicon carbide) / (mol % of chromium diboride).

Figure 0007592385000003
Figure 0007592385000003

混合粉末全体を100%として、炭化珪素と二硼化クロムとのモル比が、炭化珪素:二硼化クロム=90:10~35:65の範囲にある粉末が造形に適していることがわかった。すなわち、炭化珪素と二硼化クロムのモル比率が、0.54≦炭化珪素/二硼化クロム≦9.00の範囲の混合粉末が、造形に適していることがわかった。さらに、造形物に金属シリコンを含ませることで得られる物品の曲げ強度が想像していた以上に向上することも確認できた。 It was found that powders with a molar ratio of silicon carbide to chromium diboride in the range of silicon carbide:chromium diboride = 90:10 to 35:65, assuming the entire mixed powder to be 100%, are suitable for molding. In other words, it was found that mixed powders with a molar ratio of silicon carbide to chromium diboride in the range of 0.54≦silicon carbide/chromium diboride≦9.00 are suitable for molding. Furthermore, it was confirmed that the bending strength of the product obtained by adding metallic silicon to the molded object was improved more than expected.

上述の実施例では、炭化珪素と二硼化クロムを中心に、炭化珪素と一硼化クロム、炭化珪素と二硼化バナジウム等の二成分系で検討を行なったが、硼化チタン、硼化ランタン、炭化ホウ素、などの各種ホウ素含有物を、主たる特性を変えない範囲で適宜添加することは本件を逸脱するものではない。比重を下げる、強度を上げるなど有効な場合があり、適宜用いることが可能である。 In the above examples, the study was conducted on two-component systems such as silicon carbide and chromium diboride, silicon carbide and chromium monoboride, and silicon carbide and vanadium diboride, but it does not depart from the scope of the present invention to appropriately add various boron-containing substances such as titanium boride, lanthanum boride, and boron carbide to the extent that the main characteristics are not changed. In some cases, it may be effective to lower the specific gravity or increase the strength, and they can be used as appropriate.

さらに、上述の実施例では、二硼化クロムに粒子径の中央値が5μmの粉末、一硼化クロムに粒子径の中央値が9μmの粉末を使用したが、これは単に商流で入手できる粉末を用いたためで、他の粒径の利用を制限するものではない。但し、混合する硼化金属は、溶融し易いように炭化珪素の粒径より小さく、10μm以下の粒径であることが好ましい。 In addition, in the above examples, powder with a median particle size of 5 μm was used for chromium diboride and powder with a median particle size of 9 μm was used for chromium monoboride, but this is simply because powders that are commercially available were used, and does not limit the use of other particle sizes. However, the metal boride to be mixed is preferably smaller than the particle size of silicon carbide, with a particle size of 10 μm or less, so that it can be easily melted.

また、上述の実施例では、レーザによる粉末床溶融結合法により造形を行ったが、この手法に限ることはなく、同じような熱履歴を経る三次元造形方法の他の手法にも応用できる。たとえば、電子ビームによる粉末床溶融結合法、さらには、ガスと材料粉末を同時に噴出し、レーザで溶融する指向エネルギー堆積法にも応用できる。 In the above-mentioned embodiment, the modeling was performed using a powder bed fusion method with a laser, but this is not limited to this method, and the method can be applied to other three-dimensional modeling methods that undergo a similar thermal history. For example, the method can be applied to powder bed fusion method with an electron beam, and even to directed energy deposition method, in which gas and material powder are ejected simultaneously and melted with a laser.

また、上述の実施例では、造形物に金属シリコンを含ませる工程では、金属シリコン粉末を造形物上に載せて溶融さたが、金属シリコン粉末のかわりに金属シリコンウェハ、金属シリコンのペレットなどを用いてもよいし、さらには、MI法と呼ばれる金属シリコン溶融体中に造形物を浸漬し、引き上げる方法を用いてもよい。 In the above-mentioned embodiment, in the process of incorporating metal silicon into the molded object, metal silicon powder was placed on the molded object and melted, but metal silicon wafers or metal silicon pellets may be used instead of metal silicon powder, and furthermore, a method known as the MI method may be used in which the molded object is immersed in molten metal silicon and then pulled out.

従来は三次元造形法によっては困難であった炭化珪素の造形が可能になる。例えば、炭化珪素と硼化金属の共晶造形物を使うことで、耐熱温度、熱伝導率が高く、物理的強度が高いことが利点になる熱交換器、エンジンノズル、ステージ等への利用が可能である。 It is now possible to mold silicon carbide, which was previously difficult to do using three-dimensional modeling methods. For example, by using eutectic molded objects of silicon carbide and metal boride, it is possible to use them in heat exchangers, engine nozzles, stages, and other applications where the advantages of high heat resistance, high thermal conductivity, and high physical strength are all advantages.

101 チャンバー
102 エネルギービーム源
103A、103B 走査ミラー
104 光学系
105 導入窓
106 粉体層形成機構
107 造形ステージ
108 昇降機構
109 ベースプレート
110 造形物
111 粉体層
112 エネルギービーム
113 ガス導入機構
120 造形容器
201 るつぼ
202 耐熱球状物
203 金属シリコン粉末
REFERENCE SIGNS LIST 101 Chamber 102 Energy beam source 103A, 103B Scanning mirror 104 Optical system 105 Introduction window 106 Powder layer forming mechanism 107 Modeling stage 108 Lifting mechanism 109 Base plate 110 Modeled object 111 Powder layer 112 Energy beam 113 Gas introduction mechanism 120 Modeling container 201 Crucible 202 Heat-resistant sphere 203 Metal silicon powder

Claims (24)

三次元造形技術を用いて製造された物品であって、
炭化珪素と硼化金属とを含む部分を有し、
前記部分は、前記炭化珪素の領域に接触した前記硼化金属の領域と、前記炭化珪素の領域と前記硼化金属の領域との間に配置された金属シリコンの領域と、を含み、
前記硼化金属は、2545℃よりも低い融点を持つことを特徴とする物品。
An article manufactured using three-dimensional modeling technology,
a portion including silicon carbide and a metal boride;
the portion includes a region of the metal boride in contact with the region of silicon carbide, and a region of silicon metal disposed between the region of silicon carbide and the region of the metal boride ;
The metal boride has a melting point below 2545°C .
三次元造形技術を用いて製造された物品であって、
炭化珪素と硼化金属とを含む部分を有し、
前記部分は、前記炭化珪素の領域に接触した前記硼化金属の領域と、前記炭化珪素の領域と前記硼化金属の領域との間に配置された金属シリコンの領域と、を含み、
前記硼化金属は、二硼化クロム、二硼化バナジウム、一硼化クロムからなる群から選ばれる少なくともいずれか1つであることを特徴とする物品。
An article manufactured using three-dimensional modeling technology,
a portion including silicon carbide and a metal boride;
the portion includes a region of the metal boride in contact with the region of silicon carbide, and a region of silicon metal disposed between the region of silicon carbide and the region of the metal boride;
The article is characterized in that the metal boride is at least one selected from the group consisting of chromium diboride, vanadium diboride, and chromium monoboride.
前記硼化金属は二硼化クロムであり、炭化珪素とのモル比が、炭化珪素:二硼化クロム=90:10~35:65の範囲であることを特徴とする請求項2に記載の物品。 The article according to claim 2, characterized in that the metal boride is chromium diboride, and the molar ratio of the metal boride to silicon carbide is in the range of silicon carbide:chromium diboride = 90:10 to 35:65. 前記硼化金属は、三次元網目構造となっていることを特徴とする請求項1または2に記載の物品。 The article according to claim 1 or 2, characterized in that the metal boride has a three-dimensional network structure. 空隙率が1%以下であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の物品。 An article according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the porosity is 1% or less. 炭化珪素を含む粒子と、2545℃よりも低い融点を持つ硼化金属を含む粒子と、を含む粉末を用いて粉末層を形成する工程と、
前記粉末層に、造形対象物の形状データに基づいてエネルギービームの照射を行うことにより、前記粉末の溶融及び固化を行う工程と、
を繰り返し行うことにより第1の造形物を形成し、
前記第1の造形物に金属シリコンを含ませることにより第2の造形物を形成することを特徴とする物品の製造方法。
forming a powder layer using a powder including particles including silicon carbide and particles including a metal boride having a melting point lower than 2545°C;
irradiating the powder layer with an energy beam based on shape data of an object to be molded, thereby melting and solidifying the powder;
a first object is formed by repeating the steps of
A method for manufacturing an article, comprising forming a second object by adding metallic silicon to the first object.
炭化珪素を含む粒子と、二硼化クロム、二硼化バナジウム、一硼化クロムからなる群から選ばれる少なくともいずれか1つである硼化金属を含む粒子と、を含む粉末を用いて粉末層を形成する工程と、
前記粉末層に、造形対象物の形状データに基づいてエネルギービームの照射を行うことにより、前記粉末の溶融及び固化を行う工程と、
を繰り返し行うことにより第1の造形物を形成し、
前記第1の造形物に金属シリコンを含ませることにより第2の造形物を形成することを特徴とする物品の製造方法。
forming a powder layer using a powder containing particles including silicon carbide and particles including a metal boride selected from the group consisting of chromium diboride, vanadium diboride, and chromium monoboride;
irradiating the powder layer with an energy beam based on shape data of an object to be molded, thereby melting and solidifying the powder;
a first object is formed by repeating the steps of
A method for manufacturing an article, comprising forming a second object by adding metallic silicon to the first object.
前記硼化金属が二硼化クロムであり、前記炭化珪素とのモル比が、炭化珪素:二硼化クロム=90:10~35:65の範囲であることを特徴とする請求項6または7に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to claim 6 or 7, characterized in that the metal boride is chromium diboride, and the molar ratio of the metal boride to the silicon carbide is in the range of silicon carbide:chromium diboride = 90:10 to 35:65. 前記粉末の溶融及び固化を行う前記工程では、前記硼化金属の溶融及び固化を行うことを特徴とする請求項6~8のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 8, characterized in that in the step of melting and solidifying the powder , the metal boride is melted and solidified. 前記粉末の溶融及び固化を行う前記工程では、前記炭化珪素の溶融及び固化を行うことを特徴とする請求項6~9のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 9, wherein in the step of melting and solidifying the powder, melting and solidifying the silicon carbide is performed . 前記第1の造形物は空隙を有することを特徴とする請求項6~10のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 10, wherein the first object has a void . 前記金属シリコンを前記第1の造形物の前記空隙に含ませることを特徴とする請求項11に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to claim 11, further comprising the step of: incorporating the metallurgical silicon in the voids of the first shaped body . 前記硼化金属を含む前記粒子の粒子径は、前記炭化珪素を含む前記粒子の粒子径よりも小さいことを特徴とする請求項6~12のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 12, wherein a particle size of the particles containing the metal boride is smaller than a particle size of the particles containing the silicon carbide. 前記炭化珪素を含む前記粒子の粒子径は、3μm~100μmであることを特徴とする請求項~13のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 13, characterized in that the particles containing silicon carbide have a particle diameter of 3 µm to 100 µm. 前記硼化金属を含む前記粒子の粒子径は、3μm~100μmであることを特徴とする請求項6~14のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 14, characterized in that the particles containing the metal boride have a particle diameter of 3 µm to 100 µm. 前記第1の造形物の空隙率は1%より大きいことを特徴とする請求項6~15のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 15, characterized in that the porosity of the first object is greater than 1%. 前記第2の造形物の空隙率は1%以下であることを特徴とする請求項6~16のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 16, characterized in that the porosity of the second object is 1% or less. 前記空隙は三次元的に連通していることを特徴とする請求項11または12に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to claim 11 or 12 , wherein the voids are three-dimensionally connected. 前記第1の造形物は、炭化珪素の領域と硼化金属の領域とを有し、前記空隙は、前記炭化珪素の領域と前記硼化金属の領域との間に存在することを特徴とする請求項11、12または18のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 19. The method for manufacturing an article according to any one of claims 11, 12 or 18 , wherein the first shaped object has a region of silicon carbide and a region of metal boride, and the void is present between the region of silicon carbide and the region of metal boride. 前記第1の造形物は、炭化珪素の領域と硼化金属の領域とが互いに接触した構造有することを特徴とする請求項6~19のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 20. The method for manufacturing an article according to claim 6, wherein the first shaped object has a structure in which a silicon carbide region and a metal boride region are in contact with each other . 前記第1の造形物は100MPa未満の曲げ強度を有し、前記第2の造形物は100MPa以上の曲げ強度を有することを特徴とする請求項6~20のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 The method for manufacturing an article according to any one of claims 6 to 20, characterized in that the first object has a bending strength of less than 100 MPa, and the second object has a bending strength of 100 MPa or more. 100MPa以上の曲げ強度を有することを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の物品。 An article according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it has a bending strength of 100 MPa or more. 前記部分は、ラメラ状の構造を有することを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の物品。 An article according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the portion has a lamellar structure. 前記部分は、前記炭化珪素の領域と、前記硼化金属の領域と、前記金属シリコンの領域とが、互いに接触し、三次元的に絡み合う構造を有することを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の物品。 The article according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the portion has a structure in which the silicon carbide region, the metal boride region, and the metal silicon region are in contact with each other and three-dimensionally intertwined.
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