JP7690281B2 - Method for manufacturing silicon carbide-based article and raw material powder used therein - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素を主成分とする物品を、粉末床溶融結合法を用いて製造する技術に関するものである。 The present invention relates to a technology for manufacturing silicon carbide-based articles using powder bed fusion bonding.
複雑な形状を有する試作品や少量多品種の物品を製造する手法として、製造する物品の3次元データに応じて金属や樹脂の粉末にレーザーを照射して造形する付加造形法、いわゆる3Dプリンティングが活用されつつある。近年は、金属や樹脂だけでなく、SiCやTiAlなど加工が困難な無機化合物からなる物品の造形が望まれている。 Additive manufacturing, or 3D printing, is becoming increasingly popular as a method for manufacturing prototypes with complex shapes and small quantities of a wide variety of items. In this method, a laser is irradiated onto metal or resin powder to create a shape based on the three-dimensional data of the item to be manufactured. In recent years, there has been a demand for the manufacturing of not only metals and resins, but also inorganic compounds that are difficult to process, such as SiC and TiAl.
特許文献1には、炭化珪素を主成分とする物品を、炭化珪素粒子と、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどの成形用樹脂粒子とを含む原料を用い、粉末床溶融結合法にて作製する方法が提案されている。また、特許文献2には、炭化珪素と炭化珪素の昇華点よりも低い融点を有する硼化金属とを含む粉末を用いて造形を行う手法が開示されている。
特許文献1のように、炭化珪素粒子と成形用樹脂粒子との混合物を加熱して造形するプロセスの場合、レーザーを照射して照射部を焼結させる際に、物品の内部に空隙を形成する。特許文献2は、炭化珪素と硼化金属との共晶を利用し、炭化珪素の昇華を抑制しつつ造形できるため、比較的密度の高い造形物を得ることができる。しかし、硼化金属の融点である約2000℃以上まで加熱する必要があり、造形には高いエネルギーが必要となる。
In the case of a process in which a mixture of silicon carbide particles and molding resin particles is heated to form a shape, as in
このような事情から、樹脂などの有機材料を用いずに、従来の手法より少ないエネルギーで、炭化珪素を主成分とする物品を付加造形法により作製する技術が望まれる。 For these reasons, there is a need for a technology that uses additive manufacturing to create silicon carbide-based objects without using organic materials such as resins and with less energy than conventional methods.
本発明にかかる第一の形態は、炭化珪素を主成分とする物品の製造方法であって、原料粉末の層を形成する工程と、三次元モデルのデータに基づいて、前記層にレーザーを照射する工程と、を複数回ずつ含み、前記原料粉末が炭化珪素粉末と金属珪素粉末と炭素粉末との混合粉末であって、前記炭化珪素粉末を60at%以上100at%未満の割合で含んでおり、前記レーザーを照射する工程における前記レーザーの空間レーザーパワー密度が、11J/mm3以上50J/mm3以下であることを特徴とする。 A first form of the present invention is a method for manufacturing an article whose main component is silicon carbide, comprising: a step of forming a layer of raw material powder; and a step of irradiating the layer with a laser based on three-dimensional model data, each of the steps being repeated multiple times; the raw material powder is a mixed powder of silicon carbide powder, metallic silicon powder, and carbon powder, and contains the silicon carbide powder in a ratio of 60 at% or more and less than 100 at%, and the spatial laser power density of the laser in the laser irradiation step is 11 J/ mm3 or more and 50 J/ mm3 or less.
また、本発明にかかる第二の形態は、粉末床溶融結合法を用いて炭化珪素を主成分とする物品を製造するための原料粉末であって、前記原料粉末は、炭化珪素粉末と金属珪素粉末と炭素粉末との混合粉末であって、前記炭化珪素粉末を60at%以上100at%未満の割合で含んでいることを特徴とする。 The second aspect of the present invention is a raw material powder for manufacturing an article mainly composed of silicon carbide using a powder bed fusion method, characterized in that the raw material powder is a mixed powder of silicon carbide powder, metallic silicon powder, and carbon powder, and contains the silicon carbide powder in a proportion of 60 at% or more and less than 100 at%.
本発明によれば、炭化珪素を主成分とする物品を、樹脂などの有機材料を用いずに、従来の手法より少ないエネルギーで粉末床溶融結合法により作製することが可能となる。 The present invention makes it possible to produce silicon carbide-based articles using powder bed fusion without using organic materials such as resins and with less energy than conventional methods.
高融点の無機化合物を主成分とする物品の作製方法の一つとして燃焼合成というプロセスが知られている。燃焼合成は、無機化合物の構成元素からなる粉末の一部にエネルギーqを与えて(着火して)化学反応を生じさせ、化学反応の際に生じる反応熱Qを燃焼波として粉体内に伝搬することにより化合を促進する、という簡単かつ経済的な方法である。例えば、元素Aと元素Bとの化学反応によって化合物ABが生成される燃焼反応は、式(1)で表される。なお、本発明において、物品の主成分とは、物品の75at%以上を占める成分をいう。
A+B+q→AB+Q・・・(1)
A process called combustion synthesis is known as one of the methods for producing an article whose main component is an inorganic compound with a high melting point. Combustion synthesis is a simple and economical method in which energy q is applied (ignited) to a part of a powder made of the constituent elements of the inorganic compound to cause a chemical reaction, and the reaction heat Q generated during the chemical reaction is propagated as a combustion wave within the powder to promote chemical synthesis. For example, the combustion reaction in which a compound AB is produced by a chemical reaction between element A and element B is represented by formula (1). In the present invention, the main component of an article refers to a component that occupies 75 at% or more of the article.
A+B+q→AB+Q...(1)
qは投入エネルギー、Qは反応熱を表し、[KJ/mol]の単位で表され、q<Qである。式(1)の反応現象は、1秒以内に起こる非常に短時間の反応であり、爆発的に温度が上昇する。なお、式(1)は、化学量論的な関係を省略して表している。 q is the input energy, Q is the heat of reaction, and is expressed in units of [KJ/mol], with q<Q. The reaction phenomenon in formula (1) is a very short reaction that occurs within one second, and the temperature rises explosively. Note that formula (1) is expressed without including the stoichiometric relationship.
炭化珪素を生成する場合には、式(1)のAを金属珪素(Si)、Bを炭素(C)とし、金属珪素と炭素との化学反応を利用するのが好ましい。 When producing silicon carbide, it is preferable to use the chemical reaction between silicon metal and carbon, with A in formula (1) being silicon metal (Si) and B being carbon (C).
このような燃焼合成プロセスを粉末床溶融結合法に適用すれば、少ないエネルギーで、所望の無機化合物の比率の高い造形物を作製することができると期待される。ところが、前述したように、燃焼合成プロセスで生じる反応熱が伝搬するため、化学反応が、レーザーを照射した部分に留まらない。また、爆発的に温度が上昇するため、焼結体内に空隙が発生し、形状の維持が困難となる恐れがある。 If this type of combustion synthesis process is applied to powder bed fusion, it is expected that it will be possible to create objects with a high ratio of the desired inorganic compounds using less energy. However, as mentioned above, the reaction heat generated in the combustion synthesis process propagates, so the chemical reaction does not remain in the area irradiated by the laser. In addition, the temperature rises explosively, which can cause voids to form in the sintered body, making it difficult to maintain the shape.
上記課題を解決するために検討を行ったところ、金属珪素と炭素の粉末に、金属珪素と炭素の反応によって生成される炭化珪素をあらかじめ適量添加しておくことで、化学反応の伝搬と温度上昇を所定の領域内に抑制できることを見出した。 As a result of our investigations into solving the above problems, we discovered that by adding an appropriate amount of silicon carbide, which is produced by the reaction between silicon metal and carbon, to the powder of silicon metal and carbon in advance, it is possible to suppress the propagation of the chemical reaction and the temperature rise within a specified range.
ただし、炭化珪素の添加に期待する効果は、金属珪素粉末と炭素粉末と炭化珪素粉末の組成比に依存する。炭化珪素を生成する場合には、原料粉末として、金属珪素と炭素と炭化珪素を含み、炭化珪素の含有量が80at%以上の粉末を用いるとよい。原料粉末に添加した炭化珪素の粉末が、金属珪素と炭素との反応性を抑制し、燃焼合成に伴う燃焼波の伝搬が制限される。さらに、炭化珪素が熱を吸収して周囲への伝熱を抑えるため、造形時の爆発的な温度上昇を、レーザー照射領域に留めながら造形することが可能になると考えられる。また、原料粉末に含まれる炭素の原子比率は、金属珪素の原子比率以上であることが好ましい。炭素の原子比率を金属珪素の原子比率以上にしておくことで、金属珪素と反応せずに残った炭素を、後に説明する固相含浸工程において、含浸させる金属シリコンと化合させるCとして利用することができる。 However, the expected effect of adding silicon carbide depends on the composition ratio of metal silicon powder, carbon powder, and silicon carbide powder. When producing silicon carbide, it is recommended to use a powder containing metal silicon, carbon, and silicon carbide and having a silicon carbide content of 80 at% or more as the raw material powder. The silicon carbide powder added to the raw material powder suppresses the reactivity between metal silicon and carbon, limiting the propagation of the combustion wave accompanying the combustion synthesis. Furthermore, since silicon carbide absorbs heat and suppresses heat transfer to the surroundings, it is considered possible to mold while keeping the explosive temperature rise during molding within the laser irradiation area. In addition, it is preferable that the atomic ratio of carbon contained in the raw material powder is equal to or greater than the atomic ratio of metal silicon. By setting the atomic ratio of carbon to be equal to or greater than the atomic ratio of metal silicon, the carbon that remains unreacted with metal silicon can be used as C to be combined with the metal silicon to be impregnated in the solid-phase impregnation process described later.
本発明に係る原料粉末を用いた粉末床溶融結合法に好適に用いることのできる造形装置100の概要を図1に示す。造形装置100は、粉末床溶融結合法に用いた造形を行う装置で、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、造形材料である原料粉末(以下、単に造形材料もしくは粉末と記述する場合がある)を収容する粉末容器121とを有している。さらに、粉末容器121に収容された原料粉末を、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。
Figure 1 shows an overview of a
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
造形容器120および粉末容器122の底部は、それぞれ昇降機構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。造形容器120の底部には、ベースプレート121が設置されるステージ107として構成されている。昇降機構108の移動方向および移動量は、制御部115によって制御され、形成する粉末層111の層厚に応じて、粉末容器122の底部およびステージ107の移動量が決められる。通常、昇降機構108は、数10μmの高さで上下動させるため、高さ分解能は1μm以下であることが望ましい。
The bottoms of the
ベースプレート121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、プレートに配置する1層目の粉末層を溶融固化する際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121に固定する構造が形成される。そして、造形の間に、ベースプレート121の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、ベースプレート121は、造形物から機械的に切り離される。ベースプレートと造形物の密着性を向上するため、ベースプレートの造形面にTi膜をあらかじめ成膜しておいても良い。
The
粉末層形成機構106は、原料粉末を収容する粉末収容部と、原料粉末を粉末容器122から造形容器120へと供給する供給機構を有している。さらに、ベースプレート121上に粉末層を設定した厚さに均すため、スキージおよびローラーの少なくとも一方を有している。得られる造形物の密度を高め、粉末の化学反応を促進するためには、スキージとローラーの両方を備え、スキージで粉末層の厚さを調整した後、ローラーで加圧して粉末層の密度を高める構成が好ましい。
The powder
造形装置100は、さらに、原料材料に燃焼合成を生じ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がチャンバー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、制御部115が取得した造形対象物の三次元モデルのデータや造形材料の特性に従って、制御部115によって制御される。また、粉末層111の表面において所望のビーム径となるよう、あらかじめ造形容器120、光学系104の位置を調整しておく。粉末層111の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
走査ミラー103A、103Bとして、ガルバノミラーを好適に使用することができる。ガルバノミラーはエネルギービームを反射させながら高速で動作させるため、軽量かつ、線膨張係数の低い材質で作られていることが望ましい。
A galvanometer mirror can be suitably used as the
エネルギービーム112には、レーザーが広く用いられている。YAGレーザーを使うことが多いが、CO2レーザーや半導体レーザーであっても良い。駆動方式はパルス式でも良いし、連続照射方式でも良い。レーザーは、粉末の吸収波長に応じて選択することが好ましく、粉末による吸収が50%以上の波長を有していれば良く、吸収が80%以上の波長を有しているとより好ましい。
Lasers are widely used for the
レーザーの照射強度を制御する方法として、面内レーザーパワー密度を制御する方法と、空間レーザーパワー密度を制御する方法がある。面内レーザーパワー密度は、単位面積当たりのレーザー照射強度であり、単位はJ/mm2と表わされる。一方、空間レーザーパワー密度は、単位体積当たりのレーザー照射強度であり、J/mm3と表わされる。3Dプリンターのように膜厚を制御して、造形物を形成する場合は、空間レーザーパワー密度を考慮するのが適切である。空間レーザーパワー密度Jは次式で表わされる。
J=W/(P×V×D)
There are two methods for controlling the laser irradiation intensity: one is to control the in-plane laser power density, and the other is to control the spatial laser power density. The in-plane laser power density is the laser irradiation intensity per unit area, and is expressed in units of J/ mm2 . On the other hand, the spatial laser power density is the laser irradiation intensity per unit volume, and is expressed in units of J/ mm3 . When forming a model by controlling the film thickness as in a 3D printer, it is appropriate to take the spatial laser power density into consideration. The spatial laser power density J is expressed by the following formula.
J=W/(P×V×D)
ここで、Wはレーザーの照射パワー、Pはレーザーの照射ピッチ、Vはレーザーの走査速度、Dは粉敷き厚である。一般的な装置では、出力可能なレーザーパワーWは10~1000Wであり、レーザーの照射ピッチPは通常5~500μmであり、レーザーの走査速度は通常10~10000mm/secであり、粉敷き厚Dは通常5~500μmである。本発明の原料粉末を用いて造形する場合、上記の範囲でW、P、V、Dのパラメーターを制御し、空間レーザーパワー密度Jを11~50J/mm3の範囲で調整すれば良い。下限の10J/mm3は粉末を十分に溶融するのに必要なエネルギーであり、上限の30J/mm3は、粉末が揮発することにより造形が不可能となる領域である。 Here, W is the laser irradiation power, P is the laser irradiation pitch, V is the laser scanning speed, and D is the powder laying thickness. In a typical device, the outputtable laser power W is 10 to 1000 W, the laser irradiation pitch P is usually 5 to 500 μm, the laser scanning speed is usually 10 to 10,000 mm/sec, and the powder laying thickness D is usually 5 to 500 μm. When molding using the raw material powder of the present invention, the parameters W, P, V, and D can be controlled within the above ranges, and the spatial laser power density J can be adjusted in the range of 11 to 50 J/mm 3. The lower limit of 10 J/mm 3 is the energy required to sufficiently melt the powder, and the upper limit of 30 J/mm 3 is the region where molding becomes impossible due to the volatilization of the powder.
造形の際には、ベースプレート121をステージ107に設置し、チャンバー101の内部を、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121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みで形成される。そして、エネルギービーム112をスライスデータに従って走査し、所定領域の粉末にレーザーを照射する。
During modeling, the
スライスデータに基づく1層分のレーザーの照射が終了すると、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、積層ピッチに応じて材料容器122の底部を上昇させる。そして、粉末層形成機構106によって材料容器122の原料粉末を造形容器120へと移動させ、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。
When irradiation of one layer of laser light based on the slice data is completed, the
前述したように、エネルギービーム112が照射される領域では、先にエネルギービーム112が走査された層の表面も再度固化される。新たな粉末層においてエネルギービーム112を照射する領域の直下が、すでに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、先に溶融固化した領域との境界部で材料が混じり合って固化し、互いに結合する。これらの操作を繰り返せば、造形物110を形成することができる。
As described above, in the area irradiated with the
粉末層にレーザーを照射する際は、図2(b)のように、照射領域を矩形に区切って離散的に照射を行うとよい。矩形に区切られた1つの領域のサイズは、5mm×5mm以下が好ましく、より好ましくは2mm×2mm以下である。図2(a)に示すように、一筆書きでレーザーを連続的に走査すると、各折り返し部分に反応熱が蓄積してしまい、造形物の組成にばらつきが生じたたり、空隙が発生する。しかし、図2(b)のように離散的に照射を行えば、燃焼波の伝搬を面内方向で制限できることになり、造形面内での反応熱のばらつきを抑制することができる。照射領域は、矩形である必要はなく、多角形や円形であっても良い。矩形でない場合も、1領域あたり、25mm2以下とするのが好ましく、5mm2以下とするのがより好ましい。 When irradiating the powder layer with a laser, it is preferable to irradiate the laser discretely by dividing the irradiation area into rectangles as shown in FIG. 2(b). The size of one rectangular area is preferably 5 mm×5 mm or less, more preferably 2 mm×2 mm or less. As shown in FIG. 2(a), if the laser is continuously scanned in one stroke, reaction heat accumulates at each turning point, causing variation in the composition of the molded object or the generation of voids. However, if the laser is irradiated discretely as shown in FIG. 2(b), the propagation of the combustion wave can be restricted in the in-plane direction, and the variation in reaction heat within the molded surface can be suppressed. The irradiation area does not need to be rectangular, and may be polygonal or circular. Even if it is not rectangular, it is preferable to set the area per area to 25 mm 2 or less, more preferably 5 mm 2 or less.
本発明にかかる粉末を含む原料粉末に含まれる粒子の粒子径は、0.5μm以上100μm以下が好ましく、より好ましくは1μm以上70μm以下である。原料粉末に含まれる粒子がこの範囲にあれば、造形時に粉末層を形成するのに適した粒子流動性が得られ、微細な造形物の造形も可能となる。ここでいう粒子径は、顕微鏡を用いて測定したフェレ径(定方向径)をいう。 The particle diameter of the particles contained in the raw powder including the powder according to the present invention is preferably 0.5 μm or more and 100 μm or less, more preferably 1 μm or more and 70 μm or less. If the particles contained in the raw powder are in this range, suitable particle fluidity for forming a powder layer during molding can be obtained, and it is also possible to mold fine objects. The particle diameter here refers to the Feret diameter (unidirectional diameter) measured using a microscope.
さらに、SiC、Si、Cそれぞれの粒子の平均粒子径は、融点あるいは昇華点の高い組成ほど小さくするのが好ましく、C粉末<SiC粉末<Si粉末の関係にあるのが好ましい。原料粉末の中で融点あるいは昇華点の高いCやSiCの粒子を小さくすることで、溶融したSiでCやSiCの粒子を覆い、反応を促進させたり昇華を抑制したりすることができる。ここでいう平均粒子径は、SiC、Si、Cの粉末が混合された原料粉末に含まれる各種粉末の平均粒子径は、顕微鏡を用いて各種粉末の粒子の少なくとも1000個についてフェレ径(定方向径)を計測し、その平均値を求めると良い。混合する前のSiC、Si、Cそれぞれの粉末が入手できる場合や、混合粉末から種類毎に粉末を分離できる場合は、種類毎にレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて計測したメジアン径を平均粒子径とする。 Furthermore, it is preferable that the average particle size of each of the SiC, Si, and C particles is smaller for compositions with higher melting or sublimation points, and that the relationship is C powder < SiC powder < Si powder. By making the particles of C and SiC with higher melting or sublimation points in the raw powder smaller, the C and SiC particles can be covered with molten Si, promoting the reaction and suppressing sublimation. The average particle size here is the average particle size of the various powders contained in the raw powder in which SiC, Si, and C powders are mixed, and it is preferable to measure the Feret diameter (unidirectional diameter) of at least 1,000 particles of each type of powder using a microscope and calculate the average value. When the SiC, Si, and C powders before mixing are available, or when the powders can be separated by type from the mixed powder, the median diameter measured by using a laser diffraction type particle size distribution measuring device for each type is used as the average particle size.
本発明にかかる粉末を含む原料粉末を用いても、照射するレーザーの強度が強すぎると、爆発的な反応が起こってしまう。そこで、爆発的な反応が起こらないように、原料粉末の組成に応じて、原料粉末に照射されるレーザーのパワー密度が、所定の範囲内となるように制御するとよい。具体的には、SiとCが完全には化合せず、SiCの分解点2545℃よりも融点の低いSi(融点1414℃)が溶融して他の粉末を物理的に結合するバインダーとして機能する程度にレーザーを照射するのが好ましい。さらに、Siの結晶構造の一部をCで置換したSixCyという中間生成物を形成する程度にレーザーを照射するのも好ましい。このSiによって結合された固化物、ならびにSixCyを含む造形物は、後から熱処理することによって、全体をSiCに転換することができる。 Even if raw powder containing the powder according to the present invention is used, if the intensity of the irradiated laser is too strong, an explosive reaction will occur. Therefore, in order to prevent an explosive reaction, it is advisable to control the power density of the laser irradiated to the raw powder within a predetermined range according to the composition of the raw powder. Specifically, it is preferable to irradiate the laser to such an extent that Si and C do not completely combine, and Si (melting point 1414°C), which has a melting point lower than the decomposition point of SiC of 2545°C, melts and functions as a binder that physically binds other powders. Furthermore, it is also preferable to irradiate the laser to such an extent that an intermediate product called SixCy, in which part of the crystal structure of Si is replaced with C, is formed. The solidified material bonded by this Si, as well as the shaped object containing SixCy, can be converted into SiC in its entirety by subsequent heat treatment.
作製した造形物が空隙を含んでいる場合は、含浸を行ってより強度を向上させるとよい。 If the object you create contains voids, it is a good idea to impregnate it to improve its strength.
SiCの造形物の場合、固相含浸、液相含浸、気相含浸が知られているが、中でも固相含浸と液相含浸は、比較的簡便に造形物の強度を高めることができるため好ましい。特に、固相含浸は、短時間で強度を向上させることができ、好ましい。 For SiC objects, solid-phase impregnation, liquid-phase impregnation, and gas-phase impregnation are known, but solid-phase impregnation and liquid-phase impregnation are preferred because they can increase the strength of objects relatively easily. Solid-phase impregnation is particularly preferred because it can increase strength in a short period of time.
SiCの造形物に対して固相含浸を行う場合、造形物の空隙内にCを担持させた後、Siの溶融体を流し込むことにより空隙部をSiC化するとよい。 When performing solid-phase impregnation on a SiC shaped object, it is advisable to first support C in the voids of the shaped object, and then pour in molten Si to convert the voids into SiC.
固相含浸の手順は、まず、造形物を液状の樹脂に浸漬して真空中で脱泡することにより、液状の樹脂を空隙内に含浸させる。造形物表面の不要な液状の樹脂を除去した後、樹脂を加熱して硬化させ、さらに炭化するまで加熱することにより、空隙内にCを担持させる。続いて、得られた造形物を真空中で溶融したSiに接触させて、空隙内にSiを含浸させ、1450~1700℃で加熱することにより、空隙部をSiC化することができる。空隙部をSiC化した後、造形物の表面には余分なSiが付着するが、研磨やエッチングなどの後処理によって除去することができる。 The procedure for solid-phase impregnation is as follows: first, the molded object is immersed in liquid resin and degassed in a vacuum, allowing the liquid resin to be impregnated into the voids. After removing unnecessary liquid resin from the surface of the molded object, the resin is heated to harden and then heated until carbonized, causing C to be supported in the voids. Next, the molded object is brought into contact with molten Si in a vacuum, allowing the Si to be impregnated into the voids, and the voids can be converted to SiC by heating at 1450-1700°C. After the voids have been converted to SiC, excess Si adheres to the surface of the molded object, but this can be removed by post-processing such as polishing or etching.
造形物の空隙内にCを担持させるための樹脂には、金属成分を含まないものを用いる。金属成分を含んでいると、造形物中のSiと反応して余分な化合物を生成してしまう。また、樹脂の残炭率が高いほど、空隙部のSiC率を高めることができる。樹脂の残炭率は、50%以上が好ましく、60%以上がより好ましく、フェノール樹脂が特に好ましい。 The resin used to support C in the voids of the molded object does not contain any metal components. If the resin contains metal components, they will react with the Si in the molded object and produce excess compounds. Also, the higher the carbon residue rate of the resin, the higher the SiC rate in the voids can be. The carbon residue rate of the resin is preferably 50% or more, more preferably 60% or more, and phenolic resin is particularly preferred.
また、樹脂を空隙に浸透させるためには、樹脂の粘度が1000mPa・s以下が好ましく、500mPa・s以下がさらに好ましい。 In order to allow the resin to penetrate into the voids, the viscosity of the resin is preferably 1000 mPa·s or less, and more preferably 500 mPa·s or less.
SiCの造形物に対して液相含浸を行う場合は、SiCの含浸材料として市販のSiCポリマー(ポリカルボシラン)を使用することができる。作製した造形物をSiCポリマー液に浸漬し、真空脱泡を行って造形物の空隙内にSiCポリマー液を導入する。造形物の表面から余分な液を除去した後、不活性ガス中で800~1300℃で熱処理を行い、SiCポリマーを無機化させる。SiCポリマーは、有機物を含むSiCセラミックス前駆体であるため、熱処理によって約30wt.%が揮発によって失われる。そのため、含浸および熱処理工程を複数回繰り返すことにより造形物の空隙率を低減することができる。SiCポリマーを800~1300℃で熱処理することによって得られるSiCは、アモルファス構造であるが、後から1600℃程度で熱処理を行うことにより結晶化して硬度を向上させることができる。 When performing liquid phase impregnation on a SiC model, commercially available SiC polymer (polycarbosilane) can be used as the SiC impregnation material. The model is immersed in the SiC polymer liquid, and vacuum degassing is performed to introduce the SiC polymer liquid into the voids of the model. After removing excess liquid from the surface of the model, the SiC polymer is inorganicized by heat treatment at 800 to 1300°C in an inert gas. Since the SiC polymer is a SiC ceramic precursor that contains organic matter, approximately 30 wt. % is lost through volatilization during heat treatment. Therefore, the porosity of the model can be reduced by repeating the impregnation and heat treatment process multiple times. The SiC obtained by heat treating the SiC polymer at 800 to 1300°C has an amorphous structure, but it can be crystallized and hardened by subsequent heat treatment at around 1600°C.
本発明にかかる実施例および比較例について説明する。ただし、以下に記載されている粉末の種類、組成、粒形、形状、レーザーのパワーなどは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、発明を本明細書の開示の範囲に限定する趣旨のものではない。 Examples and comparative examples of the present invention are described below. However, the type, composition, particle shape, form, laser power, and other details of the powder described below should be changed as appropriate depending on the configuration of the device to which the invention is applied and various conditions, and are not intended to limit the invention to the scope of the disclosure in this specification.
原料粉末として、SiC粉末とSi粉末とC粉末との混合粉末を用いた。それぞれの粉末の詳細は下記の通りである。
SiC:平均粒子径15.0μm
信濃電気精錬株式会社製(商品名 SSC-A15)
Si粉末:平均粒子径45.0μm
株式会社高純度化学研究所製(商品名 SIE19PB)
C粉末:平均粒子径が5.0μm
株式会社高純度化学研究所製(商品名 CCE03PB)
The raw material powder used was a mixture of SiC powder, Si powder, and C powder. Details of each powder are as follows.
SiC: average particle diameter 15.0 μm
Manufactured by Shinano Electric Refining Co., Ltd. (Product name: SSC-A15)
Si powder: average particle size 45.0 μm
Manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. (Product name: SIE19PB)
Powder C: average particle size 5.0 μm
Manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. (Product name: CCE03PB)
SiC、Si、Cの粉末の混合比率を変えた原料粉末を用意し、それぞれの原料粉末に対して、複数のレーザー照射条件(空間レーザーパワー密度)でレーザーを照射して造形を行った。 Raw material powders were prepared with different mixture ratios of SiC, Si, and C powders, and each raw material powder was irradiated with a laser under multiple laser irradiation conditions (spatial laser power density) to create shapes.
SiC、Si、Cの粉末は、それぞれ必要な量ずつ秤量し、ボールミルで混合した。 The required amounts of SiC, Si, and C powders were weighed out and mixed in a ball mill.
混合した粉末を材料容器122に収容し、チャンバー内を真空引きした後にArガスを導入する工程を複数回行い、チャンバー内をN2雰囲気に置換した。粉末容器122の原料粉末を粉末層形成機構106によってステージ107上に設置したステンレス製のベースプレート121の上に均一な厚さになるよう敷いた。粉末の厚さは50μmになるようステージ107の高さを調整した。
The mixed powder was placed in a
続いて、粉末に対してレーザー照射し、造形を行った。レーザーとしては、波長が1060nmのNd:YAGレーザーを使用した。レーザーパワーを100W、照射ピッチを40μmとし、走査速度を調整することにより空間レーザーパワー密度を11~75J/mm3の範囲で変えて、4mm×4mm×250μmの直方体である三次元モデルに従って造形を行った。1層目のレーザー照射が終わると、1層目と同様にして粉末の粉敷きとレーザー照射を行い、造形物が所望の高さとなるまでこの工程を繰り返した。 Next, the powder was irradiated with a laser to perform modeling. A Nd:YAG laser with a wavelength of 1060 nm was used as the laser. The laser power was set to 100 W, the irradiation pitch was set to 40 μm, and the spatial laser power density was changed in the range of 11 to 75 J/mm 3 by adjusting the scanning speed, and modeling was performed according to a three-dimensional model that was a rectangular parallelepiped of 4 mm x 4 mm x 250 μm. After the first layer of laser irradiation was completed, powder was spread and laser irradiation was performed in the same manner as the first layer, and this process was repeated until the model reached the desired height.
また、比較例として、SiC粉末からなる原料粉末に、空間レーザーパワー密度11~50J/mm3の範囲でレーザーを照射し、実施例と同様に造形を行った。 As a comparative example, a raw material powder made of SiC powder was irradiated with a laser at a spatial laser power density in the range of 11 to 50 J/ mm3 , and a molding was performed in the same manner as in the example.
ベースプレートに使用しているステンレスは熱伝導率が高いため、照射するレーザーの照射熱が低いと散逸してしまう。照射するレーザーのエネルギーが低いと、造形物とベースプレートの密着性が低くなる。そのため、直方体モデルの造形を開始する前に、空間レーザーパワー密度100J/mm3で3層分の造形を行い、直方体モデルの造形のための土台を造形しておいた。 The stainless steel used for the base plate has a high thermal conductivity, so if the heat of the irradiated laser is low, it will dissipate. If the energy of the irradiated laser is low, the adhesion between the model and the base plate will be low. Therefore, before starting the modeling of the rectangular parallelepiped model, three layers were modeled with a spatial laser power density of 100 J/ mm3 to model the base for the modeling of the rectangular parallelepiped model.
作製した造形物をプレートから切り離さずに、作製した造形物の高さを計測した。図3に原料粉末の組成で作製した造形物の高さと空間レーザーパワー密度との関係を示す。 The height of the created object was measured without separating it from the plate. Figure 3 shows the relationship between the height of the object created with the composition of the raw material powder and the spatial laser power density.
得らえた造形物の高さと立方体モデルの高さ(250μm)とのずれ量から、造形物の可否を評価した。造形に用いた粉末1~9の原料粉末の混合比、照射レーザーの空間レーザーパワー密度、評価結果をまとめて表1に示す。評価基準は下記の通りである。表中の「―」は未検討を表す。
A:高さが200μm以上
B:高さが170μm以上200μm未満
C:高さが170μm未満
D:造形ができない
The feasibility of the modeling was evaluated based on the deviation between the height of the obtained model and the height of the cube model (250 μm). The mixing ratio of the
A: Height is 200 μm or more. B: Height is 170 μm or more and less than 200 μm. C: Height is less than 170 μm. D: Modeling is not possible.
評価Aの造形物は、レーザーの照射による1層あたりの減少量が、粉末が溶融して密度が高まるレベルに抑えられている。評価Bの造形物は、評価Aよりは減少量が多いものの、燃焼合成による爆発的な温度上昇が抑えられ、原料粉末が造形領域から飛散するのが抑制されており、スライスデータや造形条件を調整することで、目的とする造形物の作製が可能である。評価Cは、燃焼合成による爆発的な温度上昇を抑えることができず、原料粉末が揮発してしまい、造形領域には十分な粉末が残らなかった。そのため、高さ方向だけでなく造形面方向の造形精度も著しく低かった。評価Dは、粉末が溶融せず、造形ができなかった。 In the model rated A, the amount of reduction per layer due to laser irradiation was kept to a level where the powder melted and the density increased. In the model rated B, the amount of reduction was greater than in the model rated A, but the explosive temperature rise due to combustion synthesis was suppressed and the raw material powder was prevented from scattering from the printing area, making it possible to create the desired model by adjusting the slice data and printing conditions. In the model rated C, the explosive temperature rise due to combustion synthesis could not be suppressed, the raw material powder volatilized, and not enough powder remained in the printing area. As a result, the printing accuracy was extremely low not only in the height direction but also in the printing surface direction. In the model rated D, the powder did not melt and printing was not possible.
なお、表1において、各粉末は、金属珪素粉末と炭素粉末とを同じ原子比率で含んでいるが、目標とする原子比率の±10%程度のずれは許容される。 In Table 1, each powder contains the same atomic ratio of silicon metal powder and carbon powder, but a deviation of about ±10% from the target atomic ratio is allowed.
SiCは融点を持たず、2545℃で分解する一方、SiCを構成する元素粉末であるC粉の分解点は3642℃、Si粉の融点は1414℃である。粉末1~9には、SiとCとの燃焼合成が生じ、かつSi粉を溶融させる温度に昇温する条件でレーザーを照射した。粉末1~6に、空間レーザーパワー密度11.1[J/mm3]でレーザーを照射して作製した造形物について、X線回折により組成を確認した。いずれの造形物も、SiC粉末がSiで結合された部分と、Siのダイヤモンド格子の一部をC原子が置換したSi0.98C0.02の部分とが含まれていることが確認された。
SiC has no melting point and decomposes at 2545°C, while the decomposition point of C powder, which is an element powder constituting SiC, is 3642°C, and the melting point of Si powder is 1414°C. Powders 1 to 9 were irradiated with a laser under conditions that caused combustion synthesis of Si and C and raised the temperature to a temperature at which the Si powder melted. The composition of the molded objects produced by irradiating
粉末1~6の原料粉末の混合比にて、空間レーザーパワー密度15[J/mm3]で、ステンレス製のベースプレート上に、4mm×3mm×40mmの短冊形状の造形物を、4個ずつ作製した。 Using the mixture ratio of the raw material powders Powders 1 to 6, four rectangular objects each of 4 mm x 3 mm x 40 mm were fabricated on a stainless steel base plate at a spatial laser power density of 15 [J/mm 3 ].
ベースプレート上の造形物4個のうち2個に対して、まず、液状のフェノール樹脂(住友ベークライト製 PR-50607B)を造形物の上に十分な量を滴下した後、真空中で脱泡を行った。造形物表面の余分なフェノール樹脂を拭き取った後、ホットプレート上で160℃の加熱を行い、フェノール樹脂を熱硬化させた。 For two of the four objects on the base plate, a sufficient amount of liquid phenolic resin (PR-50607B, manufactured by Sumitomo Bakelite) was first dripped onto the objects, and then degassed in a vacuum. After wiping off excess phenolic resin from the surface of the objects, the objects were heated to 160°C on a hot plate to thermally harden the phenolic resin.
その後、ダイヤモンドワイヤヤーソーを用いて、造形物をベースプレートから切り離した。フェノール樹脂を含浸させた造形物の切断面を顕微鏡にて観察すると、空隙に十分フェノール樹脂が浸み込んでいる様子を確認できた。また、ベースプレートから造形物を切り離す際に、造形物に欠けが発生することはなかった。 Then, a diamond wire saw was used to separate the model from the base plate. When the cut surface of the model impregnated with phenolic resin was observed under a microscope, it was confirmed that the phenolic resin had sufficiently permeated the gaps. Furthermore, no chipping occurred in the model when it was separated from the base plate.
一方、フェノール樹脂を含浸させなかった造形物には、ベースプレートから切り離す際に端部に小さな欠けが発生したものがあった。フェノール樹脂を含浸させなかった造形物は、含浸後の造形物との強度比較に用いるため、これ以降の工程は行なっていない。 On the other hand, some of the molded objects that were not impregnated with phenolic resin had small chips on the edges when they were separated from the base plate. The molded objects that were not impregnated with phenolic resin were not subjected to any further processes because they were used to compare their strength with the molded objects after impregnation.
フェノール樹脂を含浸させた造形物を液状のフェノール樹脂に浸漬し、真空脱泡して再度含浸を行った後、800℃で30分間の熱処理を行うことによりフェノール樹脂を炭化させた。 The molded object impregnated with phenolic resin was immersed in liquid phenolic resin, vacuum degassed, and impregnated again, after which the phenolic resin was carbonized by heat treatment at 800°C for 30 minutes.
フェノール樹脂の炭化後、造形物の体積と重量を計測し、空隙率を計測した。計測した空隙率の結果からSiC含浸に必要なSi量を計算した。ルツボ内の底面にセッターとしてφ2mmのアルミナ製のボールを敷き並べておき、造形物がルツボに張り付かないようにしてから、ルツボ内に造形物を設置し、その上に算出したSiの必要量を約2割多くした量のSi片を載置し、熱処理を行った。熱処理は、圧力2600PaのAr雰囲気中で、1500℃で1時間行った。造形物表面には余分なSiが付着したため、研削研磨により4mm×3mm×40mmの短冊形状に形状を整えた。含浸後の造形物の表面を、顕微鏡を使って観察したところ、クラックや穴は大幅に減少していた。 After carbonization of the phenolic resin, the volume and weight of the molded object were measured, and the porosity was measured. The amount of Si required for SiC impregnation was calculated from the measured porosity. Alumina balls with a diameter of 2 mm were laid out as setters on the bottom surface of the crucible to prevent the molded object from sticking to the crucible, and then the molded object was placed in the crucible, and an amount of Si pieces approximately 20% more than the calculated amount of Si required was placed on top of the molded object, and heat treatment was performed. The heat treatment was performed at 1500°C for 1 hour in an Ar atmosphere with a pressure of 2600 Pa. Since excess Si was attached to the surface of the molded object, it was ground and polished to form a rectangular shape of 4 mm x 3 mm x 40 mm. When the surface of the molded object after impregnation was observed under a microscope, the cracks and holes were significantly reduced.
固相含浸を施さなかった造形物と固相含浸を施した造形物それぞれについて、インストロン万能試験機(4507型、ロードセル1KN)を用いて4点曲げ試験評価を行った。評価条件は下記の通りである。
雰囲気:大気中
クロスヘッド移動速度:0.5mm/min
支点間距離:L=30
治具材質:SiC
The molded object without solid-phase impregnation and the molded object with solid-phase impregnation were each subjected to a four-point bending test evaluation using an Instron universal testing machine (4507 type, load cell 1KN). The evaluation conditions were as follows:
Atmosphere: Air Crosshead movement speed: 0.5 mm/min
Distance between supports: L = 30
Jig material: SiC
造形条件が同じ造形物について、固相含浸を施した造形物と、固相含浸を施さなかった造形物の4点曲げ試験評価の値を比較したところ、いずれの場合も、固相含浸を施すことにより造形物の曲げ強度は4倍以上強くなることが確認された。 When the four-point bending test evaluation values of objects that had been subjected to solid-phase impregnation and objects that had not been subjected to solid-phase impregnation were compared for objects created under the same molding conditions, it was confirmed that in both cases the bending strength of the objects was four times or more stronger due to solid-phase impregnation.
4点曲げ試験評価を行った後の、固相含浸を施した造形物について、X線回線法を用いて組成を確認したところ、いずれの造形物も、SiCが75at%以上含まれており、Siが25at%以下の範囲で含まれていた。 After the four-point bending test evaluation, the composition of the solid-phase impregnated molded objects was confirmed using X-ray diffraction. All molded objects contained 75 at% or more SiC and 25 at% or less Si.
以上の結果から、金属珪素粉末と炭素粉末とを含む原料粉末に炭化珪素粉末を適量加え、原料粉末の混合比に応じて照射する空間レーザーパワー密度を制御することにより、燃焼合成による爆発的な反応熱を抑制して、造形が可能となることが確認された。 These results confirm that by adding an appropriate amount of silicon carbide powder to raw powder containing metallic silicon powder and carbon powder, and controlling the spatial laser power density irradiated according to the mixing ratio of the raw powder, it is possible to suppress the explosive reaction heat caused by combustion synthesis and to create shapes.
具体的には、原料粉末が炭化珪素粉末を60at%以上100at%未満の割合で含有し、空間レーザーパワー密度11J/mm3以上50J/mm3以下のレーザーを照射するとよい。さらには、炭化珪素粉末を75at%以上95at%以下の割合で含有し、空間レーザーパワー密度15J/mm3以上35J/mm3以下のレーザーを照射するのが好ましい。 Specifically, it is preferable that the raw material powder contains silicon carbide powder at a ratio of 60 at% or more and less than 100 at% and that a laser having a spatial laser power density of 11 J/ mm3 or more and 50 J/ mm3 or less is irradiated.More preferably, the raw material powder contains silicon carbide powder at a ratio of 75 at% or more and 95 at% or less and that a laser having a spatial laser power density of 15 J/ mm3 or more and 35 J/ mm3 or less is irradiated.
このような範囲で造形を行うことで、元素間あるいは化合物間の反応を引き起こすのに必要な熱を与え、かつ、燃焼合成による爆発的な反応熱を抑制して、炭化珪素を主成分とする造形物を製造することができる。 By performing shaping within this range, it is possible to provide the heat necessary to induce reactions between elements or compounds while suppressing the explosive reaction heat caused by combustion synthesis, thereby producing a shaped object whose main component is silicon carbide.
造形が完了すると、ベースプレートから造形物を切り離し、Ar雰囲気中、1500℃の温度で1時間の熱処理を行った。この熱処理により、Siが溶融体となって造形物内に残存するC粉末と反応し、SiCに転換されることが、熱処理後の物品をX線回折することにより確認できた。1500℃の熱処理温度は、SiCとCの分解温度よりも十分に低い温度であるため、SiCとCが分解することもなく、緻密な物品を得ることができた。 Once the molding was complete, the molded object was separated from the base plate and heat-treated in an Ar atmosphere at 1500°C for 1 hour. X-ray diffraction of the heat-treated object confirmed that this heat treatment caused the Si to melt and react with the C powder remaining in the molded object, converting it to SiC. The heat treatment temperature of 1500°C is sufficiently lower than the decomposition temperature of SiC and C, so the SiC and C did not decompose, and a dense object was obtained.
100 造形装置
107 造形ステージ
110 造形物
111 粉体層
112 エネルギービーム
Claims (11)
原料粉末の層を形成する工程と、
三次元モデルのデータに基づいて、前記層にレーザーを照射する工程と、
を複数回ずつ含み、
前記原料粉末が炭化珪素粉末と金属珪素粉末と炭素粉末との混合粉末であって、前記炭化珪素粉末を60at%以上100at%未満の割合で含んでおり、
前記炭化珪素粉末の平均粒子径は前記金属珪素粉末の平均粒子径よりも小さく、前記炭素粉末の平均粒子径は前記炭化珪素粉末の平均粒子径よりも小さいことを特徴とする物品の製造方法。 1. A method for producing a silicon carbide based article, comprising:
forming a layer of raw material powder;
irradiating the layer with a laser based on data of a three-dimensional model;
multiple times,
the raw material powder is a mixed powder of silicon carbide powder, metallic silicon powder, and carbon powder, and contains the silicon carbide powder in a ratio of 60 at% or more and less than 100 at%,
A method for manufacturing an article, characterized in that the average particle size of the silicon carbide powder is smaller than the average particle size of the silicon metallic powder, and the average particle size of the carbon powder is smaller than the average particle size of the silicon carbide powder.
前記液状の樹脂を含浸させた造形物を加熱して前記樹脂を炭化させる工程と、
前記樹脂を炭化させた造形物に、溶融した金属珪素を含浸させる工程と、
前記金属珪素を含浸させた造形物を加熱して、前記金属珪素を炭化珪素とする工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の物品の製造方法。 a step of impregnating a shaped object obtained by carrying out the step of forming a layer of the raw material powder and the step of irradiating with the laser a plurality of times with a liquid resin;
a step of heating the shaped object impregnated with the liquid resin to carbonize the resin;
impregnating the shaped object obtained by carbonizing the resin with molten metallic silicon;
heating the shaped article impregnated with the metallic silicon to convert the metallic silicon into silicon carbide;
The method of claim 1 , further comprising:
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