JP7822692B2

JP7822692B2 - 積層造形されたアルミニウム合金の熱処理

Info

Publication number: JP7822692B2
Application number: JP2020176464A
Authority: JP
Inventors: ポールエヌ．ウィルソン，; マイケルアール．ジョウノフスキ，; ラッセルダブリュ．コックラン，; バークエル．ライクリンガー，
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2026-03-03
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: CN112756612A; JP2021091955A; US11993838B2; EP3812065A1; US20210115545A1

Description

本開示は、概して、積層造形に関し、より具体的には、積層造形において使用されるアルミニウム合金に対する熱処理に関する。

三次元（３Ｄ）プリンティングとしても知られている積層造形は、通常、層ごとに材料を連続的に付加することにより、コンピュータ支援設計モデルから３次元物体を構築する堆積プロセスである。材料は、通常、液体又は粉末であり、この液体又は粉末は、３次元物体を作り出すために結合される。現状では、３Ｄプリンティングは、金属を使用するまでに進化した。金属３Ｄプリンティングは、金属粉末から金属部品を製造することを可能にし、これは、金属３Ｄプリンティング技術がなければ不可能なことであった。さらに、金属３Ｄプリンティングは、従来の金属製造に比べて無駄の少ないプロセスであり、３Ｄプリンティングにより結果として得られる金属部品は、従来の製造方式で製造された同じ部品より軽量である。このような特性により、航空産業を含む様々な産業で金属３Ｄ部品が益々使用されるようになった。

現状では、多くの金属３Ｄプリンティングプロセスにおいて、通常、粉末化された金属である材料を結合するために、パワーベッドシステムとエネルギー源との組み合わせが利用される。エネルギー源は、通常、レーザ、加熱されたノズル、エネルギービーム等のうちの１つ又は複数である。レーザと金属粉末の場合、金属３Ｄプリンティングプロセスには、積層工程において、金属粉末を溶解して三次元金属部品へと再結合するのに１つ又は複数のレーザを利用することが含まれ得る。積層工程には、三次元金属部品が形成されるまで、溶解した粉末材料を（層ごとに）付加することが含まれる。

さらに、３Ｄプリンティングでは、アルミニウムが重要な金属となってきている。なぜなら、アルミニウムは、優れた強度重量比、高い熱的及び電気的伝導性、低密度、並びに耐天候性を備えた金属であるからであり、これらの特性は、高強度、剛性、軽量性、及び高精度を有する機能的部品にとって良好な特性である。Ａ２０５アルミニウム合金は、積層造形プロセス（すなわち、３Ｄプリンティングプロセス）で鋳込材料又は母材として利用されるアルミニウム合金の粉末化された種類の一例である。積層造形において利用される場合、Ａ２０５アルミニウム合金は、ＡＭ２０５アルミニウム合金（又は単にＡＭ２０５アルミニウム、若しくはＡＭ２０５）として知られている。

一般的に、積層造形プロセス（すなわち、堆積プロセス）でＡＭ２０５アルミニウム合金部品が製造された後にＡＭ２０５アルミニウム合金の熱処理が用いられて、ＡＭ２０５アルミニウム合金部品の機械的特性の改善が試みられる。この熱処理は、Ａ２０５アルミニウム合金部品を鋳造するために通常用いられる熱処理と同じ種類の処理である。残念なことに、ＡＭ２０５アルミニウム合金は、Ａ２０５アルミニウム合金部品の鋳造とは異なる反応を示す。ＡＭ２０５アルミニウム合金は、堆積プロセス後の熱処理において通常ではない態様で反応するので、鋳造されたＡ２０５アルミニウム合金部品に利用される標準的な熱処理プラクティスは、ＡＭ２０５アルミニウム合金部品を最適化するには有用ではない。したがって、このような課題に対処する新しいシステム及び方法が必要とされている。

積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金コンポーネント（ＡＭ２０５コンポーネント）を熱処理して、ＡＭ２０５コンポーネント内で均一な粒度分布を生じさせるための方法が開示される。当該方法は、第１の期間にわたって第１の温度でＡＭ２０５コンポーネントを溶体化時効処理することであって、第１の期間が５時間未満である、ＡＭ２０５コンポーネントを溶体化時効処理することと、溶体化時効処理の後、ＡＭ２０５コンポーネントを過時効処理することとを含む。さらに、均一な粒度分布を有する積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金部品（「ＡＭ２０５部品」）も説明される。ＡＭ２０５部品は、Ａ２０５アルミニウム合金を利用して、Ａ２０５アルミニウム合金コンポーネント（「ＡＭ２０５コンポーネント」）を積層造形することと、第１の期間にわたって第１の温度でＡＭ２０５コンポーネントを溶体化時効処理することであって、第１の期間が５時間未満である、溶体化時効処理することと、均一な粒度分布を有するＡＭ２０５部品を生成するために、溶体化時効処理の後、ＡＭ２０５コンポーネントを過時効処理することとを含む処理によって作製される。

本開示の範囲は、参照によりこのセクションに援用される特許請求の範囲によって規定される。下記の１つ又は複数の実装形態の詳細な説明を検証することにより、当業者は、本開示をより完全に理解し、そのさらなる利点を認識するに至る。これより、添付の図面を参照し、まず簡単に説明する。

さらに、本開示の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴、及び利点は、下記の図面及び詳細な説明を精査することにより、当業者に明らかであるか、又は明らかになろう。こうした付加的なシステム、方法、特徴、及び利点のすべてが、この記載に含まれ、本開示の範囲内に含まれ、且つ添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。

本開示は、下記の図面を参照することにより、より深く理解できる。図面中の構成要素は必ずしも正確な縮尺で描かれておらず、むしろ本開示の原理を例示することに重点が置かれている。図中では、類似の参照番号は、種々の図にわたって対応する部品を指すものである。

本開示に係る、ＡＭ２０５アルミニウム合金を熱処理するための方法の実装例のフロー図である。本開示に係る、ＡＭ２０５アルミニウム合金を熱処理するための別の方法の実装例のフロー図である。本開示に係る、ＡＭ２０５アルミニウム合金を熱処理するためのさらに別の方法の実装例のフロー図である。本開示に係る図１Ａから図１Ｃの技法に従って処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの実装例の極限引張強さのグラフである。本開示に係る図１Ａから図１Ｃの技法に従って処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの実装例の降伏応力のグラフである。本開示に係る図１Ａから図１Ｃの技法に従って処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの実装例の計算された伸び率のグラフである。本開示に係る、溶体化熱処理（溶体化時効処理）されたＡＭ２０５アルミニウム部品と堆積された後の未処理ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントとの微細構造組成の顕微鏡写真である。本開示に係る、溶体化熱処理（溶体化時効処理）されたＡＭ２０５アルミニウム部品と堆積された後の未処理ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントとの微細構造組成の別の顕微鏡写真である。本開示に係る、４時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品と、８時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品との微細構造組成の写真を示す。本開示に係る、図６Ａに示された、４時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品と、８時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品との微細構造組成のさらなる写真を示す。本開示に係る、図１Ａから図１Ｃの方法に従って処理された様々なＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの硬度特性のグラフである。本開示に係る、図１Ａから図１Ｃに記載された方法の実装例のプロットのグラフである。本開示に係る、図１Ａから図１Ｃに記載された方法を実行するためのシステムの実装例のシステムブロック図である。

本明細書では、積層造形の後にＡＭ２０５アルミニウム合金（本開示では概して「ＡＭ２０５アルミニウム」と呼ばれるが、当業者は当該材料が純アルミニウムではなく、アルミニウム合金であると理解している）を熱処理するための様々なシステム及び技法が説明されている。前述のように、三次元（３Ｄ）プリンティングとしても知られている積層造形は、通常、層ごとに材料を連続的に付加することにより、コンピュータ支援設計モデルから３次元物体を構築する堆積プロセスである。材料は、通常、液体又は粉末であり、この液体又は粉末は、３次元物体を作り出すために結合される。本開示では、材料は、粉末化した形態のＡ２０５アルミニウム合金（本開示では概して「Ａ２０５アルミニウム」と呼ばれる）である。一例として、Ａ２０５アルミニウムは、英国イングランドのウスター所在のＡｅｒｏｍｅｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＬｉｍｉｔｅｄ（登録商標）から粉末化された形態で提供され得る。粉末化されたＡ２０５アルミニウムは、次いで、積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金コンポーネント（「Ａ２０５コンポーネント」）（「ＡＭ」とは、Ａ２０５アルミニウムが積層造形プロセスで利用されたことを示す）の中実の３次元物体を生成するために、積層造形において用いられる。概して、堆積された後のＡＭ２０５アルミニウムは、破損時に２０％の伸び率を有する、１平方インチあたり約３８．５キロポンド（「ｋｓｉ」）の降伏強度、及び約４９．２ｋｓｉの極限引張強さを含む。概して、ＡＭ２０５コンポーネントからＡＭ２０５部品を生成する処理を完了するために、ＡＭ２０５コンポーネントに熱処理技法が適用される。一例として、ＡｅｒｏｍｅｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＬｉｍｉｔｅｄ（登録商標）によって推奨される、ＡＭ２０５アルミニウムのための典型的な熱処理技法は、標準型Ｔ７アルミニウム熱処理である。この技法には、初期的な長時間の溶体化処理（例えば、８時間から２４時間の間の溶体化処理）、及びその後の高温での時効処理（過時効処理）が含まれる。しかしながら、このような技法は、ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの最終的な強度を向上させるが、降伏強度を著しく向上させることはない。その代わりに、他の標準的な熱処理技法は降伏強度を向上させるが、ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの最終的な強度を向上させない。すべての標準型熱処理技法において、ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントは、強度の観点で性能が鋳造されたＡ２０５アルミニウムコンポーネント（５９ｋｓｉの降伏強度及び６６ｋｓｉの極限引張強さを有する）に比べて劣っているという結果になった。

したがって、本開示は、ＡＭ２０５アルミニウムのために特に開発された熱処理技法を説明する。本明細書に記載された熱処理技法は、積層造形されたＡＭ２０５アルミニウムが、鋳造されたＡ２０５アルミニウムに匹敵するか、又は実質的に匹敵することを可能にする。こうした技法には、より短い時間（例えば、４時間）の初期的な溶体化時効処理ステップ、及び実行可能な追加の時効処理ステップが含まれる。

概して、本開示は、積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金コンポーネント（「アルミニウム合金コンポーネント、又は「ＡＭ２０５コンポーネント」）を熱処理して、ＡＭ２０５コンポーネント内で均一な粒度分布を生じさせるための方法が開示される。当該方法は、第１の期間にわたって第１の温度でＡＭ２０５コンポーネントを溶体化時効処理することであって、第１の期間が５時間未満である、ＡＭ２０５コンポーネントを溶体化時効処理することと、溶体化時効処理の後、ＡＭ２０５コンポーネントを過時効処理することとを含む。図１Ａから図１Ｃは、当該技法をさらに詳細に説明している。

さらに、均一な粒度分布を有する積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金部品（「アルミニウム合金部品」、又は「ＡＭ２０５部品」）も説明される。ＡＭ２０５部品は、Ａ２０５アルミニウム合金を利用して、Ａ２０５アルミニウム合金コンポーネント（「ＡＭ２０５コンポーネント」）を積層造形することと、第１の期間にわたって第１の温度でＡＭ２０５コンポーネントを溶体化時効処理することであって、第１の期間が５時間未満である、溶体化時効処理することと、均一な粒度分布を有するＡＭ２０５部品を生成するために、溶体化時効処理の後、ＡＭ２０５コンポーネントを過時効処理することとを含む処理によって作製される。

図１Ａは、本開示に従って示される、ＡＭ２０５アルミニウム合金を熱処理するための方法１００の実装例のフロー図である。図１Ｂは、本開示に係る、ＡＭ２０５アルミニウム合金を熱処理するための別の方法１０２の実装例のフロー図である。図１Ｃは、本開示に従って示される、ＡＭ２０５アルミニウム合金を熱処理するためのさらに別の方法１０４の実装例のフロー図である。概して、図１Ａから図１Ｃは、積層造形されたＡＭ２０５アルミニウムのための３つの異なる熱処理技法で、ＡＭ２０５アルミニウムを熱処理する技法を詳述するフロー図である。

図１Ａを見ると、方法１００は、Ａ２０５アルミニウム粉末からＡＭ２０５コンポーネントを積層造形すること１０６で開始する。上述のように、積層造形１０６ステップは、通常、高エネルギー源（例えば、レーザ又は電子ビームのうちの１つ又は複数）によって溶解したＡ２０５アルミニウム粉末を層ごとに連続的に追加することにより、ＡＭ２０５コンポーネントをコンピュータ支援設計モデルからの３次元物体として製造する堆積プロセスである。一旦製造されると、ＡＭ２０５コンポーネントは、第１の期間にわたって第１の温度で溶体化時効処理１０８される。

溶体化時効処理１０８ステップには、ＡＭ２０５コンポーネントを液体中に保持することが関わり得る。この液体は、上昇した第１の温度（例えば、４００℃から７００℃の間の温度（例えば、約５４０℃））まで加熱され得る。さらに、ＡＭ２０５コンポーネントは、４時間未満などの第１の期間（例えば、約４時間）（ここで約とは、値の＋／－５％であってもよく、第１の期間は、３時間４５分から４時間１５分の間であり得る）にわたって、溶体化時効処理１０８され得る。本実施例では、ＡＭ２０５コンポーネントの溶体化時効処理１０８は、結果的にＡＭ２０５コンポーネント内の粒成長をもたらし得る。

参考までに、当業者であれば、本実施例での第１の期間にわたる溶体化時効処理１０８ステップは、Ｔ７熱処理の間、ＡＭ２０５コンポーネントが通常溶体化時効処理される時間より短いことを理解するであろう。Ｔ７熱処理より短い溶体化時効処理時間は、材料内の銅リッチ層を溶解しながら、溶液によるエッチングを減少させるという結果をもたらし得る。

本実施例では、単一のステップが示されているが、溶体化時効処理１０８ステップは、代わりに複数ステップの溶体化処理であってもよい。例えば、ＡＭ２０５コンポーネントは、高温で２時間溶体化時効処理され、周囲温度に戻され、次いで、同じ高温帯又は異なる高温帯でまた２時間溶体化時効処理され得る。概して、周囲温度とは、環境の温度（例えば、約２０℃の室温であり得るが、変動して、約５２℃まで上昇し得る）であり得ることを理解されよう。

方法１００は、次いで、溶体化時効処理１０８ステップの後にさらなる熱処理ステップを含む。本実施例では、方法１００の次のステップは、第２の期間にわたってＡＭ２０５コンポーネントを自然時効処理１１０することを含む。自然時効処理１１０は、第２の期間にわたって周囲温度（例えば、室温）である第２の温度でＡＭ２０５コンポーネントを保持することを含み得る。本実施例では、第２の期間は、第１の期間より長い場合がある。例えば、第２の期間は、１２時間から３６時間の間の期間であり得る。自然時効処理１１０の後、ＡＭ２０５コンポーネントは、第３の温度で第３の期間にわたって過時効処理１１２され得る。この過時効処理１１２ステップは、ＡＭ２０５コンポーネントを室温より高い温度の環境に曝すことを含み得る。したがって、例えば、過時効処理１１２ステップは、２時間から３６時間の間（例えば、５時間、又は４時間から６時間の間）、ＡＭ２０５コンポーネントを１５０℃から２５０℃の間（例えば、１９０℃、又は１７０℃と２１０℃との間）の温度の環境内に配置することを含み得る。本実施例では、過時効処理１１２ステップは、ＡＭ２０５コンポーネントの硬度に影響を及ぼし得る（例えば、硬度を向上させ得る）。次いで、方法１００は終了する。

図１Ｂ及び図１Ｃに関連して説明された方法１０２及び１０４に関して言うと、図１Ａに示され、以上で説明された最初の２つのステップ１０６及び１０８は、方法１０２と１０４の両方で反復される。

図１Ｂを見ると、方法１０２は、図１Ａに関連して以上で説明された積層造形１０６ステップ及び溶体化時効処理１０８ステップで始まり、これらのステップを含む。しかしながら、本実施例では、方法１０２は、溶体化時効処理１０８ステップの後、過時効処理１１４ステップを含む。過時効処理１１４ステップは、図１Ａに示された前述の過時効処理１１２ステップと類似し得るが、本実施例では、過時効処理１１４ステップは、図１Ａに関連して説明された過時効処理１１２ステップに関して以上で説明された第３の温度及び第３の期間と異なり得る、第４の温度及び第４の期間での過時効処理１１４を含み得る。本実施例では、第４の温度は、１５０℃と２９０℃との間（例えば、１７０℃）であり得、第４の期間は、１２時間と２８時間との間（例えば、１２から２０時間の間、２０から２８時間の間、又は２４時間）であり得る。次いで、方法１０２は終了する。

図１Ｃを見ると、方法１００及び１０２と同じように、方法１０４は、図１Ａに関連して以上で説明された積層造形１０６ステップ及び溶体化時効処理１０８ステップで始まり、これらのステップを含む。本実施例では、方法１０４は、２つの異なる過時効処理ステップ１１６及び１１８を利用する。溶体化時効処理１０８の後、方法１０４は、第５の期間にわたって第５の温度で過時効処理１１６すること、次いで、第６の期間にわたって第６の温度で過時効処理１１８することを含む。本実施例では、過時効処理ステップ１１６及び１１８の第５の温度及び第６の温度は、それぞれ同じ温度であってもよく、又は異なる温度であってもよい。同様に、過時効処理ステップ１１６及び１１８の第１の及び第６の期間も、それぞれ同じ期間であってもよく、又は異なる期間であってもよい。一例として、第５の温度は、１７０℃と２１０℃との間（例えば、１７０℃）であってもよく、第６の温度は、１９０℃であってもよく、第５の期間は、３から１６時間（例えば、３から５時間）の長さであってもよく、第６の期間は、約４時間の長さであってもよい。次いで、方法１０４は終了する。

別の実施例では、方法１０４は、溶体化時効処理１０８と過時効処理１１６ステップとの間の任意選択的な自然時効処理１２０ステップを含み得る。本実施例では、任意選択的な自然時効処理１２０ステップは、複数ステップの時効処理間の間隔である。特に、任意選択的な自然時効処理１２０ステップは、図１Ａに関連して記載された自然時効処理１１０ステップに類似する自然時効処理間隔である。本実施例では、任意選択的な自然時効処理１２０ステップは、第７の期間にわたってＡＭ２０５コンポーネントを自然時効処理することを含む。図１Ａに関連して説明された自然時効処理１１０ステップと同様に、自然時効処理１２０は、第７の期間にわたって、周囲温度である第７の温度でＡＭ２０５コンポーネントを保持することを含み得る。図１Ａに関連して説明された実施例と同様に、本実施例では、第７の期間は、第１の期間より長い場合がある。例えば、第７の期間は、１２時間から３６時間の間の期間であり得る。したがって、この方法１０４の実施例では、環境は、第５の温度から第６の温度へと変更されてもよく、ＡＭ２０５コンポーネントは、種々の熱処理チャンバ間で移動させられるか、又は所定位置に留まってもよい。

方法１０４の前述の説明では、第１の過時効処理１１６ステップの第５の温度が、第２の過時効処理１１８ステップの第６の温度より低いことに留意されたい。しかしながら、第１の過時効処理１１６ステップが第２の過時効処理１１８ステップより高い温度で行われる場合、方法１０４は他の状況も含み得ることを理解されたい。同様に、方法１０４の実施例では、第１の過時効処理が第２の過時効処理より長いと説明されてきたが、他の実施例は、第２の過時効処理１１８ステップより短い第１の過時効処理１１６ステップを含み得る。さらに、他の実施例は、３つ以上の過時効処理ステップを含み得、各ステップは、第１の過時効処理１１６若しくは第２の過時効処理１１８ステップのうちの１つと同じ若しくは異なる温度で行われ、又は第１の過時効処理１１６若しくは第２の過時効処理１１８ステップのうちの１つと同じ若しくは異なる期間で行われる。

図１Ａから図１Ｃで説明される値は、例示のみを目的とした例示的な値であることを理解されよう。他の実施例は、種々の温度値及び種々の期間で実行される処理を含み得る。

図２を見ると、本開示に係る図１Ａから図１Ｃの技法に従って処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの実装例の極限引張強さのグラフが示されている。図３では、本開示に係る図１Ａから図１Ｃの技法に従って処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの実装例の降伏応力のグラフが示されている。図４は、本開示に係る図１Ａから図１Ｃの技法に従って処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの実装例の計算された伸び率のグラフである。概して、図２から図４は、図１Ａから図１Ｃの技法に従って熱処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの特性を示すグラフである。

図１Ａの方法１００の一種に従って熱処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの特性が、ボックス２０２で示されている。一例として、熱処理は、４時間の５４０℃での溶体化時効処理１０８、２４時間の自然時効処理１１０、及び５時間の１９０℃での過時効処理１１２を含み得る。図１Ｂの方法１０２の一種に従って熱処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの特性が、ボックス２０４で示されている。一例として、熱処理は、４時間の５４０℃での溶体化時効処理１０８、及び２４時間の１７０℃での過時効処理１１４を含み得る。図１Ｃの方法１０４の一種に従って熱処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの特性が、ボックス２０６で示されている。一例として、熱処理は、４時間の５４０℃での溶体化時効処理１０８、１６時間の１７０℃での第１の過時効処理１１６、及び４時間の１９０℃での第２の過時効処理１１８を含み得る。

概して、図２から図４は、試験された特性についての測定された最大値、最小値、及び平均値を示す。図２は、図１Ａから図１Ｃの処理によって熱処理された後の材料（すなわち、ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネント）の極限引張強さの詳細を示す。図３は、図１Ａから図１Ｃの処理によって熱処理された後の材料の０．２％伸張降伏強度の詳細を示す。図４は、図１Ａから図１Ｃの処理によって熱処理された後の材料の伸び率の詳細を示す。

図２から図４に示すように、ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの特性は、広範囲で類似しているが、図１Ｃの処理（すなわち、方法１０４）によって熱処理された材料は、最も高い平均的極限強さを有し、図１Ｂの処理（すなわち、方法１０２）によって熱処理された材料は、最も高い平均的降伏強度を有する。図示の特性は、鋳造されたＡ２０５アルミニウム合金の特性と似ている。これらの実施例では、これらの技法のうちの２つの極限引張強さは、鋳造されたＡ２０５アルミニウム合金のものを実際に超える。

図５及び図６は、本開示に係る、様々な堆積且つ熱処理されたＡＭ２０５アルミニウムコンポーネント及び部品の顕微鏡写真である。本開示では、熱処理されていない元の積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金コンポーネントは、ＡＭ２０５コンポーネント（ＡＭ２０５ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）と呼ばれ、熱処理されたＡＭ２０５コンポーネントは、積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金部品（additively manufactured A205 aluminum alloy part）（「ＡＭ２０５部品」）と呼ばれる。

図５Ａを見ると、本開示に係る、溶体化熱処理（溶体化時効処理）されたＡＭ２０５アルミニウム部品と堆積された後の未処理ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントとの微細構造組成の顕微鏡写真が示されている。図５Ｂでは、本開示に係る、（カラム５０２内の）溶体化熱処理（溶体化時効処理）されたＡＭ２０５アルミニウム部品と（カラム５０４内の）堆積された後の未処理ＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントとの微細構造組成の別の顕微鏡写真が示されている。図５Ａ及び図５Ｂは、様々な拡大レベルの写真である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品は、著しい粒成長を示す。

図６Ａは、本開示に係る、カラム６０２内の４時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品と、カラム６０４内の８時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品との微細構造組成の写真を示す。図６Ｂは、本開示に係る、カラム６０２内の４時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品と、カラム６０４内の８時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品との微細構造組成の写真を示す。図６Ａ及び図６Ｂは、様々な拡大レベルの写真である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、４時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品は、８時間にわたって溶体化熱処理されたＡＭ２０５部品に比べて、エッチングの量が減少しつつ、銅リッチ層が溶解している。

図７を見ると、本開示に係る、図１Ａから図１Ｃに示す方法１００、１０２、及び１０３に従って処理された様々なＡＭ２０５アルミニウムコンポーネントの硬度特性のグラフ７００が示されている。

様々な熱処理特性が説明文７０２で列挙されている。本実施例では、ＳＯＬは、溶体化熱処理のことを指し、ＳＬＭは、選択的レーザ溶融のことを指し、ＣＡＳＴは、積層造形された部品（「ＡＭ２０５部品」）ではなく、鋳造されたＡ２０５部品のことを指す。一桁の数値（例えば、「ＳＯＬ４」の中の４）は、溶体化熱処理が行われた時間数（例えば、４時間）を示す。三桁の数値（例えば、１５０、１７０、又は１９０）は、過時効処理が行われた温度値を示す。

図８は、本開示に係る、方法１００、１０２、及び１０４の実装例のプロット８００のグラフを示す。プロット８００は、上述の方法１００、１０２、及び１０４の３つすべてによって行われた２つの時効段階（すなわち、溶体化処理８０２、及び単一の又は複数の時効処理８０４段階）を示す。プロット８００は、温度８０６対時間８０８のプロットであり、ＡＭ２０５コンポーネントの溶体化時効処理（すなわち、溶体化処理８０２）が、第１の期間８１２にわたって第１の温度８１０にあることを示し、過時効処理（すなわち、複数の時効処理８０４段階のうちの１つ）が、第２の期間８１６にわたって第２の温度８１４にあることを示す。本実施例では、当該方法は、第３の期間８２０にわたる第３の温度８１８での任意選択的な第３の時効段階を含み得る。このプロット８００では、溶体化処理８０２の第１の温度８１０が、単一の又は複数の時効処理８０４段階の第２の温度８１４又は第３の温度８１８より高いことを理解されよう。

図９では、本開示に係る、図１Ａから図１Ｃに関連して記載された方法１００、１０２、及び１０４を実行するためのシステム９００の実装例のシステムブロック図が示される。システム９００は、演算デバイス９０２、３Ｄプリンタ９０４、及び時効処理チャンバ９０６を含み得る。

演算デバイス９０２は、例えば、パーソナルコンピュータ（デスクトップ型、タワー型、又は他の類似のデバイスを含む）、携帯型コンピュータ（ラップトップ、ノート、タブレット、又は他の類似のデバイスを含む）、モバイルデバイス（タブレット、スマートフォン、又は他の類似のデバイスを含む）、サーバ、インターネット若しくは他のスマートデバイスを介して３Ｄプリンタ９０４、時効処理チャンバ９０６、及び任意選択的な他のデバイスを接続可能な他の種類の演算デバイスであってもよい。概して、演算デバイス９０２は、エンドユーザ（図示せず）によって操作される。

幾つかの実装形態では、演算デバイス９０２は、１つ又は複数の入／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース９０８を含む。入／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース９０８は、３Ｄプリンタ９０４、時効処理チャンバ９０６、及び入／出力デバイスとの通信を可能にする。入／出力デバイスとは、例えば、周辺入力デバイス（例えば、キーボード、マウス、ペン、音声入力デバイス、タッチ型入力デバイス、ジェスチャ入力デバイス等）を含むユーザ入力デバイス、及び／又は周辺出力デバイス（例えば、ディスプレイ、プリンタ、オーディオスピーカ等）を含む出力デバイスである。

演算デバイス９０２は、バス（図示せず）を介してコンピュータ可読媒体９１２と信号通信する１つ又は複数の処理ユニット９１０を有する任意の種類の演算デバイスを表し得る。バスには、場合によっては、システムバス、システムバス、データバス、アドレスバス、ＰＣＩバス、ミニＰＣＩパス、並びに任意の種類のローカルの、周辺の、及び／若しくは独立型のバスのうちの１つ又は複数が含まれ得る。コンピュータ可読媒体９１２に記憶された実行可能な指令は、ソフトウェア９１４を含み得る。ソフトウェア９１４には、例えば、オペレーティングシステム、クライアント通信モジュール、プロファイルモジュール、並びに１つ若しくは複数の処理ユニットによってロード可能且つ実行可能な他のモジュール、プログラム、又はアプリケーションが含まれる。演算デバイス９０２は、１つ又は複数のメモリユニット９１６をさらに含み得る。メモリユニット９１６は、追加のソフトウェアやデータを記憶するために利用され、且つ／又はコンピュータ可読媒体９１２によって利用され得る。

本実施例では、１つ又は複数のインターフェース９０８は、演算デバイス９０２、３Ｄプリンタ９０４、及び時効処理チャンバ９０６によって利用されるローカルネットワークを含み得る１つ又は複数のネットワークを介して、通信及び／又はデータを送受信するために、１つ若しくは複数のネットワークインターフェースコントローラ（ＮＩＣ）、又は他の種類の送受信デバイスを含み得る。

演算デバイス９０２は、３Ｄプリンタ９０４、時効処理チャンバ９０６、及び任意選択的に外部ネットワーク（例えば、インターネット９１８）と信号通信し得る。演算デバイス９０２の又は演算デバイス９０２に関連付けられた回路、構成要素、モジュール、及び／又はデバイスは、互いに信号通信していると説明されたが、信号通信とは、回路、構成要素、モジュール、及び／又はデバイス間の任意の種類の通信及び／又は接続のことを指しており、これにより、回路、構成要素、モジュール、及び／又はデバイスが、別の回路、構成要素、モジュール、及び／又はデバイスと信号及び／又は情報を送受信することが可能になることを、当業者であれば理解されよう。通信及び／又は接続は、回路、構成要素、モジュール、及び／又はデバイス間の任意の信号経路に沿ったものであり得、これにより、ある回路、構成要素、モジュール、及び／又はデバイスから別のものへと信号及び／又は情報を送ることが可能となり、信号経路には、無線又は有線の信号経路が含まれる。信号経路は、物理的な経路（例えば、導線、電磁導波管、ケーブル、端子（例えば、取り付けられた及び／若しくは電磁的な端子、又は機械的に連結された端子）、半導体材料若しくは誘電体材料、又は他の類似する物理的接続子若しくは結合子）であってもよい。さらに、信号経路は、非物理的な経路であってもよい。非物理的な経路とは、例えば、自由空間（電磁伝播の場合）又はデジタル構成要素を通る情報経路であり、ここでは、通信情報は、直接的な電磁接続を通過せずに、様々なデジタル形式で、ある回路、構成要素、モジュール、及び／又は装置から別のものへと送られる。

システム９００に戻ると、システム９００は、積層造形されたＡＭ２０５コンポーネント９２０を熱処理して、ＡＭ２０５コンポーネント内に均一な粒度分布を生じさせるためのシステムである。システム９００は、時効処理チャンバ９０６、及び時効処理チャンバ９０６と信号通信する演算デバイス９０２を含む。システム９００は、３Ｄプリンタ９０４をさらに含み得る。演算デバイス９０２は、１つ又は複数の処理ユニット（すなわち、プロセッサ）９１０、及び指令を記憶するコンピュータ可読媒体９１２を含む。この指令は、１つ又は複数の処理ユニット９１０によって実行されると、演算デバイス９０２に複数の動作を実行させる。これらの諸動作は、時効処理チャンバ９０６を利用して、第１の期間にわたって第１の温度でＡＭ２０５コンポーネント９２０を溶体化時効処理することと、溶体化時効処理の後、ＡＭ２０５コンポーネント９２０を時効処理することを含み得る。一例として、第１の期間は、５時間未満であり、例えば、第１の期間は、３時間４５分と４時間１５分との間であってもよい。さらに、第１の温度は、５３０℃と５５０℃との間であってもよい。

演算デバイス９０２は、溶体化時効処理の後と過時効処理の前に、第２の期間にわたってＡＭ２０５コンポーネント９２０を自然時効処理することを含む動作をさらに実行してもよい。この実施例では、第２の期間は、１２時間から３６時間の間であってもよい。さらに、過時効処理は、第３の期間にわたって第３の温度で行われてもよく、第３の温度は、１７０℃と２１０℃との間であってもよく、第３の期間は、４時間と６時間の間であってもよい。さらに、過時効処理は、第４の期間にわたって第４の温度で行われてもよく、第４の温度は、１５０℃と２９０℃との間であってもよく、第４の期間は、２０時間と２８時間の間であってもよい。

概して、システム９００は、３Ｄプリンタ９０４に入れられるＡ２０５粉末９２２を受け入れる。３Ｄプリンタ９０４は、エネルギー源９２４を含み得る。エネルギー源９２４は、Ａ２０５粉末９２２を溶解し、層ごとの積層造形プロセスを通してＡＭ２０５コンポーネント９２０を生成するための１つ又は複数のレーザ又は電子ビームであり得る。演算デバイス９０２は、３Ｄプリンタのコントローラとして作動し、演算デバイス９０２のメモリ９１６内に位置するデータファイルからＡＭ２０５コンポーネント９２０を生成する。一旦生成されると、ＡＭ２０５コンポーネント９２０は、３Ｄプリンタ９０４から取り除かれて、前述の方法１００、１０２、及び１０４に基づいて、時効処理のための時効処理チャンバ９０６内に配置される。一旦時効処理が完了すると、ＡＭ２０５コンポーネント９２０は、ＡＭ２０５部品９２４として時効処理チャンバ９０６から取り除かれる。

本実施例では、３Ｄプリンタ９０４及び時効処理チャンバ９０６は、別々のデバイスとして示されているが、幾つかの実施例では、３Ｄプリンタ９０４及び時効処理チャンバ９０６は、まずＡＭ２０５コンポーネント９２０を製造し、次いで、ＡＭ２０５部品９２６である最終製品を生成する前に、ＡＭ２０５コンポーネント９２０を時効処理する同一デバイスとして構成され得ることを理解されよう。

さらに、本発明は、以下の条項に係る実施形態を含む。

条項１
アルミニウム合金粉末（９２２）から積層造形されたアルミニウム合金コンポーネント（９２０）を熱処理して、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）内で均一な粒度分布を生じさせるための方法であって、
第１の期間（８１２）にわたって第１の温度（８１０）で前記アルミニウム合金コンポーネント（９０２）を溶体化時効処理すること（８０２）であって、前記第１の期間（８１０）が５時間未満である、前記アルミニウム合金コンポーネント（９０２）を溶体化時効処理すること（８０２）と、
前記溶体化時効処理（８０２）の後、前記アルミニウム合金コンポーネント（９０２）を過時効処理すること（８０４）と
を含む方法。

条項２
前記第１の期間（８１２）が、３時間４５分と４時間１５分との間である、条項１に記載の方法。

条項３
前記第１の温度（８１０）が、５３０℃と５５０℃との間である、条項１に記載の方法。

条項４
前記溶体化時効処理の後と前記過時効処理の前に、第２の時点（８２０）にわたって前記アルミニウム合金コンポーネント（９０２）を自然時効処理（１１０）することをさらに含む、条項１に記載の方法。

条項５
前記第２の期間（８２０）が、１２時間から３６時間の間である、条項４に記載の方法。

条項６
前記過時効処理（１１２）が、第３の期間（８２０）にわたって第３の温度（８１８）で行われる、条項４に記載の方法。

条項７
前記第３の温度（８１８）が、１７０℃と２１０℃との間であり、
前記第３の期間（８２０）が、４時間と６時間との間である、条項６に記載の方法。

条項８
前記過時効処理（１２０）が、第４の期間にわたって第４の温度で行われる、条項１に記載の方法。

条項９
前記第４の温度が、１５０℃と２９０℃との間であり、
前記第４の期間が、２０時間と２８時間との間である、条項８に記載の方法。

条項１０
前記過時効処理が、第１の過時効処理であり、
前記方法が、前記第１の過時効処理の後、第５の期間にわたって第５の温度で行われる第２の過時効処理をさらに含む、条項８に記載の方法。

条項１１
前記第４の温度が、１５０℃と１９０℃との間であり、
前記第４の期間が、１２時間と２０時間との間であり、
前記第５の温度が、１７０℃と２１０℃との間であり、
前記第５の期間が、３時間と５時間との間である、条項１０に記載の方法。

条項１２
条項１に記載の方法を実行するためのシステム（９００）。

条項１３
積層造形されたアルミニウム合金コンポーネント（９２０）を熱処理して、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）内で均一な粒度分布を生じさせるための方法であって、
第１の期間（８１２）にわたって５４０℃で前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理すること（１０８）であって、前記第１の期間（８１２）が５時間未満である、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理すること（１０８）と、
前記溶体化時効処理（１０８）の後、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を過時効処理すること（１１２）と
を含む方法。

条項１４
前記溶体化時効処理（１０８）の後と前記過時効処理（１１２）の前に、２４時間にわたって前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を自然時効処理（１１０）することをさらに含む、条項１３に記載の方法。

条項１５
前記過時効処理（１１２）が、１９０℃で行われる、条項１４に記載の方法。

条項１６
前記過時効処理（１１２）が５時間行われる、条項１５に記載の方法。

条項１７
前記過時効処理（１１２）が４時間行われる、条項１５に記載の方法。

条項１８
前記過時効処理（１１２）が、第２の過時効処理であり、前記方法が、前記溶体化時効処理（１０８）の後と前記第１の過時効処理（１１２）の前に第１の過時効処理をさらに含む、条項１５に記載の方法。

条項１９
前記第１の過時効処理（１１２）が、１６時間にわたって１７０℃で行われる、条項１８に記載の方法。

条項２０
前記過時効処理（１１２）が、２４時間にわたって１７０℃で行われる、条項１３に記載の方法。

条項２１
均一な粒度分布を有する積層造形アルミニウム合金部品（９２６）であって、
Ａ２０５アルミニウム合金を利用して、積層造形アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を積層造形することと、
第１の期間（８１２）にわたって第１の温度（８１０）で前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理（１０８）することであって、前記第１の期間（８１２）が５時間未満である、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理（１０８）することと、
均一な度分布を有するアルミニウム合金部品（９２６）を生成するために、前記溶体化時効処理（１０８）の後、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を過時効処理すること（１１２）と
を含む処理によって作製される、積層造形アルミニウム合金部品（９２６）。

条項２２
積層造形されたアルミニウム合金コンポーネント（９２０）を熱処理して、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）内で均一な粒度分布を生じさせるためのシステム（９００）であって、
時効処理チャンバ（９０６）、及び
前記時効処理チャンバ（９０６）と信号通信する演算デバイス（９０２）であって、
１つ又は複数の処理ユニット（９１６）と、
指令を記憶するコンピュータ可読媒体（９１２）であって、前記指令は、前記１つ又は複数の処理ユニット（９１６）によって実行されたときに、前記演算デバイス（９０２）に諸動作を実行させ、前記諸動作は、
第１の期間（８１２）にわたって第１の温度（８１０）で前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理（１０８）することであって、前記第１の期間（８１２）が５時間未満である、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理（１０８）することと、
前記溶体化時効処理（１０８）の後、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を過時効処理（１１２）することとを含む、コンピュータ可読媒体（９１２）と
を備えた演算デバイス（９０２）
を備えているシステム（９００）。

条項２３
前記第１の期間（８１２）が、３時間４５分と４時間１５分との間である、条項２２に記載のシステム（９００）。

条項２４
前記第１の温度（８１０）が、５３０℃と５５０℃との間である、条項２２に記載のシステム（９００）。

条項２５
前記演算デバイス（９０２）が、前記溶体化時効処理（１０８）の後と前記過時効処理（１１２）の前に、第２の期間（８１６）にわたって前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を自然時効処理すること（１１０）を含む動作をさらに実行する、条項２２に記載のシステム（９００）。

条項２６
前記第２の期間（８１６）が、１２時間から３６時間の間である、条項２５に記載のシステム（９００）。

条項２７
前記過時効処理（１１２）が、第３の期間（８２０）にわたって第３の温度（８１８）で行われる、条項２２に記載のシステム（９００）。

条項２８
前記第３の温度（８１８）が、１７０℃と２１０℃との間であり、
前記第３の期間（８２０）が、４時間と６時間との間である、条項２７に記載のシステム（９００）。

条項２９
前記過時効処理（１１２）が、第４の期間にわたって第４の温度で行われる、条項２２に記載のシステム（９００）。

条項３０
前記第４の温度が、１５０℃と２９０℃との間であり、
前記第４の期間が、２０時間と２８時間との間である、条項２９に記載のシステム（９００）。

本開示の範囲から逸脱しない限り、本開示の様々な態様又は詳細を変更することが可能であることを理解されよう。本開示は網羅的ではなく、開示内容を開示された形態に厳密に限定するものではない。さらに、上記の説明は単に例示を目的としているのに過ぎず、限定を目的とするものではない。修正や変更は、上述の説明を踏まえた上で可能であり、又は本開示を実行することによって実現し得る。特許請求の範囲及びその均等物が本開示の範囲を規定する。

Claims

積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を熱処理して、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）内で均一な粒度分布を生じさせるための方法であって、
第１の期間（８１２）にわたって５４０℃で前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理すること（１０８）であって、前記第１の期間（８１２）が３時間４５分と４時間１５分との間である、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理すること（１０８）と、
前記溶体化時効処理（１０８）の後、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を過時効処理すること（１１２）と、
前記溶体化時効処理（１０８）の後と前記過時効処理（１１２）の前に、２４時間にわたって前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を自然時効処理（１１０）すること
を含む方法。
前記過時効処理（１１２）が１９０℃で行われ、前記過時効処理（１１２）が５時間行われる、請求項１に記載の方法。
前記過時効処理（１１２）が１９０℃で行われ、前記過時効処理（１１２）が４時間行われる、請求項１に記載の方法。
前記過時効処理（１１２）が、第２の過時効処理であり、前記方法が、前記溶体化時効処理（１０８）の後と前記第２の過時効処理（１１２）の前に第１の過時効処理をさらに含む、請求項２又は３に記載の方法。
前記第１の過時効処理（１１２）が、１６時間にわたって１７０℃で行われる、請求項４に記載の方法。
積層造形されたＡ２０５アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を熱処理して、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）内で均一な粒度分布を生じさせるためのシステム（９００）であって、
時効処理チャンバ（９０６）、及び
前記時効処理チャンバ（９０６）と信号通信する演算デバイス（９０２）であって、
１つ又は複数の処理ユニット（９１６）と、
指令を記憶するコンピュータ可読媒体（９１２）であって、前記指令は、前記１つ又は複数の処理ユニット（９１６）によって実行されたときに、前記演算デバイス（９０２）に諸動作を実行させ、前記諸動作は、
第１の期間（８１２）にわたって第１の温度（８１０）で前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理（１０８）することであって、前記第１の期間（８１２）が３時間４５分と４時間１５分との間である、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を溶体化時効処理（１０８）することと、
前記溶体化時効処理（１０８）の後、前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を過時効処理（１１２）することと、
前記溶体化時効処理（１０８）の後と前記過時効処理（１１２）の前に、第２の期間（８１６）にわたって前記アルミニウム合金コンポーネント（９２０）を自然時効処理すること（１１０）とを含む、コンピュータ可読媒体（９１２）と
を備えた演算デバイス（９０２）
を備えているシステム（９００）。
前記第１の期間（８１２）が、３時間４５分と４時間１５分との間であり、
前記第１の温度（８１０）が、５３０℃と５５０℃との間である、請求項６に記載のシステム（９００）。
前記過時効処理（１１２）が、第３の期間（８２０）にわたって第３の温度（８１８）で行われる、請求項６に記載のシステム（９００）。