1.本发明涉及层叠造型物的制造方法和层叠造型物。
背景技术：2.一般来说，在要求耐磨耗性的零件制造中，会采用通过焊接或热喷涂而在表面上实施耐磨耗性优异的(高硬度的)材料的堆焊，又或通过粉末烧结(模具成型+hip等)或增材制造(additive manufacturing)，由满足要求特性的粉末材料成形整个零件等的方法。另外，还会采用对粉末烧结体成形后，再通过扩散接合、钎焊等将其接合于零件表面的方法。
3.作为用于粉末层叠造型的造型用材料，在专利文献1中记述的发明涉及一种新材料，通过使用由含陶瓷的第一粉末、和含金属的第二粉末构成的造型粒子，用于层叠造型包含陶瓷却又高密度的造型物。在专利文献1中，规定了粉末的调合量、平均粒子及造型粒子的一体化法(烧结、粘合剂结合)等。具体来说提出有，作为陶瓷粉末，用碳化钨/碳化铬粉末，作为金属粉末，用钴/司太立合金(co合金，“司太立”是注册商标)/镍铬合金/不锈钢粉末，对于由两者构成造型粒子，通过择性激光熔化法(slm)进行造型，从而能够得到高密度，且组织均匀性高，高硬度的造型物。
4.另外，为了使农业机械设备表面的耐磨耗性提高，非专利文献1记载有如下的示例，通过激光熔融风喷粉末方式(激光粉末堆焊：lmd)应用钴合金(例如，司太立no.6)和碳化钨复合材料的表面涂层技术。在非专利文献1中记述有通过制造大部分碳化钨粉末在保持着原本粒子状态，以被熔融的基体部(钴合金)包围的形式而结合而成的堆焊层，由此，可以形成耐磨耗性优异的(硬度高的)表面硬化层。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2017－114716号公报
8.非专利文献
9.非专利文献1：wear resistance in the soil of stellite-6/wc coatings produced using laser cladding method,int.journal of refractory metals and hard materials,vol.64,2017,pp.20-26.
技术实现要素：10.发明所要解决的问题
11.但是，专利文献1的情况，截至到制备造型用粉末为止，需要经过许多复杂的工序(例如，用粘合剂进行的一体化工序、或球化工序)，导致材料费的高成本化。另外，作为实施例记述有基于slm方式(择性激光熔化方式)的造型例，但未触及到对于由其他材料构成的零件的仅一部分进行选择性地增材造型的情况。因此，不确定是否能够在与实施例同样的条件下，不发生裂纹而以高均匀性，局部性地提供大厚度的高硬度层。
12.另外，非专利文献1的情况，为了提高堆焊层整体的硬度，需要增大所含有的碳化
钨粉末量，如果想以lmd方式将其实现，则堆焊加工中有可能发生裂纹。文献中所示的硬化堆焊层的厚度为1mm左右，在同条件下继续堆焊层叠时，不能保证既避免裂纹发生，又得到数mm级的稳定的高硬度层。
13.另外，要求耐磨耗性的零件，使用含金属、陶瓷或金属陶瓷的材料。进行这些材料的表面堆焊、成型
·
层叠造型时，其课题为除了确保与母材的接合强度和堆焊层密度以外，特别还要避免加工中的裂纹。另外，面向对象零件的高寿命化，希望形成硬度尽可能高，厚度大的(数mm级)堆焊层。但是，随着硬度和厚度增大，加工中容易发生裂纹。因此，要求通过一种不会受到加工对象部位的尺寸限制，而高经济性的方法来形成上述堆焊层。
14.因此本发明其目的在于，提供一种以1道次就能够不发生裂纹而高效率稳定形成数mm级的堆焊层的层叠造型物的制造方法及层叠造型物。
15.解决问题的手段
16.本发明由下述内容构成。
17.(1)一种层叠造型物的制造方法，具有如下工序：
18.将含有司太立合金的第一粉末、和含有碳化钨的第二粉末混合而成的粉末材料供给到基材上的工序；
19.一边使激光束摆动运动一边照射在所供给的所述粉末材料上，在所述基材上层叠至少使所述粉末材料熔融固化而成的堆焊层的工序，其中，
20.层叠所述堆焊层的工序，是满足以下的条件式[1]、[2]和[3]的工序。
[0021]
20≤a≤35
…
条件式1.[0022]
2.2≤b≤2.9
…
条件式[2]
[0023]
5质量％≤r2≤15质量％
…
条件式[3]
[0024]
a＝p
×
α/β[kj/cm]：激光线能量指标
[0025]
b＝q
×
α/β[g/cm]：粉末供给速度指标
[0026]
p[w]：来自激光束的线能量
[0027]
q[g/min]：粉末材料的供给速度
[0028]
α＝w/v1
[0029]
β＝v2
×
t
[0030]
w[cm]：摆动运动带来的射束点的扫描宽度
[0031]
v1[cm/min]：摆动运动带来的激光束的扫描速度
[0032]
v2[cm/min]：朝焊接方向的前进速度
[0033]
t[sec]：摆动1个周期的时间
[0034]
r2[质量％]：粉末材料中包含的第二粉末的比率
[0035]
(2)一种层叠造型物，是在基材上层叠有含有司太立合金和碳化钨的堆焊材料而成的层叠造型物，其中，
[0036]
在所述基材与由所述堆焊材料形成的堆焊层之间，具有所述基材的一部分和所述堆焊层的一部分相互熔融而形成的中间层，
[0037]
所述堆焊层，维氏硬度为hv800以上且hv980以下，并且钨的含有比率为16质量％以上且25质量％以下，厚度为3mm以上且5mm以下。
[0038]
发明效果
[0039]
根据本发明，经1道次就能够不发生裂纹地稳定形成具有数mm级厚度的堆焊层。
附图说明
[0040]
图1是实施激光粉体堆焊的激光粉体堆焊装置的概略结构图。
[0041]
图2是表示一边使焊接头沿着焊接方向移动一边进行焊接状态下的焊接头的要部放大剖视图。
[0042]
图3是在基材上由粉末材料形成单层的堆焊层的层叠造型物的概略剖视图。
[0043]
图4是示意性地表示一边使焊接头摆动运动，一边使粉末材料熔融、固化而形成堆焊层的状态的说明图。
[0044]
图5是表示图4所示的摆动的动作条件的说明图。
[0045]
图6是表示层叠造型物的截面硬度的测量结果的图。
[0046]
图7是表示形成于基材的堆焊层的一例的截面照片。
[0047]
图8是表示粉末材料中包含的第二粉末的比率与堆焊层的钨的含有比率的关系的图。
具体实施方式
[0048]
以下，参照附图，对于本发明的实施方式详细说明。
[0049]
本发明的层叠造型物的制造方法，是将含有司太立合金的第一粉末、和含有碳化钨的第二粉末混合而成的粉末材料供给到基材上，对于所供给的粉末材料摆动照射激光束，在基材上层叠至少使粉末材料熔融固化而成的硬化堆焊层的方法。
[0050]
在层叠此硬化堆焊层时，如后述详情，能够以1道次不发生裂纹而稳定形成具有数mm级的厚度的堆焊层。在此所说的1道次，意思是激光束的1次扫描路径。
[0051]
在以下的说明中，对使用激光粉体堆焊(lmd：laser metal deposition)使用于形成硬化堆焊层的粉末材料熔融的例子进行说明，但本层叠造型物的制造方法不限于此。例如，激光层叠造型法(lam：laser additive manufacturing)、或选择性激光焊接(dmls：direct metal laser sintering)等也能够适用本发明。特别是在激光粉体堆焊的情况下，因为能够使用焊接机器人焊接工件，所以与在工作腔内加工工件的情况相比，具有能够提高层叠造型物的形状自由度的优点。
[0052]
[激光粉体堆焊装置]
[0053]
图1是实施堆焊的激光粉体堆焊装置100的概略结构图。
[0054]
激光粉体堆焊装置(以下，称为lmd装置。)100，具备焊接机器人11、激光光源部13、粉末材料供给部15和控制部17。
[0055]
焊接机器人11是在前端轴上设有摆动驱动部19和焊接头21的多关节机器人。焊接头21的位置和姿势，可以在机械臂的自由度范围任意、三维地进行设定。另外，摆动驱动部19使焊接头21在与焊接线交叉的方向上摇摆。
[0056]
激光光源部13，通过光纤23向焊接头21供给激光束。粉末材料供给部15，通过粉体供给管25向焊接头21供给用于形成后述的堆焊层的粉末材料39(参照后述的图2)。控制部17其构成包括：调整激光光源部13的激光输出功率的激光输出调整部27；调整粉末材料供给部15对焊接头21的粉末材料39的供给量的粉末材料供给调整部29，并总括lmd装置100的
各部而进行驱动控制。
[0057]
控制部17进行的驱动控制，遵循程序由计算机执行。换言之，控制部17是具备如下的计算机装置：cpu等的处理器；rom(read only memory)、ram(random access memory)等的内存；hdd(hard disk drive)、或ssd(solid state drive)等的存储设备。这种情况下，各部分的功能，能够通过处理器执行内存或存储设备之中所存储的规定程序来实现。
[0058]
图2是表示一边使焊接头21沿着焊接方向td移动一边进行焊接的状态下的焊接头21的要部放大剖视图。
[0059]
焊接头21是使用co2激光、yag激光、纤维激光或盘形激光等的激光焊接用的头，激光的种类根据所制作的层叠造型物等适宜选定。
[0060]
在焊接头21的前端，设有激光照射口31、粉末材料供给口33和保护气体供给口35。
[0061]
激光照射口31，在焊接头21的前端中央开口，从激光照射口31出射的激光束lb被照射到基材37上。激光束lb在激光光源部13受到振荡，通过光纤23被引导至焊接头21。激光束lb作用到焊接部的线能量，能够通过激光输出调整部27调整激光束lb的强度而任意地控制。
[0062]
粉末材料供给口33，在焊接头21的前端的激光照射口31的径向外侧呈同心状地开口，由粉末材料供给部15供给的粉末材料39从粉末材料供给口33向基材37喷射。粉末材料39向基材37的供给量，能够由粉末材料供给部15任意地控制。
[0063]
另外，粉末材料供给部15，使粉末材料39与来自未图示的载气供给部的载气一起从粉末材料供给口33喷射。朝向基材37喷射的粉末材料39，在基材37的表面，因会聚的激光束lb而熔融后，经冷却凝固，形成堆焊层41。
[0064]
保护气体供给口35，在焊接头21的前端的粉末材料供给口33的外侧呈同心状地开口，朝向基材37供给保护气体g。保护气体g，抑制堆焊层41及其周边的氧化。
[0065]
上述的激光粉体堆焊装置100的结构是一例，不限定于此。
[0066]
[粉末材料]
[0067]
粉末材料供给部15，将含有co－cr合金、或作为co基合金的co－cr－w－c系合金钢(司太立合金)的第一粉末与含有碳化钨的第二粉末进行机械性地混合，制备堆焊层形成用的粉末材料39。这里所说的“机械性地混合”，意思是不同种类的粉状体无需伴随特别的加工，将粉末材彼此进行搅拌混合。
[0068]
另外，第一粉末与第二粉末的混合，可以在粉末材料供给部15实施，也可以用直到焊接头21的供给路径的途中所设的混合器(未图示)等，在与粉末材料供给部15不同的位置实施。
[0069]
作为第一粉末，例如，可以使用司太立(肯纳司太立公司制no.1、no.6、no.12、no.21等)。另外，作为第二粉末，例如，可以使用碳化钨粉末(赫格纳斯公司制4670等)。换言之，粉末材料39，一般是将市场销售的粉末彼此进行机械混合，不需要像特殊的堆焊用粉末材料那样进行复杂的前处理。本层叠造型物的制造方法中，因为作为第一粉末和第二粉末，均直接使用市场销售的粉末材料，所以经济性优异。
[0070]
这里所用的粉末材料39，相对于粉末材料39总体，使作为第二粉末的碳化钨在5质量％以上且15质量％以下的范围含有。第二粉末的含量的下限为5质量％以上，优选为6质量％以上，更优选为7质量％以上，上限为15质量％以下，优选为14质量％以下，更优选为13
质量％以下。(还有，能够将所述的多个下限值之中的任意的数值与多个上限值之中的任意的数值，任意地组合设定的范围，也可以说是优选范围。)
[0071]
[基材]
[0072]
基材37为平板状，但不限于平板状，也可以是具有曲面的板材、块体、管状体等，根据要制造的层叠造型物的形状而采用适宜的形状。基材37的材质，除了不锈钢钢材等的钢材以外，还能够使用钴基或镍基的合金，可以根据制品的规格等采用各种材质。
[0073]
[硬化堆焊层(层叠造型物)的形成]
[0074]
图1所示的lmd装置100，一边由摆动驱动部19使焊接头21进行摆动运动，并且利用机械臂使焊接头21在焊接方向td(图2)上移动，一边实施激光粉体堆焊。由此，在基材37上以规定的厚度层叠使粉末材料39熔融、凝固所形成的堆焊层41。
[0075]
图3是在基材37上由粉末材料39形成了单层的堆焊层41的层叠造型物43的概略剖视图。
[0076]
层叠造型物43，是含有司太立合金和碳化钨的堆焊材料熔融、凝固而层叠在基材37上而成，具有基材37、由堆焊材料构成的堆焊层41和中间层42。中间层42，就在基材37与堆焊层41之间，经基材37的一部分与堆焊层41的一部分相互熔融而形成。
[0077]
堆焊层41，单次焊接一次形成的层(由1道次形成的层)的厚度t1为3mm以上，优选为4mm以上，5mm以下，优选为4.5mm以下。另外，堆焊层41的维氏硬度为hv800以上且hv980以下。而且，堆焊层41的钨的含有比率为16质量％以上且25质量％以下。还有，堆焊层41为了确实地高于上述的维氏硬度hv800，只要堆焊层41的钨的含有比率为7质量％以上且15质量％以下即可。另外，中间层42意思是激光束造成的熔透深度，该平均厚度t2优选为0＜t2≤0.5mm，更优选为0＜t2≤0.25mm。
[0078]
层叠造型物43中，每一层的厚度为3mm以上且5mm以下的堆焊层41，可以经多层而层叠。据此，即使目标形状的层叠造型物不能以1道次形成堆焊层41时，通过多道次反复形成堆焊层41，也能够形成大厚度的造型物。因此，可以进行设计自由度高的造型。
[0079]
上述维氏硬度，是与形成堆焊层41时所使用的粉末材料39的第二粉末(碳化钨)的含量对应的指标。上述的维氏硬度的下限值，与在粉末材料39的第二粉末的含量少而添加第二粉末所得到的硬度增加的效果小时的第二粉末的含量的下限值对应。维氏硬度在上述的hv800～hv980的范围内时，与上述第二粉末的含量低于下限值的情况相比，除了堆焊层41的硬度大幅上升以外，还可以避免堆焊加工中的裂纹。另外，维氏硬度超过作为上限值的hv980时，堆焊加工中容易发生裂纹。
[0080]
堆焊层41，通过使钨的含有比率处于上述范围，从而容易得到适宜的维氏硬度(hv800～hv980)。
[0081]
若中间层42的平均厚度t2超过0.5mm，则影响熔透的增大带来堆焊层41的稀释(基材成分的增加)，堆焊层41的硬度降低。通常，实施硬面堆焊的零件
·
构件中，基材37的硬度低于堆焊层41的硬度，基材37的熔透越深，堆焊层41越会被熔融的基材37侧的成分稀释，从而硬度降低。因此，中间层42的厚度tb，优选尽可能小。
[0082]
＜摆动运动＞
[0083]
接着，一边适宜参照图1、图2，一边对于形成堆焊层41时的摆动运动进行说明。
[0084]
图4是示意性地表示一边使焊接头21摆动运动，一边在基材37上使粉末材料39熔
融、固化而形成堆焊层41的状态的说明图。
[0085]
为了在基材37的表面由粉末材料39形成堆焊层41，重复使焊接头21摆动运动，扫描从焊接头21出射的激光束lb。具体来说，利用摆动驱动部19使焊接头21摇摆，以图4所示的规定宽度扫描照射在基材37上的激光束lb。这里所说的规定宽度，是摆动运动下的射束点s的扫描宽度w。
[0086]
与摆动运动一起，驱动焊接机器人11的机械臂，使焊接头21朝向焊接方向td前进。通过该激光束lb的扫描和焊接头21向焊接方向td的移动，从而在基材37的表面宽幅地形成使粉末材料39熔融、凝固而成的焊道。而后，以扫描宽度w的一部分与已有的焊道交叠的方式，形成与已形成的焊道邻接的下一条焊道。通过重复此操作，在基材37的表面无间隙地层叠由多列焊道构成的堆焊层41。
[0087]
图5是表示图4所示摆动的动作条件的说明图。
[0088]
用于层叠堆焊层41的动作，包括以扫描宽度w使激光束lb摆动的动作、和使焊接头21在焊接方向td上前进的动作。在此，设焊接头21朝摆动方向(扫描方向)的扫描速度为v1，朝焊接方向td的前进速度(焊接速度)为v2，摆动运动的每1个周期的所需时间为t。
[0089]
在层叠堆焊层41的工序中，满足以下的条件式[1]、[2]和[3]。
[0090]
20≤a≤35
…
条件式1.[0091]
2.2≤b≤2.9
…
条件式[2]
[0092]
5质量％≤r2≤15质量％
…
条件式[3]
[0093]
在此，条件式[1]、[2]和[3]中的各参数如下。
[0094]
a＝p
×
α/β[kj/cm]：激光线能量指标
[0095]
b＝q
×
α/β[g/cm]：粉末供给速度指标
[0096]
p[w]：来自激光束的线能量
[0097]
q[g/min]：粉末材料的供给速度
[0098]
α＝w/v1
[0099]
β＝v2
×
t
[0100]
w[cm]：摆动运动带来的射束点的扫描宽度
[0101]
v1[cm/min]：摆动运动带来的激光束的扫描速度
[0102]
v2[cm/min]：朝焊接方向的前进速度
[0103]
t[sec]：摆动1个周期的时间
[0104]
r2[质量％]：粉末材料中包含的第二粉末的比率
[0105]
条件式[1]中，表示代表照射到基材37上的粉末材料39上的激光束lb的线能量的激光线能量指标a的适当范围。激光线能量指标a，意味着摆动焊接时的单位焊接线的激光线能量，为20≤a≤35，优选为20≤a≤30。
[0106]
激光线能量指标a低于20时，出现如下问题：激光线能量不足造成粉末材料未完全熔化、未熔融结果的发生、或在堆焊中发生裂纹。另外，在20≤a≤35的情况下(其中，b也满足条件式[2]时)，以下的第一、第二、第三条件均满足。
[0107]
·
第一条件：前述的堆焊层41的维氏硬度为hv800以上且hv980以下。
[0108]
·
第二条件：1道次所形成的堆焊层41的厚度ta为3mm以上且5mm以下。
[0109]
·
第三条件：中间层42的厚度t2为0＜t2≤0.5mm。
[0110]
而且，激光线能量指标a超过35时，由于激光线能量过多，导致基材37的熔透变大，第一条件的堆焊层41的硬度为hv800以上，第三条件的堆焊层41的厚度0.5mm以下的达成变得困难。
[0111]
条件式[2]，表示代表供给到基材37上的粉末材料39的供给速度的粉末供给指标b的适当范围。粉末供给指标b，意味着摆动焊接时的单位焊接线的粉末供给重量，为2.2≤b≤2.9，优选为2.4≤b≤2.7，更优选为2.4≤b≤2.5。
[0112]
粉末供给指标b低于2.2时，由于粉末供给不足，难以形成3mm以上的堆焊层41。另外，2.2≤b≤2.9时(其中，a也满足条件式[1]时)，前述的第一、第二、第三条件均满足。而且，粉末供给指标b超过2.9时，由于粉末材料的供给过多导致未熔融粉末的残留、或作用于基材的激光线能量不足(激光线能量的大部分被粉末熔融消耗)，由此导致堆焊中裂纹发生的可能性增加。
[0113]
条件式[3]表示粉末材料39中包含的第二粉末的比率r2的适正范围。第二粉末的比率r2，是第二粉末相对于第一粉末和第二粉末的合计质量的质量比，为5质量％≤r2≤15质量％，优选为7质量％≤r2≤15质量％。
[0114]
第二粉末的比率r2低于5质量％时，前述的堆焊层41的硬度难以达到hv800以上。另外，为5质量％≤r2≤15时，与上述低于5质量％的情况相比，硬度大幅上升，还可以避免堆焊加工中发生裂纹。而且，比率r2超过15质量％时，堆焊加工中容易发生裂纹。
[0115]
＜激光束的摆动照射＞
[0116]
接着，说明激光束的摆动照射的作用。
[0117]
一般来说，因为激光束其指向性和能量密度高，所以若向基材照射激光束，则微小照射点的区域内被集中加热。因此，根据条件会在基材上形成匙孔，加热限于照射点附近。
[0118]
因此，使激光束lb朝着焊接方向前进时，通过以快于前进速度的扫描速度进行摆动，从而对应其扫描范围而扩大加热面积，并且均等地加热扫描范围内的基材。这里所说的“摆动”，例如是在对接电弧焊中，使焊炬朝着与焊接线交叉的方向摇摆，使双方的母材均等地熔融由此提高焊接性的方法，在本构成中，将其应用于激光束lb的扫描。
[0119]
将摆动应用于激光束lb而进行焊接时，射束点照射到基材37上的焊接部附近的时间，与通常沿着焊接线(不摆动)使激光束lb移动而进行焊接的情况相比变长。换言之，通过应用摆动，能够使焊接部附近的线能量增加，促进基材37的加热。因此，朝向被供给粉末材料39的基材大范围照射激光束lb时，粉末材料39基于来自激光束lb的线能量而熔融、凝固所形成的堆焊层41与被激光束lb加热的基材37的表面的温差变小，能够抑制因冷却后的收缩应变引起的堆焊层41的裂纹。
[0120]
另外，因为激光束lb的摆动带来焊接部附近的线能量增加，所以焊接时增加粉末材料39的供给量，能够进行每1道次的厚度大的堆焊。这种情况下，基材37的表面被粉末材料39厚厚地覆盖，来自激光束lb的线能量被该粉末材料39的熔融消耗。因此，可避免激光束lb对基材37过剩的加热，熔透量得到抑制。由此，能够容易地以1层数mm级的厚度形成堆焊层41，如果是3mm～5mm左右的厚度，则不需要多次进行的多层堆焊。因此，相比反复堆焊的情况而言，能够降低裂纹发生的可能性。此外，也能够取得减少尺寸限制、削减施工成本、缩短交付周期的效果。
[0121]
如上述，通过同时实施摆动面向激光束lb的应用、和粉末供给量的增加，能够一边
抑制基材37过剩的熔透，一边在不发生裂纹的前提下实现厚度大的堆焊。一般在激光粉末堆焊中，激光束lb带来的投入能量，被使用在所供给的粉末材料的熔融、和对基材的直接加热上。如果在前述条件式[1]～[3]的范围，则来自激光束lb的线能量的大部分会被粉末材料39的熔融使用，可抑制对基材37过剩的加热。另外，因为基材37也会被熔融的粉末材料39本身拥有的热能加热，所以从这一点出发，也能够减少裂纹的发生。换言之，前述的条件式[1]～[3]恰当地调整以下三个作用的平衡：抑制基材37过剩熔透的作用；防止裂纹发生的作用；使堆焊层41的厚度达到数mm级的作用。
[0122]
例如，在粉末材料的供给量少的状态下，将摆动应用于激光束时，激光束直接照射到基材上，投入能量几乎全部被花费在基材的加热上。其结果是，基材的熔透量变大，堆焊层41被稀释而硬度降低。这种情况下，虽然能够避免堆焊层41的裂纹，但是堆焊层41薄，不能达成数mm级的堆焊。
[0123]
还有，通过上述激光束lb的摆动形成堆焊层41的工序，不限于图1所示的一边使焊接头21摆动，一边以焊接机器人11的机械臂使之移动的工序。例如，也可以使激光束lb为前后束方式，将任务分成粉末材料的熔融和堆焊、与基材的加热而进行施工。另外，作为基材的加热，也可以并用通过燃烧器加热、高频感应加热等进行加热的加热装置。这种情况下，可减小摆动的扫描范围，使朝向焊接方向td的前进速度提高，从而实现节拍时间的缩短。
[0124]
实施例
[0125]
由图1所示的激光粉体堆焊装置100，在钢材(ss400)的基材上实施堆焊。基材的尺寸为，纵50mm
×
横50mm
×
厚20mm。第一粉末使用司太立no.1粉末，第二粉末使用碳化钨粉末，在基材的整个表面形成1层堆焊层。堆焊形成的各种条件和结果显示在表1中。
[0126]
【表1】
[0127][0128]
试验例1－1～5，作为粉末材料为不含第二粉末(碳化钨粉末)的仅第一粉末，使激光线能量指标a和粉末供给指标b变化。
[0129]
试验例2～6，使试验例1－5的激光线能量指标a为相同条件，使粉末供给指标b和第二粉末的含量变化。
[0130]
试验例7～9，使激光线能量指标a大于试验例1－1～1－5和试验例2～6、10、11的情况，试验例10、11，使粉末供给指标b小于试验例1－1～5和试验例2～9。
[0131]
对于各试验例，通过渗透探伤检査(pt)确认堆焊层有无焊接裂纹，无焊接裂纹的
情况评价“〇”，有焊接裂纹的情况评价为
“×”
。
[0132]
另外，堆焊层、中间层的厚度、堆焊层的维氏硬度的分布，通过切断基材上堆焊形成之后的层叠造型物，经截面观察以及用显微维氏硬度计(试验位置：距表层0.25mm间距，试验载荷：300gf)测量。
[0133]
图6是表示层叠造型物的截面硬度的测量结果的图。在图6中，显示的试验例不包括未测量的试验例(试验例1－1、1－4)。堆焊层的维氏硬度，使用相当于堆焊层的硬度hv600以上的区域的测量值的平均值。
[0134]
制成的层叠造型物的堆焊层的成分分析，通过x射线荧光分析(xrf)实施。x线照射范围是φ10mm，以co、cr、w、fe、ni、mo的6种元素作为分析对象，定量计算采用fp(fundamental parameter)法。
[0135]
图7是表示粉末材料中包含的第二粉末的比率r2、与堆焊层所含的钨的含有比率r1的关系的图。可知钨的含有比率r1，随着第二粉末的添加量的增加而正比例增加。
[0136]
图8是表示形成于基材的堆焊层的一例的截面照片。在作为基材的第一层、与作为堆焊层的第三层之间，形成有作为中间层的第二层。
[0137]
以上述的条件实施堆焊层的形成和测量时，为表1所示的结果。
[0138]
在粉末材料中没有添加碳化钨的试验例1－1～5中，试验例1－1、1－2、1－4发生裂纹，除了试验例1－1、1－4以外，维氏硬度都未达到hv800。试验例1－5中，堆焊层的钨的含有比率低于16质量％。
[0139]
试验例2中，虽然使激光线能量指标a的值在条件式[1]的范围内，粉末供给指标b的值在条件式[2]的范围内，但粉末材料中的第二粉末的含量低于5质量％。这种情况下，虽未发生裂纹，但是维氏硬度低于hv800，堆焊层的钨的含有比率低于16质量％。
[0140]
在试验例3～5中，使激光线能量指标a的值在条件式[1]的范围内，粉末供给指标b的值在条件式[2]的范围内，粉末材料中的第二粉末的含量为5质量以上且15质量％以下。其结果是，未发生裂纹，完全满足维氏硬度为hv800以上且hv980以下，堆焊厚度3mm以上，中间层厚度0.5mm以下的条件，堆焊层的钨的含有比率也在16质量％以上且25质量％以下的范围内。
[0141]
在试验例6中，虽然使激光线能量指标a的值在条件式[1]的范围内，粉末供给指标b的值在条件式[2]的范围内，但是粉末材料的第二粉末的含量为高于15质量％的值。这种情况下，裂纹发生，维氏硬度高于hv980，堆焊层的钨的含有比率高于25质量％。
[0142]
在试验例7中，使粉末供给指标b的值在条件式[2]的范围内，粉末材料中的第二粉末的质量比在5质量以上且15质量％以下，但激光线能量指标a为超出条件式[1]的范围的值。其结果是，虽然未发生裂纹，但是维氏硬度低于hv800。
[0143]
在试验例8中，使激光线能量指标a的值增加至接近条件式[1]的上限的28.2[kj/cm]。另外，使粉末供给指标b在条件式[2]的范围内，使粉末材料中的第二粉末的质量比为5质量以上且15质量％以下。这种情况下，未发生裂纹，满足维氏硬度为hv800以上且980以下，堆焊厚度为3mm以上，中间层厚度为0.5mm以下的全部条件，堆焊层的钨的含有比率也在16质量％以上且25质量％以下的范围内。
[0144]
在试验例9中，使激光线能量指标a的值为高于条件式[1]的上限的37.7[kj/cm]，使粉末供给指标b的值在条件式[2]的范围内，使粉末材料中的第二粉末的质量比在5质量
以上且15质量％以下。这种情况下，虽然裂纹未发生，但是维氏硬度低于hv800。
[0145]
在试验例10、11中，使激光线能量指标a的值在条件式[1]的范围内，使粉末材料中的第二粉末的质量比为5质量以上且15质量％以下，但粉末供给指标b的值低于条件式[2]的下限值。其结果是，虽然未发生裂纹，但是维氏硬度低于hv800。
[0146]
上述是否良好的判定结果汇总显示在表2中。维氏硬度为hv800以上且hv980以下评价为
“○”
，除此以外评价为
“×”
。堆焊层的厚度为3mm以上且5mm以下评价为
“○”
，低于3mm或高于5mm的评价
“×”
。中间层的厚度在0.5mm以下评价为
“○”
，高于0.5mm的评价为
“×”
。
[0147]
【表2】
[0148]
表2
[0149][0150]
如试验例3、4、5、8，通过将激光线能量指标a、粉末供给指标b、第二粉末的比率r2设定为满足前述的条件式[1]～[3]的条件，从而不会使裂纹发生，能够得到维氏硬度为hv800以上且hv980以下(第一条件)，1道次的堆焊厚度为3mm以上且5mm以下(第二条件)，中间层的厚度为0.5mm以下(第三条件)的层叠造型物。这时的堆焊层，钨的含有比率为16质量％以上且25质量％以下，能够以高效率形成耐磨耗性良好的堆焊层。
[0151]
本发明不限定于上述的实施方式，将实施方式的各构成相互组合、或本领域技术人员基于说明书记述以及公知技术进行变更、应用，也是本发明的预定的事项，包括在要求保护的范围内。
[0152]
如以上，本说明书公开有以下事项。
[0153]
(1)一种层叠造型物的制造方法，具有如下工序：
[0154]
将含有司太立合金的第一粉末、和含有碳化钨的第二粉末混合而成的粉末材料供给到基材上的工序；
[0155]
一边使激光束摆动运动一边照射在所供给的所述粉末材料上，在所述基材上层叠至少使所述粉末材料熔融固化而成的堆焊层的工序，其中，
[0156]
层叠所述堆焊层的工序，是满足以下的条件式[1]、[2]和[3]的工序。
[0157]
20≤a≤35
…
条件式1.[0158]
2.2≤b≤2.9
…
条件式[2]
[0159]
5质量％≤r2≤15质量％
…
条件式[3]
[0160]
a＝p
×
α/β[kj/cm]：激光线能量指标
[0161]
b＝q
×
α/β[g/cm]：粉末供给速度指标
[0162]
p[w]：来自激光束的线能量
[0163]
q[g/min]：粉末材料的供给速度
[0164]
α＝w/v1
[0165]
β＝v2
×
t
[0166]
w[cm]：摆动运动带来的射束点的扫描宽度
[0167]
v1[cm/min]：摆动运动带来的激光束的扫描速度
[0168]
v2[cm/min]：朝焊接方向的前进速度
[0169]
t[sec]：摆动1个周期的时间
[0170]
r2[质量％]：粉末材料中包含的第二粉末的比率
[0171]
据此层叠造型物的制造方法，通过激光束的摆动能够使基材的焊接部附近的线能量增大，促进基材的加热。因此，粉末材料基于来自激光束的线能量熔融、凝固所形成的堆焊层与被激光束加热的基材的表面的温差变小，能够抑制因冷却后的收缩应变引起的堆焊层的裂纹。
[0172]
另外，由于激光束的摆动，焊接部附近的线能量增加，因此焊接时可增加粉末材料的供给量，进行每1道次的厚度大的堆焊。
[0173]
而且，在熔透(具有基材与堆焊层的中间硬度的中间层的形成范围)小的状态下，能够形成1层堆焊也有数mm级的堆焊层。其结果是，不需要为了确保以往这样的堆焊层厚度而实施多层堆焊，能够在加工中降低裂纹发生的可能性。此外，也能够取得减少尺寸限制、削减施工成本、缩短交付周期的效果。
[0174]
另外，因为使用司太立合金、碳化钨这样一般市场销售的粉末混合而成的粉末材料，所以不需要使用要进行复杂的前处理的堆焊用粉末材料，经济性优异，与只使用司太立合金的情况比较，可以形成硬度高的堆焊层。
[0175]
(2)根据(1)所述的层叠造型物的制造方法，其中，在所述堆焊层中，维氏硬度形成为hv800以上且hv980以下，钨的含有比率形成为16质量％以上且25质量％以下，且每1道次的厚度形成为3mm以上且5mm以下。
[0176]
根据此层叠造型物的制造方法，能够以1道次，形成厚度3mm以上且5mm以下的耐磨耗性优异，抗裂纹强的堆焊层。
[0177]
(3)根据(1)或(2)所述的层叠造型物的制造方法，其中，在所述基材与所述堆焊层之间，以厚度t2为0＜t2≤0.5mm，形成使所述基材和所述粉末材料熔融、凝固而成的中间层。
[0178]
根据此层叠造型物的制造方法，能够抑制与基材的熔透，形成高硬度的堆焊层。
[0179]
(4)根据(1)～(3)中任一项所述的层叠造型物的制造方法，其中，经多次层叠每一层的厚度为3mm以上且5mm以下的所述堆焊层。
[0180]
根据此层叠造型物的制造方法，能够造型成任意的目标形状，设计自由度提高。
[0181]
(5)一种层叠造型物，是在基材上层叠有含有司太立合金和碳化钨的堆焊材料的层叠造型物，其中，
[0182]
在所述基材与由所述堆焊材料形成的堆焊层之间，具有所述基材的一部分和所述堆焊层的一部分相互熔融而形成的中间层，
[0183]
所述堆焊层，其维氏硬度为hv800以上且hv980以下，并且钨的含有比率为16质量％以上且25质量％以下，厚度为3mm以上且5mm以下。
[0184]
根据此层叠造型物，因为具有高硬度且耐磨耗性优异的3mm以上且5mm以下的厚度的堆焊层，所以能够提供机械强度有所提高的零件。
[0185]
(6)根据(5)所述的层叠造型物，其中，所述中间层的平均厚度t2为0＜t2≤0.5mm。
[0186]
根据此层叠造型物，能够提高基材和堆焊层的接合强度。
[0187]
(7)根据(5)或(6)所述的层叠造型物，其中，每一层的厚度为3mm以上且5mm以下的所述堆焊层，经多层而层叠。
[0188]
根据此层叠造型物，能够造型成任意的目标形状，设计自由度提高。
[0189]
还有，本技术基于2020年3月12日申请的日本专利申请(特愿2020－43355)，其内容在本技术之中作为参照援引。
[0190]
符号说明
[0191]
11
ꢀꢀ
焊接机器人
[0192]
13
ꢀꢀ
激光光源部
[0193]
15
ꢀꢀ
粉末材料供给部
[0194]
17
ꢀꢀ
控制部
[0195]
19
ꢀꢀ
摆动驱动部
[0196]
21
ꢀꢀ
焊接头
[0197]
23
ꢀꢀ
光纤
[0198]
25
ꢀꢀ
粉体供给管
[0199]
27
ꢀꢀ
激光输出调整部
[0200]
29
ꢀꢀ
粉末材料供给调整部
[0201]
31
ꢀꢀ
激光照射口
[0202]
33
ꢀꢀ
粉末材料供给口
[0203]
35
ꢀꢀ
保护气体供给口
[0204]
37
ꢀꢀ
基材
[0205]
39
ꢀꢀ
粉末材料
[0206]
41
ꢀꢀ
堆焊层
[0207]
43
ꢀꢀ
层叠造型物
[0208]
100 激光粉体堆焊装置
技术特征：1.一种层叠造型物的制造方法，具有如下工序：将含有司太立合金的第一粉末、和含有碳化钨的第二粉末混合而成的粉末材料供给到基材上的工序；一边使激光束摆动运动一边照射在所供给的所述粉末材料上，在所述基材上层叠至少使所述粉末材料熔融固化而成的堆焊层的工序，其中，所述层叠堆焊层的工序，是满足以下的条件式[1]、[2]和[3]的工序，20≤a≤35
…
条件式[1]2.2≤b≤2.9
…
条件式[2]5质量％≤r2≤15质量％
…
条件式[3]a＝p
×
α/β：激光线能量指标，单位为kj/cmb＝q
×
α/β：粉末供给速度指标，单位为g/cmp：来自激光束的线能量，单位为wq：粉末材料的供给速度，单位为g/minα＝w/v1β＝v2
×
tw：摆动运动带来的射束点的扫描宽度，单位为cmv1：摆动运动带来的激光束的扫描速度，单位为cm/minv2：朝焊接方向的前进速度，单位为cm/mint：摆动1个周期的时间，单位为secr2：粉末材料中包含的第二粉末的比率，单位为质量％。2.根据权利要求1所述的层叠造型物的制造方法，其中，使所述堆焊层形成为，维氏硬度为hv800以上且hv980以下，钨的含有比率为16质量％以上且25质量％以下，且每1道次的厚度为3mm以上且5mm以下。3.根据权利要求1所述的层叠造型物的制造方法，其中，在所述基材与所述堆焊层之间，以厚度t2成为0＜t2≤0.5mm的方式，形成使所述基材和所述粉末材料熔融、凝固而成的中间层。4.根据权利要求2所述的层叠造型物的制造方法，其中，在所述基材与所述堆焊层之间，以厚度t2成为0＜t2≤0.5mm的方式，形成使所述基材和所述粉末材料熔融、凝固而成的中间层。5.根据权利要求1～4中任一项所述的层叠造型物的制造方法，其中，经多次层叠每一层的厚度为3mm以上且5mm以下的所述堆焊层。6.一种层叠造型物，是在基材上层叠有含有司太立合金和碳化钨的堆焊材料而成的层叠造型物，其中，在所述基材与由所述堆焊材料形成的堆焊层之间，具有所述基材的一部分和所述堆焊层的一部分相互熔融而形成的中间层，所述堆焊层，维氏硬度为hv800以上且hv980以下，且钨的含有比率为16质量％以上且25质量％以下，厚度为3mm以上且5mm以下。7.根据权利要求6所述的层叠造型物，其中，所述中间层的平均厚度t2为0＜t2≤0.5mm。
8.根据权利要求6或7所述的层叠造型物，其中，每一层的厚度为3mm以上且5mm以下的所述堆焊层，经多层而层叠。
技术总结一种层叠造型物的制造方法，具有如下工序：将含有司太立合金的第一粉末、和含有碳化钨的第二粉末混合而成的粉末材料供给到基材上的工序；一边使激光束摆动运动一边照射到所供给的粉末材料上，在基材上层叠至少使粉末材料熔融固化的堆焊层的工序。层叠堆焊层的工序，满足20≤A≤35，2.2≤B≤2.9，5质量％≤R2≤15质量％。其中，A是激光线能量指标，B是粉末供给速度指标，R2是粉末材料中包含的第二粉末的比率。的比率。的比率。
技术研发人员：黑泽瑛介
受保护的技术使用者：株式会社神户制钢所
技术研发日：2021.02.17
技术公布日：2022/11/1
