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.这样要求耐磨耗性的零件，例如，可使用包含金属、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。
4.例如，在专利文献1中记述有一种通过钨惰性气体(tig)焊，使用高硬度ni基合金中含有陶瓷加强材的填充材料形成堆焊层的技术。
5.另外，在专利文献2中记述有一种技术，在埋弧焊(saw)或熔化极气体保护电弧焊(gmaw)的fe基焊丝的堆焊中，向fe基基底中追加含碳化硼相的粉末，从而形成硬度比较高的覆盖层。在专利文献2的实施例中，显示形成了洛氏c硬度为hrc60以上的堆焊层的结构，根据合金种类会上升至hrc70左右。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特开2018－171644号公报
9.专利文献2：日本特表2013－501630号公报
技术实现要素：10.发明所要解决的问题
11.但是，专利文献1的情况下，除了焊接性的提高以外，虽然所形成的堆焊层的硬度也上升，但是在堆焊层的表面附近只能得到hrc50左右的硬度。另外，还需要特殊性高的填充材料。
12.专利文献2的情况下，在saw中，一般需要在被焊接侧铺设焊剂层并以此状态进行焊接，设备的规模大，不适合中小型零件的堆焊。另外，施工工序也复杂。在gmaw的实施例中，根据对所制作的焊接试验体的裂纹数进行的评价，认为通过相同方法避免焊接裂纹产生，形成具有hrc60以上硬度的堆焊层是困难的。
13.一般市场销售的表面硬化合金(例如，肯纳司太立金属有限公司(kennametal-stellite)的钨铬钴合金(“司太立合金(stellite)”是注册商标)，wall colmonoy公司的镍
基硬表面合金(“科尔莫诺伊合金”是注册商标)的一部分制品，有硬度范围在hrc60以上(～hrc64左右)的产品。但是，这些材料特殊性高，大多情况是难以设定适当的焊接条件。另外，在使用了钨基硬质合金粉末的高速火焰喷涂(hvof)中，虽然有一部分材质能够得到hrc70左右的层，但在hvof时所形成的硬化层薄(低于1mm)，与焊接相比，存在密度、对基材的粘附性低的问题。
14.因此，本发明的目的在于，提供一种高硬度，且在不发生焊接裂纹的情况下能够以1道次形成数mm级厚度的堆焊层，而且不会受到尺寸限制，能够以高经济性进行稳堆焊的层叠造型物的制造方法、和层叠造型物。
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，是使激光束对于包括含有析出硬化型不锈钢的第一粉末、和含有碳化钛的第二粉末的粉末材料进行摆动照射而使之熔融固化，在基材上层叠至少1层的堆焊层的方法，其中，
18.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。
[0019]
20≤a≤35
…
条件式1.[0020]
1.1≤b≤1.3
…
条件式[2]
[0021]
40质量％≤r2≤65质量％
…
条件式[3]
[0022]
a＝p
×
α/β[kj/cm]：激光线能量指标
[0023]
b＝q
×
α/β[g/cm]：粉末供给速度指标
[0024]
p[w]：来自激光束的线能量
[0025]
q[g/min]：粉末材料的供给速度
[0026]
α＝w/v1
[0027]
β＝v2
×
t
[0028]
w[cm]：摆动运动带来的射束点的扫描宽度
[0029]
v1[cm/min]：摆动运动带来的激光束的扫描速度
[0030]
v2[cm/min]：焊接方向上的前进速度
[0031]
t[sec]：摆动1个周期的时间
[0032]
r2[质量％]：粉末材料中所含第二粉末的比率
[0033]
(2)一种层叠造型物，是在基材上形成含有析出硬化型不锈钢合金和碳化钛的至少1层的堆焊层的层叠造型物，其中，
[0034]
所述每1层堆焊层的厚度为3mm以上且5mm以下，并且所述堆焊层的洛氏c硬度为hrc60以上且hrc65以下，
[0035]
所述堆焊层的组织观察图像中的碳化钛区域的占有面积率r1为50面积％以上且65面积％以下。
[0036]
发明效果
[0037]
根据本发明，在不发生焊接裂纹的情况下，能够以高硬度且以1道次形成数mm级厚度的堆焊层。另外，能够不受尺寸限制地以高经济性进行稳定堆焊。
附图说明
[0038]
图1是实施堆焊的激光粉体堆焊装置的概略结构图。
[0039]
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。
[0040]
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。
[0041]
图4是示意性地表示一边使焊接头摆动运动一边在基材上使粉末材料熔融、固化而形成堆焊层的状态的说明图。
[0042]
图5是表示图4所示的摆动的动作条件的说明图。
[0043]
图6是表示各试验例中的第二粉末的含有比率与堆焊层的洛氏c硬度的关系的图。
[0044]
图7是表示试验例2－1～3的堆焊层的组织观察图像(上部)和二值化图像(下部)的说明图。
[0045]
图8是表示试验例2－4～6的堆焊层的组织观察图像(上部)和二值化图像(下部)的说明图。
[0046]
图9是表示试验例2－1～6的粉末材料中的第二粉末的含有比率与堆焊层所包含的tic区域的占有面积率r1的关系的图。
[0047]
图10是表示试验例2－1～6的堆焊层所包含的tic区域的占有面积率与洛氏c硬度的关系的图。
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，是将含有不锈钢粉末的第一粉末、和含有碳化钛(tic：钛碳化物)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，在基材上层叠使粉末材料熔融固化而成的至少1层的硬化堆焊层的方法。
[0050]
在层叠该硬化堆焊层时，如后述详情，能够不使焊接裂纹发生，而以高硬度且稳定形成具有以1道次数mm级厚度的堆焊层。在此所谓1道次，意味着激光束的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，将含有析出硬化型不锈钢合金，例如，sus630、sus631，或析出硬化型fe合金，例如马氏体时效钢的第一粉末，和含有碳化钛(以下记为tic。)的第二粉末机械地混合，制备堆焊层形成用的粉末材料39。在此所说的“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]
粉末材料39，一般是将市场销售的粉末彼此进行机械混合的，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，是使第二粉末(tic)，相对于粉末材料39总体，在40质量％以上且65质量％以下的范围含有。第二粉末的含量的下限，优选为45质量％以上，更优
选为50质量％以上，上限为65质量％以下，优选为63质量％以下，更优选为60质量％以下。(还有，使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]
[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，是含有析出硬化型不锈钢和tic的堆焊材料熔融、凝固而层叠在基材37上而成，具有基材37，和由堆焊材料构成的堆焊层41。更详细地说，在基材37与堆焊层41之间，形成基材37的一部分与堆焊层41的一部分相互熔融而形成的中间层42。
[0077]
虽然详情后述，但堆焊层41由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3.5mm以上，5mm以下，优选为4.5mm以下。另外，堆焊层41的洛氏c硬度为hrc60以上且hrc65以下。而且，堆焊层41的组织观察图像中的tic区域的占有面积率r1，为50面积％以上且65面积％以下。
[0078]
通过使粉末材料39的tic的含有比率达到前述的40质量％以上，堆焊层41的表面硬度，能够以洛氏c硬度计确实地达到hrc60以上。
[0079]
在层叠造型物43中，每1层(1道次)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。
[0080]
上述的洛氏c硬度，是与形成堆焊层41时所使用的粉末材料39中第二粉末(tic)的含量对应的指标。上述洛氏c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效果小时的第二粉末含量的下限值对应。洛氏c硬度在目标硬度的hrc60～hrc65的范围内时，与上述第二粉末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，还能够避免堆焊加工中的焊接裂纹。另外，洛氏c硬度超过作为上限值的hrc65时，堆焊加工中容易发生焊接裂纹。
[0081]
换言之，通过使粉末材料39中包含的tic的比率(也称为含有比率)r2处于上述范围，能够使堆焊层41达成难以发生焊接裂纹的适宜的硬度(洛氏c硬度hrc60～hrc65)。
[0082]
而且，若堆焊层41的组织观察图像的tic区域的占有面积率r1低于50面积％，则tic含量少，因此难以达成上述目标硬度。占有面积率r1为50面积％以上且65面积％以下时，堆焊层41不会发生焊接裂纹，能够稳定达成目标硬度。另外，占有面积率r1超过65面积％时，则tic的含量变得过多，焊接裂纹容易发生。
[0083]
＜摆动运动＞
[0084]
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。
[0085]
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、固化而形成堆焊层的状态的说明图。
[0086]
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。
[0087]
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。
[0088]
图5是表示图4所示摆动的动作条件的说明图。
[0089]
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。
[0090]
在层叠堆焊层41的工序中，满足以下的条件式[1]、[2]和[3]。
[0091]
20≤a≤35
…
条件式1.[0092]
1.1≤b≤1.3
…
条件式[2]
[0093]
40质量％≤r2≤65质量％
…
条件式[3]
[0094]
在此，条件式[1]、[2]和[3]中的各参数如下。
[0095]
a＝p
×
α/β[kj/cm]：激光线能量指标
[0096]
b＝q
×
α/β[g/cm]：粉末供给速度指标
[0097]
p[w]：来自激光束的线能量
[0098]
q[g/min]：粉末材料的供给速度
[0099]
α＝w/v1
[0100]
β＝v2
×
t
[0101]
w[cm]：摆动运动带来的射束点的扫描宽度
[0102]
v1[cm/min]：摆动运动带来的激光束的扫描速度
[0103]
v2[cm/min]：朝焊接方向的前进速度
[0104]
t[sec]：摆动1个周期的时间
[0105]
r2[质量％]：粉末材料中包含的第二粉末的比率
[0106]
条件式[1]，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。
[0107]
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、第二条件均满足。
[0108]
·
第一条件：前述的堆焊层41的洛氏c硬度为hrc60以上且hrc65以下。
[0109]
·
第二条件：由1道次形成的堆焊层41的厚度ta为3mm以上且5mm以下。
[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的熔透大，第一条件的堆焊层41的硬度难以达到hrc60以上。
[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1.1≤b≤1.3，优选为1.15≤b≤1.25。
[0112]
粉末供给指标b低于1.1时，由于粉末供给不足，从而难以形成3mm以上的堆焊层41。因此，若为了增加堆焊层41的厚度(体积)而使比重小的tic粉末的添加量增加，则其结果是，堆焊层41的tic的含量变得过多，焊接裂纹容易发生。另外，在1.1≤b≤1.3的情况下(其中，a也满足条件式[1]时)，稳定满足前述的第一、第二条件。而且，如果粉末供给指标b超过1.3，则由于粉末材料的供给过多而容易发生未熔融粉末的残留。若为了避免熔融粉末残留以实施规定厚度的堆焊，而增加比重大的不锈钢粉末的比例，则其结果是，堆焊层41的tic的含量变少，难以达成目标硬度。
[0113]
条件式[3]，表示粉末材料39中包含的第二粉末的比率r2的适当范围。第二粉末的含有比率r2，是第二粉末相对于第一粉末与第二粉末的合计质量的质量比，为40质量％≤r2≤65质量％。
[0114]
第二粉末的含有比率r2低于40质量％时，堆焊层41的tic的含量少，前述的堆焊层41的硬度难以达到hrc60以上。另外，如果为40质量％≤r2≤65，则与上述低于40质量％的情况相比，硬度大幅上升，能够避免堆焊加工中发生焊接裂纹。而且，含有比率r2超过65质量％时，堆焊层41的tic的含量变得过多，堆焊加工中容易发生焊接裂纹。
[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37的加热上。其结果是，基材37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39的熔融和堆焊、与基材37的加热而进行施工。另外，作为基材37的加热用，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37上实施堆焊。基材37的尺寸为，纵50mm
×
横50mm
×
厚20mm。第一粉末使用sus316l、sus630粉末，第二粉末使用tic粉末，在基材37的整个表面形成1层的堆焊层。各供试片的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1－1～4中，使粉末材料的第一粉末为sus316l，第二粉末为tic，激光线能量指标a为21.9[kj/cm]的一定值，在此状态下使粉末供给指标b和粉末材料中的第二粉末(tic)的含量变化。
[0129]
试验例2－1～6中，使粉末材料的第一粉末为析出硬化型不锈钢合金sus630，使第二粉末为tic，使激光线能量指标a为21.4[kj/cm]的一定值，在此状态下使粉末供给指标b和粉末材料中的第二粉末(tic)的含量变化。
[0130]
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
“×”
。
[0131]
另外，堆焊层的洛氏c硬度，用洛氏硬度试验装置(使用标尺c)，对于从堆焊形成于基材的堆焊层表面进行面切削加工直至深度3mm的加工面表层进行测量。以加工面表层的5点作为测量点，将各测量点的测量值的平均值作为堆焊层的洛氏c硬度的代表值。表2中，显示各个试验例的供试片的5点的硬度测量结果。
[0132]
【表2】
[0133]
表2各供试片的硬度测量结果
[0134][0135]
图6是表示各试验例中的第二粉末(tic)的含有比率r2与堆焊层的洛氏c硬度的关系图。
[0136]
试验例1－1～4的第一粉末使用sus316l时，若使第二粉末(tic)的含有比率上升至60质量％左右，则虽然表面硬度为hrc60以上，但是发生了焊接裂纹(试验例1－4)。
[0137]
另一方面，试验例2－1～6的第一粉末使用sus630时，由于第二粉末(tic)的含有比率为40～50质量％左右，所以表面硬度为hrc60以上(试验例2－3、2－4)。另外，使第二粉末(tic)的含有比率上升至超过70wt％左右时，焊接裂纹发生(试验例2－5、2－6)。
[0138]
由以上可知，通过第一粉末使用sus630，使第二粉末(tic)的含有比率r2处于40质量％以上且65质量％以下，可以在不发生焊接裂纹的状态下，形成表面硬度为hrc60以上且hrc65以下，且每1道次的厚度为数mm级(本次试验例中为3mm)的堆焊层。还有，若每1道次的堆焊层的厚度超过5mm，则从经验上来说，表面硬度达不到上述范围，或可预见到发生焊接裂纹等局面。因此可推测，每1道次的堆焊层厚度截至5mm为止都能够使表面硬度处在上述范围，且不会发生焊接裂纹。
[0139]
接着，对于在试验例2－1～6的条件下形成的堆焊层，使用扫描型电子显微镜，在深度3mm的位置的表面进行组织观察。然后，通过图像分析，求出所得到的sem图像黑色部分(tic区域)占据的比例(占有率)。
[0140]
从组织观察至图像分析的步骤如下。
[0141]
(1)表面的镜面研磨
[0142]
(2)sem观察(倍率
×
50)
[0143]
(3)识别经sem像的二值化处理的黑色部分(tic区域)
[0144]
(4)计算黑色部分(tic区域)的占有面积率r1
[0145]
图7是表示试验例2－1～3的堆焊层的组织观察图像(上部)与二值化图像(下部)的说明图。图8是表示试验例2－4～6的堆焊层的组织观察图像(上部)与二值化图像(下部)的说明图。另外，在表3中，将tic区域的占有面积率与第二粉末(tic)的含有比率r2和洛氏c硬度的值一起显示。在此，二值化的阈值的设定，能够采用适宜的方法，例如，在每个观察视野调整sem像的tic区域边缘最近似的阈值而加以设定等。
[0146]
【表3】
[0147]
表3碳化钛(tic)区域的占有面积率的计算结果
[0148][0149]
由这些结果可知，二值图像中的黑色部分(tic区域)的占有面积率r1为50面积％以上且65面积％以下时(试验例2－3、2－4)，表面硬度为hrc60以上且65以下。
[0150]
图9是表示试验例2－1～2－6的粉末材料中的第二粉末(tic)的含有比率r2与堆焊层所含的tic区域的占有面积率r1的关系的图。
[0151]
可知tic区域的占有面积率r1，随着第二粉末(tic)的添加量的增加正比例增加。
[0152]
图10是表示试验例2－1～6的堆焊层中所含的tic区域的占有面积率r1与洛氏c硬度的关系的图。
[0153]
洛氏c硬度的分布，与图6所示的第二粉末(tic)的添加量的关系一样，也是相对于tic区域的占有面积率r1，在大致hrc60以上且hrc65以下的范围内包含试验例2－3、2－4。
[0154]
还有，关于表1所示的激光线能量指标a的上限，虽然材质不同，但通过由钨铬钴合金(肯纳司太立公司no.1)与碳化钨(公司碳化钨粉末产品名：4670)的混合粉末进行的激光硬面堆焊得到确认。其结果是，若摆动焊接条件的激光线能量指标a的值高于35[kj/cm]，则对基材的熔透深度深达2mm以上，堆焊层的稀释率变高，从而硬度大幅降低。由此推测，即使是析出硬化型不锈钢和tic的混合粉末时，也希望激光线能量指标a为35[kj/cm]以下。
[0155]
表1所示的判定栏的结果中，没有焊接裂纹，洛氏c硬度为hrc60以上且hrc65以下，tic区域的占有面积率r1为50面积％以上且65面积％以下的情况评价为
“○”
，除此以外评价为
“×”
。堆焊层的每1道次的厚度均为3mm以上且5mm以下。
[0156]
根据以上，如试验例2－3、2－4，通过设定为满足前述条件式[1]～[3]的条件，能够稳定得到不会发生焊接裂纹，能够得到高耐磨耗性的硬度(洛氏c硬度为hrc60以上且hrc65以下)，而且，每1道次的堆焊厚度为3mm以上且5mm以下的高品质的层叠造型物。
[0157]
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、应用的，均是本发明的预定内容，包括在要求保护的范围内。
[0158]
如以上，本说明书公开有以下事项。
[0159]
(1)一种层叠造型物的制造方法，是使激光束对于包括含有析出硬化型不锈钢的第一粉末、和含有碳化钛的第二粉末的粉末材料进行摆动照射而使之熔融固化，在基材上层叠至少1层的堆焊层的方法，其中，
[0160]
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。
[0161]
20≤a≤35
…
条件式1.[0162]
1.1≤b≤1.3
…
条件式[2]
[0163]
40质量％≤r2≤65质量％
…
条件式[3]
[0164]
a＝p
×
α/β[kj/cm]：激光线能量指标
[0165]
b＝q
×
α/β[g/cm]：粉末供给速度指标
[0166]
p[w]：来自激光束的线能量
[0167]
q[g/min]：粉末材料的供给速度
[0168]
α＝w/v1
[0169]
β＝v2
×
t
[0170]
w[cm]：摆动运动带来的射束点的扫描宽度
[0171]
v1[cm/min]：摆动运动带来的激光束的扫描速度
[0172]
v2[cm/min]：朝焊接方向的前进速度
[0173]
t[sec]：摆动1个周期的时间
[0174]
r2[质量％]：粉末材料中包含的第二粉末的比率
[0175]
根据此层叠造型物的制造方法，通过激光束的摆动使基材的焊接部附近的线能量增大，能够促进基材的加热。因此，粉末材料因来自激光束的线能量而熔融、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焊接裂纹。
[0176]
另外，因此激光束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的供给量，能够进行线1道次的厚度大的堆焊。
[0177]
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，能够形成每1层数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，能够在加工中减少焊接裂纹发生的可能性。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。
[0178]
另外，因为使用析出硬化型不锈钢、碳化钛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，并可以形成高品质堆焊层的形成。
[0179]
(2)根据(1)所述的层叠造型物的制造方法，其中，经多次层叠所述堆焊层。
[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]
(3)一种层叠造型物，是在基材上形成含有析出硬化型不锈钢合金和碳化钛的至少1层的堆焊层的层叠造型物，其中，
[0182]
所述堆焊层的每1层的厚度为3mm以上且5mm以下，并且所述堆焊层的洛氏c硬度为hrc60以上且hrc65以下，
[0183]
所述堆焊层的组织观察图像中的碳化钛区域的占有面积率r1为50面积％以上且65面积％以下。
[0184]
根据此层叠造型物，因为是高硬度而没有焊接裂纹的高品质的性状，所以能够扩大对制品的应用范围。
[0185]
(4)根据(3)所述的层叠造型物，其中，所述析出硬化型不锈钢合金是sus630合金。
[0186]
根据此层叠造型物，与例如使用奥氏体不锈钢合金的情况相比较，能够成为更高强度且耐腐蚀性优异的构成。
[0187]
(5)根据权利要求3或4所述的层叠造型物，其中，在所述基材上层叠有多层所述堆焊层。
[0188]
据此层叠造型物，能够使任意的形状成为高硬度且没有焊接裂纹的高品质的性状。
[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2020－43356)，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]
42 中间层
[0208]
43 层叠造型物
[0209]
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，是使激光束对于包括含有析出硬化型不锈钢的第一粉末、和含有碳化钛的第二粉末的粉末材料进行摆动照射而使该粉末材料熔融固化，在基材上层叠至少1层的堆焊层的方法，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]1.1≤b≤1.3
…
条件式[2]40质量％≤r2≤65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，经多次层叠所述堆焊层。3.一种层叠造型物，是在基材上形成含有析出硬化型不锈钢合金和碳化钛的至少1层的堆焊层的层叠造型物，其中，所述堆焊层的每1层的厚度为3mm以上且5mm以下，并且所述堆焊层的洛氏c硬度为hrc60以上且hrc65以下，所述堆焊层的组织观察图像中的碳化钛区域的占有面积率r1为50面积％以上且65面积％以下。4.根据权利要求3所述的层叠造型物，其中，所述析出硬化型不锈钢合金为sus630合金。5.根据权利要求3或4所述的层叠造型物，其中，在所述基材上层叠有多层所述堆焊层。
技术总结层叠造型物的制造方法，对于包括含有析出硬化型不锈钢的第一粉末、和含有碳化钛的第二粉末的粉末材料，摆动照射激光束使之熔融固化，在基材上层叠至少1层的硬化堆焊层。层叠堆焊层的工序是满足20≤A≤35，1.1≤B≤1.3，40质量％≤R2≤65质量％的工序。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。中包含的第二粉末的比率。中包含的第二粉末的比率。
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
