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JP2022553315A - FeCrAl printable powder material for additive manufacturing and additively manufactured objects and uses thereof - Google Patents

FeCrAl printable powder material for additive manufacturing and additively manufactured objects and uses thereof Download PDF

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JP2022553315A
JP2022553315A JP2022523465A JP2022523465A JP2022553315A JP 2022553315 A JP2022553315 A JP 2022553315A JP 2022523465 A JP2022523465 A JP 2022523465A JP 2022523465 A JP2022523465 A JP 2022523465A JP 2022553315 A JP2022553315 A JP 2022553315A
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Japan
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fecral
powder
printable
powder composition
additive manufacturing
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JP2022523465A
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Japanese (ja)
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ペンチェン カオ,
ミケル チェーレン,
サウド サリーム,
Original Assignee
カンタール・アクチボラグ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

本開示は、新規な積層造形用の印刷可能な粉末材料及び積層造形された物体及びその使用に関する。本開示はまた、物体を作製するための積層造形方法に関する。【選択図】図1The present disclosure relates to novel additively manufactured printable powder materials and additively manufactured objects and uses thereof. The present disclosure also relates to additive manufacturing methods for making objects. [Selection drawing] Fig. 1

Description

本開示は、新規な積層造形用の印刷可能な粉末材料及び積層造形された物体及びその使用に関する。本開示はまた、物体を作製するための積層造形方法に関する。 The present disclosure relates to novel additively manufactured printable powder materials and additively manufactured objects and uses thereof. The present disclosure also relates to additive manufacturing methods for making objects.

積層造形は、金属製の機能プロトタイプ及びコンポーネント、特に複雑な設計を有するものを製造するためのますます魅力的な解決策となっている。 Additive manufacturing is an increasingly attractive solution for manufacturing functional prototypes and components made of metal, especially those with complex designs.

アルミニウムを含有するフェライト合金は、電気発熱及び高温用途での使用に魅力的である。しかしながら、これらの合金の問題の1つは、それらの脆い性質のために溶接が困難であることである。さらに、これらの合金は、機械加工が困難な場合もある。したがって、これらの合金において複雑な構造物を製造することは、困難かつ複雑であり得る。本開示は、上記の問題を解決又は少なくとも低減することを目的とする。 Ferritic alloys containing aluminum are attractive for use in electrical heating and high temperature applications. One problem with these alloys, however, is that they are difficult to weld due to their brittle nature. Additionally, these alloys can be difficult to machine. Therefore, manufacturing complex structures in these alloys can be difficult and complex. The present disclosure aims to solve or at least reduce the above problems.

したがって、本開示の一態様は、積層造形に使用される印刷可能なフェライト鉄-クロム-アルミニウム(FeCrAl)金属粉末組成物を提供することである。したがって、本開示は、印刷可能なフェライトFeCrAl粉末組成物であって、FeCrAl粉末組成物が、重量%で、
Cr 9.0~25.0、
Al 2.5~8.0、
Si ≦3.0、
Mo ≦4.0、
Ni ≦1.0、
Mn ≦1.0、
C ≦0.1、
O ≦0.2、
S ≦0.01、
P ≦0.01、
N ≦0.1、
Ti ≦1.7、
Y ≦3.0、
Nb ≦3.3、
Zr ≦3.3、
V ≦1.8
Ta+Hf ≦6.5
La ≦1.0、
Ce ≦1.0、
残部Fe及び不可避不純物からなり、FeCrAl粉末組成物が、10μmと120μmとの間などの4~200μmの間の粉末粒度分布を有する、印刷可能なフェライトFeCrAl粉末組成物に関する。
Accordingly, one aspect of the present disclosure is to provide a printable ferritic iron-chromium-aluminum (FeCrAl) metal powder composition for use in additive manufacturing. Accordingly, the present disclosure is a printable ferritic FeCrAl powder composition, wherein the FeCrAl powder composition contains, in weight percent,
Cr 9.0-25.0,
Al 2.5-8.0,
Si≤3.0,
Mo ≤ 4.0,
Ni≤1.0,
Mn≤1.0,
C≦0.1,
O≤0.2,
S ≤ 0.01,
P≤0.01,
N≤0.1,
Ti≤1.7,
Y≤3.0,
Nb ≤ 3.3,
Zr ≤ 3.3,
V≤1.8
Ta + Hf ≤ 6.5
La ≤ 1.0,
Ce≤1.0,
A printable ferritic FeCrAl powder composition comprising the balance Fe and unavoidable impurities, wherein the FeCrAl powder composition has a powder particle size distribution between 4 and 200 μm, such as between 10 μm and 120 μm.

本粉末は、良好な流動性、良好な充填密度及び良好な展延性を有し、したがって印刷するのに優れている。印刷可能な粉末組成物はまた、粉末がガスアトマイズ方法によって得られたことを意味する、ガスアトマイズされたフェライト鉄-クロム-アルミニウム(FeCrAl)粉末組成物である。印刷可能なフェライトFeCrAl粉末組成物は、本質的に完全に緻密であり、優れた高温酸化特性を有し、優れた高温クリープ特性を有する3D成形物体を得るのに有利である。加えて、粉末はまた、特定の所望の粒径分布になるようにふるい分けされてもよい。 The powder has good flowability, good packing density and good spreadability and is therefore excellent for printing. A printable powder composition is also a gas-atomized ferritic iron-chromium-aluminum (FeCrAl) powder composition, meaning that the powder was obtained by a gas-atomization method. The printable ferritic FeCrAl powder composition is essentially fully dense, has excellent high temperature oxidation properties, and is advantageous for obtaining 3D shaped objects with excellent high temperature creep properties. Additionally, the powder may also be sieved to a particular desired particle size distribution.

本開示はまた、以下として上記で定義されるFeCrAl粉末としての範囲内の合金元素を含み、前記FeCrAl粉末から製造される積層造形された物体に関する。積層造形された物体の3D形状は、最終使用に依存する。本発明者らは、驚くべきことに、上記又は以下に定義されるFeCrAl粉末から製造され、それによって上記又は以下に定義される粉末の同じ範囲内の同じ元素からなる合金を含む積層造形された物体が、高温で優れた機械的特性を有し、より具体的には、高温で優れた耐クリープ性及びさらに高い耐酸化性を有することを見出した。 The present disclosure also relates to additively manufactured objects made from said FeCrAl powder, including alloying elements within the scope of the FeCrAl powder defined above as: The 3D shape of the additively manufactured object depends on the end use. The inventors have surprisingly found an additively manufactured additive manufactured from an FeCrAl powder as defined above or below, thereby comprising an alloy consisting of the same elements within the same range of the powder as defined above or below. It has been found that the bodies have good mechanical properties at high temperatures, more specifically good creep resistance and even higher oxidation resistance at high temperatures.

積層造形された物体は、高温用途(400~1350℃で動作する用途)における電気発熱体又はコンポーネントとして、又は電気発熱用途のコンポーネントとして特に有用である。物体はまた、高温摩耗及び腐食から別の物体を保護するために使用することができる。したがって、本物体は、電気発熱及び高温用途の両方に使用することができる。 Additively manufactured objects are particularly useful as electrical heating elements or components in high temperature applications (applications operating between 400-1350° C.) or as components in electrical heating applications. The object can also be used to protect another object from hot wear and corrosion. Therefore, the object can be used for both electrical heating and high temperature applications.

本開示の別の態様は、積層造形方法を提供することである。したがって、本開示は、上記又は以下に定義される粉末の上記又は以下に定義される物体を製造するための積層造形方法であって、積層造形方法が、粉末床溶融結合積層造形方法又は指向性エネルギー堆積(DED)から選択される、積層造形方法に関する。 Another aspect of the present disclosure is to provide an additive manufacturing method. Accordingly, the present disclosure is an additive manufacturing method for manufacturing an object as defined above or below of a powder as defined above or below, wherein the additive manufacturing method comprises a powder bed fusion additive manufacturing method or a directional An additive manufacturing method selected from energy deposition (DED).

印刷された試料と従来の製造された合金との間の900℃及び1100℃及び1200℃でのクリープ特性の差を示す図である。FIG. 1 shows the difference in creep properties at 900° C. and 1100° C. and 1200° C. between printed samples and conventionally produced alloys. 印刷された試料と従来の製造された合金との間の1100℃での質量増加の差を示す図である。FIG. 2 shows the difference in mass gain at 1100° C. between printed samples and conventionally produced alloys. DEDを使用して上記又は以下に定義される粉末から製造された物体の顕微鏡写真である。1 is a photomicrograph of an object produced from a powder as defined above or below using DED;

本開示は、印刷可能なフェライトFeCrAl粉末組成物であって、FeCrAl粉末組成物が、重量%(wt%)で、
Cr 9.0~25.0、
Al 2.5~8.0、
Si ≦3.0、
Mo ≦4.0、
Ni ≦1.0、
Mn ≦1.0、
C ≦0.1、
S ≦0.01、
P ≦0.01、
N ≦0.1、
O ≦0.2、
Ti ≦1.7、
Y ≦3.0、
Nb ≦3.3、
Zr ≦3.3、
V ≦1.8
Ta+Hf ≦6.5
La <1.0、
Ce <1.0、
残部Fe及び不可避不純物
からなり、
FeCrAl粉末組成物が、10~120μmなどの4~200μmの粉末粒度分布を有する、印刷可能なフェライトFeCrAl粉末組成物に関する。さらに、したがって、本開示の一態様は、複雑な構造及び機械的特性において優れた物体を得るための積層造形方法に使用することができる印刷可能なフェライトFeCrAl粉末組成物を提供することである。「印刷可能」という用語は、粉末を少なくとも1つの積層造形方法において使用することができることを意味する。
The present disclosure is a printable ferritic FeCrAl powder composition, wherein the FeCrAl powder composition comprises, in weight percent (wt%),
Cr 9.0-25.0,
Al 2.5-8.0,
Si≤3.0,
Mo ≤ 4.0,
Ni≤1.0,
Mn≤1.0,
C≦0.1,
S ≤ 0.01,
P≤0.01,
N≤0.1,
O≤0.2,
Ti≤1.7,
Y≤3.0,
Nb ≤ 3.3,
Zr ≤ 3.3,
V≤1.8
Ta + Hf ≤ 6.5
La < 1.0,
Ce<1.0,
The remainder consists of Fe and unavoidable impurities,
It relates to a printable ferritic FeCrAl powder composition, wherein the FeCrAl powder composition has a powder particle size distribution of 4-200 μm, such as 10-120 μm. Further, therefore, one aspect of the present disclosure is to provide a printable ferritic FeCrAl powder composition that can be used in additive manufacturing processes to obtain objects of complex structure and excellent mechanical properties. The term "printable" means that the powder can be used in at least one additive manufacturing method.

粉末の合金元素の大部分について以下に説明する。説明では、元素の重要な特性のいくつかを列挙する。しかしながら、そのリストは、完全なリストとして考慮されるべきではない。元素は、本明細書に列挙されていない他の特性を有してもよい。 Most of the alloying elements of the powder are described below. The description lists some of the element's important properties. However, that list should not be considered an exhaustive list. Elements may have other properties not listed here.

クロム(Cr)
クロムは、いわゆる第3の元素効果を通して、すなわち一過性の酸化段階における酸化クロムの形成によって、上記又は以下に定義される合金上のAl層の形成を促進する。クロムは、上記又は以下に定義される合金中に少なくとも9wt%の量で存在するものとする。Cr含有量が増加すると、フェライト構造物に対する固溶硬化効果が増加する。約11wt%以上のCrから、フェライト構造物は、300~500℃の温度範囲で不安定になる。次いで、フェライトは、1つの低Crフェライト相と1つの高Crフェライト相とに分解され得る。これが起こると、材料は、より硬くなり、より脆くなる。この不安定性は、Crの増加と共に増加するため、最大Crは、25wt%に設定される。したがって、本開示の一実施形態によれば、Crの含有量は、19から23.5wt%などの18から24wt%である。したがって、本開示の別の実施形態によれば、Crの含有量は、9から11wt%であり、したがって、さらに別の実施形態によれば、Crの含有量は、9から15wt%である。
Chromium (Cr)
Chromium promotes the formation of the Al 2 O 3 layer on the alloys defined above or below through the so-called tertiary element effect, ie by the formation of chromium oxide in a transient oxidation step. Chromium shall be present in the alloy defined above or below in an amount of at least 9 wt%. As the Cr content increases, the solid-solution hardening effect on the ferrite structure increases. From about 11 wt% Cr and above, the ferrite structure becomes unstable in the temperature range of 300-500°C. The ferrite can then be decomposed into one low-Cr ferrite phase and one high-Cr ferrite phase. When this happens, the material becomes harder and more brittle. Since this instability increases with increasing Cr, the maximum Cr is set at 25 wt%. Thus, according to one embodiment of the present disclosure, the Cr content is 18 to 24 wt%, such as 19 to 23.5 wt%. Thus, according to another embodiment of the present disclosure, the Cr content is between 9 and 11 wt%, and thus, according to yet another embodiment, the Cr content is between 9 and 15 wt%.

アルミニウム(Al)
アルミニウムは、高温で酸素に曝されたときに緻密で薄い酸化Alを形成し、下にある合金表面をさらなる酸化から保護するため、上記又は以下に定義される粉末中の重要な元素である。アルミニウムの量は、Al層が形成され、Al層が損傷した場合にAl層を修復するのに十分なアルミニウムが存在することを確実にするために、少なくとも2.5wt%であるべきである。しかしながら、アルミニウムは、本粉末組成物から得られる物体の成形性に悪影響を及ぼし、アルミニウムの量は、上記又は以下に定義される本粉末中で8wt%を超えるべきではない。一実施形態によれば、Alは、3~7wt%である。別の実施形態によれば、Alは、3.5~6wt%など、4~6wt%などの3~6wt%である。
Aluminum (Al)
Aluminum is a key element in powders defined above or below because it forms a dense, thin oxide Al 2 O 3 when exposed to oxygen at elevated temperatures, protecting the underlying alloy surface from further oxidation. is. The amount of aluminum is at least 2 to ensure that the Al2O3 layer is formed and that there is enough aluminum to repair the Al2O3 layer if it is damaged. should be 0.5 wt %. However, aluminum adversely affects the formability of objects obtained from the powder composition and the amount of aluminum should not exceed 8 wt% in the powder defined above or below. According to one embodiment, Al is 3-7 wt%. According to another embodiment, the Al is 3-6 wt%, such as 4-6 wt%, such as 3.5-6 wt%.

ケイ素(Si)
FeCrAl合金では、ケイ素は、多くの場合、約0.5wt%までのレベルで存在する。したがって、一実施形態によれば、Siは、0.5wt%までのレベルで存在する。しかしながら、Siは、耐酸化性及び耐食性を改善するための重要な役割を果たす可能性がある。したがって、Siは、1~3wt%など、1~2.5wt%など、1.5~2.5wt%などの0.5超~3wt%存在し得る。Siの上限は、長期曝露中の脆いCrSi及びσ相の形成に対する感受性の増加によるものである。したがって、Siの添加は、Al及びCrの含有量を考慮して行われなければならない。
Silicon (Si)
In FeCrAl alloys, silicon is often present at levels up to about 0.5 wt%. Thus, according to one embodiment, Si is present at levels up to 0.5 wt%. However, Si may play an important role for improving oxidation and corrosion resistance. Thus, Si may be present from greater than 0.5 to 3 wt%, such as from 1 to 3 wt%, such as from 1 to 2.5 wt%, such as from 1.5 to 2.5 wt%. The upper limit of Si is due to increased susceptibility to formation of brittle Cr 3 Si and σ phases during long-term exposure. Therefore, the addition of Si must be done in consideration of the content of Al and Cr.

マンガン(Mn)
マンガンは、上記又は以下に定義される粉末中に不純物として存在し得る。マンガンはまた、1100℃超で酸化寿命に悪影響を及ぼし得る。したがって、Mnの最大含有量は、1.0wt%までである。一実施形態によれば、Mnの含有量は、≦0.5重量%である。
manganese (Mn)
Manganese may be present as an impurity in the powders defined above or below. Manganese can also adversely affect oxidation lifetime above 1100°C. Therefore, the maximum content of Mn is up to 1.0 wt%. According to one embodiment, the content of Mn is ≦0.5 wt %.

モリブデン(Mo)
モリブデンは、不純物であってもよいし、合金元素として添加されてもよい。Moが不純物であるとみなされる実施形態では、その最大レベルは、0.5wt%以下である。Moが合金元素とみなされ、固溶体硬化効果を提供するために添加される実施形態では、その最小レベルは、1.0wt%超など、1.0~4.0wt%など、0.5wt%超である。
Molybdenum (Mo)
Molybdenum may be an impurity or added as an alloying element. In embodiments where Mo is considered an impurity, its maximum level is 0.5 wt% or less. In embodiments where Mo is considered an alloying element and is added to provide a solid solution hardening effect, its minimum level is greater than 0.5 wt%, such as greater than 1.0 wt%, such as 1.0-4.0 wt% is.

炭素(C)
炭素は、強度を高めるために含まれ得る。高すぎるレベルでは、炭素は、材料の形成を困難にし、耐食性に悪影響を及ぼし得る。したがって、Cは、≦0.05wt%など、≦0.1wt%に制限される。一実施形態によれば、C含有量は、0.001から0.1wt%である。
carbon (C)
Carbon may be included to increase strength. At levels that are too high, carbon can make the material difficult to form and adversely affect corrosion resistance. Therefore, C is limited to ≤0.1 wt%, such as ≤0.05 wt%. According to one embodiment, the C content is 0.001 to 0.1 wt%.

窒素(N)
窒素は、強度を高めるために含まれ得る。窒素はまた、製造プロセスから生じる不可避の不純物として存在し得る。高すぎるレベルでは、窒素は、材料の形成を困難にし、耐食性に悪影響を及ぼし得る。したがって、Nは、≦0.1wt%に制限される。一実施形態によれば、N含有量は、0.001から0.1wt%である。
Nitrogen (N)
Nitrogen may be included to increase strength. Nitrogen can also be present as an unavoidable impurity resulting from the manufacturing process. At levels that are too high, nitrogen can make the material difficult to form and adversely affect corrosion resistance. Therefore, N is limited to ≤0.1 wt%. According to one embodiment, the N content is 0.001 to 0.1 wt%.

酸素(O)
酸素は、製造プロセスから生じる不純物として存在し得る。したがって、Oは、≦0.1wt%など、≦0.2wt%に制限される。
oxygen (O)
Oxygen may be present as an impurity resulting from the manufacturing process. Therefore, O is limited to ≤0.2 wt%, such as ≤0.1 wt%.

反応性元素(RE)
本開示の定義によれば、反応性元素は、炭素、窒素及び酸素と高度に反応性である。酸化特性を向上させるために、イットリウム(Y)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、Ce(セリウム)、及びこれらの元素を添加してもよい。
Reactive element (RE)
As defined in this disclosure, reactive elements are highly reactive with carbon, nitrogen and oxygen. Yttrium (Y), titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), vanadium (V), hafnium (Hf), tantalum (Ta), lanthanum (La), Ce ( cerium), and these elements may be added.

本開示によれば、これらの元素は、本粉末中、したがって粉末から作られた物体中で以下の含有量を有する。
Ti ≦1.7wt%、
Y ≦3.0wt%、
Nb ≦3.3wt%、
Zr ≦3.3wt%、
V ≦1.8wt%、
Ta+Hf ≦6.5wt%、
La ≦1.0wt%、
Ce ≦1.0wt%。
According to the present disclosure, these elements have the following contents in the present powder, and therefore in objects made from the powder.
Ti ≤ 1.7 wt%,
Y ≤ 3.0 wt%,
Nb ≤ 3.3 wt%,
Zr ≤ 3.3 wt%,
V ≤ 1.8 wt%,
Ta + Hf ≤ 6.5 wt%,
La ≤ 1.0 wt%,
Ce≤1.0 wt%.

一実施形態によれば、上記又は以下に定義されるFeCrAl粉末は、以下の重量(wt%)でこれらの元素を有し得る。
Ti ≦0.5、
Y ≦1.0、
Nb ≦0.5、
Zr ≦0.5、
V ≦0.5、
Ta+Hf ≦1.0、
La ≦0.5、
Ce ≦0.5。
According to one embodiment, the FeCrAl powder defined above or below may have these elements in the following weight percentages (wt %).
Ti≦0.5,
Y≤1.0,
Nb ≤ 0.5,
Zr≤0.5,
V≤0.5,
Ta + Hf ≤ 1.0,
La≤0.5,
Ce≤0.5.

一実施形態によれば、印刷可能なFeCrAl粉末組成物は、重量%で、
Cr 18~24、
Al 4~6、
Mn ≦0.5、
Si ≦0.5又は0.5超~3、
Mo ≦0.5、
Ti ≦0.5、
Y ≦1.0、
Nb ≦0.5、
Zr ≦0.5、
V ≦0.5、
Ta+Hf ≦1.0、
La ≦0.5、
Ce ≦0.5
残部Fe及び不可避不純物からなり、Cが≦0.1重量%であるか、又はCが≦0.05重量%である。
According to one embodiment, the printable FeCrAl powder composition contains, in weight percent,
Cr 18-24,
Al 4-6,
Mn≤0.5,
Si ≤ 0.5 or more than 0.5 to 3,
Mo ≤ 0.5,
Ti≦0.5,
Y≤1.0,
Nb ≤ 0.5,
Zr≤0.5,
V≤0.5,
Ta + Hf ≤ 1.0,
La≤0.5,
Ce≤0.5
The balance is Fe and unavoidable impurities, and C is ≤0.1 wt% or C is ≤0.05 wt%.

別の実施形態によれば、印刷可能なFeCrAl粉末組成物は、重量%で、
Cr 18~24、
Al 4~6、
Mn ≦0.5、
Si ≦0.5又は0.5超~3、
Mo 1~4、
Ti ≦0.5、
Y ≦1.0、
Nb ≦0.5、
Zr ≦0.5、
V ≦0.5、
Ta+Hf ≦1.0、
La ≦0.5、
Ce ≦0.5
残部Fe及び不可避不純物からなり、Cが≦0.1重量%であるか、又はCが≦0.05重量%である。
According to another embodiment, the printable FeCrAl powder composition comprises, in weight percent,
Cr 18-24,
Al 4-6,
Mn≤0.5,
Si ≤ 0.5 or more than 0.5 to 3,
Mo 1-4,
Ti≦0.5,
Y≤1.0,
Nb ≤ 0.5,
Zr≤0.5,
V≤0.5,
Ta + Hf ≤ 1.0,
La≤0.5,
Ce≤0.5
The balance is Fe and unavoidable impurities, and C is ≤0.1 wt% or C is ≤0.05 wt%.

鉄(Fe)及び不可避不純物は、どちらも上記又は以下に定義される粉末又は物体の残部を構成する。 Iron (Fe) and incidental impurities both constitute the balance of the powder or body as defined above or below.

不可避不純物の例であるがこれに限定されないのは、低融点相を形成する金属であるが、なぜならこれらの低融点相が亀裂抵抗特性に影響を及ぼすことが示されているからである。 Examples of incidental impurities include, but are not limited to, metals that form low melting point phases, as these low melting point phases have been shown to affect crack resistance properties.

したがって、FeCrAl粉末中の特定の合金元素を除去することによって、優れた高温耐食性及びクリープ強度を有するがこれらに限定されない製品を達成することが可能であることが見出された。そのような元素の例は、コバルト、銅、亜鉛及びマグネシウムである。 It has therefore been found that by removing certain alloying elements in the FeCrAl powder, it is possible to achieve a product with, but not limited to, excellent high temperature corrosion resistance and creep strength. Examples of such elements are cobalt, copper, zinc and magnesium.

実施形態によれば、粉末粒度分布は、4~200μm、10~120μm、10~90μmから選択され得る。 According to embodiments, the powder particle size distribution may be selected from 4-200 μm, 10-120 μm, 10-90 μm.

上記又は以下に定義されるフェライトFeCrAl粉末を使用して製造された積層造形された物体は、1350℃までの動作温度で良好に機能する。さらに、本物体は、顕著な高温耐食性、並びに酸化、硫化及び炭化に対する高い耐性を有する。さらに、積層造形された物体は、従来的に製造された物体と比較して、顕著な高温クリープ強度及び高い形状安定性及び高い電気抵抗率を有する。 Additively manufactured objects manufactured using ferritic FeCrAl powders defined above or below perform well at operating temperatures up to 1350°C. Furthermore, the body has outstanding high temperature corrosion resistance and high resistance to oxidation, sulfidation and carbonization. Additionally, additively manufactured objects have significant high temperature creep strength and high dimensional stability and high electrical resistivity compared to conventionally manufactured objects.

上記又は以下に記載する積層造形方法は、生成されたデータをハードウェアにリンクもするソフトウェアを使用することによって2Dの薄いスライスに分解される、印刷される3D成形物体のコンピュータ援用設計を使用する。 The additive manufacturing methods described above or below use computer-aided design of printed 3D molded objects that are decomposed into 2D thin slices by using software that also links the generated data to hardware. .

本開示の一実施形態によれば、粉末床溶融結合積層造形方法が使用される。別の実施形態によれば、粉末床溶融結合造形方法は、選択的レーザ溶融(SLM)又は電子ビーム溶融(EBM)から選択される。これらの方法の両方で粉末床が使用される。粉末層は、エネルギー源に曝露され、それによって溶融又は少なくとも部分的に溶融される。新しい粉末層が提供され、これは、所望の物体が得られるまで続く。SLMでは、エネルギー源は、エネルギー源連続レーザビーム又はパルスレーザビームなどの1つ又は複数のレーザビームであり、EBMでは、エネルギー源は、電子ビームである。 According to one embodiment of the present disclosure, a powder bed fusion additive manufacturing method is used. According to another embodiment, the powder bed fusion manufacturing method is selected from Selective Laser Melting (SLM) or Electron Beam Melting (EBM). Both of these methods use a powder bed. The powder layer is exposed to an energy source and thereby melted or at least partially melted. New powder layers are applied until the desired object is obtained. In SLM, the energy source is one or more laser beams, such as an energy source continuous laser beam or a pulsed laser beam, and in EBM the energy source is an electron beam.

SLMは、アルゴン又は窒素雰囲気などの不活性雰囲気中で行われる。さらに、方法は、例えば、小さな角度を補強するために必要なときに支持体を使用する場合があり、支持体は、その後除去される。さらに、SLM印刷は、遊離の粉末層上に直接行われる。 SLM is performed in an inert atmosphere such as an argon or nitrogen atmosphere. Additionally, the method may use supports when needed, for example to reinforce small angles, which are then removed. Furthermore, SLM printing is performed directly on the loose powder layer.

EBMでは、各粉末層は、電子ビームによって局所的に溶融される前に予熱されてもよい。この方法は、真空及び高温で行われる。さらに、EBMでは、粉末層の実際の印刷が開始される前に、各新しい粉末層が最初に電子ビームで予備焼結される。 In EBM, each powder layer may be preheated before being locally melted by the electron beam. This method is performed in vacuum and at high temperature. Furthermore, in EBM, each new powder layer is first pre-sintered with an electron beam before the actual printing of the powder layer begins.

一実施形態によれば、粉末層の厚さは、10~250μmである。例えば、SLMでは、層厚さは、10~80μmとすることができ、EBMでは、層厚さは、10μm~250μmとすることができる。 According to one embodiment, the thickness of the powder layer is between 10 and 250 μm. For example, for SLM the layer thickness can be between 10 and 80 μm and for EBM the layer thickness can be between 10 μm and 250 μm.

さらなる一実施形態によれば、印刷時のエネルギー源の力は、レーザビームが使用される場合、80~400Wであり、電子ビームが使用される場合、300~1000Wである。任意選択で、複数のレーザビームが使用されてもよく、各ビームは、本明細書に記載の力を有する。 According to a further embodiment, the power of the energy source during printing is 80-400 W if a laser beam is used and 300-1000 W if an electron beam is used. Optionally, multiple laser beams may be used, each beam having the power described herein.

一実施形態によれば、エネルギー源のエネルギー密度は、1~6J/mmの範囲内である。エネルギー密度は、印刷中の粉末層の単位面積当たりにエネルギー源によって送達されるエネルギーである。 According to one embodiment, the energy density of the energy source is in the range of 1-6 J/mm 2 . Energy density is the energy delivered by the energy source per unit area of the powder layer being printed.

一実施形態によれば、使用される積層造形方法は、指向性エネルギー堆積(DED)である。このタイプの方法では、エネルギー源を使用して、局所溶融プールを作製する。金属粉末は、充填材料としてこの溶融プールに供給される。溶融プールの位置は、固化材料によって3次元物体が作製されるように絶えず移動している。エネルギー源は、レーザビーム又はプラズマアークのいずれかとすることができる。一実施形態によれば、DEDでは、レーザ源の力は、50~2000Wであり得る。 According to one embodiment, the additive manufacturing method used is directed energy deposition (DED). This type of method uses an energy source to create a local melt pool. Metal powder is fed into this melt pool as a fill material. The position of the melt pool is constantly moving such that the solidified material creates a three-dimensional object. The energy source can be either a laser beam or a plasma arc. According to one embodiment, in a DED, the power of the laser source can be 50-2000W.

一実施形態によれば、DED方法は、溶融プールを保護する不活性遮蔽ガス雰囲気で実行される。一実施形態によれば、材料供給角度は、所定の成形物体が何であるかに応じて変更されてもよい。 According to one embodiment, the DED method is performed in an inert shielding gas atmosphere that protects the melt pool. According to one embodiment, the material feed angle may vary depending on what a given molded object is.

一実施形態によれば、DEDによって製造された物体は、応力軽減され得る。応力軽減温度は、650~1200℃からの範囲であり、製造された物体の体積に依存する。応力軽減時間は、15分などの非常に短い時間から数時間などのより長い時間まで変化する。一実施形態によれば、予備酸化は、印刷後の応力軽減と同時に実行されてもよい。予備酸化の目的は、酸化アルミニウム表面層を形成することである。一実施形態によれば、前記酸化アルミニウム層は、少なくとも0.5μmの厚さを有する。 According to one embodiment, an object manufactured by DED may be stress relieved. The stress relief temperature ranges from 650-1200° C. and depends on the volume of the manufactured object. Stress relief times vary from very short times such as 15 minutes to longer times such as several hours. According to one embodiment, pre-oxidation may be performed simultaneously with post-printing stress relief. The purpose of pre-oxidation is to form an aluminum oxide surface layer. According to one embodiment, said aluminum oxide layer has a thickness of at least 0.5 μm.

上記又は以下に言及されるメソッド/方法のいずれかから得られた積層造形された物体は、後処理されてもよい。 The additively manufactured object obtained from any of the methods/methods mentioned above or below may be post-processed.

本開示の実施形態は、以下の例に関連してより詳細に開示される。例は、例示的であり、限定的な実施形態ではないと考えられるべきである。 Embodiments of the present disclosure are disclosed in more detail in connection with the following examples. Examples are to be considered illustrative and not limiting embodiments.

実施例1
SLMによる印刷
ガスアトマイゼーションを使用して、表1によるwt%での化学組成を有する3つの粉末(粉末1~3)を作製し、次いで、粉末1及び粉末3及び力4が10~45μm以内の粒径を有し、粉末2が1~45μm以内の粒径を有するように、適切な画分にふるい分けした。

Figure 2022553315000002
Example 1
Printing by SLM Gas atomization was used to make three powders (Powder 1-3) with chemical composition in wt% according to Table 1, then Powder 1 and Powder 3 and Force 4 within 10-45 μm and the powder 2 was sieved to an appropriate fraction such that the particle size was within 1-45 μm.
Figure 2022553315000002

異なる粉末のいくつかの試料を以下のように印刷した。 Several samples of different powders were printed as follows.

上記の粉末は、粉末送達システムに添加することによってSLM機に供給した。印刷プロセスの間、粉末を機械の粉末送達システムから供給し、スクレーパで構築プレート上に粉末の層を広げた。次いで、レーザは、提供された3D図面に従って粉末の層の上を通過し、それによって粉末層は、レーザビームに曝され、したがって溶融された。粉末の層が溶融された後、3D図面に従って所望の試料が形成されるまで新しい層を提供した。 The powders described above were fed to the SLM machine by adding to the powder delivery system. During the printing process, powder was fed from the machine's powder delivery system and a scraper spread a layer of powder onto the build plate. The laser was then passed over the layer of powder according to the provided 3D drawing, whereby the powder layer was exposed to the laser beam and thus melted. After the layer of powder was melted, new layers were applied until the desired sample was formed according to the 3D drawing.

粉末層の厚さは、20~30μmであった。印刷を、アルゴンを用いて不活性雰囲気中で行った。走査速度は、500~800mm/秒であった。エネルギー源の力は、80~200Wであった。 The thickness of the powder layer was 20-30 μm. Printing was done in an inert atmosphere with argon. The scanning speed was 500-800 mm/sec. The power of the energy source was 80-200W.

試料を不活性雰囲気中で室温に冷却した。印刷された試料の粉末を除去し、次いで、試料を含む構築プレートを機械から取り出した。試料を有する構築プレートを650~1200℃で0.5~3時間熱処理した。次いで、構築プレート及び試料を室温まで冷却し、次いで、構築プレートから試料を除去するために機械加工(切断)した。 The sample was cooled to room temperature in an inert atmosphere. The powder on the printed sample was removed and then the build plate containing the sample was removed from the machine. The build plate with samples was heat treated at 650-1200° C. for 0.5-3 hours. The build plate and sample were then cooled to room temperature and then machined (cut) to remove the sample from the build plate.

実施例2
DEDによる印刷
ガスアトマイゼーションを使用して、表2による組成を有する2つの粉末を製造し、次いで、45~90μmの粒径以内の粉末が得られるように適切な画分にふるい分けした。

Figure 2022553315000003
Example 2
Printing by DED Gas atomization was used to produce two powders with compositions according to Table 2, which were then sieved into appropriate fractions to obtain powders within a particle size range of 45-90 μm.
Figure 2022553315000003

立方体ブロックの形態のこれらの粉末からのいくつかの試料を以下のように印刷した。 Several samples from these powders in the form of cubic blocks were printed as follows.

レーザ源を使用して、局所溶融プールを作製した。粉末を、溶融プールに供給し、急速に固化させた。粉末を、集束粉末流を用いてプールに添加した。レーザを予め設計された経路に沿って移動させ、固化した基材の層(X-Y平面)を作製した。次いで、レーザを上に移動させ(Z軸)、前の基材の表面上に溶融プールを作製し始め、特定の経路に沿って新しい層を作製した。これにより、3次元物体を作製した。 A laser source was used to create a local melt pool. The powder was fed into a molten pool and rapidly solidified. Powder was added to the pool using a focused powder stream. The laser was moved along a predesigned path to create a layer of solidified substrate (in the XY plane). The laser was then moved up (Z-axis) and began creating a melt pool on the surface of the previous substrate, creating a new layer along a particular path. This produced a three-dimensional object.

粉末層高さは、0.3~2mmであった。印刷を、アルゴン雰囲気を使用して、又は使用せずに行った。堆積速度は、1000mm/分~2500mm/分であった。粉末供給は、4g/分~25g/分であった。レーザ源の力は、50~2000Wであった。 The powder bed height was 0.3-2 mm. Printing was done with or without an argon atmosphere. The deposition rate was between 1000 mm/min and 2500 mm/min. Powder feed was from 4 g/min to 25 g/min. The power of the laser source was 50-2000W.

図3には、粉末5のDED印刷構造物の顕微鏡写真が開示されている。構造物は、非常に緻密であり、クラッキング、欠陥又は多孔性の兆候を示さない。ライカ立体顕微鏡を使用した。 FIG. 3 discloses a photomicrograph of the DED printed structure of powder 5. FIG. The structure is very dense and shows no signs of cracking, defects or porosity. A Leica stereo microscope was used.

実施例3-試験
図1は、従来的に作製されたFeCrAl(CP1)合金を含有する試料と、SLM(SLM1)を使用して積層造形によって製造された試料と、(SLM2)を使用して積層造形によって製造された試料とのクリープ強度の比較を示す。
Example 3—Testing FIG. 1 shows a sample containing a conventionally made FeCrAl (CP1) alloy and a sample produced by additive manufacturing using an SLM (SLM1) and a sample using (SLM2). Figure 2 shows a comparison of creep strength with samples made by additive manufacturing.

従来の試料を、鋳造及び圧延によって作製し、直径、d、4mm及び元のゲージ長さ、L、20mmでS.S.EN ISO 6892-2:2018「Cylindrical test pieces with threaded gripping ends」に従って調製した。 Conventional specimens were prepared by casting and rolling and were measured by S.O.D. with diameter, d0 , 4 mm and original gauge length, L0 , 20 mm. S. Prepared according to EN ISO 6892-2:2018 "Cylindrical test pieces with threaded gripping ends".

従来の試料は、以下の仕様に従った組成を有した。

Figure 2022553315000004
Conventional samples had compositions according to the following specifications.
Figure 2022553315000004

積層造形試料を、印刷後、標準S.S.EN ISO 6892-2:2018に機械加工し、端部を把持(回転)し、直径、d、4mm、元のゲージ長さは、L、20mmであった。積層造形試料(SLM1及びSLM2)は、以下の仕様に従った組成を有した。

Figure 2022553315000005
Figure 2022553315000006
After printing, the additive manufacturing samples were printed using a standard S.I. S. Machined to EN ISO 6892-2:2018, edge gripped (turned), diameter d 0 , 4 mm, original gauge length L 0 , 20 mm. The additive manufacturing samples (SLM1 and SLM2) had compositions according to the following specifications.
Figure 2022553315000005
Figure 2022553315000006

試料に死荷重を負荷した。クリープ速度を、一定の荷重及び温度での経時的な試料の長さの変化百分率として計算した。印刷試料の試験を、1100℃及び1200℃で行った。従来の作製された試料(CP1)を900℃及び1100℃で試験した。 A dead load was applied to the sample. Creep rate was calculated as the percentage change in length of the sample over time at constant load and temperature. Testing of printed samples was performed at 1100°C and 1200°C. A conventionally made sample (CP1) was tested at 900°C and 1100°C.

印刷された材料は、異方性であることが分かる。図1に示すクリープ結果は、試料が印刷方向に平行に負荷された材料のより強い方向に関するものである。さらに、図1から分かるように、積層造形された試料は、従来的に作製された試料と比較して、はるかに低いクリープ速度を有する。従来的に作製された試料をより低い温度で試験したけれども、クリープ速度が低く、印刷された試料のクリープ強度は、なおより高かった。さらに、印刷された試料は、破断までの時間が長く、これは、そのような製品の寿命がより長くなることを意味する。 The printed material is found to be anisotropic. The creep results shown in FIG. 1 are for the stronger direction of the material with the sample loaded parallel to the printing direction. Furthermore, as can be seen from FIG. 1, the additively manufactured samples have a much lower creep rate compared to conventionally fabricated samples. Although the conventionally made sample was tested at a lower temperature, the creep rate was low and the creep strength of the printed sample was even higher. Additionally, the printed samples had a longer time to break, which means that such products have a longer lifespan.

図2は、表1の粉末4から作られた積層造形された試料及び粉末4と同様の組成を有する従来的に製造された試料についての1100℃での時間に対する質量増加曲線を示す。質量増加重量を100時間間隔で確認した。質量増加曲線は、積層造形された試料が従来的に製造された試料よりも良好な酸化特性を有することを示し、したがって、それは高温用途に優れ、より長い耐用年数を有することを意味する。 FIG. 2 shows mass gain curves versus time at 1100° C. for an additively manufactured sample made from powder 4 of Table 1 and a conventionally produced sample having a similar composition to powder 4. Mass gain weight was checked at 100 hour intervals. The mass gain curve shows that the additively manufactured sample has better oxidation properties than the conventionally produced sample, meaning it is superior for high temperature applications and has a longer service life.

Claims (14)

印刷可能なフェライトFeCrAl粉末組成物であって、
FeCrAl粉末組成物が、重量%で、
Cr 9.0~25.0、
Al 2.5~8.0、
Si ≦3.0、
Mo ≦4.0、
Ni ≦1.0、
Mn ≦1.0、
C ≦0.1、
S ≦0.01、
P ≦0.01、
N ≦0.1、
O ≦0.2、
Ti ≦1.7、
Y ≦3.0、
Nb ≦3.3、
Zr ≦3.3、
V ≦1.8
Ta+Hf ≦6.5
La ≦1.0、
Ce ≦1.0、
残部Fe及び不可避不純物からなり、
FeCrAl粉末組成物が、10μmと120μmの間などの4~200μmの間の粉末粒度分布を有する、印刷可能なフェライトFeCrAl粉末組成物。
A printable ferritic FeCrAl powder composition comprising:
The FeCrAl powder composition, in weight percent,
Cr 9.0-25.0,
Al 2.5-8.0,
Si≤3.0,
Mo ≤ 4.0,
Ni≤1.0,
Mn≤1.0,
C≦0.1,
S ≤ 0.01,
P≤0.01,
N≤0.1,
O≤0.2,
Ti≤1.7,
Y≤3.0,
Nb ≤ 3.3,
Zr ≤ 3.3,
V≤1.8
Ta + Hf ≤ 6.5
La ≤ 1.0,
Ce≤1.0,
The balance consists of Fe and inevitable impurities,
A printable ferritic FeCrAl powder composition, wherein the FeCrAl powder composition has a powder particle size distribution between 4-200 μm, such as between 10 μm and 120 μm.
Cの含有量が≦0.05重量%である、請求項1に記載の印刷可能なFeCrAl粉末組成物。 A printable FeCrAl powder composition according to claim 1, wherein the content of C is ≤ 0.05 wt%. Mnの含有量が≦0.5重量%である、請求項1又は請求項2に記載の印刷可能なFeCrAl粉末組成物。 3. A printable FeCrAl powder composition according to claim 1 or claim 2, wherein the content of Mn is < 0.5 wt%. Siの含有量が0.5wt%未満又は0.5超~3.0重量%である、請求項1~3のいずれか一項に記載の印刷可能なFeCrAl粉末組成物含有量。 The printable FeCrAl powder composition content according to any one of claims 1 to 3, wherein the Si content is less than 0.5 wt% or greater than 0.5 to 3.0 wt%. Alの含有量が3~6重量%である、請求項1~4のいずれか一項に記載の印刷可能なFeCrAl粉末組成物。 A printable FeCrAl powder composition according to any one of claims 1 to 4, wherein the content of Al is 3-6 wt%. Crの含有量が9~11重量%又は18~24重量%である、請求項1から5のいずれか一項に記載の印刷可能なFeCrAl粉末組成物。 A printable FeCrAl powder composition according to any one of claims 1 to 5, wherein the Cr content is 9-11 wt% or 18-24 wt%. 重量%で、
Cr 18~24、
Al 4~6、
Mn ≦0.5、
Si ≦0.5又は0.5超~3、
Mo ≦0.5、
Ti ≦0.5、
Y ≦1.0、
Nb ≦0.5、
Zr ≦0.5、
V ≦0.5、
Ta+Hf ≦1.0、
La ≦0.5、
Ce ≦0.5、
残部Fe及び不可避不純物からなる、
請求項1又は請求項2に記載の印刷可能なFeCrAl粉末組成物。
% by weight,
Cr 18-24,
Al 4-6,
Mn≤0.5,
Si ≤ 0.5 or more than 0.5 to 3,
Mo ≤ 0.5,
Ti≦0.5,
Y≤1.0,
Nb ≤ 0.5,
Zr≤0.5,
V≤0.5,
Ta + Hf ≤ 1.0,
La≤0.5,
Ce≤0.5,
The balance consists of Fe and inevitable impurities,
3. A printable FeCrAl powder composition according to claim 1 or claim 2.
重量%で、
Cr 18~24、
Al 4~6、
Mn ≦0.5、
Si ≦0.5又は0.5超~3、
Mo 1~4、
Ti ≦0.5、
Y ≦1.0、
Nb ≦0.5、
Zr ≦0.5、
V ≦0.5、
Ta+Hf ≦1.0、
La ≦0.5、
Ce ≦0.5、
残部Fe及び不可避不純物からなる、
請求項1又は請求項2に記載の印刷可能なFeCrAl粉末組成物。
% by weight,
Cr 18-24,
Al 4-6,
Mn≤0.5,
Si ≤ 0.5 or more than 0.5 to 3,
Mo 1-4,
Ti≦0.5,
Y≤1.0,
Nb ≤ 0.5,
Zr≤0.5,
V≤0.5,
Ta + Hf ≤ 1.0,
La≤0.5,
Ce≤0.5,
The balance consists of Fe and inevitable impurities,
3. A printable FeCrAl powder composition according to claim 1 or claim 2.
請求項1~8のいずれか一項に記載の印刷可能な粉末組成物を含む、積層造形された物体。 An additively manufactured object comprising the printable powder composition according to any one of claims 1-8. 物体が高温耐熱発熱体又は高温耐熱コンポーネントである、請求項9に記載の積層造形された物体。 10. The additively manufactured object of claim 9, wherein the object is a high temperature refractory heating element or high temperature refractory component. 物体が電気発熱体又は電気抵抗コンポーネントである、請求項9に記載の積層造形された物体。 10. The additively manufactured object of claim 9, wherein the object is an electrical heating element or an electrical resistance component. 積層造形方法が粉末床溶融結合積層造形方法又は指向性エネルギー堆積(DED)から選択され、請求項1~9のいずれか一項に記載のフェライトFeCrAl粉末が使用される、請求項9~11のいずれか一項に記載の物体を製造するための積層造形方法。 The method of claim 9-11, wherein the additive manufacturing method is selected from powder bed fusion additive manufacturing method or directed energy deposition (DED) and the ferritic FeCrAl powder according to any one of claims 1-9 is used. An additive manufacturing method for manufacturing an object according to any one of the preceding claims. 粉末床溶融結合積層造形メソッドが使用され、粉末床溶融結合積層造形メソッドがSLM又はEBMである、請求項12に記載の積層造形方法。 13. The additive manufacturing method of claim 12, wherein a powder bed fusion additive manufacturing method is used, and wherein the powder bed fusion additive manufacturing method is SLM or EBM. 電気発熱又は高温用途におけるコンポーネントとしての、又は発熱体としての、請求項9~13のいずれか一項に記載の積層造形された物体の使用。 Use of an additively manufactured object according to any one of claims 9 to 13 as a component in electrical heating or high temperature applications or as a heating element.
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