JP2004183652A - 単結晶あるいは一方向凝固物品を製造、変更あるいは補修する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジンで用いられているような単結晶部品を補修、変更ならびに小規模でバッチ製造するための先進的な方法を提供する。
【解決手段】 等温ろう付け法とろう材を用いて、調和する結晶上の配向性を備えた二つの単結晶（ＳＸ）あるいは方向性凝固（ＤＳ）の予め製造された部品を接合する。その後、
レーザー金属成形法を用いて、物品（１）とろう付け接合部（２２）の表面にエピタキシャル層かあるいは非エピタキシャル層を付ける。
【選択図】 図４ｂ

Description

本発明は、請求項１による単結晶（ＳＸ）あるいは方向性凝固（ＤＳ）物品を製造、変更あるいは補修する方法に関する。

ここ数年、レーザー金属成形（ＬＭＦ）が製造業に導入されてきている。レーザー金属成形は高出力レーザーが金属粉末の収束された流れかあるいは基材上への金属ワイヤーを局所的に溶融する方法である。このようにして材料を基礎部分に加えることができる。その方法は制御された材料の強化に適しており、レーザーに作り出された部分は通常細孔が無い高密度の微細構造であることを特徴とする。

レーザー金属成形は、この成形が局所的に損傷或いは磨耗した部分を修復するための興味深いポテンシャルを備えているので、最近超合金を大量生産するのに用いられている。確かに所望の場所に選択的に材料を加えたり、部品の十分な機能性を再び確立することが可能である。レーザーによる補修技術は、局所的な損傷あるいは局所的な機械的磨耗に冒された高価な部品を、新たに改造するのには特に魅力的であることが明らかである。タービンの動翼と静翼とが典型的な例である。

しかしながら、本方法は単結晶部品を新たに改造しなければならない場合は複雑である。単結晶の動翼と静翼とは、最新のガスタービンエンジン（第一列あるいは高圧のかかる列）の最も負荷の大きい列の中に見ることができる。動翼と静翼の機械的に完全な状態は、単結晶の微細構造であり、かつ結晶粒界がないことによる特別な性質に依存する。このような部品を補修することは、単結晶微細構造を補修プロセス中に保守する場合に限り可能である。

今のところ、数件の特許がレーザー金属成形に関して出願されている。基本的な原理は特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４あるいは特許文献５に記載されている。レーザー金属成形をしている間、基材は局所的に溶融しており、粉末（またはワイヤー）は適当な粉末（またはワイヤー）供給機構を用いて融液プールに注入される。ある相互作用時間（この時間はレーザースポットサイズとレーザーと基材間の相対運動で決定される）の後、溶融している材料は再度凝固して、材料は基材上で強化する。この方法は、数値制御された、新しいデザインがオフラインで造り出され、プロトタイプの部品として続いてすぐに実現するという特別な長所を持っている。この方法は一つ一つに基づいて行われ、鋳造技術とは大きく異なり、最終的にただ一つの部品に対するバッチサイズを小さくするという可能性を与える。あるクラスの材料が、特定された耐酸化性領域、耐磨耗性領域あるいは耐食性領域が機能的に格付けされた部品の異なる部分として形成されるように、同じ方法により溶着する。しかしながら、大きな制限があり、その制限というのはこのほかの有用な方法の適用可能性を限定してしまうことである。第一に被覆される材料を制御することは、表面をベースにした作業には全くもって適しているが、被覆物が大きく広範囲になるにつれて続けるには難しい。大きなモノリスを金属成形するための第二の障害は、ただ単にエピタキシャルレーザー金属成形の技術において現在得られる質量溶着速度により、このような加工品の形成が極端に時間を費やす処理となることである。ゆえに大きな部品を製造するには、単結晶の予成形品かあるいはブランクで始め、それからＳＸ材料の制御された付加よってその形状を変更することにより達成するのがベストである。三番目に、粉末の流れは所望される場所全てには向けられない。なぜなら部品の他の部分がエッジに近接しているとガス／パワーフローが遮られるからである。そこにおいてエピタキシャルレーザー金属成形を行うのが不可能であるような特徴とは、例えば大きな隙間かあるいは割れである。これによって、ある程度の補修作業や改造作業を行う際の方法の有効性が限られてしまう。

一方、別の方法が高温の超合金を補修することで一般に知られている。つまり特許文献６は方向性重視の微細構造と超合金組成を有した物品の最も外側表面の割れを補修する方法を開示している。この補修は前記物品と同じ材料組成を特徴としている材料を用いて、洗浄された割れ表面をコーティングすることによって行われる。それによってコーティングされた割れの表面は、元の物品の結晶上の微細構造を変えずに、割れの表面を補修するのに十分な時間に渡り高温と静水圧を受ける。

さらに、割れあるいは隙間を補修するための多くのろう付けの代替方法が知られている。特許文献７は、ガスタービン機関部分のような、コバルトとニッケルベースの合金製の特殊部品における物品を補修するためのろう材を開示している。このろう材は溶融温度が高いことを特徴とする分子から成り、この分子はろう付けの合金内に分配される。これらの分子は単結晶で、指向的に凝固しているかあるいは等軸の微細構造を有している。しかし、たとえ単結晶構造を特徴とする分子を用いたとしても、補修される割れの構造は、ろう付け合金のため全体としては、材料の特性に関して、ろう付け接合の弱点の原因となる母材の単結晶構造とは異なる。これは応力集中の場所に位置する割れには特に効力がある。

同じ問題が特許文献８あるいは特許文献９に開示された補修法に関して起こっている。これにおいては、ろう付け合金と溶加材とが、ろう付け接合の強度を上げるために同時に用いられている。焼結品を補修する別の方法が特許文献１０に開示されている。
欧州特許第５５８８７０号明細書 ドイツ国特許第１９９４９９７２号明細書 米国特許第５８７３９６０号明細書 米国特許第５６２２６３８号明細書 米国特許第４３２３７５６号明細書 米国特許第５７３２４６７号明細書 米国特許第５６６６６４３号明細書 米国特許第４３８１９４４号明細書 米国特許第５４３７７３７号明細書 米国特許第５１５６３２１号明細書

本発明の目的は、ガスタービンエンジンで用いられているような単結晶部品を補修、変更ならびに小規模でバッチ製造するための先進的な方法を提供することである。

請求項１によれば、ある方法が単結晶（ＳＸ）あるいは方向性凝固（ＤＳ）物品１のために、等温ろう付け処理を用いて見い出だされた。この等温ろう付け処理は物品のＳＸ特性あるいはＤＳ特性を維持し、かつ引き続く、物品の表面にエピタキシャル層かあるいは非エピタキシャル層を加えるという段階とレーザー金属成形法を用いたろう付け接合の段階を維持する。

本発明によれば、単結晶等温ろう付けが、補修あるいは変更される、動翼の重要でかつ厄介な部分を取り替えるために採用されるか、或いは急に試作品を作る際、機械加工された部分から標準的な半完成の動翼を作り出すために採用されることが提案されている。等温ろう付けは部品を接合するのと同時に、部品の単結晶特性を維持するための証明された方法である。ろう付け接合部の組成が基材組成に近似しているかあるいは一致しているので、エピタキシャル金属成形かあるいは非エピタキシャルレ−ザー金属成形のような溶融法が悪影響も無くろう付け接合上に用いられて成功する。このようにして、コーティング層は塗布される。さらに接合の品質は、単結晶の特性から、試みた単結晶溶接接合よりも良い。

部品は、部品と同じ配向性を有する単結晶ストック材料から成るインサートあるいは当材を切断したり、機械加工したりろう付けする可能性の限界までというのは除いて、恒温ろう付け法によって製造、変更あるいは補修が行われる。この可能性を越えて、ろう付けの変更／補修が、必要でタイトなろう付け隙間の許容範囲を達するのに、過度に複雑なインサートのデザインとなったり、コスト的に一個限りの機械加工となった場合、エピタキシャルレーザー金属成形は、単結晶材料を制御しながら成長させるためには好適な方法である。

さらに、エピタキシャルレーザー金属成形は、単結晶材料をさらに溶着させるための適切な方法であって、様々に形作られた、磨耗した部品上で仕上げられる補修品を作り出すか、或いは急ぎの試作部品にオフラインでデザインされた表面部分を加える。レーザー金属成形の段階は、特殊化された性質を有する材料の溶着を含んでおり、この性質は部品のある領域の必要条件に応じて変化する。

オンラインの監視システムを使用し、かつ少なくとも一つのプロセスパラメータの自動帰還制御を使用することによって、レーザー金属成形法を行っている間に、最適なプロセス条件を確立しかつ維持することができる。このように有利な場合には、円柱状から等軸への遷移[the columnar to equiaxed transition(ＣＥＴ)]と融液プール対流は回避され、温度場が融液プール内に作り出され、この温度場により、溶着材料が欠陥も無くかつエピタキシャルに成長する。このようにして、結晶粒界が生じる事無く新しい材料を加えることができる。レーザービームと基材間の相対速度のようなレーザー出力プロセスパラメータとは関係なく、キャリアーガス流れと加えられる材料の質量供給速度を制御できる。

本発明の好ましい実施形態を添付の図で説明する。

図面は本発明にとって重要な部分のみを示す。同じ部材には異なる図において同じ番号を付してある。

図１はガスタービンエンジンの動翼あるいは静翼のような、単結晶（ＳＸ）物品あるいは方向凝固（ＤＳ）物品１を示す。このガスタービン動翼は根元部分２とプラットフォーム３と動翼４とを備え、表面５を有している。物品１は一例としてニッケル基合金かあるいはコバルト基合金からできている。このような単結晶（ＳＸ）物品あるいは方向凝固（ＤＳ）物品を製造するためのインベストメント鋳造法が、例えば従来技術である米国特許第４９６５０１号明細書、あるいは米国特許第３６９０３６７号明細書、あるいはヨーロッパ特許第０７４９７９０号明細書から公知である。これらの物品１は通常ニッケル基合金かあるいはコバルト基合金からできている。

ここで開示される方法は、単結晶（ＳＸ）物品あるいは方向凝固（ＤＳ）物品１を製造、変更あるいは補修するために用いられる。それに関して本発明の第一の段階では、二つの単結晶（ＳＸ）既成部品あるいは方向性凝固（ＤＳ）既成部品が、ろう材で等温ろう付け作業を用いて互いに接合されている。ガスタービン物品１の表面５の隙間２０あるいは割れがろう付けされている図２によれば、図２に示されていないろう付けインサート２１が必要である。単に幅の狭い割れが修復された場合、ろう付けインサートは必要ない。このろう付け挿入物２１はスクラップの根元あるいは解体された動翼から造られる。接合する部品の結晶の方向を所望の規格に合わせることに気をつけなければならない。この結晶の方向は間違っても一般的に６度より小さく、それによって接合する部品の間で低角結晶粒界が生じ、この結晶粒界はどんな場合でも樹枝状結晶間に存在する。適合許容誤差は、十分小さく図３に示すように１２０μｍ未満でなければならず、拡散駆動等温凝固に必要な時間は隙間の幅には左右されない。隙間幅２０には途方もなく長い処理サイクルが必要である。

使用されるろう材は母材とかなり類似した組成で成り立っており、合金の溶融点サプレッサーとして働く、約２重量％のホウ素をさらに添加している。
加熱をしている間、ろう材は約１１００℃の温度で溶融し、この温度は物品１の母材が溶融を始める原因となるには十分ではない。ろう付けは有利でかつ適正に管理された環境の下で行い、その環境はほとんどの場合真空である。保持時間の間に、ホウ素−小さくかつ拡散するように可動的な原子−は、ろう材から母材内に拡散する。ホウ素濃度が低下し、母材の溶融点が部分的に連動して上昇することによって、γニッケル相の二つのエピタキシャル二次元凝固面が、ろう付けされる隙間２０の中心に向って収束する。ホウ素の濃度が低下することによって制御されるこれらの凝固面の成長は、隙間の幅に渡って傾斜を有している。制御冷却された状態で、γ‘は、γ−マトリックス中に析出して、母材とほぼ同等なろう付け接合部を形成する。熱処理後に、ホウ素はＭ5Ｂ3型のホウ化物として母材内で安定していることがわかる。ここでＭは一般的にはクロム、タングステンあるいはニッケルである。

記載されたように等温ろう付け法を適用する前に、割れあるいは隙間の表面を、現在従来技術で広く知られているフラワー・イオン・クリーニング法［（Flour-Ion-Cleaning process）（ＦＩＣ法）］により酸素を用いて洗浄する。ＦＩＣ法は安定したＡｌ2Ｏ2酸化物を分離し、表面からＡｌを減少させ、それによって、ろうの流れが改善されかつ割れの入った部品の補修が改善される。この方法により、酸化（および硫化）物は９００℃から１００度に変化する高温で、水素とフッ化水素の高度に還元するガス状の雰囲気にさらされる。例えば、このようなＦＩＣ法は欧州特許第３４０４１号明細書，米国特許第４１８８２３７号明細書，米国特許第５７２８２２７号明細書，あるいは米国特許第５０７１４８６号明細書の中で開示されている。

図４ａ，４ｂで見られるように、本願特許明細書に記載されている方法の組合せが可能となる、等温ろう付け法の主たる長所とその独特の特徴は、処理後に、ろう付け領域に渡る溶融点が母材（図４ｂ）の溶融点と同じであることである。それと比べて、図４ａはろう付け作業前と同じグラフを示す。よって、接合部のあることが同じ部品に行われる、後に続くヒュ−ジョン過程に影響を及ぼさない。ろう付けされた領域はこの段階では注意を払われることはない。というのも、ろう付けされた領域が、溶融点と結晶上の配向性の両方の点で母材と似ているので、次に続く金属成形法に全く影響を及ぼさないからである。

ろう付け段階後、エピタキシャルレ−ザー金属成形か或いは非エピタキシャルレ−ザー金属成形が、物品かあるいは作られたろう付け接合部の表面で行われる。エピタキシャルレ−ザー金属成形か或いは非エピタキシャルレ−ザー金属成形には、連続波ガスレーザーを使用し、単結晶金属基材の表面に流動する融液プールを生成する。炭酸ガスレーザー、（光ファイバ）ネオジウムヤグレーザー（Ｎｄ−ＹＡＧ）あるいは（光ファイバ）高出力ダイオードレーザーのような高出力レーザーが、エネルギー源として特に魅力ある選択肢となっている。レーザー放射は小さいスポットに焦点を合わせたり、容易に変調することができ、それによりエネルギーを材料に入力する制御を正確に行うことができる。

図５は、一例として本発明による物品１の表面５上の制御されるレーザー金属成形用の装置を示す。レーザービーム６を物品１の表面５の上方に移動させ（あるいは物品１をレーザービームに対して移動させ）、それにより、表面５を局部的に溶融して、融液プール７を形成する。コーティングあるいは別のレーザー金属成形の場合、ノズル１０ａあるいはワイヤを備えたフィーダー１０を用いた、キャリアガス９を伴った粉末８の噴流の形態の材料を融液プール７に加える。融液プール７から、光信号１３が連続的に捕らえられ、かつ光信号が融液プール７の特性として、温度と、温度変動と、現在の温度勾配とを決定するために用いられる。そこで本コーティング方法を使用して、多層コート１２を付けてもよい。工程パラメータはコート１２の異なる層用に変えるか、あるいはコート１２の同じ層の異なる部品用に変えてもよい。さらに本発明は三次元（３Ｄ）物体のコーティングを容易にする。図２で見られるような実施例にあっては、粉末８の噴射は融液プール７からの、円錐状の捕らえられた光信号１３に関しては同心円状であってもよい。複合粉末配合物を混ぜたり、その混合物をノズル１０ａを経由して融液プール７へ同時に供給することが可能である。

図６からわかるように、光信号１３の情報は制御システム１６内部の帰還回路内で使用され、コントローラ１９を用いたレーザー出力と、レーザービーム６と基材間での相対速度と、キャリアーガス９の流れ速度と、噴射される粉末８の質量供給速度と、ノズル１０ａと物品１間の間隔と、ノズル１０ａが物品１となす角度のようなプロセスパラメータとを、所望の融液プール７の特性が得られるように、コントローラ１８を用いて調節する。引き続いて、融液プール７は図５で見られるように塗布された層１２として凝固する。

本方法は同心円状のフィーダ１０と、光ファイバガスレーザーと、リアルタイム機能を備えたオンラインの監視システムとの連携を用いる。このオンラインの監視システムの補助により、最適な工程の状態が確立され、そこにおいては円柱状から等軸状への転移(CET)と融液プール対流とが回避される。従って、被覆される材料の欠陥の無い、エピタキシャル成長が観られる。このようにグレーンの境界を作ることなく新しい材料を加えることが可能である。

新しい方法は、図５で示されるように、専用のレーザー／パウダーヘッドにおいて、レーザー出力の引渡しと、材料の供給と工程の監視とを兼ね備える。ダイクロイックミラー１４を介して融液プール７からの赤外線（ＩＲ）放射はレーザーを集光するのに用いられる同じ光学特性を使って集められる。ダイクロイックミラー１４はレーザー光を透過し、かつ光信号１３のプロセス光を反射するかあるいはその逆のことも行う。

融液プール７からの光信号１３は、高温計１５かあるいは別の光ファイバ検出器につながれており、これにより融液プールの温度をオンラインで決定することができる。この目的のために、監視システムの光学的特性は測定スポットが融液プールよりも小さく、かつ融液プール７の中央に位置するように選択される。

融液プール７からの捕らえられた光信号１３の円錐形はレーザーフォーカスの円錐形に対して同心である。配置がこのように対称になっていることにより、レーザーとパウダーの相互作用は複雑な形状の部品上での運動中でも変わらない。これにより一貫して工程の品質が高くなる。

図６は、本発明を実施するための制御システム１６の全体を示している。主工程制御部１６に加えて、フィーダー１０および装置全体を制御するための制御部１８とレーザー照射を制御するためのコントローラ１９を備えている。温度情報は、レーザー出力と、レーザービーム６と物品１間での相対速度と、キャリアーガス９によって噴射される粉末８あるいは導入されるワイヤーの供給速度と、ノズル１０ａと物品１の間の距離と、ノズル１０ａが物品１となす角度のようなプロセスパラメータを調整するために使用される。コントローラ１９を用いたレーザー出力のこの自動帰還制御によって、所望の微細構造を得るのに有利な温度領域を確立できる。

ガスタービンの動翼を示す。 エピタキシャルレーザー金属成形を使用せず、隙間を満たす概略の状況を示す。 ろう付け金属領域の隙間幅への等温凝固時間Ｔの依存を示す。 ろう付け処理前のろう付け接合に渡る方向での概略溶融点グラフを示す。 ろう付け処理後のろう付け接合に渡る方向での概略溶融点グラフを示す。 本発明を実施するための装置を示す。 本発明を実施するための制御システム全体を示す。

符号の説明

１ 物品、例えばガスタービン用動翼あるいは静翼
２ 根元部分
３ プラットフォーム
４ 動翼
５ 物品１の表面
６ レーザービーム
７ 融液プール
８ 粉末
９ キャリアーガス
１０ フィーダー
１１ 運動方向
１２ 凝固材料層、コーティング層
１３ 光信号
１４ ダイクロイックミラー
１５ 高温計
１６ 制御システム
１７ 主プロセス制御部
１８ フィーダ９用コントローラ
１９ レーザー照射用コントローラ
２０ 隙間
２１ ろう付けインサート
２２ ろう付け接合部
Ｇ 隙間幅[μｍ]
Ｔ 凝固時間[ｈ]

Claims (15)

1. 単結晶（ＳＸ）あるいは方向性凝固（ＤＳ）物品１を製造、変更あるいは補修する方法において、
   （ａ）等温ろう付け法とろう材を用いて、調和する結晶上の配向性を備えた二つの単結晶（ＳＸ）あるいは方向性凝固（ＤＳ）の予め製造された部品を接合し、
   （ｂ）レーザー金属成形法を用いて、物品（１）とろう付け接合部（２２）の表面（５）に層（１２）を付け、
   （ｃ）光源とその受光装置と物品（１）とを互いに連動させ、
   （ｄ）融液プール（７）を形成するための固有の出力を備えた光源を用いて、物品（１）あるいはろう付け接合（２２）の表面（５）を局部的に溶融し、
   （ｅ）キャリアーガス（９）あるいはワイヤーと共に粉末（８）を融液プール（７）の中へ注入し、
   （ｆ）信号捕獲装置を用いて、融液プール（７）からの光信号（１３）を捕らえ、
   （ｇ）融液プール（７）の特性としての温度と温度変動を決定するために、監視される光信号（１３）を使用し、
   （ｈ）帰還回路内の制御システム（１６）の内部における、光信号（１３）から得られる融液プール（７）の温度と温度変動の情報と、光源と物品（１）間の相対速度と、付加される材料および／またはキャリアーガス（９）の質量供給速度とを、所望の融液プールの特性を得るようなやり方で利用し、かつ引き続いて
   （ｉ）融液プール（７）を凝固させるという段階を備えていることを特徴とする方法。
2. 融液プール（７）の特性を調節して、物品（１）とろう接合（２２）の熱物理学的特性に調和したデポジットの熱物理学的特性を備えた、エピタキシャル材料強化を得るという段階を備えていることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. レーザーで被覆される材料が、基礎を成す材料と非エピタキシャル凝固することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. レーザー金属成形法を用いて、物品（１）とろう接合（２２）の表面（５）に被膜（１２）を付与するという段階を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. レーザー金属成形を行っている間に、複合粉末配合物を混合して、かつその混合物を融液プール（７）に同時に供給するという段階を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
6. レーザーで溶着される、物品（１）あるいはろう付け継手（２２）の表面（５）の層（１２）を付けるために、異なる領域で異なる粉末配合物を使用するという段階を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
7. 予め組立てられた部品の結晶の方向を決定し、かつそれらの部品を互いに接合して、低角度境界を作るという段階を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
8. 請求項１の方法により、物品（１）の隙間（２０）あるいは割れを補修するという段階を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
9. 請求項１の方法により、物品（１）の隙間（２０）を補修し、それによってインサート（２０）を使用するという段階を備えていることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 物品（１）と同じ結晶方向を有したろう付けインサート（２１）を使用するという段階を備えていることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 本方法を実施する前に、使用されているガスタービンの物品から、ろう付けインサート（２１）を用意するという段階を備えていることを特徴とする請求項９または１０記載の方法。
12. 本方法を適用する前に、不必要な酸化物を除去するために隙間（２０）あるいは割れを洗浄するという段階を備えていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一つに記載の方法。
13. ろう付けを真空状態あるいは好適かつ適切に制御された雰囲気の下で行うことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の方法。
14. 融液プール（７）が凝固している間に、融液プール特性を得て、円柱状から等軸状へ転移（ＣＥＴ）するのを避けるようなやり方で、エピタキシャルレーザー金属成形の段階のパラメータを調節することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
15. 融液プール特性を得て、融液プール（７）内での対流を避けるようなやり方で、エピタキシャルレーザー金属成形の段階のプロセスパラメータを調節することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
    
    

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