JP2005537934A - レーザー金属成形による硬い層の微細構造の制御方法 - Google Patents

Abstract

レーザー金属成形プロセスを制御して、コーティング（１２）を施す方法を開示している。物体（１）上に特定の出力での光源と信号収集機器を動かして、物体（１）の表面（５）に溶融池（７）を局所的に形成し、そこにコーティング用粉末（８）を注入する。溶融池（７）から光信号（１３）を収集して、観測した光信号（１３）を溶融池（７）の温度及び温度変動を測定するために使用する。更に、制御システム（１６）を使用して、光源の出力などの少なくとも一つのプロセスパラメータを調整し、所望の溶融池の特性を得る。それに続いて、溶融池（７）を凝固させる。この微細構造に関する高度な制御は、最適化された磨耗特性を持つレーザー金属成形による硬いコーティング（１２）を形成するための効率的なツールを提供するものである。

Description

この発明は、微細構造に関する高度な制御を維持することを可能とする、請求項１にもとづきレーザー金属成形プロセスで物体の表面にレーザー金属成形による硬い層を形成する方法に関する。この発明は、最適化された磨耗特性でレーザー金属成形による硬い層を生成するための効率的なツールを提供するものである。

ここ数年、レーザー金属成形（ＬＭＦ）が、工業製作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、基材上に集束させた金属粉末の流れ又は金属線条を局所的に溶融させるプロセスである。このようにして、ベースとなる部分に材料を追加することができる。この方法は、材料の構造を制御するのに好適であり、レーザーを照射された部分は、通常細孔の無い緻密な微細構造を特徴としている。

近年レーザー金属成形は、その局所的に損傷又は磨耗した部分を修復することに関する魅力的な能力のために、超合金部品の商業生産に使用されてきている。実際、所望の位置に材料を選択的に追加したり、部品の機能全体を再構成することが可能である。レーザー修復技術が、特に局所的な損傷又は局所的な機械的磨耗によって影響を受けた高価な部分を修復することに関して魅力的であることは明らかである。ブレードや羽根などのタービン又はコンプレッサーの部品が典型的な例である。

レーザー金属成形の間に、基材の材料は、局所的に溶融されて、この溶融池に、粉末（又は線条）が、適切な粉末（又は線条）供給システムにより投入される。（レーザーのスポットサイズ及びレーザーと基材間の相対的な動きによって決まる）一定の相互作用の時間後に、溶融した材料が、再凝固して、基材上に材料の構造が形成される。

これまでに、レーザー金属成形プロセスに関して、幾つかの特許が公表されている。基本的な原理は、特許文献１〜６に記載されている。

保護コーティング用のエピタキシャル材料構造の形成は、特許文献７で取り上げられており、単結晶の部品を生成又は修復するための利用が特許文献８〜１１に記載されている。これらの特許の中で、特許文献８以外のものは、所望の微細構造を得るためには、溶融池に関する温度情報が重要であることを述べていない。特許文献８は、基材上にエピタキシャル成長を得るためには、レーザー出力を設定して、温度勾配Ｇと凝固速度Ｖ_s に関して適切な値を取るようにしなければならないことを述べているが、最適な硬度又は磨耗特性となる特定の微細構造を得るため、或いは溶融池の対流を防止するための自動レーザー出力制御方法を提案していない。

別の特許文献１２は、高温計を使用して、基材の予熱温度を測定し、インタラクティブに超合金の物体をレーザー溶接することを提案している。

また、溶融池から光信号を収集することが、特許文献１３に記載されている。この特許では、光観測システムをフィードバック制御装置に接続して、その前に溶着させた材料の高さの表示にもとづき、材料の溶着速度を調整している。

特許文献１４には、相互作用ゾーンからの光信号を使用する、レーザー溶接パラメータの調節機器が提案されている。この特許では、溶融池から生じる近赤外放射によって、光信号が生成されている。溶融池の物理的な寸法に関する情報を得るために、この放射をＣＣＤカメラで検出して、処理している。

従来の発明は、この高度なプロセス制御とレーザー金属成形プロセスを組み合わせることはなかった。特許文献１５〜１７などの幾つかの一見して同様な特許は、同じＬＭＦプロセスを使用しておらず、そのため二段階のコーティング・溶融プロセスが必要である、或いは特許文献１８で開示されているとおり、コーティング材料の追加を組み入れていないという欠点を有する。

粉末とレーザービームを組み合わせて使用する特許文献１９〜２２などの特許は、プロセスの間に溶融状態を観測することを目的としておらず、そのため比較できる程度のプロセス制御を得ることができない。粉末をベースとした硬いコーティングのレーザー溶着を説明している特許文献２３は、加工物を溶融するものではなく、その代わりにコーティング層を形成するために、加熱した粉末粒子の塊をベースとしている。従来の幾つかの取り組みは、同様の同軸のレーザー／高温計信号構成を使用している（特許文献２４を参照）。しかし、この場合の利用は、レーザー切断及び加工に関するものであり、その上この高温計は、溶融池ではなく、プラズマプルームを観測しており、この発明では、伝導加熱構造だけを活用しており、プラズマプルームは存在しない。特許文献２５では、「測定パラメータ」を観測して、レーザービーム出力を制御するために、連続的なフィードバックシステムを使用している。しかし、この場合に利用しても、高温計の信号が、溶融池ではなく、加工物の塊の温度だけを測定しており、溶融池の温度を観測するために、プロセス光の分光測定を使用することはできない。
欧州特許出願第０５５８８７０号公報 ドイツ特許登録第１９９４９９７２号公報 ドイツ特許登録第１９８５３７３３号公報 米国特許登録第５，８７３，９６０号公報 米国特許登録第５，６２２，６３８号公報 米国特許登録第４，３２３，７５６号公報 米国特許登録第６，２７７，５００号公報 米国特許登録第６，０２４，７９２号公報 欧州特許出願第０７４０９７７号公報 国際特許出願第９５／３５３９６号公報 米国特許登録第５，９１４，０５９号公報 国際特許出願第９５／０６５４０号公報 米国特許登録第６，１２２，５６４号公報 米国特許登録第６，３１１，０９９号公報 米国特許登録第４，２１２，９００号公報 米国特許登録第４，７５０，９４７号公報 米国特許登録第４，０１５，１００号公報 米国特許登録第５，６５９，４７９号公報 米国特許登録第４，６４４，１２７号公報 米国特許登録第４，９８１，７１６号公報 米国特許登録第５，２０８，４３１号公報 米国特許登録第５，８８９，２５４号公報 米国特許登録第５，４４９，５３６号公報 米国特許登録第５，４８６，６６７号公報 米国特許登録第５，９８５，０５６号公報 米国特許登録第４，９６，５０１号公報 米国特許登録第３，６９０，３６７号公報 欧州特許出願第０７４９７９０号公報

以上によって、この発明の課題は、物体の表面に、微細構造の特性を有するコーティング又は塊状の部分などの耐磨耗性の層を形成する方法を提供することであり、この特性を、溶融池の温度などの最も大きな影響を及ぼすプロセス変量を特定することによって、容易に制御可能とするものである。

この発明の請求項１にもとづき、レーザー金属成形プロセスを制御して、物体の表面にレーザー金属成形による硬い層のコーティングを施す方法が提供される。

これにより、製造プロセスの信頼性が向上するとともに、その磨耗の（又はその他の）挙動に関して、コーティングの微細構造を最適化することができる。また、この発明は、単一の部品の様々な領域に指定した異なる特性を持つコーティングである、傾斜機能コーティングを、しかも同じハードウェアと同じコーティング材料にもとづいて形成する能力を利用できるようにするものである。その上、この発明による方法を用いて、この物体に塊状の部分を形成することができる。

このコーティング用の粉末は、複数の金属又は非金属の構成物質で構成することができ、これらを機械的に混合するか、或いは複数の成分の塊を焼結又はコーティングした粉末状粒子を使用して投入する。後者の場合、緻密なコーティング又は塊状化した材料の主要な構成物質は、Ｎｉ又はＣｏのどちらかである。典型的な例は、ニッケルクロムの基質に硬い粒子としてＷＣ，ＣｒＣ又はＣｒ₃ Ｃ₂ を散在させたものである。ＷＣ，ＣｒＣ，Ｃｒ₃ Ｃ₂ とＮｉＣｒなどの、炭化物と金属粉末の混合物も使用することができる。そのような耐磨耗性及び耐腐食性のコーティングは、エンジンのケーシングの内径に対するブレードの磨耗を低減するために、タービン又はコンプレッサーのブレードに適用される。

高温処理の間に、粉末の中の初期のクロム炭化物成分の一部が、基質材料内に溶け込んで、それに続く冷却の間に、この材料は、残った初期の炭化物の間に第二の炭化物の分布を再構成する。最終的な微細構造は、基質材料、大きな一次炭化物及び細かい二次炭化物から構成される。炭化物の溶融の程度及びそれに続く冷却速度が、一次及び二次炭化物の相対的な比率と特徴的な微細構造を決める。

特に磨耗挙動を含む、コーティングの特性は、炭化物の分布を変更することによって変わる。最適化されたコーティングの成長において、最上の微細構造を選定したいという希望に対しては、最も影響力の有るプロセス変量に関する制御の程度が必要である。この発明で示されるとおり、溶融池の温度を測定することにより、一群の状態を特徴付ける有用な手段を提供するとともに、リアルタイムのレーザー制御機能を実装した場合には、指定した溶融池の温度でコーディングを形成することが可能となる。

オンライン観測システムを用いて、レーザー出力などの少なくとも一つのプロセスパラメータの自動フィードバック制御を使用することによって、最適なプロセス状態を確立及び維持することが可能となる。レーザービームと基材間における相対速度のようなレーザー出力のプロセスパラメータの他に、キャリアガスの流量、追加する材料の質量供給率、供給ノズルと物体間の距離、及び供給ノズルの物体に対する角度を制御することができる。この発明にもとづく一つの実施形態では、コーティングの異なる層又はコーティングの同じ層の異なる部分に対して、これらのプロセスパラメータを変更する。また、この発明による方法は、三次元（３Ｄ）物体のコーティングを容易にするものである。

好ましくは、光源として、ファイバーで結合した高出力ダイオードレーザーを使用する。この発明による方法は、レーザー出力の配分、材料の供給及びプロセスの観測を専用のレーザー／粉末ヘッドに統合するものである。この機器を用いて、溶融池から収集する光信号の円錐形状に関して、粉末の注入を同心円状とするか、光源を集束する円錐形状に関して、溶融池から収集する光信号の円錐形状を同心円状とすることができる。ダイクロイックミラーを用いて、溶融池からの赤外放射（ＩＲ）を、レーザー集束用に使用しているのと同じ光学系を通して収集する。このダイクロイックミラーは、レーザー光を透過するととともに、プロセス光を反射する、或いはその逆である。

溶融池からのプロセス信号は、高温計又は別のファイバーで結合した検出器に接続することができる。この目的のために、観測システムの光学特性は、測定スポットが溶融池よりも小さく、かつ溶融池の中心に位置するように選定される。この発明にもとづく好ましい実施形態では、この光信号は、単一の光ファイバー、結像用ファイバーバンドル又は適切な光フィルターを備えた電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを用いて、レーザーの焦点の中心及び近傍で収集される。この情報を使用して、溶融池の中心及び近傍の単一スポット又は同時に幾つかの位置における温度を決定する。

レーザー出力のオンラインフィードバック制御は、別々のマイクロプロセッサを用いて、主プロセス制御部から分離する。これにより、リアルタイムでの、即ちオペレーティングシステムとは独立した、より高速な並列処理が可能となる。

別の実施形態では、品質制御のために、溶融池からの光信号の後処理を行う。測定したデータの解析により、プロセスパラメータを最適化して、所望の微細構造を得ることが可能となる。また、観測信号の記録は、文書化の目的及び一貫した製造品質を保証するのに有用である。

更に、制御システムを実現するために、商業的に入手可能な、高度な機能を有する専用のソフトウェアツールを使用することができる。その結果、短い制御ループ時間とゲインスケジューリングなどの高度なＰＩＤ制御機能を実現することができる。

この発明の好ましい実施形態を添付図面に図示する。

これらの図面は、この発明に関して重要な部分だけを図示している。異なる図面の同じ構成部分には、同じ符号を付与している。

図１は、ガスタービンエンジンのブレードや羽根などの単結晶（ＳＸ）又は一方向凝固（ＤＳ）物体１を図示しており、このガスタービンブレードは、基礎部２、プラットフォーム部３及びブレード部４から成り、コーティング１２を施された面５を有する。この物体１は、一つの例として、ニッケル又はコバルトをベースとする超合金から構成することができる。このようなＳＸ又はＤＳの物体を生成するためのインベストメント鋳造法は、例えば特許文献２６〜２８の従来技術から知られている。これらの物体１は、通常ニッケル又はコバルトをベースとする超合金から構成されている。しかし、この発明の目的に関しては、物体１を鋼鉄から成るコンプレッサーブレードとすることもできる。

ここに開示した方法は、物体１の基材材料をコーティングするために使用することができる。これにより、製造プロセスの信頼性が向上するとともに、その磨耗の（又はその他の）挙動に関して、コーティングの微細構造を最適化することができる。また、この発明は、単一の部品の様々な領域に指定した異なる特性を持つコーティング１２である、傾斜機能コーティング１２を、しかも同じハードウェアと同じコーティング材料にもとづいて形成する能力を利用できるようにするものである。その上、この発明による方法を用いて、この物体１に塊状の部分を形成することができる。

このコーティング用の粉末は、複数の金属又は非金属の構成物質で構成することができ、これらを機械的に混合するか、或いは複数の成分の塊を焼結又はコーティングした粉末状粒子を使用して投入する。後者の場合、緻密なコーティング又は塊状化した材料の主要な構成物質は、Ｎｉ又はＣｏのどちらかである。典型的な例は、ニッケルクロムの基質にＣｒ₃ Ｃ₂ の硬い粒子を散在させたものである。ＷＣ，ＣｒＣ，Ｃｒ₃ Ｃ₂ などの炭化物とＮｉＣｒや金属粉末の混合物も使用することができる。更に別の可能性は、塊を焼結又は緻密にコーティングした炭化物の粉末である。そのような耐磨耗性及び耐腐食性のコーティング１２は、エンジンのケーシングの内径に対するブレードの磨耗を低減するために、タービン又はコンプレッサーのブレードに適用される。

高温処理の間に、粉末の中の初期のクロム炭化物成分の一部が、基質材料内に溶け込んで、それに続く冷却の間に、この材料は、残った初期の炭化物の間に第二の炭化物の分布を再構成する。最終的な微細構造は、基質材料、大きな一次炭化物及び細かい二次炭化物から構成される。炭化物の溶融の程度及びそれに続く冷却速度が、一次及び二次炭化物の相対的な比率と特徴的な微細構造を決める。

特に磨耗挙動を含む、コーティング１２の特性は、炭化物の分布を変更することによって変わる。最適化されたコーティング１２の成長において、最上の微細構造を選定したいという希望に対しては、最も影響力の有るプロセス変量に関する制御の程度が必要である。この発明で示されるとおり、溶融池の温度を測定することにより、一群の状態を特徴付ける有用な手段を提供するとともに、リアルタイムのレーザー制御機能を実装した場合には、指定した溶融池の温度でコーディング１２を形成することが可能となる。

ＣＯ₂ 、（ファイバーで結合した）Ｎｄ−ＹＡＧ又は（ファイバーで結合した）高出力ダイオードレーザーなどの高出力レーザーは、エネルギー源として特に魅力的な選択肢を提供するものである。レーザー放射は、小さいスポットに集束することが可能であるとともに、容易に変調することが可能であり、材料へのエネルギー入力を細かく制御することが可能である。

図２は、一例として、この発明にもとづき、物体１の表面５上へのレーザー金属成形を制御するための機器を図示している。物体１の表面５上に、レーザービーム６を動かして（或いは物体１をレーザービームと相対的に動かして）、それによって表面５を溶融して、溶融池７を形成する。コーティング又はその他のレーザー金属成形を施すために、ノズル１０ａを持つ供給器１０を用いて、キャリアガス９とともに粉末８の噴流又は線条の形で材料を溶融池７に追加する。溶融池７から、光信号１３を連続的に収集して、溶融池７の特性として、温度、温度変動及び現存する温度勾配を測定するのに使用する。この発明によるコーティング方法を用いて、複数の又は層状のコーティング１２を施すことができる。そして、コーティング１２の異なる層又はコーティング１２の同じ層の異なる部分に対して、プロセスパラメータを変更することができる。この発明による方法は、三次元（３Ｄ）物体のコーティングをも容易にするものである。図２に図示した実施形態では、粉末８の注入は、溶融池７から収集する光信号１３の円錐形状に関して、同心円状とすることができる。

図３から分かるとおり、光信号１３の情報を、制御システム１６内のフィードバック回路で利用して、制御器１９によってレーザー出力を、制御器１８によってレーザービーム６と基材間の相対速度、キャリアガス９の流量、注入する粉末８の質量供給率、ノズル１０ａと物体１間の距離、ノズル１０ａの物体１に対する角度などのプロセスパラメータを調整して、所望の溶融池７の特性を得ている。その後では、図２において符号１２で示しているとおり、溶融池７は凝固する。

この方法は、同心の供給器１０、ファイバーで結合したレーザー及びリアルタイム処理能力を持つオンライン観測システムの組み合わせを使用している。このオンライン観測システムを用いて、最適なプロセス状態を確立し、維持して、炭化物を分散させて、最適な硬度と磨耗特性とした所望の微細構造を得ている。

この新しい方法は、レーザー出力の配分、材料の供給及びプロセスの観測を、図２に図示したとおり専用のレーザー／粉末ヘッドに統合している。ダイクロイックミラー１４を用いて、溶融池７からの赤外放射（ＩＲ）を、レーザー集束用に使用しているのと同じ光学系を通して収集している。このダイクロイックミラー１４は、レーザー光を透過するととともに、光信号１３のプロセス光を反射する、或いはその逆である。

溶融池７からの光信号１３は、溶融池温度のオンライン測定を可能とする、高温計１５又は別のファイバーで結合した検出器に接続している。この目的のために、観測システムの光学特性は、測定スポットが溶融池よりも小さく、かつ溶融池７の中心に位置するように選定する。この発明にもとづく一つの実施形態では、この光信号１３は、結像用ファイバーバンドル又は適切な光フィルターを備えた電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを用いて、レーザーの焦点の中心及び近傍で収集している。この情報を使用して、溶融池の中心及び近傍の単一スポット又は同時に幾つかの位置における温度を決定している。

溶融池７から収集する光信号１３の円錐形状は、レーザーを集束する円錐形状と同心円状とすることができる。この構造の対称性は、複雑な形状の部品上を動かしている間にレーザーと粉末の相互作用が変化しないことを保証するものである。これは、一貫した高品質なプロセスをもたらすものである。

図３は、この発明を実行するための制御システム１６の全体を示している。主プロセス制御部１６の他に、供給器１０と機器全体を制御するための制御器１８及びレーザーを制御するための制御器１９が配備されている。温度情報は、レーザー出力、レーザービーム６と物体１間の相対的な速度、キャリアガス９と一緒に注入する粉末８又は注入する線条の供給率、ノズル１０ａと物体１間の距離並びにノズル１０ａの物体１に対する角度などのプロセスパラメータを調整するために利用される。この制御器１９を用いたレーザー出力の自動フィードバック制御により、所望の微細構造を得るために好都合な温度分布を確立することができる。更に、溶融池１７からの光信号１３を観測することにより、マランゴニ対流の発生を検知することができる。溶融池７におけるマランゴニ対流を防止することは、溶融した材料が凝固する間に熱間亀裂の欠陥が起こる危険性を低減するものである。

図３で分かるとおり、レーザー出力のオンラインフィードバック制御器１９は、別のマイクロプロセッサを用いて、主プロセス制御部１７から分離している。これにより、リアルタイムでの、即ちオペレーティングシステムから独立した、より高速な並列処理が可能となる。

別の実施形態では、品質制御のために、溶融池７からの光信号１３の後処理を行う。測定したデータを解析することにより、プロセスパラメータを最適化して、所望の微細構造を得ることが可能となる。また、観測信号の記録は、文書化の目的及び一貫した製造品質を保証するのに有用である。

更に、制御システム１６を実現するために、商業的に入手可能な、高度な機能を有する専用のソフトウェアツール（例えばＬａｂＶｉｅｗ ＲＴ）を使用することができる。その結果、１０ｍｓより短い制御ループ時間と、所定の温度間隔にある異なるＰＩＤパラメータセットが使用可能であることを意味するゲインスケジューリングなどの高度なＰＩＤ制御機能を実現することができる。
・この発明の例
ここでは、ＭａｒＭ−２４７基材上に重量比で７５％のＣｒ₃ Ｃ₂ と２５％の８０％Ｎｉ−２０％Ｃｒ合金から成る粉末を機械的に混合して形成したコーティングで観察される微細構造を説明することで、この発明の一例を示す。

図４〜６は、ＬＭＦコーティングの微細構造を比較しており、これらは、すべて１６ｍｍ／秒の走査速度であるが、１６５０°Ｃ（図４）、１７６０°Ｃ（図５）及び１９３０°Ｃ（図６）の様々な溶融池温度を使用している。ここで見える三つの相は、基質、一次と二次の徴候の両方を示すＣｒ₃ Ｃ₂ 、及び少量の第三物質の緻密な相である。基質相は、重量比で約６５％のＮｉ、２５％のＣｒ、残りのＡｌ，Ｗ及びＣｏで構成されている。これは、８０％のＮｉと２０％のＣｒの基質の合金に、最重要なＭａｒＭ−２４７合金を加えて、クロム炭化物を用いたプロセスの間に更に合金化したことと合致する。大きく、僅かに細孔の有る一次のＣｒ₃ Ｃ₂ は、その元のストイキオメトリから変化していない。主要なＭａｒＭ−２４７の合金化元素であるＷとＣｏは、二次のクロム炭化物内で検出される。後方散乱電子（ＢＳＥ）画像における第三相の高い輝度は、有意なＷとＣｏ成分により説明される。それは、μ又はη相であると考えられ、未処理の基材材料でも観測された。

これらの三つのＬＭＦ状態に関する微小硬度プロフィルを図７に示す。１２００Ｈｖ以上の硬度のピークは、１６５０°Ｃ及び１７６０°Ｃの二つのより低い温度でのＬＭＦコーティングにおいて検出される、大きな一次炭化物粒子を示している。典型的なぎざぎざの断面（図４）よりは認知できるほどに小さい二次炭化物は、個々には溶融せずに、基材又は基質材料の硬度を約４００Ｈｖ〜６００−１０００Ｈｖに増大させているのが分かる。

プロセス温度が増大するにつれて、二次炭化物の存在が増して、一次炭化物を取り巻く基質材料を強化しており、同時にこれらの一次炭化物は、それらの溶融池への溶融が大きくなるにつれて、大きさと数が低減している。そのため、１７６０°Ｃと１９３０°Ｃのより高い温度でのＬＭＦの間に、より均質に硬化したコーティングが形成される。最も高温の１９３０°Ｃの溶融池でのＬＭＦは、すべての一次炭化物を溶かす、或いは溶融させ（Ｔ_m Ｃｒ₃ Ｃ₂ ＝１９２０°Ｃ）、二次炭化物だけが硬化に寄与して、硬度プロフィルは、もはや目立ったピークを持たなくなっている。

ガスタービンのブレード この発明を実行するための機器 この発明を実行するための制御系の全体 １６ｍｍ／秒の走査速度及び１６５０°Ｃの溶融池温度で生成したＬＭＦのＣｒ₃ Ｃ₂ ／Ｎｉ−Ｃｒコーティングの後方散乱電子（ＢＳＥ）画像 １６ｍｍ／秒の走査速度及び１７６０°Ｃの溶融池温度で生成したＬＭＦのＣｒ₃ Ｃ₂ ／Ｎｉ−Ｃｒコーティングの後方散乱電子画像 １６ｍｍ／秒の走査速度及び１９３０°Ｃの溶融池温度で生成したＬＭＦのＣｒ₃ Ｃ₂ ／Ｎｉ−Ｃｒコーティングの後方散乱電子（ＢＳＥ）画像 １６ｍｍ／秒の走査速度及び１６５０°Ｃ，１７６０°Ｃ，１９３０°Ｃの溶融池温度で生成したＬＭＦのＣｒ₃ Ｃ₂ ／Ｎｉ−Ｃｒコーティングのビッカース微小硬度プロフィルを比較した三つの折れ線グラフ

符号の説明

１ 物体、例えばガスタービン用ブレード又は羽根
２ 基礎部
３ プラットフォーム部
４ ブレード部
５ 物体１の表面
６ レーザービーム
７ 溶融池
８ 粉末
９ キャリアガス
１０ 供給器
１０ａ ノズル
１１ 移動方向
１２ 凝固した材料、コーティング
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 供給器１０及びノズル１０ａ用制御器
１９ レーザー６用制御器

Claims (26)

1. レーザー金属成形プロセスを制御して、物体（１）の表面（５）にレーザー金属成形による硬い層を形成する方法であって、
   この方法は、
   （ａ）光源及び信号収集機器と物体（１）とを互いに相対的に動かす工程と、その際、
   （ｂ）この光源を用いて、特定の出力で、物体（１）の表面（５）を局所的に溶融して、溶融池（７）を形成する工程と、
   （ｃ）粉末（８）は、基質相に埋め込むための炭化物と金属の粉末又は硬質の粒子の混合物から成り、ノズル（１０ａ）を用いて、この粉末（８）をキャリアガス（９）とともに溶融池（７）に注入する工程と、
   （ｄ）この信号収集機器を用いて、溶融池（７）からの光信号（１３）を収集する工程と、
   （ｅ）この観測した光信号（１３）を使用して、この溶融池（７）の特性として、温度及び温度変動を測定する工程と、
   （ｆ）制御システム（１６）内のフィードバック回路において、この光信号（１３）からの溶融池（７）の温度及び温度変動の情報を使用して、光源の出力、光源と物体（１）間の相対的な速度、追加するコーティング用材料及び／又はキャリアガス（９）の質量供給率、ノズル（１０ａ）と物体間の距離並びにノズル（１０ａ）の物体（１）に対する角度の中の一つ又は組み合わせをプロセスパラメータとして調整して、所望の溶融池の特性を得る工程と、それに続いて、
   （ｇ）この溶融池（７）を凝固させる工程と、
   を有する方法。
2. 当該の溶融した基質材料によって、固形の硬い粒子を溶かすこと、及び／又は当該の硬い粒子を、これらを基質材料と溶融させるのに十分な溶融温度で溶かすことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 当該の溶融池（７）に、硬い粒子として、ニッケルクロムの基質内に散在させるＷＣ，ＣｒＣ又はＣｒ₃ Ｃ₂ を注入することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 当該の溶融池（７）に、ＷＣ，ＣｒＣ，Ｃｒ₃ Ｃ₂ 及びＮｉＣｒの粉末の混合物を注入することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 当該の溶融池（７）に、焼結させた塊又は緻密にコーティングした炭化物の粉末を注入することと、この緻密なコーティング又は塊状化した材料の主要な構成物質がＮｉ又はＣｒのどちらかであることとを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
6. 当該のプロセスパラメータを調整して、溶融池（７）内の望ましくない対流を防止する溶融池の特性を得る工程を有する請求項１に記載の方法。
7. 当該の溶融池の特性を調整して、物体（１）のベース材料のエピタキシャル再結晶を得る工程を有し、当該の物体（１）を単結晶（ＳＸ）又は一方向凝固（ＤＳ）の微細構造で構成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 当該の物体（１）に対して当該の光源を動かすか、或いは当該の光源に対して当該の物体（１）を動かすことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 当該のコーティングプロセスの間に、熱の入力を制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 当該の物体（１）の表面（５）に、一つのコーティング（１２）を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 当該の物体（１）の表面（５）に、複数又は層状のコーティング（１２）を形成することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. コーティング（１２）の異なる層又はコーティング（１２）の同じ層の異なる部分に対して、当該のプロセスパラメータを変えることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
13. この方法を適用して、当該の物体（１）の塊の部分を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 当該の光源の出力制御を、当該の制御システム（１６）内の主プロセス制御部（１７）用に使用するプロセッサとは異なるプロセッサを持つ制御器（１９）によって処理することを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 当該の光源の出力制御器（１９）をリアルタイムで動作させる工程を有する請求項１４に記載の方法。
16. 当該の制御システム（１６）内において、ＰＩＤ制御パラメータを事前定義するためにゲインスケジューリングを使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. 品質制御の目的、プロセスパラメータの最適化及び／又はプロセスの文書化のために、当該の溶融池（７）からの光信号（１３）の後処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
18. 当該の溶融池（７）から収集した光信号（１３）を高温計（１５）に導入することを特徴とする請求項１に記載の方法。
19. 当該の高温計（１５）の測定スポットを当該の光源のスポットよりも小さくして、当該の光信号を溶融池（７）の中心の領域から収集する工程を有する請求項１８に記載の方法。
20. ファイバーで結合した検出器によって、当該の光信号（１３）を収集する工程を有する請求項１に記載の方法。
21. （ａ）当該の光源の焦点の中心と近傍から光信号（１３）を収集する工程と、
    （ｂ）この光信号（１３）を収集するために、光ファイバーか、結像用ファイバーバンドルか、ＣＣＤカメラを使用する工程と、
    （ｃ）この光信号（１３）を使用して、当該の溶融池（７）の中心と近傍における幾つかの位置で温度を測定する工程と、
    を更に有する請求項１に記載の方法。
22. 当該の粉末（８）の注入が、当該の溶融池（７）から収集する光信号（１３）の円錐形状に関して同心円状であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
23. 当該の溶融池（７）から収集する光信号（１３）の円錐形状が、当該の光源を集束する円錐形状に関して同心円状であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
24. 当該の光源からの光を透過するとともに、当該の光信号（１３）の光を反射するか、或いはその逆であるダイクロイックミラー（１４）を使用する工程を有する請求項１に記載の方法。
25. 光源として、ファイバーで結合した高出力ダイオードレーザーを使用する工程を有する請求項１に記載の方法。
26. 当該の物体（１）が、ニッケル又はコバルトをベースとする超合金或いは鋼鉄から成るガスタービン又はコンプレッサーの部品であることを特徴とする請求項１から２５までのいずれか一つに記載の方法。

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