JP2008190038A - 適応ツールパス堆積方法を使用したレーザネットシェイプ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基体をレーザクラッディングする方法を開示する。
【解決手段】本方法は、基体を準備する段階と、基体上にツールパスに沿って材料の第１の決定可変ビード幅を堆積させる段階と、堆積材料の第１の決定可変ビード幅とオーバラップした材料の第２の隣接する決定可変ビード幅をツールパスに沿って堆積させる段階と、第１の材料層が完成するまで、材料の複数のオーバラップした所定の隣接する可変ビード幅を堆積させ続ける段階と、第１の材料層の上に材料の複数のオーバラップした所定の可変ビード幅を堆積させることによって第２の材料層を形成する段階と、クラッディングが完了するまで、堆積材料層の上に材料層を堆積させ続ける段階とを含み、複数の入力パラメータを有するコンピュータによって堆積材料の可変ビード幅を制御して、ほぼ一定のビード幅オーバラップの比率を維持するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、部品、例えばブレード付きディスク（ブリスク）、圧縮機ブレード又はタービンブレードのようなタービン構成部品の製造及び補修方法に関する。

航空機用ガスタービンエンジン又はジェットエンジンは、軸流圧縮機で空気を吸い込みかつ加圧し、加圧空気を燃料と混合し、混合気を燃焼させ、軸流タービンを通して燃焼ガスを放出して、圧縮機に動力を供給する。圧縮機は、その周辺部から突出したブレードを有するディスクを含む。ディスクは、シャフト上で高速回転し、湾曲ブレードが、空気を吸い込みかつ加圧する。

現在の製造実施法では、圧縮機は、周辺部にスロットを有する単一部品として圧縮機ディスクを鍛造することによって作られる。圧縮機ブレードは、ディスクに形成されたスロット内に嵌合するダブテールと呼ばれる根元セクションを有する形状に個々に鋳造又は鍛造される。組立体は、ブレードのダブテールセクションをディスクのスロット内に滑り込ませることによって完成される。ブレードが、実使用中に正しく適合しない、機能しない或いは損傷した場合には、ブレードは、組立手順を逆にしてブレードを取り外しかつ新規なブレードを設けることによって容易に取換えることができる。

ブレードはまた、ブレード付きディスク又はブリスク（ＢＬＩＳＫ）と呼ばれる結合体としてディスクと一体形に形成することができる。この結合体はまた、一体形ブレード付きロータとして知られている場合がある。ブリスク製造方法は、重量の低減による性能の増大の可能性をもたらす。そのような物品は、周辺部に過剰な金属を有する大型のディスクとして鋳造又は鍛造することができる。次にブレードは、ディスクに一体形に取付けられた過剰な金属から機械加工される。最終製品は、高価な高精度の機械加工作業を必要とするので、製造するのに費用がかかる。ブレードのうちの１つでも機械加工ミスがあると、結果としてブリスク全体の廃棄及びスクラップ化或いは費用がかかりかつ時間のかかる補修につながるおそれがある。

ブリスク又はタービンブレードの損傷ブレード部分の取換え又は補修は、その鋳造及び機械加工又は鍛造及び機械加工法に関連した困難な問題を引き起こす。ブレードの全て又は一部分が、例えば運転中に異物の衝突により破損した場合には、ブリスクは、アンバランス状態になる。損傷ブリスクは、損傷区域に過剰の金属を溶接しかつ金属を機械加工して適当な形状を形成することによって、又は損傷区域を切り取りかつ該損傷区域に新しい部分品を拡散接合することにより切り取った材料を取換えることによって補修することができる。しかしながら、そのような方法は、両方共費用がかかり、また性能及び耐久性の低下を引き起こす可能性がある。

ブリスクを製造しかつ補修する異なる方法が、参考文献として本明細書に組み入れた米国特許第５，０３８，０１４号に開示されている。この方法は、新しい材料の層を生成する粉末を補修対象の表面上の溶融材料内に供給するレーザクラッディング又は溶接法を利用する。層ごとの方式でこの方法を繰り返すことによって、これらの層は、互いに積層されて新しい部品を形成し又は損傷部品を補修する。

これ迄のレーザクラッディング法は、連続層間の完全な融合の不足又は堆積層の広範な気孔の結果として生じた欠陥及び介在物を形成又は補修部品内に引き起こしていた。これらの欠陥及び介在物は、多くの場合に形成又は補修部品の複雑な幾何学形状と関連している。従って、これ迄の製造及び補修方法と関連する問題を解決する、層状製作方法を提供する必要性が存在する。

レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）方法は、ブリスク、圧縮機ブレード及びタービン構成部品を形成しかつ修復する経済的でありかつ高度に融通性がある方法を提供する。ＬＮＳＭ方法は、レーザクラッディング法に基づいており、レーザクラッディング法では、レーザを使用して、ベース材料上に金属粉末の薄層を正確にクラッディングすることによって３次元幾何学形状を形成する。

ＬＳＮＭは、新しい部品の製作及び損傷部品の補修に用いることができる。製作対象の部品のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルは、材料積層（肉盛り）の所望の方向に沿って均一にスライスされる。粉末は、ツールパスに沿って付加されかつ融合されて材料層を形成し、次に層は、部品が製作されるまで互いに積層される。粉末を付加するのに様々なツールパスが用いられており、最も一般的なものは、材料が部品の内部区域を形成しているか又は表面区域を形成しているかに応じて決まるジグザグパターン或いはステッチパターンである。しかしながら、従来のＬＳＮＭ方法は、新たに製作した又は補修した部品内に融合欠陥及び気孔の介在を引き起こし、部品は、スクラップ化するか又は欠陥を補修するためにさらに処理するかのいずれかを必要とする。加えて、製作及び補修のためのこれ迄のレーザ堆積方法は、正確な形状及び幾何学寸法を生成することに焦点を置いていなかった。

従って、ブリスク、圧縮機ブレード及びタービンブレードを含むタービン構成部品を製造及び補修するのを可能にする、融合欠陥及び気孔を減少させた高い精度のＬＮＳＭ方法を開発する必要性が存在する。
米国特許第５，０３８，０１４号 米国特許第６，５６８，０７７号

本発明の第１の実施形態によると、物品を製作する方法を開示し、本方法は、基体を準備する段階と、基体上にツールパスに沿って材料の第１の決定可変ビード幅を堆積させる段階と、堆積材料の第１の決定可変ビード幅とオーバラップした材料の第２の隣接する決定可変ビード幅をツールパスに沿って堆積させる段階と、第１の材料層が完了するまで、材料の複数のオーバラップした所定の隣接する可変ビード幅を堆積させ続ける段階と、第１の材料層の上に材料の複数のオーバラップした所定の可変ビード幅を堆積させることによって第２の材料層を形成する段階と、クラッディングが完了するまで、堆積材料層の上に材料層を堆積させ続ける段階とを含む。堆積材料の可変ビード幅は、複数の入力パラメータを有するコンピュータによって制御して、ほぼ一定のビード幅オーバラップの比率を維持するようにする。

本発明の第２の実施形態によると、レーザネットシェイプ製造又は補修方法を開示し、本方法は、基体を準備する段階と、基体上にツールパスに沿って材料の第１の決定可変ビード幅をレーザクラッディングすることによって形成する段階と、第１の決定可変ビード幅とオーバラップした材料の第２の隣接する決定可変ビード幅をツールパスに沿ってレーザクラッディングすることによって形成する段階と、第１の材料層が完了するまで、材料のオーバラップした所定の隣接する可変ビード幅を堆積させ続ける段階と、第１の材料層の上に材料のオーバラップした所定の可変ビード幅を堆積させることにより第２の粉末層をレーザクラッディングすることによって形成する段階と、クラッディングが完了しかつネットシェイプ物品が製造又は補修されるまで、堆積材料層の上に材料層を堆積させ続ける段階とを含む。堆積材料の可変ビード幅は、入力パラメータを有するコンピュータによって制御して、ほぼ一定のビード幅オーバラップの比率を維持するようにする。ブリスク、圧縮機ブレード、タービンブレード又はタービン構成部品は、本発明のこの第２の実施形態により製造又は補修することができる。

本発明の特定の実施形態によると、ブリスク、圧縮機ブレード、タービンブレード又はタービン構成部品を補修する方法を開示し、本方法は、損傷ブリスク、タービンブレード又はタービン構成部品を準備しかつ該損傷ブリスク、タービンブレード又はタービン構成部品を調製して基体表面を形成する段階と、基体上にツールパスに沿って材料の第１の決定可変ビード幅を堆積させる段階と、材料の堆積した第１の決定可変ビード幅に隣接しかつ堆積材料層の第１の決定可変ビード幅とオーバラップした材料の第２の決定可変ビード幅をツールパスに沿って堆積させる段階と、第１の材料層が完了するまで、材料の隣接するオーバラップした所定の可変ビード幅を堆積させ続ける段階と、第１の材料層の上に材料のオーバラップした所定の可変ビード幅を堆積させることによって第２の材料層を形成する段階と、クラッディングが完了するまで、堆積材料層の上に材料層を堆積させ続ける段階とを含む。堆積材料のビード幅は、入力パラメータを有するコンピュータによって制御して、材料の隣接する可変ビード幅のほぼ一定の可変ビード幅オーバラップの比率を維持するようにし、また各堆積可変ビード幅が変化するようにする。ブリスク、圧縮機ブレード、タービンブレード又はタービン構成部品は、本発明のこの特定の実施形態により製造又は補修することができる。

本発明の別の実施形態によると、基体をレーザクラッディングする方法を開示し、本方法は、基体を準備する段階と、基体上にツールパスに沿って材料の少なくとも１つの第１の決定可変ビード幅を堆積させて第１の材料層を形成する段階と、第１の材料層の上に材料の少なくとも１つの可変ビード幅を堆積させることによって第２の材料層を形成する段階と、クラッディングが完了するまで、堆積材料層の上に材料の少なくとも１つの可変ビード幅によって形成された材料層を堆積させ続ける段階とを含む。

本発明のさらに別の実施形態によると、レーザネットシェイプ製造又は補修方法を開示し、本方法は、基体を準備する段階と、基体上にツールパスに沿って粉末材料の少なくとも１つの第１の決定可変ビード幅をレーザクラッディングすることによって形成して第１の材料層を形成する段階と、第１の粉末層の上に粉末材料のオーバラップした所定の可変ビード幅を堆積させることにより第２の材料層をレーザクラッディングすることによって形成する段階と、クラッディングが完了しかつネットシェイプ物品が製造又は補修されるまで、堆積粉末層の上に粉末層を堆積させ続ける段階とを含む。

本発明の他の特徴及び利点は、実施例として本発明の原理を示す添付図面に関連させた以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲は、この好ましい実施形態に限定されるものではない。

本発明は、ブリスク、圧縮機ブレード、タービンブレード及び圧縮機構成部品のような物品を製作及び補修するレーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）方法を提供し、本方法は、従来技術と関連する問題を解決する。ＬＮＳＭ方法は、金属粉末のレーザクラッディング方法に基づいており、この方法では、レーザを使用して、適応ツールパス堆積法を用いてベース材料上に金属粉末の薄層を正確にクラッディングすることによって３次元幾何学形状を形成する。適応ツールパス方法は、堆積層内に所定の可変ビード幅を形成する段階を含む。ベース基体は、ブリスク圧縮機ディスク又はブリスクブレード端縁部のようなブリスク表面とすることができる。以下に説明する特定の実施形態は、ブリスクに関するものであるが、本発明は、圧縮機ブレード及びタービンブレードを含む様々なタービン部品を含む、他の部品のＬＮＳＭにも同様に適用可能である。

ＬＮＳＭによって形状堆積物（ｓｈａｐｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔ）を形成するために、部品又は補修セクションの寸法及び全幾何学形状は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）記述により表現される。補修の幾何学形状は、数学的に記述する必要がある。形状のモデリングは、ＣＡＤシステムの使用により達成され、これらの表示から、ＬＮＳＭプロセスを駆動するためのツールパスが作成される。

ＬＮＳＭのコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）システムを駆動するために、ＣＮＣに理解可能なコマンドを含むツールパスファイルは、商業コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）ソフトウェアから作成される。コマンドは、メモリーに読み込まれかつ実行される。典型的なコマンドは、所定の速度で新しいポイントに移動し、レーザをオン／オフし、かつ粉末流を切り替えるようにＣＮＣに命令する移動コマンドである。これらのコマンドは全て、それが作成された時に部品プログラム内に直接埋め込まれ、プログラム内の特定のポイントでトリガされる。プロセスを制御する幾つかのパラメータは、部品の処理の間に動的に変化させなければならず、それらには、それに限定されないが、レーザ出力、ツール速度、粉末供給量及びオーバラップ率が含まれる。

多くの物品は、互いに平行なセクション又はスライスの組立体であるとして解析することができる。次に物品は、各セクションのパターン、すなわちその形状及び寸法、並びに各セクションの位置、すなわちその隣接セクションとの関係を特定することによって、固有の形状として形成される。そのような方法で、ブリスクブレードは、ブリスク圧縮機ディスクの外周部の周りに形成することができる。各セクションのパターンは、堆積材料のビードによる構成に従ったものとすることができ、この場合に、ビードは、一般的に熱源に対して基体を移動させることによって形成された細長い堆積物である。このような場合には、物品は、セクションのパターンの形状で、上述のような本発明の方法での可変幅のビード、又は可変幅の幾つかの並置ビードを堆積させることと、次にビード高さだけ上方に堆積装置をインクリメントすることと、その後に前に堆積させたビードに対する次のセクションのパターン及び必要な位置を有する別のビードを堆積させることとによって形成することができる。各パスの間に、レーザ溶接堆積ユニットは、前に堆積させたビードの上部部分又は最初のパスにおける基体を溶融し、その粉末供給により更なる材料を加えて、重なりビードを形成する。新たに加えた材料及び前に堆積させたビードは、部分的に相互混合し、共に凝固して、実質的に欠陥のないビードによる連続的な強力な構造を保証する。このプロセスは、必要に応じて何回も繰り返して、物品を形成する。

この方法によって、広範な形状及びセクション構成を作ることができる。固体形状は、互いの上に可変幅のビードを設置することによって作られる。厚みの増加は、上述のように本発明により各層内に並置方式で幾つかの可変幅のビードを設置することと、次にその層の上にさらにビードを加えることとによって達成される。様々な厚さの部品は、層内の可変幅のオーバラップしたビードの数を変化させることによって作られる。中空翼形部又は他の中空形状は、外壁の形状でビードを堆積することと、次に他のビードの上に付加的なオーバラップしたビードを堆積することとによって作られる。冷却通路のような内部構造を有する中空セクションは、外壁に加えて各セクションに内部リブ及び同様のものを加えることによって作られる。実際にあらゆる形状をビードの集合として形成することができ、本方法は、そのような広範な形状を作るための多用途性を有する。典型的には航空エンジン用途では、圧縮機ブレード、タービンブレード、ファンブレード、管類及びボックスが含まれ、ボックスは、方形、矩形又は不規則断面を有する。

堆積の制御は、図面又は機械加工のようなさらに通常の方法によって調製した部品から、ブレードなどの物品の形状を数値的に特徴付けることによって達成される。部品の形状が、物品のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）立体モデルなどによって数値的に特徴付けられると、部品又は同等に堆積ヘッドの移動は、利用可能な数値制御コンピュータプログラムを用いてプログラムされて、各パス中における部品の移動及びパス間のその横変位のような伝達関数として公知の指示のパターンを作り出す。これらの開発した伝達関数により、本発明による堆積材料の決定可変ビード幅及び一定のオーバラップが維持される。得られた物品は、数値的特徴形状を、翼形部の複雑な曲線を含むネットシェイプ又はニアネットシェイプ仕様に非常に正確に再生する。

このようにして物品を製作及び補修するＬＮＳＭ方法は、レーザビームによって照射されている表面上の溶融材料内に粉末を供給することによって粉末を溶融する。この方法は、制御可能であり、再生可能でありかつ正確な結果を生じる。本方法によって物品を製作する上で、供給粉末の組成は、物品全体にわたって一定に維持することができる。それに代えて、供給粉末の組成は、いずれかのビード内で又は連続ビード間で意図的に変化させて物品全体にわたって制御可能な組成変動を生じさせることができる。例えば、圧縮機ブレードにおいては、基部近くでは強力かつ強靭な合金組成を使用し、また先端近くでは硬質かつ耐摩耗性の又はアブレイシブな合金を使用することができる。

ブリスク、圧縮機ブレード、タービンブレード及びタービン構成部品を含む物品の補修の場合には、前述の方法から堆積シーケンスの一部分を繰り返すことのみが必要である。例えば、圧縮機ブレードが中間点近くで破損した場合には、最も近い残存した非損傷セクションに対応するブレード上に平坦面を研削し、次にブレードの残部のコンピュータ制御堆積を繰り返すことのみが必要である。補修ブレードは、それが同じ装置によってかつ同じ形状制御パターンで実施されるので、実際には元の製作ブレードと区別することができない。

多くの場合に、ブリスク、圧縮機ブレード、タービンブレード又はタービン構成部品に対する損傷は、一様でなくかつ不規則な形状損傷の形態である。補修用のブリスク又はタービンブレードを準備するために、損傷区域は、損傷に近い区域から材料を機械加工して除去して、ノッチを形成しかつ／又は損傷表面を平らにするように調製することができる。損傷を機械加工して除去することは、損傷区域の近くに所定のノッチを形成するようにプログラムされた多軸数値制御フライス盤で自動的に行われるのが好ましい。次に補修領域は、必要に応じて水性クリーナ及び／又は溶媒によって洗浄され、かつ乾燥され、次にブレードの残部のコンピュータ制御堆積が行われる。これら２つの部分は、ブレードを製造した時に使用したのと同じ手法で互いに溶接されるので、補修部分には、ブレードのベース部分に対する肉眼的に検出可能な仕上げ後の接合線又は不連続部は認められない。

本発明の方法を用いて、広範な材料を堆積させることができる。例えば、チタン及びチタン合金、ニッケル及びニッケル合金、コバル及びコバルト合金さらに鉄及び鉄合金を含む金属及び金属合金、Ｎｉ−基、Ｃｏ−基及びＦｅ基超合金を含む超合金、セラミック、サーメット並びにプラスチックを、堆積させることができる。

材料堆積及び接合を制御するパラメータの選択、並びにこれらのパラメータにより堆積を制御する方法は、ネット又はニアネットシェイプ及び完全密度の両方に物品を補修するプロセスの能力にとって極めて重要である。パラメータは、伝達関数によってＬＮＳＭ堆積を制御するコマンドに変形される。

図１には、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）システムを示している。図１に示すように、基体３上への堆積のために、粉末供給源（図示せず）により粉末ノズル２が供給される。レーザ４は、粉末が基体表面上に供給された時に粉末を溶融しまた基体表面も溶融して、レーザ４が粉末及び基体３の表面上に向けられている場所の近傍に溶融プール５を形成する。システム１及び基体３は、相対的に移動されて、溶融プール５が冷却するにつれて凝固堆積材料７の層を形成する。

レーザ４が基体３に沿って取る経路は、ツールパスと呼ぶ。堆積材料７は、材料のビードと呼ぶ。ツールパスに沿った堆積材料７の幅は、ビード幅と呼ぶ。形成溶融プール５は、レーザ４が基体３に沿って移動するにつれて冷却しかつ凝固する。１つよりも多い粉末供給を使用して、堆積材料７を形成することができ、この図では、第２の粉末ノズル８は、凝固堆積材料７に貢献するものとして図示している。粉末供給及び基体３の表面の両方を溶融することによって、レーザ４は、強力に接合した堆積材料７を形成する。

堆積材料７の第１のビードが完了すると、ノズル２及びレーザ４は、第１のビードの側部に沿って堆積材料７の隣接する第２のビードを堆積させかつ第２のビードの幅が第１のビードの幅にオーバラップすることができるように、基体３に対して位置決めされかつ移動される。オーバラップの量は、約１０％〜９０％の範囲内になるように選択することができる。このプロセスは、堆積材料７の層が形成されるまで繰り返される。部品が形成され又は補修されるまで、この層の上に堆積材料７の層を積層するように、このプロセスが繰り返される。

本発明によると、レーザ出力、ツール移動速度、粉末供給量及びデフォーカス距離を含む主要処理パラメータをビード幅の基本堆積幾何学形状に相関させるように、伝達関数が開発された。伝達関数は、ツールパスに沿ってスキャンしながらレーザ出力又はレーザの進行速度を変更することによって適応ツールパスを取得することが可能になるように、配発された。そのような方法で、材料の可変ビード幅は、ツールパスに沿って堆積させることができる。材料の堆積ビードの幅は、単一の堆積パスの間及び堆積材料の隣接ビードの堆積の間に変化させることができる。

本発明により、約０．２ｍｍ〜約５．０ｍｍ、好ましくは約０．７６ｍｍ〜約１．５２ｍｍ、最も好ましくは約０．８９ｍｍ〜約１．４２ｍｍの範囲の材料の可変ビード幅の堆積が行われる。層内に堆積された可変ビード幅の範囲は、堆積材料組成及び形成物品の幾何学形状を含む堆積パラメータに応じて決まる。

この方法を適用することによって、融合欠陥を効果的に排除する堆積材料の隣接ビード間の一定のビードオーバラップ率を達成することができる。発明者達は、約１０％〜約９０％の範囲に選択した一定のオーバラップ率が積層性能の改良をもたらすと判断した。さらに、発明者達は、層内で約０．７６ｍｍ〜約１．５２ｍｍの可変ビード幅を用いることによって、堆積材料内の間隙を効果的に排除する堆積品質の改良を達成することができると判断した。

一定のオーバラップ率を有する適応ビード幅堆積は、オーバハング領域に付加されると、表面リップルのない積層を生成する。オーバハング領域は一般的に、垂直方向に対して約３５度よりも小さい傾き角を有する区域と考えられる。これらの領域では、堆積物層が減退することなく次の層を支持するのに十分な材料を有するようなより高い粉末捕捉効率を有するために、より大きな溶融プールが必要である。

適応ツールパス堆積は、低温基体上に材料を堆積させることに関連する従来技術の問題を解決する。この新規な方法は、低温基体上に最初の幾つかの層を堆積する場合に、積層全体にわたってレーザ出力を低下させて一定のビード幅を保証することを可能にする。加えて、出力は、ブレードの狭い先端に近接した最後の幾つかの層の堆積の間に低下させることができる。具体的には、初期高レーザ出力が選択され、最初の２〜１００堆積材料層にわたって一定のレーザ出力まで低下され、次に決定一定レーザ出力にされる。この決定一定レーザ出力は、最終材料層が堆積されることになるまで、後続材料層を堆積させるのに用いられる。最終材料層の堆積については、レーザ出力は再び低下される。好ましくは、レーザは、新たに製作或いは補修した部品又はブレードの狭い先端に近接した又は表面における最後の３〜１００層に対して低下される。層の数は、例示目的で示したものであり、本発明の限定を意味するものではないことに留意されたい。レーザ出力に対する調整が行われる層の範囲は、基体の幾何学形状及び基体の熱物理特性並びに粉末材料に応じて決まる。

ブリスク補修におけるツールパスを設計する場合に、補間点毎のツールパスオーバラップ率及びオーバハング角は、部品立体モデルにより計算される。次にこの情報は、伝達関数によるツールパスＧコードの適切なセクションにおけるレーザ出力又は速度コマンドに変換される。

この方法により、後機械加工プロセスの材料及び労働を省くブリスクブレードのニアネットシェイプ製作又は補修が可能になる。ＬＮＳＭは、完全なブレードを製作しまた回復させることができるので、より厳しく損傷のブレードさえも、補修することができる。

図２は、ブリスク１０の斜視図を示している。ブリスク１０は、ブリスクブレード２０及びブリスク圧縮機ディスク３０で形成される。本発明の特定の実施形態では、ブリスク１０は、ブリスクブレード２０の損傷材料を取換えることによって補修することができる。加えて、本発明の第２の特定の実施形態では、ブリスクは、ブリスク圧縮機ディスク３０上にブリスクブレード２０を形成することによって製造することができる。

図３は、ブリスクを補修する方法の特定の実施形態をブロック図として示している。本方法は、ツールパスに沿って堆積ゾーンの移動を導きかつ制御信号を提供するデジタルコンピュータからなるコントローラに入力された初期処理パラメータを決定して、堆積ヘッドがレーザビームを移動させた速度及び粉末がツールパスに沿って移動する堆積ゾーンに供給された量のようなレーザ出力及びレーザビームの速度などの装置機能を調整する段階を含む。

図３に示すように、初期パラメータには、それに限定されないが、レーザ出力、レーザスキャニング速度、粉末供給速度及びオーバラップ率が含まれていた。これらの初期パラメータは、コントローラに提供され、次にプログラムした伝達関数は、所望の形成材料の幾何学形状内の所望の位置に対応するビード幅及び高さの基本的堆積特徴を決定した。層データは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）Ｇコードに関してツールパスデータに変換された。次にこれらのコードは、堆積材料層を積層するための製作ツールを駆動するのに利用された。

図４に示すような本発明の特定の実施形態によると、損傷圧縮機ブレード３２０を補修した。図４に示すように、圧縮機ブレード３２０は、損傷材料３４０を含む。ほぼ平坦面３５０まで、損傷材料３４０を取り除いた。損傷材料３４０は、研削によって取り除いたが、他の材料除去方法を用いることもできる。損傷構成部品は、圧縮機ブレード３２０として示しているが、損傷構成部品は、ブリスクの損傷ブレードとすることができる。

図５に示すように、圧縮機ブレード４２０は、該圧縮機ブレード４２０を補修するために損傷材料を取り除いた後に、平坦な基体４５０上に積層した材料４６０の層を有していた。この特定の実施形態では、材料４６０は、ＩＮ７１８としても公知であるニッケル基超合金インコネル７１８であった。材料４６０は、図２で概説したようなかつ本明細書にさらに開示したような本発明の方法により堆積させた。本発明の実施法により、圧縮機ブレード４３０の補修が、補修後の付加的機械加工の必要性がない状態でネットシェイプの形態に行われた。材料４６０は、この特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の分野における公知の構造材料から選択することができることを理解されたい。

一定のオーバラップ率でツールパスに沿って可変ビード幅を堆積させることによって、固体堆積物内における融合不足の欠陥が効果的に低減された。この特定の実施形態では、圧縮機ブレード４２０を補修するために約０．８９ｍｍ〜約１．４２ｍｍの範囲の可変ビード幅及び約５０％のオーバラップを使用し、実質的に間隙欠陥及び気孔を含む欠陥のないビード堆積物を形成した。

オーバハング領域における出力制御は、積層圧縮機ブレード表面上の従来技術の表面リップル問題を解決した。積層圧縮機ブレード４２０の表面粗さは、内部ステッチツールパスと比較して外部輪郭ツールパスについて僅かに高いレーザ出力及び遅い速度を用いることによって改良された。

本発明は、積層全体にわたってレーザ出力の低下を可能にして、圧縮機ブレード４２０の積層材料における可変ビード幅の堆積及び熱放散率を可能にした。このことは、低温表面４５０上に堆積させた時の初期層における融合不足のような問題を軽減した。加えて、圧縮機ブレード４２０の狭い先端に近づくにつれて、層全体にわたってレーザ出力を適応低下させることによって、過熱による厚いビード幅及び表面酸化が最小になった。

加えて、堆積材料の単一の可変ビード幅は、層を形成することができる。そのような方法では、堆積材料の単一の可変ビード幅で形成された層は、材料の複数の隣接するビードで形成された層上に堆積させることができる。さらに、部品は、堆積材料の単一のビード幅で形成された層上に単一のビード幅の層を形成することによって製作して、該部品を形成又は補修することができる。

本発明の第２の特定の実施形態によると、図２に示すようなブリスク１０を製造した。この実施形態によると、ブリスク圧縮機ディスク３０は、従来の鋳造の製作法によって形成したが、ディスクは、鍛造又は機械加工のような他の方法によって形成することができる。ブリスク圧縮機ディスク３０の外表面は、該ブリスク圧縮機ディスク３０上に形成されることになるブリスクブレード２０のための基体を形成した。

この場合にはＩＮ７１８としても公知のニッケル基超合金インコネル７１８であるブリスクブレード材料を用いて、ブリスク圧縮機ディスク３０上にブリスクブレード２０を形成した。ＩＮ７１８材料は、図２に概説したようなかつ本明細書にさらに開示したような本発明の方法により堆積させた。本発明の実施により、ブリスクブレード２０の製作が、製作後の付加的機械加工の必要性がない状態でネットシェイプの形態に行われた。

一定のオーバラップ率でツールパスに沿って可変ビード幅を堆積させることによって、固体堆積物内における融合不足の欠陥が効果的に低減された。この特定の実施形態では、ブリスクブレード２０を製作するために約０．８９ｍｍ〜約１．４２ｍｍの範囲の層内の可変ビード幅及び約５０％のオーバラップを使用したが、ブリスクブレード２０は、実質的に間隙欠陥を含む欠陥がなかった。

オーバハング領域における出力制御は、積層ブリスクブレード２０表面上の従来技術の表面リップル問題を解決した。積層ブリスクブレード２０の表面粗さは、内部ステッチツールパスと比較して外部輪郭ツールパスについて僅かに高いレーザ出力及び遅い速度を用いることによって改善された。

本発明は、積層全体にわたってレーザ出力の低下を可能にして、積層部品における可変ビード幅の堆積及び熱放散率を可能にした。このことは、ブリスク圧縮機ディスク３０の表面の低温基体上に堆積させた時の初期層における融合不足の欠陥ような問題を軽減した。加えて、ブリスクブレード２０の狭い先端に近づくにつれて、層全体にわたってレーザ出力を適応低下させることによって、過熱による表面酸化が最小になった。

ブリスクの性能は、本発明による補修の結果として低下しない。この方法により、非補修領域内のその寸法の最小規定値以下への過度の減少によるブリスクの機能の不足を生じることなく、ブリスクのブレードを複数回補修することが可能になる。

この方法は、新しい部品の積層並びに補修に適用することができる。新しい部品の積層では、初期層は、犠牲基体上に堆積され、又はブリスクを形成する場合と同様に、材料積層は、ブリスク圧縮機ディスクのような部品の一体形セクション上の行うことができる。初期層、オーバラップ領域及び端縁部領域におけるツールパスの適応制御は、補修適用におけるのと同じである。

本開示した発明は、層状堆積の従来技術の方法に勝る多くの利点を示す。第１に、一定のオーバラップ率でツールパスに沿って可変ビード幅を堆積させることによって、固体堆積物内における多数の融合不足の欠陥を減少させることができる。第２に、オーバハング領域における出力制御は、これらの領域における加熱のより効果的な制御によって、積層ブレード表面上の表面リップル問題を解決することができる。第３に、内部ステッチツールパスと比較して外部輪郭ツールパスについてより高いレーザ出力及びより遅い速度を使用することにより、堆積材料の表面粗さが改善される。第４に、積層全体にわたってレーザ出力を低下させることによって、積層部品内において一定のビード幅及び熱放散率を維持することができる。「低温」基体上に堆積させる場合における初期の僅かの数の層における融合不足及び気孔、並びに狭いブレードの先端に近接して堆積させる場合における過熱による表面酸化のような問題は、堆積層全体にわたってレーザ出力を適応低下させることによって解決される。

好ましい実施形態に関してして本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には解るであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように、多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

一般的なＬＮＳＭ堆積システムを示す図。 例示的なブリスクの斜視図。 適応ツールパス堆積法の実施形態のブロック図。 例示的な損傷ブリスクブレードを示す図。 例示的な損傷ブリスクブレード上への材料積層を示す図。

符号の説明

２ 粉末ノズル
３ 基体
４ レーザ
５ 溶融プール
７ 堆積材料
１０ ブリスク
２０ ブリスクブレード
３０ ブリスク圧縮機ディスク
３２０ 損傷圧縮機ブレード
３４０ 損傷材料
３５０ 平坦面
４２０ 圧縮機ブレード
４３０ 圧縮機ブレード
４５０ 平坦な基体
４６０ 材料

Claims (10)

1. 基体をレーザクラッディングする方法であって、
   前記基体を準備する段階と、
   前記基体上にツールパスに沿って材料の第１の決定可変ビード幅を堆積させる段階と、
   前記堆積材料の第１の決定可変ビード幅とオーバラップした材料の第２の隣接する決定可変ビード幅を前記ツールパスに沿って堆積させる段階と、
   第１の材料層が完了するまで、材料の複数のオーバラップした所定の隣接する可変ビード幅を堆積させ続ける段階と、
   前記第１の材料層の上に材料の複数のオーバラップした所定の可変ビード幅を堆積させることによって第２の材料層を形成する段階と、
   前記クラッディングが完了するまで、堆積材料層の上に材料層を堆積させ続ける段階と、を含み、
   複数の入力パラメータを有するコンピュータによって前記堆積材料の可変ビード幅を制御して、ほぼ一定のビード幅オーバラップの比率を維持するようにする、
   方法。
2. 層内の材料の各堆積可変ビード幅が、０．２ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲で変化する、請求項１記載の方法。
3. 前記オーバラップが、１０％〜９０％の範囲に維持される、請求項１記載の方法。
4. コンピュータに伝達関数を入力して、レーザ出力、レーザ速度、デフォーカス距離及び粉末供給量を含むパラメータをほぼ一定のビード幅オーバラップ率を得るように制御する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
5. 上部３〜１００層の堆積の間に、レーザ出力を低下させる段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
6. 初期には最初の２〜１００堆積粉末層に対してはより高いレーザ出力を使用する段階と、次に残りの粉末層に対しては出力レベルを低下させる段階とをさらに含む、請求項１記載の方法。
7. 各形成可変ビードが、層内で０．２ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲で変化する、請求項１記載の方法。
8. 前記オーバラップが、１０％〜９０％の範囲にある、請求項４記載の方法。
9. コンピュータに伝達関数を入力して、ツールパスを調整することによってレーザ出力、レーザ速度、デフォーカス距離及び粉末供給量を含むパラメータをほぼ一定のビード幅オーバラップ率を得るように制御する段階をさらに含む、請求項７記載の方法。
10. 上部３〜１００層の堆積の間に、レーザ出力を低下させる段階をさらに含む、請求項７記載のレーザネットシェイプ製造方法。

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