JP2011131276A - 超合金製品を処理する方法及び関連する補修プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】超合金製品を処理する方法及び関連する補修プロセスを提供すること。
【解決手段】接着金属酸化物材料を表面３１上に含有する少なくとも１つのキャビティ３３を含む超合金基材３２を処理する方法が記載される。接着金属酸化物材料の実質的に全てを除去するのに十分な時間期間の間、キャビティ表面に短パルス高繰り返し率のレーザビーム４６が配向される。レーザビーム４６は、約１０メガワット／ｃｍ^２〜約１０ギガワット／ｃｍ^２の範囲のピークパワー密度により特徴付けられる。別の実施形態において、超合金材料に切り込むことができるレーザ動作条件下で、キャビティを含む基材上の領域に高パワー短パルス高繰り返し率のレーザビームを配向し、基材内にキャビティを囲む境界領域が形成されるようにする。キャビティは、タービンブレード内の亀裂とすることができ、該亀裂は、処理後に溶接又は別の好適な技術によって補修することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、全体的に高温用途で使用される金属及び金属合金に関する。幾つかの特定の実施形態では、本発明は、追加の補修プロセスに備えた超合金構成部品の処理方法に関する。

多くの場合、超合金は、高温環境を対象とした構成部品に最適な材料である。一実施例として、タービンエンジン（例えば、ガスタービンエンジン）のタービンブレード及び他の部品は、少なくとも約１０００℃〜１１５０℃の温度で完全性を維持する必要があるので、ニッケル基超合金から形成されることが多い。遮熱コーティング又は「ＴＢＣ」と呼ばれることが多い保護コーティングは、種々のエンジン構成部品を形成するのに使用される合金の表面温度を維持又は低下させることによって、タービン構成部品の動作温度を効果的に引き上げる。

ガスタービンエンジン構成部品は、その作動の間に亀裂を生じることがよくある。多くの場合、亀裂は、構成部品の表面から発生し、構成部品内部に広がる。これらの亀裂は主として、タービンエンジンが受ける極端な温度及び圧力によって時間の経過と共に起こる。特に懸念されるのは、タービンエンジンブレード、例えば、エンジン燃焼器に最も近い高圧タービン（ＨＰＴ）ブレードにおいて形成される亀裂である。これらのブレードは、エネルギーが抽出される最高温の燃焼ガスに曝され、ほとんどの場合、ニッケル（Ｎｉ）超合金から形成される。（これらの特殊合金は、等軸、一方向凝固及び単結晶合金組織をもたらす傾向がある）。

図１は、発電用タービンで使用される例示的なタービンブレード、例えばガス又は燃焼タービンのブレードの第１の列を示す。タービンブレード１０は、ブレード根元１２、翼形部１４及び先端部１６を含む。ブレード根元１２は、タービンの回転シャフト（図示せず）上のディスクに挿入されて、これにより保持されるように設計される。翼形部１４は、該翼形部１４を通過する燃焼ガスからエネルギーを抽出し、これによりタービンシャフトに回転機械エネルギーを加えるような形状にされる。最新のガスタービンエンジンでは、翼形部１４は、高温燃焼ガス環境においてブレード材料の完全性を確保するのに必要とされる冷却空気の通路として、翼形部表面より下方に形成される１以上の冷却通路を含むよう設計される。

図１は、ブレード１０の先端１６付近に生じる場合がある亀裂２４の１つの例証を示す。上記で暗示されたように、亀裂は、タービン作動中にブレード先端１６に加わる低サイクル疲労応力に起因して生じる可能性がある。亀裂２４が限界寸法を超えて広がった場合、タービンブレード１０は、供用から除かれ及び／又は補修され、ブレード及びタービンの故障を防ぐ必要がある。

多くの場合、亀裂は、亀裂２４に隣接する材料を除去して亀裂補修容積を形成し、次いで該亀裂保守容積に溶接材料を充填することによって補修することができる。一般に、亀裂補修には幾つかの技術が使用される。複数の優れた実施例には、溶接、拡散ろう付け、活性拡散ヒーリング（ＡＤＨ）及び高速オキシ燃料（ＨＶＯＦ）などの溶射技術が含まれる。

これらの技術のほとんどにおいて、補修表面の初期準備が重要である。化学的に安定した酸化物並びに金属ボンドコート又はセラミック遮熱コーティング材料の望ましくない存在は、補修表面の溶接又はろう付けを大きく妨げる可能性がある。従って、処理を可能にするため、例えば、タービンオーバーホールを成功裏に可能にするために、このような材料を完全に除去しなければならない。

従来、タービンブレードのような金属構成部品の補修表面を洗浄する種々の方法が使用されてきた。場合によっては、溶接技術による補修の前に手動研削が実施される。多くの場合、研削技術は有用であるが、同時に多大な時間を必要とする。更に、研削の有効性は、操作者の技能に大きく依存する。更にまた、タービン翼形部表面の亀裂の場合、研削手順は、約０．３５インチ（８．９ｍｍ）の亀裂深さに制限される場合が多い。従って、ＨＰＴブレードのような構成部品の深い亀裂は、補修の「準備」を成功裏に行うことができるとは限らず、場合によっては、準備プロセスを実施する試みは、「溶接劣化」を生じる可能性がある。

種々のフッ素イオン洗浄（ＦＩＣ）技術もまた、亀裂及び他のキャビティ表面を洗浄するのに使用されてきた。（関連技術の一部は、「デイトンプロセス」と呼ばれる）。ＦＩＣプロセスは通常、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素ベースのポリマーの熱分解に依存する。一部の機構によれば、結果として得られるフッ化炭素モノマーが水素と組み合わされ、これらの製品は、種々の酸化堆積物と接触し、該堆積物をフッ化化合物に転化させる。フッ化物化合物は揮発性であり、ガスストリーム内にキャビティ区域を残す。加熱ステップは多くの場合、残りの何らかの表面堆積物及び拡散堆積物を揮発性生成物に変換し、これはガス形態で除去することができる。

フッ素イオン洗浄及びエッチングプロセスは、場合によっては有効であるが、重大な欠点を示す場合がある。一実施例として、これらの技術は、加工物表面が完全に洗浄されることになる場合、比較的長いプロセス時間を必要とする可能性がある。これらはまた、例えば約１９００°Ｆ（１０３８℃）の高い洗浄温度を必要とする場合がある。更に、ＦＩＣプロセスは、フッ化水素などの化合物の使用に依存することが多い。これらの材料は、腐食性及び有毒性があり、特別な取り扱い及び廃棄方法を必要とする。化合物の一部はまた、有害な大気汚染物質として分類される。更にまた、ＦＩＣプロセスは、超合金製品（例えば、ニッケルアルミナイド又はプラチナアルミナイド材料）上に保護コーティングを形成する材料を侵食する可能性がある。従って、これらの保護コーティングを保持しなければならない基材区域、例えば、特別な補修領域から離れた区域をマスク又は保護するには慎重さが必要とされる。

従って、当該技術分野において、超合金基材のキャビティ及び他の領域を洗浄する新規の技術が望まれる。当該技術は、補修プロセスの準備において、キャビティ領域からの酸化物及び他の汚染物質の除去並びに何れかの保護コーティング材料の除去に有効である必要がある。更に、当該技術は、比較的短い時間期間で且つ周囲温度で実施可能である必要がある。また、これら技術は、有害且つ特別な安全手順を必要とする化学物質を最小限にし、又は排除すべきである。

米国特許第７５２９０１０号公報

本発明の１つの実施形態は、接着金属酸化物材料を表面上に含有する少なくとも１つのキャビティ（亀裂のような）を含む超合金基材を処理する方法に関する。本方法は、接着金属酸化物材料の実質的に全てを除去するのに十分な時間期間の間、キャビティ表面に短パルス高繰り返し率のレーザビームを配向するステップを含み、レーザビームは、約１０メガワット／ｃｍ^２〜約１０ギガワット／ｃｍ^２の範囲のピークパワー密度により特徴付けられる。

別の実施形態は、少なくとも１つのキャビティを含む超合金基材を処理する方法に関する。この実施形態は、超合金材料に切り込むことができるレーザ動作条件下で、キャビティを含む基材上の領域に高パワー（平均パワー）短パルス高繰り返し率のレーザビームを配向し、基材内にキャビティを囲む境界領域が形成されるようにするステップを含む。

ダブテール根元、翼形部及び先端部を含むタービンエンジンブレードの斜視図。 本発明の幾つかの実施形態による構成部品を処理するレーザ装置の概略図。 タービンブレードにおける亀裂及び周囲の境界領域を示す図。

本明細書に開示した種々の組成及びプロセス範囲は、包括的なものであり、組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％まで」又はより具体的には、「約５重量％〜約２０重量％」の範囲は、端点を含み且つ範囲の全ての中間値を含む）。更に、用語「組合せ」は、配合、混合、合金、反応生成物などを包含する。更に、用語「第１の」、「第２の」などの用語は、本明細書においていかなる順序、数量又は重要度を表すものではなく、ある要素を他の要素と区別するために使用されている。「１つの」といった用語は、本明細書においては数量の限定を表しておらず、言及された品目の少なくとも１つが存在することを表している。数量と関連して使用される修飾語句「約」とは、記載された値を包含し且つ文脈により示された意味を有する（例えば、特定の数量の測定に伴うある程度の誤差を含む）。本明細書で使用される接尾辞「ｓ」は、修飾される用語の単数形と複数形の両方を含み、これによりその用語の１以上を含むことを意図する（例えば、化合物は、別途規定しない限り、１以上の化合物を含むことができる）。本明細書全体にわたる「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「ある実施形態」などに対する言及は、その実施形態に関連して記述された特定の要素（例えば、特徴部、構造及び／又は特性）が、本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態にも存在する場合があり又は存在しない場合があることを意味している。これに加えて、記載される本発明の特徴部は、様々な実施形態において何らかの好適な様態で組合せることができる点を理解されたい。

上述のように、処理される基材は、少なくとも部分的に超合金材料から形成される。これらの材料は、ガスタービン組立体及び他の高温構成部品での使用において当該技術分野でよく知られている。一般に、用語「超合金」とは、鉄基、コバルト基又はニッケル基合金を包含することを通常意図しており、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタニウム及び鉄などの非限定的な例を始めとする、１種以上の他の元素を含む。超合金は、タービン作動中に一般に遭遇する高温高応力及び高圧条件（例えば、最大１１５０℃）下で望ましい化学的特性及び物理的特性を示す。

超合金ベースの構成部品は、重要な保護コーティングを備えることが多い。実施例には遮熱コーティング（ＴＢＣ）が含まれる。ほとんどのＴＢＣは、イットリア安定化ジルコニアのような材料など、セラミックベースである。通常、ＴＢＣセラミックは、金属部分の表面に直接施工される介在層に適用される。介在層は通常、「ＭＣｒＡｌＸ」（ここで、「Ｍ」は鉄、ニッケル、コバルト又はそれらの組合せのような金属を表し、「Ｘ」は、Ｙ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ及びこれらの組合せからなる群から選択される元素である）のような材料から形成される。

ほとんどの場合、保護コーティング及び種々の環境条件にコーティングが露出される場合に形成される何れかの副生成物は、例えば溶接によって構成部品が補修される前に除去される必要がある。除去される必要がある材料の特定の実施例の一部には、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化モリブデン及びカルシウム・マンガン・アルミニウム・ケイ素酸化物（ＣＭＡＳ）などの金属酸化物が含まれる。（「酸化ニッケル」及び「酸化クロム」のような用語は、例えば、クロム（ＩＩ）酸化物、クロム（ＩＩＩ）酸化物又は二酸化クロムなど、１種以上の酸化化合物を含む点を理解されたい。）
上述のように、基材は、少なくとも１つのキャビティを含む。本明細書で使用されるように、用語「キャビティ」は、穴、凹部、窪み、チャンネル又は隙間の何れかのタイプをさすことを意図している。この用語はまた、例えば、粗い区域又は陥凹区域など、基材表面上の欠陥又は異常とすることができる。タービンブレードなどのタービン構成部品の場合、キャビティ又は「欠陥」は、図１に示すような亀裂であることが多い。補修可能な亀裂のサイズは、深さが約２５ミクロン〜約１０ｍｍ、幅が約５ミクロン〜約４ｍｍ（例えば、タービンブレードの壁厚を通過する半径方向で測定）まで大きく変わることができる。（典型的なＨＰＴブレードの壁厚は、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍに及ぶことができる。）
上述のように、本発明の実施形態による、接着酸化物材料の実質的に全てを除去するようキャビティ表面を処理するのにレーザが使用される。このプロセスでは、種々のタイプのレーザを用いることができる。非限定的な実施例には、固体レーザ（例えば、ダイオードレーザ）、ファイバーレーザ及びエキシマレーザが含まれる。（ファイバーレーザは、固体レーザの１つのタイプとみなすこともできる。）当業者は、このタイプのレーザの各々の作動に精通している。特定の実施例は、１ミクロンレーザ又は緑色レーザ（０．５３２ミクロン）を含むが、波長は、近赤外から紫外線まで変わることができる。レーザの波長を調整する技術はまた、例えば「周波数逓倍器」又は逓倍結晶を用いて当該技術分野において知られている。

好ましい実施形態では、レーザは、キャビティの表面に対し短パルス高繰り返し率ビームを提供できなければならない。パルス長は通常、約１ナノ秒〜約１マイクロ秒の範囲にある。しかしながら、場合によっては、フェムトセカンド及びピコセカンドパルス範囲のレーザを用いることもできる。（当業者であれば、ほぼ同じエネルギーレベルのパルス長の減少は通常、より高いレーザ出力値をもたらすことになる）。一般に、より短いパルス長を使用することにより、基材表面材料の溶融及び蒸発が少なくなり、多くの場合、より滑らかな処理表面が得られることになる。しかしながら、場合によっては、短パルス長は、洗浄プロセス全体を遅くする可能性がある。タービンブレード先端の亀裂を処理する場合の幾つかの好ましい実施形態では、パルス長は、約１ナノ秒〜約２０ナノ秒の範囲であることが多い。

レーザビームの繰り返し率（１秒当たりに放出されるパルス数）は、特定のレーザ装置の平均出力の関数として調整することができる。一般に、繰り返し率は、少なくとも約１００Ｈｚであり、多くの場合、約１ｋＨｚ〜約５００ｋＨｚの範囲である。多くの材料（例えば、酸化物材料）をキャビティ区域から除去しなければならない場合又は材料がキャビティ表面に強く接着している場合、繰り返し率は、パルス当たりのエネルギー値を変えるよう選択される場合がある。当業者であれば、利用されるレーザシステムのタイプ、レーザパルスエネルギー、基材から除去される材料及びキャビティの全体寸法などの種々の要因に基づいて、最も適切な繰り返し率又は平均／ピークレーザ出力を選択できることになる。

上述のように、レーザビームは、通常は約１０メガワット／ｃｍ^２〜約１０ギガワット／ｃｍ^２の範囲にあるピークパワー密度により特徴付けられる。幾つかの特定の実施形態では、ピークパワー密度は、約１００メガワット／ｃｍ^２〜約１０ギガワット／ｃｍ^２の範囲にある。この事例での平均出力値は、通常、約１ワット〜約１５ワットの範囲にある。例えば、キャビティ区域から除去される材料のタイプ及び量、キャビティの深さ及び利用されるレーザシステムの量など、上述の要因の多くが重要になる。当業者であれば、所与の状況において最も適切な出力密度を選択できることになる。

上述のように、レーザビームは、接着金属酸化物材料の実質的に全てを除去するのに十分な時間期間の間、基材のキャビティ表面に配向される。この目的を達成するのに必要な時間は、上述の種々のレーザ作動パラメータ、並びにキャビティから除去される材料のタイプ及び深さによって決まることになる。Ｖ字形亀裂を先端に有するニッケル基タービンブレードの場合の非限定的な例証を提供することができ、亀裂の深さが約１ｍｍ（基材の壁厚を貫通して）、亀裂幅が約０．５ｍｍ〜約４ｍｍの範囲である。この例証において、亀裂表面は、約０．３ｍｍの深さを有する金属酸化物材料の層で覆われる。この場合、パワー密度が約８ギガワット／ｃｍ^２、パルス長が約１０ナノ秒及び繰り返し率が約１０ｋＨｚを生成する固体Ｎｄ：ＹＡＧ緑色レーザにおいて、金属酸化物材料の実質的に全てを除去するのに必要な時間は、通常、約３０秒〜約６００秒の範囲である。

多くの好ましい実施形態では、本発明の実施形態に使用されるレーザビームは、スキャンモジュールを通ってキャビティ表面上に集束される。スキャンモジュールは、当該技術分野で公知であり、例えば、米国特許第７５２８３４２号（Ｄｅｓｈｉ）及び同第７５２９０１０（Ｓｃａｇｇｓ他）において記載され、これらは共に引用により本明細書に組み込まれる。一般に、「スキャナ」は、予め選択したパターンでミラーを移動（通常はマイクロプロセッサにより制御される）させ、レーザビームを反射させて基材上の所望のポイントに配向するようにする電磁気装置として説明することができる。様々なスキャンモジュールを用いることができる。非限定的な実施例には、ガルボスキャナ（「ガルバノメータ」又は「ガルボ」とも呼ばれる）及び圧電スキャナが含まれる。当業者であれば、これらのスキャナの動作及びレーザスキャンシステムへの組み込みに精通している。

図２は、本発明の実施形態において１つの好適なレーザ装置の例示的な概略図である。加工物３２（例えば、ＨＰＴブレード）は、クランプ装置などの拘束具３４に堅固に固定される。拘束具３４は、レーザ支持プラットフォーム３６の付属物である。プラットフォーム３６は通常、５軸ステージ又はテーブル３８を含み、このようなテーブルなどの詳細部の全ては、ここでは図示する必要はない。５軸ステージは、３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）精密並進移動及びこれに対する精密回転（２方向、例えば、「Ａ」及び「Ｂ」）を可能にするよう加工物３２を取り付けることができる。（見やすくするために加工物のサイズは誇張されており、本図における他の構成部品の相対的サイズ及び位置は大きく変えることができる点に留意されたい）。

このレーザ支持プラットフォームは、有利には、複合多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械の一部とすることができる。これらの機械は、当該技術分野で公知であり、商業的に入手可能である。基材を操作するためにこのような機械を用いることは、Ｓ．Ｒｕｔｋｏｗｓｋｉ他による米国特許第７３５１２９０号に記載されており、本特許は引用により本明細書に組み込まれる。Ｒｕｔｋｏｗｓｋｉ特許において記載されるように、このような機械を使用することにより、直線軸Ｘ及びＹに対して、１以上の回転軸に沿った基材の移動が可能になる。このタイプのＣＮＣ機械は、カリフォルニア州Ｏｘｎａｒｄ所在のＨａｓｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ社のような種々の会社から商業的に入手可能である。当業者は、過度の労力を伴わずに本発明で使用するためにこのような機械を適応させることができる。更に、産業ロボットを用いて、レーザ及び支持プラットフォームの移動を協働させることができる。

引き続き図２の例示的な装置を参照すると、基本機械は通常、５軸コントローラ（図示せず）を備える。プラットフォーム３８は更に、従来の昇降装置４０を含みことができ、この上に従来の回転スピンドルを装着することができる。昇降装置４０は、テーブル３８に対し、並進の垂直軸（Ｚ）を提供する。更に、別のスピンドルなどの回転装置（図示せず）を昇降装置４０の上に装着し、Ｒｕｔｋｏｗｓｋｉ特許に記載するような２次回転軸を提供することができる。

更にまた、図２のレーザ装置全体は、少なくとも１つの従来のデジタル的にプログラム可能なコンピュータ又はコントローラ４２を含むことができる。コンピュータ４２は、レーザ及びスキャンユニットに対して種々の機能を提供することができるが、適切なソフトウェアを用いて、支持プラットフォーム３６の全ての運動軸を制御するよう構成することができる。このようにして、レーザ装置と加工物との間の５軸協働を達成することができる。この能力の結果として、本明細書で更に記載されるように、加工物の所望の部分の精密なスキャン、洗浄及び／又はカッティングがもたらされる。

レーザ光源４４は、通常はコリメートされ、直線又は円偏光状態の所望のレーザビーム４６を放出する。場合によっては、レーザビームは、波長板（図示せず）上に実質的に法線方向に入射し、ビームの偏光状態を変えるようにする。更に、レーザビーム（すなわち、レーザパルス）は、好適なビーム変調手段（同様に図示せず）により変調することができる。幾つかの実施形態では、１以上の光学レンズを用いて、ビーム径を拡大又は縮小することができる。

次いで、レーザビーム４６は、上述のようにスキャンモジュール４８によりスキャンされる。スキャンモジュールは、加工物３２の所定の表面３１上にビームをスキャンする。（表面３１内の亀裂３３が簡易的形態で描かれている）。更に、カメラ（例えば、ＣＣＤカメラ）が加工物を撮像し（ここでは図示していないが、通常は偏光板を通して）、レーザビームに対する加工物の整列を支援し、洗浄及び／又はカッティングプロセスを監視する。処理中、加工物３２は通常、遮蔽筐体５２内で遮蔽され、該筐体は、ガス源５３から発生する不活性又は準不活性ガス（或いは、水素又は水素含有混合物などのガスを形成する）で充填される。このような筐体は、溶接産業において一般的に利用されている。更に、簡易的形態で示すように、コンピュータ４２は、公知の機構によってレーザユニット、スキャナ、カメラ及びＣＮＣプラットフォームと電線管５４、５６、５８及び５９それぞれを介して通信する。

上述のようなレーザシステムと共に又は本発明に使用可能な他のレーザシステムと共に幾つかの他の詳細部及び任意選択の装置を用いることもできる。これらの詳細部の一部は、上述のＤｅｓｈｉ及びＳｃａｇｇｓ他に付与された特許にて及び米国特許第５４１９９７１号（Ｓｋｅｌｌｙ他）；同第６４９１２０７号（Ｓｍａｓｈｅｙ他）；同第６７５９６２７号（Ｋｉｌｂｕｒｎ）にて、並びにＷＯ２００７／０９６４８０Ａ１及びＥＰ１２４７００３Ｂ１号において記載されており、これらの全ては引用により本明細書に組み込まれる。追加情報は、“Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ （ＬＢＭ），Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ ａｎｄ Ｎｅｗ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ”， Ｊ． Ｍｅｉｊｅｒ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １４９ （２００４年），ｐｐ．２−１７；“Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｏｆ Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｃｌｅａｎｉｎｇ ｏｆ Ｏｘｉｄｉｚｅｄ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， Ｒ． Ｏｌｔｒａ ｅｔ ａｌ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ９６−９８ （１９９６年），ｐｐ．４８４−４９０にて見ることができる。

本明細書で記載されるプロセスは、当該技術分野で利用されているレーザ生成衝撃波プロセスとは異なる。これらの衝撃波プロセスは、タービン構成部品から外皮様デブリを除去するのに使用される場合がある。対照的に、本明細書で記載される洗浄プロセスは、レーザアブレーションプロセスとみなされ、多くの場合、比較的高パワーのレーザが、基材表面から固体材料／汚染物質の直接蒸発をもたらすことができる。

本発明の幾つかの実施形態では、キャビティ（例えば、亀裂又は他の欠陥）は、置換材料で充填することにより補修される。フィラー材料は、基材を構成する原材料と組成が同様又は同一であり、処理のため変更することができる。しかしながら、目的とする製品の最終用途などの要因に応じて、キャビティを充填するのに他の材料を用いてもよい。

キャビティ補修技術の非限定的な実施例は、活性拡散ヒーリング（ＡＤＨ）、拡散ろう付け及び高速オキシ燃料（ＨＶＯＦ）などの溶射技術、並びにこれらの方法の１以上を含む組合せを含む。各技術は当該技術分野で公知であり、各技術を用いて翼形部亀裂などの欠陥を補修する詳細も同様である。

溶接技術は、超合金材料を補修するのに好ましい場合が多い。溶接技術の非限定的な実施例は、アーク溶接（例えば、シールド材料アーク溶接、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、サブマージアーク溶接）；金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接又はタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接；及びガス溶接（例えば、オキシ燃料溶接）を含む。（場合によっては、ＭＩＧ溶接及びＧＭＡＷは同じ技術とみなされる）。当業者であれば、本明細書で記載される技術に部分的に基づいて、特定の状況において最も適切な溶接技術を選択できるであろう。

タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接は、本発明の幾つかの実施形態では好ましい補修技術である。本技術は、ガスタングステンアーク溶接（ＧＭＡＷ）、もしくは場合によってはヘリアーク溶接など、幾つかの他の用語で呼ばれる場合もある。ＴＩＧ溶接は通常、溶接を行うために非消耗性タングステン電極の使用を伴う。典型的には、定電流溶接電源がエネルギーを生成し、高イオン化されたガス及び金属蒸気柱すなわちプラズマを通じてタングステンアークにわたって伝達される。通常、溶接区域は、シールドガス（例えば、アルゴンなどの不活性ガス）によって雰囲気汚染から保護される。ＴＩＧプロセスはフィラー材料を使用することが多い。

本発明の幾つかの実施形態において、フィラー材料を必要としない自生溶接を実施することができる。この溶接技術は、通常、キャビティ（例えば、亀裂）が周囲の壁厚の約１５％よりも大きくない幅を有する場合に実施することができる。通常、電子ビーム溶接又はレーザ溶接が自生プロセスに使用される。

あるタイプの溶接技術は、本明細書で記載される材料に特に好適であり、「ＳＷＥＴ」プロセス（高温での超合金溶接）として知られる。この技術は、ＴＩＧのサブクラスとみなされることが多く、米国特許第６９９６９０６号、同第６０２０５１１号、同第６１２４５６８号及び同第６２９７４７４号において記載されており、これらは引用により本明細書に組み込まれる。典型的には、ＳＷＥＴプロセスは、補修される超合金構成部品の亀裂形成及び酸化を抑制するよう制御雰囲気及び温度が維持される筐体内で実行される。当業者は、本開示に関連する他のＳＷＥＴ詳細事項に精通している。

本発明の他の実施形態において、高エネルギーレーザビームは、超合金基材内の境界領域を切断するのに利用される。図３は、タービンブレードの比較的深い亀裂の簡易例証図であり、ブレードの先端から始まり、ブレードの半径方向で下方に伝播している。当業者であれば理解されるように、壁及び亀裂の全体形状は極めて不規則又はギザギザ形とすることができる。亀裂６０は、基材６４の表面上に形成される。境界領域又は「カットライン」６６が図に描かれており、基材から切断される区域を表す。（図の２次元の描画であるが、亀裂及び周囲領域は、実際には３次元であり、この区域は「容積」として本明細書で表現される場合がある点は理解されたい）。

多くの実施形態において、境界領域の切断は、幾つかの理由により有利である。第１に、正確な寸法に従って、例えば溶接によりキャビティの充填を可能にする。このようにすると、補修されたキャビティは、元の形状及び基材区域のサイズに対して「ニア・ネット・シェイプ」で特徴付けられる。すなわち、追加の堆積及び機械加工ステップを最小限にすることができる。

第２に、境界領域の切断は、キャビティ自体に隣接する超合金基材の一部を除去することができる。この領域の除去は、表面酸化物材料及び他の不純物が領域内に拡散される（通常は、経時的に高加熱状態に曝された後）理由から望ましい場合がある。拡散領域は、他の場合には、溶接又は他の技術による超合金補修にとって理想的な表面ではない可能性がある。

境界領域を切断するのに使用される高エネルギーレーザビームは、後続の洗浄ステップで使用されることになるものと同じレーザとすることができる。或いは、例えば、上述の他のタイプの１つなど、異なるレーザであってもよい。特定のタイプのレーザ装置の選択は、主に、基材が形成される特定材料によって決まる。

幾つかの好ましい実施形態において、連続波（ＣＷ）レーザが使用される。ＣＷレーザは、例えば低ビーム発散を有する良好な「ビーム品質」を有し、好ましくは、高度にコリメートされる。このカッティングステップでのレーザビームは、高パワービームとして特徴付けられ、ピークパワー密度が、約１０^６ワット／ｃｍ^２〜約１０^８ワット／ｃｍ^２の範囲、より具体的には、約約１０^６ワット／ｃｍ^２〜約１０^７ワット／ｃｍ^２の範囲である。幾つかの好ましい実施形態では、ファイバーレーザ、ＣＯ_２レーザ又は固体レーザが利用される。

別の場合では、例えば、約１０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚの範囲のパルスレート（「繰り返し率」）及び約５ワット〜約３０ワットの範囲の平均出力値を有する短パルス高繰り返し率のレーザビームなど、パルスレーザを使用する必要がある。このような場合、ピークパワー密度は、通常、０．１ギガワット／ｃｍ^２〜約約１０ギガワット／ｃｍ^２の範囲となる。更に、レーザ洗浄プロセスの場合と同様に、カッティングプロセスの高エネルギーレーザは、スキャンモジュールを通って基材上に集束することができる。

上述のように、亀裂又他のタイプの欠陥又はキャビティ周辺の境界領域を切断するレーザを使用すると、幾つかの利点がある。例えば、レーザは、基材の選択領域を正確に切断するよう調整することができる。この領域は、隣接基材領域内のあらゆる酸化物材料及び拡散材料の除去を確実にするほど十分に大きいが、基材の大部分を損傷させるリスク又はその形状の大きく変化させるリスクを最小限にするほど十分に小さい。多くの好ましい実施形態において、図３を参照すると、カットラインにより形成される境界領域６６は、キャビティ自体の内表面又は「壁」６７と比べて比較的均一で平滑である。（従って、境界領域は平滑な「制御容積」として特徴付けることができる）。

カッティングステップの後、キャビティは通常、溶接などの追加の補修プロセスを行う状態になる。カッティングステップが下層の基材の一部を除去するので、キャビティ表面上に存在していた可能性があるあらゆる酸化物タイプの材料又は他の汚染物質は、このステージで既に除去されている点に留意されたい。しかしながら、場合によっては、あらゆる残留自立超合金材料、バリ及び「スパッタ」を除去することが望ましいことがある。このために、例えば、水リンス、グリットブラスティング、流動床洗浄など又はこのような技術の何らかの組合せなど、幾つかの技術を使用することができる。

幾つかの実施形態において、上述のようなレーザ洗浄ステップは、このステージで使用される。本ステップは、形成される可能性があるあらゆる追加の酸化物材料を除去するのに特に有用とすることができる。例証として、周囲空気は、カッティングプロセス中にキャビティ及び処理区域に混入し、基材成分と反応して不要な酸化物を形成する可能性がある。このレーザステップのパラメータは、一般に、上述のものと同じであり、典型的にはパルスレーザ装置が使用されている。更に、この「カッティング後」ステップはまた、上述の水リンス又はグリットブラスティング技術など、他の洗浄ステップとすることができる。

このステージにおいて、上述のように、亀裂又は他の欠陥が洗浄され、追加の補修ステップに備える。更に、補修区域は、追加の処理ステップが完了した後にニア・ネット・シェイプが得られるように、正確な方法で物理的に定められる。典型的な局面において、亀裂は、上述のように溶接などの好適な技術により所望の置換材料で充填することができる。例えば、溶接プロセスは、亀裂を囲んで境界領域の完全な充填をもたらし、これにより亀裂が補修される。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、これらは例証の目的のものであり、どのようにも限定として解釈すべきではない。従って、これらに対して修正を行うことができ、これらもまた本発明並びに添付の特許請求の範囲の範囲内にある点は理解されたい。上述の特許、特許出願、文献及び文章の全ては引用により本明細書に組み込まれる。

１０ タービンブレード
１２ ブレード根元
１４ 翼形部
１６ 先端部
２４ 亀裂
３０ レーザ装置
３１ 加工物の表面
３２ 加工物
３３ 亀裂
３４ 拘束具
３６ ５軸コントローラ
３８ プラットフォーム
４０ 昇降装置
４２ コンピュータ／コントローラ
４４ レーザ供給源
４６ レーザビーム
４８ スキャンモジュール
５０ カメラ
５２ 遮蔽筐体
５３ ガス源
５４ 電線管
５６ 電線管
５８ 電線管
５９ 電線管
６０ 亀裂
６２ 基材の表面
６４ 基材
６６ カットライン／境界領域
６７ キャビティの壁

Claims (10)

1. 接着金属酸化物材料を表面（３１）上に含有する少なくとも１つのキャビティ（３３）を含む超合金基材（３２）を処理する方法であって、
   該方法が、前記接着金属酸化物材料の実質的に全てを除去するのに十分な時間期間の間、前記キャビティ表面に短パルス高繰り返し率のレーザビーム（４６）を配向するステップ
   を含んでおり、前記レーザビーム（４６）が、約１０メガワット／ｃｍ^２〜約１０ギガワット／ｃｍ^２の範囲のピークパワー密度により特徴付けられる、方法。
2. 前記レーザビームパルスが、約１ナノ秒〜約１マイクロ秒のパルス長を有する、請求項１記載の方法。
3. 前記レーザビーム（４６）の供給源（４４）が、固体レーザ、ファイバーレーザ及びエキシマレーザからなる群から選択される装置である、請求項１記載の方法。
4. 前記レーザビーム（４６）が、スキャンモジュール（４８）を通じて前記キャビティ表面（３１）上に集束される、請求項１記載の方法。
5. 前記キャビティが、超合金基材（３２）内の亀裂（３３）である、請求項１記載の方法。
6. 前記キャビティ表面（３１）上の接着金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化モリブデン及びカルシウム・マンガン・アルミニウム・ケイ素酸化物（ＣＭＡＳ）からなる群から選択される１種以上の材料を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記超合金基材（１０）がタービンエンジン構成部品である、請求項１記載の方法。
8. 前記キャビティ（３３）が亀裂であり、前記方法が更に、該亀裂を補修するステップを含む、請求項１記載の方法。
9. 接着金属酸化物材料を表面（６２）上に含有する少なくとも１つのキャビティ（６０）を含む超合金基材（６４）を処理する方法であって、
   該方法が、前記超合金材料に切り込むことができるレーザ動作条件下で、前記キャビティ（６０）を含む前記基材（６２）上の領域に高パワー短パルス高繰り返し率のレーザビーム（４６）を配向し、前記基材（６４）内に前記キャビティ（６０）を囲む境界領域（６６）が形成されるようにするステップ
   を含む方法。
10. 何れかのキャビティ補修ステップの前に少なくとも１つの追加の処理ステップを前記基材（６４）に対して実施し、前記追加の処理ステップがレーザ洗浄ステップを含む、請求項９記載の方法。

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