JP2016509541A - 粉末状フラックス及び粉末状金属を用いたレーザーマイクロクラッディング - Google Patents

Abstract

本発明は、粉末状フラックス材料（９３ｂ）を用いたレーザーマイクロクラッディング方法に関する。粉末状合金材料（９３ａ）及び粉末状フラックス材料を含む推進ガスのジェット（９２）が基材（９４）へ方向づけられる。これらの粉末状材料はレーザービーム（９６）によって溶解され、溶湯プール（９８）が形成される。溶湯プールから、クラッド合金材料層（１０２）とこれを覆うスラグ層（１００）とが形成される。フラックス材料は、溶湯プールを脱酸し、冷却時にクラッド合金材料を保護する。推進ガスは不活性ガスよりもむしろ窒素又は空気のほうが好適である。一実施例では、基材及び合金材料は従来の溶接性領域を超える組成を有する。

Description

本願は、２０１１年１月１３日付で提出した係属中の米国特許出願第１３／００５６５６号（米国特許出願公開第２０１２／０１８１２５５号明細書）の一部継続出願である。当該米国特許出願の開示内容は、引用により本願の開示内容に含まれるものとする。

発明の技術分野
本発明は、一般には金属接合の分野に関し、具体的には超合金材料の溶接クラッドの形成及び修復に関する。

発明の背景技術
溶接法は、溶接対象の材料の種類に依存して著しく大きく変わってくる。種々の条件下でも比較的容易に溶接することができる材料もあれば、他方では、周辺の基材を劣化させることなく構造的に確実な接合を実現するのに特殊な処理を必要とする材料もある。

通常のアーク溶接は、一般には、消耗性の電極を供給材料として用いる。例えば鋼、ステンレス鋼及びニッケル基合金等を含んだ多種の合金を溶接する場合、溶湯プール中の溶融した材料を雰囲気から保護できるようにするには、不活性のカバーガス又はフラックス材料を用いることができる。不活性ガスプロセス、及び、不活性ガスと活性ガスとを併用したプロセスには、ガスタングステンアーク溶接ＧＴＡＷ（タングステンイナートガスＴＩＧとの呼称でも知られている）やガスメタルアーク溶接ＧＭＡＷ（金属不活性ガス（ミグ；ＭＩＧ）、金属活性ガス（マグ；ＭＡＧ）との用語でも知られている）が含まれる。フラックス保護による処理法には、フラックスを共通に供給するサブマージアーク溶接ＳＡＷ、電極のコアにフラックスが含まれているフラックスコアードアーク溶接ＦＣＡＷ、及び、フラックスが溶加材電極の外側にコーティングされているシールドメタルアーク溶接ＳＭＡＷが含まれる。

溶接の熱源としてエネルギビームを用いることも公知である。例えば、溶湯プールのシールドを実現する粉末状フラックス材料を用いて、事前に配置したステンレス鋼粉末を炭素鋼基材に溶着させるためにレーザーエネルギが用いられてきた。フラックス粉末は、ステンレス鋼粉末と混合することもできるし、又は、別個のカバー層として施与することもできる。ただし、本願の発明者らが知る限りでは、フラックス材料は、超合金材料を溶接する際には用いられたことが無い。

超合金材料は、溶接凝固割れやひずみ時効割れが生じやすいため、最も溶接しにくい材料に属すると認識されている。ここで「超合金」なる用語は、関連分野において通常用いられている意味で用いる。すなわち、優れた機械的強度及び高温での耐クリープ性を示す、高い耐食性及び耐酸化性を有する合金を指す。超合金は、典型的には、高含有量のニッケル又はコバルトを含む。超合金の例としては、ハステロイ、インコネル合金（例えばＩＮ７３８，ＩＮ７９２，ＩＮ９３９）、レネ合金（例えばＲｅｎｅＮ５，Ｒｅｎｅ８０，Ｒｅｎｅ１４２）、ハイネス合金，Ｍａｒ−Ｍ，ＣＭ２４７，ＣＭ２４７ＬＣ，Ｃ２６３，７１８，Ｘ−７５０，ＥＣＹ７６８，２８２，Ｘ４５，ＰＷＡ１４８３及びＣＭＳＸ（例えばＣＭＳＸ−４）単結晶合金などの商標や販売名で販売されている合金が含まれる。

幾つかの超合金材料の溶接修復は、修復中に当該超合金材料の延性を格段に増加させるため、非常に高い温度（例えば１６００°Ｆないしは８７０°Ｃ）まで当該超合金材料を予熱することで達成される。この技術は「ホットボックス溶接」修復又は「超合金昇温溶接ＳＷＥＴ」修復とも称され、通常は、手動でのＧＴＡＷプロセスを用いて行われる。しかし、ホットボックス溶接は、部品の処理面温度を均一に維持するのが困難であること、及び、完全な不活性ガスシールドを維持するのが困難であることによって、また、このように極端に高温の部品付近で作業するオペレータにかかる物理的な困難性によっても制限されてしまう。

超合金材料溶接の用途の中には、基材の加熱を抑制するためにチルプレートを用いて行う用途もある。これにより、基材への熱影響が生じること、及び、応力に起因するクラックの問題を抑制することができる。しかし、この技術は、部品の幾何学的特性によってチルプレートが使用しにくい多くの修復用途においては、実用的でない。

図６は、種々の合金の相対的な溶接性を、各合金のアルミニウム含有率及びチタン含有率に依存して示す従来図である。上記２つの元素の濃度が比較的低いためにガンマプライム含有率が比較的低いインコネル（登録商標）ＩＮ７１８等の合金は、一般にその溶接が部品の低応力の領域に限定されるにもかかわらず、比較的溶接しやすいと考えられている。上記２つの元素の濃度が比較的高い、インコネル（登録商標）ＩＮ９３９等の合金は、一般には溶接性を有さないか、又は、材料の温度／延性を増大させかつプロセスの入熱を最小限にする上述した特殊な手順を用いなければ溶接できないと考えられている。破線８０は、溶接性領域の、認識されている上限を示している。この破線８０は、縦軸のアルミニウム含有率３重量％と交差し、かつ、横軸のチタン含有率６重量％と交差する。溶接性領域外にある合金は、公知のプロセスでは溶接が非常に困難であるか又は溶接不可能であるとの認識がなされているものであり、矢印によって示されているように、一般に、アルミニウム含有率が最も高い合金が最も溶接困難であると考えられている。

また、超合金粉末粒子の薄層を超合金基材に溶着するために、選択的レーザー溶融法ＳＬＭ又は選択的レーザー焼結法ＳＬＳを用いることも公知である。溶湯プールは、レーザー加熱中、例えばアルゴン等の不活性ガスを適用することによって雰囲気からシールドされる。これらの手法は、溶着した材料の層中に含まれる粒子の表面に付着した酸化物（例えば酸化アルミニウムや酸化クロム）を捕捉しやすく、当該酸化物の捕捉に付随して細孔、気孔もしくは他の欠陥を引き起こす。処理後の高温アイソスタティックプレスＨＩＰを用いて、このようなボイドや気孔、割れを解消することにより、溶着したコーティングの特性を改善することが多い。ただし、これらの手法についても、粉末を事前に配置する必要があるので、当該手法の適用は水平方向の表面に限定されてしまう。

レーザーマイクロクラッディング法は、レーザービームを用いて表面に向かう粉末流を溶解することにより、当該表面上に材料の小さい薄層を溶着する、３Ｄ対応可能なプロセスである。この粉末はガスジェットによって表面に向けて推進され、当該粉末が鋼材料又は合金材料である場合、当該ガスはアルゴンであるか、又は、溶解した合金を周辺の酸素からシールドする他の不活性ガスである。レーザーマイクロクラッディング法は、溶着速度が例えば１ｃｍ^３／ｈｒから６ｃｍ^３／ｈｒまでのオーダと低いことによる制約が課される。その上、保護アルゴンシールドは、クラッド材料が完全に冷却する前に発散してしまう傾向にあるので、溶着物の表面において浅在性の酸化や窒化が生じることがあり、このことは、所望のクラッド厚の実現に複数のクラッド材料層を必要とする場合に問題となる。

非溶接性領域にある超合金材料の中には、商業的に許容可能な溶接法や修復法が知られていないものもある。また、合金含有率がより高い新規の超合金が継続的に開発され続けているので、商業上実用化可能な、超合金材料用の接合プロセスを開発しようという挑戦も増え続けている。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

多層粉末を用いたクラッド形成プロセスを示す図である。 混合層粉末を用いたクラッド形成プロセスを示す図である。 フラックス入り溶接ワイヤと低温金属アーク溶接トーチとを用いたクラッド形成プロセスを示す図である。 フラックス入り溶接ワイヤとエネルギビームとを用いたクラッド形成プロセスを示す図である。 エネルギビームの重なりパターンを示す図である。 種々の超合金の相対的な溶接性を示す従来技術図である。 粉末状フラックス材料を用いてレーザーマイクロクラッディング法により超合金クラッド形成を行う用途を示す図である。

本発明の詳細な説明
読みやすくするため、図１から図５までは本願発明の技術の種々の態様及び用途を示していること、及び、以下の図７についての説明が特に本発明のレーザーマイクロクラッディング技術の適用分野を対象としていることに留意されたい。

本願の発明者らは、溶接が非常に困難な超合金材料に有効にクラッドを形成できる材料接合プロセスを開発した。従前は、フラックス材料は超合金材料を溶接する際には使用されたことがなかったが、本発明の方法の実施形態は、レーザーマイクロクラッディングプロセス中に粉末状フラックス材料を適用できるという利点を奏する。粉末状フラックス材料は、高温ホットボックス溶接の利用又はチルプレートの使用もしくは不活性シールドガスの使用を要さずに、超合金材料を割れ無しで接合できるよう、ビームエネルギの捕捉、不純物洗浄、大気シールド、ビードの成形及び冷却温度制御を実施するのに有効である。本発明の種々の構成要素は、数十年前から溶接業において公知となっているが、本願の発明者らは、公知のクラッド形成方法を超合金材料に使用するにあたって長い間課されていた制約を解消する、超合金のクラッド形成方法の複数の工程を組み合わせたものを開発するという革新を成し遂げた。

図１に、超合金基材１２の予熱やチルプレートを全く使用することなく、室温の周辺温度で、超合金材料のクラッド層１０を超合金基材１２上に溶着する処理を示す。基材１２は、例えばガスタービンエンジンブレードの一部を成すことができ、また、幾つかの実施形態では、クラッド形成プロセスを修復プロセスの一部とすることができる。顆粒状の粉末層１４を基材１２上に事前配置し、レーザービーム１６を当該粉末層１４の全体にわたって移動させることにより、当該粉末を溶融して、スラグ層１８により覆われたクラッド層１０を形成する。クラッド１０及びスラグ１８は、粉末状超合金材料２０の層に粉末状フラックス材料２２の層を被覆したものを含む粉末層１４から形成される。

フラックス材料２２と、その結果物であるスラグ層１８とは、クラッド層１０及びその下にある基材１２の割れを防止するのに有利な数多くの機能を果たす。第一に、フラックス材料２２及びスラグ層１８は、溶融状態の材料の領域と凝固した（ただしなお高温の）クラッド材料１０の領域との双方を、レーザービーム１６の進行方向にある大気からシールドする機能を有する。スラグは表面に向かって泳動し、溶融状態又は高温の金属を大気から分離する。幾つかの実施形態では、シールドガスが生成されるようにフラックスを調合でき、これにより、高コストの不活性ガスの使用を回避するか又はその使用量を最低限に抑えることができる。第二に、スラグ１８は、凝固した材料を緩慢かつ均等に冷ますためのブランケットとして機能する。このように冷ますことにより、溶接後の再加熱割れ又はひずみ時効割れを生じさせるおそれのある残留応力を低減できる。第三に、スラグ１８は、溶融した金属のプールの高さと幅との比が所望の１：３付近に維持されるように当該プールを成形するのを補助する。第四として、フラックス材料２２は、溶接凝固割れを発生させる硫黄やリン等の微量不純物を除去する洗浄作用を実現する。この洗浄は、金属粉末の脱酸を含む。フラックス粉末は金属粉末に密接しているので、前出の機能を実現するのに特に効果的である。最後に、フラックス材料２２は、エネルギの吸収捕集機能を実現することにより、熱エネルギへのレーザービーム１６の変換の効率を高くし、これにより、例えば１％から２％以内での入熱の正確な制御、及び、処理中の材料温度の厳密な制御を容易にすることができる。さらに、処理中に揮発した元素の損失が補償されるように、又は、金属粉末自体では実現されない成分が溶着物に積極的に与えられるように、フラックスを調合することもできる。総合すると、これらの処理工程によって、従前はホットボックスプロセスやチルプレートを用いてしか接合できないと考えられていた材料について、室温で超合金基材上に超合金クラッドの割れ無しの溶着部を形成できる。

図２に、超合金材料のクラッド層３０を超合金基材３２上に溶着する他の実施形態を示す。超合金基材３２は、本実施形態では、複数の柱状結晶粒３４を有する方向性凝固した材料として示されている。この実施形態では、粉末層３６を事前配置しておくか、又は、粉末状合金材料３８と粉末状フラックス材料４０との双方を混合したものを含む均質層として、基材３２の表面上に供給する。幾つかの実施形態では、粉末層３６の厚さを、公知の選択的レーザー溶融プロセスや選択的レーザー焼結プロセスにおいて典型的である１ｍｍ未満とするのではなく、１ｍｍから数ｍｍの厚さとすることができる。従来技術の典型的な粉末状フラックス材料の粒径は、例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である。ただし、粉末状合金材料３８の粒径範囲（メッシュサイズ範囲）は０．０２ｍｍ〜０．０４ｍｍとするか、又は０．０２ｍｍ〜０．０８ｍｍとするか、又は、この範囲の一部の範囲とすることができる。このようにメッシュサイズ範囲が異なっていても、各材料がそれぞれ別個の層を構成する図１の実施形態は良好に機能するが、図２の実施形態では、粉末を混合して供給するのを容易にするため、さらに、溶融プロセス中のフラックスによるカバー率を改善するために、粉末状合金材料３８のメッシュサイズ範囲と粉末状フラックス材料４０のメッシュサイズ範囲とが重なるか又は同一であることが有利である。

図２の実施形態におけるエネルギビーム４２は、一般には方形の横断面形状を有するダイオードレーザービームであるが、他の公知の形式のエネルギビームを用いることも可能であり、例えば電子ビーム、プラズマビーム、１つ又は複数の円形レーザービーム、走査レーザービーム（１次元走査又は２次元走査又は３次元走査）、集積レーザービーム等を用いることも可能である。方形の形状は、クラッド被覆の対象が比較的大面積である実施形態、例えばガスタービンエンジンブレードの先端を修復する実施形態にとって特に有利である。ダイオードレーザーにより生成されるこのような幅広い面積のビームは、溶接入熱、熱影響領域、基材による希釈及び残留応力を低減させるのを補助し、これらはいずれも、超合金修復に通常付随して生じる割れ現象を引き起こす傾向を低下させる。

幅広い面積でのレーザー露光を実現するのに用いられる光学的条件及び光学系機械設備は、
・レーザービームの焦点外し距離；
・焦点において方形のエネルギ源を生成するダイオードレーザーの使用；
・焦点において方形のエネルギ源を生成するセグメントミラー等のインテグレート光学系の使用；
・１次元以上でのレーザービームの走査（ラスタ走査）；
・可変ビーム径（例えば、微細加工作業を行う際には、焦点ビーム径は０．５ｍｍであり、比較的微細でない作業を行う際には、焦点ビーム径は２．０ｍｍにまで及ぶ）の集光光学系の使用；
を含むことができるが、これらに限定されない。カスタム形状の溶着層を形成するため、光学系及び／又は基材の移動を、選択的レーザー溶融プロセス又は選択的レーザー焼結プロセスと同様にプログラミングすることができる。上述のプロセスにより奏される、公知のレーザー溶融法やレーザー焼結法に対する利点には、
・溶着速度が速く、各処理層中の溶着厚が厚いこと；
・シールドが、不活性ガスを用いる必要なく、高温の溶着金属全体に及ぶように改善されたこと；
・フラックスにより、凝固割れの原因となる成分の溶着物の洗浄が強化されること；
・フラックスにより、レーザービーム吸収が増大し、処理装置へ戻る反射が最小限になること；
・スラグ形成により溶着物が成形されて支持され、熱が保存されて冷却速度が緩慢になることにより、溶接後熱処理中にひずみ時効（再加熱）割れを発生させる残留応力が低下すること；
・フラックスにより成分損失が補償されるか又は合金成分が追加され、溶着物が厚いことにより、部品形成全体にかかる総時間が大幅に短縮されるので、粉末及びフラックスの事前配置又は供給を効率良く選択的に行えること；
などが含まれる。

また、図２の実施形態には、ベース合金の供給材料４４を使用することも示されている。供給材料４４は、ワイヤ又はストリップの形態とすることができ、このワイヤ又はストリップは、基材３２に向かう方向に供給又は振動され、エネルギビーム４２によって溶融されて溶湯プールの一部となる。要望に応じて、レーザービームから得るべき総エネルギを低減するため、供給材料を（例えば電気的に）予熱することができる。中にはワイヤ形状又はストリップ形状に成形するのが困難又は不可能である超合金材料も存在するが、純粋なニッケル又はニッケルクロム又はニッケルクロムコバルト等の材料は、こうした形状で容易に入手可能である。図２の実施形態では、ベース合金の供給材料４４及び粉末状合金材料３８及び粉末状フラックス材料４０は、好適には、クラッド材料層３０が所望の超合金材料の組成を有するように選定される。溶加材とすることができるのは、所望の超合金材料を決定する元素組成の押出成形可能な元素サブセットのみであり、粉末状金属材料には、溶加材中の元素を補完して、所望の超合金材料を決定する元素組成を完成させる成分が含まれる。溶加材及び粉末状金属材料は溶湯プール内において組み合わされて、所望の超合金材料３０の修復面を形成する。図１に示されているように、当該処理により、クラッド材料層３０を保護し、成形し、かつ、熱絶縁するスラグ層４６が生成される。

図３に、低温金属アーク溶接トーチ５４を用いて超合金基材５２上に超合金材料層５０を溶着する実施形態を示す。トーチ５４は、中空の金属シース５７に粉末状材料５９を充填したものを含むフラックス入りワイヤ材料又はストリップ材料の形態の溶加材５６を供給して溶解するために用いられる。粉末状材料５９は、粉末状の金属合金及び／又はフラックス材料を含むことができる。好適には、金属シース５７は、中空形状に簡単に成形することが可能な材料、例えばニッケル又はニッケルクロム又はニッケルクロムコバルトから成り、粉末状材料５９は、溶加材５６が溶解したときに所望の超合金組成を形成するように選定される。例えば、シース対粉末状フラックス入り材料のソリッド対ソリッド比を３：２の比に維持できるよう、シースは、所望の超合金組成を実現するのに充分な量のニッケル（又はコバルト）を含む。アークの熱が溶加材５６を溶解して、スラグ層５８によって覆われた所望の超合金材料層５０を形成する。粉末状フラックス材料を溶加材５６中に含有させる（例えば、コア体積の２５％）、又は、粉末状フラックス材料を基材５２の表面上に事前に配置しておくもしくは基材５２の表面上に溶着する（図３には示していない；図２を参照）、又は、これら双方を行うことができる。種々の実施形態において、フラックスを導電性（エレクトロスラグ）又は非導電性（サブマージアーク）とすることができ、また、フラックスを化学的に中性又はアディティブとすることもできる。上述したように、必要な処理エネルギを低減するため、本実施例では低温金属アークトーチから得るべき処理エネルギを低減するために、溶加材を予熱することができる。フラックスを使用することにより、シールドが実現され、これにより、低温金属アークプロセスで通常必要とされる不活性ガス又は部分的に不活性のガスを使用する必要性を低減するか又は無くすことができる。

図４に示す実施形態では、溶加材６６を溶解するためにレーザービーム６４等のエネルギビームを用いて、超合金基材６２上に超合金材料層６０を溶着する。図３を参照して上述したように、溶加材６６は、中空形状に成形するのが容易な材料から構成された金属シース６８を有し、当該材料は例えばニッケル又はニッケルクロム又はニッケルクロムコバルト等であり、粉末状材料７０は、溶加材６６をレーザービーム６４で溶解したときに所望の超合金組成が形成されるように選定される。粉末状材料７０は、粉末状のフラックスと合金成分との双方を含むことができる。レーザービーム６４の熱が溶加材６６を溶解して、スラグ層７２によって覆われた所望の超合金材料層６０を形成する。上述したように、必要な処理エネルギを低減するため、本実施例ではレーザービームから得るべき処理エネルギを低減するために、溶加材を予熱することができる。

１つの実施態様の溶加材５６，６６は、以下のように、合金２４７材料を溶着するように調合されている：
・シースソリッド体積は、総金属ソリッド体積の約６０％であり、純粋なＮｉである；
・コア金属粉末体積は、総金属ソリッド体積の約４０％であり、シースからの純粋ニッケルと共に溶解又は混合したときに、公称で８．３重量％のＣｒと、１０重量％のＣｏと、０．７重量％のＭｏと、１０重量％のＷと、５．５重量％のＡｌと、１重量％のＴｉと、３重量％のＴａと、０．１４重量％のＣと、０．０１５重量％のＢと、０．０５重量％のＺｒと、１．５重量％のＨｆとの組成の合金２４７を生成するのに十分なＣｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｃ，Ｂ，Ｚｒ及びＨｆを含む；
・コアフラックス粉末体積は、大部分が非金属である追加的なワイヤ体積であり、アルミナ、フッ化物及びケイ酸塩を３５：３０：３５の比で含む。当該ワイヤ体積のサイズは場合によっては、金属粉末体積のサイズと等しくすることができる。フラックスのメッシュサイズ範囲は、コア金属粉末内において均等に分布するようにされている。

溶融熱をアークにより生成する実施形態では、アーク安定性を維持するために、フラックス又はシールドガス中に二酸化炭素を含ませるのが通常である。しかし、溶解プロセス中に、二酸化炭素はチタンと反応して、チタンの一部が蒸気又は酸化物となって失われてしまう。本方法により、上述のようなチタンの損失を補填するため、溶加材に含まれるチタン量を、溶着後の超合金組成において所望のチタン量より多めにすることができる。例えば上述の合金２４７の場合には、コア金属粉末に含まれるチタン量を１％から３％にまで増加させることができる。

本発明の超合金材料修復方法は、
・欠陥を除去するために、修復対象の超合金材料の表面を規定通りに研磨することにより前処理するステップと、
・表面を洗浄するステップと、
・その後、表面上に、フラックスを含む粉末状材料の層を事前配置又は供給するステップと、
・その後、粉末と表面の上部層とを溶解して、スラグ層が浮かんでいる溶湯プールを形成するため、当該表面全体にわたってエネルギビームを移動させ、溶湯プール及びスラグを凝固させるステップと
を有することができる。

溶解は、典型的には公知の機械的及び／又は化学的処理によってスラグを除去することにより、基材の表面におけるあらゆる素地欠陥を治癒して当該表面を修復状態にするという機能を有する。粉末状材料はフラックス材料のみとしてもよいし、又は、超合金クラッド材料層を形成したい実施形態の場合には、溶解によって表面上に当該クラッド層が形成されるように、当該粉末状材料は金属粉末を含んでもよい。ここで、当該金属粉末は、粉末状フラックス材料層の下方に配置される別個の層とするか、又は、当該粉末状フラックス材料と混合するか、又は、フラックス材料と組み合わせて複合粒子とすることができる。オプションとして、供給材料をストリップ又はワイヤの形態で溶湯プールに導入することができる。粉末状金属材料及び供給材料（これらが使用される場合）と、フラックス材料からの中性又はアディティブの任意の金属寄与分とが、溶湯プール中で組み合わされて、所望の超合金材料の組成を有するクラッド層を生成する。幾つかの実施形態では、ニッケル、ニッケルクロム、ニッケルクロムコバルト、又は、押出成形される他の金属の供給材料を、適切な合金金属粉末と組み合わせることにより、クラッドにおいて所望の超合金組成を実現する。このことにより、所望の超合金材料をワイヤ又はストリップの形状に成形する問題を回避することができる。

基材の予熱は、許容範囲の生成物を得るために必ず必要というわけではないが、例えば、基材の延性を増加させるため、及び／又は、溶加材を溶融するのに必要なビームエネルギを低減するために、溶解ステップの前に超合金基材及び／又は供給材料及び／又は粉末に熱を加えることが望ましい実施形態もある。一部の超合金基材の延性の改善は、合金の融点の約８０％を上回る温度で実現される。また、特定の用途では、オプションとしてチル固定具を用いることもできる。このことにより、エネルギビームの高精度の入熱と相俟って、溶解処理の結果として材料中に生じる応力を最低限に抑えることができる。本発明はさらに、不活性シールドガスを用いる必要を無くすこともできる。しかし、好適な場合には、一部の用途では補助シールドガスを用いることもできる。溶加材４４を用いる場合、一部の実施形態ではこの溶加材４４を予熱することができる。

使用可能なフラックス材料は、販売名リンカーンウェルドＰ２００７，ＢｏｈｌｅｒＳｏｕｄｏｋａｙＮｉＣｒＷ‐４１２，ＥＳＡＢＯＫ１０．１６又は１０．９０，スペシャルメタルＮＴ１００、エルリコンＯＰ７６、サンドヴィク５０ＳＷ又はＳＡＳ１などで販売されている市販のフラックスを含む。使用前にフラックス粒子を粉砕することにより、より小さな所望のメッシュサイズ範囲にすることができる。本発明の方法により、上記の合金も含めて、例えばガスタービンエンジン等の高温用途に慣用されている現在入手可能な任意の鉄、ニッケル基もしくはコバルト基の超合金を、本発明のプロセスによって接合、修復又はコーティングすることができる。

他の変形態様では、エネルギビームに代えて又はエネルギビームと併用して、供給材料を介して溶解用の熱を生成することができる。例えば、図２のワイヤ状又はストリップ状の供給材料４４に通電することにより、粉末及びフラックスの層の下方にアークを生成することができる。その際には当該ワイヤは、押出成形された形態で容易に入手可能な材料（すなわち、超合金材料ではない材料）とし、粉末は、組み合わされた溶湯プール中で所望の超合金組成を成すのに必要な他の合金成分を含む。これに代えて、例えば、超合金クラッド材料層を形成するのに有効なエレクトロスラグ溶接プロセスを行いやすくするように、粉末及びフラックスとして導電性のものを選定することができる。さらに他の実施形態では、従来のプラズマアーククラッド形成装置を用いて、フラックス粉末と超合金粉末状材料とを混合したものを超合金基材へ供給することができる。その際にオプションとして、チル固定具を用いることができる。種々の実施形態において、基材、供給材料及び／又は粉末を予熱することができる。入熱の精度は、電極を用いた場合よりも（±１０〜１５％）エネルギビームを用いた方が高くなるので（±１〜２％）、総入熱量の半分を上回る入熱量については、エネルギビームを用いるのが好適である。ビームのエネルギにより、サブマージアーク処理又はエレクトロスラグ処理は、基材からの希釈化が最小限である予備的な溶湯プールを生じさせることができ、その後、基材に対して大きな影響を更に及ぼすことなく、サブマージアーク又はエレクトロスラグの寄与分が溶着物体積に追加され、このことにより、希釈化作用を最小化することができる。

種々の実施形態では、サブマージアーク溶接フラックスと合金２４７粉末とを混合したものを、２．５ｍｍから５．５ｍｍまでの深さに事前配置した。すると、最終的な溶接後熱処理を行った後、当該混合物により、割れ無しのレーザークラッド溶着を実現することができた。０．６ｋＷから最大２ｋＷの出力レベルのイッテルビウムファイバレーザーとガルバノメータ走査光学系とを併用することにより、１２５ｍｍ／ｍｉｎのオーダの進行速度で、３ｍｍから１０ｍｍまでの幅の溶湯プール溶着物が形成された。溶着物の断面を染色浸透探傷試験及び金属組織検査にかけることにより、割れが存在しないことが確認された。合金２４７は、図６にも示されているように、公知の超合金の中で最も溶接しにくい合金に属するので、３重量％を上回るアルミニウム含有率の超合金も含めた全範囲の超合金組成において、本発明が動作可能であることが示されたといえる。

超合金基材を修復する際に粉末状フラックス材料を用いることの利点は、いずれにせよアディティブのクラッド材料が溶着されることであると認識されている。超合金基材の表面割れは、粉末状フラックス材料により当該表面を覆い、その後、当該表面とフラックス材料とを加熱して、スラグ層を浮かべた溶湯プールを形成することにより修復することができる。スラグ層で保護しながら溶湯プールを凝固することにより、クラックや汚染物が無い表面が形成される。

一般に方形のエネルギ密度を有するダイオードレーザーを用いることにより、レーザーエネルギを表面全体に当てることができる。これに代えて、円形レーザービームを基材に沿って往復進行させてラスタ走査することにより、面状のエネルギ分布を生じさせることができる。図５に、１つの実施形態のラスタ走査パターンを示しており、当該ラスタ走査パターンは、焦点径Ｄを有する一般に円形のビームを、第１の位置７４から第２の位置７４’を経て第３の位置７４”へ移動させ、以下同様のことを繰り返す、というものである。材料の最適な加熱及び溶融を実現するために有利なのは、方向変化位置におけるビーム径パターンのオーバーラップ量Ｏの大きさを径Ｄの２５〜９０％の間とすることである。これに代えて、表面全体にわたる所望のエネルギ分布を実現するために、２つのエネルギビームを同時にラスタ走査させることもできる。その際には、各ビームパターンの重なりが、各ビームの径の２５〜９０％の範囲内となるようにする。

図７に、粉末状フラックス材料を用いたレーザーマイクロクラッディング処理を示す。１つ又は複数のノズル９０ａ，９０ｂを用いて、推進ガスと粉末状材料とを含むジェット９２を基材９４に向けて送出する。基材を超合金材料とすることが可能であり、また、基材を超合金材料としないことも可能であるが、好適には、図６の線８０により区切られた溶接性領域を超える位置にある材料とすることができる。ジェット９２中の粉末状材料は、溶解したときに空気から保護しなければならない任意の合金材料９３ａを含むことができ、好適には、粉末状材料は、図６の線８０により区切られた溶接性領域を超える位置にある粉末状合金材料を含むことができる。粉末状材料を基材９４の表面に向けて推進するときに、当該粉末状材料を、レーザービーム９６等のエネルギビームによって溶融させ、溶湯プール９８を形成する。粉末状材料は粉末状フラックス材料９３ｂも含んでおり、基材９４の表面全体にわたって処理を順次行き渡らせると、粉末状フラックス材料９３ｂは粉末状合金材料９３ａと溶解し、その後に分離して凝固して、クラッド合金材料１０２の層全体にわたるスラグ層１００を形成する。スラグ１００は、公知の任意の手法を用いて材料を冷ました後に除去される。粉末状フラックス材料９３ｂにより、上記図１〜図４の処理において当該粉末状フラックス材料９３ｂに関して奏される全ての利点が実現される。その上、粉末状フラックス材料９３ｂは処理箇所において、すなわち溶湯プール自体の中で、シールド作用と脱酸作用とを生じさせるので、推進ガスを、例えばアルゴン等の従来の不活性ガスとするか、又は、より低コストの窒素又は空気とすることができる。

図１〜図４を参照して上述したように、ジェット９２中の粉末状フラックス９３ｂのメッシュサイズ範囲と粉末状合金材料９３ａのメッシュサイズ範囲とが重なるようにすることができ、又は、当該粉末状フラックス９３ｂと粉末状合金材料９３ａとを複合粒子として形成することができる。粉末を事前に配置しておく必要がないので、図７の処理を非水平方向の表面に適用でき、さらに、図７の処理と多軸ツールとを併用して、３次元表面、例えばガスタービン燃焼器の移行円錐部の内表面等に沿って、クラッドを設けることができる。１つの実施形態では、図７の処理を用いて、海洋用の硬化止水材料又はステンレス鋼の耐食性材料を被着させることができる。フラックス９３ｂと合金９３ａとを同一のノズルから供給することができ、又は、フラックス９３ｂと合金９３ａとを別々に、別個のノズル９０ｂ，９０ａから供給することもできる。

図７の処理により、標準的な溶接後熱処理を用いて、クラックを生じさせることなく高い溶着速度を実現することができるので（例えば、フラックスを添加しない場合の溶着速度の２倍）、超合金材料の溶着の際の従来のレーザーマイクロクラッディング法の制限を克服することができる。図５に示しているように、レーザーダイオードによって又はレーザービームのラスタ走査によって、上述のような高い溶着速度を実現することができる。

粉末状材料を用いることにより、溶着される材料の組成が時間的かつ空間的に変化する、機能材料類に属する材料の溶着が容易になる。例えば、製品の内壁から外壁に向かって、又は、製品内部から表面付近に向かって、合金組成を変えることも可能である。必要な機械的特性や耐食特性が異なる、想定される動作条件に応じて、また、材料コストを考慮して、合成組成を変化させることもできる。

本発明の種々の実施形態を図示及び説明したが、これらの実施形態は単なる一例であることは明らかであり、本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更及び置換が可能である。したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (16)

1. 推進ガスを用いて粉末状合金材料と粉末状フラックス材料とを基材へ方向づけるステップと、
   前記基材上に溶湯プールを形成するために、前記粉末状合金材料と前記粉末状フラックス材料とをエネルギビームによって溶解させるステップと、
   前記溶湯プールをスラグ層によって覆われるクラッド合金材料層とするために、前記溶湯プールを前記基材上で冷まして凝固させるステップと、
   を含む
   方法。
2. 前記推進ガスが空気又は窒素であるように選択するステップをさらに含む、
   請求項１記載の方法。
3. 前記粉末状合金材料及び前記粉末状フラックス材料を、重なり合うメッシュサイズ範囲を有するように選択するステップをさらに含む、
   請求項１記載の方法。
4. 前記粉末状合金材料と前記粉末状フラックス材料とをレーザービームによって溶解させるステップをさらに含む、
   請求項１記載の方法。
5. 前記粉末状合金材料と前記粉末状フラックス材料とをダイオードレーザービームによって溶解させるステップをさらに含む、
   請求項４記載の方法。
6. 前記粉末状合金材料と前記粉末状フラックス材料とを、ビーム径Ｄを有するレーザービームによって溶解させるステップと、
   方向変化位置での前記ビーム径のオーバーラップ量Ｏが前記ビーム径Ｄの２５％から９０％までとなるように、前記レーザービームを反復して方向変化させることにより、ラスタ走査を行うステップと
   をさらに含む、
   請求項１記載の方法。
7. 前記粉末状合金材料と前記粉末状フラックス材料とを、合金材料とフラックス材料とのハイブリッド粒子として形成するステップをさらに含む、
   請求項１記載の方法。
8. 前記粉末状合金材料の組成を、前記表面に沿った前記方法の進行につれて変化させるステップをさらに含む、
   請求項１記載の方法。
9. チタン含有率対アルミニウム含有率を表す超合金グラフに規定された溶接性領域を超える組成を有するよう、前記粉末状合金材料を選択するステップをさらに含み、
   前記溶接性領域の上限は、前記チタン含有率の軸と６重量％で交差し、かつ、前記アルミニウム含有率の軸と３重量％で交差する線によって定められる、
   請求項１記載の方法。
10. チタン含有率対アルミニウム含有率を表す超合金グラフに規定された溶接性領域を超える組成を有するよう、粉末状合金材料を選択するステップと、
    推進ガスを用いて前記粉末状合金材料と粉末状フラックス材料とを基材へ方向づけるステップと、
    前記基材上に溶湯プールを形成するために、前記粉末状合金材料と前記粉末状フラックス材料とをレーザービームによって溶解させるステップと、
    前記溶湯プールをスラグ層によって覆われるクラッド合金材料層とするために、前記溶湯プールを前記基材上で冷まして凝固させるステップと、
    スラグ層を除去するステップと、
    を含み、
    前記溶接性領域の上限は、前記チタン含有率の軸と６重量％で交差し、かつ、前記アルミニウム含有率の軸と３重量％で交差する線によって定められる、
    方法。
11. 前記推進ガスとして窒素又は空気を用いるステップをさらに含む、
    請求項１０記載の方法。
12. 前記粉末状合金材料及び前記粉末状フラックス材料を、重なり合うメッシュサイズ範囲を有するように選択するステップをさらに含む、
    請求項１０記載の方法。
13. 請求項１０記載の方法を非水平面上で行う、方法。
14. 請求項１０記載の方法を湾曲面上で行う、方法。
15. 前記粉末状合金材料及び前記粉末状フラックス材料をダイオードレーザービームによって溶解させるステップをさらに含む、
    請求項１０記載の方法。
16. 前記粉末状合金材料及び前記粉末状フラックス材料をビーム径Ｄのレーザービームによって溶解させるステップと、
    方向変化位置での前記ビーム径のオーバーラップ量Ｏが前記ビーム径Ｄの２５％から９０％までとなるように、前記レーザービームを反復して方向変化させることにより、ラスタ走査を行うステップと
    をさらに含む、
    請求項１０記載の方法。

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