JP2016511697A - 粉末状フラックスを用いた選択的レーザ溶融／焼結 - Google Patents

Abstract

レーザビーム（１２４）を用いて超合金材料とフラックスとを含む粉末（１１６）を積層方式で選択的に溶融することにより超合金部品（１２６）を形成する付加製造プロセス。フラックスは、汚染物と反応して当該汚染物を溶融物の表面まで浮遊させることによりスラグを形成する洗浄機能を果たす。また、フラックスはシールド機能を果たし、これにより、不活性カバーガスを用いる必要性が無くなる。前記粉末は、合金粒子とフラックス粒子との混合物とすることができ、または、合金フラックス複合粒子から成ることもできる。

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１３／００５，６５６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こととする。

発明の技術分野
本発明は一般的には、金属接合の分野に関し、具体的には、超合金材料の付加製造プロセスに関する。

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ためには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的には、消耗性の電極を供給材料として用いる。たとえば鋼、ステンレス鋼およびニッケル基合金等を含んだ多数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ためには、不活性のカバーガスまた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、および、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）や金属活性ガス（マグ；MAG）との用語でも知られている）も含まれる。フラックス保護による処理法には、フラックスを同様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）、および、フラックスが溶加材電極の外側に被膜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ービームを用いることも公知である。たとえば、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エネルギーが用いられてきた。フラックス粉末は、ステンレス鋼粉末と混合することができ、または、別個のカバー層として設けることもできる。本願の発明者が知る限りでは、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」との用語は、関連分野において通常用いられている意味で用いる。具体的には、優れた機械的強度および高温時耐クリープ性を示す、高い耐食性かつ耐酸化性の合金を指す。超合金は典型的には、高含有量のニッケルまたはコバルトを含む。超合金の例としては、ハステロイ、インコネル合金（たとえば IN 738，IN 792，IN 939）、レネ（Rene）合金（たとえば Rene N5，Rene 80，Rene 142）、ハイネス（Haynes）合金、Mar-M、CM 247、CM 247 LC、C263、718、X-750、ECY 768、282、X45、PWA 1483 および CMSX（たとえば CMSX-4）単結晶合金との商標や販売名で販売されている合金が含まれる。

超合金材料の中には、当該超合金材料の溶接修理を成功させるために、修理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（たとえば華氏１６００°ないしは８７０℃）まで当該超合金材料を予熱したものがある。この技術は「ホットボックス溶接」修理、または、「超合金昇温溶接（SWET）」修理とも称され、通常は、手動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、部品処理面温度を均一に維持するのが困難であること、および、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り制限されてしまい、また、このように非常に高温の部品付近にて作業するオペレータにかかる物理的問題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、基材の熱の影響が生じること、および、応力に起因する亀裂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くなる多くの修理用途においては、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およ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ので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、一般的にその溶接が部品の比較的低応力の領域に限定されるにもかかわらず、当該合金の溶接性は比較的高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、一般的には溶接性を有さないか、または、当該合金の溶接を可能とするためには、上記にて説明した、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特殊な手順を用いなければならないと考えられている。破線８０は、溶接性域の、認識された上限を示している。この線８０は、縦軸にてアルミニウム含有率３重量％と交差し、かつ、横軸上にてチタン含有率６重量％と交差する。この溶接性域外にある合金は、公知のプロセスでは溶接するのが非常に困難であるかまた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、一般的にはアルミニウム含有率が最も高い合金が、溶接が最も困難であると考えられている。

また、超合金粉粒子の薄層を超合金基材に溶着するために、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）または選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）を用いることも公知である。その溶湯プールは、レーザ加熱中、たと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（たとえば酸化アルミニウムや酸化クロム）を捕捉することにより、当該酸化物の捕捉に付随して細孔や気孔や他の欠陥を引き起こす傾向にある。処理後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、溶着した被膜の特性を改善することが多い。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。

レーザマイクロクラッディング法は、レーザ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、当該粉末が鋼材料または合金材料である場合、当該ガスはアルゴンであるか、または、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。レーザマイクロクラッディング法は、溶着速度がたとえば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皮相の酸化や窒化が生じることがあり、このことは、所望のクラッディング厚を実現するために、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理法が知られていないものもある。さらに、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、超合金材料に対応する接合プロセスを開発しようという挑戦は増え続けている。

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ー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。 エネルギー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。 本発明の一実施形態の付加製造プロセスを示す概略図である。

本発明の詳細な説明
読みやすくするため、図１から５までおよび図７では、本願発明の技術の種々の態様および用途を示していること、および、以下の図８についての説明は、特に選択的レーザ焼結および選択的レーザ溶融における本発明の技術の使用を対象としていることに留意されたい。この使用は、本願の特許請求の範囲にて記載している使用発明である。

本願発明者は、溶接が非常に困難な超合金材料を不具合無しでクラッド、接合および修理するのに使用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、高温のホットボックス溶接や、チルプレートを使用したり、または不活性シールドガスを用いる必要なく、超合金材料を割れ無しで接合するため、ビームエネルギーの捕捉、不純物洗浄、大気シールド、ビードの成形およ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、本願の発明者は、公知の選択的レーザ溶融法や選択的レーザ焼結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、超合金付加製造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的なことを成し遂げた。

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、たと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理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、レーザビーム１６を当該粉末層１４の両端間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により被覆されたクラッド層１０を形成する。クラッド１０およびスラグ１８は、粉末状の超合金材料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とその下にある基材１２の割れを防止するのに有利である数多くの機能を果たす。まず第一に、フラックス材料２２およびスラグ層１８は、溶融状態の材料の領域と凝固した（しかし未だ高温の）クラッド材料１０の領域との双方を、レーザビーム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。スラグは表面に浮かび上がって、溶融状態また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、高コストの不活性ガスの使用を回避するかまたはその使用量を最低限に抑えるため、シールドガスを生成するように、フラックスを調合することができる。第二に、スラグ１８は、凝固した材料を緩慢かつ均等に冷却させるためのブランケットとして機能する。このように冷却させることにより、溶接後再加熱またはひずみ時効割れの一因となる可能性のある残留応力を低減させることができる。第三に、スラグ１８は、溶融した金属のプールの高さ幅比を所望の１：３付近に維持するように、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、溶接凝固割れの発生の一因となる、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、エネルギーの吸収捕集機能を実現することにより、熱エネルギーへのレーザビーム１６の変換効率を高くし、これにより、たとえば１〜２％等以内での入熱の正確な制御を容易にすることができ、また、これにより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を補償するように、または、金属粉末自体では実現されない成分を溶着物に積極的に与えるように、フラックスを調合することもできる。総合的に、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が生成される。

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、または、粉末状の合金材料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溶融プロセスや選択的レーザ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、たとえば０．５〜２ｍｍの範囲である。しかし、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、または０．０２〜０．０８ｍｍとするか、または、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、また、溶融プロセス中のフラックスによるカバーを改善するためには、粉末状の合金材料３８のメッシュサイズ範囲と粉末状のフラックス材料４０のメッシュサイズ範囲とが重なるかまた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ービーム４２は、一般的には方形の横断面形状を有するダイオードレーザビームであるが、他の公知の形式のエネルギービームを用いることも可能であり、たとえば電子ビーム、プラズマビーム、１つまたは複数の円形レーザビーム、走査レーザビーム（１次元走査、２次元走査または３次元走査）、集積レーザビーム等を用いることも可能である。方形の形状は、クラッド被覆する対象が比較的大面積である実施形態、たとえばガスタービンエンジンブレードの先端を修理する実施形態に特に有利である。ダイオードレーザ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、熱影響部、基材による希釈および残留応力を低減させるのを補助し、これらはいずれも、超合金修理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ことができる。幅広い面積でのレーザ露光を実現するのに用いられる光学的条件および光学系機械設備は、以下のものを含むことができるが、これらに限定されない：
レーザビームの焦点はずし距離
焦点において方形のエネルギー源を生成するダイオードレーザの使用
焦点において方形のエネルギー源を生成するための、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ビームの走査（ラスタ走査）
可変ビーム径（たとえば、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
カスタム形状の溶着層を形成するため、光学系および／または基材の移動を、選択的レーザ溶融プロセスまたは選択的レーザ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、公知のレーザ溶融法やレーザ焼結法に対する利点には、以下のものが含まれる：
溶着速度が速く、各層処理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。
フラックスによってレーザ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り、これにより、溶接後熱処理中にひずみ時効（再加熱）割れの一因とな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、または合金成分が追加され、溶着が厚いことにより、部品形成全体にかかる総時間が大幅に短縮するので、粉末およびフラックスの事前配置または供給を効率的に、選択的に行うことが可能であること。

また、図２の実施形態には、ベース合金供給材料４４を使用することも示されている。供給材料４４は、ワイヤまたはストリップの形態とすることができ、このワイヤまたはストリップは、基材３２に向かう方向に供給または振動され、エネルギービーム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、レーザビームから得る必要がある総エネルギーを低減するため、供給材料を（たとえば電気的に）予熱することができる。中には、ワイヤ形状またはストリップ形状に成形するのが困難または不可能である超合金材料も存在するが、純粋なニッケルまたはニッケルクロムまたはニッケルクロムコバルト等の材料は、ワイヤ形状またはストリップ形状で容易に入手可能である。図２の実施形態では、ベース合金供給材料４４、粉末状合金材料３８およ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元素の押出成形可能なサブセットのみであり、粉末状金属材料には、溶加材中の成分を補完して、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。溶加材およ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の修復した表面を形成する。図１にて示しているように、当該処理により、クラッド形成材料層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を充填したものを有するフラックス入りワイヤまた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、粉末状の金属合金および／また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から成り、たとえばニッケルまたはニッケルクロムまた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。たとえば、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にするため、前記シースは、所望の超合金組成を実現するのに十分なニッケル（またはコバルト）を含む。アークの熱が溶加材５６を溶解して、スラグ層５８が被覆さ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中に含有させるか（たとえば、コア体積の２５％）、または、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か、または基材５２の表面上に溶着するか（図示していない‐図２参照）、または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）とするか、または非導電性（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またはアディティブとすることができる。上記にて説明したように、必要な処理エネルギーを低減するため、‐本実施例では、低温金属アークトーチから得る必要がある処理エネルギーを低減するため、‐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にて通常必要とされる不活性ガスまたは部分的に不活性のガスを使用する必要性を低減また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ビーム６４等のエネルギービームを用いて、超合金基材６２上に超合金材料層６０を溶着する。上記にて図３を参照して既に説明したように、溶加材６６は、中空形状に成形するのが容易である材料から構成された金属シース６８を有し、当該材料はたとえばニッケルまたはニッケルクロムまた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を前記レーザビーム６４により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。前記粉末状材料７０は、粉末状フラックスと合金成分との双方を含むことができる。レーザビーム６４の熱が溶加材６６を溶解して、スラグ層７２が被覆された所望の超合金材料層６０を形成する。上記のように、必要な処理エネルギーを低減するため、‐本実施例では、レーザビームから得る必要のある処理エネルギーを低減するため、‐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、前記シースからの純粋ニッケルと共に溶解または混合したときに、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および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、フッ化物およびケイ酸塩を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、フラックスまた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、溶融プロセス中に、二酸化炭素はチタンと反応して、チタンの一部は蒸気また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。たとえば上述の合金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理方法は、
・欠陥を除去するために、修理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、
・前記表面を洗浄するステップと、
・その後、前記表面上に、フラックスを含む粉末材料の層を事前配置または供給するステップと、
・その後、スラグ層が浮かんでいる溶湯プールに、前記粉末と前記表面の上部層とを溶解するため、当該表面全体にわたってエネルギービームを移動させ、前記溶湯プールおよ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。
前記溶解は、典型的には公知の機械的および／または化学的処理によってスラグを除去することにより、基材の前記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。前記粉末状材料はフラックス材料のみとすることができ、または、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、前記溶解によって前記表面上に当該クラッド層を形成するように、当該粉末状材料は金属粉末を含むことができ、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、または、当該粉末状フラックス材料と混合するか、または、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またはワイヤの形態で溶湯プールに導入することができる。前記粉末状金属材料および供給材料（もし使用する場合）と、前記フラックス材料からの中性またはアディティブの任意の金属寄与分とが、溶湯プール中にて組み合わされて、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、または、押出成形しやすい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、前記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また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、たとえば、基材の延性を増加させるため、および／または、溶加材を溶融するために必要なビームエネルギーを削減するため、前記溶解ステップの前に超合金基材および／または供給材料および／また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、エネルギー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成され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、好適である場合には、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、Bohler Soudokay ＮｉＣｒＷ‐４１２、ＥＳＡＢ ＯＫ１０．１６または１０．９０、スペシャルメタルＮＴ１００、エルリコンＯＰ７６、サンドヴィク５０ＳＷまたはＳＡＳ１で販売されているフラックス等の、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、たと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接合、修理またはコーティングすることができる。

他の変形態様では、エネルギービームに代えて、またはエネルギービームと併用して、供給材料を介して溶解用の熱を生成することができる。たとえば、図２のワイヤ状またはストリップ状の供給材料４４に通電することにより、粉末層およびフラックス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、前記粉末は、組み合わされた溶湯プール中にて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。これに代えて択一的に、たとえば、超合金クラッド材料層を形成するのに有効である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、前記粉末およ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。その際にはオプションとして、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、前記基材、供給材料および／また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％）エネルギー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、エネルギービームを用いるのが好適である。ビームのエネルギーにより、サブマージアーク処理また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、サブマージアークまたはエレクトロスラグの寄与分が溶着体積に追加され、このことにより、希釈化現象を最小限にすることができる。

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を形成した。溶着物の断面を染色浸透探傷試験および金属組織検査することにより、割れが存在しないことが確認された。合金２４７は、図６にも示しているように、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を示すものであるといえる。

超合金基材を修理する際に粉末状フラックス材料を用いることの利点は、アディティブのクラッド材料が溶着されているか否かで実現されるとの認識がなされている。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、亀裂や汚染物が無い表面が形成される。

一般的に方形のエネルギー密度を有するダイオードレーザを用いることにより、レーザエネルギーを表面積全体にわたって当てることができる。これに代えて択一的に、円形レーザビームを基材に沿って進行させるときに往復させてラスタ走査することにより、面状のエネルギー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、一般的に円形のビームを、第１の位置７４から第２の位置７４’へ移動させ、その後、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。材料の最適な加熱およ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前記ビーム径パターンのオーバーラップＯの大きさをＤの２５〜９０％の間とすることである。これに代えて択一的に、表面積全体において所望のエネルギー分布を実現するために、２つのエネルギー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マイクロクラッディング処理を示す。１つまたは複数のノズル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域を超える位置にある粉末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、レーザビーム９６等のエネルギービームによって溶融して、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前記材料を冷却した後に除去される。粉末状フラックス材料９３ｂにより、上記の図１〜４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、前記推進ガスを、たとえばアルゴン等の伝統的な不活性ガスとするか、または、より低コストの窒素または空気とすることができる。

上記にて図１〜４を参照して説明したように、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、または、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することができ、さらに、図７の処理と多軸ツールとを併用して、３次元の素地にクラッドを、たとえばガスタービン燃焼器移行円錐部の内表面等に沿って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、海洋用の硬化肉盛また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、または、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、亀裂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（たとえば、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伝統的なレーザ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、レーザダイオードによって、またはレーザ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。

図８は、選択的レーザ焼結処理または選択的レーザ溶融処理等の、本発明の付加製造プロセスを示している。ここでは、選択的レーザ焼結処理と選択的レーザ溶融処理とを合わせて、選択的レーザ加熱処理と称する。付加製造装置１１０は、粉末供給部１１２と製造部１１４とを有する。粉末供給部１１２は、ある程度の体積の粉末１１６を有し、当該粉末１１６は、ローラ１１８等の粉末供給分配装置によって選択的に前記製造部１１４へ移動する。この粉末供給分配装置は、予め定められた厚さの未処理状態の粉末１１６を、製造部１１４の製造粉末ベッド１２０の上面全体にわたって供給するものである。その後、走査系１１２が、プログラミングされたパターンで前記製造粉末ベッド１２０の表面の各一部分において、選択的に加熱（溶融、一部溶融、または焼結）するようにレーザビーム１２４等のエネルギービームを選択的に走査し、粉末の領域を凝固させて部品１２６の一部を形成する。その後、ローラ１１８が粉末１１６を更に受け取れるように供給ピストン１２８が上方向に移動し、製造粉末ベッド１２０が更に１層の粉末１１６を受け取れるように製造ピストン１３０が下方向に移動し、所望の部品形状を成形するのに有効なレーザビーム１２４の割り出しのパターンで上記処理を繰り返す。

超合金材料を用いた従来技術の選択的レーザ加熱処理では、溶融状態または一部溶融状態の粉末１１６が空気に触れないように保護するため、不活性カバーガスの存在下で粉末状の超合金材料を加熱していた。これに対し、図８に示した本発明の実施形態では、粉末１１６として粉末状の超合金材料１１６’の他に粉末状フラックス１１６’’も使用する。このことにより、溶融したフラックスが空気に対して必要なシールドを生成するので、不活性のカバーガスの存在下で加熱を行う必要がなくなる（しかし、オプションとして当該加熱を行うことも可能である）。粉末１１６は、粉末状合金１１６’と粉末状フラックス１１６’’とを混合したものとすることができ、または上述のように、粉末１１６を合金とフラックスとの複合粒子とすることもできる。処理精度を向上させるためには、粉末１１６を細かいメッシュとすることができ、たとえば２０ミクロンから１００ミクロンとすることができ、また、フラックス粒子１１６’’のメッシュサイズ範囲は、合金粒子１１６’のメッシュサイズ範囲と重複または同一とすることができる。このように粒径が小さいことにより、単位体積あたりの表面積を拡大することができ、この表面積の拡大により、合金粒子表面上に形成された問題的な酸化物に対応できる可能性が大きくなる。この問題は複合粒子によって、合金粒子がフラックス材料により被膜されることで最小化することができる。さらに、溶解したフラックスによって、シールドガスが生成されて酸化物や他の汚染物と反応し、これらを泳がせて表面まで移動させて、当該表面において酸化物や他の汚染物が、容易に除去できるスラグ１３２となることにより、洗浄作用が実現されて溶融欠陥を低減させることができる。このスラグ１３２は、溶融した各層ごとに除去されてから、その後に次の粉末層１１６を製造粉末ベッド１２０へ移動させる。スラグ除去装置の１つが、同日出願した米国特許出願第ＸＸＸ号（代理人整理番号：2012P27618US）に記載されている。同刊行物の記載内容は、引用によって本願の開示内容に含まれるものとする。

フラックス１１６’’は、レーザエネルギーの吸収を支援する光トラップとして機能し、その結果物であるスラグ１３２が冷却速度を緩慢にして処理エネルギーを封じ込める。一部の実施形態では、溶着化学現象に寄与するようにフラックス１１６’’を調合することができる。必須ではないが、加熱ステップ前に粉末１１６および／または部品１２６を加熱するのが有利である。処理後高温アイソスタティックプレスも必須ではないが、一部の実施形態では使用することができる。上記にて図６を参照して説明した溶接性域外にある超合金でも、完成後の部品１２６の溶接後熱処理を、再加熱割れのリスクを抑えて実施することができる。

図８に示している処理は、本来の部品製造装置でも、また部品のラピッドプロトタイピング装置でも用いることができる。さらに、当該処理を部品修理用に用いることも可能であり、たとえば、リファビシュのために稼働から取り外したガスタービンブレードに設置する交換用ブレード先端を形成するために用いることも可能である。本発明により、不活性カバーガスを不要とすることができ、許容誤差が小さい制御を実現するために高精度のレーザ処理を実現し、選択的レーザ加熱処理にて用いられる細かい超合金粉末において長年問題であった酸化物に対応する解決手段を提供し、また、従前から知られていた溶接性域を超える組成を有する超合金を割れ無しで溶着させることが可能になる。

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。たとえば、図８の部品１２６がガスタービン翼である場合、当該翼のプラットフォーム部分を第１の組成とし、当該翼の翼形部分を第２の異なる組成とすることができる。他の実施形態では、製品の内壁から外壁に向かって、また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、材料コストも考慮して、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および説明したが、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、変更およ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 (20)

1. 合金材料とフラックス材料とを含む第１の粉末層を表面上に配置する配置ステップと、
   前記第１の粉末層にわたってエネルギービームを割り出し、上方に配置されたスラグの下の合金の領域を選択的に凝固させる割出ステップと、
   前記スラグを除去する除去ステップと、
   所望の形状の部品を成形するのに有効な割り出しのパターンで、前記配置ステップと前記割出ステップと前記除去ステップとを繰り返すステップと
   を有する方法。
2. さらに、前記粉末層を、合金粒子とフラックス粒子との混合層として形成する、
   請求項１記載の方法。
3. 前記合金粒子のメッシュサイズ範囲と前記フラックス粒子のメッシュサイズ範囲とは重なる、
   請求項２記載の方法。
4. さらに、前記粉末層を、合金とフラックスとの複合粒子の層として形成する、
   請求項１記載の方法。
5. 前記合金材料の組成は、超合金のチタン含有率対アルミニウム含有率を示すグラフ上にて定まる溶接性域を超える組成であり、
   ここで、前記溶接性域の上限は、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％で交差する線である、
   請求項１記載の方法。
6. さらに、再加熱割れを引き起こすことなく、前記形状の部品を溶接後熱処理する、
   請求項５記載の方法。
7. 不活性ガスの保護ガスを使用することなく前記方法を実施する、
   請求項１記載の方法。
8. 前記フラックス材料は、前記合金の凝固した領域の溶着化学現象に寄与するように調合されている、
   請求項１記載の方法。
9. 前記エネルギービームはレーザビームである、
   請求項１記載の方法。
10. 付加製造方法であって、
    改善は、
    合金材料とフラックス材料とを含む連続した複数の層の各領域を選択的に加熱することにより、スラグにより被覆された合金の凝固領域を形成する加熱ステップと、
    各連続した次の層を加熱する前に前記スラグを除去する除去ステップと
    を有することを特徴とする付加製造方法。
11. 前記粉末層は、合金粒子とフラックス粒子とを混合したものを含む、
    請求項１０記載の方法。
12. 前記合金粒子のメッシュサイズ範囲と前記フラックス粒子のメッシュサイズ範囲とは重なる、
    請求項１１記載の方法。
13. 前記粉末層は、合金とフラックスとの複合粒子の層である、
    請求項１０記載の方法。
14. 前記合金材料の組成は、超合金のチタン含有率対アルミニウム含有率を示すグラフ上にて定まる溶接性域を超える組成であり、
    ここで、前記溶接性域の上限は、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％で交差する線である、
    請求項１０記載の方法。
15. 前記方法はさらに、
    所望の形状の部品を成形するように、前記加熱ステップと前記除去ステップとを繰り返すステップと、
    再加熱割れを引き起こすことなく、前記形状の部品を溶接後熱処理するステップと
    を有する、
    請求項１４記載の方法。
16. 不活性ガスの保護ガスを使用することなく前記方法を実施する、
    請求項１０記載の方法。
17. 前記フラックス材料は、前記合金の凝固した領域の溶着化学現象に寄与するように調合されている、
    請求項１０記載の方法。
18. 前記エネルギービームはレーザビームである、
    請求項１０記載の方法。
19. 超合金材料とフラックス材料とを含む粉末を形成するステップと、
    付加製造法で、前記粉末を用いて順次積層して所望の形状の部品を成形するステップと、
    各層ごとにスラグを除去してから、その後に次の層を形成するステップと
    を有する方法。
20. 超合金材料粒子にフラックス材料粒子を混合したものを含むように、前記粉末を形成する、
    請求項１９記載の方法。

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