JP2016539805A

JP2016539805A - ビームサイズがプログラミングによって調整されているレーザによって表面を融解させる方法

Info

Publication number: JP2016539805A
Application number: JP2016519918A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．ブラックジェラルド; カメルアーメド
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-12-22
Also published as: CN105636737A; DE112014004561T5; US20150096963A1; WO2015050665A2; RU2016116907A; WO2015050665A3; KR20160063391A

Abstract

不規則な形状のターゲット表面（２８，３６）を、エネルギビーム（１２，４８）でもって加熱する方法であって、エネルギビーム（１２，４８）のパワー密度は、クラッディングプロセスを制御するために、表面にわたりビームが前進する際に制御される。１つの実施の形態においては、矩形の形状の各ダイオードレーザビーム像（２２，２４，２６）の幅（ｙ）が、ガスタービンブレード先端（２０）の局所的な幅に応じて制御され、またダイオードレーザのパワーレベルは、各像の幅に応じて線形に制御され、それによってブレード先端にわたり実質的に一定のパワー密度が維持される。別の実施の形態においては、連続的なレーザビーム像（３４）の幅及びパワーレベルが、局所的な表面形状の変化に応じて制御され、像が表面にわたり移動する際に、所定のパワー密度が生成される。

Description

本発明は、一般的に金属接合の分野に関し、特に改善されたレーザクラッディング／修復プロセスに関する。

ガスタービンエンジンの高温部品は、典型的には、超合金材料から製造されているが、それらの部品は依然として摩耗又は高温腐食するか、異物によって損傷するか、若しくは、熱機械疲労に晒される。例えば、回転タービンブレードの半径方向において最も外側に位置する先端（「スキーラ先端」とも称する）は、ブレードを取り囲んでいるブレードリングに対する摩擦に起因して摩耗する可能性がある。摩耗した金属を除去して、新たな材料を溶接により加えることによって、スキーラ先端を修復することが公知である。従来の方式で溶接された超合金は、特にガンマプライムの含有量が多い超合金は、溶接プールの凝固及び後続の溶接後熱処理の間に割裂しやすい。

直接選択レーザ焼結はクラッディングプロセスであり、その際、レーザビームは表面における粉末状の金属の融解及び凝固に使用される。レーザビームの経路は、そのレーザビームのフットプリントよりも大きい面積にわたり材料を堆積させるために、粉末によって覆われている表面にわたるラスタを形成するようにプログラミングされる。

以下では、添付の図面を参照しながら本発明を説明する。

レーザクラッディングプロセス中に小さい半径の湾曲部を移動する際の、レーザビームの慣例のようにラスタ化された経路を示す。ビームのパワー密度を一定に維持しながら、タービンブレード先端にわたる一連の個々の照射においてダイオードレーザビームのフットプリントが変更されている、本発明の実施の形態を示す。ビームのパワー密度を一定に維持しながら、タービンブレード先端にわたり移動する際の、ダイオードレーザビームのフットプリントが連続的に変更されている、本発明の実施の形態を示す。本発明の実施の形態による、超合金材料クラッディングプロセスを断面図で示す。

本発明の詳細な説明
本発明者は最近、以前は溶接不可能とみなされていた高ガンマプライム超合金材料を、割裂を生じさせることなく堆積させるプロセスを複数開発した（例えば、同時継続出願である米国特許出願公開第２０１３／０１４０２７８号明細書を参照されたい。この文献は参照により本願に含まれるものとする）。それらのプロセスは、レーザビームによって表面を走査し、それと同時に、粉末状の超合金材料及び粉末状のフラックス材料を融解させることを含む。現時点において本発明者は、不規則な形状の表面、例えば小さい半径の湾曲部周りの表面に材料を堆積させる際にそれらのプロセスには制限が課されることを認識している。図１には、比較的急峻な湾曲部１４の半径周りの、レーザビーム１２のラスタ化された経路１０が示されている。レーザビーム１２の直径は一定なので、ビーム１２が経路１０に沿った矢印の方向に移動する際のビーム１２の位置を表している各円間の重畳部によって表されているように、曲線部１４の内側の半径Ｒ_iと、曲線部１４の外側の半径Ｒ_oとではビーム１２の重畳部の大きさが異なる。内半径Ｒ_iの位置に沿った重畳部の方が大きいので、適用されるパワー密度は結果として不均一になる。つまり、ビーム１２のパワーレベル及び移動速度は変更されないにもかかわらず、内半径Ｒ_iの付近では比較的高いパワー密度が存在し、外半径Ｒ_oの付近では比較的低いパワー密度が存在する。本発明者は、パワー密度におけるこの局所的な差が望ましいものではないことを発見した。また、この影響を低減するためのビーム経路の特別なプログラミングは時間が掛かる虞があり、また処理時間が緩慢になる虞があり、更には、パワー密度の差をなくすことについて完全に効果を発揮するとは限らない。

レーザクラッディングプロセス中の任意の半径の湾曲部周りにおいて一定のパワー密度を提供することに効果を奏する本発明の実施の形態が図２に示されている。この図２は、例えばレーザクラッディング又は選択レーザ焼結又は選択レーザ溶接のようなレーザ修復プロセスが実施されているガスタービンブレード先端２０の端面図である。本発明は、ダイオードレーザシステムとの関係において開発された光学素子における利点を利用する。調節可能な光学素子は、現在のところ、焦点におけるダイオードレーザビームの大きさ及び形状を二次元で制御するものが市販されている。そのようなシステムの１つは、カリフォルニア州のサンタクララにあるLaserline株式会社から「Optics Series」の商標名で販売されている。

図２には、レーザビームがブレード先端２０に対して相対的なｘ方向において順次移動する際の、一連の矩形ダイオードレーザビーム像２２，２４，２６によって加熱されるブレード先端２０が示されている。この図では、ブレード先端２０の表面２８の一部のみが複数の像によって加熱されることが示されているが、当業者であれば、ターゲット表面２８全体を加熱することも含めて、あらゆる任意の所望の面積を加熱できることが分かる。表面２８は、粉末状の超合金材料及び粉末状のフラックス材料を含むことができ、それらの材料が加熱によって融解されることにより、クラッディングプロセスが達成される。

レーザビームのｘ方向への前進と同時に、像２２，２４，２６及びブレード先端２０の相対的な横方向位置が共に、ブレード先端２０の形状を追跡するために、ｙ軸に沿って制御される。ｘ方向及びｙ方向の両方向における相対的な移動を、光学素子の移動によって、又は、部分的な並進移動によって、又は、連続的な進行としてそれら２つの移動を行うことによって達成することができる。更に、加熱すべき面積の範囲を超えてレーザエネルギが過剰に供給されることなく、ブレード先端２０の局所的な幅を完全にカバーするために、種々異なる局所的な幅を有するブレード先端２０の種々異なる局所的な位置にビームが入射するように、ｙ方向におけるビーム像２２，２４，２６の幅が制御される。本発明の１つの態様によれば、像２２，２４，２６を形成するレーザビームのパワーレベルを同時に制御して、それらの像２２，２４，２６の間での、焦点におけるパワー密度を実質的に一定に維持し、それによって、表面２８にわたる加熱における局所的な一貫性の達成が容易になる。本明細書において使用されているように、「実質的に一定」とは、各像が同一のパワー密度を有しているか、又はパワー密度の中央値の５％内のパワー密度を有している。

図２の実施の形態においては、ビーム像２２，２４，２６の高さ寸法がｘ方向に沿って一定に維持されているので、それによって、各像の総フットプリント（面積）は、ｙ方向における幅の変化と共に線形に変化する。つまりこの実施の形態では、ビーム像２２，２４，２６間での一定のパワー密度を維持するために、総レーザ出力を、ｙ方向における像の幅に応じて、線形に調整することができる。別の実施の形態においては、連続する像間でビーム像の面積の２次元の調整を実施し、それと共に、一定のパワー密度を維持するために各像の相対的な面積に相関させてパワー密度を変更することができる。レーザエネルギ源光学素子の能力及びターゲット表面の形状に依存して、矩形とは異なるビーム像幾何学も使用することができ、その場合、熱処理がターゲット表面にわたり移動しながら行われる際に、実質的に一定のパワー密度が維持されるように、像の面積の変化に応じてレーザのパワーが適切に変更される。

幾つかの用途においては、ビームエネルギのパワー密度が、有利には、ターゲット表面にわたり一定である必要はないことは明らかである。例えば、図２のブレード先端２０においては、その領域における熱伝達容量が制限されていることに起因して、ブレード先端２０のトレーリングエッジ付近ではやや低いパワー密度を提供することが所望されると考えられる。本発明は、ビームパワーを適切に制御することによって、事前に定められた任意のパワー密度（例えば一定のパワー密度又は意図的に異なるパワー密度）を、ターゲット表面にわたるあらゆる特定の領域に供給することができる。例えば、図２の実施の形態においては、２０％低いパワー密度を有するように所期のように制御される像２４及び５０％低いパワー密度を有するように所期のように制御される像２２を除き、ブレード先端２０全体にわたり実質的に一定のパワー密度を維持することが所望されると考えられる。このことは、焦点におけるビーム面積に応じてビームパワーが制御されるだけでなく、更に像２４及び像２２の各像に関して、ビームパワーがそれぞれ２０％及び５０％低減されることによって達成される。

別の実施の形態においては、ビームが前進する際の表面形状の変化に応じてビーム像のパワーレベル及びフットプリントを制御しながら、連続的なダイオードレーザビームを、ターゲット表面にわたり移動させることができる。この実施の形態は図３に示されており、この図では、ガスタービンブレード先端３０が、矩形のレーザビーム像３４の移動によって規定されるダイオードレーザビームの前進経路３２でのクラッディングプロセスにおいて加熱されている。像３４の形状は、その像の経路に沿って、ターゲット表面３６の局所的な形状に応じて変更され、また表面３６にわたり実質的に一定のパワー密度を維持するために、ビームのパワーレベルも像３４の形状と同時に制御される。この実施の形態においては、像３４の瞬時面積に応じてパワーレベルを制御しながら、ｘ方向及びｙ方向のいずれか一方又は両方における像３４の寸法を制御することができる。更に、図２と関連させて上記において説明したように、例えばブレード先端３０のトレーリングエッジ付近のビームのパワー密度を低減するために、又は、加熱領域の始点又は終点付近のパワー密度に勾配を設け、ターゲット表面における熱勾配を低減するために、実質的に一定ではない任意の所定の（１つ又は複数の）値にパワー密度を制御することができる。

更に図３の実施の形態においては、像３４の経路３２に沿った像３４の移動速度を変更しながら、その移動速度に応じてパワーレベルも制御することができ、それによって、表面３６に沿った各箇所において適用される総エネルギが実質的に一定になる。同様のやり方で、図２の実施の形態においては、表面２８に沿った各箇所に実質的に一定の熱入力を提供するために、種々の像２２，２４，２６の照射時間を変更し、パワーレベルを相応に制御することができる。概説するならば、ビームのパラメータ、例えば形状、幅、高さ、面積、通過速度又は照射時間は、表面にわたりビームが移動する際に、ビームが照射される局所的な表面領域の形状の変化に応じて制御される。

図４には、超合金クラッディング材料４０の層を超合金基板４２に被着させるためのプロセスが示されている。先ず、粉末状の材料４４の層が超合金基板４２の表面４６に供給される。粉末状の材料４４を表面４６に予め設けることができるか、又は、矢印の方向において表面４６にわたりビームが移動する場合には、レーザビーム４８の直ぐ手前に、粉末状の材料４４を連続的に供給することができる。粉末状の材料４４は、超合金材料とフラックス材料の両材料の粒子が混合されたものであっても良いし、それら２種類の粒子が明確な層を成すものであっても良い。レーザビーム４８が表面４６にわたり移動する際に、レーザビーム４８は、粉末状の材料４４及び表面４６の局所的な領域を加熱し、それによって溶接プール５０が形成される。その後、この溶接プール５０は凝固して、クラッド超合金材料４０の層及びスラグ５２の被覆層を形成する。スラグ５２は、不純物を除去するため、溶接プール５０及びクラッド材料４０を周囲雰囲気から保護するため、溶接プール５０を成形するため、また、冷却速度を制御するために使用され、それによって、ガンマプライム含有量が多く融解が困難な超合金材料を、割裂が生じることなく堆積させることができる。

本明細書において本発明の種々の実施の形態を図示及び説明したが、そのような実施の形態は単に例示を目的として示したものに過ぎないことは明らかである。本発明から逸脱することなく、種々の修正、変更及び置換を行うことができる。例えば、レーザエネルギとは異なるエネルギを、例えば電子ビーム又は音波エネルギのビームを、ターゲット表面を加熱するために使用することができる。更に、本発明を、融解が困難な超合金材料又は、表面上で融解及び再凝固することができるその他の材料と共に使用することもできる。プロセスを、表面の全体のうちの一部だけを形成するターゲット表面にわたり実施しても良いし、表面全体にわたり実施しても良い。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載の事項の精神及び範囲によってのみ限定されることが意図されている。

Claims

レーザビームをターゲット表面にわたり移動させ、表面の局所的な領域を連続的に融解させるステップと、
移動ステップの間、局所的な各融解領域での前記ターゲット表面の局所的な形状に応じて、焦点における前記レーザビームの面積を制御するステップと、
焦点における前記レーザビームの面積に応じて、前記レーザビームのパワーレベルを制御し、前記ターゲット表面にわたり前記レーザビームの所望のパワー密度を提供するステップと、
を含んでいることを特徴とする、方法。
前記ターゲット表面にわたり一連のレーザビーム像を移動させ、前記表面の局所的な領域を順次融解させるステップを更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
焦点における各像の面積に応じて、各像に関する前記レーザビームのパワーレベルを制御するステップを更に含んでいる、請求項２に記載の方法。
前記ターゲット表面を各像に晒す時間に応じて、各像に関する前記レーザビームのパワーレベルを制御するステップを更に含んでいる、請求項３に記載の方法。
焦点において矩形の形状を有しているダイオードレーザビームを前記ターゲット表面にわたり移動させるステップと、
前記ターゲット表面の局所的な幅に応じて、前記像の移動方向を横断する方向における前記レーザビームの幅を制御するステップと、
前記レーザビームの幅に応じて、該レーザビームのパワーレベルを制御し、実質的に一定のパワー密度を提供するステップと、
を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記レーザビームを制御し、矩形の形状の一連の像を、前記移動方向における前記ターゲット表面にわたり生成するステップを更に含んでおり、
各像は前記ターゲット表面の前記局所的な幅に応じた幅を有している、請求項５に記載の方法。
前記像の前記移動方向において各レーザビーム像の高さを制御するステップと、
焦点における矩形の形状の各像の面積に応じて、各像に関する前記レーザビームのパワーレベルを制御するステップと、
を更に含んでいる、請求項６に記載の方法。
連続的なレーザビームを前記ターゲット表面にわたり移動させるステップと、
前記ターゲット表面の局所的な形状に応じて、焦点における前記レーザビームの面積を連続的に制御するステップと、
焦点における前記レーザビームの面積に応じて前記レーザビームのパワーレベルを連続的に制御し、前記ターゲット表面にわたり実質的に一定のパワー密度を提供するステップと、
を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
焦点における前記レーザビームの面積に応じて、前記レーザビームのパワーレベルを制御し、前記ターゲット表面にわたる前記レーザビームの実質的に一定のパワー密度を提供するステップを更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
移動ステップを実施する前に、粉末状の超合金材料及び粉末状のフラックス材料を前記ターゲット表面に供給するステップと、
前記粉末状の超合金材料及び前記粉末状のフラックス材料を、前記表面の局所的な融解領域と共に、連続的に融解させるステップと、
融解された前記超合金材料及び前記フラックス材料を冷却して凝固させ、前記ターゲット表面上に、スラグの層によって覆われている超合金クラッディング材料の層を形成するステップと、
を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
ターゲット表面にわたりエネルギビームを移動させ、ビームが表面にわたり移動する際に、前記エネルギビームが照射される前記表面の各部分の局所的な形状を変化させるステップと、
照射されている前記表面の各部分の局所的な形状に応じて、前記エネルギビームのパラメータを制御するステップと、
前記エネルギビームのパラメータの変更に応じて、前記エネルギビームのパワーレベルを制御して、前記表面にわたり前記ビームが移動する際に、前記ターゲット表面上の焦点における前記エネルギビームのパワー密度を実質的に一定にするステップと、
を含んでいることを特徴とする、方法。
前記エネルギビームを、移動方向における前記ターゲット表面にわたり、一連のレーザビーム像として移動させるステップと、
照射されている前記ターゲット表面の局所的な幅に応じて、前記移動方向を横断する方向における像の各幅を制御するステップと、
各像の幅に応じて前記レーザビームのパワーレベルを制御するステップと、
を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
前記移動方向における前記像の各高さを制御するステップと、
各像の高さに応じて、ダイオードレーザビームのパワーレベルを制御するステップと、
を更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
前記エネルギビームを、前記ターゲット表面にわたり、一連のレーザビーム像として移動させるステップと、
前記ターゲット表面を各像に晒す時間に応じて、各像に関する前記レーザビームのパワーレベルを制御するステップと、
を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
前記エネルギビームを、連続的なレーザビームとして、前記ターゲット表面にわたり移動させるステップと、
照射されている前記表面の各部分の局所的な形状に応じて、焦点における前記レーザビームの面積を連続的に制御するステップと、
焦点における前記レーザビームの面積に応じて前記レーザビームのパワーレベルを連続的に制御し、前記ターゲット表面にわたり実質的に一定のパワー密度を提供するステップと、
を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
移動ステップを実施する前に、粉末状の超合金材料及び粉末状のフラックス材料を前記ターゲット表面に供給するステップと、
前記粉末状の超合金材料及び前記粉末状のフラックス材料を、移動する前記エネルギビームを用いて、前記表面にわたり連続的に融解させるステップと、
融解された前記超合金材料及び前記フラックス材料を冷却して凝固させ、前記ターゲット表面上に、スラグの層によって覆われている超合金クラッディング材料の層を形成するステップと、
を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
粉末状の表面にわたり複数のレーザビーム像を連続的に前進させることによって、前記粉末状の表面を加熱するステップと、
各像によって加熱されている前記粉末状の表面の領域の各形状に応じて、各像の面積を制御するステップと、
前記像を生成するために使用されるレーザのパワーレベルを制御して、各像のパワー密度を所望の値にするステップと、
を含んでいることを特徴とする、方法。
ダイオードレーザを使用して、矩形の形状の像を生成するステップと、
前進方向において、各像が相互に同じ高さを有するように各像を制御するステップと、
各像によって加熱されている前記粉末状の表面の局所的な幅に応じた幅を有するように各像を制御するステップと、
を更に含んでいる、請求項１７に記載の方法。
各像の幅と線形の関係にある前記レーザビームのパワーレベルを制御して、全ての像間で実質的に一定のパワー密度を提供するステップを更に含んでいる、請求項１８に記載の方法。
前記加熱ステップは、超合金基板材料の表面上に堆積された、粉末状の超合金材料及び粉末状のフラックス材料の表面を加熱するステップを更に含んでいる、請求項１７に記載の方法。