JP2023511564A - レーザビームの揺動を使用する金属粉末堆積のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

ビームの揺動を使用するレーザ金属粉末堆積のための方法及びシステム。システムは、レーザビームを生成するように構成されるファイバレーザと、レーザヘッドであって、ファイバレーザからのレーザビームを受け取るように構成され、レーザビームを平行にするように構成されるコリメータと、第１の可動鏡及び第２の可動鏡を有する揺動モジュールと、合焦された平行なレーザビームの焦点位置が工作物表面の下に位置決めされるように、平行なレーザビームを粉末ノズルデバイスを通して合焦するように構成される合焦レンズとを含む、レーザヘッドを含むことができる。粉末ノズルデバイスは、合焦された平行なレーザビームによって加熱される工作物表面上の領域に金属粉末を供給する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる、２０２０年１月２１日に出願された「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＭＥＴＡＬ ＰＯＷＤＥＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ ＵＳＩＮＧ ＬＡＳＥＲ ＢＥＡＭ ＷＯＢＢＬＩＮＧ」という名称の米国仮特許出願第６２／９６３，６００号の米国特許法第１１９条（ｅ）項の下での優先権を主張する。

本技術分野は、一般に、金属粉末堆積に関し、より詳細には、レーザビームの揺動を使用して工作物表面上に金属粉末を堆積するためのファイバレーザシステム及び方法に関する。

レーザ金属堆積（ＬＭＤ）は、ガス流を介して金属粉末が衝突する金属基板の表面上に、溶融金属のプール（溶融プール）を形成するために、レーザビームを使用することを含む、付加技法である。金属粉末は溶融プールの中に吸い込まれ（すなわち、溶融して基材と結合し）、基板の表面上で堆積物を生成する。これらの堆積物は、多くの異なる用途で、金属部品を構築するため、または修理するために使用することができる。たとえば、ＬＭＤは、表面被覆、修理溶接、及び一般的製造を含む産業用途のいくつかの分野、特に、金型、工具、及び部品タイプの用途に適用可能である。コーティング材料としては、金属合金（たとえば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ基材、Ｔｉ、及び鉄鋼）、硬質金属（たとえば、炭化物）、及びセラミックスが挙げられる。ベース金属材料としては、鉄鋼、鋳鉄、青銅、及び金属合金が挙げられる。

ＬＭＤは、より柔らかい金属をコーティングする能力を有しており、噴霧溶接またはめっき技法を使用して作成される機械的な結合とは反対に、金属結合を使用した硬くて高品質な表面がもたらされる。所望の断熱特性を有する基材を、伝導層、または、高（低）温、塩分、水、及び／または化学物質などの環境影響に対して抵抗性である他の層でコーティングすることができる。ＬＭＤ処理方法は、低く制御された熱入力（すなわち、ＬＭＤは、多くの従来技法よりも、基板材料に熱を伝達しない）及び急速の冷却速度を含む多くの利点を提供し、最小の希釈物及び熱影響部（ＨＡＺ）を有する精巧な微細構造を作成することが可能である。これらの属性によって、応力及び歪みによって引き起こされる欠陥が最小化される。ＬＭＤは、より速い製造時間及びより低い費用などといった、経済的な利点も提供する。しかし、これらの利点があっても、一層速い堆積速度及び向上させたプロセス制御及び安定性、工具のフレキシビリティ、ならびに希釈制御を必要とする多くの用途が存在する。

国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／４５０３７号 国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０６４５２１号 米国特許出願第１５／１８７，２３５号明細書 米国特許第１０，７５１，８３５号明細書

態様及び実施形態は、レーザビームの揺動を使用する金属粉末堆積のためのシステム及び方法を対象とする。一実施形態によれば、レーザ金属粉末堆積のためのシステムが提供される。システムは、レーザビームを生成するように構成されるファイバレーザと、レーザヘッドであって、レーザヘッドが、ファイバレーザからのレーザビームを受け取るように構成され、レーザビームを平行にするように構成されるコリメータと、第１の可動鏡及び第２の可動鏡を有する揺動モジュールであって、第１の可動鏡及び第２の可動鏡が、ほぼ同じサイズであって、コリメータからの平行なレーザビームを受け取り、約０．１～２°の走査角度内で第１の軸及び第２の軸で平行なレーザビームを揺動するように構成される、揺動モジュールと、走査レンズでなく、平行なレーザビームを合焦するように構成される合焦レンズであって、合焦された平行なレーザビームの焦点位置が工作物表面の下に位置決めされるように、合焦された平行なレーザビームが、粉末ノズルデバイスを通して向けられる、合焦レンズと、を含む、レーザヘッドとを備え、粉末ノズルデバイスは、合焦された平行なレーザビームによって加熱される工作物表面上の領域に金属粉末を供給するように構成される。

特定の実施形態では、システムは、金属粉末堆積速度が少なくとも１ｋｇ／時となるように構成される。

少なくとも１つの実施形態によれば、合焦された平行なレーザビームの焦点位置は、工作物表面の下の１ｍｍ～３０ｍｍの範囲内にある。またさらなる実施形態によれば、焦点位置は、工作物表面の下の５ｍｍ～２０ｍｍの範囲内にある。

いくつかの実施形態では、金属粉末はニッケルベースの超合金である。さらなる実施形態では、工作物はガラスモールドである。

ある種の実施形態によれば、ファイバレーザによって生成されるレーザビームは、少なくとも０．３ｋＷのパワーを有する。

別の実施形態によれば、揺動モジュールは、平行なレーザビームを、工作物とレーザヘッドとのうちの少なくとも１つの動きと協調して、工作物の表面上で反復揺動パターンにおいて揺動するように構成される。いくつかの実施形態では、揺動パターンは、約６ｍｍの最大値を有する直径を有する。

本発明の別の態様によれば、金属粉末堆積方法が提供される。１つの実施形態によれば、方法は、レーザビームを生成するように構成されるファイバレーザを設けるステップと、レーザビームをコリメータを通過させることによって、レーザビームを平行にするステップと、ほぼ同じサイズの第１の可動鏡及び第２の可動鏡を有し、平行なレーザビームを受け取り、約０．１～２°の走査角度内で第１の軸及び第２の軸で平行なレーザビームを揺動するように構成される揺動モジュールを設けるステップと、合焦された平行なレーザビームが工作物表面の下である焦点位置を有するように、走査レンズでなく、平行なレーザビームを粉末ノズルデバイスを通して合焦して向けるように構成される合焦レンズを通して、レーザビームを向けるステップと、粉末ノズルデバイスによって供給される金属粉末が衝突する工作物表面上の領域を加熱するために合焦された平行なビームを使用するステップとを含む。

いくつかの実施形態によれば、方法は、粉末ノズルデバイスの開口内で、反復揺動パターンにおいて平行なレーザビームを揺動するために、第１の可動鏡及び第２の可動鏡を動かすステップをさらに含む。１つの実施形態によれば、揺動パターンは、６ｍｍの最大値を有する直径を有する。

特定の実施形態では、方法は、コリメータと、揺動モジュールと、合焦レンズとを含むレーザヘッドを設けるステップをさらに含む。

いくつかの実施形態では、ファイバレーザは、少なくとも０．３ｋＷのパワーを有するように構成される。いくつかの実施形態では、方法は、ファイバレーザを設けるステップを含む。

ある種の実施形態によれば、方法は、焦点位置が工作物表面の下の約１～３０ｍｍの範囲内となるように、レーザヘッドの少なくとも１つの構成要素を調整するステップをさらに含む。別の実施形態によれば、焦点位置が、工作物表面の下の約５～２０ｍｍの範囲内となるように調整される。

少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、平行なレーザビームを、工作物とレーザヘッドとのうちの少なくとも１つの動きと協調して揺動するステップを含む。

１つの実施形態によれば、方法は、金属粉末の堆積速度が少なくとも１ｋｇ／時となるように、ファイバレーザ及び揺動モジュールを制御するステップを含む。

いくつかの実施形態では、工作物がガラスモールドであり、金属粉末がニッケルベースの超合金である。

これらの例示の態様及び実施形態の、さらに他の態様、実施形態、及び利点が、以下で詳細に議論される。さらに、上記の情報と以下の詳細な記載の両方は、単に、様々な態様及び実施形態の具体的な例であって、特許請求される態様及び実施形態の性質及び特徴を理解するための概要またはフレームワークを提供することが意図されることを理解されたい。本明細書に開示される実施方法は、他の実施形態と組み合わせることができ、「実施形態」、「例」、「いくつかの実施形態」、「いくつかの例」、「代替実施形態」、「様々な実施形態」、「１つの実施形態」、「少なくとも１つの実施形態」、「この及び他の実施形態」、「ある種の実施形態」などへの言及は、必ずしも相互に排他的ではなく、記載される特定の特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれてよいことを示すことが意図される。本明細書におけるそのような用語の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。

少なくとも１つの実施形態の様々な態様が、添付の図面を参照して以下で議論される。添付図面は、原寸に比例するよう意図されていない。図は、様々な態様及び実施形態の説明及びさらなる理解をもたらすために含まれており、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成するが、何らかの特定の実施形態の制限を規定する意図はない。図面は、本明細書の残りと一緒に、記載され特許請求される態様及び実施形態の原理及び動作を説明する働きをする。図において、様々な図中で図示される各々同一な、またはほぼ同一な構成要素は、同様の数値によって表される。明瞭にするため、あらゆる図中のあらゆる構成要素がラベル付けされる場合があるわけではない。

本発明の１つまたは複数の態様による、レーザ金属粉末堆積のためのシステムの一例の概略ブロック図である。 本発明の１つまたは複数の態様による、ノズルの開口内の揺動レーザビームの概略図である。 本発明の態様による、工作物表面の下の焦点位置に合焦レンズによって合焦された平行なレーザビームの概略図である。 本発明の態様による、揺動モジュールを含むレーザヘッドによって生成することが可能な１つの揺動パターンを図示する概略図である。 本発明の態様による、揺動モジュールを含むレーザヘッドによって生成することが可能な１つの揺動パターンを図示する概略図である。 本発明の態様による、揺動モジュールを含むレーザヘッドによって生成することが可能な１つの揺動パターンを図示する概略図である。 本発明の態様による、揺動モジュールを含むレーザヘッドによって生成することが可能な１つの揺動パターンを図示する概略図である。 本発明の態様による、レーザ金属粉末堆積のためのシステムの別の例の概略図である。

開示される例示的なシステム及び方法は、レーザビームの揺動を使用して金属粉末を堆積するために使用することができる。本手法は、従来のＬＭＤプロセスよりもＬＭＤプロセスの性能を向上させることが可能であり、部品修理（たとえば、金型、タービンブレードなど）、表面硬化、被覆、または、表面耐腐食性、耐摩耗性、摩擦特性などの向上のための母材上への合金の堆積を含むプロセス、ならびに、付加製造に関連する堆積プロセスなどといったいくつかの分野に適用可能である。

開示される技法は、より速い堆積速度、プロセス安定性の向上、工具のフレキシビリティ、及び希釈制御、ならびに、冷却及び／または加熱速度の制御を含む、既存のＬＭＤプロセスを超えるいくつかの利点を提供するＬＭＤプロセスのタイプである。たとえば、堆積プロセスのレーザビームを揺動することによって、ノズルスタンドオフと工作物表面に対する焦点位置との間の感度バラツキを減らすことによる、プロセス安定性を高める。揺動堆積技法を使用して、数ｋｇ／時の堆積速度を達成することができる。加えて、揺動パターン、振幅、及び周波数を（たとえば、形状、表面構造、表面材料など）異なる表面について調整することができ、このことによって、システムのフレキシビリティが向上する。たとえば、揺動パターン、振幅、及び／または周波数を調整することによって、工作物の１つまたは複数の領域で堆積速度を低下させる（または上昇させる）ことができる。本発明の揺動態様によって実施されるビームの振動によって、希釈のより良好な制御、すなわち、材料を追加した層の希釈の最適化がやはりもたらされる。高い希釈によって、基板を再溶融するために使用されるには大きすぎるレーザパワーがもたらされ、このことが過熱をもたらす可能性がある一方で、低い希釈は、基板への不十分な結合及び融合不足をさえもたらす。さらに、ビーム揺動を使用するレーザ堆積は、冷却速度及び加熱速度の制御を向上し、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）の必要性を低下させる。堆積プロセスによってもたらされる残留応力及び変形は、揺動堆積を使用すると従来の被覆プロセスと比較してやはり低減される。

図１は、全体が１００で示される、レーザ金属堆積のためのシステムを図示する。たとえば、システム１００は、工作物１４５上に金属材料を堆積するために使用することができる。システム１００は、出力ファイバ１０７内を伝播することができるレーザビームを生成するように構成されるファイバレーザ１０５、及び、ファイバレーザ１０５からのレーザビームを受け取るように構成されるレーザヘッド１１０を含む。レーザヘッド１１０は、コリメータ１１５、第１の可動鏡１２２及び第２の可動鏡１２４を有する揺動モジュール１２０、ならびに合焦レンズ１３０を含む。

工作物１４５は、所望の用途に依存して、いくつかの異なる材料のうちの任意の１つから構築することができる。工作物１４５を構築することができる基材の非限定の例としては、鉄鋼、鋳鉄、青銅、炭化物、及び金属合金などの金属材料、ならびにＩｎｃｏｎｅｌなどの超合金が挙げられる。工作物は、高温（熱）能力及び／または腐食（酸化、酸、アルカリ、及び塩）に耐性がある構成要素（たとえば、ガラスモールド）、及び／または他の耐化学性を必要とする用途、石油ガス掘削採取、精錬、貯蔵、ならびに流通における構成要素であってよい。１つの実施形態によれば、工作物１４５はガラスモールドである。そのような金型は、典型的には、ベース金属材料でできており、レンズなどといったガラス物体を作るのに使用される。

ファイバレーザ１０５は、近赤外スペクトル範囲内（たとえば、約１０３０～１０８０ｎｍの範囲である中心波長）のレーザを生成することが可能なイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバレーザを含むことができる。９７８～１０２０ｎｍの範囲のＹｂファイバレーザ、エルビウムレーザ、ツリウムレーザ、及びグリーンレーザを含む他のファイバレーザは、やはり、本開示の範囲内であり、いくつかの事例では、可視波長範囲がやはり可能である。少なくとも１つの実施形態によれば、ファイバレーザ１０５が生成したレーザビームが、少なくとも０．５ｋＷのパワーを有し、１つの実施形態によれば、約０．３ｋＷの最小パワーを有することができる。１０ｋＷ以下のより高いレーザパワーがやはり実現可能であり、いくつかの事例では、レーザパワーは、１６～２０ｋＷの間の範囲であってよい。ファイバレーザは、単一モード光またはマルチモード光を放出するように構成することができ、連続モードまたはパルスモードで動作することができる。好適なファイバレーザの非限定の例としては、ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＹＬＳシリーズのレーザが挙げられる。ファイバレーザ１０５としては、ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓから入手可能なＹＬＳ－ＡＭＢシリーズのレーザなどの、調整可能モードビーム（ＡＭＢ）レーザをやはり挙げることができる。ファイバレーザ１０５としては、複数のファイバを通して１つまたは複数のレーザビームを選択的に供給することが可能な、「ＭＵＬＴＩＢＥＡＭ ＦＩＢＥＲ ＬＡＳＥＲ ＳＹＳＴＥＭ」という名称の特許文献１、及び、複数のファイバレーザで構成され、異なる強度分布プロファイル（たとえば、中心及び／またはドーナツ形状）で同時にまたは順次ビームを供給することが可能なシステムを記載する、「ＵＬＴＲＡＨＩＧＨ ＦＩＢＥＲ ＬＡＳＥＲ ＳＹＳＴＥＭ ＷＩＴＨ ＣＯＮＴＲＯＬＬＡＢＬＥ ＯＵＴＰＵＴ ＢＥＡＭ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ ＰＲＯＦＩＬＥＳ」という名称の特許文献２に開示されるタイプなどのマルチビームファイバレーザをやはり挙げることができる。ファイバレーザ以外に、たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどといった、他のタイプの固体レーザ生成源が、やはり、本開示の範囲内であることを理解されたい。

コリメータ１１５は、ファイバレーザ１０５からのレーザビームを平行にするように構成される。コリメータ１１５は、当業者なら理解するように、レーザビームを平行にするたとえばコリメータレンズといった、１つまたは複数の平行光学要素を含む。平行なレーザビーム１１７が、コリメータ１１５によって出力される。いくつかの実施形態によれば、コリメータ１１５は、ビームスポットサイズ及び／または焦点を調整することが可能な、可動レンズなどといった１つまたは複数の光学系をやはり含むことができる。

揺動モジュール１２０は、コリメータ１１５から下流に配置され、コリメータ１１５からの、平行なレーザビーム１１７を受け取るように構成される。揺動モジュール１２０は、第１の可動鏡１２２及び第２の可動鏡１２４を含む。第１の可動鏡１２２は、第２の可動鏡１２４からは上流に配置される。第１の可動鏡１２２及び第２の可動鏡１２４は、平行なレーザビームを反射して動かす、すなわち、平行なレーザビームをそれぞれ第１の軸及び第２の軸に対して揺動させるように構成される。第１の可動鏡１２２が平行なレーザビームを反射して第２の可動鏡１２４に向け、今度は、第２の可動鏡１２４が平行なレーザビームを反射して合焦レンズ１３０に向ける。第１の可動鏡１２２及び第２の可動鏡１２４は、異なる軸（すなわち、ｘ軸及びｙ軸）の周りに枢動可能であり、平行なレーザビーム１１７を動かし、したがって、合焦された（及び平行な）レーザビーム１５５を、少なくとも２つの異なった垂直な軸で工作物１４５に対して動かす。可動鏡１２２、１２４は、コントローラ１５０によって制御される、各々がそれぞれガルバノモータ（ｇａｌｖｏ ｍｏｔｏｒｓ）１２５ａ、１２５ｂによって動くことができる、ガルバノメータ鏡（本明細書では、ガルバノメータとも呼ばれる）であってよい。ガルバノモータは、迅速に方向を逆にすることが可能である。他の実施形態では、ステッパモータなどといった、他の機構を使用して鏡を動かすことができる。可動鏡１２２、１２４を使用することによって、レーザヘッド１１０全体を動かす必要なく、また、回転プリズムを使用する必要なく、ビーム揺動が可能になる。

少なくとも１つの実施形態によれば、第１の可動鏡１２２及び第２の可動鏡１２４は、合焦されたレーザビーム１５５を、０．１～２°の範囲内にある走査角度内で動かす。たとえば、コントローラ１５０は、図２に示されるように、鏡がビーム１５５を約０．１～２°の走査角度アルファ（α）内で枢動し、それによって、ビームを揺動することが可能になるように、可動鏡１２２、１２４を制御する。様々な実施形態によれば、揺動直径（すなわち、揺動パターンの直径）は、約６ｍｍの最大値を有し、いくつかの実施形態では、約３ｍｍである。しかし、揺動直径は、ある種の用途では、これらの言及した値よりも小さくて、または大きくてよいことを理解されたい。ある種の事例では、揺動直径は、ノズルオリフィス／開口の直径の関数である（またはノズルオリフィス／開口の直径によって制限される）。この制限されたビームの運動（すなわち、揺動直径）は、従来型のレーザ走査ヘッドと対照的であり、従来型のレーザ走査ヘッドは、一般的に、はるかに大きい（たとえば、５０ｘ５０ｍｍ及び２５０ｘ２５０ｍｍほども大きい）視野内でレーザビームの運動を実現し、したがって、より大きい視野及び走査角度に適応するように設計される。したがって、可動鏡１２２、１２４の使用によって、比較的小さいビーム運動だけが実現され、これは、ガルバノスキャナを使用するときにより広い視野を実現する従来の知見とは反対である。走査角度及びビーム運動を制限することによって、より速い速度、レンズなどの安価な構成要素を使用する能力を可能にすること、及び、ある種の用途用にシールドガスを供給するガスアシストアクセサリなどのある種のアクセサリの使用を可能にすることなどといった利点を実現することができる。より小さいビーム運動及び走査角度によって、第２の可動鏡１２４が、第１の可動鏡１２２とほぼ同じサイズとなることがやはり可能になる。対照的に、従来のガルバノスキャナは、一般的に、より大きい第２の鏡を使用して、より大きい視野及び走査角度を実現し、より大きい第２の鏡が、少なくとも１つの軸における運動の速度を制限する。したがって、揺動モジュール１２０及びレーザヘッド１１０中の、より小さいサイズの第２の可動鏡１２４（たとえば、第１の可動鏡１２２とほぼ同じサイズ）によって、大きい走査角度を実現する従来のガルバノスキャナ中のより大きい鏡と比較して、より速い速度で第２の可動鏡１２４が動くことが可能になる。

１つの実施形態によれば、揺動モジュール１２０は、平行なレーザビーム１１７を、工作物１４５及びレーザヘッド１１０のうちの少なくとも１つの運動と協調して、工作物１４５の表面上を反復揺動パターンにおいて揺動するように構成される。図４Ａ～図４Ｄは、本明細書において記載されるレーザ堆積方法中で使用することができる揺動パターンの例を図示する。本明細書において使用する「揺動する」という言葉は、約０．１～２°の走査角度を実行するように構成される鏡による、２つの軸でのレーザビームの往復運動のことを言う。図４Ａは、時計回りまたは反時計回りの円形パターンを示し、図４Ｂは、直線パターンを示し、図４Ｃは、８の字パターンを示し、図４Ｄは、無限パターンを示す。理解されるように、これらの揺動パターンは、非限定であって、他のパターンも本開示の範囲内である。揺動モジュール１２０の態様は、出願者に所有され、参照によって本明細書に完全に組み込まれる、特許文献３、現在では、特許文献４に記載される。

ここで、図１に戻って、レーザヘッド１１０及び／または工作物１４５は、モーションステージなどといった運動メカニズムを使用して互いに対して動くことができる。たとえば、レーザヘッド１１０は、レーザヘッド１１０を少なくとも１つの軸に沿って工作物に対して動かすため、モーションステージ１４２上に配置することができる。追加または代替として、工作物１４５は、工作物１４５をレーザヘッド１１０に対して動かすため、モーションステージ１４４上に配置することができる。両方のステージ１４２及び１４４は、コントローラ１５０によって制御することができる。

レーザヘッド１１０は、合焦レンズ１３０をやはり含む。合焦レンズ１３０は、ビームをより大きい視野内で合焦させるためはるかに大きい直径を有する、Ｆ－シータレンズ、フィールド平坦化レンズ、及び／またはテレセントリックレンズなどといった、多素子スキャニングレンズの使用を採用する従来型のレーザ走査ヘッドとは対照的に、スキャニングレンズではない。第１の可動鏡１２２及び第２の可動鏡１２４が比較的小さい視野内でビームを動かしているために、より大きい多素子スキャニングレンズは必要ではなく、使用されない。より小さいレンズの使用によって、レーザヘッドの端部で使用される、エアーナイフ及び／またはガスアシストアクセサリといった追加アクセサリを可能にすることもできる。合焦レンズ１３０は、たとえば、１００ｍｍから１０００ｍｍの範囲の、様々な焦点距離を有してよい。

合焦レンズ１３０は、図３に示されるように、合焦された平行なレーザビーム１５５の焦点１３２が工作物表面１４７の下に位置決めされるように、平行なレーザビーム１１７を合焦するように構成される。本発明者は、焦点を工作物表面の下に位置決めすることによって、焦点が表面にあるまたは表面の上方にあるときよりも、より良好な堆積結果が達成されたことを発見した。いくつかの実施形態によれば、焦点位置は、工作物表面の下の１～３０ｍｍの範囲内であり、いくつかの事例では、工作物表面の下の５～２０ｍｍであってよい。工作物の表面の下の焦点の最適な距離は、複数の要因に依存し、その非限定の例としては、基材の厚さ及び材料タイプ、所望の堆積速度、ならびに金属粉末の特性（たとえば、粉末材料、粉末サイズなど）が挙げられることを理解されたい。

少なくとも１つの実施形態によれば、焦点１３２の位置は、コントローラ１５０にレーザヘッド１１０中の１つまたは複数の構成要素、たとえば、図３中の矢印によって示されるように、合焦レンズをｚ軸方向に上下に動かすことによって、たとえば合焦レンズ１３０の位置を制御させることによって、調整することができる。他の実施形態では、レーザヘッド１１０を、コントローラ１５０によって制御されるモーションステージ１４２を介して動かすことができ、及び／または、工作物１４５を、モーションステージ１４４を介して動かすことができる。さらに他の実施形態では、コリメータ１１５の１つまたは複数の構成要素を調整して、焦点１３２の位置を動かすことができる。

図１に再び戻って、合焦された平行なレーザビーム１５５は、合焦された平行なレーザビーム１５５によって加熱される工作物表面１４７上の領域（図３参照）に、金属粉末を供給するように構成される粉末ノズルデバイス１３５を通してやはり向けられる。金属粉末は、金属粉末供給部１３６によって、粉末ノズルデバイス１３５に供給することができる。粉末ノズルデバイス１３５は、レーザヘッド１１０に取り付けることができ、合焦された平行なレーザビーム１５５と同軸となるように構成される。たとえば、粉末ノズルデバイス１３５は、それを通して合焦された平行なレーザビーム１５５が伝播（及び揺動）する開口１３８を有する。いくつかの実施形態によれば、開口１３８は、約６ｍｍの最大直径を有するが、より大きい直径がやはり本開示の範囲内である。同軸ノズルの非限定の例としては、Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒによって開発された同軸粉末ノズル、または同様のデバイスが挙げられる。いくつかの事例では、温度制御のために、冷却システムが粉末ノズルデバイス１３５とともに組み込まれる。

所望の用途に依存して、金属粉末は、金属合金（たとえば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ基材、Ｔｉ及び鉄鋼）、金属超合金（たとえば、Ｉｎｃｏｎｅｌ、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ、Ｗａｓｐａｌｏｙ、Ｒｅｎｅ合金などのニッケルベースの超合金）、または硬質金属（たとえば、炭化物）のうちの任意の１つであってよい。

上で述べたように、ＬＭＤ方法及びシステムの部分としてレーザ揺動を実施することによって、レーザビーム揺動を含まないＬＭＤ構成を超えて堆積速度が増加する。少なくとも１つの実施形態によれば、システム１００は、金属粉末堆積速度が少なくとも１ｋｇ／時となるように構成され、いくつかの実施形態では、数ｋｇ／時、たとえば２～５ｋｇ／時の堆積速度を得ることが可能であり、いくつかの用途では、堆積速度が５ｋｇ／時を超えることができる。１つの非限定の例としては、Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５と同様の合金を、４ｋＷレーザを使用して約４ｋｇ／時の速度で堆積した。これらの堆積速度は、典型的には０．５～０．８ｋｇ／時の堆積速度を有するレーザビーム揺動ありで構成されない従来型ＬＭＤシステムとは対照的である。たとえば、酸化物材料を堆積する用途では、１ｋｇ／時より低い堆積速度が、やはり本開示の範囲内であることを理解されたい。より低い堆積速度が、やはり、たとえば高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）コーティングといったある種のタイプの用途の範囲内であってよい。ファイバレーザ１０５及び揺動モジュール１２０を、コントローラ１５０が制御して、これらの向上した堆積速度を達成することができる。揺動能力で、ＬＭＤシステム１００のフレキシビリティがやはり向上される。というのは、揺動パターン、周波数、及び揺動の振幅のうちの少なくとも１つを調整して、異なる堆積速度を達成することができるためである。いくつかの実施形態では、異なる揺動プロセスパラメータ（たとえば、揺動パターン、周波数、振幅）を使用することによって、複数の（異なる）堆積速度を単一の堆積プロセスで使用することができる。そのような手法は、非常に低い堆積速度を達成するため、静止したレーザスポットを使用することをやはり含む場合がある。１つの実施形態によれば、揺動周波数は、５０から１０００Ｈｚの範囲にあり、揺動振幅は、０．５ｍｍから１２ｍｍの範囲にある。１つの実施形態によれば、ＬＭＤシステム１００は、０．２～４ｍ／分のコーティング速度を達成することが可能である。

いくつかの実施形態によれば、堆積速度は、少なくとも１ｍｍの重ね合わせ厚をもたらし、いくつかの事例では、少なくとも２ｍｍであってよいが、より薄い重ね合わせ厚（たとえば、１ｍｍ未満）はやはり本開示の範囲内であり、具体的な用途（たとえば、酸化物の堆積及び／またはＨＶＯＦコーティング中）に依存する場合があることを理解されたい。理解するように、所望の厚さを達成するために、複数のパスを実施する場合がある。さらに、レーザビーム揺動とともにＬＭＤを使用することによって、レーザビーム揺動を含まないＬＭＤシステムと比較して、希釈をさらに最小化する、さもなければ、希釈を低下させる。低い希釈とは、コーティングと混合する基材が非常に少なく、純粋な被覆材料に非常に近い被覆の表面層が残る。

コントローラ１５０は、ＬＭＤシステム１００の１つまたは複数の構成要素を制御するように構成される。図１に示されるように、コントローラ１５０は、ファイバレーザ１０５、レーザヘッドモーションステージ１４２、工作物モーションステージ１４４、第１の可動鏡１２２及び第２の可動鏡１２４、合焦レンズ１３０、ならびに（粉末ノズルデバイス１３５をやはり含むことができる）粉末供給／粉末供給１３６と通信するように構成される。たとえば、可動鏡１２２、１２４及び／またはモーションステージ１４２、１４４の位置決めは、コントローラ１５０によって制御することができる。加えて、コントローラ１５０は、レーザパワーなどのレーザパラメータ、揺動パターン、周波数、及び振幅などの揺動プロセスパラメータを制御することもできる。いくつかの事例では、コントローラ１５０は、プリセットまたは予め決められた動作制御方式にしたがって動作するように構成することができ、他の事例では、コントローラ１５０は、１つまたは複数のカメラもしくはセンサまたは他の入力源（たとえば、操作者）から得られる情報を使用してフィードフォワードまたはフィードバック制御方式で動作するように構成することができ、したがって、これらの入力源と動作可能に結合する場合がある。入力源の非限定の例が以下で議論される。コントローラ１５０は、（たとえば、汎用コンピュータといった）ハードウェア、及び、システムの構成要素を制御するために使用できるソフトウェアを含む。１つより多くのコントローラまたはコントロールデバイスを使用できることが理解されよう。

システム１００は、コントローラ１５０に様々なフィードバックデータを提供するため、カメラ及び／またはセンサなどといった、１つまたは複数の検出器を含むこともできる。たとえば、粉末注入パラメータ、レーザパワー、供給速度、温度、被覆（重ね合わせ）厚、希釈のレベル、などの１つまたは複数のプロセスパラメータ、及び、基板厚または基板表面条件などのレーザ表面パラメータをモニタすることができる。

明示的に示されないが、別の実施形態によれば、レーザヘッド１１０は、平行なレーザビーム１１７を合焦レンズ１３０に向けるために使用できる固定鏡を含むこともできる。固定鏡の使用は、より小さい占有面積を有するレーザヘッドが望ましいいくつかの用途で使用することができる。

他の光学構成要素を、レーザヘッド１１０の中で使用することもできる。たとえば、図５は、図１のシステム１００に類似するＬＭＤについてのシステム５００を図示するが、この例では、レーザヘッド５１０は、コリメータ１１５と揺動モジュール１２０の間に位置決めされるビーム整形モジュール５４０をやはり含む。ビーム整形モジュール５４０は、平行なレーザビーム１１７を受け取って整形するように構成される。たとえば、ビーム整形モジュール５４０は、ガウス分布形状及び円形ビームスポットを有する入力ビームを受け取ることができ、ビームを整形するために、少なくとも１つのビーム整形回折光学素子を含むことができる。ビーム整形モジュール５４０を使用して実施することができるビーム形状の非限定の例としては、「シルクハット型」、楕円、矩形、正方形、及びリング形状が挙げられる。ビーム整形モジュール５４０の１つまたは複数の構成要素は、コントローラ１５０によってやはり制御することができる。

本発明のいくつかの実施形態は、レーザビームを生成するように構成されるファイバレーザを設けるステップと、レーザビームをコリメータを通過させることによって、レーザビームを平行にするステップと、ほぼ同じサイズの第１及び第２の可動鏡を有し、平行なレーザビームを受け取り、約０．１～２°の走査角度内で第１及び第２の軸で平行なレーザビームを揺動するように構成される揺動モジュールを設けるステップと、合焦された平行なレーザビームが工作物表面の下である焦点位置を有するように、走査レンズでなく平行なレーザビームを粉末ノズルデバイスを通して合焦して向けるように構成される合焦レンズを通してレーザビームを向けるステップと、粉末ノズルデバイスによって供給される金属粉末が衝突する工作物表面上の領域を加熱するために合焦された平行なビームを使用するステップとを含む方法を提供する。

本方法のいくつかの実施形態は、粉末ノズルデバイスの開口内で、反復揺動パターンにおいて平行なレーザビームを揺動するために、第１及び第２の可動鏡を動かすステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、揺動パターンは、約６ｍｍの最大値を有する直径を有する。

本方法のいくつかの実施形態は、コリメータ、揺動モジュール、及び合焦レンズを含むレーザヘッドを設けるステップをさらに含む。

本方法のいくつかの実施形態は、ファイバレーザを設けるステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、ファイバレーザは、少なくとも０．３ｋＷのパワーを有するように構成される。

本方法のいくつかの実施形態は、焦点位置が工作物表面の下の約１～３０ｍｍの範囲内となるように、レーザヘッドの少なくとも１つの構成要素を調整するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、焦点位置が、工作物表面の下の約５～２０ｍｍの範囲内となるように調整される。

本方法のいくつかの実施形態は、平行なレーザビームを、工作物とレーザヘッドとのうちの少なくとも１つの動きと協調して揺動するステップをさらに含む。

本方法のいくつかの実施形態は、金属粉末の堆積速度が少なくとも１ｋｇ／時となるように、ファイバレーザ及び揺動モジュールを制御するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、工作物がガラスモールドであり、金属粉末がニッケルベースの超合金である。

上で述べたように、レーザビーム揺動を有するＬＭＤは、揺動する能力を備えないＬＭＤプロセスを超えるいくつかの利点を提供する。たとえば、揺動はノズルスタンドオフと工作物表面に対する焦点位置との間の感度バラツキを減らす、すなわち、揺動は、ビーム揺動を含まないＬＭＤ構成と比較して、システムの技術的な被写界深度を増加させる。

レーザビーム揺動を有するＬＭＤは、堆積プロセスの加熱速度及び冷却速度の制御を向上させることも可能である。すなわち、揺動能力を有さないシステムよりも、熱入力をはるかに容易に制御することができる。たとえば、超合金は、局所的な加熱期間に、微小クラックを生じやすい。堆積期間にレーザビームで揺動することによって、熱入力のより良好な制御が可能になる。たとえば、揺動することによって、ホットスポットの形成が防止され、このことによって、合金の構成成分のより良好な均質化が可能になる。このことが、堆積プロセスによってもたらされ得る残留応力及び歪みの低減をもたらす。

開示されるプロセスは、熱影響部（ＨＡＺ）の影響をやはり低減する。すなわち、より小さいＨＡＺをもたらす。たとえば、基板または基材上への合金の堆積によって、溶接／基材界面のすぐ下に領域が作成され、そこでは、基材は溶融しなかったが、局所的な温度は、その微細構造したがって材料特性が変化した点へと上昇した。この領域は、ＨＡＺとして知られる。材料特性に対するこれらの変化は、通常では望ましいとは言えず、構成要素の機能及び／または寿命を損なう可能性がある。というのは、微細構造の変化は、強度の低下、脆弱性の増加、または腐食耐性の低下をもたらす可能性があるためである。被覆プロセスに揺動技術を導入することによってなぜＨＡＺを低減できるのかについてのいくつかの非限定の技術的な理由としては、混合効果をもたらすためのビーム振動の能力であって、それによって、溶融した材料のより均質な化学組成がもたらされる能力、レーザの「仮想速度」を増加させるためのビーム振動の能力であって、それによって、材料中の局所的な過熱を回避する能力を実現する能力、及びより広い表面にわたってレーザのパワーを分散するためのビーム振動の能力であって、それによって、急速加熱または冷却が回避されるように、全体的な熱入力を増加させる能力が挙げられる。したがって、揺動は、利用可能なレーザパワーを、生産性を向上させるために最適化することの一方で、やはり、材料の品質に悪影響を及ぼさないことを可能にする。

上で記載したシステム及び方法が、同軸ノズルを使用する金属粉末堆積に関連しているが、オフライン粉末ノズル（たとえば、予め配置された被覆プロセス）及びワイヤ供給システムを含む他の構成がやはり本開示の範囲内であることを理解されたい。

本発明にしたがって本明細書において開示される態様は、以下の説明中に記載される、または添付図面に図示される、それらの用途における構造の詳細及び構成要素の配置に限定されない。これらの態様は、他の実施形態を仮定すること、及び様々な方法で実施することまたは実行することが可能である。具体的な実装形態の例は、本明細書中で、説明のためだけに提供され、制限する意図はない。特に、任意の１つまたは複数の実施形態と関連して議論される行為、構成要素、要素、及び特徴が、任意の他の実施形態中の同様の役割から除外されることを意図していない。

また、本明細書において使用される語句及び用語は、記載するという目的のためであって、制限と考えるべきではない。本明細書において単数形で言及される、システム及び方法の例、実施形態、構成要素、要素または行為に対する何らかの言及は、複数を含む実施形態も包含することができ、本明細書における任意の実施形態、構成要素、要素、または行為に対する複数での何らかの言及は、単数だけを含む実施形態をやはり包含することができる。単数形または複数形での言及は、ここで開示されるシステムまたは方法、それらの構成要素、行為、または要素を限定することを意図していない。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」及びそれらのバリエーションの本明細書における使用は、その後にリスト化される項目及びそれらの均等物、ならびに追加項目を包含することが意味される。「または」への言及は、「または」を使用して記載される任意の項目が、記載される項目のうちの１つ、１つより多く、及び全部のうちのいずれかを示すことができるように包含的と解釈することができる。加えて、本文書と、参照によって本明細書に組み込まれる文書との間で用語の使用に不一致がある場合には、組み込まれる参照文献中の用語の使用は本文書のものの補助であり、妥協できない不一致の場合には、本文書における用語使用に従う。

このようにして、少なくとも１つの例のいくつかの態様を記載してきたが、当業者には様々な変更、変形、及び改善が容易に想到されるであろうことが理解されるべきである。たとえば、本明細書に開示される例を他の状況中でも使用することができる。そのような変更、変形、及び改善は、本開示の一部であることが意図され、本明細書において議論される例の範囲内であることが意図される。したがって、上記の記載及び図面は、例示のためにすぎない。

１００ システム
１０５ ファイバレーザ
１０７ 出力ファイバ
１１０ レーザヘッド
１１５ コリメータ
１１７ 平行なレーザビーム
１２０ 揺動モジュール
１２２ 第１の可動鏡
１２４ 第２の可動鏡
１２５ａ ガルバノモータ
１２５ｂ ガルバノモータ
１３０ 合焦レンズ
１３２ 焦点
１３５ 粉末ノズルデバイス
１３６ 金属粉末供給部
１３８ 開口
１４２ モーションステージ
１４４ 工作物モーションステージ
１４５ 工作物
１４７ 工作物表面
１５０ コントローラ
１５５ 合焦された平行なレーザビーム
５００ システム
５１０ レーザヘッド
５４０ ビーム整形モジュール

Claims (20)

1. レーザ金属粉末堆積のためのシステムであって、
   レーザビームを生成するように構成されるファイバレーザと
   レーザヘッドであって、前記レーザヘッドが、前記ファイバレーザからの前記レーザビームを受け取るように構成され、
   前記レーザビームを平行にするように構成されるコリメータと、
   第１の可動鏡及び第２の可動鏡を有する揺動モジュールであって、前記第１の可動鏡及び前記第２の可動鏡が、ほぼ同じサイズであり、前記コリメータからの前記平行なレーザビームを受け取り、０．１～２°の走査角度内で第１の軸及び第２の軸で前記平行なレーザビームを揺動するように構成される、揺動モジュールと、
   走査レンズでなく、前記平行なレーザビームを合焦するように構成される合焦レンズであって、前記合焦された平行なレーザビームの焦点位置が工作物表面の下に位置決めされるように、前記合焦された平行なレーザビームが、粉末ノズルデバイスを通して向けられる、合焦レンズと、
   を含む、レーザヘッドと、
   を備え、
   前記粉末ノズルデバイスが、前記合焦された平行なレーザビームによって加熱される前記工作物表面上の領域に金属粉末を供給するように構成される、システム。
2. 金属粉末堆積速度が、少なくとも１ｋｇ／時となるように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記合焦された平行なレーザビームの前記焦点位置が、前記工作物表面の下の１ｍｍ～３０ｍｍの範囲内にある、請求項１に記載のシステム。
4. 前記焦点位置が、前記工作物表面の下の５～２０ｍｍの範囲内にある、請求項３に記載のシステム。
5. 前記金属粉末が、ニッケルベースの超合金である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記工作物が、ガラスモールドである、請求項５に記載のシステム。
7. 前記ファイバレーザによって生成される前記レーザビームが、少なくとも０．３ｋＷのパワーを有する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記揺動モジュールが、前記平行なレーザビームを、前記工作物と前記レーザヘッドとのうちの少なくとも１つの動きと協調して、前記工作物表面上で反復揺動パターンにおいて揺動するように構成される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記反復揺動パターンが、６ｍｍの最大値を有する直径を有する、請求項８に記載のシステム。
10. レーザビームを生成するように構成されるファイバレーザを設けるステップと、
    前記レーザビームを、コリメータを通過させることによって、前記レーザビームを平行にするステップと、
    ほぼ同じサイズの第１の可動鏡及び第２の可動鏡を有し、前記平行なレーザビームを受け取り、０．１°～２°の走査角度内で第１の軸及び第２の軸で前記平行なレーザビームを揺動するように構成される揺動モジュールを設けるステップと、
    合焦された平行なレーザビームが工作物表面の下にある焦点位置を有するように、走査レンズでなく、前記平行なレーザビームを、粉末ノズルデバイスを通して合焦して向けるように構成される合焦レンズを通して、前記レーザビームを向けるステップと、
    前記粉末ノズルデバイスによって供給される金属粉末が衝突する前記工作物表面上の領域を加熱するために前記合焦された平行なビームを使用するステップと、
    を含む、レーザ金属粉末堆積方法。
11. 前記粉末ノズルデバイスの開口内で、反復揺動パターンにおいて前記平行なレーザビームを揺動するために、前記第１の可動鏡及び前記第２の可動鏡を動かすステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記反復揺動パターンが、６ｍｍの最大値を有する直径を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記コリメータと、前記揺動モジュールと、前記合焦レンズをと含むレーザヘッドを設けるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記ファイバレーザが、少なくとも０．３ｋＷのパワーを有するように構成される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ファイバレーザを設けるステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記焦点位置が前記工作物表面の下の１ｍｍ～３０ｍｍの範囲内となるように、前記レーザヘッドの少なくとも１つの構成要素を調整するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
17. 前記焦点位置が、前記工作物表面の下の５ｍｍ～２０ｍｍの範囲内となるように調整される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記平行なレーザビームを、前記工作物と前記レーザヘッドとのうちの少なくとも１つの動きと協調して揺動するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
19. 前記金属粉末の堆積速度が少なくとも１ｋｇ／時となるように、前記ファイバレーザ及び前記揺動モジュールを制御するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
20. 前記工作物が、ガラスモールドであり、前記金属粉末が、ニッケルベースの超合金である、請求項１０に記載の方法。

Images