JP2024074815A - 製品及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】少なくとも部分的に積層造形によって形成される熱処理製品並びに熱処理製品の製造方法に関する。
【解決手段】製品は、金属粉末の層を順次接合してなる積層造形部品で構成される。部品の外側表面１０５の少なくとも一部にろう材料１１０が配置される。ろう材料１１０は、外側表面の予想亀裂箇所１２０に位置する。熱処理時に外側表面１０５に形成される１以上の亀裂は、ろう材料１１０で充填される。積層造形部品は、析出硬化ニッケル基超合金の金属材料を含んでおり、γ’相を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】製品は、金属粉末の層を順次接合してなる積層造形部品で構成される。部品の外側表面１０５の少なくとも一部にろう材料１１０が配置される。ろう材料１１０は、外側表面の予想亀裂箇所１２０に位置する。熱処理時に外側表面１０５に形成される１以上の亀裂は、ろう材料１１０で充填される。積層造形部品は、析出硬化ニッケル基超合金の金属材料を含んでおり、γ’相を形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、少なくとも部分的に積層造形によって形成される熱処理製品並びに熱処理製品の製造方法に関する。さらに具体的には、本発明の態様は、熱処理時に形成される亀裂を充填し、性能を向上させ、部品寿命を延ばし、廃棄量を低減するための熱処理が施されたタービン部品のような部品及び製品に関する。
金属積層造形法によって生産者が作製することができる最終金属製品は、従来の機械加工及び鋳造技術を用いて製造したものよりも性能に優れていることが多い。これらの方法では、従来の方法では作製できない部材を製造できることがある。また、これらの方法は製造コストを大幅に削減できるという利点ももたらす。これらの製品を最終用途に用いると、軽量、高強度、優れた機能性及び精密フィットの１以上のためコスト削減に資する。タービン、特にガス又は蒸気タービンに関しては、例えば、高温ガス経路部品、シュラウド、ブレード（又はバケット）、ノズル（ベーン）及びシールからなる群から選択されるタービン部品を始め、多種多様な部品又はその一部を積層造形によって製造することができる。幾つかの具体例では、燃焼器部品及び高温ガス経路部品は、限定されるものではないが、ノズルバー、マイクロミキサプレナム、燃焼フレックスチップ及びマイクロチャネル冷却シュラウドを始めとする、複雑な幾何形状を大がかりな後処理を必要とせずに形成できるようにするための積層造形プロセスによって製造することができる。
幾つかの従来の製造技術とは対照的に、積層造形で実現される利点は多々存在するが、積層造形される製品は、複雑な形状の表面特徴を有することがある。こうした複雑な形状は、熱処理時に亀裂を発生し易くなるおそれがある。そのため、積層造形によって数多くの利点を達成できるものの、生じる亀裂が機械的健全性の点、流体力学及び漏れの点で性能に悪影響を及ぼすことがあり、場合によっては、隙間及び亀裂のため流れの健全性が損なわれて部品を使用できなくなってしまうという短所がある。製品の廃棄を避けるため補修手段を講じる場合、通常は部材をまず、亀裂から酸化物を除去するための高度な洗浄プロセスであるフッ素イオン洗浄に付す必要がある。最後に、表面亀裂を修復するため高温真空ろう付けプロセスが行われることもある。
そこで、当技術分野では、積層プロセス後に熱処理しなければならない積層造形部品の亀裂を低減するための処理が必要とされている。
一態様では、製品は、金属粉末の層を順次接合してなる積層造形部品で構成される。部品の外側表面の少なくとも一部にろう材料が配置される。ろう材料は、外側表面の予想亀裂箇所に配置される。熱処理時に外側表面に形成される１以上の亀裂は、ろう材料で充填される。積層造形部品は、析出硬化ニッケル基超合金の金属材料を含んでおり、γ’相を形成する。
別の態様では、部品の製造方法を提供する。本方法は、複数のステップを含む。形成ステップは、積層造形プロセスによって金属粉末の層が順次接合された積層造形部品を形成するのに使用される。識別ステップは、積層造形部品の表面の予想亀裂箇所を識別するためのものである。施工ステップは、予想亀裂箇所にろう材料を施工するためのものである。加熱ステップは、積層造形部品を１以上の所望の加熱温度に１以上の所望の加熱又は滞留期間加熱する。冷却ステップは、積層造形部品を１以上の所望の冷却温度に１以上の所望の冷却又は滞留期間冷却する。ろう材料は、加熱ステップの１以上で形成される亀裂を充填する。
さらに別の態様では、部品の製造方法は、複数のステップを含む。形成ステップは、積層造形プロセスによって金属粉末の層が順次接合された積層造形部品を形成する。金属粉末は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金又は鉄基合金からなり、積層造形プロセスは、直接金属レーザ溶融、直接金属レーザ焼結、選択的レーザ溶融又は電子ビーム溶融からなる群から選択される。識別ステップは、積層造形部品の表面の予想亀裂箇所を識別する。施工ステップは、予想亀裂箇所にろう材料を施工する。ろう材料（又はペースト）は、ニッケル基超合金材料又はコバルト基超合金材料及びバインダからなる。加熱ステップは、積層造形部品を１以上の所望の加熱温度に１以上の所望の加熱滞留期間加熱する。冷却ステップは、積層造形部品を１以上の所望の冷却温度に１以上の所望の冷却滞留期間冷却する。ろう材料は、加熱ステップの１以上で形成される亀裂を充填し、積層造形部品は、ガスタービン部品又は蒸気タービン部品である。金属粉末は、析出硬化ニッケル基超合金からなり、γ’相を形成する。
本発明のその他の特徴及び利点については、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を、本発明の原理を具体例によって説明するための添付の図面と併せて参照することによって理解を深めることができよう。
本開示では、熱処理プロセスの際に部品に生じる亀裂を充填するための方法を提供する。部品は、ガス又は蒸気タービン部品であってもよい。様々な態様では、部品は、例えば、直接金属レーザ溶融（「ＤＭＬＭ」）で作られた部品のような様々な積層造形法の１以上によって形成される。部品の代表的な例としては、限定されるものではないが、燃焼器、燃焼ライナ、トランジションピース、高温ガス経路部品、シュラウド、ブレード（又はバケット）、ノズル（ベーン）、シール及びそれらの組合せのいずれか１以上を始め、積層造形（例えばＤＭＬＭ）で製造されたガス又は蒸気タービン部品が挙げられる。幾つかの例では、部品として、ハニカム、バケットチップ、シール及びフィンが挙げられる。幾つかの具体例では、燃焼器部品及び高温ガス経路部品は、積層造形プロセスによって製造することができ、複雑な幾何形状、特に、限定されるものではないが、ノズルバー、マイクロミキサプレナム、燃焼フレックスチップ及びマイクロチャネル冷却シュラウドを始めとする、マイクロチャネルその他冷却のための複雑な内部通路を有する部品を、大がかりな後処理を必要とせずに形成することができる。
本開示では、部品又はその一部は、積層造形又は「三次元」（３Ｄ）プリンティングプロセスによって形成される。積層造形部品又は部分は、ろう材料の施工によってさらに処理され、ろう材料は、後段の熱処理プロセスで形成される亀裂を充填するため所定の箇所、特に亀裂が予想される部品の箇所又は同様の部品で以前に亀裂が発生した箇所に設けられる。本方法では、ろう材料は、特定のろう材料及び母材によって必要とされる適切なろう付け技術で施工及びろう付けされる。
積層造形法としては、一般に、ネット形状又はニアネット形状の構造を作製及び／又は形成するためのあらゆる製造方法が挙げられる。本明細書において、「ニアネット」という用語は、部品のような構造が、その構造の最終的な幾何形状及びサイズと非常に近い幾何形状及びサイズで形成され、積層造形法の後に機械加工及び処理をほとんど或いは全く必要としないことをいう。本明細書において、「ネット」という用語は、機械加工及び処理を必要としない幾何形状及びサイズで形成される構造をいう。積層造形法で形成される構造は、限定されるものではないが、正方形、長方形、三角形、円形、半円、楕円、台形、八角形、ピラミッド形、特徴的要素が形成された幾何形状、その他の幾何形状又はそれらの組合せなどの、あらゆる適切な幾何形状を含む。例えば、積層造形法は、冷却特徴を形成することを含んでいてもよい。
一般に、積層造形プロセスは、材料を支持体又は基板／基部上の所定の領域に散布し、レーザ又は電子ビームなどのプロセスで材料を選択的に溶融又は焼結することを含む。部品又は部分の形成のためのコンピュータ支援設計プログラムから、例えば所定の設計ファイル又は三次元ファイルの二次元スライスを利用することができる。材料は、アトマイズ粉末の形態であってもよい。積層造形又は三次元プリンティングプロセスの例としては、限定されるものではないが、直接金属レーザ溶融（「ＤＭＬＭ」）、直接金属レーザ焼結（「ＤＭＬＳ」）、選択的レーザ焼結（「ＳＬＳ」）、選択的レーザ溶融（「ＳＬＭ」）、電子ビーム溶融（「ＥＢＭ」）、並びにレーザクラッディング、レーザ粉末溶着（「ＬＰＦ」）、直接金属レーザ堆積（「ＤＭＬＤ」）、レーザ金属堆積（「ＬＭＤ」）又はレーザ金属成形（「ＬＭＦ」）として一般的に知られている「粉末吹付（powder blown）」積層造形プロセスのような、当業者に公知のプロセスが挙げられる。本明細書において、「三次元プリンティングプロセス」という用語は、上述のプロセス並びに材料を層毎に積み重ねることを含む適切な現行の又は将来開発されるプロセスをいう。三次元プリンティングプロセスに適した材料としては、限定されるものではないが、プラスチック、熱可塑性プラスチック、金属、金属材料、セラミック材料、他の適切な材料又はそれらの組合せが挙げられる。具体例では、アトマイズ粉末に適した材料として、限定されるものではないが、ステンレス鋼、工具鋼、コバルトクロム、チタン、ニッケル、アルミニウム、それらの合金及びそれらの組合せが挙げられる。
したがって、本開示に係る部品又は部分の製造方法は、様々な例では、基板表面に金属粉末を供給すること、金属粉末の少なくとも一部を接合して初期層を形成するのに十分な温度に金属粉末を加熱すること、及び部品又はその一部を形成するため初期層の上に追加の層を順次形成することを含む。金属粉末の加熱は、例えば、金属粉末に向けて集束エネルギー源を制御可能に誘導するなど、任意の適切な方法を含む。適切な集束エネルギー源としては、限定されるものではないが、レーザ装置、電子ビーム装置又はそれらの組合せが挙げられる。集束エネルギー源のパラメータは、部品又は部分の形成に使用される金属粉末の材料及び／又は造形物の各層の所望の厚さに依存する。
幾つかの特定の実施形態では、アトマイズ粉末の材料としては、ニッケル基超合金及びコバルト基超合金、ステンレス及び合金鋼、並びにチタン、アルミニウム及びバナジウム合金を始めとする、金属合金が挙げられる。コバルト基合金の適切な例は、Ｃｏ０．３９－０．４１－Ｃｒ０．１９－０．２１－Ｎｉ０．１４－０．１６－Ｆｅ０．１１３－０．２０５－Ｍｏ０．０６－０．０８－Ｍｎ０．０１５－０．０２５（Ｃｏ－Ｃｒ－Ｎｉ合金として市販）の式（質量％）を有することができる。ニッケル基合金の適切な例は、Ｆｅ－０．５０－０．５５Ｎｉ－０．１７－０．２１Ｃｒ－０．０２８－０．０３３Ｍｏ－０．０４７５－０．０５５Ｎｂ－０．０１Ｃｏ－０．００３５Ｍｎ－０．００２－０．００８Ｃｕ－０．００６５－０．０１１５Ａｌ－０．００３Ｔｉ（Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８として市販）の式（質量％）又はＮｉ－０．２０－０．２３Ｃｒ－０．０５Ｆｅ－０．０８－０．１０Ｍｏ－０．０３１５－０．０４１５Ｎｂ＋Ｔａ－０．０１Ｃｏ－０．００５Ｍｎ－０．００４Ａｌ－０．００４Ｔｉ（Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５として市販）の式（質量％）を有することができる。チタン基合金の適切な例としては、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖａ及びアルミニウム６０６１という商品名で公知のものが挙げられる。様々な非限定的な例では、部品は、任意の適切な材料、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、鉄基合金又はその他の適切な金属もしくは金属材料を含むことができる。一実施形態では、部品又はその一部は、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｘなどのステンレス鋼及び／又はニッケル基合金で形成され、上述の材料は、例示にすぎず、限定的なものではない。幾つかの例示的な実施形態では、プリント部品の材料は、ＣｏＣｒＭｏ（Ｃｏ－２８Ｃｒ－６Ｍｏ）及びＨａｙｎｅｓ ２８２（Ｎｉ－２０Ｃｒ－１０Ｃｏ－８Ｍｏ－１．５Ａｌ－２Ｔｉ）又は高強度の析出硬化Ｎｉ超合金、例えばＲｅｎｅ１０８（Ｎｉ－２３Ｃｒ－１１．５Ｆｅ－４．２Ｐ－６．４Ｓｉ）、Ｒｅｎｅ８０（６０Ｎｉ－１４Ｃｒ－９．５Ｃｏ－５Ｔｉ－４Ｍｏ－４Ｗ－３Ａｌ－０．１７Ｃ－０．０１５Ｂ－０．０３Ｚｒ）、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７３８（Ｎｉ－１６Ｃｒ－８．５Ｃｏ－１．７Ｍｏ－３．５Ａｌ－３．５Ｔｉ－１．７Ｔａ－２．５Ｗ－０．０５Ｚｒ－０．０９Ｃ－０．０１Ｂ－２Ｎｂ）及びＣＭ２４７（Ｎｉ－０．０７Ｃ－８．１Ｃｒ－９．２Ｃｏ－９．５Ｗ－０．５Ｍｏ－３．２Ｔａ－５．６Ａｌ－０．７Ｔｉ－１．４Ｈｆ－０．０１５Ｂ－０．０１５Ｚｒ）から選択される。金属粉末は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、鉄基超合金及びそれらの組合せであってもよい。
部品又はその一部が形成されたら、ろう材料の施工によってさらに処理される。本明細書で用いられる「ろう」、「ろう付け」、「ろうフィルム」、「ろう材料」、「ろうペースト」及び「ろうコーティング」という用語は、タービン部品のような部品又は部分の表面処理に関するものであり、本プロセスは、ワークピースの接合を含んでおらず、ろう材料を部品の表面に直接付着させて、得られるろう層又はフィルムで得られる利益を達成するために行われる。
本発明に係る幾つかの実施形態では、真空ろう付け技術が使用される。本明細書では、真空ろう付けは、清浄で優れたフラックスフリーのろう接合部及び高い健全性及び強度の表面を与えるという利点をもたらすプロセスをいう。プロセスは、８×１０－４ｔｏｒｒ以下の典型的な圧力で約１０～３０分間、真空チャンバ容器内で実施され、典型的には連続的熱下でワークピースは約１５００°Ｆ～約２３７０°Ｆ（８１５℃～１３００℃）の範囲の均一な温度に維持され、加熱及び冷却サイクルが起きる可能性のある他の方法で導入されかねない応力を低減又は排除する。
したがって、ある非限定的な例では、ろう付けは、８×１０－４ｔｏｒｒ以下の圧力で、単一ステップの真空ろう付けとして達成され、ろう付け温度は、約１５００°Ｆ～約２３７０°Ｆ、約１５００°Ｆ～約１８００°Ｆ、約２０００°Ｆ～約２３７０°Ｆ、約１８００°Ｆ～約２３７０°Ｆ、約１８００°Ｆ～約２１００°Ｆ又はこれらの範囲内の任意の適切な組合せ、部分組合せ、範囲もしくは部分範囲である。ある非限定的な実施形態では、ろう付け期間は、約１分～約４時間、約１時間～約４時間、約１時間～約３時間又はその中の任意の適切な組合せ、部分組合せ、範囲もしくは部分範囲である。
ここで図面を参照すると、図１は、本開示に従って処理された積層造形部品１００の一部を示す概略図である。この代表的な例では、ろう材料１１０は、外側表面１０５のような部品１００の少なくとも一部に施工又は配置される。ろう材料１１０は、熱処理時に発生しかねない予想亀裂箇所１２０に位置する。一般に、最大プロセス温度は、母材金属の要件によって決まるが、ろう付けの観点からある程度の妥協が必要とされることもある。ろう合金が通常低い温度を必要とする場合、母材金属上でろう合金の強い流れ及び伸展が予想される。この現象を制限するため、スプレーの形態の流れ止めを使用してろうペーストを完全に覆い、亀裂形成によって影響される箇所にろうの流れを閉じ込めることができる。直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）の高い冷却速度は、微細な結晶粒を生成する。したがって、ＤＭＬＭで作製された部品又は部品では、引張強度、硬度及び低サイクル疲労耐性の増加と共にクリープ強度の低下が一般的である。その後のアニーリング又は再結晶プロセスによって、直接金属レーザ溶融部品の延性、強度及びクリープ強度の良好な組合せを得ることができる。ただし、この熱処理（アニーリング／再結晶）プロセスによって、積層造形部品に亀裂が生じるおそれもある。これは、Ｒｅｎｅ８０、Ｒｅｎｅ１０８、ＣＭ２４７又はＩｎｃｏｎｅｌ ７３８などの析出硬化Ｎｉ超合金で作られたＤＭＬＭ部材で特に顕著である。従来、これらは、強化γ’相の析出によって高い作動温度で非常に強度の高い鋳造合金である。鋳造による従来の製造とは対照的に、ＤＭＬＭによる積層造形では、造形したままの部材又は部品にはγ’析出物は生成しない。代わりに、γ’析出物は、ＤＭＬＭの後の最初の熱処理時にしか形成されない。この強化相の形成は、部品が室温よりも脆い温度域で起こる。さらに、相変態は追加の内部応力を惹起し、これと脆化とが組み合わさって深刻な亀裂を生じる可能性がある。本発明のアプローチは、これらの予想亀裂箇所に選択的にろう材料１１０を配置して、ろうがその場で部品１００の母材の亀裂表面を充填して接合できるようにすることである。したがって、部品が高温真空炉内にある間に、同じ熱処理サイクルで亀裂を修復することができる。一方では、こうして亀裂が発生しても酸化物層が形成されないので、優れたろう濡れ性が確保される。他方では、亀裂からの酸化物の除去に必要なフッ素イオン洗浄プロセスの労力及びコスト並びにその後のろう付け補修サイクルを回避することができるので、多大な経済的利益がある。
部品１００又はその一部は、幾つかの例では、金属基板の内部表面（ろうペースト及びろう流れ止めの施工のためアクセスできる限り）及び外部表面のいずれか１以上に施工されるろう材料１１０を有するものとして特徴付けられ、表面は、平面、コーナ、曲線及び輪郭のいずれか１以上を含むことができ、表面の亀裂又は他の隙間であって部品１００の基板内に入り込んだ亀裂又は他の隙間をさらに含んでいてもよい。再び図１を参照すると、部品１００は予想亀裂箇所１２０を有しており、予想亀裂箇所１２０は亀裂を起こし易い既知の領域又は複雑な形状の領域にあることがある。本方法では、図１に示すように、ろう材料１１０は、部品１００の積層造形プロセス後に施工される。
本方法では、ろう材料１１０は、既知又は新規の低又は高融点材料を含み、特に、ニッケル基超合金に使用する場合、ろう材料は、かかるニッケル基超合金と特に冶金学的に適合する。例えば、ろう材料としては、限定されるものではないが、ニッケル基超合金及びコバルト基超合金、合金並びにそれらの組合せを始めとする、金属合金及び超合金が挙げられる。ニッケル基合金の適切な例は、Ｎｉ－１４Ｃｒ－１０Ｃｏ－３．５Ａｌ－２．５Ｔａ－２．７５Ｂ－０．０５Ｙの式（質量％）（Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏ社（米国ニューヨーク州ウエストベリー）からＡｍｄｒｙ ＤＦ－４Ｂとして市販）又はＮｉ－１９Ｃｒ－１０Ｓｉの式（質量％）（Ｗａｌｌ Ｃｏｌｍｏｎｏｙ社（米国ミシガン州マディソンハイツ）を始めとして数多くの供給元からＢＮｉ－５として市販）を有することができる。当然のことながら、積層造形による部品の形成には他の母材を使用してもよく、それらには、他のろう材料を選択してもよく、高融点、低融点又は高／低融点以外であってもよい。
本願で提案する製造方法は、要件に適応した熱処理を含み、２つの要件を同時に満たすように設計される。一方で、適切な再結晶（ＲｅＸ）によってＤＭＬＭ部材又は部品のミクロ組織要件を確保し、他方で、温度サイクルによって、亀裂が予想箇所に形成されたとしても現場ろう付け補修を同時に行うことができる。
図２は、標準的な手順で処理した積層造形部品１００の一部の概略図を示す。部品１００は熱処理されており、予想亀裂箇所１２０（図１に示す）に亀裂１２２が形成されている。最初の熱処理サイクルの際のかかる亀裂の形成は、ＤＭＬＭで処理された析出硬化Ｎｉ超合金では非常に起こり易い。本願で提案する現場補修法は、かかる亀裂が発生すると同じ熱処理サイクルでその場で亀裂を修復できる方法を開示する。
図３を参照すると、本熱処理プロセスは、第１の温度Ｔ１に部品を加熱し、部品をその第１の温度に所定の第１の期間ｔ１保持することを含んでいるが、この期間は、部品の均一な温度プロファイル及びろうペースト／材料に含まれているバインダの蒸発を確保するのに十分な長さでなければならない。部品が析出硬化Ｎｉ超合金で作られている場合、第１の保持温度Ｔ１は、γ’形成の開始温度よりも約２０～１００Ｋ低くすべきであり、γ’形成は典型的には、ＤＭＬＭ材料の熱膨張係数の低下を伴う。ｔ１後に部品が均一な温度に達したら、部品１００は、高い昇温速度ｖ２＞２０Ｋ／分で第２の温度Ｔ２まで急速に昇温する。この高い加熱速度は、ＤＭＬＭ部材が脆くて深刻な亀裂のリスクが高い中間の低延性温度域でのγ’相の形成をできるだけ抑制する。このような高い加熱速度ｖ２であっても、マクロ亀裂の形成を完全に回避できないことが多々ある。マクロ亀裂は、特に、処理による凍結内部応力が大量に存在する箇所又は部品設計が最適化されておらず局所的な応力ピークが発生する箇所で形成される。多くの場合、補修が必要とされる亀裂は、Ｔ１から温度Ｔ２への昇温時に発生する。好ましい実施形態では、Ｔ２は、約８５０℃以上であり、高強度ＤＭＬＭ材料が再び延性になって、ＤＭＬＭ部材の残留内部応力を緩和できるように、十分に高く選択される。同時に、Ｔ１からＴ２への移行時に形成されるおそれのある亀裂１２２内にろう材料が部分的に流入するのを避けるため、Ｔ２は所定のろう合金材料の固相線温度未満に保たれる。Ｔ２での加熱又は滞留時間ｔ２によって、Ｔ３へのさらなる温度上昇の開始前に、ＤＭＬＭ部材の均質な温度プロファイルを再び確保する。同時に、保持又は滞留時間ｔ２の後に残留応力の大半は緩和される。しかる後、温度は約１５～３０Ｋ／分の速度ｖ３でさらに温度レベルＴ３まで上昇させ、Ｔ３で滞留時間ｔ３の間保持されるが、この温度は、ろう材料１２０の液相線温度よりも高く設定される。理想的には、温度レベルＴ３は、ＤＭＬＭ合金の最終再結晶温度Ｔ４よりも約３０Ｋ～１００Ｋ低く選択される。温度をＴ３からＴ４に上昇させる際に、ろう材料１２０は液体になる。同じ熱処理サイクルでそれまでに亀裂１２２が形成されていた場合、ろう材料はこの段階で亀裂１２２内に流れ込んで、亀裂を充填することができる。ろう材料１２０は、再結晶温度Ｔ４での滞留時間の間、液体状態のままである。それまでの昇温とは対照的に、ここでの昇温は、局所的な初期溶融を招くおそれのある温度超過を避けるため、遅い加熱速度ｖ４＜５Ｋ／分で行われる。部品は再結晶滞留時間ｔ４の間Ｔ４に保たれるが、この滞留時間ｔ４はＤＭＬＭ部材の所望の再結晶ミクロ組織を得るのに十分な長さでなければならない。同時に、ろう材料１２０が亀裂１２２を完全に充填してろう拡散が生じ、亀裂補修ゾーンでより均質な元素分布がもたらされる。場合によっては、再結晶温度Ｔ４は、ろう供給業者の典型的な推奨温度を超えることもある。このような高温Ｔ４の有益な副作用として、拡散率が高まり、ろう接合部での有害な脆性相の形成が大幅に低減する。Ｔ４でのＤＭＬＭ部材の再結晶及び亀裂修復に続いて、部品は、別の中間温度Ｔ５まで速度ｖ５＜－５Ｋ／分でゆっくりと冷却されてその温度に滞留時間ｔ５の間保持されるが、この温度は、ろうが再び固体となるレベルに設定される。Ｔ５はろうの固相線温度よりも５０Ｋ以上低く設定すべきではなく、Ｔ４からＴ５への徐冷は、まだ延性のあるろう材料の急速冷却による補修ろう接合部の破損を防ぐ。Ｔ５に達した後、周囲温度への冷却速度ｖ６は、最終的に周囲温度に達するまで部品の他のミクロ組織要件に適合し続けるように、－１５Ｋ／分～－５０Ｋ／分の範囲内の値まで増加される。この例では、横軸は時間、縦軸は温度であり、第１の温度Ｔ１は第２の温度Ｔ２よりも低く、第３の温度Ｔ３は第２の温度Ｔ２よりも高く、最終再結晶温度Ｔ４はＴ３よりも高い。この５段階の熱処理は一例にすぎず、使用する具体的な部品又は材料に応じて、３以下又は５以上の加熱温度及び１つの中間冷却温度を用いてもよい。
様々な実施形態では、本明細書に記載の方法は、造形して熱処理したままの積層造形部品と比較して、亀裂が封止された部品を提供する。本明細書に開示される方法は、積層造形プロセスのアーティファクトである外部及び内部表面に存在する表面亀裂も封止することができる。処理された部品は、腐食、酸化及びエロージョンに対する耐性を向上させる表面特性の向上、並びに寿命の延長を呈する。同時に、本願で提案する方法は、特に深刻な欠陥なしに製造するのが困難な高強度の析出硬化Ｎｉ超合金からなる部品の場合、積層造形ＤＭＬＭの生産収率を大幅に向上させる。
したがって、本方法及び熱処理の技術的利点として、積層造形部品の品質向上、収率向上及び長寿命化が挙げられる。もう一つの利点は、別々のろう補修サイクルを全く必要とせず、補修に関連するコストが削減されることである。さらに、亀裂は真空雰囲気中で形成され、酸化されないので、費用と時間のかかる亀裂の洗浄プロセスは必要とされない。別の利点は、強化γ’相の含有量が高いニッケル基超合金を始め、積層造形部材に高強度粉末材料を選択するオプションである。これらの部品は、本開示に従って、亀裂その他の欠陥を封止するためにろう材料と共に熱処理し得る。
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲内で様々な変更をなすことができ、ある構成要素を均等なもので置き換えることができることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲内で、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるべく数多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の形態と思料される特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
１００ 積層造形部品
１０５ 外側表面
１１０ ろう材料
１２０ 予想亀裂箇所
１２２ 亀裂
Ｔ１ 第１の温度
Ｔ２ 第２の温度
Ｔ３ 第３の温度
Ｔ４ 最終再結晶温度
Ｔ５ 中間温度
ｔ１ 第１の期間
ｔ２ 滞留時間
ｔ３ 滞留時間
ｔ４ 再結晶滞留時間
ｔ５ 滞留時間
１０５ 外側表面
１１０ ろう材料
１２０ 予想亀裂箇所
１２２ 亀裂
Ｔ１ 第１の温度
Ｔ２ 第２の温度
Ｔ３ 第３の温度
Ｔ４ 最終再結晶温度
Ｔ５ 中間温度
ｔ１ 第１の期間
ｔ２ 滞留時間
ｔ３ 滞留時間
ｔ４ 再結晶滞留時間
ｔ５ 滞留時間
Claims (10)
- 金属粉末の層を順次接合してなる積層造形部品（１００）と、
前記部品（１００）の外側表面（１０５）の少なくとも一部に配置されたろう材料（１１０）であって、前記外側表面（１０５）の予想亀裂箇所（１２０）に位置するろう材料（１１０）と
を含む製品であって、
熱処理時に前記外側表面（１０５）に生ずる１以上の亀裂（１２２）が前記ろう材料（１１０）で充填される、製品。 - 前記積層造形部品（１００）が、析出硬化ニッケル基超合金の金属材料を含んでおり、γ’相を形成する、請求項１に記載の製品。
- 前記ろう材料（１１０）に隣接する１以上の追加の層をさらに備えており、前記１以上の追加の層が、耐食合金、耐摩耗合金及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の製品。
- 前記ろう材料（１１０）が、前記予想亀裂箇所（１２０）又はその近傍だけに位置し、前記外側表面（１０５）の亀裂が予想されない他の領域には、ろう材料（１１０）がない、請求項１に記載の製品。
- 前記積層造形部品（１００）がガスタービン部品又は蒸気タービン部品である、請求項１に記載の製品。
- 前記積層造形部品（１００）が、燃焼器、燃焼ライナ、燃焼フレックスチップ、トランジションピース、高温ガス経路部品、シュラウド、ブレード、ノズル又はシールからなる群から選択される、請求項５に記載の製品。
- 前記積層造形部品（１００）がニッケル基超合金からなり、前記ろう材料（１１０）がニッケル基合金又はコバルト基合金からなる、請求項１に記載の製品。
- 部品（１００）の製造方法であって、当該方法が、
積層造形プロセスによって金属粉末の層が順次接合された積層造形部品（１００）を形成するステップと、
前記積層造形部品（１００）の表面（１０５）の予想亀裂箇所（１２０）を識別するステップと、
前記予想亀裂箇所（１２０）にろう材料（１１０）を施工するステップと、
前記積層造形部品（１００）を１以上の所望の加熱温度（Ｔ１～Ｔ４）に１以上の所望の加熱又は滞留期間（ｔ１～ｔ４）加熱するステップと、
前記積層造形部品（１００）を１以上の所望の冷却温度（Ｔ５）に１以上の所望の冷却又は滞留期間（ｔ５）冷却するステップと
を含んでおり、
前記ろう材料（１１０）が、前記加熱ステップの１以上で形成される亀裂（１２２）を充填する、方法。 - 前記積層造形部品（１００）が、析出硬化ニッケル基超合金からなり、γ’相を形成する、請求項８に記載の部品（１００）の製造方法。
- 前記ろう材料（１１０）がニッケル基合金又はコバルト基合金からなる、請求項９に記載の部品（１００）の製造方法。
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