JP2599804B2 - 層堆積による部品の製造方法 - Google Patents

層堆積による部品の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は部品の製造方法に関し、特に制御した構成
成分の層の堆積（溶着）に関する。
発明の背景 製造技術および材料の改良は種々の物品の性能向上と
コスト削減の鍵である。たとえば、方法および材料が次
々と改良され、大抵の場合それらが相関的に改良された
結果、航空機ガスタービンエンジンの性能が大幅に進歩
した。
航空機ガスタービンまたはジェットエンジンは空気を
取り込み、軸流圧縮機で空気を圧縮し、圧縮空気を燃料
と混合し、混合気を燃焼させ、そして圧縮機を駆動する
軸流タービンに燃焼生成物を通過させる。圧縮機はディ
スクとその外周から突出するブレードとを有する。ディ
スクはシャフトのまわりを高速で回転し、そして湾曲し
たブレードが電動ファンに類似した態様で空気を取り込
み圧縮する。
現在の製造法では、圧縮機を製作するには、圧縮機デ
ィスクを外周に溝（スロット）のある単一部品として鍛
造する。圧縮機ブレードは、ディスクの溝にはまる「ダ
ブテイル」（あり形）と称されるルート部分を有する形
状に、個別に鋳造または鍛造する。ブレードのダブテイ
ル部分をディスクの溝にすべりこませることにより、組
立を完了する。ブレードが適切にはまらなかったり、破
損したり、使用中に傷ついたりしたら、上述した組立工
程を逆にたどり、ブレードを取り外し、新しいブレード
をはめることにより、簡単に交換を行なうことができ
る。
最近になって、ブレードをディスクと一体に、「ブリ
スク」と称される組合わせとして形成することが提案さ
れた。ブリスク形態にする製作方法には、重量を減らす
ことにより性能を向上させる可能性がある。このような
物品は周囲に過剰の金属を有する大きなディスクとして
鋳造または鍛造することができる。次にディスクに一体
に結合した過剰な金属部分からブレードを切削する。高
度に精密な機械加工作業が大量に必要なので、最終製品
は製作費用が高くなる。ブレードの１つでも切削加工を
誤まると、ブリスク全体が不良となり、スクラップにな
る。
ブリスクの損傷したブレード部分の交換または修理
は、この製作方法での難問となっている。たとえば、運
転中に、異物の吸い込みによりブレードのすべてまたは
一部が破損すると、ブリスクはバランスが失なわれる。
損傷したブレードを、性能の低下を招かないやり方で修
理する方法は現在までのところ知られておらず、このよ
うな解決策が必要とされている。このような解決策をブ
リスクの製造に利用してそのコストを下げることが望ま
しい。こ発明はこの必要を満たし、更に関連した利点を
もたらす。
発明の要旨 この発明はブリスクのブレードのような物品および物
品の部分を製造し、修理する方法を提供する。この方法
で製造した物品は、特性の面で鋳造または鍛造物品と同
等であるが、そのほかに別の部分と一体に形成されてい
るという別の利点を有する。元々本方法で製造された損
傷物品を修理するのに同じ本方法を用いれば、修理した
物品は元の物品と実質的に差がない。この方法は、簡単
な形状および複雑な形状いずれの形状および輪郭につい
ても良好な制御が可能であり、また物品全体にわたり組
成に勾配を与えることもできる。組成の変化を制御でき
るので、設計者は異なる領域に要求性能に合わせた特定
の性質を有する物品を設計することができるようにな
る。
この発明の物品の製造方法は、材料の第１ビードを物
品の第１断面のパターンおよび幅にて堆積（溶着）する
工程、第１断面から第１ビードの厚さ分だけ離れた物品
の位置に第２断面を規定し、材料の第２ビードを第１ビ
ードに重ねてかつ物品の第２断面の第１ビードに対する
パターン、位置および幅にて堆積（溶着）する工程、そ
して第２ビードを堆積（溶着）する工程を物品全体を完
成するまで複数の堆積（溶着）工程繰り返し、このとき
次々に形成するビードそれぞれを、先行断面から先行堆
積（溶着）ビードの厚さ分だけ離れた位置に規定される
物品の後続断面の先行堆積（溶着）ビードに対するパタ
ーン、位置および幅にて堆積（溶着）する工程を含む。
別の観点から記述すると、この発明の物品の製造方法
は、物品を複数の平行な断面として特徴付け、この際各
断面はパターンおよび位置を有し、かつ隣接断面から材
料の１ビードの厚さ分だけ変位しており、材料のビード
を次々と順次重なるように堆積（溶着）し、この際各ビ
ードは特徴付け工程で決定した各断面のパターンおよび
位置に対応するパターンおよび位置を有する工程を含
む。
この発明の好適な用途として、圧縮機ディスクと一体
の圧縮機ブレードを製造するにあたり、外周部に基本表
面を有する圧縮機ディスクを用意し、圧縮機ディスクに
隣接する圧縮機ブレードのパターンおよび位置を有する
材料の第１ビードを基体表面に堆積（溶着）し、材料の
ビードを次々と先行堆積ビードに重なるように堆積（溶
着）し、この際各ビードは圧縮機ブレードの対応部分の
パターンおよび位置を有する工程を含む方法も提供され
る。ブレードの断面が１本のビードより厚い場合には、
２つ以上のビードを並べて堆積（溶着）して１層を形成
すればよく、そして次の１組の溶着ビードをその層に重
ねて次の層を形成する。
多くの物品は、相互に平行な断面または切片（スライ
ス）の組合せと分析できる。そうすれば、物品は、各断
面のパターンすなわち形状・寸法および各断面の位置、
すなわち隣接断面との関係とを特定することによって、
独特な規定を与えられる。各断面のパターンは、堆積
（溶着）材料のビードにより形成することができる。こ
こで、ビードとは、代表的には基体を熱源に対して移動
することにより形成される細長い堆積（溶着）物であ
る。このような場合、物品を形成するには、ビード（ま
たは必要な場合、いくつかの並列的なビード）を断面の
パターンの形状に堆積（溶着）し、ついで堆積（溶着）
装置を上方にビードの高さだけ移動し、その後次の断面
のパターンおよび先行堆積（溶着）ビードに対する所定
の位置を有する別のビードを堆積（溶着）すればよい。
これらの工程を物品を形成するのに必要な回数だけ繰り
返す。
たとえば、ある種の圧縮機ブレードは幅が比較的狭
く、1/8インチ程度で、レーザ溶接装置で簡単に溶着で
きるビード幅である。各断面をレーザ溶接装置の１回の
パスで溶着する。そのパスが完了したら、溶接ヘッドを
上方にビードの高さ、代表的には約0.015インチだけ移
動し、次の断面を１回のレーザ溶接パスにて溶着する。
各パスの間、レーザ溶接溶着ユニットは、先行溶着ビー
ド（第１回目のパスでは基体）の上部を溶融し、粉末供
給装置を通して材料を追加して先行ビードに重なるビー
ドを形成する。重なったビードの新らたに追加された材
料と先行溶着ビードの溶融した部分とは部分的に相互混
合し、一緒に固化し、こうしてビード全体にわたって連
続した強固な構造が得られる。
この方法によりきわめて広範な種類の形状および断面
輪郭を形成することができる。ビードを順次重ねてゆく
ことにより中実形状体をつくる。各層において複数のビ
ードを横並びの関係ではわせ、そしてその層の上に複数
のビードを追加することによって厚さを厚くすることが
できる。層中のビードの数を変えることにより厚さの変
化する部品を製造する。中空のエアーホイルその他の中
空形状体を形成するには、ビードを外壁の形状に溶着
し、次いで追加のビードを前のビードに順次重ねて溶着
する。冷却通路のような内部構造を有する中空断面を製
造するには、外壁のほかに、内部リブなどを各断面に追
加する。実質的にはすべての形状をビードの集合として
規定することができ、この発明の方法にはこのような広
範な種類の形状を形成する汎用性がある。代表的な航空
機エンジン用途として、圧縮機ブレード、タービンブレ
ード、ファンブレード、管そして正方形、長方形または
不規則な断面の箱体が挙げられる。
この発明を利用して形成する好適な部品である圧縮機
ブレードは、代表的には、二次元曲面を含む複雑なエア
ーホイル形状をもつ。曲面の１方向（寸法）は、各パス
の間溶接ヘッドに対して部品を湾曲通路に沿って移動す
ることによって、物品に簡単に導入される。このような
移動は部品または溶接ヘッドまたはその両方を移動する
ことによって達成する。各断面を先行断面から横方向に
少量だけ変位する（ずらす）ことによって曲面の第２方
向（寸法）を導入する。
堆積（溶着）を制御するには、物品、たとえばブレー
ドの形状を図面または切削のような通常の方法で作製し
た部品から数値的に特徴付ける。一旦部品の形状を数値
で特徴付け終ったら、適当な数値制御コンピュータプロ
グラムを用いて、部品（またはその均等物として堆積ま
たは溶着ヘッド）の移動をプログラムし、各パスの間の
部品の移動そして次々のパス間の横方向変位についての
命令のパターンを作成する。得られた物品は、エアーホ
イルなどの複雑な曲面を含めて数値で特徴付けられた形
状をきわめて正確に再現する。
レーザ溶接技術では、供給される粉末を溶融し、溶融
材料を表面に投射する。この方法は制御可能で、再現性
のある正確な結果を生じる。この方法で物品を製造する
場合、粉末供給物の組成を物品全体にわたって一定に維
持することができる。あるいはまた、粉末供給物の組成
を任意のビード内でまたは次々のビード間で意図的に変
えて、物品全体にわたって制御可能な組成変化を導入す
ることができる。たとえば、圧縮機ブレードにおいて
は、強い強靱な合金組成を基部近くに使用し、硬い耐摩
耗性または研磨性合金を先端近くに使用する。
物品を修理するには、堆積（溶着）順序の一部を予め
開発された特徴付けデータから繰り返す必要があるだで
ある。たとえば圧縮機ブレードが中間点付近で折れた
ら、ブレードに残された一番近い非損傷断面に対応する
平坦面を研ぎだし、ついでブレードの残部のコンピュー
タ制御による堆積（溶着）を繰り返すことが必要なだけ
である。修理したブレードは最初に作製したブレードと
実質的な差がない。同じ装置を用いて、同じ形状制御パ
ターンにしたがってブレード修理を行なっているからで
ある。修理部分とブレード基部とはブレードを作製する
ときに用いたのと同じやり方で相互に溶接されているか
ら、修理部分は仕上後に肉眼で識別できる結合線や、ブ
レードの基部との不連続をもたない。
この発明の方法を用いて広範な種々の材料を堆積（溶
着）することができる。たとえば、チタン合金、ニッケ
ル合金、コバルト合金、鉄合金、セラミックおよびプラ
スチックを堆積することができる。
この発明は製造技術の重要な進歩をもたらすものであ
る。複雑な部品を別の部品に一体に、機械加工後に肉眼
で識別できる結合線を残すことなく、また締結具を用い
ずに作製することができる。物品の形状および局部組成
両方について大きな融通性が得られる。コンピュータ制
御の堆積で、最初の作製時と同じ方法を用いるので、修
理は一層簡単になる。この発明の他の特徴および効果
は、図面を参照した好適な実施例についての以下の詳し
い説明から明らかになるだろう。以下の具体的な説明で
この発明の原理を例示説明する。
具体的な構成 この発明を具体化した好適な例は圧縮機ディスクと一
体の圧縮機ブレードを作製または修理する方法である
が、この発明はそのような例に限定されない。第１図に
おいて、圧縮機ディスク10と複数個の圧縮機ブレード12
とを一体に組合わせて一体のブレード／ディスクユニッ
ト、すなわちブリスク14を構成している。ディスク部分
10は、外周にリム16を有するほぼ円筒形のホイール形状
のものである。複数のブレード12をディスク部分10のリ
ム16に、ブリスク14が回転するにつれて空気をとりこ
み、圧縮するのに適切な位置および配向で接合する。
（第１図では、図示の便宜上数枚のブレード12をディス
ク部分の周囲に図示してある。通常、多数のブレードが
もっと密な間隔で配列されている。） 第２図はブーレド部分12を拡大して示す。ブレード部
分12はリム16に一体に接合されている。すなわち、ブレ
ードは別個の部材として形成されてからディスクのリム
に接合されるのではない。ブレードはリム16と構造的に
一体で、リム16からブレード12につながる構造は連続で
ある。
ブレード12は通常、空気を圧縮するのに最適な手法の
詳細な計算により決められる複雑なエアーホイル形状の
ものである。エンジンの軸流圧縮機は通常、多段の圧縮
機を含み、各ブレード部分の正確な形状および寸法は各
段毎に相違する。しかし、一般に、ブレード部分12は二
方向に湾曲している。すなわち、ディスク10の半径18と
リム16に対する円周方向接線20とにより直交座標幾何系
を規定すると、ブレード12の少なくともいくつかの部分
が半径18および接線20のそれぞれに関して湾曲してい
る。さらに、翼弦長および曲率はブレード全体にわたっ
て一定ではなく、通常曲率はエアーホイルの翼幅を横切
ってかつその長さに沿って変化し、また翼弦はエアーホ
イルの長さに沿って変化する。このような複雑な湾曲形
状を通常の切削、鍛造または鋳造法で作製するには細心
の注意を要し、経費が高くなる。
ブレード部分12の構造は、半径方向18に直交してブレ
ードに引いた断面線で特徴付けることができる。その例
として４つの断面A,B,CおよびＤを第３図に半径方向距
離の増加順に示す。ブレード12の複雑な曲率を第４図の
端面図にも示す。
第５図は、断面線A,B,CおよびＤのパターンおよび相
対位置を、それらのブレード12に対する関係から離れ
て、抽象的な表示で示す。断面Ａでのブレードの形状は
Ａのパターンで示す通りで、断面Ｂでのブレードの形状
はＢのパターンで示す通りであり、以下同様である。こ
の発明の解決方法では、ブレード12を作製するのに、第
１金属ビードをＡのパターンに沿って堆積（溶着）し、
第２金属ビードを第１ビードに重ねるが、Ｂのパターン
に従わせ、以下同様にする。ブレードの底部、すなわち
ルート部近くには通常幅の広いすみ肉を設けるので、断
面Ａでのブレードの厚みは通常断面Ｂでのブレードの厚
みより大きい。したがって、たとえば、ブレードは基本
付近で４ビード幅とし、次の層を３ビード幅とし、次の
層を２ビード幅とし、後続の層を１ビード幅とすること
ができる。異なる層または断面でのブレードの厚みは、
各層中のビードの数を変えることにより、制御自在に変
えることができる。
ブレードの形状は（その厚みとは別に）、ビードの形
状およびパターンを変化させることにより変わる。パタ
ーンＢに沿ったビードは、第５図のパターンＡとＢの曲
率が異なることから明らかなように、その形状がパター
ンＡに沿ったビードとは異なる。曲率も、ビードをその
下側の前に堆積（溶着）したビードからずらすことによ
って制御自在に変えることができる。たとえば、パター
ンＢはパターンＡから変位量22だけ横方向にずれてお
り、この変位量22はビードに沿った位置につれて変化す
る。すなわち、パターンＢはパターンＡに対して、形状
またはパターンが異なるだけでなく、空間位置も異な
る。したがって、パターンＢに従うビードはパターンＡ
に従うビードに直接重なるのではなく、それから僅かに
異なる位置にずれている。この変位（ずれ）はパターン
の長さにも沿っており、こうしてブレードにスイープ形
状を生成する。図示した変位はかなり大きく見えるかも
しれないが、図面に示したパターンＡおよびＢは図示の
目的で十分に離れた断面のパターンをとっていることを
想起されたい。実際には、２つの隣接ビード間の変位量
Ｈは小さく、代表的には約0.015インチであり、十分ブ
レード12の連続性を維持する限度内に入っている。
ブレード12を作製するには、まずブレードの形状を各
断面毎に特徴付ける。すなち、各断面のパターンおよび
位置を図面、計算または予め製造した部品のいずれかか
ら注意深く記録する。各断面について、必要な情報を２
つの方法のいずれかで得ることができる。相対位置決め
法では、 （１）断面のパターン、すなわちパターン線（たとえば
Ｂ）に沿った各点の座標および（２）１点１点について
のある断面の先行断面に対する相対位置（たとえばパタ
ーンＢとパターンＡとの間の変位量22）を知る必要があ
る。それとは別に絶対位置決め法では、各ビード材料堆
積（溶着）点の適当な外部基準フレームに対する位置を
知る必要がある。いずれの場合にも、全体として三次元
のブレードの形状を規定する数字情報を、数値制御金属
加工機械に用いられる方法で測定し、記憶するのが簡単
である。
ブレードその他の物品の詳細な形状を規定した後、金
属ビードを重ね合せ態様で堆積して、記憶した数値形状
を再現する。使用する装置が、十分に限定されたビード
を生成し、必要な数値形状を追従するように制御可能で
もあることが必要である。これらの要求を満たす装置と
してレーザ溶接装置が開発されているので、以下これに
ついて詳しく説明する。しかし、この発明は装置自体を
包含するものではなく、その使用方法に関する。
具体的には、第１ビード24を基体（母材）のリム16の
上にパターンＡに沿って堆積（溶着）する。十分な熱を
リム16に伝達し、基本材料の表面をある程度溶融する一
方、ビード24の材料は基本に到着する時点では大部分溶
融されている。溶融材料同士は相互に混合し、急速に固
化する。こうして第１ビード24をリム16と融合し、後者
との一体の結合を形成する。肉眼検査では結合線や積層
は認められず、検出もされない。最終切削および仕上げ
加工の後、あらゆる実用目的に十分な程度に、第１ビー
ド24はリム16と一体になっている。リム16と第１ビード
24の材料の組成が異なる場合には、溶融領域で組成の相
互混合がある程度生じる。
第１ビード24を形成するパスの完了後、溶着装置は第
２ビード26を溶着する第２パスを行なう。第２パスで
は、ビードが断面Ａの上側の次の断面のパターンに追従
する。この、次の断面は通常僅かに異なるパターン（曲
率）、位置および長さを有し、横方向にずれ（変位し）
ており、そのパラメータは予め測定、記憶してある。ブ
レード12の形状を特徴付けるにあたっての各断面間の距
離は、大体溶着装置により溶着されるビードの高さＨと
なるようにとるのが普通である。ビードの高さＨは、溶
着装置の形式、溶着する材料、移動速度などの因子に依
存するが、レーザ溶接の場合代表的には約0.015インチ
である。第２ビード26を第１ビード24の上に溶着する
際、第１ビード24は局部的に一部溶融される。こうし
て、第１ビード24の基体との融合に関して前述したのと
同様に、第２ビード26がその下側の第１ビード24に融合
され、やはり十分に一体の構造を生成する。
前のビードの上に重なるビードを溶着するこの手順
を、ブレード12の高さ全てにを形成し終るまで、繰り返
す。予め測定しておいたパターンに追従するビードを溶
着することにより、ブレードを正確に再現する。次々に
設けるビードの位置合わせが不完全なためにブレード表
面に生じる凹凸は研削、研磨により取り除くことがで
き、こうして一体ブレードの作製を完了する。
この発明の方法は、前述したは汎用性や一体構成以外
に、重要な利点を有する。溶着装置への材料供給を１つ
のビード（どのビードでもよい）の長さに沿って、ある
いは次々のビード間で変化させ、物品の異なる領域間で
組成を変えることができる。形状とおなじく溶着材料の
組成を数値制御することができるので、特定組成の領域
を複数形成して特定の目的を達成することが可能であ
る。たとえば、ブレード12の基部近くの部分（すなわち
断面Ａ）を強度および靱性が高い部分とし、一方ブレー
ド12の先端に近い部分（すなわち断面Ｄ）を硬質かつ耐
摩耗性または研磨性にすることができる。空気熱力学的
加熱をもっとも強く受ける部分に特定の組成を与えるこ
とができる。さらに、このブレードの微細組織は、他の
方法で製造した連続的な再溶融組織を有するブレードの
それとは似ていない。
使用中に損傷を受けた後のブレード12の修理もこの発
明の方法により容易に行なうことができる。たとえば、
ブレード12の先端が第３図に28で示す折線に沿って破損
したとすると、修理をするには、まずブレード12を損傷
がないと確認された断面まで研削する。そのような健全
な断面が断面Ｃであるとしよう。次に、断面Ｃに重なる
新しい先端の溶着を、この発明の方法を用いてブレード
を初めて作製したときとまったく同じやりかたで、行な
う。このような可能性を見越してブレードの数値的な特
徴付けを保存しておけば、新しい先端を元の損傷された
先端と同一に溶着することができる。新しい改良された
エアーホイル形状または異なる材料組成のような任意の
改良特性を取り入れることができる。ただし、残りのブ
レードには同じ変更を施さないので、このような変更が
ブリスク14の性能を変えないならばの話である。いずれ
にしても、次々のビードが溶融し融合するので、修理さ
れたブレードはその長さに沿って完全に一体のままであ
り、目立って弱い面をもたない。
金属その他の物質のビードを堆積する技術は多数知ら
れている。拡散溶射部（スプレー）を生成する技術があ
るが、このような技術は一般にこの発明の実施にあたっ
ては適用できない。この発明を実施するのに特に適切な
装置はレーザ溶接装置であることを確かめた。レーザ溶
接装置では、レーザビームによりそれが向けられた表面
を溶融して溶融池を形成し、微粉砕供給材料を溶融領域
に供給して、「ビード」と称される新しい溶着物を付け
加える。部品を制御された通路に沿って移動することに
より、注意深く規定および成形されたビードを形成す
る。
第６図に、この発明を実施するのに有用な、ビードの
レーザ溶着を制御された態様で行なう装置38を示す。こ
の装置は米国特許第4,730,093号に詳細に記載されてい
るので、その明細書をこの発明の参考文献として挙げて
おく。しかし、この発明の実施はこの特定の装置の使用
に限定されるものではない。
装置38は閉じた粉末貯蔵槽40を含む。この貯蔵槽40は
粉末中の水分を低いレベルに制御する目的で加熱コイル
42で加熱される。貯蔵槽40にはガス入口44も設けられ、
ここを通して好ましくは乾燥した不活性ガス、たとえば
アルゴンを矢印46の方向に導入して貯蔵槽40内の粉末48
を圧力下に維持するとともに、粉末の輸送を補助する。
粉末貯蔵槽40に、機械的粉末供給機構、たとえば市販の
形式の粉末供給ホイール50が連結されている。たとえ
ば、この発明の装置の１例に用いた形式は、改良型メト
コ（Metco）粉末供給「Ｌ」形ホイールである。
ホイール50の下流には、バイブレータ、たとえば空気
バイブレータ52が導管54に挿入され、導管54内を移動す
る粉末粒子が互いにあるいは導管54の壁に付着するのを
防止している。導管54の終端には水冷式の粉末送出ノズ
ル56が連結されている。ノズル56は、加圧不活性ガスの
作用で、粉末を基体またはブレード12上の先に溶着され
たビードに向けて、一定な流れとして送り出す。レーザ
ビームからの反射があるとノズル56を通過する粉末が詰
まるおそれがあることを確かめた。したがって、ノズル
の少なくとも先端部分を使用したレーザの波長に対して
反射性の高い材料、たとえば銅またはアルミニウムで作
り、ノズルを水などの流体で冷却してこのような問題を
回避するとともに、粉末の均一な流れを得やすくする。
このような粉末の均一な流れは、粉末を正の不活性ガス
圧下で低水分状態に維持し、機械的粉末供給機構および
粉末バイブレータによって輸送するとともに、粉末を冷
却ノズルを通してレーザビームスポット内の物品表面に
供給することによって、得ることができる。
望むならば、同様の構造の導管54を粉末の供給点のま
わりに間隔をあけて追加設置することも考えられる。複
数本の導管54により供給する複数の粉末の流れを、加工
品の表面に収束するように位置決めする。
装置38はビーム軸線62を有するビーム60を発生するレ
ーザ58を含む。レーザ58はその溶融機能を達成するのに
十分な出力を有する。この発明の実施例では、圧縮機の
ブレードを作製するのに5kWの二酸化炭素レーザを用い
たが、必要に応じてそれより大出力または小出力のレー
ザを用いることができる。レーザビーム60の焦点面64を
ビードを溶着すべき表面66より下方に位置させ、代表的
には0.005〜0.2インチの寸法のビームスポット68を表面
66に形成する。前述の場合とおなじく、これらの寸法も
例示であり、限定的なものではない。通常、レーザエネ
ルギーを約103〜106W/cm2のパワー密度で供給して、ビ
ームスポット68と一致する材料の池を溶融する。
粉末を導管54を通してビームスポット68の溶融池に供
給することにより、溶融材料のビードを溶着する。粉末
をノズル56から物品の表面に対してある角度で、好まし
くは約35〜60度の範囲の角度、特に好ましくは約40〜55
度の範囲の角度で供給する。この角度が60度を越える
と、ノズルおよび粉末とレーザビームとの早すぎる相互
作用を回避するのが難しく、35度未満では粉末を物品表
面の望ましいスポットにレーザビームと同時に供給する
のが困難である。レーザビームスポットと粉末が溶着さ
れた物品とを相対的に横方向に移動するにつれて、溶融
相互作用領域の溶融、冷却そして固化が順次起こり、こ
うしてビードが生成する。
ブレード12とリム16とで構成されるブリスク14を可動
支持台80の上にのせる。支持台80はブレード12を２方向
に、すなわちｘ方向70（および−ｘ方向）およびｙ方向
71（第６図の図面の紙面から上に出る方向、および第６
図の図面の紙面の下に抜ける−ｙ方向、黒点71で図示）
に移動する。導管54およびレーザ58を一定の高さに維持
しながら、支持台80のｘおよびｙ方向移動の組合わせを
制御することにより、ブレード12のその特定断面に必要
なパターンを有する十分に限定されたビードを溶着す
る。
導管54およびレーザ58は装置の支持枠82に剛固に支持
されている。支持枠82はｚ方向84（および−ｚ方向）に
移動可能で、導管54およびレーザ58を上昇または下降す
ることができる。支持台80および支持枠82を介して、導
管54およびレーザ58をブレード12に対して３方向すべて
に移動することができる。導管54およびレーザ58を一定
のｚ方向高さに維持しながら、支持台80のｘおよびｙ方
向移動の組合わせを制御することにより、ブレード12の
その特定断面に必要なパターンを有する十分に限定され
たビードを溶着する。（同様に、支持枠82をｘおよびｙ
方向に、支持台80をｚ方向に移動することにより相対的
x,yおよびｚ方向移動の組合わせを実現することがで
き、その他の同様な移動の組合わせも実現できる。） ビード（たとえば第１ビード24）を完成したら、装置
38を上方に１回分前進させて、導管54およびレーザ58
を、代表的にはビードの高さまたは厚さＨとなるように
選ばれた量だけ押し上げ、こうして次のビード（たとえ
ば第２ビード26）を第１ビード24に重ねて溶着できるよ
うにする。第６図は、第１ビード24を完成し終り、第２
ビード26を溶着している途中の溶着方法の段階を示す。
第２ビード26を溶着する際、第１ビード24の上部は再溶
融され、２つのビード24と26との融合および構造的連続
性が確実になる。
以下に実施例を示してこの発明の特徴を具体的に説明
するが、これらはいかなる意味でもこの発明を限定する
と解すべきではない。
実施例１ 前述した装置を用いて基体と一体の圧縮機ブレードを
形成した。3kW二酸化炭素レーザのビームを収束して、
直径0.356cmのスポットを形成した。したがってパワー
密度は30kW/cm2であった。第１〜５図に示した概略形状
の二重湾曲圧縮機ブレードを溶着した。ブレードの長さ
は約３インチであった。各ビードの高さは約0.015イン
チであった。粉末を溶着する際基体をレーザビームに対
して50インチ／分の直線速度で移動して、ブレードを作
製するのに合計200パスを要した。溶着合金はTi−6Al−
4Vで、導管に−35/＋230メッシュ粉末として約10g/分の
供給速度で供給した。基体はTi−6Al−4Vであった。溶
着中、ブレードおよびその周囲をアルゴン雰囲気中に維
持した。
実施例２ 溶着合金をインコネル（Inconel）718合金、基体をイ
ンコネル718合金とし、送り速度を80インチ／分とした
以外は実施例１と同様の手順を繰り返した。
実施例３ 基体をレネ（Rene）95合金とした以外は実施例２と同
様の手順を繰り返した。
この発明は物品を作製し、修理するきわめて汎用性の
高い手段を提供する。この発明を特定の実施態様および
実施例について説明したが、この発明は特許請求の範囲
を逸脱しない範囲内で種々に変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は一体の圧縮機ディスクおよびブレード、すなわ
ちブリスクの斜視図、 第２図は第１図のブレード部分の拡大斜視図、 第３図は第２図のブレードの側面図、 第４図は第２図のブレードの端面図、 第５図は第３図に示した４つの代表的なビードA,B,Cお
よびＤのパターンを示す線図、そして 第６図はこの発明の方法を実施するためのレーザ溶接装
置の側面図である。 10:圧縮機ディスク、12:ブレード、 14:ブリスク、16:リム、18:半径方向、20:接線方向、2
2:変位、24:第１ビード、26:第２ビード、40:貯蔵槽、4
2:加熱コイル、44:ガス入口、46:不活性ガス、48:粉
末、50:粉末供給ホイール、52:バイブレータ、54:導
管、56:ノズル、58:レーザ、60:ビーム、64:焦点面、6
6:表面、68:スポット、70:x方向、71:y方向、80:支持
台、82:支持枠、84:z方向。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリック・ジェームズ・ホイットニイ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナ ティ、バーネイ・アベニュー、730番 (56)参考文献 特開 昭61−91371（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−152371（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−56772（ＪＰ，Ａ) 米国特許4743733（ＵＳ，Ａ) 米国特許4621762（ＵＳ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】予め選択された複雑な湾曲形状を有し、か
    つ、それぞれが予め選択されたパターンおよび厚さを有
    する複数の平行断面を含むブレードをレーザ溶接を用い
    てディスクと一体に製造する方法であって、 外周に基体表面を有するディスクを用意し、 粉末材料をレーザビームで溶融し、この溶融材料を前記
    基体表面に堆積して前記ブレードの第１断面のパターン
    で材料の第１ビードを形成し、 粉末材料をレーザビームで溶融し、相次ぐ堆積工程でこ
    の溶融材料を相次ぐビードとして堆積し、各ビードは前
    記ブレードの対応する断面のパターンで堆積され、各断
    面は下側の断面を部分的に覆い、かつ下側の断面から部
    分的にずれていて、堆積された第１ビードの後に堆積さ
    れるビードはそれぞれ先に堆積された材料によって部分
    的に支持されず、前記ブレードが完成されるまで相次ぐ
    断面で前記相次ぐビードが堆積される工程を含むブレー
    ドの製造方法。
  2. 【請求項２】粉末材料をレーザビームで溶融し、その溶
    融材料を堆積して相次ぐ層を形成する工程において、相
    次ぐ１層の堆積材料が先に堆積した層の材料と異なる請
    求項１に記載のブレードの製造方法。
  3. 【請求項３】前記ブレードが、圧縮機ブレード、タービ
    ンブレードおよファンブレードからなる群から選ばれた
    請求項１に記載のブレードの製造方法。
  4. 【請求項４】粉末材料をレーザビームで溶融し、その溶
    融材料を堆積して相次ぐ層を形成する工程において、先
    に堆積した材料の一部が溶融して層間に溶接接合を形成
    する請求項１に記載のブレードの製造方法。
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