JP3444723B2 - 単結晶からなる金属部品のコンテナレス型製造方法 - Google Patents

単結晶からなる金属部品のコンテナレス型製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、亀裂のない金属製
部品のコンテナレス（ｃｏｎｔａｉｎｅｒｌｅｓｓ）型
製造方法に関し、より詳しくは、ガスタービンエンジン
用の単結晶の金属製部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近のガスタービンエンジンは、性能及
び効率を高めるために高回転速度及び高温度で運転され
る。従って、ガスタービンエンジン用の部品を構成する
材料は、このような過酷な動作環境に耐えるものである
ことが要求されている。
【０００３】高温度で運転されるガスタービンエンジン
用の多くの部品は、高温及び高応力のもとで用いるため
に特に開発された合金であるニッケルベースの超合金か
ら作られている。多くの場合、超合金は部品の形状に鋳
造される。例えば、当業者には方向性凝固が知られてい
る。この鋳造方法は、結晶粒界を応力の軸に平行に整合
する。この整合によって耐熱性が高められる。高温での
欠陥は通常金属の粒界において発生するので、方向性凝
固により結晶粒界を整合させることによって、欠陥の生
ずる箇所が最小となる。
【０００４】上記の方法を敷衍するものとして、単結晶
鋳造法（ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｃａｓｔｉｎ
ｇ）がある。合金を単結晶として鋳造することによっ
て、完成した部品の内部の結晶粒界が除去される。単結
晶の合金から構成されたブレード及びベーンは、高い動
作温度における強度、延性及びび亀裂に対する抵抗力な
どの優れた性能を示す。このため、単結晶の合金から形
成されたタービンエンジン用の部品は、ガスタービンエ
ンジンのタービンセクションにおいて非常によく用いら
れている。単結晶の合金から構成されたタービンエンジ
ン用の部品は望ましいものであるが、しかしこれらの部
品は製造コストが高く、初期の製造過程において欠陥が
生ずることが多い。
【０００５】従来のレーザを用いたコンテナレス型製造
方法では、予期しない結晶粒界が形成されるために、複
雑な形状の単結晶の合金からなる部品を製造することは
困難となっている。よく知られているように、従来の多
くの製造方法では、金属からなる下地物質との相互作用
を起こすために微細に焦点が調節された高エネルギーの
レーザビームが用いられてきた。その結果、少なくとも
２つの現象を原因とする亀裂が生じてきた。第１の現象
は、高い凝固速度に関連する。高い凝固速度は、レーザ
ビームによって形成された溶融池と下地物質との間の大
きな温度差を原因とする。この温度差は、急速な加熱に
よってもたらされたものであり、この急速な加熱によっ
て、溶融されていない下地物質が十分に高い温度に達し
ない。これは、レーザビームが移動しもしくは遮断され
たとき、下地物質が効率のよいヒートシンクとして働く
ために、溶融された表面部分が急速に凝固することを意
味する。
【０００６】より詳細には、高い電力密度及び短い照射
時間によって、高い温度勾配と高い冷却速度がもたらさ
れ、その結果凝固速度が高くなる。このような局部的な
溶融および凝固によって、亀裂の原因となる凝固過程に
おける熱による応力が導かれる。
【０００７】従来技術の結果でありかつ亀裂を生み出す
原因である第２の現象は、溶融池が深くかつ大きなアス
ペクト比（深さ対幅の比）を有するということである。
そのようなかなり深いかつ狭い溶融池が凝固するときに
は幾つかの悪い効果が生ずる。例えば、幅に対する深さ
の比率が高いために、熱流は下地物質の下方に向かうだ
けでなく横方向にも向かうことになる。凝固が終了した
とき、溶融池の壁による拘束を原因とする高い応力が発
生する。溶融池の幅に対する深さの比率が高いことによ
る全体的な効果として、広角度の結晶粒界と大きな拘束
を受けた凝固状態がもたらされる。広角度の結晶粒界に
よって、製品の完全度が低減されかつ製品は亀裂の生じ
やすいものとなる。このような大きな拘束を受けた凝固
によって、凝固の間及び凝固した後に高い応力が生じ更
に亀裂が形成されやすくなる。このように、上述された
理由により、従来のレーザビームを用いた金属処理方法
では、亀裂が形成されやすく、その使用が困難であっ
た。
【０００８】これらの問題点のいくつかを低減する試み
がなされてきた。それらの試みのあるものは、亀裂の発
生を減少させるために、延性が高くかつ凝固中に亀裂を
生ずる傾向の少ない様々な充填材を用いるだけでなく、
余熱するものである。しかしながら、問題を解決するた
めのこれらの試みは成功しなかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、亀裂のない金属製部品、特に単結晶の金属製ガスタ
ービンエンジン用部品のコンテナレス型製造方法を提供
することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に基づけば、亀裂
のない金属製部品のコンテナレス型製造方法が開示され
る。より詳しくは、亀裂のない単結晶の金属製ガスター
ビンエンジン用部品のコンテナレス型製造方法が開示さ
れる。
【００１１】本発明のある態様は、亀裂の発生を低減す
るべく選択された条件のもとで下地物質若しくはシード
（ｓｅｅｄ）の中へ充填材を溶融させる過程を含む。本
発明の好適な実施例では、レーザビーム若しくは他の適
切なエネルギー源が、比較的低い電力密度（約１０Ｗ／
ｃｍ２（１０Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）から約１０４Ｗ/ｃｍ２
（１０Ｊ／秒・ｃｍ ２ ））、及び比較的大きな直径（約
０．２５４ｃｍ（０．１インチ）から約１０ｃｍ（４イ
ンチ））において、長時間（約０．１秒から約１００
秒）に亘って用いられ、比較的低いアスペクト比の溶融
池、即ち浅い溶融池が形成される。
【００１２】材料が溶融池に加えられ、溶融池内で溶融
され、次に凝固してデポジットを形成する。代わりに、
材料は溶融の前もしくは溶融中に基板の表面に加えられ
てもよい。好ましくは、材料は、実質的に基板と等しい
組成の粉末からなる。しかし、特定の用途では、材料は
基板とは異なる組成を有することが望ましい場合があ
る。例えば、腐食が問題とされかつ強度がそれほど重要
視されていない場合、耐腐食充填材が望ましい。欠陥損
の性質及び原因に応じて、欠陥が再発生する可能性を低
減するための材料が適切に選択される。
【００１３】本発明では、凝固前線を制御できなかった
従来の方法とは異なり、比較的低い電力密度及び大きい
直径のレーザビームを用いることによって、平面的に上
向きに下地物質の表面に向かって凝固が起こる。
【００１４】本発明は、レーザを用いた溶融の変数を大
きく変えることによって、レーザによる溶融過程中の亀
裂に関する問題を解決する。従来技術では、短時間に亘
って高い電力密度で製造方法が実施されるのに対し、本
発明に基づけば、電力密度が低減されかつ相互作用の時
間が延長される。これによって、凝固中の溶融池に隣接
する下地物質の部分の温度が大きく上昇する。溶融池に
隣接する下地物質の部分板を比較的高温度に保つことに
よって、温度勾配及び凝固速度が低減される。これによ
って、亀裂の発生が低減される。即ち、本発明は、温度
勾配、冷却速度、凝固速度、及び溶融池のアスペクト比
（幅に対する高さの比）を低減し、単結晶金属からなる
部品を製造するものである。
【００１５】本発明の更に他の態様は、下地物質若しく
はシード内に充填材を溶融し、凝固させ、そして亀裂の
発生を低減するように選択された条件のもとで、充填材
を再び溶融する第１の過程を含む。特に、エネルギー源
によって下地物質の一部が溶融され、溶融池が形成され
る。このエネルギー源の電力密度は、下地物質に与える
ことの必要な熱量に応じて、約５×１０３Ｗ／ｃｍ
２（５×１０３Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）から約５×１０６Ｗ／
ｃｍ２（５×１０６Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）となる。次に充填
材が溶融池に加えられ、溶融池内で溶融され、凝固して
デポジットを形成する。代わりに、充填材は溶融前また
は溶融中に下地物質の表面に加えられてもよい。エネル
ギー源を除去すると、デポジットは下地物質を通した熱
の伝導によって急速に凝固する。しかし、デポジットは
凝固中の応力のために亀裂を含むことが多い。
【００１６】次に、前の過程に対して予め設定された変
数を用いて、デポジット（及びその周辺の領域）が、よ
り低い電力密度のエネルギー源を用いてより長い照射時
間に亘って再び溶融される。このエネルギー源が下地物
質を加熱し、温度勾配と、凝固速度と、凝固中及び凝固
後の応力を低減する。そして、結晶粒界のない亀裂を含
まないデポジットが形成される。
【００１７】所望に応じて、この過程が繰り返され所望
の形状の亀裂を含まない部品が製造される。これは、閉
ループで制御された多軸材料デポジションシステムにお
いてこの過程を用いることによって可能となる。各デポ
ジットは、そのデポジットの下の材料に溶融され、下地
物質若しくはシードの結晶の向きと等しい向きに凝固す
る。
【００１８】さらに本発明の他の態様では、より低い電
力密度によって、かつ各溶融池が形成されるために要し
た時間よりも長い時間に亘って再溶融する前に、複数の
デポジットが形成される。その再溶融は、初めの溶融時
よりも下地物質表面をエネルギー源によってより広くカ
バーすることよって実施される。
【００１９】本発明は、亀裂のない仕上がり形状の単結
晶の部品を製造することができる。その結果、本発明
は、金型のような鋳型（ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）を用いる
ことなく単結晶のガスタービンエンジン用部品を製造す
るための理想的な方法である。こうして、従来の鋳造技
術を用いることなく単結晶のガスタービンエンジンを効
率よく製造することが可能となった。これは、金型と金
属との相互作用を低減し、従って製造過程の効率を改善
するので、非常に好ましい。
【００２０】本発明は更に下地物質若しくはシードと等
しい組成のデポジションの形成を可能にする。従来の製
造方法では、溶融抑制材（ｍｅｌｔ ｄｅｐｒｅｓｓａ
ｎｔ）などを下地物質に加えなければならなかった。本
発明では、下地物質の組成に関して妥協する必要がな
い。しかし、製造する部品の性能を向上させかつその部
品が過酷な条件に耐えるようにうるために意図的に組成
を変化させてもよい。例えば、部品の特定の部分に耐酸
性が要求される場合、その領域に於けるデポジションの
材料に、Ａｌ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、及びＣｅのような１つ
若しくは複数の元素が加えられてもよい。高温度に於け
る耐食性が要求される場合、その領域にはＣｒが加えら
れる。その下のシード若しくは下地物質よりもより強い
それらの領域は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｂ、Ｍｏ、及び
Ｗの内から選択された材料の量を増加させることによっ
て形成される。しかし、延性を増加することが望まれる
場合に、上述されたグループの合金を構成する元素の量
は減少されなければならない。
【００２１】本発明の上述された特長及び利点、及びそ
の他の特長及び利点は、以下の説明及び添付の図面から
より明らかとなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明は、亀裂の発生を低減する
べく選択された条件のもとにおける下地物質若しくはシ
ード内への充填材の溶融に関する。シードもしくは下地
物質６（図１から図６に模式的に例示されている）は、
任意の金属材料であってよい。例えば、下地物質６は、
ニッケル超合金材料、コバルト超合金材料、または他の
超合金材料からなる。
【００２３】下地物質６若しくはシードが単結晶からな
る場合、＜１００＞の結晶の向きは好ましくはＸ線回折
によって求められる。この方向に成長した結晶は、望ま
しい一方向性の構造をなす。下地物質６若しくはシード
は、［１００］方向が垂直方向になるように配置され
る。＜１００＞の結晶の向きの決定は、この方向への結
晶の成長が容易なために望ましいものであるが、本発明
の実施に関しては必須要件ではない。
【００２４】下地物質６は、個相状態における亀裂の原
因となる応力を低減するために予熱されていてもよい。
予熱が、レーザビーム、誘導加熱器、石英水銀灯、また
は標準クラムシェル型炉などを用いた当業者に知られた
方法によって行われる。
【００２５】図１は、その幅に対する深さの比が大きい
溶融池８を表した従来技術に基づくレーザを用いたデポ
ジション方法を表している。熱流は矢印１の向きに向か
い、凝固前線は矢印５の向きに向かって移動する。凝固
前線は、溶融池８の中心線３に向かって概ね移動する。
応力は、溶融池８の両側からの凝固前線が中心線３にて
互いに接する時に生ずる。この応力は、従来技術に基づ
く多くの方法において亀裂の原因となっていた。
【００２６】図２は、その直径がその深さよりも大きい
溶融池８を表した本発明に基づく製造方法を例示したも
のである。溶融池８は、矢印９の向きに向かう熱流によ
って凝固し、この熱流によって、液体と個体の境界面は
矢印１１の向きにかつ下地物質６の表面に向かって移動
する。このように凝固が概ね水平な平面に沿って行われ
ることにより、凝固前線が下地物質６の表面と概ね重な
ることになり亀裂の発生が低減される。従って、材料内
に残留する応力がなくなる。溶融池のエッジ部分のみ
に、符号１５によって示されているように、凝固前線は
下地物質６の表面に向かって移動しない。
【００２７】即ち、本発明は、亀裂の発生しやすい金属
材料の表面を亀裂を発生させずに溶融する方法を提供す
る。本発明はまた、図２に例示された浅い溶融池８が、
別の材料（典型的には粉末であるが、しかしワイヤ若し
くは金属箔の形状であってもよい別の材料）を加えるこ
とによって増加し、図３に例示された成長部１７を形成
する。
【００２８】金属からなる下地物質６の表面を成長さ
せ、金属部品を製造することが可能であることが見い出
された。更に、本発明を実施することによって、この製
造方法の実施中に新たな結晶粒若しくは結晶粒界を形成
することなく下方の結晶構造を連続させることができ
る。単結晶の部品を製造する方法が提供されるので、こ
れは重要なことである。
【００２９】本発明の好適な実施例では、約１０Ｗ／ｃ
ｍ２（１０Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）から１０４Ｗ／ｃｍ２（１
０４Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）の 電力密度の、好ましくは約８
０Ｗ／ｃｍ２（８０Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）から約８００Ｗ／
ｃｍ２（８００Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）のレーザビーム若しく
はその他の適切なエネルギー源を、約０．１０秒から１
０００秒に亘って、好ましくは約０．５秒から約１００
秒に亘って用いる。このようにして、直径約０．２５４
ｃｍ（０．１インチ）から約１０ｃｍ（４インチ）の、
好ましくは直径約０．５１ｃｍ（０．２インチ）から約
５１ｃｍ（２インチ）のレーザビーム若しくはその他の
適切なエネルギー源を用いることによって、図１に例示
された深く狭い溶融池ではなく、図２及び図３に例示さ
れた浅い形状の溶融池を形成できる。
【００３０】本発明の他の実施例では、図４に例示され
ているように、この場合ではレーザからなる第１のエネ
ルギー源が、下地物質６若しくはシード上のスポット４
に集束される。ＹＡＧパルスレーザなどのレーザは、製
造過程の精度を増加することができる下地物質６若しく
はシードの表面のより直径の小さいスポットを形成する
ので好ましい。デポジットの「線」を形成するために連
続したレーザビームを用いることもまた可能である。レ
ーザビームの電力密度は、下地物質６に加えられる熱量
に応じて、約５×１０３Ｗ／ｃｍ２（５×１０３Ｊ／秒
・ｃｍ ２ ）から約５×１０６Ｗ／ｃｍ２（５×１０６Ｊ
／秒・ｃｍ ２ ）の値に設定される。好ましくは、ニッケ
ル超合金の単結晶下地物質に対しては、電力密度は約１
０５Ｗ／ｃｍ２（１０５Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）に設定され
る。
【００３１】レーザによって形成される下地物質６上の
スポットの直径は好ましくは約０．０２５４ｍｍ（０．
００１インチ）から約２．５４ｍｍ（０．１００イン
チ）となる。スポットの直径を小さくすることによって
製造過程の精度が高められ、スポットの直径を大きくす
ることによって成長速度が増加する。スポットの最大の
直径は、使用するエネルギー源によって決まる。
【００３２】図５に例示されているように、ビーム１０
は下地物質６に溶融池８を形成する。次に、充填材が溶
融池８内に堆積される。充填材はビーム１０を照射する
間若しくはビーム１０を照射する前に加えられる。好ま
しくは、充填材は下地物質６と概ね等しい組成の粉末１
８からなる。
【００３３】溶融池８内に粉末１８を堆積することによ
って、粉末１８が溶融し、レーザビーム１０を除去する
と粉末１８は迅速に凝固してデポジットを形成する。例
えば、レーザビーム１０は、下地物質６の平面に沿って
移動し、熱の入力が除去される。代わりに、粉末１８と
下地物質６を同時に溶融するために、下地物質６に粉末
１８を加えると同時にレーザビーム１０を照射してもよ
い。上述した方法によって複数のデポジットを形成して
もよい。しかし、これらのデポジットは迅速な凝固を原
因とする亀裂を生じやすい。
【００３４】次に、亀裂を低減するべく選択された条件
のもとで、即ちより低い電力密度及びより長い照射時間
のもとで、デポジットが再溶融される。より詳しくは、
１度目の照射に用いられたエネルギー源をより低い電力
密度に調節して用いてもよい。電力密度は、下地物質６
に与えなければならない熱量に応じて、約１０Ｗ／ｃｍ
２（１０Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）から約１０４Ｗ／ｃｍ２（１
０４Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）に設定される。好ましくは、電力
密度は、ニッケル超合金の単結晶の下地物質に対して
は、約６００Ｗ／ｃｍ２（６００Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）に設
定される。電力密度に関する動作変数は、１度目の照射
とは異なる値に設定されるのがより好ましい。２度目の
照射の照射時間は、約０．１秒から約１０００秒、より
好ましくは約０．５秒から約１００秒に設定される。２
度目の照射時間は、各溶融池８を形成する１度目の照射
の照射時間の少なくとも約１０倍であることが好まし
い。２度目の照射時間は１度目の照射時間の少なくとも
約１０５倍であることがより好ましい。
【００３５】好ましくは、２度目の照射によって形成さ
れるスポットの直径は、図６の符号２８で例示されてい
るように１度目の照射より大きい。より好ましくは、２
度目の照射のスポットの直径は１度目の照射のスポット
の直径の少なくとも約５倍である。
【００３６】２度目の照射のエネルギー源を除去したと
き、充填材は凝固するが、１度目の照射に用いられたエ
ネルギー源を除去したときよりも低い速度で凝固する。
この緩やかな凝固によって収縮応力が低減され、亀裂が
形成される可能性が低減される。凝固は下地物質６から
表面に向かって一方向に起こり、下側の結晶の形態が連
続し、新たな結晶粒の形成が抑制される。
【００３７】上述された過程は、下地物質６を成長させ
るために必要に応じて繰り返される。部品の製造に要す
る合計の時間は、部品の寸法によって変わる。
【００３８】デポジットの凝固した領域２６が、図６に
例示されているように形成されてもよい。凝固した領域
２６が２度目の照射のスポットの直径よりも大きい場
合、制限を受けないかつ一方向の凝固が生ずるように、
レーザービームの照射された材料が溶融する速度でエネ
ルギー源をデポジットに沿って連続的に移動させること
によって、領域２６が溶融される。所望の断面形状を損
なうような過度の溶融は生じない。
【００３９】代わりに、複数のエネルギー源を用いるな
どにより、各層を形成するための製造過程が同時に実施
されてもよい。
【００４０】各層の所望の成長部が形成されたとき、表
面が完成される。完成された部品のＸ線回折が、各層に
亘る結晶の向きの連続性を確認するために実施されても
よい。
【００４１】図５は本発明に適した装置を模式的に例示
したものである。図５に例示されているように、粉末供
給装置２０は、粉末１８を溶融池８に供給する。粉末供
給装置２０は、粉末供給ライン２２を通して粉末１８を
粉末供給ノズル２４へ送る。粉末供給ノズル２４は、レ
ーザービーム１０と同軸に粉末１８を供給するべく同軸
的な形状を有していてもよい。粉末の適切な流量は、充
填材、ビームスポットの寸法、及び粉末の密度に応じて
約０．５ｇ／分から約５０ｇ／分となる。代わりに、粉
末１８が下地物質６に予め配置されていてもよい。
【００４２】ビーム１０と下地物質６との間の相対的な
動きは、機械的若しくは電気的な手段によって、ビーム
を供給するための光学的な構成要素若しくは下地物質６
を操作することによって達成される。例えば、光電子光
学的要素が用いられる。充填材は磁気的若しくは静電気
的効果を用いた非機械的な手段によって供給されてもよ
い。
【００４３】好ましい技術においては、製造されるべき
部品の三次元コンピュータモデルが、例えばＣＡＤシス
テムを用いて形成される。この三次元モデルでは、各層
が、製造されるべき部品の個々の断面を画定する。コン
ピュータによって形成された三次元モデルは、５軸シス
テムなどの多軸位置決めシステム及び／またはレーザー
ビームをガイドするべく、コンピュータによって用いら
れる。好ましくは、この位置決めシステムは三次元以上
の次元を有する。例えば、５軸位置決めシステムでは、
水平部分の特徴は、重力の効果を打ち消すべく、垂直軸
に沿った全ての特徴を形成するために部品を回転するこ
とによって形成される。部品は、コンピュータモデルに
よって定義されたように各層毎に形成される。
【００４４】以下の実施例は、本発明を更に説明するた
めのものである。本明細書中で記載された電力密度で
は、ＹＡＧレーザー及びニッケル超合金からなる下地物
質を用いた場合、エネルギーの約３０％から３５％が吸
収されることが注意されるべきである。しかし、他のレ
ーザーまたは下地物質を用いた場合、電力密度と同様
に、吸収されるエネルギーの値も変化する。更に、電力
密度の値は、平均値で記載されている。
【００４５】例１ 結晶の向きが＜１００＞であり、重量％で表された公称
の組成が、５％のＣｒ、１０％のＣｏ、１．９％のＭ
ｏ、５．９％のＷ、３％のＲｅ、８．７％のＴａ、５．
６５％のＡｌ、０．１％のＨｆ、残りがＮｉの単結晶か
らなるワークピース（下地物質）がアルコールによって
洗浄される。このワークピースは次にレーザーデポジシ
ョン装置のプラットフォームの上に配置される。パルス
レート９０Ｈｚ（９０／秒）、パワー時間約２ミリ秒、
電力密度約１０５Ｗ／ｃｍ２（１０５Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）
及び出力１００Ｗ（１００Ｊ／秒）のＹＡＧパルスレー
ザが、ワークピースの表面の中心に集束される。
【００４６】アレン・ブラッドレイ（Ａｌｌｅｎ，Ｂｒ
ａｄｌｅｙ）７３２０ＮＣコントローラがレーザーを制
御するために用いられる。図５に例示されているよう
に、レーザーはビーム１０を放射し、このビームがミラ
ー１２に当たり、ワークピース１０に向かって反射され
る。レーザーから放射されたビーム１０は、ミラー１２
とワークピースとの間に配置されたレンズ装置１４を通
過する。ビーム１０はレンズ装置１４を通過した後に、
ワークピースの表面のすぐ上の焦点１６に達する。
【００４７】ワークピースの表面に、直径約０．３８１
ｍｍ（０．０１５インチ）のスポットが形成される。次
に溶融池８が形成される。溶融池８は、約０．５０８ｍ
ｍ（０．０２インチ）の直径と、０．２０３ｍｍ（０．
００８インチ）の深さを有する。レーザーはワークピー
スの表面に沿って移動するので、レーザービームの各パ
ルスによって１つの溶融池８が形成される。
【００４８】粉末１８の流量を調節するために、アメリ
カ合衆国ウィスコンシン州アプレトンのミラー−サーマ
ル社（Ｍｉｌｌｅｒ−Ｔｈｅｒｍａｌ，Ｉｎｃ．）の
「１２６０ Ｒｏｔｏ−Ｆｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」が
用いられる。約１ｒｐｍから約１．５ｒｐｍの間でディ
スクが回転することによって、約１５ｇ／分の流量で粉
末１８が供給される。粉末１８の寸法は約４００メッシ
ュであり、粉末１８の組成はワークピースの組成と等し
い。約１３８ｋＰａ（２０ｐｓｉ）のアルゴンガスが、
粉末１８に圧力を加え粉末１８の供給を容易にするべ
く、粉末供給装置２０に向けて連続的に流入される。ア
ルゴンガスはまた、ワークピースの汚染を防止するため
に遮蔽された環境を提供するためにも用いられる。
【００４９】粉末供給装置は、移動するレーザーによっ
て形成された溶融池８に粉末が落下するように、レーザ
ー装置と１列に並んで移動するので、デポジットが形成
され迅速に凝固する。
【００５０】８列のデポジットからなるデポジット構造
が形成される。各列のデポジットの中心間の距離は約
０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）となっている。約
６．３５ｍｍ（０．２５インチ）×約６．３５ｍｍ
（０．２５インチ）のコーティングされた領域が形成さ
れたが、この領域には亀裂が含まれている。
【００５１】８列のデポジットが形成された後、この過
程が終了する。レーザビームの照射時間が４ｍｍ秒に設
定され、パルスレートが９０Ｈｚ（９０／秒）に保持さ
れ、レーザビームの平均出力が２００Ｗ（２００Ｊ／
秒）に設定され、光学装置を調節することによってワー
クピース表面でのスポットの直径が６．３５ｍｍ（０．
２５インチ）に設定される。このような設定によって、
電力密度が約６４０Ｗ／ｃｍ２（６４０Ｊ／秒・ｃ
ｍ ２ ）に低減される。レーザビームが約６０秒に亘って
凝固した領域に照射される。レーザビームを照射された
凝固された領域の部分が溶融され、次にレーザビームが
除去された後に拘束されない条件のもとで緩やかに凝固
し、亀裂の発生が低減され、ワークピースの下部の単結
晶の結晶の向きが連続となる。
【００５２】８列のデポジットの形成及びそれに続く直
径６．３５ｍｍ（０．２５インチ）のスポットのレーザ
ビームによる溶融の過程が、３０回繰り返され、形成さ
れた各層に於けるワークピースの単結晶の結晶の向きが
連続となる。
【００５３】Ｘ線回折が、結晶の向きを求めるべく成長
部のいくつかの点において実施され。図７、図８、図９
は、各々、ポイント１（下地物質と反対側の成長部の端
部付近）の結晶の向き、ポイント２（成長部のほぼ中
心）の結晶の向き、及びポイント３（基板領域）の結晶
の向きを表している。
【００５４】各点における結晶の向きの差は、約５度以
下であり、これによって成長部全体を通して［１００］
方向の単結晶の結晶の向きの連続性が保たれていること
が明らかにされた。結晶の向きの連続性は、結晶の向き
を表す図７、図８、及び図９の水平線によっても明示さ
れている。
【００５５】例２ この実験は、例１で説明された装置、粉末及び下地物質
の組成と等しいものを用いて行われた。この実験では、
高さ１２．７ｍｍ（０．５インチ）、幅８列の溶融材が
下地物質上に堆積された。実施例１と同様に、各列の中
心の間の距離は約０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）と
なった。図１０は、デポジション過程によって形成され
た成長部を表す倍率２５倍の成長部の上面図を表してい
る。成長部が形成されると、ＹＡＧレーザビームはその
形成された成長部から他の部分へ移動する。
【００５６】この実験の変数は以下のように設定され
た。初期の堆積過程では、平均出力は約１００Ｗ（１０
０Ｊ／秒）に、パルスレートは９０Ｈｚ（９０／秒）
に、照射時間は約２ミリ秒に各々設定された。電力密度
は約１０５Ｗ／ｃｍ２（１０５Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）に設定
された。下地物質の表面に於けるスポットの直径は約
０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）に設定された。
【００５７】再溶融過程では、パルスレートは９０Ｈｚ
（９０／秒）に保たれ、照射時間は約４ミリｍ秒に設定
され、平均出力は約２００Ｗ（２００Ｊ／秒）に設定さ
れ、スポットの直径は光学装置を調節することによって
ワークピースの表面において約６．３５ｍｍ（０．２５
インチ）に設定された。このような調節によって、電力
密度は約６００Ｗ／ｃｍ２（６００Ｊ／秒・ｃｍ ２ ）に
変更された。
【００５８】この実験によって、より広い単結晶構造を
有する部分を形成することができることが明示された。
図１１は、［１００］方向の単結晶の結晶の向きの整合
を表している。
【００５９】本発明の利点は、亀裂の原因となる成長の
方向を横切る応力をある一定量以下に低減することがで
きるということである。これは、堆積された層を溶融し
次に低い速度で制限されないように方向性を保って再び
凝固させる低い電力密度の熱源を用いる新規な２度目の
加熱過程によって達成される。この制限されない溶融に
よって、高温度における引っ張り力が発生せず、かつそ
れに続く応力による亀裂も発生しない。熱間亀裂は、部
分的に溶融した状態において発生する亀裂であり、亀裂
のない構造を製造するための主な障害となっていること
が明らかにされている。凝固の後の過程において発生す
る応力もまた低減される。
【００６０】本発明はまた、単結晶のガスタービンエン
ジン用部品の新規なコンテナレス型製造方法を用いるこ
とができることを明らかにした。これは技術的な大きな
進歩である。
【００６１】本発明はまた、金属部分の接合と同様に、
亀裂のないデポジットを必要とするナイフエッジシール
を製造するような他の関連分野での用途をも有する。本
発明はまた、試作品を急いで開発するような分野におい
ても有用である。
【００６２】本発明に基づく新規な方法である、亀裂を
低減するべく選択された条件のもとで金属下地物質内に
充填材を溶融する方法は、本件出願の出願人に譲渡され
かつここで言及されたことによって本出願の一部とされ
る米国特許第４，３２３，７５６号（ブラウンらによ
る）「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ
Ａｒｔｉｃｌｅｓ ｂｙ Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｌａ
ｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」に開示された堆積方法
とは異なるものである。ブラウンらによる堆積方法で
は、複数の充填材の薄い層は連続したエネルギービーム
を用いて下地物質に堆積される。これらの薄い層はデポ
ジション過程が１回終了する毎に最も上に形成された層
の上に引き続いて形成される。
【００６３】図１２は、本発明の方法と対比させてブラ
ウンらによる特許明細書で開示された堆積方法の電力密
度と時間との関係を表している。図１２の細い四角形の
帯はブラウンらによる特許明細書で開示された発明に対
する有効な動作条件を表している。しかし、本発明に対
する有効な動作条件は、図１２に例示されているよう
に、１回目の過程に対する大まかな変数と、それに引き
続く再溶融の過程を含む方法に対する大まかな変数は、
ブラウンらによる方法に対する有効な動作条件よりも低
い値となっている。
【００６４】本発明とブラウンらによる米国特許明細書
に開示された製造方法との相違点は更に、図１３及び図
１４に例示された棒グラフの比較によって明らかとな
る。ブラウンらによる米国特許の例２では、各層に対す
る一回転が終了した後に、供給材料が形成された層の上
に堆積される。連続的なエネルギー源が用いられてい
る。図１３には、各々の垂直線は、堆積された材料の連
続した一回転分を表している。鋳造用の心金が、２２ｒ
ｐｍで回転し、高さ０．２５４ｃｍ（１インチ）の鋳ば
りが１０分間で形成される（０．００４５４インチの高
さ／一回転）。この形成過程では、電力密度は概ね一定
に保たれている。
【００６５】しかし、本発明のある実施例では、かつ例
１に説明されたように、デポジットは、溶融池を形成す
るべくエネルギー源からのビームを照射し、溶融池内に
充填材を堆積させることによって形成される。幾つかの
デポジットは上述された方法のように形成されてもよ
い。各々のデポジットを形成するために約１ミリ秒から
２ミリ秒を要する。エネルギー源を除去したとき、凝固
が起こる。図１４の垂直方向の棒の第１の集合は、この
堆積過程を表している。
【００６６】次に、デポジットがより長い時間（６０
秒）に亘ってより低い電力密度（約６００Ｊ／秒・ｃｍ
２ ）にて照射される。この長時間に亘る照射もまた図１
４に例示されている。エネルギー源を除去したとき、凝
固が以前の凝固よりもより緩やかに進行する。
【００６７】冷却速度（℃／秒）は、部品の温度勾配と
成長速度との積によって決定されることが知られてい
る。正確な値を測定することは困難であるが、冷却速度
を低減することは、亀裂を減少するという観点から見て
望ましいものである。本発明は、冷却速度の低減及び温
度勾配の低減という重要な結果をもたらし、これによっ
て凝固速度が低減される。この凝固速度の低減により、
凝固中に発生する応力も低減される。このように凝固の
収縮応力を低減することによって、亀裂の発生が実質的
に除去される。
【００６８】本発明の他の利点は、一方向性凝固を達成
できるということである。温度勾配を低減することによ
って、成長の向きが、下地物質の結晶の向きによって制
御される。
【００６９】更に、本発明に基づいて形成された顕微鏡
組織は、従来の鋳物の顕微鏡組織に比べその大きさが約
１／１０となっている。ニッケル超合金（鋳物の形式
の）は、樹枝状結晶の顕微鏡組織を有する。樹枝結晶
は、微少な木の枝のような特徴を示し、この構造は、凝
固中に形成され、かつ樹枝状結晶と樹枝状結晶の間の構
造の組成とはかなり異なる組成を有する。
【００７０】樹枝状結晶が間隔をおいて形成されること
により、機械的な特性、及び特定の特性を得るために必
要な熱処理に影響が及ぼされる。所定の組成に対して樹
枝結晶が形成される間隔は、凝固速度の関数となってお
り、かつ樹枝状結晶の間隔は冷却速度を算出するために
用いられる。
【００７１】本発明では、各過程は、従来のレーザを用
いた方法の冷却速度に比べ溶融した材料の冷却速度を低
減させるために実施されたが、この冷却速度は通常の鋳
造の間に行われる超合金材料の冷却の速度よりもかなり
高い。従来の鋳造された超合金に対しては、初めの樹枝
状結晶の枝の間隔は約２００μｍから約６００μｍの範
囲にある。本発明によって形成された材料に対しては、
樹枝状結晶の枝の間隔は、約２０μｍから約１８０μｍ
の範囲にある。
【００７２】本発明は、本発明の詳細な実施例に関して
例示及び説明されたが、本発明の技術的視点を逸脱する
ことなしに、種々の変更及び変形が可能であることは当
業者には明らかである。
【００７３】
【発明の効果】本発明によれば、亀裂のない仕上がり形
状の単結晶の部品が製造される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の溶融池を表す断面図。
【図２】本発明の溶融池を表す断面図。
【図３】材料の成長を含む本発明の溶融池を表す断面
図。
【図４】溶融池の形成に用いられるエネルギー源を表す
模式図。
【図５】溶融池内に堆積される材料を示す模式図。
【図６】基板表面での大径のビームを有するエネルギー
源を表す模式図。
【図７】ニッケル合金の単結晶の下地物質に成長した層
の結晶の向きを表すポイント１のＸ線回折の画像を表す
写真。
【図８】ニッケル合金の単結晶の下地物質に成長した層
の結晶の向きを表すポイント２のＸ線回折の画像を表す
写真。
【図９】ニッケル合金の単結晶の下地物質に成長した層
の結晶の向きを表すポイント３のＸ線回折の画像を表す
写真。
【図１０】倍率２５におけるデポジションの構造の画像
を表す写真。
【図１１】図１０のデポジションの構造の中心における
結晶の向きを表すＸ線回折の画像を表す写真。
【図１２】従来技術の製造方法と対比して表された本発
明の実施例における電力密度と時間との関係を表すグラ
フ。
【図１３】従来技術のデポジション形成過程を表すグラ
フ。
【図１４】本発明の実施例を表すグラフ。
【符号の説明】
１ 熱流の向き ３ 凝固前線の接する面を表す中心線 ５ 凝固前線の進む向き ６ 下地物質 ８ 溶融池 ９ 熱流の向き １０ レーザビーム １１ 凝固前線の進む向き １２ ミラー １４ レンズ装置 １５ 溶融池のエッジ部分 １６ 焦点 １７ 成長部 １８ 粉末 ２０ 粉末供給装置 ２２ 粉末供給ライン ２４ 粉末供給ノズル ２６ デポジットの凝固した領域 ２８ スポット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャスティン・アンドレア・ニュートラ アメリカ合衆国コネチカット州06066・ バーノン・リーガンロード 203 (72)発明者 デイビッド・ヘンリー・アボット アメリカ合衆国コネチカット州06457・ ミドルタウン・キャリッジクロッシング 166 (72)発明者 ジェイムズ・ピーター・アダスクビッチ アメリカ合衆国コネチカット州06441・ ヒガナム・ウィーズアルバートロード 258 (72)発明者 ディリップ・エム・シャー アメリカ合衆国コネチカット州06033・ グラストンベリー・ハンプシャードライ ブ 95 (72)発明者 ドロセア・ナデット・キャラウェイ アメリカ合衆国コネチカット州06040・ マンチェスター・ペイラドライブ 144 (72)発明者 レイモンド・ポール・ラングバン アメリカ合衆国コネチカット州06110・ ウェストハートフォード・ノールウッド ロード 34 (72)発明者 マーク・アール・サウアーホウファー アメリカ合衆国マサチューセッツ州 01020・チコピー・ウォールナットスト リート 12 (72)発明者 リチャード・アラン・ストーン アメリカ合衆国コネチカット州06076・ スタフォードスプリングズ・ホップヤー ドロード 52 (56)参考文献 特開 昭61−91371（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−198994（ＪＰ，Ａ) 米国特許4878953（ＵＳ，Ａ) 米国特許4323756（ＵＳ，Ａ) 米国特許5193272（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開558870（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 B23K 26/00 B23P 6/00 C21D 1/09 C22C 19/05 F02C 7/00

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単結晶金属構造を有する単結晶金属下
    地物質（６）へ充填材（１８）を溶融させて単結晶金属
    部品を製造するコンテナレス製造方法であって、 約０．１秒よりも長時間に亘って、直径０．２５４ｃｍ
    （０．１インチ）よりも広範囲に、１０Ｊ／秒・ｃｍ２
    （１０Ｗ／ｃｍ２）から約１０４Ｊ／秒・ｃｍ２（１０
    ４Ｗ／ｃｍ２）の低密度エネルギー源を用いてアスペク
    ト比の低い溶融池（８）を形成し、 前記下地物質（６）の前記単結晶構造が前記部品全体に
    亘って形成され、亀裂の無い部品を生成することを特徴
    とする方法。
  2. 【請求項２】 亀裂のない金属部品のコンテナレス型
    製造方法であって、 （Ａ）エネルギー源を用いて下地物質（６）の一部を溶
    融して、溶融池（８）を形成する過程と、 （Ｂ）前記溶融池（８）内に充填材（１８）を堆積さ
    せ、前記溶融池が凝固して凝固デポジットを形成する過
    程とを有し、 （Ｃ）前記過程（Ａ）のエネルギー源を用いたときより
    も低い電力密度で、より長い露出時間に亘って、前記凝
    固デポジットと前記デポジットに隣接する部品の部分を
    再溶融させてアスペクト比の低い溶融池（８）を形成
    し、亀裂を生ずることなく緩やかな凝固を行うことによ
    り、亀裂のない金属部品を製造することを特徴とする方
    法。
  3. 【請求項３】 更に、 （Ｄ）前記過程（Ａ）から（Ｃ）を繰り返し、各デポジ
    ットがその下の充填材（１８）と溶融するようにするこ
    とで、亀裂のない所望形状の部品を製造する過程を有す
    ることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 複数のデポジットが、過程（Ｃ）の前
    に形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 再溶融前に、加熱及び充填材の供給が
    前記下地物質に対して同時に行われるように、前記過程
    （Ａ）及び（Ｂ）を実施することを特徴とする請求項２
    に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記過程（Ｃ）が、前記過程（Ａ）よ
    り広範な部品面をカバーする電力源によって実施される
    ことを特徴とする請求項２記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記過程（Ｄ）における前記エネルギ
    ー源が、前記下地物質の表面において、前記過程（Ａ）
    のエネルギー源のスポット直径の少なくとも５倍の直径
    を有するスポットを含むことを特徴とする請求項２に記
    載の方法。
  8. 【請求項８】 前記下地物質が予熱されることを特徴
    とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
  9. 【請求項９】 結晶の向き＜１００＞を決定するべく
    前記下地物質のＸ線回折を行い、結晶の方向［１００］
    が垂直方向となるように前記下地物質を配置する過程を
    更に有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか
    に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記金属部品の結晶方向の差が、約
    ５度よりも小さいことを特徴とする請求項２乃至７のい
    ずれかに記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記充填材（１８）が、前記下地物
    質の組成と概ね等しい組成を有することを特徴とする請
    求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記充填材（１８）が、Ａｌ、Ｔ
    ｉ、Ｔａ、Ｎｂ（Ｃｂ）、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、
    若しくはＣｅを含む一群より選択された一つ若しくは複
    数の元素を増量されること特徴とする請求項１乃至１０
    のいずれかに記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記充填材（１８）が、Ｃｒを増量
    されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに
    記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記充填材（１８）が、Ａｌ、Ｔ
    ｉ、Ｔａ、Ｎｂ（Ｃｂ）、Ｍｏ、若しくはＷを含む一群
    より選択された一つ若しくは複数の元素を、前記部品の
    構成割合と比較して減量されることを特徴とする請求項
    １乃至１０のいずれかに記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記部品が、ニッケル超合金若しく
    はコバルト超合金であることを特徴とする請求項１乃至
    １４の何れかに記載の方法。
  16. 【請求項１６】製造されるべき個々の断面部分を複数の
    層により画定するようにして、製造されるべき部品の３
    次元コンピュータモデルを形成し、このコンピュータモ
    デルを用いて、垂直軸に沿って水平方向の形状を形成す
    るために、コンピュータによって５軸装置などの多軸位
    置決め装置及びエネルギー源をガイドする過程を更に有
    することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記
    載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記エネルギー源がレーザであるこ
    とを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】 前記部品が、２０μｍ（ミクロン）
    から１８０μｍ（ミクロン）の樹枝状結晶間隔を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の
    方法。
  19. 【請求項１９】 過程（Ｃ）の前記低い電力密度が、
    １０Ｊ／秒・ｃｍ２（１０Ｗ／ｃｍ２）から１０４Ｊ／
    秒・ｃｍ２（１０４Ｗ／ｃｍ２）の間であることを特徴
    とする請求項２に記載の方法。
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