JP6494680B2 - 光学的に透過性のスラグによる材料処理法 - Google Patents

Description

本願は、米国仮特許出願第６１／７５８７９５号の出願日２０１３年１月３１日の利益を主張する。

発明の分野
本発明は、概して材料技術の分野、特に、供給材料を溶融させるためにエネルギビームを使用する付加的な方法、１つの実施の形態においては、レーザ熱源を使用して金属を堆積させる方法に関する。

発明の背景
エレクトロスラグ溶接（ＥＳＷ）は慣用の方法である。ＥＳＷは、溶融した導電性スラグを通じて基板表面へ１つ又は複数の供給金属ワイヤを通じて電流を連続的に流すことにより、溶融合金池を生ぜしめる。この方法において、アークは存在しないが、スラグ及び金属における電気抵抗が熱を発生し、供給金属を連続的に溶融させ、これにより、溶融金属池に加わる。溶融池の深さが増大するにつれて、溶融池の底部の金属が冷却され、鉛直方向に固化し、これにより、基板に新たに鋳造された材料を加える。このタイプの方法はしばしば、橋又はオイル貯蔵タンク用などの極めて厚い板を接合するために用いられる。これらの用途では、接合される板のエッジは、溶融池の２つの側を含んでおり、他方の２つの側を含むために、水冷式銅製シューが用いられる。

エレクトロスラグ溶接の欠点は、フィラー金属及び電気エネルギの供給の柔軟性が欠けることであり、これらは、初期ハードウェアセットアップによって固定される。これにより、熱の配分を最適化し、フィラー金属を変化させ、又は一旦開始した後に途中で方法を修正することは困難である。その結果、ＥＳＷは、一般的に、既存の構成部材を修理するために使用される方法ではない。

以下の説明では本発明を図面に関連して説明する。
なお、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｊ．Ｏ’Ｓｕｌｌｉｖａｎ，“Ｖａｒｉａｂｌｅ−Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ Ｗａｌｌ Ｒｅｇｕｌａｔｅｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ｊｕｎｅ １９６４，ＮＡＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｂｒｉｅｆ，６３−１０５２８は、複数のガラスシートの間のパラフィン層を含む可変透明性壁を記載している。強い光に曝されると、そうでないときは不透明又は半透明のパラフィンは溶融し、光学的に透過性となり、これにより、壁自体がその温度を調節することができる。

本発明の態様により作動する装置の概略的な前方から見た断面図である。 本発明の第２の実施の形態により作動する装置の概略的な前方から見た断面図である。 本発明の第３の実施の形態により作動する装置の概略的な前方から見た断面図である。 本発明の態様によるガスタービンエンジンブレードの断面図である。 本発明の態様による材料堆積方法の概略的な前方から見た断面図である。

発明の詳細な説明
図１は、本発明の態様により作動する装置２０を示している。装置は、型２２を有する。型２２は、例えば、水冷式の銅製の型、又は冷却及び／又は加熱を行う又は行わない耐火金属又はセラミックの型であってよい。合金基板２４は、型２２において堆積及び構築されている。合金基板２４は、溶融スラグ層３０の下側において金属合金溶融池２８が固化しながら、一軸方向２６に成長する。供給装置３４によって合金粉末３２がスラグ層３０上に堆積又はスラグ層３０内へ噴射されてよい。合金粉末３２は、溶融スラグ層３０の表面張力を介して噴射されるか、又は溶融の前又は溶融の間にその重量により沈み込まされてよい。レーザビーム３６は、１つ又は複数のパス３８に沿って方向付けられ、所望の溶融領域を生ぜしめるために、後述のようにスキャン及びラスタされてよい。

本発明は、修理、溶接又は製造のために溶融池２８に加えるために、レーザエネルギ３６などのエネルギビームを粉末３２に加える。溶融池２８をカバーしたスラグ層３０は、レーザエネルギに対して少なくとも部分的に透過性である（３７）。従来のＥＳＷ法のように、スラグ層３０は溶融金属２８を絶縁し、空気と反応しないように遮蔽する。スラグ材料は、空気と反応しにくいように選択されてよい。合金粉末３２の形式のフィラー金属（金属池用の原料）は、金属池へ供給され、レーザエネルギによって溶融させられ、合金基板２４に加えられるように固化させられる。スラグは、レーザ３６から十分なエネルギを吸収し、溶融したままとなるように、レーザエネルギに対して部分的に光学的に吸収性又は半透過性であってよい。スラグ層３０は、溶融池２８のための断熱を提供し、幾つかの実施の形態において、レーザエネルギに対して部分的に吸収性であることなく、溶融金属２８によって十分に加熱されたままであってよい。

図２は、原料が、所望の合金２４の構成成分を含有し得る粉末状合金コア４４を備えた中空フィードワイヤ４２などのワイヤ又はストリップの形式で提供される実施の形態４０を示している。一部の超合金はワイヤに製造するのが困難であるが、粉末として利用可能である。残りの構成成分を含有する粉末のコア４４を備えた、所望の超合金の押出し成形可能なサブセットから、中空ワイヤ４２を製造することができる。例えば、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ超合金をワイヤ内へ引き込む又は押し込むのは困難であろう。しかしながら、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ及びＹの粉末を収容する中空コアを持つニッケルワイヤを形成することができる。これらの粉末は、合金形式及び／又は元素形式又は複合物形式としての粉末から形成されてよい。フラックス材料及び／又はその他のスラグ向上成分がコアに含まれていてもよい。溶融物の電磁撹拌によって及び／又はフィードワイヤの撹拌運動又は振動によって、又はその他の手段によって、溶融池における成分の混合が高められてよい。このような混合は、合金２４における成分比率の均一性を高め、溶融池３０からのスラグ及び放出されたガスの分離を加速させる。

別の実施の形態では、フィードワイヤと、粉末金属との組合せが、フィード材料として利用されてよい。粉末原料の組成は、完成した金属修理層を形成するために又は段階的な組成を備えた製造のために、粉末フィード３４への供給を調節することによって、又は複数の粉末フィードを調節することによって、処理中に変更されてよい。

フレキシブルなレーザオプティクスは、レーザビーム３６を所望の加熱経路３８に沿って移動させ、経路に沿って進行しながら、経路に対して横方向にスキャンするか、又は所定のベクトルに従うようにスキャンしてよく、ラスタしてよい（連続する平行なスキャンによって塗りつぶされた形状のエッジにおいてオン／オフさせる）。レーザスキャニングは、例えば可動なミラー、プリズム又はその他の手段を用いた、レーザビームの制御された屈折である。これは、カスタムプログラム可能な、無限に成形された光学的なエネルギビームを提供し、各用途の各部分のための最適なエネルギ成形を容易にする。これにより、停止することなく処理中にビーム露出領域の形状を変更することができ、これは、修理される表面又は溶接される接合部の表面の変化に対応する。エレクトロスラグ溶接は、同じ柔軟性及び制御によってこれを行うことができない。なぜならば、ＥＳＷにおいて発生される熱エネルギの形状は、主に、処理中に連続的に制御することがより困難でかつより遅いフィードワイヤの形状及び配列によって、又は制御することが困難な、溶融物及びスラグにおける電気抵抗の分布を変化させることによって、決定されるからである。

スラグ層３０は、最初に粉末フラックス材料の層を堆積させ、次いで、フラックス材料を加熱及び溶融させ、溶融スラグ層３０を形成することによって形成される。金属合金を処理する本発明の実施の形態のためのスラグ／フラックス材料は、以下の特性を含んでよい：
１．合金の融点よりも低い温度での溶融（例えば１２６０℃未満）。これは、下側にある溶融した金属の熱が、スラグの表面を溶融状態に保つ場合に、有益である。

２．択一的に、合金の融点における温度又は合金の融点よりも僅かに高い温度での溶融。これは、溶融した金属から吸収されるエネルギに加えて、レーザからの付加的なエネルギがスラグによって吸収され、これにより、スラグを、より高い温度に維持する場合に、有益である。

３．レーザエネルギを吸収しないため又は十分なレーザエネルギを吸収して溶融したままとなるために、レーザ波長に対して完全に透過性であるか、又は少なくとも部分的に光学的に透過性である。

４．空気との反応からの溶融金属の遮蔽。

５．不活性ガスのオーバーシールドがこのような保護を提供する限り、空気と反応しない。

これらの要求を満たす材料は、繊維、レンズ、及び金属加工レーザ用の窓を形成するために使用される少なくとも幾つかの材料、並びにリン酸塩、ケイ酸塩及びＺＢＬＡＮガラスを含む。例が以下の表１に列挙されている。

表における透過波長は、固体材料の場合である。液体材料のための相当するデータは得ていない。おそらく、なぜならば、液体状態でのこのような材料の使用は想定されていないからである。幾つかの材料は、液体状態において、向上した透光性を有する。例えば、ヘリウムネオンレーザビームは、固体である氷において比較的弱い透過性を有するが、液体の水においては高い透過性を有する。William J. O'Sullivan（ＮＡＳＡラングレー）によって出版された別の例は、複数のガラスシートの間のパラフィン層を含む可変透明性壁である。強い光に曝されると、そうでないときは不透明又は半透明のパラフィンは溶融し、光学的に透過性となり、これにより、壁自体がその温度を調節することができる。上記で引用したガラスのＺＢＬＡＮファミリーは、シリカと比較して優れた透過性を有しており、レーザファイバ用途のための可能性を有しているが、ただしそれは材料を微結晶なく製造することができる場合のみである。このような製造は、無重力においてのみ可能となる場合が多い。しかしながら、本発明のために想定される液体状態では、材料は微結晶を有さず、優れた透過性を有すると予想される。さらに、ＺＢＬＡＮガラスの使用はしばしば、その脆性によって制限されるが、これは、ここに開示されるような粉末及び液体状態で使用される場合には問題とならない。

この用途に利用可能な超合金は、CM247、Rene80、Rene142、Rene N5、Inconel718、X750、738、792及び939、PWA1483及び1484、C263、ECY768、CMSX-4、及びX45を含むが、これらに限定されない。本発明によれば、従来、溶接不能であると考えられてきた超合金（すなわち３質量％以上のアルミニウム及び／又は６質量％以上のチタン）でさえも、うまく堆積させられ得る。熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）などの、溶接前及び溶接後の熱処理及び加工が加えられてもよい。

ここで開示される方法は、従来のように鋳造され、指向的に固化された、単結晶超合金を、欠陥なく高い堆積速度で修理するために使用されてよく、これにより、修理は、元の鋳造構造の特性を有する。Ｍａｒ−Ｍ−２４７（質量％で、Ｎｉ６０％、Ｃｏ１０％、Ｗ１０％、Ｃｒ８．３％、Ａｌ５，５％、Ｔａ３％、Ｈｆ１．５％、Ｔｉ１％、Ｍｏ０．７％、Ｃ０．１％、Ｚｒ０．１％）などの、高い体積パーセントのガンマプライム強化ニッケル基超合金が、修理される類似の材料表面上に鋳造されてよい。本発明は、高い金属堆積速度を提供するとともに、形状、微小構造及び特性において元の製造を再現する一軸鋳造ビルドアップを達成する。用途は、ガスタービンのブレード及びベーンの修理を含むが、これに限定されない。超合金及び金属以外の材料に適用されてもよい。

既存の構成部材の修理を含む本発明の用途のために、図面の型２２の閉じ込め機能は、既存の構成部材の一部によって行われてよい。例えば、ガスタービンエンジンのブレードプラットフォームが、プラットフォームのき裂を生じた部分を研削し、次いで、上述のような方法によって新たな材料を堆積させることによって修理される場合、溶融池２８及び溶融スラグ３０は、少なくとも部分的に、既存のプラットフォームの掘削されていない部分によって閉じ込められてよい。プラットフォームが、そのエッジの近くに欠陥を有する場合、例えばプラットフォームのそのエッジが除去され、掘削されていない残りの壁部が、部分的に溶融池及びスラグを含み、付加的な銅、黒鉛又はセラミックシューがプラットフォームエッジに位置決めされ、プラットフォームの新たに再形成されるエッジにおける溶融池及びスラグを閉じ込める。

図３は、複雑なジオメトリを有する構成部材の製造のために利用される本発明の別の実施の形態を示している。るつぼ５０は、湾曲した又は平坦でないセクション５２を有する内部ジオメトリを有してよい。内部ジオメトリが変化させられないか又は鉛直方向上方へより大きくなる場合、るつぼが満たされるに従って、堆積させられた材料はより幅の広い領域へ自然に流入する。るつぼ５０は、取外し可能なセクション又は層５４ａ，５４ｂ，５４ｃをも有し、これらは、鉛直方向上方へより小さくなる構成部材形状の製造を提供する。層５４ａ，５４ｂ，５４ｃはそれぞれ、最終製品において望まれる対応するセクションを表すように成形されている。エネルギビームは、概して矩形の横断面を有するダイオードレーザビーム５６として示されている。レーザビーム５６のサイズは、溶融スラグ層３０の露出面のサイズに対応するように調節されてよい。合金溶融池２８がるつぼ５０内で固化するに従って、基板５８は、るつぼ５０の内部ジオメトリの形状を成す。任意のセクション５４ｂの上部まで基板５８が固化すると、次のさらに高いセクション５４ｃが所定の位置に配置される。セクション５４ｃは、セクション５４ｂ内への材料の堆積を許容する後退した位置において、図３に実線で示されている。セクション５４ｃは、次いで、図３の点線で示された鋳造位置へ移動させられ、ここで、異なる形状を有する基板５８の別の層を形成するためにセクション５４ｂよりも突出し、これにより、基板に段部又はシェルフを形成する。

本発明による図３のるつぼにおいて製造され得る構成部材の一例は、図４のガスタービンエンジンブレード６０である。ブレード６０は、プラットフォームセクション６６によって翼セクション６４に結合されたルート（根元）セクション６２を有する。ブレード６０がるつぼ５０などのるつぼにおいて鋳造される際、るつぼ５０の固定の輪郭５２は、ルートセクション６２及びプラットフォームセクション６６の形状を規定するために使用され得るのに対し、可動なセクション５４ｃは、プラットフォームセクション６６から翼セクション６４への段部を規定するために使用され得る。

ブレード６０は、材料堆積プロセスの適切な制御によって、指向的に固化された又は単結晶の材料として形成されてよい。熱を除去し、鉛直方向上方への合金溶融池２８の指向性固化を刺激するために、熱除去装置６８がるつぼ５０の底部に関連していてよい。基板５８の成長の間、るつぼ５０の複数の部分を断熱、加熱及び／又は冷却するために、１つ又は複数の温度制御装置７０がるつぼ５０の側部に関連していてよい。例えば、装置７０は、るつぼ５０の底部において全ての熱除去を生じさせるように、るつぼ５０の壁部を単に断熱し得るか、又は、初期段階においてスラグ層３０の溶融を補助するために熱を提供してよく、次いで、基板の表面が装置７０の近くの位置まで成長する際に冷却を提供する。

次第にるつぼ５０内へ供給される合金粉末３２の組成を変化させることによって、段階的な材料層が、製造された構成部材において達成され得る。例えば、ガスタービンエンジンの作動中にブレード６０のルートセクション６２及び翼セクション６４が受ける様々な応力及び環境的条件に応じて、ブレード６０が指向的に固化された又は単結晶の材料であるとしても、様々な領域において様々な材料組成を有するようにブレード６０を形成することが今や可能である。例えば、ブレード６０は、強度のために比較的高いパーセンテージのアルミニウムを含むフィード粉末３２を提供することによって形成されたルートセクション６２と、腐食保護のために比較的高いパーセンテージのクロムを含むフィード粉末３２を提供することによって形成された翼セクション６４とを有する、単結晶超合金材料であってよい。さらに、ブレード６０の先端部分７２は、フィード粉末３２における耐摩耗性材料を含むことによって形成されてよい。これによって、始めて、材料の化学的組成が固化軸線Ａに沿って変化している、機能的に段階的な指向的に固化された（単結晶を含む）構成部材（超合金構成部材を含む）を製造することが今や可能である。

材料堆積プロセスの間のフィード粉末３２の変化は、堆積させられる材料（すなわち図４のブレード６０の合金）の変化のみを伴い得る、及び／又はフィード粉末３２に含まれる又はそうではなく溶融したスラグ層３０に提供されるフラックス材料の変化を伴い得る。全てのフラックスが全ての材料に適しているわけではないので、溶融したスラグ層３０は、付加的な材料によって増大され得るか、又は交換フラックスが負荷されるときにスラグの一部を引き出すことによって代替的な材料と交換されてよい。

本発明の実施の形態は、るつぼにおいて形成される鉛直方向に成長した基板に限定されない。図５は、合金の粒子及びフラックス材料の粒子を含む粉末の層７８の表面を横切ってエネルギビーム７４が横切る（７６）実施の形態を示している。フラックス材料が合金材料上に成層させられ得る、又は粒子が予混合され得る、又は粒子は、両材料を含有する複合構造を有し得る。エネルギビーム７４は粉末の層７８を溶融させて溶融池８０を形成し、溶融したフラックス材料は、溶融した合金材料の層８４上に配置された溶融したスラグの層８２を形成し、溶融した合金材料の層８４は、その後、基板８６上に固化する。フラックス材料／スラグ８２は、エネルギが合金粒子を溶融させるために、エネルギビーム７４に対して少なくとも部分的に透過性であるように選択されている。エネルギビーム７４の後ろに形成される固化したスラグ８８は、次いで、あらゆる公知のプロセスによって除去することができ、これにより、成長した基板８６の新たに堆積させられた表面９０を露出させる。

本発明の様々な実施の形態が本明細書中で図示および説明されているが、これらの実施の形態は単に例として提供されていることが明らかになるであろう。本明細書における本発明から逸脱することなく、多数の改変、変更および代用がなされ得る。

Claims (6)

1. スラグ層の下側の基板への固化及び堆積のためにフィード材料を溶融させるためにエネルギビームに対して少なくとも部分的に透過性の溶融したスラグ層を通過するように前記エネルギビームを方向付けることを含む、方法であって、
   前記基板の表面をるつぼ内で成長させるために前記るつぼ内へ前記フィード材料及びエネルギビームを方向付けることをさらに含み、前記溶融したフィード材料が前記基板の表面に定着し、固化するときに、前記溶融したスラグ層は、前記基板の成長する表面の上方に浮遊しており、
   前記方法は、
   前記エネルギビームを前記るつぼ内へレーザビームとして方向付けるステップと、
   前記基板を鉛直方向で指向的に固化させるために、前記るつぼの底部の下に配置された熱除去装置を用いて、前記るつぼの底部を全体的かつ能動的に冷却するステップと
   をさらに含む、
   方法。
2. 前記るつぼの底部を全体的かつ能動的に冷却するステップの間、前記るつぼの側部を断熱又は能動的に加熱することをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記溶融したスラグ層の近くの前記るつぼの側部を断熱又は能動的に加熱し、
   前記基板の表面の近くの前記るつぼの側部を能動的に冷却することをさらに含む、請求項１記載の方法。
4. スラグ層の下側の基板への固化及び堆積のためにフィード材料を溶融させるためにエネルギビームに対して少なくとも部分的に透過性の溶融したスラグ層を通過するように前記エネルギビームを方向付けることを含む、方法であって、
   前記基板の表面をるつぼ内で成長させるために前記るつぼ内へ前記フィード材料及びエネルギビームを方向付けることをさらに含み、前記溶融したフィード材料が前記基板の表面に定着し、固化するときに、前記溶融したスラグ層は、前記基板の成長する表面の上方に浮遊しており、
   前記基板を鉛直方向で指向的に固化させるために前記るつぼの底部を能動的に冷却しながら粉末状のフィード材料を前記るつぼ内へ連続的に供給し、
   次第に粉末状のフィード材料の組成を変化させ、これにより、厚さにわたって段階的な組成を含む指向的に固化された基板を形成することをさらに含む、方法。
5. 連続的に供給するステップの間、前記粉末状のフィード材料におけるアルミニウムのパーセンテージを変化させることをさらに含む、請求項４記載の方法。
6. 連続的に供給するステップの間、前記粉末状のフィード材料におけるクロムのパーセンテージを変化させることをさらに含む、請求項４記載の方法。

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