JPH05131281A - 金属部品の整形及び補修方法 - Google Patents

金属部品の整形及び補修方法

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JPH05131281A
JPH05131281A JP4088146A JP8814692A JPH05131281A JP H05131281 A JPH05131281 A JP H05131281A JP 4088146 A JP4088146 A JP 4088146A JP 8814692 A JP8814692 A JP 8814692A JP H05131281 A JPH05131281 A JP H05131281A
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laser beam
resolidification
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metal
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JP4088146A
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John J Smolinski
ジヨン・ジエイ・スモリンスキー
Peter J Draghi
ピーター・ジエイ・ドラーギ
John R Danielsen
ジヨン・アール・ダニエルセン
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United Technologies Corp
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    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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Abstract

(57)【要約】 ジェットタービンのベーンなどからなる金属部品の表面
に向けてレーザビームを照射し、浅い溶融層を形成し、
それを冷却させることにより再凝固層を形成する。この
再凝固するべき層が冷却する際の収縮により、その下側
の基層に対する引張り力が発生し、基層材料を、レーザ
ビーム源の方向に向けて凹形即ちカップ状の形状に変形
させることができる。ベーンの表面に対してレーザビー
ムを所定のパターンをもって照射することにより、ベー
ンに対して様々な運動を即ち変形を引き起こすことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンエンジン
の部品等の材料をレーザを用いて処理するための方法に
関し、特に翼形輪郭を有する部品等に対して材料を付加
したり再整形することにより摩耗或いは損傷を受けた部
品を整形及び補修するための方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンエンジンは、圧縮機セクシ
ョン、燃焼器セクション及びタービンセクションを有す
る。タービンセクション内には、可動ブレード及び固定
ベーンが軸線方向に交互するようにそれぞれ環状に配列
されている。ベーン及びブレードの環状配列即ち段は、
ガスタービンエンジンの軸線に対して環状配列の軸線が
一致するように配設されている。ブレードは、中心軸線
の回りに回動するディスクに取着されている。燃焼器か
ら高温の燃焼ガスが排出されタービンセクションを通過
するに伴い、ブレードを備えるディスクが回転駆動さ
れ、回転軸を回転させることにより、圧縮機セクション
を駆動したり他の補助的システムを駆動するための軸出
力が得られる。ガスの温度が高温である程、タービンセ
クションに於てガスから取り出される仕事の量が多くな
り、ガスタービンエンジンの効率を向上させることがで
きる。高温に於て機械的強度を維持するように、コバル
ト及びニッケル系の超合金材料を用いることにより、タ
ービンセクションの運転温度を高めることができる。
【0003】可動ブレードの環状配列の間に配設された
固定ベーンは、或る可動タービンブレードの段から次の
段へ至るガスの流れを安定化させかつ方向性を与える働
きを有する。ガスの流れを安定化させることにより、タ
ービンセクションに於て高温ガスから取り出される仕事
の量を最適化することができる。環状に配列されたベー
ンの隣接するもの同士の間の空隙として与えられるノズ
ル流路面積が全て概ね等しい場合に最も高い運転効率が
得られる。
【0004】ベーンをリング状に組付けた時に全てのノ
ズル流路面積が概ね等しくなるようにベーンを分類する
ために、流路面積の範囲に応じてベーンをグループ別に
分類する。或る特定のエンジンの型式に於ては、固定ベ
ーンの或る段に於ける許容できる流路面積は1205〜
1222平方mm(1.868〜1.894平方イン
チ)である。
【0005】ガスタービンエンジンの運転中に於て、ガ
スの流れに含まれる摩耗材料或いは腐蝕性材料により発
生する酸化、クラックの発生或いは金属腐蝕によりベー
ンの表面の劣化が進行する。更に、高温に於ける高圧ガ
スはベーンの歪みを引き起こし、ノズルの断面積を増大
させることによりタービンの効率を低下させる。定期的
なエンジンのオーバホールに際して、ベーンに物理的な
損傷がないかを検査し、流路面積の変化の度合を判定す
るための測定を行い、ノズル流路面積に関する分類を行
う必要があるか否かを判定する。これらのベーンを再び
エンジンに組付ける前に、物理的な損傷は補修されなけ
ればならず、ベーンを再分類しなければならない。
【0006】摩耗或いは損傷を受けたベーンを補修し、
ノズルガス流路面積を元の値に戻すような補修を行うた
めの方法が幾つか存在する。そのような補修方法の1つ
としては、従来から知られた溶融溶接及び例えば米国特
許第4,878,953号明細書等に記載されたプラズ
マ溶射法或いは、バインダ及び、基層をなす金属と適合
性を有する金属合金粉の混合体を含むテープ材料を用い
る方法等がある。金属合金混合体は、一定の厚さを有し
かつ粘着層を備える可撓性を有するテープとして形成さ
れる。テープをベーンに付着させた後、粘着層及びバイ
ンダが分解し、合金粉と基層合金との間で拡散が引き起
こされるような温度にベーンを加熱する。このような方
法が、米国特許第4,726,101号明細書に記載さ
れており、その詳しい内容についてはこの特許明細書を
参照されたい。
【0007】隣接するベーン間の面積を変化させるよう
にベーンを再分類する方法としては、ベーンの後縁を熱
間加工(ホットストライキング)等により曲げたり、上
記したベーンの補修のための手法等を用いることによ
り、翼形の輪郭形状を変化させるように材料を付加する
方法等がある。ホットストライキングは、様々なベーン
形状のそれぞれに適合する形状を有するダイ及び端部位
置決め構造が必要となり、高価であるばかりでなく、ベ
ーンのエアロフォイル部分にクラックを生じさせたり、
ベーンのプラットフォームに歪みを生じさせたりする場
合がある。また、ダイ及び位置決め構造は長期の使用の
後には摩耗し、頻繁に補修する必要がある。ホットスト
ライキングは、ベーンの寸法のばらつきのため、再現性
を持った再整形をすることができない場合がある。更
に、ホットストライキングは、疲労強度等、材料が有す
る好ましくない特性のため、ガスタービンエンジンに用
いられる幾つもの耐熱合金に対して適用することができ
ない。
【0008】エアロフォイルの表面に大量の材料を堆積
させることにより再整形を行うことは多大な労力を要す
るとともに、表面に堆積されるべき材料の無駄が大きい
ため、極めてコスト高となる。従って、タービンベーン
の補修及び再分類を行うために低コストな方法が提供さ
れることが望まれていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このような従来技術と
問題点に鑑み、本発明の主な目的は、タービンベーンの
補修及び再分類を行うための、単純であって、低コスト
であってしかも再現性の高い方法を提供することにあ
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明によれば、金属部品を整形するための方法であって、
前記金属部品の表面に向けてレーザビームを、前記金属
部品の前記表面の薄い金属層を溶融するようなエネルギ
入力をもって照射する過程と、前記溶融層を周囲温度に
至るまで凝固及び冷却させることにより再凝固層を形成
する過程と、前記部品の所定の領域上に対して前記溶融
過程を所定のパターンをもって繰返す過程とを有するこ
とを特徴とする方法を提供することにより達成される。
【0011】
【作用】レーザビームの機能は、ベーンの表面の薄い層
を局部的に溶融させ、それを固化させることにある。こ
の再凝固するべき層が冷却する際の収縮により、その下
側の基層に対する引張り力が発生し、基層材料を、レー
ザビーム源の方向に向けて凹形即ちカップ状の形状を形
成する。ベーンの表面に対してレーザビームを所定のパ
ターンをもって照射することにより、ベーンに対して様
々な運動を即ち変形を引き起こすことができ、エアロフ
ォイルの輪郭形状を大幅に変化させることができる。こ
のような輪郭形状の変化を、以下の記載に於ては再整形
と呼ぶものとする。
【0012】補修が必要でない場合には、レーザビーム
をベーンの表面に対して直接照射する。材料の欠陥を補
修したり浸蝕された材料を交換することが必要である場
合には、米国特許第4,726,101号明細書に記載
された金属粉テープ材料を用いるのが好ましい。この場
合、レーザビームは、補修/堆積過程に際して、被着さ
れた金属層の表面に対して照射される。いずれにせよ、
補修を伴なう或いは伴なわないを問わず、レーザを照射
することにより影響を受けた材料の部分を、様々な従来
から知られた方法を用いて表面から除去することが必要
となる場合がある。
【0013】
【実施例】以下、本発明の好適実施例を添付の図面につ
いて詳しく説明する。
【0014】本発明の要点は、薄い金属部品の表面に対
してレーザビームを短時間局部的に照射することにより
部品の全体的形状を変化させ得るという着目に基づいて
いる。部品に対するレーザビームの照射パターンを制御
することにより、部品に引き起こされる形状の変化を制
御することができる。
【0015】本発明の好適実施例を示す図1に於て、パ
ルスレーザビーム2が、フォーカシングレンズ8を介し
て、金属試験片4の表面の点6に対して照射される。図
2に示されるように、レーザビームは試験片4の薄い層
10を溶融させる。レーザビームの照射が終了すると略
同時に、溶融金属部分が固化し、以下に於て再凝固層と
呼ばれる部分を形成する。固化した時点に於ては、再凝
固層10は金属の融点に等しい温度を有し、その基層が
概ね周囲の温度に等しい。基層により再凝固層から熱が
奪われるに伴い、再凝固層は熱膨脹係数に従って収縮す
る。再凝固層10の収縮に伴い、矢印12により示され
るように再凝固層内に引張力が発生する。この引張力
は、矢印14により示されるように再凝固層の周囲の基
層部分に対しても引張応力を及ぼし、基層に対して矢印
16により示されるような曲げ力を引き起こす。レーザ
ビームを1回だけ照射した場合には、再凝固部分を中心
とするカップ状に材料を変形させることができる。
【0016】再び図1に於て、パルスレーザビームは、
試験片4を幅方向にステップ状に走査し、レーザの照射
点が所定のパターンをもって列9をなすようにする。試
験片は、50.8mm(2インチ)の幅、152.4m
m(6インチ)の長さ及び2.286mm(0.090
インチ)の厚さを有し、20.0重量%のCr、10.
0重量%のNi、15.0重量%のW、1.5重量%の
Mn及び0.10重量%のCを含むコバルト系合金から
なる。この合金は、以下の記載に於てはAMS5537
と呼ぶものとする。レーザの照射に関する諸パラメータ
は以下の表1に示される通りである。
【0017】
【表1】 エネルギ出力 20ジュール/パルス パルス持続時間 2ミリ秒 パルス周波数 10パルス/秒 ビーム移動速度 254mm/分(10インチ/分) ビームの焦点長さ 254mm(10インチ) ビームのデフォーカス 50.8mm(2インチ) 列間隔 2.54mm(0.100インチ) デフォーカスされたビームの直径 3.81mm(0.150インチ)
【0018】レーザの各照射点に形成された溶融部分は
約3.175mm(0.125インチ)の直径及び0.
0254mm(0.001インチ)の厚さを有する。レ
ーザの照射パターンは、表面を完全に覆うように互いに
重なり合うスポットからなっている。試験片の端部20
の全体に対してレーザビームを照射した場合に、試験片
4の表面に対するレーザビームの照射による溶融及び凝
固により、図3に示されるような試験片の均一な凹形形
状が形成された。
【0019】レーザビームをコバルト系の合金からなる
部品の表面に対して照射することにより再整形を行う方
法の原理について説明したが、当業者であれば容易に理
解できるように、鉄、チタン或いはニッケル系の超合金
に対しても本発明に基づく方法を等しく適用することが
できる。
【0020】高いエネルギを有するレーザビームをも用
いることにより、材料の表面の金属の厚い層を溶融し得
ることが見い出された。また、同様の試験片に対してや
や大きな曲率を得ることができた。しかしながら、レー
ザビームのエネルギ入力を高めることにより、試験片を
過熱させ表面の粗さを増大させ、再整形に必要となる以
上に、材料の厚い層の性質を変化させたり変色させるこ
とから、再凝固層が薄い場合よりもそれだけ多くの材料
を除去する必要が生じる。
【0021】図4は、試験片がエッジ34、36に沿っ
て拘束された場合に、表1に示されたレーザビームを領
域32に走査した場合に引き起こされる試験片30の形
状を示す。
【0022】図5は、試験片の端部46から、29.3
7mm(1+(5/32)インチ)から43.66mm
(1+(23/32)インチ)の間に位置する領域44
の表面42に対して表1に示されたレーザビームを照射
した場合に於けるAMS5537試験片を示す。この領
域に対して1組のレーザビーム照射(互いに重なり合う
6列の点)により、試験片の端部46が5.56mm
(7/32インチ)に等しい距離48持ち上げるのに十
分な曲率を引き起こすことができた。試験片の同一領域
に対してレーザビームを2回繰り返し照射することによ
り、試験片の端部を11.11mm(7/16インチ)
に等しい距離48持ち上げることができ、レーザビーム
を同一領域に対して4回に亘って照射することにより、
試験片の端部を21.43mm(27/32インチ)持
ち上げることができた。このように、表面に対してレー
ザビームを繰り返し照射することにより、拘束されない
試験片に対して加算的な効果を得ることができる。
【0023】上記した試験は、試験片の幅方向に沿って
レーザビームを直線的なパターンをもって照射するもの
であったが、当業者であれば容易に理解できるように、
レーザビームのパターンの方向、スポットの密度及び照
射回数を変更することにより、様々な形状を有する部品
を形成することが可能であり、連続的なレーザを用いる
ことによっても同様な結果を得ることができ、また電子
ビーム等、他のエネルギ源を用いることもできる。
【0024】上記したように、試験片の形状の変化は、
材料が、融点から、基層の周囲温度へと冷却する間に発
生する応力により引き起こされることが確認されてい
る。1149°C(2100°F)に於て試験片を2時
間に亘って応力緩和した場合でも、試験片の曲率の戻り
は極く僅かであった。また、表面から、0.0508〜
0.127mm(0.002〜0.005インチ)の深
さの材料をグリットブラスティングにより除去すること
をもって再凝固層を除去した場合に、試験片の曲率が約
15%緩和された。グリットブラスト過程により発生し
た圧縮応力が、この結果に対して影響を及ぼした可能性
がある。このように、表面層のレーザビームによる溶融
を利用した材料の形状の変化は永久的なものであって、
しかも、材料が元の形状に復元しようとする傾向が小さ
い。
【0025】また、ジェットエンジンの部品に対して行
なわれたテストにより、レーザビームを用いる上記した
方法を利用して、基層と同様な組成或いは性質を有する
材料により覆われ或いは合金とされたエンジン部品を処
理することもできることも確かめられた。部品の形状は
上記したのと同様に変化した。表面を覆う材料の再凝固
層を除去すると、再整形された部品は、新たに付与され
た形状を保持した。
【0026】以下の例により本発明をより良く理解する
ことができる。図6に示されるように、23.4重量%
のCr、10.0重量%のNi、7.0重量%のW、
3.5重量%のTa、0.5重量%のZr、0.2重量
%のTi及び0.6重量%のCを含む、Mar−M50
9と一般に呼ばれるコバルト系の合金からなるタービン
ベーン60を化学処理することにより、その保護層を除
去した。このベーンに対して、使用時に発生したクラッ
クその他の欠陥を検出するための螢光浸透材を用いたテ
ストを行ない、発生した浸蝕及び歪みの量を判定するた
めに寸法を測定した。使用後のベーンに典型的に発見さ
れるエアロフォイル62の変形の様子が、破線により示
された使用後のベーンの後縁部64´について示されて
いる。後縁64の設計形状が実線により示されている。
このことは、図6の7−7線について見た断面図である
図7にも示されている。後縁64の設計形状によれば、
隣接するベーン60の間に空隙72が画定される。使用
により歪んだベーンの場合には、後縁64´が、設計形
状のベーンの空隙72よりも大きい空隙74を有する。
このような空隙の拡大は、上記したようなベーン間のノ
ズル流路面積を増大させる。
【0027】腐蝕或いは損傷を受けた領域に対して、上
記したような金属粉テープが被着された。ベーンを炉内
で加熱し、金属粉を溶融させることにより、クラック或
いは空乏部を埋め、浸蝕された領域を少なくとも元の厚
さに復元した。表面に形成された層を平滑化した。パル
スレーザビームを、表1に記載されたパラメータをもっ
て、ベーンのエアロフォイル表面に向けて照射した。レ
ーザの照射パターン66は、エアロフォイル62とプラ
ットフォーム68、70との間に多大な応力を発生させ
ないように、所要の再整形を行うべく定められた。この
ようにして、エアロフォイル面は元の形状に復元され
た。再凝固層及び表面層の過剰部分を除去するために手
仕上げによる研磨を行った。ベーンに対して保護層を被
着するための準備工程を行った。
【0028】上記した本発明の原理及び手順は、補修を
必要とするタービンベーンについて説明したが、当業者
により容易に理解されるように、同様な再整形方法を、
所要の寸法基準に合致しない部品に対して加えられる製
造工程中の修正処理として実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】試験片の表面に対してレーザビームを照射する
要領を示す斜視図である。
【図2】レーザビームが照射された試験片の表面の断面
図である。
【図3】レーザビームによる変形の様子を示す図1の試
験片の斜視図である。
【図4】エッジに沿って拘束された図3の試験片を示す
斜視図である。
【図5】試験片を幅方向に横切る帯状領域に対してレー
ザビームが照射された状態を示す試験片の斜視図であ
る。
【図6】ガスタービンエンジンのタービンベーンの斜視
図である。
【図7】図6のタービンベーンの7−7線について見た
断面図である。
【符号の説明】
2 レーザビーム 4 試験片 6 点 8 レンズ 9 再凝固層 15、14、16 矢印 20 端部 30 試験片 32 領域 34、36 エッジ 42 表面 44 領域 46 端部 48 距離 62 エアロフォイル 64 後縁 72 空隙
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター・ジエイ・ドラーギ アメリカ合衆国コネチカツト州06070・シ ムズベリー・グライムズブルツクプレイス 33 (72)発明者 ジヨン・アール・ダニエルセン アメリカ合衆国コネチカツト州06108・イ ーストハートフオード・ハイストリート 246

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属部品を整形するための方法であっ
    て、 (a)前記金属部品の表面に向けてレーザビームを、前
    記金属部品の前記表面の薄い金属層を溶融するようなエ
    ネルギ入力をもって照射する過程と、 (b)前記溶融層を周囲温度に至るまで凝固及び冷却さ
    せることにより再凝固層を形成する過程と、 (c)前記部品の所定の領域上に対して前記溶融過程を
    所定のパターンをもって繰返す過程とを有することを特
    徴とする方法。
  2. 【請求項2】 前記再凝固層が0.254mm(0.
    010インチ)以下の厚さを有することを特徴とする請
    求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記再凝固層が0.0127〜0.0
    254mm(0.0005〜0.001インチ)の厚さ
    を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記レーザビームが、前記金属部品の
    表面に向けて、前記金属部品の形状を特定の要領をもっ
    て変化させるように照射することを特徴とする請求項1
    に記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記再凝固層が前記金属部品から除去
    されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 【請求項6】 金属部品を整形するための方法であっ
    て、 (a)前記金属部品の表面に対してレーザビームを、前
    記金属部品の表面の金属層を溶融させるように照射する
    過程と、 (b)前記溶融層を概ね周囲温度に至るまで凝固及び冷
    却することにより再凝固層を形成する過程と、 (c)前記部品の所定の領域に対して前記溶融過程を所
    定のパターンをもって繰返す過程と、 (d)更なる再整形が必要であるか否かを判定するため
    に前記部品の寸法を測定する過程と、 (e)所望の形状を得るのに必要な場合に過程c及びd
    を繰返す過程とを有することを特徴とする方法。
  7. 【請求項7】 前記再凝固層が0.254mm(0.0
    10インチ)以下の厚さを有することを特徴とする請求
    項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記再凝固層が0.0127〜0.0
    254mm(0.0005〜0.001インチ)の厚さ
    を有することを特徴とする請求項6に記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記再凝固層が前記金属部品から除去
    されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  10. 【請求項10】 ガスタービンエンジンの部品を再整
    形及び補修するための方法であって、 (a)前記部品の表面から保護層を除去する過程と、 (b)前記部品に、材料の欠陥、腐蝕、或いは元の形状
    からの歪みがあるか否かを検査する過程と、 (c)浸蝕された材料の補修または交換が必要である領
    域に於ける前記部品の前記表面に対して材料を付加する
    過程と、 (d)前記材料を前記部品に接着する過程と、 (e)前記した歪んだ領域に於ける前記部品の前記表面
    に対して、同部分が局部的に溶融、固化及び周囲温度へ
    の冷却を行うことにより再凝固層を形成するようにレー
    ザビームを照射する過程と、 (f)前記部品の前記表面から過剰な材料を除去する過
    程と、 (g)前記部品の前記表面に対して保護層を再び形成す
    る過程とを有することを特徴とする方法。
  11. 【請求項11】 前記再凝固層が0.254mm(0.
    010インチ)以下の厚さを有することを特徴とする請
    求項10に記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記再凝固層が0.0127〜0.
    0254mm(0.0005〜0.001インチ)の厚
    さを有することを特徴とする請求項10に記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記再凝固層が前記金属部品から除
    去されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
  14. 【請求項14】 付加された前記材料が、レーザによ
    る溶融過程に先立って平滑化されることを特徴とする請
    求項10に記載の方法。
  15. 【請求項15】 ガスタービンエンジンの部品を再整
    形及び補修するための方法であって、 (a)前記部品の表面から保護層を除去する過程と、 (b)前記部品に、材料の欠陥、腐蝕、或いは元の形状
    からの歪みがあるか否かを検査する過程と、 (c)浸蝕された材料の補修または交換が必要である領
    域に於ける前記部品の前記表面に対して材料を付加する
    過程と、 (d)前記部品と前記付加材料とを互いに合金とする過
    程と、 (e)前記した歪んだ領域に於ける前記部品の前記表面
    に対して、同部分が局部的に溶融、固化及び周囲温度へ
    の冷却を行うことにより再凝固層を形成するようにレー
    ザビームを照射する過程と、 (f)更なる再整形が必要であるか否かを判定するため
    に前記部品の寸法を測定する過程と、 (g)所望の形状を得るのに必要な場合に過程c〜fを
    繰返す過程と、 (h)前記部品の前記表面から過剰な材料を除去する過
    程と、 (i)前記部品の前記表面に対して保護層を再び形成す
    る過程とを有することを特徴とする方法。
  16. 【請求項16】 前記再凝固層が0.254mm(0.
    010インチ)以下の厚さを有することを特徴とする請
    求項15に記載の方法。
  17. 【請求項17】 前記再凝固層が0.0127〜0.
    0254mm(0.0005〜0.001インチ)の厚
    さを有することを特徴とする請求項15に記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記再凝固層が前記金属部品から除
    去されることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  19. 【請求項19】 付加された前記材料が、レーザによ
    る溶融過程に先立って平滑化されることを特徴とする請
    求項15に記載の方法。
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