KR20150111367A - 광학 투과성 슬래그를 통한 재료 처리 - Google Patents

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제랄드 제이. 브루크
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

용융물 풀(28)이 용융된 슬래그 층(30) 아래에서 고화됨에 따라 기판(24)을 성장시키기 위한 공정이 개시된다. 에너지 빔(36)은 슬래그 층 아래 분말형 합금 코어(44)를 사용하여 중공형 공급 와이어(42) 또는 분말(32)을 용융시키기 위해 사용된다. 슬래그 층은 에너지 빔에 대해 적어도 부분적으로 투과성(37)이며, 슬래그 층은 용융된 상태로 유지되도록 충분한 에너지를 흡수하기 위해 에너지 빔에 대해 부분적으로 광학적으로 흡수성 또는 반투과성일 수 있다. 종래의 ESW 공정에 의해, 슬래그 층은 용융 재료를 절연하고 용융 재료가 공기와 반응하는 것을 차단한다. 분말의 조성은 기능적으로 선별된 지향성 고화 제품을 제공하도록 결과적인 구성요소(60)의 고화 축선(A)에 걸쳐 변화될 수 있다.

Description

광학 투과성 슬래그를 통한 재료 처리 {MATERIAL PROCESSING THROUGH OPTICALLY TRANSMISSIVE SLAG}
본 출원은 미국 가 특허 출원 번호 61/758,795호의 출원일 2013년 1월 31일의 이익을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 재료 기술 분야에 관한 것으로, 더 상세하게는 공급 재료를 용융하기 위해 에너지 빔을 사용하는 애디티브 공정(additive process)에 관한 것이며, 일 실시예에서 레이저 열원을 사용하여 금속을 적층하기 위한 공정에 관한 것이다.
전자 슬래그 용접(ESW)은 종래의 공정이다. ESW는 전류를 하나 또는 그 초과의 공급 금속 와이어들에 의해서 용융된 전기 전도성 슬래그를 통하여 기판 표면으로 연속적으로 통과시킴으로써 용융된 합금 풀(molten alloy pool)을 생성한다. 상기 공정에는 아크가 없지만, 슬래그 및 금속 내의 전기 저항은 열을 생성하여 공급 재료를 연속적으로 용융하며, 이에 의해 용융된 금속 풀에 추가된다. 용융물 풀의 깊이가 증가함에 따라, 풀의 바닥에 있는 금속이 차가워져서 수직 방향으로 고화되며, 이에 의해 기판에 새로운 주조 재료가 추가된다. 이러한 유형의 공정은 종종 다리들 또는 기름 저장 탱크들에 대한 것과 같이 매우 두꺼운 판들을 연결하기 위해 사용된다. 상기 적용 분야들에서, 연결되는 판들의 에지들은 용융물 풀의 두 개의 측면들을 포함하며 수냉된 구리 슈들이 다른 두 개의 측면들을 포함하기 위해 사용된다.
전자 슬래그 용접의 단점은 일반적으로 초기 장비 설치에 의해 고정되는 필러 금속 및 전기 에너지의 전달에 있어서의 융통성의 부족이다. 이는 열 분배를 최적화하고, 필러 재료를 변화하거나 이외에 공정이 진행중 일 때 공정을 수정하는 것을 어렵게 만든다. 결과적으로, ESW는 기존 구성요소를 수리하기 위해 통상적으로 사용되는 공정이 아니다.
본 발명은 아래와 같이 도시하는 도면들을 고려하여 아래 설명에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 양태들에 따라 작동하는 장치의 정면에서 본 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 작동하는 장치의 정면에서 본 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 작동하는 장치의 정면에서 본 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 양태들에 따른 가스 터빈 엔진 블레이드의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 양태들에 따른 재료 적층 공정의 정면에서 본 개략적인 단면도이다.
도 1은 본 발명의 양태들에 따라 작동하는 장치(20)를 도시한다. 상기 장치는 예를 들면 수냉식 구리 몰드 또는 냉각 및/또는 가열을 하거나 하지않는 내화금속 또는 세라믹 몰드일 수 있는 몰드(22)를 포함한다. 합금 기판(24)은 몰드(22) 내에 적층되어 축적된다. 합금 기판은 금속 합금 용융물 풀(28)이 용융된 슬래그 층(30) 아래에서 고화됨에 따라 일축 방향으로(26) 성장할 수 있다. 합금 분말(32)은 공급 장치(34)에 의해 슬래그 층(30) 상에 적층될 수 있거나 슬래그 층 내로 분무될 수 있다. 합금 분말(32)은 용융된 슬래그 층(30)의 표면 장력을 통하여 분무될 수 있거나 용융 전 또는 용융 동안에 합금 분말의 중량에 의해 잠기게 될 수 있다. 레이저 빔(36)은 하나 또는 둘 이상의 경로(38)들을 따라 지향되고, 이 경로는 추후 설명되는 바와 같이 원하는 용융 영역을 생성하기 위하여 스캔되거나 래스터(raster)될 수 있다.
본 발명은 레이저 에너지(36)와 같은 에너지 빔을 분말(32)에 인가하여 수리, 용접 또는 제조를 위한 용융물 풀(28)에 부가된다. 용융물 풀(28)을 덮는 슬래그 층(30)은 레이저 에너지에 대해 적어도 부분적으로 투과성이다(37). 보편적인 ESW 공정에 의해, 슬래그 층(30)은 용융된 금속(28)을 절연하고 용융된 금속이 공기와 반응하는 것을 차폐한다. 슬래그 재료들은 공기와의 낮은 반응을 위해 선택될 수 있다. 합금 분말(32) 형태의 필러 금속(용융물 풀용 공급 원료)은 풀 내로 공급되고, 레이저 에너지에 의해 용융되고 합금 기판(24)에 부가하기 위해 고화하는 것을 허용한다. 슬래그는 용융 상태를 유지하기 위해 레이저(36)로부터 충분한 에너지를 흡수하도록 레이저 에너지를 부분적으로 광학적으로 흡수하거나 레이저 에너지에 대해 반투과성을 가질 수 있다. 슬래그 층(30)은 용융물 풀(28)에 대한 단열을 제공하고 일부 실시예들에서 레이저 에너지에 대해 부분적으로 흡수되지 않으면서 용융된 금속(28)에 의해 충분히 가열된 상태로 유지될 수 있다.
도 2는 공급 원료가 원하는 합금(24)의 구성 성분들을 포함할 수 있는 분말형 합금 코어(44)를 구비한 중공형 공급 와이어(42)와 같은, 와이어 또는 스트립의 형태로 제공되는 실시예(40)를 도시한다. 몇몇의 초합금은 와이어로 제조하기가 어렵지만 분말들로서 이용가능하다. 중공형 와이어(42)는 나머지 구성 성분들을 포함하는 분말의 코어(44)와 원하는 초합금의 압출 가능한 서브세트로부터 제조될 수 있다. 예를 들면, NiCoCrAIY 초합금은 와이어로 인발하거나 압출하기가 어려울 수 있다. 그러나, 니켈 와이어는 Co, Cr, Al, 및 Y의 분말들을 포함하는 중공형 코어로 제조될 수 있다. 이러한 분말들은 합금 형태의 입자들로 및/또는 원소 형태 또는 혼합물 형태로서 형성될 수 있다. 용제(flux) 재료 및/또는 다른 슬래그-강화성 구성 성분들이 또한 코어 내에 포함될 수 있다. 용융물 풀 내의 구성 성분들의 혼합은 용융물의 전자기 교반에 의해 및/또는 공급 와이어들의 교반 운동 또는 진동에 의해, 또는 다른 수단에 의해 개선될 수 있다. 이 같은 혼합은 합금(24) 내의 구성 성분 비율들의 균일성을 개선하고 용융물 풀(30)로부터의 슬래그 및 방출된 가스들의 분리를 가속화한다.
다른 실시예에서 공급 와이어들 및 분말화된 금속의 조합물은 공급 재료로서 이용될 수 있다. 분말화된 공급 원료의 조성은 처리 동안 분말 공급 장치(34)로의 공급들을 조정함으로써 또는 다수의 분말 공급 장치들을 조정함으로서 변화될 수 있어, 완성된 금속 수리 층 또는 또는 선별된(graded) 조성을 가진 제조물을 형성한다.
가요성 레이저 광학 장치들은 원하는 가열 경로(38)를 따라 레이저 빔(36)을 이동시키고, 레이저 빔이 상기 경로를 따라 전진할 때 상기 경로에 대해 횡방향으로 상기 레이저 빔을 스캔할 수 있거나 규정된 벡터들을 따르도록 레이저 빔을 스캔할 수 있고, 레이저 빔을 래스터할 수 있다(연속적인 평행 스캔들에 의해 도색되는 형상의 에지들에서 레이저 빔을 켜고/켜거나 끌 수 있다). 레이저 스캐닝은 예를 들면 이동하는 미러들 또는 프리즘들 또는 다른 수단으로, 레이저 빔의 제어식 편향이다. 이는 각각의 적용 분야의 각각의 부분에 대한 최적 에너지 형성을 용이하게 하는 사용자 지정 프로그램 가능, 무제한 형상의 광학 에너지 빔을 제공한다. 중단 없는 처리 동안 빔 노출 구역의 형상을 변화시키는 것을 허용하며 이는 수리되는 표면 또는 용접되는 조인트에서의 변화를 수용한다. 전자 슬래그 용접은 동일한 융통성 및 제어를 가지고 이를 수행할 수 없는데, 이는 ESW에서 발생된 열 에너지의 형성이 처리 동안 연속적으로 제어하는 것을 더 어렵게 하고 더 느리게 하는 공급 와이어(들)의 형상 및 배열에 의해 또는 제어하기가 어려운 용융물 및 슬래그에서의 전기 저항의 분포를 변화시킴으로써 주로 결정되기 때문이다.
슬래그 층(30)은 분말형 용제 재료의 층을 초기에 적층하고 이어서 용융된 슬래그 층(30)을 형성하기 위해 용제 재료를 가열 및 용융시킴으로써 형성된다. 금속 합금을 처리하는 본 발명의 실시예들을 위한 슬래그/용제 재료들은 다음의 특성들을 포함할 수 있다:
1. 금속 합금의 용융점 미만(예를 들면, 1260℃ 미만)의 온도로 용융되는 특성. 이는 하부의 용융된 금속으로부터의 열이 과 적재된 슬래그를 주로 용융된 상태로 유지하는 경우에 유용하다.
2. 대안으로, 금속 합금의 용융점에서의 온도 또는 이 용융점 위의 적당한 온도에서 용융되는 특성. 이는 용융된 금속으로부터 흡수된 에너지에 부가하여, 레이저로부터의 부가 에너지가 슬래그를 상승된 온도로 유지하기 위해 슬래그에 의해 흡수되는 경우에 유용하다.
3. 용융 상태를 유지하도록 레이저 에너지를 흡수하지 않거나 충분한 레이저 에너지를 흡수하기 위해 레이저 파장에 대해 완전한 투과성 또는 적어도 부분적인 광학적 투과성의 특성.
4. 용융 금속이 공기와 반응하는 것의 차폐 특성.
5. 불활성 가스의 과-차폐가 이 같은 보호를 제공하지 않는 경우 공기와 비반응성인 특성.
이러한 요건들을 충적하는 재료들은 금속 가공 레이저들용 섬유들, 렌즈들, 및 윈도우들을 제조하기 위해 사용된 적어도 일부 재료들 뿐만 아니라 인산염, 실리케이트 및 ZBLAN 유리들을 포함한다. 예들이 아래 표 1에 목록화된다.
재료 화학식 투과 파장(미크론) 이테르븀 레이저 이산화 탄소 레이저 용융 온도(℃)
붕규산 유리 N-BK7 0.35 - 2 X 1,200 -1,500
인산 유리(Pb+Fe) X 900
인산 유리(Na+Al) X 1,100
실리카 SiO2 0.185-2.1 X 1,600 - 1,725
사파이어 AI2O3 0.15-5 X 2,030 - 2,050
불화 마그네슘 MgF2 0.12-6 X 1,263
불화 칼슘 CaF2 0.18-8 X 1,418
불화 바륨 BaF2 0.2-11 X X 1,368
셀렌화 아연 ZnSe 0.6-16 X X 1,525
실리콘 Si 3-5 X 1,414
게르마늄 Ge 2-16 X X 938
ZBLAN 유리 ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF 0.3-7 X 다양한 온도
표에서의 투과 파장들은 고체 재료들에 대한 것이다. 액체 재료들에 대해 동일 데이터가 이용 가능하지 않은데, 이는 아마도 어느 것도 액체 상태에서 이 같은 재료들의 사용을 고려하지 않기 때문이다. 몇몇 재료들은 액체 상태에서 개선된 광 투과성을 갖는다. 예를 들면, 헬륨 네온 레이저 빔은 고체 얼음을 통하여 비교적 약한 투과성을 가지지만; 액체 물을 통하여 높은 투과성을 갖는다. 다른 예는 윌리엄 제이. 오설리번(J. O'Sullivan)(나사 랭글리(NASA Langley))에 의해 반포된 것은 유리의 시트들 사이에 파라핀의 층을 포함하는 가변-투과성 벽이다. 강렬한 빛에 노출될 때, 달리 불투과성이거나 반투과성인 파라핀이 용융되고 광학적으로 투과성이 되고, 이에 의해 벽이 그 온도를 자체 조절하는 것을 허용한다. 위에서 인용된 ZBLAN계의 유리들은 실리카에 비해 우수한 투과성을 가지며 레이저 섬유 적용들에 대해 잠재성을 갖지만 단지 재료가 결정자 없이 제조될 수 있는 경우이다. 이 같은 제조는 또한 단지 0의 중력에서만 가능하다. 그러나, 본 발명에 대해 고려된 액체 상태에서, 재료는 결정자를 갖지 않을 것이며 우수한 투과성이 될 것으로 예상된다. 더욱이, ZBLAN 유리의 사용은 종종 이의 취약성에 의해 제한되는데 이는 본원에서 개시된 바와 같이 분말 및 액체 형태로 사용될 때 문제가 되지 않는다.
이러한 적용 분야에 대해 사용가능한 초합금들은 CM 247, 레누(Rene) 80, 레누 142, 레누 N5, 인코넬(Inconel) 718, X750, 738, 792, 및 939, PWA 1483 및 1484, C263, ECY 768, CMSX-4, 및 X45를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 심지어 종래에 용접 가능하지 않은 것으로 고려되는 초합금들(즉, 3중량% 초과의 알루미늄 및/또는 6중량% 초과의 티타늄)조차 본 발명에 따라 성공적으로 적층될 수 있다. 열간 정수압 소결법(Hot Isostatic Pressing; HIP)와 같은 사전 및 사후 용접 열 전달들 및 처리가 추가될 수 있다.
본원에서 개시된 공정은 결함들 없이 높은 적층 속도로 종래의 캐스트, 방향성 고화 및 단일 액정 초합금들을 수리하기 위해 사용될 수 있어, 상기 수리는 원래의 캐스트 구조의 특성들을 갖는다. Mar-M-247 (wt%로: Ni-60%, Co-10%, W-10%, Cr-8.3%, Al-5.5%, Ta-3%, Hf-1.5%, Ti-1 %, Mo-0.7%, C-0.1 %, Zr-0.1 %)와 같은 초합금들을 기반으로 한 고용적 퍼센트 감마 프라임 보강 니켈은 수리될 유사한 재료 표면 위로 캐스트될 수 있다. 본 발명은 형상, 미세구조 및 특성들에서 원래의 제조를 복제하는 단일 축선 캐스트 축적을 달성하는 동안 높은 금속 적층 속도를 제안한다. 적용 분야들은 가스 터빈 블레이드 및 베인들의 수리를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 또한 초합금들이 아닌 그리고 금속들이 아닌 재료들에 적용될 수 있다.
기존 구성요소의 수리를 포함하는 본 발명의 적용을 위해, 도면들의 몰드(22)의 억제 기능은 기존 구성요소의 일 부분에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 가스 터빈 엔진 블레이드 플랫폼이 플랫폼의 균열된 부분을 그라인딩하고 이어서 위에서 설명된 공정에 의해 새로운 재료를 적층함으로써 수리된 경우, 용융물 풀(28) 및 용융된 슬래그(30)는 기존 플랫폼의 파여진 부분에 의해 적어도 부분적으로 포함될 수 있다. 플랫폼이 이의 에지 근처에 결함을 갖는 경우, 예를 들면 상기 플랫폼의 상기 에지가 공제될 것이고 파여진 재료의 나머지 벽들이 부분적으로 용융물 풀 및 슬래그를 포함할 것인 반면, 부가 구리, 흑연 또는 세라믹 슈들이 플랫폼 에지에 위치 설정될 것이어서 플랫폼의 새롭게 재형성된 에지들에서 용융물 풀 및 슬래그를 포함한다.
도 3은 복합한 기하학적 형상을 가지는 구성요소의 제조에 유용한 본 발명의 다른 실시예를 예시한다. 도가니(50)는 곡선형 또는 비-평면형 섹션(52)을 포함하는 내부 기하학적 구성을 가질 수 있다. 내부 기하학적 형상이 변화되지 않거나 수직 상방 방향으로 더 커진 경우, 도가니가 채워질 때 적층 재료는 자연적으로 더 넓은 구역으로 유동할 것이다. 도가니(50)는 또한 수직 상방 방향으로 더 작아지는 구성요소 형상의 제조를 위해 제공하는 공제가능한 섹션들 또는 층(54a, 54b, 54c)들을 포함한다. 층(54a, 54b, 54c)들은 각각 최종 제품에서 원하는 대응 섹션을 나타내도록 형성된다. 에너지 빔은 일반적인 직사각형 횡단면을 가지는 다이오드 레이저 빔(56)으로서 예시된다. 레이저 빔(56)의 크기는 용융된 슬래그 층(30)의 노출된 표면의 크기에 대응하도록 조정될 수 있다. 합금 용융물 풀(28)이 도가니(50) 내에서 고화되기 때문에, 기판(58)은 도가니(50)의 내부 기하학적 형상의 형상을 취한다. 주어진 섹션(54b)의 상부로의 기판(58)의 고화시, 다음의 더 높은 섹션(54c)이 제 위치에 배치된다. 섹션(54c)은 섹션(54b) 내로 재료의 적층을 허용하는 수축된 위치에서 도 3의 실선들에 의해 예시된다. 섹션(54c)은 이어서 상이한 형상을 가지는 기판(58)의 추가 층을 형성하기 위해 섹션(54b) 위로 돌출하는 도 3의 점선들로 표시된 캐스팅 위치 내로 이동하며, 이에 의해 기판(58) 내에 단차부 또는 선반을 형성한다.
본 발명에 따라 도 3의 도가니에서 제조될 수 있는 구성요소의 일 예는 도 4의 가스 터빈 엔진 블레이드(60)이다. 블레이드(60)는 플랫폼 섹션(66)에 의해 에어포일 섹션(64)에 연결되는 뿌리형 섹션(62)을 포함한다. 블레이드(60)가 도가니(50)와 같은 도가니 내에서 주조될 때, 도가니(50)의 고정된 외형(52)들은 뿌리형 섹션(62) 및 플랫폼 섹션(66)의 형상을 정의하기 위해 사용될 수 있는 반면, 가동 섹션(54c)은 플랫폼 섹션(66)으로부터 에어포일 섹션(64) 까지 단차부를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
블레이드(60)는 재료 적층 공정의 적절한 제어에 의해 방향성 고화 또는 단일 결정 재료로서 형성될 수 있다. 열 제거 장치(68)는 열을 제거하고 수직 상방 방향으로 합금 용융물 풀(28)의 방향성 고화를 자극하도록 도가니(50)의 저부와 연관될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 온도 제어 장치(70)들은 기판(58)의 성장 동안 도가니(50)의 부분들을 단열, 가열 및/또는 냉각하도록 도가니(50)의 측부와 연관될 수 있다. 예를 들면, 장치(70)는 모든 열 제거가 도가니(50)의 저부에서 발생하는 것을 허용하도록 도가니(50)의 벽과 간단히 절연할 수 있거나; 초기 단계 동안 슬래그 층(30)의 용융을 보조하기 위해 열을 제공할 수 있으며, 이어서 기판(58)의 표면이 상기 장치(70)에 근접한 위치까지 성장함에 따라 냉각을 제공한다.
시간이 지남에 따라 도가니(50) 내로 공급되는 합금 분말(32)의 조성을 변화시킴으로써, 선별된 재료 조성은 제조된 구성요소에서 달성될 수 있다. 예를 들면, 가스 터빈 엔진의 작동 동안 블레이드(60)의 에어포일 섹션(64) 및 뿌리형 섹션(62)에 의해 경험될 상이한 응력들 및 환경 상태에 응답하여, 비록 블레이드(60)가 방향성 고화 또는 단일 결정 재료이지만, 지금부터 상이한 영역들에서 상이한 재료 조성들을 가지도록 블레이드(60)를 형성하는 것이 가능하다. 예를 들면, 블레이드(60)는 강도에 대해 비교적 더 높은 퍼센티지의 알루미늄을 갖는 공급 분말(32)을 제공함으로써 형성된 뿌리형 섹션(62)을 가지고 그리고 부식 방지를 위해 비교적 더 높은 퍼센티지의 크롬을 갖는 공급 분말(32)을 제공함으로써 형성된 에어포일 섹션(64)을 가지는 단일 결정 초합금 재료일 수 있다. 또한, 블레이드(60)의 선단 부분(72)은 공급 분말(32)에 내 마모성 재료를 포함함으로써 형성될 수 있다. 이에 따라, 처음으로, 지금부터 기능적으로 선별된 방향성 고화(단일 액정을 포함함) 구성요소(초합금 구성요소를 포함함)을 제조하는 것이 가능하며, 여기서 재료의 화학적 조성이 이의 고화 축선(A)에 걸쳐 변화한다.
재료 적층 공정 동안 공급 분말(32)에서의 변화는 단지 적층되는 재료(즉, 도 4의 블레이드의 금속 합금)에서의 변화만을 포함할 수 있고/포함할 수 있거나 상기 변화는 공급 분말(32)내에 포함되거나 그렇지 않으면 용융된 슬래그 층(30) 내로 제공되는 용제 재료에서의 변화를 포함할 수 있다. 모든 용제(flux)들이 모든 재료들에 대해 최적인 것은 아니며, 따라서 용융된 슬래그 층(30)은 부가 재료들로 증가될 수 있거나, 대체 용제가 부가될 때 슬래그의 일부를 빼냄으로써 대안적인 재료로 대체될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 도가니 내에 형성된 수직 방향으로 성장된 기판들로 제한되지 않는다. 도 5는 에너지 빔(74)이 금속 합금의 입자들 및 용제 재료의 입자들을 포함하는 분말 층(78)의 표면에 걸쳐 횡단되는(76) 실시예를 도시한다. 용제 재료는 합금 재료 위로 층화될 수 있거나, 입자들이 사전-혼합되거나, 입자들이 재료들 둘다를 포함하는 복합 구조물을 가질 수 있다. 에너지 빔(74)은 용융물 풀(80)을 형성하도록 분말 층(78)을 용융하고 여기서 용융된 용제 재료는 기판(86) 상으로 후속적으로 고화하는 용융된 합금 재료(84)의 층위로 배치된 용융된 슬래그(82)의 층을 형성한다. 용제 재료/슬래그(82)는 에너지가 합금 입자들을 용융시키는 것을 허용하도록 에너지 빔(74)에 대해 적어도 부분적으로 투과되도록 선택된다. 에너지 빔(74) 뒤에서 형성하는 고화 슬래그(88)는 이어서 확대된 기판(86)의 새롭게 적층된 표면(90)을 드러내도록 임의의 공지된 공정으로 공제할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 도시되고 설명되었지만, 이 같은 실시예들이 단지 예로서만 제공되는 것이 명백할 것이다. 다양한 변화들, 변경들, 및 치환들은 본원의 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 것이다.

Claims (20)

  1. 고화 및 적층을 위한 공급 재료를 용융시키기 위해 에너지 빔을 상기 에너지 빔에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 용융된 슬래그 층을 통하여 슬래그 층 아래 기판 상으로 지향시키는 단계를 포함하는,
    공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 분말로서의 용제 재료 및 공급 재료를 적층하는 단계;
    용융된 슬래그 층 및 용융된 공급 재료를 형성하도록 상기 에너지 빔을 상기 분말을 가로질러 횡단시키는 단계; 및
    상기 용융된 공급 재료가 상기 횡단하는 에너지 빔 배후의 상기 슬래그 층 아래에 있는 기판 상에서 고화하는 것을 허용하는 단계를 포함하는,
    공정.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 빔은 레이저 빔을 포함하고 상기 슬래그 층은 인산 유리, 붕규산 유리, 실리카, 사파이어, 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 불화 바륨, 셀렌화 아연, 실리콘, 게르마늄 및 ZBLAN 유리의 군 중 하나 이상을 포함하는,
    공정.
  4. 제 1 항에 있어서,
    분말, 와이어 또는 스트립으로서의 공급 재료를 상기 용융된 슬래그 층 내로 제공하는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  5. 제 1 항에 있어서,
    분말형 합금 재료로 채워진 코어 와이어로서의 상기 공급 재료를 상기 용융된 슬래그 층 내로 제공하는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  6. 제 1 항에 있어서,
    도가니 내에서 기판의 표면을 성장시키기 위해 상기 공급 재료 및 에너지 빔을 상기 도가니 내로 지향시키는 단계를 더 포함하며, 용융된 공급 재료가 기판 표면 상에 정착되어 고화될 때 상기 용융된 슬래그 층은 상기 기판의 성장 표면 위에서 부유하는,
    공정.
  7. 제 6 항에 있어서,
    레이저 빔으로서의 상기 에너지 빔을 상기 도가니 내로 지향시키는 단계, 및
    상기 기판을 수직 방향으로 방향성 있게 고화하기 위해 상기 도가니의 저부를 능동적으로 냉각시키는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 도가니의 저부를 능동적으로 냉각시키는 단계 동안 상기 도가니의 측면을 절연하거나 능동적으로 가열하는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 용융된 슬래그 층에 근접한 상기 도가니의 측면을 절연하거나 능동적으로 가열하는 단계; 및
    상기 기판의 표면에 근접한 상기 도가니의 측면을 능동적으로 냉각하는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판을 수직 방향으로 방향성 있게 고화하도록 상기 도가니의 저부를 능동적으로 냉각하는 동안 분말형 공급 재료를 상기 도가니 내로 연속적으로 공급하는 단계, 및
    기판의 두께에 걸쳐 선별된 조성을 포함하는 방향성 있게 고화된 기판을 형성하도록 시간이 지남에 따라 상기 분말형 공급 재료의 조성을 변화시키는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연속적으로 공급하는 단계 동안 상기 분말형 공급 재료 내의 알루미늄의 퍼센티지를 변화시키는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 연속적으로 공급하는 단계 동안 상기 분말형 공급 재료 내의 크롬의 퍼센티지를 변화시키는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  13. 제 1 항에 있어서,
    분말형 공급 재료 및 상기 에너지 빔을 상기 도가니 내로 연속적으로 지향시키는 단계;
    단일 결정 기판 재료를 성장시키도록 상기 도가니의 저부를 통과하는 열 전달을 통해 용융된 공급 재료를 냉각 및 고화시키는 단계; 및
    단일 결정 기판 재료의 두께에 걸쳐 선별된 조성을 생성하도록 분말형 공급 재료를 연속적으로 지향시키는 단계 동안 상기 분말형 공급 재료의 조성을 변화시키는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니 내에 대응하는 형상을 갖는 기판을 성장시키기 위해 상기 도가니의 깊이에 걸쳐 변화하는 횡단면 형상을 포함하는 도가니 내로 상기 공급 재료 및 에너지 빔을 지향시키는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판이 성장됨에 따라 선택적으로 조립된 섹션들의 도가니를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    공정.
  16. 분말형 합금 재료의 공급물을 도가니 내로 도입하는 단계;
    용융된 슬래그 재료의 층 아래에서 상기 분말형 합금 재료를 용융하도록 에너지 빔을 상기 도가니 내로 지향시키는 단계;
    상기 용융된 슬래그 재료 아래에서 상기 합금 재료의 방향성 있게 고화된 기판을 원하는 두께로 성장시키기 위해 상기 도가니의 저부를 통한 열 전달을 통해 상기 용융된 합금 재료를 냉각 및 고화시키는 단계; 및
    기판의 두께에 걸쳐 상기 기판의 조성을 선별하기(grade) 위해 상기 합금 재료를 도입하는 단계 동안 상기 분말형 합금 재료의 공급물의 조성을 변화시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성된,
    제품.
  17. 제 16 항에 있어서,
    기능적으로 선별된 단일 결정 기판 재료를 성장시키기 위해 상기 도가니의 저부를 통한 열 전달을 통해 상기 용융된 합금 재료를 냉각 및 고화시키는 단계를 더 포함하는,
    제품.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 도입 단계 동안 분말형 재료의 공급물 내의 알루미늄 및 크롬 중 하나 이상의 퍼센티지를 변화시키는 단계를 더 포함하는,
    제품.
  19. 제 16 항에 있어서,
    분말형 합금 재료의 공급물의 조성을 변화시키는 단계와 동시에 상기 용융된 슬래그의 층의 조성을 변화시키는 단계를 더 포함하는,
    제품.
  20. 고화 축선을 가지는 방향성 고화 재료를 포함하는 장치로서,
    상기 고화 재료의 고화 축선에 걸쳐 변화하는 재료의 화학적 조성을 포함하는,
    장치.
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