KR20170070181A - 일체화된 시스템들로서 형성되는 다재료들을 포함하는 3 차원 컴포넌트들의 레이저 적층 가공 - Google Patents

일체화된 시스템들로서 형성되는 다재료들을 포함하는 3 차원 컴포넌트들의 레이저 적층 가공 Download PDF

Info

Publication number
KR20170070181A
KR20170070181A KR1020177013100A KR20177013100A KR20170070181A KR 20170070181 A KR20170070181 A KR 20170070181A KR 1020177013100 A KR1020177013100 A KR 1020177013100A KR 20177013100 A KR20177013100 A KR 20177013100A KR 20170070181 A KR20170070181 A KR 20170070181A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
powder
laser
layer
laser energy
metal
Prior art date
Application number
KR1020177013100A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102026354B1 (ko
Inventor
제랄드 제이. 브루크
아흐메드 카멜
라메쉬 수브라마니안
Original Assignee
지멘스 에너지, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US14/513,535 external-priority patent/US9776282B2/en
Application filed by 지멘스 에너지, 인코포레이티드 filed Critical 지멘스 에너지, 인코포레이티드
Publication of KR20170070181A publication Critical patent/KR20170070181A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102026354B1 publication Critical patent/KR102026354B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B22F3/1055—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B22F12/45—Two or more
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/36—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest
    • B23K35/3601—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest with inorganic compounds as principal constituents
    • B23K35/3602—Carbonates, basic oxides or hydroxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/36—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest
    • B23K35/3601—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest with inorganic compounds as principal constituents
    • B23K35/3603—Halide salts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/36—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest
    • B23K35/3601—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest with inorganic compounds as principal constituents
    • B23K35/3603—Halide salts
    • B23K35/3605—Fluorides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/36—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest
    • B23K35/362—Selection of compositions of fluxes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B29C67/0077—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/02—Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
    • B22F12/53—Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/04—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Abstract

복수 개의 분말 층들(48, 50 및 52)이 작업 표면(54A) 상에 이송되어 접촉하는 적어도 2 개의 인접한 분말 층들을 포함하는 다수의 분말 용착물을 형성하고, 그리고 그 다음에 다재료 컴포넌트의 단면 평면을 형성하도록 제 1 분말 층(48)에 대한 제 1 레이저 에너지(74) 및 제 2 분말 층(52)에 대한 제 2 레이저 에너지(76)를 적용하는 레이저 적층 가공 방법이 개시된다. 다수의 분말 용착물은 적어도 하나의 보호 피처를 제공하는 플럭스 조성물을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 레이저 에너지들의 형상들, 세기들 및 궤적들은, 이 레이저 에너지들의 폭들이 제 1 및 제 2 분말 층들의 폭들보다 작거나 같고, 이 레이저 에너지들의 세기들은 분말 층들의 조성물들에 맞추어지며, 이 레이저 에너지들의 스캔 경로들은 다재료 컴포넌트의 최종 형상을 규정하도록 독립적으로 제어될 수 있다.

Description

일체화된 시스템들로서 형성되는 다재료들을 포함하는 3 차원 컴포넌트들의 레이저 적층 가공{LASER ADDITIVE MANUFACTURE OF THREE-DIMENSIONAL COMPONENTS CONTAINING MULTIPLE MATERIALS FORMED AS INTEGRATED SYSTEMS}
관련출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2013 년 10 월 1 일자로 출원되고 2014 년 4 월 10 일자로 미국 특허 출원 2014/0099476으로 공개된 미국 일반출원 (non-provisional) 출원번호 제14/043,037호(대리인 정리 번호 2012P24077US01)의 일부계속출원(continuation-in-part)이며, 이는 2012 년 10 월 8 일자로 출원된 미국 가출원 출원번호 제61/710,995 호(대리인 정리 번호 2012P24077US)의 이익을 주장하며 그리고 또한 2012 년 10 월 10 일자로 출원된 미국 가출원 출원번호 제61/711,813호(대리인 정리 번호 2012P24278US)의 이익을 주장하며, 이들 모두의 전체 내용들은 본 명세서에 참고로 포함된다.
발명의 내용
본 발명은 일반적으로 재료 기술에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 플럭스 조성물들(flux compositions)의 임의의 존재 하에 세라믹(ceramic) 재료 및 금속 재료의 레이저 분말 용착(laser powder deposition)을 사용하는 다재료 컴포넌트들(multi-material components)의 제조 및 보수에 관한 것이다.
적층 가공(additive manufacturing)은 컴포넌트가 층들로 컴포넌트를 빌딩(building)함으로써 제작되는 것을 가능케한다. 금속 또는 세라믹 물체들의 제조에 적용될 때, 각각의 층은 각각의 층이 최종 물체의 슬라이스(slice) 또는 단면 평면으로 모델링될(modeled) 수 있도록 용융되거나, 소결되거나, 또는 이와 다른 방식으로 이전 층 상에 통합된다. 예컨대, 선택적 레이저 용융(SLM: selective laser melting) 및 선택적 레이저 소결(SLS: selective laser sintering)은 분말 베드들(powder beds)로부터 층별로 컴포넌트들을 빌딩하는데 사용되고 있다. 이들 프로세스들(processes)에서, 컴포넌트 최종 재료 또는 전구체(precursor) 재료의 분말 베드가 작업 표면 상에 용착되고, 그 다음에 레이저 에너지(laser energy)가 컴포넌트의 층 또는 슬라이스를 생성하도록 컴포넌트의 단면 영역 형상을 따라 분말 베드 상으로 지향된다. 용착된 층 또는 슬라이스는 그 다음에 다음 층에 대한 새로운 작업 표면이 되게된다.
SLM 및 SLS는 일반적으로 평탄한 작업 표면들로 제한되지만, 레이저 마이크로클래딩(Laser microcladding)은, 물체의 표면을 향해 지향된 분말의 유동을 용융시키기 위해서 레이저 빔(laser beam)을 사용함으로써 표면 상에 재료의 작은 박층(thin layer)을 용착하는 3D-가능한 프로세스이다. 레이저 마이크로클래딩에 있어서, 분말은 가스 제트(jet of gas)에 의해 표면을 향하여 추진되고, 분말이 금속 재료인 경우, 가스는 보통, 결과적인 용융 금속을 대기 산소(atmospheric oxygen)로부터 차폐할 수 있는 아르곤(argon)과 같은 보호 불활성 가스이다. 그러나, 레이저 마이크로클래딩은 대략 1 내지 6㎤/시간 범위인 그의 낮은 용착 속도(deposition rate)로 제한된다. 또한, 보호 가스는 클래드 재료(clad material)가 완전히 냉각되기 이전에 소산(dissipate)되도록 의도되기 때문에, 용착물의 표면 상에서 표면 산화(superficial oxidation) 및 질화(nitridation)가 발생할 수 있다. 이러한 불순물들은 클래드 재료의 다수의 층들이 원하는 클래딩 두께를 달성하는 데 필요한 경우에 특히 문제가 될 수 있다.
초합금(superalloy) 컴포넌트들이 SLM 또는 SLS를 사용하여 제작되는 경우에도 유사한 문제가 발생하는 경향이 있다. 용융된 초합금 재료들이 레이저 가열 동안 아르곤과 같은 불활성 가스들을 적용함으로써 대기로부터 차폐되는 경우에조차, 이들 프로세스들은 용착된 재료의 층 내에 산화물들(예컨대, 알루미늄(aluminum) 및 크롬(chromium) 산화물들)을 포획하는 경향이 있어 포획된 산화물들과 연관된 다공성(porosity), 개재물들(inclusions) 및 다른 기계적 결함들(defects)(예컨대, 크래킹(cracking))을 초래한다. 이러한 문제를 완화시키기 위해서, 열간 정수압 소결법(HIP: hot isostatic pressing)과 같은 용착 후 프로세스들(post-deposition processes)이 용착된 코팅(coating)의 열적 그리고 기계적 특징들을 개선하기 위해서 이들 공극들(voids), 개재물들 및 크랙들(cracks)을 붕괴시키기 위해서 사용되고 있다.
적층 가공(additive manufacturing)에 의해 초합금 컴포넌트들을 제조하기 위해 분말식 금속 합금들의 고정 베드들(static beds)의 SLM 및 SLS를 채용하는 것이 제안되어 왔다. 그러나, 이러한 기술들을 사용하여 생산된 컴포넌트들은 낮은 생산성과 품질로 인해 제한적이었다. 점진적으로 용착된(incrementally-deposited) 층들이 매우 얇아지는 경향이 있기 때문에, 분말식 재료들의 정적 베드들의 사용은 생산성을 크게 제한한다. 또한, 점진적으로 프로세싱되는(processed) 층들 또는 평면들 사이 계면은 종종 결함들 및 문제가될 수 있는(questionable) 물리적 특징들에 영향을 받는다. 혼합 베드 접근법들의 사용은 또한 다재료들을 포함하는 일체화된 시스템들(systems)을 형성하기 위해 상이한 재료들의 선택적 배치를 허용하지 않는다. 이러한 통합된 시스템들은 예컨대, 외부 세라믹 열 배리어 코팅(TBC: thermal barrier coating)에 추가로 접합되는 확산 접합식 MCrAlY 코팅(coating)으로 코팅된(coated) 내부 초합금 기재(substrate)를 포함할 수 있다.
도 1에 예시된 가스 터빈 에어포일(gas turbine airfoil)(20)과 같은 일체화된 시스템들을 포함하는 다재료 컴포넌트들을 효율적으로 생산하기 위해 레이저 적층 가공(LAM: laser additive manufacturing) 기술들을 채용하기 위해서는 상이한 재료들의 선택적 배치가 필요할 것이다. 도 1은 선단 에지(leading edge)(22), 후단 에지(trailing edge)(24), 압력 측(26), 흡입 측(28), 금속 기재(30), 냉각 채널들(cooling channels)(32), 격벽들(partition walls)(34), 터뷸레이터들(turbulators)(36), 필름 냉각 출구 홀들(film cooling exit holes)(38), 냉각 핀들(pins)(40) 및 후단 에지 출구 홀들(42)을 포함하는 예시적인 가스 터빈 에어포일(gas turbine airfoil)(20)의 단면도이다. 이 예에서, 금속 기재(30), 격벽들(partition walls)(34), 터뷸레이터들(36) 및 냉각 핀들(40)은 초합금 재료로 제작되는 반면, 에어포일 기재(30)의 외부 표면들은 다공성 세라믹 열 배리어 코팅(44)으로 코팅된다(coated). 초합금 기재(30)와 열 배리어 코팅(44) 사이에 MCrAlY와 같은 금속 본드 코트(bond coat)(45)가 또한 적용되어 초합금과 세라믹 층들 사이의 접합을 향상시키고 초합금 재료를 외부 산화제들(external oxidants)로부터 추가로 보호할 수 있다.
따라서, 도 1의 에어포일(20)과 같은 다재료 컴포넌트를 생산하기 위한 LAM 기술들의 사용은 상이한 재료들의 선택적인 배치뿐만 아니라, 이들 상이한 재료들에 상이한 프로세싱 조건들(processing conditions)(즉, 레이저 가열의 배치 및 세기)을 선택적으로 적용하는 능력을 요구할 수도 있다. 이는 금속 기재(30)를 형성하기 위한 초합금 분말의 선택적 용융이 일반적으로 열 배리어 코팅(44)을 형성하기 위한 세라믹 분말의 선택적 소결과 상이한 가열 조건들을 필요로 하기 때문이다. 또다른 심각한 문제는 산소 및 질소와 같은 대기 산화제들과 초합금 분말 및 결과적인 금속 기재(30)가 반응하는 것으로부터 보호할 필요성에서 발생한다. 특히, 대형 에어포일(20)의 경우, LAM 기술들의 사용은 또한 결과적인 컴포넌트의 화학적 및/또는 물리적 특징들을 위태롭게 하지 않으면서 대기 조건들 하에서 SLM 및 SLS를 수행하는 능력을 요구할 수 있다.
본 발명은 도시하는 도면들을 고려하여 하기 설명에서 설명된다 :
도 1은 예시적인 가스 터빈 에어포일의 단면도이다.
도 2는 작업 표면 상의 인접한 분말 층들을 형성하는 분말 이송 디바이스(powder delivery device)를 도시하는 단면도이다.
도 3은 초합금 층, 본드 코트 층, 및 통합된 시스템으로서 함께 접합된 세라믹 열 배리어 코팅 층을 포함하는 다재료 컴포넌트의 단면 평면을 발생시키기 위한 방법의 사시도이다.
도 4는 별도의 레이저 빔들(beams)이 통합된 시스템을 형성하도록 단면 평면에서 별도의 층들을 가열하는 예시적인 가스 터빈 에어포일의 단면 평면을 생산하기 위한 방법의 하향식 도면(top-down view)이다.
도 5는 다이오드 레이저(diode laser)가 단면 평면에서 별도의 층들을 가열하는데 사용되고 레이저 흡수 마스크(laser absorbing mask)가 부분적으로 단면 평면의 형상을 규정하고 단면 평면의 상이한 층들에 적용되는 레이저 에너지를 제어하도록 사용되는 예시적인 가스 터빈 에어포일의 단면 평면을 생산하기 위한 방법의 하향식 도면이다.
도 6은 다이오드 레이저에 의해 단면 평면의 상이한 층들에 적용되는 레이저 에너지의 형상 및 세기를 제어하기 위해 레이저 흡수 마스크가 사용되는 도 5의 방법의 단면도이다.
본 발명자들은 도 1의 예시적인 에어포일(20)과 같은 다재료 구성요소들이 레이저 적층 가공(LAM)을 사용하여 제작될 수 있게 하는 방법들 및 재료들을 발견할 필요가 있음을 인식하였다. 이상적인 방법들은 최종 컴포넌트에서 통합된 시스템 층들의 적절한 상호 접합(inter-bonding) 및 치수적 무결성(dimensional integrity)을 보장하면서 컴포넌트의 각각의 재료들이 상기 설명된 화학적 및 기계적 불완전함들을 회피하는 간단하고 효율적인 방식으로 선택적으로 배치 및 프로세싱되는 것을 허용한다. 이상적인 방법들은, 또한 원치않는 화학적 및 기계적 결함들을 여전히 최소화시키면서 공기가 없는 조건들(air-free conditions)을 엄격하게 채용할 필요없이 대형 컴포넌트들이 제작되는 것을 허용할 것이다.
본 발명자들은 통합된 시스템들을 포함하는 치수적으로 복잡한(dimensionally-complex) 3 차원 피처들(features)을 포함하는 다재료 컴포넌트들의 적층 가공을 위한 방법들을 발견했다. 이들 방법들에서, 최종 컴포넌트의 상이한 구조 재료들에 대응하는 별도의 분말식 재료들이 작업 표면 상에 이송되어 다수의 분말 용착물(multi-powder deposit)을 생성하며, 여기서 다수의 인접한 분말 층들의 내용물 및 치수들(즉, 폭, 두께 및 중첩(overlap))이 정밀하게 제어될 수 있다. 다수의 인접한 분말 층들의 레이저 가열은, 그 다음에 상이한 분말 층들에 적용되는 레이저 에너지의 형상 및 세기 양자 모두가 상이한 분말 층들의 내용물 및 치수들을 수용하도록 조정되게 실행된다. 레이저 흡수 재료들은 또한 결과적인 컴포넌트들에 복잡한 구조적 피처들을 부여하기 위해서 레이저 가열의 형상 및 세기를 추가로 규정하는데 사용될 수 있다. 각각의 분말 층들의 레이저 가열은 최종 컴포넌트의 단면 평면(즉, 슬라이스)을 구성하는 일체화된 시스템으로서 금속 및/또는 세라믹 층들을 형성하는데 적절하게 분말들의 용융 또는 소결을 유발한다. 민감성(sensitive) 금속들과 대기 인자들(atmospheric agents)(예컨대, O2 및 N2)의 반응은 또한 레이저 분말 용착에 사용하기 위해 제형화된 플럭스 조성물들의 존재 하에 이러한 가열을 수행함으로써 최소화될 수 있다.
이들 프로세싱 단계들의 다양한 조합들은, 레이저 분말 용착들로 인한 단면 평면들이 새로운 작업 표면들로서 작용할 수 있도록 적층 방식(additive manner)으로 수행될 수 있으며, 이 새로운 작업 표면들 상에서 추가적인 단면 평면들이 도 1의 예시적인 에어포일(20)과 같이 치수적으로 복잡한 다재료 컴포넌트들을 형성하도록 용착될 수 있다. 다수의 인접한 분말 층들의 내용물 및 치수들을 수용하기 위해 레이저 에너지의 형상, 궤적 및 세기를 독립적으로 제어하는 능력은, 적층 가공 프로세스들의 효율뿐만 아니라 결과적인 컴포넌트들의 구조적 무결성을 크게 증가시킬 것으로 예상된다. 또한, 레이저 분말 용착을 위해 제형화된 플럭스 조성물들의 사용은 원치 않는 화학적 및 기계적 결함들을 감소시키는 동시에 열간 정수압 소결법(HIP)과 같은 용착 후 프로세스 단계들을 수행할 필요를 회피할 것으로 예상된다.
도 2는 컴포넌트의 주어진 단면 평면에서 각각의 제 1, 제 2, 및 제 3 단면 영역 형상들의 작업 표면(54A) 상으로 제 1(48), 제 2(50), 및 제 3(52) 인접 분말 층들을 이송하기 위한 프로세스 및 장치를 도시한다. 결과적인 다수의 분말 용착물은 레이저 프로세싱에 의해 형성된 결과적인 단면 평면의 형상 및 조성물을 적어도 부분적으로 규정한다. 제 1(48), 제 2(50), 및 제 3(52) 분말 층들은 결과적인 단면 평면이 중간 본드 코팅을 통해 세라믹 열 코팅(TBC)에 접합되는 기재 금속을 포함하는 일체화된 시스템을 형성하도록 금속 및/또는 세라믹 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예컨대, 제 1 분말 층(48)은 도 1에 도시된 바와 같이 에어포일 기재(30)의 영역 형상으로 이송되는 구조 금속일 수 있고, 제 2 분말 층(50)은 본드 코트(45)의 영역 형상에서 제 1 분말 층(48)에 인접하게 이송되는 본드 코트 재료일 수 있고, 제 3 분말 층(52)은 열 배리어 코팅(44)의 영역 형상에서 제 2 분말 층(50)에 인접하게 이송되는 세라믹 재료일 수 있다. 일부 실시예들에서, 분말 층들 중 적어도 하나는, 또한 후술되는 바와 같이 적어도 하나의 보호 피처를 제공하는 플럭스 조성물을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 분말 층들 중 적어도 하나는 플럭스 조성물의 별도의 층에 의해 덮여질 수 있다.
일부 실시예들에서, 작업 표면(54A)에 대한 다수의 분말 용착물의 부착은 각각의 제 1, 제 2 및/또는 제 3 분말들을 물, 알코올(alcohol), 래커(lacquer) 또는 결합제(binder)와 같은 부착성 물질(adherent substance)로 초기에 접촉시킴으로써 증가될 수 있다. 아교와 같은 물질(glue-like substance)에 의한 분말들의 그러한 예비 습윤(pre-wetting)은, 또한 각각의 층들 사이의 중첩 존들(overlap zones)에서 재료 구배들(material gradients)을 제어하기 위해 각각의 층들의 층간 부착(inter-layer adherence)을 개선할 수 있다. 대안으로, 또는 그에 추가하여, 일부 실시예들에서, 다수의 분말 용착물의 작업 표면(54A)으로의 부착은 분말 용착 직후 각각의 분말 층들을 레이저 프로세싱(용융 또는 소결)함으로써 증가될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각각의 층들은 분말 용착 직후에 (동일한 로케이션(location)에서) 동시에 용융될 수 있거나, 상이한 로케이션들에서 용착되고 즉시 용융될 수 있다. 예컨대, 초합금 분말(48)은 결과적인 초합금 층을 형성하도록 광역 고 에너지 레이저 빔을 사용하여 먼저 작업 표면(54)에 용착되고 즉시 용융될 수 있으며, 그 다음에, 본드 코트 재료(50)는 본드 코트 층을 형성하도록 보다 집중된(focused) 레이저 빔을 사용하여 초합금 층의 솔리드(solid) 에지에 인접하게 용착되고 즉시 용융될 수 있으며, 마지막으로, 세라믹 재료(52)는 그 다음에, 본드 코트 층을 형성하도록 소결을 강화시키기 위해 조정된 레이저 빔을 사용하여 본드 코트 층의 솔리드 에지에 인접하게 용착되고 즉시 소결될 수 있다.
제 1 분말과 제 2 분말 사이의 계면(interface)(56)은 또한 2 개의 인접한 분말 층들(48, 50) 사이에서 재료 구배 전이(material gradient transition)를 제공하는 중첩 존(57)을 형성하도록 이송될 수 있다. 제 2 분말 층(50)과 제 3 분말 층(52) 사이의 계면(58)이 또한 가공된 기계적 인터록(engineered mechanical interlock)을 형성하도록 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 예컨대, 가공된 기계적 인터록은 교대로 서로 돌출하는 제 2 분말 층(50)과 제 3 분말 층(52)의 인터리빙된 핑거들(interleaved fingers)로 형성될 수 있다. 인터리빙된 핑거들의 이러한 배치는, 공보 번호 제 US 2014/0099476호(출원 번호 제 14/043,037호)의 도 9에서 묘사되며, 그의 내용들은 본원에 인용에 의해 포함된다.
분말 이송 디바이스(60)는 분말 스프레이(powder spray)(64)를 초점(focal point)(66)에 이송하도록 적응되는 하나 또는 그 초과의 노즐들(nozzles)(62)을 가질 수 있다. 분말 이송 디바이스(60)는 작업 표면(54A)에 대한 다축 이동들(multi-axis movements)(61)을 포함할 수 있어서, 노즐이 주어진 수평면에서 비선형 단면 프로파일들(profiles)을 따라갈 수 있고, 작업 표면(54A)에 대해 상이한 평면들 또는 상이한 거리들 상을 이동할 수 있으며, 그리고 다양한 속도들 및 다양한 각도들로 다수의 분말들을 이송할 수 있다. 다축 이동들(61)은 작업대(work table)(55)의 운동들 및/또는 컴퓨터(computer) 제어 하의 트랙들(tracks) 및 회전 베어링들(bearings)을 통한 분말 이송 디바이스(60)의 운동들에 의해 발생할 수 있다. 노즐 병진운동(nozzle translation) 속도들, 질량 이송 속도들(mass delivery rates) 및 스프레이 각도들과 같은 분말 이송 파라미터들(parameters)은 결과적인 단면 층의 최종 기하학적 형상을 최적화하기 위해 불연속적인(discrete) 입자 모델링 시뮬레이션들(particle modeling simulations)에 의해 미리 정해질 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 다수의 분말 용착물 내의 인접한 분말 층들(예컨대, 도 2의 층들(48, 50 및 52))을 형성하는데 사용되는 각각의 분말들은 분무 단계 이전에 또는 분무 단계 동안 물, 알코올, 래커 또는 결합제와 같은, 부착 물질(adherent substance)과 접촉될 수 있어, 각각의 분말 층들이 다수의 분말 용착물을 컴포넌트의 응집 단면 평면(cohesive section plane)으로 전환시키기 위해 레이저 프로세싱이 발생할 때까지 원하는 형태(desired form)를 유지할 것이다.
일부 실시예들에서, 다수의 분말 용착물의 각각의 분말 층들은, 각각의 재료들의 프로세싱 수축 특성들에 따라 상이한 두께들(높이들)로 이송될 수 있어, 레이저 프로세싱 후에 결과적인 단면 평면의 균일한 두께를 달성한다. 공보 번호 제US 2014/0099476호(출원 번호 제14/043,037호)의 도 8은 상이한 층 두께들을 갖는 다수의 분말 용착물의 일례를 도시하며, 여기서, 제 2 분말 층(50)의 두께는 제 3 분말 층(52)의 두께보다 크므로, 제 2 분말 층(50)과 제 3 분말 층(52) 사이에서 결과적인 중첩 존(77)이 가변 두께의 구배 재료 전이(gradient material transition)를 포함한다.
도 2의 결과적인 다수의 분말 용착물이 공통 작업 표면(54A) 상에 위치된 3 개의 인접한 분말 층들(48, 50 및 52)을 포함하지만, 본 개시의 다른 실시예들은 3 개 미만의 분말 층들을 채용할 수 있거나 공통 작업 표면(54A) 상에 위치된 3 개 초과의 분말 층들을 채용할 수 있다. 또한, 도 2의 결과적인 다수의 분말 용착물이 동일한 작업 표면(54A) 상에 위치된 적어도 하나의 다른 분말 층과 직접 접촉하는 3 개의 인접한 분말 층들을 포함하지만, 다른 실시예들은 분말 층들 중 적어도 하나의 분말 층이 동일한 작업 표면 상에 위치된 다른(인접한 또는 이와 다른) 분말 층과 직접 접촉하지 않는 다수의 분말 용착물들을 사용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 다수의 분말 용착물의 각각의 분말 층들은 분말 이송 디바이스(60)를 사용하여 이송되지 않지만, 그 대신에, 각각의 분말 층들의 배치 및 레이저 용착에서 모듈식(modular) 제어를 허용하는 상이한 구획들(compartments)로 구성되는 적어도 하나의 프리폼 구조 내의 작업 표면(54A)으로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 예컨대, 제 1(48), 제 2(50) 및 제 3 분말 층(52)은 각각의 분말들에 대한 3 개의 별도의 구획들을 포함하는 프리폼(preform) 구조로서 이송된다. 이러한 프리폼 구조는 또한, 예컨대 제 1 분말 층(48) 및 제 2 분말 층(50)을 분리하는 적어도 하나의 중간 구획(intermediate compartment)을 포함할 수 있어, 제 1 분말 및 제 2 분말과 상기 설명된 바와 같은 재료 구배 전이 사이에 중첩 존(57)(도 2 참조)을 제공한다. 다른 실시예들에서, 프리폼 구조는 예컨대, 제 2 분말 층(50)과 제 3 분말 층(52) 사이의 계면(58)이 전술된 바와 같이 인터리빙된 핑거들로 형성되는 가공된 기계적 인터록의 형태가 되도록 패터닝될(patterned) 수 있다.
프리폼 구조들은 또한 각각의 분말 층들(동일한 구획(들)에 포함됨) 중 하나 또는 그 초과의 층과의 혼합물로서 또는 플럭스 조성물을 포함하는 별도의 층(적어도 하나의 별도의 구획에 포함됨)으로서 적어도 하나의 플럭스 조성물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 예컨대, 도 1의 금속 기재(30)와 같은 형상을 갖는 제 1 구획은 제 1 플럭스 조성물과 혼합되는 초합금 분말을 포함하고, 금속 본드 코트(45)와 같은 형상을 갖는 제 2 구획은 제 2 플럭스 조성물과 혼합되는 MCrAlY 분말을 포함하며, 세라믹 열 배리어 코팅(44)과 같은 형상을 갖는 제 3 구획은 또한 제 3 플럭스 조성물을 포함할 수 있는 세라믹 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 예컨대, 제 1 구획은 초합금 분말만을 포함하고, 제 2 구획은 MCrAlY 분말만을 포함하며, 제 3 구획은 세라믹 재료만을 포함하지만, 제 1 및 제 2 구획들(초합금/MCrAlY)은 플럭스 조성물을 포함하는 제 4 구획에 의해 덮여진다.
이러한 프리폼 구조들의 구획들은 일반적으로 벽들 및 밀봉된 주변부(periphery)로 구성되며, 여기서, 벽들은 임의의 유형의 시트들(sheets)(이를테면, 컴포넌트들을 보유하는 직물, 필름(film) 또는 포일(foil))일 수 있으며, 그리고 주변부는 비금속성, 비용융성, 레이저 차단 재료(이를테면, 흑연 또는 지르코니아(zirconia))를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프리폼 구조들은 알루미나(alumina) 직물 또는 실리카(silica) 섬유들과 같은 소정의 플럭스 재료들로 구성될 수 있으며, 이는 프리폼 구조의 형상 및 구조적 무결성 양자 모두를 유지하고 그리고 레이저 프로세싱 동안 후술되는 바와 같은 적어도 하나의 보호 피처를 제공하도록 기능한다.
예컨대, 분말 이송 디바이스 및/또는 프리폼 구조를 사용하여 각각의 분말 층들(예컨대, 도 2의 층들(48, 50 및 52))의 용착에 후속하여, 결과적인 다수의 분말 용착물이 그 다음에 레이저 프로세싱되어 제작되는 다재료 컴포넌트의 단면 평면을 형성한다. 도 3은 하나의 비제한적인 예를 예시하며, 여기서 다수의 분말 용착물은 도 2의 제 1, 제 2 및 제 3 분말 층들(48, 50 및 52)을 포함하고, 그리고 도 1의 에어포일(20)의 단면 평면을 형성하도록 2 개의 별도의 레이저 빔들(74 및 76)을 사용하여 레이저 프로세싱을 수행한다. 도 3의 실시예에서, 제 1 분말 층(48)은 초합금 금속 분말(65)과 제 1 플럭스 조성물(67)의 혼합물을 포함하고, 제 2 분말 층(50)은 MCrAlY 분말(68)과 제 2 플럭스 조성물(70)의 혼합물을 포함하며, 제 3 분말 층(52)은 세라믹 분말(72)을 포함한다. 이러한 다수의 분말 용착물은 또한 제 1 및 제 2 분말 층들(48, 50) 사이에 제 1 중첩 존(57), 그리고 제 2 및 제 3 분말 층들(50, 52) 사이에 제 2 중첩 존(58)을 포함한다. 이들 층들은 선택적으로 이동 가능할 작업대(55)의 공통 작업 표면(54A) 상에 모두 위치된다. 전술된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 다수의 분말 용착물은 제 1, 제 2 및/또는 제 3 분말들이 부착 물질과 혼합되거나 습윤될 수 있기 때문에 그 작업 표면(54A)에 대한 그의 형상 및 부착을 유지할 수 있다.
도 3의 예시적인 실시예에서 각각의 분말 층들의 레이저 프로세싱은 제 1 및 제 2 레이저 빔들(74, 76)의 크기, 형상, 세기, 궤적, 및 속도를 독립적으로 제어함으로써 발생하여, 다수의 분말 용착물의 목표화된 부분들의 레이저 가열이 각각의 각 분말 층(each respective powder layer)의 형상 및 내용물을 수용하도록 맞춤화된다. 이 예에서, MCrAlY 분말 층(50)은 초합금 분말 층(48) 및 세라믹 분말 층(52)의 폭들에 비해 상대적으로 폭이 얇다. 세라믹 분말 층(52)에 적용되는 열의 적절한 제어를 보장하기 위해(소결된 TBC 층을 생성하기 위한 부분 용융에만 영향을 미치기 위해), 본 실시예는 제 1 레이저 빔(74)을 초합금 분말 층(48)에 적용하고 제 2 레이저 빔(76)을 세라믹 분말 층(52)에 적용하며 인접한 가열 층들 중 하나 또는 양자 모두로부터의 전도 가열에 의해 MCrAlY 분말 층(50)을 용융시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 레이저 빔(74)은 그의 폭이 초합금 분말 층(48)의 폭과 대략 일치하도록 형상이 정해지고, 제 2 레이저 빔(76)은 그 폭이 세라믹 분말 층(52)의 폭과 대략 일치하도록 형성된다. 일부 실시예들에서, 제 1 및/또는 제 2 레이저 빔들(74, 76)의 폭들은 대응하는 제 1 및/또는 제 2 분말 층들(48, 52)의 폭들보다 작거나 같다. 다른 실시예들에서, 제 1 및/또는 제 2 레이저 빔들(74, 76)의 폭들은 대응하는 제 1 및/또는 제 2 분말 층들(48, 52)의 폭들을 초과할 수 있다.
제 1 레이저 빔(74)에 의해 초합금 분말 층(48)에 적용되는 열은 초합금 금속 분말(65) 및 제 1 플럭스 조성물(67)을 용융시켜 초합금 용융물 풀(pool)(80)을 형성하는 것을 유발하며, 이 용융물 풀은 그 다음에 냉각되며 냉각된 초합금 층(86)으로 고형화하는 것이 허용된다. 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 냉각된 초합금 층(86)은 제 1 슬래그(slag) 층(90)에 의해 덮여진 초합금 클래딩(cladding) 층(88)으로 형성된다. 초합금 용융물 풀(80)로부터의 열은 또한 인접한 MCrAlY 분말 층(50)으로 전달되어 MCrAlY 분말(68) 및 제 2 플럭스 조성물(70)을 용융시켜 MCrAlY 용융물 풀(82)을 형성하는 것을 유발하며, 이 용융물 풀은 그 다음에 냉각되며 냉각된 MCrAlY 층(92)으로 고형화하는 것이 허용된다. 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 냉각된 MCrAlY 층(92)은 제 2 슬래그 층(96)에 의해 덮여진 MCrAlY 본드 코트 클래딩 층(94)으로 형성되어, 초합금 클래딩 층(88) 및 MCrAlY 본드 코트 층(94)이 제 1 중첩 존(100)을 통해 함께 접합된다.
제 2 레이저 빔(76)에 의해 세라믹 분말 층(52)에 독립적으로 적용되는 열은 세라믹 분말(72)을 세라믹 가열 구역(84) 내에서 부분적으로 용융시키는 것을 유발하며, 이 세라믹 가열 구역(84)은 그 다음에 냉각되며 제 2 중첩 존(102)을 통해 MCrAlY 본드 코트 층(94)에 접합된 소결된 열 배리어 코팅 층(98)으로 응고하는 것이 허용된다. 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 냉각된 금속층들(86 및 92)의 조합된 두께(높이)는 초합금 클래딩 층(88) 및 MCrAlY 본드 코트 층(94)을 덮는 제 1 및 제 2 슬래그 층들(90 및 96)의 존재로 인해, 소결된 열 배리어 코팅 층(98)의 두께(높이)를 초과할 수 있다. 그 다음에, 제 1 및 제 2 슬래그 층들(90 및 96)의 후속 제거는 기계적 및/또는 화학적 제거를 사용하여 실행되어, 일체화된 시스템으로서 접합된 초합금 층, MCrAlY 본드 코트 층 및 세라믹 TBC 층을 포함하는 컴포넌트의 단면 평면을 발생시킨다.
다른 실시예들에서, MCrAlY 분말 층(50)은 그 크기, 형상, 세기, 궤적, 및 속도가 MCrAlY 분말 층(50)의 형상 및 내용물을 수용하도록 독립적으로 제어되는 제 3 레이저 빔을 사용하여 별개로 가열될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 다수의 분말 용착물의 각각의 분말 층들에 적용되는 레이저 에너지들은 가변 출력을 갖는 단일 레이저 이미터(emitter)에 의해 또는 상이한 분말 층들에 대해 상이한 출력들을 갖는 다수의 레이저 이미터들에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시예들은 예컨대, 제 1 레이저 에너지 및 제 2 레이저 에너지가 다수의 세기 레이저 빔 내의 상이한 공간 로케이션들에서 발생하는 다수의 세기(multi-intensity) 레이저 빔을 생성하기 위해 2 차원 공간에 걸쳐 레이저 세기를 변조하도록 적응되는 단일 레이저 소스(source)를 채용한다. 2 차원 공간에 걸쳐 레이저 세기를 변조할 수 있는 레이저 소스의 일 예는 다이오드 레이저이다. 다른 실시예들에서, 제 1 레이저 에너지는, 예컨대 직사각형 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 다이오드 레이저 소스에 의해 제공되고, 제 2 레이저 에너지는 비직사각형(non-rectangular) 레이저 빔을 생성하도록 적응되는 제 2 레이저 소스에 의해 제공된다.
도 3의 제 1 및 제 2 레이저 소스들(74, 76)은 작업 표면(54A)에 대해 다축 이동들(78A, 78B)을 포함할 수 있어서, 레이저들이 주어진 평면에서 비선형 단면 프로파일들(sectional profiles)을 따라갈 수 있고, 원하는 각도들 및 스폿 크기들(spot sizes)로 이들의 레이저 빔들을 포지셔닝시키고(position) 지향할(direct) 수 있다. 대안으로, 또는 그에 부가하여, 작업대(55)는 제 1 및 제 2 레이저 빔들(74, 76)에 대한 다축 이동들을 포함할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 레이저 프로세싱의 일 실시예의 하향식 도면을 도시하며, 여기에서, 레이저 빔들(74, 76)은 제 1 및 제 3 분말 층들(48 및 52)의 비선형 단면 형상 프로파일들에 대응하는 별도의 경로들을 독립적으로 따른다. 결과적인 단면 평면은 도 1에 도시된 에어포일(20)의 슬라이스이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 레이저 빔(74)은 초합금 분말 층(48)의 표면 위로 횡단되어(traversed) 도 1의 금속 기재(30)의 단면 부분을 나타내는 초합금 클래딩 층(88)을 포함하는 냉각된 초합금 층(86)을 형성한다. MCrAlY 분말 층(50)은 인접한 초합금 용융물 풀(80)에 의해(또는 냉각 응고된 초합금 층에 의해) 가열되어 MCrAlY 용융물 풀(82)을 형성하고, 이 용융물 풀은 냉각되어 도 1의 금속 본드 코트(45)의 단면 부분을 나타내는 MCrAlY 본드 코트 층(92)으로 응고한다. 한편, 제 2 레이저 빔(76)은 도 1의 세라믹 TBC(44)의 단면 부분을 나타내는 소결된 TBC 층(98)을 형성하도록 세라믹 분말 층(52)의 표면 위로 횡단된다.
일부 실시예들에서, MCrAlY 분말 층(50)은 초합금 용융물 풀(80)에 의해 용융되지 않고, 대신에 초합금 층 용착물(86)의 형성 이후에 용착되고 그리고 그 다음에 별도의 레이저 빔을 사용하여 용융되거나 별도의 레이저 빔으로 소결되는 인접한 세라믹 분말 층(52)으로부터의 열을 사용하여 용융된다. 또 다른 실시예들에서, MCrAlY 분말 층(50)은 초합금 층(86) 및 세라믹 열 배리어 층(98) 양자 모두의 형성 이후에 용착될 수 있으며, 그 다음에 레이저 빔으로 개별적으로 용융될 수 있다. 일부 경우들에, 응고된(그러나 여전히 냉각중인) 초합금 층(86)으로부터의 잔류 열이 MCrAlY 분말 층(50)의 용융을 일으켜 구별되는(distinct) MCrAlY 층(92)을 형성하도록 MCrAlY 분말 층(50)이 초합금 분말 층(48)의 용융 이후에 용착될 수 있다.
도 4에서 제 1 및 제 2 레이저 빔들에 의해 횡단되는 비선형 스캔(scan) 경로들은, 레이저 빔들이 각각의 분말 재료들의 영역들을 덮을 때 레이저 세기의 변화들의 개수를 최소화하기 위해 채용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 레이저 빔들은 빔들의 레이저 세기가 빔들에 의해 가열되는 각각의 상이한 재료에 대해 변화될 수 있는 평행한 선형 스캔 경로들(linear scan paths)을 따르도록 프로그래밍될(programmed) 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 레이저 빔들은 컴포넌트의 벽들에 대해 수직(normal) 또는 대략 수직인 스캔 경로들을 따르도록 프로그래밍될 수 있다. 공보 번호 제US 2014/0099476호(출원 번호 제14/043,037호)의 도 4 내지 도 6은 평행한 선형 스캔 경로들(도 5) 및 수직 또는 대략 수직인 스캔 경로들(도 6)을 포함하는 예시적인 스캔 경로들을 나타낸다.
적어도 하나의 레이저 빔의 치수들은 제작되는 컴포넌트의 대응하는 치수들에 따라 제어되고 바뀔 수 있다. 예컨대 , 레이저 빔의 폭 치수는, 컴포넌트의 층의 변하는 치수, 이를테면 두께에 대응하도록 제어될 수 있다. 영역 에너지 분포(area energy distribution)를 발생시키도록 분말 층을 따라 레이저 빔이 전방으로 이동됨에 따라 레이저 빔이 전후방으로 래스터링하는(raster) 것이 또한 가능하다. 게다가, 선택적으로 빔 패턴들(beam patterns) 사이에 어느 정도의 중첩을 갖는, 표면 영역에 걸쳐 원하는 에너지 분포를 달성하기 위해 2 개의 에너지 빔들이 동시에 래스터링될 수 있다.
적어도 하나의 레이저 빔의 형상 및 세기 양자 모두는 또한 프로세싱되는 분말 층의 치수들 및 그의 조성 양자 모두를 수용하도록 제어될 수 있다. 도 3 및 도 4는 레이저 빔들(74 및 76)이 대략 원형 형상인 비제한적인 예들을 도시하지만, 다른 실시예들은 직사각형 또는 대략 직사각형 형상들을 포함하는 상이한 형상들을 갖는 레이저 빔들을 채용할 수 있다. 또한, 수 개의 상이한 분말 층들을 프로세싱하기 위해 하나 초과(more than one)의 레이저 빔이 사용될 때, 상이한 레이저 빔들이 상이한 분말 층들의 다양한 치수들을 수용하기 위해 상이한 형상들을 채용할 수 있다.
광역 레이저 노출(broad area laser exposure)을 발생시키기 위해 사용되는 광학적 조건들 및 하드웨어(hardware)는, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 레이저 빔의 디포커싱(defocusing); 초점에서 직사각형 에너지 소스(rectangular energy source)들을 발생시키는 하나 또는 그 초과의 다이오드 레이저들(diode lasers)의 사용; 초점에서 직사각형 에너지 소스들을 발생시키기 위한 분할 미러들(segmented mirrors)과 같은 통합 광학계들의 사용; 하나 또는 그 초과의 치수들로 레이저 빔의 스캐닝(scanning)(래스터링(rastering)); 및 가변 빔 직경의 포커싱 광학계(focusing optics)의 사용을 포함할 수 있다. 광학계 및/또는 작업 표면의 모션(motion)은, 커스텀 형상(custom shape) 층 용착물을 만들기 위해서 선택적 레이저 용융 또는 소결 프로세스에서와 같이 프로그래밍될 수 있다. 이를 위해, 레이저 파워(power), 스캐닝 영역의 치수들, 및 레이저의 횡단 속도와 같은 레이저 파라미터들이 제어되도록 레이저 빔 소스들이 제어될 수 있어, 결과적인 용착물의 두께(폭)가 이전에 형성된(기저의(underlying)) 기재의 두께(폭)에 대응하거나 레이저 용융 또는 소결되는 특정 재료들을 수용하도록 한다
다른 실시예들에서, 레이저 에너지의 크기, 형상, 궤적, 및 세기에 대한 이러한 고도의 제어는 레이저 흡수성 재료들(laser absorptive materials)을 사용함으로써 더욱 향상될 수 있다. 도 5는 단일 다이오드 레이저 소스(106)에 의해 공급되는 레이저 에너지가 제 1, 제 2, 및 제 3 분말 층들(48, 50 및 52)에 선택적으로 전달되도록(transmitted) 레이저 흡수성 마스크(mask)(104)가 다수의 분말 용착물 위에 포지셔닝되는(positioned) 일 예를 예시한다. 레이저 흡수성 마스크(104)는 다이오드 레이저 소스(106)에 의해 전달되는 레이저 에너지를 차단하는 레이저 흡수성 재료를 포함하여, 마스크(104)는 결과적인 다재료 컴포넌트의 내부 및 외부 표면들을 규정하고(중간 단면 평면의 내부 및 외부 형상들을 규정함으로써) 그리고 또한 컴포넌트에서 냉각 채널 출구 홀들(cooling channel exit holes)(38)에 대응하는 널 영역들(null areas)(112)을 규정할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다이오드 레이저 소스(106)는 다수의 분말 용착의 비선형 단면 형상을 따라 횡단되어, 각각의 분말 층들(48, 50 및 52)의 표면에 도달하는 레이저 에너지는 대응하는 초합금 층(86), MCrAlY 층(92) 및 세라믹 TBC 층(98)을 형성하도록 용융 또는 소결을 유발한다. 다이오드 레이저 소스(106)가 레이저 흡수성 마스크(104)의 일부를 횡단할 때, 그 다음에 레이저 에너지는 흡수되고 마스크(104) 아래에 놓인 분말들은 영향을 받지 않고 유지된다. 결과적인 단면 평면의 형성 이후에, 영향을 받지 않는 분말들은 도 1의 에어포일(20)의 냉각 채널 출구 홀들(38)에 대응하는 하나 또는 그 초과의 널 영역들(112)을 포함하는 단면 평면을 생성하도록 (플럭스 조성물들의 존재에 의해 형성되는 임의의 슬래그 층들과 함께) 제거될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 5의 레이저 흡수성 마스크(104)와 같은 레이저 흡수성 재료들의 사용은 또한 단일 레이저 소스가 상이한 레이저 세기들을 갖는 다수의 분말 층들을 동시에 가열할 수 있게 한다. 도 6의 하부 절반은 도 5의 방법의 단면도를 도시하며, 여기서, 다이오드 레이저 소스(106) 및 레이저 흡수성 마스크(104)의 상대적 배치는 다수의 세기 레이저 빔을 생성하는 다이오드 레이저 소스(106)의 능력에 기초하여 상이한 레이저 세기들로 선택적인 가열을 허용한다. 도 6의 상부 절반은 본 실시예의 다수의 세기 레이저 빔 내에서 공간 로케이션(118)에 대한 레이저 에너지 세기(116)의 그래프(114)를 도시하며, 여기서, 보다 낮은 세기의 레이저 광자들(108)이 레이저 빔의 중간(내부) 부분에 존재하고, 더 높은 세기의 레이저 광자들(110)이 레이저 빔의 측면(외부) 부분들에 존재한다. 이러한 비제한적인 예에서, 레이저 흡수성 마스크(104)는 도 3의 제 1, 제 2, 및 제 3 분말 층들(48, 50 및 52)을 포함하는 다수의 분말 용착과 다이오드 레이저 소스(106) 사이에 포지셔닝된다.
다이오드 레이저 소스(106)가 다수의 분말 용착의 폭에 대해 좌측으로 오프셋(offset)되기 때문에(또한, 도 5 참조), 다이오드 레이저 소스(106)의 좌측으로부터 방출된 보다 높은 세기의 레이저 광자들(110)이 완전히 차단되며, 작용 표면(54A)에 도달하지 않는다. 따라서, 제 1 분말 층(48)의 일부분 만이 보다 낮은 세기 레이저 광자들(108)에 의해 가열되어 초합금 용융물 풀(80)을 형성하고, 제 1 분말 층(48)의 차단된 부분은 가열되지 않은 채로 남아 도 1의 에어포일(20)의 냉각 채널 출구 홀(38)에 대응하는 널 영역(112)을 생성한다. 다이오드 레이저 소스(106)는 또한 제 2 분말 층(50)이 MCrAlY 용융물 풀(82)을 형성하도록 보다 낮은 세기의 레이저 광자들(108)에 의해 가열되도록 추가로 포지셔닝된다. 중요하게는, 제 3 분말 층(52)이 다이오드 레이저 소스(106)의 우측 부분 아래에 포지셔닝되기 때문에, 세라믹 분말이 세라믹 가열 단면(84)을 형성하기 위해 더 높은 세기 레이저 광자들(110)에 의해 가열된다.
다른 실시예들에서, 단일 레이저 소스(이를테면, 다이오드 레이저 소스(106))는 직접 접촉하지 않는 2 개의 분말 층들(예컨대, 초합금 분말 층(48) 및 세라믹 분말 층(52))을 동시에 프로세싱하기 위해 사용될 수 있고, 그 다음에 제 3 분말 층(이를테면, MCrAlY 분말 층(50))이 결과적인 층들 사이에서 연속적으로 용착될 수 있고, 그리고 그 다음에, 구별되는 층들의 형성을 보장하기 위해 별도의 층 빔으로 용융될 수 있다.
도 6의 비제한적인 실시예에 예시된 바와 같이, 다수의 세기의 레이저 빔의 형상 및 크기뿐만 아니라 레이저 흡수성 마스크(104)의 형상 및 포지션(position)에 기초하여 많은 상이한 가열 구성들이 가능하다. 레이저 흡수성 마스크(104)는 레이저 에너지에 불투명한 레이저 에너지 내성 재료(tolerant material)로 구성된 정적 마스크 또는 이동 가능한 마스크일 수 있다. 이러한 재료들은 넓은 범위의 레이저 파장들에 대해 불투명한 흑연과 같은 재료, 또는 소정의 레이저 파장들을 반사할 수 있는 구리와 같은 재료를 포함할 수 있다. 하나 초과의 레이저 흡수성 마스크(104)가 대안으로 사용될 수 있으며, 여기서, 하나 또는 그 초과의 마스크들이 정적이거나 이동 가능할 수 있어, 제작되는 다재료 컴포넌트의 각각의 단면 평면에 대해 변경될 수 있는 것과 상이한 형상들을 생성한다. 예시로서, 터빈 베인(vane) 또는 블레이드(blade)를 위한 에어포일들은 플랫폼(platform)으로부터 블레이드 또는 베인의 팁(tip)으로 완만한 비틀림(subtle twist)을 규정할 수 있다. 따라서, 레이저 흡수성 마스크(104)는 에어포일이 점진적인 비틀림을 생성하도록 제작될 때 중심 축을 중심으로 회전될 수 있다.
다른 실시예들에서, 레이저 소스(106)는 레이저 세기가 2 차원 공간에 걸쳐 변조되어 다양한 세기 패턴들을 생성하는 다른 다수의 세기의 레이저 빔들(도 6에 도시된 예와는 상이함)을 생성하도록 적응될 수 있다. 다수의 세기의 레이저 빔 내의 상이한 공간 로케이션들에서 상이한 레이저 세기들을 생성하는 이러한 능력은 단일 스캔 패턴에 따라 단일 레이저 소스로 다수의 분말 층들이 선택적으로 가열되는 것을 허용한다. 다수의 세기의 레이저 빔을 전달할 수 있는 하나 초과의 레이저 소스는 또한 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이 상이한 스캔 패턴들을 별개로 횡단하는 데 사용될 수 있다.
본 개시의 방법들은 선택적으로 중간 본드 코트 층을 통해 보호 세라믹 TBC 층에 접합된 금속 기재로 구성된 다수의 벽 컴포넌트들의 제조 및 보수를 포함하는 다양한 상황들에서 적용될 수 있다. 용어 "금속"은 금속들의 순수한 원소 형태 및 합금 형태의 금속들의 혼합물들 양자 모두를 설명하기 위해 본원에서 일반적인 의미로 사용된다. 일부 실시예들에서, 금속 기재들은 초합금들로 구성될 수 있다. 용어 "초합금"은 고온들에서 탁월한 기계적 강도 및 크리프 내성(resistance to creep) 뿐만 아니라 양호한 표면 안정성을 나타내는 고도의 내식성 및 내산화성 합금을 설명하기 위해 일반적인 의미로 본원에 사용된다. 초합금들은 전형적으로 니켈(nickel), 코발트(cobalt) 또는 니켈-철의 기본 합금 원소(base alloying element)를 포함한다. 초합금들의 예들은, Hastelloy, Inconel 합금들(예컨대, IN 700, IN 738, IN 792, IN 939), Rene 합금들(예컨대, Rene N5, Rene 80, Rene 142), Haynes 합금들, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 및 CMSX 단결정 합금들(예컨대, CMSX-4, CMSX-8, CMSX-10)의 상표명들 및 브랜드 네임들(brand names)로 시판중인 합금들을 포함한다.
적절한 세라믹 TBC 재료들은 지르코니아(zirconia)를 포함하는 재료들, 특히 이트리아 안정화 지르코니아들(yttria-stabilized zirconias)(YSZs)과 같은 화학적으로 안정화된 지르코니아들(예컨대, 다른 금속들과 혼합된 지르코늄(zirconium) 산화물들)을 포함한다. 본드 코트 층은 전형적으로 중간 부착 층-이는 종종 화학식 MCrAlX(여기서, "M"은 Fe, Ni 또는 Co를 나타내고, "X"는 Ta, Re, Y, Zr, Hf, Si, B 또는 C를 나타냄)의 합금임-, 단순한 알루미나이드(aluminide)(NiAl) 또는 백금 변형된 알루미나이드((Ni, Pt) Al)의 형태를 취한다. 가장 전형적으로는, 본드 코트 층은 MCrAlY의 합금을 포함하는 중간층이다.
상기 설명된 바와 같이, 일부 실시예들은 적어도 하나의 보호 기능을 제공하는 적어도 하나의 플럭스 조성물을 채용한다. 플럭스 조성물 및 결과적인 슬래그 층은 본 개시의 방법들을 사용하여 제작되는 다재료들의 화학적 및 기계적 특징들을 개선시키는 다수의 유용한 기능들을 제공한다.
먼저, 플럭스 조성물 및 슬래그 층은 열(heat)의 형태로서 분말 층에 이송되는 레이저 에너지의 비율을 증가시킬 수 있다. 이러한 열 흡수의 증가는, 플럭스 조성의 형태 및/또는 조성에 기인하여 발생할 수 있다. 조성물의 관점에서, 플럭스는 레이저 빔의 파장으로 레이저 에너지를 흡수할 수 있는 적어도 하나의 화합물을 포함하도록 제형화될 수 있다. 레이저 흡수성 화합물의 비율을 증가시키는 것은, 분말 층에 적용되는 레이저 에너지(열로서)의 양의 대응하는 증가를 유발한다. 이러한 열 흡수의 증가는, 용착된 분말 층들의 보다 복잡한(intricate) 레이저 프로세싱을 수행하는 것이 가능할 수 있는 더 작고 그리고/또는 더 낮은 파워 레이저 소스들의 사용을 허용함으로써 더 큰 다용성(versatility)을 제공할 수 있다. 일부 경우들에서, 레이저 흡수 화합물은 또한 추가 열을 방출하기 위해서 레이저 조사(laser irradiation) 시에 분해되는 발열성 화합물(exothermic compound)일 수 있다.
플럭스 조성물의 형태는 또한 조성물의 두께 및/또는 입자 크기를 변경함으로써 레이저 흡수를 실행할 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 일부 실시예들은 적어도 분말 층의 표면 상에 용착된 적어도 하나의 별도의 플럭스 층을 채용한다. 이러한 경우들에, 레이저 가열의 흡수는 일반적으로 플럭스 조성물의 층의 두께가 증가함에 따라 증가한다. 플럭스 층의 두께를 증가시키는 것은, 또한 결과적인 용융 슬래그 블랭킷(molten slag blanket)의 두께를 증가시키며, 이는 레이저 에너지의 흡수를 더욱 향상시킬 수 있다. 본 개시의 방법들에서 플럭스 층의 두께는 전형적으로 약 1mm 내지 약 15mm의 범위이다. 일부 경우들에서, 두께는 약 3mm 내지 약 12mm 범위인 반면, 다른 경우들에서는, 두께는 약 5mm 내지 약 10mm 범위이다.
플럭스 조성물의 평균 입자 크기를 감소시키는 것은, (추측컨대, 미립자들(fine particles)의 베드 내에서의 증가된 광자 스캐터링(photon scattering) 및 증가된 전체 미립자 표면 영역과의 상호작용을 통해 증가된 광자 흡수를 통해) 또한 레이저 에너지 흡수의 증가를 유발한다. 입자 크기의 관점에서, 상업용 플럭스들은 일반적으로 직경이 약 0.5 mm 내지 약 2 mm(500 내지 2000 마이크론(micron))(또는 반올림되지(rounded) 않는다면 대략적인 치수)의 평균 입자 크기 범위이며, 본 개시의 일부 실시예들에서 플럭스 조성물은 직경이 약 0.005mm 내지 약 0.10mm(5 내지 100㎛) 인 평균 입자 크기 범위이다. 일부 경우들에, 평균 입자 크기는 약 0.01 mm 내지 약 5 mm, 또는 약 0.05 mm 내지 약 2 mm의 범위이다. 다른 경우들에, 평균 입자 크기는 직경이 약 0.1 mm 내지 약 1 mm 범위이거나 직경이 약 0.2 mm 내지 약 0.6 mm 범위이다.
두 번째로, 플럭스 조성물 및 결과적인 슬래그 층(90, 96) 양자 모두는, 용융물 풀들(80, 82)의 구역 및 응고된(그러나 아직 고온임) 금속 층들(88, 94) 양자 모두를 분위기로부터 차폐하도록 기능할 수 있다. 슬래그는, 용융되거나 고온인 금속을 분위기로부터 분리하도록 표면에 부유하며, 플럭스 조성물은 레이저 광자들 또는 가열에 대한 노출시에 적어도 하나의 차폐 가스를 생성하는 적어도 하나의 차폐제(shielding agent)를 발생시키도록 제형화될(formulated) 수 있다. 차폐제들은 금속 탄산염들, 이를테면, 탄산 칼슘(calcium carbonate)(CaCO3), 탄산 알루미늄(aluminum carbonate)(Al2(CO3)3), 도소나이트(dawsonite)(NaAl(CO3)(OH)2), 돌로마이트(dolomite)(CaMg(CO3)2), 탄산 마그네슘(magnesium carbonate)(MgCO3), 탄산 망간(manganese carbonate)(MnCO3), 탄산 코발트(cobalt carbonate)(CoCO3), 탄산 니켈(nickel carbonate)(NiCO3), 탄산 란탄(lanthanum carbonate)(La2(CO3)3) 및 차폐 및/또는 환원 가스들(예컨대, CO, CO2, H2)을 형성하기 위해서 공지된 다른 제제(agent)들을 포함한다. 슬래그 층(90, 96) 및 선택적 차폐 가스의 존재는 불활성 가스들(이를테면, 헬륨(helium) 및 아르곤)의 존재시 또는 밀봉된 챔버(chamber)(예컨대, 진공 챔버 또는 불활성 가스 챔버) 내에서 또는 공기를 배제시키기 위한 다른 특별한 디바이스들을 사용하여 레이저 프로세싱을 행하는 요구를 회피하거나 또는 최소화할 수 있다.
세 번째로, 슬래그 층(90, 96)은 결과적인 금속 층들(88, 94)을 서서히 그리고 균일하게 냉각하는 것을 허용하는 절연 층(insulation layer)으로서 작용할 수 있으며, 이에 의해 용접후 크래킹 및 재가열 또는 변형 시효 크래킹(strain age cracking)의 원인이될 수 있는 잔류 응력들을 감소시킨다. 용착된 금속 층들 상에서 그리고 이에 인접한 이러한 슬래그 블랭킷팅(blanketing)은 작업 표면(54A)을 향한 열 전도를 더 향상시킬 수 있으며, 이는 일부 실시예들에서, 결과적인 금속 기재 층(88)에서 세장형(단축(uniaxial)) 결정립들(grains)을 형성하기 위해서 방향성 응고(directional solidification)를 촉진시킬 수 있다.
네 번째로, 슬래그 층(90, 96)은 용융물 풀들(80, 82)이 원하는 높이/폭 비율(예컨대, 1/3의 높이/폭 비율)에 가깝게 유지되도록 이 풀들의 형상을 정하고 지지하는 것을 도울 수 있다. 이러한 형상 제어 및 지지는, 응고 응력들을 더 감소시키며, 그렇지 않으면, 응고 응력들은 결과적인 금속 층들(88, 94)에 부과될 수 있다.
다섯 번째로, 플럭스 조성물 및 슬래그 층(90, 96)은, 열악한 특징들(inferior properties)의 원인이 되는 미량의 불순물들(trace impurities)을 제거하기 위해 세정 효과(cleansing effect)를 제공할 수 있다. 이러한 세정은, 용융물 풀들(80, 82)의 탈산(deoxidation)을 포함할 수 있다. 플럭스 조성물이 대응하는 분말 층과 긴밀 접촉(intimate contact)하기 때문에, 플럭스 조성물은 이러한 기능을 성취하는데 특히 효과적이다. 일부 플럭스 조성물들은, 또한 용융물 풀로부터 원치않는 불순물들을 제거할 수 있는 적어도 하나의 포착제(scavenging agent)를 포함하도록 제형화될 수 있다. 포착제들은, 금속 산화물들 및 불화물들, 이를테면, 산화 칼슘(CaO), 불화 칼슘(CaF2), 산화철(FeO), 산화 마그네슘(MgO), 망간 산화물들(MnO, MnO2), 산화 니오븀들(niobium oxides)(NbO, NbO2, Nb2O5), 산화 티타늄(titanium)(TiO2), 산화 지르코늄(zirconium)(ZrO2) 그리고 결과적인 슬래그 층 내로 "부유하도록" 예상되는 저밀도 부산물들을 형성하기 위해서 저융점 공융혼합물들(low melting point eutectics)을 발생시키는 것으로 공지된 원소들 및 황 및 인과 같은 유해한 원소들과 반응하는 것으로 공지된 다른 제제들을 포함한다.
추가로, 플럭스 조성물은 프로세싱 동안 휘발되거나 반응되는 원소들의 손실을 보상하거나 또는 달리 금속 분말 층에 의해 제공되지 않는 원소들을 용착물에 능동적으로 기여하도록(contribute) 제형화될 수 있다. 이러한 벡터링 제제(vectoring agents)들은, 티타늄(titanium), 지르코늄(zirconium), 붕소(boron) 및 알루미늄을 포함하는 화합물들 및 재료들, 이를테면, 티타늄 합금들(titanium)(Ti), 산화 티타늄(titanium oxide)(TiO2), 티타나이트(titanite)(CaTiSiO5), 알루미늄(aluminum) 합금들(Al), 탄산 알루미늄(aluminum carbonate)(Al2(CO3)3), 도소나이트(dawsonite)(NaAl(CO3)(OH)2), 붕산염 광물들(borate minerals)(예컨대, 케르나이트(kernite), 보렉스(borax), 울렉사이트(ulexite), 콜마나이트(colemanite)), 니켈 티타늄 합금들(예컨대, 니티놀(Nitinol)), 산화 니오븀들(niobium oxides)(NbO, NbO2, Nb2O5) 및 용융 합금들에 원소들을 보충하기 위해서 사용되는 다른 금속 포함 화합물들 및 재료들을 포함한다. 하기에 설명되는 바와 같이 소정의 옥소메탈라트들(oxometallates)은 또한 벡터링 제제들로서 유용할 수 있다.
본 개시의 플럭스들 조성물들은 금속 산화물들, 금속 할로겐화물들, 금속 옥소메탈라트들 및 금속 탄산염들로부터 선택되는 하나 또는 그 초과의 무기 화합물들을 포함할 수 있다. 이러한 화합물들은, (i) 광투과성 비히클(optically transmissive vehicle)들; (ii) 점성도/유동도 증진제(viscosity/fluidity enhancer)들; (iii) 차폐제(shielding agent)들; (iv) 포착제(scavenging agent)들; 및/또는 (v) 벡터링 제제(vectoring agent)들로서 기능할 수 있다.
적절한 금속 산화물들은, 화합물들, 몇 개만 예를 들면,
Figure pct00001
을 포함한다.
적절한 금속 할로겐화물들(metal halides)들은, 화합물들, 몇 개만 예를 들면,
Figure pct00002
을 포함한다.
적절한 옥소메탈라트(oxometallate)들은, 화합물들, 몇 개만 예를 들면,
Figure pct00003
을 포함한다.
적절한 금속 탄산염(metal carbonate)들은, 화합물들, 몇 개만 예를 들면,
Figure pct00004
을 포함한다.
광투과성 비히클들(vehicles)은, 금속 산화물들, 금속 염들 및 금속 규산염들, 이를테면, 알루미나(alumina)(Al2O3), 실리카(silica)(SiO2), 산화 지르코늄(zirconium oxide)(ZrO2), 규산 나트륨(sodium silicate)(Na2SiO3), 규산 칼륨(potassium silicate)(K2SiO3), 및 레이저 에너지를 광학적으로 전달할 수 있는 다른 화합물들(예컨대, NdYAG, 및 Yt 섬유 레이저들로부터 생성됨)을 포함한다.
점성도/유동성 증진제들(enhancer)은, 금속 불화물들, 이를테면 불화 칼슘(calcium fluoride)(CaF2), 크라이올라이트(cryolite)(Na3AlF6) 및, 용접 용례들에서 점성도 및/또는 유동도를 증진시키기 위해서 공지된 다른 제제들(예컨대, CaO, MgO, Na2O, K2O에 의해 감소되는 점성도, Al2O3 및 TiO2에 의해 증가되는 점성도)을 포함한다.
차폐제들은 금속 탄산염들, 이를테면, 탄산 칼슘(calcium carbonate)(CaCO3), 탄산 알루미늄(aluminum carbonate)(Al2(CO3)3), 도소나이트(dawsonite)(NaAl(CO3)(OH)2), 돌로마이트(dolomite)(CaMg(CO3)2), 탄산 마그네슘(magnesium carbonate)(MgCO3), 탄산 망간(manganese carbonate)(MnCO3), 탄산 코발트(cobalt carbonate)(CoCO3), 탄산 니켈(nickel carbonate)(NiCO3), 탄산 란탄(lanthanum carbonate)(La2(CO3)3) 및 차폐 및/또는 환원 가스들(예컨대, CO, CO2, H2)을 형성하기 위해서 공지된 다른 제제(agent)들을 포함한다.
포착제들은, 금속 산화물들 및 불화물들, 이를테면, 산화 칼슘(CaO), 불화 칼슘(CaF2), 산화철(FeO), 산화 마그네슘(MgO), 망간 산화물들(MnO, MnO2), 니오븀 산화물들(NbO, NbO2, Nb2O5), 산화 티타늄(TiO2), 산화 지르코늄(ZrO2) 그리고 결과적인 슬래그 층 내로 "부유하도록" 예상되는 저밀도 부산물들을 형성하기 위해서 황 및 인과 같은 유해한 원소들과 반응하는 것으로 공지된 다른 제제들을 포함한다.
이러한 벡터링 제제들은, 티타늄(titanium), 지르코늄(zirconium), 붕소(boron) 및 알루미늄을 포함하는 화합물들 및 재료들, 이를테면, 티타늄 합금들(titanium)(Ti), 산화 티타늄(titanium oxide)(TiO2), 티타나이트(titanite)(CaTiSiO5), 알루미늄(aluminum) 합금들(Al), 탄산 알루미늄(aluminum carbonate)(Al2(CO3)3), 도소나이트(dawsonite)(NaAl(CO3)(OH)2), 붕산염 광물들(borate minerals)(예컨대, 케르나이트(kernite), 보렉스(borax), 울렉사이트(ulexite), 콜마나이트(colemanite)), 니켈 티타늄 합금들(예컨대, 니티놀(Nitinol)), 산화 니오븀들(niobium oxides)(NbO, NbO2, Nb2O5) 및 용융 합금들에 원소들을 보충하기 위해서 사용되는 다른 금속 포함 화합물들 및 재료들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 플럭스 조성물은 또한 소정의 유기 플럭싱 제제들을 포함할 수 있다. 플럭스 특징들을 나타내는 유기 화합물들의 예시는, 고분자량(high-molecular weight) 탄화수소들(예컨대, 밀랍(beeswax), 파라핀(paraffin)), 탄수화물들(carbohydrates)(예컨대, 셀룰로오스(cellulose)), 천연유 및 합성유(예컨대, 팜유(palm oil)), 유기 환원제들(organic reducing agents)(예컨대, 차콜(charcoal), 코크스(coke)), 카르복시산들(carboxylic acids) 및 디카르복시산들(dicarboxylic acids)(예컨대, 아비에트산(abietic acid), 이소피마릭산(isopimaric acid), 네오아비에트산(neoabietic acid), 데하이드로아비에트산(dehydroabietic acid), 로진들(rosins)), 카르복시산염들(예컨대, 로진염들), 카르복시산 유도체들(예컨대, 데하이드로-아비에틸아민(dehydro-abietylamine)), 아민들(amines)(예컨대, 트리에탄올아민(triethanolamine)), 알코올들(alcohols)(예컨대, 하이 폴리글리콜들(high polyglycols), 글리세롤들(glycerols)), 천연 수지 및 합성 수지(예컨대, 지방산들의 폴리올 에스테르들(polyol esters)), 이러한 화합물들의 혼합물들, 및 다른 유기 화합물들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 개시의 플럭스 조성물들은 다음을 포함한다:
플럭스 조성물의 전체 중량에 기초하여,
5 내지 60 중량 %의 금속 산화물(들);
10 내지 70 중량 %의 금속 불화물(들);
5 내지 40 중량 %의 금속 규산염(들); 및
0 내지 40 중량 %의 금속 탄산염(들).
일부 실시예들에서, 본 개시의 플럭스 조성물들은 다음을 포함한다:
플럭스 조성물의 전체 중량에 기초하여,
5 내지 40 중량 %의 Al2O3, SiO2, 및/또는 ZrO2;
10 내지 50 중량 %의 금속 불화물(들);
5 내지 40 중량 %의 금속 규산염(들);
0 내지 40 중량 %의 금속 탄산염(들); 및
15 내지 30 중량 %의 다른 금속 산화물(들).
일부 실시예들에서, 본 개시의 플럭스 조성물들은 다음을 포함한다:
플럭스 조성물의 전체 중량에 기초하여,
5 내지 60 중량 %의 Al2O3, SiO2, Na2SiO3 및 K2SiO3 중 적어도 하나;
10 내지 50 중량 %의 CaF2, Na3AlF6, Na2O 및 K2O 중 적어도 하나;
1 내지 30 중량 %의 CaCO3, Al2(CO3)3, NaAl(CO3)(OH)2, CaMg(CO3)2, MgCO3, MnCO3, CoCO3, NiCO3 및 La2(CO3)3 중 적어도 하나;
15 내지 30 중량 %의 CaO, MgO, MnO, ZrO2 및 TiO2 중 적어도 하나; 및
0 내지 5 중량 %의 Ti 금속, Al 금속 및 CaTiSiO5 중 적어도 하나.
일부 실시예들에서, 본 개시의 플럭스 조성물들은 다음을 포함한다:
플럭스 조성물의 전체 중량에 기초하여,
5 내지 40 중량 %의 Al2O3;
10 내지 50 중량 %의 CaF2;
5 내지 30 중량 %의 SiO2;
1 내지 30 중량 %의 CaCO3, MgCO3 및 MnCO3 중 적어도 하나;
15 내지 30 중량 %의 CaO, MgO, MnO, ZrO2 및 TiO2 중 적어도 두개; 및
0 내지 5 중량 %의 Ti, Al, CaTiSiO5, Al2(CO3)3 및 NaAl(CO3)(OH)2 중 적어도 하나.
일부 실시예들에서, 플럭스 조성물은, 금속 산화물, 금속 할로겐화물, 옥소메탈라트 및 금속 탄산염으로부터 선택되는 적어도 2 개의 화합물들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 플럭스 조성물은 금속 산화물, 금속 할로겐화물, 옥소메탈라트 및 금속 탄산염 중 적어도 3 개를 포함한다. 또다른 실시예들에서, 플럭스 조성물은 금속 산화물, 금속 할로겐화물, 옥소메탈라트 및 금속 탄산염을 포함할 수 있다.
용융 슬래그의 점성도는, 증점제(thickening agent)로서 작용할 수 있는 하나 이상의 고융점 금속 산화물을 포함함으로써 증가될 수 있다. 이에 따라, 일부 실시예들에서, 플럭스 조성물은 적어도 하나의 고융점 금속 산화물을 포함하도록 제형화된다. 고융점 금속 산화물들의 예들은, 2000℃를 초과하는 융점을 갖는 금속 산화물들, 이를테면, Sc2O3, Cr2O3, Y2O3, ZrO2, HfO2, La2O3, Ce2O3, Al2O3 및 CeO2를 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 개시의 플럭스 조성물들은, 지르코니아(ZrO2) 및, 적어도 하나의 금속 규산염, 금속 불화물, 금속 탄산염, 금속 산화물(지르코니아 이외) 또는 이의 혼합물들을 포함한다. 이러한 경우들에서, 지르코니아의 내용물은, 종종 약 7.5 중량 %를 초과하고, 종종 약 25 중량 % 미만이다. 다른 경우들에서, 지르코니아의 내용물은, 약 10 중량 %를 초과하고, 20 중량 % 미만이다. 또다른 경우들에서, 지르코니아의 내용물은, 약 3.5 중량 %를 초과하고, 약 15 중량 % 미만이다. 또다른 경우들에서, 지르코니아의 내용물은, 약 8 중량 % 내지 약 12 중량 %이다.
일부 실시예들에서, 본 개시의 플럭스 조성물들은, 금속 탄화물 및, 적어도 하나의 금속 산화물, 금속 규산염, 금속 불화물, 금속 탄산염, 또는 이의 혼합물들을 포함한다. 이러한 경우들에서, 금속 탄화물의 내용물은 약 10 중량 % 미만이다. 다른 경우들에서, 금속 탄화물의 내용물은, 약 0.001 중량 % 이상이고, 약 5 중량 % 미만이다. 또 다른 경우들에서, 금속 탄화물의 내용물은, 약 0.01 중량 % 초과이고, 약 2 중량 % 미만이다. 또 다른 경우들에서, 금속 탄화물의 내용물은, 약 0.1 중량 % 내지 약 3 중량 %이다.
일부 실시예들에서, 본 개시의 플럭스 조성물들은, 적어도 2 개의 금속 탄산염들 및 적어도 하나의 금속 산화물, 금속 규산염, 금속 불화물, 또는 이의 혼합물들을 포함한다. 예컨대, 일부 예들에서, 플럭스 조성물들은, 탄산 칼슘(인 제어용) 그리고, 탄산 마그네슘 및 탄산 망간(예컨대, 황 제어용) 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 경우들에서, 플럭스 조성물들은 탄산 칼슘, 탄산 마그네슘 및 탄산 망간을 포함한다. 일부 플럭스 조성물(flux composition)들은, 탄산 칼슘, 탄산 마그네슘 및 탄산 망간의 3원(ternary) 혼합물을 포함하고, 3원 혼합물의 비율은, 플럭스 재료의 전체 중량에 대해서 30 중량 % 이하이다. 이러한 탄산염들의(2원 또는 3원) 조합은, 다수의 트램프 원소(multiple tramp element)들을 효율적으로 포착하는데(scavenging) 가장 유용하다.
상기에서 열거된 모든 중량 퍼센트(%)는, 100%가 되는 플럭스 재료의 전체 중량에 기초한다.
일부 실시예들에서, 상업적으로 입수 가능한 플럭스들은, Lincolnweld P2007, Bohler Soudokay NiCrW-412, ESAB OK 10.16 및 10.90, Special Metals NT100, Oerlikon OP76, Bavaria WP 380, Sandvik 50SW, 59S 또는 SAS1, 및 Avesta 805의 이름들로 시판중인 플럭스 재료들과 같은 것이 사용될 수 있다. 이러한 상업적 플럭스들은 사용하기 전에 더 작은 입자 크기 범위(particle size range), 이를테면 상기 설명된 입자 크기 범위로 연마될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 개시의 플럭스 조성물들은 적어도 하나의 분말 층(예컨대, 도 3의 분말 층들(48 및 50))과 혼합되는 분말들로서 사용될 수 있거나, 이 조성물들은 적어도 하나의 분말 층을 적어도 부분적으로 덮는 별도의 층들로서 존재할 수 있다. 대안으로, 용착된 분말 층들(예컨대, 초합금 분말 층 및 MCrAlY 분말 층)은 합금 재료 및 플럭스 조성물 양자 모두를 포함하는 복합재 금속 플럭스 입자들의 형태일 수 있다. 일부 실시예들에서 복합재 금속 플럭스 입자들의 사용은, 결과적인 금속 클래딩 층의 보호를 최대화하기 위해 합금 입자들과 플럭스 조성물의 최적 접촉을 보장할 수 있다. 일부 경우들에 별도의 금속 분말 층들의 용착을 포함하는 실시예들에서, 단일 플럭스 조성물은 양자 모두의 분말 층들에 사용될 수 있고, 다른 경우들에는 상이한 플럭스 조성물들이 별도의 분말 층들에 사용될 수 있다. 예컨대, 도 3에 예시된 실시예에서, 제 1 분말 층(48)은 초합금 용착물을 보호하기 위해 제형화된 플럭스 조성물을 포함할 수 있지만, 제 2 분말 층(50)은 MCrAlY 용착물을 보호하기 위해 제형화된 상이한 플럭스 조성물을 포함할 수 있다.
공지된 레이저 용융(laser melting) 또는 소결(sintering) 프로세스들에 비해 본원에 개시된 방법들 및 재료들의 이점들은, 각각의 프로세싱(processing) 층에서 두꺼운 용착물들 및 높은 용착 속도들(high deposition rates); 불활성 가스(inert gas)의 사용 없이 용착된 금속 층들 위로 연장되는 개선된 차폐; 플럭스가 구성성분들을 제거하기 위해서 용착물들의 세정을 향상시킬 것이라는 점(이는 그렇지 않으면, 응고화 크래킹(solidification cracking)을 유도함); 플럭스가 레이저 빔 흡수를 향상시키고 프로세싱 장비로 역 반사(reflection back)를 최소화할 것이라는 점; 슬래그 형성이 용착물들을 성형 및 지지하고 뿐만 아니라 냉각 속도를 늦출 수 있어, 이에 의해 잔류 응력들을 감소시킨다는 점(이는 그렇지 않으면, 용접후 열처리들 중 변형 시효(재가열) 크래킹의 원인이 됨); 플럭스가 원소(elemental) 손실들을 보상하거나 합금 원소들을 추가할 수 있다는 점; 그리고, 분말 층(그리고 선택적으로 플럭스 조성물들)의 이송이 더 두꺼운 용착물들을 발생시키기 위해서 효율적으로 그리고 선택적으로 행해지며, 이에 의해 다재료 컴포넌트들을 제작하는 시간을 감소시킨다는 점을 포함한다.
본원에 개시된 방법들 및 재료들은, 부품들의 급속 프로토타이핑(rapid prototyping)을 위해 또는 주문자 상표부착 생산(original equipment manufacturing)을 위해 유용할 수 있다. 게다가, 방법들은, 재정비를 위한 서비스(service)로부터 제거된 가스 터빈 블레이드(turbine blade) 상에 교체 블레이드 팁(blade tip)을 형성하기 위한 것과 같이, 컴포넌트 보수 적용들을 위해서 사용될 수 있다. 본 개시는 불활성 커버(cover) 가스에 대한 요구를 제거하며, 엄격한 허용공차 제어를 위한 정밀한 레이저 프로세싱을 제공하고, 선택적 레이저 가열 프로세스들에서 사용되는 미세한 초합금 분말 상의 산화물들에 대한 오래된 문제에 대한 해법을 제공하며, 그리고 이전에 공지된 용접가능 존을 넘는, 조성들을 갖는 초합금들의 크랙없는 용착을 허용한다.
분말식 재료의 사용이 또한 기능적으로 등급화된 재료들의 용착을 용이하게 한다는 것이 인식될 것이며, 여기서 용착된 재료의 조성물은 시간 및 공간에 걸쳐 변한다. 예컨대, 다재료 컴포넌트가 가스 터빈 베인이라면, 베인의 플랫폼 부분(platform portion)은 제 1 조성물일 수 있으며, 베인의 에어포일(airfoil) 부분은 상이한 제 2 조성물일 수 있다. 다른 실시예들에서, 합금 조성은, 생성물의 내부 벽으로부터 외부 벽까지 또는 생성물 내로부터 생성물의 표면들 가까이까지 다양할 수 있다. 합금 조성물은, 또한 상이한 기계적(mechanical) 또는 내부식(corrosion resistance) 특징들을 요구하는 예상되는 작동 조건들에 대응하여 그리고 재료들의 가격을 고려하여 변경될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예들이 단지 예시로써 제공되는 것은 자명할 것이다. 다양한 변경들, 수정들 및 치환들이 본원 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 적어도 2 개의 인접한 분말 층들을 포함하는 다수의 분말 용착물(multi-powder deposit)을 형성하도록 작업 표면 상에 복수 개의 분말 층들을 이송하는 단계; 및
    제 1 세기의 제 1 레이저 에너지(laser energy)를 제 1 분말 층에 그리고, 제 2 레이저 세기의 제 2 레이저 에너지를 제 2 분말 층에 동시에 적용하는 단계를 포함하여,
    복수 개의 분말 층들의 각각의 형상들 및 콘텐츠(contents)에 의해 단면 평면의 형상들 및 콘텐츠가 적어도 부분적으로 규정되는 다재료 컴포넌트(multi-material component)의 단면 평면(section plane)을 형성하고,
    상기 다수의 분말 용착물에 포함된 플럭스 조성물(flux composition)은 상기 단면 평면의 적어도 일부분을 덮는 적어도 하나의 슬래그 층(slag layer)을 형성하는,
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다재료 컴포넌트를 제작하기 위해 연속적인 단면 평면들에 대해 상기 이송 및 적용 단계들을 반복하는 단계를 포함하는,
    방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분말 층은 금속 분말을 포함하고, 상기 제 2 분말 층은 세라믹(ceramic) 분말을 포함하고;
    상기 제 1 레이저 에너지는 상기 제 1 분말 층의 둘레에 대해 평행한 제 1 스캔 경로(scan path)를 따르도록 지향되어, 금속 분말이 구조 금속 층을 형성하게 유발하며;
    상기 제 2 레이저 에너지는 상기 제 2 분말 층의 둘레에 대해 평행한 제 2 스캔 경로를 따르도록 지향되어, 상기 세라믹 분말이 인접한 금속 층에 접합된 열 배리어 코팅(thermal barrier coating)을 형성하게 유발하고; 그리고
    상기 제 1 레이저 에너지로부터 직접 또는 간접적으로 이송되는 열은 상기 플럭스 조성물이 상기 구조 금속 층을 덮는 슬래그 층을 형성하게 유발하는,
    방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    비다공성(non-porous) 구조 금속 층을 발생시키기 위해 외부에 적용되는 차폐 가스(shielding gas)의 부재 하에 상기 금속 분말 및 상기 플럭스 조성물을 완전히 용융시키는데 효과적인 세기 수준으로 상기 제 1 세기를 제어하는 단계; 및
    상기 세라믹 분말을 부분적으로 용융시켜 상기 인접한 금속 층에 접합된 소결된 열 배리어 코팅을 발생시키는데 효과적인 세기 수준으로 상기 제 2 세기를 제어하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 분말 용착물은 3 개의 인접한 분말 층들을 포함하며;
    상기 제 1 분말 층과 상기 제 2 분말 층 사이에 위치된 제 3 분말 층은 금속 본드 코트(metallic bond coat) 분말을 포함하며; 그리고
    상기 제 1 레이저 에너지로부터 간접적으로 이송되는 열은 상기 금속 본드 코트 분말이 상기 구조 금속 층과 상기 열 배리어 코팅 사이에 위치되고 이들 양자 모두에 접합되는 본드 코트 층을 형성하는 것을 유발하며, 또는,
    제 3 세기의 제 3 레이저 에너지로부터 이송되는 열은 상기 금속 본드 코트 분말이 상기 구조 금속 층과 상기 열 배리어 코팅 사이에 위치되고 이들 양자 모두에 접합되는 본드 코트 층을 형성하는 것을 유발하는,
    방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 분말 층은 상기 금속 분말과 혼합된 플럭스(flux) 분말로서 플럭스 조성물을 더 포함하고; 또는
    상기 다수의 분말 용착물은 상기 제 1 분말 층 위에 위치되는 상기 플럭스 조성물의 층을 더 포함하는,
    방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 분말 용착물은 상이한 제 1 플럭스 조성물 및 제 2 플럭스 조성물을 포함하고, 상기 적어도 2 개의 인접한 분말 층들을 덮는 별도의 슬래그 층들을 형성하는,
    방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 에너지 및 상기 제 2 레이저 에너지는 상기 제 1 레이저 에너지 및 상기 제 2 레이저 에너지가 상기 다수의 세기 레이저 빔(beam) 내의 상이한 공간 로케이션들(different spatial locations)에서 발생하는 다수의 세기(multi-intensity)의 레이저 빔(beam)을 발생시키기 위해 2 차원 공간에 걸쳐 레이저 세기를 변조하도록 적응되는 단일 레이저 소스(single laser source)에 의해 제공되며; 또는
    상기 제 1 레이저 에너지는 직사각형 레이저 빔을 발생시키도록 적응된 다이오드 레이저 소스(diode laser source)에 의해 제공되고, 상기 제 2 레이저 에너지는 비직사각형 레이저 빔을 발생시키도록 적응된 제 2 레이저 소스에 의해 제공되어, 상기 직사각형 레이저 빔의 폭 비직사각형 레이저 빔의 폭보다 큰,
    방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분말 층에 충돌하는 상기 제 1 레이저 에너지의 폭이 상기 제 1 분말 층의 폭보다 작거나 같도록 상기 제 1 레이저 에너지의 형상을 제어하는 단계; 및
    상기 제 2 분말 층에 충돌하는 상기 제 2 레이저 에너지의 폭이 상기 제 2 분말 층의 폭보다 작거나 같도록 상기 제 2 레이저 에너지의 형상을 제어하는 단계 중 적어도 하나의 단계를 더 포함하는,
    방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스 조성물은,
    Figure pct00005

    로 구성되는 군으로부터 선택되는 금속 산화물(metal oxide); 및
    다음 중 적어도 하나:
    (i)
    Figure pct00006

    로 구성되는 군으로부터 선택되는 금속 할로겐화물(metal halide);
    (ii)
    Figure pct00007

    로 구성된 군으로부터 선택되는 옥소메탈라트(oxometallate); 및
    (iii)
    Figure pct00008

    로 구성된 군으로부터 선택되는 적절한 금속 탄산염(metal carbonate)들을 포함하는,
    방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스 조성물은,
    5 내지 60 중량 %의 Al2O3, SiO2, Na2SiO3 및 K2SiO3로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나;
    10 내지 50 중량 %의 CaF2, Na3AlF6, Na2O 및 K2O로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나;
    1 내지 30 중량 %의 CaCO3, Al2(CO3)3, NaAl(CO3)(OH)2, CaMg(CO3)2, MgCO3, MnCO3, CoCO3, NiCO3 및 La2(CO3)3로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나;
    15 내지 30 중량 %의 CaO, MgO, MnO, ZrO2 및 TiO2로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나; 및
    0 내지 5 중량 %의 Ti 금속, Al 금속, TiO2 및 CaTiSiO5로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는,
    방법.
  12. (i) 제 1 분말 층이 제 1 레이저 에너지에 의해 가열되고 제 2 분말 층이 제 2 레이저 에너지에 의해 가열되도록 복수 개의 분말 층들을 향해 적어도 2 개의 레이저 빔들로부터 레이저 에너지를 지향시키는 단계;
    (ii) 상기 제 1 레이저 에너지의 폭이 상기 제 1 분말 층의 폭보다 작거나 같고, 상기 제 2 레이저 에너지의 폭은 상기 제 2 분말 층의 폭보다 작거나 같으며, 그리고 상기 제 1 레이저 에너지의 세기는 상기 제 2 분말 층의 세기와 상이하도록 상기 제 1 레이저 에너지 및 상기 제 2 레이저 에너지의 형상 및 세기를 독립적으로 제어하는 단계; 그리고
    iii) 상기 제 1 레이저 에너지는 상기 제 1 분말 층의 둘레에 대해 평행한 제 1 스캔 경로를 따르도록 지향되고, 그리고 상기 제 2 레이저 에너지는 상기 제 2 분말 층의 둘레에 대해 평행한 제 2 스캔 경로를 따르도록 지향되게 상기 제 1 레이저 에너지 및 상기 제 2 레이저 에너지의 궤적들을 독립적으로 제어하는 단계; 및
    상기 복수 개의 분말 층들의 각각의 형상들 및 콘텐츠에 의해 적어도 부분적으로 형상들 및 콘텐츠가 규정되는 다재료 컴포넌트의 단면 평면을 형성하는 단계를 포함하는,
    방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    다재료 컴포넌트를 제작하기 위해서 연속적인 단면 평면들에 대해 단계 (i), (ii) 및 (iii)를 반복하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 분말 층은 구조 금속 층을 형성하도록 용융 및 냉각되는 금속 분말을 포함하고;
    상기 제 2 분말 층은 부분적으로 용융 및 냉각되어 인접한 금속 층에 접합되는 열 배리어 코팅을 형성하도록 부분적으로 용융 및 냉각되는 세라믹 분말을 포함하며; 그리고
    상기 제 1 레이저 에너지로부터 직접 또는 간접적으로 이송되는 열은 플럭스 조성물이 구조 금속 층을 덮는 슬래그 층을 형성하게 하는,
    방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수 개의 분말 층들은 3 개의 인접한 분말 층들을 포함하며;
    상기 제 1 분말 층과 상기 제 2 분말 층 사이에 위치된 제 3 분말 층은 금속 본드 코트 분말을 포함하며; 그리고
    상기 제 1 레이저 에너지로부터 간접적으로 이송되는 열은 상기 금속 본드 코트 분말이 상기 구조 금속 층과 상기 열 배리어 코팅 사이에 위치되고 이들 양자 모두에 접합되는 본드 코트 층을 형성하는 것을 유발하며, 또는,
    제 3 세기의 제 3 레이저 에너지로부터 이송되는 열은 상기 금속 본드 코트 분말이 상기 구조 금속 층과 상기 열 배리어 코팅 사이에 위치되고 이들 양자 모두에 접합되는 본드 코트 층을 형성하는 것을 유발하는,
    방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 단면 평면은 상기 다재료 컴포넌트 내의 적어도 하나의 빈 공간에 대응하는 적어도 하나의 널(null) 영역을 포함하고; 그리고
    상기 널 영역은,
    상기 널 영역에서 레이저 에너지를 순환시킴으로써 또는 널 영역에서 레이저 에너지 세기들을 감소시킴으로써 적어도 2 개의 레이저 빔들로부터 상기 레이저 에너지를 제어하는 것 - 상기 널 영역에 포함된 분말이 용융되지 않음 -, 및
    상기 널 영역의 형상을 규정하는 마스크 형상을 갖는 레이저 흡수 마스크로 상기 널 영역에 포함된 분말과 충돌하는 것으로부터 레이저 에너지를 차단하는 것
    중 하나 또는 양자 모두를 수행함으로써 형성되는,
    방법.
  17. (a) 상기 레이저 소스는 상기 제 1 레이저 세기 및 상기 제 2 레이저 세기가 상기 다수의 세기 레이저 빔 내의 상이한 공간 로케이션들에서 발생하는 다수의 세기의 레이저 빔을 발생시키기 위해 2 차원 공간에 걸쳐 레이저 세기를 변조시키도록 적응되도록 제 1 분말 층이 제 1 레이저 세기에 의해 가열되고 제 2 분말 층이 제 2 레이저 세기에 의해 가열되도록 레이저 소스로부터 복수 개의 분말 층들을 향해 레이저 에너지를 지향시키는 단계;
    (b) 상기 제 1 레이저 세기에서 상기 제 1 분말 층을 가열하는 제 1 레이저 에너지의 폭은 상기 제 1 분말 층의 폭보다 작거나 같고, 그리고 상기 제 2 레이저 세기에서 상기 제 2 분말 층을 가열하는 제 2 레이저 에너지의 폭은 상기 제 2 분말 층의 폭보다 작거나 같도록 다수의 세기의 레이저의 형상 및 세기를 제어하는 단계;
    (c) 상기 제 1 레이저 에너지는 상기 제 1 분말 층의 둘레에 대해 평행한 제 1 스캔 경로를 따르고, 상기 제 2 레이저 에너지는 상기 제 2 분말 층의 둘레에 대해 평행한 제 2 스캔 경로를 따르도록 상기 레이저 소스를 제어하는 단계; 및
    (d) 상기 복수 개의 분말 층들의 형상과 상기 레이저 흡수 마스크의 형상 양자 모두에 의해 상기 단면 평면의 형상이 규정되는 다재료 컴포넌트의 단면 평면을 형성하고, 상기 단면 평면의 콘텐츠가 상기 복수 개의 분말 층들의 각각의 콘텐츠에 의해 규정되도록 레이저 흡수 마스크로 다수의 세기 레이저 빔을 부분적으로 차단하는 단계를 포함하는,
    방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    다재료 컴포넌트를 제작하기 위해서 연속적인 단면 평면들에 대해 적어도 단계들 (a), (b) 및 (c)을 반복하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 분말 층은 구조 금속 층을 형성하도록 용융 및 냉각되는 금속 분말을 포함하고;
    상기 제 2 분말 층은 부분적으로 용융 및 냉각되어 인접한 금속 층에 접합되는 열 배리어 코팅을 형성하도록 부분적으로 용융 및 냉각되는 세라믹 분말을 포함하며; 그리고
    제 1 레이저 에너지로부터 직접 또는 간접적으로 전달된 열은 플럭스 조성물이 적어도 구조 금속층을 덮는 슬래그 층을 형성하게 하는,
    방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수 개의 분말 층들은 3 개의 인접한 분말 층들을 포함하며;
    상기 제 1 분말 층과 상기 제 2 분말 층 사이에 위치된 제 3 분말 층은 금속 본드 코트 분말을 포함하고;
    상기 다수의 세기의 레이저의 형상 및 세기는 상기 제 3 레이저 세기에서 상기 제 3 분말 층을 가열하는 제 3 레이저 에너지의 폭이 상기 제 3 분말 층의 폭보다 작거나 같도록 추가로 제어되며; 그리고
    상기 제 3 분말 층에 이송된 열은 상기 금속 코트 분말이 구조 금속 층과 열 배리어 코팅 사이에 위치되고 이들 양자 모두에 접합되는 본드 코트 층을 형성하게 하는,
    방법.
KR1020177013100A 2014-10-14 2015-09-23 일체화된 시스템들로서 형성되는 다재료들을 포함하는 3 차원 컴포넌트들의 레이저 적층 가공 KR102026354B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/513,535 2014-10-14
US14/513,535 US9776282B2 (en) 2012-10-08 2014-10-14 Laser additive manufacture of three-dimensional components containing multiple materials formed as integrated systems
PCT/US2015/051569 WO2016060799A1 (en) 2014-10-14 2015-09-23 Laser additive manufacture of three-dimensional components containing multiple materials formed as integrated systems

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170070181A true KR20170070181A (ko) 2017-06-21
KR102026354B1 KR102026354B1 (ko) 2019-09-27

Family

ID=55747109

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177013100A KR102026354B1 (ko) 2014-10-14 2015-09-23 일체화된 시스템들로서 형성되는 다재료들을 포함하는 3 차원 컴포넌트들의 레이저 적층 가공

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3206817A4 (ko)
KR (1) KR102026354B1 (ko)
CN (1) CN106794519B (ko)
WO (1) WO2016060799A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102507407B1 (ko) * 2022-12-09 2023-03-08 터보파워텍(주) 3d프린팅 레이저 클래딩에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018022034A1 (en) * 2016-07-27 2018-02-01 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Forming three-dimensional (3d) electronic parts
US10556820B2 (en) * 2017-08-09 2020-02-11 Harris Corporation Method for making an optical fiber device from a 3D printed preform body and related structures
CN108080813A (zh) * 2017-12-03 2018-05-29 温州宏丰电工合金股份有限公司 一种应用于电阻焊的铜铁合金表面活性焊剂的制备方法
EP3539712B1 (en) * 2017-12-20 2020-08-05 C.R.F. Società Consortile per Azioni A method for applying a reinforcement of metal material to a component of metal material, particularly in the construction of a motor-vehicle body or a sub-assembly thereof
CN108213408B (zh) * 2018-01-11 2020-03-13 中南大学 一种利用3d打印技术制备具有复杂结构的多孔金属零件的方法
CN110405204B (zh) * 2018-04-28 2021-09-10 深圳市裕展精密科技有限公司 异质金属件的制备方法
WO2019246251A2 (en) * 2018-06-19 2019-12-26 MELD Manufacturing Corporation Solid-state methods of joining dissimilar materials and parts and solid-state additive manufacturing of coatings and parts with in situ generated taggant features
DE102018210282A1 (de) * 2018-06-25 2020-01-02 Volkswagen Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines wenigstens aus einer Materialschicht aufgebauten, dreidimensionalen Objektes
CN109130174A (zh) * 2018-08-17 2019-01-04 上海联泰科技股份有限公司 光学系统、控制方法及系统、3d打印设备
CN109202077B (zh) * 2018-08-30 2021-06-01 广州瑞通增材科技有限公司 一种3d打印方法
JP7079703B2 (ja) * 2018-09-13 2022-06-02 三菱重工業株式会社 接合物の積層造形方法及び接合部材
US20200306885A1 (en) * 2019-04-01 2020-10-01 GM Global Technology Operations LLC Methods for forming gradient metallic bodies via additive manufacturing
CN109773183B (zh) * 2019-04-08 2021-08-27 长沙集智创新工业设计有限公司 一种医用金属陶瓷材料及其制备方法
EP3958281A4 (en) * 2019-05-24 2023-01-04 Siemens Ltd. China ELECTRIC MOTOR, LAMINATED IRON CORE AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF
RU2713254C1 (ru) * 2019-07-29 2020-02-04 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Центр компетенций аддитивных технологий" (ООО "МИП "ЦКАТ") Способ изготовления изделий из металлических порошков
CN110777276B (zh) * 2019-10-23 2021-05-28 广东工业大学 一种基于激光3d打印的氧化铝增强合金性能的方法
CN111036901A (zh) * 2019-12-10 2020-04-21 西安航天发动机有限公司 一种多材料零件的激光选区熔化成形方法
CN113522688B (zh) * 2020-03-30 2022-12-30 中微半导体设备(上海)股份有限公司 耐等离子体腐蚀部件及其制备方法，等离子体处理设备
CN111408720B (zh) * 2020-04-29 2020-12-15 西北工业大学 一种铁镍-锰铜异种材料金属零件激光增材制造方法
WO2022036591A1 (zh) * 2020-08-19 2022-02-24 西门子股份公司 增材制造中的打印工艺制定方法及装置
DE102021200321A1 (de) * 2021-01-14 2022-07-14 Forschungszentrum Jülich GmbH System mit Wärmedämmschicht und Verfahren zur Herstellung
CN113185304A (zh) * 2021-05-13 2021-07-30 大连理工大学 基于热处理法调控激光增材制造熔体自生陶瓷构件的组织及性能的方法
CN114921706B (zh) * 2022-04-25 2023-08-01 西北工业大学 改性的镍基铸造高温合金及制备方法
CN115319110A (zh) * 2022-07-22 2022-11-11 华中科技大学 一种陶瓷增强金属基复合材料及其增材制造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6391251B1 (en) * 1999-07-07 2002-05-21 Optomec Design Company Forming structures from CAD solid models
US20050268998A1 (en) * 2002-09-17 2005-12-08 Georg Bostanjoglo Method for producing a three-dimensional moulded body
JP2007051635A (ja) * 2005-06-30 2007-03-01 General Electric Co <Ge> ニオブシリサイド基タービン構成部品および関連するレーザ付着方法
EP2502729A1 (en) * 2011-03-25 2012-09-26 BAE Systems Plc Additive layer manufacturing

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN86102751B (zh) * 1986-04-21 1987-12-02 自贡中国电焊条厂 高温烧结超低氢高碱度烧结焊剂
GB0317387D0 (en) * 2003-07-25 2003-08-27 Univ Loughborough Method and apparatus for combining particulate material
JP5179114B2 (ja) * 2007-08-09 2013-04-10 日鐵住金溶接工業株式会社 低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスおよびその溶接方法
US9352413B2 (en) * 2011-01-13 2016-05-31 Siemens Energy, Inc. Deposition of superalloys using powdered flux and metal
FR2972379B1 (fr) * 2011-03-07 2014-01-17 Snecma Procede de rechargement local de piece thermomecanique endommagee et piece ainsi realisee, en particulier piece de turbine
JP2013141681A (ja) * 2012-01-10 2013-07-22 Kobe Steel Ltd サブマージアーク溶接用ボンドフラックス、ワイヤ、溶接金属及び溶接方法
US20140099476A1 (en) * 2012-10-08 2014-04-10 Ramesh Subramanian Additive manufacture of turbine component with multiple materials
US20140252685A1 (en) * 2013-03-06 2014-09-11 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Powder Bed Fusion Systems, Apparatus, and Processes for Multi-Material Part Production

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6391251B1 (en) * 1999-07-07 2002-05-21 Optomec Design Company Forming structures from CAD solid models
US20050268998A1 (en) * 2002-09-17 2005-12-08 Georg Bostanjoglo Method for producing a three-dimensional moulded body
JP2007051635A (ja) * 2005-06-30 2007-03-01 General Electric Co <Ge> ニオブシリサイド基タービン構成部品および関連するレーザ付着方法
EP2502729A1 (en) * 2011-03-25 2012-09-26 BAE Systems Plc Additive layer manufacturing

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102507407B1 (ko) * 2022-12-09 2023-03-08 터보파워텍(주) 3d프린팅 레이저 클래딩에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치

Also Published As

Publication number Publication date
EP3206817A1 (en) 2017-08-23
EP3206817A4 (en) 2018-07-04
CN106794519B (zh) 2019-05-28
CN106794519A (zh) 2017-05-31
WO2016060799A1 (en) 2016-04-21
KR102026354B1 (ko) 2019-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102026354B1 (ko) 일체화된 시스템들로서 형성되는 다재료들을 포함하는 3 차원 컴포넌트들의 레이저 적층 가공
US9776282B2 (en) Laser additive manufacture of three-dimensional components containing multiple materials formed as integrated systems
EP2950972B1 (en) Localized repair of supperalloy component
US9283593B2 (en) Selective laser melting / sintering using powdered flux
US20150132173A1 (en) Laser processing of a bed of powdered material with variable masking
US9352419B2 (en) Laser re-melt repair of superalloys using flux
US20130316183A1 (en) Localized repair of superalloy component
US9315903B2 (en) Laser microcladding using powdered flux and metal
EP2950974A1 (en) Localized repair of superalloy component
US20160214176A1 (en) Method of inducing porous structures in laser-deposited coatings
WO2014120991A1 (en) Selective laser melting / sintering using powdered flux
US20150125335A1 (en) Additive manufacturing using a fluidized bed of powdered metal and powdered flux
WO2015069447A1 (en) Below surface laser processing of a fluidized bed
WO2014120736A1 (en) Method of laser re-melt repair of superalloys using flux
EP2950965A1 (en) Laser microcladding using powdered flux and metal
EP3174665A1 (en) Flux sheet for laser processing of metal components

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant