(57)【要約】ガスタービン翼等の単結晶構造を持つ金属製工作物の磨耗や損傷時、工作物と同じ結晶構造を持つ補修層をエピタキシャル成長させる必要がある。本発明は、線上、楕円形又は長方形の焦点を持つレーザ光や電子ビームにより工作物上にエピタキシャル層を形成することを特徴とする。従来の円形の焦点を持つエネルギビームの場合のように、横方向への掃引を行うことなく、縦方向に掃引するだけでよいので、溶接ビートの重複や接触が起らず、十分な結晶配向を持つエピタキシャル層を形成できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギの投入により構造部材（６）の処理すべき表面（１１）をエネルギの焦点（３）で溶融させ、
この溶融した範囲に素材（１３）を供給し、該素材（１３）を完全に溶融させるかその表面（１１）を溶融させ、
その際素材を単結晶構造となし、かつこの溶融した素材を凝固させる、特にエピタキシャル成長による単結晶構造の基板上に、特に金属超合金から成る単結晶構造、部品又は工作物を製造する方法において、
前記焦点（３）が線状、楕円形又は長方形の幾何学形状を有することを特徴とする単結晶構造、部品又は工作物の製造方法。
【請求項２】
エネルギの投入をレーザ（１５）により行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
エネルギの投入を電子ビームにより行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
エネルギの投入により形成される焦点（３）を、溶融範囲を線状、楕円形又は長方形の幾何学形状に形成することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
製造中に焦点（３）の大きさを変化させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
焦点（３）がプロフィール端部（５）を持ち、該端部（５）に投入するエネルギの強度を焦点（３）の中央範囲に比べ高める（３６）ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
素材の供給を少なくとも１つの素材供給管（３０）を介して行い、かつ該素材の供給を時間的及び場所的に変化させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
焦点（３）の温度を調整制御することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
焦点（３）を進行方向（４）に基板（１８）の上方を移動させ、該基板（１８）が素材（１３）を添加する範囲を持ち、かつ焦点（３）を、前記範囲の形状に対し、進行方向（４）に対して横方向において、焦点（３）の幅がこの範囲の幅に合うように適合させることを特徴とする請求項１又は５記載の方法。
【請求項１０】
焦点（３）を進行方向（４）に基板（１８）の上方を移動させ、この進行方向（４）が処理すべき表面（１１）の線膨張の方向にあり、かつエネルギ源（１５）が焦点（３）を形成し、
該焦点の寸法が、進行方向（４）に対して横方向において、処理すべき表面（１１）の全幅に相当し、かつ１回だけの連続的な進行動作で処理すべき表面（１１）の完全な全面被着を、この素材（１３）でできた連続した層を施すべく行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に基づく、方向性を持って凝固した、特に超合金から成る単結晶構造に関する。
【０００２】
単結晶構造を有する金属製工作物は、運転中に高い機械的、熱的及び／又は化学的応力に曝される機械の構造部材として使用される。例えばガスタービン翼、特に飛行機の駆動装置用の回転翼も、また定置式ガスタービンも単結晶体から製造される。
【０００３】
この種の単結晶質の工作物は、例えば方向性を持って凝固させることでその溶融物から製造される。その場合、液状の金属合金を単結晶構造、即ち単結晶質の工作物を方向性を持って凝固させる。
【０００４】
例えばこの種工作物の製造に、セラミックス製鋳型内の液状合金を、例えばブリッジマン炉内で方向性を持つ温度分布の中で結晶配向を得る特殊な鋳造方法が公知である。その際樹枝状晶が熱流に沿って整列し、茎状結晶の粒状組織（即ち、この工作物の全長に亘って延び、またここでは全般に「方向性を持って凝固させる」と表現している）又は単結晶構造、即ち工作物全体が単一の結晶から成る単結晶構造を形成する。
【０００５】
この方法では、微球状（多結晶）への転移を回避せねばならない。それは、この方向性のない成長は、必然的に横方向及び縦方向の粒界を形成し、これらの粒界が方向性を持つ凝固、即ち単結晶の構造部材の優れた特性を無効にするからである。
【０００６】
従って本明細書で単結晶構造と言う場合、粒界を持たない単結晶体も、また縦方向に走る粒界は持つが、横方向に走る粒界は持たない結晶構造をも意味する。この第２に挙げた結晶構造を、方向性を持って凝固させた集合組織とも呼ぶ。
【０００７】
従って一般に方向性を持って凝固させた集合組織について語るとき、粒界を持たないか又は精々角度の小さい粒界を持つ単結晶も、また縦方向に走る粒界は持つが、横方向に走る粒界をもたない茎状結晶構造もその対象となる。
【０００８】
例えば上述した単結晶体のタービン翼の合金として、特にニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）又は鉄（Ｆｅ）基の所謂超合金が使用される。特にニッケル基の超合金は機械的及び化学的に傑出した高温特性を有する。
【０００９】
この種構造部材は使用中に磨耗し、また損傷するが、該当範囲を必要に応じて除去し、新素材をこれらの範囲に、例えばエピタキシャル法で析出させることで修復できる。しかしその場合、同じ結晶構造を形成する必要がある。この種の方法は、米国特許第６０２４７９２号及び欧州特許出願公開第０８９２０９０号明細書に開示されている。
【００１０】
この方法では、被着しようとする素材の層は処理すべき表面の縦方向に対し横方向に各々狭い経路（処理すべき表面の範囲に該当する）内に並列して施す。その結果個々の溶接ビート（並列して新素材が成長する経路）が重複又は接触することになり、それらはその幾何学的形状に基づき、不十分な結晶配向を持つ非エピタキシャルな成長となる。そのためその機械的特性が不十分になる。
【００１１】
従って本発明の課題は、上述の欠点を克服することにある。
【００１２】
この課題は、本発明の請求項１に記載の方法により解決される。
【００１３】
この新規方法によって例えば方向性を持って凝固させた基板の構造上に、基板と同様に方向性を持って凝固させた構造を有する単数又は複数の層又は部材又は工作物を１つの経路内に形成できる。これは、基板の方向性を持つ結晶構造がその上に形成される、単数又は複数の層により引き継がれるエピタキシャル処理（エピタキシャルとは結晶質の基材上に同様に配向させた結晶成長のことを言う）を目的とする。その際相応しいプロセス制御によって、微球状の集合組織の生成を回避せねばならない。
【００１４】
本発明は、単結晶の構造を有する基板上に、単結晶質の構造を有する単数又は複数の層もしくは部材又は工作物を形成することができる新規方法を提供する。その際、この基板の結晶構造がその上に形成されるその単数又は複数の層に引き継がれるエピタキシャル処理であることが重要である。
【００１５】
単結晶質の原材を、不所望な多数の結晶配向を生じることなく、基本素材の単結晶の集合組織が、修復箇所にも存在するよう修理又は修復することは従来不可能であった。
【００１６】
この新規方法により、損傷し、かつ磨耗した単結晶の工作物の単結晶質を回復する、即ちその最適な結晶構造に修復したり、新たに形成したりすることが可能となる。その際基板上に、例えば単結晶の回転翼の場合、工作物の元の寸法及び形が再び得られるまで、経路上に単結晶質に層を繰り返し堆積させる。その際この工作物の処理すべき表面の縦方向の全面塗布は、各々１つの連続的な通過で縦方向に重複する単一の狭い溶接ビートを形成すべく、横方向に蛇行して移動することなく行う。
【００１７】
基板と同じ、略同じ又は異なる素材から成る単結晶体を形成するこの方法は、例えば単結晶の組織構造を有し、損傷或いは磨耗した工作物の新たな形成又は修復を可能にする。例えば所謂超合金の単結晶体から成り、かつそれらが損傷している場合、本方法により修復可能であるガスタービンの回転翼が存在する。
【００１８】
即ち単結晶質の工作物は、所謂方向性を持った凝固により溶融物から製造できる。しかし方向性を持って凝固させることで製造したこの種部品も磨耗する。
【００１９】
この新しい方法で、損傷し、磨耗した単結晶の工作物の単結晶質を修復する、即ち結晶構造を補修し、新たに形成できる。その際、例えば単結晶の回転翼なら、基板上にこの工作物の元の寸法と型が再び得られる迄、繰り返し単結晶質層を形成し、修復する。
【００２０】
本方法を実施するためのエネルギ源、即ち熱源として、レーザビームや電子ビーム、即ち大表面上や大容量中に高エネルギ量を投入し得るエネルギ源が適している。
【００２１】
高エネルギかつ高エネルギ密度のこの放射ビームを基板の表面上に向け、もって基板の表面層を容易に溶融できる。このビームの作用範囲に素材を、例えば粉末や針金の形で供給する。この供給した素材も同様に溶融する。この供給素材の溶融は、溶融した表面層の液状の浴中で又は浴になる過程で既に行うことができる。この工程は、保護ガス下及び／又は真空中で進行させるとよい。
【００２２】
いま、この溶融物の凝固が微細球の範囲外、即ち使用した素材が方向性を持って凝固する範囲内にあることを条件にして進行すると、素材は単結晶質の形で凝固し、エピタキシャル構造として基板上に成長する。金属の場合、その溶融物が方向性を持って晶出しないときに微球体の凝固と言う。従って「方向性を持つ単結晶質」から「無方向性」への移行時に、場合により単数又は複数の粒界が生じ、これは単結晶体の利点を無効にする。
【００２３】
この単結晶構造は、約１ｍｍの薄い層、プレート又は複雑な形状又は１ｍｍの断片の形で上下に重なった層として施される。
【００２４】
この基板を、素材を供給することなく、レーザ又は誘導的に６００〜１１００℃の予熱温度に加熱し、この温度を例えば製造中に保持すると、基板内及び生成した単結晶体中、更にまた基板とその上にエピタキシャルに形成した結晶構造との間の応力が低減し、これは、再結晶化及び結晶構造内のクリープの阻止に貢献する。
【００２５】
基板及び新たに生成した単結晶層に、約１時間、約１０００〜１２５０℃の温度での応力緩和のための加熱（ＣＭＳＸ−４の場合１１５０℃）と、それに次ぐ緩慢な冷却を行い、再結晶化とクリープとに伴い単結晶組織構造を破壊しかねない内部応力を低減する。しかしこの応力歪を低減する加熱は、高周波（ＨＦ）装置によりエピタキシャル層を施すのと同様に行うことができる。
【００２６】
所謂ＧＶカーブは、種々の金属及び金属合金により異なっており、各合金に対して算出し、又は実験に基づき決定できる。ＧＶカーブにおける曲線Ｌは、凝固速度と温度勾配の２つのパラメータの範囲を、合金が微球体に凝固するものと、樹枝状に配列した集合組織に凝固するものに分ける。ＧＶカーブについての説明は、例えばMaterial Science Engineering、第６５巻、１９８４年、J.D.Huntの刊行物「Columnar to Equiangular Transition（柱状から等角への変移）」に見出される。
【００２７】
本発明の実施例を図面に基づき以下に詳述する。
【００２８】
図１は一平面内のエネルギ源の焦点３における放射ビーム２（図２参照）の強度分布を示す。その際この放射ビームは円形ではなく、ｘ及びｙ方向で異なった幅に形成されている。ｘ方向を以後幅と呼ぶ。ｚ方向は進行方向４（図２）に該当する。平面（ｘ−ｚ平面）は構造部材６（図２）の処理すべき表面２１に該当する。
【００２９】
ｘ方向に放射ビーム２は例えば略長方形の強度分布のプロフィールを示す。この放射ビーム２のｘ方向のプロフィール端部５に、例えば技術的制約から、例えば屈曲した（かぎ形に曲がる）移行部が存在する。またｘ方向には略長方形のプロフィールが存在する。
【００３０】
焦点３の強度分布は、ｙ方向に、例えばほぼ反対に、技術的制約から放物線状の形を有する。ｙ方向に略長方形のプロフィールが存在してもよい。
【００３１】
図２は、エネルギ源１５の放射ビーム２でのエネルギの投入により構造部材６上に生ずる焦点３を示す。この部材６は基板１８を持つ。基板１８は、例えば方向性を持って凝固した集合組織を有する。焦点３は、一定速度で経路５上（素材１３が施された／施される線により図示した範囲）を、進行方向４（ｚ方向）に構造部材６上を進行する。
【００３２】
素材１３は、素材供給管３０を介して例えば粉末の形で供給する。複数の素材供給装置を使用してもよい。この供給管３０は、素材１３を時間的に、かつ場所的に、またそれらの組成を変えて供給することもできる。
【００３３】
基板１８は、上記構造部材６の被処理表面２１で例えば同時に溶融され、鋳直される。この溶融した液状の浴に素材１３を、例えば針金、薄板又は粉末として供給する。単結晶又は多結晶構造であるこの素材１３を溶融させ、基本素材中、即ち再溶融した帯域中に入れ、完全に溶融させる。この溶融した供給素材１３、即ちこの溶融した粉末は、次いで単結晶体又は単結晶の樹枝状晶を有する単結晶の集合組織の形で層状に、即ち樹枝状の単結晶体として凝固する。しかし溶融接合前に既に、素材１３がこの表面２１上に存在していてもよく、これを次いで基板１８の表面２１の一部と溶融状態で接合させる。
【００３４】
従って、元来本発明方法により既に加工された構造部材６の範囲８が存在する。
【００３５】
上述のレーザビーム２の進行方向４内には、本発明方法によりなお製造すべき範囲１１が存在する。この範囲１１内に、溶融し、本発明方法により凝固する素材１３が施され、或いは添加される。単結晶又は多結晶構造を持つこの供給された素材１３は、焦点３の範囲内にもたらされ、完全に溶融して接合される。その際同様に上記構造部材６の表面２１は加熱され、その上で素材１３は溶解して接合される。
【００３６】
例えば略長方形の横断面を持つ焦点３は、進行方向４に素材１３上を進行する。焦点１３の幅（x方向）を例えば素材で範囲の幅と適合させ、かつ供給素材１３のx方向の寸法と略同じ幅になるように適合させ、こうして素材１３から成り、つながった層を被着すべく、１回だけの連続した進行動作で処理すべき表面の全面被着を行う。
【００３７】
焦点３およびこうして溶融し接合された範囲も、同様に線状（即ち線膨張で測定して極めて狭い）又は楕円形に形成可能である。このような焦点３は例えばスラブレーザ装置で得ることができる。
【００３８】
この適切な焦点３の形状を形成する他の方法は、光ファイバ（ファイバアレイ）、ビーム変換光学機器、ダイオードスタック及び場合によっては例えばロート形に鋳造し、コンパクトに形成した光学機器により与えられる。
【００３９】
この放射ビームの横断面の、側方の縁範囲には素材１３は入れられない。この長方形の焦点３の中心範囲の幅が広ければ広いほど、被着された素材１３により形成されるビートは幅広になる。適切な措置によりこの幅は変化させ得る。これは例えばレーザ装置１５の相応するレンズ系により行われる。
【００４０】
」
上記素材１３を例えば粉末の形で線１２内にx方向に沿って施す。全ての線１２はビート、即ち基板１８上に新たに形成される層を形成する。
【００４１】
従来技術では、放射ビーム２は各線１２のｘ方向に蛇行状に往復運動し、こうして初めて歩進的に、進行方向４（ｚ方向）に移動する。本発明方法では蛇行状の往復運動は行わない。これは放射ビームの誘導やエネルギ源１５又は構造部材６の移動を簡素化する。
【００４２】
更にこの運動を焦点３の中心範囲の出力密度が一定になるよう調整するとよい。こうしてビートを、種々の、即ち可変の幅の焦点３が移動する間に形成できる。
【００４３】
本発明方法により幅広の溶接ビートをエピタキシャルに施すことができる。本方法の繰返しにより、層を重ねて任意に厚い組織構造を側方、即ちｘ方向に沿った重複により素材特性を低下させることなく、１ビートずつ形成することができる。
【００４４】
単結晶の層の成長が、この供給された素材１３の完全な溶融を前提とすることに注意せねばならない。さもないと、例えば不完全に溶融した粉末粒は、樹枝状晶及びこの構造の単結晶質の成長を妨げ、かつ破壊する結晶体を晶出する核を形成する。
【００４５】
エピタキシャル処理法で比較的大きな構造や本体を形成する場合、最後に形成した層の表面に微球体の領域が生ずる。これら「等軸晶」は方向付けした結晶の成長を妨げ又は中断する芽晶である。
【００４６】
従ってその上に載る次の層の形成時、単結晶の組織構造を破壊する樹枝状晶を消失させ又は表面下に全く生じさせないよう、これら微球体を完全に溶融することが極めて重要である。
【００４７】
本発明方法により単結晶構造を形成できる他の超合金には、例えばＩＮ  ７３８ＬＣ、ＩＮ  ９３９、ＩＮ  １００、Ｂ  １９１４、ＣＭ  ９９、ＳＲＲ  ９９、ＣＭ−２４７ＬＣ、ＣＭＳＸ−２、ＣＭＳＸ−３、ＣＭＳＸ−６、Ｍａｒ−Ｍ００２がある。
【００４８】
エネルギ源として例えば電子ビームを使用する本方法は真空中で行われる。またエネルギ源としてレーザを使用するときも真空中で本方法を実施できる。真空中ではエネルギ源、基板及び供給すべき素材の操作が問題となり得る保護ガスを必要としない。
【００４９】
温度の調整は、次のエピタキシャル層を形成すべき時点を特定する光学機器３３により行うことができる。
【００５０】
図３は、エネルギビーム２で覆われる、破線で縁取りした照射範囲２４を示す。この範囲２４は表面２１上に設定される。こうして、エネルギビームの放射で生じた内側の範囲（図の灰色部分）、即ちエネルギの放射により生じ、形成された焦点３全体を示す内側の範囲と、外側範囲２７、即ちエネルギビーム２により照射されているが、そのエネルギが素材を溶融させるには小さすぎる範囲とが生ずる。
【００５１】
この焦点３の小さな前面に、一定の均一なエネルギ分布が生ずる。これは、従来の一般的な円形の焦点には当てはまらない。即ち、この長方形の焦点３は溶融すべき範囲の輪郭に適合している。
【００５２】
適切に設定又は制御可能な光学装置により、このビーム断面を加工中に所望の幅に調整できる。同様に計算機により、レーザの出力を同時に適合させられる。例えばもう１つの直列に接続した光学機器は、溶融すべき範囲の最適幅を把握し、その場でエネルギ源１５に転送する。即ち焦点３がどの位の幅でなければならないかを把握する。特にそれにより並列に配置された範囲８の重複は回避できる。既に結晶化した範囲が溶融した範囲と接触すると誤配向を来たすことになり得る。これは本発明方法により、表面21上の素材１３により盛り上げるべき範囲を１回だけの作動でｚ方向に盛り上げることで回避できる。本方法はｙ方向には何回も繰返し得る。即ちその場合、重ねて被着と溶融を行う。
【００５３】
場合によっては、これらの線１２をｘ方向に従来技術におけるように向かわせる際、１回の重複は可能である。しかし本発明においては、この焦点３の従来技術に比べて小さい前面に、一定の均一なエネルギ分布をｘ方向において達成できる。
【００５４】
レーザ装置のレーザ波長を、工作物がレーザビームのエネルギを強く吸収し及び／又は弱く反射するよう選択する。これは、例えば１．０６μｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザ及び高出力ダイオードレーザ（０．８１μｍ、０．９４μｍ）に該当する。
【００５５】
図４はｘ方向の放射ビーム（焦点３）のもう１つの強度分布を示す。焦点３は、ｘ方向の中央範囲に対比してプロフィール端部に、エネルギ源１５のエネルギ投入強度の高まり３６を有する。それにより表面の応力作用を補整することができる。
【００５６】
図５は従来技術での処理過程を示す。従来技術による方法では、施すべき素材の層は、被処理表面（１１）の縦方向に対し横方向（ｘ方向）に、その都度処理すべき表面の範囲に相当する狭い範囲（１２）内に並列に施される。その結果個々の溶接ビート（新しい素材が並列して成長する範囲）が重複又は接触することになり、それら溶接ビートがその形状の関係から、不十分な結晶配向を有する非エピタキシャルな成長となる。円形の放射ビーム２は円形の焦点３を形成する。即ちこのレーザビーム２はｘ方向に何回も往復運動し、徐々に歩進的にｚ方向に前進する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明方法に使用される焦点の断面における強度分布を示す図。
【図２】本発発明方法を使用する構造部材上に焦点を示す図。
【図３】照射面と焦点を示す図。
【図４】本発明方法に使用される焦点の横断面内の強度分布を示す図。
【図５】従来技術による処理過程を示す図。
【符号の説明】
【００５８】
２  放射ビーム、３  焦点、５  プロフィール端部、６  構造部材、１２  線、１３  素材、１５  エネルギ源、１８  基板、２１  処理すべき表面、３０  素材供給管、３３  光学機器、２４  照射範囲、２７  処理表面の外側範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2005522342.tif 000009
2005522342.tif 000010
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