(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状又は等軸もしくは一方向凝固又は単結晶のミクロ組織を有する超合金物品を形成又は補修する方法であって、
物品の層のパターンに対応するダイオードレーザファイバーアレイの選択されたファイバーから複数のレーザビームを超合金の粉体床上に所望の結晶構造に対応する所定のレーザオン時間だけ放射して溶融プールを形成するステップと、
０．１〜１００秒の冷却速度が実現されるように、レーザエネルギーを、０．１〜１０Ｗ／ｓの速度で減衰させることにより溶融プールの温度勾配及び凝固速度を制御して、柱状で樹木状の単結晶のミクロ組織を形成するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
温度勾配及び凝固速度を制御するステップが、複数のレーザビームの各々のレーザエネルギーの減衰率を制御して、溶融プールの冷却期間を制御するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
温度勾配及び凝固速度を制御するステップが、粉体床を支持する基板を加熱及び／又は従前の溶融プールの凝固によって形成される物品の従前の層を加熱するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
各ダイオードレーザの平均出力が、最大５Ｗ〜１０Ｗである、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
各レーザビームの直径が０．０１ｍｍである、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
各レーザビームが５〜５０ｍｓの間で放射される、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
ダイオードレーザファイバーアレイの効率が０．５である、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
各レーザビームのエネルギー分布がトップハットである、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
溶融プールが、２０μｍ〜１５０μｍの深さを有する、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
超合金の粉体の粒径が、１０μｍ〜１５０μｍであり、
単結晶の粒径が、１０μｍ〜１００μｍである、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
溶融プールの温度勾配及び凝固速度を制御するステップが、レーザビームの各々の持続時間、ダイオードレーザの各々のパルスエネルギー、ダイオードレーザの各々のパルス幅、ダイオードレーザの各々の平均出力、レーザビームの各々のエネルギー分布、レーザビームの各々の出力密度、レーザビームの各々の出力密度、レーザビームの各々の出力の低減率、及び／又は粉体床からファイバーの端部の距離のうちの少なくとも１つを制御するステップを含む、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
溶融プールの温度勾配及び凝固速度を制御するステップが、層のパターンに少なくとも隣接したファイバーからレーザビームを放射して、構造部の層の粉体に隣接した粉体を加熱して、溶融された粉体の冷却速度を制御するステップを更に含む、請求項１乃至１１のいずれかに記載の方
法。
【請求項１３】
層の各々の厚さが、１μｍ〜１ｍｍである、請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
選択されたファイバー及び粉体床を互いに対して移動させるステップと、
相対移動中に選択されたファイバーのダイオードレーザを制御するステップと
を更に含む、請求項１乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
溶融プールの温度勾配及び凝固速度を制御して、柱状又は単結晶のミクロ組織を形成するステップが、層の各々の冷却速度を２次元で制御するステップを含む、請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術は、全体的に、部品、より詳細にはガスタービンエンジンの部品の製造又は補修で使用するレーザ粉体床溶融結合付加製造（例えば、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ））用のダイオードレーザファイバーアレイの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
付加製造法は、金属、セラミックス及びプラスチックスを含む様々な材料の部品の「３Ｄプリンティング」を可能にする既知の技術である。付加製造法において、部材は、金属粉体を均して、高出力レーザ又は電子ビームを用いて層内で粉体を選択的に溶融することにより層状的に構築される。各層の後に追加の粉体が付加されて、レーザが次の層をパターン形成すると同時に、これを従前の層に溶融して、粉体床に埋設される完全な部品を製造する。付加製造システム及びプロセスは、デジタルモデルから精密な３次元部品を製造するのに使用される。
【０００３】
現行の粉体床システムにおいて構造部を形成する際には、レーザビーム又は電子ビームを用いて粉体層をスキャンし、粉体床の層に所望のパターンを焼結及び溶融している。このようなシステムにおける層当たりの典型的なスキャン時間は、７０〜１００秒の範囲である。一部の用途においては、構造部の加工時間に数日を必要とする可能性がある。ＤＭＬＭの１つの用途は、航空機用ガスタービンエンジンの翼形部の製造及び補修である。翼形部の幾何形状は、従来の鋳造技術を用いて形成するのが困難であり、従って、ＤＭＬＭプロセス又は電子ビーム溶融プロセスを用いた翼形部の製造が提案されてきた。それぞれの層が互いに重なり合って構築され且つ断面毎に互いに接合されて、所要の幾何形状を備えた翼形部又は補修などのためのその一部を生成することができる。翼形部は、所望の構造的特性をもたらすために後処理が必要となる場合がある。
【０００４】
レーザスキャン直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）システムの別の問題は、冷却速度が急激なことであり、付加製造構築プロセス中に特定の合金の亀裂形成を生じる可能性がある。急激な冷却速度はまた、所望の粒形態、パターン及びサイズ（例えば、等軸又は柱状粒、層表面に垂直な粒成長）を獲得する点で問題となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】"Influence of directional solidification variables on the microstructure and crystal orientation of AM3 under high thermal gradient," Xinbao Zhao et al., Journal of Material Science, 45:6101-6107, June 15, 2010
【発明の概要】
【０００６】
本明細書で開示される技術の１つの実施例によれば、柱状又は等軸もしくは一方向凝固又は非結晶質もしくは単結晶ミクロ組織を有する超合金物品を形成又は補修する方法は、物品の層のパターンに対応するダイオードレーザファイバーアレイの選択されたファイバーから複数のレーザビームを超合金の粉体床上に放射して溶融プールを形成するステップと、溶融プールの温度勾配及び凝固速度を制御して、柱状又は単結晶のミクロ組織を形成するステップとを含む。
【０００７】
本明細書で開示される技術の別の実施例によれば、超合金物品又は補修品は、上記段落の方法によって形成される。
【０００８】
本発明技術のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本発明の技術と共に使用するためのダイオードレーザファイバーアレイの概略図。
【図１Ｂ】本発明の技術と共に使用するためのダイオードレーザファイバーアレイの別の概略図。
【図１Ｃ】本発明の技術と共に使用するためのダイオードレーザファイバーアレイの別の概略図。
【図１Ｄ】本発明の技術と共に使用するためのダイオードレーザファイバーアレイの別の概略図。
【図２】本発明の技術の１つの実施例によるダイオードレーザファイバーアレイによる粉体床層のパターンの同時溶融のためのシステムの概略図。
【図３】本発明の技術の１つの実施例によるダイオードレーザファイバーアレイにおいて使用可能な光ファイバー構造の概略図。
【図４Ａ】本発明の技術によるシステムと共に使用可能なファイバーアレイの概略図。
【図４Ｂ】本発明の技術によるシステムと共に使用可能な別のファイバーアレイの概略図。
【図５】本発明の技術のダイオードレーザファイバーアレイを用いて形成することができるミクロ組織の柱状から等軸遷移（ＣＥＴ）を熱勾配（Ｇ）と凝固速度（Ｖ）の関数として示した線図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１Ａを参照すると、ダイオードレーザアレイ１０１（例えば、ダイオードレーザバー、ファイバーピグテール、又はスタック）は、複数のダイオードレーザ又はエミッタ１０３を含み、各々が、レーザエネルギービーム１０５を放射する。複数の球体レンズ１０７が、ダイオードレーザ１０３と複数の光ファイバー１０９との間に位置付けられて、各ダイオードレーザ１０３から光ファイバー１０９へレーザエネルギーを結合する。光ファイバー１０９は、例えば、図１Ａ〜１Ｃに示すように、ダイオードレーザと光ファイバーアレイの自由端との間に束１０２の状態で設けることができる。しかしながら、結合光学系を使用しないダイオードファイバーレーザアレイは、以下で述べるように本発明の技術と共に用いることができる点は理解されたい。
【００１１】
図１Ｂを参照すると、ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、光ファイバー１０９の端部にてレンズ１１７を含むことができる。レンズ１１７は、光ファイバー１０９からコリメートされたレーザビーム１２０を提供するよう構成することができる。図１Ｃを参照すると、ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、ダイオードレーザ１０３と光ファイバー１０９との間に光学系（例えば、レンズ）を含まなくてもよく、レーザエネルギービーム１０５は、ダイオードレーザ１０３に近接した光ファイバー１０９によって受け取ることができる。光ファイバー１０９は、それぞれの端部にてレンズ１１７を有することができる。レンズ１１７は、光ファイバー１０９から放射されるレーザビーム１２０に所定の発散をもたらすよう構成することができる。また、レンズを設ける代わりに、光ファイバー１０９の端部の形状を、コリメートされた又は発散したレーザビーム１２０を提供するようにしてもよい点を理解されたい。図１Ｄを参照すると、ダイオードレーザは、光ファイバー１０９の入力に接合１２５されるファイバーピグテール１２３を含むことができる。Ｆシータレンズは、ファイバーアレイから出射するレーザビーム１２０をコリメートする。
【００１２】
図２を参照すると、ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、レーザビーム１２０を光ファイバー１０９から粉体床１３０に配向し、所望の粉体の全てを１つの層に同時に溶融する。例えば、製造される補修部材又は部品の所望のパターンを生成するために、各ファイバー１０９からの所望の同時溶融に影響を及ぼすのに必要なダイオードレーザ１０３がターンオンする。所望のパターンの溶融プロセス時間は、１秒未満とすることができ、現行のスキャンプロセスよりも少なくとも２桁も速い。
【００１３】
粉体床１３０は、支持体１７０上に支持される部品１５０（例えば、航空機のガスタービンエンジンの翼形部）に設けられ、部品に対して補修部を提供することができる。本発明の技術は、部品への補修機能に適用できるが、新しい製品の部品の付加製造構築にも適用可能であることを理解されたい。粉体床は、支持体１７０上、及び部品を層状に構築又は製造するのに使用されるダイオードレーザファイバーアレイ１０１上に設けることができる。
【００１４】
支持体１７０は、図２に示されるＺ方向（すなわち、粉体床１３０に垂直）で支持体１７０を移動させるよう構成されたアクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５によって移動することができる。アクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５はまた、図２に示されるＸＹ平面で支持体１７０を移動させるよう構成することができるが、支持体１７０は、各ファイバー１０９から粉体床の同時溶融の際にＸＹ平面で移動しない。アクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５は、アクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５及びダイオードレーザファイバーアレイ１０１を制御するよう構成されたコントローラ１３５によって制御することができる。アクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５は、例えば、リニアモータ及び／又は液圧及び／又は空気圧ピストン及び／又はスクリュー駆動機構及び／又はコンベアを含むことができる。ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、パターンを得るために層内で必要な粉体の全てを同時に溶融することができるので、例えば、粉体の層をスキャンするのにレーザビーム又は電子ビームを用いる現行のシステムで行われるような、溶融中にアレイ１０１又は粉体床１３０の何れかを移動させる必要はない。
【００１５】
光ファイバー１０９のアレイ（すなわち、光ファイバー１０９の端部）と粉体床１３０との間の距離Ｄは、支持体１７０をＺ方向に移動させることにより制御することができる。距離Ｄは、光ファイバー１０９により放射されるレーザビーム１２０のタイプ（例えば、レーザビーム１２０がコリメートされるか又は発散されるかどうか、及び発散の量）、各ダイオードレーザ１０３の平均出力、各ダイオードレーザ１０３のパルスエネルギー、各ダイオードレーザ１０３のパルス幅、及び／又はビームモード（例えば、ガウス分布、トップハット分布、その他）に応じて決定することができる。光ファイバー１０９の端部は、所要のダイオードレーザ１０３を同時にターンオンすることによって、粉体床１３０の層の何れかの領域が同時に溶融できるように、粉体床１３０の上方で、例えば約５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、例えば約２０ｍｍ〜約８０ｍｍに配置することができる。
【００１６】
コントローラ１３５は、各ダイオードレーザ１０３のターンオン、ターンオフ、並びに各ダイオードレーザの初期出力を制御する。コントローラはまた、各ダイオードレーザ１０３の出力がターンオフ時に低下する割合を制御することができる。コントローラ１３５は、例えば、約５〜１５ミリ秒、又は必要に応じてそれよりも長い時間フレーム内で各ダイオードレーザ１０３をターンオン及びオフにすることができる。例えば、補修される翼形部上の粉体１３０の所与の層については、所望のダイオードレーザ１０３が起動され、コントローラ１３５に入力及び／又は記憶することができるＣＡＤ設計に従って所望の形状に粉体を溶融する。このプロセスは、必要とされる補修領域を構築するのに必要に応じて、何回も繰り返すことができる。本システムが部品（例えば、翼形部）を製造するのに使用される場合、プロセスは、部品を構築するのに必要に応じて何回でも繰り返される。コントローラ１３５は、ダイオードレーザファイバーアレイによって粉体の層が付加されて、その後に処理されるときに、支持体１７０を下向きに移動させるようアクチュエータ１７５を制御する。形成される各層は、例えば、約１μｍ〜約１ｍｍ厚さとすることができる。翼形部の補修の場合、各層は、例えば、約１００μｍ厚さで形成することができる。
【００１７】
コントローラ１３５は、コンピュータプロセッサ又は他のロジックベースデバイス、ソフトウェアコンポーネント（例えば、ソフトウェアアプリケーション）、及び／又はハードウェアコンポーネントとソフトウェアコンポーネントの組合せ（例えば、ハードワイヤード制御命令を有するコンピュータプロセッサ又は他のロジックベースデバイス、及び関連するソフトウェアコンポーネント、コンピュータプロセッサ、又は他のロジックベースデバイス、又は同様のもの）とすることができる。
【００１８】
ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、溶融領域付近又は隣接した粉体の温度を制御して、溶融領域の冷却速度を制御するようコントローラ１３５によって制御することができる。コントローラ１３５はまた、粉体床１３０及び／又は部品１５０を予熱するようダイオードレーザファイバーアレイ１０１を制御することができる。ダイオードレーザ１０３の予熱出力密度は、約１００〜１０００００ワット／ｃｍ2とすることができる。粉体床１３０及び／又は部品１５０を予熱すること、及び／又は溶融領域付近又は隣接した領域を加熱することにより、実質的に粉体床に垂直な方向（すなわち、図２のＺ方向）でのみ熱勾配を制御することができる。これは、迅速な凝固冷却速度に対して亀裂が生じやすい材料を助けることができる。層表面に垂直な望ましい粒成長は、粉体床層の平坦冷却により達成することができる。これにより、翼形部形構造体の肉盛り補修に関して一方向凝固（ＤＳ）型の結晶粒組織及び単結晶組織の形成が可能となる。また、ダイオードレーザ１０３は、粉体床１３０を加熱して、溶融領域の温度及び温度勾配を制御するように制御することができる点は理解されたい。溶融領域の温度及び温度勾配を制御することにより、例えば、粉体の蒸発、凝固層の結晶粒組織、及び／又は補修又は部品の表面仕上げの制御が可能となる。各構築層の２Ｄ平面における冷却速度の空間的制御によって、各構築層の結晶粒組織を制御することが可能となり、並びに構築層として３５の結晶粒組織が付加されて構造部を形成する。また、各構築層の２Ｄ平面における冷却速度の空間的制御によって、３Ｄ構造部又は部分の表面を形成することになる体積の特別な処理が可能となる。これは、表面粗さ及び表面での密度（多孔率）の制御を可能とし、例えば、疲労などの部材の機械的特性を改善することができる。
【００１９】
粉体床１３０の材料は、金属粉体、例えば、ＣｏＣｒＭｏ粉体とすることができる。粉体床には、他の材料（例えば、プラスチック、セラミック、又はガラス）を用いることができる点は理解されたい。粉体床の材料に応じて、ダイオードレーザ１０３の出力は、約１０〜約６０ワットとすることができる。使用されるダイオードレーザ１０３の出力は、使用される光ファイバー１０９の直径に関連付けることができる。各ダイオードレーザ１０３の出力密度は、各ファイバーからの層内の粉体を溶融するために、最大で約１００００００ワット／ｃｍ2とすることができる。
【００２０】
ファイバーアレイ（例えば、図４Ａ及び４Ｂに示されるような）のファイバー中心位置は、バッファの直径又は光ファイバー１０９のコーティング１１５によって設定される。図３を参照すると、光ファイバー１０９は、例えばシリカから形成されるコア１１１と、コア１１１の周りのクラッディング１１３（例えば、シリカから形成される）とを備える。ファイバー１０９内で開口数を生成し且つ全反射をもたらすために、シリカコアの屈折率は、シリカクラッディングの屈折率よりも大きくすることができる。例えば、シリカコアは、屈折率が約１．４５とすることができ、シリカクラッディングは、屈折率が約１．４３とすることができる。クラッディング１１３は、厚さが約１０μｍとすることができる。
【００２１】
バッファ又はコーティング１１５は、クラッディング１１３を囲み、例えば、アクリレートから形成することができる。光ファイバー１０９間の中央スペースを低減するために、バッファ（アクリレートコーティング）１１５をより薄肉のアクリレートコーティングで置き換えて、全体のファイバー直径を低減することができる。バッファ又はコーティング１１５の厚さは、約６２μｍとすることができる。ファイバー１０９の全直径は、約２００μｍ〜約２５０μｍとすることができる。
【００２２】
ファイバーコア１１１の直径は約１０５μｍとすることができる。約６０μｍのファイバーコア直径を用いることができる点は理解されたい。加えて、様々な断面の光ファイバー１０９を用いることができる点は理解されたい。例えば、方形又は六角形ファイバーを用いて、ファイバーのパッキング性を向上させることができる。各光ファイバー１０９からのレーザビーム１２０によって生成される溶融プールサイズは、レーザビーム１２０によって生成される有効レーザスポットサイズに相当する。コリメートされたレーザビーム１２０の場合、溶融プールサイズは、ファイバーコア１１１の直径にほぼ相当する。しかしながら、光ファイバー１０９からのレーザビーム１２０は、例えば、ファイバーコア１１１の直径の２倍〜４倍の大きさの溶融プールサイズを生成するよう制御することができる。レーザビーム１２０は、ファイバーコア１１１の直径よりも大きな溶融プールサイズを提供するように発散を有するよう制御することができる。発散ダイオードレーザ１２０の場合、アレイ１０１のファイバー１０９の端部から粉体床１３０までの距離Ｄはまた、各ファーバーの溶融プールサイズに影響を及ぼすことになる。レーザビームのパルス幅及びレーザビームモード分布はまた、各ファイバーによって提供される溶融プールサイズを調整するよう制御することができる。
【００２３】
図４Ａ及び４Ｂを参照すると、ファイバー１０９のアレイは、図４Ａに示すように直線形、又は図４Ｂに示すように近接詰め込み配列とすることができる。他のアレイ（例えば、六角形）を用いることもできる。また、アレイは、製造される部品の形状に相当する形状とすることができる点を理解されたい。ファイバー１０９間のスペースは、バッファ又はコーティング１１５の直径に等しいとすることができる。
【００２４】
本明細書で記載されるように、優れた機械的強度、熱クリープ変形に対する耐性、良好な表面安定性、及び腐食又は酸化に対する耐性があることに起因して、ガスタービンブレードのような部品の補修及び／又は構築用として超合金を使用することが望ましい。現行では、融点付近の温度での充填に耐える能力、クリープ及び酸化耐性に起因して、単結晶超合金が使用されている。単結晶超合金で形成される部品は、現行では、ブリッジマン（Ｂｒｉｄｇｍａｎ）鋳造などの手法を用いて形成される。
【００２５】
図５を参照すると、本発明の技法のダイオードレーザファイバーアレイを用いて形成できるミクロ組織は、Ｘ軸に沿った熱勾配（Ｇ）とＹ軸に沿った凝固速度（Ｖ）の関数として示される。図示のように、例えば単一レーザスキャンによって行われる従来のＤＭＬＭシステム及びプロセスは、一般に、Ｎｉベース超合金の柱状のミクロ組織を生成する。従来のＤＭＬＭは、一般に、高い温度勾配及び高い凝固速度処理の処理と考えられる。従来の特定のＤＭＬＭシステム及びプロセスは、等軸構造を生成することができる。平坦成長は、図面で示された等軸領域及び柱状領域の上方及び下方のスペースで起こる。化学的不均質性が生じるのに利用可能な時間は限られているので、図の上方領域における高い凝固速度により、完全な溶質トラッピングがもたらされる。図の右下には、組成的過冷却限度が示され、分岐なしで液体と固体の間の平界面がもたらすこの領域において、平坦成長が生じると予想される。核形成に必要な過冷却量を低減することで、等軸領域が拡大し、過冷却量を増大させると、等軸領域が減少する。
【００２６】
図５を更に参照すると、発明者らは、中〜高温度勾配及び低〜高速の凝固先端におけるＣＥＴ図の領域は、単結晶の一方向性凝固（ＤＳ）超合金をもたらすことができることを見いだした。ミクロ組織は、本明細書で開示されるダイオードレーザファイバーアレイシステム及びプロセスを用いて、溶融プールの熱勾配（Ｇ）及び凝固速度（Ｖ）を制御することにより得ることができる。図面に示される矩形領域は、ミクロ組織を得ることができる範囲を定める。冷却速度は、０．１ｓ（秒）〜１００ｓにわたることができる。これらの冷却速度により得られるミクロ組織は、矩形領域の左側に示される高い基板加熱の領域から、右側に示される基板加熱なしの領域にわたる。図面に示される矩形領域は、粉体層の厚さを低減することによって、図示の領域を超えて更に上方及び右側に拡大することができる。本明細書で使用される場合、用語「高い基板加熱」とは、基板の融解温度未満近くの温度まで基板（粉体床の真下にある物品又は部品）を加熱することを意味している。基板上に形成又は堆積される材料の従前の層は、冷却速度を制御（例えば、低下）するために加熱（例えば、予熱）することができる。これらの構造体は、柱状で樹木状（すなわち、分岐又はツリー様）の構造体を有する。本明細書で開示されるシステム及びプロセスによって生成される粒子は、大きな粒子（例えば、１０μｍ〜１００μｍ）とみなすことができる。基板の加熱は、放射加熱、誘導加熱、マイクロ波加熱、その他を含む、何れかの好適なプロセスによって実施することができる。加えて、ダイオードレーザファイバーアレイ１０１により加熱を提供することができる。
【００２７】
温度勾配Ｇ及び凝固速度は、ダイオードレーザファイバーアレイの出力の減衰率の制御により制御することができる。例えば、各ダイオードレーザの平均出力が１０Ｗの場合、レーザエネルギーは、例えば、１０Ｗ／ｓの速度（図５に示すように１ｓ低温で）、又は１Ｗ／ｓの速度（図５に示すように１０ｓ低温で）、又は０．１Ｗ／ｓの速度（図５に示すように１００ｓ低温で）で線形的に減衰することができるが、線形的減衰に限定される訳ではない。別の実施例として、各ダイオードレーザからの出力は、各ダイオードレーザで異なることができる設定値に漸近的に減少することができる。また、各ダイオードレーザの出力は、「瞬間的に」減衰する、すなわち、ターンオフすることができる点を理解されたい。
【００２８】
単結晶の一方向性凝固した超合金ミクロ組織を生成するよう制御することができる他のパラメータには、レーザモード分布（例えば、トップハット又はガウス）レーザスポット直径、レーザ出力、レーザオン時間、レーザ効率（α）、及びレーザビーム間の中心線間隔が挙げられる。パラメータの値（例えば、範囲）は、材料によって決定することができる点を理解されたい。例えば、図５に示す単結晶の一方向性凝固ミクロ組織は、トップハットモード分布、０．０５〜０．２ｍｍのレーザスポット直径、５〜６０Ｗのレーザ出力、５〜５０ｍｓのレーザオン時間、０．５のレーザ効率α、及び８０μｍの中心線間隔を用いて生成することができる。
【００２９】
溶融プールの形状は、ダイオードレーザファイバーアレイのパラメータを制御することによって、平坦な凝固先端を得て、制御されたＤＳ凝固条件を提供するよう制御することができる。パラメータは、準静的な溶融プールを得るように制御することができる。溶融プールのサイズ（深さを含む）は、粉体の粒径に応じて決定することができる。ダイオードレーザファイバーアレイを用いて、２０μｍ〜１５０μｍの深さ及び深さの３〜１０００００倍の幅を有する溶融プールを形成することができる。本明細書で開示されるシステム及びプロセスで使用可能な粉体の粒径は、１０μｍ〜１５０μｍにわたることができ、例えば、Ｎｉベース超合金の粉体の粒径は、４０μｍとすることができる。図５のＣＥＴ図は、特定の超合金の場合であるが、本明細書で開示されるシステム及びプロセスを用いて形成可能な他の超合金のミクロ組織を決定するために、他のＣＥＴ図を生成することができる点は理解されたい。
【００３０】
本発明の技術のダイオードレーザファイバーアレイは、所要のダイオードレーザビーム源からの同時レーザエネルギーに層を晒すことによって、粉体床層を処理するのに用いることができる。本発明の技術はまた、１秒未満、及び必要に応じて、溶融領域の冷却速度を制御するため溶融領域付近及び／又は隣接した粉体の熱を制御することができるある時間フレームで完全な層状パターンを溶融可能にする。ダイオードレーザファイバーアレイは、結晶粒組織制御を可能にする。ダイオードレーザファイバーアレイは、結晶粒組織制御を可能にする。ダイオードレーザファイバーアレイシステムの商業的利点は、現行のシステムと同じ量の部材を製造するのに必要なシステムがより少なく、出力床システムを対象部材のサイズに調整することを含む。本明細書で開示される技術はまた、焼結（例えば、直接金属レーザ焼結）を実施するのに用いることができる。
【００３１】
本発明の技術のダイオードレーザファイバーアレイはまた、とりわけ基板温度及びレーザ出力を時間の関数として制御することによって、等軸又は柱状／樹木状（ＤＳ／ＳＸ）に対する大きな実施可能領域を包含する、中〜高温度勾配及び低〜高凝固速度にわたってミクロ組織の形成を可能にする。
【００３２】
上述のかかる目的又は利点の全てが必ずしも特定の実施例によって達成できるとは限らない点を理解されたい。従って、例えば、本明細書で説明したシステム及び技法は、本明細書で教示又は提案することができる他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する様態で具現化又は実施できることは当業者には理解されるであろう。
【００３３】
本発明の技術の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、添付の請求項は、かかる修正及び変更全てを保護することを意図している点を理解されたい。
【符号の説明】
【００３４】
１０１  ダイオードレーザファイバーアレイ
１０３  ダイオードレーザ
１０９  光ファイバー
１２０  レーザビーム
１３０  粉体床
１３５  コントローラ
１７０  支持体
【図１Ａ】
0006553102.tif 000002
【図１Ｂ】
0006553102.tif 000003
【図１Ｃ】
0006553102.tif 000004
【図１Ｄ】
0006553102.tif 000005
【図２】
0006553102.tif 000006
【図３】
0006553102.tif 000007
【図４Ａ】
0006553102.tif 000008
【図４Ｂ】
0006553102.tif 000009
【図５】
0006553102.tif 000010