(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加製造によって形成されたベース合金の構成要素の残留応力を監視する方法であって、
前記構成要素の通常の動作条件の間に高応力を受けることが予想される領域を有する、前記構成要素の高応力位置を特定するステップと、
前記構成要素の特定された高応力位置に関連するマーカーを形成するように、付加製造中に表面領域及び表面付近の領域にマーカー粒子を導入するステップと、
前記マーカーで前記構成要素の残留応力を測定するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
Ｘ線回折を用いて前記マーカーで前記残留応力を測定することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記Ｘ線回折は、表面位置及び表面付近の所定の位置のうちの少なくとも一方における前記マーカーの格子面間隔を測定するように使用されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記マーカーにおける局部ひずみが、前記測定された格子面間隔から決定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記Ｘ線回折測定は、Ｘ線回折計を用いて行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記構成要素の表面に集束される直径約１ｍｍ〜２ｍｍのＸ線ビームを用いて前記Ｘ線回折を行うことをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記付加製造は、直接金属蒸着、直接レーザー溶融または直接的レーザー蒸着を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記マーカーは、前記ベース合金内で不溶性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ベース合金がチタン合金を有し、前記マーカーがセリウムを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
動作の間に応力を受ける、付加製造によって形成されたベース合金の構成要素であって、マーカーを備え、このマーカーは、所定の位置で構成要素の表面領域及び表面付近の領域に挿入される、前記ベース合金とは異なるマーカー材料からなり、残留応力測定が構成要素上でマーカーでなされる、構成要素。
【請求項１１】
前記所定の位置は、前記構成要素の通常の動作条件の間に応力を受けることが予想される領域を有することを特徴とする請求項１０に記載の構成要素。
【請求項１２】
前記残留応力測定は、Ｘ線回折測定であることを特徴とする請求項１０に記載の構成要素。
【請求項１３】
前記Ｘ線回折測定は、前記マーカー材料の格子面間隔を測定することによって、前記マーカー材料における残留ひずみを決定するように使用されることを特徴とする請求項１１に記載の構成要素。
【請求項１４】
前記Ｘ線回折は、Ｘ線回折計を用いて行われることを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
【請求項１５】
前記Ｘ線回折測定は、約１ｍｍ〜２ｍｍの大きさのビームを使用することを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
【請求項１６】
前記付加製造は、直接金属蒸着、直接レーザー溶融または直接レーザー蒸着を含むことを特徴とする請求項１０に記載の構成要素。
【請求項１７】
前記マーカー材料は、前記ベース合金内で不溶性であり、前記ベース合金と共に第２の相を形成せず、かつ前記ベース合金と別途反応しないことを特徴とする請求項１０に記載の構成要素。
【請求項１８】
前記ベース合金はチタン合金を有し、前記マーカー材料がセリウムを有することを特徴とする請求項１０に記載の構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、付加製造の分野に関する。特に、本発明は、構成要素における特定の位置での残留応力の測定を可能にする付加製造プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
付加製造は、部品の正確な３次元（３Ｄ）コンピュータモデルに従ってそれぞれの層を形成する機械によって、部品を一層毎の様式で製造することができるプロセスである。粉体層付加製造において、粉体の層がプラットフォーム上に広げられ、選択的な領域が、方向付けられたエネルギビームによる焼結または溶融により接合される。プラットフォームは下に割送りされ、粉体の別の層が塗布され、選択された領域が再度接合される。このプロセスは、完成した３Ｄ部品が製造されるまで、何千回までも反復される。直接蒸着付加製造技術において、少量の溶融材料または半固体材料が、部品の３Ｄモデルに従い、押出加工、射出またはワイヤ供給によって、プラットフォームに塗布され、エネルギビームによってエネルギが加えられ、これにより、材料が結合され、部品が形成される。一般の付加製造プロセスは、選択的レーザー焼結、直接レーザー溶融、直接金属蒸着及び電子ビーム溶融を有している。
【０００３】
構成要素が製造されると、構成要素は、特定の機能に使用されるシステムに組み込まれる。一例はガスタービンエンジンである。動作の間、構成要素は、この構成要素に応力をかける熱環境及び機械環境にさらされる。構成要素によって経験される応力及び結果として生じるひずみにより、残留応力及び起こり得る構造的欠陥または亀裂が、構成要素に生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
構成要素における亀裂成長または残留応力を検出するために、いくつかの非破壊的技術が存在する。現在の非破壊的技術は、電磁場、染料または超音波等の外部プローブに構成要素をさらす。現在の技術では、構成要素内の所定の位置、例えば増加した実働応力の領域で、局所的な情報を得ることは困難である。現在の技術は、割れ目の形成後に割れ目を検出することが多く、割れ目、例えば内部亀裂の形成に至る段階への感度が非常に低くなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
付加製造によって形成されたベース合金の構成要素の残留応力を監視する方法は、構成要素の通常の動作条件の間に高応力を経験する構成要素上の所定の位置を識別することを含む。マーカー粒子が、構成要素の付加製造中に所定の位置で構成要素の表面領域及び表面付近の領域に導入される。構成要素の残留応力が、マーカー粒子の位置で測定される。
【０００６】
付加製造によって形成され、さらに動作の間に応力を受ける構成要素は、構成要素の表面にわたる様々な所定の位置で構成要素の表面領域及び表面付近の領域に挿入された、マーカー材料を有する。マーカーにより、構成要素上のそれぞれのマーカー材料のサイトでの残留応力の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】構成要素における残留応力を監視する方法を示す流れ図である。
【図２】直接金属蒸着プロセスの概略図である。
【図３】タービンブレードの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、残留応力を監視する方法を示す流れ図である。方法１０は、まず、構成要素の通常の使用条件によって生じる高応力領域を識別すること（ステップ１２）を含む。次のステップでは、付加製造プロセスが開始される（ステップ１４）。マーカー粒子が、製造中に構成要素の所定の高応力位置で導入される（ステップ１６）。そして、付加製造プロセスは完了し（ステップ１８）、構成要素は、通常の使用条件下で運転にさらされる（ステップ２０）。構成要素は、必要な場合には運転から外される（ステップ２２）。Ｘ線回折測定が、マーカー粒子が位置する領域でなされ（ステップ２４）、局部内部弾性ひずみ及び内部残留応力を判断するために、マーカー粒子の格子面間隔を決定する（ステップ２６）。
【０００９】
金属構成要素における残留応力を測定するためのＸ線回折技術が、当業者に周知であり、このＸ線回折技術は、内部弾性応力が、無応力状態における結晶性固体の格子面間隔から、応力下で、同じ材料の格子面間隔を変化させ得るという事実に依存している。格子面間隔は、周知のブラッグの法則から決定される。
【００１０】
ｎλ＝２ｄｓｉｎθ
式中、λは入射Ｘ線波長であり、ｄは格子面間隔であり、θは回折ピークの回折角度であり、ｎは整数である。ｄ1が特定の結晶学的方向における応力がかけられた金属の格子面間隔であり、ｄ0が無応力状態での同じ方向における同じ金属の格子面間隔である場合、その方向の残留ひずみεは、以下となる。
【００１１】
【数１】
0006360894.tif 000002
【００１２】
弾性的に等方性の材料における残留応力は、ひずみを弾性率及びポアソン比を含む適切な項と乗算することによって、ひずみから決定され得る。残留応力のＸ線測定を記載する参照文献の例は、Ｆｉｔｚｐａｔｒｉｃｋらによる、英国の国立物理学図書館（ｗｗｗ．ｎｐｌ／ｃｏ／ｕｋで入手可能）の「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｒｅｓｉｄｕａｌ  Ｓｔｒｅｓｓｅｓ  ｂｙ  Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｉｓｓｕｅ  ２」であり、この文献は、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００１３】
付加製造された構成要素に挿入されるマーカー粒子は、合金形成によって、第２の相の形成によって、または他の形式の溶液もしくは相互作用によって、構成要素材料と相互作用しないように選択される。そして、マーカーの格子面間隔の変化が、マーカーの付近においてマーカーを含有する構成要素の内部応力の測定として使用され得る。最終の条件におけるマーカー材料の格子面間隔は、無応力参照値とみなされる。
【００１４】
マーカー粒子は、Ｘ線による残留応力の測定のために、構成要素の表面領域及び表面付近の領域に挿入される。Ｘ線の金属構成要素への貫通は、一般に、約数ミクロン台である。
【００１５】
Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ等のチタン合金製タービン構成要素との使用のためのマーカー材料の例はセリウムである。セリウムはチタン内でほとんど不溶性であり、Ｔｉ−Ｃｅ二元系において金属間化合物はなく、セリウムはその大きい原子質量のために比較的強いＸ線信号を生成する。ジスプロシウム及びサマリウムが他の候補である。
【００１６】
本方法との使用に好適な付加製造プロセスは直接金属蒸着（ＤＭＤ）である。直接金属蒸着プロセスの概略図が図２に示されている。直接金属蒸着プロセス３０は、基部３２、加工物３４、蒸着ユニット３６およびセンサ４６，４８を備えている。基部３２は、矢印Ａによって概略的に示すように、３軸コンピュータ制御位置決めが可能である。蒸着ユニット３６は、蒸着粉体及び不活性ガスを蒸着サイトに輸送し得るチャネル４０，４２を備えている。蒸着ユニット３６は、レーザーエネルギ源（図示せず）及び関連する光学系３８をさらに備えている。蒸着ユニット３６は、構築の間、５軸コンピュータ制御位置決めが可能である。センサ４４，４６からの出力は、加工物３４の構築を制御するように使用される。加工物３４は、チャネル４２，４４を通して粉体が導入される加工物３４上の小領域４８を、レーザー３８が溶融することによって、形成される。構築は、デバイス３０の制御システムのメモリ内に格納された加工物３４モデルのＣＡＤモデルに従う逐一プロセスである。
【００１７】
本発明において、マーカー領域が必要とされる場合、マーカー粒子が溶融プール４８内に蒸着される標準構築粒子に置き換わる。マーカー領域の大きさは、要件に応じて０．１ミクロン〜１ミリメートルを超え得る。
【００１８】
例示的なタービンブレード５０の斜視図が図３に示されている。タービンブレード５０は、根部５２、プラットフォーム５４、冷却通路５８を有したエアフォイル５６、及び先端部６０を備えている。運転の間のタービンブレード５０上の高応力領域は、主に、エアフォイル５６とプラットフォーム５４との間及び根部５２における曲線領域等の遷移領域にあり、全て矢印Ｔによって示されている。これらの領域には、運転の間に生成される残留応力を監視するために、付加製造構築、例えば図２に示された付加製造構築の間に本発明のマーカーが配置される。マーカー材料は、有用であるために少なくとも次の特徴を示すべきである。マーカー材料は、付加製造プロセスの間にベース合金と合金化すべきでない。マーカー材料は、ベース合金との金属間化合物相を形成すべきでない。マーカー材料は、好ましくは、強いＸ線サインのために高い原子番号を有するべきである。さらに、マーカー材料の回折ピークは、好ましくは、ベース合金の回折ピークとオーバラップすべきでない。
【００１９】
可能な実施例の考察
以下に、本発明の可能な実施例の非排他的な記載を行う。
【００２０】
付加製造によって形成されたベース合金の構成要素の残留応力を監視する方法は、構成要素の通常の動作条件の間に高応力を経験する構成要素の高応力位置を識別すること、構成要素の識別された高応力位置に関連するマーカーを形成するように、付加製造中に表面領域及び表面付近の領域にマーカー粒子を導入すること、マーカーで構成要素の残留応力を測定すること、を含み得る。
【００２１】
前段落の方法は、追加的及び／または代替的に、以下の特徴、構成、及び／または追加の構成要素のうちの任意の１つまたは複数を、任意選択的に含み得る。
【００２２】
Ｘ線回折を用いてマーカーで残留応力を測定する。
【００２３】
Ｘ線回折は、表面位置及び表面付近の所定の位置のうちの少なくとも一方におけるマーカーの格子面間隔を測定するように使用され得る。
【００２４】
マーカーにおける局部ひずみが、測定された格子面間隔から決定され得る。
【００２５】
Ｘ線回折測定は、Ｘ線回折計を用いて行われ得る。
【００２６】
Ｘ線回折は、構成要素の表面に集束される直径約１ｍｍ〜２ｍｍのＸ線ビームを用いて行われ得る。
【００２７】
付加製造は、直接金属蒸着、直接レーザー溶融または直接レーザー蒸着を含み得る。
【００２８】
マーカーは、ベース合金内で不溶性であり得る。
【００２９】
ベース合金はチタン合金とされ、マーカーはセリウムとされ得る。
【００３０】
動作の間応力を受ける、付加製造によって形成されたベース合金の構成要素は、マーカーを備え、このマーカーは、所定の位置で構成要素の表面領域及び表面付近の領域に挿入される、ベース合金とは異なるマーカー材料からなり、残留応力測定が構成要素上でマーカーでなされる。
【００３１】
前段落の構成要素は、追加的及び／または代替的に、以下の特徴、構成及び／または追加の構成要素のうちの任意の１つまたは複数を、任意選択的に備え得る。
【００３２】
所定の位置は、構成要素の通常の動作条件の間応力を受けることが予想される領域とされ得る。
【００３３】
残留応力測定はＸ線回折測定とされ得る。
【００３４】
Ｘ線回折測定は、マーカー材料の格子面間隔を測定することによって、マーカー材料における残留ひずみを決定するように使用され得る。
【００３５】
Ｘ線回折測定はＸ線回折計を用いて行われ得る。
【００３６】
Ｘ線回折測定は約１ｍｍ〜２ｍｍの大きさのビームを使用し得る。
【００３７】
付加製造は、直接金属蒸着、直接レーザー溶融または直接レーザー蒸着を含み得る。
【００３８】
マーカー材料は、ベース合金内で不溶性であり、かつベース合金と共に第２の相を形成し得ず、かつベース合金と別途反応し得ない。
【００３９】
ベース合金はチタン合金とされ、マーカー材料はセリウムとされ得る。
【００４０】
本発明を例示の実施例を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ、また均等物を本発明の要素に代えて置換できることを当業者ならば理解するであろう。さらに、本発明の真の範囲から逸脱することなく、多くの修正を行って特定の状況または材料を本発明の教示に適合させてもよい。したがって、本発明は、開示された特定の実施例に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内に属する全ての実施例を含むことが意図されている。
【図１】
0006360894.tif 000003
【図２】
0006360894.tif 000004
【図３】
0006360894.tif 000005