(57)【要約】  タービンブレード又はベーンのような超合金基材は、基材上に１つ以上の層をクラッドするためにレーザービーム溶接によって加工されるか、又は修復される。レーザーの光エネルギーは、溶接フィラー材料及び下層の基材に移送され、良好な融合のためのフィラーの溶融及び十分な基材表面の濡れを確実とする。エネルギー移送は、基材を熱劣化の危険にさらすレベルより少なく維持される。フィラー及び基材への光エネルギーの移送は、レーザービームと基材とが並進経路に沿って互いに対して相対的に移動するので、エネルギー移送量を変化させて局所的な基材のトポロジーの変化を補償することによって均一に維持される。
2015528392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラー材料を部品の超合金製基材の表面に導入するステップと、
レーザービームを前記フィラー材料及び前記基材上に集束するステップと、
前記フィラー材料をフィラー層として、前記基材に熱劣化を生じさせることなく、前記基材に融合させる光エネルギーを、前記レーザーから前記フィラー材料及び前記基材に移送するステップと、
前記基材と前記レーザービームとを、均一なエネルギー移送を維持しつつ、互いに対して移動させるステップと、
を備える、超合金製部品をクラッドする方法。
【請求項２】
前記均一なエネルギー移送の維持が、部品の表面トポロジーに基づいて光エネルギーの移送を変化させるステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記均一なエネルギー移送の維持が、前記基材と前記レーザービームとの相対的な移動速度を変化させるステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記均一なエネルギー移送の維持が、レーザーの出力を変化させるステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記移動させるステップが、前記レーザービームと前記基材とを互いに対してラスタするステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ラスタするステップが、多次元でラスタするステップをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記均一なエネルギー移送の維持が、エネルギー移送を閉フィードバックループにおいてモニターするステップと、エネルギー移送量をモニターされたエネルギー移動に基づいて変化させるステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記導入するステップが、前記フィラー材料を先置きし、供給するステップからなり、前記フィラー材料が、紛体フィラー、固体ストリップ状フィラー、及びワイヤ状フィラーからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
既にクラッドされたフィラー層の上に少なくとも１つのさらなるフィラー層をクラッドするステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記移動させるステップが、前記基材及び前記レーザービームを並進経路に沿って互いに対して並進させるとともにオシレートさせるステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記並進させるステップが、前記レーザービームと前記基材とを互いに対してラスタするステップを備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
超合金製基材を有し、
フィラー材料を部品の超合金基材の表面に導入するステップと、
レーザービームを前記フィラー材料及び前記基材上に集束するステップと、
前記レーザーによって、記フィラー材料をフィラー層として前記基材に熱劣化を長じさせることなく融合させる光エネルギーを、前記フィラー材料及び前記基材へ移送するステップと、
前記基材と前記レーザービームとを、均一なエネルギーの移送を維持しつつ、互いに対して移動するステップと、
によって、前記基材から、連続する層それぞれを通じたエピタキシャル結晶粒成長を維持する多層クラッド層を備える、タービンブレード及びタービンベーンから成る群から選択されたタービン部品。
【請求項１３】
前記移動するステップが、前記基材と、前記レーザービームと、を並進経路に沿って互いに対して並進させ、かつオシレートさせるステップを備えることを特徴とする請求項１２に記載のタービン部品。
【請求項１４】
前記並進させるステップが、前記レーザービーム及び前記基材を互いに対してラスタするステップを備えることを特徴とする請求項１３に記載のタービン部品。
【請求項１５】
前記均一なエネルギー移送を維持するステップが、前記基材と前記レーザービームとの相対的な移動速度を変化させるステップを備えることを特徴とする請求項１２に記載のタービン部品。
【請求項１６】
前記フィラー材料を前記基材にフィラー層として、前記基材に熱的劣化を生じさせることなく融合させる光エネルギーを、タービン部品の超合金製基材及び前記基材上のフィラー材料へ移送するための、レーザービームを生成するレーザーと、
前記レーザービームを前記基材上に方向づけるための、前記レーザービームを遮蔽する少なくとも１つの可動ミラーと、
前記レーザービームと前記基材との間に相対的な動きを生じさせるとともに、前記基材への均一なエネルギー移送を維持するための、前記少なくとも１つの可動ミラー及び前記レーザーのそれぞれに結合した少なくとも１つの駆動システムと、
を備える、フィラー層によってタービンの超合金製部品をクラッドするためのシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの駆動システムが、前記基材と前記レーザービームとの相対的な移動速度を、前記基材の表面のトポロジーの少なくとも一部に基づいて変化させることによって、前記均一なエネルギー移送を維持する少なくとも１つの駆動システムを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
閉フィードバックループにおけるエネルギー移動をモニターするステップ、及びモニターざれた前記エネルギー移送に基づいて熱エネルギー移動量を変化させるステップによって、均一なエネルギー移動を維持する少なくとも１つの駆動システムを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの駆動システムは、前記少なくとも１つのミラーを、ラスタパターンの並進経路において動かすとともに、前記ミラーを前記並進経路に沿ってオシレートさせることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記レーザー、前記少なくとも１つのミラー、及び少なくとも１つの駆動システムを有するガルバノメータ走査装置を備えることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の参照］
この出願は、共通に所有されている同時係属中の、本願と同時に出願された「レーザークラッディングシステムのフィラー材料分配装置」との名称の米国特許出願第１３／６１１，１４４号を参照によって組み込む。
【０００２】
本発明は、経年劣化したタービンブレード及びベーンのような超合金部品を、レーザービーム溶接によってクラッドする（ｃｌａｄｄｉｎｇ）ための方法に関する。より具体的には、本発明の方法は、１つ以上のフィラー材料の層を、溶接並進経路に沿って基材に溶接し、かつレーザーの光エネルギーを、基材の局所的なトポロジーの変化を補償するように調整して、経路に沿った均一な、若しくは意図的に変化させられたエネルギー移送量を容易とする。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービン又は他の超合金製部品の「構造的な」修復は、損傷を受けた材料を同じ合金材料に置き換え、元の製造用部品仕様に近い（例えば、元の仕様の最大引張強度の少なくとも７０％）強度のような特性を達成することとして一般的に認識されている。例えば、表面割れを生じたタービンブレードへの構造的修復を行い、それによってさらなる割れの危険性を減少させ、ブレードが元の材料構造及び寸法の仕様に戻ることが好ましい。
【０００４】
タービンブレードのようなタービンの部品を製造するのに使用されるニッケル及びコバルト基超合金材料の修復は、完成したブレードの材料の金属学的特性の故に困難ではあるがやりがいのあることである。完成したタービンブレードの合金は、通常は鋳造後熱処理の間に強くされており、このことは、その合金に引き続く構造的な溶接を行うことを困難にする。例えば、ＣＭ２４７合金のような６％以上の総（ａｇｇｒｅｇａｔｅ）濃度のアルミニウム又はチタンを有する超合金は、高温の溶接にかけられた場合に、低濃度のアルミニウム‐チタンを有するＸ−７５０超合金よりも、ひずみ時効割れを起こしやすい。
【０００５】
超合金の加工又は修復のための現在使用されている溶接プロセスは通常、溶け込み部に隣接している基材の実質的な溶融及び溶接棒又は他の添加されるフィラー材料の完全な溶融を含んでいる。そのような材料から構成されるブレードが、同一の若しくは同様の合金から成るフィラー金属で溶接される場合、ブレードは溶接部内及びその近傍での凝固割れ、及び／又は引き続いて行われる、超合金を元の強度及び新しい部品に匹敵する他の材料特性に回復することを意図された熱処理工程中のひずみ時効割れを受けやすい。
【０００６】
下層の超合金基材を熱的に劣化させることなく、超合金フィラー材料を溶融させようとする超合金の接合及び修復の１つの既知の方法は、レーザービームマイクロクラッディングとしても知られるレーザービーム溶接である。超合金基材に適合するか、又は同一の（紛体フィラーであることが多い）超合金フィラー材料は、基材表面に前以て配置されるか又はクラッディングプロセス中に表面上にスプレーされる。固定式光学レーザー（すなわち、相対的な並進とは異なり、レーザーと基板とがレーザービームの適用中、固定された相対配向を有する）によって生成された集束したレーザーの光エネルギーの「スポット」領域は、フィラー材料を液化するとともに、基材の表面を十分に加熱してフィラーと基材材料との良好な合体を容易化し、次いで基材の表面上にクラッド堆積層として凝固する。既知の従来の溶接工程と比較して、レーザービームマイクロクラッディングは入熱の少ない工程であり、上述した凝固割れを引き起こす傾向を減少させる、基材の溶融及び急速な凝固に亘る比較的良好な制御を有する。また、レーザー溶接／クラッディング中の超合金基材への少ない入熱は、別様に上述した溶接後熱処理の歪時効割れに影響する残留応力を最小化する。レーザークラッディングの溶接部は従来形成されていた溶接部を超える構造的利点を有するが、実際の製造及び修復の現実は、単一のパスでクラッディングの体積を適用することによって満たすことができるよりも大きなクラッディング表面積及び／又は体積の範囲を必要とする。
【０００７】
超合金部品への体積付加に対する需要に合わせるために、基材上へのレーザークラッドされた堆積物を、隣接する凝固したクラッドパスの一次元又は二次元の配列から形成することができる。複数のレーザー溶接されたクラッディングのパスおよび層を適用して表面の寸法体積を形成することができる。レーザークラッドした堆積物の配列を生成することは、堆積した材料及び下層の基材における熱の影響を受けた領域の材料中にマイクロクラック及び欠陥を生じさせることが多い。いくつかの欠陥は、不十分な局所的なレーザーの光エネルギーによる入熱がある場合に共通する融合不良（ＬｏＦ：ｌａｃｋ  ｏｆ  ｆｕｓｉｏｎ）に関連する。図１に示すように、例示の超合金製タービンブレード２０は、ブレード本体２２を有する。元の一体鋳造された先端キャップ及び（示されていない）スキーラー（ｓｑｕｅａｌｅｒ）は、使用中に損傷し、磨滅する場合が多く、本体２２の頂部における再加工平面２３を達成するために残留物の清浄化のための除去を必要とする。新しい別個の先端キャップ２４が新しい適合する鋳造材から機械加工され、再加工平面２３に配置される。ブレード２０は次いで、先端キャップの元の構造寸法を修復し、先端キャップ側面２６とブレード本体２２との両方に再加工面２３に亘って融合するために、先端キャップ側面２６に沿って、先端キャップ側面２６の右側に、所定の体積の超合金フィラーによる失われた部分２８を充填する構造的修復を必要とする。ここに適用されたレーザークラッドの堆積物からなる二次元のフィラー溶接の配列３０又はパス（ｐａｓｓ）３１〜３６は、既知のレーザークラッディング方法によって形成される。レーザービームの集束位置及び基材表面は、１つの堆積物（例えば３１等）の形成の後、次の堆積物（例えば３２等）を溶接するために互いに対して移動する。
【０００８】
図１に示されているように、溶接部の配列３０はすべての溶接パスの端において融合不良（ＬｏＦ）を示している。ＬｏＦは、ブレード２０の基材の表面トポロジーにおける１つ以上の局所的な変化の組み合わせによって引き起こされ、この表面トポロジーの変化は、非対称の放熱板特性、低下した出力密度、及び表面反射率を含む、望ましい融合を維持するためのレーザーの光エネルギーの移送における対応する変化を必要とする。局所的な表面トポロジー４０の変化が図２に図示されている。前に堆積された固化したレーザークラッドの堆積物５０は、高い点５２及び基材表面に接触する端部５４によって境界をつけられた湾曲した表面を有する。堆積物５０は追加的な放熱板材料としての役割を果たし、次のレーザークラッドの堆積物が当接関係で形成されて連続的な溶接線を生成する際には、下層の基材４０とともに加熱されなければならない。さらに、湾曲表面５２−５４は、次の隣接した堆積物のレーザービームのエネルギー移送を拡げ、単位領域あたりの局所的な出力密度（例えばワット）を低減させる。潜在的に、湾曲表面５２−５４はまた、局所的なレーザーの光反射率を変化させ、この光反射率の変化は不均一なフィラー紛体の分配、例えば湾曲表面から離れた散布によって悪化し、さらなる反射率の変化を付け加える。
【０００９】
次のレーザークラッディングの堆積物６０が、既存の堆積物５０に隣接して重なり合うように堆積されるときには、新しいレーザーの集束ゾーン全体に亘って共通の均一に適用される出力及び／又はフィラー紛体の分散は、十分な局所的な融合エネルギーを供給せず、重なり領域５２−５４において望ましい溶接よりも劣る溶接を生じさせる。重なり領域５２−５４における“最悪のケース”の融合不良を補償するための、堆積物６０を形成する際のレーザーによって供給される熱エネルギーの全体的に均一な増加は、以前の堆積物の端部５４の右側への基材４０の良好な融合に必要とされる以上である。このことは結果的に、割れに対して敏感な基材材料４０への過剰溶融、過剰加熱、及び過剰応力を生じさせ、これらは引き続く高温割れ及び／又はひずみ時効割れをいたずらに引き起こす。
【００１０】
新しく加工された、又は修復されたタービンブレード又はベーンのような経年劣化した超合金製部品に超合金材料の寸法的な体積を肉盛する（ｂｕｉｌｄ）ことが望ましい場合が多い。既知のレーザークラッド法が採用される場合、複数のパス層が既に堆積された複数のパス層上に堆積されて、必要な肉盛体積を作る。固定光学系を有するレーザーマイクロクラッディングは、修復される全体面積が集束したビーム径に対して大きいので、典型的な修復肉盛を達成するためには複数のパスを必要とする。パスの重なりそれぞれは、完全な融合が肉盛層それぞれ内で達成されること及び完全な融合が既に堆積されている下層と達成されることを確実とするという課題を含んでいる。通常、既知の固定式光レーザークラッディングプロセスにおいては、溶接された凝固結晶の配向（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）は、最初に堆積した数層においては基板に対して直角からシフトする傾向を有し、次いで続いて堆積されたクラッド層においてはますます傾斜した角度にシフトする傾向がある。マイクロクラックは、層間の結晶学的配向のこのようなシフトに起因して生じることが多い。
【００１１】
このように、部品の基材の構造的特性を劣化させることなく、並進経路に沿った望ましい局所的融合によって均一な溶接を容易化する、タービンベーン及びブレードのような超合金製部品をクラッドするレーザー溶接法に対する当業における必要が存在する。
【００１２】
また、部品基材の構造的特性を劣化させることなく、堆積された層それぞれ内の望ましい局所的な融合による、並進経路に沿った連続的な溶接物の形成を容易化する、タービンベーン及びブレードのような超合金製部品に複数の層をクラッドするレーザー溶接法に対する当業における必要が存在する。
【００１３】
部品基材又は下層の既に堆積されたクラッド層の構造的特性を劣化させることなく、堆積された層内の望ましい局所的な融合によって多次元及び／又は多層における均一な溶接を容易化する、タービンベーン及びブレードのような超合金製部品をクラッドするレーザー溶接法に対する当業におけるまた別の必要が存在する。
【００１４】
基材から、連続する層それぞれを通じたエピタキシャル結晶成長を維持して、クラッドされた層間の結晶学的配向における変化によって別様に生じる場合のあるマイクロクラック生成の危険性を減少させる、複数のレーザークラッド層の適用によって、タービンベーン及びブレードのような超合金製部品の表面を肉盛するレーザー溶接法に対する当業におけるさらに別の必要が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明の１つの目的は、部品の基材の構造的特性を劣化させることなく、並進経路に沿った望ましい局所的融合によって均一な溶接を容易化する、タービンベーン及びブレードのような超合金製部品をクラッドするレーザー溶接法を創造することである。
【００１６】
また、部品基材の構造的特性を劣化させることなく、堆積された層それぞれ内の望ましい局所的な融合による、並進経路に沿った連続的な溶接物の形成を容易化する、タービンベーン及びブレードのような超合金製部品に複数の層をクラッドするレーザー溶接法を創造することも本発明の目的である。
【００１７】
本発明のまた別の目的は、部品基材又は下層の既に堆積されたクラッド層の構造的特性を劣化させることなく、堆積された層内の望ましい局所的な融合によって多次元及び／又は多層における均一な溶接を容易化する、タービンベーン及びブレードのような超合金製部品をクラッドするレーザー溶接法を創造することである。
【００１８】
本発明のさらに別の目的は、基材から、連続する層それぞれを通じたエピタキシャル結晶成長を維持して、クラッドされた層間の結晶学的配向における変化によって別様に生じる場合のあるマイクロクラック生成の危険性を減少させる、複数のレーザークラッド層の適用によって、タービンベーン及びブレードのような超合金製部品の表面を肉盛するレーザー溶接法を創造することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
これら及び他の目的は、本発明に従う、表面領域及び／又は超合金フィラー材料を有する体積を構造的に構築するために前記基材に１つ以上の層をクラッドする、タービンブレード又はベーンのような超合金製基材のレーザービーム溶接によって達成される。十分なレーザーの光エネルギーが溶接フィラー材料と下層の基材に移送されて、良好な融合のためのフィラーの溶融及び十分な基材表面の濡れを確実にする。しかし、エネルギー移送は、基材を熱劣化の危険にさらすレベルより少なく維持される。フィラー及び基材への光エネルギーの移送は、レーザービームと基材とが並進経路に沿って互いに対して相対的に移動するので、エネルギー移送量を変化させて局所的な基材のトポロジーの変化を補償することによって均一に維持される。このように、連続的な溶接クラッド層が均一性の一貫性を以て形成される。
【００２０】
本発明の実施形態は、フィラー材料を部品の超合金製基材の表面に導入し、レーザービームをこのフィラー材料及び基材上に集束させることによって、超合金製部品をクラッドする方法を特徴とする。光エネルギーは、レーザーからフィラー材料及び基材に移送され、基材に熱的劣化を生じさせることなく、フィラー材料をフィラー層として基材上に融合する。基材とレーザービームとは、均一なエネルギー移送を維持しつつ、互いに対して移動させられる。
【００２１】
本発明の別の実施形態は、タービンブレード及びベーン部品であって、これら部品それぞれが超合金製基材と多層クラッディングとを有し、この多層クラッディングは、基材から、連続する層それぞれを通じたエピタキシャル結晶成長を、フィラー材料を超合金製基材の表面に導入するプロセス、レーザービームをフィラー材料及び基板上に集束させるプロセス、基材に熱的劣化を生じさせることなく、フィラー材料をフィラー層として基材上に融合する光エネルギーをレーザーによってフィラー材料及び基材に移送するプロセス、及び基材とレーザービームとを、均一なエネルギー移送を維持しつつ、互いに対して移動させるプロセスによって維持する、タービンブレード及びベーン部品を特徴とする。
【００２２】
また、本発明の実施形態は、フィラー層でタービンの超合金製部品をクラッドするシステムを特徴とする。このシステムは、基材に熱的劣化を生じさせることなく、フィラー材料を基材にフィラー層として融合する光エネルギーを、タービン部品の超合金製基材と基材上のフィラー材料とに移送するためのレーザービームを生成するレーザーを有する。可動ミラーが、レーザービームを基材上に方向づけるためにレーザービームを遮蔽する。駆動システムが、レーザービームと基材との間の相対的な動きを生じさせるため、及び基材への均一なエネルギー移送を維持するために、可動ミラー及び／又は基材に結合される。
【００２３】
本発明の目的及び特徴は、当業者によって、いずれかの組み合わせ又は下位の組み合わせ（ｓｕｂ−ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）で、一緒に又は別々に適用され得る。
【００２４】
本発明の教示は、添付の図面に関連する以下の詳細な説明を考慮することによって容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】既知のレーザービーム溶接技術によって修復されたタービンブレードの立断面図である。
【図２】既知のレーザービーム溶接技術によって修復されたタービンブレードの単一の溶接パスの拡大断面図である。
【図３】既知のレーザービーム溶接技術によって修復されたタービンブレードの拡大断面図である。
【図４】本発明のレーザービーム溶接システムの図である。
【図５】経年劣化した、損傷したタービンブレードの基材を復元させるための、本発明の多層レーザー溶接用ラスタパターンの図である。
【図６】経年劣化した、損傷したタービンブレードの基材を復元させるための、三次元のレーザー溶接用ラスタパターンの図である。
【図７】経年劣化した、損傷したタービンブレードの基材を復元させるための、既知である従来技術の多層レーザー溶接体積パターンを示す図である。
【図８】経年劣化した、損傷したタービンブレードの基材を復元させるための、本発明の多層レーザー溶接体積パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
理解を容易にするために、同一の参照符号が、可能な範囲で、図面に共通な同一の要素を示すために使用された。
【００２７】
以下の説明を考慮した後には、当業者は、本発明の教示が、タービンブレード及びベーンのような超合金製部品の、超合金基材の１つ以上のクラッド層への、基材の熱劣化を伴うことのない接合を促進するレーザー溶接による修復において、容易に使用できることを明確に理解するだろう。本発明のレーザークラッディング法は、レーザーの光エネルギー移送速度を変化させて、基材の局所的なトポロジーの変化を補償し、それによって溶接パス中のフィラー及び基材へのエネルギー移送を均一に維持する。
【００２８】
十分なレーザーの光エネルギーが溶接フィラー材料及び下層の基材へ移送されて、良好な融合のためのフィラーの溶融と十分な基材表面の濡れ性とを確実にする。しかし、エネルギー移送は、基材を熱劣化の危険にさらすレベルより少なく維持される。フィラー及び基材への光エネルギーの移送は、レーザービームと基材とが溶接パスの並進経路に沿って互いに対して相対的に移動するので、エネルギー移送量を変化させて局所的な基材のトポロジーの変化を補償することによって均一に維持される。例えば、光エネルギーの移送量は、比較的反射性を有さないか又は平坦な領域ほどには効率的にレーザーの光エネルギーを吸収しない、比較的より反射性の、又は湾曲した領域に対して増加される。エネルギー移送量は、例えばレーザービームを並進移動経路に対して横断方向にオシレートすること、その移動及び／又はオシレーションの速度を変化させること、レーザービームの集束をより狭く又はより広く変化させること、又はレーザービームの出力を変えることによって変化させることができる。レーザービームは、連続的なクラッド層を構築するように、一次元で、二次元で、又は三次元でラスタすることができる。
【００２９】
複数のクラッド層が重なるように堆積される場合には、本発明の方法を使用することによって、基材に対して略直角な単軸の結晶学的な配向が、クラッドの構築物に維持される。単軸の配向は、既知の固定式光レーザー溶接技術を使用した複数のマルチパスによる層をクラッドする場合に生じることが多いマイクロクラックの生成の危険を減少させる。
【００３０】
図３を参照すると、本発明の実施形態を実行する際に、基材７０は既に堆積された、（断面で示された）参照点８２〜８４で示された側部境界に湾曲面を有する、レーザークラッド堆積物８０を有する。堆積物８０に隣接して基材７０上に連続的なクラッド層を生成するためには、次のレーザークラッドパス９０は、既に堆積している堆積物８０に、点８５まで幅方向に延在し、この図の平面内に進む点８２において重なることを意図される。レーザーの集束点は、８２から例えば８５へ急速にオシレートされて、線状のエネルギー源を生成する。この図の平面に対して垂直方向へのこの線状のエネルギー源の基材７０に対する進行は、既存の堆積物８０に隣接してクラッド堆積物９０を作り出す。レーザーの光エネルギー移送量は、ビームのオシレーション経路に沿って（ここでは図中左から右へ）変化して、基材７０の変化を補償し、それによって十分なエネルギーが移送されて下層の基材を過熱することなく良好なフィラー材料の融合を達成する。既に堆積されていた堆積物８０の湾曲面８３〜８４を補償するために、レーザーの光エネルギー移送量は、新しいクラッド層のパスの重なる部分９２では一定の比率で増加し、堆積物８０の端部８４と裸基材７０との間の遷移角部（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｃｏｒｎｅｒ）において平坦な出力スパイク９４に達する。光エネルギー移送量は、レーザービームが平坦な基材部分７０に向けられると減少され、表面トポロジーの局所的な変化にかかわらず、クラッディング溶接パス全体に亘る均一な光エネルギー移送９６を維持する。
【００３１】
レーザーの光エネルギーの移送量は、レーザービームの集束スポットと基材７０とが互いに対して移動している間、オシレーション経路を横切るラスタパターンを調整して、出力密度と、フィラー材料／基板の吸収されるエネルギーと、を変えることによって非対称な表面トポロジーを補償するために変化させることができる。すべてのビームの集束領域で吸収されるレーザーの光エネルギーは、集束の持続時間に比例して変化する。限定されるわけではない例示の集束したレーザービームによれば、集束の持続時間と、比例する吸収されるエネルギーとは、以下の方法によって変化させることができる：（ｉ）レーザービームを溶接並進経路に平行に、又は一方の側部から他方の側部まで横断方向にオシレートすることができる；（ｉｉ）並進速さ又は速度を変化させることができる；及び（ｉｉｉ）レーザー出力強度を連続的に又はパルス変調によって変化させることができる。
【００３２】
図４は、本発明のレーザー溶接／クラッディングシステム１００の一実施形態を示している。クラッディングシステム１００は、タービンブレード２０のような加工対象物が固定される作業台１２０を含む。任意的な作業台動作制御システム１２５が、図示されたＸ、Ｙ、Ｚ座標系、又はいずれかの他の短軸若しくは多軸の座標系において作業台１２０を移動させるように使用される。作用弁１３５を有する既知の紛体フィラー用ホッパ１３０が紛体フィラー材料をタービンブレード２０の基材表面に導入する。紛体フィラーは、注入された紛体１３６の適用領域をブレード２０の基材に対して動かすための、それ自体の独立した動作制御システムを有することができる。紛体フィラー材料は、図示のようにビームの集束の固定点に供給することができ、軸外の紛体フィーダがフィラー紛体をレーザービームの走査の並進範囲の全体に亘ってスプレーすることができ、細長いフィーダノズルを採用することができる。また、紛体を、レーザー溶接プロセスが始動される前に、基材２０上に前以て配置することができる。固体のワイヤ又はストリップのフィラーを、粉状のフィラー材料の代わりに使用することができる。
【００３３】
システム１００は、基材２０及びフィラー材料１３６を加熱するためのレーザービームの光エネルギー源を提供する、任意の可変焦点ｄＦ又は出力ｄＰを有するレーザー１４０を有する。また、システム１００は、駆動部１６２、１６４、及び１６６それぞれの制御の下で、傾斜Ｔ、パン（ｐａｎ）Ｐ、回転Ｒとして示された短軸動作又は複数軸動作が可能なミラー１６０を有する可動ミラーシステム１５０を有する。駆動部１６２、１６４、及び１６６は、既知の電動構成の動作制御システムの一部とするか、又は既知の制御装置１７０の制御の下にある既知のガルバノメータに組み込むことができる。代替的に、ビームは一軸動作を有する複数のミラーによって遮断することができ、よって上述の軸動作のそれぞれを達成することができる。
【００３４】
制御装置１７０は、スタンドアローンの制御装置、プログラマブルロジックコントローラ、又はパーソナルコンピュータとすることができる。また、制御装置１７０は、作業台作動制御システム１２５、紛体フィラー材料ホッパ弁１３５、及び／又は任意のホッパ動作制御システム（図示せず）、及び／又はレーザー１４０の可変焦点ｄＦ及び／又は出力ｄＰのうちの１つ以上を制御することができる。制御装置を有する既知の開及び／又は閉フィードバックループを、駆動装置１２５、１３５、１６２〜１６６、ｄＦ、ｄＰ、及びホッパ位置駆動装置に関連させることができる。また、基材及びフィラーへのレーザービームの光エネルギー移送を閉フィードバックループでモニターし、それによって制御装置が、モニターされたエネルギー移送量に基づいてエネルギー移送量を変化させることもできる。ヒューマン・マシン・インターフェース（ＨＭＩ）を、溶接作業の監視及び／又は溶接作業を実施するための指示の提供に使用することができる。
【００３５】
溶接システム１００を作動するときに、レーザー１４０の出力ビーム１８０はミラー１６０（又は複数のミラー）に反射し、次いでタービンブレード２０の加工対象物上に達し、光エネルギーをタービンブレード２０とフィラー材料１３５とに移送する。タービンブレードの基材２０とフィラー材料１３６との両方が移送された光エネルギーを吸収し、フィラー材料を溶融させ、基材表面を濡らし、溶融したフィラーと基材表面とを互いに融合させる。基材２０とレーザービーム１８０とは、作業台の駆動システム１２５、及び／又は可動ミラーシステム１５０の駆動部１６２、１６４、１６６に関与するコントロールシステム９０によって、互いに対して並進経路に沿って移動し、連続して溶接されたクラッド層２００を形成する。可動なミラーシステム１５０が商業的に入手可能なレーザーガルバノメータに組み込まれる場合には、基材２０とレーザービーム１８０との間の相対的動作及びレーザーの光エネルギーの移送量を、ガルバノメータのミラー１６０（又は複数のミラー）を並進及びオシレーション（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）の双方に対して動かすことによって変えることができる。レーザービーム１８０と基材２０／フィラー材料１３６との間の相対的な動きは、融合の均一性のために連続的に溶融した溶接線を並進動作の前縁に維持する（例えば、図４における溶接ラインの右側前縁）が、これは既知のオシレートしないレーザークラッディングシステムでは不可能である。
【００３６】
既に説明したように、ビームの焦点領域で吸収されるレーザーの光エネルギーは、集束維持時間に比例して変化する。限定されない例によって、レーザービーム１８０の集束維持時間及び比例する吸収されるエネルギーは、以下のように変化させることができる。（ｉ）レーザービーム１８０は、溶接並進経路２１０に対して平行に、又は側部から側部へ横断的にオシレートさせることができる；（ｉｉ）オシレーション速度又は並進速度を変えることができる；及び（ｉｉｉ）レーザー出力強度ｄＰ又は焦点ｄＦは、連続的に又はパルス変調によって変化させることができる。このように、レーザービームの集束維持時間の比率を動的に変えることによって、基材及びフィラーへのエネルギー移送量は、溶接ラインの並進経路に沿って変化し、それによって一様なエネルギーの移送が、局所的なトポグラフィーの変化にかかわらず、溶接部全体で維持される。
【００３７】
図４及び図５に示すように、クラッド層は単一のラスタされた直線の溶接部２１０又は複数の隣接する直線の溶接部２１０〜２３０の二次元の溶接部の配列を備えることができる。パスそれぞれに対する並進方向は、図示のように連続して反転される。パスそれぞれに対するオシレーション方向は、パス２１０、２２０、２３０それぞれに対して２１１、２２１、及び２３１のように、並進方向に対して完全に横断方向とすることができる。前のパスの側部に対するオシレーションの持続時間は、融合を確実とするように増加させることができる。複数のクラッド層２００、３００、４００を、図５の連続的に並べられた方向における連続して交互にされた層によって互いの上に適用するか、又は、並進の方向を、左から右への並進から、左から右に対して９０℃に変えることによって適用することができる。代替的に、図６に示すように、レーザー１４０の焦点ｄＦ及び／又はレーザー出力ｄＰを変化させて、基材５００の表面とミラー１６０との間の距離を変えることによって生じる光エネルギーの移送の変化を補償することによって、３次元の溶接を湾曲した基材５００上に、１つのパスでの層若しくは複数パスでの層で実施することができる。
【００３８】
本発明の方法を使用する多層クラッディングは、基材から、連続する層それぞれを通じたエピタキシャル結晶粒成長を有利に維持して、クラッドされた層間の結晶学的配向における変化を伴って別様に生じる場合のあるマイクロクラックの危険を軽減する。既に述べたように、既知の固定式光学システムを有するレーザーマイクロクラッディングは、図７に示すような、通常の修復構築を達成するために複数のパス６００を必要とする。既知の固定式（オシレートしない）光学レーザークラッディングプロセスにおいては通常、溶接された凝固結晶の配向は、最初に堆積された数堆積物６１１、６１２における基材に対して垂直から、最初の数層（例えば６１０）においてその方向が変化する傾向を示し、次いで引き続く堆積された堆積物６１３、６１４、６１５等中でますます曲げられた角度で方向が変化する傾向を示す。さらに大きな方向の変化が、引き続くクラッド層６２０、６３０等において生じる。マイクロクラッキングは、そのような層間の結晶学的配向における方向の変化で開始することが多い。既知のオシレートしない焦点のレーザークラッディング法とは対照的に、図８に示す本発明の方法は、図５に示した連続的なラスタパターンによるような、複数のクラッド層６００’を形成する。単一パスの層６１０’、６２０’、６３０’、等は、結晶粒構造が基材の表面に対して垂直に凝固するので、クラッド層内の略一軸のエピタキシャル結晶粒成長を加速する。また、単結晶又は一方向凝固した基材の特性も、本発明のクラッド法によって維持することができる。
【００３９】
以前から既知のオシレートしない光レーザークラッディング法を凌駕する本発明のレーザークラッド法及びシステムの利点は、完全なフィラーの溶融及び基材への接合を提供する、基材のトポロジーの非対称性の補償を伴う単一パスの層に起因する、融合しないという欠陥（ｎｏｎ−ｆｕｓｉｏｎ  ｄｅｆｅｃｔｓ）の減少を含む。融合は、凝固並びにひずみ時効割れに敏感な超合金材料を過熱すること及び過度に応力を与えることなしに提供される。一軸凝固は、基材からのエピタキシャル成長を維持し、マイクロクラックを最小化するか、又は除去する、レーザービームをラスタすることによって可能となる。また、一軸凝固は、層から層へと並進方向を変えることによって促進される。また、単結晶又は一方向凝固した基材の特性も、そのような処理によって維持される。
【００４０】
本発明の教示を組み込んだ多くの実施形態がここに示され、説明されてきたが、当業者は、これら教示をさらに組み込んだ多くの他の様々な実施形態を容易に創造することができる。
【符号の説明】
【００４１】
２０        タービンブレード、基材
７０        基材
８０        堆積物
１００      クラッディングシステム
１２０      作業台
１２５      作業台動作制御システム
１３０      ホッパ
１３６      フィラー材料
１４０      レーザー
１５０      可動ミラーシステム
１６０      ミラー
１７０      制御装置
１８０      レーザービーム
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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