(57)【要約】      （修正有）【課題】幾何形状調整可能な熱成形システム及び方法を提供する。【解決手段】冷却を開始するためのプロセスウィンドウを決定する段階と、試料（２０）上の少なくとも１つの領域（２２）を局部加熱して事前選択の形状変形を行う段階と、プロセスウィンドウ内の加熱領域の能動冷却を開始して加熱領域での試料の少なくとも１つの材料特性を制御する段階と、加熱領域を事前選択温度に能動冷却する段階とを含む。熱形成のためのシステム（１０）は、試料上の領域を加熱して事前選択の形状変形を行う熱源（１２）と、領域を事前選択温度まで冷却する能動冷却モジュール（１４）と、能動冷却を開始して加熱領域での試料の少なくとも１つの材料特性を制御するために、プロセスウィンドウに従って熱源及び能動冷却モジュールのうちの少なくとも１つを制御する制御モジュール（１６）とを含む。プロセスウィンドウは、冷却を開始するための上限時間を有する。【選択図】      図２
2007061901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却プロセスの開始のためのプロセスウィンドウを決定する段階と、
試料上の少なくとも１つの領域を局部加熱して事前選択の幾何形状変形を行う段階と、
前記プロセスウィンドウ内で前記加熱領域の能動冷却を開始して、前記加熱領域での前記試料の少なくとも１つの材料特性を制御する段階と、
事前選択温度まで前記加熱領域を能動冷却する段階と、
を含む熱成形方法。
【請求項２】
前記材料特性が微小硬さを含み、該微小硬さが平均初期硬度の約３標準偏差の範囲内に制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記試料が析出強化合金を含み、前記析出強化合金が前記加熱段階の前に複数の析出物を含み、前記プロセスウィンドウが前記冷却プロセスの開始の上限時間を含み、該上限は、前記析出物が前記試料の加熱領域内で実質的に維持されるように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４】
前記試料が析出強化合金を含み、前記析出強化合金がニッケル基合金を含み、前記ニッケル基合金が前記加熱段階の前に或る体積率のγ″相を含み、前記プロセスウィンドウが前記冷却プロセスの開始の上限時間を含み、該上限は、前記試料の加熱領域において前記γ″相の体積率が実質的に維持されるように選択され、前記加熱段階が少なくとも１つの領域をレーザ加熱する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記試料がチタン基合金を含み、該チタン基合金が前記加熱段階の前に或る体積率のα相を含み、前記プロセスウィンドウが前記冷却プロセスの開始の上限時間を含み、該上限が、前記試料の加熱領域において旧ベータ粒界アルファ相の不連続性が実質的に維持されるように選択され、前記加熱段階が少なくとも１つの領域をレーザ加熱する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プロセスウィンドウが、前記冷却プロセスの開始の上限時間及び下限時間を含み、前記プロセスウィンドウを決定する段階が、実験データ及びシミュレーションデータのうちの少なくとも１つを用いて前記上源及び下限時間のうちの少なくとも１つを決定する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
熱形成用のシステム（１０）であって、
試料（２０）上の少なくとも１つの領域（２２）を局部加熱して事前選択の幾何形状変形を行うように構成された加熱源（１２）と、
前記加熱された領域を事前選択温度まで冷却するように構成された能動冷却モジュール（１４）と、
プロセスウィンドウ内で前記能動冷却モジュールによって前記加熱領域の能動冷却を開始させて前記加熱領域で前記試料の少なくとも１つの材料特性を制御するようにするため、前記プロセスウィンドウに従って前記熱源及び前記能動冷却モジュール（１４）のうちの少なくとも１つを制御するように構成された制御モジュール（１６）と、
を備え、
前記プロセスウィンドウは前記冷却の開始の上限時間を含むことを特徴とするシステム（１０）。
【請求項８】
能動冷却を開始させるために前記プロセスウィンドウを決定するように構成されたアルゴリズムモジュール（１８）を更に備え、前記熱源がレーザ（１２）を備え、前記制御モジュールが、前記熱源と前記能動冷却モジュール（１４）の両方を前記プロセスウィンドウに従って制御するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載のシステム（１０）。
【請求項９】
前記能動冷却モジュール（１４）が、
前記試料（２０）を収容するように構成された液浴（２８）、
前記試料を噴霧冷却するように構成された液体噴霧源（２４）、
前記試料を噴霧冷却するように構成されたガス噴霧源（２４）、
前記試料を収容するように構成された流動粒子床（２８）、
前記試料を収容するように構成された初期固体冷却材（２８）、
及びこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項７に記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
或る合金と少なくとも１つの熱形成領域（２２）とを含み、前記合金が、レーザ形成の前に或る体積率である第１の相を含み、前記第１の相の前記体積率が前記熱形成領域において実質的に維持されることを特徴とする部品（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には熱成形に関し、より詳細には合金のレーザ成形に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ成形は、超硬質工具を使用せずにターゲットに恒久的変形を誘起する熱源としてレーザエネルギーを使用する熱成形プロセスである。レーザ成形は、金属を含む多くの材料を処理するのに使用されてきた。レーザ成形は、一般に、シート又は管状加工物を曲げるために使用される。
【０００３】
幾何形状変化の誘起に加えて、レーザ成形は、一般に、加工物に対し微小構造的変化を誘起する。加工物の微小構造の局部的な変質は通常、強度及び疲労寿命などの機械的特性の劣化につながる。この劣化は、レーザスキャン領域にわたる微小硬さ分布を測定することによって容易に確認することができる。本出願人によって得られた実験データを以下で検討する。以下で述べるように、レーザ成形のインコネル７１８加工物に関してかなりの硬度低下が観察された。インコネル７１８は、ウェストバージニア州ハンチントン所在のＩＮＣＯ  Ａｌｌｏｙｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｎａｌ，Ｉｎｃ．の商標である。この合金はまた、ＵＮＳ  ０７７１８としても知られる。微小硬さのこの局部的低下は、レーザ成形加工物の機械的強度及び疲労強度の有意な低下を示す。この結果として、従来型のレーザ形成技法は、３次元（３Ｄ）ブレード幾何形状補修などの、強度又は疲労に敏感な幾何形状調整（修正）或いは形成作業への用途には好適ではない。
【０００４】
レーザ形成に関連する熱の悪影響を軽減するための１つの可能性は、ラインエネルギーを低下させることであり、ここでラインエネルギーとは、出力をスキャン速度で除算したものとして定義される。より小さいラインエネルギーは、ピーク温度がより低く、材料内への熱拡散をより少なくする傾向がある。しかしながら、誘起される幾何形状変化の大きさもラインエネルギーと共に減少する。ラインエネルギーが或る値を下回って低下すると、誘起された応力／歪み場と予め存在する応力／歪み場とが同等の大きさであることに起因してこのプロセスを制御することが困難となる。このような方法で見られるプロセスウィンドウは、強度及び疲労を厳密に考慮せずに定めたプロセスウィンドウよりもはるかに狭い。この結果、この小さなラインエネルギーの方法は低速であり、ほとんどの用途では一般に非実用的である。
【特許文献１】米国特許第５，３５９，８７２号公報
【特許文献２】米国特許第６，６２２，５４０公報
【特許文献３】日本特許第５，１７７，３６６号公報
【特許文献４】特許第１，３１３，１１３号公報
【非特許文献１】Chandler H, ed Heat Treater's Guide: Practices and Procedures for Non-ferrous Alloys, ASM International, Materials Park, OH, 1996, p 52
【非特許文献２】F. Vollersten, "Mechanisms and Models for Laser Forming," Laser Assisted Net Shape Engineering, Proceedings of the Lane '94, Vol. 1, pp. 345-360
【非特許文献３】J. Cheng & Y. Lawrence Yao, "Microstructure integrated Modeling of Multiscan Laser Forming, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 124, May 2002, pp. 379-388
【非特許文献４】W, Zhang et al., "Laser Forming: Industrial Application," Proceedings of the 23rd Int'I Congress on Applications of Laser and Electro-Optics 2004, October 2004, pp. 1-10.
【非特許文献５】J. Zhang et al., "Effects of Scanning Schemes on Laser Tube Bending," Proceedings of the 23ed Int'I Congress on Applications of Laser and Electro-Optics 2004, October 2004, pp. 1-10.
【非特許文献６】R. Kuckuck, "ES and H. Manual," Vol. II, Part 20, Document 20.8, May 2000, Pages cover and 14-16.
【非特許文献７】Glove box Technology, "Welcome to Glove Box Technology, LTD," www. glovebox.co.uk, copyright 2004, 4 pages.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、加工物の局部的微小構造変化を低減させるレーザ形成における革新をもたらし、これにより革新的なレーザ成形が、強度及び疲労に敏感な構成部品に適用できるようにすることが望ましいであろう。更に、レーザ形成に伴う微小構造変化及び性能変化の両方を確実に検出し制御することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
要約すると、本発明の１つの態様は熱形成の方法に属する。本方法は、冷却プロセスを開始するためのプロセスウィンドウを決定する段階と、試料の少なくとも１つの領域を局部加熱して事前選択の幾何形状変形を行う段階と、プロセスウィンドウ内で加熱領域の能動冷却を開始して、加熱領域での少なくとも１つの材料特性を制御する段階と、加熱領域を事前選択温度まで能動冷却する段階とを含む。
【０００７】
本発明の別の態様は熱成形のためのシステムに属する。本システムは、試料上の少なくとも１つの領域を加熱して事前選択の幾何形状変形を行うように構成された熱源と、加熱された領域を事前選択温度まで冷却するように構成された能動冷却モジュールとを含む。本システムは更に、プロセスウィンドウ内で冷却モジュールによる加熱領域の能動冷却を開始させるために、プロセスウィンドウに従って熱源及び能動冷却モジュールのうちの少なくとも１つを制御するように構成された制御モジュールを含む。このようにして、加熱領域での試料の少なくとも１つの材料特性が制御される。プロセスウィンドウは、冷却の開始の上限制限時間を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、全図面を通じて同じ符号が同じ要素を表す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むとより理解されるであろう。
【０００９】
本発明の方法の実施形態が図１−図７を参照して説明される。熱成形の方法は、冷却プロセスの開始用のプロセスウィンドウを決定する段階と、事前選択の幾何形状変形を行うために試料２０の少なくとも１つの領域２２を局部加熱する段階と、プロセスウィンドウ内で加熱領域２２の能動冷却を開始して、加熱領域２２で試料の少なくとも１つの材料特性を制御する段階と、加熱領域２２を事前選択温度にまで能動冷却する段階とを含む。特定の実施形態によれば、事前選択温度は室温である。
【００１０】
局部加熱は、例えば、図６及び図７に示されたように、レーザ１２などの熱源１２を用いで実施することができる。例示的なレーザ１２には、ＣＷレーザ及びパルスレーザが含まれるが、本発明は、レーザのどのような特定の種類も特定の波長にも限定されない。他の例示的な熱源１２には、限定ではないが、誘導加熱システム、プラズマアーク源、高出力赤外アークランプ加熱システム、及び抵抗加熱源がある。
【００１１】
能動冷却は、例えば図６及び図７に示されるように、能動冷却モジュール１４を用いて実施することができる。例示的な能動冷却モジュール１４は、例えば図６に示されるように、試料２０を収容するように構成された液浴２８を含む。液浴２８に用いる例示的な液体には、限定ではないが、水、液体アルゴン、液体窒素、並びに耐蝕試薬を含む溶液がある。他の実施形態においては、図６の参照数字２８は、流動粒子床及び／又は初期固体冷却材を示している。流動粒子床の実施形態では、例示的な粒子は、銅又は別の熱伝導性の高い金属で形成され、当該粒子（図示せず）が試料２０の伝導冷却をもたらす。初期固体冷却材の実施形態では、冷却材は、例えば氷又は脂などの融解する固体である。固体から液体への転移は、試料２０からエネルギーを吸収し、これにより試料２０が冷却される。
【００１２】
別の例示的な能動冷却モジュール１４は、試料２０を噴霧冷却するように構成された液体噴霧源２４を含む。液体噴霧源２４に使用する例示的な液体としては、限定ではないが、水、液体アルゴン、及び液体窒素がある。液体噴霧源は更に、比較的軟質の固体冷却材を試料２０上に噴霧するように構成することができる。上述のように、固体冷却材は、液体への転移によって試料２０を冷却する。
【００１３】
別の例示的な能動モジュールは、加熱領域２２を噴霧冷却するように構成されたガス噴霧源（同様に図７で参照数字２４で示される）を含む。図７に示される例示的な実施形態では、ガス噴霧源２４は、試料２０上の加熱領域２２でガスジェットを噴霧する。ガス噴霧源２４に使用する例示的なガスには、限定ではないが、低温の加圧空気、アルゴン、及び窒素がある。能動冷却モジュールは更に、液浴２８及び液体（ガス）噴霧源２４の両方を組み込むことができる。有利には、能動冷却モジュール１４は、試料１４を事前選択温度まで短時間で冷却する。例えば、液浴２８内での試料２０の急冷によって、試料２０は望ましい微小構造を保持するのに十分な短時間で室温にされる。ＵＮＳ  ０７７１８合金プレートのレーザ形成では、この時間は１秒未満である。液浴２８の１つの実施例は、室温の液浴である。
【００１４】
上述のように、従来型のレーザ成形は通常、試料２０の微小構造特性を変化させる。関心のある材料特性には、強度、疲労及びクリープ性能が含まれる。関心のある材料特性に影響する微小構造特徴の有無を推測するために、微小硬さを測定することができる。図１は、インコネル７１８プレートでのレーザスキャン領域における微小硬さの低下を表している。出願人らは、レーザ加熱領域において当初の材料硬さに対して３０％を越える微小硬さの低下を観察した。局部的な微小構造で生じた変化は、強度及び疲労性能の劣化につながる可能性がある。すなわち、例えば定置機関又は航空機エンジン構成部品のブレードなどの強度及び疲労に敏感な試料２０の微小構造特性の局部的変化は望ましくない。従って、プロセスウィンドウは、試料２０の事前選択の幾何形状変形を誘起し、微小構造への局部的変化を最小にするように選択されるべきである。特定の実施形態によれば、プロセスウィンドウは、冷却プロセスの開始の上限時間を含む。より詳細な実施形態によれば、プロセスウィンドウは、冷却プロセスの開始の上限時間と下限時間の両方を含む。上限時間は、試料２０の微小構造に対する局部的変化を最小にするように選択され、下限時間は、所望の事前選択の幾何形状変形を行うように選択される。下限時間は、所望の幾何形状変形が達成される前に熱エネルギーが放散されるのを防ぐために十分大きくなければならない。上限時間は、局部的加熱領域２２内で相転移が発生するのを防ぐために十分小さくなければならない。このように、プロセスウィンドウは、冷却のための反応期間を制御するように選択される。
【００１５】
上記で示されたように、微小硬さは、ブレードのような強度及び疲労に敏感な試料２０の重要な材料特性である。特定の実施形態によれば、加熱領域２２の能動冷却は、加熱領域２２での試料の微小硬さを制御するためにプロセスウィンドウ内で開始される。より詳細な実施形態によれば、微小硬さは、平均初期硬度の約３標準偏差の範囲内に制御される。具体的な実施例では、微小硬さは、熱処理前材料の約１５パーセント（１５％）の範囲内、より詳細には約１０パーセント（１０％）に制御される。
【００１６】
１つの実施形態において、プロセスウィンドウの決定は、実験データを用いて上限時間及び下限時間のうちの少なくとも１つを決定する段階を含む。特定の実施形態では、上限が実験データを用いて決定される。例示的な実験データは、微小構造観察データ及び微小硬さデータを含む。特定の実施例においては、プロセスウィンドウは、微小硬さデータに基づいて決定される。別の特定の実施例においては、プロセスウィンドウは、微小構造観察データと組み合わせた微小硬さデータに基づいて決定される。１つの実施例において、実験データは、試料材料から構成されるクーポン又はプレート上の少なくとも１つの領域を局部加熱することによって得られる。例えば、ＵＮＳ  ０７７１８合金試料には、ＵＮＳ  ０７７１８合金クーポンが使用されるであろう。
【００１７】
別の実施形態においては、プロセスウィンドウの決定は、シミュレーションデータを用いて上限時間及び下限時間のうちの少なくとも１つを決定する段階を含む。例えば、熱形成プロセスは、ロードアイランド州プロビエンスに本社を持つＡｂａｑｕｅ，Ｉｎｃ．から提供されるＦＥＭパッケージなどの市販の有限要素モデリング（ＦＥＭ）パッケージを用いてシミュレートすることができる。１つの実施例においては、加熱ステージでの温度分布が抽出された。次いで、プロセス条件の所与のセットでのピーク温度が微小硬さの試験結果に関連付けられた。従って、シミュレーションの温度が分かると、硬度の変動が予測でき、能動冷却の上限時間及び下限時間を決定することができる。更に、シミュレーションによって上限時間及び下限時間を完全に決定するために、材料の特定の熱処理の下でより複雑なＦＥＭモデルを構築して、微小硬さの変化を直接予測することができる。
【００１８】
これらの強度を維持するために、熱成形処理は、析出強化した合金の析出物の数、サイズ、又は間隔を変えるべきではない。本明細書で用いられる用語「析出強化合金」とは、析出強化合金と析出硬化された合金の両方を包含するものと理解されたい。特定の実施形態によれば、試料は析出強化合金を含み、該析出強化合金は加熱段階の前に複数の析出物を有する。この実施形態では、プロセスウィンドウは、冷却プロセスの開始の上限時間を含み、その上限時間は、試料の加熱領域において析出物が実質的に維持されるように選択される。より詳細には、この時間制限は、達成される温度に依存する。本明細書で用いられる語句「実質的に維持される」とは、析出物の存在から生じる微小硬さが、レーザ形成の前の平均微小硬さから３標準偏差よりも大きく低下しないことを意味するものと理解されたい。１つの実施例において、析出物の少なくとも８０パーセント（８０％）が、レーザ形成処理後に保持される。他の実施例においては、析出物の少なくとも９０パーセント（９０％）、より詳細には少なくとも９５パーセント（９５％）が、レーザ形成処理後に保持される。
【００１９】
１つの例示的な析出強化合金はニッケル基合金である。本明細書で用いられる「ニッケル基合金」は、ニッケル基超合金を含むことを理解されたい。当業者には知られているように、超合金は、高温で高強度を示す合金の部類である。特定の実施形態によれば、ニッケル基合金は、加熱段階の前にある体積率のγ″相を含む。この実施形態では、プロセスウィンドウは、冷却プロセス開始の上限時間を含み、該上限は、γ″相の体積率が、試料の加熱領域で実質的に維持されるように選択される。ここで用いられる語句「実質的に維持される」とは、レーザ形成処理後の加熱領域でのγ″相の体積率が十分に大きいので、析出物の存在により生じる微小硬さが、レーザ形成前の平均微小硬さから３標準偏差を越えて低下しないことを意味する点を理解されたい。１つの実施例において、レーザ形成処理後の加熱領域でのγ″相の体積率は、レーザ形成処理前のγ″相の体積率の少なくとも８０パーセント（８０％）である。他の実施例においては、レーザ形成処理後の加熱領域でのγ″相の体積率は、レーザ形成処理前のγ″相の体積率の少なくとも９０パーセント（９０％）、より詳細には、少なくとも９５パーセント（９５％）である。より詳細な実施形態によれば、ニッケル基合金はＵＮＳ  ０７７１８合金を含む。ＵＮＳ  ０７７１８は、広範囲な温度にわたって高強度を必要とする用途に好適なニッケル基超合金である。
【００２０】
析出強化合金に対する高速能動冷却の適用は、以下の理由により有利である。レーザ形成の前では、析出強化合金は溶体化処理され時効処理された状態にある。この状態で析出物が合金に強度をもたらす。レーザ加熱は、合金に対し極めて急速に高熱を与える。これは、析出物の結晶粒粗大化及び溶解を生じさせ、許容できない低いレベルまで合金の強度を低下させる可能性がある。熱処理を追加して行うことによりこの硬度を回復することは可能であるが、こうした処理は、レーザ成形プロセス中に得られた有益な成形の一部が取り消される可能性がある。強化相の成長及び溶解は、拡散によって支配されるので、温度とその温度での時間の両方に対して感受性がある。従って、ピーク温度を制限し、合金が高温にある時間を短期間に限定することによって析出物の成長及び溶解を回避することが可能である。
【実施例】
【００２１】
以下の実験は、インコネル７１８で実施した。インコネル７１８プレート（２０）をレーザスキャンし、空気冷却させた。次いで微小硬さ測定を行った。図２及び図３に示されるように、プレート２０の中央からレーザスキャンパスに垂直にサンプルを取り出した。各パスについて微小硬さに対するレイジングの影響を捕えるために、密接した格子パターンで微小硬さを測定した。プレート２０の厚み全体を通じてインデント３２を作製した。参照数字３０は、プレート２０のレーザを当てた表面３０を示している。この実施例では、約２０μｍｓから約１ｍｍの深さで約３０００インデントが作製され、閾値を下回る硬度低下を探索した。この閾値は、「平均値−３標準偏差」として定義される。
【００２２】
図４は、レーザスキャン後に空気冷却させたインコネル７１８プレートの微小硬さデータを示している。レーザスキャンパスに対し垂直に取られた硬度の測定値は、レーザスキャン後に試料を空冷させたときにインコネル７１８の強度が許容できない低レベルにまで低下することを示している。閾値ライン（ＴＨ）以下のポイントは、硬度不足に起因して劣化していると考えられる。
【００２３】
図５は、約０．４秒未満でクーポンを横断してレーザスキャンし、次いでレーザスキャン後１秒以内に直接水で急冷されたインコネル７１８プレートの微小硬さデータを示している。レーザスキャン後に用いられた高速能動冷却により、インコネル７１８合金の強度は許容可能レベル（ここでは「平均値−３標準偏差として定義される）内にとどまった。能動冷却は、高温事象の持続時間を短縮させ、析出物の成長及び溶解反応を抑制した。有意な幾何形状屈曲が達成され、厳密な材料完全性試験（直接微小構造光学観察と微小硬さ測定との組み合わせ）は、材料の完全性（微小硬さ、強度及び疲労性能を含む）が維持されたことを実証した。
【００２４】
特定の実施形態によれば、試料２０の加熱領域２２は、材料に関する時間−温度−転移ダイアグラム（ＴＴＴダイアグラム）に基づいて室温に戻す必要がある。ＴＴＴダイアグラムは、種々の合金が利用可能であり、インコネル７１８に関する例示的なＴＴＴダイアグラムは、Ｃｈａｎｄｌｅｒ  Ｈ．編、Ｈｅａｔ  Ｔｒｅａｔｅｒ‘ｓ  Ｇｕｉｄｅ：Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｎｏｎ−Ｆｅｒｒｏｕｓ  Ａｌｌｏｙｓ、ＡＳＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐａｒｋ，ＯＨ、１９９６、ｐ５２で見ることができる。
【００２５】
本発明の技法は析出強化合金に限定されない。換言すれば、本発明は、析出物溶解を行う傾向にある合金に限定されない。むしろ、有害な相変化の反応速度論が回避できるどのような場合においても、レーザ形成による所望の幾何形状変更を達成しながら微小構造を維持することができる。例えば、或る種のチタン合金を、その温度を越えると合金が稠密六方構造から体心立方構造に転移する温度に曝露すると、合金の機械的特性に変化が生じる可能性がある。こうした変化は好ましくない。チタン合金に本発明の技法を適用することにより、こうした好ましくない相変化を回避するのに十分な温度及びその温度での時間を制御することができる。
【００２６】
或る実施形態では、試料はチタン合金を含む。本明細書で用いられる「チタン基合金」は、チタン基超合金を包含することを理解されたい。特定の実施形態によれば、チタン合金は、加熱段階の前にある体積率のα（アルファ）相を含む。この実施形態では、プロセスウィンドウは、冷却プロセスの開始の上限時間を含み、この上限は、旧ベータ粒界アルファ相の不連続性が試料の加熱領域について実質的に維持されるように選択される。ここで用いられる語句「実質的に維持される」とは、レーザ形成処理後の加熱領域についての旧ベータ粒界アルファ相が５１０ミクロン以下のサイズであることを意味するものと理解されたい。
【００２７】
本発明のシステム１０の実施形態は、図６及び図７を参照して説明される。例えば、図６に示されるように、熱成形のためのシステム１０は、事前選択された幾何形状変形を行うために試料２０上の少なくとも１つの領域２２を加熱するように構成された熱源１２を含む。システム１０は、加熱領域を事前選択温度まで冷却するように構成された能動冷却モジュール１４と、プロセスウィンドウに従って熱源１２及び能動冷却モジュール１４のうちの少なくとも１つを制御するように構成された制御モジュール１６とを更に含み、プロセスウィンドウ内で能動冷却モジュール１４による加熱領域の能動冷却を開始させて加熱領域２２で試料２０の少なくとも１つの材料特性を制御するようにする。プロセスウィンドウは、冷却開始の上限時間を含む。更に特定の実施形態によれば、プロセスウィンドウは更に、冷却開始の下限時間を含む。
【００２８】
上述のように、例示的な熱源１２はレーザ１２を含み、その非限定的な実施例は、ＣＷレーザ及びパルスレーザを含む。他の例示的な熱源１２は、限定ではないが、誘導加熱システム、プラズマアーク源、高出力赤外アークランプ加熱システム、及び抵抗加熱源を含む。
【００２９】
試料２０を横断して熱源１２をスキャンさせることには多くの選択肢がある。１つの実施態様においては、熱源１２は、試料２０に対して回転及び／又は並進移動するように構成され、試料２０は静止している。別の実施形態においては、試料２０が、固定した熱源１２と相対的に移動される。熱源１２と試料２０との間のこのような相対移動を行うためのハードウェアには、限定ではないが、ロボット、並進ステージ、及びガルバノメータスキャンシステムがある。
【００３０】
特定の実施形態によれば、制御モジュール１６は、プロセスウィンドウに従って熱源１２及び能動冷却モジュール１４を制御するように構成される。図６に表される例示的な実施形態では、システム１０は更に、能動冷却を開始させるプロセスウィンドウを決定するように構成されたアルゴリズムモジュール１８を含む。アルゴリズム１８は、能動冷却を開始するプロセスウィンドウを決定するのに必要なソフトウェア及びハードウェアを装備する。アルゴリズムモジュール１８は、制御モジュール１６から分離することができ（例えば、図６に示されるように）、或いは制御モジュール１６のアルゴリズムサブユニットを形成することができる。
【００３１】
特定の実施形態によれば、試料２０は、析出強化合金を含み、熱源１２による加熱前に幾つかの析出物を含む。この実施形態では、アルゴリズムモジュール１８は、析出物が試料２０の加熱領域２２内で実質的に維持されるような上限時間を決定するように構成される。更に、特定の実施形態によれば、試料２０は、ニッケル基合金を含み、これは熱源１２による加熱の前に或る体積率のγ″相を含む。例示的な実施形態では、アルゴリズムユニット１８は、ある体積率のγ″相が試料２０の加熱領域２２において実質的に維持されるような上限時間を決定するように構成される。
【００３２】
別の実施形態では、試料はチタン合金を含み、加熱段階の前に、或る体積率のα相を含む。例示的な実施形態では、アルゴリズムユニット１８は、当該体積率のγ″相が試料２０の加熱領域２２において実質的に維持されるような上限時間を決定するように構成される。
【００３３】
熱源１２によって加熱された後の試料２０を能動冷却するために、幾つかの手法を利用することができる。図６に表される例示的な実施形態では、能動冷却モジュール１４は、試料２０を収容するように構成された液浴２８を備える。液浴２８に使用する例示的な液体には、限定ではないが、水、液体アルゴン、液体窒素、並びに耐蝕試薬を含む溶液がある。図６によって示される例示的な実施形態では、システム３０は更に、試料２０を液浴２８に出入りさせるように構成されたロボットアーム２６と、プロセスウィンドウに従ってロボットアーム２６による試料２０の移動を制御するように構成された制御モジュール３６とを含む。試料を液浴２８に出入りさせる他の例示的な手段には、限定ではないが、カム又はホイール駆動のレバーがある。例えば、液体の加減又は液体容器の移動の何れかにより液体レベルを上下させる機構といった他の技法を用いることもできる。他の実施形態においては、図６の参照数字２８は、流動粒子床及び／又は初期固体冷却材を表す。流動粒子床の実施形態では、例示的な粒子は、銅又は別の熱伝導率の高い金属で形成され、粒子（図示せず）は試料２０の伝導冷却を可能にする。初期固体冷却材の実施形態では、冷却材は、例えば氷又は脂などの溶融固体である。固体から液体への転移は試料２０からエネルギーを吸収し、これにより試料２０が冷却される。
【００３４】
別の能動冷却手法が図７に概略的に表される。図７に示される例示的な実施形態では、能動冷却モジュール１４は、試料２０を噴霧冷却するように構成された液体噴霧源２４を備える。液体噴霧源２４に使用する例示的な液体には、限定ではないが、水、液体アルゴン、及び液体窒素がある。図７に示される例示的な実施形態では、液体噴霧源２４は試料２０上の加熱領域２２に水ジェットを噴霧する。液体噴霧源は更に、比較的軟質の固体冷却材を試料２０上に噴霧するように構成することができる。上述のように、固体冷却材は、液体への転移によって試料２０を冷却する。
【００３５】
別の実施態様においては、能動冷却モジュール１４は、試料２０を噴霧冷却するように構成されたガス噴霧源（同様に図７の参照数字２４で示される）を備える。図７に示される例示的な実施形態では、ガス噴霧源２４は、試料２０上の加熱領域２２にガスジェットを噴霧する。ガス噴霧源２４に使用する例示的なガスには、限定ではないが、低温加圧空気、アルゴン、及び窒素がある。
【００３６】
上述の方法及びシステムの実施形態は、加熱処理及び能動冷却処理後に材料の完全性及び強度が維持された熱形成部品をもたらす。１つの実施形態において、部品２０は、或る合金及び少なくとも１つの熱形成領域２２を含み、ここで、合金はレーザ形成の前に或る体積率の第１の相を含み、熱形成領域において第１の相の体積率は実質的に維持される。ここで用いられる語句「実質的に維持される」とは、予め設定した仕様より低下しないような、関心のある電気的、熱的、光学的、磁気的、又は機械的特性のものにあてはまる点を理解すべきであり、この実施形態の目的では、当該仕様は、関心のある材料特性の平均値から３標準偏差のものを含む。
【００３７】
特定の実施形態によれば、当該合金はニッケル基合金から構成され、第１の相はγ″相を含む。例示的なニッケル基合金はインコネル７１８を含む。別の実施形態によれば、当該合金はチタン合金を含み、第１の相はα相を含む。例示的な部品には、限定ではないが、エアフォイル、ブレード、ディスク、ブリスク（ブレードディスク）、燃焼器、プレート、フランジ、ダクト、及びチューブがある。
【００３８】
本発明の幾つかの特徴だけを本明細書で図示し説明してきたが、当業者であれば多くの修正及び変更を想起するであろう。従って、添付の請求項は、本発明の真の精神の範囲に含まれる全てのこのような修正及び変更を保護するものとする点を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】インコネル７１８プレートでのレーザスキャン領域内の微小硬さの低下を表す図。
【図２】レーザスキャン後のインコネル７１８クーポンに対して行われた微小硬さ測定を示す図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面でのレーザが当てられた表面を表す図。
【図４】レーザスキャン後に空冷させたインコネル７１８クーポンでの微小硬さデータを示す図。
【図５】レーザスキャン後に能動冷却されたインコネル７１８クーポンの微小硬さデータを示す図。
【図６】急速冷却を用いた熱成形の例示的なシステムを概略的に表す図。
【図７】液体（又はガス）噴霧冷却を組み込んだ本発明の別の能動冷却の実施形態を示す図。
【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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【外国語明細書】
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