(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー源を用いて単結晶金属製品の金属下地物質の欠陥部分に溶加材を溶け込ませることにより、単結晶金属製品の欠陥を補修する方法であって、
前記エネルギー源を、１０Ｊ／秒・ｃｍ２（１０Ｗ／ｃｍ２）から１０４Ｊ／秒・ｃｍ２（１０４Ｗ／ｃｍ２）の範囲の出力密度、０．２５４ｃｍ（０．１インチ）から１０ｃｍ（４インチ）の範囲の照射直径、及び０．１秒から１０００秒の範囲の照射時間で使用して溶融池を形成する過程とを有し、
前記エネルギー源除去時に溶融池が凝固して形成された補修部分の結晶方位が前記単結晶金属製品の結晶方位と整合することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法によって補修された単結晶材料製のガスタービンエンジン用部品。
【請求項３】
前記溶加材が、前記金属製品と同一の組成であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法によって補修された単結晶金属製品であって、前記金属製品の補修された部分の樹枝状晶の枝の間隔が、前記補修された部分の周囲の部分の樹枝状晶の枝の間隔よりも実質的に小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法によって補修された単結晶金属製品。
【請求項５】
補修される前記金属製品の一部分の３次元コンピュータモデルを生成する過程を更に有し、前記モデルにおいて、生成される個々の断面をインクリメンタルレイヤが画定し、前記モデルは、垂直軸に沿った水平方向の形状を補修するためのエネルギー源及び５軸式位置決めシステムなどの多軸式位置決めシステムのコンピュータによる制御に用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
金属製品の欠陥を補修する方法であって、
（ａ）エネルギー源を用いて前記金属製品の金属下地物質の欠陥部分を溶融して溶融池を形成する過程と、
（ｂ）前記溶融池内に溶加材を堆積させ、前記溶融池を凝固させてデポジットを形成する過程と、
（ｃ）エネルギー源を、前記過程（ａ）のときよりも低い出力密度及び長い照射時間で使用し、前記デポジット及びその周辺部分を再溶融して再び溶融池を形成する過程とを有し、
前記再溶融の後のエネルギー源除去時に溶融池が凝固して形成された補修部分の結晶方位が前記金属製品の結晶方位と整合することを特徴とする方法。
【請求項７】
前記過程（ａ）〜（ｃ）を繰り返し、各デポジットを下地物資に溶け込ませる過程（ｄ）を更に有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法によって補修された単結晶材料製のガスタービンエンジン用部品。
【請求項９】
前記金属製品が予め加熱されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶加材が、下地物質と同一の組成であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
〈１００〉の結晶方位を決定すべく前記製品のＸ線回折を行い、〈１００〉の成長方向が垂直方向となるように、前記製品の欠陥部分の周辺部分を除去する過程を更に有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
過程（ｃ）が実行される前に、複数のデポジットが形成されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
再溶融処理の前に、下地物質に対する加熱と溶加材の供給とが同時になされるように、過程（ａ）及び（ｂ）が実施されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
過程（ｃ）において、前記エネルギー源が、過程（ａ）よりも前記製品表面上のより大きい面積をカバーすることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
請求項６に記載の方法によって補修された単結晶金属製品であって、前記金属製品の補修された部分の樹枝状晶の枝の間隔が、前記補修された部分の周囲の部分の樹枝状晶の枝の間隔よりも実質的に小さいことを特徴とする請求項６に記載の方法によって補修された単結晶金属製品。
【請求項１６】
エネルギー源と材料供給手段とを用いて金属製品の欠陥を補修する方法であって、
（ａ）前記エネルギー源を用いて前記金属製品の金属下地物質の欠陥部分を溶融して溶融池を形成する過程と、
（ｂ）前記材料供給手段から前記溶融池内に溶加材を供給し、前記溶融池を凝固させてデポジットを形成する過程と、
（ｃ）複数のデポジットを形成する過程と、
（ｄ）エネルギー源を、前記過程（ａ）のときよりも低い出力密度及び長い照射時間で使用し、前記デポジット及びその周辺部分を再溶融して再び溶融池を形成する過程とを有し、
前記再溶融の後のエネルギー源除去時に溶融池が凝固して形成された補修部分の結晶方位が前記金属製品の結晶方位と整合することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法によって補修された単結晶材料製のガスタービンエンジン用部品。
【請求項１８】
過程（ｄ）で用いられる前記エネルギー源が、過程（ａ）で用いられる前記エネルギー源よりも大きい前記欠陥部分表面上でのビームスポット直径を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
金属製品の欠陥を補修する方法であって、
（ａ）溶加材を前記金属製品の金属下地物質の欠陥部分に堆積させる過程と、
（ｂ）エネルギー源を用いて前記欠陥部分に前記溶加材を溶け込ませる過程とを有し、
前記過程（ｂ）において、１０Ｊ／秒・ｃｍ２（１０Ｗ／ｃｍ２）から１０４Ｊ／秒・ｃｍ２（１０４Ｗ／ｃｍ２）の範囲の出力密度、０．２５４ｃｍ（０．１インチ）から１０ｃｍ（４インチ）の範囲の照射直径、及び０．１秒から１０００秒の範囲の照射時間で前記エネルギー源を使用することによって溶融池を形成し、
前記エネルギー源除去時に溶融池が凝固して形成された補修部分の結晶方位が前記金属製品の結晶方位と整合することを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記材料が、下地物質と同一の組成を有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記材料を堆積させる前に、前記欠陥部分が溶融されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に金属製品の補修に関し、特に単結晶ガスタービンエンジン部品の補修に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在のガスタービンエンジンは、性能及び効率を高めるために作動時に高速で回転し、高温下で作動する。従って、ガスタービンエンジンの部品の材料は、このような過酷な動作環境に耐えられるものでなければならない。
【０００３】
多くの高温ガスタービンエンジン部品は、高温用、及び高い機械的応力の加わることを想定して特別に開発されたニッケルベースの超合金製のものである。超合金材料は、部品の形状に鋳込み成型されることが多い。例えば、当該技術分野においては方向性凝固が知られている。この鋳込み技術では結晶粒界の方向を応力軸と平行に合わせる。このような方向の整合によって、耐熱強度が高められる。高温による破損は金属結晶間の境界部分において発生することが多いので、方向性凝固では結晶粒界の方向を、破損発生部位を最小化するように合わせるのである。
【０００４】
単結晶鋳造は上述の技術を拡張したものである。合金を単結晶に鋳造することによって、仕上げられた部品の内部結晶境界が除去される。単結晶タービンブレード及びベーンは、強度、延性、及び高温下での亀裂抵抗性のような特性に関して非常に優れたものである。従って、単結晶部品はガスタービンエンジンのタービン部分において広く用いられている。
【０００５】
単結晶エンジン部品は望ましいものではあるが、製造には非常にコストがかさむ。欠陥は、さまざまなエンジンの動作が行われた後のみならず、製造中にも発生することが多い。亀裂または他の欠陥が検出されたときには、その構成要素を補修または交換しなければならない。現在、単結晶部品を元の結晶の形態及び特性に復元することが可能な効果的な補修方法はない。このために、当該産業上で極めて大きな出費を招いている。
【０００６】
単結晶金属部品の補修のための従来の技術では、結晶境界を導入してしまったり、凝固時の亀裂が生じるためにうまく補修を行うことができなかった。「単結晶補修処理」とされる多くの溶接方式の処理が存在するが、これらの処理は必ず境界を導入してしまい、機械的特性を損なうことになる。
【０００７】
従来の補修処理の大半は、我々の知る限り、精密に焦点合わせされた高出力密度のレーザービームを用いて、金属下地物質と相互作用させるものである。この方式では少なくとも２つの現象のために亀裂が生ずる。第１の現象は高い凝固速度に関連する。凝固速度が高くなるのは、レーザービームにより生成された溶融池と下地物質との間の温度差が大きいことが原因である。加熱速度が速いために、下地物質の溶融しない部分の温度があまり上昇せず、この結果温度差が大きくなるのである。このことが意味するのは、レーザービームが移動したり、停止したときに、下地物質が非常に効率的なヒートシンクとして機能して表面の溶融部分が直ちに凝固してしまうということである。
【０００８】
更に詳述すると、レーザービームの出力密度が高く、それにさらされる時間が短いために大きな温度勾配が生じ、冷却速度が速くなって凝固速度も速くなるのである。この方式で部分的溶融及び凝固を行うことによって、凝固中の熱応力を誘発し亀裂を生じさせることがある。
【０００９】
多くの従来の技術において亀裂を生じさせる第２の現象は、溶融池が深くなり、縦横比（深さに対する幅の比）が高くなることである。このような比較的狭く深い溶融池において凝固が行われると、いくつかの不都合な点が生ずる。例えば、縦横比が比較的大きいために、熱が溶融池から横方向のみならず下地物質の下方向にも流れることになる。凝固が終了したとき、溶融池の壁部分の収縮によって大きな応力が生ずる。このように縦横比が大きいことの総合的な効果は、大きな角度の結晶粒界が導入されること、及び凝固において大きな収縮が生ずることである。大きな角度の結晶粒界が導入されることによって、材料の完全さが損なわれ、亀裂の発生率が高まる。この方式の凝固においては、収縮度が高いことにより、凝固中及び凝固後に高い応力が生じて、それが亀裂の発生にも結びつくことがある。従って、以上列挙した理由により、従来のレーザー式金属補修処理技術は、亀裂を生じさせることが多く、実際に利用することは一般に困難である。
【００１０】
このような問題を多少とも解決するためのさまざまなな試みがなされてきた。この中には亀裂を減少させるべく下地物質を予め加熱しておく方法や、延性が大きく凝固亀裂の少ない材料のような、異なる溶加材を用いる方法が含まれる。残念ながら、前述の問題を解決するためのこれらの方法はあまりうまく実施することができなかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、単結晶ガスタービンエンジンなどの単結晶製品の欠陥部分をその単結晶特性を損なわずに補修できるような、単結晶金属製品の補修方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施例の１つにおいては、亀裂を生じさせないような条件の下で溶加材を下地物質上の欠陥部分に溶け込ませる。本発明の好適実施例においては、比較的縦横比の小さい、即ち浅い溶融池を生成すべく、レーザービーム、または他の適当なエネルギー源が比較的低い出力密度（約１０Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０Ｗ／ｃｍ2）と約１０4Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０4Ｗ／ｃｍ2）との間）で、かつ比較的大きなビーム直径（約０．２５４ｃｍ（０．１インチ）と約１０ｃｍ（４インチ）との間）で、より長時間（約１秒と約１０００秒との間）照射させる。
【００１３】
材料は溶融池に加えられ、その中に溶け込んで、凝固しデポジット（deposit）となる。これとは別に、材料が溶融中または溶融の前に表面に与えられることもある。加えられる材料は下地物質と実質的に同じ組成の粉体であることが好ましい。しかし、応用例によっては、下地物質と異なる組成の材料が望ましいこともある。例えば、腐食が重要な問題であり、強度はそれほど重要でない場合は、耐腐食性の溶加材が好ましい。欠陥の性質及び発生原因によっては、欠陥の再発生を防ぐような材料を適当に作ることもある。
【００１４】
レーザービームを比較的低い出力密度で照射し、かつビーム直径を大きくすることによって、凝固時において、凝固前線を制御できない従来技術と異なり、凝固領域が下地物質の表面から概ね平面的に外向きに表面上を広がるようにすることができる。
【００１５】
本発明においては、レーザー溶融処理のパラメータを著しく変更することによって、レーザーによる金属補修処理中の亀裂の発生の問題を解決する。従来技術においては、レーザー処理が高い出力密度でかつ短時間実施されるのに対して、本発明においては、出力密度は低くされ、処理時間は長くされている。このことによって、凝固開始時の、下地物質の溶融池に隣接する部分の温度を著しく高めることができる。下地物質の溶融池に隣接する部分を比較的高温に保つことによって、熱勾配が小さくなり、凝固速度も小さくなる。このことによって亀裂の発生率も低くなるのである。従って本発明によれば、熱勾配を小さくし、冷却速度を下げ、凝固速度を小さくし、かつ溶融池の縦横比（深さ対幅比）を小さくすることにより、亀裂を発生させることなく単結晶材料の補修を行うことが可能となる。
【００１６】
本発明の別の実施例は、金属下地物質の欠陥部分に溶加材を溶け込ませ、凝固させて、更に亀裂が発生しないような条件の下で溶加材を再び溶融する過程を含む。詳述すると、エネルギー源によって下地物質の一部を溶融し、溶融池を形成する。エネルギー源の出力密度は、約５×１０3Ｊ／ｓ−ｃｍ2（５×１０3Ｗ／ｃｍ2）から約５×１０6Ｊ／ｓ−ｃｍ2（５×１０6Ｗ／ｃｍ2）の間であって、下地物質の加熱に必要なエネルギーのレベルによって決まる。次に、材料が溶融池に加えられ、溶け込まされ、更に凝固されてデポジットを形成する。これとは別に、材料が溶融の前または溶融中に表面上に与えられることもある。デポジットは、エネルギー源が除去されると、下地物質の熱伝達の結果急速に凝固する。しかし、デポジットは凝固中に生ずる応力のために非常に亀裂が生じやすい。
【００１７】
次に、デポジット（及びその周辺の領域）は、前述したような広い一過程の実施例において用いられたような処理パラメータを用いて、エネルギー源をより低い出力密度で、かつより長時間照射させることにより再び溶融される。エネルギー源が下地物質を加熱することによって、熱勾配、冷却速度、凝固速度が小さくなると共に、溶融処理中及び溶融処理後に発生する応力も小さくなる。このようにして結晶境界が無く、亀裂のないデポジットが形成されることになる。
【００１８】
製品を補修するためにこの処理は必要に応じて繰り返される。各デポジットはその下にある材料に溶け込み、凝固時の下地物質の結晶方位と整合した結晶方位を有するようになる。
【００１９】
本発明の別の実施例においては、いくつかのデポジットが形成されたのち、前に溶融池が形成されたときよりも低い出力密度で、かつより長い時間エネルギー源を照射させて再び溶融が行われる。この再溶融処理において用いられるエネルギー源は、前のものと比較して製品表面上のより広い領域をカバーするビームを発生する。
【００２０】
本発明の利点は、冷却速度と共に熱勾配を小さくできることである。これによって凝固時の収縮によって発生する応力も低減することができる。このように凝固時の収縮によって生ずる応力を低減することによって、亀裂の発生率は必ず小さくなる。
【００２１】
この結果、本発明の方法は単結晶ガスタービンエンジン部品の補修方法としては理想的なものとなる。製造過程において、またはエンジンの作動中に損傷を受けた単結晶ガスタービンエンジン部品を効果的に補修することが可能となるのである。
【００２２】
本発明により、ガスタービンエンジン部品のための真に構造的な補修方法が提供される。構造的であるということは、特に必要がない限り、補修される領域が下地物質と同一の機械的特性を有するようになるということである。従来の補修処理においては本発明の処理のように構造的ではなかった。
【００２３】
本発明により、下層をなす下地物質と同一の組成を有するデポジットを形成することができる。従来の処理では、溶融抑制剤の添加等により、下地物質と異なる組成となるのが一般的であった。本発明においては、組成に関して妥協する必要がない。しかし、補修される部品の性能を改善したり、過酷な環境に対する耐性を高めたりするために、意図的に組成を変えてもよい。例えば、その欠陥が酸化によるものである場合、被着される材料に、１または２種以上の要素、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｙ、Ｌａ、及びＣｅのような元素が添加されることがある。欠陥が熱腐食に関連するものならば、補修される領域にＣｒが添加されることがある。Ａｌ、Ｄｉ、Ｔａ、Ｃｂ、Ｍｏ、及びＷからなるグループから選択された材料の量を増加させることによって、補修領域の強度を下地物質より高めることができる。しかし、より延性の高められた補修領域が必要な場合は、上述の合金要素のグループに含まれる要素の量は低減されるべきである。
【００２４】
本発明は、補修用デポジットにおいて組成を変化させるような補修を行うために用いることも可能である。従って、例えば、補修デポジットの下地物質に隣接する部分が下地物質と同一の組成を有し、デポジットの外部に露出されている表面に隣接する部分の組成が、耐酸化性及び耐熱腐食性に関して最適化された組成を有していてもよい。防護皮膜が塗布できるような貼着性表面とするのに適する表面の組成を生成することも可能である。例えば、Ｙの量を高めることによって、防護皮膜の貼着性が高められる。
【００２５】
下地物質に密着した単結晶微細構造を有する保護皮膜を被着することも可能である。外部からの破壊的な化学作用は、選択的に所与の境界に沿って及ぼされることが多いので、このような皮膜によって似たような、多結晶の皮膜の特性を強化したものが得られる。このような単結晶皮膜は部品全体をカバーする必要はないが、酸化及び熱腐食が特に問題となるような部位には設けられる。
【００２６】
本発明の前述のような、及び他の特徴及び利点は、以下の実施例の説明を図面と共に参照することにより一層明らかとなるであろう。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明は、亀裂が生じないような条件の下で溶加材を下地物質へ溶け込ませる処理に関する。（図１〜図６に模式的に示されているような）下地物質６は、亀裂または割れのような欠陥が生じた何らかの金属製品である。例えば、下地物質６はニッケルベース、コバルトベース、または他の種類の超合金製品である。
【００２８】
下地物質６が単結晶金属製品である場合は、Ｘ線回折により決定された結晶方位が〈１００〉であることが好ましい。この結晶方位に成長した結晶は、望ましい一方向性構造を構成する。次に、製品の欠陥部分の周りの領域が、［１００］の結晶方位が垂直方向を向くように除去される。この方向への結晶の成長が容易であることから〈１００〉の結晶方位が望ましいのであるが、本発明の実施においては、このことは必ずしも必要ではない。
【００２９】
個体亀裂の原因となりうる応力の生成を低減するのを助けるために、下地物質６を予め加熱してもよい。この加熱処理は、レーザービーム、コイルヒータ、石英水銀灯、または標準的なクラムシェル型炉を利用する従来通りのさまざまな方法によって実施される。
【００３０】
図１は従来の被着処理を示す模式図であって、その幅に対して深さが非常に大きい溶融池８が示されている。熱は矢印１の方向に流れ、凝固前線は矢印５の方向に移動する。凝固前線は、溶融池８の中央線３に向かって移動するのが一般的である。溶融池８の両側からの凝固前線が中央線３上で出会ったときに応力が発生する。この応力は従来の多くの処理における亀裂の発生の原因である。
【００３１】
図２は本発明の処理を示した模式図であって、ここでは溶融池８の直径がその深さよりも実質的に大きい。溶融池８においては、熱が矢印９の方向に流れることによって材料が凝固するが、このとき液体と個体の境界面は矢印１１の方向に移動し、かつ下地物質６の表面に向かって移動してゆく。このように凝固前線が実質的に平面的になるような処理を行うことによって、凝固前線は下地物質６の外部に露出された表面と実質的に一致することになるので、亀裂の発生率は大幅に低下する。従って、材料内に残留応力が残らないことになる。符号１５で示す溶融池の周辺部分においてのみ、凝固前線が下地物質６の外部に露出された表面に向かってまっすぐに移動してゆかないことがある。
【００３２】
従って、本発明に基づき、亀裂を生じやすい金属製品の表面を、亀裂を生ずることなく溶融する方法が得られる。また、本発明の実施態様として挙げられるのは、図２に示すような浅い溶融池８の中に別の材料を添加することによって図３に示すような肉盛部分１７を形成することである。この別の材料は典型的には粉体として与えられるが、ワイヤ状または薄膜状の材料を与えることも可能である。
【００３３】
金属下地物質６の表面に肉盛部分を設けることによって欠陥の補修が可能であるということを我々は発見した。特に重要なことは、本発明を実施する場合、補修処理中に新しい結晶粒界を形成することなく下層をなす下地物質の結晶構造をそのまま継続できる点である。このことは非常に重要である。というのはこれによって単結晶製品の補修方法が得られるからである。これが従来では達成し得なかった新規な点である。
【００３４】
本発明の好適実施例においては、レーザービームまたは他の適当なエネルギー源を使用するが、その出力密度は約１０Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０Ｗ／ｃｍ2）と約１０4Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０4Ｗ／ｃｍ2）との間であり、好ましくは約８０Ｊ／ｓ−ｃｍ2（８０Ｗ／ｃｍ2）と約８００Ｊ／ｓ−ｃｍ2（８００Ｗ／ｃｍ2）との間であり、その照射時間は０．１０秒から約１０００秒の間であり、好ましくは約０．５秒から約１００秒の間である。更にビーム直径が約０．２５４ｃｍ（０．１インチ）と約１０ｃｍ（４インチ）との間であり、好ましくは約０．５１ｃｍ（０．２インチ）と約５．１ｃｍ（２インチ）との間であるようなレーザービーム、または適当なエネルギー源を使用し、それに前述の条件を組み合わせることによって、図１に示すような深くて狭い溶融池でなく図２及び図３に示すような浅い幾何学的形状の溶融池の形成が可能となる。
【００３５】
本発明の別の実施例においては、図４に示すように、この場合ではレーザーである第１エネルギー源が下地物質６上の欠陥部分の上のスポット４に焦点を合わせられている。ＹＡＧパルスレーザーのようなレーザはー、下地物質６の表面上ビーム直径を非常に小さいものとし、補修処理の精度を上げることができるので、このようなレーザーを使用するのが好ましい。被着「ライン」を生成するために連続的にレーザービームを使用することも可能である。レーザーの出力密度は約５×１０3Ｊ／ｓ−ｃｍ2（５×１０3Ｗ／ｃｍ2）と約５×１０6Ｊ／ｓ−ｃｍ2（５×１０6Ｗ／ｃｍ2）の間であって、下地物質６の加熱に必要なエネルギーとして決定される。ニッケルベースの単結晶下地物質の場合は、出力密度は約１０5Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０5Ｗ／ｃｍ2）であるのが好ましい。
【００３６】
レーザーによって生成される下地物質６上のビームスポットの直径は約０．０２５４ｍｍ（約０．００１インチ）と約２．５４ｍｍ（約０．１００インチ）との間であるのが好ましい。ビームスポットの直径を小さくすることによって、処理の精度が上昇し、ビームスポットの直径を大きくすると肉盛の生成速度が大きくなる。ビームスポットの最大寸法は使用される出力に応じて決まる。
【００３７】
図５に示すように、ビーム１０によって下地物質６上に溶融池８が形成される。次に溶融池８の中に溶加材が被着される。材料の添加はビーム１０の使用中または使用前に出されてもよい。添加される材料は下地物質６と実質的に同じ組成を有する粉体１８であるのが好ましい。
【００３８】
粉体１８を溶融池８に被着するときに、粉体１８は溶融されてビーム１０が除去されると同時に急激に凝固するデポジットを形成する。例えば、ビーム１０が製品を横切って通り過ぎることによって加熱入力が除去されてもよい。これとは別に、粉体１８とレーザービーム１０を下地物質６上に同時に与えることによって、粉体１８と下地物質６が同時に溶融するようにしてもよい。また、上述のような方法で複数のデポジットを形成してもよい。しかし、これらのデポジットは凝固速度が速いために生ずる応力によって亀裂を生じていることが多い。
【００３９】
次に、亀裂を生じないように選択された条件、即ち低い出力密度と長い露出時間のもとでデポジットが再び溶融される。詳述すると、この溶融に用いられる第２エネルギー源は出力密度が低くなるように調節された第１エネルギー源でもよい。この場合の出力密度は、約１０Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０Ｗ／ｃｍ2）と約１０4Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０4Ｗ／ｃｍ2）との間の範囲がよい。ニッケルベースの単結晶下地物質の場合に好ましい出力密度は約６００Ｊ／ｓ−ｃｍ2（６００Ｗ／ｃｍ2）である。また出力密度に関する処理パラメータは重複していないことが好ましい。第２エネルギー源に対する露出時間は約０．１秒から約１０００秒の間がよく、最も好適な露出時間は約０．５秒から約１００秒の間である。第２エネルギー源への露出時間は、各溶融池の生成における第１エネルギー源に対する露出時間よりも大きな時間で、少なくとも約１０秒であることが好ましい。最も好適な露出時間は少なくとも約１０5倍以上である。
【００４０】
第２エネルギー源の下地物質表面上におけるビームスポット直径は、図６の符号２８で示すように、第１エネルギー源のビームスポット直径よりも大きいことが好ましい。最も好適なビームスポット直径は第１エネルギー源のビームスポット直径の少なくとも約５倍である。
【００４１】
第２エネルギー源を取り除いたときに、材料は再び凝固するが、第１エネルギー源を与えたときに較べて低い速度で凝固する。このように穏やかに凝固することによって熱応力が低減し、必然的に亀裂が形成されないことになる。凝固は下地物質６から表面に向かって一方向に進行するので、下層の結晶の形態の継続が促進され、新しい結晶粒界の形成が防止されることになる。
【００４２】
上述の過程は下地物質６の肉盛部分において必要なだけ繰り返すことができる。製品の補修にかかる総時間は製品の寸法によって変わる。
【００４３】
図６に示すように、デポジットの凝固領域２６が形成される。凝固領域２６が第２エネルギー源のビームスポット直径より大きい場合は、エネルギー源が被着された構造を横切って連続的に移動することによって再び溶融されるが、このときエネルギー源の移動速度は、一方向性の自然凝固が促進されるように露出された材料を溶融できる速度である。
【００４４】
別の実施例として、各層を形成する工程を、例えば複式エネルギー源を用いることによって同時に実施することができる。
【００４５】
所望の肉盛層が形成されて欠陥が十分に補修された後、表面が仕上げ処理されてもよい。仕上げ処理され補修された製品のＸ線回折を行って、層全体に亘る結晶方位の連続性を確認してもよい。図５には本発明の方法の実施に適する装置が模式的に示されている。図５に示すように、粉体供給デバイス２０は溶融池８に粉体１８を供給する。粉体供給デバイス２０は粉体供給ライン２２を通して粉体供給ノズル２４に粉体１８を供給する。粉体供給ノズル２４は、粉体１８をビーム１０の周りに同軸で供給するような同軸式の設計のものでもよい。適切な粉体の供給速度は約０．５ｇ／分から約５０ｇ／分の間であって、溶加材の種類、ビームスポットの大きさ、及び出力密度に応じて決まる。別の実施例として、粉体１８を下地物質６上に予め与えておくことも可能である。
【００４６】
ビーム１０の部品に対する相対的な移動は、機械的手段若しくは電気的手段を用いた光学的素子または下地物質６のマニプレーションによって行われる。ここでは、例えば光電素子が用いられてもよい。磁気効果または静電効果を用いた非機械的手段によって材料供給の方向が決められる。
【００４７】
好適な技術においては、製品の補修されるべき部分の三次元コンピュータモデルが、例えばＣＡＤシステムを用いて生成される。このモデルにおいては、インクリメンタルレイヤ（incremental layers）によって、補修されるべき欠陥の個々の断面が画定される。このコンピュータによって生成されたモデルは、コンピュータを用いて例えば５軸システム、及び／若しくはレーザービームの多軸式位置決めシステムを制御するのに用いられる。多軸式位置決めシステムは３軸システムよりも大きいことが好ましい。例えば、５軸位置決めシステムにおいては、部品の回転によって水平方向の形状が構成し、垂直軸の重力の反対方向に垂直軸に沿ってその水平方向の形状を積み重ねてゆくことにより、全体の形状を構成することが可能である。
【００４８】
以下に述べる実施例は本発明を更に詳しく説明するためのものである。明細書に記載された出力密度は、ＹＡＧレーザー及びニッケルベースの下地物質を用いた場合には約３０％から約３５％が吸収されるということに注意されたい。しかし、別の種類のレーザーまたは下地物質が用いられる場合には、出力密度及び吸収されるパーセンテージは変化する。更にここに記載した出力値は平均出力である。
【００４９】
【実施例１】
結晶方位が［１００］で、名目組成が５重量％のＣｒ、１０重量％のＣｏ、１．９重量％のＭｏ、５．９重量％のＷ、３重量％のＲｅ、８．７重量％のＴａ、５．６５重量％のＡｌ、０．１重量％のＨｆ、残りがＮｉである単結晶ワークピースがアルコールで洗浄された。次にワークピースはレーザー被着装置のプラットフォーム上に配置された。パルスレートが９０Ｈｚ（９０ｓ-1）で、パルスタイムが約２ミリ秒で、出力密度が約１０5Ｊ／ｓ−ｃｍ2（約１０5Ｗ／ｃｍ2）で、出力が１００Ｊ／ｓ（１００Ｗ）であるようなＹＡＧパルスレーザーがワークピース表面の中央部分のスポットに焦点合わせされた。
【００５０】
レーザーを制御するのにＡｌｌｅｎ−Ｂｒａｄｌｅｙ７３２０ＮＣコントローラが用いられた。図５に示すように、レーザーはビーム１０を発し、このビームは鏡１２で反射されてワークピースに向かう。レーザーから発射されたビーム１０は鏡１２とワークピースとの間に配置されたレンズシステム１４を通過した。ビーム１０がレンズシステム１４から発射されたとき、焦点１６は概ねワークピースの表面上だった。
【００５１】
ビーム直径約０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）のビームスポットがワークピース表面上に生成された。次に溶融池８が生成された。溶融池８は直径約０．５０８ｍｍ（約０．０２インチ）で深さが約０．２０３ｍｍ（０．００８インチ）であった。レーザービームがワークピースの表面を横切っていくときに、各レーザーパルスは溶融池８を生成した。
【００５２】
粉体の供給速度の制御には、米国ウィスコンシン州ＡｐｐｌｅｔｏｎのＭｉｌｌｅｒ−Ｔｈｅｒｍａｌ社製のモデル１２６０  Ｒｏｔｏ−Ｆｅｅｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌが用いられた。ディスクの回転速度を約１ｒｐｍから約１．５ｒｐｍの間で変化させることにより流体の供給速度は約１５ｇ／分となった。粉体のサイズは約４００メッシュ（mesh）であって、ワークピースの材料と同じ組成を有するものであった。約１３８ｋＰａ（２０ｐｓｉ）でアルゴンガスが粉体供給デバイス２０に連続的に送られて、粉体に圧力をかけ、粉体の供給を促進するように維持した。アルゴンガスはワークピースが汚染されないように環境からシールドするのにも用いられた。
【００５３】
粉体供給デバイスはレーザーと１列に並んで移動し、移動するレーザーによって生成された溶融池に粉体が供給され、被着構造を形成し急速に凝固するようにした。
【００５４】
８列のデポジットからなる被着構造が生成された。各列の中心間の距離は約０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）となった。約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）四方の被覆領域が生成されたが、ここには亀裂が含まれていた。
【００５５】
８列の被着領域が形成された後、処理は停止された。パルスタイムの設定は４ミリ秒に変えられた。パルスレートは９０Ｈｚ（９０ｓ-1）であった。レーザーの平均出力は２００Ｊ／ｓ（２００Ｗ）に上げられ、ワークピース表面上におけるビームスポットの直径は光学システムを変えることによって約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）に大きくされた。このように設定を変えることによって、出力密度は約６４０Ｊ／ｓ−ｃｍ2（６４０Ｗ／ｃｍ2）に低くなった。レーザーは凝固領域に約６０秒間向けられた。凝固領域のレーザーにさらされた部分は溶融し、レーザーが除去されたとき自然にゆっくりと凝固し、亀裂を取り除き、ワークピースの下層をなす部分の単結晶方位をそのまま継続する形となった。
【００５６】
６．３５ｍｍ（０．２５インチ）のビームスポット直径のレーザーを用いて溶融処理を行った後に８列の被着部分を形成する処理は３０回連続的に繰り返されて、生成された層全体に亘ってワークピースの単結晶方位を継続する形となった。
【００５７】
肉盛部分上のいくつかの点でＸ線回折を行い、結晶方位を判定した。図７Ａ乃至Ｃはそれぞれ点１（下地物質の肉盛部分の末端部の近傍）、点２（肉盛部分の概ね中央部分）、及び点３（肉盛部分以外の下地物質の領域）における結晶方位を示すＸ線回折の結果を示す図である。
【００５８】
各点における結晶方位の差は約５度未満である。またこれは肉盛部分全体に亘って［１００］の単結晶の結晶方位がそのまま継続されたことを示している。このような方向の一致は図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃの同様の目に見える水平な線によっても証明されるが、この水平な線は同様に結晶方位を示している。
【００５９】
【実施例２】
この試行では、実施例１と同一の装置、粉体組成、及び下地物質組成を用いた。この試行においては、材料を長さ１２．７ｍｍ（０．５インチ）で８列分下地物質上に被着した。実施例１のように、材料の各列の中心線間の距離は約０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）とした。図８は被着された構造を２５倍の倍率で示した平面図であって、被着によって方向性の成長が生じているところが示されている。被着された構造が形成されたとき、ＹＡＧレーザービームは構造の一端から別の一端へと動かされた。
【００６０】
この試行におけるパラメータは以下の通りであった。最初の被着処理の段階においては、レーザーの平均出力は約１００Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１００Ｗ／ｃｍ2）、パルスレートは９０Ｈｚ（９０ｓ-1）、パルスタイムは２ミリ秒であった。出力密度は約１０5Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０5Ｗ／ｃｍ2）であった。下地物質表面におけるビームスポット直径は約０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）であった。
【００６１】
再溶融処理の段階においては、パルスレートは９０Ｈｚ（９０ｓ-1）のままであったが、パルスタイムは約４ミリ秒、レーザーの平均出力は２００Ｊ／ｓ（２００Ｗ）に増加され、ワークピース表面におけるビームスポット直径は光学システムを変化させることにより６．３５ｍｍ（０．２５インチ）に増加された。このようなパラメータの変化によって、出力密度は約６００Ｊ／ｓ−ｃｍ2（６００Ｗ／ｃｍ2）に低減された。
【００６２】
この試行は、単結晶材料の被着する部分の長さを伸ばすことの実行可能性を明らかにした。図９に示すのは、単結晶の結晶方位が［１００］しとなっていることを示した図である。
【００６３】
【実施例３】
本発明は単結晶ニッケルベース合金製のタービンブレードプラットフォーム上に生じた亀裂を補修するのに利用された。この合金の名目組成はＣｒが５重量％、Ｃｏが１０重量％、Ｍｏが１．９重量％、Ｗが５．９重量％、Ｒｅが３重量％、Ｔａが８．７重量％、Ａｌが５．６５重量％、Ｈｆが０．１重量％、残りがＮｉであった。亀裂の寸法は、長さ約０．２５４ｃｍ（０．１０インチ）、深さ約０．０１０ｃｍ（０．０４インチ）から約０．０１３ｃｍ（０．００５インチ）であった。
【００６４】
補修の前に、亀裂の周囲の領域は研磨された（削り取られた）が、この補修されるべき切り欠き部分の表面は［１００］の結晶方位となるようにされた。この表面は［１００］の方向に対して必ず垂直でなければならなかった。Ｘ線回折を用いて方位が判定された。タービンブレードは、［１００］の方向が垂直な方向を向くような姿勢でレーザー式被着装置上に配置された。
【００６５】
ＹＡＧパルスレーザーがブレードの欠陥部分の中央に焦点合わせされた。このＹＡＧパルスレーザーはパルスレートが９０Ｈｚ（９０ｓ-1）、出力密度が約１０5Ｊ／ｓ−ｃｍ2（１０5Ｗ／ｃｍ2）、パルスタイムが約２ミリ秒、また出力は１４０Ｊ／ｓ（１４０Ｗ）であった。
【００６６】
前述の実施例と同様に、レーザーを制御するのにＡｌｌｅｎ−Ｂｒａｄｌｅｙ７３２０ＮＣコントローラが用いられた。ブレード表面におけるビームスポット直径は約０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）であった。次に、溶融池８が生成された。溶融池８の直径は約０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）、深さが約０．２０３ｍｍ（０．００８インチ）であった。レーザービームがワークピースの表面を横切って移動するときに各レーザーパルスが溶融池８を生成した。
【００６７】
別の実施例と同様に、粉体の供給速度の制御には、米国ウィスコンシン州ＡｐｐｌｅｔｏｎのＭｉｌｌｅｒ−Ｔｈｅｒｍａｌ社製のモデル１２６０  Ｒｏｔｏ−Ｆｅｅｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌが用いられた。ディスクの回転速度を約１ｒｐｍから約１．５ｒｐｍの間で変化させることにより流体の供給速度は約１５ｇ／分となった。粉体のサイズは約４００メッシュ（mesh）であって、ワークピースの材料と同じ組成を有するものであった。約１３８ｋＰａ（２０ｐｓｉ）でアルゴンガスが粉体供給デバイス２０に連続的に送られて、粉体に圧力をかけ、粉体の供給を促進するように維持した。アルゴンガスはワークピースが汚染されないように環境からシールドするのにも用いられた。
【００６８】
粉体供給デバイスはレーザーと１列に並んで移動し、移動するレーザーによって生成された溶融池に粉体を供給し、被着された構造を形成するようにした。この被着された構造は急速に凝固した。
【００６９】
デポジットが８列に並んだ被着構造が生成された。各列の中心線間の距離は約０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）であった。１辺が約０．３８ｃｍ（０．１５インチ）、もう１辺が０．１０ｃｍ（０．０４インチ）の被覆された領域が生成された。
【００７０】
８列のデポジットの形成の後、パルスタイムを２ミリ秒に保持し、パルスレートを９０Ｈｚ（９０ｓ-1）に維持して、かつレーザーの平均出力は約１４０Ｊ／ｓ（１４０Ｗ）に維持し、ワークピース表面上におけるビームスポット直径を約０．５１ｃｍ（０．２インチ）に増加させた。このビーム直径の増加は光学的システムの変更によってなされ、このとき焦点はブレード表面の上方約２．８ｃｍ（１．１インチ）の位置となるようにした。このような変更によって、レーザーの出力密度は約７００Ｊ／ｓ−ｃｍ2（７００Ｗ／ｃｍ2）に低減された。レーザーは凝固された領域に向けられ、レーザーの移動速度は約０．７６ｃｍ／分（０．３インチ／分）であった。この速度で、凝固領域の各部分はレーザーにさらされ、溶融して、レーザーが除去されたとき自然にゆっくりと凝固した。このようにして亀裂を除去し、かつ下層をなすブレードの単結晶材料の結晶方位をそのまま継続する形とした。
【００７１】
０．５１ｃｍ（０．２インチ）のビームスポット直径のレーザーによって溶融処理を行った後、８列の被着部分を形成する工程は連続的に繰り返され、生成された層全体に亘ってワークピースの単結晶材料の結晶方位をそのまま継続するような形にした。
【００７２】
ブレードの補修を施していない領域と同様に補修を施した領域上のさまざまな点においてＸ線回折を行った。これらの点は図１０において符号３０、３２、及び３４で示されている。図１０は補修を施されたタービンブレードの模式図である。各点の結晶方位は互いに３度以内の角度をなしており、このことは単結晶材料の結晶方位の継続がうまくなされたことを表している。
【００７３】
本発明の利点として、方向性凝固した、または単結晶のガスタービンエンジン部品の補修を効果的に実施できるということがある。本発明の技術を、ガスタービンエンジン部品のような金属製品を互いに接合するのに用いてもよい。
【００７４】
本発明の別の利点は、成長の方向に対して垂直な向きの応力を、亀裂が生ずるようなレベルよりも低いレベルに抑えることができるということである。このことは低い出力密度の熱源を２度目の処理において新たに用いる方法によって実現される。この熱源はデポジットの層を溶融し、次にゆっくりとした速度で自然に方向性をもって凝固させる。自然溶融を用いると、熱間割れやその後の応力による亀裂が生じにくい。熱間割れは、部分的に溶融状態にある部位で発生する亀裂であって、亀裂の発生しない構造の生成において大きな障害となるものである。凝固した後の工程で誘発する応力も低減される。
【００７５】
亀裂を除去するように選択された条件の下で、金属下地物質に溶加材を溶け込ませるこのユニークな方法は、Ｂｒｏｗｎ等を発明者とし、本発明の出願人に譲渡された、“Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ａｒｔｉｃｌｅｂｙ  Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”という名称の米国特許第４，３２３，７５６号の明細書に開示された被着プロセスとはたやすく区別されるが、この明細書をここでは参考として参照されたい。上述のＢｒｏｗｎ等による被着プロセスにおいては、複数の、供給される素材の薄膜層が、連続的なエネルギービームを用いて下地物質上に被着される。これらの薄膜層は各被着過程が一巡する毎に、その被着層の上に連続して被着をなすことによって生成される。
【００７６】
図１１に示すのは、Ｂｒｏｗｎ等による被着プロセスの時間と出力密度との関係を、本発明のプロセスと比較して示した図である。図１１の細い対角方向の帯が表すのは、上述の特許の方法における有効処理条件である。
【００７７】
しかし、本発明の有効処理条件は図１１において区別して示されており、一過程でなされる実施例のパラメータと共にその過程に続く再溶融過程を有する実施例のパラメータが、Ｂｒｏｗｎ等によるプロセスにおける有効処理条件の下に示されている。
【００７８】
本発明の方法をＢｒｏｗｎ等の方法と更に区別すべく、図１２及び１３において比較のための棒グラフが示されている。Ｂｒｏｗｎ等による特許の第２実施例においては、複数の供給される素材の薄膜層が、各被着工程が一巡する毎に繰り返し被着処理がなされることによって形成される。連続的なエネルギー源も用いられる。図１２を参照すると、各垂直方向の直線は、連続的な材料の被着処理の一過程を表す。２２ｒｐｍの速度で回転するマンドレルと、高さ２５．４ｍｍ（１インチ）のフィンが、１０分で形成された（処理一巡当たり高さ０．１１５ｍｍ（０．００４５４インチ））。
【００７９】
しかし、本発明の実施例においては、実施例１で示したように、エネルギー源を用いて溶融池を生成し、溶融池の中に材料を被着することによってデポジットが形成される。前述のようにいくつかのデポジットが形成されてもよい。各デポジットの形成には、約１〜２ミリ秒かかる。エネルギー源を除去したとき、凝固が始まる。図１３の第１の垂直方向の棒の組が示すのはこの被着処理である。次に、被着部分はより低い出力密度（約６００Ｊ／ｓ−ｃｍ2）のエネルギー源により長い時間（約６０秒）照射される。この長い時間かけて行う処理も図１３に示されている。エネルギー源が除去されたとき、凝固が開始されるが、このときの凝固速度が前の凝固のときよりも遅い。
【００８０】
冷却速度（℃／ｓ）は、熱勾配の生成及び成長速度によって決まるということが知られている。正確な値を測定することは困難であるが、亀裂の発生を減らすという観点からは冷却速度は遅い方が好ましい。本発明においては、冷却速度の低下及び熱勾配の低減という重要な成果が得られ、これによって凝固速度も低減させている。この凝固速度の低減によって、凝固中に発生する応力も低下する。このように凝固時の応力の発生を減らすことによって、亀裂の発生の可能性も必然的になくなることになる。
【００８１】
本発明の別の利点は、一方向性の凝固をなすことが可能である点である。熱勾配を小さくすることによって成長の方向が下地物質の結晶方位によって制御されることになる。
【００８２】
更に、本発明に基づいて形成された構造の微細構造は、従来の鋳込みによって形成された構造と比較して数倍のオーダーで精度を上げることができる。鋳造用のニッケルベースの超合金は、一般に樹枝状の微細構造を有する。樹枝状晶とは、木のような形状の微細構造のものであって、凝固時に形成され、樹枝状晶の枝の間の構造の組成とはやや異なった組成を有する。
【００８３】
樹枝状晶の枝の間隔は、機械的特性及びある特性を得るために必要な熱処理に対して影響を与える。所与の組成に対しては樹枝状晶の枝の間隔は凝固速度の関数であり、またその間隔が冷却速度の見積もりに用いられる。
【００８４】
本発明においては、たとえ、従来のレーザープロセスにおいて生じる溶融された材料の冷却速度を低減するような工程が用いられていたとしても、冷却速度は本発明の工程では一般的な鋳込み処理において超合金材料が冷却されるときの速度よりも実質的に大きなものとなる。また、主な樹枝状晶の枝の間隔は約２００μｍから約６００μｍの間の範囲である。本発明の補修領域において用いられる材料に対しては、樹枝状晶の枝の間隔は約２０μｍから約１８０μｍの間の範囲である。単結晶超合金製品においては、隣接し合う領域における実質的に異なる樹枝状晶の枝の間隔についての特徴が独特である。
【００８５】
本発明の実施例について説明してきたが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなくさまざまな変更が本発明の実施において可能であるということは当業者には理解されよう。
【００８６】
【発明の効果】
以上より、本発明に基づき、単結晶製品の欠陥部分を、単結晶特性を損なわずに補修できるような単結晶金属製品の補修方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の溶融池を示した図である。
【図２】本発明の溶融池を示した図である。
【図３】材料の盛り上げられた本発明の溶融池を示した図である。
【図４】溶融池を生成するのに用いられるエネルギー源を示した図である。
【図５】溶融池に材料を被着させたところを示した図である。
【図６】下地物質表面上でのビーム直径の大きいエネルギー源を示した図である。
【図７】Ａ及びＢ及びＣからなり、Ａは、ニッケルベースの単結晶下地物質上に集積された相の結晶方位を示す点１におけるＸ線回折を示した図であり、Ｂは、ニッケルベースの単結晶下地物質上に集積された相の結晶方位を示す点２におけるＸ線回折を示した図であり、Ｃは、ニッケルベースの単結晶下地物質上に集積された相の結晶方位を示す点３におけるＸ線回折を示した図である。
【図８】倍率２５倍で示した被着構造の平面図である。
【図９】図８の被着構造の中央部における結晶方位を示した図である。
【図１０】本発明の方法により補修されたタービンブレードを模式的に示した図である。
【図１１】本発明の実施例における出力密度と時間との関係を、従来の処理方法と比較手示した図である。
【図１２】従来の被着処理をグラフで示したものである。
【図１３】本発明の実施例をグラフで表したものである。
【符号の説明】
６  下地物質
８  溶融池
１０  レーザービーム
１２  鏡
１４  レンズシステム
１６  焦点
１７  肉盛部分
１８  粉体
２０  粉体供給デバイス
２２  粉体供給ライン
２４  粉体供給ノズル
２６  凝固領域
２８  ビームスポット
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0004094690.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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