(57)【要約】  部品（Ｃ）を製作するための方法であって、金属粉末（Ｐ）を作業平面（１２８）に配置すること；指向性エネルギー源（１２４）からのビームを誘導して、上記部品（Ｃ）の断面層に対応するパターンに従って上記粉末（Ｐ）を融合させること；上記配置および融合のステップを周期的に繰り返して、上記部品（Ｃ）を層ごとに構築すること；および上記配置および融合のサイクル中、上記指向性エネルギー源（１２４）から分離されている外部熱制御装置（１４４、１４６、１５０、１５４）を使用して、その結果生じる部品（Ｃ）が、一方向凝固または単結晶微細構造を有するように、上記部品（Ｃ）の所定の温度プロファイルを維持することを含む方法が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品（Ｃ）を製作するための方法であって、
金属粉末（Ｐ）を作業平面（１２８）に配置すること、
指向性エネルギー源（１２４）からのビームを誘導して、前記部品（Ｃ）の断面層に対応するパターンに従って前記粉末（Ｐ）を融合させること、
前記配置および融合のステップを周期的に繰り返して、前記部品（Ｃ）を層ごとに構築すること、および
前記配置および融合のサイクル中、前記指向性エネルギー源（１２４）と分離している外部熱制御装置（１４４、１４６、１５０、１５４）を使用して、その結果生じる部品（Ｃ）が、一方向凝固または単結晶微細構造を有するように、前記部品（Ｃ）の所定の温度プロファイルを維持することを含む方法。
【請求項２】
前記粉末（Ｐ）および前記部品（Ｃ）が、縦軸に沿って移動可能な構築プラットフォーム（１２０）に支持されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粉末（Ｐ）を融合させる各ステップ後、選択した層増加分だけ前記構築プラットフォーム（１２０）を降下させることを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記外部熱制御装置（１４４）が、前記部品（Ｃ）を取り囲む断熱材（１４４）の層を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記外部熱制御装置（１４６）が、前記部品（Ｃ）を取り囲むヒータ（１４６）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記外部熱制御装置（１５０）が、前記部品（Ｃ）付近に位置決めされている石英灯（１５０）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記外部熱制御装置（１５４）が、前記部品（Ｃ）を取り囲む少なくとも１つの誘導コイル（１５４）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記外部熱制御装置（１４４、１４６、１５０、１５４）が、前記部品（Ｃ）を溶解化温度で維持するために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記外部熱制御装置（１４４、１４６、１５０、１５４）が、配置および融合中に、前記部品（Ｃ）の温度および加熱速度を両方とも制御するために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
金属部品（Ｃ）を製作するための装置であって、
所定の組成物の金属粉末（Ｐ）を保持するように構成されている構築囲壁（１２２）、
前記金属粉末（Ｐ）を融合させるのに好適なエネルギービーム（Ｂ）を生成するように作動可能な指向性エネルギー源（１２４）、
前記エネルギービーム（Ｂ）を、前記金属粉末（Ｐ）に当て、前記部品（Ｃ）の断面層に対応するパターンに従って誘導するように作動可能なビームステアリング装置（１２６）、および
前記構築囲壁（１２２）内の所定の温度プロファイルを維持するように作動可能な、前記指向性エネルギー源（１２４）と分離されている外部熱制御装置（１４４、１４６、１５０、１５４）を備える装置。
【請求項１１】
前記構築囲壁（１２２）内部に配置されている、縦軸に沿って移動可能な構築プラットフォーム（１２０）を更に備える、請求項１０に記載の装置（１４４、１４６、１５０、１５４）。
【請求項１２】
前記外部熱制御装置（１４４）が、前記部品（Ｃ）を取り囲む断熱材（１４４）の層を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記外部熱制御装置（１４６）が、前記部品（Ｃ）を取り囲むヒータ（１４６）を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記外部熱制御装置（１４４、１４６、１５０、１５４）が、前記部品（Ｃ）付近に位置決めされている石英灯を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
前記外部熱制御装置（１４４、１４６、１５０、１５４）が、前記構築囲壁を取り囲む少なくとも１つの誘導コイルを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
誘導コイル（１５６’）が、前記構築囲壁（１２２）の上方に設置される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記誘導コイル（１５６’）が、アクチュエータ（１６１）に接続されているアーム（１５９）により前記構築囲壁（１２２）の上方に設置され、前記アクチュエータ（１６１）が、使用位置と、前記構築囲壁（１２２）から離れている格納位置との間で前記誘導コイル（１５６’）を移動させるように作動可能である、請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にタービン部品に関し、より詳しくは、高温環境で使用される単結晶タービン部品を構築するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なガスタービンエンジンは、直列流動関係にある高圧コンプレッサ、燃焼器、および高圧タービンを有するターボ機械コアを備える。コアは、一次ガス流を生成するように公知の様式で稼働可能である。高圧タービンは、一次ガス流からエネルギーを抽出する１つまたは複数のステージを備える。各ステージは、タービンブレードを担持する下流ロータの前に固定タービンノズルを備える。これら「高温部」部品は、金属合金の熱腐食および酸化を促進する極高温環境で稼働する。
【０００３】
従来技術では、高温部部品は、典型的には、「超合金」として従来から知られている、良好な高温クリープ耐性を有するニッケルまたはコバルトに基づく合金で鋳造される。こうした合金は、主に、クリープ破断強度および疲労強度等の機械的特性要件を満たすように設計される。
【０００４】
鋳造プロセスは、所望の微細構造、例えば、一方向凝固（「ＤＳ」）または単結晶（「ＳＸ」）を生成することが知られている。単結晶微細構造は、結晶学的粒界のない構造を指す。単結晶鋳造には、シードエレメント（すなわち、核生成冷却点）、および冷却中の温度を注意深く制御することが必要である。
【０００５】
材料が層ごとに積み上げられ、部品が形成される積層造形は、鋳造の代替プロセスである。鋳造プロセスとは異なり、積層造形は、機械の位置分解能によってのみ制限を受け、鋳造が必要とするような、抜き勾配の提供、突出部の回避等の要件による制限は受けない。積層造形は、「積層製造（ｌａｙｅｒｅｄ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）」、「リバースマシニング（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）」、「直接金属レーザ融解」（ＤＭＬＭ、ｄｉｒｅｃｔ  ｍｅｔａｌ  ｌａｓｅｒ  ｍｅｌｔｉｎｇ）、および「３Ｄプリンティング」等の用語によっても参照される。そのような用語は、本発明の目的では同義的に取り扱われる。
【０００６】
積層造形を使用して高温部部品を生産するための従来技術は公知である。例えば、Ｍｏｒｒｉｓらの米国特許出願第２０１１／０１３５９２号明細書には、金属粉末を配置し、その後レーザ融解するサイクルを繰り返すことにより部品を構築するプロセスが記載されている。レーザ熱入力は、部品の一部に必要な溶解化温度を維持するには十分だが、全体にわたって単結晶微細構造を有する部品を生産することができない。
【０００７】
したがって、単結晶微細構造を有する部品を積層造形するためのプロセスの必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２５６５２９４号明細書
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、単結晶合金部品を積層製造するための装置および方法を提供することにより、この必要性に取り組むものである。本装置および方法は、構築中の部品の温度を効果的に制御する外部熱制御装置を使用することを含む。
【００１０】
本発明の１つの態様によると、部品を製作するための方法であって、金属粉末を作業平面に配置すること；指向性エネルギー源からのビームを誘導して、上記部品の断面層に対応するパターンに従って上記粉末を融合させること；上記配置および融合のステップを周期的に繰り返して、上記部品を層ごとに構築すること；および上記配置および融合のサイクル中、上記指向性エネルギー源から分離されている外部熱制御装置を使用して、その結果生じる部品が、一方向凝固または単結晶微細構造を有するように、上記部品の所定の温度プロファイルを維持することを含む方法が提供される。
【００１１】
本発明の別の態様によると、上記粉末および部品は、縦軸に沿って移動可能な構築プラットフォームに支持されている。
【００１２】
本発明の別の態様によると、本方法は、上記粉末を融合させる各ステップ後、選択した層増加分だけ上記構築プラットフォームを降下させることを更に含む。
【００１３】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記部品を取り囲む断熱材の層を含む。
【００１４】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記部品を取り囲むヒータを含む。
【００１５】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記部品付近に位置決めされている石英灯を含む。
【００１６】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記部品を取り囲む少なくとも１つの誘導コイルを含む。
【００１７】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記部品を溶解化温度で維持するために使用される。
【００１８】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記配置および融合中に、上記部品の温度および加熱速度を両方とも制御するために使用される。
【００１９】
本発明の別の態様によると、金属部品を製作するための装置は、所定の組成物の金属粉末を保持するように構成されている構築囲壁；上記金属粉末を融合させるのに好適なエネルギービームを生成するように作動可能な指向性エネルギー源；上記エネルギービームを、上記金属粉末に当て、上記部品の断面層に対応するパターンに従って誘導するように作動可能なビームステアリング装置；および上記構築囲壁内の所定の温度プロファイルを維持するように作動可能な、上記指向性エネルギー源と分離されている外部熱制御装置を備える。
【００２０】
本発明の別の態様によると、本装置は、上記構築囲壁の内部で配置されている、縦軸に沿って移動可能な構築プラットフォームを更に含む。
【００２１】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記部品を取り囲む断熱材の層を含む。
【００２２】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記部品を取り囲むヒータを含む。
【００２３】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記部品付近に位置決めされている石英灯を含む。
【００２４】
本発明の別の態様によると、上記外部熱制御装置は、上記構築囲壁を取り囲む少なくとも１つの誘導コイルを含む。
【００２５】
本発明の別の態様によると、誘導コイルは、上記構築囲壁の上方に設置される。
【００２６】
本発明の別の態様によると、上記誘導コイルは、アクチュエータに接続されているアームにより上記構築囲壁の上方に設置され、上記アクチュエータは、使用位置と、上記構築囲壁から離れている格納位置との間で上記誘導コイルを移動させるように作動可能である。
【００２７】
本発明は、添付の図面と共に以下の説明を参照すると、最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の態様により構築された例示的なタービン部品の概略透視図である。
【図２】本発明の態様により構築された積層造形装置の部分断面概略側面図である。
【図３】図２の３−３線に沿って切り取った図である。
【図４】本発明の態様により構築された積層造形装置の部分断面概略側面図である。
【図５】図４の５−５線に沿って切り取った図である。
【図６】本発明の態様により構築された積層造形装置の部分断面概略側面図である。
【図７】図６の７−７線に沿って切り取った図である。
【図８】本発明の態様により構築された代替タービン部品の概略透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本図面では、同一の参照番号は、種々の図の全体にわたって同じ要素を示す。本図面を参照すると、図１には、例示的なタービンブレード１０が示されている。タービンブレード１０は、従来型ダブテール１２を備えており、それは、作動中に回転する際にタービンブレード１０をディスクに放射状に保持するためのローターディスク（図示せず）のダブテールスロットの相補的特徴と係合する特徴を含む任意の好適な形態を有していてもよい。ブレードシャンク１４は、ダブテール１２から放射状に上方へと延在し、シャンク１４から横方向に外側へと突出し、シャンク１４を取り囲むプラットフォーム１６で終端する。中空翼形部１８は、プラットフォーム１６から高温ガス流へと放射状に外側へと延在する。この翼形部は、プラットフォーム１６および翼形部１８の接続部に基部２０を有し、その放射状外側端部に先端２２を有する。翼形部１８は、前縁２８および後縁３０で共に結合されている凹面圧力側壁２４および凸面吸引側壁２６を有する。翼形部１８は、高温ガス流からエネルギーを抽出し、ローターディスクの回転を引き起こすのに好適な任意の構成をとることができる。翼形部１８には、翼形部１８の圧力側壁２４に複数の後縁冷却穴３２が組み込まれていてもよく、または幾つかの後縁ブリードスロット（図示せず）が組み込まれていてもよい。翼形部１８の先端２２は、翼形部１８と一体化されていてもよく、別々に形成されていてもよく、または翼形部１８に取り付けられていてもよい先端蓋３４により閉じられている。直立スキーラ先端３６は、先端蓋３４から放射状に外側へと延在しており、先端２２を通過する気流ロスを最小限に抑えるために、組み立てられたエンジンの固定シュラウド（図示せず）のすぐ近くに配置される。スキーラ先端３６は、圧力側先端壁４０と離間した関係に配置されている吸引側先端壁３８を備える。先端壁４０および３８は、翼形部１８と一体化されており、それぞれ圧力側壁２４および吸引側壁２６の延長を形成する。圧力側先端壁４０および吸引側先端壁３８の外側表面は、それぞれ圧力側壁２４および吸引側壁２６の外側表面と連続表面を形成する。複数のフィルム冷却孔４４が、翼形部１８の外部壁を貫通している。フィルム冷却孔４４は、翼形部１８の内部空間（図示せず）と連通しており、翼形部１８の内部は、蛇行構成等の複雑な構成をしている、内部壁により規定される冷却通路を備えていてもよい。
【００３０】
十分なクリープ破断強度および疲労強度を得るために、ならびに熱腐食および酸化を防止するために、タービンブレード１０は、「超合金」として従来から知られている、ニッケルまたはコバルトに基づく合金等の、良好な高温クリープ耐性を有する材料で製作されている。
【００３１】
本発明は、積層造形法を使用して、単結晶（ＳＸ）微細構造を有する部品を生成するための方法および装置を提供する。上述のタービンブレード１０は、そのような材料および微細構造を必要とし、本発明の原理を使用して製造することができる多数のタイプの部品の１つの例に過ぎない。本発明のプロセスおよび装置を説明する場合、用語「部品」は、「Ｃ」と記載されて使用されることになる。
【００３２】
図２には、本発明の造形方法を実施するための装置１００が概略的に示されている。基本部品は、テーブル１１２、粉末供給１１４、スクレーパ１１６、オーバーフロー容器１１８、構築囲壁１２２に囲まれていてもよい構築プラットフォーム１２０、指向性エネルギー源１２４、およびビームステアリング装置１２６である。これら部品の各々は、下記でより詳細に説明されるだろう。また、装置１００は、下記で説明されることになる外部熱制御装置を備える。
【００３３】
テーブル１１２は、平坦な作業表面１２８を提供する剛性構造である。作業表面１２８は、仮想作業平面と同一平面上にあり、仮想作業平面を規定する。図示されている例では、作業表面１２８は、構築囲壁１２２と連通し、構築プラットフォーム１２０を露出させる中央開口部１３０、粉末供給１１４と連通する供給開口部１３２、およびオーバーフロー容器１１８と連通するオーバーフロー開口部１３４を備えている。
【００３４】
スクレーパ１１６は、作業表面１２８にある剛性で横長の構造物である。スクレーパ１１６は、スクレーパ１１６を作業表面１２８に沿って選択的に移動させるように作動可能なアクチュエータ１３６に接続されている。アクチュエータ１３６は、図２に概略的に示されており、空気圧または油圧シリンダー、ボールねじ、または線形電動アクチュエータ等のアンダスタンディングデバイス等と共に、この目的に使用することができる。
【００３５】
粉末供給１１４は、供給開口部の下部にあり、供給開口部と連通する供給容器１３８、およびエレベータ１４０を備える。エレベータ１４０は、供給容器１３８内で垂直に滑動可能なプレート様構造である。エレベータ１４０は、エレベータ１４０を上下に選択的に移動させるように作動可能なアクチュエータ１４２に接続されている。アクチュエータ１４２は、図２に概略的に示されており、空気圧または油圧シリンダー、ボールねじ、または線形電動アクチュエータ等のアンダスタンディングデバイス等と共に、この目的に使用することができる。エレベータ１４０を降下させると、所望の合金組成の金属粉末「Ｐ」の供給を、供給容器１３８に積み込むことができる。エレベータ１４０を上昇させると、粉末Ｐは、作業表面１２８の上に露出する。
【００３６】
構築プラットフォーム１２０は、中央開口部１３０の下方で垂直に滑動可能なプレート様構造である。構築プラットフォーム１２０は、構築プラットフォーム１２０を選択的に上下に移動させるように作動可能なアクチュエータ１２１に接続されている。アクチュエータ１２１は、図２に概略的に示されており、空気圧または油圧シリンダー、ボールねじ、または線形電動アクチュエータ等のアンダスタンディングデバイス等と共に、この目的に使用することができる。
【００３７】
オーバーフロー容器１１８は、オーバーフロー開口部１３４の下部にあり、オーバーフロー開口部１３４と連通しており、過剰な粉末Ｐの収納容器としての役目を果たす。
【００３８】
指向性エネルギー源１２４は、以下で詳述されているように、構築プロセス中に好適な出力および他の作動特徴のビームを生成し、金属粉末を融解および融合させるように作動可能な任意の公知のデバイスを備えていてもよい。例えば、指向性エネルギー源１２４は、桁数が約１０4Ｗ／ｃｍ2の出力密度を有するレーザであってもよい。電子ビーム銃等の他の指向性エネルギー源は、レーザの代わりとなる好適なものである。
【００３９】
ビームステアリング装置１２６は、１つまたは複数の鏡、プリズム、および／またはレンズを備え、好適なアクチュエータが設けられており、指向性エネルギー源１２４からのビーム「Ｂ」を、所望のスポットサイズに集中させることができ、作業表面１２８と一致するＸ−Ｙ平面の所望の位置に導くことができるように配置されている。
【００４０】
本明細書で使用される場合、用語「外部熱制御装置」は、構築プラットフォーム１２０に位置決めされている部品Ｃを適切な溶解化温度に維持し（つまり、所定温度プロファイルを維持し）、したがって、構築中に凝固する粉末Ｐの結晶学的特性を制御するのに有効な、指向性エネルギー源１２４以外の装置を指す。下記でより詳細に説明されることになるが、外部熱制御装置は、熱源（つまり、熱エネルギー入力）として直接作用することにより、または指向性エネルギー加熱プロセスにより生じる熱を保持することにより作動してもよい。外部熱制御装置は、指向性エネルギー源１２４から物理的および機能的に分離されている。
【００４１】
様々な種類の外部熱制御装置の例が、図２〜７に示されている。図２および３では、断熱材１４４の層が構築囲壁１２２を取り囲んでいる。断熱材１４４は、構築中の部品Ｃからの熱伝達を効果的に妨害し、それによりその冷却速度を低減し、高温を維持する。
【００４２】
図４および５には、１つまたは複数のヒータを含む外部熱制御装置が図示されている。ベルト型電気抵抗ヒータ１４６は、構築囲壁１２２の外部を包み込み、電源１４８に接続されている。電源を入れると、ヒータ１４６は、熱伝導により構築囲壁１２２（およびしたがって内部の部品Ｃ）を加熱する。
【００４３】
別の随意のタイプの外部熱制御装置は、輻射熱源である。例えば、図４には、部品Ｃが見通せるように配置され、電源１５２に接続されている石英灯１５０（石英ハロゲンランプとも呼ばれる）が示されている。そのようなランプは、各々定格出力が数千ワットのものが市販されている。電源を入れると、石英灯１５０は、放射伝熱により部品Ｃを加熱する。石英灯１５０は、上述のベルト型ヒータ１４６の代わりにまたは追加して使用することができる。
【００４４】
外部熱制御装置の別の選択肢は、誘導加熱であり、誘導コイルを流れるＡＣ電流が磁場を誘導し、それがひいては付近の導電性物体に渦電流を誘導し、物体の抵抗加熱をもたらす。図６および７に示されている例では、誘導ヒータ１５４は、構築プラットフォーム１２０を取り囲み、電源１５８に接続されている１つまたは複数の個々の誘導コイル１５６を備える。図示されている例では、複数の誘導コイル１５６が設けられているが、シングルターン型コイルで十分な場合がある。電源を入れると、誘導ヒータ１５４は、効果的に部品Ｃを加熱する。本発明者らによる実験によると、このタイプの外部誘導ヒータ１５４は、固まっていない粉末Ｐを融解またはそうでなければ部品Ｃに付着させる程には加熱せずに、粉末床内の融解／凝固した部品Ｃを優先的に加熱することになることが示されている。コイル１５６付近の部品、例えば、構築プラットフォーム１２０および構築囲壁１２２は、誘導ヒータ１５４からの加熱を回避するのに好適な非導電性材料で製造されていなければならない。
【００４５】
随意に、本装置は、電源１５８’に接続されている誘導コイル１５６’を含む別の誘導ヒータ１５４’を備えていてもよい。誘導ヒータ１５４’は、アクチュエータ１６１に接続されているアーム１５９により、構築プラットフォーム１２０にわたって作業表面１２８の上方に位置決めされる。アクチュエータ１６１は、図６に示されている伸長位置または「使用」位置と、作業表面１２８から離れている格納位置との間で、誘導ヒータ１５４’を移動させるように作動可能である。
【００４６】
上述の装置を使用した単結晶部品「Ｃ」の構築プロセスは、下記の通りである。構築プラットフォーム１２０を、初期高さ位置に移動させる。シードエレメント１６０（図２を参照）を、構築プラットフォーム１２０に設置する。シードエレメント１６０は、核生成冷却点としての役目を果たし、選択した結晶学的構造を有する。単結晶部品Ｃを製造することが所望の場合、シードエレメントは、単結晶微細構造を有することになる。そのようなシードエレメント１６０は、公知の技術により製造することができる。シードエレメント１６０を配置したら、選択した層増加分だけ構築プラットフォーム１２０を作業表面１２８の下方に降下させる。層増加分は、積層造形プロセスの速度および部品Ｃの分解能に影響を及ぼす。一例として、層増加分は、約１０〜５０マイクロメートル（０．０００３〜０．００２インチ）であってもよい。その後、粉末「Ｐ」を、構築プラットフォーム１２０およびシードエレメント１６０に被せて配置する。例えば、供給容器１３８のエレベータ１４０を上昇させて、粉末を供給開口部１３２から押し出して、作業表面１２８の上に露出させてもよい。スクレーパ１１６を作業表面の向こう側に移動させて、押し上げられた粉末Ｐを構築プラットフォーム１２０にわたって水平に広げる。過剰な粉末Ｐは全て、スクレーパ１１６が左から右へと通過する際に、オーバーフロー開口部１３４からオーバーフロー容器１１８へと落下する。その後、スクレーパ１１６を、開始位置に戻してもよい。
【００４７】
指向性エネルギー源１２４を使用して、構築中の部品Ｃの二次元断面または層を融解する。指向性エネルギー源１２４は、ビーム「Ｂ」を放射し、ビームステアリング装置１２６を使用して、ビームＢの焦点スポット「Ｓ」を、露出している粉末表面に当てて適切なパターンで誘導する。ビームＢで粉末Ｐの露出層をある温度に加熱して、粉末を融解、流動化、および凝固させる。このステップは、粉末Ｐの融合と呼ばれる場合がある。
【００４８】
構築プラットフォーム１２０を、層増加分だけ垂直下方に移動させ、粉末Ｐの別の層を同様の厚さに被せる。指向性エネルギー源１２４は、再びビームＢを放射し、ビームステアリング装置１２６を使用して、ビームＢの焦点スポット「Ｓ」を、露出している粉末表面に当てて適切なパターンで誘導する。ビームＢで粉末Ｐの露出層をある温度に加熱して、粉末を、上部層内で、かつその前に凝固した層と共に融解、流動化、および凝固させ、ここでも下の層の結晶学的配向性を維持させる。
【００４９】
構築プラットフォーム１２０の移動、粉末Ｐの被覆、およびその後の指向性エネルギーでの粉末Ｐの融解というこのサイクルを、部品Ｃ全体が完成するまで繰り返す。
【００５０】
部品Ｃの全体にわたって単結晶微細構造を維持するには、製造中の部品Ｃの全体にわたって温度および冷却速度を制御する必要がある。指向性エネルギー熱入力は、新しい層が活発に築かれている場所の近くにある部品Ｃの最上部分に必要な温度を維持するのに十分であるが、その全範囲には不十分である。この問題に取り組むために、本発明の方法では、粉末配置および指向性エネルギー融解のサイクル中に外部熱制御装置が使用される。
【００５１】
外部熱制御装置は、部品Ｃ全体の温度および加熱速度を両方とも制御するように作動可能である。例えば、１つの公知の溶解化熱処理は、（１）部品を約１２６０℃（２３００°Ｆ）に約２時間加熱して、微細構造を均質化するステップ、（２）約１２６０℃（２３００°Ｆ）から約１３２０℃（２４１５°Ｆ）の溶解化温度まで毎時約５．５℃（１０°Ｆ）の速度で温度を徐々に上昇させるステップ、その後（３）部品をその温度で約２時間維持するステップ、引き続き（４）約１１２０℃（２０５０°Ｆ）の時効温度に３分以内で冷却するステップを含む。外部熱制御装置は、この熱処理および他の熱処理を実施するために必要な温度プロファイルを効果的に実現させる。
【００５２】
外部熱制御装置は、指向性エネルギー源１２４と分離しているため、構築プロセスが完了した後で部品Ｃを時効させること等の他の熱処理プロセスに使用することもできる。例えば、１つの公知の時効プロセスは、部品を時効温度で数時間一次時効させて、所望の微細構造を達成することを含む。
【００５３】
随意の誘導ヒータ１５４’が存在する場合、それを使用して、部品Ｃの再融解および凝固をより直接的に制御し、結晶学的な配向性および微細構造を維持することができる。上述のサイクル中、誘導ヒータ１５４’を、部品Ｃの新たな指向性エネルギー融解層の上方の伸長位置へと移動させて、電源を入れて、その層を所望のように加熱することになる。必要に応じて、誘導ヒータ１５４’が適所に移動し得るまで、指向性エネルギー源１２４を使用して、露出層を連続的に再融解してもよい。所望の加熱サイクルが終了したら、次の層の粉末Ｐを配置し、指向性エネルギーがその下の層を融解し得るように、誘導ヒータ１５４’を、装置の残所から後退させることになるだろう。
【００５４】
上述の装置および方法は、他の方法と組み合わせて部品の全てまたは部分を構築するために使用することができる。例えば、図８には、ダブテール２１２、ダブテール２１２から放射状に上方へと延在し、プラットフォーム２１６で終端するブレードシャンク２１４を有するタービンブレード２１０が例示されている。中空翼形部２１８は、プラットフォーム２１６から放射状に外側へと延在する。この翼形部は、プラットフォーム２１６および中空翼形部２１８の接続部に基部２２０を有し、その放射状外側端部に先端２２２を有する。タービンブレード２１０の下方部分、すなわちダブテール２１２、シャンク２１４、プラットフォーム２１６、および基部２２０は、従来の鋳造プロセスを使用して製造してもよく、一方向凝固微細構造を有していてもよい。翼形部２１８の本体は、上述の積層造形プロセスを使用して構築された単結晶構造であってもよい。鋳造した下方部分に置かれる単結晶ホイル２２１は、積層造形プロセスの種晶としての役割を果たす。
【００５５】
翼形部２１８（または上述した他の部品Ｃのいずれか）の合金組成は、均質である必要はない。積層造形プロセス中に粉末Ｐの組成を変更することにより組成を変化させて、部品Ｃの様々な層または区画を生成することができる。例えば、図８に示されている翼形部２１８は、第１の合金組成を有する放射状の内側部分または本体部分（点線より下）、および第１の合金組成とは異なる第２の合金組成を有する放射状の外部部分または先端部分２１９（点線より上）を有していてもよい。例えば、先端部分２１９に使用される合金は、本体部分に使用される合金よりも高い酸化耐性を有していてもよい。
【００５６】
本明細書に記載のプロセスは、幾つかの点で従来技術よりも優れている。積層造形プロセスは、従来のインベストメント鋳造法と比較して、非常に単純であり、部品の生産工程数が非常に少なくてすむ。本プロセスの部品収率は、従来のインベストメント鋳造法よりも著しく高く、例えば、従来のインベストメント鋳造法では６５％以下であるのに対して、本プロセスでは９０％程度であり得る。また、本プロセスは、衝突冷却、成形フィルム穴、タービュレータ構造、およびそうでなければ「鋳造不可能」または「機械加工不可能」な特徴等の、より微細な細部構造に実施可能な技術である。
【００５７】
上記には、単結晶合金部品を積層生産するための装置および方法を記載した。本明細書（添付の請求項、要約書、および図面を全て含む）で開示された特徴は全て、および／またはそのように開示された任意の方法またはプロセスのステップは全て、そのような特徴および／またはステップの少なくとも幾つかが相互に排他的である組み合わせを除き、任意の組み合わせで組み合わせることができる。
【００５８】
本明細書（添付の請求項、要約書、および図面を全て含む）で開示された各特徴は、別様の明示的な記載がない限り、同一の、均等な、または類似の目的を果たす代替特徴に置き換えることができる。したがって、別様の明示的な記述がない限り、開示された各特徴は、一般的な一連の均等なまたは類似の特徴の１つの例に過ぎない。
【００５９】
本発明は、先述の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（あらゆる付随する潜在的な新規性のポイント、要約書、および図面を含む）に開示されている特徴のあらゆる新規なものまたはあらゆる新規な組み合わせ、またはそのように開示されている任意の方法またはプロセスのステップのあらゆる新規なものまたはあらゆる新規な組み合わせに及ぶ。
【符号の説明】
【００６０】
１０  タービンブレード
１２  ダブテール
１４  ブレードシャンク、シャンク
１６  プラットフォーム
１８  中空翼形部、翼形部
２０  基部
２２  先端
２４  凹面圧力側壁、圧力側壁
２６  凸面吸引側壁、吸引側壁
２８  前縁
３０  後縁
３２  後縁冷却穴
３４  先端蓋
３６  直立スキーラ先端、スキーラ先端
３８  吸引側先端壁
４０  圧力側先端壁、先端壁
４４  フィルム冷却孔
１００  装置
１１２  テーブル
１１４  断熱材、粉末供給
１１６  スクレーパ
１１８  オーバーフロー容器
１２０  構築プラットフォーム
１２１  アクチュエータ
１２２  構築囲壁
１２４  指向性エネルギー源
１２６  ビームステアリング装置
１２８  作業平面、作業表面
１３０  中央開口部
１３２  供給開口部
１３４  オーバーフロー開口部
１３６  アクチュエータ
１３８  供給容器
１４０  エレベータ
１４２  アクチュエータ
１４４  外部熱制御装置、断熱材
１４６  外部熱制御装置、ヒータ
１４８  電源
１５０  外部熱制御装置、石英灯
１５４  誘導ヒータ
１５４’  誘導ヒータ
１５４  外部熱制御装置、誘導ヒータ
１５６  誘導コイル、コイル
１５６’  誘導コイル
１５８  電源
１５８’  電源
１５９  アーム
１６０  シードエレメント
１６１  アクチュエータ
２１０  タービンブレード
２１２  ダブテール
２１４  ブレードシャンク、シャンク
２１６  プラットフォーム
２１８  中空翼形部、翼形部
２１９  先端部分
２２０  基部
２２１  単結晶ホイル
２２２  先端
Ｐ  金属粉末、粉末
Ｃ  金属部品、部品
Ｂ  エネルギービーム
Ｓ  焦点スポット
【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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【国際調査報告】
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