(57)【要約】  複数の材料による積層造形の方法である。コンポーネント（２０）の所与の切断面における隣接最終材料（３０、４４、４５）の第１の領域形状（７３）、第２の領域形状（７４）、および第３の領域形状（７５）それぞれにて、第１の隣接粉末層（４８）、第２の隣接粉末層（５０）、および第３の隣接粉末層（５２）を作業面（５４Ａ）上に供給する。第１の粉末は、翼型基板（３０）の断面形状に供給された構造用金属であってもよい。第２の粉末は、基板上の接合塗料（４５）の断面形状にて供給された接合塗料材料であってもよい。第３の粉末は、遮熱被膜（４４）の断面形状に供給された遮熱セラミックであってもよい。特定のレーザ強度（６９Ａ、６９Ｂ）を各層に印加することによって、当該層を溶融または焼結する。隣接層間には、勾配材料重畳および／または交互突起によって、統合界面（５７、７７、８０）を形成するようにしてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンポーネントを作製する方法であって、
多材料コンポーネントの所与の切断面における各最終材料を表す各領域形状にて、それぞれ異なる粉末材料の複数の隣接粉末層を作業面上に供給するステップと、
前記隣接粉末層のうちの少なくとも２つに重畳することによって、当該少なくとも２つの隣接粉末層間に材料勾配領域を形成するステップと、
第１の強度の第１のレーザエネルギーを前記粉末層のうちの第１の粉末層に、第２の異なるレーザ強度の第２のレーザエネルギーを前記粉末層のうちの第２の粉末層に印加するステップと、
前記コンポーネントの連続する切断面に対して前記供給ステップから繰り返すことにより、当該コンポーネントを製造するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の粉末層が金属を含み、前記第２の粉末が遮熱セラミックを含み、前記第１の粉末層の非線形外周と平行な第１の複数のスキャンパスに追従するように前記第１のレーザエネルギーを案内し、前記第２の粉末層の非線形外周と平行な第２の複数のスキャンパスに追従するように前記第２のレーザエネルギーを案内する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１および第２のスキャンパスに追従しつつ前記第１および第２のレーザエネルギーをオン・オフ循環させることによって、前記第１および第２の最終材料を通過するチャンネルを形成することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
第２のスキャンパスに追従しつつ前記第２のレーザエネルギーをオン・オフ循環させることによって、前記第２の最終材料に張力緩和亀裂を形成することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
交互プロファイルを介して前記第１および第２の粉末材料を前記作業面上に供給することにより、機械的に連動する界面を前記第１および第２の最終材料間に形成することによって、前記界面全体に交互フィンガを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１および第２の粉末層をそれぞれ第１および第２の厚さで前記作業面上に堆積させるとともに、前記各レーザエネルギーを予め決めておくことによって、前記所与の切断面における前記最終材料の均一な厚さまで前記粉末層を薄くすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１および第２の粉末層上をそれぞれ通過する連続した線形スキャンパスに沿って案内されるレーザビームにより前記第１および第２のレーザエネルギーを提供することと、各スキャンパスに沿って前記レーザビームの強度を変化させることにより前記第１および第２の強度を与えることとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法により形成された製品。
【請求項９】
コンポーネントを作製する方法であって、
組み合わせにより前記コンポーネントの所与の多材料切断面を表す第１、第２、および第３の各領域形状にて、それぞれ異なる材料の第１、第２、および第３の隣接層の各粉末を作業面上に供給するステップであり、
前記第１の粉末層が構造用金属材料を含み、前記第２の粉末層が接合塗料材料を含み、前記第３の粉末層が遮熱セラミックを含む、ステップと、
前記粉末層のそれぞれに特定のレーザエネルギーを印加することによって当該層を溶融または焼結するステップであり、前記層のうちの少なくとも２つがそれぞれ異なるレーザ強度を受ける、ステップと、
連続する切断面に対して前記供給ステップから繰り返すことにより、選択的積層造形によって前記コンポーネントを製造するステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
前記領域形状の各プロファイルと平行なスキャンパスに追従しつつ前記レーザエネルギーをオン・オフ循環させることによって、前記コンポーネントにチャンネルを形成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の形状のプロファイルと平行なスキャンパスに追従するように第１のレーザエネルギーを案内し、前記第２の形状のプロファイルと平行なスキャンパスに追従するように第２のレーザエネルギーを案内し、前記第３の形状のプロファイルと平行なスキャンパスに追従するように第３のレーザエネルギーを案内することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第３のレーザエネルギーをオン・オフ循環させることによって、前記遮熱セラミックに張力緩和亀裂を形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
交互プロファイルを介して前記第２および第３の粉末を前記作業面上に供給することにより、機械的に連動する界面を前記第２および第３の層間に形成することによって、前記界面に交互フィンガを形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１および第２の粉末に少なくとも０．２ｍｍだけ重畳することによって、勾配材料領域を形成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２および第３の粉末に少なくとも０．４ｍｍだけ重畳することによって、勾配材料領域を形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１および第３の層をそれぞれ第１および第２の異なる厚さで前記作業面上に堆積させるとともに、前記レーザエネルギーの各強度を既定することによって、均一な材料厚さまで前記３つの粉末層を薄くすることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１、第２、および第３の層上をそれぞれ通過する連続した線に沿って案内されるレーザビームにより前記第１、第２、および第３のレーザエネルギーを提供することと、各線に沿って前記レーザビームの強度を変化させることにより当該線と交差する各粉末層の前記特定のエネルギーを与えることとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
ガスタービンコンポーネントを作製する方法であって、
前記コンポーネントの所与の切断面における第１、第２、および第３の隣接最終材料の第１、第２、および第３の各領域形状にて、第１、第２、および第３の隣接粉末層を作業面上に供給するステップであり、
前記第１の材料が構造用金属を含み、前記第２の材料が接合塗料金属を含み、前記第３の材料が遮熱セラミックを含む、ステップと、
第１および第２のレーザエネルギーそれぞれにより前記第１および第２の粉末層を溶融し、第３のレーザエネルギーにより前記第３の粉末層を一部のみ溶融するステップであり、前記隣接最終材料の新たな作業面を固化により形成するステップと、
連続する切断面に対して前記供給ステップから繰り返すことにより、多孔性セラミック遮熱層を備えた前記構造用金属の前記コンポーネントを製造するステップであり、
前記第１の形状の輪郭に追従するように前記第１のレーザエネルギーを案内し、前記第２の形状の輪郭に追従するように前記第２のレーザエネルギーを案内し、前記第３の形状の輪郭に追従するように前記第３のレーザエネルギーを案内する、ステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
前記第１および第２の粉末に少なくとも０．２ｍｍだけ重畳することによって、前記第１および第２の層間に勾配材料界面を形成することと、
交互プロファイルを介して前記第２および第３の粉末を前記作業面上に供給することにより、機械的に連動する界面を前記第２および第３の層間に形成することによって、前記界面全体に交互フィンガを形成することと、
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法により形成された製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形、特に、異なる材料の隣接粉末層の選択的レーザ焼結および選択的レーザ溶融による多材料金属／セラミックガスタービンコンポーネントの作製に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、米国仮特許出願第６１／７１０，９９５号（代理人整理番号第２０１２Ｐ２４０７７ＵＳ号）の出願日２０１２年１０月８日および米国仮特許出願第６１／７１１，８１３号（代理人整理番号第２０１２Ｐ２４２７８ＵＳ号）の出願日２０１２年１０月１０日の利益を主張し、その両者を本明細書中に参考として援用する。
【０００３】
発明の背景
選択的積層造形では、粉末床の選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）および選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）によってコンポーネントの積層を構築し、正味の形状または近似的な正味の形状を実現する。コンポーネントの最終材料または前駆材料の粉末床は、作業面上に堆積させる。コンポーネントの断面領域形状に従って、選択的にレーザエネルギーを粉末床に案内することによりコンポーネントの層または薄片を作成すると、これがその後、次の層の新たな作業面となる。従来は、第１のステップにおいて粉末床が作業面全体に拡がっており、その後のステップにおいて、たとえばラスタースキャンにより床上のコンポーネント断面領域をレーザで規定または「塗装」する。
【０００４】
マイクロクラッディングと称することが多い関連プロセスでは、移動式ノズル等の供給装置によって、コンポーネント上に粉末を堆積させる。粉末は、レーザにより堆積点で同時に溶融されるため、供給装置の移動に伴って、コンポーネント上に材料ビードが形成される。また、連続的なパスによって、コンポーネントの修繕または製造のための１つまたは複数の材料層の構築が可能となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、特性が異なる複数の隣接材料を有するコンポーネントの積層造形方法を考案した。この方法では、金属からセラミックに至るまでの隣接材料を強力に接合した正味の形状または近似的な正味の形状が得られる。これは特に、セラミック遮熱被膜を備えた超合金翼および羽根等のガスタービンコンポーネントの製造に有益である。このような翼型は、タービュレータおよびフィルム冷却孔に裏打ちされたサーペンタイン冷却チャンネルを有する複雑な形状のため、製造が困難である。
【０００６】
以下の記述では、図面を参照して本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来技術のガスタービン翼の断面図である。
【図２】隣接粉末層を作業面上に形成する粉末供給装置の断面図である。
【図３】隣接粉末層を溶融および焼結するレーザビームの断面図である。
【図４】コンポーネントの非線形断面プロファイルと平行な粉末供給および／またはレーザ供給のためのスキャンパスのパターンを示した図である。
【図５】平行な線形パスを有する別のスキャンパターンを示した図である。
【図６】コンポーネントの壁と垂直または略垂直なスキャンパスを示した図である。
【図７】コンポーネントの第１の薄片上に形成されている第２の薄片を示した図である。
【図８】異なる厚さで堆積した隣接粉末層を示した図である。
【図９】隣接材料間の連動する界面を示した図である。
【図１０】本発明の一実施形態の態様を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
発明の詳細な説明
図１は、前縁２２、後縁２４、圧力側２６、吸引側２８、金属基板３０、冷却チャンネル３２、隔壁３４、タービュレータ３６、フィルム冷却吐出孔３８、冷却ピン４０、および後縁吐出孔４２を備えた典型的なガスタービン翼型２０の横断面図である。翼型基板の外部は、セラミック遮熱被膜４４で被覆されている。基板と遮熱被膜との間には、金属接合塗料４５が適用されていてもよい。タービュレータは、表面積を増大させるとともに冷媒流れの流体境界層を撹拌する冷却チャンネル３２内の突起、窪み、隆起、または凹部である。
【０００９】
図２は、コンポーネントの所与の切断面における第１、第２、および第３の隣接最終材料の第１、第２、および第３の領域形状にて、第１の隣接粉末層４８、第２の隣接粉末層５０、および第３の隣接粉末層５２を作業面５４Ａ上に供給するプロセスおよび装置を示している。たとえば、第１の粉末層４８は、図１に示す翼型基板３０の領域形状に供給された構造用金属であってもよい。第２の粉末層５０は、基板上の接合塗料４５の領域形状（図１）にて、第１の粉末４８に隣接して供給された接合塗料であってもよい。第３の粉末層５２は、遮熱被膜４４の領域形状（図１）にて、第２の粉末に隣接して供給された遮熱セラミックであってもよい。
【００１０】
第１および第２の粉末層間には、界面５６を供給することによって、２つの隣接粉末層４８、５０間に材料勾配遷移を与える重畳領域５７を形成するようにしてもよい。また、第２および第３の粉末５０、５２間には、界面５８を供給することによって、第２および第３の粉末から交互に突出した交互フィンガ等の工学的な機械的連動部を形成するようにしてもよい（後述）。粉末供給装置６０は、粉末噴霧６４を焦点６６に供給する１つまたは複数のノズル６２を有していてもよい。
【００１１】
粉末供給装置６０は、作業面５４Ａに対する多軸移動６１を組み込むことによって、ノズルが所与の水平面における非線形断面プロファイルに追従し、作業面５４Ａに対して異なる平面または距離に移動し、様々な角度で粉末を供給できるようにしてもよい。これらの軸は、コンピュータ制御下のトラックおよび回転軸受けを介した作業台５５および／または粉末供給装置６０の運動により実現するようにしてもよい。また、ノズル並進速度、質量供給速度、および噴霧角度等の粉末供給パラメータについては、離散粒子モデリングシミュレーションによって予め決めておくことにより、最終的な薄片形状を最適化するようにしてもよい。噴霧後の粉末は、レーザ加熱に先立って、電磁エネルギーおよび／または機械的もしくは音響的振動等の手段によって圧縮および安定化するようにしてもよい。
【００１２】
粉末は、噴霧前または噴霧中に水、アルコール、ラッカー、またはバインダで湿らせることによって、レーザ溶融またはレーザ焼結によりコンポーネントの凝集薄片となるまで所望の形態を保持するようにしてもよい。本明細書中に参考として援用する同時係属出願である米国特許出願公開第２０１３／０１４０２７８Ａ１号（代理人整理番号第２０１２Ｐ２２３４７ＵＳ号）に詳述されている通り、粉末材料にフラックス材料を含むことによって、クラッディングプロセスを容易化するようにしてもよい。
【００１３】
図３は、それぞれ異なるレーザエネルギーにより異なる粉末層４８、５０、５２を溶融および／または焼結するプロセスおよび装置を示している。たとえば、基板超合金粉末４８および接合塗料粉末５８は、第１および第２のレーザエネルギーにより溶融し、セラミック遮熱粉末５２は、セラミック粒子を一部のみ溶融する第３のレーザエネルギーにより焼結するようにしてもよい。また、異なるレーザエネルギー６９Ａ、６９Ｂは、可変出力の単一のレーザ発光器６８Ａまたは異なる粉末層に対して異なる出力を行う複数のレーザ発光器６８Ａ、６８Ｂにより供給するようにしてもよい。レーザ発光器は、作業面５４Ａに対する多軸移動７０を組み込むことによって、所与の平面における非線形断面プロファイルに追従し、作業面５４Ａに対して異なる平面または距離に移動し、所望の角度およびスポットサイズにレーザビームを位置決めおよび案内できるようにしてもよい。
【００１４】
図４は、コンポーネント２０の非線形断面形状プロファイル７３、７４、７５に追従するパス７２のパターンを示している。図２の粉末供給焦点６６は、このようなパスに追従するように制御してもよい。断面形状プロファイルと平行であるこのようなスキャンパターン７２によって、粉末層４８、５０、５２ごとに粉末の種類を変更可能となる。
【００１５】
また、レーザエネルギー６９Ａ、６９Ｂ（図３）は、図４の７２のような非線形スキャンパスに追従するようにしてもよい。このようなパスであれば、異なる粉末材料に対して、レーザ強度の変更数を最小限に抑えられる。また、第１の粉末層４８の断面形状７３の輪郭に追従するように第１のレーザエネルギーを案内し、第２の粉末層５０の断面形状７４の輪郭に追従するように第２のレーザエネルギーを案内し、第３の粉末層５２の断面形状７５の輪郭に追従するように第３のレーザエネルギーを案内するようにしてもよい。レーザは、フィルム冷却孔３８等、形成したコンポーネント中に空洞として残ることになる領域上を通過する際にオフ循環させるようにしてもよい。
【００１６】
図５は、レーザエネルギーの平行な線形パス７４を有する別のスキャンパターンを示している。図６は、コンポーネントの壁と垂直または略垂直なスキャンパス７６を示している。パターン７４、７６では、空洞３８のためのオフ／オン循環のほか、異なる粉末層に対して、界面５６、５８との交差ごとのレーザ強度の変更が必要となる場合がある。スキャン７２、７４、７６の間隔は、粉末表面におけるレーザビームの幅またはスポットサイズによって決まる。複数のレーザ発光器を併用してより広い領域を生成することにより、スキャン数を少なくするようにしてもよい。レーザビームは、作業面からの発光器の距離の変更による幅の調整および／または調整可能なレンズ、ミラー、またはマスクによるサイズおよび形状の調整を行うことによって、スキャン間隔およびスポットサイズを低減することなく、フィレット等のコンポーネントの小型、先鋭、または湾曲要素をより良好に規定するようにしてもよい。
【００１７】
図７は、新たな作業面５４Ｂを与えるコンポーネントの第１の固化薄片７４を示しており、その上に粉末層４８、５０、５２を適用することによって、コンポーネントの第２の薄片７６を得る。
【００１８】
図８は、最終的に均一な薄片厚さを実現するため、それぞれのプロセス収縮に応じた異なる高さで供給された粉末層４８、５０、５２を示している。第１の隣接層４８および第２の隣接層５０の粉末は、重畳して勾配材料遷移となるように、重畳領域５７に堆積させてもよい。重畳幅は、たとえば少なくとも０．２ｍｍであってもよい。また、第２の隣接層５０および第３の隣接層５２の粉末についても、重畳して勾配材料遷移となるように、重畳領域７７に堆積させてもよい。重畳幅は、たとえば少なくとも０．２ｍｍまたは０．４ｍｍ、あるいは最大１ｍｍまたは最大２ｍｍであってもよい。
【００１９】
図９は、接合層５０およびセラミック層５２から交互に突出した３次元交互フィンガを形成する交互プロファイル等の工学的な連動機構８０が形成された第２の層５０と第３の層５２との間の界面を示している。このような機械的に連動する界面は、図８に示す勾配材料領域７７の代替または追加として設けてもよい。セラミック層５２には亀裂８２を形成して、当該セラミック層５２のスキャン時にレーザエネルギーをオフ／オン循環させることにより動作時の張力を緩和するようにしてもよい。また、セラミック層５２の材料には、中空のセラミック球８４を含むことによって、熱伝導性を抑えるようにしてもよい。遮熱層５２に中空のセラミック球を含めると、動作時の焼結で球の空洞が減少することはないため、熱伝導性が永久に抑えられる。
【００２０】
図１０は、本発明の一実施形態の態様を示した方法８４のフローチャートであって、
８６．多材料コンポーネントの所与の切断面を表す各領域形状にて、それぞれ異なる材料の複数の隣接粉末層を作業面上に供給するステップと、
８８．隣接粉末層のうちの少なくとも２つに重畳することによって、当該少なくとも２つの隣接粉末層間に勾配材料遷移領域を形成するステップと、
９０．特定のレーザエネルギーを粉末層のそれぞれに印加して当該層を溶融または焼結するステップであって、当該層のうちの少なくとも２つがそれぞれ異なるレーザ強度を受けるステップと、
９２．連続する切断面に対してステップ８６から繰り返すことにより、選択的積層造形によってコンポーネントを製造するステップと、
を含む。
【００２１】
一部の実施形態においては、ナノスケールのセラミック粒子を含むことによって、セラミック層の焼結温度を３５０℃も低くすることができる。これにより、金属およびセラミック層の共焼結および接合が容易化される。温度低下は、特に平均直径が１００ｎｍ未満の粒子がセラミック粉末に少なくとも２容量％、最大１００容量％含まれている場合、特に平均直径が５０ｎｍ未満の粒子の場合に発生する。本方法によれば、このようなナノ粒子を部分的に溶融するだけで焼結が可能となる。これは、溶射技術によりセラミック被膜を適用する場合は不可能である。より小さな粒子が完全に溶融してしまう傾向があるためである。
【００２２】
高温ガスタービンコンポーネントに使用されるニッケルベースの超合金は、ガンマ相マトリクス中のガンマプライム沈殿剤相で強化されていることが多い。これらの超合金は、その高温環境耐久性によって、製造および修繕が困難である。ただし、本明細書に記載の方法によれば、セラミック等の異なる材料の隣接層に対して製造および接合が可能となる。タービュレータおよびフィルム冷却吐出孔を備えたサーペンタインチャンネルを有するガスタービン翼の鋳造は、困難かつ高価である。本方法では、異なる材料層をより完全に接合しつつ、コストを低減する。これによれば、超合金翼を鋳造した後に溶射等の別個のプロセスで被覆を行う代わりに、タービン翼等の多材料コンポーネント全体を１つのプロセスで製造可能となる。
【００２３】
以上、本発明の種々実施形態を図示および説明したが、これらの実施形態を一例として提供したに過ぎないことは明らかであろう。本発明から逸脱することなく、様々な変形、変更、および置換が可能である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の主旨および範囲によってのみ制限されるものである。
【符号の説明】
【００２４】
２０  ガスタービン翼型
２２  前縁
２４  後縁
２６  圧力側
２８  吸引側
３０  金属基板
３２  冷却チャンネル
３４  隔壁
３６  タービュレータ
３８  フィルム冷却吐出孔
４０  冷却ピン
４２  後縁吐出孔
４４  セラミック遮熱被膜
４５  金属接合塗料
４８  第１の隣接粉末層
５０  第２の隣接粉末層
５２  第３の隣接粉末層
５４Ａ  作業面
５４Ｂ  作業面
５５  作業台
５６  界面
５７  重畳領域
５８  界面
６０  粉末供給装置
６１  多軸移動
６２  ノズル
６４  粉末噴霧
６６  焦点
６８Ａ  レーザ発光器
６８Ｂ  レーザ発光器
６９Ａ  レーザエネルギー
６９Ｂ  レーザエネルギー
７０  多軸移動
７２  スキャンパターン
７３  非線形断面形状プロファイル
７４  非線形断面形状プロファイル
７５  非線形断面形状プロファイル
７６  薄片
７７  重畳領域
８０  連動機構
８２  亀裂
８４  中空のセラミック球
【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】
2016502589.tif 000012
【国際調査報告】
2016502589.tif 000013
2016502589.tif 000014
2016502589.tif 000015