(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンとアルミニウムとを合せて少なくとも５％含むγ′析出強化型超合金から選択された、１方向性凝固したニッケル基超合金、１方向性凝固したコバルト基超合金、単結晶ニッケル基超合金、または単結晶コバルト基超合金からなる製品のレーザー溶接方法であって、
前記製品の全溶接領域と溶接近傍領域とを前記超合金の時効温度より高く初期溶融温度より低い７６０℃〜１１４９℃の範囲内で延性温度にまで予加熱し、その温度を溶接過程及び溶接凝固過程において保持する段階と、
予加熱された前記製品に粉末合金を供給しながら２５．４ｃｍ／分以下に速度制御されたレーザーを用いてレーザー溶接する段階と、
を含むことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記レーザーの速度は１２．７ｃｍ／分以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粉末合金は、チタンとアルミニウムとを合せて少なくとも５％含むγ′析出強化型ニッケル基超合金、または、Ｍがニッケル及び／またはコバルトであるＭＣｒＡｌＹ合金であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記超合金製品と前記粉末合金とは、実質的に同一の合金であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記超合金製品はガスタービンエンジンの構成部材であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記製品は、タービンブレード、タービン翼、またはタービンロータであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
溶接された前記製品の機械加工工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記延性温度は、９４０℃〜１０８０℃の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザーの出力密度は１．５５×１０３〜１．５５×１０５ワット／ｃｍ２であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記粉末合金の供給割合は２〜６グラム／分であることを特徴とする請求項９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、溶接が難しい超合金製品の溶接方法に係り、より詳しくは、そのような製品のレーザー溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ジェットエンジンにおいて、より高温が求められる構成部材の開発が進むにつれて、構成部材には、より高温に耐え得る性能が追求され続けている。今日の高圧タービンブレード及びタービン翼は、極めて高温にさらされる（例えば、１０９３℃以上）。これらジェットエンジン部材では、製造の際に、あるいはエンジンに使用された後の摩耗及び亀裂の修理のために、溶接が必要となる場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした高温性能要求の結果として、このような部材は、γ′（gamma prime）相とＭＣｒＡｌＹ類合金として一般的に知られる材料とを含む超合金から製造されることが多い。Ｒ′８０のようなγ′析出強化型合金において特に問題となるのは、類似合金と同様に、亀裂及び高い製品不合格率を回避した形でこれら合金を溶接またはクラッド処理することが不可能であることである。
【０００４】
溶接時の温度及び応力によって、これら合金は収縮し、応力割れ、及びその類いの欠陥を生じる。このような特定の超合金においては溶接が困難であるので、γ′析出強化型合金と、類似の合金または親金属系合金との、亀裂を生じない均一溶接法が求められている。米国特許第5,106,010号明細書、及び同5,374,319号明細書は、そのような溶接法として、溶接領域と溶接近傍領域とを延性温度にまで予加熱し、その温度を溶接過程及び凝固過程の間、保持する方法を開示している。米国特許第5,554,837号明細書は、溶接処理能力を向上させた状態で、再現性を最大化し、不合格率及び廃棄率を最小化する双方向（interactive）レーザー溶接の実施方法を開示している。これらの方法は多くの合金において亀裂を減少させるものであるが、これら合金の１方向性凝固（directional solidification, ＤＳ）材の溶接の問題、すなわち、粒界における微小亀裂形成の問題が残っている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
要約的に述べれば、本発明は、γ′相を有するニッケル基及び／またはコバルト基超合金製品のレーザー溶接方法を提供するものである。本方法は、製品の全溶接領域と溶接近傍領域とを７６０℃〜１１４９℃の範囲内で延性温度にまで予加熱し、その温度を溶接過程及び凝固過程において保持する段階と、予加熱された製品に粉末合金を供給しながら２５．４ｃｍ／分以下、好ましくは約１２．７ｃｍ／分以下に速度制御されたレーザーを用いてレーザー溶接する段階とを含み、粒界における亀裂発生を最小化するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、超合金製品、特にガスタービンエンジンのブレード、翼、ロータを含む構成部材の溶接方法を提供する。この超合金は、ニッケル基及び／またはコバルト基超合金であり、従来技術では溶接が難しいものである。これら超合金は、γ′相を有し、γ′ニッケル基析出強化型合金の、１方向性凝固した合金及び単結晶合金を含んでいる。一般的に、γ′析出強化型超合金は、チタンとアルミニウムとを、合せて少なくとも約５％含んでいる。適当な超合金としては、Ｒ′８０、ＤＳＲ′８０ｈ、Ｒ′１０８、ＩＮ７３８、Ｒ′１２５、ＤＳＲ′１４２、Ｒ′Ｎ４、Ｒ′Ｎ５  Ｍａｒ−Ｍ−２４７ＤＳ、ＩＮ７９２Ｈｆ、ＣＭＳＸ−４が含まれる。これら超合金のうちいくつかに関する通常の組成は、米国特許第５，５５４，８３７号明細書に記載されており、本明細書はその内容を参照的に含むものとする。
【０００７】
１方向性凝固（ＤＳ）合金においては、粒界強化剤として添加された要素の痕跡が残る。粒界強化剤は、一般的に、炭化物とホウ化物とからなり、タングステンとタンタルを含むことが多い。このような合金を一般的な方法でレーザー溶接した場合、通常、粒界における微小亀裂の問題に遭遇する。冶金学的に見た粒界の組成は、ベース材料の残りの部分より低温で溶融する。その後、粒界の冷却が急速過ぎると亀裂を生じる。溶接サンプルの冶金学的評価によれば、一般的なＣＯ2レーザー溶接された部材では、粒界に微小亀裂が生じることが判っている。場合によっては、微小亀裂は微小な状態にとどまっている。亀裂が開き、新溶接部を貫通する形態で進展する場合もある。亀裂が大きい場合には、個々に修復できる場合も多い。しかしながら、特定の部位に、より多数回の溶接を試みると、さらなる亀裂を生じる可能性が高まることが経験的に判っている。亀裂発生の可能性は、粒界に微小亀裂を生じさせる初期のレーザー溶接方法が原因となって高くなる。微小亀裂が初期において進展しない場合であっても、後続の溶接または熱処理工程の際に進展してしまう可能性の高い亀裂起点として存在し続ける。
【０００８】
ＤＳ合金を溶接する際に微小亀裂の発生をコントロールする重要なパラメータは、ベース金属の凝固速度である。レーザー溶接の場合、凝固速度は、レーザービームの進行速度によって制御される。最も一般的に用いられる進行速度は、２５．４〜７６．２ｃｍ／分であり、典型的には４５．７２ｃｍ／分である。この範囲の速度は、レーザー溶接システムにおける低い総熱量を最大限利用するために必須であると考えられてきた。従来より、全ての超合金において亀裂を最小化する最善の方法は、溶接溶融部のサイズを緻密にコントロールし、熱影響領域と共に溶接浸透深さを最小化することであるとされている。ＤＳ超合金をレーザー溶接する際には、溶接浸透深さ及び熱影響領域の範囲は、粒界における微小亀裂の発生に影響しない。微小亀裂は、粒界が急速に凝固して、その領域における残留引張り応力が合金の降伏強度を上回った際に生じる。予加熱温度を高めることは、亀裂の大きな開きの防止には役立つが、微小亀裂はなおも発生する。レーザー溶接速度を２５．４ｃｍ／分以下、好ましくは約１２．７ｃｍ／分以下、最適には５．０８〜１０．１６ｃｍ／分とすることによって、微小亀裂をほとんど生じない、あるいは全く生じない溶接方法が実現される。この好ましい溶接速度は、一般的に用いられている４５．７２ｃｍ／分という速度と比較して一桁遅い速度である。その結果、関連するその他の溶接パラメータは、それに応じて調節する必要がある。特に、１分当たりの充填粉末グラム数と共にレーザー総出力は減じられなければならない。溶接部の溶融を防止するために出力は大幅に低減されなければならず、過剰な溶接ポロシティを防止するために粉末供給量も低減されなければならない。
【０００９】
超合金の適切な溶接方法は、米国特許第５，５５４，８３７号明細書に記載されている。超合金製品（例えば翼またはブレード）は、誘導加熱コイルによって予加熱される。この予加熱段階では、超合金製品の全溶接領域及び溶接近傍領域が、誘導加熱コイルによって７６０℃〜１１４９℃、好ましくは９４０℃〜１０８０℃の範囲内の延性温度にまで加熱される。延性温度、すなわち製品の溶接領域が加熱時に到達する温度は、時効温度または析出強化温度より高いが、当該超合金製品基材の溶融開始点よりは低い。この方法において重要なことは、溶接／クラッド工程前、工程中、工程後において熱的平行状態を保つことにより、溶接部／近接ベース金属間の温度勾配を小さくし、残留応力及びそれに起因する亀裂発生を抑制することである。温度勾配を小さくすると、熱影響領域に対する溶接熱の影響が小さくなる。すなわち、本方法は、熱影響領域を融合線から離隔した位置へ“再配置”する。全溶接領域及びその近傍が析出強化温度を越えるまで加熱されるので、結果として、一様な温度分布が実現され、それによって、通常脆弱な熱影響領域に集中する収縮及び残留応力が排除される。全溶接領域及びその近傍領域には、時効反応の際に、残留応力を伴う熱収縮が発生するが、残留応力は溶接された点に集中せず、より広い領域に分散される。
【００１０】
全溶接領域及び溶接近傍領域は、誘導加熱によって延性温度にまで加熱される。加熱される溶接近傍領域は、少なくとも熱影響領域を包含するのに十分な大きさを有し、それより大きいとなお好ましい。熱影響領域は、ベース金属が溶融していないが、その機械的特性または微視的構造が溶接熱によって変化している領域として定義される（金属ハンドブック第９版，Ｖｏｌ．６，ＡＳＭ，１９８３参照）。一般的に、加熱されたこの近傍領域は、溶接部から少なくとも０．６３５ｃｍ、好ましくは１．２７〜２．５４ｃｍ離れている。
【００１１】
製品を所定の温度にまで予加熱した後、レーザー照射と粉末供給を開始して溶接を行う。照射されたレーザーによって基材の小さい溶融池が形成され、粉末供給装置から供給された粉末が溶融池に拡散して、レーザービームによって部材に溶接（クラッド）される。凝固工程の間、及び凝固後に亀裂を生じない溶接を実現するために、凝固工程は、ビームの照射量、誘導コイルによって与えられる熱エネルギ、及びビームと製品との相対移動によって精密にコントロールされ、熱歪及びそれに伴う熱応力がコントロールされる。加熱及び溶接工程中に、ベース金属及び充填金属合金粉末が酸化したり酸化物汚染されたりしないように、溶接工程の間、製品の溶接領域は不活性ガス（例えばアルゴンまたはヘリウム）で保護される。
【００１２】
レーザービームによって熱が付加されるが、溶接領域の温度は、全工程にわたり、誘導加熱装置を制御するフィードバックループを備えた光高温計を用いて制御される。部材は１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの範囲に予加熱され、レーザーによる局部的熱供給にかかわらず、溶接及び凝固の間、この範囲に保持される。加えて、フィードバックループは、溶接前の上昇（昇温）速度、及び溶接完了後の下降（冷却）速度を制御する。この予加熱工程は、溶接時の応力を低減させて亀裂を防止し、超合金すなわちγ′析出強化型超合金、または、Ｍがニッケル及び／またはコバルトで構成されるＭＣｒＡｌＹ合金である粉末合金を供給しながらベースとなる超合金製品を溶接する（クラッド処理する）ことを可能にする。粉末合金としては、超合金製品を構成する合金と実質的に同一の合金を用いると好ましい。γ′強化型粉末合金を用いて、粒界に沿って亀裂を生じやすい１方向凝固超合金を溶接する際には、応力の低減及び亀裂の防止が特に要求される。
【００１３】
一般的に、制御されない冷却によって発生し亀裂を生じさせ得る応力を低減するために、冷却は制御されることが好ましい。
【００１４】
製品のレーザー溶接は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）手段を用いることによって制御される。コンピュータ数値制御手段は、レーザー、粉末供給、及び製品を保持装置の動きを制御する。冶金学的に優れた溶融接合を亀裂無く実現するためには、冶金学的分析に基づく広範囲のプログラム設定及びパラメータ設定が求められる。製品保持装置を焦点合せされたレーザービーム及び収束された粉末供給部のもとに案内するために、制御手段は、製品の形態をデジタル化する視覚システムを含む。
【００１５】
制御システムは溶接工程を効率的かつ経済的なものとし、種々の複雑な形態の溶接を可能にする。用いられる視覚システムは、溶接される特定の製品の溶接領域に特化した精密な経路をレーザー溶接システムに設定する。これは、当該製品のためのプログラムを利用するコンピュータ数値制御によって実現されるが、精密な経路は視覚システムによって設定される。製品を固定装置に固定した後、溶接（クラッド処理）の際に必要な積み上げ高さを確保するために、高さがチェックされる。溶接領域のコントラストを設定した後、視覚システムのカメラは溶接領域を見て（つまり写真撮影して）、その輪郭をデジタルデータ化する。デジタルデータ化は、輪郭上の複数の点をたどってそれを数値変換することによって行われる。こうして、製品における特定の溶接領域に従う精密なレーザー経路が設定される。経路が設定された後、なおも固定装置に固定されている製品は、次いで、この製品に対してレーザー経路が精密に設定されたレーザー溶接装置における移動システムに載せられる。経路は特定の製品に対して精密に設定されているので、溶接工程における無駄は少なく、溶接後に過剰な溶接部を除去するために必要な機械加工（例えばフライス加工、研削など）が低減される。さらなる利点として、同一の固定装置と、視覚システムによって当初設定された特定の製品用の制御パラメータとを利用することによって、後続の機械加工もまた精密に制御することができる。こうして、後続の測定と制御とが削減され、加工工程の効率が向上する。
【００１６】
その経路が制御システムによって設定される移動システムは、種々の複雑な溶接領域面に要求される細かい動きを実現するために、少なくとも３軸移動システムとされ、好ましくは、４軸または５軸移動システムとされる。３軸移動の場合は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿ったものとされ、より複雑な複数平面のための４軸移動の場合は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に回転が組合され（図１参照）、輪郭を有する複数面のための５軸移動の場合は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に回転及び傾斜が組合される。
【００１７】
当業者に公知である適切なレーザーには、ＣＯ２レーザーが含まれる。レーザーの出力密度は、１．５５×１０４ワット／ｃｍ２〜１．５５×１０５ワット／ｃｍ２、ビーム焦点サイズは、０．１０１６〜０．３８１ｃｍとされる。粉末合金供給装置は、概して−１２０〜４００メッシュの合金粒子を５〜１５グラム／分の割合で供給するように操作される。本発明ではレーザー溶接速度が減じられるので、使用されるレーザー出力は１．５５×１０３〜１．５５×１０５ワット／ｃｍ２、粉末合金供給割合は２〜６グラム／分が好ましい。
【００１８】
（例１）
１方向凝固されたＲｅｎｅ１４２材からなる試験片を、長さ２．５４ｃｍ×幅１．９０５ｃｍ×厚さ０．１０１６ｃｍの概略サイズに切断した。Ｒｅｎｅ１４２の基準組成は重量表示で、Ａｌ：６．１５％、Ｃｒ：６．８０％、Ｃｏ：７．５０％、Ｍｏ：１．４５％、Ｗ：４．９０％、Ｔａ：６．３５％、Ｈｆ：１．４５％、Ｒｅ：２．８０％、Ｃ：０．１２％、Ｚｒ：０．０２２％、Ｂ：０．０１５％、残りがＮｉである。結晶粒組織は、試験片の長軸に対して垂直に方向決めし、従って、長い部分の溶接がタービンブレードの先端レール部周辺の溶接に相当するようにした。ブレードは真空高温応力除去サイクルにかけた。試験片は次いで酸腐食にかけ、高感度蛍光浸透検査（ＦＰＩ）を通し、洗浄サイクルにかけた。全ての初期設定工程は、既存亀裂を有していないが溶接修理を必要としているタービンブレードの合金状態を近似するために行われた。米国特許第５，５５４，８３７号明細書に記載の方法を利用して、予加熱温度は１５５０°Ｆに設定した。次いで試験片を、４５．７２ｃｍ／分から５．０８ｃｍ／分までの速度範囲で溶接した。溶接用粉末の供給割合は、８．５グラム／分から３．５グラム／分まで変化させた。レーザー出力は、溶接溶融部で１０００ワットから１２５ワットまで変化させた。溶接後、試験片はさらなる真空高温応力除去サイクルにかけた。酸腐食及びＦＰＩを再度行い、各試験片について冶金学的評価を行った。
【００１９】
最後の熱処理終了後に行われた検査によって、２５．４ｃｍ／分を越える速度で溶接された試験片のほとんどが亀裂を有していることが判った。亀裂の多くはベース合金から進展して溶接を貫通していた。速度５．０８ｃｍ／分〜１０．１６ｃｍ／分で溶接された試験片では、亀裂、または微小亀裂が見られなかった。速度１５．２４ｃｍ／分〜２５．４ｃｍ／分で溶接された試験片では、いくつかの亀裂及び微小亀裂が見られ、それらの数及びサイズは、溶接速度が速くなるにつれて増大していた。溶接用粉末の供給割合及びレーザー出力の変化は、溶接ビードのサイズと形状、溶接浸透深さ、及び熱影響領域の深さに影響を及ぼしていた。２つのパラメータ、すなわち溶接用粉末の供給割合及びレーザー出力のいずれもが、試験片における亀裂のサイズ及び数とは相関を示さなかった。
【００２０】
（例２）
１方向凝固されたＲｅｎｅ１４２材からなるＣＦ６−８０Ｃ２ ステージ１ＨＰＴブレードを溶接した。通常の修理工程の一部として、ブレードは初期真空高温応力除去サイクルにかけた。次いで、全ての初期亀裂をＴＩＧ溶接によって手修理した。次に、ブレードを高感度ＦＰＩ及びＸ線検査にかけ、ＣＯ２レーザー溶接の前に、それらが亀裂を有していないことを確認した。ブレードは、次のパラメータ条件でＣＯ２レーザー溶接した。すなわち、溶接速度が５．０８ｃｍ／分、粉末供給割合が３．５グラム／分、予加熱温度が８４３．３℃、部材上におけるレーザー出力が５７５ワットである。溶接後、ブレードを最終長さに研削し、外輪郭を修復するためにサンドペーパー掛けし、先端ポケット部を清浄化するために放電加工にかけた。機械仕上げ工程終了後、ブレードは最終真空高温熱処理にかけ、酸腐食の後、高感度ＦＰＩ及びＸ線検査にかけた。各種検査の結果、亀裂は発見されなかった。最後に、ブレードを冶金学的破壊検査にかけた。ここでも、亀裂及び微小亀裂は発見されなかった。