JP2006077325A - 単結晶金属部品または方向性凝固部品の表面を再生成する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】２ｍｍ未満の厚みを有する単結晶または方向性凝固金属部品の表面を再生成する方法を改良する。
【解決手段】本発明は、２ｍｍ未満の厚み（ＷＳ）を有する単結晶または方向性凝固金属部品の表面を再生成する方法に関し、レーザビーム、および特性が金属部品の特性と同一の金属粉末フラックスが、金属部品に供給されることにより、金属部品から単結晶または方向性凝固された金属の少なくとも一層が生成され、レーザビームは、パワー「Ｐ」で放射されて金属部品に沿って速度「ｖ」で移動するものであり、レーザビームおよび金属粉末フラックスは、金属部品に同軸状に供給され、Ｐ／ｖ比は、図面で規定された範囲内にあることを特徴とする。
【選択図】 図３
【解決手段】本発明は、２ｍｍ未満の厚み（ＷＳ）を有する単結晶または方向性凝固金属部品の表面を再生成する方法に関し、レーザビーム、および特性が金属部品の特性と同一の金属粉末フラックスが、金属部品に供給されることにより、金属部品から単結晶または方向性凝固された金属の少なくとも一層が生成され、レーザビームは、パワー「Ｐ」で放射されて金属部品に沿って速度「ｖ」で移動するものであり、レーザビームおよび金属粉末フラックスは、金属部品に同軸状に供給され、Ｐ／ｖ比は、図面で規定された範囲内にあることを特徴とする。
【選択図】 図３
Description
本発明は、２ｍｍ未満の厚みを有する単結晶または方向性凝固（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ）金属部品の表面を再生成する（ｒｅｓｕｒｆａｃｉｎｇ）方法に関する。
タービンブレードは、一般に、単結晶または方向性凝固合金で作製される。タービンブレードが回転状態にあるときに関して、ステータの壁面が受ける局部的作動条件および摩擦の結果として、ブレードの外側端部が磨耗することが多い。したがって、ブレードの端部の表面を再生成する、すなわち、ブレードの壁面を磨耗した頂部から再構成する必要がある。
米国特許第６，０２４，７９２号は、単結晶または方向性凝固部品の壁面の端部表面を再生成する方法を開示している。単結晶部品では、最初にこの部品の端部が、予熱され、次に、その表面に垂直にＣＯ２レーザビーム、およびレーザビームの軸に対して傾斜する方向に従う横方向ノズルから放射される金属粉末フラックスに晒される。方向性凝固部品では、粉末の溶解、およびブレードの元の壁面により形成される基板から、単結晶または方向性凝固金属層の成長を生じさせる。このようにして複数の層が、連続的に構成される。レーザビームのパワーは、単結晶または方向性凝固構造体の新しい層が効果的に形成される、一定範囲の温度勾配および凝固速度内に、常に収まるように調節される。この新しいグレインは、基板のグレインによるエピタキシャルの柱状様式で成長する。
部品の壁面の表面を再生成するこのような方法は、最適化されたパラメータで実行される必要があり、表面が再生成される壁面の部分は、ベース材料の機械特性に近い機械特性を有する必要がある。ターボマシンブレードについては、例えば、壁面の厚みは、例えば背面または腹面と後縁との間で可変である。したがって、方法の間に、装置の動作を壁面の厚みに適合させる必要がある。
今日まで、金属部品の厚みに応じて、金属部品の壁面にエピタキシャルの均一な表面を再生成する方法に関して、パラメータの正確な定義はもとより、装置の配置の正確な規定も与えられなかった。
米国特許第６，０２４，７９２号明細書
独国特許出願公開第３９３５００９号明細書
出願人は一連の試験を実施して、最適な表面再生成条件を決定し、これにより本発明を完成させた。本発明の目的は、２ｍｍ未満の厚みを有する単結晶または方向性凝固金属部品の表面を再生成する方法を改良することである。
この趣旨で、本発明は、２ｍｍ未満の厚みを有する単結晶または方向性凝固金属部品の表面を再生成する方法に関し、レーザビーム、および特性が金属部品の特性と同一の金属粉末のフラックスが金属部品に供給されることにより、金属部品から単結晶または方向性凝固された金属の少なくとも一層が生成され、レーザビームは、パワー「Ｐ」で放射されて、金属部品に沿って速度「ｖ」で移動し、レーザビームおよび金属粉末のフラックスは、金属部品に同軸状に供給され、Ｐ／ｖ比は、以下のようである。
・ ０．２ｍｍから０．６ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．１２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．１２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１から０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ ０．６ｍｍから０．８ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ ０．８ｍｍから１ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １ｍｍから１．２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １．２ｍｍから１．４ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １．４ｍｍから２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一定な一方の曲線の部分は、１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）に等しく、他方の曲線の部分は２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．７５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１の範囲の値を取る。
・ ０．２ｍｍから０．６ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．１２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．１２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１から０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ ０．６ｍｍから０．８ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ ０．８ｍｍから１ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １ｍｍから１．２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １．２ｍｍから１．４ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １．４ｍｍから２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一定な一方の曲線の部分は、１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）に等しく、他方の曲線の部分は２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．７５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１の範囲の値を取る。
この結果、出願者は、表面を再生成する方法の正しい実行を保証するＰ／ｖ比の値の範囲を決定できることを見出した。
好ましくは、曲線の一部は、直線部分である。
一実施形態によれば、部品の予熱は、粉末フラックスを供給する前に実行される。
好ましくは、この場合には、予熱はレーザビームにより実行される。
別の実施形態によれば、粉末フラックスの供給は、部品を予熱せずに実行される。
一実施形態によれば、連続的に生成される金属の複数層については、部品に沿ってすべての層に供給されるエネルギーは同一である。
別の実施形態によれば、連続的に生成される金属の複数層については、第１の層に供給されるエネルギーは、後続の層へのエネルギーより小さい。
好ましくは、選択される実施形態に関係なく、同一エネルギーが供給される層のＰ／ｖ比は等しい。
有利には、レーザビームはＹＡＧレーザビームである。
さらに有利には、レーザビームおよび金属粉末は、先端を切った端部を備える放射ノズルにより供給され、この先端を切った端部は、レーザビームが通過する中心穴と、先端を切った端部の生成壁（ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗａｌｌ）内に延び、粉末を供給するためのチャネルとを備える。
本発明は、詳細には、ガスタービンのモータブレードとＡＭ１として知られている単結晶合金を含む粉末に適用されるが、本出願の権利の範囲を限定することを意図してはいない。
本発明は、本発明の方法の好ましい実施形態の、添付図面を参照した以下の説明によって、より理解されるであろう。
本発明の表面を再生成する方法を実行する装置は、図示していないが、主として、エンクロージャと、レーザ源と、粉末放射ノズルとを備える。粉末放射ノズルは、粉末分配器、および特にレーザ源およびノズルを備える集束系とエンクロージャ間との接続ベローにより粉末を供給される。方法は、単結晶または方向性凝固ニッケル系合金で形成された、ガスタービンモータのタービンブレードの表面を再生成することに関して説明されるが、この方法は、再生成されるべき、単結晶または方向性凝固合金で形成された壁面を備える、任意の金属部品に適用できることが理解される。
単結晶とは、単一結晶により形成される合金を意味すると理解される。方向性凝固とは、結晶が相互に平行に、柱状の樹枝状結晶（ｃｏｌｕｍｎａｒ ｄｅｎｄｒｉｔｅ）の形状で延びる結晶の合金を意味すると理解される。
ブレードはエンクロージャ内に置かれ、それの壁面の頂部は、先端を表面再生成される。エンクロージャはアルミニウムで形成され、寸法が１３０ｍｍ×１３０ｍｍ×１００ｍｍの平行六面体形状である。エンクロージャの内容積は、アルゴンが供給され、最大２００ｐｐｍ（１００万分の１）の酸素の中性雰囲気を確立し、各種要素の酸化を防止する。酸素分析器がエンクロージャ内に配置され、エンクロージャ内に含まれる酸素濃度のリアルタイム測定を確実にする。
アルゴンは、エンクロージャの頂部にある６つのチューブ位置から放出される。エンクロージャの下部分に、エンクロージャは、ブレード壁面の表面再生成の間に溶解されない金属粉末の回収タンクを備える。エンクロージャの前面には、一連の方法を追跡するカメラ用ならびに温度制御高温計用の窓が設けられる。
ここでブレードは、本明細書では合金ＡＭ１と呼ばれる、ニッケル系合金で形成される。この合金は、以下の重量組成を有する。すなわち、６．０％から７．０％のＣｏ、７．０％から８．０％のＣｒ、１．８％から２．２％のＭｏと、５．０％から６．０％のＷ、７．５％から８．５％のＴａと、５．１％から５．５％のＡｌ、１．０％から１．４％のＴｉと、それぞれが０．０５％未満のＮｂ、Ｍｎ、およびＳｉと、それぞれが０．０１％未満のＣ、Ｂ、Ｃｕ、Ｐ、Ｓ、Ｍｇ、Ｓｎ、およびＺｒと、それぞれが０．２％未満のＨｆおよびＦｅと、残りを構成して１００％となるＮｉとを有する。
同様に粉末も合金ＡＭ１で形成される。これは、平均直径２５μｍから２５０μｍの粒子を有する球形の粉末である。一般に、合金ＡＭ１で形成されるブレード壁面の頂部に対しては、平均直径６３μｍの粒子が用いられ、満足な結果を得ている。
図１を参照すると、放射ノズル１は、エンクロージャの頂部に置かれている。ノズルは、先端を切った端部２を備え、先端を切った端部２は、中心穴３と、先端を切った端部２の生成壁面内に延びる一連の帯電防止チャネル４を備える。このチャネルは粉末５で充填され、一方、直線レーザビーム６は中心穴内部で広がる。ノズルの種類は、独国特許出願公開第３９３５００９号に記載された種類であり、詳細はこの特許を参照することができる。
レーザビーム６は、ＹＡＧとして知られているレーザ源により生成される。これは、レーザ媒体が、ネオジム（Ｎｄ）をドープされたアルミニウムおよびイトリウムガーネット（ＹＡＧ）により構成されるレーザである。励起可能粒子は、ネオジムイオンＮｄ３＋である。このレーザは、１０６４ｎｍの波長を有するビームを放出する。これは連続エネルギービームを放出する。ビームの案内光ファイバは、表面再生成される壁面の幾何形状に応じて、直径０．３ｍｍまたは０．６ｍｍを有する。例えば、直径０．６ｍｍのファイバは、厚みが０．５ｍｍから２ｍｍの間の壁の表面を再生成できる。ＹＡＧレーザは、レーザビーム６と材料との間の完全な相互作用を可能にし、光ファイバの操作性により、放射ヘッドの操作性を大きくする。
ノズル１は、合金粉末ＡＭ１の１つ以上の分配器に接続される。粉末５は、アルゴンにより推進されて、確実に保護される。粉末は、１つ以上の容器に収容され、均一性を維持するようにつぶされる。分配器のガス流量は、１ｌ／ｍｉｎから２ｌ／ｍｉｎであり、粉末流量は、６ｇ／ｍｉｎから８ｇ／ｍｉｎである。放射ノズル１の出口のガス流量は、５ｌ／ｍｉｎから７ｌ／ｍｉｎである。
放射ノズル１の出口で、粉末５のフラックスは、対称的で安定しており、表面再生成における不均一性はない。レーザビーム６は、粉末５と同軸に進行する。レーザビーム６の軸の中への粉末５のこの放射により、放射ノズル１の操作性が大きくなるだけでなく、表面再生成における速度および溶解現象の規則性が増す。
特にレーザ源とノズル１で形成される集束系は、ベローによりエンクロージャに結合され、ベローの内部は、レーザビーム６を反射するためにアルミニウムで被覆されたガラスファイバから形成され、ベローの外部は、シリコンコーティングを有して、全体の運動に関係する可能な変動から保護される。集束系は、集束系を３つの垂直方向に運動可能にする装置により移動可能に設置され、プログラム制御される装置により駆動される。
次に、図２から図５を参照して、本発明の方法をより詳細に説明する。
ブレード７は、装置のエンクロージャ内に置かれる。ノズル１は、表面再生成される壁面の上に置かれ、壁面上にレーザビーム６と粉末５を放射する。レーザビームは、パワー「Ｐ」で放出され、壁面に沿って速度「ｖ」で移動する。粉末５は、レーザビーム６の軸内に放射される。
壁面の厚み「ＷＳ」の関数として、出願者は、正確な表面再生成を得るためには、パラメータの一方または他方を、好ましくは両方を変化させることにより、Ｐ／ｖ比を適合させる必要があることを見出した。また、この比に対して許容値の範囲を、規定できることを見出した。パラメータＰおよびｖの比に対する最適値の範囲は、壁面の厚みＷＳの関数として、図３の曲線で規定される。
各曲線の部分による一次近似において、Ｐ／ｖ比は、以下でなければならないことが分かる。すなわち、
・ ０．２ｍｍから０．６ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．１２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．１２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１から０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ ０．６ｍｍから０．８ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、一方の曲線の部分は、０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ ０．８ｍｍから１ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １ｍｍから１．２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １．２ｍｍから１．４ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １．４ｍｍから２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一定な一方の曲線の部分は、１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）に等しく、他方の曲線の部分は、２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．７５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１の範囲の値を取る。
・ ０．２ｍｍから０．６ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．１２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．１２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１から０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ ０．６ｍｍから０．８ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、一方の曲線の部分は、０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ ０．８ｍｍから１ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １ｍｍから１．２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １．２ｍｍから１．４ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取る。
・ １．４ｍｍから２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一定な一方の曲線の部分は、１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）に等しく、他方の曲線の部分は、２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．７５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１の範囲の値を取る。
一次近似において、出願者が見出した範囲を規定する曲線は、増加する曲線の部分により規定された。増加する曲線は、「スムース」と見なせる接線特性を有し、すなわち、曲線が、曲線の１つの部分から他の部分に、例えば凹状の急激な変化なく、完全に一様に進展する。供給されるデータから、第１の点から第２の点に達する曲線を求める方法は、第２の点を、凹状のいかなる非論理的変化をも操作する必要がないように追従する点に予測する。
別の近似は、先に規定された曲線の部分に対して直線部分とみなす。
したがって、図３で規定された範囲を考慮することにより、Ｐ／ｖ比は、壁面の厚みＷＳに対して制御される。この自動制御は、プログラムにより確実にされることができる。ブレード７の壁面の厚みＷＳの進展は、予め決定され、プログラムに戻る。方法を実行中、このプログラムは、Ｐ／ｖ比の進展を、壁面に沿ったノズル１の位置に応じて制御し、したがって、壁面の厚みＷＳを、ユーザで規定されるパラメータ、例えば光ファイバの直径、表面再生成のコードンについての与えられる幾何形状、生成される層の高さ等に応じて制御し、一方で、図３で規定される範囲内に留まる。
別の可能性は、Ｐ／ｖ比を、測定データに応じてリアルタイムで制御し、かつ任意の所定の点における壁面の厚みＷＳに間接的に応じる、溶解フラックスの明るさを測定できる自動調節装置を、所定の位置に置くことである。この測定は、制御システムに接続されたフォトダイオードにより確実にされることができる。
Ｐ／ｖ比を規定された範囲内に維持することにより、壁面上に放射された粉末５へのレーザビーム６の作用により、粉末の溶解および合金の成長が生じる。この成長は、基板に含まれる樹枝状結晶の一次アームから、すなわちブレード７の頂部からエピタキシャルで柱状の態様で発生し、この結果は、基板の特性に従う、単結晶または方向性凝固金属の凝固である。
第１の層金属８の構造は、図２から明らかである。各種パラメータは、高さｈｐで基板を溶解し、これによりその樹枝状結晶の一次アームから新しい層の凝固を可能にするように調節される。粉末５は、高さＨＤの層８を得るように放射される。この層８は、ドロッププロファイルを有するように形成され、ベース部におけるその角度αは、３０°から７０°でなければならず、これにより、直線壁面を復元するための再加工として知られている、方法の後で、任意の機械加工は最少になる。ドロップの最大幅ＷＤは、ブレード７の幅ＷＳの１１０％から１５０％でなければならず、これにより、再加工を限定する。
高さｈｍｏｎｏは、ドロップがその上で単結晶凝固または方向性凝固構造を示す、非溶解基板からの高さを表す。この高さより上では、高さフード９（ＨＤ−ｈｍｏｎｏ）は、都合よく凝固されず、第２の層の適用の間に溶解される必要があり、これにより、第２の層は、第１の層８の柱状の樹枝状結晶の一次アームから行われることができる。各層についても同様である。
本発明の方法およびＰ／ｖ比の適正な選択により、温度の影響を受け、図２の矢印ＺＡＴで示されるゾーンは、最少になる。
ブレード７の頂部の表面を再生成するために、複数層を構成する必要がある。この方法は、さまざまな実施形態により、層の連続に対して実行できる。その内の２つを以下に説明する。
第１の実施形態においては、ブレード７の壁面に沿うノズル１の進行の間において、ブレード７の壁面の厚みＷＳに応じる、第１の層８に供給されるエネルギーは、後続の層に供給されるエネルギーと同一である。この実施形態は、これを実行するのに単一のパワープログラムを必要とするだけであるため、最も簡単である。
第２の実施形態においては、第１の層８に供給されるエネルギーは最小化され、これにより基板の溶解を最少にし、次に、後続の層のエネルギーは各層間で同一となり、１０％から２０％まで増加された第１の層８のエネルギーに等しくなるようにする。第１の層８を除く層全体に対しては、Ｐ／ｖ比は、ブレード７の壁面に沿って同一値を有する。
各層の形成の間、好ましくは、ブレード７は６００℃未満の温度に冷却される。
さらに、第１の層８の生成の前に、従来技術で一般化しているのと同様に、基板を予熱できる。この場合、予熱は、粉末を放射せずに、ブレード７の壁面上を第１の一連の通過をさせることができるレーザビーム６自体によって確実にされることができる。均一な加熱は、レーザの集束を利用することにより保証できる。通過回数および供給されるエネルギーは、割れ目を制限するのに十分であるが、最少予熱を保証するようになされる。所定の温度に達すると予熱段階を停止する温度を測定することにより、システムの自動制御を考えることもできる。
そのパラメータ、特にパラメータＰおよびｖの選択の品質により、本発明の方法は、予熱なしにブレード７の壁面の表面再生成を可能にし、方法の大幅な時間ゲインおよび簡単化を可能にする。
温度操作後の処理は、好ましくは、層全体が構成されるとすぐに実行され、それらの構造を均一化し、残留制約を緩和させる。好ましくは、この処理は、８００℃から１３００℃で実施される。
例として、厚みＷＳが１ｍｍに対しては、第１の層８については、パワーＰ＝４００Ｗ、速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｍｉｎを選択でき、他のすべての層、例えば他の９つの層については、パワーＰ＝５００Ｗ、速度ｖ＝３００ｍｍ／ｍｉｎを選択できる。Ｐ／ｖ比は、厚みＷＳ＝１ｍｍについて図３の範囲内に十分含まれる。
厚みＷＳが０．５ｍｍに対しては、第１の層８については、パワーＰ＝１２５Ｗ、速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｍｉｎを選択でき、他のすべての層については、パワーＰ＝１５０Ｗ、速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｍｉｎを選択できる。
この同一厚みに対しては、第１の層８については、パワーＰ＝１５０Ｗ、速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｍｉｎを選択でき、他のすべての層については、パワーＰ＝１７５Ｗ、速度ｖ＝２５０ｍｍ／ｍｉｎを選択できる。
図４は、本発明の方法が完了し、温度操作後の処理および再加工がなされた直後のブレード７を示す。腹面１１、背面１２、および後縁１３でのブレード７の壁に延びる結果として得られた表面再生成１０が、見られる。これら異なる壁面の厚みＷＳは、一定でなく、本発明の方法は、Ｐ／ｖ比をそれらの進展で制御すると同時に、高品質の表面再生成を保証する。
図５は、再加工前のブレード７壁面の表面再生成１４の断面写真を示す。この表面再生成の内部構造は、上部フード１５を除いて、樹枝状の柱状であることが明白である。この図から、操作パラメータの規定において、２つの目的を考慮すべきことは明らかである。すなわち、単結晶または方向性凝固された許容可能な微細構造体を得るだけでなく、さらにドロップの適正な幾何形状を得ることである（例えば、方法の実行が余りに遅い場合、ドロップは平たくなり恐れがあり、正しい幾何形状を示さない）。
したがって、本発明により、完全な最適化方法を適切に行うことができる。専門家は、予熱に及ぼされる制約に従って、予熱を利用するか否かを選択する。制約がかなり柔軟である場合、予熱を利用しないことは、方法の実質的な時間ゲインと簡単化を実現する。予熱を利用することは、より高い精度およびより正確な結果を招く。
規定されたパラメータの範囲は、単結晶または方向性凝固された表面再生成を、再加工できるような幾何形状で得るために、表面再生成の形成の専門家に、凝固が、基板の一次アームの樹枝状結晶を有する柱状でかつエピタキシャルでなされることを保証する。
方法の範囲内で温度的に影響されるゾーンは、従来技術に比べて狭い範囲である。
同軸ノズルと共にＹＡＧレーザを利用することにより、優れたレーザと材料との相互作用、放射ヘッドの高い操作性、光ファイバ利用の柔軟性を得ることを保証する。
本発明を単結晶合金ＡＭ１に関連して説明してきたが、本発明は、別の種類の金属に対しても適用される。
１ 放射ノズル
２ 端部
３ 中心穴
４ 帯電防止チャネル
５ 粉末
６ レーザビーム
７ ブレード
８ 第１の層の金属
９ 高さフード
１０、１４ 表面再生成
１１ 腹面
１２ 背面
１３ 後縁
１５ 上部フード
２ 端部
３ 中心穴
４ 帯電防止チャネル
５ 粉末
６ レーザビーム
７ ブレード
８ 第１の層の金属
９ 高さフード
１０、１４ 表面再生成
１１ 腹面
１２ 背面
１３ 後縁
１５ 上部フード
Claims (12)
- ２ｍｍ未満の厚み（ＷＳ）を有する単結晶または方向性凝固金属部品（７）の表面を再生成する方法であって、レーザビーム（６）および特性が金属部品の特性と同一の金属粉末（５）のフラックスが、金属部品（７）に供給されることにより、金属部品（７）から単結晶または方向性凝固された金属の少なくとも一層が生成され、レーザビーム（６）は、パワー「Ｐ」で放射されて金属部品に沿って速度「ｖ」で移動し、レーザビーム（６）および金属粉末（５）のフラックスが、金属部品（７）に同軸状に供給され、Ｐ／ｖ比が、
・ ０．２ｍｍから０．６ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．１２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．１２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．２５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１から０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、
・ ０．６ｍｍから０．８ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．５８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．５８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、０．８４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、
・ ０．８ｍｍから１ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、０．８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、０．８３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、１．４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．４１７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、
・ １ｍｍから１．２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．０８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．０８３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．０５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．０４２Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、
・ １．２ｍｍから１．４ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一方の曲線の部分は、１．２７Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．２７１Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、他方の曲線の部分は、２．３４Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）の範囲の値を取り、
・ １．４ｍｍから２ｍｍの間の厚みＷＳに対しては、増加する曲線の２つの部分間にあり、ここで、一定な一方の曲線の部分は、１．３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、１．３３３Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）に等しく、他方の曲線の部分は、２．４８Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１（好ましくは、２．４７９Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１）から２．７５Ｗ・ｍｉｎ・ｍｍ−１の範囲の値を取る、ことを特徴とする、方法。 - 曲線の一部が、直線部分である、請求項１に記載の方法。
- 金属部品（７）の予熱が、金属粉末（５）のフラックスを供給する前に実行される、請求項１または２に記載の方法。
- 予熱が、レーザビーム（６）により実行される、請求項３に記載の方法。
- 粉末（５）のフラックスの供給が、金属部品（７）の予熱なく実行される、請求項１または２に記載の方法。
- 連続的に形成される金属の複数層では、金属部品に沿ってすべての層に対して供給されるエネルギーが同一である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- 金属の複数層が連続的に生成され、第１の層（８）のエネルギーが、後続の層のエネルギーより小さい、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- 同一エネルギーが供給される層のＰ／ｖ比は等しい、請求項６または７に記載の方法。
- 金属部品（７）および金属粉末（５）が、ＡＭ１として知られている単結晶合金を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
- レーザビーム（６）がＹＡＧレーザビームである、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
- レーザビーム（６）および金属粉末（５）が、先端を切った端部（２）を備える放射ノズル（１）により供給され、該先端を切った端部（２）が、レーザビーム（６）が通過する中心穴（３）と、先端を切った端部（２）の生成壁面内に延び、金属粉末（５）を供給するためのチャネル（４）とを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
- 金属部品（７）が、ガスタービンのモータブレードである、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
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