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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025084690
(43)【公開日】2025-06-03
(54)【発明の名称】部品用の多孔質領域及び同部品用の金属クーポン
(51)【国際特許分類】
B22F 10/38 20210101AFI20250527BHJP
B22F 10/25 20210101ALI20250527BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20250527BHJP
B22F 10/50 20210101ALI20250527BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20250527BHJP
【ＦＩ】
B22F10/38
B22F10/25
B22F10/28
B22F10/50
B33Y10/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024181507
(22)【出願日】2024-10-17
(31)【優先権主張番号】18/495,814
(32)【優先日】2023-10-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】515322297
【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】110002848
【氏名又は名称】弁理士法人ＮＩＰ＆ＳＢＰＪ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】サルム、ジェイコブ アンドリュー
(72)【発明者】
【氏名】ハント、マーク ローレンス
(72)【発明者】
【氏名】オストルート、ネイサン ニコラス
(57)【要約】 （修正有）
【課題】多孔質領域を有する金属クーポンを部品に用いる方法を提供する。
【解決手段】金属クーポン２００を部品２０２に結合する方法は、第１のポロシティを有する第１のポロシティ多孔質領域３００Ａと、第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２のポロシティ多孔質領域３００Ｂを有する金属クーポン２００を積層造形することを含んでいてもよい。金属クーポン２００は、部品２０２の本体のクーポン開口部に配置されている。この金属クーポン２００には、ろう材を本体のクーポン開口部２０４に金属クーポン２００を結合するように溶浸させてもよい。１以上のろう材は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づく第１の多孔質領域３００Ａと、少なくとも第２のポロシティの特性に基づく第２のポロシティ多孔質領域３００Ｂの少なくとも１つに溶浸する。
【選択図】図８Ｂ
【解決手段】金属クーポン２００を部品２０２に結合する方法は、第１のポロシティを有する第１のポロシティ多孔質領域３００Ａと、第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２のポロシティ多孔質領域３００Ｂを有する金属クーポン２００を積層造形することを含んでいてもよい。金属クーポン２００は、部品２０２の本体のクーポン開口部に配置されている。この金属クーポン２００には、ろう材を本体のクーポン開口部２０４に金属クーポン２００を結合するように溶浸させてもよい。１以上のろう材は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づく第１の多孔質領域３００Ａと、少なくとも第２のポロシティの特性に基づく第２のポロシティ多孔質領域３００Ｂの少なくとも１つに溶浸する。
【選択図】図８Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
部品（２０２）に金属クーポン（２００）を結合する方法であって、当該方法が、
第１のポロシティを有する第１の多孔質領域（３００Ａ）及び第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）を有する金属クーポン（２００）を積層造形するステップと、
前記部品（２０２）の本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）に前記金属クーポン（２００）を配置するステップと、
前記金属クーポン（２００）を前記本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）に結合するため、前記金属クーポン（２００）をろう材（３１０）で溶浸するステップであって、溶浸が、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域（３００Ａ）及び少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域（３００Ｂ）の少なくとも一方にろう材（３１０）を溶浸させることを含む、ステップと
を含む方法。
第１のポロシティを有する第１の多孔質領域（３００Ａ）及び第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）を有する金属クーポン（２００）を積層造形するステップと、
前記部品（２０２）の本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）に前記金属クーポン（２００）を配置するステップと、
前記金属クーポン（２００）を前記本体（２０６）のクーポン開口部（２０４）に結合するため、前記金属クーポン（２００）をろう材（３１０）で溶浸するステップであって、溶浸が、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域（３００Ａ）及び少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域（３００Ｂ）の少なくとも一方にろう材（３１０）を溶浸させることを含む、ステップと
を含む方法。
【請求項2】
前記ろう材（３１０）を内部に有する第１の多孔質領域（３００Ａ）及び第２の多孔質領域（３００Ｂ）が、１以上の異なる物理的特性を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記積層造形が、第１の多孔質領域（３００Ａ）と第２の多孔質領域（３００Ｂ）の間に可変ポロシティ領域（３００Ｄ）を有する金属クーポン（２００）を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記金属クーポン（２００）をろう材（３１０）で溶浸するステップが、ろう材（３１０）を第１のポロシティの特性に基づいて第１のポロシティを有する第１の多孔質領域（３００Ａ）を移動して溶浸させ、可変ポロシティ領域（３００Ｄ）の特性に基づいて可変ポロシティ領域（３００Ｄ）を移動して溶浸させ、第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域（３００Ｂ）を移動して溶浸させることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
第１のポロシティが、総体積に対する空洞空間体積の百分率、細孔形状、細孔サイズ、細孔の数及び細孔連結性の特性の１以上の点で第２のポロシティとは異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
第１のポロシティが第２のポロシティよりも高く、溶浸が、第２の多孔質領域（３００Ｂ）よりも多くのろう材（３１０）を第１の多孔質領域（３００Ａ）に溶浸させることを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項7】
前記１以上の異なる物理的特性が、継手密着強さ、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、熱伝導率、電気伝導率、表面粗さ、硬度及び質量を含む群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記積層造形が、金属クーポン（２００）に冷却通路を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記溶浸が、真空ろう付け、誘導ろう付け又は不活性ガス雰囲気加熱を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
さらに、積層造形の前に、金属クーポン（２００）が収まるように構成されたクーポン開口部（２０４）を部品（２０２）の本体（２０６）に形成するステップと、クーポン開口部（２０４）のモデルを作成するステップとを含んでおり、前記積層造形が、クーポン開口部（２０４）のモデルに基づいて金属クーポン（２００）を製造することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記積層造形が、クーポン開口部（２０４）のモデルに基づいてクーポン開口部（２０４）のニアネット形状に金属クーポン（２００）を製造することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記溶浸が、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１のろう材（３１０Ａ）を第１の多孔質領域（３００Ａ）に溶浸させること、及び少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第１のろう材（３１０Ａ）とは異なる別のろう材（３１０Ｂ）を第２の多孔質領域（３００Ｂ）に溶浸させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項13】
部品（２０２）の金属クーポン（２００）を形成する方法であって、この方法は、
部品（２０２）の本体（２０６）におけるクーポン開口部（２０４）のモデルを作成するステップと、
前記金属クーポン（ＡＭ）のモデルに基づく金属クーポン開口部（２０４）と、前記金属クーポン（２００）は、第１のポロシティと異なる第２のポロシティを有する第１のポロシティ多孔質領域（３００Ａ）と第２のポロシティ多孔質領域（３００Ｂ）とを少なくとも含む、
これにより、異なる第１及び第２のポロシティは、ろう材（３１０）を使用してクーポン開口部（２０４）で金属クーポン（２００）を結合した後、異なる物理的特性を生じさせる。
部品（２０２）用の金属クーポン（２００）を形成する方法であって、当該方法が、
部品（２０２）の本体（２０６）にクーポン開口部（２０４）のモデルを作成するステップと、
前記クーポン開口部（２０４）のモデルに基づいて前記金属クーポン（２００）を積層造形（ＡＭ）するステップであって、前記金属クーポン（２００）が、少なくとも第１のポロシティを有する第１の多孔質領域（３００Ａ）及び第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）を含んでいる、ステップと
を含んでおり、異なる第１及び第２のポロシティが、ろう材（３１０）を用いてクーポン開口部（２０４）に金属クーポン（２００）を結合した後に異なる物理的特性を生じさせる、方法。
部品（２０２）の本体（２０６）におけるクーポン開口部（２０４）のモデルを作成するステップと、
前記金属クーポン（ＡＭ）のモデルに基づく金属クーポン開口部（２０４）と、前記金属クーポン（２００）は、第１のポロシティと異なる第２のポロシティを有する第１のポロシティ多孔質領域（３００Ａ）と第２のポロシティ多孔質領域（３００Ｂ）とを少なくとも含む、
これにより、異なる第１及び第２のポロシティは、ろう材（３１０）を使用してクーポン開口部（２０４）で金属クーポン（２００）を結合した後、異なる物理的特性を生じさせる。
部品（２０２）用の金属クーポン（２００）を形成する方法であって、当該方法が、
部品（２０２）の本体（２０６）にクーポン開口部（２０４）のモデルを作成するステップと、
前記クーポン開口部（２０４）のモデルに基づいて前記金属クーポン（２００）を積層造形（ＡＭ）するステップであって、前記金属クーポン（２００）が、少なくとも第１のポロシティを有する第１の多孔質領域（３００Ａ）及び第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域（３００Ｂ）を含んでいる、ステップと
を含んでおり、異なる第１及び第２のポロシティが、ろう材（３１０）を用いてクーポン開口部（２０４）に金属クーポン（２００）を結合した後に異なる物理的特性を生じさせる、方法。
【請求項14】
前記積層造形が、前記クーポン開口部（２０４）のモデルに基づいて前記金属クーポン（２００）を前記クーポン開口部（２０４）のニアネット形状に製造することを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に部品の補修に関し、さらに具体的には、多孔質領域を有する金属クーポンを用いた部品の補修に関する。
【背景技術】
【0002】
工業用部品は、時々補修を必要とすることが々ある。例えば、ターボ機械でエネルギー生成のため作動流体を導くのに使用される高温ガス経路部品は、補修を要することがある。高温ガス経路部品は、エネルギー生成のため作動流体を導く翼形部を含むタービンロータブレード又は静止ベーンのように、様々な形状をとり得る。ロータブレードはタービンロータに結合されてタービンロータを回転させるように作用し、静止ベーンはターボ機械のケーシングに結合されて作動流体をロータブレードに向けて導く。
【0003】
直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）又は選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）のような積層造形は、工業部品を製造するための信頼性の高い製造方法として登場した。積層造形技術の登場により、ターボ機械のノズルの前縁又は後縁の一部のような部品の一部を交換することもできるようになった。例えば、ターボ機械のノズルの前縁の一部を除去してノズルに切欠部を残し、新しいセクション（本明細書では「クーポン」という）を切欠部に結合してもよい。クーポンは、切欠部の形状と少なくとも概ね一致する形状をもつように積層造形される。このクーポンは、使用済みのターボ機械ノズルの一部を交換するか、新しいターボ機械ノズルの一部として追加できる。
【0004】
ただし、交換用クーポンは、部品の除去部分と同じ材料及び外装構造で作られる。そのため、交換用クーポンには、元の部品及び／又は切欠部と同じ短所の幾つかがみられ、クーポン強度、耐酸化性、サイクル疲労、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、熱伝導率又は導電率及び／又は質量減少のような全般的性能特性が改善されることはない。１種類のろう材を用いて交換用クーポンを部品に結合すると、上述の全般的性能特性、さらには継手密着強さ及び信頼性の向上、ろう付け後に必要とされる機械加工／ブレンディング作業の低減のような、継手に関連する追加の性能特性の改善もできなくなる。また、除去した切欠部と実質的に同一材料のクーポンを使用すると、交換用クーポンの高額な材料コストを削減できなくなる。
【発明の概要】
【0005】
以下に挙げるすべての態様、具体例及び特徴は、技術的に可能な方法で組合せることができる。
【0006】
本開示の態様は、部品を提供するが、本部品は、本体と、第１のポロシティを有する第１の多孔質領域を有する積層造形（ＡＭ）金属クーポンであって、第１のポロシティが第１の多孔質領域の総体積に対して２％～５０％の空洞空間体積である、積層造形金属クーポンと、本体のクーポン開口部にＡＭ金属クーポンを結合するろう材とを含んでおり、ろう材は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域の１以上に溶浸した第１のセクションを含む。
【0007】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、ＡＭ金属クーポンは、第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域をさらに含んでおり、ろう材は、少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域に溶浸した第２のセクションを含む。
【0008】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、ＡＭ金属クーポンは、第１の多孔質領域と第２の多孔質領域の間の可変多孔質領域を含む。
【0009】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、本体は、第１のポロシティ及び第２のポロシティのいずれとも異なる第３のポロシティを有する。
【0010】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のポロシティは、第１の多孔質領域の総体積に対して１０％～４０％の空洞空間体積を有する。
【0011】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、ＡＭ金属クーポンは、部品の本体のクーポン開口部のニアネット形状を有する。
【0012】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、ＡＭ金属クーポンは、内部に冷却通路を含む。
【0013】
本開示の態様は、部品を包含するが、本部品は、本体と、第１のポロシティを有する第１の多孔質領域及び第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域を含む積層造形（ＡＭ）金属クーポンと、本体のクーポン開口部にＡＭ金属クーポンを結合するろう材とを含んでおり、ろう材は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域及び少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域の少なくとも一方に溶浸する。
【0014】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、本体は、第１のポロシティ及び第２のポロシティのいずれとも異なる第３のポロシティを有する。
【0015】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、ＡＭ金属クーポンは、第１の多孔質領域と第２の多孔質領域の間の可変多孔質領域を含む。
【0016】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のポロシティは、総体積に対する空洞空間体積の百分率、細孔形状、細孔サイズ、細孔の数及び細孔連結性の特性の１以上の点で第２のポロシティとは異なる。
【0017】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のポロシティは第２のポロシティよりも高く、第１の多孔質領域は第２の多孔質領域よりも多くのろう材を内部に含む。
【0018】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の異なる物理的特性は、継手密着強さ、クーポン強度、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、サイクル疲労、熱伝導率、電気伝導率、表面粗さ、硬度及び質量を含む群から選択される。
【0019】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、さらに、ＡＭ金属クーポンに画成された冷却通路を含む。
【0020】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１の多孔質領域は、本体に接合するために構成された金属クーポンの縁の少なくとも一部にあり、第２の多孔質領域は、第１の多孔質領域の少なくとも一部に隣接している。
【0021】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のポロシティ及び第２のポロシティは、それぞれ第１の多孔質領域及び第２の多孔質領域の総体積に対して２～５０％の空洞空間体積である。
【0022】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のポロシティ及び第２のポロシティは、それぞれ第１の多孔質領域及び第２の多孔質領域の総体積に対して１０～４０％の空洞空間体積である。
【0023】
本開示の態様は、タービンアセンブリと１以上の部品とを備えるガスタービンを包含し、１以上の部品は、本体と、第１のポロシティを有する第１の多孔質領域及び第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域を含む積層造形（ＡＭ）金属クーポンと、本体のクーポン開口部にＡＭ金属クーポンを結合するろう材とを含んでおり、ろう材は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域及び少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域の少なくとも一方に溶浸する。
【0024】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、ＡＭ金属クーポンは、第１の多孔質領域と第２の多孔質領域の間の可変多孔質領域を含む。
【0025】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のポロシティは第２のポロシティよりも高く、第１の多孔質領域は第２の多孔質領域よりも多くのろう材を内部に含む。
【0026】
本開示の一態様は、部品に金属クーポンを結合する方法を包含し、本方法は、第１のポロシティを有する第１の多孔質領域及び第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域を有する金属クーポンを積層造形するステップと、部品の本体のクーポン開口部に金属クーポンを配置するステップと、金属クーポンを本体のクーポン開口部に結合するため、金属クーポンをろう材で溶浸するステップとを含んでおり、溶浸は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域及び少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域の少なくとも一方にろう材を溶浸させることを含む。
【0027】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、ろう材を内部に有する第１の多孔質領域及び第２の多孔質領域は、１以上の異なる物理的特性を有する。
【0028】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、積層造形は、第１の多孔質領域と第２の多孔質領域の間に可変多孔質領域を有する金属クーポンを形成することを含む。
【0029】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、金属クーポンをろう材で溶浸することは、ろう材を第１のポロシティの特性に基づいて第１のポロシティを有する第１の多孔質領域を移動して溶浸させ、可変多孔質領域の特性に基づいて可変多孔質領域を移動して溶浸させ、第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域を移動して溶浸させることを含む。
【0030】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のポロシティは、総体積に対する空洞空間体積の百分率、細孔形状、細孔サイズ、細孔の数及び細孔連結性の特性の１以上の点で第２のポロシティとは異なる。
【0031】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のポロシティは第２のポロシティよりも高く、溶浸は、第２の多孔質領域よりも多くのろう材を第１の多孔質領域に溶浸させることを含む。
【0032】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の異なる物理的特性は、継手密着強さ、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、熱伝導率、電気伝導率、表面粗さ、硬度、及び質量を含む群から選択される。
【0033】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、積層造形は、金属クーポンに冷却通路を形成することを含む。
【0034】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、溶浸は、真空ろう付け、誘導ろう付け又は不活性ガス雰囲気加熱を使用することを含む。
【0035】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、さらに、積層造形の前に、金属クーポンが収まるように構成されたクーポン開口部を部品の本体に形成するステップと、クーポン開口部のモデルを作成するステップとを含んでおり、積層造形は、クーポン開口部のモデルに基づいて金属クーポンを製造することを含む。
【0036】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、積層造形は、クーポン開口部のモデルに基づいてクーポン開口部のニアネット形状に金属クーポンを製造することを含む。
【0037】
本開示の一態様は、金属クーポンを部品に結合するための金属クーポンを形成する方法に関し、本方法は、部品の本体にクーポン開口部のモデルを作成することと、金属クーポンをクーポン開口部のモデルに積層造形（ＡＭ）し、金属クーポンは、少なくとも第１のポロシティを有する第１の多孔質領域と、第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域を含んでおり、異なる第１及び第２のポロシティは、ろう材を用いてクーポン開口部に金属クーポンを結合した後に異なる物理的特性を生じさせる。
【0038】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、積層造形は、金属クーポンを、クーポン開口部のモデルに基づいてクーポン開口部のニアネット形状に製造することを含む。
【0039】
この発明の概要の欄に記載した態様も含めて、本開示に記載した２以上の態様を組合せて、本明細書に具体的に記載されていない実施態様としてもよい。すなわち、本願に記載された実施形態はすべて互いに組合せることができる。
【0040】
１以上の実施態様の詳細を、添付の図面及び以下の説明に記載する。その他の特徴、態様及び利点は、発明の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【0041】
本開示の上記その他の特徴については、本開示の様々な実施形態について記載する添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができよう。
【図1】本開示の実施形態に係る部品を含むガスタービンシステムの形態の例示的な産業機械の概略図。
【図3】本開示の実施形態に係る金属クーポンを含むタービン回転ブレードの形態の部品の斜視図。
【図4】本開示の実施形態に係る金属クーポンを含むタービンノズルの形態の部品の斜視図。
【図5】本開示の実施形態に従って金属クーポンを積層造形するための例示的な積層造形システムの概略ブロック図。
【図6A】本開示の実施形態に係るポロシティの異なる複数の多孔質領域を有するサンプル金属クーポンの上面図。
【図6B】本開示の実施形態に係るポロシティの異なる複数の多孔質領域を有するサンプル金属クーポンの上面図。
【図6C】本開示の実施形態に係るポロシティの異なる複数の多孔質領域を有するサンプル金属クーポンの上面図。
【図6D】本開示の実施形態に係るポロシティの異なる複数の多孔質領域を有するサンプル金属クーポンの上面図。
【図7A】本開示の様々な実施形態に係る金属クーポンの斜視図。
【図7B】本開示の様々な実施形態に係る金属クーポンの斜視図。
【図7C】本開示の様々な実施形態に係る金属クーポンの斜視図。
【図7D】本開示の様々な実施形態に係る金属クーポンの斜視図。
【図7E】本開示の様々な実施形態に係る金属クーポンの斜視図。
【図8A】本開示の様々な実施形態に係る方法の斜視図。
【図8B】本開示の様々な実施形態に係る方法の斜視図。
【図8C】本開示の様々な実施形態に係る方法の斜視図。
【図8D】本開示の様々な実施形態に係る方法の斜視図。
【図8E】本開示の様々な実施形態に係る方法の斜視図。
【図8F】本開示の様々な実施形態に係る方法の斜視図。
【図9A】本開示の実施形態に係る部品の本体のクーポン開口部内の金属クーポンの拡大断面図。
【図9B】本開示の実施形態に係る部品の本体のクーポン開口部内の金属クーポンの拡大断面図。
【図9C】本開示の実施形態に係る部品の本体のクーポン開口部内の金属クーポンの拡大断面図。
【図9D】本開示の実施形態に係る部品の本体のクーポン開口部内の金属クーポンの拡大断面図。
【0042】
本開示の図面は必ずしも縮尺通りではない。図面は、本開示の典型的な態様を例示するものにすぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではない。図面において、同様の符号は複数の図面間で同様の構成要素を表す。
【発明を実施するための形態】
【0043】
まず、本開示の技術的内容を明確に説明するため、ターボ機械の例示的用途で関連する機械部品について言及及び説明する際に、用語を選択する必要がある。できるだけ、当技術分野で一般的な用語を、その通常の意味と一致するように用いる。別途記載されていない限り、かかる用語は、本願の文脈及び添付の特許請求の範囲に則して広義に解釈すべきである。ある部品について幾つかの異なる又は重複する用語を用いて言及することが多々あることは当業者には明らかであろう。本明細書において、単一の部材として記載したものであっても、別の文脈では複数の部品からなるものとして記載することもある。或いは、本明細書のある箇所で複数の部品を含むものとして記載したものであっても、別の箇所では単一の部材として記載することもある。
【0044】
さらに、本明細書では幾つかの記述的用語を繰返し用いるが、本欄の冒頭でこれらの用語を定義しておくと有用であろう。これらの用語及びその定義は、別途明記しない限り、以下の通りである。本明細書で用いる「下流」及び「上流」という用語は、流体の流れ（例えばタービンエンジンを通る作動流体の流れ、或いは燃焼器を通る空気又はタービンの部品系の１つを通る冷却剤の流れなど）に関する方向を示す用語である。「下流」という用語は流体が流れていく方向に対応し、「上流」という用語は流れと反対の方向（すなわち、流れてくる方向）をいう。「前方」及び「後方」という用語は、それ以上は特定されない方向をいい、「前方」はターボ機械の前方又は圧縮機端を示し、「後方」はターボ機械の後方又はタービン端を示す。
【0045】
さらに、本明細書では、以下に記載する通り、幾つかの記述的用語を繰返し用いる。「第１」、「第２」及び「第３」という用語は、ある部品を他の部品と区別するために互換的に用いられ、個々の部品の位置又は重要性を示すものではない。
【0046】
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、開示内容を限定するものではない。本明細書において、単数形で記載したものであっても、前後関係から別途明らかでない限り、複数の場合も含めて意味する。本明細書において、「備える」、「含む」及び／又は「有する」という用語は、記載した特徴、整数、ステップ、操作、構成要素及び／又は部品が存在することを示し、他の１以上の特徴、整数、ステップ、操作、構成要素、部品及び／又はこれらの群の存在又は追加を除外するものではない。「任意」又は「適宜」という用語は、その用語に続いて記載された事象が起きても起きなくてもよい、或いはその用語に続いて記載された特徴が存在しても存在しなくてもよいことを意味しており、かかる記載はその事象が起こる又はその特徴が存在する場合と、その事象が起こらない又はその特徴が存在しない場合とを包含する。
【0047】
ある構成要素又は層が別の構成要素又は層「の上」、「に係合」、「に接続」、「に結合」又は「に装着」しているという場合、その別の構成要素又は層の上に直接位置していても、その別の構成要素又は層に直接係合、接続、結合又は装着していてもよいし、或いは介在する構成要素又は層が存在していてもよい。対照的に、ある構成要素が別の構成要素又は層「の直接上」、「に直接係合」、「に直接接続」又は「に直接結合」しているという場合、介在する構成要素又は層は存在しない。構成要素間の関係について説明するために用いられる他の用語（例えば、「～の間」と「直接～の間」、「隣接」と「直接隣接」など）も同様に解釈される。「結合」及び「装着」の動詞形は、同義に用いられることがある。
【0048】
上述のように、本開示は、本体と、第１のポロシティを有する第１の多孔質領域を有する積層造形（ＡＭ）金属クーポンとを含む部品を提供するが、第１のポロシティは第１の多孔質領域の総体積に対して２～５０％の空隙空間容積を有する。本明細書で使用される「クーポン」は、原製造時又は補修時の部材（すなわち挿入可能な部材）として部品の本体のクーポン開口部に配置されるように構成された部品を包含する。ある実施形態では、ＡＭ金属クーポンは、第１のポロシティを有する第１の多孔質領域と、第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域とを含んでいてもよい。金属クーポンを部品に結合する方法は、上述の通り金属クーポンを積層造形し、部品の本体のクーポン開口部に金属クーポンを配置することを含んでいてもよい。金属クーポンには、金属クーポンを本体のクーポン開口部に結合するためのろう材を溶浸させることができる。ろう材は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域の少なくとも１つに溶浸し、（設けられている場合には）少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて２の多孔質領域に溶浸する。したがって、この部品には、本体のクーポン開口部にＡＭ金属クーポンを結合するろう材も含む。ろう材は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域に溶浸した第１のセクションを含んでおり、少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域に溶浸した第２のセクションを含んでいてもよい。ＡＭ金属クーポンの１以上のポロシティは、従前可能であったものとは異なる物理的特性を生じるように、別のやり方で１以上のろう材の流れを導くように構成してもよい（例えば必要な箇所により多くのろう材を導くこと、ろう材を特殊な形状に導くこと及び／又は２種以上のろう材を使用できるようにすることによって）。補修に用いる場合、カスタマイズされたＡＭ金属クーポンは、元の部品及び／又は切欠部と同じ短所を呈さず、例えば継手密着強さ、クーポン強度応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、サイクル疲労、熱伝導率、導電率、表面粗さ、硬度及び質量などを変更するため、（１種以上のろう材を使用して）カスタマイズことができる。この補修は、従来の隙間の狭いろう付けプロセスよりも強力で、特定の補修後の仕上げを必要とせず、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）のような現行技術に比して物理的特性が向上する。１種以上のろう材は、交換用クーポンを部品に結合するためだけでなく、継手密着強さ及び信頼性のような継手に関連する性能特性を向上させ、かつろう付け後に必要とされる機械加工／ブレンディング作業を減らすために、使用することができる。多孔質ＡＭクーポンを使用すると、金属クーポンのより高価な基材の使用量を減らすなど、材料費を削減することもできる。
【0049】
図１は、例示的な産業機械の概略図を示しており、産業機械は、本開示の教示内容に則した部品を含むことができる。本例では、機械は燃焼又はガスタービン（ＧＴ）システムの形態のターボ機械１００を含んでいる。ターボ機械１００は、圧縮機１０２及び燃焼器１０４を含む。燃焼器１０４は、燃焼領域１０６及び燃料ノズルアセンブリ１０８を含んでいる。ターボ機械１００は、タービンアセンブリ１１０及び共通の圧縮機／タービンシャフト（すなわちロータ１１２）１１２も含んでいる。一実施形態では、ターボ機械１００は、ＧＥ Ｖｅｒｎｏａ社から市販の７ＨＡ．０３エンジンである。本開示は、いかなる特定のＧＴシステムに限定されるものではなく、例えばＧＥ Ｖｅｒｎｏａ社の他のＨＡ、Ｆ、Ｂ、ＬＭ、ＧＴ、ＴＭ及びＥクラスエンジンモデル、さらには他社のエンジンモデルを始めとする、他のエンジンに関しても実施し得る。本開示は、いかなる特定のターボ機械に限定されるものではなく、製造又は補修時にクーポンを使用するあらゆる工業部品部品に適用し得る。
【0050】
運転中、圧縮機１０２を通って空気が流れ、燃焼器１０４に圧縮空気が供給される。具体的には、圧縮空気は、燃焼器１０４に内蔵された燃料ノズルアセンブリ１０８に供給される。アセンブリ１０８は燃焼領域１０６と流体連通している。燃料ノズルアセンブリ１０８は燃料源（図１には図示せず）とも流体連通しており、燃料及び空気を燃焼領域１０６に導く。燃焼器１０４は燃料を点火して燃焼させる。燃焼器１０４はタービンアセンブリ１１０と流体連通している。タービンアセンブリ１１０は、ロータ１１２に回転可能に結合してロータ１１２を駆動するタービン１１１を含んでいる。圧縮機１０２もロータ１１２に回転可能に結合している。例示的な実施形態では、複数の燃焼器１０４及び燃料ノズルアセンブリ１０８が存在する。
【0051】
図２は、図１のガスタービンシステムで使用し得るターボ機械１００（図１）の例示的なタービンアセンブリ１１０の断面図を示す。タービンアセンブリ１１０のタービン１１１は、ターボ機械１００の静止ケーシング１２２に結合したノズル又はベーンの列１２０と、軸方向に隣接したブレードの列１２４とを含んでいる。静止ベーン又はノズル１２６は、半径方向外側プラットフォーム１２８及び半径方向内側プラットフォーム１３０によってタービンアセンブリ１１０内に保持し得る。タービンアセンブリ１１０のブレードの列１２４は、ロータ１１２に結合してロータと共に回転する回転ブレード１３２を含んでいる。回転ブレード１３２は、ロータ１１２に結合した半径方向内側プラットフォーム１４８（ブレードの根元、図３）と、適宜、半径方向外側先端１３６（ブレードの先端）とを含んでいてもよい。本願で用いる「部品」という用語は、静止ノズル１２６、回転ブレード１３２又はその他本開示に係る１以上の多孔質領域を含む金属クーポンを用いることのできる構造体を総称して表す。
【0052】
図３及び図４は、ターボ機械の高温ガス経路部品のような、本開示の教示内容を用いることのできる例示的な部品を示す。図３は、本開示の実施形態を用いることができるタイプのタービンロータブレード１３２の斜視図を示す。タービンロータブレード１３２は根元１４０を含んでおり、ロータブレード１３２は根元１４０によってロータ１１２（図２）に取り付けられる。根元１４０は、ロータ１１２（図２）のロータホイール１４４（図２）の外周上の対応ダブテールスロットに装着されるように構成されたダブテール１４２を含むことができる。根元１４０は、ダブテール１４２とプラットフォーム１４８との間に延在するシャンク１４６をさらに含んでもよく、プラットフォーム１４８は、翼形部１５０と根元１４０の連結部に配置され、タービンアセンブリ１１０を通る流路の一部を画成する。翼形部１５０は、作動流体１５１（すなわち高温燃焼ガス）の流れ（図２）を受け止めて、ロータディスク回転を惹起させるロータブレード１３２の能動部品である。
回転ブレード１３２の翼形部１５０は、凹面状正圧側（ＰＳ）外壁１５２と、周方向又は横方向に反対側の凸面状負圧側（ＳＳ）外壁１５４とを含んでおり、軸方向に前縁１５６と後縁１５８の間に延在する。側外壁１５２及び１５４は、半径方向にプラットフォーム１４８から外側先端１６０まで延在ており、先端６０は先端シュラウド１３６（図２）を含んでいても、含んでいなくてもよい。
回転ブレード１３２の翼形部１５０は、凹面状正圧側（ＰＳ）外壁１５２と、周方向又は横方向に反対側の凸面状負圧側（ＳＳ）外壁１５４とを含んでおり、軸方向に前縁１５６と後縁１５８の間に延在する。側外壁１５２及び１５４は、半径方向にプラットフォーム１４８から外側先端１６０まで延在ており、先端６０は先端シュラウド１３６（図２）を含んでいても、含んでいなくてもよい。
【0053】
図４は、本開示の実施形態で使用し得るタイプの静止ノズル１２６の斜視図である。静止ノズル１２６は外側プラットフォーム１７０を含んでおり、外側プラットフォーム１７０によって静止ノズル１２６はターボ機械の静止ケーシング１２２（図２）に取り付けられる。外側プラットフォーム１７０は、ケーシングの対応マウントに取り付けるための現在公知の又は将来開発される任意の取付け構成を含んでいてもよい。静止ノズル１２６は、隣接するタービンロータブレード１３２（図３）及びプラットフォーム１４８（図３）の間に配置される内側プラットフォーム１７４をさらに含んでいてもよい。プラットフォーム１７０，１３０は、タービンアセンブリ１１０を通る流路の外側及び内側境界のそれぞれの部分を画成する。翼形部１７６は、作動流体の流れを受け止めて、その流れをタービンロータブレード１３２（図３）に向ける静止ノズル１２６の能動部品である。静止ノズル１２６の翼形部１７６は、凹面状正圧側（ＰＳ）外壁１７８と、周方向又は横方向に反対側の凸面状負圧側（ＳＳ）外壁１８０とを含んでおり、軸方向に前縁１８２と後縁１８４との間に延在する。側外壁１７８及び１８０も、半径方向にプラットフォーム１７０からプラットフォーム１７４まで延在している。
【0054】
ブレード１３２又はノズル１２６は、冷却剤の供給源を含む内部冷却構造、例えば冷却剤をフィルム冷却のためにその表面に届けるための通路、導管その他の構造を含んでいてもよい。冷却剤としては、例えば圧縮機１０２からの空気が挙げられる。
【0055】
本願に記載する本開示の実施形態は、静止ノズル１２６、タービンロータブレード１３２及び／又はその他クーポンが用いられる任意の工業部品に適用できる態様を包含する。図３及び図４には、部品２０２における例示的な積層造形（ＡＭ）金属クーポン２００（以下、「金属クーポン２００」又は「ＡＭ金属クーポン２００」）も示してある。さらに具体的には、金属クーポン２００は、部品２０２の本体２０６のクーポン開口部２０４内にある。「本体２０６のクーポン開口部２０４」は、本体２０６（例えば先端シュラウド）の除去部分を含むまでの本体２０６内の任意の大きさの空所であってもよい。例えば、金属クーポン２００は、ブレード１３２又はノズル１２６それぞれの後縁１５８，１８４のクーポン開口部２０４に配置し得る。或いは、金属クーポン２００は、ブレード１３２又はノズル１２６のそれぞれの前縁１５６，１８２のクーポン開口部２０４に配置し得る。金属クーポン２００は、ブレード１３２の先端又はノズル１２６のプラットフォーム１７０，１７４（図４に示す）にも存在し得る。ただし、金属クーポン２００は、部品２０２の本体２０６内の任意のクーポン開口部２０４に使用し得る。本体２０６は、部品２０２のいかなる部分であってもよいし、或いは部品全体であってもよい。
【0056】
１以上の多孔質領域を有する積層造形金属クーポン２００は、多孔質領域を形成することができる現在公知の又は将来開発される任意の技術を使用して積層造形し得る。図５は、金属クーポン２００又は複数の金属クーポン２００Ａ，２００Ｂ（それらの一層だけを示す）を生成するための例示的なコンピュータ化された金属粉末積層造形システム２１０（以下、「ＡＭシステム２１０」）の概略／ブロック図を示す。本開示では、複数の溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８を用いた金属クーポン２００の造形について説明するが、本開示の教示は、任意の数の溶融ビーム源を使用した複数のクーポン２００Ａ，２００Ｂの造形にも等しく適用できることは明らかであろう。この例では、ＡＭシステム２１０は、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）用に配置されている。本開示の教示内容全般は、粉末床溶融結合、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）など、他の形態の金属粉末積層造形、さらにはおそらく他の形態の積層造形（すなわち、金属粉末用途以外のもの）にも同様に適用できる。クーポン２００Ａ、２００Ｂは、矩形構成要素として示してあるが、積層造形プロセスは、ビルドプラットフォーム２２０上での任意の形状のクーポン、多種多様な異なるクーポン及び多数のクーポンの製造に容易に適合させることができる。
【0057】
ＡＭシステム２１０は、一般に、積層造形制御システム２３０（「制御システム」）及びＡＭプリンタ２３２を含む。後述の通り、制御システム２３０は、複数の溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８を使用してクーポン２００を生成するために、コンピュータ実行可能な命令又はコード２３４のセットを実行する。図に示す例では、４つの溶融ビーム源は４つのレーザを含む。ただし、本開示の教示内容は、任意の溶融ビーム源、例えば電子ビーム、レーザなどにも適用できる。制御システム２３０は、コンピュータプログラムコードとしてコンピュータ２３６に実装された状態で示してある。これに関して、コンピュータ２３６は、メモリ２３８及び／又はストレージシステム２４０、プロセッサユニット（ＰＵ）２４４、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２４６、及びバス２４８を含む状態で示してある。また、コンピュータ２３６は、外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース２５０と通信状態にあるものとして示してある。一般に、プロセッサユニット（ＰＵ）２４４は、メモリ２３８及び／又はストレージシステム２４０に格納されたコンピュータプログラムコード２３４を実行する。コンピュータプログラムコード２３４を実行している間、プロセッサユニット（ＰＵ）２４４は、メモリ２３８、ストレージシステム２４０、Ｉ／Ｏデバイス２５０及び／又はＡＭプリンタ２３２との間でデータを読み書きすることができる。バス２４８は、コンピュータ２３６内の各オブジェクト間の通信リンクを提供し、Ｉ／Ｏデバイス２５０は、ユーザがコンピュータ２３６と対話できるようにする任意のデバイス（例えばキーボード、ポインティングデバイス、ディスプレイなど）を備えることができる。コンピュータ２３６は、ハードウェアとソフトウェアの様々な可能な組合せを代表しているに過ぎない。例えば、プロセッサユニット（ＰＵ）２４４は、単一の処理ユニットを備えてもよいし、１以上の場所、例えばクライアント及びサーバ上の１以上の処理ユニットに分散してもよい。同様に、メモリ２３８及び／又はストレージシステム２４０は、１以上の物理的な場所に常駐し得る。メモリ２３８及び／又はストレージシステム２４０は、磁気媒体、光媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などを含む、様々なタイプの非一時的コンピュータ可読記憶媒体の任意の組合せを備えることができる。コンピュータ２３６は、産業用コントローラ、ネットワークサーバ、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、ハンドヘルドデバイスなど、任意のタイプのコンピューティングデバイスを含むことができる。
【0058】
上述の通り、ＡＭシステム２１０、特に制御システム２３０は、コード２３４を実行して１以上の金属クーポン２００を生成する。コード２３４は、とりわけ、ＡＭプリンタ２３２を操作するための一組のコンピュータ実行可能命令２３４Ｓ（本明細書では「コード２３４Ｓ」ともいう）と、ＡＭプリンタ２３２によって物理的に生成される１以上の金属クーポン２００を定義する一組のコンピュータ実行可能命令２３４Ｏ（本明細書では「コード２３４Ｏ」ともいう）を含むことができる。本明細書に記載されるように、積層造形プロセスは、コード２３４を記憶する非一時的コンピュータ可読記憶媒体（例えばメモリ２３８、ストレージシステム２４０など）から始まる。ＡＭプリンタ２３２を操作するためのコンピュータ実行可能命令２３４Ｓは、ＡＭプリンタ２３２を動作させることができる、現在公知の又は将来開発される任意のソフトウェアコードを含んでいてもよい。
【0059】
１以上の金属クーポン２００を定義するコンピュータ実行可能命令２３４Ｏのセットは、クーポン２００の正確に定義された３Ｄモデルを含んでいてもよく、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）、ＴｕｒｂｏＣＡＤ（登録商標）、ＤｅｓｉｇｎＣＡＤ３ＤＭａｘのような周知のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアシステムから生成することができる。この点に関して、コード２３４Ｏは、現在公知の又は将来開発される任意のファイルフォーマットを含むことができる。さらに、金属クーポン２００を表すコード２３４Ｏは、異なるフォーマット間で変換してもよい。例えば、コード２３４Ｏは、３ＤＳｙｓｔｅｍｓのステレオリソグラフィＣＡＤプログラム用に作成されたＳＴＬ（Standard Tessellation Language）ファイル、又はいかなるＣＡＤソフトウェアであっても任意のＡＭプリンタで製造すべきあらゆる３次元の形状及び組成を記述できるように設計された拡張可能なマークアップ言語（ＸＭＬ）ベースのフォーマットである米国機械学会（ＡＳＭＥ）標準である積層造形ファイル（ＡＭＦ）を含んでいてもよい。金属クーポン２００を表すコード２３４Ｏは、必要に応じて、一組のデータ信号に変換して送信したり、一組のデータ信号として受信したり、コードに変換したり、格納したりすることもできる。コード２３４Ｏは、本開示の実施形態に従って、後述の通り重複場領域で境界及び内部セクションを形成できるように構成してもよい。いずれにせよ、コード２３４Ｏは、ＡＭシステム２１０への入力であってもよく、部材設計者、知的財産（ＩＰ）提供者、設計会社、ＡＭシステム２１０のオペレータ又は所有者、又は他の供給元に由来するものでもよい。いずれにせよ、制御システム２３０は、コード２３４Ｓ及び２３４Ｏを実行し、１以上の金属クーポン２００を一連の薄いスライスに分割して、それらをＡＭプリンタ２３２を用いて材料の連続層へと積層する。
【0060】
ＡＭプリンタ２３２は、金属クーポン２００のプリントのための制御された雰囲気を供給するためにの密閉処理チャンバ２６０を含んでいてもよい。金属クーポン２００が造形されるビルドプラットフォーム２２０は、処理チャンバー２６０内に配置される。多数の溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８は、ビルドプラットフォーム２２０上の金属粉末の層を溶融してクーポン２００を生じるように構成される。４つの溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８が例示されているが、本開示の教示内容は、任意の数（例えば１、２、３又は５以上）のビーム源を使用するシステムにも適用できる。各溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８は、金属粉末を独占的に溶融することができる非重複場領域を含む場を有していてもよいし、或いは２以上のビーム源で金属粉末を溶融できる１以上の重複場領域を含んでいてもよい。この点に関して、各溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８は、コード２３４Ｏによって定義される各スライスのために、粒子を融合する溶融ビームを生成し得る。例えば、図５に、溶融ビーム源２１２が、溶融ビーム２６２を用いて１つの領域で金属クーポン２００の層を作成し、溶融ビーム源２１４が別の領域で溶融ビーム２６２’を用いて金属クーポン２００の層を作成していることが示してある。各溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８は、現在公知の又は将来開発される任意の方法で較正される。すなわち、各溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８は、その個々の精度を確保するための個々の位置補正（図示せず）を提供するため、ビルドプラットフォーム２２０に対するレーザビーム又は電子ビームの予想位置をその実際の位置と相関させている。一実施形態では、複数の溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８の各々が、同じ断面寸法（例えば動作時の形状及び大きさ）、出力及び走査速度を有する溶融ビーム（例えば２６２，２６２’）を作成し得る。
【0061】
続けて図５を参照すると、アプリケータ（又はリコーターブレード）２７０は、空白キャンバスとして広げられた原料２７２の薄層を作成することができ、その上で最終金属クーポン２００の連続スライスの各々が作成される。ＡＭプリンタ２３２の様々な部分は、追加される各々の新層を収容するために移動させることができ、例えば各層の後に、ビルドプラットフォーム２２０を下降及び／又はチャンバ２６０及び／又はアプリケータ２７０を上昇させてもよい。本プロセスは、細粒金属粉末の形態の様々な原料を使用することができ、原料のストックを、アプリケータ２７０でアクセス可能なチャンバ２６０内に保持してもよい。この事例では、クーポン２００は金属から作ることができ、金属は純金属又は合金を含むことができる。一例では、金属は、実質的に任意の非反応性金属粉末、すなわち、非爆発性又は非導電性の粉末、例えば限定されるものではないが、コバルトクロムモリブデン（ＣｏＣｒＭｏ）合金、ステンレス鋼、オーステナイトニッケル－クロム基合金、例えばニッケル－クロム－モリブデン－ニオブ合金（ＮｉＣｒＭｏＮｂ）（例えばＩｎｃｏｎｅｌ ６２５又はＩｎｃｏｎｅｌ ７１８）、ニッケル－クロム－鉄－モリブデン合金（ＮｉＣｒＦｅＭｏ）（例えばＨａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から入手可能なハステロイ（登録商標）Ｘ）、又はニッケル－クロム－コバルト－モリブデン合金（ＮｉＣｒＣｏＭｏ）（例えばＨａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から入手可能なＨａｙｎｅｓ２８２）等が挙げられる。その他可能なものとして、例えばＲｅｎｅ １０８、ＣＭ２４７ＬＣ、ＭａｒＭ２４７、その他の析出硬化型（ＰＨ）ニッケル基合金などが挙げられる。
【0062】
処理チャンバ２６０は、アルゴン又は窒素のような不活性ガスで満たされ、酸素を最小限に抑制又は完全に除去するように制御される。制御システム２３０は、不活性ガス２７６の供給源から処理チャンバ２６０内のガス混合物２７４の流れを制御するように構成されている。この場合、制御システム２３０は、ポンプ２８０及び／又は不活性ガス用の流量弁システム２８２を制御して、ガス混合物２７４の含有量を制御してもよい。流量弁システム２８２は、特定のガスの流れを正確に制御することができる、１以上のコンピュータ制御可能な弁、流量センサ、温度センサ、圧力センサなどを含んでいてもよい。ポンプ２８０は、弁システム２８２の有無にかかわらず設けることができる。ポンプ２８０が省略される場合、不活性ガスは、処理チャンバ２６０への導入に先立って、単に導管又はマニホールドに入ることができる。不活性ガス２７６の供給源は、その中に含まれる材料のための任意の従来の供給源、例えばタンク、貯留層又は他の供給源の形態をとることができる。ガス混合物２７４を測定するために必要な任意のセンサ（図示せず）を設けてもよい。ガス混合物２７４は、従来の方法でフィルタ２８６を用いて濾過することができる。
【0063】
動作中、処理チャンバ２６０内には金属粉体を載せたビルドプラットフォーム２２０が設けられ、制御システム２３０は、不活性ガス２７６の供給源から処理チャンバ２６０内のガス混合物２７４の流れを制御する。制御システム２３０は、ＡＭプリンタ２３２、特に、アプリケータ２７０及び溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８も制御して、ビルドプラットフォーム２２０上の金属粉末の層を順次溶融し、本開示の実施形態に係る金属クーポン２００を生成する。
【0064】
ここでは特定のＡＭシステム２１０について説明してきたが、本開示の教示は、ある特定の積層造形システム又は方法に限定されるものではない。また、本開示の教示は、積層造形金属クーポン２００に関するものであるが、部品２０２については、積層造形（おそらく金属クーポン２００について記載したものと同様）、鋳造その他の方法など、現在公知の又は将来開発される任意の方法で製造し得る。部品２０２は、金属クーポン２００に関して本明細書で挙げた材料のいずれかを含んでいてもよい。
【0065】
【0066】
本明細書で用いる「ポロシティ」とは、標記の構造（例えば多孔質領域、金属クーポンなど）の総体積に対する空洞空間（open space）体積の比率である。通例、この点に関して、ポロシティは、標記の構造の全又は総体積に対する空洞空間の体積の百分率として記載される。空洞空間は、中実材料内の空の領域であり、本明細書では「細孔」３０２といい、標記の構造の材料内部の相互連結通路を含んでいてもよい。したがって、金属クーポン２００の「多孔質領域」は、１００％未満の中実度であり、細孔３０２及び／又は相互連結通路の形態の空洞空間を含んでいる。多孔質金属クーポン２００は、中実領域を含んでいてもよいが、１００％未満の中実度の１以上の多孔質領域も含んでいる。本明細書において、多孔質領域又は部分領域の「総体積」を特定するための多孔質領域又は部分領域の三次元境界は、金属クーポン２００内で隣接する領域又は部分領域に対して２％超のポロシティの変化が起こる箇所及び／又は金属クーポン２００の縁が存在する箇所によって特定することができる。「空洞空間体積」とは、総称して、領域又は部分領域内の空の（すなわち、空所、空隙、空空間、及び／又は材料で満たされていない）３次元空間である。本明細書において「異なるポロシティ」又は「ポロシティの差」とは、一般に、総体積に対する空洞空間体積の百分率、所与の体積内部の細孔３０２の数、細孔３０２の容積（すなわち、サイズ）、細孔３０２の形状、及び実際の離散細孔と認識できないことのある細孔３０２間の連結通路の変動（本明細書では「細孔連結通路」という）などの様々な特性の変動を意味する。非限定的な一例として、細孔径は、例えば１．０７×１０－６～８．５８×１０－３ｍｍ３（６．５４×１０－１１～５．２４×１０－７立方インチ）の範囲内とすることができ、或いは別の非限定的な例として、細孔径は０．０１２７ｍｍ～０．２５４ｍｍ（０．０００５インチ～０．０１インチ）の範囲内とすることができる。例えば細孔形状又は細孔連結通路の差などにより、ポロシティの差が総体積に対する空洞空間の体積の百分率だけに基づくものではないことは明らかであろう。ただし、ポロシティの差を程度について（例えば高低で）比較する場合に、参照される差は、専ら体積特性に関するもの、つまり総体積に対する空洞空間体積の百分率の差である。図面には、異なる多孔質領域又は部分領域は、典型的には連続的又は互いに接した状態で示してあるが、それらは互いに（例えばそれらの間の中実領域によって）隔てられていてもよい。すなわち、１枚の金属クーポンは、１以上の孤立した非接触状態の多孔質領域を含んでいてもよい。
【0067】
多孔質金属クーポン２００は、本明細書に記載のＡＭシステム２１０或いは多孔質金属（及び中実金属）を形成できる他の金属積層造形システム又は方法を用いて、異なるポロシティを有する異なる多孔質領域をもつように形成することができる。ＡＭシステム２１０の動作に関して、溶融ビーム源２１２，２１４，２１６，２１８は、金属を焼結させず、中実材料ではなく金属粉末が残るように間欠的にプログラムすることができる。このプロセスは、レーザ場領域を様々な量で重複させること及び／又は細孔３０２を設計することをビルドファイル（すなわちコード２３４Ｏ）に含んでいてもよい。各レーザ走査の重複が少ないほどポロシティは高まり、一連の走査間でレーザ重複が多いほどポロシティは低くなる。ポロシティを調整するため、レーザスポットサイズ、走査速度、焦点及び出力も制御することができる。未溶融の金属粉末が金属クーポン２００から除去されると、細孔３０２が細孔３０２間の相互連結通路と共に残り、金属クーポン２００に１以上の多孔質領域が形成される。いずれにせよ、金属クーポン２００の積層製造は、１以上の金属クーポン２００の所望の層内の任意の数、形状及び／又はサイズの多孔質領域について所望のポロシティを生じるように制御することができる。
【0068】
図６Ａ～図６Ｄは、様々なポロシティを有する非限定的なサンプル金属クーポン２００の上面概略図を示す。細孔３０２は、図面では暗い空洞空間として示される。図６Ａは、試料の総体積に対する空洞空間体積が約４０％の第１のポロシティを有する試料金属クーポン２００（概して高い空洞空間量及び多量もしくは大型の細孔３０２を有する）を示し、図６Ｂは、試料の総体積に対する空洞空間体積が約３０％の第１のポロシティを有する試料金属クーポン２００を示し、図６Ｃは、サンプルの総体積に対する空洞空間体積が約２０％の第１のポロシティを有するサンプル金属クーポン２００を示し、図６Ｄは、サンプルの総体積に対する空洞空間体積が約１０％の第１のポロシティを有するサンプル金属クーポン２００（概して空洞空間の量が少ない）を示す。各多孔質領域は、多孔質領域の総体積に対して２％～５０％の空洞空間体積（すなわち、２～５０％の空洞空間と残る５０～９８％の中実）を有することができる。他の実施形態では、各ポロシティは、多孔質領域３００の総体積に対して１０％～４０％の空洞空間体積（すなわち、１０％～４０％の空洞空間と残る６０～９０％の中実）であってもよい。他の実施形態では、多孔質領域は、１０％未満、１５％未満、２０％未満、２５％未満、３０％未満、３５％未満、４０％未満、４５％未満、２％～４５％、２％～４０％、２％～３５％、２％～３０％、２％～２５％、２％～２０％、５％～４５％、５％～４０％、５％～３５％、５％～３０％、５％～２５％、５％～２０％、１０％～４５％、１０％～４０％、１０％～３５％、１０％～３０％、１０％～２５％、１０％～２０％、１５％～４５％、１５％～４０％、１５％～３５％、１５％～３０％、１５％～２５％、１５％～２０％、１０％～５０％、２０％～５０％、２５％～５０％、３０％～５０％、３５％～５０％又は４０％～５０％の範囲内のポロシティを有する。本明細書に記載の通り、他の範囲内のポロシティも可能である。
【0069】
図７Ａは、第１のポロシティの単一の多孔質領域３００を有する金属クーポン２００を示す（クーポン２００全体が第１のポロシティを有する）。図７Ｂは、異なるポロシティを有する複数の（層状の）多孔質領域３００Ａ－Ｂを有する金属クーポン２００を示す。図７Ｃは、異なるポロシティを有する１以上の多孔質領域３００Ａ－Ｂと中実領域３０４を有する金属クーポン２００を示す。図７Ｄは、第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂとの間に可変の多孔質領域３００Ｄを有する金属クーポン２００を示す。図７Ｅは、異なるポロシティを有する複数の（対向する）多孔質領域３００Ａ－Ｂを有する金属クーポン２００を示す。図７Ａ～図７Ｅの金属クーポン２００は、図３及び図４に示すように、ブレード１３２又はノズル１２６の後縁１５８又は１８４にそれぞれクーポン開口部２０４、又はブレード１３２又はノズル１２６の前縁１５６又は１８２にクーポン開口部２０４がそれぞれ位置するように構成された形状を示す。金属クーポン２００は、ブレード１３２又はプラットフォーム１７０（図示）の任意の先端（図示せず）、ノズル１２６の１７４にも存在し得る。しかし、金属クーポン２００は、任意の部品２０２の本体２０６の任意の部分の任意のクーポン開口部２０４で使用できる。
【0070】
さらに具体的には、図７Ａに示すように、金属クーポン２００は、第１のポロシティを有する第１の多孔質領域３００を有していてもよい。図７Ａでは、金属クーポン２００は、単一の第１のポロシティを有する単一の多孔質領域３００を含む。図７Ａでは、金属クーポン２００全体は、第１のポロシティを含む。したがって、金属クーポン２００の各層は、同じポロシティを有する。図７Ｂ及び図７Ｅにおいて、金属クーポン２００は、それぞれ異なるポロシティを有する２つの多孔質領域３００Ａ－Ｂを含む。図７Ｂでは、２つの異なる多孔質領域３００Ａ，３００Ｂは、一方が他方よりも金属クーポンの内側にある内部及び外部領域に層状にされており、図７Ｅでは、２つの異なる多孔質領域３００Ａ，３００Ｂは、金属クーポン２００の異なる側面である。領域３００Ａ～Ｂを画成する金属クーポン２００の層内の領域は、細孔３０２を含むように形成することができる。図７Ｃでは、金属クーポン２００は、１以上の多孔質領域３００Ｃを含んでおり、各々はおそらく同じ又は異なるポロシティを有し、中実領域３０４を有する。領域３００Ａ～Ｂを画成する金属クーポン２００の層内の領域は、細孔３０２を含むように形成することができ、中実領域３０４を画成する金属クーポン２００の層内の領域は、細孔３０２を伴わずに形成される。図７Ｄでは、金属クーポン２００は、第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂとの間の（及びおそらくその一部を含む）可変多孔質領域３００Ｄを含む。領域３００Ａ～Ｂ又は可変多孔質領域３００Ｄを規定する金属クーポン２００の層内の領域は、異なるサイズ又は数の細孔３０２を含むように形成することができ、異なるポロシティを作り出すことができる。可変多孔質領域３００Ｄは、変化する任意のポロシティ、例えば、増加、減少、及び／又は増加及び減少の両方を有してもよい。ポロシティの変化は、緩やかに変化することもあれば、段階的に変化することもあれば、漸進的に変化させることもできる。可変多孔質領域３００Ｄは、図７Ｂと同様に内部及び外部多孔質領域３００Ａ，３００Ｂとの間に図７Ｄに示すが、可変多孔質領域を図７Ｅバージョンにも適用することができる。各多孔質領域３００は、多孔質領域３００の総体積に対する２～５０％の空洞空間体積、すなわち、他の５０～９８％の中実と２～５０％の空洞空間との間のポロシティを有してもよい。他の実施形態では、各ポロシティは、多孔質領域３００の総体積に対する１０％～４０％の空洞空間体積、すなわち、１０％～４０％の空洞空間と他の６０～９０％の中実であってもよい。他の範囲のポロシティも可能である。例えば、多孔質領域３００は、本明細書に記載される任意のポロシティを有することができる。
【0071】
次に、図３、図４、図５、図７Ａ～図７Ｅ及び図８Ａ～図８Ｆを参照して、本開示に係る方法の実施形態について説明する。本方法は、例えば補修のため、部品２０２の金属クーポンを結合することを包含し得る。図８Ａ～図８Ｆは、本開示の実施形態に係る方法の斜視図を示す。
【0072】
図８Ａは、部品２０２の本体２０６にクーポン開口部２０４を作成する様子を示す。クーポン開口部２０４は、金属クーポン２００を収容するように構成される。クーポン開口部２０４は、任意の形状を有していてもよい。特定の用途では、クーポン開口部２０４は、部品２０２の本体２０６の損傷部分を取り除くことによって作成されるが、クーポン開口部２０４は、部品２０２に元からあるもの（例えば部品２０２の残りの部分と共に製造するのが困難な箇所にありもの）であってもよい。図に示す非限定的な例では、クーポン開口部２０４は、ノズル１２６の後縁１８４にある。図８Ａは、クーポン開口部２０４のモデルの作成も示している。モデル作成は、現在公知の又は将来開発される任意の３次元スキャナ（図示せず、矢印を参照）を用いて、部品２０２の本体２０６に対するクーポン開口部２０４のデジタル化表現を走査して作成することを含んでいてもよい。部品の走査及びモデリングのプロセスは当技術分野で周知であり、本開示の特徴的な態様に集中できるように、それ以上の詳細は省略する。
【0073】
図５、図７Ｂ、図７Ｄ及び図７Ｅは、第１のポロシティを有する第１の多孔質領域３００Ａと、第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域３００Ｂを有する積層造形金属クーポン２００を示す。図７Ａは、単一のポロシティ（中実以外）を有する成形金属クーポン２００も示している。図７Ｄはまた、第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂとの間に、おそらくはそれを含む可変多孔質領域３００Ｄを有する形成金属クーポン２００を示す。可変多孔質領域３００Ｄは、第１の多孔質領域３００Ａのポロシティから第２の多孔質領域３００Ｂのポロシティまで徐々に変化するポロシティを含んでいてもよい。上述の通り、ポロシティの変化は、緩徐的、段階的又はその他の増分方式る。第１、第２及び可変多孔質領域は、総体積に対する空洞空間体積の割合、細孔形状、細孔サイズ、細孔の数、又は細孔接続通路の特性の１以上の点で互いに異なる。積層造形は、多孔質金属クーポン２００（又は稠密又は中実領域）を製造するために、本明細書に記載の任意のＡＭプロセスを含んでいてもよい。積層造形は、ＡＭプリンタ２３２を制御することにより、金属クーポン２００の中実領域のうち多孔質領域３００を選択的に形成することを含んでいてもよい。積層造形は、クーポン開口部２０４のプロファイル（例えば、形状、寸法など）に一般的に一致するように、又はクーポン開口部２０４のモデルに基づいてクーポン開口部２０４のニアネット形状を有するように、金属クーポン２００を製造することを含んでいてもよい。本明細書において「ニアネット形状」は、金属クーポン２００が所望の製造許容範囲内にあり、製造プロセスの指定された段階で、例えば、機械加工などの追加処理が全く又は最小限であることを示す。外装面への追加のテクスチャリング又は研磨が望ましい場合がある。金属クーポン２００が部品内に入ると、追加のコーティングを塗布してもよい。金属クーポン２００は、ニアネット形状に形成される場合、製造後に、クーポン開口部２０４に位置するときに、クーポン開口部２０４内の金属クーポン２００を結合するために必要な本体２０６の表面に非常に近い形状、例えば、所定のろう材と、機械加工又は研削のような必要な仕上げ方法がないか、又は最小限に必要とされる形状を有することもできる。しかし、金属クーポン２００における多孔質領域３００の使用は、多孔質領域がより大きなギャップにもかかわらず、ろう材の把持及び保持を改善するため、ろう材のための狭いギャップを有する中実クーポンと比較して、より大きな継手ギャップ寸法の変動に対応する。金属クーポン２００は、図８Ｂ～Ｃにおける図７Ｂの実施形態として積層造形されているが、本明細書に記載されている任意の形態をとってもよい。
【0074】
本開示の実施形態に従って、金属クーポン２００における１以上の多孔質領域３００のポロシティを制御すなわちカスタマイズして、その後で金属クーポン２００を部品２０２（図３～図４、図９Ａ～図９Ｄ）の本体２０６のクーポン開口部２０４に結合するろう付けプロセスの際に、その内部でのろう材の流れを制御する。各多孔質領域３００は、ポロシティに影響を与える上述の特性のいずれかに関してカスタマイズしてもよい。さらに、多孔質領域３００の形状及び／又は位置は、ろう材を所望通り導くように配置することができる。例えば、図７Ａにおいて、金属クーポン２００全体は第１の多孔質領域３００を含んでおり、ろう材３１０はその内部に均一に分布するようになる。対照的に、図７Ｂでは、金属クーポン２００は、クーポン開口部２０４（図３～図４）と結合する金属クーポン２００の縁３０６の近傍に孔質部分領域３００Ａと、第１の多孔質領域３００Ａに隣接して、異なるポロシティを有する異なる多孔質領域３００Ｂ（例えば縁３０６から遠位側）に含んでいる。こうして、ろう材３１０は、各多孔質領域３００で異なる分布の仕方をし、これらの異なる領域で金属クーポン２００に異なる物理的特性を生じる。さらに具体的には、任意の数の異なる多孔質領域３００を使用して、金属クーポン２００を含む部品２０２に、例えば継手密着強さ、クーポン強度、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、サイクル疲労、熱伝導率、電気伝導率、表面粗さ、硬度及び／又は質量のような、１以上の異なる物理的特性をカスタマイズする（生じさせる）ことができる。考えられる非限定的な例として、金属クーポン２００は、ある領域３００でポロシティを高くして、金属クーポン２００の他の中実領域よりも毛細管現象によって導かれるろう材を多くして、部品２０２の１以上の物理的特性を制御してもよい。別の実施形態では、金属クーポン２００は、ある領域３００でポロシティを低くして、金属クーポン２００の他の中実領域よりも毛細管現象によって導かれるろう材を少なくして、部品２０２の１以上の物理的特性を制御してもよい。他の実施形態では、金属クーポン２００は、金属クーポン２００の全体を集合的に構成する２以上の多孔質領域３００を含んでいてもよい。多孔質領域３００の任意の配置は、所望のろう材の流れ及び溶浸を作り出すことが可能である。
【0075】
ある実施形態では、積層造形は、部品２０２の任意の様々な改良を金属クーポン２００で形成することを含んでいてもよく、例えば部品２０２に従前存在しなかった構造を含めることができる。部品２０２は、改善が必要とされる元の部品であってもよいし、或いは除去もしくは損傷した部品を含む部品であってもよい。例えば、図８Ｃに示すように、積層造形は、適宜、金属クーポン２００内に冷却通路３２０を形成することを含んでいてもよい。冷却通路３２０は金属クーポン２００内でどのように（例えばサーペンタイン経路として）延在していてもよく、金属クーポン２００の外面３２２を貫通していてもよい。別の例では、図７Ａ～図７Ｅに示すように、積層造形は、適宜、金属クーポン２００内に１以上の支持及び／又は冷却構造３６０（例えばピン／フィン）（おそらくは内部の冷却通路（図示せず）と共に）を形成することを含んでいてもよい。あらゆる好適な内部構造の変更を、金属クーポン２００で行うことができる。現在公知の又は将来開発される積層造形後の仕上げ加工（例えば平滑表面への研磨加工など）を、金属クーポン２００で適宜実施してもよい。ただし、好適には、本開示の教示は、ピーニング、熱処理及び熱間静水圧プレス（ＨＩＰ））など、積層造形後の材料に存在する残留応力に対処するために常用される仕上げステップの必要性をなくす。図８Ｂ及び図８Ｃは、部品２０２の本体２０６のクーポン開口部２０４に金属クーポン２００を配置することを示す。本体２０６のクーポン開口部２０４への金属クーポン２００の配置は、現在公知の又は将来開発される任意の手法（例えばロボットアームを用いて或いは手動で）行うことができる。必要に応じて、金属クーポン２００は、所望の手法（例えば接着剤、クランプ、ニッケル－クロムタック溶接、ボールタック、抵抗溶接、融合タック溶接など）で所定の位置に保持することができる。
【0076】
図８Ｄ～図８Ｅは、金属クーポン２００をろう材３１０で溶浸して、金属クーポン２００を本体２０６のクーポン開口部２０４に結合すること、すなわちろう付けプロセスを示す。ろう材３１０は、現在公知の又は将来開発される任意のろう付け組成物（例えば、限定されるものではないが、ＧＥ（Ａｌｓｔｏｍ）Ｂ１Ｐ、Ａｍｄｒｙ（商標）Ｄ１５、ＤＦ４Ｂ又はＢＲＢなど）を含んでいてもよく、その組成の一部を、以下の表に他のろう材組成と共に示す。
【0077】
【表1】
【0078】
溶浸は、現在公知の又は将来開発されるろう付けプロセス（例えば真空ろう付けシステム、誘導ろう付けシステム及び／又は不活性ガス雰囲気加熱システム及び関連技術の使用など）を含むことができる。ある非限定的な例では、ろう付けは、例えばろう材の塗工（図８Ｄ）及び加熱（図８Ｅ）を含んでいてもよく、毛細管現象によって金属クーポン２００の内部及び周囲に流入させる。
【0079】
溶浸は、ろう材３１０を、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域３００Ａ及び少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域３００Ｂの少なくとも一方に注入する。可変多孔質領域３００Ｄ（図７Ｄ）が存在する場合、溶浸は、ろう材３１０を、第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域３００Ａを通して移動・溶浸させ、可変多孔質領域３００Ｄの特性（例えばポロシティの勾配、段差ポロシティなど）に基づいて可変多孔質領域３００Ｄを通して、移動・溶浸させ、第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域３００Ｂを通して移動・溶浸させることを含む。
【0080】
多孔質領域３００Ａ，３００Ｂ、おそらく可変多孔質領域３００Ｄの異なるポロシティは、ろう材３１０の異なる流れ及び溶浸をもたらす。ろう付けプロセスの結果、第１の多孔質領域３００Ａ及び第２の多孔質領域３００Ｂは、その内部のろう材３１０と共に、１以上の異なる物理的特性を有する。可変多孔質領域３００Ｄが存在する場合、おそらく第１及び第２の多孔質領域３００Ａ，３００Ｂとは異なる物理的特性を有する。したがって、ろう付けプロセスの結果、第１の多孔質領域３００Ａ及び第２の多孔質領域３００Ｂ（及びおそらく可変多孔質領域３００Ｄ）は、部品２０２内でその内部のろう材３１０と共に、１以上の異なる物理的特性を有する。例えば、ろう材３１０が増すと、継手密着強さの強化、延性の向上、熱伝導性又は導電性の増加又は酸化耐性の増大につながることがあり、ろう材３１０が減ると、表面粗さの低下、硬度の低下、継手密着強さの低下、延性の低下、熱伝導性又は導電性の低下、或いは酸化耐性の低下につながることがある。いずれにせよ、ろう材の量及び異なる多孔質領域のポロシティを制御することで、最終製品の物理的特性を制御することができる。一例では、第１の多孔質領域３００Ａの第１のポロシティは、第２の多孔質領域３００Ｂの第２のポロシティよりも高くなる（すなわち、密度が低い）ことができる。この場合、溶浸は、第２の多孔質領域３００Ｂよりも多くのろう材３１０を第１の多孔質領域３００Ａに溶浸させることを含む。使用されるろう材３１０に応じて、他の要因の中でも、異なるポロシティは、部品２０２の１以上の物理的特性、例えば、すなわち、継手密着強さ、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、熱伝導率、導電性、表面粗さ、硬度、及び／又は質量をカスタマイズできる。さらに、多孔質領域３００を使用するろう材３１０のマルチフローパスは、従来の狭いギャップ充填ろう付けプロセスと比較して、また狭いギャップろう付けに必要な厳しい製造公差のために、ろう付け継手に沿った充填及び／又は空隙の不足の可能性を減少させる可能性がある。したがって、成分２０２は、その中に多孔質領域３００を有する金属クーポン２００の使用にもかかわらず、少なくとも９８％が中実であり得る。
【0081】
ある実施形態では、異なるろう材３１０を金属クーポン２００の異なる部分に使用して、部品２０２における金属クーポン２００の結合並びに部品２０２の領域の物理的特性をさらにカスタマイズすることができる。例えば、図９Ｃ及び図９Ｄを参照すると、第１のろう材３１０Ａを部品２０２の第１の金属部材又は側面３２６に使用し、第１のろう材３１０Ａとは異なる別のろう材３１０Ｂを部品２０２の異なる部材又は側面３２８に使用してもよい。一例として、図３、図４及び図９Ｃを参照すると、部品２０２の第１の金属部材又は側面３２６は翼形部１５０，１７６の第１の（凹面状正圧）側外壁１５２，１７８であってもよいし、部品２０２の第２の部材又は側面３２８は翼形部１５０，１７６の第２の（凸面状負圧）側外壁１５４，１８０であってもよい。異なる多孔質領域３００に加えて、異なる部材又は側面３２６，３２８上で異なるろう材３１０Ａ，３１０Ｂを利用することで、それらの位置での部品２０２の予想環境に応じてカスタマイズすることができる。このように、ろう材及び／又は多孔質領域／部分領域のバリエーションは非常に多く、補修の難しい様々な状況に対処できるようになる。
【0082】
本開示による方法の他の実施形態は、部品２０２を補修するための金属クーポン２００を単に形成することを包含する。この場合、図８Ａに示すように、方法は、部品２０２の本体２０６にクーポン開口部２０４のモデルを作成し、少なくともクーポン開口部２０４にぴったりと適合するように、例えば、クーポン開口部２０４のニアネット形状で金属クーポン２００を積層造形することを含む。本明細書に記載され、図７Ｂ～Ｅに示すように、金属クーポン２００は、少なくとも第１のポロシティを有する第１の多孔質領域３００Ａ及び第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域３００Ｂを含んでいてもよい。異なる第１及び第２のポロシティは、ろう材３１０を使用してクーポン開口部２０４に金属クーポン２００を結合した後、異なる物理的特性を生じさせる。
【0083】
図８Ｆは、部品２０２の任意の仕上げステップ（限定されるものではないが、外面を平滑化し、余分なろう材を除去するための機械加工など）を例示する。上述の通り、本開示の教示は、ピーニング、熱処理、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）など、積層造形後の材料に存在する残留応力に対処するために通常必要とされる他の仕上げステップをなくす。
【0084】
図３、図４及び図９Ａ～図９Ｄは、本開示の実施形態に係る部品２０２の実施形態を示し、図９Ａ～図９Ｄは、部品２０２の本体２０６のクーポン開口部２０４上の金属クーポン２００の拡大断面図を示す。図９Ａは、単一の多孔質領域３００を有する金属クーポン２００を有する部品２０２を示し、図９Ｂは、２以上の多孔質領域を有する金属クーポン２００を有する部品２０２Ａ，３００Ｂを示し、図９Ｃは、２以上の層状多孔質領域を有する金属クーポン２００を有する部品２０２，３００Ａ，３００Ｂ及び異なるろう材３１０Ａ，３１０Ｂを示し、図９Ｄは、金属クーポン２００の異なる側面３２６，３２８に２つの多孔質領域３００Ａ，３００Ｂ及び異なるろう材３１０Ａ，３１０Ｂを有する金属クーポン２００を有する部品２０２を示す。部品２０２は、本体２０６を含む。本明細書に記載の通り、本体２０６は、部品２０２が用いられる特定の産業用途のための任意の形態を有することができる。本明細書で用いる例では、本体２０６は、タービン回転ブレード１３２（図３）又はタービン静止ノズル１２６（図４）用である。金属クーポン２００は、例えば、図３及び図４のブレード１３２及びノズル１２６のそれぞれの翼形部１５０，１７６に示してあるが、金属クーポン２００は、部品２０２の本体２０６の任意の部分に存在し得る。積層造形（ＡＭ）金属クーポン２００は、図７Ａ～図７Ｅについて本明細書に記載のように、少なくとも第１のポロシティを有する第１の多孔質領域３００Ａを有する。本体２０６のクーポン開口部２０４に金属クーポン３１０が結合させる。図９Ａに示すように、ろう材３１０は、少なくとも第１のポロシティの特性に基づいて第１の多孔質領域３００Ａに溶浸した第１のセクション３３０を含む。図９Ｂ及び図９Ｄに示すように、金属クーポン２００は、第１のポロシティとは異なる第２のポロシティを有する第２の多孔質領域３００Ｂをさらに含む。第１のポロシティは、総体積に対する空洞空間体積の割合、細孔形状、細孔サイズ、細孔の数又は細孔接続通路のうちの１以上の特性の点で第２のポロシティと異なっていてもよい。本体２０６は、第１のポロシティ及び第２のポロシティのいずれとも異なる第３のポロシティを有してもよい。例えば、本体２０６は、第１のポロシティ及び第２のポロシティのいずれよりも密度の高い第３のポロシティを有することができ、例えば１００％中実であってもよい。適宜、金属クーポン２００は、第１の多孔質領域３００Ａと第２の多孔質領域３００Ｂの間（及びおそらくその一部を含む）可変多孔質領域３００Ｄ（図９Ｂの破線で囲んだ四角い部分る）を含んでいてもよい。可変多孔質領域３００Ｄは、第１と第２のポロシティの間で、ポロシティが徐々に（例えば段階的又は増分的に）変化し得る。図９Ｂでは、異なる多孔質領域３００Ａ，３００Ｂは、金属クーポン２００において一方が他方の内側に層状になっている。図９Ｄでは、異なる多孔質領域３００Ａ，３００Ｂは、金属クーポン２００の反対側にある。
【0085】
図９Ｂでは、ろう材３１０Ｂは、少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域３００Ｂに溶浸する第２のセクション３３２を含む。ポロシティの「特性」とは、ポロシティが、ろう材容積、ポロシティ内のパターン、結晶化のような、様々な溶浸特性をもたらすことができることを示している。ただし、当技術分野で明らかなように、他の要因も、溶浸特性（ろう材の種類など）並びにろう付けプロセスの特性（温度、圧力、部品２０２の位置並びに／或いは金属クーポン２００のフォーマット及び配置など）に影響を与え得る。異なるポロシティの結果は、第１の多孔質領域３００Ａ及びその中にろう材３１０を有する第２の多孔質領域３００Ｂが、１以上の異なる物理的特性を有することである。ポロシティは、ポロシティがそれらの物理的特性に影響を与える可能性がある限り、それらの物理的特性を選択するようにカスタマイズできる。一例では、第１の多孔質領域３００Ａの第１のポロシティは、第２の多孔質領域３００Ｂの第２のポロシティよりも高くてもよい（すなわち、密度が低い）ことがあり、第１の多孔質領域３００Ａは、第２の多孔質領域３００Ｂよりも多くのろう材３１０を内部に含んでいる。別の例では、図９Ｂに示す第１の多孔質領域３００Ａは、本体２０６に接合するために構成された金属クーポン２００の縁３０６の少なくとも一部にあり、第２の多孔質領域３００Ｂは、金属クーポン２００の内奥側にある。別の例では、図９Ｄに示すように、第１の多孔質領域３００Ａは金属クーポン２００の一方の縁３２６にあり、第２の多孔質領域３００Ｂは金属クーポン２００の反対側３２８にある。このように、金属クーポン２００と部品２０２の異なる側面は、異なる物理的特性を有し得る。ノズル１２６又はブレード１３２の翼形部１５０，１７６に関しては、図３及び図４に示すように、翼形部の正圧側外壁１５２，１７８は、それぞれ翼形部の負圧側外壁１５４，１８０とは異なる物理的特性を有していてもよい。いずれにせよ、第２の多孔質領域３００Ｂは、第１の多孔質領域３００Ａに隣接していてもよい。或いは第２の多孔質領域３００Ｂは、金属クーポン２００の縁３０６の少なくとも（別の）部分に隣接していてもよく、おそらくは第１の多孔質領域３００Ａに隣接していてもよい。この配置は、図９Ｂに示すように、金属クーポン２００の継手合密着強さの向上、ろう付け継手３３４での酸化の低減、又はろう付け継手３３４の熱伝導性の低減のため、ろう付け継手３３４の近くに配置されるろう材３１０を増やすことことが有利であることがある。本明細書に記載の物理的特性のいずれも、異なるポロシティ及び／又は異なるろう材に基づいてカスタマイズすることもできる。上述の通り、使用されるろう材３１０に応じて、ポロシティの差異によって、部品２０２の物理的特性（例えば、継手接着剤接着強度、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、熱伝導率、電気伝導率、表面粗さ、硬度、及び／又は質量）をカスタマイズできるようにする
【0086】
図９Ｄでは、ろう材３１０Ｂは、少なくとも第２のポロシティの特性に基づいて第２の多孔質領域３００Ｂに溶浸する第２のセクション３３２も含む。図９Ｄの例では、第１の多孔質領域３００Ａは金属クーポン２００の縁３２６にあり、第２の多孔質領域３００Ｂは金属クーポン２００の反対側３２８にある。このように、金属クーポン２００と部品２０２の異なる側面は、異なる物理的特性を有し得る。ノズル１２６又はブレード１３２の翼形部１５０，１７６に関しては、図３及び図４に示すように、翼形部の正圧側外壁１５２，１７８は、それぞれ翼形部の負圧側外壁１５４，１８０とは異なる物理的特性を有していてもよい。いずれにせよ、第２の多孔質領域３００Ｂは、第１の多孔質領域３００Ａに隣接していてもよい。この配置は、図９Ｄに示すように、金属クーポン２００の接合接着強度を強化するために、側面３２６のろう付け継手３３４の近くにより多くのろう材３１０を配置することが有利であり得、又はろう付け継手３３４での酸化を少なくするか、又はろう付け継手３３４での熱伝導率を大きくすることができる。本明細書に記載されている物理的特性のいずれも、異なるポロシティ及び／又は異なるろう材に基づいてカスタマイズすることもできる。上述の通り、使用されるろう材３１０に応じて、ポロシティの差異によって、部品２０２の物理的特性（例えば、継手接着剤接着強度、応力／ひずみ耐性、延性、耐摩耗性、耐酸化性、熱伝導率、電気伝導率、表面粗さ、硬度、及び／又は質量）をカスタマイズできるようにする
【0087】
上述の通り、金属クーポン２００は、部品２０２の本体２０６におけるクーポン開口部２０４のニアネット形状を有していてもよい。図８Ｃに示すように、金属クーポン２００は、その内部に冷却通路３２０を適宜含んでいてもよい。１以上の冷却通路が、金属クーポン２００に画成され、金属クーポンの外面３２２を貫通していてもよい。
【0088】
本願では様々な多孔質領域３００について特定の位置を例示しているが、様々な多孔質領域は、種々のろう材溶浸特性及び種々の物理的特性を部品２０２にもたらすため、どのように配置してもよい。
【0089】
本開示の実施形態は、図１～図２に示すタービンアセンブリ１１０を含むターボ機械１００、並びに本明細書に記載の１以上の部品２０２を包含し得る。部品２０２は、タービン静止ノズル１２６、タービン回転ブレード１３２又はターボ機械１００の他の部品の形態をとることができる。金属クーポン２００は、新品部品或いは補修又は改良が必要とされる部品に使用することができる。
【0090】
本開示は、様々な技術的及び商業的利点をもたらすが、その例を説明する。部品の補修又は改良に関して、積層造形では、カスタムフィット形状の金属クーポンをコスト効率よく作成することができ、損傷材料だけを取り除けばよい。多孔質領域は特定の領域で母金属合金の割合を高める（例えば＞６０％）ことができ、例えば予備焼結プリフォームに比べて改善された物理的特性が得られることがある。多孔質領域は、従来のようにろう材で囲まれた金属粒子と比較して、ろう材充填が強化された溶接／溶融粒子マトリックス（例えば超合金金属母材）をもたらすこともできる。多孔質領域を用いるろう材用の複数の流れ経路は、従来の狭い隙間を埋めるろう付けプロセスと比較して、ろう付け継手に沿った充填不足及び／又は空所の発生のおそれを低減させることができる。多孔質領域は、金属クーポン全体で様々なポロシティで形成することができ、ろう材の流れを高度にカスタマイズすることができる。多孔質領域は、ろう材用の隙間がせまい機械加工中実クーポンと比較して、継手空隙寸法の大きなばらつきにも対応する。本開示の教示を利用した補修は、従来のナローギャップろう付けプロセスよりも強力であり、特定の補修後の仕上げを必要とせず、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）のような現行技術と比較して物理的特性が改善される。
【0091】
本明細書及び特許請求の範囲で用いる近似表現は、数量の修飾語であって、その数量が関係する基本的機能に変化をもたらさない許容範囲内で変動し得る数量を表すために適用される。したがって、「約」、「略」及び「実質的に」のような用語で修飾された値はその厳密な数値に限定されない。幾以上かの事例では、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応する。場合によっては、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応する。本明細書及び特許請求の範囲において、数値限定の範囲は互いに結合及び／又は交換可能である。かかる範囲は、前後関係等から別途明らかでない限り、その範囲に含まれるあらゆる部分範囲を特定しかつ包含する。範囲の特定の値に用いられる「約」は、上下限に適用され、その値を測定する機器の精度に依存する場合を除いて、記載された数値の±１０％を示すことがある。
【0092】
以下の特許請求の範囲において機能的記載によって特定された構成要素の対応する構造、材料、行為及び均等物は、特許請求の範囲に具体的に記載された他の構成要素と組合せて機能を発揮するあらゆる構造、材料又は行為を包含する。本開示の記載は、例示及び説明を目的としたものであり、網羅的なものでもなければ、開示された形態に限定するものでもない。本開示の技術的範囲及び技術的思想から逸脱せずに、数多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本開示の実施形態は、本開示の原理及び実用的用途の説明として最も適しかつ当業者が様々な実施形態に関する開示内容及び特定の用途に適した様々な修正について理解できるように、選択して記載したものである。
【符号の説明】
【0093】
２００ 金属クーポン
２０２ 部品
２０４ クーポン開口部
３００Ａ 第１の多孔質領域
３００Ｂ 第２の多孔質領域
３１０ ろう材溶浸バリア
２０２ 部品
２０４ クーポン開口部
３００Ａ 第１の多孔質領域
３００Ｂ 第２の多孔質領域
３１０ ろう材溶浸バリア
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図8F】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【外国語明細書】