KR20180021898A - 에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 빔에 의해 부품(10)을 프로세싱하기 위한 방법에 관한 것이다. 마스크(70, 80)는 에너지 빔의 소스와 부품 사이에 배열된다. 마스크는 부품의 상호 대향된 부분들(12, 14)에 일치하는 빔 투과부(71)를 갖게 구성된다. 부품의 상호 대향된 부분들을 동시에 가열하는 것은 마스크의 빔 투과부들을 통과하는 에너지 빔렛들에 의해 수행된다. 이러한 동시 가열은, 미리 정해진 허용 공차 내에서 부품의 열적으로 유도되는 왜곡을 유지하도록 구성된다. 에너지 빔에 의한 마스크의 스캐닝은, 부품의 상호 대향된 부분들을 정교하게 추적하지 않고 수행될 수 있으며, 이에 의해 부품의 상호 대향된 부분들에 의해서 규정된 비교적 복잡한 기하학적 형상을 추적하기 위한 복잡한 수치적 프로그래밍에 대한 필요를 회피한다.

Description

에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법 {METHOD FOR PROCESSING A PART WITH AN ENERGY BEAM}
본 발명은, 일반적으로 부품(part), 이를테면 연소 터빈 엔진(combustion turbine engine)용 베인(vane)들 또는 블레이드(blade)들용 에어포일(airfoil)들을 형성하거나 보수하기 위한 가공 기술들에 관한 것이며, 그리고 보다 자세하게는, 에너지 빔(energy beam), 이를테면 레이저 빔(laser beam)의 사용을 포함하는 부품을 프로세싱하기(processing) 위한 방법에 관한 것이다.
연소 터빈 엔진들, 이를테면 가스 터빈 엔진(gas turbineengine)들은, 전형적으로, 회전가능한 블레이드들 및 고정식 베인들과 같은 부품들의 교번식(alternating) 배열체들을 갖는 터빈 섹션(turbine section)을 포함한다. 연소기 섹션(combustor section)으로부터의 고온 가스들의 유동은, 샤프트(shaft)를 회전(turn)시키기 위해서 기계적 에너지가 추출되는 터빈 섹션에서 블레이드들을 회전 구동시키도록 블레이드들 및 베인들의 각각의 에어포일들에 맞닿게 팽창하며, 이는 터빈 엔진의 압축기 섹션에 파워(power)를 제공할 수 있다.
엔진 작동 중, 고온 가스들은 블레이드들 및 베인들의 표면들을 부식가능하게 공격하며(corrosively attack), 종종 산화(oxidation) 및 공식(corrosive pitting)을 유발하는 환경을 만든다. 고온 가스들, 연소로부터의 검댕(soot), 고온 가스들의 유동 내에 있는 입자들 및 다른 이물질들이, 또한, 터빈 블레이드들 및 베인들을 마모시키며 블레이드들, 베인들 및 다른 터빈 엔진 컴포넌트(component)들의 표면들을 침식시키는데(erode), 이는 블레이드들 또는 베인들의 유효 수명을 바람직하지 않게 감소시킬 수 있다. 추가로, 터빈 블레이드들의 팁(tip) 구역(예컨대, 스퀼러(squealer) 팁)은 종종 상당량의 마모를 겪게 된다. 예컨대, 터빈 블레이드가 회전하는 케이싱(casing)의 슈라우드(shroud)에 블레이드 팁이 스쳐가게 될(rub up against) 때, 블레이드 팁은 마멸될(abraded) 수 있다. 높은 온도들 및 응력들은, 열 가공 피로(TMF; thermo-mechanical fatigue)에 의해 이러한 부품들을 추가로 열화시키고, 이러한 부하들을 받게 되는 컴포넌트들의 균열을 유발한다.
터빈 엔진들의 이러한 부품들의 형성 또는 보수를 위한 레이저 기반 프로세스(laser-based process)들을 사용하는 것이 공지되어 있다. 미국 특허 출원 공보 제 US 2013/0136868 A1호(본 발명자들에 의해서 입안됨)는, 다른 방식으로 용접하기 어려운 초합금 재료들을 용착하기(depositing) 위한 개선된 방법들을 개시한다. 이러한 방법들은, 보호 슬래그(protective slag) 층 아래에 멜트 풀(melt pool)을 형성하도록 분말식 플럭스 재료(powdered flux material)와 함께 분말식 초합금 재료의 레이저 용융하는 단계를 포함한다. 슬래그는, 대기로부터 용융된 합금 재료를 보호하는 것 이외에 세정 기능을 수행한다. 응고시, 슬래그는 새롭게 용착된 초합금 재료로부터 제거되어 균열이 없는 표면 및 용착물을 드러낸다. 이러한 방법들은, 전통적인 용접가능 구역을 넘는 초합금 재료들에 대해 한층 효과적인 것으로 도시되고 있다.
본 발명은 도시되는 도면들을 고려하여 하기 설명에서 설명된다:
도 1은 에너지 빔을 사용하여 부품을 프로세싱하기 위한 개념화 방법론(conceptualizing methodology)에 대한 개략적 도면이다. 부품은 연소 터빈 엔진(combustion turbineengine)용 베인 또는 블레이드의 에어포일(airfoil)일 수 있으며, 여기서, 예컨대, 부품의 대향된 부분들은 본 발명의 양태들에 따라 동시에 가열될 수 있고, 따라서, 열적으로 유도되는 기하학적 왜곡들이 미리 규정된 허용 공차 내에서 유지될 수 있다.
도 2는 영역 에너지 빔(area energy beam), 이를테면 레이저 빔(laser beam)을 사용하여 부품을 프로세싱하기 위한 마스킹 엘리먼트(masking element)의 개략적 도면이며, 여기서, 마스킹 엘리먼트는 고정된 폭 레이저 빔이 부품의 상호 대향된 에지(mutually opposed edge)들을 동시에 가열하는 것을 허용할 수 있다.
도 3은, 마스킹 엘리먼트의 개략적 도면이며, 여기서, 마스킹 엘리먼트는 가변 레스터링 폭(variable rastering width)을 갖는 포인트 레이저 빔(point laser beam)이 부품의 상호 대향된 에지들을 동시에 가열하는 것을 허용할 수 있다.
도 4는 공통 평면 상에 나란히 배열된 복수 개의 마스킹 엘리먼트들을 포함하는 실시예의 개략적 도면이며, 여기서 마스킹 엘리먼트들의 적어도 일부는 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하도록 빔 투과부를 규정하도록 조절가능할 수 있다.
도 5는 프로세싱되는 부분에서 횡방향 왜곡을 도입할 수 있는 공지된 레이저 프로세싱 기술의 개략적 도면이다.
본 발명자들은, 비교적 복잡한 기하학적 형상을 포함할 수 있는 부품을 프로세싱하기 위해 에너지(energy), 예컨대, 레이징 에너지(lasing energy) 또는 에너지의 다른 양상들의 빔을 활용하는 공지된 기술들과 관련하여 혁신적으로 인식되는 소정의 제한들을 갖는다. 예컨대, 연소 터빈 엔진에 사용될 수 있는 블레이드들, 베인들 등의 에어포일들은 이러한 복잡한 기하학적 형상들을 포함한다. 비제한적인 적용들은, 초합금 기재(substrate) 상으로 초합금 분말 입자들의 층을 용착(deposit)시키는데 사용될 수 있는 레이저 클래딩(laser cladding), 선택적 레이저 용융(SLM; selective laser melting) 또는 선택적 레이저 소결(SLS; selective laser sintering) 등을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 다양한 적층 가공 프로세스들을 포함할 수 있다.
도 5에 개략적으로 예시된 바와 같이 공지된 프로세스를 사용한다면, 에어포일(5)을 보수하거나 형성할 때, 에어포일(5)의 볼록한 형상의 에지(6) 이후에 에어포일(5)의 오목한 형상의 에지(8)를 포함하는 경로(path)를 추적하도록 레이저 빔이 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명자들은, 레이저 추적 프로세스 동안 에어포일의 에지들(6, 8) 사이에서 발생하는 열 차이(thermal differential)로 인해서 에어포일(5)에서 유도될 수 있는 측방향 왜곡(lateral distortion) 때문에, 빔이 처리될 소망하는 목표 영역을 지나칠(miss) 수 있다는 것을 발견하였다. 이 예에서, 볼록한 에지(6)가 오목한 에지(8) 이전에 레이저 빔에 의해서 프로세싱되기 때문에, 이후 볼록한 에지(6)는 오목한 에지(8)보다 상대적으로 더 높은 온도가 될 수 있다. 유사하게, 오목한 에지(8)가 볼록한 에지(6) 이전에 프로세싱되었다면, 측방향 왜곡이 또한 부품에서 발생할 것이다.
이러한 인식을 고려하여, 본 발명자들은 에너지 빔을 사용하여 부품을 프로세싱하기 위한 혁신적인 기술을 제안하며, 여기서, 부품에서의 이러한 측방향 왜곡은 회피될 수 있거나 미리 정해진 허용 공차(tolerance) 내에서 유지될 수 있다. 개념적으로 도 1에 예시된 바와 같이, 부품의 상호 대향된 부분들, 이를테면, 부품(10)의 볼록한 에지(12) 및 오목한 에지(14)는 동시에 가열될 수 있다. 이 경우에, 부품의 금속 합금 성분의 열 팽창 및 열 수축은, 부품의 상호 대향된 부분들 사이에서 밸런싱되며(balanced), 이는, 미리 규정된 허용 공차 내로 부품의 열적으로 유도되는 왜곡을 유지하는데 효과적이다. 예시적 일 실시예에서, 부품의 상호 대향된 부분들의 이러한 동시 가열은, 레이저 파워 조정(laser power coordination) 또는 부품의 상호 대향된 부분들을 정교하게 추적하기 위한 복잡한 수치적 프로그래밍(programming)의 사용; 또는 고가의 부품 조작 설비의 사용 없이 성취될 수 있다.
하기 상세한 설명에서, 다양한 특정 상세들이 이러한 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해서 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명의 실시예들이 이러한 특정 상세들 없이 실행될 수 있고, 본 발명이 묘사된 실시예들로 제한되지 않으며, 본 발명이 다양한 대안의 실시예들로 실행될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 예들에서, 당업자에 의해 잘 이해될 수 있는 방법들, 절차들 및 컴포넌트들은 불필요하고 번거로운 설명을 회피하기 위해서 상세히 설명되지 않는다.
게다가, 다양한 작동들이 본 발명의 실시예들을 이해하는데 도움이되는 방식으로 실행되는 다수의 불연속적인 단계들로서 설명될 수 있다. 그러나, 설명의 순서는 이들 작동들이 제시되는 순서로 이들이 실행되는 것을 함축하는 것으로 이해되어서는 안되며, 이들 작동들은 또한 달리 순서에 종속적인 것으로 설명되지 않는 한 심지어 순서에 종속되지 않는다. 게다가, 어구 "일 실시예에서"의 반복적인 사용은 가능할 수 있지만 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 마지막으로, 본 출원에서 사용되는 바와 같이 용어" 포함하는", "함유하는", "갖는" 등은 달리 지시되지 않는한 동의어로 의도된다.
도 2 및 도 3에 예시된 실시예들에서, 마스크(mask)(70)는 부품과 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)의 소스(source) 사이에 배열될 수 있다. 도 2 및 도 3에서 이해될 수 있는 바와 같이, 마스크(70)(예컨대, 정적 마스크)는 프로세싱될 부품의 상호 대향된 부분들, 이를테면 터빈 블레이드용 에어포일의 팁 에지(tip edge) 구역에 일치하는 기하학적 형상을 갖는 빔 투과부(beam-transmissive portion)(71)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 프로세싱될 부품의 상호 대향된 부분들의 동시 가열은 빔 투과부(71)를 통과하는 에너지 빔렛(energy beamlet)들에 의해 성취된다. 예시적 일 실시예에서, 마스크(70)의 빔 투과부를 통과하는 에너지 빔렛들은 부품의 상호 대향된 부분들을 동시에 가열할 수 있도록, 그 마스크가 에너지 빔에 의해 스캐닝될(scanned) 수 있다. 이러한 스캐닝(scanning)은, 부품의 상호 대향된 부분들을 정밀하게 추적하지 않고 수행될 수 있다. 이는, 부품의 상호 대향된 부분들에 의해서 규정된 비교적 복잡한 기하학적 형상을 추적하기 위한 복잡한 수치적 프로그래밍에 대한 필요를 회피하게 할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 마스크(70)는 레이저 빔(20)에 대해 불투명한 레이저 에너지 내성 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 재료들은 레이저 빔 파장들의 넓은 범위에 대해 불투명한 그래파이트(graphite)를 포함할 수 있다. 구리가 또한 사용될 수 있지만, 레이저 빔에 대해 반사성이 있을 수 있어, 레이저 빔이 마스킹 빔에 충돌하는(impinge) 각도가 레이저 광학계에 대한 배면 반사(back reflection)를 회피하기 위해서 조절되어야 한다. 하기 설명이 단일 레이저 빔(20)을 언급하고 있지만, 당업자는, 마스크(70)를 향해 지향된 레이저 빔이 다중 소스들로부터의, 또는 빔이 다중 빔들로 분할되는 단일 레이저 소스로부터의 다중 레이저 빔들의 조합을 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
도 2에서 예시로서 예시된 바와 같이, 이를테면 다이오드 레이저(diode laser)에 의해 발생될 수 있는 영역 에너지 빔(area energy beam)(20)이 화살표(C)에 의해 나타내는 바와 같이 좌측에서 우측으로 스캐닝될 수 있다. 이동 빔 및 고정 부품에 대한 대안으로, 동일한 프로세싱이 우측에서 좌측으로 이동되는 부품 및 고정 레이저 빔에 의해 성취될 수 있다. 추가로 도시된 바와 같이, 빔(20)의 폭 치수는, 적어도 빔 투과부(71)에 의해 규정된 프로파일(profile)의 최대 폭을 에워싸도록 대체로 일정하게 유지될 수 있다. 대안으로, 도 3에 예시된 바와 같이, 포인트 에너지 빔(22)은 마스크(70)의 폭 치수를 따라 레스터링될 수 있고, 레스터링된 빔(22)이 화살표(C)의 방향으로 마스크(70)를 스캐닝함에 따라 미리 규정된 가변 폭(variable-width)을 가질 수 있다. 이러한 미리 규정된 가변 폭은 빔 투과부(71)에 의해 규정된 프로파일(profile)의 가변 폭을 미리 규정된 여유(margin) 만큼 오버슈트(overshoot)하도록 선택될 수 있다.
마스크(70)는, 고정식으로 유지되는 단일 마스킹 엘리먼트(single masking element)일 수 있거나, 부품(10)이 이를테면 적층 가공 프로세스 동안, 층들에서 반복적으로 가열됨에 따라 에너지 빔의 패스(pass)들 사이에서 이동가능할 수 있다. 예시로서, 터빈 베인 또는 블레이드를 위한 에어포일들은 플랫폼(platform)으로부터 블레이드 또는 베인의 팁으로 완만한 비틀림(gradual twist)을 규정할 수 있다. 이에 따라, 마스킹 엘리먼트(70)는 에어포일이 디벨로핑됨(developed)에 따라 중심 축 "B" 둘레에 회전될 수 있다.
도 4에 대해서, 마스크가 공통 평면 상에서 나란히 배열될 수 있는 복수 개의 마스킹 엘리먼트들(80)을 포함하는 예시적 실시예가 도시된다. 마스킹 엘리먼트들(80)은, 빔 투과부(71)에 대해 소망하는 형상 또는 구성을 성취하도록 베벨식 단부(beveled end)들을 갖는 그래파이트 로드(graphite rod)들의 형태를 취할 수 있다. 이 예에서, 로드들 또는 마스킹 엘리먼트(80)들은, 형성될 또는 보수될 부품의 상호 대향된 부분들의 구성에 따라 (화살표 "E" 및 "F"에 의해 개념적으로 나타내는 바와 같이) 횡방향으로 마스킹 엘리먼트(80)들을 이동시키도록 제어 기구에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 본 예시적 실시예에서, 코어(core)(81) 마스킹 엘리먼트는, 에어포일의 중공 내부를 고려하여 제공될 수 있고, 에어포일의 미리 정해진 형상에 따라 고정식 또는 가동식일 수 있다. 다른 실시예들에서, 부분들의 가변 오버래핑(overlapping)이 투과부(71)에서 가변 형상을 규정하도록 사용되는 상태에서, 마스크의 부분들은 빔 방향에 수직한 상이한 평면들에 위치될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예들이 단지 예시로써 제공되는 것이 자명할 것이다. 다양한 변경들, 변화들 및 치환들이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (16)

  1. 에너지 빔(energy beam)에 의해 부품을 프로세싱(processing)하기 위한 방법으로서,
    에너지 빔의 소스(source)와 부품 사이에서 마스크(mask)를 배열하는 단계;
    상기 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하는 빔 투과부(beam-transmissive portion)를 갖는 마스크를 구성하는 단계; 및
    마스크의 빔 투과부를 통과하는 에너지 빔렛(energy beamlet)들에 의해 부품의 상호 대향된 부분들을 동시에 가열하는 단계를 포함하며, 상기 동시 가열 단계는 미리 규정된 허용 공차 내에서 부품의 열적으로 유도되는 왜곡(thermally-induced distortion)을 유지하도록 구성되는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고정된 폭을 갖는 영역(area)으로부터 마스크의 빔 투과부를 통과하는 에너지 빔렛들을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    영역 에너지 빔의 고정된 폭은, 적어도, 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하는 빔 투과부에 의해서 규정된 프로파일(profile)의 최대 폭을 에워싸도록 선택되는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    마스크의 폭 치수를 따라 레스터링된(rastered) 적어도 하나의 포인트 에너지 빔(point energy beam)으로부터 마스크의 빔 투과부를 통과하고 그리고 미리 정해진 가변 폭을 갖는 에너지 빔렛들을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    레스터링된 에너지 빔의 미리 정해진 가변 폭은, 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하는 빔 투과부에 의해서 규정된 프로파일의 가변 폭을 미리 정해진 여유만큼 오버슈트(overshoot)하도록 선택되는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크는 적어도 하나의 공통 평면 상에서 나란히 배열된 복수 개의 마스킹 엘리먼트((masking element)들을 포함하며, 상기 마스크를 구성하는 단계는, 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하도록 빔 투과부를 규정하도록 복수 개의 마스킹 엘리먼트들 중 적어도 일부의 각각의 위치들을 조정하는 단계를 포함하는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  7. 제 1 항의 방법을 포함하는 부품을 보수 또는 형성하기 위한 적층 가공 프로세스(process).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적층 가공 프로세스는, 레이저 클래딩(laser cladding), 선택적 레이저 용융(selective laser melting) 및 선택적 레이저 소결(selective laser sintering)로 구성된 그룹(group)으로부터 선택되는,
    적층 가공 프로세스.
  9. 에너지 빔(energy beam)에 의해 부품을 프로세싱(processing)하기 위한 방법으로서,
    에너지 빔의 소스(source)와 부품 사이에서 마스크(mask)를 배열하는 단계;
    상기 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하는 빔 투과부(beam-transmissive portion)를 갖는 마스크를 구성하는 단계; 및
    에너지 빔렛들이 상기 부품의 상호 대향된 부분들을 동시에 가열하기 위한 마스크의 빔 투과부를 통과하도록 상기 에너지 빔에 의해 상기 마스크를 스캐닝하는(scanning)하는 단계를 포함하며, 상기 동시 가열 단계는 미리 규정된 허용 공차 내에서 상기 부품의 열적으로 유도되는 왜곡을 유지하도록 구성되고, 상기 스캐닝 단계는 상기 부품의 상호 대향된 부분들을 정교하게 추적하지 않고 수행되는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스캐닝 단계는 상기 마스크의 빔 투과부를 통과하는 에너지 빔렛들을 형성하도록 고정된 폭을 갖는 영역 에너지 빔에 의해 상기 마스크를 스캐닝하도록 배열되는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    영역 에너지 빔의 고정된 폭은, 적어도, 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하는 빔 투과부에 의해서 규정된 프로파일의 최대 폭을 에워싸도록 선택되는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 스캐닝 단계는 상기 마스크의 폭 치수를 따라 레스터링된 적어도 하나의 포인트 에너지 빔에 의해 상기 마스크를 스캐닝하도록 구성되며, 상기 레스터링된 에너지 빔은 상기 마스크의 빔 투과부들을 통과하는 에너지 빔렛들을 형성하도록 미리 정해진 가변 폭을 갖는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 에너지 빔의 미리 정해진 가변 폭은, 상기 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하는 빔 투과부에 의해서 규정된 프로파일의 폭을 변화시키는 미리 정해진 여유에 의해서 오버슈트하도록 선택되는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 마스크는 적어도 하나의 공통 평면 상에서 나란히 배열된 복수 개의 마스킹 엘리먼트들을 포함하며, 상기 마스크를 구성하는 단계는, 상기 부품의 상호 대향된 부분들에 일치하도록 빔 투과부를 규정하도록 복수 개의 마스킹 엘리먼트들 중 적어도 일부의 각각의 위치들을 조정하는 단계를 포함하는,
    에너지 빔에 의해 부품을 프로세싱하기 위한 방법.
  15. 제 9 항의 방법을 포함하는 부품을 보수 또는 형성하기 위한 적층 가공 프로세스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 적층 가공 프로세스는, 레이저 클래딩(laser cladding), 선택적 레이저 용융(selective laser melting) 및 선택적 레이저 소결(selective laser sintering)로 구성된 그룹(group)으로부터 선택되는,
    적층 가공 프로세스.
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