KR100195659B1 - 코발트계 정련 합금 조성물 및 제품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코발트에 정련 합금에 관한 것이다. 고온 강도, 고온 내부시성, 내산화성 및 열적 피로 균열에 대한 내성의 독특한 조합을 갖는 본 발명의 신규한 코발트계 정련 합근은 개스터어빈 엔진의 균열된 노즐의 용접 보수시에 이러한 엔진 및 다른 유사한 목적의 고온부 구성요소를 위한 보호 피복으로서 유용하다.
Description
제1도는 균열 개시 및 균열 길이(mil)에 대한 시간을 사이클수에 대해 플롯팅한 챠트로서, 본 발명의 시료 및 2가지의 선택된 선행 기술의 필러 용접 와이어 합금(filler weld wire alloys) 의 시료의 열피로 시험 결과를 각각의 합금 데이터 점을 연결하는 곡선으로써 도시한 것이고,
제2도는 응력을 온도에 대한 플롯팅한 1000시간 파열강도 챠트로서, 본 발명 시료의 파열강도 시험 및 4가지 선행기술의 합금에 대해 문헌에 보고되어 있는 상응하는 시험 데이터의 결과를 개개의 데이터 점으로서 나타낸 것이며,
제3도는 1800˚F의 천연개스중에서의 내산화성을 시험 데이터점을 연결하는 곡선으로서 나타낸 또 다른 챠트로서, 평균 침투거리(mil)를 수천 시간의 시간에 대해 플롯팅한 것이고,
제4도는 개스 터어빈 엔진 쉘(gas terbune engine shell),쉬라우드 블록(shroud block) 및 터어빈 버킷(bucket)(여기서, 쉬라우드 블록은 버킷 선단에 대항된 표면부가 본 발명의 합금으로 피복됨)의 부분 횡단면도이며,
제5도는 제1도에 나타낸 결과를 갖는 필러 용접재와 같은 본 발명의 합금 및 선행기술의 합금의 평가시에 사용되는 열피로시험용 시료의 평면도이고, 제6도는 제5도의 시료의 선 6-6에서 본 단면도이다.
본 발명은 일반적으로 야금 기술의 초합금 분야에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 고온 강도, 내산화성, 고온-내부식성 및 열피로 규열에 대한 내성의 독특한 조합을 갖는 신규 코발트계 합금 및 그의 신규 제품에 관한 것이다.
개스 터어빈 고온부의 부품은 적대적인 고온 부식 및 침식 환경에서 엄격한 응력 및 온도 조건하에 일련된 적업을 행할 수 있어야 하며, 따라서 단지 고온 코발트계 및 니켈게 초합금만이 해당하는 것으로 입증되었다. 수가지의 캐스트(cast) 코발트 합금이 터어빈 용도로 시판증이다. 그러나 놀라웁게도, 더 우수한 합금에 대한 필요성이 오랫동안 있어 왔지만, 다수의 시판되는 정련 코발트 합금은 매우 한정되어 있다. 따라서, 고온부의 코발트 합금 구조물을 제작하거나 보수하기 위한 용접 와이어를 제조하는데 사용되는 정련 합금은 여러 가지 목적하는 특성중의 하나 또는 또 다른 특성이 부족하다. 오늘날, 널리 사용되는 이러한 정련 합금을 사용해서는 연장된 기간동안 열순환을 견딜 수 있는 부품 보수품을 제조할 수 없다. 결과적으로, 고가의 고온부 보수품의 내구성은 산업분야에 있어서, 계속적인 주요한 관심사이다.
하기에 상세히 기술된 본 발명자의 새로운 개념 및 발견을 기초로 한 본 발명에 의해, 선행 기술의 정련 합금의 결점이 제거되고 중요한 새로운 장점 및 결과가 수득된다. 더욱이, 이들 주요 잇점은 단가의 불리 또는 다른 손해를 거의 일으키지 않고서 수득된다.
본 발명은 제조함에 있어서, 본 발명자는 본 발명이 연장된 작동 기간에 걸쳐 개스 터어빈 기관 열순환 및 고온 부식 공격을 견디는 코발트계 정련 합금에 대한 오랫동안의 욕구를 충족시키고 만족시킬 수있다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자는 본 발명의 새로운 특성이 와이여 형태에 있어서 유동성, 습윤성 및 우수한 기계가공성과 같은 현저한 용접 특성과 함께 수득할 수 있다는 것을 밝혀내었다.
본 발명자의 또 다른 발견은 본 발명에 따라 제조한 용접 와이어가 캐스트 코발트계 합금 개스 터어빈 부품의 보수시 특정한 효용을 갖는다는 것이다. 실제로, 이렇게 보수된 부품들은 특히 열피로 유동상 시험에서 개시되는 균열에 대한 내성과 관련하여 선행기술의 합금으로 보수한 상응하는 부품보다 거의 10배가 개선된 것으로 입증되었다.
놀랍게도, 전술한 새로운 결과 및 잇점은 이전에 공지된 코발트계 정련 합금의 조성을 비교적 소량이지만 결정적으로 변화시킴으로써 수득되었다. 따라서, 본 발명의 합금은 미합중국 특허 제3,366,478호에 개시된 합금에 비해 유사한 양의 탄소, 니켈 및 탄탈과 약간 많은 양의 크롬 및 상응하게 적은 양의 코발트를 함유한다. 그러나, 본 발명의 합금은 추가의 중요 성분으로서 적지만 유효한 비율의 세륨을 함유한다.
일반적으로 기술하면, 본 발명의 신규 합금은 코발트 이외에도 약 0.03내지 0.10중량%의 탄소, 약 24내지 32중량%의 크롬, 약14내지 22중량%의 니켈, 약 2내지 8중량%의 탄탈 및 약 0.02내지 0.75중량%의 세륨을 함유한다. 또한, 이들 합금은 소랴으이 알루미늄, 구리, 망간, 실리콘, 붕소, 텅스텐, 몰리브덴 철 및 지르코늄을 최대 결합 총량 1.38중량% 이하로 함유할 수도 있다. 산소, 질소 및 저용점 금속원소 (예: 비스무트, 비소 및 납)는 가능한 한 최저농도 수준으로 유지시킨다. 최적 형태에 있어서, 본 발명의 합금은 약 29%의 크롬, 20%의 니켈, 6%의 탄탈, 0.05%의 탄소, 0.25%의 세륨 및 잔량의 코발트로 구성된다.
제조된 제품으로서 본 발명은 각종 형태를 갖는다. 간단히 기술하면, 그 형태는 본 발명의 신규한 합금의 용접 와이어이거나, 또는 상기 신규한 합금의 보호층으로 피복된 고온(hot stage)개스 터어빈 엔진 부품과 같은 복합체 구조물이다. 또 다르게는, 상기 형태는 상기 신규한 합금으로 보수하여 충전된 균열 용접부를 갖는 개스 터어빈 엔진 노즐(nozzle)이다.
본 발명의 합금 제조법은 조작자가 선택할 수도 있지만, 본 발명에 따라 코발트, 크롬, 니켈, 탄탈 및 탄소의 용융물은 진공하에서 즉, 진공 유도 용융범에 의해 제조한다. 세륨 또는 발화 함금(misch metal)은 용융과정의 마지막 무렵에 가한다. 이어서 잉곳(ingot)은 두 번째에 재용융되어 성공적인 제1파괴를 위한 균질화 및 구조물의 정련을 촉진시킨다. 생성된 빌릿(billet)은 다양한 정련물 형상, 예를 들면, 바아(bar) 및 용접 와이어로 가공한다. 또 다르게는, 잉곳은 분말형태로 전환시킬 수도 있다.
이들 새로운 합금을 도금 피복재로서 개스 터어빈 쉬라우드 블록 등에 도포하는 경우, 저압(즉 진공) 플라즈마 분무범, 전자 빔(beam)물리적 증착법(PVD}, 또는 아르곤-쉬라우딩된(argon-shrouded)플라즈마 분열법을 사용하는 것이 바람직하다. 포웰(Powell)등의 문헌 [Vapor Deposition](john wiley Sons, Ine., pager 242-246(1966) 및 스미스(Smith)등의 문헌(Trans. 9th int. Spraying Conference, 페이지 334(1980) - Low Pressure Plasma Spray Coatings for Hot corrosion Resistance]에 기술된 여러 가지 적합한 대체방법을 이용할 수 있다.
캐스트 합급체내의 균열부를 보수하는데 본 발명의 용접 와이어를 사용하는 경우 기체-텅스텐-아크(arc)의 사용이 선호되지만, 당해분야의 숙련자는 필요한 강도, 연성, 및 보전성을 갖는 용접이 제공되는한 다른 방법을 사용할 수도 있다는 것을 인지할 것이다.
시험은 선행기술의 합금 및 본 발명의 합금(Cr 29%, Ni 20%, Ta 6%, Ce0.25%, C 0.05%, 잔량의 Co)의 시료를 사용하여 행하였다. 따라서 한 일련의 시험에서 용접의 열피로 특성은 제6도에서 (14)로 지정된 용접 금속으로 충진된 노취(notch)(11),(12) 및 (13)을 갖는 개스터어빈 엔진 노즐의 제조에 사용된 코발트계 초합금의 시료(제5도에서 (10)으로 예시되어 있음)를 사용하여 결정하였다. 제1도에서 균열 개시 및 성장 곡선 A, B 및 C는 각각 노즐이 전형적으로 표준 작동 조작 되는 모의 조건하에 이들의 열피로 시험에서 수득된 데이터, 구체적으로는 1588˚F에서 4분동안과 70˚F에서 4분동안의 유동상 온도 - 시간 사이클에서 수득된 데이터를 나타낸다. 균열 개시의 관찰 및 균열 확장의 측정을 위해 시험을 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200 및 300사이클에서 중단하며, 500사이클 이후에 시험을 종결시켰다. 이러한 시험에서 얻은 데이터를 각각 본 발명의 합금, 합금 L-605 및 합금 FSX-414 LC를 나타내는 제1도의 챠트상의 곡선 A, B 및 C로써 나타낸다.
다른 일련의 시험에서, 상기와 동일한 본 발명의 합금의 파열강도를 1500˚F/25ksi에서 측정하였다. 생성된 데이터는 제2도의 챠트상의 데이터 점 H로 나타내며, 제2도에서 합금 L-605, FSX-414, HS-188, 및 MM-918에 대한 참고 문헌 데이터 점은 각각 K, L, M 및 N으로 나타낸다. 1003시간 후에, 본 발명의 합금 시료중 어떠한 것도 파손의 기미가 없었으며, 이어서 시험을 종결시켰다. 반면에, 다른 합금 각각을 나타내는 데이터 점은 시험 시료가 파손되었음을 나태낸다. 파열 강도에 대한 본 발명의 합금의 우수성이 분명히 나타난다.
전술한 본 발명의 29%크롬 합금의 시료에 대한 인장시험에서 수득한 데이터는 하기 표 1에 기재되어 있다. L-605, HS-188 및 MM-918합금에 대한 첨고문헌에서 수득한 비교 데이터도 또한 표 1에 기재되어 있다.
2가지 온도 (1400˚F와 1600˚F)에서 전술한 본 발명의 29%크롬 합금의 우수한 항복 강도는 표 1의 데이터로부터 알 수 있다.
하기 표 2에 기재된 결과를 갖는 가장 통상적인 합금과 본 발명의 합금 각각의 원형 핀(pin)시료에 1350˚F, 1600˚F 및 1700˚F의 온도를 적용시키며 통상의 버너 리그(burner rig)를 사용하여 고온 부식/산화 시험값을 비교하였다. 1350˚F, 1600˚F 시험에 사용된 연료는 (1%의 황을 제공하기 위한)3급부틸 디설파이드 및 약 500ppm의 합성 해염으로 도핑된(doped)#2 디젤유이다. 황의 양이 통상의 선박용 및 산업용 개스 터어빈 작동시의 일반적인 황의 양에 필적하는 수준에 근접하도록 충분한 양의 SO를 연소 공기에 첨가하였다. 1700˚F시험을 순수한 산화조건하에 천연개스 연료를 사용하여 행하였다. 1350˚F에서 엄격한 II형의 고온 부식 조건하에 본 발명의 합금은 2000시간후에 0.00015인치의 평균 침투도를 나타낸데 반해 합금 MM-918은 0.0009인치의 평균 침투도를 보였다.
1600˚F에서, 역시 II형 조건하에, 2000시간 후 본 발명의 합금은 4.7mil의 평균 깊이를 나타낸 반면, 합금 MM-918은 6.7mil 이었다. 따라서, 본 발명의 합금은 합금 NN-918보다 더 탁월한 우수성을 나타냄이 분명하다.
최종적으로, 일련의 고온 내산화성 시험을 상기 본 발명의 29%크롬 합금상에서 행하였다. 이들 시험은 상술한 고온 부식/산화 시험에서와 같이 버너 리그 및 원형 핀 시료를 사용하여 행하였다. 이들 시험에서는 천연개스를 사용하였다. 얻어진 데이터는 제3도의 챠트상에서 곡선 R로 연결된 데이터 점으로 나타낸 바와 같다.
상기와 같은 실험실 시험을 고려할 때, 선택된 시판중인 합금은 다음과 같다:
합금 L-605 - 최초의 Co-계 정련 합금중의 하나.
합금 FSX-414 LC - 독일연방공화국 특허를 받은 캐스트 Co-Rp 합금의 저탄소 용접 와이어 변형물.
합금 HS-188 -소량의 La를 함유하는 L-605의 개질물.
합금 MM-918- 미합중국 특허 제 3,366,478호의 특허 청구범위 제9항.
제4도에 나태낸 바와 같이, 본 발명은 복합체의 형태, 특히 본 발명의 합금으로 피복된 개스 터어빈 엔진 쉬라우드 블록(15)의 형태를 갖는다. 따라서, 터어빈 버킷 선단(17)에 대향된 블록(15)의 표면부는 본 발명 합금의 피막(16)을 갖는다. 결과적으로, 터어빈 쉘(18)에 고정된 블록(15)은, 적합하게는 두께가 약 8내지 10mil이고 공기 플라즈마 분무 또는 진공 플라즈마 분무 기법에 의해 제공된 열피로, 균열 방지성 피막(16)에 의해 임계 위치에서의 산화 및 부식이 방지된다.
본 명세서 및 첨부된 특허 청구 범위에서 언급된 비. 비율 또는 백분율은 달리 명시하지 않는 한 중량을 기준으로 한다.
Claims (2)
- 본질적으로 26%의 크롬, 20%의 니켈, 6%의 탄탈, 0.025%의 세륨, 0.05%의 탄소 및 잔량의 코발트로 이루어지고, 상승된 고온 강도, 내산화성, 고온 내부식성 및 열피로에 대한 내성의 독특하게 조합된 특성을 갖고, 그 결과 1800˚F의 개스 터어빈 엔진 (gas turbine engine)환경에서 특별한 효용을 갖는, 개스 터어빈 엔진 부품용 코발트계 정련 합금(cobalt-base wrought alloy).
- 본질적으로 29%의 크롬, 20%의 니켈, 6%의 탄탈, 0.75%의 세륨, 0.05%의 탄소 및 잔량의 코발트로 이루어진 코발트계 합금의 층으로 국부 피복된, 고온(hot stage)개스 터어빈 엔진 부품 형태의 복합제품.
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