KR100197480B1 - 금속 합금 물질내 구멍의 수리 방법 및 모재 금속 내구멍을 메우는 방법 - Google Patents

금속 합금 물질내 구멍의 수리 방법 및 모재 금속 내구멍을 메우는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 완전히 재결정화된 접합부 계면이 플러그와 구멍의 벽 간에 얻어지도록, 같은 또는 유사한 물질의 플러그 및 열처리를 사용함으로써 초합금 또는 티타늄 물질내 구멍의 수리를 기술하고 있다.

Description

금속 합금 물질내 구멍의 수리방법 및 모재 금속내 구멍을 메우는 방법
제1도는 플랜지내 손상된 구멍을 갖는 일체로 블래드가 형성된 압축기 디스크를 예증한다.
제2도는 보다 큰 직경으로 드릴링된 손상된 구멍의 확대도를 보여준다.
제3도는 과대크기의 구멍에 위치한 교체플러그를 보여준다.
제4도는 본 발명에 따라 교체플러그를 단조하기 위한 수단의 도식적 분해도를 보여준다.
제5도는 단조 접합 변형후 플러그를 예증한다.
제6도는 수리를 완수하고 교체플러그의 과다 변형을 기계가 공으로 제거한 제1도의 드럼플랜지를 예증한다.
제7도는 정확한 위치에 드릴링된 새로운 구멍을 갖는 제1도의 플랜지를 예증한다.
제8a,b 및 c도는 본 발명의 방법의 생성물에 관한 미세구조를 예증하는 현미경 사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 디스크 3 : 플랜지
4 : 불규칙 보울트 구멍 5 : 확대된 구멍
6 : 플러그 7,8 : 연장된 플러그
9,10 : 펀치 11 : 돌출 물질
12 : 완결된 수리 13 : 새로운 구멍
본 발명은 손상되고, 잘못 위치해 있고, 잘못 정열되고, 또는 잘못 드릴링된 구멍을 그안에 갖는 티타늄 또는 초합금(superally) 가스 터어빈 엔진 부품의 수리에 관한 것이다.
현재까지 정적, 기계적 결합 접합부에 의존하지 않는, 구멍을 그안에 가진 초합금 구조물의 수리를 위한 어떠한 성공적인 기술도 없었다. 본 발명이 가스 터어빈 엔진 분야에서 특이한 용도를 위해 개발되었고, 이 분야에 특별한 용도를 가질지라도, 본 발명의 이에 제한되지 않는다.
가스 터어빈 엔진은 항공기의 추진을 위해 주로 사용된 동력의 광범위하게 사용되고 잘 개발된 발전기이다. 대부분의 가스 터어빈 엔진 부품이 적용되는 온도 및 응력은 그러한 부품이 고강도, 고온물질, 예컨대 초합금 및 티타늄 합금으로 가공되어야 함을 요구한다. 게다가, 상기 부품이 작동하는 온도, 및 이들이 적용되는 응력은 상기 물질이 필요한 성질을 얻기 위해 고운 가공에 의해 가공처리되어야 함을 요구한다. 그러한 고온 가공된 물질은 과거에는 고온 용량의 심각한 손실없이는 수리하기가 매우 어려웠다. 게다가, 고체적 분율 감마 프라임 네켈-기재 초합금은, 변형 시효 크래킹으로 인해, 용접가능하지 않다.
큰 가스 터어빈 엔진이 있어서, 압축기 및 터어빈 섹션은 축류디자인으로 되어 있고, 다수의 단(stage)으로 구성되고, 이들 단 각각은 다수의 에어포일이 그 가장자리 상에 설치된 디스크 또는 링으로 구성된다. 블래드 및 디스크 또는 링은 회전 샤프트 상에 설치되어 심각한 환경적 조건을 받기 쉽다. 역사적으로, 블레드 및 디스크 조립체는 별도의 부품으로부터 제조되어 왔고, 기계적으로 부착되어 왔다. 이것은 서로 다른 물질로부터 블래드 및 디스크의 제조를 허용하나, 기계적 부착 수단의 사용은 조립체의 중량을 실질적으로 증가시킨다.
가스 터어빈 엔진에 대한 성능 요구에 있어서의 증가는 이제 일체식으로 블래드가 형성된 로우터의 개발을 이끌었고, 여기서 블래드는, 저강도 및 고연성의 조건하에서 등온 단조와 같은 공정에 의해 일체식으로 형성되거나, 또는 디스크에 야금술적으로 결합된, 로우터의 일체식 부분이다. 어느 형태도 선행기술의 기계적 접합 과정으로부터 야기되는 중량 페널티를 감소시킨다. 보다 고성능 및 보다 저중량 조립체에 대한 요구가 증가하는 가운데, 이제 터어빈 섹션과 같은 많은 가스 터어빈 부품들이 일체형 조립체로서 생산된다. 그러한 조립체의 주요 잇점은 중량 및 연료 절약, 및 기계적으로 부착된 부품과 관련된 수명-제한 응력집중기의 제거의 결과로서의 부품 수명에 있다.
가스 터어빈 엔진의 조립체에 있어서, 부품들은, 부품들을 짝지을 때 보울트 구멍의 위치를 적당히 정하기 위해 매우 정확한 드릴링을 사용하여, 한 소조립체를 다른 하나에 보울트로 죔으로써 빈번히 접합된다. 그러한 구멍의 조립 또는 사용중에 잘못 위치에 있고, 잘못 정렬되어 있고, 또는 잘못 드릴링되고, 또는 손상된 경우, 상기 구멍이 빈번히 위치해 있는 소조립체는 스크레이핑되어야 한다.
이것은 기계 로우터의 경우 비용이 들 수 있으나, 실질적인 비용이 한 부품을 다른 하나에 접합시키기 전에 초래되는, 일체식으로 블래드가 형성되어 있는 로우터의 경우 그것은 휠씬 더 하다. 그러므로, 개개 조립체의 가치가 증가될 때, 부품들을 기계가공하고 접합시키는데 있어서 오차의 한계는 보다 중요하게 된다.
그러한 구멍의 수리를 위한 과거의 기술은 빈번히 기계적 수단에 의존하여 왔고, 일반적으로 현재 가스 터어빈 엔진에 이용되는 초합금 및 티타늄 보다 작은 강도 및 온도 용량을 갖는 물질에 제한되어 왔다. 예컨대, Sitzler의 미합중국 특허 제2,010,569호는 원통모양 몸체부분 및 상단에서 하단까지의 직경을 증가시키는 중앙 의존 돌출부를 갖는, 특이형태 또는 하단까지의 직경을 증가시키는 중앙 의존 돌출부를 갖는, 특이 형태 또는 형상의 플러그를 사용하여 플레이트내 구멍을 플러깅시키는 방법을 기술하고 있다. 플러그는, 눌를 때 플러그를 그 자리에 고착시키도록 고안된 돌출된 쇼율터를 갖기 위해 입구가 넓혀진 구멍으로 맞추어진 힘이다. 플러그 및 금속 플레이트는 전형적으로 동일한 금속이고, 증기 가압판에 사용하기에 적합하며, 어떠한 열처리에 적용되지 않는다.
Crossman일행은, 미합중국 특허 제3,952,395호에서, 시일을 형성하기 위해 구멍으로 볼을 압입 끼워 맞춘다음, 볼의 표면상에 가공물(work piece)일부를 주름지게 하기 위해 볼을 적당한 위치에 말뚝 박음(staking)으로써 공기압식 또는 유압식 시스템에서 트릴링된 구멍을 막기 위한 방법을 기술하고 있다. 이 경우, 볼은 가공물보다 더 단단한 물질이고, 구멍의 직경보다 다소 큰 크기를 갖는다. 어떠한 일 처리도 이용되지 않는다.
또한, 미합중국 특허 제3,522,648호에서, Weber는 연성 볼 또는 금속편을 변형시킴으로써 구멍을 봉합하는 것을 기술하고 있다. 여기서, 구형 볼은 구멍의 원통형 벽과의 기계적 금속-금속 접촉 결합 및 밀접한 접촉을 형성하기 위해 변형되거나 업셋된다. 볼은 쉽게 변형되기 위해 주형보다 다소 더 연성이도록 선택되며, 어떠한 열처리도 사용되지 않는다.
미합중국 특허 제3,487,530호에서, Ely는 결함을 드릴링해내고, 드릴링된 부위를 플러그로 메우고, 주형 및 플러그를 확산 결합시키고, 과다한 플러그 물질을 제거하는, 주형 결합의 수리 방법을 기술하고 있다. 이 방법은 통상적인 융합 공정과 관련된 크래킹 문제를 피하기 위해 초합금 및 내화 금속 주형의 장식물 또는 표면수리를 위해 특별히 고안된다. 방법의 한가지 실시양태에 있어서, 특허권자는 원뿔대형 오프닝 또는 구멍으로 똑같은 것을 재형성하기 위해 결합을 보우링 또는 드릴링하고, 보충적 테이퍼플러그를 구멍으로, 이를 봉합하기 위해 망치로 쳐박는 것을 기술하고 있다. 모든 경우, 확산결합은 용접에 다달으거나 주형 구성원 또는 플러그의 항복점을 초과하지 않고서 유도된다. 이 공정은 또한 마찰용접의 형태로 실시될 수 있다.
가스 터어빈 엔진의 압축기 및 터이빈 섹션에서, 디스크 및 드럼섹션은 온도 및 응력 둘다에 대해 이들의 성질 용량의 외부 한계에서 또는 그 근처에서 작동된다. 따라서, 그러한 부품에 대한 임의의 수리 기술은 모재 금속의 감도 및 온도 용량을 갖는 수리를 제공해야 한다. 부품의 다른 요구점, 예컨대 내피로성, 내파열상, 및 수명이 또한 충족되어야 한다.
수리에 대한 필요성은 서비스에서 및 개개 디스크, 로우터, 및 드럼 조립체 또는 일체 유니트의 초기 조립에 있어서 생길 수 있다. 설치용 구멍이 정확한 위치에 배치되는 것을 요구하는 일체형 조립과 함께, 정확하게 배치되는 구멍의 중요성이 실질적으로 증가된다. 게다가, 보울트 구멍 및 설치용 구멍은 서비스 받을 때 늘어날 수 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 보울트 구멍 수리를 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 수리될 금속과 근본적으로 동일한 또는 유사한 물질 및 열처리 히스토리의 플러그를 삽입하고 플러그가 5-50ksi 범위내 축 결합 압력의 적용에 의해 플러그/구멍 계면 둘레에 원주형으로 결합되도록하는 제한하에 플러그 및 구멍 부위를 국부적으로 가열함으로써 니켈-기재 초합금 또는 티타늄 물질 내 구멍을 메우는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 한가지 양상에 따라, 터어빈 엔진 조립체내 손상되거나 이탈된 구멍은 드릴링에 의해 확대되어, 과대 크기의 구멍을 남긴다. 모재 금속과 동일한 또는 유사한 물질 및 열처리의 수리 플러그는 과대 크기의 구멍에 배치되고 이것은 양끝으로부터 돌출되며, 구멍의 벽과 플러그간에 완전히 재결정된 접합부 계면을 야기시키기 위해 단조 접합 압력 및 온도에 적용된다. 결과적으로, 조립체의 기계적 성질, 및 인장 및 볼트 구멍 저 사이클 피로인자는 원래의 수주에 가깝다.
그러므로, 본 발명의 목적은 교체플러그와 구멍 계면간의 야금술적 결합을 얻기 위한 방식으로 금속 내 구멍의 수리를 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 수리가 초합금 조립체의 또는 온도 용량을 약화하거나 감소시키지 않는 방식으로 손상되고, 잘못위치하고, 잘못정렬하고, 또는 잘못 드릴링된 구멍을 그안에 갖는 초합금 조립체의 수리 수단을 제공하는 것이다. 본 발명의 특이 목적은 새롭게 적당히 배치되고 정렬된 구멍이 수리 위치를 통해 드릴링되면서 가공물의 필요한 기계적 성질을 보유할 수 있는 방식으로 티타늄 또는 초합금 내 잘못 드릴링되거나 잘못 정렬된 구멍의 수리를 제공하는 것이다. 본 발명이 가공물을 통해 완전히 통과하는 구멍을 수리하는 것으로 기술될지라도, 이 기술은 또한 표면 결합 또는 손상의 수리에도 적용 가능하다.
이러한 그리고 기타 목적 및 잇점은 도면 및 바람직한 실시양태의 다음의 기술을 참조하여 보다 쉽게 이해될 것이다.
본 발명은 니켈 기재 초합금 및 티타늄과 같은 고강도, 고온 물질내 손상되거나 부적당한 구멍의 수리 방법을 제공하며, 그러한 물질내 보울트 구멍, 냉각 구멍 또는 조립체 안내 통로와 같은 구멍을 메우기 위해 또한 사용될 수 있다. 본 발명은 특히 티타늄-기재 합금 및 비-경화성 및 침전-경화성 니켈-기재 초합금 둘다내의 구멍의 수리에 관한 것이다. 합금의 대표적인 것으로는 공업에 있어서, Mar M 200, IN 100, Inconel 718, Waspaloy, Astroloy, Udimet 500, Rene 41, Inconel X, Inconel 625, 및 MERL 76로서 지칭되는 니켈-기재 합금이다. 티타늄 합금은 알파, 알파-베타, 또는 베타 티타늄 합금일 수 있다. 빈번히 이용되는 티타늄 합금은 합금 Ti-6Al-4Mo, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2MO, 및 유사한 성질 및 조성의 다른 합금들을 포함한다.
그러한 물질들은 제1도에서 예증된 바와 같은, 가스 터어빈 엔진 부품, 예컨대 부가적 엔진 부품에 접합시키기 위해 플랜지(3)위에 위치한 보울트 구멍(2)을 갖는, 일체식으로 블래드가 형성된 압축기 디스크(1)의 제조에 자주 사용된다. 불규칙 보울트 구멍(4)은 예시적인 압축기 디스크가 보울링과 같은 수단에 의해 또 다른 부품에 접합되도록 의도된 부품일 수 있는 바와같이, 손상된 구멍을 나타내나, 잘못 위치되거나 잘못 정열된 구멍을 또한 나타낼 수 있다. 유사하게, 본 발명은 다양한 금속 또는 합금, 예컨대 구리 합금, 철 합금, 코발트-기재 초합금, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금, 콜룸븀 합금, 등의 다른 구조물, 예컨대 터어빈, 보일러, 열 교환기, 플레이트 노출, 압력용기, 등에 있어서 구멍의 수리에 적용가능하다.
수리를 위한 준비는, (5)로 나타낸 확대된 구멍을 가진, 플랜지(3)를 보여주는, 제1도의 부분도인, 제2도에서 예증되는 바와같이, 보다 큰 직경의 원통형태로 손상된 부위를 확대시키는 것을 포함한다.
구멍은 의도된 수리 결합 접합부의 직경까지 확대되어, 플랜지(3)의 표면 부위내에, 수리되어질 전체 부위를 포함한다. 손상된 부분의 제거는 임의의 통상적인 구멍 드릴링 기술에 의해 수행될 수 있으며, 의도된 결합 표면, 즉, 확대된 구멍의 벽은 그 다음 결합을 촉진하기 위해 처리되어야 한다. 이것은 일반적으로 먼지, 그리스, 트릴링 잔류물 등을 포함하는, 모든 이 물질의 제거, 및 표면 산화를 포함한다. 그러한 표면 제조는 기계적 표면 연마, 안지름 마무리, 및 선택적 화학적 부식과 같은 다양한 쉽게 명백한기술에 의해 완수될 수 있다.
플러그(6)은, 제3도에서 적당한 위치에서 보여지는 바와같이, 바람직하게 플랜지(3)내 확대된 구멍(5)를 둘러싼 물질과 동일한 물질이며, 둘러싼 물질에 최대 유사성을 얻기 위해, 바람직하게 동일한 열처리를 받는다. 그러나, 적합한 교체플러그는 또한 물질의 특이 이용성의 적용 및 기계적 성질 요구에 의존하여, 서로 다른 열처리 및/또는 조성일 수 있다. 그러므로, 플러그는 조성 또는 열처리에 있어서 지지체와 다를 수 있으며, 단 그 차이는 수리된 지지체가 그의 고안된 목적 및 기능을 위해 사용될 수 있도록 적절한 강도 및 다른 성질을 갖는 지지체와 플러그간의 결합 형성을 방해하지 않을 정도이다.
플러그는 확대된 구멍(5)의 직경내로 꼭맞게 맞추어지도록 크기가 정해지나, 바람직하게 약 0.005-0.004인치 직경의 과소크기이고, 가장 바람직하게는 약 0.001-0.002인치 직경의 과소크기이다.
정밀 허용차 맞춤은 확대된 구멍의 벽과 플러그간에 가장 강한 계면 결합을 얻는데 중요한 것으로 밝혀졌다. 플러그는 확대된 구멍의 벽과 동일한 방식으로 결합을 촉진하기 위해 처리되어야 한다. 플러그(6)는 플랜지(5)의 표면위로 적어도 대략 0.025인치, 바람직하게는 약 0.080인치로, 단 약 0.020-0.100인치의 단조 결합성에 업셋을 제공하기에 적어도 충분히 연장해야 한다. 플러그의 높이, 및 그러므로 확대된 구멍위로 연장된 플러그의 양, (7) 및 (8)이 변형시 금속 흐름을 얻고 플러그(6)과 확대된 구멍(5)간의 공극 부위를 완전히 매우기에 충분한 물질의 존재를 확신하기에 충분할 때 최상의 결과가 얻어짐이 밝혀졌다. 보다 짧은 플러그를 사용하는 것이 가능할지라도, 경과는 수리는 보다 약할 수도 있고, 또는 극도의 경우 확대된 구멍(5)의 길이를 완전히 메우기에는 충분히 크기 않아, 플랜지(3)내에 디프레션을 야기시킬 수 있다.
수리 플러그(6)이 확대된 구멍(5)에 배취된 후, 단조 접합 압력은 플러그의 양쪽 끝으로부터 적용되고, 구멍의 벽상에 원주형으로 플러그에 의해 미치는 방사상 힘을 만든다. 이 힘의 적용은 플러그(6)의 균일한 가열 및 변형을 진전시키도록 형태가 취해지고 배치된, 상부 및 하부 펀치(9) 및 (10)에 의해 제4도에서 도식적으로 예증된다. 예증되지 않을 지라도, 다이 또는 클램프등과 같은 압축 수단은 플러그 및 플랜지의 단조 접합중에 플랜지의 변형을 방지하기 위해 수리 부위에 인접한 플렌지의 옆 모서리에 적용될 수 있음이 고려된다. 그러한 수단은 비교적 얇은 플랜지 또는 금속 합금 시이트 물질내 구멍의 수리에서, 또는 그 수리가 반드시 가공물의 모서리에 근접한 경우 특별한 가치를 가질 것이다. 그러한 수단은 본 발명의 영역내에 있는 것으로 간주되어야 한다.
힘이 플러그에 적용될 때, 확대된 구멍의 벽과 플러그간의 개면은 이들의 국부적 용융을 야기하지 않고서, 일반적으로 합금의 용액 열온도 약 200°F, 내, 단 이를 초과하지 않는 온도까지 국부적으로 가열되어, 입자(grain) 성장을 최소화한다. 단조 접합 온도 및 압력에서, 확대된 구멍의 벽에 바로 인접한 부위 및 플러그는 저강도 및 고연성을 나타내며, 플러그가 변형하고 벽에 접합하는 것을 허용한다. 국부적 가열은 저항, 유도, 복사, 및 전자 비임 가열을 포함하는, 임의의 적절한 수단에 의해 완수될 수 있다. 다른 가열 기술이 이용될 수 있으나, 바람직한 가열 수단은 균일한 전기 접촉을 얻기 위해 플러그의 편평한 끝으로 공구 계면 접촉을 이용하는, 전기 저항에 의한 것이다. 테이퍼 플러그를 이용하는, 관성 또는 마찰 용접과 같은 방법에 의한 마찰 가열을 요구하는 그러한 수단은 보다 덜 효율적이고 본 발명의 영역외에 있다.
본 발명이 또한 불활성 분위기, 예컨대 아르곤하에서 실시될 수 있을 지라도, 확대된 구멍내 변형은 보통 고진공, 예컨대 101-5밀리미터 수은압하에 수행된다. 온도 및 적용되는 압력은, 플러그와 구멍 계면간의 야금술적 결합을 생성시키기 위해 초가소성 물질의 운동, 및 저강도 및 고연성의 조건하에 플러그의 변형을 제공하기 위해 조정되고 조절된다. 이러한 조건은 관여하는 물질에 정확히 의존하여, 명백하게 변할 것이다. 그러나, 전형적인 니켈-기재 초합금의 경우, 온도는 대략 1700-2100°F, 바람직하게는 1900-2100°F, 및 보다 바람직하게는 1960-2040°F 일 것이며, 압력은 대략 5-50ksi, 바람직하게는 15-30ksi일 것이다. 티타늄-기재 합금 수리 온도는 약1500-1900°F이고, 압력은 바람직하게 4-10ksi일 수 있다. 다른 금속 및 금속 합금의 경우 적절한 온도 및 압력은 보톤의 당업자들에게 쉽게 결정될 것이다. 단조 접합 단계가 끝날무렵, 과다 돌출 물질(11)은, 제5도에서 예종되는 바와 같이, 플랜지(3)의 양 면상에 위치한다. 그 다음 그러한 물질은 기계가공으로 제거되어, 제6도에서 예증되는 바와 같이, 완결된 수리(12)를 갖는 매끄러운 표면을 갖는 플랜지를 남길 수 있다. 이 표면은 그 다음 재드릴링되어, 제7도에서 보여지는 바와 같이, 선택된 위치 및 직경을 갖는 새로운 구멍(13)을 제공할 수 있다.
본 발명의 중요한 특징은 접합부 계면에서 금속의 재결정을 얻기 위한 능력이다. 즉, 접합부 부위는 결합 계면에서 및 이를 가로질러 미세하고 변형의 없는 재결정화된 입자를 핵형성시키고 성정시키기 위해 결합 공정중 충분히 고온 가공된다. 결과는 결합 계면을 가로질은 입자 경계 운동 및/또는 성장이며, 이것은 재결정화중 고베이컨시 결합 농도 부위(즉, 결합-선공극)의 흡수/제거에 의한 원래의 결합선의 수정을 야기시킨다. 그러한 결과는 오직 결합 계면을 재결정화하기 위한 결합중 계면 부위에 충분한 일이 적용될 때 일어날 수 있다. 플러그 및 확대된 구멍의 치수의 관계의 중요성은 충분한 제한, 즉 금속 흐름에 대한 저항을 제공하고, 재결정을 얻는데 요구되는 일의 임계적 양을 초과하기 위해 물질을 충분히 가공하는 것이다. 전형적인 확산 결합 조작은 제한의 부족으로 인해, 계면을 재결정화하는데 충분한 일을 제공하지 않는다. 본 발명은, 계면을 가로지를 입자경계이동, 관련된 결합-선 베이컨시 결합의 흡수를 완수하는 결정화된 계면을 야기시킨다.
제8a, 8b, 및 8c도는 Kalling 부식제에 의해 부식되는 바와같이, 각각, 100X, 200X, 및 500X의 배율에서, 수리된 IN 100 합금의 경우 결합-선 계면에서 재결정화된 존을 보여주는 현미경사진이다. 재결정화된 입자 직경 크기는 2.5-5마이크로인치(ASTM 12-14)이고, 반면 둘레의 베이스-선물질은 20-90마이크로인치(ASTM 4-8)입자 직경이다.
이 영역에서 그러한 감소된 입자 크기는 몇몇 물질에서의 강도의 증가를 산출하는 것으로 예측될 수 있다. 수리된 부위내에서, 인장강도 및 저 사이클 내피로성과 같은 기계적 성질은, 원래의 합금의 실제의 가공된 채의 용량이 또한 설명되고 초과되었을 지라도, 원래 합금의 최소 용량 요구를 일반적으로 맞추거나 초과한다. 수리된 조각이, 열처리가 필요하거나 적정한 것으로 생각된다면, 접합후 선택된 열처리에 적용될 수 있음을 또한 주시해야 한다.
[실시예 1]
IN 100 니켈-기재 초합금을 사용하여, 주요 변수의 중요성을 평가하기 위해, 0.20-0.46인치의 두께 범위의 플랠지를 통해 0.25-0.50인치 직경 범위의 보울트 구멍 배열 상에 스크리닝(screeming)연구를 수행하였다. 16가지 미세구조 관찰을 했고 다음의 변수를 평가하기 위해 등급을 매겼다: 보울트 구멍 직경, 물질 두께, 결합 온도, 구멍 및 플러그 맞춤허용차, 단조 하중, 업셋, 및 냉각 속도, 시험결과는, 정밀한 플러그 및 맞춤 허용차(예컨대 약 0.001인치), 고 업셋(예컨대 약 0.070인치), 및 고압(예컨대 35.50ksi)의 조합이 약 1960-2040°F 범위의 온도에서 재결정화 현상을 용이하게함을 지시했다.
[실시예 2]
IN 100 합금 봉내에 드릴링된 구멍의 두가지 수리를 본 발명에 따라 수행했다. HR-6 및 HR-17로 지침된, 이러한 수리는 표 2에 제시된 파라미터로 수행되었다.
[실시예 3]
수리된 물질의 성질을 IN 100 합금의 최소 규격치와 비교하기 위해 실시예 2에서와 같이 수리된 합금 봉을 인장시험에 적용하였다. 이들 결과는 표 3에 제시되어 있다.
[실시예 4]
부가적 보울트 구멍 수리를 본 발명에 따라 IN 100 합금 봉제로 수행하고, 일반적으로 ASTM E606-80의 과정, 일정-진폭 저-사이클 피로 시험을 위한 표준 추천된 실습에 따라 단축 저-사이클 피로 시험을 적용시켰다. 시험은 800°F, 240ksi 최대 집중 응력(2.55의 KT의 경우 94ksi의 최대 공칭 응력), 0.05의 응력비 Re, 및 10cpm의 진동수에서 수행했다.
보울트 구멍 시험 표본을 표준 제조 과정을 사용하여 제조하고, 중심 구멍을 드릴-보오호운(drill-bore hone) 및 Sutton-Barrel 접근을 사용하여 처리했다. 이러한 피로 시험의 결과는 표 4에 나타나있다.
저-사이클 피로 시험에 관해, 수행된 바의 시험 조건하에, IN 100 합금 봉재는 실패전 12,599 사이클의 99.9% 하한을 산출하는 것으로 예측될 수 있었고, 반면 각각의 수리된 표본은 이 숫자를 훨씬 초과했음을 주시해야 한다.
본 발명의 상기 기술은 당업자들에 의해 상당한 변경, 변화, 및 응용이 가능하며, 그러한 변경, 변화 및 응용은, 첨부된 특허청구 범위에 의해 제시된, 본 발명의 영역내에 있는 것으로 간주되어야 함을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. a)구멍의 크기를 소정의 균일한 직경까지 확대하고; b)오염을 제거하기 위해 상기 확대된 구멍의 벽을 제공하고; c)상기 확대된 구멍에, 오염의 제거로 제공되고, 상기 확대된 구멍의 예정된 직경보다 0.0005-0.004인치 작은 균일한 직경을 갖고, 상기 확대된 구멍의 끝위로 연장된, 금속 합금과 유사한 물질로 구성되고 유사한 열처리를 갖는 플러그를 배치시키고; 및 d)상기 플러그 끝에 힘을 적용시키면서, 상기 플러그의 변형, 연화, 금속 흐름, 및 상기 플러그 및 상기 벽의 결합을 야기시키는 온도까지 상기 플러그 및 상기 확대된 구멍의 벽을 국부적으로 가열하는 단계를 포함하는 금속 합금 지지체내 구멍의 수리방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플러그가 합금의 용액온도 200°F내 이나 이를 초과하지 않는 온도까지 적용되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 온도가, 상기 플러그와 상기 확대된 구멍의 벽간의 계면에서 및 계면을 가로질러 재결정화가 일어나도록 하기에 충분한 방법.
  4. 제3항에 있어서, 플러그와 확대된 구멍 간의 결합-선계면이 재결정화존내에 있는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 재결정화된 입자 직경 크기가 재결정화존을 둘러싸는 물질의 입자 직경보다 작은 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 재결정화된 입자 크기가 2.5-5마이크로인치인 방법.
  7. 제4항에 있어서, 표면으로부터 과다한 플러그 물질을 제거하는 단계가 포함되는 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 합금이 티타늄 합금인 방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 합금이 니켈-기재 초합금인 방법.
  10. a)구멍을 소정의 균일한 직경까지 확대하고; b)결합을 촉징하기 위해 상기 확대된 구멍의 벽을 처리하고; c)상기 확대된 구멍의 직경보다 0.0005-약0.004인치 작은 직경 및 상기 구멍의 끝위로 연장하기에 충분한 길이를 갖고, 상기 물질과 같은 또는 유사한 조성 및 처리를 갖는 플러그를 제공하고; d)상기 플러그를 상기 구멍에 배치시키고; e)상기 플러그에 충분한 압력을 적용시키고, 상기 플러그 및 상기 구멍의 둘레의 벽을 국부적으로 가영하여 상기 플러그를 상기 벽에 단조 접합시키고; 및 f)상기 초합금 구조물의 표면으로부터 과다한 플러그 물질을 제거하는 단계를 포함하는, 티타늄 합금 및 니켈-기제 초합금으로부터 선택되는 물질로 구성된 구조를 내 구멍의 수리방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 구조물이 가스 터어빈 엔진의 부품의 짝지은 표면인 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 압력 및 온도가 플러그와 상기 구조물의 단조 접함 및 금속 흐름을 야기시키기에 충분한 방법.
  13. 제12항에 있어서, 재결정화가 상기 플러그와 상기 구조물의 계면에서 일어나는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 재결정화된 존내 입자직경이 둘레의 구조물내 입자 직경보다 작은 방법.
  15. 제12항에 있어서, 수리 부위를 통해 구멍을 제드릴링하는 단계가 포함되는 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 물질이 니켈-기재 초합금인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 물질이 Mar M 합금, MERL 76, IN 100, Inconel 합금, Waspaloy, Astroloy, 및 Udimet 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 물질이 티타늄 합금인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 물질이 T1-6Al-4Mo, Ti-8Al-1Mo-1V, 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
  20. 하기 a)-e)단계를 포함하는, 적합한 물질의 플러그 및 열처리를 사용하고, 그다음 플러그 및 짝지은 계면 표면 주위에 원주형으로 결합표면에서 및 표면을 가로질러 미세하고 변형의 가없이 입자를 재결정화하고, 핵형성시키며 성장시키기 위해 접합부 부위를 충분히 고온 가공함으로써 모재 금속내 구멍을 메우는 방법: a)통상적인 구멍 확대 조작에 의해 구멍을 확대시켜, 과대 크기의 구멍을 남기고; b)상기 확대된 구멍으로 충분한 클리어런스를 갖는 교체플러그를 배치시켜, 원래의 구멍 표면 위로 및 아래로 돌출부를 남기고; c)플러그상에 예비-하중력을 적용시킨 다음, 물질의 제결정화온도 이상이나 임의의 액체 상 이하인 충분한 온도로 국부적으로 가열시켜; 그결과 d)증가된 압력 및 열의 동시적용으로, 확대된 구멍의 외부 직경에 의해 제한되는 접합부 계면의 재결정화 및 가성흐름을 야기시키고; 및 e)표면에서 과다한 변형된 물질을 제거한다.
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