KR100224950B1

KR100224950B1 - 공업용 가스터어빈 고온단부품

Info

Publication number: KR100224950B1
Application number: KR1019910022877A
Authority: KR
Inventors: 고든 페터슨 란스; 플래톤 바서티스 아이오니스
Original assignee: 제이 엘. 차스킨; 제너럴 일렉트릭 캄파니; 버나드 스나이더; 아더엠. 킹
Priority date: 1990-12-14
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1999-10-15
Also published as: JP3286332B2; KR920012495A; JPH04333540A; EP0490527A1; NO914919L; NO914919D0; CN1062399A

Abstract

표준 1600 내지 1800℉의 엔진 작동 온도범위에서 우수한 기계적 성질을 갖는, 1 내지 3%의 레늄을 함유한 니켈-계초합금의 공업용 가스 터어빈 엔진 단결정 블레이드.

Description

공업용 가스 터어빈 고온단 부품

본 발명은 일반적으로 초합금에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 신규의 레늄-함유 니켈계 합금에 관한 것이며, 또한 전형적인 작동 조건하에 기계적 성질과 내식성이 결합되어 나타내는 독특한 특성때문에 특히 공업용 가스 터어빈 엔진에 사용하는 적합한 이들 합금의 신규 단결정 가스 터어빈 블레이드에 관한 것이다.

단결정 형태의 가스 터어빈 엔진 버킷(buckets)은 등축으로된 미세구조의 것에 비해 중요한 기계적 특성 잇점을 갖고 있는 것으로 널리 공지되어 있다. 잠시동안, 이러한 부품은 군용 항공기 제트 엔진의 주공급자에 의해 사용되어 왔으며, 지금은 이러한 기술이 사업용 항공기에도 계속 응용되고 있다.

이로인해, 등축으로된 미세구조의 버킷을 단결정형으로 바꾸려는 시도가 행해져 왔다. 이러한 시도는 입자 경계의 보강상을 형성시켜, 취성상의 체적 분율을 감소시키고 원소들의 결정구역을 바꾸어 합금의 보강상인 감마 프라임(gamma prime)을 형성시킬 목적으로 단독으로 가해진 원소들을 제거할 수 있게 한다.

합금 원소들의 첨가, 감소 및 제거와 같은 중요한 특성들을 예측할 수 없기 때문에, 이러한 노력에 의한 항공기 엔진의 단결정 버킷 개발 경험을 무의로 만든다.

본 발명자들은 임의의 조건하에서, 비교적 소량의 레늄을 사용하여 단결정 합금 제품의 기계적 성질을 극적으로 개선할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다. 더우기, 본 발명자들은 레늄을 최적량 보다 약간 더 사용하면 상기 성질이 두드러지게 감소하므로, 상기 레늄의 양이 중요함을 발견하였다.

또한, 본 발명자들은 임의의 조건하에 이들 합금중의 알루미늄 대 티탄의 비율을 반대로 하면 최종 제품의 기계적 성질을 두드러지게 개선할 수 있음을 발견하였다. 결국, 본 발명자들은 레늄의 상기 개선효과가 알루미늄 대 티탄 비율의 변화와는 관계가 없으며, 이들 합금의 파단 수명이 약 2%의 레늄에서 극에 달함을 발견하였다.

간단히 말해서, 본 발명의 신규 합금은 필수적으로 약 1 내지 3%의 레늄, 약 14%의 크롬, 약 9.5%의 코발트, 약 3.8%의 텅스텐, 약 2%의 탄탈, 약 1.5%의 몰리브덴, 약 0.05%의 탄소, 약 0.004%의 붕소, 및 각각 약 3 내지 4.8%의 알루미늄과 약 4.8 내지 약 3%의 티탄, 그 나먹지가 니켈로 구성되어 있는 니켈계 합금이다.

본 발명의 바람직한 수행에 따라서, 니켈계 단결정 초합금의 조성을 변형시켜, 특히 공업용 가스 터이빈 엔진의 표준 작동 온도범위 1600 내지 1800℉ 에서 기계적 성질을 상당하게 개선시킬 수 있다. 이러한 목적을 위해, 탄소 및 붕소 둘다의 양을 실질적으로 감소시키며, 탄탈의 양은 상당히 많이 감소시킨다. 그러므로, 단결정 형태에 의해 제공되는 효과를 인식하여 각종 육상 및 해상 가스 터어빈 엔진에 현재 일반적으로 사용되는 니켈계 합금을 변화시키는데, 입자 경계의 보강 효과는 탄소를 1/2(0.1% 로부터 0.05%로), 붕소를 2/3(0.012% 로부터 0.004% 로)만큼 줄이고, 탄탈을 2.8% 에서 2.0% 로 줄임에 따라 상당한 정도로 제거된다. 더우기, 다른 기술의 발명과는 반대로, 본 발명의 합금에는 3 내지 4.8% 의 원래의 알루미늄-티탄 비율이 보유된다.

본 발명의 수행시, 이들 신규는 합금은 당해 기술분야에 공지되어 있고 일반적으로 수행되는 단결정 주조 기술, 바람직하게는 회수 공정을 보편적으로 수행하여 단결정 터이빈 블레이드로 주조된다. 이때, 필요에 따라서, 균일화 목적으로 주조성분을 처리할 수 있는데, 용액으로부터 모든 감마 프라임상을 침저시키기 위해 주조 성분을 침전 열처리 방법으로 처리할 수 있다.

당해 기술분야에 숙련된자들이라면 다음의 실시예에 의해 본 발명을 더욱 바람직하게 이해할 수 있을 것이며, 하기 실시예는 본 발명을 입증하고자 한 것이지, 본 발명을 제한하고자 기술하는 것이 아니다. 또한, 하기 실시예는 실험적으로 수행되었다.

실시예 I

크롬 14%, 코발트 9.5%, 몰리브덴 1.5%, 텅스텐 3.8%, 알루미늄 3%, 티탄 4.8%, 타탈 2%, 탄소 0.05%, 붕소 0.004%, 및 그 나머지가 니켈로 이루어진 합금 조성의 용융물을 제조하여 시험편 주조물로 만들었다.

단결정 주조물을 제조하기 위한 회수 기법을 사용하여, 기계적 성질을 측정하고자 시험편을 표준 형태로 만들었다. 상기 주조물을 2 시간동안 22 내지 28℉로 열처리하고, 분당 104℉의 속도로 실온으로 냉각한 후, 1472℉로 가열하고, 24 시간동안 유지한 다음, 로를 실온으로 냉각하였다. 시험에 있어서, 상기 주조물의 파단 수명은 lin²당 2700 파운드(ksi)의 응력하에 1800℉ 에서 30 시간이었다.

실시예 II

1% 의 레늄을 첨가한 것을 제외하곤, 실시예 I 의 합금으로 또다른 용융물을 제조하고, 실시예 1에서 기술된 바와 같이 주조물을 제조하고, 상기 기술한 바와 같이 열처리하여 시험하였다. 그 결과, 1800℉ 와 2700ksi 의 응력 조건하에서 파단 수명은 60시간인 것오 입증되었다.

실시예 III

2% 의 레늄을 함유한 것을 제외하곤, 실시예 I 및 II 와 동리한 합금을 용융 및 주조하고, 그 주조물을 상기 한 바와 같이 열처리 및 시험하였다. 그 결과, 파단 수명은 1800℉ 와 2700ksi 의 응력 조건하에서 150 시간인 것으로 입증되었다.

실시예 IV

크롬 14%, 코발트 9.5%, 몰리브덴 1.5%, 텅스텐 3.8%, 알루미늄 4.8%, 티탄 3%, 탄탈 2%, 탄소 0.05%, 붕소 0.004%, 및 그 나머지가 니켈로 이루어진 조성의 합금을 용융물로서 제조하고, 실시예 I 과 같은 또다른 실험을 수행하였다.

제조된 주조물을 상기 실시예에서 기술된 바와 같이 열처리 및 시험한 바, 1800℉ 와, 27ksi 의 응력하에서 거의 150 시간의 파단 수명을 갖는 것으로 입증되었다.

실시예 V

2% 의 레늄을 함유하는 것을 제외하곤, 실시예 IV 의 합금의 용융물을 단결정 시험편 주조물을 제조하는데 사용하고, 상기 주조물을 실시예 IV 에서 기술된 바와 같이 열처리하고 시험하였다. 그 결과, 상기 주조물은 275 시간이상의 파단 수명을 갖는 것으로 입증되었다.

실시예 VI

티탄을 3% 대신 1.5%를 함유하고, 레늄을 2% 대신 3%를 함유한 것을 제외하곤, 실시예 IV 및 V와 유사한 합금을 용융물로서 제조하고, 그것을 단결정 시험 주조물로 만들었다. 상기 주조물을 상기 실시예에서 기술된 바와 같이 열처리하고, 동일한 조건하에서 시험하였다. 그 결과, 상기 주조물은 160 시간의 파단 수명을 갖는 것으로 입증되었다.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 기술된 %, 비율 및 비는 다른 특별한 언급이 없는 한 중량을 기준으로 한 것이다.

Claims

1 내지 3%의 레늄, 14%의 크롬, 9.5%의 코발트, 3.8%의 텅스텐, 2%의 탄탈, 1.5%의 몰리브덴, 0.05%의 탄소, 0.004% 의 붕소, 및 각각 3 내지 4.8%의 알루미늄과 4.8 내지 3%의 티탄, 그 나머지가 니켈로 필수적으로 이루어진 니켈계 초합금의 단결정 형태인, 공업용 가스 터어빈 고온단 부품(hot stage component).

제1항에 있어서, 상기 초합금이 2%의 레늄, 14%의 크롬, 9.5%의 코발트, 1.5%의 몰리브덴, 3,8%의 텅스텐, 4.8%의 알루미늄, 3%의 티탄, 2%의 탄탈, 0.05%의 탄소, 0.004%의 붕소, 및 그 나모지가 니켈로 필수적으로 이루어진 부품.

제1항에 있어서, 상기 초합금이 14%의 크롬, 9,5%의 코발트, 1.5%의 몰리브덴, 3.8%의 텅스텐, 2%의 레늄, 3%의 알루미늄, 4.8%의 티탄, 2%의 탄탈, 0.05%의 탄소, 0.004%의 붕소, 및 그 나머지가 니켈로 필수적으로 이루어진 부품.

제1항에 있어서, 상기 초합금이 14%의 크롬, 9.5%의 코발트, 1.5%의 몰리브덴, 3.8%의 텅스텐, 3%의 레늄, 3%의 알루미늄, 4.8%의 티탄, 2%의 탄탈, 0.05%의 탄소, 0.004%의 붕소, 및 그 나모지가 니켈로 필수적으로 이루어진 부품.