KR100533871B1 - 일체형 블리스크의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보기기류 엔진 블리스크(Blisk)의 제조에 관한 것으로, 그 목적은 열간정수압(Hot Isostatic Pressing)에 의해 디스크부(Disc Portion)와 블레이드부(Blade Portion)가 일체화된 블리스크를 제조하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명에 따른 일체형 블리스크의 제조방법은, 먼저 블레이드부(13)가 각각 삽입될 수 있는 다수개의 삽입부를 측면에 구비하고 내부가 빈 원통 형상의 성형용 캔(11)을 준비한다. 그 다음 상기 성형용 캔(11)의 삽입부에 블레이드부(13)를 삽입한 후, 블레이드부를 캔에 브레이징한다. 상기 블레이드부가 브레이징된 성형용 캔 내부에 초내열합금 분말을 장입한 후, 상기 성형용 캔을 밀폐하고, 상기 성형용 캔을 탈가스처리한다. 상기 성형용 캔과 블레이드부를 열간정수압에 의해 성형하여 블레이드와 상기 분말을 확산접합시키고, 이후 상기 성형용 캔을 제거한다.

이러한 제조방법에 따르면, 종래방법에 비하여 제조공정이 단순하여 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 종래방법에 의해 제조된 블리스크에 비해서도 디스크부와 블레이드부 사이의 접합 특성이 우수하고 부품이 경량화되어 엔진 효율의 향상이 기대된다.

Description

일체형 블리스크의 제조방법{Method for Manufacturing an Integrated Blisk}

본 발명은 터보기기류 엔진 블리스크(Blisk)의 제조에 관한 것으로, 더 자세하게는 열간정수압(Hot Isostatic Pressing)에 의해 디스크부(Disc Portion)와 블레이드부(Blade Portion)가 일체화된 블리스크를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 블리스크는 디스크부와 블레이드부로 구성되어 있는 부품으로서, 터보기기 등에 사용된다. 도 1은 일반적인 블리스크인 퍼트리(Firtree) 형태의 블리스크에 대한 구성도를 도시하고 있다. 종래의 퍼트리 형태의 블리스크(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 디스크부(2)에 블레이드부(3)가 기계적으로 체결되어 있다.

이러한 블리스크는 부품 사용환경으로 인해 디스크부(1)와 블레이드부(3)에서 요구되는 특성이 다르다. 디스크부의 경우 우수한 피로특성이 요구되는 반면, 블레이드부의 경우 우수한 고온 크리프 특성이 요구된다. 이러한 이유로 블리스크의 디스크부는 보통 단조 또는 분말 성형공정을 통해 제조되어 왔으며, 블레이드부는 정밀주조에 의해 제조되어 왔다.

그러나, 최근에는 엔진효율 향상, 부품 경량화 등을 위해 디스크부와 블레이드부간 마찰용접이나 확산접합 등의 기술을 적용하여 보다 다양한 형태의 블리스크를 일체형으로 제조하고 있다. 예컨대, 확산접합 기술을 사용하는 경우 링(Ring) 형태로 주조된 블레이드를 분말야금으로 제작된 디스크에 확산접합시키는 방법이다. 그러나, 이 기술은 개별 블레이드의 주조에 비해 블레이드 링을 주조함에 있어서 용탕 충진이 어렵고 용탕 냉각속도의 조절이 어렵다. 또한, 마찰용접 기술의 경우 미리 제조된 디스크부와 개별 블레이드에 대하여, 블레이드를 디스크의 적절한 위치에 접촉시킨 상태에서 병진운동시킴으로써 마찰용접을 수행하여 디스크와 블레이드를 접합시키는 기술이다. 그러나, 이 기술은 디스크부와 블레이드부의 마찰용접 공정이 길고 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 단점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 종래기술과는 달리 적절한 열간 정수압 성형에 의해 디스크부와 블레이드부를 일체로 결합한 블리스크를 제조하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 디스크부에 블레이드부가 결합된 블리스크의 제조방법에 있어서, 상기 블레이드부가 각각 삽입될 수 있는 다수개의 삽입부를 측면에 구비하고 내부가 빈 원통 형상의 성형용 캔(Can)을 준비하는 단계; 상기 성형용 캔의 삽입부에 블레이드부를 삽입한 후, 블레이드부를 캔에 가접하는 단계; 상기 블레이드부가 가접된 성형용 캔 내부에 초내열합금 분말을 장입한 후, 상기 성형용 캔을 밀폐하고, 상기 성형용 캔을 탈가스처리(Outgassing)하는 단계; 상기 성형용 캔과 블레이드부를 열간정수압에 의해 성형하여 블레이드와 상기 분말을 확산접합시키는 단계; 및 상기 성형용 캔을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 제조방법은, 디스크부와 블레이드부가 결합된 블리스크이면 어떠한 형상의 블리스크에도 적용될 수 있다.

이러한 블리스크에 대한 일례를 도2에 도시되어 있다. 도 2는 본 발명의 일체형 블리스크의 제조공정을 설명하기 위한 모식도로서, 도 2a는 성형용 캔을 도시한 사시도이고, 도 2b는 블레이드부를 도시한 사시도이며, 도 2c는 성형용 캔에 블레이드부를 삽입한 모습을 도시한 도면이고, 도 2d는 그 완성된 일체형 블리스크에 대한 사진이다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 제조방법을 설명하면, 먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 블레이드부(13)가 각각 삽입될 수 있는 다수개의 삽입부(11a)를 측면에 구비하고 내부가 빈 원통 형상의 성형용 캔(Can, 11)을 준비한다. 상기 성형형 캔은 스테인레스와 같은 재질로 제작할 수 있으며, 이 성형용 캔은 나중에 제거된다.

그 다음, 상기 성형용 캔의 삽입부에 도 2b와 같은 블레이드부(13)를 삽입한 후, 상기 블레이드부(13)를 성형용 캔(11)에 가접한다.

상기 블레이드부(13)는 블리스크의 형상에 따라 다를 수 있다. 이러한 블레이부(13)의 바람직한 형상으로서, 예컨대 도 2b에 도시된 바와 같이, 블레이드 날개(13a)와, 상기 블레이드 날개(13a)의 끝단에 형성되어 상기 캔(11)의 내면을 따라 접촉되는 지지부(Platform, 13b)와, 상기 지지부(13b)의 일측에 돌출된 돌출부(Root, 13c)를 구비한 블레이드부를 들 수 있다. 도 2a 내지 도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 블레이드부(13)는, 캔(11)의 측면에 구비된 삽입부(11a)에 상기 블레이드(13)의 일측에 형성된 블레이드 날개(13a)를 캔(11)의 내부로부터 외부로 삽입함으로써 장착되며, 상기 블레이드부(13)의 지지부(13b)는 블레이드 날개(13a)를 성형용 캔(11)에 삽입한 후 블레이드부(13)가 유동되지 않도록 블레이드부(13)를 성형용 캔(11)에 고정시킨다. 또한, 상기 블레이드부(13)의 돌출부(13c)는 캔(11) 내부에 장입되는 분말 내에 묻히게 되며, 이 캔 내부(11)에 장입된 분말에 대한 후상술하는 탈가스공정 및 열간정수압 공정을 통해 분말이 블레이드의 돌출부에 확산접합됨으로써 고정된다. 이러한 블레이드부(13)는 정밀주조 등에 의해 개별적으로 제작된다.

또한, 상기 블레이드부를 성형용 캔에 가접하는 방법으로는 브레이징(Brazing)과 같은 용접방법이 바람직하다.

그 다음, 상기 블레이드부(13)가 가접된 성형용 캔(11) 내부에 초내열합금 분말을 장입한 후, 도 2c와 같이 상기 성형용 캔을 캔뚜껑(11b)에 의해 완전히 밀폐하고, 상기 성형용 캔(11)을 탈가스처리한다. 본 발명에서 사용되는 초내열합금 분말로는 내식성이 우수한 Ni계 합금 등이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 100mesh 이하, 더 바람직하게는 200mesh 이하의 입자 크기를 갖는 분말을 사용하는 것이다. 또한, 탈가스처리는 상하 캔뚜껑을 용접하여 완전히 봉인된 상태에서 진공상태 하에 적절히 가열함으로써 달성될 수 있다.

그 다음, 상기 성형용 캔과 블레이드부를 열간정수압에 의해 성형하여 블레이드와 상기 분말을 확산접합한다. 이때, 상기 열간정수압에 의한 성형은 1050~ 1150℃의 온도에서 80~ 120MPa의 압력을 가하는 것이 바람직하다. 상기 열간정수압 성형온도에서 성형을 하게 되면, 성형 중에 분말 입자의 성장을 제한하며 동시에 분말 성형부(디스크부) 및 디스크부- 블레이드간의 접합부 특성을 극대화할 수 있다. 또한, 상기 열간정수압 성형압력에서 성형이 이루어지면, 성형품의 성형밀도를 99% 이상 달성함과 동시에 접합부에서 원자의 확산을 충분히 발생시킴으로써 접합부 특성이 극대화될 수 있다.

마지막으로, 상기 성형용 캔을 제거하면, 캔 내부의 분말이 성형되어 디스크부(12)를 형성하게 된다. 이때, 상기 성형용 캔은 기계적인 가공을 통하여 제거될 수도 있으나, 디스크부보다 연한 재질을 사용하고 부식을 통하여 제거하는 것이 더 바람직하다. 도 2d는 본 발명에 따라 제조된 다른 일체형 블리스크의 일례를 보이고 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

입자크기가 각각 -140mesh(발명예 1)와 -270mesh(발명예 2)인 Ni계 초내열합금 Udimet 720 분말을 준비하여, 이 분말들을 충전하여 완전히 밀봉한 후, 약 500℃에서 약 2시간 동안 진공상태로 유지하여 탈가스처리를 행하였다. 계속하여 약 1100℃의 온도에서 약 100MPa의 압력을 가하여 약 2시간 동안 열간정수압기를 통해 성형하였다.

이렇게 성형된 각각의 성형품에 대하여 고온인장 특성시험을 행하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3a는 발명예(1, 2)에 대한 고온인장강도 결과이고, 도 3b는 연신율 및 단면감소율 결과를 보이고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 분말 입자의 크기가 작을 때 성형품의 고온인장강도가 월등히 우수하며, 연신율 및 단면감소율 측면에서도 입자크기가 작을 때 더 우수한 특성을 나타내고 있다.

[실시예 2]

Mar- M 247합금 분말을 사용하여 도 2b와 같은 형상을 갖는 다수개의 블레이드부를 진공정밀주조하고, 또한 도 2a와 같은 형상으로 제작된 스테인레스 캔을 준비하여, 상기 블레이드부를 캔에 조립한 후, Ni계 초내열합금인 Udimet 720 분말을 상기 캔에 충전하였다. 이때, 분말은 -270mesh의 입자크기를 갖는 분말을 사용하였다.

상기 분말이 충전된 캔을 완전히 밀봉한 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 탈가스처리를 행하고, 계속하여 약 1100℃의 온도에서 약 100MPa의 압력을 가하여 열간정수압기를 통해 상기 캔을 성형하였다. 이때, 열간정수압 성형시간은 각각 2시간(발명예 2), 3시간(발명예 4) 동안 행하였다. 그 후, 부식을 통해 상기 성형용 캔을 제거하여 일체형 블리스크를 제조하였다.

이렇게 제조된 블리스크의 디스크부와 블레이드부 사이의 접합부에 대하여 각각 고온시험 특성을 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4a는 발명예 3과 4에 대한 접합부의 고온인장 시험결과이며, 도 4b는 그 연신율 및 단면감소율을 보이고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 성형시간이 증가함에 따라 블리스크의 접합부의 고온 인장강도가 향상되었으며, 특히 연신율 측면에서 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 블리스크의 디스크부의 분말야금 공정과 접합을 위한 확산접합 공정을 일체화함으로써, 종래방법에 비하여 제조공정이 단순하여 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 종래방법에 의해 제조된 블리스크에 비해서도 디스크부와 블레이드부 사이의 접합 특성이 우수하고 부품이 경량화되어 엔진 효율의 향상이 기대된다.

도 1은, 종래의 블리스크에 대한 일부 사시도이다.

도 2는, 본 발명에 따른 일체형 블리스크의 제조과정을 설명하기 위한 모식도이다.

도 3은, 본 발명의 성형분말에 대한 고온인장 특성도이다.

도 4는, 본 발명에 따라 제조된 일체형 블리스크의 접합부에 대한 열간정수압 조건에 따른 고온인장 특성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1, 10 ..... 블리스크

11 ........ 성형용 캔

2, 12 ..... 디스크부

3, 13 ..... 블레이드부

Claims (4)

1. 디스크부에 블레이드부가 결합된 블리스크의 제조방법에 있어서,

   상기 블레이드부가 각각 삽입될 수 있는 다수개의 삽입부를 측면에 구비하고 내부가 빈 원통 형상의 성형용 캔을 준비하는 단계;

   상기 성형용 캔의 삽입부에 블레이드부를 삽입한 후, 블레이드부를 캔에 가접하는 단계;

   상기 블레이드부가 가접된 성형용 캔 내부에 초내열합금 분말을 장입한 후, 상기 성형용 캔을 밀폐하고, 상기 성형용 캔을 탈가스처리하는 단계;

   상기 성형용 캔과 블레이드부를 열간정수압에 의해 성형하여 블레이드와 상기 분말을 확산접합시키는 단계; 및

   상기 성형용 캔을 제거하는 단계를 포함하여 구성되는 일체형 블리스크의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 블레이드부는 블레이드 날개(13a)와, 상기 블레이드 날개(13a)의 끝단에 형성되어 상기 캔(11)의 내면을 따라 접촉되는 지지부(Platform, 13b)와, 상기 지지부(13b)의 일측에 돌출된 돌출부(Root, 13c)를 구비하는 것을 특징으로 하는 일체형 블리스크의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 초내열합금 분말은 100mesh 이하의 분말인 것을 특징으로 하는 일체형 블리스크의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 열간정수압에 의한 성형은 1050~ 1150℃의 온도에서 80~ 120MPa의 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 일체형 블리스크의 제조방법.