KR100603882B1

KR100603882B1 - 열처리되고, 용사 성형된 초합금 제품 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR100603882B1
Application number: KR1019990053743A
Authority: KR
Inventors: 카브랄안토니오씨
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2006-07-25
Also published as: JP2000192218A; DE69916763D1; DE69916763T2; EP1013790B1; EP1013790A3; EP1013790A2; JP3905674B2; KR20000047783A

Abstract

본 발명은 상응하는 단조(鍛造)된 제품에 필적할만한 균열 성장 속도 및 응력 파열에 대한 저항성을 나타내는 열처리된 용사(鎔射) 성형된 제품에 관한 것이다. 이 제품은 우선 용융된 금속 액적, 예컨대 약 18 내지 21중량%의 Cr, 3.5 내지 5중량%의 Mo, 12 내지 15중량%의 Co, 2.75 내지 3.25중량%의 Ti, 1.2 내지 1.6중량%의 Al, 0.01 내지 0.08중량%의 Zr, 0.003 내지 0.010중량%의 B, 대부분인 Ni로 이루어진 조성을 갖는 초합금의 액적을 증착시킴으로써 성형된다. 이 제품은 열간 등압 성형(high isostatic pressing; HIP)되고, 이어 용체화 처리, 안정화 열처리 및 석출 열처리를 비롯한 열처리를 받는다. 생성된 제품은 통상적으로 열처리된 단조된 재료에 필적할만한 항복 강도 및 인장 강도를 가질 뿐만 아니라, 그에 필적할 만한 미세한 평균 결정 입자를 갖는다. 중요하게는, 이 제품은 또한 낮은 균열 성장 속도 및 예컨대 단조된 재료에 필적할만한 응력 파열에 대한 저항성을 나타내고, 또한 등방성 미세구조를 갖는다. 이 제품은 단조된 제품 대신에 사용될 수 있다.

Description

열처리되고, 용사 성형된 초합금 제품 및 이의 제조 방법{HEAT TREATED, SPRAY FORMED SUPERALLOY ARTICLES AND METHOD OF MAKING THE SAME}

도1은 제품을 용사(鎔射) 성형하기 위한 장치를 예시하는, 부분적으로 부숴진 개략도이다.

도2는 본 발명에 따라 제품을 열처리하는 흐름도이다.

도3은 본 발명에 따라 열처리된 용사 성형된 제품의 현미경사진이다.

도4는 통상적으로 열처리된 후의 단조(鍛造)된 재료를 나타내는 미세구조의 현미경사진이다.

도5 및 도6은 용사 성형되고 열처리된 후에 열기계적으로 처리된(thermomechanically processed) 용사 성형된 제품의 미세구조의 현미경사진이다.

도7은 본 발명에 따른 제품에 대한 0.5% 크리프(creep) 대 가해진 응력 및 온도를 나타내는 그래프이다.

도8은 본 발명에 따른 제품에 대한 다양한 온도에서의 응력 파열을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 용사 성형된 구성부품, 보다 구체적으로는 상응하는 단조된 구성부품의 특성에 필적할만한 특성을 갖는 용사 성형된 구성부품에 관한 것이다.

오랫동안, 단조처리는 소정의 용도를 위한 구성부품, 예를 들면 높은 강도 및 예컨대 낮은 균열 성장 속도와 높은 응력 파열에 대한 저항성과 같은 다른 소정의 특성의 조합을 요구하는 구성부품을 생성하기 위해 사용되어 왔다. 항공 산업에 있어서, 단조처리는 각각이 통상적으로 높은 강도, 낮은 균열 성장 속도 및 높은 응력 파열에 대한 저항성의 조합을 요구하는 회전 및 정지 부품을 생성하기 위해 사용된다. 이러한 부품들은 블레이드(blade) 및 베인(vane)과 같은 복잡한 형태를 가질수 있고, 엔진 케이스, 플랜지 및 밀봉부 등의 환형의 구성부품을 포함할 수도 있다.

특히 환형의 구성부품을 단조처리하는 것과 관련하여, 완성된 구성부품의 소정의 조성에 상응하는 조성을 갖는 재료의 강편(鋼片)이 얻어진다. 그 강편은 통상은 그 재료의 잉곳(ingot)으로 특별히 제조되어야 한다. 우선 강평이 천공되고 구 후, 예를 들면 강편 재료를 일반적인 구성부품의 형태로 변형시키기 위해 다수회 링-롤링시킴으로써 열기계적으로 처리 한다. 또한 구성부품을, 예컨대 특정 수준의 피로 균열 성장 저항성 등의 소정의 특성들의 조합을 얻기 위해 열처리한 후, 정밀한 치수 또는 외관을 갖는 구성부품을 제공하도록 연마 또는 기계 가공 등으로 마감처리된다.

단조처리에 의한 구성부품의 제조는 비용이 많이 들며, 시간이 많이 소모되는 공정이므로, 통상 특히 높은 수준의 다양한 특성, 즉 낮은 균열 성장 속도 및 높은 응력 파열에 대한 저항성과 함께 높은 강도 등을 필요로하는 구성부품에 대해서만 적절하다. 단조를 위한 강편을 얻는데 있어서, 소정의 재료는 수 개월로 측정되는 리드 타임(lead time)을 필요로 한다. 구성부품의 제작 동안에, 많은 초기 강편 재료가 제거되고, 완성된 구성부품의 일부를 형성하지 않고, 버려지게 된다. 생성된 구성부품의 모양의 복잡성은 구성부품을 제작하기에 소정의 노력 및 비용을 증가시키기만 할 뿐이다. 또한, 완성된 구성부품은 광범위한 기계 가공 또는 다른 마감처리를 여전히 필요로할 수 있다. 더욱이, 효율이나 동력 또는 이들 둘 다를 증가시키기 위해 더 높은 온도에서 기체 터어빈 엔진을 작동하기 위해서는, 더 개선된 합금으로부터 제작된 구성부품이 요구된다. 이러한 더 개선된 합금중 대다수는 단조처리하기가 더 어렵거나 불가능하여, 구성부품에 대한 비용을 추가로 증가시키거나, 구성부품이 너무 비싸게 되어 엔진 기술분야에서 특정한 개선점을 활용하기가 경제적으로 어렵게 만들거나, 또는 몇몇 구성부품을 위한 특정한 합금을 이용하기 어렵게 만든다.

용사 성형은 이전에는 벌크(bulk) 재료, 예컨대 잉곳 형태의 재료로부터 높은 강도 뿐만 아니라 낮은 균열 성장 속도 및 응력 파열에 대한 높은 저항성을 나타내는 구성부품을 직접 생성하기 위해 사용되지는 않았다. 약 19.5중량%의 크롬(Cr), 4.3중량%의 몰리브덴(Mo), 13.5중량%의 Co, 3.0중량%의 티탄(Ti), 1.4중량%의 Al, 0.05중량%의 지르코늄(Zr), 및 0.006중량%의 B와, 기본적으로는 니켈이며 소량의 다른 요소의 잔부(balance)로 이루어진 조성을 갖는 (종종 "와스팔로이(Waspaloy)"로 지칭되는) 니켈기 초합금 재료의 경우에, 높은 강도, 낮은 균열 성장 속도 및 응력 파열에 대한 높은 저항성은 본원에 참조로 인용된 항공 우주 재료 설명서(Aerospace Material Specification) AMS 5707[Rev, H, publ. 1994. 8; 펜실바니아 워렌데일 소재의 에스에이이 인터내셔널(SAE Int'l) 발행]에 나타난 요건을 충족시키는 것에 해당한다. 이러한 성질들의 조합은 본 발명에 따라 제공된다.

전형적인 용사 성형 장치가 도1에 도시되어 있다. 금속은 잉곳 형태로 제공되고, 바람직하게는 진공 용융 챔버(14)내의 도가니(12)에서 저압 및/또는 비반응성 환경하에 용융된다. 용융된 금속(16)은 튠디쉬(tundish)(18)에 옮겨지고, 이어 분무기(20)를 통해 통과되는데, 이 분무기는 분무된 금속 액적을 전달하기 위해 아르곤 등의 불활성 담체 기체를 이용한다. 분무된 재료(22)는 용사 챔버(26)에 위치된 기판(24) 또는 냉각기 맨드럴(mandrel)에 충돌하여 이에 용착된다. 환형 구성부품을 형성하기 위해, 맨드럴은 원통형이고, 회전될 수 있으며, 분무된 금속의 스트림과 맨드럴은 서로에 대해 주사(走査)될 수 있다. 금속은 기판 및 이전에 용착된 금속에 충돌하여 신속히 고형화된다. 이어, 고형화된 금속의 층들은 서로 축적되어 원하는 제품을 형성한다. 예를 들면 미국 특허 제 4,830,084호를 참조한다. 이어, 이 제품은 예를 들면 재료를 조밀화시키고 강화시키기 위해 링 롤링 등의 열기계적 처리 및/또는 열간 등압 성형(hot isostatic pressing; HIP)에 의해 추가로 처리될 수 있다. 초합금은 부품들을 형성하기 위해 이러한 방식으로 용융되고 용사 성형되었지만, 형성된 부품들이 높은 강도, 낮은 균열 성장 속도 또는 응력 파열에 대한 저항성 등의 특성이 부족하여 기체 터빈 엔진 또는 다른 고온 및 고압 환경 등과 같은 소정의 용도로 형성된 것으로 사용될 수는 없다.

상술된 와스팔로이 재료는 소정의 용도에 사용하기 위한 단조된 부품을 생성하는 데 널리 사용되어 왔다. 주지된 바와 같이, 기체 터빈 엔진용 부품의 예로는 블레이드 및 베인 뿐만 아니라, 기체 터빈 엔진 케이스, 플랜지 및 밀봉부가 포함된다. 성형되면, 이들 부품은 원하는 특성을 얻기 위해서 통상 기계 가공되고 열처리될 필요가 여전히 남아 있다. AMS 5707은 상기 재료로부터 단조된 부품에 대한 통상의 열처리를 포함하고, 이는 본원에 참조로 인용되어 있다.

AMS 5707하에, 단조된 구성부품은 3단계로 열처리된다. 제 1 단계는 996 내지 1038℃(1825 내지 1900℉)의 온도에서 약 4시간 동안 용체화 처리(solution heat treatment)하고, 이어 공기 냉각과 동일하거나 이보다 빠른 속도로 냉각함을 포함한다. 제 2 단계는 약 843℃(1550℉)의 온도에서 약 4시간 동안 안정화 열처리하고, 이어 공기 냉각함을 포함한다. 제 3 단계는 약 760℃(1400℉)에서 약 16시간 동안 석출 열처리함을 포함한다. 생성된 부품은 실온에서 약 7734kgf/㎠(110ksi)) 이상의 항복 강도를 갖고, 비교적 낮은 노치 감도(感度) 및 응력 파열에 대한 높은 저항성을 나타낸다. 따라서, 와스팔로이를 단조 처리하여 제조되고 AMS 5707에 따라 열처리된 부품은 기체 터빈 엔진 케이스, 플랜지 또는 밀봉 장치, 블레이드 및 베인 뿐만 아니라, 다른 소정의 용도에 사용하기에 적합하다. 그러나, 단조된 구성부품들에는 종종 조질의 탄화물 및 다른 내포물이 상당한 농도로 존재하는데, 이러한 농도는 구성부품들 사이에서 상당히 다르다. 단조된 성분들은 기계 가공하고 검사하기가 어려운 경향이 있다. 더욱이, 정밀한 재현성이 또한 관심사인데, 단조처리는 부품간에 동일한 치수를 갖는 구성부품을 항상 생성하지는 않는다. 검사 이후에, 많은 부품은 여전히 후처리될 필요가 있다. 일반적으로, 단조된 부품은 약 20%의 시간 동안 스크레이핑되거나 후처리되어야 할 것으로 생각된다.

더욱 반복적이고 저렴하게 구성부품을 생성하기 위한 노력에서, 본 발명자들은 와스팔로이를 사용하여 시험 샘플을 용사 성형시켰다. 용사 성형되고 열간 등압 성형되면, 이들 부품은 상당한 강도를 가지지만, 높은 균열 성장 속도와 응력 파열에 대한 불량한 저항성을 나타내고, 이러한 부품은 상기의 특성을 얻기 위해서는 단조되거나 링-롤링되는 등의 열기계적으로 처리될 필요가 있는 것으로 생각된다. 이러한 추가의 단계에 대한 비용은 바람직하지 않은 일이다.

주지된 바와 같이, 단조된 와스팔로이로 이루어진 구성부품에 대한 통상적인 표준 열처리는 AMS 5707에 나타나 있다. 그러나, 본 발명자들은 열간 등압 성형되고 AMS 5707에 따라서 열처리되거나 다른 통상의 방식으로 열처리된, 용사 성형된 와스팔로이로 이루어진 부품이 단조된 부품과 유사한 항복 강도 및 인장 강도를 나타내지만, 비교적 불량한 균열 성장 속도, 응력 파열에 대한 저항성 및 다른 특성을 나타내어 그 구성부품이 상기의 고려사항이 충족되어야만 하는 용도에는 사용될 수 없다고 결정하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 상응하는 단조된 제품의 특성에 필적할만한 특성을 갖는 용사 성형된 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 보다 구체적인 목적은 상응하는 단조된 제품에 필적할만한 강도, 균열 성장 속도 및 응력 파열에 대한 저항성을 균형 있게 나타내는 용사 성형된 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제품의 균열 성장 속도가 낮고 응력 파열 저항성이 높은 용사 성형된 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 와스팔로이로부터 단조된 상응하는 제품의 특성에 필적할만한 특성을 갖는, 용사 성형된 와스팔로이로 이루어진 제품을 제공하기 위한 열처리 방법 등을 제공하는 것이다.

본 발명은 높은 강도, 및 응력 파열과 균열 성장에 대한 저항성을 제공하도록 가공된 용사 성형된 제품을 포함한다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 서로에 대해 축적된 금속 액적에 의해, 예컨대 용사 성형시켜 성형된 니켈기 초합금으로 이루어진 금속 제품이 개시된다. 이어서, 이 제품은 AMS 5707에 따라 열처리된 단조된 구성부품에 대한 값에 필적할만한 균열 성장 속도 및 응력 파열에 대한 저항성을 갖는 제품을 제공하도록 열처리된다. 또한, 이 제품은 통상 재료가 등방성 미세구조를 갖는 것을 특징으로 하지만, 용사 성형된 제품이 예비성형체(preform)로서 사용되는, 즉 제품이 용사 성형되고 열기계적으로 처리되는 정도로 단류선(鍛流線)을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 증진된 응력 파열 및 균열 성장에 대한 저항 특성을 갖는 니켈기 초합금으로 이루어진 용사 성형된 제품을 생성하는 방법이 개시된다. 이 방법은 제품이 성형되었을 때 약 3부피% 이하의 다공도를 가짐을 특징으로 하도록 제품을 용사 성형하는 단계, 및 제품의 다공도를 감소시키고 AMS 5707에 따라 열처리된 단조된 구성부품에 대한 값에 필적할만한 균열 성장 속도 및 응력 파열 저항성을 제품에 제공하기에 충분하도록 제품을 열처리하는 단계를 포함한다.

도1을 참고하여, 열간 등압 성형되며 열처리된 본 발명에 따른 제품은 먼저 본 기술분야에 공지된 방식으로 용사 성형된다. 발명의 명칭을 "축적된 융체 입자로부터의 고형 금속 제품(Solid Metal Articles From Built Up Splat Particles)"으로 하는 싱어(Singer)에게 허여된 미국 특허 제 4,515,864호, 및 발명의 명칭을 "용사된 금속 또는 금속 합금으로부터 성형된 금속 제품을 제조하는 방법 및 장치(Method and Apparatus for Making Shaped Metal Articles From Sprayed Metal or Metal Alloy)"로 하는 브룩스(Brooks)에게 허여된 미국 재발행 특허 제 31,767호(제 3,909,921호의 재발행)를 참조하며, 이들 둘 다는 본원에 참고로 인용되어 있다 본 발명에서 사용되는 바람직한 재료에 있어서, 이러한 재료는 약 18 내지 21중량%의 Cr, 3.5 내지 5중량%의 Mo, 12 내지 15중량%의 Co, 2.75 내지 3.25중량%의 Ti, 1.2 내지 1.6중량%의 Al, 0.01 내지 0.08의 Zr, 0.003 내지 0.010중량%의 B 및 기본적으로는 Ni인 잔부로 이루어진 넓은 조성을 갖고, 더욱 바람직하게는 약 19.5중량%의 Cr, 4.3중량%의 Mo, 13.5중량%의 Co, 3.0중량%의 Ti, 1.4중량%의 Al, 0.05중량%의 Zr, 0.006중량%의 B, 및 기본적으로 니켈과, 소량의 기타 요소로 이루어진 잔부를 갖는 조성을 갖는다. (이 재료는 때때로 "와스팔로이"로 지칭되며 본원에 사용된다.) 이 재료는 또한 약 0.04 내지 0.075중량%의 C, 약 0.15중량% 이하의 Mn, 약 0.175중량% 이하의 Si, 약 0.01중량% 이하의 S, 약 0.02중량% 이하의 P, 약 2.25중량% 이하의 철, 약 0.15중량% 이하의 Cu, 약 0.00075중량% 이하의 Pb, 약 0.000035중량% 이하의 Bi, 약 0.0005중량% 이하의 Ag, 약 0.01중량% 이하의 O 및 약 0.01중량% 이하의 N을 포함할 수도 있다. 즉, 이 제품은 하기 추가로 설명된 바와 같이 본 발명에 따라서 용사 성형되고 열간 등압 성형되며 열처리된다. 생성된 제품은 실온 및 상승된 온도(예컨대, 적어도 약 704℃(1300℉) 까지)에서의 항복 강도와 인장 강도에 대하여 단조된 제품에 필적할만 하고, 균열 성장 속도가 낮고, 응력 파열에 대한 저항성이 높으며, 또한 단조처리에 비해 비용, 폐기물 및 노력이 상당히 감소하고 리드 타임을 실질적으로 감소시킨다.

논의된 바와 같이, 용사 성형에 사용된 금속은 요소 혼합물을 용융하거나, 파쇠 재료를 재용융하거나 다른 방식에 의해 예컨대 잉곳 형태로 제공된다. 재료는 바람직하게는 저압 및/또는 비-반응성 환경 하에 유지된 진공 용융 챔버(14)내에 위치된 도가니(12)에서 용융된다. 용융된 금속(16)는 튠디쉬(18)로 옮겨지고, 이어 분무기(20)를 통해 통과되는데, 분무기는 분무된 금속 액적을 전달하기 위해 아르곤등의 불활성 담체 기체를 이용한다. 분무된 재료(22)는 냉각된 맨드럴 또는 용사 챔버(26)에 위치된 기판(24)(이는 바람직하게는 저압 및/또는 비반응성 환경하에 유지된다)으로 향하게 된다. 환형 구성부품을 형성하기 위해, 맨드럴은 원통형이고, 회전될 수 있으며, 분무된 금속의 스트림 및 맨드럴은 서로에 대해 주사될 수 있다. 금속은 우선 기판에 충돌하고, 이어 이전에 증착된 금속에 충돌하여 신속히 고형화되고, 이에 따라 단조처리에 비해 보다 미세한 결정 입자가 제공된다. 고형화된 금속의 층들이 축적되어 원하는 제품을 형성한다. 와스팔로이로부터 제작된 제품이 기술되어 있지만, 당 기술분야의 숙련가라면 다른 재료로 제조된 제품도 본 발명에 따라서 용사 성형되고, 열기계적으로 처리되며, 열간 등압 성형되고, 열처리될 수 있음을 잘 알 것이다. 또한, 당 기술분야의 숙련가라면 용융되거나 반용융된 재료의 액적을 동일한 효과로 기판 상에 증착시키는 다른 방법(예컨대, 제품을 성형하기 위해 사용될 수 있는 저압 또는 진공 환경하에서의 용사 성형법)이 있음을 잘 알 것이다.

특정한 용사 성형에 대한 파라미터는 본 발명에 특별히 중요한 것으로 생각되지 않지만, 액적이 큰 것보다는 작은 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 10,000미크론의 직경을 갖는다. 또한, 액적을 보다 낮은 온도에서 도포하는 것이 바람직하다. 액적은 바람직하게는 기판 및 이전에 용착된 재료 상에 충돌할 때까지 반용융된 상태로 남아있는데 필요한 온도보다 더 높지 않아야 하지만, 충돌 전에 실질적으로 고형화되지 않도록 충분히 높아야 한다. 액적의 속도는 액적을 용융 상태로 전달하기에는 충분히 빨라야 하지만 기판 및 이전에 용착된 액적에 고착될 수 있도록 충분히 느려야 한다. 분무 노즐 및 기판 사이의 거리 또한 조정될 수 있어, 재료가 용착되는 속도가 조절될 수 있다.

용사 성형된 제품은 성형될 경우 통상 부피의 1 내지 3% 정도의 다공성이 존재하는 것을 특징으로 한다. 대조적으로, 단조된 제품은 다공성을 나타내지 않는다. 다공성은 제품의 강도를 감소시키는 경향이 있다. 용사 성형된 제품은 재료를 조밀화시키기 위해 처리된다. 도2에 있어서, 용사 성형에 의해 성형된 조질의 제품은 바람직하게는 먼저 열간 등압 성형에 의해 조밀화된다. 특정한 열간 등압 성형 파라미터는 열간 등압 성형 처리되는 재료 및 감소되어야 할 다공성의 정도에 따라 다르지만, 용사 성형된 와스팔로이의 경우 부품은 바람직하게는 약 982 내지 1093℃(1800 내지 2000℉) 및 1055 내지 1758kgf/㎠(15000 내지 25000psi)에서 4시간 동안, 더욱 바람직하게는 불활성 대기, 예컨대 아르곤 하에서 열간 등압 성형 처리된다. 압력 및 온도는 일정한 열간 등압 성형을 확보하기 위해서 예컨대 적어도 매 5분마다 감시된다. 도2가 열처리 이후에 발생되는 임의의 후속되는 가공 또는 기계 가공을 예시하지만, 제품은 열간 등압 성형 이후에 임의의 시점에 최종 치수로 기계 가공될 수 있다.

용사 성형된 제품은 상응하는 단조된 제품에 비해 매우 불량한 응력 파열에 대한 저항성 및 균열 성장 속도를 나타낸다. 열간 등압 성형된 제품은 이러한 특성을 크게 개선시키지는 않는다. 예컨대 와스팔로이에 대해 AMS 5707 등의 단조된 제품에 대한 공업 표준법을 사용하여 이들 제품을 열처리하면 이러한 특성은 단조된 수준으로 회복되지 않는다. 따라서, 단지 용사 성형되고 열간 등압 성형된 제품은 기체 터빈 엔진 등의 소정의 용도에 사용될 수 없다.

본 발명에 따라서, 용사 성형되고 열간 등압 성형된 제품은 강도의 균형, 낮은 균열 성장 속도 및 응력 파열에 대한 높은 저항성을 제공하기 위해 열처리되고, 이에 따라 제품은 소정의 용도에 사용하기에 적합하게 된다. 추가로 하기에 논의되는 바와 같이, 바람직한 열처리는 용체화 처리(32), 안정화 열처리(34) 및 석출 열처리(36)를 포함한다. 후술되는 특정한 온도, 시간 및 냉각 속도는 가공될 특정 재료에 따라 달라질 것이다. 바람직한 열처리는 통상적으로 단조된 재료에 비해 보다 미세하고 균일한 미세구조를 갖는 용사 성형된 제품을 제공한다. 도3 및 도4의 미세구조를 비교한다. 제품은 또한 필요할 경우 마감처리(38)(도2), 예컨대 기계 가공된다. 마감처리는 바람직하지만, 열간 등압 성형 이후에 반드시 수행되어야 하는 것은 아니다.

용체화 처리(32)는 열처리의 주요 부분을 포함하고, 처리될 특정 재료에 따라 달라진다. 도3은 본 발명에 따라 열처리된 이후의 제품의 미세구조를 나타내는 현미경사진이다. AMS 5707에 대략 기술된 조성의 와스팔로이 재료의 경우, 부품은 약 1052 내지 1107℃(1925 내지 2025℉), 바람직하게는 1079℃(1975℉)의 용체화 처리 온도로 약 2시간 동안 가열되고, 오일 또는 물에서 퀀칭(quenching)된다. 결정 입자가 클수록 양호한 특성을 제공하지 않기 때문에, 용체화 처리 온도 및 시간의 조합은 재료의 결정 입자가 크게 증가하는 온도 및 시간보다 낮도록 선택된다. 용사 성형된 재료는 상응하는 단조된 재료에 비해 상승된 열처리 온도에서 입자 성장에 덜 영향을 받으므로, 따라서 단조된 제품에 대한 AMS 5707에 제공된 상응하는 용체화 처리에 비해 보다 높은 온도에서 용체화 처리될 수 있다.

용체화 처리된 이후에, 부품은 안정화 열처리(34) 되는데, 이의 구체적인 사항은 처리될 특정한 재료에 따라 달라질 것이다. 와스팔로이로부터 제작된 제품의 경우, 제품은 약 816 내지 871℃(1500 내지 1600℉), 바람직하게는 약 843℃(1550℉)의 온도로 가열되고, 약 4시간 동안 안정화 열처리 온도에서 유지된 후, 공기 냉각과 동일하거나 이보다 빠른 속도로 냉각된다.

안정화 열처리되고 냉각된 이후에, 부품은 석출 열처리(36) 되는데, 이는 처리될 특정 재료에 따라 달라질 것이다. 와스팔로이의 경우, 부품은 732 내지 788℃(1350 내지 1450℉), 바람직하게는 약 760℃(1400℉)의 온도에서 약 16시간 이상 동안 가열된 후, 공기 냉각과 동일하거나 이보다 빠른 속도로 냉각된다.

주지된 바와 같이, 본 발명의 예시된 적용은 양호한 강도뿐만 아니라, 단조된 성분에 필적하거나 그보다 나은 다른 특성, 예컨대 낮은 균열 성장 속도 및 응력 파열에 대한 높은 저항성을 갖는 용사 성형된 제품의 생성을 가능하게 한다. 본 발명에 따라서 열간 등압 성형되고 열처리된 용사 성형된 와스팔로이의 샘플을, 그의 항복 강도 및 극한 인장 강도 뿐만 아니라 연성(ductility)에 대해 결정하기 위해 시험하였다. 인장 특성에 있어서, 샘플을 실온(약 20℃(68℉)) 및 상승된 온도(약 649℃(1200℉)) 둘 다에서 시험 전의 일정 기간 동안 유지시킨 후 시험하였다. 샘플을 항복 강도(실온에서 약 7734kgf/㎠(110ksi)이고 649℃(1200℉)에서 93.5ksi임)를 통해 0.005in/in/분의 변형 속도로 변형시켰다. 하기 특성이 얻어졌다:

특성	실온	649℃(1200℉)
인장 강도(분)	11249kgf/㎠(160ksi)	98431kgf/㎠(140ksi)
항복 강도, 0.2% 오프셋(분)	7734kgf/㎠(110ksi)	6574kgf/㎠(93.5ksi)
4D에서의 신장(분)	15%	15%
면적 감소(분)	18%	18%

이들 특성에 대한 최소 값은 부품의 특정 용도에 따라서 보다 높거나 낮을 수 있다. 상기 값은 예컨대 기체 터빈 엔진 케이스, 플랜지 및 밀봉부 등의 상기 언급된 부품에 해당한다. 상기 특성은 특정 부품, 예컨대 엔진 케이스 및 링에 대해 고안된다.

상기 주지된 특성은 하기 특성을 요구하는, AMS 5707에 따라 열처리된 단조된 재료의 특성에 필적할만 하다.

특성	실온
인장 강도(분)	11249kgf/㎠(160ksi)
항복 강도, 0.2% 오프셋(분)	7734kgf/㎠(110ksi)
4D에서의 신장(분)	15%
면적 감소(분)	18%

AMS 5707에 주지된 바와 같이, 단조된 재료에 대한 특성은 샘플이 종방향으로 시험되든지 횡방향으로 시험되든지와 무관하게 필적할만해야 한다.

또한, 예컨대 ASTM E292에 따르는, 다듬질(smooth) 응력 및 노칭(notching) 응력 파열 시험이 표준 조합되어진 견본(본 발명에 따라 제조된 재료를 포함함)을 시험하였다. 견본을 732℃(1350℉)에서 유지시키고 약 5273kgf/㎠(75ksi)의 초기 축 응력을 가한 후 연속적으로 부하하였다. 그 견본은 단지 23시간 이상 후에나 파열되었다. 본 발명에 따라 가공된 와스팔로이에 대한 상기 값은 AMS 5707에 따라 열처리된 단조된 재료에 필적할만 하다.

상기 언급된 후속적인 가공의 예는 링 롤링이다. 간단히, 링 롤링은 통상 환형 제품, 예컨대 엔진 케이스 및 밀봉부를 위해 사용되고, 제품을 가열시키고 일련의 롤러 사이에 제품을 반복적으로 통과시켜 원하는 크기의 제품을 형성하고 구현함을 포함한다. 도5 및 도6(각각 약 100배 확대됨, 도6에서의 입자는 거의 대략 ASTM 8이다)은 각각 적당한 감소 및 높은 감소를 나타내도록 링 롤링되는 본 발명에 따라 생성된 용사 성형된 제품의 미세구조를 나타낸다.

본 발명자들은, 본 발명에 따라서 생성된 용사 성형된(및 링 롤링된) 와스팔로이 제품이, 일반적으로 단조된 와스팔로이 제품의 미세구조와 유사한 미세구조를 특징으로 하지만, 단조된 와스팔로이에 비해 보다 적은 가장자리 균열을 나타내고, 이에 따라 마무리처리 동안에 상당히 적은 연마 손실을 나타낸다. 더욱이, 용사 성형되고, 링 롤링된 와스팔로이는 실온 및 상승된 온도에서 탁월한 강도를 나타낸다. 본 발명에 따라 생성된 용사 성형되고 링 롤링된 와스팔로이 제품은 실온에서 약 9843kgf/㎠(140ksi) 이상, 더욱 바람직하게는 약 10897kgf/㎠(155ksi) 이상의 0.2% 항복 강도, 및 약 12655kgf/㎠(180ksi) 이상, 더욱 바람직하게는 약 14061kgf/㎠(200ksi) 이상의 극한 인장 강도를 나타낸다. 상승된 온도(약 649℃(1200℉))에서는, 이러한 제품은 약 6328kgf/㎠(90ksi) 이상, 더욱 바람직하게는 약 6539kgf/㎠(93ksi)의 0.2% 항복 강도 및 약 9491kgf/㎠(135ksi) 이상, 더욱 바람직하게는 약 9843kgf/㎠(140ksi) 이상의 극한 인장 강도를 나타낸다.

이제 도7 및 도8을 참고하여, AMS 5707에 따라 제조된 단조된 와스팔로이 재료는 다양한 온도 및 응력에서의 0.5% 크리프(도7에서 점선), 및 다양한 온도 및 응력에서의 응력 파열(도8에서의 점선)에 대해 시험되었다. 본 발명자들은 본 발명에 따른 와스팔로이의 상응하는 샘플을 시험하였고, 이러한 샘플이 통상 동일한 조건(예컨대, 동일한 온도 및 응력)하에서 시험된 단조된 와스팔로이의 성능을 충족시키고, 통상은 상당히 우수하다고 결정하였다.

또한, 본 발명에 따라 열간 등압 성형되고 열처리된 용사 성형된 와스팔로이의 샘플은 비교적 작은 입자를 특징으로 한다. ASTM E112에 의해 측정된 결정 입자는 약 ASTM 3이고, 더욱 바람직하게는 약 ASTM 5보다 미세하며, 이는 AMS 5707에 따라 열처리된 상응하는 단조된 재료중의 입자에 필적할만하다. 완성된 재료의 미세구조는 단조된 재료에 비해 실질적으로 보다 균일하고, 등방성이다. 미세구조는 또한 재료가 후속적으로 가액적으로 변형되지 않는 한 요소 분리가 없음(단조처리와는 대조적임)을 특징으로 하고, 따라서 재료의 부분들은 통상 소성 흐름의 방향을 나타내는 단류선이 없음을 특징으로 한다. 또한, 완성된 재료는 다공성이 없을 뿐만 아니라 낮은 균열 성장 속도와 응력 파열에 대한 양호한 저항성을 나타낸다.

본 발명의 열처리법은 일반적으로 표준 열처리법, 예컨대 AMS 5707과 상호 교환될 수 없다. 상기 논의된 바와 같이, 예컨대 AMS 5707과 같은 와스팔로이에 대한 표준 열처리법은 용사 성형된 제품에 적용될 경우 만족스러운 결과를 나타내지 않는다. 예를 들면, AMS 5707에서의 용액 열처리는 본 발명에 비해 상당히 온도가 낮고, 퀀칭이라기 보다는 공기 냉각이다. AMS 5707에 따라 열처리된 용사 성형된 제품은 AMS 5707에 따라 처리된 상응하는 단조된 제품에 필적할만한 감소된 크리프 저항성을 나타낸다.

요약하면, 본 발명은 단조처리와 다른 상당한 이점을 제공한다. 일반적으로, 본 발명은 용사 성형법이 단조처리에 필적할만한 특성을 갖는 성분을 제조하는데 직접적으로 사용될 수 있도록 한다. 본 발명에 따라서 생성된 부품은 보다 일정하고, 보다 균일한 미세구조를 갖는다. 개별적 부품은, 제품이 후속적으로 링 롤링되는 등과 같이 열기계적으로 처리되지 않는 한, 등방성 미세구조를 나타낸다. 부품은 특히 단조처리된 부품에 비해 미세구조가 분리되지 않음을 특징으로 한다. 이러한 특성은 또한 쉽게 기계 가공되고 검사되는 본 발명에 따라 제작된 구성부품을 제공한다.

또한, 본 발명은 재료의 특수 제조된 강편을 얻어야할 필요성을 제거하고, 이에 따라 강편을 얻어야하는 것과 관련된 긴 리드 타임은 최소화되거나 제거된다. 본 발명은 바로 기계 가공될 수 있거나 사용 가능한 구성부품으로 벌크 재료를 직접 전환시킬 수 있다. 따라서, 단조처리와 관련된 노력, 비용 및 폐물의 실질적인 부분이 거의 감소되거나 제거된다.

본 발명에 따라서 가공된 용사 성형된 제품은 통상의 단조된 제품과 유사한 강도를 나타낼 뿐만 아니라, 단조된 제품이 나타내는 이상의 균열 성장 및 응력 파열에 대한 저항성을 나타낸다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 제품은 상당히 감소된 시간 및 비용으로 제조된다. 미세구조의 견지에서, 용사 성형된 제품은 단조된 제품에 비해 보다 균일하고, 일반적으로 보다 미세한 입자이며, 또한 중요하게는 제조된 제품의 특성에 있어서 상당히 작은 편차를 나타내는데, 즉 부품의 특성이 상응하는 단조된 제품에 비해 좁은 범위 내에 있다.

본 발명은 상기에 상세히 설명되었지만, 본 발명의 취지 또는 하기 특허청구범위의 범주를 벗어나지 않고 다양하게 변화되고 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명은 예시되었을 뿐 한정된 것이 아님을 알아야 한다.

Claims

실온에서 0.68GPa(100ksi)의 0.2% 항복 강도와,

649℃(1200℉)에서 0.58GPa(85ksi)의 0.2% 항복 강도와,

실온에서 1.02GPa(150ksi)인 인장 강도와,

649℃(1200℉)에서 0.89GPa(130ksi)인 인장 강도를 갖는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법이며,

상기 제품은

18 내지 21중량%의 Cr, 3.5 내지 5중량%의 Mo, 12 내지 15중량%의 Co, 2.75 내지 3.25중량%의 Ti, 1.2 내지 1.6중량%의 Al, 0.04 내지 0.075중량%의 C, 0.01 내지 0.08중량%의 Zr, 0.003 내지 0.010중량%의 B의 조성을 가지며, 추가적으로는 0.15중량% 이하의 Mn, 0.175중량% 이하의 Si, 0.01중량% 이하의 S, 0.02중량% 이하의 P, 2.25중량% 이하의 철, 0.15중량% 이하의 Cu, 0.00075중량% 이하의 Pb, 0.000035중량% 이하의 Bi, 0.0005중량% 이하의 Ag, 0.01중량% 이하의 O 및 0.01중량% 이하의 N, 잔부 Ni 및 부수적인 불순물의 조성을 가질 수 있는 금속 액적을 다른 한쪽에 적층하는 단계와,

조밀화 단계와,

오일 또는 물에서 퀀칭하는 용체화 처리와, 816 내지 871℃(1500 내지 1600℉) 사이의 온도에서 4시간 동안 안정화 열처리 후 공기 냉각과 동일하거나 더 빠른 속도의 냉각과, 732 내지 788℃(1350 내지 1450℉) 사이의 온도에서 16시간 이상 동안의 석출 열처리를 포함는 열처리단계에 의해 형성되며,

상기 제품은 2시간 동안 1052 내지 1107℃(1925 내지 2025℉) 사이의 온도로 용체화 처리 되는 것을 특징으로 하는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 금속 액적은 직경이 10 내지 10,000 미크론인 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 열처리 단계는 결정 입자가 ASTM E129와 관련하여 측정될 때 ASTM 3 보다 미세하거나 같은 것을 특징으로 하는 미세구조를 갖는 제품도 제공하는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제3항에 있어서, 열처리 단계는 결정 입자가 ASTM E129와 관련하여 측정될 때 ASTM 5 미만인 것을 특징으로 하는 미세구조를 갖는 제품도 제공하는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제품은 982 내지 1093℃(1800 내지 2000℉) 및 103 내지 172GPa(15000 내지 25000psi)에서 4시간 동안 열간 등압 성형되어 조밀화되는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 제품은 아르곤 대기에서 열간 등압 성형되는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 액적은 환형상을 갖는 제품을 생성하도록 축적되는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법
제1항 또는 제2항에 있어서, 열처리 단계는 등방성 미세구조를 갖는 제품제공하는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 소정의 형상을 생성하도록 상기 제품을 열기계적으로 처리하는 단계를 더 포함하는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제품은 가스 터빈 엔진 구성 부품인 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 제품은 엔진 케이스, 엔진 플랜지 및 엔진 시일을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제품은 링 롤링된 니켈기 초합금 제품을 제조하는 방법.
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