KR100939799B1 - 티타늄 합금으로부터 마모-저항성 및 피로-저항성의엣지층을 생성하기 위한 방법, 및 그 생성된 구성요소 - Google Patents

티타늄 합금으로부터 마모-저항성 및 피로-저항성의엣지층을 생성하기 위한 방법, 및 그 생성된 구성요소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기능적 구성요소의 엣지층 마무리와 관련되어 있고, 특히 그에 의해서 티타늄합금에서의 마모-저항성 및 피로-저항성의 엣지층을 생성하기 위한 방법, 및 그와 함께 생성된 구성요소와 관련되어 있다.
본원 발명에 따라 레이져 가스 합금화에 의하여 티타늄합금에서 마모-저항성 및 피로-저항성의 엣지층을 생성하기 위한 방법은, 레이져 가스 합금화가 상기 이용되는 티타늄합금에 용해가능한 성분(soluble elements)을 침입형으로 (interstitially) 포함하거나 또는 배출하는 반응 가스를 이용해 실행되고, 상기 반응 가스의 부분압력(partial pressure)은 그 부분압력이 질화, 탄화, 또는 붕화 티타늄 단계(phase)가 생성되는 문턱값(threshold value) 이하로 머무르도록 선택되는 것을 본질적 특징으로 한다.
본원 발명에 따라 가스 합금화된 엣지층을 갖는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 구성요소(component)의 특징은 본질적으로 침입형으로 용해된 반응 가스와 함께 α- 및 β-티타늄 입자의 미세-입자 혼합물(fine-grain mixture)로 구성된 마모-저항성 엣지층은, 연삭된 표면(ground surface)에서 측정된
Figure 112008089372225-pct00066
의 표면 경도(surface hardness)
Figure 112008089372225-pct00067
를 가지거나, 또는 표면 0.1 mm 아래의 연마된 크로스 섹션(cross section)에서 측정된
Figure 112008089372225-pct00068
의 엣지층 마이크로경도(microhardness)
Figure 112008089372225-pct00069
을 가지고,
Figure 112008089372225-pct00070
Figure 112008089372225-pct00071
의 깊이
Figure 112008089372225-pct00072
까지 연장되고, 그리고 반응가스에 의하여 생성되는 어떤 질화물, 탄화물, 또는 붕화물 단계(phases)를 포함하지 않는것을 본질적 특징으로 한다.
티타늄합금, 레이져 가스 합금화, 피로-저항성, 마모-저항성, 엣지층.

Description

티타늄 합금으로부터 마모-저항성 및 피로-저항성의 엣지층을 생성하기 위한 방법, 및 그 생성된 구성요소{Method for Producing Wear-Resistant and Fatigue-Resistant Edge Layers from Titanium Alloys, and Correspondingly Produced Components}
본원 발명은 기능적 구성요소들의 엣지층(edge layers) 마무리에 관한 것이며, 특히 티타늄합금(titanium alloys)에 마모-저항성 및 피로-저항성의 엣지층을 생성하기 위한 방법, 및 그에 부합되게 생성되는 구성요소들에 관한 것이다. 이러한 방법을 이용하여 만든 실제적인 이용 물품들(articles)은 티타늄합금으로 만들어진 구성요소들인데, 이 티타늄합금들에는 침식(erosion), 캐비테이션(cavitation), 액적충돌(液滴衝突, droplet impingement), 또는 마찰 부하(tribological load)에 더하여 고주기부하(high cyclic load)를 받는 활주마모(sliding abrasion)로부터의 가혹한 스트레스가 가하여 진다. 본원 발명은 증기터빈의 저압영역에서 터빈 블레이드(turbine blades)를 보호하기 위한 방법으로 특히 유용하게 사용될 수 있다. 또 본 발명으로 생산될 수 있는 유용한 다른 구성요소들은 비행 및 항공 우주 분야의 구성요소들, 예를 들면 착륙 플랩 가이드(landing flap guides), 드라이브 샤프트(drive shafts), 유압 시스템 구성요소(hydraulic system components), 볼트, 또는 유사한 연결 엘리먼트(connecting elements); 화학 설비 구조 (예를 들어, 소노트로드 팁 sonotrode tips, 초음파 시설 sonochemical faclities), 의용공학 (예를 들어, 기구, 임플란트 implants), 및 고성능 엔진 구조 (예를 들어, 인젝션 시스템, 밸브 시트, 밸브 스템 valve stems, 기타 등등)에 이용되는 구성요소 등과 같은 것들이다.
티타늄은 우수한 구조 물질로서, 티타늄의 높은 비강도(specific strength), 뛰어난 피로 저항성(fatigue resistance), 압력-균열 침식에 대한 좋은 저항성(good stress-crack corrosion resistance), 화학적 저항성(chemical resistance), 및 생체적합성(biocompatibility)은 다양한 특수 응용분야에 이상적이다. 그러나, 여러 유형의 마모에 대한 티타늄의 저항성은 티타늄의 광범위한 사용에 장애가 된다. 예를 들어 강철 재료에 이용되는 열적 및 화학열적 엣지층을 마무리하는 많은 방법들(thermal and chemicothermal edge layer finishing methods)이 티타늄합금에는 채용될 수 없다는 사실 때문에, 효율적인 마모 방지 방법에 대한 요구가 증대되고 있다.
티타늄 및 그 합금 상에 마모-저항성의 엣지층을 생성하기 위한 현재 알려진 한가지 방법은 레이져 가스 합금화(laser gas alloying)이다 (참고: 예를 들면, H.W. Bergmann: "Thermochemische Behandlung von Titan und Titanlegierungen durch Laserumschmelzen und Gaslegieren," Zeitschrift fuer Werkstofftechnik 16 (1985), 페이지 392~405). DE 39 17 211에 기술되어 있듯이, 이 기술의 초기 응용 법은 관절 인공 삽입물(joint endoprostheses)이었다. 그 구성요소는 0.1 내지 0.7 mm의 깊이까지 레이저 빔에 의해 녹여짐과 동시에 용융 금속 안에 질소를 주입한다. 예를 들어 질소와 같은 반응성 가스(reactive gases)에 대한 티타늄의 고친화성(high affinity) 때문에, 상기 가스는 용융 금속에 의해서 즉시 용해되고, 그리고 질소의 경우에는 티타늄 질화물(titanium nitride)을 형성하는데, 상기 티타늄 질화물은 수지상 결정(dendrites)의 형태로 용융금속으로부터 석출된다. 응고된(solidification) 후에, 엣지층은 초기 상태에 비해 변경된 α/β 비율을 갖는 메탈릭 티타늄 매트릭스, 및 정교하게 분할된 티타늄 질화물 수지상 결정(titanium nitride dendrites)으로 구성된다. 엣지층의 경도는 전형적으로 600-1200 HV이다. 이런 방식으로 생성된 엣지층은 활주 마모, 연마 마모(abrasive wear), 또는 진동 활주 마모(oscillatory sliding abrasion)로부터의 스트레스에 대해 우수한 저항성을 가진다.
보편성을 제한하지 않는 범위에서, 증기터빈 블레이드의 액적충돌(droplet impingement)에 대한 저항성을 증가시키는 응용방법의 경우를 위해서, 본 방법으로 생성된 엣지층의 장단점을 확인하려는 것이 목적이다.
사용중에, 증기터빈 내의 저압 단계의 로터 블레이드는 극도로 높은 준정적(quasistatic) (원심력, 블레이드 트위스팅), 주기적 (주기적인 증기압 충돌, 블레이드 진동들), 기계-화학적 (진동에 의한 침식과 스트레스-균열 침식), 및 마찰적 (액적충돌) 부하를 받는다. 비록, 예를 들어 Ti6AI4V와 같은 선택된 티타늄합금이 준정적, 주기적, 그리고 기계-화학적 부하를 매우 잘 견딘다고 해도, 그 티타늄 합금의 액적충돌 마모에 대한 저항성은 리딩 엣지(leading edge) 부근에서 물방울의 끊임없는 충돌의 결과로서 생기는 마모 침식으로부터 고도로 스트레스 받는 증기터빈 블레이드를 효율적으로 보호하는데 적절하지 않다.
위에서 언급된 종래기술에 유추하여, 게르데스(Gerdes)는 저압 증기 터빈 블레이드의 마모 저항성을 증가시키기 위한 레이져 가스 합금화의 응용을 크레임하고 있다(EP 0491075 B1 참고). 용융물(the melt) 내에 붕화물, 탄화물, 또는 질화물의 석출(precipitation)을 생기게 하는 농도로, 붕화물(boride-), 탄화물(carbide-), 또는 질화물(nitride-) 생성 가스가 용융조에 추가된다. 반응성 가스로서 질소의 경우에, 비활성 기체에 대하여 전형적으로 20% 내지 60% 부피비의 질소가 사용될 때, 극도로 단단한 티타늄 질화물이 형성된다. 규정된 처리 파라미터(treatment parameters) 하에서, 500 내지 900 HV의 경도, 바람직하게는 500 내지 700 HV의 경도가, Ti6AI4V 합금의 엣지층에서 얻어진다. 마모-저항성 및 피로-저항성이 달성되었는지에 관한 정보는 제공되지 않았다.
균열(cracks)을 방지하기 위해, 보호층의 두께는 0.4 내지 1.0 mm로 제한된다. 생성된 상기 레이어의 기계적 또는 열적 후처리에 관하여는 기재되어 있지 않지만, 액적 침식(droplet erosion)에 대한 보호가 하나의 방법 단계 즉 레이져 가스 합금화로 얻어지기 때문에, 상기 층의 기계적 또는 열적 후처리는 제공되지 않았다.
상기 출원인 자신의 연구로부터, 25% 또는 35%의 질소 함유량으로 레이져 가스 합금화된 동일한 Ti6AI4V 합금의 표본(specimens)에 대하여, 기본 물질(base material)의 다만 약 67% 또는 약 37%의 피로-저항성이 각각 달성되는 것이 알려져 있다.
그래서, 상기 방법의 결점은 이 유형의 엣지층-마무리된 터빈 블레이드가 너무 낮은 주기부하용량(cyclic load capacity)을 가진다는 것이다. 따라서, 상기 방법은 고주기부하(high cyclic load)를 받는 터빈 블레이드에는 사용될 수 없다.
또 다른 결점은 바로 보호층의 두께가 0.4 내지 1.0 mm로 제한된다는 점에서 생긴다. 예를 들어 터빈 블레이드 상의 액적충돌과 같은 침식 유형의 마모에 대해서, 이 결점은 제한된 사용수명을 가져온다.
상기 결점은, 혼합 가스에서 질소 함유량이 20%를 초과할 때 미세균열 (microfissures)이 생긴다는 사실에서 발생한다. 미세균열 발생 경향은 보호층 두께와 함께 증가한다. 추가로, 매우 단단한 임베디드(내장된) 질화물 미립자(embedded TiN particles)를 가진 상대적으로 약한 α-티타늄 매트릭스로부터 형성되는 이질구조는 높은 피로 저항성을 달성하는데 있어서 원칙적으로 적절하지 않다.
액적충돌 스트레스 하에서 매우 훌륭한 마모 저항성을 유지하면서 피로-저항성을 향상시키기 위해서, 레이져 가스 합금화한 후에 구성요소(components)들을 복합 후속 열처리하고 나서 그 후에 샷분사(shot blasting)를 하는 것이 알려져 있다 (Gerdes, EP 0697503 A1 참고). 붕소-탄소 또는 질소-함유 가스 분위기에서 레이져 가스 합금화에 의해 형성되고 티타늄 붕화물, 탄화물, 및/또는 질화물에 기초한 보호층은 600℃ 와 750℃ 사이의 온도에서 고-바나듐 β-티타늄 단계(high-vanadium β-titanium phase)를 형성하며 열처리를 거친다. 반응성 가스로서 질소가 선택된 다면, 기계적 연마, 및 0.3 mmA의 알멘강도(Almen intensity)와 적어도 더블 커버리지를 가진 후속 샷 분사와 공동으로 협력하여, 마모-저항성을 유지하면서 미처리 블레이드 재료에 대해 초기값의 약 30%에서 약 85%까지 피로-저항성을 증가시키는 것이 가능하다. 0.4 mm와 1.0 mm 사이의 두께를 가진 상기 보호층은 α-티타늄 매트릭스에 임베드된 티타늄 질화물을 필수적으로 포함한다. 티타늄 질화물의 형태(morphology) 및 분포(distribution)는 레이져 가스 합금화하는 동안에 프로세서 파라미터, 및 가스분위기에서의 질소 농도에 의존한다. 상기 질소 농도에 의존하여, 티타늄 질화물은 판상(plate-like) 또는 수지상(dendritic) 방식으로 구현된다. 질소가 반응성 가스로서 사용되고 아르곤이 비활성 기체로서 사용될 때, 그 비율은 1:4 와 1:2 사이에 있어야 한다; 즉, 질소 함유량은 20% 와 33% 사이에 있어야 한다. 그리고 나서 형성된 보호층은, 레이져 가스 합금화하는 동안의 조건에 의존하여, 600 내지 800 HV의 비커 경도(Vickers hardness)를 가질 수 있다.
개선된 이 방법의 결점은 언급된 피로-저항성이 연마된 재료(specimens) 또는 새로운 블레이드 위에서만 달성될 수 있다는 것이다. 그러나, 액적충돌 마모의 특징적 표시는 터빈 블레이드를 사용하는 기간 동안에 매우 일찍 발생하는 심한 조면화현상(roughening of the surface)이다. 이런 조면화(roughening)는 터빈 블레이드의 주기부하용량(cyclic load capacity)에 대하여 3개의 불이익한 결과를 가진다.
첫째로, 초강도 재료 상태의 노치 효과(notch effect)가 증가한다.
둘째로, 조면화는 샷분사 처리의 표면-근처 내부 압력 스트레스를 줄여준다. 게다가, 여전히 존재하지만 그 효과가 샷분사에 의해 제거되는 미세균열의 부정적 효과가 다시 재발할 수 있다.
그래서, 이 개선된 방법의 결점은 감소된 구조상 피로 저항성의 원인─미세균열의 형성, 및 더 높은 주기부하에 적절한 이질성이 부족한 매우 단단하고 깨지기 쉬운(brittle) 단계의 구조─이 제거되지 못하고, 그러나, 오히려 그 효과가 단지 일시적으로만 제어된다는 사실에서 유래한다.
상기 방법의 또 다른 결점은 피로-저항성의 향상이 바나듐-함유 티타늄합금을 전제로 한다는 사실로부터 생긴다. 그러나, 바나듐을 함유하지 않는 비슷한 범위의 응용법을 가진 경제적으로 중요한 여러 티타늄합금들이 있다.
상기 결점은 청구된 열처리의 목적이 β-티타늄 격자구조(lattice structure)를 가지는 고-바나듐 단계(high-vanadium phase)를 형성한다는 사실로부터 생긴다.
본원 발명의 목적은 티타늄합금의 마모-저항성을 향상하기 위한 방법을 제공하는 것인데, 이것은 레이져 가스 합금화되는 단계에서 초기 단계에 비해 주기부하용량에 있어 가능한 한 최소로 감소되며, 또한 계속적인 마모 동안에 주기부하용량에 대한 개선된 유지력(retention)을 허용한다. 또 다른 목적은 마모-저항성 및 피로-저항성의 구성요소들을 제공하는 것인데, 이것은 상기 방법을 이용하여 유리하게 제조될 수 있다.
그러므로, 본원 발명의 목적은: 현존의 깨지기 쉬운 티타늄 질화물, 탄화물, 또는 붕화물 상(phase)를 갖지 않고, 티타늄합금의 바나듐 함유량과 무관하게, 동질(homogeneous) 및 반강성(semi-rigid) 구조 상태의 확립; 마찰(abrasive), 캐비테이션(cavitation), 또는 액적충돌(droplet impingement)에 대한 우수한 저항성; 및 미세균열(microfissures)을 형성하지 않고 1 mm 이상의 층 두께의 실현을 허용하는 엣지층 마무리 방법을 제공하려는 것이다.
이 목적은, 청구항 1부터 청구항 16까지 기술하는 바와 같이, 본원 발명에 따라 티타늄합금에서 마모-저항성 및 침식-저항성의 엣지층을 형성하기 위한 방법에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 구성요소(components)들은 청구항 17부터 청구항 26까지에서 설명되고, 유리한 실시 예들은 관련 종속항에서 표현된다.
청구항 1에서 설명된 것처럼, 본 발명 방법은 질화, 탄화, 또는 붕화 티타늄 상들이 아직 형성되지 않는 농도로까지, 용융금속에 녹을 수 있으며 응고된 후에 침입형으로(interstitially) 용해되는 가스질 요소 (gaseous elements)를 용융금속(the melt)에 도입하는 것에서 기인한다. 알려진 종래 기술과 대비하여, 이 방법은 비교적 동질(homogeneous)이고 미세-입자를 가진 구조(fine-grained structure)를 결과물로 가져오는데, 상기 구조는 α-티타늄 입자와 개별적인 β-티타늄 입자의 수 마이크로미터의 구조 길이(structure length), 및 매우 미세한 α-티타늄 입자와 α-티타늄 입자 사이에 위치한 β-티타늄 입자의 혼합물(mixture) 배치를 가진다. 이런 방법으로, 미세균열 형성 및 국지적 스트레스 농도의 향상에 대한 부정적 효과로 지금까지 알려진 질화물, 탄화물, 또는 붕화물 상(phases)이 회피될 수 있다.
질소가 침입형으로 도입되는 요소로서 사용되는 경우에, 청구항 3과 청구항 4는 가스 혼합물에서 유리한 질소 부피비를 나타낸다. 그에 의한 특정 선택은 트랙 오버랩 비율
Figure 112008089372225-pct00001
및 주기부하의 크기와 관계있는 마모 스트레스 정도에 의존한다. 일반적으로, 낮은 질소 함유량은 낮은 마모 스트레스에서 높은 주기부하를 위해 선택되고, 그 역도 같다. 마찬가지로, 낮은 질소 함유량은 더 높은 트랙 오버랩 비율을 위해 사용된다.
통상적으로 마모 스트레스 및 피로 스트레스는 구성요소 표면을 따라 변하며 그 비율이 결과적으로 변경되기 때문에, 청구항 5에서 설명되는 바와 같이, 작업가스(working gas)에서 질소 함유량을 변화시키는 것에 의하여 최적비율의 힘(strength)과 연성(延性, ductility)을 국부적으로 적용하는 것이 특히 유리하다.
청구항 6에서 청구항 8까지 설명되는 것처럼, 용도는 냉각비율 선택에 의해서 힘과 연성 간의 비율을 정하기 위한, 또 다른 영향 변수(influencing variable)로 이뤄질 수 있다.
강한 국부 에너지 효과(localized energy effect) 때문에, 가스 합금화(gas alloying)하는 동안에, 구성요소의 현저한 뒤틀림이 마모-저항성 엣지층(wear-resistant edge layer)의 더욱 큰 깊이 및/또는 더욱 큰 트랙 오버랩 비율과 함께 발생한다. 청구항 9와 청구항 10에서 기술한 것처럼, 뒤틀림-경향이 있는(warp-prone) 구성요소에서 뒤틀림을 감소시키거나 또는 제거하기 위해서, 상기 구성요소는 가스 합금화를 시작하기 전에 초기위치에 고정되고, 이 고정 위치는 처리 내내 유지된다. 또한 이 절차는 레이져빔을 위한 목표 좌표(target coordinates)가 처리 내내 헤매지 않게 하는 장점을 가지며, 따라서 CNC 프로그램의 계속적인 수정(follow-up correction)을 필요로 하지 않는다.
레이져 가스 합금화 후에, 표면은 고주기부하 상태의 구성요소에 대하여 통상적으로 과도한 거침(roughness)을 가지는데, 이런 이유로 청구항 11에서 기계적 후처리가 제공된다. 상기 기계적 후처리는 연삭, 진동 마감, 및/또는 연마에 의해 수행될 수 있다. 기계적 특성, 특히 피로-저항성은, 청구항 12 및 청구항 13에서 설명된 것처럼 열처리에 의하여 더욱 향상될 수 있다. 청구항 12에 따른 절차가 가스합금화 후에 남아있는 내부 텐션 스트레스의 동시적 감소뿐만 아니라 상전이phase transition) 및 경화(硬化, hardening)로부터 유래하는 구조 형성에 영향을 줌에 반하여, 청구항 13에서 기술된 절차에 따른 내부 텐션 상태는 중대한 구조 변화없이 개선될 수 있다. 청구항 12에 따른 절차가 마모-저항성 및 피로-저항성 양쪽에 영향을 주는 반면에, 후자의 절차는 피로-저항성에 주로 영향을 주기 때문에, 특성들의 개선된 결합은 열처리 유형의 선택을 통해서 얻어질 수 있다.
티타늄합금의 주기부하용량이 특히 표면 근처의 내부압력 스트레스에 의해서 개선될 수 있다는 것이 알려져 있는데, 표면 근처의 내부압력 스트레스는 상기 열처리에 의해서 조정될 수 없다. 그러므로, 청구항 14는 피로-저항성을 증가시키기 위한 또 다른 수단으로서 마모-저항성 엣지층의 샷분사(shot blasting)를 제공한다.
지금까지의 종래 기술에서는, 충분히 높은 전력밀도(power density)를 가진 레이져를 에너지 소스(source)로서 이용하여 티타늄의 가스 합금화가 실행된다. 그러나, 적합한 구성요소를 위해, 청구항 15 및 청구항 16에서 기술된 것처럼, 전자빔(non-vac electron beam) 또는 플라즈마 소스(plasma source)가 에너지 소스로서 또한 이용될 수 있다. 이 경우에, 반응성 가스와 비활성 기체로 이루어진 작업가스 혼합물은 시준기(collimator) 시스템의 사용에 의해 신중하고 재생산할 수 있는 방식으로 공급되어야 한다.
청구항 17은 마모방지구역(또는 영역)(wear protection zone)의 설계 및 이에 필요한 구조적 특징뿐만 아니라 본 발명에 따른 구성요소를 위한 엣지층의 유리한 크기와 경도를 기술하고 있다. 상기 마모방지구역의 필요 폭은 통상적으로 가능한 트랙폭보다 더 크기 때문에, 청구항 18 및 청구항 19에서 설명되는 바와 같이, 구성요소(부품)의 공급 방향에 대하여 횡으로 상기 에너지소스로부터의 빔이 급속진동 함에 의하여 또는 더 넓은 트랙이 실현될 수 있거나, 또는 오버래핑 트랙 패턴이 생성될 수 있다. 필요하다면, 개별적인 경우에 상기 빔 대신에 상기 구성요소가 진동하도록 설정될 수 있다.
청구항 20에서 기술된 대로, 본 발명은 액적충돌 또는 침식에 의하여 스트레스를 받는 터빈 블레이드에 특히 유리한 방식으로 적용될 수 있다. 청구항 21 내지 청구항 26은 마모-저항성 엣지층의 형상, 위치, 및 생산에 대한 기술적으로 편리하고 유익한 실시예들을 기술하고 있다.
보편성을 제한함이 없이, 본원 발명은 아래에서 하나의 방법 실시예 및 하나의 구성요소 실시예에 기초하여 설명된다.
도 1은 작업 가스에서의 질소 부피비인
Figure 112007000809738-pct00002
의 함수로서 마모 비율인
Figure 112007000809738-pct00003
을 설명하기 위한 도면이다. (작업가스에서 질소 부피비
Figure 112007000809738-pct00004
의 함수로서의 캐비테이션 마모 비율
Figure 112007000809738-pct00005
)
도 2는 본 발명을 설명하기 위하여 터빈 브레이드를 예로 들어 설명하는 도면이다.
도면 부호 또는 기호의 간단한 설명:
A - 터빈 블레이드
B - 블레이드의 후면(back side)
C - 블레이드의 요면(concave side)
D - 마모 방지 구역, 레이져 가스 합금화된 엣지층
E - 리딩 엣지(leading edge)
F - 트레일링 엣지(trailing edge)
Figure 112007000809738-pct00006
- 표면 경도, 연삭된 표면(ground surface) 위에서 5-N 부하로 비커스 경도(Vickers)에 따라 측정되며, 10번 측정한 것의 평균 경도임
Figure 112007000809738-pct00007
- 엣지층 경도, 표면 아래의 0.1 mm 트랙을 따라 연마된 크로스 섹션 위에서 1-N 부하로 비커스 경도에 따라 측정되며, 트랙 간격 및 21번 측정한 것의 평균임
Figure 112007000809738-pct00008
- 에이징 열처리(aging heat treatment)의 온도
Figure 112007000809738-pct00009
- 스트레스-프리 어닐링(stress-free annealing)의 온도
Figure 112007000809738-pct00010
- 작업 혼합물(working mixture)의 질소 부피비
a - 트랙 폭(track width)
c - 트랙 간격(track spacing)
Figure 112007000809738-pct00011
- 에이징 열처리를 위한 어닐링 시간(annealing time)
Figure 112007000809738-pct00012
- 트랙 깊이(track depth)
Figure 112007000809738-pct00013
- 스트레스-프리 어닐링을 위한 어닐링 시간
Figure 112007000809738-pct00014
- 오버랩 비율(overlap rate)
Figure 112007000809738-pct00015
- 마모 비율(wear rate)
1...17 - 트랙 번호(track number)
(실시예 1)
초음파화학 장비(sonochemical equipment)의 기능적 부분은 운전중에 캐비테
이션 부하(cavitational load) 및 고주기부하(high cyclic load) 양쪽 모두를 받기
쉽다. 소노트로드(sonotrode)의 사용수명은 특히 캐비테이션 부하에 의해 급격히
감소한다. 소노트로드는 물질 Ti6AI4V로 구성되고, 초기상태에서 340 HV0.5의 경도
를 가진다.
충분히 높은 주기부하용량을 보장하면서, 소노트로드의 사용수명을 증가시키
기 위해, 소노트로드 팁(sonotrode tip) 및 원통형 표면 구역의 인접 영역을 캐비
테이션 부하로부터 더 좋게 보호하는 것을 제공하는 것이 목적이다. 본 발명에 따
른 레이져 가스 합금화를 실행하기 위해, 소노트로드는 레이져 프로세서의 CNC 회
전축(rotational axis)의 동심척(concentric chuck)에 놓여진다. 소노트로드는 처
리되는 영역에 0.2 mm의 커다란 크기(oversized dimension)를 가지고 있다. EP
0829325에 따라 설계된 차폐 가스벨(shielding gas bell)은 상기 구성요소 위에 위
치하고, 단순한 장비를 이용하여 산소를 매우 잘 제거함으로써 작업가스 혼합물이
재생산할 수 있게 설정될 수 있다. 가스 혼합 스테이션(gas mixing station)의 사
용에 의해서, 9% : 91% 부피비로 미리 조정된 질소-아르곤 혼합물(nitrogen-argon
mixture)이 차폐 가스벨로 분출된다. 상기 차폐 가스벨은 z-방향으로 움직일 수 있
도록 레이져의 빔-형성 유닛(beam-shaping unit)에 부착된다. 더 낮은 경계에서의
공기 쿠션에 의하여, 차폐 가스벨은 구성요소에 대하여 다른 두 방향 x 및 y 방향
으로 또한 움직일 수 있다.
3.1 kW로 전력이 설정된 CO₂레이져가 레이져로서 이용된다. 구성요소 표면
까지의 레이져빔 초점 거리는 레이져빔이 구성요소 표면에 3.8 mm의 빔 직경(beam
diameter)을 갖도록 선택된다. 이는 레이져 가스-합금 구역(laser gas-alloyed
zone)에 대해 a = 3.5 mm의 트랙폭을 결과물로 가져온다. 트랙 간격(track
spacing) c 로서 0.75 mm의 거리가 설정되고, 트랙 오버랩 비율
Figure 112007000809738-pct00016
를 결과
물로 가져온다. CNC 프로그램에 의하여 540 mm/min의 공급 속도(feed rate)가 미리
설정된다. 혼합 작업가스와 함께 90 s(초) 동안 퍼징(purging)한 후에, 상기 과정
은?CNC 프로그램를 시작하는 것 및 레이져를 켜는 것에 의해 시작되는데, 상기
CNC 프로그램은 격자형(grid-like) 방식으로 소노트로드 팁을 이동시킨다. 느린 냉
각 후에, 소노트로드는 장치에서 제거되고, 레이져-처리 영역에서의 과도 크기는
연삭된다.
따라서 생성된 층은 비교적 동질의 재용융층으로 구성되며, 상기 재용융층은
Figure 112007000809738-pct00017
의 깊이 및 그 아래에 1.2mm의 두께를 가진 열 영향 구
역(heat influence zone)을 가지고 있다. 표면 경도(surface hardness)
Figure 112007000809738-pct00018
는 약
440 HV0.5에 달한다. 이것은, 표면 아래의 0.1 mm에서 연마된 크로스 섹션 위에서
측정되는, 약 510 HV0.1의 엣지층 경도
Figure 112007000809738-pct00019
에 상당한다. 트랙을 가로지르는 경도의
변동은 약 50 HV0.1이다.
구조는 α-티타늄 입자, 및 α-티타늄 입자의 입자 경계에서 α- 와 β-티타
늄의 정교하게 분산된 용착물(deposits)로 구성된다. α- 티타늄 입자의 최대 크기
는 수 마이크로미터이다.
이 처리는 소노트로드 팁에서 마모 비율이 약 3 인자(a factor of three)에
의해서 감소되도록 한다.
도 1은 작업 가스에서의 질소 부피비인
Figure 112007000809738-pct00020
의 함수로서 마모 비율인
Figure 112007000809738-pct00021
을 설명한다. 캐비테이션 마모 부하는 Sonics & Materials Inc.의 VC501 고주파 생
성기를 이용하여, ASTM G32-85에 따라 측정되었다. 테스트 파라미터는 다음과 같
다: 표본 상의 간접 진동 캐비테이션 부하; 주파수: 20 kHz, 진폭(amplitude): ±
20μm, 수온(제어됨): 22℃±1K, 표본 표면의 액침 깊이(immersion depth):
12...16 mm; 소노트로드 표면에서 표본 표면까지의 거리: 0.5 mm. 부하 지속시간:
20 h(시간), 1.5 시간 마다 대량 침식(mass erosion)의 측정. 마모 비율은 인큐베
이션 기간(incubation period)이 끝난 후에 손실-시간 곡선(mass loss-time curve)
기울기에서의 증가량으로부터 결정되었다.
도 1은, 이미 아는 바와 같이, 캐비테이션 마모에 대한 저항성은 질소로 레
이져 가스 합금화하는 것에 의해서 의미 상당하게 향상될 수 있음을 명확히 보여준
다. 그러나, 당해 기술분야에서 숙련된 자들의 선입견과는 달리, 티타늄 질화물의
석출을 필요로 하지 않는다. 심지어 7% 내지 13%의 질소 함유량을 가지고도, 20%
이상의 질소 함유량을 가진 것에 필적하는 마모 특성이 달성된다. 이와 대비하여,
수지상 티타늄 질화물의 석출 형성이 일방적인 기계적 (균열 형성 스트레스) 및 주
기적 (피로 저항) 부하 용량에 대해 매우 부정적인 효과를 가진다는 것이 발견되었
다. 따라서, 선택된 테스트 파라미터에 대한, 예를 들어 엣지층에서의, 균열 형성
스트레스는 13% 이상의 질소 함유량에서, 즉 분명히 수지상 티타늄 질화물이 석출
되기 전에, 이미 감소하기 시작한다. 이 문턱 값(threshold value)은 규정된 테스
트 조건에 대하여 유효하며, 오버랩 비율이 감소함에 따라 더 높은 질소 함유량으
로 이동한다.
(실시예 2)
본원 발명에 따른 구성요소는 대형 증기 터빈의 엔드 스테이지 로터 블레이
드를 이용하여 설명된다. 이 로터 블레이드의 리딩 엣지는 격렬한 액적충돌 스트레
스를 받는데, 이것은 그 구성요소 스트레스, 마모 표시(wear manifestation) 및 국
부화된 물질 손상 메카니즘에서 캐비테이션 마모와 많은 공통점을 공유한다. 개선
된 캐비테이션 마모 저항성을 결과물로 가져오는 방법들과 물질 상태(material
states)는 또한 액적충돌에 대하여 개선된 저항성을 가지고 있다. 엔드 스테이지
로터 블레이드는 원심력으로부터의 높은 스트레스 때문에 티타늄합금인 Ti6AI4V로
생산된다. 마모구역(wear zone)의 폭은 블레이드의 후(back)면 위에서 17 mm이고,
블레이드의 오목면 위에서 6 mm이다. 블레이드 위의 고주기부하 때문에, 종래 기술
에 따라 실행되는 스텔라이트 판의 땜납(soldering of stellite plates), 전기 스
파크 코팅(electric spark coating), 진공 플라스마 인젝션(vacuum plasma
injection), 또는 레이져 가스 합금화(laser gas alloying)와 같은 다른 수동적 방
지 방법들이 배제된다.
본원 발명(도 2a, 2b 참고)에 따라 설계된 상기 구성요소는 입자 사이에 끼
인(침입형:intersitially) 용해된 질소와 함께 α- 및 β-티타늄 입자들의 미세-입
자 혼합물로 구성된,
Figure 112007000809738-pct00022
까지의 깊이를 가진 층(layer)을 가진다. 이
엣지층은 블레이드의 후(back)면 위에 20 mm의 폭을 가지고, 블레이드의 요(오목)
면 위에 10 mm의 폭을 가지며, 따라서 마모구역의 폭보다 더 넓은 영역을 감싼다.
트랙 폭(track width)은 a = 3.7 mm 이고, 트랙 간격(track spacing)은 c = 0.8 mm
이다. 650 mm/min의 공급 속도(feed rate)와 4.2 kW의 레이져 전력이 선택된다.
표면 경도
Figure 112008089372225-pct00023
또는 엣지층 경도
Figure 112008089372225-pct00024
에 대하여, 침입형으로 용해된 질소
량과의 직접적인 상관관계가 있다. 상기 층은
Figure 112007000809738-pct00025
의 표면 경도를
가진다. 표면 아래의 연마된 크로스 섹션에서 측정된 경도는
Figure 112007000809738-pct00026
이다. 이 경도는 작업 가스 내에서
Figure 112007000809738-pct00027
의 질소비로 달성된다.
피로 저항성(fatigue resistance)은 용해된 질소비를 따라 감소한다는 것이
알려져 있다. 반면에, 마모 스트레스는 터빈 블레이드 위의 블레이드 팁 부근의 위
치에서 가장 높지만, 이 위치에서의 주기 부하는 매우 낮다는 것이 알려져 있다.
블레이드의 리딩 엣지를 따라, 블레이드 팁에서 시작하여, 마모 스트레스는 감소하
는 반면에 주기 부하는 매우 증가한다. 본원 방법에 따른 연속적인 접근방법의 경
우에, 작업가스에서의 질소 부피비
Figure 112007000809738-pct00028
은 블레이드 위치의 함수로서 정해진다는
것, 즉 질소의 부피비가 블레이드 팁에서의
Figure 112007000809738-pct00029
의 초기값에서 시작하여 레이
져-처리 구역(laser-treated zone)의 말단에서
Figure 112007000809738-pct00030
의 비율까지 감소되는 경우
에, 이런 상황이 참작된다. 이것은 더 완만한 경도 변화(transition of hardness)
및 트랙 필드의 말단에서 내부 텐션 스트레스(internal tension stress)의 감소를
동시에 달성한다. 게다가, 1개 트랙씩을 기초로 부피비
Figure 112007000809738-pct00031
을 바꿈으로써, 트랙
1,2,3, 등등 또는 트랙 4, 6, 8, 등등 (도 2b 참고)을 생성하는 동안에 처리영
역(processing region)의 측면경계(lateral boundary)에서 유사한 경도와 특성 기
울기를 달성하는 것이 가능하다.
블레이드 처리 공정 동안의 열적 스트레스의 공급은 뒤틀림을 유발하는데,
상기 뒤틀림은 일반적으로 가장 덜 휘어지는 순간의 방향으로 매우 크다. 이것은,
시작 트랙의 일정한 번호 후에 (도 2b, 2개의 시작 트랙 1, 2 참고) 추가 트랙이
블레이드의 요면 및 후면 위에서 교대로 적용되도록, 개별적인 오버래핑 트랙으로
부터 마모-저항 구역을 형성함으로써 그리고 트랙 생성의 순서를 선택함으로써 상
쇄된다(counteracted). 뒤틀림을 최소화하기 위해서, 마모구역의 크기에 기초하여,
블레이드의 요면 위에 필요로 하는 것보다 더욱 많은 트랙이 블레이드의 요면 위에
적용될 수 있다. 마지막 트랙은 리딩 엣지를 따라 적용된다. 상황에 의존하면서,
마지막 트랙은 더욱 낮은 재용융 깊이(remelting depth) 및 더 높은 공급 속도를
갖도록 생성된다. 뒤틀림 감소를 위한 이런 수단에 추가하여, 터빈 블레이드는 처
리의 시작 전에 기계적으로 고정되고, 가스 합금화 하는 동안에 고정된 상태로 유
지된다.
본 발명은 기능적 구성요소의 엣지층 마무리와 관련되어 있고, 특히 그에 의해서 티타늄합금에서의 마모-저항성 및 피로-저항성의 엣지층을 생성하기 위한 방법, 및 그와 함께 생성된 구성요소와 관련되어 있다.
본원 발명에 따라 레이져 가스 합금화에 의하여 티타늄합금에서 마모-저항성 및 피로-저항성의 엣지층을 생성하기 위한 방법은, 레이져 가스 합금화가 상기 이용되는 티타늄합금에 용해가능한 성분(soluble elements)을 침입형으로 (interstitially) 포함하거나 또는 배출하는 반응 가스를 이용하여 실행되고, 상기 반응 가스의 부분압력(partial pressure)은 그 부분압력이 질화, 탄화, 또는 붕화 티타늄 단계(phase)가 생성되는 문턱값(threshold value) 이하로 머무르도록 선택된다.
본원 발명에 따라 가스 합금화된 엣지층을 갖는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 구성요소(component)의 특징은 본질적으로 침입형으로 용해된 반응 가스와 함께 α- 및 β-티타늄 입자의 미세-입자 혼합물(fine-grain mixture)로 구성된 마모-저항성 엣지층은, 연삭된 표면(ground surface)에서 측정된
Figure 112008089372225-pct00032
의 표면 경도(surface hardness)
Figure 112008089372225-pct00033
를 가지거나, 또는 표면 0.1 mm 아래의 연마된 크로스 섹션(cross section)에서 측정된
Figure 112008089372225-pct00034
의 엣지층 마이크로경도(microhardness)
Figure 112008089372225-pct00035
을 가지고,
Figure 112008089372225-pct00036
Figure 112008089372225-pct00037
의 깊이
Figure 112008089372225-pct00038
까지 연장되고, 그리고 반응가스에 의하여 생성되는 어떤 질화물, 탄화물, 또는 붕화물 상(phases)를 포함하지 않는다.

Claims (26)

  1. 레이져 가스 합금화에 의하여 티타늄합금에서 마모-저항성 및 피로-저항성의 엣지층을 생성하기 위한 방법으로서,
    상기 레이져 가스 합금화는 이용되는 티타늄합금에 용해될 수 있는 성분을 침입형으로 포함하거나 배출하는 반응 가스를 이용하여 실행되고,
    상기 반응 가스의 부분 압력은 그 부분압력이 질화, 탄화, 또는 붕화 티타늄 상이 생성되는 한계값 이하가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 티타늄합금에 침입형으로 용해될 수 있는 상기 반응 가스로서 질소가 이용되고, 상기 질소가 비활성 기체와 함께 레이져 처리 구역에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    작업가스 혼합물에서 질소의 부피비
    Figure 112007000809738-pct00039
    이
    Figure 112007000809738-pct00040
    인 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 질소 부피비
    Figure 112008089372225-pct00041
    은 피로 스트레스를 받는 구성요소에 대하여
    Figure 112008089372225-pct00042
    의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 반응 가스에서 상기 질소 부피비
    Figure 112009044784101-pct00043
    은 처리과정 동안에 바뀌며 국부적 부하조건 및 주기부하에 대한 마모비에 적응되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 가스 합금화에 의한 상기 엣지층이 가속냉각 받는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가속냉각은 상기 가스 합금화하는 동안에 상기 엣지층이 형성되는 대상물체의 미처리 부분의 외부냉각의 결과로서 셀프-켄칭에 의하여 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 가속냉각은 레이져 처리구역 다음의 국부적 가스 냉각에 의하여 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 엣지층이 형성되는 대상물체는 상기 레이져 가스 합금화하기 전에 기계적으로 고정되며, 레이져 가스 합금화하는 동안에 고정된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 고정 및 냉각 기능이 동일한 장치에 의하여 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 가스 합금화에 의한 상기 엣지층이 실내온도로 냉각된 후에 진동 마무리, 연삭, 또는 연마에 의하여 기계적으로 평탄해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 청구항 1 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 엣지층이 형성되는 대상물체가 실내온도로 냉각된 후에 또는 기계적 평탄화된 후에, 전체 구성요소의 에이징 열처리가
    Figure 112009044784101-pct00044
    의 온도인
    Figure 112009044784101-pct00045
    에서
    Figure 112009044784101-pct00046
    의 에이징 기간인
    Figure 112009044784101-pct00047
    동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 청구항 1 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 엣지층이 형성되는 대상물체가 기계적으로 평탄화된 후에 스트레스-프리 어닐링이
    Figure 112009044784101-pct00048
    의 온도
    Figure 112009044784101-pct00049
    과
    Figure 112009044784101-pct00050
    Figure 112009044784101-pct00051
    의 기간
    Figure 112009044784101-pct00052
    에서 후속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 가스 합금화에 의한 상기 엣지층은 마지막 열처리로부터 냉각된 후에 샷-분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    레이져 대신에 고-강도 에너지 소스로서 전자빔 유닛이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    레이져 대신에 플라스마 토치(plasma torch)가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 청구항 1에 따른 상기 레이저 가스 합금화에 의한 엣지층을 갖는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체에 있어서,
    마모-저항성 엣지층은, 침입형으로 용해될 수 있는 반응가스와 함께 α-티타늄 및 β-티타늄 입자의 미세-입자 혼합물로 구성되고, 연삭된 표면에서 측정된
    Figure 112009044784101-pct00053
    의 표면 경도인
    Figure 112009044784101-pct00054
    를 가지거나, 또는 표면 0.1 mm 아래의 연마된 크로스 섹션에서 측정된
    Figure 112009044784101-pct00055
    의 엣지층 마이크로경도인
    Figure 112009044784101-pct00056
    을 가지고,
    Figure 112009044784101-pct00057
    Figure 112009044784101-pct00058
    의 깊이인
    Figure 112009044784101-pct00059
    까지 연장되고, 그리고 반응가스에 의하여 생성되는 어떤 질화물, 탄화물, 또는 붕화물 상을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 물체.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 마모-저항성 엣지층은 개별적인 오버래핑 트랙의 트랙 패턴(pattern)으로 구성되고,
    Figure 112009044784101-pct00060
    Figure 112009044784101-pct00061
    ( a
    Figure 112009044784101-pct00062
    트랙 폭, c
    Figure 112009044784101-pct00063
    트랙 간격) 인 트랙 오버랩 비율
    Figure 112009044784101-pct00064
    가
    Figure 112009044784101-pct00065
    인 것을 특징으로 하는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 엣지층은 공급방향을 가로지르는 고-강도 에너지소스의 빔을 진동시켜 생성되는, 단일한 개별적인 트랙으로 구성되는 것을 특징으로 하는 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 물체가 침식 또는 액적충돌 스트레스를 받는 터빈 블레이드를 대표하는 것을 특징으로 하는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체.
  21. 청구항 20에 있어서,
    마모-저항성 엣지층은 블레이드의 후면방향으로 뿐만 아니라 블레이드의 요면방향으로 블레이드의 리딩 엣지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체.
  22. 청구항 21에 있어서,
    마모-저항성 엣지층은 상기 리딩 엣지와 평행한 오버래핑 트랙으로 구성된 것을 특징으로 하는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체.
  23. 청구항 20에 있어서,
    트랙 생성의 순서는 연성방향(pliable direction)으로의 터빈 블레이드의 휘어짐(bending)에 관하여 상기 트랙이 중성섬유(neutral fiber)와 함께 교대로 각각 놓여지는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 마모-저항성 엣지층은 터빈 블레이드의 세로축 또는 터빈 블레이드의 리딩 엣지를 가로질러 위치된 트랙으로 구성되며, 상기 트랙은 상기 리딩 엣지 주변으로 연장되며, 그리고 상기 고-강도 에너지 소스에서의 상기 빔의 진동은 상기 터빈 블레이드의 왕복 진동 운동의 결과로서 상기 블레이드의 세로축 주변에서 생성되는 것을 특징으로 하는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체.
  25. 청구항 20에 있어서,
    블레이드 풋 사이드(blade foot side) 위의 트랙 필드 경계가 상기 리딩 엣지에 대하여 20-65°각도에서 형성되는 것을 특징으로 하는, 티타늄합금으로 만들어진 마모-저항성 및 피로-저항성의 물체.
  26. 삭제
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