KR101440152B1 - 기계 구성요소 및 이를 제작 및 수선하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기계 구성요소를 제작하는 방법(200)에 관한 것이다. 이 방법은, 소결된 예비 성형체(preform)를 수용하기 위해 기계 구성요소의 표면(114)의 적어도 일부를 준비시킴(202)을 포함한다. 이 방법은 또한, 하나 이상의 표면경화 물질(hardfacing material)의 미리 결정된 양을 하나 이상의 납땜 물질의 미리 결정된 양과 혼합함을 포함하는, 예비-소결된 예비 성형체 하이브리드(hybrid) 표면경화 혼합물을 제조함(204)을 포함한다. 이 방법은 예비-소결된 예비 성형체를 제조함(206)을 추가로 포함한다. 예비-소결된 예비 성형체는 미리 결정된 치수를 갖는다. 이 방법은 또한, 소결된 예비 성형체를 제조하고(208), 소결된 예비 성형체를 기계 구성요소에 위치시킴(210)을 포함한다. 이 방법은, 소결된 예비 성형체를 납땜을 통해 기계 구성요소의 적어도 일부에 고정 결합시킴(212)을 추가로 포함한다.

Description

기계 구성요소 및 이를 제작 및 수선하는 방법{MACHINE COMPONENTS AND METHODS OF FABRICATING AND REPAIRING}
도 1은 예시적인 연소 터빈 엔진의 단편의 측면 투시도이다.
도 2는, 도 1의 연소 터빈 엔진과 함께 사용될 수 있는, 표면경화되지 않은 복수개의 터빈 블레이드 쉬라우드(shroud)의 부분적 오버헤드 투시도이다.
도 3은, 도 2의 터빈 블레이드 쉬라우드의 예시적인 표면경화 방법의 작업 공정도이다.
도 4는, 도 2의 터빈 블레이드 쉬라우드에 적용될 수 있는 예비-소결된 예비 성형체 평판의 오버헤드 투시도이다.
도 5는, 소결된 표면경화 예비 성형체가 결합된 도 2의 쉬라우드의 부분적 투시도이다.
도 6은, 도 1의 연소 터빈 엔진과 함께 사용될 수 있는, 표면경화된 터빈 블레이드 쉬라우드의 부분적 오버헤드 투시도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 연소 터빈 엔진
102: 블레이드
104: 허브(hub)
106: 에어포일(airfoil)
108: 쉬라우드(shroud)
110: Z-노치(notch)
112: 돌출부
114: 표면
200: 방법
202, 204, 206, 208, 210, 212: 단계
300: 평판 어셈블리
302: 소결된 평판
304: 성형 트레이
402: 예비 성형체
404: 택 용접부(tack weld)
본 발명은 일반적으로 기계 구성요소를 제작하는 방법, 더욱 구체적으로 기계 구성요소에 표면경화 층을 생성시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
대부분의 공지 터빈 블레이드는 구동 샤프트에 부착된 중심 허브에 결합되고, 블레이드는 허브 및 샤프트의 축에 대해 실질적으로 방사상으로 배치된다. 블레이드는 에어포일을 포함하며, 높은 에너지의 구동 유체가 에어포일에 충돌하고 회전 에너지를 부여하여 샤프트를 회전시킨다. 몇몇 공지 연소 터빈 블레이드는 부속 에어포일의 바깥쪽 끝에 쉬라우드를 갖는다. 블레이드 쉬라우드는 서로 근접하게 끼워진다. 다수의 공지 터빈 블레이드 쉬라우드는 문자 Z와 매우 비슷한 그의 형상 때문에 "Z-노치"라고 흔히 불리는 노치 형태의 기계적 맞물림 부분을 가지며, 이 노치로 인해 각각의 블레이드가 그의 쉬라우드에서 인접 블레이드와 물리적으로 맞물리게 된다.
Z-노치 영역에서 마모를 야기할 수 있는 다양한 메카니즘이 존재한다. 예를 들면, 엔진의 작동 동안, 인접한 블레이드가 서로에 대해 또한 허브에 대해 미세하지만 연속적으로 진동할 수 있다. 상기 맞물림 부분은 에어포일 진동의 경감을 촉진시켜, 작동 동안 블레이드 내에서 유도되는 응력이 다시 경감되도록 한다. 블레이드에서의 진동이 쉬라우드의 Z-노치의 근소한 공차만큼 경감되기 때문에, 이러한 상태는 인접한 노치가 서로 문질러짐에 따라 쉬라우드의 Z-노치 근처에서의 마모를 증가시킬 수 있다.
또한, 엔진 시동 동안, 쉬라우드, 에어포일 및 허브(및 유체와 맞닿는 다른 모든 구성요소)의 온도가 각각의 개별적인 구성요소 내에서, 다른 인접한 구성 요소에 대해 변하고 엔진이 작동 속도까지 가속됨에 따라, 블레이드와 쉬라우드는 노치가 때때로 서로 접촉하도록, 즉 맞물려진 상태에 도달하도록 비틀어진다. 또한, 엔진을 정지시키는 작동 동안, 시동에 수반되는 변화와 실질적으로 반대되는 구성요소 온도 변화 및 엔진 감속이 있어서, 블레이드와 쉬라우드는 노치가 서로 접촉하지 않도록, 즉 맞물려지지 않은 상태에 도달하도록 비틀어진다.
일반적으로, 쉬라우드 물질은 장기간에 걸친 접촉 및 문지름의 누적 효과에 견디는 경도 특징을 갖지 않는다. 노치의 표면 물질은 마모되는 경향이 있다. 노치가 마모됨에 따라, 상기 비틀림 및 진동의 효과가 증가되고, 정비를 위한 조업 중단 및 수선이 더욱 잦아질 수 있다. 그러므로, 기판 물질과 양립가능하고 기판 물질에 비해 높아진 강도 특징을 가져서 마모에 대한 노치 영역의 감수성을 용이하게 감소시키는 보호 물질을 Z-노치와 함께 전형적으로 사용한다. 이러한 공정은 흔히 표면경화(hardfacing))로 일컬어지며, 사용되는 관련 물질은 표면경화 물질로 불린다. 용접, 분무 또는 납땜에 의해 표면경화 물질 층을 형성시킬 수 있다. 일반적으로, 분무 방법은 일부 용접 및 납땜 방법에 의해 달성되는 장기적인 결과를 제공하지 못할 수 있다.
텅스텐 불활성 기체(TIG), 레이저 및 플라즈마 아크 용접 방법을 비롯한 융해 용접 방법을 이용하는 표면경화는, 무결함 층 제조의 반복성을 감소시키는 표면경화 공정에 변수를 도입할 수 있다. 이러한 상황은 용접후 검사 및 용접 개선 작업의 횟수 및 길이를 증가시키는 경향이 있다. 예를 들어, 용접 결함은 전형적으로 용접부 균열, 다공성 표면경화 층, 불량한 표면경화 결합 및 접착, 표면경화 물질 및 기판의 산화, 및 열 변질 대역의 생성으로 인한 기판의 균열을 포함한다.
한 요지에서는, 기계 구성요소의 제작 방법이 제공된다. 이 방법은 소결된 예비 성형체를 수용하기 위하여 기계 구성요소의 표면중 적어도 일부를 준비시킴을 포함한다. 이 방법은 또한 하나 이상의 표면경화 물질의 미리 결정된 양을 하나 이상의 납땜 물질의 미리 결정된 양과 혼합함을 포함하는, 예비-소결된 예비 성형체 하이브리드 표면경화 혼합물을 제조함을 포함한다. 이 방법은 예비-소결된 예비 성형체를 제조함을 추가로 포함한다. 예비-소결된 예비 성형체는 미리 결정된 치수를 갖는다. 이 방법은 또한 소결된 예비 성형체를 제조하고 소결된 예비 성형체를 기계 구성요소에 위치시킴을 포함한다. 이 방법은 소결된 예비 성형체를 납땜을 통해 기계 구성요소의 적어도 일부에 고정 결합시킴을 추가로 포함한다.
다른 요지에서는, 기계 구성요소의 수선 방법이 제공된다. 이 방법은 수선되어야 하는 기계 구성요소의 적어도 일부를 준비시킴을 포함한다. 기계 구성요소는 기판을 갖고, 기판은 표면을 가지며, 기판 표면의 적어도 일부는 미리 결정된 물질 조성을 갖는다. 구성요소의 준비는 변형된 표면 아래 물질을 제거하고, 기판 물질과 양립가능한 물질의 층을 표면상에 생성시킴으로써 표면 공극을 채우며, 표면을 미리 결정된 치수로 가공함으로써 표면 불균일성을 완화시킴을 포함한다. 이 방법은 또한 하나 이상의 표면경화 물질의 미리 결정된 양을 하나 이상의 납땜 물질의 미리 결정된 양과 혼합함으로써 예비-소결된 예비 성형체 하이브리드 표면경화 혼합물을 제조함을 포함한다. 이 방법은 예비-소결된 예비 성형체를 제조함을 추가로 포함하며, 예비-소결된 예비 성형체는 미리 결정된 치수를 갖는다. 이 방법은 또한 소결된 예비 성형체를 제조하고 소결된 예비 성형체를 기계 구성요소에 위치시킴을 포함한다. 이 방법은 소결된 예비 성형체를 납땜을 통해 기계 구성요소의 적어도 일부에 고정 결합시킴을 추가로 포함한다.
추가의 요지에서는, 기계 구성요소가 제공된다. 구성요소는 기판을 포함한다. 기판은 표면을 포함하고, 기판 표면의 적어도 일부는 미리 결정된 물질 조성을 포함한다. 기계 구성요소는 또한 하이브리드 표면경화 물질 층을 포함한다. 소결된 예비 성형체를 기판 표면에 납땜함으로써 기판 표면의 적어도 일부에 하이브리드 표면경화 물질 층을 생성시킨다. 소결된 예비 성형체는 납땜 물질과 표면경화 물질의 혼합물을 포함한다.
도 1은 예시적인 연소 터빈 엔진(100)의 단편의 측면 투시도이다. 엔진(100)은 허브(104)에 결합된 복수개의 터빈 블레이드(102)를 갖는다. 예시적인 실시양태에서, 블레이드(102)는 3단 버킷(bucket)이다. 허브(104)는 터빈 샤프트(도 1에 도시되지 않음)에 결합되어 있다. 각 블레이드(102)는 상응하는 에어포일(106), 및 에어포일(106)의 바깥쪽 끝에서 에어포일(106)에 고정 결합된 상응하는 터빈 블레이드 쉬라우드(108)를 갖는다. 각 쉬라우드(108)는 2개의 상응하도록 대향하는 Z-노치(110)를 가지나, 각 쉬라우드(108)에 대해 하나의 노치만이 도시되어 있다. 돌출부(112)는 실질적인 아치형 밀봉 고리(도 1에는 도시되지 않음)를 쉬라우드(110)에 용이하게 결합시켜, 블레이드(102) 원주 방향 이동 및 진동의 경감을 촉진시킨다. 진한 점선으로 표시되고 (2)라는 라벨이 붙은 도 1의 부분이 도 2에 도시되어 있다.
한 실시양태에서, 엔진(100)은 제네랄 일렉트릭 캄파니(General Electric Company; 사우쓰 캐롤라이나주 그린빌)에서 시판중이고 종종 9FA 엔진으로 불리는 MS9001FA 엔진이다. 본 발명은 임의의 하나의 특정 엔진으로 한정되지 않으며, 예를 들어 제네랄 일렉트릭 캄파니의 MS6001FA(6FA), MS6001B(6B), MS6001C(6C), MS7001FA(7FA), MS7001FB(7FB) 및 MS9001FB(9FB) 엔진 모델을 비롯한 다른 엔진과 관련하여 적용될 수 있다.
도 2는, 연소 터빈 엔진(100)과 함께 사용될 수 있는 표면경화가 없는 터빈 블레이드 쉬라우드(108)의 부분적 오버헤드 투시도이다. 쉬라우드(108)는 각 단부에 Z-노치(110)를 갖는 것으로 도시되어 있다. Z-노치(110)는 짝(mating)-표면(114)을 갖는다. 에어포일(106)(외곽선) 및 돌출부(112)는 배향에 대한 상관관계를 나타내기 위해 도시되어 있다.
쉬라우드(108)는 초합금 물질로 제조될 수 있는 기판을 갖는다. 초합금은 전형적으로 니켈계 합금 또는 코발트계 합금이며, 초합금중 니켈 또는 코발트의 양은 중량 기준으로 가장 큰 단일 원소이다. 예시적인 니켈계 초합금은 약 40중량% 이상의 니켈(Ni), 및 코발트(Co), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 니오브(Nb), 하프늄(Hf), 붕소(B), 탄소(C) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함한다. 니켈계 초합금의 예는 상표명 인코넬(Inconel; 등록상표), 니모닉(Nimonic; 등록상표), 렌(Rene; 등록상표)[예컨대, 렌(등록상표)80, 렌(등록상표)95, 렌(등록상표)142 및 렌(등록상표)N5 합금], 및 우디메트(Udimet; 등록상표)로 지칭될 수 있으나 이들로 한정되지는 않으며, 방향성있게 고화된 단결정 초합금을 포함한다. 예시적인 코발트계 초합금은 약 30중량% 이상의 Co, 및 니켈, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 티탄 및 철로 이루어진 군으로부터의 하나 이상의 성분을 포함한다. 코발트계 초합금의 예는 상표명 헤인즈(Haynes; 등록상표), 노잘로이(Nozzaloy; 등록상표), 스텔라이트(Stellite; 등록상표) 및 울티메트(Ultimet; 등록상표)로 지칭된다.
도 3은 터빈 블레이드 쉬라우드(108), 더욱 구체적으로는 부속 Z-노치(110)(도 2에 도시됨)의 예시적인 표면경화 방법(200)의 작업 공정도이다. 예시적인 방법(200)의 방법 단계(202)는 터빈 블레이드 쉬라우드 Z-노치(110)의 표면(114)(도 2에 도시됨)을 준비시키는 것이다. 엔진(100) 내에서 작동된 바 없는 쉬라우드(108)에서 수행되는 단계(202)는 작업동안 수집될 수 있는 임의의 느슨한 표면 오염물을 제거하는 부속 단계(sub-step)를 포함한다. 이들 표면 오염물은 저장동안 침착된 느슨한 분진 및 그릿(grit)을 포함할 수 있다. 단계(202)는 또한 도포된 코팅재를 제거하는 부속 단계도 갖는다. 제작 공정 동안, 블레이드(102)(도 1에 도시됨)에 도포된 임의의 코팅은 표면(114)에도 침착될 수 있다. 일반적으로, 물질 결합 공정을 포함하는 방법(200)의 후속 단계는 터빈 블레이드 코팅의 존재에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있다. 또한, 단계(202)는 블레이드(102) 제작 및 저장 동안 생성될 수 있는 Z-노치 짝-표면(114)으로부터의 금속 불순물, 예를 들어 산화된 표면 층을 제거하는 부속 단계를 포함한다. 뿐만 아니라, 단계(202)는 제작 공정동안 전형적으로 생성된 표면 불균일물을 제거하는 부속 단계를 갖는다. 일반적으로, 상기 기재된 바와 같이 표면을 준비시키는 방법은 온화한 세제, 온화한 마모제 및 가벼운 공작을 이용한다.
다르게는, 방법 단계(202)는 엔진(100) 내에서 작동되었고 검사를 위해 제거되었으며 수선에 들어갈 예정인 쉬라우드(108)에서 수행될 수 있다. 단계(202)를 수행하기 전에, 당해 분야에 널리 공지되어 있는 분해 관행을 이용하여 쉬라우드(108)는 엔진 부분(100)으로부터 제거되는 것으로 생각된다. 쉬라우드(108)를 에어포일(106)로부터 분리시켜 쉬라우드(108)에 관련된 추가적인 방법 단계를 용이하게 수행하도록 할 수 있다. 다르게는, 쉬라우드(108)를 에어포일(106)에 결합된 채로 유지시켜, 블레이드(102)에 관련된 다양한 정비 활동을 용이하게 조합할 수 있다. 상기 기재된 부속 단계를 수행하기 전에, 쉬라우드(108)는 추가적인 준비 부속 단계를 필요로 할 수 있다. 작동되는 동안, 쉬라우드(108)는 기판 물질 상태를 변화시킬 수 있는 다양한 환경 조건을 겪게 된다. 예를 들어, 작동 과도기 동안 유도되는 온도 구배로 인해 작은 균열이 발생될 수 있다. 이들 추가적인 부속 단계는 변형된 표면 아래 물질을 제거함을 포함한다. 표면에 보다 가까운 변형부를 제거하기 위하여, 온화한 마모제를 사용하여 기계 구성요소 기판 표면을 연마함으로써 짝-표면을 생성시키는 것이 더욱 유리할 수 있다. 표면으로부터 더 깊은 변형부의 경우에는, 공기압- 또는 전기-동력 연마기를 사용하여 기계 구성요소 기판 표면의 적어도 일부를 연마하는 것이 더욱 유리할 수 있다. 추가적인 부속 단계는 상기 기재된 연마 작업에 의해 생성된 표면 공극, 또는 고에너지 유체와 임의의 연행될 수 있는 미립자 오염물 사이의 물리적 상호작용의 결과로서 작동 동안 생성된 구덩이을 채우는 것이다. Z-노치 짝-표면(114) 상에 기판 물질과 양립가능한 물질의 층을 생성시킴으로써, 전형적으로 공극을 채운다. 뿐만 아니라, 추가적인 부속 단계는 표면을 미리 결정된 치수까지 공작함으로써 표면 불균일성을 경감시키는 것이다. 이 부속 단계는 통상 온화한 마모제를 사용하는 가벼운 공작으로 수행된다.
예시적인 방법(200)의 방법 단계(204)는 예비-소결된 예비 성형체(PSP) 하이브리드 표면경화 혼합물을 제조하는 것이다. 단계(204)는 하나 이상의 납땜 물질의 미리 결정된 양과 하나 이상의 표면경화 물질의 미리 결정된 양을 혼합하여 하이브리드 표면경화 물질을 제조함을 포함한다. 예시적인 실시양태에서, 표면경화 물질은 분말화된 형태의 트리발로이(Tribaloy) T800이다. T800은 델로로 스텔라이트 인코포레이티드(Deloro Stellite Inc.; 캐나다 온타리오주 벨르빌)에서 제조된 코발트계 표면경화 합금이고, 모건 어드벤스드 세라믹스(Morgan Advanced Ceramics; 캘리포니아주 헤이우드)의 계열사인 웨스고 세라믹스(WESGO Ceramics)에서 시판중이다. T800은 대략적인 중량(%) 기준으로 하기 구성성분을 갖는다:
Co: 나머지량
Mo: 27.00-30.00
Cr:16.50-18.50
Si: 3.00-3.80
Fe: 최대 1.50
Ni: 최대 1.50
O: 최대 0.15
C: 최대 0.08
P: 최대 0.03
S: 최대 0.03
T800 분말의 크롬 함량은 산화 및 부식의 경감을 촉진시킨다.
다르게는, 종종 CM-64 및 CM64로 불리는 코스트 메탈(Coast Metal) 64를 사용할 수 있다. CM-64는 모건 어드밴스드 세라믹스(캘리포니아주 헤이우드)의 계열사인 웨스고 세라믹스에서 시판되고 있다. CM-64는 대략적인 중량(%) 기준으로 하기 구성성분을 갖는다:
Co: 나머지량
Cr: 26.00-30.00
W: 18.00-21.00
Ni: 4.00-6.00
V: 0.75-1.25
C: 0.70-1.00
B: 0.005-0.10
Fe: 최대 3.00
Mg: 최대 1.00
Si: 최대 1.00
Mo: 최대 0.50
예시적인 실시양태에서, 납땜 물질은 분말화된 형태의 MAR M-509B이다. M-509B는 모건 어드밴스드 세라믹스(캘리포니아주 헤이우드)의 계열사인 웨스고 세라믹스에서 시판중이다. M-509B는 붕소 첨가제를 갖는 코발트계 납땜 물질 합금이고, 대략적인 중량(%) 기준으로 하기 구성성분을 갖는다:
Co: 나머지량
Cr: 22.00-24.75
Ni: 9.00-11.00
W: 6.50-7.60
Ta: 3.00-4.00
B: 2.60-3.16
C: 0.55-0.65
Zr: 0.30-0.60
Ti: 0.15-0.30
Fe: 최대 1.30
Si: 최대 0.40
Mn: 최대 0.10
S: 최대 0.02
상기 붕소 첨가제의 중요성은 아래 기재된다.
예시적인 실시양태에서, T-800/CM-64 대 MAR-M-509B의 비는 80% 내지 85%의 T-800/CM-64 대 20% 내지 15%의 MAR-M-509B이다. 다르게는, 90% 내지 60%의 T-800/CM-64 대 10% 내지 40%의 MAR-M-509B의, T-800/CM-64 대 MAR-M-509B의 비를 이용할 수 있다. MAR-M-509B의 백분율이 증가함에 따라, 화합물의 납땜 온도 및 내마모성이 감소되는 경향이 있다.
예시적인 방법(200)의 방법 단계(206)는 예비-소결된 예비 성형체를 제조하는 것이다. 단계(206)는 PSP 하이브리드 표면경화 혼합물을 미리 결정된 두께를 갖는 평판과 실질적으로 유사한 형상으로 성형시킴을 포함한다. 전형적으로, 두께는 Z-노치(110)의 최종 치수에 기초하여 미리 결정된다. 일반적으로, 두께는 0.203cm(0.080인치) 내지 0.254cm(0.100인치)이다.
예시적인 방법(200)의 방법 단계(208)는 소결된 예비 성형체를 제조하는 것이다. 단계(208)는 PSP 평판 예비 성형체를 소결시키는 부속 단계를 포함한다. PSP에 2% 미만의 공극률을 달성하기 위하여 자동 온도 조절 소결로에서 소정 시간동안 소정 온도로 PSP 평판을 가열함으로써, 예비 성형체를 소결시킨다. 하이드리드 표면경화 혼합물중 납땜 물질 및 표면경화 분말은 용융되고 서로 혼합(즉, 확산)되어 실질적으로 균질한 혼합물을 생성시킬 수 있다. 소결이 종결된 후, PSP 평판 예비 성형체를 냉각시킨다. 도 4는, 터빈 블레이드 쉬라우드 Z-노치(110)(도 2에 도시됨)에 적용될 수 있는 소결된 평판(302)을 포함하는 평판 어셈블리(300)의 오버헤드 투시도이다. 소결된 평판(302)은 성형 트레이(304) 위에 놓여 있는 것으로 도시되어 있다. 단계(208)는 또한 소결된 평판(302)으로부터 소결된 예비 성형체(도 4에 도시되지 않음)를 빼내는 제 2 부속 단계도 갖는다. 레이저 절삭 공구 또는 워터 제트 절단 공구를 사용함으로써 소결된 평판으로부터 소결된 예비 성형체를 빼낸다. 소결된 예비 성형체는 Z-노치(110)의 소정 최종 치수에 수반되는 것과 실질적으로 유사한 미리 결정된 치수를 갖는다.
예시적인 방법(200)의 방법 단계(210)는 터빈 블레이드 쉬라우드 Z-노치(110)에 소결된 예비 성형체를 위치시키는 것이다. 도 5는, 소결된 표면경화 예비 성형체(402)가 결합된 쉬라우드(108)의 부분적 투시도이다. 예비 성형체(402)는 하나 이상의 별개의 택 용접부(404)에 의해 Z-노치(110) 짝-표면(114) 상의 제 위치에 유지된다. 예시적인 실시양태에서는, 표면(114)으로의 예비 성형체(402)의 접착을 촉진시키기 위하여 2개의 택 용접부를 사용한다. 일반적으로, 택 용접부의 수는 표면(114) 상의 열 변질 대역의 생성을 경감시키고 예비 성형체(402)의 변형을 완화시키기 위하여 1 또는 2개의 용접부로 유지된다. 전형적으로, 용접 토치(도 5에 도시되지 않음)는 택 용접부(404) 위치에서 짝-표면(114)에서 기판이 실질적으로 국부적으로만 용융되도록 하면서 표면경화 예비 성형체(402)를 통해 택 용접부(404)를 생성시키기에 충분히 강력하다.
다르게는, 당해 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 결합을 촉진시키기 위하여 미리 결정된 두께 및 화학적 조성을 갖는 물질의 층을 예비 성형체(402)와 표면(114) 사이에 삽입할 수 있다. 예를 들어, Ni 13Cr 4Si 4Fe 3B의 화학적 조성을 갖는 시판중인 니켈계 합금 암드라이(Amdry) 915의 얇은 포일을 사용할 수 있다. 얇은 포일의 두께는 약 1mm(0.04인치) 내지 5mm(0.20인치)일 수 있고, 다른 치수는 표면(114)의 치수와 실질적으로 유사할 수 있다.
예시적인 방법(200)의 방법 단계(212)는 소결된 예비 성형체(402)를 Z-노치 짝-표면(114)에 납땜하는 것이다. 단계(212)는 가열 싸이클 부속 단계 및 냉각 싸이클 부속 단계를 포함한다. 예시적인 실시양태에서, 가열 싸이클 부속 단계는, 두 Z-노치(110) 각각에 택 용접된 예비 성형체(402)를 갖는 쉬라우드(108)를 실온, 즉 약 21℃(70℉)인 납땜로에 넣음을 포함한다. 결합 공정을 촉진시키기 위하여, 당해 분야의 숙련자에게 널리 공지되어 있는 방법에 의해 로 내에 비-산화 대기를 제공할 수 있고 표면경화 예비 성형체(402)에 압력을 유도하는 방법을 제공할 수 있다. 비-산화 대기를 수득하기 위하여, 약 0.067Pa(0.5밀리토르) 이하의 압력으로 로 내에 진공을 생성시킨다. 약 14℃/분(25℉/분)의 속도로 로를 약 650℃(1200℉)까지 가열한다. 약 650℃(1200℉)에 도달하면, 이 온도를 약 30분간 유지시킨다. 이어, 로 온도를 약 14℃/분(25℉/분)의 속도로 약 980℃(1800℉)로 높인다. 약 980℃(1800℉)에 도달하면, 이 온도를 약 30분간 유지시킨다. 이어, 로 온도를 약 19℃/분(35℉/분)의 속도로 약 1204 내지 1218℃(2200 내지 2225℉)까지 높인다. 약 1204 내지 1218℃(2200 내지 2225℉)에 도달하면, 이 온도를 약 20분간 유지시킨다.
또한 예시적인 실시양태에서, 냉각 싸이클 부속 단계는, 내부에 쉬라우드(108)를 갖는 납땜로를 약 1120℃(2050℉)까지 제어 방식으로 냉각시키고 이 온도를 약 60분간 유지시킴을 포함한다. 이어, 로를 약 815℃(1500℉)로 추가로 냉각시킨다. 로를 대략 실온까지 후속 냉각시킨다.
다른 실시양태에서는, 단계(212)를 다른 열처리 작업과 함께 수행하여 제작 일정을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 추가적인 또는 다른 정비 및 수선 작업중인 쉬라우드(108)도 응력을 경감시키는 방법으로서 단계(212)를 이용할 수 있다. 또한, 다르게는, 에어포일(106)의 열처리를 쉬라우드(108)와 함께 수행할 수 있다.
예시적인 방법(200)의 단계(212)는 표면경화 예비 성형체(402)와 짝-표면(14) 사이의 강력한 결합 형성을 촉진시킨다. 이는 적어도 부분적으로 MAR M-509B 납땜 물질 분말중 붕소(B) 농도 때문이다. 단계(212)에서는, 승온에서 결합되는 물질의 표면의 지속적인 항복 및 크리프(creep)가 두 물질 사이의 실질적으로 모든 공극의 제거를 촉진시키는, 확산 결합의 형태를 이용한다. 붕소는 표면경화 예비 성형체(402)로부터 짝-표면(114)으로 확산됨으로써 확산 결합 공정을 촉진시키는 경향이 있다. 일반적으로, 물질을 통해 확산되는 붕소의 양이 더 많고 거리가 더 클수록 결합이 더 강하다. 예시적인 실시양태에서, 붕소 확산은 확산 결합을 실질적으로 제공하지 않는 텅스텐 불활성 기체(TIG), 레이저 및 플라즈마 아크 용접 방법을 비롯한 융해 용접 방법을 이용하는 표면경화에 비해 76㎛(0.003인치) 내지 127㎛(0.005인치)의 확산 결합을 촉진시킨다. 예시적인 실시양태에서, 예시적인 결합의 전단 강도, 즉 파괴되기 전에 물질 또는 결합이 견딜 수 있는 힘은 약 704℃(1300℉)에서의 89,600kPa(13ksi) 내지 대략 실온에서의 93,800kPa(13.6ksi)이다. 이 범위는 약 927℃(1700℉)에서 기판 단독의 전단 강도인 100,663kPa(14.6ksi)에 필적한다.
다르게는, 방법 단계(212)를 더욱 용이하게 하기 위하여, 방법 단계(210)는 짝-표면(114)과 예비 성형체(402) 사이에 붕소-함유 물질 층을 삽입하여 결합중 확산된 붕소의 농도를 증가시킴을 포함할 수 있다. 또 다르게는, 방법 단계(204)에 기재된 납땜 물질 분말은, 확산 결합 공정을 촉진시키도록 증가된 붕소 농도를 가질 수 있다. 또한 다르게는, 방법 단계(204)에서 추가적인 붕소-함유 분말을 예시적인 납땜 물질 및 표면경화 분말과 혼합할 수 있다.
개선된 결합 특징에 덧붙여, 전술한 용접 방법의 이점은 표면경화 물질의 공극률의 경감을 포함한다. 이는, 용접이 전형적으로 불균일 층 형성의 동적 방법에서 생성되는 다중 층을 갖는데 반해 단일의 균일한 층을 가짐에 기인한다. 추가적인 이점은 열 변질 대역의 생성 및 후속 용접-유도된 균열의 제거를 포함한다. 추가적인 이점은, 비-산화 환경을 이용하여 표면경화 층을 생성시키기 때문에 기판 및 표면경화 물질의 산화가 경감됨을 포함한다.
도 6은, Z-노치(110)에 표면경화 물질(402)을 갖는 연소 터빈 엔진(100)에 재설치될 수 있는 터빈 블레이드 쉬라우드(108)의 부분적 오버헤드 투시도이다. 쉬라우드(108)를 엔진(100) 내로 재설치하기 전에, 표면경화 물질(402)을 가볍게 공작하여 표면 불균일성을 경감시키고 표면경화 물질의 치수를 용이하게 짝-표면(114)의 관련 치수와 실질적으로 유사하게 맞출 수 있다.
터빈 시스템에 수반되는 터빈 블레이드의 예시적인 실시양태가 상기 상세하게 기재되었다. 방법, 장치 및 시스템은 본원에 기재된 구체적인 실시양태 및 구체적인 도시된 터빈 블레이드로 한정되지 않는다.
다양한 구체적인 실시양태 면에서 본 발명을 기재하였으나, 당해 분야의 숙련자는 특허청구범위의 원리 및 영역 내에서 변형시키면서 본 발명을 실행할 수 있음을 알게 될 것이다.
본원에 기재된 터빈 블레이드의 제작 방법 및 장치는 터빈 시스템의 작동을 용이하게 한다. 더욱 구체적으로, 상기 기재된 터빈 블레이드의 표면경화로 인해 더욱 강하고 내마모성이며 신뢰성있는 터빈 블레이드가 가능해진다. 이러한 블레이드는 또한 신뢰성, 및 감소된 정비 비용 및 터빈 시스템 운전중지를 가능케 한다.

Claims (11)

  1. 소결된 예비 성형체(preform)를 수용하기 위해 기계 구성요소의 표면(114)의 적어도 일부를 준비시키는 단계(202);
    하나 이상의 표면경화 물질(hardfacing material)의 미리 결정된 양을 하나 이상의 납땜(brazing) 물질의 미리 결정된 양과 혼합함을 포함하는, 예비-소결된 예비 성형체 하이브리드(hybrid) 표면경화 혼합물을 생성시키는 단계(204)로서, 상기 납땜 물질이 붕소 첨가제를 갖는 코발트계 합금을 포함하는, 단계;
    미리 결정된 두께를 포함한 미리 결정된 치수를 갖고, 평판 형상의 예비-소결된 예비 성형체(302)를 제조하는 단계(206);
    예비-소결된 평판 예비 성형체(302)를 자동 온도 조절 소결로에서 미리 결정된 온도로 미리 결정된 시간 동안 가열하여 소결된 평판 예비 성형체(402)의 공극률을 2% 미만으로 달성하고, 소결된 예비 성형체(402)를 소결된 평판 예비 성형체(302)로부터 빼내어, 소결된 예비 성형체(402)를 제조하는 단계(208);
    상기 소결된 예비 성형체(402)를 상기 기계 구성요소 상에 위치시키는 단계(210); 및
    상기 소결된 예비 성형체(402)를 납땜 공정을 통해 상기 기계 구성요소의 적어도 일부에 고정 결합시키는 단계(212)로서, 상기 납땜 공정이 제어된 가열 싸이클 부속 단계 및 이어서 제어된 냉각 싸이클 부속 단계를 포함함에 따라, 상기 소결된 예비 성형체(402)로부터 상기 기계 구성요소 내로 76㎛ 내지 127㎛ 거리로 붕소가 확산되고, 상기 소결된 예비 성형체(402)와 상기 기계 구성요소 사이에 확산 결합이 형성되되, 상기 결합의 전단 강도가 740℃에서 89,600kPa 내지 실온에서 93,800kPa인, 단계
    를 포함하는, 기계 구성요소의 제작 방법(200).
  2. 제 1 항에 있어서,
    표면(114)의 적어도 일부를 준비시키는 상기 단계(202)가, 상기 기계 구성요소의 표면의 적어도 일부로부터 느슨한(loose) 표면 오염물, 도포된 코팅재, 금속 불순물 및 표면 불균일물을 제거함을 포함하는, 기계 구성요소의 제작 방법(200).
  3. 삭제
  4. 미리 결정된 물질 조성을 적어도 일부에 포함하는 표면(114)을 갖는 기판(substrate)을 포함하는 기계 구성요소로서,
    상기 기판이, 표면으로부터 76㎛ 내지 127㎛ 범위의 거리로 기판 내로 확산된 붕소를 포함하고,
    상기 표면(114)이, 소결된 예비 성형체(402)를 상기 기판 표면(114)에 납땜함으로써 상기 기판 표면(114)의 적어도 일부 상에 형성된 하이브리드 표면경화 물질 층을 포함하되,
    상기 납땜 공정이 제어된 가열 싸이클 부속 단계 및 이어서 제어된 냉각 싸이클 부속 단계를 포함함에 따라, 740℃에서 89,600kPa 내지 실온에서 93,800kPa 범위의 전단 강도를 갖는 확산 결합이 상기 소결된 예비 성형체(402)와 상기 기판 표면(114) 사이에 형성되고,
    상기 소결된 예비 성형체(402)가 납땜 물질과 표면경화 물질의 혼합물을 포함하되,
    상기 납땜 물질이 붕소 첨가제를 갖는 코발트계 합금을 포함하고,
    상기 소결된 예비 성형체(402)가 2% 미만의 공극률을 갖고, 미리 결정된 두께를 포함한 미리 결정된 치수를 갖는 평판 형상의 예비-소결된 예비 성형체(302)를 자동 온도 조절 소결로에서 미리 결정된 온도로 미리 결정된 시간 동안 가열시켜 제조되며,
    상기 기판이 Z-노치(notch)(110)을 갖는 터빈 블레이드 쉬라우드(shroud)(108)을 포함하는, 기계 구성요소.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판 표면(114)이 초합금을 포함하는, 기계 구성요소.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 초합금이 니켈계 초합금이고, 상기 초합금이 미리 결정된 융점을 갖는, 기계 구성요소.
  7. 삭제
  8. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 표면경화 물질이, 기판 표면(114)의 융점 미만인 미리 결정된 융점을 갖는, 기계 구성요소.
  9. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면경화 물질이 코발트계 합금을 포함하고, 상기 합금이 크롬 및 몰리브덴을 포함하는, 기계 구성요소.
  10. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납땜 물질이 코발트계 합금을 포함하고, 상기 합금이 크롬, 니켈 및 붕소를 포함하며, 상기 붕소가 상기 기판 표면(114) 내로 확산되는, 기계 구성 요소.
  11. 소결된 예비 성형체를 수용하기 위해 기계 구성요소의 표면의 적어도 일부를 준비시켜, 상기 표면의 일부로부터 금속 불순물을 제거하는 단계;
    하나 이상의 표면경화 물질의 미리 결정된 양을 하나 이상의 납땜 물질의 미리 결정된 양과 혼합함을 포함하는, 예비-소결된 예비 성형체 하이브리드 표면경화 혼합물을 생성시키는 단계;
    미리 결정된 두께를 갖는 예비-소결된 예비 성형체를 제조하는 단계;
    2% 미만의 공극률을 갖고, 적어도 기계 구성요소의 치수에 기초한 소결된 예비 성형체를 제조하는 단계;
    소결된 예비 성형체 및 기계 구성요소의 사이에 붕소를 함유하는 물질 층을 삽입하여 소결된 예비 성형체 및 기계 구성요소 사이에 확산 결합을 촉진시키는 단계;
    상기 소결된 예비 성형체를 상기 기계 구성요소 상에 위치시키는 단계; 및
    상기 소결된 예비 성형체를 납땜을 통해 상기 기계 구성요소의 적어도 일부에 고정 결합시켜 소결된 예비 성형체와 기계 구성요소 사이에 확산 결합이 형성되는 단계로서, 소결된 예비 성형체를 고정 결합시키기 위하여 상기 기계 구성요소 및 상기 소결된 예비 성형체가 25℉/분의 가열 속도로 실온으로부터 1200℉로 가열되고, 이후 상기 기계 구성요소와 상기 예비 성형체가 1200℉의 유지 온도로 30분의 유지 기간 동안 가열되는, 단계
    를 포함하는, 기계 구성요소의 제작 방법.
KR1020070000299A 2006-01-03 2007-01-02 기계 구성요소 및 이를 제작 및 수선하는 방법 KR101440152B1 (ko)

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