KR101801098B1 - 초합금 구성요소의 구조적 브레이즈 보수 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초합금(superalloy) 가스 터빈 엔진(gas turbine engine) 구성요소들의 구조 보수들에 유용한 붕소 및 규소가 없는 브레이즈(braze) 합금들에 관한 것이다. 브레이즈 합금 조성은 보수될 초합금 재료에 포함되는 원소(element)들만 함유할 수 있으며, 10℃ 만큼 낮은 용융 온도 범위들을 가질 수 있어 초합금 기재 재료의 용체화 열처리(solution heat treatment) 동안 고강도의 균질화된 브레이즈 조인트(joint)를 용이하게 제조한다.

Description

초합금 구성요소의 구조적 브레이즈 보수 {STRUCTURAL BRAZE REPAIR OF SUPERALLOY COMPONENT}
본 출원은 2013년 3월 14일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/782,260호(대리인 관리 번호 2013P04581US))의 이익을 주장한다. 본 출원은 2012년 6월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/495,223호(대리인 관리 번호 2011P25126US01)의 일부 계속 출원이며, 이는 차례로 2011년 11월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/555,113호(대리인 관리 번호 2011P25126US)의 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 재료들의 기술 분야, 보다 자세하게는 브레이징 프로세스(brazing process)를 사용한 초합금 재료들의 보수(repair)에 관한 것이다.
초합금 재료들의 보수는 용접 응고화 크래킹(weld solidification cracking) 및 변형 시효 크래킹(strain age cracking)에 대한 이들 초합금 재료들의 민감도로 인해 어려워지는 것으로 인지된다. 용어 "초합금(superalloy)"은, 당 분야에서 보편적으로 사용되는 바와 같이 본원에서 사용되며; 즉, 고온들에서 탁월한 기계적 강도 및 크리프 내성(resistance to creep)을 나타내는 내부식 및 내산화성이 높은 합금이다. (http://en.wikipedia.org/wiki/Superalloy) 초합금들은 전형적으로 높은 니켈(nickel) 또는 코발트(cobalt) 함량을 포함한다. 초합금들의 예들은, Hastelloy, Inconel 합금들(예컨대, IN 738, IN 792, IN 939), Rene 합금들(예컨대, Rene N5, Rene 80, Rene 142), Haynes 합금들, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 및 CMSX (예컨대, CMSX-4) 단결정(single crystal) 합금들의 상표들 및 브랜드명(brand name)들로 시판중인 합금들을 포함한다.
브레이징 프로세스들은 일부 적용분야들에서 초합금 재료들을 보수하기 위해서 사용된다. 브레이즈(braze) 재료의 비교적 낮은 용융 온도로 인해서, 브레이즈 조인트(joint)가 일반적으로 용접 조인트(weld joint)보다 기계적으로 취약하고 허용가능한 더 낮은 작동 온도를 갖는 것으로 이해되지만, 브레이즈 보수들은 소정의 더 낮은 응력 및/또는 더 낮은 온도 적용분야들에서 이용가능할 수 있다.
융점 억제제 재료(melting point depressant material)로서 붕소 또는 규소를 사용하는 전형적인 브레이즈 재료들은, 제한된 가치(limited value)를 갖는 초합금 기재(substrate) 재료들인데, 이 재료들은 조인트 및 보수된 구역의 연성(ductility)을 감소시키는 유해한 상(deleterious phase)들을 형성하기 때문이다. 하프늄(hafnium) 및/또는 지르코늄(zirconium)을 포함하는 붕소 및 규소가 없는 브레이즈 합금들은 베이스(base) 초합금 특성들의 80% 이하의 기계적 특성들이 청구되는 것에 대해 개발되고 있다. 그러나, 이러한 재료들은 브레이즈 조인트에서 탄화물들을 형성하는 경향이 있다. 이에 따라, 초합금 재료들의 브레이징 시의 추가 개선들이 요망된다.
본 발명은 도시하는 도면을 고려하여 하기 설명에서 설명된다.
도 1은 가스 터빈 베인(gas turbine vane)의 측단면도이며, 여기서 큰 갭 불연속부(gap discontinuity)는 브레이징에 의해 보수된다.
도 2는 가스 터빈 베인의 측단면도이며, 여기서 좁은 갭 불연속부는 브레이징에 의해 보수된다.
본 발명은 2012년 5월 9일자로 출원된 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제13/467,402호(대리인 관리 번호 2011P24893US) 및 2012년 6월 13일자로 출원된 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제13/495,223호(대리인 관리 번호 2011P25126US01)에서 개시된 것들을 포함하는, 융점 억제제 재료(melting point depressant material)로서 티타늄(titanium)을 활용하는 수개의 붕소 및 규소가 없는 브레이즈(braze) 합금들을 개발하였다. 초합금 기재 재료들의 보수를 위해서 특히 유용한 추가의 붕소 및 규소가 없는 브레이즈 합금들이 본원에 개시되며, 종래 기술의 하프늄계 브레이즈 합금(hafnium-based braze alloy)들과 비교할 때 유리하게는 감소된 용융 온도(melting temperature) 범위를 갖는 합금들을 포함한다. 개시된 브레이즈 조성들의 실시예들은, 브레이즈 조인트(joint)의 균질화가 초합금 재료 기지(matrix) 내로 임의의 상이한 원소(element)를 도입하지 않도록 초합금들에 존재하는 보수될 원소들만을 포함하도록 선택된다. 본원 합금들은, 보수가 구조적 보수로 고려될 수 있으며 구성요소의 비교적 높은 응력을 받는 구역들에서 사용될 수 있도록, 보수된 기재 재료 특성들에 충분히 근접한(예컨대, 재료 특성의 80 % 초과) 기계적 특성들을 갖는 브레이즈된(brazed) 조인트들을 제공한다.
본 발명자는, 10℃ 이하(no more than) 또는, 다른 실시예들에서 15℃ 이하, 또는 20℃ 이하, 또는 50℃ 이하 만큼 낮은 각각의 용융 온도 범위들(또한, 당 분야에서 동결 (freezing) 온도 범위라 부름)을 나타내는 삼원(ternary) 및 다중 성분(multi-component) 브레이즈 합금들을 개발하였다. 본원에 사용된 바와 같이 용어 "용융 온도 범위"는, 액상선(liquidus) 온도(100% 재료가 액체임)와 고상선(solidus) 온도(100% 재료가 고체임) 사이 차이를 의미한다. 전형적으로 공지된 하프늄계 브레이즈 합금들은 실질적으로 보다 넓은 용융 온도 범위들을 나타내며, 예컨대, 미국 특허 출원 공개 공보 제US 2009/0159645 A1호의 표 2를 참조하며, 이는, 70℃(126℉)보다 낮지 않으며 176℃(317℉) 만큼 높은 용융 온도 범위들을 갖는 합금들을 개시한다. 본 발명자는, 이러한 합금들의 좁은 용융 온도 범위들이 초합금 기재의 용체화 열처리(solution heat treatment) 중 브레이즈하기 위해서 합금들을 이용할 때 구성요소의 보수를 용이하게 하는 것으로 발견되고 있다. 좁은 용융 온도 범위는, 브레이즈 재료의 유동성(fluidity)의 개선된 제어(브레이즈 재료의 유동성 이전에 용매들, 물 및 유기물들의 보다 완벽한 통기(venting)를 유발함), 브레이즈 재료 내에서 통기된 가스를 포집(entrap)하기 위한 감소된 경향, 충전(fill) 합금 분말 입자들 사이 공간들과 기재 크랙(crack)들의 개선된 침투, 및 감소된 유동성 시간으로 인해 기재 재료의 적은 침식(erosion)을 제공한다.
Rene 80과 같은 초합금 재료를 포함하는 초합금들을 보수하기 위해서, 예컨대 가스 터빈 엔진 블레이드(gas turbine engine blade) 또는 베인(vane)의 플랫폼(platform) 또는 에어포일 섹션(airfoil section) 상에서 사용중 유도된 크랙(crack)들을 갖는 것으로 발견되고 있는 가스 터빈 엔진 블레이드 또는 베인을 보수할 때, 특히 유용한 브레이즈 합금들이 본원에서 개시된다. Rene 80과 같은 초합금 구성요소들은 특별한 어려움을 제시하는데, 왜냐하면 이 구성요소들이 1,235℃에서 용체화 열처리될 수 있는 합금 247 구성요소들과 같은 일부 다른 합금구성요소들보다 낮은 1,215℃에서 용체화 열처리될 수 있기 때문이다. 아래에 개시된 합금들은, 용체화 열처리 중 브레이즈 조인트를 융합하고(fuse) 균질화하며 브레이즈를 성취하기 위해서 구성요소의 특별한 초합금 재료를 위한 용체화 열처리 온도 레지먼트(regiment)와 협동적으로 작동하도록 맞춤화될 수 있는, 액상선 온도 및 고상선 온도 그리고 용융 온도 범위들을 갖도록 제형화될 수 있다. 이러한 브레이즈 재료들은 당해 특별한 초합금 기재 재료들을 위한 용체화 열처리 온도를 포함하거나 용체화 열처리 온도 미만인 용융 온도 범위들(즉, 레지먼트 동안 사용되는 피크(peak) 유지 온도)을 갖도록 선택될 수 있다. 브레이즈 조인트의 균질화 및 응고는, 유리하게는 그 재료에서 이미 존재하지 않았던 초합금 기재 재료 내로 임의의 새로운 원소 성분(elemental constituent)을 도입하지 않는다.
이러한 적용분야들을 위한 삼원 합금(ternary alloy)은, 이하
Cr 15 - 25%;
Ti 15 - 25%;
잔부 Ni인
범위들 내에 있는 조성들을 가질 수 있다(본원에 개시된 모든 조성들은 중량(wt)%의 단위들임). 이러한 그룹(group) 내의 특별한 브레이즈 합금들은 하기 조성들을 가질 수 있다: Cr 16.3%, Ti 21.2%, 잔부 Ni; 또는 Cr 17.2%, Ti 20.9%, 잔부 Ni. 이러한 특별한 브레이즈 합금 조성들은 약 1,205℃의 고상선 온도, 약 1,215℃의 액상선 온도, 그리고 이에 따라 10℃ 이하의 용융 온도 범위를 나타낸다. 이렇게 함으로써, 이 합금들은 합금 247 또는 Rene 80과 같은 초합금의 브레이징 시에 특히 유용할 수 있다. 이러한 그룹 내의 다른 브레이즈 합금은 하기 조성을 갖는다: Cr 20%, Ti 20%, Ni 60%.
다른 브레이즈 합금들은, 이하
Cr 12 - 16%;
Ti 13 - 16%;
Al 0 - 2.5%;
Co 2 - 4%;
W 3 - 5%;
Mo 0 - 2%;
Ta 0 - 2%;
잔부 Ni인
범위들 내의 조성들을 가질 수 있다. 이러한 그룹 내의 특별한 브레이즈 합금은, 하기 조성을 가질 수 있다: Cr 14.1%, Ti 14%, Al 2.1%, Co 3.1%, W 4.1%, Mo 1%, Ta 1%, 잔부 Ni. 이러한 특별한 브레이즈 합금 조성은 합금 247과 같은 초합금의 브레이징 시에 특히 유용할 수 있다.
다른 브레이즈 합금들은, 이하
Cr 15 - 18%;
Ti 10 - 15%;
Al 0 - 2.5%;
Co 2 - 4%;
W 3 - 5%;
Mo 0 - 2%;
Ta 0 - 2%;
잔부 Ni인
범위들 내의 조성들을 가질 수 있다. 이러한 그룹 내의 특별한 브레이즈 합금은, 하기 조성을 가질 수 있다: Cr 17.57%, Ti 13.54%, Al 2.39%, Co 3.24%, W 3.47%, Mo 1.15%, Ta 0.83%, 잔부 Ni. 이러한 특별한 브레이즈 합금 조성은 약 1,205℃의 고상선 온도, 약 1,220℃의 액상선 온도, 그리고 이에 따라 15℃ 이하의 용융 온도 범위를 나타낸다. 이렇게 함으로써, 이 합금은 합금 247 또는 Rene 80과 같은 초합금의 브레이징 시에 특히 유용할 수 있다.
다른 브레이즈 합금들은, 이하
Cr 15 - 19%;
Ti 8 - 10%;
Al 0 - 2.5%;
Co 14 - 18%;
Mo 12 - 16%;
잔부 Ni인
범위들 내의 조성들을 가질 수 있다. 이러한 그룹 내의 특별한 브레이즈 합금은, 하기 조성을 가질 수 있다: Cr 15.12%, Ti 10%, Al 2.12%, Co 15.8%, Mo 12.97%, 잔부 Ni. 이러한 특별한 브레이즈 합금 조성은 약 1,205℃의 고상선 온도, 약 1,223℃의 액상선 온도, 그리고 이에 따라 18℃ 이하의 용융 온도 범위를 나타낸다. 이렇게 함으로써, 이 합금은 합금 247 또는 IN 939과 같은 초합금의 브레이징 시에 특히 유용할 수 있다.
이러한 합금들의 브레이즈 조인트를 균질화하는데 효과적인 전형적인 용체화 열처리는 다음과 같을 수 있다:
-조립체를 분당 15 - 30℉(8.3 - 16.6℃)에서 1,472℉(800℃)로 가열하고;
-20 분 동안 1,472℉를 유지하며;
-분당 15 - 30℉에서 2,125℉(1,163℃)로 가열하고;
-20 분 동안 2,125℉를 유지하며;
-분당 1 - 30℉(0.6 - 16.6℃)에서 2,192 - 2,282℉(1,200 - 1,250℃)로 가열하고;
-2 - 12시간 동안 2,192 - 2,282℉를 유지하며;
-2,120 - 2,192℉(1,160 - 1,200℃)로 노냉각하고(furnace cool);
-20분까지 2,120 - 2,192℉를 유지하며;
-실온으로 아르곤 냉각한다.
상기 설명된 합금들을 활용하는 보수 프로세스(repair process)는, 도 1에 예시되며, 여기서 초합금 기재 재료(12)에 형성된 가스 터빈 엔진 베인(10)은 베인의 표면(16)으로부터 기재 재료(12) 내로 연장하는 사용중 유도된 불연속부(14)를 갖는다. 이 실시예에서, 불연속부(14)는 표면(16)에서 0.001 인치(inch)들보다 더 큰 개구를 갖는 큰 갭 크랙(gap crack)으로서 예시된다. 임의의 공지된 프로세스를 사용하여 세정된 후에, 크랙(14)에는 합금을 함유하는 분말(18), 예를 들면 초합금 입자(20)들 및 브레이즈 재료 입자(22)들의 혼합물을 포함하는 분말이 충전된다. 합금을 함유하는 분말(18)에서의 브레이즈 입자(22)들은 5 내지 50 중량 %의 분말(18)을 구성할 수 있다. 다른 실시예들에서, 합금을 함유하는 분말(18)은 단지 초합금 입자(20)들일 수 있다. 브레이즈 재료 입자(22)들의 메시(mesh) 크기 범위는, 바람직하게는 불연속부(14)의 향상된 충전을 제공하기 위해서 초합금 입자(20)들(예컨대, -120 메시/+2 미크론(micron))보다 더 작다(예컨대, -325 메시/+2 미크론). 브레이즈 재료 입자(22)들의 층은, 브레이징 프로세스 동안 불연속부의 완벽한 충전을 보장하기 위해서 합금을 함유하는 분말(18) 위에 배치된다. 기재 재료(12)의 용체화 열처리 동안, 초합금 입자(20)들이 함께 소결되는 동안 브레이즈 재료 입자(22)들이 용융하여 불연속부를 충전한다. 이후, 베이스(base) 초합금보다 더 높은 조성으로 브레이즈 재료에 포함된 티타늄(titanium) 또는 다른 원소가 균질한 중실(solid) 조인트를 성취하기 위해서 주변 초합금 재료 내로 분배된다. 유리하게는, 브레이즈 재료(22)는 브레이즈될 기재(12)에 함유되지 않은 원소를 함유하지 않으며, 새로운 원소가 초합금 재료 내로 도입되지 않으며, 균질화된 조인트 재료의 조성은 기재 재료(12)와 매우 유사하며, 이에 따라 구조적 조인트를 제공한다. 브레이즈 재료의 매우 좁은 용융 온도 범위 및 후속하여 감소되는 유동성 시간은 또한 브레이즈 작동 중 기재 재료(12)의 부식을 제한한다.
도 2는 기재 재료(12)의 상이한 구역을 예시하며, 여기서 좁은 갭 불연속부(24)(0.001 인치 미만)가 단지 브레이즈 재료 입자(22)들만을 사용하여 보수된다. 불연속부(24)의 폭이 제한되기 때문에, 브레이즈 재료(22)가 용체화 열처리 중 불연속부 내로 유동하여 불연속부를 충전함에 따라, 도 1에서와 같이 초합금 입자(20)들로 불연속부를 충전할 필요가 없다.
다른 실시예들에서, 본원에 개시된 브레이즈 합금들은 포일(foil) 또는 와이어(wire)로서 형성될 수 있으며, 임의의 공지된 프로세스에 의해 적용될 수 있다. 복수 개의 불연속부들을 함유하는 초합금 재료 표면의 보수는, (더 넓은 개구들을 위해 요망되는 바와 같은) 초합금 입자들로 선택적으로 불연속부들을 충전하고, 이후에 표면에 걸쳐 배치되는 개시된 티타늄계 브레이즈 합금들 중 하나의 포일에 초합금의 열처리를 안내하여 브레이즈 재료를 용융하며, 불연속부들 내로 유동하여 초합금 입자들 둘레를 채우며, 이후 용융 온도 원소가 기재(12) 내로 확산함에 따라 균질화되고 응고되는 것을 유발함에 따라 성취될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예들이 단지 예시로써 제공되는 것이 자명할 것이다. 여기서, 다양한 변경예들, 수정예들 및 치환예들이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다.

Claims (19)

  1. 초합금 기재(superalloy substrate)에 브레이즈(braze) 재료를 적용하는 단계; 및
    상기 초합금 기재의 용체화 열처리(solution heat treatment)를 실행하여 상기 브레이즈 재료를 용융하고 브레이즈 조인트(joint)를 융합 및 균질화하는 단계
    를 포함하고,
    상기 브레이즈 재료는 상기 초합금 기재에 존재하는 원소(element) 성분들만을 포함하며, 50℃ 이하(no more than)의 용융 온도(melting temperature) 범위를 갖는 조성을 더 포함하고, 상기 용융 온도 범위는 상기 초합금 기재의 용체화 열처리 온도를 포함하거나 용체화 열처리 온도 미만이며,
    상기 브레이즈 재료는 붕소 또는 규소를 포함하지 않는,
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 브레이즈 조인트가 불연속부(discontinuity)를 충전하도록 상기 초합금 기재의 표면 상의 불연속부 내로 상기 브레이즈 재료를 분말로서 적용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 브레이즈 재료를 갖는 불연속부 내로 초합금 분말 재료를 적용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 초합금 분말 재료의 메시(mesh) 크기 범위보다 작아지도록 브레이즈 재료 분말의 메시 크기 범위를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    Cr 15-25wt%; Ti 15-25wt%; 잔부 Ni의 조성을 갖는 브레이즈 재료를 적용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    1,215℃의 액상선(liquidus) 온도 및 10℃의 용융 온도(melting temperature) 범위를 갖도록 브레이즈 재료 조성을 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    Cr 12 - 16wt%;
    Ti 13 - 16wt%;
    Al 0 - 2.5wt%;
    Co 2 - 4wt%;
    W 3 - 5wt%;
    Mo 0 - 2wt%;
    Ta 0 - 2wt%;
    잔부 Ni의
    조성을 갖는 브레이즈 재료를 적용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    Cr 15 - 18wt%;
    Ti 10 - 15wt%;
    Al 0 - 2.5wt%;
    Co 2 - 4wt%;
    W 3 - 5wt%;
    Mo 0 - 2wt%;
    Ta 0 - 2wt%;
    잔부 Ni의
    조성을 갖는 브레이즈 재료를 적용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    15℃의 용융 온도 범위를 갖도록 브레이즈 재료 조성을 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    Cr 15 - 19wt%;
    Ti 8 - 10wt%;
    Al 0 - 2.5wt%;
    Co 14 - 18wt%;
    Mo 12 - 16wt%;
    잔부 Ni의
    조성을 갖는 브레이즈 재료를 적용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 사용 중인 초합금 가스 터빈(gas turbine)의 작동을 중지하는 단계;
    50℃ 이하의 용융 온도 범위를 갖는 브레이즈 재료를 상기 초합금 가스 터빈의 구성요소의 표면 상의 불연속부에 적용하는 단계; 및
    상기 불연속부를 보수하기 위해 온도 운영법(regiment)에 따라 상기 구성요소를 열처리하여 상기 브레이즈 재료를 용융하고 브레이즈 조인트를 융합 및 균질화하는 단계
    를 포함하고,
    상기 브레이즈 재료는 붕소 또는 규소를 포함하지 않는,
    방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    20℃ 이하의 용융 온도 범위를 갖는 크롬(chromium), 티타늄(titanium) 및 니켈(nickel)의 삼원(ternary) 조성이 되도록 상기 브레이즈 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    20℃ 이하의 용융 온도 범위를 갖도록 상기 브레이즈 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    15℃ 이하의 용융 온도 범위를 갖도록 상기 브레이즈 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    10℃ 이하의 용융 온도 범위를 갖도록 상기 브레이즈 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    1,215℃ 이하의 액상선 온도를 가지며, 20℃ 이하의 용융 온도 범위를 갖도록 상기 브레이즈 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 브레이즈 재료를 적용하는 단계 이전에 상기 불연속부에 근접한 구성요소의 표면을 세정하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    Cr 15 - 25wt%; Ti 15 - 25wt%; 잔부 Ni의 조성을 갖는 브레이즈 재료를 적용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    Cr 20wt%; Ti 20wt%; Ni 60wt%의 조성을 갖는 브레이즈 재료를 적용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
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