KR101819084B1 - 표면 토폴로지 에너지 전달 보상에 의한 초합금 레이저 클래딩 - Google Patents

표면 토폴로지 에너지 전달 보상에 의한 초합금 레이저 클래딩 Download PDF

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Abstract

터빈 블레이드 또는 베인과 같은 초합금 기판은 기판상에 하나 또는 둘 이상의 층들을 클래딩하도록 레이저 빔 용접에 의해 제조되거나 수리된다. 레이저 광학 에너지는 양호한 융합을 위한 필러 용융 및 적절한 기판 표면의 습윤성을 보장하도록 용접 필러 재료 및 하부 기판에 전달한다. 에너지 전달은 기판을 약화시켜 열 열화를 일으키는 레벨 아래로 유지된다. 필러 및 기판으로의 광학 에너지 전달은 레이저 빔 및 기판이 국부적인 기판 토폴로지 편차들을 보상하기 위해 에너지 전달 속도를 변화시킴으로써 병진 운동 경로를 따라 서로에 대해 이동함에 따라 균일하게 유지된다.

Description

표면 토폴로지 에너지 전달 보상에 의한 초합금 레이저 클래딩 {SUPERALLOY LASER CLADDING WITH SURFACE TOPOLOGY ENERGY TRANSFER COMPENSATION}
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 고안의 명칭이 "레이저 클래딩 시스템의 필러 재료 분배 장치(LASER CLADDING SYSTEM FILLER MATERIAL DISTRIBUTION APPARATUS)"이고 대리인 사건 번호가 제 2012P09234US호이며 본원과 동시에 출원되고 일련 번호 13/611,144호가 할당된, 공동 소유되고 동시 계류중인 미국 실용 신안 출원을 인용에 의해 포함한다.
본 발명의 분야
본 발명은 레이저 빔 용접(laser beam welding)에 의해 사용중 열화된(service-degraded) 터빈 블레이드(turbine blade)들 및 베인(vane)들과 같은 초합금 구성요소들을 클래딩(cladding)하기 위한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 방법들은 연속 용접 병진 운동 경로들을 따라 하나 또는 둘 이상의 필러 재료 층(filler material layer)들을 기판들에 용접하는 것이고 국부화된 기판 토폴로지(topology) 편차들을 보상하기 위해 레이저 광학 에너지(laser optical energy)를 조절하여, 상기 경로들을 따라 균일하게 또는 신중하게 수정된 에너지 전달 속도들을 가능하게 한다.
가스 터빈(gas turbine) 또는 다른 초합금 구성요소들의 "구조적" 수리는 일반적으로 손상된 재료를 일치하는 합금 재료로 대체하고 원래의 제조 구성요소 사양들에 가까운 강도(예를 들면, 원래 사양의 적어도 70 %의 최대 인장 강도)와 같은 속성들을 달성하는 것으로 인정된다. 예를 들어, 표면 균열들을 겪은 터빈 블레이드들 상에 구조적 수리들을 수행하여 추가 균열의 위험이 감소되고 블레이드들이 원래의 재료 구조 및 크기 사양들로 복원되는 것이 바람직하다.
터빈 블레이드들과 같은, 터빈 구성요소들의 제조에 사용되는 니켈 및 코발트계 초합금 재료의 수리는, 완성된 블레이드 재료의 야금학적 속성들 때문에, 과제로 남아 있다. 완성된 터빈 블레이드 합금들은 통상적으로 주조후 열처리들 동안 강화되는데, 이는 상기 합금들에 후속하는 구조적 용접을 수행하기 어렵게 한다. 예를 들면 CM247 합금과 같은, 6 % 초과의 괴상 알루미늄 또는 티타늄 함량을 갖는 초합금은 낮은 알루미늄-티타늄 함량 X-750 초합금보다 고온 용접을 실시할 때, 변형 시효 균열(strain age cracking)에 더 취약하다.
초합금 제조 또는 수리를 위해 현재 사용되는 용접 프로세스(process)들은 일반적으로 용접 가공부에 인접한 기판의 상당한 용융 및 용접봉 또는 첨가된 다른 필러 재료의 완전한 용융을 수반한다. 이 같은 재료로 구성된 블레이드가 동일 또는 유사 합금의 필러 금속으로 용접될 때, 새로운 구성요소에 상응하는 초합금의 원래의 강도 및 다른 재료 속성들을 복원하고자 하는 후속 열처리 프로세스들 동안 블레이드는 용접부 내 및 용접부에 근접한 고화(solidation)(일명 리퀴테이션(liquation)) 균열 및/또는 변형 노화(일명 재가열) 균열에 취약하다.
하부의 초합금 기판을 열적으로 열화시키지 않으면서 초합금 필러 재료의 용융을 시도하는 하나의 공지된 초합금 접합 및 수리 방법은 레이저 빔 용접이며 이는 또한 레이저 빔 미세 클래딩으로 공지되어 있다. 초합금 기판 재료에 대응하거나 동일한 초합금 필러 재료(종종 분말형 필러)는 클래딩 프로세스 동안 기판 표면상에 사전-위치 설정되거나 표면상에 분무된다. 고정된 광학 레이저(즉, 상대적 병진 이동이 아님, 레이저 및 기판은 레이저 빔의 인가 동안 고정된 상대적 방향을 가짐)에 의해 발생된 집속 레이저 광학 에너지의 "스폿(spot)" 영역은 필러 재료를 액화하고 필러와 기판 재료의 양호한 합체를 촉진하기에 충분하게 기판 표면을 가열하고 이 필러와 기판 재료는 후속적으로 기판 표면상에 클래드 용착물 층(clad deposit layer)으로서 고화한다 다른 공지된 종래의 용접 프로세스들에 비해, 레이저 빔 미세 클래딩은 기판의 용융 및 급속한 고화를 통해 비교적 양호한 제어를 하는 저열 입력 프로세스이며, 이는 앞에서 설명된 고화 균열을 일으키는 경향을 감소시킨다. 레이저 용접/클래딩 동안 초합금 기판에 저열 입력은 또한 잔류 응력을 최소화하는데, 그렇지 않으면 앞에서 설명된 용접 후 열처리 변형 시효 균열에 취약해질 것이다. 레이저 클래딩 용접들이 종래에 형성된 용접부들에 비해 구조적 장점들을 가지고 있지만, 실제 제조 및 수리 현실들은 클래딩 용착물에 적용된 임의의 단일 패스(pass)에 의해 채워질 수 있는 것보다 더 큰 클래딩 표면적 및/또는 부피 범위를 요구한다.
초합금 구성요소들에 용적을 추가하기 위한 요구를 충족하기 위해, 기판상의 레이저 클래딩 용착물은 인접한 고화 클래드 패스들의 1차원 또는 2차원(dimensional) 어레이(array)들로 형성될 수 있다. 다수의 레이저-용접 클래딩 패스들 및 레이어(layer)들은 표면 크기 용적을 제조하기 위에 적용될 수 있다. 레이저-클래드 용착물들의 어레이들의 생성에 의해 열 영향을 받은 구역(zone)의 재료에서 용착된 재료와 하부 기판에 종종 미세 균열들 및 결함들을 초래한다. 일부 결함들은 불충분한 국부 레이저 광학 에너지 열 입력이 있을 때 통상적인 융합의 결함(LoF; lack of fusion)과 관련된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 초합금 터빈 블레이드(20)는 블레이드 본체(22)를 갖는다. 원래의 일체형 캐스트 팁 캡(cast tip cap) 및 스퀼러(squealer)(도시 안됨)는 종종 손상되고 서비스(service) 중 부식되고 본체(22)의 상부에서 재작업 평면(23)을 달성하도록 나머지 클린업(cleanup) 제거를 요구한다. 새로운 개별 팁 캡(24)은 새로운 일치하는 캐스트 재료로부터 기계 가공되고 재작업 평면(23) 상에 놓인다. 블레이드(20)는 이어서 초합금 필러의 용적과 함께 팁 캡 측면(26)의 우측을 따라 그리고 우측으로 손실된 부분(28)의 구조적 수리 충전을 요구하여, 재작업 평면(23)에 대해 블레이드 본체(22) 및 팁 캡 측면(26) 모두에 융합하고 팁 캡의 원래 구조적 크기들을 복원한다. 개별적으로 인가된 레이저 클래드 용착물들 또는 패스(31 내지 36)들의 2차원 필러 용접물 어레이(30)는 공지된 레이저 클래딩 방법들에 의해 형성된다. 레이저 빔 초점 위치 및 기판 표면은 다음 용착물(예를 들면, 32 등)을 용접하도록 단일 증착물(예를 들면, 31 등) 형성 후 서로에 대해 이동된다.
도 1에서 지적된 바와 같이, 용접물 어레이(30)는 매 용접 패스의 코너(corner)들에 융합의 결함(LoF; lack of fusion)을 보여준다. LoF는 원하는 융합을 유지하기 위해, 레이저 광학 에너지 전달에서 해당 편차들을 요구하는, 블레이드(20) 기판 표면 토폴로지에서의 국부적 편차들 중 하나 또는 둘 이상의 국부적 편차의 조합들에 의해 유발되는데, 이 국부적 편차들은 비대칭 히트 싱크(asymmetric heat sink) 속성들; 감소된 전력 밀도; 및 표면 반사율을 포함한다. 국부적 표면 토폴로지(40) 편차는 도 2에 개략적으로 도시된다. 이전에 도포된 고화 레이저 클래드 용착물(50)은 기판 표면(42)과 접촉하는, 에지(edge)(54) 및 고지점(52)에 의해 경계를 형성하는 곡선형 표면을 갖는다. 용착물(50)은 다음 레이저-클래드 용착물이 연속 용접 라인(line)을 생성하기 위해 인접하는 관계로 형성될 때 하부 기판(40)과 함께 가열되어야 하는 부가 히트 싱크 재료에 해당한다. 부가적으로, 곡선형 표면(52 내지 54)은 다음 인접하는 용착물의 레이저 빔 에너지 전달을 퍼뜨려서 단위 면적 당 국부화된 전력 밀도(예를 들면, 와트(watt)들)를 감소시킨다. 잠재적으로 곡선형 표면(52 내지 54)은 또한 국부화된 레이저 광학 반사율을 변경하는데, 이는 불균일한 필러 분말 분배에 의해 악화될 수 있으며, 예를 들면, 곡선형 표면으로부터 멀리 뿌려지고 추가 반사율 편차를 추가한다.
다음 레이저 클래딩 용착물(60)이 기존의 용착물(50)과 인접하고 중첩하는 관계로 도포될 때, 공통의 균일하게 인가되는 전력 및/또는 새로운 레이저 초점 구역에 걸친 필러 분말 분배는 충분한 국부적 용융 에너지를 인가하지 않아서, 중첩 지역(52 내지 54)에서 원하는 용접보다 불량한 용접을 유발한다. 용착물(60)을 형성할 때, 레이저에 의해 인가된 열 에너지에서의 전체적으로 균일한 증가는, 중첩 지역(52 내지 54)에서 융합의 "최악의 경우"의 결함을 보상하기 위해, 이전의 용착물 에지(54)의 우측에 기판(40)의 양호한 융합에 대해 요구된 것보다 더 크다. 이는 균열에 취약한 기판 재료(40)의 과(over)-용융, 과열 및 과-응력을 초래하는데, 이는 후속하는 고온 균열 및/또는 변형 시효 균열을 불필요하게 유발할 수 있다.
터빈 블레이드 또는 베인과 같은 새로 제조된 또는 수리된 사용중 열화 초합금 구성요소에서 종종 초합금 재료의 크기 용적을 형성하는 것이 바람직하다. 공지된 레이저 클래딩 방법들이 이용될 때, 다중 패스 층들이 요구된 축적 용적을 생성하도록 이전에 용착된 다중 패스 층들 위에 도포된다. 수리될 전체 영역의 크기가 초점에서의 빔 직경에 비해 크기 때문에, 고정된 광학 장치(optics)에 의한 레이저 미세 클래딩은 전형적인 수리 축적을 달성하기 위해 다중 패스들을 요구한다. 각각의 패스 중첩은 완전한 융합이 각각의 축적 층 내에 달성되고 완전한 융합이 이전에 도포된 하부 층으로 달성되는 것을 보장하는데 있어서 과제를 포함한다. 전형적으로 공지된 고정식 광학 레이저 클래딩 프로세스들에서, 용접 고화 결정체 정렬은 수개(few)의 제 1 도포 층들에서 기판에 대한 수직으로부터 변화하는 경향이 있고 이어서 후속하는 도포된 클래드 층들에서 점차적으로 기울어진 각도로 변화하는 경향이 있다. 미세균열은 종종 내부 층의 결정학적 방향에서의 이 같은 변화시 시작한다.
이에 따라, 기술 분야에서 구성요소 기판의 구조적 속성들의 열화 없이 병진 운동 경로를 따라 소망된 국부적 융합으로 균일한 용접들을 용이하게 하는, 터빈 베인들 및 블레이드들과 같은, 초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 레이저 용접 방법에 대한 요구가 존재한다.
또한, 기술 분야에서 구성요소 기판의 구조적 속성들의 열화 없이 각각의 도포된 층 내의 원하는 국부적 융합으로 병진 운동 경로를 따라 연속 용접들의 형성을 용이하게 하는, 터빈 베인들 및 블레이드들과 같은, 초합금 구성요소들에 다수의 층들을 클래딩하기 위한 레이저 용접 방법에 대한 요구가 존재한다.
기술 분야에서 구성요소 기판 또는 하부의 이전에 도포된 클래딩 층들의 구조적 속성들을 열화시키지 않으면서 도포된 층 내에 원하는 국부적 융합으로 다수의 크기들 및/또는 층들 내에 균일한 용접들을 용이하게 하는, 터빈 베인들 및 블레이드들과 같은, 초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 레이저 용접 방법에 대한 다른 요구가 존재한다.
기술 분야에서 미세균열의 가능성을 감소하도록(그렇지 않으면 클래드 내부 층 결정학적 방향에서의 변화들이 발생하는), 각각의 연속 층을 통하여 기판으로부터 에피택셜(epitaxial) 입자 성장을 유지하는, 다수 레이저 클래딩 층들의 도포에 의해, 터빈 베인들 및 블레이드들과 같은 초합금 구성요소들의 표면을 축적하기 위한 레이저 용접 방법에 대한 요구가 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 구성요소 기판의 구조적 속성들의 열화 없이 병진 운동 경로를 따라 원하는 국부적 융합으로 균일한 용접들을 용이하게 하는 터빈 베인들 및 블레이드들과 같은, 초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 레이저 용접 방법을 생성하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 구성요소 기판의 구조적 속성들의 열화 없이 각각의 도포된 층 내에 원하는 국부적 융합으로 병진 운동 경로를 따라 연속 용접들의 형성을 용이하게 하는, 터빈 베인들 및 블레이드들과 같은, 초합금 구성요소들에 다수 층들을 클래딩하기 위한 레이저 용접 방법을 생성하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구성요소 기판 또는 하부의 이전에 도포된 클래딩 층들의 구조적 속성들의 열화 없이 도포된 층 내의 원하는 국부적 융합으로 다수 크기들 및/또는 층들에서 균일한 용접들을 용이하게 하는, 터빈 베인들 및 블레이드들과 같은, 초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 레이저 용접 방법을 생성하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 미세 균열의 가능성을 감소하도록(그렇지 않으면 클래드 내부 층 결정학적 방향으로 변화가 발생함), 각각의 연속 층을 통하여 기판으로부터 에피택셜 입자 성장을 유지하는, 다수의 레이저 클래딩 층들의 도포에 의해, 터빈 베인들 및 블레이드들과 같은, 초합금 구성요소들의 표면들을 축적하기 위한 레이저 용접 방법을 생성하는 것이다.
이러한 및 다른 목적들은 초합금 필러 재료로 표면적 및/또는 용적을 구조적으로 축적하기 위한 기판상에 하나 또는 둘 이상의 층들을 클래딩하기 위한, 터빈 블레이드들 또는 베인들과 같은, 초합금 기판들의 레이저 빔 용접에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 충분한 레이저 광학 에너지는 양호한 융합을 위한 필러 용융 및 적절한 기판 표면의 습윤성(wetting)을 보장하도록 용접 필러 재료 및 하부 기판으로 전달된다. 그러나, 에너지 전달은 기판을 약화시켜 열 열화를 일으키는 레벨(level) 아래로 유지한다. 레이저 빔 및 기판이 국부화된 기판 토폴로지 편차들을 보상하기 위한 에너지 전달 속도를 변화함으로써 병진 운동 경로를 따라 서로에 대해 이동됨에 따라 필러 및 기판으로의 광학 에너지 전달이 균일하게 유지된다. 이러한 방식으로, 연속 용접 클래딩 층이 균일한 밀도로 형성된다.
본 발명의 실시예들은 구성요소 초합금 기판 표면상에 필러 재료를 도입하고 필러 재료 및 기판상에 레이저 빔을 집속함으로써 초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 방법을 특징으로 한다. 광학 에너지는 레이저로부터 필러 재료 및 기판으로 전달되어, 기판에 대한 열 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기판에 필러 재료를 융합한다. 기판 및 레이저 빔은 균일한 에너지 전달을 유지하는 동안 서로에 대해 이동된다.
본 발명의 다른 실시예들은 기판으로부터 각각의 연속 층을 통하여 아래 프로세스에 의해 에픽택셜 입자 성장을 유지하는 각각 초합금 기판 및 다층 클래딩을 하는 터빈 블레이드 및 베인 구성요소들을 특징으로 하며, 이 프로세스는 초합금 기판 표면상에 필러 재료를 도입하는 단계; 필러 재료 및 기판상에 레이저 빔을 집속하는 단계; 기판에 대한 열 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기판에 필러 재료를 융합하는 필러 재료 및 기판으로 레이저로 광학 에너지를 전달하는 단계; 및 균일한 에너지 전달을 유지하는 동안 서로에 대해 기판 및 레이저 빔을 이동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 또한 필러 층으로 터빈 초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 시스템(system)을 특징으로 한다. 상기 시스템은 기판에 대한 열 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기판에 필러 재료를 융합하는, 광학 에너지를 기판상의 터빈 구성요소 초합금 기판 및 필러 재료에 전달하기 위한 레이저 빔을 발생하는 레이저를 갖는다. 가동 미러(mirror)는 기판상에 레이저 빔을 지향하기 위한, 레이저 빔을 차단한다. 구동 시스템은 레이저 빔과 기판 사이의 상대 운동을 유발하고 기판으로 균일한 에너지 전달을 유지하기 위한 가동 미러 및/또는 기판에 커플링된다(coupled).
본 발명의 목적들 및 특징들은 당업자에 의해 임의의 조합으로 또는 하위(sub)-조합으로 공동으로 또는 개별적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 사상들은 첨부 도면들과 함께 아래의 상세한 설명을 고려함으로써 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 공지된 레이저 빔 용접 기법들에 의해 수리된 터빈 블레이드의 개략적인 단면처리된 입면도를 도시하며;
도 2는 공지된 레이저 빔 용접 기법들에 의해 수리된 터빈 블레이드의 단일 용접 패스의 개략적인 횡확대 단면도를 도시하며;
도 3은 본 발명의 레이저 빔 용접 방법에 의해 수리된 터빈 블레이드의 개략적인 확대 횡단면도를 도시하며;
도 4는 본 발명의 레이저 빔 용접 시스템의 개략도이며;
도 5는 수리 열화된 손상된 터빈 블레이드 기판을 복원하기 위한, 본 발명의 다층 레이저 용접 래스터링 패턴(rastering pattern)의 개략도이며;
도 6은 수리 열화된 손상된 터빈 블레이드 기판을 복원하기 위한, 본 발명의 3차원 레이저 용접 래스터링 패턴의 개략도이며,
도 7 및 도 8은 사용중 열화된 손상된 터빈 블레이드 기판을 복원하기 위한, 각각의 공지된 종래 기술 및 본 발명의 다층 레이저 용접 용착 패턴들을 도시한다.
이해를 용이하게 하도록, 가능하게는 동일한 도면부호들이 도면들에 공통하는 동일한 요소들을 지정하기 위해 사용되었다.
아래 설명을 고려한 후, 당업자는 기판 열 열화없이 하나 또는 둘 이상의 클래딩 층들에 초합금 기판의 본딩(bonding)을 증진하는 레이저 빔 용접 방법에 의해 본 발명의 사상들이 터빈 블레이드들 및 베인들과 같은 초합금 구성요소들의 수리에서 용이하게 활용될 수 있다는 것을 확실히 알게 될 것이다. 본 발명의 레이저 클래딩 방법들은 국부화된 기판 토폴로지 편차들을 보상하도록 레이저 광학 에너지 전달 속도를 변화시켜서 용접 패스 동안 필러 및 기판으로의 에너지 전달이 균일하게 유지된다.
충분한 레이저 광학 에너지는 용접 필러 재료 및 하부 기판에 전달되어 양호한 용착을 위한 필러 용융 및 적절한 기판 표면 습윤성을 보장한다. 그러나, 에너지 전달은 기판을 약화시켜 열 열화를 일으키는 레벨 아래로 유지된다. 필러 및 기판으로의 광학 에너지 전달은 레이저 빔 및 기판이 국부화된 기판 토폴로지 편차들을 보상하도록 에너지 전달 속도를 변화시킴으로써 용접 패스 병진 운동 경로를 따라 서로에 대해 이동됨에 따라 균일하게 유지된다. 예를 들면, 광학 에너지 전달 속도는 비교적 보다 더 반사형 또는 곡선형 구역들을 위해 증가되는데, 상기 비교적 보다 더 반사형 또는 곡선형 구역들은 비교적 비 반사형 또는 평평한 구역들만큼 효과적으로 레이저의 광학 에너지를 흡수하지 않는다. 에너지 전달 속도는 예를 들면 병진 운동 경로에 대해 횡단하는 레이저 빔을 진동시키고 이의 운동 및/또는 진동 속도를 변화시키고, 레이저 빔 초점을 더 좁은 빔 또는 더 넓은 빔으로 변경하거나, 레이저 빔 파워(laser beam power) 출력을 변경함으로써 변화될 수 있다. 레이저 빔은 연속 클래딩 층을 형성하기 위핸 1, 2, 또는 3 차원들로 래스터링될 수 있다.
본 발명의 방법들을 사용하여, 다수의 클래딩 층들이 서로 상에 도포될 때, 기판에 일반적으로 수직한 단축 결정학적 방향은 클래드 축적부에 유지된다. 단축 방향은 공지된 고정식 광학 레이저 용접 기법들을 사용하여 다수의 다중 패스 층들을 클래딩할 때 종종 발생하는 미세 균열 가능성을 감소시킨다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 실시할 때 기판(70)은 기준 지점(82 내지 84)들에 의해 경계를 형성하는 이의 측면상에 곡선형 표면을 구비한, 이전에 도포된 레이저 클래드 용착물(80)(횡단면으로 도시됨)을 갖는다. 기판(70) 상에 그리고 용착물(80) 다음에 연속 클래딩 층을 형성하도록, 다음의 레이저 클래딩 패스(90)는 지점(85) 까지 폭이 연장하는 기준 지점(82)에서 이전의 용착물(80)과 중첩되도록 의도되고 이 도면의 평면 내로 발전한다. 레이저 초점 스폿은 에너지의 라인 소스(line source)를 생성하도록 82 내지 예를 들면 85로 갑자기 진동된다. 기판(70)에 대한 이 도면의 평면 안/밖으로의 에너지의 라인 소스의 발전은 존재하는 용착물(80)에 인접한 클래드 용착물(90)을 생성한다. 레이저 광학 에너지 전달 속도는 기판(70)에서의 편차들을 보상하도록 빔 진동 경로를 따라(여기서 도면에서 좌에서 우로) 변화될 것이어서, 충분한 에너지가 전달되어 하부 기판의 과열 없이 양호한 필러 재료 융합을 달성하도록 전달된다. 이전의 증착물(80)의 곡선형 표면(82, 84)을 보상하기 위해, 레이저 광학 에너지 전달 속도는 새로운 클래딩 층 레이저 패스의 중첩 부분(92)에서 램프 업(ramp up)되어, 용착물(80) 에지(84)와 베어 기판(bare substrate; 70) 사이의 전이 코너에서 플라토 파워 스파이크(plateau power spike; 94)에 도달한다. 레이저 빔이 평평한 기판 부분(70)에 지향될 때 광학 에너지 전달 속도가 낮아져서, 표면 토폴로지에서 국부화된 편차들에도 불구하고 클래딩 용접 패스에 걸쳐 균일한 광학 에너지 전달(96)을 유지한다.
레이저 광학 에너지 전달 속도는 인가된 전력 밀도 및 필러 재료/기판 흡수 에너지를 변경하도록 진동 경로를 가로질러 래스터링 패턴을 테일러링(tailoring)함으로써 레이저 빔 초점 스폿 및 기판(70)이 서로에 대해 이동되는 동안 비대칭 표면 토폴로지를 보상하도록 변화될 수 있다. 임의의 빔 초점 영역에서 흡수된 레이저 광학 에너지는 초점 지속 시간에 비례하여 변화한다. 비 제한적 예에 의해 초점 레이저 빔 초점 지속 시간 및 비례 흡수된 에너지는 아래 방식들로 변화될 수 있다: (i) 레이저 빔이 용접 병진 운동 경로에 대해 평행하게 또는 이 운동 경로에 횡단하여 좌우로 진동될 수 있으며, (ii) 병진 운동 속력 또는 속도가 변화될 수 있으며 그리고 (iii) 레이저 전력 세기는 연속적으로 또는 펄스 변조(pulse modulation)에 의해 변화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 레이저 용접/클래딩 시스템(100)의 일 실시예를 도시한다. 클래딩 시스템(100)은 터빈 블레이드(20)와 같은 피가공재가 고정되는 작업 테이블(table)(120)을 포함한다. 선택적 작업 테이블 모션 제어 시스템(work table motion control system)(125)은 작업 테이블(120)을 도시된 X, Y, 및 Z 좌표들에서 또는 임의의 다른 단축 또는 다축 좌표계에서 이동시키기 위해 사용된다. 도포 밸브(valve)(135)를 구비한 공지된 분말식 필러 호퍼(hopper)(130)는 터빈 블레이드(20) 기판 표면들에 분말식 필러 재료를 도입한다. 분말 필러는 블레이드(20) 기판에 대해 부어진 분말(136) 도포 구역들을 이동하기 위한 이의 자체 독립 모션 제어 시스템을 가질 수 있다. 분말형 필러 재료는 도시된 바와 같이 빔 초점의 고정 지점에 공급될 수 있고, 축외 분말 피더(feeder)들은 레이저 빔 스캐닝(laser beam scanning)의 완전한 병진 운동 범위에 걸쳐 필러 분말을 분무할 수 있고, 길다란 분말 피더 노즐(nozzle)들이 이용될 수 있다. 레이저 용접 프로세스가 시작되기 전에 분말이 또한 기판(20) 상에 사전 배치될 수 있다. 고체 와이어(wire) 또는 스트립 필러(strip filler)가 분말 필러 재료와 대체될 수 있다.
상기 시스템(100)은 기판(20) 및 필러 재료(136)를 가열하기 위한 레이저 빔 광학 에너지 소스를 제공하는 선택적 가변 초점(dF) 또는 파워 출력(dP)을 구비한 레이저(140)를 갖는다. 상기 시스템(100)은 또한 각각의 구동부(162, 164 및 166)의 제어 하에서 경사축(T), 팬(pan)축(P) 및 회전축(R)으로서 도시된 단축 운동 또는 다축 운동을 할 수 있는 미러(160)를 구비한 가동 미러 시스템(150)을 갖는다. 구동부(162, 164 및 166)들은 공지된 구성의 모터식(motorized) 모션 제어 시스템의 일 부분일 수 있거나 공지된 제어기(170)의 제어 하에 있는 공지된 검류계에 통합될 수 있다. 대안적으로 빔은 앞에서 설명된 축 운동들 각각을 달성하도록 모션의 단축(또는 다축)을 구비한 다수 미러들에 의해 차단될 수 있다.
상기 제어기(170)는 독립형(stand alone) 제어기, 프로그램가능한 논리 제어기(programmable logic controller) 또는 개인용 컴퓨터(personal computer)일 수 있다. 제어기(170)는 또한 작업 테이블 모션 제어 시스템(125), 분말형 필러 재료 호퍼 밸브(135) 및/또는 선택적 호퍼 모션 제어 시스템(도시 안됨), 및/또는 레이저(140) 가변 초점(dF) 및/또는 파워 출력(dP) 중 하나 또는 둘 이상을 제어할 수 있다. 제어기를 구비한 공지된 개방형 및/또는 폐쇄형 피드백 루프(feedback loop)들은 호퍼 위치 드라이브(drive) 및 구동부(125, 135, 162 내지 166, dF, dP) 중 하나 또는 둘 이상과 관련될 수 있다. 기판 및 필러로의 레이저 빔 광학 에너지 전달은 또한 폐쇄형 피드백 루프에서 모니터링될(monitored) 수 있어 제어기가 모니터링된 에너지 전달 속도를 기초로 하여 에너지 전달 속도를 변화시킬 수 있다. 인간 기계 인터페이스(HMI; human machine interface)는 용접 작동들을 모니터링하고 및/또는 용접 작동을 수행하기 위한 명령들을 제공하기 위해 제어기(170)에 커플링될 수 있다.
용접 시스템(100)을 작동할 때, 레이저(140)의 출력 빔(180)은 미러(160)(또는 다수 미러들)로부터 그리고 이어서 터빈 블레이드(20) 피가공재 상으로 반사되며 이 피가공재는 터빈 블레이드(20) 및 필러 재료(135)에 광학 에너지를 전달한다. 터빈 블레이드 기판(20) 및 필러 재료(136) 둘다는 전달된 광학 에너지를 흡수하여 필러 재료를 용융하고 기판 표면을 습하게 하고 용융된 필러 및 기판 표면을 서로 융합한다. 기판(20) 및 레이저 빔(180)은 연속 용접 클래딩 층(200)을 형성하도록 가동 미러 시스템(150) 구동부(162, 164, 166)들 및/또는 작업 테이블 구동 시스템(125)의 제어 시스템 결합에 의해 병진 운동 경로를 따라 서로에 대해 이동된다. 가동 미러 시스템(150)이 상업적으로 이용가능한 레이저 검류계 시스템에 통합될 때, 기판(20)과 레이저 빔(180) 사이의 상대 운동뿐만 아니라 레이저 광학 에너지 전달 속도는 상대적 병진 운동과 진동 둘다에 대한 검류계 미러(160)(또는 다수의 미러들)를 이동시킴으로써 변화될 수 있다. 레이저 빔(180)과 기판(20)/필러 재료(136) 사이의 상대 운동은 공지된 비진동식 레이저 클래딩 시스템들로 가능하지 않은 융합 균일도를 위한 병진 운동 모션의 선행 에지(예를 들면, 도 4의 용접 라인의 우측 선행 에지)에서 연속 용융 용접 라인을 유지한다.
앞에서 언급된 바와 같이, 임의의 빔 초점 영역에서 흡수된 레이저 광학 에너지는 초점 지속 시간과 비례하여 변화한다. 비 제한적 예에 의해, 레이저 빔(180) 초점 지속 시간 및 비례 흡수 에너지는 아래 방식들로 변화될 수 있다: (i) 레이저 빔(180)은 용접 병진 운동 경로(210)에 대해 평행하게 또는 용접 병진 운동 경로를 횡단하는 좌우(예를 들면 211)로 진동될 수 있으며; (ii) 진동 또는 병진 운동 속도가 변화될 수 있는 방식; 및 (iii) 레이저 파워 세기(dP) 또는 초점(dF)이 연속적으로 또는 펄스 변조에 의해 변화될 수 있는 방식. 이에 따라 레이저 빔 초점 지속 시간의 비율을 동적으로 변경함으로써 기판 및 필러에 대한 에너지 전달 속도는 용접 라인 병진 운동 경로를 따라 변화되어, 국부적 토포그래피(topography) 편차들과 관계없이, 균일한 에너지 전달이 전체 용접부 내에 유지된다. 이하에서, 도면부호 '210', '220' 및 '230'은 상기 병진 운동 경로 외에 이와 실질적으로 동일한 구성인 용접부 및 패스를 나타내는 데에도 사용된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 클래딩 층은 단일 래스터(raster) 선형 용접부(210) 또는 다수의 인접한 선형 용접부(210 내지 230)들의 2차원 용접물 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 패스에 대한 병진 운동 방향들은 도시된 바와 같이 순차적으로 역전될 수 있다. 각각의 패스들에 대한 진동 방향들은 각각의 패스(210, 220 및 230) 제각각에 대한 211, 221 및 231로서의 병진 운동 방향에 대해 단순히 횡단될 수 있다. 이전의 패스들의 측면에 대한 진동의 듀레이션(duration)은 융합을 보장하도록 증가될 수 있다. 다수의 클래딩 층(200, 300, 400)들은 도 5의 내외측의 방향들로 층들을 순차적으로 교번시키거나 심지어 좌측 내지 우측이 아닌 예를 들면 좌측 내지 우측으로 90도로 병진 운동의 방향들을 변경함으로써 서로 도포될 수 있다. 대안적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 3차원 용접은 레이저(140) 초점(dF) 및/또는 레이저 파워(dP)를 변경시킴으로써 단일 패스 또는 다수 패스 층들에서 곡선형 기판(500) 상에 수행될 수 있어 기판(500) 표면과 미러(160) 사이의 거리를 변경시킴으로써 유발되는 광학 에너지 전달에서의 변화들을 보상한다.
본 발명의 방법들을 사용한 다층 클래딩은 유용하게는 기판으로부터 각각의 연속 층을 통하여 에피택셜 입자 성장을 유지하여 미세 균열의 가능성을 감소시키는데 그렇지 않으면 클래드 내부 층 결정학적 방향에서의 변화가 발생될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 공지된 고정식 광학 장치 시스템들에 의한 레이저 미세 클래딩은 도 7에 도시된 바와 같이 통상적인 수리 축적을 달성하도록 다수 패스(600)들을 요구한다. 전형적으로 공지되고 고정된(진동하지 않는) 광학 레이저 클래딩 프로세스들에서, 용접 고화 결정체 정렬은 수 개의(few) 도포된 제 1 용착물(611, 612)들에서 기판에 대한 수직으로부터 수 개의 제 1 층들(예를 들면 610)에서 변화하는 경향이 있고 이어서 후속적으로 도포된 용착물(613, 614, 615 등)에서 점차적으로 기울어진 각도를 변화시키는 경향이 있다. 더 큰 변화가 후속적인 클래드 층(620, 630 등)들에서 발생한다. 미세 균열은 종종 내부 층 결정학적 방향에서의 이 같은 변화들시 시작한다. 공지되고 진동하지 않는 초점 레이저 클래딩 방법들과 대조적으로, 도 8에 도시된 본 발명의 방법들은 도 5에 도시된 연속 래스터링 패턴에 의한 것과 같이, 다수 클래드 층(600')을 형성한다. 단일 패스 층(610', 620', 630', 등)들은 클래딩 층들 내의 거의 단축 에피택셜 입자 성장을 증진하는데, 이는 입자 결정 구조물이 기판 표면에 대해 수직하게 고화되기 때문이다. 단일 결정체 또는 방향성 고화 기판들의 속성들은 또한 본 발명의 클래딩 방법들에 의해 유지될 수 있다.
이전에 공지된 비진동식 광학 레이저 클래딩 방법들에 비해 본 발명의 레이저 클래딩 방법들 및 시스템의 장점들은 기판으로 완전한 필러 용융 및 본딩을 제공하는 기판 토폴로지 비대칭들에 대한 보상을 하는 단일 패스 층들에 의해, 비 융합 결함들에서의 감소를 포함한다. 융합은 고화 및 변형 시효 균열 취약성 초합금 재료들의 과열 및 과잉 응력 없이 제공된다. 단축 고화는 기판으로부터 에피택셜 입자 성장을 유지하고 미세균열을 최소화하거나 제거하는 레이저 빔을 래스터링함으로써 가능하게 된다. 단축 고화는 또한 층마다 병진 운동 방향을 교번시킴으로써 강화된다. 단일 결정체 또는 방향성 고화 기판들의 속성들이 또한 이 같은 프로세싱(processing)에 의해 유지될 수 있다.
본 발명의 교시들을 포함하는 다양한 실시예들이 본원에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 당업자는 이러한 교시들을 여전히 포함하는 많은 다른 변형된 실시예들을 쉽게 고안할 수 있다.

Claims (20)

  1. 에피택셜 입자(epitaxial grain) 초합금 구성요소들을 클래딩(cladding)하기 위한 방법으로서,
    구성요소 초합금 기판 표면 상에 필러(filler) 재료를 도입하는 단계;
    상기 필러 재료 및 기판 상에 레이저 빔(laser beam)을 집속하는 단계;
    기판에 대한 열 열화(thermal degradation)를 유발하지 않으면서 제 1 필러 층으로서 상기 기판에 상기 필러 재료를 융합하는 광학 에너지(optical energy)를 레이저로부터 상기 필러 재료 및 기판으로 전달하는 단계; 및
    구성요소 표면 토폴로지(topology)를 기초로 하여 광학 에너지 전달 속도를 변화시키는 단계 동안 상기 레이저 빔 및 기판을 서로에 대해 래스터링(rastering)하는 단계; 및
    상기 제 1 필러 층 상에 부가 필러 층을 클래딩하기 위하여, 상기 도입하는 단계, 집속하는 단계, 전달하는 단계 및 래스터링하는 단계를 반복하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 필러 층 및 상기 부가 필러 층은 각각 측면들을 따라 인접한 다수의 선형 용접부들의 2차원 용접물 어레이를 포함하며,
    각각의 2차원 용접물 어레이의 상기 선형 용접부들은 순차적으로 형성되고 상기 래스터링의 병진 운동 방향은 하나의 선형 용접부로부터 다음의 선형 용접부로 역전되고(reversed),
    상기 선형 용접부들의 각각은 상기 병진 운동 방향에 대해 횡단되는(transverse) 진동 방향들로 상기 레이저 빔을 상기 기판에 대하여 진동시킴으로써 형성되며, 그리고
    상기 선형 용접부들이 측면들을 따라 인접한 곳에서 진동의 듀레이션(duration)이 증가되는,
    초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    폐쇄형 피드백 루프(closed feedback loop) 내의 광학 에너지 전달을 모니터링(monitoring)하는 단계 및 상기 모니터링된 광학 에너지 전달을 기초로 하여 광학 에너지 전달 속도를 변화시키는 단계를 더 포함하는,
    초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도입하는 단계는 분말형 필러, 고체 스트립(strip) 필러 및 와이어(wire) 필러로 이루어지는 그룹(group)으로부터 선택되는 필러 재료를 사전 배치하고 공급하는 단계로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는,
    초합금 구성요소들을 클래딩하기 위한 방법.
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