KR102507407B1 - Fixture for thermal barrier coating of hot gas path parts by 3D printing laser cladding - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열차폐코팅용 고정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fixing device for thermal barrier coating, and more particularly, to a fixing device for thermal barrier coating of high-temperature parts of a gas turbine by 3D printing.
가스터빈 고온부품 블레이드, 베인, 연소기 등에 사용되는 Ni-Alloy 또는 Co-Alloy 초내열 합금은 1,200∼1,600℃의 높은 온도에서 기계적 강도를 유지할 수 없기 때문에 이들 부품의 표면에 열차폐코팅(TBC, Thermal Barrier Coating)을 적용하여 소재에 높은 열이 전달되지 못하게 보호막 코팅을 적용하여 사용하고 있다.Since Ni-Alloy or Co-Alloy super heat-resistant alloys used in gas turbine high-temperature parts such as blades, vanes, and combustors cannot maintain mechanical strength at high temperatures of 1,200 to 1,600 ° C, the surfaces of these parts are coated with thermal barrier coating (TBC, Thermal Barrier Coating) is applied to prevent high heat from being transferred to the material.
한편, 소재 내부에는 냉각유로가 있어 냉각에어를 강제로 통과시켜 소재에 미치는 열을 최대한 낮추어 고온내부식, 내산화, 피로, 크리프 특성을 향상시켜 고온부품의 수명을 연장하고 있다.On the other hand, there is a cooling passage inside the material, which forcibly passes cooling air to lower the heat exerted on the material as much as possible to improve high-temperature corrosion resistance, oxidation resistance, fatigue, and creep characteristics to extend the life of high-temperature parts.
종래의 열차폐 코팅은 소재 표면에 과도하게 높은 열이 전달도는 것을 억제하는 세라믹 탑코팅(Top Coating)과 접합성을 향상시키고 고온산화를 지연시키는 MCrAlY(M=Ni, Co) 본드코팅(Bond Coating)을 플라즈마 스프레이(Plasma Spray) 또는 고속용사(High Velocity Oxygen Fuel)와 같은 용사코팅(Thermal Spray) 공법을 적용하고, 특히 본드코팅 상면에 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia) 세라믹 탑코팅을 용사코팅해서 사용하고 있다.Conventional thermal barrier coatings include a ceramic top coating that suppresses the transfer of excessively high heat to the material surface and an MCrAlY (M=Ni, Co) bond coating that improves bonding and delays high temperature oxidation. ) is applied with a thermal spray method such as plasma spray or high velocity oxygen fuel, and in particular, a ceramic top coating of Yttria Stabilized Zirconia is applied to the upper surface of the bond coating. I am using it.
하지만 이들 용사코팅은 분말을 녹여 높은 속도(150∼900m/sec)로 고온부품 표면에 충돌시켜 코팅하기 때문에 투입 분사분말 대비 코팅이 부착되는 비율 즉, 부착율이 40% 이하로 매우 저조하여 고비용의 열차폐 코팅공정이 된다는 등의 단점이 있다.However, these thermal spray coatings are coated by melting powder and colliding it with the surface of high-temperature parts at high speed (150-900m/sec), so the ratio of coating to injected powder, that is, the adhesion rate, is very low at 40% or less, resulting in high cost. There are disadvantages such as being a thermal barrier coating process.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 3D프린팅 레이저 클래딩에 의한 열차폐 코팅은 용사코팅과 달리 코팅되는 표면을 지표면에 수직으로 할 수 없기 때문에 본 발명은 3D프린팅 레이저 클래딩에 적합한 열차폐 코팅 고정장치를 용사코팅 고정부와 같이 편리한 코팅 고정장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and since the heat shielding coating by 3D printing laser cladding cannot make the surface to be coated perpendicular to the ground surface unlike thermal spray coating, the present invention is a train suitable for 3D printing laser cladding The purpose is to provide a convenient coating fixing device such as a thermal spray coating fixing device for a waste coating fixing device.
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치는 내부에 전자기기부품이 내장되어 있는 본체와, 상기 본체의 상면에 회전하도록 설치되는 회전프레임과, 상기 회전프레임의 상단에 열차폐코팅하기 위한 고온부품이 상면에 고정장착되는 고정부로 구성되어 있되, 상기 고정부는 복수 개가 회전프레임의 둘레를 따라 일정간격 이격되게 설치되어 있어 상기 고정부에 고온부품을 고정장착한 후, 용접로봇장치의 하부에 위치한 고정부에 고정장착된 고온부품의 열차폐코팅이 완료되면 다음차의 고정부에 고정장착된 고온부품을 열차폐코팅하기 위해 회전프레임이 회전하게 되는 것이 특징이다.The fixing device for heat shielding coating of high-temperature parts of a gas turbine by 3D printing of the present invention includes a main body having electronic parts embedded therein, a rotating frame installed to rotate on the upper surface of the main body, and a heat shield on top of the rotating frame. It consists of a fixing part in which high-temperature parts for coating are fixedly mounted on the upper surface, and a plurality of fixing parts are installed at regular intervals along the circumference of the rotating frame. When the heat shielding coating of the high-temperature parts fixed to the fixing part located at the lower part of the device is completed, the rotating frame is rotated to apply the heat shielding coating to the high-temperature part fixed to the fixing part of the next car.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치를 사용하여 3D프린팅 레이저 클래딩 적층을 적용하면 레이저 에너지 효율이 높아 부착율이 90% 정도 매우 높아서 분말비용을 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라 모재와 본드층의 접합력을 용사코팅보다 2배 이상 높일 수 있다.As described above, when 3D printing laser cladding is applied using the fixing device for thermal shielding coating of gas turbine high temperature parts by 3D printing according to the present invention, the laser energy efficiency is high and the adhesion rate is very high at about 90%, which can significantly reduce powder cost. In addition, the bonding strength between the base material and the bond layer can be increased by more than twice that of thermal spray coating.
특히, 용융적층 중에 과냉각으로 인한 기공이 발생되지 않도록 하기 위해 미세한 진동을 주면서 적층하면 기공을 최소화할 뿐만 아니라 잔류응력이 제거되어 모재와 본드층의 접합력이 향상되는 이점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.In particular, if laminated while giving fine vibration to prevent the occurrence of pores due to supercooling during melt lamination, there is a remarkable effect such as minimizing pores and removing residual stress to improve bonding strength between the base material and the bond layer. .
도 1은 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치 사시도.
도 2는 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치의 칸막이가 돌출된 상태의 사시도.
도 3은 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치의 고정부에 고온부품이 고정장착된 상태의 사시도.
도 4는 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치의 고정부에 고온부품이 고정장착된 후, 칸막이가 돌출된 상태의 사시도.
도 5는 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치에 용접로봇장치가 구성된 상태의 사시도.
도 6은 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치의 또 다른 실시에 따른 사시도.
도 7은 본 발명 3D프린팅에 의한 고온부품 수리 및 열차폐 코팅 공정도.
도 8은 본 발명 3D프린팅에 의한 고온부품 수리 및 열차폐 코팅 공정의 개요도.1 is a perspective view of a fixing device for thermal shielding coating of a gas turbine high-temperature part by 3D printing of the present invention.
Figure 2 is a perspective view of a state in which the partition of the gas turbine high-temperature part heat shield coating fixing device according to the present invention 3D printing protrudes.
Figure 3 is a perspective view of a state in which a high-temperature part is fixedly mounted to a fixing device for a gas turbine high-temperature part heat shield coating by 3D printing of the present invention.
Figure 4 is a perspective view of a state in which the partition protrudes after the high-temperature parts are fixed and mounted to the fixing part of the fixing device for the heat shield coating of the gas turbine high-temperature parts by 3D printing of the present invention.
5 is a perspective view of a state in which a welding robot device is configured in a fixing device for thermal shielding coating of a gas turbine high-temperature part by 3D printing of the present invention.
6 is a perspective view of another embodiment of a fixing device for thermal shielding coating of high-temperature parts of a gas turbine by 3D printing of the present invention.
Figure 7 is a high-temperature part repair and heat shield coating process diagram by 3D printing of the present invention.
8 is a schematic diagram of a high-temperature component repair and thermal barrier coating process by 3D printing of the present invention.
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치는 내부에 전자기기부품이 내장되어 있는 본체(110)와, 상기 본체(110)의 상면에 회전하도록 설치되는 회전프레임(120)과, 상기 회전프레임(120)의 상단에 열차폐코팅하기 위한 고온부품(300)이 상면에 고정장착되는 고정부(130)로 구성되어 있되, 상기 고정부(130)는 복수 개가 회전프레임(120)의 둘레를 따라 일정간격 이격되게 설치되어 있어 상기 고정부(130)에 고온부품(300)을 고정장착한 후, 용접로봇장치(200)의 하부에 위치한 고정부(130)에 고정장착된 고온부품(300)의 열차폐코팅이 완료되면 다음차의 고정부(130)에 고정장착된 고온부품(300)을 열차폐코팅하기 위해 회전프레임(120)이 회전하게 되는 것이 특징이다.The fixing device for thermal shielding coating of gas turbine high-temperature parts by 3D printing of the present invention includes a
상기 고정부(130)는 회전프레임(120) 상에서 회전가능하도록 구성된 것이 특징이다.The
그리고 상기 복수 개의 고정부(130) 사이의 회전프레임(120)의 상면에는 칸막이(140)가 설치되어 있는 것이 특징이다.And it is characterized in that the
상기 칸막이(140)는 회전프레임(120)의 상면에서 상부로 안테나처럼 돌출되는 것이 특징이다.The
또한, 상기 용접로봇장치(200)는 고온부품(300)을 레이저 클래딩으로서 열차폐코팅을 하는 것으로, 상기 고정부(130)는 용접로봇장치(200)의 용접기능부인 용접로봇(240)의 수직 하방에 위치하는 것이 특징이다.In addition, the
상기 용접로봇장치(200)는 고정장치(100)를 향하여 길게 형성된 베이스플레이트(210)와, 상기 베이스플레이트(210)의 상면에 고정장치(100)를 향하여 직선운동하게 장착된 이동프레임(220)과, 상기 이동프레임(220)의 상면에 회전하도록 장착된 회전프레임(230)과, 상기 회전프레임(230)의 상면에 레이저 클래딩 작업을 수행할 수 있는 로봇팔 형태의 용접로봇(240)으로 구성되어 있되, 상기 용접로봇(240)의 로봇팔에는 레이저 클래딩 수행용 레이저 헤드(241)가 구성되어 있는 것으로, 이동프레임(220)과 회전프레임(230)에 의해 용접로봇(240)이 고온부품(300)이 고정장착되어 있는 고정부(130)의 수직 상방에 위치하는 것이 용이한 것이 특징이다.The
이하, 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치를 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a fixing device for heat shielding coating of a gas turbine high-temperature part by 3D printing of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치 사시도, 도 2는 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치의 칸막이가 돌출된 상태의 사시도, 도 3은 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치의 고정부에 고온부품이 고정장착된 상태의 사시도, 도 4는 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치의 고정부에 고온부품이 고정장착된 후, 칸막이가 돌출된 상태의 사시도, 도 5는 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치에 용접로봇장치가 구성된 상태의 사시도이다.1 is a perspective view of a fixing device for thermal shielding coating of high-temperature parts of a gas turbine by 3D printing of the present invention, and FIG. 3 is a perspective view of a state in which the high-temperature parts are fixed and mounted to the fixing part of the fixing device for heat shielding coating of gas turbine high-temperature parts by 3D printing of the present invention, and FIG. A perspective view of a state in which a partition is protruded after a high-temperature part is fixed and mounted on a fixed part of the device, and FIG. 5 is a perspective view of a state in which a welding robot device is configured in a fixing device for thermal shielding coating of a gas turbine high-temperature part by 3D printing of the present invention. .
도 1 내도 도 5에 도시된 바와 같이 용사코팅에 비해 용융된 분말의 속도가 매우 낮은 3D프린팅 레이저 클래딩 공정의 수행을 위해 고온부품(300) 표면의 수직 상부에 레이저 헤더(250)가 용융적층하는 것이 특징인 것이다.As shown in FIG. 1 and FIG. 5, a
3D프린팅 레이저 클래딩 공정은 용사코팅에 비해 용융된 분말의 속도가 매우 낮기 때문에 고온부품(300)의 측면에서 작업을 수행하게 되면 코팅액이 고온부품(300)의 표면을 따라 흘러내리기 때문에 반드시 고온부품(300)의 수직 상부에 하기에 기술된 레이저 헤더(250)가 위치하여 고온부품(300)의 상면을 용융적층하여야 한다..In the 3D printing laser cladding process, since the speed of the molten powder is very low compared to thermal spray coating, when the operation is performed on the side of the
이에, 본 발명의 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치(100)는 내부에 전자기기부품이 내장되어 있는 본체(110)와, 상기 본체(110)의 상면에 회전하도록 설치되는 회전프레임(120)과, 상기 회전프레임(120)의 상단에 열차폐코팅하기 위한 고온부품(300)이 상면에 고정장착되는 고정부(130)로 구성되어 있되, 상기 고정부(130)는 복수 개가 회전프레임(120)의 둘레를 따라 일정간격 이격되게 설치되어 있어 상기 고정부(130)에 고온부품(300)을 고정장착한 후, 용접로봇장치(200)의 하부에 위치한 고정부(130)에 고정장착된 고온부품(300)이 열차폐코팅이 완료되면 다음차의 고정부(130)에 고정장착된 고온부품(300)을 열차폐코팅하기 위해 회전프레임(120)이 회전하게 되는 것이 특징으로 하고 있다.Accordingly, the
더욱 상세하게는, 내부에 전자기기부품이 내장되어 있는 본체(110)의 상면에는 본체(110)를 중심으로 하여 회전하는 회전프레임(120)이 설치되어 있다.More specifically, a rotating
상기 회전프레임(120)의 상면에는 열차폐코팅하기 위한 고온부품(300)을 상면에 고정장착하는 고정부(130)가 설치되게 되는데, 상기 고정부(130)는 회전프레임(120) 상에서 회전가능하도록 설치되어 있어 후술할 용접로봇장치(200)에 의해 레이저 클래딩 작업시 고온부품(300)이 회전하도록 함으로써 열차폐코팅이 더욱 원활히 이루어지도록 한다.The upper surface of the rotating
특히, 상기 고정부(130)는 복수 개가 회전프레임(120)의 둘레를 따라 일정간격 이격되게 설치되어 있다.In particular, a plurality of the
이에, 모든 고정부(130)에 고온부품(300)을 고정장착한 후, 용접로봇장치(200)의 하부에 위치한 고정부(130)에 고정장착된 고온부품(300)의 열차폐코팅이 완료되면 다음차의 고정부(130)에 고정장착된 고온부품(300)을 열차폐코팅하기 위해 회전프레임(120)이 회전하게 된다.Accordingly, after the high-
상기 복수 개의 고정부(130) 사이의 회전프레임(120)의 상면에는 레이저 클래딩 작업시 주변의 이물질이 고온부품(300)에 묻는 것을 방지하도록 칸막이(140)가 설치되어 있는 것으로, 바람직하게는 상기 칸막이(140)는 회전프레임(120)은 상면에서 상부로 안테나처럼 돌출되게 구성되도록 한다.A
이에, 작업시에는 칸막이(140)는 회전프레임(120)의 상부로 돌출되도록 하여 이물질의 고온부품(300)에 묻는 것과 더불어 작업자의 부주의로 인해 열차폐코팅 작업 중인 로봇용접장치(200)의 용접로봇(240), 특히 용접로봇(240)의 레이저 헤드(241)를 건들게 되는 것을 방지하도록 하며, 평상시에는 회전프레임(120)의 내부로 삽입되거나 회전프레임(120)의 표면으로부터 소정높이만 돌출되어 있도록 함으로써 회전프레임(120)의 상부에 설치되어 있는 고정부(130)에 고온부품(300)을 호이스트 또는 크레인을 이용하여 고정장착시 간섭이 발생하지 않도록 한다.Therefore, during work, the
고정부(130)에 고온부품(300)을 고정장착하는 수단과 칸막이(140)가 상부로 안테나처럼 돌출되는 수단은 널리 공지된 기술이기에 상세한 설명은 생략하도록 한다.Means for fixing the high-
한편, 열차폐 코팅공정을 수행하는 용접로봇장치(200)는 고온부품(300)을 레이저 클래딩으로서 열차폐코팅을 하는 것으로, 본 발명의 고정부(130)는 용접로봇장치(200)의 용접기능부인 용접로봇(240)의 수직 하방에 필히 위치하게 조정되어야 한다.On the other hand, the
또한, 본 발명의 고정장치(100)에 포함되는 용접로봇장치(200)는 고정장치(100)를 향하여 길게 형성된 베이스플레이트(210)와, 상기 베이스플레이트(210)의 상면에 고정장치(100)를 향하여 직선운동하게 장착된 이동프레임(220)과, 상기 이동프레임(220)의 상면에 회전하도록 장착된 회전프레임(230)과, 상기 회전프레임(230)의 상면에 레이저 클래딩 작업을 수행할 수 있는 로봇팔 형태의 용접로봇(240)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.In addition, the
상기 베이스플레이트(210)의 양단에는 이동프레임(220)이 이탈되는 것을 방지하는 스토퍼(222)를 형성하도록 한다.
특히, 상기 용접로봇(240)의 로봇팔에는 레이저 클래딩 수행용 레이저 헤드(241)가 구성되어 있는 것으로, 이동프레임(220)과 회전프레임(230)에 의해 용접로봇(240)이 고온부품(300)이 고정장착되어 있는 고정부(130)의 수직 상방에 위치하는 것이 매우 용이하도록 하였다.In particular, the laser head 241 for performing laser cladding is configured in the robot arm of the
한편, 고온부품(300)의 표면에 먼지와 같은 이물질이 묻어 있으면 열차폐코팅이 매끄럽게 되지 않기때문에 열차폐코팅전 고온부품(300)의 표면에 묻은 먼지나 이물질을 없애주는 공정이 필요하게 된다.Meanwhile, if the surface of the high-
이에, 도 6에 도시된 바와 같이 또 다른 실시로서 고온부품(300)의 표면에 공기를 분사하는 분사장치(150)를 고정장치(100)에 장착할 수도 있다.Accordingly, as shown in FIG. 6 , as another embodiment, a
도 6은 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치의 또 다른 실시에 따른 사시도이다.6 is a perspective view of another embodiment of a fixing device for thermal shielding coating of high-temperature parts of a gas turbine by 3D printing of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이 분사장치(150)는 회전프레임(120)의 상면 중심부에 구성하는 것으로, 본 발명의 분사장치(150)는 회전프레임(120)의 상면 중앙에 내부에 전자기기부품이 내장되어 있는 본체(151)가 설치되고, 상기 본체(151)의 상부에는 내부에 전선과 공기가 유동하는 이동통로인 호스가 내장되도록 공간부가 형성되는 수직프레임(153)이 구성된다.As shown in Figure 6, the
상기 수직프레임(153)의 끝단부에는 내부에 공간부가 형성되어 있는 연결부재(152)가 장착되고, 상기 연결부재(154)의 전면에는 수직프레임(153)과 만찬가지로 내부에 전선과 공기가 유동하는 이동통로인 호스가 내장되도록 공간부가 형성되어 있는 수평프레임(155)이 형성된다.At the end of the
연결부재(154)의 내부는 수직프레임(153)과 수평프레임(155)의 공간부가 연통되도록 형성되어 있다.The interior of the connecting
그리고 상기 수평프레임(155)의 끝단부에는 고온부품(300)에 공기가 분사되는 분사노즐(156)이 장착된다.A
바람직하게는 회전프레임(120)의 상면 중심부에 회전판(152)을 설치하고, 상기 회전판(152)의 상면에 본체(151)를 설치함으로써 회전프레임(120)의 상면의 고정부(130)에 고정장착된 고온부품(300)에 자유롭게 공기를 분사하여 이물질을 제거할 수 있도록 하며, 더욱 바람직하게는 수직프레임(153)과 수평프레임(155)을 안테나처럼 길이가 조절되도록 구성하여 분사노즐(156)이 보다 자유로운 행동반경을 가질 수 있도록 할 수 있다.Preferably, the
수직프레임(153)과 수평프레임(1555)을 안테나처럼 길이가 조절되도록 구성하는 것은 널지 공지된 수단으로 실현가능하기에 상세한 설명은 생략하도록 한다.Configuring the length of the
한편, 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이 이하, 본 발명의 고정장치(100)를 이용한 열차폐 코팅 공정은 다음과 같다.Meanwhile, as shown in FIGS. 7 to 8 , a heat shielding coating process using the
도 7은 본 발명 3D프린팅에 의한 고온부품 수리 및 열차폐 코팅 공정도, 도 8은 본 발명 3D프린팅에 의한 고온부품 수리 및 열차폐 코팅 공정의 개요도이다.Figure 7 is a high-temperature part repair and heat shield coating process by 3D printing of the present invention, Figure 8 is a schematic diagram of the high temperature part repair and heat shield coating process by 3D printing of the present invention.
본 발명 3D프린팅에 의한 고온부품 수리 및 열차폐 코팅 공정은 고온부품의 크랙 내부 산화물을 제거하는 1단계 공정: 고온부품의 크랙 내부 1차 레이저 클래딩하여 크랙 내부를 충진 및 접합하는 2단계 공정; 1차 레이저 클래딩에 의해 고온부품의 표면으로 돌출생성된 적층면 주변을 적층면 높이만큼 브레이징 코팅층을 형성하는 3단계 공정; 3단계 공정에 의해 형성된 코팅층의 상면에 2차 레이저 클래딩으로 본드코팅층을 형성하는 4단계 공정; 2차 레이저 클래딩에 의해 생성된 본드코팅층에 3차 레이저 클래딩하여 열차폐 코팅층을 형성하는 5단계 공정; 확산열처리하는 6단계 공정;을 포함하여 이루어지는 것이 특징으로 하고 있다.The high-temperature part repair and heat shielding coating process by 3D printing of the present invention is a first-step process of removing oxides inside cracks of high-temperature parts: a second-step process of filling and bonding the inside of cracks by first laser cladding the inside of cracks of high-temperature parts; A three-step process of forming a brazing coating layer by the height of the laminated surface around the laminated surface protruded to the surface of the high-temperature part by the first laser cladding; a 4-step process of forming a bond coating layer by secondary laser cladding on the upper surface of the coating layer formed by the 3-step process; A five-step process of forming a thermal barrier coating layer by tertiary laser cladding on the bond coating layer created by secondary laser cladding; It is characterized by comprising a; six-step process of diffusion heat treatment.
더욱 상세하게는 1단계 공정은 고온부품의 크랙 내부 산화물을 제거하는 것으로, 1단계 공정에는 금속 산화물을 제거하는 불소이온세정(Fluoride Ion Cleaning) 공정과 힌트틴트(Hint tint)에 의한 크랙 내부를 검사하는 공정이 포함되도록 한다.More specifically, the first step process is to remove oxides inside the cracks of high-temperature parts. process to be included.
그리고 2단계 공정은 고온부품의 크랙 내부 1차 레이저 클래딩하여 크랙 내부를 충진 및 접합하는 것으로, 레이저로 스캔하여 크랙의 깊이와 폭을 3차원 이미지로 인식한 후, 브레이징 분말을 레이저로 용융하여 크랙부분을 접합하는 공정이다.And the second step is to fill and join the inside of the crack by first laser cladding the inside of the crack of the high-temperature part. After scanning with the laser to recognize the depth and width of the crack as a 3D image, the brazing powder is melted with the laser to crack the crack. It is the process of joining parts together.
1차 레이저 클래딩 공정시 브레이징 멜팅이 크랙 내부로 깊이 침투할 수 있도록 원적외선으로 모재인 고온부품의 가열과 함께 초음파 진동을 해주면서 크랙 내부를 충진하여 접합하는 것이다.During the first laser cladding process, it fills and bonds the inside of the crack while heating the high-temperature component, which is the base material, with ultrasonic vibration so that the brazing melting can penetrate deeply into the crack.
이때, 1차 레이저 클래딩에 의해 크랙의 내부를 충진 및 접합시 고온부품의 표면의 상부로 돌출되게 형성된다.At this time, when filling and bonding the inside of the crack by the primary laser cladding, it is formed to protrude upward from the surface of the high-temperature part.
이에, 3단계 공정으로 1차 레이저 클래딩에 의해 고온부품의 표면으로 돌출생성된 적층면 주변을 적층면 높이만큼 레이저 클래딩하여 브레이징 코팅층을 형성하는 것이다.Accordingly, in a three-step process, a brazing coating layer is formed by laser cladding the periphery of the laminated surface protruded to the surface of the high-temperature part by the primary laser cladding by the height of the laminated surface.
브레이징 코팅층은 5∼200㎛ 정도의 두께가 되게 형성하도록 한다.The brazing coating layer is formed to a thickness of about 5 to 200 μm.
즉, 1차 레이저 클래딩 공정으로 크랙 부분을 충진 및 접합한 후, 1차 레이저 클래딩 공정시 고온부품의 표면 위로 돌출된 적층면 주변인 크랙이 없는 부분도 전체적으로 1∼5회 수행함으로써 높이가 전체적으로 평평한 브레이징 코팅층을 형성하는 것이다.That is, after filling and bonding the cracked part with the 1st laser cladding process, during the 1st laser cladding process, the non-cracked part around the laminated surface protruding on the surface of the high-temperature part is also performed 1 to 5 times as a whole, so that the overall height is flat brazing. to form a coating layer.
그리고 4단계 공정으로는 2차 레이저 클래딩에 의해 본드코팅층을 형성하는 것이다.In the fourth step, a bond coat layer is formed by secondary laser cladding.
본드코팅층은 종래의 고온내열성을 가진 소재 분말(MCrAlY(M=Ni, Co))을 사용하여 50∼2,000㎛의 두께가 되도록 형성한다.The bond coating layer is formed to a thickness of 50 to 2,000 μm using conventional material powder (MCrAlY (M=Ni, Co)) having high temperature and heat resistance.
그리고 5단계 공정으로 3차 레이저 클래딩하여 열차폐 코팅층을 형성하도록 한다.Then, tertiary laser cladding is performed in a 5-step process to form a thermal barrier coating layer.
바람직하게는 2차 레이저 클래딩 공정에 의해 형성된 본드코팅층의 상면에 널리 알려진 YSZ분말을 사용하여 초음파 진동과 원적외선을 가열하면서 3차 레이저 클래딩에 의해 열차폐 코팅층을 형성하는 것이다.Preferably, a heat shielding coating layer is formed on the top surface of the bond coating layer formed by the secondary laser cladding process by tertiary laser cladding while heating with ultrasonic vibration and far-infrared rays using YSZ powder, which is widely known.
상기 열차폐 코팅층은 최상면에 위치하고 있기에 탑코팅층이라고 불리우며, 0.5∼5mm 두께가 되도록 형성하는 것으로, 본드코팅층으로부터 처음 적층시 5∼50㎛까지는 초음파진동을 가해줌으로써 코팅층에 기공 없이 형성되도록 하여 접합력을 향상시켜 주도록 한다.Since the thermal barrier coating layer is located on the top surface, it is called a top coating layer, and is formed to have a thickness of 0.5 to 5 mm. When first laminated from the bond coating layer, ultrasonic vibration is applied to 5 to 50 μm so that the coating layer is formed without pores to improve bonding strength. let me do it
1차, 2차, 3차 레이저 클래딩시 함께 행하는 초음파 진동은 1KHz∼100MHz의 범위로 하고, 원적외선 가열은 원적외선 파장을 10∼1000㎛ 사이에서 진행하여 모재인 고온부품의 온도를 400∼1,000℃ 내로 유지하면서 레이저 클래딩하도록 한다.The ultrasonic vibration performed together during the 1st, 2nd, and 3rd laser cladding is in the range of 1KHz to 100MHz, and far-infrared heating proceeds with far-infrared wavelengths between 10 and 1000㎛ to bring the temperature of the high-temperature part, which is the base material, to within 400 to 1,000℃. while maintaining the laser cladding.
더욱 상세하게는 진동자(도면 미도시)를 모재인 고온부품의 표면에 접촉시키고 초음파 진동과 원적외선을 가열하는 것이다.More specifically, a vibrator (not shown) is brought into contact with the surface of a high-temperature part, which is a base material, and ultrasonic vibration and far-infrared rays are heated.
최적의 초음파를 레이저 클래딩 되는 부분에 전달하기 위해서 레이저 클래딩 되는 크랙부분으로부터 0.5∼500mm 이내 떨어진 곳에 진동자를 부착하여 모재인 고온부품에 진동을 주면서 레이저 클래딩을 하는 것이다.In order to transmit optimal ultrasonic waves to the part to be laser cladding, a vibrator is attached to a place within 0.5 to 500 mm away from the crack part to be laser cladding, and laser cladding is performed while vibrating the high-temperature part, which is the base material.
즉, 진동자는 모재인 고온부품의 표면에 접촉되도록 하되, 크랙으로부터는 0.5∼500mm 이내 떨어진 고온부품의 표면에 접촉시키도록 한다.That is, the vibrator is brought into contact with the surface of the high-temperature part, which is the base material, but is brought into contact with the surface of the high-temperature part within 0.5 to 500 mm away from the crack.
보다 바람직하게는 크랙으로부터 500mm 이상 떨어진 곳에서 모재에 물을 적시면서 초음파 진동자를 부착해서 음파를 전파하면 진동자의 마모를 감소시킬 수 있기 때문에 진동자의 수명을 연장시키는 장점이 있다. More preferably, if the ultrasonic vibrator is attached to the base material while water is wetted at a distance of 500 mm or more from the crack and sound waves are propagated, wear of the vibrator can be reduced, thereby prolonging the lifetime of the vibrator.
상술한 바와 같이 초음파 진동과 동시에 레이저 클래딩할 경우 장점은 용접부에 기공율을 0.01% 이하로 감소시킴과 동시에 결정립의 크기를 기존 레이저 클래딩 보다 50% 이하로 작게 하기 때문에 기계적 특성(경도, 강도, 마모, 피로)이 증가하는 장점이 있다 As described above, the advantage of laser cladding simultaneously with ultrasonic vibration is that it reduces the porosity of the welded part to 0.01% or less and at the same time reduces the size of crystal grains to 50% or less compared to conventional laser cladding, so the mechanical properties (hardness, strength, wear, Fatigue) has the advantage of increasing
한편 상기 1차, 레이저 클래딩에 사용되는 브레이징 분말은 상용 브레이징 분말과 달리 온도강하 원소인 실린콘과 보론 함량이 적절히 조절되는 것으로, 실리콘(Si) 7% 이하, 보론(B) 2% 이하, 탄소(C) 0.01% 이하, 알루미늄(Al) 0.1% 이하, 지르코늄(Zr) 0.05% 이하, 코발트(Co) 0.5% 이하, 인(P) 0.01% 이하, 황(S) 0.02% 이하, 텅스텐(W) 3% 이하, 탄탈룸(Ta) 2% 이하, 크롬(Cr) 20∼30%, 나머지는 니켈(Ni)로 이루어진 것을 사용하도록 한다.On the other hand, the brazing powder used for the primary laser cladding, unlike commercial brazing powder, has silicon and boron contents, which are temperature drop elements, properly controlled, and contains less than 7% of silicon (Si), less than 2% of boron (B), and carbon. (C) 0.01% or less, aluminum (Al) 0.1% or less, zirconium (Zr) 0.05% or less, cobalt (Co) 0.5% or less, phosphorus (P) 0.01% or less, sulfur (S) 0.02% or less, tungsten (W ) 3% or less, tantalum (Ta) 2% or less, chromium (Cr) 20-30%, and the rest is made of nickel (Ni).
그리고 3단계 공정의 브레이징 코팅층은 1차 레이저 클래딩시 사용되는 브레이징 분말과 동일한 조성을 지닌 것을 사용하여 레이저 클래딩에 의해 형성되도록 한다.In addition, the brazing coating layer of the three-step process is formed by laser cladding by using a brazing powder having the same composition as the brazing powder used in the first laser cladding.
끝으로, 확산열처리(용체화 열처리)하는 6단계 공정은 온도 1200∼1450℃에서 30∼60분간 행한 후, 20분 동안 1023∼1350℃까지 온도를 내려서 150∼255분간 진공에서 확산열처리하는 것이다.Finally, the 6-step process of diffusion heat treatment (solution heat treatment) is performed at a temperature of 1200 to 1450 ° C for 30 to 60 minutes, then lowered to 1023 to 1350 ° C for 20 minutes, followed by diffusion heat treatment in vacuum for 150 to 255 minutes.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치는 3D프린팅 레이저 클래딩 적층을 적용하면 레이저 에너지 효율이 높아 부착율이 90% 정도 매우 높아서 분말비용을 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라 모재와 본드층의 접합력을 용사코팅보다 2배 이상 높일 수 있다.As described above, when the 3D printing laser cladding laminate is applied to the fixing device for thermal shielding coating of gas turbine high-temperature parts by 3D printing of the present invention, the laser energy efficiency is high and the adhesion rate is very high at about 90%, which can significantly reduce powder cost. In addition, the bonding strength between the base material and the bond layer can be increased more than twice that of thermal spray coating.
특히, 용융적층 중에 과냉각으로 인한 기공이 발생되지 않도록 하기 위해 미세한 진동을 주면서 적층하면 기공을 최소화할 뿐만 아니라 잔류응력이 제거되어 모재와 본드층의 접합력이 향상되는 이점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.In particular, if laminated while giving fine vibration to prevent the occurrence of pores due to supercooling during melt lamination, there is a remarkable effect such as minimizing pores and removing residual stress to improve bonding strength between the base material and the bond layer. .
100. 고정장치
110. 본체 120. 회전프레임 130. 고정부
140. 격판
150. 분사장치 151. 본체 152. 회전판
153. 수직프레임 154. 연결부재 155. 수평프레임
156. 분사노즐
200. 용접로봇장치
210. 베이스플레이트 211. 가이드레일 222. 스토퍼
220. 이동프레임
230. 회전프레임
240. 용접로봇
250. 레이저 헤드
300. 고온부품100. Fixtures
110.
140. Fight
150.
153.
156. Spray nozzle
200. Welding robot device
210.
220. Moving frame
230. Rotation frame
240. Welding robot
250. Laser Head
300. High-temperature parts
Claims (6)
A main body 110 having electronic parts embedded therein, a rotating frame 120 installed to rotate on the top surface of the main body 110, and a high-temperature part for thermal shielding coating on the top of the rotating frame 120 300 is composed of a fixing part 130 fixedly mounted on the upper surface, and a plurality of fixing parts 130 are installed at regular intervals along the circumference of the rotating frame 120, so that the fixing part 130 After the high-temperature part 300 is fixed and mounted on the welding robot device 200, when the high-temperature part 300 fixedly mounted to the fixing part 130 located at the bottom of the welding robot device 200 is completed with heat shield coating, the fixing part 130 of the next car A fixture for gas turbine high-temperature parts heat shield coating by 3D printing, characterized in that the rotating frame 120 rotates to heat shield coat the high temperature parts 300 fixedly mounted on the ).
상기 고정부(130)는 회전프레임(120) 상에서 회전가능하도록 구성된 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치.
According to claim 1,
The fixing unit 130 is a fixing device for gas turbine high-temperature parts heat shield coating by 3D printing, characterized in that it is configured to be rotatable on the rotating frame 120.
상기 복수 개의 고정부(130) 사이의 회전프레임(120)의 상면에는 칸막이(140)가 설치되어 있는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치.
According to claim 1,
A fixture for gas turbine high-temperature parts heat shield coating by 3D printing, characterized in that a partition 140 is installed on the upper surface of the rotating frame 120 between the plurality of fixing parts 130.
상기 칸막이(140)는 회전프레임(120)의 상면에서 상부로 안테나처럼 돌출되는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치.
According to claim 3,
The partition 140 is a fixture for gas turbine high-temperature parts heat shield coating by 3D printing, characterized in that it protrudes like an antenna from the upper surface of the rotating frame 120 to the top.
상기 용접로봇장치(200)는 고온부품(300)을 레이저 클래딩으로서 열차폐코팅을 하는 것으로, 상기 고정부(130)는 용접로봇장치(200)의 용접기능부인 용접로봇(240)의 레이저 헤드(241)의 수직 하방에 위치하는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치.
According to claim 1,
The welding robot device 200 performs thermal barrier coating on the high-temperature part 300 as laser cladding, and the fixing part 130 is the laser head of the welding robot 240, which is a welding functional part of the welding robot device 200 ( 241), a fixture for gas turbine high-temperature parts heat shield coating by 3D printing, characterized by being located vertically below.
상기 용접로봇장치(200)은 고정장치(100)를 향하여 길게 형성된 베이스플레이트(210)와, 상기 베이스플레이트(210)의 상면에 고정장치(100)를 향하여 직선운동하게 장착된 이동프레임(220)과, 상기 이동프레임(220)의 상면에 회전하도록 장착된 회전프레임(230)과, 상기 회전프레임(230)의 상면에 레이저 클래딩 작업을 수행할 수 있는 로봇팔 형태의 용접로봇(240)으로 구성되어 있되, 상기 용접로봇(240)의 로봇팔에는 레이저 클래딩 수행용 레이저 헤드(241)가 구성되어 있는 것으로, 이동프레임(220)과 회전프레임(230)에 의해 용접로봇(240)이 고온부품(300)이 고정장착되어 있는 고정부(130)의 수직 상방에 위치하는 것이 용이한 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈 고온부품 열차폐코팅용 고정장치.
According to claim 5,
The welding robot device 200 includes a base plate 210 formed long toward the fixing device 100, and a moving frame 220 mounted on an upper surface of the base plate 210 to move linearly toward the fixing device 100. And, a rotating frame 230 mounted to rotate on the upper surface of the moving frame 220, and a welding robot 240 in the form of a robot arm capable of performing a laser cladding operation on the upper surface of the rotating frame 230 Consists of However, the laser head 241 for performing laser cladding is configured in the robot arm of the welding robot 240, and the welding robot 240 is a high-temperature part ( 300) is a fixture for gas turbine high-temperature part thermal shielding coating by 3D printing, characterized in that it is easy to be located vertically above the fixing part 130 to which it is fixedly mounted.
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