KR19990088161A

KR19990088161A - 열처리된용사성형초합금제품및그의제조방법

Info

Publication number: KR19990088161A
Application number: KR1019990016614A
Authority: KR
Inventors: 카브랄안토니오씨
Original assignee: 레비스 스테픈 이; 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 1999-12-27
Also published as: US6063212A; JPH11335801A; DE69928722T2; EP0957183B1; KR100546537B1; DE69928722D1; EP0957183A1

Abstract

본 발명은 상응하는 단조된(forged) 제품에 필적하는 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 나타내는 열처리된 용사 성형 제품을 개시한다. 제품은 미완성의 제품을 형성하기 위해 예를 들어 IN 718의 용융된 금속 용적(droplet)을 기판에 침착시킴으로써 우선 형성된다. 제품은 고온 등압축(hot isostatic pressing)되고 이어 용액 열처리, 안정화 열처리 및 석출 열처리를 포함하는 열처리에 의해서 가공된다. 생성된 제품은 단조되고 통상적으로 열처리된 물질에 비해 미세한 평균 입자 크기 뿐만 아니라, 단조된 물질에 필적하는 항복 및 인장 강도를 갖는다. 중요하게는, 제품은 예를 들면 단조된 물질에 필적하는 낮은 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 또한 나타내고, 등방성 미세구조를 갖는다. 본 제품은 단조된 제품을 대신하여 사용될 수 있다.

Description

열처리된 용사 성형 초합금 제품 및 그의 제조방법{HEAT TREATED, SPRAY FORMED SUPERALLOY ARTICLES AND METHOD OF MAKING THE SAME}

본 발명은 일반적으로 용사 성형된 성분, 더 특별하게는 상응하는 단조된 성분에 필적하는 특성을 갖는 용사 성형된 성분에 관한 것이다.

단조는 요구되는 용도를 위한 성분, 예를 들면 고강도와 낮은 균열 진전 속도 및 높은 응력 파단 저항과 같은 다른 원하는 특성의 조합을 필요로 하는 성분을 제조하는데 오랫동안 사용되어 왔다. 항공 우주 산업에서, 단조는 날개 및 깃과 같은 복잡한 형태를 갖는 부품, 및 엔진 케이스, 플랜지(flange) 및 실(seal)과 같은 환상 형태의 성분를 제조하기 위해 사용되고, 이들 각각은 고강도, 낮은 균열 진전 속도 및 높은 응력 파단 저항이 조합될 것을 전형적으로 필요로 한다.

특히, 단조 환상 형태 성분에 있어서, 마무리된 성분의 원하는 조성에 상응하는 조성을 갖는 강편(billet)이 수득된다. 강편은 전형적으로 물질의 강괴(ingoat)로부터 제조된다. 강편은 우선 천공되고, 이어 강편 물질을 일반적인 성분 형태로 변환시키기 위해 1회 이상의 링-롤링 등에 의해 열역학적으로 가공된다. 또한, 이 성분은 예를 들면 특정 수준의 피로 균열 진전 저항과 같은 원하는 특성을 수득하기 위해 열처리될 수 있고, 이어 정밀한 치수 또는 특징을 갖는 성분을 제공하기 위해 마무리, 예를 들면 연마되거나 절삭될 수 있다.

단조에 의한 성분의 제조는 값비싸고 시간이 소모되는 공정으로, 낮은 균열 진전 속도 및 높은 응력 파단 저항과 조합된 고강도 특성과 같은 특히 높은 수준의 다양한 특성을 필요로 하는 성분에만 전형적으로 보증된다. 단조를 위한 강편을 수득하기 위해서는, 특정 물질은 한달정도의 제품화 시간을 필요로 한다. 성분 제작동안 초기의 강편 물질의 대부분은 제거되어 마무리된 성분의 부분을 형성하지 않고, 예를 들면 폐기된다. 제조된 성분의 형태가 복잡하기 때문에 성분을 제조하기 위해 요구되는 노력 및 비용이 부가된다. 게다가, 마무리된 성분은 값비싼 절삭 또는 다른 마무리 공정을 여전히 필요로 할 수 있다. 또한, 기체 터빈 엔진을 고온에서 작동시켜 효율 또는 에너지 또는 둘다를 증가시키기기 위해서는 더욱 발전된 합금으로부터 제조된 성분을 필요로 한다. 이러한 더욱 발전된 합금중 대다수는 점점 단조하기 어렵거나 불가능하여 성분에 대한 비용을 추가로 증가시키거나, 또는 성분이 너무 비싸서 엔진 기술분야에서 특정한 진보를 촉진시키기거나 또는 임의의 성분에 대한 특정 합금을 이용하기에 경제적으로 적합하지 않도록 만든다.

이전에 용사 성형은, 고강도 뿐만 아니라 낮은 균열 진전 속도 및 높은 응력 파단 저항을 나타내는 성분을 예를 들면 강괴 형태의 물질과 같은 벌크(bulk) 물질로부터 직접 제조하는데에 사용되지 않았다. 도 5의 참고를 포함하여 하기에 추가로 논의되는 IN 718의 경우에, 낮은 균열 진전 속도 및 높은 응력 파단 저항은 본원에 참고로 인용된 문헌[Aerospace Material Specification AMS 5663(Rev. H, publ. Jan. 1996), published by SAE Int'l of Warrendale, PA]에 설명된 요구조건을 충족시키는 것에 상응한다. 본 발명에 따라서 제조되는 것은 이러한 조합이다. 전형적인 용사 성형 기구는 도 1에 나타낸다. 금속은 강괴 형태로 제공되고, 도가니(12), 바람직하게는 저압 및/또는 불활성 분위기에서의 진공 용융 챔버(14)에서 용융된다. 용융된 금속(16)은 용탕 깔대기(tundish)(18)로 전달되고, 이어서 아르곤과 같은 불활성 담체 기체를 사용하여 분무된 금속 용적을 운반하는 분무기(20)를 통과한다. 분무된 물질(22)을 용사 챔버(26)에 위치한 냉각된 맨드랠(mandrel) 또는 기판(24)에 충돌하여 침착된다. 환상의 성분을 형성하기 위해서는, 맨드랠은 원통형이고 회전될 수 있으며, 분무된 금속의 스트림과 맨드랠은 서로에 대해 주사될 수 있다. 금속은 기판 및 이전에 침착된 금속에 충돌하여 빠르게 고체화된다. 이어, 고체화된 금속층은 서로에 대해 적층하여 원하는 제품을 형성한다. 미국 특허 제 4,830,084 호를 참조한다. 이어서 제품은, 예를 들면 고온 등압축(hot isostatic pressing), 및/또는 물질을 조밀화하고 강화시키는 링 롤링과 같은 열처리 가공에 의해 추가로 처리될 수 있다. 초합금은 부품을 형성하기 위해 이러한 방식으로 용융되고 용사 성형되어 왔지만, 성형된 이러한 부품은 고강도, 낮은 균열 진전 속도 또는 응력 파단 저항과 같은 특성이 부족하게 되고, 따라서 기체 터빈 엔진 또는 다른 고온 및 고압의 환경과 같은 필요한 용도에 사용될 수 없다.

필요한 용도에 사용하기 위한 단조 부품을 제조하는 데에 널리 이용된 하나의 물질은, Cr 약 19중량%, Mo 3.1중량%, Cb+Ta 5.3중량%, Ti 0.9중량%, Al 0.6중량%, Fe 19중량%, 주로 니켈인 나머지량 및 다른 원소의 호칭량(중량%)으로 이루어진 호칭 조성을 갖는 인코넬 718(Inconel, "IN 718")이다. 상기에 주지된 바와 같이, 부품의 예로는 기체 터빈 엔진 케이스, 플랜지 및 실 뿐만 아니라 날개 및 깃이 포함된다. 일단 성형되면, 이러한 부품들은 전형적으로 원하는 특성을 수득하기 위해 절삭되고 열처리되어야 한다. AMS 5663은 IN 718로부터 단조된 부품에 대한 통상적인 열처리법이고, 본원에 참고로 인용된다.

AMS 5663하에서는, 단조된 성분이 두 단계로 열처리된다. 첫번째 단계는 1725 내지 1850℉ 사이의 온도에서 성분의 단면 두께에 비례하는 시간동안 용액 열처리하고, 이어 공기 냉각과 같거나 또는 더 빠른 속도로 냉각함을 포함한다. 두번째 단계는 1325 내지 1400℉ 사이의 온도에서 약 8시간동안 석출 열처리하고, 이어서 약 100℉/시간의 속도로 약 1150 내지 1200℉의 온도까지의 냉각하여 약 8시간동안 그 온도로 유지시킨 후 공기 냉각함을 포함한다. 석출 열처리법은 전체적인 석출 열처리 시간이 약 18시간이 되는 임의의 속도로 부품을 1325 내지 1400℉에서 1150 내지 1200℉로 노냉(爐冷)시킴으로써 개선될 수 있다. 생성된 부품은 실온에서 약 150ksi 이상 및 1200℉에서 약 125ksi 이상의 항복 강도를 갖고, 비교적 낮은 노치(notch) 민감도 및 높은 응력 파단 저항을 나타낸다. 따라서, IN 718을 단조하여 제조되고 AMS 5663에 따라 열처리된 부품은 기체 터빈 엔진 케이스, 플랜지 또는 실, 날개 및 깃, 뿐만 아니라 다른 필요한 용도로서 사용하기에 적합하다. 그러나, 또한 단조된 성분은 상당한 수준의 조악한 카바이드, 및 성분에 따라 현저하게 다른 수준의 다른 함유물을 종종 나타낸다. 단조된 성분은 절삭하고 검사하기에 어려운 경향이 있다. 또한, 단조는 부품에 따라 동일한 치수를 갖는 성분을 항상 생성해내는 것은 아니기 때문에 정밀한 재현성이 또한 문제이다. 검사후, 많은 부품들은 재가공되어야 한다. 일반적으로, 단조된 부품은 약 20%가 폐기되거나 또는 재가공되어야 한다고 여겨진다.

더욱 반복적으로 저렴하게 성분을 제조하기 위한 노력에 있어서, 부품들은 IN 718을 사용하여 용사 성형되었다. 용사 성형되고 고온 등압축되는 경우에, 이러한 부품들은 상당한 강도를 갖지만, 높은 균열 진전 속도 및 열등한 응력 파단 저항을 나타내고, 이러한 부품들은 이러한 특성을 수득하기 위해 예를 들면 단조되거나 또는 링 롤링되는 것과 같이 열처리 가공될 필요가 있다고 여겨져 왔다. 이러한 부가된 단계의 비용은 흥미를 끌지 못했다.

상기에 주지된 바와 같이, IN 178로부터 단조된 성분에 대한 표준의 통상적인 열처리법은 AMS 5663으로 설정되어 있다. 그러나, 본 발명자들은 IN 718로부터 용사 성형되고, 이어 고온 등압축되고, AMS 5663 또는 다른 통상적인 열처리에 따라 열처리된 부품이 단조된 부품과 유사한 항복 강도 및 인장 강도를 나타내지만, 열등한 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 나타내어서 이러한 고려 사항들이 제기될 때 필요한 용도에서 이들 성분이 사용될 수 없는 것으로 결정하였다.

본 발명의 일반적인 목적은 상응하는 단조된 제품의 특성에 필적하는 특성을 갖는 용사 성형된 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 더욱 특정한 목적은 상응하는 단조된 제품에 필적하는 강도, 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항의 균형성을 갖는 용사 성형된 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제품의 균열 진전 속도를 낮추고 제품의 응력 파단 저항을 높이는 용사 성형된 제품에 대한 열처리법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 통상적인 단조 기술에 의해 형성하기 쉽지 않은 물질의 용사 성형을 가능하게 하는 열처리법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 IN 718로부터 단조된 상응하는 제품 특성에 필적하는 특성을 갖는 용사 성형된 IN 718로 구성된 제품을 제공하는 것이다.

도 1은 제품을 용사 성형하기 위한 기구를 나타내는, 부분적으로 부숴진 모형도이다.

도 2는 본 발명에 따라 제품을 열처리하는 흐름도이다.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따라 열처리된 용사 성형 제품의 현미경 사진이다.

도 4는 통상적인 열처리 후의 단조된 IN 718을 도시하는 미세구조의 현미경 사진이다.

도 5는 IN 718로부터 제조되었지만, 상이한 방법들을 사용하여 제조되고 가공된 제품의 균열 진전 속도를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 고강도, 및 응력 파단 및 균열 진전에 대한 저항을 제공하도록 가공된 용사 성형된 제품을 구체화한다.

본 발명의 한 태양에 따라, 예를 들면 용사 성형에 의해 서로에 대해 적층된 금속 용적으로 형성되는 니켈 기재 초합금으로 구성된 금속 제품이 개시된다. 이어서, 이러한 제품은 열처리되어, AMS 5663에 따라 열처리된 단조된 성분에 대한 값에 필적하는 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 갖는 제품을 제공한다. 제품은 또한 등방성 미세구조를 갖는 물질로 특징된다.

본 발명의 또다른 양태에 따라, 개선된 응력 파단 및 균열 진전 저항 특성을 갖는 니켈 기재 초합금으로 구성된 용사 성형된 제품의 제조방법이 개시된다. 방법은, 성형되는 경우 약 3체적% 이하의 다공도를 특징으로 하도록 제품을 용사 성형하는 단계; 및 다공도를 감소시키기에 충분하게 제품을 열처리하여 AMS 5663에 따라 열처리된 단조 성분에 대한 값에 필적하는 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 갖는 제품을 제공하는 단계를 포함한다.

도 1에서와 같이, 본 발명에 따라 열처리된 제품은 우선 당해 분야에 공지된 방식으로 용사 성형된다. 예를 들면 모두 본원에 참고로 인용된, 싱어(Singer)에게 허여된 미국 특허 제 4,515,864 호["Solid Metal Articles from Built Up Splt Particles"], 및 부룩스(Brooks)에게 허여된 미국 특허 제 3,900,921 호["Method and Apparatus for Making Shaped Metal Articles From Sprayed Metal or Metal Alloy"]를 참조한다. 본 발명에 사용되기 위한 바람직한 물질은 C 약 0.02 내지 0.04중량%, Mn 약 0.35중량%, Si 약 0.15중량%, Cr 17 내지 21중량%, Co 약 1중량% 이하, Mo+W+Re 2.8 내지 3.3중량%, Cb+Ta 5.15 내지 5.5중량%, Ti+V+Hf 0.75 내지 1.15중량%, Al 0.4 내지 0.7중량%, Fe 약 19중량% 이하, 주로 Ni인 나머지 및 다른 성분(S 약 0.01중량% 이하, P 약 0.015중량% 이하, B 0.002 내지 0.006중량%, Cu 약 0.10중량% 이하, Mg 0.0030중량% 이하, Pb 약 0.0005중량% 이하, Bi 약 0.00003중량% 이하, Se 약 0.0003중량% 이하, Ag 0.0005중량% 이하, 및 O 약 0.01중량% 이하, N 약 0.01중량% 이하)의 조성을 갖는 인코넬 718(IN 718)이다. 제품은 추가로 하기에 기재된 바와 같이 본 발명에 따라 용사 성형되고, 이어 고온 등압축되고 열처리된다. 생성된 제품은 실온 및 승온(예를 들면, 약 1200℉)에서의 항복 강도 및 인장 강도, 및 낮은 균열 진전 속도 및 높은 응력 파단 저항에 있어서 단조된 제품에 필적하고, 모두 단조에 비해 현저하게 낮은 비용, 적은 낭비, 적은 노력 및 현저하게 감소된 제품화 시간을 나타낸다.

상기 논의한 바와 같이, 용사 성형에 사용되는 금속은 원소적 혼합물을 용융함으로써, 조각 물질을 재용융함으로써 또는 다른 방식에 의해 예를 들면 강괴 형태로 제공된다. 물질은 바람직하게는 저압 및/또는 불활성 분위기로 유지되어 있는 진공 용융 챔버(14)에 위치한 도가니(12)에서 용융된다. 용융 금속(16)은 용탕 깔대기(18)로 전달되고, 이어서 아르곤과 같은 불활성 담체 기체를 사용하여 분무된 금속을 운반하는 분무기(20)를 통과한다. 분무된 물질(22)은 바람직하게는 저압 및/또는 불활성 분위기로 유지되어 있는 용사 챔버(26)에 위치한 냉각된 맨드랠 또는 기판(24)으로 향하게 된다. 환상의 성분을 형성하기 위해서, 맨드랠은 원통형이고 회전될 수 있으며, 분무된 금속의 스트림과 맨드랠은 서로에 대해 주사될 수 있다. 금속은 기판에 우선 충돌하고, 이어서 이전에 침착된 금속에 충돌하며, 빠르게 고체화하여, 단조물보다 미세한 입자 크기를 제공한다. 고체화된 금속층은 서로에 대해 적층하여 원하는 제품을 형성한다. IN 718로부터 형성된 제품이 기재되지만, 당해 분야의 숙련가들은 다른 물질로부터 제조되는 제품도 본 발명에 따라 용사 성형될 수 있고 예를 들면 고온 등압축에 의해 열역학적으로 가공될 수 있고, 이어서 열처리될 수 있다는 것은 인지할 것이다. 본 발명은 IN 910 및 IN 939를 포함하여, 입자 크기를 조절하고 입자 경계 강도를 주기 위해 침상 또는 바늘상을 사용하는 합금에 적용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 게다가, 당해 분야의 숙련가들은 예를 들면 제품을 형성하기 위해 사용될 수 있는 저압 또는 진공 분위기의 플라즈마 용사와 같이 동일한 효과를 가지고 금속의 용융 또는 반용융 용적을 기판에 침착시키는 다른 방법이 있다는 것을 또한 인지할 것이다.

특정한 용사 성형 변수가 본 발명에 대하여 한계가 있는 것으로 생각되지는 않지만, 용적은 작을수록, 더욱 바람직하게는 직경이 약 10 내지 10,000마이크론의 범위에 속하는 것이 바람직하다. 또한, 용적은 높은 온도보다는 낮은 온도에서 적용되는 것이 바람직하다. 용적은 바람직하게는 기판 및 이전에 침착된 물질에 충돌할 때까지 반용융 상태로 유지되기에 필요한 것 만큼만 뜨거워야 하고, 충돌 전에 실질적으로 고체화하지 않을 만큼 충분히 뜨거워야 한다. 용적의 속도는 용적을 용융 상태로 전달할 수 있을 정도로 빨라야하지만, 용적이 기판 및 이전에 침착된 용적에 부착될 수 있을 정도로 느려야 한다. 용사 노즐 및 기판 사이의 거리는 물질이 침착되는 속도가 조정될 수 있는 것과 같이 조정될 수 있다.

형성된 경우, 용사 성형된 제품은 전형적으로 약 1 내지 3체적%(v/o)의 다공도의 존재를 특징으로 한다. 반대로, 단조된 제품은 다공성을 나타내지 않는다. 다공성은 제품의 강도를 감소시키는 경향이 있다. 용사 성형된 제품은 물질을 조밀화하기 위해 처리된다. 도 2를 참고로, 용사 성형에 의해 미완성으로 형성된 제품은 우선 고온 등압축에 의해 바람직하게 조밀화된다. 특정 고온 등압축의 변수는 고온 등압축되는 물질 및 다공성이 감소되어야 하는 정도에 따라 변하지만, 용사 성형된 IN 718에 대한 부품은 바람직하게는 약 1,800 내지 2,000℉ 및 15,000 내지 25,000psi에서 약 4시간동안, 더욱 바람직하게는 아르곤과 같은 불활성 분위기하에서 고온 등압축된다. 일정한 고온 등압축을 보장하기 위해, 압력 및 온도는 예를 들면 5분에 한번 이상 측정된다. 도 2는 열처리 후에 있는 임의의 절삭을 나타내지만, 제품은 고온 등압축후에는 언제라도 최종 치수로 절삭될 수 있다.

용사 성형된 제품은 상응하는 단조된 제품에 비해 뒤떨어지는 응력 파단 저항 및 균열 진전 속도를 나타낸다. IN 718에 대한 AMS 5663과 같이 단조된 제품에 대한 산업 표준법을 사용하여 용사 성형된 제품을 열처리하는 것은 이러한 특성을 단조된 수준으로 회복시킬 수 없다. 제품을 고온 등압축하는 것은 이러한 특성을 현저하게 개선시키지 않는다. 따라서, 단지 용사 성형 및 고온 등압축된 제품은 기체 터빈 엔진과 같은 필요 용도에 사용될 수 없다.

본 발명에 따라서, 용사 성형 및 고온 등압축된 제품은 강도, 낮은 균열 진전 속도 및 높은 강도 파단 저항의 균형성을 제공하기 위해 열처리 되고, 그에 의해 제품이 필요 용도로 사용되기에 적합하게 만든다. 하기에 추가로 논의한 바와 같이, 바람직한 열처리는 용액 열처리(32), 안정화 열처리(34) 및 석출 열처리(36)를 포함한다. 하기에 기재된 특정 온도, 시간 및 냉각 속도는 가공되는 개개의 물질에 따라 달라질 것이다. 바람직한 열처리는 통상적인 단조된 물질과 유사한 미세구조를 갖는 용사 성형된 제품을 제공한다. 도 3a 및 3b의 미세구조를 도 4와 비교한다. 제품은 또한 필요에 따라 예를 들면 절삭되는 것과 같이 마무리된다(도 2). 마무리는 고온 등압축 이후에 언제라도 수행될 수 있다.

용액 열처리(32)는 열처리의 첫번째 부분을 구성하고, 처리되는 개개 물질에 따라 달라질 것이다. IN 718에 대하여, 부품은 약 1800 내지 1900℉ 사이인 용액 열처리 온도까지, 바람직하게는 약 1시간동안 약 1850℉에서 가열되고, 공기 냉각과 같거나 또는 더 빠른 속도로 냉각된다. 용액 열처리 온도는, 큰 입자 크기는 원하는 특성을 제공하지 않기 때문에 물질의 입자 크기가 현저하게 커지는 온도보다 낮게 선택된다. 본 발명자들은 IN 718과 같은 물질은 용사 성형되는 경우 상응하는 단조된 물질에 비해 승온에서 입자 성장하기 쉽지 않고, 따라서 용액 열처리를 단조된 제품에 대해 AMS 5663으로 제공되는 상응하는 용액 열처리에 비해 높은 온도에서 수행할 수 있음을 밝혀냈다. 도 3a는 본 발명의 용액 열처리 후의 제품의 미세구조를 나타내는 현미경 사진이다.

용액 열처리 및 냉각 후에, 부품은 그의 특정값이 처리되는 개개의 물질에 따라 변하는 안정화 열처리(34)를 받게 된다. IN 718로부터 형성된 제품에 있어서, 제품은 약 1625 내지 1700℉ 사이의 온도로 가열되고, 약 1시간동안 안정화 열처리 온도로 유지되고, 공기 냉각과 같거나 또는 더 빠른 속도로 냉각된다. 도 3b는 본 발명의 안정화 열처리 후의 미세구조를 나타내는 현미경 사진이다.

안정화 열처리 및 냉각 후에, 부품은 처리되는 개개의 물질에 따라 변하는 석출 열처리(36)를 받게 된다. IN 718에 있어서, 부품은 약 8시간 동안 약 1325 내지 1400℉ 사이의 온도로 가열되고, 이어서 시간당 약 100℉의 속도로 약 1150 내지 1200℉의 온도까지 냉각되어 약 8시간동안 그 온도로 유지되고, 이어서 공기 냉각된다. 석출 열처리는 전체적인 석출 열처리 시간이 약 8시간이 되는 임의의 속도로 1325 내지 1400℉에서 1150 내지 1200℉로 부품을 노냉시킴으로써 개선될 수 있다. 본 발명의 석출 열처리 후의 미세구조는 도 3b에 나타낸 미세구조와 시각적으로 유사하다.

상기 주지된 바와 같이, 본 발명의 예시한 용도는 용사 성형된 제품의 생산이 양호한 강도를 가질 뿐만 아니라 단조된 성분에 필적하거나 또는 더 나은 다른 특성, 예를 들면 낮은 균열 진전 속도 및 고강도 파단 저항을 갖도록 한다. 본 발명에 따라 열처리된 용사 성형 IN 718의 시료를 시험하여 수율 및 극한 인장 강도 뿐만 아니라 연성을 결정하였다. 인장 특성에 있어서, 시료를 실온(68℉) 및 시험 전에 오랫동안 유지시킨 승온, 예를 들면 1200℉ 모두에서 시험하였다. 시료를 항복 강도(실온에서 약 147ksi 및 1200℉에서 122ksi)를 통해 0.03 내지 0.07인치/인치/분 사이의 변형 속도를 가하였고, 이어서 약 1분 후에 결함을 발생하도록 속도를 증가시켰다. 하기 특성을 수득하였다:

이러한 특성에 대한 최소값은 부품의 특정 용도에 따라서 더 높거나 또는 더 낮을 수 있다. 예를 들면, 상기 값들은 예를 들어 기체 터빈 엔진 케이스, 플랜지 및 실과 같은 상기 언급한 부품에 상응한다. 상기 특성들은 엔진 케이스 및 링과 같은 특정 부품을 위해 고안된다.

상기 기술한 특성은 하기의 AMS 5663에 따라 열처리된 단조 IN 718의 특성에 필적한다:

AMS 5663에서 주지된 바와 같이, 단조된 물질에 대한 특성은 시료를 종방향으로 또는 횡방향으로 시험했느냐에 따라 달라지는데, 예를 들면 종방향 시험동안에 특성은 등방성이지 않고, 더 낮은 값이 얻어진다.

게다가, 예를 들면 ASTM E292에 적합한, 다듬질 및 노칭이 표준 조합된 응력 파단 시험편(본 발명에 따라 제조된 물질을 포함)을 시험하였다. 시험편을 1200℉에 유지시켰고 약 105 내지 110ksi 사이의 초기 축방향 응력을 발생시킨 후에, 계속 부가하였다. 23시간 이후에 시험편이 파열되었다. 본 발명에 따라 가공된 IN 718에 대한 상기 값은 AMS 5663에 따라 열처리된 단조 IN 718에 필적한다.

기체 터빈 엔진에 사용하려는 성분에 있어서, 도 5를 참고하여, IN 718로부터 형성된 시험 시료의 균열 진전 속도를 본원에 참고로 인용된 명세서 ASTM E292(펜실베니아 웨스트콘쇼호큰 소재의 "American Society for Testing and Materials"에서 발행)에 설명된 과정에 따라 평가하고(1100℉에서) 시험하였다. 예시한 바와 같이, 단조되고 AMS 5663에 따라 열처리된 IN 718로 구성된 시험 제품은 약 20 내지 30ksi·(인치)^0.5사이의 대응하는 응력 세기 범위에 대하여 약 0.00001 내지 0.00007인치/주기 사이의 균열 진전 속도를 나타냈다. 이러한 시험에서, 각 "주기"는 2분동안 완전한 힘으로 작동하는 엔진에서의 작용 환경을 모의실험한 것이고, 도 5에 나타낸 "드웰(dwell)"은 전형적으로 기체 터빈 엔진 작동중 가장 필요한 면중의 하나인 모의된 개시에 상응하도록 고안되었다.

고온 등압축되고 이어서 AMS 5663에 따라 열처리된 용사 성형된 IN 718의 시료는 약 20 내지 50ksi·(인치)^0.5사이의 응력 세기(K) 범위에 대하여 약 0.0006 내지 0.002인치/주기 사이의 균열 진전 속도를 나타냈고, 이는 단조된 성분에 비해 약 2차만큼 차수가 높고 성분의 초기 흠결이 문제가 될 때 매우 높았다.

본 발명에 따라 열처리된 용사 성형되고, 고온 등압축된 IN 718의 시료는 약 20 내지 35ksi·(인치)^0.5사이의 응력 세기(K) 범위에 대하여 단조된 성분의 값에 필적하는 약 0.00003 내지 0.0002인치/주기 사이의 속도를 나타냈다. 본 발명에 따라 가공된, 용사 성형되고 고온 등압축된 IN 718 부품에 있어서, 균열 진전 속도에 대한 상한치는 AMS 5663의 요구치를 충족시킨 단조된 IN 718에 대하여 나타낸 균열 진전 속도보다 1차 이내의 차수만큼 빠르다고 여겨진다.

또한, 본 발명에 따라 고온 등압축되고 열처리된 용사 성형 IN 718의 시료는 상대적으로 작은 입자임을 특징으로 한다. 명세서 ASTM E112에 따라 측정하는 경우 등축 입자 크기는 ASTM 5 또는 더욱 미세하거나, ASTM 3의 크기인 입자도 있었고, 이는 AMS 5663에 따라 열처리된 단조된 물질에 상응하는 입자에 필적하는 것이다. 또한, 마무리된 물질의 미세구조는 단조된 물질보다 특성에 있어서 실질적으로 더욱 균일하고 등방성이며, 단조물과 반대로 원소적 편석(segregation)이 존재하지 않음을 특징으로 한다. 용사 성형된 물질은 가소적으로 변형되지 않기 때문에, 물질의 단면은 소성 흐름의 방향을 나타내는 흐름선이 존재하지 않음을 특징으로 한다. 또한, 마무리된 물질은 다공성의 부재 뿐만 아니라 낮은 균열 진전 속도 및 양호한 응력 파단 저항을 나타낸다.

본 열처리법은 AMS 5663과 같은 통상의 열처리법으로 대체될 수 없다. 상기에 기술한 바와 같이, IN 718에 대한 AMS 5663과 같은 표준 열처리법을 용사 성형된 제품에 적용한 경우에는 만족스러운 결과를 얻지 못한다. 특히, AMS 5663에 따라 열처리된 용사 성형 제품은 상응하는 단조된 제품에 비해 약 2차 이하의 차수만큼 빠른 극도로 높은 균열 진전 속도를 나타내고, 따라서 기체 터빈과 같은 필요 용도에서 단축된 사용 수명을 갖게 된다. 또한, 이러한 제품은 양호한 응력 파단 저항을 갖지 않고, 이는 그의 유용성을 제한한다. 본 발명자들은 본 열처리법을 단조된 IN 718 시험 시료에 적용하여, 생성된 제품이 양호한 균형의 강도, 균열 진전 속도 또는 응력 파단 저항을 나타내지 않음을 또한 밝혀냈다.

결과적으로, 본 발명은 단조에 비해 다른 주목할만한 이점을 제공한다. 일반적으로, 본 발명은 용사 성형물이 단조물에 필적하는 특성을 갖는 성분의 직접 생산에 사용될 수 있도록 한다. 본 발명에 따라 제조된 부품은 더욱 균일한 미세구조와 함께, 더욱 견실하다. 개별적인 부품들은 등방성 미세구조를 나타낸다. 또한, 부품들은 특히 단조물에 비해 편석이 없는 미세구조임을 특징으로 한다. 또한 이러한 특성은 더욱 쉽게 절삭되고 시험되는, 본 발명에 따라 형성된 성분을 제공한다. 또한, 본 발명은 300HB 이상, 바람직하게는 330HB 이상의 경도를 갖는 물질을 제공한다.

또한, 본 발명은 특별히 제조된 물질의 강편을 수득할 필요성을 제거하여 결국 강편을 수득하는데 따른 장시간의 제품화 시간을 최소화하거나 또는 감소시킨다. 본 발명은 곧바로 성분을 절삭하거나 또는 사용하도록 벌크 물질을 변환시킬 수 있다. 따라서, 단조에 관련된 노력, 비용 및 낭비의 상당한 부분이 실질적으로 감소되거나 또는 제거된다.

결국, 본 발명에 따라 가공된 용사 성형 제품은 통상적인 단조 제품과 유사한 강도를 나타낼 뿐만 아니라, 단조 제품과 마찬가지의 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 유지한다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 제품은 현저하게 감소된 시간 및 비용으로 생산된다.

본 발명이 어느 정도 자세히 상기에 기재되어 있지만, 본 발명 또는 하기 청구범위의 취지로부터 벗어나지 않고서 수많은 변화 및 대입이 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명이 예시에 의해 기재되어 있지만 이에 한정되는 것은 아님을 알아야 한다.

본 발명에 따라 가공된 용사 성형 제품은 통상적인 단조 제품과 유사한 강도, 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 나타내고, 현저하게 감소된 시간 및 비용으로 생산된다.

Claims

서로에 대해 적층된 금속 용적(droplet)에 의해 성형된 니켈 기재 초합금으로 구성된, AMS 5663에 따라 열처리된 단조 성분에 대한 값에 필적하는 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 갖도록 열처리된 금속 제품.
제 1 항에 있어서,

등방성 미세구조를 갖는 물질로 이루어진 제품.
제 1 항에 있어서,

실온에서 약 140ksi 이상 및 약 1200℉에서 약 120ksi 이상의 항복 강도를 갖는 제품.
제 1 항에 있어서,

실온에서 약 180ksi 이상 및 약 1200℉에서 약 150ksi 이상의 인장 강도를 갖는 제품.
제 1 항에 있어서,

환상 형태를 갖는 제품.
제 1 항에 있어서,

기체 터빈 엔진 성분인 제품.
제 6 항에 있어서,

엔진 케이스, 엔진 플랜지(flange), 및 엔진 실(seal)로 구성된 군으로부터 선택되는 제품.
제 1 항에 있어서,

물질이 C 약 0.02 내지 0.04중량%, Cr 17 내지 21중량%, Co 약 1중량% 이하, Mo+W+Re 2.8 내지 3.3중량%, Cb+Ta 5.15 내지 5.5중량%, Ti+V+Hf 0.75 내지 1.15중량%, Al 0.4 내지 0.7중량%, Fe 약 19중량% 이하 및 주로 Ni인 나머지의 조성을 갖는 제품.
제 8 항에 있어서,

나머지가 Mn 약 0.35중량% 이하, Si 약 0.15중량% 이하, S 약 0.01중량% 이하, P 약 0.015중량% 이하, B 0.002 내지 0.006중량%, Cu 약 0.10중량% 이하, Mg 약 0.0030중량% 이하, Pb 약 0.0005중량% 이하, Bi 약 0.00003중량% 이하, Se 약 0.0003중량% 이하 및 Ag 0.0005중량% 이하를 포함하는 제품.
제 8 항에 있어서,

나머지가 O 약 0.01중량% 이하 및 N 약 0.01중량% 이하를 포함하는 제품.
제 1 항에 있어서,

ASTM E129에 따라 측정된 경우 ASTM 5보다 작은 크기의 입자임을 실질적으로 특징으로 하는 미세구조를 갖는 제품.
용사 성형되는 경우 약 1 내지 3체적%의 다공도를 특징으로 하도록 제품을 용사 성형하는 단계; 및

다공도를 감소시키도록 충분히 제품을 열처리하여, AMS 5663에 따라 열처리된 단조 성분에 대한 값에 필적하는 균열 진전 속도 및 응력 파단 저항을 갖는 제품을 제공하는 단계

를 포함하는, 니켈 기재 초합금으로 이루어지고 개선된 응력 파단 및 균열 진전 저항 특성을 갖는 용사 성형된 제품의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

열처리 단계가 등방성 미세구조를 갖는 제품을 제공하는 방법.
제 12 항에 있어서,

열처리 단계가 실온에서 약 145ksi 이상 및 약 1200℉에서 약 120ksi 이상의 항복 강도를 갖는 제품을 제공하는 방법.
제 12 항에 있어서,

열처리 단계가 실온에서 약 180ksi 이상 및 약 1200℉에서 약 150ksi 이상의 인장 강도를 갖는 제품을 제공하는 방법.
제 12 항에 있어서,

제품이 환상 형태를 갖는 방법.
제 12 항에 있어서,

제품이 기체 터빈 엔진 성분인 방법.
제 13 항에 있어서,

물질이 C 약 0.02 내지 0.04중량%, Cr 17 내지 21중량%, Co 약 1중량% 이하, Mo+W+Re 2.8 내지 3.3중량%, Cb+Ta 5.15 내지 5.5중량%, Ti+V+Hf 0.75 내지 1.15중량%, Al 0.4 내지 0.7중량%, Fe 약 19중량% 이하 및 주로 Ni인 나머지의 조성을 갖는 방법.
제 18 항에 있어서,

나머지가 Mn 약 0.35중량% 이하, Si 약 0.15중량% 이하, S 약 0.01중량% 이하, P 약 0.015중량% 이하, B 0.002 내지 0.006중량%, Cu 약 0.10중량% 이하, Mg 약 0.0030중량% 이하, Pb 약 0.0005중량% 이하, Bi 약 0.00003중량% 이하, Se 약 0.0003중량% 이하 및 Ag 0.0005중량% 이하를 포함하는 방법.
제 18 항에 있어서,

나머지가 O 약 0.01중량% 이하 및 N 약 0.01중량% 이하를 포함하는 방법.
제 12 항에 있어서,

열처리 단계가, ASTM E129에 따라 측정된 경우 ASTM 5보다 작은 크기의 입자임을 실질적으로 특징으로 하는 미세구조를 갖는 제품을 제공하는 방법.
제 12 항에 있어서,

열처리 단계가 제품을 용액 열처리하는 단계; 제품을 안정화 열처리하는 단계; 및 제품을 석출 열처리하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서,

300HB 이상의 경도를 갖는 제품.