KR20000006380A - 일방향응고주조제품및그제조방법 - Google Patents

Abstract

150㎛ 이상의 주 수지상정 아암 공간에 의해 실질적으로 결함이 없는 일방향 결정 구조를 갖는 주조 제품이 제공된다. 일방향 결정체 미세구조는 응고 방향과 평행하게 정렬된 종방향 주상 구조를 포함하며, 상기 주상 구조는 단결정 또는 다결정 또는 이들의 혼합이다.

Description

일방향 응고 주조 제품 및 그 제조 방법{UNIDIRECTIONALLY SOLIDIFIED CAST ARTICLE AND METHOD OF MAKING}

본 발명은 주상 결정체 미세구조(columnar crystalline microstructure)를 갖는 일방향으로 응고된 주조 제품에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실질적으로 결함이 없는 적어도 하나의 주상 결정을 갖는 주조 초합금 제품에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 주조 제품을 제조하는 주조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 블레이드, 버킷, 노즐, 베인 및 에어포일과 같은 일방향 응고 주조 제품을 갖는 가스 터빈에 관한 것이다.

주조 초합금 제품의 기계적 특성은 주상 다결정 또는 단결정 제품을 제조하는 방향성 주조 기술을 적용함으로써 향상된다. 단결정 제품은 주로 상이하게 또는 임의적으로 배향된 결정 사이의 경계가 존재하지 않는다는 점에서 다결정 제품과 다르다. 단결정 제품 및 다결정 제품은 모두 주상 구조를 가질 수 있다.

단결정 제품 및 다결정 제품을 제조하는데 사용되는 방향성 주조 기술은 소망의 주조 제품을 제조하도록 형성된 몰드로 시작된다. 주상 단결정 및 다결정 주조 제품을 제조하는 이러한 공정 중 하나는 브리지맨형 노(Bridgman-type furnace)를 적용하며, 가열된 영역내의 몰드내에 용융된 금속을 주입하는 단계를 포함한다. 칠 플레이트(chill plate)가 몰드의 베이스를 냉각한다(수냉식). 가열된 영역으로부터 몰드를 점차적으로 철수시킴으로써 용융 금속의 계속적인 결정이 발생된다. 대류 및/또는 복사가 바닥부로부터 상방으로 몰드를 냉각하여 주조 금속을 응고시킨다. 방향성 응고 주조 제품(directionally solidified cast articles)을 제조하는 다른 방법은 가열된 영역내에 위치된 과열 몰드내로 용융된 금속을 주입하는 단계와, 노로부터 액체 냉각조내로 몰드를 철수시키는 단계를 포함한다. 냉각조는 주조 초합금 금속의 고상 온도(solidus temperature)보다 낮은 온도를 갖는다.

주물의 벤더(cast vendor)가 현재의 양 주조 공정을 변형시켜 사용하지만, 일방향 주조 제품의 품질 및 구조는 여전히 개선될 것이 요구된다. 기계적 특성은 주조 재료의 입자 구조에 민감하게 의존한다. 주상 단결정 및 다결정 주조 제품의 기계적 본질은 고 입자 경계각(high-angle grain boundaries) 및 등축 입자의 제거에 의존한다. 또한, 지상(land-based) 터빈 발전기에 사용되는 노즐, 버킷 또는 에어포일과 같은 약 4인치 이상의 길이를 갖는 주조 제품은 일반적으로 방향성 응고 공정동안 형성된 실질적 수지상정간 편석(interdendrite segregation)을 나타낸다. 특정 초합금 화학적 성질에 따라, 편석이 저용융점 또는 취성상(brittle phases)의 형성, 강화 침전물의 비균일 분포, 수지상정간 다공성 및 표면프렉클(freckles)을 초래할 수 있다. 용어 "프렉클" 또는 "프렉클링"은 초합금 주상 단결정 또는 다결정 주조 제품의 응고화동안 매우 작은 등축 입자의 체인이 형성됨을 의미한다. 액체 용탕이 고체 위에 유지되는 방향성 응고에 있어서, 프렉클형 체인의 결함은 편석 요소가 대류 불안정을 일으키기에 충분할 정도로 수지상정간 유체의 액체 밀도를 변경하는 경우에 발달한다. 하나 또는 그 이상의 이러한 구조적 표현은 바람직하지 못하다. 또한, 고상 확산 열처리 또는 기계적 작업 등과 같은, 수지상정 편석의 존재 또는 영향을 최소화하는 방법은 복합 합금 또는 대형 주조 제품에는 사용할 수 없다.

주상 단결정 또는 다결정 제품내에 형성된 수지상정(dendrites)은 일부 성분의 밀도차에 의해 주변 물질과 구별된다. 합금의 화학적 성질의 함입된 입자 및 필수 미세성분은 통상적으로 보다 약한 수지상정간 영역내에 축적되는 경향이 있다. 그 결과, 주조 합금의 강도는 이러한 비균질성에 의해 감소된다. 미세성분의 함입된 입자 및 풀(pool)의 크기는 주조 제품내의 주 수지상정 아암 공간(primary dendrite arm spacing)의 감소에 의해 상당히 감소된다. 주 공간은 인접한 수지상정 코어 사이의 평균 공간이다. 주 수지상정 아암 공간은, 결정 성장 방향에 수직으로 분할하고, 단면 영역에 걸쳐 주 아암의 수를 세고, 평균 공간을 계산함으로써 측정된다. 통상적으로 평균 공간은 정사각형 어레이로 추정함으로써 결정된다. 부(secondary) 수지상정 아암 공간은 성장 방향을 내포하는 섹션에 대해 관찰한 경우 인접한 주 수지상정 아암 사이의 평균 공간이다. 따라서, 구조적 결함이 감소된 우수한 기계적 화학적 성질을 달성하기 위해 최소의 주 및 부 수지상정 아암 공간을 갖는 일방향 주조 제품을 생산할 것이 요구된다.

수지상정 아암 공간은 또한 주조의 응고화 상태의 측정이다. 수지상정 아암 공간은 냉각 속도[응고 속도 X 열구배(thermal gradient)]와 역으로 변한다. 방향성 응고동안 새로운 입자의 핵형성을 방지하기 위해 높은 열구배가 요구되며, 프렉클 형성을 방지하기 위해 높은 냉각 속도가 요구된다.

히타치(Hitachi)는, 미국 특허 제 5,489,194 호에서, 길이가 7인치 이상인 터빈용 단결정 니켈 초합금 블레이드의 주조에 대해 기술하고 있다. 히타치의 발명은 도브타일(dovetail)을 포함하는 블레이드내의 단결정 미세구조를 얻는데, 상기 도브타일은 그에 연결되며 그의 측면에 형성된 생크와 생크에 연결된 베인을 구비한다. 바이-패스 몰드내의 돌기를 사용하기 때문에, 히타치의 발명은 대형의 단결정 블레이드를 형성한다. 그러나, 히타치의 발명은 단결정 블레이드내의 미세한 수지상정 공간에 대해 제안하거나 개시하고 있지 않다. 사실, 히타치의 발명은 약 160mm(약 6-7인치의 길이)의 대형 단결정 블레이드를 제조하지만, 히타치의 단결정 구조는 몰드로부터 노의 벽으로의 복사의 낮은 냉각 속도에 기인하여 큰 수지상정 아암 공간을 갖게 된다. 또한, 단결정 블레이드를 주조한 후에, 히타치의 발명은 블레이드에 용체화열처리(solution heat treatment) 및 그 뒤의 에이징 처리를 행한다. 다양한 열처리는 수 시간이 소요된다. 히타치의 블레이드는 단결정이지만, 여전히 균질한 미세구조에 대형 주조 제품의 개선된 기계적 성질을 제공하기 위해 미세한 주 수지상정 아암 공간을 얻는 문제를 해결하지 못하고 있다. 도 1은 진공 복사 냉각으로 히타치에 의해 사용된 종래의 주조 방법에 의해 얻어진 주조 제품의크기와 대비한 수지상정 아암 공간(40)에 대한 도식도이다.

히타치의 블레이드는 종래의 냉각 방법에 의해 주조되기 때문에, 냉각 속도 또는 열구배는 주조될 블레이드의 크기에 민감한 함수이다. 일반적 경험으로, 냉각 속도 또는 열구배는 블레이드의 크기에 반비례한다. 블레이드의 크기가 증가할 때, 냉각 속도 및 열구배는 가소한다. 대형 블레이드의 감소된 냉각 속도 또는 열구배에 의해 야기된 입자 결함의 형태는 상거래에 있어 프렉클 또는 슬리버(sliver)로 알려진 것들을 포함한다. 이러한 결함 형태는 감소된 열구배에 기인하여 형성되는 경우 플랫폼 또는 앵글 윙(angle wing)과 같은 블레이드의 돌출된 영역에 제한되지 않는다. 이러한 불예측성에 기인하여, 히타치 특허에 개시된 바와 같이, 생크 영역의 입자 결함을 제거하도록 설계된 바이-패스 몰드는 완전 무결함 대형 블레이드를 제조하는데 효과적이지 않다. 바이-패스 몰드를 사용하더라도, 히타치의 블레이드는 결함이 없도록 주조하기 어려울 것이다.

한편, 미국 특허 제 3,915,761 호는 길이가 약 4인치인 항공기 엔진용 초합금 주조 블레이드를 개시하고 있는데(컬럼 6, 5-6행; 컬럼 9, 23-24행), 약 0.005인치 또는 130㎛ 이하의 초미세 주 수지상정 공간을 갖는다. 본 명세서에서, "초미세"라는 용어는 인접한 코어 사이에 0.005인치(130㎛) 이하의 평균 공간을 의미한다. 초미세 수지상정 공간은 노로부터 부품을 철수시킴으로써 시간당 약 120인치의 높은 응고 속도를 제공하는 액체 냉각을 활용하는 주조 방법을 사용함으로써 달성된다. 이러한 기술은 항공기 크기 부품에 제한되며, 지상 터빈 요소에 대해 제시된 것은 아니다. 사실, 지상 터빈 부품의 크기는 미극 특허 제 3,915,761 호에 사용된 철수 속도를 제한한다.

미국 특허 제 3,915,761 호는 "초미세" 주 수지상정 공간을 요구하며, 길이가 약 7인치 이상인 대형 주조 부품의 달성 불가능에 기여한다. 이것은 부분적으로 대형 크기 및 그 단면에 기인한다.

무결함 주상 구조체의 대형 주조 부품은 대형 가스 터빈에 대해 큰 장점을 갖는다. 예를 들면, 동력 발생 엔진의 성능에 대한 중요한 측정법으로 가스 터빈의 열효율을 고려한다. 효율적인 엔진은 통상적으로 충분히 높은 온도에서 작동되므로 연료 에너지가 낮은 비용의 전기를 생산하는데 효율적으로 활용될 수 있다. 동력 발생기의 새로운 발생은 보다 큰 터빈 용량 및 보다 큰 구성 부품의 크기를 요구할 것이다. 12인치 이상인 블레이드가 요구될 것이다. 그러나, 가스 터빈의 한계는 엔진 환경의 고온 및 응력을 유지할 수 있는 터빈 제품의 이용가능성이다. 이러한 가스 온도의 증가에 대처하기 위해, 버킷, 블레이드, 노즐, 베인 및 에어포일과 같은 종래의 주조 제품은 복잡한 기하학적 형상의 냉각 구멍을 갖는다. 이것은 또한 주조 제품의 기계적 특성 및 화학적 특성을 제공하는 능력뿐만 아니라 제품을 제조하는데 사용된 주조 작업에서의 문제를 갖는다.

이러한 이유로 인해, 도 1에 도시된 바와 같은 미국 특허 제 3,915,761 호의 비실용적인 초미세 수지상정 아암 공간(30)을 요구하지 않고, 실질적으로 결함이 없는 단결정, 다결정 또는 단결정 및 다결정 혼합의 미세구조체인 대형 일방향 응고 주상 주조 제품이 요구된다. 대형 일방향 주상 주조 제품의 도 2에 도시된 미세 수지상정 아암 공간(50)은 주조 제품의 기계적 특성 및 화학적 특성을 개선한다.

본 발명은 150㎛ 이상의 주 수지상정 아암 공간을 갖는, 실질적으로 결함이 없는 일방향 결정 구조를 갖는 주조 초합금 제품을 제공함으로써 상기 요구를 만족시킨다. 일방향 결정 미세구조는 응고 방향과 평행하게 정렬된 종방향 주상 구조를 포함하며, 상기 주상 구조는 단결정 또는 다결정 또는 그들의 혼합이다. 즉, 하나 또는 그 이상의 연속 주상 종방향 입자를 갖는 초합금 재료의 방향성으로 구조된 주조 제품이다. 주조 작업에 사용된 초합금 재료는 실질적으로 깨끗한 초합금 용탕인 것이 바람직하다. 이것은 용융된 초합금 물질이 0.5중량% 미만의 불순물을 내포함을 의미한다. 실질적으로 무결함으로 되는 주조 제품에 대해서, 주조 초합금 제품의 성능 및 전체 특성에 영향을 주거나 또는 제품이 의도된 적용에 맞도록 제품이 부스러지거나 또는 재가공되도록 하는 주조 결함이 거의 존재하지 않거나 또는 전혀 존재하지 않는다. 실질적으로 "무결함"인 주조 초합금 제품은 또한 100㎛ 이상 길이의 프렉클 및 슬리버와 같은 주조 결함이 존재하지 않는 제품을 포함할 수 있다. 본 발명의 주조 제품에서 최소화될 수 있는 주조 결함의 다른 형태는 프렉클, 등축 입자, 슬리버, 저/고 경계각(angle boundaries) 및 부-입자/멀티-입자를 포함한다. 대형 주 수지상정 아암에 의해 나타난 응고 조건에 의해 야기된 다른 결함은 저 용융점 또는 취성상의 형성, 강화 침전물의 비균일 분포, 수지상정간 다공성을 포함한다. 청구된 제품을 제조하는 방법은 이러한 결함의 존재를 감소시킨다. 따라서, 제품을 주조하는 방법은 또한 본 발명의 일부로 인식된다.

도 1은 종래의 복사 냉각을 이용하여 제조된 제품에 대한 주조 제품 길이에 대한 종래의 주 수지상정 아암 공간(㎛)을 나타내는 도식도로서, 미국 특허 제 3,915,761 호에 개시된 바와 같이, 액체 냉각조를 사용하여 제조된 4인치 항공기 블레이드에 대한 초미세 수지상정 아암 공간을 나타내는 도면,

도 2는 본 발명의 방법에 의해 제조된 제품의 주조 제품 길이에 대한 미세 주 수지상정 아암 공간(㎛)을 나타내는 도식도,

도 3a는 터빈 로터 블레이드 또는 버킷과 같은 대형 주샹 단결정 주조 제품에 대한 제조방법을 나타내는 입자 실렉터를 갖는 몰드의 수직 단면도,

도 3b는 대형 주상 다결정 주조 제품에 대한 제조방법을 나타내는 입자 경로를 갖는 몰드의 수직 단면도,

도 4는 약 388㎛의 주 수지상정 아암 공간을 가지며 길이가 7인치인 종래의 주조 제품의 100배 확대 현미경 사진,

도 5는 약 217㎛의 주 수지상정 아암 공간을 가지며 길이가 7인치인 본 발명의 주조 제품의 100배 확대 현미경 사진.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 칠 플레이트 5: 실렉터

7: 에어포일 8: 생크

9: 도브타일 12: 브리지

13: 몰드 15: 가열 영역

30: 초미세 수지상정 아암 공간 50: 미세 수지상정 아암 공간

주 수지상정 아암 공간은 수지상정 코어 사이의 공간으로 측정된다. 용어 "미세한 수지상정 공간" 또는 "미세한 수지상정 아암 공간" 또는 "주 수지상정 아암 공간"은, 각각 약 4인치 내지 40인치 사이의 주조 제품 길이를 갖는 대응 제품에 대해 수지상정 코어 사이의 평균 공간이 150㎛ 이상이지만 약 800㎛ 미만임을 의미한다. 더욱 설명하면, 약 7인치의 주조 길이를 갖는 (본 발명의 방법에 의해 제조된) 본 발명의 제품은 약 200㎛ 내지 300㎛ 사이의 대응하는 주 수지상정 아암 공간을 가질 것이다. 종래의 방법에 의해 제조된 동일한 부품은 300㎛ 초과 500㎛까지의 또는 그 이상의 주 수지상정 아암 공간을 가질 것이다. 또한, 약 25인치으 길이를 갖는 본 발명의 주조 제품은 200㎛ 내지 700㎛ 사이의 주 수지상정 아암 공간을 가질 것이다. 종래의 기술에 의해 주조된 동일 부품은 약 800㎛ 이상의 주 수지상정 아암 공간을 가질 것이다.

본 명세서에서 주조를 수식하는 용어 "주상(columnar)"은 소정 방향을 따라 정렬된 하나 또는 그 이상의 거대구조의 금속 입자를 내포함을 의미한다. 주조를 수식하는 용어 "주상 단결정" 또는 "단결정"은 거대구조의 단일 입자를 내포함을 의미한다. 주조를 수식하는 용어 "주상 다결정" 또는 "다결정" 또는 "다결정체"는 하나 또는 그 이상의 거대구조의 금속 입자를 내포함을 의미한다. 응고방향과 평행하게 정렬된 종방향 주상 구조는 소정 방향을 따라 정렬된 하나 또는 그 이상의 거대구조의 금속 입자를 의미한다.

본 발명의 다른 관점에 있어서, 약 150㎛로부터 800㎛ 미만 사이의 주 수지상정 아암 공간과 약 4인치 내지 약 40인치의 길이를 갖는 방향성 응고 단결정 초합금 제품이 제공된다. 단결정 제품은 실질적으로 무결함이며 제품 전체에 걸쳐 본질적으로 균일한 미세구조를 갖는다. 균일한 미세구조라 함은 그 일반적 특징―수지상정 아암 공간, 붕소화물 및 탄화물과 같은 마이너상(minor phase)의 분포, 감마 프라임 함량―이 실질적으로 주조의 모든 영역에서 동일한 미세구조를 의미한다. 양호한 단결정 방향은 <1>이다. 그러나, <1> 이외의 배향을 갖는 결정체 구조가 또한 본 발명에 포함될 수 있다.

본 발명은 또한, 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 가지며, 응고 방향과 평행한 단결정 종방향 주상 구조를 구비하는 초합금 금속을 포함하는 고구배 방향성 응고 주조 제품(high gradient, directionally solidified cast article)을 제공한다. 고구배 주조 제품의 길이는 약 40인치까지 될 수 있다.

본 발명의 또 다른 관점은 적어도 약 150㎛의 주 수지상정 아암 공간과 약 40인치까지의 구성요소 길이를 갖는, 실질적으로 무결함인 단결정 초합금 금속을 포함하는 블레이드, 노즐, 버킷, 베인 또는 에어포일과 같은 가스 터빈용 방향성 응고 부품이다. 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간과 40인치까지의 부품 길이를 갖는 실질적으로 무결함인 응고 방향에 평행한 주상 구조를 갖는 다결정 초합금 금속을 포함하는 가스 터빈용 방향성 응고 부품 또한 본 발명의 일부이다. 실질적으로 무결함인 제품은 실질적으로 프렉클 결함이 없을 수 있다. 본 발명의 주조 제품 및 부품은 또한 환경적 열적 보호 코팅을 포함할 수 있다. 이러한 코팅으로는 니켈 알루미나이드, 백금 또는 팔라듐 알루미나이드, 니켈, 철, 코발트 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속과 함께 크롬, 알루미늄, 이트륨의 금속 코팅(당해 기술분야에서 MCrAlY 코팅으로 알려짐), 화학적으로 안정된 산화물 코팅 또는 부분적으로 안정된 산화물 코팅과 같은 세라믹 코팅, 및 이들 코팅의 혼합을 들 수 있으나, 이것들에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 다른 관점은 터빈 디스크와, 상기 디스크에 결합된 적어도 일 스테이지의 터빈 블레이드로서, 상기 블레이드는 약 4인치보다 큰 총 길이를 가지며, 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 갖는 주상 단결정 또는 다결정 구조 또는 이들의 혼합을 구비한 고구배 주조 일방향 응고 초합금 금속으로 제조되는 터빈 블레이드와, 상기 터빈 블레이드에 대응하는 터빈 노즐을 포함하며, 상기 노즐은 약 4인치보다 큰 총 길이를 가지며, 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 갖는 주상 단결정 또는 다결정 구조를 구비한 고구배 주조 일방향 응고 초합금 금속으로 제조되는 가스 터빈이다. 본 발명은 또한 주 수지상정 아암 공간 "X"를 가지며, <1>의 결정학적 방향을 갖는 주상 단결정으로 주조된 초합금 금속을 포함하는 터빈 블레이드, 노즐, 버킷, 베인 및 에어포일에 관한 것으로, 4인치 내지 40인치 사이의 블레이드, 노즐, 버킷, 베인 및 에어포일에 대해 150㎛≤X≤800㎛이다. 본 발명의 주조 제품은 실질적으로 결함이 없으며, 100㎛ 길이보다 큰 프렉클이 없는 것이 바람직하다. 본 발명은 또한 콤프레서, 연소 라이너, 싱글 스테이지 또는 멀티 스테이지의 터빈 블레이드를 포함하며, 터빈 블레이드는 터빈 디스크에 고정된 도브타일을 구비하며, 약 4 내지 40인치의 총 길이를 가지며, 초합금 금속 주상 단결정 또는 주상 다결정 또는 이들의 혼합으로 제조되며, 적어도 약 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 갖는다. 터빈 노즐은, 최대 작동 가스 압력이 1000℃ 이상이고, 작업 응력하에서 제 1 블레이드의 최대 금속 온도가 900℃ 이상인 터빈 블레이드에 대응한다.

본 발명은 또한 블레이드와 노즐의 배열을 포함하는 가스 터빈에 관한 것으로, 각각의 블레이드는 베인부, 프랫폼 및 생크부를 가지며, 각각의 노즐은 베인부와 플랫폼을 가지며, 디스크에 제공된 각각의 블레이드는 압축된 연소 가스를 노즐을 통과하도록 하고 블레이드에 대해 충돌하도록 함으로써 회전되며, 제 1 스테이지의 블레이드의 베인부에 대한 입구에서의 연소 가스 온도는 적어도 1000℃이고, 제 1 스테이지의 블레이드는 주상 단결정이며, 적어도 약 4인치의 길이를 가지며, 적어도 약 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 갖는다. 적어도 일 블레이드 및 노즐의 베인부의 표면은 환경적 및 열적 보호 코팅으로 피복된다.

본 발명의 다른 관점에 있어서, 주조 제품의 형상을 갖는 주 캐비티를 포함하는 예비가열된 몰드내로 가열된 영역의 용융된 초합금 금속을 주입하는 단계와, 약 4인치 내지 약 40인치의 주조 제품의 길이에 대응하여 각각 150㎛ 이상 800㎛ 미만의 주 수지상정 아암 공간을 형성하도록 용융 금속을 응고시키기에 충분한 철수 속도로 용융된 초합금 금속을 갖는 몰드를 상기 가열된 영역으로부터 액체 냉각 탱크내로 철수시키는 단계와, 실질적으로 결함이 없는 주상 단결정체 또는 주상 다결정체를 성취하도록 몰드를 냉각시키는 단계를 포함하는, 방향성 응고 주상 단결정 또는 주상 다결정 제품을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법에 의해 제조된 제품은 본 발명의 일부이다. 본 발명에 따른 주조 제품용 제조 방법은, 미세한 수지상정 아암 공간(약 150㎛ 내지 800㎛)을 갖는 실질적으로 결함이 없는 단결정 구조를 구비한, 길이가 7인치보다 크고 40인치까지의 대형 부품을 제조할 수 있다.

수지상정 아암 공간이 미세하고 방향성 응고 제품이 실질적으로 결함이 없기 때문에, 본 발명의 주조 제품은 초합금 성분의 비균질 분포의 수지상정간 풀에 수반되는 큰 수지상정 공간을 갖는 주조 제품보다 강한 세기 및 양호한 기계적 특성을 갖는다. 미세한 수지상정 아암 공간은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진자에 의해 사용되는 통상의 주조 방법에 의해서는 달성되지 않는다. 종래으 방법에 의해 형성된 7인치의 주조 부품에 대한 통상의 주 수지상정 아암 공간은 약 300-400㎛이다. 대형 부품에 대해서, 수지상정 공간은 쉽게 800㎛를 초과한다. 따라서, 본 발명에 의해서 달성된 미세 수지상정 공간은, 약 40인치까지의 대형 주조 부품에서라도, 주조 제품의 많은 화학적 성분의 불균질성을 제거하며, 고온 강도를 포함하여 제품 자체를 강화시킨다. 이것은 제품의 수명을 보다 길게 연장시킨다. 본 발명의 가스 터빈은 미세한 주 수지상정 아암 공간을 갖는 주조 초합금 제품이 보다 적은 결함을 갖고 따라서 기계적 특성이 보다 우수하기 때문에 보다 효율적이다. 주조 제품은 수명이 보다 연장되어 가스 터빈에 보다 큰 신뢰성을 제공한다.

본 발명자들은 수지상정 아암 공간에 의해 입증되는 바와 같이, 약 4인치보다 길고 큰 주조의 주조 결함을 방지하는데 요구되는 응고 처리 조건을 발견하였다. 이들 조건은 4인치 또는 그보다 작은 주조에 대한 종래의 작업으로부터 기대되지 않는 것이다.

본 발명의 일방향 주조 제품은 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 가지며 실질적으로 결함이 없는 주상 단결정 또는 주상 다결정 미세구조를 갖는다. 주조 제품은 용융된 초합금 재료로부터 제조된다. 초합금은 니켈계, 코발트계 또는 철계 초합금일 수 있으며, 바람직하게는 니켈계 또는 코발트계이고, 가장 바람직하게는 니켈계 초합금이다. 표 1 및 표 2는 니켈계 초합금 조성의 예를 나타낸다. 양호한 니켈계 초합금 조성의 예는 Rene N5 합금이다.

표 1

합금	Ni	Cr	Co	Al	Ti	Mo	W	Ta	Nb	기타
GTD222	나머지	22.5	19.0	1.2	2.3	---	2.0	1.0	0.8	0.010C0.005-0.04Zr0.002-0.015B
GTD111	나머지	14.0	9.5	3.0	4.9	1.5	3.8	2.8	---	0.010C0.0-0.04Zr0.002-0.015B
Rene'80	나머지	14.0	9.5	3.0	5.0	4.0	4.0	---	---	0.017C0.03Zr0.015B
Nim263	나머지	20.0	20.0	0.45	2.15	5.7	---	---	---	0.06C
IN738	나머지	16.0	8.5	3.5	3.5	1.75	2.6	1.75	0.85	0.175C0.10Zr0.010B
Waspaloy	나머지	19.5	13.5	1.4	3.1	4.2	---	---	---	0.06C0.04Zr 최대0.006B
Rene'41	나머지	19.0	11.0	1.5	3.1	10.0	---	---	---	0.09C0.005B
Rene'142	나머지	6.8	12.0	6.15	---	1.5	4.9	6.35	---	2.8Re1.5Hf0.12C0.015B0.01Y
Rene'N4	나머지	9	8	3.7	4.2	2	6.0	4.0	0.5	---
Rene'N4+	나머지	9.75	7.5	4.2	3.5	1.5	6.0	4.8	0.5	0.15Hf0.05C0.004B
Rene'N5	나머지	7.0	8	6.2	---	2	5.0	7	---	0.02Hf0.05C0.004B3Re
R'Nb	나머지	4.25-6	10-15	5-6.25	---	0.5-2	5-6.5	7-9.25	0-1	5.1-5.6Re0.1-0.5Hf

표 2

표 3은 코발트계 초합금 조성의 추가 예를 나타낸다. 본 발명의 다른 관점에 있어서, 주조 제품이 기계적 특성에 필요한 만큼 소량의 티타늄, 니오브, 지르코늄, 텅스텐, 레늄 및 붕소를 함유하지만, 주조 제품의 상 안정성을 유지하면서 가능한한 많은 하프늄, 탄탈 및 탄소를 함유하는 초합금 조성을 활용함으로써 달성될 수 있다.

표 3

청구된 발명의 중요한 특징 및 장점은 실질적으로 결함이 없는 주조 구조이다. 이것은 미세한 주 수지상정 아암 공간 및 제품을 제조하는 동안 적용된 주조 기술에 의해 달성된다. 일반적으로, 저 용융점 또는 취성상, 침전물 강화의 비균일 분포, 수지상정간 다공성 및 표면 프렉클은 비균질 요소 성분의 풀을 수집하도록 하는 주 수지상정 코어 또는 아암 사이의 수지상정간 영역에 기여한다. 대형 주조 제품의 미세한 주 수지상정 아암 공간을 달성함으로써 많은 이들 결함이 제거된다. 주 수지상정 아암 공간[이하, DAS(dendrite arm articles)라고도 칭함]은, 220㎛ 초과의 DAS가 7인치 부품에 대해 달성될 수 있는 바와 같이, 220㎛ 미만의 DAS가 7인치 부품에 대해 달성될 수 있지만, 4인치 길이의 주조 부품에 대해 약 150㎛인 것이 바람직하고, 7인치 부품에 대해 220㎛인 것이 바람직하다.

본 발명의 독특한 특징 및 기대되지 않았던 결과는 25-40인치의 총 길이를 갖는 터빈 블레이드와 같은 대형 주조 제품이 약 150㎛ 이상 800㎛ 미만과 같은 미세한 수지상정 아암 공간을 갖도록 제조될 수 있다는 것이다. 이것은 유사한 크기의 종래의 주조 제품은 약 800㎛ 및 그 이상의 수지상정 아암 공간을 얻기 때문에 기대되지 않았던 결과이다. 이들 제품은 또한 종종 오랜 시간동안의 열처리를 요구하는 주조 결함을 갖는데, 이러한 열처리는 항상 실시가능하지는 않으며 비용이 고가이다. 도 2를 다시 참조하면, 본 발명의 제품에 대한 양호한 주 수지상정 아암 공간(50)을 나타내는 영역이 도시되어 있다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 제품은 실질적으로 결함이 없다. 최소화된 일 주조 결함은 양호한 냉각이 오배향된 입자의 원하지 않은 핵형성을 초래할 수도 있는 주조 제품의 돌출된 섹션을 형성하는 경향이 있는 고 경계각이다. 이러한 경계각을 제거하는 일 방법은 주조 제품의 일부가 아닌 입자 경로를 생성하는 것이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 주조의 돌출 섹션을 주조 몰드의 바닥 섹션에 연결하도록 직접 브리지(12)가 생성될 수 있다. 입자 경로는 바 또는 플레이트 형상을 갖는데, 이는 외부 입자 핵형성이 발생하기 전에 주상 결정의 제어된 방향성 응고가 주물의 압출된 섹션으로 전파되도록 한다.

종종 방향성 응고 주상 단결정 또는 주상 다결정 생산의 거절을 초래할 수도 있는 별개 유형의 입자 결함은 "프렉클"로 알려져 있다. 고 경계각과는 달리, 프렉클은 부분적으로 응고 프로세스를 혼란케하는 주조 몰드내의 용융된 금속 대류의 결과로 형성된다. 이것은 약간의 등축 결정의 체인과 같은 주조 제품의 표면상에나타나는 불규칙성을 발생시킬 수 있다. 프렉클 형성을 방지하기 위해, 주조 제품의 열적 조건 및 화학적 조건의 조절이 요구된다. 합금의 화학적 성질의 조절은 프렉클 형성을 감소시키도록 적용될 수 있다. 본 발명은 수지상정 아암 공간에 의해 주조 동안 합금의 화학적 성분을 조절한다. 미세한 DAS는 비균질한 성분의 풀이 주지 제품의 수지상정간 영역내에 형성되는 것을 방지한다. 주조 제품의 단면에 걸쳐 동일하게 적용된 열구배 조건은 제품의 DAS를 감소시키도록 더욱 도우며 따라서 프렉클 형성을 감소시킨다. 본 발명을 실시하는 동안 프렉클 형성이 감소되는 장소이며 제품 길이 및 DAS 종속인 프로세스 윈도우가 있음을 발견하였다. 4인치보다 큰 길이, 바람직하게는 8인치보다 큰 주조 길이에 대해서, 프렉클은 주조 제품의 길이에 기하여 150㎛ 이상 800㎛ 미만의 미세한 수지상정 아암 공간을 갖도록 감소된다.

슬리버는 미세구조내에 긁힌 자국(streaks)을 형성하는 입자이다. 이들은 대개 주조의 주 방향에 근접하게 정렬되지만, 횡방향으로 오배향된다. 용융된 초합금에 대해 초청정 용탕을 사용함으로써, 슬리버는 초합금 물질내의 함유물로부터 형성될 가능성이 보다 적게 된다.

부-입자 및 멀티-입자는 대개 둘 이상의 입자가 몰드의 베이스에 있는 입자 실렉터로부터 나오는 경우 발생한다. 주조의 고형동안의 열전달 조건은 주조 제품의 일 섹션이 주물의 나머지보다 빨리 냉각되지 않도록 제어된다. 이것은 주 주상 단결정과 경쟁하는 용탕으로부터의 핵형성 및 부 입자의 형성을 제거한다. 부입자 및 멀티 입자는 냉각조 또는 복사 냉각 영역내로 몰드를 철수시키는 동안 열전달조건을 조절함으로써 제어된다. 이것은 주물의 모든 부분이 동일한 속도로 냉각되도록 보장한다.

도 3a를 참조하면, 알루미나 또는 실리카와 같은 적절한 물질로 제조된 셸 몰드(shell mold)(13)가 도시되어 있다. 몰드(13)는 주물(14), 예를 들면 터빈 블레이드를 형성하도록 구조된다. 몰드(13)는 칠 플레이트에 고정될 수도 있다. 몰드(13)는 몰드를 가열하는 가열 영역(15)내에 설치된다. 몰드(13)는 주조될 초합금의 용융 온도보다 낮은 온도로 가열되며, 초합금의 액상 온도 이상으로 가열되는 것이 바람직하다. 니켈계 또는 코발트계 조성과 같은 용융 초합금은 예비가열된 몰드(13)내로 주입된다. 몰드의 베이스 또는 냉각식 칠 플레이트(1)는 고정 속도로 냉각 영역(액체 금속 냉각조 또는 복사 냉각을 위한 진공 또는 주변/냉각 공기중)으로 하방으로 철수되어 일방향 응고 프로세스에 의해 초합금을 응고시킨다. 결정은 먼저 몰드(13)의 베이스에 있는 스타터(starter)(4)내에 형성되며, 그 뒤 결정 실렉터내에서 한 단결정으로 형성된다. 단결정 실렉터(5)는 결정이 형성되는 동안 회전될 수 있다. 결정 실렉터(5)는 제품의 일부로 성장하는 단결정을 선택하기 위한 나선 통로를 그 내부에 규정하는 헬릭스(helix)일 수 있다. 주상 단결정은 주물(14)의 확대된 섹션에서 보다 크게 된다. 급경사를 조절함으로써, 냉각 동안 주물 전체에 걸쳐 열구배가 균일하게 되고, 주상 단결정은 4인치와 40인치 사이의 주조 제품 길이에 대응하여 각각 150㎛ 이상과 800㎛ 미만인 주 수지상정 아암 공간을 갖는 실질적으로 결함이 없는 주물(14)로 형성된다. 양호한 주 수지상정 아암 공간은 약 150㎛과 650㎛ 사이이며, 가장 양호한 공간은 약 150㎛과 350㎛ 사이이다. 도 3a에 있어서, 주물(14)은, 그 내부에 냉각 통로가 형성된 에어포일(7)과 에어포일(7)에 연결된 생크(8)와, 생크(8)에 연결된 도브타일(9)을 포함하는 터빈 블레이드의 부분을 나타낸다. 블레이드는 몰드(13)의 구조에 따라, 에어포일(7) 먼저 또는 도브타일(9) 먼저 주조될 수 있다. 브리지(12)가 주물(14)의 돌출 섹션과 주물의 하부 섹견을 연결하므로, 일방향 주상 단결정이 실질적으로 주물(14) 전체에 걸쳐 형성된다. 주조 제품의 50% 이상이 단결정일 때 주조 제품은 주물 전체에 걸쳐 실질적으로 주상 단결정이다.

도 3b에 도시된 다른 몰드 실시예에 있어서, 실질적 주상 단결정 대신에 주상 다결정을 제조하기에 적합한 몰드의 부분이 도시되어 있다. 이를 위하여, 몰드(13)는 칠 플레이트(1)에 대해 개방된 몰드(13)의 베이스에 성장 영역(16) 또는 스타터(16)를 갖는다. 도 3a의 결정 실렉터는 생략되어 있다.

<1> 이외의 배향을 갖는 결정체 구조가 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있다. 이러한 배열에 있어서, 성장 영역은 소망 배향의 단결정 슬러그를 수용하며, 슬러그의 베이스는 지지 플레이트의 리세스(recess)내로 세팅되어 슬러그는 몰드의 가열동안 완전히 용융되지 않는 것이 바람직하다. 초합금이 몰드내로 주입될 때, 주조 제품 전체에 걸쳐 슬러그의 배향과 동일한 수지상정 배향에 의해 주상 단결정 또는 주상 다결정이 발생한다.

주조될 제품은, 칠 플레이트일 수 있는 지지 플레이트상에 놓여있는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 몰드내에서 제조된다. 몰드는 초기에 서셉터에 의해 둘러싸인 가열 챔버내에 있으며, 상기 서셉터는 코일과 같은 가열 요소에 의해 둘러싸여 있다. 액체 금속과 같은 냉각 액조를 지지하는 탱크가 가열 챔버 아래에 위치되어 있다. 탱크는 가열된 몰드의 침수를 위한 소망 온도로 냉각 액체의 온도를 증가시키기 위해 그 주위에 가열 요소를 가질 수도 있으며, 냉각 챔버는 또한 냉각 코일로 둘러싸이는 것이 바람직하다. 액조의 순환을 확실히 하기 위해 적절한 교반 수단이 제공될 수도 있다. 교반 수단과 탱크 주위의 가열 및 냉각 코일은 액체 냉각조내에 대류 흐름을 발생시키고 강화하는 작용을 하여 몰드와 몰드가 침전되는 조의 부분 사이의 일정한 온도차를 유지하도록 돕는다.

탱크내에 사용되기에 특히 적합한 냉각 액체는 주석과 알루미늄을 포함한다. 주석이 특히 바람직한데 이는 용융 온도가 낮고 증기압이 낮기 때문이다. 주석조에 적합한 온도는 약 235-350℃이다.

가열 챔버와 냉각 액체를 갖는 탱크 사이에는 배플(baffle)이 있다. 배플은 냉각 액체와 가열 챔버의 바닥부와 밀착하도록 설치된다. 배플의 목적은 과열 몰드와 액체 냉각조 사이의 가파른 열구배를 얻는데 더욱 조력하는 것이다. 배플은 강성 또는 가요성 단열 재료를 포함하는 단층 또는 다층일 수도 있다. 배플은 강성이거나 또는 부유될 수 있다. 이것은 또한 가열 챔버로부터 배플을 통해 액체 냉각조로 철수될 때 몰드의 형상 주위의 그 결합을 변화시키도록 설계될 수 있다.

프로세스는 진공 또는 불활성 분위기내에서 수행되는 것이 바람직하다. 주변 공기 분위기가 단독으로 또는 상기 가열 챔버로부터 철수 후에 몰드를 냉각시키는 형태와 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 일 방법에 있어서, 방향성 응고 프로세스는 예비가열된 몰드내에초합금을 충전시키고 약 1450℃ 내지 1600℃의 범위로 과열함으로써 시작된다. 몰드는 초합금의 액상 온도 이상으로 가열된다. 주상 단결정 또는 다결정 구조의 응고 및 형성은 복사 배플을 통해 노의 고온 섹션으로부터 액체 금속 냉각조내로 몰드를 철수시킴으로서 제어된다. 지지 플레이트 또는 칠 플레이트의 온도는 냉각 매체(액체 냉매 또는 대류 복사 냉각)의 온도에 가깝게 유지되며, 수지상정 성장이 몰드의 성장 영역내에서 시작되고 응고가 몰드의 성장 영역을 통해 상방으로 연속됨에 따라 입자 구조는 주상 단결정 또는 주상 다결정 또는 이들의 혼합으로 된다. 냉매 매체가 몰드의 모든 외측 표면과 접촉하기 때문에, 이것은 몰드를 완전히 둘러싸서 몰드의 모든 부분으로부터 열을 제거하여 종방향으로의 합금의 응고를 돕는다. 복사 배플을 통해 철수함으로써 몰드 정면의 응고에서 가파른 열구배가 유지된다. 주물에 부여된 강한 일방향 열구배에 의해 균일한 주 수지상정 아암 공간이 얻어진다. 일반적으로, 입자 결함은 열구배가 약 10-12℃/㎝ 이상인 경우 감소되거나 또는 제거된다. 본 발명에 있어서, 10-12℃/㎝보다 큰 열구배가 이용된다.

예

프렉클 형성의 감소를 보여주고 본 발명의 주조 제품에서 달성된 수지상정 아암 공간을 발견하기 위해 주물의 액체 금속 냉각 방법과 종래의 복사 냉각을 이용하여 일련의 실험을 행하였다.

예 1-3

몰드는 150mm의 길이와 40mm의 폭을 갖는다. 초합금 조성은 니켈계 합금, 상표명 Rene N5(약 7.5중량%의 Co, 7.0중량%의 Cr, 6.2중량%의 Al, 6.5중량%의 Ta,1.5중량%의 Mo, 5.0중량%의 W, 3.0중량%의 Re, 나머지는 Ni과 미량 도핑의 Hf, T, B 및 C)이다. 주조 노 온도는 약 1500℃로 설정되었으며, 철수 속도는 2mm/min이고, 몰드 두께는 12층의 세라믹 셸이었다. 이들 조건은, 몰드가 1) 노로부터 진공 챔버내로 철수되어 복사 냉각에 의해 냉각되는 경우(종래의 방법) 또는 2) 액체 금속(주석)의 조내로 철수되어 액체 금속에 의해 냉각되는 경우중 어느 것이든 주조의 실행동안 동일하게 유지되었다. 주조 후에, 냉각 속도가 열전쌍 측정법으로 계산되었다. 주물내의 주 수지상정 아암 공간은 금속 조직학에 의해 측정되었고, 프렉클링의 흔적은 주조 표면을 거시-에칭(macro-etching)한 뒤 금속 조직학적으로 검사함으로써 검사되었다.

실험 결과는 표 4에 요약되어 있다. 복사 냉각된 예 1 및 예 2의 표면은 프렉클 체인을 나타내었는데, 이 프렉클 체인은 먼저 주물의 얇은 섹션의 에지를 따라 나타났으며 그 뒤 두꺼운 섹션의 평평한 표면내로 보다 현저하게 연장하였다. 이러한 프렉클 주물의 주 수지상정 아암 공간은 약 385-670㎛ 사이의 범위내에 있었다(도 4). 예 1 및 예 2에 대한 열구배는 약 10-12℃/㎝ 사이였다. 이와 대조적으로, 예 1 및 예 2와 동일 조건하에서 주조된, 액체 금속 냉각된 예 3은 프렉클의 흔적이 나타나지 않았다. 이 프렉클없는 주물의 주 수지상정 아암 공간은 215-260㎛의 DAS를 갖는 정교함을 나타내었다(도 5). 열구배는 40-65℃/㎝이었으며, 이것은 예 1 및 예 2의 대응하는 복사 냉각된 주물에 비해 3배 내지 5배의 개선을 나타낸다.

표 4

주조 조건 및 결과

조건/결과	예 1	예 2	예 3
노 온도(℃)	1585	1460	1580
철수율(mm/min)	2	2	2
몰드 셸 층	12	12	12
냉각 방식	복사	복사	액체(주석)
수지상정 아암 공간(㎛)	385-620	570-670	215-260
열구배(℃/㎝)	10-11	11-12	40-65
프렉클 형성	형성됨	형성됨	형성안됨

예 4

다른 일련의 실험에 있어서, 복사 냉각된 주조 부품 대 액체 금속 냉각된 주조 부품의 프렉클 형성에 대한 비교가 실행되었다. 몰드는 길이가 470mm이었고 12Kg의 금속을 함유하였다. 예 1 내지 예 3과 유사한 주조 조건이 적용되었다. 복사 냉각된 부품에는 다시 프렉클이 형성되었으며, 액체 금속 냉각된 부품에는 프렉클 형성이 방지되었다.

예 5 및 예 6

용융된 금속의 총 초기 길이가 4인치(10㎝)인 방향성 주조 제품(예 5)이 제조된다. 주물은, 고체-액체 계면에서의 열구배가 10℃/㎝인 종래의 "브리지맨" 노에서 시간당 6인치(15㎝/hr)의 주조 속도로 방향성을 갖도록 응고된다. 주물은 프렉클이 존재하며 약 350㎛의 주 수지상정 아암 공간을 갖는다.

용융된 금속의 총 초기 길이가 4인치(10㎝)인 방향성 주조 제품(예 6)이 제조된다. 주물은, 고체-액체 계면에서의 열구배가 80℃/㎝인 액체 금속 냉각을 이용하는 고구배 노에서 시간당 8인치(20㎝/hr)의 주조 속도로 방향성을 갖도록 응고된다. 주물은 결함이 없도록(무 크렉클) 제조되며 주 수지상정 아암 공간은 약 150-230㎛이다.

예 7 및 예 8

용융된 금속의 총 초기 길이가 30인치(75㎝)인 주조 제품(예 7)이 제조된다. 주물은, 고체-액체 계면에서의 열구배가 10℃/㎝인 종래의 "브리지맨" 노에서 시간당 6인치(15㎝/hr)의 주조 속도로 방향성을 갖도록 응고된다. 주 수지상정 아암 공간은 약 800㎛이며, 주물은 프렉클을 내포한다.

용융된 금속의 총 초기 길이가 30인치(75㎝)인 방향성 주조 제품(예 8)이 제조된다. 주물은, 고체-액체 계면에서의 열구배가 80℃/㎝인, 액체 금속 냉각을 이용하는 고구배 노에서 시간당 8인치(20㎝/hr)의 주조 속도로 방향성을 갖도록 응고된다. 주물은 프렉클이 없어 결함이 없으며 주 수지상정 아암 공간은 약 250-350㎛이다.

수지상정 아암 공간이 미세하고 방향성 응고 제품이 실질적으로 결함이 없기 때문에, 본 발명의 주조 제품은 초합금 성분의 비균질 분포의 수지상정간 풀에 수반되는 큰 수지상정 공간을 갖는 주조 제품보다 강한 세기 및 양호한 기계적 특성을 갖는다. 미세한 수지상정 아암 공간은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진자에 의해 사용되는 통상의 주조 방법에 의해서는 달성되지 않는다. 종래의 방법에 의해 형성된 7인치의 주조 부품에 대한 통상의 주 수지상정 아암 공간은 약 300-400㎛이다. 대형 부품에 대해서, 수지상정 공간은 쉽게 800㎛를 초과한다. 따라서, 본 발명에 의해서 달성된 미세 수지상정 공간은, 약 40인치까지의 대형 주조 부품에서라도, 주조 제품의 많은 화학적 성분의 불균질성을 제거하며, 고온 강도를 포함하여 제품 자체를 강화시킨다. 이것은 제품의 수명을 보다 길게 연장시킨다. 본 발명의 가스 터빈은 미세한 주 수지상정 아암 공간을 갖는 주조 초합금 제품이 보다 적은 결함을 갖고 따라서 기계적 특성이 보다 우수하기 때문에 보다 효율적이다. 주조 제품은 수명이 보다 연장되어 가스 터빈에 보다 큰 신뢰성을 제공한다.

Claims (42)

150㎛ 이상인 주 수지상정 아암 공간을 가지며, 실질적으로 결함이 없는 일방향 결정 구조를 갖는 주조 초합금 제품.

제 1 항에 있어서,

상기 일방향 결정 구조는 응고 방향과 평행하게 정렬된 종방향 주상 구조를 포함하는 주조 초합금 제품.

제 1 항에 있어서,

상기 일방향 결정 구조는 주상 단결정 또는 주상 다결정 또는 이들의 혼합인 주조 초합금 제품.

제 3 항에 있어서,

상기 일방향 결정 구조는 주상 단결정인 주조 초합금 제품.

제 3 항에 있어서,

상기 단결정은 <1> 방향인 주조 초합금 제품.

제 1 항에 있어서,

상기 초합금은 니켈계 합금 또는 코발트계 합금인 주조 초합금 제품.

제 6 항에 있어서,

니켈계 합금은 약 7.5중량%의 Co, 7.0중량%의 Cr, 6.2중량%의 Al, 6.5중량%의 Ta, 1.5중량%의 Mo, 5.0중량%의 W, 3.0중량%의 Re, 나머지 Ni과 미량 도핑의 Hf, Y, B 및 C의 조성을 포함하는 주조 초합금 제품.

제 1 항에 있어서,

제품 길이는 약 4인치 내지 40인치인 주조 초합금 제품.

제 1 항에 있어서,

상기 주 수지상정 아암 공간은 150㎛ 내지 800㎛인 주조 초합금 제품.

제 1 항에 있어서,

상기 주조 초합금 제품의 성능 및 전체 특성에 영향을 미치는 주조 결함이 거의 없거나 전혀 없는 주조 초합금 제품.

제 1 항에 있어서,

가스 터빈용 부품인 주조 초합금 제품.

제 11 항에 있어서,

상기 부품은 블레이드인 주조 초합금 제품.

제 12 항에 있어서,

상기 블레이드는 적어도 일 표면 코팅을 갖는 주조 초합금 제품.

제 11 항에 있어서,

상기 제품은 100㎛ 이상의 크기를 갖는 프렉클 결함이 실질적으로 없는 주조 초합금 제품.

약 150㎛ 내지 약 800㎛의 주 수지상정 아암 공간과 약 4인치 내지 약 40인치의 길이를 갖는 방향성 응고 단결정 초합금 제품.

제 15 항에 있어서,

<1>의 결정 방향을 갖는 방향성 응고 단결정 초합금 제품.

제 15 항에 있어서,

상기 초합금은 니켈계 또는 코발트계 초합금인 방향성 응고 단결정 초합금 제품.

제 17 항에 있어서,

상기 니켈계 합금은 약 7.5중량%의 Co, 7.0중량%의 Cr, 6.2중량%의 Al, 6.5중량%의 Ta, 1.5중량%의 Mo, 5.0중량%의 W, 3.0중량%의 Re, 나머지 Ni과 미량 도핑의 Hf, Y, B 및 C의 조성을 포함하는 방향성 응고 단결정 초합금 제품.

제 15 항에 있어서,

상기 주조 초합금 제품의 성능 및 전체 특성에 영향을 미치는 주조 결함이 거의 없거나 전혀 없는 방향성 응고 단결정 초합금 제품.

제 15 항에 있어서,

상기 제품은 가스 터빈용 부품인 방향성 응고 단결정 초합금 제품.

제 20 항에 있어서,

상기 부품은 디스크에 결합된 도브타일과, 섕크와, 플랫폼 및 베인을 갖는 블레이드인 방향성 응고 단결정 초합금 제품.

제 21 항에 있어서,

상기 베인의 표면은 적어도 하나의 코팅을 갖는 방향성 응고 단결정 초합금 제품.

적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간과 약 40인치까지의 길이를 갖는, 응고 방향에 평행한 단결정 종방향 주상 구조를 구비한 초합금 금속을 포함하는 고구배 방향성 응고 주조 제품(high gradient, directionally solidified cast article).

제 23 항에 있어서,

상기 단결정은 <1> 방향인 고구배 방향성 응고 주조 제품.

제 23 항에 있어서,

상기 초합금은 니켈계 또는 코발트계 합금인 고구배 방향성 응고 주조 제품.

제 25 항에 있어서,

상기 니켈계 합금은 약 7.5중량%의 Co, 7.0중량%의 Cr, 6.2중량%의 Al, 6.5중량%의 Ta, 1.5중량%의 Mo, 5.0중량%의 W, 3.0중량%의 Re, 나머지 Ni과 미량 도핑의 Hf, Y, B 및 C의 조성을 포함하는 고구배 방향성 응고 주조 제품.

제 23 항에 있어서,

상기 주 수지상정 아암 공간은 150㎛ 내지 800㎛인 고구배 방향성 응고 주조 제품.

제 23 항에 있어서,

상기 주조 초합금 제품의 성능 및 전체 특성에 영향을 미치는 주조 결함이 거의 없거나 전혀 없는 실질적으로 무결함인 고구배 방향성 응고 주조 제품.

제 23 항에 있어서,

상기 제품은 가스 터빈용 부품인 고구배 방향성 응고 주조 제품.

제 29 항에 있어서,

상기 부품은 디스크에 결합된 도브타일과, 섕크와, 플랫폼 및 베인을 갖는블레이드인 고구배 방향성 응고 주조 제품.

제 30 항에 있어서,

상기 블레이드는 상기 터빈의 제 1 스테이지의 부재인 고구배 방향성 응고 주조 제품.

제 30 항에 있어서,

상기 베인은 적어도 하나의 코팅을 갖는 고구배 방향성 응고 주조 제품.

블레이드, 노즐, 버킷 또는 베인과 같은 가스 터빈용 방향성 응고 부품에 있어서,

실질적으로 결함이 없는 단결정 초합금 금속을 포함하며, 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간과 약 40인치까지의 부품 길이를 갖는 가스 터빈용 방향성 응고 부품.

가스 터빈용 방향성 응고 부품에 있어서,

응고 방향에 평행한 주상 구조를 갖는 다결정 초합금 금속을 포함하며, 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간과 40인치까지의 부품 길이를 갖는 가스 터빈용 방향성 응고 부품.

터빈 디스크와,

상기 디스크에 결합된 적어도 일 스테이지의 터빈 블레이드로서, 상기 블레이드는 약 4인치 이상의 총 길이를 가지며 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 갖도록 주상 단결정 또는 다결정 구조를 갖는 고구배 주조 일방향 응고 초합금 금속으로 제조되는, 상기 터빈 블레이드와,

상기 터빈 블레이드에 대응하는 터빈 노즐로서, 상기 노즐은 약 4인치 이상의 총 길이를 가지며 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 갖도록 주상 단결정 또는 다결정 구조를 갖는 고구배 주조 일방향 응고 초합금 금속으로 제조되는, 상기 터빈 노즐을 포함하는 가스 터빈.

주 수지상정 아암 공간 "X"을 구비하는, <1>의 결정학적 방향을 갖는 주상 단결정으로 주조된 초합금 금속을 포함하며, 4인치 내지 40인치의 블레이드, 노즐, 버킷 베인 및 에어포일 길이에 대해 150㎛≤X≤800㎛인 터빈 블레이드, 노즐, 버킷 베인 및 에어포일.

콤프레서, 연소 라이너 및 싱글-스테이지 또는 멀티-스테이지의 터빈 블레이드를 포함하며, 상기 터빈 블레이드는 터빈 디스크에 고정된 도브타일을 가지며, 상기 블레이드는 약 4인치 내지 40인치의 총 길이를 가지며 초합금 금속 주상 단결정 또는 주상 다결정 또는 이들의 혼합으로 제조되며, 적어도 약 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 갖는 중하중용 가스 터빈.

제 37 항에 있어서,

터빈 노즐이 상기 터빈 블레이드에 대응하도록 제공되며, 최대 작동 가스 온도는 1000℃ 이상이며, 제 1 블레이드의 금속 온도는 작업 응력하에서 900℃ 이상인 중하중용 가스 터빈.

블레이드와 노즐의 배열을 포함하며, 상기 각각의 블레이드는 베인부, 플랙폼 및 섕크부를 구비하며, 상기 각각의 노즐은 베인부 및 플랫폼을 구비하며, 디스크에 제공된 상기 각각의 블레이드는 압축된 연소 가스가 노즐을 통과하도록 하여 그 내부의 연소 가스의 온도가 1000℃ 이상인 블레이드에 대해 충돌하도록 함으로써 회전되며, 제 1 스테이지의 블레이드의 베인부에 대한 입구에서의 연소 가스의 온도는 적어도 1000℃이고, 상기 제 1 스테이지의 블레이드는 주상 단결정이고, 적어도 4인치의 길이와 적어도 150㎛의 주 수지상정 아암 공간을 가지는, 가스 터빈.

방향성 응고 주상 단결정 또는 주상 다결정 제품을 제조하는 방법에 있어서,

가열 영역의 용융된 초합금 금속을 주조 제품의 형상을 갖는 주 캐비티를 포함하는 예비가열 몰드내로 주입하는 단계와,

약 4인치와 약 40인치 사이의 주조 제품의 길이에 대응하여 각각 150㎛ 이상이며 800㎛ 이하인 주 수지상정 아암 공간을 형성하도록 용융된 금속을 응고시키기에 충분한 철수 속도로 상기 가열 영역으로부터 액체 냉각 탱크내로 용융된 초합금 금속을 갖는 몰드를 철수시키는 단계와,

그 뒤 실질적으로 결함이 없는 주상 단결정체 또는 주상 다결정체 또는 이들의 혼합체를 성취하도록 몰드를 냉각시키는 단계를 포함하는 방향성 응고 주상 단결정 또는 주상 다결정 제품 제조 방법.

제 40 항에 있어서,

상기 열구배는 10-12℃/㎝인 방향성 응고 주상 단결정 또는 주상 다결정 제품 제조 방법.

제 40 항의 방법에 따라 제조된 제품.