KR20010039978A

KR20010039978A - 초합금 용접용 조성물 및 보수된 터빈 엔진의 구성요소

Info

Publication number: KR20010039978A
Application number: KR1020000057936A
Authority: KR
Inventors: 무키라찰스기타히; 잭슨멜빈로버트; 프로스트애론토드; 벨트란아드리안모리스
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2001-05-15
Also published as: EP1090710B1; JP2001158929A; CZ300494B6; DE60028150D1; EP1090710A1; CZ20003642A3; US6302649B1; KR100757549B1; DE60028150T2

Abstract

본 발명은 약 0 내지 약 10중량%의 Co, 약 18 내지 약 22중량%의 Cr, 약 0.2 내지 약 0.7중량%의 Al, 약 15 내지 약 28중량%의 총 내화 원소들, 약 0.09중량% 이하의 C, 약 0.06중량% 이하의 Zr, 약 0.015중량% 이하의 B, 약 0.4 내지 약 1.2중량%의 Mn, 약 0.2 내지 약 0.45중량%의 Si 및 나머지의 Ni를 포함하는 고용 강화된 초합금 용접용 조성물에 관한 것이다.

Description

초합금 용접용 조성물 및 보수된 터빈 엔진의 구성요소{SUPERALLOY WELD COMPOSITION AND REPAIRED TURBINE ENGINE COMPONENT}

본 발명은 터빈 엔진의 구성요소 분야에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 초합금 용접용 조성물, 및 초합금 용접용 조성물을 이용한 보수된 구성요소에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진의 효율은 터빈 블레이드 또는 버킷과 엔진의 터빈 섹션의 보호판(shroud) 사이의 연소 기체의 누출량 또는 누출 정도에 일부 의존한다. 상기 틈을 최소화하기 위해서, 선단은 일반적으로 기계 작동이 정밀하게 수행된다. 그러나, 기계적 오차, 상기 구성요소들 사이의 열 팽창률의 차이, 및 역학적 결과로 인해, 선단과 보호판 사이에서 어느 정도의 마찰이 일어난다.

예컨대 당해 분야에서 장시간 가동 후에서와 같은 마찰 접촉으로 인해, 상기 블레이드의 기재가 노출되어 통상 블레이드의 부식 및/또는 산화를 유발시킨다. 장시간의 부식 또는 산화작용은 블레이드와 보호판 사이의 누출을 증가시키며, 결국 성능 및 효율을 잃게 된다. 블레이드 또는 버킷과 같은 터빈 구성요소들의 상대 비용에 견주어 보아, 낡은 구성요소들을 대체물에 대한 비용-효율적인 선택사양으로 보수하는 것이 흔한 경우이다. 공지된 보수 기법에서, 용접가능한 초합금 조성물로 형성된 용접용 와이어가 블레이드를 본래 또는 거의 본래와 유사한 형태로 회복시키는 보강 공정에 사용된다. 예를 들면, 니켈계 초합금 용접용 와이어는 니켈계 초합금 블레이드의 선단 영역상으로의 여러 통로를 제공하는 텅스텐 용접 아크 공정에 사용될 수 있다. 용접한 후, 선단 영역은 기계가공된다.

다수의 시판중인 용접 보수용 합금이 존재하지만, 추가로 개선된 용접용 합금, 특히 니켈계 초합금 구성요소를 위한 니켈계 용접용 합금에 대한 요구가 계속되고 있다. 이런 면에서, 본 발명자들은 실온에서 용접할 수 있는 우수한 연성(즉, 보수중 구성요소를 예열시키지 않음), 우수한 내산화성 및 필수 고온 인장 강도 및 내크리핑성(creep resistance)을 갖는 니켈계 초합금에 대한 필요성을 인식하였다.

본 발명의 한 양태는 약 10중량% 이하의 Co, 약 18 내지 약 22중량%의 Cr, 약 0.2 내지 약 0.7중량%의 Al, 약 15 내지 약 28중량%의 총 내화 원소들, 약 0.09중량% 이하의 C, 약 0.06중량% 이하의 Zr, 약 0.015중량% 이하의 B, 약 0.4 내지 약 1.2중량%의 Mn, 약 0.2 내지 약 0.45중량%의 Si 및 나머지의 Ni를 포함하는 고용 강화된 초합금 용접용 조성물을 요구한다.

본 발명의 다른 양태는 보수된 영역 및 비손상된 영역을 갖는 보수된 터빈 엔진의 구성요소에 관한 것이다. 상기 보수된 영역은 상기 제공된 바와 같은 조성을 갖는다.

도 1은 터빈 엔진의 고압단의 보수된 터빈 버킷(bucket)의 상부 사시도이다.

도 2는 1900℉에서 본 발명의 몇몇 합금 조성물과 시판중인 합금의 등온산화를 나타내는 그래프이다.

도 3은 2000℉에서 본 발명의 몇몇 합금 조성물과 시판중인 합금의 등온산화를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 양태는 보수된 터빈 엔진의 구성요소, 및 터빈 엔진의 구성요소들을 보수하기 위한 용접용 조성물을 제공한다. 상기 터빈 엔진의 구성요소는 전형적으로 인장 강도, 내크리핑성, 내산화성 및 내부식성에 대한 고온 성능으로 알려진 초합금 물질로 형성된다. 상기 초합금 구성요소는 전형적으로 니켈이 초합금중 중량이 제일 큰 단일 원소인 니켈계 합금으로 형성된다. 니켈계 초합금의 예로는 약 40중량% 이상의 Ni, 및 코발트, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 티탄 및 철로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분이 포함된다. 니켈계 초합금의 예는 인코넬(Inconel, 등록상표), 니모닉(Nimonic, 등록상표), 레네(Rene, 등록상표)(예컨대, 레네 80, 레네 95, 레네 142 및 레네 N5 합금) 및 우디메트(Udimet, 등록상표)로 명명되며, 방향성 응고되고 단결정질인 초합금들이 포함된다.

터빈 엔진의 구성요소의 형태는 연소기 라이너, 연소기 돔, 보호판, 버킷 또는 블레이드, 노즐 또는 베인(vane)으로 다양하다. 상기 구성요소는 가장 전형적으로는 노즐 또는 베인과 같은 정지상 에어포일(airfoil), 및 블레이드 및 버킷과 같은 회전형 에어포일을 포함하는 에어포일이다. 블레이드와 버킷은 본원에서 혼용되며, 전형적인 블레이드는 비행기용 터빈 엔진의 회전형 에어포일이고, 버킷은 지상-기반 발전용 터빈 엔진의 회전형 에어포일이다. 블레이드 또는 버킷의 경우, 전형적으로 보수 영역은 마모되는 선단 영역인데, 이는 주위의 보호판과 접촉되어 마찰되기 때문이다. 노즐 또는 베인의 경우, 전형적으로 보수 영역은 마모되는 전방 가장자리인데, 이는 상승된 온도에서 엔진내의 기체가 최고속으로 노출되기 때문이다. 보수 용접용 조성물은 단독으로 충전재 물질로서 사용되거나, 또는 노즐 또는 베인의 전방 가장자리를 따라 용접되는 형상화된 판과 같은 삽입물과 조합해서 사용될 수 있다.

도 1를 참고하면, 보수된 에어포일, 특히 발전용 터빈 엔진의 보수된 버킷(10)이 도시되어 있다. 상기 버킷(10)은 에어포일 부분(12) 및 더브테일(dovetail) 부분(14)을 포함한다. 상기 에어포일 부분(12)은 비손상된 영역(16) 및 보수된 영역(18)을 갖는다. 보수하기 전, 버킷은 터빈 엔진으로부터 제거되고, 통상의 공정에 의해 세정되어 침적된 외부 물질을 제거할 뿐만 아니라 어떠한 산화작용 및 부식작용도 제거한다. 상기 세정된 코팅재는 선단에 가까운 영역으로부터 제거되고, 상기 선단은 선단의 강에 가깝게 역으로 연마된 후 용접 기법에 의해 보수된다. 기체-금속 아크 용접, 저항 용접, 전자빔 용접, 플라즈마 용접 및 레이저 용접과 같은 다른 용접 기법이 사용될 수 있을지라도 전형적으로 텅스텐 아크 불활성 기체(tungsten arc inert gas; TIG) 용접법이 사용된다. TIG 용접법에서, 버킷(10)의 선단과 같은 작업부분과 텅스텐 전극 사이에 열이 발생된다. 본원에 기술된 바와 같은 조성물을 갖는 니켈계 용접용 와이어는 충전재 물질로서 사용된다. 여러 통로는 선단의 주변부에 형성되고, 이로써 본래의 형태에 근접하게 선단을 형성한다. 보수 공정은 추가의 기계가공뿐만 아니라, 버킷의 추가 보호를 위해 임의의 코팅 공정(예: 중첩 코팅, 확산 코팅, 열 차단용 코팅)에 의해 완결된다.

본 발명의 제 1 양태에 따르면, 고용 강화된 용접용 합금 조성물은 약 10 내지 약 15중량%의 Co, 약 18 내지 약 22중량%의 Cr, 약 0.5 내지 약 1.3중량%의 Al, 약 3.5 내지 약 4.5중량%의 Ta, 약 1 내지 약 2중량%의 Mo, 약 13.5 내지 약 17.0중량%의 W, 약 0.08중량% 이하의 C, 약 0.06중량% 이하의 Zr, 약 0.015중량% 이하의 B, 약 0.4 내지 1.2중량%의 Mn, 약 0.1 내지 약 0.3중량%의 Si 및 나머지의 Ni를 포함한다. 특별한 조성물에 따르면, C는 약 0.02중량% 이상의 양으로 존재하고, Zr은 약 0.01중량% 이상의 양으로 존재하며, B는 약 0.005중량% 이상의 양으로 존재한다. 바람직한 형태에서, 조성물은 약 13.5중량%의 Co, 약 20중량%의 Cr, 약 0.8중량%의 Al, 약 4중량%의 Ta, 약 1.5중량%의 Mo, 약 15.5중량%의 W, 약 0.05중량%의 C, 약 0.03중량%의 Zr, 약 0.01중량% 이하의 B, 약 0.7중량%의 Mn, 약 0.2중량%의 Si 및 나머지의 Ni를 포함한다. 상기 조성물은 전형적인 불순물을 함유할 수 있다.

본 발명의 제 2 양태에 따르면, 고용 강화된 용접용 합금 조성물은 약 10중량% 이하의 Co, 약 18 내지 약 22중량%의 Cr, 약 0.2 내지 약 0.7중량%의 Al, 약 15 내지 약 28중량%의 총 내화 원소들, 약 0.09중량% 이하의 C, 약 0.06중량% 이하의 Zr, 약 0.015중량% 이하의 B, 약 0.4 내지 약 1.2중량%의 Mn, 약 0.2 내지 약 0.45중량%의 Si 및 나머지의 Ni를 포함한다. 일반적으로, 상기 내화 원소들은 Ta, Mo 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된다. 한 예에서, 내화물은 Mo 및 W를 포함하며, 여기서 Mo과 W의 합은 약 16 내지 20중량%내의 범위이다. 바람직한 형태에서, 상기 내화 원소들은 단지 약 17 내지 19중량%로 존재하는 W만을 포함한다. 제 1 양태와 유사한 방식으로, 제 2 양태의 특별한 예는 약 0.02중량% 이상의 C, 약 0.01중량% 이상의 Zr, 약 0.005중량% 이상의 B를 함유한다. 상기 조성물은 전형적인 불순물을 함유할 수 있다.

제 2 양태의 특별한 형태에서, 조성물은 약 21중량%의 Cr, 약 0.4중량%의 Al, 약 18중량%의 W, 약 0.07중량%의 C, 약 0.03중량%의 Zr, 약 0.01중량% 이하의 B, 약 0.7중량%의 Mn, 약 0.35중량%의 Si 및 나머지의 Ni를 포함한다. 일반적으로, 제 2 양태는 어떠한 란탄계 원소도 함유하지 않는데, 이는 이런 원소가 합금 조성물의 성질에 바람직하지 않은 영향을 미치는 것으로 밝혀져 있기 때문이다. 따라서, 제 2 양태의 합금은 일반적으로 란탄계 원소가 없는 전술한 성분들로 필수적으로 이루어진다.

본 발명의 제 1 양태에 따른 성분(A), 본 발명이 제 2 양태에 따른 몇몇 조성물(B 내지 H 및 J 내지 M) 및 시판중인 조성물 IN 625(X)의 비교내용은 상세한 설명과 함께 하기 표 1에 제시된다. 합금 J 내지 M은 Co 및 Mn의 함량을 추가로 변형시킴으로써 B 내지 H의 조성물과 상이하다.

본 발명의 양태에 따른 용접용 합금은 주조되고 15cm × 3cm × 1cm의 치수를 갖는 직사각형 잉곳으로 방향성 응고되거나, 또는 약 2cm의 직경을 갖는 막대로 열 압출되었다. 이후에, 산화용 핀은 전자-방출 기계가공법(electro-discharge machining; EDM)에 의해 형성되고, 등온산화를 수행하였다. 선택된 합금의 결과는 도 2 및 3에 도시되어 있다. y축의 중량 변화는 산화의 정도를 나타낸다. 샘플의 중량은 처리를 통해 규칙적으로(약 1회/일) 측정되었다. 그래프에 의해 분명히 도시되는 바와 같이, 본 발명의 양태에 따른 합금은 시판중인 합금 X에 비해 내산화성이 확연히 우수한 것으로 나타났다. 600시간 동안 1900℉에서, 합금 A 및 D는 산화로 인해 40mg/cm²미만, 더욱 특히 30mg/cm²미만을 소모하였다. 특히, 합금 D는 동일한 조건하에서 10mg/cm²미만을 소모하였다.

용접용 합금은 방향성 응고된 표본의 파단성을 평가하기 위해 시험되었다. 방향성 응고는 동일한 합금에서 수행되어 표본들의 그레인 구조를 상이하게 하는 효과를 제거하였다. 다른 것들은 연마되고 미세하게 그레인화된 등축 구조를 형성하도록 열 변형되었다. 조성물 A는 2000℉ 및 3ksi에서 조성물 X보다 약 3배 개선된 파단성을 나타냈다. 조성물 D는 조성물 X보다 4배 개선된 파단성을 나타냈다. 유사한 결과들이 본 발명의 양태에 따른 다른 합금 조성물에서도 입증되었다.

본 발명의 양태에 따른 몇몇 용접용 합금은 또한 맞대기용접(butt-welding) 시험을 수행하였다. 여기서, 상기 합금은 TIG 용접법에서 2개의 니켈계 초합금판 사이에서 충전재 물질로서 사용되었다. 비교 시험으로, 합금 조성물 A가 2000℉ 및 3ksi에서 파단성면에서 시판중인 합금 IN 617보다 약 30% 증가되고, 1900℉ 및 5ksi에서 파단성면에서 IN 617보다 600% 증가되는 것으로 입증되었다. 이와 유사하게, 조성물 D가 2000℉ 및 3ksi에서 파단성면에서 합금 IN 617보다 약 40% 증가되고, 1900℉ 및 5ksi에서 파단성면에서 IN 617보다 35% 증가되는 것으로 입증되었다. 선행의 결과는 합금이 버킷 및 블레이드의 선단 보수에 적용하기에 충분한 크리프 파단성을 갖는 것을 입증하는 것이다.

실온에서의 추가 인장 강도 시험은 합금이 실온에서 용이하게 용접가능한 충분한 항복 강도, 극한 인장 강도 및 신장성을 갖는다는 것을 입증하였다. 즉, 상기 합금들은 필수 실온 연성을 갖는다. 상기 합금들은 일반적으로 약 40ksi 이상의 항복 강도, 및 약 75ksi 이상 및 전형적으로는 약 80 내지 90ksi의 극한 인장 강도를 가졌다. 추가로, 고온 장력 시험은 합금이 버킷 및 블레이드의 선단 보수에 적용하기에 충분한 인장 강도를 갖는다는 것을 나타내며, 여기서 조성물은 1800℉에서 약 20 내지 25ksi의 인장 강도를 가졌다.

본 발명의 양태에 따르면, 고용 강화된 합금 조성물은 필수 실온 용접가능성, 고온 강도, 고온 크리프 파단성 및 고온 내산화성을 갖도록 제공되었다. 본 발명의 양태가 본원에 구체적으로 기술되었지만, 당해 분야의 숙련자라면 본 발명의 변형된 양태가 가능하며 첨부된 특허청구범위의 범주내에 여전히 속하리라는 것을 알 것이다.

본 발명에 따른 고용 강화된 초합금 용접용 조성물은 필수 실온 용접가능성, 고온 강도, 내크리프성 및 고온 내산화성을 나타낸다.

Claims

약 10중량% 이하의 Co, 약 18 내지 약 22중량%의 Cr, 약 0.2 내지 약 0.7중량%의 Al, 약 15 내지 약 28중량%의 총 내화 원소들, 약 0.09중량% 이하의 C, 약 0.06중량% 이하의 Zr, 약 0.015중량% 이하의 B, 약 0.4 내지 약 1.2중량%의 Mn, 약 0.2 내지 약 0.45중량%의 Si, 및 나머지의 Ni와 전형적인 불순물로 필수적으로 이루어진 고용 강화된 초합금 용접용 조성물.
제 1 항에 있어서,

내화 원소들이 Ta, Mo 및 W를 포함하는 조성물.
제 1 항에 있어서,

내화 원소들이 Mo 및 W를 포함하며, Mo과 W의 합이 약 16 내지 20중량%인 조성물.
제 1 항에 있어서,

내화 원소들이 약 16 내지 19중량%로 존재하는 W을 포함하는 조성물.
제 4 항에 있어서,

C가 약 0.02중량% 이상으로 존재하고, Zr이 약 0.01중량% 이상으로 존재하고, B가 약 0.005중량% 이상으로 존재하는 조성물.
제 5 항에 있어서,

약 21중량%의 Cr, 약 0.4중량%의 Al, 약 18중량%의 W, 약 0.07중량%의 C, 약 0.03중량%의 Zr, 약 0.01중량% 이하의 B, 약 0.7중량%의 Mn, 약 0.35중량%의 Si, 및 나머지의 Ni과 전형적인 불순물로 필수적으로 이루어진 조성물.
약 0 내지 약 10중량%의 Co, 약 18 내지 약 22중량%의 Cr, 약 0.2 내지 약 0.7중량%의 Al, 약 15 내지 약 28중량%의 총 내화 원소들, 약 0.09중량% 이하의 C, 약 0.06중량% 이하의 Zr, 약 0.015중량% 이하의 B, 약 0.4 내지 약 1.2중량%의 Mn, 약 0.2 내지 약 0.45중량%의 Si, 및 나머지의 Ni과 전형적인 불순물로 필수적으로 이루어진 보수된 영역, 및 비손상된 영역을 포함하는 보수된 터빈 엔진의 구성요소.
제 7 항에 있어서,

에어포일(airfoil)이며, 보수된 영역이 상기 에어포일의 선단인 구성요소.
제 8 항에 있어서,

에어포일이 발전용 터빈 엔진의 버킷(bucket)인 구성요소.
제 8 항에 있어서,

에어포일이 비행기용 터빈 엔진의 블레이드인 구성요소.
제 7 항에 있어서,

터빈 노즐 또는 터빈 베인(vane)인 구성요소.
제 7 항에 있어서,

보수된 영역이 노즐 또는 베인의 전방 가장자리 영역을 따라 위치하는 구성요소.