KR20030074321A - 터빈 엔진 부품의 수리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 날개를 구비한 바람개비 및 블레이드와 같은 터빈 엔진 부품의 수리방법에 관한 것이다. 상기 방법은 열장벽 코팅 파편 및/또는 산화 손상을 나타내는 구역을 블랜딩하여 상기 부품의 부분으로부터 산화물 잔해을 제거하는 단계; 상기 부품으로부터 세라믹 절연층을 제거하는 단계; 및 홈, 눌린 자국 및 크랙이 위치하는 상기 부품의 표면을 블랜딩하는 단계를 포함한다. 상기 부품이 감손 알루미늄 구역을 갖는다면, 상기 감손 구역을 제거하거나 보충한다. 추가로, 상기 부품의 끝부분이 손상을 입었다면, 상기 부품의 끝부분을 복구하고 끝 연마제를 적용하여 상기 부품의 절단능력을 복구한다. 그후, 세라믹 코팅을 상기 부품에 적용한다.

Description

터빈 엔진 부품의 수리방법{METHOD FOR REPAIRING TURBINE ENGINE COMPONENTS}

본 발명은 날개(airfoil)를 구비한 블레이드(blade) 및 바람개비(vane)와 같은 터빈 엔진 부품의 수리방법에 관한 것이다.

열장벽 코팅(thermal barrier coating)은 구체적으로 날개와 같은 터빈 엔진 부품에 사용하여 금속 온도를 낮추며, 그로인해 부품의 수명을 연장시킨다. 일반적으로, 열장벽 코팅은 이중층(bi-layer) 시스템으로 이루어진다. 결합 피복이라 칭하는 금속코팅, 일반적으로 하프늄 및 실리콘을 함유한 MCrAlY 또는 확산 알루미나이드(diffusion aluminide)은 부품의 초합금 기질 부분, 1차 층으로서 통상적으로 니켈 계열 또는 코발트 계열 초금속 기질에 적용된다. 상기 결합 피복은 산화 및 부식을 방지한다. 그 후 절연 세라믹층, 일반적으로 7 중량% 이트리아로 부분적으로 안정화된 지르코니아가 상기 결합 피복 위에 증착된다. 상기 결합 피복은 많은 터빈 엔진 부품에 사용되는 니켈 계열 또는 코발트 계열 초합금 기질이 적당한 산화 저항을 가지지 않기 때문에 통상적으로 필요로 한다.

최근에, 전체적으로 충분한 산화 저항을 나타내는 새로운 종류의 초합금들이 개발되었다. 이러한 것들은 이트륨과 같은 산소 활성 원자를 함유한 니켈 계열 초합금 및 환원된 황을 함유한 니켈 계열 초합금을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 이러한 초합금으로부터 형성된 터빈 엔진 부품에 있어서는, 상기 결합 피복은 제거되고 세라믹 절연층이 직접 기질 위에 증착된다. 그 전에, 이러한 새로운 초합금으로 형성된 상기 부품을 처리하여 상기 기질 합금에 상기 세라믹 물질의 부착을 향상시킨다. 이러한 타입의 부품들은 향상된 열장벽 코팅 조각이 존재하게 된다.

최근의 개발에도 불구하고, 블레이드 및 바람개비의 날개 부분과 같은 터빈 하드웨어 부품은 하나 이상의 표면 위에 조각(spall) 및 산화물 잔해(oxidation debris)를 발생시킬 것이다. 추가로, 상기 터빈 엔진 부품은 그것들이 과도하게 작동하는 환경에서 크랙, 홈 및 눌린 자국이 발생하게 될 것이다. 일정한 시간이 지난 후 터빈 엔진으로부터 상기 부품을 일정하게 제거하고 그것들을 다시 닦아서 조각, 산화물 잔해, 크랙, 홈, 및/또는 눌린 자국을 제거할 필요가 있다.

종래 수리 기술에서는, 상기 세라믹 절연층을 다른 단계 전에 제거하였다. 그 결과로서, 산화 및/또는 조각이 위치하는 상기 터빈 엔진 부품의 부분을 확인하기에 어려워져, 수리를 필요로하는 부품의 부분을 너무 쉽게 놓치기 되어 매우 바람직하지 못했다.

따라서, 본 발명의 목적은 터빈 엔진 부품의 향상된 수리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 광범위한 터빈 엔진 부품의 수리에 사용할 수 있는 수리방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적은 본 발명의 수리방법에 의해 달성되어진다.

본 발명에 따르면, 절연 세라믹층을 구비한 터빈 엔진 부품의 수리방법은 대략적으로 터빈 엔진 부품에 산화물 잔해를 제거하는 단계, 상기 터빈 엔진 부품으로부터 상기 세라믹층을 제거하는 단계 및 그 후 터빈 엔진 부품의 노출된 부분을 블랜딩하여 홈, 눌린 자국, 및/또는 크랙을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 추가로 알루미늄이 고갈된 부분을 제거하거나 보충하는 단계를 포함한다. 또한 상기 방법은 상기 터빈 엔진 부품의 끝을 복구한 후 끝 연마제(tip abrasive)를 적용하여 절단력을 복구시키는 단계를 포함한다. 마지막으로, 세라믹 코팅을 상기 수리된 터빈 엔진 부품에 적용한다.

본 발명의 수리방법의 다른 세부사항, 목적 및 거기에 수반되는 장점은 하기 상세한 설명에 기술하였다.

본 발명의 수리방법은 날개 부분을 구비한 블레이드 및 바람개비를 포함하는 광범위한 터빈 엔진 런 부품(turbine engine run cpmponents)에 적용될 수 있으나, 그에 한정되는 것은 아니다. 상기 부품은 결합 피복을 포함하는 이중층 열장벽 코팅 및 세라믹 절연층으로 둘러싸이거나, 또는 세라믹 절연층만으로 둘러싸인 것일 수 있다.

상기 수리방법은 상기 부품의 앞날 및 뒷날, 예를들어 날개부분의 앞날 및 뒷날과 같은, 열장벽 코팅 조각 또는 산화가 이루어진 특정한 부품 위의 구역을 확인하는 것부터 시작한다. 상기 구역을 바람직하게는 수작업을 통하여 수월하게 블랜딩함으로써, 산화물 잔해를 제거하고 각각의 손상된 구역을 매끄럽게 한다. 본 기술 분야에 알려진 적당한 수동 블랜딩 기술이 상기 첫 번째 단계를 수행하기 위해 사용될 수 있다.

블랜딩 작업 이후, 상기 세라믹 절연층을 상기 부품으로부터 제거한다. 상기 세라믹층의 제거는 오토클래이브(autoclave)에서 고압 알칼리 용액에 노출시키거나, 그릿블라스팅(grit blasting) 또는 물분사기(waterjet)의 사용과 같은 다양한 방법에 의해 수행된다. 240 알루미나 그릿(grit)을 사용한 그릿블라스팅은 적은 시간이 소요되고, 경제적이며, 어디서든 수행할 수 있어 상기 세라믹층을 제거하기에 바람직한 접근방법이다. 만약 오토클레이브에서 상기 부품을 고압 알칼리 용액에 노출시키는 접근방법을 선택하면, 275 내지 425 psi의 압력과 400℉ 내지 480℉의 온도에서 45 %의 가성 칼륨 용액을 사용할 수 있다. 만약 물분사기를 사용하여 상기 세라믹층을 제거하는 방법을 선택하면, 상기 물분사기는 연마용 그릿을 함유해서는 안된다.

상기 세라믹층 제거후, 날개 및/또는 플랫폼 표면과 같은 상기 부품의 표면을 수월하게 블랜딩하여 홈, 눌린 흔적 및 크랙을 제거한다. 크랙이 발생할 수 있는 구역은 날개의 뒷날과 같은 부품의 뒷날 부분이다. 상기 블랜딩은 본 기술 분야에 알려진 적당한 수작업 기술을 사용하여 수동으로 다시 수행하는 것이 바람직하다.

엔진 노출 동안, 몇몇의 중요한 기본적인 과정이 상기 부품 기질을 형성한 초합금 및 상기 세라믹 코팅에서 발생한다. 상기 합금-세라믹 코팅 경계면에서, 보호 알루미나 스케일(scale)이 열장벽 코팅과정 동안 증가한다. 상기 보호 알루미나 스케일은 엔진을 노출하는 동안 증가한다. 상기 스케일의 성장에 필요한 알루미늄은 상기 스케일 이하가 되지마자 합금으로부터 얻어진다. 그 결과, 알루미늄 감손 구역(depleted zone)이 보호 알루미나 스케일 이하로 되자마자 상기 합금에 형성된다. 추가 감손(depletion)이 열장벽 코팅 조각 후에 발행하여 국소적으로 온도를 증가시킨다. 상기 노출된 합금(bare alloy)은 추가적인 산화에 노출되어진다. 이러한 감손 구역은 두께가 최대 0.002 인치이다; 그러나 추가적인 산화 노출과 함께 더욱 증가한다. 이러한 감손 구역을 나타내는 부품에 대해, 본 발명의 수리방법은 추가로 상기 감손 구역을 제거하거나 상기 감손 구역에 알루미늄을 보충하여 상기 수리된 합금 기질의 표면이 보호 알루미나 스케일을 계속 형성시키게 한다.

만약 상기 감손 구역을 제거하는 것을 선택한다면, 이러한 제거는 연마를 통해 상기 부품의 표면을 벨팅(belting)하거나, 알루미나와 같은 연마용 분말로 그릿블라스팅하거나, 또는 상기 부품을 산성 배양액에 담구는 전기화학적 과정에 의해 성취된다.

만약 감손 구역을 복구하는 것을 선택한다면, 국부적으로 감손 구역은 알루미늄 함유 코팅을 적절한 조성으로 적용한 후 확산시켜 알루미늄 레벨을 향상시킴으로써 회복될 수 있다. 각각의 부품에 적용되는 각각의 코팅은 부품 기질을 형성하는 상기 합금에 따라 선택되는데, 상기 합금이 강도 유지 능력 및 보호 알루미나 스케일 재형성 능력을 가질 수 있게 선택되어야 한다. 상기 코팅 조성물을 적용한 후 수행되는 확산처리는 코팅 조성물 타입(type)에 따라 선택되는데, 본 기술 분야에 알려진 적당한 확산처리 방법으로 수행될 수 있다. 일반적인 확산 처리는 알루미늄 함유 코팅 적용 후 상기 부품을 1800℉ 내지 2000℉에서 4시간 내지 20 시간동안 열처리하는 것을 포함한다.

상기 수리방법은 블레이드 또는 바람개비의 끝부분과 같이 상기 부품의 끝부분의 복원단계를 추가로 포함한다. 종종, 블레이드 또는 바람개비는 미니-스퀼러(mini-squealer) 섹션을 가지고 있다. 만약 미니-스퀼러가 존재한다면, 미니-스퀼러를 스카프 연마(scarf ground)한다. 그후, 상기 끝부분은 최소 캡 두께로 연마한다. 상기 스카프 연마 및 끝부분(tip) 연마는 본 기술 분야에 알려진 적당한 기술을 사용하여 수행할 수 있다.

상기 끝부분을 연마한 후, 일반적으로 코발트 계열 알루미늄 함유, 또는 니켈 계열 알루미늄 함유 용접 물질과 같은 용접 물질로 용접하여 본래의 형태를 복원하는 것이 필요하다. 상기 용접 단계는 본 기술 분야에 알려진 적당한 용접 기술을 사용하여 수행할 수 있다. 용접 후, 상기 끝부분을 갈아서 표면의 끝부분을 매끄럽게 하고 응력제거처리(stress relief treatment)를 수행한다. 상기 구체적으로 사용되는 응력제거처리는 상기 부품을 형성하는 합금 및 사용되는 용접 물질에 따라 선택된다.

상기 끝부분을 검사한후, 끝 연마제(tip abrasives)를 용접된 끝부분에 적용하여 상기 끝부분의 절단능력을 복구한다. 상기 끝 연마제는 용접된 끝부분에 전해질적으로 적용되는 큐빅 붕소 니트리드 입자이다. 끝부분에 큐빅 붕소 니트리드 입자(cubic boron nitride particle)를 적용하는 것이 바람직하지만, 필요하다면 다른 연마제를 적용할 수 있다.

상기 부품의 끝부분을 복구한 후, 상기 부품을 1 시간 내지 8 시간 동안 -40℉의 고정된 노점(dewpoint), 수소 분위기하에서 1900℉ 내지 2050 ℉로 열처리한다.

열처리 후, 7 중량% 이트리아로 안정화된 지르코니아 코팅과 같은 세라믹 코팅을 상기 부품에 적용한다. 상기 세라믹 코팅은 본 기술 분야에 알려진 적당한 기술을 사용할 수 있다. 일반적으로, 이러한 기술은 상기 세라믹 코팅의 적용에 수반하는 열처리 단계를 포함하며, 상기 열처리 단계는 적용되는 세라믹 코팅의 구체적인 형태에 따라 선택된다.

상술한 바와 같이, 수리방법은 효과적이고 효율적으로 터빈 엔진 하드웨어 부품의 수리함을 제공한다.

여기에서 상기에 서술한 바와 같이 목적, 방법 및 장점을 충분히 만족시키는 본 발명에 따른 터빈 엔진 부품의 수리방법을 제공함을 명확히 알 수 있다. 본 발명이 그의 구체적인 예의 배경을 기술하였으며, 다른 방안, 변형 및 변동은 상술한명세서를 읽을 수 있는 본 분야의 기술자들에게 명확하게 될 것이다. 따라서, 넓은 범위의 추가된 청구범위내에서 다른 방안, 변형 및 변동을 포함하는 것을 의미한다.

상술한 바와 같이, 수리방법은 효과적이고 효율적으로 터빈 엔진 하드웨어 부품의 수리함을 제공한다.

Claims (14)

1. 부품 위에 절연 세라믹층이 구비된 터빈 엔진 부품의 수리방법에 있어서,

   상기 방법은 상기 부품의 적어도 하나의 부분으로부터 산화물 잔해를 제거하는 단계;

   상기 세라믹층을 제거하는 단계; 및

   상기 부품의 적어도 하나의 표면을 블랜딩하여 홈, 눌린자국 및 크랙 중 적어도 하나를 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 터빈 엔진 부품의 수리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 산화물 잔해 제거 단계가 열장벽 코팅 파편 또는 산화가 나타나는 구역을 수작업으로 블랜딩하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 터빈 엔진 부품이 앞날, 뒷날, 날개 및 플랫폼을 구비한 바람개비를 포함하고, 상기 산화물 잔해 제거 단계가 열장벽 코팅 파편을 가진 상기 앞날 위의 지역을 블랜딩하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 블랜딩 단계가 상기 날개 및 플랫폼 중 적어도 하나를 대상으로 적어도 하나의 표면에 수작업으로 블랜딩하는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수리방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹층 제거 단계가 오토클레이브내 고압 알칼리 용액을 사용하여 상기 세라믹층을 제거하는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수리방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹층 제거 단계가 그릿블라스팅에 의해 상기 세라믹층을 제거하는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수리방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹층 제거 단계가 물분사기를 이용하여 상기 세라믹층을 제거하는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수리방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 부품이 감손 알루미늄 구역을 가지고 있으며, 상기수리방법이 상기 감손 알루미늄 구역을 제거하는 단계를 추가로 포함하며; 상기 감손 알루미늄 제거 단계가 연마, 연마용 분말 그릿블라스팅, 전기화학적 방법을 이용하여 상기 감손 구역을 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 부품이 국부적으로 감손 알루미늄 구역을 가지고 있으며, 상기 수리방법이 알루미늄 레벨을 증가시켜 상기 국부적으로 감손 알루미늄 구역을 회복하는 단계를 포함하며; 상기 회복 단계가 상기 국부적으로 감손 알루미늄 구역이 위치된 상기 부품의 표면에 알루미늄 함유 물질을 적용하고, 상기 알루미늄 함유 물질을 상기 표면에 확산시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 부품의 끝부분을 복구하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 끝부분이 미니-스퀼러를 가지고 있으며, 상기 복구 단계가 상기 미니-스퀼러 부분을 스카프 연마하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.
12. 제 10항에 있어서, 상기 끝부분 복구 단계가 최소 캡 두께로 상기 끝부분을 연마하고 상기 끝부분에 용접 물질을 적용하고 상기 용접 물질이 적용된 끝부분을 열처리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 용접된 끝부분에 연마용 물질을 적용하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.
14. 제 1항에 있어서, 상기 수리된 부품을 열처리한 후 상기 부품에 세라믹 코팅층을 적용하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수리방법.