KR20030076983A - 금속성 세포 구조 - Google Patents

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KR20030076983A KR10-2003-7006986A KR20037006986A KR20030076983A KR 20030076983 A KR20030076983 A KR 20030076983A KR 20037006986 A KR20037006986 A KR 20037006986A KR 20030076983 A KR20030076983 A KR 20030076983A
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더 웨스타임 코퍼레이션
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Abstract

우수한 제조성, 최적의 경납접성, 특히 금속 지지 구조에 경납땜된 후 우수한 구조적 집적성 및 항산화성을 갖는 금속 포일 또는 시트로부터 제조되는 신규한 벌집 모양의 구조를 갖는 연마용 터빈 실이 제공된다. 특히, 이러한 구조를 생산하기에는 MCrAlY(M=Ni, Fe, Co 또는 이들의 조합) 포일 및 시트 금속들이 적절하다.

Description

금속성 세포 구조{Metallic cellular structure}
얇은 시트 금속 또는 금속 포일로 형성된 세포 구조는 중량이 가벼우면서 균일성이 우수한 중량 비율 및 우수한 기계 에너지 흡수능력 및 음향 제동을 구비하기 때문에, 공간 및 우주 공간, 특히 제트 엔진에서의 적용에 있어서 흥미를 끈다. 저밀도에 의한 직접적인 결과로서 세포 구조는 쉽게 연마되며, 이러한 특성은 제트 엔진 및 발전용으로 이용되는 고정 가스 터빈에 이용되어 고정 보호판과 회전 블레이드 요소 사이의 갭을 감소시켜서, 가스 터빈 사이클의 효율을 향상시킨다. 연마용 실로 이용되는 세포 구조는 회전 블레이드와 연마 세포 구조를 이송하는 구조에 손상을 주지 않으면서 회전 블레이드의 단부 또는 나이프 가장자리가 이 세포 구조를 절단하기에 충분한 연성을 갖으며, 반면에 고온에서 발생할 수 있는 정전기 및 고주파수 진동 부하, 마모, 주기적인 열적 스트레스 및/또는 가탄 충격을 견디기에 충분한 강도를 가져야 한다. 더욱이, 상기 실(seal)은 열적 쇼크 및 낮은 주기적 피로 부하 하에서 균열되지 않아야 한다. 다시 말하면, 가스 경로용 실로 사용되는 세포 구조는 뜨거운 가스로 인한 침식에 저항력이 있어야 하며, 장시간에 걸친 많은 순환 사이클을 거치는 동안 실에 가해지는 기계적 및 열적 부하를 견디도록 구조적으로 우수한 집적성 및 치수 안정성을 장기간 동안 유지하여야 한다.
종래의 연마용 세포 가스 경로 실은 고도로 합금된 오스테나이트계 스테인레스 스틸과 니켈계 합금으로부터 제조되어, 시트 또는 포일에 리본을 주름잡고 이웃하는 주름잡힌 리본들의 인접하는 벽들이 노드(node)와 같은 이중벽으로 형성되어 있는 주름잡힌 시트들을 함께 용접함으로써 정육각형의 세포들을 구비하게 된다.
1975년 2월 18일자로 발부된 미국 특허 번호 제 3,867,061 호는 벌집 모양의 세포 벽들이 니켈계 내열 합금으로 이루어지며 벌집 모양의 단편들이 지지링에 경납땜되거나 저항 용접되는 터빈용 회전자 블레이드용의 종래의 벌집 모양의 보호판을 개시한다.
1977년 12월 20일자로 발부된 미국 특허 번호 제 4063,742 호는 종래의 벌집 모양의 장치에 의해서 제조되는 종래의 벌집으로 이루어지는 가스 터빈에 이용되는 종래의 연마용 유동성 실의 다른 실시예를 개시하며, 여기서는 각각 한 쌍의 편평한 경사면과 가장자리("소에; soe")에 동일한 길이로 서 있는 편평한 크레스트를 갖는 인접하는 세 변의 반 육각형 단편들이 크레스트에서 함께 저항 용접되어 있다.
전형적으로는, 벌집 모양 구조들은 주름지기 전에 쪼개어지는 리본의 너비에 의해서 결정되는 높이를 갖는 3차원 몸체를 갖도록 구조층을 층별로 설치함으로써 제조된다. 이러한 구조의 길이는 이중벽 또는 노드의 면과 평행하며, 이 구조의너비는 설치된 벽의 방향에 의해서 표시된다. 이러한 세포 몸체는 외장 시트에 경납땜되어 그 사이에 개입된 외판을 형성하거나, 링 또는 링 단편들의 뒷판에 경납땜되어 실을 형성한다. 이때, 세포 몸체의 접촉면은 소에면이 된다. 이러한 경납땜은 세포 구조체를 외장 시트 또는 뒷판에 결합시킬 뿐만 아니라 세포 구조 자체의 강성(stiffness)에 크게 기여한다. 액체 상태의 경납땜 합금은 모세관 현상에 의해서 노드의 인접하는 두 개의 멱에 의해서 형성되는 갭을 증가시켜서, 상기 노드 벽들의 접경 면들을 적시고, 경납땜용 충전 금속의 재응결(resolidification) 후에 경화된 세포 구조를 형성한다. 노드 벽 상부로 흐르는 경납땜 흐름은 "위킹(wicking)"이라 불린다. 이러한 위킹은 경납땜된 세포 구조에 열적 및 기계적 복합 부하를 견딜 수 있는 고온에서의 우수한 기계적 반응을 공급함에 있어서 중요한 역할을 한다.
터빈 엔진 실 단편들 또는 링을 제공하기 위해서 가장 통상적으로 이용되는 방법은 소에 세포 구조와 뒷판 면을 접경면들 사이에 경납땜 충전재용 금속 포일, 테이프 또는 경납땜용 파우더를 개입시켜서, 이 어셈블리를 함께 경납땜하는 것이다. 액상의 경납땜용 금속은 향상된 구조적인 강성을 부여하기 위해서 노드들의 전체 깊이를 따라 상부로 이동하여야 한다. 로터 블레이드 말단 또는 나이프 가장자리와 마찰되는 노출면은 또한 기계적 부하, 마모, 및 온도의 복합이 가장 극심하게 일어나는 면이어서 우수한 구조적 집적성을 필요로 한다. 경납땜 동안 부적절한 위킹이 달성되면, 두 가지의 단점이 발생한다. 첫 번째는, 서비스 중에 실 몸체의 조숙 과실을 야기할 수 있는 형상의 저안정성을 귀결하는 세포 구조가 미경화성되는 것이며, 두 번째는, 경납땜용 합금이 노드 위를 흐르는 양보다 뒷판에 잔존하여 액상으로 확산에 의해서 뒷판 재료 및 세포 포일 합금 구조를 통과하는 경납땜 충진 금속의 양이 더 많아지게 된다. 이는 적어도 접합부에서 뒷판과 포일 금속 합금의 화학적 및 기계적 특성을 변경하는 중요한 효과를 갖는다.
고온에서 항산화성 및 항가탄성을 필요로 하기 때문에, 뜨거운 가스에 대하여 우수한 내식성을 갖는 시트 또는 포일 금속이 터빈 실의 제조에 이용되어야 한다. 금속의 항산화성 및 항가탄성은 기저 금속을 추후의 손상으로부터 보호하는 표면 산화층의 형성에 기인한다. 종래의 마모 세포 실에 이용되는 니켈계 합금 및 고도로 합금된 오스테나이트계 스테인레스 스틸은 상기한 보호성을 제공하기 위해서는 크로미아(chromia; Cr2O3) 또는 혼합 (Cr2O3/NiO) 산화물에 의존한다. 터빈 엔진에서 발견되는 극도의 고온 또는 고속으로 흐르는 연소 가스 분위기에서, 이러한 보호의 타입은 John Wiley & Sons, Inc.에 의해서 1987년에 발행된 James L. Smialek 및 Gerald H. Meier의 저서로 Chester T. Sims 및 외에 의해서 편집된 초합금(Superalloys)에서 설명되는 바와 같은 Cr2O3의 휘발성 CrO3로의 추가적인 산화에 의해서 비안정적이게 된다. 상기 논문집에서, 본 저자들은 Al을 고농도로 포함하며 고용량의 크롬(Cr), 및 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 하프늄(Hf), 이테르븀(Yb), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm) 또는 란탄(La)과 같은 희토류 금속들의 첨가로 강화되는 금속 상에 형성되는 알루미나(Al2O3)의 사용으로 더 우수한 보호성이 얻어진다. 이 금속은 MCrAlX 합금이라고 불리며, 여기에서 X는 첨가된 희토류 금속을 나타내며, M은 Ni, Fe, Co, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되어지는 주 합금 성분이다. 희토류 금속으로서 이트륨(Y)이 선택되는 경우에는, MCrAlY라고 하는 합금이 얻어진다. MCrAlY 합금은 1992년 5월 26일자로 발부된 W.J.Brindley 및 외에 의한 미국 특허 번호 제 5,116,690 호에 개시된다. 다른 특허들, 즉, 1977년 7월 5일자로 R.J.Hecht에게 발부된 미국 특허 번호 제 4,034,142 호 및 1985년 3월 5일자로 A.R.Nicholls에게 발부된 미국 특허 번호 제 4,503,122 호는 뜨거운 가스의 공급에 대하여 우수한 자발 보호성을 갖는 이와 유사한 MCrAlY 합금을 설명한다. 상기한 특허들은 모두 피복층으로의 MCrAlY 합금의 이용을 설명하고 있을 뿐, 용접된 세포 구조를 제공하는 포일의 형태인 구조적인 재료로서의 MCrAlY 합금의 이용을 설명하지는 않는다.
전형적으로는 2~6 중량%의 범위로 하며 작업성을 유지하기 위해서는 적어도 6~7%의 상한 한도를 갖는 고농도의 알루미늄을 포함하는 재료를 말아 감는 것은 어렵기 때문에, 얇은 시트 또는 포일의 형태인 MCrAlY 합금을 얻는 것은 힘들다. 얇은 시트 또는 포일의 형태가 입수될 수 있다고 하더라도, MCrAlY 재료는 주름을 잡아 상기한 바와 같은 세포 구조로 형성되기가 어렵다. 특히, 첨가된 이트륨(Y)의 일부 또는 모두는 산화이트륨(Y2O3)의 형태로 존재하며 및/또는 합금 매트릭스 알루미늄 부분은 매트릭스 알루미나의 형태로 존재하는 경우, 이러한 재료들은 주름잡힌 리본으로 형성되기가 어렵다. 이러한 합금들의 불충분한 형태 형성은 어떠한 예리한 모서리들도 가지고 있지 않은 최적의 형상으로부터 크게 벗어나는 세포 구조를 야기하며, 경납접성(brazeability)을 포함하는 주름에 의해서 단지 상대적으로 큰 굴곡 반경을 갖는 둥글려진 구조만이 얻어질 수 있다. 이는 특히 두꺼운 수치들을 갖는 MCrAlY 포일 또는 시트 금속에 있어서는 그러하다. 고온에서 사용되는 경우에, 사용되는 MCrAlY 시트 또는 포일의 두께는 박리성 산화를 피하기 위하여 소정의 최소 하한보다는 커야만 한다. 보호용 알루미나 절편의 직선 형태로의 성장 또는 고온에서의 산화 시에 보호용 절편의 반복적인 파쇄 및 자동 재건에 의해서 포일 또는 시트 금속의 전체 알루미늄 농도가 소비되어 소정의 극한값 미만으로 하락되는 경우, 박리성 또는 재해성 산화가 발생한다. 이러한 현상은 1994년에 W.Quadakkers 및 K.Bongartz에 의해서 발행된 Werkstoffe und Korrosion 45의 232-241 페이지에 설명되어 있다. 상기 저자들은 박리성 산화의 개시를 지연하기 위해서 MCrAlY 합금에서의 Al를 초기 고농도로의 이용 및 보다 두꺼운 포일 또는 시트의 사용을 제안한다. 그러나, 이러한 두 방법의 처치들은 모두 세포 구조로 형성되어 후면 시트 금속 링, 시트 금속 링 단편들 또는 주조 후면 부재에 경납땜될 때의 재료의 형태 형성성 및 경납접성에 불리하게 작용한다.
우수한 기하학적 특징을 갖는 세포 형상으로 연속적으로 형성된다고 하더라도, MCrAlY 재료는 알루미늄(Al)과 이트륨(Y), 또는 산화이트륨(Y2O3)을 많은 양으로 포함하기 때문에 경납땜되기가 어렵다. 산소에 대한 알루미늄의 높은 친화성 때문에, MCrAlY 금속면에 안정적이며 밀접하게 부착되는 알루미나 단편들을 형성하려는 강한 경향성이 생겨서, 이는 젖음성과 연마용 터빈 엔진 실로 이용되기 위한세포 구조의 구조적인 강성을 획득하기 위해서 요구되는 경납땜 위킹을 감소시킨다. 이와 유사하게, 이트륨은 경납땜 흐름을 정지시키는 스토퍼로 작용하는 매우 안정적인 산화이트륨(Y2O3)을 형성하도록 산소에 대하여 매우 강한 친화성을 갖는다. 그러므로, 전형적으로 6~30 중량%의 Cr, 2~7 중량%의 Al, 0.005~0.6 중량%의 Y, 및 Zr, Ti, Hf, La, Ce, Er, Yb, Pr, Nd, Sm으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 다른 반응 요소들, 및 Fe, Ni, Co로 이루어진 그룹에 속하는 하나 또는 그 이상의 요소들을 나머지로 포함하는 MCrAlY 합금은 경납땜하기가 극히 어렵고, 그러므로 연마용 실 시스템의 세포 구조에 이를 이용하기가 어렵다.
H.Bode에 의해 편집되어 Werkstoff Informationsgesellschaft mbH, Frankfurt에 의해서 1997년에 발행된 "Metal-Supported Automotive Catalytic Converters" 17~31 페이지에서, H.Bode는 자동 추진 촉매의 지지 구조로 고온에서 이용되기 위한 MCrAlY 포일 합금으로부터 제조되는 세포 구조를 설명한다. 이 세포 구조는 편평하거나 극히 작은 주름이 잡힌 포일과 사인 곡선 형태의 봉우리를 갖는 주름잡힌 포일의 층들을 교차시킴으로써 형성된다. 사인 곡선 형태로 주름잡힌 포일은 Fe-Cr-Al-Y 합금들을 이용하여 제조될 수 있다.
1995년 3월 9일자로 공고된 PCT 출원 번호 제 PCT/EP95/00885 호(WO95/26463)는 전기 저항이 증가되도록 6 중량%를 초과하는 알루미늄을 갖는 MCrAlY 합금으로부터 제조된 금속성의 세포 구조를 개시한다. 6 중량%를 초과하는 알루미늄을 갖는 MCrAlY 합금은 형상을 형성하기에 어렵기 때문에, 이러한 세포 구조는 금속 파우더 또는 금속-세라믹 파우더의 사출 또는 금속 포일의 급속 응결에 의해서 제조된다.
본 발명은 연마 가스 터빈 실(abradable gas turbine seal)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온의 산화 및/또한 가탄 가스 환경에서의 작업에 적절한 금속성 세포 구조를 갖는 신규한 터빈 실에 관한 것이다.
도 1은 종래의 벌집 모양의 세포 구조의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 신규한 벌집 모양의 세포 구조의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 벌집 모양의 세포 구조의 사시도이다.
도 4는 뒷판에 경납땜으로 부착되기 전의 도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 벌집 모양 구조의 사시도이다.
본 발명에 따르면, 바람직하게는 금속 후면 구조에 경납땜된 후에 우수한 구조적 집적성과 강성을 갖는 MCrAlY 합금 금속 포일 또는 시트로부터 제조되어 고온에서 장기간 동안 치수적 안정성을 나타내는 신규한 세포 구조를 제공한다.
이러한 구조는 벌집 모양의 세포 구조의 신규하며 연장된 세포 형상을 통하여 성취된다. 본 발명에 따르면, 이러한 세포 구조는 이중 벽 크레스트들 또는 노드들의 방향에 평행하는 방향으로 연장되며, 더욱 상세하게는, 편평한 크레스트에 의해서 연결되는 교호하는 편평한 경사면들을 각각 갖는 복수 개의 접경하는 반 육각형의 주름잡힌 금속 띠 조각들을 포함하며, 접경하는 띠 조각들은 인접하는 편평한 크레스트에서 용접에 의해서 함께 결합되어 일반적으로 육각형의 세포들을 형성하며, 경사면들은 동일한 길이를 갖고 크레스트들은 경사면들보다는 더 긴 길이를 갖음으로써 서로 마주 보는 경사면들의 면들 사이의 거리(b)에 대한 인접하는 띠 조각들의 마주 보는 편평한 크레스트들 사이에서 측정되는 세포 너비(w)는 1.15:1.0보다 큰 b:w 비율을 갖는다. 바람직하게는, b:w의 비율은 1.2 내지 2.0:1.0이며, 더욱 바람직하게는, b:w의 비율은 1.3 내지 1.6:1.0이다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 반 육각형의 주름잡힌 금속 띠 조각들은 13 내지 27 중량%의 Cr, 2 내지 7 중량%의 Al, 0.005 내지 0.6 중량%의 Y, 0.6 중량%까지의 Zr, 0.6 중량%까지의 Hf, 0.6 중량%까지의 Ce, 6 중량%까지의 La, 6중량%까지의 Si, 0.6 중량%까지의 Mn, 0.6 중량%까지의 Ti 및 0.3 중량%까지의 C로부터 선택된 적어도 하나의 원소들, 및 불순물과는 별개로 Fe, Ni, 또는 그의 조합인 나머지로 이루어진 포일 금속 또는 시트 금속 합금이다. 더욱 바람직하게는, 철의 함량은 Fe, 나머지 Fe, Ni, 또는 그의 조합으로부터 적어도 6 중량%이다.
본 발명에 따른 신규한 벌집 모양 구조는 금속 뒷판 및 가장자리에 설치 부착되는 벌집 모양의 구조를 포함하는 제트 엔진 또는 고정 가스 터빈과 같은 가스 터빈에서 연마용 실로 이용될 수 있으며, 벌집 모양의 구조는 MCrAlY의 금속 포일 또는 시트 금속으로 이루어진다. 바람직하게는, 금속 후면 부재는 후면 시트 금속 링, 시트 금속 링 조각들 또는 주조 후면 부재의 형태인 니켈계 합금이며, 벌집 모양 구조를 제조하기 위해서 이용되는 금속 포일 또는 시트 금속은 0.100㎜ 내지 0.400㎜의 두께를 갖는다.
이하, 첨부하는 도면을 참조로 하여 본 발명의 연마용 가스 실이 설명된다.
도면을 참조로 하면, 도 1은 종래의 벌집 모양의 세포 구조(10)를 도시한다.이 세포 구조(10)는 세 변을 갖는 반 육각형의 형상을 갖으며 소정의 길이(m)를 갖는 인접하는 편평한 매개 크레스트(18, 19)에 의해서 연결되는 길이(k)를 갖는 한 쌍의 편평한 경사면(14, 16)으로 구성되는 주름잡힌 금속 포일 또는 시트 금속의 복수 개의 띠 단편들(12)로부터 제조된다. 이 때, 길이(m)는 길이(k)와 동일하다(m=k). 인접하는 띠 조각들(12, 12a, 12b)은 그들의 접경 크레스트(18, 19)에서 저항 용접(resistance welding) 또는 레이저 스팟 용접(laser spot welding)에 의해서 함께 결합되어, 스트립들이 도시되지는 않은 시트로부터 쪼개어지는 너비에 의해서 결정되는 높이를 갖는 3차원 몸체(10)를 형성한다.
벌집 모양의 세포 구조(10)는 세포 너비(w)에 직교하는 (L)로 표시되는 방향에 평행하는 장축을 갖는다. 인접하는 띠 조각(12, 12a, 12b)의 마주 보는 경사면(14, 14와 16, 16)의 면들 사이의 거리(b)는 거리(w)와 동일하다, 즉, b:w=1.
이제, 도 2를 참조로 하면, 본 발명의 벌집 모양의 세포 구조(30)는 세 변을 갖는 반 육각형의 형상을 갖으며 소정의 길이(m)를 갖는 인접하는 편평한 매개 크레스트(38, 39)에 의해서 연결되는 길이(k)를 갖는 한 쌍의 편평한 경사면(34, 36)으로 구성되는 금속 포일 또는 시트 금속의 복수 개의 주름잡힌 띠 조각들(32)로부터 제조된다. 이 때, 길이(m)는 길이(k)보다 길다. 인접한 띠 조각들의 마주 보는 편평한 크레스트(38, 39) 사이에서 측정되는 셀 너비(w)는 마주 보는 경사면(34, 34 및 36, 36)의 면 들 사이의 거리(b)보다 짧다. 즉, b:w는 적어도 1.15:1.0, 바람직하게는 1.2 내지 2.0:1.0, 더욱 바람직하게는 1.3 내지 1.6:1.0이다. 아니면, 셀 길이(y)를 참조로 하면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 셀 너비(w)에 대한 비율(y/w)은 적어도 2.30:1.0 이어야 한다. 도 1 에서의 y:w의 비율은 1.155:1.0이다.
1.15:1.0을 초과하는, 바람직하게는 1.2:1.0 내지 2.0:1.0, 더욱 바람직하게는 1.3:1.0 내지 1.6:1.0의 b:w 비율을 갖는 벌집 모양의 세포 구조는 본 발명의 MCrAlY들로부터 제조되는 벌집 모양의 세포 구조에 대하여 100% 까지의 우수한 경납땜 위킹을 항상 제공하는 것으로 알려져 있다. 인접하는 띠 조각들(32, 32a, 32b)은 그들의 접경 크레스트(38, 39)에서 저항 용접(resistance welding) 또는 레이저 스팟 용접(laser spot welding)에 의해서 함께 결합되어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 띠 조각들의 너비에 의해서 결정되는 높이(H), 길이(L), 및 너비(B)를 갖는 3차원 몸체(30)를 형성한다. 링 보호판(도시되지 않음)의 뒷판(46)의 면(44)과 접경하는 면(42)을 갖는 가장자리에 위치하는 벌집 모양의 구조(30)는 연마용 터빈 실로 사용되기 위한 실 구조를 형성하기 위하여 링 보호판의 뒷판(46)에 경납땜된다. 뒷판(46)은 제트 엔진의 가스 터빈 또는 고정 가스 터빈의 보호판의 일부를 형성하는 니켈계 합금의 후면 시트 금속 링, 시트 금속 링 조각들, 또는 주조 후면 부재일 수 있다.
본 발명의 바람직한 금속 포일 또는 시트 금속은 6 내지 30 중량%의 Cr, 2 내지 7 중량%의 Al, 0.005 내지 0.6 중량%의 Y, 적어도 0.6 중량%로 Zr, Hf, Ce, La, Si, Mn, Ti로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소들, 0.3 중량%의 C, 적어도 6 중량%의 Fe, 및 불순물과는 별개로 Fe, Ni, 또는 그의 조합으로이루어진 나머지 요소로 이루어진다.
벌집 모양의 세포 구조(30)는 저항 용접 또는 레이저 스팟 용접에 의해서 뒷판(46)에 부착된다. 이어서, 파우더 형태인 경납땜 충진 금속이 제공되어 수직으로 정렬된 세포들을 경납땜 파우더로 충진하며, 어셈블리는 종래의 진공 반응로에서 대략 2 내지 8분 동안 경납땜 파우더의 상기한 융점까지, 바람직하게는 1,190℃ 내지 1,215℃의 범위로 가열되어 벌집 모양의 세포 구조의 노드 벽을 용융하고 적시며 이중의 노드 벽을 모세관 현상에 의해서 들어올려 뒷판에 그 구조를 효과적으로 결합시키며 벌집 모양의 세포 구조를 경화시킨다. MCrAlY 벌집 모양의 세포 구조에 이용되기에 적절한 코발트계 경납땜용 충진 금속 합금은 19 중량%의 Cr, 17 중량%의 Ni, 8 중량%의 Si, 4 중량%의 W, 0.8 중량%의 B, 0.4 중량%의 C 및 나머지는 Co, 또는 21 중량%의 Cr, 4.5 중량%의 W, 2.4 중량%의 B, 1.6 중량% Si, 0.1 중량%의 C 및 나머지는 Co로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 연마용 터빈 실이 하기와 같은 비한정적인 실시예들을 참조로 설명된다.
제 1 실시예:
22 중량%의 Cr, 18 중량%의 Fe, 9 중량%의 Mo, 1.5 중량%의 Co, 0.6 중량%의 W, 및 나머지 Ni로 이루어진 화학 조성을 갖는 종래의 비 MCrAlY(non MCrAlY)의 합금은 125㎛(0.125㎜, 0.005")의 두꺼운 포일을 형태로 제공되어 도 1에 도시된 55㎜의 길이(L), 35㎜의 너비(B) 및 8㎜의 노드 높이(H)를 갖는 세포 구조를 포일을주름잡거나 또는 레이저 스팟 용접하여 여섯 개의 변을 갖는 벌집 모양의 세포 형상을 형성하였다. 이러한 벌집 모양의 세포 형상은 너비(w)가 1.59㎜인 노드 벽을 형성하는 세포 벽들 사이의 최소 내부 거리로 측정되는 노드 세포 크기 및 마주 보는 단일 포일 두께 세포 벽 사이의 최소 내부 거리로 측정되는 1.59㎜의 세포 크기(d)를 갖는다. 그러므로, b:w의 비율은 1이다. 이러한 값으로부터 보통 10% 이하의 작은 편차가 공차를 위하여 허용된다. 상기한 세포 배치를 갖는 구조가 도 4에 의해서 대표되는 바와 같이 19 중량%의 Cr, 10.2 중량%의 Si, 0.03 중량%의 C, 및 나머지 Ni의 화학적 조성을 갖는 파우더 형태의 경납땜 충진 금속을 사용하여 금속성 뒷판에 용접되었다. 세포 몸체를 뒷판에 대하여 90°로 가장자리에 위치하는 노드 높이 치수(H)를 갖는 뒷판에 저항 용접한 후에, 경납땜용 합금 파우더를 전체 8.7g 세포 속으로 충진시켰다. 이 어셈블리는 1,193℃로 가열되며, 그 온도에서 6분 동안 종래의 진공 반응로에서 유지되어 경납땜용 충진 금속이 용융되어 세포 구조의 노드 벽을 적시고 이 세포 구조를 뒷판에 결합시켰다. 경납땜 후에, 경납땜 위킹 결과는 8㎜의 전체 노드 높이에 대한 경납땜용 충진제에 의한 완전한 젖음을 도시하는 노드의 퍼센트, 즉, 표면(49)에서의 경납땜용 충진 금속을 도시하는(도 4) 노드의 퍼센트를 평가함으로써 결정되었다. 이러한 결과는 조사되는 전체 114개의 노드들을 100%로 하여 평가되었다.
제 2 실시예:
20.2 중량%의 Cr, 5.8 중량%의 Al, 0.05 중량%의 Y, 0.04 중량%의 Zr, 0.04중량%의 Hf, 및 나머지 Fe로 이루어진 합금 조성을 갖는 110㎛(0.110㎜, 0.004")의 두께를 갖는 MCrAlY 합금 포일이 제 1 실시예에 도시된 바와 동일한 외부 치수 및 세포 크기를 가진 두 개의 세포 구조들로 형성되었다. 이 두 구조들은 제 1 실시예에서 이용된 동일한 뒷판 재료에 저항 용접되었으며, 제 1 실시예에서 사용된 동일한 형태 및 동일한 양의 경납땜용 충진 금속이 세포 내부를 충진하였다. 이어서, 어셈블리들은 제 1 실시예의 어셈블리와 동일한 반응로에서 경납땜되었다. 제 1 실시예에서 설명된 바와 같이 평가된 경납땜 위킹 결과는 각각 54% 및 71%였다. 각각 전체 114개 및 95개의 노드들이 조사되었다.
제 1 및 제 2 실시예들의 결과를 비교하면, 종래의 벌집 모양의 세포 구조가 사용되는 경우 MCrAlY 합금의 경우보다도 종래의 Ni계 합금의 경우에 있어서 훨씬 더 우수한 경납땜 위킹 결과가 얻어진다는 것을 알 수 있다.
제 3 실시예:
19 중량%의 Cr, 5.5 중량%의 Al, 0.5 중량%의 Ti, 0.21 중량%의 Y, 및 나머지 Fe로 이루어진 소정의 화학 조성을 갖는 MCrAlY 합금이 125㎛(0.125㎜, 0.005")의 두께를 갖는 포일의 형태로 제공되었다. 이러한 포일 재료는 주름이 잡히고 용접되어 제 1 실시예에서 얻어진 외부 치수들, 즉, 55㎜의 길이(L), 35㎜의 너비(B) 및 8㎜의 노드 높이(H)를 갖는 세포 구조가 얻어졌다. 이러한 몸체의 세포 구조의 세포 크기는 제 1 실시예에 설명되는 바와 같은 방법으로 평가되는 경우 w=2.5㎜ 및 b=2.5㎜였다. 세포 구조는 뒷판에 대하여 90°로 가장자리에 위치하는 노드 높이 치수(H)를 갖는 제 1 및 제 2 실시예에서 사용되는 뒷판 재료에 저항 용접되었다. 19 중량%의 Cr, 17 중량%의 Ni, 8 중량%의 Si, 4 중량%의 W, 0.8 중량%의 B, 0.4 중량%의 C, 및 나머지 Co로 이루어진 소정의 화학 조성을 갖는 경납땜용 금속 파우더가 세포 구조의 세포들 내부에 충진되었다. 제 1 실시예에서와 동일한 양의 경납땜용 충진 금속이 사용되었다. 어셈블리는 1,204℃까지 가열되었으며, 6분 동안 이 온도로 유지되었다. 이러한 처리는 경납땜용 충진 금속을 용융시키며 노드 벽을 용융시켰다. 제 1 실시예에서 약술한 바와 같이 평가되는 경납땜 위킹은 조사되는 전체 168개의 노드들의 8%에 불과하였다.
제 4 실시예:
제 2 실시예에서 설명된 바와 같은 MCrAlY 합금 포일 재료가 상기한 바와 같이 55㎜의 길이(L), 35㎜의 너비(B) 및 8㎜의 노드 높이(H)를 갖는 세포 구조로 가공되었다. 이 세포 구조는 제 1 실시예에서와 같이 측정되는 경우 제 3 실시예에서 얻어지는 동일한 세포 치수들을 갖는다. 저항 용접 및 파우더 충진을 포함하는 이러한 세포 구조의 추가 가공과 경납땜용 충진 금속 파우더, 타입 및 양은 제 3 실시예에 사용되는 바와 정확하게 동일하였다. 어셈블리는 제 3 실시예에서 설명되는 어셈블리에서 이용되는 동일한 반응로에서 경납땜되었다. 경납땜 후의 위킹 결과는 제 1 실시예에서 설명되는 절차에 의해서 평가되는 바와 같이 84%였다. 전체 114개의 노드들이 조사되었다.
제 5 실시예:
제 2 및 제 4 실시예에서 설명된 바와 같은 조성의 MCrAlY 합금 포일 재료가 이전 실시예에서와 같이 55㎜의 길이(L), 35㎜의 너비(B) 및 8㎜의 노드 높이(H)를 갖는 세포 구조로 가공되었다. 그러나, 세포 구조는 본 발명에 따른 특별한 여섯 개의 변을 갖는 벌집 모양의 세포 형태를 갖는다. 이중 벽 크레스트 또는 노드를 형성하는 세포 벽들 사이의 최소 내부 거리로 측정되는 세포 너비가 1.59㎜이었고, 단일 포일 두께의 세포 벽들 사이의 최소 거리로 측정되는 세포 크기(b)가 2.41㎜이었기 때문에, b:w의 비율은 1.52 이거나 y/w의 비율이 2.31이었다. 이러한 벌집 모양의 구조는 뒷판에 대하여 90°의 경사인 노드 높이(H)를 갖는 제 1 내지 제 4 실시예에서 사용되는 바와 같은 동일한 뒷판 재료에 저항 용접되었다. 제 3 및 제 4 실시예에서 사용되는 경납땜 합금 충진 금속이 세포 내부를 충진하였다. 어셈블리는 제 3 및 제 4 실시예에서 설명된 어셈블리들과 마찬가지로 동일한 반응로 내에서 경납땜되었다. 제 1 실시예에서 설명된 바와 같은 방식으로 결정되는 경납땜 위킹 결과는 95%였다. 전체 114개의 노드들이 조사되었다.
제 6 실시예:
제 2, 제 4 및 제 5 실시예에서 설명된 바와 같은 조성을 갖는 MCrAlY 합금 포일 재료가 이전 실시예들과 같은 치수들을 갖으며, 제 5 실시예에서와 같은 세포 형상, 즉, 1.52의 b:w의 비율을 갖는 세포 구조체로 제공되었다. 납땜을 위한 어셈블리를 제공하기 위해서 이용되는 추가 가공 및 재료들은 경납땜용 충진 금속의양이 9.8g이었다는 것을 제외하고는 제 5 실시예에 기재된 바와 동일하였다. 이러한 어셈블리는 1,190℃까지 가열되었으며, 4분 동안 이 온도로 유지되었다. 제 1 실시예에서 설명된 바와 같은 방식으로 결정되는 경납땜 위킹 결과는 100%였다. 전체 220개의 노드들이 조사되었다.
제 7 실시예:
제 3 실시예에서 설명된 바와 같은 조성을 갖는 MCrAlY 합금 포일이 세포 구조체로 제공되었다. 이 세포 구조체는 7.5㎜의 노드 높이(H)를 가지며, 이중 벽 크레스트 또는 노드를 형성하는 세포 벽들 사이의 최소 내부 거리로 측정되는 1.45㎜의 세포 치수(w) 및 단일 포일 두께의 세포 벽들 사이의 최소 내부 거리로 측정되는 2.08㎜의 세포 치수(b)를 가지기 때문에, b:w의 비율은 1.43이었다. 이러한 세포 구조체는 10 중량%의 Co, 6.6 중량%의 Cr, 6.5 중량%의 Ta, 6.4 중량%의 W, 5.5 중량%의 Al, 3.0 중량%의 Re, 1.0 중량%의 Ti, 0.6 중량%의 Mo, 0.09 중량%의 Hf, 및 나머지 Ni로 이루어진 소정의 화학 조성을 갖으며 주형 내부에 단결정 형태로 제공되는 금속 후면판의 가장자리에 설치되었다. 세포 구조는 이전의 실시예들에서처럼 뒷판에 대하여 90°인 노드 높이(H)의 방향을 갖는 세포 구조의 상부에 중량을 가함으로써 후면 금속 상에 설치되었다. 21 중량%의 Cr, 4.5 중량%의 W, 2.4 중량%의 B, 1.6 중량%의 Si, 0.1 중량%의 C, 및 나머지 Co로 이루어진 소정의 화학 조성을 갖는 경납땜용 합금 파우더가 세포들 내부에 충진되었다. 이 어셈블리는 1,210℃까지 가열되었으며, 2분 동안 종래의 진공 반응로 안에서 이 온도로유지되었다. 이는 경납땜용 충진 금속을 용융시켜 이중 또는 노드 벽을 오르게 한다. 제 1 실시예에서 설명된 바와 같은 방식으로 결정되는 경납땜 위킹 결과는 96%였다.
하기의 표 1은 동일한 MCrAlY 포일 재료, 동일한 경납땜 합금 및 동일한 후면 기판 재료를 공통으로 갖는 테스트 시료들을 직접 비교하여 얻어진 경납땜 위킹 테스트 결과들의 요약적으로 나타낸다.
표 1
실시예 번호 세포 형상 경납땜 위킹 결과
4 b:w=1; y:w=1.16종래 84%
5 b:w=1.52; y:w=2.31본 발명 95%
6 b:w=1.52; y:w=2.31본 발명 100%
제 4 실시예에 따른 종래의 구조인 경우에 m:k의 비율은 0.98 내지 1.03으로 측정되었으며, 제 5 및 제 6 실시예에 따른 신규한 세포 구조의 경우 m:k의 비율은 1.03 내지 1.36으로 평가되었다.
하기의 표 2는 동일한 MCrAlY 포일 재료 및 다른 형상들을 갖는 유사한 Co-계 경납땜용 충진 금속을 이용하여 얻어지는 경납땜 위킹 결과들의 요약적으로 나타낸다.
표 2
실시예 번호 세포 형상 경납땜 위킹 결과
3 b:w=1; y:w=1.18종래 8%
7 b:w=1.43; y:w=2.40본 발명 96%
표 3은 동일한 종래의 세포 형상 및 본 발명의 세포 형상에 있어서의 다른 경납땜 충진제 합금들을 직접 비교하기 위하여 MCrAlY 포일을 가지고 실시되는 모든 경납땜 테스트들을 개략적으로 도시한다.
표 3
실시예 번호 세포 형상 경납땜 합금 경납땜 사이클 경납땜 위킹 결과
2a 종래 Ni-Cr-Si-C 1,193℃/6분 54%
2b 종래 Ni-Cr-Si-C 1,193℃/6분 71%
3 종래 Co-Cr-Ni-Si-W-B-C 1,204℃/4분 8%
4 종래 Co-Cr-Ni-Si-W-B-C 1,204℃/4분 84%
5 본 발명 Co-Cr-Ni-Si-W-B-C 1,204℃/4분 95%
6 본 발명 Co-Cr-Ni-Si-W-B-C 1,190℃/4분 100%
7 본 발명 Co-Cr-W-B-Si-C 1,210℃/2분 96%
상기한 표들 및 실시예들은 제 1 실시예에서 설명된 바와 같이 결정되는 경우 우수한 보강성 및 세포 구조의 우수한 치수 안정성을 장기간 갖는 95% 이상의 우수한 경납땜 위킹이 본 발명에 따른 벌집 모양의 세포 형상에 의해서 제공될 수 있었다는 것을 증명한다. 이는 특히 제 3 실시예의 결과를 제 7 실시예의 결과에,그리고 제 2 및 제 4 실시예의 결과를 제 5 및 제 6 실시예의 결과에 비교함으로써 종래의 세포 구조가 사용되는 경구 종래의 Ni-계 합금으로 100% 경납땜 위킹이 달성된다는 것이 분명하다. 그러나, 이러한 표준 세포 형상들을 사용하는 경우에는 MCrAlY 포일 재료들을 가지고는 단지 8% 내지 84%의 경납땜 위킹 결과들이 얻어졌다.
제 5, 제 6, 및 제 7 실시예들의 세포 구조들은 850℃ 이상의 온도의 공기에서 테스트되는 경우 모두 우수한 형상 안정성 및 항산화성을 나타내었으며, 850℃ 이상의 온도에서 고속 버너 가스에 노출되는 경우 가탄에 대한 우수한 저항성을 나타내었다.
두꺼운 치수들을 갖는 MCrAlY 포일 또는 시트 재료는 도 4를 참조로 하여 하기하는 제 8 및 제 9 실시예에서 논의되는 바와 같이 본 발명에 따른 벌집 모양 세포 구조 내부에 형성될 수 있다.
제 8 실시예:
16 중량%의 Cr, 4.5 중량%의 Al, 3 중량%의 Fe, 최대 0.1 중량%의 Zr, 0.01 중량%의 Y, 최대 0.7 중량%의 Mn+Si, 0.05 중량%의 C, 및 불순물과는 별개인 나머지 Ni로 이루어진 소정의 화학 조성을 갖는 MCrAlY 합금이 0.254의 두께(s)(0.010")를 갖는 두꺼운 포일의 형태로 제공되었다. 이러한 두꺼운 포일 재료는 주름이 형성되었으며 용접되어 100㎜의 길이(L), 38㎜의 너비(B) 및 10㎜의 노드 높이(H)와 같은 외부 치수들을 갖는 세포 구조를 제공하였다. 세포 구조의세포 크기 특성은 w=1.48㎜, b=2.44㎜로 b/w 비율은 1.67이며, y=3.66㎜, m=1.46㎜, k=1.07㎜로, m:k=1.36이었다. 도 4에 도시된 세포 구조는 이러한 특정한 세포 형상으로 쉽게 제조될 수 있다. 종래의 설계에 따른 세포 구조, 즉, 대략 1의 b/w 비율을 갖으며 b=w=1.0 내지 2.0㎜의 값을 갖는 구조를 제공하기 위한 모든 시도들은 실패하였다.
제 9 실시예
25 중량%의 Cr, 10 중량%의 Mo, 0.05 중량%의 C, 및 0.03 중량%의 Ce의 화학 조성을 갖는 종래의 비 MCrAlY의 합금이 0.254㎜(0.010")의 치수를 갖는 두꺼운 포일의 형태로 제공되었다. 이 포일 재료는 주름이 형성되었으며 용접되어 제 8 실시예에서와 동일한 외부 치수들을 갖는 세포 구조를 제공하였다. 세포 크기 특성은 제 8 실시예의 특성과 유사하였으며, 특히, b/w 비율은 1.15 보다 크며, m:k의 비율은 1 보다 컸다. 이러한 세포 구조가 제조되었다. 세포 치수 w=b=1.0 내지 2.0㎜일 경우 상기 실패한 포일 재료로부터 종래의 육각형의 세포 형상 구조체를 제조하고자 하는 모든 시도들은 다시 실시되었다.
본 발명은 바람직한 실시예들을 참조로 상세하게 도시되며 설명되었으나, 첨부하는 청구 범위에 의해서 정의되는 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변경들이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.

Claims (13)

  1. 편평한 크레스트에 의해서 연결되는 교호하는 편평한 경사면들을 각각 갖는 복수 개의 접경하는 반 육각형의 주름잡힌 금속 띠 조각들을 포함하는 벌집 모양 구조에 있어서,
    접경하는 띠 조각들은 인접하는 편평한 크레스트에서 용접에 의해서 함께 결합되어 일반적으로 육각형의 세포들을 형성하며, 경사면들은 동일한 길이를 갖고 크레스트들은 경사면들보다는 더 긴 길이를 갖음으로써 서로 마주 보는 경사면들의 면들 사이의 거리(b)에 대한 인접하는 띠 조각들의 마주 보는 편평한 크레스트들 사이에서 측정되는 세포 너비(w)는 1.15:1.0보다 큰 b:w 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 벌집 모양 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 b:w의 비율은 1.2 내지 2.0:1.0인 것을 특징으로 하는 벌집 모양 구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 b:w의 비율은 1.3 내지 1.6:1.0인 것을 특징으로 하는 벌집 모양 구조.
  4. 제 1 항에 있어서, 반 육각형의 주름잡힌 금속 띠 조각들은 6 내지 30 중량%의 Cr, 2 내지 7 중량%의 Al, 0.005 내지 0.6 중량%의 Y, 0.6 중량%까지의 Zr, Hf,Ce, La, Si, Mn 및 Ti로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소들, 0 내지 0.3 중량%의 C, 적어도 6 중량%의 Fe, 및 불순물과는 별개로 Fe, Ni, 또는 그의 조합인 나머지로 필수적으로 이루어진 포일 금속 또는 시트 금속 합금인 것을 특징으로 하는 벌집 모양 구조.
  5. 금속 뒷판 및 가장자리에 설치되어 상기 금속 뒷판의 부착되며 벌집 모양의 구조를 포함하는 가스 터빈에 이용되기 위한 연마용 실에 있어서,
    상기 벌집 모양의 구조는 6 내지 30 중량%의 Cr, 2 내지 7 중량%의 Al, 0.005 내지 0.6 중량%의 Y, 0.6 중량%까지의 Zr, Hf, Ce, La, Si, Mn 및 Ti로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소들, 0 내지 0.3 중량%의 C, 적어도 6 중량%의 Fe, 및 불순물과는 별개로 Fe, Ni, 또는 그의 조합인 나머지로 필수적으로 이루어진 포일 금속 또는 시트 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마용 실.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 뒷판은 금속 후면 시트 링, 시트 금속 링 조각들 또는 주조 후면 부재의 형태인 니켈계 합금이며, 상기 벌집 모양 구조를 제조하기 위해서 이용되는 금속 포일 또는 시트 금속은 0.100㎜ 내지 0.400㎜의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연마용 실.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 벌집 모양 구조는 편평한 크레스트에 의해서 연결되어 교호하는 편평한 경사면들을 각각 갖는 복수 개의 접경하는 반 육각형의 주름잡힌 금속 띠 조각들을 포함하며, 접경하는 띠 조각들은 인접하는 편평한 크레스트에서 용접에 의해서 함께 결합되어 일반적으로 육각형의 세포들을 형성하며, 경사면들은 동일한 길이를 갖고 크레스트들은 경사면들보다는 더 긴 길이를 갖음으로써 서로 마주 보는 경사면들의 면들 사이의 거리(b)에 대한 인접하는 띠 조각들의 마주 보는 편평한 크레스트들 사이에서 측정되는 세포 너비(w)는 1.15:1.0보다 큰 b:w 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 연마용 실.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 b:w의 비율은 1.2 내지 2.0:1.0인 것을 특징으로 하는 연마용 실.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 b:w의 비율은 1.3 내지 1.6:1.0인 것을 특징으로 하는 연마용 실.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 벌집 모양의 구조는 경납땜에 의해서 금속 뒷판에 부착되는 것을 특징으로 하는 연마용 실.
  11. 6 내지 30 중량%의 Cr, 2 내지 7 중량%의 Al, 0.005 내지 0.6 중량%의 Y, 0.6 중량%까지의 Zr, Hf, Ce, La, Si, Mn 및 Ti로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소들, 0 내지 0.3 중량%의 C, 적어도 6 중량%의 Fe, 및 불순물과는 별개로 Fe, Ni, 또는 그의 조합인 나머지로 필수적으로 이루어진 포일 금속 또는시트 금속으로 이루어지며 각각 편평한 크레스트에 의해서 연결되어 교호하는 편평한 경사면들을 갖는 복수 개의 주름잡힌 금속 띠 조각들을 포함하는 가스 터빈에 이용되기 위한 연마용 실을 형성하기 위한 방법에 있어서,
    띠 조각들을 인접하는 편평한 크레스트에서 함께 결합되며, 띠 조각들을 인접하는 편평한 크레스트에서 함께 용접하여 일반적으로 육각형의 세포들을 형성하며, 경사면들은 동일한 길이를 갖고 크레스트들은 경사면들보다는 더 긴 길이를 갖음으로써 서로 마주 보는 경사면들의 면들 사이의 거리(b)에 대한 인접하는 띠 조각들의 마주 보는 편평한 크레스트들 사이에서 측정되는 세포 너비(w)는 1.15:1.0보다 큰 b:w 비율을 갖으며, 가장자리에 설치된 육각형의 구조를 니켈계 뒷판에 경납땜하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 b:w의 비율은 1.2 내지 2.0:1.0인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 b:w의 비율은 1.3 내지 1.6:1.0인 것을 특징으로 하는 방법.
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