KR20030084716A - 증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성방법 - Google Patents

Abstract

증기로 냉각되는 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트를 형성하는 방법은 인서트(10)를 주조하는 것과, 세라믹 주조 코어(12)가 아직 소정의 위치에 배치된 채로 주조 인서트(10)를 레이저 드릴링(14)하는 것을 포함한다. 그 후에, 세라믹 주조 코어(12)는 침출제(leachant)를 사용하여 제거된다. 세라믹 주조 코어(12)가 아직 소정의 위치에 배치된 채로 구멍(16)을 레이저 드릴링(14)을 행함으로써, 세라믹 주조 코어(12)는 레이저 드릴링(14)하는 동안 지지체로써 역할을 하며, 이는 인서트(10)의 더욱 정밀한 드릴링과 공정 시간의 감소를 가져온다.

Description

증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법{A NEW WAY TO MANUFACTURE INSERTS FOR STEAM COOLED HOT GAS PATH COMPONENTS}

본 발명은 증기에 의해 냉각되는 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트를 제조하는 새로운 방법에 관한 것이다.

인서트는 에어포일(airfoil)의 벽(walls)과 리브(ribs)에 충돌 냉각을 제공하기 위해 공기와 증기에 의해 냉각되는 노즐에 필요하다. 종래 기술의 인서트 제조 방법은 용접과 납땜을 포함하여 판금 성형 공정 및 구멍의 전자 방전 기계 가공을 포함한다. 종래 기술의 방법의 문제점은 엄격한 치수 공차와 조합된 크고 복잡한 인서트는 설계의 사양에 비해 상대적으로 낮은 수율을 갖는 3D 구조를 야기한다는 것이다.

본 발명의 공정은 예를 들어, 가압 주조(pressure casting), 원심 주조(centrifugal casting), 스퀴즈 주조(squeeze casting) 또는 진공 주조(vacuum casting)[역 중력 주조(counter gravity casting)로도 알려짐]와 같은 임의의 세라믹 코어 주조 공정을 이용하여 엄격한 공차까지 인서트를 주조한다. 미국 뉴햄프셔 밀포드에 위치한 히치너 제조 회사(Hitchiner Manufacturing Co., Inc.) 에 의해 채용되고 있는 바와 같은 역 중력 주조는 주물의 얇은 부분을 채우고 기공을 제거하기 위해 진공 주입을 하는 금속 다이를 사용한다. 주조가 완료된 후에, 후속 드릴링 공정동안 코어 재료는 지지체(backer)로 사용된다. 결국, 코어는 산성 침출법(acid leaching)에 의해 제거되고, 주조 부품은, 필요할 경우, 사양을 마무리하기 위해 기계가공된다.

본 발명의 제조 방법에 의해, 어떠한 상업적인 그리고 성능상의 필요가 충족될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 얇은 벽과 엄격한 공차를 갖는 니켈 베이스 초합금(Ni-base superalloy)의 복잡한 3D 인서트 기하형상의 제조를 용이하게 한다. 본 발명의 방법은 또한, 향상된 공정 시간과 고정 장치로 주조 인서트의 정확하고 정밀한 드릴링을 제공한다.

본 발명의 방법은 또한, 인서트 주조 공정에서 세라믹 코어를 사용하여 레이저 드릴링의 지지체로 역할하게 하여 종래 기술의 문제를 해결한다. 레이저 구멍은 코어를 신속하게 제거하기 위해 침출제의 사용을 용이하게 하며, 따라서 제조 공정을 촉진하게 된다.

종래 기술의 방법의 문제점은 엄격한 치수 공차와 조합된 크고 복잡한 인서트는 설계의 사양에 비해 상대적으로 낮은 수율을 갖는 3D 구조를 야기한다는 것이다. 본 발명의 방법은 인서트 주조 공정에서 세라믹 코어를 사용하여 레이저 드릴링의 지지체로 역할하게 하여 종래 기술의 문제를 해결한다.

도 1은 인서트 구멍(insert holes)의 레이저 드릴링 전의 주조 인서트(cast insert)를 도시하는 도면,

도 2는 인서트 구멍의 레이저 드릴링 후이나 세라믹 코어(ceramic core)가 아직 소정의 위치에 배치되어 있는 도 1의 주조 인서트를 도시하는 도면,

도 3은 세라믹 코어의 제거를 위해 산성조(acid bath) 내에 침지된 주조 및 드릴가공된 인서트를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 주조 인서트12 : 세라믹 주조 코어

14 : 레이저 드릴링 장치16 : 구멍

18 : 산성조

예를 들어, 본 발명의 방법은 왁스 모형으로부터 인서트 기하형상을 제조하기 위해 히치너의 얇은 벽 주조 공정을 사용한다. 히치너의 공정은 역 중력 주조를 예를 들어, 중력 주입법(gravity pouring)에 의해 더 일반적인 주조로 대체한다.

기본적인 인베스트먼트 주조 공정(investment casting process)에서, 원하는 주조물의 왁스 모형(wax replicas)은 주입 성형(injection molding)에 의해 제작된다. 주조물의 크기에 따라서, 다중 왁스 모형은 스프루(sprue)라고 불리는 중앙 왁스 스틱(central waxed stick)에 부착되어 주조 조립체를 형성할 수 있다. 그 후, 세라믹 쉘(shell)이 원하는 주조물의 다중 왁스 모형으로 만들어진 주조 조립체의 주위에 형성된다. 다음, 세라믹은 건조되고 왁스는 용융 배출되어 세라믹 쉘 내에 주조 조립체의 네가티브 임프레션(negative impression)을 생성한다.

기본적인 주조 공정을 사용한다면, 주조 쉘은 중력 주입법에 의해 용융된 금속으로 채워진다. 반대로, 히치너의 역 중력 공정에서는, 세라믹 주조 쉘이 진공 내에 배치되고 용융된 고온 금속 내에 침지되며, 상기 용융된 고온 금속은 세라믹 주조 조립체 주의에 및 그 내로 사이펀 이동(siphoned up)된다. 금속이 세라믹 주조 쉘상에서 응고하도록 허용된 후에, 진공이 해제되며, 잔류 금속은 용해물로 되돌아 흘러간다. 도 1은 점선으로 소정위치에 도시된 세라믹 코어(12)를 갖는 주조 인서트(10)를 개략적으로 도시한다. 드릴링 공정 전의 레이저 드릴링 장치(14)도 도시되어 있다.

바람직하게는, 주조 인서트는 IN625(니켈 베이스 초합금)로부터 만들어진다. 인서트가 원하는 기하 형상으로 주조된 후에, 세라믹 코어는 즉시 침출되지 않는다. 대신에, 주조물은 세라믹 코어가 여전히 소정위치에 배치된 채로 구멍을 레이저 드릴링하기 위해 고정 장치 내에 놓여진다. 주조 공차는 고정 장치가 다수의재처리없이 제조 작업을 할 수 있을 정도이다.

다음에, 인서트는 세라믹 코어를 지지체로 하여 레이저 드릴링된다. 지지체는 후벽 충돌을 멈추게 하여 관통 검출기로서 역할을 할 것이다. 도 2는 구멍(16)이 레이저 드릴링 장치(14)에 의해 드릴링된 후의 인서트(10)를 개략적으로 도시한다.

다수 개의 구멍(인서트당 ~300개의 구멍)이 레이저 정밀도로 드릴링된 후에, 세라믹 코어가 적당한 부식제로 침출된다. 도 3은 주조 인서트(10)를 산성조(18) 내에 침지시키는 것에 의해서 세라믹 코어(12)가 제거되는 것을 개략적으로 도시한다.

본 발명의 방법의 또 다른 이점은 당해 기술 공정의 현재 상태에 비해 부품이 거치는 열처리의 회수의 감소이다. 열처리의 감소는 잔류 응력에 의해 생기는 왜곡의 양을 감소시켜서 더 높은 품질을 얻는다. 본 발명은 고온 가스 통로 하드웨어용 인서트와 배플(baffles)을 더 높은 수준의 성능과 수율로 제조할 것이다.

본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 여겨지는 것과 연관하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않으며, 반대로 첨부한 청구항의 사상과 범위 내에 포함되는 다양한 수정과 균등한 장치들을 포함하도록 의도되어 있다.

본 발명의 방법은 인서트 주조 공정에서 세라믹 코어를 레이저 드릴링의 지지체로서의 역할을 하게 함으로써 인서트의 정밀한 드릴링이 가능하고, 공정시간도 줄일 수 있다.

Claims (12)

1. 터빈의 증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트(10)를 형성하는 방법에 있어서,

   상기 인서트(10)의 기하학적 구조를 주조하는 단계와,

   상기 주조 인서트(10)의 세라믹 주조 코어(12)를 제거하지 않고 상기 주조 인서트(10) 내에 충돌 구멍(impingement holes)(16)을 레이저 드릴링하는 단계를 포함하는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 세라믹 주조 코어(12)는 침출제에 의해 제거되는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 주조 단계는 가압 주조를 포함하는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 주조 단계는 원심 주조를 포함하는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 주조 단계는 스퀴즈 주조를 포함하는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 주조 단계는 역 중력 주조(counter gravity casting)를 포함하는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 인서트(10)는 니켈 베이스 초합금으로 만들어지는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 인서트(10)는 니켈 베이스 초합금으로 만들어지는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
9. 제 3 항에 있어서,

   상기 인서트(10)는 니켈 베이스 초합금으로 만들어지는

   증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
10. 제 4 항에 있어서,

    상기 인서트(10)는 니켈 베이스 초합금으로 만들어지는

    증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
11. 제 5 항에 있어서,

    상기 인서트(10)는 니켈 베이스 초합금으로 만들어지는

    증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.
12. 제 6 항에 있어서,

    상기 인서트(10)는 니켈 베이스 초합금으로 만들어지는

    증기 냉각식 고온 가스 통로의 구성 요소용 인서트의 형성 방법.