KR20030095330A - 용접수리용 난용성 금속 받침물질 - Google Patents

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KR20030095330A
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딜리프 엠. 샤
제임스 티. 빌즈
노만 피에트러스카
에드워드 알. 첼라
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명은 터빈 엔진에 사용되는 블래이드와 같은 부품을 수리하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 수리될 부품의 부분 위에 난용성 금속물질 조각을 배치하는 단계, 및 부품을 수리하기에 충분한 양의 수리충전 금속물질을 적층하고, 수리충전 금속물질을 적절하게 용접하는 단계를 포함한다. 난용성 금속물질은 니오븀, 탄탈륨, 몰리브데늄, 텅스텐, 니켈의 녹는점 보다 높은 녹는점을 갖는 금속, 및 이들의 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있는 것이며, 코팅될 수도 코팅되지 않을 수도 있다.

Description

용접수리용 난용성 금속 받침물질{REFRACTORY METAL BACKING MATERIAL FOR WELD REFAIR}
본 발명은 가스 터빈 엔진에 사용되는 터빈 블래이드 또는 베인(vane)과 같은 부품을 수리하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가스 터빈 블래이드 끝단(tip) 및 뒷전(trailing edge) 부분은 받침물질(backing material) 없이 가스 텅스텐 아크용접과 같은 용접처리를 이용하여 수리된다. 용접비드(weld bead)가 균열(crack)이 생기고 손상된 표면을 보강하기 위하여 사용된다. 문제는 블래이드 끝단 균열이 블래이드 내부 공동(cavities)을 드러나게 할 때에 발생한다. 이 경우, 용접물이 공동으로 흘러 들어갈 것이고, 결과적으로 불합격될 수 있는 상태가 될 것이다. 블래이드 뒷전과 같은 다른 부분에서, 용접수리는 결과적으로 내부 냉각 구조(cooling features)가 폐쇄되도록 할 것이고, 이때 노동집약형 혼합(blending) 또는 전기방출(electrodischarge) 가공에 의해 복구될 필요가 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 터빈 엔진 부품을 수리하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개방된 공동에 용접을 허용하고, 광범위한 사후 용접혼합(welding blend) 처리 또는 가공을 요구하지 않는 상기한 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 내부 냉각 구조의 복구를 허용하는 상기한 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 수리된 터빈 엔진 블래이드의 끝단(tip)을 도시한 도면,
도 2는 터빈 엔진 블래이드의 뒷전(trailing edge) 부분을 수리하기 위한 기술을 도시한 도면.
상기한 목적은 본 발명의 방법에 의해 이루어질 것이다.
본 발명에 따르면, 터빈 엔진에 사용된 부품수리 방법은 크게 한 조각의 난용성(refractory) 금속물질을 수리될 부품의 부분 위에 배치하는 단계, 및 부품수리에 충분한 양의 수리충전(repair filler) 금속물질을 난용성 금속물질 위에 적층하고, 이를 용접하는 단계를 포함한다. 난용성 금속물질은 1455℃ 를 초과하는 녹는점을 갖는 모든 난용성 물질일 수 있으며, 코팅될 수도 코팅되지 않을 수도 있다.
본 발명에 따른 수리 방법의 다른 세부사항, 다른 목적 및 부수적인 장점들이 이하의 상세한 설명 및 동일한 참조번호가 동일한 구성요소를 지시하는 첨부된 도면에서 설명된다.
본 발명에 따라, 하나의 방법이 니켈-계 또는 코발트-계 합금과 같은 초내열합금(superalloy) 물질로 형성되고, 가스 터빈 엔진에 사용되는 터빈 블래이드 또는 베인과 같은 터빈 엔진 부품의 수리를 위하여 제공된다.
이 방법은 크게 수리될 부품의 부분 위에 난용성 금속물질 조각을 배치하는 단계, 및 수리되는 공간에 채우기 충분한 양의 수리충전 금속물질을 난용성 금속물질 위에 적층하고, 이를 용접하는 단계를 포함한다.
난용성 금속물질은 수리충전 금속물질이 내부 냉각 공동과 같은 내부 공동으로 들어가는 것을 방지하기 위한 받침물질로서의 역할을 수행한다.
지금부터 도 1을 참조하면, 수리될 터빈 블래이드의 끝단(10)이 도시되어 있다. 블래이드 끝단(10)은 수리될 부분(12)를 갖고 있다. 블래이드 끝단(10)은 수리될 부분에 내부 냉각 공동(14)을 갖고 있다. 이와 같은 상황에서, 내부 냉각 공동(14)은 수리물질의 삽입으로부터 보호될 필요가 있다. 이 때문에, 난용성 금속물질로 형성된 받침물질의 조각(16)이 공동(14)속으로 수리물질이 들어가는 것을막기 위하여 수리될 부분 위에 배치된다. 난용성 금속물질은 1455℃(2651˚F) 를 초과하는 녹는점을 갖는 것이 바람직하고, 1650℃(3000˚F) 를 초과하는 녹는점을 갖는 것이 가장 바람직하다. 받침물질(16)로 적당한 난용성 금속은 니오븀(niobium), 탄탈륨(tantalum), 몰리브데늄(molybdenum), 텅스텐(tungsten), 플래티늄(platinum)과 이리듐(iridium) 및 기타 같은 종류의 것과 같이 니켈의 녹는점 보다 높은 녹는점을 갖는 금속, 그리고 이들의 합금들을 포함한다.
난용성 금속받침물질(16)은 코팅될 수도 코팅되지 않을 수도 있다. 수리를 위한 열입력이 높다면, 확산차단코팅(diffusion barrier coating)이 난용성 금속에 적용될 수 있을 것이다. 여기에 한정되는 것은 아니지만, 후보로는 알루미나(alumina) 또는 뮬라이트(mullite)와 같은 산화 세라믹이 포함된다. 만약 산화 세라믹 코팅이 사용된다면, 규소화합물(silicide)와 같은 중간코팅층이 코팅 접착을 돕기 위하여 사용된다. 세라믹으로 코팅될 때, 수리충전 물질을 축축하게 하는데 도움을 주기 위하여 알루미나 또는 뮬라이트 위에 니켈 도금을 하는 것이 바람직하다. 코팅 시스템은 또한 코팅의 산화저항성을 개선하기 위하여 수리 후에 남겨지는 니켈 알루미나이드(aluminide) 층을 포함한다. 선택적으로, 난용성 금속 받침물질은 단지, 만약 열입력이 낮은 경우에, 적어도 일측면이 전해(electrolytic) 니켈을 사용하여 니켈 도금될 수 있을 것이다. 상기한 바와 같이, 코팅의 존재는 후속되는 용접공정 중에 받침물질의 젖음성(wettability)을 증진시킨다.
난용성 금속 받침물질(16)이 부분(12) 위에 위치한 후에, 수리충전 물질(20)이 받침물질(16) 위에 올려지고, 용접작업을 수행하게 된다. 수리충전 물질은 수리될 부분(12)에 채우기 충분한 양이 올려지는 것이 바람직하다. 수리충전 물질은 MERL 72 와 같은 코발트계 물질이나 INCO 625와 같은 니켈계 물질을 포함할 수 있을 것이다. 선택적으로, 수리충전 금속은 기초합금조성의 충전금속일 수 있다. 수리충전 금속물질은 TIG 수리 용접기술과 같은 당해 기술분야에 알려진 모든 적당한 용접기술을 사용하여 수행될 수 있다. 용접 단계가 진행되는 동안에는, 열입력은 합금되는 것을 방지하기 위하여 낮게 유지될 것이다.
일단 수리충전 금속물질(20)이 응고되면, 난용성 금속 받침물질(16)은 질산-황산 용액을 사용하는 산 화학적 처리(acid chemical treatment)에 의해 제거된다. 용액은 2:1:2의 비율의 질산, 황산 및 물을 가질 것이다. 혼합물은 용해속도를 증가시키기 위하여 최대 150˚F 의 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
선택적으로, 난용성 금속 받침물질(16)은 공기가 블래이드 내부를 통해 흐르게 되는 산화 열처리(oxidizing heat treatment)를 사용하여 제거된다. 흐르는 공기는 1400˚F 내지 1650˚F 범위의 온도가 될 것이며, 1 내지 4시간 범위의 시간 동안 블래이드 내부를 통해 흐를 것이다. 산화 열처리는 노(furnace) 내부에서 또는 직접 저항가열(direct resistant heating) 에 의해 실행될 것이다.
난용성 금속 받침물질의 제거는 만약 난용성 금속과 충전물질의 합금화가 조절된다면 생략될 수도 있다.
지금부터 도 2를 참조하면, 터빈 블래이드(30)의 뒷전을 수리하는 방법이 도시된다. 이 방법에서, 우선 난용성 금속 받침물질의 조각(32)이 블래이드 뒷전 및그 내부의 모든 내부 냉각 공동의 형상과 합치되도록 절단된다. 레이저 절단, 포토 에칭(photo etching), 타출(stamping), 또는 물분사 절단과 같은 당해 기술분야에 알려진 모든 적당한 절단기술이 난용성 금속 받침물질을 절단하기 위하여 사용될 수 있다.
난용성 금속 물질은 이상에서 언급한 물질들 중 하나일 수 있으며, 상기한 바와 같이 코팅될 수도 코팅되지 않을 수도 있다. 바람직하게는 박편(foil) 형태인 난용성 금속 받침물질의 조각(32)이 수리될 부분(34) 위에 위치하게 된다. 그 다음에, 수리충전 금속물질이 난용성 물질의 조각(32) 위에 올려지고, 냉각 구조(36)를 포함하는 블래이드 뒷전의 복구를 위한 용접처리가 수행된다.
수리충전 금속물질 응고된 후, 난용성 금속 받침물질이 상기한 바와 같은 산 화학적 처리 또는 상기한 바와 같은 산화 열처리를 사용하여 제거될 것이다.
본 발명은 난용성 금속물질이 개방된 공동의 용접을 허용하거나 내부 냉각구조를 복구하기 위한 용접 받침물질로서의 역할을 수행하는 것을 허용하는 장점이 있다. 난용성 금속물질은, 광대한 사후 용접혼합 처리 또는 EDM 가공과 같은 가공의 필요가 없이, 만약 요구된다면, 나중에 제거될 수 있다. 이 방법은 매몰주조(investment castings)의 수리에 특별한 유용성을 갖는다.
이상에서 설명된 목적, 수단, 장점을 충분히 만족하는 터빈 블래이드를 수리하는 방법이 제공되었다는 것이 명백하다. 비록 본 발명이 특정의 실시예와 관련하여 설명되었지만, 다양한 변경, 수정, 및 변화가 가능하다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 이와 같은 변경, 수정, 및 변화는 넓은 의미에서 첨부된 특허청구범위에 포함된다 할 것이다.

Claims (29)

  1. 부품을 수리하는 방법에 있어서,
    수리될 상기 부품의 부분 위에 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 단계; 및
    상기 난용성 물질의 조각 위에 상기 부품을 수리하기 충분한 수리충전 금속물질을 적층하고, 상기 수리충전 금속물질을 용접처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배치단계는 니오븀, 탄탈륨, 몰리브데늄, 텅스텐, 니켈의 녹는점 보다 높은 녹는점을 갖는 금속, 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 물질의 조각을 상기 부분 위에 배치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배치단계는 상기 부분 위의 적어도 일측표면에 니켈 도금을 갖는 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 배치단계는 상기 부분 위의 적어도 일측표면에 크롬코팅을 갖는 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배치단계는 확산차단코팅을 갖는 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 배치단계는 알루미나 또는 뮬라이트 코팅을 포함하는 코팅을 갖는 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 배치단계는 알루미나 또는 뮬라이트 코팅 층 및 중간 규소화합물 층을 갖는 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 난용성 금속물질은 상기 외측층 위에 니켈 도금을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 배치단계는 상기 부분 위에 1455℃를 초과하는 녹는점을 갖는 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 난용성 금속물질은 1650℃를 초과하는 녹는점을 갖는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 부품은 내부 냉각 공동을 구비하는 터빈 엔진용 부품을 포함하고, 상기 배치단계는 상기 수리충전 금속물질이 상기 내부 냉각 공동으로 들어가는 것을 방지하기 위하여 상기 난용성 금속물질을 위치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 난용성 금속물질은 상기 부품의 내부 냉각 공동의 형상과 합치하는 절단된 박판인 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 용접단계가 완료된 후 상기 난용성 금속물질을 산 화학적 처리를 이용하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 용접단계가 완료된 후 상기 난용성 금속물질을 산화 열처리를 이용하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 배치단계는 수리될 매몰주조 압축물의 부분 위에 상기 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품수리 방법.
  16. 터빈 블래이드의 끝단 부분을 수리하는 방법에 있어서,
    수리될 부분 위에 난용성 금속 받침물질을 배치하는 단계; 및
    상기 난용성 물질 위에 수리충전 금속물질을 적층하고, 상기 수리충전 금속물질을 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 끝단 부분을 수리하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 배치단계는 니오븀, 탄탈륨, 몰리브데늄, 텅스텐, 니켈의 녹는점 보다 높은 녹는점을 갖는 금속, 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 난용성 금속물질을 상기 수리될 부분 위에 배치하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 끝단 부분을 수리하는 방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 배치단계는 상기 수리될 부분 위에 니켈을 함유하는 물질로 도금된 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 끝단 부분을 수리하는 방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 배치단계는 상기 수리될 부분 위에 크롬 코팅으로 코팅된 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 끝단 부분을 수리하는 방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 배치단계는 상기 수리될 부분 위에 산화 세라믹 코팅 층, 중간 규소화합물 층, 및 도금된 니켈 외측 층을 구비하는 난용성 금속물질의 조각을 배치하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 끝단 부분을 수리하는 방법.
  21. 제 16항에 있어서,
    상기 용접단계가 완료된 후 상기 난용성 금속물질을 산 화학적 처리를 이용하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 끝단 부분을 수리하는 방법.
  22. 제 16항에 있어서,
    상기 용접단계가 완료된 후 상기 난용성 금속물질을 산화 열처리를 이용하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 끝단 부분을 수리하는 방법.
  23. 터빈 블래이드의 뒷전을 수리하는 방법에 있어서,
    상기 블래이드의 뒷전 형상에 합치하는 난용성 금속물질 박판을 절단하는 단계;
    수리될 상기 뒷전의 부분 위에 상기 절단된 난용성 금속물질 박판을 배치하는 단계; 및
    상기 난용성 금속물질 박판 위에 수리충전 금속물질을 적용하고, 상기 수리충전 금속물질을 상기 수리를 달성하기 위하여 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 뒷전을 수리하는 방법
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 절단단계는 니오븀, 탄탈륨, 몰리브데늄, 텅스텐, 니켈의 녹는점 보다 높은 녹는점을 갖는 금속, 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 난용성 금속으로 형성된 박판 물질을 절단하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 뒷전을 수리하는 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 박판 물질은 자체에 니켈 도금을 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 뒷전을 수리하는 방법.
  26. 제 24항에 있어서,
    상기 박판 물질은 자체에 크롬 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 뒷전을 수리하는 방법.
  27. 제 24항에 있어서,
    상기 박판 물질은 자체에 니켈 도금된 세라믹 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 뒷전을 수리하는 방법.
  28. 제 23항에 있어서,
    상기 용접단계가 완료된 후 상기 난용성 금속 박판 물질을 산 화학적 처리를이용하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 뒷전을 수리하는 방법.
  29. 제 23항에 있어서,
    상기 용접단계가 완료된 후 상기 난용성 금속 박판 물질을 산화 열처리를 이용하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블래이드의 뒷전을 수리하는 방법.
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