KR20050016003A - 터빈 요소 수리 - Google Patents

터빈 요소 수리

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KR20050016003A
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Abstract

이온 강화식 물리 증착이 Ti 합금 터빈 부품 상에 수리 재료를 적층시키도록 이용된다. 펄스 변조는 바이어스 전압 및 이온화를 제어하도록 사용될 수 있다.

Description

터빈 요소 수리 {TURBINE ELEMENT REPAIR}
본 발명은 터보 기계 부품의 복원에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 마모되거나 손상된 가스 터빈 엔진 팬 블레이드 또는 다른 블레이드 및 베인의 복원에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진의 구성요소는 마모 및 손상을 받는다. 특정 구성요소의 보통의 마모 및 손상도 엔진의 최적 작동을 방해할 수 있다. 특정 관심 분야는 다양한 블레이드 및 베인의 에어포일을 포함한다. 마모 및 손상은 그들의 공기동력학적 효율을 방해할 수 있고, 동적인 힘의 불균형을 생성할 수 있고, 더욱 심한 경우에는 마모/손상된 부품을 구조적으로 훼손할 수도 있다. 제한된 재생이 약간 마모되거나 손상된 에어포일에 대해 일반적으로 실시되고, 추가의 재료가 마모/손상 하에서 원래의 또는 이전의 프로파일보다 더 작기는 하지만 상대적으로 효율적이며 깨끗한 단면 프로파일을 에어포일에 제공하기 위해 제거된다. 그러한 재생이 이루어질 수 있는 한계를 확립하는 예시적인 검사 기준은 코넷티컷주 이스트 하트포드 소재의 유나이티드 테크놀로지스 코프.(United Technologies Corp.)의 프랫 & 휘트니 JT8D 엔진 매뉴얼(P/N 773128), ATA 72-33-21, 검사-01에 나와 있다. 그러한 한계는 위치 및 특정 용도에 따라 에어포일마다 다를 수 있다. 한계는 전형적으로 제거될 수 있는 재료의 양을 제한하는 구조 및 성능 고려에 기초한다.
다양한 기술이 가스 터빈 엔진의 마모되거나 손상된 부품의 더욱 광범위한 복원을 위해 제안되었다. 미국 특허 제4,822,248호는 니켈 또는 코발트계 초합금 재료를 적층시키기 위한 플라즈마 토치의 사용을 개시한다. 미국 특허 제5,732,467호는 그러한 터빈 요소 내의 균열을 수리하기 위한 고속 화염(HVOF) 및 저압 플라즈마 용사(LPPS) 기술의 사용을 확인한다. 미국 특허 제5,783,318호 또한 레이저 용접 및 플라즈마 전사 아크 용접에 부가한 LPPS 기술을 확인한다. 미국 특허 제6,049,978호는 HVOF 기술의 추가의 사용을 확인한다. 그러한 기술은 원래의 또는 거의 원래의 단면을 복원하기 위해 대체 재료를 축적하는 제한된 능력을 제공한다. 그러나, 대체 재료의 구조적인 특성은 기부 재료의 구조적인 특성에 비해 대체로 제한될 수 있다.
특히 큰 손상에 대해, 손상을 수리하는 대신에 용접될 수 있는 예비 성형 삽입물을 사용하는 것이 공지되어 있다. 그러한 삽입물에서, 손상된 영역은 결국 제 위치에 용접되는 삽입물의 소정 형상으로 절결된다. 용접과 관련된 구조적인 한계는 다른 기술에서와 같이 그러한 수리 기술의 능력을 에어포일의 비교적 낮은 응력 영역으로 제한한다. 엔진 수리 매뉴얼이 용접 수리가 가능한 낮은 응력 영역을 지정하는 것이 일반적이다. 따라서, 마모/손상의 범위와 마모/손상된 영역이 받는 응력의 실질적인 조합은 그러한 기술의 사용을 제한할 수 있다. 고응력 영역은 종종 팬 블레이드의 중간 날개 보호판 근방(예를 들어, 약간 내측)의 영역을 포함한다.
본 발명의 일 태양은 일 부위(예를 들어, 터보 기계의 작동 중의 Ti 합금 터보 기계 부품)로부터 제1 재료를 손실한 기계 부품을 복원하기 위한 방법을 포함한다. 부품은 적층 챔버 내에 위치된다. 제1 전위가 부품에 인가된다. 수리 재료를 형성하기 위한 성분이 이온화된다. 제1 전위는 수리 재료의 축적이 적어도 부분적으로 제1 재료를 대체하도록 이온화된 성분을 부품으로 끌어당기도록 변조된다.
다양한 실시예에서, 제1 전위의 변조는 부품으로부터 아킹을 방지하도록 수행될 수 있다. 부품은 가열될 수 있고, 가열은 제1 전위의 변조와 관련하여 변조될 수 있다. 제1 전위의 변조는 주로 음전위를 유지하고 지속 시간이 비교적 짧은 양의 펄스를 인가하는 것을 포함할 수 있다. 이온화는 변조될 수 있다. 추가의 재료가 기부 표면을 생성하기 위해 부위로부터 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 수리 재료가 제1 재료 및 추가의 재료 대신에 적어도 부분적으로 기부 표면 상에 적층될 수 있다. 수리 재료는 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-8Al-1V-1Mo, 또는 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo를 포함하거나 본질적으로 그에 의해 구성될 수 있다. 추가의 재료는 대부분 부품의 손상되지 않은 부분으로부터 제거될 수 있다. 부품은 루트 및 에어포일을 갖는 블레이드일 수 있으며, 부위는 에어포일의 중간 날개 보호판 내측의 에어포일의 선단 모서리를 따라 있을 수 있다. 제1 재료는 2.0 mm이상의 깊이로 손실될 수 있다. 지지 요소는 적층되는 수리 재료가 기부 표면 및 지지 요소 상에 축적되도록 부위에 인접하여 돌출한 부품에 인가될 수 있다. 지지 요소는 적어도 부분적으로 제거될 수 있으며, 인접하여 적층되는 재료 및 기존의 재료가 제2 기부 표면을 생성하도록 가공될 수 있다. 더 많은 수리 재료가 제2 기부 표면 상에 적층될 수 있다. 방법은 0.01 Pa보다 낮은 압력에서 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 부위로부터 제1 재료를 손실한 Ti 합금 터빈 부품을 복원하기 위한 방법을 포함한다. 부품은 적층 챔버 내에 위치된다. 제1 전위가 부품에 인가된다. Ti계 수리 재료를 형성하기 위한 성분이 이온화된다. 제1 전위는 수리 재료의 축적이 제1 재료를 적어도 부분적으로 원하는 특성으로 대체하도록 부품의 온도를 목표 범위 내로 유지하면서 이온화된 성분을 부품으로 끌어당기도록 변조된다.
다양한 실시예에서, 제1 전위는 50 V - 10 kV, 더욱 좁게는 1 - 3 kV의 공칭 전압을 가질 수 있다. 펄스 반복 주파수는 0.05 - 150 kHz, 더욱 좁게는 0.5 - 5 kHz일 수 있다. 듀티 사이클은 0.01 - 0.99, 더욱 좁게는 0.1 - 0.95일 수 있다. 이온 흐름 밀도는 10 - 50 ㎛/min의 적층 속도에서 1 - 50 mA/㎠, 더욱 좁게는 15 - 20 ㎛/min의 적층 속도에서 2 - 10 mA/㎠일 수 있다. 이온화는 100 - 1000 Hz의 펄스 반복 주파수 및 0.5 - 0.9의 듀티 사이클로 변조된 펄스일 수 있다. 부품의 외부 가열의 변조는 제1 전위의 변조와 관련하여 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 작업편 상에 재료를 적층시키기 위한 장치를 포함한다. 장치는 적층 챔버와 적층 재료 공급원을 포함한다. 상기 적층 재료 공급원으로부터 플라즈마를 형성하기 위한 수단이 제공된다. 플라즈마로부터 작업편으로 이온을 끌어당기기 위해 작업편에 변조된 바이어스 전위를 인가하기 위한 수단이 제공된다. 작업편으로의 플라즈마 및 이온 흐름의 밀도를 모니터링하기 위한 수단이 제공된다. 제어 시스템이 형성 수단, 인가 수단 및 모니터링 수단에 결합되어, 재료 적층의 피드백 루프 제어를 제공하도록 프로그램된다.
다양한 실시예에서, 장치는 작업편을 외부에서 가열하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 작업편 상에 재료를 적층시키기 위한 장치를 포함한다. 장치는 적층 챔버와, 적어도 부분적으로 적층 챔버 내에 있는 적층 재료를 포함한다. 제1 전자 비임 공급원이 적층 재료의 일부를 기화시키기 위해 제1 전자 비임을 유도하도록 위치된다. 이온화 전극 및 전자기 코일이 적층 재료로부터의 유동 경로를 둘러싼다. 바이어스 전압 공급원이 작업편에 전위를 인가하도록 연결된다. 제어 장치가 바이어스 전압 공급원에 결합되어, 양의 펄스가 산재되어 있는 주로 음전위인 상기 전위를 인가하도록 구성된다.
다양한 실시예에서, 제어 장치는 이온화의 펄스 변조를 위해 이온화 전극에 결합될 수 있다. 제2 전자 비임 공급원은 제2 전자 비임을 작업편으로 유도하도록 위치될 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 기판을 갖는 수리되는 금속성 부품을 포함한다. 수리 재료는 기판과의 제1 접속부를 갖는다. 수리 재료와 기판 사이의 결합 강도는 50 ksi를 초과한다.
다양한 실시예에서, 수리 재료는 제1 수리 재료일 수 있다. 제2 수리 재료는 기판과의 제2 접속부와, 제1 수리 재료와의 제3 접속부를 가질 수 있다. 제2 수리 재료와 기판 및 제1 수리 재료 사이의 제2 및 제3 결합 강도는 각각 50 ksi를 초과할 수 있으며 100 ksi 내지 200 ksi 사이일 수 있다. 기판 및 수리 재료는 (본질적으로 유사한 특성을 갖도록 본질적으로 동일한 조성 또는 주어진 농도 분할(예를 들어, 미량 성분 또는 모든 성분의 중량의 2%, 1%, 0.5%, 또는 0.1%)에서 동일한 조성의) 유사한 공칭 조성의 Ti 합금 또는 니켈 또는 코발트계 초합금을 포함할 수 있다. 수리 재료는 적어도 2.0 mm의 깊이를 가질 수 있다. 기판은 수리 재료의 깊이를 초과하는 국부적인 두께를 가질 수 있다. 기판은 원래의 수리되지 않은 재료 또는 이전에 수리된 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 세부 사항은 이하의 첨부된 도면 및 상세한 설명에서 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 장점은 상세한 설명 및 도면 그리고 청구범위로부터 명백해질 것이다.
여러 도면의 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 지시한다.
도1은 가스 터빈 엔진으로부터의 팬 블레이드(20)를 도시한다. 블레이드는 (도시되지 않은) 디스크에 블레이드를 부착하도록 구성된 내측 블레이드 루트(22)를 갖는다. 플랫폼(24)은 플랫폼으로부터 팁(28)으로 연장되는 에어포일(26)로부터 블레이드 루트를 분리한다. 에어포일은 선단 모서리(30) 및 후연 모서리(32)를 가지며, 흡인 및 압력 측면(34, 36)이 그들 사이에 연장된다. 예시적인 블레이드에서, 플랫폼과 팁 사이의 날개를 따른 중간 위치 내에, 중간 날개 댐퍼 보호판 돌출부(40)가 압력 및 흡인 측표면 각각으로부터 연장된다.
압력 및 흡인 측면 돌출부(40)는 각각 블레이드 진동을 감쇄하기 위해 인접한 블레이드의 흡인 및 압력 측면 돌출부와 상호 작용한다. 중간 날개 보호판 돌출부의 회전 질량은 인접한 돌출부와의 그의 상호작용으로부터의 힘과 함께 이러한 돌출부에 근접한 내측 영역 내에서 블레이드를 높은 응력을 받게 한다. 이러한 응력은 다른 낮은 응력 영역에 비해 이러한 영역의 수리 가능성을 제한할 수 있다. 전자 비임 물리 증착(EBPVD)은 낮은 잔류 응력 및 아래에 놓인 기부 재료와 대체로 동일한 구조적 특성을 갖는 수리 재료를 적층시키도록 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 적층되는 재료는 용접 수리 기술에 비해 증대된 강도 및 기부 재료에 대한 증대된 접착을 가질 수 있다. 적층은 유리하게는 전이 액상의 부재 시에 증기 구름으로부터 직접 응고에 의해 일어난다.
도3은 손상된 선단부(30')를 생성하기 위해 선단 모서리에 근접한 에어포일을 절단 또는 치핑하는 외래 물체 손상(FOD)과 관련된 것과 같은 국부적인 손상을 도시한다. 도4는 부위(30")에 부식된 선단 모서리와 같은 더욱 일반적인 손상을 도시한다. 손상 부위는 유리하게는 오염물이 제거된다. 기부 재료의 추가 제거는 적층물을 수용하기 위한 유리한 기부 표면을 제공할 수 있다. 예시적인 복원 절차에서, 손상/마모 후에, 블레이드의 잔존하는 기부 재료는 각진 선단면 또는 기부 표면(50)과 같은 미리 설정된 구성으로 연마된다 (도5). 면은 오목한 압력 측표면(36)으로 기울어진 각도(θ1)로 도시되어 있다. 예시적인 θ1은 120°이상, 더욱 좁게는 120°- 130°이다. 면(50)의 위치/배향은 복수의 인자에 의존할 수 있으며, 주어진 수리 설비 내에서 에어포일 상의 주어진 지점의 임의의 손상이 유사한 가공이 되도록 손상의 위치에 따라 고정될 수 있다.
선택적인 도시된 변경에서, 지지 판/마스크 요소(52; 도6)는 손실/제거된 재료의 위치에 인접한 면(50)을 넘어 돌출된 에어포일에 고정된다. 예시적인 실시예에서, 지지 요소(52)는 제1 및 제2 표면(53, 54)을 갖는 금속성(예를 들어, 알루미늄) 테이프이고, 제1 표면(53)의 후연부가 흡인 측표면(34)의 잔존하는 손상되지 않은 선단부에 고정된다. 표면(53)의 전방부는 손실된 선단 모서리(30)를 넘어 돌출되고, 중간 부분은 에어포일의 원래의 윤곽을 따라 표면(34)의 손실된 부분과 정렬되어 연장된다. 선택적인 변경에서, 표면(53)은 손실된 원래의 표면 윤곽과 정렬된 일 측면으로 전체적으로 또는 부분적으로 연장될 수 있다.
블레이드는 그 다음 시야 경로(502)의 선을 따라 증기를 방출하는 증기 공급원(58; 도7)에 대해 위치될 수 있다. 유리하게는, 공급원/경로는 경로가 표면(50, 36)에 대해 직교하지 않는 시야 각도(θ2, θ3) 내에 있도록 배향된다. 예시적인 θ2 및 θ3는 30°보다 작다. 공급원(58)으로부터의 적층은 점진적으로 제1 수리 재료(60)를 축적한다. 이는 유리하게는 에어포일의 손실된 원래 윤곽의 압력 측면 부분을 넘어 표면 윤곽(62)까지 축적된다. 표면(36)의 만곡은 기부 표면(50)에 인접한 그러한 표면의 적층-수용부를 따라 θ3의 관련 변화를 생성한다.
이러한 적층 단계 후에, 블레이드는 지지 요소(52)를 제거하고 적층된 재료(60) 및 원래의 기부 재료를 따라 연장되는 제2 면 또는 기부 표면(64; 도8)을 생성하도록 추가로 가공될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이러한 가공 공정은 흡인 측표면(34)의 이전에 손상되지 않은 선단부를 추가로 제거한다. 블레이드는 표면(64, 34)이 손실된 원래 윤곽의 흡인 측면 부분을 넘어 윤곽(68)에 도달하도록 경로(502) 및 그 위에 적층된 제2의 추가 재료(66)에 대해 단지 약간 직교하지 않도록 표면(58)에 대해 재배향될 수 있다. 적층된 재료(60, 66)는 그 다음 손실된 원래의 윤곽과 유리하게는 동일한 특정 최종 윤곽으로 가공될 수 있다 (도9). 그후에, 추가의 표면 처리 및/또는 보호 코팅이 적용될 수 있다.
복원 재료는 EBPVD 또는 이온 강화식 EBPVD 공정에 의해 적층된다. EBPVD 공정은 전이 액상의 부재 시에 적층을 거쳐 유리한 물리적 특성을 제공하는 것으로 믿어진다. EBPVD는 플라즈마 용사 적층과 같은 다른 공정보다 낮은 잔류 응력 및 양호한 접착을 갖는 것으로 믿어진다. 이온 강화식 EBPVD 공정은 종래의 EBPVD 보다 상대적으로 낮은 온도에서 양호한 접착 및 양질의 적층 (즉, 더욱 균질이며 조밀하게 적층되는 재료)를 보장하는 것으로 믿어진다. 예시적인 적층은 10-1 내지 10-4 Pa 사이, 더욱 좁게는 대략 (5 - 10)×10-3 Pa의 압력에서 진공 챔버 내에서 수행된다. 예시적인 적층 속도는 분당 10 내지 100 마이크로미터이고, 더욱 좁게는 분당 10 내지 50 마이크로미터이며, 예시적으로 대략 분당 20 마이크로미터이다. 국부적인 적층은 하나 이상의 단계에서 본질적으로 임의의 깊이로 축적될 수 있으며, 개별 단계들은 개재되는 가공 또는 증기 공급원에 대한 구성요소의 재위치의 몇몇 조합에 의해 특징지어 진다. 개별 단계는 2 mm 이상, 5 mm 이상, 또는 그 이상의 깊이까지 재료를 적층시킬 수 있다. 특히 고가의 구성요소에 대해, 공정은 손실된 특징부를 완전하게 대체하도록 이용될 수 있다. 예를 들어, 블레이드가 단일 디스크 및 블레이드 고리가 파단되면, 대체 블레이드가 디스크로부터 축적될 수 있다. 예시적으로, 접착 강도는 50 ksi, 더욱 유리하게는 100 ksi를 초과할 수 있다. 예시적인 이온 강화식 EBPVD 공정의 일 실시예는 149 ksi에서 측정된 접착 강도를 생성한다. 대조적으로, 이온 비강화식 공정 및 공기 플라즈마 공정은 각각 22 ksi 및 7 ksi를 생성한다.
동일한 절차가 손실된 재료가 종래의 수리 한계를 초과한 경우에도, 에어포일의 후연 모서리 또는 중간 날개 보호판의 선단 또는 후연 모서리 또는 팁 영역에 대해 재료를 복원하도록 사용될 수 있다. 유사한 적층은 모서리로부터 더욱 멀리 떨어진 흡인 또는 압력 측표면 상의 수리에 영향을 줄 수 있다. 이러한 수리에 대해, 단일 적층 단계가 전형적으로 충분할 것이다. (예를 들어, 흡인 측면 상의) 볼록한 표면 상에서, 비교적 평평한 면 가공은 특히 편리할 수 있다. (예를 들어, 압력 측면의) 오목한 표면 상에서, (예를 들어, 이중 볼록 연마 퀼(quill)에 의한) 오목 가공이 적절할 수 있다. 유리하게는, 그러한 오목 가공에서, 가공된 표면은 그의 전체 영역을 따라 증기 경로에 대해 수직인 원하는 각도 내로 유지된다.
평평면 연마 이외의 가공이 이용될 수 있다. 효과적인 가공의 가장 중요한 요소는 이후의 적층을 위한 깨끗한 기부 표면을 제공하는 것이다. 유리하게 매끄러울지라도, 원하는 또는 수용 가능한 조도 수준이 제공될 수 있다. 유리하게는, 블레이드는 적층된 재료 내에서 원주형 단속부의 존재를 제한하기 위해 각각의 적층 단계 중에 고정 유지된다.
도10은 상기 적층을 수행하기 위한 이온 강화식 EBPVD 장치(100)를 도시한다. 장치는 내부(104)를 갖는 진공 챔버(102)를 포함한다. 적층물을 수용하기 위한 표면 부분(108)을 갖는 작업편(106; 예를 들어, 터빈 엔진 부품)이 챔버 내부에 위치되고 고정구(110)에 의해 유지된다. 챔버는 챔버 아래에서 펌핑하기 위한 일체형 진공 펌프, 작업편(106)을 도입 및 제거하기 위한 적재 잠금 챔버, 및 다양한 센서와 같은 (도시되지 않은) 다양한 추가의 특징을 가질 수 있다.
적층 재료는 챔버 포트(114)를 통해 삽입 방향(520)을 따라 챔버 내로 점진적이고 연속적으로 삽입될 수 있는 잉곳(112)으로부터 적어도 부분적으로 나온다. 예시적인 잉곳 재료는 결과적인 적층 재료에 대한 원하는 화학적 성질을 달성하도록 신중하게 선택된다. 예를 들어, 적층되는 재료가 수리된 작업편의 기부 기판 재료와 동일한 화학적 성질을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 기부 기판 재료는 순수 원소 재료인 경우, 적층되는 재료도 유사할 수 있다. 그러나, 합금에서는, 여러 이유로 인해 화학적 성질 변경이 있을 필요가 있을 수 있다. 이유는 합금의 화학적 성질, 적층 장치의 구조, 및 적층 장치의 작동 파라미터에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 가장 가벼운 기화되는 합금 요소(예를 들어, 티타늄-알루미늄-바나듐 합금 및 증기 혼합물 내의 알루미늄)는 무거운 원소(예를 들어, 티타늄)에 의해 증기 스트림의 주연부를 향해 이동될 수 있다. 작업편이 스트림의 중심과 정렬되는 정도로, 적층되는 재료는 가벼운 원소의 농도를 그들의 잉곳 내의 원래의 농도에 비해 임시로 감소시킬 것이다. 따라서, 원하는 적층 재료 조성을 달성하기 위해, 잉곳은 고농도의 가벼운 원소를 가질 수 있다. 따라서, 예시적인 Ti-6Al-4V 재료를 적층시키기 위해, Ti-8Al-4V 잉곳이 이용될 수 있다.
내화성 원소를 포함하는 재료의 적층(예를 들어, Ti-8Al-1V-1Mo의 적층)에 대해, 내화성 원소는 작동 온도가 가벼운 성분의 균일한 증발을 위해 선택되어 내화성 성분의 실질적인 증발에 대해 너무 낮으면, 증기 스트림 내에서 고갈될 수 있다. 이러한 상황은 종래의 EBPVD 기술에 의한 내화성 성분을 갖는 합금의 적층을 방해할 수 있다.
이온 강화식 EBPVD에서, 작업편의 적층 표면은 적층 재료의 이온에 의해 충격을 받는다. 충격은 표면에 추가의 에너지를 인가한다. 이러한 추가의 에너지는 표면을 가열하여, 표면 활성을 증진시키며 표면 원자 치환 및 확산과, 이미 적층된 재료 내로의 원자 혼합, 부분 이식 및 이식을 일으킨다. 다양한 원자적 공정의 역할은 이온 에너지와 충격을 가하는 이온 및 적층 표면의 특성에 의존한다. 이온 강화는 강화된 원자 결합, 적층되는 재료의 더 강한 접착, 및 고밀도 적층 재료를 생성한다. 이온 강화식 PVD 공정에서의 적층 표면의 이온 충격은 표면 원자의 동적 스퍼터링을 생성하여, 적층 재료로부터 이러한 원자를 제거한다. 적층 공정의 초기에, 이러한 스퍼터링은 적층 표면에서 불순물을 제거하는 특수한 효과를 갖는다. 적층 공정의 후기에, 스퍼터링은 약하게 접착된 원자를 제거하는 경향이 있어서, 고품질(예를 들어, 접착 및 밀도) 적층을 생성한다. 많은 상황에서, 각각의 합금 성분의 스퍼터링은 (성분의 원자 중량 및 스퍼터링 계수의 밀접함으로 인해 그리고 성분의 원자들 사이의 결합으로 인해) 유사할 것이다. 그렇지 않으면, 적층되는 합금은 스퍼터링이 우선적으로 일어나는 그러한 성분이 고갈될 수 있다. 그러나, 증기의 적당한 이온화 및 적층 표면의 적당한 이온 충격은 적층되는 재료의 화학적 조성에 해롭게 작용하지 않아야 한다. 단지 적당한 이온화에서, 적층 재료 상의 이온 플럭스와 (스퍼터링된 원자의 플럭스)는 적층 표면 상의 적층되는 원자 플럭스에 비해 작을 것이다. 예를 들어, Ti-6Al-4V의 적층에서, 분당 10 - 50㎛의 적층 속도에서 1 - 50 mA/㎠의 이온 흐름 밀도 및 10 keV까지의 이온 에너지는 수용 가능할 수 있다. 가벼운 성분(예를 들어, Ti-6Al-4 내의 Al)을 갖는 합금의 적층에서, 가벼운 원자가 우선적으로 스터퍼링될 수 있다. 그러나, 이러한 원자는 조밀한 증기 스트림 내의 무거운 원자(예를 들어, Ti)와의 충돌에 의해 일어나는 후방 산란으로 인해 다소 재적층될 것이다.
적절한 밀봉이 잉곳 둘레에서 누출을 방지하도록 제공될 수 있다. 선택적으로, 잉곳 및 (도시되지 않은) 그의 전진 이동 액츄에이터는 챔버(104) 내에 위치될 수 있다. 잉곳의 내측 단부는 챔버를 한정하는 벽들 중 바닥 벽을 따라 도가니(116) 내에 위치하게 된다. 잉곳으로부터의 금속의 용융된 풀(118; pool)이 챔버 내에 형성되고 표면 또는 메니스커스(120)를 갖는다. 잉곳은 비임을 내측 잉곳 단부/풀로 유도하기 위해 챔버 내부 또는 외부에 위치될 수 있는 전자 총(124)으로부터 방출되는 전자 비임(122)을 거쳐 풀을 제공하도록 용융된다. 도가니는 풀을 담는 역할을 한다. 도가니는 유리하게는 (예를 들어, (도시되지 않은) 외부 냉각 재킷을 통해 물과 같은 냉각 유체를 통과시킴으로써) 용융되는 것을 방지하도록 냉각된다. 예시적인 실시예에서, 도가니는 전원(126)에 의해 전력을 공급받는 잉곳 둘레의 원통형 권취부를 갖는 전자기 도가니 유닛이다. 에너지를 받은 권취부는 용융된 풀(118) 내에 그리고 그 위에 자장을 발생시킨다. 예시적인 자장 유도는 0.003 - 0.06 T이다. 자장은 증발 속도를 증진시키기 위해 이온화된 방전 플라즈마 및 방전 전류의 자장에 의해 초점이 이탈되는 전자 비임(122)을 초점을 맞추는 것을 돕는 역할을 한다. 자장은 또한 방전 음극 점의 도가니 주연부로의 이동을 방지하여 도가니 본체 상의 진공 아크 연소를 방지함으로써 표면(120) 상의 이온화 방전을 안정화하는 것을 돕는다. 자장은 이온화도 및 공간적인 분포에 영향을 줌으로써 방전 플라즈마 파라미터를 제어하는 것을 돕는다. 자장은 또한 풀(118) 내의 금속의 회전 유동에 영향을 준다. 이러한 유동은 용융된 금속의 성분의 혼합을 증진시키는 것을 돕고, 금속 스피팅(spitting)을 감소시킨다. 액체 금속의 회전은 권취부의 자장에 의해 전자 비임 및 이온화 방전에 의해 발생하는 금속 내의 전류의 상호작용의 결과이다. 회전은 또한 냉각된 도가니 벽으로의 감소된 열전달로 인해 증발 효율을 증진시킨다.
전자 비임에 의한 가열은 풀 내에서 금속을 기화시기에 효과적이다. 양으로 하전된 금속 이온을 표면(108)으로 끌어당기기 위해, 작업편(106)은 음의 바이어스를 받는다. 펄스 변조기(128)는 라인/전도체(130)를 거쳐 작업편(106)에 결합된다. 바이어스 전압은 펄스 반복 주파수(Fb, 펄스 속도), 펄스 폭(τb), 듀티 사이클(Db), 및 피크 전압(Ub)에 의해 특징지어 지는 정방형 펄스 파형을 가질 수 있다. Db = τb × Fb이다. 교대 바이어스 전압 파형(예를 들어, 사인파)이 사용될 수 있다. 그러나, 정방형 펄스 파형은 적층되는 재료에 특히 효율적인 에너지 입력을 제공하는 것으로 믿어진다. 변조되지 않은 직류 바이어스에서, 아크 방전(아킹)이 특히 적층의 처음 수초 동안 표면(108) 상에서 일어나기 쉽다. 그러한 방전은 표면을 손상시킬 수 있다. 바이어스 전압의 펄스 변조는 그러한 아킹을 효과적으로 억제할 수 있다. 펄스 폭의 감소는 아크 형성이 충분한 시간(예를 들어, 100 내지 수천 밀리초)을 요구하므로 아킹의 가능성을 감소시킨다. 아크 방전이 일어나더라도, 바이어스 펄스들 사이의 단절(휴지)이 방전을 신속하게 차단할 것이다.
유리한 바이어스 전압 파라미터는 장치의 특성, 적층 재료의 특성, 작업편의 크기(질량 및 선형 치수) 등에 기초하여 크게 변할 수 있다. 예시적인 피크 전압은 50 - 10,000 V 범위의 음전압이다. 예시적인 펄스 반복 주파수는 0.05 - 150 kHz 범위이다. 예시적인 펄스 폭은 약 5 ㎲ 이상이다. 그러한 펄스 폭은 유사한 전압의 더 짧은 펄스가 있다면 단지 몇몇 이온만이 작업편을 완전한 에너지에 도달시키기 때문에 유리하다. 금속 원자의 증기 종(species)으로부터 발생되는 이온은 증기 플라즈마로부터 작업편에 도달하기 위해 작업편 둘레의 공간 충전 쉘을 가로질러 통과하는 데 (그의 질량에 대체로 비례하는) 비교적 긴 시간을 필요로 한다. 쉘은 증기 플라즈마를 음전위에 의해 작업편으로부터 분리한다. 금속 이온은 바이어스 전압에 의해 가속된다. 이온이 쉘을 가로지르는 데 필요한 시간(예를 들어, 약 1 ㎲)은 실질적으로 펄스 폭(τb)보다 더 짧아야할 필요가 있을 것이다. 바이어스 전압 파라미터는 적층의 파라미터, 특히 작업편의 온도를 제어하기 위해 적층 공정 중에 동적으로 변화될 수 있다. 공정이 비교적 높은 Ub 및 Db로 시작하고, 그 다음 값이 작업편 온도를 목표 범위 내로 유지하도록 감소되는 것이 유리하다. 값은 온도가 그러한 범위의 하한에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 증가될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 듀티 사이클만이 작동 중이 변경된다. 예를 들어, 예시적인 0.5 - 2.0분의 초기 구간 중에, 듀티 사이클은 대략 0.9일 수 있다. 듀티 사이클은 그 다음 과열을 방지하기 위해 수분 동안 대략 0.1 - 0.4의 값으로 감소된다. 듀티 사이클은 작동 온도를 목표 범위 내로 유지하기에 적절한 0.9의 값을 향해 증분식으로 다시 증가될 수 있다.
전술한 바와 같이, 논의될 수 있는 한 가지 잠재적인 문제점은 적층 표면(표면 부분(108) 또는 그 위에 적층되는 적층 재료의 표면) 상의 아킹이다. 이는 적층되는 재료의 이온으로부터 발생하여 표면을 파괴할 수 있다. 아킹은 적층 표면 상에 저장된 이온의 전하로 인한 짧은 단극 방전(스파킹)일 수 있다. 제2 전극은 이러한 형태의 아킹에 대해 필요하지 않다. 그러나, 몇몇의 경우에, 스파킹은 (음극으로 작용하는) 작업편과 (양극으로 작용하는) 플라즈마 또는 접지 요소 사이에 격렬한 양극 아크를 개시한다. 격렬한 아크는 (아크에 의해 단락되어) 적층 표면 및 바이어스 전압 공급원을 손상시킬 수 있다. 바이어스 전압 펄스 폭의 감소는 스파킹 및 아크 형성이 적층 표면 상에 파괴 전하를 저장하기에 충분한 시간(예를 들어, 여러 인자에 따라 100 ㎲ 내지 수 ㎳)을 필요로 하므로, 격렬한 아킹의 가능성을 감소시킨다. 맥동에도 불구하고, 파괴 표면 전위는 여러 펄스 및 관련 전하 저장에 걸쳐 이루어질 수 있다. 이러한 문제점은 작업편에 작은 진폭(예를 들어, 50 - 2,000 V)의 짧은 양의 펄스(예를 들어, 1 - 10 ㎲)를 인가함으로써 바이어스 전압을 일시적으로 역전시킴으로써 감소되거나 제거될 수 있다. 양의 펄스는 전자를 방전 플라즈마로부터 표면으로 끌어당겨서, 이온 표면 전하를 적어도 부분적으로 상쇄한다. 그러한 극성 역전은 비교적 비전도성(예를 들어, 비전도성 또는 반전도성)의 적층 재료(예를 들어, 세라믹계 재료)에서 특히 유용할 수 있으며, 재료는 이온 전하를 저장할 수 있는 필름 커패시터로서 작용한다. 더욱 전도성인 재료(예를 들어, 금속 및 합금 그리고 다른 금속성 재료)에서, 음의 펄스들 사이의 짧은 휴지는 단독으로 아킹을 억제하기에 충분할 수 있다.
전류 센서(132)는 그를 통한 전류(예를 들어, 표면 부분(108) 또는 그 위의 재료의 이온 충격과 관련된 전류)의 파라미터를 측정하기 위해 전도체(130)에 결합될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전압 분할기(134)가 바이어스 전압을 측정하고 그의 파형을 관찰하기 위해 (예를 들어, 센서(132) 상류에서) 전도체(130)에 결합된다. 오실로스코프(140)는 바이어스 전류 및 전압을 모니터링하기 위해 각각 센서(132) 및 분할기(134)의 출력부(142, 144)를 가로질러 연결될 수 있다. 디지타이저(146)가 유사하게 그러한 출력부에 연결될 수 있으며, 결국 디지털 모니터링 및/또는 제어 시스템(148)에 연결될 수 있다.
풀(118)로부터 표면(108)으로 증기/이온 유동 경로(522)를 따라 이온화 방전을 유지하기 위해, 이온화 양전극(150; 예를 들어, 경로(522)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 링)이 라인/전도체(154)를 거쳐 전원(152)에 연결된다. 방전은 증발되는 종의 필요한 이온화도를 제공한다. 이온화도는 적층 표면 상의 이온 흐름 밀도(ji)에 의해 특징지어 질 수 있다. 예시적인 ji는 1 - 50 mA/㎠, 더욱 좁게는 대략 2 - 10 mA/㎠이다. 이는 50 - 200 A의 예시적인 방전 전류와 관련될 수 있다. 티타늄 합금의 적층에 대해, 예시적인 관련 방전 전압은 8 - 20 V이다. 펄스 변조기(156)가 이온화 방전을 변조하도록 전원(152)과 링(150) 사이에 제공될 수 있다. 이온화 방전은 주파수(Fa), 펄스 폭(τa), 듀티 사이클(Da = τa × Fa), 및 피크 전류(Ia)를 가질 수 있다.
이온화 방전의 변조는 여러 효과를 가질 수 있다. 듀티 사이클을 감소시키는 것은 방전이 전자 비임(122)에 영향을 주는(예를 들어, 초점을 이탈시키는) 기간과 관련된 방전 지속 시간을 단축시킨다. 그러한 초점 이탈은 증발 속도를 감소시킬 수 있다. 변조는 도가니 본체 상에서의 진공 아크 연소를 방지하기 위해 풀의 표면으로부터 도가니 본체 주연부로의 방전의 점핑을 방지함으로서 이온화 방전을 안정화할 수 있다. 그러한 연소는 도가니 재료가 적층되는 재료 내에 바람직하지 않은 불순물을 제공할 수 있으므로 매우 불리하다. 도가니 본체의 전도성 표면 상에서의 진공 아크 여기의 주요 메커니즘은 (예를 들어, 이온화 방전의 플라즈마가 양극으로서 역할하는) 장 방출 전류에 의한 가열로 인한 날카롭고 미세한 불규칙부의 전기 폭발이다. 충분한 가열은 충분한 간격을 요구한다. 이온화 방전의 맥동은 안정된 방전을 보장하기에 충분한 냉각을 허용하도록 도가니 미세 불규칙부의 가열 및 그로부터의 장 방출의 주기적인 차단을 제공한다. 변조 파라미터는 전자 비임 및 증발 속도에 대한 허용 가능한 효과의 측면에서 원하는 이온화 방전 안정성으로 작업편의 적층 표면 상에 원하는 전류 밀도를 제공하도록 선택된다. 예시적인 변조 파라미터는 1 - 10,000 Hz, 더욱 좁게는 100 - 1,000 Hz 범위의 주파수(Fa)와, 0.1 - 0.95, 더욱 좁게는 0.5 - 0.9 근방의 듀티 사이클(Da)을 포함한다. 하나 이상의 방전 펄스 파라미터는 적층 공정 중에 변경될 수 있다. 예를 들어, 듀티 사이클은 적층 공정의 시작 후에 일정 기간 동안 점진적으로 감소될 수 있다. 0으로의 감소는 이온 강화식 EBPVD로부터 종래의 EBPVD로의 부드러운 전이를 제공할 수 있다. 다양한 파형이 정방형 펄스 대신에 사용될 수 있다. 전류 센서(158)는 라인(154)에 결합될 수 있으며 전압 분할기(160)는 그의 하류에서 라인에 연결되어, 오실로스코프가 140'에 의해 도시된 바와 같이 연결되면 오실로스코프에 연결될 수 있는 출력부(162, 164)를 제공한다. (도시되지 않은) 디지타이저는 (도시되지 않은) 디지털 모니터링 및/또는 제어 시스템에 연결될 수 있으며, 오실로스코프(140') 대신에 또는 그에 부가하여 사용될 수 있다. 전자기 링(170) 또한 유동 경로(522)를 적어도 부분적으로 포위하며, 라인/전도체(172)를 거쳐 전원(174)에 연결된다. 예시적인 실시예에서, 전자기 링(170)은 유동 경로(522)를 따라 양극 링(150)의 상류에 위치된다. 그러나, 이는 170'에 의해 도시된 바와 같이 하류에 또는 작업편(106)의 후방(하류)에 위치될 수도 있다. 예시적인 링(170)은 유동 경로(522)에 대해 여러 번 감긴 전도체로 형성되어 코일을 형성한다. 링/코일(170)은 음극으로부터 방출되는 전자에 의한 증기 이온화를 증진시키고 플라즈마 전자의 궤도에 대한 자장의 영향으로 인한 방전 플라즈마의 공간적인 분포를 제어하기 위해 0.003 - 0.03 T 근방의 자장을 제공하도록 에너지를 받을 수 있다. 플라즈마 전자는 주로 자장 라인을 따라 (예를 들어, 자장 라인 둘레에서 나선형으로) 유동한다. 따라서, 증가된 자장 강도는 증가된 플라즈마 밀도를 생성한다. 자장의 적절한 구성은 적절한 플라즈마 분포를 생성한다. 이는 (예를 들어, 이온 충격에 의한 더욱 균일한 가열을 제공하기 위해 작업편의 더욱 큰 부분을 따라 증가된 이온 흐름을 제공하도록) 작업편 표면 근방의 플라즈마의 분포 밀도 및 표면 위의 관련 분포 이온 흐름을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 적층 중에 전자기 링 내의 전류 또는 그의 위치를 변경하는 것은 적층 표면 위의 이온 분포의 동적 제어를 허용하며, 원하는 가열을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
셔터(178)는 유동 경로(522)를 개방하는 제1 위치(실선)와 유동 경로(522)를 폐색하는 제2 위치(178'; 점선)를 가질 수 있다. 셔터는 유동 경로(522)를 따라 양극 링(150)의 하류에 위치될 수 있다. 셔터는 장치가 초기 작동 목표 조건에 도달하는 준비 중에 제2 위치(178')에 있을 수 있다. 이러한 단계 중에, 잉곳 재료가 용융되어 풀을 형성하고, 이온화 방전이 확립되고, 음의 바이어스 전압이 작업편에 인가되고, 작업편이 예비 가열될 수 있다. 작업편(106)은 작업편의 비 적층 표면 부분(194)에 충격을 가하도록 제2 전자 총(192)에 의해 송출되는 전자 비임(190)을 거쳐 예비 가열될 수 있다. 예비 가열은 표면 불순물의 열분해 및 탈착에 의해 적층 표면을 세척하는 역할을 할 수 있다. 이는 적층되는 재료의 결합 및 접착을 증진시키며 적층의 초기 단계 중에 열 충격을 방지할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 예비 가열은 작업편의 수용할 수 없는 산화를 방지하면서 증기의 배출을 제한하는 장비 파라미터의 측면에서, 작업편으로부터 열 탈착되는 증기의 원하는 속도를 달성하기에 효과적인 작업편 온도의 점진적인 증가를 제공하도록 변경될 수 있다. 예비 가열 파라미터는 작업편의 기하학적 형상 및 질량에 상당히 의존할 수 있다. 예비 가열은 유리하게는 작업편을 최대 작동 목표 온도 이하의 온도, 유리하게는 대체로 작동 목표 온도 범위 내의 온도로 유지해야 한다. 초기 목표 범위 내의 파라미터에서, 셔터는 개방되어 작업편을 적층에 노출시키도록 개방된다. 적층 중에, 작업편은 제2 전자 총(192), 이온 충격, (예를 들어, 풀 내의 용융 금속으로부터의) 열 복사, 및 적층부 내에 농축된 원자의 잠열에 의해 가열될 수 있다. 제2 전자 총(192)은 온도가 작동 목표 범위의 최대치를 초과하면 꺼지고, 온도가 목표 범위 내에 있는 한 꺼질 수 있다. 그러나, 이는 온도가 목표 범위의 최대치 아래로 떨어지면 다시 켜질 수 있다. 예를 들어, 적층 속도가 적층 공정의 마지막을 향해 감소되면, 전자 총은 감소된 속도 단계 중에 다시 켜질 필요가 있을 수 있다.
작동 시에, 플라즈마의 밀도는 (예를 들어, 140"에 의해 도시된 바와 같이 연결된 오실로스코프를 거쳐) 모니터링을 허용하도록 출력 포트(204, 206)를 가질 수 있는 등록 시스템(202)에 연결된 챔버 내의 플라즈마 탐침 또는 탐침 어레이(200)에 의해 모니터링될 수 있다. 예시적인 탐침은 포화 이온 흐름을 측정하기 위해 플라즈마에 비해 음전위 하의 전극일 수 있다. 탐침 어레이로 경로(522)를 둘러쌈으로써, 이온화 방전의 방위각 불균일성이 모니터링될 수 있다. 방위각 불균일성은 전자 비임에 의한 풀의 비대칭 가열 및 풀 위의 그리고 증기 스트림 내의 이온화 방전의 비대칭 분포에 의해 야기될 수 있다. 탐침은 증기 스트림의 공간적인 분포를 모니터링하기 위해 사용될 수도 있다. 탐침은 증발하는 전자 비임(122)이 탐침 회로 내에 전류를 발생시키기에 효과적인 증기의 일부 이온화를 제공할 정도로 이온 강화식 EBPVD 및 종래의 EBPVD 내에서 사용될 수 있다. 전류는 증기 밀도와 증발 속도의 비율일 수 있다. 이온화 방전의 펄스 변조에서, 펄스 중의 탐침 전류는 방전 모니터링을 위해 사용된다. 방전 펄스들 사이의 탐침 전류는 증발 모니터링을 위해 사용될 수 있다. 모니터링은 공정 내의 결함의 신속한 검출을 허용하며, 피드백 루프를 거쳐 그의 안정화를 제공할 수 있다. 예를 들어, 펄스들 사이의 일정한 탐침 전류를 유지하기 위해 전자 비임(122)의 제어에 의해 증발 속도를 안정화하는 것이 가능하다.
예시적인 실시예에서, 펄스 변조기(128)는 전자관(208)을 포함한다. 전자관(208; 예를 들어 3극관 및 4극관 등)은 음극의 1차 DC 전원을 작업편(106)에 주기적으로 연결시키는 고속 스위치 장치로서 역할하고, 이에 의해 음의 바이어스 전압 펄스를 발생시킨다. 1차 DC 전원 전압은 바이어스 전압의 피크값을 결정하도록 조절될 수 있다. 펄스 변조기는 또한 전자관의 제어 그리드(209)에 인가되는 제어 펄스의 (도시되지 않은) 발전기를 포함한다. 제어 펄스 파라미터는 바이어스 전압 펄스의 파라미터(Fb, τb, Ub, 및 대응 듀티 사이클)를 결정한다. 전류 탐침(210) 및 전압 분할기(212)는 관(208)에 결합되어 140"'에 의해 도시된 바와 같이 연결된 오실로스코프를 거쳐 모니터링될 수 있는 출력부(214, 216)를 제공할 수 있다. 그러한 모니터링은 펄스 변조기의 정상 작동을 검증하는 역할을 할 수 있다. 다른 전압 변조기가 (예를 들어, 사이라트론, 사이리스터, 트랜지스터, 및 승압 트랜스포머에 기초하여) 바이어스 전압을 발생시키도록 사용될 수 있다. 그러나, 전자관 변조기는 스파킹 및 아킹을 제한하기 위해 작업편으로 송출되는 전류의 강도 및 제어의 유리한 조합을 제공할 수 있다. 일반적인 전자관 변조기의 태양은 관 양극 전류가 주로 제어 그리드의 전압 (및 4극관 및 5극관 내의 스크린 그리드)에 의해 그리고 부수적으로 양극 전압에 의해 결정된다. 그러므로, 작업편 상의 아킹의 경우에, 관 양극 전압은 급격하게 상승하여 제어 그리드 전압이 동일하게 유지되면서 1차 양극 DC 전원 전압과 동일해질 수 있다. 따라서, (작업편 전류인) 양극 전류는 실질적으로 아킹이 없을 때와 동일할 것이다. 따라서, 양극 전류는 약간 증가할 수 있으며, 이러한 약간 증가된 전류는 아킹 중에 작업편에 대한 최대 전류이다. 따라서, 전자관은 부하 전류를 자동으로 제한하도록 작용한다. 다른 변조 장치는 부하 회로 내의 전류를 제한하는 데 어려움을 가질 수 있으며, 그러므로 작업편 표면 상의 아킹의 경우에 전류를 차단하기 위한 매우 고속으로 작용하는 보호 시스템을 필요로 할 수 있다. (도시되지 않은) 추가의 전압 센서가 챔버 내의 도가니 또는 다른 구성요소의 전위를 검출하도록 제공될 수 있다.
예시적인 공정 파라미터는 기판 재료, 적층 재료, 기판의 기하학적 형상, 및 장치 용량에 기초하여 변경될 수 있다. Ti-6Al-4V의 예시적인 적층에 대해, 작동 온도는 600 - 700℃, 더욱 좁게는 620 - 650℃일 수 있다. 바이어스 전압(Ub)은 1 -3 kV일 수 있고, 펄스 속도(Fb)는 0.05 - 150 kHz, 더욱 좁게는 0.5 - 5 kHz(예를 들어, 약 1 kHz)일 수 있다. 듀티 사이클은 적층의 시작 시에 0.5 - 0.99, 더욱 좁게는 0.8 - 0.95(예를 들어, 약 0.9)일 수 있으며, (예를 들어, 초기값의 절반 또는 약 0.1보다 작은) 비교적 낮은 값으로 점차 감소한 다음 초기값을 향해 다시 증가한다. 적층 표면 부분(108)을 따른 전류 밀도(jb)는 2 - 10 mA/㎠일 수 있다. 그를 통한 전력 플럭스는 2 - 30 W/㎠일 수 있다. 챔버 압력은 0.01 Pa보다 작을 수 있다. 적층 속도는 5 - 30 ㎛/min, 더욱 좁게는 15 - 20 ㎛/min일 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 변형이 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않고서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 방법은 중간 날개 보호판을 갖는 블레이드에서 특히 유용하지만, 다른 블레이드 및 다른 터빈 부품 그리고 비터빈 부품에 적용될 수 있다. 특정 터빈 엔진 부품 또는 다른 조각의 세부 사항 및 특정 마모 또는 손상은 임의의 주어진 복원의 세부 사항에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 다른 실시예가 다음의 청구범위의 범주 내에 있다.
본 발명에 따르면, 마모되거나 손상된 가스 터빈 엔진 팬 블레이드 또는 다른 블레이드 및 베인이 복원되는 효과가 있다.
도1은 가스 터빈 엔진의 팬의 에어포일의 도면.
도2는 도1의 에어포일의 내측 단부도.
도3은 손상 시의 도1의 에어포일의 부분 단면도.
도4는 마모 시의 도1의 에어포일의 부분 단면도.
도5는 손상/마모된 표면을 제거하도록 가공된 후의 도1의 에어포일의 부분 단면도.
도6은 지지 요소의 인가 후의 도5의 에어포일의 부분 단면도.
도7은 에어포일을 개축하기 위한 초기 재료의 적층 후의 도6의 에어포일의 부분 단면도.
도8은 에어포일을 개축하기 위한 추가의 가공 및 추가 재료의 적층 후의 도7의 에어포일의 부분 단면도.
도9는 추가의 가공 후의 도8의 에어포일의 도면.
도10은 도7 및 도8의 초기 및 추가 재료를 적층시키기 위한 이온 강화식 물리 증착 장치의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
22: 내측 블레이드 루트
24: 플랫폼
26: 에어포일
28: 팁
30: 선단 모서리
32:후연 모서리
34, 36: 흡인 및 압력 측면
40: 중간 날개 댐퍼 보호판 돌출부

Claims (31)

  1. 일 부위로부터 제1 재료를 손실한 부품을 복원하기 위한 방법이며,
    부품을 적층 챔버 내에 위치시키는 단계와,
    부품에 제1 전위를 인가하는 단계와,
    수리 재료를 형성하기 위한 성분을 증발시키는 단계와,
    증발되는 성분을 이온화하는 단계와,
    수리 재료의 축적이 제1 재료를 적어도 부분적으로 대체하도록 이온화된 성분을 부품으로 끌어당기도록 제1 전위를 변조하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 부품은 Ti 합금 터빈 부품이고, 수리 재료는 Ti계인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 변조는 부품으로부터 아킹을 방지하도록 수행되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 부품을 가열하는 단계와, 제1 전위의 변조와 관련하여 부품의 가열을 변조하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 변조는 주로 음전위를 유지하는 단계와, 지속 시간이 비교적 짧은 양의 펄스를 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 이온화는 변조되는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 방법은 기부 표면을 생성하기 위해 부위로부터 추가의 재료를 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 더 포함하고, 물리 적층은 상기 수리 재료를 제1 재료 및 추가의 재료 대신에 적어도 부분적으로 기부 표면 상에 적층시키는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적층되는 수리 재료는 대부분 상기 제1 재료를 대체하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 수리 재료는 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-8Al-1V-1Mo, 또는 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 추가의 재료가 대부분 부품의 손상되지 않은 부분으로부터 제거되는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 부품은 루트 및 에어포일을 갖는 블레이드이고, 부위는 에어포일의 중간 날개 보호판 내측의 에어포일의 선단 모서리를 따라 있는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 제1 재료는 적어도 2.0 mm의 깊이로 손실되는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 적층되는 수리 재료가 기부 표면 및 지지 요소 상에 축적되도록 부위에 인접하여 돌출한 부품에 지지 요소를 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 지지 요소를 적어도 부분적으로 제거하고, 인접하여 적층되는 재료 및 부품의 기존의 재료를 제2 기부 표면을 생성하도록 가공하는 단계와, 제2 기부 표면 상에 더 많은 수리 재료를 물리적으로 적층시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 0.01 Pa보다 낮은 압력에서 수행되는 방법.
  16. 일 부위로부터 제1 재료를 손실한 Ti 합금 부품을 복원하기 위한 방법이며,
    부품을 적층 챔버 내에 위치시키는 단계와,
    부품에 제1 전위를 인가하는 단계와,
    Ti계 수리 재료를 형성하기 위한 성분을 이온화하는 단계와,
    수리 재료의 축적이 제1 재료를 적어도 부분적으로 원하는 특성으로 대체하도록 부품의 온도를 목표 범위 내로 유지하면서 이온화된 성분을 부품으로 끌어당기도록 제1 전위를 변조하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제1 전위는 50 V - 10 kV의 공칭 전압과, 0.05 - 150 kHz의 펄스 반복 주파수와, 적어도 5 ㎲의 펄스 폭과, 0.1 - 0.99의 듀티 사이클과, 10 - 50 ㎛/min의 적층 속도에서 1 - 50 mA/㎠의 이온 흐름 밀도를 갖는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 공칭 전압은 1 - 3 kV이고, 펄스 반복 주파수는 0.5 - 5 kHz이고, 이온 흐름 밀도는 15 - 20 ㎛/min의 적층 속도에서 2 - 10 mA/㎠인 방법.
  19. 제16항에 있어서, 이온화는 100 - 1000 Hz의 펄스 반복 주파수 및 0.5 - 0.9의 듀티 사이클로 변조된 펄스인 방법.
  20. 제16항에 있어서, 부품을 가열하는 단계와, 제1 전위의 변조와 관련하여 부품의 가열을 변조하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제16항에 있어서, 변조는 주로 음전위를 유지하는 단계와, 지속 시간이 비교적 짧은 양의 펄스를 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 작업편 상에 재료를 적층시키기 위한 장치이며,
    적층 챔버와,
    적층 재료 공급원과,
    상기 적층 재료 공급원으로부터 플라즈마를 형성하기 위한 수단과,
    플라즈마로부터 작업편으로 이온을 끌어당기기 위해 작업편에 변조된 바이어스 전위를 인가하기 위한 수단과,
    작업편으로의 플라즈마 및 이온 흐름의 밀도를 모니터링하기 위한 수단과,
    형성 수단, 인가 수단 및 모니터링 수단에 결합되어, 재료 적층의 피드백 루프 제어를 제공하도록 프로그램된 제어 시스템을 포함하는 장치.
  23. 제22항에 있어서, 작업편을 가열하기 위한 수단을 더 포함하는 장치.
  24. 작업편 상에 재료를 적층시키기 위한 장치이며,
    적층 챔버와,
    적어도 부분적으로 적층 챔버 내에 있는 적층 재료와,
    적층 재료의 일부를 기화시키기 위해 제1 전자 비임을 유도하도록 위치된 제1 전자 비임 공급원과,
    적층 재료로부터의 유동 경로를 둘러싸는 이온화 전극 및 전자기 코일과,
    작업편에 전위를 인가하도록 연결된 바이어스 전압 공급원과,
    바이어스 전압 공급원에 결합되어, 양의 펄스가 산재되어 있는 주로 음전위인 상기 전위를 인가하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 장치.
  25. 제24항에 있어서, 제어 장치는 이온화의 펄스 변조를 위해 이온화 전극에 결합되는 장치.
  26. 제24항에 있어서, 바이어스 전압 공급원은 작업편에 대한 전류를 제한하도록 작용하는 전자관을 포함하는 장치.
  27. 제24항에 있어서, 작업편으로 제2 전자 비임을 유도하도록 위치된 제2 전자 비임 공급원을 더 포함하는 장치.
  28. 제24항에 있어서, 적층 재료는 Ti, Al, 및 V를 포함하는 장치.
  29. 수리되는 금속성 부품이며,
    기판과,
    기판과의 제1 접속부를 갖는 수리 재료를 포함하고,
    수리 재료와 기판 사이의 결합 강도는 50 ksi를 초과하는 부품.
  30. 제29항에 있어서, 수리 재료는 제1 수리 재료이고, 부품은 기판과의 제2 접속부와 제1 수리 재료와의 제3 접속부를 갖는 제2 수리 재료를 더 포함하고, 제2 수리 재료와 기판 및 제1 수리 재료 사이의 제2 및 제3 결합 강도는 각각 50 ksi를 초과하는 부품.
  31. 제29항에 있어서, 기판 및 수리 재료는 유사한 공칭 조성의 Ti 합금 또는 니켈 또는 코발트계 초합금을 포함하고, 결합 강도는 100 ksi 내지 200 ksi 사이이고, 수리 재료는 적어도 2.0 mm의 깊이를 갖고, 기판은 수리 재료의 깊이를 초과하는 두께를 갖고, 기판은 원래의 수리되지 않은 재료를 포함하는 부품.
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