KR20060035789A - 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법 및 이방법으로 제조된 컴포넌트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법 및 이 방법으로 제조된 컴포넌트에 관계한다. 특히 각각의 컴포넌트들은 전통적인 방법과 비교해서 개선된 기계적인 특성을 가지게 되고, 매우 상이하게 성형된 형태로 제조될 수 있다. 제조 절차가 수행되면, 니켈이 20중량% 이상의 함량으로 포함된, 니켈 또는 니켈 기초 합금으로 된 기질 코어는 다른 합금 형성 원소 이외에도 니켈이 20중량% 이상의 함량으로 포함된 금속 분말 및 결합제로 표면 위에 코팅될 것이다. 후속적으로 먼저 결합제가 제거되는 단계적 열 처리가 수행되고, 이에 후속하여, 니켈 기질 코어를 합금시키고 및/또는 니켈 기초 합금으로 된 고체 표면 코팅을 발달시키는 금속 분말의 소결 단계가 수행된다.
Description
본 발명은 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법 및 이 방법으로 제조된 컴포넌트에 관계한다. 이 방법으로 다양한 3차원 기하의 매우 상이한 형상의 컴포넌트 제조가 가능하다. 또한 이렇게 제조된 컴포넌트는 다공성 구조물을 나타내거나 다공성 구조물을 포함할 수 있다.
공지된 성형 방법으로 본래 달성가능한 상이한 컴포넌트는 본래 공지된 니켈 기초 합금을 가지고도 물론 제조 가능하다. 그러므로 이러한 컴포넌트들은 경우에 따라 후속적으로 다시 냉간가공(cold-worked) 또는 열간가공(warm-worked)될 수 있는 주형 부품(cast parts)으로서 제조될 수 있다.
그러나 특히 절삭 성형(shaping) 처리 동안에 니켈 기초 합금의 기계적 성질로 인하여 문제가 발생한다.
또한 니켈로 된 컴포넌트를 소결 방법에 의하여 변형하는 것이 제안되어 왔는데, 여기서 고용체의 형성 또는 금속간 상(intermetallic phases)(바람직하게는 NiAl)의 형성은 이러한 컴포넌트의 성질 개선을 이루기 위해서 소결에 의해 이루 어져야 하였다. 그러나 이러한 형태에서는 단순히 이러한 컴포넌트의 열적 성질이 개선될 수 있었고, 결과적으로 기계적 성질은 원하는 형태로 개선되지 않았다.
그러므로 본 발명의 목적은 니켈 기초 합금으로 매우 상이하게 성형되며, 개선된 기계적 성질을 포함하는 컴포넌트들을 제조할 수 있는 방법을 미리 결정하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 제 1항의 특징을 포함하는 방법으로 해결된다. 이렇게 제조된 컴포넌트들은 청구항 제 17항과 18항에서 언급된 특징을 가지고 있다.
본 발명의 유리한 실시예들과 개선점들은 종속항에서 설명된 특징에 의해 달성될 수 있다.
니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 생산하기 위해서, 본원 발명에 따른 절차가 수행되어, 순수한 니켈 또는 니켈 기초 합금으로 구성된 기질 코어에 적어도 한 부분에 표면 코팅이 제공될 것이다. 표면 코팅은 금속 분말 및 결합제로부터 형성된다. 본 발명에서 쓰이는 금속 분말은 20 중량% 이상의 니켈 함량 이외에도 이후에 또한 언급될 추가적인 합금 형성 원소를 함유한다.
니켈 기초 합금으로 구성되는 기질 코어는 20 중량% 이상의 니켈을 함유해야 한다.
본 발명에서 사용되는 금속 분말은 각각의 니켈 기초 합금의 분말 뿐만 아니라, 바람직하게는 고에너지 그라인딩을 거친 니켈을 가진 각각의 합금 형성 원소의 분말 혼합물이다.
본 발명에 따르면 표면 코팅이 제공된 기질 코어는 후속적으로 단계적 열처리를 거친다. 이러한 경우 제 1 단계에서 결합제는 표면 코팅으로부터 제거된다. 결합제 제거 후에 금속 분말의 소결이 이루어진다. 소결 중에 니켈 기질 코어 및/또는 니켈 기초 합금으로 형성된 고체 표면 코팅의 소결-융착(sintering-fusing)이 발달한다.
니켈 기초 합금으로 된 기질 코어가 반제품(semi-finished products)으로 사용되는 경우, 금속 분말에 함유된 니켈 함량은 기질 코어 재료 내의 니켈 함량보다 적어야 한다.
그러나, 적어도 소결과 같은 열처리는 1000℃ 이상의 온도 및 환원 대기 또는 불활성 대기에서, 그러나 바람직하게는 수소 대기에서 수행되어야 한다.
사용될 수 있는 기질 코어는 최종적으로 제조될 컴포넌트의 기하학적 형태를 이미 실질적으로 가지기 때문에, 이들 기질 코어는 최종 성형 재가공이 완전히 필요 없게 될 수 있거나, 단순하게 이에 준하는 최소의 성형 재가공이 필요할 것이다.
그러나 본 발명에 의한 방법을 사용하면, 발포체(foam body)로도 공지된, 바람직하게는 다공성 구조를 가진 다공성 반제품 형태의 기질 코어들이 사용될 수 있다.
특히, 이러한 다공성 발포체 구조물의 제조에서, 표면 코팅은 결합체, 금속 분말 그리고 부가적 용매, 경우에 따라서는 용액으로 제조된 현탁액/분산 (suspension/dispersion)을 사용하여 발달되어야 한다.
물론 이러한 현탁액/분산을 비-다공성 기질 코어 위에 침전시키는 것 또한 가능하다.
다공성 구조를 가진 기질 코어들은 현탁액에 완전히 담가지고, 후속적으로 이러한 현탁액/분산으로 충전된 기질 코어는 다공으로부터 현탁액/분산을 제거하기 위해 압축되어, 웹들은(webs) 단순히 습윤된 상태로 남게 된다.
다음으로 단계적 열처리가 수행될 수 있다.
그러나 다공성 발포체 형태의 컴포넌트를 제조하는 동안, 경우에 따라서는 이러한 기질 코어의 다공성 구조의 표면을 습윤시키기 위해 용매에 의해 적절한 점성도를 가지는 결합제가 사용되는 처리가 이루어질 수 있으며, 여기서 다공으로부터 과잉의 결합제를 제거하기 위해 그라우팅(grouting)이 또한 수행될 수 있다.
후속적으로 각각의 금속 분말이 습윤된 표면위에 침전될 수 있고, 여기서 진동에 의하여 금속 분말의 보다 많은 균일한 분산이 이루어질 수 있다. 이에 후속하여 단계적 열처리가 다시 일어난다.
바람직하게는 표면 코팅의 발달 후 및 단계적 열처리 전에 다공 구조를 가진 이러한 기질 코어들을 변형시키는 것 또한 가능하다.
그러므로, 예를 들면, 굽힘(bending)이 결정된 최소 굴곡 반지름의 허용범위 하에서 수행될 수 있다. 그리하여 속이 빈-실린더 형상의 컴포넌트 또는 나선 형태로 된 컴포넌트를 제조하는 것도 가능하다.
그러나 본 발명에 의한 방법으로, 복합 요소(composite member)를 용이하게 제조하는 것 또한 가능하다. 이 경우, 처리가 수행되어, 적어도 기질 코어의 한쪽 표면 영역에 전술한 바와 같은 표면 코팅이 제공될 것이다.
이후 이 표면 영역은 적어도 또다른 기질 코어와 접촉되도록 할 수 있으며, 이 경우 결합제의 접착 효과가 유리하게 사용될 수 있다. 이후에, 열처리가 일어나고 그 동안에 각각의 기질 코어의 접착력 타입 연결에 의한 경계(closure)가 형성된다.
그러나 표면 코팅을 가지는, 접착력에 의한 경계로 연결될 둘 이상의 기질 코어의 표면 영역을 제공하고, 이들을 서로 접촉하게 하고, 이후 열적 처리에 의하여 접착력에 의한 경계로 연결시키는 것 또한 가능하다.
이러한 방법으로, 복합 요소들은 후속적으로 성형을 요하지 않는, 예를 들면 언더컷(undercut) 또는 공동(cavities)을 포함하는 복잡한 기하학적 구조로 제조될 수 있다.
그러나 밀도있는 구조(dense structure)를 가진 기질 코어 및 다공성 구조를 가진 기질 코어로부터 형성된 복합 요소를 제조하는 것 또한 가능하다.
본 발명에 의해 사용되는 금속 분말은 바람직하게는 20중량%의 최소 함량을 가지는 니켈 이외에도, 50 중량% 이상의 탄소, 몰리브덴, 철, 코발트, 니오븀, 티타늄, 알루미늄, 붕소, 지르콘, 망간, 실리콘, 및/또는 란탄 등도 포함할 수 있다.
그러나 각각의 분말 조성 이외에도, 표면 코팅은 기질 코어의 정해진 표면 영역 위에 상이한 형태로 발달될 것이라는 점에서, 본 발명에 의해 제조된 컴포넌트의 특성은 또한 변화될 수 있다.
이러한 변화는 한편으로는 다른 형태로 반복되는 적용에 의해 수행될 수 있는 표면 코팅의 각각의 두께, 다른 한편으로는 상이한 금속 분말의 함량, 금속 분말의 조성 및 금속 분말의 입상도를 가지는 국부적으로 상이한 농도(consistency)의 표면 코팅이 제공될 수 있는 것에 관련된다.
결과적으로, 본 발명에 의해 제조된 컴포넌트에 대하여 국부적으로 상이한 특성이 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 사용하면, 표면으로부터 시작하는 구배된(graduated) 합금 조성물을 포함하는 컴포넌트를 제조하는 것이 가능하다. 그러므로, 예를 들면, 순수 니켈로 된 기질 코어를 사용하여, 소결 후에도 여전히 순수한 니켈의 코어 영역을 가지고 있는 컴포넌트를 제조하는 것이 가능한데, 여기서 추가적인 합금 원소의 함량은 각각의 표면 쪽으로 연속적으로 변화/증가한다.
이미 언급된 복합 요소를 제조함에 있어서, 구배된 합금 조성물은 또한 접착력 타입 연결에 의한 경계에 의하여 형성된 연결 영역에서 발달될 수 있다.
본 발명에 의해 제조된 컴포넌트들은 니켈 만으로부터 제조된 컴포넌트와 비교하여 보다 높은 연성, 크리프 저항성 및 강도를 가지고 있으며, 이러한 조건들은 니켈 알루미나이드와의 비교에서도 적용된다.
니켈 성분과 비교하여 산화 경향 또한 감소될 수 있다.
컴포넌트들은 1000℃ 이상의 온도에서 열 안정성을 달성하며, 특히 본 발명에 의해 제조된 다공성 구조를 가진 컴포넌트들은, 예컨대 니켈 알루미나이드의 취성(brittleness)으로 인한 니켈 알루미나이드폼(foam)의 사용을 배제하고는, 그 자체로 광범위한 응용 가능성을 제공한다.
특히 본 발명에 의해 제조된 컴포넌트들은 보다 높은 동적 하중(dynamic loads)에서 사용될 수 있다.
다음에서는 본 발명을 실시예로서 설명할 것이다.
실시예 1
300mm * 150mm * 1.9mm의 크기를 가지며, 94%의 다공도를 가지는 니켈로 된 기질 코어를 50ml 부피의 폴리비닐파이롤리돈의 1% 수용액에 담갔다. 후속적으로 다공의 공동(cavities)으로부터 결합제를 제거하기 위해서 흡수 패드 위에서의 압출이 수행되었고, 다공성 구조의 웹들은 단순히 습윤된 상태로 남았다.
이에 후속하여, 결합제로 습윤된 다공성 기질 코어를 진동 장치 안에 고정시키고, 금속 분말을 살포하였다. 진동의 결과로, 결합제로 습윤된 기질 코어의 표면 위에 금속 분말의 균일한 분산이 이루어질 수 있었으며, 여기서 구조물의 개방 다공도는 유지되었다.
금속 분말은 탄소 0.1 중량%, 크롬 22.4 중량%, 몰리브덴 10.0 중량%, 철 4.8 중량%, 코발트 0.3 중량%, 니오븀 3.8 중량% 및 니켈 58.6 중량%의 조성을 포함하였다. 이러한 금속 분말은 "Inconel 625"이라는 상표명으로 상업적으로 구입가능하다.
금속 분말과 결합제로 코팅된 기질 코어 표면은 실린더 성형체로 압연되었다. 이 경우에 금속 분말의 흡착은 결합제에 의하여 확보되었다.
이에 후속하여, 단계적 열처리가 수행되었고, 여기서 단계적 열처리는 수(water) 환경의 건조 오븐안에서 제 1 단계가 실시되었다. 온도는 증가하였으나, 가열속도는 5 K/min로 유지되었다. 결합제 제거가 약 300℃ 근방에서 시작되고 600℃에서 완료되었다. 결합제로부터 완전한 방출을 확보하기 위해서 약 30분의 저류 시간(detention time)을 더 가져야 한다.
후속적으로, 약 30분의 저류 시간을 유지하면서 1150 ℃ 내지 1250 ℃ 범위의 온도에서 소결이 수행되었다.
이렇게 제조된 컴포넌트는 니켈 기초 합금으로 구성되었으며, 여기서 표면에서의 이들의 조성은 사용된 금속 분말의 조성과 적어도 대체로 동일하다. 다공도는 91%이다. 공기 중에서 컴포넌트는 온도 1000 ℃까지 산화-방지 되었으며, 또한 높은 강도, 크리프 저항성 그리고 인성(toughness)을 포함한다. 소결 후, 다공성 발포체 구조의 제한된 변형이 비교적 특수한 최소 굴곡 반지름에서 여전히 가능했다.
실시예 2
200 mm * 200 mm * 0.15 mm 크기를 가진 순수 니켈의 T 파형 판(corrugated sheet)이 기질 코어로 사용되었다.
이러한 기질 코어를 위한 표면 코팅이 6%의 폴리비닐파이롤리돈 수용액 18 ml 및 실시예 1에서 사용된 금속 분말과 동일한 조성의 금속 분말로부터 발달되었다.
강한 교반 후에 금속 분말과 결합제로부터 제조된 현탁액은 압축공기에 의해 원자화(atomize) 되었으며, 양쪽 면으로부터 기질 코어 위에 분사되었다. 표면 코 팅은 150um 두께로 이루어진다. 1분 이상 건조한 후, 대략적으로, 층은 충분히 큰 소지 강도(green strength)를 가지고 있어서, 실시예 1과 유사한 단계적 열처리가 이루어질 수 있었다.
최종 컴포넌트는 니켈 기초 합금을 포함하는데, 여기서 표면에서의 이들 합금 조성은 사용된 금속 분말의 합금 조성과 대체로 동일하였다. 공기 중에서, 최종 컴포넌트는 온도 1000 ℃까지 산화-방지 되었다. 높은 강도, 크리프 저항성 그리고 인성은 순수한 니켈로 된 기질 코어와 비교할 때 증가되었다.
본 발명은 니켈 기초 합금으로 컴포넌트을 제조하는 방법 및 이 방법으로 제조된 컴포넌트에 관계한다. 특히 각각의 컴포넌트들은 전통적인 방법과 비교해서 개선된 기계적인 특성을 가지게 되고, 매우 상이하게 성형된 형태로 제조될 수 있다. 제조 절차가 수행되면, 니켈이 20중량% 이상의 함량으로 포함된, 니켈 또는 니켈 기초 합금으로 된 기질 코어는 다른 합금 형성 원소 이외에도 니켈이 20중량% 이상의 함량으로 포함된 금속 분말 및 결합제로 표면 위에 코팅될 것이다. 후속적으로 먼저 결합제가 제거되는 단계적 열 처리가 수행되고, 이에 후속하여, 니켈 기질 코어를 합금시키고 및/또는 니켈 기초 합금으로 된 고체 표면 코팅을 발달시키는 금속 분말의 소결 단계가 수행된다.
Claims (18)
- 니켈 기초 합금으로 컴포넌트(component)를 제조하는 방법,여기서 표면 코팅은다른 합금 형성 원소 및 니켈이 20 중량% 이상의 함량으로 포함된 금속 분말 및 결합제를 사용하여;니켈이 20중량% 이상의 함량으로 포함된 니켈 또는 니켈 기초 합금으로 된 기질 코어 위에 침전되고;상기 코팅된 기질 코어는,먼저 상기 결합제가 제거되고, 이에 후속하여 상기 금속 분말을 소결하는 단계가 수행되어, 그 동안에 상기 니켈 기질 코어 및/또는 상기 니켈 기초 합금으로 형성된 고체 표면 코팅이 발달되는 단계적 열처리를 거치게 됨.
- 제 1항에 있어서, 상기 니켈의 함량이 상기 니켈 기초 합금으로 형성된 기질 코어에서의 상기 니켈의 함량보다 적은 금속 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 니켈에 탄소, 크롬, 몰리브덴, 철, 코발트, 니오븀, 티타늄, 알루미늄, 붕소, 지르콘, 망간, 실리콘, 및/또는 란탄 등이 추가하여 포함된 금속 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기 초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법
- 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기질 코어로써 다공 발포체(porous foam body)가 사용되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 발포체는 상기 결합제 및 상기 금속 분말로 형성된 현탁액/분산(suspension/dispersion)으로 코팅되고, 후속적으로 단계적 열처리가 수행되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 코팅된 발포체가 상기 발포체의 다공으로부터 상기 현탁액/분산을 제거하기 위해 압축되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 발포체는 상기 결합제로 코팅되고 상기 코팅된 발포체는 상기 발포체의 다공으로부터 상기 결합제를 제거하기 위해 압축되며, 상기 금속 분말은 상기 결합제로 습윤된 상기 발포체 위에 침전되고, 후속적으로 상기 단계적 열처리가 수행되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 발포체는 상기 금속 분말을 침전시키는 동안 또는 침전 시킨 후에 진동되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 4항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅된 기질 코어 또는 상기 발포체는 상기 열처리 전에 변형되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 기질 코어의 표면이 현탁액/분산으로 코팅되고, 상기 코팅된 표면은 상기 하나 이상의 제 2 기질 코어의 표면과 접촉하게 되며, 상기 기질 코어의 접착력 타입 연결은 상기 열처리에 의해 발달되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 제 2 기질 코어 또는 그밖의 다른 기질 코어의 상기 각각의 표면 또한 코팅되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기질 코어들의 표면에서 코팅이 수행되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기질 코어의 영역이 상이한 형태로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 9항 또는 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅은 상이한 농도 및/또는 상이한 층 두께의 상기 현탁액/분산으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 고 에너지 그라인딩(grinding)을 거친 다른 합금 형성 원소의 분말 및 니켈을 가진 분말 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 소결 단계는 1000℃ 이상의 온도 및 환원 대기 또는 불활성 대기에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면에서부터 시작하는 구배된(graduated) 합금 조성물이 발달되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
- 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 구배된 합금 조성물은 적어도 접착력 타입 연결에 의하여 적어도 경계의 연결 영역 안에서 발달되는 것을 특징으로 하는, 니켈 기초 합금으로 컴포넌트를 제조하는 방법.
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