KR20060042190A

KR20060042190A - 금속간 티타늄 알루미나이드 합금을 함유하는 부품 또는 반제품 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조될 수 있는 부품

Info

Publication number: KR20060042190A
Application number: KR1020050015622A
Authority: KR
Inventors: 오에흐링 마이클; 폴 조나단; 아펠 프리츠
Original assignee: 게카에스에스-포르슝스첸트룸 게스트하흐트 게엠베하
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-05-12
Also published as: ES2305593T3; CN1660540B; DE502004006993D1; ATE393699T1; US7870670B2; RU2306227C2; RU2005105411A; JP2005238334A; CA2496093C; US20060138200A1; EP1568486A1; CN1660540A; EP1568486B1; CA2496093A1

Abstract

본 발명은, 금속간 티타늄 알루미나이드 합금을 함유하는 부품(10) 또는 반제품을 제조하기 위한 방법으로서,

a) 다수의 판형 보디(11)를 상기 부품(10) 또는 반제품의 소정 최종 형상에 대응하도록 개략적으로 윤곽형성하는 단계로서, 상기 판형 보디의 일부 또는 전부는 티타늄 알루미나이드 합금으로 이루어지는, 윤곽형성 단계와,

b) 전체 보디(10)를 형성하도록 상하로 적층되는 다수의 판형 보디(11) 사이에 표면대 표면 접합을 실시하는 단계, 및

c) 상기 전체 보디(10)의 소정 최종 형상을 형성하는 단계를 포함하는 부품 제조 방법, 및 이 방법을 사용하여 제조되는 특히 제트 엔진용 부품을 제공한다.

판형 보디, 티타늄 알루미나이드 합금, 확산 용접, 불활성 가스 분위기, 미세구조

Description

금속간 티타늄 알루미나이드 합금을 함유하는 부품 또는 반제품 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조될 수 있는 부품{Process for producing components or semi-finished products which contain intermetallic titanium aluminide alloys, and components producible by the process}

도1은 본 발명의 방법에 따라 판형 보디로부터 구조될 부품의 사시도.

도2a는 수직 적층된 다수의 판형 보디로부터 조립되는, 도1에 따른 부품의 구조(construction)의 도시도.

도2b는 수평 적층된 다수의 판형 보디로부터 조립되는, 도1에 따른 부품의 구조의 도시도.

도3은 예를 들어 디스크 형태의 두 개의 판형 보디가 그 롤링 방향 WR에 대해 상이한 각도 α로 배향되어 있는, 도2b에 따른 부품의 수직 분해도(원리의 설명을 위해 두 개의 판형 보디만이 도시됨).

도4는 확산 용접에 의한 판형 보디들의 접합중에 압축 응력을 도입하기 위한 다이의 개략 도시도로서, 여기에서 부품은 도2b에 따른 다수의 판형 보디로 형성되는 도면.

도5는 고온 정수압 프레싱 및 진공-기밀 봉입(encapsulation) 중에 정수압 응력을 전달하기 위한 추가 슬라이드 링크를 구비하는, 도3에 따른 다이의 개략 도 시도.

도6은 디스크 형태로 설계된 판형 보디로부터 부품을 제조하는 것과 관련한 각 단계의 개략도로서, 도6a는 적층된 판형 보디를 도시하고, 도6b는 확산 용접에 의해 접합된 판형 보디를 도시하며, 도6c는 예비성형물을 단조처리하는 단계를 도시하고, 도6d는 그 소정 최종 형상의 완성 부품을 도시하는 개략도.

도7은 공업용 티타늄 알루미나이드 합금으로 제조된 여덟개의 판형 보디로 형성된 부품의 확산 용접 이후의 접합 영역을 도시하기 위해 부품을 주사형 전자 현미경으로 관통 촬영한 이미지 형태의 단면도.

도8은 도6에 따른 접합 영역을 보다 고배율로 도시하는 단면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 전체 보디/부품 11: 판형 보디

12: 롤링 방향 13, 14: 다이

15: 봉입부 16, 17: 가이드 링크

18: 진공 흡입 연결부 19: 회전축

본 발명은 금속간(intermetallic) 티타늄 알루미나이드 합금을 함유하는 부품 또는 반제품을 제조하기 위한 방법, 및 이 방법에 의해 제조될 수 있는 부품에 관한 것이다.

종래 기술에서 공지된 종래 형태의 금속간 티타늄 알루미나이드 합금으로 제조된 부품 또는 반제품은, 종래의 제조 방법으로 제조되면, 그 강도, 크리프(creep) 특성, 및 이들 재료의 특별한 금속학적 특징에 의해 초래되는 고온에 대한 내성에 있어서 결점 또는 결함을 갖는다.

공업적으로 중요한 티타늄 알루미나이드 합금은 알루미늄을 40 내지 50At.% 포함하고, 다른 원소들, 예를 들면 Nb, Cr, Si, B, C를 15At.%까지 포함하며, 나머지로 티타늄을 포함한다. 이런 형태의 합금은 다수 상(majority phase)으로서의 γ(TiAl) 및 소수 상(minority phase)으로서의 α₂(Ti₃Al)으로 조성된다. 합금 조성 및 열처리에 따라서 추가적인 소수 상이 존재할 수도 있다. 공업용 티타늄 알루미나이드 합금의 예로는 이하의 것들이 포함된다(세부적인 것은 At.%로 나타냄):

Ti-48Al-2Cr-2Nb

Ti-47Al-1Cr-1Nb-0.5B

Ti-44Al-4Nb-4Zr-0.5Si

Ti-45Al-10Nb-0.2B-0.2C.

이러한 형태의 합금은 일반적으로 저밀도, 고탄성율, 양호한 강도, 양호한 내산화성으로 구별된다. 이러한 특이한 특성으로 인해, 티타늄 알루미나이드 합금은 고온 기술 분야에서 상당한 관심을 모으고 있다. 그러나, 이 합금의 공업적 이용에 있어서의 장애물은 높은 취성(brittleness)인 바, 이 성질은 매우 높은 온도 까지 남아있다. 따라서, 미세구조에서의 재료 결함 또는 심지어는 불균질성(inhomogeneities)은 이들 합금으로 제조된 부품들의 강도 및 신뢰도에 매우 불리한 효과를 가져온다. 이제까지는 합금화 효과에 의해 금속간 상(phases)의 성질에 의해 미리결정되는 티타늄 알루미나이드 합금의 낮은 취성 및 손상 오차를 현저하게 개선시킬 수 없었다. 따라서, 티타늄 알루미나이드 합금을 제조하기 위한 적절한 방법을 목적으로 하는 개발 작업은, 매우 미세하고 화학적으로 및 구조적으로 균질한 미세구조의 형성을 가능하게 하는 예를 들면 주조(casting) 또는 가열성형(hot-forming)과 같은 종래의 야금 방법에서의 프로세스 파라미터를 확인하는 것에 집중되었다. 한편, 이는 고온 특성이 완전히 사용될 수 없음을 의미하는 바, 그 이유는 설정되는 정교한 미세구조가 예를 들면 합금의 크리프 강도 및 인성을 감소시키기 때문이다. 다음으로, 특정 부품에서 달성되는 기계적 특성은, 부품 단면에 걸쳐서 미세구조는 불가피하게 완전 균질하지 못하다는 사실에 의해 제한된다. 그 이유는 미세구조 형태가 종종 부품의 국소(local) 단면에 종속되기 때문인 바, 상기 부품의 국소 단면은 예를 들어 단조(forging)에 의한 제조의 경우에는 국소 변형 정도를 결정하며 또는 주조에 의한 제조의 경우에는 국소 냉각속도를 결정한다.

다른 금속간 상들과 마찬가지로, γ-티타늄 알루미나이드 합금에 존재하는 다수 상 γ(TiAl)은 그 결정 구조로 인해 예를 들어 탄성 또는 소성 특성에 있어서 상당한 이방성을 갖는다. 더욱이, 티타늄 알루미나이드 합금에 주로 형성되는 층상(lamellar) 미세구조는 기계적 특성의 이방성을 고양시킨다. 따라서, 부품에서 입자의 특정한 결정 배향은 제조 방법에 의해 가능한 한 회피되어야 한다. 그러 나, 단면 및 미세구조가 상당히 변화되는 부품의 조직은 대체로 부품 단면에 걸쳐서 제한된 정도로 제어될 수 있을 뿐이며, 이는 특성의 전체 잠재성이 개발될 수 없음을 의미한다.

오늘날, 티타늄 알루미나이드 합금은 이미 주조물, 변형 반제품, 및 분말을 포함하는 금속공학에서 표준인 모든 제품 형태에 공급될 수 있다.

티타늄 알루미나이드 합금의 주조는 비교적 저렴한 제조 방법이며, 특히 복잡한 형상의 부품의 제조에 적합하다. 그러나, 이 기술은 티타늄 알루미나이드 합금의 강한 반응성(reactivity) 및 대략 1460℃의 고융점으로 인해 매우 복잡하다. 티타늄 알루미나이드 합금의 몰드-충진 특성은 제한된다. 따라서, 정교한 형상의 부품을 제조하기 위해서는 예를 들면 원심주조와 같은 특수 주조 기술이 요구된다. 용융 재료의 고화(solidification) 및 추가 냉각 중에는, 합금 원소의 불가피한 분리 및 매우 명백한 주조 조직을 초래하는 상 변태 및 서열(ordering) 반응이 발생한다. 고화 중에 형성되는 미세구조는 냉각 속도에 종속되며, 따라서 부품의 벽 두께에 따라 달라질 수 있다. 주조물에는 기공(void) 및 세공(pore)이 종종 발생한다.

전술한 상기 정량적 결함은 부품의 크기가 클수록 증가되며, 많은 적용분야에서 허용될 수 없다.

종래 재료의 경우에서와 같이, 단조나 압출(extrusion)과 같은 변형 기술은 화학적으로 및 구조적으로 매우 불균질한 주조물을 강화 및 정제하는데 사용된다. 이렇게 달성될 수 있는 미세구조의 개선은 주로, 변형 중에 달성될 수 있는 변형 정도에 달려있다. 티타늄 알루미나이드 합금의 경우에, 변형의 정도는 특히 재료의 취성 파괴 경향에 의해 상당히 제한된다. 그 결과, 단조되는 물체의 주변에는 종종 추가 변형을 방지하는 크랙이 조기에 형성된다. 그러므로, 티타늄 알루미나이드 합금을 단조처리하는 동안의 변형 정도는 대체로 80%로 한정된다. 그러나, 이는 미세구조의 만족할만한 정제 및 강화를 달성할 수 없다. 이런 식으로 변형된 반제품은 거친 주조(coarse cast) 미세구조가 여전히 존재하는 영역을 종종 가지며, 더욱이 상기 미세구조는 화학적 측면에서 여전히 대단히 불균질하다. 이런 형태의 반제품은 높은 부하를 받는 부품용으로만 제한적으로 사용된다.

압출 중에는, 변형에 대해 높은 정수압 압축 응력이 부과되며, 이는 크랙 형성을 매우 효과적으로 방지한다. 이는 단조 중에 상당히 높은 정도의 변형을 달성할 수 있게 해주며, 그 결과 미세구조의 품질이 현저히 개선된다. 그러나, 대규모의 변형에도 불구하고, 압출된 반제품에는 여전히 상당한 구조적 및 화학적 불균질성이 존재하며, 이 불균질성은 임의의 안정성과 관련한 부품용 재료의 사용을 크게 제한한다. 추가 부품 제조에서의 특별한 결점은 압출이 매우 가느다란 반제품을 형성한다는 것이다. 가공물의 단면은 대개 10:1 이상의 비율로 감소된다. 오늘날, 충분한 품질의 주조물은 최대 300mm까지의 직경으로 제조될 수 있다. 압출은 특정 형태의 부품에만 적합한 반제품을 형성한다. 그러나, 압출된 재료는 단조나 압연(rolling)에 의한 후속 변형에 매우 적합하다. 이 이차 변형은 다시 한번 미세구조를 상당히 향상시키며, 따라서 그로부터 제조된 부품은 고품질의 요구를 충족시킬 수 있다. 그러나, 압출 반제품의 매우 가느다란 형태로 인해, 후속 단조 (subsequent forging)는 작은 부품 체적을 채울 수 있을 뿐이며, 특히 따라서 대면적 부품을 제조할 수 없다.

그러나, 압연에 의해 압출 재료로부터 비교적 대면적의 얇은 금속제 시트 및 판이 제조될 수 있다. 압연 변형으로 인해, 이들 금속제 시트 및 판은 구조적으로나 화학적으로 매우 균질하지만, 압연 방향에 대해 상당한 조직을 가지며 기계적으로 이방성을 갖는다.

전술한 주조 및 변형 기술의 결점은 분말 야금 제조 방법을 사용함으로써 회피될 수 있다. 이 방법에서는, 미리합금화된(pre-alloyed) 티타늄 알루미나이드 분말이 고온 정수압 프레싱(hot isostatic pressing)에 의해 여러번 콤팩트 성형되며(compacted), 여기에서 콤팩트 성형되는 물체의 크기에는 원칙적으로 제한이 없다. 이 분말 야금 제조 방법의 다른 장점은, 콤팩트 성형된 물체가 구조적 및 화학적 측면에서 매우 균질하며, 더욱이 어떤 조직을 갖지 않는다는 것이다. 상이한 조성 및 상이한 미세구조를 갖는 분말의 혼합은 또한 기계적 특성의 프로파일을 변화시킬 수 있다. 따라서, 분말 야금에 의해 제조되는 티타늄 알루미나이드 반제품은 우선 후속 단조에 의한 대형 부품의 제조에 특히 적합한 것으로 보인다.

그러나, 분말 야금 기술의 심각한 결점은 분말 입자에 종종 분무(atomization) 가스가 포함된다는 것이다. 이 분무 가스는 후속 변형 단계 중에 배출되며, 다공성으로 이어진다. 따라서, 높은 부하를 받으며 안전성과 관련한 부품에서는, 분말 야금에 의해 제조되는 재료의 사용이 회피된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 높은 부하를 받을 수 있고, 높은 형상 팽창을 가질 수도 있으며, 매우 높은 내열성을 갖고, 전술한 종래 기술에서 공지된 제조 방법에 의해 제조된 부품의 결점을 갖지 않는 금속 또는 금속합금으로 부품 또는 반제품을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이며, 이들 부품 또는 반제품을 제조하기 위한 방법은 간단하게 수행될 수 있고, 종래에 공지된 종래 제조 방법의 단계들에 실질적으로 기초할 수 있으며, 그 의도는 본 발명에 따른 방법이, 공지의 제조 방법에 의해 제조된 부품 또는 반제품에 존재하지 않는 특성을 갖는 부품 또는 반제품을 제공할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 방법에 따르면, 상기 목적은 이하의 단계들에 의해 달성된다:

a) 다수의 판형 보디(plate-like body)를 부품 또는 반제품의 소정 최종 형상에 대응하도록 개략적으로 윤곽형성하는 단계로서, 상기 판형 보디의 일부 또는 전부는 티타늄 알루미나이드 합금으로 이루어지는, 윤곽형성 단계와,

b) 전체 보디를 형성하도록 상하로 적층되는 다수의 판형 보디 사이에 표면대 표면 접합을 실시하는 단계, 및

c) 상기 전체 보디의 소정 최종 형상을 형성하는 단계.

본 발명에 따른 해결책의 주요 장점은, 마지막 단계에서 형성되는 전체 보디를 구현하기 위한 출발 보디(starting body)가, 압연, 압출 또는 단조와 같은 변형 기술에 의해 반제품으로 제조되는 비교적 얇은 면적 금속 시트 또는 판이며, 따라서 저렴하게 제공될 수 있다는 것이다. 본 발명에 따르면, 그러나, 주조나 분말 야금 방법에 의해 제조될 수 있는 시트형 또는 판형 금속 또는 금속합금 반제품을 사용하는 것도 가능하다.

본 발명의 내용에서, 부품의 3차원 최종 형상은 판형 보디로 층상으로 조립되다. 층을 형성하는 이들 개별 판형 보디는 부품을 통한 평행 절단면 형태를 취하며, 부품 디스크로서 간주될 수 있다.

본 발명의 방법의 단계(a)에서의 "개략적 윤곽형성(rough contouring)"은, 다수의 판형 또는 디스크형 보디가 상하로 적층된 후, 본 발명에 따라 제조될 부품에 대해 약간 큰 치수의 초기 형상이 선택되는 것을 의미한다. 곡선형 부품 형상 또한, 다수의 판형 또는 디스크형 보디를 적층에 의해 대응하여 단계적으로 개략 윤곽형성함으로써 형성될 수 있으며, 따라서 이는 3차원적 계단형상의 윤곽면을 갖는다.

압연, 압출, 단조, 주조 또는 분말 야금술에 의해 제조되는 판형 또는 디스크형 보디는 이들 기술로 인해, 소정의 원하는 사양에 따라 전체 보디에 대해 정해지는 소정의 미세구조 및 조직을 갖는다. 공지의 방법으로 제조되는 전체 보디의 결점은 이 경우 발생하지 않는 바, 그 이유는 판형 보디로 형성되는 전체 보디의 특성이 나란한 층구조로 형성되기 때문이다.

전체 보디를 형성하도록 상하로 적층된 다수의 판형 보디의 접합은 적절한 접합 방법에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 접합 작업에 의한 전체 보디의 내부에서의 미세구조 변화는 전혀 일어나지 않는다.

상기 단계(c)에 따른 소정의 최종 형상의 형성은 공지의 변형 방법에 의해 이루어질 수 있지만, 상호 접합된 판형 보디들은 그 미세구조를 유지한다.

본 발명의 방법의 유리한 구성에 따르면, 판형 보디의 개략 윤곽은 비절삭 성형(chipless shaping)에 의해, 예를 들면 판형 보디를 반제품으로부터 시트 또는 판 형태로 스탬핑(stamping)함으로써 형성된다.

그러나, 판형 보디의 개략 구조는 기계적으로 이루어질 수 있는 절단에 의해 또는 예를 들면 레이저 커팅 방법 등에 의해 바람직하게 실현될 수도 있다.

전체 보디를 형성하도록 상하로 적층된 다수의 판형 보디의 접합은 확산 용접(diffusion welding)에 의해서 유리하게 이루어질 수도 있다. 확산 용접은 900 내지 1100℃의 비교적 낮은 온도와 20 내지 100MPa의 압력에 이루어질 수 있으며, 따라서 중간 용접 영역과는 별개로 판형 보디의 재료의 미세구조에는 변화가 전혀 없다.

본 발명의 방법의 다른 유리한 구성에서, 상하로 적층된 다수의 판형 보디는 그 사이를 각각 납땜 접합함으로써 상호 접합된다.

전체 보디의 최종 형상의 형성은 전체 보디를 단조가공함으로써 바람직하게 이루어질 수 있는 바, 이는 이 단조 작업이 재료의 추가적인 고화 및 화학적 균질화를 초래하며, 용접 영역에 존재하는 미세구조 변화가 이 과정에서 실제로 완전히 없어진다는 장점을 갖는다. 이는 고도의 부하를 받는 안정성 관련 부품에 있어서 특히 유리하다.

원칙적으로, 모든 적합한 방법, 예를 들면 기계 공구에서의 재료-제거 가공 방법 또는 공지의 침식 방법에 의한 최종 성형은, 상기 방법의 단계(c)에 따른 전 체 보디의 최종 형상 성형에 적합하다. 이들 가공 방법은 또한 전체 보디의 최종 형상을 형성하기 위해 단조 가공과 더불어 사용될 수도 있다.

예를 들어 다수의 판형 보디를 상호 접합하는 작업 및 후속 단조가공의 조합과 같은 특정 공정에서는, 시간과 비용을 절약하기 위해, 상하로 적층된 다수의 판형 보디의 접합 및/또는 전체 보디의 최종 형상 형성을 진공 하에 또는 불활성 가스 분위기 하에 수행하는 것이 유리할 수도 있다. 진공 또는 불활성 가스 분위기 하에서의 단조와 같은 특정 제조 방법의 경우에는, 판형 보디의 접합 영역이 예를 들면 확산 용접에 의해서 산소와 결합되지 않아야 한다.

상기 방법은 전체 보디를 형성하는 판형 보디들이 각각의 경우에 상이한 티타늄 알루미나이드 합금들로 구성되거나 티타늄 알루미나이드 합금과 기타 금속 및 금속합금으로 구성되는 전체 보디의 형성에 있어서 매우 유리하다. 예로서, 상이한 조성, 상이한 미세구조, 및 상이한 조직을 갖는 다수의 판형 보디를 사용할 수 있다. 예를 들면, 개별 판형 보디에 대해 매우 상이한 조성을 갖는 2상(two-phase) 티타늄 알루미나이드 합금을 사용할 수 있으며, 이런 식으로 예를 들면 합금의 각각의 상이한 내산화성 및 합금의 상이한 강도를 고려할 수 있다.

이는 예로서, 티타늄 알루미나이드 합금의 내산화성은 알루미늄 함량이 클수록 증가하고, 이 내산화성은 Nb의 첨가에 의해 더욱 높아질 수 있으며, 반면에 티타늄 알루미나이드 합금의 강도는 알루미늄 함량이 작을수록 증가하고, Nb, Mo, W, B, C 또는 Si와 같은 합금 원소에 의해 추가로 영향을 받을 수 있다는 사실을 고려하고 있다.

상기 방법은 전체 보디를 형성하는 다수의 판형 보디가 상이한 미세구조 및/또는 상이한 조직을 갖는 식으로 유리하게 개량될 수 있다. 특히, 매우 상이한 미세구조를 사용하여 2상 티타늄 알루미나이드 합금이 제조될 수 있다. 개별 판형 보디를 형성하는 이런 형태의 티타늄 알루미나이드 합금의 기계적 특성은 구형(globular) γ(TiAl) 입자, α₂(Ti₃Al) 입자, 및 미세구조를 형성하는 층상 콜로니의 상대적 체적 비율에 상당히 의존하며, 그 결과 이 관계를 고려하여, 판형 보디로 형성되는 정해진 층 또는 디스크는, 최종 보디의 소정의 전체 특성이 정해진 방식으로 결정될 수 있도록 최종 보디에 배치될 수 있다.

최종적으로, 상기 방법은, 상하로 적층된 다수의 보디의 표면의 배향이 형성되는 전체 보디의 최종 형상의 주 부하(main loading) 방향에 대해 정해지는 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.

상기 방법에 의해 제조될 수 있는 부품의 구조에 관하여 전술한 모든 수단은, 부품의 다양한 부분에서의 매우 상이한 부하를 고려하는 단계적 재료의 실현을 가능하게 한다. 이는 개별 판형 보디를 형성하는 것과 같은 금속이나 티타늄 알루미나이드 합금의 조성뿐 아니라, 최종 성형된 전체 보디의 주 부하 방향에 기울이는 신중한 주의에도 관련되어 있다.

전술한 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 부품의 예는 제트 엔진용 부품인 바, 이는 극단적으로 높은 기계적 부하 및 열적 부하를 감당할 수 있어야 하는 것이다. 제트 엔진용의 이러한 형태의 부품은 예를 들면, 제트 엔진용 로터 디스 크 또는 로터 구조물인 바, 여기에서는 블리스크(blisk; blade integrated disc)로 공지된 로터 디스크에 블레이드 또는 베인이 제공되며, 블링(bling; blade integrated ring)으로 공지된 블레이드 또는 베인이 제공된 회전 링이 사용된다.

본 발명은 이제 첨부도면을 참조하여 두 개의 예시적 실시예에 기초하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다.

실시예

먼저 도1, 도2a, 도2b를 참조한다. 도1은 본원에 개시된 방법에 의해 제조될 전체 보디(10)를 도시한다. 도1에 도시된 전체 보디는 이 경우 회전축(19)(도면에서는 수직으로 연장됨)에 대해 대칭적이다.

예1:

단계적 재료 구조를 갖는 디스크형 회전 대칭 부품의 제조.

도2a 및 도2b는 전체 보디(10)를 형성하는 판형 보디(11)의 두 가지 상이한 배치 형태로 전체 보디 또는 부품(10)의 구조를 도시한다. 전체 보디(10) 내에서의 판형 보디(11)로 형성되는 층들의 배치는 후속 부품 상의 예상되는 주 부하 방향에 따라 선택된다. 도2b에 도시된 판형 보디의 배치는, 회전축(19) 주위로의 회전 결과로서의 원심력의 하중을 받는 전체 보디(10)에 대해 선택된다. 이 경우에, 소정의 방식으로 상하로 적층되었을 때 전체 보디(10)를 형성하는 다수의 판형 보디(11) 사이의 접합은 용접 등에 의해 이루어진다. 이 경우(도2b), 용접된 접합부는 인장 응력 또는 전단 응력을 받지 않는다. 전체 보디(10)에 의해 형성된 부품은 상하로 적층된 다수의 판형 보디(11) 사이의 용접 접합에 의해 약간 영향을 받 을 뿐이다.

그러나, 전체 보디(10)의 특성에 있어서 매우 중요한 점은 이 보디가 조성 및 미세구조가 상이한 판형 보디(11)를 사용하여 예상되는 부하에 매치되도록 설계될 수 있다는 것이다. 본원의 내용에서는, 이하의 선택 법칙이 적용된다:

크랙 전파에 대한 높은 내성 및 양호한 크리프 내성이 요구될 때는 층상 미세구조를 갖는 판형 보디(11),

양호한 연성(延性; ductility)이 요구될 때는 이중(duplex) 미세구조를 갖는 판형 보디(11),

양호한 내산화성이 필요할 때는 Nb 함량이 5 내지 10At.%인 합금으로 제조되는 판형 보디(11),

높은 강도 및 크리프 내성을 위해서 Ti-45Al-(5-10)Nb-B-C의 기본 조성을 갖는 합금으로 제조되는 판형 보디(11).

예를 들면 판형 보디(11)를 위한 출발 재료를 형성하는 압연가공된 금속 시트에 존재하는 이방성이, 전체 보디(10)에 의해 형성되는 부품의 특정 방향으로의 강도 특성을 상하로 적층되는 동일하게 배향된 다수의 금속 시트에 의해 높이는데 사용될 수 있다.

원심력에 의한 도시된 부하를 갖는 도2b에 도시된 부품 디스크들의 배치의 경우에, 기계적 특성은 회전축(19)에 대해 가능한 한 등방적(isotropic)이어야 한다. 이는 개별 판형 보디(11)의 롤링 방향(12)(WR)(도3 참조)이 전체 보디(10)에 의해 형성된 부품의 회전축(19) 주위에 균일하게 배치되는 방식으로, 판형 보디 (11)가 전체 보디(10)에 의해 형성된 부품의 회전축(19)에 대해 회전됨으로써 달성될 수 있다. 부품이 n개의 판형 보디(11)로 구조된다면, 인접하는 판형 보디의 롤링 방향(12)이 서로에 대해 회전되어야 하는 각도(α)는 α= 180°/n 이다. 이는 판형 보디로 구성된 전체 보디(10)의 예를 들면 도3에 도시된 두 판형 보디(11)에 대해서 도3에 개략 도시되어 있다.

다수의 판형 보디는, 그것들이 도2a에 따라 구성되거나 또는 도2b에 따라 구성되거나 간에, 부품(10)의 소정의 최종 형상에 따라 개략 윤곽형성되어 미리 성형되는 바, 즉 판형 또는 시트형 반제품(도시되지 않음)으로부터 스탬핑되거나, 절단되거나, 또는 적절하게 예비형상을 갖는다.

도2a에 도시하듯이 적층되거나 또는 도2b에 도시하듯이 적층되거나에 관계 없이 서로 상하로 적층된 다수의 판형 보디(11)는 이후 적절한 접합 방법을 사용하여 상호 접합된다. 판형 보디(11)가 티타늄 알루미나이드 합금으로만 구성되면, 판형 보디(11) 사이를 접합하기 위해서는 확산 용접이 특히 적합한 바, 그 이유는 이것이 20 내지 100 MPa의 압축 응력에서 900 내지 1000℃의 온도를 요하기 때문이다. 이 조건 하에서는, 단지 수 ㎛의 폭인 중간 용접 구역을 제외하고는 미세구조에 변화가 전혀 없다.

도6 및 도7은 예로서, 공업용 티타늄 알루미나이드 합금으로 구성되는 예를 들어 여덟개의 편평한, 판형 보디(11)의, 확산 용접에 의해 접합된 적층체의 미세구조의 이미지를 도시한다. 이 경우, 판형 보디(11)는 진공 하에, 40MPa의 압축 응력 인가에 의해, 950℃의 온도에서, 두 시간 동안 부하가 적용되는 상태에서 기 계적 테스트 기계에 용접되었다.

주사형(scanning) 전자 현미경에 의해 촬영된 이들 이미지로부터 명백한 것은 접합 영역에서 미세구조에 대한 변화가 거의 일어나지 않는다는 것이다. 따라서, 확산 용접은 접합 방법(단계(b))으로서 사용하기에 특히 적합하다. 판형 보디(11)를 형성하는 재료에 세팅될 수 있는 임의의 단계적 구조는 유지되며, 또한 전체 보디(11)에 인식될 수 있다.

곡면을 갖는 부품의 경우에, 확산 용접에 필요한 압축 응력은 부품의 네거티브 형상이 새겨진 다이를 통해서 도입되어야 한다.

이는 도2a에 도시된 부품에 대해서 도4에 개략적으로 도시되어 있다. 다이 재료는 판형 보디(11)를 형성하는 재료와 반응하지 않아야 한다는 것에 유의해야 한다. 적절한 다이 재료에는 몰리브덴, SiC 세라믹, Si₃N₄ 세라믹 또는 Al₂O₃ 세라믹이 포함된다. 그러나, 1000℃의 온도까지는 종래의 고온 합금을 사용하는 것도 가능하다. 티타늄 알루미나이드 합금으로 구성되는 판형 보디(11)의 확산 용접은 진공 하에 또는 적절한 불활성 가스 분위기 하에 수행되어야 한다.

개시된 조건들 하에서, 확산 용접은 또한 고온 정수압 프레싱 설비에서 이루어질 수 있다. 이 목적을 위해, 상하로 적층된 판형 보디(11)는 적절한 방식으로 유지되어야 하며, 가능한 한 확고하게 로킹하는 방식으로 진공 봉입부에 수용되어야 한다. 이런 형태의 배치는 도2a에 도시된 판형 보디(11)의 배치를 위해 도5에 개략 도시되어 있다. 이 경우에도, 티타늄 알루미나이드 합금 및 가이드 링크(16, 17)로 제조된 판형 보디(11) 사이의 반응은 회피될 필요가 있다. 적절한 가이드 링크 재료의 예로는 몰리브덴, SiC 세라믹, Si₃N₄ 세라믹 또는 Al₂O₃ 세라믹이 포함된다. 봉입부(15) 용으로 사용될 수 있는 재료의 예로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄이 포함될 수 있다. 가이드 링크(16, 17)가 사용되지 않으면, 봉입부(15)의 벽과 판형 보디(11) 사이의 반응은 예를 들어 몰리브덴 포일(두께> 0.1mm)에 의해 회피될 수 있다. 접합은 확산 용접에 의해서 뿐만 아니라, 사용 온도에 따라서는 다른 적절한 기술, 예를 들면 브레이징(brazing)에 의해서 이루어질 수 있다.

접합 작업 이후, 전체 보디(10)의 최종 형상은 선삭(turning), 드릴링, 밀링, 전기부식 또는 전기화학 가공과 같은 금속 가공에 통상 사용되는 재료-제거 기술에 의해 제조될 수 있다.

예2:

판형 보디(11)를 상하로 적층하고, 용접한 후 단조가공함으로써 디스크 형태의 부품을 제조.

방법의 단계들은 도2b에 도시된 바와 같은 회전체로 설계된 전체 보디(10)에 기초하여 기술되어야 한다. 우선, 상기 예1에 기술된 바와 같이, 전체 보디(10)의 예비 형상은 디스크 또는 판 형태의 보디(11)로부터 제조된다. 용접에 의한 접합 이후, 소정 부품의 최종 형상 또는 사실상 최종 형상이 제조되는 단조 가공에 의해 추가 변형 단계가 이루어진다.

개별 제조 단계들이 도6에 도시되어 있다. 도6b에 도시된 전체 보디(10)의 높이 및 직경은 도6d에 도시된 디스크 형태로 설계된 부품의 최종 설계에 기초하여 결정되어야 한다. h/d 비율은 2이하(≤2)여야 하며, 따라서 단조 가공 중에는 예비성형물의 비틀림(kinking)이 회피된다. 단조 가공은 950 내지 1420℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 적어도 20%의 변형 정도가 특히 적합하다. 그러나, 단조 가공을 위한 중요한 전제 조건은, 디스크형 또는 판형 보디(11)가 비교적 정교하고 화학적으로 균질한 미세구조를 갖는다는 것이다. 본 내용에서, 판형 보디(11)는 변형에 의해 제조된 금속 시트 또는 플레이트로 제조되어야 한다. 수행되는 추가 단조 작업에 의하면 상기 예1에서 설명된 제조 방법보다 훨씬 양호한 미세구조가 얻어진다. 더욱이, 용접 영역에 존재하는 특별한 미세구조가 완전히 제거된다. 이는 가스 터빈용 로터 디스크와 같은, 높은 레벨의 부하를 받는 부품의 제조를 위한 중요한 전제조건이다.

주조 재료에 기초한 종래의 단조 기술에 비한 본 발명에 따른 방법의 특별한 장점은 판형 보디(11)가 특히 잘 고화된 미세구조를 갖는다는 것이다. 그 결과, 매우 강력한 재결정화가 낮은 변형 정도로 설정된다. 이런 형태의 재료는 단조 가공 중에 양호한 유동 특성을 갖는다. 그 결과, 다이 단조 중에 매우 복잡한 형상 변화가 달성될 수 있으며, 따라서 부품은 최종 형상에 근사하게 단조될 수 있다.

예3:

확산 용접 및 단조를 하나의 작업으로 조합하여 디스크 형태 부품을 제조.

확산 용접 및 단조는 비용 절감을 위해 단일 작업으로 조합될 수 있다.

이를 위해, 도5에 따른 하위 단계(b) 및 (c)가 조합되어야 한다. 이 제조 방법의 경우에, 단조는 진공 하에 또는 적절한 불활성 가스 분위기 하에 수행되어야 하며, 따라서 용접 시임은 산소로 오염되지 않는다. 단조 자체는 공기 중에서 수행될 수도 있지만, 이를 위해서는 판형 보디(11)로 형성된 적층체가 예1 및 도5에 개시된 양태에 따라 봉입되어야 한다.

최종적으로, 도7 및 도8을 다시 한번 참조한다. 도7은 공업용 티타늄 알루미나이드 합금으로 제조된 여덟개의 편평한 판형 보디(11)로 구성된 적층체의 경우에 확산 용접에 의한 판형 보디(11) 사이의 접합 형성 이후에, 주사형 전자 현미경에 의해 촬영된, 접합 영역에서의 미세구조의 이미지를 도시한다. 판형 보디들은 40 MPa의 응력 인가를 통해서 진공 하에 테스트 기계에서 두 시간 동안 950℃로 상호 용접되었다. 도7에 도시된 이미지는 두 접합 부위를 화살표로 나타내고 있다. 도8은 도7에 따른 위치(화살표 2)를 보다 고배율로 확대 도시하고 있다.

본 발명에 의하면, 높은 부하를 받을 수 있고, 높은 형상 팽창을 가질 수도 있으며, 매우 높은 내열성을 갖는 금속 또는 금속합금으로 부품 또는 반제품을 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

Claims

금속간 티타늄 알루미나이드 합금을 함유하는 부품 또는 반제품을 제조하기 위한 방법에 있어서,

a) 다수의 판형 보디를 상기 부품 또는 반제품의 소정 최종 형상에 대응하도록 개략적으로 윤곽형성하는 단계로서, 상기 판형 보디의 일부 또는 전부는 티타늄 알루미나이드 합금으로 이루어지는, 윤곽형성 단계와,

b) 전체 보디를 형성하도록 상하로 적층되는 다수의 판형 보디 사이에 표면대 표면 접합을 실시하는 단계, 및

c) 상기 전체 보디의 소정 최종 형상을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
금속간 티타늄 알루미나이드 합금을 함유하는 부품 또는 반제품을 제조하기 위한 방법에 있어서,

a) 다수의 판형 보디를 상기 부품 또는 반제품의 소정 최종 형상에 대응하도록 개략적으로 윤곽형성하는 단계로서, 상기 판형 보디의 일부 또는 전부는 티타늄 알루미나이드 합금으로 이루어지는, 윤곽형성 단계와,

b) 상기 다수의 판형 보디를 상하로 적층하여 전체 적층체를 형성하는 단계, 및

c) 전체 보디를 형성하는 판형 보디들을 접합하여 전체 보디의 소정 최종 형 상을 형성하는 단계로서, 상기 접합 및 최종 형상의 형성은 단일의 작업으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 판형 보디의 개략 윤곽은 비절삭 성형(chipless shaping)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 판형 보디의 개략 구조는 절단에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상하로 적층된 판형 보디들은 확산 용접에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상하로 적층된 판형 보디들은 납땜에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 보디의 최종 형상은 전체 보디를 절단함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 판형 보디의 접합, 및 상기 전체 보디의 최종 형상의 형성은 하나의 장치에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제5항, 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상하로 적층된 판형 보디들의 접합, 및/또는 전체 보디의 최종 형상의 형성은 진공 하에 이루어지는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제2항, 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상하로 적층된 판형 보디들의 접합, 및/또는 전체 보디의 최종 형상의 형성은 불활성 가스 분위기 하에 이루어지는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 보디를 형성하는 판형 보디들은 각각의 경우에 상이한 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 보디를 형성하는 판형 보디들은 상이한 미세구조를 갖는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 보디를 형성하는 판형 보디들은 상이한 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상하로 적층된 판형 보디들의 표면의 배향은 형성되는 최종 형상의 주 부하 방향의 배향에 대해 정해지는 것을 특징으로 하는 부품 또는 반제품 제조 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는, 특히 제트 엔진용 부품.
제15항에 있어서, 상기 부품은 로터 디스크인 것을 특징으로 하는 부품.
제16항에 있어서, 상기 로터 디스크는 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 블레이드 또는 베인을 구비하는 것을 특징으로 하는 부품.
제15항에 있어서, 상기 부품은 터빈 블레이드 또는 베인인 것을 특징으로 하는 부품.