KR20060049544A - 고강도 초합금 접합 및 재료 적층을 위한 예열을 통한 균질용접 - Google Patents

고강도 초합금 접합 및 재료 적층을 위한 예열을 통한 균질용접 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접 전에 초합금을 예열하여 이를 용접 전에 냉각하는 단계를 포함한 초합금 균질 용접 방법에 관한 것이다. 그런 후, 이 합금은 용접되어 실온으로 냉각된 후에, 응력 경감을 위해 가열된다.
물품, 예열, 초합금, 응력 경감, 균질 용접

Description

고강도 초합금 접합 및 재료 적층을 위한 예열을 통한 균질 용접{HOMOGENEOUS WELDING VIA PRE-HEATING FOR HIGH STRENGTH SUPERALLOY JOINING AND MATERIAL DEPOSITION}
도1은 기판 재료의 예열이 없는 등적 잔류 응력을 도시하는 외장 플랫폼의 사시도.
도2는 기판 재료의 예열이 없는 축방향 잔류 응력을 도시하는 외장 플랫폼의 사시도.
도3은 기판 재료를 787.78℃(1450°F)로 예열한 후의 등적 잔류 응력을 도시하는 외장 플랫폼의 사시도.
도4는 기판 재료를 787.78℃(1450°F)로 예열한 후의 축방향 잔류 응력을 도시하는 외장 플랫폼의 사시도.
도5는 기판 재료를 954.44℃(1750°F)로 예열한 후의 등적 잔류 응력을 도시하는 외장 플랫폼의 사시도.
도6은 기판 재료를 954.44℃(1750°F)로 예열한 후의 축방향 잔류 응력을 도시하는 외장 플랫폼의 사시도.
도7a는 손상된 영역을 도시하는 HPT 블레이드 플랫폼의 상부도.
도7b는 도7a에 도시된 플랫폼의 측면 사시도.
도8은 손상된 영역이 제거된 상태인, 도7a의 플랫폼의 도면.
도9는 도8의 화살표에 의해 도시된 손상된 영역을 용접하기 위한 레이저 용접 및 가열 셋업(set-up)의 사시도.
도10a는 도9에 도시된 셋업에 의해 수행된 용접 수리의 상부도.
도10b는 도10a의 용접 수리로부터 최종 기계가공된 부품의 상부도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 외장
12: 플랫폼
14: 근저부
16: 크랙
22: 레이저
26: 용접 침전물
본 발명은 통상 용접에 관한 것으로, 특히 잔류 응력을 감소시키도록 예열을 사용하여 초합금을 균질 용접하는 방법에 관한 것이다.
항공 우주 구성 요소를 제조 및 수리하는 데에 사용되는 연속적인 금속 침전 공정의 고유의 중요성은 잔류 응력의 발생에 있다. 잔류 응력이 기계 부품의 강도 또는 수명을 명백히 감소시킬 수 있지만, 후속 처리 작동의 집적성 및 가능성에 또 한 영향을 준다. 예컨대, 크랙(crack)은 외장 플랫폼의 에피텍셜(epitaxial) 용접 수리에 후속한 열처리 공정 중에 발생할 수 있다. 이 침전 공정 및 다른 침전 공정에 의해 제조된 부품의 품질을 제한하는 주요 요소 중 하나는 과도한 잔류 응력이다. 높은 용접 후 잔류 응력을 갖는 부품은 후속 기계가공 작동중에 심각한 왜곡을 또한 유발할 수 있다.
상승 온도에서의 균질 용접은 종래의 용접과 관련된 것보다 현저히 작은 특성 결점을 유발하기 때문에 주조 초합금 HPT(고압 터빈) 하드웨어의 수리의 최신 발전중 하나이다. 이 기술과 관련된 전형적인 종래의 특허는 미국 특허 제5,897,807호, 제5,554,834호, 제614,568호, 제5,374,319호, 제6,084,196호 및 제5,106,010호를 구비한다.
분석 모델링을 통해 균질 용접이 예열 처리로 유리하게 달성될 수 있다는 것이 최근 발견되었다. 모델링은 고형화, 기계적 제한 및 열적 구배와 관련된 응력을 저하함으로써 용접성을 개선하는 이 기술의 잠재력을 도시하고 있으며, 이는 용접 크랙킹 및 후속의 용접 후 가열 처리 크랙킹의 가능성을 완화할 것이다.
특정 침전 공정의 주된 침전 특성은 통제식 비치수 열적 및 기계적 공정 변수의 비선형적 열적-기계적 유한 요소 시뮬레이션 및 분석을 이용하여 연구되었다. 본 발명의 개발에 사용되는 열적-기계적 모델은 잔류 응력 크기를 포획하고 한정된 온도 구배로의 그 연결고리(link)를 설명하도록 설계되었다.
이후에 논의되고 도시된 바와 같이, 임의의 고유한 장점은 고강도 주조 초합금에 대한 예열을 통한 균질 용접에 의해 획득될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 목적은 전술된 종래의 기술의 문제점을 극복하는 균질 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 잔류 응력을 감소시키는 초합금을 용접하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 잔류 응력을 감소시키는 예열 단계를 포함한 균질 용접에 의해 물품을 수리하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 잔류 응력을 감소시키도록 종래의 초합금 균질 용접 공정에서의 예열 단계의 사용과 관련된다. 공정 순서는 임의의 손상된 재료를 세척 및 제거함으로써 용접될 물품을 준비하는 단계를 포함한다. 그런 후, 전체 물품 또는 물품의 특정 국부 영역은 물품이 온도에서 안정화되기에 충분한 시간 동안 상승 온도로 예열 된다. 그런 후, 예열원은 차단된다. 그런 후, 물품은 수리를 필요로 하는 소정의 영역에서 용접된다. 그런 후, 용접된 물품은 물품의 응력 경감을 위해 가열에 이어 실온으로 냉각된다. 초합금은 임의의 종래의 니켈계 초합금일 수도 있다.
이 기술은 에피셜 용접, 고강도 용접 충진재 개발 및 HPT 블레이드 선단 복구에 적용될 수도 있다. 또한, 터빈 외장 하드웨어의 수리에 또한 적용될 수도 있다.
발명의 이들 및 다른 목적을 추가로 이해하기 위해서, 첨부 도면과 함께 판독될 발명의 다음의 상세한 설명을 참조해야 할 것이다.
본 발명에 있어서, 2가지 중요 메커니즘은 공정 변수의 조작을 통해 달성될 수 있는 최대 잔류 응력을 감소시키기 위해 식별되었다. 첫 번째는 레이저 속도 및 동력의 변화에 의해 주로 활성화되고 두 번째는 균일한 부품 예열에 의해 주로 활성화된다.
도면의 도1 내지 도6은 외장 플랫폼 수리 공정에 대해 다양한 예열 온도에서 등적 및 축방향 잔류 응력의 수치 결과를 비교한다. 균일한 부품 예열이 잔류 응력을 상당히 감소시키는 것은 명백하다. 잔류 응력의 소정의 감소는 열적 변형 차의 감소로 인한 것이지만, 예열로 인한 대부분의 감소는 효율적인 항복 응력을 감소시키는 것에서 유래 된다. 니켈계 초합금의 항복 응력은 온도가 증가함에 따라 감소한다. 부품을 예열함으로써, 최대 잔류 응력은 최대 항복 응력에 의해 제한된다.
기부판 예열의 최대 수준에서, 잔류 응력의 감소는 레이저 속도 및 동력의 매우 미약한 함수이다. 따라서, 예열의 높은 수준에서, 동력 및 속도의 전체 범위는 최대 잔류 응력 크기에 대해 최소 효과로 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 도1 내지 도6은 외장(10) 및 근저부(14)의 단순화된 형상을 갖는 레이저 분말 침전 수리 공정의 탄성-소성 결합식 열적-기계적-야금학적 분석으로부터의 결과를 도시한다. 각 경우에 있어서, 기부 재료는, 도면에서 기술된 바와 같이, -17.77℃(0°F) 내지 954.44℃(1750°F)로의 상이한 예열 수준으로 모델링된다. 도1, 도3 및 도5는 근저 영역 상의 재료 침전의 4회 통과에 후속한 잔 류 본 미세스 응력 분포(residual Von Mises Stress distribution)의 등고선 도식을 도시한다. 수리된 영역에서의 최대 응력은 각각 대략 135ksi, 98ksi 및 92ksi인 것으로 도시된다. 이들 3개의 도면은 예열 단계가 없는 것에 비해 787.78℃(1450°F)로의 예열에서 감소된 최대 등적 잔류 응력에서 실질적인 이익이 존재함을 설명한다. 그러나 예열 수준의 954.44℃(1750°F)로의 증가는 787.78℃(1450°F)로의 예열보다 덜 현저한 이익의 증가를 가진다.
도2, 도4 및 도6은 근저 영역 상의 재료 침전의 4회 통과에 후속한, 잔류 축방향 응력 분포의 등고선 도식을 도시한다. 수리된 영역에서의 최대 응력은 각각 135ksi, 107ksi 및 92kis 장력인 것으로 도시된다. 이들 3개의 도면은 예열이 없는 것에 비해 787.78℃(1450°F)로의 예열에서 감소된 최대 등적 잔류 응력에서 상당한 이익이 존재하는 것으로 나타난다. 또한, 예열 수준의 954.44℃(1750°F)로의 증가는 787.78℃(1450°F)로의 예열보다 이익의 증가가 다소 덜하다.
본 발명에 있어서, 예열은 약 787.78℃(1450°F) 내지 1298.89℃(2370°F)의 범위에서 통상 수행된다.
도7a 내지 도10b는 적절한 니켈 기부 초합금으로 제조된 HPT 블레이드 플랫폼과 같은 가스 터빈 엔진 구성 요소의 외장의 섹션에서 수행된 본 발명의 통상의 용접 수리 공정을 도시한다. 이 수리 방법은 HPC 또는 HPT 구성 요소 또는 전술된 이들 합금과 같은 합금을 용접하는 난점을 갖는 임의의 제품에 적용가능하다. 단순화할 목적으로, 이 공정의 기술은 HPT 블레이드 플랫폼의 후단 에지 플랫폼의 수리에 대해 예시될 것이다.
본 발명을 실행하는 데에 있어서, 적절한 초합금 군은 감마-제1상 니켈계 합금을 구비한다. 전형적인 합금은 다음 AISI 합금 명칭 또는 상표명: Mar-M247, IN100, In738, IN792, Mar-M200, B1900, RENE80, Alloy 713 및 그 유도체를 가진다.
도7a 및 도7b에 도시된 바와 같이, 플랫폼(12)과 근저부(14)를 갖는 외장(10)은 손상된 영역 또는 크랙(16)을 나타낸다. 도8에 있어서, 손산 영역은 화살표에 의해 도시된 용접면을 형성하는 기계가공에 의해 제거되었다. 도9는 도8에 도시된 용접면이 용접 침전에 의해 수리된 레이저 용접 및 가열 셋업 또는 스테이션(20)을 도시한다. 작동 상, 레이저(22)는 분말 급송(24)을 생성하여, 레이저와의 접촉시에, 용접면 영역에 용접 침전물(26)을 형성한다. 분말 급송 조성은 수리된 구성 요소의 합금 조성과 동일하거나 이와 유사하다. 유도 코일(28)은 예열원에 대해 대비된다.
도10a는 최종 용접 수리를 도시하고, 도10b는 최종 기계가공된 HPT 블레이드 플랫폼을 도시한다.
예열 단계를 포함한 블레이드 플랫폼을 위한 수리 공정의 전형적인 순서는 다음과 같다:
a. 모든 열적 장벽 코팅과 산화 코팅을 제거하고 모든 부스러기 및 얼룩을 제거함으로써 블레이드를 세척함.
b. 손상된 재료를 제거하도록 블레이드를 기계 가공함(도8).
c. 잔류 응력을 제거하도록 열처리함{40분간 1079.44℃(1975°F)}.
d. 다음 중 임의의 것을 이용하여 임의의 남아있는 크랙에 대해 기계가공된 표면을 검사하는데, 모든 크랙은 용접 전에 제거되어야 함(임의의 잔류 크랙킹이 검출되면 b 내지 d를 재순환함; 도8).
i. 형광 침투제 검사(FPI).
ii. 시각 검사.
iii. 엑스-레이
e. 임의의 산화물 또는 다른 이물질을 제거하도록 플랫폼의 용접면을 화학적으로 세척.
f. 용접(도9)
i. 질적 용접을 달성하는 데에 필요한 온도로 구성 요소를 예열(787.78℃(1450°F) 내지 1093.33℃(2000°F)의 범위).
ii. 온도가 안정화될 때까지 예열 온도에서 부품을 담금.
iii. 외적 가열을 끔.
iv. 용접
g. 실온으로 블레이드를 냉각 또는 단계(h)로 직접 진행.
h. 40분 동안 응력 경감{1079.44±-3.89℃(1975±25°F)}
i. 윤곽(contour)으로 다시 기계 가공함(도10a 및 도10b).
본 발명이 도면에 도시된 바와 같이 바람직한 모드를 참조하여 특정하게 도시되고 기술되었지만, 상세한 다양한 변화는 청구항에 의해 정의된 바와 같은 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고서도 이루어질 수도 있다는 것은 당업자에게 명백 할 것이다.
본 발명에 의하면, 잔류 응력을 감소시키는 초합금을 용접하는 방법을 제공할 수 있으며, 또한 잔류 응력을 감소시키는 예열 단계를 포함한 균질 용접에 의해 물품을 수리할 수 있다.

Claims (18)

  1. 초합금으로 이루어진 물품을 균일하게 용접하는 방법이며,
    상기 방법은
    (a) 수리를 필요로 하는 손상된 물품을 소정의 상승 온도로 그리고 상기 물품이 상기 상승 온도에서 안정화되기 충분한 시간 동안 예열하는 단계와,
    (b) 상기 예열 단계를 종결하는 단계와,
    (c) 수리를 필요로 하는 소정의 위치에서 상기 물품을 용접하는 단계와,
    (d) 소정의 온도로 그리고 상기 물품의 응력을 경감시키기에 충분한 시간 동안 상기 용접된 물품을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 예열 단계는 약 787.78℃(1450°F) 내지 1298.89℃(2370°F)의 온도 범위에서 수행되고, 초합금은 감마-제1상 니켈계 합금인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 응력 경감은 약 1079.44 ±-3.89℃(1975 ±25°F)에서 수행되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 물품은 가스 터빈 엔진 구성 요소인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스 터빈 엔진 구성 요소는 외장, 외장 플랫폼 및 터 빈 블레이드를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용접 단계는 레이저 용접을 포함하는 방법.
  7. 초합금으로 이루어진 손상된 물품을 수리하는 방법이며,
    (a) 상기 손상 재료를 제거하는 단계와,
    (b) 상기 물품을 소정의 상승 온도로 그리고 상기 물품이 상기 상승 온도에서 안정화하는 데에 충분한 시간 동안 예열하는 단계와,
    (c) 상기 예열 단계를 종결하는 단계와,
    (d) 수리를 필요로 하는 소정의 위치에서 상기 물품을 용접하는 단계와,
    (e) 상기 용접된 물품을 실온으로 냉각하는 단계와,
    (f) 소정의 온도로 그리고 상기 물품의 응력을 경감하는 데에 충분한 시간 동안 상기 용접된 물품을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 예열 단계는 약 787.78℃(1450°F) 내지 1298.89℃(2370°F)의 온도 범위에서 수행되고, 초합금은 감마 제1상 니켈계 합금인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 응력 경감은 약 1079.44 ±-3.89℃(1975 ±25°F)에서 수행되는 방법.
  10. 제4항에 있어서, 물품은 가스 터빈 엔진 구성 요소인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가스 터빈 엔진 구성 요소는 외장, 외장 플랫폼 및 터빈 블레이드를 포함하는 그룹에서 선택되는 방법.
  12. 제4항에 있어서, 상기 용접 단계는 레이저 용접을 포함하는 방법.
  13. 초합금으로 이루어진 물품을 용접하는 방법이며,
    (a) 소정의 상승 온도로 그리고 상기 물품이 상기 상승 온도에서 안정화되는 데에 충분한 시간 동안 상기 물품을 예열하는 단계와,
    (b) 상기 예열 단계를 종결하는 단계와,
    (c) 소정 위치에 상기 물품을 용접하는 단계와,
    (d) 상기 물품을 실온으로 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 예열 단계는 약 787.78℃(1450°F) 내지 1298.89℃(2370°F)의 온도 범위에서 수행되고, 초합금은 감마 제1상 니켈계 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 단계(d)에 후속하여, 물품은 소정의 상승 온도에서 응력 경감되는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 물품은 가스 터빈 엔진 구성 요소인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 가스 터빈 엔진 구성 요소는 외장, 외장 플랫폼 및 터빈 블레이드를 포함하는 그룹에서 선택되는 방법.
  18. 제4항에 있어서, 상기 용접 단계는 레이저 용접을 포함하는 방법.
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