KR20060071871A - 콜드 스프레이 기술을 이용한 블레이드의 플랫폼 복원 - Google Patents

콜드 스프레이 기술을 이용한 블레이드의 플랫폼 복원 Download PDF

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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명은 엔진에 사용되는 구성요소의 마모된 에지부를 복원하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 마모된 에지부를 가진 구성요소를 제공하는 단계와, 분말 금속 재료가 마모된 에지부와 충돌할 때 용융되지 않고 소성 변형되어서 마모된 에지부에 접착되도록, 비산화 캐리어 가스를 이용하여 적어도 하나의 분말 금속 재료층을 마모된 에지부에 증착시키는 단계를 포함한다.
에지부, 분말 금속 재료, 비산화 캐리어 가스, 콜드 스프레이

Description

콜드 스프레이 기술을 이용한 블레이드의 플랫폼 복원 {BLADE PLATFORM RESTORATION USING COLD SPRAY}
도1은 터빈 엔진에 사용되는 블레이드의 플랫폼 에지부에 나타나는 통상적인 마모를 도시하는 사진.
도2는 터빈 엔진에 사용되는 블레이드의 플랫폼 에지부 상에 콜드 스프레이 공정을 이용하여 분말 금속 재료를 증착시키는 장치를 개략적으로 도시하는 도면.
도3은 본 발명의 콜드 스프레이 공정을 이용하여 시험 견본의 에지부에 콜드 스프레이 적층을 도시하는 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
8: 스프레이 시스템
20: 노즐
22: 스프레이 건
30: 입구
100: 구성요소
102: 에어포일
104: 플랫폼
106: 에지부
본 발명은 가스 터빈 엔진과 같은 엔진에 사용되는 터빈 블레이드와 같은 구성요소의 플랫폼부를 복원하는 방법에 관한 것이다.
작동하는 동안, 가스 터빈 엔진에 사용되는 블레이드의 에어포일 플랫폼 에지부는 부식 또는 다른 수단에 의하여 마모될 수 있다. 이는 가스 경로의 누설로 인한 엔진 효율의 감쇠를 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 부분을 원래의 치수로 복원할 필요가 종종 있다. 블레이드 필렛과 플랫폼 에지부가 인접하여 있기 때문에, 종래의 용융 용접은 에지부 복원에 사용될 수 없다. 왜냐하면, 열 영향을 받는 구역이 응력이 높은 필렛 영역으로 확장될 수 있기 때문이다.
콜드 가스 다이나믹 스프레이 또는 "콜드 스프레이"는 개재물을 가지고 있거나 가지고 있지 않은 분말 금속을 기판 상에 증착시키는 새로운 금속 스프레이 기술로서 최근 소개되었다. 헬륨 및/또는 질소의 초음속 분사는 수렴/확산 노즐에 의해 형성되고, 이는 분말 입자를 기판 쪽으로 가속시켜 콜드 스프레이 코팅 또는 증착물을 생성하기 위해 사용된다. 증착물은 소성 변형과 접착(bonding)을 통해 기판 및 이전에 증착된 층들에 접착된다. 미국 특허 제5,302,414호 및 제6,502,767호에는 콜드 가스 다이나믹 스프레이 기술이 개시되어 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 엔진에 사용되는 구성요소의 에어포일 플랫폼 에 지부를 복원하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구성요소의 필렛의 원상태에 영향을 미치지 않는 복원 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적들은 본 발명의 방법을 이용하여 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진에 사용되는 구성요소를 복원하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 복원될 마모된 에지부를 가진 구성요소를 제공하는 단계와, 분말 금속 재료가 마모된 에지부와 충돌할 때 용융되지 않고 소성 변형되어서 마모된 에지부에 접착되도록, 비산화 캐리어 가스를 이용하여 마모된 에지부 상에 적어도 하나의 분말 금속 재료층을 증착시키는 단계를 포괄적으로 포함한다.
본 발명의 다른 목적들 및 부가적인 수단과 더불어, 본 발명의 콜드 스프레이를 이용하여 블레이드 플랫폼의 복원에 대한 구체적인 설명은 이하의 상세한 설명과 동일한 도면부호가 동일한 요소들을 지시하는 첨부된 도면들을 참조로 하여 설명된다.
도1을 참조하면, 가스 터빈 엔진과 같은 엔진에 사용되는 터빈 블레이드와 같은 구성요소(100)는 에어포일부(102)와 플랫폼(104)을 구비한다. 전술한 바와 같이, 작동시에, 플랫폼의 에지부(106)는 통상적으로 마모되고 복원될 필요가 있다. 본 발명은 콜드 스프레이 기술을 이용하여 블레이드 플랫폼을 복원하는 방법에 관한 것이다.
복원될 필요가 있는 구성요소의 부분 상에 분말 금속 재료를 증착시키는 콜 드 스프레이 공정은, 충돌할 때 입자가 소성 변형되어서 복원될 구성요소의 표면에 또는 이전에 증착된 층 상에 접착되도록, 충분히 빠른 속도로 입자를 가속시키기 위한 충분한 에너지를 제공한다는 장점이 있다. 콜드 스프레이 공정은 비교적 고밀도의 코팅 또는 구조적 증착의 적층을 가능케 한다. 콜드 스프레이 공정은 분사된 입자를 입자의 원상태로부터 금속 변형시키지 않는다.
엔진에 사용되는 구성요소를 수리하고 복원할 시에, 복원될 구성요소의 부분으로부터 임의의 부식 피트 및/또는 손상 영역을 먼저 제거하는 것이 양호하다. 부식 피트 및/또는 손상 영역의 제거는 연삭, 기계가공, 또는 다른 이용 가능한 방법을 통하여 기계식으로 수행될 수 있다. 원한다면, 수리될 표면이 그릿 블라스트(grit blast)된 다음, 콜드 스프레이 기술을 이용하여 증착물이 생성될 수 있다.
도2를 참조하면, 분말 금속 재료를 복원될 구성요소(100)의 플랫폼 에지부(106) 상에 증착시키기 위한 시스템(8)이 도시되어 있다. 시스템(8)은 수렴/확산 노즐(20)을 갖춘 스프레이 건(22)을 포함하며, 분말 금속 재료는 상기 수렴/확산 노즐을 통해 에지부(106) 상에 분사된다. 구성요소(100)는 종래기술에 공지된 임의의 적절한 금속 재료로 형성될 수 있다. 콜드 스프레이 증착 공정 동안에, 스프레이 시스템의 구성요소(100) 및/또는 구성요소들은 정적으로 유지되거나, 본 기술분야에 공지된 (도시되지 않은) 임의의 적절한 수단에 의해 관절 연결되거나, 회전되거나, 또는 병진 이동될 수 있다.
본 발명의 방법에서, 증착되는 재료는 분말형 금속 재료이다. 분말형 금속 재료는 구성요소(100)를 형성하는 성분과 동일한 성분이거나, 마모 및/또는 연성을 개선하는 구성요소(100)를 형성하는 재료와 양립 가능한 성분일 수 있다. 예를 들면, 분말 금속 재료는 IN718, IN625, IN100, WASPALOY, IN939, 또는 GATORIZED WASPALOY와 같은 니켈계 합금일 수 있다.
에지부(106)에 증착물을 형성하기 위해 사용되는 분말형 금속 재료는 약 5.0 미크론(micron) 내지 50 미크론(0.2 밀스(mils) 내지 2.0 밀스) 범위 내의 직경을 가지는 것이 양호하다. 작은 크기의 입자는 입자의 보다 빠른 속도의 달성을 가능케 한다. 직경이 5미크론 이하이면, 입자는 표면(24) 위의 이탈충격 층(bow shock layer)으로 인하여 에지부(106)로부터 제거될 위험성이 있다. 즉, 불충분한 질량을 가진 입자는 이탈충격을 통하여 제거된다. 입자 크기의 분포가 좁으면 좁을수록 입자 속도는 보다 더 균일해 질 것이다. 이것은 스프레이/플룸(plume)의 작은 입자들이, 속도가 느리고 큰 입자들과 충돌하여 크고 작은 입자들의 속도를 효과적으로 감속시키기 때문이다.
증착되는 입자는 헬륨, 질소, 다른 불활성 가스 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 가스와 같은 압축된 가스를 이용하여 초음속으로 가속될 수 있다. 헬륨은 이의 낮은 분자량에 의해 빠른 속도를 생성할 수 있기 때문에 양호한 가스이다.
분말형 금속 재료를 증착물로 변형시키기 위해서 본 발명의 방법에 의해 채용된 결합 메커니즘은 완전한 고체 상태이며, 이는 입자들이 소성 변형되지만 용융되지는 않는다는 것을 의미한다. 입자들 상에 형성되거나, 에지부(106) 상에 존재하거나, 또는 이전에 증착된 층에 존재하는 임의의 산화층은 분쇄되고, 새로운 금 속 대 금속 접촉부가 고압력에서 이루어진다.
증착물을 형성하기 위해 사용되는 분말형 금속 재료는 본 기술분야에 공지된 임의의 적절한 수단, 가령 변형 서멀 스프레이 공급기(modified thermal spray feeder)와 같은 수단을 이용하여 스프레이 건(22)에 공급될 수 있다. 사용될 수 있는 맞춤형 공급기는 미국 오하이오주(Ohio)의 클리블랜드(Cleveland)에 소재하는 파우더 공급 다이나믹스사(Powder Feed Dynamics)에 의해 제작된다. 상기 공급기는 송곳형 공급 메커니즘을 구비한다. 직각형 슬릿을 갖춘 배럴 롤 공급기 및 유동화 베드 공급기가 사용될 수도 있다.
본 발명의 방법에서, 공급기는 헬륨, 질소, 다른 불활성 가스 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 가스와 같은 압축된 가스에 의해 가압될 수 있다. 공급기의 압력은 분말 금속 재료의 성분에 따라 200 psi 내지 500 psi(14 kgf/cm2 내지 35 kgf/cm2) 범위의 메인 가스 압력 또는 헤드 압력보다 일반적으로 15 psi(1.1 kgf/cm2) 높다.
가스는 노즐(20)의 목부를 통과하여 확산될 때의 급속 냉각 및 냉동으로부터 가스를 유지하기 위해 가열될 수 있다. 실 효과(net effect)는 증착되는 동안 약 115°F(46℃)의 구성요소(100)의 표면 온도이다. 본 기술분야에 공지된 임의의 적절한 수단이 가스를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
분말형 금속 재료를 증착시키기 위해, 노즐(20)은 다수의 경우에 수리될 구성요소(100)의 에지부(106) 위를 통과할 수 있다. 패스 회수는 도포될 재료 두께 의 함수이다. 본 발명의 방법은 임의의 소정 두께를 가지는 증착물을 형성할 수 있다. 콜드 스프레이는 단일 패스 당 0.002인치 내지 0.020인치(0.051mm 내지 0.508mm) 범위 내의 얇은 층을 생성할 수 있다.
분말형 금속 재료를 에지부(106) 상에 증착시키기 위해 사용되는 메인 가스는 0.001 SCFM 내지 50 SCFM, 양호하게는 15 SCFM 내지 35 SCFM 범위의 유동률로 입구(30)를 거쳐 노즐(20)을 통과할 수 있다. 전술한 유동률은 메인 가스로서 헬륨이 사용될 경우에 양호하다. 메인 가스로서 질소가 단독으로 또는 헬륨과 협력하여 사용되면, 질소는 0.001 SCFM 내지 30 SCFM, 양호하게는 4.0 SCFM 내지 30 SCFM의 유동율로 노즐(20)을 통과할 수 있다.
메인 가스의 온도는 600°F 내지 1200°F(316℃ 내지 649℃), 양호하게는 700°F 내지 1000°F(371℃ 내지 538℃), 보다 양호하게는 725°F 내지 900°F(385℃ 내지 482℃)의 범위일 수 있다. 원한다면, 메인 가스는 증착되는 재료에 따라 대략 1250°F(677℃)보다 더 높은 온도로 가열될 수 있다.
스프레이 건(22)의 압력은 200 psi 내지 500 psi(14 kgf/cm2 내지 35kgf/cm2), 양호하게는 200 psi 내지 400 psi(14 kgf/cm2 내지 28 kgf/cm2), 보다 양호하게는 275 psi 내지 375 psi(19 kgf/cm2 내지 26 kgf/cm2) 범위의 압력일 수 있다. 분말형 금속 재료는 특정 메인 가스의 압력보다 높은 10 psi 내지 50 psi(0.7 kgf/cm2 내지 3.5 kgf/cm2), 양호하게는 15 psi(1.1 kgf/cm2) 높은 압력하 에서 호퍼로부터 10 g/min 내지 100 g/min, 양호하게는 15 g/min 내지 50 g/min 범위의 비율로 라인(34)을 거쳐 스프레이 건(22)으로 공급되는 것이 양호하다.
분말형 금속 재료는 비산화 캐리어 가스를 이용하여 스프레이 건(22)으로 공급된다. 캐리어 가스는 0.001 SCFM 내지 50 SCFM, 양호하게는 8.0 SCFM 내지 15 SCFM의 유동률로 입구(30)를 거쳐 유입될 수 있다. 앞서 말한 유동률은 캐리어 가스로서 헬륨이 사용될 경우 유용하다. 캐리어 가스로서 질소가 단독으로 또는 헬륨과 함께 혼합되어 사용되면, 0.001 SCFM 내지 30 SCFM, 양호하게는 4.0 내지 10 SCFM의 유동률이 사용될 수 있다.
스프레이 노즐(20)은 에지부(106)로부터 거리를 두고 유지된다. 상기 거리는 스프레이 거리로 알려져 있고, 10 mm 내지 50 mm 범위의 거리일 수 있다.
스프레이 노즐(20)을 떠나는 분말형 금속 재료의 속도는 825m/s 내지 1400 m/s, 양호하게는 850 m/s 내지 1200 m/s 범위의 속도일 수 있다.
가스 터빈 엔진에 사용되는 구성요소의 플랫폼의 에지부(106) 치수를 복원하기 위하여 콜드 스프레이를 이용하는 공정이 가지는 장점들 중 하나는, 존재할 수 있는 임의의 필렛의 원상태에 영향을 미치지 않고 복원이 달성될 수 있다는 것이다. 이것은 콜드 스프레이 공정이 열 영향을 받는 구역을 발생시키지 않기 때문이다.
도3은 시험 견본의 에지부에 콜드 스프레이 적층을 도시하는 사진이다. 시험 견본은 0.125 인치(3.18 mm)의 두께를 가지는 INCO 718 재료의 단편(200)이었다. 견본의 에지부(200)에는 약 0.012인치 (0.300 mm)까지 에지부의 두께를 적층 하도록 INCO 718 재료를 증착시키기 위해서, 본 발명에 따라 콜드 스프레이 공정을 이용하여 분사되었다. 시험 견본에 분사된 분말은 약 5.60 미크론의 표준 편차와 15.67 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 INCO 718 분말이었다. 입자들은 메인 가스로서 헬륨을 이용하여 분사되었다. 메인 가스의 압력은 300 psi (21 kgf/cm2)이었고 메인 가스의 온도는 878°F(470℃)이었다. 분말은 분당 20그램의 속도 및 325 psi(23 kgf/cm2)의 압력으로 헬륨 캐리어 가스를 이용하여 노즐에 공급되었다. 스프레이 노즐은 1 인치(25.4 mm)의 이격 간격을 유지하였다. 패스 당 증착물의 두께는 약 0.002 인치(0.051 mm)였다. 증착물은 총 6번의 패스로 이루어졌다. 증착물은 97%의 밀도를 형성하였다.
대부분의 경우에, 복원된 구성요소는 증착된 재료의 연성 및/또는 내마모성을 개선하기 위하여 열처리될 필요가 있다. 이러한 경우에, 전체 및 부분 열 처리를 포함하여 기술분야에 공지된 임의의 적절한 열처리가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
가스 터빈 엔진에 사용되는 블레이드의 플랫폼 에지부의 적층과 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 방법은 다른 형태의 구성요소의 에지 표면부를 복원하거나 수리하기 위해 사용될 수 있음을 알 것이다.
콜드 스프레이 공정은 다른 금속화 공정에 걸쳐 많은 장점들을 제공한다. 분말이 고온으로 가열되지 않기 때문에, 공급 재료의 산화, 분해 및 다른 열화가 발생하지 않는다. 또한, 증착되는 동안 분말의 산화는, 입자들이 무산소 가속 가 스 스트림 내에 포함되기 때문에 제어된다. 다른 잠재적인 장점들은 압축 잔류 표면 응력의 형성과, 공급 재료의 미세구조의 유지를 포함한다. 또한, 비교적 낮은 온도가 사용되기 때문에, 기판의 열적 비틀림이 최소화될 것이다. 공급 재료가 용융되지 않기 때문에, 콜드 스프레이는 금속간 취화의 형성, 또는 냉각 또는 후속 열처리에 따른 균열 가능성으로 인하여 종래에 분사될 수 없는 재료를 증착시키는 기능을 제공한다.
분말형 금속 재료가 고온으로 가열되지 않음으로써, 공급 재료의 산화, 분해 및 다른 열화가 발생되지 않고, 기판의 열적 비틀림 현상도 최소화되며, 이에 따라 필렛의 원상태에 영향을 미치지 않으면서 구성요소의 에지 표면부를 복원하거나 수리한다.

Claims (22)

  1. 구성요소의 에지부를 복원하기 위한 방법이며,
    마모된 에지부를 가진 구성요소를 제공하는 단계와,
    분말 금속 재료가 마모된 에지부와 충돌할 때 용융되지 않고 소성 변형되어서 상기 마모된 에지부에 접착되도록, 비산화 캐리어 가스를 이용하여 적어도 하나의 분말 금속 재료층을 상기 마모된 에지부 상에 증착시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구성요소를 제공하는 단계는 상기 마모된 에지부를 가진 플랫폼과 에어포일부를 갖춘 엔진에 사용되는 구성요소를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 증착시키는 단계는 상기 플랫폼을 형성하는 재료의 성분과 동일한 성분을 가지는 적어도 하나의 분말 금속 재료층을 증착시키는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 증착시키는 단계는 상기 플랫폼을 형성하는 재료와 양립 가능한 개선된 마모 및/또는 연성을 제공하는 성분을 가지는 적어도 하나의 분말 금속 재료층을 증착시키는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 구성요소는 필렛을 가지고, 상기 증착시키는 단계는 상기 필렛의 원상태에 영향을 가하지 않으면서 수행되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 증착시키는 단계는 다중층의 분말 금속 재료를 상기 마모된 에지부 상에 증착시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 증착시키는 단계 이전에 마모된 에지부의 결함들을 제거하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 연성을 개선하기 위하여 상기 에지부에 증착된 재료에 열처리를 가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 증착시키는 단계는 분말 금속 재료를 5 미크론 내지 50 미크론 범위의 입자 크기를 가지는 입자 형태로 제공하는 단계와, 상기 입자를 825m/s 내지 1400 m/s 범위의 속도로 가속시키는 단계를 포함하며, 상기 증착시키는 단계는 헬륨, 질소, 다른 불활성 가스 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 캐리어 가스를 이용하여 분말 금속을 10 g/min 내지 100 g/min의 공급률로 스프레이 노즐에 공급하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가속시키는 단계는 입자를 850 m/s 내지 1200 m/s 범위의 속도로 가속시키는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 공급하는 단계는 분말 금속을 15 g/min 내지 50 g/min의 공급률로 스프레이 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 캐리어 가스는 헬륨이고, 상기 공급하는 단계는 헬륨을 0.001 SCFM 내지 50 SCFM의 유동률로 상기 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 공급하는 단계는 헬륨을 8.0 SCFM 내지 15 SCFM 범위의 유동률로 상기 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 캐리어 가스는 질소를 포함하고, 상기 공급하는 단계는 질소를 0.001 SCFM 내지 30 SCFM의 유동률로 상기 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 공급하는 단계는 질소를 4.0 SCFM 내지 10 SCFM의 유동률로 상기 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 증착시키는 단계는 헬륨, 질소, 다른 불활성 가스 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 메인 가스를 이용하여 600°F 내지 1200°F(316℃ 내지 649℃) 범위의 메인 가스 온도와 200 psi 내지 500 psi(14 kgf/cm2 내지 35 kgf/cm2) 범위의 스프레이 압력으로 상기 노즐을 통해 분말 금속 입자를 통과시키는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 통과시키는 단계는 200 psi 내지 400 psi(14 kgf/cm2 내지 28 kgf/cm2) 범위의 스프레이 압력에서 700°F 내지 1000°F(371℃ 내지 538℃) 범위의 메인 가스 온도로 상기 노즐을 통해 분말 금속 입자를 통과시키는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 메인 가스의 온도는 275 psi 내지 375 psi(19 kgf/cm2 내지 26 kgf/cm2)의 스프레이 압력에서 725°F 내지 900°F(385℃ 내지 482℃) 범위의 온도인 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 메인 가스는 헬륨을 포함하고, 상기 통과시키는 단계는 헬륨을 0.001 SCFM 내지 50 SCFM 범위의 유동률로 상기 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 헬륨을 공급하는 단계는 헬륨을 15 SCFM 내지 35 SCFM 범위의 유동률로 상기 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 메인 가스는 질소를 포함하고, 상기 통과시키는 단계는 질소를 0.001 SCFM 내지 30 SCFM 범위의 유동률로 상기 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 질소를 공급하는 단계는 질소를 4.0 내지 8.0 SCFM 범위의 유동률로 상기 노즐에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
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