KR20060115587A - 초합금 수리 방법 및 삽입체 - Google Patents

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KR20060115587A
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KR
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powder
interior space
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airfoil
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KR1020060032592A
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에드워드 알. 스젤라
제임스 티. 비알스
조슈아 이. 퍼스키
Original Assignee
유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

내부 공간을 갖도록 구성요소를 형성하거나 재제작하는 방법이다. 내화 금속 차단 요소는 내부 공간 내에 적어도 일부가 위치된 상태로 배치된다. 물질은 레이저 클래딩 및 확산 브레이징 중 적어도 하나에 의해 추가되고, 차단 요소는 내부 공간으로의 물질의 유입을 적어도 부분적으로 차단한다. 차단 요소가 제거된다.
내화 금속 차단 요소, 내부 공간, 레이저 클래딩, 확산 브레이징

Description

초합금 수리 방법 및 삽입체 {SUPERALLOY REPAIR METHODS AND INSERTS}
도1은 가스 터빈 엔진의 터빈 블레이드의 도면.
도2는 도1의 블레이드의 에어포일의 익현방향 단면도.
도3은 도1의 블레이드의 에어포일 첨단 부분의 중간부 단면도.
도4는 손상시 도3의 에어포일 일부의 확대도.
도5는 재제작 중의 도4의 에어포일의 도면.
도6은 손상시 도3의 에어포일 일부의 확대도.
도7은 재제작 중의 도6의 에어포일의 도면.
도8은 재제작 후의 도6의 에어포일의 도면.
도9 및 도10은 각각 삽입체가 침출된 후의 후단 에지 수리부의 유선방향 및 스팬방향 단면의 현미경 사진.
도11은 삽입체 위 전방의 후단 에지 수리부의 유선방향 단면의 현미경 사진.
도12는 도11의 현미경 사진의 확대도.
도13은 삽입체 제거 후 후단 에지 수리부의 유선방향 단면의 현미경 사진.
도14는 도13의 현미경 사진의 확대도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
22 : 블레이드
24 : 에어포일
28 : 플랫폼
36 : 압력 측
38 : 흡입 측
50 : 선단 통로 또는 공동
52 : 제2 공동
54 : 제3 공동
56 : 제4 공동 또는 후단 에지 슬롯
70 : 중심 웨브
80, 160 : 개구
90 : 포켓
98 : 출구
100, 152, 154 : 지지 요소
본 발명은 니켈계 또는 코발트계 초합금 부분의 제작, 재제작 및 복구에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 터빈 및 압축기 블레이드와 베인, 블레이드 외부 공기 시일 및 트랜지션 덕트부를 포함하는, 결함이 있고 마모 및/또는 손상된 가스 터빈 엔진 구성요소의 복구 및/또는 재제작에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진의 구성요소는 마모되고 손상되기 마련이다. 임의의 구성요소의 적당한 손상 및 마모도 엔진의 최적 작동을 방해할 수 있다. 특정한 관심 영역은 다양한 블레이드와 베인의 에어포일 및 시일과 같은 가스 통로와 상호 작용하는 부분을 포함한다. 마모 및 손상은 상기 부분의 공기역학적 효율을 저하시켜, 동적 힘 불균형을 발생시키고, 더 심한 경우에는 마모된 부분/손상된 부분을 구조적으로 손상시킬 수도 있다.
가스 터빈 엔진의 마모된 부분 또는 손상된 부분을 더 광범위하게 복구하기 위해 다양한 기술이 제안되었다. 미국 특허 제4,822,248호에는 니켈계 또는 코발트계 초합금 물질을 적층하도록 플라즈마 토치를 사용하는 방법이 개시되어 있다. 미국 특허 제5,732,467호에는 이러한 터빈 요소의 균열을 수리하기 위한 고속 산소 연료(high velocity oxy-fuel; HVOF) 및 저압 플라즈마 분무(low pressure plasma spray; LPPS)의 사용 방법이 개시되어 있다. 또한, 미국 특허 제5,783,318호에는 LPPS 기술 이외에도 레이저 용접 및 플라즈마 전사 아크 용접(plasma transferred arc welding)이 개시되어 있다. 미국 특허 제6,049,978호에는 HVOF 기술의 다른 사용 방법이 개시되어 있다. 이러한 기술은 원형이거나 원형에 가까운 단면을 복구하도록 대체 물질을 축적하는 제한된 기능을 제공하였다. 그러나, 대체 물질의 구조적 특성은 기초 물질의 구조적 특성에 비해 상당히 제한적일 수 있다. 미국 특허 제4,008,844호 및 제6,503,349호에는 천이 액상 확산 브레이징 수리(trasient liquid phase diffusion brazing repair)를 위한 방법 및 수리 물질이 개시되어 있다. 터보픽스(TURBOFIX) 제품의 수리 물질이 이용가능하다.
균열은 어느 정도 좁은 (예컨대, 0.25mm 이하) 경향이 있지만, 엔진 노출 및 산화에 따라 더 넓어질 수 있다. 얇은 균열에 대해서는, 확산 접합 균열 수리부 (즉, 균열을 확장하도록 균열을 기계 가공하는 단계가 없음)를 형성하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 이는 금속 기재의 균열 "힐링(healing)"으로서 나타낼 수 있다. 힐링의 장점은 균열을 가로지르는 작은 횡방향 거리로 인하여 실질적 확산이 가능하여, 융점 저하제(melting point depressant)가 균열 내의 물질로부터 확산되고 기초 금속 조성에 매우 가깝게 되는 것이다. 전형적인 니켈계 초합금에 대해, 이로 인하여 기계적 특성이 기초 금속의 기계적 특성과 가까운 등온 응고 구조(isothermally solidified structure)가 형성된다.
더 큰 결함(예컨대, 깨끗한 기초 금속 표면을 제공하도록 제거될 필요가 있는 큰 칩, 마모된 영역 또는 오염된 균열)에 대해, "축적" 수리(예컨대, 수리 물질의 일부가 기재의 가장 가까운 기초 금속으로부터 대략 1mm 이상 축적됨)가 필요하다. 많은 경우에, 특별히 설계된 "기형성부(preform)"(즉, 보철물)가 순환 축적 수리를 위해 개발될 수 있지만, 통상의 합금 혼합물이 균열 및 축적 수리를 위해 사용될 수 있다. 축적 수리에 대해, 통상적으로 부분 등온 구조만이 소정의 확산 거리에 대한 확산 시간의 제한으로 인해 달성된다. 이와 같이, 균열 수리는 형성된 입자 구조를 갖는 기초 합금에 더 비슷한 경향이 있지만, 축적 수리는 거칠고 더 전체적인 마이크로구조 형태를 갖는다.
냉각 통로를 갖는 부분에 대해, 통로가 손상된 장소 또는 마모된 장소를 가로지는 경우 상기 통로를 보호하기 위한 다양한 기술이 제안되었다. 미국 특허 제 6,742,698호에는 에어포일의 후단 에지 영역을 따라 용접 수리와 함께 사용된 내화 금속 삽입체가 개시되어있다. 미국 특허 제5,935,718호에는 브레이징 및 납땜 수리에 사용된 삽입체가 개시되어있다.
따라서, 본 발명의 일 태양은 내부 공간을 갖도록 구성요소를 형성하거나 재제작하는 방법을 포함한다. 내화 금속 차단 요소는 적어도 일부가 내부 공간 내에 위치된 상태로 배치된다. 물질은 레이저 클래딩(laser cladding) 및 확산 브레이징(diffusion brazing) 중 적어도 하나에 의해 추가되고, 차단 요소는 내부 공간으로의 물질의 유입을 적어도 부분적으로 차단한다. 차단 요소가 제거된다.
다양한 실시예에서, 상기 일부는 이미 존재하는 내부 공간의 부분 내에 삽입된 제1 부분 및 제2 부분을 포함한다. 차단 요소는 본질적으로 피복되지 않은 단일 내화 금속일 수 있다. 차단 요소는 본질적으로 세라믹 피복을 갖는 단일 내화 금속일 수 있다. 구성요소는 본래 상기 내부 공간이 없을 수 있다. 추가 단계는 제1 및 제2 성분 분말의 혼합물을 포함하는 분말식 물질을 사용하는 확산 브레이징을 포함할 수 있고, 제2 분말은 중량에 있어서 분말식 물질의 대부분이고 제1 분말은 제2 분말용 융점 저하제로서 작용할 수 있다. 제1 분말 성분은 조성에 있어서 제2 분말의 융점 저하제의 양을 사실상 초과하는 양의 융점 저하제를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 성분 분말은 1:10 내지 1:2의 질량비로 존재할 수 있다. 제1 성분 분말은 적어도 2.5%의 붕소를 가질 수 있고 제2 성분 분말은 0.5% 미만의 붕소를 가질 수 있다. 제1 성분 분말은 저어도 2%의 붕소를 가질 수 있고 제2 성분 분 말은 1% 미만의 붕소를 가질 수 있다. 제1 및 제2 성분 분말은 니켈계일 수 있다. 내부 공간은 구성요소가 제1 물질을 소실하는 손상 장소로 연장될 수 있다. 방법은 기초 표면을 형성하도록 손상 장소로부터 적어도 부분적으로 추가 물질을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 물질의 추가 단계는 제1 물질 및 추가 물질 대신에 적어도 부분적으로 기초 표면 위에 물질을 추가할 수 있다. 물질은 상기 제1 물질을 대부분 대체할 수 있다. 차단 요소는 내부 공간의 경계를 정하는 구성요소의 내부면 부분을 재형성하는데 효과적인 형상을 갖는 제1 표면부를 가질 수 있다. 배치 단계는 제1 표면부가 구성요소의 원상태인 부분으로부터 적어도 부분적으로 돌출되게 할 수 있다. 물질의 추가 단계는 제1 표면부 위에 물질을 추가하는 단계를 포함할 수 있다. 구성요소는 내부적으로 냉각되는 가스 터빈 엔진 터빈 섹션 요소일 수 있다. 물질은 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 구성요소는 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 기재 물질을 포함할 수 있다. 구성요소는 에어포일을 갖는 블레이드일 수 있고 물질은 에어포일의 첨단을 따라 추가될 수 있다. 구성요소는 에어포일을 갖는 베인 또는 블레이드일 수 있고 물질은 에어포일의 후단 에지를 따라 추가될 수 있다. 물질은 적어도 2.0 mm의 깊이로 추가될 수 있다. 방법은 에어포일의 외형을 복구하도록 물질을 기계 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 차단 요소의 배치 단계는 미리 형성된 삽입체를 트리밍하는 단계를 포함할 수 있다. 제거 단계는 화학적 제거 및 기계적 제거 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제거 단계는 풀링을 포함할 수 있다. 방법은 재설계 및 재제작 공정의 일부이며, 구성요소는 상기 내부 공간 없이 사용되고 상기 공간은 열-기계적 피로에 대한 저항을 향상시키는 기능을 할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세한 설명이 첨부한 도면 및 이하의 설명으로 기재되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 효과는 상세한 설명, 도면 및 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
다양한 도면에서 동일한 도면 번호 및 기호는 동일한 요소를 나타낸다.
도1은 터빈 요소(예컨대, 가스 터빈 엔진 터빈 블레이드(22))를 도시한다. 예시적인 블레이드(22)는 플랫폼(28)에서 뿌리(26)로부터 첨단(30)까지 연장된 에어포일(24)을 포함한다. 에어포일은 압력 측(36)과 흡입 측(38)을 분리하는 선단 에지(32) 및 후단 에지(34)를 갖는다. 플랫폼(28)은 터빈 엔진을 통한 코어 유동로의 내부 경계부/벽을 형성하기 위한 외부 부분(40)을 갖는다. 장착부 또는 블레이드 뿌리(42)는 터빈 엔진의 디스크에 블레이드를 고정하기 위해 플랫폼(28)의 하부면으로부터 중앙에 현수된다. 선택적으로, 모든 부분 또는 몇몇 부분(예컨대, 플랫폼(28) 및 에어포일(24))은 피복될 수 있다. 냉각 통로 네트워크(도1에 도시 안됨)는 뿌리의 하나 이상의 입구에서 다수의 출구까지 블레이드 측, 에지, 첨단 및/또는 뿌리를 따라 블레이드를 통해 연장할 수 있다. 예시적인 블레이드는 니켈계 또는 코발트계 초합금으로 제조될 수 있다.
도2는 냉각 통로 네트워크의 일부를 도시한다. 도시된 블레이드 및 네트워크는 예시적이다. 당업자는 다른 구성요소 외형 및 통로 구성이 가능하다는 것을 알 것이다. 네트워크는 선단 통로 또는 공동(50), 선단 통로 또는 공동(50) 뒤의 제2 공동(52), 제2 공동(52) 뒤의 제3 공동(54), 및 제3 공동(54) 뒤의 제4 공동 또는 후단 에지 슬롯(56)을 포함한다. 도3은 선단 공동(50)이 냉각 유동(60)을 내부에서 외부로 유도하여 냉각 유동이 선단 에지 벽 부분(64)의 일련의 스팬방향 선단 에지 냉각 출구 통로(62)를 통해 증분식으로 빠져나가는 실시예를 도시한다. 제2 공동(52)은 벽 부분(66)에 의해 선단 공동(50)으로부터 분리된다. 예시적인 제2 및 제3 공동은, 제2 공동(52)은 외부 방향으로 유동(68)을 전달하고 제3 공동(54)은 내부 방향으로 유동을 복귀시키는 상태로 벽 부분(68)에 의해 분리된 단일 통로의 레그이다. 제2 및 제3 공동은 압력 및 흡입 측 벽 부분(72, 74)(도2 참조) 각각의 압력 측면과 흡입 측면으로부터 연장된 축받이 스터브(pedestal stub; 70) 또는 다른 표면 증대부(surface enhancement)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 축받이(도시 안됨)는 측들 사이에 연장될 수 있다. 제3 공동(54)을 통한 내부 유동은 제3 공동을 슬롯(56)으로부터 분리하는 벽(82)의 개구(80)를 통해 증분식으로 뒤로 빠져나간다. 슬롯(56)은 후단 에지로 연장되고 압력 및 흡입 벽 부분 각각의 압력 측면과 흡입 측면 사이에 연장된 복수의 벽(84)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 첨단(30)은, 벽(92)에 의해 내부 공동으로부터 분리되고 유동(68)의 통기를 위해 내부에 출구 통로(94)를 갖는 첨단 공동 또는 포켓(90)을 갖는다.
도4는 열-기계적 피로에 의해 발생된 균열(96)과 같은 국부적인 손상부를 도시한다. 예시적인 균열(96)은 압력 측벽(72)에 위치되고 관련된 벽(84)의 쌍 사이 에서 슬롯(56)의 출구(98)로부터 전방으로/상류로 연장한다. TMF 균열에 추가적으로 또는 대안적으로, 에어포일은 외부 이물 손상(FOD) 및 마모, 침식, 산화 또는 크리프와 같은 더 일반적인 손상을 받게 되거나 제작 결함을 가질 수 있다. 손상부 자체가 에어포일의 내부를 관통하지 않는 경우, 관통부가 공동에 충분히 인접하여 수리 시도로 인해 공동이 관통될 수도 있다. 예컨대, 수리 이전에 손상된 표면을 세척하는 것이 바람직할 수 있다. 세척 단계가 기계 가공을 포함하는 경우, 기계 가공으로 인해 공동이 관통될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 추가 물질은 공동, 통로 또는 다른 부분의 내부 공간에 대해 적용될 수 있다. 양호한 확산 브레이징은 본 명세서에서 참조되는 미국 특허 제4,008,844호에 개시된 바와 같은 천이 액상(TLP) 형성 공정의 사용을 포함한다. 이러한 공정에서, 다양한 합금의 분말이 적용 장치에 의해 혼합되거나 미리 혼합되어 제공된다. 성분 분말은 작업편 특성을 고려하여 선택될 수 있다. 예시적인 분말 물질은 TLP-형성 분말 및 주 분말을 포함한다. 예시적인 주 분말은 소정의 적층물과 유사한 조성을 가질 수 있다. TLP 분말은 달리 대체로 유사한 조성을 가질 수 있지만 붕소와 같은 적어도 하나의 융점 저하제를 포함한다.
작업편은 니켈계 또는 코발트계 초합금 기재(예컨대, 이러한 기재는 보호 피복을 가질 수 있다)로 이루어지거나 이를 포함할 수 있다. 장치는 (예컨대, 손상과, 세척 및 준비로 인해) 기재로부터 손실된 물질을 대체하기 위해 적층물을 형성하거나 (예컨대, 제작 결함부를 채우고, 상이한 물질로 피복하고 또는 다른 방법으로) 증강하도록 사용될 수 있다.
물질 적용 전에, 상기 장소는 오염물이 세척될 수 있다. 보호 피복은 국부적으로 또는 전체적으로 제거되거나 적소에 남겨질 수 있다. 피복 제거는 (예컨대, 세라믹 장벽 피복에 대한) 그릿 분사(grit blast) 또는 액체 산(예컨대, 금속 피복의 제거를 위한 염화수소/질소 산 용액)에 대한 노출에 의해 이루어질 수 있다. 진공 세척 또는 플루오르화물 이온 세척(fluoride ion cleaning)과 같은 추가 단계가 엔진 작동 중에 형성된 접착 산화물을 제거하도록 사용될 수 있다. 산화 생성물이 깊은 균열로 퍼진 경우, 플루오르화물 세척이 가장 적절하다. 또한, 부식물은 화학적 수단 또는 그릿 분사에 의해 제거될 수 있다.
균열(96)을 따라 에어포일의 분실된 내부면을 형성하고 슬롯(56)으로의 추가 물질의 침투를 방지하도록, 지지 요소(100)가 사용된다. 예시적인 지지 요소는 (예컨대, 니오브, 탄탈, 몰리브덴, 텅스텐 및 이들의 합금/조합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된) 내화 금속으로 형성된다. 후술되는 바와 같이, 환경에 따라 지지 요소는 지지 요소와 수리부 사이의 확산 또는 화학 반응을 방지하도록 피복을 가지거나 이러한 확산 또는 화학 반응을 허용하도록 피복되지 않을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 지지 요소는 젖음 특성(wetting characteristic)이 향상된 특징부 생성을 위해 필요한 경우 표면 젖음을 촉진하도록 니켈로 도금될 수 있다. 예시적인 후단 에지 슬롯 사용을 위해, 요소(100)는 스파인(spine; 102) 및 복수의 가지(tine; 104)를 갖는 빗형상부(comb)로서 형성된다. 가지는 관련된 출구(98) 내에 끼워지도록 치수 결정되고 압력 및 흡입 측벽(70, 72)의 내부면을 따라 조우하도록 위치된 압력 및 흡입 측면을 갖는다. 가지의 측방향 표면은 인접 리브(84)의 측방향 표면을 따라 조우하도록 구성된다.
빗형상부 삽입 후, 수리 물질의 페이스트 패치(120)가 균열(96)에 걸쳐 적용되고 빗형상부(100)의 인접한 부분을 덮을 수 있다. 예시적인 점성 페이스트는 오염을 방지하도록 용제로 처리된 적절한 휘발성 접합제와 합금 분말을 조합함으로써 형성된다. 접합제는 페이스트가 가열될 때 바람직하지 않은 찌꺼기를 남기지 않고 연소될 수 있다. 유리하게는, 접합제는 TLP 물질의 용융이 개시되기 전에 연소된다(예컨대, 1000℉ 이하에서 연소된다). 큰 균열 또는 균열을 제거하도록 제거된 채널에 대해, 패치가 균열 또는 제거된 채널 내의 빗형상부 가지 위의 개방 영역을 채울 수 있다. 예시적인 접합제는 월 콜모니사(Wall Colmonoy Corporation, Madison Heights, Michigan)의 니크로브라즈 에스(NICROBRAZ S) 접합제이다.
접합을 개시하도록, 페이스트가 적용된 에어포일이 가열된다. 예시적인 처리 사이클에서, 구성요소 및 페이스트는 적절한 보호 분위기(예컨대, 불활성 가스, 진공 또는 공정과 불리하게 상호작용하지 않는 다른 가스)에서 가열된다. 예시적인 온도는 대략 2200℉(예컨대, 2150℉ 내지 2275℉)이다. 이러한 가열의 예시적인 기간은 5 시간 내지 24 시간(예컨대, 대략 10 시간)이다. 이러한 가열 후, 구성요소는 급속하게 냉각된다. 제2 예시적인 처리 사이클에서, 구성요소 및 페이스트는 적절한 보호 분위기에서 더 짧은 기간 동안 더 높은 온도로 가열된다. 예시적인 온도는 대략 2300℉(예컨대, 2250℉ 내지 2350℉)이다. 이러한 가열의 예시적인 기간은 대략 30분보다 작고, 양호하게는 15분 이하이며, 급속 냉각이 뒤따른다.
그 후, 빗형상부가 침출에 의해 제거될 수 있다. 에어포일의 외형은 패치(120)로 제조된 패치 물질의 외부를 기계 가공함으로써 복구될 수 있다. 그 후, 구성요소는 시효 열처리(aging heat treatment)를 받게 된다. 피복은 (기계 가공된 패치 영역 위에 전체적으로 또는 일부 피복이 원상태인 경우 기계 가공된 패치 영역 위에 국부적으로) 적용될 수 있다.
도6은 도1의 블레이드의 첨단 영역에 대한 손상부를 도시하고 있다. 예시적인 손상부에서, TMF 균열(140)은 첨단(30)에서 압력 측벽(72)을 따라 형성되었다. 균열의 분석은 개선된 냉각이 적절하다는 것을 보여줄 수 있다. 예컨대, 현 냉각 구멍/통로(142)는 가장 바람직한 냉각을 제공하지 않을 수도 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 따라 블레이드를 재제작함으로써 이전에는 제공되는 않은 개선된 냉각을 갖는 블레이드를 재제작하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 구멍/통로의 형상, 크기 및 분포 등은 변경될 수 있다. 추가 구멍 또는 통로가 제공될 수 있다.
블레이드의 첨단 부분은 절단면(150)(도7 참조)이 남도록 기계 가공되어 제거될 수 있다. 하나 이상의 지지 요소(152, 154)가 절단면(150) 위에 적용될 수 있다. 예시적인 요소(152, 154) 각각은 복수의 핑거(158)가 연장된 중앙 주 본체(156)를 갖는다. 또한, 요소(152, 154)는 개구(160)를 포함한다. 물질(170)(도8 참조)은 대체 첨단 구역을 형성하도록 지지 요소(152, 154) 위에 축적될 수 있다. 예시적인 축적은 레이저 클래딩에 의해 수행된다. 지지 요소(152, 154)를 침출하고 (예컨대, 최종 에어포일 외형을 제공하도록) 임의의 다른 기계 가공 후, 대체 첨단 구역은 핑거(158)에 의해 남겨진 냉각 통로/구멍을 포함한다. 몇몇 실시예에 서, 본체(156)는 냉각 통로를 공급하도록 플리넘을 남길 수 있다. 이러한 플리넘에서, 구멍(160)은 절단면(150)에서 대체 첨단의 외부 부분을 기초 금속에 연결/보유하는 포스트를 남길 수 있다. 플리넘은 미리 존재하는 하나 이상의 내부 공동(50, 52, 54)으로 연장된 (예컨대, 표면(150)을 통해 미리 드릴 가공된) 구멍에 의해 공급될 수 있다. (예컨대, 도면부호(90)와 유사한) 첨단 공동(180)은 대체 첨단에서 기계 가공되어 미리 존재하는 내부 공동 또는 (있는 경우) 플리넘으로 드릴 가공된 구멍을 공급할 수 있다.
예 1
후단 에지 수리는 (중량%에 있어서 공칭 조성: 5 Cr, 5.6 Al, 9 Ta, 6 W, 3 Re, 2 Mo, 10 Co, 0.1 Hf, 균형 Ni 및 미국 특허 제6,503,348호에 더 넓게 지정된) PWA 1484 초합금으로 제조된 복수의 베인 에어포일에 대해 수행되었다. 유사한 기계 가공이 균열된 영역을 제거하는 간극을 시뮬레이션하기 위해 차단 휠(cut-off wheel)이 후단 에지를 통해 유선방향 간극을 기계 가공하도록 사용되었다. 알루미나 피복된 몰리브덴 빗형상부가 사용되었다. 분말 혼합물은 60% PWA 1484 및 40% PWA 36117-1 TLP 또는 (예컨대, 미국 특허 제6,503,349호의 3번째 칼럼의 마지막 문장에 개시된 바와 같은) 저 용융 합금을 포함한다. 모든 퍼센트는 달리 지정되지 않는 경우 중량 퍼센트이다. 베인 에어포일 및 수리 합금은 보호 분위기에서 대략 10시간의 기간 동안 대략 2225℉의 온도로 가열되었다. 가열 후, 구성요소는 급속히 냉각되었다. 수리 합금이 구성요소의 표면을 유동하고 적셔 수리부 간극을 채우는 것이 관측되었다.
베인 수리 영역은 기초 금속 기재(200) 및 적용된 물질(202)의 마이크로구조를 드러내도록 횡방향(스팬방향) 및 종방향(유선방향)으로 금속조직적으로 분할되어, 장착되어 연마되고 AG 21 부식액(젖산, 질산, 플루오르화 수소산을 포함하는 혼합된 산 용액)으로 스왑 애칭되었다. 단면은 광학 현미경 검사에 의해 검사되었다. 도9 및 도10은 빗형상부의 침출 및 에칭 후의 유선방향과 스팬방향 단면을 도시한다(도9 유선방향 단면 흡입 측의 잘못된 스팬방향 절단은 무시되어야 한다). 관측된 물질(202)의 마이크로구조는 전형적인 니켈 터보픽스 TLP 축적 수리부와 일치한다. 비열(athermal), 공융(eutectic) 단계가 물질 전체에 걸쳐 나타났다. 부분적 등온 응고 마이크로구조가 물질(202) 전체에 걸쳐 존재한다.
출구 슬롯(204)의 형상은 삽입체/빗형상부에 의해 양호하게 유지된다. 삽입체의 구비는 내부 특징부의 재생성을 위해 중요하다. 냉각 통로 또는 내부 특징부의 크기는 초기 삽입체 끼움부에 따른다. 본 예에서, 약간 소형의 삽입체는 수리된 슬롯의 슬롯 폭의 감소를 가져온다. 또한, 용융된 터보픽스 합금이 몰리브덴 빗형상부의 내부 에지에 대해 유동하여 흘러내려 주물귀 영역(flash area; 206)을 형성하는 것이 관측되었다. 생산 환경에서, 개선된 삽입체 끼움부가 흘러내리는 것을 완전히 방지하지 못하는 경우, 종래의 내부 정지제(stop-off)가 이러한 흘러내림을 방지하고 주물귀를 기계 가공하여 제거할 필요가 없도록 사용될 수 있다. 피복된 삽입체에 의해, 삽입체와 물질 사이의 점착은 제한된다. 삽입체가 (예컨대, 적절한 테이퍼링에 의해) 상호 체결되지 않는 형상을 갖는 경우, 삽입체는 수리 후에 빼내질 수 있어 삽입체를 화학적으로 침출할 필요가 없다. 물리적(기계 적) 제거로 인해 화학적 침출 작업을 피할 수 있다. 화학적 침출은 통상 혼합된 산 용액(예컨대, 수성 질산/황산 용액)에 수리된 구성요소를 침수시키는 것을 포함한다. 물리적 제거에 의해, 침출 단계를 피할 수 있다. 이는 시간 절감, 감소된 장치 요건 및 폐기물(폐산) 감소의 결과를 가져온다. 세라믹 피복은 (예컨대, 니켈 도금되거나 피복되지 않은 삽입체의 젖음에 비해) 삽입체의 젖음을 억제할 수 있다. 따라서, 비교적 젖지 않는(non-wetting) 세라믹 피복이 내부 공동으로의 용융된 합금(예컨대, 브레이징 물질)의 위킹을 제한하는데 적절할 수 있다. 젖음이 필요한 곳에, 도금되거나 피복되지 않은 삽입체가 바람직할 수 있다.
예 2
유사한 후단 에지 수리가 피복되지 않은 믈리브덴 빗형상부를 사용하여 수행되었다. 가열 인자는 예 1과 동일하다. 수리 합금은 구성요소의 표면을 유동하고 적셔 수리부 간극을 채우는 것이 관측되었다. 관측한 바로는, 피복된 빗형상부에 비해 용융된 수리 합금과 피복되지 않은 빗형상부 사이의 상호작용에 차이점이 나타나지 않았다. 마이크로구조 평가는 후술되는 몇몇 중요한 마이크로구조적 차이점을 보여준다.
도11은 빗형상부 제거 전의 수리부의 단면도를 도시한다. 도12는 빗형상부(252)와 수리 물질(254) 사이의 경계부(250)를 도시한다. 빗형상부(252)는 빗형상부 내의 경계부를 따라 확산 구역(256)을 형성하도록 물질(254)과 반응하였다. 정량 전자 마이크로프로브 분석(Quantitative electron microprobe analysis)은 확산 구역(256)이 주로 17%의 니켈 및 60%의 몰리브덴으로 이루어져 있음을 판단하였다. 또한, 붕소가 확산 구역(256)에 존재하였다. 붕소 레벨의 정량 평가는 붕소 시그네쳐(signature)에 대한 몰리브덴 시그네쳐로부터의 간섭으로 인해 실질적이지 않았다. 확산 구역(256)은 주로 몰리브덴으로 이루어져 있기 때문에, 화학적 침출 방법이 순수 몰리브덴 빗형상부(252)와 함께 이러한 층을 완전히 제거할 수 있었다. 또한, 마이크로프로브 분석은 물질(254)이 원 기재 화학적 성질에 가까운 평균 조성을 갖는다는 것을 보여주었다.
도13 및 도14는 슬롯(260)이 남도록 화학적 침출로 빗형상부를 제거한 후의 수리부의 단면도를 도시한다. 한편으로는 도9와 도10을 비교하고, 다른 한편으로는 도13과 도14를 비교할 때, 피복되지 않은 빗형상부(252)에 인접한 수리 물질(254)의 구역은 터보픽스 TLP 균열 수리부(완전 등온 응고)에 더 유사한 마이크로구조를 나타내지만, 알루미나 피복된 빗형상부에 인접한 물질(202)은 터보픽스 TLP 축적 수리부에 더 유사해지는 것이 관측되었다. 완전 등온 응고 구조에서, 기초 금속에 유사한 형성된 입자 구조가 관측되었다. 그러나, 부분 등온 응고 영역에서는, 붕소가 풍부한 소구역(sub-region)이 기초 합금 성분으로 주로 이루어진 전체적인 단계들 사이에 관측되었다. 이러한 비열 마이크로구조는 시간, 온도 및 붕소에 대한 확산 경로의 유효성에 의한 확산 제한으로부터 발생될 수 있다. 구조적으로, 완전 등온 구조는 거의 기초 금속 강도 레벨을 얻지만, 비열 구조는 기초 금속에 비해 강도가 낮고 취성을 갖는다. 알루미나 피복된 빗형상부에 인접한 물질(202)은 몰리브덴으로의 붕소 확산을 억제/차단하지만, 피복되지 않은 빗형상부는 과도한 붕소에 대한 싱크로서 작용한다. 붕소 싱크의 결과는 피복되지 않은 빗형 상부에 인접한 증진된 축적 마이크로구조이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 기술되었다. 그렇지만, 다양한 변형예가 본 발명의 기술 사상 및 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예컨대, 터빈 블레이드 및 베인에 특히 유용하지만, 본 방법은 다른 블레이드 및 다른 터빈 엔진 부분 및 터빈이 아닌 부분에 적용될 수 있다. 특정한 터빈 엔진 부분 또는 다른 부분과 손상되기 쉬운 특정한 마모부 또는 손상부의 상세는 소정의 복구의 상세에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 다른 실시예는 이하의 특허청구범위의 범주 내에 있다.
본 발명에 따르면, 터빈과 압축기 블레이드 및 베인, 블레이드 외부 공기 시일 및 트랜지션 덕트부를 포함하는, 결함이 있고, 마모되고 그리고/또는 손상된 가스 터빈 엔진 구성요소가 내부 공간을 갖도록 복구 및/또는 재제작 방법을 제공할 수 있다.

Claims (27)

  1. 내부 공간을 갖도록 구성요소를 형성하거나 재제작하는 방법이며,
    내부 공간 내에 적어도 일부가 위치된 상태로 내화 금속 차단 요소를 배치하는 단계와,
    차단 요소는 내부 공간으로의 물질의 유입을 적어도 부분적으로 차단하며, 레이저 클래딩 및 확산 브레이징 중 적어도 하나에 의해 물질을 추가하는 단계와,
    차단 요소를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 일부는 미리 존재하는 내부 공간의 부분 내에 삽입된 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 차단 요소는 본질적으로 피복되지 않은 단일 내화 금속인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 차단 요소는 본질적으로 세라믹 피복 및 니켈 도금 중 적어도 하나를 갖는 단일 내화 금속인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 구성요소는 본래 상기 내부 공간이 없는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 추가하는 단계는 제1 및 제2 성분 분말의 혼합물을 포함하는 분말식 물질을 사용하는 확산 브레이징을 포함하며,
    제2 분말은 중량에 있어서 분말식 물질의 대부분이고, 제1 분말은 제2 분말용 융점 저하제로서 작용하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 제1 분말 성분은 조성에 있어서 제2 분말의 융점 저하제의 양을 사실상 초과하는 양의 융점 저하제를 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 제1 및 제2 성분 분말은 1:10 내지 1:2 사이의 질량비로 존재하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 제1 성분 분말은 적어도 2.5%의 붕소를 갖고,
    제2 성분 분말은 0.5% 미만의 붕소를 갖는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 제1 성분 분말은 적어도 2%의 붕소를 갖고,
    제2 성분 분말은 1% 미만의 붕소를 갖는 방법.
  11. 제6항에 있어서, 제1 및 제2 성분 분말은 니켈계 또는 코발트계인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 내부 공간은 구성요소가 제1 물질을 소실하는 손상 장소로 연장하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 기초 표면을 생성하도록 손상 장소로부터 적어도 부분적으로 추가 물질을 제거하는 단계를 더 포함하며,
    물질을 추가하는 단계는 제1 물질 및 추가 물질 대신 적어도 부분적으로 기초 표면 위에 물질을 추가하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 물질은 상기 제1 물질을 대부분 대체하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 차단 요소는 내부 공간의 경계를 정하는 구성요소의 내부 표면부를 재형성하는데 효과적인 형상을 갖는 제1 표면부를 갖고,
    배치 단계는 제1 표면부가 구성요소의 원상태인 부분으로부터 적어도 부분적으로 돌출하게 하고,
    물질을 추가하는 단계는 제1 표면부 위에 물질을 추가하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 구성요소는 내부적으로 냉각되는 가스 터빈 엔진 터빈 섹션 요소인 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 물질은 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하는 그룹 으로부터 선택되는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 구성요소는 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 기재 물질을 포함하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 구성요소는 에어포일을 갖는 블레이드이며 물질은 에어포일의 첨단을 따라 추가되는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 구성요소는 에어포일을 갖는 블레이드이며 물질은 에어포일의 후단 에지를 따라 추가되는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 물질은 적어도 2.0 mm의 깊이로 추가되는 방법.
  22. 제1항에 있어서, 에어포일의 외형을 복구하도록 물질을 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 제1항에 있어서, 차단 요소의 배치 단계는 미리 형성된 삽입체를 트리밍하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제1항에 있어서, 제거하는 단계는 화학적 제거 및 기계적 제거 중 적어도 하 나를 포함하는 방법.
  25. 제1항에 있어서, 제거하는 단계는 풀링을 포함하는 방법.
  26. 제1항에 있어서, 상기 방법은 재설계 및 재제작 공정의 일부이며, 구성요소는 상기 내부 공간 없이 사용되고 상기 내부 공간은 열-기계적 피로, 크리프 및 산화 중 적어도 하나에 대한 저항을 증가시키는 기능을 하는 방법.
  27. 융점 저하제를 사용하여 확산 수리를 수행하는 단계와,
    상기 융점 저하제용 싱크로서 희생 내화 금속 본체를 사용하는 단계를 포함하는 제품 수리 방법.
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