KR20070079907A - 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기위한 방법 및 이런 방법에 의해 형성된 터빈 엔진 부품 - Google Patents

Abstract

터빈 엔진 부품과 같이 단결정 부품의 강도, 내크립성 및 내파괴성을 개선하기 위한 방법이 제시된다. 본 방법은 복수의 γ' 직평행육면체를 구비한 단결정 미세조직을 갖는 터빈 엔진 부품과 같은 부품을 형성하는 단계와, 인가 하중에 관련된 플래턴의 응집을 지연시키기 위해 부품 사용에 앞서 제한된 양의 특정 방향 배향 플래턴을 형성하는 단계를 포함한다.

터빈 엔진 부품, 단결정 부품, 내크립성, 내파괴성, 단결정 미세조직, 특정 방향 배향 플래턴

Description

단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법 및 이런 방법에 의해 형성된 터빈 엔진 부품 {METHOD OF IMPROVING THE STRENGTH, CREEP AND FAILURE RESISTANCE OF A SINGLE CRYSTAL COMPONENT AND TURBINE ENGINE COMPONENT FORMED THEREBY}

도1은 γ'-입자와 γ-매트릭스를 도시하는 종래의 니켈계 단결정 초합금 미세조직의 현미경사진.

도2는 인가 하중하에서 γ'-입자가 플래턴으로 응집된 종래의 니켈계 단결정 초합금 미세조직의 현미경사진.

도3은 γ' 플래턴을 따르는 통상의 크랙 발생을 도시한 하중이 가해진 종래의 니켈계 단결정 초합금 미세조직의 개략도.

도4a는 사용 인장 하중이 인가되기 전 압축 하중하에서 플래턴이 고의 사전 배향된 니켈계 단결정 초합금 미세조직의 현미경사진.

도4b는 플래턴의 사전 배향 후 니켈계 단결정 초합금 미세조직의 현미경사진.

본 발명은 단결정 가스 터빈 부품의 강도와 내피로성을 개선하는 방법과 이 방법에 의해 형성되는 터빈 엔진 부품에 관한 것이다.

니켈계 단결정 초합금은 도1에 도시된 바와 같이 γ-매트릭스의 채널에 의해 분리되는 (γ'-입자로 알려진) 입방형 석출물로 이루어진다. 사실상, γ'-입자와 γ-매트릭스는 복합재로서 작용하며, 이때 γ'-입자는 강도를 제공하고 γ-매트릭스는 연성을 제공한다. 하중하에서 γ'-입자는 {플래턴(platen)으로 알려진} 층으로 응집되는 경향이 있다. 도2에는 이런 거동이 도시되어 있다. 인장 하중은 인가 응력(σ)에 수직한 γ'의 층(N형 래프트)을 생성하고 압축 하중은 음의 격자 부정합을 위해 인가 응력(σ)에 평행한 γ'의 층(P형 래프트)을 생성한다. 이들 계층 구조체는 최초 구조체보다 취약하고 계층 구조체의 γ' 플래턴과 γ-매트릭스의 계면에는 크랙이 발생되어 플래턴을 따라 전파되는 경향이 있다. 도3에는 이런 거동이 개략적으로 도시되어 있다. 하중에 계속 가해지면 이들 크랙은 전파되어 서로 연결됨으로써 결국에는 재료 파괴를 가져온다.

본 발명에 따르면, 단결정 부품의 강도와 내파괴성을 개선하기 위한 방법이 마련된다. 본 방법은 일반적으로 복수의 γ' 플래턴을 구비한 단결정 미세조직을 갖는 부품을 형성하는 단계와 인가 하중에 관련된 플래턴의 응집을 지연시키기 위해 부품이 사용되기에 앞서 제한된 양의 특정 방향 배향 플래턴을 형성하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따르면, 터빈 엔진 부품이 마련된다. 터빈 엔진 부품은 일 반적으로 복수의 플래턴을 갖는 니켈계 단결정 초합금으로 형성되는 기판을 포함한다. 플래턴은 부품이 사용되기에 앞서 예정 인장 하중에 평행한 방향으로 사전 배향된다.

또한, 본 발명에 따르면, 터빈 엔진 부품이 마련된다. 터빈 엔진 부품은 일반적으로 복수의 플래턴을 갖는 니켈계 단결정 초합금으로 형성되는 기판을 포함한다. 플래턴은 부품이 사용되기에 앞서 예정 압축 하중에 수직한 방향으로 사전 배향된다.

이하, 본 발명의 단결정 블레이드의 우선 경화 방법의 다른 세부 구성을 본 발명에 따른 그 밖의 목적 및 장점과 함께 아래의 발명의 상세한 설명에서 첨부 도면을 참조로 설명하기로 한다.

단결정 부품은 주로 특정 방향(예컨대 블레이드에서의 방사 방향 또는 구멍 둘레의 원주 방향)으로 강도를 가질 것이 요구된다. 단결정 합금은 압축 응력이 단결정 합금의 초기 듀티 하중에 앞서 부품에 인가되는 경우 인장강도와 크랙저항이 특정 방향으로 증가될 수 있는 거동을 나타낸다. 본 발명은 가스 터빈 부품의 강도를 개선하기 위해 이런 거동을 활용하는 방법에 관한 것이다. 부품의 강도가 증가될 수 있다면 부품의 수명 능력도 증가된다. 증가된 강도는 경량 부품에 대해서도 허용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 터빈 블레이드, 배인, 연소기 패널 또는 BOAS와 같은 터빈 엔진 부품이 복수의 γ' 직평행육면체(curboid)를 구비한 미세조직을 갖는 니켈 계 초합금으로 형성된다. 터빈 엔진 부품은 약 2.2 내지 약 10 중량%의 크롬과, 최고 약 1.5 중량%의 티탄과, 최고 약 2.0 중량%의 몰리브덴과, 약 4.0 내지 5.6 중량%의 텅스텐과, 최고 약 6.4 중량%의 레늄과, 약 8.4 내지 약 12 중량%의 탄탈과, 약 5.0 내지 약 5.7 중량%의 알루미늄과, 약 3.3 내지 약 10 중량%의 콜럼븀과, 최고 약 0.1 중량%의 하프늄과, 잔량 니켈로 이루어진 조성을 갖는 니켈계 단결정 초합금과 같이 모든 적절한 니켈계 단결정 초합금으로 기술분야에서 공지된 모든 적절한 기술을 이용하여 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 터빈 엔진 부품을 형성하는 재료에 대한 잠재적 손상은 터빈 엔진 부품의 사용 수명이 시작되기에 앞서 제한된 양의 플래턴을 사정 배향함으로써 낮춰질 수 있다. 플래턴은 사용시 예상되는 인장 하중에 평행한 방향으로 사전 배향되거나 예상 압축 하중에 수직하도록 사전 배향될 수 있다. 도4a는 플래턴이 예정 인장 하중에 평행하도록 사전 배향된 니켈계 단결정 초합금을 도시한다. 도4b는 플래턴이 사용 중에 예상 압축 하중에 수직하도록 사전 배향된 니켈계 단결정 초합금을 도시한다. 플래턴을 사전 배향할 경우 인가 하중에 수직한 플래턴의 응집이 지연되어 재료 능력의 증가를 가져온다.

터빈 엔진 부품을 형성하는 초합금의 변형은 γ 고용체 내에서의 전위 이동과 γ' 석출물과 전위의 상호 작용에 의해 제어된다. 크립 거동은 재료에서 γ-γ' 계면의 분율과 배향에 의해 강하게 제어된다. 석출물은 "래프팅(rafting)"으로 지칭되는 방향성 응집 작용에 의해 입방체로부터 판상으로 점차 변화한다. 래프트는 고온, 즉 982 ℃(1800 ℉)보다 높은 온도와 낮은 응력, 즉 약 100 MPa(15 ksi)에서 크립 초기 단계에 발달한다. 부가된 응력의 기호와 상태는 석출물 형상의 전개를 한정한다. "역래프트형(inversely rafted)" 예비 변형 부품 또는 부분은 작업 기간 동안 인가된 기호에 반대되는 기호를 갖는 잔류 응력과 변형을 갖는다. 예비 변형된 래프팅 미세조직은 1차 크립 후 단결정 블레이드의 최종 래프팅 미세조직과 "반대로" 되어 있다.

예상 인장 하중에 대해 플래턴을 사전 배향하기 위해 사용 전 기간 동안 터빈 엔진 부품에 압축 변형을 인가해야 한다. 압축 변형은 기술분야에서 공지된 모든 가능한 적절한 기술을 이용하여 인가될 수 있다. 예비 변형 조건은 기계적 또는 열적 수단이나 이들의 여러 조합을 이용하여 형성될 수 있었다. 예컨대, 부품은 (다른 미세조직 매개변수를 변경시키지 않기 위해 높지 않은) 최고 약 954 ℃(1750 ℉) 내지 1065 ℃(1950 ℉)까지 가열될 수 있다. 기계적 수단은 비가역적 변형이 0.1 내지 0.2%에 도달할 때까지 <001> 결정방향을 따라 균일한 조성을 발생시키거나 15 내지 20 Ksi의 한계 내에서 냉각공 둘레에 균일한 원주 응력을 발생시키도록 이용될 수 있다. 온도, 합금 및 인가 응력에 따라서 요구되는 비탄성 변형에 도달하는 시간은 다를 수 있다. 예비 변형의 기간과 양은 부품의 구조적 능력을 실질적으로 변경시키지 않으면서도 제한된 양의 방향성 계층화를 유도하도록 설정되어야 할 것이다.

예비 변형 기술은 전체 터빈 엔진 부품에 또는 관심 특징부 둘레에 국부적으로 인가될 수 있다. 예컨대, 터빈 블레이드는 사용중 원주 방향 하중하에서 그 강도를 증가시키기 위해 그 전장을 따르는 압축 하중으로 예비 변형될 수 있었다. 다른 예는 막 냉각공의 내측 상에 원주 방향 압축 응력을 인가하여 냉각공 둘레의 원주 응력을 증가시키는 것일 수 있다.

바람직하게는, 인가된 압축 변형은 약 0.1 내지 약 0.2% 범위이다. 온도, 합금 및 인가 응력에 따라서 요구되는 비탄성 변형에 도달하는 시간은 다를 수 있다.

터빈 엔진 부품 재료는 제조시 열처리된다. 열처리될 때 예비 변형을 인가하기에 앞서 양호하게 배향된 플래턴의 형성이 가속화될 수 있다.

운전 하중이 인가되는 동안, 예비 변형으로 인한 사전 배향 P-래프트로부터 플래턴을 인가된 인장 하중에 수직하도록 재배향(N-래프트 형성)하기 위해 추가 시간이 요구되고 이는 다시 내크립성과 파괴 수명을 증가시킨다. 인장 방향에 평행한 P-래프트형 이완 조직은 인장 하에서 수반되는 래프팅에 대해 가장 안정적이 되고, 이는 내크립성과 파괴 수명을 증가시킨다.

고온 및 저응력의 경우, 주된 크립 기구는 γ 매트릭스 전위의 운동과 γ' 입자의 우회를 수반한다. 예비 변형된 플래턴 γ' 래프트 조직은 매트릭스 전위 운동에 대한 추가 장벽을 제공하고 내크립성을 개선한다. 전위의 운동성은 보다 작은 γ-채널 폭으로 인해 감소된다.

본 발명에 따르는 방법은 단결정 부품의 강도와 내파괴성을 개선하는 효과를 갖는다.

Claims (19)

1. 복수의 γ' 플래턴을 구비한 단결정 미세조직을 갖는 부품을 형성하는 단계와,

   인가 하중에 대한 플래턴의 응집을 지연시키기 위해 부품 사용에 앞서 특정 방향으로 배향된 제한된 양의 플래턴을 형성하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 부품 형성 단계는 니켈계 단결정 초합금으로 부품을 형성하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 플래턴 형성 단계는 예상 운전 인장 하중에 평행하도록 플래턴을 사전 배향하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 사전 배향 단계는 상기 부품의 구조적 능력을 변경시키지 않으면서 제한된 양의 방향 계층화를 유도하기에 충분한 기간과 양으로 상기 부품에 압축 응력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 압축 응력 인가 단계는 상기 부품 모두에 상기 압축 응력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 압축 응력 인가 단계는 관심 특징물 둘레에 국부적으로 상기 압축 응력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 압축 응력 인가 단계는 기계 장치를 거쳐 상기 응력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 플래턴 형성 단계는 비가역적 변형이 0.1 내지 0.2%에 도달할 때까지 약 954 ℃(1750 ℉) 내지 1065 ℃(1950 ℉) 범위의 온도에서 열을 인가하고 부품에 예비 변형력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 플래턴 형성 단계는 예상 운전 압축 하중에 수직하도록 플래턴을 사전 배향하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내 파괴성을 개선하기 위한 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 사전 배향 단계는 상기 부품의 구조적 능력을 변경시키지 않으면서 제한된 양의 방향 계층화를 유도하기에 충분한 기간과 양으로 상기 부품에 압축 응력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 압축 응력 인가 단계는 상기 부품 모두에 상기 압축 응력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 압축 응력 인가 단계는 관심 특징물 둘레에 국부적으로 상기 압축 응력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 압축 응력 인가 단계는 기계 장치를 거쳐 상기 응력을 인가하는 단계를 포함하는, 단결정 부품의 강도와 내크립성과 내파괴성을 개선하기 위한 방법.
14. 복수의 플래턴을 갖는 니켈계 단결정 초합금으로 형성되는 기판을 포함하며, 상기 플래턴은 부품이 사용되기에 앞서 예정 인장 하중에 평행한 방향으로 사전 배향되는 터빈 엔진 부품.
15. 제14항에 있어서, 상기 플래턴은 방향성 층으로 배향되는 터빈 엔진 부품.
16. 제14항에 있어서, 상기 부품은 터빈 블레이드인 터빈 엔진 부품.
17. 복수의 플래턴을 갖는 니켈계 단결정 초합금으로 형성되는 기판을 포함하며, 상기 플래턴은 부품이 사용되기에 앞서 예정 압축 하중에 수직한 방향으로 사전 배향되는 터빈 엔진 부품.
18. 제17항에 있어서, 상기 부품은 터빈 블레이드인 터빈 엔진 부품.
19. 제17항에 있어서, 상기 플래턴은 방향성 층으로 배향되는 터빈 엔진 부품.

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