KR20080071908A

KR20080071908A - 고강도 내식성 티타늄 합금에 관한 방법 및 제품

Info

Publication number: KR20080071908A
Application number: KR1020080009113A
Authority: KR
Inventors: 사무엘 비노드 탐부; 링 양
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2008-08-05
Also published as: JP2008190039A; EP1953251A1; US20080181808A1; CN101235449A

Abstract

본 발명은 5 내지 6.5 중량%의 알루미늄; 1.5 내지 2.5 중량%의 주석; 1.5 내지 2.5 중량%의 크롬; 1.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴; 1.5 내지 2.5 중량%의 지르코늄; 및 티타늄을 포함하는 티타늄 합금을 포함하는 제품의 처리 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 상기 티타늄 합금을 열처리하는 것을 포함하며, 이때 상기 티타늄 합금을 베타 어닐링 공정에 노출시키는 것은 포함하지 않는다. 또한 본 발명은 베타 어닐링을 포함하지 않는 열처리 공정을 거친 제품에 관한 것이다.

Description

고강도 내식성 티타늄 합금에 관한 방법 및 제품{METHODS AND ARTICLES RELATING TO HIGH STRENGTH EROSION RESISTANT TITANIUM ALLOY}

본 발명은 티타늄 합금을 포함하는 방법 및 제품에 관한 것이다. 상기 제품은 터빈, 특히 스팀 터빈에 사용하기 적합하며, 특히 터빈 블레이드, 바람직하게는 긴 블레이드에 사용하기 적합한 티타늄 합금(Ti-62222로 공지됨)과 관련된다. 상기 티타늄 합금은 통상적이지 않은 열처리를 필요로 할 수 있다.

스팀 터빈에서는 최종 단계 버킷의 성능을 최적화하는 것이 바람직하다. 스팀 터빈의 최종 단계는 가장 많은 하중을 받는 단계이며, 대략적으로 터빈의 전체 출력의 약 10% 정도에 기여한다. 주지하는 바와 같이, 최종 단계 버킷은 광범위한 흐름, 압력, 하중 및 강한 동력에 노출된다. 다른 인자들뿐만 아니라, 버킷의 재료 또한 상기 터빈의 성능에 영향을 미친다.

일반적으로 터빈의 저압 구역의 마지막 부분에 존재하는 긴 스팀 터빈 버킷은 경량인 것이 바람직하다. 버킷의 중량이 일반적으로 회전자 부착 영역을 당기는 원심력에 추가된다. 이러한 당김 하중은 회전자 합금의 인장 강도를 초과할 수 있고, 회전자를 손상시킬 수 있다. 따라서 티타늄 합금(예를 들어 Ti-6-4)이 지금까지 사용되어 왔는데, 그 이유는 상기 합금의 밀도가 대략 강철 합금의 1/3 정도이기 때문이다.

터빈 블레이드가 45 인치보다 길게 되면, 티타늄 블레이드의 중량은 티타늄 자체의 항복 강도를 초과할 정도로 커지게 된다. 이것은 루트(root)에서 블레이드의 변형을 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 길이의 티타늄 합금은 고강도일 뿐만 아니라 경량인 것이 바람직하다.

또한, 저압 구역의 마지막 부분에서는 스팀이 상당한 양의 수분을 함유하고 있기 때문에, 이러한 수분이 마지막 단계 직전에 고정된 에어포일(stationary airfoil) 상에 응축될 수 있다. 이러한 물방울(droplet)들은 회전하는 블레이드 상으로 고속 방출될 수 있다. 회전하는 블레이드와의 충돌은 블레이드의 리딩 에지(leading edge)의 부식을 유발할 수 있다. 따라서, 버킷 재료는 물방울에 대해 저항성이 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 스팀 터빈의 긴 터빈 블레이드에 사용하기 적합한 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상기 제품을 처리하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 고강도 내식성 티타늄 합금을 포함하는 제품을 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상기 제품의 처리 방법을 제공한다.

본 발명의 한 실시 양태로서, 본 발명은 티타늄 합금을 포함하는 제품의 처리 방법을 제공한다. 상기 티타늄 합금은, 5 내지 6.5 중량%의 알루미늄; 1.5 내지 2.5 중량%의 주석; 1.5 내지 2.5 중량%의 크롬; 1.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴; 1.5 내지 2.5 중량%의 지르코늄; 및 티타늄을 포함한다. 상기 방법은, 티타늄 합금을 1500℉ 내지 1800℉ 범위의 단조(forging) 개시 온도에 노출시키는 단계; 상기 티타늄 합금을 1550℉ 내지 1850℉ 온도 범위의 알파-베타 어닐링(alpha-beta anealing) 공정에 노출시키는 단계; 및 상기 티타늄 합금을 800℉ 내지 1000℉ 온도 범위의 에이징(aging) 공정에 1 내지 24 시간 동안 노출시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 티타늄 합금을 베타 어닐링 공정에 노출시키는 것은 포함하 지 않는다.

본 발명의 다른 실시 양태에서, 본 발명은 5.25 내지 6.25 중량%의 알루미늄; 1.75 내지 2.25 중량%의 주석; 1.75 내지 2.25 중량%의 크롬; 1.75 내지 2.25 중량%의 몰리브덴; 1.75 내지 2.25 중량%의 지르코늄; 0.1 내지 0.2 중량%의 규소; 0 내지 0.15 중량%의 철; 0 내지 0.08 중량%의 탄소; 0 내지 0.15 중량%의 산소; 0 내지 0.05 중량%의 질소; 0 내지 0.015 중량%의 수소; 및 티타늄을 포함하는 제품을 제공한다. 상기 제품은 터빈 블레이드일 수 있으며, 베타 어닐링을 포함하지 않는 열처리를 거치게 된다.

현재, 스팀 터빈 제조자들은 더 긴 최종 단계 버킷용으로서 전형적으로 합금 Ti-6-4를 사용한다. 미국 특허 출원 제 10/919,435 호에 열거된 합금을 포함하는 다른 티타늄 합금들도 또한 개발되고 있다. 일반적으로 Ti-6-4는 단조(forging)에 의해 상대적으로 용이하게 에어포일 형태로 제조될 수 있다. Ti-6-4는 일반적으로 실온에서 약 90,000 psi의 항복 강도를 갖는다. 이것은 45인치 미만의 길이를 갖는 블레이드용으로 매우 우수하게 사용될 수 있다.

Ti-6-4는, 3000 내지 3600 rpm에서 스팀 터빈이 회전할 동안의 자체 원심력에 의한 하중을 지지할 수 있는 강도를 갖지 않는다. 또한, 상기 합금은 또한 물방울 부식에 대한 어느 정도의 내성 때문에 유발되는 문제들을 갖고 있다. 이에 따라, 상기 물질의 물방울에 의한 부식성을 개선하려는 시도가 있었다. 이러한 시도는, 질화(nitriding) 공정을 사용하여 팁(전형적으로 가장 민감함)을 경화시키는 것(예를 들면, 미국 특허 제 4,942,059 호 및 제 5,366,345 호), 스텔라이 트(stellite) 또는 티타늄 카바이드(titanium carbide)와 같은 다른 합금으로 제조된 부식 차폐재(shield)를 추가하는 것(예를 들면, 미국 특허 제 5,183,390 호, 제 4,842,663 호, 제 3,561,886 호 및 제 4,795,313 호)을 포함한다.

도 1 및 도 2는 저압 스팀 터빈의 최종 몇 개의 블레이드 열(row) 중에서 하나의 블레이드 (1)을 도시한 것이다. 통상적으로, 블레이드 (1)은 에어포일부 (2)와 루트부 (3)으로 구성된다. 상기 루트부 (3)은 상기 블레이드 (1)이 스팀 터빈의 회전자에 부착되도록 한다. 터빈을 통과하는 스팀 흐름에 노출된 상기 에어포일 (2)는 상기 회전자를 회전시키는 데 필요한 에너지를 스팀으로부터 뽑아낸다. 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 에어포일 (2)는 리딩 에지(leading edge)부 (4), 트레일링 에지(trailing edge)부 (5), 및 상기 리딩 에지부와 트레일링 에지부 사이에 배치되고 이들 각각에 인접한 중심부 (9)로 구성된다. 상기 에어포일 (2)는 팁부 (6) 및 플랫폼 (7)을 가지며, 상기 플랫폼 (7)은 상기 루트 (3)에 대한 상기 에어포일 (2)의 부착점으로서 작용한다.

저압 스팀 터빈의 저압부를 통과하는 스팀 흐름 내에서 물방울이 형성될 수 있다. 이러한 물방울들은 스팀 흐름에 동반되고, 원심력에 의한 결과로서 블레이드의 팁쪽인 바깥쪽으로 이동하게 된다. 상기 물방울들은 상기 블레이드의 팁부 (6) 근처의 블레이드 에어포일 (2)의 트레일링 에지 (5)에 유해한 부식을 초래한다.

도 3 및 4를 참조하면, 본 발명의 한 실시 양태에 따른 버킷은 일반적으로 (10)을 가리키며, 터빈의 휠(wheel)(미도시)에 연결되기 위해 핑거 도브테 일(finger dovetail) (14)에 연결된 루트 구역 (12)를 갖는다. 또한, 버킷 (10)은 내부 및 외부 커버를 수용하기 위해 방사상으로 돌출된 계단형 테논(tenon) (18) 및 (20)을 갖는 팁 (16)을 포함한다. 상기 버킷의 중간에 인접하여, 구조적 댐핑(damping)을 위해 버킷의 중간에 인접한 타이와이어(tiewire)를 수용하기 위한 개구부 (40)을 갖는 설계(built-up) 구역 (22)이 존재한다. 상기 도브테일 (14)들은 이들이 마주보는 축의 말단과 이들이 마주보는 면을 따라 원주형으로 비어있는 리세스(recess)와의 사이에 원주형의 돌출부를 가질 수 있다. 이것은 상기 핑거 도브테일에 인접한 버킷의 루트 구역 (12)의 과도한 곡면에 순응하기 위해, 상기 핑거 도브테일이 하나의 핑거 도브테일 내에 다른 핑거 도브테일을 품을 수 있도록 한다. 도 1 내지 4에 예시된 실시양태들 외에도, 버킷의 임의의 구역를 포함하는 버킷의 다른 구조들도 본 발명의 특정 실시양태로 사용될 수 있다.

도 3 및 4는 전형적으로 후속 단계의 스팀 터빈 블레이드를 예시한 것이며, 이것은 길이가 45 인치를 초과한다. 일반적으로, 블레이드 길이의 증가는 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 블레이드 설계는 너브(nub)를 갖는 중간 스팬(mid-span) 및 팁 커버에서 지지된다. 이러한 특징들은 작동 중 인접한 블레이드들이 접촉하게 하며, 상호간에 지지할 수 있게 한다. 블레이드가 회전자에 부착되는 위치에 축형(axial entry) 도브테일이 위치한다. 이 영역은 전형적으로 가장 높은 응력을 보이며, 회전자의 강철과 접촉한다. 따라서, 이 영역은 고강도 재질을 필요로 할 수 있다. 상기 에어포일의 시작부에 있는 상기 도브테일의 바로 위에서, 상기 블레이드의 에지는 일반적으로 교차되는 응력의 영향을 받는다. 이에 따라 상기 블레이드 에지는 저주기 피로 및 고주기 피로에 대한 우수한 내성을 필요로 할 수 있다. 또한, 터빈 블레이드는 조기 불량(premature failure)을 막기 위해 일반적으로 우수한 파단 인성을 가질 수 있다.

본 발명의 한 실시 양태에 따라, 본 발명은 6 중량%의 알루미늄(Al), 2 중량%의 크롬(Cr), 2 중량%의 주석(Sn), 2 중량%의 지르코늄(Zr), 2 중량%의 몰리브덴(Mo), 및 나머지 양의 티타늄(Ti)을 갖는 합금을 제공한다. 또한, 0.25 중량% 이하의 실리콘(Si)이 존재할 수 있으며, 다른 원소, 예를 들어 철(Fe), 탄소(C), 산소(O), 질소(N), 및/또는 수소(H)가 또한 존재할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 양태에 따라, 상기 티타늄 합금은 바람직하게는 5 내지 6.5 중량% 및 이 사이의 모든 부범위(subrange)의 알루미늄을 함유하고, 더욱 바람직하게는 5.25 내지 6.25 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 알루미늄을 함유하고, 가장 바람직하게는 6.04 중량%의 알루미늄을 함유한다. 상기 티타늄 합금은 바람직하게는 1.5 내지 2.5 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 주석을 함유하고, 더욱 바람직하게는 1.75 내지 2.25 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 주석을 함유하고, 가장 바람직하게는 1.99 중량%의 주석을 함유한다. 상기 티타늄 합금은 바람직하게는 1.5 내지 2.5 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 크롬을 함유하고, 더욱 바람직하게는 1.75 내지 2.25 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 크롬을 함유하고, 가장 바람직하게는 1.93 중량%의 크롬을 함유한다. 상기 티타늄 합금은 바람직하게는 1.5 내지 2.5 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 몰리브덴을 함유하고, 더욱 바람직하게는 1.75 내지 2.25 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 몰리브덴을 함유하고, 가장 바람직하게는 1.99 중량%의 몰리브덴을 함유한다. 상기 티타늄 합금은 바람직하게는 1.5 내지 2.5 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 지르코늄을 함유하고, 더욱 바람직하게는 1.75 내지 2.25 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 지르코늄을 함유하고, 가장 바람직하게는 2.00 중량%의 지르코늄을 함유한다. 선택적으로, 상기 티타늄 합금은 또한 바람직하게는 0.05 내지 0.25 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 실리콘을 함유하고, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.2 중량% 및 이 사이의 모든 부범위의 실리콘을 함유하고, 가장 바람직하게는 0.15 중량%의 실리콘을 함유한다. 선택적으로, 상기 티타늄 합금은 추가적인 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 합금은 0.25 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.15 중량% 이하(및 이 사이의 모든 부범위)의 철; 0.15 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.08 중량% 이하(및 이 사이의 모든 부범위)의 탄소; 0.25 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.15 중량%(및 이 사이의 모든 부범위)의 산소; 0.1 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.05 중량% 이하(및 이 사이의 모든 부범위)의 질소; 및/또는 0.025 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.015 중량% 이하(및 이 사이의 모든 부범위)의 수소를 함유한다. 가장 바람직하게는, 상기 티타늄 합금이 0.09 중량%의 철, 0.01 중량%의 탄소, 0.11 중량%의 산소, 0.004 중량%의 질소, 0.0005 중량%의 수소를 함유한다. 상기 티타늄 합금의 나머지 양은 티타늄으로 구성된다.

이러한 유형의 티타늄 합금에 대한 하나의 적용(종종 Ti-62222 또는 Ti-6Al-2Cr-2Mo-2Zr-2S로 지칭됨)은 1970년대에 개발되었고, 종종 F-22 전투기용 기체(airframe) 구조용 합금으로서 고려되었다. 이러한 합금에 대한 열처리 공정은 "트리플렉스(Triplex)" 열처리 공정으로 공지되어 있다. 각각의 단계들을, 본 발명의 한 실시 양태에 따른 "미세 그레인(Fine Grain)" 열처리 공정의 단계와 함께 표 1에 나타내었다.

Ti-62222에 대해서, 트리플렉스 열처리 공정은 에어프레임(airframe) 구조를 위한 우수한 강도 및 우수한 파단 인성을 제공할 수 있다. 그러나, 스팀 터빈 블레이드는 이와 다르기 때문에, 변형된 공정이 필요하다.

하나의 실시 양태에서, 본 발명은 상기 Ti-62222 합금에 대한 열처리 수행을 이용하여, 이러한 적용에 대해 적절한 균형을 이룬 특성들을 달성할 수 있는 미세 그레인 크기를 생성할 수 있다. 이것이 미세 그레인 열처리 공정(Fine Grain Heat Treat Process)이며, 상기 공정의 바람직한 실시 양태는 표 1에 열거되어 있다. 차이점은 베타 어닐링 단계가 필요하지 않다는 것이다. 베타 어닐링 단계의 부재는 도 5에 도시된 바와 같이 미세 구조에 있어서 상당한 차이를 가져오며, 하기 기재된 표 2에 도시된 바와 같이 특성의 향상을 가져온다.

본 발명의 한 실시 양태에 따라, 티타늄 합금을 단조 개시 온도, 바람직하게는 1500℉ 내지 1800℉ 및 이 사이의 모든 부범위, 더욱 바람직하게는 1600℉ 내지 1700℉ 및 이 사이의 모든 부범위, 가장 바람직하게는 1650℉에 노출시킨다. 베타 어닐링 공정 단계에 노출시키지 않고, 상기 티타늄 합금을 1550℉ 내지 1850℉ 및 이 사이의 모든 부범위, 더욱 바람직하게는 1650℉ 내지 1750℉ 및 이 사이의 모든 부범위, 가장 바람직하게는 1700℉의 알파-베타 어닐링 공정 단계에 노출시킨다. 상기 알파-베타 어닐링 공정 단계는 바람직하게는 수중 급냉을 포함한다. 상기 알파-베타 어닐링 공정 단계 후에, 상기 티타늄 합금은 800℉ 내지 1200℉ 및 이 사이의 모든 부범위, 더욱 바람직하게는 900℉ 내지 1100℉ 및 이 사이의 모든 부범위, 가장 바람직하게는 1000℉ 온도의 에이징에 노출시킨다. 상기 에이징은 바람직하게는 1시간 내지 24시간 및 이 사이의 모든 부범위, 더욱 바람직하게는 6시간 내지 10시간 및 이 사이의 모든 부범위, 가장 바람직하게는 8시간의 시간 동안 수행된다.

시험 버킷은 도 1에 도시된 바와 같이 블레이드 형태로 가공되었다. 출발 물질은 하기와 같은 조성을 가졌다: 6.04 중량%의 Al; 1.99 중량%의 Sn; 1.93 중량%의 Cr; 1.99 중량%의 Mo; 2.00 중량%의 Zr; 0.15 중량%의 Si; 0.09 중량%의 Fe; 0.01 중량%의 C; 0.11 중량%의 O; 0.004 중량%의 N; 0.005 중량%의 H; 나머지 양의 Ti.

단조는 밀폐된 다이(die) 내에서 수행되었다. 단조 및 열처리 공정의 온도들은 상기 표 1에 "트리플렉스" 공정으로서 열거되어 있다. 스팀 터빈 블레이드를 위한 요구사항은 우수한 피로 내성을 포함하므로, 다양한 열처리가 또한 시도되었다. 이것은 표 1에서 "미세 그레인" 공정으로 지칭되어 있다. 일부 적용에서는, 미세 그레인이 피로 내성을 향상시킬 수 있다.

도 2에는 트리플렉스 열처리 및 미세 그레인 공정 모두에서 수득된 기계적 특성을 나열하였다. 스팀 터빈 버킷의 후속 단계는 일부 특정 조건 하에서 400℉ 정도로 높은 온도에서 수행될 수 있다. 따라서, 인장 특성 또한 400℉에서 측정하였다. 파단 인성 및 피로 특성은 온도에 따라 동일하거나 우수해질 수 있으며, 이에 따라 이러한 특성들을 단지 실온에서만 측정하였다.

표 2에 도시된 바와 같이, 인장 강도 및 항복 강도는 두 가지 온도에서 두 가지 공정에 대해 거의 동일하다. 신율 및 면적 감소 퍼센트에 있어서는 미세 그레인 공정이 상당히 더 우수하다. 실온에서 파단 인성은 트리플렉스 공정이 어느 정도 더 높지만, 미세 그레인 공정 또한 매우 우수한 파단 인성을 가지며, 이것은 통상적으로 사용되는 합금 Ti-6-4와 비슷하거나 더 우수한 것이다. 고주기 피로(HCF)는 전형적으로 분 당 다수의 회전수(즉, 미국에서는 3600, 대부분의 다른 나라들에서는 3000)를 갖는 고주파 진동에 의해 야기된다. HCF 시험은 50 ksi의 평균 응력 및 55 ksi의 교차(alternating) 응력을 사용하여 수행된다. 이것은 스팀 터빈 버킷에 대해 최악의 조건일 수 있다. 45Hz의 시험 진동수를 사용하는데, 그 이유는 통상적인 작업 시 상기 버킷이 상기 진동수를 경험하기 때문이 아니라, 이것이 피로 시험 기계 상에서 시험할 수 있는 최대 진동수이기 때문이다. 시험 진동수는 결과에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다. 오히려, 주기 수가 상대적으로 더 중요한 시험 기준이라고 생각된다.

미세 그레인 공정은 고장나기까지의 주기 수에 있어서 거의 10배의 개선을 보여준다. 저주기 피로(LCF)는 단지 시동을 켜고(start up) 및 끄는(shut down) 동안에만 나타난다. 이것은 블레이드가 이러한 시기 동안 하중에 있어서 과도적이기 때문에 일어나는 것이다. 많은 상업적 적용에서, 스팀 터빈은 시동을 켜고 끄는 조작을 많이 경험하지는 않는다. 상기 시험은 1%의 고 변형 범위로 유지되면서 수행되었으며, 이것은 통상적인 스팀 터빈에서 통상적으로 발생할 수 있는 것보다 훨씬 높은 것으로 생각된다. 미세 그레인 공정이 트리플렉스 공정에 비해 5배 더 긴 것을 알 수 있다.

도 5는 트리플렉스 및 미세 그레인 공정을 사용하여 처리한 티타늄 합금의 그레인 구조를 도시한 것이다. 트리플렉스 공정의 그레인 직경이 미세 그레인 공정에 의한 것보다 10배 더 큰 것을 알 수 있다.

도 6은 몇 가지 합금들의 상대적인 내식성에 대한 도면이다. 스텔라이트 6B는 코발트계 합금이며, 이것은 선행기술에서 부식 차폐재로서 사용되었고, 이것은 블레이드의 리딩 에지에 물리적으로 접착된다. Ti-6-4는 길이가 45 인치 미만인 스팀 터빈 블레이드용으로 사용되는 통상의 티타늄 합금이다. Ti6Q2(β)는 본 발명의 한 실시 양태에 따른 합금이며, 베타-공정 또는 도 1에 열거된 트리플렉스 열처리 공정에 사용된다. Ti6Q2(α/β)는 상기 합금이 알파-베타 공정 또는 미세 그레인 공정을 거친 것이다. 부식 시험은 가속화된 물방울 부식 조건 하에 실험실용 시험으로서 수행되었다.

도 6은 내식성(또는 금속의 부피 손실)에 대한 상대적인 비교를 나타낸 것이다. 이 시험은 실제 버킷에 대한 부식률에 대해 오차 보정되었으며, 상대적인 순위에 대해서 의미가 있을 것으로 생각된다. 상기 트리플렉스 공정을 거친 합금은 스텔라이트에 비해 매우 큰 부피 손실을 가짐을 알 수 있다. 이것은 통상적으로 사용되는 Ti-6-4 합금보다도 더 큰 것이다. 그러나, 미세 그레인 공정을 거친 합금은 부피 손실에 있어서 스텔라이트 6B와 거의 비슷하다. 이것은 적당히 설계를 조정하면 미세 그레인 공정으로 이러한 재료를 사용하는 긴 티타늄 합금 버킷을 제조하는 것이 가능함을 나타내며, 이에 따라 별도로 스텔라이트 또는 다른 차폐재와 결합할 필요가 없어진다. 이것은 분리의 위험이 감소될 뿐만 아니라 실질적으로 비용이 절감됨을 나타낸다.

본 발명에 따른 합금에 대한 이러한 미세 그레인 공정은 긴(즉, 45 인치 초과의) 스팀 터빈 블레이드를 위한 목적 및 요구 사항을 달성할 수 있다.

비록 긴 스팀 터빈 블레이드와 관련하여 기술하였지만, 이것은 저중량, 고강도, 및/또는 고피로 내성이 유리할 수 있는 다른 터빈 블레이드(예를 들어, 항공기 엔진의 터빈 블레이드)용으로 사용될 수 있다.

기술되고 청구된 모든 수치적 양 및 범위는 근사적이며, 이에 따라 어느 정도의 오차를 포함한다.

본 발명은 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시 양태로 고려된 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명이 기술된 실시 양태에 제한되는 것이 아니며, 첨부된 특허 청구 범위의 진의 및 범주 내에 포함되는 다양한 변형 및 균등물도 포함하는 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시 양태에 따른 스팀 터빈 블레이드를 예시한 것이다.

도 2는 도 1에 도시된 II-II 선을 따라 절단한 단면이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 스팀 터빈 블레이드를 예시한 것이다.

도 4는 본 발명의 또다른 실시 양태에 따른 스팀 터빈 블레이드를 예시한 것이다.

도 5는 트리플렉스 및 미세 그레인 공정을 사용하여 처리된 티타늄 합금의 그레인 구조를 예시한 것이다.

도 6은 여러 합금들의 상대적인 내식성을 예시한 그래프이다.

Claims

티타늄 합금을 1500℉ 내지 1800℉ 범위의 단조(forging) 개시 온도에 노출시키는 단계;

상기 티타늄 합금을 1550℉ 내지 1850℉ 온도 범위의 알파-베타 어닐링(alpha-beta anealing) 공정에 노출시키는 단계; 및

상기 티타늄 합금을 800℉ 내지 1000℉ 온도 범위의 에이징(aging) 공정에 1 내지 24 시간 동안 노출시키는 단계를 포함하고,

티타늄 합금을 베타 어닐링(beta anealing) 공정에 노출시키는 단계는 포함하지 않으며,

이때 상기 티타늄 합금이

5 내지 6.5 중량%의 알루미늄;

1.5 내지 2.5 중량%의 주석;

1.5 내지 2.5 중량%의 크롬;

1.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴;

1.5 내지 2.5 중량%의 지르코늄; 및

티타늄

을 함유하는, 티타늄 합금을 포함하는 제품의 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 티타늄 합금이

5.25 내지 6.25 중량%의 알루미늄;

1.75 내지 2.25 중량%의 주석;

1.75 내지 2.25 중량%의 크롬;

1.75 내지 2.25 중량%의 몰리브덴;

1.75 내지 2.25 중량%의 지르코늄; 및

티타늄

을 포함하는, 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 티타늄 합금이

0.05 내지 0.25 중량%의 실리콘;

0 내지 0.25 중량%의 철;

0 내지 0.15 중량%의 탄소;

0 내지 0.25 중량%의 산소;

0 내지 0.1 중량%의 질소; 및

0 내지 0.025 중량%의 수소

를 추가로 포함하는, 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 티타늄 합금이

0.1 내지 0.2 중량%의 규소;

0 내지 0.15 중량%의 철;

0 내지 0.08 중량%의 탄소;

0 내지 0.15 중량%의 산소;

0 내지 0.05 중량%의 질소; 및

0 내지 0.015 중량%의 수소

를 추가로 포함하는, 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 티타늄 합금을 1600℉ 내지 1700℉ 범위의 단조 개시 온도에 노출시키는 단계;

상기 티타늄 합금을 1650℉ 내지 1750℉ 온도 범위의 알파-베타 어닐링 공정에 노출시키는 단계; 및

상기 티타늄 합금을 900℉ 내지 1100℉ 온도 범위의 에이징 공정에 6 내지 10 시간 동안 노출시키는 단계

를 포함하는, 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 티타늄 합금을 1650℉의 단조 개시 온도에 노출시키는 단계;

상기 티타늄 합금을 1700℉ 온도의 알파-베타 어닐링 공정에 노출시키는 단계; 및

상기 티타늄 합금을 1000℉ 온도의 에이징 공정에 8 시간 동안 노출시키는 단계

를 포함하는, 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 티타늄 합금을 길이가 45 인치 초과인 터빈 블레이드 형태로 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드를 스팀 터빈 블레이드로 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 실온에서 9% 초과의 신율을 갖도록 상기 터빈 블레이드를 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 실온에서 15% 초과의 면적 감소(reduction-in-area) 퍼센트를 갖도록 상기 터빈 블레이드를 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 실온에서 190,000 주기(cycle)를 초과하는 고주기 피로(high cycle fatigue) 특성을 갖도록 상기 터빈 블레이드를 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 실온에서 12,000 주기를 초과하는 1%의 고변형 범위에서의 저주기 피로(low cycle fatigue) 특성을 갖도록 상기 터빈 블레이드를 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
5.25 내지 6.25 중량%의 알루미늄;

1.75 내지 2.25 중량%의 주석;

1.75 내지 2.25 중량%의 크롬;

1.75 내지 2.25 중량%의 몰리브덴;

1.75 내지 2.25 중량%의 지르코늄;

0.1 내지 0.2 중량%의 규소;

0 내지 0.15 중량%의 철;

0 내지 0.08 중량%의 탄소;

0 내지 0.15 중량%의 산소;

0 내지 0.05 중량%의 질소;

0 내지 0.015 중량%의 수소; 및

티타늄

을 포함하고, 베타 어닐링을 포함하지 않는 열처리로 처리된, 제품.
제 13 항에 있어서,

상기 제품이 터빈 블레이드인, 제품.
제 14 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 45 인치 초과의 길이를 갖는, 제품.
제 15 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 스팀 터빈 블레이드인, 제품.
제 14 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 실온에서 9%를 초과하는 신율을 갖는, 제품.
제 14 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 실온에서 15%를 초과하는 면적 감소 퍼센트를 갖는, 제품.
제 14 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 실온에서 190,000 주기를 초과하는 고주기 피로 특성을 갖는, 제품.
제 14 항에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 실온에서 12,000 주기를 초과하는 1%의 고변형 범위에서의 저주기 피로(low cycle fatigue) 특성을 갖는, 제품.