KR20090031438A

KR20090031438A - 침식방지 방법 및 침식방지부를 구비한 부재

Info

Publication number: KR20090031438A
Application number: KR1020097002094A
Authority: KR
Inventors: 겐지 가미무라; 가츠노리 시이하라; 이타루 무라카미; 사토루 아사이
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-03-25
Also published as: KR101147719B1; US20090308847A1; WO2008015795A1; CN101495265B; EP2047939A4; WO2008015795A8; EP2047939A1; CN101495265A

Abstract

본 발명은 터빈 회전날개 등의 대상부재의 침식이 발생하기 쉬운 부위에 대하여, 제조시 및 사용 환경 하에서의 신뢰성을 확보하고, 침식방지 기능을 저렴하게 부여한다. 터빈 회전날개 등의 대상부재(1)의 사용 환경 하에서 액적 및 고체입자에 의한 침식이 발생하기 쉬운 부위에 있어서, 오스테나이트 조직 재료의 하층(저경질층)(2)과 그 보다 경질인 스텔라이트(Stellite) 등의 경질재료의 상층(경질층)(3)을, 레이저를 사용하여 육성용접하여 상하 2층 구조의 침식방지부(4)를 형성한다. 오스테나이트 조직 재료와 경질재료를, 막대나 분말 등의 상태에서 용접재료 공급수단(5)에 의해 공급하면서 레이저 광원(6)으로부터 레이저조사하여, 레이저에 의한 육성용접을 실시한다.

터빈 회전날개, 침식방지, 레이저, 육성용접

Description

침식방지 방법 및 침식방지부를 구비한 부재{EROSION PREVENTIVE METHOD AND MEMBER WITH EROSION PREVENTIVE SECTION}

본 발명은 사용 환경 하에서 액적 및 고체입자에 의한 침식이 발생하기 쉬운 부위를 가지는 각종의 부재에 대하여, 상기 부위의 침식을 방지하기 위한 방법에 관한 것으로서, 특히 터빈 기기 내에서 사용되는 터빈 날개 등의 침식방지 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 터빈기기 내에는 터빈 날개 등의 부재가 사용되고 있다. 도 9는 터빈의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 9의 부호 901은 주(主) 증기관, 902는 재열(再熱) 증기관, 903은 터빈 로터, 904는 저압 외부케이싱, 906은 크로스오버관이다. 저압 외부케이싱(904)내부에는 저압 내부케이싱(905)이 수납되고, 이 저압 내부케이싱(905)의 내측에 터빈 회전날개(터빈 동익)(907) 및 터빈 정익(908)이 배치되어 있다.

이러한 터빈 기기 내에서 사용되는 터빈 회전날개(907)나 터빈 정익(908) 등의 부재는, 증기 중에 포함되는 물방울이나 산화 스케일의 미분(微粉)에 의해 침식을 받기 쉬운 침식 환경 하에 있다. 특히, 터빈 구동용의 증기에 물방울이 섞이는 후방단에서는 그 물방울에 의해 터빈 날개에 엄청난 침식이 발생할 가능성이 있다. 또한, 터빈 후방의 익렬(翼列)에서는 날개 길이가 큰 터빈 날개를 사용할 수 있기 때문에 주속이 커지고, 엄격한 침식 환경이 되기 쉽다. 이러한 터빈 날개의 침식은, 침식에 의한 감육화(減肉化)도 문제이지만, 침식 부위를 기점으로 한 피로파괴가 과거의 증기터빈의 사고원인으로도 되고 있기 때문에, 피로파괴를 일으키는 리스크가 가장 염려되고 있다.

이러한 터빈 날개 등의 침식을 받기 쉬운 부재에 관해서는, 그 내구성을 높여서 안전성을 확보하기 위해, 종래 여러 가지 침식방지 대책이 있어 왔다. 특히, 터빈 날개에 대해서는, 침식의 발생이 예상되는 부위에 국부적으로 화염 또는 고주파를 사용한 담금질을 설비하는 방법, 익형 모양으로 정형한 스텔라이트(Stellite) 등의 경질재료의 단조품을 납땜이나 용접에 의해 장착하는 방법, 플라스마 용접을 이용하여 날개 본체에 직접 육성(肉盛) 용접하는 방법 등이 제안되어 있다.

또한 최근에는, 전자빔이나 레이저라고 하는 105W· cm2 이상의 고 에너지밀도 열원을 이용한 저입열(低入熱)의 육성용접 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌1 참조). 이 중, 전자빔을 이용한 용접 방법은, 터빈 날개의 침식방지에 수많은 실적이 있어, 단조(鍛造)의 스텔라이트(Stellite)를 터빈 회전날개에 용접하는 방법은 1970년대부터 활발하게 적용되고 있다. 또한, 레이저를 이용한 용접 방법은, 90년대부터 시험연구가 행해지고 있고, 1 - 2mm 정도의 스텔라이트(Stellite)층을 날개면에 육성(肉盛)하는 방법이 적용되고 있다.

이러한 전자빔 또는 레이저를 이용한 육성용접 방법에 의하면, 저입열(低入熱)이기 때문에, 부재의 열화나 변형을 최소한으로 억제할 수 있고, 또한 부재위에 육성부만을 형성하는 것만으로 완료된다. 따라서, 부재에의 부하가 적고, 부재에 대하여 침식방지기능을 저렴하게 부여할 수 있는 방법으로서 유효하다. 구체적으로는, 특허문헌 1에 기재되어 있는 것 같이, 코발트기(Cobalt-base)의 경질재료인 스텔라이트(Stellite)를 날개 형상의 모재 위에 직접 육성용접 하는 것이 이미 실용화되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 평9-314364

발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

이상에 설명한 바와 같이, 침식을 받기 쉬운 부재의 침식방지방법은, 부재의 내구성 향상과, 부재를 장착한 기기의 안정성· 안전성을 확보하는데 있어서 불가결한 기술이며 항상 그 개선이 요망되고 있다. 특히, 엄격한 침식 환경하에 있는 터빈 날개에서는, 그 선단부 근방의 주속(周速)이 큰 부분이나, 가장자리부 등의 체적당 표면적이 큰 부분, 또는 부재 두께가 얇은 부분 등에 발생하는 침식에 대하여, 충분한 대책을 취하는 것이 요청되고 있다.

그 중에서도, 날개 길이가 큰 터빈 날개는 부재의 경량화를 도모하기 위해 날개의 두께를 얇게 하는 경향에 있고, 부재를 얇게 하는 만큼 고강도의 재료를 사용하는 것이 많다. 고강도의 재료는 부재를 얇게 해서 경량화에는 기여하지만, 용접 가공은 어렵다는 난점이 있다. 예를 들면, 고강도의 강종(鋼種)을 이용하여 두께를 1Omm 이하로 한 얇은 터빈 날개를 제조했을 경우, 이러한 얇은 부재에 대하여 큰 입열(入熱)을 주는 담금질 또는 소려라는 방법에서는 재료특성을 저하시킬 염려 가 있다. 또한, 터빈 날개의 두께가 얇으면 약간의 변형이 생긴 것만으로도 터빈의 성능에 주는 영향도 커진다. 그 때문에 침식의 방지에 관해서는 한층 더 주의가 필요하다.

한편, 고강도의 재료를 얻기 위해서 담금질이나 소려로 강도를 조정하는 강철 이외에도, 석출(析出)강화형의 17-4PH와 같은 강철을 사용할 경우도 있다. 그러나, 석출강화형의 강철을 사용한 터빈 날개에서는 담금질에 의한 경도의 개선은 기대할 수 없다. 이것은, 납땜과 같이 800도 이상의 온도로 처리했을 경우, 광범위하게 부재의 강도가 저하해버려, 본래의 재료특성을 발휘할 수 없기 때문이다.

또한, 날개 형상으로 정형(整形)한 스텔라이트(Stellite) 등의 경질재료의 단조품(鍛造品)을, 납땜이나 용접에 의해 침식 대책이 필요한 부위에 장착하는 방법은, 침식방지 방법으로서 널리 알려져 있지만, 경질재료가 되는 코발트기(Cobalt-base)의 스텔라이트(Stellite) 단조품이 매우 고가인 점이 문제가 되고 있다. 게다가, 스텔라이트의 모서리 가공이 어렵고, 가공비용이 높으므로 터빈 날개 제조비용의 상승 요인이 되고 있었다.

입열량이 큰 용접방법이 가지는 상기의 과제, 즉 재료의 열화나 변형 및 비용의 증대라고 하는 과제를 해소하는 방법으로서는, 상기 특허문헌1 등과 같이 전자빔이나 레이저라고 하는 고밀도 에너지를 사용한 육성용접 방법이 유효하게 여겨지고 있다.

그러나, 종래의 육성용접 방법에는 다음과 같은 과제가 지적되고 있었다.

즉, 스텔라이트(Stellite)는 통상, 1.0 wt% 정도의 많은 탄소를 포함하기 때문에, 낮은 입열로도 용접에 의하여 모재와 스텔라이트층이 서로 섞여서 복잡한 탄소 희석층이 형성된다. 이러한 탄소 희석층은 육성용접 부분에 고온균열을 초래하기 쉽고, 용접시공상 바람직하지 못하였다.

또한, 탄소 희석층 형성이라는 문제 이외에도 스텔라이트(Stellite)의 육성량이 커지면 육성용접에 의한 수축의 잔류응력(인장 잔류응력)이 증대하지만, 이 잔류응력은 용접 후의 열처리에서 크게 개선되는 것이 어렵고, 터빈의 운전 환경 하에서 잔류응력에 기인해서 육성 부분의 단부가 벗겨지는 균열이나, 용접 금속부에서의 균열이 발생하는 것이 있다.

또한, 레이저를 사용하여 스텔라이트의 육성용접을 실시하면 스텔라이트 용접금속부의 경도가 통상의 단조품에 비해 매우 큰 값이 된다. 예를 들면, 스텔라이트 No.6을 채용한 경우, 단조품이 록웰 C 스케일에서 35로부터 40전후인 것에 대해, 레이저를 이용한 육성용접부에서는 50이상의 높은 값을 나타낸다. 즉, 레이저를 이용한 육성용접부는 극도로 단단하기 때문에, 용접부의 균열 감수성도 높은 상태가 된다. 이러한 육성용접부의 경도의 상승은, 강도가 높아지는 반면, 연인성(延靭性)의 저하를 따르게 된다. 즉, 육성용접부의 경도가, 오히려 육성부분의 단부가 벗겨지는 균열이나, 용접 금속부에서의 균열의 발생을 조장시키고 있다.

이상과 같이, 종래 기술에 있어서는 터빈 날개 등의 침식이 발생하기 쉬운 부위를 가지는 부재에 대하여 저비용으로 침식을 방지가능하고, 또한, 침식방지 부분에 균열 등이 생기는 않아 시공 효율이 양호한 침식방지기술의 개발이 기다려지고 있었다.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여 제안된 것이며, 침식이 발생하기 쉬운 부위를 가지는 터빈 날개 등의 부재에 대하여, 침식방지 기능을 염가이면서 확실하게 부여할 수 있고, 제조시 및 사용시에 걸쳐서 침식방지기능을 안정하게 발휘할 수 있는 경제성· 신뢰성에 뛰어난 침식방지 방법을 제공하고, 또한, 그러한 방법을 사용함으로써 저가로 안정한 침식방지부를 구비한 부재를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 침식방지 방법은, 침식 환경 하에서 사용되는 부재의 침식방지 방법으로서, 대상부재의 침식방지 대상부위의 모재 위에, 오스테나이트(austenite) 조직 재료의 하층과 그 보다 경질인 재료의 상층을 고밀도 에너지 조사를 사용한 육성용접으로 형성하여, 적층구조의 침식방지부를 설치하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명의 제 2 침식방지 방법은, 침식 환경 하에서 사용되는 부재의 침식방지 방법으로서, 경질재료의 분말을 고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접해서 경질층을 형성하고, 상기 부재의 일부를 국부적으로 상기 경질층으로 바꿔서 침식방지부를 설치한 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명의 침식방지부를 구비한 부재는, 이상과 같은 침식방지 방법에 의해 침식방지부가 형성된 것을 특징으로 하는 부재이다.

발명의 효과

본 발명의 제 1 침식방지 방법에 의하면, 대상부재의 사용 환경 하에서 액적 및 고체 입자에 의한 침식이 발생하기 쉬운 부위에 있어서, 고밀도 에너지 조사를 사용한 육성용접에 의해, 대상부재의 모재 위에 경질층을 직접 형성하지 않고, 모재와 경질층 사이에 오스테나이트(austenite) 조직층을 개재시킴으로써, 제조시 및 사용 환경 하에서의 신뢰성을 확보하고, 침식방지 기능을 저렴하게 부여할 수 있다.

본 발명의 제 2 침식방지 방법에 의하면, 침식 환경 하에서 사용되는 부재의 일부에, 경질 재료의 분말을 고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접하여 경질층을 형성함으로써 국부적으로 부재의 재료를 경질층으로 치환할 수 있고, 침식방지부가 원하는 영역에 용이하게 설치되므로 고가인 경질재료의 단조품을 용접할 경우와 비교하여, 대폭으로 제조비용을 저감하는 것이 가능하다.

도 1의 (a)는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 침식방지 방법을 나타낸 이미지도, (b)는 (a)의 모식적인 A 화살 방향 단면도.

도 2의 (a)는 제 1 실시예에 의해 제작한 시험편을 나타낸 모식적인 단면도, (b)는 (a)의 AB선에서의 모재로부터 경질층에 이르는 단면 조직의 탄소분석결과를 나타내는 그래프.

도 3의 (a)는 제 1 실시예의 저경질층에 의한 잔류응력의 경감 효과를 나타내기 위해서, 저경질층을 설치하지 않은 경우와 설치한 경우의 최대 잔류응력을 비교하여 나타낸 그래프, (b)는 잔류응력의 계측에 사용한 시험편과 그 계측 위치를 나타낸 모식적인 사시도.

도 4는 제 1 실시예의 저경질층에 의한 균열 전파 지연효과 또는 전파 저지효과를 나타내기 위한, 피로균열 진전 시험의 결과를 나타낸 그래프.

도 5의 (a)는 제 1 실시예의 변형 예로서 제작한 시험편을 나타낸 모식적인 단면도, (b)는 (a)에 나타낸 침식방지부를 갖는 시험편의 단면 경도 평가 결과를 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에서의 제 2 실시예에 관한 침식방지 방법의 일례를 나타낸 도면이고, (a)는 터빈 회전날개를 나타낸 사시도, (b)는 터빈 회전날개의 선단부를 나타낸 확대도, (c)는 터빈 회전날개의 선단부의 대상부위를 절취하여 복원· 형성한 침식방지부를 나타낸 사시도.

도 7의 (a)는 제 2 실시예에 관한 침식방지 방법을 나타낸 이미지도, (b)는 (a)의 모식적인 A 화살 방향 단면도.

도 8의 (a)는 제 2 실시예의 중간층에 의한 잔류응력의 경감 효과를 나타내기 위해서, 저경질층을 설치하지 않은 경우와 설치한 경우의 최대 잔류응력을 비교하여 나타낸 그래프, (b)는 잔류응력의 계측에 사용한 시험편과 그 계측 위치를 나타낸 모식적인 사시도.

도 9는 일반적인 증기터빈의 구조를 나타낸 단면도.

*도면의 주요부에 대한 부호의 설명*

1, 1O1: 대상부재 2: 하층(저경질층)

3: 상층(경질층) 102: 중간층

103: 경질층 4, 43, 104: 침식방지부

5, 105: 용접재료 공급수단 6, 106: 레이저 광원

107: 분말재료 11, 21, 31, 121: 시험편

22, 122: 계측 위치 41: 터빈 회전날개

42: 대상부위

이하에는, 본 발명을 적용한 침식방지 방법의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

[제 1 실시예]

[구성]

도 1의 (a)는, 본 발명의 제 1 실시예에 관한 침식방지 방법을 나타낸 이미지도이고, (b)는 (a)의 모식적인 A 화살방향 단면도이다.

도 1에 나타나 있는 바와 같이, 터빈 회전날개 등의 침식 환경 하에서 사용되는 대상부재(1)의 침식방지 대상부위, 즉, 대상부재(1)의 사용 환경 하에서 액적 및 고체입자에 의한 침식이 발생하기 쉬운 부위에 있어서, 오스테나이트 조직 재료의 하층(저경질층)(2)과 그보다 경질인 스텔라이트(Stellite) 등의 경질재료의 상층(경질층)(3)을 레이저를 이용하여 육성용접하고, 상하 2층 구조의 침식방지부(4)를 형성한다. 즉, 오스테나이트 조직 재료와 경질재료를, 막대나 분말 등의 상태로 용접재료 공급수단(5)에 의해 공급하면서, 레이저 광원(6)으로부터 레이저조사 하여, 레이저에 의한 육성용접을 실시한다.

여기서,「사용 환경 하에서 액적 및 고체입자에 의한 침식이 발생하기 쉬운 부위」는, 예를 들면 터빈 회전날개에서의 선단부 근방의 주속이 큰 부위 등의, 대상부재(1)에서의 동작 속도가 국부적으로 큰 부위이다. 또한, 대상부재(1)에서의 가장자리부분 등의 체적당의 표면적이 국부적으로 큰 부위, 또는 국부적으로 두께가 얇은 부위 등도 침식이 발생하기 쉬운 부위이다.

또한, 본 실시예에서 상층(경질층)(3)의 경질재료로서는 스텔라이트 등의 코발트계 합금이 사용되고, 하층(저경질층)(2)의 오스테나이트 조직 재료로서는 18-8 스테인레스 등의 오스테나이트계 스테인레스, 또는, 고용강화형의 Ni기(基) 합금이 사용된다. 다음의 표 1은 상층(경질층)(3)의 경질재료 및 하층(저경질층)(2)의 오스테나이트 조직 재료로서 사용가능한 구체적인 재료명을 예시하고 있다.

[표 1]

본 실시예에서는 2층 구조의 침식방지부(4)의 하층(저경질층)(2)으로서, 이와 같이, 오스테나이트계 스테인레스 또는 고용강화형의 Ni기(基) 합금을 사용함으 로써 육성용접에 의한 잔류응력을 완화하여 사용 환경 하에서의 균열 발생을 방지하는 기능, 또는, 상층(경질층)(3)에 균열이 생긴 경우의 균열의 전파를 늦추거나 저지하는 기능을 갖게 하고 있다.

[작용 효과]

이상과 같은 제 1 실시예의 작용 효과는 다음과 같다. 즉, 본 실시예예 따르면, 상하 2층 구조의 침식방지부(4)를 형성함으로써, 대상부재(1)의 모재 위에 경질층을 직접 형성하지 않고, 모재와 경질층의 사이에 경도가 비교적 낮은 오스테나이트 조직층(저경질층)을 개재시킴으로써 대상부재(1)의 모재 위에 스텔라이트 등의 경질층을 직접 육성용접할 경우에 나타났던 문제를 해소할 수 있다.

우선, 대상부재(1)의 모재와 상층(3)의 경질재료가 서로 섞이지 않도록 하기 위해, 하층(2)의 오스테나이트 조직 재료로서 탄소함유량이 적은 재료를 사용함으로써, 탄소함유량이 많은 재료를 모재 위로 직접 육성용접한 경우에 나타났던 탄소의 희석의 문제를 방지할 수 있고, 용접시공상의 신뢰성을 개선할 수 있다. 예를 들면, 대상부재(1)의 모재가 철기인 경우에는, 표 1에 나타낸 바와 같은 오스테나이트 조직 재료로 특히 탄소를 고용하지 않는 고용강화형의 Ni기(基) 합금을 하층(2)의 재료로서 사용함으로써, 경질층에서의 탄소 희석의 문제를 효과적으로 방지할 수 있고, 용접시공상의 신뢰성을 대폭 개선할 수 있다.

도 2는 대상부재(1)의 철기 모재위로 탄소를 고용하지 않는 고용강화형의 Ni기 합금의 하층(저경질층)(2) 및 스텔라이트의 상층(경질층)(3)을 레이저에 의해 육성용접한 경우의 시험편에 대해서, 모재로부터 경질층에 이르는 단면 조직의 탄 소분석 결과를 나타낸 도면이고, (a)는 시험편(11)을 나타내는 모식적인 단면도, (b)는 (a)의 AB선에서의 탄소량을 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 탄소를 고용하지 않는 저경질층을 설치함으로써, 경질층에서의 탄소 희석의 문제를 효과적으로 방지할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 대상부재(1)의 모재와 상층(경질층)(3)과의 사이에, 경질층(3)의 재료보다도 경도가 비교적 낮은 오스테나이트 조직 재료의 하층(저경질층)(2)을 형성함으로써, 경질층(3)을 모재 위에 직접 육성용접했을 경우에 커졌던 육성용접에 의한 수축의 잔류응력(인장잔류응력)을 완화할 수 있고, 이 잔류응력에 기인하는 제조시나 사용 환경 하에서의 균열의 방지에 큰 효과를 기대할 수 있다.

이상과 같이, 제 1 실시예에 의하면, 대상부재의 사용 환경 하에서 액적 및 고체입자에 의한 침식이 발생하기 쉬운 부위에서, 레이저를 사용한 육성용접에 의해 대상부재의 모재 위에 경질층을 직접 형성하지 않고, 모재와 경질층의 사이에 오스테나이트 조직층을 개재시킴으로써 제조시 및 사용 환경 하에서의 신뢰성을 확보하고, 침식방지 기능을 저가로 부여할 수 있다.

본 실시예에서는, 특히, 2층 구조의 침식방지부(4)의 하층(저경질층)(2)으로서, 오스테나이트계 스테인레스 또는 고용강화형의 Ni기 합금을 사용함으로써 육성용접에 의한 잔류응력을 완화하여 사용 환경 하에서의 균열 발생을 방지하는 기능, 또는, 상층(경질층)(3)에 균열이 생긴 경우의 균열의 전파를 늦추거나 저지하는 기능을 갖게 하고 있다. 이들의 기능에 대해서 이하 설명한다.

먼저, 본 실시예에 의하면 대상부재(1)인 모재와 상층(경질층)(3)의 사이에, 경질층(3)을 구성하는 스텔라이트 등의 경질재료와 비교하여 강도와 경도가 낮은 오스테나이트계 스테인레스 또는 고용강화형의 Ni기 합금을 사용한 하층(저경질층)(2)을 개재시킴으로써 경질층(3)의 잔류응력이 경감되어, 응력 부식 균열이 발생하는 리스크를 경감할 수 있다.

도 3은 이러한 본 실시예의 저경질층(2)에 의한 잔류응력의 경감 효과를 나타낸 도면이고, (a)는 저경질층을 설치하지 않은 경우(종래 예)와 저경질층을 설치한 경우(본 실시예)의 최대 잔류응력(σmax)을 비교하여 나타낸 그래프이며, (b)는 잔류응력의 계측에 사용한 시험편(21)과 그 계측 위치(22)를 나타낸 모식적인 사시도이다.

본 실시예에서는 또한 대상부재(1)인 모재와 상층(경질층)(3)의 사이에, 경질층(3)과 비교하여 경도가 낮은 하층(저경질층)(2)을 개재시키고 있기 때문에 만일, 경질층(3)에 균열이 생긴 경우라도 경질층(3)으로부터 확산해 온 균열의 전파를 늦추거나 저지할 수 있다.

도 4는 이러한 본 실시예의 저경질층(2)에 의한 균열의 전파지연 효과 또는 전파저지 효과를 나타낸 도면이고, 특히, 피로균열 진전 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.

[제 1 실시예의 변형예]

전술한 제 1 실시예의 변형예로서, 2층 구조의 침식방지부(4)의 하층(저경질층)(2)으로서, 경도가 다른 2종류 이상의 재료를 육성용접함으로써, 대상부재(1)의 모재로부터 침식방지부(4)의 상층(경질층)(3)까지의 경도를 단계적으로 변화시키는 구성도 가능하다.

이 변형예에 의하면, 하층(저경질층)(2)으로서 경도가 다른 2종류 이상의 재료를 육성용접함으로써, 제조시 및 사용 환경 하에서의 신뢰성을 향상할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 상층의 경질층이 침식방지에 큰 효과를 갖는 반면, 경질층이 매우 단단한 것에 기인하여 균열을 조장할 가능성이 있는 것으로부터, 모재와 경질층의 사이에 2종류 이상의 재료를 개재시켜 모재와 경질층의 사이의 경도를 단계적으로 변화시킴으로써 경질층의 경도에 기인하는 균열의 조장을 억제하고, 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.

예를 들면, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 대상부재(1)의 철기 모재 위에 인코넬(600)을 사용한 제 1 하층(저경질층)(2a), 보다 단단한 인코넬(625)을 사용한 제 2 하층(저경질층)(2b), 및 뛰어난 침식방지성을 가지는 스텔라이트 No. 6을 사용한 상층(경질층)(3)을 순차적으로 적층하여, 실질적으로 3층 구조의 침식방지부(4)를 갖는 시험편(31)을 제작한다.

도 5의 (b)는, (a)에 나타낸 3층 구조의 침식방지부(4)를 갖는 시험편(31)의 단면경도 평가 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5의 (b)에 나타나 있는 바와 같이, 3층 구조의 침식방지부(4)를 갖는 시험편(31)의 경도는, 모재로부터 경질층을 향하여 단계적으로 매끄럽게 변화되고 있고, 이에 따라 경질층의 단단함에 기인하는 균열의 조장을 억제하여 신뢰성을 향상할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 다른 변형예로서, 2층 구조의 침식방지부(4)의 하층(저경질층)(2)으로 서 경도가 다른 3종류 이상의 재료를 육성용접함으로써 대상부재(1)의 모재로부터 침식방지부(4)의 상층(경질층)(3)까지의 경도를 단계적으로 변화시켜도 좋다. 이 경우에는, 실질적으로 4층 이상의 적층구조를 갖는 침식방지부(4)가 형성되는 것으로 이루어지고, 모재로부터 경질층에 이르는 단면의 경도를 따라 매끄럽게 변화시킬 수 있다.

[제 2 실시예]

[구성]

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 침식방지 방법의 일례를 나타내고 있고, 도 6 중의 (a)는 터빈 회전날개(41)를 나타낸 사시도, (b)는 (a)에 나타낸 터빈 회전날개(41)의 선단부를 나타낸 확대도, (c)는 터빈 회전날개(41)의 선단부의 대상부위(42)(점선으로 둘러싼 부분) 대신에 침식방지부(43)를 설치한 상태를 나타낸 사시도이다.

도 6에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시예의 침식방지 방법은, 침식 환경 하에서 사용되는 터빈 회전날개(41)를 대상부재로 하는 침식방지 방법이며, 그 날개 리딩에지(leading edge)부를 침식 대책이 필요한 대상부위(42)로서, 여기에 경질재료의 분말을 레이저로 용융시켜 육성용접하고, 날개 형상의 일부를 국부적으로 경질재료로 바꿔 놓음으로써 침식방지부(43)를 설치하는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 전술한 특허문헌 1에서는 날개 형상을 이루는 모재 위에 육성용접하는 버터링(buttering) 방식이었지만, 본 실시예는 이 방식이 아니라 날개 형상의 일부만을 육성용접으로 형성하여 바꿔 놓는 날개 형상의 성형 방식을 채용하고 있다.

즉, 도 6의 (b)에 나타나 있는 바와 같이, 터빈 회전날개(41)에서의 침식 대책이 필요한 대상부위(42)를 잘라내고, 잘라낸 부분에 분말의 경질재료를 육성용접하여 침식방지부(43)를 설치하고 있다. 즉, 대상부위(42)를 도 6의 (c)에 나타낸 바와 같이 침식방지부(43)로 복원 형성시키고 있다.

여기서, 「침식 대책이 필요한 대상부위」는 「사용 환경 하에서 액적 및 고체입자에 의한 침식이 발생하기 쉬운 부위」를 의미하고, 여기에서는, 터빈 회전날개(41)에서의 선단부 근방의 주속이 큰 부위 등의 대상부재에서의 동작 속도가 국부적으로 큰 부위, 대상부재에서의 가장자리 부분 등의 체적당의 표면적이 국부적으로 큰 부위, 또는 국부적으로 두께가 얇은 부위 등이다.

계속해서, 도 7을 이용하여 본 실시예의 시공 방법의 개략에 관하여 설명한다. 도 7은 본 실시예의 시공 방법의 개략에 대해 설명하기 위한 도면으로서, 도 7 중의 (a)는 본 실시예에 관한 침식방지 방법을 나타내는 이미지도, (b)는 (a)의 모식적인 A 화살 방향 단면도이다. 도 7에 나타나 있는 바와 같이, 터빈 회전날개(41) 등의 대상부재(101)에서, 터빈 회전날개(41) 운전시에서의 액적 및 고체입자에 의한 침식이 발생하기 쉬운 부위에 대하여, 중간층(102) 및 경질층(103)의 재료가 되는 분말재료(107)를 용접재료 공급수단(105)에 의해 공급하면서, 레이저 광원(106)으로부터 레이저 조사하여 레이저에 의한 육성용접을 실시하고, 상하 2층 구조의 침식방지부(104)를 형성한다.

중간층(102)은 연인성(延靭性)이 뛰어난 재료의 분말을 레이저로 용융시켜 육성용접하여 형성한 부분이며, 경질층(103)과 대상부재(101)의 모재와의 중간부분 에 0.5 ∼ 3.0 mm의 두께로 형성된다. 또한, 중간층(102)을 구성하는 재료로서는, 스텔라이트(Stellite) 등의 경질재료와 비교하여 강도와 경도가 낮은 오스테나이트계 스테인레스, 또는, 오스테나이트 조직에서 특히 탄소를 고용(固溶)하지 않는 고용(固溶)강화형의 Ni기 합금이 채용되어 있다.

경질층(1O3)은 스텔라이트 등의 코발트계 합금의 경질재료의 분말을 레이저로 용융시켜 육성용접하여 형성한 부분이며, 두께가 5mm 이상이 되도록 형성된다.

본 실시예에 있어서 이들의 중간층(102) 및 경질층(103)에 사용한 구체적인 재료로서는, 제 1 실시예에 대해 표 1로 나타낸 저경질층의 재료 및 경질층의 재료가 동일하게 사용가능하다.

[작용 효과]

이상과 같은 제 2 실시예의 작용 효과는 다음과 같다. 즉, 본실시예에서는 터빈 회전날개(41)의 날개 형상의 일부인 날개 리딩에지부를 침식 대책이 필요한 대상부위(42)로 하여 이것을 일단 잘라내고, 여기에 레이저에 의한 육성용접을 사용한 침식방지부(43)를 복원형성함으로써, 터빈 회전날개(41)에서의 침식이 발생하기 쉬운 부위에 대하여 뛰어난 침식방지 기능을 갖게 하는 것이 가능하고, 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다. 특히, 날개 길이가 크고, 날개의 두께가 얇은 고강도재를 채용한 터빈 회전날개(41)의 침식방지에 큰 효과를 발휘한다.

또한, 침식 대책이 필요한 대상부위(42)를 잘라내고, 잘라낸 형상과 동일한 형상의 단조품을 용접 접합하는 방식이 종래 존재하지만, 전술한 바와 같이, 이 방식은 비용이 높아서 경제적으로 불리하였다. 이러한 종래 방식과 비교하여, 경질재 료의 분말을 레이저로 육성용접함으로써 잘라낸 부분만을 복원하는 본 실시예의 방식은, 제작 비용의 삭감에 큰 효과를 초래할 것을 기대할 수 있다.

또한, 본실시예에서는 대상부재(101)의 모재 위에 경질층(1O3)을 직접 형성하는 것이 아니고, 모재와 경질층(103)의 사이에 0.5mm 이상의 중간층(102)을 개재시키고 있으므로, 다음과 같은 이점이 있다. 우선, 대상부재(1)의 모재와 경질층(103)의 경질재료가 서로 섞일 일이 없다. 이 때문에, 중간층(102)으로서 탄소함유량이 적은 재료를 사용함으로써 탄소함유량이 많은 재료를 모재 위에 직접 육성용접할 경우에 나타났던 탄소 희석층의 형성을 회피가능하다. 따라서, 대상부재(1)의 모재가 철기일 경우에 탄소를 고용하지 않는 Ni기 합금을 중간층(102)으로 하면, 경질층(103)에서의 탄소 희석층의 형성을 극히 효과적으로 방지할 수 있고, 용접시공상의 신뢰성을 대폭 개선할 수 있다.

또한, 중간층(1O2)의 존재는, 제조시의 수축의 잔류응력(인장 잔류응력)에 기인하는 육성부분의 단부가 벗겨지는 균열이나, 용접 금속부에서의 균열의 발생에 대하여도 큰 효과가 있다. 이 점에 대해서 도 8을 참조해서 설명한다. 도 8의 (a)는 중간층(2)에 의한 잔류응력의 경감 효과를 설명하기 위한 그래프이며, 중간층(102)을 설치하지 않은 경우(종래예)의 최대 잔류응력과, 중간층(102)을 설치한 경우(본 실시예)의 최대 잔류응력의 계측 결과를 나타내고 있다

본 그래프로부터도 분명하게 나타나 있는 바와 같이, 중간층(1O2)을 갖는 본 실시예의 최대 잔류응력은 낮은 값이 되어서 응력 부식 균열이 발생하는 리스크를 경감시키는 것이 가능하고, 잔류응력에 기인하는 육성부분 단부나 용접 금속부의 균열을 확실하게 막을 수 있다. 또한, 도 8의 (b)는 잔류응력의 계측에 사용한 시험편(121)과 그 계측 위치(122)를 나타낸 모식적인 사시도이다.

또한, 중간층(1O2)을 개재하고 있음으로써 만일 경질층(103)에 균열이 발생하더라도, 경질층(103)으로부터 확산해 온 균열의 전파를 늦추거나 저지할 수 있다고 하는 효과도 있다. 또한, 중간층(102)의 두께는 3 mm를 상한으로 하였으므로, 용접 이음새부의 고사이클 피로강도나, 날개면에 노출하는 중간층의 내침식성도 확보할 수 있다.

또한, 본 실시예는 분말재료(7)를 채용한 레이저용접으로 중간층(1O2)을 형성시킴으로써 낮은 입열(入熱)의 조건에서 육성용접을 실시하고 있어서, 용접 입열에 의한 대상부재(1)의 모재에서의 재료특성 저하를 회피할 수 있다. 일반적으로 이용되는 EBW나 TIG에 의한 용접 시공에서는 모재의 열영향부가 1mm이상이 되는 것에 반해, 본 실시예에 의하면 열영향부를 1mm이하로 억제하는 것이 가능해 진다.

또한, 경질층(1O3)을 구성하는 경질재료로서는, 스텔라이트 등의 코발트기 합금을 사용하고 있지만, 내침식성에 뛰어난 코발트기 합금의 적층 높이는 부재의 경년적인 손상 상태에 직접 영향을 주므로, 철기 합금으로 이루어지는 부재를 모재로 할 경우, 철기 합금의 모재와 비교하여 코발트기 합금의 침식 속도는 절반 이하로 개선할 수 있다. 터빈 회전날개(41)에 코발트기 합금의 경질층(103)을 적용할 경우, 날개 리딩에지부의 침식은, 에지 부분 부근으로부터 시작되기 때문에, 본 실시예와 같이, 두께 5mm 이상의 코발트기 합금을 사용함으로써 침식방지 효과를 보다 높일 수 있다.

[제 2 실시예의 변형예]

전술한 제 2 실시예의 변형예로서는, 이하에 기술되는 복수의 방법을 고려할 수 있다.

먼저, 제 2 실시예에서는 침식방지부(104)를 2층 구조로 하고 있지만, 경도가 다른 3종류 이상의 재료를 육성용접함으로써 침식방지부(104)의 경도를 단계적으로 변화시켜도 좋다. 이러한 변형예에 의하면, 모재로부터 경질층에 이르는 단면의 경도를 보다 매끄러운 모양으로 할 수 있고, 잔류응력은 한층 더 저감한다.

또한, 분말재료를 레이저로 용융시켜 육성용접할 때, 1패스당의 두께가 작은 입열의 용접비드(bead)를 다층 적층하는 방법도 가능하다. 이러한 침식방지 방법을 이용하여, 터빈 회전날개(41)의 리딩에지 선단부분을 날개 형상으로 형성했을 경우, 중간층(102), 경질층(103)에 영향을 미치지 않고, 1패스당의 두께가 1mm 이하로 하는 작은 입열의 용접비드를 다층으로 적층시킨다. 이 실시예에 의하면, 용접 입열에 의한 모재의 재료특성의 저하나 날개의 변형이 발생할 우려가 없다. 특히, 1패스당의 두께를 1mm 이하로 함으로써 용접 시공시에 발생하는 융합 불량을 확실하게 막을 수 있다.

레이저를 채용한 육성용접으로 용접중 15O°C 이상으로 예열한 상태에서, 중간층(102)으로서는 선팽창계수가 큰 오스테나이트계 스테인레스를, 경질층(103)으로서는 스텔라이트(Stellite)를 이용한 다층성으로 하여 침식방지부(104)를 설치해도 좋다. 즉, 경질층(103)으로 스텔라이트의 분말을 채용할 경우, 용접에 따르는 수축이 크기 때문에 잔류응력이 커지는 경향이 있다.

그렇기 때문에, 150°C의 예열상태에서 선팽창계수가 큰 중간층(102)을 설치하는 것에 의해 잔류응력의 저감화를 도모하고 있다. 이에 따라, 제조시의 수축의 잔류응력(인장잔류응력)에 기인하는 육성부분의 단부가 벗겨지거나 용접금속부가 균열되는 것을 더욱 확실하게 억제할 수 있는 효과가 있으므로, 제조시 및 운전시에서의 신뢰성이 향상된다.

또한, 레이저로 용융시켜 육성용접한 후, 용접부를 연마사상하는 침식방지방법도 가능하다. 이 방법에 의하면, 용접부를 연마하여 표면을 매끄러운 표면으로 마무리할 수 있기 때문에, 용접비드 단부의 노치 효과에 따르는 피로강도의 저하나 터빈 날개 성능에의 악영향이 없다.

또한, 부재의 재질이 석출(析出)강화형의 강철일 경우, 용체화 시효 상태에서 레이저를 사용한 육성용접을 행하고, 용접 후, 다시, 시효 열처리를 행해도 좋다. 일반적으로 석출강화형의 강철을 재료로 한 부재에서는, 시효 열처리 후 모재의 강도가 증가하여 용접성이 나빠진다. 그 때문에 용체화 상태에서 용접을 행하고 있다. 본 방법에서는, 레이저에 의해 용접 입열을 작게 억제하는 것으로부터, 시효열처리 후의 상태에서도 용접 가능한 것이 특징이다. 또한, 용접 후에 모재의 열영향부에서 용체화 상태가 되는 부위가 생기기 때문에, 용접 후, 다시, 시효열처리를 행함으로서 모재강도를 회복시키고, 이음새 강도를 회복시키는 것이 가능하다.

[다른 실시예]

또한, 본 발명은, 전술한 제 1, 제 2 실시예 및 그 변형예에 한정되는 것 이 아니며, 본 발명의 범위 내에서 그 외에도 다종 다양한 변형예가 실시가능하다. 예 를 들면, 실시예 중에서 기재한 재료는 일례에 지나지 않으며, 본 발명에서, 경질층이나 저경질층, 중간층에 사용하는 재료로서는, 그 외에도 각종의 재료를 적당하게 선택가능하다.

또한, 본 발명은 터빈 회전날개를 대상부재로 한 침식방지 방법으로서 적합하지만, 터빈 정익 등의 다른 터빈 부품에 대해서도 동일하게 적용가능하고, 동일하게 우수한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 터빈 이외의 각종 기기에 관해서도, 침식 환경 하에서 사용되는 각종의 부재에 대해 동일하게 적용 가능하며, 동일하게 우수한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는, 고밀도 에너지 조사로서 레이저를 이용한 경우에 관하여 설명했지만, 본 발명에 있어서는 레이저에 한하지 않고, 전자빔 등의 다른 고밀도 에너지 조사를 적용 하는 것도 가능하며, 동일하게 우수한 효과를 얻을 수 있다.

Claims

침식 환경 하에서 사용되는 부재의 침식방지 방법으로서,

대상부재의 침식방지 대상부위의 모재 위에, 오스테나이트(austenite) 조직 재료의 하층과 그 보다 경질인 재료의 상층을 고밀도 에너지 조사(照射)를 사용한 육성용접으로 형성하여, 적층구조의 침식방지부를 설치하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 침식방지부의 하층으로서 오스테나이트계 스테인레스 또는 고용(固容)강화형의 Ni기 합금을 사용함으로써, 이 하층에, 육성용접(肉盛鎔接)에 의한 잔류응력을 완화하여 사용 환경 하에서의 깨짐 발생을 방지하는 기능, 또는, 만일 경질인 상층에 깨짐이 생긴 때의 깨짐의 전파를 늦추거나 저지하는 기능을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 침식방지부의 하층으로서, 경도가 다른 2종류 이상의 재료를 육성용접함으로써, 상기 대상부재의 모재로부터 침식방지부의 상층까지의 경도를 단계적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 대상부재가 터빈 회전날개인 경우에, 날개 형상의 일부를 육성용접으로 형성하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
침식 환경 하에서 사용되는 부재로서, 그 침식방지 대상부위의 모재위에 오스테나이트 조직 재료의 하층과 그 보다 경질인 재료의 상층을 고밀도 에너지 조사를 사용한 육성용접으로 형성하여, 적층구조의 침식방지부를 설치한 것을 특징으로 하는 침식방지부를 구비한 부재.
침식 환경 하에서 사용되는 부재의 침식방지 방법으로서,

경질재료의 분말을 고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접해서 경질층을 형성하고, 상기 부재의 일부를 국부적으로 상기 경질층으로 바꿔서 침식방지부를 설치한 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 부재는 터빈 날개이며, 상기 터빈 날개의 날개 리딩에지부에 상기 침식방지부를 설치한 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 경질층과 상기 부재인 모재의 중간부분에, 연인성(延靭性)이 우수한 재 료로 이루어진 중간층을 형성하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 중간층을 0.5 ∼ 3.0mm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 연인성(延靭性)이 우수한 재료인 분말을 고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접함으로써 상기 중간층을 형성하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 10 항에 있어서,

고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접할 때, 용접중 150°C 이상에서 예열한 상태에서, 상기 연인성이 우수한 재료로서 선팽창 계수가 큰 오스테나이트계 스테인레스를 이용하여 다층 육성하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 연인성이 우수한 재료로서 고용강화형의 Ni기 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 경질재료로서 코발트기(Cobalt-base) 합금을 사용하여, 상기 경질층을 5mm 이상의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 6 항에 있어서,

고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접할 때, 1 패스당의 적층 높이를 1mm 이하로 하는 소입열(小入熱)의 용접비드(welding bead)를 다층으로 적층하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 6 항에 있어서,

고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접한 후, 용접부를 연마사상(硏磨仕上)하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 부재에 사용하는 재질이 석출(析出)강화형의 강철인 경우, 용체화 시효(溶體化時效) 상태에서 고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접을 행하고, 용접 후, 다시, 시효 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 침식방지 방법.
침식 환경 하에 사용되는 부재로서, 경질재료의 분말을 고밀도 에너지 조사로 용융시켜 육성용접하고, 상기 부재의 일부를 국부적으로 경질층으로 바꿔서 침식방지부를 설치한 것을 특징으로 하는 침식방지부를 구비한 부재.