KR20120064128A - 용착 용접 공정 동안 용접 시임을 방향성 응고시키기 위한 방법 - Google Patents

용착 용접 공정 동안 용접 시임을 방향성 응고시키기 위한 방법 Download PDF

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KR20120064128A
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토르스텐 얌보르
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노르베르트 피르히
니콜라이 아르야키네
게오르크 보스타뇨글로
토르스텐 멜처-요키쉬
젤림 모카뎀
미햐엘 오트
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프라운호퍼-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 안게반텐 포르슝에.파우.
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Abstract

레이저 용접, 이송, 레이저 출력, 빔 지름 및 분말 질량 흐름에서 공정 파라미터의 목표별 선택을 통해, 레이저 용착 용접 시 단결정 성장을 위해 실질적으로 결정적인 온도 기울기가 목표한 바대로 설정될 수 있다.

Description

방향성 응고 재료의 단결정 용접{SINGLE CRYSTAL WELDING OF DIRECTIONALLY SOLIDIFIED MATERIALS}
본 발명은 방향성 응고 금속 재료의 용접 방법에 관한 것이다.
γ' 강화된 SX 니켈 기지 초합금은 통상적인 용접 방법으로도, 또는 동종의 용접 금속을 이용한 고에너지 방법(레이저, 전자빔)으로도, 중첩되는 용접 라인들에서 하나 이상의 층에 용착 용접될 수 없다. 이미 단일의 용접 라인에서 표면 근처의 가장자리 영역에 부적절한 배향을 갖는 조직이 형성된다는 문제가 있다. 후속하는 중첩 트랙(overlapped track)의 경우, 이는 응고전선(solidification front)이 상기 영역에서 SX 종자(seed)를 전혀 이용하지 못하며, 부적절한 배향을 갖는 영역(SX 조직이 아님)이 중첩 영역에서 더욱 넓게 확장됨을 의미한다. 이런 영역에서는 균열 형성이 발생한다.
지금까지 이용되던 용접 방법은, γ' 강화된 SX 니켈 기지 초합금에 대해, 균일하게 동일한 SX 조직을 이용하여 하나 이상의 층에 중첩 가공으로 용착물을 형성할 수 없다. SX 기재 상의 단일 트랙(single track)의 경우, 각각의 위치에 따라 수지상 성장이 일차 스템(primary stem) 또는 이차 아암(secondary arm)으로부터 개시되는 방식으로 국소적인 응고 조건이 변한다. 그 외에도 가능한 다양한 수지상 성장 방향 중에서 가장 바람직한 성장 조건을 갖는 수지상 성장 방향이, 다시 말하면 온도 기울기에 대해 가장 작은 경사각을 갖는 수지상 성장 방향이 우세하게 작용한다. γ' 강화된 SX 니켈 기지 초합금의 분말 용착 용접 시 SX 조직 내 부적절한 배향의 형성에 대한 원인은 현재 완전히 해명되지 않고 있다. 일반적인 추정에 따르면, 다양한 성장 방향으로부터 수지상 결정들이 서로 충돌할 시에 아마도 이차 아암들이 단절되면서 부적절하게 배향되는 조직의 형성을 위한 종자로서 이용되는 것으로 보고 있다. 그 외에도 표면 근처의 가장자리 영역에서는 용융물 내에서 완전히 용융되지 않은 분말 입자가 부적절하게 배향된 조직의 형성을 위한 종자로서 이용될 수 있다. 그러므로 문제점의 해결을 위해서, γ' 강화된 SX 니켈 기지 초합금의 분말 용착 용접에 대해 수지상 결정들을 위한 하나의 성장 방향만을 유리하게 하는 성장 조건이 실현되는 공정 제어가 제안된다. 그 외에도 상기 공정 제어는 용융물 내 분말 입자의 완전한 용융을 보장한다.
그러므로 본 발명의 과제는 앞서 언급한 문제점을 해결하는 것에 있다.
상기 과제는 청구항 제1항에 따른 방법에 의해 해결된다.
단일 트랙의 표면 근처 가장자리 영역에서 비-단결정 조직을 형성하는 상기 기술 문제를 해결하기 위해, 상기 문제가 전혀 발생하지 않거나, 또는 실온에서 균열 형성 없이 하나 이상의 층 내 중첩 가공이 가능하도록 극미한 정도로 발생하는, 레이저 방사선을 이용한 용착 용접을 위한 공정 제어가 제안된다.
종속항들에는 추가의 장점을 달성하기 위해 임의의 방식으로 서로 조합될 수 있는 추가의 바람직한 조치들이 제시되어 있다.
도 1은 방법의 진행 순서를 도시한 개략도이다.
도 2는 가스 터빈을 도시한 도면이다.
도 3은 터빈 블레이드를 도시한 도면이다.
도 4는 초합금의 목록을 나열한 도표이다.
명세서와 도들은 본 발명의 실시예들일 뿐이다.
도 1에는 장치(1)와 함께 방법의 진행 순서가 개략적으로 도시되어 있다.
수리할 구조 부재(120, 130)는 초합금으로 이루어진, 특히 도 4에 따른 니켈을 기지로 한 초합금으로 이루어진 기재(4)를 포함한다. 매우 특별하게는 기재(4)는 니켈 기지 초합금으로 구성된다. 기재(4)는, 새 재료(7)가, 특히 분말에 의해 용착 용접을 통해 기재(4)의 표면(5) 상에 도포됨으로써 수리된다.
이는 재료(7)의 공급과, 용접 빔, 바람직하게는 적어도 공급된 재료(7)를 용융하고 바람직하게는 부분적으로 기재(4)도 용융하는 레이저의 레이저 빔(10)의 공급에 의해 이루어진다. 그 외에도 바람직하게는 분말이 이용된다. 바람직하게는 분말 입자(7)의 지름은, 레이저 빔이 분말 입자를 완전히 용융시키고 충분히 높은 입자(7)의 온도를 제공할 만큼 작다. 그 외에도 기재(4) 상에는 용접 공정 중에 용융된 영역(16)과, 이 영역에 이어지는 응고전선(19)과, 이 응고전선의 전방에서 이미 다시 응고된 영역(13)이 존재한다.
본 발명의 장치는 바람직하게는 분말 공급 유닛을 구비한 레이저(미도시)와, 기재 표면(5) 상에서 분말(7)을 위한 충돌 영역과 레이저 빔 상호작용 구역이 이동될 수 있게 하는 이동 시스템(미도시)을 포함한다. 이때, 구조 부재[기재(4)]는 바람직하게는 예열되지 않을뿐더러 열처리에 의해 과시효화되지도 않는다. 기재(4) 상에서 재구성될 영역은 바람직하게는 층별로 용착 용접된다. 층들은 바람직하게는 곡류 형태로, 단방향 또는 양방향으로 용착되며, 층들 사이의 결합 오류를 방지하기 위해 층간 곡류형 이동(meander shaped travel)의 스캔 벡터는 바람직하게는 각각 90°만큼 회전된다.
기재(4) 내 수지상 결정(31)과 용착된 영역(13) 내 수지상 결정(34)은 도 1에 도시되어 있다. 좌표계(25)도 마찬가지로 도시되어 있다. 기재(4)는 스캐닝 속도(V V )로 상대적으로 x 방향(22)으로 이동된다. 응고전선(19) 상에는 z-온도 기울기(
Figure pct00001
)(28)가 존재한다.
용접 공정은 이송(V V ), 레이저 출력, 빔 지름 및 분말 질량 흐름과 관련한 공정 파라미터들을 이용하여 실행되며, 상기 공정 파라미터들은 응고전선에서 기재(4) 내 수지상 결정들(31)의 방향에 대해 45°미만인 온도 기울기의 국소적인 배향을 야기한다. 그럼으로써 기재(4) 내에서 수지상 방향(32)을 연장시키는 수지상 결정들(34)을 위한 성장 방향만이 유리하게 되는 점이 보장된다. 이를 위해 필요한 사항은 응고전선(19)의 가장자리를 한정하는 3상 라인의 부분이 레이저 빔에 의해 완전히 중첩되는 점을 보장하는 빔 반경이다.
기재(4) 내에서 수지상 결정들(31)의 수지상 방향(32)에 대한 응고전선(19)의 적합한 경사를 위한 근사 조건은 하기 공식에 따른다.
Figure pct00002
A: 기재의 흡수율,
I L : 레이저 세기,
V V : 스캐닝 속도,
λ: 기재의 열 전도도,
T: 온도
상기 조건으로부터는 재료에 따라 [근사적으로 최고 값(top)을 갖는] 레이저 방사선의 세기, 분말 빔 초점에 상대적인 빔 반경, 이송 속도(V V ) 및 분말 질량 흐름과 관련한 공정 범위(process window)가 제공된다.
레이저 방사선과 용융물의 완전한 중첩을 통해 동축의 공정 제어 시 레이저 방사선과 분말 입자의 더욱 오랜 상호작용 시간 및 그에 따른 용융물과의 접촉 시 더욱 높은 입자 온도가 보장된다.
입자 지름과 그에 따라 사전 결정된 상호작용 시간은 완전한 용융을 위해 충분히 높은 온도 레벨을 달성한다. 용융물의 충분히 높은 온도 레벨은 용융물 내 머무름 시간 및 입자 온도가 지정된 경우 입자가 완전히 용융물이 되게 한다.
앞서 설명한 공정 파라미터 및 메커니즘에 의해서는 기재 내에서 동일한 수지상 배향을 갖는 용착물 내 에피탁시 단결정 성장을 위한 전제조건들이 보장된다. 용접 공정에서 수지상 성장 방향만이 표면에 대해 법선으로 활성화됨으로써 응고 시 수지상 결정 간 공간(interdendtritic space) 내로의 용융물의 연속적인 유입이 수월해지고 고온 균열의 형성은 방지된다. 그 결과로, 구조 용접을 위해 (예컨대 구조 부재의 영역 중 높은 하중을 받는 영역에서 수리 또는 접합을 목적으로) 허용될 수 있는 용접의 품질이 달성된다.
도 2에는 예시로서 가스 터빈(100)이 종단면도로 도시되어 있다. 가스 터빈(100)은 내부에 샤프트(101)를 구비하여 회전축(102)을 중심으로 회전 가능하게 장착된 로터(103)를 포함하며, 상기 로터는 터빈 로터로서 지칭된다. 로터(103)를 따라 연속적으로 흡기 하우징(104)과, 압축기(105)와, 동축으로 배치되는 복수의 버너(107)를 구비한 예컨대 원환체형인 연소실(110), 특히 환형 연소실과, 터빈(108)과, 배기 하우징(109)이 배치되어 있다. 환형 연소실(110)은 예컨대 환형인 고온 가스 채널(111)과 연통된다. 이 고온 가스 채널에서는 예컨대 연속해서 연결된 4개의 터빈 단(112)이 터빈(108)을 형성한다. 각각의 터빈 단(112)은 예컨대 2개의 블레이드 링으로 형성된다. 작동 매체(113)의 흐름 방향에서 볼 때 고온 가스 채널(111) 내에서는 가이드 블레이드 열(115)에 뒤이어 회전 블레이드들(120)로 형성되는 열(125)이 배치된다.
그 외에도 가이드 블레이드들(130)은 스테이터(143)의 내부 하우징(138)에 고정되며, 그에 반해서 열(125)의 회전 블레이드들(120)은 예컨대 터빈 디스크(133)에 의해 로터(103)에 장착된다. 로터(103)에는 발전기 또는 작업 기계(미도시)가 연결된다.
가스 터빈(100)의 작동 중에 압축기(105)에 의해서는 흡기 하우징(104)을 통해 공기(135)가 흡입되어 압축된다. 압축기(105)의 터빈 측 단부에서 공급되는 압축된 공기는 버너들(107)로 안내되고 이 버너들에서 연료와 혼합된다. 그런 다음 혼합기는 연소실(110) 내에서 작동 매체(113)를 형성하면서 연소된다. 작동 매체(113)는 연소실로부터 고온 가스 채널(111)을 따라서 가이드 블레이드들(130) 및 회전 블레이드들(120)을 통과하여 흐른다. 회전 블레이드들(120)에서는 작동 매체(113)가 펄스를 전달하는 방식으로 팽창되며, 그럼으로써 회전 블레이드들(120)은 로터(103)를 구동하고 이 로터는 자체에 연결된 작업 기계를 구동한다.
고온의 작동 매체(113)에 노출되는 구조 부재들은 가스 터빈(100)의 작동 중에 열적 부하를 받는다. 작동 매체(113)의 흐름 방향에서 볼 때 제1 터빈 단(112)의 가이드 블레이드들(130) 및 회전 블레이드들(120)은 환형 연소실(110)을 라이닝 하는 열차폐 부재들의 옆에서 열적 부하를 가장 많이 받는다. 상기 위치 전반의 온도를 견디도록 하기 위해, 상기 블레이드들은 냉각제에 의해 냉각될 수 있다. 또한, 구조 부재의 기재들은 방향성 구조를 포함할 수 있으며, 다시 말하면 기재들은 단결정성(SX 구조)이거나, 또는 종방향 입자(DS 구조)만을 포함한다. 구조 부재를 위한 재료로서, 특히 터빈 블레이드(120, 130)와, 연소실(110)의 구조 부재를 위한 재료로서는 예컨대 철 기지, 니켈 기지 또는 코발트 기지 초합금이 이용된다. 상기 초합금은 예컨대 EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 공지되었다.
또한, 블레이드들(120, 130)은 부식에 대항하는 코팅층, 예컨대 MCrAlX 층을 포함할 수 있으며, MCrAlX에서 M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)의 그룹 중 하나 이상의 원소이고, X는 능동 원소이면서 이트륨(Y) 및/또는 규소, 스칸듐(Sc) 및/또는 희토류 중 하나 이상의 원소 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 상기 합금은 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1로부터 공지되었다.
MCrAlX 상에는 단열층이 재차 제공될 수 있으며, 상기 단열층은 예컨대 ZrO2, Y2O3-ZrO2로 구성되며, 다시 말하면 상기 단열층은 산화 이트륨 및/또는 산화 칼슘 및/또는 산화 마그네슘에 의해 전혀 안정화되지 않거나, 부분적으로 또는 완전히 안정화된다. 예컨대 전자빔 증착(EB-PVD)과 같은 적합한 코팅 방법을 통해 단열층 내에 주상 입자들이 생성된다.
가이드 블레이드(130)는 터빈(108)의 내부 하우징(138)으로 향해 있는 가이드 블레이드 기저부(본원에서는 미도시)(guide blade foot)와, 이 가이드 블레이드 기저부에 대향하여 위치하는 가이드 블레이드 헤드부(guide blade head)를 포함한다. 가이드 블레이드 헤드부는 로터(103)로 향해 있으면서 스테이터(143)의 고정 링(140)에 고정된다.
도 3에는 종축(121)을 따라 연장되는 유체 유동 기관의 회전 블레이드(120) 또는 가이드 블레이드(130)가 사시도로 도시되어 있다.
유체 유동 기관은 비행기 또는 전기 생성용 발전소의 가스 터빈, 증기 터빈 또는 압축기일 수 있다.
블레이드(120, 130)는 종축(121)을 따라 연속적으로 고정 영역(400)과, 이 고정 영역에 인접하는 블레이드 플랫폼(403)뿐 아니라, 블레이드 베인(406)과, 블레이드 첨단(415)을 포함한다. 가이드 블레이드(130)로서 블레이드(130)는 자체의 블레이드 첨단(415)에 추가의 플랫폼을 포함할 수 있다(미도시).
고정 영역(400)에는 샤프트 또는 디스크(미도시)에 회전 블레이드들(120, 130)을 고정하는 역할을 하는 블레이드 기저부(183)가 형성된다. 블레이드 기저부(183)는 예컨대 해머 헤드로서 구성된다. 톱날형 기저부(fir-tree foot)나 제비 꼬리형 기저부(swallow-tail foot)로서 구성되는 또 다른 구현예도 가능하다. 블레이드(120, 130)는 블레이드 베인(406)을 통과하여 흐르는 매체를 위해 유입 에지(409) 및 유출 에지(412)를 포함한다.
통상적인 블레이드들(120, 130)의 경우 블레이드(120, 130)의 모든 영역(400, 403, 406)에서는 예컨대 괴상의 금속 재료, 특히 초합금이 이용된다. 상기 초합금은 예컨대 EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 공지되었다. 이 경우 블레이드(120, 130)는 방향성 응고를 이용하기도 하는 주조 방법에 의해, 단조 방법에 의해, 밀링 방법에 의해, 또는 상기 방법들이 조합된 방법에 의해 제조될 수 있다.
단결정성 구조 또는 구조들을 보유하는 피가공재가 작동 시에 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 부하에 노출되는 기계를 위한 구조 부재로서 이용된다. 상기 유형의 단결정성 피가공재의 제조는 예컨대 용융물로부터 방향성 응고를 통해 이루어진다. 이는 액상 금속 합금이 단결정성 구조로, 다시 말하면 단결정성 피가공재로 응고되거나, 또는 방향성 응고되는 주조 방법이다. 이 경우, 수지상 결정은 열 흐름을 따라 배향되면서 주상 결정 입자 구조(주상, 즉 피가공재의 길이 전체에 걸쳐서 연장되고, 본원에서는 일반적인 표현에 따라 방향성 응고되는 것으로 지칭되는 입자)를 형성하거나, 또는 단결정 구조를 형성하며, 다시 말하면 전체의 피가공재가 단일 결정으로 구성된다. 이런 방법에서는 등축정(다결정) 응고로의 전환을 피해야만 하는데, 그 이유는 비방향성 성장에 의해 필연적으로 횡방향 및 종방향 결정 경계가 형성되고, 이들 결정 경계는 방향성 응고되거나 단결정인 구조 부재의 양호한 특성을 무산시키기 때문이다. 만일 일반적으로 문제의 대상이 방향성 응고된 구조라면, 이는 결정 경계를 갖지 않거나, 최대 소각립계(small-angle grain boundary)를 갖는 단결정뿐 아니라, 사실 종방향으로 연장되는 결정 경계를 갖긴 하지만 횡방향 결정 경계를 포함하지 않는 주상 결정 구조를 의미한다. 또한, 두 번째로 언급한 상기 결정 구조의 경우를 흔히 방향성 응고 구조(directionally solidified structures)라고도 한다. 상기 방법은 US-PS 6,024,792와 EP 0 892 090 A1로부터 공지되었다.
또한, 블레이드들(120, 130)은 부식이나 산화에 대항하는 코팅층, 예컨대 MCrAlX 층을 포함할 수 있으며, MCrAlX에서 M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)의 그룹 중 하나 이상의 원소이고, X는 능동 원소이면서 이트륨(Y) 및/또는 규소 및/또는 희토류 중 하나 이상의 원소 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 상기 합금은 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1로부터 공지되었다. 밀도는 바람직하게는 이론적인 밀도의 95%이다. (중간층으로서, 또는 최외부 층으로서의) MCrAlX 층 상에는 보호용 알루미늄 산화층(TGO = 열성장 산화층)이 형성된다.
바람직하게는 층 조성은 Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si 또는 Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y를 함유한다. 이와 같은 코발트 기지 보호 코팅층 외에도 바람직하게는 Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re 또는 Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re 또는 Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re와 같은 니켈 기지 보호층도 이용된다.
MCrAlX 상에는 바람직하게는 최외부 층인 단열층이 재차 제공될 수 있으며, 상기 단열층은 예컨대 ZrO2, Y2O3-ZrO2로 구성되며, 다시 말하면 상기 단열층은 산화 이트륨 및/또는 산화 칼슘 및/또는 산화 마그네슘에 의해 전혀 안정화되지 않거나, 부분적으로 또는 완전히 안정화된다. 단열층은 MCrAlX 층 전체를 덮는다. 예컨대 전자빔 증착(EB-PVD)과 같은 적합한 코팅 방법을 통해 단열층 내에 주상 입자들이 생성된다. 또 다른 코팅 방법, 예컨대 대기압 플라스마 용사(APS), LPPS, VPS 또는 CVD도 생각해볼 수 있다. 단열층은 보다 나은 내열충격성을 위한, 미세 균열 또는 거대 균열이 있는 다공성 입자들을 포함할 수 있다. 또한, 단열층은 바람직하게는 MCrAlX 층보다 더 다공성이다.
재처리(재연마)는, 구조 부재들(120, 130)이 이용된 후에 경우에 따라 상기 구조 부재들에서 보호층들이 (예컨대 모래 분사를 통해) 제거되어야 함을 의미한다. 그런 후에 부식 및/또는 산화 층 또는 그 생성물의 제거가 이루어진다. 또한, 경우에 따라 구조 부재(120, 130) 내 균열이 수리된다. 그런 후에 구조 부재(120, 130)가 재코팅 되며, 그리고 구조 부재(120, 130)가 다시 이용된다.
블레이드(120, 130)는 중공체 또는 괴상체로 형성될 수 있다. 블레이드(120, 130)가 냉각되어야 한다면, 블레이드는 중공체이고 경우에 따라 (파선으로 도시된) 막 냉각 구멍들(418)(film cooling hole)을 포함한다.

Claims (8)

  1. 용착 용접 공정 동안 용접 시임(13)을 방향성 응고시키기 위한 방법, 특히, 기재 수지상 방향(32)으로 연장되는 수지상 결정들(31)을 포함하고 방향성 응고되는, 구조 부재(1, 120, 130)의 기재(4)를 용착 용접하기 위한 방법이며,
    이송, 레이저 출력, 용접 빔 지름, 분말 빔 초점 및/또는 분말 질량 흐름과 관련한 공정 파라미터들이, 응고전선(19) 상에서 기재(4) 내 수지상 결정들(31)의 기재 수지상 방향(32)에 대해 45°미만인 온도 기울기(28)의 국소적인 배향을 달성하는 방식으로 구성되는, 용접 시임의 방향성 응고 방법.
  2. 제1항에 있어서, 분말(7)의 공급 및/또는 기재(4)의 재료에 의해 생성되는 용융물(16)이 상기 기재(4)의 상부 및 그 내부에서 발생하며,
    상기 용융물(16)은 용접 빔(10)에 의해,
    특히 레이저 빔에 의해 완전히 덮이며,
    특히 상기 용융물(16)은 중첩되는, 용접 시임의 방향성 응고 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급되는 분말(7)은 층별로 용착되는, 용접 시임의 방향성 응고 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재(4)는 니켈 기지 초합금을 포함하고,
    특히 주상 입자를 포함하며,
    매우 특별하게는 단결정 조직을 포함하는, 용접 시임의 방향성 응고 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분말 입자(7)의 지름은, 상기 분말 입자가 용접 레이저 빔(10) 내에서 특히 완전히 용융되고 충분히 높은 온도를 가질 정도로 작은, 용접 시임의 방향성 응고 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 용융된 분말 입자(7)의 온도는 상기 분말 입자(7)의 용융 온도를 20℃ 초과하는, 용접 시임의 방향성 응고 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    용접을 위해 레이저가 이용되는, 용접 시임의 방향성 응고 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    Figure pct00003

    이 적용되고,
    상기 식에서, A는 기재의 흡수율이고,
    I L 은 레이저 세기이고,
    V V 는 스캐닝 속도이며,
    λ는 기재의 열 전도도인,
    용접 시임의 방향성 응고 방법.
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