KR20140038269A - 합금분말을 이용한 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법 - Google Patents

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Abstract

가스터빈 고온부품의 경우 일정기간을 사용하게 되면 검사를 거쳐 재생정비 여부를 결정하게 되는데, 재생 정비 시 형상복원과 기계적 특성의 회복을 위해 천이액상접합을 실시하게 된다. 본 발명은 단결정 초내열합금을 접합하기 위한 방법으로, 단결정 초내열합금의 사용부품과 주조품을 준비하는 준비단계; 상기 준비된 사용부품과 주조품 사이에 접합층을 삽입하는 삽입단계; 상기 접합층 삽입 후 합금분말을 접합층 표면에 적층하는 적층단계; 상기 합금분말 적층 후 접합을 위해 열처리하는 접합 열처리단계; 상기 적층된 합금분말을 제거하는 제거단계; 및 상기 합금분말 제거 후 과포화 고용체를 석출시키기 위해 열처리하는 시효 열처리단계를 포함하는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법을 제공한다.
본 발명의 천이액상접합방법은 단결정 초내열합금의 접합 시, 열처리 전에 합금분말을 적층함으로써 사용부품, 건전한 주조품 및 접합층 전체 영역에 단결정도를 유지하고, 기계적 특성 및 내부식성을 본래 사용부품과 동일하게 복원시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

합금분말을 이용한 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법{Method for transient liquid phase bonding of single crystal, high heat-resistance alloy by using alloy powder}
본 발명은 단결정 초내열합금의 접합 특성을 향상시키는 방법으로, 보다 구체적으로는 합금분말을 적층한 뒤 열처리 함으로써 접합 특성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 초내열 합금이란 비교적 강도가 높고 고온에서의 사용에 잘 견디는 것을 주요 목적으로 만들어지는 합금으로, 초합금 입자분산강화합금 및 결정제어합금을 합쳐 초내열합금이라 한다. 보통 700℃ 이상의 고온과, 고응력 환경에서 오랜 시간 견디며, 내식성을 겸비한 재료이다.
가스터빈은 고온고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관에 해당하며, 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 이루어져 있고, 주로 항공 및 산업용으로 사용되고 있다. 여기서, 터빈은 움직이는 블레이드와 정지 베인으로 구성되며, 고온 및 고압의 환경에서 운전되기 때문에 부품의 손상이 쉽게 발생한다. 움직이는 블레이드에는 원심력에 의한 응력과 가스터빈 기동 및 정지 시 열 구배에 의한 응력이 복합적으로 작용하여 열 기계 피로와 고온 가스에 의한 산화 및 부식이 많이 발생한다. 정지하고 있는 베인도 기동 및 정지 시 열 구배에 의한 응력과 고온가스의 산화 및 부식이 주로 발생한다.
일반적으로 터빈의 재료는 고온에서 기계적 특성이 우수한 초내열합금이 사용되고 있는데, 고효율화 및 대용량화 추세에 따라, 재료의 조직 형상으로 구분하는 다결정재료에서 일방향재료 및 단결정재료를 개발하여 사용하고 있다.
단결정 재료는 기계적 특성을 향상시키기 위해 결정입계를 제거하여 한 개의 결정으로 제작한 것으로, 물질특성이 우수하나 고가의 원소인 레늄(Re), 타이타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 등을 첨가하고, 제조 시 공정 변수가 까다롭고 공정시간이 장시간 소요되어, 생산단가가 매우 높다. 이러한 단결정 부품도 고온, 고압의 가스터빈에 사용되어 기동정지와 부식분위기 환경에 노출되면 블레이드와 베인에 손상이 발생하는데, 이 손상을 복원하기 위한 재생기술이 연구되고 있다.
단결정의 고온부품을 접합하기 위한 방법으로는 여러가지 열원 (플라즈마, 레이저, 아크 등)을 사용한 용융 용접방법이 있으나, 이러한 방법으로 접합 시 접합부 주위 모든 영역에서 단결정도를 유지하지 못하고 새로운 결정이 형성됨으로 인해 기계적 특성이 급격히 감소하는 문제점이 존재하였다.
또한 부품 표면의 접합층 주위에서는 접합층의 과도한 확산으로 초기의 형상이 회복되지 않아 추가적인 공정을 거쳐야 하는 문제점이 발생하였으며, 천이액상접합 시 고온에서 압력을 가할 때에는 접합층 또는 접합층과 초내열합금의 경계 등에서 새로운 결정이 다수 형성되는 문제가 발생하였다.
도1은 종래 기술로써 천이액상접합방법을 실시한 예를 도시한 것으로 접합면을 따라 깊숙한 흠이 생기는 것을 알 수 있다. 이는 표면층에서 접합층의 과도한 확산으로 주변 사용부품과 건전한 주조품까지 용융되어 생긴 것이다.
본 발명은 단결정 초내열합금으로 제작된 고온부품의 초기 형상, 기계적 특성 및 내부식성을 회복시키는 방법에 관한 것으로, 고온부품뿐만 아니라 손상된 영역을 대체하기 위해 새로운 주조품과 접합층의 모든 영역에서 단결정도를 유지시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 단결정 초내열합금의 사용부품과 건전한 주조품을 준비하는 준비단계; 상기 준비된 사용부품과 건전한 주조품 사이에 접합층을 삽입하는 삽입단계; 상기 접합층 삽입 후 합금분말을 접합층의 노출 표면에 적층하는 적층단계; 상기 합금분말 적층 후 접합을 위해 열처리하는 접합 열처리단계; 상기 적층된 합금분말을 제거하는 제거단계; 및 상기 합금분말 제거 후 과포화 고용체를 석출시키기 위해 열처리하는 시효 열처리단계를 포함하는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법이 제공된다.
상기 준비단계 후에 상기 사용부품과 주조품의 결정방향을 10도 이내로 맞추는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 사용부품과 건전한 주조품의 결정방향을 동일하게 맞출 수 있다.
상기 결정방향은 후방산란 전자 회절방법 또는 X선 회절방법으로 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 접합층은 Ni, Cr, B 및 C 를 포함하는 합금이며, 상기 B의 함량이 1 중량% 이상 5 중량% 이하일 수 있다.
상기 합금분말은 상기 사용부품 또는 상기 건전한 주조품과 조성이 동일할 수 있다.
상기 접합 열처리단계는 1150~1250℃에서 1~3시간 수행될 수 있다.
상기 제거단계 후 과포화 고용체를 얻기 위해 열처리하는 용체화 열처리단계를 더 포함할 수 있다.
상기 용체화 열처리단계는 1250~1320℃, 진공도 1x10-5 torr 이상 1x10-4 torr 이하에서 3~10시간 동안 수행될 수 있다.
상기 용체화 열처리단계는 가열 후 급랭하는 급랭단계를 더 포함할 수 있다.
상기 급랭단계는 냉각 속도가 30℃/분 이상 40℃/분 이하에서 수행될 수 있다.
상기 시효 열처리단계는 1050~1200℃에서 2~7시간 및 800~900℃에서 10~20시간 순차적으로 수행될 수 있다.
본 발명은 단결정 초내열합금의 접합특성을 향상시키기 위한 방법으로, 건전한 주조품과 사용부품의 절단면의 결정방향을 맞춘 뒤 합금분말을 적층하고 후열처리함으로써 접합층 내부와 초내열합금과의 경계뿐만 아니라 표면에까지 단결정도를 유지되게 하고, 기계적 특성과 내부식성을 현저히 증가시킬 수 있다.
도1은 천이액상접합 후 접합면 주위 손상상태를 도시한 것이다.
도2는 사용부품과 건전한 주조품의 결정방향을 맞추기 전, 후를 개략적으로 도시한 것이다.
도3은 접합 후 단결정도 및 표면 재결정 상태를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명은 사용부품과 건전한 주조품 간의 접합특성을 향상시키는 단결정 초내열합금의 접합 방법에 관한 것이다.
본 발명의 천이액상접합방법은 사용부품과 건전한 주조품을 준비하는 단계를 포함한다. 상기 사용부품은 단결정 초내열합금으로 된 고온부품으로서, 이로 한정하는 것은 아니지만 예를 들어, 가스터빈의 블레이드나 베인의 재생 시 수리될 부품을 의미하고, 건전한 주조품은 사용부품의 손상된 부분을 대체할 미사용 부품을 의미한다.
상기 준비단계는 사용부품에서 손상된 부분을 제거하고, 절단면을 연마한 후 불순물을 제거하는 세정과정이 포함될 수 있다.
이 때, 준비되는 상기 사용부품과 주조품은 조성이 각각 Cr 6.4 중량%, Co 9 중량%, Mo 0.6 중량%, W 6.4 중량%, Re 3 중량%, Al 5.6 중량%, Ti 0.9 중량%, Ta 6.7 중량%, Hf 0.2 중량%, C 0.03 중량%, B 0.007 중량%, Mg 0.004 중량% 및 잔부 Ni를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 상기 준비단계를 마친 뒤, 사용부품과 건전한 주조품의 결정방향을 10도 이내로 맞추는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 접합하기 전에 사용부품과 건전한 주조품 간의 결정방향을 맞춤으로써, 상기 접합방법에 의해 접합 후, 단결정으로 이루어진 상기 사용부품과 건전한 주조품 및 접합층 전체 영역에서 단결정도를 유지할 수 있다.
결정방향을 맞추기 위해서는 먼저 사용부품과 건전한 주조품의 각 절단면의 결정방향을 확인하는 과정을 수행하는 것이 바람직하다. 상기 결정방향은 후방산란 전자 회절방법이나 X선 회절방법으로 확인할 수 있고, 결정방향을 확인한 후에는 결정방향을 맞추는 과정을 수행하는데, 상기 결정방향은 10도 이내로 맞추는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 결정방향을 동일하게 맞출 수 있다. 결정 방향이 10도를 초과하는 경우 사용부품과 건전한 주조품 및 접합층 전체 영역에서 단결정도를 유지하기 어려운 문제가 있다.
도2는 상기 후방산란 전자 회절방법에 의해 사용부품의 절단면과 건전한 주조품의 결정방향을 동일하게 맞춘 것을 도시한 것이다.
사용부품과 건전한 주조품의 결정방향을 맞춘 뒤에는 접합층을 삽입하고, 상기 접합층은 접합 시 사용부품과 건전한 주조품의 열처리 온도보다 낮은 용융 온도를 가진 접합층을 사용하는 것이 바람직하다. 열처리 온도보다 접합층의 용융 온도가 높을 경우 접합층이 제대로 녹지 않아 접합이 제대로 일어나지 않을 수 있다.
또한, 상기 접합층은 Ni, Cr, B 및 C를 포함하는 합금일 수 있으며, 상기B의 함량은 1 중량% 이상 5 중량% 이하인 것이 바람직하다. B의 함량이 5 중량% 를 초과하는 경우 접합층의 용융온도가 높아져 열처리 시 접합층이 제대로 녹지 않아 접합이 제대로 일어나지 않을 수 있다.
이로 한정하는 것은 아니지만 예를 들어, 접합층의 조성은 Cr 15 중량%, C 0.06 중량%, B 1~5 중량% 및 잔부 Ni를 포함하는 것 혹은 Cr 19 중량%, Si 7.3 중량%, C 0.008 중량%, B 1~5 중량% 및 잔부 Ni를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 상기 접합단계 후에 합금분말을 접합층 표면에 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 적층은 분말을 도포하거나 혹은 뿌리는 것을 의미한다. 합금분말은 접합층의 외부에 노출된 표면에 적층되며, 그 조성은 사용부품 또는 건전한 주조품과 동일한 것을 사용하는 것이, 합금분말이 접합층 용융 시 함께 용융되어도 사용부품 또는 건전한 주조품과 동일한 조성을 유지할 수 있어 바람직하다.
접합층 삽입 후 고온에서 열처리 시 용융된 접합층은 적층한 합금분말 입자들 사이에 형성된 공간으로, 모세관 현상에 의해 빨려 들어가게 된다. 적층된 합금분말의 입자들은 표면적이 커서 반응면적이 크게 증가하므로, 빨려 들어온 용융 접합층이 주변으로 과도하게 확산되기 전에 상기 합금분말이 접합층과 빠르게 반응할 수 있어, 종래 문제되었던 과도한 주변손상을 방지할 수 있게 되었다.
합금분말을 적층한 후에는 접합 열처리단계를 수행하는데, 상기 열처리단계는 1150~1250℃에서 1~3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 1150℃ 미만인 경우, 접합층이 제대로 녹지 않아 접합이 제대로 일어나지 않을 수 있으며, 열처리 온도가 1250℃를 초과하는 경우, 접합층 내 기공이 생겨 기계적 특성이 떨어질 수 있다. 또한, 열처리 시간이 1시간 미만일 경우, 충분한 접합이 일어나지 않을 수 있고, 3시간 초과하는 경우 접합 효율이 떨어질 수 있다.
접합 열처리 후에는 접합층의 노출 표면에 적층된 합금분말을 제거하게 된다. 본격적인 접합층의 확산은 이어지는 용체화 열처리 단계에서 이루어지는데, 그 전에 접합층의 노출 표면에 적층된 합금분말을 제거하지 않을 경우, 합금분말과 사용부품 및 합금분말과 건전한 주조품 사이에 상호확산이 과도하게 일어남으로써 표면 손상 및 재결정이 발생할 수 있으므로, 본 발명의 천이액상접합방법에서는 적층된 합금분말을 제거하는 것이 바람직하다.
종래의 천이액상접합방법의 경우, 접합 열처리를 실시한 후에 바로 시효 열처리를 수행하나, 시효 열처리 전에 용체화 열처리를 수행하는 것이 사용부품, 건전한 주조품 및 접합층의 전체 영역에서 금속간화합물 γ'가 같은 크기와 형상으로 형성되어 고온에서의 강도 향상의 효과를 가져오고, 기계적 특성이 향상되므로 본 발명에서는 시효 열처리 전에 용체화 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.
상기 용체화 열처리 단계는 과포화 고용체를 얻기 위해 수행되는 것으로, 1250~1320℃에서 3~10시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 1250℃ 미만인 경우, 접합층이 녹지 않아서 접합이 제대로 일어나지 않으며, 온도가 1320℃를 초과하는 경우, 접합층 내에 기공이 생겨 기계적 특성이 떨어질 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간이 3시간 미만일 경우 확산이 적게 일어나 계면에 균열이나 기공이 생길 수 있고, 10시간을 초과하는 경우 접합 효율이 떨어질 수 있다.
한편, 상기 용체화 열처리 단계의 진공도는 1x10-5 torr 이상 1x10-4 torr 이하가 바람직하다. 용체화 열처리 시 진공도가 1x10-5 torr 미만 또는 1x10-4 torr 를 초과하는 경우 사용부품, 건전한 주조품의 표면 및 접합층에 산화물 및 산화층이 형성될 수 있다. 이러한 산화층의 형성은 단결정도가 유지되지 못하게 하며 기계적 특성의 감소를 유발할 수 있다.
상기 용체화 열처리 단계는 온도가 1250~1320℃인 범위에서 충분한 시간 동안 유지하고 과포화 고용체를 얻기 위해 급랭하는 급랭단계를 포함할 수 있다. 상기 급랭단계에서 냉각 속도는 30℃/분 이상 40℃/분 이하일 수 있다. 용체화 열처리 시 냉각속도는 금속간화합물 γ'의 형상과 크기에 영향을 미치게 됨으로 냉각속도를 상기의 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
용체화 열처리 후에는 시효 열처리단계를 수행하는데, 상기 용체화 열처리 단계에서 얻어진 과포화 고용체에서 용질 원자를 석출시켜 조직의 미세화와 균일화가 이루어진다.
상기 시효 열처리단계는 온도가 1050~1200℃에서 2~7시간 및 온도가 800~900℃에서 10~20시간 순차적으로 이루어지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 온도가 1100~1200℃에서 5~7시간 및 온도가 860 내지 880℃에서 10 내지 30시간, 더 바람직하게는 1140℃에서 6시간 처리 후, 871℃에서 20시간 동안 처리할 수 있다. 상기와 같이 시효 열처리단계를 이단으로 수행함이 금속간화합물 γ'의 형상과 크기를 제어함에 바람직하다.
상기 온도 범위보다 더 낮은 온도에서 시효 열처리를 수행할 경우, 접합층이 녹지 않아서 접합이 제대로 일어나지 않으며, 더 높은 온도에서 수행할 경우, 접합층 내에 기공이 생겨 기계적 특성이 떨어질 수 있다. 또한, 상기 시간 범위보다 더 짧은 시간 동안 시효 열처리를 수행할 경우, 확산이 적게 일어나 계면에 균열이나 기공이 생길 수 있고, 상기 시간 범위보다 더 긴 시간 동안 수행할 경우, 접합 효율이 떨어질 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시 예에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
[실시 예1]
시험에 사용한 재료는 개선된 CMSX-4로, Ni가 주원소이며 Cr 6.4 중량%, Co 9 중량%, Mo 0.6 중량%, W 6.4 중량%, Re 3 중량%, Al 5.6 중량%, Ti 0.9 중량%, Ta 6.7 중량%, Hf 0.2 중량%, C 0.03 중량%, B 0.007 중량%, Mg 0.004 중량% 가 함유되어 있는 단결정 초내열합금으로, 사용부품과 건전한 주조품에 대하여 양쪽 접합면을 절단하고 연마한 후 에틸알코올 및 아세톤으로 초음파 세척하여 건조하였다. 접합층은 Ni가 주원소이며, Cr 15 중량%, C 0.06 중량%, B 4 중량% 가 함유된 것을 사용하였다. 진공노에 장입하기 위해 2개의 시험편의 접합면 사이에 상기 접합층을 삽입 후 접합층 외부 노출면에 상기 시험편과 동일한 조성의 합금분말을 적층하였다. 그 후, 진공도 3x10-5 torr 에서, 1250℃에서 3시간 접합 열처리를 실시하였고, 그 뒤 접합층 노출 표면에 적층된 합금분말을 제거하였다.
합금분말을 제거한 후에는 1290℃에서 7시간 용체화 열처리를 실시하고, 그 후 1140℃에서 4시간 및 871℃에서 16시간 시효 열처리를 실시하였다.
그 결과, 도 3에서 나타낸 바와 같이 2개의 시험편 사이에 단결정도는 10도 이내로 제어되었으며, 시험편 표면에는 두께 50 ㎛ 이내의 제거 가능한 표면 재결정만이 형성되었다.
따라서, 본 발명의 천이액상접합방법을 사용함으로써 사용부품, 건전한 주조품 및 접합층 전체의 영역에서 단결정도를 유지할 수 있고, 접합층의 과도한 확산으로 인한 주변손상을 방지할 수 있는 우수한 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 단결정 초내열합금의 사용부품과 건전한 주조품을 준비하는 준비단계;
    상기 준비된 사용부품과 건전한 주조품 사이에 접합층을 삽입하는 삽입단계;
    상기 접합층 삽입 후 합금분말을 접합층의 노출 표면에 적층하는 적층단계;
    상기 합금분말 적층 후 접합을 위해 열처리하는 접합 열처리단계;
    상기 적층된 합금분말을 제거하는 제거단계; 및
    상기 합금분말 제거 후 과포화 고용체를 석출시키기 위해 열처리하는 시효 열처리단계를 포함하는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 준비단계 후에 상기 사용부품과 건전한 주조품의 결정방향을 10도 이내로 맞추는 단계를 더 포함하는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 사용부품과 건전한 주조품의 결정방향을 동일하게 맞추는 것을 특징으로 하는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 결정방향을 후방산란 전자 회절방법 또는 X선 회절방법으로 확인하는 단계를 더 포함하는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접합층은 Ni, Cr, B 및 C 를 포함하는 합금이며, 상기 B의 함량이 1 중량% 이상 5 중량% 이하인 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 합금분말은 상기 사용부품 또는 상기 건전한 주조품과 조성이 동일한 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 접합 열처리단계는 1150~1250℃에서 1~3시간 수행되는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제거단계 후에 과포화 고용체를 얻기 위해 열처리하는 용체화 열처리단계를 더 포함하는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 용체화 열처리단계는 1250~1320℃, 진공도 1x10-5 torr 이상 1x10-4 torr 이하에서 3~10시간 동안 수행되는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 용체화 열처리단계는 가열 후 급랭하는 급랭단계를 더 포함하는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 급랭단계는 냉각 속도가 30℃/분 이상 40℃/분 이하인 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 시효 열처리단계는 1050~1200℃에서 2~7시간 및 800~900℃에서 10~20시간 순차적으로 수행되는 단결정 초내열합금의 천이액상접합방법.
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