KR20140089573A - 가스 터빈 구성요소 수리용 Ｎｉ-Ｔｉ-Ｃｒ 준 3원 공정 합금 - Google Patents

가스 터빈 구성요소 수리용 Ｎｉ-Ｔｉ-Ｃｒ 준 3원 공정 합금 Download PDF

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Abstract

Ni, Ti, Cr의 준 3원 공정 합금은 수리 프로세스 중 실질적인 균열의 우려 없이 터빈 블레이드들 및 베인들에서의 크랙들을 융접하는데 적절한 대략 1230℃ 또는 그 미만의 비교적 낮은 용융 온도를 갖는 것으로 설명된다. 이러한 합금은 터빈 블레이들의 저온 결합 또는 수리에 적합한데, 이는 수리된 구성요소의 기계적 특징들에 악영향을 미치거나 수리된 재료의 용융점을 낮추기 위해 이물질(foreign element)들 없이 전형적인 터빈 블레이드들 및 베인들과 동일한 구성요소들을 포함하기 때문이다. 붕소의 배제는 수리 또는 시임(seam)의 특징들에 해로운 취성 붕소 화합물들의 형성을 제거한다.

Description

가스 터빈 구성요소 수리용 Ｎｉ-Ｔｉ-Ｃｒ 준 3원 공정 합금 {NI-TI-CR NEAR TERNARY EUTECTIC ALLOY FOR GAS TURBINE COMPONENT REPAIR}
이는 2011년 11월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 61/555,113으로부터 35 U.S.C. §119에 따라 우선권 주장하며 35 U.S.C. §111(a)에 따라 출원된 유틸리티 특허 출원이다. 전술한 가특허 출원의 전체 내용들이 모든 목적들을 위해서 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 초합금 구성요소(superalloy component)들의 수리, 그리고 특히, 가스 터빈(gas turbine)들에 사용되는 초합금 구성요소들, 그리고 가장 구체적으로는 이러한 수리들에 영향을 미치는 Ni-Ti-Cr 준 3원 공정(near ternary eutectic) 합금들에 관한 것이다.
초합금들은, 전형적으로, 온도들이 재료들의 용융점들에 근접할지라도 특징들의 기계적 및 화학적 저하에 대해 탁월한 내성을 나타내는 고온 재료들로 이해된다. Ni 초합금들은 니켈(Ni)계이며, 전형적으로 다른 것들 중에서, 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 코발트(Co), 탄탈륨(Ta), 탄소(C)와 같은 다른 다양한 원소들의 상당량들을 포함한다. 고온 초합금들은 초기에 항공기 터빈 엔진(turbine engine)들에서 적용된 것으로 알려졌다. 더 높은 작동 온도가 전형적으로 증가된 연료 효율 및 더 낮은 탄소 배출들을 유도하기 때문에, 초합금들이 육상 기반(ground bases) 터빈 시스템들에서 또한 사용들이 증가한다는 것을 발견함이 유도된다. 예컨대, 로저 씨. 리드(Roger C. Reed)에 의한 The Superalloys (Cambridge University Press, 2006), 특히, 챕터 1 참조. 이러한 인용의 전체 내용들은 모든 목적들을 위해 인용에 의해 본원에 포함된다.
이에 따라, 초합금들이 더 많은 수의 항공 및 육상 기반 터빈 시스템들에서 사용되고 더 고온들에서 작동됨에 따라, 블레이드 베인(blade vane)들 및 다른 구성요소들의 증가하는 수가 수리를 요하는 다른 형태의 재료 저하 및 균열(cracking)을 받게 된다. 이러한 터빈 구성요소들의 수리는, 원래의 구성요소들의 특징들과 가능한 근접한 특징들을 갖는 수리된 구성요소들을 유발하도록 효과적으로 실행된다는 점이 중요하다.
초합금들의 경제학적 중요성은 이들의 용접 및 수리에 관한 상당한 연구를 만들었다. 예컨대, 제이.엔. 듀퐁(J. N. DuPont), 제이.씨.리폴드(J. C. Lippold), 사뮤엘 디.키세르(Samuel D. Kiser)에 의한 Welding Metallurgy and Weldability of Nickel - Base Alloys (John Wiley & Sons, 2009), 특히, 챕터 4 참조. 이러한 인용의 전체 내용들이 모든 목적들을 위해 인용에 의해 본원에 포함된다.
이러한 상당량의 연구에도 불구하고, 초합금 구성요소들의 결합 또는 수리에 대해 문제들이 여전히 발생한다. 전형적으로, 다른 접근법들의 단점들은 다른 문제들 중에서, 수리 중 또는 수리 후에 균열, 수리된 구성요소의 짧은 서비스 수명, 증가된 취성(brittleness)을 포함한다. 이에 따라, 당 분야에서, 초합금 터빈 구성요소들의 수리를 위한 개선된 방법들 및 재료들에 대한 요구가 존재한다.
본원에 설명된 필러(filler) 합금들은 비교적 저온으로 수리들이 실행될 수 있는 Ni-Ti-Cr의 준 3원 공정 조성(composition)을 활용하며, 이에 의해 수리 프로세스 중 균열의 문제를 감소 또는 제거한다. 또한, 본원에 설명된 필러 합금들의 일부 실시예들에 의해, 베이스 재료의 용체화 열처리(solution heat treatment)는 수리된 구역들의 균질화를 또한 유발하는 온도에서 발생한다. 게다가, 붕소(boron)는 본원에 설명된 필러 합금들에서 해로운 양들로 존재하지 않으며, 이에 의해 취성 붕소 화합물들의 형성과 종종 관련된 취성 등의 문제들을 제거한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 준 3원 공정의 조성은 수리된 구역의 균질화가 구성요소의 용체화 열처리 온도에서 발생하는 것을 허용하도록 조절된다. JMatPrO-4.0(Sente Software Ltd., Surry Technology Centre, UK로부터)에 의해 수행된 계산들은 대략적으로 화학식-1에서 부여된 바와 같은 조성을 갖는 3원 합금을 나타낸다.
Ni(x)-Ti(y)-Cr(z) 화학식-1
x, y, z가 실질적으로 하기 범위들(중량 %로)에서 선택된다면, 거의 1175℃에서 용융한다:
55 % ≤ x ≤ 65 % (1a)
15 % ≤ y ≤25 % (1b)
15 % ≤ z ≤ 25 % (1c)
(1a, 1b, 1c) 및 본 문헌 전체에 부여된 범위들은 고정되고 확실한 제한들로 의도되는 것이 아니라, 오히려 조성들의 실질적으로 정확한 설명을 제공하여, 일상적인 실험에 의해 판정될 수 있는 것과 같이 특정의 경우들에서 적당하게 조절되게 된다.
이 합금, 화학식-1은, 도 1에서 구역(101)으로 나타낸다. 상업적인 적용들의 예로서, 화학식-1은 합금 247C로부터 만들어진 구성요소들을 수리하는 능력을 갖는 것으로 도시되어 있다.
다른 실시예들은 수리에 영향을 미치는 준 3원 공정 및 베이스 재료의 혼합물들을 채용한다.
이에 따라 그리고 유리하게는, 이러한 이점 및 다른 이점은 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이 본 발명에 따라 성취된다.
도 1은 1277℃에서의 Cr-Ni-Ti 등온 프로젝션(isothermal projection)을 나타내는 3원 상태도이다.
도 2 및 도 3은 본원에서 설명된 재료들 및 처리들을 적용한 브레이즈 조인트(braze joint)들을 나타내는 현미경 사진들이다. 도 2는 좁은 갭 브레이징(gap brazing)의 예시인 반면, 도 3은 큰 갭 브레이징의 예시이다.
본 발명은 전형적으로 가스 터빈 구성요소들의 결합 및 수리를 위해 고강도 수리 조인트들을 만들기 위해 Ni + Cr + Ti의 준 3원 공정 필러 합금에 관한 것이다.
전형적인, 종래 기술의 필러 합금들은 필러 합금의 구성요소로서 붕소(B)를 포함한다. 이는, 붕소(B)가 가스 터빈 구성요소들에서 전형적으로 발견되는 원소(element)들과 취성이 있는 붕화물(boride)들을 형성하는 경향이 있기 때문에 수리된 구성요소의 기계적 특징들 및 수명을 감소시키는 경향이 있다. 또한, 균열(cracking)은 수리 프로세스 중 그리고 수리 프로세스 이후 양자 모두에서 종래 기술의 용접 필러 재료들이 갖는 문제이다.
본원에서 설명된 필러 합금들은, 비교적 저온에서 실행되는 수리들을 가능케 하는 준 3원 공정 조성을 활용하며, 이에 의해 수리 프로세스 중 균열의 문제를 감소 또는 제거한다. 또한, 본원에서 설명된 필러 합금들의 일부 실시예들에서, 용체화 열처리들이 수리 이후의 균질화(homogenization)를 위해 사용된다. 게다가, 붕소는 본원에서 설명된 필러 합금들에서 해를 미치는 양들로 존재하지 않으며, 이에 의해 취성 붕소 화합물들의 형성과 종종 관계되는 취성 등의 문제들을 제거한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 준 3원 공정 조성은 수리되는 구역의 균질화가 구성요소의 용체화 열처리 온도에서 발생하는 것을 허용하도록 조절된다.
도 1은 1277℃에서 Ni-Cr-Ti 의 3원 상태도(phase diagram for ternary)의 등온 섹션을 도시한다. 액상들은 구역(101)에 의해 나타낸다. 본 합금 조성의 특히 관심있는 조성들은 구역(100)에 의해 나타낸다. 이들 조성들은 약 1175℃ 초과 온도들에서 액체로 예상되며, 터빈 구성요소들의 수리에 유리하다. 이에 따라, 우호적인 조성들이 위에서 부여된 바와 같이 화학식-1에서 주어진다:
Ni(x)-Ti(y)-Cr(z) 화학식-1
여기서, 55 % ≤ x ≤ 65 %; 15 % ≤ y ≤ 25 %; 15 % ≤ z ≤ 25 %이며, 거의 1175℃에서 용융된다. 이러한 합금(화학식-1)은 도 1 상의 구역(100)에 의해 나타낸다.
상업적인 적용분야들을 갖는 예로써, 화학식-1은 합금 247C으로부터 만들어진 구성요소들을 수리하는 능력을 갖는 것으로 도시되어 있다.
표 1은 블레이드, 합금 247의 조성, 수리되는 조인트의 조성(양자 모두 중량%로 부여됨) 및 수리 후, 계산된 차이(델타(delta))를 도시한다. 표 1은 수리되는 조인트의 조성이 247 베이스 재료의 조성과 유사한 것을 보여준다. 그러나, 이는 이러한 경우들(본 예시와 같음)에서만 발생할 것이며, 여기서, 용체화 열처리 온도는 수리 위치를 실질적으로 균질화시킨다.
도 2 및 도 3은 합금 247 분말이 혼합되고 진공로(vacuum furnace)에서 2 시간 동안 1240℃의 용체화 처리가 후속하는 x=60%, y=20%, z=20%의 화학식 1의 준 3원 공정을 이용하는 대표적인 브레이즈 조인트들의 현미경사진이다. 도 2의 브레이즈 조인트는 좁은 갭 브레이징을 나타내는 준 공정 합금 만을 포함한다. 도 3의 브레이즈 조인트는 넓은 갭 브레이즈를 나타내는 247 분말 및 브레이즈 분말의 혼합물을 포함한다.
요약하면, 약 1150℃ 내지 약 1230℃의 범위의 계산된 용융 온도를 갖는 화학식 1의 조성은 유리한 필러 재료, 특히 1230℃에서 용체화 열처리된 합금 247에 유리한 것으로 도시된다. 따라서, 이러한 화학식 1 필러 재료가 합금 247 구성요소들에서 개방 크랙들에 적용될 때, 크랙들을 유리한 온도로 용융 및 충전할 것이다. 게다가, 합금 247의 2 시간 용체화 열처리가 수리된 구역을 균질화할 것으로 하기에 도시되어 있다.
본원에서 설명된 필러 재료들을 사용하는 전형적인 수리 프로세스는 하기와 같이 진행한다:
a) 구성요소의 수리 영역이 세정되고 준 3원 공정 필러 뿐만 아니라 베이스 재료가 일반적으로 분말, 와이어 또는 포일 형태로 충전된다.
b) 준 3원 공정 필러 합금은 수리되는 구성요소의 용체화 열처리 온도 미만의 용융 온도를 갖는다.
c) 수리 영역에 부가되는 준 3원 공정 필러 및 베이스 재료의 상대적 분율들은 열처리 후에 완전한 균질화에 대응하도록 조절된다.
d) 수리 영역에서의 준 3원 공정 필러 및 베이스 재료의 이러한 혼합물을 갖는 구성요소는 완전한 융접(fusion)을 성취하기 위해서 준 3원 공정의 용융점을 초과하여 열처리된다.
e) 준 3원 공정 용융물들 및 그의 원소들은 수리를 수행하는 구성요소와 베이스 재료 사이의 조성의 차이들에 기인하여 열처리 작업중 베이스 재료 내로 확산한다.
f) 또한, 용체화 열처리 단계는 균질한 처리로서 실행된다.
이에 반해, 전형적인 용접 프로세스들은 필러 재료의 동일 조성을 사용하지만, 더 높은 온도들(전형적으로, 대략 1450℃)이 포함될 수 있어, 냉각 중 균열이 종종 발생한다.
특정 실시예들이 상기 채용된 합금 247을 고려하면, 이는 본원에 설명된 재료들 및 프로세스들이 다른 합금들, 전형적으로 용체화 열처리 온도가 약 1200℃를 초과하는 합금들로 사용될 수 있음이 예상된다.
본 발명의 교시들을 포함하는 다양한 실시예들이 본원에서 상세하게 도시 및 설명되고 있지만, 당업자들은 이러한 교시들을 여전히 포함하는 다른 많은 변형된 실시예들을 용이하게 창작할 수 있다.
조성 247 수리* 델타
Cr 8 8.75 0.75
Co 9 7.92 -1.08
Ti 0.6 4.17 3.57
Al 5.4 4.50 -0.90
W 9.3 7.50 -1.80
Ta 3.1 2.50 -0.60
C 0.07 0.06 -0.01
Ni 64.53 64.61 0.08
* 100gm 247 +40gm 3원 분말

Claims (9)

  1. 니켈, 티타늄 및 크롬을 포함하며, 가스 터빈 구성요소들의 저온 결합 또는 수리에 적합한 약 1230℃ 미만의 용융 온도를 갖는,
    3원 합금.
  2. 니켈, 티타늄 및 크롬을 함유하며,
    상기 니켈은 대략 55 중량% 내지 대략 65 중량% 범위의 양으로 존재하며,
    상기 티타늄은 대략 15 중량% 내지 대략 25 중량% 범위의 양으로 존재하며,
    상기 크롬은 대략 15 중량% 내지 대략 25 중량% 범위의 양으로 존재하는,
    3원 합금.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 니켈은 대략 60 중량%의 양으로 존재하며,
    상기 티타늄은 대략 20 중량%의 양으로 존재하며,
    상기 크롬은 대략 20 중량%의 양으로 존재하는,
    3원 합금.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 합금에서 붕소는 실질적으로 존재하지 않는,
    3원 합금.
  5. 가스 터빈 구성요소를 수리 또는 결합하는 방법으로서,
    a) 수리되는 상기 구성요소의 영역을 세정하고 필러 재료 및 베이스 재료의 혼합물로 수리되는 상기 영역을 충전하는 단계를 포함하며,
    상기 필러 재료는 상기 베이스 재료의 용체화 열처리 온도 미만의 용융 온도를 가지며;
    상기 혼합물은 상기 구성요소의 열처리 이후에 완전한 균질화가 성취되도록 상기 필러 재료와 상기 베이스 재료의 상대적 분율들을 포함하고;
    b) 상기 필러 재료의 융융점을 초과하는 상기 구성요소 및 상기 혼합물을 용체화 열처리하여 이에 의해 융접 및 균질화를 성취하는 단계를 포함하는,
    가스 터빈 구성요소를 수리 또는 결합하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 필러는 Ni, Ti, Cr을 포함하는 준 3원 공정 합금(near ternary eutectic alloy)인,
    가스 터빈 구성요소를 수리 또는 결합하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 필러는 실질적으로 하기 조성(중량%): Ni (x) , Ti (y) , Cr(z)을 가지며,
    여기서, x, y, x는 실질적으로 총 100%로 선택되며, 각각은 실질적으로 하기 범위들: 55 % ≤ x ≤ 65 %; 15 % ≤ y ≤ 25 %; 15 % ≤ z ≤ 25 % 내에 있는,
    가스 터빈 구성요소를 수리 또는 결합하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 필러는 실질적으로 하기 조성(중량%): Ni(60%) + Ti(20%) + Cr(20%)을 갖는,
    가스 터빈 구성요소를 수리 또는 결합하는 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 베이스 재료는 합금 247인,
    가스 터빈 구성요소를 수리 또는 결합하는 방법.
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