KR20140142366A - 고온 적용을 위한 저융점 브레이즈 합금 - Google Patents

고온 적용을 위한 저융점 브레이즈 합금 Download PDF

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카짐 오즈바이살
제바스티안 피에게어트
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Abstract

약 1235 ℃ 미만 및 약 1150 ℃ 초과의 용융 온도를 가지는 다중 성분 브레이즈 충진재 합금이 개시된다. 이러한 합금은 약 1065 ℃ 이상의 온도에서 고온 정수압 프레싱(HIP)에 의해서 프로세싱될 수 있고, 가스 터빈 블레이드 및 베인의 수리에, 특히 합금 247로 제조된 가스 터빈 블레이드 및 베인의 수리에 특히 적합하다. 본 브레이즈 합금의 비교적 낮은 Ti 함량은, 특히 Zr 및/또는 Hf가 높은 다른 브레이즈 합금에 대비하여, 접합부 계면에서 적은 MC 탄화물을 생성하는 경향을 가진다.

Description

고온 적용을 위한 저융점 브레이즈 합금{LOW MELTING POINT BRAZE ALLOY FOR HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS}
본원 발명은 초합금 구성요소의 수리에 관한 것이고, 특히, 가스 터빈에서 사용되는 초합금 구성요소에 관한 것이며, 가장 특히 그러한 초합금 구성요소의 수리를 위한 저융점 브레이즈 합금에 관한 것이다.
초합금은 전형적으로, 온도가 재료의 융점에 접근할 때에도 기계적 및 화학적 성질 저하에 대해서 우수한 내성을 나타내는 고온 재료인 것으로 이해된다. Ni 초합금은 니켈(Ni)을 기초로 하고, 전형적으로 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 코발트(Co), 탄탈륨(Ta), 탄소C), 기타 등등과 같은 수많은 다른 원소들의 상당량을 포함한다. 초합금의 고온 성능은 항공기 터빈 엔진에서 그 초기의 용례를 발견하였다. 높은 동작 온도가 증가된 연료 효율 및 낮은 탄소 배출을 전형적으로 초래하기 때문에, 이로 인해서 또한 지상의 터빈 시스템에서의 이용 증가가 모색되고 있다. 예를 들어, Roger C. Reed,(Cambridge University Press, 2006, 특히 Chapter 1)의 초합금(Superalloys)을 참조할 수 있다. 이러한 참조물의 전체 내용은 모든 목적들을 위해서 여기에서 참조로서 포함된다.
그에 따라, 초합금이 많은 수의 항공 및 지상 터빈 시스템에서 이용되고 고온에서 동작됨에 따라, 증가하는 수의 블레이드, 베인 및 다른 구성요소에서 균열 및 수리를 필요로 하는 다른 형태의 재료 저하가 발생된다. 그러한 터빈 구성요소의 수리가 효과적으로 실행되어 수리된 구성요소가 원래의 구성요소의 성질과 가능한 한 근접한 성질을 가지는 것이 중요하다.
브레이징은, 수리하고자 하는 균열 내로 도입되고, 후속하여 가열되어 본드(bond)를 형성하는 또는 균열을 수리하는 충진재 재료의 이용을 기본적으로 포함하는 초합금 구성요소 내의 균열을 수리하기 위한 하나의 중요한 기술이다. 많은 브레이징 충진재 재료가 조사되었지만, 브레이징 합금 및 수리된 초합금 구성요소에서 요구되는 또는 바람직한 다른 특성 중에서, 수리된 구성요소 내에서 보다 양호한 구조적 성질을 생성하는 개선된 브레이징 충진재 재료에 대한 당업계의 요구가 존재하고, 수리된 구성요소 내에서 유해한 상(phase)의 형성을 줄이거나 회피하는 것이 요구되고, 성질의 심각한 저하 없이 후속 프로세싱에서 살아 남을 수 있는 수리된 구성요소에 대한 강건함이 요구되며, 브레이징 합금이 베이스 금속의 응고선(solidus) 아래의 온도에서 용융되는 것이 요구된다.
본원 발명의 하나의 목적은 베이스 재료의 용체화 열처리(solution heat treatment) 온도 근처의 융점을 가지는 브레이즈 합금을 제공하는 것이다.
발명의 다른 목적은 베이스 재료의 합금 성분을 포함하는 브레이즈 합금 조성을 제공하는 것이다.
본원 발명의 또 다른 목적은 브레이즈 사이트에서 탄화물의 형성을 감소시키는 브레이즈 합금을 제공하는 것이다.
부가적인 목적은 붕소 또는 규소와 같은 용례의 통상적인 융점 억제제(depressant)를 회피하는 것이다.
따라서 그리고 유리하게, 이러한 장점 및 다른 장점이 이하에서 구체적으로 설명되는 바와 같이 본원 발명에 따라서 달성된다.
도 1은 247 분말 및 브레이즈 합금 I의 혼합물과 함께 CM 247 초합금의 예시적인 큰 갭 브레이즈 계면을 도시한 현미경 사진이다.
도 2는 브레이즈 합금 I과 함께 CM 247 초합금의 예시적인 좁은 갭 브레이즈 계면을 도시한 현미경 사진이다.
베이스 금속의 조성 및 기계적 성질에 가까운 조성 및 기계적 성질을 달성하는 고온 수리 브레이즈 합금이 설명된다.
다른 브레이즈 충진재 재료, 합금 247 또는 In 738로부터 제조된 에어호일의 수리에서 베이스 금속 성질의 80%를 달성하는 것으로 주장되는(그러나, 본원 발명자들에 의해서 입증되지는 않았다), 예를 들어 Ni-Cr-Hf(니켈-크롬-하프늄) 및 Ni-Cr-Zr(니켈-크롬-지르코늄) 재료가 당업계에 공지되어 있다. 다른 공지된 브레이즈 충진재 합금은 붕소(B) 및 규소(Si)를 포함하는 저용융 접합 충진재 합금을 포함한다.
붕소는 브레이즈 합금에서 금기시되는데, 이는 붕소-함유 화합물은 접합부 또는 수리된 영역의 연성을 감소시키는 경향이 있기 때문이다. Ni-Cr-Hf 및 Ni-Cr-Zr 기판의 브레이즈 충진재 재료는, 전술한 바와 같이, 붕소를 필수적으로 포함하지 않으나 브레이즈 접합부에서 탄화물을 형성하는 경향이 있다.
여기에서 설명된 브레이즈 충진재 합금은 Ni-Cr-Ti(니켈-크롬-티타늄)을 주요 성분으로서 이용하나, 텅스텐(W), 망간(Mn), 탄탈륨(Ta), 코발트(Co), 및 알루미늄(Al)을 또한 포함한다. 이러한 재료의 첨가는, 비교적 적은 양의 Ti 및 실질적으로 모든 B를 배제하는 것과 조합하여, 당업계에 공지된 다른 브레이즈 재료 보다 우수한 증가된 강도를 초래한다.
합금 247은 가스 터빈 구성요소의 제조를 위한 중요한 재료이다. 설명을 구체화하기 위해서, 여기에서 합금 247 구성요소의 수리를 위한 특정 포뮬레이션(formulation) 및 공정을 제시하였다. 그러나, 여기에서 설명된 조성 및 공정은 본질적으로 합금 247으로 제한되지 않고, 일상적인 실험에 의해서 용이하게 결정될 수 있는 바와 같이 다른 합금의 수리를 위해서도 유리하게 이용될 수 있다.
이하의 조성은 합금 247과 함께 이용하기 위한 브레이즈 충진재 재료로서 유리한 것으로 확인되었다. 모든 백분율은 중량%이고 대략적인 것으로 의도된 것이고, 여기에서 인용된 값들 주위로 약간의 이탈된 값은 성능 또는 성질의 급격한 변화를 유발할 것으로 예상되지 않는다. 보다 정확한 적용성 범위는 일상적인 실험에 의해서 용이하게 결정될 수 있다.
브레이즈 합금 I:
Ni(XNi) - Cr(XCr) - Ti(XTi) - Al(XAl) - Co(XCo) - W(XW) - Mn(XMn) - Ta(XTa)
여기에서, 중량% Xz 은 이하의 범위 내에 대략적으로 위치된다:
Cr: XCr = 12% - 16%
Ti: XTi = 13% - 16%
Al: XAl = 0% - 2%
Co: XCo = 2% - 4%
W: XW = 3% - 5%
Mn: XMn = 0% - 2%
Ti: XTi = 0% - 2%
Ni: XNi = (나머지)
브레이즈 합금 I 에 대한 용융 온도는, 상업적으로 이용가능한 코드 JMatPro를 이용하여 연산된 바와 같이, 약 1150 ℃ 내지 약 1250 ℃ 범위 이내가 되는 것으로 계산되었다.
브레이즈 합금 I의 조성은 몇 가지 이유로 247 구성요소의 수리에 유리하다. 첫 번째로 합금 247은 약 1235 ℃에서 통상적으로 열처리된다. 그에 따라, 합금 247에 적용될 때, 브레이즈 합금 I은 열처리 온도 근처에서 용융되고 균열을 충진할 것으로 예상된다. 용체화 열처리 온도 보다 높은 용융 온도를 가지는 다른 충진재 재료는 접합부에서 균열을 유발하는 경향을 가진다.
또한, 브레이즈 합금 I이 채용될 때 수리 영역들이 균질화되도록 하기 위해서, 블레이드 재료 247에 대한 통상적인 2 시간의 용체화 열처리가 예상된다.
합금 247의 균열을 수리하기 위해서 브레이즈 합금 I을 이용하여, 만족할만한 결과로, 실험실 연구를 실시하였다.
도 1은 2 시간 동안 약 1225-1250 ℃의 온도에서 브레이즈된, 브레이즈 합금 I을 이용한 큰 갭 브레이즈 접합부의 현미경사진을 도시한다. 브레이즈 합금 I 분말과 합금 247의 혼합물을 이용하여 도 1에 도시된 큰 갭을 충진하였다. 브레이즈 합금 I은 의도된 온도 범위에서 용융되고, 공기호일 균열을 시뮬레이팅하기 위해서 사용된 홈을 충진하였고, 그리고 합금 247 블레이드 재료의 2개의 표면을 접합하였다.
도 2는 합금 247 블레이드 재료 내의 균열의 좁은 갭 브레이즈의 현미경 사진이다. 도 2에 도시된 균열이 좁기 때문에, 브레이즈 합금 I을 합금 247 분말과 혼합할 필요가 없었다. 도 2에 도시된 접합부는 브레이즈 합금 I을 블레이드 상의 좁은-갭 균열에 도포하는 것에 의해서, 그리고 이어서 약 1225-1250 ℃에서 2 시간 동안 브레이즈하는 것에 의해서 달성되었다.
비록 본원 발명의 교시 내용을 포함하는 여러 가지 실시예를 여기에서 구체적으로 도시하고 설명하였지만, 당업자는 이러한 교시 내용을 여전히 포함하는 많은 여러 가지 다른 실시예를 용이하게 안출할 수 있다.

Claims (12)

  1. 다중 성분 브레이즈 합금이며,
    베이스 재료의 용체화 열처리 온도와 대략적으로 동일한 용융 온도를 가지는 다중 성분 브레이즈 합금.
  2. 다중 성분 브레이즈 합금이며,
    약 1235 ℃ 미만 및 약 1150 ℃ 초과의 용융 온도를 가지는 다중 성분 브레이즈 합금.
  3. 다중 성분 브레이즈 합금이며,
    베이스 재료 내에 존재하는 합금 성분 중 하나 이상을 포함하는 다중 성분 브레이즈 합금.
  4. 다중 성분 브레이즈 합금이며,
    Ni, Cr, Ti, Al, Co, W, Mn, 및 Ta 원소의 합금을 포함하는 다중 성분 브레이즈 합금.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 합금은 실질적으로 이하의 중량% 조성을 가지며: Ni(XNi) - Cr(XCr) - Ti(XTi) - Al(XAl) - Co(XCo) - W(XW) - Mn(XMn) - Ta(XTa), 여기에서, 중량% Xz 은 실질적으로 이하의 범위 내에 있는:
    XCr = 12% - 16%
    XTi = 13% - 16%
    XAl = 0% - 2%
    XCo = 2% - 4%
    XW = 3% - 5%
    XMn = 0% - 2%
    XTi = 0% - 2%
    XNi = (나머지)인,
    브레이즈 합금.
  6. 실질적으로 합금 247로 제조된 구성요소 내의 균열 또는 결함을 수리하기 위한 방법이며,
    (a) 실질적으로 이하의 중량% 조성을 가지는 일정 양의 브레이즈 합금을 상기 균열 또는 결함에 도포하는 단계로서: Ni(XNi) - Cr(XCr) - Ti(XTi) - Al(XAl) - Co(XCo) - W(XW) - Mn(XMn) - Ta(XTa), 여기에서, 중량% Xz 은 실질적으로 이하의 범위 내에 있는:
    XCr = 12% - 16%
    XTi = 13% - 16%
    XAl = 0% - 2%
    XCo = 2% - 4%
    XW = 3% - 5%
    XMn = 0% - 2%
    XTi = 0% - 2%
    XNi = (나머지)인, 브레이즈 합금을 도포하는 단계; 및
    (b) 상기 균열 또는 결함 내에 상기 브레이즈 합금을 가지는 상기 구성요소를 약 1225 ℃ 내지 약 1250 ℃ 범위의 온도에서 브레이즈하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제6항의 방법에 의해서 수리된 균열 또는 다른 결함을 가지는 수리된 합금 247 구성요소.
  8. 제1항의 브레이즈 합금으로 충진된 공극을 내부에 가지는 초합금 구성요소.
  9. 제2항의 브레이즈 합금으로 충진된 공극을 내부에 가지는 초합금 구성요소.
  10. 제3항의 브레이즈 합금으로 충진된 공극을 내부에 가지는 초합금 구성요소.
  11. 제4항의 브레이즈 합금으로 충진된 공극을 내부에 가지는 초합금 구성요소.
  12. 제5항의 브레이즈 합금으로 충진된 공극을 내부에 가지는 초합금 구성요소.
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