KR20150008487A - 니켈 베이스 초합금 컴포넌트들의 레이저 첨가제 수리 - Google Patents

니켈 베이스 초합금 컴포넌트들의 레이저 첨가제 수리 Download PDF

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카짐 오즈바이살
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

비교적 다량의 Al 및 Ti를 포함하는 Ni 베이스 초합금 컴포넌트들은, 균열 없이 용접 빌드 업 프로세스에 의해 빌드 업 하기가 어렵다고 알려져 있다. 강도를 개선시키기 위해 초합금의 Al 및 Ti 함량이 증가되기 때문에, 균열에 대한 민감성이 증가된다. 본원에서는, 첨가제 빌드 업 재료에서 γ' 페이즈를 감소시키는 것이 균열에 대비한 강건성을 개선시킴이 나타난다. 존재하는 γ'을 감소시키고 그렇게 함으로써 균열을 감소시키기 위해, 첨가제 빌드 업 프로세스와 협력하여 사용될 단계적인 제어된 가열 및 냉각 프로세스가 설명된다.

Description

니켈 기반 초합금 컴포넌트들의 레이저 첨가제 수리{LASER ADDITIVE REPAIRING OF NICKEL BASE SUPERALLOY COMPONENTS}
우선권 주장
본원은 35 U.S.C. § 111 (a)에 따라 출원된 특허 출원이고, 그리고 35 U.S.C. § 119에 따라, 2012년 5월 11일자로 출원된 가 특허 출원 시리얼 번호 61/645,863을 우선권으로 주장한다. 본 출원은 2012년 6월 6일자로 출원된 출원 시리얼 번호 13/489,863의 일부계속출원이고(2011년 11월 7일자로 출원된 가 특허 출원 61/556,395를 우선권으로 청구함), 그리고 35 U.S.C. § 120 및/또는 § 365에 따라 출원 시리얼 번호 13/489,863을 우선권으로 청구한다. 본 출원은 또한 공동으로 소유된, 2012년 9월 12일자로 출원된 출원 시리얼 번호 13/611,034를 인용에 의해 통합한다. 전술된 미국 출원들의 전체 내용들은 본원에 인용에 의해 모든 목적들을 위해 통합된다.
본 발명은 초합금 컴포넌트(superalloy component)들의 수리, 재성형 및 클래딩(cladding)에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 균열에 대한 민감성을 감소시키기 위하여 유지 및 냉각 프로세스(hold and cool process)를 사용하는, 비교적 다량의 알루미늄(aluminum) 및/또는 티타늄(titanium)을 포함하는 니켈 베이스 초합금 컴포넌트(nickel base superalloy component)들의 용접 빌드 업(weld build up), 그리고 그렇게 생산된 재료들에 관한 것이다.
니켈 베이스 초합금들(니켈 기반 또는 니켈-기반으로서 또한 알려짐)은, 심지어 온도들이 재료들의 녹는점들에 접근할 때에도, 특성들의 기계적 및 화학적 열화에 훌륭한 저항을 나타내는 고온 재료들이다. Ni 베이스 초합금들은 니켈(Ni)에 기초하고, 그리고 통상적으로, 그 중에서도, 크롬(chromium)(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(tungsten)(W), 코발트(cobalt)(Co), 탄탈륨(tantalum)(Ta), 탄소(C)와 같은 많은 다른 원소들을 포함한다. 그러한 고온 초합금들은 에어크래프트 터빈 엔진(aircraft turbine engine)들에 조기에 적용되었다. 더 높은 동작 온도가 통상적으로 증가된 연료 효율성 및 더 낮은 탄소 방출들을 유도하여, 초합금들로 하여금, 그라운드-베이스들 터빈 시스템(ground-bases turbine system)들에서 또한 더욱더 사용되게 한다. 예컨대, Roger C. Reed에 의한 The Superalloys(Cambridge University Press, 2006, 특히 Chapter 1)을 보라. 이러한 인용(reference)의 전체 내용들은 본원에 인용에 의해 모든 목적들을 위해 통합된다.
Ni 베이스 초합금들의 Al 및 Ti 함량은, 고온 강도를 개선시키기 위하여, 그러나 그러한 재료들의 용접 또는 용접 빌드업 때 난제들을 도입시키는 대가를 지불하며, 통상적으로 증가된다. 일반적으로, Ni 베이스 초합금의 증가된 Al 및/또는 Ti 함량은 용접 또는 용접 빌드 업 동안 균열에 대한 재료의 민감성을 증가시킨다. 위에서 언급된 본 분야에서 우리의 이전 작업은 그러한 초합금들의 용접 수리에서의 개선을 다루었다. 본 작업은, 그렇게 구성된 재료들의 균열에 대한 민감성을 감소시키면서, 재료의 용접 빌드 업의 관련 문제점을 다룬다.
따라서, 기술분야에서는, 특히 비교적 다량의 Al 및/또는 Ti를 포함하는 그러한 초합금들에 대해, 용접 빌드 업 프로세스, 통상적으로 레이저 첨가제 수리 프로세스(laser additive repair process)에 의해 Ni 베이스 초합금 재료들을 빌드 업하기 위한 개선된 방법들에 대한 필요가 존재한다.
본원에 설명된 프로세스들의 하나의 목표는, 프로세스의 어떠한 단일 냉각 및 유지 부분에서도 약 20% γ' 이하 페이즈(phase)를 생산하고 뿐만 아니라 최종 상온 재료에서도 약 20% γ' 이하 페이즈를 생산하기 위하여, 재료의 가열 및 제어된 단계적 냉각에 의해, 파우더(powder)로부터 Ni 기반 초합금 재료들의 빌드 업을 위한 프로세스를 제공하는 것이다.
다량의 Al 및 Ti 함량들을 갖는 니켈 베이스 초합금들은 용접 빌드 업하기에 어렵다고 알려져 있다. 컴포넌트 고온 강도를 개선시키기 위해 초합금의 Al 및 Ti 함량이 증가됨에 따라, 컴포넌트의 용접성은 대폭 감소된다. 본 발명의 몇몇 실시예들은, 제어된 단계 냉각 및 유지 프로세스를 통해, Al 및 Ti의 γ 및 γ'로의 원소 분리(elemental partitioning)를 사용한다. 단계 냉각 및 유지 프로세스의 시간-온도 프로토콜(time-temperature protocol)은, 용접성을 개선시키기 위하여 Al 및 Ti로부터 γ을 고갈시키도록 선택된다. 용접 빌드 업에서 γ의 Al 및 Ti 함량이 약 20% 이하의 γ'의 용접 가능 구역으로 감소될 때, 제어된 단계 냉각 및 유지 프로세스가 규칙적 용접 아르곤 냉각(regular weld argon cooling)으로 교체된다.
본원에 설명된 프로세스들은, Al 및 Ti로부터 γ를 고갈시키기 위하여 그리고 그렇게 생산된 재료에서 균열에 대한 민감성을 감소시키기 위해, 유지 및 냉각 프로세스 동안 Al 및 Ti의 원소 분리를 제공한다.
따라서 그리고 유리하게, 이러한 그리고 다른 장점들은, 아래에 상세히 설명되는 바와 같은 본 발명에 따라 달성된다.
도 1은 Ti 및 Al 함량의 함수로서 몇몇 초합금들의 용접성의 그래픽적인 묘사(graphical depiction)이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 유지 및 냉각 프로세스들의 세부사항들의 그래픽적인 묘사들이고:
(2A) Ni-Al 의사 이원 페이즈 다이어그램(pseudo binary phase diagram)으로부터 완전한 페이즈 평형(full phase equilibrium)에서의 원소 분리.
(2B) 단계 냉각 및 유지 프로세스로 인한 TTT(시간-온도-변환) 다이어그램의 시프트(shift).
(2C) Al 및 Ti의 분리 동안 각각의 유지 온도에서 용접된 인터페이스(interface)의 예상되는 스트레스 완화.
(2D) 분리로 인한 무 균열 구역에 대한 합금 247의 컴포지션(composition)의 시프트.
도 3은 미리 배치된 파우더를 이용하여 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 유지 및 냉각 프로세스를 수행하기 위한 통상적인 장치의 개략적인 묘사이다.
도 4는 동시에 배치된 파우더를 이용하여 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 유지 및 냉각 프로세스를 수행하기 위한 통상적인 장치의 개략적인 묘사이다.
본원에 주어진 모든 퍼센티지(percentage)들은, 그렇지 않다고 특정되지 않는 한 중량 퍼센트(weight percent)이다.
Ti 및 Al는 통상적으로, 컴포넌트의 고온 강도를 증가시키기 위해, 그러나 만족스러운 용접들 또는 용접 빌드 업들을 생산하는 어려움을 대폭 증가시키는 단점을 가진 채로, Ni 베이스 초합금들에 첨가된다. 언어의 경제를 위해, 우리는 이후에, 비교적 높은 Al, Ti 함량을 갖는 Ni 베이스 초합금을 간단히 "Ni 베이스 초합금들" 또는 "Ni 초합금들"로 지칭한다. 그러한 Ni 초합금들을 이용하여 통상적으로 생산되는 용접들 또는 용접 빌드 업들은, 용접 또는 빌드 업 프로세스 동안에든 또는 이러한 재료들을 수반한 후속 수리 단계들에서든, 균열에 민감하다. Ni 베이스 초합금들의 용접성 및 균열에 대한 그들의 민감성에 영향을 끼치는 요인들의 상세한 연구를 수반한 (위에서 언급된) 본 발명자들에 의한 이전 작업은, 일반적으로 약 20 중량 퍼센트 미만의 양으로 존재하는 γ' 페이즈가 균열에 대한 받아들일 수 없는 민감성이 없는 용접성을 표시한다는 결론을 본 발명자들이 내리도록 유도했다. 약 60%를 초과하는 γ' 함량은 일반적으로 비 용접성(즉, 변형 시효 균열에 대한 민감성)을 표시하고, 반면에 중간 γ' 값들은 통상적으로 어렵고 값비싼 용접을 표시한다. 첨가제 또는 용접 빌드 업 프로세스들에 대해 실질상 동일한 결론들이 도출될 수 있다. 즉, 약 20 중량 퍼센트 미만의 양으로 존재하는 γ' 페이즈는 균열에 대한 받아들일 수 없는 민감성이 없는 용접 빌드 업을 표시한다. 약 60%를 초과하는 γ'는 일반적으로, 균열에 대한 받아들일 수 없는 민감성을 갖는 용접 빌드 업을 표시한다.
레이저 빔 용접 빌드 업(빌드-업 용접 또는 빌드 업 용접으로 또한 불림)에 의한 첨가제 제조는 플라즈마 빌드 업 용접(plasma build up welding)뿐만 아니라 플라즈마 스프레잉(plasma spraying)과 비견할만하다. 우리의 설명에서 구체적이 되도록, 우리는 본원에서, 레이저 빔이 원해지는 대로 재료를 가열시키기 위한 지향된 에너지를 제공하는 중요한 현실적인 경우를 논의한다. 이것은, 기술분야의 당업자들에 명백할 바와 같이, 그 중에서도, 플라즈마, 제2 레이저, 전자 빔과 같은 지향된 에너지의 다른 소스(source)들을 배제시키는 것이 아니다. 그러나, 언어의 경제를 위해, 우리는 모든 그러한 첨가제 빌드 업 프로세스들을, 레이저 첨가제 프로세스들 또는 레이저 용접 빌드 업 또는 동등한 언어로 지칭한다.
(위에서 언급된) 본 발명자에 의한 이전 작업은, Ni 베이스 초합금들의 용접에서 균열을 감소시키는 것에 초점을 맞추었다. 본원에 설명된 작업은 재료의 층(통상적으로, 두께가 약 1밀리미터(millimeter)(㎜) 내지 약 50㎜임)의 첨가제 빌드 업에 관한 것이다. 본 논의는, 유리한 용접 특징들, 즉 균열에 대한 감소된 민감성을 갖는 수리 빌드 업(통상적으로, 1-50㎜ 두께)에 관한 것이다. 따라서, 본 설명은 유리한 용접 특성들을 갖는 Ni 베이스 초합금 재료 또는 컴포넌트의 제작에 관한 것이다. 기술분야의 당업자에게 명백한 무수한 애플리케이션(application)들에서의 사용을 위해 그러한 재료들 또는 컴포넌트들이 제작될 수 있음이 예상된다.
도 1은 Al 및 Ti 함량의 함수들로서 통상적인 Ni 베이스 초합금들의 용접성의 그래픽적인 묘사이다. 도 1에서 라인(line)(100) 위에 놓인 그러한 합금들은 일반적으로 용접 가능하지 않은 것으로 간주되고, 따라서 용접 빌드 업을 받아들이지 못한다. 실제, 이것은 통상적으로, 라인(100) 위의 컴포지션들을 갖는 재료들이 퓨전 존(fusion zone)(FZ)에서 변형 시효 균열에 민감한 재료들을 생산함을 의미한다. 따라서, 상업적 장비에 있는 그러한 컴포넌트들이 수리를 요구할 때마다, 상기 컴포넌트들은 통상적으로 수리되기보다는 교체되는데, 그 이유는 균열에 대한 민감성이 많은 비율(fraction)의 실패된 수리들을 야기할 것이기 때문이다.
존재하는 다양한 페이즈들의 비율로의 도 1에 주어진 컴포지션들의 변환은, 용접 가능하지 않은 합금들이 일반적으로, 그들의 최종 구조에서 약 60%를 초과하는 γ' 페이즈를 가짐을 나타낸다. 대조적으로, 도 1에 묘사된 용접 가능 Ni 베이스 초합금들은 일반적으로 그들의 최종 구조에서 약 20% 미만의 γ' 페이즈를 갖는다 ―도 1에서 라인(101) 아래―. 그러므로, 약 20% 미만의 γ'를 갖는 Ni 베이스 초합금들이 FZ에서 해로운 양들의 변형 시효 균열 없이 용접 가능할 것임이 예상된다.
낮은 녹는점 원소들을 포함하는 알갱이 경계들의 존재로 인해, 고 강도 Ni 베이스 초합금들에서 열 영향 존(HAZ:heat affected zone) 균열이 발생한다. 따라서, 레이저 빌드 업 동안에 입력되는 많은 열이 큰 HAZ를 생성하고, 그리고 알갱이 경계들에서의 녹음으로 인해 다량의 HAZ 균열을 야기한다. 이것은, 레이저 빔이 통상적으로 파우더 증착 동안 베이스 금속과 상호작용하는 이전 빌드 업 프로세스들에서 흔한 문제점이다. 따라서, 초합금들의 첨가제 빌드 업 분야에서 중요한 문제점은, 특히 가스 터빈 컴포넌트들을 위한 초합금들의 중요한 상업적 사용에 관해, 무 균열의, 거의 100% 베이스 금속 레이저 빌드 업을 생산하는 것이다. 본원에서 상세히 설명된 바와 같이, 본 프로세스들의 하나의 장점은, 비교적 작은 HAZ, 통상적으로는 약 100㎛ 이하의 HAZ(㎛ = 마이크론(micron) = 10-6미터(meter))의 생성에 관한 것이다.
도 3에 개략적으로 묘사된 바와 같이, 본 발명의 용접 장치(200)의 통상적인 실시예들은, 컴포넌트 기판(201)을, 비활성 분위기(inert atmosphere)(220)를 포함한 챔버(chamber)(210) 안으로 배치하는 것, 그리고 움직이는 레이저(240)의 앞에서 녹을 파우더(230)를, 상기 파우더(230)와 실질상 동일한 컴포지션을 갖는 기판(201) 상에 미리 증착하는 것을 포함한다. 도 4에 묘사된 바와 같이, 다른 실시예들은, 레이저(240) 에너지(dQ)의 적용 이전 그리고/또는 이후 파우더(230)의 동시 증착을 포함한다. 우리의 설명에서 구체적이 되도록, 우리는 도 3에 묘사된 미리 배치된 파우더의 예를 가장 상세히 설명하고, 그렇게 함으로써 동시 파우더 배치(도 4)를 다루기 위한 수정들이, 기술분야의 당업자에게 명백한, 미리 배치된 파우더에 대해 설명된 기술들의 수정들임이 이해된다.
통상적인 용접 빌드 업 프로세스들과 대조적으로, 본원에 설명된 프로세스들은 다음의 단계들 중 몇몇 또는 전부를 포함한다:
a: 파우더(230)를 컴포넌트 기판 또는 기판(201) 상에 미리 배치하는 단계 ―여기서, 동일한 컴포지션의 빌드업이 원해지고, 파우더 및 기판 둘 다는 실질상 동일한 컴포지션을 가짐― (도 3), 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 움직이는 레이저 빔(242)(또는 다른 지향된 에너지 빔) 앞뒤에 파우더를 놓는 단계.
b: 미리 배치된 파우더(230)를 약 섭씨 1200도를 초과하여 가열하는 단계.
c: 열 영향 존(크기가 약 100 마이크론 미만의 HAZ)을 생산하기 위하여, 레이저(240)가 미리 배치된 파우더(230)를 녹이는 단계.
d: 응고된 파우더(250)의 냉각에서 각각의 냉각 단계 동안 알려진 비율의 γ'을 생산하는 단계, 그 결과;
e: 퓨전 존(FZ) 균열 민감성을 감소시키기 위해 Al 및 Ti를 γ와 γ' 사이로 분리하는 단계.
이러한 프로시저(procedure)들은, 일반적으로 변형 시효 균열 및 초기 녹음을 제거할 때 완전히 성공적이지 않은, 초합금들에 대한 종래의 빌드 업 기술들보다 개선을 나타낸다. 균열을 방지하기 위해, 몇몇 이전 기술들은 경납땜과 같은 더 낮은-온도 방법을 사용하지만, 이것은 통상적으로 강도를 낮추는 단점을 갖는다.
거의 모든 흔히 사용되는 레이저 빌드 업 프로세스들은 베이스 재료와 레이저 빔의 상호작용을 포함한다. 이러한 프로세스는 HAZ로 하여금 크게 되게 하고, 알갱이 경계 균열에 대한 베이스 금속의 민감성을 증가시킨다. 본 발명의 몇몇 실시예들은 컴포넌트와 동일한 또는 유사한 컴포지션의 파우더를 컴포넌트의 표면 상에 미리 배치하고, 여기서 빌드 업은 약 1.0㎜ 내지 50㎜(밀리미터)의 두께까지 필요로 된다. 파우더 크기는 통상적으로 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 범위에 있다.
이러한 미리 배치된 파우더는 비활성 분위기 하에서 제1 열원을 이용하여 약 섭씨 1200도까지 가열되고, 실질상 모든 γ' 페이즈를 용해시키기 위해, 그 온도에서 최소 5분 동안 유지된다. 도 3에 묘사된 바와 같이 이러한 제1 열원으로서 인덕션 코일(induction coil)(260)이 유리하게 사용될 수 있다. 이것은 예시로서 있고, 제한이 아닌데, 그 이유는 기술분야의 당업자에게 명백할 바와 같이 다른 제1 열원들이 또한 사용될 수 있기 때문이다.
레이저 빔(242)을 생성하는 레이저(240) 또는 다른 지향된 에너지 소스와 같은 제2 열원이 미리 배치된 파우더(230)를 스캐닝(scanning)하고 파우더를 가열한다. 따라서, 도 3a에 묘사된 바와 같이 파우더(230)는 녹고 특정한 제1 깊이(250)까지 응고된다. 지나치게 큰 HAZ를 생산하는 것을 방지하기 위해, 레이저 전력(dQ)은, 미리 배치된 파우더를 녹이고 응고시키는데 1보다 많은 레이저 스캔이 통상적으로 요구되도록, 유리하게 조정된다. 즉, 레이저 전력(dQ)은, 미리 배치된 파우더(230)의 녹이기 프로세스가 완료될 때 베이스 금속에 대한 비교적 소량의 희석이 발생하도록 조정되고, 적은 희석은 작은 HAZ를 의미함이 이해된다.
도 3은 미리 배치된 파우더(230)(도 3) 및 동시 배치된 파우더(230)(도 4)에 대한 통상적은 녹이기 장치(201)의 개략적인 묘사이다. 미리 배치된 파우더(230)는, 완전히 강력한 레이저 빔(242)이 기판(201) 베이스 금속과 상호작용하고 큰 HAZ를 유발하는 것을 방지한다. 파우더(230)를 예열하는 것은 FZ 균열들을 감소시키는 것을 목표로 한다. 파우더(230)를 미리 배치하는 것은, 레이저 빔(242)이 기판(201) 베이스 금속과 상호작용하는 것을 방지하는 것, 그리고 알갱이 경계 균열을 감소시키는 것을 목표로 한다.
도 4에서, 미리 배치된 파우더(230)의 얇은 층이 인덕션 예열기에 의해 대략 섭씨 1200도까지 가열되고, 그리고 일단 레이저가 스캐닝을 시작하면, 미리 배치된 파우더의 추가적인 가열이 발생한다. 부가적인 파우더(232)가 움직이는 레이저 앞뒤에 지속적으로 미리 배치되는 동안, 레이저 빔(242)이 이러한 미리 배치된 파우더(230) 위에서 움직이고 이러한 미리 배치된 파우더(230)를 녹여, 상기 미리 배치된 파우더(230)가 베이스 재료에 퓨징(fusing)된다. 프로세스는 원해지는 대로 파우더의 많은 층들만큼 반복된다. 도 4에 개략적으로 묘사된 이러한 실시예는 마찬가지로, 파우더(230)를 가격하지만 기판을 가격하지 않는 레이저 빔(242)의 개념을 사용한다.
미리 배치된 파우더(230)(도 3) 위에서의 제1 패스(pass)에서, 미리 배치된 파우더의 상단 부분만이, 통상적으로는 패스마다 몇 마이크론만이 녹는다(250). 뒤를 잇는 패스들은, 기판(201) 베이스 금속과 접촉하는 최종 층이 녹고 퓨전이 달성될 때까지, 유사한 두께들을 갖는 층들(252)을 녹인다. 이러한 방법은 HAZ 두께를 크게 감소시키는데, 그 이유는 기판(201) 베이스 금속과 레이저 빔(242)의 직접 접촉이 실질상 감소되기 때문이다.
일단 미리 배치된 파우더(230)에 대한 녹이기 프로세스가 완료되고 녹은 파우더가 섭씨 1200도 이상의 온도까지 응고되면, 응고된 파우더(250)는 그 온도에서 최소 일분 유지되고, 그 뒤에 유지 및 냉각 프로세스가 이어진다.
유지 및 냉각 프로세스는, 결합시키기(joining) 및 빌드 업 프로세스 동안 언제라도 20% 이하의 γ' 포메이션(formation)을 달성하기 위해 완전한 열역학 페이즈 평형에서 Al 및 Ti의 γ 및 γ'로의 원소 분리를 사용한다. 프로세스는 Al 및 Ti로부터 γ를 고갈시킨다. 변형 시효 균열(FZ 균열)을 방지하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 SCH(단계적 유지 및 냉각) 프로세스의 끝에서 최종 γ 컴포지션이 용접 가능 구역으로 움직여 진다.
도 2는 본원에 설명된 프로세스들을 이용하여 레이저 빌드 업 되는 고 강도 Ni 베이스 초합금들에 대한 야금 반응들의 개략적인 묘사이다. 레이저 녹이기 동작이 완료될 때, 열원(예컨대, 도 3의 인덕션 코일(260), 또는 유사한 열원)은 사용할 수 있고 다음의 프로세스가 활용된다.
a. T1에서 1-3분 동안 유지.
b. T2까지 냉각 그리고 2-15분 동안 유지: 20% 미만의 γ'를 생산
c. T3까지 냉각 그리고 2-30분 동안 유지: 20% 미만의 γ'를 생산
d. T4까지 냉각 그리고 0.1-2시간 동안 유지: 20% 미만의 γ'를 생산
..
..
..
..
Tn까지 냉각 그리고 1-20시간 동안 유지(n=l-20): 20% 미만의 γ'를 생산
약 20% 미만인 최종 γ' 함량을 생산하기 위해 상온까지 냉각.
본 발명의 몇몇 실시예들이, 통상적으로 그들의 상온 구조에서 약 20%를 초과하는 γ'를 갖지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 각각의 유지 및 냉각 단계에서 약 20% 미만의 γ'를 야기하는 고온 니켈 베이스 초합금들의 레이저 빌드 업을 위해 사용될 수 있음이 예상된다. 이러한 용접 가능하지 않은 초합금들은, 도 1에서 용접 가능하지 않은 라인(100) 위에 열거되지만, 용접 가능 구역에 더 가까이 놓이도록 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라 개선된 각각의 초합금을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 유리하게 두 개의 열원들을 사용한다. 도 3에 개략적으로 묘사된 바와 같이, 제1 열원, 통상적으로 레이저 빔(240) 또는 다른 지향된 에너지 빔이 미리 배치된 파우더를 녹이는데 사용된다. 제2 열원은, 증착된 파우더를 예열하기 위해 그리고 프로세스의 제어된 냉각 및 유지 부분을 위해 사용된다. 이러한 제2 열원은 편리하게, 도 3 및 도 4에 묘사된 바와 같이 인덕션 코일(260)이 되도록 취해지지만, 다른 가열 소스들이 배제되는 것은 아니다. 이러한 인덕션 코일(260) 또는 다른 제2 열원은, 어떠한 유지 온도에서도 γ로부터 20% 또는 그 미만의 γ'를 생산하기 위하여, 용접 빌드 업의 온도를 조정한다. Al 및 Ti의 γ 및 γ'로의 원소 분리는, 사용된 프로세싱 조건들로부터, 이용가능한 열역학 데이터를 사용하여 계산된다. 조건들은, 어떠한 유지 온도에서도 최대 20% γ' 포메이션을 생산하도록 선택된다. 20% γ'에 도달하기 위한 유지 시간들은, 펜실베니아 피츠버그 Sente Software, Inc.를 통해 이용가능한 JMatPro 열역학 소프트웨어를 통해 이용가능한 것들과 같이, γ-γ' 시스템의 알려진 페이즈 변환 동역학들로부터 계산된다.
따라서, 간단히 진술되면, 본 발명의 몇몇 실시예들은, 예컨대 가스 터빈 컴포넌트들 상의 실질상 무 균열의, 거의 100% 베이스 금속 빌드 업의 빌드 업에서 유용할 바와 같이, 일반적으로 용접 가능하지 않은 것으로 간주되는 Ni 베이스 초합금 재료들의 레이저 빌드 업에 관한 것이다.
본원에 설명된 용접 프로세스는 단계 냉각 및 유지 프로세스를 통해 Al 및 Ti의 γ 페이즈 및 γ' 페이즈로의 원소 분리를 사용한다. 이것은 제어된 방식으로 Al 및 Ti로부터 γ 페이즈를 고갈시키고, 용접성을 개선시켜, 통상적으로 낮은 중량%의 γ'가 달성된다. 결합부(joint)에서 스트레스가 완화된 γ의 Al 및 Ti 함량이 용접 가능 값들까지 감소될 때, 단계 냉각 및 유지 프로세스가 종료되고, 그리고 통상적인 용접 아르곤 냉각으로 교체된다.
본 발명의 통상적인 실시예들은 두 개의 열원들을 사용한다. 하나의 열원(제1 열원)은 통상적인 용접 프로세스에서와 같이 녹이기/결합시키기를 위해 사용된다. 레이저 열원(240)이 유리하게 이러한 제1 열원으로서 사용되지만, 그 중에서도, 아크(arc)들, 방전들, 전자 빔들, 입자 빔들과 같은 다른 열원들이 본질적으로 배제되는 것은 아니다.
다른(제2) 열원은, 미리 포지셔닝(positioning)된 파우더의 초기 가열을 위해 그리고 프로세스의 유지 및 냉각 부분을 위해 사용된다. 이러한 제2 열원은 어떠한 등온성(isothermal) 유지 온도에서도 약 20% 이하의 γ'를 생산하기 위해 결합부의 등온성 유지 온도를 조정한다. 인덕션 열원(260)이 유리하게 이러한 제2 열원으로서 사용되지만, 다른 열원들이 본질적으로 배제되는 것은 아니다. 물론, 예컨대 도 4에 묘사된 바와 같이, 파우더(230)가 녹이기 단계와 동시에 증착될 때, 예열 온도는 정확하게 알려져 있지 않다. 그러나, 심지어 파우더의 동시 증착에 대해, 미리 배치된 파우더는 신속하게, 기판(201)의 나금속(bare metal)의 온도에 도달한다.
도 4에 묘사된 바와 같은 파우더의 동시 증착의 하나의 중요한 목표는, 레이저 빔(242)이 나금속 기판(201)과 직접적으로 상호작용하는 것을 방지하는 것이다. 그러나, 단계, 유지 및 냉각 프로세스의 성공이 약 섭씨 1200도 또는 그 초과의 온도에서 시작되는 것이 중요하다. 동시 증착 프로세스는, 인덕션 가열기(260)의 사용뿐만 아니라 인접한 레이저-생성된 녹은 풀(pool)(250)에 의한 파우더의 가열에 의해 이러한 시작 온도를 달성한다.
Al 및 Ti의 원소 분리는, 어떠한 등온성 유지 온도에서도 최대 20% γ' 포메이션을 허용하는 이용가능한 열역학 데이터로부터 계산된다. 20% γ'를 달성하는데 필요한 유지 시간들은, γ-γ' 시스템의 알려진 페이즈 변환 동역학들로부터 계산된다. 여기서 특정한 관심대상 합금들은 도 1 상에 언급된 합금들을 포함한다.
Ni 베이스 γ' 초합금의 그 녹는 온도로부터의 냉각은, 그러한 초합금들이 γ 페이즈로부터 γ+γ' 페이즈들로 전이를 거치도록 야기한다. 본원에 설명된 유지 및 냉각 프로세스는, 유지 및 냉각 프로세스 동안 어떠한 유지 시간에서도 20% 이하의 γ'를 생산하기 위해 완전한 열역학 페이즈 평형에서 Al 및 Ti의 γ 페이즈 및 γ' 페이즈로의 원소 분리를 사용한다. 이것은 Al 및 Ti로부터 γ 페이즈를 고갈시키고, 최종 γ 컴포지션을 도 1에 묘사된 바와 같은 용접 가능 구역으로 움직인다.
도 2에 묘사된 이러한 프로세스에서, γ은 그 최종 컴포지션이 도 2D에서 용접 가능 라인(100) 아래로 감소될 때까지 원소 분리를 통해 Al 및 Ti로부터 고갈된다. γ의 컴포지션 변화가 도 2A에서 스폿(spot)들 T1 - Tn을 이용하여 도시된다. 도 2B 및 도 2C는, 냉각 곡선들의 예상된 시프트, 그리고 각각의 유지 단계에서 용접의 스트레스 완화로 인해 각각의 유지 단계 이후 스트레스 대 시간 곡선을 도시한다.
본원에 설명된 바와 같은 일반적인 유지 및 냉각 프로세스가 변형 시효 균열을 경험하는 거의 어떠한 초합금 상에서도 사용될 수 있음이 예상된다. 프로세스의 유지 부분들 동안 Al 및 Ti의 원소 분리는 변형 시효 균열 및 고온 균열의 가능성을 감소시킨다. 그러한 분리는 또한, 용접 후 열 처리 동안 변형 시효 균열 쪽으로의 경향을 크게 감소시키는데, 그 이유는 유지 및 냉각 프로세스의 각각의 단계에서 γ이 Al 및 Ti로부터 실질상 고갈되고 스트레스가 완화되기 때문이다.
본 발명의 지침들을 통합하는 다양한 실시예들이 본원에서 상세히 도시 및 설명되었지만, 기술분야의 당업자들은 이러한 지침들을 여전히 통합하는 많은 다른 가변된 실시예들을 쉽게 창안할 수 있다.

Claims (13)

  1. 상당한 티타늄(titanium)(Ti) 및 알루미늄(aluminum)(Al) 함량을 갖는 니켈(nickel)(Ni) 베이스 초합금(base superalloy)의 수리 첨가제 빌드 업(repair additive build up) 방법으로서,
    a) 상당한 Ti 및 Al 함량을 갖는 Ni 베이스 초합금 파우더(powder)를 상기 Ni 베이스 초합금 파우더와 실질상 동일한 또는 유사한 컴포지션(composition)의 기판 상에 미리 배치하는 단계;
    b) 제1 열원을 이용하여, 미리 배치된 파우더를 약 섭씨 1200도를 초과하는 온도까지 예열하는 단계;
    c) 약 100 마이크론(micron) 미만의 폭을 갖는 열 영향 존(heat affected zone)을 생산하기 위하여, 지향된 에너지 빔(energey beam) 제2 열원의 하나 또는 그 초과의 패스(pass)들을 이용하여 상기 미리 배치된 파우더를 녹이는 단계 ―녹이기가 완료될 때, 상기 제2 열원이 제거됨―;
    d) 제어된 단계 및 유지 냉각 동안 알려진 비율의 γ' 페이즈(phase)가 형성되도록, 상기 제1 열원을 이용하여, 녹은 미리 배치된 파우더의 상기 제어된 단계 및 유지 냉각을 수행하는 단계; 및
    e) 상기 첨가제 빌드 업에서 Al 및 Ti의 γ 페이즈와 γ' 페이즈 사이로의 분리(partition)가 균열 민감성의 감소를 유발하도록 상기 단계 및 유지 냉각 프로세스를 조정하는 단계
    를 포함하는,
    상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금의 수리 첨가제 빌드 업 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 및 유지 냉각 프로세스는 약 20 중량 퍼센트(weight percent) 이하의 γ' 페이즈를 생산하는,
    상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금의 수리 첨가제 빌드 업 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제 빌드 업의 두께는 약 1 밀리미터(millimeter) 내지 약 10 밀리미터의 범위에 있는,
    상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금의 수리 첨가제 빌드 업 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 배치된 파우더는 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론 범위의 입자 크기를 갖는,
    상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금의 수리 첨가제 빌드 업 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 니켈 베이스 초합금 컴포넌트들의 초합금은, 713C, 247, PW1480, MARM200, R77, PW1483, R80, U720, 738 또는 그 혼합물들로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금의 수리 첨가제 빌드 업 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    초기 온도 T1로부터 상온으로의 상기 제어된 단계 및 유지 냉각은, 복수의 단계들:
    a. T1에서 약 1분 내지 약 3분 범위의 시간 동안 유지하는 단계;
    b. 약 20 중량 퍼센트 미만의 γ' 페이즈를 생산하기 위하여, T1보다 더 낮은 온도 T2까지 냉각하고, 그리고 약 2분 내지 약 15분 범위의 시간 동안 유지하는 단계;
    c. 약 20 중량 퍼센트 미만의 γ' 페이즈를 생산하기 위하여, T2보다 더 낮은 온도 T3까지 냉각하고, 그리고 약 2분 내지 약 30분 범위의 시간 동안 유지하는 단계;
    d. 약 20 중량 퍼센트 미만의 γ' 페이즈를 생산하기 위하여, T3보다 더 낮은 온도 T4까지 냉각하고, 그리고 약 6분 내지 약 120분 범위의 시간 동안 유지하는 단계; 및
    e. 약 20 중량 퍼센트 미만의 γ'를 생산하기 위하여, T4로부터 상온까지의 복수의 냉각 단계들에서 상온까지 냉각하는 단계 ―여기서, 각각의 단계에서의 온도는 약 1시간 내지 약 20 시간 유지됨―
    로 구성된,
    상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금의 수리 첨가제 빌드 업 방법.
  7. 기판 상에서 첨가제 빌드 업 프로세스에 의해 생산되는, 상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금 재료로서,
    a) 실질상 동일한 또는 유사한 컴포지션의 기판 상에 Ni 베이스 초합금 파우더를 배치하는 단계;
    b) 제1 열원을 이용하여, 미리 배치된 파우더를 약 섭씨 1200도를 초과하는 온도까지 예열하는 단계;
    c) 약 100 마이크론 미만의 폭을 갖는 열 영향 존을 생산하기 위하여, 제2의 움직이는 레이저 열원의 앞뒤에 파우더가 동시에 미리 배치되는 동안, 상기 제2의 움직이는 레이저 열원의 단일 패스를 이용하여 상기 미리 배치된 파우더를 녹이는 단계;
    c-1) 원하는 두께의 재료가 달성될 때까지, 복수의 반복들 동안, 상기 제2의 움직이는 레이저 열원을 스캐닝(scanning)하고 동시에 파우더를 미리 배치하는 단계;
    c-2) 상기 제2의 움직이는 레이저 열원을 턴 오프(turn off) 시키는 단계;
    d) 제어된 단계 및 유지 냉각 동안 알려진 비율의 γ' 페이즈가 형성되도록, 상기 제1 열원을 이용하여, 녹은 미리 배치된 파우더의 상기 제어된 단계 및 유지 냉각을 수행하는 단계;
    e) 상기 첨가제 빌드 업에서 Al 및 Ti의 γ 페이즈와 γ' 페이즈 사이로의 분리가 균열 민감성의 감소를 유발하도록 상기 단계 및 유지 냉각 프로세스를 조정하는 단계; 및
    f) 상기 첨가제 빌드 업에서 Al 및 Ti의 γ 페이즈와 γ' 페이즈 사이로의 분리가 균열 민감성의 감소를 유발하도록 상기 단계 및 유지 냉각 프로세스를 조정하는 단계
    를 포함하는,
    기판 상에서 첨가제 빌드 업 프로세스에 의해 생산되는, 상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금 재료.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단계 및 유지 냉각 프로세스는 약 20 중량 퍼센트 이하의 γ' 페이즈를 생산하는,
    기판 상에서 첨가제 빌드 업 프로세스에 의해 생산되는, 상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금 재료.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 첨가제 빌드 업의 두께는 약 1 밀리미터 내지 약 50 밀리미터의 범위에 있는,
    기판 상에서 첨가제 빌드 업 프로세스에 의해 생산되는, 상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금 재료.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 미리 배치된 파우더는 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론 범위의 입자 크기를 갖는,
    기판 상에서 첨가제 빌드 업 프로세스에 의해 생산되는, 상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금 재료.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 니켈 베이스 초합금 컴포넌트들의 초합금은, 713C, 247, PW1480, MARM200, R77, PW1483, R80, U720, 738 또는 그 혼합물들로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    기판 상에서 첨가제 빌드 업 프로세스에 의해 생산되는, 상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금 재료.
  12. 제 7 항에 있어서,
    초기 온도 T1로부터 상온으로의 상기 제어된 단계 및 유지 냉각은, 복수의 단계들:
    a. T1에서 약 1분 내지 약 3분 범위의 시간 동안 유지하는 단계;
    b. 약 20 중량 퍼센트 미만의 γ' 페이즈를 생산하기 위하여, T1보다 더 낮은 온도 T2까지 냉각하고, 그리고 약 2분 내지 약 15분 범위의 시간 동안 유지하는 단계;
    c. 약 20 중량 퍼센트 미만의 γ' 페이즈를 생산하기 위하여, T2보다 더 낮은 온도 T3까지 냉각하고, 그리고 약 2분 내지 약 30분 범위의 시간 동안 유지하는 단계;
    d. 약 20 중량 퍼센트 미만의 γ' 페이즈를 생산하기 위하여, T3보다 더 낮은 온도 T4까지 냉각하고, 그리고 약 6분 내지 약 120분 범위의 시간 동안 유지하는 단계; 및
    e. 약 20 중량 퍼센트 미만의 γ'를 생산하기 위하여, T4로부터 상온까지의 복수의 냉각 단계들에서 상온까지 냉각하는 단계 ―여기서, 각각의 단계에서의 온도는 약 1시간 내지 약 20 시간 유지됨―
    로 구성된,
    기판 상에서 첨가제 빌드 업 프로세스에 의해 생산되는, 상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금 재료.
  13. 상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금의 첨가제 빌드 업 방법으로서,
    a) 실질상 동일한 또는 유사한 컴포지션의 기판 상에 Ni 베이스 초합금 파우더를 배치하는 단계;
    b) 제1 열원을 이용하여, 미리 배치된 파우더를 약 섭씨 1200도를 초과하는 온도까지 예열하는 단계;
    c) 약 100 마이크론 미만의 폭을 갖는 열 영향 존을 생산하기 위하여, 지향된 에너지 빔 제2 열원의 하나 또는 그 초과의 패스들을 이용하여 상기 미리 배치된 파우더를 녹이는 단계 ―녹이기가 완료될 때, 상기 제2 열원이 제거됨―;
    d) 제어된 단계 및 유지 냉각 동안 알려진 비율의 γ' 페이즈가 형성되도록, 상기 제1 열원을 이용하여, 녹은 미리 배치된 파우더의 상기 제어된 단계 및 유지 냉각을 수행하는 단계; 및
    e) 상기 첨가제 빌드 업에서 Al 및 Ti의 γ 페이즈와 γ' 페이즈 사이로의 분리가 균열 민감성의 감소를 유발하도록 상기 단계 및 유지 냉각 프로세스를 조정하는 단계
    를 포함하는,
    상당한 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 함량을 갖는 니켈(Ni) 베이스 초합금의 첨가제 빌드 업 방법.
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