KR20150041048A

KR20150041048A - 초합금 구성요소 및 초합금 구성요소의 일렉트로슬래그 및 일렉트로가스 보수

Info

Publication number: KR20150041048A
Application number: KR1020157005754A
Authority: KR
Inventors: 제랄드 제이. 브룩
Original assignee: 지멘스 에너지, 인크.
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-04-15
Also published as: WO2014025489A1; US20140044991A1; CN104619452A; JP2015534507A; US9186724B2; EP2882562A1

Abstract

터빈 블레이드 및 베인과 같은 초합금 구성요소 주조물은, 제 위치에-주조되는 기판 연장부 내에서 원래의 주조물 기판의 결정 구조를 적어도 부분적으로 복제하는 일렉트로슬래그 또는 일렉트로가스 용접 공정에 의해서 제조되거나 보수된다. 그러한 공정은 베이스 기판 표면을 재-용융시키고 새롭게 용융된 충진재 재료와 함께 베이스 기판 표면을 성장시킨다. 베이스 기판(20) 및 충진재 재료(44, 45, 46)가 응고함에 따라, 새롭게 형성된 "재-주조된" 구성요소는, 베이스 기판(20)의 결정 구조를 적어도 부분적으로 복제하는, 방향성 응고된 단축적(uniaxial) 기판 연장 부분(50)을 가진다. "재-주조되는" 구성요소는, 연장 부분을 포함하는 일원화된 단일 결정 구조로 제조될 수 있다. 다른 적용예에서, 기판 연장부는 원래의 베이스 기판 주조물의 방향성 응고된 단축적 결정 구조를 복제할 수 있다. 다결정질 기판 베이스 구조물은, 단축적인 주조 방향에 대해서 대체로(most) 평행한 베이스 기판 결정을 복제하는 기판 연장부로 재-주조될 수 있다.

Description

초합금 구성요소 및 초합금 구성요소의 일렉트로슬래그 및 일렉트로가스 보수{SUPERALLOY COMPONENT AND ELECTROSLAG AND ELECTROGAS REPAIR OF SUPERALLOY COMPONENTS}

본 발명은 터빈 블레이드 및 베인과 같은, 사용으로-열화된 초합금 구성요소 주조물의 보수에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은, 기본 기판 주조물 표면을 재-용융시키고 용융된 충진재 재료의 풀(pool) 내에서 기본 기판 주조물 표면을 성장시키는, 일렉트로슬래그 용접 공정에 의해서 초합금 구성요소 주조물의 보수 또는 새로운 제조와 관련된 것이다. 조합된 용융 재료가 응고됨에 따라, 그 재료는, 원래 기판 주조물의 결정 구조를 적어도 부분적으로 복제하는 제 위치에-주조되는(cast-in-place) 기판 연장부를 형성한다.

사용으로-열화된 가스 터빈 또는 다른 초합금 구성요소 주조물의 "구조적" 보수는 손상된 재료를 일치하는 합금 재료로 대체하고, 원래의 제조 구성요소 재원에 근접한(예를 들어, 원래 재원의 적어도 70 퍼센트의 한계 인장 강도) 강도와 같은 성질을 달성하는 것으로서 일반적으로 인식되고 있다. 예를 들어, 추가적인 균열 위험이 감소되도록, 그리고 블레이드가 원래 재료의 구조적 및 치수적 재원으로 복원되도록, 표면 균열 또는 블레이드 선단부 침식이 일어난 터빈 블레이드의 구조적 보수를 실시하는 것이 바람직하다.

주조물 터빈 블레이드와 같은 터빈 구성요소를 제조하기 위해서 이용되는 니켈 및 코발트계 초합금 재료의 구조적 보수 또는 새로운 제조는 어려운 문제인데, 이는 마감된 블레이드 재료의 금속적 성질 때문이다. 예를 들어, CM247 합금과 같이 6%를 초과하는 총 알루미늄 또는 티타늄 함량을 가지는 초합금은, 고온 용접에 노출될 때, 낮은 알루미늄-티타늄 함량의 X-750 초합금 보다 변형 시효 균열에 보다 더 민감하다. 전형적으로, 마감된 터빈 블레이드 합금은 주조후 열처리 중에 강화되고, 그러한 열처리는 후속하는 구조적 용접을 실시하기 어렵게 만든다. 현용의 초합금 구조 제조 또는 보수 용접 공정은 균열을 보수하기 위해서 또는 침식 표면 상에서의 축적(build up)을 위해서, 용접 준비부에 인접한 기판의 상당한 용융 및 용접봉 또는 부가되는 다른 충진재 재료의 완전한 용융을 일반적으로 동반한다. 그러한 재료로 구축된 블레이드가 동일한 또는 유사한 합금의 충진재 재료로 용접될 때, 블레이드는 용접부 내의 또는 용접부에 근접한 응고 균열(액화 균열이라고도 알려짐) 및/또는 새것인 구성요소와 비교가능한 정도의 초합금의 원래의 강도 및 재료의 다른 성질을 복원하기 위한 후속 열처리 공정 중의 변형 시효 균열(재가열 균열이라고도 알려짐)에 민감하다.

저온 고정물(chill fixture)을 이용한 레이저 마이크로크래딩(laser microcladding), 소위 높은 온도의 "핫(hot)" 박스에서의 용접, 및 관성 마찰 용접을 포함하는, 대안적인 초합금 용접 공정은 여전히 용접후 열처리 변형 시효 균열을 유발할 수 있을 것이다. 마찰 교반 용접과 같은 다른 마찰 용접 공정은 초합금 균열 경향을 감소시킬 수 있으나, 채택되는 용접 장치는 비교적 제한된 공구 수명을 가진다. 대안적인 초합금 용접 공정은, 예를 들어 침식된 터빈 블레이드 선단부 또는 베인의 재구축과 같은, 침식된 구성요소 기판 재료의 큰 전체 부피를 재구축하는데 있어서는 크게 적합하지 않다.

구조적 보수 또는 제조와 대조적으로, 초합금의 "코스메틱(cosmetic)" 보수 또는 제조는, 국소적인 원래의 구조적 성질이 요구되지 않는 곳에서, 손상된 재료를 보다 낮은 구조적 성질 재원의 불합치되는 합금 재료로 대체하는 것(또는 새롭게 제조된 재료로 이루어진 2개의 구성요소를 접합하는 것)으로서 인식된다. 예를 들어, 코스메틱 보수는, 비교적 적은(mild) 터빈 블레이드 선단부 또는 베인 침식을 포함하여, 보수된 구성요소의 원래의 프로파일 기하형태를 복원하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 전술한 바와 같이, 구성요소가 사용처로 복귀되었을 때, 균열의 후속 확산 가능성을 감소시키기 위해서 표면 균열 상에서 구조적 보수를 실시하는 것이 요구될 수 있다. 반대로, 코스메틱 보수의 하나의 예는, 블레이드의 국소적인 외부 표면이 전체 블레이드의 구조적 무결성에 있어서 중요하지 않은, 터빈 블레이드 에어호일의 원래의 공기역학적인 프로파일을 복원하기 위해서 터빈 블레이드 에어호일 상의 (구조적 균열에 대조적인 것으로서의) 표면 구멍을 충진하기 위한 것이다. 코스메틱 보수 또는 제조는 종종, 블레이드 본체 초합금 기판 보다 낮은 강도를 가지나 보다 큰 연성 및 초합금 기판의 재료 성질에 부정적인 영향을 미치지 않는 낮은 적용 온도를 가지는, 내산화성 용접 또는 브레이즈 합금을 이용하는 것에 의해서 달성된다.

초합금 구조적 보수 용접의 단점을 고려할 때, 종종, 상업적으로 수용가능한 유일한 해결책은 구조적 보수를 필요로 하는 손상된 터빈 블레이드를 폐기하는 것이 되는데, 이는 과거의 경험상 그러한 구조적 보수는 제한적인 성공을 보여주기 때문이다. 그에 따라, 전술한 대안적인 초합금 용접 공정, 또는 구조적 강도가 낮은 보다 연성의 용접봉 충진재 재료를 채택하는 코스메틱 용접에 의해서 성공적으로 실시되는 것으로 과거에 입증된 것들로 보수가 제한되었다.

그에 따라, 구조적 균열, 침식된 표면 및 기타 표면 결함이 보수될 수 있도록, 터빈 베인 및 블레이드와 같은, 초합금 구성요소 주조물의 구조적 제조를 실시하기 위한 방법 또는 사용으로-열화된 초합금 구성요소 주조물의 표면에 대한 구조적인 보수를 실시하기 위한 방법이 당업계에서 요구되고 있다.

손상된 구성요소의 폐기율을 낮출 수 있도록, 터빈 베인 및 블레이드와 같은, 사용으로-열화된 초합금 구성요소 주조물의 구조적 보수의 성공적인 비율을 높이기 위한 다른 요구가 존재한다.

복잡한 용접 또는 용접후 열처리 과정을 필요로 하지 않는, 터빈 베인 및 블레이드와 같은, 초합금 구성요소 주조물의 구조적 제조 또는 사용으로-열화된 초합금 구성요소 주조물의 표면 상의 보수를 실시하기 위한 방법에 대한 또 다른 요구가 존재한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 구조적 균열, 침식된 표면 및 기타 표면 결함이 보수될 수 있도록, 터빈 베인 및 블레이드와 같은, 초합금 구성요소 주조물의 구조적 제조를 실시하기 위한, 또는 사용으로-열화된 초합금 구성요소 주조물의 표면에 대한 구조적인 보수를 실시하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 손상된 구성요소의 폐기율을 낮출 수 있도록, 터빈 베인 및 블레이드와 같은 초합금 구성요소 주조물의 성공적인 구조적 보수의 가능성을 높이기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 복잡한 용접 또는 용접후 열처리 과정을 필요로 하지 않는, 터빈 베인 및 블레이드와 같은, 초합금 구성요소 주조물의 구조적 제조 또는 사용으로-열화된 초합금 구성요소 주조물의 표면 상의 보수를 실시하는 것이다.

이러한 그리고 다른 목적은, 본 발명의 방법에 따라서 달성되고, 그러한 방법은, 제 위치에-주조되는 기판 연장부 내에서 원래의 주조물 기판의 결정 구조를 적어도 부분적으로 복제하는 일렉트로슬래그 용접 공정에 의해서, 초합금 구성요소 주조물을 제조하는 단계; 또는 사용으로-열화된 초합금 구성요소 주조물을 보수하는 단계로 이루어진다. 본 발명의 방법은, 본질적으로, 베이스 기판 상에서 제 위치에-주조되는 기판 연장부를 성장시키는 것에 의해서 초합금 베이스 기판 주조물을 "재-주조"한다. 본 발명의 공정은 베이스 기판 표면을 재-용융시키고 베이스 기판 표면을 새로운 용융된 충진재 재료로 성장시킨다. 일부 실시예에서, 베이스 기판 및 충진재 재료가 응고함에 따라, 새롭게 형성되는 "재-주조된" 구성요소는, 베이스 기판의 결정 구조를 적어도 부분적으로 복제하는, 방향성 응고된 단축적(uniaxial) 기판 연장 부분을 가진다. 다른 실시예에서, 연장 부분은 베이스 기판의 결정질 구조를 복제한다. 예를 들어, "재-주조되는" 구성요소는, 연장 부분을 포함하는 일원화된 단일 결정 구조로 제조될 수 있다. 다시 말해서, 기판 연장부는 방향성 응고된 단축적 결정 구조를 복제할 수 있다. 다른 예에서, 다결정질 기판 베이스 구조물은, 선호 성장 방향을 따라서 기판 연장부의 단축적인 주조 방향에 대해서 대체로 평행한 베이스 기판 내의 결정을 복제하는 기판 연장부로 재-주조될 수 있다.

본 발명은 제1 결정 구조를 가지는 베이스 기판 주조물 및 베이스 기판에 결합된 제 위치에-주조되는 방향성 응고된 단축적 기판 연장부를 포함하는 초합금 구성요소를 특징으로 한다. 기판 연장부는 제1 결정 구조를 적어도 부분적으로 복제하는 연장부인 제2 결정 구조를 가진다.

본 발명은 또한 초합금 구성요소를 주조하기 위한 방법을 특징으로 한다. 초합금 베이스 기판은 몰드 내에 형성된 공동과 소통하도록 배치된다. 적어도 하나의 금속 전극이 몰드 공동 내로 삽입된다. 과립형 플럭스가 기판의 표면으로 부가된다. 전극 및 기판이 저항 가열 장치의 전류 공급원에 대해서 직렬로 전기적으로 커플링된다. 아아크(arc) 개시, 플럭스의 용융, 아아크를 소거하는 전도성 슬래그의 형성, 및 기판과 접촉하는 몰드 공동 내의 용융 금속 풀 위에서의 일렉트로슬래그 층의 생성을 위해서, 전극과 기판 사이의 전류 유동을 통과시키도록 그리고 조절하도록 저항 가열 장치가 이용된다. 그 후에, 용융 금속이 베이스 기판과 단방향적으로 응고하여, 용융 금속이 응고함에 따라 몰드 공동과 일치하게(in conformity with) 성장되는 기판 연장부를 생성한다. 이러한 공정은 일렉트로슬래그 용접과 유사하다.

본 발명은 또한 몰드 내에 형성된 공동과 소통하도록 구성요소 베이스 기판을 배치하는 것에 의해서 초합금 터빈 블레이드 또는 베인 구성요소를 보수하는 방법을 특징으로 한다. 적어도 하나의 초합금 금속 전극이 몰드 공동 내로 삽입된다. 전극 및 기판은 가열 장치의 전류 공급원에 대해서 전기적으로 직렬로 커플링된다. 그러한 장치는 전극과 기판 사이의 전류 유동을 통과시키도록 그리고 조정하도록 이용된다. 아아크는 전극과 기판 사이에서 개시된다(그리고 전극과 기판의 용융을 유도한다). 용융 풀이 공기와 반응하는 것을 차단하는 것이, 외부 가스 또는 전극 와이어의 코어 내의 플럭스에 의해서 제공된다. 용융 금속 풀이 기판과 접촉한다. 그 후에, 용융 금속이 기판 베이스와 단방향적으로 응고하여, 용융 금속이 응고함에 따라 몰드 공동과 일치하게 성장되는 기판 연장부를 생성한다. 이러한 공정은 일렉트로가스 용접과 유사하다.

본 발명의 목적 및 특징은 당업자에 의해서 임의 조합 또는 하위-조합으로 결합적으로 또는 개별적으로 적용될 수 있을 것이다.

본 발명의 교시내용은 첨부 도면을 참조한 이하의 구체적인 설명을 고려함으로써 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 사용으로-열화된 초합금 터빈 블레이드 주조물의 사시도이다.
도 2는 도 1의 블레이드 주조물의 보수를 위해서 이용되는 예시적인 몰드의 개략적인 입면도이다.
도 3은 본 발명의 일렉트로슬래그 용접 장치의 개략적인 입면도이다.
도 4는 본 발명의 일렉트로가스 용접 장치의 개략적인 입면도이다.
도 5는, 합치되는 결정 구조 기판 연장부의 응고 성장을 보여주는, 방향성 응고되는 단축적인 결정 주조물 초합금 성분의 개략적인 입면도이다.
도 6은, 단일 결정 기판 연장부의 응고 성장을 보여주는, 단일 결정 주조물 초합금 성분의 개략적인 입면도이다.
도 7은, 선호 성장 방향을 따라서 기판 연장부의 단축적인 주조 방향에 대해서 대체로 평행한 구성요소 베이스 기판 내의 결정을 복제하는, 구조 기판 연장부의 응고 성장을 보여주는, 다결정질 주조물 초합금 구성요소의 개략적인 입면도이다.
이해를 돕기 위해서, 가능한 경우에, 도면에서 공통되는 동일한 요소를 나타내기 위해서 동일한 참조 번호를 이용하였다.

이하의 설명을 고려할 때, 본 발명의 실시예의 교시내용이, 제 위치에-주조되는 기판 연장부에서 원래의 주조물 기판의 결정 구조를 적어도 부분적으로 복제하는 일렉트로슬래그 또는 일렉트로가스 용접 공정에 의해서, 터빈 블레이드 및 베인과 같은 초합금 구성요소 주조물을 제조 및 보수하는데 있어서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러한 공정은 베이스 기판 표면을 재-용융시키고 새로운 용융된 충진재 재료와 함께 베이스 기판의 표면을 성장시킨다. 베이스 기판 및 충진재 재료가 응고함에 따라, 새롭게 형성된 "재-주조된" 구성요소는 베이스 기판의 결정질 구조를 적어도 부분적으로 복제하는 방향성 응고된 단축적 기판 연장 부분을 가진다.

도 1은 베이스 기판(22) 및 사용으로-열화된 침식된 표면(24)을 가지는 예시적인 터빈 블레이드 초합금 주조물(20)을 도시한다. 점선(26)은, 본 발명의 보수 공정을 실시할 때 대체되는 블레이드(20)의 원래의 프로파일을 보여준다.

도 2를 참조하면, 침식된 표면(24)이 몰드 공동(32)과 소통하도록, 몰드(30)가 블레이드(20) 위에 배치된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 몰드 공동은, 블레이드(20)의 희망하는 원래의 프로파일과 합치되는 내부 프로파일을 가진다. 보수된 블레이드의 프로파일이 공지된 연마 공정에 의해서 희망하는 물리적 치수에 맞춰서 윤곽재형성 수 있도록, 몰드 공동(32)의 프로파일이 과대 크기의 프로파일을 제공하는 것을 포함하여 희망에 따라서 달라질 수 있다. 몰드는, 가열 또는 냉각 유체의 통과를 위해서, 열 교환기(38)와 짝을 이루는 내부 열 교환 통로(37)를 구비하도록 제조될 수 있다. 도 2에 도시된 몰드(30)는 또한, 하나 이상의 전극의 수용을 위해서, 몰드 공동(32)과 소통하는 외부 통로(34, 35, 36)를 가진다. 대안적으로, 몰드(30)의 상단부는 개방형 디자인을 가질 수 있다. 사용되는 몰드 재료는, 가열 또는 냉각 통로(37)를 가지거나 가지지 않는, 세라믹, 구리 또는 도금된 구리를 포함한다.

일렉트로가스 용접 공정은 도 3에 도시된 시스템(40)에 의해서 실시된다. 이러한 개략적인 도면에서, 몰드(30)는 블레이드(20)를 둘러싸는 개방형-상단부의 트로프(trough)로서 도시되어 있다. 시스템(40)은, 일렉트로슬래그 용접 동작을 실시하기 위해서 일반적으로 이용되는 공지된 구성을 가지는 공지된 저항 가열 용접 장치(42)를 포함한다. 적어도 하나의 금속 전극 - 여기에서 3개의 전극(44, 45, 46) - 이 베이스 기판 표면(24)에 근접하여 몰드 공동(32) 내로 삽입되고 터빈 블레이드(20) 베이스 기판 및 용접 장치(42)와 직렬로 전기적으로 커플링된다. 전극(44-46)은 충진재 재료의 중실형(solid) 또는 코어형(cored) 와이어 또는 시트를 포함할 수 있다. 조절된 전류 유동이 전극(44, 45, 46)과 터빈 블레이드(20) 초합금 금속 베이스 기판 사이를 통과하여, 초합금 베이스 기판 표면(24) 및 금속 전극 모두를 용융시키는 고온 전기 아아크를 유도하고, 용융 풀(52)을 형성한다. 과립형 플럭스가 몰드 공동(32)으로 부가된다. 아아크는 플럭스를 용융시키고, 슬래그 층(56)이 용융 금속 풀(52) 표면 상에 형성되고, 슬래그 층은 전극(44-46)과 기판 표면(24) 사이에 이전에 형성되었던 전기적 아아크를 소거한다. 용융 금속 풀(52)이 기판 표면(24)과 슬래그 층(56) 사이에 포획된다. 용접 장치(42) 전류 유동을 조절하여, 연속적인 전극 용융, 원래의 기판 표면(24)으로부터 멀어지는 상향 방향을 따른 용융 풀 내의 침착(deposition) 및 단축적인 응고의 진행, 중실형 기판 연장부(50)를 형성하는 것, 이전의 전극(44-46) 금속을 포함하는 것을 촉진한다. 일렉트로슬래그 용접 공정을 주변 대기로부터 격리시켜, 예를 들어, 용접 구역 내의 산화물 형성을 제어하기 위해서, 용접 시스템(40)이 격리 챔버(60) 내에 선택적으로 수용될 수 있을 것이다. 격리 챔버(60)는 진공 챔버일 수 있거나, 아르곤 가스와 같은 불활성 가스, 반응성 가스 또는 환원 가스를 포함하는 챔버일 수 있을 것이다.

대안적으로, 초합금 재주조 공정은, 일렉트로슬래그 층이 차폐 가스 층(62)으로 대체되고 선택적으로 격리 챔버(60) 내에서 이루어지는, 도 4에 도시된, 공지된 일렉트로가스 용접 공정을 채택할 수 있을 것이다. 가스 층(62)은 가스 전달 시스템(64) 및 가스 공급원(66)에 의해서 용융 금속(52) 위의 몰드 공동(32) 내로 전달된다.

전극(44-46) 금속 합금 조성은 베이스 기판 터빈 블레이드(20)의 조성과 양립할 수 있도록 선택되고, 바람직하게 블레이드(20)와 동일한 합금이 된다. 상이한 충진재 금속 합금들이 보수 기판 연장부(50) 내의 상이한 구역들에서 이용될 수 있을 것이다. 전극 금속 합금이 원래의 베이스 기판 합금과 합치될 때, 기판 연장부(50)는, 본질적으로, 원래의 사용으로-열화된 기판 표면(24)으로부터 연장하는, 원래의 블레이드(20)의 제 위치에-주조되는 "재주조"가 된다. 일렉트로슬래그/일렉트로가스 용접 프로세스는, 방향성 응고된 구성요소의 전체 단부 위에 동시적으로 용융 풀(52)을 형성하는 것에 의해서, 방향적 응고를 재개하기 위해서 기판 표면(24)을 따라 블레이드 또는 다른 주조 기판(20) 결정 구조를 위한 수단을 제공하고, 베이스 기판 표면 내의 각각의 결정은 원래 주조되었던 것과 동일한 방향을 따른 성장을 재개할 수 있다.

보수된, 이전의 사용으로-저하되었던 구성요소 주조물은 이제, 결정립 구조 및 베이스 기판 결정 구조를 적어도 부분적으로 복제하는 제2 결정립 구조를 가지는 제 위치에-주조되는 방향성 응고된 단축적 기판 연장부를 가지는 베이스 기판 주조물을 가지는, 새로워진, 재주조된 구성요소가 된다. 만약, 도 5에 도시된 바와 같이, 원래의 블레이드 베이스 기판 주조물(20A)이 방향성 응고된 단축적 결정 구조를 가진다면, 블레이드의 보수된 부분(26A)을 형성하는 기판 연장부(50A)는 합치되는 결정 구조를 가진다. 유사하게, 만약 도 6에 도시된 바와 같이, 원래의 블레이드 베이스 기판 주조물(20B)이 단일 결정 구조를 가진다면, 블레이드의 보수된 부분(26B)을 형성하는 기판 연장부(50B)는 단일 결정 구조와 연속된다. 도 7에 도시된 다결정질 구조의 원래의 블레이드 기판 주조물(20C)의 경우에, 기판 연장부(50C)는, 선호되는 성장 배향을 따라서 기판 연장부의 단축적인 주조 방향에 대해서 대체로 평행하게 베이스 기판 표면(24) 내의 결정을 복제한다. 덜 선호하는 방향으로 배향된 입자는, 주조 방향에 대체로 평행한 입자에 의해서 밀려나게될(be crowed out) 것이다.

여기에서 설명된 본 발명의 실시예가 사용으로-열화된 터빈 블레이드 또는 베인의 보수를 제시하였지만, 본 발명의 방법 및 장치는, 몰드 공동 내에 시작 베이스 기판 주조물을 삽입하고 베이스 기판으로부터 구성요소 구조의 나머지를 제조하는 것에 의해서, 새로운 초합금 구성요소를 제조하기 위해서 이용될 수 있다.

본 발명의 일렉트로슬래그/일렉트로가스 제조 및 보수 방법은 새로운 초합금 구성요소 주조물을 구조적으로 제조하는 것, 또는 터빈 베인 및 블레이드와 같은 사용으로-열화된 초합금 구성요소 주조물의 표면을 보수하는 것을 도우며, 그에 따라, 구성요소 폐기율을 낮추면서, 구조적 균열, 침식된 표면 및 다른 표면 결함을 신뢰 가능하게 보수할 수 있다. 다른 공지된 초합금 주조물 용접 보수 과정과 비교하여, 본 발명의 과정은 복잡한 용접 또는 보수후 열처리 과정을 필요로 하지 않는다. 본 발명의 보수 기술로, 원래의 초합금 베이스 기판과 보수된 기판 연장부 사이에서 양호한 금속적 결합이 달성된다. 많은 경우에, 본 발명의 보수 기술을 이용할 때, 방향성 응고된 또는 단일 결정립 구조가 보수된 영역 내에서 발전될 수 있고, 그러한 것은 다른 공지된 용접 보수 기술에서는 가능하지 않았다. 본 발명의 보수 기술은, 공지된 레이저 마이크로크래딩, 가스 텅스텐 아아크 용접 과정 보다 비교적 높은 부가적 보수 침착율(deposition rate)을 가지고, 원래의 주조 과정에서 생성된 것과 유사한 보수된 구성요소 내의 낮은 내부 응력을 생성한다. 침식된, 사용으로-열화된 구성요소 부피를 재구축할 때(rebuilding) 필수적인 공지된 복수-통과(multi-pass), 복수-층 용접 보수 과정은 보수된 구성요소 내에서 보다 높은 내부 응력을 생성하고, 복수 층들 사이에서 통과간 결함(inter-pass defect)을 생성하는 경향을 가진다. 공지된 복수-통과 복원 용접 공정은, 본 발명의 단일-통과의, 연속적으로 형성되는 재료 복원 공정 보다 낮은 침착율을 가진다.

비록 본 발명의 교시내용을 포함하는 여러 가지 실시예가 여기에서 제시되고 구체적으로 설명되었지만, 당업자는 그러한 교시내용을 여전히 포함하는 많은 다른 변형된 실시예를 용이하게 유도할 수 있을 것이다.

Claims

제1 결정 구조를 가지는 베이스 기판 주조물 및 베이스 기판에 결합된 제 위치에-주조되는 방향성 응고된 단축적 기판 연장부를 포함하는 초합금 구성요소이며, 기판 연장부는 제1 결정 구조의 적어도 부분적으로 복제된 연장부인 제2 결정 구조를 가지는, 초합금 구성요소.
제1항에 있어서,
방향성 응고된 단축적인 제1 결정 구조를 가지는 베이스 기판을 더 포함하고, 기판 연장부 제2 결정 구조는 제1 결정 구조의 복제된 연장부인, 초합금 구성요소.
제2항에 있어서,
제1 및 제2 결정 구조가 일원화된 단일 결정 구조를 포함하는, 초합금 구성요소.
제1항에 있어서,
베이스 기판 제1 결정 구조는 다결정질 구조를 포함하고, 제2 결정 구조는 기판 연장부의 단축적인 주조 방향에 대해서 대체로 평행한 기판 내의 결정을 복제하는, 초합금 구성요소.
제1항에 있어서,
베이스 기판 및 기판 연장부가 상이한 재료를 포함하는, 초합금 구성요소.
제1항에 있어서,
기판 연장부의 부분들이 상이한 재료들을 포함하는, 초합금 구성요소.
제1항에 있어서,
제 위치에-주조되는 연장부는
몰드의 몰드 공동과 소통하도록 베이스 기판을 배치하는 단계;
적어도 하나의 금속 전극을 몰드 공동 내로 삽입하는 단계;
전극 및 기판을 가열 장치의 전류 공급원에 대해서 전기적으로 직렬로 커플링시키는 단계;
기판과 접촉하는 몰드 공동 내의 용융 금속 풀을 생성하고 그 이후에 용융 금속을 베이스 기판과 단방향적으로 응고시켜, 기판 연장부를 생성하기 위해서, 전극과 기판 사이에서 전류 유동을 통과시키고 조절하는 단계; 및
용융 금속이 응고함에 따라 몰드 공동과 일치하게 기판 연장부를 성장시키는 단계를 포함하는
공정에 의해 형성되는, 초합금 구성요소.
제1항에 있어서,
새로운 터빈 블레이드, 새로운 터빈 베인, 보수된 터빈 블레이드, 또는 보수된 터빈 베인으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 초합금 구성요소.
초합금 구성요소를 주조하는 방법이며:
초합금 베이스 기판, 및 공동을 가지는 몰드를 제공하는 단계;
몰드 공동과 소통하도록 베이스 기판을 배치하는 단계;
적어도 하나의 금속 전극을 몰드 공동 내로 삽입하는 단계;
전극 및 기판을 가열 장치의 전류 공급원에 대해서 전기적으로 직렬로 커플링시키는 단계;
아아크 및 기판과 접촉하는 몰드 공동 내의 용융 금속 풀을 생성하고 그 이후에 용융 금속을 베이스 기판과 단방향적으로 응고시켜, 기판 연장부를 생성하기 위해서, 전극과 기판 사이에서 전류 유동을 통과시키고 조절하는 단계;
외부 가스 및 플럭스로 이루어진 군으로부터 선택된 차폐 조성물을 이용하여 공기와의 반응으로부터 풀을 차폐하는 단계; 및
용융 금속이 응고함에 따라 몰드 공동과 일치하게 기판 연장부를 성장시키는 단계를 포함하는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제9항에 있어서,
베이스 기판은 제1 결정 구조를 가지는 주조물이고, 주조물 내에서 성장된 기판 연장부는, 제1 결정 구조의 적어도 부분적 복제 연장부인 방향성 응고된 단축적인 제2 결정 구조를 가지는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제10항에 있어서,
방향성 응고된 단축적인 제1 결정 구조를 가지는 베이스 기판을 더 포함하고, 기판 연장부 제2 결정 구조는 제1 결정 구조의 복제된 연장부인, 초합금 구성요소 주조 방법.
제11항에 있어서,
제1 및 제2 결정 구조가 일원화된 단일 결정 구조를 포함하는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제10항에 있어서,
제1 결정 구조의 베이스 기판이 다결정질 구조를 포함하고, 제2 결정 구조는 기판 연장부의 단축적인 주조 방향에 대해서 대체로 평행한 기판 내의 결정을 복제하는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제9항에 있어서,
일렉트로슬래그 방법에 의해서 기판 연장부를 성장시키는 단계를 포함하는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제9항에 있어서,
베이스 기판 상의 용융 풀 위에 아아크-소거 전도성 층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 전도성 슬래그는 기판 위로 적용된 플럭스의 용융으로부터 초래되는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제9항에 있어서,
전극은 기판 연장부를 형성하는 재료의 공급원이고,
전극 재료는
베이스 기판 재료와 동일한 재료;
베이스 기판 재료와 상이한 재료; 및
베이스 기판 재료와 동일한 그리고 상이한 재료의 조합
으로 이루어진 재료의 군으로부터 선택되는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제9항에 있어서,
베이스 기판은 새롭게 제조된 구성요소 또는 보수된 구성요소로 이루어진 군으로부터 선택되는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제9항에 있어서,
몰드 내에서 유지되는 열을 몰드와, 냉각 시스템 및 가열 시스템으로 이루어진 군으로부터 선택된 외부 열 전달 장치 사이에서 전달하는 단계를 더 포함하는, 초합금 구성요소 주조 방법.
제9항에 있어서,
불활성 가스 챔버 및 진공 챔버로 이루어진 군으로부터 선택된 챔버 내에 구성요소를 위치시키는 것에 의해서 구성요소를 주변 공기로부터 격리시키는 단계를 더 포함하는, 초합금 구성요소 주조 방법.
초합금 구성요소를 보수하는 방법이며:
터빈 블레이드 또는 터빈 베인으로 이루어진 군으로부터 선택된 초합금 베이스 기판, 및 공동을 가지는 몰드를 제공하는 단계;
몰드 공동과 소통하도록 베이스 기판을 배치하는 단계;
초합금 금속 전극 및 플럭스를 몰드 공동 내로 삽입하는 단계;
전극 및 기판을 저항 가열 장치의 전류 공급원에 대해서 전기적으로 직렬로 커플링시키는 단계;
기판과 접촉하는, 몰드 공동 내의 용융 금속 풀을 커버하는 일렉트로슬래그를 생성하고 그 이후에 용융 금속을 베이스 기판과 단방향적으로 응고시켜, 기판 연장부를 생성하기 위해서, 전극과 기판 사이에서 전류 유동을 통과시키고 조절하는 단계; 및
용융 금속이 응고함에 따라 몰드 공동과 일치하게 기판 연장부를 성장시키는 단계를 포함하는, 초합금 구성요소 보수 방법.