KR20150063312A - 복합 용접 와이어 및 제조 방법 - Google Patents

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KR20150063312A
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알렉산더 비. 곤차로프
조셉 리버디
폴 로덴
스콧 하스티
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Abstract

본 발명은 초내열합금으로 제작된 부품들의 용융 용접을 위한 복합 용접 와이어이다. 복합 용접 와이어는 내측 심선과, 내측 심선에 도포되고 결합된 표면층을 포함한다. 표면층은 B 와 Si 중에서 선택된 합금 원소를 포함하는데, 복합 용접 와이어 중의 B 와 Si의 총 벌크 함량은 0.1 내지 10 중량%이다. 바람직하게는 B 의 총 벌크 함량은 4 중량% 미만이며, 표면층은 B와 Si 중에서 선택된 5 내지 95 중량%의 합금 원소를 포함한다.

Description

복합 용접 와이어 및 제조 방법{A COMPOSITE WELDING WIRE AND METHOD OF MANUFACTURING}
본 발명은 가스 텅스텐 아크 (GTAW) 용접, 레이저 빔 (LBW), 플라즈마 (PAW) 및 마이크로 플라즈마 (MPW) 수동 및 자동 용접을 이용하여, 니켈, 코발트 및 철 기반 초내열합금으로 제작된 터빈 엔진 부품의 수리에 사용될 수 있는 용융 용접(fusion welding)용 충전재에 관한 것이다.
여러 세대의 니켈 및 코발트기(-base) 초내열합금이 터빈 엔진용으로 개발되어 왔다. 하지만, 우수한 기계적 성질과 내산화성에도 불구하고, 석출 경화 초내열합금으로 제작된 엔진 부품은 여전히 열 피로 균열, 산화, 황화 및 부식이 생기기 쉽다.
심하게 손상된 엔진 부품의 수리를 위하여 Liburdi Engineering Ltd. 사는 1992년도에 미국특허 5,156,321에 처음 기재된 Liburdi Powder Metallurgy 공정법 (LPM™)을 개발하고 특허화하였다.
LPM™ 공법은 유기 바인더와 함께 Mar M-247, Inconel 738 또는 기타 초내열합금 분말로 만들어진 퍼티(putty)를 보수 부위에 도포한 다음, 1000℃가 넘는 온도에서 분말을 소결하여 다공성 화합물을 생산하며, 이것은 기판에 금속 결합되고 이어서 저융 니켈 또는 코발트 기반 합금을 사용하여 보수 부위에 LPM™의 액상 소결하여, 보수 부위에 우수한 기계적 성질과 산화 성질을 갖는 디포짓을 형성하는데 기반한다.
General Electric 사는 문서 "Improving Repair Quality of Turbine Nozzles Using SA650 Braze 합금", (저자 Wayne A. Demo, Stephen Ferrigno, David l Budinger, 및 Eric Huron), SuperAlloys 2000, 편집 T.M. Pollock, R.D. Kissinger, R.R. Bowman,K.A. Green, M. McLean, S. Olson, 및 J.J. Schim, TM.5, The Minerals, Metals &Materials Society, 2000, pp. 713-720에서 설명된 Activated Diffusion Healing (활성화 확산 치유:ADH)으로 알려진 유사 공법을 개발하고 도입하였다.
ADH 보수에서는, 슬러리를 보수 부위에 도포한다. 슬러리는 고융점 초내열합금 분말(보통은 보수되는 합금과 동일한 조성)과, 붕소 (B) 또는 규소 (Si) 분말을 첨가함으로써 달성되는 더 낮은 융점을 갖는 ADH 합금으로 만들어진다. 슬러리는 표준 유기-기반 브레이징 바인더와 함께 혼합되고 현탁된다.
ADH 합금은 그들의 낮은 융점을 주로 붕소를 사용하여 달성한다. 붕소 수준은 한편으로 브레이즈 흐름(braze flow), 허용가능한 균열 메움, 그리고 상당히 낮은 브레이즈 공정 온도에 필요한 최소치와, 다른 한편으로는 기계적 성질에의 지나치게 해로운 영향에는 반대하여, 그 사이에서 균형을 이룬다.
ADH 와 LPM 공정 모두에서, 보수 부위는 상당한 양의 저융점 재료를 포함하는데, 이로인해 종래의 충전재를 사용한 용융 용접에 의해 어떠한 결함의 후속 보수 또는 재생을 수행하기가 매우 어려워진다. 그 결과, 아주 경미한 불연속부의 수리를 위해서도 LPM™ 및 ADH 싸이클을 반복해야만 하며, 이는 수리 비용을 증가시키고 붕소의 과도한 확산으로 인해 모재료의 물성에 영향을 준다.
Joe Liburdi 등은 American Society of Mechanical Engineers, 93-GT-230에 의해 공개된 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, Cincinnati, Ohio - May 24-27, 1993에서의 "Novel Approaches to the Repair of Vane Segments" 에서 LPM™ 재료의 보수를 위해 Inconel 625 필러 와이어와 함께 GTAW 용접의 사용에서의 일부 진전을 보고하였다. 그러나, 대부분은 LPM 공정에 사용된 브레이징 재료의 용융 온도를 초과한 Inconel 625의 높은 용융 온도 때문인 불일치로 인해, 이 방법의 실제적인 사용은 제한되었다.
추가적으로 Inconel 738, Inconel 713, Rene 77 및 알루미늄과 티타늄의 총 함량이 8% 를 초과하는 다른 초내열합금 위에 직접적인 GTAW 용접은 열 영향부 (HAZ)의 균열을 초래한다.
표준 필러 와이어를 사용하여 Inconel 738 위에 균열없는 용접을 만들려는 이전의 시도는 Banerjee K., Richards N.L., and Chaturvedi M.C. "Effect of Filler Alloys on Heat Affected Zone Cracking in Pre-weld Heat Treated IN-738 LC Gas-Tungsten- Arc Welds", Metallurgical and Materials Transactions, Volume 36A, July 2005, pp.1881 - 1890. 에 따르면 성공적이지 못했다. Aerospace Materials Specification (AMS) 5966에 따라 제작되고 다른 합금 원소들 중에서 0.4% Si으로 구성된 니켈 기반 Hastelloy C-263 용접 와이어와, 다른 용해온도와 화학 조성을 갖는 규소와 붕소 없는 니켈 기반의 AMS 5832 (Inconel 718으로도 알려짐), AMS 5800 (Rene 41), AMS 5675 (FM-92) 용접 와이어의, HAZ 균열에 대한 영향을 연구하였다. 그것은 앞서 언급한 충전재를 사용하여 생산된 모든 샘플이 광범위한 균열을 나타내었고, 용접 금속 응고 온도 범위가 Inconel 738 합금의 HAZ 균열에 대한 감수성과는 상관이 없다는 결론에 다다른 것으로 드러났다.
위의 결과를 확인하기 위해, 본 발명자들은 현재 개발의 범위 내에서 1 중량%의 벌크 함량으로 Si를 포함하는 다수의 합금 원소들을 포함한 표준 AMS 5786 (Hastelloy W) 및 AMS 5798 (Hastelloy X) 니켈 기반 용접 와이어, 2.75 중량%의 규소의 벌크 함량을 갖는 Haynes HR-160 니켈 기반 용접 와이어 및 규소의 벌크 함량이 미국 2,515,185에 기재된 합금과 유사하게 0.05 중량% 내지 2 중량%에서 변하는 다른 용접 와이어를 포함하는, 또다른 그룹의 용접 재료들과 함께, Inconel 738 의 용접성의 평가를 수행하였다.
화학 조성에 관계없이, 표준 용접 와이어를 사용하여 제조된 모든 용접은 기자재와 용접 비이드(bead) 사이의 용융선을 따라 HAZ에서 광범위한 입자간 미세균열을 나타냈다. Inconel 738에서의 HAZ 균열은 용접 동안에 결정립계를 따라 저온 공정(eutectic), 탄화물 및 다른 석출물의 초기 용해와, 이어서 용접 비이드(bead)의 응고 및 냉각동안에 HAZ 에서 잔류 인장 응력의 수준이 계속적으로 높아짐으로 인한 균열의 전파에 관련되었다.
Alexandrov B.T., Hope A.T., Sowards J.W., Lippold J.C., 와 McCracken S.S,에 의해 Weldability Studies of High-Cr, Ni-base Filler Metals for Power Generation Applications, Welding in the World, Vol. 55, n°3/4, pp. 65 - 76, 2011 (Doc. IIW-2111, ex Doc. IX-2313 -09)에서 보여준 바와 같이, 저온 공정(eutectic)의 부족과 빠른 냉각은 전체 균열 되메우기(back filling)를 허용하지 않았다. Inconel 738 의 초기 용융 온도를 초과한, 2.75% 까지의 Si 벌크 함량을 갖는 표준 코발트 기반 용접 재료의 높은 용융 온도는 과열을 증가시켰고 HAZ에서 균열을 가중시켰다. 이들 용접의 용접 후 열처리 (PWHT)는 HAZ에서 추가적인 변형 시효 균열을 초래하였다. 일부 균열은 용접 안으로 전파되었다.
따라서, 현재는 Mar M 247, Rene 80, CMSX 4, CMSX 10, Rene N5 및 기타 단결정 재료는 물론이고, Inconel 738, Inconel 713, GDT 111, GDT 222, Rene 80, 및 기타 석출 경화 다결정과 1방향성으로 응고된 고 감마-프라임 초합금을 900℃를 초과하는 온도까지 예열하는 것만이 균열없는 용접을 가능하게 한다. 용접을 위해 상승된 온도를 사용하는 방법은 US5,897,801, US6,659,332 및 CA 1207137에 교시되어 있다. 그러나, 용접하기 전의 부분품의 예열은 비용을 증가시키고 용접 작업의 생산성을 감소시킨다.
전술한 바에 근거하여, 예열을 위한 조건을 최소화하거나 제거해줄 수 있고 HAZ 균열을 최소화하거나 없앨 수 있는, 초내열합금의 용접을 위한 다른 접근법이 요구된다. 본 발명자들은 특정 원소들을 선택적으로 분리함으로써, 우수한 초내열합금의 용접성과 용접 이음부의 물성을 융해 또는 응고 범위라고도 부르는 융해(액상선)와 응고 (고상선) 온도의 차이를 이용하여 달성할 수 있음을 발견하였다.
종래 기술로부터 공지된 여러 종류의 복합 용접 와이어가 존재한다. 예를 들면, US 5569546에 개시된 복합 용접 와이어는 분말, 즉 다시말해 필수적으로 1.5-2.5% B, 2-5% Al, 2-4% Ta, 14-17% Cr, 8-12% Co으로 구성되고, 나머지 잔부는 분말 형태의 Ni 와 불가피한 불순물들로 이루어지는, 약 50-90중량% Co 기반 합금과 약 10-50중량% Ni 기반 합금의 혼합물을 소결함으로써 만들어진다. 붕소는 코발트 기반 합금으로 제작된 물품의 용접을 가능하게 하는 융점 저하제로서 사용된다. 하지만, 붕소는 코발트, 니켈 및 철 기반 합금의 연성을 감소시킨다. 따라서 본 특허는 분말을 소결함으로써 이러한 필러 와이어를 제조하는 것을 교시한다. 이것은 실제로 수행하기 위해 비용과 시간이 소요되는 공정이다.
AMS Handbook, Welding, Brazing and Soldering, Volume 6, pp.719, FR2746046, CA 2442335, 및 CN 1408501에 기재되어 있는 플럭스 코어드(flux-cored) 용접 와이어 및 와이어들은 또한 일반적인 부류의 복합 충전재에 속한다. 플럭스 코어드 용접 와이어 및 와이어들은 다른 슬래그 형성 물질, 아크 안정화제, 다이옥시다이져, 및 금속 분말로 채워진, 금속 쉘을 포함한다. 복합 심선(core wire)은 고생산성 프로세스를 사용하여 무제한 변화의 분말로 제조될 수 있다. 유감스럽게도, 이들 충전재의 직경은 4 내지 8 mm에서 변하는데 이는 1 내지 3 mm의 벽 두께를 갖는 터빈 엔진 부품의 수리와 제조에 그들을 사용할 수가 없다.
바이메탈 금속 용접 와이어는 코어와 쉘 사이에 양호한 금속 결합을 가지지만, 그것은 오로지 구리와 스테인레스강과 같이 높은 연성의 재료만을 사용하여 RU 2122908 에 따라 드로잉함으로서 제작될 수 있다.
복합 구리 도금된 용접 와이어는 JP 2007331006, JP 2006281315, JP 62199287 및 KR 20090040856에 개시되어 있다. 이들 와이어는 다른 화학 조성을 가지며, 다른 공급업체들로부터 전세계 시장에서 구입가능하다. 하지만, 구리는 니켈 기반 초내열합금의 용접 이음부의 사용 온도를 대폭 감소시킨다. 따라서, 이들은 터빈 엔진 부품의 수리에는 적합하지 않다.
CN 1822246 에 따르면, 니켈 및 코발트 기반 초내열합금과의 상호작용의 금속적 특색으로 인해 용접 와이어의 실버-구리 코팅도 또한 터빈 엔진 부품의 용접에 역시 적합하지 않다.
CN 101407004, CN 201357293 및 JP 2007245185에 따르면, 티타늄 표면 코팅은 충전재의 용융 온도를 낮추는데 효과적이지 않다.
CN 101244489 에 따르면, MnCl2, CaCl2, Mn02, 및 ZnO 로 만들어진 활성제로 용접 와이어의 코팅은 석출 경화 초내열합금의 용접의 HAZ 균열 방지에 효과가 없다.
CN 1822246, RU 2415742 및 RU 2294272 에 따르면, 활성화 플럭스를 함유하는 내측 및 외측 코팅을 지닌 복합 용접 와이어 및 와이어들은 흡습을 낮추는 것을 목표로 하였다. 이들 복합 와이어는 또한 금속 코팅도 포함할 수 있다. 하지만, 이들 필러 와이어는 높은 용융 온도로 인해 그리고 용융 온도를 낮추지 않는 흡습성 성분들로 인한 열 영향부의 과열 때문에, 석출 경화 초내열합금 위에 결함 없는 용접을 제조할 수가 없다.
그러므로, 공지된 필러 와이어의 제조 및 사용에 있어서의 기술적 어려움들 때문에, GTAW 용접에 의한 터빈 엔진 부품의 용접 보수를 위해, 높은 함량의 융점 저하제를 포함하는 필러 와이어 또는 와이어들의 가용성은 거의 내지 전혀 없다. 또한 현재로선 Inconel 738 및 다른 고 감마프라임 초내열합금 위에 예열없이 균열 없는 용접을 제조하는데 사용할 수 있는 필러 와이어는 없다. 오로지 AMS 4777 만이 브레이징 캐스트 봉(rod)의 형태로 시중에 상업화되어 있다. 하지만, 이들 봉의 용융 온도가 낮기 때문에, 그들은 고압 터빈 (HPT) 엔진 부품의 보수에는 적합하지 않다.
전술한 바를 기반으로, HAZ에 균열이 생기기 쉽고, 이전에 브레이징, LPM™ 또는 ADH 보수에 노출된 석출 경화 초내열합금 위에, 용융 용접 및 TIG (GTAW) 브레이즈-용접을 위한 효과적인 복합 용접 와이어를 개발하는 것이 유익할 것이다.
발명의 간단한 설명
본 발명자들은 Ni, Co, Fe 기 기반 합금 중의 적어도 하나를 포함하는 연성 심선과 B, Si, 또는 B 와 Si의 혼합물을 포함하는 그룹에서 선택된 융점 저하제가 풍부한 외면(바깥쪽면)층으로 구성되는 복합 용접 와이어가 LPM™, ADH 그리고 갖가지 용접하기 어려운 초내열합금과 브레이징 이음부(brazed joints)위에 성공적으로 용접을 행함을 발견하였다. 본원에서 융점 저하제의 벌크 함량이라고 부르는, 복합 용접 와이어에서 코어와 외면에 있는 전체 B 와 Si는 대략 0.1-10 중량% 사이의 범위이다.
본원에 기재된 복합 용접 와이어는 연성 심선의 냉/열 드로잉(연신)과 이어서 필요한 양의 B와 Si를 오직 표면 층에만 물리적 부착(deposition) 및 결합의 조합에 의해 쉽게 만들어진다. 더 높은 함량의 B 와 Si 를 포함시키려는 선행기술의 시도는 B 와 Si 첨가로 인한 연성의 심각한 감소로 인해 제한된다. 그 결과, 고함량의 융점 저하제를 갖는 용접 와이어는 오로지 주조 또는 소결에 의해서만 제조될 수 있으며, 이는 상업적으로 비용 효율적이지 못하다. 또한, 이들 시도는 HAZ 균열의 발생을 해결하는데는 부족하다.
본원에 기재된 복합 용접 와이어는 시중에서 구입가능한 표준 용접 와이어/봉을 B 와 Si로 코팅 또는 페인팅함으로써 제조될 수 있다. 코팅 다음에 뒤따라 열처리를 할 수 있다. 표준 용접 와이어의 사용은 제조 비용을 최소화한다. 따라서 본 컨셉은 이들 필러 와이어를 이용해서, 더 낮은 비용과 높은 생산성을 가져다준다.
B 와 Si로 심선의 표면 합금화는 용융 온도를 낮추며, 융해 간격이라고도 불리는 응고 범위를 점진적으로 증가시킨다. 용융지(weld pool)가 응고하는 동안, 수지상 결정들 사이에 형성되는 더 낮은 고상선 온도 공정(eutectic) 합금의 존재로 인해, 응고시에 어떠한 균열들이 자가 치유를 형성하는 것을 발견하였다. 또한 수리된 부품의 물성의 저하는 관찰되지 않았다.
새로운 복합 용접 와이어에서의 Si 와 B는 용접의 연성을 감소시키지 않았고, 개발된 용접 와이어를 버터링에 사용 가능하게 한다.
유사 및 비유사 재료위에 복합 B 와 Si 개질된 용접 와이어를 사용하여 제조된 용접 이음부의 인장 강도는 종종 982 Deg. C (1800 Deg. F)의 온도에서 유사 재료와 일부 모재료를 사용하여 제조된 용접의 강도보다 더 뛰어났다.
본 발명자들은 주위 온도에서 용접하면서 균열이 생기기 쉬운 Inconel 738 와 기타 용접하기 어려운 초내열합금 상의 HAZ 균열의 제거를 관찰하였다.
본 발명자들은 터빈 엔진 부품 및 다른 물품들의 보수 비용의 감소를 관찰하였다.
또다른 바람직한 실시예에 따라, 필러 와이어는 연성 심선과 표면층 사이에 전이층을 포함할 수 있으며, 이때 융점 저하제의 함량은 외부 표면상의 최대치로부터 연성 심선 재료와 외부 표면층의 계면에 본래 존재하는 수준까지 점차적으로 감소된다.
4 mm를 초과하는 직경을 갖는 관상 필러 와이어는 내측면 위에 디포짓된 융점 저하제를 또한 포함할 수 있다.
또다른 실시예에 따르면, 관상 필러 와이어와 봉은 융점 저하제 그리고 Ni, Co, Fe 베이스 중 적어도 하나를 포함하는 필러 분말과, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Cu, Y, Re, C, N 원소의 그룹에서 선택된 합금 원소를 함유할 수 있다.
복합 충전재의 제조 방법은 화학적 세척이나 다른 수단에 의해 연성 심선의 표면의 준비하는 단계, 융점 저하제를 함유하는 슬러리를 연성 심선에 도포하는 단계, 슬러리를 건조시키고, 이어서 900℃를 넘지만 연성 심선 재료의 초기 용융 온도보다는 아래의 온도에서, 보호 분위기 또는 진공하에서, 연성 심선과 융점 저하제의 각각의 조합에 대해 실험, 계산 또는 다른 수단에 의해 결정되는 시간동안 열처리하는 단계, 이어서 주위 온도까지 냉각시키는 단계를 포함한다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 표면층을 융점 저하제로 농축하는 것은 하기의 공정 중의 한가지를 사용하여 붕소화라고도 또한 알려진 붕화(침붕)에 의해 제조된다: 전해 붕화, 액체 붕화, 팩 붕화, 가스 붕화, 플라즈마 붕화, 유동층 붕화, 화학 증착법 (CVD), 물리적 증착법 (PVD), 전자빔 물리적 증착법.
발명의 상세한 설명
정의
바인더: 고체 입자들을 함께 결합시켜 예를 들면 붕소 및/또는 규소 함유 슬러리 및/또는 페인트의 응8집력있는 덩어리가 되게 할 수 있는 특성을 보유하는 물질.
유기 바인더: 실질적으로 모두 유기 화합물을 포함하는 바인더.
확산 결합: 열 활성화로 인하여, 예를 들어 B 와 Si와 같은 구성성분들이 자발적으로 이들 구성성분의 농도가 더 낮은 심선 재료와 같은 주변 재료 안으로 이동하는 재료 상태 또는 과정. 확산은 화학 조성을 변화시키고 전이 또는 상이한 중간층을 생성할 수 있다.
초내열합금: 고온에서, 0.9 용융 온도까지, 뛰어난 기계적 강도와 크리프에 대한 저항성; 양호한 표면 안정성, 내산화성 및 내부식성을 나타내는, 금속성 재료이다. 초합금은 전형적으로 오스테나이트 면심 입방 결정 구조를 갖는 매트릭스를 가진다. 초합금은 터빈 엔진 부품의 제조에 주로 사용된다.
니켈 기반 초내열합금: 니켈의 함유량이 다른 합금 원소들의 함유량을 초과하는 재료
코발트 기반 초내열합금: 코발트의 함유량이 다른 합금 원소들의 함유량을 초과하는 재료
철 기반 초내열합금: 철의 함유량이 다른 합금 원소들의 함유량을 초과하는 재료
접착성 결합: 접착(gluing)이라고도 함; 풀(glue)로서 바인더를 사용하여 표면층과 심선이 함께 결합되는 작용 또는 프로세스
소결: 입자간 그리고 아마도 또한 모재료 사이의 결합을 초래하는 프로세스. 소결은 용융 온도보다 아래의 온도에서 가열하는 동안에 원자 확산으로 인해, 예를 들어 분말 형태와 또한 심선이 될 수 있는 B 와 Si 입자들간에 일어날 수 있다. B와 Si의 원자들은 예를 들어 입자들의 경계 및 심선을 가로질러 확산하여, 구성성분의 어떤 것도 융해되지 않고 이들을 함께 결합시키고 하나의 고체 조각을 형성한다.
용접 와이어: 용접 용가재(filler metal)의 한 형태, 일반적으로 코일 또는 스풀로 공급되는데, 그것이 사용되는 용접 공정에 따라, 전류를 전도하거나 전도하지 않을 수 있다.
용접 봉: 용접 용가재의 한 형태로서, 형태나 봉은 그것이 사용되는 용접 공정에 따라, 전류를 전도하거나 전도하지 않을 수 있다. 본 발명의 개념이 용접 와이어나 용접 봉 두가지 중의 어느 것에도 동일하게 적용되기 때문에, 본 명세서에서는 용어 "용접 봉과 용접 와이어"는 상호교환가능하게 사용된다.
GTAW - 가스 텅스텐 아크 용접
브레이징: 용가재가 그것의 융점 이상으로 가열되어, 꼭 맞는 수리 부품 접합면(faying surfaces) 사이에서 모세관 작용에 의해 분산되는 과정. 수리 부품은 그들의 용융 온도 이상으로 가열되지 않는다.
브레이즈 용접: 450 ℃ 이상이고 수리 부품 금속의 고상선보다 아래의 액상선을 갖는 용가재를 사용하는 용융 용접 공정 변형. 브레이징과 달리, 브레이즈 용접에서는 용가재가 이음부에서 모세관 작용에 의해 분산되지 않는다.
버터링: 용접의 후속 완료를 위하여, 표면마무리작업(surfacing) 금속을 하나 이상의 표면 위에 부착하여, 금속적으로 양립가능한 용접 금속을 제공하는, 표면 마무리작업 변형.
열 영향부: HAZ라고도 알려짐, 용해되지는 않았지만, 그것의 기계적 성질이나 마이크로조직이 용접, 브레이징, 납땜, 또는 절단의 열에 의해 변경된 베이스 금속의 일부분.
용융 용접: 베이스 금속의 용융(fusion)을 사용하여 용접을 만드는 임의의 용접 프로세스
고상선 온도 - 금속 또는 합금이 완전히 고체가 되는 가장 높은 온도
액상선 온도 - 모든 금속 또는 합금이 액체가 되는 가장 낮은 온도
고상선 - 액상선 범위 또는 융해 범위 - 그 위에서는 금속 또는 합금이 부분적으로는 고체이고 일부는 액체 상태인 온도
설명
본 발명은 일반적으로 복합 용접 와이어(100)로서 나타내는 용융 용접을 위한 와이어 또는 봉의 복합 용접과, 복합 용접 와이어(100)를 제조하는 방법이다. 복합 용접 와이어(100)는 다양한 물품들의 보수에 사용되며, 바람직하게는 표준 용접 재료를 사용하여 용접하는 동안 HAZ에서 균열이 생기기 쉬운 초내열합금은 물론이고, Ni, Co 및 Fe 기반 초내열합금, ADH, LPM™ 또는 고온 브레이징을 사용하여 이전에 수리된 1방향성으로 응고된 단결정 합금으로 제조된 터빈 엔진 부품의 수리에 사용된다.
복합 용접 와이어(100)는 예를 들어, 요구되는 화학 조성을 갖는, 연성의 표준 또는 맞춤 제작된 니켈, 코발트 및 철 기반 합금의 열간 또는 냉간 인발(drawing)에 의해 제조된, 도면 1에 나타낸 연성 심선(101)을 포함한다. 복합 용접 와이어(100)는 또한 표면층(102)을 포함하는데, 여기에는 붕소, 규소 또는 이들 두가지 화학 원소의 조합과 같은 융점 저하제가 풍부하다. 표면층(102)은 복합 용접 와이어(100)의 제조 방법에 따라 전이층(103)을 포함할 수도 있다. 도면 1에서 표면층(102)은 표면층(102)의 전체 두께인 T 110에 대해 전이층(103)을 포함한다. 복합 용접 와이어(100)의 전체 직경은 D 112로 표시한다.
도면 2 는 분말 코어드 필러 복합 용접 와이어 (200)인 용접 와이어의 단면도를 도시하는데, 융점 저하제가 풍부한 외부 표면층(202)을 지닌 연성 심선 (201), 동축 개구부 (204), 융점 저하제를 갖는 내면층(205)을 포함하며, 이때 동축 개구부 (204)는 필러 분말 코어(206)로 채워질 수 있다.
다양한 초내열합금, ADH, LPM™ 및 브레이즈드 이음부 위에 용접을 제조하기 위해서, 연성 심선과 봉은 현재 표준 및 맞춤 제조된 니켈, 코발트, 철 기반 와이어를 사용하여 제조된다.
도면 1과 2에 도시된 요구 두께 (T 110)의 외부 표면층 (102) 과 (202) 을 제조하기 위하여 붕화의 몇가지 예를 아래에서 논의한다.
예를 들어 또한 슬러리 붕화로도 알려진 페이스트는 알코올이나 메탄올 또는 물과 같은 휘발성 용제와 함께 붕소 분말로 만들어진 붕소포함 매질의 믹스를 브러싱, 또는 분무 또는 침지에 의해 심선 또는 봉의 표면위에 도포한다.
전해 붕화에서는 필러 심선을 애노드로 작용하는 그래파이트 전극과 함께 950℃의 온도에서 용해된 붕산 (H3B03) 안에 침지시키고, 여기에서 붕산의 전기화학적 해리로 인하여 방출된 붕소 원자들이 심선 재료에 의해 흡수된다.
액체 붕화에서는 필러 심선을 염욕(salt bath)에 침지시킨다. 팩 붕화에서 붕소포함 매질은 고체 분말이다.
가스 붕화에서, 붕소포함 매질은 B2H2-H2 혼합물과 같은 붕소-풍부 가스이다.
플라즈마 붕화는, 또한 가스 붕화 온도보다 더 낮은 온도에서 붕소-풍부 가스를 사용한다.
유동층 붕화는, 수소, 질소 및 그들의 혼합물과 같은 무산소 가스와 함께 특별한 붕화 분말을 사용한다.
화학 증착법 (CVD)에 의한 붕화에서는, 붕소 원자들이 심선 안으로 확산되어 심선의 표면 상에 금속간 화합물을 형성하고 이때 붕소화 층의 균일한 확산은 열-화학적 반응에 의해 제어된다.
또한 PVD 공정으로도 알려진 물리적 증착법에 의한 붕화에서는 붕소가 풍부한 스퍼터링 재료가 10-2 torr 이상의 작동 압력의 진공에서 전기 아크에 의해 증발된다. 이 공정은 고온에서 심선 안으로 확산하는 붕소 원자에 의해 심선의 외부 표면의 코팅을 초래하며, 심선의 온도와 PVD 공정의 지속시간에 의해 조절되는 두께를 갖는 코팅을 만들어낸다. EB-PVD 공정으로도 또한 알려진 전자빔 물리적 증착에 의한 붕화는 PVD 와 유사하지만, 스퍼터링 재료의 가열과 증발이 전자빔에 의해 수행된다.
슬러리, 전해 및 팩(pack) 붕화는 발명된 복합 충전재의 제조에 대해 가장 비용 효율적이다.
페이스트 붕화에서는, 붕소 분말과 쉽게 증발되는 용매를 함유하는 슬러리를 페인팅, 분무 또는 침지에 의해 심선에 도포시키고 이어서 만약 슬러리를 제조하는데 물이 사용되었다면, 주위 온도에서 또는 오븐내의 높은 온도에서 건조시킨다. 메탄올은 주위 온도에서 쉽게 증발하고, 불순물의 함량이 낮으며, 건강과 안전상의 위험이 낮고 합리적인 가격 때문에 바람직한 용매이다.
이 코팅의 요구 두께는 심선 직경과 융점 저하제의 바람직한 화학 조성에 의존한다.
표면층내의 붕소, 규소 또는 붕소와 규소의 함량과 이 층의 두께는 Inconel 713, Inconel 738, Rene 77 및 고함량의 감마-프라임 (γ') 상을 갖는 용접하기 어려운 다른 초내열합금의 HAZ 균열을 제거하는 것은 물론이고, LPM™, ADH 을 제조하기 위하여 사용된 브레이징 재료의 고상선 - 액상선 범위 아래로, 이 필러 와이어의 용융 온도를 낮춰주는 복합 필러 와이어내의 융점 저하제의 벌크 함량을 0.1 - 10% 의 범위 내에서 제조하여야 한다.
복합 필러 와이어내의 낮은 용융 온도 저하제의 총량은 와이어 직경과 외부 표면층의 두께에 의존하며, 아래의 등식을 사용하여 추산가능하다 :
Figure pct00001
상기식에서:
C∑ - 용해된 용접 와이어 중의 융점 저하제의 총 함량,
D' - 용접 와이어 직경,
CSL - 표면층내의 융점 저하제의 함량
T - 표면층의 두께.
건조 후에, 융점 저하제의 산화를 방지하기 위하여, 슬러리가 도포된 필러 와이어 또는 봉을 보호 가스 (아르곤, 헬륨 또는 수소)에서 또는 진공하에서 900℃가 넘지만 심선 재료의 용융 온도보다는 낮은 온도에서 열처리한다. 이 값은 각각의 타입의 합금에 대하여 입수가능한 핸드북으로부터 찾아볼 수 있다. 하지만, 최상의 결과는 1180-1205℃의 온도 범위 내에서 열처리할 때 달성되었다.
도면 4 와 5에 도시한 바와 같이, 이 온도 범위 내에서의 필러 와이어의 열 처리는 두께 T = 75 - 111 ㎛의 표면층을 생성하였고, 이것은 전이층(103)을 포함한다. 붕소의 함량은 표면상에서 최대치로부터, 0까지 또는 모재료 - 전이층 경계면에서 모재료내의 붕소의 본래 함량까지 감소한다.
2 에서 6 시간까지 붕화(침붕) 시간을 증가시키면 붕소화 층의 두께도 140-250㎛으로 증가한다. 이것은 X. Dong 외 "Microstructure and Properties of Boronizing Layer of Fe-based Powder Metallurgy Compacts Prepared by Boronizing and Sintering Simultaneously", Science of Sintering, 41 (2009) 199-207. 에 의해 예전에 발표된 것에 가깝다.
이들 표면층은 심선과의 우수한 결합을 나타내여, 용접하는 동안 복합 필러 용접 와이어와 봉의 손쉬운 취급을 가능하게 한다.
붕화 또는 붕소화 층의 두께는 열처리의 시간과 온도에 의해 조절된다. 열처리하는 동안 붕소는 기판 안으로 확산되어, 심선에 양호한 결합을 갖는 표면층을 생성한다.
또다른 실시예에 따르면 붕소를 함유하는 외부 표면층의 형성은 전기화학적 공정을 이용함으로써 수행되며, 이때 심선은 대략 950℃의 온도에서 용해된 붕산 안으로 침지된다.
붕화하는 동안에, 붕산은 해리되어 붕소 원자를 방출하고 이것은 연성 심선의 표면 안으로 확산되어 Ni2B 및 기타 붕소화물을 형성한다. 붕화 후 열처리 동안에는 준안정 Ni2B 붕소화물이 안정한 Ni3B 화합물로 전환된다. 붕소화물, 붕소화물 농축 고용체 및 10% 까지의 붕소를 함유하는 상의 석출이 또한 복합 충전재의 표면위에 그리고 입계를 따라 일어난다.
실험에 의해, 전기화학적 붕화와 이어지는 900-1000℃의 온도 범위 내에서 열처리 동안에, 상대적으로 얇은 붕소화물 층이 필러 와이어의 표면 위에 형성되는 것을 발견하였다. 도면 3 & 4에 도시된 붕화층의 두께는 대략 75 ㎛ 또는 0.075mm 이다.
또다른 실시예에 따라, 용융 온도 저하제를 함유하는 외부 표면층은 Ekabor™ 또는 90 % SiC, 5% B4C, 5% BF4으로 구성된 유사한 분말을 사용하여, 팩 붕화에 의해 제조된다. 팩 붕소화 동안에, B4C는 붕소와 탄소로 쪼개져, 심선 안으로의 붕소 확산을 가능하게 한다.
연성 심선을 Ekabor 분말과 친밀하게 접촉하여 배치시킨 다음, 아르곤의 보호 분위기 하에서 820 - 980℃의 온도로 가열하고 각각의 기자재에 대해 실험에 의해 선택된 최적의 온도 범위 내에서 유지시킨다. 소오킹 시간은 심선의 기자재, 표면층의 요구 두께 및 심선 직경에 또한 의존한다. 최적의 열 처리 시간은 각각의 타입의 심선 합금에 대해 실험에 의해 확정된다. 확산 주기와 냉각 후에 과도한 Ekabor 분말은 연질 스테인레스강 와이어 브러쉬 또는 기타 세척방법을 사용하여 제거한다.
붕화는 또한 역시 실험에 의해 각각의 타입의 재료에 대해 개발된 파라미터를 사용하여, CVD, PVD, EB-PVD 및 기타 공정에 의해 수행된다.
규소는 붕소와 동일한 확산율을 갖지 않는다. 그러므로, 규소를 도포하는데 가장 효율적인 방법은 브러싱, 분무 또는 규소 함유 슬러리 안으로 연성 심선을 침지하고 뒤이어 1100℃ - 1200℃의 온도에서 확산 열 처리하는 것이다.
또다른 실시예에서는 붕소, 규소 또는 붕소-규소 분말 또는 액체 페인트의 도포는 유기 바인더를 사용하고, 이어서 정전기 또는 브러쉬 페인팅하고 이어서 용접 와이어를 건조하여 제조된다. 이것은 표면층(102)과 심선(101) 사이에서 접착성 결합을 생성하고 이는 탄소 함량에 민감하지 않은 니켈 및 코발트 기반 합금 위에 용접을 위한 자동 와이어 공급을 가능하게 하며, 아니면 용접을 탄소로 추가 합금화(얼로잉)하는 것이 필수적이다.
용접하는 동안에, 유기 바인더는 증발되고 분해되어 B 와 Si 를 방출하고 이들은 용융지(welding pool)에 의해 흡수된다.
사용
복합 용접 와이어는 99% 의 순도와 1- 5 ㎛의 입자 크기를 갖는 붕소, 규소 및 붕소-규소 분말과 유기 바인더로 만들어진 슬러리를 사용하여 제작되었다. 슬러리는 브러싱에 의해 직경이 1.0 - 1.5 mm인 표준 용접 와이어 AMS 5837, AMS 5839, AMS 5801, Rene 80 및 Rene 142 에 도포되었고, 이때 AMS 는 미국 우주 재료 규격(Aerospace Material Specification)을 의미한다. 복합 용접 와이어의 새로운 이름과 합금 원소의 중량% 의 벌크 함량은 아래에 나와있다:
a) 복합 용접 와이어 A (AMS 5837 와이어로 제작됨): 20-22%Cr, 9- 11%Mo, 3.5-4%Nb, 0.5-0.8% B, 나머지는 Ni와 불순물.
b) 복합 용접 와이어 B (AMS 5839 와이어로 제작됨): 21- 23% Cr, 1.5- 2.5% Mo, 13-15% W, 0.3-0.5% Al, 1.5-1.8% Si, 0.5 -0.8% Mn, 나머지는 Ni와 불순물.
c) 복합 용접 와이어 C (AMS 5801 와이어로 제작됨): 21-23%Cr, 21- 23%Ni, 14-15%W, 0.05-0.08%La, 0.5-0.8%B, 1.2 - 1.5%Si, 나머지 잔부는 Co 와 불순물.
d) 복합 용접 와이어 D (AMS 5694 와이어로 제작됨): 23-25%Cr, 11- 13%Ni, 1-2.5%B, 1.2-1.5%Si, 나머지 잔부는 Fe 와 불순물.
건조 후에, 필러 와이어는 두 (2) 시간의 소오킹 시간에서 10-4 torr 의 최소 압력을 갖는 진공하에서 온도 범위 1120 내지 1205℃ 내에서 열 처리하였고, 이어서 진공하에서 노(furnace) 냉각시켰다.
제조된 복합 필러 와이어의 외관 육안 검사 및 금속조직 검사는 105 내지 175 ㎛에서 변하는 두께를 갖는 연속 붕화 층의 형성을 증명하였다. 이 방법을 사용하여 제조된 용접 와이어의 전형적인 마이크로조직은 도면 4 와 5에 도시되어 있다.
페인팅에 의한 발명의 복합 용접 와이어의 제조 방법을 설명하기 위하여, 99% 순도의 100 그램의 붕소 분말을 100 그램의 아크릴계 바인더와 150 그램의 용제 Dowanol™ 용제와 함께 혼합하였다. 이 혼합물을 조심스럽게 교반하여, 요구되는 브러쉬 페인팅 점도를 갖는 균일한 슬러리를 얻었다. 이 슬러리를 브러쉬를 이용하여 2층으로 직경 1 mm의 용접 와이어에 도포하였고, 2시간동안 건조되도록 놔두었다. 건조된 결과, 용제는 증발되었고, 심선에 우수한 접착을 갖는 붕소 농축 표면층이 만들어졌다.
복합 용접 와이어의 또다른 제조 실시에에서는 60 그램의 폴리에스테르 수지를 150 그램의 순수 아세톤에 용해시켰다. 이 용액을 폴리에스테르 조각들이 완전히 용해될 때까지 격렬하게 교반한 다음, 1 내지 5 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 40 그램의 Si 분말을 첨가하였다. 브러쉬 페인팅에 적합한 점도를 얻을 때까지 필요한 만큼 추가량의 아세톤을 첨가하면서 계속 교반하였다. 그 후 용접 와이어에 부드러운 브러쉬를 사용하여 페인팅하여 층을 도포하고, 15 내지 30 분 동안 주위 온도에서 건조되도록 공기 중에 놔두었다. 아세톤이 증발된 후에, Si와 폴리에스테르 바인더는 내측 심선에 양호한 접착력(부착)을 갖는 균일한 표면층을 생성하였고, 이는 Si 표면층의 균일성을 손상시키지 않으면서, 제조된 용접 와이어의 용이한 취급을 가능하게 하였다.
스풀의 복합 용접 와이어 10 내지 45% B와 나머지 폴리에스테르를 포함하는 폴리에스테르 분말 페인트는 정전기 페인팅법에 의해 제조한 후에, 140 - 160℃의 온도에서 오븐 큐어링하였다. 표면층의 두께는 15 내지 500 마이크로미터로 조절하여, 0.1 내지 10%의 B의 벌크 함량을 갖는 용접 와이어를 제조하였다. 정전기 분말 페인트를 위한 표준 장비를 사용하였다. 자동 GTAW 용접을 위한 스풀링된 용접 와이어의 단면도는 도면 13에 나와있다.
발명된 복합 용접 와이어를 사용한 GTAW 브레이즈 용접을 설명하기 위하여, 304 스테인레스강과 Inconel 738 기판 및 도면 8에 도시된 바에 따라 부착된 두께 1 - 4 mm인 최상층 LPM™ 과 AMS 4777 브레이징 합금을 사용하여 진공 로에서 고온 브레이징에 의해 제조된 브레이즈드 이음부를 포함한 샘플들을 사용하여 실험을 수행하였다.
직경이 1/16 인치인 표준 CK 용접 토치, 비소모성 텅스텐 전극 또한 산화로부터 보수 부위를 보호하기 위한 전극과 아르곤 및 직경이 1- 1.5 mm 인 와이어의 형태인 발명된 복합 충전재를 사용하여, 수동 GTAW 브레이즈 용접 공정을 수행하였다. 텅스텐 전극과 샘플 사이의 거리에 따라, 용접 전류는 20 - 40 A 의 범위 내에서 조절되었고 아크 전압은 9 내지 12 V 사이에서 변화하였다. 용융지를 확립한 후에, 용융된 충전재가 과열 및 균열되지 않도록 방지하면서, LPM™ 의 가열을 용융된 충전재의 층 전역에 걸쳐 수행하였다.
도면 1 은 복합 용접 와이어의 횡단면도를 도시하며, 연성 심선 (101), 융점 저하제가 풍부한 외부 표면층 (102) 및 전이층(103)를 포함하고, 여기에서 D 112 는 복합 용접 와이어 외경(바깥지름)이고 T 110 는 외부 표면층 (102)의 두께이다.
도면 2 는 분말 코어드 필러 복합 용접 와이어 (200) 의 단면도를 도시하는데, 이것은 융점 저하제가 농축된 외부 표면층 (202)을 갖는 연성 심선 (201), 동축 개구부 (204), 융점 저하제가 있는 내면층 (205)을 포함하며, 이때 동축 개구부 (204)는 필러 분말 코어 (206)로 채워질 수 있다.
도면 3 은 전기화학적 붕화에 의해 제조된 붕소 농축 표면층을 갖는 니켈 기반 복합 필러 와이어의 횡단면의 육안도이다.
도면 4 는 붕화에 의해 제조된 붕소 농축 표면층을 갖는 니켈 기반 복합 필러 와이어의 횡단면의 육안도이다.
도면 5 는 심선의 표면에 붕소 슬러리를 도포한 후에, 1200℃의 온도에서 진공 열 처리를 하여 제조된, 붕소 농축 표면층 (a) 및 규소 농축 표면층 (b)을 갖는 니켈 기반 복합 필러 와이어의 횡단면의 현미경사진이다.
도면 6 은 용접에 앞서, US5, 156,321 의 교시에 따라 제조된 니켈 기반 LPM™ 최상층을 갖는 304 스테인레스강 플레이트이다.
도면 7 은 LPM™ 위에 실시예에서 보여준 화학 조성을 갖는 붕소 개질된 복합 용접 와이어 A 를 사용하여 GTAW 용접-브레이징한 후의 동일한 샘플을 도시한다.
도면 8 은 도면 7에서 보여준 샘플의 현미경사진이다.
도면 9 는 LPM™ 디포짓과 실시예에서 보여준 화학 조성을 갖는 붕소 개질된 복합 용접 와이어 A 사이의 융합부의 현미경사진이다.
도면 10 은 실시예에서 보여준 화학 조성을 갖는 붕소 개질된 복합 용접 와이어 B 를 사용하여 LPM™ 디포짓 위에 제조된 용접의 현미경사진이다.
도면 11 은 실시예에서 보여준 화학 조성을 갖는 붕소 개질된 복합 용접 와이어 B 를 사용하여 Inconel 738 합금 위에 제조된 균열 없는 용접을 도시한다.
도면 12 는 Rene 77에 관하여 실시예에서 보여준 화학 조성을 갖는 규소 개질 복합 용접 와이어 C 를 사용하여 제조된 용접의 현미경사진이다.
도면 13 은 40% 의 붕소를 포함한 표면층을 갖는 스풀링된 복합 용접 와이어와, 12% 의 붕소와 나머지 폴리에스테르 바인더를 포함한 표면층을 갖는 바닥에 용접 봉의 단면도를 도시한다.
용접 실시예 1
도면 6에서 도시한 바와 같이 304 스테인레스 강판 위에 도포된 니켈 기반 LPM™ 최상층에 깊이가 1 - 1.5 mm인 직선 및 원형 동축 V-그루브를 생성하였다.
2개의 원형 동축 용접은 용접 균열에 대한 민감성에 대한 표준 낮은 연성 재료의 테스트와 유사하게 LPM™ 에서의 초기 균열을 목표로 하여, 고도로 높은 잔류 응력을 유도하도록 만들어졌다
복합 용접 와이어 A 와 B를 사용하여 GTAW 브레이즈 용접을 제작하였다.
도면 7에서 도시한 바와 같이, 브레이즈 용접은 LPM™ 디포짓의 균열을 초래하지 않았다.
"용접한 그대로"의 상태에서 보수 부위의 현미경사진 검사는 도면 8에서 도시한 것처럼 균열 및 기타 선형의 표시를 드러내지 않았다.
HAZ 의 깊이는 7-8 ㎛ 사이에서 변화하였다. 도면 9에서 보이는 바와 같이, 1120℃의 온도에서 용접 후 열처리한 후에, HAZ 에서는 어떠한 마이크로(극소의) 불연속부도 발견되지 않았다.
용접 실시예 2
LPM™ 및 용접하기 어려운 Inconel 738 석출 경화 초내열합금의 보수 가능성을 확립하기 위하여, 에어포일의 오목면 위에 LPM™ 층을 갖는 고압 터빈 (HPT) 블레이드를 복합 용접 와이어 B를 사용하여 위에서 설명한 바와 같이 GTAW 용접하였다(도면 10 참조).
GTAW 용접은 또한 동일한 충전재를 사용하여 Inconel 738 합금 직하에서 블레이드의 볼록면 위에 제조하였다.
LPM™ 및 Inconel 738 상에 GTAW 브레이즈 용접에 의해 제조된 용접 비이드(bead)의 금속조직 검사에서는 도면 11에서 보여준 바와 같이, 용접한 그대로 의 상태에서와 1120℃의 온도에서 열 처리 한 후에, 어떠한 허용불가한 선형의 불연속부도 드러나지 않았다.
용접 실시예 3
복합 용접 와이어 C 와 용접 전류 50-60 A와 함께 수동 GTAW 용접을 사용하여 Rene 77 노즐 안내 날개 (NGV)위의 균열의 성공적인 수리가 이루어졌다.
비파괴 시험법 (NDT)과 금속조직 검사 결과, '용접한 그대로' 의 상태와 1205℃의 온도에서 2시간동안 열처리하고 이어서 아르곤 ?치한 후에도 융합부를 따라 어떠한 균열도 드러나지 않았다.
용접의 대표적인 현미경사진은 도면 12에 나와있다.
용접 실시예 4
복합 용접 와이어 D 와 40 - 50 A의 용접 전류와 함께 GTAW 용접을 이용하여, 304 스테인레스강 기판 위에 성공적인 용접 덧붙임을 수행함으로써, 철함유 재료 (스테인레스강)위에 클래딩을 위한 발명된 복합 필러 와이어의 적용가능성을 입증하였다. NDT 와 금속조직 검사에서는 '용접한 그대로' 의 상태에서 융합부와 용접 비이드(bead)를 따라 어떠한 균열도 드러나지 않았다.
용접 실시예 5 와 6
규소 기반 슬러리를 표준 용접 와이어 Rene 80 과 Rene 142 에 각각 도포한 후에, 1200℃의 온도에서 두(2)시간동안 진공 열처리함으로써 복합 용접 와이어 E 와 F 를 제조하였다. 열 처리 후에, 복합 용접 와이어는 중량%의 다음의 화학 원소들을 포함하였다.
복합 용접 와이어 E : 9.5 중량% Co, 14% wt Cr, 4 중량% W, 4 중량% Mo, 3 중량% Al, 3.3 중량% Ta, 0.06 중량% Zr, 0.17% C, 5 중량% Ti, 0.3 중량% Fe, 2.1 중량% Si, 나머지는 Ni 및 불순물.
복합 용접 와이어 F : 12 중량% Co, 6.8 중량% Cr, 4.9 중량% W, 1.5 중량% Mo, 6.1 중량% Al, 6.3 중량% Ta, 0.02 중량% Zr, 0.02 중량% C, 2.8 중량% Re, 1.0 중량% Ti, 1.2 중량% Hf, 0.2 중량% Mn, 1.88 중량% Si, 나머지는 Ni 및 불순물.
제조된 복합 용접 봉 E 와 F 는 직경이 0.50 인치의 Inconel 738 및 Mar M002 바(bar)의 수동 GTAW 맞대기 용접에 사용되었다. 용접은 주위 온도에서 어떠한 예열없이 수행되었다. 용접 파라미터들은 40% 아래로 희석을 제어하기 위해 개발되었다.
용접 이음부는 진공하에서 1120℃의 온도에서 두(2) 시간동안 그리고 이어서 845℃의 온도에서 이십사 (24) 시간동안 2단계 표준 에이징 열 처리를 받고 아르곤 ?치하였다.
표준 둥근 샘플을 제작하고, ASTM E21에 따라 982℃의 온도에서 인장 시험을 실시하였다.
기계적 시험에 앞서, 샘플은 방사선 검사를 받았다. 크기가 0.1 mm 를 초과하는 징후는 발견되지 않았다.
샘플의 파단 시험을 ASTM E- 139에 따라 22 KSI의 응력에서 982℃의 온도에서 실시하였다.
Inconel 738 표준 합금 및 용접 이음부의 기계적 성질은 표 1에 나와있다.
복합 용접 와이어 E 와 F를 사용하여 982℃의 온도에서 Inconel 738 및 Mar M002 위에 제작된 Inconel 738 합금 및 용접 이음부의 기계적 성질.
시험 재료 인장,
UTS,
KSI		 인장,
항복,
KSI		 인장,
연신율,
%		 파단*
시간		 파단
연신율,%
Inconel 738
(기자재)
 49.35 36.85 15.55 19.8 9.15
복합 용접 와이어 E를 사용하여 제조된
Inconel 738 용접 이음부

 52.4 38 21.5 16.15 6.55
복합 용접 와이어 F를 사용하여 제조된
Mar M002 용접 이음부

 80.95 60.95 9.35 173.3 12
비고:결과는 2회 테스트의 평균임
표 1에서와 같이, 복합 용접 와이어 E 와 F를 사용하여 주위 온도에서 제조된 용접 이음부는 균열이 없으며, 우수한 기계적 성질을 가진 반면, 예열을 하지 않은 Inconel 738 의 GTAW 맞대기 용접에서는 용접 비이드(bead)와 HAZ에서 대규모 균열이 발생하였다.
본 발명은 가장 일반적인 실시예와 구체예와 관련하여 설명되었다. 하지만, 당업자들은 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 나타낸 바와 같은 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 변형 및 수정이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 상기 내용은 본원에 참고로 인용된다.

Claims (37)

  1. 초내열합금으로 제작된 부품들의 용융 용접을 위한 복합 용접 와이어로서, 복합 용접 와이어는:
    a) 내측 심선;
    b) 내측 심선에 도포되고 결합된 표면층; 을 포함하며,
    c) 표면층은 B 와 Si중에서 선택된 합금 원소를 포함하는데, 복합 용접 와이어중의 B 와 Si의 총 벌크 함량은 0.1 내지 10 중량% 인 것을 특징으로 하는 복합 용접 와이어.
  2. 제 1항에 있어서, B의 총 벌크 함량이 4 중량% 미만인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  3. 제 1항에 있어서, 표면층은 B 와 Si 중에서 선택된, 5 내지 95 중량%의 합금 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  4. 제 1항에 있어서, 표면층은 유기 바인더와 함께, B 와 Si 중에서 선택된, 5 내지 50 중량%의 합금 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  5. 제 1항에 있어서, 표면층은 B 와 Si 중에서 선택된, 50% 이상의 벌크 함량의 합금 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  6. 제 1항에 있어서, 표면층은 B 와 Si 중에서 선택된, 75% 이상의 벌크 함량의 합금 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  7. 제 1항에 있어서, 표면층의 두께 T가 용접 와이어의 총 직경 D의 25% 미만인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  8. 제 1항에 있어서, 표면층은 내측 코어에 접착성 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  9. 제 1항에 있어서, 표면층은 고체 상태에서 소결에 의해 내측 코어에 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  10. 제 1항에 있어서, 표면층은 확산 결합에 의해 내측 심선에 금속적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  11. 제 10항에 있어서, 내측 심선과 표면층 사이에 샌드위치된 전이층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  12. 제 10항에 있어서, 표면층은 내측 심선 안으로 B가 확산 결합함으로써 내측 코어에 금속적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  13. 제 10항에 있어서, 표면층은 내측 심선 안으로 Si가 확산 결합함으로써 내측 심선(core wire)에 금속적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  14. 제 1항에 있어서, 표면층은 고체 확산, 고체-액체 확산, 및 액체 확산 중에서 선택된 확산 결합 방법에 의해 내측 코어에 금속적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  15. 제 8항에 있어서, 접착성 결합은 30℃ 내지 500℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  16. 제 9항에 있어서, 소결 결합은 500℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  17. 제 10항에 있어서, 금속적 결합은 900℃ 내지 1400℃의 온도 범위에서 그리고 내측 심선의 용융 온도보다 아래에서 수행되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  18. 제 1항에 있어서, 내측 코어 조성물은 니켈 기반 합금, 니켈 기반 초내열합금, 코발트 기반 합금, 코발트 기반 초내열합금, 철 기반 합금, 철 기반 초내열합금 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  19. 제 1항에 있어서, 내측 심선은 고체 와이어이고, 표면층은 외면(바깥쪽면) 층인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  20. 제 1항에 있어서, 내측 심선은 중공(hollow) 관상 와이어인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  21. 제 20항에 있어서, 표면층은 외면층인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  22. 제 20항에 있어서, 표면층은 내면층인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  23. 제 20항에 있어서, 표면층은 내면층과 외면층인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  24. 제 20항에 있어서, 내면층과 외면층은 내측 코어에 접착성 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  25. 제 20항에 있어서, 내면층과 외면층은 고체 상태에서 소결에 의해 내측 코어에 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  26. 제 20항에 있어서, 내면층과 외면층은 확산 결합에 의해 내측 심선에 금속적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  27. 제 4항에 있어서, 바인더는 합성 또는 천연 수지 즉,: 아크릴, 폴리에스테르, 에폭시, 비닐-아크릴, 비닐 아세테이트- 에틸렌 (VAE), 멜라민 수지, 에폭시, 알키드, 및 오일 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  28. 제 1항에 있어서, 표면층은 페인팅, 정전기 분말 페인팅, 슬러리 코팅, 붕화, 화학적 증착법, 물리적 증착법, 전자빔 부착, 및 전자빔 물리적 증착 중에서 선택된 방법을 사용하여 도포되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
  29. 초내열합금 부품의 용융 용접을 위한 용접 와이어인, 복합 용접 와이어의 제조 방법으로서, 이 방법은 :
    a) 표면층을 수용하기 위한 내측 심선을 준비하는 단계;
    b) 와이어 위에 표면층을 부착하는 단계, 표면층은 복합 용접 와이어중의 B 와 Si의 총 벌크 함량이 0.1 내지 10 중량% 사이가 되도록, B 와 Si 중에서 선택된 원소를 포함하며,
    c) 내측 심선에 표면층을 결합시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29항에 있어서, 표면층은 바인더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 29항에 있어서, 페인팅, 슬러리 코팅, 정전기 분말 코팅, 붕화, 화학적 증착, 물리적 증착, 전자빔 부착, 및 전자빔 물리적 증착 중에서 선택된, 표면층의 부착 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 29항에 있어서, 내측 심선의 표면을 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 29항에 있어서, 결합 단계는 표면층을 내측 코어에 접착성 결합하기 위한 용접 와이어의 열 처리를 포함하며, 30℃ 내지 500℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어의 제조 방법.
  34. 제 29항에 있어서, 결합 단계는 표면층을 내측 코어에 소결 결합하기 위해 와이어의 열 처리를 포함하며, 500℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고체 용접 와이어의 제조 방법.
  35. 제 29항에 있어서, 결합 단계는 표면층을 내측 코어에 금속적 결합하기 위한 와이어의 열 처리를 포함하며, 900℃ 내지 1400℃의 온도 범위에서이지만, 내측 심선의 용융 온도보다는 아래에서 수행되어, B 와 Si중에서 선택된 원소들이 내측 코어 안으로 확산됨으로써, 내측 코어를 표면층에 금속적 결합시켜주는 것을 특징으로 하는 고체 용접 와이어의 제조 방법.
  36. 제 1항에 있어서, B 의 총 벌크 함량이 4 중량% 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 29항에 있어서, 내측 코어 조성물은 니켈 기반 합금, 니켈 기반 초내열합금, 코발트 기반 합금, 코발트 기반 초내열합금, 철 기반 합금, 철 기반 초내열합금 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
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