KR20150110815A - 분말형 용제와 금속을 포함하는 코어 공급 재료를 사용한 합금 클래딩 - Google Patents

분말형 용제와 금속을 포함하는 코어 공급 재료를 사용한 합금 클래딩 Download PDF

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제랄드 제이. 브루크
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

금속 클래딩 공정은 분말형 금속 및 분말형 용제 재료를 포함하는 분말형 코어(70)를 포함하는 중공형 시스(68)로서 형성되는 공급 재료(66)를 사용한다. 분말형 금속 및 용제는 중첩 메쉬 크기 범위들을 가질 수 있다. 분말형 금속 및 분말형 용제 재료들이 용융될 때 바람직한 초합금 재료를 형성하기 위해 시스를 보완하는 경우, 시스는 바람직한 초합금 클래딩 재료의 원소들의 압출가능한 하위세트일 수 있다. 분말형 금속은 차폐 가스 내의 산소 또는 이산화탄소와 티타늄의 반응에 대해 보상하기 위해 과량의 티타늄을 포함할 수 있다. 용융을 위한 열은 에너지 빔(64)에 의해 또는 전극과 같은 공급 재료를 사용함으로써 냉 금속 아크 용접 토치(54) 내에서 제공될 수 있다.

Description

분말형 용제와 금속을 포함하는 코어 공급 재료를 사용한 합금 클래딩 {CLADDING OF ALLOYS USING CORED FEED MATERIAL COMPRISING POWDERED FLUX AND METAL}
본 발명은 일반적으로 금속 결합의 분야에 관한 것이며, 더 구체적으로는 분말형 용제 및 분말형 금속을 포함하는 중공형 코어 공급 재료를 사용한 재료들의 용접 클래드 빌드업(welding clad buildup) 및 수리에 관한 것이다.
용접 공정들은 용접될 재료의 종류에 따라서 상당히 변한다. 일부 재료들은 다양한 조건들 하에서 더 쉽게 용접되는 반면, 다른 재료들은 주변의 기판 재료의 저하 없이 구조적으로 건실한 결합을 달성하기 위해 특별한 공정들을 요구한다.
일반 아크 용접은 일반적으로 공급(feed) 재료로서 소모가능한 전극을 이용한다. 용접 풀(pool) 내의 용융된 재료에 대한 대기로부터의 보호를 제공하기 위해, 예컨대 강들, 스테인리스(stainless) 강들 및 니켈계 합금들을 포함하는 많은 합금들을 용접할 때, 불활성 커버 가스 또는 용제(flux) 재료가 사용될 수 있다. 불활성 가스 공정 그리고 조합된 불활성 및 활성 가스 공정들은 (텅스텐 불활성 가스(TIG)로서 또한 공지된)가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 및 (금속 불활성 가스(MIG) 및 금속 활성 가스(MAG)로서 또한 공지된) 가스 금속 아크 용접(GMAW)을 포함한다. 용제 보호 공정들은 용제가 일반적으로 공급되는 침지식 아크 용접(submerged arc weld(SAW)), 용제가 전극의 코어에 포함되는 용제 코어 아크 용접(FCAW), 그리고 용제가 필러 전극의 외측에 코팅되는 차폐식 금속 아크 용접(shield metal arc weld(SMAW))을 포함한다.
용접을 위한 열 소스로서 에너지 빔들의 사용이 또한 공지된다. 예컨대, 레이저 에너지는 용융 풀의 차폐를 제공하는 분말형 용제 재료를 갖는 탄소 강 기판 상에 사전 배치된 스테인리스 강 분말을 용융시키는데 사용되어왔다. 용제 분말은 스테인리스 강 분말과 혼합될 수 있거나 별개의 커버 층으로서 도포될 수 있다. 발명자들이 아는 한에서는, 용제 재료들은 초합금 재료들을 용접할 때 사용되지 않았다.
초합금 재료들은 이들이 용접 고화 균열(weld solidification cracking) 및 변형 시효 균열(strain age cracking)에 대한 민감성으로 인해 용접하기 가장 어려운 재료들 중 하나인 것이 인지된다. 용어 "초합금" 은 이 용어가 당업계에서 일반적으로 사용되는 것으로서 본원에서 사용되며; 즉 고온들에서의 크리프(creep)에 대한 내성 및 우수한 기계적 강도를 나타내는 높은 내부식성 및 내산화성인 합금이다. 초합금들의 예들은 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬 합금(Inconel alloys)들(예컨대, IN 738, IN 792, IN 939), 르네 합금(Rene alloy)들(예컨대, 르네 N5, 르네 80, 르네 142), 헤인스 합금(Haynes alloy)들, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 및 CMSX(예컨대, CMSX-4) 단결정 합금들의 상표들 및 브랜드명 하에서 판매되는 합금들을 포함한다.
일부 초합금 재료들의 용접 수리는 수리 동안 재료의 연성을 상당히 증가시키기 위해 (예컨대 1600℉ 또는 870℃ 초과의)매우 높은 온도로 재료를 예열함으로써 성공적으로 달성되어왔다. 이러한 기술은 핫 박스(hot box) 용접법 또는 고온에서 초합금 용접법(SWET)에 의한 용접 수리로서 지칭되며, 이는 일반적으로 수동 GTAW 공정을 사용하여 달성된다. 하지만, 핫 박스 용접은 균일한 구성원소 공정 표면 온도의 유지 어려움 및 완전한 불활성 가스 차폐의 유지 어려움뿐만 아니라, 이러한 극한의 온도들에서 구성원소의 근처에서 작업하는 작업자에게 부과되는 물리적 어려움들에 의해 제한된다.
일부 초합금 재료 용접 분야들은 기판 재료의 가열을 제한하기 위해 냉각 판을 사용하여 수행될 수 있으며; 이에 의해 균열 문제들을 야기하는 기판 열 영향들 및 응력들의 발생을 제한한다. 하지만, 이러한 기술은 부품들의 기하학적 형상이 냉각 판의 사용을 용이하게 하지 않는 많은 수리 분야들에 대하여 실용적이지 않다.
도 6은 알루미늄 및 티타늄 함량의 함수로서 다양한 합금들의 상대 용접성을 예시하는 종래의 차트(chart)이다. 이러한 원소들의 비교적 낮은 농도들을 가지고, 결과적으로 비교적 낮은 감마 프라임(gamma prime) 함량을 가지는 인코넬® 718은 비교적 용접 가능한 것으로 고려되지만, 이러한 용접은 일반적으로 구성원소의 낮은 응력 영역들로 제한된다. 이러한 원소들의 비교적 높은 농도들을 갖는 인코넬® 939와 같은 합금들은 일반적으로 용접 가능한 것으로 고려되지 않거나, 재료의 온도/연성을 증가시키고 공정의 열 입력을 최소화하는 상기 논의된 특별한 과정들에 의해서만 용접될 수 있다. 본원에서 논의의 목적을 위해, 파선(80)은 상기 파선(80) 아래의 용접성의 구역과 상기 파선(80) 위의 비-용접성의 구역 사이의 경계를 나타낸다. 라인(80)은 수직 축에서 3 중량% 알루미늄과 수평 축에서 6 중량% 티타늄과 교차한다. 비-용접의 영역 내에서, 가장 높은 알루미늄 함량을 갖는 합금들은 일반적으로 용접하기 가장 어려운 것으로 알려져 있다.
초합금 기판 상의 초합금 분말 입자들의 얇은 층을 용융시키기 위해 선택적인 레이저 용융(SLM) 또는 선택적인 레이저 소결(SLS)을 이용하는 것이 또한 공지된다. 용융 풀은 레이저 가열 동안, 아르곤과 같은 불활성 가스를 가함으로써 대기로부터 차폐된다. 이러한 공정들은 다공도, 개재물들 및 포집된 산화물들과 연관되는 다른 결함들을 초래하는, 피복된 재료의 층 내의 입자들의 표면에 부착되는 산화물들(예컨대, 알루미늄 및 크롬 산화물들)을 포집하려는 경향이 있다. 후처리 열간 등압 프레싱(hot isostatic pressing(HIP))이 피복된 코팅의 특성들을 개선하기 위해 이러한 공동들, 개제물들 및 크랙들을 붕괴시키는데 종종 사용된다.
비용접성의 구역의 일부 초합금 재료들에 대하여, 용인 가능한 용접 또는 수리 공정이 공지되지 않았다. 게다가, 새롭고 더 높은 합금 함량의 초합금들이 계속해서 개발되고 있기 때문에, 초합금 재료들을 위한 상업적으로 이용 가능한 결합 공정들을 개발하기 위한 도전이 계속해서 증대되고 있다.
본 발명은 도시하는 도면들의 관점에서 다음의 설명에서 설명된다.
도 1은 다층 분말을 사용하는 클래딩 공정을 도시한다.
도 2는 혼합 층 분말을 사용하는 클래딩 공정을 도시한다.
도 3은 코어 필러 와이어 및 냉 금속 아크 용접 토치(cold metal arc welding torch)를 사용하는 클래딩 공정을 도시한다.
도 4는 코어 필러 와이어 및 에너지 빔을 사용하는 클래딩 공정을 도시한다.
도 5는 에너지 빔 중첩 패턴을 도시한다.
도 6은 다양한 초합금들의 상대적인 용접성을 도시하는 종래 기술의 도표이다.
본 발명자들은 용접하기 가장 어려운 초합금 재료들을 피복하는데 연속적으로 사용될 수 있는 클래딩 공정을 개발하였다. 초합금 재료들을 용접할 때 용제 재료들이 이전에는 사용되지 않았지만, 본 발명의 공정의 실시예들은 용융 및 재고화(resolidifying) 공정 동안 분말형 용제 재료를 유리하게 사용한다. 몇몇의 실시예들은 레이저 빔 가열과 같은 에너지 빔 공정들의 정확한 에너지 입력 제어 능력을 또한 사용한다. 분말형 용제 재료는 고온의 핫 박스 용접(high temperature hot box welding)에 대한 필요 또는 냉각판의 사용 또는 불활성 차폐 가스의 사용없이 초합금 재료들의 균열 없는 결합(crack-free joining)을 달성하기 위해 빔 에너지 포집(trapping), 불순물 세정(impurity cleansing), 대기 차폐(atmospheric shielding), 비드 성형(bead shaping), 및 냉각 온도 제어를 제공하기에 효율적이다. 본 발명의 다양한 원소들이 수십년 동안 용접 산업에서 공지되어 왔지만, 본 발명자들은 이러한 재료들의 균열과 관련하여 오래 지속된 문제를 해결하는 초합금 클래딩 공정을 위한 단계들의 조합을 새롭게 개발하였다.
도 1은 초합금 재료의 클래딩(10)의 층이 기판 재료(12)의 임의의 예열함 또는 냉각판의 사용없이 주변 실온에서 초합금 기판 재료(12) 상에 피복되는 공정을 도시한다. 기판 재료(12)는 예를 들어 가스 터빈 엔진 블레이드의 부분을 형성할 수 있으며, 클래딩 공정은 몇몇의 실시예들에서 수리 절차의 일부일 수 있다. 과립형 분말(14)의 층은 기판(12) 상에 미리 위치되며, 레이저 빔(16)이 분말을 용융하기 위해 그리고 슬래그(18)의 층에 의해 덮힌 클래딩(10)의 층을 형성하기 위해 분말(14) 층을 가로질러 횡단된다. 클래딩(10) 및 슬래그(18)는 분말(14)의 층으로부터 형성되며, 상기 층은 분말형 용제 재료(22)의 층에 의해 덮힌 분말형 초합금 재료(20)의 층을 포함한다.
용제 재료(22) 및 슬래그(18)의 최종 층은 클래딩(10) 및 하층 기판 재료(12)의 균열을 방지하기에 유익한 다수의 기능들을 제공한다. 첫째로, 이들은 레이저 빔(16)의 하류 영역에서 용융 재료 및 고화된 (그러나 아직 뜨거운) 클래딩 재료(10)의 영역 모두를 대기로부터 차폐하는 기능을 한다. 슬래그는 용융되거나 뜨거운 금속을 대기로부터 분리시키기 위해 그 표면으로 부유하며, 용제는 몇몇의 실시예들에서 차폐 가스를 제조하기 위해 형성될 수 있으며, 이에 의해 비싼 불활성 가스의 사용을 자제하거나 최소화시킨다. 둘째로, 슬래그(18)는 고화된 재료가 천천히 그리고 고르게 냉각하는 것을 가능하게 하는 블랭킷(blanket)으로서 작용하며, 이에 의해 추후 용접 재가열(post weld reheat) 또는 변형 시효 균열(strain age cracking)에 기여할 수 있는 잔여 응력들을 감소시킨다. 셋째로, 슬래그(18)는 바람직한 1/3의 높이/너비 비율에 근접하게 유지하도록 용융 금속의 풀을 성형하는 것을 돕는다. 넷째, 용제 재료(22)는 용접 고화 균열에 기여하는 황(sulfur) 및 인(phosphorous)과 같은 미량의(trace) 불순물들을 제거하기 위해 세정 효과를 제공한다. 이러한 세정은 금속 분말의 탈산(deoxidation)을 포함한다. 용제 분말은 금속 분말과 친밀한(intimate) 접촉을 하기 때문에, 상기 용제 분말은 이러한 기능을 달성하는데 특히 효율적이다. 마지막으로, 용제 재료(22)는 레이저 빔(16)을 가열 에너지로 더 효과적으로 변환하기 위해 에너지 흡수 및 포집 기능을 제공할 수 있으며, 따라서 가열 입력에 대한 1 내지 2% 이내와 같은 정확한 제어 및 공정 동안 재료 온도에 대한 최종적인 엄밀한 제어를 용이하게 한다. 또한, 용제는 처리 동안 휘발되는 원소들의 손실을 보상하기 위해 또는 그렇지 않다면 금속 분말 자체에 의해 제공되지 않는 원소들이 피복물에 능동적으로 기여하도록 형성될 수 있다. 더불어, 이러한 공정 단계들은 지금까지 단지 핫 박스 공정에 의해 또는 냉각판의 사용을 통해 결합가능한 것으로 공지되어있던 재료들을 위한 실온에서 초합금 기판들 상에 초합금 클래딩의 균열 없는 피복물들을 제조한다.
도 2는 초합금 재료의 클래딩(30)의 층이 초합금 기판 재료(32) 상에 피복되는 다른 실시예를 도시하며, 이는 이러한 실시예에서 복수의 주상 결정립(columnar grain)(34)을 가지는 직접적으로 고화되는 재료로서 도시된다. 이러한 실시예에서, 분말(36)의 층은 분말형 합금 재료(38)와 분말형 용제 재료(40) 모두의 혼합물을 포함하는 균일한 층으로서 기판 재료(32)의 층 상에 미리 위치되거나 공급된다. 분말(36)의 층은 그 두께가 공지된 선택적 레이저 용융 및 소결 공정들에 의한 통상적인 1 밀리미터 미만(the fraction of a millimeter)이라기보다는 몇몇 실시예들에서 1 내지 수 밀리미터일 수 있다. 종래 기술의 통상적인 분말형 용제 재료들은 예를 들어 0.5 내지 2 mm의 범위인 입자 크기들을 가진다. 그러나, 분말형 합금 재료(38)은 0.02 내지 0.04 mm 또는 0.02 내지 0.08 mm의 범위인 또는 이들 내의 다른 하위 범위의 입자 크기(메쉬 크기 범위)를 가진다. 이러한 메쉬 크기 범위의 차이는 재료들이 별도의 층들을 구성하는 도 1의 실시예에서 양호하게 작용하지만, 도 2의 실시예에서는, 분말형 합금 재료(38) 및 분말형 플럭스 재료(40)가 분말들의 혼합 및 공급을 용이하게 하고 용융 공정 동안 개선된 플럭스 범위를 제공하기 위해 중첩하는 메쉬 크기 범위들을 가지거나, 동일한 메쉬 크기 범위를 가지는 것이 유리할 수 있다.
비록 전자 빔, 플라즈마 빔, 하나 또는 그 초과의 원형 레이저 빔들, (일차원, 이차원 또는 삼차원으로 스캐닝되는) 스캐닝 레이저 빔, 일체형 레이저 빔 등과 같은 다른 공지된 유형들의 레이저 빔들이 사용될 수 있지만, 도 2의 실시예에서 에너지 빔(42)은 일반적으로 직사각형 횡단면 형상을 가지는 다이오드 레이저 빔이다. 직사각형 형상은 예컨대 가스 터빈 엔진 블레이드의 선단부를 수리하기 위한, 클래딩되는 상대적으로 큰 영역을 가지는 실시예들에 대해 특히 유리할 수 있다. 다이오드 레이저에 의해 생성되는 광역 빔(broad area beam)은 용접 가열 입력, 가열 영향을 받는 구역, 기판으로부터의 희석 및 잔여 응력들을 감소시키는 것을 도우며, 이 모든 것들은 보통 초합금 수리와 관련된 균열 영향들에 대한 경향성을 감소시킨다. 광역 레이저 노출을 발생시키는데 사용되는 광학 수단의 조건들 및 하드웨어적인 광학 수단(hardware optics)은, 레이저 빔의 디포커싱(defocusing); 초점에서 직사각형 에너지 소스들을 발생시키는 다이오드 레이저들의 사용; 초점에 직사각형 에너지 소스들을 발생시키는 분할된 거울들로서 집적 광학 수단(integrated optics)의 사용; 일차 또는 그 초과의 차원들에서 레이저 빔의 스캐닝(래스터링(rastering)); 다양한 빔 직경의 초점 광학 수단 사용(예를 들어, 정밀한 세부적인 작업을 위한 0.5 mm 포커스에서 덜 세부적인 작업을 위한 2.0 mm 포커스로 변경됨)에 제한되지 않지만 포함할 수 있다. 광학 수단 및/또는 기판의 이동은 맞춤 형상 층 피복물(custom shape layer deposit)을 생성하기 위해 선택적 레이저 용융 또는 소결 공정에서와 같이 프로그램될 수 있다. 레이저 용융 또는 소결 공정들로 공지되어 있는 이러한 공정의 장점들은 각각의 처리 층에서의 높은 피복 속도들 및 두꺼운 피복; 불활성 가스에 대한 필요 없이 뜨거운 피복된 금속 위로 연장하는 개선된 차폐; 용제가 그렇지 않다면 고화 균열을 유발시키는 구성물의 피복의 세정을 강화시킬 점; 용제가 레이저 빔 흡수를 강화시킬 것이고 처리 장치에 배면하는 반사를 최소화시킬 점; 슬래그 형성은 피복물을 형성할 것이고 지지할 것이며, 가열을 유지하고 냉각 속도를 느리게 할 것이며, 이에 의해 그렇지 않다면 선 용접 가열 처리들 동안 변형 시효 (재가열) 균열에 기여할 수 있는 잔여 응력들을 감소시키는 점; 용제는 원소의 손실들에 대해 보상할 수 있거나 합금 원소들을 추가할 수 있다는 점; 그리고, 피복물의 두께가 총 부품 생성에 관련된 시간을 매우 감소시키기 때문에 분말 및 용제 사전 배치(preplacement) 또는 공급이 효율적으로 선택적으로 수행될 수 있다는 점을 포함한다.
도 2의 실시예는 또한 (대안적으로 필러 재료로 지칭되는) 기초 합금 공급 재료(44)의 사용을 도시한다. 공급 재료(44)는 기판(32) 쪽으로 공급되거나 발진(oscillate)되고 용융 풀에 기여하기 위해 에너지 빔(42)에 의해 용융되는 와이어 또는 스트립의 형태일 수 있다. 바람직하다면, 공급 재료는 레이저 빔으로부터 요구되는 총 에너지를 감소시키기 위해 (예를 들어, 전기적으로) 예열될 수 있다. 몇몇의 초합금 재료들을 와이어 또는 스트립 형태로 형성하는 것은 어렵거나 불가능할 수 있지만, 순수 니켈 또는 니켈-크롬 또는 니켈-크롬-코발트와 같은 재료들은 이러한 형태들로 용이하게 이용가능하다. 도 2의 실시예에서, 클래딩 재료(30)의 층이 바람직한 초합금 재료의 조성들을 가지도록 기초 합금 공급 재료(44), 분말형 합금 재료(38) 및 분말형 용제 재료(40)는 유리하게 선택된다. 필러 재료는 단지 바람직한 초합금 재료를 형성하는 원소들의 조성에 대한 원소들의 압출 가능한 하위세트일 수 있으며, 분말형 금속 재료는 바람직한 초합금 재료를 형성하는 원소들의 조성을 완성하기 위해 필러 재료의 원소들을 보완하는 원소들을 포함한다. 필러 재료 및 분말형 금속 재료는 바람직한 초합금 재료(30)의 수리되는 표면을 형성하기 위해 용융 풀 내에서 조합된다. 도 1에서와 같이, 공정은 클래딩 재료(30)의 층을 보호하고, 형성하고 열적으로 절연하는 슬래그(46)의 층을 제조한다.
도 3은 초합금 재료(50)의 층이 냉 금속 아크 용접 토치(54)를 사용하여 초합금 기판(52) 상에 배치되는 실시예를 도시한다. 토치(54)는 분말형 코어 재료(59)로 충전되는 중공형 금속 시스(hollow metal sheath)(57)를 포함하는 코어 와이어 또는 스트립 재료의 형태를 가지는 필러 재료(56)를 공급하고 용융하는데 사용된다. 분말형 코어 재료(59)는 분말형 금속 합금 및/또는 용제 재료들을 포함할 수 있다. 유리하게, 금속 시스(57)는 니켈 또는 니켈-크롬 또는 니켈-크롬-코발트와 같은, 중공형 형상 내로 편리하게 형성될 수 있는 재료로 형성되며, 필러 재료(56)가 용융될 때 바람직한 초합금 조성이 형성되도록 분말형 재료(59)가 선택된다. 시스는 바람직한 초합금 조성을 달성하는데 충분한 니켈 (또는 코발트)를 포함하며, 따라서 시스 대 분말형 코어 재료의 고체 대 고체 비율은, 예를 들어 3:2의 비율로 유지될 수 있다. 아크의 가열은 필러 재료(56)를 용융하고 슬래그(58)의 층에 의해 커버링되는 바람직한 초합금 재료(50)의 층을 형성한다. 분말형 용제 재료는 (예를 들어, 코어 용적의 25%인) 필러 재료(56)로 제공될 수 있거나 (도시되지 않은(도 2 참고)) 기판(52)의 표면 상에 미리 위치되거나 피복될 수 있거나, 전극이 용제 재료 또는 이러한 대체물들의 임의의 조합으로 코팅될 수 있다. 보충 분말형 금속 재료는 기판(52)의 표면 상에 미리 위치되거나 용융 단계 동안 용융 풀 내로 직접적으로 공급됨으로써 (도시되지 않은 (도 1 및 도 2 참고)) 용융 풀에 또한 부가될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 용제는 전기적으로 전도성일 수 있거나 (일렉트로슬래그(electroslag)), 그렇지 않으며(침지식 아크(submerged arc)), 화학적으로 중성이거나 부가적일 수 있다. 전처럼, 필러 재료는 냉 금속 아크 토치로부터의 이러한 경우에서 요구되는 공정 에너지를 감소시키도록 예열될 수 있다. 용제의 사용은 차폐를 제공할 것이며, 이에 의해 냉 금속 아크 공정에서 공통적으로 요구되는 불활성 또는 부분적으로 불활성 가스에 대한 요구를 감소시키거나 제거한다.
도 4는 초합금 재료(60)의 층이 필러 재료(66)를 용융하기 위해 레이저 빔(64)과 같은 에너지 빔을 사용하여 초합금 기판(62) 상에 피복되는 실시예를 도시한다. 도 3에 대해 전술한 것과 같이, 필러 재료(66)는 니켈 또는 니켈-크롬 또는 니켈-크롬-코발트와 같은, 중공형 형상 내로 편리하게 형성될 수 있는 재료로 구성되는 금속 시스(68)를 포함하며, 필러 재료(66)가 레이저 빔(64)에 의해 용융될 때 바람직한 초합금 조성이 형성되도록 분말형 재료(70)가 선택된다. 분말형 재료(70)는 합금 원소들 뿐만 아니라 분말형 용제를 포함할 수 있다. 레이저 빔(64)의 가열은 필러 재료(66)를 용융하고 슬래그(72)의 층에 의해 커버링되는 바람직한 초합금 재료(60)의 층을 형성한다. 전처럼, 필러 재료는 레이저 빔으로부터의 이러한 경우에 요구되는 공정 에너지를 감소시키기 위해, 예컨대 전류에 의해 예열될 수 있다.
필러 재료(56, 66)의 일 실시예는 다음과 같은 합금(247) 재료를 피복하기 위해 형성된다:
- 시스 고체 용적은 총 금속 고체 용적의 약 60%이고, 순수한 니켈이다;
- 코어 금속 분말 체적은 전체 금속성 고체 체적의 약 40% 이고 이는 충분한 Cr, Co, Mo, W, Al, Ti, Ta, C, B, Zr 및 Hf 를 포함하고; 함께 용융되고 외피로부터의 순수한 니켈과 혼합될 때, 8.3 Cr, 10 Co, 0.7 Mo, 10 W, 5.5 Al, 1 Ti, 3 Ta, 0.14 C, 0.015 B, 0.05 Zr 및 1.5 Hf 의 공칭 중량 퍼센트의 합금(247) 조성을 제조한다; 그리고
- 코어 용제 분말 용적은 금속 분말 용적과 크기가 거의 동일한 부가적이고 주로 비금속인 와이어 용적을 나타내고, 알루미나(alumina), 플루오르화물(fluoride)들 및 규산염(silicate)들을 35/30/35 비율로 포함한다. 용제의 메쉬 크기 범위는 코어 금속 분말 내에 균일하게 분포하기에 충분하다.
용융의 가열이 아크에 의해 제공되는 실시예들에 대해, 아크 안정성을 유지하기 위해 산소 또는 이산화탄소를 용제 또는 차폐 가스 내에 제공하는 것은 일반적이다. 그러나, 산소 또는 이산화탄소는 티타늄과 반응할 것이며, 티타늄의 일부는 용융 공정 동안 기체로 또는 산화물로 손실될 것이다. 본 발명은 필러 재료 내에 포함되는 티타늄의 양이 이러한 손실에 대해 보상하기 위해 피복된 초합금 조성 내에 바람직한 티타늄의 양을 초과하는 것을 가능하게 한다. 전술한 합금(247)의 예를 들어, 코어 금속 분말 내에 포함되는 티타늄의 양은 1%로부터 3%로 증가될 수 있다.
예를 들어 스테인리스 강들과 같은 다른 합금들이 코어 공급 재료가 분말형 용제 및 분말형 금속을 포함하는 분말형 코어 재료로 충전되는 유사한 공정으로 피복되는 것은 이해될 것이다. 분말형 금속은 바람직한 화학적 성질의 클래딩 재료를 획득하도록 시스 재료의 조성을 증가시키는데 사용될 것이다. 용융 단계 동안 기화로 인한 재료의 손실이 존재하는 실시예들에 대해, 분말형 금속은 손실에 대해 보상하기 위한 과량의 잃은 재료를 포함한다. 예를 들어, 합금(321) 스테인리스 강 시스 재료는 산소 또는 이산화탄소를 포함하는 차폐 가스 아래에 피복될 때, 시스 재료로부터의 티타늄의 일부는 산소 또는 이산화탄소와의 반응으로 인해 손실된다. 이러한 실시예에서의 분말형 코어 재료는 손실에 대해 보상을 위해 분말형 용제 및 분말형 티타늄을 포함할 수 있으며, 따라서 바람직한 합금(321) 클래딩 조성을 제공한다.
초합금 재료들을 위한 수리 공정들은, 결함들을 제거하도록 바라는 대로 연삭(grind)함으로써 수리될 초합금 재료 표면을 준비하는 단계, 표면을 세척하는 단계, 그 후에 용제 재료를 표면 상에 포함하는 분말형 재료의 층을 미리 위치시키거나 공급하는 단계, 그 후에 부유하는 슬래그 층을 가지는 용융 풀 내로 분말 및 표면의 상부 층을 용융시키기 위해 에너지 빔을 표면을 가로질러 횡단시키는 단계, 그 후에 용융 풀 및 슬래그가 고화하는 것을 가능하게 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 용융은 기판의 표면에서의 임의의 표면 손상들을 고치는 역할을 하며, 이는 통상적으로 공지된 기계적이고/이거나 화학적인 공정들에 의해 슬래그의 제거 시 재생된 표면을 남긴다. 분말형 재료는 단지 용제 재료일 수 있거나, 초합금 클래딩 재료의 층이 바람직한 실시예들에 대해, 분말형 재료는 분말형 용제 재료의 층 아래에 위치되는 분리 층으로서, 또는 분말형 용제 재료와 혼합되거나, 용융이 표면 상의 클래딩 재료의 층을 형성하도록 용제 재료와 복합 입자들로 조합되는 금속 분말을 포함할 수 있다. 선택적으로, 공급 재료는 스트립 또는 와이어 형태로 용융 풀 내로 도입될 수 있다. 중성이거나 가산적일 수 있는 용제 재료로부터 임의의 금속 기여뿐만 아니라 분말형 금속 및 공급 재료는 (만약 존재한다면) 바람직한 초합금 재료의 구성을 가지는 클래딩 층을 제조하기 위해 용융 풀 내에서 조합된다. 몇몇의 실시예들에서, 니켈, 니켈-크롬, 니켈-크롬-코발트 또는 다른 편리하게 압출되는 재료의 공급 재료는 클래딩에 바람직한 초합금 조성을 제조하기 위해 적합한 합금 금속 분말들과 조합되며, 이에 의해 와이어 또는 스트립 형태 내로 바람직한 초합금 재료를 형성하는 문제를 예방한다.
기판의 예열이 만족스러운 결과들을 획득하는데 반드시 요구되지 않지만, 그렇지 않으면 몇몇의 실시예들에서, 예컨대 기판 재료의 연성을 증가시키기 위해 그리고/또는 필러를 용융시키는데 요구되는 빔 에너지를 감소시키기 위해 용융 단계 전에 초합금 기판에 및/또는 공급 재료에 및/또는 분말에 열을 가하는 것은 바람직할 수 있다. 몇몇의 초합금 기판들의 연성 개선은 합금의 용융 점의 약 80% 초과의 온도들에서 달성된다. 유사하게, 냉각 설비는 특정한 분야들에서 선택적으로 사용될 수 있으며, 이는 에너지 빔의 정밀한 열 입력과 조합하여 용융 공정의 결과로서 재료에 생성되는 응력들을 최소화할 수 있다. 게다가, 바람직하다면 보충 차폐 가스가 몇몇의 적용예들에 사용될 수 있지만, 본원에서 설명된 공정들은 불활성 차폐 가스들에 대한 필요를 없앨 수 있다. 필러 재료(44)가 사용된다면, 상기 필러 재료는 몇몇의 실시예들에서 예열될 수 있다.
사용될 수 있는 용제 재료들은 링컨웰드(Lincolnweld) P2007, 볼러 소우도케이(Bohler Soudokay) NiCrW-412, ESAB OK 10.16 또는 10.90, 스페셜 금속들 NT 100, 오어리콘(Oerlikon) OP76, 산드빅(Sandvik) 50SW 또는 SAS1의 이름 하에서 판매되는 것과 같은 상업적으로 이용가능한 용제들을 포함한다. 용제 입자들은 사용 전에 바람직한 더 작은 메쉬 크기 범위로 연마될 수 있다. 본 분야에서 공지된 용제 재료들은 알루미나, 플루오르화물들 및 규산염들 통상적으로 포함할 수 있다. 본원에서 개시된 공정들의 실시예들은 바람직한 클래딩 재료의 금속 구성물들, 예를 들어 크롬 산화물, 니켈 산화물 또는 티타늄 산화물들을 유리하게 포함할 수 있다. 가스 터빈 엔진들과 같은 고온 적용예들에 대해 일상적으로 사용되는 임의의 최근 이용가능한 철(iron), 니켈 또는 코발트 계 초합금들은 전술한 이러한 합금들을 포함하는, 본 발명의 공정에 의해 결합, 수리 또는 코팅될 수 있다.
다른 변형예들은 에너지 빔 보다 또는 이와 조합하여 공급 재료를 통한 용융을 위한 열을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 와이어 또는 스트립 제공 재료(44)가 분말 및 용제의 층 아래에서 아크를 생성하도록 활성화될 수 있으며, 이 때 와이어가 압출된 형태로 용이하게 이용가능한 (즉, 초합금 재료가 아닌) 재료이며, 분말은 조합된 용융 풀 내에 바람직한 초합금 조성을 형성하는데 필요한 다른 합금 원소들을 포함한다. 대안적으로, 분말 및 용제는 예컨대 초합금 클래딩 재료의 층을 형성하는데 효과적인 일렉트로-슬래그 용접 공정을 용이하게 하는데 충분한 전도성이 되도록 선택될 수 있다. 이제 다른 실시예에서, 초합금 분말과 혼합된 용제 분말은, 선택적으로 냉각 설비에 의해 통상적인 플라즈마 아크 클래딩 장치를 사용하여 초합금 기판에 공급될 수 있다. 기판, 공급 재료 및/또는 분말이 다양한 실시예들에서 예열될 수 있다. 열 입력의 정밀도가 전극에 의해서(± 10 내지 15%) 보다 에너지 빔에 의해서(± 1 내지 2%) 더 높기 때문에, 총 열 입력의 절반보다 더 크게 에너지 빔을 사용하는 것은 바람직할 수 있다. 빔 에너지는 기판으로부터 최소 희석을 갖는 예비 용융 풀을 시작하기 위해 침지식 아크 또는 일렉트로슬래그 공정을 유도할 수 있고, 그 후에 침지식 아크 또는 일렉트로슬래그 기여는 상당한 추가 기판 충격 없이 피복의 용적에 부가할 수 있으며, 이에 의해 희석 영향들을 최소화시킨다.
다른 실시예들에 따라, 혼합된 침지식 아크 용접 용제 및 합금(247) 분말이 2.5 mm로부터 5.5 mm의 깊이들로 미리 위치되었고, 마지막 포스트 용접 열 처리 후에 균열 프리 레이저 클래드 피복들을 달성함을 입증되었다. 0.6 으로부터 2 킬로와트까지의 이테르븀(Ytterbium) 섬유 레이저 파워 레벨들은 대략 125 mm/min의 진행 속도에서 그 너비가 3 내지 10 mm인 피복물들을 만드는 검류계 스캐닝 광학 수단(galvanometer scanning optics)과 함께 사용되었다. 균열의 부재는 피복 횡단면들에 대한 염료 투과 검사 및 금속조직 시험에 의해 확정되었다. 합금(247)이 도 6에 도시되는 것처럼 불용접성(non-weldability)의 구역에 대한 가장 어려운 영역에 속하며, 이에 의해 3 중량%보다 더 큰 알루미늄 함량을 갖는 것들을 포함하는 초합금 조성들의 전체 범위에 대한 본 발명의 작동성을 입증한다는 것이 이해될 것이다.
초합금 기판을 수리할 때의 사용 분말형 용제 재료의 장점들이 부가적인 클래딩 재료가 피복되든 아니든 실현된다는 것이 이해된다. 초합금 기판 내의 표면 균열들은, 표면을 분말형 용제 재료로 커버하고 그 후에 부유 슬래그 층과 함께 용융 풀을 형성하기 위해 표면 및 용제 재료를 가열시킴으로써 수리될 수 있다. 슬래그 층의 보호 하에 용융 풀의 고화 시, 균열들이 없는 깨끗한 표면이 형성될 것이다.
레이저 에너지는 일반적으로 직사각형 에너지 밀도를 갖는 다이오드 레이저를 사용함으로써 표면적에 걸쳐 가해질 수 있다. 대안적으로, 영역 에너지 분산을 이행하기 위해 기판를 따라 원형 레이저 빔이 전방으로 이동됨에 따라 원형 레이저 빔을 앞뒤로 래스터링하는 것이 가능하다. 도 5는 하나의 실시예에 대한 래스터링 패턴을 예시하며 여기서 일반적으로 직경(D)을 갖는 원형 빔이 제 1 위치(74)로부터 제 2 위치(74')로 그리고 제 3 위치(74") 등으로 이동된다. 방향 변경의 위치에서의 빔 직경 패턴의 중첩(O)의 양은 바람직하게는 재료들의 최적의 가열 및 용융을 제공하기 위해 D 의 25 내지 90% 이다. 대안적으로, 2 개의 에너지 빔들이 표면적에 걸쳐 바람직한 에너지 분산을 달성하기 위해 동시적으로 래스터링될 수 있고, 빔 패턴들 사이의 중첩은 각각의 빔들의 직경들의 25 내지 90% 범위이다.
분말형 재료의 사용은 기능적으로 등급을 갖는 재료들의 피복을 용이하게 하고, 피복된 재료의 조성은 시간 및 공간에 걸쳐 변하는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 합금 조성은 제품의 내부 벽으로부터 외부 벽에서, 또는 제품 내부로부터 그의 표면들 근처에서 변할 수 있다. 합금 조성은 상이한 기계적 또는 내부식성 특성들을 요구하는 예상되는 작업 조건들에 반응하여, 그리고 재료들의 비용을 고려하여 변할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예로서 제공된 것이 자명할 것이다. 수많은 변형들, 변경들 및 대체들이 본원에서 본 발명으로부터 이탈함이 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 단지 첨부된 청구범위들의 사상 및 범주에 의해서 제한하고자 한다.

Claims (18)

  1. 분말형 코어 재료를 포함하는 시스(sheath)를 포함하는 공급 재료를 제공하는 단계;
    용융 풀을 형성하도록 공급 재료를 기판 상에 용융시키는 단계; 및
    용융 풀이 슬래그 층에 의해 커버링되는 바람직한 조성의 클래드 재료의 층을 형성하도록 냉각하는 것을 가능하게 하는 단계를 포함하며,
    상기 분말형 코어 재료는 분말형 금속 재료 및 분말형 용제 재료를 포함하는,
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    바람직한 초합금 재료의 압출가능한 원소들의 하위세트로 형성되도록 시스를 선택하는 단계; 및
    기판 상에 용융될 때 바람직한 초합금 재료로서 클래드 재료를 형성하기 위해 시스를 보완하는 원소들을 포함하도록 분말형 금속 및 분말형 용제 재료들을 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    니켈, 니켈-크롬, 및 니켈-크롬-코발트의 그룹 중 하나로 시스를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    티타늄을 포함도록 클래드 재료의 바람직한 구성을 선택하는 단계;
    용융의 단계 동안 이산화탄소 또는 산소를 포함하는 차폐 가스를 제공하는 단계; 및
    산소 또는 이산화탄소와의 반응 및 그 후의 용융 단계 동안 증발로 인한 티타늄의 손실을 보상하도록 티타늄을 포함하는 분말형 코어 재료를 제공하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    용융의 단계 동안 공급 재료를 레이저 에너지로 예열시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    용융의 단계 동안 공급 재료를 전류로 가열시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    용융의 단계 동안 공급 재료를 전류로 예열하고, 그 후에 예열된 공급 재료를 레이저 에너지로 용융시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    중첩 메쉬 크기 범위를 가지도록 분말형 금속 재료 및 분말형 용제 재료를 제공하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    동일한 메쉬 크기 범위를 가지도록 분말형 금속 재료 및 분말형 용제 재료를 제공하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    용융의 단계 동안 보충 분말형 금속 재료를 용융 풀에 공급하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    크롬 산화물들, 니켈 산화물들 및 티타늄 탄화물(carbide)들의 그룹 중 하나 이상을 포함하도록 분말형 용제 재료를 처리하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    티타늄 함량 대 알루미늄 함량을 도표로 나타낸 초합금들의 그래프에서 나타낼 때 용접성의 영역을 넘어서 놓이는 바람직한 클래드 재료 조성물이 초합금 조성물이도록 시스 및 분말형 코어 재료들을 선택하는 단계를 더 포함하며,
    상기 용접성의 영역은 6 중량%에서 티타늄 함량 축과 교차하고 3 중량%에서 알루미늄 함량 축과 교차하는 라인에 의해 상부 경계가 정해지는,
    방법.
  13. 슬래그 층 아래에 바람직한 초합금 클래딩 재료의 층을 형성하도록 기판 상에 분말형 코어 재료를 함유하는 중공형 금속 시스를 포함하는 공급 재료를 용융시키는 단계; 및
    초합금 클래딩 재료 및 슬래그가 냉각하는 것을 가능하게 하고, 그 후에 바람직한 초합금 클래딩 재료의 층을 드러내기 위해 슬래그를 제거시키는 단계를 포함하며,
    상기 금속 시스는 바람직한 초합금 재료의 압출가능한 원소들의 하위세트를 포함하며, 상기 분말형 코어 재료는 시스와 함께 용융될 때 바람직한 초합금 재료의 원소들의 조성을 완성하는 분말형 금속 및 분말형 용제를 포함하는,
    방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    분말형 금속 및 분말형 용제의 메쉬 크기 범위가 중첩하는,
    방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    공급 재료에 에너지 빔을 가함으로써 공급 재료를 용융시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    아크를 형성하도록 전류를 공급 재료를 통해 기판에 가함으로써 공급 재료를 용융시키는 단계;
    용융의 단계 동안 아크를 안정화시키도록 산소 및 이산화탄소 중 하나 이상을 포함하는 차폐 가스를 제공하는 단계; 및
    산소 및 이산화탄소 중 하나 이상과 반응하는 티타늄을 보상하기 위해 바람직한 초합금 클래딩 재료에 함유되는 양을 넘어서는 분말형 금속 내에 과량의 티타늄을 포함시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  17. 냉 금속 아크 용접 토치를 사용하여 초합금 클래딩 재료의 층을 형성하도록 용제 및 분말형 티타늄을 포함하는 공급 재료 전극을 기판 상에 용융시키는 단계; 및
    산소 또는 이산화탄소를 포함하는 차폐 가스를 용융 단계 동안 가하는 단계를 포함하며,
    상기 분말형 티타늄의 양이 산소 또는 이산화탄소와의 반응에 의해 클래딩 재료의 층으로 손실된 티타늄의 양을 보상하도록 선택되는,
    방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    분말형 티타늄을 포함하는 분말형 합금 금속들 및 분말형 용제를 포함하는 중공형 니켈, 니켈-크롬, 니켈-크롬-코발트 시스의 전극을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 분말형 합금 금속들 및 분말형 용제는, 티타늄 함량 대 알루미늄 함량을 도표로 나타낸 초합금들의 그래프에서 정의되는 용접성의 영역을 넘어서는 조성을 가지는 초합금 재료를 형성하도록 용융될 때 시스를 보상하도록 선택되며,
    상기 용접성의 영역은 6 wt%에서 티타늄 함량 축과 교차하고 3 wt%에서 알루미늄 함량 축을 교차하는 라인에 의해 상부 경계가 정해지는,
    방법.
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