KR20150111352A - 분말상 플럭스 및 금속을 사용하는 레이저 마이크로클래딩 - Google Patents

분말상 플럭스 및 금속을 사용하는 레이저 마이크로클래딩 Download PDF

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아흐메드 카멜
미햐엘 오트
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지멘스 에너지, 인크.
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Abstract

본 발명에 따르면, 분말상 플럭스 재료(93b)를 이용하는 레이저 마이크로클래딩 공정이 제공된다. 분말상 합금 재료(93a) 및 분말상 플럭스 재료를 함유하는 추진제 가스의 제트(92)가 기재(94)를 향해 유도된다. 분말상 재료는 레이저 빔(96)에 의해 용융되어 클래드 합금 재료(102)의 층에 의해 덮인 슬래그(100)의 층으로 분리되는 용접 풀(98)을 형성한다. 플럭스 재료는 이것이 냉각되는 동안에 용접 풀을 환원시켜 클래드 합금 재료의 층을 보호하고, 그에 의해 추진제 가스가 불활성 가스 대신에 질소 또는 공기로서 선택되게 한다. 하나의 실시예에서, 기재 및 합금 재료는 전통적인 용접성 영역을 넘는 조성을 갖는 초합금이다.

Description

분말상 플럭스 및 금속을 사용하는 레이저 마이크로클래딩{LASER MICROCLADDING USING POWDERED FLUX AND METAL}
관련 출원 참조
본 출원은 여기에 참조로 합체되어 있는 2011년 1월 13일자로 출원된 계류 중인 미국 특허 출원 제13/005,656호(미국 공개 제2012/0181255 A1호)의 일부-계속 출원이다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 금속 접합의 분야 그리고 더 구체적으로 초합금 재료(superalloy material)의 용접 클래드 보강 및 수리(welding clad buildup and repair)에 관한 것이다.
용접 공정은 용접될 재료의 종류에 따라 상당히 변화된다. 일부 재료는 다양한 조건 하에서 더 용이하게 용접되고, 반면에 다른 재료는 주위 기재 재료(surrounding substrate material)를 열화시키지 않으면서 구조적으로 온전한 접합을 성취하기 위해 특별한 공정을 요구한다.
통상의 아크 용접은 일반적으로 급송 재료로서 소모성 전극을 이용한다. 용접 풀(weld pool) 내의 용융 재료에 대한 분위기로부터의 보호를 제공하기 위해, 불활성 커버 가스 또는 플럭스 재료가 예컨대 강철, 스테인리스강 및 니켈계 합금을 포함하는 많은 합금을 용접할 때에 사용될 수 있다. 불활성 그리고 불활성 및 활성 조합 가스 공정은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW: gas tungsten arc welding)[텅스텐 불활성 가스(TIG: tungsten inert gas) 공정으로서 또한 알려져 있음] 그리고 가스 금속 아크 용접(GMAW: gas metal arc welding)[금속 불활성 가스(MIG: metal inert gas) 및 금속 활성 가스(MAG: metal active gas) 공정으로서 또한 알려져 있음]을 포함한다. 플럭스 보호 공정은 플럭스가 통상적으로 급송되는 서브머지드 아크 용접(SAW: submerged arc welding), 플럭스가 전극의 코어 내에 포함되는 플럭스 코어형 아크 용접(FCAW: flux cored arc welding) 그리고 플럭스가 충전재 전극의 외부측 상에 코팅되는 차폐형 금속 아크 용접(SMAW: shielded metal arc welding)을 포함한다.
용접을 위한 열원으로서의 에너지의 사용이 또한 알려져 있다. 예컨대, 레이저 에너지가 용융 풀의 차폐를 제공하는 분말상 플럭스 재료와 함께 탄소강 기재 상으로 사전-배치된 스테인리스강 분말을 용융시키는 데 사용되었다. 플럭스 분말은 스테인리스강 분말과 혼합될 수 있거나 별개의 커버링 층으로서 가해질 수 있다. 본 발명의 발명자의 지식에 따르면, 초합금 재료를 용접할 때에는 플럭스 재료가 사용되지 않았다.
초합금 재료는 용접 응고 균열(weld solidification cracking) 및 변형 시효 균열(strain age cracking)에 대한 그 취약성으로 인해 용접하기 가장 어려운 재료 중 하나인 것으로 인식되어 있다. 용어 "초합금"은 여기에서 관련 기술에서 통상적으로 사용되는 것과 같이 즉 고온에서 우수한 기계 강도 및 내크리프성을 나타내는 상당한 내식성 및 내산화성 합금으로서 사용된다. 초합금은 전형적으로 높은 니켈 또는 코발트 함량을 포함한다. 초합금의 예는 상표명 및 브랜드명 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬 합금(Inconel alloy)(예컨대, IN 738, IN 792, IN 939), 르네 합금(Rene alloy)(예컨대, 르네 N5, 르네 80, 르네 142), 헤인즈 합금(Haynes alloy), Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 및 CMSX(예컨대, CMSX-4) 단결정 합금 하에서 판매되는 합금을 포함한다.
일부 초합금 재료의 용접 수리는 수리 중에 재료의 연성을 상당히 증가시키기 위해 매우 높은 온도까지(예컨대, 1600℉ 또는 870℃ 위까지) 재료를 예열함으로써 성공적으로 성취되었다. 이러한 기술은 핫 박스 용접(hot box welding) 또는 고온 초합금 용접(SWET: superalloy welding at elevated temperature) 용접 수리로서 불리고, 이것은 통상적으로 수동 GTAW 공정을 사용하여 성취된다. 그러나, 핫 박스 용접은 균일한 구성 요소 공정 표면 온도를 유지하여야 하는 어려움 그리고 완전한 불활성 가스 차폐를 유지하여야 하는 어려움에 의해 그리고 또한 이러한 극한 온도에서 구성 요소 근처에서 작업하는 작업자에게 부과되는 물리적 어려움에 의해 제한된다.
일부 초합금 재료 용접 분야는 기재 재료의 가열을 제한하는 냉각 판(chill plate)을 사용하여 수행될 수 있고; 그에 의해 균열 문제를 유발하는 기재 열 영향 및 응력의 발생을 제한한다. 그러나, 이러한 기술은 부품의 기하 구조가 냉각 판의 사용을 용이하게 하지 않는 많은 수리 분야에 대해 비실용적이다.
도 6은 그 알루미늄 및 티타늄 함량의 함수로서의 다양한 합금의 상대 용접성을 도시하는 종래의 차트이다. 비교적 더 낮은 농도의 이들 원소 그리고 그에 따라 비교적 더 낮은 감마 프라임 함량(gamma prime content)을 갖는 인코넬® IN718 등의 합금이 비교적 용접성인 것으로 간주되지만, 이러한 용접은 일반적으로 구성 요소의 낮은 응력 영역으로 제한된다. 비교적 더 높은 농도의 이들 원소를 갖는 인코넬® IN939 등의 합금은 일반적으로 용접성인 것으로 간주되지 않거나, 재료의 온도/연성을 상승시키고 공정의 열 입력을 최소화하는 위에서 논의된 특별한 절차로써만 용접될 수 있다. 점선 80은 용접성 영역의 인식된 상한 경계를 표시한다. 라인 80은 수직 축 상에서 3 중량% 알루미늄과 그리고 수평 축 상에서 6 중량% 티타늄과 교차된다. 용접성 영역 외부측의 합금은 알려져 있는 공정으로써 용접하기 매우 어렵거나 불가능한 것으로서 인식되고, 최고 알루미늄 함량을 갖는 합금은 일반적으로 화살표에 의해 표시된 것과 같이 용접하기 가장 어려운 것으로 인정된다.
초합금 기재 상으로 얇은 층의 초합금 분말 입자를 용융시키기 위해 선택 레이저 용융(SLM: selective laser melting) 또는 선택 레이저 소결(SLS: selective laser sintering)을 이용하는 것이 또한 알려져 있다. 용융 풀은 레이저 가열 중에 아르곤 등의 불활성 가스를 가함으로써 분위기로부터 차폐된다. 이들 공정은 피착 재료의 층 내의 입자의 표면 상에 부착되는 산화물(예컨대, 알루미늄 및 크롬 산화물)을 포획하는 경향을 갖고, 공극, 개재물 그리고 포획된 산화물과 관련되는 다른 결함을 초래한다. 공정후 열간 정수압 성형(HIP: hot isostatic pressing)이 종종 피착 코팅의 성질을 개선하기 위해 이들 보이드, 개재물 및 균열을 붕괴시키는 데 사용된다. 이들 공정의 분야는 또한 분말을 사전-배치하는 요건으로 인해 수평 표면으로 제한된다.
레이저 마이크로클래딩은 표면을 향해 유도되는 분말의 유동을 용융시키기 위해 레이저 빔을 사용함으로써 표면 상으로 작고 얇은 층의 재료를 피착하는 3D-가능한 공정이다. 분말은 가스의 제트에 의해 표면을 향해 추진되고, 분말이 강철 또는 합금 재료일 때에, 가스는 아르곤 또는 주위 산소로부터 용융 합금을 차폐하는 다른 불활성 가스이다. 레이저 마이크로클래딩은 1 내지 6 ㎤/hr 정도 등의 그 낮은 피착 속도에 의해 제한된다. 나아가, 클래드 재료가 충분히 냉각되기 전에 보호 아르곤 차폐가 분산되는 경향을 갖기 때문에, 표면 산화 및 질화가 피착물의 표면 상에서 일어날 수 있고, 이것은 다수개의 층의 클래드 재료가 요구된 클래딩 재료 두께를 성취하는 데 필요할 때에 문제가 된다.
비-용접성 영역 내의 일부 초합금 재료에 대해, 상업적으로 수용 가능한 용접 또는 수리 공정이 알려져 있지 않다. 나아가, 새롭고 더 높은 합금 함량의 초합금이 계속하여 개발됨에 따라, 초합금 재료에 대한 상업적으로 실시 가능한 접합 공정을 개발하려는 도전이 계속하여 커지고 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 다음의 설명에서 설명될 것이다.
도 1은 다층 분말을 사용하는 클래딩 공정을 도시하고 있다.
도 2는 혼합형 층 분말을 사용하는 클래딩 공정을 도시하고 있다.
도 3은 코어형 충전재 와이어 및 냉간 금속 아크 용접 토치(cold metal arc welding torch)를 사용하는 클래딩 공정을 도시하고 있다.
도 4는 코어형 충전재 와이어 및 에너지 빔을 사용하는 클래딩 공정을 도시하고 있다.
도 5는 에너지 빔 중첩 패턴을 도시하고 있다.
도 6은 다양한 초합금의 상대 용접성을 도시하는 종래 기술의 차트이다.
도 7은 분말상 플럭스 재료를 이용하는 레이저 마이크로클래딩 공정에 의한 초합금 클래딩의 적용을 도시하고 있다.
여기에서의 도 1-5는 여기에서 설명되는 본 발명의 기술의 다양한 태양 및 분야를 도시하고 있고 아래의 도 7의 설명은 구체적으로 레이저 마이크로클래딩 분야에 대한 본 발명의 기술의 사용으로 지향된다는 것이 독자의 편의를 위해 주목되어야 한다.
본 발명의 발명자는 용접하기 가장 어려운 초합금 재료를 클래딩하는 데 성공적으로 사용될 수 있는 재료 접합 공정을 개발하였다. 플럭스 재료가 이전에는 초합금 재료를 용접할 때에 이용되지 않았지만, 본 발명의 공정의 실시예는 유리하게는 레이저 마이크로클래딩 공정 중에 분말상 플럭스 재료를 가한다. 분말상 플럭스 재료는 고온 핫 박스 용접, 냉각 판의 사용 또는 불활성 차폐 가스의 사용에 대한 필요성 없이 초합금 재료의 균열을 갖지 않는 접합을 성취하기 위해 빔 에너지 포획, 불순물 세척, 분위기 차폐, 비드 성형 및 냉각 온도 제어를 제공하는 데 효과적이다. 본 발명의 다양한 원소가 수십 년 동안 용접 산업에서 알려져 있었지만, 본 발명의 발명자는 이들 재료에 대한 알려져 있는 클래딩 공정의 오랜 제한을 극복하는 초합금 클래딩 공정을 위한 단계의 조합을 혁신적으로 개발하였다.
도 1은 초합금 재료의 클래딩(10)의 층이 초합금 기재 재료(12)의 예열 또는 냉각 판의 사용 없이 주변 실온에서 기재 재료(12) 상으로 피착되는 공정을 도시하고 있다. 기재 재료(12)는 예컨대 가스 터빈 엔진 블레이드의 일부를 형성할 수 있고, 클래딩 공정은 일부 실시예에서 수리 절차의 일부일 수 있다. 입자상 분말(14)의 층이 기재(12) 상에 사전-배치되고, 레이저 빔(16)이 분말(14)의 층에 횡단되고 그에 의해 분말을 용융시켜 슬래그(18)의 층에 의해 덮인 클래딩(10)의 층을 형성한다. 클래딩(10) 및 슬래그(18)는 분말상 플럭스 재료(22)의 층에 의해 덮인 분말상 초합금 재료(20)의 층을 포함하는 분말(14)의 층으로부터 형성된다.
플럭스 재료(22) 그리고 그 결과의 슬래그(18)의 층은 클래딩(10) 그리고 그 아래의 기재 재료(12)의 균열을 방지하는 데 유리한 다수개의 기능을 제공한다. 첫 번째로, 이들은 레이저 빔(16)의 하류의 영역 내의 분위기로부터 용융 재료의 영역 그리고 응고된 (그러나 여전히 뜨거운) 클래딩 재료(10)의 양쪽 모두를 차폐하도록 기능한다. 슬래그는 분위기로부터 용융되거나 뜨거운 금속을 분리하도록 표면으로 부유되고, 플럭스는 일부의 실시예에서 차폐 가스를 생성하도록 조성될 수 있고, 그에 의해 값비싼 불활성 가스의 사용을 피하거나 최소화한다. 두 번째로, 슬래그(18)는 응고된 재료가 서서히 그리고 고르게 냉각되게 하는 블랭킷(blanket)으로서 작용하고, 그에 의해 용접후 재가열 또는 변형 시효 균열에 기여할 수 있는 잔류 응력을 감소시킨다. 세 번째로, 슬래그(18)는 용융 금속의 풀을 성형하여 요구된 1/3 높이/폭 비율에 근접하게 이것을 유지하는 것을 돕는다. 네 번째로, 플럭스 재료(22)는 용접 응고 균열에 기여하는 황 및 인 등의 미량 불순물을 제거하는 세척 효과를 제공한다. 이러한 세척은 금속 분말의 환원을 포함한다. 플럭스 분말이 금속 분말과 밀접되기 때문에, 이러한 기능을 성취하는 데 특히 효과적이다. 마지막으로, 플럭스 재료(22)는 레이저 빔(16)을 열 에너지로 더 효과적으로 변환하는 에너지 흡수 및 포획 기능을 제공할 수 있고, 그에 의해 공정 중에 예컨대 1-2% 내에서의 열 입력의 정밀한 제어 그리고 그 결과의 엄격한 재료 온도 제어를 용이하게 한다. 추가로, 플럭스는 처리 중의 휘발 성분의 손실을 보상하거나 금속 분말 그 자체에 의해 제공될 수 없었던 원소를 피착물에 능동적으로 부여하도록 조성될 수 있다. 더불어, 이들 공정 단계는 현재까지 핫 박스 공정으로써 또는 냉각 판의 사용을 통해서만 접합 가능한 것으로 여겨졌던 재료에 대해 실온에서 초합금 기재 상에 초합금 클래딩의 균열을 갖지 않는 피착물을 생성한다.
도 2는 초합금 재료의 클래딩(30)의 층이 이러한 실시예에서 복수개의 주상 결정(34)을 갖는 방향성 응고 재료로서 도시되어 있는 초합금 기재 재료(32) 상으로 피착되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이러한 실시예에서, 분말(36)의 층은 분말상 합금 재료(38) 및 분말상 플럭스 재료(40)의 양쪽 모두의 혼합물을 포함하는 균질한 층으로서 기재 재료(32)의 표면 상으로 사전-배치되거나 급송된다. 분말(36)의 층은 공지된 선택 레이저 용융 및 소결 공정에서 전형적인 1 ㎜ 미만 대신에 일부 실시예에서 두께 면에서 1 내지 수 ㎜일 수 있다. 종래 기술의 전형적인 분말상 플럭스 재료는 예컨대 0.5-2 ㎜의 범위 내의 입자 크기를 갖는다. 그러나, 분말상 합금 재료(38)는 0.02-0.04 ㎜, 0.02-0.08 ㎜ 또는 그 내의 다른 하위-범위의 입자 크기 범위[메시 크기 범위(mesh size range)]를 가질 수 있다. 메시 크기 범위 면에서의 이러한 차이는 재료가 별개의 층을 구성하는 도 1의 실시예에서 양호하게 작용할 수 있지만; 도 2의 실시예에서, 분말의 혼합 및 급송을 용이하게 하여 용융 공정 중에 플럭스 피복 범위의 개선을 제공하기 위해 분말상 합금 재료(38) 및 분말상 플럭스 재료(40)가 중첩 메시 크기 범위를 갖거나 동일한 메시 크기 범위를 갖는 것이 유리할 수 있다.
도 2의 실시예에서의 에너지 빔(42)이 대체로 직사각형의 단면 형상을 갖는 다이오드 레이저 빔이지만, 전자 빔, 플라즈마 빔, 1개 이상의 원형 레이저 빔, (1, 2 또는 3차원으로 스캐닝되는) 스캐닝 레이저 빔, 일체형 레이저 빔 등의 다른 공지된 종류의 에너지 빔이 사용될 수 있다. 직사각형 형상은 클래딩될 면적이 비교적 큰 실시예에 대해 예컨대 가스 터빈 엔진 블레이드의 팁을 수리하는 데 특히 유리할 수 있다. 다이오드 레이저에 의해 생성되는 넓은 면적의 빔은 용접 열 입력, 열 영향 영역, 기재로부터의 희석 그리고 잔류 응력을 감소시키는 것을 돕고, 이들 모두는 초합금 수리와 통상적으로 관련되는 균열 효과에 대한 경향을 감소시킨다. 넓은 면적의 레이저 노출을 발생시키는 데 사용되는 광학 조건 및 하드웨어 광학 장치는, 레이저 빔의 디포커싱; 초점에서 직사각형 에너지 발생원을 발생시키는 다이오드 레이저의 사용; 초점에서 직사각형 에너지 발생원을 발생시키는 세그먼트형 미러 등의 일체형 광학 장치의 사용; 1개 이상의 치수로의 레이저 빔의 스캐닝[래스터링(rastering)]; 그리고 가변 빔 직경의 초점 광학 장치(예컨대, 더 미세한 작업에 대해 0.5 ㎜의 초점 내지 덜 미세한 작업에 대해 2.0 ㎜의 초점)의 사용을 포함할 수 있지만 이들에 제한되지 않는다. 광학 장치 및/또는 기재의 이동은 통상적인 형상의 층 피착물을 구축하기 위해 선택 레이저 용융 또는 소결 공정에서와 같이 프로그래밍될 수 있다. 공지된 레이저 용융 또는 소결 공정보다 우수한 이러한 공정의 장점은 다음과 같다. 즉, 각각의 처리 층에서의 높은 피착 속도 및 두꺼운 피착물; 불활성 가스에 대한 필요성 없이 뜨거운 피착 금속 위에서 연장되는 개선된 차폐; 플럭스가 응고 균열로 이어질 수 있었던 성분의 피착물의 세척을 향상시킬 것이고; 플럭스가 레이저 빔 흡수를 향상시켜 처리 장비로의 재반사를 최소화할 것이고; 슬래그 형성이 피착물을 성형하여 지지하고 열을 보존하고 냉각 속도를 지연시킬 것이고, 그에 의해 용접후 열 처리 중에 변형 시효(재가열) 균열에 기여할 수 있었던 잔류 응력을 감소시키고; 플럭스가 원소 손실을 보상하거나 합금 원소를 첨가할 수 있고, 분말 및 플럭스 사전-배치 또는 급송은 피착물의 두께가 전체 부품 구축과 관련되는 시간을 크게 감소시키기 때문에 선택적으로 효율적으로 수행될 수 있다.
도 2의 실시예는 또한 기초 합금 급송 재료(44)의 사용을 도시하고 있다. 급송 재료(44)는 기재(32)를 향해 급송 또는 왕복되는 와이어 또는 스트립의 형태로 되어 있을 수 있고, 에너지 빔(42)에 의해 용융되어 용융 풀에 부여된다. 요구되면, 급송 재료는 레이저 빔으로부터 요구되는 전체 에너지를 감소시키도록 (예컨대, 전기적으로) 예열될 수 있다. 일부 초합금 재료를 와이어 또는 스트립 형태로 형성하는 것이 어렵거나 불가능하지만, 순수한 니켈, 니켈-크롬 또는 니켈-크롬-코발트 등의 재료는 이들 형태로 용이하게 이용 가능하다. 도 2의 실시예에서, 기초 합금 급송 재료(44), 분말상 합금 재료(38) 및 분말상 플럭스 재료(40)는 유리하게는 클래딩 재료(30)의 층이 요구된 초합금 재료의 조성을 갖도록 선택된다. 충전재 재료는 단지 요구된 초합금 재료를 한정하는 원소의 조성물의 압출 가능한 서브세트의 원소일 수 있고, 분말상 금속 재료는 충전재 재료 내의 원소를 상호 보완하여 요구된 초합금 재료를 한정하는 원소의 조성을 완성하는 원소를 포함한다. 충전재 재료 및 분말상 금속 재료는 용융 풀 내에서 결합되어 요구된 초합금 재료(30)의 수리 표면을 형성한다. 도 1에서와 같이, 공정은 클래딩 재료(30)의 층을 보호, 성형 및 단열하는 슬래그(46)의 층을 생성한다.
도 3은 초합금 재료(50)의 층이 냉간 금속 아크 용접 토치(54)를 사용하여 초합금 기재(52) 상으로 피착되는 실시예를 도시하고 있다. 분말상 재료(59)가 충전되는 중공 금속 외피(57)를 포함하는 토치(54)는 코어형 와이어 또는 스트립 재료의 형태를 갖는 충전재 재료(56)를 급송하여 용융시키는 데 사용된다. 분말상 재료(59)는 분말상 금속 합금 및/또는 플럭스 재료를 포함할 수 있다. 유리하게는, 금속 외피(57)는 니켈, 니켈-크롬 또는 니켈-크롬-코발트 등의 중공 형상으로 편리하게 형성될 수 있는 재료로 형성되고, 분말상 재료(59)는 충전재 재료(56)가 용융될 때에 요구된 초합금 조성물이 형성되도록 선택된다. 외피는 요구된 초합금 조성물을 성취할 정도로 충분한 니켈(또는 코발트)을 함유하고, 그에 따라 외피 대 분말상 코어 재료의 고체 대 고체 비율은 예컨대 3:2의 비율로 유지될 수 있다. 아크 열은 충전재 재료(56)를 용융시켜 슬래그(58)의 층에 의해 덮인 요구된 초합금 재료(50)의 층을 형성한다. 분말상 플럭스 재료는 (예컨대, 코어 체적의 25%만큼) 충전재 재료(56) 내에 제공될 수 있거나, 기재(52)의 표면 상으로 사전-배치되거나 피착될 수 있거나(도시되지 않음, 도 2 참조), 이들 양쪽 모두에 해당될 수 있다. 다양한 실시예에서, 플럭스는 전기 전도성이거나(일렉트로슬래그) 그렇지 않을 수 있고(서브머지드 아크), 화학적으로 중성의 첨가물일 수 있다. 이전과 같이, 충전재 재료는 이러한 경우에 냉간 금속 아크 토치로부터 요구되는 공정 에너지를 감소시키도록 예열될 수 있다. 플럭스의 사용은 차폐를 제공할 것이고 그에 의해 냉간 금속 아크 공정에서 통상적으로 요구되는 불활성 또는 부분 불활성 가스에 대한 필요성을 감소시키거나 없앤다.
도 4는 초합금 재료(60)의 층이 충전재 재료(66)를 용융시키는 레이저 빔(64) 등의 에너지 빔을 사용하여 초합금 기재(62) 상으로 피착되는 실시예를 도시하고 있다. 도 3에 대해 위에서 설명된 것과 같이, 충전재 재료(66)는 니켈, 니켈-크롬 또는 니켈-크롬-코발트 등의 중공 형상으로 편리하게 형성될 수 있는 재료로 구성되는 금속 외피(68)를 포함하고, 분말상 재료(70)는 충전재 재료(66)가 레이저 빔(64)에 의해 용융될 때에 요구된 초합금 조성물이 형성되도록 선택된다. 분말상 재료(70)는 분말상 플럭스 그리고 또한 합금 원소를 포함할 수 있다. 레이저 빔(64)의 열은 충전재 재료(66)를 용융시켜 슬래그(72)의 층에 의해 덮인 요구된 초합금 재료(60)의 층을 형성한다. 이전과 같이, 충전재 재료는 이러한 경우에 레이저 빔으로부터 요구되는 공정 에너지를 감소시키도록 예열될 수 있다.
충전재 재료(56, 66)의 하나의 실시예가 다음과 같이 합금 247 재료를 피착하도록 조성된다. 즉,
- 외피 고체 체적은 총 금속 고체 체적의 약 60%이고, 순수한 Ni이고;
- 코어 금속 분말 체적은 충분한 Cr, Co, Mo, W, Al, Ti, Ta, C, B, Zr 및 Hf을 포함하는 총 금속 고체 체적의 약 40%이고; 외피로부터의 순수한 Ni과 함께 용융되어 혼합될 때에, 명목 중량 % 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 Hf의 합금 247 조성을 생성하고;
- 코어 플럭스 분말 체적은 금속 분말 체적과 크기 면에서 아마도 대략 동일한 추가의 주로 비-금속의 와이어 체적을 나타내고, 35/30/35 비율로 알루미나, 불화물 및 실리케이트를 포함한다. 플럭스의 메시 크기 범위는 예컨대 코어 금속 분말 내에 균일하게 분포되어야 한다.
용융 열이 아크에 의해 제공되는 실시예에 대해, 아크 안정성을 유지하기 위해 플럭스 또는 차폐 가스 내에 이산화탄소를 제공하는 것이 통상적이다. 그러나, 이산화탄소는 티타늄과 반응될 것이고, 티타늄의 일부가 용융 공정 중에 증기 또는 산화물로서 손실될 것이다. 본 발명의 공정은 이러한 손실을 보상하기 위해 충전재 재료 내에 포함되는 티타늄의 양이 피착 초합금 조성물 내에 요구되는 티타늄의 양을 초과하게 한다. 위에서 설명된 합금 247의 예에 대해, 코어 금속 분말 내에 포함되는 티타늄의 양은 1%로부터 3%로 증가될 수 있다.
여기에서 설명되는 공정에 따른 초합금 재료에 대한 수리 공정은 결함을 제거하기 위해 요구에 따라 연마에 의해 수리될 초합금 재료 표면을 준비하는 단계, 표면을 세척하는 단계, 그 다음에 표면 상으로 플럭스 재료를 함유하는 분말상 재료의 층을 사전-배치하거나 급송하는 단계, 그 다음에 표면에 에너지 빔을 횡단시켜 분말 그리고 표면의 상부 층을 부유 슬래그 층을 갖는 용융 풀로 용융시키는 단계 그리고 그 다음에 용융 풀 및 슬래그가 응고되게 하는 단계를 포함할 수 있다. 용융은 기재의 표면에서 임의의 표면 결함을 치유하도록 기능하고, 그에 의해 전형적으로 공지된 기계 및/또는 화학 공정에 의한 슬래그의 제거 시에 재생된 표면을 남긴다. 분말상 재료는 단지 플럭스 재료일 수 있거나, 초합금 클래딩 재료의 층이 요구되는 실시예에 대해, 분말상 재료는 용융이 표면 상에 클래딩 재료의 층을 형성하도록 분말상 플럭스 재료의 층 아래에 위치되거나 분말상 플럭스 재료와 혼합되거나 플럭스 재료와 복합 입자로 결합되는 것 중 어느 한쪽에 의해 수행되는 별개의 층으로서 금속 분말을 함유할 수 있다. 선택 사항으로, 급송 재료가 스트립 또는 와이어의 형태로 용융 풀 내로 유입될 수 있다. 분말상 금속 및 급송 재료(존재한다면) 그리고 또한 중성 첨가물일 수 있는 플럭스 재료로부터의 임의의 금속 기여물은 용융 풀 내에서 결합되어 요구된 초합금 재료의 조성을 갖는 클래딩 층을 생성한다. 일부 실시예에서, 니켈, 니켈-크롬, 니켈-크롬-코발트 또는 다른 편리하게 압출되는 금속의 급송 재료가 적절한 합금 금속 분말과 결합되어 클래딩 내에 요구된 초합금 조성물을 생성하고, 그에 의해 와이어 또는 스트립 형태로 요구된 초합금 재료를 형성하는 문제점을 피한다.
기재의 예열이 수용 가능한 결과를 얻기 위해 반드시 필요하지는 않지만, 일부 실시예에서 용융 단계 전에 초합금 기재 및/또는 급송 재료 및/또는 분말에 열을 가하는 것이 예컨대 기재 재료의 연성을 증가시키고 및/또는 충전재를 용융시키는 데 요구될 수 있었던 빔 에너지를 감소시키는 것이 요구될 수 있다. 일부 초합금 기재의 연성 개선은 합금의 융점의 약 80% 위의 온도에서 성취된다. 마찬가지로, 에너지 빔의 정밀 열 입력과 조합하여 용융 공정의 결과로서 재료 내에 생성되는 응력을 최소화할 수 있는 냉각 고정구(chill fixture)가 선택 사항으로 특정한 분야에 대해 사용될 수 있다. 나아가, 본 발명은 불활성 차폐 가스에 대한 필요성을 없애지만, 보충 차폐 가스가 양호하다면 일부 분야에서 사용될 수 있다. 충전재 재료(44)가 사용되면, 이것이 일부 실시예에서 예열될 수 있다.
사용될 수 있는 플럭스 재료는 명칭 링컨웰드(Lincolnweld) P2007, 뵐러 수도카이(Bohler Soudokay) NiCrW-412, ESAB OK 10.16 또는 10.90, 스페셜 메탈스(Special Metals) NT100, 올리콘(Oerlikon) OP76, 샌드빅(Sandvik) 50SW 또는 SAS1 하에서 판매되는 것들 등의 상업적으로 이용 가능한 플럭스를 포함한다. 플럭스 입자는 사용 전에 요구된 더 작은 메시 크기 범위까지 연마될 수 있다. 위에서 언급된 합금을 포함하는 가스 터빈 엔진 등의 고온 분야에 통상적으로 사용되는 기존에 이용 가능한 철, 니켈 또는 코발트 계열의 초합금 중 임의의 초합금이 본 발명의 공정에서 접합, 수리 또는 코팅될 수 있다.
하나의 변형예는 에너지 빔 대신에 또는 그와 조합하여 급송 재료를 통해 용융을 위한 열을 제공한다. 예컨대, 도 2의 와이어 또는 스트립 급송 재료(44)는 분말 및 플럭스의 층 아래에 아크를 생성하도록 작동될 수 있고, 이 때에 와이어는 압출 형태로 용이하게 이용 가능한 재료(즉, 초합금 재료가 아님)이고, 분말은 결합된 용융 풀 내에 요구된 초합금 조성물을 형성하는 데 필요한 다른 합금 원소를 포함한다. 대체예에서, 분말 및 플럭스는 전도성이도록 예컨대 초합금 클래딩 재료의 층을 형성하는 데 효과적인 일렉트로-슬래그 용접 공정을 용이하게 하도록 선택될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 초합금 분말 재료와 혼합된 플럭스 분말이 선택 사항으로 냉각 고정구를 갖는 종래의 플라스마 아크 클래딩 장비를 사용하여 초합금 기재로 급송될 수 있다. 기재, 급송 재료 및/또는 분말은 다양한 실시예에서 예열될 수 있다. 열 입력의 정밀도가 전극(+/- 10-15%)에서보다 에너지 빔(+/- 1-2%)에서 높기 때문에, 총 열 입력의 절반 초과에 대해 에너지 빔을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 빔 에너지는 서브머지드 아크 또는 일렉트로슬래그 공정이 기재로부터의 최소 희석으로써 예비 용융 풀을 개시하게 하고, 그 다음에 서브머지드 아크 또는 일렉트로슬래그 기여물은 상당한 추가의 기재 영향 없이 피착물의 체적에 추가될 수 있고, 그에 의해 희석 효과를 최소화한다.
다양한 실시예에 따르면, 혼합된 서브머지드 아크 용접 플럭스 및 합금 247 분말은 2.5 내지 5.5 ㎜ 깊이에 사전-배치되었고, 최종 용접후 열 처리 후에 균열을 갖지 않는 레이저 클래드 피착물을 성취하는 것으로 입증되었다. 0.2 내지 최대 2 kW의 이테르븀 섬유 레이저 출력 수준이 검류계 스캐닝 광학 장치에서 사용되었고 그에 의해 125 ㎜/분 정도의 이동 속도에서 3 내지 10 ㎜ 폭을 갖는 용융 풀 피착물을 형성한다. 균열의 부존재는 피착물 단면의 염색 침투 탐상 시험(dye penetrant testing) 및 금속 조직 검사에 의해 확인되었다. 합금 247은 도 6에 도시된 것과 같이 용접하기 가장 어려운 알려져 있는 초합금 중 하나이고 그에 의해 3 중량%보다 큰 알루미늄 함량을 갖는 것들을 포함하는 전체 범위의 초합금 조성물에 대한 본 발명의 적용 가능성을 입증한다는 것이 이해될 것이다.
초합금 기재를 수리할 때에 분말상 플럭스 재료를 이용하는 장점은 추가의 클래딩 재료가 피착되는지와 무관하게 구현된다는 것이 이해되어야 한다. 초합금 기재 내의 표면 균열은 표면에 분말상 플럭스 재료를 덮고 그 다음에 표면 및 플럭스 재료를 가열하여 부유 슬래그 층을 갖는 용융 풀을 형성함으로써 수리될 수 있다. 슬래그 층의 보호 하에서의 용융 풀의 응고 시에, 균열을 갖지 않는 깨끗한 표면이 형성될 것이다.
레이저 에너지는 대체로 직사각형 에너지 밀도를 갖는 다이오드 레이저를 사용함으로써 표면 영역을 횡단하여 가해질 수 있다. 대체예에서, 원형 에너지 빔이 기재를 따라 전방으로 이동되어 영역 에너지 분포를 수행하는 동안에 전후로 이것을 래스터링하는 것이 가능하다. 도 5는 스폿 직경 D를 갖는 대체로 원형의 빔이 제1 위치(74)로부터 제2 위치(74')로 그리고 그 다음에 제3 위치(74")로와 같은 방식으로 이동되는 하나의 실시예에 대한 래스터링 패턴을 도시하고 있다. 그 방향 변화 위치에서의 빔 직경 패턴의 중첩부 O의 양은 바람직하게는 최적의 재료 가열 및 용융을 제공하기 위해 D의 25-90%이다. 대체예에서, 2개의 에너지 빔이 표면 영역을 횡단하여 요구된 에너지 분포를 성취하도록 동시에 래스터링될 수 있고, 이 때에 빔 패턴들 사이의 중첩부는 각각의 빔의 직경의 25-90%의 범위 내에 있다.
도 7은 분말상 플럭스 재료를 이용하는 레이저 마이크로클래딩 공정을 도시하고 있다. 1개 이상의 노즐(90a, 90b)이 기재(94)를 향해 추진제 가스 및 분말상 재료를 함유하는 제트(92)를 유도하는 데 사용된다. 기재는 초합금일 수 있거나 그렇지 않을 수 있지만, 유리하게는 도 6의 선 80에 의해 한정되는 용접성 영역을 넘어 위치되는 재료일 수 있다. 제트(92) 내의 분말상 재료는 용융될 때에 공기로부터 보호될 것이 필요한 임의의 합금 재료(93a)를 포함할 수 있고, 유리하게는 도 6의 선 80에 의해 한정되는 용접성 영역을 넘어 위치되는 분말상 합금 재료를 함유할 수 있다. 분말상 재료가 기재(94)의 표면을 향해 추진되는 동안에, 이것이 레이저 빔(96) 등의 에너지 빔에 의해 용융되어 용융 풀(98)을 형성한다. 분말상 재료는 공정이 기재(94)의 표면에 횡단되는 동안에 분말상 합금 재료(93a)와 함께 용융되고 그 다음에 분리 및 응고되어 클래드 합금 재료(102)의 층 위의 슬래그(100)의 층을 형성하는 분말상 플럭스 재료(93b)를 또한 포함한다. 슬래그(100)는 재료가 임의의 공지된 공정을 사용하여 냉각된 후에 제거된다. 분말상 플럭스 재료(93b)는 위의 도 1-4의 공정에서 그로 인해 기여되는 모든 장점을 제공한다. 더욱이, 분말상 플럭스 재료(93b)가 처리 지점에서 즉 용접 풀 그 자체 내에서 차폐 및 환원 효과를 제공하기 때문에, 추진제 가스는 아르곤 등의 전통적인 불활성 가스일 수 있거나, 덜 비싼 질소 또는 공기일 수 있다.
위의 도 1-4에 대해 설명된 것과 같이, 제트(92) 내의 분말상 플럭스(93b) 및 분말상 합금 재료(93a)는 중첩 메시 크기 범위를 가질 수 있거나 복합 입자로서 형성될 수 있다. 분말의 사전-배치가 요구되지 않기 때문에, 도 7의 공정은 비-수평 표면에 적용될 수 있고, 나아가 3 차원 표면에 예컨대 가스 터빈 연소기 전이 콘(gas turbine combustor transition cone)의 내부측 표면을 따라 클래딩을 가하기 위해 다축 공구와 연계하여 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 도 7의 공정은 해양 분야를 위한 경질 표면 또는 스테인리스강 내식성 재료를 가하는 데 사용될 수 있다. 플럭스(93b) 및 합금(93a)은 동일한 노즐로부터 급송될 수 있거나 별개의 노즐(90b, 90a)로부터 독립적으로 급송될 수 있다.
도 7의 공정은 더 높은 피착 속도(예컨대, 플럭스 추가 없이 피착 속도의 2배)가 표준 용접후 열 처리를 사용하여 균열 없이 성취 가능하기 때문에 초합금 재료의 피착을 위한 전통적인 레이저 마이크로클래딩의 제한을 극복한다. 도 5에 도시된 것과 같은 레이저 다이오드 또는 레이저 빔의 래스터링이 이러한 높은 피착 속도를 용이하게 할 수 있다.
분말상 재료의 사용은 피착 재료의 조성이 시간 및 공간을 횡단하여 변화되는 기능적으로 등급화된 재료의 피착을 용이하게 한다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 합금 조성은 제품의 내부 벽으로부터 외부 벽으로 또는 제품 내부로부터 그 표면 근처로 변화될 수 있다. 합금 조성은 상이한 기계 또는 내식 성질을 요구하는 예상 동작 조건에 따라 그리고 재료의 가격을 고려하여 변화될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예가 여기에서 예시 및 설명되었지만, 이러한 실시예는 단지 예로서 제공된다는 것은 분명할 것이다. 많은 변형, 변화 및 치환이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (16)

  1. 추진제 가스를 사용하여 기재를 향해 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 유도하는 단계와;
    에너지 빔으로써 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 용융시켜 기재 상에 용접 풀을 형성하는 단계와;
    용접 풀이 슬래그의 층에 의해 덮인 클래드 합금 재료의 층으로서 기재 상에서 응고 및 냉각되게 하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 공기 또는 질소로서 추진제 가스를 선택하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 중첩 메시 크기 범위를 갖도록 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 선택하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 레이저 빔으로 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 용융시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 다이오드 레이저 빔으로 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 용융시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 빔 직경 D를 갖는 레이저 빔으로 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 용융시키는 단계와;
    그 방향 변화 위치에서의 빔 직경의 중첩부 O의 양이 D의 25-90%이도록 방향 변화 반복에 의해 레이저 빔을 래스터링하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 합금 및 플럭스 재료의 혼성 입자로서 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방법이 표면을 따라 이동되면서 수행되는 동안에 분말상 합금 재료의 조성을 변화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 티타늄 함량 대 알루미늄 함량을 플롯하는 초합금의 그래프 상에 한정되는 용접성 영역을 넘는 조성물을 포함하도록 분말상 합금 재료를 선택하는 단계로서, 용접성 영역은 6 중량%에서 티타늄 함량 축과 교차되고 3 중량%에서 알루미늄 함량 축과 교차되는 선에 의해 상한이 한정되는, 방법.
  10. 티타늄 함량 대 알루미늄 함량을 플롯하는 초합금의 그래프 상에 한정되는 용접성 영역을 넘는 조성물을 포함하도록 분말상 합금 재료를 선택하는 단계로서, 용접성 영역은 6 중량%에서 티타늄 함량 축과 교차되고 3 중량%에서 알루미늄 함량 축과 교차되는 선에 의해 상한이 한정되는, 단계와;
    추진제 가스를 사용하여 기재를 향해 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 유도하는 단계와;
    레이저 빔으로 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 용융시켜 기재 상에 용접 풀을 형성하는 단계와;
    용접 풀이 슬래그의 층에 의해 덮인 클래드 합금 재료의 층으로서 기재 상에서 응고 및 냉각되게 하는 단계와;
    슬래그의 층을 제거하는 단계
    를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 추진제 가스로서 질소 또는 공기를 사용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 중첩 메시 크기 범위를 갖도록 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 선택하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 비-수평 표면에서 수행되는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 곡면형 표면에서 수행되는 방법.
  15. 제10항에 있어서, 다이오드 레이저 빔으로 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 용융시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제10항에 있어서, 빔 직경 D를 갖는 레이저 빔으로써 분말상 합금 재료 및 분말상 플럭스 재료를 용융시키는 단계와;
    그 방향 변화 위치에서의 빔 직경의 중첩부 O의 양이 D의 25-90%이도록 방향 변화 반복에 의해 레이저 빔을 래스터링하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
KR1020157020464A 2013-01-31 2014-01-29 분말상 플럭스 및 금속을 사용하는 레이저 마이크로클래딩 KR20150111352A (ko)

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