KR20150129616A - 감마 프라임 강화 초합금으로 구성된 추가 제작된 부품들의 사후 형성 열처리에 대한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Ni 또는 Co 또는 Fe 또는 그것들의 조합을 기반으로 한 감마 프라임(γ') 강화 초합금으로 구성된 추가 제작된 고강도 부품의 사후 형성 열처리에 대한 방법에 관한 것이다. 특정한 온도 범위에서 추가 제작 후에 제 1 사후 형성 열처리 동안 25 내지 60℃/min의 신속한 가열 속도의 적용은 가열 동안 부품에서의 감마 프라임 석출을 회피 또는 적어도 최소화한다. 이것은 종래의 가열 처리된 부품들에 있는 상당한 균열과 비교할 때 균열이 없는 부품들/물체들을 초래한다.
Description
본 발명은 초합금 기술에 관한 것이다. 본 발명은 감마 프라임(gamma-prime; γ') 강화 초합금으로 형성되고 또한 추가의 제작 기술, 예를 들어, 선택적 레이저 용융(SLM)에 의해 형성된 부품들의 사후 형성 열처리에 대한 방법에 관한 것이다. 개시된 방법에서 부품들, 예를 들어, 터빈 부품들에서의 상당한 균열(cracking), 예를 들어, 변형 시효 균열이 회피될 수 있다.
고강도 니켈, 코발트 또는 철 기반의 초합금, 예를 들어, 알루미늄 및 티타늄과 같은 추가의 원소들을 가진 니켈 기반 초합금이 물질에서 감마 프라임 상의 높은 정도의 석출 경화 효과에 기인하여 고강도 특성을 가짐이 공지되어 있다. 또한 이러한 초합금은 성공적으로 용접하기가 매우 어렵다는 것이 알려져 있다.
SLM으로 생성된 물체는 동일한 합금의 종래에 주조된 물질과 비교할 때 다른 미세 구조를 갖는다. 이 프로세스들에서 고에너지 빔-물질 상호 작용은 SLM 동안 빠른 냉각 속도 및 매우 빠른 응고를 야기한다.
결과적으로, 합금 원소들의 편석 및 석출물의 형성이 감소된다. 따라서, 추가의 제작 프로세스들에 대한 신속한 냉각에 기인하여, 형성 후에 감마 프라임 함유 합금으로 구성된 부품에 감마 프라임 석출물이 전혀 존재하지 않거나 또는 거의 존재하지 않는다.
사후 형성 열처리는 부품의 미세구조를 조정하고 또한 잔류 응력을 감소/제거하기 위해 필요하다. 이러한 사후 형성 열처리 동안, 감마 프라임 상이 제 1 가열 동안 석출된다. 하지만 이 석출과 관련된 체적 변화가 부품 내에 상당한 균열(예를 들어, 변형 시효 균열)을 야기할 수 있다. SLM 처리된 감마 프라임 강화 초합금에 현재 적용된 열처리 시퀀스들은 상당한 균열을 야기하고 따라서 부품들의 폐기를 야기한다.
다른 사전 및 사후 용접 열처리를 함으로써, 용접에 의해 감마 프라임(γ') 강화 초합금으로 구성된 주조 부품들 또는 구성 요소들의 부품들을 연결하는 것이 알려져 있다.
US 7854064 B2호는 593 내지 871℃ 사이의 온도 범위에서 16 내지 23℃/min 사이의 가열 속도를 사용하는, 사전 용접 용해(solutioning) 열처리를 포함하는 터빈 부품들의 수리에 관한 프로세스를 개시하고 있다. 하나의 실시예에서, 용해 온도 내지 677℃ 미만의 온도 범위에서 0.2 내지 5℃/min의 느린 냉각 속도가 언급된다. 또한, 상술한 사전 용접 열처리 외에, 사전 용접 열처리와 동일한 가열 속도를 사용하는 사후 용접 열처리가 설명된다. 이 문서에 따른 프로세스는 매우 다양한 주조 및 단조 니켈 기반 합금, 예를 들어, Waspaloy, IN738, IN792 또는 IN939에 적용 가능하다. E-빔 및 텅스텐 아크 용접이 예시적 프로세스로서 언급되어 있다.
US 7854064 B2호에 개시된 방법은 니켈 기반 초합금으로 구성된 터빈 부품들이 수리, 예를 들어, 거의 미세균열들의 존재 없이 용접될 수 있는 이점을 가질지라도, 상기 방법은 사전 용접 및 사후 용접 열처리의 설명된 복수의 단계들에 대한 시간 및 비용 소모적이라는 단점을 갖는다.
출원인은 (아직 공표되지 않은) 최근에 용접 필러 없이 감마 프라임 강화 초합금(예를 들어, IN738LC, MarM247, CM247LC, CMSX-4, MK4HC, MD2)의 전자빔 용접에 관한 새로운 특허 출원서를 제출했다. US 7854064호와 대조적으로, 이 방법은 특정한 사전 용접 열처리에 의존하지 않고, 따라서 수리뿐만 아니라 새로운 부품들의 연결을 위해 사용될 수 있다. 프로세스를 더 효율적이게 하도록, 빠른 가열 속도가 최종 보유 온도와 근접한 전체 온도 범위(871℃라기 보다는 1100℃)에서 사용되고, 감마 프라임이 석출될 수 있다. 이 방법은 균열 방지의 어떠한 다른 수단도 없는 연결부에서만 예를 들어, 용접 필러가 없는 용접 프로세스들에서 사용된다. 연성 용접 필러를 사용함으로써 또한 균열 형성을 방지하는 것에 도움을 줄 수 있지만, 이러한 용접 필러들의 사용은 용접 접합부를 약화시킨다.
그러나, 상술한 문서들은 접합 방법들(예를 들어, 용접)만을 포함하고 따라서 추가 제작, 예를 들어, 선택적 레이저 용융(SLM)에 의해 완전히 형성된 부품들을 포함하지 않는다.
본 발명의 목적은 초합금을 함유하고 또한 추가 제작 기술들, 바람직하게는 SLM에 의해 형성된 감마 프라임(γ')으로 구성된 부품들의 열처리에 대한 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 방법은 종래의 열처리 추가 제작된 부품들에 있는 상당한 균열과 비교할 때 균열이 없는 부품들/물체들을 생성할 수 있음을 보장할 것이다.
따라서 독립 청구항 1에 따르면, Ni 또는 Co 또는 Fe 또는 그것들의 조합을 기반으로 한 감마 프라임(γ') 강화 초합금으로 구성된 추가 제작된 부품들의 사후 형성 열처리에 대한 방법은 다음의 단계들을 포함한다.
a) 조립 상태에서 상기 추가 제작된 부품을 제공하는 단계와,
b) 상기 부품을 실온(RT)으로부터 소정 온도(T1)까지 가열하는 단계로서, T1은 열팽창 계수의 하락이 시작되는 온도(Ts) 미만의 50 내지 100℃인, 상기 부품을 가열하는 단계와,
c) 균일한 부품 온도를 성취하기 위해서 상기 부품을 시간(t1) 동안 T1에서 보유하는 단계와,
d) 상기 감마 프라임 상의 석출을 회피 또는 적어도 감소시키도록 T1에서 온도(T2)(T2 ≥ 850℃)로 적어도 25℃/min의 가열 속도(v2)로 빠른 가열을 적용하여 상기 부품을 가열하는 단계와,
e) 상기 열처리의 목적에 따라 상기 부품에 추가의 시간/온도 단계들을 적용하는 단계.
본 발명의 핵심은 가열 동안 부품에서의 감마 프라임 석출을 최소화/회피하도록 특정한 온도 범위에서 추가 제작 후에 제 1 사후 형성 열처리 동안 신속한 가열 속도를 적용하는 것이다. 방법은 유리하게는 상당한 균열들을 나타내는 종래의 열가열된 부품들과 비교할 때 균열이 없는 부품/물체들을 초래한다.
하나의 실시예에서, 단계 e)에서 잔류 응력을 감소시키기 위해 2시간 동안 등온 드웰(dwell; t2)이 행해진다.
바람직하게, 가열 속도(v2)는 25 내지 60℃/min이다. 이 범위에서 더 빠른 속도는 유도 가열에 의해 성취될 수 있다. 가열 속도(v1)(단계 b에서)는 바람직하게 1 내지 10℃/min일 수 있다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 단계 e)에서 온도(T3 > T2)에서 다르거나 또는 추가의 보유 시간이 잔류 응력을 더 감소시키고 그리고/또는 미세 구조를 재결정화하도록 적용된다.
열처리가 예를 들어, 열간 정수압 소결법(HIP) 동안 압력 하에서 행해질 때 유리하다.
하나의 실시예에서, 추가 제작되고 또한 IN 738LC로 구성된 부품(예를 들어, 고정자 열 차폐)에 대한 다음의 사후 형성 열처리 매개변수들은
T1 = 400℃
v1 = 5℃/min
t1 = 60min
v2 = 35℃/min
T2 = 1050℃
t2 = 2h
T3 = 1200℃
t3 = 4h이다.
추가의 실시예들은 아래에 설명된다.
본 발명은 이제 다른 실시예들에 의해 그리고 첨부된 도면들을 참조하여 더 면밀히 설명될 것이다.
도 1은 SLM 처리된 IN738LC에 대한 온도, 형성 배향 및 제 1, 제 2 가열에 따른 열팽창 계수를 나타낸 도면.
도 2는 SLM 처리된 IN738LC에 대한 온도, 형성 배향 및 제 1, 제 2 가열에 따른 열용량을 나타낸 도면.
도 3은 도 1 및 도 2에 더하여 SLM 처리된 IN738LC에 대한 조립 상태에서의 인장 기계적 결과들을 나타낸 도면.
도 4는 종래 기술에 따라 SLM 처리된 IN738LC에 대한 표준 열처리 절차 동안의 시간-온도 다이어그램.
도 5는 SLM 처리된 IN738LC에 대한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 시간-온도 다이어그램.
도 2는 SLM 처리된 IN738LC에 대한 온도, 형성 배향 및 제 1, 제 2 가열에 따른 열용량을 나타낸 도면.
도 3은 도 1 및 도 2에 더하여 SLM 처리된 IN738LC에 대한 조립 상태에서의 인장 기계적 결과들을 나타낸 도면.
도 4는 종래 기술에 따라 SLM 처리된 IN738LC에 대한 표준 열처리 절차 동안의 시간-온도 다이어그램.
도 5는 SLM 처리된 IN738LC에 대한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 시간-온도 다이어그램.
도 1은 SLM 처리된 IN738LC에 대한 온도, 형성 배향 및 제 1, 제 2 가열에 따른 열팽창 계수를 나타낸다. 제 1 가열 동안, 변태(400℃ 초과의 온도에서 시작함)가 열팽창 계수의 하락을 특징으로 하는 커브에서 나타남을 알 수 있다. 이 변태는 제 2 가열 동안 더 이상 나타나지 않고 제 1 가열 동안 감마 프라임 석출물에 기여할 수 있다. 열팽창 계수에 대한 변태는 감마 프라임 석출에 기인하여 체적 수축을 나타낸다.
마찬가지로 도 2에서도 SLM 처리된 IN738LC에 대한 온도, 형성 배향 및 제 1, 제 2 가열에 따른 열용량을 나타낸다.
열물리 성질들에 더하여, 조립 상태에서의(예를 들어, 임의의 열처리 없이) 인장 기계적 결과들이 또한 나열된다(도 3 참조).
IN738LC에 대해 조립 상태에서 실온에서의 연성이 다소 높다(~20 내지 24%)는 것을 알 수 있다. 그러나, 시편을 850℃에서 2시간 내의 시간 동안(가열 속도 ~7℃/min) 가열하고 15분 유지 시간 후에 시편을 테스트함으로써, 연성의 상당한 감소가 관찰된다(~20% 내지 ~0.2%).
제 1 가열 동안 상승된 온도에서의 고유의 낮은 연성과 SLM 프로세스에 기인한 잔류 응력의 상당한 양의 존재는 상당한 균열의 원인이 된다.
필적할만한 낮은 연성이 850℃의 조립 상태에서 테스트된 또 다른 감마 프라임 강화 초합금 CM247LC에서 관찰된다는 것은 말할 가치가 있다.
도 4는 종래 기술로부터 알려진 주조 또는 단조 IN738LC로 구성된 부품에 대한 표준 열처리 절차(예를 들어, 응력 완화 열처리)를 나타낸다. 이러한 표준 열처리는 SLM으로 형성된 IN738LC 부품에 적용된다. 불행하게도, 부품은 이러한 열처리 후에 상당한 균열을 갖고 따라서 불량품이 된다.
유사한 결과들이 일반적으로 감마 프라임 강화 초합금에 적용되는 다른 표준 열처리 절차에서 얻어진다.
대조적으로, 본 발명에 따른 열처리를 적용함으로써 각각 대응하는 균열이 없는 부품이 야기된다.
도 5는 IN738LC에 대한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 시간-온도 다이어그램을 나타낸다. 부품은 균일한 부품/부분 온도를 보장하는데 충분히 긴 유지 시간(t1 = 60min) 및 다소 느린 가열 속도(v1 = 5℃/min)로 최대 ~400℃(=T1)에서 가열된다. 다음에, 중요한 생각은 감마 프라임의 석출을 회피/감소시키도록 임계 온도 구역을 통해 400℃ 내지 ~1050℃의 온도 범위에서 v2 = 35℃/min의 빠른 가열을 하는 것이다.
임계 온도 구역을 지나간 후에, 다른 추가의 시간/온도 단계들이 열처리의 목적에 따라 추가될 수 있다. 도 5를 따른 예에서, T3 = 1050℃에서의 등온 드웰(dwell)이 2시간(t3) 동안 잔류 응력을 감소시키기 위해 행해진다. 다르거나 또는 추가의 유지 시간이 예를 들어, 잔류 응력을 더 감소시키고 그리고/또는 미세구조를 재결정화하도록, 더 높은 온도에서 추가될 수 있다. 예를 들어, 1250℃/3h 또는 1200℃/4h의 열처리가 재결정화를 야기한다.
훨씬 빠른 높은 가열 속도는 IN738LC보다는 예를 들어, CM247LC 및 CMSX-4와 같은 감마 프라임의 다량을 함유하는 합금에서 유리할 수 있다. 또한, 등온 드웰 온도는 대응하는 합금의 임계 온도에 따라, 또한 증가될 수 있다.
본 발명에 따라 설명된 열처리는 SLM 형성 후에 적용된 제 1 열처리여야 한다. 열처리는 기저판으로부터 이미 제거된 SLM 부품들에 적용될 수 있고, SLM 부품들은 기존 부품들 상에 형성되거나(하이브리드 형성) 또는 여전히 기저판 상에 위치한다. 후자의 2가지 경우들에서, 열처리는 또한 감마 프라임의 석출에 의해 야기된 연성의 감소를 회피하여, 열처리 동안 추가의 응력을 생성할 수 있는, 다른 열팽창 계수에 의해 야기된 균열을 회피하는 것을 돕는다.
또한, 상술한 열처리가 추가의 이점을 갖는 열간 정수압 소결법(HIP) 동안 압력 하에서 행해진다는 것은 말할 가치가 있다.
가열 속도(v2)는 바람직하게 25 내지 60℃/min이다. 더 빠른 속도는 유도 가열에 의해 성취될 수 있다.
제 1 열처리가 본 발명에 따라 행해진 후에, 다른 표준 열처리가 적용될 수 있다.
물론, 본 발명은 상술한 실시예들로 제한되지 않는다. 본 발명은 감마 프라임 초합금이 SLM 처리될 모든 부품들, 예를 들어, 가스 터빈 내의 하이브리드 부품들/서비스용 모듈러 부품들에 사용될 수 있다.
Claims (6)
- Ni 또는 Co 또는 Fe 또는 그것들의 조합을 기반으로 한 감마 프라임(γ') 강화 초합금으로 구성된 추가 제작된 부품들의 사후 형성 열처리에 대한 방법으로서,
a) 조립 상태에서 상기 추가 제작된 부품을 제공하는 단계와,
b) 상기 부품을 실온(RT)으로부터 소정 온도(T1)까지 가열하는 단계로서, T1은 열팽창 계수의 하락이 시작되는 온도(Ts) 미만의 50 내지 100℃인, 상기 부품을 가열하는 단계와,
c) 균일한 부품 온도를 성취하기 위해서 상기 부품을 시간(t1) 동안 T1에서 보유하는 단계와,
d) 상기 감마 프라임 상의 석출을 회피 또는 적어도 감소시키도록 T1에서 온도(T2)(T2 ≥ 850℃)로 적어도 25℃/min의 가열 속도(v2)로 빠른 가열을 적용하여 상기 부품을 가열하는 단계와,
e) 상기 열처리의 목적에 따라 상기 부품에 추가의 시간/온도 단계들을 적용하는 단계를 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 단계 d)에서 상기 가열 속도(v2)는 25 내지 60℃/min인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 단계 e)에서 잔류 응력을 감소시키기 위해 2시간 동안 등온 드웰(dwell; t2)이 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 단계 e)에서 온도(T3 > T2)에서 다르거나 또는 추가의 보유 시간이 잔류 응력을 더 감소시키고 그리고/또는 미세 구조를 재결정화하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리는 열간 정수압 소결법(HIP) 동안 압력 하에서 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 제작되고 또한 IN 738LC로 구성된 부품에 대한 다음의 사후 형성 열처리 매개변수들은
T1 = 400℃
v1 = 5℃/min
v2 = 35℃/min
T2 = 1050℃
t2 = 2h
T3 = 1120℃/2h 또는 1200℃/4h 또는 1250℃/3h인 것을 특징으로 하는 방법.
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