KR20150131295A - 초합금 구성요소의 보수를 위한 예비 소결된 프리폼 - Google Patents

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KR20150131295A
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카짐 오즈바이살
아흐메드 카멜
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 베이스 초합금(base superalloy) 입자들 및 티타늄(titanium)을 함유하는 붕소 및 규소가 없는 브레이즈(braze) 합금 입자들의 혼합물을 사용하여, 예컨대 초합금 가스 터빈 엔진(gas turbine engine) 구성요소들의 보수를 위한 예비 소결된(presintered) 프리폼(freeform)들을 제조하는 방법에 관한 것이다. 2 mm만큼 큰 합금 입자들은 종래 기술의 프리폼들에 비교할 때 감소된 수축을 제공한다. 본원에 개시된 브레이즈 재료 조성들은 붕소 및 규소가 없으며, 10℃ 만큼 낮은 용융 온도(melting temperature) 범위들을 가질 수 있으며, 상기 조성들은 초합금 구성요소의 조성에 이미 존재하지 않은 원소들을 포함하지 않는다.

Description

초합금 구성요소의 보수를 위한 예비 소결된 프리폼 {PRESINTERED PREFORM FOR REPAIR OF SUPERALLOY COMPONENT}
본 출원은 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 61/786,920 호의 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 재료들의 기술 분야, 보다 자세하게는 붕소가 없는 브레이즈(boron free braze) 재료를 함유하는 예비소결된 프리폼(freeform)을 사용한 초합금(superalloy) 구성요소들의 보수에 관한 것이다.
초합금 재료들의 보수는 용접 응고화 크래킹(weld solidification cracking) 및 변형 시효 크래킹(strain age cracking)에 대한 이들 초합금 재료들의 민감도로 인해 어려워지는 것으로 인지된다. 용어 "초합금"은, 당분야에서 보편적으로 사용되는 바와 같이 본원에서 사용되며; 즉, 고온들에서 탁월한 기계적 강도 및 크리프 내성(resistance to creep)을 나타내는 내부식 및 내산화성이 높은 합금이다. 초합금들은 전형적으로 높은 니켈(nickel) 또는 코발트(cobalt) 함량을 포함한다. 초합금들의 예들은, Hastelloy, Inconel 합금들(예컨대, IN 738, IN 792, IN 939), Rene 합금들(예컨대, Rene N5, Rene 80, Rene 142), Haynes 합금들, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 및 CMSX (예컨대, CMSX-4) 단결정(single crystal) 합금들의 상표들 및 브랜드명(brand name)들로 시판중인 합금들을 포함한다.
구성요소의 합금과 유사한 조성을 갖는 베이스(base) 합금 입자들과 붕소 또는 규소와 같은 융점 억제제(melting point depressant) 및 결합제(binder)를 함유하는 브레이즈 합금 입자(particle)들의 혼합물을 포함하는 예비소결된(presintered) 프리폼을 사용하여 초합금 가스 터빈 엔진 구성요소들을 보수하는 것이 공지되어 있다. 예컨대, 미국 특허 제 8,087,565 B2 호를 참조한다. 그러나, 붕소 및 규소는 조인트(joint) 및 보수되는 구역의 연성을 감소시키는 열화 상(deleterious phase)들을 형성한다. 하프늄(hafnium) 및/또는 지르코늄(zirconium)을 포함하는 붕소 및 규소가 없는 브레이즈 합금들이 개발되었지만, 이러한 재료들은 브레이즈 조인트(joint)에서 탄화물들을 형성하는 경향이 있다. 이에 따라, 초합금 재료들의 보수시에 추가 개선들이 요망된다.
본 발명은 예비소결된 프리폼에 의해 보수되는 가스 터빈 엔진 블레이드(blade)를 도시하는 하나의 도면을 고려하여 하기 설명에 설명된다.
융점 억제제 재료로서 티타늄(titanium)을 활용하는 붕소 및 규소가 없는 브레이즈(braze) 합금들은, 본원에 인용에 의해 양자 모두가 포함되고 본 발명의 양수인에게 양자 모두가 양도된 2012년 6월 13일자로 출원된 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제 13/495,223 호(대리인 관리 번호 2011P25126US01) 뿐만 아니라 미국 특허 제 8,640,942 호에 개시된다. 초합금 기재 재료들의 보수를 위한 프리폼(freeform)과 함께 사용하기에 유용한 추가의 붕소 및 규소가 없는 브레이즈 합금들이 본원에 개시되며, 종래 기술의 하프늄계 브레이즈 합금(hafnium-based braze alloy)들과 비교할 때 유리하게는 감소된 용융 온도(melting temperature) 범위를 갖는 합금들을 포함한다. 이 합금들은, 보수가 구조적 보수로 고려될 수 있으며 구성요소의 비교적 높은 응력을 받는 구역들에서 사용될 수 있도록, 보수된 기재 재료의 특성들에 충분히 근접한(예컨대, 재료 특성의 80 % 이상) 기계적 특성들을 갖는 브레이즈된 조인트(joint)들을 제공한다.
초합금 가스 터빈 엔진(superalloy gas turbine engine) 구성요소들의 보수를 위해 사용된 종래 기술의 프리폼들은 급속 소결(rapid sintering)을 증진시키고 기공률(porosity)을 최소화하기 위해서 매우 작은 입자들로 형성되도록 공지된다. 예컨대, 미국 특허 제 8,087,565 B2 호는, 일반적으로 150 메시 보다 작으며, 보다 바람직하게는 325 메시(44 미크론) 또는 그 보다 작은 분말들의 사용을 교시한다. 게다가, 더 큰 입자들은 종래 기술에서 사용금지되는데, 왜냐하면 이들 입자들은 더 약한 브레이즈 합금에 의해 충전되어야 하는 입자들 사이에서 더 높은 체적(volume)의 공극 공간을 발생시키기 때문이다. 본 발명자들은, 본원에 개시된 비교적 더 강한 브레이즈 합금들과 조합될 때 훨씬 더 큰 합금 입자들이 프리폼에 사용될 수 있으며, 이러한 더 큰 입자들이 유리하게는 더 작은 입자들에 의해 만들어진 종래 기술의 프리폼들과 비교할 때 감소된 수축(shrinkage)을 제공하는 것을 발견하였다. 게다가, 개시된 브레이즈 입자들이 붕소 또는 규소를 함유하지 않기 때문에, 발생하는 구조는, 이를테면 가스 터빈 엔진 블레이드 또는 베인(vane)의 플랫폼(platform)의 보수를 위한 구조적 적용분야들에서 이러한 프리폼들이 사용되는 것을 허용하는 기계적 특성들을 제공한다. 2,000 미크론(2 mm) 만큼 큰 합금 입자들이 사용될 수 있다. 이러한 더 큰 입자들은 감소된 수축을 제공할 뿐만 아니라 이 입자들은 더 작은 입자들보다 제조를 위해서 더 저렴하며, 감소된 폐기물에 의해 취급이 더 용이하고 더 안전하며, 이에 따라 종래 기술의 프리폼들에서 사용되는 미세 분말들보다 환경적인 영향이 덜하다.
예시적 실시예들에서, 50℃ 미만 또는 10℃ 만큼 낮은 용융 온도 범위를 갖는 다중 성분(multi component) 붕소 및 규소가 없는 저 융점의 Ni-Cr-Ti 삼원(ternary) 브레이즈 합금이 예컨대 합금 247, Rene 80 또는 IN 939와 같은 베이스 초합금 재료의 입자들과 혼합된다. 초합금 입자들은 전형적으로 보수될 구성요소의 합금과 동일한 합금일 것이지만, 상이한 합금이 일부 실시예들에서 사용될 수 있다. 분말 혼합물에서 브레이즈 합금의 일부는, 일부 실시예들에서 5 내지 50 중량% 또는 다른 실시예들에서 5 중량%로부터 30 중량% 미만일 수 있다. 베이스(base) 합금 입자들 크기 범위는, 140 US 메시(mesh)(104 미크론(micron)) 보다 더 크거나, 100 US 메시(152 미크론) 보다 더 크며 또는 2,000 미크론(2 mm) 만큼 큰 입자들을 포함할 수 있다. 브레이즈 재료 입자들 메시 범위는 베이스 합금 입자들의 메시 범위보다 더 작을 수 있다. 이 혼합물은 브레이즈 및 초합금 입자들의 고상선 온도들보다 낮은 온도와 압력에서, 이를테면 기공률이 5 체적% 보다 낮을 때까지 불활성 대기(inert atmosphere) 및 15 ksi의 최소 압력 하에서 1,185℃ 보다 낮은 온도로 예비소결된다(presintered). 예비소결된 재료는, 네트(net) 형상으로 형성되거나 후속하여 보수 프로세스에서 프리폼으로서 사용하기 위해 재성형된다(reshaped).
단독의 도면은, 플랫폼 섹션(12)을 갖는 가스 터빈 엔진 블레이드(10)를 예시하며, 여기서 파괴된 섹션(section)은 제거되어 있으며 본 발명의 실시예에 따른 예비소결된 프리폼(16)이 설치되어 있다. 포일(foil) 또는 페이스트(paste)로서 적용된 브레이즈 재료(14)의 박층(thin layer)은, 프리폼(16)을 플랫폼(12)에 결합하도록 사용될 수 있다. 대안으로, 프리폼(16)은 대부분(predominantly) 또는 전체가(entirely) 브레이즈 재료인 플랫폼(12)에 인접한 외주 결합 표면(outer joining periphery surface)을 갖도록 형성될 수 있다. 브레이즈 재료(14)는 유리하게는 프리폼(16)에서 사용되는 동일한 브레이즈 재료일 수 있다. 브레이즈 조인트는, 블레이드(10)의 초합금 재료의 기계적 특성들을 갱생(rejuvenate)시키기 위해서 블레이드(10)에 적용되는 용체화 열처리(solution heat treatment)에 의해 균질화될 수 있다. 유리하게는, 브레이즈 재료의 어떠한 원소도 이미 구성요소 초합금 재료 또는 베이스 분말 초합금 조성의 일부가 아닌 원소가 아니어서, 균질화가 결정 구조 내로의 임의의 새로운 원소를 도입하지 않으며, 최종 처리된 프리폼 및 브레이즈 조인트의 조성은 베이스 구성요소 합금 조성과 매우 유사하다.
이러한 적용분야들을 위한 삼원 브레이즈 합금은, 이하
Cr 15 - 25%;
Ti 15 - 25%;
잔부(balance) Ni인
범위들 내에 있는 조성들을 가질 수 있다(본원에 개시된 모든 조성들은 중량%의 단위들임).
이러한 그룹(group) 내의 특별한 브레이즈 합금들은 하기 Cr 16.3%, Ti 21.2%, 잔부 Ni; 또는 Cr 17.2%, Ti 20.9%, 잔부 Ni의 조성들을 가질 수 있다. 이러한 특별한 브레이즈 합금 조성들은 약 1,205℃의 고상선 온도(solidus temperature), 약 1,215℃의 액상선 온도(liquidus temperature), 그리고 이에 따라 단지 10℃의 용융 온도 범위를 나타낸다. 이렇게 함으로써, 이 합금들은 예컨대 합금 247 또는 Rene 80의 사용에 특히 유용할 수 있다. 이러한 그룹 내의 다른 브레이즈 합금은 하기 Cr 20%, Ti 20%, Ni 60% 조성을 갖는다.
다른 브레이즈 합금들은, 이하
Cr 12 - 16%;
Ti 13 - 16%;
Al 0 - 2.5%;
Co 2 - 4%;
W 3 - 5%;
Mo 0 - 2%;
Ta 0 - 2%;
잔부 Ni인
범위들 내의 조성들을 가질 수 있다.
이러한 그룹 내의 특별한 브레이즈 합금은 하기 Cr 14.1%, Ti 14%,Al 2.1%, Co 3.1%, W 4.1%, Mo 1%, Ta 1%, 잔부 Ni의 조성을 가질 수 있으며, 그리고 예컨대 합금 247이 사용될 수 있다.
다른 브레이즈 합금들은, 이하
Cr 15 - 18%;
Ti 10 - 15%;
Al 0 - 2.5%;
Co 2 - 4%;
W 3 - 5%;
Mo 0 - 2%;
Ta 0 - 2%;
잔부 N인
범위들 내의 조성들을 가질 수 있다.
이러한 그룹 내의 특별한 브레이즈 합금은 하기 Cr 17.57%, Ti 13.54%, Al 2.39%, Co 3.24%, W 3.47%, Mo 1.15%, Ta 0.83%, 잔부 Ni의 조성을 가질 수 있다. 이러한 특별한 브레이즈 합금 조성은 약 1,205℃의 고상선 온도, 약 1,220℃의 액상선 온도, 그리고 이에 따라 단지 15℃의 용융 온도 범위를 나타내며, 예컨대, 합금 247 또는 Rene 80이 사용될 수 있다.
다른 브레이즈 합금들은, 이하
Cr 15 - 19%;
Ti 8 - 10%;
Al 0 - 2.5%;
Co 14 - 18%;
Mo 12 - 16%;
잔부 Ni인
범위들 내의 조성들을 가질 수 있다.
이러한 그룹 내의 특별한 브레이즈 합금은 하기 Cr 15.12%, Ti 10%, Al 2.12%, Co 15.8%, Mo 12.97%, 잔부 Ni의 조성을 가질 수 있다. 이러한 특별한 브레이즈 합금 조성은 약 1,205℃의 고상선 온도, 약 1,223℃의 액상선 온도, 그리고 이에 따라 단지 18℃의 용융 온도 범위를 나타내며, 예컨대, 합금 247 또는 IN 939가 사용될 수 있다.
이러한 프리폼을 결합하고 이러한 합금들을 위한 구성요소에 대해 프리폼의 브레이즈 조인트를 균질화하는데 효과적인 전형적인 용체화 열처리는 다음과 같을 수 있다:
조립체를 분당 15 - 30℉(8.3 - 16.6℃) 에서 1,472℉(800℃)로 가열하고;
20 분 동안 1,472℉를 유지하며;
분당 15 - 30℉에서 2,125℉(1,163℃)로 가열하고;
20 분 동안 2,125℉를 유지하며;
분당 1 - 30℉(0.6 - 16.6℃) 에서 2,192 - 2,282℉(1,200 - 1,250℃)로 가열하고;
2 - 12시간 동안 2,192 - 2,282℉를 유지하며;
2,120 - 2,192℉(1,160 - 1,200℃)로 노냉각하고(furnace cool);
20 분 이하로 2,120 - 2,192℉를 유지하며;
실온으로 아르곤 냉각한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예들이 단지 예시로써 제공되는 것이 자명할 것이다. 여기서, 다양한 변경예들, 수정예들 및 치환예들이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 초합금(superalloy) 재료 입자들 및 티타늄(titanium)을 포함하는 붕소와 규소가 없는 브레이즈(braze) 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼(freeform)을 형성하는 단계 ― 상기 초합금 재료 입자들의 크기 범위는 104 미크론(micron)보다 큰 입자들을 포함함 ―; 및
    상기 프리폼을 상기 초합금 및 브레이즈 재료 입자들의 고상선 온도(solidus temperature)들 미만의 온도에서 소결하는 단계(sintering)를 포함하는,
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    초합금 구성요소에 대한 상기 소결된 프리폼을, 상기 프리폼의 둘레(periphery) 상에 배치된 브레이즈 재료 입자들로부터 형성된 브레이즈 조인트(braze joint)에 결합하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    초합금 구성요소에 대한 상기 소결된 프리폼을, 상기 프리폼과 구성요소의 표면 사이에 적용된 브레이즈 재료로부터 형성된 브레이즈 조인트에 결합하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    5 중량(wt)%로부터 30 중량% 미만의 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    152 미크론보다 더 큰 초합금 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    2,000 미크론만큼 큰 초합금 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    5 체적(vol)% 미만의 기공률(porosity)로 프리폼을 소결하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    Cr 15 - 25%; Ti 15 - 25%; 잔부 Ni인 조성을 갖는 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    Cr 12 - 16%;
    Ti 13 - 16%;
    Al 0 - 2.5%;
    Co 2 - 4%;
    W 3 - 5%;
    Mo 0 - 2%;
    Ta 0 - 2%;
    잔부 Ni인
    조성을 갖는 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    Cr 15 - 18%;
    Ti 10 - 15%;
    Al 0 - 2.5%;
    Co 2 - 4%;
    W 3 - 5%;
    Mo 0 - 2%;
    Ta 0 - 2%;
    잔부 Ni인
    조성을 갖는 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    Cr 15 - 19%;
    Ti 8 - 10%;
    Al 0 - 2.5%;
    Co 14 - 18%;
    Mo 12 - 16%;
    잔부 Ni인
    조성을 갖는 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    초합금 구성요소에 대한 상기 소결된 프리폼을 브레이즈 조인트에 결합하는 단계; 및
    상기 초합금 구성요소의 재료 특성들을 갱생(rejuvenate)하기 위해서 구성요소에 적용되는 용체화 열처리(solution heat treatment)에 의해 브레이즈 조인트를 균질화하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 초합금 재료 입자들의 조성의 일부가 아닌 원소를 포함하지 않도록 브레이즈 재료 입자들의 조성을 선택하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  14. 제 1 항의 방법에 의해 형성되는,
    프리폼.
  15. 초합금 재료 입자들 및 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계 ― 상기 초합금 재료 입자들의 크기 범위는 104 미크론보다 큰 입자들을 포함함 ―; 및
    기공률이 5 체적% 보다 낮을 때까지 초합금 재료 및 브레이즈 재료 입자들의 고상선 온도들보다 낮은 온도와 불활성 대기 및 15 ksi의 최소 압력 하에서 프리폼을 소결하는 단계를 포함하는,
    방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    Cr 15 - 25%; Ti 15 - 25%; 잔부 Ni의 조성을 갖는 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    Cr 12 - 16%;
    Ti 13 - 16%;
    Al 0 - 2.5%;
    Co 2 - 4%;
    W 3 - 5%;
    Mo 0 - 2%;
    Ta 0 - 2%;
    잔부 Ni인
    조성을 갖는 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    Cr 15 - 18%;
    Ti 10 - 15%;
    Al 0 - 2.5%;
    Co 2 - 4%;
    W 3 - 5%;
    Mo 0 - 2%;
    Ta 0 - 2%;
    잔부 Ni인
    조성을 갖는 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    Cr 15 - 19%;
    Ti 8 - 10%;
    Al 0 - 2.5%;
    Co 14 - 18%;
    Mo 12 - 16%;
    잔부 Ni인
    조성을 갖는 브레이즈 재료 입자들을 포함하는 분말 혼합물로부터 프리폼을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    초합금 구성요소에 대한 상기 소결된 프리폼을 브레이즈 조인트에 결합하는 단계; 및
    상기 초합금 구성요소의 재료 특성들을 갱생(rejuvenate)하기 위해서 구성요소에 적용되는 용체화 열처리(solution heat treatment)에 의해 브레이즈 조인트를 균질화하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
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