KR20160085290A - 층간 재료 제거에 의한 초합금 재료 용착 - Google Patents

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KR20160085290A
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제럴드 제이. 브루크
아메드 카멜
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은, 초합금 재료의 다층 클래딩(40)을 용착하기 위한 방법과 그렇게 형성된 장치에 관한 것이다. 재료(20)의 제 1 층은, 이를테면, 초합금 분말(54)의 레이저 클래딩에 의해서 기재(22) 상에 용착된다. 용착된 재료는, 한 방향 응고 구역(24) 및 최상부 등축 구역(26)을 포함한다. 최상부 구역은, 이를테면, 한 방향 응고 재료의 평탄한 표면(28)을 노출시키도록 연마에 의해 제거된다. 노출된 평탄 표면 상에 용착되는 재료(32)의 제 2 층은, 한 방향 응고 구역(34) 및 최상부 등축 구역(36)을 다시 가질 것이다. 클래딩 재료의 소망하는 두께가 획득될 때까지 프로세스가 반복되며, 다층 클래딩은 그의 두께 내내 그의 층들 사이에서 등축 재료를 갖지 않는다.

Description

층간 재료 제거에 의한 초합금 재료 용착 {SUPERALLOY MATERIAL DEPOSITION WITH INTERLAYER MATERIAL REMOVAL}
본 발명은 일반적으로 재료들의 기술 분야, 보다 자세하게는 크래킹(cracking) 없이 초합금(superalloy) 재료들을 용착하는(depositing) 방법에 관한 것이다.
용접 프로세스(process)들은 용접되는 재료의 유형에 따라 상당히 다르다. 일부 재료들은 다양한 조건들 하에서 보다 쉽게 용접되지만, 다른 재료들은 주위 기재 재료들을 열화시키지(degrading) 않으면서 구조적으로 견고한 조인트(sound joint)를 획득하기 위해서 특별한 프로세스들을 필요로 한다.
초합금 재료들이 용접 응고 크래킹(weld solidification cracking) 및 변형 시효 크래킹에 대한 이들의 민감성으로 인해 용접하기 가장 어려운 재료들 중 하나임이 인지된다. 용어 "초합금"은, 당 분야에서 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 합금들의 상표명들 및 브랜드 네임(brand name)들로 시판중인 합금들을 포함한다.
일부 초합금 재료들의 용접 보수(weld repair)는, 매우 높은 온도(예컨대, 1600℉ 또는 870℃ 초과)에서 재료를 예열함으로써, 보수 중 재료의 연성을 상당히 증가시키도록 성공적으로 성취되었다. 이러한 기술은, 핫 박스(hot box) 용접 또는 상승된 온도에서의 초합금 용접(SWET: superalloy welding at elevated temperature)의 용접 보수로서 지칭되며, 이는 수동 GTAW 프로세스를 사용하여 보편적으로 성취된다. 그러나, 핫 박스 용접은, 균일한 컴포넌트 프로세스 표면 온도(component process surface temperature) 유지의 어려움 및 완벽한 불활성 가스 차폐(inert gas shielding) 유지의 어려움뿐만 아니라 이러한 극도의 온도들에서 컴포넌트에 근접하여 작업하는 작업자에게 부과되는 신체적 어려움들에 의해 제한된다.
일부 초합금 재료 용접 적용들은, 기재 재료의 가열을 제한하기 위해서 칠 플레이트(chill plate)를 사용하여 실행될 수 있으며; 이에 의해 크래킹 문제들을 유발하는 기재 열 영향들 및 응력들의 발생을 제한한다. 그러나, 이러한 기술은, 부품들의 기하학적 형상이 칠 플레이트의 사용을 용이하게 하지 않는 많은 보수 적용들에서는 실용적이지 않다.
도 1은 다양한 합금들의 알루미늄(aluminum) 및 티타늄(titanium) 함량에 따라 다양한 합금들의 상대적 용접성을 예시하는 기존의 차트(chart)이다. 이러한 엘리먼트(element)들의 비교적 더 낮은 농도들을 가지며, 이에 따라 비교적 더 낮은 감마 프라임(gamma prime) 함량을 갖는 Inconel® IN718과 같은 합금들이 비교적 용접가능한 것으로 고려되고 있지만, 이러한 용접은 일반적으로 컴포넌트의 낮은 응력 구역들로 제한된다. 이러한 엘리먼트들의 비교적 높은 농도들을 갖는 Inconel® IN939와 같은 합금들은 일반적으로 용접가능한 것으로 고려되지 않거나, 또는 프로세스의 열 입력을 최소화하며 재료의 온도/연성을 증가시키는 상기 논의된 특별한 절차들에 의해서만 용접될 수 있다. 파선(10)은 용접가능 존(zone of weldability)의 인지된 상부 경계를 나타낸다. 파선(10)은, 수직 축 상에서 3 중량 %의 알루미늄 및 수평 축 상에서 6 중량 %의 티타늄과 교차한다. 용접가능 존의 외부측 합금들은, 공지된 프로세스에 의해 용접하기 매우 어렵거나 불가능한 것으로 인지되며, 알루미늄 함량이 최고인 합금들은 화살표로 나타내는 바와 같이 용접하기 가장 어려운 것으로 일반적으로 발견되고 있다.
초합금 분말 입자들의 박층(thin layer)을 초합금 기재 상에 용융시키기 위해서 선택적 레이저 용융(SLM: selective laser melting) 또는 선택적 레이저 소결(SLS: selective laser sintering)를 활용하는 것이 또한 공지된다. 용융 풀(melt pool)은 레이저 가열 동안, 아르곤(argon)과 같은 불활성 가스(inert gas)를 적용함으로써 분위기로부터 차폐된다. 이러한 프로세스들은, 용착된 재료의 층 내에서 입자들의 표면 상에 부착되는 산화물들(예컨대, 알루미늄 및 크롬(chromium) 산화물들)을 트래핑하는(trap) 경향이 있어, 기공률 및 개재물(inclusion)들 및 트래핑된(trapped) 산화물들과 연관된 다른 결함들을 유발한다. 후처리 열간 정수압 소결법(HIP: hot isostatic pressing)이 용착된 코팅(coating)의 특징들을 개선하기 위해서 이러한 공극들, 개재물들 및 크랙(crack)들을 붕괴시키기 위해서 종종 사용된다. 초합금 재료들의 매우 얇은 층들(즉, mm의 분율(fraction)들)의 레이저 마이크로클래딩(microcladding)은, 약간 성공적으로 성취되고 있다. 그러나, 이러한 프로세스들은 느려서, 이에 따라, 비용이 많이 들고, 그리고 용접 불가능 존에서의 초합금들의 용착이, 문제로 남는다.
본 발명은 도시하는 도면들을 고려하여 하기 설명에서 설명된다:
도 1은 다양한 합금들의 알루미늄 및 티타늄 함량에 따라 다양한 합금들의 상대적 용접성을 예시하는 기존의 차트이다.
도 2는 종래의 재료의 용착물의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 프로세스 단계들을 예시한다.
도 4는 본 발명의 실시예의 단계를 예시한다.
도 5는 본 발명의 컴포넌트 보수 프로세스의 플로우 차트(flow chart)이다.
본 발명자들은, 용착된 재료가 추가로 유리한 한 방향 응고 결정 구조(directionally-solidified crystal structure)를 가지면서, 종래 기술에서 획득되는 층 두께들을 훨씬 초과하는 층 두께들에서 용접하는 것이 매우 어려운 초합금 재료들의 성공적인 용착을 가능케 하는 기술을 개발하였다. 본 발명자들은, 클래드 재료(clad material)들의 소정의 특징들을 인식하였으며, 본 발명자들은 클래드 재료들의 특징들의 유용한 양태들을 활용하고 클래드 재료들의 특징들의 이롭지 않은 양태들을 극복하기 위해 본 발명을 개발하였다.
도 2는 다결정 등축 기재(polycrystalline equiaxed substrate)(14) 위에서 레이저 클래딩 프로세스(laser cladding process)에 의해 용착되는 재료(12) 층의 단면도이다. 전체적으로 평탄한 표면 상에서 광역 레이저 클래딩(broad area laser cladding)은 표면에 대해 대략적으로(roughly) 수직인 용착된 재료에서 온도 구배(temperature gradient)를 발생시키는 경향이 있다. 적당한 용착 이동 속도들을 위해서, 온도 구배는, 수직으로부터 이동 진행 방향에 단지 약간 스큐잉된다(skewed). 용착된 재료가 기저 기재에 대한 열 손실에 의해서 주로 냉각됨에 따라, 에피택셜 응고(epitaxial solidification)가 이러한 온도 구배를 따라서 발생한다. 따라서, 미세조직은, 기재 표면에 대해 대체로 수직으로 결정(grain)들이 성장하면서 한 방향 응고되는(directionally solidified) 경향이 있다. 이러한 효과는, 한 방향 응고 주조 프로세스(directionally solidified casting process)와 유사하며, 여기서 주조 몰드(casting mold)는 벽들에 비교적 낮은 열전달을 제공하며, 열이 몰드의 저부로부터 추출되어 재료 결정들이 수직으로 성장하는 것을 유발한다. 이러한 효과는, 도 2의 구역(16)의 전체적으로 수직으로 배향된 결정들에서 드러난다.
용착된 재료(12)의 상부(top) 구역(18)은, 표면 장력 효과들에 의해서 유발되는 다소 둥근(rounded) 형상을 갖는다. 주위 분위기에 대한 열 손실이 기재에 대한 열 손실과 비교하여 비교적 낮지만, 이러한 둥근 윤곽에 대해 대략적으로 수직인 상부 구역(18) 상에서 온도 구배가 존재할 것이다. 따라서, 이러한 구역에서 단일 방향 응고(unidirectional solidification)가 손실되며, 결정 구조(grain structure)는 도 2에서 보이는 바와 같이 전형적으로 등축이다. 이러한 제 1 용착물(12) 상에서 재료의 제 2 층(도시 생략)의 용착은, 온도 구배가 둥근 표면에 대해 수직일 수 있기 때문에, 보다 등축인 재료를 발생시키는 경향이 있을 것이다.
용접이 어려운 초합금 재료(difficult to weld superalloy material)들에 대해서, 등축 응고의 시작은, 종종 미세균열과 연관된다. 발명자들은, 복수 개의 용착된 재료의 층에 의해 형성되는 클래딩은 기재 가까이에서 크랙들이 없을 수 있으며(free of), 또한 후속 층들에서 유해한(deleterious) 다수의 크랙들이 나타나는 것을 발견하였다. 이러한 크래킹에 대한 이유들은, 등축 재료가 잠재적으로 보다 취약한 결정립계(grain boundary) 영역을 갖는다는 사실뿐만 아니라 응력(stress)들이 응고 및 용착 수축 동안 바람직하게 않게 배향될 수 있을 가능성을 포함할 수 있다.
본 발명자들은, 다층 클래딩 프로세스에서 층간(interlayer) 재료 제거 단계를 포함시킴으로써, 심지어 용접이 어려운 초합금 재료들의 크랙없는 용착물들이 성취될 수 있음을 발견하였다. 특히, 기재 표면 상으로 재료의 층의 용착 이후에, 재료 층의 등축 재료 부분이 제거되어 한 방향 응고 재료의 표면을 노출한다. 재료 제거 프로세스는, 용착된 재료의 층, 이를테면 용착물(12)의 층(18)의 상부 등축 구역(upper equiaxed region)을 제거하기 위해서 효과적인, 연마(grinding), 기계가공(machining), 또는 임의의 다른 프로세스에 의해 이루어질 수 있다. 한 방향 응고 재료의 노출된 표면은, 이후, 바람직하게는 원래의 기재 표면에 대해 수평이고, 결정 성장 방향에 수직이며, 이는 재료의 다른 층과 클래딩할 준비가 되어 있다. 이후, 한 방향 응고 재료의 소망하는 두께가 얻어질 때까지, 재료의 제거 및 용착 단계들이 반복된다.
이러한 하나의 프로세스는 도 3a 내지 도 3d을 참조하여 보다 상세히 설명된다. 도 3a는, 기재(22) 상에서, 이를테면, 레이저 클래딩 프로세스에 의해서 용착되는 합금 재료(20)의 제 1 층의 단면도이다. 합금 재료(20) 및 기재(22)는 일부 실시예들에서 초합금 재료들일 수 있다. 합금 재료(20)는 한 방향 응고 구역(24) 및 등축 구역(26)을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 이들 구역들의 명칭들은, 일 구역에서 다른 결정 유형들의 약간의 부수적인 양을 배제하는 것으로 의도되기 보다, 오히려, 일 구역에서 우세한 결정학적 형태론(crystallographic morphology)을 나타내는 것으로 의도된다. 등축 구역(26)은, 수직 표면 장력 효과들로 인해서 기재(22)의 표면(30)에 대해 수평이 아닌 상부 표면(27)을 갖는다.
도 3b는 등축 구역(26)이 한 방향 응고 재료(24)의 표면(28)을 노출시키기 위해서 제거되었던 재료 제거 프로세스를 실행한 이후의 도 3a의 구조를 예시한다. 노출된 표면(28)은, 바람직하게는 평탄하고, 기재(22)의 원래의 표면(30)에 대해 수평이며, 한 방향 응고 재료(24)의 길이방향 성장 축에 대해 수직이다. 일부 한 방향 응고 재료는, 재료 제거 단계 동안 제거될 수 있다.
도 3c는 합금 재료(32)의 제 2 층이 한 방향 응고 표면(28) 위에 용착된 이후의 도 3b의 구조를 예시한다. 제 2 층(32)은, 또한 한 방향 응고 구역(34) 및 위에 놓이는 등축 구역(36)을 포함한다. 비교적 평탄한 한 방향 응고 표면(28)은, 재료 용착 프로세스 동안 한 방향 응고 구역(34)을 성장시키는데 필요한 온도 구배를 생성하기 위해 히트 싱크(heat sink)를 제공한다. 한 방향 응고 재료(24, 34)의 층들 사이에 등축 재료가 존재하지 않으며, 한 방향 응고는 이에 따라 층마다(from layer to layer) 연장된다. 4 개의 층들을 갖는 하나의 시험 샘플(test sample)에서, 한 방향 응고 미세조직(microstructure)은, 층들 사이에서 가볍게 연마(light grinding)(약 1 mm 미만의 재료 제거)시키면서 크래킹 없이 제 4 층의 상부 근처로 연장되었다. 유사한 연마가 초합금들의 다중 패스(multi-pass) 사이드-바이-사이드 레이저 클래딩(side-by-side laser cladding)에서 가치 있을(of value) 수도 있다.
도 3d는 소망하는 두께를 갖는 다층 클래딩(40)을 성취하기 위해 필요시 재료의 추가 용착을 위해서 이용가능한 다른 평탄한 한 방향 응고 표면(38)을 노출시키기 위해서 등축 구역(36)이 제거된 이후에, 도 3c의 구조를 예시한다. 종래의 초합금 재료의 다층 클래딩들과 달리, 본 발명에 따른 클래딩(40)은 그의 두께를 통해 등축이 아닌 재료를 포함한다. 기재 표면(30)이 재료 용착의 구역에서 평면이거나 또는 적어도 적절히 평탄할 때, 기재(22)가 한 방향 응고되거나 또는 등축인지의 여부에 따라 기재(22) 상에서 한 방향 응고 재료의 클래딩(40)을 생성하는 것이 가능하다.
선택적으로, 층들 사이의 클래드 진행 방향은, 한 방향 응고 보호(preserving)에 있어서 추가적인 도움으로 바뀔 수 있다. 느린 이동 속도들에 의해, 온도 구배는, 수직으로부터 이동 방향에 단지 약간 스큐잉되어(skewed), 이에 의해 결정 성장의 길이 방향 축과 기재 표면의 평면 사이에 수직이 아닌(non-perpendicularity) 작은 각도를 야기한다. 동일한 이동 방향으로 용착된 추가 층들은, 최종적으로 등축 응고를 유도할 수 있는 프로그레시브 스큐잉(progressive skewing)을 유발할 수 있다. 진행 방향을 역전시킴(즉, 먼저 도 3의 평면 내로, 이후에 도 3의 평면 밖으로)으로써, 스큐잉된(skewed) 온도 구배는, 층들 사이에서 번갈아 발생하고(alternate) 그리고 이에 의해 연직 방향으로 응고를 유지한다. 용착의 방향은, 각각의 층 사이에서 역전될 수 있거나, 또는 일부 복수의 층들이 다양한 실시예들에서의 역전(reversal)들 사이에서 용착될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초합금 재료(도 3a의 층(20) 또는 도 3c의 층(34)과 같음)를 용착하도록 사용될 수 있는 재료 용착 프로세스를 예시한다. 도 4에서, 기재(50)는 플럭스 보조식 레이저 클래딩 프로세스(flux-assisted laser cladding process)를 시행하고 있다. 기재(50)는, 합금 분말(54)의 층 및 위에 놓이는 플럭스 재료(56)의 층을 포함하는 분말(52)의 층에 의해 커버된다(covered). 다른 실시예들에서, 합금 분말 및 플럭스 분말은, 기재 상에 용착되기 이전에 함께 혼합될 수 있다. 레이저 빔(laser beam)(58)과 같은 에너지 빔(energy beam)이 기재(50)에 대해 횡단되어 이동하는 용융 풀(60)을 형성한다. 용융 풀(60)은, 재응고하여 슬래그(slag)(64)의 층에 의해 커버되는 클래딩(62)을 형성한다. 본원에 인용에 의해 포함되는, 본 발명자들의 공동 계류중인 미국 특허 출원 공개공보 US 2013/0140278 A1(대리인 관리번호 2012P22347US)에서 보다 완전하게 설명되는 바와 같이, 플럭스 재료(56) 및 결과적 슬래그(64)의 층은 클래딩(62) 및 기저 기재 재료(50)의 크래킹을 방지하는데 유용한 다수의 기능들을 제공한다. 첫 번째로, 이들은 레이저 빔(58)의 하류 구역에서의 응고된(그러나 아직 고온임) 클래딩(62) 재료 및 용융 재료의 구역 양자 모두를 분위기로부터 차폐하도록 기능한다. 슬래그는, 용융되거나 고온 금속이 분위기로부터 분리되도록 표면에 대해 부유하며, 플럭스는 일부 실시예들에서 차폐 가스를 발생시키도록 제형화될(formulated) 수 있으며, 이에 의해 고가의 불활성 가스의 사용을 회피 또는 최소화된다. 두 번째로, 슬래그(64)는 응고식 재료를 서서히 그리고 균일하게 냉각하는 것을 허용하는 블랭킷(blanket)으로서 작용하며, 이에 의해 용접후 재가열 또는 변형 시효 크래킹(strain age cracking)의 원인이 될 수 있는 잔류 응력들이 감소된다. 슬래그(64)의 인슐레이팅(insulating) 효과는, 또한 기재(50)에 대한 열 손실에 대해 분위기에 대한 열 손실을 감소시킴으로써 응고 용융 풀(60)의 최상부에서 동결하는 등축 재료의 볼륨(volume)을 감소시키는 경향이 있다. 세 번째로, 슬래그(64)는 용융 금속의 풀(pool)의 형상을 성형하는 것을 돕는다. 네 번째로, 플럭스 재료(56)는 용접 응고 크래킹의 원인이 되는 황 및 인과 같은 미량의(trace) 불순물들을 제거하기 위한 세정 효과를 제공한다. 이러한 세정은 금속 분말의 탈산(de-oxidation)을 포함한다. 마지막으로, 플럭스 재료(56)는 레이저 빔(58)을 열 에너지로 더 효과적으로 전환시키기 위한 에너지 흡수(energy absorption) 및 트래핑(trapping) 기능들을 제공할 수 있으며, 이에 의해 입열(heat input)의 정밀한 제어, 및 프로세스 동안 재료 온도에 대한 결과적 엄격한 제어를 용이하게 한다. 추가로, 플럭스는 프로세싱 동안 휘발되는 엘리먼트들의 손실을 보상하거나 또는 달리 금속 분말 자체에 의해 서로 제공되지 않는 엘리먼트들을 용착물에 능동적으로 부여하도록(contribute) 제형화될 수 있다. 이러한 프로세스는, 지금까지는, 도 1에서 선(10) 위에 놓이는 조성들을 갖는 이러한 재료들을 포함하는, 핫 박스 프로세스에 의해 또는 칠 플레이트의 사용을 통해서만 결합될 수 있는 것으로 여겨졌던 재료들에 대해 실온에서 초합금 기재들 상에 2 mm 초과의 두께(예컨대, 4 mm 또는 6 mm 이하)의 초합금 클래딩의 크랙없는(crack-free) 용착물들을 생성할 수 있다. 이는, 예컨대, 전형적으로 단지 200 마이크론(micron) 이하의 층들을 용착하는 종래의 SLM 프로세스들과는 대조적이다. 이후, 슬래그(64)의 층은 도 3b 및 도 3d에 대해 설명된 재료 제거 단계 이전에 또는 재료 제거 단계 동안 제거된다. 상기 설명된 바와 같이, 용착 방치(as-deposited) 클래딩(62) 재료는 등축 구역에 의해 커버되는 한 방향 응고 구역을 포함할 것이다. 이러한 프로세스에 의해 훨씬 더 큰 층 두께들이 획득될 수 있지만, 일 실시예에서, 분말식 합금 재료(54)는, 초합금 클래딩(62)의 용착 방치 층이 2 mm 초과의 두께를 갖기에 충분한 두께를 갖도록 용착되며, 그 두께의 적어도 1 mm는 적어도 1 mm 두께의 한 방향 응고 초합금 재료의 표면을 노출하도록 제거된다.
여기서 설명된 프로세스는, 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)들, 이를테면 블레이드(blade)들 및 베인(vane)들에 사용되는 초합금 컴포넌트들의 보수에 대한 적용을 가질 수 있다. 도 5는 이러한 컴포넌트들을 보수하기 위한 방법 단계들을 예시한다. 단계(70)에서, 가스 터빈 엔진이 서비스(service)로부터 제거되며, 엔진의 고온 가스 경로 컴포넌트는 보수를 위해 엔진으로부터 제거된다. 컴포넌트가 세라믹 열 배리어 코팅(ceramic thermal barrier coating)을 포함한다면, 단계(72)에서 보수될 구역에서 코팅의 일 부분이 제거될 수 있다. 검사시, 보수 구역에서의 결함은 이를테면, 단계(74)에서 연마 또는 기계가공함으로써 제거되며, 결함 제거를 확인하기 위해서 기계가공 후 검사된다. 연마 또는 기계가공은, 바람직하게는 평면 표면을 형성할 수 있거나, 또는 일반적으로 평탄 표면을 형성할 수 있는데, 이 평탄 표면은, 그 표면으로부터 진행하는 한 방향 응고가 주로 주상 결정형 재료(columnar grained material)를 만들 수 있을 정도로 충분히 낮은 만곡부(curvature)를 갖는다. 이후, 초합금 보수 재료의 층은, 단계(76)에서, 이를테면 레이저 클래딩 프로세스를 통해 용착된다. 이러한 프로세스는, 등축 재료의 최상부(topmost) 구역 및 평탄 표면에 가까운 한 방향 응고 구역을 갖는 클래드 재료의 층을 발생시킬 것이다. 이후, 보수 재료의 층은 등축 재료를 제거하기 위해서 그리고 평면 또는 일반적으로 평탄 표면을 복원하기 위해서 단계(78)에서 평탄하게 연마된다. 재료의 추가 두께가 단계(80)에서 요구된다면, 한 방향 응고 초합금 보수 재료의 소망하는 두께가 얻어질 때까지 단계(76 및 78)들이 반복된다. 이후, 적절하다면, 열 배리어 코팅이 단계(82)에서 복원되고, 그리고 이후, 컴포넌트가 단계(84)에서 가스 터빈 엔진에서의 서비스로 복귀된다.
본 발명에 따라 형성되거나 보수된 장치는, 기재; 한 방향 응고 초합금 재료의 복수 개의 층들, 기재의 표면에 대해 수직인 두께 방향으로 연장하는 한 방향 응고 초합금 재료의 결정들을 포함하는, 기재의 표면 상에 초합금 재료 클래딩; 및 두께 방향으로 층들 사이에 배치된 등축이 아닌(no equiaxed) 또는 한 방향이 아닌 다결정질(non-directional polycrystalline) 초합금 재료를 갖는 클래딩을 포함할 수 있다. 기재는, 한 방향 응고 또는 등축 재료일 수 있다. 클래딩 및/또는 기재는, 도 1에서 규정된 용접성 존을 넘어서 위치된 조성을 가질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예들이 단지 예시로써 제공된다는 것은 자명할 것이다. 다양한 변경들, 수정들 및 치환들이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 기재(substrate) 표면 상에 재료의 층(layer)을 용착시키는(depositing) 단계; 및
    한 방향 응고 재료(directionally solidified material)의 표면을 노출시키도록 재료의 상기 층의 등축 재료 부분(equiaxed material portion)을 제거하는 단계를 포함하는,
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    한 방향 응고 재료의 상기 표면 상에 재료의 제 2 층을 용착시키는 단계;
    한 방향 응고 재료의 제 2 표면을 노출시키도록 재료의 상기 제 2 층의 등축 재료 부분을 제거하는 단계; 및
    상기 2 개의 층들 사이에서 용착 방향을 역전시키는(reversing) 단계를 더 포함하는,
    방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재 표면 상에 초합금 재료(superalloy material) 및 플럭스 재료(flux material)를 포함하는 분말식 재료의 층을 용착시키는 단계;
    슬래그(slag)의 층에 의해 커버되는(covered) 상기 기재 표면 상에 초합금 재료의 상기 층을 형성하도록 분말식 재료의 상기 층의 적어도 일부분을 용융하는 단계; 및
    한 방향 응고 초합금 재료의 상기 표면을 노출시키도록 상기 슬래그와 상기 등축 재료 부분을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    방법
  4. 제 3 항에 있어서,
    초합금 재료의 상기 층이 2 mm 초과의 두께를 갖기에 충분한 두께를 가지도록 분말식 재료의 상기 층을 용착시키는 단계; 및
    한 방향 응고 초합금 재료의 상기 표면을 노출시키도록 초합금 재료의 상기 층의 적어도 1 mm 두께의 상부 부분(top portion)을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    초합금 재료의 상기 용착된 층은, 상기 기재 표면에 대해 수평이 아닌 상부 표면을 가지며;
    초합금 재료의 상기 층의 등축 재료 부분을 제거하기 위한 상기 단계는, 상기 기재 표면에 대해 수평이 될 한 방향 응고 초합금 재료의 상기 표면을 형성하는,
    방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 초합금 재료는, 알루미늄(aluminum) 함량 대(verses) 티타늄(titanium) 함량을 플롯팅하는(plotting) 초합금들의 그래프(graph) 상에서 규정된 용접가능 존(zone of weldability)을 넘어서 놓이며, 상기 용접가능 존은, 티타늄 함량 축을 6 중량 %에서 교차하며 알루미늄 함량 축을 3 중량 %에서 교차하는 선에 의해서 상한이 제한되는(upper bounded),
    방법.
  7. 제 1 항의 방법에 의해 기재 상에 용착된 초합금 재료의 클래딩(cladding).
  8. 제 2 항의 방법에 의해 기재 상에 용착된 복수 개의 초합금 재료의 층들을 포함하고, 복수 개의 층들의 두께를 통해서 등축이 아닌 재료(no equiaxed material)를 포함하는,
    컴포넌트(component).
  9. 기재 표면 상에 초합금 재료의 입자들을 용착시키는 단계;
    용융 풀(melt pool)을 형성하도록 에너지 빔(energy beam)에 의해 입자들을 용융하는 단계;
    상기 용융 풀이 냉각되고, 상기 기재 표면에 대해 수직인 방향으로 상기 초합금 재료의 결정(grain)들을 한 방향 성장시키는 것을 허용하는 단계; 및
    한 방향 응고 초합금 재료의 클래딩 표면을 노출시키도록 기재 표면으로부터 멀리 떨어진(remote) 상기 한 방향 응고 결정들 위에 형성된 등축 초합금 재료를 제거하는 단계를 포함하는,
    방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기재 표면 상에 상기 초합금 재료의 상기 입자들과 함께 플럭스 재료의 입자들을 용착시키는 단계;
    상기 용융 풀 상에서 슬래그의 층을 형성하도록 초합금 재료의 상기 입자들과 함께 플럭스의 상기 입자들을 용융하는 단계;
    상기 용융 풀이 상기 슬래그 아래에서 냉각되고 응고되는 것을 허용하는 단계; 및
    한 방향 응고 초합금 재료의 상기 클래딩 표면을 노출시키도록 상기 슬래그 및 상기 등축 초합금 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기재 표면에 대해 수평이도록 상기 클래딩 표면을 형성하기 위해서 상기 응고식 재료를 연마하거나(grinding) 또는 기계가공하는(machining) 단계; 및
    한 방향 응고 초합금 재료의 소망하는 두께가 상기 기재 표면 상에 있을 때까지 상기 방법을 반복하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 용착 단계들 중 적어도 2 개의 단계 사이에서 용착 방향을 역전시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 초합금 재료는 알루미늄 함량 대 티타늄 함량을 플롯팅하는 초합금들의 그래프 상에서 규정된 용접가능 존을 넘어서 놓이며, 상기 용접가능 존은 티타늄 함량 축을 6 중량 %에서 교차하며 알루미늄 함량 축을 3 중량 %에서 교차하는 선에 의해서 상한이 제한되는,
    방법.
  14. 제 9 항의 방법에 의해 기재 상에 용착된 초합금 재료의 클래딩.
  15. 제 11 항의 방법에 의해 기재 상에 용착된 복수 개의 초합금 재료의 층들을 포함하고, 복수 개의 층들의 두께를 통해서 등축이 아닌 재료를 포함하는,
    컴포넌트.
  16. 보수 구역(repair region)에서 초합금 기재의 열화된 부분(degraded portion)을 제거하는 단계;
    상기 보수 구역에서 초합금 클래딩 재료의 제 1 층을 용착시키는 단계;
    상기 초합금 클래딩 재료의 한 방향 응고 표면을 노출시키도록 상기 제 1 층의 최상부 부분을 제거하는 단계; 및
    상기 한 방향 응고 표면 상에 초합금 클래딩 재료의 제 2 층을 용착시키는 단계를 포함하는,
    방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    용착 단계들 각각을 성취하기 위해서 에너지 빔에 의해 초합금 입자들 및 플럭스 입자들을 포함하는 분말의 층을 용융하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    일반적으로(generally) 평탄한 제 1 표면을 형성하도록 상기 기재를 연마함으로써 상기 열화된 부분을 제거하는 단계; 및
    상기 일반적으로 평탄한 제 1 표면에 대해 수평인 일반적으로 평탄한 제 2 표면이 될 상기 한 방향 응고 표면을 형성하도록 연마에 의해 상기 최상부 부분을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 용착 방향으로부터 역전된 용착 방향으로 상기 제 2 층을 용착시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  20. 제 16 항의 방법에 의해 보수되고, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에서 등축이 아닌 재료를 포함하는 장치.
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