KR20160099467A - 초내열합금의 융접용 석출 경화형 니켈계 용접 재료 - Google Patents

초내열합금의 융접용 석출 경화형 니켈계 용접 재료 Download PDF

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Abstract

5 - 15 중량% Co, 5 - 25 중량% Cr, 1 - 6 중량% Al, 0.05 - 0.2 중량% C, 0.015 - 0.4 중량% B, 1 - 3 중량% Si, 텅스텐과 몰리브덴 중에서 선택된 화학 원소 약 1 내지 20 중량%, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈 및 레늄 중에서 선택된 화학 원소 약 1 내지 18 중량% 그리고 나머지 잔부는 니켈과 불순물을 포함하는 석출 경화 니켈계 용접 재료로서, 이때, 붕소 함유량은 규소 함량에 반비례하고, 규소 함유량이 약 1 중량% 에서 3 중량%까지 증가할 때, 붕소 함유량은 약 0.3 중량% 에서 약 0.015 중량%까지 감소하며, 석출 경화 초내열합금 및 단결정 재료 위에 고강도와 높은 내산화성의 견실한 무균열 용접을 만들어낸다.

Description

초내열합금의 융접용 석출 경화형 니켈계 용접 재료{PRECIPITATION STRENGTHENED NICKEL BASED WELDING MATERIAL FOR FUSION WELDING OF SUPERALLOYS}
용접 와이어 및 분말의 형태인 본 발명 재료는 석출 경화형 니켈 및 코발트계 초내열합금의 레이저 빔 (LBW), 플라즈마 (PAW), 마이크로 플라즈마 (MPW), 전자 빔 (EBW) 및 가스 텅스텐 아크 (GTAW) 용접을 포함하는 융접(fusion welding)에 사용될 수 있다.
미국특허 3,615,376에 따라 5 - 15 중량% Co, 13 - 15.6 중량% Cr, 2.5 - 5 중량% Mo, 3 - 6 중량% W, 4 - 6 중량% Ti, 2 - 4 중량% Al, 0.15 - 0.3 중량% C, 0.005 - 0.02 중량% B, 0.1 중량%까지의 Zr 그리고 나머지 잔부는 니켈과 불순물로 구성되는 석출 경화형 니켈계 초내열합금은 수십년간 터빈 엔진 용도로 널리 사용되어 왔다. 이 초내열합금은 1742℉ 에 이르는 기계적 물성, 내산화성과 용접성의 우수한 조합을 갖는다. Rene 80 초내열합금으로도 알려진 상기 합금의 실시예는 용접 와이어 및 분말의 형태로서 9.5 중량% Co, 14 중량% Cr, 4 중량% Mo, 4 중량% W, 5 중량% Ti, 3 중량% Al, 0.17 중량% C, 0.015 중량% B, 0.03 중량% Zr 및 나머지는 니켈로 구성되어 있으며, Inconel 738, GTD 111, GTD 222, Rene 77 다결정 및 CMSX-4, Rene N5 그리고 기타 단결정 재료들의 용접에 사용되어 왔다. 고함량의 감마 프라임 상을 갖는 석출 경화 니켈계 초내열합금을 용접하면 심각한 열영향부(HAZ) 부분용출(liquation) 균열을 초래한다. Inconel 738 초내열합금의 부분용출 균열에 대한 민감성은 응고와 열 응력에 의해 악화되며, 이때문에 알려진 용접 재료들을 사용하여 상온에서 균열 없는 용접을 제조하기가 거의 불가능해진다 (참고, M. Montazeri, F. Malek Ghaini and O.A. Ojo 저서 "Heat Input and the Liquation Cracking of Laser Welded IN738LC Superalloy(레이저 용접된 IN738LC 초내열합금의 입열과 부분용출 균열)", Welding Journal, 2013, Vo. 92, 2013, pp.: 258 -264.)
Inconel 738, GTD 111 및 기타 고감마 프라임 초내열합금으로 제작된 온전하고 균열없는 용접 엔진 부품을 제조하기 위해서는 US 5,897,801 및 US 6,659,332에 따라, 용접하기 전에 고온으로 예열을 해야 한다. 하지만, 예열은 생산성을 감소시키고, 비용을 증가시키며 건강과 안전 조건에 영향을 미친다.
상기 이외에, 용접 보수 후의 터빈 블레이드는 산화가 가속화되는 경향이 있는데 이는 터빈 블레이드와 고정자 조립체 사이의 간격(틈새)를 늘려, 효율성을 감소시키고 연료 소비와 온실 가스의 배출을 증가시킨다.
용접의 내산화성을 증가시키기 위하여, 미국특허 4,169,742에 따라 10 - 13 중량% Co, 3 - 10 중량% Cr, 0.5 - 2 중량% Mo, 3 - 7 중량% W, 0.5 - 10 중량% Re, 5 - 6 중량% Al, 5 - 7 중량% Ta, 0.5 - 2 중량% Hf, 0.01 - 0.15 중량% C, 0.005 - 0.05 중량% B, 0 - 0.1 중량% Zr 과 나머지 잔부는 니켈로 구성되는 레늄 함유 Rene 142 용접 와이어가 업계에 도입되었다. 하지만, 레늄이 고가이기 때문에 Rene 142 용접 와이어는 매우 비싸다. 또한, Rene 142 합금의 균열에 대한 더 높은 감수성으로 인하여, Rene 142 용접 와이어를 이용하여 생산된 용접의 품질은 Rene 80 보다 예열 온도에 한층 더 민감하다.
HAZ 균열을 방지하기 위해서는, US 5,897,801 와 US 6,659,332 에서 논의된 바와 같이 엔진 부품을 고온으로 예열함으로써 잔류 응력을 최소화시키거나 또는 US RE 29920 및 RE 2868에서와 같이, 붕소와 같은 녹는점 저하제를 사용하여 용접 재료의 추가적 합금화에 의해, 용접 재료의 용융온도를 낮추어서 HAZ 의 과열을 방지하여야 한다. 이들 니켈계 합금은 각각, 0.05 - 0.3 중량% B, 0.35 중량%까지의 C, 5 내지 22 중량% Cr, 8 중량%까지 Nb 및 3 중량%까지의 Nb 와 나머지 니켈로 구성된다.
하지만, 실험에 의해 밝혀진 바와 같이, 최대량 0.3 중량% 까지의 붕소는 상온에서 용접 중에 Inconel 738, GTD 111 와 Mar M247 초내열합금의 HAZ 미소균열(미소평행갈라짐)을 방지하지 못한다. 상기 이외에도, 붕소는 용접의 내산화성을 상당히 감소시킨다.
규소는 잘 알려진 또다른 녹는점 저하제이다. 이를테면 Ni - 29 중량% Co - 28 중량% Cr - 2 중량% Fe - 2.75 중량% Si - 0.5 중량% Mn - 0.5 중량% Ti - 0.05 중량% C - 1 중량% W - 1 중량% Mo - 1 중량% Nb로 구성되는 Haynes HR-160 (UNS Number N12160)와 같은 용접 와이어의 제작에 Si가 사용되어 왔다. Haynes HR-160 용접 와이어를 사용하여 제조된 용접은 우수한 내산화성을 갖는다. 하지만, 1800℉를 초과하는 온도에서의 이들 용접의 기계적 물성은 매우 낮다. 결과적으로, 규소는 니켈계 초내열합금의 기계적 물성에 미치는 해로운 영향때문에 니켈계 초내열합금의 제조에는 고려되지 않았었다.
예를 들어, Robert V. Miner, Jr.에 따르면, 0.5 및 1 중량%의 Si를 니켈계 Inconel 713C 및 Mar M200 초내열합금에 첨가하면 이들 합금의 고온 기계적 물성에 크게 영향을 주었다. 하기 문헌 참고 Robert V. Miner, Jr. "Effect of Silicon on the Oxidation, Hot-Corrosion, and Mechanical Behaviour of Two Cast Nickel-Base Supperalloys", Metallurgical Transactions, Volume 8A, December 1977, and pp. 1949 - 1954. 게다가, 이러한 저하는 상 컴패션(phase compassion) 또는 프리시피턴시(precipitancies)의 형태학 중의 한가지의 명백한 변화 그리고 고온에서의 다른 합금 원소 및 Ni와의 그들의 반응에 의해서는 설명될 수 없었다.
결과적으로, Si 는 이를 테면, 2.5 - 4.5 중량%B 및 3.5 - 5.5 중량% Si로 구성되어 있는 US2,868,667에서 개시한 특별한 니켈계 합금은 물론이고, 3.1 wt.% B 및 4 wt.% Si를 포함하는 AMS4775, 3.1 wt.% B 및 4.5% Si로 구성되는 AMS4777, 1.85 wt.% B 및 3.5 wt.% Si를 포함하는 AMS 4779, 2 중량% B 및 2 중량% Si를 포함하는 Amdry 788와 같은 고온 코발트 및 니켈계 브레이징(경납땜) 재료의 제조에 주로 사용되어 왔다.
종래 기술에 기재된 브레이징 합금을 사용하여 제조된 접합부는 진공로에서 부품의 등온 가열과 함께 수행되어, 잔류 응력을 최소화하는 고온 브레이징 공정의 특성 때문에 균열이 없다. 그러나, 납땜(브레이징) 접합부의 기계적 물성은 기자재보다 상당히 더 낮다. 이는 터빈 엔진의 높은 응력 회전 및 구조 부품들의 제작과 보수에 브레이징(경납땜)의 사용을 현저하게 제한한다.
따라서, 상온에서 석출 경화형 초내열합금에 균열없는 용접을 제조할 수 있는, 감마 프라임 니켈 초내열합금에 기반한, 높은 내산화성, 고강도 및 고연성의 새로운 용접 재료의 개발에 대한 실질적인 산업상의 요구가 존재한다.
발명의 간단한 설명
본 발명자들은 5 - 15 중량% Co, 5 - 25 중량% Cr, 1 - 6 중량% Al, 0.05 - 0.2 중량% C, 0.015 - 0.4 중량% B, 1 - 3 중량% Si, 그리고 텅스텐과 몰리브덴 중에서 선택된 화학 원소 약 1 내지 20 중량%, 그리고 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈 및 레늄 중에서 선택된 화학 원소 약 1 내지 18 중량% 그리고 나머지 잔부는 니켈 및 불순물로 구성되는 용접 와이어 및 분말의 형태인 석출 경화 니켈계 용접 재료가 석출 경화형 초내열합금과 단결정 재료 위에 견실한 고강도 및 높은 내산화성의 균열없는 용접을 만든다는 것을 발견하였다.
개발된 용접 재료의 장점은 다음과 같다: 첫째, 그것은 HAZ 균열없이 상온에서 Inconel 738, GTD 111, Mar M002, Mar M277 및 다른 고감마 프라임 니켈계 다결정 초내열합금의 융접을 가능하게 한다. 둘째, 그것은 Inconel 738, GTD 111, Mar M002, Mar M277 및 다른 고감마 프라임 니켈계 다결정 초내열합금에, 고강도 및 높은 내산화성의 유례없는 조합을 갖는 균열없는 용접을 생산한다. 셋째, 그것은 용융선을 따라 HAZ에서 단결정 재료의 단결정 재료의 재결정화를 최소화하거나 제거한다.
또다른 바람직한 실시예에서 용접 재료는 8 - 10 중량% Co, 14 - 18 중량% Cr, 3 - 5 중량% Mo, 3 - 5 중량% W, 3 - 6 중량% Ti, 0.04 - 0.06 중량% Zr, 2 - 4 중량% Al, 0.05 - 0.1 중량% C, 0.1 - 0.35 중량% B, 1 - 3 중량%, Si 및 나머지 잔부는 불순물과 니켈로 구성된다.
매우 높은 온도, 응력 및 고온 부식에 노출되는 엔진 부품의 용접을 위한 용접 재료의 바람직하고 가장 진보된 실시형태는 11 - 13 중량% Co, 6 - 8 중량% Cr, 1-3 중량% Mo, 4 - 6 중량% W, 0.01 - 0.03 중량% Zr, 5-7 중량% Al, 0.1-0.15 중량% C, 1 - 3 중량% Re, 5 - 7 중량% Ta, 0.015 - 0.3 중량% B, 1.2 - 1.8 중량% Si 그리고 나머지 잔부는 니켈과 불순물로 이루어진다.
또다른 바람직한 실시예에서, 전체 붕소와 규소 함량이 약 1.4 중량% 내지 약 3.1 중량% 의 범위가 되도록, 약 1 중량% 내지 약 3 중량% 의 규소 함량의 비례 증가에 따라, 붕소의 함량은 약 0.4 중량% 에서 약 0.1 중량% 까지 비례하여 감소되어, 특정 용도에 필요한 대로 용접의 기계적 특성 또는 내산화성 중의 하나를 강화시키고, 동시에 다결정 초내열합금의 HAZ 균열 및 단결정 재료의 재결정화를 방지한다.
바람직한 실시예는 용접 와이어 또는 용접 분말이거나 또는 터빈 엔진 부품들의 와이어 또는 분말 부분품을 이용하여 보수된다.
도면 1은 소둔 상태인 GTD 111 초내열합금 위에 표준 Rene 80 를 사용하여 제조된 클래드 용접의 현미경사진이며, HAZ 와 용접 균열을 도시한다.
도면 2 는 분말 형태인 용접 재료 FM4 를 사용하여 제조된 소둔 상태에서의 GTD 111 초내열합금 위에 레이저 클래드 용접의 종단면도의 현미경사진이며, 균열없는 용접과 HAZ 를 도시한다.
도면 3 은 에이징 열 처리된 상태에서의 IN738 초내열합금 위에 분말의 형태인 용접 재료 FM3를 사용하여 제조된 레이저 클래드 용접의 융합부의 현미경사진이며, 균열없는 용접과 HAZ를 도시한다.
도면 4 는 용접 후 에이징 열 처리된 상태에서의 Mar M247 초내열합금으로 제작된 노즐 안내 날개(Nozzle Guide Vain) 상에 용접 와이어의 형태인 용접 재료 FM3 를 사용하여 제조된 GTAW-MA 클래드 용접의 현미경사진이며, 균열없는 용접과 HAZ를 도시한다.
도면 5는 GTD 111 초내열합금 위에 분말의 형태인 용접 재료 FM8 를 사용하여 제조된 레이저 클래드 용접의 현미경사진이며, 붕소화물과 규소화합물의 입자간 석출을 도시한다.
도면 6은 용접 와이어의 형태인 용접 재료 FM8 을 사용하여 제조된 Rene 77 의 GTAW-MA 맞대기(butt) 용접 이음부의 현미경사진이다.
도면 7 은 용접 와이어 형태인 용접 재료 FM 7 을 사용하여 제조된 단결정 재료 Rene N5 상의 GTAW-MA 클래드 용접의 현미경사진이며, 재결정화의 흔적 없이 균열없는 용접과 HAZ 를 도시한다.
도면 8은 용접 재료 FM9를 사용하여 제조된 단결정 CMSX-4 재료 상의 GTAW-MA 클래드 용접의 현미경사진이며, 재결정화의 흔적없이 균열없는 용접과 HAZ 를 도시한다.
도면 9 은 GTAW-MA 와 표준 Rene 80 용접 재료 (100 및 101) 및 용접 재료 FM3 (200 및 201)를 사용하여 제조된 용접 샘플을 도시하고 있으며, 이때 2012 ℉의 온도에서 300시간동안 테스트한 후에, 100 과 200 - 샘플의 상(평)면도 그리고 101 및 201 은 샘플의 측면도이며, 용접 와이어의 형태인 용접 재료 FM4 를 사용하여 제조된 용접의 우수한 내산화성을 도시한다.
도면 10 은 에이징 열 처리 상태에서의 Inconel 738 초내열합금 위에 용접 분말의 형태인 용접 합금 FM8과 레이저 빔 용접을 사용하여 제조된 용접 금속의 현미경사진이다.
도면 11 은 GTAW-MA 및 용접 와이어의 형태인 용접 재료 FM7 를 사용하여 제조된 항공 엔진의 단결정 Rene N5 초내열합금으로 제작된 고압 터빈 (HPT) 블레이드의 팁(tip) 및 방사형 균열 보수를 도시하며(용접 실시예 15), (이때 250 - HPT 블레이드, 251 및 252 방사형 균열 용접; 253 - 팁 용접, 254 - 캘리퍼스) 이것은 방사형 균열의 성공적인 보수의 범위를 보여준다.
도면 12 는 자동 레이저 클래딩과 용접 분말의 형태인 용접 재료 FM11 를 사용한, 산업용 가스 터빈 엔진의, GTD111 다결정 초내열합금으로 제조된 고압 터빈 (HPT) 버킷의 팁 보수를 보여주며(용접 실시예 16), 이때 300 - HPT 버킷, 301 - 레이저 용접.
표준 두문자어(머릿글자)
AMS - 미국 항공우주 재료 규격 (표준)
ASTM - 미국 시험 재료 협회 (표준)
AWS - 미국 용접 협회(표준)
HAZ - 열영향부
HPT - 고압 터빈
IGT - 산업용 가스 터빈 엔진
LPT - 노즐 안내 날개
NDT - 비파열 시험
NGV - 노즐 안내 날개
OEM - 주문자 상표부착 생산
PWHT - 용접 후 열처리
UNS - 통합 번호 체계는 북미에서 널리 인정되는 합금 지정 시스템이다
UTS - 최대 인장 강도
용어해설
합금 - 두가지 이상의 재료의 혼합물로 이루어진 금속 화합물.
오스테나이트 - 면심 입방상에 하나 이상의 원소의 고용체.
베이스 금속 또는 재료 - 함께 용접되어 이음부를 형성하는 둘 이상의 금속 중 하나.
붕소화물 - 두가지 원소들로 이루어지는 화합물로서, 여기의 붕소가 더 전기음성도가 큰 것이다. (붕소보다 전기 음성도가 낮은 원소가 붕소와 결합한 화합물) 붕소는 금속과 비금속 원소들과 함께 붕소화물을 형성한다.
탄화물 - 탄소와 전기음성도가 더 낮은 원소로 구성되는 화합물. 탄소는 금속(예컨대, 크롬, 니오븀, 몰리브덴, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 그리고 IVB, VB 및 VIB 족의 다른 금속들)과 비금속(예컨대, 붕소, 칼슘, 또는 규소)과 함께 탄화물을 생성할 수 있다. 금속 탄화물은 극심한 경도와 고온에 대한 저항성이 특징이다.
클래딩 - 내마모성 및/또는 내부식성 또는 다른 특성들의 향상을 목적으로 및/또는 기자재 안으로 최소한의 침투를 갖는 원하는 치수로 부분(품)을 복원하기 위하여, 상대적으로 두꺼운 층 (> 0.5 mm (0.02 인치))의 용접 재료 및/또는 복합 용접 분말을 도포하는 프로세스.
냉간 압연 - 합금의 재결정화　온도보다 아래의 온도에서 수행하는 공정
냉간 가공 - 재결정화 온도보다 실질적으로 아래인 온도에서 금속의 성형. 냉간 가공은 강도와 경도를 더해준다.
균열 - 날카로운 끝과, 보통 삼(3)을 초과하는 높은 길이 대 폭의 비를 특징으로 하는 파쇄-타입 불연속부.
균열(크래킹) - 용융지가 응고하는 동안 또는 응고 후 용접에서 발달하는 파단(fracture)
크리프 (특성) - 고체 재료가 응력의 영향 하에서 천천히 이동하거나 영구적으로 변형되는 경향이다. 크리프는 금속이 높은 온도에서 일정한 인장 하중을 받는 경우에 일어난다.
크리프 및 파열 시험(Rupture Test) - ASTM E139에 따라 일정한 온도에서 유지된 인장 시험편에 일정한 하중을 인가함으로서 수행되는 시험이다. 파열 시험은 크리프 시험과 유사한 방식으로 진행되지만, 시험편이 파괴될 때까지의 더 높은 응력 수준에서 수행되며 파괴되는 시간을 측정한다. 주어진 하중에서 파열되기 전의 시간은 재료의 파열 특성을 특성화하는데 사용된다.
희석 - 용접 비이드에서 기자재 또는 이전 용접 금속의 혼합에 의해 유발된 용접 재료의 화학 조성의 변화로서, 용접 비이드에서의 베이스 금속 또는 이전 용접 금속의 백분율에 의해 측정된다.
불연속성 - 이를테면 베이스 또는 용접 금속의 기계적, 금속적, 또는 물리적 특성에서의 동질성의 부족과 같이, 용접 금속의 전형적인 구조의 중단.
연성 - 금속과 합금이 파괴되지 않고 인발되고, 인장되고 또는 성형되는 능력.
압출 - 단다이 또는 일련의 다이를 통해 봉 스톡(stock)으로 밀어넣음으로써 성형하는 공정
평행갈라짐 - 파단면에 단지 약간의 분리(개구 변위)를 갖는 작은 균열과 비슷한 불연속부. 접두사 매크로 - 또는 마이크로 -는 상대적인 크기를 나타낸다.
융접 - 베이스 금속의 융합을 사용하여 용접을 만드는 용접 공정.
감마 (γ) 상- 연속적 매트릭스 (감마라 부름)은 보통 Co, Cr, Mo, 및 W와 같은 고용체 원소들을 높은 비율로 함유하는 면심 입방(fcc) 니켈기 오스테나이트계 상이다
감마 프라임 (γ') 상 - 니켈계 초내열합금내의 1차 강화 상은 니켈과 알루미늄 또는 티타늄 Ni3Al 또는 Ni3Ti 중의 어느 하나로 구성되는 화합물이며, 오스테나이트계 γ매트릭스에서 일관되게(밀착하여) 석출된다.
가스 분무법 - 용융 금속 스트림을 오리피스를 통해 밀어넣고 그것을 불활성 가스 분사에 의해 미세 금속 방울들로 분무시키고 이어서 급속 냉각시킴으로써, 고품질 금속 분말을 제조하기 위한 공정.
가스 텅스텐 아크 용접 (GTAW) - AWS 정의에 따르면, 이것은 텅스텐 (비소모성) 전극과 기자재로도 또한 알려진 워크(work) 사이에서 이들을 아크로 가열함으로써 금속들의 병합을 생산하는 아크 용접 공정이다. 차폐는 가스 또는 가스 혼합물로부터 얻어진다. 압력이 사용되거나 사용되지 않을 수 있고 필러 금속도 사용되거나 사용되지 않을 수 있다.
경도- 금속과 합금이 압입자국, 침투, 및 스크래칭에 저항하는 능력.
열 영향부(HAZ) - 융해되지는 않았지만, 그것의 기계적 물성이나 마이크로조직이 용접의 열에 의해 변경된 베이스 금속의 일부분.
열 처리 - 재료의 구조를 변화시키고 그것의 물리적, 기계적 특성을 변경하는데 사용되는 제어된 가열 및 냉각 공정.
고온 롤링(압연) - 합금의 재결정화　온도를 초과하는 온도에서 수행되는 공정
유도 융해(melting) - Eddy Current 라고도 알려진 유도된 전류가 금속과 합금을 가열하고 융해하는 과정.
반비례 - 하나의 숫자가 나머지 숫자가 감소할때 증가하거나 또는 나머지 하나가 증가할 때 감소하는 관계. 반비례는 정비례의 반대이다.
레이저 빔 용접 및 클래딩 (LBW) - AWS 정의에 따르면, 이것은 이음부 또는 기자재 위에 각각 충돌하는 응집된 간섭 광 빔의 적용으로부터 얻어지는 열로 재료의 병합을 만들어내는 용접 공정이다.
선형 불연속부 - 길이 대 폭의 비가 3:1 이상인 용접 결함
부분용출 균열 - 응고하는 동안에 발생하며, 낮은 녹는점 입계 구성성분의 융해(melting)에 의해 초래되는 용접에서의 균열
다중 패스 클래딩과 용접 - 2가지 이상의 패스로 형성되는 용접.
니켈계 초내열합금 - 니켈의 함유량이 다른 합금 원소들의 함유량을 초과하는 재료
플라즈마 아크 용접 (PAW) - AWS 정의에 따르면, 이것은 전극과 워크피스(베이스 금속) 사이에서(이송식 아크로도 또한 알려짐) 또는 전극과 수축 노즐 사이에서(비-이송식 아크로도 또한 알려짐) 압축 아크를 이용하여 그들을 가열함으로써 금속들의 병합을 제조하는 아크 용접 공정이다.
석출 열처리 또는 경화 - 특정 원소들이 석출하는 온도까지 합금을 가열하여, 더 단단한 구조를 형성한 후, 본래의 구조로 되돌아가는 것을 방지하는 속도로 냉각하는 공정.
재결정화 - 열 처리하는 동안 통상적으로 입자 성장이 수반되는, 기존의 것으로부터 새로운, 왜곡(변형)없는 입자 구조의 형성이다.
재결정화 온도 - 기존의 입자 구조의 재결정화가 특정 시간 내에 발생하는 대략적인 온도
롤링(압연) - 금속 스톡을 기계적으로 구동된 한 세트의 롤들 사이로 통과시키는 공정
파단 강도 - 파단시에 재료에서 발전(성장)된 공칭 응력이며, 이것은 반드시 극한 강도와 동일할 필요는 없다.
응고 수축 - 응고하는 동안에 금속의 부피 수축.
용체화 열처리 - 일정 시간동안 특정 온도까지 합금을 가열하여 하나 이상의 합금 원소를 고용체에 용해시킨 다음, 신속하게 냉각시키는 열 처리 방법.
초내열합금 - 높은 온도에서 사용하기 위한 내산화성 및 기계적 특성을 갖는 금속성 재료
최대 인장 강도 (UTS) - 재료를 파열시키는데 필요한 최소량의 세로방향 응력으로 측정되는, 세로방향 응력에 대한 재료의 저항
용접 및 클래드 비이드 - 압력을 가하거나 가하지 않고, 재료를 용접 온도까지 가열하거나 또는 용접 재료의 사용과 함께 또는 사용없이 압력을 단독으로 인가함으로써, 제조되는 금속 또는 비금속들의 국부적 병합.
용접 결함 - 본래부터 또는 누적된 영향에 의해 부분품이나 제품을 최소의 해당 승인 표준이나 규격에 맞출 수 없게 만드는 불연속부.
용접 패스 - 이음부, 용접 디포짓 또는 기판을 따라 용접 또는 클래딩 시행의 단일 진행. 패스의 결과는 용접 비이드, 층 또는 분무 디포짓이다.
용융지 - 용접 금속으로 그것이 응고되기 전에, 용접내에서의 국부적으로 용융된 부피의 금속.
용접 - 용접을 만드는데 사용되는 재료 연결 공정.
용접 재료 - 용접, 브레이징(납땜), 또는 땜납(soldered)된 이음부를 만드는데 추가되는 재료
용접 분말 - 용접되는 이음부나 클래드 용접을 만드는데 추가되는 분말 형태의 용접 재료
용접 와이어 - 용접되는 이음부나 클래드 용접을 만드는데 추가되는 와이어 형태의 용접 재료
항복 강도 - 금속이 영구적 변형없이, 점진적으로 진행되는 힘을 견딜 수 있는 능력
발명의 상세한 설명
본 발명의 합금은 주조, 로트(wrought) 재료, 플레이트(판), 스트립, 시트, 분말 및 다른 용접 재료의 형태로 사용될 수 있다. 그러나, 용접 와이어 및 분말의 형태인 용접 재료가 주요한 응용품이다.
용접 와이어 및 분말은 표준 유도 용해 기술 및 장비 또는 다른 융해 공정을 사용하여 진공 또는 아르곤 하에서 제조된, 잉곳(ingot)(빌릿(billet)으로도 또한 알려져있음)으로 제작된다.
용접 와이어의 제조를 위해, 빌릿(billet)은 주로 0.75 인치를 초과하는 직경을 갖는 봉의 형태로 제조되며, 고온에서 롤링(압연) 또는 압출에 의해 0.50 인치의 직경으로 감소되고, 이어서 표준 표면 처리를 한다.
본 발명 개념에 따르면, 니켈계 합금은 1600℉가 넘는 온도에서 연성이다.
고온롤링(압연)하는 동안, 0.50 인치의 초기 직경을 갖는 봉이 0.020 - 0.062 인치로 감소된다. 롤링은 용접 와이어의 항복 강도와 경도를 증가시킨다. 따라서, 연성을 증가시키기 위해서 종종 용접 와이어를 어닐링 열 처리하여, 가공성을 회복시킨다.
최종 처리 중에는, 용접 와이어를 표준 엄격한 세정 절차에 통과시켜, 용접에 오염이 없도록 확실히 한다.
직경이 대략 45 - 75 ㎛ 인 용접 분말은 표준 가스 분무 공정에 의해 제조된다. 이 공정 중에, 바람직한 실시예에 따르는 화학 조성을 갖는 융해된 초내열합금은 불활성 가스 분사에 의해 미세 금속 액적(방울)으로 분무되며, 분무 타워에서 그들이 내려오는 동안 냉각된다.
가스-분무법으로 얻어진 금속 분말은 완벽한 구형과 높은 청정 수준을 보유한다. 용접 분말은 플라즈마, 마이크로플라즈마 그리고 융접 및 클래딩 공정으로도 또한 알려진 레이저 용접 및 클래딩에 사용된다.
융접하는 동안, 분말은 표준 분말 공급장치를 이용하여 아르곤 분사와 함께 용융지 안으로 공급된다. 응고 후에 용접 분말은 기자재와 융합되어 용접 금속을 생산한다. 과열을 줄이고 HAZ 균열을 방지하기 위해, 용접 및 클래딩은 최소의 희석으로 수행된다. 클래딩에서의 최상의 결과는 5 - 15 %의 희석을 달성했다.
붕소와 규소는 용융지에서의 기자재와는 물론이고, 다른 합금 원소들과 결합하여(바람직한 실시예에 개시되어 있음) 다음과 같은 유익한 효과를 가져온다:
우선 첫째로, 녹는점 저하제로서의 붕소와 규소는 도면 2 내지 6에 나와있는 바와 같이, 용융지의 온도와 HAZ 의 과열을 감소시켜, Inconel 738, GTD111, Mar M002, Mar M247 초내열합금 위에 견실하고 균열없는 용접의 형성을 개선시키며, 도면 7 및 8에 나와있는 바와 같이 CMSX-4 및 Rene N5 단결정 재료의 재결정화를 제거한다. 이들 용접의 고상선 온도는 적은 양의 붕소 및 규소로 인해서 브레이징(경납땜) 재료보다 훨씬 더 높지만, 기자재의 용융온도보다는 아래이다. 결과적으로, 대략 2200℉의 온도에서 납땜(브레이징) 접합부가 완전히 융해되는 동안, 용접은 이 온도에서 PWHT 중에, 필요한 형상을 유지할 수 있다.
둘째로, 붕소는 결정립 매트릭스 내에서 결정립계를 따라 연속적 규소화합물 필름의 분리 및 석출을 방지하여, 도면 5에 나와있는 고강도 입방형 붕소화물 및 규소화합물의 석출을 강화하며, 도면 10에 나와있는 미세 입방형 감마 프라임 상의 형성과 함께, 공지된 용접 재료를 사용하여 제조된 용접과 비교할 때 용접의 고온 기계적 특성이 상당히 개선되었다.
그리고 마지막으로, 규소는 내산화성에 대한 붕소의 손상 효과를 보상해주며 표 4 와 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 심지어 표준 Rene 80 및 Rene 142 용접 재료를 사용하여 제조된 용접과 비교할때 조차도 용접의 내산화성을 크게 향상시킨다.
INCONEL 738, GTD 111, Mar M002, Mar M247, CMSX -4 AND RENE N5 초내열합금 및 단결정 재료의 용접의 실시예
표 1에 나와있는 바람직한 실시예에 따르는 화학 조성을 갖는 용접 와이어와 분말을 공지된 방법을 사용하여 제조하였고, 용접 실험 1 내지 16 을 수행하고, 항공 및 IGT 엔진의 HPT 블레이드의 보수를 위해 개발된 용접 재료의 산업상 이용가능성을 입증하였다.
Inconel 738, GTD 111, Mar M247, Rene 77 및 Mar M002 다결정 초내열합금과 Rene N5 및 CMSX-4 단결정 재료로 제작된 샘플 위에 멀티 패스 레이저 클래딩을 만들었다. 이들 재료는 산업 및 항공 터빈 엔진용 HPT 및 LPT 터빈 블레이드 및 NGV 의 제조에 널리 사용되어 왔으며, 따라서 중요한 실리를 가진다. 또한, Inconel 738, GTD 111 및 Mar M247 은 용접하는 동안 HAZ 균열에 매우 민감하다. Rene N5 및 CMSX-4 단결정 재료는 HAZ 에서 재결정화하기 쉬운데, 이는 작동 조건하에서 터빈 블레이드의 균열을 초래할 수 있다.
표 3에 나와있는 분말 형태의 발명된 용접 재료 (FM)와 균열에 대한 용접의 감수성의 비교를 위해 표준 Rene 80 용접 분말을 이용하여, Inconel 738 및 GTD 111 초내열합금 위의 레이저 클래드 용접을 제조하였다.
용접 재료 FM2 및 FM5로 제작된 직경 0.030 및 0.045 인치의 용접 와이어 그리고 비교를 위한 표준 Rene 80 와이어를 가지고, 멀티 패스 GTAW-MA 용접을 이용하여, 두께 0.5" 의 Inconel 738, GTD 111 및 Mar M002 의 맞대기 이음과
Mar M247 초내열합금 상의 클래드 용접을 제조하였고, 이어서 항공우주 용도 AMW 2685를 위한 후속 표준 용접 절차를 진행하였다. 희석을 제어하기 위해, 아크 전압 약 12 - 14 V 에서 용접 전류를 맞대기(butt) 용접에는 100A 으로 그리고 클래딩에는 60A 으로 제한하였다.
폭이 0.10 - 0.24 인치, 높이 0.12 - 5 인치 그리고 길이 2 - 6 인치인 멀티 패스 레이저 클래드 용접을 제조하기 위하여, 용접하는 동안 레이저 헤드를 3 - 5 인치/min.의 용접 속도에서 ±(0.03 - 0.07) 인치의 진폭과 약 30 인치/min 의 속도로 진동시켰다. 레이저 빔 전력은 400 내지 420W에서 변하고 분말 공급 속도는 3 내지 7 g/min 에서 변화되었다.
용접에 앞서, Inconel 738, GTD 111, Mar M247 및 Rene 77 석출 경화형 초내열합금으로 제작된 샘플에 2190 ± 15 ℉의 온도에서 2시간동안 표준 용접전 어닐링 열 처리를 가하고, 이어서 아르곤 퀀치하여 용접성을 개선하였다.
용접 후에는, Inconel 738 및 GTD 111 초내열합금으로 제작된 모든 샘플에 2190℉의 온도에서 2시간동안 어닐링하고 이어서 2050 ℉의 온도에서 2시간동안 1차 에이징한 후, 1555℉의 온도에서 24시간동안 2차 에이징하는 단계를 포함하는 PWHT 처리를 하였다.
Mar M247 및 Mar M002 초내열합금으로 제작된 용접 샘플에 1975℉의 온도에서 2시간 4시간동안 2차 에이징하고 이어서 1560℉의 온도에서 20시간동안 2차 에이징을 포함한 표준 PWHT 처리를 하였다.
단결정 CMSX-4 및 Rene N5 재료로 제작된 샘플에 2050℉의 온도에서 2시간동안 응력 제거하였다.
기계적 시험에 앞서, 용접 샘플은 ASTM E1209-05 에 따라 불소 침투 (FPI)하고 ASTM E1742-08에 따라 방사선 검사를 시행하였다. 크기가 0.002 인치를 초과하는 균열 및 다른 용접 불연속은 허용되지 않았다.
클래드 용접 금속과 맞대기(butt) 용접 이음부에 ASRM E21에 따른 인장 시험과 ASTM E139에 따른 파열 시험을 실시하였다. 파열 시험에 대한 시험 결과와 매개변수들은 표 2 와 3 에 각각 나와있다.
직경이 0.25" 이고 길이가 1.0 인치인 샘플에 대한 순환(반복) 산화 테스트는 터빈 엔진의 최대 허용 배기 가스 온도 (EGT) 에 해당하는 1825 ± 15℉의 온도에서 20시간 동안 이루어졌으며, 이어서 4시간동안 냉각시켜, 최대 온도에서 820 시간의 총 테스트 시간까지 진행되었다.
가속 순환(반복) 산화 테스트는 공기중에서 32 미크론의 표면 거칠기로 기계가공(머시닝)된 두께 0.060 인치의 평평한 샘플을 2012 ± 15℉ 의 온도까지 가열하고, 이어서, 이 온도에서 1 시간 소킹하고, 공기중에서 상온으로 급속 냉각함으로써 진행되었다.
본 발명자들은 바람직한 실시예로부터 제조된 석출 경화형 니켈계 용접 재료의 제조 및 보수를 위한 다음의 4가지 특성을 달성하기 위해 노력하고 있다:
1. 상온에서 Inconel 738, GTD 111, Mar M247, Rene 77, Mar M002 및 유사한 석출 경화 초내열합금 위에 균열없는 용접.
2. CMSX-4, Rene N5 및 다른 단결정 재료의 HAZ 의 재결정화 및 균열의 배제 .
3. 1800℉의 온도에서 25 KSI 의 최소의 0.2% 오프셋 항복 강도를 달성하고 1800℉의 온도에서 15 KSI 의 응력에서 최소한 10 시간을 견딤.
4. 1825 ± 15℉ 의 온도에서 Rene 80보다 뛰어난 내산화성을 생산하고 최소 500 시간 동안 테스트.
현 개념에 따라 제조된, 더 낮은 수준의 기계적 특성과 산화 특성 그리고 균열없는 용접을 생산할 수 있는 능력을 갖는 용접 재료는 엔진 부품의 보호 코팅과 조합하여, 낮은 응력을 받는 영역 위에 엔진 부품의 치수 복구와 균열 보수에 사용될 수 있다.
용접의 기계적 특성과 내산화성은 표 2 - 5에 나와있다.
표 2에서 보여준 시험 결과에서 볼 수 있듯이, 붕소 첨가제 없이 1.6- 1.8 중량% Si 을 포함한 용접 재료 FM1를 사용하여 제조된 용접은 HAZ 균열을 나타내었다. 하지만, HAZ 균열에도 불구하고, 규소 함유 용접 금속에 파열 시험을 실시하였으며, 표 3에서 보여준 바와 같이 용접의 크리프 특성에 대한 규소의 해로운 영향을 확인시켜주었다.
2.7 - 3.0 중량% Si와 소량의 붕소로 구성된 용접 재료 FM2 를 사용하여 제조된 용접은 균열이 없었고 낮은 기계적 특성을 보유하였다. 그러므로, 용접 재료 FM2 는 엔진 부품의 치수 복원에 주로 사용될 수 있다.
고함량의 붕소와 규소를 갖는 용접 합금 FM5를 사용하여 제조된 용접은 균열이 생기기 쉬웠고, 실제적 이익을 갖지 않았다.
규소 없는 용접 재료 FM11를 사용하여 제조된 용접은 균열은 없었지만, 0.3 중량%의 불충분한 붕소 함량으로 인하여, Inconel 738 및 GTD 111 초내열합금의 HAZ 에서는 미소 균열이 나타났다. 또한, 규소가 없는 붕소는 표 4에 나와있는 바와 같이 용접의 내산화성을 감소시켰다.
용접 재료 FM3, FM4, FM6, FM7, FM8, FM9 및 FM10 내에서의 붕소, 규소 및 다른 합금 원소들의 결합은 높은 기계적 물성과 내산화성의 유일무이한 조합과 함께, 견실하고 균열없는 용접의 형성을 초래하였으며, 도면 8 - 9에 나와있는 HAZ에서 단결정 CMSX-4 및 Rene N5 단결정 재료의 재결정화를 배제하였다.
용접의 기계적 특성은 도면 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 감마 프라임 상의 형성과, 도면 5에서 보이는 바와 같이 결정립 매트릭스 내에서 입방형 붕소화물과 규소화합물의 우선적(선택적) 석출에 의해 개선되었다.
단결정 재료에 표준 Rene 80 용접 합금을 이용한 용접은 도면 1에서 보이는 바와 같이 HAZ 의 재결정화와 고감마 프라임 GTD 111 초내열합금 위에 제조된 용접의 균열을 초래하였다. 유사한 균열이 Inconel 738, Mar M247 및 Rene 77 초내열합금에서 관찰되었다.
GTAW-MA용 용접 와이어의 형태와 자동 레이저 용접용 분말의 형태로 개발된 용접 재료의 실제 적용가능성의 입증은 도면 11에 도시한 용접 실시예 16에 의해 제시되었으며, 약 066 인치 길이의 용접 (251과 252)과 팁 용접 (253)에 있는 0.5 인치 길이의 균열의 방사형(반경) 보수를 보여준다. 용접은 수동 GTAW-MA 용접용 표준 장비와 용접 와이어 형태의 용접 재료 FM7를 사용하여 상온에서 제조하였다.
용접 후에는, HPT 블레이드에 2050℉의 온도에서 PWHT 응력 제거(완화)시키고, 블레이드의 본래의 형상으로 복원하기 위한 폴리싱(연마), 화학적 에칭, FPI 및 방사선 검사를 실시하였다. 허용불가한 용접 불연속이 전혀 발견되지 않았다.
도면 12에 도시한 용접 실시예 17는 분말 형태인 용접 재료 FM11 를 사용하여 1 kW 레이저를 구비한 LAWS1000 레이저 용접 시스템 상에서, 상온에서 자동 멀티 패스 레이저 클래딩에 의한 IGT 버킷의 팁 복구를 입증하기 위해 수행되었다.
용접한 후에, GTD 111 초내열합금으로 제작된 버킷에 용접 후 표준 에이징 열 처리, 기계가공, 폴리싱, FPI 및 방사선 검사를 실시하였다. 용접은 위에서 설명한 모든 4가지 특성을 달성하였기 때문에 합격이었다.
[표 1] 나머지 Ni와 불순물을 함유하는 필러 재료(FM)의 화학 조성(중량% )
Figure pct00001
[표 2] 분말 형태인 용접 재료를 사용하여 Inconel 738 기판 위에 제조된 레이저 클 래드 용접의 1800℉의 온도에서의 균열 감수성 및 인장 특성의 용접 실시예
Figure pct00002
비고: HAZ 균열에도 불구하고 표준 Rene 80 과 FM1 필러 재료를 사용하여 제조된 클래드 용접에 인장 및 파열 시험을 각각 시행하여 비교를 위한 기준 데이터를 얻었다.
[표 3] 분말 용접 재료를 사용하여 제조된 레이저 클래드 용접의 파단 특성
Figure pct00003
[표 4]1825℉의 온도에서 레이저 클래드 용접의 내산화성
Figure pct00004

[표 5] 2050℉의 온도에서 레이저 클래드 용접의 내산화성
Figure pct00005

[표 6] 와이어의 형태인 바람직한 용접 재료와 함께 GTAW-MA 를 사용하여 제조된 맞대기 이음의 1800℉의 온도에서의 기계적 특성
Figure pct00006

Claims (7)

  1. 중량 %로 다음과 같은 원소들로 구성된 초내열합금의 융접을 위한 석출 경화 니켈계 용접 재료:
    코발트 약 5 내지 15 중량%
    크롬 약 5 내지 25 중량%
    알루미늄 약 1 내지 6 중량%
    탄소 약 0.05 내지 0.2 중량%
    붕소 약 0.015 내지 0.4 중량%
    규소 약 1 내지 3 중량%
    텅스텐 및 몰리브덴 중에서 선택된 약 1 내지 20 중량% ,
    티타늄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈 및 레늄 중에서 선택된 약 1 내지 18 중량%, 그리고
    나머지 잔부는 불순물과 니켈.
  2. 중량 백분율로 하기의 원소들을 포함하는, 초내열합금의 융접용 석출 경화 니켈계 용접 재료:
    코발트 약 8 내지 10 중량%
    크롬 약 14 내지 18 중량%
    몰리브덴 약 3 내지 5 중량%
    텅스텐 약 3 내지 5 중량%
    티타늄 약 3 내지 6 중량%
    지르코늄 약 0.04 내지 0.06 중량%
    알루미늄 약 2 내지 4 중량%
    붕소 약 0.1 내지 0.35 중량%
    규소 약 1 내지 3 중량%, 그리고
    나머지 잔부는 불순물과 니켈.
  3. 중량 백분율로 하기의 원소들을 포함하는, 초내열합금의 융접용 석출 경화 니켈계 용접 재료:
    코발트 약 11 내지 13 중량%
    크롬 약 6 내지 8 중량%
    몰리브덴 약 1 내지 3 중량%
    텅스텐 약 4 내지 6 중량%
    지르코늄 약 0.01 내지 0.03 중량%
    알루미늄 약 5 내지 7 중량%
    탄소 약 0.1 내지 0.15 중량%
    레늄 약 1 내지 3 중량%
    탄탈 약 5 내지 7 중량%
    붕소 약 0.015 내지 0.3 중량%
    규소 약 1.2 내지 1.8 중량%, 그리고
    나머지 잔부는 니켈과 불순물.
  4. 제 1항에 있어서, 붕소와 규소의 전체 함유량이 약 1.4 중량% 내지 3.1 중량%의 범위가 되도록, 규소 함량이 약 1 중량% 에서 약 3 중량%까지 비례 증가함에 따라, 붕소 함유량은 약 0.4 중량% 에서 약 0.1 wt.% 까지 비례하여 감소하는 것을 특징으로 하는 석출 경화 니켈계 용접 재료.
  5. 제 1항에 있어서, 용접 분말인 것을 특징으로 하는 초내열합금의 융접을 위한 석출 경화 니켈계 용접 재료.
  6. 제 1항에 있어서, 용접 와이어인 것을 특징으로 하는 초내열합금의 융접을 위한 석출 경화 니켈계 용접 재료.
  7. 제 1항에 있어서, 터빈 엔진 부품의 보수 부분인 것을 특징으로 하는 초내열합금의 융접을 위한 석출 경화 니켈계 용접 재료.
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Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106271213A (zh) * 2015-05-22 2017-01-04 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种用于钛合金钎焊的钛-锆-铜-镍基钎料
CN106563929B (zh) 2015-10-08 2019-09-17 利宝地工程有限公司 修复和制造涡轮发动机部件的方法及涡轮发动机部件
US10378087B2 (en) 2015-12-09 2019-08-13 General Electric Company Nickel base super alloys and methods of making the same
WO2017184762A1 (en) * 2016-04-20 2017-10-26 Arconic Inc. Fcc materials of aluminum, cobalt, chromium, and nickel, and products made therefrom
US10632572B2 (en) * 2017-03-03 2020-04-28 General Electric Company Weld filler additive and method of welding
CA3048051C (en) * 2017-03-03 2021-11-16 Liburdi Engineering Limited High gamma prime nickel based weldable superalloy and method of repairing and manufacturing of turbine engine components using the same
CN109420862B (zh) * 2017-08-28 2021-07-27 中国科学院金属研究所 一种镍基单晶高温合金连接用粉末钎料及其制备方法和应用
CN107716933B (zh) * 2017-10-23 2019-05-03 江西瑞曼增材科技有限公司 一种单晶高温合金耐磨抗氧化涂层的界面净化方法
WO2019212529A1 (en) * 2018-05-01 2019-11-07 Siemens Energy, Inc. Nickel based superalloy braze filler
US10577679B1 (en) 2018-12-04 2020-03-03 General Electric Company Gamma prime strengthened nickel superalloy for additive manufacturing
RU2700442C1 (ru) * 2019-06-04 2019-09-17 Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья
CN112760525B (zh) * 2019-11-01 2022-06-03 利宝地工程有限公司 高γ′镍基超级合金、其用途及制造涡轮发动机构件的方法
RU2740929C1 (ru) * 2020-04-20 2021-01-21 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
CN113941798A (zh) * 2020-07-16 2022-01-18 中国科学院金属研究所 高温结构材料用镍基合金钎焊材料及其应用
CN112872652B (zh) * 2020-12-25 2023-05-23 南昌航空大学 一种高Al、Ti、Ta含量的Ni基高温合金焊丝及其制备方法和应用
CN112858360B (zh) * 2021-02-19 2022-11-29 东方电气集团东方锅炉股份有限公司 测试金属材料液化裂纹敏感性的方法
CN113234961B (zh) * 2021-03-05 2022-04-26 北京钢研高纳科技股份有限公司 一种耐1100℃高温抗氧化燃烧室合金及其制备方法
FR3130293A1 (fr) * 2021-12-15 2023-06-16 Safran Alliage à base de nickel comprenant du tantale
CN114700383A (zh) * 2022-03-10 2022-07-05 江阴泰坦高压电气有限公司 一种镍钴合金不锈钢丝及其生产工艺
CN115287502B (zh) * 2022-08-11 2023-10-20 沈阳大陆激光技术有限公司 一种钢厂轧机牌坊激光制造与再制造用合金材料及其制备方法
CN115446494B (zh) * 2022-09-20 2024-03-22 中国航发北京航空材料研究院 一种高温合金钎焊连接用NiCoCrNbTiAl高熵合金钎焊料

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5523170A (en) * 1994-12-28 1996-06-04 General Electric Company Repaired article and material and method for making
US20060216540A1 (en) * 2005-03-24 2006-09-28 General Electric Company Nickel-base braze material and method of filling holes therewith

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2868A (en) 1842-12-05 By machinery
US2868667A (en) 1956-10-12 1959-01-13 Wall Colmonoy Corp Method and composition for forming a porous metallic coating
US3615376A (en) 1968-11-01 1971-10-26 Gen Electric Cast nickel base alloy
US3869284A (en) 1973-04-02 1975-03-04 French Baldwin J High temperature alloys
USRE29920E (en) 1975-07-29 1979-02-27 High temperature alloys
US4169742A (en) 1976-12-16 1979-10-02 General Electric Company Cast nickel-base alloy article
JPS63174798A (ja) * 1987-01-14 1988-07-19 Toyota Motor Corp 肉盛溶接用耐食合金
US5156321A (en) * 1990-08-28 1992-10-20 Liburdi Engineering Limited Powder metallurgy repair technique
US5240491A (en) * 1991-07-08 1993-08-31 General Electric Company Alloy powder mixture for brazing of superalloy articles
US5783318A (en) 1994-06-22 1998-07-21 United Technologies Corporation Repaired nickel based superalloy
US5897801A (en) 1997-01-22 1999-04-27 General Electric Company Welding of nickel-base superalloys having a nil-ductility range
US6491207B1 (en) * 1999-12-10 2002-12-10 General Electric Company Weld repair of directionally solidified articles
US6539620B1 (en) 2000-01-19 2003-04-01 General Electric Company Method of manufacturing superalloy weld wire
US6530971B1 (en) * 2001-01-29 2003-03-11 General Electric Company Nickel-base braze material and braze repair method
IES20010834A2 (en) 2001-09-17 2003-03-19 Sifco Res & Dev Ltd Component repair materials
US6905559B2 (en) * 2002-12-06 2005-06-14 General Electric Company Nickel-base superalloy composition and its use in single-crystal articles
FR2886182B1 (fr) * 2005-05-26 2009-01-30 Snecma Services Sa Poudre de superalliage
US8926897B2 (en) 2005-09-27 2015-01-06 National Institute For Materials Science Nickel-base superalloy excellent in the oxidation resistance
RU2304499C1 (ru) * 2005-11-10 2007-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Присадочный материал на основе никеля
US20070215586A1 (en) 2006-03-16 2007-09-20 Clifford Graillat Nickel alloy welding wire
US8999231B2 (en) * 2006-05-24 2015-04-07 United Technologies Corporation Nickel alloy for repairs
CA2709659A1 (en) * 2007-12-17 2009-06-25 Exxonmobil Research And Engineering Company High strength nickel alloy welds through precipitation hardening
JP5254693B2 (ja) * 2008-07-30 2013-08-07 三菱重工業株式会社 Ｎｉ基合金用溶接材料
EP2182084A1 (de) * 2008-11-04 2010-05-05 Siemens Aktiengesellschaft Schweisszusatzwerkstoff, Verwendung des Schweisszusatzwserkstoffes und Bauteil
US20120251840A1 (en) 2011-03-30 2012-10-04 General Electric Company Nickel-base weld materials, processes of using, and components formed therewith
CN104428101B (zh) * 2012-12-05 2018-04-27 利宝地工程有限公司 使用复合填料粉末的高温合金的包覆和熔焊的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5523170A (en) * 1994-12-28 1996-06-04 General Electric Company Repaired article and material and method for making
US20060216540A1 (en) * 2005-03-24 2006-09-28 General Electric Company Nickel-base braze material and method of filling holes therewith

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JP6463373B2 (ja) 2019-01-30

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