KR20170069172A - 터보 기계의 금속 구성요소들을 제조하기 위한 고용화 열처리 방법 - Google Patents

터보 기계의 금속 구성요소들을 제조하기 위한 고용화 열처리 방법 Download PDF

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안살도 에네르기아 스위질랜드 아게
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Abstract

본 발명은 터보 기계의 금속 구성요소들(1)을 제조하기 위한 고용화 열처리 방법에 관한 것으로서, 상기 구성요소들(1)은 제조 후에 상기 터보 기계에 조립될 때 고온 가스 유동 채널을 제공하고, 상기 구성요소들(1)은 노에서 시간-온도-사이클에 종속된다. 상기 방법은
- 상기 터보 기계에 있는 구성요소 조립체와 동일한 원리로 상기 구성요소들(1)을 상기 노에 배치하지만, 이웃 구성요소들(1) 사이에 유동 영역들 및 갭들(9)을 남겨두는 단계, 그 다음
- 상기 시간-온도-사이클을 개시하는 단계, 그리고
- 고용화 열처리 프로세스 중에 불활성 가스를 인가하여, 상기 불활성 가스가 상기 고용화 열처리 프로세스에서 임의의 시간에, 특히 특히 급속 냉각 및 가열 단계 중에 균일 온도를 달성하기 위해 상기 유동 영역들 및 갭들(9)을 통해서 유동하는 단계를 특징으로 한다.

Description

터보 기계의 금속 구성요소들을 제조하기 위한 고용화 열처리 방법{SOLUTION HEAT TREATMENT METHOD FOR MANUFACTURING METALLIC COMPONENTS OF A TURBO MACHINE}
본 발명은 금속 구성요소들을 제조/열처리하기 위한 기술에 관한 것이다. 이는 특히 터보 기계, 예를 들어 제 1 항의 전제부에 따른 가스 터빈의 구성요소들을 제조하기 위한 고용화 열처리 방법에 관한 것이다. 이러한 가스 터빈 구성요소들은 예를 들어, 터빈 블레이드, 베인들 또는 열 차폐물, 특히 냉각 구성요소들이다.
이러한 가스 터빈 구성요소들은 큰 열적-기계적 부하에 노출되고 대체로 수퍼 합금, 예를 들어 니켈계 또는 코발트계 수퍼 합금으로 제조된다. 단결정(SX) 및 방향성 고형화(DS) 수퍼합금의 연성(변형성)은 종래의 주조(CC) 부품들보다 낮다. 구성요소의 큰 다축방향의 영역들에서, SX 및 DS의 낮은 연성은 추가로 감소된다.
한편, 터빈 블레이드의 열적-기계적 부하는 열적 변형 및 높은 기계적 부하로 인하여 임의의 정도의 연성(변형성)을 필요로 한다.
[압력 및 원심력 부하 및 불균일한 온도 분포로 인하여] 터빈 블레이드의 부하가 최대 1%의 기계적 변형을 생성한다는 것을 고려하면, 상당한 연성의 재료가 요구된다.
문헌 US 5,451,142호는 니켈계 수퍼 합금 터빈 블레이드의 루트에 접합된 고강도 다결정 수퍼 합금의 층/코팅을 제공하는 방법을 기술하고 있다. 이 층은 블레이드의 전나무형상체 상에 분무된 플라즈마이다.
문헌 US 4,921,405호는 미세 입자의 다결정 합금으로 적층된 부착 섹션(전나무형상체)의 부분을 구비한 단결정 터빈 블레이드를 교시하고 있다. 상기 교시에 따라서, 상기 적층은 양호하게는 수퍼 합금을 갖는 부착 섹션의 플라즈마 분무에 의해서 그리고 최소 다공성의 분무 수퍼 합금과 고온 평형 압착에 의해서 달성된다. 결과적 터빈 블레이드는 복합 부착 섹션에서 감소된 저 사이클, 크랙 성장의 저온 피로 감도로부터 발생된 개선된 수명을 가져야 한다.
양자의 경우에, 특수한 코팅 프로세스는 블레이드의 제조 중에 적용되어야 하고, 이는 상당한 추가 시간 및 비용 노력을 필요로 한다.
문헌 US 4,582,548호는 가스 터빈 엔진에서 사용하기 위한 단결정 주조 합금을 기술하고 있다. 단결정의 단단한 블레이드 또는 바아가 주조되고 길이방향으로 가공된다. 가공 후에, 이들은 고용화 열처리를 받고 그후 이들은 유사 코팅되고 에이징(age)처리된다. EP 1184473 A2는 니켈계 단결정 수퍼 합금 및 그 제조 방법을 개시한다. 상기 방법은 샘플/구성요소의 고용화 열처리 및 추가 열처리 단계가 가공 단계 후에 실행된다는 점에서 US 4,582,548호에 기재된 것과 유사하다.
문헌 US 2015/0013852 A호는 SX 또는 DS 니켈계 수퍼 합금으로 제조된 가스 터빈 구성요소를 제조하기 위한 개선된 방법을 개시하며, 상기 방법은 열처리(HTS 1-3) 및 기계가공 및/또는 기계 처리 단계(SM)를 포함하고, 상기 기계가공 및/또는 기계 처리 단계(SM)는 상기 열처리(HTS 1-3) 전에 실행된다. 이는 구성요소(11)의 고용화 열처리(SHT)가 상기 기계가공 및/또는 기계 처리 단계(SM) 이전에 실행되는 것을 특징으로 한다. 미세 샘플 기하학적 형태부의 가소성 변형 및 기계가공(가공 단계 SM)은 열처리[열처리(HTS 1-3)] 이전에 그러나 고용화 열처리 이후에 수행되었다. 그에 의해서, 가소성 변형 및 기계가공[예를 들어, 냉각 가공 경화]에 의해서 사전에 영향을 받은 표면 부근 영역은 열처리에 의해서 변형되었다. 사전 표면처리[가소성 변형]로 인하여, 상당히 높은 연성이 달성되었다. SX 구성요소들에서의 증가한 연성의 효과는 또한 사전 가소성 변형 없이, 단지 샘플 가공 단계(SM)로 인하여 실온 뿐 아니라 600℃의 다른 샘플에서 관측되었다.
일반적으로, 고용화 열처리는 임의의 시간 온도 사이클을 갖는 온도 및 시간 의존성 프로세스이다. DS 또는 SX 구성요소에 대한 고용화 열처리는 프로세스 온도의 단계적 증가/감소이고 재료의 필요한 항복 강도를 달성하기 위해서 주로 시간을 유지한다. 최대 온도, 최대 온도에서 유지 시간 및 냉각 비율은 달성가능한 항복 강도 및 기계적 특성을 결정한다.
불행하게도, 구성요소의 기하학적 디자인에서의 변화, 노에서의 위치, 불활성 가스 유동 비율 및 방법, 복잡한 형상의 구성요소의 열관성/지역적 불균일한 절대 열 용량으로 인하여, 열처리는 노에서 양호하게 제어되지 않기 때문에, 고용화 열처리 프로세스는 임의의 프로세스 변화들을 가진다. 고용화 열처리는 구성요소에서 세라믹 코어를 가지고 그리고 가능하게는 쉘 몰드 잔여부를 가지고 실행되거나 또는 구성요소의 코어들 없이 그리고 쉘 몰드 없이 실행될 수 있다는 것이 공지되어 있다.
특히, 루트 및 에어포일을 포함하는 터빈 블레이드와 같은, 가스 터빈 구성요소들에 대하여, 특히 (급속) 냉각 및 가열 단계 중에 고용화 열처리 프로세스에서 임의의 시간에 균일 온도를 달성하는 것은 매우 어렵다. 이러한 배경 및 본 출원서의 배경에서의 용어 루트는 터빈 회전자(대체로 전나무 형상)에 대한 부착 영역, 생크(터빈 회전자에 대한 부착 영역 및 내부 플랫폼/슈라우드 사이의 연결부) 및 내부 플랫폼 또는 내부 슈라우드(생크를 고온 가스에서 분리시킴)를 포함한다. 전나무형 루트는 아직 가공되지 않고 큰 열 관성을 가지며 에어포일은 낮은 열관성을 가진다. 입구 홀, 냉각 기하학적 형태 내부 및 출구 홀이 있다. 터빈의 작동 중에, 구성요소들은 유사한 이웃 구성요소와 함께 임의의 방향으로의 유동 대 유동을 방지하거나 또는 추출 작업 및 의도된 유동 방향으로의 내부(냉각) 및 외부(고온 가스) 채널 대 채널 유동을 형성한다.
종래 기술에서, 급속 냉각 중에 과도한 온도 구배로 인한 가소성 변형의 가능성 및 최소 냉각 비율에 대한 요구조건이 상충된다. 추가로, 상승 온도에서의 유지 시간은 얇은 섹션이 두꺼운 섹션보다 일찍 유지 온도에 도달할 때 구성요소 내에서 변화될 수 있고, 결과적으로 두꺼운 섹션에서의 유지 시간은 예를 들어 불충분한(낮은) 정도의 고용화로 인하여 필요한 재료 특성을 달성하기에 너무 짧을 수 있는 가능성이 있다.
본 발명의 목적은 터보 기계, 특히 가스 터빈의 금속 구성요소들을 제조하기 위한 고용화 열처리의 특히 (급속) 냉각 및 가열 단계 중에 그리고 임의의 시간에 실질적으로 개선된 온도 균일성을 달성하기 위하여 개선된 고용화 열처리 방법을 개시하는 것이다.
상기 목적 및 기타 목적은 제 1 항에 따른 방법에 의해서 달성된다.
상기 방법은
- 상기 터보 기계에 있는 구성요소 조립체와 동일한 원리로 상기 구성요소들을 상기 노에 배치하지만, 이웃 구성요소들 사이에 유동 영역들 및 갭들을 남겨두는 단계, 그 다음
- 상기 고용화 열처리의 시간-온도-사이클을 개시하는 단계, 그리고
- 고용화 열처리 프로세스 중에 불활성 가스를 인가하여, 상기 불활성 가스가 상기 고용화 열처리 프로세스에서 임의의 시간에, 특히 급속 냉각 및 가열 단계 중에 균일 온도를 달성하기 위해 상기 유동 영역들 및 갭들을 통해서 유동하는 단계를 특징으로 한다.
독창적 방법에 의해서 더욱 우수하게 제어된 고용화 열처리 프로세스는 불활성 가스 유동을 인가하는 동안 개시된 방식에서 노에 구성요소들 배치/설치하여 달성된다. 이러한 "외부" 불활성 가스 유동은 노 내에서 유동 조건에서 오정합을 감소시켜서, 더욱 균일한 온도 분포 및 그에 따라 처리된 구성요소들의 개선된 기계적 특성이 구현된다. 이는 예를 들어, 내부에 세라믹 코어를 갖는 주조 구성요소가 고용화 열처리될 때 적용가능하다.
본 발명의 추가 장점은 구성요소들이 기술된 방법에 따라서 고용화 열처리될 때 구현되고, 상기 구성요소들은 적어도 하나의 내부 냉각 채널을 포함하여, 상기 노의 고용화 열처리 프로세스 중에 상기 불활성 가스를 인가하는 동안, 상기 불활성 가스는 또한 상기 내부 채널을 통해서 유동한다. 이는 예를 들어, 구성요소의 주조 프로세스에 사용된 세라믹 코어가 제거되어서 이러한 내부 냉각 채널을 제조할 때의 경우이다. 상기 "내부" 유동과 기술된 "외부" 유동의 조합은 유동 조건에서 추가 오정합을 감소시킨다.
기술된 발명의 하나의 추가 실시예에서, 각각의 구성요소는 제 1 열관성을 갖는 적어도 제 1 부분 및 제 2 열관성을 갖는 적어도 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 열관성은 상기 제 2 열관성보다 상당히 높으며, 상기 고용화 열처리에 대해서 상기 노에 부분적으로 감싸진 구성요소들을 배치하기 전에 각각의 구성요소의 제 2 부분은 랩핑제로 감싸진다. 상기 랩핑제, 양호하게는, 세라믹 펠트, 세라믹 울(ceramic wool), 세라믹 직물은 제 2 부분의 열관성을 증가시키고 따라서 구성요소의 제 1 부분 및 제 2 부분 사이의 열적 오정합을 감소시킨다. 세라믹 재료의 열 전도성, 두께, 위치 및 부착 방법은 최상의 결과를 얻기 위해 용이하게 선택될 수 있다.
우수하게 제어된 고용화 열처리 프로세스는 (열 플럭스를 제어하도록 감싸는) 구성요소의 형상 및 조건을 이용하여 그리고 불활성 가스 유동을 인가하는 동안 개시된 방식에서 노에 구성요소를 배치/설치하여 달성된다. 구성요소들은 노에서 거의 동일한 유동 및 열 조건에 종속된다.
냉각/가열은 더욱 효율적 방식으로 제어될 수 있고, 상기 프로세스 변화는 감소되고 따라서 재료 특성(예를 들어, 항복 강도)의 변화는 구성요소와 다른 구성요소에 따라 그리고 구성요소 내에서 특히 냉각 중에 감소되고 최소 필요한 냉각 비율은 두께 섹션에서 달성되지 않아서, 두꺼운 섹션에서 불충분한 재료 특성을 유발한다. 또한, 지역적, 불균일한 냉각 또는 가열 비율에 의해서 유발된 과도한 지역 온도 구배로 인하여, 냉각 중의 플라스틱 변형의 가능성 및/또는 구성요소의 가열 중에 과열의 가능성이 회피되거나 또는 최소화된다.
상기 구성요소들이 불활성 가스 유동 입구 및 불활성 가스 유동 출구를 포함하는 적어도 하나의 드로어 내에 있는 상기 노에 배치되면 유리하다. 복수의 구성요소들은 양호하게는 여러개의 상기 드로어들을 사용하여 분리되고 상기 드로어의 상기 불활성 가스 유동 입구 및 상기 불활성 가스 유동 출구 사이에서 상기 불활성 가스의 압력차가 제어된 유동 상황에 대해서 제공된다.
일 실시예에 따라서, 사용된 드로어들은 고용화 열처리될 상기 구성요소들의 디자인과 적어도 부분적으로 정합되는 전용 내부 디자인을 포함한다.
다른 실시예에 따라서, 고용화 열처리된 상기 구성요소는 임의의 적당한 분리가능한 고정 수단에 의해서 상기 드로어에 고정된다.
본 발명의 추가 실시예에 따라서, 상기 고용화 열처리된 구성요소는 내부 냉각 채널을 갖는 또는 갖지 않는 가스 터빈 구성요소, 양호하게는 터빈 블레이드, 베인 또는 열 차폐물이다.
본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 상기 고용화 열처리된 구성요소들(1)은 단결정(SX) 또는 방향성 고형화(DS) 수퍼 합금, 양호하게는 니켈 또는 코발트계 수퍼 합금으로 제조되고, 또한 종래의 주조(CC) 수퍼 합금, 양호하게는 니켈 또는 코발트계 수퍼 합금으로 제조된 구성요소들에 대해서 사용될 수 있다.
본 발명은 상이한 실시예들에 의해서 그리고 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 루트(제 1 부분) 및 에어포일(제 2 부분)을 갖는 터빈 블레이드의 단순화된 스케치를 도시한다.
도 2는 (종래 기술의) 도 1과 유사한 블레이드를 위한 단순화된 냉각 방식을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 감싸진 에어포일 부분을 갖는 블레이드를 도시한다.
도 4는 터비 기계에서 3개의 터빈 블레이드들의 조립체를 개략적으로 도시한다.
도 5는 노에 설치하기 위한 단순화된 드로어를 도시하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 추가 실시예에 따른 2개의 터빈 블레이드를 갖는 드로어 디자인을 도시한다.
양호한 실시예에 있어서, 본 발명은 불활성 가스 유동을 인가하는 동안 노에서의 구성요소의 특정 배치 및 설치에 의해서 노에서 (열 플럭스를 제어하도록 상기 구성요소의 일부를 감싸서) 고용화 열처리되도록 SX/DX-니켈 또는 코발트계 수퍼 합금으로 제조된 복잡한 구성요소를 조절하는 것의 조합에 기초한다. 종래의 주조(CC), 양호하게는 니켈 또는 코발트계 수퍼 합금으로 제조된 구성요소들은 또한 개시된 방법으로 처리될 수 있다.
고용화 열처리된 구성요소는 양호하게는, 내부 냉각 채널, 양호하게는 낮은 열관성을 갖는 에어포일 부분 및 큰 열관성을 갖는 루트 부분을 구비한 터빈 블레이드, 낮은 열관성을 갖는 에어포일 부분 및 큰 열관성 또는 열 차폐물을 갖는 2 또는 1의 플랫폼 부분들을 갖는 베인을 구비한 가스 터빈 구성요소이다.
도 1은 공지된 종래 기술에 따른 이러한 주조 구성요소(1)의 단순화된 스케치를 도시한다. 도 1의 구성요소(1)는 공지된 종래 기술에 따른 큰 열관성(=루트)을 갖는 제 1 부분(2) 및 낮은 열관성(=에어포일)을 갖는 제 2 부분(3)을 포함하는 터빈 블레이드이다. 에어포일(3)은 팁 섹션(3') 및 후미 에지 섹션(3")을 포함한다. 터보 기계에서의 고온 가스 유동은 화살표(4)로 표시된다. 우수한 기계적 특성을 달성하기 위해 이러한 구성요소(1)를 일반적인 공지된 고용화 열처리하면, 얇은 섹션[제 2 부분(3), 여기서는 낮은 열 질량을 갖는 터빈 블레이드(1)의 에어포일]의 급속 냉각 및/또는 가열과 큰 열 질량을 갖는 두꺼운 섹션[제 1 부분(2), 여기서는 예를 들어, 전나무형 및 블레이드의 측면일 수 있는, 터빈 블레이드(1)의 루트]의 비교적 느린 냉각 및/또는 가열로 인하여, 상기 구성요소에서 불균일한 온도 분포가 유발될 수 있다. 구성요소의 가열 중에 과도한 지역적 온도 구배로 인하여 플라스틱 변형(냉각 중에 우선) 및/또는 과열의 위험성이 있다. 더우기, 냉각 중에 최소 필요한 냉각 비율은 두꺼운 섹션에서 달성될 수 없어서, 두꺼운 섹션(예를 들어, 항복 강도)에서 불충분한 재료 특성을 유발한다. 추가로, 구성요소의 두꺼운 섹션에서의 유지 시간은 필요한 재료 특성을 달성하기에 너무 짧고, 얇은 섹션을 가열할 때에는 두꺼운 섹션보다 일찍 유지 온도에 도달할 위험성이 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 이러한 주조 터빈 블레이드를 위한 단순화된 냉각 방식을 도시한다. 터보 기계의 작동 중에, 구성요소(1)(블레이드)는 냉각 공기(6)에 의해서 냉각된다. 도 2에 따른 터빈 블레이드는 내부 냉각 채널(5)을 포함하고, 상기 내부 냉각 채널은 루트[큰 열관성을 갖는 제 1 부분(2)]로부터 에어포일(3)[낮은 열관성을 갖는 제 2 부분(3)]의 팁 섹션(3')으로 연장되고, 에어포일 내에서 방향을 두번 변경하고 화살표로 표시된 블레이드 팁 냉각을 위한 팁 섹션(3')의 개구들 및 화살표로 표시된 블레이드 후미 에지 냉각을 위한 후미 에지 섹션(3")에 있는 개구를 포함한다. 냉각 공기(6)는 기술된 바와 같이 상기 채널(5)을 통해서 유동한다.
상기 구성요소의 고용화 열처리는 예를 들어, 복잡한 내부 기하학적 형태 및 가능하게는 쉘 몰드 잔여부들을 포함하는 세라믹 코어(7)로 실행되거나 또는 대안으로 코어(7) 및 쉘 몰드 없이 실행된다. 비록, 주조 후에 완전히 개방되지 않아도, 구성요소(1)는 냉각 유동 채널(5)(도 1에 미도시됨)을 제공한다. 만약, 코어(7)가 제거되면, 상기 코어 입구 및 출구 프린트아웃은 유동 채널(5)을 제공한다.
작동 중에[블레이드/구성요소(1)가 터보 기계에 사용될 때], 구성요소(1)는 유사한 이웃 구성요소(1)와 함께 임의의 방향으로의 유동 대 유동을 방지하거나 또는 추출 작업 및 의도된 유동 방향으로의 외부[고온 가스 유동(4)] 채널 대 채널 유동을 형성한다.
도 3은 본 발명의 단순화된 실시예에서 니켈계 수퍼 합금으로 제조되고 감싸진 에어포일[제 2 부분(3)]을 갖는 터빈 블레이드(1)를 도시한다. 제 1 부분(2)[큰 열관성을 갖는 루트]은 추가 재료(8)로 덮히지 않는다. 랩핑제(8), 예를 들어, 세라믹 펠트, 세라믹 울 또는 세라믹 직물은 제 2 부분(3)의 열관성을 증가시키고 열처리 중에 구성요소에 대한 온도 분포를 균일화한다. 결과는 재료(8)의 선택 두께, 그 열 전도성, 열 용량, 위치 및 부착 방법에 따라 좌우된다.
도 4는 터보 기계에서 3개의 터빈 블레이드[3개의 구성요소(1)]의 조립체를 개략적으로 도시한다. 각각의 3개의 이웃 구성요소들은 루트[큰 열관성을 갖는 제 1 부분(2)] 및 에어포일[낮은 열관성을 갖는 제 2 부분(3)]을 포함한다. 이들 사이에는 반복되는 목부 영역(13)이 있다. 구성요소(1)는 [터보 기계의 다른 부분들과함께] 기계에 조립될 때 고온 가스 유동 채널을 제공한다.
사시도에서, 고용화 열처리 노에서 설치하기 위한 단순화된 드로어(10)가 도 5에 도시된다. 드로어(10)는 불활성 가스 유동 입구(11) 및 불활성 가스 유동 출구(12)를 포함한다. 여러개의 이러한 드로어(10)는 노에 설치될 수 있고 복수의 구성요소(1)는 여러개의 상기 드로어(10)를 사용하여 분리된다. 제어된 유동 상황에 대해 제공된 드로어(10)의 불활성 가스 유동 입구(11) 및 불활성 가스 유동 출구(12) 사이에는 불활성 가스의 압력차가 존재한다. 또한, 구성요소(1)[도 5에는 미도시됨]의 내부 냉각 채널(5)의 불활성 가스 유동 입구(11) 및 불활성 가스 유동 출구(12) 사이에 있는 불활성 가스의 압력차는 제어된 유동 상황에 대해서 제공된다.
개시된 고용화 열처리 방법은 터보 기계의 금속 구성요소들(1)을 제조하기 위해 사용되고, 상기 구성요소들(1)은 제조 후에 상기 터보 기계에 조립될 때 고온 가스 유동 채널을 제공하고, 상기 구성요소들(1)은 노에서 시간-온도-사이클에 종속된다. 상기 방법은 다음 단계 즉,
- 상기 터보 기계에 있는 구성요소 조립체와 동일한 원리로 상기 구성요소들(1)을 상기 노에 배치하지만, 이웃 구성요소들(1) 사이에 유동 영역들 및 갭들(9)을 남겨두는 단계, 그 다음
- 상기 시간-온도-사이클을 개시하는 단계, 그리고
- 고용화 열처리 프로세스 중에 불활성 가스를 인가하여, 상기 불활성 가스가 특히 급속 냉각 및 가열 단계 중에 상기 고용화 열처리 프로세스에서 임의의 시간에 균일 온도를 달성하기 위해 상기 유동 영역들 및 갭들(9)을 통해서 유동하는 단계를 포함한다.
이러한 "외부" 불활성 가스 유동은 노 내에서 유동 조건들에서의 오정합을 감소시켜서, 처리된 구성요소(1)의 더욱 균일한 온도 분포 및 그에 따른 개선된 기계적 특성이 얻어진다. 이는 예를 들어, 세라믹 코어(7)를 내부에 갖는 주조 구성요소(1)가 고용화 열처리될 때 적용가능하다.
본 발명의 추가 장점은 구성요소(1)가 기술된 방법에 따라서 고용화 열처리될 때 구현되고, 상기 구성요소(1)는 적어도 하나의 내부 냉각 채널(5)을 포함하여, 노에서 고용화 열처리 프로세스 중에 불활성 가스를 인가하는 동안, 상기 불활성 가스는 또한 내부 채널(5)을 통해서 흐른다. 이는 예를 들어, 구성요소의 주조 프로세스에 사용되는 세라믹 코어(7)가 제거되고, 그에 의해서 이러한 내부 냉각 채널(5)을 제조하는 경우이다. 이러한 "내부" 유동과 기술된 "외부" 유동의 조합은 유동 조건에서 오정합들을 추가로 감소시킨다.
기술된 발명의 일 실시예에서, 각각의 구성요소(1)는 제 1 열관성을 갖는 적어도 제 1 부분(2) 및 제 2 열관성을 갖는 적어도 제 2 부분(3)을 포함하고, 상기 제 1 열관성은 상기 제 2 열관성보다 상당히 높으며, 상기 고용화 열처리에 대해서 상기 노에 부분적으로 감싸진 구성요소들을 배치하기 전에 각각의 구성요소(1)의 제 2 부분(3)은 랩핑제(8)로 감싸진다. 상기 랩핑제(8)는 양호하게는, 세라믹 펠트, 세라믹 울 또는 세라믹 직물은 상기 제 2 부분의 열관성을 증가시킨다. 세라믹 재료의 열 전도성, 두께, 위치 및 부착 방법은 최상의 결과를 얻기 위하여 용이하게 선택될 수 있다.
상술하고 도 5에 도시된 바와 같이, 드로어(10)에 배열된 구성요소(1)를 갖는 드로어(10)는 양호하게는 노에 사용된다. 드로어는 노에서의 제어된 유동 상황을 허용한다.
도 6은 본 발명의 추가 실시예에 따른 2개의 터빈 블레이드[구성요소(1)]를 갖는 드로어 디자인을 상세하게 도시한다. 노/드로어에서 구성요소의 배치는 작동 중에 터보 기계에서의 구성요소 조립체와 동일한 원리로 배열되어야 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 사용된 드로어(10)는 고용화 열처리될 구성요소(1), 예를 들어 주조 구성요소의 디자인과 정합되는 전용 내부 디자인을 포함한다. 복수의 구성요소(1)는 여러개의 상기 드로어(10)에 의해서 분리될 수 있다. 각각의 상기 구성요소(1)는 임의의 적당한 분리가능한 고정 수단(14)에 의해서, 예를 들어, 금속 와이어 또는 블록에 의해서 드로어(10)에 고정되고, 금속 블록에 대해서, 구성요소(1)에 대한 확산 접합을 회피하는 세라믹 계면 부재가 제공되어서, 노 이동 중에 비의도적인 이동이 불가능하게 된다. 각각의 구성요소 유형은 주조 구성요소와 정합될 곳 전용 드로어(got dedicated drawer)를 가진다. 각각의 구성요소 유형은 구성요소의 균일한 열관성이 달성되는 방식으로 목부(13), 유동 영역 및 갭들(9) 및 불활성 가스 디자인을 포함하고 따라서 프로세스 변화는 감소되고 기계적 특성의 변화, 예를 들어, 한 구성요소에서 다른 구성요소로 또는 구성요소 내에서의 항복 강도는 감소되고 회피된다. 드로어(10)는 고온 가스 경로의 사용을 보장하고 냉각 유동 경로가 사용된다.
드로어(10)는 모든 구성요소(1)가 유사한 불활성 가스 유동을 얻는 것을 보장한다. 외부 에지 상의 구성요소에 대해서, 고정구 측벽은 구성요소의 압력측/흡인측과 정합될 필요가 있다. 제어된 유동 상황에 대해서 제공된 드로어(10)의 불활성 가스 유동 입구(11) 및 불활성 가스 유동 출구(12) 사이에는 불활성 가스의 압력차가 존재한다.
내부 냉각 채널(도 6에는 미도시)은 상술한 장점을 갖는 추가 불활성 가스 유동을 제공한다. 또한, 구성요소(1)의 에어포일[제 2 부분(3)]을 랩핑제[역시 도 6에는 미도시]로 감싸면, 에어포일 및 루트 사이의 열관성의 오정합을 추가로 상당히 제한하고 따라서 온도의 추가 균일성에 기여한다. 랩핑제(8)는 유동 경로를 유지하기 위해 에어포일을 가로지르는 균일 두께가 선호된다.
구성요소(1)의 제 1 부분 및 제 2 부분 사이의 열 오정합이 크지 않은 경우에는, 고용화 열처리 중에 구성요소(1)의 부분들을 물론 감쌀 필요가 없다. 이러한 경우에, 독립 청구항 1에 개시된 방법 또는 종속 청구항 2에 개시된 방법은 구성요소들에 적용되어야 한다.
개시된 방법에 의해서, 구성요소들이 노에서 거의 동일 유동 및 열적 조건에 놓이므로, 재료 특성[예를 들어, 항복 강도]의 변화는 한 구성요소에서 다른 구성요소로 그리고 구성요소 내에서 감소될 수 있다.
1. 구성요소, 예를 들어, 터빈 블레이드, 베인, 열 차폐물
2. 제 1 부분, 예를 들어, 루트
3. 제 2 부분, 예를 들어, 에어포일
3'. 에어포일의 팁 섹션
3". 에어포일의 후미 에지 섹션
4. 터보 기계에서 고온 가스 유동
5. 내부 냉각 채널
6. 냉각 공기
7. 코어[세라믹 재료로 제조됨]
8. 랩핑제, 예를 들어, 세라믹 펠트
9. 갭
10. 드로어
11. 불활성 가스 유동 입구
12. 불활성 가스 유동 출구
13. 목부 영역
14. 고정 수단

Claims (13)

  1. 터보 기계의 금속 구성요소들(1)을 제조하기 위한 고용화 열처리 방법으로서, 상기 구성요소들(1)은 제조 후에 상기 터보 기계에 조립될 때 고온 가스 유동 채널을 제공하고, 상기 구성요소들(1)은 노에서 시간-온도-사이클에 종속되는, 상기 고용화 열처리 방법에 있어서,
    - 상기 터보 기계에 있는 구성요소 조립체와 동일한 원리로 상기 구성요소들(1)을 상기 노에 배치하지만, 이웃 구성요소들(1) 사이에 유동 영역들 및 갭들(9)을 남겨두는 단계, 그 다음
    - 상기 시간-온도-사이클을 개시하는 단계, 그리고
    - 상기 고용화 열처리 프로세스 중에 불활성 가스를 인가하여, 상기 불활성 가스가 상기 고용화 열처리 프로세스에서 임의의 시간에, 특히 급속 냉각 및 가열 단계 중에 균일 온도를 달성하기 위해 상기 유동 영역들 및 갭들(9)을 통해서 유동하는 단계를 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구성요소들(1)은 적어도 하나의 내부 냉각 채널(5)을 포함하여, 상기 고용화 열처리 프로세스 중에 상기 불활성 가스를 인가하는 동안, 상기 불활성 가스는 또한 상기 내부 채널(5)을 통해서 유동하는, 고용화 열처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 구성요소(1)는 제 1 열관성을 갖는 적어도 제 1 부분(2) 및 제 2 열관성을 갖는 적어도 제 2 부분(3)을 포함하고, 상기 제 1 열관성은 상기 제 2 열관성보다 상당히 높으며,
    상기 고용화 열처리에 대해서 상기 노에 부분적으로 감싸진 구성요소들(1)을 배치하기 전에 각각의 구성요소(1)의 상기 제 2 부분(3)을 랩핑제(8)로 감싸서, 상기 랩핑제(8)는 상기 제 2 부분(3)의 열관성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 랩핑제(8)는 세라믹 펠트, 세라믹 울(ceramic wool), 세라믹 직물의 그룹 중 하나인 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구성요소들(1)은 불활성 가스 유동 입구(11) 및 불활성 가스 유동 출구(12)를 포함하는 적어도 하나의 드로어(10) 내에 있는 상기 노에 배치되는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    복수의 구성요소들(1)은 여러개의 상기 드로어들(10)을 사용하여 분리되는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 드로어(10)의 상기 불활성 가스 유동 입구(11) 및 상기 불활성 가스 유동 출구(12) 사이에서 상기 불활성 가스의 압력차가 제어된 유동 상황에 대해서 제공되는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 구성요소(1)의 내부 냉각 채널(5)의 불활성 가스 유동 입구(11) 및 불활성 가스 유동 출구(12) 사이에서 상기 불활성 가스의 압력차가 제어된 유동 상황에 대해서 제공되는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 사용된 드로어들(10)은 고용화 열처리될 상기 구성요소들(1)의 디자인과 적어도 부분적으로 정합되는 전용 내부 디자인을 포함하는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구성요소(1)는 임의의 적당한 분리가능한 고정 수단(14)에 의해서 상기 드로어(10)에 고정되는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고용화 열처리된 구성요소(1)는 가스 터빈 구성요소, 양호하게는 터빈 블레이드, 베인 또는 열 차폐물인 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구성요소들(1)은 종래의 주조(CC) 수퍼 합금, 양호하게는 니켈 또는 코발트계 수퍼 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구성요소들(1)은 단결정(SX) 또는 방향성 고형화(DS) 수퍼 합금, 양호하게는 니켈 또는 코발트계 수퍼 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고용화 열처리 방법.
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