KR20170117891A

KR20170117891A - 특징들의 실질적인 저하 없이 니켈 초합금들의 와이드 갭들을 브레이징하는 방법들

Info

Publication number: KR20170117891A
Application number: KR1020170048093A
Authority: KR
Inventors: 제랄드 제이. 브룩
Original assignee: 지멘스 에너지, 인코포레이티드
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2017-10-24
Also published as: CN107414224A; KR20180111752A; EP3231548A1; US9839980B2; CN107414224B; KR102011919B1; US20170297147A1; EP3231548B1

Abstract

니켈 베이스 초합금들 ― 일부 실시예들에서 이전에 개발되어 이들의 내부식성을 위해 사용되었던 5 % 내지 7 %의 Fe를 포함함 ― 은 또한 터빈 엔진 블레이드들 및 베인들, 열 교환기들, 용기들 및 배관을 형성하기 위해서 사용되는 것들과 같은 초합금 기재들의 보수 또는 결합시에 브레이즈 필러로서 사용하기에 바람직한 특성들을 소유한다. 특히, 이러한 내부식성 니켈 베이스 초합금들은 기재의 브레이즈 구역 전체에 유리한 재료 특징들을 보존하는 초합금 기재들에서 1 mm 초과의 갭들의 와이드 갭 브레이징에 유리한 특징들을 갖는다.

Description

특징들의 실질적인 저하 없이 니켈 초합금들의 와이드 갭들을 브레이징하는 방법들 {METHODS OF BRAZING WIDE GAPS IN NICKEL BASE SUPERALLOYS WITHOUT SUBSTANTIAL DEGREDATION OF PROPERTIES}

본 발명은, 일반적으로, 금속들, 합금들 및 초합금들의 제작 또는 보수에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 니켈 베이스 초합금들(nickel base superalloys)의 브레이징(brazing)에 관한 것으로, 가장 구체적으로는, 브레이징 합금 재료들을 사용하는 니켈 베이스 초합금들의 와이드 갭들(wide gaps)의 브레이징 및 브레이즈(braze)의 구역에서의 특징들의 실질적 저하(degradation)를 유발하지 않는 절차들(procedures)에 관한 것이다.

본원에 설명된 실시예들은 일반적으로, 다른 컴포넌트(component) 적용들 중에서도, 터빈 엔진 디퓨저들(turbine engine diffusers), 블레이드들(blades) 및 베인들(vanes), 열 교환기들(heat exchangers), 내부식성 용기들(corrosion-resistant vessels) 및 배관(piping)의 구성에 사용되는 것과 같은 금속들, 합금들 및 초합금들의 제작, 보수 또는 이러한 양자 모두에 관한 것이다. 표현의 경제성을 위해, 본원은 이러한 모든 컴포넌트 형성 재료들을 "합금들"로 지칭하며, 문맥상 어떤 재료 또는 재료들이 의도되는지 명확하다. 이러한 합금들의 제작 또는 보수에 있어서 2 피스들(pieces)의 합금을 결합하거나, 균열을 보수하거나, 합금의 공동(void), 갭(gap) 또는 중공(hollow)을 채우는 것이 종종 필요하다. 본원은 언어의 경제성을 위해, 이러한 모든 활동들을 "보수" 또는 "합금의 보수"로 지칭한다. 브레이징이 일반적으로 컴포넌트의 기재(substrate)(또한, 베이스(base) 금속, 베이스 합금 또는 베이스 초합금으로 지칭됨)를 형성하는 베이스 재료로서 단일 유형의 합금의 브레이징을 포함하지만, 브레이징 기술들은 본질적으로 베이스 재료의 단일 조성으로 제한되지 않으며, 본원에서 설명된 실시예들도 그렇게 제한되지 않는다. 당 분야에서 공지된 바와 같이, 이종 합금들(dissimilar alloys)이 종종 브레이징에 의해 결합된다. 본원에 설명된 브레이징 재료들의 조성들의 범위는, 고려중인 특정 이종 합금들이 결합될 수 있는지의 여부를 학습하기 위해서 일상적인 실험을 허용한다. 언어의 경제성을 위해, 본원은, 컴포넌트 기재를 형성하는 단일 유형의 합금을 브레이징하는 것을 본원에서 설명하며, 이에 의해, 이종 합금들의 결합이 일상적인 시험에 의해 결정될 수 있기 때문에 본질적으로 배제되지 않는다는 것이 이해된다.

합금들을 보수하기 위한 보편적인 방법들은 추가된 필러 재료(filler material)를 이용하거나 이용하지 않는 용접(welding), 브레이징(brazing) 및 솔더링(soldering)을 포함한다. 용접은 베이스 재료의 구역을 용융시키는 것을 포함하는 반면, 브레이징 및 솔더링은 일반적으로 주변 합금을 용융시키지 않고 필러 재료만 용융시키는 것을 포함한다. 브레이즈 필러(braze filler) 재료는 브레이즈 필러, 브레이즈 필러 재료, 브레이즈 재료 또는 브레이즈 합금으로 구별없이 그리고 상호호환 가능하게(interchangeably) 본원에서 언급된다. "브레이징(brazing)" 프로세스들(processes)에서 필러 재료의 액상선 온도(liquidus temperature)는 전형적으로 약 450 ℃(842 ℉)를 초과하지만, 베이스 금속 기재의 고상선 온도(solidus temperature) 미만인 것으로 식별하는 것이 통상적이다. 본원은, 액상선 온도가 모든 액상(all-liquid phase)과 고체 및 액체 양자 모두를 포함하는 상 사이의 경계를 나타내고 고상선 온도가 모든 고상과 액체 및 고체를 포함하는 상 사이의 경계를 나타내는 종래의 용어를 따른다. 솔더링은 약 450 ℃ 미만에서 용융하는 필러 재료들의 사용과 관련된다. 본원의 주요 초점은 브레이징(brazing)과 관련된다.

편평한 또는 상보적인 표면들(surfaces)(이를 테면, 성형 피스들(shaped pieces)의 대향 벽들 또는 일부 균열들의 대향 면들(faces))의 브레이징에 의한 결합은, 전형적으로는 약 1 mm 미만, 종종 약 0.1 mm 두께인, 결합될 표면들 사이의 브레이징 재료의 박층(thin layer)만으로 종종 달성될 수 있다. 이러한 얇은 브레이즈 조인트(joint)는 일반적으로 주위의 베이스 합금의 특징들과 유사한 특징들을 갖는다. 즉, 그러한 얇은 브레이즈 조인트의 기계적 특징들, 내식성, 고온 성능 뿐만아니라 다른 특징들은, 전형적으로, 주위의 베이스 합금 기재의 특징들과 현저하게 상이하지는 않다. 예컨대, 이러한 거의 일치하는 특징들은 붕소와 같은 융점 억제제(melting point suppressant)의 소량의 추가에 의해서만 변형되는 베이스 금속과 동일한 조성을 갖는 브레이즈 필러 재료들을 종종 사용하는 단 범위 확산 브레이징(short range diffusion brazing)에 의해서 얻어질 수 있다. 이러한 경우들에, 확산 브레이징은 베이스 금속 조성 및 특징들과 사실상 일치하는 브레이즈 필링(filling)을 유발할 수 있다.

다른 한편, 많은 브레이징 프로세스들은 브레이즈 필러 재료가 약 1 mm보다 더 큰(때로는, 훨씬 더 큰) 갭(gap)을 가로지르거나(span), 베이스 합금에서 실질적인 갭(gap), 공동(void) 또는 중공(hollow) ― 이하, "와이드 갭(wide gap)" ― 을 채우는 것을 요구한다. 이러한 경우들에, 브레이징된(brazed) 구역은 일반적으로 기계적 특징들, 내부식성, 고온 특징들 및 베이스 합금의 특징들(이하, 일반적으로 "기재 특징들"로 지칭됨) 보다는 오히려 브레이즈 재료의 특징들과 유사한 다른 특징들을 취한다. 베이스 금속의 특징들과 실질적으로 일치하는 특징들을 획득하기 위한, 브레이즈 재료의 이러한 와이드 갭으로부터 융점 억제제의 장 범위 확산(long range diffusion)은 정상적으로 달성될 수 없다. 따라서, 브레이징된 부분에서 그리고 이와 인접한 이러한 합금 기재의 성능의 현저한 저하가 바람직하지 않은 결과이다. "가장 약한 링크(weakest link)" 표준 하에서, 이러한 브레이징된 구역을 포함하는 컴포넌트의 전반적인 성능이 현저하게 저하될 가능성이 있다. 이러한 이유들로, (특히, 와이드 갭들에 대한) 브레이징 보수는 일반적으로 비-구조적 보수, 즉, 브레이징된 구역 전체에 걸쳐 원하는 특징들을 유지하지 못하는 보수로 고려된다. 전형적인 종래의 브레이즈 재료들은 일반적으로 베이스 금속의 특징들보다 현저히 낮은, 때로는, 베이스 금속 특징들의 약 70 % 미만인, 재료 구조적 특징들을 갖는다.

하나의 공지된 브레이즈 재료 제형 접근법(formulation approach)은, 적절한 브레이징 재료를 획득하기 위해 적절한 변형들로 브레이즈 필러를 제형화하기(formulating) 위한 출발점으로서 베이스 재료 자체를 사용하는 것이다. 예컨대, 브레이징 프로세스는 브레이즈 재료가 베이스 재료보다 낮은 온도에서 용융하고, 보다 정확하게는, 브레이즈 필러의 액상선이 베이스 재료의 고상선 미만인 것을 요구한다. 따라서, 융점 억제제들은 융점이 저하된(depressed) 상태에서 브레이즈 필러 재료를 제조하기 위해서 베이스 재료에 추가될 수 있다. 예컨대, 붕소(B)는, 때로는, 베이스 금속에 가까운 특징들(near base metal properties)을 획득하려는 시도로 초합금들의 확산 브레이징시 브레이즈 재료 융점들을 저하시키는데 사용된다. 그러나, 후앙(Huang)(미국 특허 8,197,747)에 의해 주목된 바와 같이, 붕소는 조인트(joint) 또는 보수된 영역(area) 내의 다른 합금 원소들(alloying elements)과 함께 취성 경질상들(brittle hard phases)을 형성하는 경향이 있어서, 결합 또는 보수된 구역 내에서 베이스 재료의 연성(ductility), 피로 수명(fatigue life) 및 내부식성(corrosion resistance) 특징들을 감소시킨다.

원하는 융점 억제를 획득하기 위해 하프늄(hafnium)(Hf)을 추가하지만, 취성을 회피하기 위한 노력으로 낮은 붕소(B) 함량을 갖는 니켈(nickel)(Ni) 기반 브레이즈 합금들이 제안되었다(예컨대, 지앙(Jiang) 등에 의한 미국 특허 7,156,280 참조). 이러한 브레이즈 재료들은 취성의 문제들을 감소시킬 수 있지만, 이 문제들을 제거하지 않아서 추가 개선이 바람직할 것이다. 또한, 이러한 합금들은 종종 다른 단점들을 도입한다. 예컨대, 모두 붕소가 없는 니켈-하프늄-크롬(chromium)(Ni-Hf-Cr), 니켈-하프늄-코발트(cobalt)(Ni-Hf-Co) 및 니켈-하프늄-몰리브덴(molybdenum)(Ni-Hf-Mo)의 합금들은, 부시케(Buschke) 등에 의한 "New Approaches for Joining High-Temperature Materials"(Proceedings from Materials Conference '98 on Joining Advanced and Specialty Materials, pp. 51-55, 12-15 October 1998, Rosemont, Illinois, by M. Singh, J. Indacochea, D. Hauser Eds.) (ASM International, Materials Park, Ohio 44073-0002에 의해 발행됨)으로 제안되었다. 그러나, 이러한 합금들은 통상 추가적인 단점들을 갖는다. 예컨대, 이러한 브레이징 합금들은 전형적으로 약 1235 ℃ 정도의 비교적 높은 브레이징 온도들을 요구한다. 또한, 브레이징 합금으로부터의 B, Si(규소) 또는 이들 양자 모두의 부재는 합금이 열등한 습윤성(poor wettability)을 나타내는 것을 유발할 수 있다. 즉, 브레이즈 합금이 그의 용융 온도로 가열되거나 그를 초과하여 가열될 때, 결과적인 합금은 전형적으로 결합될 베이스 재료 표면들에 걸쳐 효과적으로 분산(또는 "습윤")되지 않는다.

약 1175 ℃의 고상선 온도를 발생시키기 위해 Cr, Hf, Co, Zr(지르코늄(zirconium)), Ti(티타늄(titanium)) 및 Al(알루미늄(aluminum))을 포함하는 니켈 베이스 무붕소 합금들(boron-free braze alloys)이 또한 제안되고 있다. 즉, 고체 재료가 액화되기 시작하지만, 단지 부분적으로 액화되는 온도(고상선)는 약 1175 ℃이다. 이러한 합금들로 획득 가능할 수 있는 다른 특징들 중에서 기계적 특징들, 브레이즈 습윤성은 정확하게 공지되지 않았지만, 이러한 특징들은 넓은 표면들에 걸친 모세관(capillary) 습윤에 의해 브레이즈 필러의 효과적인 연장 및 와이드 갭 구조적 브레이징 적용들을 위해서는 적합하지 않을 것으로 예상된다.

예컨대, 미그리에티(Miglietti)에 의한 미국 특허 6,520,401에 매우 높은 Hf 또는 Zr 함량을 갖는 무붕소 브레이즈 합금들이 또한 제안되어 있다. 예컨대, 라욱스(Laux) 등에 의한 "Fast Epitaxial High Temperature Brazing of Single Crystalline Nickel Base Superalloys"(Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Transactions of the ASME , Vol. 131, pp. 032102-1--032102-8 (May 2009))에 의해 매우 높은 Mn(망간) 함량을 갖는 다른 합금들이 제안되어 있다. 그러나, 매우 높은 Hf, Zr 또는 Mn을 갖는 것으로 제안된 브레이즈 합금들은 베이스 합금과 실질적으로 조성이 상이하며, 따라서, 베이스 합금의 특징들과는 매우 상이한 특징들을 갖는 것으로 예상된다. 자세하게는, 니켈 베이스 합금들은 Zr의 의도적인 추가없이 또는 전형적으로 0.1 중량 % 미만의 Zr 함량들없이 제형화되었다. 가능한 결정립 미세화(grain refinement)를 목적으로, 즉 재료의 크리프-파단 강도(creep-rupture strength)를 증가시키기 위해 결정립계들(grain boundaries)에서의 연성을 강화 및 개선시키기 위해 약 1.5 중량 %만큼 높은 Zr을 갖는 다른 합금들이 제형화되었다.

따라서, 원래의 베이스 금속 사양들의 70 % 미만인 전술한 컴포넌트 재료 특징들(이는 일부 예시적인 실시예들에서 본원의 표 3에서 식별된 특징들 중 하나 또는 그 초과의 특징을 포함)의 상당한 저하 없이, 와이드 갭(이는 본원에서 설명된 일부 실시예들에서 브레이징 존의 일부 부분에서 1mm 이상임) 및 구조적 보수들을 위해 사용될 수 있는 브레이징 절차들 및 재료들에 대한 당 업계의 요구가 존재한다.

도 1(종래 기술)은 Ni-Si 시스템(system)에 대한 이원계 상태도(binary phase diagram)이다. 이 데이터(data)는 P. Nash 및 A. Nash의 "Ni-Si(Nickel-Silicon) System"(Bulletin of Alloy Phase Diagrams, Vol. 8, No. 1, pp.6-7(1987))을 포함하는 다양한 공개된 소스들(sources)로부터 이용가능하다.
도 2(종래 기술)는 Ni-Cr 시스템에 대한 이원계 상태도이다. 실험 결과들은 K. S. Chan, Y-M. Pan, Y-D. Lee의 "Computation of Ni-Cr Phase Diagram via a Combined First-Principles Quantum Mechanical and CALPHAD Approach"(Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 37A, July 2006, Fig. 1 @ p. 2038)를 포함하는 다양한 공개된 소스들로부터 이용가능하다.

하기 설명을 고려한 후에, 당업자는 본 발명의 교시들이 니켈 베이스 초합금들의 브레이징, 그리고 보다 특히 일부 실시예들에서, 초경합금 컴포넌트들의 제작에 사용되는 니켈 베이스 초합금들에서, 와이드 갭들(전형적으로 1 mm 이상)의 브레이징에 용이하게 활용될 수 있음을 명확하게 인식할 것이다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법들에 의해 생성된 브레이즈 존(zone)은 전술된 니켈 베이스 초합금 재료 특징들의 70 % 이상(예컨대, 다른 것들 중에서 특히, 원래의 컴포넌트 재료의 기계적 및/또는 내부식성 및/또는 고온 성능 특징 사양들의 70 % 이상)을 갖는다. 본원에서 설명된 브레이징 프로세스 실시예들은 베이스 재료의 특징들에 가능한 한 가깝게, 바람직하게는 전술된 베이스 금속 컴포넌트의 특징들의 70 % 이상으로 브레이징된 구역에서의 재료 특징들을 획득하도록 의도된다.

니켈 베이스 초합금들의 브레이징은 가스 터빈들(gas turbines) 및 다른 고온 환경들에서의 적용들에 있어서 중요한 실제적인 문제이다. 논의를 구체화하기 위해서, 주조 니켈(Ni) 베이스 초합금들의 브레이징에 대한 적용들에 집중할 것이며, 이에 의해 본원에서 설명된 접근법들 중 일부가 당업자에게 자명한 바와 같이, 철 기반 초합금들, 코발트 기반 초합금들, 가공된(wrought) 니켈 베이스 초합금들, 스테인리스 강들(stainless steels) 및 세라믹들(ceramics)과 금속 합금들을 포함하는 이종(dissimilar) 조합들과 같은 다른 재료들에 용이하게 적용될 것임을 인식한다. 브레이징이 베이스 금속들의 용융을 수반하지 않고, 따라서 브레이즈 재료가 후속적으로 응고될 때 베이스 재료의 특징들을 희석시키거나, 합금화하거나 또는 다른 방식으로 열화시키지 않기 때문에, 이러한 다양한 재료들에 대한 적용이 가능하다. 물리적으로, 용융된 브레이즈 필러 재료는 인접한 표면들을 습윤시키고(wet) 전형적으로 모세관 작용(capillary action)에 의해 표면들에 걸쳐 유동해야 한다. 응고된 브레이즈 재료의 기계적 특징들은 보수되거나 결합되는 베이스 금속(들)(또는 "기재(들)")의 기계적 특징들과 일치하거나 상보적이어야 한다.

본원에서, 브레이즈 합금으로서 사용하기에 바람직한 특징들의 조합을 각각 갖는 재료들을 인식하였지만, 그 기본 조성은 아주 상이한 목적들을 고려하여(in view) 개발되었다. 이 브레이즈 합금은, 지금까지, Ni 베이스 초합금들 및 가능하게는 다른 베이스 합금들과 함께 사용하기 위한 우수한 후보 브레이즈 재료로서 인정되지 않았다. 예컨대, 본원에서 인식된 브레이즈 합금은 상당량의 철(Fe)을 갖는다. 터빈 엔진 블레이드들 및 베인들과 같은 컴포넌트들을 형성하는데 사용되는 적은(만일 있다면) Ni 베이스 합금들이 의도적인 Fe의 수준들을 가지며, 이에 따라 본원에 설명된 브레이즈 합금이 Ni 베이스 합금 베이스 재료들과 실질적으로 상이한 조성을 갖게 된다. 또한, 본원에 설명된 브레이즈 합금은, Al, Ti 및 Nb(석출 강화(precipitation strengthening)용), Co, Ta, W 및 Re(고용체 강화(solid solution strengthening)용) 뿐만아니라 Hf 및 B(결정립계 강화(grain boundary strengthening)용)를 포함하는, 초합금 브레이징에 중요한 것으로서 당업계에서 일반적으로 고려되는 다수의 다른 원소 구성성분들(elemental constituents)이 결여되어 있다.

본원에서 확인된 브레이징 합금 실시예들은 괄호() 내에 표시된 특히 유리한 연장된 범위들의 조성들과 함께, 실질적으로 표 1 및 표 2에 주어진 값들을 갖는 조성들을 갖는다. 달리 명시하지 않는 한, 모든 백분율들은 중량 %이다.

Cr:	20%	(20% - 22%)
Fe (철):	6%	(5% - 7%)
Si:	5%	(5% - 10%)
Mo (몰리브덴):	2.5%	(1.5% - 10%)
Cu (구리):	2%	(0.2% - 2%)
C (탄소):	0.03% 최대
Ni:	잔부

다른 실시예들에서, 다른 원소들은, 유리하게는, 표 2에 주어진 바와 같이, 표 1의 앞선 원소들과 결합될 수 있다. 표 2의 원소들은 표 2의 다음의 각 항목(entry)에서 주목된 수단에 의해 브레이즈 합금의 성능을 향상시킬 것으로 예상된다.

Al:	0%	(0% - 3%)	(감마 프라임 상의 용이한 형성에 의한 경화용 또는 간단히"감마 프라임 경화")
Ti:	0%	(0% - 7%)	(감마 프라임 경화용)
Co:	0%	(0% - 20%)	(탄화물 및 고용체 강화용)
Ta (탄탈륨 (tantalum)):	0%	(0% - 10%)	(탄화물 및 고용체 강화용)
W (텅스텐 (tungsten)):	0%	(0% - 12%)	(고용체 강화용)
Zr:	0%	(0% - 6%)	(고용체 및 결정립계 강화용)
Hf:	0%	(0% - 1.5%)	(결정립계 강화용)
B:	0%	(0% - 1.0%)	(결정립계 강화용)
Nb (니오븀 (niobium)):	0%	(0% - 1.0%)	(감마 이중 프라임 강화용)
Re (레늄 (rhenium)):	0%	(0% - 0.2%)	(고용체 강화용)
Ni:	나머지

출원인은 상기 주어진 조성 값들이 현장에서의 종래의 이해에 따른 초합금 구조 보수를 위한 양호한 브레이즈 합금일 것으로 예상되지 않을 것임을 제시한다. 당업자가 초합금들의 브레이징을 위해 상기 조성들을 선택하지 않을 것이라는 이유들은 다음을 포함한다:

(a) 사실상 모든 Ni 베이스 초합금들은 추가된 철을 포함하지 않는다.

(b) 사실상 모든 Ni 베이스 초합금들은 표 1의 합금들에 없는 감마 프라임(gamma prime) 형성(이를테면, 알루미늄, 티타늄 또는 양자 모두) 또는 감마 이중(double) 프라임(이를테면, 니오븀(niobium))을 촉진하는 구성성분들을 포함한다.

(c) 상기 주목된 고용체 강화제들(solid solution strengtheners) 및 결정립계 강화제들(grain boundary strengtheners)은 표 1의 본 발명의 브레이즈 합금에는 없다.

(d) 표 1의 본 브레이즈 합금에서 비교적 높은 수준의 Si가 정상적으로 브레이징 동안 취화상들(embrittlement phases)의 형성을 유발하는 것으로 예상될 것이다. 그러나, 표 1의 특정 조성들의 용융 및 응고가 취화하는 상들의 석출을 유발하지 않는다는 결론에 이르는, 공개된 데이터 시트들(sheets)에서 Hastelloy® D-205™로서 공지된 상업적 실시예에 대해 기술된 바와 같이, 이 합금이 용접 가능하다는 것이 공지된다.

표 1에서 설명된 합금들("표 1 합금들")은, 주어진 범위들 내의 특별 실시예들로서, 인디애나주(Indiana), 코코모(Kokomo)의 헤인즈 인터내셔널(Haynes International)에 의해 개발된 시판 제품인 하스텔로이(Hastelloy®)D-205™(이하, "D-205")를 (D-205, 그의 특징들 및 그의 잠재적 용도들을 설명하는 합금 공급자의 공개된 데이터 시트들에서 설명된 바와 같이) 포함한다.

D-205가 고온 취성에 대한 그의 저항 및 내부식성으로 인해 높은 Si-Fe계 합금들보다 바람직한 것으로 생각되는 것이 인식된다. 사실, 데이터 시트들에서 주목되는 바와 같이, 그의 권장된 용도들 중 하나는 황산욕들(sulfuric acid baths)에서 벽 재료용이지만, 이는 그의 내부식 특징들에 있어서 대체 합금들에 의해 능가될 수 있다. 또한, 자명하게, D-205 합금이 더 이상 상업적으로 이용가능하지 않다는 점에 주목된다.

본 출원인은 표 1 및 표 2의 합금들, 특히 합금 D-205의 사용이 본원에 포함된 개시 이전에 유용한 브레이즈 합금으로서 제안되지 않았음을 주목한다. 따라서, 본 출원인은 Ni 베이스 초합금들에 대한 브레이즈 합금으로서의 이러한 유형의 합금의 이점들이 이전에 인식되지 않았으며, 따라서, 본원의 개시가 공지된 재료에 대한 새롭고 신규한 용도라는 것을 정중하게 제안한다. 출원인은 상기 (a) 내지 (d)에 주어진 이유들로, 당해 기술 분야의 선행 교시들이 Ni 베이스 초합금들을 브레이징하기 위해 본원에 개시된 합금들을 사용하는 것을 배제함으로써, 본원의 설명들을 예상치못한 놀라운 결과가 된다는 것을 추가로 제안한다.

표 1 및 표 2 합금들은 브레이즈 합금으로서의 채용에 유용한 속성들을 갖는다. 표 1 및 표 2 합금들의 대표적인 예로서 합금 D-205에 대한 특정 데이터를 인용하는데, 이는 이들 데이터가 공개 소스들에서 용이하게 이용가능하기 때문이다. 브레이즈 합금으로서, D-205는 지금까지 인식되지 않은 수개의 흥미롭고 유용한 속성들(attributes)을 갖는다. D-205의 용융 범위(또는 조성이 공정(eutectic) 조성이라면 단일 용융 온도)는 자명하게 보고되지 않았지만, Hastelloy D로서 공지된 유사한 "자매(sister)" 합금으로부터 용융 온도를 합당하게 추정할 수 있다. Hastelloy D는 또한, 예컨대, Engineering Properties of Nickel and Nickel Alloys, John Everhart (Ed.), Springer Science + Business Media, New York (1971), p.56에서 주어진 바와 같이 구리를 포함하는 높은 규소, 니켈 베이스 합금(다른 원소 구성성분들을 생략하고 Ni-9 % Si-3 % Cu)이다. Hastelloy D의 보고된 용융 온도 범위는 1110 내지 1120 ℃(2030 내지 2048 ℉)(위의 Everhart 인용을 참조)이다.

본원에서 도 1 및 도 2와 같은 이원계 상태도들은 D-205 대 Hastelloy D의 더 높은 Cr 함량(20 % 대 0 %)이 용융 온도를 더 저하시킬 것이지만 더 낮은 규소 함량(5 % 대 9 %)이 용융 온도를 증가시킬 것이라는 점을 제안한다. 아마도 약 60 ℃만큼의 용융 온도의 순수한 증가가 여전히 D-205 합금에 합리적으로 낮은 용융 온도 범위(약 1170 ℃ 내지 약 1180 ℃로 추정됨)를 허용할 것이며 브레이즈 합금으로서의 그의 잠재적 이점들을 제거하지 않을 것이다. 이러한 이유들로 부분적으로는, 본원에 설명된 브레이즈 합금들에 있어서, 크롬이 그 범위의 낮은 단부에서 최소 20 %로 선택되고, 규소가 최소 5 %로 선택된다(이들 각각의 범위들의 양자 모두의 낮은 단부에서). 크롬의 또다른 유리한 속성은 내부식성/내산화성을 제공한다는 것이다. 규소의 또다른 유리한 속성은 우수한 유동성 및 습윤성을 제공한다는 것이다. 그러나, 이들 최소값은 이들 및 다른 컴포넌트들에 의해서 기여되는 다른 유리한 특징들을 현저하게 저하시키지 않으면서 합리적으로 낮은 브레이즈 온도를 제공할 것으로 예상된다.

D-205의 예상되는 낮은 용융 온도 범위는, 합리적인 브레이즈 온도들이 초합금들을 브레이징하는데 사용될 수 있음을 나타낸다. D-205는 약 56 % 연신율(elongation)의 탁월한 연성(밀 어닐링(mill annealed)되는 바와 같이)을 갖는다. 이러한 연성은, D-205가, 다른 용도들 중에서, 와이어(wire), 스트립(strip), 포일(foil) 또는 브레이즈 필러에 편리하게 사용되는 다른 원하는 형상들로 용이하게 인발될(drawn) 수 있음을 나타낸다. D-205의 높은 Cr 함량은 이 함량이 양호한 내산화성을 갖는다는 것을 제안한다. 그의 높은 Si 함량은 이 함량이 양호한 습윤성 특징들을 갖는다는 것을 제안한다. 또한, 데이터 시트들에 나타난 바와 같이, D-205는 양호한 기계적 특징들을 제공하기 위해 시효 경화될(age-hardened) 수 있다. 표 3는 2 개의 전형적인 초합금들인, Mar M 247과 IN 738의 특징들을 시효 경화한 후의 D-205와 비교한다.

특징	Mar M 247	IN 738	D-205 (시효 경화됨)
극한 인장 강도	965 MPa (102%)	1095 MPa (89%)	980 MPa
항복 강도	815 MPa (88%)	950 MPa (76%)	718 MPa
연신율	7%	NA	29%
괄호안의 수치들은 D-205에 의해 제공된 특징의 백분율을 부여함 예컨대, (76%) = (718MPa)/(950 MPa).
MPa (압력의 메가파스칼(MegaPascal). 1 MPa = 145 psi.

표 3의 데이터는 “High Temperature, High Strength, Nickel Base Alloys, No. 393,"(including 1995 supplement, by the Nickel Development Institute, www.nickelinstitute.org) 공개로부터 추출되었다.

D-205가 전형적으로 Mar M 247 및 IN 738 합금들 양자 모두의 인장 강도 및 항복 강도 그리고 Mar M 247의 연성보다 훨씬 우수한 연성(연신율에 의해 측정되는 바와 같음)의 약 70 % 초과를 제공하는 것이 표 3으로부터 명백하다. 출원인은, 일반적으로, 표 1 및 표 2 합금 또는 특히 D-205가 Ni 베이스 초합금들과 함께 사용하기에 양호한 브레이징 합금들일 것이라는 것을 도시하는 본 개시 이전의 어떠한 교시 또는 표시도 인지하지 못한다. Mar M 247 및 IN 738과 같은 초합금들과 비교되는 인용된 브레이즈 합금의 필적하는(70 % 초과) 특징들은 주로 시효 경화에 후속하는 구리 풍부 석출물 강화(copper rich precipitate strengthening)로 인한 것으로 생각된다. 메커니즘(mechanism)은 17-4PH와 같은 구리 포함 석출물 경화 스테인리스 강들(precipitate hardened stainless steels)에서 보고된 이러한 강화와 유사하다. (예컨대, Cr, Fe 및 Mo로부터의) 고용체 강화는 브레이즈 합금의 뛰어난 성능에 또한 기여할 수 있다.

표 1 및 표 2에 주어진 D-205의 조성과 실질적으로 유사한 조성들의 범위는 D-205의 성능과 실질적으로 유사한 성능을 제공할 것으로 예상된다. D-205는 데이터 시트들의 D-205 제조업체에 의해서 언급되는 바와 같은 높은 수준의 내부식성을 제공하도록 제형화되었다. 내부식성 이외의 특징들을 개선하고자 하는 목적으로의 D-205의 조성들에 대한 적당한 조정들이, 브레이즈 합금으로서 우수한 성능을 마찬가지로 제공할 것이라는 점이 예상된다. 예컨대, Si의 양의 조정 또는 Hf의 추가는 브레이즈 합금의 습윤성 특징들을 더욱 개선하고 합금의 융점(melting point)을 수정할 수 있다. 또한, 표 2에서 주목된 Al, Ti 또는 Nb의 추가는 감마 프라임 또는 감마 이중 프라임 상들의 형성(또는 양자 모두)에 의한 합금의 강화를 제공함으로써 상승된 온도들에서 개선된 기계적 특징들을 제공할 것으로 예상될 것이다.

본 발명을 포함하는 다양한 실시예들이 본원에서 상세히 도시되고 설명되어 있지만, 당업자들은 청구된 발명을 여전히 포함하는 많은 다른 다양한 실시예들을 쉽게 창작할 수 있다. 본 발명은 도면들에서 예시되거나 설명에서 제시된 컴포넌트들의 배열 및 구성의 예시적 실시예 상세들로 본 발명의 적용에 있어서 제한되지 않는다. 본 발명은, 다른 실시예들을 취하고 그리고, 다양한 방식들로 실시되거나 실행될 수 있다. 또한, 본원에 사용된 어법(phraseology) 및 기술용어(termiology)는 설명을 위한 것이지 제한으로서 고려되어서는 안된다는 점이 이해되어야 한다. 본원에서 "포함하는", "구비하는" 또는 "갖는" 그리고 이의 변형들의 사용은, 이후에 기재된 아이템들(items) 및 그의 등가물들 뿐만아니라 추가의 아이템들을 포함해야 하는 것으로 의도된다.

Claims

Ni 베이스(base) 초합금 기재(superalloy substrate)의 갭(gap)을 브레이징(brazing)하는 방법으로서,
중량 %로 실질적으로 하기 조성:
Cr : 20 % 내지 22 %;
Fe : 5 % 내지 7 %;
Si : 5 % 내지 10 %;
Mo : 1.5 % 내지 10 %;
Cu : 0.2 % 내지 2 %; 및
C : 최대 0.03 %을 갖는 브레이즈 합금(braze alloy)을 제공하는 단계 ― 상기 브레이즈 합금의 잔부는 Ni임 ―;
상기 브레이즈 합금을 상기 기재의 갭에 전달하는 단계;
1180 ℃ 보다 낮은 온도 또는 브레이즈 합금의 액상선 온도(liquidus temperature)보다 높지만 상기 기재의 고상선 온도(solidus temperature)보다 낮은 온도에서 내부에 상기 브레이즈 합금을 갖는 상기 갭을 브레이징하는 단계; 및
상기 브레이즈 합금을 응고시킴으로써 브레이즈 존(braze zone)을 생성하는 것을 허용하는 단계를 포함하는,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 브레이즈 합금은 중량 %로 실질적으로 하기 조성:
Cr : 20 %;
Fe : 6 %;
Si : 5 %;
Mo : 2.5 %;
Cu : 2 %; 및
C : 최대 0.03 %을 가지며,
상기 브레이즈 합금의 잔부는 Ni인,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이즈 합금에서 대략 3 % 미만의 Al의 양을 더 포함하는,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이즈 합금에서 대략 7 % 미만의 Ti의 양을 더 포함하는,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이즈 합금에서 대략 1.5 % 미만의 Hf의 양을 더 포함하는,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이즈 합금에서 대략 1.0 % 미만의 Nb의 양을 더 포함하는,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이즈 합금에서 대략 6 % 미만의 Zr의 양을 더 포함하는,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이즈 합금에서 대략 1 % 미만의 B의 양을 더 포함하는,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 갭은 와이드 갭(wide gap)인,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 와이드 갭은 상기 갭의 적어도 일부분에 대해 폭이 적어도 1 mm인,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 브레이즈 존의 하기 특징들: 최대 인장 강도(ultimate tensile strength), 항복 강도(yield strength), 연신율(elongation) 또는 내식성(corrosion resistance) 중 적어도 하나는, 상기 Ni 베이스 초합금의 대응하는 특징의 적어도 70 %인,
Ni 베이스 초합금 기재의 갭을 브레이징하는 방법.