KR20180051617A - 구조적 브레이즈 테이프 - Google Patents

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KR20180051617A
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카짐 오즈바이살
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

초합금 재료들로 유용한 브레이즈 테이프(12)가 제공된다. 일 실시예에서, 테이프는 양면 접착 테프론® 테이프(46)의 층(18)에 의해 함께 접합된, 결합제(24)에 초합금 분말(22)을 함유하는 층(14), 그리고 결합제에 붕소 비함유 및 실리콘 비함유 브레이즈 재료 분말(32)을 함유하는 층(16)을 포함한다.

Description

구조적 브레이즈 테이프
본 발명은 예들로서 Ni-Cr-Ti 또는 Ni-Zr-Ti 또는 Ni-Cr-Zr-Ti의 층을 갖는 테이프(tape)들을 포함하는, 초합금 재료로 형성된 가스 터빈 엔진(gas turbine engine) 구성요소들과 함께 사용하기에 적절한 구조적 브레이즈(braze) 테이프에 관한 것이다.
니켈(nickel)계 또는 코발트(cobalt)계 초합금 재료들을 갖는 것들을 포함하는 가스 터빈 엔진 구성요소들의 생성 및 수리에서, 브레이즈 재료들이 사용될 수 있다. 예컨대, 손상이 발생한 구성요소에 브레이즈 포일(foil), 슬러리(slurry), 또는 브레이즈 테이프 등이 적용될 수 있다. 브레이즈-수리된 구성요소를 생성하기 위해, 조립체는 가열되며, 이후, 냉각된다. 그러나, 종래의 붕소 또는 실리콘(silicon) 브레이즈 수리들은, 본래 구성요소의 구조적 강도와 비교할 때 비교적 더 낮은 구조적 강도를 갖는 것으로 알려져 있다. 이는, 브레이즈 합금들의 조성에 부분적으로 기인한다. 그 외에도, 슬러리가 사용될 때, 이 슬러리의 비결정질 성질에 기인하여, 수리 영역의 치수 제어가 어렵다. 결과적으로, 개선을 위한 여지가 기술분야에 남아 있다.
본 발명은 다음을 도시하는 도면들을 고려하여 다음의 설명에서 설명된다:
도 1은 본원에서 개시된 구조적 브레이즈 테이프의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본원에서 개시된 구조적 브레이즈 테이프의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본원에서 개시된 구조적 브레이즈 테이프의 대안적인 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본원에서 개시된 구조적 브레이즈 테이프의 대안적인 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본원에서 개시된 구조적 브레이즈 테이프의 대안적인 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
본 발명자는, 니켈계 및 코발트계 초합금들의 수리들을 가능하게 하는 조성을 갖는 구조적 브레이즈 매체(media)를 개발했다. 일부 실시예들에서, 이 조성에는 붕소 및 실리콘, 그리고 그들의 약화 효과(weakening effect)들이 없다. 그 외에도, 이 조성은 브레이징(brazing) 동작 동안 불순물들을 세정하는 플럭싱제(fluxing agent)를 포함하여서, 더 적은 수의 불순물들 및 연관된 취약점들을 갖는 수리된 부품을 생성할 수 있다. 구조적 브레이즈 매체는 포일보다 더 유연한 브레이즈 테이프의 형상을 취할 수 있으며, 이는 슬러리보다 구성요소에 대한 브레이즈 테이프의 더 나은 일치성(conformity) 및 더 많은 응집성(cohesive)을 허용하며, 이는 수리의 더 나은 치수 제어를 가능하게 한다.
도 1은 합금 층(14), 브레이즈 재료 층(16), 및 그 사이의 플럭스(flux) 층(18)을 갖는 구조적 브레이즈 테이프(12)로서 구현된 구조적 브레이즈 매체(10)의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다. 합금 층(14)은 합금(20), 이를테면, 예컨대, 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하며, 합금(20)은 합금 분말(22)로서 구현되거나 또는 당업자들에게 알려진 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 합금 층(14)은 또한, 결합제(24), 이를테면 아크릴(acrylic) 결합제 또는 젤라틴-기반(gelatin-based) 결합제를 포함할 수 있다.
구조적 브레이즈 매체(10)를 테이프로서 구현하는 것은 다른 형태들, 이를테면 덜 유연한 포일이 허용하는 것보다 테이프의 더 많은 양의 컨투어링/쉐이핑(contouring/shaping)을 가능하게 한다. 이는, 포일이 완전히 컨투어링되지(contour) 못할 수 있는 고도로 컨투어링된(contoured) 구성요소들에 구조적 브레이즈 테이프(12)가 적용되어야 할 때 유리하다. 그 외에도, 불가능하지는 않지만, 초합금들을 포일로 형성하기가 어렵다. 그에 따라서, 예시적인 실시예들에서, 합금 층(14)이 초합금을 포함할 때, 테이프가 해결책을 제공한다.
브레이즈 재료 층(16)은, 브레이즈 재료 분말(32)로서 구현될 수 있는(또는 당업자들에게 알려진 임의의 적절한 형태를 취할 수 있는) 브레이즈 재료(30), 및 선택적으로 결합제(24), 이를테면 아크릴 결합제 또는 젤라틴-기반 결합제를 포함한다. 브레이즈 재료 층(16)은 또한, 선택적으로, 부가적인 합금(20), 이를테면 합금 분말(22)을 포함할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 브레이즈 재료 층(16)은 결합제(24)에 브레이즈 재료 분말(32)과 합금 분말(22)의 혼합물(34)을 포함한다. 브레이즈 재료는 실시예들에서 붕소 비함유(boron free)인데, 예컨대 Ni-Cr-Ti, Ni-Cr-Ti-Zr, 또는 Ni-Ti-Zr을 포함하는 브레이즈 재료들의 화학 조성들이다. 적절한 브레이즈 재료들은 미국 특허 출원 공개 번호 US 2014/0007988 A1에서 개시되며, 위의 특허 출원은 본원에 그 전체가 인용에 의해 통합된다. 이들 브레이즈 재료들이 사용될 때, 테이프(12)로 이루어진 브레이즈 접합부(joint)가, 인접한 초합금 기재의 구조적 강도에 근접하는 구조적 강도를 달성할 수 있다. 결과적으로, 본원에서 개시된 구조적 브레이즈 테이프(12)는, 부품들의 단지 표면적인 브레이즈 수리들 이상이 가능하지만, 기본 구성요소(base component)와 유사한 구조적 무결성의 브레이징된(brazed) 구성요소들을 수리 및/또는 생성할 수 있다.
플럭스 층(18)은 플럭스 재료(40) 및 접착제(42)를 포함한다. 플럭스 재료(40)는 최소한도로 플루오라이드(fluoride)를 포함한다. 플루오라이드는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene) 및/또는 폴리비닐테트라플루오라이드(polyvinyltetrafluoride)(그러나, 이들에 제한되지 않음)를 포함하는 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymer)(44)의 일부일 수 있다. 이들 플루오로카본 폴리머들(44) 내의 플루오라이드는 플럭싱제로서의 역할을 하며, 브레이즈 동작을 세정하는 것을 돕는다. 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리비닐테트라플루오라이드 둘 모두가 카본(carbon)과 플루오라이드를 포함하지만, 폴리비닐테트라플루오라이드는 부가적으로, 하이드로겐(hydrogen)을 포함한다. 플루오라이드와 하이드로겐이 결합하여 하이드로겐 플루오라이드(플루오린화수소산(hydrofluoric acid))를 형성하며, 이 하이드로겐 플루오라이드는 또한, 효과적인 세정제이다. 플럭스 층(18)은 브레이즈 온도보다 더 낮은 온도에서 휘발되며(volatize), 이후, 환경이 냉각됨에 따라 침전될 수 있다. 예컨대, 플럭스 층(18)은 약 화씨 1200 도에서 휘발될 수 있으며, 최고 브레이즈 온도는 대략 화씨 2200 도일 수 있다. 플루오린화수소산의 침전은, 예컨대 브레이즈 오븐(oven) 또는 구성요소 자체의 표면들 상에 침전될 수 있는 임의의 산을 중화시키기 위한 염기의 첨가를 요구할 수 있다. 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리비닐테트라플루오라이드는 소섬유화되지 않은(non-fibrillated) 폴리머들을 갖는 수지로서 구현될 수 있다.
접착제(42)는 당업자들에게 알려진 임의의 접착제, 이를테면, 예컨대, 아크릴 결합제 등일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 플루오로카본 폴리머(44) 및 접착제(42)는 양면 접착 플루오로폴리머 테이프(46), 이를테면 일리노이(Illinois) 레이크 빌라(Lake Villa)의 씨에스 하이드 컴퍼니(CS Hyde Company)(cshyde.com)로부터 구입될 수 있는 양면 접착 테프론(Teflon)® 테이프(PTFE 테이프)의 형태를 취한다.
선택적으로, 합금 층(14)은 플럭스 재료(40), 이를테면 플루오라이드를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 플럭스 재료(40)는 플럭스 분말(50), 이를테면, 예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌 분말 또는 폴리비닐테트라플루오라이드 분말 등으로서 구현될 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 합금 층(14)은 합금 분말(22)과 플럭스 분말(50)의 혼합물(52)을 포함한다.
대안적인 예시적인 실시예에서, 합금 층(14)에는 결합제(24)가 없다. 이 예시적인 실시예에서, 합금 층(14)의 두께(54)는, 오직 접착제(42)에 의해 합금 분말(22) 또는 혼합물(52)이 플럭스 층(18)에 고정될 때 달성될 수 있는 두께로 제한된다. 마찬가지로, 대안적인 예시적인 실시예에서, 브레이즈 재료 층(16)에는 결합제(24)가 없다. 이 예시적인 실시예에서, 브레이즈 재료 층(16)의 두께(56)는, 오직 접착제(42)에 의해 브레이즈 재료 분말(32) 또는 혼합물(34)이 브레이즈 재료 층(16)에 고정될 때 달성될 수 있는 두께로 제한된다.
종래에, 분말들은 대략 0.001 인치(inch) 및 그 초과의 두꺼운 직경들로 이용가능할 수 있다. 그에 따라서, 어떤 결합제(24)도 존재하지 않으며, 입자들이 접착제(42)에 부착될 때, 합금 층(14) 및/또는 브레이즈 재료 층(16)은 0.001 인치만큼 얇을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 합금 층(14)의 두께(54)는 0.010 인치 내지 0.040 인치일 수 있다. 브레이즈 재료 층(16)의 두께(56)는 0.010 인치 내지 0.040 인치일 수 있다. 플럭스 층(18)의 두께(58)는 대략 0.010 인치일 수 있다. 이들 치수들이 일부 사례들에서 유익한 것으로 밝혀졌지만, 필요에 따라 다른 치수들이 사용될 수 있다.
구조적 브레이즈 테이프(12) 내에서의 합금 층(14), 브레이즈 재료 층(16), 및 플럭스 층(18)의 상대적 위치는 다른 실시예들에서 상호교환가능하다. 예컨대, 대안적인 예시적인 실시예에서, 합금 층(14)과 브레이즈 재료 층(16)은 서로 인접할 수 있으며, 플럭스 층(18)은 브레이즈 재료 층(16) 또는 플럭스 층(18)에 인접할 수 있다. 도 2는 구조적 브레이즈 테이프(12)로서 구현된 구조적 브레이즈 매체(10)의 대안적인 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 합금 층(14)과 브레이즈 재료 층(16)은 서로 인접하며, 플럭스 층(18)은 합금 층(14)에 인접한다. 플럭스 층이 양면 접착 테이프(46)를 포함하는 경우, 그러면, 이 양면 접착 테이프(46)는 브레이징될(brazed) 기재(미도시)에 고정될 수 있다. 변형에서, 플럭스 층(18)은 브레이즈 재료 층(16)에 인접하게 배치될 수 있다. 하나 또는 하나 초과의 각각의 층이 있을 수 있으며, 층들은 임의의 순서로 구현될 수 있다.
도 3은 합금 층(14), 브레이즈 재료 층(16), 그 사이의 플럭스 층(18), 및 접착제(42)를 갖는 구조적 브레이즈 테이프(12)로서 구현된 구조적 브레이즈 매체(10)의 대안적인 예시적인 실시예를 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 혼합물(52)을 갖는 합금 층(14) 대신에, 합금 분말(22)의 이산 층(62) 위에 배치된 플럭스 분말(50)의 이산 층(60)이 있다. 이들 층들(60, 62)의 상대적 포지션(position)들은 바뀔 수 있으며, 이들 층들(60, 62) 중 하나 또는 둘 모두에 대해 하나 초과의 층들이 있을 수 있다. 유사하게, 혼합물(34)을 갖는 브레이즈 재료 층(16) 대신에, 합금 분말(22)의 이산 층(66) 위에 브레이즈 재료 분말(32)의 이산 층(64)이 있다. 이들 층들(64, 66)의 상대적 포지션들은 바뀔 수 있으며, 이들 층들(64, 66) 중 하나 또는 둘 모두에 대해 하나 초과의 층들이 있을 수 있다.
도 4는 합금 층(14), 브레이즈 재료 층(16), 및 그 사이에서 플루오라이드를 갖는 플럭스 층(18)을 가지는 구조적 브레이즈 테이프(12)로서 구현된 구조적 브레이즈 매체(10)의 대안적인 예시적인 실시예를 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 접착제(42)는 존재하지 않는다. 존재하는 층들은, 이를테면, 예컨대, 3 개의 층들 전부가 마주보는 롤러(roller)들 사이에서 함께 가압되는 기계적 프로세스(process)를 통해, 또는 소결에 의해, 함께 유지될 수 있다.
도 5는 합금 층(14) 및 브레이즈 재료 층(16)을 갖는 구조적 브레이즈 테이프(12)로서 구현된 구조적 브레이즈 매체(10)의 대안적인 예시적인 실시예를 도시한다. 브레이즈 층(16)은 붕소 비함유일 수 있으며, 합금은 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함할 수 있다. 분말들(22, 32, 50)이 결합제(24)로 유지되어, 테이프(12)가 형성될 수 있다.
전술로부터, 본 발명자가, 개선된 구조적 특성들을 갖는 브레이즈를 제공하고, 브레이즈의 개선된 세정을 제공하며, 편리해지고, 형성하기가 쉽고, 그리고 컨투어 형성(contour form)하기가 쉬운 신규한 구조적 브레이즈 테이프를 개발했다는 것이 이해될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 설명 및 도시되었지만, 그러한 실시예들이 단지 예로서 제공된다는 것이 자명할 것이다. 본원 발명을 벗어나지 않으면서, 많은 변형들, 변화들 및 치환들이 이루어질 수 있다. 그에 따라서, 본 발명이 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 브레이즈 테이프(braze tape)(12)로서,
    초합금 재료(22)를 포함하는 제1 층(14);
    브레이즈 재료(32)를 포함하는 제2 층(16); 및
    플루오라이드(fluoride)를 포함하는 플럭스(flux) 재료를 포함하는 제3 층(18)
    을 포함하는,
    브레이즈 테이프(12).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 층은 초합금 재료를 더 포함하는,
    브레이즈 테이프(12).
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 브레이즈 재료는 붕소 비함유(free) 및 실리콘(silicon) 비함유인,
    브레이즈 테이프(12).
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 브레이즈 재료의 화학 조성은 Ni-Cr-Ti, Ni-Zr-Ti, 및 Ni-Cr-Zr-Ti으로 구성된 그룹(group)으로부터 선택되는,
    브레이즈 테이프(12).
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 층은 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 양면 접착 플루오로폴리머(fluoropolymer) 테이프(46)를 포함하는,
    브레이즈 테이프(12).
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 양면 접착 플루오로폴리머 테이프는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)을 포함하는,
    브레이즈 테이프(12).
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 양면 접착 플루오로폴리머 테이프는 폴리비닐테트라플루오라이드(polyvinyltetrafluoride)를 포함하는,
    브레이즈 테이프(12).
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 층은 폴리비닐테트라플루오라이드 분말을 더 포함하는,
    브레이즈 테이프(12).
  9. 브레이즈 테이프로서,
    합금 층;
    브레이즈 재료 층; 및
    상기 합금 층과 상기 브레이즈 재료 층 사이에 배치된, 플루오라이드를 포함하는 플럭스 층
    을 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 플럭스 층과 상기 합금 층 사이의, 그리고 상기 플럭스 층과 상기 브레이즈 재료 층 사이의 접착제
    를 더 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 합금 층은 합금 분말을 포함하며, 상기 브레이즈 재료 층은 브레이즈 합금 분말을 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 브레이즈 재료 층은 브레이즈 합금 분말 및 초합금 분말을 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 플럭스 층 및 접착제를 포함하는 양면 접착 폴리테트라플루오로에틸렌 테이프
    를 더 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 플럭스 층 및 접착제를 포함하는 양면 접착 폴리비닐테트라플루오라이드 테이프
    를 더 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 합금 층은 폴리비닐테트라플루오라이드를 더 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 합금 층은 고온 니켈(nickel)계 초합금을 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  17. 제9 항에 있어서,
    상기 브레이즈 재료 층에는 붕소가 없으며, 상기 브레이즈 재료 층의 화학 조성은 Ni-Cr-Ti, Ni-Cr-Ti-Zr, 및 Ni-Ti-Zr으로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    브레이즈 테이프.
  18. 브레이즈 테이프로서,
    초합금 재료 분말을 포함하는 층 위에 배치된, 붕소 비함유 및 실리콘 비함유 브레이즈 재료 분말을 포함하는 층
    을 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  19. 제18 항에 있어서,
    브레이즈 재료 분말을 포함하는 층과 초합금 재료 분말을 포함하는 층 사이에 배치되고, 상기 브레이즈 재료 분말을 포함하는 층 및 상기 초합금 재료 분말을 포함하는 층에 부착된 양면 접착 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymer) 테이프
    를 더 포함하는,
    브레이즈 테이프.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 브레이즈 재료 분말의 화학 조성은 Ni-Cr-Ti, Ni-Cr-Ti-Zr, 및 Ni-Ti-Zr으로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    브레이즈 테이프.
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