KR20190080903A - 티타늄이 없는 초합금, 분말, 방법 및 구성요소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄이 없는 니켈-기반 초합금(nickel-based superalloy) 또는 상응하는 분말에 관한 것이며, 본 발명에 따른 합금 또는 분말은 매우 용이하게 가공될 수 있으며, 특히 바람직하게는 적층 제작법(additive manufacturing)에서 사용된다.

Description

티타늄이 없는 초합금, 분말, 방법 및 구성요소

본 발명은 티타늄이 없는 초합금(superalloy), 분말, 및 상기 합금 및 분말을 이용하는 제작 방법, 및 구성요소에 관한 것이다.

알로이(Alloy) 247은 고온 터빈 구성요소 분야에서 널리 사용되는 니켈-기반 캐스팅 합금이다. 상기 합금은 높은 γ' 함량 및 그 결과 양호한 크리프(creep) 특성과 함께 양호한 내산화성을 갖는다. 그러나, 캐스트(cast) 상태에서 합금은 분리되는 경향이 있으며, 이로써 유의하게 상이한 γ/γ' 구조가 수지상(dendritic) 영역 및 수지상간(interdendritic) 영역 내에 형성된다. 수지상 영역 내에 존재하는 바와 같은 모폴로지가 바람직하다.

고화(solidification) 동안의 분리로 인해 수지상간 영역 내에 고농도의 γ'-형성 원소, 예컨대 티타늄 (Ti) 및 탄탈럼 (Ta)이 축적되며, 이는 γ' 솔버스(solvus) 온도를 국소적으로 크게 상승시킨다. 이는 후속 용액 열처리에 의해서도 제외될 수 없는데, 그 이유는 수지상간 영역 내의 γ' 솔버스 온도가 너무 높아서 초기 용융(incipient melting) 없이는 용액 열처리가 더 이상 가능하지 않을 수 있기 때문이다.

알로이 247의 전체 조성은 수지상 영역 내에 최적의 구조가 얻어지도록 설계된다. 수지상간 영역 내의 조대화된(coarsened) γ' 침전물은 불가피한 것으로 여겨진다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제를 해결하는 것이다.

적층 공정(additive process)에 의해 알로이 247을 가공하기 위한 제1 시도에서, 최적의 γ/γ' 미세구조는 (캐스트 재료와 동일한) 열처리를 완료한 후에도 얻어지지 않음을 인지하였다. 그 이유는 적층 적용 후에 대체로 균질한 원소 분포가 존재하기 때문이다. 캐스트 재료의 경우 발생하는 바와 같은 분리 효과가 적층 빌드 업 재료의 경우에는 발생하지 않는다. 그러나, 적층 빌드 업 재료 내에 확립된 미세구조는 최적이 아닌 것으로 밝혀졌다. 캐스트 재료와의 비교로부터, γ/γ' 구조는 캐스트 재료 내 전이 영역 (수지상/수지상간) 내의 것과 유사한 것으로 나타났다. 이로부터, 현재 이용되는 알로이-247 합금의 전체 조성 내에 과도하게 높은 비율의 γ'-형성제(former)가 존재하는 것으로 결론지을 수 있다.

지금까지 적층 제작 공정에 있어서, 캐스팅 재료 내에 존재하는 바와 동일한 화학적 조성이 사용되어 왔다. 그러나, 높은 γ' 함량으로 인해, 이와 같은 합금은 대단히 어렵게만 용접될 수 있어, 적층 공정에 의해 가공하기가 어렵다.

상기 목적은 특허청구범위 제1항에 청구된 바와 같은 합금, 특허청구범위 제3항에 청구된 바와 같은 분말, 특허청구범위 제4항에 청구된 바와 같은 방법, 및 특허청구범위 제5항에 청구된 바와 같은 구성요소에 의해 달성된다.

추가의 이점을 달성하기 위해 임의의 방식으로 서로 조합될 수 있는 추가의 유리한 수단이 종속항에 열거되어 있다.

알로이 247의 변경된 조성을 사용할 것을 제안한다. 이 재료는 바람직하게는, 불순물을 제외하고는 티타늄 (Ti)을 전혀 함유하지 않으며, 또한 감소된 비율의 탄탈럼 (Ta) (γ'-형성제)을 갖는다.

아울러, 크로뮴 (Cr)의 비율이 증가되었고, 그리하여 내산화성 및 내부식성이 추가로 개선된다.

주기적인 내산화성을 개선시키기 위해 재료 내로 최대 0.03 중량%의 이트륨 (Y)이 선택적으로 합금될 수 있다.

다음의 조성 범위 (중량% 단위)가 유리하다: Ni: 나머지, Cr: 9-16%, Co: 9-11.5%, W: 6.5-10.5%, Ta: 1-3%, Al: 4-6%, C: 0.03-0,1%, B: 0.005-0.015%, Hf: 0.3-1.5%, Zr: 0.005-0.015%, Y: 0-0.03%.

또한, 하기 범위 (중량% 단위)의 경우에 니켈-기반 초합금에 대해 이점이 얻어진다:

크로뮴 (Cr): 12%-14%,

코발트 (Co): 9.5%-11.0%,

텅스텐 (W): 7.5%-9.5%,

탄탈럼 (Ta): 1.5%-2.5%,

알루미늄 (Al): 4.5%-5.5%,

탄소 (C): 0.04%-0.08%,

붕소 (B): 0.007%-0.01%,

하프늄 (Hf): 0.4%-1.2%,

지르코늄 (Zr): 0.007%-0.01%,

선택적으로 이트륨 (Y): 0.01%-0.03%.

이들 값 (중량% 단위)을 사용할 때 니켈-기반 초합금에 대해 추가의 이점이 얻어진다:

크로뮴 (Cr): 12.5%,

코발트 (Co): 10.5%,

텅스텐 (W): 8.5%,

탄탈럼 (Ta): 2%,

알루미늄 (Al): 5%,

탄소 (C): 0.05%,

붕소 (B): 0.009%,

하프늄 (Hf): 0.5%,

지르코늄 (Zr): 0.009%,

선택적으로 이트륨 (Y): 0%-0.03%.

Ni, Cr, Co, W, Ta, Al, C, B, Hf, Zr 및 선택적으로 Y에 대한 최종적인 합금 열거가 유리하다.

여기서 제안된 재료는 전적으로 신규하다. 그것은 하기 이점과 조합된다:

- 개선된 용접성, 및 그에 따라 수리 과정 내의 침착 용접(deposition welding) 및 적층 공정에 보다 적합함,

- 열처리 창의 확장에 의해 최적화된 γ' 구조, 그 결과 최적화된 내크리프성 (캐스트 미세구조 내의 수지상 영역에서와 같은 γ/γ' 구조가 적층 빌드 업 및 완전한 열처리 후에 확립되어야 함),

- 적층 공정에서의 개선된 경제성,

- 적층 공정에 의한 알로이 247의 경제적인 가공성,

- 개선된 내산화성.

합금으로 구성된 분말은 선택적으로 융점 감소제, 예컨대 갈륨 (Ga), 게르마늄 (Ge), 규소 (Si) 등 및/또는 경질(hard) 재료 입자 또는 세라믹 입자를 포함할 수 있다.

Claims (5)

1. 적어도 (중량% 단위로),
   크로뮴 (Cr): 9%-16%,
   특히 12%-14%,
   특별히 12.5%,
   코발트 (Co): 9%-11.5%,
   특히 9.5%-11.0%,
   특별히 10.5%,
   텅스텐 (W): 6.5%-10.5%,
   특히 7.5%-9.5%,
   특별히 8.5%,
   탄탈럼 (Ta): 1%-3%,
   특히 1.5%-2.5%,
   특별히 2%,
   알루미늄 (Al): 4%-6%,
   특히 4.5%-5.5%,
   특별히 5%,
   탄소 (C): 0.03%-0.1%,
   특히 0.04%-0.08%,
   특별히 0.05%,
   붕소 (B): 0.005%-0.015%,
   특히 0.007%-0.01%,
   특별히 0.009%,
   하프늄 (Hf): 0.3%-1.5%,
   특히 0.4%-1.2%,
   특별히 0.5%,
   지르코늄 (Zr): 0.005%-0.015%,
   특히 0.007%-0.01%,
   특별히 0.009%,
   선택적으로 이트륨 (Y): 0%-0.03%,
   특히 0.01%-0.03%
   를 포함하며, 특히 이들 합금 원소 및 매트릭스로서의 니켈 (Ni)로 이루어진 니켈-기반 초합금(nickel-based superalloy).
2. 제1항에 있어서, 티타늄 (Ti)을 전혀 포함하지 않는 니켈-기반 합금.
3. 적어도 제1항 또는 제2항에 청구된 합금을 포함하고, 특히 제1항 또는 제2항에 청구된 합금으로 이루어진 분말.
4. 제1항 또는 제2항에 청구된 상기한 합금 또는 제3항에 청구된 분말을 사용하는, 구성요소의 제조 방법, 특히 적층 제작, 특별히 선택적 레이저 소결 또는 선택적 레이저 용융을 위한 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 청구된 합금을 포함하거나, 또는
   제3항에 청구된 분말로부터 제조되거나, 또는
   제4항에 청구된 방법에 의해 제조된 구성요소.