KR20200081474A - 용접하기 어려운 재료들을 위한 제조 방법 - Google Patents

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토마스 로렌츠
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Abstract

빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법이 제시된다. 방법은, 기판 상에 재료를 위한 제1 층을 증착시키는 단계 ― 제1 층은 큰 분율로 컴포넌트를 위한 기재 및 작은 분율로 땜납을 포함함 ― , 컴포넌트를 위한 기재의 제2 층을 증착시키는 단계, 및 층 어레인지먼트를 열 처리하는 단계를 포함한다. 열 처리는, 3 시간 초과의 듀레이션 동안 1200 ℃ 초과의 제1 온도에서의 제1 열 사이클, 2 시간 초과의 시간 동안 1000 ℃ 초과의 제2 온도에서의 후속하는 제2 열 사이클, 및 12 시간 초과의 시간 동안 700 ℃ 초과의 제3 온도에서의 후속하는 제3 열 사이클을 포함한다. 제조 컴포넌트가 또한 제시된다.

Description

용접하기 어려운 재료들을 위한 제조 방법
[0001] 본 출원은 일반적으로, 금속 합금과 같은 용접하기 어려운 재료(hard-to-weld material)들을 위한 제조 또는 증착 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 빔-보조 적층 제조 프로세스(beam-assisted additive manufacturing process)에 의해 컴포넌트(component)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
[0002] 일 실시예에서, 재료는, 터보 기계(turbo machine)에서, 예컨대, 가스 터빈(gas turbine)의 흐름 경로에서 사용되는 컴포넌트에 적용된다. 컴포넌트는 블레이드(blade) 또는 베인(vane)일 수 있다. 따라서, 컴포넌트는 초합금 또는 니켈(nickel)계 재료를 포함할 수 있다.
[0003] 적층 제조 기법들은 서비스 레이저 용융(SLM; selective laser melting), 선택적 레이저 소결(SLS; selective laser sintering) 또는 전자빔 용융(EBM; electron beam melting)과 같은 분말 베드(powder bed) 방법을 포함할 수 있다. 레이저 금속 증착(LMD; Laser Metal Deposition) 및 레이저 클래딩(laser cladding) 방법들은 또한 적층 제조 방법들로서 수행될 수 있다.
[0004] 예컨대, 레이저 용접 방법이 WO 2015/150019에서 설명된다.
[0005] 가스 터빈들의 블레이드들은 보통 이들의 의도된 동작 동안 높은 열 하중들에 노출된다. 따라서, 보통 니켈계인 열 저항성이 높은 초합금들은 이러한 컴포넌트들에 필요하다. 석출(precipitation), 시효(age) 또는 분산 경화(dispersion hardening)가 이러한 컴포넌트들에 대한 기본 재료에 적용되었음에도 불구하고, 상기 재료들은 클래딩 또는 증착 프로세스 및/또는 후속 열 처리들 동안 크랙(crack)들이 발생하기 쉽다.
[0006] 언급된 크랙들은 보통 개개의 제조 또는 보수 방법의 용융 풀(melt pool)에서의 액체-고체 계면에서 발생한다. 상기 크랙들은 ― 컴포넌트의 동작 동안 높은 기계적 하중들로 인해 ― 컴포넌트뿐만 아니라 전체 터보 기계에 심각한 손상으로 이어진다.
[0007] 주어진 초합금들로 터빈 블레이드들 및 비교가능한 컴포넌트들을 제조하는 것은 복잡하고 비용이 많이 드므로, 언급된 컴포넌트들의 제조를 추가로 최적화하거나 또는 개선하고, 그것의 수명을 연장시키는 것이 요구된다. 이것은 언급된 적층 프로세스들과 같은 신규한 개선된 제조 방법들에 의해 달성될 수 있다.
[0008] 가스 터빈들에서 동작하는 터빈 블레이드들은 정기적으로 유지 보수 및 재정비되어야(refurbished) 하는 예비 부품들을 구성한다. 재정비를 위해, 주로 블레이드들의 팁(tip)들은 보통 다시 기계 가공되고(machined), 이후에 레이저 용접 또는 레이저 클래딩 방법들에 의해 코팅되어(coated) 재정비 동안 마모된 팁 재료를 재설정한다.
[0009] 터빈 컴포넌트들의 제조 또는 재정비에 대한 주요한 그리고 알려진 단점은 종래의 용접 방법들에 의해 열 저항성이 높은 초합금들을 제조하는 복잡성이다. 용접에 의한 재료 증착이 가능하더라도, 제공된 재료는 종종 예컨대, 기계적 (고온) 강도, 크랙들에 대한 내성, 파열(rupture), 산화(oxidation), 부식(corrosion) 또는 대응하는 피로(fatigue) 측면에서, 요구되는 구조적 재료 속성들이 결여되어 있다. 결국, 특히 양호한 고온 강도 및 가능하게는 심지어 내산화성(oxidation resistance)을 동시에 갖는 재료들을 제공하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 이 재료는 그런 다음, 더이상 용접 기법들에 의해 프로세싱될(processed) 수 없다.
[0010] 특히 높은 분율(fraction)의 금속간 감마(intermetallic gamma)(
Figure pct00001
), 감마 프라임(gamma prime)(
Figure pct00002
) 상(phase)들은 언급된 재료들에 양호한 기계적 강도를 제공하는 데 유리한 것으로 나타났다.
[0011] 본원에서 설명된 바와 같은 제조 방법은, 상향식(bottom-up) 제조 또는 예컨대, LMD와 같은 빔-보조 적층 제조 방법에 의한 사전-제조된 기판 또는 블레이드 루트(blade root)의 상단에의 증착과 관련될 수 있으며, 여기서 연속 레이저 빔은 기재(base material)를 재용융하기 위해 사용될 수 있다. 상기 기재는 대응하는 분말 빔(powder beam) 공급에 의해 제공될 수 있다.
[0012] 본 개시내용의 목적은, 특히 낮은 밀도의 크랙 센터(crack center)들, 또는 크랙들 또는 파열을 나타내는 경향이 있는 초합금 재료를 부가적으로 제공하여, 그에 따라 상기 재료에 개선된 구조적 품질을 제공하고, 동시에 개선된 용접성을 허용하는 것이다.
[0013] 결과적으로, 그러한 터보 기계에 설치된 터보 기계 또는 가스 터빈 컴포넌트들은 더 효율적으로 그리고 가능하게는 적은 유지 보수 또는 서비스 노력들로 작동할 수 있다.
[0014] 간단히 설명하면, 본 개시내용의 양상들은 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법, 이 방법에 따라 제조된 컴포넌트, 및 레이저 금속 증착에 의해 컴포넌트의 구조를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.
[0015] 제1 양상은, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트를 위한 용접하기 어려운 재료를 증착시키거나 또는 빌드업(building up)하는 단계를 포함하는 제조 방법을 제공한다. 방법은 기판 상에 재료를 위한 제1 층을 증착시키는 단계를 포함하며, 제1 층은 큰 분율(major fraction) 또는 우세(predominant) 분율로 컴포넌트를 위한 기재 및 작은 분율로 땜납을 포함한다. 방법은 컴포넌트를 위한 기재의 제2 층을 증착시키는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 층 및 제2 층을 포함하는 층 어레인지먼트(layer arrangement)의 열 처리를 더 포함한다. 열 처리는 2 시간 초과의 듀레이션(duration) 동안 1200 ℃ 초과의 제1 온도에서의 제1 열 가열 사이클(thermal heating cycle)을 포함한다. 제1 온도는 브레이징(brazing) 또는 납땜(soldering) 온도일 수 있다. 열 처리는 적어도 2 시간의 듀레이션 동안 1000 ℃ 초과의 제2 온도에서의 후속하는 제2 열 사이클을 더 포함한다. 제2 온도는 확산 온도일 수 있다. 열 처리는 12 시간 초과의 듀레이션 동안 700 ℃ 초과의 제3 온도에서의 후속하는 제3 열 사이클을 더 포함한다. 제3 온도는 확산-후(post-diffusion) 또는 응력 이완(stress-relaxation) 온도 일 수있다.
[0016] 제2 양상은 컴포넌트를 제공하며, 컴포넌트는 설명된 방법에 따라 제조되거나 또는 제조가능하다. 컴포넌트는 블레이드 또는 베인과 같은 가스 터빈의 고온 가스 경로(hot gas path)에 적용되는 컴포넌트일 수 있다. 설명된 바와 같이, 컴포넌트는 추가로, 복수의 스택된(stacked) 또는 연속적으로 증착된 층들로 구성되거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 따라서, 층들은 증착된 층들 또는 서브층(sublayer)들 각각의 개개의 용접 비드(welding bead)들에 의해, 예컨대, 단면에서 식별될 수 있다.
[0017] 제3 양상은 레이저 금속 증착에 의해 터빈 블레이드 또는 베인과 같은 컴포넌트의 구조를 제조하기 위한 장치를 제공하며, 장치는, 예컨대, 분말 공급에서 스위치(switch)를 통해 복수의 상이한 분말 물질들을 선택적으로 제공하도록 구성되며, 물질들은, 예컨대, 니켈계 초합금 및 위에서 설명된 바와 유사한 땜납 재료들을 포함한다.
[0018] 도 1은 일 실시예에 따른 방법 단계들을 나타내는 층 구조의 개략적 단면 표시를 도시한다.
[0019] 도 2는 상향식 제조 동안 터빈 블레이드 또는 베인의 개략적 표시를 도시한다.
[0020] 도 3은 터빈 블레이드 또는 베인의 적층 보수 또는 재정비 프로세스의 개략적 표시를 도시한다.
[0021] 도 4는 일 실시예에 따른 제조 방법에 따른 방법 단계들을 나타낸다.
[0022] 동일한 엘리먼트(element)들, 동일한 종류의 엘리먼트들 및 동일하게 작용하는 엘리먼트들에는 도면들에서 동일한 참조 번호들이 제공될 수 있다.
[0023] 본 개시내용의 실시예들, 원리들 및 특징들의 이해를 용이하게 하기 위해, 이들은 예시적 실시예들에서의 구현을 참조로 이하에서 설명된다. 그러나, 본 개시내용의 실시예들은 설명된 시스템(system)들 또는 방법들에서 사용되는 것으로 제한되지 않는다.
[0024] 다양한 실시예들을 구성하는 것으로서 이하에 설명되는 컴포넌트들 및 재료들은 제한적이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 본원에서 설명된 재료들과 동일한 또는 유사한 기능을 수행할 많은 적합한 컴포넌트들 및 재료들은 본 개시내용의 실시예들의 범위 내에 포괄되는 것으로 의도된다.
[0025] 제시된 열 가열 처리 사이클(thermal heat treatment cycle)(들)은 크랙 또는 파열 경향 또는 공극률 측면에서 복수의 초합금들에 대한 최상의 구조적 결과들을 나타내도록 조정될 수 있다.
[0026] 본원에 사용되는 '용접하기 어려운 재료'라는 용어는 언급된 기재뿐만이 아니라 언급된 땜납 또는 땜납의 나머지를 포함할 수 있다.
[0027] 일 실시예에서, 열 처리는 브레이징 또는 납땜 처리를 설명한다. 열 처리는 경납땜(hard soldering) 및/또는 고온 납땜일 수 있다.
[0028] 주어진 조치(measure)들에 의해, 크랙들을 나타내는 경향이 특히 낮은, 주어진 재료들의 적층 증착이, 완전한 생성적 제조로서 또는 보수 또는 재정비 적용들을 위해 가능해질 수 있다. 추가로, 주어진 합금들의 용접성은 양호한 구조적 품질과 함께 입증될 수 있다.
[0029] 일 실시예에서, 기재는 땜납 재료와 유사하다. 다시 말해서, 땜납 재료는 기재와 동일한 구성요소(constituent) 또는 주요한 성분(ingredient)을 포함할 수 있다.
[0030] 일 실시예에서, 기재는 상당한 분율로 금속간 상을 포함한다. 기재는
Figure pct00003
또는
Figure pct00004
-상을 포함할 수 있다.
[0031] 일 실시예에서, 제1 층 및/또는 제2 층은 레이저 금속 증착을 통해 증착된다. 다른 실시예에서, 제1 층 및/또는 제2 층은 레이저 금속 분말 증착을 통해 증착된다. 이러한 실시예들에 따르면, 증착은 실온에서 수행되고, SLM과 같은 분말 베드 기반 프로세스들로는 실현가능하지 않은 레이트(rate)들로 수행될 수 있다.
[0032] 일 실시예에서, 기재는 'Inconel738', 'Rene80' 또는 'Alloy247'과 같은 니켈계 초합금의 분말이다.
[0033] 일 실시예에서, 기재는 석출 또는 분산 경화되거나, 또는 그에 따라 경화가능하다.
[0034] 일 실시예에서, 땜납은 재료들: 'AmdryBRB', 'Amdry DF-4B' 및 'Ni1248' 중 적어도 하나를 포함한다.
[0035] 일 실시예에서, 땜납 또는 납땜 프로세스에는 붕소 또는 실리콘(silicon)과 같은 융점 강하제가 없다. 이것은, 기재와 땜납의 재료 조성의 유사성이 유지될 수 있어, 프로세스가 제조 동안 또는 임의의 제조-후 열 처리 동안 크랙들 또는 파열들을 나타내는 최적의 또는 적절하게 낮은 경향을 포함할 수 있다는 이점을 제공한다.
[0036] 일 실시예에서, 제1 층의 층 두께는 200 내지 400 ㎛에서 선택된다. 다른 실시예에서, 층 두께는 300 ㎛ ±20 ㎛인 것으로 선택된다.
[0037] 일 실시예에서, 제2 층(층 스택)은, 각각 200 내지 400 ㎛의 층 두께를 포함하는 기재의 3개의 서브층들로 구성되고 그리고/또는 3개의 서브층들을 통해 증착된다. 다른 실시예에서, 제2 층(층 스택)은, 각각 300 ±20 ㎛의 층 두께를 포함하는 기재의 3개의 서브층들로 구성되고 그리고/또는 3개의 서브층들을 통해 증착된다.
[0038] 일 실시예에서, 제2 층의 서브층의 층 두께는 200 내지 400 ㎛에서 선택된다. 다른 실시예에서, 제2 층의 서브층의 층 두께는 300 ㎛ ±20 ㎛인 것으로 선택된다.
[0039] 제조될 컴포넌트를 위해 증착될 구조의 전체 높이에 도달하도록, 복수의 제1 층 및 제2 층이 교대로 증착 및 스택될 수 있다.
[0040] 일 실시예에서, 제1 층은 2 내지 10 cm3/h의 레이트로 증착된다. 다른 실시예에서, 제1 층은 6 cm3/h 초과의 레이트로 증착된다.
[0041] 일 실시예에서, 제2 층은 2 내지 10 cm3/h의 레이트로 증착된다. 다른 실시예에서, 제2 층은 6 cm3/h 초과의 레이트로 증착된다.
[0042] 일 실시예에서, 제1 층은 제조 동안 또는 열 처리 동안 기재의 크래킹, 이를테면, 고온 크래킹 또는 파열을 방지하기 위해 기판 상에 직접 증착된다.
[0043] 일 실시예에서, 방법은 하이브리드(hybrid) 제조, 보수 또는 재정비 프로세스이다.
[0044] 일 실시예에서, 방법은 생성적, 상향식 및/또는 초기(ab-initio) 제조 프로세스이다.
[0045] 일 실시예에서, 컴포넌트는 크랙들 또는 공극들을 나타내는 경향이 특히 낮은 크래킹 센터들이 없거나 또는 크래킹 센터들이 존재하지 않는 미세 구조를 포함한다.
[0046] 일 실시예에서, 컴포넌트는 300 ㎛ 미만의 공극 직경 또는 (잔여) 공극률을 포함한다. 상기 공극 직경은 공극률에 따른 평균 공극 직경 및/또는 최대 공극 직경을 나타낼 수 있다.
[0047] 도 1은 예컨대, 적층 제조 동안의 컴포넌트(10)를 위한 층 스택의 개략적 단면도를 도시한다. 상기 제조는 기판(1) 상의 레이저 금속 증착과 같은 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 금속 증착은 기판(1) 상의 레이저 분말 금속 증착일 수 있다.
[0048] 도 1에 의해, 제시된 방법 중 적어도 부분들이 예시된다.
[0049] 본원에서 사용되는 '기판'이라는 용어는 제조될 컴포넌트의 구조를 지지하는 역할만 하는 베이스 플레이트(base plate)에 관한 것일 수 있다. 도 2는 제조될 컴포넌트(10)의 구조를 지지하기 위해 사용되는 기판(1)의 예를 도시한다. 따라서, 제시된 방법은 생성적, 상향식 및/또는 초기 제조 프로세스에 관한 것일 수 있다.
[0050] 대안적으로, 기판은 기존의 또는 사전 제조된 컴포넌트에 관한 것일 수 있다. 일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(1)은 가스 터빈을 위한 블레이드 또는 베인의 에어포일(airfoil)의 이미 기계 가공된 섹션(section)일 수 있다. 따라서, 제시된 방법은 하이브리드 제조, 보수 또는 재정비 프로세스에 관한 것일 수 있다.
[0051] 도 1 및 도 2의 실시예들에 도시된 바와 같이, 상기 기판(1)의 바로 상단에, 주어진 수단에 의해 층(L1)이 증착되거나 또는 제조된다. 그에 의해, 층(L1)은 기판(1)에 접착적으로(adhesively) 또는 야금적으로(metallurgically) 연결될 수 있다.
[0052] 컴포넌트의 재료를 위한 제1 층(L1)은 큰 분율로 컴포넌트(10)를 위한 기재(BM) 및 작은 분율로 땜납(S) 또는 브레이즈(braze) 재료를 포함한다. 땜납은 도 1에 도시된 바와 같이 층 스택의 접착적 또는 야금적 연결을 형성하는 것으로 의도된다.
[0053] '큰 분율'이라는 용어는 제1 층(L1)의 전체 재료의 예컨대, 60 ％의 분율에 관한 것일 수 있다. 따라서, '작은 분율'이라는 용어는 제1 층(L1)의 전체 재료의 예컨대, 40 ％의 분율에 관한 것일 수 있다. 이러한 백분율들 이외에도, 제1 층(L1)의 재료는 각각 기재(BM) 및 땜납(S)의 임의의 다른 관계로 구성될 수 있다.
[0054] 기판(1) 상에 층(L1)의 직접 증착은 유리하게, 예컨대, 빌드업 및 임의의 후속 열 처리 동안 기재(BM)에서의 크래킹 또는 크래킹 경향을 방지할 수 있게 한다.
[0055] 일 실시예에서, 기재(BM)는 니켈계 초합금과 같은 금속의 분말을 포함할 수 있다. 이러한 분말들은 Inconel738, Rene80 또는 Alloy247을 포함할 수 있다.
[0056] 일 실시예에서, 땜납은 물질들: 'AmdryBRB', 'Amdry DF-4B' 및 'Ni1248' 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[0057] 일 실시예에서, 땜납(S)에는 추가로, 붕소와 같은 융점 강하제가 없거나 또는 결여되어 있다. 또한, 일 실시예에서, 납땜 프로세스는 임의의 융점 강하제를 사용하지 않는다.
[0058] 기재(BM)는 상당한 분율로 금속간 상, 이를테면,
Figure pct00005
또는
Figure pct00006
-상을 포함할 수 있다.
[0059] 제1 층(L1)의 층 두께는 200 내지 400 ㎛에서 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 층(L1)의 층 두께는 정확하게 또는 ±50의 편차를 갖는 300 ㎛이다. 다른 실시예에서, 제1 층(L1)의 층 두께는 정확하게 또는 ±20의 편차를 갖는 300 ㎛이다.
[0060] 제1 층(L1) 상단에, 기재(BM)의 제2 층(L2)이 제시된 방법에 따라 증착된다.
[0061] 일 실시예에서, 제2 층(L2)은 층(L1)과 동일한 수단에 의해 증착된다. 제2 층(L2)은 층(1)의 재료와 비교하여 적어도 부분적으로 상이한 재료 조성물을 갖는 재료를 더 포함할 수 있다.
[0062] 일 실시예에서, 층(L2)은 추가로, 서브층들(SL1, SL2 및 SL3)의 시퀀스(sequence)의 서브-스택(sub-stack)을 구성하거나 또는 포함한다. 서브층들은 단일 층들로서 연속적으로 증착되고, 레이저 용접 또는 레이저 클래딩 기법들에 의해 증착될 수 있다. 각각의 서브층은 200 내지 400 ㎛의 층 두께로 증착되거나 또는 각각의 서브층에 이러한 층 두께가 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 층(L1)의 층 두께는 정확하게 또는 ±50의 편차를 갖는 300 ㎛이다. 다른 실시예에서, 제1 층(L1)의 층 두께는 정확하게 또는 ±20의 편차를 갖는 300 ㎛이다. 따라서, 전체 층(L2)은 약 900 ㎛의 층 두께를 포함할 수 있다.
[0063] 제1 층(L1) 및/또는 제2 층(L2)은 6 cm3/h 초과의 레이트로 증착될 수 있다.
[0064] 컴포넌트(10) 또는 증착물은 도 1에 도시된 바와 같이, 교대로 배열된 제1 및 제2 층들(L1, L2)로 구성될 수 있다. 제시된 방법에 따르면, 층들은 그런 다음, 컴포넌트(10)의 최종 높이 또는 설계에 도달될 때까지 교대로 증착될 수 있다.
[0065] 도 2는 장치(100)에 의한 자신의 상향식 제조 동안의 컴포넌트(10)를 나타낸다. 장치(100)는 컴포넌트, 이 경우, 터빈 블레이드 또는 그의 에어포일을 위한 구조를 증착시키기에 적합할 수 있다.
[0066] 장치(100)는 추가로, 예컨대, 분말 공급에서 스위치를 통해 복수의 상이한 분말 물질들을 선택적으로 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 물질들은, 예컨대, 기재(BM) 및 땜납(S)을 위한 열거된 재료들을 포함한다.
[0067] 완전히 조립되거나, 빌드업되거나 또는 제조될 때, 컴포넌트(10)는 우수한 재료 및/또는 표면 속성들 및 개선된 미세 구조를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 컴포넌트(10)의 구조는 ― 그것의 제조 프로세스에 의해 ― 파열 또는 균열들을 나타내는 경향이 낮거나 또는 없도록 고유하게 주어진다. 결국, 이것은 증착된 재료 또는 컴포넌트를 더 가혹한 환경에서, 즉, 종래의 재료들 또는 제조된 방법들의 경우와 같이 더 높은 동작 또는 가스 온도들에서 적용할 수 있게 한다.
[0068] 제조된 컴포넌트(10)는 300 ㎛ 미만, 200 ㎛ 미만, 또는 150 ㎛ 미만의 공극 직경 또는 잔여 공극률을 포함할 수 있다.
[0069] 도 2와 비교하여, 도 3은 유사한 상황을 도시하며, 여기서 컴포넌트(10)는 완전히 적층 제조되기보다는 제시된 방법에 의해 단지 보수되거나 또는 재정비된다. 따라서, 컴포넌트는 기존 "기판"(1)을 포함할 수 있고, 추가 층들(L1 및 L2)은 기존 부분 또는 루트 상단에 제조된다.
[0070] 도 4는 제시된 방법의 방법 단계들을 개략적 흐름도로 나타낸다.
[0071] 위에서 언급된 바와 같이, 방법은, a) 기판(1) 상에 재료를 위한 제1 층(L1)을 증착시키는 단계를 포함하며, 제1 층(L1)은 큰 분율로 컴포넌트(10)를 위한 기재(BM) 및 작은 분율로 땜납(S)을 포함한다.
[0072] 방법은, b) 컴포넌트(10)를 위한 기재(BM)의 제2 층(L2)을 증착시키는 단계, 및 c) 층 어레인지먼트의 열 처리를 더 포함한다.
[0073] 일 실시예에서, 상기 열 처리는, c1) 1000 ℃ 초과의 제1 온도에서의 제1 열 사이클을 포함한다. 다른 실시예에서, 열 처리는, 1100 ℃ 초과의 제1 온도에서의 제1 열 사이클을 포함한다. 추가 실시예에서, 열 처리는, 1200 ℃ 초과의 제1 온도에서의 제1 열 사이클을 포함한다. 예컨대, 제1 온도는 1 ½ 시간 초과의 듀레이션 동안 1248 ℃ ±15 ℃일 수 있다. 또 다른 예에서, 듀레이션은 2-4 시간일 수 있다.
[0074] 설명된 바와 같은 제1 열 사이클은 브레이징 또는 납땜 사이클일 수 있다.
[0075] 일 실시예에서, 상기 열 처리는, c2) 800 ℃ 초과의 제2 온도에서의 (후속하는) 제2 열 사이클을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 열 처리는 900 ℃ 초과의 제2 온도에서 이루어진다. 추가 실시예에서, 상기 열 처리는, 1000 ℃ 초과의 제2 온도에서 이루어진다. 예컨대, 열 처리는 1-2 시간 초과의 시간 동안 1160 ℃에서 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 열 처리는 3 시간 초과의 시간 동안 지속된다.
[0076] 설명된 바와 같은 제2 열 사이클은 확산 사이클일 수 있다.
[0077] 열 처리는, c3) 700 ℃ 초과의 제3 온도에서의 후속하는 제3 열 사이클을 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제3 열 사이클은 800 ℃ 초과에서 수행된다. 예컨대, 열 처리는 8 시간 초과의 시간 동안 870 ℃에서 수행될 수 있다. 추가 실시예에서, 열 처리는 10 시간 초과, 이를테면, 12 시간 이상의 시간 동안 수행될 수 있다.
[0078] 일 실시예에서, 제3 사이클은 900 ℃ 초과의 온도에서 컴포넌트(10)의 제1 가열(heating) 또는 어닐링(annealing) 또는 서브-사이클(sub-cycle)을 갖는 2-단계 또는 이원 열 사이클일 수 있다. 예컨대, 온도는 1 ½ 시간 초과의 듀레이션 동안 1000 ℃ 초과, 이를테면, 1080 ℃일 수 있다. 일 실시예에서, 제3 사이클은 2 시간 동안 수행될 수 있다.
[0079] 제2 가열, 어닐링 또는 서브-사이클은 600 ℃ 초과의 온도에서 컴포넌트를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 가열은 700 ℃ 초과의 온도에서 컴포넌트를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 가열은 10 시간 초과, 이를테면, 12 시간 초과의 듀레이션 동안 870 ℃와 같은 온도에서 컴포넌트를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 제2 가열의 듀레이션은 20 시간일 수 있다.
[0080] 설명된 바와 같은 제3 열 사이클은 확산-후 또는 이완 사이클일 수 있다.
[0081] 본 발명의 보호 범위는 앞서 주어진 예들에 제한되지 않는다. 본 발명은 각각의 신규한 특징 및 특징들의 각각의 조합으로 구현되며, 이들은, 이러한 특징 또는 이러한 특징들의 조합이 청구항들 또는 예들에서 명시적으로 서술되지 않더라도, 특히 청구항들에 서술된 임의의 특징들의 모든 각각의 조합을 포함한다.
[0082] 본 개시내용의 실시예들이 예시적 형태들로 개시되었지만, 다음의 청구항들에 기술된 바와 같이, 본 발명 및 그 등가물들의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 많은 수정들, 추가들 및 삭제들이 본원에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다.

Claims (19)

  1. 빔-보조 적층 제조 프로세스(beam-assisted additive manufacturing process)에 의해 컴포넌트(component)(10)를 위한 용접하기 어려운 재료(hard-to-weld material)를 제조하는 방법으로서,
    기판(1) 상에 상기 재료를 위한 제1 층(L1)을 증착시키는 단계 ― 상기 제1 층은 큰 분율(major fraction)로 상기 컴포넌트(10)를 위한 기재(base material)(BM) 및 작은 분율(minor fraction)로 땜납(S)을 포함함 ― ;
    상기 컴포넌트(10)를 위한 기재(BM)의 제2 층(L2)을 증착시키는 단계; 및
    상기 제1 층 및 상기 제2 층(L1, L2)을 열 처리하는 단계를 포함하며,
    상기 열 처리하는 단계는,
    2 시간 초과의 듀레이션(duration) 동안 1200 ℃ 초과의 제1 온도에서의 제1 열 사이클(thermal cycle),
    2 시간 초과의 시간 동안 1000 ℃ 초과의 제2 온도에서의 제2 열 사이클, 및
    12 시간 초과의 시간 동안 700 ℃ 초과의 제3 온도에서의 제3 열 사이클을 포함하는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 층(L1) 및/또는 상기 제2 층(L2)은 레이저(laser) 금속 증착을 통해 증착되는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 층(L1) 및/또는 상기 제2 층(L2)은 레이저 분말 금속 증착을 통해 증착되는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 기재(BM)는 Inconel738, Rene80 및 Alloy247로 구성된 그룹으로부터 선택된 니켈(nickel)계 초합금의 분말인, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 땜납(S)은 AmdryBRB, Amdry DF-4B 및 Ni1248로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료들 중 적어도 하나를 포함하는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 땜납(S) 또는 납땜 프로세스에는 융점 강하제(melting point depressive agent)가 없는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 강하제는 붕소인, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 층(L1)의 층 두께는 200 내지 400 ㎛에서 선택되는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 층(L1)의 층 두께는 300 ㎛ ±20 ㎛인, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 층(L2)은, 각각 200 내지 400 ㎛의 층 두께를 포함하는 상기 기재(BM)의 3개의 서브층(sublayer)들(SL1-SL3)로 구성되고 그리고/또는 상기 3개의 서브층들(SL1-SL3)을 통해 증착되는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 층(L2)은, 각각 300 ㎛ ±20 ㎛의 층 두께를 포함하는 상기 기재(BM)의 3개의 서브층들(SL1-SL3)로 구성되고 그리고/또는 상기 3개의 서브층들(SL1-SL3)을 통해 증착되는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 층(L1) 및/또는 상기 제2 층(L2)은 6 cm3/h의 레이트(rate)로 증착되는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 층은 상기 열 처리 동안 상기 기재(BM)의 크래킹(cracking)을 방지하기 위해 상기 기판(1) 상에 직접 증착되는, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 방법은 생성적(generative) 또는 상향식(bottom-up) 제조 프로세스인, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 용접하기 어려운 재료는 금속 합금인, 빔-보조 적층 제조 프로세스에 의해 컴포넌트(10)를 위한 용접하기 어려운 재료를 제조하는 방법.
  16. 제1 항의 방법에 따라 제조된 컴포넌트(10)로서,
    복수의 스택된(stacked) 층들(L1, L2)을 포함하는 가스 터빈(gas turbine)의 고온 가스 경로에 적용되는 컴포넌트를 포함하는, 컴포넌트(10).
  17. 제16 항에 있어서,
    크래킹 센터(cracking center)들이 없는 미세 구조를 포함하는, 컴포넌트(10).
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 300 ㎛ 미만의 공극 직경을 포함하는, 컴포넌트(10).
  19. 레이저 금속 증착에 의해 컴포넌트의 구조를 제조하기 위한 장치(100)로서,
    분말 공급(powder feeding)에서 스위치를 통해 복수의 상이한 분말 물질들을 선택적으로 제공하도록 구성된 장치를 포함하며,
    상기 물질들은 니켈계 초합금(BM) 및 땜납 재료(S)를 포함하는, 장치(100).
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