KR20210044916A - 냉각 효과를 이용한 고 감마 프라임 초합금들의 레이저 금속 용착 - Google Patents

냉각 효과를 이용한 고 감마 프라임 초합금들의 레이저 금속 용착 Download PDF

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Abstract

베이스 재료(10)로부터 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템들(100) 및 방법들(1000)이 개시된다. 시스템은 레이저 금속 용착(LMD) 시스템(200)을 포함할 수 있으며, 레이저 금속 용착(LMD) 시스템(200)은, 베이스 재료 상의 용융 풀에 용착된 적층 재료들의 레이저 프로세싱 동안 베이스 재료를 냉각시키기 위한 수단(300)에 동작가능하게 연결된다. LMD 시스템은 레이저 에너지 소스(202)를 포함하며, 레이저 에너지 소스(202)는, 베이스 재료 상에 용융 풀을 형성하기 위해 그리고 용착된 적층 재료들을 프로세싱하여 고체화 시에 베이스 재료 상에 층들을 형성하기 위해, 레이저 에너지를 베이스 재료를 향해 지향시키도록 구성된다. 냉각시키기 위한 수단은, LMD 프로세스 동안, 예컨대 냉각/동결 효과를 유발하는 냉각 온도 범위 내까지 베이스 재료를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 이러한 냉각 효과는 레이저 프로세싱 동안의 고체화 기간을 단축시키고, 그리고 용접 열이 베이스 재료로부터 방출되는 것을 가능하게 한다.

Description

냉각 효과를 이용한 고 감마 프라임 초합금들의 레이저 금속 용착{LASER METAL DEPOSITION OF HIGH GAMMA PRIME SUPERALLOYS WITH COOLING EFFECT}
[0001] 본 개시내용은 일반적으로, 재료 기술 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는 냉각 효과를 이용한 고 감마 프라임 초합금(high gamma prime superalloy)들의 레이저 금속 용착(laser metal deposition)을 사용한 적층 제조 및 보수 방법들에 관한 것이다.
[0002] 초합금들의 용접은, 이러한 합금들이 달성하도록 최적화되는 높은 강도(및 대응하는 낮은 연성) 때문에 다양한 기술적 난제들을 제시한다. 열 소스(heat source)들, 이를테면, 레이저들 및 아크(arc)들은, 적층 제조(AM; additively manufactured) 부품들을 빌드(build)하거나 또는 손상된 초합금 컴포넌트(superalloy component)들을 보수하는 데 적용되고 있다. 불행히도, 이러한 합금들은, 예컨대 레이저 금속 용착(LMD; laser metal deposition) 프로세스(process)들 및 후속적인 열처리 동안 고온 균열(hot cracking)이 발생하기 매우 쉽다. 실온에서 용접하는 동안의 고온 균열은 일반적으로 용융 풀(melt pool)의 고체-액체 계면에서 발생하며, 이는 AM 또는 보수된 컴포넌트의 무결성을 구조적으로 손상시킨다. 따라서, 용접 동안 발생하는 고온 균열을 억제하는 LMD 시스템(system) 또는 프로세스가 여전히 필요하다.
[0003] 본 발명자는 상기 한계들을 인식하고, 이제, 냉각 효과, 예컨대 심랭 효과(deep cooling effect) 및 후속적인 브레이징(brazing)을 활용함으로써, 예컨대 고 감마 프라임 초합금들의 새로운 레이저 금속 용착 프로세스를 개시한다는 것이 인지되어야 한다.
[0004] 일 예시적 실시예에서, 베이스 재료(base material)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조(AMR; additively manufacturing) 또는 보수하기 위한 시스템이 제공된다. AMR 시스템은 적어도 레이저 금속 용착(LMD) 시스템을 포함할 수 있으며, 레이저 금속 용착(LMD) 시스템은, 베이스 재료 상에서의 적층 재료들의 빌드-업(build-up)을 레이저 프로세싱(laser processing)하는 동안 베이스 재료를 냉각시키기 위한 수단에 동작가능하게 연결된다. LMD 시스템은 레이저 에너지 소스(laser energy source)를 포함할 수 있으며, 레이저 에너지 소스는 베이스 재료 상에 용융 풀을 형성하기 위해 레이저 에너지를 베이스 재료를 향해 지향시키도록 동작가능하게 구성된다. 레이저 에너지는, 고체화 시에 적층 재료들의 층들을 형성하기 위해, (예컨대 베이스 재료 상의) 용융 풀 내에 용착된 적층 재료들을 프로세싱(process)한다.
[0005] 베이스 재료를 냉각시키기 위한 수단은, 베이스 재료를 예컨대, 냉각 매체를 통해, 예컨대 레이저 프로세싱 동안 베이스 재료의 냉각(cooling)/동결(freezing) 효과를 유발하는 냉각 온도 범위 내의 원하는 온도까지 냉각시키도록 구성될 수 있으며, 이는 레이저 프로세싱 동안 더 짧은 고체화 기간들을 유발할 수 있다. 원하는 온도 범위는, 사용되는 냉각 매체의 유형, 예컨대 액체 질소, 액체 아르곤 등에 대해 특정적일 수 있고, 적어도 부분적으로는 베이스 재료의 냉각/동결 효과로 인해 레이저 프로세싱 동안 베이스 재료로부터 용접 열이 방출되는(released) 것을 가능하게 하는 온도 범위 내의 온도여야 한다는 것이 인지되어야 한다. 냉각 범위의 예들은, 액체 질소에 대해 -100℃ 내지 -150℃이고 액체 아르곤에 대해 -100℃ 내지 -150℃일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 활용되는 냉각 매체의 유형에 기반하여 변화하는 범위에 추가하여 또는 그 대신에, 그 범위는 베이스 재료의 조성 및/또는 베이스 재료에 인가되는 열(예컨대, 고온)에 따라 좌우될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 예컨대, 더 높은 용융 온도를 갖는 베이스 재료는 레이저 프로세싱 동안 더 많은 열을 필요로 할 수 있고, 이는 레이저 프로세싱 동안 베이스 재료로부터 임의의 용접 열을 방출하기 위해, 더 심랭의 범위(deeper cooling range)들, 즉, 더 낮은 범위들을 필요로 할 수 있다. 달리 말하면, 원하는 냉각 범위는, 냉각 매체 유형, 레이저 에너지 소스로부터의 열 온도, 및 베이스 재료 유형 중 임의의 하나 이상에 부분적으로 기반할 수 있다.
[0006] 다른 예시적인 실시예에서, 적층 제조 또는 보수 방법이 제공된다. 그 방법은, 예컨대 베셀(vessel) 내에 베이스 재료 기판(BMS; base material substrate)을 제공하는 단계, 및 레이저 금속 용착(LMD) 프로세싱을 위해 BMS를 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 또한, 예컨대 냉각 수단을 통해 BMS를, BMS로부터 용접 열을 방출하기 위해 BMS가 냉각 또는 동결 효과를 겪게 하는 냉각 온도 범위 내의 온도까지 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 냉각 온도는 LMD 프로세스 전체에 걸쳐 유지될 수 있고, 필요한 경우, 냉각 수단의 냉각 매체 또는 BMS 중 하나 이상의 온도에 부분적으로 기반하여 조정될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. BMS를 냉각시키는 동안, BMS 또는 BMS의 적어도 부분들은, 원하는 컴포넌트를 완성하기 위해 BMS 상에 적층 재료들의 층들을 형성하기 위한 레이저 프로세싱을 겪을 수 있다.
[0007] 본 개시내용 및 본 개시내용의 장점들의 더 완전한 이해를 위해, 첨부 도면들과 함께 취해지는 다음의 설명들이 이제 참조되며, 도면들에서 유사한 번호들은 유사한 오브젝트(object)들을 가리키며, 도면들에서:
[0008] 도 1은 본원에서 제공되는 개시내용에 따라, 레이저 금속 용착(LMD)을 통해 초합금 컴포넌트들을 적층 제조 및/또는 보수하기 위한 시스템을 개략적으로 예시하고; 그리고
[0009] 도 2는 본원에서 제공되는 개시내용에 따른 적층 제조 또는 보수 프로세스의 블록 다이어그램(block diagram)을 예시한다.
[0010] 다양한 실시예들을 구성하는 것으로서 아래에서 설명되는 컴포넌트들 및 재료들은 예시적인 것으로 의도되며 제한적이지 않다. 본원에서 설명되는 재료들과 동일한 또는 유사한 기능을 수행할 많은 적절한 컴포넌트들 및 재료들은 본 발명의 실시예들의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
[0011] 본 발명자들은, 신규한 적층 제조(AM) 및/또는 보수 방법을 개발하였으며, 그 방법은, 냉각 시스템, 예컨대 심랭 시스템이 LMD 시스템과 결합되어 초합금 베이스 재료/기판/컴포넌트, 예컨대 가스 터빈 블레이드(gas turbine blade), 베인(vane), 블레이드 표면 등을 냉각시키고 그리고 용접 프로세스 또는 후속적인 열처리 동안 발생하는 고온 균열을 완전히 감소시키거나 제거하는, 레이저 금속 용착(LMD) 프로세스의 변형을 수반한다.
[0012] 이제 도면들을 참조하면(도면들이 도시하는 것은 본원의 청구대상의 실시예들을 제한하는 것이 아닌 단지 예시하는 목적들을 위한 것임), 도 1은 레이저 금속 용착(LMD)을 통해 베이스 재료/기판으로부터 컴포넌트를 적층 제조하고 그리고/또는 초합금 컴포넌트(10)를 보수하기 위한 시스템(100)을 예시한다.
[0013] 시스템(100)은 LMD 시스템(200)을 포함하며, LMD 시스템(200)은, 원하는 초합금 컴포넌트, 예컨대 블레이드, 블레이드 플랫폼 측면(blade platform side face)(도 1에 도시됨), 블레이드 팁(blade tip)들, 베인들 또는 다른 컴포넌트들을 제조 또는 보수하기 위해 빌드-업 재료들의 층들을 형성하기 위하여, 레이저 에너지를 레이저 에너지 소스(202)를 통해 기저 기판(underlying substrate)에 인가하고 그리고 레이저 에너지로부터 유발되는, 기저/베이스 기판(10)의 용융 풀 내에(또는 빌드-업 재료의 고체화된 층 상에) 적층/빌드-업 재료들을 용착하기 위한 것이다. 레이저 에너지 소스(202)는, 베이스 재료(10)의 부분들(또는 이전에 고체화된 빌드-업 층)을 용융시켜 용융 풀을 형성하기 위해, 베이스 재료(10)를 향해 레이저 에너지 소스(202)로부터 레이저 에너지를 방출(emit)하거나 또는 그 레이저 에너지를 지향시키도록 동작가능하게 구성될 수 있다.
[0014] 추가적으로 또는 대안적으로, LMD 시스템(200)은 또한 레이저 용착 툴(laser deposition tool)(210)을 포함할 수 있으며, 레이저 용착 툴(210)은 레이저 에너지 소스(202)에 동작가능하게 연결되고, 그리고 베이스 재료(10) 상에 그리고 레이저 에너지로부터 형성되는 용융 풀 내에 빌드-업(적층) 재료들을 용착하기 위해 레이저 에너지 소스(202) 근처에 있거나 또는 레이저 에너지 소스(202)에 동작가능하게 커플링된다(coupled).
[0015] 추가적으로 또는 대안적으로, 레이저 에너지 소스(202)는, 빌드-업 재료들을 용융 풀 내에 용착하기 위한 레이저 용착 툴로서 기능하도록 동작가능하게 구성될 수 있다. 즉, 적층 재료들은, 용착 툴(210)을 통해 용착되는 것에 추가하여 또는 그 대신에, 레이저 에너지 소스(202)를 통해, 또는 더 구체적으로는 레이저 에너지 소스(202)와 공유되는 하우징(housing)에 연결된 공급 라인(feed line)들(224)을 통해 용착될 수 있다. LMD 시스템은 추가로, 하나 이상의 분말 공급 시스템들(220, 222)을 포함하거나 또는 하나 이상의 분말 공급 시스템들(220, 222)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 분말 공급 시스템들(220, 222)은, 원하는 컴포넌트를 형성하기 위해 적층 재료의 층들을 형성하기 위하여, 빌드-업 재료들을 용융 풀 내에 그리고/또는 베이스 재료(10) 상에 용착하기 위한 레이저 용착 툴(210) 또는 레이저 에너지 소스(202) 중 하나 이상에 빌드-업 재료들을 공급(전달)하도록 구성될 수 있다.
[0016] 빌드-업(적층) 재료들은, 예컨대 베이스 재료(10)를 형성하는 재료들과 동일한 또는 유사한 재료들을 포함할 수 있는 베이스 합금 분말 재료를 포함할 수 있다. 베이스 금속 분말은, 분말 공급 시스템(220)을 통해 LMD 시스템(200)을 거쳐 공급되고 LMD 프로세스 동안 용융 풀 내에 또는 베이스 기판(10) 상에 용착될 수 있다. 빌드-업 재료들은 또한 브레이즈 합금 분말 재료(braze alloy powder material) 등을 포함할 수 있으며, 그 브레이즈 합금 분말 재료 등은, 베이스 금속 분말과 동일한 공급 시스템 또는 그 자체의 분말 공급 시스템(222)을 통해 레이저 에너지 소스(202)를 거쳐 공급되고 그리고 LMD 프로세스 동안 예컨대 레이저 에너지를 이용한 레이저 프로세싱을 위해 용융 풀 내에 또는 기저 기판(10) 상에 용착될 수 있다. 분말 공급 시스템(220)은, 예컨대 재료들의 컨테이너(container)로부터 기저 기판(10)에 빌드-업 재료들을 공급하기 위해 하나 이상의 공급 라인들(224)을 통해 LMD 시스템(200)에, 더 구체적으로는 레이저 용착 툴(210)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제어기(도시되지 않음)는, LMD 시스템(200) 또는 분말 공급 시스템(220) 중 하나 또는 둘 모두에 동작가능하게 연결될 수 있고, LMD 프로세스 동안 예컨대 레이저 툴(210)을 통한 빌드-업 재료들의 공급 레이트(feed rate)를 제어하도록 구성될 수 있다.
[0017] LMD 프로세스 동안 용착되는 빌드-업 재료들 각각, 예컨대 베이스 합금 재료 및 브레이즈 합금 재료는, 그 자체의 분말 공급 시스템(220), 즉, 각각의 재료를 위한 단일 시스템에 의해 공급/제공될 수 있거나, 또는 추가의 실시예에서는, 단일 분말 공급 시스템(220)이 빌드-업 재료들의 유형들 둘 모두를 공급하기 위해 사용될 수 있다. LMD 프로세스 동안 2개보다 많은 유형들의 재료들이 활용된다면, 추가의 분말 공급 시스템들(220)이 추가의 재료들을 공급하기 위해 사용될 수 있거나, 또는 단일 분말 공급 시스템이 필요에 따라 재료들 각각을 공급하도록 구성될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[0018] 도면들을 계속 참조하면, 시스템(100)은 또한, 예컨대 LMD 프로세스 동안, LMD 프로세스, 브레이징 프로세스, 또는 임의의 후속적인 열처리 프로세스와 연관된 임의의 고온 균열을 감소시키거나 제거하기 위해, 베이스 기판(10)을 냉각시키기 위한 냉각 수단을 포함할 수 있다. 일 예시적 실시예에서, 냉각 수단(300)은, 보수될 베이스 기판(10) 또는 다른 초합금 컴포넌트를 내부에 적어도 부분적으로 수용하도록 적응되고 크기가 정해질 수 있고, 그리고 베셀(302) 내의 베이스 기판(10)을 냉각시키기 위해 내부에 냉각 매체(310)를 포함하기 위한 그리고/또는 냉각 매체(310)를 자신을 통해 유동시키기 위한 볼륨(volume)을 정의할 수 있는, 베셀, 챔버(chamber), 또는 유사한 컨테이너(302)를 포함할 수 있는 냉각 시스템, 예컨대 심랭 시스템일 수 있다. 베셀(302)은, 냉각 매체(310)를 수용하도록 적응된 유입구(304) 및 예컨대 냉각 매체를 베셀로부터의 폐기하기 위한 배출구(306)를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 베이스 기판(10)은, 예컨대 적층 제조 또는 보수 프로세스를 겪는 동안 심랭 효과를 위해, 유동하는 냉각 매체(310)의 경로에 배치될 수 있다.
[0019] 냉각 시스템(300)은, 베셀(302) 내의 기판(10)을 냉각시키기 위해 냉각 매체(310)를 베셀(302)에 제공하기 위한 하나 이상의 펌프(pump)들(도시되지 않음) 또는 유사한 펌프/공급 시스템들(350)을 더 포함할 수 있다. 펌프는 시스템(100) 또는 LMD 시스템(200) 제어기들 중 임의의 제어기에 의해 제어될 수 있거나, 또는 추가적으로 또는 대안적으로, 펌프 시스템은, 베셀(302) 내에서 또는 베셀(302)을 통해 그리고 LMD 프로세스 동안 냉각 매체의 원하는 냉각 온도 범위를 유지하기 위해 베셀(302)을 채우거나 또는 베셀(302)을 통해 유동하는 냉각 매체(310)의 유량 및 함량을 제어하도록 동작가능하게 구성된, 그 자체의 제어기를 포함할 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[0020] 냉각 매체(310)는, 예컨대 액체 질소, 아르곤, 헬륨 등일 수 있거나, 또는 원하는 냉각 온도 범위를 달성하기 위해 베셀(302) 내로 공급되어 베이스 기판(10) 또는 작업되는 컴포넌트로부터 임의의 용접 열을 제거할 수 있는 임의의 다른 액체 매체일 수 있다. 일 실시예에서, 냉각 범위는 그 사이에 있을 수 있다.
[0021] 도면들을 계속 참조하면, 시스템(100)은 센서 시스템(sensor system)(400)을 더 포함할 수 있으며, 센서 시스템(400)은, 냉각 및 LMD 프로세스 동안 온도들을 감지하기 위해, 그리고 감지된 온도들을 시스템 제어기들 중 임의의 시스템 제어기에 송신 또는 통신하여 원하는 냉각 범위가 달성되었는지 여부를 결정하기 위해 그리고/또는 가열 및/또는 냉각 파라미터(parameter)들을 조정하기 위해, LMD 시스템(200) 및 냉각 수단(300) 중 하나 이상에 동작가능하게 연결된다.
[0022] 일 실시예에서, 센서 시스템(400)은 하나 이상의 센서들(402)을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 센서들(402)은, 온도들을 감지하고 감지된 온도들을, 예컨대 하나 이상의 송신기들을 통해 센서 제어기에 통신하거나, 또는 감지된 온도들을 LMD 및/또는 냉각 프로세스 동안 사용하기 위하여 시스템 제어기들 중 임의의 시스템 제어기에 통신하도록 동작가능하게 구성된다. 센서들(402)은, 냉각 매체(310), 기판(10), 및/또는 주변 영역들 중 하나 이상의 온도들을 감지하기 위해, 베셀 내에 또는 베셀에 인접하게 임의의 구성으로 배열되거나 또는 균일하게 배열될 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 센서들(402)은 베셀(302) 내에 포지셔닝(position)될 수 있는데, 예컨대 베셀의 벽에 부착되고, 냉각 매체(310)에 침지되고(부분적으로 또는 완전히), 그리고/또는 레이저 소스(202), 레이저 소스의 하우징 또는 그에 근접하게, 제거가능하게 고정될 수 있다.
[0023] 예컨대, LMD 프로세스 동안, 그리고 LMD 프로세스 동안 기판(10)을 냉각 또는 심랭시키기 위한 원하는 온도 범위가 달성되었는지 그리고/또는 유지되는지를 결정하기 위해, 센서들은 감지된 온도들을 제어기들에 송신하거나 또는 다른 방식으로 통신할 수 있으며, 가열 및/또는 냉각 파라미터들 중 임의의 파라미터는 감지된 온도들에 적어도 부분적으로 기반하여 조정될 수 있다. 예컨대, 냉각 시스템(300)에서, 냉각 매체의 유동 및/또는 함량은, 적어도 니켈계 초합금에 대해 원하는 냉각 온도 범위, 예컨대 -100℃ 내지 -150℃를 달성하기 위해, 필요에 따라 그리고 감지된 온도에 기반하여 조정될 수 있다.
[0024] 원하는 온도 범위는, 작업되는 초합금 베이스 재료(10)의 유형에 따라, 예컨대 ± 20 내지 40℃로 변화할 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 레이저 에너지 소스(202)에 의해 방출되는 열은, 감지된 온도들에 기반하여 조정될 수 있는데, 즉, 증가되거나 또는 감소될 수 있다.
[0025] 도면들을 계속 참조하여 그리고 이제 도 2를 참조하여, LMD 프로세스(방법)(1000)의 실시예가 제공된다. 본원에 개시된 임의의 단계들은 임의의 특정 순서로 수행되도록 요구되지 않으며, 이로써 예시적인 목적들을 위해 제공된다는 것이 인지되어야 한다. 예컨대, 베셀(302)을 냉각 매체(310)로 채우는 단계들은 LMD 프로세싱을 위해 베셀 내에 베이스 재료(10)를 배치 또는 고정하기 위한 단계들 전에 또는 그 단계들에 후속하여 발생할 수 있다.
[0026] 방법(1000)은, 베이스 재료(10) 또는 보수될 다른 컴포넌트를 베셀(302) 내에 배치하는 단계(1010)를 포함할 수 있다. 이러한 단계에서, 베이스 재료/기판(10) 또는 손상된 컴포넌트는 베셀(302) 내에 그리고 예컨대 빌드-업 및/또는 보수를 위해 플랫폼(도시되지 않음)에 제거가능하게 고정될 수 있다. 컴포넌트가 보수되는 실시예에서, 방법(1000)은, 산업 기계로부터 컴포넌트를 제거하는 단계, 및 예컨대 컴포넌트의 임의의 손상된 부분들을 파냄(excavating)으로써 LMD를 위한 컴포넌트를 준비하는 단계 및 LMD 프로세스를 위해 컴포넌트를 베셀 내에 배치하기 전에 컴포넌트를 예열 또는 용액 처리하는 단계를 포함할 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[0027] 컴포넌트를 준비 시에 그리고/또는 컴포넌트 또는 베이스 기판(10)을 베셀(302) 내에 배치 시에, 방법(1000)은 냉각 수단을 통해 베이스 기판(10) 또는 적어도 베이스 기판(10)의 부분들을 냉각시키는 단계(1020)를 포함할 수 있다. 이 단계에서, 기판(10) 또는 기판(10)의 부분들은, 베셀(302)을 적어도 부분적으로 채우는 냉각 매체(310)에 침지될 수 있다. 일 예시적 실시예에서, 베셀(302)은, LMD 프로세스 동안 기판을 심랭시키기 위해 기판(10)의 적어도 일부가 냉각 매체에 침지될 수 있도록, 냉각 매체(310)로 채워질 수 있다. 냉각 매체(310)는 액체 질소, 또는 임의의 용접 열이 기판(10)으로부터 방출 또는 제거될 수 있도록, 기판(10)을 원하는 온도 범위까지 냉각시킬 수 있는 임의의 다른 액체 매체일 수 있다. 액체 질소를 사용함으로써, 베이스 재료(10)(예컨대, 터빈 블레이드 또는 베인)가 베셀 내부에서 -100℃ 내지 -150℃의 범위의 온도까지 냉각될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[0028] 기판이 냉각되는 동안, 즉, 원하는 온도 범위에서 유지되는 동안, 방법(1000)은, 빌드-업(적층) 분말형 재료들(예컨대, 기저 베이스 금속 합금 분말 및 브레이즈 합금 재료)을 기판 상에 용착하고 그리고 기판(10) 상의 빌드-업 재료들을 레이저 프로세싱하는 단계(1030)를 포함할 수 있다. 냉각 온도 및 심랭 효과를 유지하기 위해, 온도 구배/냉각 레이트는, 예컨대 용접 프로세스 동안 최소 균열을 달성하기 위하여 증가될 수 있다. 이 단계에서, 분말 빌드-업(적층) 재료들, 예컨대 베이스 합금 재료 및 브레이즈 합금 재료는, 예컨대 분말 공급 시스템을 통해 레이저 소스 툴을 거쳐 공급되고, 그리고 기판(10) 상에 또는 기판의 용융 풀 내에 용착될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 용융 풀은 차폐 가스, 예컨대 아르곤, 헬륨 또는 이들의 혼합물들에 의해 보호될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 적층 재료들은 차폐 가스를 사용하여 용융 풀로 이송, 예컨대 운반될 수 있다는 것이 추가로 인지되어야 한다.
[0029] 용착 시에, 레이저 에너지는 빌드-업 재료들을 프로세싱하고/용융시키고, 빌드-업 재료들은 후속적으로 고체화되어, 원하는 부품 또는 컴포넌트를 형성하기 위한 초합금 재료의 층(들)을 형성한다. 베이스 합금과 브레이즈 합금 분말의 혼합물은 층 단위로 검증될 수 있고, 용착 및 레이저 프로세싱 단계는, 원하는 컴포넌트의 형상 및/또는 기하학적 구조가 달성될 때까지 반복될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 본 발명자들의 신규한 LMD 프로세스를 통한 컴포넌트의 보수는, 베이스 재료와 동일한 재료인 동일한 베이스 합금 재료들을 사용함으로써, 컴포넌트들의 구조적인 보수를 가능하게 한다. 즉, LMD 프로세스는, 예컨대 기저(베이스) 기판(10)과 동일한 또는 거의 동일한 조성을 갖는 재료들(적층 재료들)을 이용한 컴포넌트의 보수를 가능하게 한다.
[0030] 냉각 시스템(300)으로부터 유발되는 심동결 효과(deep freezing effect)는 LMD 프로세스 동안 기판(10)이 냉각상태(cool)를 유지하는 것을 가능하게 하며, 이는 예컨대 용융 풀 내의 고체-액체 계면에서의 임의의 고온 균열의 억제를 유발한다. 이러한 억제는, 임의의 용접 열이 기판(10)으로부터 방출될 수 있도록, 기판(10)이 기판(10)의 심랭 및/또는 심동결 효과를 달성하기 위한 냉각 온도 범위 내에 기판이 있고 그리고/또는 기판이 원하는 온도까지 냉각되는 것으로부터 직접적으로 유발되는 매우 짧은 고체화 프로세스에 기인한다.
[0031] 추가적으로 또는 대안적으로, 방법(1000)은 기판(10)의 고온 브레이징, 예컨대 토치 브레이징(torch brazing), 노 브레이징(furnace brazing) 등(1040)을 포함할 수 있다. 후속적인 고온 브레이징 프로세스(1040) 동안, LMD 프로세스 동안의 브레이즈 합금 재료 용착으로 인해 기판(10) 또는 원하는 컴포넌트의 자기-회복(self-healing)이 적어도 부분적으로 달성될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 이는, 예컨대 최종 고온 브레이즈 프로세스에 의해, 용접 프로세스 동안 발생했을 수 있는 임의의 최소 균열이 제거되는 것을 유발할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 방법(1000)은 원하는 컴포넌트를 마무리하는 단계들을 포함할 수 있다. 손상된 컴포넌트들을 보수하기 위한 프로세스들은, 예컨대 터보머신 엔진(turbomachine engine)으로부터 손상된 컴포넌트를 제거하기 위한 단계들을 필요로 할 수 있으며, 따라서, 보수 방법(1000)은, 컴포넌트가 LMD 프로세스 또는 후속적인 브레이즈 프로세스를 겪기 전에 컴포넌트를 예열 처리 또는 용액 처리하는 것 외에, 컴포넌트를 제거하기 위한 단계들을 또한 포함할 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[0032] 본원에서 개시된 예시적인 시스템들의 양상들, 예컨대 LMD 시스템, 분말 공급 및/또는 펌프 시스템들, 센서 시스템 등이, 임의의 적절한 프로그래밍 언어(programming language) 또는 프로그래밍 기법을 사용하여 임의의 적절한 프로세서 시스템(processor system)에 의해 구현될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 시스템은 임의의 적절한 회로의 형태를 취할 수 있는데, 이를테면, 하드웨어 실시예(hardware embodiment), 소프트웨어 실시예(software embodiment), 또는 하드웨어 엘리먼트(hardware element) 및 소프트웨어 엘리먼트(software element) 둘 모두를 포함하는 실시예를 수반할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은, 펌웨어(firmware), 상주 소프트웨어, 마이크로코드(microcode) 등을 포함할 수 있는(그러나 이에 제한되지 않음) 소프트웨어 및 하드웨어(예컨대, 프로세서, 센서들 등)에 의해 구현될 수 있다.
[0033] 또한, 프로세서 시스템의 부분들은, 프로세서 또는 임의의 명령 실행 시스템에 의한 사용 또는 이와 관련한 사용을 위한 프로그램 코드(program code)를 제공하는 프로세서-사용가능(processor-usable) 또는 프로세서-판독가능(processor-readable) 매체로부터 액세스가능한(accessible) 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)의 형태를 취할 수 있다. 프로세서-판독가능 매체들의 예들은 비-일시적인 유형적(tangible) 프로세서-판독가능 매체들, 이를테면, 반도체 또는 고체-상태 메모리(solid-state memory), 자기 테이프(magnetic tape), 제거가능 컴퓨터 디스켓(removable computer diskette), 랜덤 액세스 메모리(RAM; random access memory), 판독-전용 메모리(ROM; read-only memory), 강성 자기 디스크(rigid magnetic disk) 및 광학 디스크를 포함할 수 있다. 광학 디스크들의 현재 예들은 콤팩트 디스크-판독 전용 메모리(CD-ROM; compact disk-read only memory), 콤팩트 디스크-판독/기록(CD-R/W; compact disk-read/write) 및 DVD를 포함한다.
[0034] 특정 실시예들이 상세히 설명되었지만, 당업자들은, 본 개시내용의 전체 교시들을 고려하여, 그러한 세부사항들에 대한 다양한 수정들 및 대안이 개발될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예컨대, 상이한 실시예들과 연관하여 설명된 엘리먼트들은 결합될 수 있다. 그에 따라서, 개시된 특정 어레인지먼트(arrangement)들은 단지 예시적인 것으로 여겨지며, 청구항들 또는 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 이러한 청구항들 또는 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구항들 및 이러한 청구항들의 임의의 그리고 모든 등가물들의 최대 폭인 것으로 주어져야 한다. "포함하는"이라는 용어는 다른 엘리먼트들 또는 단계들을 배제하지 않으며, 단수형의 사용은 복수형을 배제하지 않는다는 것이 주목되어야 한다.

Claims (19)

  1. 베이스 재료(base material)(10)로부터 초합금 컴포넌트(superalloy component)를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(system)(100)으로서,
    레이저 금속 용착(LMD; laser metal deposition) 시스템(200) ― 상기 레이저 금속 용착(LMD) 시스템(200)은,
    상기 베이스 재료 상에 용융 풀(melt pool)을 형성하기 위해, 그리고 상기 베이스 재료 상에 적층 재료들의 층을 형성하기 위하여 상기 용융 풀 내에 용착되는 상기 적층 재료들을 레이저 프로세싱(laser processing)하기 위해, 레이저 에너지(laser energy)를 상기 베이스 재료를 향해 지향시키도록 동작가능하게 구성된 레이저 에너지 소스(laser energy source)(202)를 포함함 ―; 및
    레이저 프로세싱 동안 상기 베이스 재료를 냉각시키기 위한 수단(300)을 포함하는,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적층 재료는 베이스 금속 분말 및 브레이즈 금속 분말(braze metal powder) 중 적어도 하나를 포함하는,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 재료를 냉각시키기 위한 수단은 베셀(vessel)(302)을 포함하는 냉각 시스템이고, 상기 베셀(302)은 레이저 프로세싱 동안 상기 베이스 재료를 지지하도록 적응되고, 그리고 상기 베이스 재료를 원하는 냉각 온도까지 냉각시키기 위해 냉각 매체(cooling medium)를 상기 베셀 내에 디스펜싱(dispensing)하기 위한 수단에 동작가능하게 연결되는,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 베셀은 상기 베셀 내에서의 상기 냉각 매체의 유동을 제어하기 위한 유입구(304) 및 배출구(306)를 포함하는,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 냉각 매체를 디스펜싱하기 위한 수단은, 상기 베셀 내에 상기 냉각 매체를 디스펜싱하기 위해, 적어도 상기 베셀의 유입구에 동작가능하게 연결된 펌프 시스템(pump system)(350)인,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 펌프 시스템은, 상기 냉각 매체를 디스펜싱하기 위한, 상기 유입구에 연결된 펌프, 및 원하는 냉각 온도를 달성하기 위해 상기 냉각 매체의 유동 및 함량을 제어하기 위한 제어기를 포함하는,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 펌프 시스템에 동작가능하게 연결된 센서 시스템(sensor system)(400)을 더 포함하며,
    상기 센서 시스템(400)은, 상기 베셀 내의 상기 베이스 재료 및 냉각 매체 중 적어도 하나의 온도를 감지하고 그리고 상기 감지된 온도를 상기 제어기에 제공하기 위한 것이고,
    상기 제어기는, 상기 원하는 냉각 온도를 달성하기 위해 상기 유동 및 함량을 제어하기 위한 그리고 상기 베이스 재료로부터 용접 열을 방출(release)하기 위해 상기 원하는 냉각 온도를 유지하기 위한 것인,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 LMD 시스템은,
    분말 공급 시스템에 동작가능하게 연결되고, 그리고 일단 용착되면 레이저 프로세싱을 위해 상기 적층 재료들을 전달하도록 구성된 용착 툴(deposition tool)(210)을 더 포함하는,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 용착 툴은 상기 전달된 적층 재료들의 레이저 프로세싱을 위해 상기 레이저 에너지 소스에 동작가능하게 연결되는,
    베이스 재료(10)로부터 초합금 컴포넌트를 적층 제조하거나 또는 보수하기 위한 시스템(100).
  10. 적층 제조 또는 보수 방법으로서,
    레이저 금속 용착(LMD) 프로세싱을 위해 베이스 재료 기판(BMS; base material substrate)을 준비하는 단계;
    상기 BMS의 냉각 효과를 유발하는 냉각 온도 범위 내의 온도까지 상기 BMS를 냉각하고, 그리고 상기 냉각 온도 범위 내의 온도를 유지하는 단계;
    상기 BMS의 온도를 유지하는 동안 또는 상기 냉각 온도 범위를 달성 시에, 상기 BMS의 적어도 부분들을 용융시키고 그리고 상기 용융된 부분들에 적층 재료들을 용착하여 상기 BMS 상에 상기 적층 재료들의 빌드-업 층(build-up layer)을 형성함으로써, 상기 BMS의 LMD 프로세싱을 시작하는 단계를 포함하는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 BMS를 준비하는 단계는 상기 BMS를 베셀에 제공하는 단계를 포함하고, 그리고
    상기 BMS를 상기 냉각 온도 범위 내까지 냉각시키기 위해 냉각 수단이 상기 베셀에 동작가능하게 연결되는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 냉각 수단은 냉각 매체 분배 시스템을 포함하고,
    상기 냉각 매체 분배 시스템은 상기 베셀에 동작가능하게 연결되고, 그리고 상기 BMS를 냉각시키기 위해 상기 베셀 내로 냉각 매체를 디스펜싱(dispense)하도록 그리고 상기 냉각 온도 범위 내의 원하는 온도를 달성하기 위해 상기 냉각 매체의 유동 및 함량을 제어하도록 구성되는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 냉각 매체 분배 시스템은 펌프 시스템을 포함하고, 상기 펌프 시스템은 상기 냉각 매체를 디스펜싱하도록 그리고 상기 베셀 내의 냉각 매체의 유동 및 함량을 제어하도록 동작가능하게 구성되는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 냉각 매체 분배 시스템은 센서 시스템에 동작가능하게 연결되고, 상기 센서 시스템은 냉각 매체 온도 또는 BMS 온도 중 하나 이상을 감지하도록 구성되고, 그리고 상기 펌프 시스템은 상기 센서 시스템에 의해 감지된 온도들에 부분적으로 기반하여 상기 냉각 매체의 유동 및 함량을 조정하는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 냉각 매체는, 액체 질소, 액체 아르곤 및 액체 헬륨 중 하나 이상으로부터 선택되는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 적층 재료들은, 베이스 금속 분말 및 브레이즈 금속 분말 중 적어도 하나를 포함하는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 적층 재료들은 상기 BMS와 유사한 또는 동일한 화학적 조성을 포함하는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  18. 제10 항에 있어서,
    원하는 컴포넌트를 달성하기 위해 상기 BMS 또는 상기 BMS의 적어도 부분들을 브레이징(brazing)하는 단계를 더 포함하는,
    적층 제조 또는 보수 방법.
  19. 제10 항에 있어서,
    상기 베이스 재료는 초합금 베이스 재료인,
    적층 제조 또는 보수 방법.
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