KR20220038454A - 고온 가스 터빈 컴포넌트들을 보수하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

고온 가스 터빈 컴포넌트들을 보수하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

컴포넌트(component)를 형성하는 방법은 혼합물을 정의하기 위해 분말형 모재 재료(powdered base material) 및 바인더(binder)를 혼합하는 단계, 모재 재료를 용융시키지 않고서 혼합물을 원하는 형상으로 형성하는 단계, 골격(skeleton)을 정의하기 위해 원하는 형상으로부터 바인더를 제거하는 단계 ― 골격은 80% 내지 95%의 모재 재료를 포함하는 볼륨(volume)을 가짐 ― , 및 완성된 컴포넌트를 정의하기 위해 골격에 용융점 강하제 재료(melting point depressant material)를 침투(infiltrating)시키는 단계 ― 완성된 컴포넌트는 볼륨 기준으로 1% 미만의 다공성을 가짐 ― 를 포함한다.

Description

고온 가스 터빈 컴포넌트들을 보수하기 위한 시스템 및 방법
[0001] 본 개시내용은 일반적으로, 고온 가스 터빈 컴포넌트(gas turbine component)들을 보수(repairing)하기 위한 시스템(system) 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 가스 터빈 블레이드(blade)들 및 베인(vane)들의 보수를 위한 그러한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
[0002] 고 감마 프라임(gamma prime) 함량을 갖는 니켈계(nickel-base) 가스 터빈 컴포넌트들의 적층 제조(AM; additive manufacture)와 연관된 어려움들은 프로세스(process)를 대규모 제조 또는 보수에 적합하지 않게 만든다. 특히, 합금 (CM) 247을 사용하여 컴포넌트들을 적층 제조하려는 시도들 또는 그러한 컴포넌트들을 보수하려는 시도들은 대개 결정입계 용융 및 균열을 초래한다. 대안적으로, 컴포넌트들은, 균열이 덜 발생하는 다른 열등한 니켈계 합금으로 보수되어, 컴포넌트의 불충분한 성능을 초래한다.
[0003] 컴포넌트를 형성하는 방법은 혼합물을 정의하기 위해 분말형 모재 재료(powdered base material) 및 바인더(binder)를 혼합하는 단계, 모재 재료를 용융시키지 않고서 혼합물을 원하는 형상으로 형성하는 단계, 골격(skeleton)을 정의하기 위해 원하는 형상으로부터 바인더를 제거하는 단계 ― 골격은 80% 내지 95%의 모재 재료를 포함하는 볼륨(volume)을 가짐 ― , 및 완성된 컴포넌트를 정의하기 위해 골격에 용융점 강하제 재료(melting point depressant material)를 침투(infiltrating)시키는 단계 ― 완성된 컴포넌트는 볼륨 기준으로 1% 미만의 다공성(porosity)을 가짐 ― 를 포함한다.
[0004] 다른 구성에서, 컴포넌트는, 모재 재료로부터 형성되고 컴포넌트의 최종 형상을 정의하는 골격 ― 골격은 다량의 기공(pore)들 및 5% 내지 20%의 다공성을 가짐 ― , 및 골격 내에 배치된 용융점 강하제 재료 ― 용융점 강하제 재료는 볼륨 기준으로 1% 미만의 다공성을 갖는 완성된 컴포넌트를 정의하기 위해 골격 내의 기공들을 충전함(filling) ― 를 포함한다.
[0005] 전술한 내용은, 당업자들이 다음의 상세한 설명을 더 잘 이해할 수 있도록, 본 개시내용의 기술적 특징들을 다소 광범위하게 약술하였다. 청구항들의 청구대상을 형성하는, 본 개시내용의 추가의 특징들 및 장점들이 후술될 것이다. 당업자들은, 자신들이, 개시된 개념 및 특정 실시예들을, 본 개시내용의 동일한 목적들을 수행하기 위해 다른 구조들을 수정 또는 설계하기 위한 기초로서 용이하게 사용할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 당업자들은 또한, 그러한 등가 구성들이 본 개시내용의 가장 넓은 형태에서, 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다는 것을 인식할 것이다.
[0006] 또한, 아래의 상세한 설명에 착수하기 전에, 소정의 단어들 및 문구들에 대한 다양한 정의들이 본 명세서 전반에 걸쳐 제공된다는 것이 이해되어야 하며, 당업자들은 그러한 정의들이, (대부분은 아닐지라도) 많은 예들에서, 그러한 정의된 단어들 및 문구들의 앞에서뿐만 아니라 앞으로의 사용들에 적용된다는 것을 이해할 것이다. 일부 용어들이 매우 다양한 실시예들을 포함할 수 있지만, 첨부된 청구항들은 이러한 용어들을 특정 실시예들로 명시적으로 한정할 수 있다.
[0007] 도 1은 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)의 길이방향 단면도이다.
[0008] 도 2는 도 1의 가스 터빈 엔진의 몇몇 베인들의 사시도이다.
[0009] 도 3은 도 2의 터빈 베인을 보수하는 데 사용하기 위한 인서트 피스(insert piece)의 사시도이다.
[0010] 도 4는 도 3의 인서트 피스가 설치되는, 도 2의 베인들의 사시도이다.
[0011] 도 5는 니어 네트 형상(near net shape)으로 3D 프린팅된(printed) 컴포넌트의 사시도이다.
[0012] 도 6은 바인더의 제거 및 소결 후의 컴포넌트 골격(component skeleton)의 사시도이다.
[0013] 도 7은 용융점 강하제(melting point depressant)의 침투(infiltration) 동안의 컴포넌트 골격의 사시도이다.
[0014] 도 8은 침투 후에 완성된 니어 네트 형상 컴포넌트의 사시도이다.
[0015] 도 9는 니어 네트 형상으로 3D 프린팅된 다른 컴포넌트의 사시도이다.
[0016] 도 10은 바인더의 제거 및 소결 후의, 도 9의 컴포넌트 골격의 사시도이다.
[0017] 도 11은 용융점 강하제의 침투 동안의, 도 9의 컴포넌트 골격의 사시도이다.
[0018] 도 12는 침투 후의 그리고 게이트(gate)의 제거 동안의 완성된 니어 네트 형상 컴포넌트의 사시도이다.
[0019] 도 13은 리딩-에지(leading-edge) 보수 프로세스에서 사용하기 위한 부착 PSP의 사시도이다.
[0020] 도 14는 도 13의 부착 PSP에 부착된 리딩-에지 교체 컴포넌트의 사시도이다.
[0021] 도 15는 팁(tip) 부식 및 팁 균열 형태의 동작 손상을 갖는 가스 터빈 블레이드의 일부분의 사시도이다.
[0022] 도 16은 블레이드의 손상된 부분이 제거된, 도 15의 블레이드의 사시도이다.
[0023] 도 17은 도 16의 손상된 블레이드의 보수를 위한 교체 팁의 사시도이다.
[0024] 도 18은 도 16의 블레이드 팁을 보수하는 데 사용하기 위한 부착 PSP의 사시도이다.
[0025] 도 19는 도 16의 손상된 블레이드, 도 18의 부착 PSP, 및 도 17의 교체 팁의 사시도이다.
[0026] 도 20은 제조 프로세스 동안의 "그린-폼"의 교체 팁의 사시도이다.
[0027] 도 21은 소결, 및 제조 지지 부재로부터의 제거 후의, 도 20의 교체 팁의 사시도이다.
[0028] 도 22는 도 16의 블레이드 상에 설치된, 도 21의 교체 팁의 사시도이다.
[0029] 본 발명의 임의의 실시예들이 상세히 설명되기 전에, 본 발명이 다음의 상세한 설명에서 제시되거나 다음의 도면들에 예시된 컴포넌트들의 어레인지먼트(arrangement) 및 구조의 세부사항들에 대한 본 발명의 애플리케이션(application)에서 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하며, 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본원에서 사용된 표현 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고, 제한하는 것으로서 간주되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다.
[0030] 시스템들 및 방법들과 관련된 다양한 기술들이 이제 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 도면들에서 유사한 참조 부호들은 도면들 전체에 걸쳐 유사한 엘리먼트(element)들을 나타낸다. 본 특허 문서에서 본 개시내용의 원리들을 설명하기 위해 사용되는 다양한 실시예들 및 아래에서 논의되는 도면들은 단지 예시적이며, 어떤 방식으로도 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자들은, 본 개시내용의 원리들이 임의의 적합하게 배열된 장치에서 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 소정의 시스템 엘리먼트들에 의해 수행되는 것으로 설명되는 기능은 다수의 엘리먼트들에 의해 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 유사하게, 예컨대, 일 엘리먼트는, 다수의 엘리먼트들에 의해 수행되는 것으로 설명되는 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 본 출원의 많은 획기적인 교시들은 예시적인 비-제한적 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.
[0031] 또한, 본원에서 사용되는 단어들 또는 문구들은 일부 예들에서 명백하게 제한되지 않는 한 광범위하게 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, "포함하는"("including", "having", 및 "comprising")이라는 용어들뿐만 아니라 그 파생어들은 제한 없는 포함(inclusion)을 의미한다. 단수 형태들은, 문맥이 명백히 달리 표시하지 않는 한, 복수의 형태들을 또한 포함하도록 의도된다. 또한, 본원에서 사용되는 "및/또는"이라는 용어는, 연관된 열거된 항목들 중 하나 이상의 항목의 임의의 그리고 모든 가능한 조합들을 지칭하고 포괄한다. "또는"이라는 용어는, 문맥이 명백히 달리 표시하지 않는 한, 포괄적인 "및/또는"의 의미이다. "~와 연관된" 및 "그와 연관된"이라는 문구들뿐만 아니라 그들의 파생어들은, 포함하는, ~ 내에 포함되는, ~와 상호연결되는, 포함하는, ~ 내에 포함되는, ~에 또는 ~와 연결되는, ~에 또는 ~와 커플링(couple)되는, ~와 통신가능한, ~와 협력하는, 인터리빙(interleave)되는, 나란히 놓이는(juxtapose), ~ 가까이 있는, ~에 또는 ~와 결속되는, ~을 갖는, ~의 특성을 갖는 등을 의미할 수 있다. 더욱이, 다수의 실시예들 또는 구성들이 본원에서 설명될 수 있지만, 일 실시예와 관련하여 설명된 임의의 특징들, 방법들, 단계들, 컴포넌트들 등은, 반대되는 특정 설명이 없는 다른 실시예들에 동일하게 적용가능하다.
[0032] 또한, 다양한 엘리먼트들, 정보, 기능들, 또는 동작들을 지칭하기 위해 "제1", "제2", "제3" 등의 용어들이 본원에서 사용될 수 있지만, 이러한 엘리먼트들, 정보, 기능들, 또는 동작들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 않아야 한다. 오히려 이러한 숫자 형용사들은 상이한 엘리먼트들, 정보, 기능들 또는 동작들을 서로 구별하는 데 사용된다. 예컨대, 본 개시내용의 범위를 벗어남이 없이, 제1 엘리먼트, 정보, 기능, 또는 동작은 제2 엘리먼트, 정보, 기능, 또는 동작으로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2 엘리먼트, 정보, 기능, 또는 동작은 제1 엘리먼트, 정보, 기능, 또는 동작으로 지칭될 수 있다.
[0033] 게다가, "~에 인접한"이라는 용어는: 문맥이 명백히 달리 표시하지 않는 한, 엘리먼트가 추가의 엘리먼트와 비교적 가깝지만 접촉하지 않는 것; 또는 엘리먼트가 추가의 부분과 접촉하는 것을 의미할 수 있다. 또한, "~에 기반하는"이라는 문구는, 명백히 달리 언급되지 않는 한, "~에 적어도 부분적으로 기반하는" 것을 의미하도록 의도된다. 약" 또는 "실질적으로" 등의 용어들은, 그 치수에 대한 정규 산업 제조 허용오차들 내에 있는 값의 편차들을 커버(cover)하도록 의도된다. 어떤 산업 표준도 이용 불가한 경우, 20 퍼센트의 편차가, 달리 언급되지 않는 한, 이러한 용어들의 의미 내에 속할 것이다.
[0034] 도 1은 압축기 섹션(compressor section)(15), 연소 섹션(combustion section)(20), 및 터빈 섹션(25)을 포함하는 가스 터빈 또는 연소 터빈 엔진(engine)(10)을 예시한다. 동작 동안, 대기 공기는 압축기 섹션(15) 내로 흡인되어 압축된다. 압축 공기의 일부분은 연료와 혼합되고, 연소 섹션(20)에서 연소되어 고온 연소 생성물들을 생성한다. 연소 생성물들은 나머지 압축 공기와 혼합되어 배기 가스를 형성하며, 그런 다음, 배기 가스는 터빈 섹션(25)을 통과한다. 배기 가스는 터빈 섹션(25) 내에서 팽창하여, 발전기와 같은, 엔진(10)에 부착된 임의의 보조 장비 및 압축기 섹션(20)에 전력을 공급하는 토크(torque)를 생성한다. 배기 가스는 고온(1000℉, 538℃ 이상)으로 터빈 섹션(25)에 진입하여서, 터빈 블레이드들(30) 및 베인들이 고온들에 노출되며 그러한 온도들에 적합한 재료들로 제조되어야 한다. "블레이드" 및 "베인"이라는 용어들은 상호교환 가능한 것으로 해석되어야 한다. 통상적으로, "블레이드"라는 용어는 회전식 에어 포일들을 지칭하고 "베인"은 고정식 에어포일들을 지칭하지만, 본 발명은, 대부분의 보수들 또는 프로세스들이 블레이드들 및 베인들 둘 모두에 동일하게 적용가능하기 때문에 이러한 정의들로 제한되지 않아야 한다.
[0035] 일 구성에서, 베인들(30)은 니켈계 초합금, 이를테면, 합금 (CM) 247로 제조된다. 도 2는 도 1의 엔진(10)의 터빈 섹션(25)으로부터의 고정식 베인들(30)의 일부분을 예시한다. 각각의 베인(30)은 리딩 에지(35), 트레일링 에지(trailing edge)(40), 흡입 측(45), 및 압력 측(50)을 포함한다. 인접한 베인들(30)은 서로 협력하여 그 사이에 유동 경로를 정의한다. 배기 가스는 유동 경로들을 통과하며, 배기 가스의 효율적인 팽창을 제공하도록, 그리고 결국 보조 장비를 구동시키는 회전자(53)에 토크를 제공하도록 원하는 대로 지향되고 가속된다.
[0036] 동작 동안, 베인들(30)은 손상될 수 있다. 이물질 충돌들, 고온 동작, 피로, 크리프(creep), 산화 등에 의해 손상이 야기될 수 있다. 손상되기 쉬운 하나의 영역은 베인(30)의 리딩 에지(35)이다. 도 2는 리딩 에지(35)의 부분(55)이 제거된 베인들(30) 중 하나를 예시한다. 원하는 보수는, 제거된 부분(55)을 모재 재료와 밀접하게 매칭하는 재료로 교체하는 것을 포함할 것이다. 그러나, 니켈계 초합금들, 이를테면, 베인들(30)을 제조하는 데 사용된 니켈계 초합금들은 용접 또는 통상적인 적층 제조 보수 프로세스들에 적합하지 않다.
[0037] 도 3 및 도 4는 도 2에 예시된 베인(30)의 리딩 에지(35)에 대한 하나의 가능한 보수를 예시한다. 도 3은 리딩 에지 인서트(60)의 형태의 인서트 피스를 예시하고, 도 4는 부착을 위한 베인(30)에서의 리딩 에지 인서트(60)의 포지셔닝을 예시한다. 인서트(60)는 매칭(matching)하는 모재 재료의 상당한 부분을 포함하며, 통상적으로 브레이징 프로세스를 사용하여 부착된다.
[0038] 도 5 ― 도 12는 도 3에 예시된 인서트 피스(60) 또는 원하는 임의의 다른 보수 컴포넌트를 제조하기 위한 프로세스를 예시한다. 도 5 ― 도 8은 일반적인 큐브-형상 오브젝트(cube-shaped object)(65)에 대한 프로세스를 예시하는 한편, 도 9 ― 도 12는 도 3에 예시된 리딩 에지 인서트(60)에 대한 유사한 프로세스를 예시한다.
[0039] 프로세스는, 고 감마 프라임 니켈 분말(66)(모재 재료)을 바인더(67)와 혼합하고, 3D 프린팅(printing)하거나, 그렇지 않으면 원하는 컴포넌트(70, 75)의 그린-폼을 니어 네트 형상으로 적층 제조함으로써 시작된다. 그런 다음, 그린-폼 컴포넌트(70, 75)가 건조될 수 있다. 도 5 및 도 9는 이 단계를 예시한다. 프린팅 또는 적층 제조 프로세스 동안, 모재 재료는 용융되지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "니어 네트 형상"이라는 용어는, 컴포넌트가, 추가의 기계가공 없이 제조 프로세스의 특정 단계에서 컴포넌트에 대한 원하는 제조 파라미터(parameter)들 및 허용오차들 내에 있음을 의미한다. 그러나, 최종 컴포넌트에 대한 원하는 표면 마감 또는 텍스처(texture)를 달성하기 위해 일부 표면 연삭(grinding) 또는 연마(polishing)가 요구될 수 있다. 게다가, 사용하기 위한 컴포넌트를 완성하기 위해 추가적인 층들 또는 코팅(coating)들이 컴포넌트에 적용될 수 있다. 더욱이, 그리고 도 9 ― 도 12에 예시된 바와 같이, 그린-폼 컴포넌트(75)는 피처(feature)들, 이를테면, 게이트들(80), 또는 제조 프로세스 동안 사용된 다음 제거되는 지지 구조들을 포함할 수 있다. 이러한 것들과 같은 피처들을 포함하는 그린-폼 컴포넌트(75)는, 추가적인 제조 단계들이 수행되기 전에 추가적인 기계가공 또는 프로세싱(processing)이 요구되지 않고, 그리고 원하지 않는 피처들(게이트(80))의 제거만이 요구되기 때문에 니어 네트 형상으로 간주될 것이다.
[0040] 다음 단계는 그린-폼 컴포넌트(70, 75)를 노(furnace) 또는 다른 가열 디바이스(heating device) 내에 배치하는 것이다. 그린-폼 컴포넌트(70, 75)는 바인더(67)를 버닝(burn)시키거나 제거하기 위해 가열된다. 나머지 재료는, 모재 재료(66), 및 이전에 바인더 재료(67)에 의해 점유되었던 갭(gap)들 또는 빈 영역들(68)로 구성된 골격(85, 90)을 정의한다. 도 6에서, 골격(85)은 큐브-형상이다. 도 10에서, 골격(90)은, 궁극적으로 리딩 에지 인서트(60)가 될 중간 컴포넌트를 정의하며, 게이트(80)를 더 포함한다. 바람직한 어레인지먼트들에서, 가열 또는 소결 단계는 모재 재료(66)를 용융시키지 않고, 모재 재료(66)로서 골격(85, 90)의 볼륨(volume)의 적어도 80 퍼센트를 남김으로써, 골격(85, 90)의 20 퍼센트 이하를 빈 공간(68)으로서 남긴다. 이는 본원에서 20 퍼센트 이하의 다공성으로 지칭된다. 사용되는 바인더(67)의 양, 및 소결 온도는 20 퍼센트 미만의 다공성, 바람직하게는 5 퍼센트 내지 20 퍼센트의 다공성에 도달하도록 선택된다.
[0041] 도 7 및 도 11에 예시된 바와 같이, 골격(85, 90) 및 게이트(80)에는 저 용융점 재료 또는 용융점 강하제(100)(때때로 브레이즈 재료로 지칭됨)가 침투한다. 용융점 강하제(100)의 바람직한 조성들은, 티타늄(titanium)(Ti), 지르코늄(zirconium)(Zr), 및 하프늄(hafnium)(Hf) 중 적어도 하나를 포함하며, 나머지는 크롬(chromium)(Cr) 및 니켈(nickel)(Ni)이다. 용융점 강하제(100)로서 붕소(B), 실리콘(silicon)(Si), 또는 인(P)을 부분적으로 또는 전체적으로 사용하는 것은, 이들 재료들이 완성된 컴포넌트(60, 65)의 재료 특성들에 미치는 부정적인 영향들을 방지하기 위해 회피된다.
[0042] 원하는 침투를 생성하기 위해, 액체 용융점 강하제(100)가 골격(85, 90)과 접촉하는 것을 보장하는 방식으로, 용융점 강하제(100)가 용융된다. 골격(85, 90)의 다공성에 의해 생성된 모세관 작용은 액체 용융점 강하제(100)를 골격(85, 90)의 기공들(68) 내로 끌어당기고, 재료로 99 퍼센트 충전된(즉, 1 퍼센트의 다공성) 완성된 컴포넌트(60, 65)를 유발할 수 있다.
[0043] 용융점 강하제(100)의 특정 조성은 모재 재료에 포함된 티타늄의 양에 적어도 부분적으로 기반하여 선택된다. 예컨대, 모재 재료에 3.5 중량 퍼센트 이상의 티타늄을 포함하는 구성들에서, 원하는 용융점 강하제(100)는 Hf 및 Zr 중 적어도 하나를 포함하며, 나머지는 Ni 및 Cr이다. 모재 재료에 1.0 퍼센트 이하의 Ti를 갖는 구성들에서, 바람직한 조성은 Ti를 포함하며, 나머지는 Ni 및 Cr이다. Ti의 양이 모재 재료에서 1.0 퍼센트 내지 3.5 퍼센트일 때, 원하는 조성은 Zr 및 Ti 중 적어도 하나를 포함하며, 나머지는 Ni 및 Cr이다. Ti, Zr, 또는 Hf의 양은, 완성된 니켈계 컴포넌트가 6.0 퍼센트 미만의 Ti를 갖도록 선택된다(다른 구성들은 5.0 퍼센트 미만이고 또 다른 구성들은 4.0 퍼센트 미만임).
[0044] 일단 침투가 완료되면, 제조 요건들을 위해 추가된 임의의 피처들, 이를테면, 도 9 ― 도 12에 예시된 지지 구조 또는 게이트(80)가 제거되어 컴포넌트(60, 65)가 완성된다. 이제, 도 4에 예시된 바와 같이 컴포넌트(60, 65)를 설치하기 전에 임의의 추가적인 연삭, 연마, 또는 층 추가들이 수행될 수 있다. 바람직한 구성들에서, 침투 후에, 컴포넌트(60, 65)는 1 퍼센트 미만의 다공성을 갖는다.
[0045] 본원에서 설명되는 프로세스는 모재 재료 분말(66)을 용융시키지 않는다. 오히려, 분말(66)은 바인더(67)와 혼합되고, 레이저 소스(laser source) 또는 다른 에너지 소스(energy source)를 사용하여 3D 프린팅되고 건조된다. 바인더(67)는 저온(예컨대, 500℃ 미만)에서 번아웃된다. 나머지 모재 재료(66)는 소결된 재료에 최대 20 퍼센트의 다공성이 남는 것을 보장하는 소결 온도까지 가열된다.
[0046] 니켈계 합금들의 경우, 이용되는 티타늄의 양은 바람직하게는, 기계적 특성들이 감소될 가능성을 감소시키기 위해 약 6 퍼센트(즉, 4 퍼센트 내지 8 퍼센트)로 제한된다. 이러한 제한으로 인해, 골격(85, 90) 내의 다공성의 레벨(level)은, 모재 재료 내의 그리고 브레이즈 재료(100)(때때로 용융점 강하제로 지칭됨) 내의 티타늄의 양에 의해 적어도 부분적으로 결정되며, 완성된 컴포넌트(60, 65)에서 약 6 퍼센트의 티타늄이 목표이다. 예컨대, 일 구성에서, 모재 재료 또는 골격(85, 90)은 티타늄을 포함하지 않을 수 있다. 22%의 티타늄을 함유하는 브레이즈 재료가 이용되면, 골격(85, 90)의 총 다공성은 약 30%로 제한될 것이며, 이는 약 6.6%의 티타늄을 갖는 완성된 컴포넌트(60, 65)로 이어질 것이다.
[0047] 다른 예에서, 골격(85, 90)은 1%의 티타늄을 포함한다. 이 경우, 22%의 티타늄을 갖는 동일한 브레이즈 재료를 사용 시에, 골격(85, 90)은 약 5.2%의 티타늄을 갖는 완성된 컴포넌트(60, 65)에 도달하도록 20% 미만의 다공성으로 제한되어야 한다.
[0048] 또 다른 예에서, 골격(85, 90)은 2%의 티타늄을 포함한다. 이 경우, 22%의 티타늄을 갖는 동일한 브레이즈 재료를 사용 시에, 골격(85, 90)은 약 6.0%의 티타늄을 갖는 완성된 컴포넌트(60, 65)에 도달하도록 15% 미만의 다공성으로 제한되어야 한다.
[0049] 논의된 바와 같이, 니켈계 가스 터빈 컴포넌트들, 구체적으로는 합금 (CM) 247 컴포넌트들은 컴포넌트의 용융을 수반하는 임의의 방법으로는 보수 또는 빌드업(build-up)하기가 어려운데, 왜냐하면 결정입계 용융(초기 용융) 온도가 용접 온도에 대해 낮고, 그에 따라, 용접 보수가 대개 보수 프로세스 동안 균열들을 생성하기 때문이다.
[0050] 도 2 ― 도 12와 관련하여 논의된 바와 같이, 용접 보수에 대한 하나의 대안은 먼저 베인(30)의 손상된 섹션을 위한 교체 컴포넌트(60, 65)(예비-소결 프리폼(PSP; pre-sintered preform))를 구축한 다음, 이 새로운 교체 컴포넌트(60, 65)를, 결정입계 용융 온도 미만으로 유지되는 최대 온도를 보장하는 프로세스를 사용하여 보수되는 컴포넌트(예컨대, 베인(30))에 접합하는 것이다. 이러한 보수를 추가로 개선하기 위해, 보수되는 컴포넌트의 손상된 섹션을, 보수되는 컴포넌트(예컨대, 베인(30))의 모재 재료보다 더 높은 내산화성을 제공하는 기능성 재료를 포함하는 교체 컴포넌트(60, 65)로 교체할 수 있다.
[0051] 손상된 부분(55)은 제거되고, 유사하거나 더 양호한 산화 및 파열(rupture) 특성들을 제공하는, 적층 제조(AM) 재료 또는 예비-소결 프리폼(PSP)을 사용하여 제조된 꼭끼워맞춤(close-fitting) 교체 컴포넌트(105)로 교체된다. 도 2 ― 도 4 및 도 9 ― 도 12에 예시된 바와 같이, 교체 컴포넌트(105)가 리딩 에지(35)에 대한 교체일 때, 적층 제조된 교체 컴포넌트들(105)은 상당한 파열 성능을 갖는 원주형 그레인(columnar grain)들을 포함할 수 있다.
[0052] 높은 내산화성 재료로 리딩 에지(35)의 보수를 수행하기 위해, 베인(30)의 리딩 에지(35)의 손상된 부분(55)이 먼저 제거된다. 제거된 손상된 부분(55)은, 설치될 교체 컴포넌트(105)의 크기 및 구성을 결정하기 위해 측정된다. 그런 다음, 교체 컴포넌트(105)는 적층 제조 프로세스를 사용하여, 또는 PSP, 이를테면, 도 2 ― 도 12와 관련하여 설명된 프로세스를 사용하여 제조된 PSP로서 제조된다. 교체 컴포넌트(105)의 내산화성을 향상시키기 위해, 적층 제조 프로세스를 사용할 때, 교체 컴포넌트(105)를 제조하는 데 사용되는 재료는 최대 8 퍼센트(8%)의 알루미늄을 포함한다. 게다가, 교체 컴포넌트(105)와 베인(30) 또는 보수되는 다른 컴포넌트 사이의 연동(interlock)을 향상시키거나 또는 생성하기 위해, 부착 구조들(110), 이를테면, 핀(pin)들, 돌출부들, 노치(notch)들, 애퍼처(aperture)들 등이 교체 컴포넌트(105)의 일부로서 형성될 수 있다.
[0053] 교체 컴포넌트(105)가 PSP로서 제조될 때, 바람직한 재료는 최대 80 퍼센트(80%)의 초합금(바람직하게는, 보수되는 베인(30)과 매칭함), 최대 8 퍼센트(8%)의 알루미늄, 및 위에서 설명된 바와 같은 Ti, Zr, 및 Hf를 포함하는 최대 30 퍼센트(30%)의 브레이즈 재료를 포함한다. 적층 제조된 교체 컴포넌트(105)에서와 같이, PSP 교체 컴포넌트들(105)은 위에서 설명된 것들과 같은 부착 구조들(110)을 포함할 수 있다. 도 9 및 도 10은 정렬 핀들(111)의 형태의 부착 구조들(110)을 예시한다. 핀들(111)은, 교체 컴포넌트(105)가 부착될 블레이드(30)에 형성된 애퍼처들과 정렬되어 맞물린다. 명확성을 위해 핀들(111)이 도 9 및 도 10에만 예시되지만, 바람직한 구성들에서, 핀들(111)은 교체 컴포넌트(105)의 일부로서 형성될 것이고, 따라서 제조 프로세스의 각각의 단계에서 존재할 것이다. 다른 구성들에서, 핀들(111)은 교체 컴포넌트(105)의 제조 동안의 어떤 시점에서 교체 컴포넌트(105)에 부착되는 별개의 컴포넌트들이다. 부착은 접착제들, 용접, 브레이징 등을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 임의의 적합한 부착 수단을 사용하여 가능하게 될 수 있다.
[0054] PSP 교체 컴포넌트(105)를 제조하는 데 사용되는 재료는, 브레이즈 재료의 대부분을 모재 재료 분말과 반응시키기 위해, 1시간 초과 동안 브레이즈 용융 온도보다 적어도 50℃ 높은 온도로 유지된다. 이는 교체 컴포넌트(105)를 베인(30)에 부착하는 브레이즈 동작 동안의 재-용융을 방지한다.
[0055] 도 13에 도시된 부착 PSP(115)는, 부착 PSP(115)가 최대 30 퍼센트(30%)의 브레이즈 재료를 포함하기보다는 적어도 30 퍼센트(30%)의 브레이즈 재료를 포함한다는 점을 제외하고, PSP 교체 컴포넌트(105)와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 재료 조합으로 형성된다. 부착 PSP(115)는 바람직하게는 250 미크론(micron) 이하의 두께이고, 위에서 설명된 PSP 교체 컴포넌트(105)와 유사한 온도로 생성되지만, 더 짧은 시간(15분 미만) 동안 그 온도로 유지된다. 따라서, 부착 PSP(115)는, 보수되는 베인(30)이 제조되는 방식(PSP 또는 적층 제조)에 관계 없이, 도 14에 예시된 바와 같은 교체 컴포넌트(105)에 접합될 수 있도록 충분한 미반응 브레이즈 재료(unreacted braze material)를 갖는다.
[0056] 교체 컴포넌트(105)는, 조정된 조성 및 Ni-Cr-(Ti, Zr, Hf) 브레이즈 조성으로 인해 충분한 기계적 특성들 및 내산화성을 갖는다. 게다가, 적층 제조된 교체 컴포넌트(105)를 사용할 때, 원주형 그레인들은 등축(equiaxed) 그레인 구조의 모재 재료에 비해 상당한 파열 성능을 제공한다.
[0057] 아래에서 설명될 바와 같이, 이러한 프로세스들 및 절차들은 베인(30) 또는 블레이드의 팁(120)과 같은 다른 컴포넌트들에 적용될 수 있다.
[0058] 예컨대, 도 15 ― 도 19는, 방금 설명된 것과 유사하지만 니켈계 가스 터빈 베인(30) 또는 블레이드, 구체적으로는 합금 247 또는 유사한 재료로 제조된 베인(30) 또는 블레이드의 팁(120)의 보수를 위한 프로세스를 예시한다.
[0059] 도 15는 블레이드(30)에서 하방향으로 연장되는 팁 섹션 균열들(125)을 갖는 블레이드(30)를 개략적으로 예시한다. 블레이드 팁(120)은 또한, 터빈 블레이드(30)의 동작 후에 공통적일 수 있는 산화 손상 부분(oxidation damaged portion)들(130)을 포함한다. 블레이드(30)를 보수하기 위해, 팁(120)의 손상된 부분이 먼저 제거된다. 도 15의 예에서, 손상된 부분(135)의 제거는 균열들(125)을 완전히 제거하는 것이 아니라 산화 손상 부분들(130)을 제거한다. 일부 상황들에서, 균열 또는 균열들(125)의 부분들이 제거 후에 유지될 수 있도록, 제거되는 팁(120)의 양을 최소화하는 것이 바람직하다. 도 16을 참조하면, 손상된 부분(135)의 제거 후에 남아있는 임의의 균열들(125)은 기계가공 프로세스, 연삭, 또는 다른 적합한 재료 제거 프로세스들을 사용하여 제거된다.
[0060] 꼭끼워맞춤 교체 팁(140)은 손상된 부분(135)의 제거에 의해 생성된 공간을 충전하도록 형성된다. 교체 팁(140)은 또한, 임의의 균열들(125)의 제거 동안 생성된 임의의 공간들을 충전할 수 있다. 대안적으로, 균열들(125)의 제거 동안 개방된 공간은 교체 팁(140)에 대한 부착 프로세스 동안 분말형 브레이즈 재료로 충전될 수 있다. 교체 팁(140)은 적층 제조(AM) 프로세스를 사용하여 형성될 수 있거나, 또는 제거된 부분(135)과 유사하거나 또는 제거된 부분(135)보다 더 양호한 산화 및 파열 특성들을 제공하는 예비-소결 프리폼(PSP)으로 형성될 수 있다.
[0061] AM 프로세스를 사용하여 제조될 때, 교체 팁(140)은 바람직하게, 우수한 내산화성을 제공하기 위해 최대 8 퍼센트(8%)의 알루미늄이 첨가된 블레이드(30)의 모재 재료와 유사한 재료로 구성된다. 게다가, 도 17에 예시된 핀들(145)과 같은 부착 구조들(110)은 교체 팁(140)과 보수되는 블레이드(30)의 나머지 사이의 기계적 연결을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 물론, 다른 피처들, 이를테면, 돌출부들, 애퍼처들, 돌기(boss)들 등이 부착 구조들(110)로서 사용될 수 있다. 도 17의 핀들(145)은 보수되는 블레이드(30)의 나머지 부분에 형성되거나 그렇지 않으면 존재하는 대응하는 애퍼처들에 수용된다.
[0062] AM 교체 팁(140) 대신에 PSP가 사용되는 구성들에서, 재료는 바람직하게, 최대 80 퍼센트(80%)의 초합금(보수되는 블레이드(30)의 모재 재료와 매칭함), 최대 8 퍼센트(8%)의 알루미늄, 및 위에서 설명된 바와 같은 Ti, Zr, 및 Hf를 포함하는 최대 30 퍼센트(30%)의 브레이즈 재료로 만들어진다.
[0063] PSP 교체 팁(140)을 제조하는 데 사용되는 재료는, 브레이즈 재료의 대부분을 모재 재료 분말과 반응시키기 위해, 1시간 초과 동안 브레이즈 재료의 용융 온도보다 적어도 50℃ 높은 온도로 유지된다. 이는, 교체 팁(140)을 보수되는 블레이드(30)에 부착하는 브레이즈 동작 동안의 재-용융을 방지한다.
[0064] 도 18에 도시된 팁 부착 PSP(150)는, 팁 부착 PSP(150)가 최대 30 퍼센트(30%)의 브레이즈 재료를 포함하기보다는 적어도 30 퍼센트(30%)의 브레이즈 재료를 포함한다는 점을 제외하고, PSP 교체 팁(140)과 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 재료 조합으로 형성된다. 팁 부착 PSP(150)는 바람직하게는 250 미크론 이하의 두께이고, 위에서 설명된 PSP 교체 팁(140)과 유사한 온도로 생성되지만, 더 짧은 시간 기간(15분 미만) 동안 그 온도로 유지된다. 따라서, 팁 부착 PSP(150)는, 교체 팁(140)이 제조되는 방식(PSP 또는 적층 제조)에 관계 없이, 도 19에 예시된 바와 같이 보수되는 블레이드(30)에 교체 팁(140)이 접합될 수 있도록 충분한 미반응 브레이즈 재료를 갖는다.
[0065] 교체 팁(140)은 조정된 조성 및 Ni-Cr-(Ti, Zr, Hf) 브레이즈 조성으로 인해 충분한 기계적 특성들 및 내산화성을 갖는다.
[0066] 앞서 논의된 바와 같이, 가스 터빈 컴포넌트들은 국부적인 손상을 생성할 수 있는 다양한 국부적인 조건들 하에서 동작한다. 이는 다양한 컴포넌트 조건들(예컨대, 온도들, 압력들, 유체 특성들 등) 및 엔진 조건들에 기인할 수 있다.
[0067] 국부적인 동작 조건들의 일 예가 1열 터빈 블레이드(155)에 존재하며, 여기서 블레이드들(155)에 대한 국부적인 디스트레스(distress)는 블레이드(155)의 리딩 에지(160) 및 블레이드(155)의 팁(165)을 포함하는 다수의 영역들에서 손상을 야기할 수 있다. 도 22는 블레이드(155)의 리딩 에지(160) 및 팁(165)을 예시하며, 또한 블레이드 팁(165)에서 균열 및/또는 산화 손상을 보수하기 위해 설치된 교체 팁(170)을 예시한다.
[0068] 일 유형의 손상은 제1 스테이지(stage) 블레이드(155)의 리딩 에지(160)뿐만 아니라, 세라믹 코팅(ceramic coating)이 일련의 냉각 애퍼처들(175) 근처에 접착되는 다른 블레이드들에서도 발생한다. 코팅이 파손(spall)되면, 리딩 에지 번아웃 또는 손실이 대개 관찰된다. 손상이 발생할 수 있는 다른 영역은 블레이드(155)의 팁(165)에 있으며, 여기서 블레이드(155)는 블레이드(155)의 반경방향 외측에 있는 링 세그먼트(ring segment) 또는 다른 컴포넌트에 대해 마찰될 수 있다. 과도한 산화가 또한 블레이드(155)의 팁(165)에서 발생할 수 있고, 냉각 애퍼처들(175)로부터 또는 마찰 또는 산화와 같은 다른 인자들에 의해 야기되는 손상으로부터 균열들 또는 팁 균열들이 형성되어 전파될 수 있다.
[0069] 이전에 논의된 바와 같이, 블레이드 또는 베인 팁들(165)에 대한 보수들은 블레이드 팁(165)의 일부분을 제거한 후에 교체 팁(170)으로 교체하는 것을 포함할 수 있다. 블레이드 또는 베인 리딩 에지들(160)에 대해 유사한 보수들이 또한 이루어질 수 있다.
[0070] 보수된 베인 또는 블레이드(155)의 동작을 향상시키는 특수 브레이즈 재료들 및 브레이징 프로세스들로 교체 컴포넌트들 또는 교체 팁들(170)을 제조하기 위해 적층 제조에 의존할 수 있다.
[0071] 교체 컴포넌트들 또는 교체 팁들(170)을 제조하는 데 매우 적합한 하나의 바람직한 적층 제조 프로세스는 원자 확산(atomic diffusion)을 포함한다. 도 20 ― 도 22는 교체 팁(170)을 형성하기 위해 원자 확산을 사용하여 블레이드 팁(165)을 보수하는 프로세스를 예시한다. 당업자가 인식할 바와 같이, 블레이드(155) 또는 베인의 리딩 에지(160)뿐만 아니라, 본원에서 논의되지 않은 다른 컴포넌트들의 보수에 동일한 프로세스가 적용될 수 있다.
[0072] 도 20을 참조하면, 원자 확산은 3D 형상의 신속한 구성을 위해 결합제(binding agent)들 및 금속 분말을 사용한다. 금속 분말은 일반적으로, 보수되는 컴포넌트(즉, 블레이드(155))에서 사용되는 재료(예컨대, 합금 (CM) 247)와 밀접하게 매칭하도록 선택된다. 금속 분말 및 중합체 결합제는 혼합된 다음, 궁극적으로는 교체 컴포넌트 또는 팁(170)을 유발할 원하는 형상으로 형성된다. 이 예비 컴포넌트(185)는 대개 "그린-폼"으로 지칭된다. 그런 다음, "그린-폼" 컴포넌트(185)는 고온 소결 동작에서 가열 및 소결되고, 결합제가 제거되고, 분말 입자들을 기계적으로/야금적으로 본딩(bond)한다. 소결 온도는, 분말형 금속 입자들을 완전히 용융시키지 않고서 분말형 금속의 원하는 기계적/야금적 본딩을 제공하면서 결합제를 완전히 제거하도록 선택된다.
[0073] 그린-폼 컴포넌트(185)를 형성하는 하나의 방법은 3-D 프린팅 기법을 포함한다. 원하는 분말 금속 및 바인더를 포함하는 와이어 공급 원료(wire feedstock)가 준비된다. 사용자는 완성된 교체 팁(170) 또는 교체 피스에서 원하는 재료 특성들을 달성하기 위해 원하는 대로 재료 케미스트리(material chemistry)들을 조합하거나 또는 케미스트리들을 맞춤화할 수 있다. 게다가, 교체 팁(170) 내의 상이한 위치들에서 상이한 특성들을 달성하기 위해, 교체 팁(170)의 형성 동안 상이한 시간들에 상이한 조성들이 사용될 수 있다. 예컨대, 일 구성에서, 제1 또는 계면 층이 되도록 의도된 조성은 와이어 공급 원료에 통합된 브레이즈 재료뿐만 아니라 원하는 모재 재료를 포함한다.
[0074] 교체 팁(170) 또는 다른 컴포넌트를 제조하기 위해, 제1 또는 계면 층은 지지 구조(190) 상에 증착되거나 또는 지지 구조(190)와 독립적으로 형성된다. 도 20의 예의 제1 표면은, 보수되는 블레이드(155)에 교체 팁(170)을 부착하기 위해, 보수되는 컴포넌트(즉, 블레이드(155))에 브레이징되는(brazed) 또는 보수되는 컴포넌트(즉, 블레이드(155))와 계면을 이루는 표면인 것으로 의도된다. 동일한 재료를 사용하여 제1 층의 최상부 상에 추가적인 층들이 형성될 수 있거나, 또는 특정 교체 컴포넌트에 대해 요구될 수 있는 다른 재료가 사용될 수 있다.
[0075] 예컨대, 공급 원료는 브레이즈 재료를 포함하지 않는 제2 재료로 변경될 수 있고, 오히려, 보수되는 블레이드(155) 또는 다른 컴포넌트의 모재 재료와 더 밀접하게 매칭한다. 위에서 논의된 바와 같이, 모재 재료의 성능에 비해 교체 팁(170) 또는 다른 컴포넌트의 성능을 향상시키는 일부 재료들이 이용될 수 있다. 그러한 재료들 중 임의의 재료가 이 프로세스에서 또한 이용될 수 있다. 예컨대, 내산화성을 향상시키기 위해 최대 8%의 알루미늄이 이용될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 소결 프로세스는 분말형 재료를 용융시키지 않도록 설계된다. 프로세스가 비-용융 프로세스이기 때문에, 케미스트리의 어떤 변동도 예상되지 않는다.
[0076] 도 20을 계속 참조하면, 금속 분말이 바인더(예컨대, 중합체)와 함께 압출되어 와이어 공급 원료가 생성되고, 그런 다음, 그 와이어 공급 원료는 지지 구조(190) 상에 증착된다. 지지 구조(190)로부터의 완성된 교체 팁(170)의 제거를 돕기 위해, 증착된 재료와 지지 구조(190) 사이에 세라믹 중간층(195)이 포지셔닝될(positioned) 수 있다. 그린 구조(green structure)의 세척 단계는 중합체 바인더를 제거하며, 고밀화는 소결을 통해 수행된다. 통상적으로, 96 퍼센트 초과의 밀도들이 달성될 수 있지만, 이는 컴포넌트 크기 및 대응하는 벽 두께에 따라 좌우되는데, 왜냐하면, 고체 스테이지 확산(solid stage diffusion)에 의해 고밀화가 달성되기 때문이다. 이 프로세스를 사용하여 형성되고, 소결되고 그리고 지지 구조로부터 제거된 후의 교체 팁들(170)의 예들이 도 21에 예시된다.
[0077] 이 방법은 층-기반 AM 기법들의 등방성(isotropy)을 경험하지 않으며, 그린-폼 컴포넌트(185)를 생성하는 데 있어서의 그 속도, 및 매우 적은 분말 폐기물 때문에, 다른 AM 기법들에 비해 비용을 상당히 감소시킨다. 추가하여, 앞서 언급된 바와 같이, 이러한 적층 제조 프로세스는, 리딩 에지 교체부들 또는 다른 컴포넌트들을 포함하는, 교체 팁들(170) 이외의 컴포넌트들을 형성하는 데 사용될 수 있고, 부착 구조들(110)과 같은 진보된 피처들을 포함할 수 있다.
[0078] 이 접근법의 다른 이익은, 더 양호한 강도, 내산화성, 및 코팅 접착을 갖는 다른 고온 내성 재료들(예컨대, 산화물 분산 강화(ODS; oxide dispersion strengthened) 또는 진보된 단결정(advanced single crystal)(CMSX8/Rene N5/PWA1484))로 컴포넌트들이 제조될 수 있다는 것이다.
[0079] 요약하면, 도 20 ― 도 22는 원자 확산 프로세스를 사용하는 다양한 제조 상태들 동안의 교체 팁(170)을 예시한다. 보수되는 블레이드(155)의 팁(165)의 손상된 부분의 제거 후에, 교체 팁(170)은 제조를 위해 크기가 정해질 수 있다. 많은 경우들에서, 지지 구조(190)는, 교체 팁(170)이 형성될 수 있는 지지 베이스(base)를 정의하는 데 필요할 것이다. 요구되지는 않지만, 지지 구조(190)가 사용되는 상황들에서, 완성된 교체 팁(170)을 지지 구조(190)로부터 쉽게 분리하는 것을 돕기 위해 세라믹 중간층(195)이 먼저 적용될 수 있다.
[0080] 그린-폼 컴포넌트(185)는 다음으로, 적절한 구성의 공급 원료를 사용하여 프린팅된다(printed). 제1 층, 또는 처음 몇몇 층들은, 블레이드(155)에 대한 교체 팁(170)의 부착 동안 궁극적으로 사용되는 부품 모재 재료, 부품 바인더, 및 부품 브레이즈 재료인 공급 원료를 사용할 수 있다. 이러한 초기 층들이 프린팅된 후에, 공급 원료는, 대개 중합체의 형태인 바인더 및 원하는 모재 금속 케미스트리(base metal chemistry)(즉, 블레이드(155)에 밀접하게 매칭하는 케미스트리)를 포함하는 공급 원료로 전환될 수 있다. 후속 공급 원료의 케미스트리는, 내산화성과 같은 우수한 재료 특성들을 제공하기 위해 앞서 논의된 바와 같이 향상된 화학적 구성을 포함할 수 있다.
[0081] 3-D 프린팅 프로세스의 완료 시에, 그린-폼 컴포넌트(185)는, 바인더를 제거하고 나머지 입자들을 원하는 형상으로 기계적으로 또는 야금적으로 본딩하기 위해 세척되고 소결된다. 도 21에 예시된 바와 같이, 소결된 교체 팁(170)은 지지 구조(190)로부터 제거된다.
[0082] 도 22에 예시된 바와 같이, 교체 팁(170)은 블레이드(155) 상의 포지션(position)에 배치되고, 교체 팁(170)과 블레이드(155) 사이에 브레이즈 조인트(200)가 형성된다. 브레이징 프로세스 동안, 교체 팁(170)의 초기 층 또는 층들의 브레이즈 재료는 브레이즈 조인트의 완료 및 교체 팁(170)의 부착을 가능하게 한다.
[0083] 고온 환경들(예컨대, 1000℉, 538℃)에서 동작하는 니켈계 초합금 재료들과 함께 사용하기 위한 브레이징 재료들 및 예비-소결 프리폼(PSP)들을 위해 사용되는 현재 재료들은 통상적으로 니켈(Ni) 크롬(Cr) 기반이다.
[0084] 본원에서 설명되는 조성은 바람직하게, 붕소를 포함하지 않는 PSP들 및/또는 브레이즈 재료들에 적용된다. 무-붕소 PSP들 및 브레이즈 재료들의 크리프 파열 수명(creep rupture life)을 개선하기 위해, 레늄(Rhenium)(Re) 또는 루테늄(Ruthenium)(Ru)이 대부분의 니켈계 브레이즈 합금들에 첨가될 수 있다. 이들 2개의 엘리먼트들은 크리프-파열 수명 개선을 위해 모재 금속 조성에 첨가되는 강력한 크리프 내성 엘리베이터(creep resistance elevator)들이다. 이들은 니켈계 합금들의 크리프 내성을 최대 10배까지 증가시킨다. 이들의 높은 용융점 및 큰 원자 직경은 낮은 원자 확산 레이트(atomic diffusion rate)들을 유발하고, Ni 모재 재료들이 이들의 크리프 내성을 증가시킬 수 있게 한다.
[0085] 크리프 내성 브레이즈 재료들에 대한 필요성이 알려지지 않았기 때문에, 레늄(Re) 및 루테늄(Ru)은 지금까지 무-붕소 브레이즈 재료들에 첨가되지 않았다.
[0086] Re 또는 Ru를 첨가하기 위해, 재료들은 분말화되고, 그런 다음, 브레이징 전에 모재 재료 분말 혼합물과 혼합된다. Re 및 Ru는 PSP 제조 전에 붕소가 없는 Ni-Cr-X 브레이즈/모재 재료 분말 혼합물에 첨가된다. 바람직하게는, Re 및 Ru는 분말에 대해 가능한 가장 작은 입자 크기를 갖는다. 브레이징 후에 균일한 혼합 및 균질한 엘리먼트 분포를 보장하기 위해, Re 및 Ru 분말 직경이 모재 금속 및 브레이즈 금속 분말보다 적어도 50% 또는 더 작은 것이 바람직하다. Re 및 Ru 분말들은 브레이징 프로세스 동안 용융되지 않는다. 오히려, 이들은 브레이즈 동안 주변 액체 브레이즈 재료 내로 확산된다. 액체에서 확산 레이트들이 높기 때문에, 이들 엘리먼트들은 브레이즈 재료 내에서 균일하게 이송된다.
[0087] Re 및 Ru는, 브레이즈 내의 모재 금속 대 브레이즈 분말의 비율에 관계 없이, Re 및 Ru가 브레이즈 또는 PSP의 총 조성의 3-6 퍼센트를 구성하도록 첨가된다.
[0088] 예컨대, 합금 247로 제조된 컴포넌트의 보수는, 74-77 퍼센트가 합금 247 조성과 매칭하고, 20 퍼센트가 원하는 브레이즈 재료(때때로 용융점 강하제로 지칭됨)와 매칭하고, 그리고 3-6 퍼센트가 Re 또는 Ru 중 하나 또는 둘 모두인, 분말들로 제조된 PSP를 이용할 수 있다.
[0089] 적합한 브레이즈 재료들은 통상적으로 니켈계이며, 니켈, 크롬, 및 티타늄, 지르코늄, 및 하프늄 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 특정 브레이즈 조성들은 6.5%의 Cr, 11%의 Zr, 7.5%의 Ti, 및 나머지 Ni를 포함하는 조성을 포함한다. 다른 조성은 5.0%의 Cr, 10%의 Hf, 10%의 Zr, 및 나머지 Ni를 포함할 수 있다. 또 다른 조성은 17%의 Cr, 22%의 Ti, 및 나머지 Ni를 포함할 수 있다.
[0090] 3개의 컴포넌트들, 즉, 모재 재료(74-77 퍼센트), 브레이즈 재료(20 퍼센트), 및 Re 또는 Ru(3-6 퍼센트) 각각은 소결을 위해 분말화되고 함께 혼합된다. 임의의 용융 단계들(즉, 브레이징 프로세스들) 동안, Re 및 Ru는 용융되지 않는다. 오히려, 이들은 용융 프로세스 동안 임의의 용융 풀(melt pool)들을 통해 분산된다.
[0091] 도 3은 위에서 설명된 재료들을 사용하여 제조될 수 있는 하나의 가능한 PSP 인서트(60)를 예시한다. PSP 인서트(60)는 모재 재료, 브레이즈 재료, 및 원하는 양의 Re 또는 Ru를 포함하도록 미리 형성되고 소결된다. 도 4는 도 3에 예시된 PSP 인서트(60)를 사용한 터빈 베인(30)의 보수를 예시한다. 베인(30)의 손상된 부분이 제거된 후에, 요구되는 PSP 인서트(60)는 설명된 바와 같이 크기가 정해지고 제조된다. 그런 다음, PSP 인서트(60)는 베인(30)의 빈 공간(55)에 포지셔닝되고 제 위치에 브레이징된다. 브레이징 프로세스 동안, Re 및 Ru 중 일부는 액체 브레이즈로 이동할 것이다. Re 및 Ru는 풀에서 용융되지 않을 것이고, 오히려 응고 동안 브레이즈 재료에 매립될 것이다.
[0092] 본 개시내용의 예시적인 실시예가 상세하게 설명되었지만, 당업자들은, 본 개시내용의 가장 넓은 형태에서, 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어남이 없이, 본원에 개시된 다양한 변경들, 대체들, 변형들, 및 개선들이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
[0093] 본 출원의 설명의 어떤 것도, 임의의 특정 엘리먼트, 단계, 동작, 또는 기능이, 청구항 범위에 포함되어야 하는 필수적인 엘리먼트이라는 것을 의미하는 것으로서 이해되지 않아야 하는데: 특허되는 특허 대상의 범위는 허여된 청구항들에 의해서만 정의된다. 더욱이, 이러한 청구항들 중 어떤 청구항도, 정확한 단어들 "하기 위한 수단" 다음에 분사(participle)가 뒤따르지 않는 한, 수단 + 기능 청구항 구성을 적용하도록 의도되지 않는다.

Claims (20)

  1. 컴포넌트를 형성하는 방법으로서,
    혼합물을 정의하기 위해 분말형 모재 재료(powdered base material) 및 바인더(binder)를 혼합하는 단계;
    상기 모재 재료를 용융시키지 않고서 상기 혼합물을 원하는 형상으로 형성하는 단계;
    골격(skeleton)을 정의하기 위해 상기 원하는 형상으로부터 상기 바인더를 제거하는 단계 ― 상기 골격은 80% 내지 95%의 모재 재료를 포함하는 볼륨(volume)을 가짐 ― ; 및
    완성된 컴포넌트를 정의하기 위해 상기 골격에 용융점 강하제 재료(melting point depressant material)를 침투(infiltrating)시키는 단계 ― 상기 완성된 컴포넌트는 볼륨 기준으로 1% 미만의 다공성(porosity)을 가짐 ― 를 포함하는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 원하는 형상은, 상기 모재 재료를 용융시키지 않고서 상기 바인더를 번아웃(burn out)하도록 가열되는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는 Ni, Cr, 및 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나를 필수적 요소로 하여 구성되는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는 6.5% Cr, 11% Zr, 7.5% Ti 및 나머지 Ni를 필수적 요소로 하여 구성되는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는 5.0% Cr, 10% Hf, 10% Zr 및 나머지 Ni를 필수적 요소로 하여 구성되는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는 17% Cr, 22% Ti 및 나머지 Ni를 필수적 요소로 하여 구성되는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 완성된 컴포넌트는 터빈 베인(turbine vane)의 리딩 에지(leading edge)의 일부분인,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는, 상기 컴포넌트가 4% 내지 6%의 티타늄을 갖도록 선택된 양의 Ti를 포함하는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 원하는 형상은 터빈 블레이드 리딩 에지(turbine blade leading edge)의 손상된 부분을 교체하도록 선택되는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 원하는 형상은 터빈 블레이드 팁(turbine blade tip)의 손상된 부분을 교체하도록 선택되는,
    컴포넌트를 형성하는 방법.
  11. 컴포넌트로서,
    모재 재료로부터 형성되고, 상기 컴포넌트의 최종 형상을 정의하는 골격 ― 상기 골격은 다량의 기공(pore)들 및 5% 내지 20%의 다공성을 가짐 ― ;
    상기 골격 내에 배치된 용융점 강하제 재료 ― 상기 용융점 강하제 재료는 볼륨 기준으로 1% 미만의 다공성을 갖는 완성된 컴포넌트를 정의하기 위해 상기 골격 내의 상기 기공들을 충전함(filling) ― 를 포함하는,
    컴포넌트.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는 Ni, Cr, 및 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나를 필수적 요소로 하여 구성되는,
    컴포넌트.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는 6.5% Cr, 11% Zr, 7.5% Ti 및 나머지 Ni를 필수적 요소로 하여 구성되는,
    컴포넌트.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는 5.0% Cr, 10% Hf, 10% Zr 및 나머지 Ni를 필수적 요소로 하여 구성되는,
    컴포넌트.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는 17% Cr, 22% Ti 및 나머지 Ni를 필수적 요소로 하여 구성되는,
    컴포넌트.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 완성된 컴포넌트는 니어 네트 형상(near net shape)인,
    컴포넌트.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 완성된 컴포넌트는 터빈 베인의 리딩 에지의 일부분인,
    컴포넌트.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 용융점 강하제는, 상기 컴포넌트가 4% 내지 6%의 티타늄을 갖도록 선택된 양의 Ti를 포함하는,
    컴포넌트.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 터빈 블레이드 리딩 에지의 일부분이고, 상기 컴포넌트의 최종 형상은 상기 터빈 블레이드 리딩 에지의 손상된 부분을 교체하도록 선택되는,
    컴포넌트.
  20. 제11 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 터빈 블레이드 팁의 일부분이고, 상기 컴포넌트의 최종 형상은 상기 터빈 블레이드 팁의 손상된 부분을 교체하도록 선택되는,
    컴포넌트.
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