KR20220052325A - 구성요소의 내부 통로에 대한 연장부를 갖는 폐쇄 요소 - Google Patents

Abstract

구성요소 내의 내부 통로를 위한 폐쇄 요소, 및 관련 방법 및 터빈 블레이드 또는 노즐이 개시된다. 폐쇄 요소는 제1 초합금으로 제조된 구형체, 및 구형체의 표면으로부터 연장되는 복수의 연장부를 포함한다. 복수의 연장부는 제1 초합금과 동일한, 유사한 또는 제1 초합금 이외의 상이한 재료로 제조되었다. 구성요소가 적어도 하나의 열 사이클을 겪게 하는 것은 브레이즈 재료가 구형체, 복수의 연장부 및 통로 벽과 야금학적 접합부를 형성하여 내부 통로를 밀봉하게 한다.

Description

구성요소의 내부 통로에 대한 연장부를 갖는 폐쇄 요소

본 개시내용은 대체적으로 내부 통로를 갖는 구성요소에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 구성요소 내의 불규칙한 내부 통로를 폐쇄하기 위해 구형체의 표면 상에 복수의 연장부를 갖는 구형체를 포함하는 폐쇄 요소를 사용하는 방법에 관한 것이다. 폐쇄 요소, 및 내부에 브레이징된 폐쇄 요소를 포함하는 터빈 블레이드 또는 노즐이 또한 제공된다.

일부 구성요소는, 예를 들어 의도된 기능을 수행하기 위해 내부 통로가 내부에 한정되는 것을 필요로 한다. 예를 들어, 가스 터빈의 고온 가스 경로 구성요소는 고온을 겪고, 구성요소가 고온에 양호하게 견딜 수 있도록 냉각 유체의 유동을 수용하기 위해 내부에 한정된 내부 통로를 가질 수 있다.

내부에 한정된 내부 통로를 갖는 구성요소는 세라믹 재료의 코어가 주형 공동 내에서 연장되는 상태로, 즉 인베스트먼트(investment) 주조 공정의 일부로서 주형 내에서 형성될 수 있다. 용융된 금속 합금이 세라믹 코어 주위의 주형 공동 내로 도입되고 냉각되어 구성요소를 형성한 후, 세라믹 코어는 예컨대 화학적 침출에 의해 제거된다. 침출액(leachant)이 빠져나가도록 하기 위한 내부 통로(때때로 "볼 슈트(ball chute)"로 지칭됨)가 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 내부에 한정된 내부 통로를 갖는 적어도 일부 구성요소들은 초기에 내부 통로 없이 형성되고, 내부 통로는 후속 공정에서 형성된다. 예를 들어, 내부 통로는 전기화학 드릴링 공정을 사용하는 것과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 예비 통로를 구성요소 내에 드릴링함으로써 형성될 수 있다.

일부 경우에, 내부 통로의 선택된 최종 구성을 생성하기 위해 내부 통로 내에 내부 폐쇄부를 형성하는 것이 필요하다. 예를 들어, 형성된 바와 같은 예비 내부 통로는 성형 공정을 단순화하기 위해 구성요소의 외벽을 통과할 수 있고, 내부 통로는 선택된 최종 구성을 적절하게 한정하기 위해 외벽의 내부에 밀봉되어야 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 내부 통로는 구성요소 내에 한정된 내부 통로들의 네트워크의 일부일 수 있고, 내부 폐쇄부는 내부 통로들의 네트워크를 통해 선택된 유동 패턴을 생성하는 데 필요하다.

그러한 내부 폐쇄부를 형성하기 위한 한 가지 접근법은 선택된 폐쇄 위치에서 통로 내에 금속 폐쇄 요소를 삽입하고, 예를 들어, 브레이즈 조인트를 사용하여 폐쇄 요소를 통로 벽에 결합시켜 시일을 생성하는 것이다. 금속 폐쇄 요소는 전형적으로 표준 크기로 제조된 금속 구체 또는 볼이다. 표준 크기의 금속 볼은, 폐쇄 부위의 치수, 예를 들어 직경 또는 형상이 허용오차를 벗어나는 경우 내부 통로 내의 폐쇄 부위에서 사용 가능하지 않을 수 있다. 치수는 여러 가지 이유로 허용오차를 벗어날 수 있다. 예를 들어, 알루미나이드 코팅은 통로를 밀봉하기 위해 브레이징하기 전에 내부 통로 내에 형성될 수 있다. 알루미나이드 코팅은 폐쇄 요소 및 브레이징 재료의 삽입 전에 폐쇄 부위에서 제거되어야 한다. 이러한 제거 공정은, 예를 들어 수동 기계적 세정 방법을 사용하여 완료될 수 있으며, 이는 과다 크기의 폐쇄 부위 치수를 생성할 수 있다. 이 경우, 표준 크기의 볼이 폐쇄 부위에 안착되지 않을 것이고, 더 큰 치수를 갖는 비-표준 금속 볼이 획득되어야 한다. 때때로, 폐쇄 부위에는 통로 벽 내에 결함이 단순히 형성되고, 그것을 밀봉하기 위해 비-표준 금속 볼을 필요로 한다. 어떤 경우에도, 비-표준 금속 볼을 획득하는 시간 및 비용이 상당할 수 있고, 구성요소의 제조를 크게 지연시킬 수 있다.

본 개시내용의 제1 태양은 구성요소 내의 내부 통로에 대한 폐쇄 요소를 제공하며, 폐쇄 요소는, 제1 초합금으로 제조된 구형체; 및 구형체의 표면으로부터 연장되는 복수의 연장부를 포함하고, 복수의 연장부는 제1 초합금 이외의 재료로 제조된다.

본 개시내용의 제2 태양은, 구형체 및 구형체의 표면으로부터 연장되는 복수의 연장부를 포함하는 폐쇄 요소를 구성요소의 내부 통로 내에 삽입하는 단계 - 복수의 연장부들 중 적어도 하나는 내부 통로의 통로 벽과 맞물리어 구형체를 폐쇄 부위에 위치시킴 -; 브레이즈 재료를 폐쇄 부위에 적용하는 단계; 및 브레이즈 재료가 구형체, 복수의 연장부 및 통로 벽과 야금학적 접합부를 형성하여 내부 통로를 밀봉하도록 구성요소가 적어도 하나의 열 사이클을 겪게 하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

본 개시내용의 제3 태양은 터빈 블레이드 또는 노즐을 제공하며, 상기 터빈 블레이드 또는 노즐은, 몸체; 몸체 내에 있고 통로 벽을 포함하는 내부 통로; 및 내부 통로 내의 폐쇄 부위에 있고, 브레이징된 구형체 및 브레이징된 구형체의 표면 내의 복수의 브레이징된 연장부를 포함하는 폐쇄 요소를 포함하고, 브레이징된 구형체 및 복수의 브레이징된 연장부는 통로 벽과 야금학적 접합부를 형성하여 내부 통로를 밀봉한다.

본 발명의 예시적인 태양은 본 명세서에 설명되는 문제 및/또는 논의되지 않은 다른 문제를 해결하기 위해 설계된다.

본 발명의 이들 및 다른 특징부는 본 발명의 다양한 실시예를 도시하는 첨부 도면과 함께 취해진 본 발명의 다양한 태양들의 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 예시적인 가스 터빈 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈 시스템의 구성요소의 일부분의 개략도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 폐쇄 요소를 포함하는 구성요소의 일부분의 개략적 단면도이다.
도 4는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 폐쇄 요소를 포함하는 구성요소의 일부분의 개략적 단면도이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 폐쇄 요소의 개략적 단면도이다.
도 6은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 폐쇄 요소의 개략적 단면도이다.
도 7은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 폐쇄 요소의 개략적 단면도이다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 3의 폐쇄 요소에 적용되는 열 사이클(들)의 개략적 단면도이다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 4의 폐쇄 요소에 적용되는 열 사이클(들)의 개략적 단면도이다.
본 발명의 도면은 축척대로 그려진 것이 아님에 유의한다. 도면은 본 발명의 전형적인 태양만을 도시하도록 의도되고, 따라서 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 도면에서, 동일한 도면 부호는 도면들 사이의 동일한 요소를 나타낸다.

초기 사항으로서, 본 개시내용을 명확하게 설명하기 위해, 예를 들어 터보기계 내의 관련 기계 구성요소를 언급하고 설명할 때 소정 용어를 선택하는 것이 필요할 것이다. 이를 행할 때, 가능하다면, 통상의 산업 용어가 사용될 것이고 그의 허용된 의미와 일치하는 방식으로 채용될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 그러한 용어에는 본 출원의 문맥 및 첨부된 청구범위의 범주와 일치하는 넓은 해석이 주어져야 한다. 당업자는 종종 특정 구성요소가 몇몇 상이한 또는 중복되는 용어를 사용하여 지칭될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 단일 부품인 것으로 본 명세서에 설명될 수 있는 것은 다른 문맥에서 다수의 구성요소들로 이루어진 것으로 포함할 수 있고 참조될 수 있다. 대안적으로, 다수의 구성요소를 포함하는 것으로 본 명세서에 설명될 수 있는 것은 다른 곳에서는 단일 부품으로 지칭될 수 있다.

더욱이, 몇몇 설명 용어들이 이하에서 설명되는 바와 같이 본 명세서에서 규칙적으로 사용될 수 있다. 용어 "제1", "제2", 및 "제3"은 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 상호교환가능하게 사용될 수 있으며, 개별 구성요소의 위치 또는 중요성을 나타내려는 의도는 아니다.

본 명세서에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 의도는 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥상 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징부, 완전체(integer), 단계, 작동, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 완전체, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는 것을 추가로 이해할 것이다. "선택적인" 또는 "선택적으로"는 후속적으로 서술되는 사건 또는 상황이 발생하거나 발생하지 않을 수 있다는 것을, 그리고 설명이 사건이 발생하는 경우 및 그렇지 않은 경우를 포함한다는 것을 의미한다.

요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에" 있는, 그에 "맞물리는", 그로부터 "맞물림해제되는", 그에 "연결되는", 또는 그에 "결합되는" 것으로 언급되는 경우, 그것은 직접적으로 다른 요소 또는 층 상에 있을 수 있거나, 그에 맞물릴 수 있거나, 그에 연결될 수 있거나, 그에 결합될 수 있거나, 또는 개재되는 요소 또는 층, 예컨대 다수의 구성요소들 사이에 간접적인 기계적, 전기적 및/또는 연통 연결부가 존재할 수 있다. 대조적으로, 요소가 다른 요소 또는 층 "상에 직접" 있는, 그"에 직접 맞물리는", 그"에 직접 연결되는", 또는 그"에 직접 결합되는" 것으로 언급될 때, 개재되는 요소 또는 층이 존재하지 않을 수 있다. 요소들 사이의 관계를 설명하기 위해 사용되는 다른 단어는 유사한 형태(예를 들어, "사이에" 대 "사이에 직접적으로", "인접한" 대 "직접 인접한", 등)로 해석되어야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은, 연관된 열거된 항목들 중 하나 이상의 항목의 임의의 그리고 모든 조합을 포함한다.

본 개시내용은 구성요소의 내부 통로를 밀봉하는 공지된 방법과 관련된 단점들 중 적어도 일부를 극복하는 폐쇄 요소 및 방법을 기술한다. 폐쇄 요소는 제1 초합금으로 제조된 구형체, 및 구형체의 표면으로부터 연장되는 복수의 연장부를 포함한다. 복수의 연장부는 제1 초합금 이외의 재료로 제조될 수 있거나, 또는 이들은 동일하거나 유사한 재료로 제조될 수 있다. 폐쇄 요소는 폐쇄 부위에 삽입되고, 구성요소는 브레이즈 재료가 구형체, 복수의 연장부 및 통로 벽과 야금학적 접합부를 형성하여 내부 통로를 밀봉하게 하는 적어도 하나의 열 사이클을 겪게 된다. 폐쇄 요소를 포함하는 터빈 블레이드 또는 노즐이 또한 예시적인 구성요소로서 개시된다.

도 1은 회전 기계, 즉 터보기계의 개략도이다. 예시적인 실시예에서, 회전 기계는 가스 터빈 시스템(10)이다. 대안적으로, 회전 기계는 증기 터빈 엔진, 원심 압축기, 및 터보과급기를 제한 없이 포함하는 임의의 다른 터빈 엔진 및/또는 회전 기계일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 가스 터빈 시스템(10)은 압축기(12), 연소기(14), 터빈(16), 및 연료 노즐(20) 각각 중 적어도 하나를 포함한다. 연료 노즐(20)은 연소기(14) 내에 연료(도시되지 않음)를 주입하고 가압 공기(24)와 혼합하도록 구성된다. 연소기(14)는 연료-공기 혼합물(도시되지 않음)을 점화하고 연소시킨 다음, 고온 가스 유동(22)을 터빈(16)으로 통과시킨다. 터빈(16)은 고정 노즐 또는 베인(도 1에 도시되지 않음)을 갖는 하나 이상의 스테이터, 및 스테이터에 대해 회전하는 블레이드 또는 버킷(도 1에 도시되지 않음)을 갖는 하나 이상의 로터를 포함한다. 고온 가스 유동(22)은 터빈 로터 블레이드를 걸쳐 통과하며, 이에 의해 터빈 로터를 구동하여 회전시킨다. 터빈(16)은 단일 회전가능 샤프트(18)에 결합되어, 고온 가스 유동(22)이 터빈 블레이드를 걸쳐 통과함에 따라 그것이 샤프트를 회전시키도록 한다. 대안적인 실시예에서, 회전가능 샤프트(18)는 회전가능 샤프트(18)를 형성하기 위해 함께 결합된 복수의 샤프트 세그먼트이다. 예시적인 실시예에서, 회전가능 샤프트(18)가 압축기(12)에 결합된다. 압축기(12)는 회전가능 샤프트(18)에 의해 회전하도록 구동되는 로터(도시되지 않음)에 견고하게 장착된 블레이드(도시되지 않음)를 포함한다. 공기가 회전 블레이드를 걸쳐 통과함에 따라, 공기 압력이 증가하여, 이에 의해 연소기(14)에 적절한 연소를 위해 충분한 가압 공기(24)를 제공한다.

도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈 시스템(10)의 터빈(16)의 일부분의 개략도이다. 내부에 한정된 내부 통로가 적절히 형성된 가스 터빈 시스템(10)의 구성요소는 구성요소(38)로서 지정된다. 예를 들어, 구성요소(38)는 고온 가스 유동(22)의 경로에 근접한 구성요소를 포함한다. 이러한 고온 가스 경로 구성요소는 가스 터빈 시스템(10)의 작동 동안 고온을 겪으며, 예컨대, 고온 가스 유동(22)의 작동 온도는, 일례에서, 2500℉(약 1371℃)를 초과한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 구성요소(38)는 내부에 한정된 내부 통로가 적절히 형성된 임의의 구성요소를 포함한다. 특히, 구성요소(38)가 가스 터빈 시스템(10)의 맥락에서 예시되지만, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 내부에 한정된 내부 통로가 적절히 형성된 구성요소를 활용하는 임의의 상황에서 사용하기 위한 구성요소에 적용가능하다는 것을 이해해야 한다.

예시적인 실시예에서, 가스 터빈 시스템(10)은 구성요소(38)를 냉각시키기 위한 냉각 시스템(42)을 포함한다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 터빈(16)은 적어도 하나의 터빈 블레이드(26) 및 적어도 하나의 스테이터 노즐 또는 베인(28)을 포함하고, 구성요소(38)는 터빈 블레이드(26) 및 스테이터 노즐(28) 중 적어도 하나이다. 대안적인 실시예에서, 구성요소(38)는, 제한 없이, 다른 터빈 버킷 조립체(블레이드 또는 블레이드 조립체로도 알려짐), 다른 노즐 조립체(베인 또는 베인 조립체로도 알려짐), 슈라우드 조립체, 전이 피스, 유지 링, 및 압축기 배기 구성요소 중 임의의 것을 포함한다. 대체적으로, 냉각 시스템(42)은 구성요소(38) 내에 한정된 복수의 내부 통로(30)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 냉각 유체, 예컨대, 가압 공기(24)가 플레넘으로부터 내부 통로(30)로 제공되고, 냉각 유체는 내부 통로들(30) 각각을 통해 흘러, 구성요소(38)를 냉각시킨다. 대안적인 실시예에서, 가압 공기(24) 이외의 유체가 고온 가스 유동(22)에 노출된 구성요소를 냉각시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "유체"는 가스, 증기 및 공기를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 유동하는 임의의 매체 또는 물질을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 냉각 시스템(42)이 각각의 구성요소(38) 내에 한정되고, 가스 터빈 시스템(10)의 케이싱(34) 내에 형성된 냉각 유체 공급 도관(44)과 유동 연통 상태로 결합된다. 예시적인 실시예에서, 냉각 유체 공급 도관(44)은 압축기(12)와 유체 결합된다.

도 3 및 도 4는, 예컨대 가스 터빈 시스템(10)(도 1에 도시됨)과 함께 사용하기 위한, 구성요소(38)의 예시적인 실시예의 일부분의 개략적 단면도이다. 예시적인 실시예에서, 구성요소(38)는 기판(302)으로부터 형성된다. 소정의 실시예에서, 기판(302)은 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 철계 초합금, 니켈-알루미늄 금속간 합금, 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물, 니오븀계 합금, 및 몰리브덴계 합금 중 적어도 하나와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 고강도 초합금 금속으로 형성된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "초합금"은 통상적인 합금과 비교하여, Rene 108, CM247, 헤인즈 합금(Haynes alloy), 인칼로이(Incalloy), MP98T, TMS 합금, CMSX 단결정 합금처럼, 높은 기계적 강도, 높은 열 크리프 변형 저항과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 수많은 우수한 물리적 특성을 갖는 합금을 지칭한다. 보다 구체적인 예에서, 기판(302)은 Rene 108을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 기판(302)은 구성요소(38)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 적합한 재료로 형성된다.

전술한 바와 같이, 내부 통로(30)가 구성요소(38) 내에 한정된다. 더 구체적으로, 내부 통로(30)는 기판(302)의 적어도 일부를 통해 내부로 연장되는 적어도 하나의 통로 벽(304)에 의해 한정된다. 소정의 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 코팅(322)이 적어도 하나의 통로 벽(304) 상에 존재한다. 예를 들어, 알루미나이드 코팅과 같은 내산화 층은 하나 이상의 통로 벽(304)을 따라 기판(302)의 노출된 표면 상에 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 통로 벽(들)(304) 상에 임의의 적합한 코팅이 존재하거나, 어떠한 코팅도 존재하지 않는다.

통상적으로, 폐쇄 요소는 폐쇄 부위에 근접하여 내부 통로(30) 내에 결합되고, 폐쇄 요소는 폐쇄 부위(308)에 근접한 적어도 하나의 통로 벽(304)에 대해 수용되도록 크기설정되고 형상화된다. 더 구체적으로, 통상적으로, 적어도 하나의 통로 벽(304)은 폐쇄 부위(308)에 근접한 내부 통로(30)의 대체적인 원형 단면을 한정하고, 폐쇄 요소는 대체적으로 구형 또는 볼 형상이고, 폐쇄 부위(308)에 근접한 내부 통로(30)의 직경과 대략 동일한 직경을 갖는다. 이러한 방식으로, 적어도 하나의 통로 벽(304)은 폐쇄 요소를 폐쇄 부위(308)에 근접하게 위치시키는 것을 용이하게 하도록 형상화된다. 작동 시, 폐쇄 요소는, 폐쇄 요소가 폐쇄 부위(308)에 근접하여 간섭 끼워맞춤으로 수용되도록 내부 통로(30)를 통해 폐쇄 부위(308)로 삽입 가능하다. 폐쇄 부위(308)의 제1 측면(310) 상의 적어도 하나의 통로 벽(304)은 내부 통로(30)를 통한 폐쇄 요소의 삽입을 가능하게 하도록 형상화되고, 반대편 제2 측면(312) 상의 적어도 하나의 통로 벽(304)의 형상은 간섭 끼워맞춤으로 폐쇄 요소에 대해 결합되도록 구성된다.

그러나, 본 개시내용의 실시예에 따르면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 통로 벽(304)은 불규칙하다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "불규칙한"은 내부 통로(30) 및 통로 벽(304)이 대체적으로 원형이 아닐 수 있고, 종래의 볼 형상의 폐쇄 요소의 직경에 근사하는 원하는 직경을 갖지 않을 수 있음을 가리킨다. 이러한 상황에서, 종래의 폐쇄 요소, 예컨대, 금속 볼은 반대편의 제2 측면(312)에서 내부 통로(30)의 하부를 통해 떨어질 수 있거나, 의도된 폐쇄 부위(308)와 매칭되지 않는 위치에 정착(lodge)할 수 있다. 이것이 발생할 때, 내부 통로(30)의 밀봉은 불충분하거나 존재하지 않을 수 있다. 불규칙성은 결함(320)에 의해 야기될 수 있다. "결함"(320)은 종래의 전형적으로 구형인 폐쇄 요소의 사용을 허용하도록 초기에 의도된 것으로부터 적어도 하나의 통로 벽(304) 및/또는 폐쇄 부위(308)의 형상 및 크기의 임의의 변화를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 통로 벽(304)에는, 예컨대, 인베스트먼트 주조 동안 기형의(misshapen) 세라믹 코어 또는 적층 제조 동안 부적절한 형성화(formation)에 의해, 그 내부에 결함(320)이 형성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 코팅(322)이 제공되는 경우, 폐쇄 부위(308)에서의 코팅(322)의 제거는 예컨대, 과다 크기 또는 기형의 폐쇄 부위를 생성하는 코팅(322)의 제거에 의해 적어도 하나의 통로 벽(304) 내에 결함(320)을 초래할 수 있다. 결함(320)은 통로 벽(들)(304) 및 코팅(322) 둘 모두의 변화를 포함할 수 있다. 결함(320)은, 형태와 관계없이, 폐쇄 부위(308)를 중심으로 전체적으로 또는 그 주위를 부분적으로만 연장될 수 있다.

도 5 내지 도 7의 사시도에 도시된 바와 같이, 결함(320)의 불규칙성에 의해 제시되는 문제를 해결하기 위해, 본 개시내용의 실시예에 따른 폐쇄 요소(306)는 대체적으로 구형체(350)를 포함하고, 설명될 바와 같이 구형체(350)의 표면(354)으로부터 연장되는 복수의 연장부(352)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 구형체(350)는 고온 및/또는 부식성 환경에서 사용하기에 적합한 재료로 형성된다. 특히, 구형체(350)는 초합금으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 구형체(350)는 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 및 철계 초합금과 같은 제1 초합금으로 제조될 수 있다. 비제한적인 예에서, 구형체(350)는 하스텔로이 재료, 즉, 니켈-크롬-철-몰리브덴 초합금; 인코넬 624; 또는 헤인즈 25로 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 구형체(350)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 구형체(350)가 기능할 수 있게 하는 임의의 적합한 재료 또는 재료들의 조합으로 형성되며, 예컨대, 기판(302)에 대해 본 명세서에 열거된 임의의 초합금으로 형성된다. 구형체(350)는 폐쇄 부위(308)에서 구성요소(38) 내의 내부 통로(30)의 밀봉을 수용하기 위한 임의의 직경을 가질 수 있지만, 전형적으로는, 결함(320)이 존재하지 않는 폐쇄 부위(308)에서 내부 통로(30)를 밀봉하도록 의도된 직경을 갖는다. 즉, 구형체(350)는 폐쇄 부위(308) 내에 안착할 수 없을 정도로 작은 직경을 갖는다. 하나의 비제한적인 예에서, 구형체(350)는 결함(320)이 없는 폐쇄 부위(308)의 의도된 크기에 따라, 3 밀리미터 내지 10 밀리미터의 범위의 직경을 가질 수 있다.

종래의 폐쇄 요소와 대조적으로, 폐쇄 요소(306)는 또한 구형체(350)의 표면(354)으로부터 연장되는 복수의 연장부(352)를 포함한다. 복수의 연장부(352)는 폐쇄 요소(306)가 결함(320)이 있는 폐쇄 부위(308)에 위치되는 것을 보장하도록 구성된 임의의 다양한 형상 및 크기를 취할 수 있다. 더 구체적으로, 복수의 연장부(352)는 결함(320)의 존재에도 불구하고 폐쇄 요소(306)가 폐쇄 부위(308)에 위치되는 것을 보장하기 위한 형상 및 크기를 가질 수 있으며, 결함은 연장부가 없는 폐쇄 요소의 사용을 허용하도록 초기에 의도된 적어도 하나의 통로 벽(304) 및/또는 폐쇄 부위(308)의 형상 및/또는 크기를 변경하였다. 연장부(352)는 폐쇄 부위(308) 내에 폐쇄 요소(306)를 안착시키도록 구성된 다양한 형상들 중 임의의 것을 가질 수 있다. 도 5에서, 연장부(352)는 대체적으로 구체(볼) 형상을 갖는다. 도 6에서, 연장부(352)는 둥근 플레이트 형상을 갖는다. 도 7에서, 연장부(352)는 원뿔 형상을 갖는다. 연장부(352) 형상들의 특정 예가 예시되었지만, 다양한 다른 대안이 가능하고 본 개시내용의 일부로 간주된다는 것이 강조된다.

연장부들(352)은 폐쇄 부위(308) 내에 폐쇄 요소(306)의 안착을 허용하는 임의의 방식으로 분포될 수 있다. 일 실시예에서, 연장부들(352)은 균일하게 분포되며, 즉, 그들은 구형체(306)를 중심으로 균일하게 또는 거의 균일하게 이격된다. 예를 들어, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 연장부들(352)은 6개의 균일하게 분포된 연장부를 포함할 수 있으며, 이때 각각의 연장부(352)가 구형체(350)를 가로질러 다른 연장부(352)로부터 직경방향으로 반대편에 있다. 다른 실시예에서, 연장부들(352)은 구형체(350)를 중심으로, 즉 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 대칭적으로 분포될 수 있다.

연장부(352)가 구형체(350)와 동일한 재료일 수 있지만, 일 실시예에서, 연장부(352)는 구형체(350)의 초합금과 상이한 제2 초합금을 포함한다. 연장부(352)는 예를 들어, 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 및 철계 초합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하스텔로이 X; 인코넬 625; 또는 헤인즈 25. 연장부(352)는 폐쇄 부위(308)에서 맞물림을 보장하도록 구성된 임의의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 연장부(352)는 결함(320)을 수용하기 위해 구형체(350)를 확대시키도록 구성된 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 연장부(352)는 예컨대, 구형체(350)에 대해 방사상 또는 원주방향으로 0.3 밀리미터 내지 5 밀리미터의 범위의 치수를 가질 수 있다. 어떤 경우에도, 각각의 연장부(352)의 치수는 구형체(350)의 직경보다 더 작고, 전형적으로는 상당히 더 작다(예를 들어, < 15%). 예시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 예컨대, 도 6에서, 폐쇄 요소(306)는 기뢰(naval mine)와 유사한 형상을 가질 수 있다.

폐쇄 요소(306)는 다수의 방식으로 형성될 수 있다. 구형체(350)는 임의의 이제 공지되거나 나중에 개발된 기술, 예컨대, 연삭, 주조, 적층 제조 등을 사용하여 형성될 수 있다. 결함(320)(도 3 및 도 4)이 존재하는 상태에서, 구형체(350)는 구성요소(38) 내의 내부 통로(30)의 폐쇄 부위(308)에 안착할 수 없는 직경(D)(예컨대, 도 5 참조)을 가질 수 있다. 폐쇄 요소(306), 및 특히, 연장부(352)는 구형체(350)의 표면(354)에 연장부(352)를 부착함으로써 추가로 형성될 수 있다. 연장부(352)는 임의의 이제 공지되거나 나중에 개발된 기술, 예컨대, 연삭, 주조, 적층 제조 등을 사용하여 개별적으로 형성될 수 있고, 사용되는 재료에 대해 적절한 임의의 다양한 용접 기술을 사용하여 부착될 수 있다. 예를 들어, 연장부(352)는 구형체(350)의 표면(354)에 가용접(tack weld)될 수 있다. 다른 예를 들어, 연장부(352)는 구형체(350)의 표면(354)에 용융 용접될 수 있다. 다른 실시예에서, 구형체(350) 및 연장부(352)는, 예컨대 주조 또는 적층 제조를 사용하여 동시에 형성될 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 구형체(350) 및 연장부(352)는 내부 통로(30)의 폐쇄 부위(308)에 근접하여 간섭 끼워맞춤으로 적어도 하나의 내부 통로 벽(304)에 대해 수용되도록 집합적으로 크기설정되고 형상화된다. 도 3 및 도 4에 추가로 도시된 바와 같이, 폐쇄 요소(306)는 구형체(350) 및 연장부(352) 주위에 배치된 브레이즈 재료(314)를 추가로 포함할 수 있다. 브레이즈 재료(314)는 내부 통로(30) 내로 삽입되기 전에 또는 삽입 후에 폐쇄 요소(306)에 추가될 수 있다. 어떤 경우에도, 폐쇄 요소(306)는 브레이즈 재료(314)에 의해 통로 벽(들)(304)에 견고하게 결합될 수 있다. 브레이즈 재료는 기판(302) 및 폐쇄 요소(306)의 융점보다 낮은 융점을 갖는 재료이며, 기판(302) 및 폐쇄 요소(306)의 다른 선택 화학적 특성들과 실질적인 매칭을 제공한다. 예를 들어, 폐쇄 부위(308)에 근접하여 폐쇄 요소(306)를 위치설정 하기 전에, 그 후에, 그리고/또는 그와 동시에, 브레이즈 재료(314)가 폐쇄 요소(306) 및 적어도 하나의 통로 벽(304) 중 적어도 하나에 일정 재료로서 적용되고, 이어서 조립체는 브레이즈 재료(314)가 폐쇄 요소(306) 및 적어도 하나의 통로 벽(304)과 야금학적으로 접합하도록 적합한 열 사이클(들)로 가열된다. 예를 들어, 제한하는 것은 아니지만, 기판(302)은 니켈 합금으로 형성될 수 있고, 브레이즈 재료(314)는 적어도 부분적으로 니켈 브레이징 합금으로 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(302)은 니켈 합금으로 형성되고, 브레이즈 재료(314)는 니켈 브레이징 합금인 Amdry DF4B를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 브레이즈 재료(314)는 폐쇄 요소(306)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 적합한 재료이다.

본 개시내용의 실시예에 따른 방법에 따라, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 폐쇄 요소(306)는 구성요소(38)의 내부 통로(30) 내로 삽입된다. 폐쇄 요소(306)는 구형체(350) 및 구형체의 표면(354)으로부터 연장되는 복수의 연장부(352)를 포함한다. 예시된 바와 같이, 복수의 연장부(352) 중 적어도 하나는 구형체(350)를 폐쇄 부위(308)에 위치시키기 위해 내부 통로(30)의 통로 벽(들)(304)과 맞물린다. 이러한 방식으로, 결함(320)이 존재하더라도, 폐쇄 요소(306)는 내부 통로(30)를 밀봉하는 데 필요한 곳에 안착된다. 일 실시예에서, 브레이즈 재료(314)는 폐쇄 요소(306)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 적합한 방식으로 폐쇄 부위(308)에 적용될 수 있다. 소정의 실시예에서, 브레이즈 재료(314)는 제1 측면(310)으로부터 삽입된 공구(도시되지 않음)를 사용하여, 브레이즈 재료(314)가 폐쇄 요소(306)와 브레이즈 재료(314)에 인접한 적어도 하나의 통로 벽(304) 사이에 한정된 공간 내에 적어도 부분적으로 끼워지도록 적용된다. 예를 들어, 공구는 브레이즈 재료(314)에 인접한 적어도 하나의 통로 벽(304)과 폐쇄 요소(306) 사이에 한정된 공간 내로 브레이즈 재료(314)를 단단히 밀어넣는 데 사용된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 진공 압력이 브레이즈 재료(314)에 인접한 적어도 하나의 통로 벽(304)과 폐쇄 요소(306) 사이에 한정된 공간 내에 적어도 부분적으로 브레이즈 재료(314)를 위치시키는 데 사용된다. 소정의 실시예에서, 폐쇄 요소(306)의 형성화 및 접합은 브레이즈 재료(314)를 적용하기 전에 폐쇄 부위(308)에 근접한 적합한 세정 및 오염제거 절차에 의해 용이해진다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 제한하는 것은 아니지만, 제1 측면(310)을 따라 폐쇄 요소(306)로부터 연장되는 내부 통로(30)의 작은 길이를 따른 기계적 세정은 브레이즈 재료(314)를 적용하기 전에 수행될 수 있다.

도 4와 관련하여, 방법의 대안적인 실시예는, 폐쇄 요소(306)를 삽입하는 단계 전에, 내부 통로(30)의 통로 벽(들)(304) 위에 내산화 코팅(322)을 적용하는 단계, 및 폐쇄 부위(308)에서 내산화 코팅(322)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 내산화 코팅(322)의 적용은 임의의 이제 공지되거나 나중에 개발된 애플리케이터, 예컨대 알루미나이드 코팅을 위한 슬러리 공정을 사용하여 이루어질 수 있다. 제거는, 예를 들어, 기계적 연삭 공구를 사용하여 수동으로 이루어질 수 있다.

도 8 및 도 9는 각각 도 3 및 도 4의 실시예에 대응하는 개략도들이며, 브레이즈 재료(314)가 구형체(350), 연장부(352) 및 통로 벽(304)과 야금학적 접합부(360)를 형성하여 내부 통로(30)를 밀봉하도록 적어도 하나의 열 사이클(358)을 구성요소(38)가 겪게 하는 것을 도시한다. 야금학적 접합부(360)는, 아마도 열 사이클(들)(358)에 대한 노출 후 여전히 가시적인 연장부(352)의 잔여물(362)(도 3 및 도 4)과 함께, 상이한 부분들을 하나의 부재로 혼합한다. 열 사이클(들)(358)은 야금학적 접합부(360)를 형성하는 데 사용되는 재료를 충분히 브레이징하는 데 필요한 임의의 온도에 있을 수 있다. 비제한적인 예에서, 열 사이클(들)은 2050 내지 2350℉(1121 내지 1287℃) 범위의 하나 이상의 사이클을 포함할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 본 방법은 또한, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 폐쇄 요소(306)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 구형체(350)의 표면(354)에 연장부(352)를 부착함으로써 구형체(350)는 구성요소(38) 내의 내부 통로(30)의 폐쇄 부위(308)에 안착될 수 없는 직경(D)을 갖는다. 언급된 바와 같이, 부착은 예를 들어, 복수의 연장부를 구형체의 표면에 가용접 및/또는 용융 용접하는 것을 포함할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 구성요소(38)는 터빈 블레이드 또는 노즐(베인)을 포함할 수 있다. 이 경우, 구성요소(38)는 몸체(32) 및 몸체(32) 내의 내부 통로(30)를 포함할 수 있다. 내부 통로(30)는 통로 벽(들)(304)을 포함하고, 이에 의해 한정된다. 내부 통로(30)는 터빈 블레이드 또는 노즐 내의 냉각 회로의 일부로서 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 내부 통로(30)는 볼 슈트로서 형성될 수 있으며, 이를 통해, 예컨대 인베스트먼트 주조 공정 동안 세라믹 코어를 형성하는 데 사용되는 왁스 몰드를 제거하도록 침출액이 통과할 수 있고, 이는 성형된 구성요소 내에 남고 밀봉되어야 한다. 터빈 블레이드 또는 노즐은 또한 내부 통로(30) 내의 폐쇄 부위(308)에서 폐쇄 요소(306)를 포함한다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 폐쇄 요소(306)는 브레이징된 구형체(364), 및 예컨대, 폐쇄 요소(306)가 통로 벽(들)(304)과 상호작용하지 않는, 브레이징된 구형체(350) 내의 브레이징된 연장부(잔류물(362)로 도시됨)를 포함한다. 언급된 바와 같이, 브레이징된 구형체(364) 및 브레이징된 연장부(잔류물(362))는 내부 통로(30)를 밀봉하기 위해 통로 벽(들)(304)과 야금학적 접합부(360)를 형성한다.

구성요소의 내부 통로를 밀봉하기 위한 폐쇄 요소 및 방법의 예시적인 실시예가 위에 상세히 설명되어 있다. 실시예는, 통로를 밀봉하는 것이 불규칙한 형상의 또는 과다 크기의 폐쇄 부위의 존재 하에서도 달성된다는 점에서, 그러한 통로를 밀봉하기 위한 적어도 일부 공지된 시스템에 비해 이점을 제공한다.

본 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 본 명세서에 사용되는 바와 같은 근사화 표현은 그가 관련된 기본적인 기능의 변화를 초래하지 않고서 허용가능하게 변할 수 있는 임의의 정량적 표현을 수정하는 데 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 용어 또는 용어들에 의해 수식된 값은 명시된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부 경우에, 근사화 표현은 값을 측정하기 위한 기기의 정밀도에 상응할 수 있다. 여기서 그리고 발명의 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐서, 범위 한계들은 조합 및/또는 상호교환될 수 있고, 그러한 범위들은 식별되고, 문맥이나 표현이 달리 나타내지 않는 한 그 안에 포함된 모든 하위 범위들을 포함한다. 일정 범위의 특정 값에 적용되는 바와 같은 "대략"은 둘 모두의 값에 적용되고, 달리 값을 측정하는 기구의 정밀도에 의존하지 않는 한, 언급된 값(들)의 +/- 10%를 나타낼 수 있다.

이하의 청구범위에서의 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 요소의 대응하는 구조, 재료, 작용, 및 등가물은, 구체적으로 청구되는 바와 같은 다른 청구된 요소와 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료, 또는 작용을 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 설명은, 예시 및 설명의 목적을 위해 제시되었지만, 개시된 형태로 본 발명을 총망라하거나 그로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 많은 변형 및 수정이, 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 원리 및 실제 적용을 가장 잘 설명하기 위해, 그리고 다른 당업자가 예상되는 특정 용도에 적합하게 되는 것과 같은 다양한 변형을 갖는 다양한 실시예에 대해 본 발명을 이해하는 것을 가능하게 하기 위해, 실시예가 선택되고 설명되었다.

Claims (20)

1. 구성요소 내의 내부 통로에 대한 폐쇄 요소로서,
   제1 초합금으로 제조된 구형체; 및
   상기 구형체의 표면으로부터 연장되는 복수의 연장부들을 포함하고, 상기 복수의 연장부들은 상기 제1 초합금 이외의 재료로 제조되는, 폐쇄 요소.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 초합금은 니켈계 초합금, 및 코발트계 초합금, 및 철계 초합금을 포함하는 군으로부터 선택되고;
   상기 복수의 연장부들은 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 및 철계 초합금을 포함하는 군으로부터 선택된 제2 초합금을 포함하고;
   상기 제1 초합금은 상기 제2 초합금과 상이한, 폐쇄 요소.
3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 연장부들은 각각, 구체, 원뿔 및 둥근 플레이트의 형상을 갖는, 폐쇄 요소.
4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 연장부들은 균일하게 분포된 연장부들을 포함하는, 폐쇄 요소.
5. 제4항에 있어서, 상기 균일하게 분포된 연장부들은 6개의 균일하게 분포된 연장부들을 포함하는, 폐쇄 요소.
6. 제4항에 있어서, 상기 복수의 연장부들은 상기 구형체를 중심으로 대칭적으로 분포되는, 폐쇄 요소.
7. 제1항에 있어서, 상기 구형체 및 상기 복수의 연장부들 주위에 배치된 브레이즈 재료를 추가로 포함하는, 폐쇄 요소.
8. 제1항에 있어서, 상기 구형체는 3 밀리미터 내지 10 밀리미터의 범위의 직경을 갖고, 각각의 연장부는 0.3 밀리미터 내지 5 밀리미터의 범위의 치수를 갖고, 각각의 연장부의 치수는 상기 구형체의 직경보다 작은, 폐쇄 요소.
9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 연장부들을 갖는 상기 구형체는 상기 내부 통로의 폐쇄 부위에 근접한 간섭 끼워맞춤(interference fit)으로 적어도 하나의 내부 통로 벽에 대해 수용되도록 집합적으로 크기설정되고 형상화되는, 폐쇄 요소.
10. 방법으로서,
    구형체 및 상기 구형체의 표면으로부터 연장되는 복수의 연장부들을 포함하는 폐쇄 요소를 구성요소의 내부 통로 내에 삽입하는 단계 - 상기 복수의 연장부들 중 적어도 하나는 상기 내부 통로의 통로 벽과 맞물리어 상기 구형체를 폐쇄 부위에 위치시킴 -;
    브레이즈 재료를 상기 폐쇄 부위에 적용하는 단계; 및
    상기 브레이즈 재료가 상기 구형체, 상기 복수의 연장부들 및 상기 통로 벽과 야금학적 접합부를 형성하여 상기 내부 통로를 밀봉하도록 상기 구성요소가 적어도 하나의 열 사이클을 겪게 하는 단계를 포함하는, 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 연장부들을 상기 구형체의 표면에 부착함으로써 상기 폐쇄 요소를 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 구형체는 상기 구성요소 내의 상기 내부 통로의 폐쇄 부위에 안착할 수 없는 직경을 갖는, 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 연장부들을 부착하는 단계는 상기 복수의 연장부들을 상기 구형체의 표면에 가용접(tack weld)하는 단계를 포함하는, 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 복수의 연장부들을 부착하는 단계는 상기 복수의 연장부들을 상기 구형체의 표면에 용융 용접하는 단계를 포함하는, 방법.
14. 제10항에 있어서, 상기 삽입 단계 이전에,
    상기 내부 통로의 통로 벽 위에 내산화(anti-oxidation) 층을 적용하는 단계; 및
    상기 폐쇄 부위에서 상기 내산화 층을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
15. 제10항에 있어서, 상기 구형체는 3 밀리미터 내지 10 밀리미터의 범위의 직경을 갖고, 각각의 연장부는 0.3 밀리미터 내지 5 밀리미터의 범위의 치수를 갖고, 각각의 연장부의 치수는 상기 구형체의 직경보다 작은, 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 구형체는 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 및 철계 초합금을 포함하는 군으로부터 선택된 제1 초합금을 포함하고;
    상기 복수의 연장부들은 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 및 철계 초합금을 포함하는 군으로부터 선택된 제2 초합금을 포함하고;
    상기 제1 초합금은 상기 제2 초합금과 상이한, 방법.
17. 제14항에 있어서, 상기 복수의 연장부들을 갖는 상기 구형체는 상기 내부 통로의 폐쇄 부위에 근접한 간섭 끼워맞춤으로 상기 통로 벽에 대해 수용되도록 집합적으로 크기설정되고 형상화되는, 방법.
18. 터빈 블레이드 또는 노즐로서,
    몸체;
    상기 몸체 내에 있고 통로 벽을 포함하는 내부 통로; 및
    상기 내부 통로 내의 폐쇄 부위에 있고, 브레이징된 구형체 및 상기 브레이징된 구형체의 표면 내의 복수의 브레이징된 연장부들을 포함하는 폐쇄 요소를 포함하고, 상기 브레이징된 구형체 및 상기 복수의 브레이징된 연장부들은 상기 통로 벽과 야금학적 접합부를 형성하여 상기 내부 통로를 밀봉하는, 터빈 블레이드 또는 노즐.
19. 제18항에 있어서, 상기 브레이징된 구형체는 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 및 철계 초합금을 포함하는 군으로부터 선택된 제1 초합금을 포함하고;
    상기 복수의 브레이징된 연장부들은 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 및 철계 초합금을 포함하는 군으로부터 선택된 제2 초합금을 포함하고;
    상기 제1 초합금은 상기 제2 초합금과 상이한, 터빈 블레이드 또는 노즐.
20. 제18항에 있어서, 상기 복수의 브레이징된 연장부들은 균일하게 분포된 연장부들을 포함하는, 터빈 블레이드 또는 노즐.

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