KR20240003716A - 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 니켈계 구성요소 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 니켈계 구성요소 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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브라이언 레슬리 헨더슨
브루스 에드워드 두린
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 니켈계 구성요소(48) 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템(46)이 개시된다. 방법 및 시스템(46)은 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 이용한다. 고온 분사 적용은 손상 부분(14)을 함유하는 니켈계 구성요소(48)의 표면(58) 상에 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금을 분사한다. 분사된 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금은 니켈계 구성요소(48)의 손상 부분(14) 내에 응고된 침착물(56)을 형성한다. 응고된 침착물(56)은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅이다. 균질 브레이즈 코팅은 니켈계 구성요소(48)의 손상 부분(14)에서 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 한다.

Description

단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 니켈계 구성요소 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR THERMAL SPRAYING BRAZE ALLOY MATERIALS ONTO A NICKEL-BASED COMPONENT TO FACILITATE HIGH DENSITY BRAZED JOINT WITH LOW DISCONTINUITIES}
본 개시의 실시예들은 일반적으로 브레이징, 더 구체적으로는, 단속성(discontinuity)이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 니켈계 구성요소 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
브레이징이 사용되는 하나의 분야는 니켈계 초합금으로부터 구축된 것들과 같은 니켈계 구성요소들의 복구에 있다. 터빈 부품들은 니켈계 초합금으로부터 구축될 수 있는 구성요소들의 예들이다. 니켈계 초합금은 그 융점에 가까운 작동 온도에서 부하를 견딜 수 있는 능력, 기계적 열화에 대한 저항성, 및 환경 부식에 대한 저항성으로 인해 터빈 구성요소들로서 사용하기에 적합하다. 그럼에도 불구하고, 시간이 지남에 따라, 니켈계 초합금으로부터 만들어진 이들 터빈 구성요소들은 작동하는 환경으로 인해 마모되거나 부식될 수 있다. 이에 따라, 이들 니켈계 초합금 터빈 구성요소들은 교체되거나 복구되어야 한다.
니켈계 초합금 터빈 구성요소들을 복구하는 것은 전형적으로 브레이징에 의해 복구를 행하는 것을 수반한다. 니켈계 초합금 터빈 구성요소들의 브레이즈 복구는 다양한 이유들로 용접과 같은 다른 복구 방법들에 비해 바람직하다. 예를 들어, 브레이징은 일반적으로 용접과 같이 균열을 촉진하지 않는다. 또한, 브레이징은 전형적으로 산화를 방지할 수 있다. 또한, 브레이징은 상이한 물질(예를 들어, 금속 대 세라믹)의 결합을 가능하게 할 수 있다. 브레이징과 연관된 다른 이점은 브레이즈 합금이 브레이즈 합금의 맞춤형 조성으로 인해 더 양호한 내부식성 및 고온 크리프 저항성을 가질 수 있다는 것이다.
브레이징이 니켈계 초합금 터빈 구성요소들을 복구하기 위한 바람직한 접근법이지만, 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 얻는 데 있어서 과제가 존재한다. 예를 들어, 터빈 블레이드 및 베인과 같은 니켈계 초합금 터빈 구성요소들을 복구하기 위해 사용되는 하나의 브레이징 접근법은 브레이즈 합금을 함유하는 페이스트 슬러리의 사용을 수반한다. 전형적으로, 터빈 블레이드 및 베인의 브레이즈 복구에 의하면, 페이스트 슬러리는 예를 들어, 균열과 같은 결함을 갖는 손상 부분을 제거하기 위해 터빈 구성요소의 베이스 물질로부터 중공화된 개구 또는 갭 내로 넣어진다.
페이스트 슬러리가 갭 내에 놓인 후에, 블레이드 또는 베인은 터빈 구성요소의 베이스 물질과 브레이징 합금을 함유하는 페이스트 슬러리 사이에 단단한 연결을 조성하기 위해 구성요소가 가열되는 노(furnace) 내로 넣어진다. 특히, 노에 의해 제공되는 열은 페이스트 슬러리로부터의 액체가 확산에 의해 제거되게 한다. 그 후, 브레이즈 합금과 터빈 구성요소의 베이스 물질 사이에 단단한 연결을 형성하기 위해 브레이즈 합금의 입자들이 가열되고 함께 소결된다. 이 접근법에 따른 문제점은 브레이징된 조인트가 종종 조인트에서의 브레이즈 합금의 저밀도로 인해 공극들이 있거나 다공성이 된다는 것이다. 브레이징된 조인트에서의 공극들은 조인트에 걸친 강도가 공극들로 인해 동일하지 않기 때문에 조인트 강도가 감소되는 결과를 가져온다.
터빈 블레이드 또는 베인을 복구하기 위해 페이스트 슬러리를 사용하는 것에 따른 다른 문제점은 중공된 갭 내에 슬러리를 삽입하는 것이 어려울 뿐만 아니라, 터빈 구성요소의 기하학적 구조 및 포지셔닝으로 인해 브레이징 동안 갭 내의 적소에 슬러리를 유지하는 것이 어려울 수 있다는 것이다. 이는 종종 갭에 슬러리 페이스트가 과도하게 적용되어 페이스트가 갭 내의 적소에 머무르지 않을 가능성의 이유가 된다. 결과적으로, 슬러리 페이스트는 터빈 구성요소의 다른 부분들로 이동할 수 있으며, 이는 이들 부분들의 부식을 초래할 수 있다.
터빈 블레이드 및 베인과 같은 니켈계 초합금 터빈 구성요소들의 복구를 수반하는 다른 브레이징 접근법에서, 고유동 브레이즈 합금 및 저유동 브레이즈 합금이 브레이징된 조인트를 생성하는 데 사용된다. 이러한 접근법에서, 저유동 브레이즈 합금이 전형적으로 먼저 갭에 적용되고, 그 후 고유동 브레이즈 합금이 저유동 브레이즈 합금의 상부에 슬래더링(slather)된다. 브레이즈 합금의 가열 및 소결 동안, 고유동 브레이즈 합금은 저유동 브레이즈 합금 내로(즉, 저유동 브레이즈 합금의 간극 공간들 사이에서) 확산될 것이다. 슬러리 페이스트에 의존하는 브레이징 접근법과 같이, 저유동 브레이즈 합금 내로의 고유동 브레이즈 합금의 확산은 종종 조인트에서의 공극들로 인해 저밀도의 브레이징된 조인트를 생성한다. 이러한 이유로, 고유동 브레이즈 합금 및 저유동 브레이즈 합금의 브레이징으로부터 초래되는 브레이징된 조인트는 조인트에 걸친 불균일한 조인트 강도로 인해 강도가 감소될 것이다. 저밀도의 브레이징된 조인트를 가질 가능성에도 불구하고, 이러한 브레이징 접근법은 느린 공정이고 반복 가능한 복구 결과들을 초래하는 방식으로 산업화하기에 복잡한 공정일 수 있기 때문에 터빈 블레이드 및 베인과 같은 터빈 부품을 이용한 구현에 있어서 그 한계를 가진다.
다음은 본원에서 설명되는 다양한 실시예들의 일부 양태들에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해 개시된 대상의 간략화된 요약을 제시한다. 이 요약은 다양한 실시예들의 광범위한 개요가 아니다. 이는 청구범위에서 제시되는 청구 대상의 핵심 특징들 또는 본질적인 특징들을 배타적으로 식별하는 것으로 의도되지 않고, 청구 대상의 범위를 결정하는 데 도움을 주는 것으로 의도되지도 않는다. 이의 유일한 목적은 나중에 제시되는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대한 서두로서 본 개시의 일부 개념들을 간략화된 형태로 제시하는 것이다.
본 발명의 다양한 실시예들은 브레이징 복구를 달성하기 위해 슬러리 페이스트 및 확산에 의존하는 니켈계 구성요소들을 복구하는 데 사용되는 전술한 브레이징 접근법들의 문제들을 해결하는 해결책들을 제공하는 것에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 이용하고, 브레이즈 합금 물질을 복구될 니켈계 구성요소의 일부분의 표면 상에 고온 분사함으로써 이전의 브레이징 접근법들의 문제들을 극복한다. 브레이즈 합금 물질의 고온 분사는 복구되는 니켈계 구성요소의 부분 내에 물질의 응고된 침착물을 형성한다. 응고된 침착물은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함한다. 또한, 균질 브레이즈 코팅의 응고된 침착물은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 고온 분사 적용과 연관된 운동 및 열 에너지로 인해 매우 조밀하거나 타이트하게 패킹된다. 브레이즈 합금의 고온 분사로부터 얻어진 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 균질성 및 밀도의 조합은 응고된 침착물이 침착물에서의 공극들 또는 다공성을 제거하기 때문에 전술한 브레이징 접근법들에서 사용되는 브레이즈 합금과 비교하여 응고된 침착물에 구조적 이점을 제공한다. 이러한 방식으로, 니켈계 구성요소 및 응고된 침착물이 노에서 가열될 때, 고밀도의 브레이징된 조인트는 낮은 단속성을 갖게 형성되고, 공극이 없기 때문에 조인트에 걸쳐 균등한 조인트 강도를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 방법이 제공된다. 본 방법은 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 얻는 단계; 및 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면 상에 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 고온 분사(thermal spraying)하여 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하는 단계 ― 응고된 침착물은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상이고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하임 ― 를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 니켈계의 손상 부분을 복구하는 방법이 제공된다. 본 방법은 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 얻는 단계; 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면 상에 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하여 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하는 단계 ― 응고된 침착물은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅은 약 2% 미만인 다공도를 가짐 ―; 및 니켈계 구성요소를 용융시키지 않고 니켈계 구성요소와 균질 브레이즈 코팅 사이에 야금 접합을 야기하도록 니켈계 구성요소 및 균질 브레이즈 코팅을 가열하는 단계 ― 야금 접합은 니켈계 구성요소의 손상 부분에 브레이징된 조인트를 생성함 ― 를 포함한다.
제3 실시예에 따르면, 니켈계 구성요소의 손상 부분을 복구하기 위한 시스템이 제공된다. 본 시스템은: 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 공급 원료; 공급 원료를 수용하고, 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면상에 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 분사하여 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하도록 구성된 고온 분사 장치를 포함하되, 고온 분사 장치는: 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 가압된 가스로 가열하도록 구성된 가스 가열기 및 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 수용하고, 가열된 브레이즈 합금 물질에 많은 운동 에너지량을 부여하는 초음속 속도로 가열된 브레이즈 합금 물질을 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면으로 유도하여 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하도록 구성된 노즐 ― 응고된 침착물은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상이고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하임 ―; 및 니켈계 구성요소 및 균질 브레이즈 코팅을 가열하도록 구성된 노 ― 노에서 생성된 열은 니켈계 구성요소를 용융시키지 않고 니켈계 구성요소와 균질 브레이즈 코팅 사이에 야금 접합을 야기하며, 야금 접합은 니켈계 구성요소의 손상 부분에 브레이징된 조인트를 생성함 ― 를 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여, 비제한적인 실시예들에 대한 이하의 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이며, 아래 도면들에서:
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 브레이즈 합금 물질을 고온 분사함으로써 복구될 수 있는 터빈 구성요소의 부분들의 예들을 도시한다;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 브레이즈 합금 물질을 고온 분사함으로써 터빈 구성요소와 같은 니켈계 구성요소를 복구하기 위한 방법의 동작들을 설명하는 흐름도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금으로 구성되고 니켈계 구성요소를 고온 분사하기 위한 공급 원료로서 공급되는 코어 와이어의 예를 도시한다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금으로 니켈계 구성요소를 고온 분사하기 위한 시스템의 개략도이다;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금으로 니켈계 구성요소를 고온 분사할 수 있는 저온 분사 디바이스와 같은 고온 분사 장치의 개략도이다; 그리고
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고온 분사 후 니켈계 기재 상에 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 응고된 침착물의 개략도를 도시한다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 모든 실시예들이 아닌 일부 실시예들이 도시된 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더 충분하게 설명될 것이다. 실제로, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있고, 본원에서 제시되는 실시예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되고; 오히려, 이러한 실시예들은 본 개시가 적용 가능한 법적 요건들을 충족하도록 제공된다. 동일한 번호들에 대해서는 전체에 걸쳐 동일한 요소들을 지칭할 수 있다.
본 개시는 일반적으로 니켈계 합금을 브레이징하는 것, 더 구체적으로는, 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 니켈계 구성요소 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 실시예들은 니켈계 합금과 같은 니켈계 물질로 형성된 터빈 부품에 대해 설명된다. 특히, 실시예들은 압축기 섹션, 연소기 섹션, 및 터빈 섹션을 갖는 가스 터빈 엔진에서 사용될 수 있는 가스 터빈 노즐(베인)을 이용하여 설명된다. 그러나, 이러한 실시예들에 따른 니켈계 구성요소 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하는 방법 및 시스템은 가스 터빈 노즐을 넘어서는 적용 가능성을 가지며, 이에 따라 실시예들은 노즐과 사용하는 것에 제한되는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해된다. 예를 들어, 다양한 실시예들은 시간이 지나면서 마모되거나 부식될 수 있고 손상 부분의 복구를 필요로 할 수 있는 니켈계 물질로 형성된 가스 터빈의 다른 구성요소들 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하는 것에 관한 것일 수 있다. 에어포일, 블레이드(버킷), 슈라우드, 연소기, 회전 터빈 구성요소, 휠, 시일, 및 다른 고온 가스 구성요소들이 니켈계 초합금과 같은 니켈계 물질로 형성될 수 있는 가스 터빈 구성요소들의 비제한적인 예들이며, 이에 따라 본원에서 설명되는 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템과의 적용 가능성을 갖는다.
또한, 니켈계 가스 터빈 구성요소들은 그 적용 분야(예를 들어, 육상 기반, 해상 기반, 및 항공 기반 적용예들)과 무관하게 터보기계를 이용하는 가스 터빈 시스템 및 가스 터빈 연소 시스템의 모든 유형들에서 동작할 수 있다는 것이 이해된다. 중장비 산업용 가스 터빈, 항공기 가스 터빈, 해양 가스 터빈, 암모니아 연료 가스 터빈, 수소 연료 가스 터빈, 항공 가스 터빈, 및 일반 연소 터빈을 포함하지만 이에 제한되지 않는 터보기계를 사용하는 가스 터빈 시스템 및 가스 터빈 연소 시스템은 시간이 지나면서 마모되거나 부식될 수 있고 이들 구성요소들이 용접하기 어려움에 따라 브레이징을 통한 복구를 필요로 할 수 있는 니켈계 물질로 만들어진 구성요소들 또는 부분들을 갖는 시스템의 비제한적인 예들이다.
또한, 니켈계 물질 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하는 방법 및 시스템은 가스 터빈 시스템 및 가스 터빈 연소 시스템을 넘어서는 유용성을 가지고, 특히, 전형적으로 용접하기 어렵고 이에 따라 손상된 섹션의 복구를 수행하기 위한 브레이징의 사용을 필요로 하는 니켈계 물질의 구성요소 또는 부분의 임의의 브레이징 적용에 사용될 수 있다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 브레이즈 합금 물질을 고온 분사함으로써 복구될 수 있는 터빈 구성요소(10)의 부분들의 예들을 도시한다. 특히, 도 1a 및 도 1b는 가스 터빈 엔진에 사용될 수 있는 노즐(12)의 상이한 도면들을 도시한다. 노즐(12)은 용접하기 어려운(difficult-to-weld, DTW) 합금으로 형성될 수 있다. 본원에서 사용될 때, "DTW" 합금은 액화, 및 용접 및 변형-노화 균열을 나타내는 합금이며, 이는 용접을 어렵고 비현실적으로 만든다. 일 실시예에서, 노즐(12)은 니켈계 초합금을 포함하는 DTW 합금으로 형성될 수 있다. 니켈계 초합금의 예들은 GTD 111, GTD 444, GTD262, Rene N2, Rene N4, Rene N5, Rene N6, Rene 65, Rene 77 (Udimet 700), Rene 80, Rene 88DT, Rene 104, Rene 108, Rene 125, Rene 142, Rene 195, Rene N500, Rene N515, CM247, MarM247, CMSX-4, CMSX10, MGA1400, MGA2400, IN100, INCONEL 700, INCONEL 738, INCONEL 792, PWA1480, PWA1483, PWA 1484, Mar-M-200, UDIMET 500, ASTROLOY, 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다.
터빈 구성요소(10)가 동작할 수 있는 환경으로 인해, 노즐(12)은 마모되거나 부식되어 손상될 수 있다. 도 1a는 터빈 구성요소(10)의 하부 영역(16)에, 즉 플랫폼(20)으로 전이하는 노즐(12)의 필렛(fillet) 섹션(18) 위에, 손상 부분(14)을 갖는 노즐(12)을 도시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 손상 부분(14)은 노즐(12)을 형성하는 베이스 물질로부터 중공화되어 물질에 갭(22)을 형성한다. 일반적으로, 손상 부분을 함유하는 물질은 결함을 포함할 수 있으며, 이는 물질이 노즐(12)의 베이스 물질로부터 제거되거나 그 외 손상되는 균열, 압입, 부식, 또는 기타 표면 불규칙성의 형태일 수 있다. 손상 부분(14)은 터빈 구성요소들의 복구에 사용되는 많은 주지된 물질 제거 기술들 중 임의의 기술을 사용하여 터빈 구성요소의 하부 영역(16)으로부터 제거될 수 있다. 이러한 물질 제거 기술들은 기계적 마멸(예를 들어, 그릿 블라스팅(grit blasting), 기계적 그라인딩, 절단), 방전 기계가공(electrical discharge machining), 화학적 에칭, 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다.
손상 부분(14)을 제거한 후에, 갭(22) 부근의 노즐(12) 주위의 나머지 부분은 브레이징을 위해 세정되고 준비될 수 있다. 브레이징에 의해 복구될 노즐(12) 주위의 나머지 부분의 세정 및 준비는 나머지 부분의 표면을 세정 및/또는 탈지하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세정 및/또는 탈지는 진공 하에서 영향을 받은 영역을 열 세정하는 것, 아세톤 와이프(acetone wipe), 그릿 블라스팅, 불소 이온 세정(fluoride ion cleaning, FIC), 수소 세정, 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 브레이징을 가능하게 하기 위해 쿠폰 또는 백킹 플레이트(24)가 노즐(12)의 내측 부분(26)에 적용될 수 있다. 특히, 백킹 플레이트(24)는 손상 부분(14)에서의 갭(22)을 채우면서 브레이즈 합금 물질이 내려앉기 위한 플랫폼 또는 예비 형성 백커로서의 역할을 한다. 도 1b는 노즐의 내부로부터 백킹 플레이트(24)를 도시하지만, 다른 면은 노즐(12)의 표면 밖으로 돌출하는 릿지인 중간 부분을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 브레이즈 합금 물질은 백킹 플레이트(24)가 위치되는 손상 부분 모두에 대해 브레이징을 행하기 위해 릿지 및 중간 부분을 둘러싸는 외측 부분에 적용될 수 있다.
도 1b에 도시된 백킹 플레이트(24)의 형상은 이용될 수 있는 하나의 가능한 형상을 예시하는 것으로 이해된다. 당업자들은 백킹 플레이트(24)의 형상이 손상된 터빈 부품의 부분의 두께, 손상 부분에서의 결함의 정도, 및 손상 부분의 위치를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 다수의 고려사항들에 따를 수 있음을 이해할 것이다.
노즐(12)의 브레이징이 완료된 후에, 백킹 플레이트(24)는 많은 주지된 기계가공 기술들 중 임의의 기술을 사용하여 제거될 수 있다. 대안적으로, 백킹 플레이트(24)는 갭(22)을 채우는 데 사용되는 브레이즈 합금에 대한 일부 추가적인 안정성을 제공하기 위해 남아있을 수 있고 사용될 수 있다. 또한, 백킹 플레이트(24)는 선택사항인 요소이고, 본원에서 설명된 브레이징 공정이 터빈 구성요소(10)를 복구하는 데 필수적이지 않다는 것을 이해해야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고용융 브레이즈 합금과 저용융 브레이즈 합금의 혼합물을 함유하는 브레이즈 합금 물질을 고온 분사함으로써 예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같은 노즐과 같은 터빈 구성요소와 같은 니켈계 터빈 구성요소를 복구하기 위한 방법의 동작들을 설명하는 흐름도(28)이다. 도 2에 도시되지 않았지만, 터빈 구성요소가 고온 분사 복구 동작을 거치기 전에, 구성요소는 일부 형태의 결함(예를 들어, 균열, 압입, 부식, 또는 다른 표면 불규칙성)으로 손상된 것으로 확인된 부분을 세정 및/또는 탈지함으로써 복구를 위해 예비될 수 있다. 실시예에서, 결함을 함유하는 손상 부분은 손상 부분이 제거되는 터빈 구성요소의 영역에 갭이 남아 있도록 중공화될 수 있다. 갭 주위에 위치되는 터빈 구성요소의 표면이 도 2의 고온 분사 브레이징 복구 동작을 위한 준비 시 세정 및/또는 탈지될 수 있다.
도 2의 고온 분사 브레이징 복구 동작은 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질이 얻어지는 30에서 시작될 수 있다. 본원에서 사용될 때, 고용융 브레이즈 합금 물질은 베이스 물질에 필적하는 속성들 및 유사한 용융점을 갖는 브레이즈 물질을 의미하는 반면, 저용융 브레이즈 합금 물질은 베이스 물질 용융점 미만에서 용융을 야기하기 위해 용융점 억제제를 함유하는 브레이즈 물질을 의미한다.
고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질은 임의의 다수의 적합한 합금 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108, INCONEL 262, MARM 247, RENE 142, RENE 80, INCONEL 718, INCONEL 738, Hastelloy X, 및 RENE N5를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않고, 저용융 브레이즈 합금 물질은 D15, DF4B, B1P, AMS 4782, AMS 4777, BNi-9, BNi-6, 및 BNi-7을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108, INCONEL 262, MARM 247, 및 RENE 142로 이루어진 군으로부터 선택되고, 저용융 브레이즈 합금 물질은 D15, DF4B, 및 B1P로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직한 실시예에서, 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108을 포함할 수 있고, 저용융 브레이즈 합금 물질은 DF4B를 포함할 수 있다.
도 2의 고온 분사 브레이징 복구 동작은 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질이 고온 분사 시스템에 공급되는 32에서 계속된다. 일 실시예에서, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈는 분말 물질의 형태를 취할 수 있다. 다른 실시예에서, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈는 와이어 전극의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 와이어 전극은 고용융 브레이즈 합금 물질의 제1 와이어 전극 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 제2 와이어 전극을 포함할 수 있다. 하나의 시나리오에서, 고용융 브레이즈 합금 물질의 제1 와이어 전극과 저용융 브레이즈 합금 물질의 제2 와이어 전극은 와이어 전극의 공급 속도를 조작함으로써 분사 시 균질화 혼합물을 얻기 위해 고온 분사 시스템에 동시에 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 와이어 전극(40)은 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질 중 하나를 함유하는 내측 부분(42), 및 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질 중 다른 하나를 함유하는 내측 부분을 둘러싸는 외측 부분(44)을 갖는 단일 코어 와이어를 포함할 수 있다. 단일 코어 와이어 전극은 브레이징 복구 공정이 이미 "집중(dialed-in)"되어서 공극 없이 균질하고 조밀한 적용을 초래할 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 최적량이 알려져 있는 시나리오에서 유익할 수 있다. 이러한 지식으로, 단일 코어 와이어 전극(40)의 내측 부분(42)과 외측 부분(44) 둘 모두의 직경이 고온 분사 시 브레이즈 합금의 균질 혼합물을 얻도록 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금은 브레이즈 합금 물질의 시트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시트는 고용융 브레이즈 합금 물질의 제1 시트 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 제2 시트를 포함할 수 있다. 고온 분사 시스템에 의해 사용될 수 있는 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금은 또한 슬러리 물질, 와이어 전극, 분말 및 로드(rod)를 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
분말 형태이든, 와이어 전극, 시트, 슬러리 물질 또는 로드이든, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금은 가열되어 고압에서 가스 스트림으로 도입될 수 있고, 초음속에 도달할 수 있는 고속으로 터빈 구성요소를 향해 방출될 수 있다. 브레이즈 합금의 용융 및 합금의 운동 에너지로부터의 열 에너지는 입자가 터빈 구성요소와의 충돌 시 변형되고 평탄화되게 한다. 평탄화는 터빈 구성요소와의 야금학적, 기계적 또는 야금학적 및 기계적 접합의 조합을 촉진하고, 구성요소 상에 보호 코팅을 생성한다.
도 2의 고온 분사 브레이징 복구 동작을 다시 참조하면, 고온 분사 시스템의 운동학적 및 열적 설정이 34에서 고온 분사 브레이징 복구 동작을 거치는 터빈 구성요소의 표면 상에 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 균질하고 조밀한 적용을 초래할 방식으로 지정된다. 특히, 고온 분사 적용에 이어서, 선택된 합금에 특유한 조인트로의 열 사이클링, 및 또한 사용되는 장비 또는 공정(예를 들어, 공급 메커니즘 및 파라미터들)에 특유한 고온 분사 파라미터들은 모두 터빈 구성요소의 표면 상에 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 조밀하고 균질한 층을 얻는 데 있어서 역할을 할 수 있다.
지정된 운동학적 및 열적 설정에 의해, 고온 분사 시스템은 36에서 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 고온 분사를 니켈계 터빈 구성요소의 타겟 영역(예를 들어, 복구될 영역)을 향해 유도할 수 있다. 이 정도로, 고온 분사 시스템은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 응고된 침착물로 구성요소의 타겟 영역을 분사할 수 있다. 응고된 침착물은 공극 또는 다공성이 없는 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함한다.
일 실시예에서, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅은 약 2% 미만인 다공도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상일 수 있고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금의 양이 균질 브레이즈 코팅의 약 50 vol% 내지 95 vol%이고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금의 양이 균질 브레이즈 코팅의 약 5 vol% 내지 50 vol%이다.
고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금으로 니켈계 터빈 구성요소의 고온 분사 후에, 도 2의 복구 동작은 38에서 구성요소를 열처리함으로써 계속될 수 있다. 일 실시예에서, 열처리는 니켈계 구성요소를 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 고온 분사된 침착물과 노 내에 놓는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 노에서의 브레이징된 니켈계 구성요소의 가열은 약 10분 내지 약 1시간의 범위일 수 있는 시간 동안 약 1900℉(1038℃) 내지 약 2300℉(1260℃)의 범위일 수 있는 온도에서 일어날 수 있다. 노에서 생성되는 열은 니켈계 구성요소를 용융시키지 않고 니켈계 구성요소와 균질 브레이징 코팅 사이의 야금 접합을 야기한다. 이러한 방식으로, 야금 접합은 니켈계 성분의 손상 부분에 브레이징된 조인트를 생성한다. 일 실시예에서, 브레이징된 조인트는 약 40 HR 내지 약 60 HR의 범위인 Rockwell 스케일 상의 경도를 가질 수 있다.
설명의 간략화를 위해, 도 2에 도시된 동작들은 일련의 행위들로서 설명된다. 도 2와 연관된 본 발명은 일부 행위들이 그에 따라 상이한 순서로 그리고/또는 본원에서 도시되고 설명된 것과 다른 행위들과 동시에 일어날 수 있기 때문에, 행위들의 순서에 의해 제한되지 않는다는 것이 이해되고 인식되어야 한다. 설명의 간략화를 위해, 도 2에 도시된 동작들은 일련의 행위들로서 설명된다. 도 2와 연관된 본 발명은 일부 행위들이 그에 따라 상이한 순서로 그리고/또는 본원에서 도시되고 설명된 것과 다른 행위들과 동시에 일어날 수 있기 때문에, 행위들의 순서에 의해 제한되지 않는다는 것이 이해되고 인식되어야 한다. 또한, 본원에서 설명된 하나 이상의 특징 또는 이점을 실현하기 위해, 개시된 예시적인 방법들 중 두 가지 이상의 방법들이 서로 조합하여 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고용융 브레이즈 합금과 저용융 브레이즈 합금의 혼합물로 터빈 구성요소와 같은 니켈계 구성요소(48)를 고온 분사하기 위한 시스템(46)의 개략도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 시스템(46)은 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 공급 원료(50)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 공급 원료(50)는 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 분말(52)의 형태로 갖는 것을 포함할 수 있다. 도 4의 개략도가 분말(52)을 일반적인 표현으로 도시하지만, 공급 원료(50)는 고용융 브레이즈 합금 물질을 포함하는 분말의 회분 및 저용융 브레이즈 합금을 포함하는 분말의 다른 회분을 별도로 가질 수 있다는 것이 이해된다. 대안적으로, 일 실시예에서, 공급 원료(50)는 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 함유하는 브레이즈 합금 혼합물을 포함할 수 있다. 공급 원료(50)는 또한 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 와이어 전극(54)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 와이어 전극(54)은 고용융 브레이즈 합금 물질의 와이어 전극 및 저용융 브레이즈 합금의 다른 와이어 전극을 포함할 수 있다. 공급 원료(50)는 또한 고용융 브레이즈 합금 물질의 시트들 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 제2 시트를 포함하지만 이에 제한되지 않는 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금을 고온 분사 시스템과 함께 사용하기에 적합한 상술된 바와 같은 다른 형태들로 갖는 것을 포함할 수 있다.
도 4의 시스템(46)에 도시되지는 않았지만, 본 시스템은 공급 원료(50)를 수용하고, 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 용융시키고, 브레이즈 합금 물질을 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소(48)의 표면 상에 분사하도록 구성된 고온 분사 장치를 포함할 수 있다. 일반적으로, 고온 분사 장치는 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 응고된 침착물(56)을 니켈계 구성요소(48)의 표면(58) 상에 유도하기 위해 고온 가스의 열, 전기 및 연소를 사용할 수 있다. 예를 들어, 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 공급 원료(50)는 고온 분사 장치에 의해 가열될 수 있는 한편, 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 초음속으로 니켈계 구성요소(48)의 표면(58) 상에 유도하기 위해 고온 가스의 전기 및 연소를 또한 사용하여 가열된 브레이즈 합금 물질(60)에 많은 운동 에너지량을 부여할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 응고된 침착물(56)은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함할 수 있다. 또한, 균질한 코팅을 갖기 위해, 응고된 침착물(56)의 코팅은 공극 및 다공성이 없는 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 밀도를 특징으로 한다. 일반적으로, 시스템(46)은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 가열, 브레이즈 합금 물질의 미세구조 및/또는 모폴러지의 특성을 변경하기 위한 시스템의 전기 및 고온 가스의 연소, 뿐만 아니라 니켈계 구성요소(48)의 표면(58)에 대한 물질의 공급 중 하나 이상을 변경할 수 있다. 이러한 정도로, 이러한 변경은 전술된 속성들(예를 들어, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 균질한 코팅, 공극 및 다공성이 없는 밀도 등)을 갖는 응고된 침착물(56)을 생성할 수 있다.
도 4의 시스템(46)은 다수의 상이한 고온 분사 시스템들 중 임의의 시스템에 의해 구현될 수 있다. 본원에서 설명된 공정을 구현하는 데 이용될 수 있는 가능한 고온 분사 시스템의 예들은 연소(HVOF(high velocity oxy-fuel)), 플라즈마 아크, 전기 와이어 아크, 및 저온 분사 공정을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 사용되는 고온 분사 시스템의 선택은 다수의 상이한 고려사항들 중 임의의 것에 따를 수 있다. 이들 고려사항들은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 물질의 화학적 성질, 고온 분사 공정을 거치는 구성요소의 기하학적 구조, 브레이징을 필요로 하는 구성요소의 부분의 정도를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
일 실시예에서, 고온 분사 시스템은 브레이징 복구 동작의 대상인 니켈계 구성요소의 표면 상에 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 저온 분사하도록 구성된 저온 분사 시스템을 포함할 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금으로 터빈 구성요소와 같은 니켈계 구성요소를 고온 분사할 수 있는 저온 분사 디바이스(62)의 개략도이다. 도 5의 저온 분사 디바이스(62)에서, 가압된 가스(64)가 분말 공급기(66) 및 가스 예열기(68)에 도입된다.
가스 예열기(68)로 유입되는 가압된 가스는 572℉(300℃) 내지 1472℉(800℃)의 범위일 수 있는 온도로 가열된다. 그 후, 가열된 가압된 가스는 미리 결정된 압력(예를 들어, +200 PSI)에 있을 수 있는 분말 예열 챔버(70)로 도입된다. 특히, 분말 공급기(66)로 유입되는 가압된 가스(64)는 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 분말(예를 들어, 경화상 및 연화상 분말(벤드와 합금 둘 모두)의 혼합물)을 취하고, 이를 분말 예열 챔버(70)로 수송하며, 여기서 이는 가열된 가압 가스(64)에 의해 가열된다. 전형적인 금속 분말(순수 금속 이를테면 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 코발트, 탄탈, 니오븀, 또는 이들의 합금)은 대략 50 미크론인 직경을 가질 수 있다. 그 후, 가열된 분말은 수렴―발산 노즐(72)을 통해 수송되고, 니켈계 구성요소(48)의 표면(58)에서, 제거된 손상 부분을 함유하는 베이스 물질을 향해 분사로서 유도된다. 이러한 방식으로, 손상 부분은 브레이즈 합금 물질의 응고된 침착물(56)을 일정 코팅 두께를 갖는 코팅의 형태로 생성하도록 서로 위에 축적되는 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 얇은 층들로 채워진다.
노즐(72) 및 고온 가압 가스(64)의 사용은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금 분말 입자들을 초음속으로 가속시켜 입자들에 많은 운동 에너지량을 부여한다. 높은 운동 에너지 및 낮은 열 에너지의 결과로서, 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 입자들은 저용융 상을 연화시키고, 표면(58)과의 충돌 시 변형되어, 물질의 스플랫(splat) 또는 응고된 침착물을 생성한다. 이러한 연화상 물질은 얇은 층의 혼합물로 설계됨에 따라 경화상 입자들을 포획한다. 도 6은 고온 분사 후 니켈계 구성요소(48)와 같은 니켈계 기재 상의 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 응고된 침착물(56)의 개략도를 도시한다.
저온 분사 장치(62)에 의하면, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 가열, 본 시스템의 전기 및 고온 가스의 연소 중 하나 이상은 전술된 속성들(예를 들어, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 균질한 코팅, 공극 및 다공성 없는 밀도)을 갖는 응고된 침착물(56)을 생성하기 위해 브레이즈 합금 물질 미세구조 및/또는 모폴러지의 특성들뿐만 아니라 니켈계 구성요소(48)의 표면(58)에 대한 물질의 공급의 특성들을 변경하도록 조절될 수 있다. 도 5의 저온 분사 디바이스(62)는 저온 분사 공정을 실시할 수 있는 도시되지 않은 다수의 다른 구성요소들을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 저온 분사 디바이스(62)는 고온 가스(64) 및 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 각각 공급하기 위한 가스 전달망 및 분말 전달망, 및 니켈계 구성요소(48)를 제 위치에 유지하기 위한 툴(예를 들어, 브레이스, 클램프 등)을 포함할 수 있다. 임의의 고온 분사 공정과 같이 저온 분사는 코팅을 생성하기 위해 사용되는 파라미터들에 기초하여 X 열 에너지량 및 X 운동 에너지량을 갖는다. 이러한 파라미터들은 또한 분말 공급 속도를 포함하며, 이는 밀도, 다공도, 및 경도와 같은 코팅 속성들을 조장한다. 이 실시예의 고온 분사 처리는 2 단계 공정으로서 지칭될 수 있으며; 제1 단계는 코팅을 생성하기 위해 분사되고(저온 분사, HVOF, 플라즈마, 와이어 아크), 제2 단계는 진공로 열처리이다. 두 단계들 모두는 마이크로 및 매크로 스케일의 화학적 반응, 저온 브레이즈 분말 용융 및 고온 합금 연화에 기여한다. 물질의 화학적 성질, 입자 크기, 파라미터 및 열처리 파라미터 모두가 성공적인 복구 적용에 필요한 속성들을 조작하기 위해 조정될 수 있다.
도 5의 저온 분사 디바이스(62)는 저온 분사 공정을 실시할 수 있는 도시되지 않은 다수의 다른 구성요소들을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 저온 분사 디바이스(62)는 고온 가스(64) 및 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 각각 공급하기 위한 가스 전달망 및 분말 전달망, 및 니켈계 구성요소(48)를 제 위치에 유지하기 위한 툴(예를 들어, 브레이스, 클램프 등)을 포함할 수 있다.
또한, 도 5의 저온 분사 디바이스(62)는 공극 및 다공성 없이 합금 물질의 균질한 코팅이 존재하도록 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 응고된 침착물로 니켈계 구성요소를 브레이즈 복구하기 위해 사용될 수 있는 저온 분사 장치의 일례를 나타낸다는 것이 이해된다. 당업자들은 다른 저온 분사 시스템들이 응고된 침착물을 전달하고 노의 사용으로 단속성이 낮은 고밀도이고, 조인트에 걸쳐 균등한 강도를 갖는 브레이징된 조인트를 얻기 위해 이용되고 구성될 수 있음을 이해할 것이다.
본원에서 제시된 예시된 실시예들에 대한 설명으로부터, 본 개시는 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 브레이즈 합금 물질을 니켈계 구성요소 상에 고온 분사하기 위한 효과적인 해결책을 제시한다는 것이 분명해야 한다. 다양한 실시예들에 의해 제공되는 이 해결책은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금으로 니켈계 구성요소를 고온 분사하는 것을 수반한다. 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금의 고온 분사는 코팅의 밀도가 공극 및 다공성이 없도록 브레이즈 합금의 균질한 코팅을 갖는 니켈계 구성요소의 표면 상의 응고된 침착물을 생성한다. 이 정도로, 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트, 및 또한 조인트에 걸친 균일한 조인트 강도가 달성될 수 있다. 이 이점은 브레이즈 합금 물질과 베이스 물질의 일시적인 액상 접합을 얻기 위해 브레이즈 합금들의 혼합물 및 합금의 확산에서 접합제에 의존하는 브레이징 접근법들과 대조적이다. 다양한 실시예들에서, 공극 및 다공성이 제거되고, 또한 야금학적 수준에서 브레이즈 합금과 베이스 물질 사이에 실제 접합이 얻어진다.
본원에서 개시된 바와 같은 니켈계 구성요소 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템은 브레이즈 합금의 혼합물에서의 접합제에 대한 필요성을 제거하고 합금의 확산에 의존하기 때문에 현재의 접근법들의 사용을 통해 브레이즈 복구에서 발생할 수 있는 결함들을 제거할 뿐만 아니라, 다양한 실시예들은 또한 추가의 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 방법 및 시스템은 터빈 구성요소와 같은 니켈계 구성요소의 브레이즈 복구와 전형적으로 연관되는 공정 중 재작업의 감소를 초래할 수 있다. 또한, 본 방법 및 시스템의 사용에 의하면, 브레이즈 복구의 처리 시간이 단축될 것이며, 이는 시간 단축으로 인한 비용 절감으로 해석된다. 다른 이점들은 브레이즈 합금들의 혼합물에서의 접합제에 대한 필요성을 제거하고 합금의 확산에 의존하기 때문에 현재의 접근법의 사용을 통해 브레이즈 복구에서 발생할 수 있는 결함을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 다양한 실시예들의 고온 분사 브레이즈 합금 복구는 또한 현재 사용되는 브레이즈 복구 접근법들에서 발생할 수 있는 터빈 성분의 측벽 이동의 위험을 감소시킬 수 있다.
요약서에 기술된 것을 포함하는 본 개시의 예시된 실시예들의 상기한 설명은 개시된 실시예들을 개시된 정확한 형태들로 제한하거나 완전한 것으로 의도되지 않는다. 특정 실시예들 및 예들이 예시의 목적으로 본원에서 설명되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자들이 인식할 수 있는 바와 같이, 다양한 변형이 가능하며, 이는 이러한 실시예들 및 예들의 범위 내로 고려된다. 예를 들어, 상이한 실시예들로부터의 부분들, 구성요소들, 단계들 및 양태들은 본 개시에서 설명되거나 도면에 도시되어 있지 않더라도 조합되거나 다른 실시예들에서 사용하기에 적합할 수 있다. 따라서, 본원에서 수반되는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이, 위에서 설명된 발명에서 특정 변경이 이루어질 수 있으므로, 첨부 도면들에 도시된 상기한 설명의 모든 대상은 단지 본원의 발명의 개념을 예시하는 예들로서 해석되어야 하고, 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.
이와 관련하여, 개시된 대상이 적용가능한 경우, 다양한 실시예들 및 대응하는 도면들과 관련하여 설명되었지만, 다른 유사한 실시예들이 사용될 수 있거나 개시된 대상의 동일한, 유사한, 대안적인 또는 대체 기능을 수행하기 위해 설명된 실시예들에 대해 수정 및 추가가 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 개시된 대상은 본원에서 설명된 임의의 단일 실시예에 제한되는 것이 아니라, 아래 첨부된 청구항들에 따른 범주 및 범위로 간주되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 "일 실시예"에 대한 언급은 언급된 특징들을 또한 포함하는 추가적인 실시예들의 존재를 배제하는 것으로서 해석되도록 의도되지 않는다.
첨부된 청구범위에서, 용어 "포함하는" 및 "여기서"는 각 용어 "포함하는" 및 "이때"의 평이한 영어 대역어로서 사용된다. 또한, 다음의 청구범위에서, "제1", "제2", "제3", "상부", "하부", "하단", "상단" 등과 같은 용어들은 단지 라벨들로서 사용되고, 그 객체들에 수치적 또는 위치적 요건들을 부과하는 것으로 의도되지 않는다. 용어 "실질적으로", "일반적으로", 및 "약"은 구성요소 또는 어셈블리의 기능적 목적을 달성하기에 적합한 이상적인 원하는 조건들에 비해, 합리적으로 달성가능한 제조 및 조립 허용오차 내의 조건들을 나타낸다. 또한, 다음의 청구범위의 제한들은 기능식(means-plus-function) 형식으로 작성되지 않고, 그러한 청구항 제한들이 "~를 위한 수단"이라는 어구를 명시적으로 사용하고 추가 구조의 기능 공백의 진술이 뒤따르지 않는 한 그리고 그렇게 하기까지 그렇게 해석되도록 의도되지 않는다.
또한, "또는"이라는 용어는 배타적인 "또는"이 아니라 포괄적인 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥으로부터 명확하지 않으면, "X는 A 또는 B 를 이용한다" 는 임의의 자연적인 포괄적 순열 (natural inclusive permutation) 들을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나, X 가 B를 이용하거나, 또는 X가 A 및 B 양자를 이용하면, 경우들 중 임의의 경우 하에서도 "X는 A 또는 B를 이용한다" 가 충족된다. 또한, 본 명세서 및 첨부된 도면들에서 이용된 단수표현은 달리 규정되지 않거나 또는 단수형에 직결되는 것으로 문맥으로부터 명확하지 않는다면, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
위에서 설명된 것은 개시된 대상을 예시하는 시스템들 및 방법들의 예들을 포함한다. 물론, 본원에서 구성요소들 또는 방법들의 모든 조합을 설명하는 것은 가능하지 않다. 당업자는 청구된 대상의 많은 추가적인 조합들 및 치환들이 가능하다는 것을 인식할 수 있다. 또한, "포함한다", "갖는다", "소지한다" 등의 용어들이 본 상세한 설명, 청구범위, 부속내용 및 도면들에서 사용되는 경우, 이러한 용어는, 청구범위에서 전이어구로서 이용될 때, "포함한다"가 해석되는 바와 같이 용어 "포함한다"와 유사한 방식으로 포괄적인 것임을 의도한다. 즉, 명시적으로 반대로 언급되지 않는 한, 특정 속성을 갖는 요소 또는 복수의 요소들을 "포함하는", "포함한" 또는 "갖는" 실시예들은 그 속성을 갖지 않는 추가적인 그러한 요소들을 포함할 수 있다.
이렇게 작성된 설명은 최상의 모드를 포함하여, 본 발명의 여러 실시예들을 개시하기 위해 예들을 사용하고, 또한 임의의 디바이스들 또는 시스템들의 제조 및 사용 및 임의의 통합된 방법들의 수행을 포함하여, 당업자가 본 발명의 실시예들을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 예들을 사용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구항들에 의해 정의되고, 당업자에 의해 구상되는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은 그것들이 청구항들의 문언적 언어와 상이하지 않은 구조적 요소들을 갖는 경우, 또는 그것들이 청구항들의 문언적 언어와 실질적이지 않은 차이들을 갖는 등가의 구조적 요소들을 포함하는 경우, 청구항들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
본 발명의 추가 양태들이 다음의 조항들의 대상에 의해 제공된다.
고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 얻는 단계; 및 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면 상에 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 고온 분사(thermal spraying)하여 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하는 단계 ― 응고된 침착물은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상이고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하임 ― 를 포함하는, 방법.
조항 1에 있어서, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅은 약 2% 미만인 다공도를 갖는 것인, 방법.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금의 양이 균질 브레이즈 코팅의 약 50 vol% 내지 95 vol%이고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금의 양이 균질 브레이즈 코팅의 약 5 vol% 내지 50 vol%인 것인, 방법.
니켈계 구성요소의 손상 부분을 복구하는 방법으로서, 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 얻는 단계; 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면 상에 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하여 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하는 단계 ― 응고된 침착물은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅은 약 2% 미만인 다공도를 가짐 ―; 및 니켈계 구성요소를 용융시키지 않고 니켈계 구성요소와 균질 브레이즈 코팅 사이에 야금 접합을 야기하도록 니켈계 구성요소 및 균질 브레이즈 코팅을 가열하는 단계 ― 야금 접합은 니켈계 구성요소의 손상 부분에 브레이징된 조인트를 생성함 ― 를 포함하는, 방법.
전술항 조항에 있어서, 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108, INCONEL 262, MARM 247, 및 RENE 142로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 방법.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 저용융 브레이즈 합금 물질은 D15, DF4B, 및 B1P로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 방법.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108을 포함하고, 저용융 브레이즈 합금 물질은 DF4B를 포함하는 것인, 방법.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 브레이징된 조인트는 약 40 HR 내지 약 60 HR 범위의 경도를 갖는 것인, 방법.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 니켈계 구성요소의 손상 부분의 표면 상에 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 고온 분사하는 단계는 표면 상에 브레이즈 합금을 저온 분사하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금의 양이 균질 브레이즈 코팅의 약 50 vol% 내지 95 vol%이고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금의 양이 균질 브레이즈 코팅의 약 5 vol% 내지 50 vol%인 것인, 방법.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상이고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하인 것인, 방법.
니켈계 구성요소의 손상 부분을 복구하기 위한 시스템으로서, 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 공급 원료; 공급 원료를 수용하고, 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면상에 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 분사하여 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하도록 구성된 고온 분사 장치 ― 고온 분사 장치는: 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 가압된 가스로 가열하도록 구성된 가스 가열기 및 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 수용하고, 가열된 브레이즈 합금 물질에 많은 운동 에너지량을 부여하는 초음속 속도로 가열된 브레이즈 합금 물질을 손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면으로 유도하여 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하도록 구성된 노즐을 포함하되, 응고된 침착물은 고용융 브레이즈 합금 및 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 균질 브레이즈 코팅 내의 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상이고, 균질 브레이즈 코팅 내의 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하임 ―; 및 니켈계 구성요소 및 균질 브레이즈 코팅을 가열하도록 구성된 노 ― 노에서 생성된 열은 니켈계 구성요소를 용융시키지 않고 니켈계 구성요소와 균질 브레이즈 코팅 사이에 야금 접합을 야기하며, 야금 접합은 니켈계 구성요소의 손상 부분에 브레이징된 조인트를 생성함 ― 를 포함하는, 시스템.
전술항 조항에 있어서, 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 공급 원료는 브레이즈 합금 물질의 와이어를 포함하는 것인, 시스템.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 와이어는 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 제1 와이어를 포함하는 것인, 시스템.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 와이어는 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질 중 하나를 함유하는 내측 부분, 및 단일 코어 와이어의 내측 부분을 형성하는 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질 중 다른 하나를 함유하는 내측 부분을 둘러싸는 외측 부분을 갖는 단일 코어 와이어를 포함하는 것인, 시스템.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 공급 원료는 고용융 브레이즈 합금 물질의 분말 형태 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 분말 형태를 포함하는 것인, 시스템.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 고온 분사 장치는 저온 분사 디바이스를 포함하는 것인, 시스템.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108, INCONEL 262, MARM 247, 및 RENE 142로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 시스템.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 저용융 브레이즈 합금 물질은 D15, DF4B, 및 B1P로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 시스템.
전술항 조항들 중 어느 하나에 있어서, 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108을 포함하고, 저용융 브레이즈 합금 물질은 DF4B를 포함하는 것인, 시스템.

Claims (15)

  1. 방법으로서,
    고용융 브레이즈 합금(high melt braze alloy) 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 얻는 단계; 및
    손상 부분을 함유하는 니켈계 구성요소의 표면 상에 상기 고용융 브레이즈 합금 물질 및 상기 저용융 브레이즈 합금 물질을 고온 분사(thermal spraying)하여 상기 손상 부분 내에 응고된 침착물을 형성하는 단계 ― 상기 응고된 침착물은 상기 고용융 브레이즈 합금 및 상기 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상이고, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하임 ― 를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고용융 브레이즈 합금 및 상기 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 상기 균질 브레이즈 코팅은 약 2% 미만인 다공도를 갖는 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 고용융 브레이즈 합금의 양이 상기 균질 브레이즈 코팅의 약 50 vol% 내지 95 vol%이고, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 저용융 브레이즈 합금의 양이 상기 균질 브레이즈 코팅의 약 5 vol% 내지 50 vol%인 것인, 방법.
  4. 니켈계 구성요소(48)의 손상 부분(14)을 복구하는 방법으로서,
    고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질을 얻는 단계;
    상기 손상 부분을 함유하는 상기 니켈계 구성요소(48)의 표면 상에 상기 고용융 브레이즈 합금 물질 및 상기 저용융 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하여 상기 손상 부분(14) 내에 응고된 침착물을 형성하는 단계 ― 상기 응고된 침착물(56)은 상기 고용융 브레이즈 합금 및 상기 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 상기 고용융 브레이즈 합금 및 상기 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 상기 균질 브레이즈 코팅은 약 2% 미만인 다공도를 가짐 ―; 및
    상기 니켈계 구성요소(48)를 용융시키지 않고 상기 니켈계 구성요소(48)와 상기 균질 브레이즈 코팅 사이에 야금 접합(metallurgical bonding)을 야기하도록 상기 니켈계 구성요소(48) 및 상기 균질 브레이즈 코팅을 가열하는 단계 ― 상기 야금 접합은 상기 니켈계 구성요소(48)의 상기 손상 부분(14)에 브레이징된 조인트를 생성함 ― 를 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108, INCONEL 262, MARM 247, 및 RENE 142로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 저용융 브레이즈 합금 물질은 D15, DF4B, 및 B1P로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 고용융 브레이즈 합금 물질은 RENE 108을 포함하고, 상기 저용융 브레이즈 합금 물질은 DF4B를 포함하는 것인, 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 브레이징된 조인트는 약 40 HR 내지 약 60 HR 범위의 경도를 갖는 것인, 방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 니켈계 구성요소(48)의 상기 손상 부분(14)의 표면 상에 상기 고용융 브레이즈 합금 및 상기 저용융 브레이즈 합금을 고온 분사하는 단계는 상기 표면 상에 상기 브레이즈 합금을 저온 분사하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 고용융 브레이즈 합금의 양이 상기 균질 브레이즈 코팅의 약 50 vol% 내지 95 vol%이고, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 저용융 브레이즈 합금의 양이 상기 균질 브레이즈 코팅의 약 5 vol% 내지 50 vol%인 것인, 방법.
  11. 제4항에 있어서, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상이고, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하인 것인, 방법.
  12. 니켈계 구성요소(48)의 손상 부분(14)을 복구하기 위한 시스템(46)으로서,
    고용융 브레이즈 합금 물질 및 저용융 브레이즈 합금 물질의 공급 원료(50);
    상기 공급 원료(50)를 수용하고, 상기 손상 부분(14)을 함유하는 상기 니켈계 구성요소(48)의 표면(58) 상에 상기 고용융 브레이즈 합금 물질 및 상기 저용융 브레이즈 합금 물질을 분사하여 상기 손상 부분(14) 내에 응고된 침착물(56)을 형성하도록 구성된 고온 분사 장치(62) ― 상기 고온 분사 장치(62)는:
    상기 고용융 브레이즈 합금 물질 및 상기 저용융 브레이즈 합금 물질을 가압된 가스(64)로 가열하도록 구성된 가스 가열기(68); 및
    가열된 상기 고용융 브레이즈 합금 물질 및 상기 저용융 브레이즈 합금 물질을 수용하고, 가열된 브레이즈 합금 물질(60)에 많은 운동 에너지량을 부여하는 초음속 속도로 상기 가열된 브레이즈 합금 물질(60)을 상기 손상 부분(14)을 함유하는 상기 니켈계 구성요소(48)의 표면(58)으로 유도하여 상기 손상 부분(14) 내에 상기 응고된 침착물(56)을 형성하도록 구성된 노즐(72)을 포함하되, 상기 응고된 침착물(56)은 상기 고용융 브레이즈 합금 및 상기 저용융 브레이즈 합금을 함유하는 균질 브레이즈 코팅을 포함하되, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 고용융 브레이즈 합금 물질의 원소 중량%가 50% 이상이고, 상기 균질 브레이즈 코팅 내의 상기 저용융 브레이즈 합금 물질은 50 중량% 이하임 ―; 및
    상기 니켈계 구성요소(48) 및 상기 균질 브레이즈 코팅을 가열하도록 구성된 노(furnace) ― 상기 노에서 생성된 열은 상기 니켈계 구성요소(48)를 용융시키지 않고 상기 니켈계 구성요소(48)와 상기 균질 브레이즈 코팅 사이에 야금 접합을 야기하며, 상기 야금 접합은 상기 니켈계 구성요소(48)의 상기 손상 부분(14)에 브레이징된 조인트를 생성함 ― 를 포함하는, 시스템(46).
  13. 제12항에 있어서, 상기 고용융 브레이즈 합금 물질 및 상기 저용융 브레이즈 합금 물질의 상기 공급 원료(50)는 브레이즈 합금 물질의 와이어를 포함하는 것인, 시스템(46).
  14. 제12항에 있어서, 상기 고용융 브레이즈 합금 물질 및 상기 저용융 브레이즈 합금 물질의 상기 공급 원료(50)는 상기 고용융 브레이즈 합금 물질의 분말(52) 형태 및 상기 저용융 브레이즈 합금 물질의 분말(52) 형태를 포함하는 것인, 시스템(46).
  15. 제12항에 있어서, 상기 고온 분사 장치(62)는 저온 분사 디바이스(62)를 포함하는 것인, 시스템(46).
KR1020230081726A 2022-07-01 2023-06-26 단속성이 낮은 고밀도의 브레이징된 조인트를 가능하게 하기 위해 니켈계 구성요소 상에 브레이즈 합금 물질을 고온 분사하기 위한 방법 및 시스템 KR20240003716A (ko)

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