KR920000035B1 - Weldable cast nickel base superalloy - Google Patents

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Abstract

내용 없음.No content.

Description

균열이 발생되지 않는 용접제품Welding product that does not cause cracks

제1도는 열영향부내의 결정입계의 현미경 사진.1 is a micrograph of grain boundaries in the heat affected zone.

제2도는 결정입계와 관련된 공극의 1000배율의 주사전자 현미경 사진.2 is a scanning electron micrograph at 1000 magnifications of pores associated with grain boundaries.

제3도는 결정입계내의 M.C. 탄화물의 1000배율의 주사전자 현미경 사진.3 shows M.C. Scanning electron micrograph at 1000x magnification of carbide.

본 발명은 양호한 용접성을 갖도록 하기 위해 니켈을 기본으로 하는 초합금인 인코넬R718(InconelR718, 인터내쇼날 니켈사 제품)의 조성을 변경시키는 것에 관한 것이다.The present invention relates to changing the composition of Inconel R 718 (Inconel R 718, manufactured by International Nickel), which is a nickel-based superalloy in order to have good weldability.

인코넬 718은 특히, 개스터빈 엔진에 적용하는 합금으로서 1960년대에 개발된 니켈을 기본으로 하는 초합금이며, 초합금의 공칭조성은 니오븀과 탄탈륨이 5.12%, 크롬이 19%, 니켈이 52.5%, 몰리브덴이 3.05%, 티타늄이 0.9%, 알루미늄이 0.6%, 나머지는 철로 되어 있으며, 불순원소의 함량은 규소가 최대 0.3%, 탄소가 최대 0.8%, 황이 최대 0.015%, 망간이 최대 0.35%로 제한된다. 인코넬 718은 약 538-816℃(1000-1500℉)의 온도 범위에서 사용하기 적합한 중(中)정도의 강도를 가진 재료로서 미합중국 특허 제3,046,108호에 기재되어 있다.Inconel 718 is a super alloy based on nickel developed in the 1960s, especially for gas turbine engines.The nominal composition of superalloys is 5.12% niobium and tantalum, 19% chromium, 52.5% nickel and molybdenum. 3.05%, titanium 0.9%, aluminum 0.6%, the rest is iron, the content of impure elements is limited to silicon up to 0.3%, carbon up to 0.8%, sulfur up to 0.015%, manganese up to 0.35%. Inconel 718 is described in US Pat. No. 3,046,108 as a medium strength material suitable for use in the temperature range of about 538-816 ° C. (1000-1500 ° F.).

종래에는 상기 합금을 구부리거나 기타 유용한 형태로 성형한 단조 형태로 사용하거나 소정의 형상으로 주조한 주조 형태로 사용해 왔으며, 이러한 경우 복잡한 형상이나 정밀한 여유치수는 기계가공을 통해 완성된다.Conventionally, the alloy has been used in a forged form that is bent or formed into other useful forms or in a cast form cast in a predetermined shape, in which case a complex shape or a precise margin is completed through machining.

현대의 개스터빈 엔진은 과거의 엔진에 비해 복잡한 형상의 부품을 포함하며, 엔진의 중량을 감소시키기 위해 많은 노력을 하고 있다. 동시에 주조 기술상의 많은 발전에 의해 거의 최종제품이나 최소한의 기계가공이 필요한 정미형상까지 주조할 수 있으며, 사용온도와 응력을 증가시킴에 의해 보다 강력한 재료가 되기 위한 구동력을 생성시키도록 한다.Modern gas turbine engines contain more complex shaped parts than previous engines, and much effort has been made to reduce the weight of the engine. At the same time, many advances in casting technology allow casting to near-final products or even finer shapes that require minimal machining, and increase the operating temperature and stress to create driving forces to become stronger materials.

상기한 여러 인자들에 의해 개스터빈엔진 설계자들은 인코넬 718과 같은 조성으로 된 복잡한 형상의 주조부품을 사용하게 되었으며, 이같은 복잡한 형상의 부품 제조시의 주요 문제점은 인코넬 718의 주조시 결함(개재물, 수축 및 균열을 포함)이 발생되기 쉽다는 점이었고, 지금까지 인코넬 718의 주조품에 있어서, 복잡한 형상의 결함없는 부품은 비교적 적게 산출되었다. 따라서, 인코넬 718로 구성된 복잡한 주조부품의 실제 적용은 주조품을 용접보수하여 균열이나 기타 결함을 감소시키는 기술에 달려 있다. 또한, 기계가공 결함을 보수하는 능력을 구비하는 것도 유용하다. 그러나, 상기 인코넬 718은 양호한 용접성이 부족한 것이 문제가 되어 왔다.These factors make gas turbine engine designers use complex shaped cast parts with the same composition as Inconel 718. The main problem in manufacturing such complex shaped parts is the defect in casting of Inconel 718. And cracks), and in the castings of Inconel 718, relatively few defect-free parts of complex shape have been produced. Thus, the practical application of complex cast parts made of Inconel 718 depends on the technique of welding repair the casting to reduce cracks or other defects. It is also useful to have the ability to repair machining defects. However, the Inconel 718 has been a problem of the lack of good weldability.

분석결과, 인코넬 718의 용접시 발생하는 균열(더 정확하게 표현하면 미세균열)은 열영향부내의 결정입계내에서 발생한다는 것이 관찰되었다. 상기 열영향부는 용접영역에 인접한 영역으로서 용접시 그 자체는 용융되지 않는 영역이다.As a result, it was observed that cracks (or more precisely, microcracks) generated during welding of Inconel 718 occur at grain boundaries in the heat affected zone. The heat affected zone is an area adjacent to the welding area and is a region which does not melt itself upon welding.

본 발명을 평가하기 위해 수동 GTA(개스-텅스텐-아아크)용접방법을 사용하였으나 다른 형식의 용접방법을 사용했을때도 미세균열이 감소된다고 믿어진다. 열영향부의 재료는 용접시 고온으로 가열되며, 미세균열은 열영향부의 결정입계의 국부적인 용융과 냉각시 결정입계가 기계적인 구속에 의해 벌어짐으로서 발생되는 것으로 보여진다.A manual GTA (gas-tungsten-arc) welding method was used to evaluate the present invention, but it is believed that the microcracks are reduced even when other types of welding methods are used. The material of the heat affected zone is heated to a high temperature during welding, and the microcracks are shown to be generated by the local melting of the grain boundaries of the heat affected zone and by the mechanical confinement upon cooling.

상기 균열은 열영향부의 용융 및 재응고하는 결정입계에 라베스타입의 상(Laves type phases)이 존재하는 것과 결정입계에 MC 탄화물이 존재하는 것에 관련된다. 또한 결정입계의 용융은 황, 붕소 및 인과 같은 융점 강하 불순물의 농도가 높은 것에 관련이 있다. 제1도는 용융되고 용접 후 재응고된 열영향부 인코넬 718)내의 결정입계 모양을 보여주는 1000배의 현미경 사진으로서, 용융된 결정입계의 중앙에 이상한 상이 뚜렷하게 보이며, 이 이상한 상에 관련된 결정입계내에 균열 및/또는 공극이 보인다. 제2도는 열영향부내의 결정입계 중앙에 존재하는 균열 또는 공극의 1000배의 주사전자 현미경 사진으로서, 균열의 표면이 파의 모양이거나 둥근모양인 것으로 보아 이 균열이 용융된 금속으로부터 형성되었다는 사실, 즉, 균열은 응고가 완료되기전에 생성되었다는 사실을 알 수 있다.The crack is related to the presence of Laves type phases at the grain boundaries that melt and resolidify the heat affected zone and the presence of MC carbide at the grain boundaries. Melting of grain boundaries is also associated with high concentrations of melting point dropping impurities such as sulfur, boron and phosphorus. FIG. 1 is a 1000-fold micrograph showing the shape of the grain boundaries in the heat affected zone Inconel 718 that has been melted and resolidified after welding, with an unusual phase clearly visible in the center of the molten grain boundary and within the grain boundaries associated with this abnormal phase. Cracks and / or voids are visible. FIG. 2 is a scanning electron micrograph 1000 times larger than the cracks or voids in the center of the grain boundary in the heat affected zone. The fact that the cracks were formed from molten metal, as the surface of the cracks were wave or round, In other words, it can be seen that the crack was formed before solidification was completed.

표 1은 기본 합금재료의 조성, 용접부로부터 이격된 결정입계의 조성, 그리고 균열이 관찰된 용접부 근처의 결정입계의 조성을 표시하고 있으며, 여기서 사용한 참조 기호(A,B,C)는 제1도의 참조 기호에 대응하는 것이다. 또한, 용접부 근처의 결정입계는 전술한 라베스상이라고 불리우는 상을 함유하고 있다. 표 1로부터 알 수 있듯이 용접부가 응고된 영역 근처의 결정입계의 조성은 기본 금속의 조성에 비해 규소가 약 10배, 니오븀이 약 6배 증가되어 있다. 제3도는 MC 탄화물의 콘트래스트(contrast)를 증대시키는 기법이 채용된 주사전자 현미경 사진을 도시한 것으로서, 열영향부의 결정입계내의 MC 탄화물의 현저한 집중을 뚜렷하게 볼 수 있다.Table 1 shows the composition of the base alloy material, the grain boundary separated from the weld, and the grain boundary near the weld where cracks were observed. Reference symbols (A, B, and C) used here refer to FIG. It corresponds to a symbol. In addition, the grain boundary near the welded part contains a phase called the Laves phase described above. As can be seen from Table 1, the composition of the grain boundary near the region where the weld was solidified is about 10 times that of silicon and about 6 times that of niobium, compared to the composition of the base metal. 3 shows a scanning electron micrograph in which the technique of increasing the contrast of MC carbide is employed, where a marked concentration of MC carbide in the grain boundaries of the heat affected zone can be clearly seen.

[표 1]TABLE 1

Figure kpo00001
Figure kpo00001

상기한 인자들로부터 니오븀, 규소 및 탄소의 농도가 감소한다는 결론을 얻었으며, 니오븀관 탄탈륨(여기서, 탄탈륨은 통상 니오븀내에 불순물로서 존재하며, 니오븀과 동일한 합금효과를 가지는 원소이다)의 총함량을 그 표준함량인 4.75-5.5%로부터 4.75-5.125%까지 니오븀 함량을 감소시키고, 일반적으로 0.35%까지 허용되는 규소함량을 최대 0.05%까지 제안하고, 탄소함량을 그 상업적 최대 함량 기준인 0.1%로부터 0.03-0.06%까지 변화시키므로써, 용접에 관련된 미세균열은 상당히 감소될 수 있다. 또한 황, 지르코늄, 붕소 및 인의 함량도 상업적 최소함량까지 감소시키는 것이 바람직하다.From the above factors, it was concluded that the concentrations of niobium, silicon and carbon were reduced, and the total content of niobium tube tantalum (here, tantalum is usually present as an impurity in niobium and has the same alloying effect as niobium) It reduces the niobium content from its standard content of 4.75-5.5% to 4.75-5.125%, suggests a maximum allowable silicon content of up to 0.05% up to 0.35%, and the carbon content is 0.03 from 0.1% based on its commercial maximum content. By varying by -0.06%, the microcracks associated with welding can be significantly reduced. It is also desirable to reduce the content of sulfur, zirconium, boron and phosphorus to a commercial minimum.

본 발명에 따라 변경된 조성물의 합금에서 관찰되는 용접 균열의 성공적인 제거는 2가지의 일련의 사항의 결과일 것이다. 첫째, 붕소, 황, 지르코늄 및 인(이들 모두는 결정입계에 집중되는 경향이 있으며, 융점저하 원소이다)을 감소시키므로써 열영향부내의 결정입계의 용융이 실질적으로 감소되고, 둘째, 변경된 조성물에서 발생하는 결정입계의 용융량을 감소시키기 위해 니오븀과 규소를 감소시키므로써 해로운 라베스상의 형성을 실질적으로 제거한다. 또한, 탄소함량의 제한에 의해 형성되는 MC 탄화물의 양도 감소된다.Successful removal of the weld cracks observed in the alloy of the modified composition according to the invention will be the result of two series of points. Firstly, the melting of the grain boundaries in the heat affected zone is substantially reduced by reducing boron, sulfur, zirconium and phosphorus (all of which tend to concentrate at grain boundaries and are melting points lowering elements), and second, in modified compositions By reducing niobium and silicon in order to reduce the amount of melting of the grain boundaries occurring, the formation of harmful Laves phases is substantially eliminated. In addition, the amount of MC carbide formed by the limitation of the carbon content is also reduced.

전술한 본원 발명의 특징 및 그 밖의 장점은 첨부한 도면을 참고로 한 다음의 기술에 의해 더욱 명확해질 것이다. 본 명세서에서의 %는 중량%이다.The above described features and other advantages of the present invention will become more apparent from the following description with reference to the accompanying drawings. % In this specification is weight%.

본 발명의 최선의 실시양상은 인코넬 718 조성의 니오븀+탄탈륨의 총 함량을 4.75-5.125%로 제한하고, 규소의 함량을 최대 0.05%로 제한하고, 탄소함량을 0.03-0.06%로 변화시키는 것이다. 또한, 황, 지르코늄, 붕소 및 인의 함량을 상업적 기준에 부합하게 가능한한 적은 양으로 제한하는 것이 매우 바람직하다. 상기 황, 지르코늄, 붕소 및 인의 감소는 출발원료로서 처녀재를 사용하는, 즉 출발원료로 재생재 또는 스크립재보다는 개개의 순수한 출발원소를 사용하는 최선의 방법을 이용함으로써 양호하게 달성된다.The best aspect of the present invention is to limit the total content of niobium + tantalum in the Inconel 718 composition to 4.75-5.125%, limit the content of silicon up to 0.05%, and change the carbon content to 0.03-0.06%. In addition, it is highly desirable to limit the content of sulfur, zirconium, boron and phosphorus in as small amounts as possible to meet commercial standards. The reduction of sulfur, zirconium, boron and phosphorus is well achieved by using the best method of using virgin material as starting material, i.e., using individual pure starting elements rather than recycled or scraped material as starting material.

표 2는 인코넬 718의 10개의 표본의 조성과 용접 시험 결과를 표시한 것이다. 상기 10개의 표본 중 7개의 표본은 본원 발명에 따라 처녀재(vergin material)로부터 화학성분을 조절하여 특별히 제조한 시험표본이며, 나머지 3개의 표본은 상업용 엔진부품으로서 그중 1개의 시편은 처녀재 또는 스크립재로부터 제조한 것이다.Table 2 shows the composition and weld test results for 10 specimens of Inconel 718. Seven of the ten specimens are test specimens specially prepared by adjusting the chemical composition from the virgin material according to the present invention, and the remaining three specimens are commercial engine parts, one of which is the virgin material or the scrip. It is made from ash.

[표 2]TABLE 2

Figure kpo00002
Figure kpo00002

(1) 상업용 엔진부품 ; 처녀재(1) commercial engine parts; Virgin material

(2) 상업용 엔진부품 ; 재생재(2) commercial engine parts; Recyclables

표 2로부터 규소, 니오븀 및/또는 탄소가 과잉량이면 미세균열 증가함을 알 수 있다. 또한, 재생재 또는 스크랩재로 제조한 2개의 표본이 처녀재로 제조한 표본에 비해 미세균열이 월등이 크므로 처녀재의 사용이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 표본번호 3 및 5의 니오븀 함량은 본 발명에서 한정한 값의 상한치 또는 그 이상으로서 처녀재로 제조한 표본보다 균열의 정도가 심하며, 또한 이들 두 표본의 탄소함량은 본 발명에서 허용되는 탄소함량의 상한이다. 따라서, 상기 데이터로부터, 탄소, 규소 및 니오븀의 영향과 인코넬 718 합금의 용접성이 실증되며, 또한 전술한 바와 같이 상기 원소들을 제한함에 의해 인코넬 718의 용접성이 실질적으로 향상된다.It can be seen from Table 2 that the amount of microcracks increases when silicon, niobium and / or carbon are in excess. In addition, it can be seen that the use of the virgin material is preferable because the two samples made of the recycled material or the scrap material have a greater fine crack than the specimen made of the virgin material. The niobium content of specimen Nos. 3 and 5 is higher than or equal to the upper limit of the value defined in the present invention, and the degree of cracking is higher than that of the sample made of virgin material. It is the upper limit. Thus, from the above data, the influence of carbon, silicon and niobium and the weldability of the Inconel 718 alloy are demonstrated, and the weldability of Inconel 718 is substantially improved by limiting the elements as described above.

이상은 본원 발명의 특정 실시예에 대한 설명일뿐이며, 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변경이 가능하다.The foregoing is merely a description of specific embodiments of the present invention, and various changes may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.

Claims (1)

17-21% Cr, 50-55% Ni, 2.8-3.0% Mo, 0.65-1.15% Ti, 0.2-0.8% Al, 4,75-1.1%(Nb+Ta), 0.03-0.06%의 C, 0-0.05%의 Si, 잔여 철로된 공칭 조성을 갖는, 용접 관련 균열이 거의 없는 용접제품.17-21% Cr, 50-55% Ni, 2.8-3.0% Mo, 0.65-1.15% Ti, 0.2-0.8% Al, 4,75-1.1% (Nb + Ta), 0.03-0.06% C, 0 Welding products with a weld-free crack with a nominal composition of Si, residual iron of -0.05%.
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